JP3451536B2

JP3451536B2 - 土壌の光学特性測定装置

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Publication number: JP3451536B2
Application number: JP25433297A
Authority: JP
Inventors: 進一平子
Original assignee: Omron Corp
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 1997-09-02
Filing date: 1997-09-02
Publication date: 2003-09-29
Anticipated expiration: 2017-09-02
Also published as: JPH1183628A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は土壌の光学特性測定
装置に関する。特に、土壌の光学特性を測定し、土壌の
成分を分析するための光学特性測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】農産物の収量を増加させるためには、土
壌中の有機成分や肥料等の不足分を補給し、耕作地全体
の土壌の均質化を図る必要がある。そのためには、土壌
の成分を分析する必要があり、特にリアルタイムに成分
分析することが望まれる。

【０００３】そのための土壌成分分析装置としては、図
１に示すようなものが知られている（Soil Organic Mat
ter, CEC, and Moisture Sensing with a Portable NIR
Spectrophotometer; K. A. Sudduth, J. W. Hummel: T
ransactions of the ASAE, 1993 Vol.36, 1571-158
2）。この土壌成分分析装置１は、トラクタ後部の鋤２
の直後に取り付けられており、トラクタで土壌成分分析
装置１を牽引して圃場を移動し、鋤２で露出させられた
新しい土壌面３を土壌成分分析装置１で分析し、土壌中
の有機物量や水分等を測定するものである。

【０００４】この土壌成分分析装置１においては、光源
４から放射された白色光は、集光レンズ５によりバンド
ル光ファイバ６の一方端面に集光される。このとき、集
光レンズ５で集光された白色光は、スリット板７及び波
長選択フィルタ８を通過してバンドル光ファイバ６の端
面に入射する。波長選択フィルタ８は、図２に示すよう
な円板状をしたフィルタディスク９の扇形開口１０に設
けられており、フィルタディスク９の円周方向に沿って
選択波長（透過波長）が連続的に変化するように配設さ
れている。フィルタディスク９は回転モータ１１によっ
て回転駆動される。スリット板７の開口１２はフィルタ
ディスク９の半径方向に沿って細長く位置しているの
で、フィルタディスク９が回転していると、スリット板
７及び波長選択フィルタ８を通過してバンドル光ファイ
バ６の端面に入射する単色の測定光の波長は連続的に変
化する。波長選択フィルタ８による選択波長は、４００
〜２５００ｎｍの範囲の紫外光から近赤外光を用いるこ
とが多い。回転モータ１１によるフィルタディスク９の
回転は、モータ制御部１３によって制御されており、モ
ータ制御信号はモータ制御部１３からデータ処理装置１
４へも送出されているので、データ処理装置１４ではバ
ンドル光ファイバ６の端面に入射されている測定光（単
色光）の波長を認識している。バンドル光ファイバ６の
他端は投受光箱１５へ導かれており、バンドル光ファイ
バ６の一方端面から入射した測定光は、バンドル光ファ
イバ６内部を伝搬して他方端面から出射し、投受光箱１
５の底面に設けられた石英窓１６を透過し、鋤２によっ
て露出させられた耕作地等の新しい土壌面３へ照射され
る。

【０００５】こうして土壌面３に照射された単色の測定
光は土壌面３で散乱反射され、散乱反射光は石英窓１６
を通って再び投受光箱１５内へ戻る。投受光箱１５内へ
戻った散乱反射光の一部は、投受光箱１５内部のバンド
ル光ファイバ６近傍に設けられた光検出器１７で受光さ
れる。光検出器１７は、受光した散乱反射光の強度に応
じた受光信号をデータ処理装置１４へ送信する。

【０００６】ついで、データ処理装置１４は、図３に示
すように、モータ制御部１３から受け取ったモータ制御
信号を測定光の波長データに変換し（Ｓ１）、この波長
データと光検出器１７における受光信号とから当該土壌
の散乱反射光の光スペクトルを作成し（Ｓ２）、この散
乱反射光の光スペクトル強度に関するデータを、予め作
成してある所定の回帰式に代入する（Ｓ３）ことによっ
て当該土壌の成分を分析し、分析結果を表示部（図示せ
ず）に表示する（Ｓ４）。なお、回帰式は、多変量解析
として知られる手続により作成する。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】従来の土壌成分分析装
置は、上記のように鋤で露出させた新しい土壌面にバン
ドル光ファイバから連続的に変化する測定光を照射し、
土壌面で散乱反射した光をバンドル光ファイバの近傍に
配置した光検出器で受光し、その受光強度から散乱反射
光の光スペクトルを得ている。

