JP2023137889A - 穀物成分センサ及び穀物成分分析装置 - Google Patents

穀物成分センサ及び穀物成分分析装置 Download PDF

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Abstract

【課題】小型で、メンテナンスフィー、ランニングコストの低減が可能な、穀物成分センサ及び穀物成分分析装置を提供する。【解決手段】光源として白色光を発する白色ＬＥＤ１７と、試料９が充填される試料ホルダ８と、前記試料からの反射光を受光し分光分析を行う分光器１１と、前記白色ＬＥＤと前記試料ホルダ間の光路上に設けられた光学フィルタ２１とを有し、該光学フィルタは、９５０ｎｍ～１１００ｎｍの波長帯での透過率が略１００％で可視光域の光を略０％にカットする光学特性を有し、前記白色ＬＥＤから発せられた光は前記光学フィルタを透過し、９５０ｎｍ～１１００ｎｍの波長帯の検出光として前記試料に照射され、該試料からの拡散反射光が集光レンズ２４によって集光され、前記分光器に入射する様構成された。【選択図】図１

Description

本発明は、穀物に含まれている成分を分光法により分析する穀物成分センサ及び穀物成分分析装置に関するものである。
穀物を測定対象として、穀物に含まれている成分を光学的に分析する分析装置が知られている。
近年の農業機械、例えばコンバイン等では、ＧＮＳＳセンサを搭載し、作業中の重機の位置情報が得られる様にしたものがある。
穀物成分分析装置を農業機械に搭載し、収穫中の穀物のタンパク・水分含有率といった品質データをリアルタイムで取得し、取得したデータを圃場の位置情報と関連付けることにより、肥料の散布量の調整、或は土壌の改良を行うことができ、効率よく高品質で一定品質の作物を作るための営農計画に役立てることが可能となる。
従って、穀物成分分析装置を農業機械に搭載することは農業の発展に有用となっている。
従来、穀物成分分析装置としては、穀物に近赤外光を照射して、水分子、タンパク質を構成する分子特有の波長帯での光吸収量を検出し、水分含有率、タンパク含有率を測定する穀物成分分析装置がある。
図６に示される様に、従来の穀物成分分析装置は、光源部３０、測定光学系３１、分光器３２を具備しており、光源としてはハロゲンランプが用いられている。
光源部３０（ハロゲンランプ）で発光された光は光ファイバ３３により、測定光学系３１に導かれ、該測定光学系３１から測定光ｅとして測定対象（図示せず）に照射される。測定対象で反射された測定光３４（反射測距光３４′）は測定光学系３１で受光され、光ファイバ３５を介して分光器３２に入射される。該分光器３２では、反射測距光３４′を光分析し、特定波長帯での光吸収量を検出し、穀物のタンパク・水分含有率を測定している。
上記穀物成分分析装置に用いられているハロゲンランプは、高発熱量、高消費電力であるので、測定に発熱の影響を与えない様、高熱遮断の構造、放熱構造が必要であり、光源部３０と測定光学系３１、分光器３２とは分離独立した構成となっており、各ユニット間は前記光ファイバ３３，３５で連結されている。この為、穀物成分分析装置の小型化が困難という問題があった。
更に、ハロゲンランプは、高価であると共に寿命が短く、頻繁に交換しなければならないと言う問題もあり、メンテナンスフィー、ランニングコストの上昇の要因となっていた。
特開２０１６－１１４４８８号公報 特開２０１６－１３３４７３号公報 特開２０１９－１９８３３４号公報
本発明は、小型で、メンテナンスフィー、ランニングコストの低減が可能な、穀物成分センサ及び穀物成分分析装置を提供するものである。
本発明は、光源として白色光を発する白色ＬＥＤと、試料が充填される試料ホルダと、前記試料からの反射光を受光し分光分析を行う分光器と、前記白色ＬＥＤと前記試料ホルダ間の光路上に設けられた光学フィルタとを有し、該光学フィルタは、９５０ｎｍ～１１００ｎｍの波長帯での透過率が略１００％で可視光域の光を略０％にカットする光学特性を有し、前記白色ＬＥＤから発せられた光は前記光学フィルタを透過し、９５０ｎｍ～１１００ｎｍの波長帯の検出光として前記試料に照射され、該試料からの拡散反射光が集光レンズによって集光され、前記分光器に入射する様構成された穀物成分センサに係るものである。
