KR20230142622A - 광 측정 장치 - Google Patents

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KR20230142622A
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도시카즈 나가시마
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우시오덴키 가부시키가이샤
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Abstract

광의 이용 효율을 개선한 광 측정 장치를 제공한다. 반송 장치(400)는, 대상물(OBJ)을 지지 및 반송한다. 반송 장치(400)는, 대상물(OBJ)이 지지되는 개소에 대상물(OBJ)보다 좁은 개구(402)가 형성되어 있는 지지 부분(401)을 갖는다. 조명 장치(200)는, 파장이 경시적으로 변화하는 측정광(SIN)을, 지지 부분(401)의 개구(402)를 통하여 대상물(OBJ)의 제1 면에 조사한다. 수광 장치(300)는, 대상물(OBJ)의 제2 면으로부터 방사되는 확산 투과광인 물체광(SOBJ)을 검출한다.

Description

광 측정 장치
본 개시는, 광 측정 장치에 관한 것이다.
대상물의 성분 분석이나 검사에 분광 해석이 널리 이용된다. 분광 해석에서는, 측정광을 대상물에 조사하고, 조사의 결과 얻어지는 물체광의 스펙트럼이 측정된다. 그리고, 물체광의 스펙트럼과 측정광의 스펙트럼의 관계에 의거하여, 반사 특성(파장 의존성) 혹은 투과 특성 등의 광학적 특성을 얻을 수 있다.
분광 해석은, 대상물의 투과광을 물체광으로 하는 투과형과, 반사광을 물체광으로 하는 반사형으로 분류된다. 반사형은, 반사율이 높은 대상물의 측정에 적합하지만, 얻어지는 광학적 정보가, 대상물의 표면 부근의 것에 한정된다. 따라서, 정밀한 공업 제품, 동식물로부터 채취한 검체, 사람이 체내에 섭취하는 것, 생산 플랜트에서 제조되는 액체나 기체 등을 대상물로 하는 측정에서는, 충분한 정밀도를 갖는다고는 할 수 없다.
투과형은, 대상물의 표면뿐만 아니라 깊은 부분을 포함한 광학적 특성을 얻을 수 있기 때문에, 식품이나 음료(이하, 음식품이라고 총칭한다) 등을 대상물로 하는 경우에 적합하다. 특허문헌 1, 2에는, 투과형의 제품 검사 장치가 개시된다. 이 제품 검사 장치는, 제품(검사 대상)의 표면에 펄스광을 조사하는 조사 광학계와, 제품의 이면(裏面) 측에 설치되어, 제품을 투과한 광을 수광하는 수광기를 구비한다.
일본국 특허공개 2020-159971호 공보 일본국 특허공개 2020-159973호 공보
본 발명자는, 투과형의 검사 장치에 대하여 검토한 결과, 이하의 과제를 인식하기에 이르렀다. 도 1은, 본 발명자가 검토한 투과형의 검사 장치(1000)를 나타내는 도면이다. 또한 이 검사 장치(1000)를 공지 기술로 인정해서는 안 된다.
제품(P)은, 지지 수단(1400)에 의하여 지지, 반송된다.
특허문헌 1이나 2에 나타내어지는 바와 같이, 조명 장치(1200)는, 제품(P)의 상면에 펄스광(측정광(SIN))을 조사한다. 수광기(1300)는, 제품(P)의 하측에 설치되어, 제품(P)의 바닥면 측으로부터 방사되는 물체광(SOBJ)을 수광한다. 이 물체광(SOBJ)은, 확산 투과광을 주성분으로 하고 있고, 제품(P)의 바닥면 전체로부터 방사된다.
지지 수단(1400)을, 물체광(SOBJ)에 대하여 투명한 재료로 구성하면 비용이 높아지기 때문에, 물체광(SOBJ)에 대하여 불투명한 지지 수단(1400)을 이용하는 경우가 있다. 이 경우, 지지 수단(1400)의 제품(P)의 바로 아래에는, 물체광(SOBJ)을 취출(取出)하기 위한 개구(1102)가 필요해진다. 개구(1102)가 너무 크면, 제품(P)이 낙하하기 때문에, 개구(1102)의 사이즈(폭)는, 제품(P)보다 좁게 할 필요가 있다.
수광기(1300)에는, 개구(1102)를 통과한 물체광(SOBJ)만이 입사할 수 있고, 제품(P)의 물체광(SOBJ)의 일부는, 지지 수단(1400)에 의하여 차단된다. 개구(1102)의 폭을 좁게 할수록, 수광기(1300)에 입사하는 물체광(SOBJ)의 양(강도)이 저하하여, 측정 정밀도의 저하를 초래한다.
수광기(1300)에 입사하는 물체광(SOBJ)의 양을 늘리기 위해서는, 측정광(SIN)의 강도를 늘리면 된다. 그러나, 제품(P)의 종류에 따라서는, 강한 측정광(SIN)의 조사는 제품(P)을 변질시키는 등의 문제가 있는 점에서, 조사할 수 있는 측정광(SIN)의 강도에는 상한 IMAX이 있는 경우도 있다. 제품(P)의 투과율을 α, 지지 수단(1400)의 차폐율(투과율)을 β로 할 때, 수광기(1300)에 대한 최대 입사 강도 IDET(MAX)는,
IDET(MAX)=IMAX×α×β
가 되고, 지지 수단(1400)에 의하여 수광량이 감소한다. 수광량의 감소는, 측정 정밀도의 저하를 초래한다.
지지 수단(1400)으로서, 유리 등의 재료를 이용한 경우, 개구(1102)는 불필요해질 수 있는데, 이 경우에서도 투과율 β가 100%라고 하는 것은 있을 수 없다. 따라서 수광기(1300)에 대한 최대 입사 강도 IDET는, IDET=IMAX×α×β가 되고, 지지 수단(1400)에 의하여 수광량이 감소한다. 수광량의 감소는, 측정 정밀도의 저하를 초래한다.
