JPH1183627A

JPH1183627A - 土壌の光学特性測定装置

Info

Publication number: JPH1183627A
Application number: JP25433197A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Hirako; 進一平子
Original assignee: Omron Corp; Omron Tateisi Electronics Co
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 1997-09-02
Filing date: 1997-09-02
Publication date: 1999-03-26
Anticipated expiration: 2017-09-02
Also published as: JP3451535B2

Abstract

(57)【要約】【課題】土壌の形状や土壌面の凹凸等に影響されず、
土壌の光学的特性を精度よく測定するできるようにす
る。土壌面との距離を大きくして、測定精度を向上させ
る。【解決手段】光源２２から出射された白色光を土壌面
３に照射する。土壌面３で散乱反射された白色光を集光
レンズ２３で集光して光積分球２４内部に集光させる。
このとき土壌面３の像を光積分球２４の受光窓３０に結
像させて縮小投影するようにしてある。光積分球２４内
の光は分光装置２５に導かれて分光され、分光された光
は光検出器２６により受光される。データ処理装置２５
は光検出器２６の受光信号に基づいて光スペクトルを求
め、反射散乱光の光スペクトルに基づいて土壌成分を判
別する。

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（単色光）
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、土壌成分分析装置を圃場で移動させ
て連続的に土壌の光学特性を測定する場合には、土壌面
と光検出器の距離が土壌成分分析装置の移動によって変
動するので、土壌に照射される照射面積が変動し、また
土壌から光検出器に入射する散乱反射光の強度が変動す
るため、土壌の光学特性の測定精度が低下し、正確に土
壌成分を知ることができなかった。

【００１０】従来の土壌成分分析装置では、土壌面と光
検出器の距離が短い（例えば、１５ｍｍ程度）ので、こ
のような原因による測定精度の低下やばらつきが著しか
った。土壌面と光検出器の距離の変動による測定精度の
低下などを低減するためには、土壌面と光検出器等との
距離を長くすればよいが、従来の土壌成分分析装置で
は、土壌面と光検出器との距離を長くすると、光検出器
に入射する散乱反射光の強度が急激に低減するので、か
えって測定精度が低下したり、測定不能になっていた。

【００１１】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、また土壌面と光検出器との光学的距離を長くして測
定精度を向上させ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。

【００１２】

【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、波長帯域の広い測定光を照射す
る光源と、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、土壌面で散乱反射された測定光を
集光して、前記光捕捉部内へ導く集光手段と、前記光捕
捉部内の光を分光する手段と、前記分光手段によって分
光された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を備
えたことを特徴としている。

【００１３】この土壌の光学特性測定装置にあっては、
光源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集光手段で光捕捉部内に集めて捕捉
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、分光手段に入射する。分
光手段で分光された光は光検出器で受光される。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。

【００１４】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。

【００１５】また、土壌面で散乱反射された測定光を集
光手段により集光させて光捕捉部内へ導いているので、
土壌面と光捕捉部との距離が長い場合でも、土壌面の広
い面積にわたって散乱反射した測定光を集めて光補捉部
内へ導くことができ、光検出器における受光強度を高く
することができる。さらに、土壌面には波長帯域の広い
光、例えば白色光を照射しているので、土壌面の照射強
度を大きくでき、一層土壌面と光検出器との距離を長く
できる。

【００１６】従って、土壌面と光捕捉部ひいては光検出
器との距離を長くすることができるので、測定地域での
移動によって土壌面と光検出器との距離が変動しても土
壌の光学的特性に及ぼす影響が少なくなり、測定精度が
向上し、測定ばらつきが低減される。

【００１７】請求項２に記載の土壌の光学特性測定装置
は、土壌面に向けて、複数波長からなる測定光を照射す
る光源と、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、土壌面で散乱反射された測定光を
集光して、前記光捕捉部内へ導く集光手段と、前記光捕
捉部内の光を異なる波長毎に分離する手段と、前記分離
手段によって分離された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
する手段とを備えたことを特徴としている。

