WO2005001400A1 - 非破壊分光測定器 - Google Patents

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WO2005001400A1
WO2005001400A1 PCT/JP2004/008198 JP2004008198W WO2005001400A1 WO 2005001400 A1 WO2005001400 A1 WO 2005001400A1 JP 2004008198 W JP2004008198 W JP 2004008198W WO 2005001400 A1 WO2005001400 A1 WO 2005001400A1
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light
light emitting
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circumference
rotating body
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PCT/JP2004/008198
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Inventor
Sumio Kawano
Kazuo Sasaki
Ryu Watanabe
Hikaru Suzuki
Original Assignee
Astem Corporation
National Food Research Institute
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    • G01J1/10—Photometry, e.g. photographic exposure meter by comparison with reference light or electric value provisionally void
    • G01J1/20—Photometry, e.g. photographic exposure meter by comparison with reference light or electric value provisionally void intensity of the measured or reference value being varied to equalise their effects at the detectors, e.g. by varying incidence angle
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    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G—PHYSICS
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    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B26/00—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
    • G02B26/02—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the intensity of light
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    • G01J3/0272—Handheld

Definitions

  • the present invention relates to a nondestructive spectrometer using near infrared spectroscopy, which measures discrete components such as sugar content by measuring discrete absorption spectra of fruits and the like.
  • the present applicant has proposed a handy-type fruit component non-destructive measuring instrument which has been reduced in size and reduced in power consumption, thereby enabling carrying around in a field.
  • This is characterized by using a plurality of light sources with a narrow half width such as LD compared to the previous method. Unlike a halogen lamp, it emits only light of the required wavelength, so it has the advantage of not wasting power.
  • a spectroscopy mechanism such as a diffraction grating is not required, which is suitable for miniaturization (for example, see Patent Document 1).
  • the LD has a half-value width of 2 nm or less, it is necessary to accurately detect wavelength fluctuation because wavelength fluctuation due to temperature is large.
  • a part of the light branched by the bundle of optical fibers is transmitted through a filter for wavelength correction, and a change in the wavelength is detected based on a change in the amount of transmission.
  • the path from the emission of LD light to the irradiation of the fruit was severely attenuated, and as a result, the resistance to disturbance light was weakened.
  • Non-destructive spectrometers have been filed for the purpose of providing non-destructive spectrometers using LEDs and LDs with improved resistance to disturbance light in response to the demands of Patent Documents 2 and 3. See
  • Patent Document 1 JP-A-2002-116141
  • Patent Document 2 Japanese Patent Application No. 2003-008588
  • FIG. 8 is a conceptual diagram illustrating the entire configuration of the nondestructive spectrometer
  • FIG. 9 is a schematic cross-sectional view illustrating the configuration of an optical unit of the nondestructive spectrometer.
  • the non-destructive spectrometer 1 includes an optical unit 10, an arithmetic circuit unit 20, a display device 30, a power supply unit 40, and a light shielding hood 50.
  • the optical unit 10 is a unit that irradiates the measurement target 60 with light having a highly accurate wavelength and receives diffuse reflection light from the measurement target 60.
  • the arithmetic circuit unit 20 stores a calibration curve which is a relational expression between the intensity of diffuse reflected light and components such as sugar content, and refers to the calibration curve using data of reflected light from the measurement target 60. In addition to calculating the sugar content and other components of the measurement target 60 and outputting them to an external device such as the display device 30 or a personal computer (not shown), it monitors the intensity of the light emitting element and controls the output intensity of the light emitting element. A circuit that monitors the temperature of the light emitting element to detect a change in the emission wavelength of the light emitting element, monitors the temperature of the object to be measured, and performs temperature correction on the calculation result. The temperature of the light emitting element and the temperature of the object to be measured can be used as parameters of the calibration curve together with the data of the reflected light. Further, the arithmetic circuit section 20 has a voltage control circuit.
  • the calibration curve stored in the arithmetic circuit 20 can be rewritten from outside.
  • the display device 30 is configured by using, for example, an LCD, and is a unit that displays data such as a measurement result.
  • the power supply section 40 has a power supply such as a dry cell, for example, and supplies electric power to the optical unit 10, the arithmetic circuit section 20, and the display device 30.
