JP4153433B2 - 物体のゲル状態またはゾル−ゲル状態変化の評価方法および装置 - Google Patents
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Description
ただし、「模様の細かさは表面の粗さなど面の微視的な構造とは無関係で、面上の照射スポットの形と大きさで決まり、スポットを絞るほど模様は粗くなる。」「結像系のピントを拡散面から外すと、像はぼやけるが、スペックルは相変わらず明瞭である。」とある。(「光学的測定ハンドブック」朝倉書店p.235)
(1) 請求項1記載の物体のゲル状態やゾル−ゲル状態変化の評価方法は、レーザー光を照射された、ゲル状またはゲル形成性ゾル状の物体を、二次元映像認識手段によって観測する散乱光観測システムにおいて、前記物体に外力を連続又は断続に与えながら、又は外力の付与を停止した直後に観測面で観測されるスペックルパターンの状態(コントラスト、濃淡、広がり等)を画像処理することによって、当該物体のゲル状態またはゾル−ゲル状態変化について評価することを特徴とする。
前記物体にコヒーレントな光(干渉可能な光。位相、波長、振幅等が揃った光)、例えばレーザー光線を照射すると、当該物体が半透明から不透明ならば入射側の表面、または透明から透明に近い半透明ならば物体裏側に配設した不透明性部材面(入射の反対側)にて、照射光の反射(または透過)散乱が起きて、照射光の像ができ、さらにその像を観測する二次元映像認識手段の観測面でも結像する。二次元映像認識手段手前で、開口絞りや焦点等の調整によっては前記物体面や前記観測面前後の空間における光を結像することができる。これら結像面、特に光線断面の像内やその周辺には、物体の表面の凹凸や内部の粗密、網目構造などによって複雑な反射する際に光路差や方向、波長(周波数)、位相などが微妙に変化した結果、光の干渉によって輝度の強い斑点(スペックル)が発生し、不規則な明暗模様(スペックルパターン)が現れる。これらの光の結像状態(形状、鮮明さ、輝度、濃淡、明暗等)やスペックルパターンの状態(形状、輝度の強さの分布、濃淡、明暗、コントラスト、鮮明さ、広がり等)を、二次元映像で検出できる映像認識手段、例えば肉眼やCCDカメラ等で認識する。好ましくは、散乱光強度の二次元分布映像の画像データを画像処理(2値化、エッジ処理、モービング処理等)や、パターン認識(例えば、ニューラルネットワークの利用)や相対的なパターン比較(例えば、微小な時間差で経時的に得られた2つ以上の画像における、パターンの一致度やその二次元分布の各画素の強度変化度)や、合計値、平均値、分散値などの統計解析処理、1次微分や2次微分等の多次微分、積分、四則演算、対数化、フーリエ変換などの演算処理して、数値化(以下、「スペックル値」という)する。特にスペックルパターンのコントラストは多次微分処理(例えば1次微分や2次微分処理)によって効果的に表現できる。さらに前記スペックル値から、あらかじめ相関関係が認められた因子間で成り立つ関係式を用いて、当該物体のゲル状態(編み目構造の粗密、硬さ、保水性等)やゾル−ゲル状態変化(例えばタンパク質等高分子のゲル化過程やゾル化過程等)に関する情報を得ることができる。
また、前記光源は、前記レーザー光源以外に、フーリエ変換レンズ(コヒーレント処理)やバンドパスフィルターなど光学処理を組み合わせた水銀灯、ストロボ光源、白色光源(キセノンランプ、蛍光灯)、太陽光、白熱灯、ナトリウム灯、赤外光源(ニクロム線ヒーター、セラミックヒーター、タングステンランプ、タングステン・ハロゲンランプ等)や紫外線ランプ、X線を発生させるレーザープラズマ光源等も利用できる。