【０００８】しかしながら、土壌は一般に粒子の大きさ
や構造、土質が不均一で、さらには小さな石や異物など
が混入していることが多い。土壌にこのような不均一が
存在していると、土壌に測定光を照射しても、その散乱
反射光は全方位に均等に反射されず、特定の方向に強く
あるいは弱く、偏って反射されることになり、光照射の
方向や光検出器の位置によって光学特性が異なり、正確
に土壌成分を分析できない。

【０００９】また、土壌面には溝や凹みなどが存在して
おり、鋤で掻いても埋らないような溝や窪みが一部に残
る場合がある。そのとき、たまたま測定光の照射位置が
土壌面の一部の窪みに一致すると、土壌面と光照射部
（バンドル光ファイバの照射側端面）との距離が長くな
ったり、土壌面と光検出器との距離が長くなったりす
る。そのような場合には、土壌の光学特性が同じであっ
ても散乱反射光強度が弱くなり、正確に土壌成分を分析
できなくなる。

【００１０】本発明は前述の従来例の欠点に鑑みてなさ
れたものであり、その目的とするところは、土壌の形状
や構造、土質等あるいは土壌面の凹凸のばらつき等によ
らず、土壌の光学的特性を精度よく測定することができ
る土壌の光学特性測定装置を提供することにある。

【００１１】

【発明の開示】請求項１に記載の土壌の光学特性測定装
置は、土壌面に向けて測定光を照射する投光部と、土壌
面に臨ませるための開口を有し、土壌面で散乱反射され
た測定光を捕捉して閉じ込める光捕捉部と、前記光捕捉
部の内部で、前記散乱反射光を受光する光検出器と、前
記光検出器の測定データに基づいて土壌の光学特性を分
析する手段と、前記光捕捉部の内側に立てて前記開口を
開き、かつ前記開口側に倒して前記開口を閉じるよう
に、一端が前記開口の縁に枢着された参照板と、を備え
たことを特徴としている。

【００１２】この土壌の光学特性測定装置にあっては、
投光部から土壌面に向けて測定光を照射し、土壌面で散
乱反射された測定光を光捕捉部内に取り込んで捕捉す
る。光捕捉部内に閉じ込められた散乱反射光は、光捕捉
部内で何度か反射された後、光検出器に入射する。分析
手段は、光検出器の測定データ（受光量）に基づいて土
壌の光学特性を分析する。

【００１３】従って、本発明によれば、土壌面で散乱反
射された測定光を光検出器で直接受光するのではなく、
土壌面で散乱反射され大きな立体角で放射された広い範
囲の散乱反射光を光捕捉部内に捕捉することによって平
均化して光検出器で検出することができるので、土壌の
形状や構造、土質、粒子の大きさ等によらず土壌本来の
光学的特性を測定することができ、測定データの信頼性
を向上させることができる。また、土壌面で散乱反射し
た測定光を光捕捉部に捕捉して光検出器で受光している
ので、測定面積を拡大することができ、光受光器におけ
る受光量を増加させて測定感度を向上させることができ
る。また、本発明によれば、参照板を光捕捉部の開口に
配置し、参照板に測定光を照射して参照板の光学特性を
モニターすることによって、光学系の不安定性（例え
ば、光検出器の感度変化や投光部の光源強度の揺らぎ
等）による光学特性の変動を補正することができる。

【００１４】上記光捕捉部としては、請求項２に記載の
ように、高反射率の内面を有する略球状の空洞を用いる
ことができる。このような光捕捉部にあっては、開口か
ら光捕捉部内に入った散乱反射光は土壌面における反射
方向によらず、光捕捉部の内面で反射を繰り返して光受
光器に入るので、光受光器では各方向へ反射された光の
強度を平均化したものを検出することができる。

【００１５】光学特性測定装置の代表的なものは、土壌
面で反射する散乱反射光のスペクトルを解析することに
よって土壌成分を分析するものである。このような方式
の土壌の光学特性測定装置の投光部の構成においては、
請求項３に記載したように、白色光のうちから特定波長
の測定光を選択的に取り出して土壌に照射し、土壌に照
射する測定光の波長を時間的に変化させることによって
測定光の波長をスキャンさせるようにしてもよく、ある
いは、請求項４に記載したように、投光部では、光源で
発生した複数波長の測定光を互いに異なるパラメータで
変調を施して土壌面へ出射し、光学特性分析手段では、
光検出器の出力を前記変調パラメータに基づいて分離す
ることによって土壌面で散乱反射した測定光の光学特性
を分析するようにしてもよい。

【００１６】請求項５に記載の実施態様は、請求項１に
記載の土壌の光学的特性測定装置において、前記投光部
から出射された測定光が、前記光捕捉部の内側から土壌
面に向けて照射されることを特徴としている。

