JP3181596B2

JP3181596B2 - ハンドヘルド赤外線分光装置

Info

Publication number: JP3181596B2
Application number: JP51064197A
Authority: JP
Inventors: エイチ．レビンケネス; ケレムサムエル; マドロスキーウラジミル
Original assignee: インフラレッドファイバーシステムス，インク．
Priority date: 1995-08-31
Filing date: 1996-08-30
Publication date: 2001-07-03
Anticipated expiration: 2016-08-30
Also published as: WO1997008537A1; JPH10512678A; EP0847524A4; EP0847524A1

Description

【発明の詳細な説明】関連出願の相互参照本出願は、1995（平成７）年８月31日出願の米国暫定
出願第60/003,047号の権利を請求しており、かつ、この
参照により前記出願の主題を組み入れている。

発明の分野本発明は、材料をその光学的反射スペクトル又は透過
スペクトルに基づいて分析するための装置に関するもの
である。

発明の背景プラスチック或は他の多くの材料は、自己の赤外線
（IR）反射スペクトル又は透過スペクトルによって識別
可能である。ナイロン、ポリエチレン等は、各自が固有
のIR特性スペクトルを有しているからである。例えば、
プラスチックに投射したほぼ一定強度のIRビームにより
所定波長範囲に亘ってプラスチックをスキャンして、そ
の反射又は透過光の強度を波長の関数として測定すれ
ば、この測定スペクトルによりプラスチックの種類を識
別できる。

また、複数のプラスチック又は他の材料からなる混合
物を定量的に分析することも可能である。検査対象の試
料からの反射スペクトル又は透過スペクトルからは、例
えば、ナイロン50％とポリエチレン50％であるというよ
うなことが求められ、また、試料としてのガソリンから
はオクタンの比率が測定でき、棒状チョコレートからは
脂肪量等を測定することもできる。

従来、各種形態のIR分光計が公知であり、一例として
は、回折格子或はFTIR技術を用いたものがある。この種
のものは、嵩ばり、扱い憎く、測定に時間がかかるた
め、プラスチックの迅速な識別には不適で、また、作業
現場のように離れた場所での使用や、手に持っての使用
には適していない。

従来公知の別のIR分光計には、Levinらによる米国特
許第5,120,961号や、Kemenyらによる米国特許第4,883,9
63号や、Changによる米国特許第4,052,121号で開示され
ているような超音波光学チューナブルフィルター（Acou
sto−Optical Tunable Filter:AOTF）を用いたものがあ
る。本願は、これらの特許を参照することによりその全
内容を引用している。超音波光学チューナブルフィルタ
ー（AOTF）は、電気的に同調可能の狭帯域フィルターと
して作用するTeO₂（二酸化テルル）の結晶のような複屈
折結晶に基づいており、前記結晶における超音波圧縮波
によって回折が得られる。

音波が前記結晶を通過すると、音波の通過と共に結晶
内部の圧縮力または圧力は変化して屈折率を周期的に変
化させる。結晶の圧縮力が変化すると、結晶の入射面及
び射出面に対して垂直方向に結晶を透過する非偏光可視
光ビーム又は赤外線ビームの複屈折率も同じように変化
する。ある音響波長を有する音が結晶内にあると、前記
音響波長に比例する波長を備えた光又は赤外線を透過さ
せる光学フィルターとして結晶は作用する。複屈折結晶
は周波数選択式狭帯域光学フィルターとして作用し、ま
た、いかなる音響波長を有する音であっても結晶を透過
できるので、音響励振器（driver）の周波数を変化させ
るだけで所望の可視波長又は赤外線波長を自由に選択す
ることができる。

音響励振器は圧電型（石英又はリチウムニオブ酸化
物:LiNbo）の第２の結晶であり、これは音響トランスデ
ューサーである。このような圧電結晶は、無線周波域下
においては寸法が変化する。