본 개시는 이러한 과제를 감안하여 이루어진 것으로, 그 일 양태의 예시적인 목적의 하나는, 측정 정밀도를 개선한 광 측정 장치의 제공에 있다.
본 개시의 일 양태는, 광 측정 장치에 관한 것이다. 광 측정 장치는, 대상물을 지지 및 반송하는 반송 장치로서, 그 지지 부분에 있어서 대상물을 지지하는 반송 장치와, 파장이 경시적(經時的)으로 변화하는 측정광을, 지지 부분을 통하여 대상물의 제1 면에 조사하는 조명 장치와, 대상물의 제2 면으로부터 방사되는 확산 투과광을 검출하는 수광 장치를 구비한다.
또한, 이상의 구성 요소를 임의로 조합한 것, 본 개시의 구성 요소나 표현을, 방법, 장치, 시스템 등의 사이에서 서로 치환한 것도 또한, 본 개시의 양태로서 유효하다.
본 개시의 일 양태에 의하면, 측정 정밀도를 개선할 수 있다.
도 1은, 본 발명자가 검토한 투과형의 검사 장치를 나타내는 도면이다.
도 2는, 실시 형태에 따른 광 측정 장치의 블록도이다.
도 3은, 측정광(SIN)을 나타내는 도면이다.
도 4는, 도 2의 광 측정 장치에 의한 분광을 설명하는 도면이다.
도 5는, 실시예 1에 따른 광 측정 장치를 나타내는 도면이다.
도 6은, 실시예 2에 따른 광 측정 장치를 나타내는 도면이다.
도 7은, 실시예 3에 따른 광 측정 장치를 나타내는 도면이다.
도 8의 (a)~(c)는, 지지 부분(401)의 구성예를 나타내는 도면이다.
도 9는, 실시예 5에 따른 광 측정 장치를 나타내는 도면이다.
도 10은, 실시예 7에 따른 광 측정 장치를 나타내는 도면이다.
도 11은, 비교 기술에 따른 광 측정 장치를 나타내는 도면이다.
도 12는, 수광 장치의 구성예를 나타내는 도면이다.
도 13은, 광 측정 장치의 한 형태인 검사 장치를 나타내는 도면이다.
(실시 형태의 개요)
본 개시의 몇 개의 예시적인 실시 형태의 개요를 설명한다. 이 개요는, 후술하는 상세한 설명의 서론으로서, 실시 형태의 기본적인 이해를 목적으로 하고, 1개 또는 복수의 실시 형태 중 몇 개의 개념을 간략화하여 설명하는 것이며, 발명 혹은 개시의 범위를 한정하는 것은 아니다. 또 이 개요는, 생각되는 모든 실시 형태의 포괄적인 개요가 아니고, 실시 형태의 불가결한 구성 요소를 한정하는 것은 아니다. 편의상, 「일 실시 형태」는, 본 명세서에 개시하는 하나의 실시 형태(실시예나 변형예) 또는 복수의 실시 형태(실시예나 변형예)를 가리키는 것으로서 이용하는 경우가 있다.
일 실시 형태에 따른 광 측정 장치는, 대상물을 지지 및 반송하는 반송 장치로서, 그 지지 부분에 있어서 대상물을 지지하는 반송 장치와, 파장이 경시적으로 변화하는 측정광을, 지지 부분을 통하여 대상물의 제1 면에 조사하는 조명 장치와, 대상물의 제2 면으로부터 방사되는 확산 투과광을 검출하는 수광 장치를 구비한다.
이 구성에 의하면, 대상물로부터 방사되는 확산 투과광을, 지지 부분에 의하여 차폐되지 않아, 보다 많은 광을 수광 장치에 의하여 검출할 수 있기 때문에, 측정 정밀도를 개선할 수 있다.
또한, 「지지한다」란, 대상물을 고정하는 것 외에, 어떤 범위에 유치하는 것을 포함한다.
일 실시 형태에 있어서, 지지 부분에는, 대상물보다 좁은 개구가 형성되어도 된다. 조명 장치는, 측정광을, 지지 부분의 개구를 통하여 대상물의 제1 면에 조사해도 된다.
일 실시 형태에 있어서, 반송 장치는, 각각이 대상물을 지지하는 복수의 지지 부분을 갖고, 복수의 지지 부분은 각각, 반송 장치의 공통의 면에 형성된 오목부를 포함해도 된다.
개구는, 오목부의 바닥면에 형성된 관통 구멍이어도 된다.
일 실시 형태에 있어서, 조명 장치는, 반송 장치의 하측에 설치된 반사 미러를 포함하고, 반사 미러는, 반송 장치의 측면으로부터 입사하는 측정광을, 대상물의 제1 면을 향하여 반사해도 된다.
일 실시 형태에 있어서, 반사 미러를 이용하지 않고, 조명 장치는, 반송 장치의 하측에 설치되어도 된다.
일 실시 형태에 있어서, 수광 장치는, 대상물보다 사이즈(외형의 치수)가 작은 광 센서와, 대상물보다 사이즈(외형의 치수)가 큰 렌즈를 포함하는 집광 광학계를 포함해도 된다. 본 발명자들은, 특정 대상물을 검사 대상으로 하는 경우, 물체광인 확산 투과광이 낮은 지향성을 갖고 있고, 광범위에 걸쳐 방사되는 것을 인식했다. 이 경우에, 대상물보다 큰 렌즈를 이용함으로써, 확산 투과광을 가능한 한 많이, 광 센서에 집광할 수 있다.
일 실시 형태에 있어서, 수광 장치는, 광 센서를 포함하고, 대상물의 확산 투과광 중 측정광의 광축으로부터 어긋난 방향으로 방사되는 성분이 광 센서에 입사하도록 구성되어도 된다.