【００１７】この実施態様によれば、光捕捉部の内部か
ら測定光を照射し、その散乱反射光を光捕捉部へ集める
ようにできるので、光捕捉部と土壌面との距離を近づけ
ることができ、外乱光の影響を低減することができる。
また、光捕捉部を土壌面に接近させることができ、ひい
ては測定光の出射部を土壌面に近づけることができるの
で、土壌面の照射強度を高めることができる。よって、
光学特性測定装置の測定感度を向上させることができ
る。

【００１８】

【００１９】請求項６に記載の実施態様は、請求項１に
記載の土壌の光学特性測定装置において、前記投光部か
ら土壌面に向けて、測定光を断続的に照射させるように
したことを特徴としている。

【００２０】この実施態様によれば、測定光を断続的に
照射させているから、測定光を照射しているときの光検
知器の受光データと測定光を照射していないときの光検
知器の受光データを比較することによって、外乱光の影
響を補正することができる。

【００２１】

【００２２】

【００２３】請求項７に記載の実施態様は、請求項１に
記載した土壌の光学特性測定装置において、測定位置を
特定するための測定位置計測装置を備えたことを特徴と
している。

【００２４】この実施態様によれば、測定位置計測装置
により測定位置を特定することができるので、測定デー
タと測定位置とを関連付けることができる。従って、土
壌成分などの測定データを測定地域全体で総合的に分析
することができる。また、後日、測定データに基づいて
土壌改良を行なう場合にも、測定位置と関連付けられて
いるので、容易に作業を行なうことができる。

【００２５】特に、請求項８に記載の実施態様は、位置
情報と測定データとから、土壌の特性マップを自動作成
することができる。

【００２６】

【発明の実施の形態】

（第１の実施形態）図４は本発明の一実施形態による土
壌の光学特性測定装置２１の構成を示す概略図である。
この光学特性測定装置２１は、投光部２２、光積分球２
３、光検出器２４およびデータ処理装置２５から構成さ
れている。投光部２２は、特定波長の測定光を光積分球
２３の内側から土壌面３へ照射するものであって、光源
２７、光チョッパ２８及び分光装置２９から構成されて
いる。光源２７は、ハロゲンランプ３０と反射板３１と
からなり、白色光を連続的に発光して分光装置２９へ送
り込む。

【００２７】光チョッパ２８は、光源２７から出射され
た白色光を一定のタイミングで遮断するものであって、
図５に示すような構造を有している。すなわち、光チョ
ッパ２８は、透光部（窓）３２と遮光部３３を円周方向
に沿って一定ピッチで配列した遮光円板３４をモータ３
５で回転させるようにしたものであって、透光部３２に
白色光が入射すると白色光を透過させて分光装置２９へ
白色光を入射させ、遮光部３３に白色光が入射すると、
光源２７から分光装置２９へ向けて出射された白色光を
遮断する。遮光円板３４は、モータ３５により一定速度
で回転させられるので、白色光は一定タイミングで遮光
円板３４を透過し、あるいは遮断される。また、この遮
光円板３４の透光部３２及び遮光部３３が設けられてい
る部分を挟んで一方にモニター用発光素子３６が、他方
にモニター用受光素子３７が配置されている。モニター
用発光素子３６及び受光素子３７は、光源２７からの白
色光が透光部３２を通過するとき、モニター用発光素子
３６から出た光ｒも透光部３２を通過してモニター用受
光素子３７で受光され、光源２７の白色光が遮光部３３
で遮断されるとき、モニター用発光素子３６から出た光
ｒも遮光部３３で遮断されるよう配置されているので、
モニター用受光素子３７によって光源２７の白色光が透
過しているか、遮断されているかを検知することができ
る。この光チョッパ２８は、太陽光等の外乱光の影響を
除くために用いられる（詳細は後述する）。

【００２８】分光装置２９は、光源２７からの白色光の
うち特定波長の光を測定光として選択的に取り出し、そ
の選択波長を所定の最短波長から最長波長まで一定速度
でスキャニングするものである。このような分光装置２
９としては、例えば従来例（図２）で述べたような、波
長選択フィルタ（干渉フィルタ）８を備えたフィルタデ
ィスク９とスリット板７からなるものを用いることがで
きる。

【００２９】あるいは、図６（ａ）に示すように、白色
光を色分散させる回折格子３８とスリット板３９によっ
て分光装置２９を構成し、回折格子３８又はスリット板
３９を移動させることによって分光装置２９から出射さ
れる測定光の波長を連続的に変化させるようにしたもの
でもよい。また、図６（ｂ）に示すように、白色光を色
分散させるプリズム４０とスリット板４１によって分光
装置２９を構成し、プリズム４０又はスリット板４１を
移動させることによって分光装置２９から出射される光
の波長を連続的に変化させるようにしたものでもよい。