又本発明は、前記光学フィルタでの反射光軸上に光吸収板が設けられ、前記光学フィルタで反射された光を吸収する様構成した穀物成分センサに係るものである。
又本発明は、キャリブレーション部を更に具備し、該キャリブレーション部は標準白色反射板、白色板挿脱部を含み、該白色板挿脱部は、前記光学フィルタと前記試料ホルダの間の光路上に前記標準白色反射板を挿脱可能に構成された穀物成分センサに係るものである。
又本発明は、前記光源、前記分光器、前記光学フィルタ、前記キャリブレーション部は、センサケースに収納され、前記試料ホルダは前記センサケースに着脱可能である穀物成分センサに係るものである。
更に又本発明は、上記いずれかの穀物成分センサと、制御部、記憶部、表示部、電源部とを具備し、該電源部は前記穀物成分センサ、前記制御部、前記記憶部、前記表示部に所要の電力を供給し、前記制御部は、前記記憶部に格納されたプログラムに基づき前記穀物成分センサの分光計測を実行し、得られた分光データに基づき反射拡散スペクトルを取得し、反射拡散スペクトル、分光データ、演算結果を前記表示部に表示する様構成された穀物成分分析装置に係るものである。
本発明によれば、光源として白色光を発する白色ＬＥＤと、試料が充填される試料ホルダと、前記試料からの反射光を受光し分光分析を行う分光器と、前記白色ＬＥＤと前記試料ホルダ間の光路上に設けられた光学フィルタとを有し、該光学フィルタは、９５０ｎｍ～１１００ｎｍの波長帯での透過率が略１００％で可視光域の光を略０％にカットする光学特性を有し、前記白色ＬＥＤから発せられた光は前記光学フィルタを透過し、９５０ｎｍ～１１００ｎｍの波長帯の検出光として前記試料に照射され、該試料からの拡散反射光が集光レンズによって集光され、前記分光器に入射する様構成されたので、発光源の小型化、更に穀物成分分析装置の小型化、省電力化、長寿命化が図れ、メンテナンスフィー、ランニングコストが低減するという優れた効果を発揮する。
本発明の実施例に係る穀物成分分析装置の概略構成図である。 本実施例の光学フィルタの光学特性（波長透過特性）を示すグラフである。 該光学フィルタの減光作用を示すグラフである。 キャリブレーション時の反射分光データと実測時の反射分光データを示している。 本実施例の分析データと従来型の分析データとを示すグラフである。 従来の穀物成分分析装置の概略図である。
以下、図面を参照しつつ本発明の実施例を説明する。
図１は、本実施例に係る穀物成分分析装置１の概略構成を示している。
図中、２は筐体であり、該筐体２の内部に成分検出センサ３、制御部４、記憶部５、電源部６、表示部７等が設けられている。該電源部６は、前記成分検出センサ３、前記制御部４、前記表示部７等に、所要の電力を供給する。
前記記憶部５には、前記穀物成分分析装置１が分光計測を実行する為の種々のプログラム、分光計測で得られた分光データに基づき水、タンパク質の含有率等を演算するプログラムが格納され、又前記記憶部５には分光計測で得られた分光データが格納される。
前記制御部４は前記記憶部５に格納されたプログラムを実行し、前記分光器１１、前記キャリブレーション部１４、前記ドライバ１８等について所要のタイミングで、所要の制御を行う。
尚、記憶部５としては、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＦｌａｓｈＲＯＭ、ＤＲＡＭ等の半導体メモリ、ＨＤＤ等の磁気記録メモリが用いられる。又前記制御部４としては本実施例に特化されたＣＰＵ、或は汎用性ＣＰＵ、埋込みＣＰＵ、マイクロプロセッサ等が用いられる。
前記成分検出センサ３には試料ホルダ８が設けられる。該試料ホルダ８は前記成分検出センサ３に対して固定的に設けられてもよく、着脱可能に設けられてもよい。
前記試料ホルダ８には測定対象（試料）９が充填される様になっており、前記試料ホルダ８が前記成分検出センサ３に対して固定的に設けられる場合は、前記穀物成分分析装置１の外部から試料９を前記試料ホルダ８に充填可能であり、又前記試料ホルダ８から排出可能となっている。
