JPH1183628A - Device for measuring optical characteristic of soil - Google Patents

Device for measuring optical characteristic of soil

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JPH1183628A
JPH1183628A JP25433297A JP25433297A JPH1183628A JP H1183628 A JPH1183628 A JP H1183628A JP 25433297 A JP25433297 A JP 25433297A JP 25433297 A JP25433297 A JP 25433297A JP H1183628 A JPH1183628 A JP H1183628A
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optical characteristic
optical
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a device for measuring optical characteristic of soil by which the optical characteristic of soil can be measured accurately without the influence of such as shape or structure of soil, quality of soil or irregularity of soil surface. SOLUTION: A white light emitting from a light source 27 is divided by a spectrometer 29 and a measuring light having a specific wavelength is given to soil surface 3 from the inside of an optical integrating sphere 23. The measuring light scattered and reflected by the soil surface 3 is collected in a scattering/ reflecting sphere 23 of spherical shell type where its inner surface has a reflectance of about 100%, and the averaged scattering/reflecting light is received by an optical detector 24 mounted on the inside of the optical integrating sphere 23. The measuring light is scanned in wavelength by a spectrometer 29 and a data processor 25 judges the soil composition on the basis of the optical spectrum of the reflected scattering light.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[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。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a device for measuring optical properties of soil. In particular, the present invention relates to an optical property measuring device for measuring optical properties of soil and analyzing components of the soil.

【0002】[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。
2. Description of the Related Art In order to increase the yield of agricultural products, it is necessary to replenish the shortage of organic components and fertilizers in the soil and to homogenize the soil of the whole cultivated land. For that purpose, it is necessary to analyze the components of the soil, and it is particularly desirable to analyze the components in real time.

【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。
FIG. 1 shows a known soil component analyzer for this purpose (Soil Organic Mat).
ter, CEC, and Moisture Sensing with a Portable NIR
Spectrophotometer; KA Sudduth, JW Hummel: T
ransactions of the ASAE, 1993 Vol. 36, 1571-158
2). The soil component analyzer 1 includes a plow 2 at the rear of the tractor.
The soil component analyzer 1 is pulled by a tractor to move in the field, and the new soil surface 3 exposed by the plow 2 is analyzed by the soil component analyzer 1 to determine the organic matter content in the soil. And water and the like.

【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。
In the soil component analyzer 1, white light emitted from a light source 4 is condensed on one end face of a bundle optical fiber 6 by a condenser lens 5. At this time, the white light condensed by the condensing lens 5 passes through the slit plate 7 and the wavelength selection filter 8 and enters the end face of the bundle optical fiber 6. The wavelength selection filter 8 is provided in the fan-shaped opening 10 of the disk-shaped filter disk 9 as shown in FIG. 2, and the selected wavelength (transmission wavelength) continuously changes along the circumferential direction of the filter disk 9. It is arranged to change. The filter disk 9 is driven to rotate by a rotation motor 11. Since the opening 12 of the slit plate 7 is elongated along the radial direction of the filter disk 9, when the filter disk 9 is rotating, it passes through the slit plate 7 and the wavelength selection filter 8 and passes through the bundle optical fiber 6. The wavelength of the monochromatic measurement light incident on the end face changes continuously. The wavelength selected by the wavelength selection filter 8 is 400
In many cases, ultraviolet light to near-infrared light in the range of 22500 nm is used. The rotation of the filter disk 9 by the rotation motor 11 is controlled by the motor control unit 13, and the motor control signal is transmitted from the motor control unit 13 to the data processing device 1.
4, the data processor 14 recognizes the wavelength of the measurement light (monochromatic light) incident on the end face of the bundle optical fiber 6. The other end of the bundle optical fiber 6 is guided to the light emitting / receiving box 15, and the measurement light incident from one end face of the bundle optical fiber 6 propagates inside the bundle optical fiber 6 and exits from the other end face, and is emitted from the light emitting / receiving box. 1
The light passes through a quartz window 16 provided on the bottom surface of the slab 5 and is irradiated onto a new soil surface 3 such as a cultivated land exposed by the plow 2.

【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。
The monochromatic measuring light radiated on the soil surface 3 is scattered and reflected on the soil surface 3, and the scattered reflected light is reflected on the quartz window 16.
And returns to the inside of the light emitting and receiving box 15 again. A part of the scattered reflected light that has returned into the light emitting and receiving box 15 is received by a photodetector 17 provided near the bundle optical fiber 6 inside the light emitting and receiving box 15. The photodetector 17 transmits a light receiving signal corresponding to the intensity of the received scattered reflected light to the data processing device 14.

【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。
Next, as shown in FIG. 3, the data processing device 14 converts the motor control signal received from the motor control unit 13 into wavelength data of the measurement light (S1). An optical spectrum of the scattered reflected light of the soil is created from the received light signal (S2), and data relating to the optical spectrum intensity of the scattered reflected light is substituted into a predetermined regression equation created in advance (S3). The components of the soil are analyzed, and the analysis result is displayed on a display unit (not shown) (S4). The regression equation is created by a procedure known as multivariate analysis.

【0007】[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。
The conventional soil component analyzer irradiates a continuously changing measuring light from a bundle optical fiber onto a new soil surface exposed with a plow as described above.
The light scattered and reflected on the soil surface is received by a photodetector arranged near the bundle optical fiber, and the light spectrum of the scattered reflected light is obtained from the received light intensity.

【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。
[0008] However, soil is generally uneven in particle size, structure, and soil quality, and often contains small stones and foreign substances. If such unevenness exists in the soil, even if the measurement light is irradiated on the soil, the scattered reflected light will not be reflected uniformly in all directions, but will be strongly or weakly reflected in a specific direction, and will be reflected unevenly. As a result, the optical characteristics vary depending on the direction of light irradiation and the position of the photodetector, and soil components cannot be accurately analyzed.

【0009】また、土壌面には溝や凹みなどが存在して
おり、鋤で掻いても埋らないような溝や窪みが一部に残
る場合がある。そのとき、たまたま測定光の照射位置が
土壌面の一部の窪みに一致すると、土壌面と光照射部
(バンドル光ファイバの照射側端面)との距離が長くな
ったり、土壌面と光検出器との距離が長くなったりす
る。そのような場合には、土壌の光学特性が同じであっ
ても散乱反射光強度が弱くなり、正確に土壌成分を分析
できなくなる。
Further, there are grooves or dents on the soil surface, and there are cases where grooves or dents which cannot be filled even with a plow remain. At this time, if the irradiation position of the measuring light coincides with a part of the soil surface, the distance between the soil surface and the light irradiator (irradiation side end surface of the bundle optical fiber) becomes longer, or the soil surface and the light detector Or the distance between them becomes longer. In such a case, even if the optical characteristics of the soil are the same, the intensity of the scattered and reflected light becomes weak, and the soil component cannot be analyzed accurately.

【0010】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
る土壌の光学特性測定装置を提供することにある。
The present invention has been made in view of the above-mentioned drawbacks of the prior art, and has as its object the purpose of irrespective of the shape and structure of the soil, the variability of the soil properties and the unevenness of the soil surface, and the like. An object of the present invention is to provide a soil optical characteristic measuring device capable of measuring optical characteristics with high accuracy.