【００１８】この土壌の光学特性測定装置は、請求項１
の光学特性測定装置とは、光源が離散的な複数波長の測
定光を照射する点で異なっているが、このような光学特
性測定装置にあっても、請求項１の光学特性測定装置と
同様な作用効果を奏する。すなわち、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、土壌面と光検出器との距離を
長くできるので、測定地域での移動によって土壌面と光
検出器との距離が変動しても土壌の光学的特性に及ぼす
影響が少なくなり、測定精度が向上し、測定ばらつきが
低減される。

【００１９】上記光捕捉部としては、請求項３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分光
手段に入るので、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。

【００２０】また、光捕捉部としては、請求項４に記載
のように、光入射側端部の面積が比較的大きく、光出射
側端部の面積が比較的小さな光導波路を用いることもで
きる。このような光捕捉部にあっては、光入射側端部か
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、光導波路内で反射を繰り返して光出射側
端部に集中して分光手段に入るので、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。

【００２１】請求項５に記載の実施態様は、請求項１又
は２に記載の土壌の光学特性測定装置において、土壌面
との対向部分と土壌面の間を遮光部材で覆ったことを特
徴としている。

【００２２】この実施態様のように、土壌面との間を遮
光部材で覆うようにすれば、外乱光の影響を排除するこ
とができ、測定感度や信頼性をより向上させることがで
きる。

【００２３】請求項６に記載の実施態様は、請求項１又
は２に記載の土壌の光学特性測定装置において、前記光
源から投光方向に参照板を配置したり、投光方向から外
れた位置へ取り除いたりできるようにしたことを特徴と
している。

【００２４】この実施態様によれば、光源の投光方向に
参照板を配置し、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光源の光源強度の揺ら
ぎ等）による光学特性の変動を補正することができる。
なお、参照板を光源の投光方向から外れた位置へ移動さ
せることにより、土壌面を測定できる。

【００２５】請求項７に記載の実施態様は、請求項１又
は２に記載の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。

【００２６】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。

【００２７】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。

【００２８】

【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、光源２２、集光レンズ２
３、光積分球２４、分光装置２５、光検出器２６および
データ処理装置２７から構成されている。光源２２は、
白色光を土壌面３へ照射するものであって、ハロゲンラ
ンプ等からなる。光源２２は、集光レンズ（単レンズ）
２３を保持する鏡筒２８の外周部に環状に配置されてお
り、光源２２の上面側及び外周側は反射板２９により覆
われている。なお、図示していないが、集光レンズ２３
の鏡筒２８と光積分球２４の間は、外乱光が入らないよ
う適宜手段により遮光されている。

【００２９】光源２２から出射された白色光（測定光）
は土壌面３を照射する。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、光源
２２及び集光レンズ２３とほぼ一定の距離にある。ここ
で、光源２２からの白色光を土壌面３に照射するように
しているので、土壌面３の照射強度を大きくできる。

【００３０】光積分球２４は、略球殻状をしていて下面
には受光窓３０が設けられている。光積分球２４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（または、鏡面）
となっている。この光積分球２４の一部には、内部の光
を分光装置２５へ導くための透孔３１が開口されてい
る。

【００３１】ここで、集光レンズ２３及び光積分球２４
の位置関係は、鋤２によって露出させられた新しい土壌
面３の像を集光レンズ２３によって光積分球２４の受光
窓３０に結像させるようにしている。すなわち、集光レ
ンズ２３の焦点距離をｆ、土壌面３と集光レンズ２３の
距離をａ、集光レンズ２３と受光窓３０の距離をｂとす
れば、（１／ａ）＋（１／ｂ）＝（１／ｆ）の関係をほぼ満たすようにしている。