圧電性のLiNoに結合された複屈折性のTeO₂はLiNoが複
屈折結晶に対して平行の面を横切るように正弦波のAC電
圧を印加された状態であると、周波数掃引光学フィルタ
ーとして作用する。圧電結晶の両面に印加されたAC電圧
が20〜100MHzの高い無線周波数（RF）であると、音響波
長は赤外線（IR）の波長に一致する（1MHzは百万サイク
ル／秒）。印加電圧は、発生させる周波数を決めるソフ
トウェアアルゴリズムにより制御されるデジタル合成器
（synthesizer）によって得ることができ、この合成器
は、順次スキャンができ、また、ランダムアクセスでホ
ップすることもできる。

結晶内を（複屈折結晶と圧電結晶との間の接合面に対
して平行に）透過する広帯域スペクトルの（例えばハロ
ゲンランプからの）白色光は、圧電結晶内の音の音響周
波数と一致する単一の光学的周波数を備えたビームとし
て出力される。AOTFフィルターにより選択される代表的
IR波長は、１〜３μｍ（近赤外線）または２〜５μｍ
（中間赤外線）である。

同調した赤外線ビームは、試料で反射するが試料を透
過して、試料のスペクトルとして測定され、試料が識別
される。プラスチックや他の材料からなる試料を識別す
るために、光の周波数掃引ビームを未測定材料の表面に
照射すると、材料は照射された光の異なる割合を様々な
周波数ごとに反射する。反射光の検出には光検出器（ph
otodetector）が使用でき、光検出器で反射光を電気的
な信号に変換する。IR又は光の周波数における材料の反
射パターンは、電子回路によりプロットでき、このパタ
ーンを、様々な材料に対応する既知のパターンと照合し
て材料を識別する。

IR分光計は、様々な割合の成分を含んだ試料を識別す
るために回路を調整すると、試料の成分比率を測定する
ことができる。この割合はベール（Beer）の法則によっ
て求めることも可能である。

回折格子やFTIRを用いた他の分光計測装置等と比較す
ると、AOTF分光計は、可動部分がなく、波長の同調が早
く、小型であるという利点を備えているが、反面、従来
のAOTF分光計は、相当にかさばる重たい電子機器と光学
モジュールとから構成されていたので、携帯性に乏しく
手に持って使用することができないばかりか高価でもあ
った。更に、もともと遠く離れた場合にある試料を測定
するためには、計測装置と試料との間を光を伝達させる
光ファイバーを用いて繋げる必要があった。

また、従来のAOTFシステムでは、AOTFから放出された
IRは、１本の光ファイバー又は光ファイバーの束に送り
込まれ伝送されるが、伝送においてはかなり損失を伴
い、特に、長いIR波長において相当の損失を伴う（光フ
ァイバーは可視光線ならわずかな減衰で伝送することが
できるがIRは相当に吸収される）。IRが伝達されるファ
イバー又はその束の端部は、材料の近傍に配置され、反
射光は集光用の他のファイバー束によって取り込まれて
光検出器に伝送される。

光ファイバーによると、簡単にその光放射端部を所望
の位置に配備できるが、IRの伝送においては、前記課題
の他にも多くの課題が認められる。第１に、光ファイバ
ーは高価であり、第２に、光ファイバーは折れ易く、第
３に、ランプやAOTFのような光源の光をファイバーに取
り入れる際の効率が悪く、利用可能な光のうちわずかな
部分しか光ファイバーには伝わらない。また、光ファイ
バーはきわめて細く、伝送された光は光ファイバーの端
部から広範囲に広がって分散するので、ファイバー束の
端部を検査材料の表面にほとんど接触するように配置し
たとしても更に多くの光が失われる。

前記のように光ファイバーは損失が大きいので、AOTF
の正面には非常に明るい50〜100Wのランプを設ける必要
がある。しかし、ワット数の大きなランプは、一般的に
冷却ファンを必要とし、大きなワット数のランプと冷却
ファンとで、必要な電源は大型になる。また、大型の電
源には放熱フィンプレート又はファンが必要となり、こ
れにより、更に多くの電力を浪費し、装置の寸法と容積
は更に大きくなる。更に、装置のフレーム又はハウジン
グは、これらの付加的な部品を支持するためにより大き
くて重たいものとなり、価格は増加して携帯性は減少す
る。

