JP7194580B2

JP7194580B2 - 分光計測装置

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Description

本発明は、測定対象物からの反射光に基づき分光計測を行う分光計測装置に関するものである。

橋梁やトンネル等の構造物は、脚部や壁面等に大量のコンクリートが用いられている。コンクリートは、大気中の塩分等により経年劣化する為、保守作業として定期的にコンクリート中の塩分濃度を計測し、コンクリートの劣化度合いを判断する必要がある。

非接触でコンクリート中の塩分濃度を測定する装置として、分光計測装置がある。分光計測装置は、コンクリートに近赤外光を照射し、コンクリートからの反射光を分析することで、コンクリート中の塩分濃度を測定可能となっており、塩分濃度に基づきコンクリートの劣化具合を判断している。

分光計測装置に用いられる光源としては、例えばハロゲンランプ、ハロゲンヒータ等が挙げられる。ハロゲンランプ、ハロゲンヒータの場合、発光する光の波長が０．８μｍ～２．５μｍ程度の近赤外光を含むものであり、温度変化等に対して安定性がある。更に、ハロゲンランプ、ハロゲンヒータは、光源から測定対象物迄の距離が１０ｍ程度あっても計測が可能な光量が得られる為、分光計測装置の光源として適している。

ハロゲンランプ、ハロゲンヒータを用いた分光計測装置として、特許文献１に示されるものがある。然し乍ら、特許文献１の分光計測装置の場合、光源から測定対象物迄の距離が長くなる程、レンズを大型化する必要がある。例えば、測定対象物迄の距離を１０ｍとした場合、ｆ＝８００ｍｍ、対物有効径φ４５０ｍｍのレンズが必要となる。又、この時のレンズの重量は約１６ｋｇにもなる。

従って、トンネルの天井や橋脚の裏側等、離れた位置にある測定対象物を計測する為には、大型のレンズを用いる必要があり、分光計測装置の大型化、高コスト化を避けることができなかった。

特開２０１７－７２４６３号公報特開２０１８－９６７８０号公報

本発明は、光源から距離のある測定対象物の計測を可能にしつつ、小型化、軽量化を図る分光計測装置を提供するものである。

本発明は、光源から発せられる照射光を照射する投光光学系と、測定対象物からの反射光を受光し、受光部へと導く受光光学系と、前記受光部で受光された前記反射光に基づき前記測定対象物の状態を検出する分光器を具備し、前記投光光学系は、前記測定対象物に所定のスポット径で前記照射光が照射される様該照射光を反射する曲面鏡を有する分光計測装置に係るものである。

又本発明は、前記曲面鏡は放物面鏡であり、該放物面鏡は平行光束又は略平行光束となる様前記照射光を反射する分光計測装置に係るものである。

又本発明は、前記曲面鏡は楕円鏡であり、該楕円鏡は前記測定対象物に向って前記照射光が集光される様焦点距離が設定された分光計測装置に係るものである。

又本発明は、前記受光光学系は、自由曲面又は軸外し放物面の反射面を有する受光系反射ミラーを有し、該受光系反射ミラーにより前記反射光を前記受光部へと導く様構成された分光計測装置に係るものである。

又本発明は、前記投光光学系は、前記照射光の通過及び遮断が可能な遮光板を更に有する分光計測装置に係るものである。

又本発明は、前記遮光板は、回転可能な複数の遮光羽根と、各遮光羽根を一体に回転させるリンク機構とを有し、回転時に隣接する各遮光羽根が所定範囲でオーバラップする様、前記遮光羽根の幅と隣接する該遮光羽根間の間隔が設定される分光計測装置に係るものである。

又本発明は、前記遮光板は、前記投光光学系の光軸と直交する方向に連結された複数の遮光パネルと、該遮光パネルを巻取り及び送出しが可能な巻取軸とを有する分光計測装置に係るものである。

又本発明は、前記遮光板は、支点を中心に回転可能であり、中心方向に向って付勢された複数の遮光シャッタを有し、該遮光シャッタに長孔と、該長孔内を摺動するピンとが設けられ、該ピンの摺動により前記遮光シャッタが回転する様構成された分光計測装置に係るものである。

更に又本発明は、前記受光光学系は、前記測定対象物からの前記反射光の一部を反射させる反射部材を有し、該反射部材は前記反射光の光路内の任意の位置に配置された分光計測装置に係るものである。

本発明によれば、光源から発せられる照射光を照射する投光光学系と、測定対象物からの反射光を受光し、受光部へと導く受光光学系と、前記受光部で受光された前記反射光に基づき前記測定対象物の状態を検出する分光器を具備し、前記投光光学系は、前記測定対象物に所定のスポット径で前記照射光が照射される様該照射光を反射する曲面鏡を有するので、前記測定対象物迄の距離に応じて大きくなるレンズを用いる必要がなく、前記投光光学系を小型化、軽量化できると共に、コストの低減を図ることができるという優れた効果を発揮する。