前記光源は、光軸断面形状による分類として、極小さい点光源、点光源の集まりになる線光源や面光源(円形、楕円、スポット光源、四角、リング状など)やマルチライン光源などが適用できる。そのほか、レンズ(凹凸レンズ、フーリエ変換レンズ等)やスリット板(1本以上の線状孔を有する)やピンホール板(1以上の小孔を有する)、反射板、(鏡などの平滑な板や金属板などの粗面の板など)光ファイバーなどによって光軸断面形状を変形、分散・干渉(例えば、コヒーレント性を部分的に有するスペックル状の照射光を用いる等)、制限または伝搬した投光方法も用いられる。また開口絞り、NDフィルター、バンドパスフィルター、偏光フィルター、干渉フィルターなどによる光量の調整や波長・偏光制限や、回折格子やプリズムによる分光を行ってもよい。その光軸断面の形状やサイズは製品の照射面積未満であれば特に限定しない。例えば、ゲル状食品またはゲル形成性ゾル状食品や化粧品、等のように小さい形態の製品では、スポット状等の面光源は0.01〜100mm程度が好ましく、1〜10mm程度が最適である。また線光源も幅、長さともに特に限定しないが、幅0.1〜10mm、長さ1mm〜1m程度が実用的である。
本発明のように可視光線(0.38〜0.75μm)から近赤外線(0.75〜2.51μm)の光を照射光に用いると、単なる表面の粗面だけでなく、内部まで浸透して、より深層のゲル(ゾル)の三次元構造を反映する散乱光が得られる。肉厚の製品等には有利である。さらに、より浸透性を優先するならば、可視光線の長波長側から近赤外線領域の波長(例えば0.6〜1.1μm)を有する光を選択することが、測定感度、経済性、安全性の面でも好ましい。
また自然光や室内照明(蛍光灯、水銀灯)等の迷光の発光波長を避けることによって、前記散乱光観測システムを暗室下におく必要がなくなる。なお、迷光の影響を避ける場合、可視光線域や外光源(蛍光灯や水銀灯等)の発光波長を避けた波長域を選択する方が好ましい。
(5)請求項5記載のゲル状包装食品中の遊離水についての検知方法は、(2)または(3)または(4)記載の評価方法において、前記物体が密封包装された後、水に接触する工程を経た製品で、包装材にピンホール、亀裂やシール不良などを起こし、内部に水が侵入した不良品である場合や、ゲルの保水性が低く、離水が発生した場合等、製品内(計測面)に存在する遊離水を検出することを特徴とする。
本発明は例えば、図20に示したような形態で実施できる。同調コンベア23、本体(検出部)コンベア24、振り払いコンベア25、操作・制御盤26で構成され、本体には、光源3と映像認識手段9を1セット以上配設し、例えば対象物体1は供給搬送コンベアから、同調コンベア23のストッパーで受け止められ、1〜複数個毎に本体コンベア24に移送されて、例えば対象物体の側面に光源3からの光を照射しその画像を映像認識手段9で画像撮影し、計測が行われる。計測時、当該対象物体1は移動(600mm/sec以下、好ましくは400mm/sec)していてもよいが、再現性・安定性の点から静止させた方が好ましい。計測後、本体コンベア24から振り払いコンベア25に移送され、計測結果が例えば良品(ゲル化品・凝固品)と判断された物体は次工程に進むが、不良品(未ゲル化・未凝固品)と判断された物体は振り払い装置27によって除去される。本体コンベア24に移送する物体の数やコンベア速度等によって処理能力を例えば1時間当たり1,000〜10,000個までの可変調整できる。またその数に応じて、光源とカメラ台数を配設すれば、間引き検査から全数検査まで対応が可能である。なお、図20のような形態は本発明の実施形態の一例であって、特に限定するものではない。
ゼラチンゲルは、ゼラチン粉末(市販)0、3.5、8.8、17.5、35gを計り、それぞれ少量の水で膨潤させておき、沸騰水を加え全量を350mlとして、撹拌溶解し、PP製半透明パック(2Bサイズ、300ml容)に充填し、NY/PPフィルムでヒートシールし、一夜冷蔵庫中でゲル化させた。
卵白ゲルは卵白粉末(奥野製薬製)3.5、8.76、17.5、35gを計り、それぞれに冷水を加え、350mlとして、80℃に調整した湯槽で1時間加熱凝固させた。氷水で冷後、一夜冷蔵した。
表1
国産大豆の微粉末大豆(第一タンパク社製)7kgと水35kgを分散機(高井製作所製KD50−MS)で約20分間分散した粉大豆スラリー生ゴを、豆乳製造プラント(高井製作所製NS2000S)を用いて、消泡剤無添加にて、煮沸(5分102℃)を行い、絞り機(高井製作所製シリウス1連、ミジン取り網:150メッシュ)を通し、豆乳濃度11.5%brix、豆乳量約40kgを得た。使用前まで、氷水で冷却しておいた。