【0011】[0011]

【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、土壌面に向けて測定光を照射する投光部と、土壌
面に臨ませるための開口を有し、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、前記光捕捉
部の内部で、前記散乱反射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。
SUMMARY OF THE INVENTION An optical characteristic measuring apparatus for soil according to the present invention has a light projecting portion for irradiating a measuring light toward the soil surface, an opening for facing the soil surface, and scatters light on the soil surface. A light capturing unit that captures and confine the reflected measuring light, and inside the light capturing unit, a light detector that receives the scattered reflected light, and an optical characteristic of the soil based on the measurement data of the light detector. Analysis means.

【0012】この土壌の光学特性測定装置にあっては、
投光部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光捕捉部内に取り込んで捕捉す
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、光検出器に入射する。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。
In this optical characteristic measuring apparatus for soil,
The measurement light is emitted from the light projecting unit toward the soil surface, and the measurement light scattered and reflected on the soil surface is captured and captured in the light capturing unit. The scattered reflected light confined in the light capturing unit is reflected several times in the light capturing unit and then enters the photodetector. The analysis means analyzes the optical characteristics of the soil based on the measurement data (light reception amount) of the photodetector.

【0013】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。また、土壌面で散乱反射した
測定光を光捕捉部に捕捉して光検出器で受光しているの
で、測定面積を拡大することができ、光受光器における
受光量を増加させて測定感度を向上させることができ
る。
Therefore, according to the present invention, the measuring light scattered and reflected on the soil surface is not directly received by the photodetector, but is scattered and reflected on the soil surface and scattered and reflected at a large solid angle. Can be averaged by capturing light in the light capturing unit and detected by the photodetector, so that it is possible to measure the original optical characteristics of the soil regardless of the soil shape, structure, soil quality, particle size, etc. It is possible to improve the reliability of the measurement data. In addition, since the measurement light scattered and reflected on the soil surface is captured by the light capture unit and received by the photodetector, the measurement area can be enlarged, and the amount of light received by the optical receiver is increased to increase the measurement sensitivity. Can be improved.

【0014】上記光捕捉部としては、請求項2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光受
光器に入るので、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。
As the light capturing section, a substantially spherical cavity having an inner surface with high reflectivity can be used. In such a light capturing unit, the scattered reflected light that has entered the light capturing unit through the opening repeatedly reflects on the inner surface of the light capturing unit and enters the optical receiver regardless of the direction of reflection on the soil surface. The light receiver can detect the average of the intensity of the light reflected in each direction.

【0015】光学特性測定装置の代表的なものは、土壌
面で反射する散乱反射光のスペクトルを解析することに
よって土壌成分を分析するものである。このような方式
の土壌の光学特性測定装置の投光部の構成においては、
請求項3に記載したように、比較的波長帯域の広い光を
発生する光源から出た光のうちから比較的波長帯域の狭
い特定波長の測定光を選択的に取り出して土壌に照射
し、土壌に照射する測定光の波長を時間的に変化させる
ことによって測定光の波長をスキャンさせるようにして
もよく、あるいは、請求項4に記載したように、投光部
では、光源で発生した複数波長の測定光に互いに異なる
パラメータで変調を施して土壌面へ出射し、光学特性分
析手段では、光検出器の出力を前記変調パラメータに基
づいて分離することによって土壌面で散乱反射した測定
光の光学特性を分析するようにしてもよい。
A typical optical characteristic measuring apparatus analyzes a soil component by analyzing a spectrum of scattered light reflected on a soil surface. In the configuration of the light emitting portion of the optical characteristic measuring device for soil of such a method,
As described in claim 3, a measurement light having a specific wavelength having a relatively narrow wavelength band is selectively extracted from light emitted from a light source that generates light having a relatively wide wavelength band, and is irradiated on the soil. The wavelength of the measurement light may be scanned over time by changing the wavelength of the measurement light to be applied to the light source. Alternatively, as described in claim 4, the light emitting unit includes a plurality of wavelengths generated by the light source. The measurement light is modulated with different parameters and emitted to the soil surface, and the optical characteristic analyzing means separates the output of the photodetector based on the modulation parameter to obtain the optical characteristics of the measurement light scattered and reflected on the soil surface. The characteristics may be analyzed.

【0016】請求項5に記載の実施態様は、請求項1に
記載の土壌の光学的特性測定装置において、前記投光部
から出射された測定光が、前記光捕捉部の内側から土壌
面に向けて照射されることを特徴としている。
According to a fifth aspect of the present invention, in the apparatus for measuring optical properties of soil according to the first aspect, the measuring light emitted from the light projecting unit is applied to the soil surface from inside the light capturing unit. It is characterized by being directed toward.

【0017】この実施態様によれば、光捕捉部の内部か
ら測定光を照射し、その散乱反射光を光捕捉部へ集める
ようにできるので、光捕捉部と土壌面との距離を近づけ
ることができ、外乱光の影響を低減することができる。
また、光捕捉部を土壌面に接近させることができ、ひい
ては測定光の出射部を土壌面に近づけることができるの
で、土壌面の照射強度を高めることができる。よって、
光学特性測定装置の測定感度を向上させることができ
る。
According to this embodiment, the measuring light can be irradiated from the inside of the light trapping part and the scattered reflected light can be collected in the light trapping part, so that the distance between the light trapping part and the soil surface can be shortened. As a result, the influence of disturbance light can be reduced.
In addition, the light capturing unit can be brought close to the soil surface, and the emission unit of the measurement light can be brought close to the soil surface, so that the irradiation intensity on the soil surface can be increased. Therefore,
The measurement sensitivity of the optical property measuring device can be improved.

【0018】特に、請求項6に記載のように、土壌面に
対向させて光捕捉部に設けた開口の周囲と土壌面の間を
遮光枠で囲うようにすれば、より完全に外乱光の影響を
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。
[0018] In particular, when the space between the periphery of the opening provided in the light capturing portion and the soil surface facing the soil surface and the soil surface are surrounded by a light-shielding frame, the disturbance light can be more completely eliminated. The influence can be eliminated, and the measurement sensitivity and reliability can be further improved.

【0019】請求項7に記載の実施態様は、請求項1に
記載の土壌の光学特性測定装置において、前記投光部か
ら土壌面に向けて、測定光を断続的に照射させるように
したことを特徴としている。
According to a seventh aspect of the present invention, in the soil optical characteristic measuring apparatus according to the first aspect, the measuring light is intermittently irradiated from the light projecting portion toward the soil surface. It is characterized by.

【0020】この実施態様によれば、測定光を断続的に
照射させているから、測定光を照射しているときの光検
知器の受光データと測定光を照射していないときの光検
知器の受光データを比較することによって、外乱光の影
響を補正することができる。
According to this embodiment, since the measuring light is intermittently irradiated, the light receiving data of the photodetector when the measuring light is irradiated and the light detecting data when the measuring light is not irradiated By comparing the received light data, the influence of disturbance light can be corrected.

【0021】請求項8に記載の実施態様は、請求項1に
記載の土壌の光学特性測定装置において、前記光捕捉部
の開口位置と開口から外れた位置との間を移動可能な参
照板を有することを特徴としている。
According to an eighth aspect of the present invention, in the soil optical characteristic measuring apparatus according to the first aspect, a reference plate movable between an opening position of the light capturing unit and a position outside the opening is provided. It is characterized by having.

【0022】この実施態様によれば、参照板を光捕捉部
の開口に配置し、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投光部の光源強度の揺
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、参照板を光捕捉部の開口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。
According to this embodiment, the instability of the optical system (for example, by arranging the reference plate at the opening of the light capturing unit and irradiating the reference plate with measurement light to monitor the optical characteristics of the reference plate) Fluctuations in optical characteristics due to changes in the sensitivity of the photodetector and fluctuations in the light source intensity of the light projecting section can be corrected. The soil surface can be measured by moving the reference plate to a position outside the opening of the light capturing unit.