本発明の第１の実施例に係る分光計測装置の光学系を示す構成図である。本発明の第２の実施例に係る分光計測装置の光学系を示す構成図である。（Ａ）（Ｂ）は、遮光板の第１の具体例を示す概略説明図である。遮光板の第２の具体例を示す概略説明図である。（Ａ）（Ｂ）は、遮光板の第３の具体例を示す概略説明図である。本発明の第３の実施例に係る分光計測装置の光学系を示す構成図である。本発明の第４の実施例に係る分光計測装置の光学系を示す構成図である。（Ａ）～（Ｃ）は、反射部材の変形例を示す要部拡大図である。本発明の実施例に係る分光計測装置の装置構成の一例を示す概略斜視図である。（Ａ）は、近距離に於ける測定を説明する概略側面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＡ矢視図を示している。遠距離に於ける測定を説明する概略側面図である。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施例を説明する。

先ず、図１に於いて、第１の実施例について説明する。

図１中、１は分光計測装置を示している。該分光計測装置１は、近赤外光を含む照射光２を投光光軸３上に照射する投光光学系４、測定対象物（図示せず）からの反射光５を受光する受光光学系６を有している。

前記投光光学系４は前記投光光軸３を有し、該投光光軸３上には照射側から順に放物面鏡７が設けられている。又、前記投光光軸３上には光源９と窓ガラス１１が設けられている。前記光源９から照射された前記照射光２が、直接及び前記放物面鏡７に反射された後、前記窓ガラス１１を透して前記投光光学系４により測定対象物に照射される様になっている。

又、前記受光光学系６は、受光光軸１２を有し、該受光光軸１２上に反射部材である直角プリズム１３、受光系レンズ群１４が設けられている。又、該受光系レンズ群１４の焦点位置には受光部である受光ファイバ１５の端面が設けられている。更に、該受光ファイバ１５の他端には、分光器１６が接続されている。

前記受光光軸１２は前記投光光軸３と交差する。前記直角プリズム１３は、前記投光光軸３と前記受光光軸１２との交差位置に配設され、前記窓ガラス１１に耐熱接着剤等で接着されている。又、前記直角プリズム１３は、前記反射光５の少なくとも一部を前記受光光軸１２上へと反射させる様になっている。

前記投光光学系４、前記受光光学系６、前記光源９、前記受光ファイバ１５、前記分光器１６等は、防塵の為密閉されたケーシング１７内に収納されている。

前記放物面鏡７は、反射面が放物面となっている（放物線が回転して形成される曲面）鏡であり、前記光源９を囲繞する様に配置されている。前記放物面鏡７は、前記光源９から発光された前記照射光２を反射し、略平行光束として前記投光光軸３上に照射する様になっている。即ち、前記放物面鏡７は、測定対象物に対して所定のスポット径で照射される様前記照射光２を反射する曲面鏡となる。尚、前記放物面鏡７は、例えば対物有効径φが３００ｍｍであり、この時の前記放物面鏡７の重量は約０．８ｋｇとなる。又、前記直角プリズム１３の大きさは、一辺が２５ｍｍ程度であり、前記放物面鏡７の有効径に対して０．９％程度となっている。

ここで、放物線とは、円錐を母線と平行に切断した際の曲線であり、以下の式に於いて、ｋ（コーニック定数）＝－１として表すことができる。

ｚ＝（ｈ²／ｒ）／［１＋√｛１－（１＋ｋ）ｈ²／ｒ²｝］＋Ａｈ⁴＋Ｂｈ⁶＋Ｃｈ⁸＋…

尚、上記式に於いて、ｚはレンズのサグ量、ｈはレンズ中心からの距離、ｒは曲率半径、Ａ，Ｂ，Ｃは非球面係数を示している。

前記光源９は、例えば近赤外光を含む前記照射光２を発光するハロゲンランプであり、前記放物面鏡７の焦点位置に配置される。前記光源９は、フィラメント１８に通電することで、例えば０．８μｍ～２．５μｍ程度の波長帯域の近赤外光を含む前記照射光２を発光する。

尚、前記照射光２は面光源である前記フィラメント１８から放出される為、前記放物面鏡７で反射された前記照射光２は厳密には平行光束とはならず、僅かに広がり角を有する光束となる。

