JP6954930B2 - 複数の光ガイドを備える検出器システム及び検出器システムを備える分光計 - Google Patents

Description

本発明は、物特性、例えば、物の性質を光学的に検出する検出器システムに関する。

多数の異なる応用のために構成される今日市場に出回っている多数の異なる検出器システムがある。一つのそのような応用は、性質が異なる物のバルク（ｂｕｌｋ）の分類である。そのような物の例は、穀物のような種々のタイプの粒状体（ｇｒａｎｕｌｅ）である。そのような物を照明するとともに物から反射した光又は物を通過する光を検出器によって収集することができる。検出器は、好適には、複数の測定変数を生成して、物の性質を決定するために多変量解析を行うことができるようする。一部の検出器システムは、入射光のゲート又はポートを有する標準的な分光計を備える。受光した光を種々の波長範囲に分散する回折格子又はプリズムがポートに存在してもよい。また、そのような検出器システムは、分散した光を検出器に投影するための複数のミラー又はレンズを備えてもよい。

最も一般的な検出器は、センサアレイによって構成され、すなわち、互いに近接して配置された複数の小型の検出器又はセンサが存在する。そのような検出器は、電荷結合素子（ＣＣＤ）、例えば、リニアＣＣＤである。コンデンサを有することなく他の増幅機能を設けたセンサアレイの形態の検出器を用いることもできる。

検出器システムを、種々の波長範囲を検出するために配置してもよい。インジウムガリウム砒素（ＩｎＧａＡｓ）ダイオードアレイを検出器として用いる場合、正常範囲は９００〜１７００ｎｍである。例えば、２５６個のフォトダイオードを有する一つのダイオードアレイを用いる場合、各フォトダイオードは、３，１２５ｎｍの波長範囲をカバーする。そのような検出器は、９００ｎｍから１７００ｎｍの範囲に亘る各々が３，１２５ｎｍの幅の２５６個の異なる波長範囲の分解能を有する。使用中に、各画素又はフォトダイオードによって収集される光の量が監視され、各画素又はフォトダイオードで検知される光の量を示すダイヤグラムは、スペクトルと称される。カメラに関しては、物の輝度に適合した露光時間及び画素又はフォトダイオードの感度、すなわち、良好な読出しを行うために各画素が必要とする光の量をしばしば選択することができる。ダイオードアレイ、例えば、４００〜１０５０ｎｍの波長範囲で機能するシリコン（Ｓｉ）に基づくダイオードアレイが存在する。そのようなＳｉダイオードアレイは、著しく廉価であるが、主に定性的な読出しを行うために多くの光を必要とするという不都合を有し、これは、露光時間をＩｎＧａＡｓダイオードアレイより長い露光時間を意味する。

例えば、国際公開第２００４／０６０５８５号で参照される物を分類する装置は、露光時間について厳しい要求を課す。そのような検出器システムは、チャネルごとの２５０個の粒状体又は４ミリ秒ごとの１個の粒状体の分類を行うことができる。

しかしながら、チャネルを高速で変更しながら小さい遅延で多くの画素からの読出しを行うのと同時に長寿命及び少ない光損失を可能にしながら物特性を正確に決定することができる検出器システムが必要となる。

本発明の実施の形態の目的は、上述した欠点を軽減及び／又は除去することができる検出器システムを提供することである。

この目的は、各物からの入射光をそれぞれガイドする複数の光ガイドであって、入射光が照明手段によって供給される複数の光ガイド検出器システムを提供することによって達成される。検出器システムは、入射光を種々の波長範囲に分散する分散手段を更に備える。少なくとも一つのフォーカサ、例えば、集束部を、光ガイドから出射する入射光を分散手段に投影するために設ける。検出器エリアを有する検出器は、複数の光ガイドからの分散した光を使用中に受光する。検出器システムは、一度に唯一の光ガイドを介する入射光をパルスタイミングパラメータに基づいてパルス化（ｐｕｌｓａｔｅ）し、各光ガイドから分散されるとともに検出器によって検出された光のスペクトルをパルスタイミングパラメータに基づいて記録するために配置される制御ユニットを更に備える。