又、前記試料ホルダ８が前記成分検出センサ３に対して着脱可能となっている場合は、測定開始時には試料９が充填された前記試料ホルダ８を前記成分検出センサ３に取付け、測定完了時に前記成分検出センサ３から前記試料ホルダ８を取外す様になっている。
又、予め試料を充填した前記試料ホルダ８を複数用意し、測定完了毎に該試料ホルダ８を交換すれば、測定を能率よく行うことができる。
前記試料ホルダ８は、検出光が入射する為の入射窓１０を有し、該入射窓１０はガラス板等の透明の板で密閉されている。或は、前記試料ホルダ８は全体が透明材料で構成されていてもよい。
次に、前記成分検出センサ３について説明する。
該成分検出センサ３は、主に分光器１１、光源部１２、受光部１３、キャリブレーション部１４を具備する。前記分光器１１、前記光源部１２、前記受光部１３、前記キャリブレーション部１４をセンサケース１５に収納し、前記成分検出センサ３をユニット化してもよい。この場合、前記試料ホルダ８は前記センサケース１５に対して着脱可能としてもよく、或は筐体２に対して着脱可能としてもよい。
前記分光器１１、前記光源部１２、前記受光部１３、前記キャリブレーション部１４へは前記電源部６から電力がそれぞれ供給される。
前記分光器１１は、検出素子としてＳｉ単結晶が用いられるエネルギー分散型のＳｉ検出器を有し、検出素子が受光した光を分光分析する様になっている。又、Ｓｉ検出器による分析可能な範囲は、１１００ｎｍ以下の波長の近赤外光となっている。
前記光源部１２は発光源として、白色光を発する白色ＬＥＤ１７と該白色ＬＥＤ１７を発光させるドライバ１８を有し、該ドライバ１８には前記電源部６から電力が供給され、前記制御部４によって発光が制御されている。
前記白色ＬＥＤ１７の光路（光軸）上に光学フィルタ２１が配設される。後述する様に、該光学フィルタ２１は、可視光域の光を遮断又は減光し、成分検出に必要な波長帯を透過する光学特性を有する。
前記白色ＬＥＤ１７は、市販の白色ＬＥＤ１７を使用することができ、発光素子とレンズが一体化されたものであり、前記発光素子からの光線が平行光、或は所定の広がり角になる様に設定されている。又、本実施例では、試料迄の投光距離を短くすることができるので、前記白色ＬＥＤ１７から発せられる光をレンズ等の光学系を介することなく、試料９に直接照射することができる。従って、本実施例では投光光学系を省略できる。
次に、本実施例では試料に含有される水分子、タンパク質を構成する分子を分光解析で検出する。
水は１９４０ｎｍ、１４５０ｎｍ、１１９０ｎｍ、９７０ｎｍ及び７６０ｎｍに比較的強い吸収を示す。又、タンパク質は色々な官能基による吸収が重なった複雑なスペクトルを示すが、２１８０ｎｍ、２０５０ｎｍに特徴的な吸収バンドを持つことが分っている。
従って、近赤外分光では１０００ｎｍ以上の長波長を用いるのが好ましいが、この波長帯域では高価なＩｎＧａＡｓ検出器を使用しなければならない。そこで、本実施例では、波長１１００ｎｍ以下の波長範囲を利用して近赤外分光を行うこととし、Ｓｉ検出器の使用を可能としている。
前記白色ＬＥＤ１７からは白色光が発せられ、白色光には略全域の波長帯が含まれている。成分検出に必要な波長帯以外の光について、遮断することが好ましい。又、白色ＬＥＤの特徴として、赤外域（９００ｎｍ）より長波長域の出力が可視域より大幅に小さいので（例えば１／１０）、可視光域で分光感度が飽和することを避けなければならない。
図２は、前記光学フィルタ２１の光学特性を示すグラフであり、縦軸が透過率、横軸が波長を示している。
又、図２中、曲線Ａは、本実施例で要求する波長／透過率曲線であり、曲線Ｂは、本実施例に用いられた実際の光学フィルタ２１の波長／透過率曲線である。
曲線Ａ、曲線Ｂは略一致しており、前記光学フィルタ２１は本実施例で用いられる９５０ｎｍ～１１００ｎｍの波長帯での透過率が略１００％となっている。
即ち、前記光学フィルタ２１は、波長１１００ｎｍ～９５０ｎｍの波長範囲を略１００％透過し、９５０ｎｍ以下の波長域（可視光域）の光を略０％にカットする光学特性を有している。
尚、本実施例では、前記光学フィルタ２１の光学特性を、可視域透過率２．５％、赤外域の透過率が略１００％としている。可視域の光についても２．５％の透過を許すことで、後述する様に、水分子、タンパク質分子以外の分子について光分析が可能となる。