従来技術によるAOTF分光計は、前記のようにどうする
こともできない寸法と制限された重量とで制約されてい
る。ランプやAOTFのユニットは、その嵩張りにより、試
料に近接させることが難しいので、光ファイバーを使用
してユニットから試料にIRを伝達することになる。しか
し、光ファイバーではエネルギーが減衰するので、ユニ
ットのハウジングは大きく重たいものになってしまう。
この分野における従来の当業者は、この寸法と重量の課
題について根本的原因を認識していなかったので、携帯
性のあるAOTF分光計を実現できなかった。

また、従来のAOTF分光計の関連する課題として、RF電
力が独立したハウジング内に置かれた電力増幅器から同
軸ケーブルを経由して圧電結晶に送られていることが挙
げられる。この構成では、ケーブルでの減衰と、RF増幅
器のケーブルに対するインピーダンス整合及びケーブル
の結晶に対するインピーダンス整合による損失とによっ
て、電気エネルギーが消耗される（ケーブルは、一般的
には、約50オームのインピーダンスを有するが、圧電結
晶のインピーダンスはとても低くいとともに周波数によ
って変化する）。

更に、従来のAOTF分光計は、AOTF結晶に必要以上の大
きなRF電力を与えていた。

大きすぎるRF電力と、光ファイバー及び同軸ケーブル
の双方を用いることによる電力消費は、バッテリーパワ
ーに対して過大な負荷となるため、電源には、AC120ボ
ルトが用いられ、そのためAC120ボルトの変圧回路が必
要となり、また、電源コード及びプラグも必要となる。
したがって、ユニットの搬送及び使用がさらに困難とな
る。

分光計の技術分野における通常の知識を有する者は、
上記電力消費を取り除くことにより手で持てる携帯性を
実現することはできなかった。この分野における従来の
技術者は、分離独立した部品によって生じるエネルギー
消耗が、AOTF分光計の携帯性を妨げている主要な課題で
あることを明らかに認識していなかった。彼らは、検出
器とRF増幅器とを別々のハウジングに納め、これらを、
かさばって電力損失の原因となる同軸ケーブルによって
接続していた。また、AOTF結晶及びランプは、携帯性を
損なう別々のハウジングに配置していた。更に、RF増幅
器を結晶と同じ筐体又はハウジングに納めると、RF電力
を削減できることを彼らは理解していなかった。

発明の概要よって、本発明は、特に、前記従来技術における課題
を克服することを目的としたものである。

また、本発明の別の目的は、手に持てる携帯型のある
ユニットとしての分光計を提供することにある。

また、本発明の別の目的は、すべての光学的構成部材
を光学的に整列させることにより、携帯性のあるユニッ
トを実現することにある。

また、本発明の別の目的は、構成部材を互いに隣接配
置させることでケーブルや光ファイバーを削減して第１
の目的を実現することにある。

また、本発明の別の目的は、AOTF分光計のユニット価
格を下げることにある。

また、本発明の更に別の目的は、すべての構成部材を
ハウジングに収納させ、ハウジングには、整列させた光
学的構成部材の空間部材として動作する窓を設けること
にある。

このように、本発明は、試料分析をおこなう現場へ運
ぶのに十分小型軽量であって、携帯式の手に持てる（ハ
ンドヘルド）AOTF分光計に関している。本発明の分光計
の利用の１つには、プラスチック廃棄物をリサイクルす
るために識別することが例示できる。この場合、分光計
装置はプラスチック廃棄物に接触させることができ、プ
ラスチックを識別するためのスペクトルの測定が１秒以
内で行える。