  • the power supply section 40 has a measurement switch 41.
  • the light-shielding hood 50 is a light-shielding unit that allows only reflected light from the measurement target 60 to reach the light receiving element and eliminates a measurement error due to external light.
  • the light-shielding hood 50 is formed of a flexible material in a bellows shape so as not to damage the measurement target when in contact with the measurement target 60 and to prevent disturbance light from entering.
  • a cushioning / light shielding cushion 51 On the optical unit measurement surface side of the light shielding hood 50, a cushioning / light shielding cushion 51 that is in contact with the measurement target 60 is provided.
  • the nondestructive spectrometer 1 includes a plurality of light emitting elements 15 having different emission wavelengths, and light from the light emitting element which irradiates the measurement target 60 and diffuses and reflects inside the measurement target.
  • the reflected light detecting element 172 for detecting the intensity of the light, the light emitting intensity detecting element 171 for detecting the light intensity of the light emitting element, and the light emitting intensity of the light emitting means detected by the light emitting intensity detecting element are fed back to reduce the light emitting intensity.
  • a light emission control unit 23 for controlling, a light emission means temperature detection element 161 for detecting the temperature of the light emission element, a measurement object temperature detection element 162 for detecting the temperature of the measurement object, an absorbance for each measurement object, and a temperature of the light emission means.
  • the calibration curve (spectral data) 22 created using both the temperature of the measurement target as a parameter, the intensity of the reflected light for each wavelength diffusely reflected inside the measurement target detected by the reflected light detection element, and the temperature of the measurement target
  • a component calculation unit that calculates a component to be measured; and calculates a component to be measured by referring to a calibration curve using the intensity of reflected light for each emission wavelength that has changed depending on a temperature change of the light emitting element. .
  • the nondestructive spectrometer 1 includes a first light guide block 11 for fixing a plurality of light emitting elements 15, a light guide path 121 for guiding light from the light emitting elements, and a light emitting means temperature detecting element.
  • a second light guide block 12 having a light guide 161; a light diffuser 18 for diffusing light from the light guide passage; and a light passage 131 for guiding the diffused light from the light diffuser and a light branched from the light in the light passage.
  • a third light guide block 13 having a split light path 132, a light splitting glass plate 191 provided in the middle of the light path, and a light emission intensity detection element 171; and a reflected light detection element 172 having a light irradiation window 141.
  • the optical unit 10 includes an attachment unit 14 for holding the measurement target temperature detection element 162.
  • the light-emitting element 15 is a near-infrared ray that has a narrow half-width of the emission wavelength and a small wavelength variation due to temperature. Light emitting LEDs are used.
  • the specific destruction spectrometer 1 having such a configuration can respond to demands for miniaturization and high accuracy by simplifying and blocking the light guiding means, and can withstand the disturbance light. Can provide a non-destructive spectrometer using LEDs and LDs with improved efficiency, but since the light from multiple light emitting elements 15 is diffused through the light diffusion means 18, the attenuation here May occur, which may be a hindrance in improving the measurement accuracy.
  • an object of the present invention is to provide a nondestructive spectrometer that can irradiate an object to be measured without attenuating light from a light emitting element.
  • a plurality of light emitting elements of different wavelengths arranged on a circumference toward the center of the circumference, a rotating mirror arranged at the center of the circumference, and a reflection surface of the rotating mirror are provided.
  • a light-receiving element that receives light from one light-emitting element illuminated on the back side is provided, and by controlling the rotation of the rotating mirror and the light emission of the light-emitting element in synchronization, light attenuation is minimized. And improved accuracy.
  • the present invention when a light source having a small variation with respect to a temperature at which the half width is narrow is used, a highly accurate calibration curve can be created, and the wavelength variation can be corrected using the temperature of the light source.
  • the optical path can be simplified.
  • it is possible to obtain a small-sized, non-destructive spectrometer capable of being used in a field, which is resistant to disturbance light with low power consumption and high in accuracy.
  • a non-destructive spectroscopic measurement can be performed with high accuracy by using a light emitting element efficiently.