尚、使用される白色ＬＥＤ１７によって、前記光学フィルタ２１の最適な透過率は異なるものと考えられ、上記透過率に限定されるものではない。
従って、前記試料９に照射される光は、波長１１００ｎｍ～９５０ｎｍの波長範囲となっている。照射される光が、成分検出に必要な波長帯に限定されることで、検出結果のＳ／Ｎが向上する。又、可視光域で分光感度が飽和することも回避できる。
前記白色ＬＥＤ１７から発せられた光２０は、光学フィルタ２１を透過し、更に前記入射窓１０を透して前記試料９に照射される。
前記光学フィルタ２１、前記入射窓１０は、前記白色ＬＥＤ１７の光軸に対して所定の角度傾斜している。前記光学フィルタ２１、前記入射窓１０で反射した光が、前記白色ＬＥＤ１７に入らない様にし、前記白色ＬＥＤ１７での発光状態が不安定になることを防止している。尚、図示では、前記光学フィルタ２１、前記入射窓１０はそれぞれ光軸に対して４５゜傾斜しているが、この角度に限定されるものではない。
前記光学フィルタ２１では、前記波長１１００ｎｍ以下の波長を透過するが、同時に前記光学フィルタ２１の表面で白色光を反射する。本実施例では、該白色光の反射光軸上に、光吸収板２３が設けられる。該光吸収板２３は前記光学フィルタ２１からの反射光を吸収する。該光吸収板２３は、前記光学フィルタ２１で反射された光が筐体２の内部で乱反射し、前記分光器１１による検出結果に影響を与えることを防止する。
前記試料９で反射された拡散反射光は、集光レンズ２４により集光され、前記分光器１１に入射される。
該分光器１１は入射された反射光を光分析し、分光データを前記制御部４に出力する。
該制御部４は、分光データに基づき反射拡散スペクトルを取得し、更に、水分、タンパク質の含有量を演算し、反射拡散スペクトル、分光データ、タンパク含有率、水分含有率等の演算結果、等を前記表示部７に表示する。
次に、本実施例では測定精度を保証する為、前記キャリブレーション部１４を具備している。
該キャリブレーション部１４は、少なくとも標準白色反射板２５と、白色板挿脱部２６とを有する。
前記白色板挿脱部２６は前記標準白色反射板２５を前記白色ＬＥＤ１７から発せられる光路中に挿脱するものである。前記試料９の成分分析の前後、或は前後のいずれか、或は所定時間毎に前記標準白色反射板２５が光路中に挿入され、該標準白色反射板２５に前記光２０が照射され、該標準白色反射板２５からの反射光がキャリブレーション用の基準光として、前記分光器１１で検出される。又、前記白色板挿脱部２６の駆動、駆動のタイミングは前記制御部４によって制御される。
次に、前記光学フィルタ２１と前記標準白色反射板２５との関係について説明する。
上記した様に、本実施例では９５０ｎｍ～１１００ｎｍの波長域（特に１０００ｎｍ～１１００ｎｍ）の光線を必要としており、この帯域の波長の光強度が測定に適したものとする様に前記白色ＬＥＤ１７を発光させると、可視領域の波長（９５０ｎｍ以下の波長）での光強度が強くなり、前記分光器１１の受光検出器が飽和してしまう。
図３は、前記標準白色反射板２５を光路中に挿入して得られた標準白色反射板の反射分光データを示している。図３に於いて、縦軸が受光信号の強度、横軸が波長を示している。又、図中、曲線Ａは前記光学フィルタ２１が無い状態での反射分光データであり、９５０ｎｍ以下の波長で受光検出器が飽和している。
次に、曲線Ｂは前記光学フィルタ２１を透して光２０を照射した場合の標準白色反射板の反射分光データを示している。前記光学フィルタ２１を設けることで、全波長域で飽和させることなく、反射分光データを取得できたことを示している。
図４は、前記光学フィルタ２１を設けた状態での、標準白色反射板の反射分光データを曲線Ａとして、試料９（本実施例では小麦）からの反射分光データを曲線Ｂとして示している。図４に於いて、縦軸が受光信号の強度、横軸が波長を示している。
曲線Ａは、キャリブレーション状態の反射分光データを示している。
曲線Ｂは、全波長域で試料からの反射光も計測に必要な光強度が得られることを示しており、前記光学フィルタ２１の有効性を示している。従って、前記白色ＬＥＤ１７と前記光学フィルタ２１の組合わせで、穀物以外の測定対象についても成分分析が可能である。