【００３０】なお、光チョッパ２８の透光、遮断のタイ
ミング周期は、通常、分光装置２９における選択波長の
スキャニング周期よりも十分に短くしてあるので、分光
装置２９ないし光源２７からは、出射波長が時間的に且
つ規則的に変化する測定光がパルス状に出射される。

【００３１】光積分球２３は、略球殻状をしていて下面
には土壌面３と対向させるための照射窓４２が設けられ
ている。光積分球２３の内部には、光捕捉部となる空洞
が設けられており、その内壁面は反射率がほぼ１００％
の光拡散面（又は、鏡面）となっている。この光積分球
２３の内面においては、照射窓４２と対向する位置に測
定光の光投射部４３が設けられており、側面には光検出
器２４が設置されている。この光検出器２４としては、
ＩｎＧａＡｓ、ＰｂＳ、ＰｂＳｅなどの半導体受光素子
やシリコンフォトダイオードなどを用いることができ
る。

【００３２】分光装置２９と光積分球２３の光投射部４
３との間は、光ファイバ束（バンドル光ファイバ）等の
導光手段４４によって結ばれており、分光装置２９から
出射された測定光は導光手段４４を通じて光積分球２３
の光投射部４３へ送られ、光投射部４３から光積分球２
３内へ出射された測定光は照射窓４２を通って土壌面３
に照射される。この土壌面３は鋤２によって土壌を掻き
取って露出させた新しい土壌面であって、光積分球２３
とほぼ一定の距離にある。なお、光投射部４３から出射
された測定光が光積分球２３の内面に当たって散乱され
ると、光検出器２４で受光されるので、光投射部４３に
は測定光を照射窓４２内に集光させるために集光レンズ
が設けてあってもよく、あるいは光ファイバ束の各光フ
ァイバ端面に凸レンズ状の加工が施されていてもよい。

【００３３】また、土壌面３に照射された測定光は、土
壌面３で反射散乱され、大部分は再び照射窓４２から光
積分球２３の内部に戻る。光積分球２３内に戻った散乱
反射光は、光積分球２３の内部で吸収されることなく拡
散反射を繰り返し、土壌面３で不規則かつ不均一に様々
な方向へ反射された散乱反射光が光積分球２３内部では
平均化され、各方向で均一化された散乱反射光が光検出
器２４により受光される。

【００３４】土壌の性質（成分）が同じでも、土壌の表
面の傾きや凹凸、土壌粒子の大きさ等が異なると、その
分布により土壌面３から散乱反射される光の強度は検出
する方向によりばらつきが生じる。しかし、本発明の光
学特性測定装置２１のように、土壌面３で散乱反射され
た測定光を光検出器２４で直接受光するのでなく、土壌
面３で散乱反射され大きな立体角で放射された広い範囲
の散乱反射光を光積分球２３内に捕捉することによって
平均化して光検出器２４で検出すれば、土壌の形状や構
造、土質、粒子の大きさ等によらず土壌本来の光学的特
性を測定することができ、測定データの信頼性を向上さ
せることができる。

【００３５】また、光積分球２３の照射窓４２の面積に
相当する広い領域で散乱反射した測定光を積分球内に集
められるから、光受光器に多くの測定光を集めて受光量
を増加させることができ、測定感度を向上させることが
できる。

【００３６】こうして光検出器２４で散乱反射光が受光
されると、光検出器２４からデータ処理装置２５へ受光
信号が送られる。一方、データ処理装置２５は、分光装
置２９からは、測定光の波長を示す信号をリアルタイム
で受信している。測定光が土壌面３で反射されるとき、
土壌の成分によって特定波長の光の吸収が起きるから、
土壌の成分に応じて特有の光スペクトル（吸収スペクト
ル）を示す。分光装置２９によって測定光の波長を連続
的に変化させながら、光検知器で受光している測定光の
光強度を検出すれば、散乱反射光の光スペクトルが得ら
れるから、これをデータ処理装置２５で解析することに
より当該土壌の成分を分析することができる。

【００３７】測定光は光積分球２３の内部から土壌面３
に照射する構造としているから、光積分球２３と土壌面
３との距離を小さくすることができ、この隙間から太陽
光等の外乱光は入りにくくなっている。しかし、全く外
乱光が積分球内に入らないようにすることができないの
で、この光学特性測定装置２１では、上記光チョッパ２
８により外乱光の影響を除去している。すなわち、光チ
ョッパ２８により測定光が遮断されている時には、光検
出器２４の出力は外乱光によるものであると考えられる
から、測定光を受光している時の光検出器２４の出力と
外乱光による出力の差を求めることにより、外乱光の影
響を補正することができる。