【0023】請求項9に記載の実施態様は、請求項1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。
According to a ninth aspect of the present invention, in the soil optical characteristic measuring apparatus according to the first aspect, a measuring position measuring device for specifying a measuring position is provided.

【0024】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。
According to this embodiment, since the measurement position can be specified by the measurement position measuring device, the measurement data can be associated with the measurement position. Therefore, measurement data such as soil components can be comprehensively analyzed in the entire measurement area. Further, when soil improvement is performed later based on the measurement data, the work can be easily performed because the soil is associated with the measurement position.

【0025】特に、請求項10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。
In particular, according to the embodiment of the present invention, a soil characteristic map can be automatically created from position information and measured data.

【0026】[0026]

【発明の実施の形態】BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION

(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、投光部22、光積分球2
3、光検出器24およびデータ処理装置25から構成さ
れている。投光部22は、特定波長の測定光を光積分球
23の内側から土壌面3へ照射するものであって、光源
27、光チョッパ28及び分光装置29から構成されて
いる。光源27は、ハロゲンランプ30と反射板31と
からなり、白色光を連続的に発光して分光装置29へ送
り込む。
(First Embodiment) FIG. 4 is a schematic diagram showing the configuration of a soil optical characteristic measuring device 21 according to an embodiment of the present invention.
The optical characteristic measuring device 21 includes a light projecting unit 22 and a light integrating sphere 2.
3. It comprises a photodetector 24 and a data processing device 25. The light projecting unit 22 irradiates the measuring surface of the specific wavelength to the soil surface 3 from the inside of the light integrating sphere 23, and includes a light source 27, an optical chopper 28, and a spectroscopic device 29. The light source 27 includes a halogen lamp 30 and a reflecting plate 31, and continuously emits white light and sends the white light to the spectroscopic device 29.

【0027】光チョッパ28は、光源27から出射され
た白色光を一定のタイミングで遮断するものであって、
図5に示すような構造を有している。すなわち、光チョ
ッパ28は、透光部(窓)32と遮光部33を円周方向
に沿って一定ピッチで配列した遮光円板34をモータ3
5で回転させるようにしたものであって、透光部32に
白色光が入射すると白色光を透過させて分光装置29へ
白色光を入射させ、遮光部33に白色光が入射すると、
光源27から分光装置29へ向けて出射された白色光を
遮断する。遮光円板34は、モータ35により一定速度
で回転させられるので、白色光は一定タイミングで遮光
円板34を透過し、あるいは遮断される。また、この遮
光円板34の透光部32及び遮光部33が設けられてい
る部分を挟んで一方にモニター用発光素子36が、他方
にモニター用受光素子37が配置されている。モニター
用発光素子36及び受光素子37は、光源27からの白
色光が透光部32を通過するとき、モニター用発光素子
36から出た光rも透光部32を通過してモニター用受
光素子37で受光され、光源27の白色光が遮光部33
で遮断されるとき、モニター用発光素子36から出た光
rも遮光部33で遮断されるよう配置されているので、
モニター用受光素子37によって光源27の白色光が透
過しているか、遮断されているかを検知することができ
る。この光チョッパ28は、太陽光等の外乱光の影響を
除くために用いられる(詳細は後述する)。
The light chopper 28 blocks the white light emitted from the light source 27 at a certain timing.
It has a structure as shown in FIG. That is, the optical chopper 28 includes a light-shielding disk 34 in which light-transmitting portions (windows) 32 and light-shielding portions 33 are arranged at a constant pitch along the circumferential direction.
When the white light is incident on the light transmitting part 32, the white light is transmitted and the white light is incident on the spectroscopic device 29, and when the white light is incident on the light shielding part 33,
The white light emitted from the light source 27 toward the spectroscopic device 29 is blocked. Since the light-shielding disk 34 is rotated at a constant speed by the motor 35, white light is transmitted through the light-shielding disk 34 at a certain timing or cut off. A light-emitting element 36 for monitoring is arranged on one side and a light-receiving element 37 for monitoring is arranged on the other side of the light-shielding disk 34 with the light-transmitting part 32 and the light-shielding part 33 provided therebetween. When the white light from the light source 27 passes through the light transmitting part 32, the light r emitted from the monitoring light emitting element 36 also passes through the light transmitting part 32 and the monitor light receiving element 37 and the light receiving element 37 monitor. 37, and the white light of the light source 27 is
Since the light r emitted from the monitor light-emitting element 36 is also blocked by the light shielding unit 33 when the light is blocked by
The monitoring light receiving element 37 can detect whether the white light of the light source 27 is transmitted or blocked. The light chopper 28 is used to remove the influence of disturbance light such as sunlight (details will be described later).

【0028】分光装置29は、光源27からの白色光の
うち特定波長の光を測定光として選択的に取り出し、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2
9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。
The spectroscopy device 29 selectively extracts light of a specific wavelength from the white light from the light source 27 as measurement light, and scans the selected wavelength at a constant speed from a predetermined shortest wavelength to a longest wavelength. Such a spectroscopic device 2
As the filter 9, a filter disk 9 provided with a wavelength selection filter (interference filter) 8 and a slit plate 7 as described in the conventional example (FIG. 2) can be used.

【0029】あるいは、図6(a)に示すように、白色
光を色分散させる回折格子38とスリット板39によっ
て分光装置29を構成し、回折格子38又はスリット板
39を移動させることによって分光装置29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。また、図6(b)に示すように、白色光を色
分散させるプリズム40とスリット板41によって分光
装置29を構成し、プリズム40又はスリット板41を
移動させることによって分光装置29から出射される光
の波長を連続的に変化させるようにしたものでもよい。
Alternatively, as shown in FIG. 6A, a spectroscopic device 29 is constituted by a diffraction grating 38 for dispersing the white light and a slit plate 39, and the spectroscopic device is moved by moving the diffraction grating 38 or the slit plate 39. The wavelength of the measurement light emitted from the light source 29 may be continuously changed. Further, as shown in FIG. 6B, a spectral device 29 is constituted by a prism 40 for dispersing white light and a slit plate 41, and the prism 40 or the slit plate 41 is moved to be emitted from the spectral device 29. The light wavelength may be changed continuously.

【0030】なお、光チョッパ28の透光、遮断のタイ
ミング周期は、通常、分光装置29における選択波長の
スキャニング周期よりも十分に短くしてあるので、分光
装置29ないし光源27からは、出射波長が時間的に且
つ規則的に変化する測定光がパルス状に出射される。
Since the light transmission and cutoff timing cycles of the optical chopper 28 are usually sufficiently shorter than the scanning cycle of the selected wavelength in the spectroscopic device 29, the emission wavelength from the spectroscopic device 29 or the light source 27 is output. Is emitted in the form of pulses in which measurement light changes with time and regularly.

【0031】光積分球23は、略球殻状をしていて下面
には土壌面3と対向させるための照射窓42が設けられ
ている。光積分球23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(又は、鏡面)となっている。この光積分球
23の内面においては、照射窓42と対向する位置に測
定光の光投射部43が設けられており、側面には光検出
器24が設置されている。この光検出器24としては、
InGaAs、PbS、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。
The light integrating sphere 23 has a substantially spherical shell shape, and an irradiation window 42 is provided on the lower surface thereof so as to face the soil surface 3. Inside the light integrating sphere 23, a cavity serving as a light capturing unit is provided, and the inner wall surface has a reflectance of almost 100%.
Light-diffusing surface (or mirror surface). On the inner surface of the light integrating sphere 23, a light projecting unit 43 for measuring light is provided at a position facing the irradiation window 42, and the photodetector 24 is provided on the side surface. As the photodetector 24,
A semiconductor light receiving element such as InGaAs, PbS, PbSe, or the like, a silicon photodiode, or the like can be used.