前記ハンドヘルドAOTF分光計の筐体又はハウジング
は、ビデオカメラの筐体と略同じ大きさとなり、（光源
と、AOTF結晶と、反射検出器とを備える）小型光学ベン
チと、（周波数合成器（synthesizer）と、A/D変換器
と、検出器プリアンプと、ノイズリダクション回路と、
コンピュータインタフェースとを含む）全ての電子機器
を有する小型回路基板とを備えている。また、良好なイ
ンピーダンス整合及び低い消費電力を得るために、小型
RF増幅器をAOTF結晶の間近に配置している。前記『間
近』とは、約5cmまたは約6cmぐらいを意味し、好適に
は、単一ユニットのように互いが直接接することを意味
する。反射検出器は、一例として、数個の平坦な硫化鉛
検出器を備え、硫化鉛検出器は、散乱反射光を検出する
ために検査試料に対峙接面させる。コンピュータは内蔵
又は装置の外部に準備してもよい。オプションとして装
置全体をバッテリー駆動にする。光ファイバーを使用し
ないので、信号は大きくなり、装置は安価になる。

RF電力を約１ワットに抑制することで、消費電力の少
ない小型RF電力増幅器の使用が可能となり、また、小型
RF電力増幅器を結晶122の隣に取付けると、伝送損失の
大きい同軸ケーブルの使用が省け、必要な電力をさらに
減少させることができる。なお、AOTFは、一般に、最大
効率に達するには１〜３ワットの電力を必要とするか
ら、これらにより駆動電力を抑制すると、AOTFからの光
信号も低減することになる。

しかしながら、本出願人は、従来の技術者には知られ
ていない事実、つまり、駆動電力が減少すれば、ワット
数の低い増幅器により（特に、検出器プリアンプがRF増
幅器の近傍に配置された場合）電磁波障害（EMI）が減
少してノイズレベルも減少することを発見した。ノイズ
レベルの減少により、小型増幅器を用いたときのSN比
は、従来の大型増幅器による場合とほぼ同じに保て、装
置の作動が妨げられることはない。この意外に高いSN比
こそRF増幅器をより小型にすることを可能にし、もって
ハンドヘルド分光計が可能になった。

本発明では、ほぼ半球形を呈する角錐型検出器を、変
調されたIRビームが照射される試料上の領域にほぼ直接
隣接させ、集光効率を改善し、複数の検出器素子（セ
ル）は角錐内部に配置する。この構成は、１個の検出器
素子に導かれる集光用ファイバーにおいては不可能であ
る。

更に、本発明では、周波数二倍器を用いることによっ
て節電している。従来の分光計では、AOTF圧電結晶を駆
動するのに100MHzまでの周波数発生器を使用していた
が、本発明では、電力消費の少ない50MHz若しくはそれ
以下の発生器を使用し、50MHzの信号は周波数二倍器に
導くようにしてある。しかし、二倍器は高調波を発生
し、この高調波により可視光線の領域にある光学的高調
波がAOTFを通過することになる。これが従来の技術者が
二倍器を使用しなかった理由となる。そこで本発明にお
いては、可視光線の通過は阻害しIRのみを通過させる窓
を用いている。光は試料で反射して検出器に到達する間
に、窓を２回通過し、これにより可視光線は大きく減衰
して装置の動作を損なうことはなくなる。好適な周波数
発生器はディジタル制御の合成器（synthesizer）であ
り、電圧制御発振器（oscillator）よりも素早く、簡単
に制御でき、かつ、きわめて良好な安定性及び解像度を
備えている。

試料のスペクトルが得られたら、コンピュータソフト
ウェアにより予め記憶してある較正アルゴリズムを用い
て測定スペクトルを分析し、試料の種類及び分量を判定
する。プラスチック等の識別結果は、例えば、リサイク
ルや品質管理のために、PVC又はポリスチレン等とコン
ピュータにより表示できる。