本開示のこれら及び他の態様、特徴及び利点は、種々の実施の形態の以下の記載から明らかになり、添付図面を参照されたい。

検出器システムの概略図である。 光ガイドの第１の幾何学的形状に対する検出器システムの検出器及び光ビームの正面図である。 光ガイドの第２の幾何学的形状に対する検出器システムの検出器及び光ビームの正面図である。 光ガイドホルダの正面図である。

以下の記載において、説明を目的とするとともに限定を目的とすることなく、例示的な実施の形態を全体的に理解するために特定の構成要素、素子、技術等のような特定の詳細を説明する。しかしながら、例示的な実施の形態をこれらの特定の詳細から逸脱する他の状況で実現できることは、当業者によって明らかである。他の例において、周知の方法及び素子を、例示的な実施の形態の説明をわかりにくくしないようにするために省略する。ここで用いられる用語は、例示的な実施の形態を説明するためのものであり、ここに提供する実施の形態を限定することを意図しない。

本発明の全体的な目的は、高精度かつ低コストで物特性の決定を可能にしながら読出しを非常に速く行う検出器システムを提供することである。

各物からの光をそれぞれ伝達する複数の光ガイドから発生した光の読出しを検出するために単一の検出器を用いることができるように検出器システムの光学的配置を行う。これにより、システムのコストが低減し、さらに、迅速な読出しのために検出器をできるだけ小さくすることによって検出速度が上がる。

図１を参照すると、検出器システム１００の概略図を示す。検出器システム１００は、使用中に各物Ｏａ，Ｏｂ，Ｏｃ，Ｏｄからの入射光をそれぞれガイドする光ファイバのような複数の光ガイド１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄを備える。入射光は、ランプ、ＬＥＤ、レーザ、ストロボスコープ等のような照明手段１０によって供給される。分散手段１２は、入射光を種々の波長に分散するために配置される。凸レンズ１３のような少なくとも一つのフォーカサは、光ガイドから出射する入射光を分散手段に投影するために配置される。凸レンズを、光の集束を行うことができるミラー（凹面鏡）に置き換えてもよい。凸レンズ１３又はミラーの変形例は、レンズ１３又はミラーと同一の集束効果を実現するために光ファイバのような光ガイドの先端をグラインドする（ｇｒｉｎｄ）ことである。

検出器システム１００は、複数の光ガイドからの分散光を受光する検出器エリアを有する検出器１４を更に備える。さらに、検出器システム１００は、一度に唯一の光ガイドを介する入射光をパルスタイミングパラメータに基づいてパルス化するとともに各光ガイドから分散されるとともに検出器１４によって検出された光のスペクトルをパルスタイミングパラメータに基づいて記録するように照明手段１０を操作するために配置された制御ユニット１５を備える。

照明手段１０は、光を各光ガイドに供給する一つ以上の光源を備えてもよい。

照明手段を、好適には８００ｎｍと２６００ｎｍの間の範囲内の光を供給するように配置してもよい。

照明手段の光源を、発光ダイオードとしてもよい。オプションとして、照明手段は、各々が異なる波長スペクトルの光を供給する二つ以上のＬＥＤ照明手段を備える。

代替的に、各照明手段は、各々が異なる波長スペクトルの光を供給する少なくとも一つのＬＥＤ、少なくとも一つのレーザ又は少なくとも一つのストロボスコープ照明手段を備えてもよい。

