JPS6332352A - 繊維光学装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は光源；光源をセンサーヘッドに連結する照射手
段；センサーヘッドに連結された光検出手段；前記セン
サーヘッド内で前記照射手段に連結された光照射繊維、
および光検出手段に連結された並置された光検出繊維か
らなシ、上記光繊維は互いに一定の位置に固定されてい
る、材料の表面および／または内部反射（ｖｏｌｕｔｎ
ｅ　ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）による後方散乱光によって
形象される現象を測定する錫維光学装置に関するもので
ある。

光電比色計として設計されて、ペンキＨａにおける自動
色彩制御用装置として吏用するのに好適な、上記に定義
した装置は１．Ｇ、Ｈ，ｌ５ｈａｋの報文″′繊維光学
光電比色計、　　０ｐｔｉｃａ　Ａｃｔａ、　１９７０
．１７　。

ＡＩｏ、７２５　７３２によって知られている。

全ての光電比色計と同様に、ｌ５ｈａｋの測定原理も１
　’Ｅｃｌａｉｒａｇｅ　国ＩＪ委員蛍（Ｃ，Ｉ、Ｅ、
　）で立案された色の仕様書の方式に適合する、標準観
測者の目の特性を明白に示す３個のスペクトル感度函数
であるいわゆるＣ、Ｍ、Ｉ’、　（色合わせｍｅ＞ｘλ
、Ｙλ。

およびＺλのカラーフィルターを使用する物理的手段に
よる重複（ｄｕｐｌｉｃａｔｉｏｎ　）に基づいている
。

彼が開発した繊維光学光電比色計の構成の中で、ｌ５ｈ
ａｋは反射光の照射と受け入れの位置関係（ｇｅｏ−ｍ
ｅｒｙ　）が０°／４５°のセンサーヘッドを使用して
いる。この目的のために、半球状の外形を有するセンサ
ーヘッドは放射状軸に７個の孔を具えている。孔の一つ
は半球状センサーヘッドの頂黒に形成されており、照射
要素として、光繊維を経て光源に連結されており、外の
６個の孔は４５°の角度で半球状センサーヘッドの周囲
に沿って等距離に対称的に間隔を置かれ、６本の光繊維
を通じて検出器に連結されている。かくして試験材料に
よって反射された光はそれぞれの光繊維によって６個の
異なる方向から４５°の角度で集光される。それ故、ｌ
５ｈａｋが提供した比色計ておいては、試験材料の反射
が等方性であることが大変重要である。

ペンキ等の材料のためにｌ５ｈａｋは繊維光学比色計を
開発したのだが、ペンキは不透明な材料の１例である。

不透明な材料は高い吸収と＞　１０　ｒｔａｎ　−’の
散乱係数とで有名であシ、それ放光の浸透深度は極めて
僅かである。ｌ５ｈａｋの比色計と同様にＣＩｇ目盛り
反射計は不透明材料に使用することを企図している。し
かしながら、このような計測器を比較的低い吸収とｌ　
Ｑ　ｍ−’　−Ｑ、　Ｑ　ｌ　ｍ−’という値の散乱係
数（吸収係数く散乱係数）によって特徴づけられる半透
明な材料に使用するといわゆる周辺漏洩によって生ずる
測定上の問題に１遇する。

このことによって、半透明材料に投射する狭い光線は半
透明材料中の内部散乱と反対方向の反４射によって拡げ
られるということが理解される。この拡が）は垂線の方
向に半透明材料に投射する光線のまわりの巾広い光のは
ん点としてあられれる。

ざらに、半透明材料内で内部散乱された光は早う明材料
中を通過中に吸収され得る。この吸収は吸収材料の濃度
に依存する。吸収材料のこの効果は光のはん点の光の強
度の分布状態の変化としてあられれる。光の吸収は色に
影響を引舌起す。

それゆえ半ぶ明材料中の短い進路を横断した照射光線の
中心および直径内で後方散乱された光は、主として材料
だけの散乱特性によって決定される。

半透明材料の例は、筋肉組織、皮ふ、ミルク、チーズ、
果物のような実質的に全ての生物学上の材料である。さ
らに、ミルク状液体、液体中の粉末材料の分散物および
紙も含まれる。

ペンキの外に、不透明材料の例は金属やその酸化物であ
る。

上記のわく組みの中で、本発明の目的は冒頭の項で定義
したようなより広範に適用可能な種類の装置、すなわち
、光の表面および／または内部反射によって影響される
現象、例えば材料の色（ｃｏｌ−ｏｕｒ　）および／ま
たは輝き（ｂｒｉｇｈｔｎｅｓｓ　）を光学的に測定す
るために半透明および不透明材料の両方に使用し得る装
置を提供することである。