図面の簡単な説明本発明の前記目的及び他の目的は、本発明の特徴と利
点とともに、図面を参照して以下の実施例の詳細な説明
からより明白となる。

図１は、本発明の概略部分側面図である。

図２は、本発明の透視斜視図である。

図３は、ポリスチレンの光反射スペクトルを示すグラ
フ図である。

図４は、本発明の実施例の具体例の平面図である。

図５は、図４に示した具体例の正面図である。

好ましい実施例の詳細な説明次の用語及びその意味は、この詳細な説明、および、
請求の範囲の記載に適応される。

『光（light）』は、光学的手段によって生成され、
検出され、又は制御され得る全ての電磁波を意味し、特
に明記しない限り、赤外線（IR）、可視光、及び紫外線
（UV）が含まれる。

『角錐検出器（pyramid detector）』は、孔に隣接し
て配置された１個又は２個以上の光／電気変換トランス
デューサーを備えたあらゆる検出器を意味する。

『窓（window）』は、光ビームの通過を許容する不透
明壁の開口、又は間隙を意味する。

図１は、本発明によるハンドヘルド（手持ち型）AOTF
分光計の内部を示しており、未検査の材料又は試料Ｍの
識別に使用される。前記分光計はプラスチック成形の筐
体又はハウジング10に収納され、前記ハウジング10に
は、窓15と、トリガー17へ備えたハンドル19と、前記ハ
ンドル19内に設けられたバッテリーＢのバッテリー室と
が設けられる。前記窓15は、好適には、可視光に対して
不透明若しくは少なくとも部分的に不透明であるが、IR
は透過させる。前記ハウジング10は、ハンドルを含めて
ほぼハンドヘルド（手持ち型）ビデオカメラと同じ大き
さ及び外形を呈している。前記トリガー17により分光計
ユニット、つまり、分光計の回路は給電され、測定す
る、トリガー17に代わって、小さなソナー装置や、材料
Ｍとの接触により作動する瞬間接触スイッチのような近
接センサー（図示なし）を使用することも可能である。

前記ハウジング10の内部には、光学ベンチ100と、全
システム電子機器を備えた１つのプリント回路基板200
とが設けられる。図では、分光計の装置にデータの分析
及び表示用のコンピュータ202が組み込まれているが、
コンピュータ202は、シリアルポート又はパラレルポー
ト232を介して接続することにより所望の外部に置くこ
ともできる。また、オンボードのコンピュータ202を、
ポート232に接続した外部のコンピュータで支援するこ
とも可能である。本装置では、電源コード（図示なし）
を壁のコンセントに差し込むこともできるが、好適に
は、バッテリーＢによる駆動とする。

光学モジュールは、前記ベンチ100に取付けられた数
個の光学部品から構成される。前記ベンチ100は、好適
には、長さ約９インチ（約20.3cm）、幅約５インチ（約
12.7cm）で、例えばアルミニウム製の堅固なプレートで
あり、プラスチック製の前記ハウジング内に固定され
る。前記光学部品には、光源又はランプ110（タングス
テン−ハロゲンランプ等）、AOTFの結晶及びケース12
0、集束レンズ130、及び、反射検出器140が含まれ、こ
れらは直線関係で配置される。AOTF結晶は、好適にはTe
O₂（二酸化テルル）を備え、長さ約１インチ（約2.5c
m）、幅約0.5インチ（約1.3cm）である。AOTF120は、複
屈折性のTeO₂結晶の片面に結合された、好適にはLiNoか
らなる圧電トランスデューサーを備えている。結晶122
の間近には小型RF電力増幅器124を取付ける。電力増幅
器124は、20〜100MHzの周波数範囲において約１ワット
のRF電力を生成する。

前記ランプ110はビームを平行にするためにパラボラ
ミラー112内に取付けられる。前記ビームはAOTF結晶120
内を通過して、約8mm×8mm大きさの同調された狭帯域赤
外線ビームとして出力され、レンズ130及び窓15を通過
して分析されるべき試料Ｍに至る。前記レンズ130は、
前記ビームを試料Ｍに集束させる。