또한, 「구성된다」란, 구성에 특징이 있는 경우에 한정되지 않고, 구성과 배치의 양쪽 모두에 특징이 있는 경우나, 배치에만 특징이 있는 경우 등을 포함한다. 이 광 측정 장치에 의하면, 대상물이 존재하는 경우에는, 대상물에 의하여 감쇠된 물체광이 광 센서에 입사하게 되고, 대상물이 존재하지 않는 경우에는, 광 센서에는 측정광이 입사하지 않고, 혹은 입사했다고 하더라도 매우 강도가 약해지기 때문에, 광 센서를 보호할 수 있다. 또, 대상물의 존부에 관계없이, 조명 장치를 연속 동작시킬 수 있어, 대상물의 존부와 동기한 셔터 등이 불필요해진다.
일 실시 형태에 있어서, 측정광은, 파장이 경시적으로 변화해도 된다. 일 실시 형태에 있어서, 측정광은, 1펄스 내에서 파장이 경시적으로 변화하는 펄스광이어도 된다.
(실시 형태)
이하, 본 개시를 적합한 실시 형태를 토대로 도면을 참조하면서 설명한다. 각 도면에 나타내어지는 동일 또는 동등한 구성 요소, 부재, 처리에는, 동일한 부호를 붙이는 것으로 하고, 적절히 중복된 설명은 생략한다. 또, 실시 형태는, 개시를 한정하는 것은 아니고 예시이며, 실시 형태에 기술되는 모든 특징이나 그 조합은, 반드시 개시의 본질적인 것이라고는 할 수 없다.
도면에 기재되는 각 부재의 치수(두께, 길이, 폭 등)는, 이해의 용이화를 위하여 적절히, 확대 축소되어 있는 경우가 있다. 나아가서는 복수의 부재의 치수는, 반드시 그들의 대소 관계를 나타내고 있다고는 할 수 없고, 도면 상에서, 어떤 부재 A가, 다른 부재 B보다 두껍게 그려져 있어도, 부재 A가 부재 B보다 얇은 경우도 있을 수 있다.
도 2는, 실시 형태에 따른 광 측정 장치(100)의 블록도이다. 광 측정 장치(100)는, 대상물(OBJ)의 투과 스펙트럼을 측정하는 분광기이며, 주로 조명 장치(200), 수광 장치(300), 반송 장치(400), 처리 장치(500)를 구비한다. 몇 개의 도면에 있어서, 조명 장치(200)나 수광 장치(300) 등을 간략화하여 상자로 나타내는 경우가 있지만, 이것은, 각각을 구성하는 부재가, 단일의 하우징에 수용되는 것을 의도한 것은 아니다.
반송 장치(400)는, 대상물(OBJ)을 조사 영역(10)을 가로지르도록 반송한다.
반송 장치(400)는, 지지 부분(401)을 갖고 있고, 지지 부분(401)에 있어서 대상물(OBJ)을 지지한다. 지지 부분(401)에는, 대상물(OBJ)이 지지되는 개소에, 대상물(OBJ)보다 좁은 개구(402)가 형성되어 있고, 지지 부분(401)은, 대상물(OBJ)이 개구(402)에 걸쳐 있는 양태로, 대상물(OBJ)을 지지한다. 개구(402)의 폭은, 대상물(OBJ)이 개구(402)로부터 낙하하지 않도록 정해지고, 따라서 개구(402)의 폭은, 대상물(OBJ)의 폭 방향의 길이보다 좁으면 된다.
조명 장치(200)는, 조사 영역(10)에 존재하는 대상물(OBJ)의 제1 면(바닥면)에 대하여, 파장이 경시적으로 변화하는 측정광(SIN)을, 지지 부분(401)의 하측으로부터, 개구(402)를 통하여 조사한다. 측정광(SIN)이 지지 부분(401)에 의하여 차광되는 것을 억제하기 위하여, 측정광(SIN)의 빔 직경은, 개구(402)보다 작게 집광된다.
측정광(SIN)은, 시간과 파장이 일대일의 관계로 대응지어진다. 이것을 측정광(SIN)은 「파장의 일의성을 갖는다」고 한다. 조명 장치(200)는, 공지 기술을 이용하여 구성하면 되고, 예를 들면 특허문헌 1이나 2에 기재된 것을 이용할 수 있다.
도 3은, 측정광(SIN)을 나타내는 도면이다. 도 3의 상단은, 측정광(SIN)의 강도(시간 파형) IIN(t)을, 하단은 측정광(SIN)의 파장 λ의 시간 변화를 나타낸다.
이 예에 있어서, 측정광(SIN)은 1개의 펄스이며, 그 전연부(前緣部)에 있어서 주파장이 λ1, 후연부에 있어서 주파장이 λ2이며, 1펄스 내에서 파장이 λ1 내지 λ2의 사이에서 경시적으로 변화한다. 이 예에서는, 측정광(SIN)은, 시간과 함께 진동수가 증가하는, 바꾸어 말하면 시간과 함께 파장이 짧아지는 양의 처프 펄스(λ1>λ2)이다. 또한, 측정광(SIN)은, 시간과 함께 파장이 길어지는 음의 처프 펄스여도 된다(λ1<λ2).
도 2로 되돌아온다. 측정광(SIN)은, 대상물(OBJ)의 바닥면 측에 조사되고, 대상물(OBJ)을 투과하고, 그 제2 면(상면)으로부터 투과광(이하, 물체광이라고도 한다)(SOBJ)으로서 방사된다. 측정광(SIN)의 스펙트럼을 IIN(λ), 물체광(SOBJ)의 투과율의 파장 의존성을 T(λ)로 할 때, 물체광(SOBJ)의 스펙트럼 IOBJ(λ)는, 식으로 표시된다.