【0032】分光装置29と光積分球23の光投射部4
3との間は、光ファイバ束(バンドル光ファイバ)等の
導光手段44によって結ばれており、分光装置29から
出射された測定光は導光手段44を通じて光積分球23
の光投射部43へ送られ、光投射部43から光積分球2
3内へ出射された測定光は照射窓42を通って土壌面3
に照射される。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、光積分球23
とほぼ一定の距離にある。なお、光投射部43から出射
された測定光が光積分球23の内面に当たって散乱され
ると、光検出器24で受光されるので、光投射部43に
は測定光を照射窓42内に集光させるために集光レンズ
が設けてあってもよく、あるいは光ファイバ束の各光フ
ァイバ端面に凸レンズ状の加工が施されていてもよい。
The spectroscopic device 29 and the light projection unit 4 of the light integrating sphere 23
3 is connected by a light guiding means 44 such as an optical fiber bundle (bundle optical fiber), and the measuring light emitted from the spectroscopic device 29 is transmitted through the light guiding means 44 to the light integrating sphere 23.
Of the light integrating sphere 2
The measurement light emitted into the surface 3 passes through the irradiation window 42 and is exposed to the soil surface 3.
Is irradiated. The soil surface 3 is a new soil surface in which the soil has been scraped and exposed by the plow 2 and has a light integrating sphere 23.
And at a nearly constant distance. When the measurement light emitted from the light projection unit 43 scatters on the inner surface of the light integrating sphere 23, the measurement light is received by the photodetector 24, so that the measurement light is collected in the irradiation window 42 by the light projection unit 43. A condensing lens may be provided for light emission, or a convex lens-like processing may be applied to the end face of each optical fiber of the optical fiber bundle.

【0033】また、土壌面3に照射された測定光は、土
壌面3で反射散乱され、大部分は再び照射窓42から光
積分球23の内部に戻る。光積分球23内に戻った散乱
反射光は、光積分球23の内部で吸収されることなく拡
散反射を繰り返し、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が光積分球23内部では
平均化され、各方向で均一化された散乱反射光が光検出
器24により受光される。
The measuring light applied to the soil surface 3 is reflected and scattered on the soil surface 3, and most of the measurement light returns from the irradiation window 42 to the inside of the light integrating sphere 23 again. The scattered reflected light returned into the light integrating sphere 23 repeats diffuse reflection without being absorbed inside the light integrating sphere 23, and is scattered reflected light irregularly and unevenly reflected in various directions on the soil surface 3. Are averaged inside the light integrating sphere 23, and the scattered reflected light uniformized in each direction is received by the photodetector 24.

【0034】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
た測定光を光検出器24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23内に捕捉することによって
平均化して光検出器24で検出すれば、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。
Even if the properties (components) of the soil are the same, if the inclination and unevenness of the surface of the soil, the size of the soil particles, and the like are different, the intensity of the light scattered and reflected from the soil surface 3 due to the distribution depends on the direction to be detected. Variations occur. However, unlike the optical property measuring device 21 of the present invention, the measurement light scattered and reflected on the soil surface 3 is not directly received by the photodetector 24, but is scattered and reflected on the soil surface 3 and emitted at a large solid angle. If the scattered and reflected light in a wide range is averaged by being captured in the light integrating sphere 23 and detected by the photodetector 24, the optical characteristics of the soil can be maintained irrespective of the shape and structure of the soil, the nature of the soil, and the size of the particles. Characteristics can be measured, and the reliability of measurement data can be improved.

【0035】また、光積分球23の照射窓42の面積に
相当する広い領域で散乱反射した測定光を積分球内に集
められるから、光受光器に多くの測定光を集めて受光量
を増加させることができ、測定感度を向上させることが
できる。
Since the measuring light scattered and reflected in a wide area corresponding to the area of the irradiation window 42 of the light integrating sphere 23 can be collected in the integrating sphere, a large amount of measuring light is collected in the optical receiver to increase the amount of received light. And the measurement sensitivity can be improved.

【0036】こうして光検出器24で散乱反射光が受光
されると、光検出器24からデータ処理装置25へ受光
信号が送られる。一方、データ処理装置25は、分光装
置29からは、測定光の波長を示す信号をリアルタイム
で受信している。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29によって測定光の波長を連続
的に変化させながら、光検知器で受光している測定光の
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25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。
When the scattered and reflected light is received by the photodetector 24 in this manner, a photodetection signal is sent from the photodetector 24 to the data processing device 25. On the other hand, the data processing device 25 receives a signal indicating the wavelength of the measurement light from the spectroscopic device 29 in real time. When the measurement light is reflected by the soil surface 3,
Because the components of the soil absorb light of a specific wavelength,
It shows a unique light spectrum (absorption spectrum) depending on the components of the soil. If the light intensity of the measurement light received by the photodetector is detected while continuously changing the wavelength of the measurement light by the spectroscope 29, the light spectrum of the scattered reflected light can be obtained. By analyzing at 25, the components of the soil can be analyzed.

【0037】測定光は光積分球23の内部から土壌面3
に照射する構造としているから、光積分球23と土壌面
3との距離を小さくすることができ、この隙間から太陽
光等の外乱光は入りにくくなっている。しかし、全く外
乱光が積分球内に入らないようにすることができないの
で、この光学特性測定装置21では、上記光チョッパ2
8により外乱光の影響を除去している。すなわち、光チ
ョッパ28により測定光が遮断されている時には、光検
出器24の出力は外乱光によるものであると考えられる
から、測定光を受光している時の光検出器24の出力と
外乱光による出力の差を求めることにより、外乱光の影
響を補正することができる。
The measurement light is transmitted from the inside of the light integrating sphere 23 to the soil surface 3.
, The distance between the light integrating sphere 23 and the soil surface 3 can be reduced, and disturbance light such as sunlight is hard to enter from this gap. However, it is impossible to prevent disturbance light from entering the integrating sphere at all.
8 eliminates the influence of disturbance light. That is, when the measurement light is blocked by the optical chopper 28, the output of the photodetector 24 is considered to be due to disturbance light. Therefore, the output of the photodetector 24 when the measurement light is received and the disturbance By determining the difference in output due to light, the influence of disturbance light can be corrected.

