JPH10512678A

JPH10512678A - ハンドヘルド赤外線分光計

Info

Publication number: JPH10512678A
Application number: JP9510641A
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: 1998-12-02
Anticipated expiration: 2016-08-30
Also published as: EP0847524A4; EP0847524A1; WO1997008537A1; JP3181596B2

Abstract

(57)【要約】本ハンドヘルド装置は、試料Ｍを反射赤外線により測定して試料の材料を識別する。装置は内蔵式ポータブルユニットとして手持式ハウジング１０内に組付けられる。ハウジング１０は、窓１５と、窓１５に近接のベンチ１００に設けた光学部品とを備え、装置を試料Ｍに直接置くと、光学部品は試料Ｍに対して直線状に整列する。光学部品は、掃引周波数により狭帯域ＩＲを通過させる超音波光学チューナブルフィルター（ＡＯＦＴ）１２０に投光する広帯域ＩＲ光源１１０と、窓１５を介して試料ＭにＩＲを集光させるレンズ１３０と、反射光を検出するためにハウジング１０の窓１５に整列させた反射検出器１４０とを備える。コンピュータ２０２は、ハウジング１０に取付可能であり、検出した反射スペクトルを保存されたサンプルデータのスペクトル群と照合し、試料Ｍ又は試料Ｍの成分及びその比率を識別する。

Description

【発明の詳細な説明】ハンドヘルド赤外線分光計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 4,883,963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(Acousto-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、電気的に同調させることのできる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で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、試料で反射するか試料を透過して、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(photodetector)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所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の損失を伴い、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電力増幅器は結晶１２２の隣に取付けることができるので、同軸ケーブルの使用が省ける。同軸ケーブルは必要な電力をさらに減少させる。これらによる駆動電力の抑制は、ＡＯＴＦからの光信号を低減させる。なぜなら、ＡＯＴＦは、一般的に、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である。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。このため、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を備えたハンドル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１８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８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１２０、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TeO₂（二酸化テルル）を備え、長さ約１インチ(約2.5cm)、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の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において裏面がハウジング１００の内側に示される）キーパッド２０６、及び『ポリスチレン：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 o f 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筺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１３０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。光ファイバーの未使用により高い信号レベルが得られため、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