  • FIG. 1 is a conceptual diagram of a nondestructive spectrometer according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a functional configuration diagram of the nondestructive spectrometer according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating an outline of a configuration of an optical unit of the nondestructive spectrometer according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a diagram showing an outer shape of an optical block of the optical unit.
  • FIG. 5 is a diagram showing a cross-sectional shape of an optical block.
  • FIG. 6 is a view showing the shape of a mounting plate.
  • FIG. 7 is a view showing the shape of a rotating mirror support member.
  • FIG. 8 is a conceptual diagram of a conventional nondestructive spectrometer.
  • FIG. 9 is a functional configuration diagram of a conventional nondestructive spectrometer.
  • FIG. 1 is a conceptual diagram illustrating the overall configuration of the nondestructive spectrometer according to the present invention.
  • FIG. 2 is a functional configuration diagram illustrating the functional configuration of the nondestructive spectrometer according to the present invention. Is a schematic cross-sectional view for explaining the configuration of the optical unit of the nondestructive spectrometer according to the present invention (in the figure, the DD section shows a section along the vertical axis, and the EE section shows a section along the horizontal axis).
  • FIG. 1 is a conceptual diagram illustrating the overall configuration of the nondestructive spectrometer according to the present invention.
  • FIG. 2 is a functional configuration diagram illustrating the functional configuration of the nondestructive spectrometer according to the present invention. Is a schematic cross-sectional view for explaining the configuration of the optical unit of the nondestructive spectrometer according to the present invention (in the figure, the DD section shows a section along the vertical axis, and the EE section shows a
  • FIG. 4 is a view showing the outer shape of an optical block constituting the optical unit according to the present invention, wherein (A) is a left side view, (B) is a front view, (C) is a right side view, and FIG. FIG. 6 is a cross-sectional view of FIG. 4, FIG. 6 is a front view of a mounting plate, and FIG. 7 is a diagram illustrating a shape of a rotating mirror support member.
  • the nondestructive spectrometer 1 includes an optical unit 10, an arithmetic and control unit 20, a display device 30, a power supply unit 40, a light shielding hood 50, and a drive unit. 80.
  • the optical unit 10 is a unit that irradiates the measurement target 60 with light having a highly accurate wavelength and receives diffuse reflection light from the measurement target 60.
  • the arithmetic control unit 20 stores a calibration curve which is a relational expression between the intensity of diffuse reflected light and components such as sugar content, and uses a calibration curve (spectral data) using data of reflected light from the measurement target 60. Calculates the components such as the sugar content of the measurement target 60 with reference to the data, and outputs it to the display device 30 or an external device such as a personal computer (not shown).
  • This circuit controls the output intensity, monitors the temperature of the light-emitting element, detects a change in the light-emitting wavelength of the light-emitting element, monitors the temperature of the measurement target, and performs temperature correction on the calculation result.
  • the temperature of the light emitting element and the temperature of the object to be measured can be used as parameters of the calibration curve together with the data of the reflected light. Further, the arithmetic control unit 20 controls the voltage control circuit. Have a road.
  • the calibration curve stored in the arithmetic and control unit 20 can be rewritten from outside.
  • the display device 30 is configured by using, for example, an LCD, and is a means for displaying data such as measurement results.
  • the power supply unit 40 has a power supply such as a dry battery, and is a unit for supplying power to the optical unit 10, the arithmetic and control unit 20, the display device 30, and the drive unit 80, and includes a measurement switch 41. ing.
  • the light-shielding hood 50 is a light-shielding unit that allows only reflected light from the measurement target 60 to reach the light receiving element and eliminates a measurement error due to external light.
  • the light-shielding hood 50 is formed of a flexible material in a bellows shape so as not to damage the measurement target when in contact with the measurement target 60 and to prevent disturbance light from entering.
  • a cushioning / light shielding cushion 51 On the optical unit measurement surface side of the light shielding hood 50, a cushioning / light shielding cushion 51 that is in contact with the measurement target 60 is provided.
  • the nondestructive spectrometer 1 has a plurality of, for example, five light emitting devices having different emission wavelengths arranged on the circumference and arranged toward the center of the circumference.