前記光学ベンチの端部には前記反射検出器140が取付
けられる。前記検出器には、４個までの或はより多くの
硫化鉛（PbS）又はセレン化鉛（PbSe）の平坦な検出素
子、つまりトランスデューサー145が設けられる。各ト
ランスデューサーは、約10mm×10mmの大きさで、窓15を
介して試料に対峙させる。トランスデューサーは、45度
に傾斜した角錐又は円錐の内面に配置される。角錐又は
円錐の頂部には、光ビームを通過させる孔143が設けら
れる。角錐又は円錐の底面側は試料に対峙させる。した
がって、赤外線ビームは試料に投射されたら、そこで散
乱反射し、（図１の矢印で示された）散乱反射光は、検
出素子145で検出される。

図４は、搬送用のベルト19′及び図１に示したいくつ
かの部材を備えた本発明の実施例の具体例を示してい
る。

図５は、図４に示した具体例の正面図であり、ハウジ
ング10の外側から見たときの孔143と検出素子145とが示
されている。

前記のように、ハウジングに設けられた窓15は、好適
な実施例では、可視光の透過は殆どないが、広帯域のIR
は透過させる透明部材であり、黒く見える。窓15の光学
的特性は、他の光学的部材の特性と同じように、純白の
セラミック材料を用いて装置を較正すると、自動的に補
整される。

窓15は任意のハウジング延長部13の端部に設けられ
る。延長部13は、試料Ｍの表面に直接に置かれ、これに
より、試料Ｍの表面と光学ベンチ100及びベンチに取付
けられた部品との間隔を好ましい間隔に保て、光の効率
を最大限にできる。

前記小型プリント回路基板200は、光学ベンチ100の上
部に設けられ、全システム電子機器204が備えられる。
電子機器には、（無線周波数を生成してAOTFを同調させ
るのに使用される）デジタル制御周波数合成器と、検出
器プリアンプ及びそのバイアス電圧と、A/D変換器と、
コンピュータインタフェース（例えば、RS−232）とが
含まれる。また、SN比を改善するためにRF信号を約5KHz
で変調する振幅変調（及び復調）回路が設けられる。前
記周波数合成器は、好適には、二倍器を駆動する（例え
ば、50MHzまでの）低周波数発生器であり、この構成は
少ない電力を使用する。

回路基板を検出器及び光学部品の間近に置くことによ
り、ケーブル及びコネクタが殆ど不要となって、サイズ
が小型になり、ノイズが減少し、また安価になるという
効果を得られる。

また、マイクロコンピュータ回路202に加えて、（図
１において裏面がベンチ100の内側に示される）キーパ
ッド206、及び『POLYSTYRENE:25％』のように英数字の
メッセージを表示するためにハウジング上にディスプレ
イ208を設けることも可能である。これらの付加によっ
て、ノートブック型コンピュータの使用を省略できる。
更に、ユニット全体をバッテリーＢにより駆動できるよ
うにし、携帯性を完璧なものにする。

発明の効果 AOTF120と組込式（built−in）の反射検出器140とを
１個の小型光学ベンチに設けることにより、以下のよう
な効果が得られる。

手に持てるハウジング10内の小型光学ベンチ100上
で、光学部品と、RF増幅器124と、反射検出器140とを１
つに組み合わせることにより、SN比が改善される。ま
た、（分光計測装置を検査対象の試料に直接に接触させ
ることで）光ファイバーを必要としないので、より大き
な信号が得られる。また、必然的に電力消費がより少な
いものとなり、バッテリー駆動が可能となる。また、装
置はとても頑丈となり、他の設計と比較して相対的に製
作費が安価となる。更に、（筐体を別々にしてケーブル
接続するのではなく）RF増幅器124をAOTF120の圧電結晶
の近傍に配置するので、インピーダンス整合が良好とな
り、従来より５倍も少ない電力消費となり、かつ、小型
になる。