IOBJ(λ)=T(λ)×IIN(λ) …(1)
물체광(SOBJ)은, 정투과광과 확산 투과광을 포함할 수 있는데, 본 실시 형태는, 확산 투과광이 지배적인 물체(OBJ)의 분광 측정에 특히 적합하다. 정투과광은, 측정광(SIN)의 광축(OA2)과 같은 방향으로 방사되는 것에 대하여, 확산 투과광인 물체광(SOBJ)은, 측정광(SIN)의 광축(OA2)의 방향뿐만 아니라, 그것과 상이한 방향으로 넓게 방사된다. 예를 들면 확산 투과광은, 광축(OA2)의 방향을 0°로 했을 때에, 코사인 특성의 강도 분포로 방사된다.
수광 장치(300)는, 지지 부분(401)을 사이에 두고 조명 장치(200)와 반대 측에, 바꾸어 말하면, 지지 부분(401)보다 상측에 설치되어 있고, 대상물(OBJ)의 상면으로부터 방사되는 확산 투과광을 검출한다. 수광 장치(300)는, 대상물(OBJ)의 확산 투과광을 물체광(SOBJ)으로서 검출하는 광 센서(302)를 포함한다. 수광 장치(300)는, 후술과 같이 광 센서(302)에 더하여, 집광 광학계 등을 포함할 수 있는데, 도 2에서는 생략하고 있다.
광 센서(302)는, 광신호를 전기 신호로 변환하는 광전 변환 소자이며, 포토다이오드, 애벌란시 포토다이오드, 포토트랜지스터, 광전 효과를 이용한 광전자 증배관(포토멀티플라이어)이나 광조사에 의한 전기 저항 변화를 이용한 광전도 소자 등이 예시된다.
광 센서(302)의 출력은, A/D 컨버터에 의하여 디지털의 검출 신호로 변환되어, 처리 장치(500)에 공급된다. 검출 신호는, 물체광(SOBJ)의 시간 파형 IOBJ(t)를 나타낸다.
처리 장치(500)는, 수광 장치(300)의 출력 신호에 의거하여, 물체광(SOBJ)의 스펙트럼 IOBJ(λ)를 생성한다. 그리고, 측정광(SIN)의 스펙트럼 IIN(λ)과 물체광(SOBJ)의 스펙트럼 IOBJ(λ)에 의거하여, 대상물(OBJ)의 투과율 T(λ)를 계산한다.
T(λ)=IOBJ(λ)/IIN(λ) …(2)
대상물(OBJ)보다 조명 장치(200) 측에 있어서, 측정광(SIN)의 일부를 빔 스플리터 등을 이용하여 별도 경로로 분기하고, 분기된 측정광(SIN)의 시간 파형 IIN(t)을, 수광 장치(300)와는 별도의 수광 장치(도 2에 도시하지 않음)로 측정하여, 측정광(SIN)의 스펙트럼 IIN(λ)을 얻어도 된다. 혹은, 측정광(SIN)의 안정성이 높은 경우에는, 미리 측정한 스펙트럼 IIN(λ)을 유지해 두고, 그것을 이용할 수 있다.
도 4는, 도 2의 광 측정 장치(100)에 의한 분광을 설명하는 도면이다. 상술과 같이, 측정광(SIN)은, 시간 t와 파장 λ가 1대1로 대응하고 있기 때문에, 그 시간 도메인의 파형 IIN(t)은, 주파수 도메인의 스펙트럼 IIN(λ)으로 변환할 수 있다.
이 측정광(SIN)으로부터 생성되는 물체광(SOBJ)의 시간 파형 IOBJ(t)도, 시간 t와 파장 λ가 1대1로 대응한 것이 된다. 따라서 처리 장치(500)는, 수광 장치(300)의 출력이 나타내는 물체광(SOBJ)의 파형 IOBJ(t)를, 물체광(SOBJ)의 스펙트럼 IOBJ(λ)로 변환할 수 있다.
처리 장치(500)는, 2개의 스펙트럼 IOBJ(λ)와 IIN(λ)의 비 IOBJ(λ)/IIN(λ)에 의거하여, 대상물(OBJ)의 투과 스펙트럼 T(λ)를 계산할 수 있다.
측정광(SIN)에 있어서의 시간 t의 파장 λ의 관계가, λ=f(t)인 함수로 표시되는 것으로 한다. 가장 간이하게는, 파장 λ는, 시간 t에 대하여, 일차 함수에 따라 리니어로 변화한다. 물체광(SOBJ)의 시간 파형 IOBJ(t)가, 어느 시각 tx에 있어서 저하할 때, 투과 스펙트럼 T(λ)는, 파장 λx=f(tx)에 흡수 스펙트럼을 갖는 것을 의미한다.
또한, 처리 장치(500)에 있어서의 처리는 이것에 한정되지 않는다. 시간의 2개의 시간 파형 IOBJ(t)와 IIN(t)의 비 T(t)=IOBJ(t)/IIN(t)을 연산한 후에, 이 시간 파형 T(t)의 변수 t를 λ로 변환함으로써, 투과 스펙트럼 T(λ)를 산출해도 된다.
이상이 광 측정 장치(100)의 구성이다. 이 광 측정 장치(100)에 의하면, 대상물(OBJ)에 대하여, 지지 부분(401) 측으로부터 측정광(SIN)을 조사하고, 대상물(OBJ)의 지지 부분(401)과 반대 측의 면으로부터 방사되는 확산 투과광을, 물체광(SOBJ)으로서 검출하는 것으로 했다.
이에 의하여, 물체광(SOBJ)은, 지지 부분(401)에 의하여 차폐되지 않게 되기 때문에, 수광 장치(300)에 의하여 많은 물체광(SOBJ)을 받아들이는 것이 가능해져, 광의 이용 효율을 개선할 수 있다.