又、前記ハロゲンランプに代えて、ハロゲンヒータを用いてもよい。該ハロゲンヒータは、前記フィラメント１８から生じる輻射熱を放出するものであるが、輻射熱の放出に伴い近赤外光を含む光が発光されるので、発光された光を光源とすることができる。

前記放物面鏡７で反射された前記照射光２は、前記窓ガラス１１を透過して測定対象物に照射される。尚、前記窓ガラス１１は、前記光源９から発生される前記照射光２に含まれる近赤外光、即ち０．８μｍ～２．５μｍ程度の近赤外光に対する透過率が高い材質とするのが望ましい。

前記直角プリズム１３は、測定対象物からの前記反射光５の少なくとも一部を前記受光光軸１２上に反射する。又、前記直角プリズム１３により反射された前記反射光５は、前記受光系レンズ群１４に入射される様になっている。

該受光系レンズ群１４は、例えばレンズ径が２０ｍｍ程度の受光系凸レンズ１９と受光系凹レンズ２１から構成され、前記分光計測装置１の光学系に生じる色収差が補正される。

前記受光系凸レンズ１９と前記受光系凹レンズ２１には、短焦点距離の低ＮＡレンズが用いられる。前記受光ファイバ１５の受光端面は前記受光系レンズ群１４の焦点位置に配設され、前記受光系レンズ群１４に集光された前記反射光５は、前記受光ファイバ１５の受光端面に入射する様になっている。

該受光ファイバ１５は、例えば光ファイバであり、ファイバ径は０．６ｍｍ以下程度となっている。前記受光ファイバ１５に入射した前記反射光５は、前記受光ファイバ１５を通って前記分光器１６に入力される。該分光器１６は、前記受光ファイバ１５を介して受光した前記反射光５を分光解析する。具体的には、該反射光５から得られたスペクトル情報と、事前に取得した基準試料に対する近赤外光スペクトル情報とを比較し、測定対象物の状態、例えば材質や組成についての情報を取得する。

尚、前記分光器１６としては、回折格子、プリズム、ＬＶＦ（リニア・バリアブル・フィルタ）で前記反射光５を分光する形式、光学フィルタで複数の波長帯域を得る形式等が利用可能となっている。又、前記分光器１６で用いられる光検出素子として、ＡＰＤ（アバランシェ・フォトダイオード）やラインセンサ等、各種検出素子が利用可能となっている。

又、前記分光計測装置１では、前記受光系レンズ群１４のレンズ径が例えば２０ｍｍであり、前記放物面鏡７で反射される前記照射光２の光束径に対して小さくなっている。これは、前記分光器１６に於ける波長分解能を確保する為には前記受光系レンズ群１４のＮＡは小さい程よいこと、前記分光計測装置１を小型化する為には前記受光系レンズ群１４の焦点距離は短い程よいこと、前記受光系レンズ群１４のＮＡが一定の場合はレンズ径を大きくしても受光量が殆ど変化しないこと等が理由となっている。更に、前記直角プリズム１３の大きさは、前記受光系レンズ群１４のレンズ径に対応するので、該受光系レンズ群１４の小型化に伴い、前記直角プリズム１３も小型化される。該直角プリズム１３の小型化により、前記照射光２がカットされる光量も低減する。

次に、前記分光計測装置１の動作について説明する。

前記フィラメント１８に通電されると、前記光源９から前記照射光２が発光される。該照射光２は、前記放物面鏡７で反射され、略平行光束とされる。

前記照射光２は、前記放物面鏡７により所定のスポット径となる様略平行光束とされ、前記窓ガラス１１を介して測定対象物へと照射される。例えば、測定対象物迄の距離を１０ｍ程度とすると、測定対象物に照射された前記照射光２のスポット径は、３００ｍｍ～６００ｍｍ程度となる。

尚、前記直角プリズム１３は、前記照射光２の光路上に設けられており、該照射光２は前記直角プリズム１３により一部が遮断される。然し乍ら、前記照射光２は僅かに広がり角を有することから、前記直角プリズム１３の周囲を通過した前記照射光２により、前記直角プリズム１３で遮られた箇所を補完することができる。尚、前記直角プリズム１３は、図示では前記投光光軸３上に設けられているが、該投光光軸３から外れた位置に設けてもよい。

測定対象物で反射された前記反射光５は、その一部が前記窓ガラス１１を透過して前記直角プリズム１３に入射する。尚、該直角プリズム１３に入射する前記反射光５の光束径は、例えば２０ｍｍ程度となる。

前記反射光５は、前記直角プリズム１３で反射されて前記受光光軸１２上に偏向され、前記受光系レンズ群１４で集光されて前記受光ファイバ１５に入射する。即ち、該受光ファイバ１５に入射する前記反射光５は、全反射光のうち、前記直角プリズム１３に入射する前記反射光５のみである。従って、前記分光計測装置１に於ける計測範囲は、測定対象物に照射される前記照射光２のスポット径ではなく、前記受光光学系６の視界と一致する。