この目的のために本発明の装置は前記センサーヘッド内
で、少なくとも１本の一様の光照射繊維と少：±くとも
１本の並置された光検出Ｏｉ維を備え、該光ｔＢ雄は光
、懺雑の端から倹畳を受ける材料の表面までの軸長な通
じてお互いに光軸が平行となるように配置されており、
前記光照射ｍ維は上記光検出繊維以外の光検出繊維とし
ての使用にも適合するという特徴を有する。

本発明の装置においては、光線で照射されたときに試験
材料が後方散乱する光を集光し、これを、二つの離れた
領域で測定する。照射繊維で集光された後方散乱光は試
験される材料内の短い進路を通過し、はとんど全く吸収
されることはない。並置された検出繊維に集光された後
方散乱光は材料を貫通する長い進路を横断し、半透明材
料中の吸収性物質の存在である程度まで吸収される。試
験される材料の色は（後方）散乱と吸収過程の両者の結
果であることがわかったのである。

本発明の装置では、照射繊維は試験される材料で後方散
乱されて光照射繊維の受け入れ角内に入る光を測定する
ための手段からなる光検出手段の第１の部分に連結され
得る。特にセンサーヘッド繊維の壁の間に放射状の間隔
Ｓを設け、かつ並置された光検出繊維が試験される材料
だよって後方散乱された光と並置された光検出繊維の受
入れ角内に光照射繊維の壁から放射状の間隔で入射する
光を測定する手段からなる光検出手段の第２の部分に連
結される１本または１本以上の並置された光検出繊維と
を装着することができる。直径りが試験される材料の散
乱係数の逆数とほぼ同等から４倍以上、放射状間隔Ｓが
研究される材料の散乱係数の逆数と吸収係数の２倍の大
きさ、すなわち散乱係数と同等または以下だが、散乱係
数の約０．１倍より小さくなく、かつｄが放射状間隔Ｓ
の約１４であるならば、本発明の別の好ましい実施態様
に従って、多種類の材料を実際だ測定することができる
。′散乱係数′およびゝ吸収係数′という術語は光学技
術ではよく知られており、それぞれＫｕｂｅｌｋａ　−
Ｍｕｎｋの法則およびＬａｍｂｅｒｔ　−Ｂｅｈｒの法
則で定員されている。

本発明の装置の１実施態様において、光照射繊維は照射
手段との連結を形成する第１の分枝、および光検出手段
の第１部分に連結される第２の分枝に分岐される。

次に１研究される材料を照射するのに役立つ光源からの
光は、Ｙ型照射繊維の短い分枝の一つの中を通る。セン
サーヘッドの測定先端（Ｙ型に分岐した照射繊維の長い
分枝）の端でこの光は光繊維の材料の屈折率または外皮
の屈折率で決まる出口角で出る。

表面反射および内部反射の結果として、試験される材料
から来る照射繊維の測定先端に入射する反射光は出口角
αに等しい、照射繊維のいわゆる受け入れ角だよって決
まる。かくして入射した光はＹ型に分岐した照射ｍ維の
他の短い分枝で検出される。照射繊維中の光の正しい伝
導のために、Ｙ型の中心の光繊維の短い分枝のおのおの
とこの繊維の長い分枝の光学軸の間の角は現れ出る角（
ｅｍｅｒｇｅｎｔ　ａｎｇｌｅ　）　ａ　ノ半分より大
きくないことに注意を要する。

実際測定先端と光繊維より反射率が小さい媒体で作られ
ている試験される材料との間てフィルムを用意すること
は推）、９できる。

センサーヘッド内の光導体の位置、すなわち、照射ｍ維
と平行な、並置された検出繊維の位置は固定される。本
発明の装置の更な苦心の作においては、固定系と光導体
は管、好ましくはステンレス管内に収容される。

前部すなわち測定先端で、このにｌ１ｉＯ定）管は光繊
維の全反射角より小さい斜角βで光学軸に対し斜めに切
られ得る。事実、βは一般に約６５°である。測定管の
この構造のおかげで有用な試験用材料中に挿入すること
が可能となり、それだから本発明の装置は３次元分析と
称せられる仕事のための侵入計器として使用するのに適
している。