また、RF電力を約１ワットにまで減少させることで節
電もきる。

また、電力消費をさらに減少させるために、AOTFの振
幅変調の“オフ”サイクルの間、電子回路は“スリー
プ”モードに置かれる。

AOTFの波長選択度における温度ドリフトを（オーダー
によって（by order of magnitude））減少させるため
に、周波数合成用クロック発生器（発振器）は、符号を
逆にしたAOTFの温度依存値を用いて温度に依存させる。
RF合成器の出力周波数は、クロック発生器の周波数に線
形に対応する。クロック発生器及びAOTFの双方は、互い
に隣接させて同じ小型密閉容器120に配置することで、
クロック発生器及びAOTFは同じ温度変化を有することに
なる。これにより、熱によるAOTFの波長ドリフトは補整
される。

光ファイバーと、大型RF増幅器と、各種コネクタ及び
ケーブルとを省き、かつ、ワット数の低いランプ（及び
小型電源）を用いることで、部品のコストを削減でき
る。加えて、光学部品及び電子部品の数を減らし、か
つ、単一のプラスチック製筐体及び光学的ベースプレー
ト（ベンチ）により全体構造を簡素化してあるので、組
立時間が低減する。このことによって、従来の大型で複
雑なAOTF分光計に比較して極安価に大量に製造すること
ができる。本発明による測定装置の価格は、15,000ドル
以下に見積もることができ、現在購入することができる
AOTF分光計よりも約３倍は安く見積もることができる。

また、ランプ110と、AOTF120と、レンズ130と、検出
器140の孔143とは直線状に光学的に整列しており、これ
らの部品は、ハウジング10の窓15から最適な間隔に固定
されているから、従来装置に対して、光学的な損失が少
なく最大の光学的な効率を得られる。例えば、レンズ13
0は、検出器145での検出が最適になるように、最大限の
利用可能の光を試料に集束させることができる。全部材
をベンチに取付けることにより、ファイバーオプティク
スを省略でき、これにより、本発明はランプに必要とさ
れる電力を１桁削減でき、ハンドヘルドユニットを実現
することができる。

UV及び可視領域光を感知できる（シリコンのような）
検出器を用い、かつ、明るい窓を用いると、紫外線及び
可視光の反射スペクトルを測定できるようになる。この
装置は、例えば、塗料、植物、鉱物等の色を現場で判定
するとき等に用いられる。

透過スペクトルは、試料の背面側にミラーを設置する
ことでも得ることができる。AOTFから送出されたビーム
は試料を透過した後、ミラーで反射されて再び試料を通
過し、検出器で検出される。この応用は、例えば、透明
なプラスチックボトルあるいは各種の液体を識別すると
きに利用できる（この方法は、廃棄されたソーダボトル
を識別するのに使用されている）。

具体例図４に示した動作可能のシステムを組み立て、リサイ
クル目的でプラスチックを識別するのに使用した。未識
別のプラスチック製試料をこの装置で試験スキャンし
た。装置はセラミック製基準試料と１組の見本試料とを
用いて予め較正しておいた。近赤外線散乱反射スペクト
ルは１秒以内で測定され、測定スペクトルは基準スペク
トルを用いて正規化し、ソフトウェアアルゴリズムによ
りプラスチックの種類を識別した。装置の検出器は、試
料に直接接触さることができたので、ファイバーオプテ
ィクスの使用が省け、それゆえ、より大きな信号が得ら
れた。試験によりプラスチックの種類は、PVC、ポリス
チレン、ポリプロピレン、PET等と識別された。小型で
携帯性のある装置であるため、装置を現場に持ち込むこ
とができた。光ファイバーを使用していないので高い信
号レベルが得られ、白色試料だけでなく暗色のプラスチ
ック試料の識別も可能であった。