Claims

【特許請求の範囲】１．試料の光反射測定用ハンドヘルド装置において、外壁に窓を有するハウジングと、前記ハウジングの前記窓に対して整列させた反射検出器と、超音波光学チューナブルフィルターと、光源と、前記光源及び前記超音波光学チューナブルフィルター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、前記光ビームを前記窓に光学的に整列させて前記窓から前記光ビームを放出する整列手段と、前記反射検出器からの電気信号を受け取る電気回路手段とを備え、もって、前記反射検出器と前記超音波光学チューナブルフィルターと前記光源と前記発生手段と前記整列手段とは、前記ハウジングの内部に配置したハンドヘルド装置。２．請求項１において、前記ハンドヘルド装置はバッテリー駆動としたハンドヘルド装置。３．請求項１又は２において、前記窓は、少なくとも、可視光の通過は部分的に妨げるが赤外線は透過させるハンドヘルド装置。４．請求項１〜３のいずれか１つにおいて、前記光ビームを発生させる前記発生手段には、前記超音波光学チューナブルフィルターの結晶の間近に位置させたＲＦ増幅器を設けたハンドヘルド装置。５．請求項１〜４のいずれか１つにおいて、前記整列手段はレンズを備えたハンドヘルド装置。６．請求項１〜５のいずれか１つにおいて、前記ハウジングはハンドルを備えたハンドヘルド装置。７．請求項１〜６のいずれか１つにおいて、前記ハウジングはトリガースイッチを備えたハンドヘルド装置。８．請求項１〜７のいずれか１つにおいて、前記ハウジングは近接センサーを備えたハンドヘルド装置。９．請求項４〜８のいずれか１つにおいて、前記ＲＦ増幅器は３ワットより小さい出力としたハンドヘルド装置。 10．請求項９において、前記ＲＦ増幅器は１．５ワットより小さい出力としたハンドヘルド装置。 11．請求項１〜１０のいずれか１つにおいて、前記超音波光学チューナブルフィルターの熱波長ドリフトは、補整したハンドヘルド装置。 12．請求項１において、前記ハンドヘルド装置は、プラスチックの分析手段を備えたハンドヘルド装置。 13．請求項１において、前記反射検出器は、前記ハウジングの前記窓に対して整列した孔と、光強度を電気信号に変換する少なくとも１個の検出素子トランスデューサーとを備えたハンドヘルド装置。 14．請求項１において、前記検出素子トランスデューサーは、前記孔を包囲する前記反射検出器の内側面に配置したハンドヘルド装置。 15．請求項１４において、前記検出素子トランスデューサーは、前記ハウジングの前記窓の近傍の試料からの反射ビーム光を集めるために前記掃引波長ビームに対してオフセットさせたハンドヘルド装置。 16．請求項１において、前記光ビームを前記窓に光学的に整列させる前記整列手段には、前記ハウジング内の光学ベンチに取付けた前記反射検出器と前記超音波光学チューナブルフィルターと前記光源と前記レンズとを備えたハンドヘルド装置。 17．請求項１６において、前記光ビームを発生させる前記発生手段には、ＲＦ増幅器を備えたハンドヘルド装置。 18．請求項１において、前記電気回路手段には、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たハンドヘルド装置。 19．請求項１８において、前記ハウジングは、前記電気回路手段を囲うようにしたハンドヘルド装置。 20．請求項１８において、前記ハウジングの外面にはディスプレイを配置し、データを分析する前記コンピュータ手段には前記試料の種別及び比率を前記ディスプレイに表示する表示手段を備えたハンドヘルド装置。 21．請求項２０において、スペクトルを測定してデータ分析を行う前記コンピュータ手段は、反射スペクトルを測定し、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、前記反射スペクトルの照合により識別された材料の種類を前記ディスプレイに表示する手段を備えたハンドヘルド装置。 22．請求項１において、掃引波長を備えた光ビームを発生させる前記発生手段は、前記超音波光学チューナブルフィルターの振幅変調の“オフ”サイクルを備え、前記電気回路手段は、電力消費を抑制するために前記超音波光学チューナブルフィルターの振幅変調の“オフ”サイクルの間、“スリープ”モードに入るようにしたハンドヘルド装置。 23．請求項１において、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に接続される手段を備えたハンドヘルド装置。 24．試料の材料構成を識別する方法において、 (a) ハウジングと、前記ハウジングの外壁の外面に設けられ前記試料の表面に置かれ得る窓と、前記ハウジング内に設けられ光を前記試料の前記表面領域に集中させるレンズと、前記領域に近接した反射検出器と、前記レンズに対して整列され前記試料の前記表面領域に光を放出するランプと、前記材料構成を測定する光学分析手段とを備え、前記光学分析手段には、前記ランプと前記レンズとの間に配置された超音波光学チューナブルフィルターと、前記超音波光学チューナブルフィルターを掃引周波数で駆動させ前記試料の反射スペクトルを基準スペクトルと比較し前記材料構成を測定し更に前記材料構成の分析結果を出力する電子手段とを設け、前記ランプと前記超音波光学チューナブルフィルターと前記窓とは共通光学軸上に整列させ、前記反射検出器には前記共通光学軸上に整列させた孔を設け、前記反射検出器には前記共通光学軸からオフセットさせた少なくとも１個の検出素子を設けた光反射測定用ハンドヘルド装置を準備し、 (b) 前記窓は前記試料に対峙させた試料の材料構成を識別する方法。 25．請求項２４において、前記試料は透明であり、前記試料の前側で前記窓が置かれる部分とは反対側となる後側の近傍にミラーを設置する工程を備えた試料の材料構成を識別する方法。