図５は、ハロゲンランプを使用した従来型の穀物成分分析装置と本実施例に係る穀物成分分析装置の測定結果を示している。図５に於いて、縦軸が相対反射率、横軸が波長を示している。ここで、相対反射率とは、測色計から放射された光エネルギーが、参照面に対して試験面がどの程度反射されて戻ってきたかを％で表したものである。
測定対象を小麦とし、曲線Ａが従来型の穀物成分分析装置の分析データであり、曲線Ｂが本実施例の穀物成分分析装置の分析データを示している。
測定時期、試料が異なっており単純に比較することは難しいが、曲線の形状はおおよそ一致しており、本実施例の穀物成分分析装置による測定が有用であることが分る。
上記した様に、本実施例では光源部として白色ＬＥＤ１７を使用しており、使用した白色ＬＥＤ１７は、外形形状が略５×５×５．５（ｍｍ）と小さく、更に消費電力は２．３Ｗとなっている。又、寿命としては、大体４００００Ｈｒとなっている。
尚、ハロゲンランプの消費電力としては１００Ｗ、更にハロゲンランプの放熱を考慮した電源部の大きさはおおよそ、φ５０×４５ｍｍとなり、ハロゲンランプの寿命は１０００Ｈｒ程度となっている。
従って、本実施例では、光源自体が小さく、又消費電力が０．２８Ｗで、発熱量が大幅に小さく、又特別な放熱構造とする必要がないことから光源部を著しく小型化できる。更に、分光器１１、制御部４、記憶部５、表示部７とを分離する必要がなく、一体化できるので、穀物成分分析装置１の小型化、軽量化が可能となる。
又、前記白色ＬＥＤ１７の寿命は、ハロゲンランプに比べ著しく長いので、メンテナンスフィー、ランニングコストの低減が図れる。
本実施例では、穀物成分センサ、穀物成分分析装置の小型軽量化、且つ一体化が可能、更に小消費電力であるので、農業機械等の移動機械に搭載することが容易となる。
１ 穀物成分分析装置
２ 筐体
３ 成分検出センサ
４ 制御部
５ 記憶部
６ 電源部
７ 表示部
８ 試料ホルダ
９ 試料
１０ 入射窓
１１ 分光器
１４ キャリブレーション部
１７ 白色ＬＥＤ
１８ ドライバ
２１ 光学フィルタ
２３ 光吸収板
２４ 集光レンズ
２５ 標準白色反射板
２６ 白色板挿脱部

Claims (5)

  1. 光源として白色光を発する白色ＬＥＤと、試料が充填される試料ホルダと、前記試料からの反射光を受光し分光分析を行う分光器と、前記白色ＬＥＤと前記試料ホルダ間の光路上に設けられた光学フィルタとを有し、該光学フィルタは、９５０ｎｍ～１１００ｎｍの波長帯での透過率が略１００％で可視光域の光を略０％にカットする光学特性を有し、前記白色ＬＥＤから発せられた光は前記光学フィルタを透過し、９５０ｎｍ～１１００ｎｍの波長帯の検出光として前記試料に照射され、該試料からの拡散反射光が集光レンズによって集光され、前記分光器に入射する様構成された穀物成分センサ。
  2. 前記光学フィルタでの反射光軸上に光吸収板が設けられ、前記光学フィルタで反射された光を吸収する様構成した請求項１に記載の穀物成分センサ。
  3. キャリブレーション部を更に具備し、該キャリブレーション部は標準白色反射板、白色板挿脱部を含み、該白色板挿脱部は、前記光学フィルタと前記試料ホルダの間の光路上に前記標準白色反射板を挿脱可能に構成された請求項１に記載の穀物成分センサ。
  4. 前記光源、前記分光器、前記光学フィルタ、前記キャリブレーション部は、センサケースに収納され、前記試料ホルダは前記センサケースに着脱可能である請求項３に記載の穀物成分センサ。
  5. 請求項１～請求項４のいずれかの穀物成分センサと、制御部、記憶部、表示部、電源部とを具備し、該電源部は前記穀物成分センサ、前記制御部、前記記憶部、前記表示部に所要の電力を供給し、前記制御部は、前記記憶部に格納されたプログラムに基づき前記穀物成分センサの分光計測を実行し、得られた分光データに基づき反射拡散スペクトルを取得し、反射拡散スペクトル、分光データ、演算結果を前記表示部に表示する様構成された穀物成分分析装置。
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