【００３２】よって、土壌面３と光積分球２４との距離
（ａ＋ｂ）が長くても、ａ＞ｂの関係を満たすように土
壌面３と集光レンズ２３の間の距離を充分に取ってあれ
ば、図４からも分かるように、土壌面３の広い面積で散
乱反射された白色光が光積分球２４の受光窓３０に集め
られる。光積分球２４内に入った散乱反射光は、光積分
球２４の内部で吸収されることなく拡散反射を繰り返し
た後、透孔３１から分光装置２５へ導かれる。従って、
光積分球２４が土壌面３から大きな距離離れていても、
土壌面３の（受光窓３０の面積に比べて）広い面積で散
乱反射された白色光が分光装置２５、ひいては光検出器
２６へ導かれ、高い測定感度を得ることができる。

【００３３】本発明の土壌の光学特性測定装置２１にあ
っては、こうして土壌面３と光積分球２４ひいては光検
出器２６との距離を長くできるので、圃場での移動によ
って土壌面３と光検出器２６との距離が変動しても土壌
の光学的特性に及ぼす影響が少なくなり、測定精度が向
上し、測定ばらつきも低減する。

【００３４】また、集光レンズ２３によって土壌面３の
像を光積分球２４の受光窓３０に結像させているから、
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
散乱反射光も受光窓３０から光積分球２４内へ集めら
れ、光積分球２４内部で平均化され、各方向で均一化さ
れた散乱反射光が透孔３１から分光装置２５へ送り出さ
れる。

【００３５】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
た測定光を分光装置２５もしくは光検出器２６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２４内に
捕捉することによって平均化して分光装置２５もしくは
光検出器２６で受光すれば、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。

【００３６】分光装置２５は、光積分球２４の透孔３１
から導かれた散乱反射光のうち特定波長の光を選択的に
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２５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。

【００３７】あるいは、図５に示すように、白色光を色
分散させる回折格子３２とスリット板３３によって分光
装置２５を構成し、回折格子３２又はスリット板３３を
移動させることによって分光装置２５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。

【００３８】光検出器２６としては、ＩｎＧａＡｓ、Ｐ
ｂＳ、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。

【００３９】こうして光検出器２６で分光された散乱反
射光が受光されると、光検出器２６からデータ処理装置
２７へ受光信号が送られる。一方、データ処理装置２７
は、光検出器２６を経由して分光装置２５から測定光の
波長を示す信号も受信している。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２５によって分光
により取り出す波長を連続的に変化させながら、光検出
器２６で受光している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
２７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。

【００４０】（第２の実施形態）図６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３４の一部破断し
た断面図である。この実施形態にあっては、集光レンズ
２３に外乱光が入って測定精度が低下するのを防止する
ため、反射板２９から延出するようにして土壌面３の近
くまで遮光カバー３５を垂下している。また、光源２２
及び集光レンズ２３の下方には参照板３６が設けられて
おり、参照板３６は一端を遮光カバー３５に枢着し、参
照板３６を立てて遮光カバー３５の下面を開き、参照板
３６を倒して遮光カバー３５の下面を閉じるようにして
いる。参照板３６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、その両面は反射率がほぼ１
００％となっている。

【００４１】この実施形態によれば、参照板３６を倒し
て遮光カバー３５の下面を閉じ、参照板３６に白色光を
照射して参照板３６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２６の
感度変化や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３６を立てて遮光カバー３５の下面を開く
ことにより、土壌面３を測定できる。

【００４２】また、遮光カバー３５の、立てた参照板３
６と対向する箇所には、高圧エア噴射ノズル３７を設け
てあり、参照板３６が開かれたとき、高圧エア噴射ノズ
ル３７から高圧空気を参照板３６に吹き付けることによ
り参照板３６に付着した土や泥などを清掃除去できるよ
うにしている。なお、清掃する面は、白色光を照射する
参照板３６の上面側である。

【００４３】この実施形態では、分光装置２５としては
反射型回折格子３８を用いており、光検出器２６として
はダイオードアレイ３９を用いている。このような構成
によれば、ダイオードアレイ３９の各ダイオード素子で
各波長を受光できるので、分光装置の波長をスキャンす
るための構造が不要となり、所定の光スペクトルを同時
に測定でき、光の利用効率が良好となる。