계속해서, 광 측정 장치(100)의 구체적인 실시예를 설명한다.
(실시예 1)
도 5는, 실시예 1에 따른 광 측정 장치(100A)를 나타내는 도면이다. 반송 장치(400)는, 복수의 지지 부분(401)을 갖고 있고, 각 지지 부분(401)은, 대상물(OBJ)을 지지(고정) 가능하게 구성된다. 도 5의 아래에는, 지지 부분(401)의 단면도가 나타내어진다. 지지 부분(401)은, 대상물(OBJ)이 끼워지는 오목부(410)를 갖고 있다. 이 오목부(410)는, 공통의 면(406)에 형성되고, 대상물(OBJ)보다 큰 직경을 갖고 있다. 또, 오목부(410)의 바닥면에는, 대상물(OBJ)보다 직경이 작은 관통 구멍(412)이 형성된다. 이 관통 구멍(412)은, 상술한 개구(402)에 상당한다. 대상물(OBJ)은, 관통 구멍(412)에 걸쳐 있도록 하여 재치(載置)된다. 또, 이 관통 구멍(412)을 통과하여, 대상물(OBJ)의 바닥면 측에 측정광(SIN)이 조사된다. 수광 장치(300)는, 조사 영역(10)의 상측에, 대상물(OBJ)의 상면과 대향하도록 설치된다.
반송 장치(400)는 또한, 흡인 박스(430)를 구비한다. 흡인 박스(430)의 내부는, 배기용 펌프(도시하지 않음)에 의하여 부압이 유지되어 있고, 관통 구멍(412)이 흡기구가 되고, 대상물(OBJ)이 관통 구멍(412)에 흡착된다. 이 구성에 의하여, 대상물(OBJ)이 오목부(410)로부터 탈락하는 것을 방지할 수 있다.
조명 장치(200)는, 반사 미러(202)를 구비한다. 반사 미러(202)는, 반송 장치(400)의 내부, 보다 구체적으로는 흡인 박스(430)의 내부이며, 개구(402)인 관통 구멍(412)의 바로 아래에 설치된다. 흡인 박스(430)의 외부에는, 측정광(SIN)을 생성하는 광원 헤드(204)가 설치되어 있고, 흡인 박스(430)의 측면에는, 측정광(SIN)을 통과시키는 창(432)이 설치된다. 이 창(432)을 통하여, 반송 장치(400)의 측면으로부터, 측정광(SIN)이 반사 미러(202)를 향하여 입사한다. 반사 미러(202)는, 측정광(SIN)을, 대상물(OBJ)을 향하여 반사시킨다. 창(434)은, 측정광(SIN)이 통과할 수 있으면 되기 때문에, 그 사이즈는 작게 할 수 있고, 흡인 박스(430) 내의 압력에 대한 영향은 충분히 작다. 창(434)은, 측정광(SIN)의 파장 대역에 대하여 투명한 유리여도 되고, 이 경우, 창(434)의 압력에 대한 영향을 없앨 수 있다.
(실시예 2)
도 6은, 실시예 2에 따른 광 측정 장치(100B)를 나타내는 도면이다.
실시예 2에 있어서, 측정광(SIN)은, 반송 장치(400)의 하측으로부터, 반사 미러를 사용하지 않고, 직접, 대상물(OBJ)의 바닥면에 조사된다. 예를 들면 흡인 박스(430)의 바닥면에는, 창(434)이 설치되어 있고, 측정광(SIN)은, 창(434) 및 관통 구멍(412)을 통과하여, 대상물(OBJ)의 바닥면에 조사 가능하게 되어 있다.
실시예 2에서는, 실시예 1에 비하여 반사 미러가 불필요해지기 때문에, 구성을 간소화할 수 있다.
실시예 1이나 실시예 2에 있어서, 대상물(OBJ)을 흡인하지 않는 경우에는, 흡인 박스(430)는 생략할 수 있다.
(실시예 3)
도 7은, 실시예 3에 따른 광 측정 장치(100C)를 나타내는 도면이다. 실시예 3에서는, 흡인 박스(430)에 의한 진공 흡착을 이용하여, 오목부(410)에 있어서 대상물(OBJ)을 중력을 거슬러 지지한다. 수광 장치(300)는 반송 장치(400)의 하측에 배치된다. 또한, 실시예 1과 동일하게 흡인 박스(430)의 내부에 반사 미러를 배치하고, 광원 헤드(204)가 생성하는 측정광(SIN)을, 흡인 박스(430)의 측방으로부터 반사 미러에 입사해도 된다.
(실시예 4)
도 8의 (a)~(c)는, 지지 부분(401)의 구성예를 나타내는 도면이다. 반송 장치(400)는, 이동식의 테이블이며, 테이블(440)과 일체로, 혹은 분리 가능하게 형성된 복수의 홀더(450)를 구비한다. 복수의 홀더(450)는 반송 방향에 대하여 등간격으로, 혹은 부등간격으로 배치된다.
도 8의 (b)에는, 지지 부분(401)의 단면도가 나타내어진다. 홀더(450)에는, 대상물(OBJ)보다 약간 큰 직경의 홈(452)과, 대상물(OBJ)보다 작은 직경의 개구(454)가 형성된다. 대상물(OBJ)은, 홀더(450)의 홈(452)에 들어간 상태로 지지, 반송된다.
테이블(440)에는, 개구(454)와 오버랩되도록 개구(442)가 형성된다. 개구(442)와 개구(454)가, 상술한 개구(402)에 상당한다.
검사 대상의 대상물(OBJ)은, 도시하지 않은 상류에 있어서 홀더(450)의 홈(452)에 마운트된다.
또한, 도 8의 (c)에 나타내는 바와 같이, 홀더(450)를 관통하도록 홈(456)을 형성해도 된다.