【００３８】図７に示すものは、外乱光の影響を補正す
るための回路４５であって、主増幅器（同調増幅器）４
６、同期整流回路４７、低域ろ波器４８、参照信号増幅
器（同調増幅器）４９及び移相回路５０で構成されたロ
ックインアンプ５１と、光検出器２４からの出力を光チ
ョッパ２８の透光／遮断の周期の１／２だけ遅延させて
参照信号増幅器４９に送る遅延回路５２と、光検出器２
４の出力を主増幅器４６側と参照信号増幅器４９側とに
切り替える電子スイッチ５３とからなっている。電子ス
イッチ５３は、モニター用の受光素子３７が透光状態を
検出している場合には、光検出器２４を主増幅器４６側
に接続し、遮断状態を検出している場合には、光検出器
２４を参照信号増幅器４９側に接続する。従って、この
補正回路４５にあっては、外乱光のみによる光検出器２
４出力が参照信号として参照信号増幅器４９に入力さ
れ、外乱光と測定光による光検出器２４出力が主増幅器
４６に入力される。外乱光と測定光による受光信号は主
増幅器４６で帯域幅を狭められた後、同期整流回路４７
に送られる。外乱光による参照信号はこれと一定の周波
数・位相関係をもった信号成分のみを検出するため移相
回路５０によって適当な位相（０°もしくは９０°）に
設定されて同期整流回路４７に入力される。この出力は
次段の低域ろ波器４８で積算され外乱光による信号成分
を除去した後、データ処理装置２５へ送られ、光スペク
トルが求められる。

【００３９】なお、分光装置２９と光積分球２３を結ぶ
導光手段４４としては、図８に示す光学特性測定装置５
４のように、複数枚の集光レンズ５５ａ，５５ｂからな
る光伝送用のリレーレンズ５５を用いてもよい。この集
光レンズ５５ａ，５５ｂ間の距離を調整可能にすれば、
測定光のビーム径を調整することができる。

【００４０】（第２の実施形態）図９は本発明の別な実
施形態による土壌の光学特性測定装置５６の一部破断し
た断面図である。この実施形態では、分光装置２９と光
積分球２３を結ぶ導光手段４４である光ファイバ束５７
を照射窓４２近くまで光積分球２３の内部へ突出させて
いる。この実施形態では、光ファイバ束５７の端面が土
壌面３に接近しているので、土壌面３に強い測定光を照
射することができ、光検出器２４の受光レベルを高くし
て測定感度を高めることができる。一方、土壌面３で散
乱反射して光積分球２３内に捉えられた散乱反射光が光
ファイバ束５７に吸収されて光検出器２４の受光量が低
下するのを防止するため、光積分球２３の内部において
は、光ファイバ束５７の端面を除く外周面に光拡散性物
質５８をコーティングしてある。

【００４１】（第３の実施形態）図１０は本発明の別な
実施形態による土壌の光学特性測定装置５９の一部破断
した断面図である。この実施形態にあっては、光積分球
２３の照射窓４２の下に参照板６０が設けられており、
参照板６０は光積分球２３の下面に設けられたレールや
ガイド等に沿って照射窓４２から外れた位置まで水平に
移動できるようになっている。参照板６０としては、ア
ルミナなどのセラミック板などを用いることができる
が、少なくとも上面（内面）は反射率がほぼ１００％と
なっている。

【００４２】この実施形態によれば、参照板６０で光積
分球２３の照射窓４２を閉じるように参照板６０を照射
窓４２へ移動させ、参照板６０に測定光を照射して参照
板６０の光スペクトルをモニターすることによって、光
学系の不安定性（例えば、光検出器２４の感度変化や投
光部２２の光源強度の揺らぎ等）による光学特性の変動
を検出し、測定データの補正に使用することができる。
なお、参照板６０を照射窓４２の開口から外れた位置へ
移動させることにより、土壌面３を測定できる。

【００４３】なお、参照板６０は、図１１に示す光学特
性測定装置６１のように、一端を光積分球２３の照射窓
４２の縁に枢着し、参照板６０を立てて照射窓４２を開
き、参照板６０を倒して照射窓４２を閉じるようにして
もよい。この場合には、参照板６０の両面で反射率をほ
ぼ１００％としている。

【００４４】（第４の実施形態）図１２は本発明のさら
に別な実施形態による土壌の光学特性測定装置６２の構
成を示す概略図である。この光学特性測定装置６２にあ
っては、互いに異なる発光波長を有する複数の発光素子
６３ａ，６３ｂ，…とそれぞれ異なる変調周波数で強度
変調しながら発光素子６３ａ，６３ｂ，…を発光させる
発光素子駆動回路６４ａ，６４ｂ，…とから投光部２２
が構成されている。発光素子６３ａ，６３ｂ，…は発光
ダイオード（ＬＥＤ）や半導体レーザー素子（ＬＤ）な
どであって個別素子でもアレイ状のものでもよい。