該受光ファイバ１５に受光された前記反射光５は、前記分光器１６へと導かれる。該分光器１６で前記反射光５の分光解析が行われ、測定対象物の組成や材質の解析等が行われる。例えば、コンクリート中の塩分濃度が変化すると、前記反射光５のスペクトル情報が変化する。従って、事前に測定した基準試料のスペクトル情報と、前記反射光５のスペクトル情報に基づきコンクリート中の塩分濃度を測定し、測定結果に基づきコンクリートの劣化度合いを判断することができる。

ここで、前記光源９を点灯させた際の受光信号（受光結果）は、背景光（外乱光）を含む測定結果となる。一方で、前記光源９を消灯させた際は、背景光のみを受光し、背景光のみの受光信号（受光結果）となる。従って、前記光源９を点灯させた際の受光結果と、前記光源９を消灯させた際の受光結果との差分を演算することで、背景光が除去された受光信号が得られ、前記照射光２の前記反射光５のみの分光計測ができ、測定対象物の正確な測定結果を得ることができる。

上述の様に、第１の実施例では、前記照射光２を平行光束とする手段として、レンズ光学系ではなく、前記放物面鏡７を用いている。

従って、測定対象物迄の距離に応じて大きくなる投光レンズ（即ち、焦点距離が長く、ＮＡの大きい投光レンズ）を用いる必要がない。この為、遠距離の測定対象物を測定する場合でも、前記放物面鏡７の大きさは変化しないので、前記投光光学系４を大型化する必要がない。従って、前記分光計測装置１を小型化、軽量化できると共に、コストの低減を図ることができる。例えば、１０ｍ程度の測定対象物を測定する場合には、前記投光光学系４の重量を、投光レンズを用いた従来型の装置に比べ、約１／２０程度迄軽量化することができる。

従って、離れた位置にある測定対象物を非接触で測定可能であるので、トンネルや橋梁等、大型の構造物を測定する際にも足場を組む必要がなく、作業性を向上させることができる。

又、前記投光光学系４として、前記照射光２を一度集光、拡散させた後に平行光束とするレンズ光学系を用いていない。従って、前記投光光学系４の光路長を短くすることができ、前記分光計測装置１を更に小型化することができる。

又、前記直角プリズム１３が前記放物面鏡７よりも充分小さくなっている。従って、該放物面鏡７で略平行光束とされた前記照射光２が前記直角プリズム１３に遮られた場合であっても、遮られる光量は前記照射光２の０．９％以下であり、充分な光量の前記照射光２を照射することができるので、分光計測に充分な光量の前記反射光５を得ることができる。

又、前記直角プリズム１３を前記投光光軸３と前記受光光軸１２との交差位置に配置することで、光学系の簡略化及び小型化を図ることができる。

又、前記フィラメント１８は面光源であり、前記放物面鏡７で反射された前記照射光２は僅かに広がり角を有する略平行光束となるので、前記直角プリズム１３で遮られる部分の前記反射光５も受光することができる。従って、２０ｃｍ～３０ｃｍ程度の極近距離の測定対象物を測定する場合であっても、充分な光量の前記反射光５が確保でき、極近距離での分光計測も可能となる。

更に、前記受光系レンズ群１４として、前記受光系凸レンズ１９と前記受光系凹レンズ２１とを組合わせているので、前記受光系レンズ群１４により色収差が補正され、高精度な分光計測を行うことができる。

次に、図２に於いて、本発明の第２の実施例について説明する。尚、図２中、図１中と同等のものには同符号を付し、その説明を省略する。

第２の実施例では、放物面鏡７と直角プリズム１３との間に、照射光２の光路の開放及び閉塞が可能な投光光学系４としての遮光板８を設けている。

以下、図３～図５を参照して、前記照射光２の通過及び遮断が可能な遮光板の具体例について説明する。

図３（Ａ）、図３（Ｂ）は、前記照射光２の光路を閉塞可能な前記遮光板８の第１の具体例（以下、遮光板２５と称す）を示している。

該遮光板２５は、複数の遮光羽根２６と、該遮光羽根２６を一体に駆動させるリンク機構（図示せず）から構成されている。

前記遮光羽根２６は、紙面に対して垂直な方向に延出する短冊状の板材であり、紙面に対して垂直な回転軸を介して紙面に対して平行な方向に回転可能となっている。又、前記遮光羽根２６を回転させた際に、隣接する該遮光羽根２６と所定範囲がオーバラップする様、前記遮光羽根２６の幅と該遮光羽根２６間の間隔が設定される。更に、該遮光羽根２６は、前記照射光２を遮断可能となっている。