その後、フィルムを開封し、容器に入ったまま、レオメーター(不動工業製NRM−2002J)によって破断力の測定、パネラー数名による試食評価(外観、色、臭い、味、テクスチャーについて10段階の採点し、合計を100点満点として換算)、2時間放置前後の重量差から離水率の測定を行った。結果を表2、図8に示した。
表2
国産大豆トヨマサリ(平成12年度、北海道産)を井戸水で15℃22時間浸漬した。生大豆8kgに相当する17.6kgの漬大豆を粉砕した生ゴを、豆乳製造プラント(高井製作所製NS2000S)を用いて、消泡剤(理研ビタミン社製エマルジースーパー)40gを添加し、煮沸(5分102℃)を行い、搾り機(高井製作所製シリウス1連、ミジン取り網:100メッシュ)を通し、豆乳濃度13.0%brix、豆乳量約35kgを得た。
表3
前記散乱反射光の2次元観測システムは、図10に示すように内容物のゲル化過程、内容物のゲル化状態をモニターすることが可能である。 実際に、経時的に豆乳の凝固の過程を測定した。
前記(実施例3)で調製したホット充填豆腐を、フィルムのヒートシールが完全な場合と、一部シール不良を起こした製品を、水槽で冷却した後、前記散乱反射光を観測する二次元観測システムを用いて計測した。その結果、前者ではスペックル値は平均3500程であったが、後者では、5000〜6000と、異常に高い値を示した。従って、ピンホール検出が可能であることが判った。また、前記ホット充填豆腐の凝固剤量を増やして、豆乳に対して乳化にがり1.5%と過剰に添加した場合で、熟成後、同じように、スペックル値が4000〜5000と高めの値を示し、凝固過剰な状態、いわゆる「寄りすぎ」の状態も検知することが可能であった。
前記実施例2同様に、11.5%brixの豆乳にGDLの添加量を変えて製造した充填豆腐を、静止条件と加振条件(市販超音波発振器を受け台に取付けて19kHz、2W/cm2で加振)で計測したスペックル値(3次微分平均値)と、破断力の関係を図19に示した。完全静止状態よりも加振状態の方で、硬さとの高い相関が得られた。
図15に示したように、前記物体1がコンベアー19上を連続移動している状態で、レーザー光源3から前記物体1の進行方向を横断するように線状の光2を照射し、前記物体1が移動する間、その線状照射光の結像20から反射する光4、5やスペックルパターンの光6を、前記二次元観測装置9を用いて連続計測した。その結果、結像面の全面に対して、スペックル値の分布が得られた。これによって、例えば図18の矢印Aで示すような硬い部分や、矢印Bに示すような柔らかい部分が、表面や内部に存在する製品を検知することができた。
図2は、本発明請求項1および実施例1記載の反射散乱光二次元観測システムの説明図(前記物体の裏面の結像を撮影)であり、
図3は、本発明請求項1記載の透過散乱光二次元観測システムの説明図(前記物体を透過した散乱光の裏面での結像を撮影)であり、
図4は、本発明請求項1および実施例1記載のゼラチンゲルの硬さとスペックル値(観測値)の関係説明図であり、
図5は、本発明請求項1および実施例1記載の寒天ゲルの硬さとスペックル値(観測値)の関係説明図であり、
図6は、本発明請求項1および実施例1記載のコーヒー入りカラギーナンゲルの硬さとスペックル値(観測値)の関係説明図であり、
図7は、本発明請求項1および実施例1記載の卵白ゲルの硬さとスペックル値(観測値)の関係説明図であり、
図8は、本発明請求項1および実施例2記載の充填豆腐の硬さとスペックル値(観測値)の関係説明図であり、
図9は、本発明請求項2および実施例3記載の包装状態と開封状態によるホット充填豆腐の硬さとスペックル値(観測値)の関係説明図であり、
図10は、本発明請求項1および請求項2および請求項3および実施例4記載のゾル−ゲル状態変化測定実施形態の説明図(型箱、小規模バッチ式)であり、