【００４５】ここでは、発光素子６３ａ，６３ｂ，６３
ｃは３個でそれぞれ異なる発光波長λ１，λ２，λ３を
持ち、発光素子駆動回路６４ａ，６４ｂ，６４ｃによっ
てそれぞれ異なる変調周波数ｆ１，ｆ２，ｆ３で強度変
調を加えて発光させられるものとする。各発光素子６３
ａ，６３ｂ，６３ｃからは、周波数ｆ１，ｆ２，ｆ３で
強度変調された各発光波長λ１，λ２，λ３の測定光が
同時に発射されており、各測定光は光投射部４３の集光
レンズ６５を通って光積分球２３の照射窓４２から土壌
面３に照射される。土壌面３で散乱反射された各波長の
測定光は光積分球２３に戻り、光検出器２４で受光され
る。光検出器２４の受光信号は、それぞれフィルタ回路
６６により周波数ｆ１，ｆ２，ｆ３の信号に弁別され
る。フィルタ回路６６で弁別された、各周波数ｆ１，ｆ
２，ｆ３で変調された受光信号はそれぞれ異なる復調回
路（積分回路など）６７ａ，６７ｂ，６７ｃへ送られ、
各復調回路６７ａ，６７ｂ，６７ｃで強度信号に変換さ
れてデータ処理装置２５へ出力され、データ処理装置２
５で光スペクトルを分析される。

【００４６】このような実施形態によれば、分光装置２
９が必要なくなり、またＬＥＤ等の発光素子６３ａ，６
３ｂ，６３ｃを用いることにより省電力化を図ることが
できる。さらに、フィルタ回路６６で特定周波数の信号
だけを弁別しているので、外乱光の影響を除去すること
ができる。

【００４７】なお、この実施形態では、光積分球２３の
照射窓４２には、光積分球２３の内部に汚れや土等が入
らないようにするため、測定光に対して透明となった、
石英ガラスのような透明板６８をはめている。

【００４８】（第５の実施形態）図１３は本発明のさら
に別な実施形態による土壌の光学特性測定装置６９の構
成を示す概略図である。この実施形態にあっては、光積
分球２３の照射窓４２に石英ガラスのような透明板６８
をはめ、その周囲に照射窓４２を囲むようにして不透明
な遮光枠７０を設けてあり、遮光枠７０の下端は土壌中
に挿入し易いよう薄くテーパを施している。

【００４９】しかして、遮光枠７０を土壌中に差し込ん
で照射窓４２の透明板６８を土壌面３に押しつけた状態
で土壌の測定を行なう。このようにして測定すれば、透
明板６８を土壌面３に押しつけることで土壌面３を平ら
に均して測定することができると共に光積分球２３を土
壌面３の上に真っ直ぐに設置でき、散乱反射光の反射方
向を均一化できる。また、照射窓４２の周囲に遮光枠７
０を設けているので、光積分球２３の下面と土壌面３の
間の隙間から外乱光が侵入するのを確実に防止できる。
さらに、遮光枠７０を土壌中に差し込むことで光学特性
測定装置６９をしっかりと設置することができる。

【００５０】この光学特性測定装置６９は、トラクタで
測定位置まで移動させ、自動的に一定圧力となるように
照射窓４２の透明板６８を土壌面３に押し付けて土壌の
測定を行うようにすればよい。また、この実施形態の場
合には、光積分球２３を土壌面３から浮せる必要がない
ので、人が光学特性測定装置６９を携帯し、測定位置の
土壌に遮光枠７０を差し込むと共に透明板６８を土壌面
３に押し付けるようにして設置し、その状態で測定する
ようにもできる。

【００５１】（第６の実施形態）図１４は本発明のさら
に別な実施形態による土壌の光学特性測定装置７１の構
成を示す概略図である。この実施形態は、高精度の測定
を目的とするものである。光源２７としては、ハロゲン
ランプ３０と反射板３１と集光レンズ７２を備えてい
る。分光装置２９としては、音響光学波長チューニング
素子（Acoust-OpticTunable Filter；以下、ＡＯＴＦ
という）７３を用いている。

【００５２】ＡＯＴＦ７３とは、白色光から単色光を分
離し、電気的に波長をスキャンするバンドパスフィルタ
であって、可動部分を持たない。ＡＯＴＦ７３は、音響
光学結晶［例えば、二酸化テルル（ＴｅＯ₂）結晶の音
響波と光の進行方向が交差するもの］７４と音響波ドラ
イバー７５からなり、図１５に示すように、結晶７４の
対向する辺にトランスジューサ（Acoustic Transduce
r）７６とアブソーバ（Acoustic Absorber）７７が貼り
付けられており、音響波ドライバー７５からトランスジ
ューサ７６にＲＦ周波数の電気信号が印加されると、ト
ランスジューサ７６からアブソーバ７７へと結晶７４中
を音響波が通過し、音響波が通過するとき、結晶７４中
に生じる歪がグレーティングのような働きをする。この
ＡＯＴＦ７３に白色光が照射されていると、単色光だけ
が透過し、しかも、この透過波長はＲＦ周波数によって
制御することができる。この透過波長の半値幅は、波長
にもよるが１ｎｍのオーダーまで狭くすることができ、
透過率も高く最高９８％まで可能である。ただし、透過
光は０次回折光と±１次回折光とに分離するので、図１
５に示すように、０次回折光と−１次回折光（又は、＋
１次回折光）は光積分球２３の光投射部４３に達しない
よう遮蔽板７８によりカットする。