前記遮光板２５で前記照射光２の光路を開放する際には、図３（Ａ）に示される様に、前記遮光羽根２６の幅方向が前記投光光軸３と平行となる様、リンク機構を介して前記遮光羽根２６を回転させる。この時、放物面鏡７で反射された前記照射光２は、白色光として全波長を含む光として測定対象物に照射される。測定対象物で反射された前記反射光５を受光した場合、該反射光５には測定対象物からの背景光（自然光）が含まれる。この背景光は、前記反射光５を検出する際の外乱光（バックグラウンドノイズ）となり、Ｓ／Ｎ比を低下させ、測定精度を劣化させる。

又、前記遮光板２５で前記照射光２の光路を閉塞する際には、図３（Ｂ）に示される様に、前記遮光羽根２６の幅方向が前記投光光軸３と略平行となる様、リンク機構を介して前記遮光羽根２６を回転させる。この時、隣接する該遮光羽根２６がそれぞれオーバラップし、前記照射光２の光路が閉塞され、該照射光２が遮断されるので、該照射光２はカットされた状態となる。

又、前記受光光学系６に入射する光には、前記照射光２の反射光が含まれず、背景光（自然光）のみとなる。この背景光は前記照射光２の反射光に含まれることで外乱となる。

従って、前記遮光板２５が全開の時の受光信号から、該遮光板２５が全閉の時の受光信号を減じれば、外乱光に起因する信号成分を除去できる。この為、前記分光器１６に前記照射光２のみの受光信号を受光させることができ、Ｓ／Ｎ比が増大し、測定精度を向上させることができる。

又、前記遮光板２５は、リンク機構を介して各遮光羽根２６を略９０°回転させるだけで開閉可能であるので、前記照射光２の光路を高速で開閉することができる。

図４は、前記照射光２の光路から挿脱可能な前記遮光板８の第２の具体例（以下、遮光板２７と称す）を示している。

該遮光板２７は、紙面に対して垂直な方向に延出する複数の遮光パネル２８が前記投光光軸３と直交する方向に連結された構成であり、巻取軸２９に巻取可能に巻設されている。該巻取軸２９を回転させることで、前記遮光板２７が前記巻取軸２９に巻取られ、或は該巻取軸２９から送出される。尚、前記遮光パネル２８も、前記遮光羽根２６と同様、前記照射光２を遮断可能となっている。

前記遮光板２７を前記照射光２の光路内に挿入する際には、前記巻取軸２９を回転させ（図４中反時計方向）、前記遮光板２７を前記照射光２の光路内に送出す。この時、前記放物面鏡７で反射された前記照射光２は、前記遮光板２７によって遮断される。

又、遮光板２７を前記照射光２の光路内から取除く際には、前記巻取軸２９を逆方向に回転させ、前記遮光板２７を前記巻取軸２９に巻取る。前記遮光板２７が前記照射光２の光路から取除かれた状態では、前記放物面鏡７で反射された前記照射光２は、全波長を含む白色光として測定対象物に照射される。

挿脱可能な前記遮光板２７を用いた場合も、前記遮光板２７を挿入した時の受光信号から、該遮光板２７を退去させた時の受光信号を減じれば、外乱光に起因する信号成分を除去できる。従って、外乱光を除去した分光計測を行うことができる。

前記遮光板２７は、連結された複数枚の前記遮光パネル２８と、該遮光パネル２８が巻設された前記巻取軸２９により構成されるので、小型化が可能であり、空きスペースが少ない場合であっても設置することができる。

又、図５（Ａ）、図５（Ｂ）は、前記照射光２の光路を閉塞可能な前記遮光板８の第３の具体例（以下、遮光板３０と称す）を示している。

該遮光板３０は、同一円周上に等間隔で配置された複数枚の遮光シャッタ３１（図５中では６枚）から構成されている。該遮光シャッタ３１は、支点３２を中心に回転可能であり、中心方向に向って回転する様付勢されている。又、前記遮光シャッタ３１には長孔３３が形成されると共に、該長孔３３内を摺動可能なピン３４が設けられている。尚、前記遮光シャッタ３１も、前記遮光羽根２６、前記遮光パネル２８と同様、前記照射光２を遮断可能となっている。本実施例の場合、前記直角プリズム１３の外形形状は正面から見て正方形となっている。

図５（Ａ）に示される様に、前記ピン３４が前記長孔３３の先端側に位置する場合には、前記遮光シャッタ３１が広がり、前記遮光板３０が開となる。この時、該遮光板３０の中心に形成される円形の孔３５は、前記照射光２の光束径（前記放物面鏡７の径）と同等か、大きくなっている。