図１に示すように、各光ガイドは、各物からの入射光を受光するように配置される。

検出器システムは、好適には、照明手段１０又は照明手段から出射した光（図示せず）をガイドする任意の光ガイドを物の一方の側に配置するとともに物Ｏａ，Ｏｂ，Ｏｃ，Ｏｄからの入射光を受光する対応する光ガイド１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄを物の他方の側に配置するように配置される。換言すれば、各物Ｏａ，Ｏｂ，Ｏｃ，Ｏｄは、照明手段と各物からの入射光を受光する対応する光ガイド１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄの間に配置される。したがって、照明手段１０からの光は、物を介して伝達され、その後、物からの入射光を受光する対応する光ガイドによって少なくとも一部が収集される。検出器システムは、照明手段１０又は照明手段から出射した光（図示せず）をガイドする任意の光ガイドを物の一方の側に配置するとともに物Ｏａ，Ｏｂ，Ｏｃ，Ｏｄからの入射光を受光する対応する光ガイド１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄを物の同一の側に配置するように配置されてもよい。

分散手段１２を、例えば、入射光を複数の波長に分散する回折格子又はプリズムとしてもよい。

少なくとも一つの凸レンズを光路の下流に設け、分散手段１２は、光ガイドから出射する入射光を検出器１４の検出器エリアに投影する。

オプションとして、一つ以上の凸レンズ（図示せず）を分散手段１２と検出器１４の間の光路に配置してもよい。

制御ユニット１５は、プロセッサ及びメモリを備えてもよい。パルスタイミングパラメータは、光を一度に光ガイド１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄのうちの一つのみに供給するような各照明手段の起動のタイミングを表すタイミングスケジュール又はタイミング信号に関連してもよい。制御ユニットを、記録されたスペクトルの形状と少なくとも一つの基準スペクトルとを比較するとともに記録されたスペクトルが基準スペクトルと一致するか否かを決定するように更に配置してもよい。制御ユニットを、記録されたスペクトルに関連した計算のような情報と複数の基準スペクトルから作成した特定の対応する関連した情報及び／又は（一つ以上の）しきい値とを比較するとともに記録されたスペクトルからの情報／計算が上述した情報及び／又は（一つ以上の）しきい値と一致するか否かを決定するように更に配置してもよい。このようにして、分離速度を上げることができる。

したがって、制御ユニットは、記録されたスペクトルに関連した情報の全てと少なくとも一つの基準スペクトルの対応する情報との比較を行う必要がなく、関心のある減少した情報又は抽出した情報との比較を行うことができる。減少した情報との比較を行うことによって、全体的なマッチング速度（ｍａｔｃｈｉｎｇ ｓｐｅｅｄ）を上げることができる。

制御ユニットを、記録されたスペクトルと少なくとも一つの基準スペクトルとの一致に基づいて関連の物の特性を識別するように更に配置してもよい。

光ガイド１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄごとに一つの基準スペクトル及び物特性を、例えば、較正プロセス中に予め記録してもよい。物特性は、
１）タンパク質含有量、水分量、デンプン含量、ベータグルカン等のような果実又は種子（穀物）の天然要素、
２）交配種、ＧＭＯ等のような果実又は種子の種類及び亜種（ｓｐｅｃｉｅｓ ａｎｄ ｖａｒｉｅｔｉｅｓ）
３）透明度、細胞壁の厚さ、球状構造等のような果実又は種子の内部構造特性、
４）微生物、毒素、添加物等のような果実及び種子の異物、
５）多汁性、発芽力、グルテンの性質等のような果実及び種子の機能特性、又は、
６）フォーリングナンバー、熟成等のような果実及び種子の一時的変位の状態としてもよい。各物特性の異なるレベルの光ガイドごとの一つ以上の基準スペクトルを記録することもできる。この結果、各光ガイドに対する基準スペクトルのセットとなり、各基準スペクトルは、所定の特性又はそのレベルに関連する。