【００５３】こうしてＡＯＴＦ７３からなる分光装置２
９を透過した単色光が光積分球２３の内部から土壌面３
に照射され、照射波長は音響ドライバー７５によって最
短波長から最長波長まで（例えば、４００ｎｍ〜２５０
０ｎｍ）スキャンされる。分光装置２９としてＡＯＴＦ
７３を用いれば、可動部分がなく、電気的に波長を制御
できるから、波長スキャン速度を高速化することができ
る。また、音響波ドライバー７５によってＡＯＴＦ７３
の透光と遮断を制御することもできるので、ＡＯＴＦ７
３及び音響波ドライバー７５に光チョッパ２８と同じ機
能を持たせることができ、受光信号中の外乱光の影響を
除去することができる。一方、データ処理装置２５は、
音響波ドライバー７５からの信号によって照射波長を検
知するとともに、ＡＯＴＦ７３による透光と遮断のタイ
ミングをモニターしている。

【００５４】また、土壌面３で散乱反射した測定光を受
光する光検出器２４には、ＩｎＧａＡｓ素子のような応
答性のよい受光素子を用い、温度変化による光検出器２
４の感度や出力等の変動をなくすため光検出器２４の温
度を一定温度に保つための温度制御装置７９を備えてい
る。

【００５５】データ処理装置２５は、ＡＯＴＦ７３の透
光（測定）時の受光信号と遮断（非測定）時の受光信号
を比較することによって外乱光の影響を除去する機能
と、受光信号から光スペクトルを求める機能とを備えて
いる。ここで受光信号から光スペクトルを求める方式と
しては、フーリエ変換型分光法を用いるのが好ましく、
特に、インタフェログラム（interferogram）を用いる
方法が望ましい。ここで、インタフェログラムとは、光
線束干渉計の光路差を変えるとき、光路差ｘの関数とし
て測定記録した干渉光強度の変化Ｆ（ｘ）のことをい
い、インタフェログラムＦ（ｘ）をフーリエ逆変換する
ことにより光スペクトルが求められる。これらのインタ
フェログラムやフーリエ変換型分光法などは、光スペク
トルを求めるための常法であるから、詳しい説明は省略
する。

【００５６】また、この光学特性測定装置７１は、投光
部２２の時間的変動を補正するための参照板６０を備え
ており、つぎのような順序で光吸収スペクトルを求め
る。まず、参照板６０を降ろして照射窓４２を閉じ、そ
の状態で測定光の照射波長をスキャンして参照板６０の
拡散反射強度スペクトルＲ（λ）を測定する。ついで、
参照板６０を上げて照射窓４２を開き、再度測定光の照
射波長をスキャンして土壌の拡散反射強度スペクトルＳ
（λ）を測定する。そして、吸収強度Ａbs（λ）＝log［Ｒ（λ）／Ｓ（λ）］から土壌の光吸収スペクトルを求める。

【００５７】この実施形態の光学特性測定装置７１で
は、分光装置として、電気的に高速高精度の波長スキ
ャンが可能で、外乱光補正機能（光チョッパの機能）も
備えたＡＯＴＦ７３を用いること、参照板６０を用い
て投光部２２の揺らぎ等を補正すること、温度制御装
置７９による光検出器２４の特性の安定化、インタフ
ェログラムにより光スペクトルを求めること、などによ
って高精度の土壌成分分析を可能にしている。

【００５８】（第８の実施形態）図１６は本発明のさら
に別な実施形態による土壌の光学特性測定装置８０の構
成を示す概略図である。この光学特性測定装置８０は、
測定位置検出装置８１を備えている。測定位置検出装置
８１としては、人工衛生を利用した測位システム（ＧＰ
Ｓ； Grobal Positioning System）、ジャイロセンサ等
を用いて移動方向や移動量を監視することによって位置
を検出する方式のものなどを用いることができる。測定
位置検出装置８１によって検出された位置情報はマップ
作成部８２へ送られる。マップ作成部８２では、データ
処理装置２５から得た土壌成分の情報と測定位置検出装
置８１から得た測定位置情報を関連付けて蓄積し、測定
地域全体における土壌成分マップを自動作成する。作成
された土壌マップは、記録媒体に保存され、あるいはデ
ィスプレイに表示され、あるいはプリンタ等から出力さ
れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の土壌成分分析装置の構成を示す概略図で
ある。