  • a light emission control unit 23 that controls the light emission intensity by feeding back the light emission intensity of the light emission means detected by the light emission intensity detection element, a light emission means temperature detection element 161 that detects the temperature of the light emission element, and detects the temperature of the measurement target.
  • the component operation unit 21 that calculates the component of the measurement target by referring to the calibration curve using the temperature and the temperature of the measurement target, and the light-receiving device 156 receives the diffusely reflected light from the position-detecting light-emitting device 155 to drive.
  • It has a rotation control unit 24 that calculates the origin of the unit and controls the rotation of the drive unit thereafter, and refers to the calibration curve using the intensity of the reflected light for each emission wavelength that changes depending on the temperature change of the light emitting element. To calculate the component to be measured.
  • the nondestructive spectrometer 1 of the present invention fixes the plurality of light emitting elements 153, and also guides the light path 131 for guiding the light from the light emitting element and the light branched from the light path.
  • the optical block 13 having a branched light path 132, a light branching glass plate 191 provided in the middle of the light path, and a light emission intensity detecting element 171; a reflected light detecting element 172 having a light irradiation window 141;
  • the optical unit 10 includes the mounting plate 14 that holds the detection element 162.
  • the light-emitting element 153 be a near-infrared light-emitting LED having a narrow half-width of an emission wavelength and a small wavelength variation with temperature.
  • the position detecting light emitting element 155 is located in the light emitting element mounting hole 137
  • the position detecting light receiving element 156 is located in the light receiving element mounting hole 138
  • the light emitting element temperature detecting means 161 is located at the temperature. It is attached to the detection means attachment hole 139.
  • the position detecting light emitting element 155 and the position detecting light receiving element 156 are arranged close to each other in the same direction as the rotation axis of the rotating mirror unit 70.
  • a rotating mirror unit 70 fixed to an output shaft of a stepping motor 81 constituting the drive unit 80.
  • the rotating mirror section 70 has a cylindrical rotating mirror supporting member 73 and a mirror 71 attached to the tip of the supporting member at an angle.
  • a slit 731 is provided on the long side of the rotating mirror support 73.
  • the stepping motor 81 having the bearing 83 is mounted on the optical block 13 by mounting plates 85-1, 85_2.
  • FIG. 4 shows an outer shape of the optical block 13, and FIG. 5 shows a cross section thereof.
  • Fig. 5 (A) is a cross-sectional view taken along line A-A in Fig. 4
  • Fig. 5 (B) is a cross-sectional view taken along line B-B in Fig. 4
  • Fig. 5 (C) is a cross-sectional view taken along line C-C in Fig. 4. is there.
  • the optical block 13 has a light emitting element mounting hole 137 in which a plurality of light emitting elements 153 and a position detecting light emitting element 155 are mounted.
  • the optical unit 10 includes an optical block 13, a mounting plate 14, a position detecting light emitting element 155, a position detecting light receiving element 156, a plurality of light emitting elements 153, and a temperature detecting element 161 such as a thermistor. It comprises a branched light detecting element 171, a reflected light detecting element 172-1-172-4, a light branching glass plate 191, and a protective glass plate 192. Further, the optical unit 10 has a light irradiation window 141 on the front surface and a temperature detecting element 162 such as a thermopile.
  • the optical block 13 is made of a metal having a high thermal conductivity, for example, aluminum.
  • a plurality of light emitting elements 153 having different emission wavelengths are fixed, and have a plurality of light emitting element fixing holes 137.
  • a light emitting element 153 and a position detecting light emitting element 155 having, for example, an LED and having different emission wavelengths are inserted and fixed.
  • a heat conductive material such as silicon grease is interposed between the peripheral wall of the light emitting element fixing hole 137 and the light emitting element 153 to enhance heat conduction between the two.
  • a rotating mirror unit 70 is inserted into the light path 131 of the optical block 13, and guides light from each light emitting element 153 except the position detecting light emitting element 155 to the light branching glass plate 191. .
  • the optical block 13 has a light path 131, a light branch path 132, a glass plate holding groove 134, and a light detection element holding hole 135.
  • the light path 131 is a path for guiding the light emitted from the light emitting element to the object to be measured, and an optical branch path 132 for branching a part of the light is provided on the way.