(실시예 5)
도 9는, 실시예 5에 따른 광 측정 장치(100E)를 나타내는 도면이다. 실시예 5에 있어서 반송 장치(400)는, 롤러 컨베이어이며, 반송 방향으로 이격하여 설치된 복수의 롤러(422)를 구비한다. 이 실시예 5에서는, 인접하는 2개의 롤러(422)의 간극을, 상술한 개구(402)로서 이용할 수 있다.
(실시예 6)
조명 장치(200)를 충분히 소형화할 수 있는 경우에는, 조명 장치(200)를, 흡인 박스(430) 내에 배치해도 된다.
(실시예 7)
도 10은, 실시예 7에 따른 광 측정 장치(100F)를 나타내는 도면이다. 지금까지의 설명에서는, 반송 장치(400)의 지지 부분(401)에 개구(402)가 형성되는 경우를 설명했지만 그에 한정되는 것은 아니다. 실시예 7에서는, 지지 부분(401)의 개구(402)가 생략 되어 있고, 그 대신에 지지 부분(401)이 유리나 수지 등의 투명한 재료로 구성된다. 조명 장치(200)는, 파장이 경시적으로 변화하는 측정광(SIN)을, 투명한 지지 부분(401)을 통하여 대상물(OBJ)의 제1 면에 조사한다. 수광 장치(300)는, 대상물(OBJ)의 제2 면으로부터 방사되는 확산 투과광(SOBJ)을 검출한다.
이 광 측정 장치(100F)의 이점을 설명한다. 이 광 측정 장치(100F)의 이점은, 비교 기술과의 대비에 의하여 명확해진다. 도 11은, 비교 기술에 따른 광 측정 장치(100R)가 나타내어진다. 비교 기술에서는, 지지 부분(401)이 유리 등으로 구성되고, 대상물(OBJ)에 상측으로부터 측정광(SIN)이 조사되고, 지지 부분(401)의 하측의 수광 장치(300)에 의하여 물체광(SOBJ)이 측정된다.
물체광(OBJ)의 투과율을 α, 지지 부분(401)의 투과율을 β, 대상물(OBJ)에 조사 가능한 최대 강도를 IMAX로 하면, 수광 장치(300R)에 입사하는 광의 최대 입사 강도 IDET(MAX)는,
IDET(MAX)=IMAX×α×β
가 되고, 지지 부분(401)의 투과율 β가 낮아질수록, 최대 입사 강도 IDET(MAX)는 작아져, 측정 정밀도는 저하한다.
이에 대하여, 실시예 7에서는, 지지 부분(401)을 투과 후의 측정광(SIN')의 강도 IIN'=IIN×β가 최대 강도 IMAX가 되도록, 조명 장치(200)가 출사하는 광의 강도 IIN을 조절할 수 있다.
IIN=IMAX/β
이때, 수광 장치(300)에 입사하는 광의 최대 입사 강도 IDET(MAX)는,
IDET(MAX)=IIN×β×α=IMAX×α
가 되고, 수광 장치(300)는, 지지 부분(401)에 있어서의 감쇠, 차광의 영향을 받지 않으며, 많은 광을 검출할 수 있어, 측정 정밀도를 개선할 수 있다.
(수광 장치에 대하여)
본 발명자들은, 분말을 고형상으로 굳힌 것과 같은 음식품 등의 대상물을 검사 대상으로 하는 경우, 물체광(SOBJ)인 확산 투과광이 낮은 지향성을 갖고 있고, 광범위에 걸쳐 방사되는 것을 인식했다. 투과율이 매우 낮은 대상물(예를 들면 미세한 분말을 단단하게 굳혀 두께 3mm 정도로 하면, 투과율은 수 % 이하, 보다 구체적으로는 1% 이하가 된다)의 경우, 고정밀도의 분광을 위해서는, 물체광(SOBJ)을 가능한 한 많이 검출할 필요가 있다.
도 12는, 수광 장치(300)의 구성예를 나타내는 도면이다. 수광 장치(300)는, 광 센서(302)와, 집광 광학계(310)을 구비한다. 처프된 펄스광을 이용한 분광에서는, 광 센서(302)의 고속의 응답성이 요구되는 바, 광 센서(302)의 응답성은, 그 면적이 작을수록 유리하다. 따라서, 광 센서(302)의 감도를 갖는 수광 부분은, 대상물(OBJ)보다 작은 것을 이용하면 되고, 예를 들면 직경이 0.5~1mm 정도인 것을 이용해도 된다. 한편, 대상물(OBJ)로부터 광범위하게 확산하는 물체광(SOBJ)을, 수광 부분이 작은 광 센서(302)에 입사시키기 위하여, 집광 광학계(310)가 설치된다. 집광 광학계(310)는 전형적으로는, 1장, 혹은 복수 장의 렌즈(312)를 이용할 수 있다.
집광 광학계(310)는, 그 직경이 대상물(OBJ)보다 충분히 큰 렌즈(312)를 이용하여 구성된다. 대상물(OBJ)보다 큰 렌즈(312)를 이용함으로써, 확산 투과광을 가능한 한 많이, 광 센서(302)에 집광할 수 있다.
(용도)
계속해서, 실시 형태에 따른 광 측정 장치(100)의 용도를 설명한다. 광 측정 장치(100)는 분말을 고형상으로 굳힌 음식품 등의 제품의 검사 장치에 이용할 수 있다. 도 13은, 광 측정 장치(100)의 한 형태인 검사 장치(800)를 나타내는 도면이다. 검사 장치(800)는, 음식품 등의 제품(P)을 대량으로 검사하여, 양부를 판정한다. 음식품의 경우, 그 투과율은 1/100~1/1000의 자릿수이다.