センサーヘッド内の光ｍａの吸収に最適な相対的な相互
の位置は研究される材料の性質に依存し、所望ならば実
験によって決定される。この目的のためにセンサーヘッ
ドは直径ｄの多数の並置された増大した半径を持った光
繊維が中心の光繊維のまわシに同中心に配列するように
作られ得た。左様なセンケーで行った測定は環内に同中
心に配列した繊維に入射した反射光の、そしてそれゆえ
試験される材料に当る光からの距離の函数としての光反
射の、換言すれば最適な光学的構造の総量を良好な状態
で提供する。

以下に図面を参照して本発明の装置のセンサーヘッドの
畿つかの実！態様に関して本発明の詳細な説明する。

図面にセンサーヘッド１を示す。

２は中央に位置する直径りの一様な光繊維であり、セン
サーヘッド１の（斜め【切られていない）測定先端５の
長い分枝６、及び、２本の短い分枝３と４とによってＹ
型に分岐している。環状に配列された中心繊維２と同軸
の四つの並置された光繊維７がある。図示してない方法
で、光繊維の全体の系統がステンレススチールの管８内
に固定されている。管には、その中に中心繊維の分枝３
と４を有する部分と束になった四つの並置された光繊維
７とが配列されるハウジング１０と連結するように７ラ
ンジ９が設けである。

中心の光繊維２の分枝４は図示してない光伝導系を通じ
て光源に連結されており、分枝３は図示してない光検出
系を経て、中心繊維自身の散乱光とともに、中心の光繊
維の長い分枝６の測定先端で入射する、試験される材料
から来る反射光線用の検出器に連結されている。

光源１５（第５図）としてフィラメント温度的３０００
　Ｋの５０Ｗ、１２Ｖのハロゲンランプを使用できる。

このランプは直流１２ボルトでΔＶ　−５，１０−’の
安定電源１２の電気で点灯されるが、代シの光源として
約１０００Ｈｚの交流電源で電流と温度が安定化された
いわゆるＬＢＤ　（光放射ダイオード）を使用できる。

この取合せにおいてＬＥＤの波長スペクトルは試験され
る半透明材料の吸収特性に適合されねばならない。もし
安定した光線出力を有するならば、他種の光源も好適で
ある。

直流で点灯される光源の場合には、光束が約１０００Ｈ
ｚの周波数でさえぎられるような速度で回転される同期
電動機で運転されるチョッパホイール１８によって光束
は律動的に打ち送られる。

光源からの光は光伝導系の一部を形成する光伝導体１７
である柔軟な光ｍ維の人口（１ｎｐｕｔ　）へ集光レン
ズ１４を経て焦点を結び、さらにセンサーヘッドの中心
繊維２の分枝３へ光伝導体を経て伝達される。

装置の用途や試験される材料、例えば半透明材料の吸収
特性によっては、柔軟な光伝導体の入口の前部にモノク
ロメータ−や色フィルターや干渉フィルターが設置され
る。かくして、本発明の装置にとって好適なものである
肉の測定の場合には、肉に存在するヘモグロビンとミオ
グロビンによる吸収に相当する５　５　Ｑ　ｎｍで透過
を有する干渉フィルターが使用される。　。

中心の光繊維に人射し分枝４に伝導され、または並置さ
れた光繊維７に入射する試験される材料から来た後方散
乱光をさらに処置するために、分枝４と並置されたｔｊ
ｌ！１７はおのおの補強系を経て検出器に連結されてい
る。中心の光ｐＡａの分枝４に連結された検出器からの
信号は２チャンネル同期検出器１９の照合（ｒｅｆｅｒ
ｅｎｃｅ　）側に供給され、一方、平行に並置された繊
維７に連結された検出器からの信号は同期検出器１９の
測定側に供給され、測定結果は装置の他の部分２０でさ
らに処理され適当かつ所望の方法で記録される。

もし図示したセンサーを有する本発明の装置をセンサー
ヘッドの測定側の中心繊維の直径りの逆数に比べて散乱
係数が高い材料の試験に使用すると、平行な並置された
繊維７は反射光を受光しない。かくして、光漏洩効果（
周辺漏洩効果）がもはや５りの直径りで生じないペンキ
のような不透明な材料の場合には、本装置は真の反射計
として機能する。センサーヘッドの測定幾何学から離れ
て、このことは本発明の装置が標準的ＣＩＥ比色計に匹
敵することを意味する。この場合に本装置は、例えば中
心の光繊維２だけが使用される波長依存測定用侵入式ペ
ンキ比色計として使用することができる。