  • the optical branch path 132 is a path that guides light obtained by branching a part of the light from the light emitting element to the branched light detection element 171, and is provided so as to intersect the optical axis of the optical path 131 at right angles, and has one end. Open to the light path 131 and the other end opens to the photodetector holding hole 135.
  • the glass plate holding groove 134 is provided in the optical path 131 so as to intersect the optical axis at 45 degrees, and holds the light branching glass plate 191.
  • the light detection element holding hole 135 holds the branch light detection element 171 via an insulating material.
  • the mounting plate 14 shown in FIG. 6 is made of, for example, a PEEK material which is an insulating synthetic resin, and has a light irradiation window 141 and a light holding the reflected light detecting elements 172-11-1172-4.
  • a temperature detection element holding hole 144 for holding the output element 162 is provided, and a protective glass plate 192 is fixed to the light irradiation window 141.
  • the light irradiation window 141 attached to the attachment plate 14, the reflected light detection element 172, the measurement target temperature detection element 162, and the measurement target detection light emitting element 151 are arranged facing the measurement target.
  • the light emitting element 153 constituting the light source is an element for irradiating the measurement target with light having a small half-value width and high accuracy, and has a different light emission wavelength in this embodiment acting as a light emitting means.
  • the LED 153 is arranged at an angle at which the mirror 71 of the rotating mirror unit 70 provided in the optical block 13 is irradiated with the LED light.
  • the LED 153 is, for example, a laser diode having a peak wavelength of light emission of 810, 845, 872, 904, and 915 nm, and a narrow laser diode with a half-width force S4 nm or less. Further, in this light emitting diode, it is desirable that the wavelength change due to temperature is 0.2111117 or less.
  • the light-emitting element 151 for measuring object detection is configured using an LED that emits visible light, and allows the light-emitting element 153 to emit light only when the object to be measured is in contact with the light-shielding hood 50, thereby allowing the user to perform measurement. It has the function of ensuring safety.
  • the light emitting element temperature detecting element 161 is configured using, for example, a thermistor, and is an element that measures the temperature of the light source. Used to correct errors caused by wavelength changes.
  • the measurement target temperature detecting element 162 is configured using, for example, a thermopile, and is an element that detects radiant heat from the measurement target to detect the temperature of the measurement target.
  • the temperature data is taken into the arithmetic circuit as a parameter, and is used to correct the error resulting from the temperature change of the measurement result of the operation result.
  • the branch light detection element 171 is configured using, for example, a photodiode, functions as a light emission intensity detection unit, receives the branch light from the light branching glass plate 191 and obtains data regarding the output intensity of the light source. And has a function of controlling the output of the light emitting element 153.
  • the reflected light detection element 172 is configured using, for example, a photodiode, functions as a reflected light detection means, and receives light diffusely reflected inside the measurement target.
  • the glass plate 191 for light branching functions as a light branching means, is installed at an angle of 45 degrees in the middle of the light guide passage 131, and reflects and branches a part (about 8%) of light from the LED.
  • the light enters the branch term detection element 171 via an opening provided in the side wall of the light path 131.
  • the measurement target 60 is, for example, a fruit such as an apple, a pear, a tomato, and the like, and a component such as a sugar content thereof can be measured. It is also possible to measure the fat content of fish meat such as bonito and tuna in a nondestructive manner. In addition, blood components such as sugar content and cholesterol can be measured from outside the skin without collecting blood from humans or the like.
  • the structure of the rotating mirror support member 73 of the rotating mirror unit 70 will be described with reference to FIG. 7, (A) is a front view, (B) is a bottom view, (C) is a rear view, (D) is a right side view, and (E) is a left side view.
  • the rotating mirror support member 73 is formed in a shape in which a tip of a cylinder having a through hole 734 at the center is beveled and cut at 45 degrees.
  • a mirror support surface 732 for fixing and supporting the mirror 71 is formed on a slope formed at the tip, and mirror support claws 733 are formed on both upper and lower ends of the mirror support surface 732.
  • the rotating mirror support member 73 has a slit 731 on the back side of the mirror support surface 732.