又、図５（Ｂ）に示される様に、前記ピン３４が前記長孔３３の基端側に位置する場合には、前記遮光シャッタ３１が前記支点３２を中心に中心方向へと回転し、前記遮光板３０が閉となる。この時、該遮光板３０の中心には小さな孔３５が形成され、該孔３５の径は前記直角プリズム１３の内接円と同等か、僅かに小さくなっている。尚、前記遮光板３０が閉となった際に、前記孔３５が全閉される様にしてもよい。

前記遮光板３０を開とした場合には、前記照射光２の光路上に前記遮光シャッタ３１が存在しないので、前記放物面鏡７で反射された前記照射光２は、全波長を含む白色光として全て測定対象物に照射される。

又、前記遮光板３０を閉とした場合には、前記照射光２の光路の前記直角プリズム１３の有効光束径を除く部分は前記遮光シャッタ３１により遮断され、前記孔３５を通過する光路部分の前記照射光２は前記直角プリズム１３によって遮断され、前記照射光２は殆ど照射されない。この場合、入射するのは背景光（即ち、外乱光）であるので、前記遮光板３０を開とした際の入射光から、該遮光板３０を閉とした際の入射光を減じれば、前記照射光２の反射光のみの分光計測を行うことができる。

前記遮光板３０は、前記ピン３４を長孔３３内で摺動させるだけで開閉可能であるので、前記照射光２の光路を高速で開閉することができる。

尚、前記遮光板３０は、閉状態でも、前記直角プリズム１３の内接円と同径又は略同径の前記孔３５が形成される構成となっている。即ち、前記遮光板３０は、開閉状態に拘わらず、受光光学系６の光路を遮らない構成となっている。従って、前記遮光板３０は、前記放物面鏡７と前記直角プリズム１３の間ではなく、前記窓ガラス１１の外側に設けてもよい。

第２の実施例では、前記遮光板８により前記照射光２の光路を開閉可能であるので、背景光を除去する為に前記光源９を点灯、消灯させる必要がなく、作業性を向上させることができる。

次に、図６に於いて、本発明の第３の実施例について説明する。尚、図６中、図１中と同等のものには同符号を付し、その説明を省略する。

第３の実施例の分光計測装置１では、第２の実施例に於ける受光系レンズ群１４（図２参照）に代えて、受光系反射ミラー２２を設けている。

該受光系反射ミラー２２は凹面鏡であり、自由曲面、又は軸外し放物面である反射面を有している。前記受光系反射ミラー２２は、受光光軸１２を受光光軸１２′に偏向すると共に、略平行光束である反射光５が、受光ファイバ１５の受光端面に結像する様反射する。

光源９から発光された照射光２は、放物面鏡７で略平行光束となる様反射される。前記照射光２は、前記放物面鏡７で反射された後、窓ガラス１１を透過して測定対象物へと照射される。

測定対象物で反射された反射光５は、前記窓ガラス１１を透過して直角プリズム１３に入射する。該直角プリズム１３で反射された前記反射光５は、前記受光系反射ミラー２２で更に反射され、前記受光ファイバ１５の受光端面に入射する。

該受光ファイバ１５に入射した前記反射光５は、分光器１６に導かれる。前記反射光５が前記分光器１６で分光解析されることで、測定対象物の組成や材質等が解析される。

第３の実施例では、前記受光系反射ミラー２２を用い、レンズを用いない光学系となっている。従って、光学系に色収差が生じず、高精度な分光計測を行うことができる。

又、色収差の影響を補正する為の光学系や処理が不要になるので、装置構成が簡略化されると共に、作業時間が短縮され、作業性を向上させることができる。

又、第３の実施例では、前記受光系反射ミラー２２を用い、レンズを使用しないので、光学系を小型化でき、前記分光計測装置１の小型化、軽量化を図ることができる。

次に、図７に於いて、本発明の第４の実施例について説明する。尚、図７中、図１中と同等のものには同符号を付し、その説明を省略する。

第４の実施例の分光計測装置１では、第２の実施例に於ける放物面鏡７（図２参照）に代えて、楕円鏡２３を設けている。

該楕円鏡２３は、フィラメント１８の近傍に一方の焦点を有し、他方の焦点を測定対象物の位置に合わせた楕円鏡、例えば他方の焦点距離が１０ｍに設定された楕円鏡となっている。或は、前記放物面鏡７に代えて、前記楕円鏡２３と類似した非球面鏡を用いてもよい。