一度に一つの光ガイドのみが光を受光するように制御ユニットが照明手段の動作を制御するので、制御ユニットは、起動中の光ガイドで利用できる基準スペクトルの対応するセットを選択し、上述した起動中の光ガイドを介して受光した記録されたスペクトルと上述した起動中の光ガイドで利用できる基準スペクトルとを比較する。基準スペクトルが各光ガイドに対して予め記録されているので、基準スペクトルに関連する記録されたスペクトルの幅方向の軸に沿った変換のような画像解析の形態の追加の信号処理を必要としない。これによって、処理時間を大幅に短縮させる。

図１に示すように、第１の光ガイドから分散した光を受光する検出器エリアの第１のサブエリアは、第２の光ガイドから分散した光を受光する検出器エリアの第２のサブエリアを有する検出エリアと重なり合う。しかしながら、パルス化した光のために一度に唯一の光ガイドからの光、したがって、物からの光が検出器に当たるので、各物からの個別のスペクトルを記録することができる。

図２は、光ガイド１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄの各々が幾何学的形状で並んで配置された配置を示し、その結果、複数の分散した光ビーム１１ａ’，１１ｂ’，１１ｃ’，１１ｄ’が検出器エリアの幅ｗ’に沿って当たる。各分散光ビーム１１ａ’，１１ｂ’，１１ｃ’，１１ｄ’は、各物Ｏａ，Ｏｂ，Ｏｃ，Ｏｄからの光を含む。

図３を参照すると、複数の光ガイド１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄのうちの少なくとも二つが、幾何学的形状の高さ方向の軸に沿って上下に配置され、検出器エリア１４１は、高さ方向に平行に延在する高さｈ’及び複数の光ガイドから分散光を受光するための幅ｗ’を有する。このようにして、二つ以上の分散光ビーム１１ａ’，１１ｂ’，１１ｃ’，１１ｄ’が検出器エリアに当たることができる。

光ビームが重なり合うエリアに検出器エリアを配置することができるので、機能するために検出器エリアを２次元検出器エリアにする必要がないことを理解すべきである。したがって、各分散光ビーム１１ａ’，１１ｂ’，１１ｃ’，１１ｄ’からの光の一部が検出器エリアに当たるのであれば、高さ方向軸に沿って一つの画素のみを有する検出器エリアを用いてもよい。

しかしながら、一部の応用に対して、検出器は、２次元検出器エリアを備えてもよい。これは、検出器のタイプに応じて検出器エリアの高さ方向軸に沿って検出器エリアに当たるように二つ以上の分散光ビームを配置するときに好ましい。

光ガイド１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄの幾何学的形状を、二つ以上の行及び二つ以上の列を有する行列として配置される光ガイドホルダ２１によって実現してもよく、光ガイドホルダ２１の正面図を図４に示す。光ガイドホルダの各位置は、光ガイドによって占有されるように配置される。したがって、光ガイドホルダ２１を、光ガイド１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄの端部を受け入れるとともに分散手段の前方すなわち分散手段の光路の上流に位置するように配置してもよい。

代替的には、光ガイドホルダ２１を、幅方向軸に沿った位置でそれぞれ受け入れるために光ガイドを受け入れるための二つ以上の行及び二つ以上の列を備える行列として配置してもよい。

物を、例えば、穀物、果実、穀粒、種子、単一の穀物、処理された穀物、粒状穀物製品、豆類、レンズ豆、豆、ナッツ、任意の果実由来又は植物由来のもの、任意の再生利用可能なもの、有機性の任意の自然又は合成（有効）成分を含む穀物、又は、有機性の及び／又は有機物質を含む他の任意の穀物原料としてもよい。

検出器エリアは、１２８画素、６４画素、３２画素、１６画素又は８画素のような２５６画素未満の幅ｗ’を有してもよい。

記録されたスペクトルは、検出器の関連のサブエリアの各画素からの直接的な読出しに適してもよい。このようにして、個別の画素ノイズの不所望な加算が生じる記録されたスペクトルの検出器画素強度（ｄｅｔｅｃｔｏｒ ｐｉｘｅｌ ｉｎｔｅｎｓｉｔｉｅｓ）の後の平均化を回避することができる。