実際に吏用する前に、半透明の材料に対し、下記の手順
でセンサーヘッドの目盛定めをしなけれ）ヨナラない。

センサーヘッドの測定先端を内側がくすんだ黒色のビー
カー内の透明の液体中：ｌこ、ビーカーの底からとして
浸漬する。液体の屈折率はわかっていなければならない
（例えば、水）。粒径や粒径分布が既知の（例えば粒径
約１μｍのラテックス）白色の不溶性の固体粒子を液体
に添加する。

この方法で３種類の溶液、例えば第１の溶液は被測定半
透明材料の偏向度（中心椹維からの信号の偏向度）の３
０％の偏向度であり；第２の溶液は同じ偏向度、そして
第３の溶液は測定される半透明材料の偏向度の２倍（２
００％）、を作る。

これらの３種類の溶液について４個の再分ずなわち１．
ｌａ、ｌｂ、ｌｃ；２，２ａ、２ｂ＋２Ｃおよび３，３
ａ、３ｂおよび３Ｃを作った。

読いて　１１　ａ　＃溶液の場合に平行な並置された繊
維の検出器の贋向度が半透明材料の偏向度の値の３０％
で、″ｂ＃溶液の場合に同じで、そして１Ｃ＃溶液の場
合に２００％であるような量の色素を溶液に添加する。

好適な色素は半透明材料の吸収スペクトルと一致する吸
収スペクトルを示す物質である。白色粉末と色素の両方
の添加濃度が決定さるべきである。

溶液を得た後、化学分析の標準手法として使用されてい
る稀釈法によって分光光度計を使用して（ランベルト・
ベーγ法）−次の散乱係数と吸収係数を決定することが
できる。

構造に基づいて一つの事物に関し、半透明材料は目盛定
め溶液に対し相対的に散乱挙動と吸収挙動が異なるが、
液体組成と分析に再現性があるという利点があることは
真実である。さらに、構造が類似な物質を見つけること
はしばしば不可能である。かくして固定された構成を持
つ測定ヘッドは各応用に対し１回だけ目盛定めをする必
要がある。測定ヘッドおよび他の要素の日々のチエツク
のために、例えば上記の目盛定め液体に対し相対的に目
盛定めをされた単純な半透明材料、例えばプラスチック
の小片を使用することができる。

比色計の最も重要な用途は多分生物学的材料の分野であ
ろう。これらの生物学的材料は散乱係数および吸収係数
の範囲は限定されているので、センサーヘッドは固定さ
れた構成にでき、すなわち、中心の光繊維の直径りは２
　ａｔ　；間隔Ｓは約１コニ；並置された光繊維の厚さ
ｄは約Ｑ、　２５　ｒｒｒｓ　；受入れ角は約１５−２
０＠ｉステンレススチールのハウシングの外径は７閣で
斜角βは約６５°という構成にできる。左様なセンサー
ヘッドを具備した本発明の繊維光学装置を使用すれば、
新しく層殺した子牛の肉と屠殺場内を輸送されている生
産ラインで４８時間経過した子牛の肉について分析可能
である０ 明らかに、層殺された肉の色は重要な品質基準である。

屠殺場においては、色は多数の色検査者によって考案さ
れたカラースケールを使用して視覚認識だよって、また
視覚認識だけで分析されている。カラースケールは１−
８の８群の肉色段階からなっている。１群は最高品質の
明るい色の肉を、８群は最低品質に相当する暗い色の肉
を示している。中間の群は明色から暗色への規則正しい
移り変りを示し、１群から８群の方向に品質が低下して
いる。

相当する死体の相似の部位から切シ取ったスライス状の
新鮮な肉と４８時間経過した肉について色の測定を行っ
た。

色分析は１−８群の色を有するカラースケールを使用し
た通常の視覚的方法と上記のセンサーヘッドを具備した
本発明の装置との両方で行った。

これらの測定結果を第２図に示す。並置された光繊維を
経てセンサーヘッドで測定した吸収に関係のある信号を
縦軸に沿ってｍＶで、１−８群の色を有する視覚的カラ
ースケールを横軸にプロットした。図中、Ｘは新鮮な肉
の測定値であシ、０は４８時間、後の肉の測定値である
。

図形は明らかに視覚認識のカラースケールとセンサーヘ
ッドで測定した吸収信号の間に関連を示す。

期待されたように、センサーヘッドの中心繊維紅白の測
定は本質的な色の情報を提供しないが、例えば筋肉の束
の構造、脂肪等の肉の構造によって生じた散乱および輝
きに関係のある１り報を提供した。散乱測定はできる限
）基準からはずれたかつ望ましくない肉の構造に対する
洞察を提供するので肉の品質分析において重要であり、
こＱ方法で、適切な吸収測定値が得られる範囲内で安全
規定条件が提供される。