【００４４】（第３の実施形態）図７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４０の構成
を示す概略図である。この光学特性測定装置４０にあっ
ては、集光手段として、凸面鏡４１と孔あき凹面鏡４２
からなる屈折反射鏡４３を用いている。このような構成
によれば、土壌面３から光積分球２４までの実際の距離
に比べて土壌面３から光積分球２４までの光学的距離を
長くすることができ、光学特性測定装置４０をコンパク
ト化できる。

【００４５】また、光積分球２４と分光装置２５とを直
結することなく、光ファイバ４４（もしくは光ファイバ
束）を用いて光学的に結合しているので、分光装置２５
等の配置の自由度が増し、光学特性測定装置４０をコン
パクト化できる。

【００４６】（第４の実施形態）図８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４５の構成
を示す概略図である。この光学特性測定装置４５にあっ
ては、集光レンズ２３としてフレネルレンズ（回折レン
ズ）を用いている。また、光積分球２４に代えテーパ形
状の光導波路４６を用いており、端面の寸法の大きな側
（光入射側端面）を集光レンズ２３側に向け、端面の寸
法の小さな側（光出射側端面）に分光装置２５を配置し
ている。

【００４７】図８では、円錐台状をした筒体の内周面が
鏡面となった光導波路４６を示しているが、屈折率の大
きな透明樹脂によって円錐台状に形成した光導波路４６
を用いてもよい。

【００４８】この実施形態にあっても、集光レンズ２３
によって土壌面３の像が光導波路４６の入射側端面に結
像されるようにしてあり、広い面積の土壌面３で散乱反
射した白色光が光導波路４６に集められ、また各散乱方
向の反射光も光導波路４６に集められ、光導波路４６に
入った散乱反射光は光導波路４６内を反射しながら分光
装置２５に入射する。

【００４９】従って、土壌面３の凹凸などによらず、平
均化された散乱反射光を分光器へ導くことができ、測定
精度を安定化できる。

【００５０】（第５の実施形態）図９（ａ）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の光
源２２を示す概略図、図９（ｂ）は分光装置（波長分離
装置）２５及び光検出器２６の構成を示す図である。こ
れは光源光として白色光を用いない実施形態である。図
９（ａ）に示すように、異なる発光波長を有する複数個
例えば３個の発光ダイオード（ＬＥＤ）や半導体レーザ
ー素子（ＬＤ）等の発光素子４７ａ，４７ｂ，４７ｃを
１組みにして鏡筒２８の周囲に配置して光源２２を構成
している。従って、この実施形態では、光源２２から
は、３つの波長λ１，λ２，λ３の光が土壌面３に照射
される。

【００５１】一方、分光装置２５は、図９（ｂ）に示す
ように、光積分球２４から入射した散乱反射光をコリメ
ートするコリメート鏡４８と、波長λ１の光のみを透過
させるダイクロイックミラー４９、波長λ３の光のみを
透過させるダイクロイックミラー５０、波長λ１の光の
みを透過させるバンドパスフィルタ５１、波長λ２の光
のみを透過させるバンドパスフィルタ５２、波長λ３の
光のみを透過させるバンドパスフィルタ５３からなって
おり、波長λ１の光を受光するための光検出器２６ａは
バンドパスフィルタ５１の透過側に配置され、波長λ２
の光を受光するための光検出器２６ｂはバンドパスフィ
ルタ５２の透過側に配置され、波長λ３の光を受光する
ための光検出器２６ｃはバンドパスフィルタ５３の透過
側に配置されている。

【００５２】（第６の実施形態）図１０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５４の受
光側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って、分光装置２５とし
ては、音響光学波長チューニング素子（Acoust-Optic T
unable Filter；以下、ＡＯＴＦという）５５を用い
ている。