尚、図７中では、照射光２が測定対象物側の１点に集中している。然し乍ら、前記フィラメント１８は面光源である為、完全に集光することはなく、測定対象物に照射される前記照射光２のスポット径は、前記放物面鏡７を用いた場合と同程度となる。即ち、前記楕円鏡２３は、測定対象物に対して所定のスポット径で前記照射光２が照射される様該照射光２を反射する曲面鏡となる。

従って、第４の実施例に於いても、第２の実施例と同様、遠距離に位置する測定対象物を測定する場合でも、投光光学系４を大型化する必要がないので、前記分光計測装置１を小型化、軽量化できると共に、コストの低減を図ることができる。

又、離れた位置にある測定対象物を非接触で測定可能であるの、トンネルや橋梁等、大型の構造物を測定する際にも足場を組む必要がなく、作業性を向上させることができる。

尚、第４の実施例と第３の実施例とを組合わせ、第４の実施例の受光系レンズ群１４を第３の実施例の受光系反射ミラー２２（図６参照）としてもよいのは言う迄もない。

又、第１の実施例～第４の実施例では、投光光軸３と受光光軸１２との交差位置に直角プリズム１３が設けられているが、図８（Ａ）に示される様に、該直角プリズム１３に代えて、反射部材としてミラー２４を用いてもよい。この時、該ミラー２４は、ケーシング１７内で吊られた状態で保持される。

又、前記直角プリズム１３を前記投光光軸３と前記受光光軸１２の交差位置以外に設けてもよい。例えば、図８（Ｂ）に示される様に、前記直角プリズム１３を前記窓ガラス１１の下部に設けてもよい。

尚、前記直角プリズム１３は、前記窓ガラス１１の上部等、他の箇所、或は前記照射光２の光路から外れた位置に設けてもよい。或は、前記直角プリズム１３を、前記窓ガラス１１に対して摺動可能な構成としてもよい。前記直角プリズム１３を摺動可能とすることで、前記照射光２の測定対象物に対するスポット径内で、任意の位置の分光計測を行うことができる。

又、図８（Ｃ）に示される様に、前記放物面鏡７の外側（前記照射光２の光路から外れた位置）で、光軸が前記投光光軸３と平行となる様前記受光系レンズ群１４を配置してもよい。上記した様に、前記光源９は面光源であり、前記平行光束は僅かに広がり角を有する光束である為、前記反射光５の光束径は前記放物面鏡７の直径よりも大きくなっており、前記放物面鏡７よりも外側であっても前記反射光５を受光することができる。この場合、前記直角プリズム１３を省略することができ、装置構成を簡略化することができる。

尚、第１の実施例～第４の実施例では、前記分光計測装置１によりコンクリートの劣化度合いを判断する場合について説明したが、測定対象物はコンクリートに限定されるものではなく、木材、植物、食品、セラミックス、金属、各種建材等、状態に応じてスペクトル情報が変化するものであれば他の材質を測定対象とすることができる。

又、前記光源９は、前記フィラメント１８を有するハロゲンランプやハロゲンヒータに限られるものではない。例えば、前記照射光２に赤外光、近赤外光を含む光源であれば他の光源を用いてもよい。

更に、分光計測に利用される光の周波数は、０．８μｍ～２．５μｍに限定されるものではなく、測定対象物、用途に応じて適宜設定すればよい。

図９は、本発明の分光計測装置１の装置構成の一例を示している。

前記ケーシング１７に水平な軸心を有する一対の回転軸３６が設けられ、該回転軸３６は一対の脚部３７に回転自在に支持されている。

該脚部３７には、前記回転軸３６の軸心を中心として、所定角度間隔で、例えば０°から１８０°迄４５°間隔で目盛り３８が設けられている。又、前記ケーシング１７の側面には、前記回転軸３６の軸心から垂直に延出する基準目盛り３９が形成されている。前記ケーシング１７を回転させた際の、前記目盛り３８と前記基準目盛り３９との位置関係に基づき、前記照射光２の鉛直方向の概略照射角度を把握できる様になっている。

前記ケーシング１７の上面には、レーザポインタ４１が設けられている。又、前記投光光軸３と前記レーザポインタ４１の光軸とは平行であり、且つ両者の位置関係（距離）は既知となっている。該レーザポインタ４１から照射されるレーザポインタ光は、前記照射光２の中心の近傍に照射される様になっており、レーザポインタ光で測定対象物を照射することで、前記照射光２の概略の照射位置が判断できる様になっている。これにより、例えば日中の屋外での測定を行う場合等、照射される前記照射光２の視認が困難な場合でも、容易に測定位置を視認することができる。