【図面の簡単な説明】

第１図は中心の光照射繊維とそこから等間隔に置かれた
複数の並置された光検出繊維を有する本発明のセンサー
ヘッドの軸方向断面図である。 第２図は第１図に示したセンサーヘッドを具備する装置
と普通の視覚的方法を使用して、子牛の肉について行っ
た比較試験の結果を図式的に示す。 第３図は本発明の装置のセンサーヘッドの別の実施態様
を示す軸方向断面図である。 第４図は第３図のＮ−Ｎ線での牛後方向断面図である。 第５図は本発明の装置を模式図的に示す。 第１−５図に付随の照合数字は類似の機能を有する部品
を示す。 尚、図面中、 １・・・センサーヘッド、２・・・中央光照射繊維、３
・・・第１分枝、４・・・第２分枝、７・・・光検出繊
維、８・・・管、２１・・・試験材料である。 代理人　三　宅　正　夫　他１名 手続補正書（自発） 昭和６１年８月２１日

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、光源；センサーヘツドへ光源を連結する照射手段；
   センサーヘッドに連結された光検出手段；該センサーヘ
   ッド内で該照射手段に連結された光照射繊維、および光
   検出手段に連結された並置された光検出繊維；からなり
   、上記光繊維は互いに一定位置に固定されている装置に
   おいて、該センサーヘッド（１）内で、少なくとも１本
   の一様の光照射繊維（２）と少なくとも１本の並置され
   た光検出繊維（７）が検査を受ける材料に面するように
   配置されている上記光繊維の端部から軸長にわたつてお
   互いに光線を平行にして配置されており、前記光照射繊
   維（２）は前記光検出繊維（７）以外の光検出繊維とし
   ての使用にも適合するように設けられていることを特徴
   とする、表面および／または内部屈折による後方散乱光
   によつて影響される材料内の現象を測定する繊維光学装
   置。 ２、光照射繊維（２）が、検査を受けかつ光照射繊維（
   ２）の受け入れ角内に入る材料（２１）による後方散乱
   光を測定する手段を有する光検出手段の第一部分に連結
   されていることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
   の装置。 ３、前記センサーヘッド（１）が直径Ｄの１本の一様の
   光照射繊維（２）と、Ｄ＞ｄなる直径ｄを有し光照射繊
   維（２）と並置された光検出繊維（７）の壁の間隔がＳ
   となるように設けられた１以上の並置された光検出繊維
   とを備え、かつ、並置された光検出繊維が、検査を受け
   る材料から後方散乱して並置された光検出繊維の受け入
   れ角内に光照射繊維の壁からの半径方向距離Ｓで入射す
   る光を測定する手段を有する光検出手段の第２の部分に
   連結されていることを特徴とする特許請求の範囲第１項
   または第２項記載の装置。 ４、直径Ｄが検査を受ける材料の散乱係数の逆数とほぼ
   同等から４倍以上、半径方向の間隔Ｓが検査を受ける材
   料の散乱係数の逆数の２倍であつて検査材料の散乱係数
   と同等または以下乃至散乱係数の約０．１倍以上であり
   、かつ、ｄが放射状間隔Ｓの約１／５であることを特徴
   とする特許請求の範囲第３項記載の装置。 ５、光照射繊維（２）が照射手段への連結を形成してい
   る第１の分枝（３）と光検出手段の第１の部分に連結さ
   れている第２の分枝（４）に分岐していることを特徴と
   する特許請求の範囲第１項、第２項、第３項または第４
   項記載の装置。 ６、上記センサーヘッド（１）は、内径がＲの堅い管（
   ８）を備え、その中空内壁には実質的に同じ直径の光繊
   維群が管の半径方向に実質的に動けない充填度で周設さ
   れ、かつ、該管（８）内部にはその軸回わりに半径ｒの
   光繊維群で成る芯（４０）が配設され、該芯（４０）か
   ら任意に選ばれた光繊維の端部（３）は照射手段に接続
   されていて光照射繊維群を形成し、該芯（４０）の残余
   の光繊維群の端部（４）は光検出手段の第１部分に接続
   され、管（８）の内壁に隣接して周設された光繊維群の
   端部（７）は全て光検出手段の第２部分に接続されてい
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の装置
   。 ７、芯群（４０）の直径が約Ｄ；管（８）内の光繊維の
   直径がｄ；芯群（４０）の周線と管（８）の内壁に隣接
   する光繊維のヘリの内部周線との間の半径方向間隔がＳ
   であることを特徴とする特許請求の範囲第３項、第４項
   または第６項記載の装置。