【００５３】ＡＯＴＦ５５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。ＡＯＴＦ５５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］５６と音響波ドラ
イバー５７からなり、図１１に示すように、結晶５６の
対向する辺にトランスジューサ（Acoustic Transduce
r）５８とアブソーバ（Acoustic Absorber）５９が貼り
付けられており、音響波ドライバー５７からトランスジ
ューサ５８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５８からアブソーバ５９へと結晶５６中
を音響波が通過し、音響波が通過するとき、結晶５６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
ＡＯＴＦ５５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
１に示すように、０次回折光と−１次回折光（又は、＋
１次回折光）は光検出器２６に達しないよう遮蔽板６０
によりカットする。

【００５４】こうしてＡＯＴＦ５５からなる分光装置２
５を透過した単色光が光検出器２６に照射され、照射波
長は音響波ドライバー５７によって最短波長から最長波
長まで（例えば、４００ｎｍ〜２５００ｎｍ）スキャン
される。分光装置２５としてＡＯＴＦ５５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、光検出
器２６には、ＩｎＧａＡｓ素子のような応答性のよい受
光素子を用いている。

【００５５】一方、データ処理装置２７は、音響波ドラ
イバー５７からの信号によって照射波長を検知するとと
もに、光検出器２６から受光信号を受信している。デー
タ処理装置２７が、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５４は、光源
２２の時間的変動を補正するための参照板３６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３６を降ろして遮光カバー３５の下面を閉
じ、その状態で測定光の照射波長をスキャンして参照板
３６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３６を上げて遮光カバー３５の下面を開
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５４で
は、分光装置２５として、電気的に高速高精度の波長
スキャンが可能なＡＯＴＦ５５を用いること、参照板
３６を用いて光源２２の揺らぎ等を補正すること、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７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６１の構
成を示す概略図である。この光学特性測定装置６１は、
測定位置検出装置６２を備えている。測定位置検出装置
６２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６２によって検出された位置情報はマップ
作成部へ送られる。マップ作成部６３では、データ処理
装置２７から得た土壌成分の情報と測定位置検出装置６
２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分光
装置の原理図である。

【図６】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７】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８】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９】本発明のさらに別な実施形態による土壌の光学
特性測定装置を説明する図であって、（ａ）は光源部分
を示し、（ｂ）は分光装置及び光検出器を示す。

【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概略断面図である。

【図１１】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。

【符号の説明】

３土壌面２２光源２４光積分球２５分光装置２６光検出器２７データ処理装置３５遮光カバー３６参照板４７ａ，４７ｂ，４７ｃ発光素子６２測定位置検出装置６３マップ作成部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】土壌面に向けて、波長帯域の広い測定光
を照射する光源と、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、土壌面で散乱反射された測定光を集光して、前記光捕捉
部内へ導く集光手段と、前記光捕捉部内の光を分光する手段と、前記分光手段によって分光された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、を備えた土壌の光学特性測定装置。
【請求項２】土壌面に向けて、複数波長からなる測定
光を照射する光源と、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、土壌面で散乱反射された測定光を集光して、前記光捕捉
部内へ導く集光手段と、前記光捕捉部内の光を異なる波長毎に分離する手段と、前記分離手段によって分離された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、を備えた土壌の光学特性測定装置。
【請求項３】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又は
２に記載の土壌の光学特性測定装置。
【請求項４】前記光捕捉部は、光入射側端部の面積が
比較的大きく、光出射側端部の面積が比較的小さな光導
波路によって形成されていることを特徴とする、請求項
１又は２に記載の土壌の光学特性測定装置。
【請求項５】土壌面との対向部分と土壌面の間を遮光
部材で覆ったことを特徴とする、請求項１又は２に記載
の土壌の光学特性測定装置。
【請求項６】前記光源から投光方向に参照板を配置し
たり、投光方向から外れた位置へ取り除いたりできるよ
うにした、請求項１又は２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又は２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。