검사 장치(800)는, 광 측정 장치(100)에 관하여 설명한 바와 같이, 조명 장치(200), 수광 장치(300), 반송 장치(400), 처리 장치(500)를 구비한다. 또한 검사 장치(800)는, 수광 장치(810), 빔 댐퍼(820), 디지타이저(830), 펌프(840)를 구비한다.
조명 장치(200)는, 광원(210), 펄스 스트레처(220), 조사 광학계(230)를 구비한다. 광원(210)은, 적어도 10nm의 연속 스펙트럼, 구체적으로는 900~1300nm의 근적외 영역에 있어서 넓은 연속 스펙트럼을 갖는 코히런트한 펄스광을 생성한다. 광원(210)은, 펄스 레이저와 비선형 소자를 포함하는 SC(Super Continuum) 광원이어도 된다. 펄스 레이저는, 모드 록 레이저, 마이크로칩 레이저, 파이버 레이저 등을 이용할 수 있다. 비선형 소자는, 포토닉 크리스털 파이버 등의 비선형 파이버를 이용할 수 있다.
펄스 스트레처(220)는, 광원(210)이 생성하는 펄스광의 펄스폭을, 시간과 파장이 1대1로 대응하는 양태로 신장한다. 펄스 스트레처(220)는, 1개의 파장 분산 파이버로 구성해도 된다.
혹은, 펄스 스트레처(220)는, 펄스광을 파장마다 복수의 경로로 분기하는 분파기와, 복수의 경로마다 상이한 지연을 부여하는 복수의 파이버(파이버 다발)와 복수의 파이버의 출력을 재결합하는 합파기로 구성해도 된다. 분파기는, 플래너 광파 회로(PLC: Planar Lightwave Circuits)로 구성할 수 있고, 구체적으로는 어레이 도파로 회절 격자(AWG: Array Waveguide Grating)로 구성해도 된다. 파이버 다발을 구성하는 복수의 파이버는 길이가 상이하다.
반송 장치(400)의 지지 부분(401)은, 오목부(410)를 구비한다. 오목부(410)의 내부에는, 상류(도면 중 왼손 측)에 있어서, 마운터(도시하지 않음)에 의하여, 복수의 제품(P)이 재치된다. 반송 장치(400)는, 복수의 지지 부분(401)을, 그들의 배열 방향(도면 중, 오른쪽 방향)으로 이동시킨다. 또한, 오목부(410)의 면 중, 제품(P)이 재치되는 면을 표면, 그 반대의 면을 이면이라고 칭하는 것으로 한다.
조사 광학계(230)는, 신장 후의 펄스를, 측정광(SIN)으로서 조사 영역(10)에 조사한다. 조사 영역(10)은, 제품(P)의 통과 개소, 즉 오목부(410)의 통과 개소에 정해진다. 조사 광학계(230)는, 렌즈 등의 투과 광학계, 미러 등의 반사 광학계 혹은 그들의 조합으로 구성할 수 있다. 오목부(410)가 이동함으로써, 조사 영역(10)을, 복수의 제품(P)이 순차적으로, 가로지르게 된다.
광원(210)은, 소정의 주파수(주기)로 펄스광을 반복하여 발생시킨다. 광원(210)의 동작 주파수는, 오목부(410)의 이동 속도, 즉 제품(P)의 반송 속도에 따라 정하면 되고, 1개의 제품(P)이, 조사 영역(10)에 존재하는 동안에, 복수의 측정광(SIN)이 같은 제품(P)에 조사되도록 정해진다.
광원(210)의 동작은, 반송 장치(400)의 동작, 바꾸어 말하면 제품(P)의 위치와는 무관하다. 따라서, 측정광(SIN)은, 제품(P)이 오목부(410) 내에 존재하지 않을 때에도, 조사 영역(10)에 반복하여 조사된다.
수광 장치(300)는, 오목부(410)의 상측에 설치되어 있다. 오목부(410)의 바닥면에는, 관통 구멍(412)이 형성된다. 이 관통 구멍(412)은, 조사 광학계(230)로부터의 측정광(SIN)을, 제품(P)의 바닥면으로 이끌기 위하여 형성된다.
오목부(410)의 이면 측에는, 펌프(840)를 설치해도 된다. 펌프(840)는 흡인 수단을 구성하고 있고, 오목부(410)의 이면 측을 부압으로 함으로써, 제품(P)이, 오목부(410)에 흡착하게 되어, 제품(P)의 반송에 수반하여 제품(P)이 오목부(410)로부터 탈락하는 것을 방지할 수 있다.
수광 장치(300)에 의하여, 물체광(SOBJ)의 시간 파형 IOBJ(t)가 측정된다. 또, 측정광(SIN)의 광축(OA2) 상에는, 미광(迷光)을 방지하기 위하여 빔 댐퍼(820)가 설치된다.
수광 장치(810)는, 측정광(SIN)의 스펙트럼을 측정하기 위하여 설치된다. 조사 광학계(230)는, 빔 스플리터 등을 이용하여, 측정광(SIN)의 일부를, 참조광(SREF)으로서 별도 아암에 분기한다. 수광 장치(810)는, 별도 아암에 분기된 참조광(SREF)의 시간 파형 IREF(t)를 측정한다. 이 시간 파형 IREF(t)는 측정광(SIN)의 시간 파형 IIN(t)과 등가이다.
디지타이저(830)는, A/D 컨버터를 포함하고, 수광 장치(300) 및 수광 장치(810)의 출력, 즉 시간 파형 IOBJ(t), IREF(t)를 소정의 샘플링 주파수로 샘플링하여, 디지털 신호의 파형 데이터 DOBJ(t), DIN(t)으로 변환한다.
디지털 출력의 수광 장치(300, 810)를 이용하는 경우, 디지타이저(830)는 생략할 수 있다.