【図２】同上のフィルタディスクを示す平面図である。

【図３】データ処理装置における処理手順を示すフロー
図である。

【図４】本発明の一実施形態による土壌の光学特性測定
装置の構成を示す概略図である。

【図５】同上の光学特性測定装置に用いられている光チ
ョッパの構造示す斜視図である。

【図６】（ａ）（ｂ）はそれぞれ異なる構成の分光装置
を示す概略図である。

【図７】光チョッパによる光検出器の受光信号の補正回
路を示す図である。

【図８】光積分球に設けられた導光手段の他例を示す概
略断面図である。

【図９】本発明の別な実施形態による土壌の光学特性測
定装置を示す一部破断した概略断面図である。

【図１０】本発明のさらに別な実施形態による土壌の光
学特性測定装置を示す一部破断した概略断面図である。

【図１１】本発明のさらに別な実施形態による土壌の光
学特性測定装置を示す一部破断した概略断面図である。

【図１２】本発明のさらに別な実施形態による土壌の光
学特性測定装置を示す概略断面図である。

【図１３】本発明のさらに別な実施形態による土壌の光
学特性測定装置を示す概略断面図である。

【図１４】本発明のさらに別な実施形態による土壌の光
学特性測定装置を示す概略断面図である。

【図１５】音響光学波長チューニング素子の概略を示す
説明図である。

【図１６】本発明のさらに別な実施形態による土壌の光
学特性測定装置を示す概略断面図である。

【符号の説明】

３土壌面２２投光部２３光積分球２４光検出器２５データ処理装置２８光チョッパ２９分光装置４２照射窓６０参照板６３ａ，６３ｂ，６３ｃ発光素子６８透明板７０遮光枠８１測定位置検出装置８２マップ作成部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平２−249952（ＪＰ，Ａ) 特開平５−87733（ＪＰ，Ａ) 特開平９−149903（ＪＰ，Ａ) 特開平８−37807（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−88430（ＪＰ，Ａ) 実開昭59−49935（ＪＰ，Ｕ) 国際公開96／027713（ＷＯ，Ａ１) ＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅＡＳＡＥ，1993年，ｖｏｌ．36, ｐ．1571−1582 (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01N 21/00 - 21/61 G01J 3/00 - 3/52 ＷＰＩ／ＬＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ) ＩＥＥＥＸｐｌｏｒｅＷｅｂｏｆＳｃｉｅｎｃｅ

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】土壌面に向けて測定光を照射する投光部
と、土壌面に臨ませるための開口を有し、土壌面で散乱反射
された測定光を捕捉して閉じ込める光捕捉部と、前記光捕捉部の内部で、前記散乱反射光を受光する光検
出器と、前記光検出器の測定データに基づいて土壌の光学特性を
分析する手段と、前記光捕捉部の内側に立てて前記開口を開き、かつ前記
開口側に倒して前記開口を閉じるように、一端が前記開
口の縁に枢着された参照板と、を備えた土壌の光学特性測定装置。
【請求項２】前記光捕捉部は、高反射率の内面を有す
る略球状の空洞であることを特徴とする、請求項１に記
載の土壌の光学特性測定装置。
【請求項３】前記投光部は、白色光を発生する光源
と、当該光源の光のうちから特定波長の測定光を選択的
に取り出して出射すると共に、測定光の波長を時間的に
変化させる手段と、を有することを特徴とする、請求項
１に記載の土壌の光学的特性測定装置。
【請求項４】前記投光部は、複数波長の測定光を発生
する光源と、波長の異なる測定光に異なるパラメータで
変調を施して出射する手段とを有し、前記光学特性分析手段は、光検出器の出力を前記変調パ
ラメータに基づいて分離する機能を有することを特徴と
する、請求項１に記載の土壌の光学的特性測定装置。
【請求項５】前記投光部から出射された測定光は、前
記光捕捉部の内側から土壌面に向けて照射されることを
特徴とする、請求項１に記載の土壌の光学的特性測定装
置。
【請求項６】前記投光部から土壌面に向けて、測定光
を断続的に照射させるようにしたことを特徴とする、請
求項１に記載の土壌の光学特性測定装置。
【請求項７】測定位置を特定するための測定位置計測
装置を備えた、請求項１に記載の土壌の光学特性測定装
置。
【請求項８】前記測定位置計測装置から出力された位
置情報と、前記光学特性分析手段により得られた測定デ
ータとから、土壌の特性マップを作成する手段を備え
た、請求項７に記載の土壌の光学特性測定装置。