【0038】図7に示すものは、外乱光の影響を補正す
るための回路45であって、主増幅器(同調増幅器)4
6、同期整流回路47、低域ろ波器48、参照信号増幅
器(同調増幅器)49及び移相回路50で構成されたロ
ックインアンプ51と、光検出器24からの出力を光チ
ョッパ28の透光/遮断の周期の1/2だけ遅延させて
参照信号増幅器49に送る遅延回路52と、光検出器2
4の出力を主増幅器46側と参照信号増幅器49側とに
切り替える電子スイッチ53とからなっている。電子ス
イッチ53は、モニター用の受光素子37が透光状態を
検出している場合には、光検出器24を主増幅器46側
に接続し、遮断状態を検出している場合には、光検出器
24を参照信号増幅器49側に接続する。従って、この
補正回路45にあっては、外乱光のみによる光検出器2
4出力が参照信号として参照信号増幅器49に入力さ
れ、外乱光と測定光による光検出器24出力が主増幅器
46に入力される。外乱光と測定光による受光信号は主
増幅器46で帯域幅を狭められた後、同期整流回路47
に送られる。外乱光による参照信号はこれと一定の周波
数・位相関係をもった信号成分のみを検出するため移相
回路50によって適当な位相(0°もしくは90°)に
設定されて同期整流回路47に入力される。この出力は
次段の低域ろ波器48で積算され外乱光による信号成分
を除去した後、データ処理装置25へ送られ、光スペク
トルが求められる。
FIG. 7 shows a circuit 45 for correcting the influence of disturbance light, and includes a main amplifier (tuning amplifier) 4.
6. A lock-in amplifier 51 including a synchronous rectifier circuit 47, a low-pass filter 48, a reference signal amplifier (tuning amplifier) 49 and a phase shift circuit 50, and an output from the photodetector 24 transmitted through the optical chopper 28. A delay circuit 52 for delaying by half the period of light / interruption and sending the delayed signal to the reference signal amplifier 49;
4 comprises an electronic switch 53 for switching the output between the main amplifier 46 side and the reference signal amplifier 49 side. The electronic switch 53 connects the photodetector 24 to the main amplifier 46 when the light receiving element 37 for monitoring detects the light transmitting state, and detects the light when the cutoff state is detected. Is connected to the reference signal amplifier 49 side. Therefore, in the correction circuit 45, the photodetector 2 using only disturbance light is used.
The four outputs are input to the reference signal amplifier 49 as reference signals, and the output of the photodetector 24 based on the disturbance light and the measurement light is input to the main amplifier 46. The received light signal of the disturbance light and the measurement light is narrowed in the bandwidth by the main amplifier 46, and then the synchronous rectification circuit 47
Sent to The reference signal due to the disturbance light is set to an appropriate phase (0 ° or 90 °) by the phase shift circuit 50 and input to the synchronous rectification circuit 47 in order to detect only a signal component having a certain frequency / phase relationship with the reference signal. You. This output is integrated by a low-pass filter 48 at the next stage, and after removing signal components due to disturbance light, the output is sent to the data processing device 25 to obtain an optical spectrum.

【0039】なお、分光装置29と光積分球23を結ぶ
導光手段44としては、図8に示す光学特性測定装置5
4のように、複数枚の集光レンズ55a,55bからな
る光伝送用のリレーレンズ55を用いてもよい。この集
光レンズ55a,55b間の距離を調整可能にすれば、
測定光のビーム径を調整することができる。
As the light guiding means 44 connecting the spectroscopic device 29 and the light integrating sphere 23, the optical characteristic measuring device 5 shown in FIG.
As shown in FIG. 4, a relay lens 55 for light transmission composed of a plurality of condenser lenses 55a and 55b may be used. If the distance between the condenser lenses 55a and 55b can be adjusted,
The beam diameter of the measurement light can be adjusted.

【0040】(第2の実施形態)図9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56の一部破断し
た断面図である。この実施形態では、分光装置29と光
積分球23を結ぶ導光手段44である光ファイバ束57
を照射窓42近くまで光積分球23の内部へ突出させて
いる。この実施形態では、光ファイバ束57の端面が土
壌面3に接近しているので、土壌面3に強い測定光を照
射することができ、光検出器24の受光レベルを高くし
て測定感度を高めることができる。一方、土壌面3で散
乱反射して光積分球23内に捉えられた散乱反射光が光
ファイバ束57に吸収されて光検出器24の受光量が低
下するのを防止するため、光積分球23の内部において
は、光ファイバ束57の端面を除く外周面に光拡散性物
質58をコーティングしてある。
(Second Embodiment) FIG. 9 is a partially broken sectional view of a soil optical characteristic measuring device 56 according to another embodiment of the present invention. In this embodiment, an optical fiber bundle 57 serving as a light guiding unit 44 connecting the spectroscopic device 29 and the light integrating sphere 23.
Is projected into the light integrating sphere 23 to the vicinity of the irradiation window 42. In this embodiment, since the end face of the optical fiber bundle 57 is close to the soil surface 3, it is possible to irradiate the soil surface 3 with strong measurement light, and to increase the light receiving level of the photodetector 24 to improve the measurement sensitivity. Can be enhanced. On the other hand, in order to prevent the scattered reflected light scattered and reflected on the soil surface 3 and captured in the light integrating sphere 23 from being absorbed by the optical fiber bundle 57 and reducing the amount of light received by the photodetector 24, the light integrating sphere is reduced. Inside the optical fiber 23, a light diffusing substance 58 is coated on the outer peripheral surface except the end surface of the optical fiber bundle 57.

【0041】(第3の実施形態)図10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59の一部破断
した断面図である。この実施形態にあっては、光積分球
23の照射窓42の下に参照板60が設けられており、
参照板60は光積分球23の下面に設けられたレールや
ガイド等に沿って照射窓42から外れた位置まで水平に
移動できるようになっている。参照板60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る
が、少なくとも上面(内面)は反射率がほぼ100%と
なっている。
(Third Embodiment) FIG. 10 is a partially cutaway sectional view of a soil optical characteristic measuring device 59 according to another embodiment of the present invention. In this embodiment, a reference plate 60 is provided below the irradiation window 42 of the light integrating sphere 23,
The reference plate 60 can be moved horizontally to a position off the irradiation window 42 along a rail or a guide provided on the lower surface of the light integrating sphere 23. As the reference plate 60, a ceramic plate such as alumina can be used, but at least the upper surface (inner surface) has a reflectance of almost 100%.

【0042】この実施形態によれば、参照板60で光積
分球23の照射窓42を閉じるように参照板60を照射
窓42へ移動させ、参照板60に測定光を照射して参照
板60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24の感度変化や投
光部22の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60を照射窓42の開口から外れた位置へ
移動させることにより、土壌面3を測定できる。
According to this embodiment, the reference plate 60 is moved to the irradiation window 42 so that the irradiation window 42 of the light integrating sphere 23 is closed by the reference plate 60, and the reference plate 60 is irradiated with the measuring light, and By monitoring the optical spectrum of the optical system, fluctuations in optical characteristics due to instability of the optical system (for example, fluctuations in the sensitivity of the photodetector 24 and fluctuations in the light source intensity of the light projecting unit 22) are detected, and the measurement data is corrected. Can be used.
The soil surface 3 can be measured by moving the reference plate 60 to a position outside the opening of the irradiation window 42.

【0043】なお、参照板60は、図11に示す光学特
性測定装置61のように、一端を光積分球23の照射窓
42の縁に枢着し、参照板60を立てて照射窓42を開
き、参照板60を倒して照射窓42を閉じるようにして
もよい。この場合には、参照板60の両面で反射率をほ
ぼ100%としている。
The reference plate 60 has one end pivotally connected to the edge of the irradiation window 42 of the light integrating sphere 23 as in an optical characteristic measuring device 61 shown in FIG. The irradiation window 42 may be closed by opening the reference plate 60 and tilting it. In this case, the reflectance on both surfaces of the reference plate 60 is almost 100%.