実施例に基づく前述までの記載により、本発明の全般
的な特徴は詳細に充分に開示されており、よって、この
分野に通常の知識を有する者は、そのときの技術を用い
ることによって、本発明の一般概念から逸脱することな
く、また、不当な実施を伴わずに、容易に本発明を様々
な用途に変更及び／又は改造することができるであろ
う。したがって、このような変更及び改造は、開示した
実施例と同等の意味及び範囲に含まれるものである。開
示された様々な機能を実現するための手段及び材料は、
本発明から逸脱することなく異なった様々な形態をとる
ことができるものである。ここに用いられた表現又は用
語は、説明のためのものでありこれによって限定される
ものではない。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者サムエルケレムアメリカ合衆国，メリーランド 20851, ロックビル，グルーエンサーアベニュー 1608 (72)発明者ウラジミルマドロスキーアメリカ合衆国，メリーランド 21136, レイスタースタウン，ボンファイヤードライブ 12323 (56)参考文献特開平４−248445（ＪＰ，Ａ) 特開昭48−3793（ＪＰ，Ａ) 米国特許4883963（ＵＳ，Ａ) Ｎ．Ｅｉｓｅｎｒｅｉｃｈ，”ＳｃｈｎｅｌｌｅＥｒｋｅｎｎｕｎｇｖｏｎＫｕｎｓｔｓｔｏｆｆｅｎｍｉｔＡＯＴＦ−Ｒｅｆｌｅｋｔｉｏｎｓ− ｓｐｅｋｔｒｏｍｅｔｅｒ”，ＶＤＩＢＥＲＩＣＨＴＥＮＲ．934，1991, 第447−460頁 (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01N 21/00 - 21/01 G01N 21/17 - 21/61 G01J 3/42 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ) ＷＰＩ／Ｌ

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】光源と、前記光源からの光に対する超音波
光学チューナブルフィルター（AOTF）と、前記AOTFから
掃引波長を備えた光ビームを発生させる発生手段と、前
記光ビームを光学的に集束させる集束手段と、被検試料
に投射される前記集束光ビームの散乱反射光を検出する
反射検出器と、前記反射検出器から出力される電気信号
を受け取る電気回路手段とを備えたものにおいて、前記
光源と前記AOTFと前記発生手段と前記集束手段と前記反
射検出器と前記電気回路手段とは１個の手持ち型ハウジ
ング内に収納させ、前記ハウジングの外壁の一部には前
記集束光ビームを前記ハウジングの外部に透過させると
共に前記散乱反射光を前記ハウジングの内部に透過させ
る窓を設け、前記光源と前記AOTFと前記集光手段と前記
窓とは直線状に整列させ、前記反射検出器は前記窓の近
傍に固定し、前記集束手段は前記窓が設けられる前記外
壁の前記一部の外面位置に前記被検試料を設置したと
き、前記集束光ビームを前記被検試料に対して最大効率
で投射できるように設定したハンドヘルド赤外線分光装
置。
【請求項２】請求項１において、前記反射検出器は、前
記散乱反射光を検出する１つ又は複数の検出素子と、頂
部に孔を有し底部を開口させた角錐又は円錐とを有し、
前記角錐又は円錐は前記底部側を前記窓に近接させ前記
頂部側を前記光源に向けて前記集束光ビームが前記孔か
ら前記開口を介して前記窓に至るように前記ハウジング
内に配設し、前記検出素子は前記角錐又は前記円錐の周
壁の内面に取付けたハンドヘルド赤外線分光装置。
【請求項３】請求項１又は請求項２において、前記発生
手段はRF電力増幅器を備え、前記AOTFの結晶と前記RF電
力増幅器とは互いに近接させて前記RF電力増幅器の出力
は1.5ワット以下としたハンドヘルド赤外線分光装置。
【請求項４】請求項１〜請求項３において、前記光源の
ランプは10ワット以下としたハンドヘルド赤外線分光装
置。
【請求項５】請求項１〜請求項４のいずれか１つにおい
て、前記AOTFの熱波長ドリフトは、補整したハンドヘル
ド赤外線分光装置。
【請求項６】請求項１〜請求項５のいずれか１つにおい
て、前記ハウジングにはバッテリーと前記光源の一側を
囲うパラボラミラーとを設け、前記窓は赤外線は透過さ
せるが可視光に対しては不透過とし、前記電気回路手段
はスペクトルを測定してデータ分析を行うコンピュータ
手段を備え、前記コンピュータ手段は前記反射スペクト
ルを記録済の材料スペクトル群と照合して前記被検試料
を特定するハンドヘルド赤外線分光装置。