代替的に、記録されたスペクトルは、検出器の各画素からの直接的な読出しに適してもよい。

制御ユニットを、記録されたスペクトルと基準スペクトルの関連のセットの少なくとも一つの基準スペクトルとを比較する前に記録されたスペクトルをそれぞれ正規化してもよい。また、制御ユニットを、基準スペクトルをそれぞれメモリに格納する前に基準スペクトルをそれぞれ正規化してもよい。代替的に、制御ユニットは、基準スペクトルと記録されたスペクトルとの比較に応答して基準スペクトルをそれぞれ正規化することができる。

検出器を、検出器から即時の読出しを行うために少なくとも一つのアナログデジタル（ＡＤ）コンバータに接続された光検出器としてもよい。

代替的に、検出器は、検出器から順次の読出しを行うためのＣＭＯＳ基板を備えてもよい。

代替的に、検出器からの信号を、グラニュールの特性を予測するためのアナログ電子機器を用いて処理してもよい。

各分散光ビーム１１ａ’，１１ｂ’，１１ｃ’，１１ｄ’に関連した検出器エリアのサブエリアは、８画素のような８〜１６画素のような８〜３２画素を備えてもよい。

上述した検出器システムを、分光計（図示せず）の一部として配置してもよい。

四つのチャネルシステム、すなわち、四つの物、四つの光ガイド１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ及び検出器に当たる四つの光ビーム１１ａ’，１１ｂ’，１１ｃ’，１１ｄ’を示す図を用いて検出器システムを上述したが、本発明が四つのチャネルシステムに限定されないことを理解すべきである。実際には、三つ以上のチャネルを有する任意の形態を、本発明から逸脱することなく用いることができる。

したがって、説明のために十分に種々の実施の形態を記載したと考えられる。しかしながら、上記記載は、例示した実施の形態を開示した正確な形態に包括させる又は限定することを意図しない。したがって、変更及び変形が上述した教示の観点から可能である又は変更及び変形を提供した実施の形態の種々の代替の実現から取得することができる。ここで説明した例を、種々の例示的な実施の形態の原理及び性質並びに考えられる特定の仕様に適した種々の変形と共に例示的な実施の形態を種々の方法で当業者によって利用できるようにする実用的な応用を説明するために選択及び記載した。ここで説明した実施の形態の特徴を、方法、装置、モジュール、システム及びコンピュータプログラム製品の全てのあり得る組合せに組み合わせることができる。ここに示した例示的な実施の形態のいずれかを同時に、任意の組合せで又は互いに用いてもよい。

物からの入射光を、関連の物、例えば、粒状体を伝達することによって発生したものとして上述したが、入射光が上述した物で反射した光に関連することも同様に可能である。したがって、照明手段１０を、入射光を受光する複数の光ガイド１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄに関連する物の反対側に配置する必要がない。照明光源を、物と同一の側に又は入射光を受光するための複数の光ガイドに対して任意の適切な角度で配置してもよい。

用語「備える」は必ずしも列挙した素子又はステップ以外の素子又はステップを除外せず、素子に先行する用語「一つ」（“ａ” ｏｒ “ａｎ”）は、そのような素子の複数の存在を除外しないことを留意すべきである。任意の引用符号は例示的な実施の形態の範囲を限定するものでなく、例示的な実施の形態をハードウェアとソフトウェアの両方によって少なくとも部分的に実現してもよく、かつ、複数の「手段」、「ユニット」又は「装置」をハードウェアの同一のものによって示してもよいことに留意すべきである。

Claims (16)