【0044】(第4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62の構
成を示す概略図である。この光学特性測定装置62にあ
っては、互いに異なる発光波長を有する複数の発光素子
63a,63b,…とそれぞれ異なる変調周波数で強度
変調しながら発光素子63a,63b,…を発光させる
発光素子駆動回路64a,64b,…とから投光部22
が構成されている。発光素子63a,63b,…は発光
ダイオード(LED)や半導体レーザー素子(LD)な
どであって個別素子でもアレイ状のものでもよい。
(Fourth Embodiment) FIG. 12 is a schematic diagram showing a configuration of a soil optical characteristic measuring device 62 according to still another embodiment of the present invention. In the optical characteristic measuring device 62, a plurality of light emitting elements 63a, 63b,... Having different light emission wavelengths and a light emitting element driving circuit for emitting the light emitting elements 63a, 63b,. 64a, 64b,...
Is configured. The light emitting elements 63a, 63b,... Are light emitting diodes (LEDs), semiconductor laser elements (LDs), or the like, and may be individual elements or arrays.

【0045】ここでは、発光素子63a,63b,63
cは3個でそれぞれ異なる発光波長λ1,λ2,λ3を
持ち、発光素子駆動回路64a,64b,64cによっ
てそれぞれ異なる変調周波数f1,f2,f3で強度変
調を加えて発光させられるものとする。各発光素子63
a,63b,63cからは、周波数f1,f2,f3で
強度変調された各発光波長λ1,λ2,λ3の測定光が
同時に発射されており、各測定光は光投射部43の集光
レンズ65を通って光積分球23の照射窓42から土壌
面3に照射される。土壌面3で散乱反射された各波長の
測定光は光積分球23に戻り、光検出器24で受光され
る。光検出器24の受光信号は、それぞれフィルタ回路
66により周波数f1,f2,f3の信号に弁別され
る。フィルタ回路66で弁別された、各周波数f1,f
2,f3で変調された受光信号はそれぞれ異なる復調回
路(積分回路など)67a,67b,67cへ送られ、
各復調回路67a,67b,67cで強度信号に変換さ
れてデータ処理装置25へ出力され、データ処理装置2
5で光スペクトルを分析される。
Here, the light emitting elements 63a, 63b, 63
It is assumed that three light sources have different emission wavelengths λ1, λ2, λ3, respectively, and light is emitted by the light-emitting element driving circuits 64a, 64b, 64c by applying intensity modulation at different modulation frequencies f1, f2, f3. Each light emitting element 63
From a, 63b, and 63c, measurement lights of the respective emission wavelengths λ1, λ2, and λ3, which are intensity-modulated at the frequencies f1, f2, and f3, are simultaneously emitted, and the respective measurement lights are collected by the condenser lens 65 of the light projection unit 43. Then, the soil surface 3 is irradiated from the irradiation window 42 of the light integrating sphere 23. The measurement light of each wavelength scattered and reflected by the soil surface 3 returns to the light integrating sphere 23 and is received by the light detector 24. The light receiving signal of the photodetector 24 is discriminated by the filter circuit 66 into signals of frequencies f1, f2, and f3. Each frequency f1, f discriminated by the filter circuit 66
The light receiving signals modulated by 2 and f3 are sent to different demodulating circuits (integrating circuits and the like) 67a, 67b and 67c, respectively.
Each of the demodulation circuits 67a, 67b, 67c converts the signal into an intensity signal, which is output to the data processing device 25.
At 5 the light spectrum is analyzed.

【0046】このような実施形態によれば、分光装置2
9が必要なくなり、またLED等の発光素子63a,6
3b,63cを用いることにより省電力化を図ることが
できる。さらに、フィルタ回路66で特定周波数の信号
だけを弁別しているので、外乱光の影響を除去すること
ができる。
According to such an embodiment, the spectroscopic device 2
9 is not required, and the light emitting elements 63a, 63
By using 3b and 63c, power saving can be achieved. Further, since only a signal of a specific frequency is discriminated by the filter circuit 66, the influence of disturbance light can be eliminated.

【0047】なお、この実施形態では、光積分球23の
照射窓42には、光積分球23の内部に汚れや土等が入
らないようにするため、測定光に対して透明となった、
石英ガラスのような透明板68をはめている。
In this embodiment, the irradiation window 42 of the light integrating sphere 23 is transparent to the measuring light in order to prevent dirt and soil from entering the inside of the light integrating sphere 23.
A transparent plate 68 such as quartz glass is fitted.

【0048】(第5の実施形態)図13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69の構
成を示す概略図である。この実施形態にあっては、光積
分球23の照射窓42に石英ガラスのような透明板68
をはめ、その周囲に照射窓42を囲むようにして不透明
な遮光枠70を設けてあり、遮光枠70の下端は土壌中
に挿入し易いよう薄くテーパを施している。
(Fifth Embodiment) FIG. 13 is a schematic view showing a configuration of a soil optical characteristic measuring device 69 according to still another embodiment of the present invention. In this embodiment, a transparent plate 68 such as quartz glass is provided on the irradiation window 42 of the light integrating sphere 23.
An opaque light-shielding frame 70 is provided around the irradiation window 42 so that the lower end of the light-shielding frame 70 is thinly tapered so as to be easily inserted into the soil.

【0049】しかして、遮光枠70を土壌中に差し込ん
で照射窓42の透明板68を土壌面3に押しつけた状態
で土壌の測定を行なう。このようにして測定すれば、透
明板68を土壌面3に押しつけることで土壌面3を平ら
に均して測定することができると共に光積分球23を土
壌面3の上に真っ直ぐに設置でき、散乱反射光の反射方
向を均一化できる。また、照射窓42の周囲に遮光枠7
0を設けているので、光積分球23の下面と土壌面3の
間の隙間から外乱光が侵入するのを確実に防止できる。
さらに、遮光枠70を土壌中に差し込むことで光学特性
測定装置69をしっかりと設置することができる。
The soil is measured while the light-shielding frame 70 is inserted into the soil and the transparent plate 68 of the irradiation window 42 is pressed against the soil surface 3. When the measurement is performed in this manner, the transparent plate 68 is pressed against the soil surface 3 so that the soil surface 3 can be leveled and measured, and the light integrating sphere 23 can be installed straight on the soil surface 3. The direction of reflection of the scattered reflected light can be made uniform. Further, the light shielding frame 7 is provided around the irradiation window 42.
Since 0 is provided, it is possible to reliably prevent disturbance light from entering from a gap between the lower surface of the light integrating sphere 23 and the soil surface 3.
Further, by inserting the light-shielding frame 70 into the soil, the optical property measuring device 69 can be firmly installed.

【0050】この光学特性測定装置69は、トラクタで
測定位置まで移動させ、自動的に一定圧力となるように
照射窓42の透明板68を土壌面3に押し付けて土壌の
測定を行うようにすればよい。また、この実施形態の場
合には、光積分球23を土壌面3から浮せる必要がない
ので、人が光学特性測定装置69を携帯し、測定位置の
土壌に遮光枠70を差し込むと共に透明板68を土壌面
3に押し付けるようにして設置し、その状態で測定する
ようにもできる。
The optical property measuring device 69 is moved to a measuring position by a tractor, and presses the transparent plate 68 of the irradiation window 42 against the soil surface 3 so as to automatically maintain a constant pressure, thereby performing soil measurement. I just need. Further, in the case of this embodiment, since it is not necessary to float the light integrating sphere 23 from the soil surface 3, a person carries the optical characteristic measuring device 69, inserts the light shielding frame 70 into the soil at the measurement position, and sets the transparent plate. 68 can be installed so as to be pressed against the soil surface 3 and the measurement can be performed in that state.