図11は、本発明請求項1および請求項2および請求項3および実施例4記載のゾル−ゲル状態変化測定実施形態の説明図(タンク、大規模バッチ式)であり、
図12は、本発明請求項1および請求項2および請求項3および実施例4記載のゾル−ゲル状態変化測定実施形態の説明図(配管、インライン連続式)であり、
図13は、本発明請求項1および請求項2および請求項3および実施例4記載のゾル−ゲル状態変化測定実施形態の説明図(プローブ式センサー)であり、
図14は、本発明請求項3および実施例4記載のゲル形成性ゾル状食品のゲル化過程やゲル状態によって変化するスペックル値(観測値)に関する説明図であり、
図15は、実施例7記載の装置の実施形態に関する説明図(線状光源)であり、
図16は、実施例7記載の装置の実施形態に関する説明図(スポット状光源の横列配置)であり、
図17は、実施例7記載の装置の実施形態に関する説明図(スポット状光源の二次元配置)であり、
図18は、実施例7記載の物体の不均一部分検出に関する説明図であり、
図19は、実施例6記載の加振条件による充填豆腐の硬さとスペックル値(観測値)の関係説明図であり、
図20は、本発明請求項1〜6および実施例1〜7記載の反射散乱光二次元観測システムを組み込んだ検査装置システムの説明図である。
2 コヒーレントな照射光
3 光源
4 表面反射散乱光
5 透過反射散乱光
6 スペックルパターン
7 観測面での結像
8 物体面での結像
9 二次元映像認識手段、
10 開口絞り、偏光フィルター、バンドパスフィルターなどの光学補助部品
11 集光レンズ、拡散レンズ等の光学補助部品
12 フーリエ変換レンズ、偏光フィルター、バンドパスフィルターなど光学的変換・制限用光学補助部品
13 線状またはスポット状など光軸変換レンズやスリット板等光軸形状変換・制限用光学補助部品
14 撹拌用装置
15 ゲル状物体またはゾル−ゲル状態変化が起こりうる物体収納容器(型箱)
16 ゲル状物体またはゾル−ゲル状態変化が起こりうる物体収納容器(タンク)
17 ゲル状物体またはゾル−ゲル状態変化が起こりうる物体収納容器(配管)
18 覗き窓
19 移動手段
20 線状照射光の像
21 照射光用光ファイバー
22 映像光(受光)用光ファイバー
23 同調コンベア
24 本体(検出部)コンベア
25 振り払いコンベア
26 操作・制御盤
27 振り払い装置
θ1 入射角(入射光軸と被対象物の照射箇所の接面上の垂線、いわゆる法線となす角度)
θ2 反射(透過)角(受光光軸の、被対象物の反射箇所の接面上の垂線、いわゆる法線となす角度)、
A コントラストの強いスペックルパターン(硬い)部分
B コントラストの弱いスペックルパターン(柔らかい)部分である。
Claims (6)
- レーザー光を照射された、ゲル状またはゲル形成性ゾル状の物体を、二次元映像認識手段によって観測する散乱光観測システムにおいて、前記物体に外力を連続又は断続に与えながら、又は外力の付与を停止した直後に観測面で観測されるスペックルパターンの状態を画像処理することによって、前記物体のゲル状態またはゾル−ゲル状態変化について評価することを特徴とする、物体の評価方法。
- 前記物体がゲル状食品またはゲル形成性ゾル状食品であり、その品質や品質変化を評価することを特徴とする請求項1記載の物体の評価方法。
- 前記物体と前記二次元映像認識手段の間に、照射光が一部分でも透過する部材を介していることを特徴とする請求項1または請求項2記載の物体の評価方法。
- 照射光の波長が、可視光線から近赤外線の範囲にあることを特徴とする請求項1ないし請求項3のうちの何れか1項記載の物体の評価方法。
- 密封包装した前記物体の製品中に存在する水の遊離状態を検知することを特徴とする請求項2ないし請求項4のうちの何れか1項記載の物体の評価方法。
- 前記外力は、微振動、加振、揺動、音波、超音波、エアーや水の噴霧、慣性力であることを特徴とする請求項1から5の何れか1項記載の物体の評価方法。
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