1. 各物からの入射光をそれぞれガイドする複数の光ガイド（１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ）であって、前記入射光が照明手段（１０）によって供給される複数の光ガイド（１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ）と、
   前記入射光を種々の波長範囲に分散する分散手段（１２）と、
   前記光ガイドから出射する前記入射光を前記分散手段に投影する少なくとも一つのフォーカサ（１３）と、
   前記複数の光ガイドからの分散した光を受光する検出器エリアを有する検出器（１４）と、
   一度に唯一の光ガイドを介する前記入射光を、光を一度に前記光ガイドのうちの一つのみに供給するような各照明手段の起動のタイミングを表すパルスタイミングパラメータに基づいてパルス化し、各光ガイドから分散されるとともに前記検出器（１４）によって検出された光のスペクトルを前記パルスタイミングパラメータに基づいて記録するために配置された制御ユニット（１５）と、
   を備え、
   前記検出器エリアは、第１の光ガイドからの分散した光を受光する第１のサブエリアと、第２の光ガイドからの分散した光を受光する第２のサブエリアと、を備え、前記第１のサブエリアは、前記第２のサブエリアと重なり合う検出器システム（１００）。
2. 前記複数の光ガイド（１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ）のうちの少なくとも二つは、幾何学的形状の高さ方向軸に沿って上下に配置され、前記検出器エリアは、前記高さ方向に平行に延在する高さ及び前記複数の光ガイドからの分散した光ビームを受光するための幅を有する請求項１に記載の検出器システム（１００）。
3. 前記幾何学的形状は、二つ以上の行及び二つ以上の列を有する光ガイドホルダ（２１）の形状であり、前記光ガイドホルダ（２１）の各位置は、光ガイドによって占有されるように配置される請求項２に記載の検出器システム（１００）。
4. 前記物は粒状体である請求項１〜３のいずれか一項に記載の検出器システム（１００）。
5. 前記検出器エリアは、２５６画素未満の幅の矩形を有する請求項１〜４のいずれか一項に記載の検出器システム（１００）。
6. 前記検出器は、２次元検出器エリアを備える請求項１〜５のいずれか一項に記載の検出器システム（１００）。
7. 前記制御ユニット（１５）は、記録されたスペクトルに関連する情報と少なくとも一つの基準スペクトルに関連する対応する情報とを比較するとともに前記記録されたスペクトルが前記基準スペクトルに一致するか否かを決定するように更に配置された請求項１〜６のいずれか一項に記載の検出器システム（１００）。
8. 前記制御ユニット（１５）は、前記記録されたスペクトルと前記少なくとも一つの基準スペクトルとの一致に基づいて関連の物の特性を識別するように更に配置された請求項７に記載の検出器システム（１００）。
9. 前記記録されたスペクトルは、前記第１のサブエリア又は前記第２のサブエリアの各画素から直接的に読み出される請求項１〜８のいずれか一項に記載の検出器システム（１００）。
10. 前記検出器は、前記検出器から即時の読出しを行うために少なくとも一つのアナログデジタル（ＡＤ）コンバータに接続された光検出器である請求項１〜９のいずれか一項に記載の検出器システム（１００）。
11. 前記検出器は、前記検出器から順次の読出しを行うためのＣＭＯＳ基板を備える請求項１〜９のいずれか一項に記載の検出器システム（１００）。
12. 前記照明手段は、８００ｎｍから２６００ｎｍの範囲内の光を供給するように配置された請求項１〜１１のいずれか一項に記載の検出器システム（１００）。
13. 各照明手段は、少なくとも一つのＬＥＤ照明手段を備える請求項１２に記載の検出器システム（１００）。
14. 各照明手段は、各々が異なる波長スペクトルを供給する少なくとも一つのＬＥＤ，少なくとも一つのレーザ又は少なくとも一つのストロボスコープ照明手段を備える請求項１２に記載の検出器システム（１００）。
15. 前記第１のサブエリア及び前記第２のサブエリアは、８〜３２画素を備える請求項１〜１４のいずれか一項に記載の検出器システム（１００）。
16. 請求項１〜１５のいずれか一項に記載の検出器システム（１００）を備える分光計（２００）。

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