尚、前記ケーシング１７を回転させる為のモータを設け、該ケーシングが自動で回転する様にしてもよい。又、前記回転軸３６にエンコーダを設け、前記ケーシングの正確な回転角を検出できる様にしてもよい。或は、前記ケーシング１７に距離計を別途設け、測定対象物との距離が離れている場合でも測定対象物に対する前記分光計測装置１の位置を把握できる様にしてもよい。

次に、前記分光計測装置１を移動させて測定を行う場合について説明する。図１０（Ａ）、図１０（Ｂ）は、例えば建築物の壁面等、例えば最短１ｍ程度の近距離に位置する測定対象物４２を測定する場合について示している。図１０（Ａ）、図１０（Ｂ）に示される様に、前記分光計測装置１は例えば台車４３に載置されている。前記分光計測装置１の光軸は、前記台車４３の進行方向に対して直交し、且つ水平に設定される。前記分光計測装置１は作業者によって手動で前記測定対象物４２迄移動させる。この場合、簡易型のレーザ距離計を設け、レーザ距離計の光軸を進行方向と平行とし、レーザ距離計により基準位置からの移動量を測定し、測定位置を特定する様にしてもよい。

又、図１１は、例えばトンネルの壁面や高架橋の裏側等、例えば１０ｍ程度の遠距離に位置する前記測定対象物４２を測定する場合について示している。この場合、前記分光計測装置１の光軸は鉛直に設定される。図１１に示される様に、前記分光計測装置１は例えばトラック４４等に搭載され、前記分光計測装置１は前記トラック４４等により前記測定対象物４２迄移動させる。この場合、レーザ距離計を設け、基準位置からの前記分光計測装置１の距離、該分光計測装置１の移動量を測定する様にしてもよい。

尚、近距離での移動手段は前記台車４３に限られるものではなく、遠距離での移動手段も前記トラック４４に限られるものではない。前記分光計測装置１を搭載した状態で移動可能であり、前記測定対象物４２に対して垂直又は略垂直に前記照射光２を照射できる移動可能な手段であれは他の手段を用いてもよい。

例えば、橋梁の下面に平行に単一軌条を設け、トロリーを走行可能とし、トロリーに前記分光計測装置１を搭載する様にしてもよい。

１分光計測装置
２照射光
４投光光学系
５反射光
６受光光学系
７放物面鏡
８遮光板
９光源
１３直角プリズム
１５受光ファイバ
１６分光器
２２受光系反射ミラー
２３楕円鏡
２５遮光板
２６遮光羽根
２７遮光板
２８遮光パネル
３０遮光板
３１遮光シャッタ

Claims

投光光軸上に設けられた曲面鏡と光源と窓ガラスと、前記投光光軸と交差する受光光軸上に配設された直角プリズム及び受光系レンズ群と、該受光系レンズ群の焦点位置に設けられた受光ファイバと、該受光ファイバに接続された分光器とを具備し、前記直角プリズムは前記投光光軸と前記受光光軸の交差位置で前記窓ガラスに接着され、前記光源から発せられる照射光は測定対象物に所定のスポット径で前記投光光軸上に照射される様前記曲面鏡で反射され、前記測定対象物からの反射光の一部が前記直角プリズムで前記受光光軸上に反射され、前記受光系レンズ群で集光されて前記受光ファイバに受光され、前記分光器に導かれ、該分光器は前記反射光に基づき前記測定対象物の状態を検出する様構成された分光計測装置。
前記曲面鏡は放物面鏡であり、該放物面鏡は平行光束又は略平行光束となる様前記照射光を反射する請求項１に記載の分光計測装置。
前記曲面鏡は楕円鏡であり、該楕円鏡は前記測定対象物に向って前記照射光が集光される様焦点距離が設定された請求項１に記載の分光計測装置。
前記照射光の光路の開放及び閉塞が可能な遮光板を更に有する請求項２又は請求項３に記載の分光計測装置。
前記遮光板は、回転可能な複数の遮光羽根と、各遮光羽根を一体に回転させるリンク機構とを有し、回転時に隣接する各遮光羽根が所定範囲でオーバラップする様、前記遮光羽根の幅と隣接する該遮光羽根間の間隔が設定される請求項４に記載の分光計測装置。
前記遮光板は、前記投光光軸と直交する方向に連結された複数の遮光パネルと、該遮光パネルを巻取り及び送出しが可能な巻取軸とを有する請求項４に記載の分光計測装置。
前記遮光板は、支点を中心に回転可能であり、中心方向に向って付勢された複数の遮光シャッタを有し、該遮光シャッタに長孔と、該長孔内を摺動するピンとが設けられ、該ピンの摺動により前記遮光シャッタが回転する様構成された請求項４に記載の分光計測装置。