【0051】(第6の実施形態)図14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71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る。光源27としては、ハロゲン
ランプ30と反射板31と集光レンズ72を備えてい
る。分光装置29としては、音響光学波長チューニング
素子(Acoust-OpticTunable Filter; 以下、AOTF
という)73を用いている。
(Sixth Embodiment) FIG. 14 is a schematic view showing a configuration of a soil optical characteristic measuring apparatus 71 according to still another embodiment of the present invention. This embodiment is intended for highly accurate measurement. The light source 27 includes a halogen lamp 30, a reflector 31, and a condenser lens 72. As the spectroscopic device 29, an acousto-optic wavelength tuning element (Acoust-Optic Tunable Filter; hereinafter, AOTF)
73) is used.

【0052】AOTF73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。AOTF73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]74と音響波ドラ
イバー75からなり、図15に示すように、結晶74の
対向する辺にトランスジューサ(Acoustic Transduce
r)76とアブソーバ(Acoustic Absorber)77が貼り
付けられており、音響波ドライバー75からトランスジ
ューサ76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76からアブソーバ77へと結晶74中
を音響波が通過し、音響波が通過するとき、結晶74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
AOTF73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
5に示すように、0次回折光と−1次回折光(又は、+
1次回折光)は光積分球23の光投射部43に達しない
よう遮蔽板78によりカットする。
The AOTF 73 is a band-pass filter that separates monochromatic light from white light and electrically scans the wavelength, and has no movable part. The AOTF 73 is composed of an acousto-optic crystal [for example, one in which the acoustic wave of tellurium dioxide (TeO 2 ) crystal and the traveling direction of light intersect] 74 and an acoustic wave driver 75, and as shown in FIG. Acoustic Transduce
r) and an absorber (Acoustic Absorber) 77 are attached, and when an electric signal of RF frequency is applied to the transducer 76 from the acoustic wave driver 75, an acoustic wave is transmitted from the transducer 76 to the absorber 77 in the crystal 74. As it passes and the acoustic wave passes, the strain created in the crystal 74 acts like a grating. When the AOTF 73 is irradiated with white light, only monochromatic light is transmitted, and the transmission wavelength can be controlled by the RF frequency. The half-width of this transmission wavelength can be reduced to the order of 1 nm, depending on the wavelength,
The transmittance is high and up to 98% is possible. However, since the transmitted light is separated into 0th-order diffracted light and ± 1st-order diffracted light, FIG.
As shown in FIG. 5, the 0th-order diffracted light and the -1st-order diffracted light (or +
The first-order diffracted light) is cut by the shielding plate 78 so as not to reach the light projecting portion 43 of the light integrating sphere 23.

【0053】こうしてAOTF73からなる分光装置2
9を透過した単色光が光積分球23の内部から土壌面3
に照射され、照射波長は音響ドライバー75によって最
短波長から最長波長まで(例えば、400nm〜250
0nm)スキャンされる。分光装置29としてAOTF
73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、音響波ドライバー75によってAOTF73
の透光と遮断を制御することもできるので、AOTF7
3及び音響波ドライバー75に光チョッパ28と同じ機
能を持たせることができ、受光信号中の外乱光の影響を
除去することができる。一方、データ処理装置25は、
音響波ドライバー75からの信号によって照射波長を検
知するとともに、AOTF73による透光と遮断のタイ
ミングをモニターしている。
Thus, the spectroscopic device 2 composed of the AOTF 73
9 is transmitted from the inside of the light integrating sphere 23 to the soil surface 3.
The irradiation wavelength ranges from the shortest wavelength to the longest wavelength (for example, 400 nm to 250 nm) by the acoustic driver 75.
0 nm). AOTF as spectroscopic device 29
If 73 is used, since there is no movable part and the wavelength can be controlled electrically, the wavelength scanning speed can be increased. In addition, the AOTF 73 is
It is possible to control the light transmission and blocking of the AOTF7.
3 and the acoustic wave driver 75 can have the same function as the optical chopper 28, so that the influence of disturbance light in the received light signal can be eliminated. On the other hand, the data processing device 25
The irradiation wavelength is detected by a signal from the acoustic wave driver 75, and the timing of light transmission and cutoff by the AOTF 73 is monitored.

【0054】また、土壌面3で散乱反射した測定光を受
光する光検出器24には、InGaAs素子のような応
答性のよい受光素子を用い、温度変化による光検出器2
4の感度や出力等の変動をなくすため光検出器24の温
度を一定温度に保つための温度制御装置79を備えてい
る。
Further, as the photodetector 24 for receiving the measurement light scattered and reflected on the soil surface 3, a light-receiving element having a high response such as an InGaAs element is used.
4 is provided with a temperature control device 79 for keeping the temperature of the photodetector 24 at a constant temperature in order to eliminate fluctuations in sensitivity, output, and the like.

【0055】データ処理装置25は、AOTF73の透
光(測定)時の受光信号と遮断(非測定)時の受光信号
を比較することによって外乱光の影響を除去する機能
と、受光信号から光スペクトルを求める機能とを備えて
いる。ここで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。
The data processing device 25 has a function of removing the influence of disturbance light by comparing the received light signal of the AOTF 73 at the time of light transmission (measurement) and the light reception signal at the time of cutoff (not measurement), and an optical spectrum from the received light signal. And a function to request. Here, as a method of obtaining the optical spectrum from the received light signal, it is preferable to use Fourier transform type spectroscopy,
In particular, a method using an interferogram is desirable. Here, the interferogram is a change F (x) of the interference light intensity measured and recorded as a function of the optical path difference x when changing the optical path difference of the light beam interferometer. The optical spectrum is obtained by performing the inverse conversion. These interferograms, Fourier transform spectroscopy, and the like are conventional methods for obtaining an optical spectrum, and thus detailed descriptions thereof are omitted.

【0056】また、この光学特性測定装置71は、投光
部22の時間的変動を補正するための参照板60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60を降ろして照射窓42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60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60を上げて照射窓42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。
The optical characteristic measuring device 71 includes a reference plate 60 for correcting a temporal variation of the light projecting unit 22, and obtains a light absorption spectrum in the following order. First, the reference plate 60 is lowered and the irradiation window 42 is closed, and in this state, the irradiation wavelength of the measurement light is scanned to measure the diffuse reflection intensity spectrum R (λ) of the reference plate 60. Then
The reference window 60 is raised, the irradiation window 42 is opened, and the irradiation wavelength of the measuring light is scanned again to obtain the diffuse reflection intensity spectrum S of the soil.
Measure (λ). Then, the light absorption spectrum of the soil is determined from the absorption intensity Abs (λ) = log [R (λ) / S (λ)].

【0057】この実施形態の光学特性測定装置71で
は、分光装置として、電気的に高速高精度の波長スキ
ャンが可能で、外乱光補正機能(光チョッパの機能)も
備えたAOTF73を用いること、参照板60を用い
て投光部22の揺らぎ等を補正すること、温度制御装
置79による光検出器24の特性の安定化、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。
In the optical characteristic measuring apparatus 71 of this embodiment, an AOTF 73, which can electrically perform high-speed and high-precision wavelength scanning and also has a disturbance light correction function (optical chopper function), is used as a spectroscope. High-accuracy soil component analysis is performed by correcting fluctuations of the light projecting unit 22 using the plate 60, stabilizing the characteristics of the light detector 24 by the temperature control device 79, obtaining an optical spectrum by an interferogram, and the like. Making it possible.