처리 장치(500)는, 디지털의 파형 데이터 DOBJ(t) 및 DIN(t)을 처리하여, 제품(P)의 투과 특성(혹은 흡수 특성) T(λ)를 취득한다. 처리 장치(500)는, 프로세서, 메모리, 하드 디스크 등의 기억 매체를 포함하는 범용의 혹은 전용의 컴퓨터와, 소프트웨어 프로그램의 조합으로 실장할 수 있다. 처리 장치(500)의 처리에 대해서는 상술한 바와 같다.
이 검사 장치(800)에 의하면, 제품(P)에 대하여, 반송 장치(400) 측으로부터 측정광(SIN)을 조사하기 때문에, 물체광(SOBJ)이 관통 구멍(412)에 의하여 차단되는 것을 방지할 수 있어, 보다 많은 물체광(SOBJ)을 수광 장치(300)에 의하여 검출할 수 있다.
또한, 도 13의 검사 장치(800)에서는, 오목부(410) 내에 제품(P)이 존재하지 않을 때에, 측정광(SIN)이 관통 구멍(412)을 통과하여, 수광 장치(300) 측으로 누출되게 된다. 가령 수광 장치(300)가 측정광(SIN)의 광축(OA2) 상에 배치되어 있었다고 하면, 제품(P)이 광축(OA2)에 존재하지 않을 때에, 고강도의 측정광(SIN)이 직접, 광 센서(302)에 입사하게 되어, 바람직하지 않다. 이에 수광 장치(300)는, 오목부(410) 내에 제품(P)이 존재하지 않을 때에는, 측정광(SIN)이 광 센서(302)에 입사하지 않도록 구성하면 된다.
예를 들면 수광 장치(300)는, 대상물(OBJ)의 확산 투과광(물체광(SOBJ)) 중 측정광(SIN)의 광축(OA2)으로부터 어긋난 방향(어긋남각을 θ로 한다)으로 방사되는 성분 Sθ가 광 센서(302)에 입사하도록 구성된다.
또한, 광축(OA2) 방향의 물체광(SOBJ)이, 광 센서(302)에 입사하지 않으면 되고, 수광 장치(300)의 입사 애퍼처에 입사해도 상관없다.
이에 의하여, 오목부(410) 내에 제품(P)이 존재하지 않을 때에, 수광 장치(300)를 보호할 수 있다. 이때에, 조명 장치(200)의 광원(210)은, 반송 장치(400)의 동작과 비동기로 프리런시켜 두는 것이 가능하고, 또 반송 장치(400)의 동작과 동기한 셔터 제어도 불필요하다.
실시 형태는, 본 발명의 원리, 응용을 나타내고 있는 것에 지나지 않고, 실시 형태에는, 청구범위에 규정된 본 발명의 사상을 벗어나지 않는 범위에 있어서, 여러 변형예나 배치의 변경이 인정된다.
OA2, OA3 광축
10 조사 영역
OBJ 대상물
100 광 측정 장치
200 조명 장치
210 광원
220 펄스 스트레처
230 조사 광학계
300 수광 장치
302 광 센서
310 집광 광학계
312 렌즈
400 반송 장치
401 지지 부분
402 개구
410 오목부
412 관통 구멍
500 처리 장치
800 검사 장치
SIN 측정광
SOBJ 물체광
810 수광 장치
820 빔 댐퍼
830 디지타이저
840 펌프
P 제품

Claims (7)

  1. 대상물을 지지 및 반송하는 반송 장치로서, 그 지지 부분에 있어서 상기 대상물을 지지하는 반송 장치와,
    파장이 경시적(經時的)으로 변화하는 측정광을, 상기 지지 부분을 통하여 상기 대상물의 제1 면에 조사하는 조명 장치와,
    상기 대상물의 제2 면으로부터 방사되는 확산 투과광을 검출하는 수광 장치
    를 구비하는 것을 특징으로 하는 광 측정 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 지지 부분에는, 상기 대상물보다 좁은 개구가 형성되고,
    상기 조명 장치는, 상기 측정광을, 상기 지지 부분의 상기 개구를 통하여 상기 대상물의 상기 제1 면에 조사하는 것을 특징으로 하는 광 측정 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 반송 장치는, 각각이 대상물을 지지하는 복수의 상기 지지 부분을 갖고, 상기 복수의 지지 부분은 각각, 상기 반송 장치의 공통의 면에 형성된 오목부를 포함하고, 상기 개구는, 상기 오목부의 바닥면에 형성된 관통 구멍인 것을 특징으로 하는 광 측정 장치.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 조명 장치는, 상기 반송 장치의 내부에 설치된 반사 미러를 포함하고, 상기 반사 미러는, 상기 반송 장치의 측면으로부터 입사하는 측정광을, 상기 대상물의 상기 제1 면을 향하여 반사하는 것을 특징으로 하는 광 측정 장치.
  5. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 수광 장치는,
    상기 대상물보다 사이즈가 작은 광 센서와,
    상기 대상물보다 사이즈가 큰 렌즈를 포함하는 집광 광학계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 측정 장치.
  6. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 수광 장치는, 광 센서를 포함하고, 상기 대상물의 상기 확산 투과광 중 상기 측정광의 광축으로부터 어긋난 방향으로 방사되는 성분이 상기 광 센서에 입사하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 광 측정 장치.
  7. 대상물을 지지 및 반송하는 반송 장치와,
    파장이 경시적으로 변화하는 측정광을, 상기 대상물에 조사하는 조명 장치와,
    상기 대상물로부터 방사되는 확산 투과광을 검출하는 수광 장치
    를 구비하고,
    상기 수광 장치는,
    상기 대상물보다 사이즈가 작은 광 센서와,
    상기 대상물보다 사이즈가 큰 렌즈를 포함하는 집광 광학계
    를 구비하는 것을 특징으로 하는 광 측정 장치.
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