【0058】(第8の実施形態)図16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80の構
成を示す概略図である。この光学特性測定装置80は、
測定位置検出装置81を備えている。測定位置検出装置
81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81によって検出された位置情報はマップ
作成部82へ送られる。マップ作成部82では、データ
処理装置25から得た土壌成分の情報と測定位置検出装
置81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。
(Eighth Embodiment) FIG. 16 is a schematic diagram showing a configuration of a soil optical characteristic measuring apparatus 80 according to still another embodiment of the present invention. This optical characteristic measuring device 80
A measurement position detection device 81 is provided. As the measurement position detection device 81, a positioning system (GP
S: Global Positioning System), a system that detects a position by monitoring a moving direction and a moving amount using a gyro sensor or the like can be used. The position information detected by the measurement position detection device 81 is sent to the map creation unit 82. The map creator 82 associates and accumulates information on the soil component obtained from the data processing device 25 with the measurement position information obtained from the measurement position detector 81, and automatically generates a soil component map for the entire measurement area. The created soil map is stored in a recording medium, displayed on a display, or output from a printer or the like.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【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。
FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of a conventional soil component analyzer.

【図2】同上のフィルタディスクを示す平面図である。FIG. 2 is a plan view showing the above filter disk.

【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。
FIG. 3 is a flowchart showing a processing procedure in the data processing device.

【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。
FIG. 4 is a schematic diagram illustrating a configuration of a soil optical characteristic measuring device according to an embodiment of the present invention.

【図5】同上の光学特性測定装置に用いられている光チ
ョッパの構造示す斜視図である。
FIG. 5 is a perspective view showing a structure of an optical chopper used in the optical characteristic measuring device of the above.

【図6】(a)(b)はそれぞれ異なる構成の分光装置
を示す概略図である。
FIGS. 6A and 6B are schematic diagrams showing spectroscopic devices having different configurations.

【図7】光チョッパによる光検出器の受光信号の補正回
路を示す図である。
FIG. 7 is a diagram showing a circuit for correcting a light receiving signal of a photodetector by an optical chopper.

【図8】光積分球に設けられた導光手段の他例を示す概
略断面図である。
FIG. 8 is a schematic sectional view showing another example of the light guide means provided on the light integrating sphere.

【図9】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。
FIG. 9 is a partially cut-away schematic cross-sectional view showing an apparatus for measuring optical properties of soil according to another embodiment of the present invention.

【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一部破断した概略断面図である。
FIG. 10 is a partially cut-away schematic cross-sectional view showing an apparatus for measuring optical properties of soil according to still another embodiment of the present invention.

【図11】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。
FIG. 11 is a partially cut-away schematic cross-sectional view showing a soil optical property measuring apparatus according to still another embodiment of the present invention.

【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。
FIG. 12 is a schematic cross-sectional view showing an apparatus for measuring optical properties of soil according to still another embodiment of the present invention.

【図13】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。
FIG. 13 is a schematic sectional view showing a soil optical characteristic measuring apparatus according to still another embodiment of the present invention.

【図14】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。
FIG. 14 is a schematic cross-sectional view illustrating a device for measuring optical properties of soil according to still another embodiment of the present invention.

【図15】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。
FIG. 15 is an explanatory view schematically showing an acousto-optic wavelength tuning element.

【図16】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。
FIG. 16 is a schematic sectional view showing a soil optical property measuring apparatus according to still another embodiment of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

3 土壌面 22 投光部 23 光積分球 24 光検出器 25 データ処理装置 28 光チョッパ 29 分光装置 42 照射窓 60 参照板 63a,63b,63c 発光素子 68 透明板 70 遮光枠 81 測定位置検出装置 82 マップ作成部 Reference Signs List 3 soil surface 22 light projecting part 23 light integrating sphere 24 light detector 25 data processing device 28 light chopper 29 spectroscopic device 42 irradiation window 60 reference plate 63a, 63b, 63c light emitting element 68 transparent plate 70 light shielding frame 81 measurement position detecting device 82 Map creator

Claims (10)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 土壌面に向けて測定光を照射する投光部
と、 土壌面に臨ませるための開口を有し、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、 前記光捕捉部の内部で、前記散乱反射光を受光する光検
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。
1. A light projecting unit for irradiating a measuring light toward a soil surface, and a light capturing unit having an opening for facing the soil surface and capturing and confining the measuring light scattered and reflected on the soil surface. A light detector for receiving the scattered reflected light inside the light capturing unit; and a means for analyzing optical characteristics of the soil based on measurement data of the light detector. .
【請求項2】 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に記
載の土壌の光学特性測定装置。
2. The soil optical characteristic measuring device according to claim 1, wherein the light capturing unit is a substantially spherical cavity having an inner surface with high reflectance.
【請求項3】 前記投光部は、比較的波長帯域の広い光
を発生する光源と、当該光源の光のうちから比較的波長
帯域の狭い特定波長の測定光を選択的に取り出して出射
すると共に、測定光の波長を時間的に変化させる手段
と、を有することを特徴とする、請求項1に記載の土壌
の光学的特性測定装置。
3. The light projecting unit selectively emits a light source that generates light having a relatively wide wavelength band and measurement light having a specific wavelength that has a relatively narrow wavelength band from the light of the light source. The soil optical characteristic measuring apparatus according to claim 1, further comprising: means for temporally changing a wavelength of the measurement light.
【請求項4】 前記投光部は、複数波長の測定光を発生
する光源と、波長の異なる測定光に異なるパラメータで
変調を施して出射する手段とを有し、 前記光学特性分析手段は、光検出器の出力を前記変調パ
ラメータに基づいて分離する機能を有することを特徴と
する、請求項1に記載の土壌の光学的特性測定装置。
4. The light projection unit has a light source that generates measurement light of a plurality of wavelengths, and a unit that modulates and emits measurement light of a different wavelength with different parameters, and the optical characteristic analysis unit includes: The optical characteristic measuring apparatus for soil according to claim 1, further comprising a function of separating an output of a photodetector based on the modulation parameter.
【請求項5】 前記投光部から出射された測定光は、前
記光捕捉部の内側から土壌面に向けて照射されることを
特徴とする、請求項1に記載の土壌の光学的特性測定装
置。
5. The optical characteristic measurement of the soil according to claim 1, wherein the measurement light emitted from the light projecting unit is irradiated from inside the light capturing unit toward a soil surface. apparatus.
【請求項6】 前記光捕捉部に設けられている開口の周
囲と土壌面の間を囲う遮光枠を備えた、請求項5に記載
の土壌の光学特性測定装置。
6. The soil optical characteristic measuring apparatus according to claim 5, further comprising a light-shielding frame surrounding a periphery of an opening provided in the light capturing unit and a soil surface.
【請求項7】 前記投光部から土壌面に向けて、測定光
を断続的に照射させるようにしたことを特徴とする、請
求項1に記載の土壌の光学特性測定装置。
7. The soil optical characteristic measuring device according to claim 1, wherein the measuring light is intermittently irradiated from the light projecting portion toward the soil surface.
【請求項8】 前記光捕捉部の開口位置と開口から外れ
た位置との間を移動可能な参照板を有する、請求項1に
記載の土壌の光学特性測定装置。
8. The soil optical characteristic measuring device according to claim 1, further comprising a reference plate movable between an opening position of the light capturing unit and a position outside the opening.
【請求項9】 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に記載の土壌の光学特性測定装
置。
9. The soil optical characteristic measuring device according to claim 1, further comprising a measuring position measuring device for specifying a measuring position.
【請求項10】 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9に記載の土壌の光学特性測定装置。
10. The apparatus according to claim 9, further comprising a unit for creating a soil characteristic map from the position information output from the measurement position measuring device and the measurement data obtained by the optical characteristic analysis unit. Optical property measuring device for soil.
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