  • the left-hand force in the drawing and the rotating shaft 82 of the stepping motor are inserted into the through hole 734, and the rotating mirror support member 73 is fixed by three screws inserted into the screw holes 735.
  • the rotating mirror support member 73 having this configuration is inserted into the optical path 131 of the optical block 13, and is disposed at a position where the mirror 71 reflects light from the light emitting element 153.
  • the light from the position detecting light emitting element 155 is introduced into the slit 731 force through hole 734, is reflected on the back surface 72 of the mirror 71, is irregularly reflected on the inner surface of the through hole 734, passes through the slit 731 and receives the position detecting light receiving element. Reach 1 56.
  • the origin of the rotating mirror (mirror) 71 can be determined.
  • the position of the rotating mirror 71 can be known based on this, and when the surface of the rotating mirror 71 faces one of the light emitting elements 153, the light emitting element 153 emits light. The light reflected by the mirror 71 is radiated to the measurement target 60.
  • the non-destructive spectrometer 1 can be held with one hand, and the fruit is lightly applied to the light-shielding hood 50 of the contact part with the other hand, and the measuring switch 41 provided on the grip part is pressed. Is calculated and displayed on the display device 30.
  • the measurement switch 41 When the measurement switch 41 is pressed, the power is turned on, and the arranged LEDs 153 sequentially emit light. The emitted light enters the light guide passage 131, is reflected by the mirror 71, and is emitted from the irradiation window 141 to the fruit 60.
  • a certain percentage (8%) of the incident light of the LED is always reflected by the light splitting glass plate 191 arranged in the middle of the light path 131, and is detected by the split light detecting element 171.
  • the intensity of the light received by the branch light detection element 171 is fed back and measured from the light path 131.
  • the current of the LED 153 is controlled so that the intensity of the light applied to the target 60 becomes a constant value.
  • the light applied to the fruit to be measured repeats diffuse reflection inside the fruit, and a part of the light is detected by the reflected light detection element 172. However, of the light radiated from the light irradiation window 141 to the fruit, the light directly reflected from the fruit surface is blocked by the protective cushion 51 and is not detected by the reflected light detection element 172.
  • the intensity of the light detected by the reflected light detection element 172 is obtained by using a relational expression prepared in advance together with the actual temperature data obtained by the temperature detection element 162 and the temperature data of the LED obtained by the temperature detection element 161. And the sugar content is calculated. After the calculated sugar content is displayed on the display device 30 for a certain period of time, the power is turned off and the operation is completed.
  • the reflected light intensity detection data of the reflected light detection element 172, the LED temperature data obtained by the temperature detection element 161, and the measurement target temperature detection element 162 are obtained.
  • a relational expression for calculating the sugar content from the temperature data of the fruit will be described.
  • the nondestructive spectrometer according to the present invention nondestructively measures the sugar content of a fruit. The method is to irradiate the fruit with near-infrared rays in the short wavelength region where the transmission power is relatively strong, obtain the absorbance from the amount of transmitted light, and correct the absorbance based on the temperature of the fruit. To obtain an index related to sweetness.
  • the absorbance of the fruit at the five wavelengths ( ⁇ 1- ⁇ 5) obtained by the reflected light detection element 172 is represented by L (l), L (2), L (3), L (4), Let L (5) be the temperature data of the fruit obtained by the temperature detecting element 162, and T2 the temperature data of the LED obtained by the temperature detecting element 161.
  • the sugar content C of the fruit is expressed by the following equation (1). Is done.
  • K0, Kl, K2,..., K7 indicate proportional constants.
  • the absorbance L ( ⁇ ) is a force that slightly changes due to a change in the temperature of the fruit or a change in the measured wavelength ( ⁇ n) due to the change in the LED temperature.
  • the optimum value of Kn is determined by the method described below. In this case, the correction can be made by the last two terms on the right side of the above equation (2).
  • T1 obtained by the temperature detecting element 162 and T2 obtained by the temperature detecting element 161 are used as parameters reflecting the temperature of the sample and the temperature of the LED.
  • the temperature sensor 162 to be measured and the temperature sensor 161 of the light-emitting element should not be used. Is also possible.
  • the peak wavelength power of each of the emission wavelengths is 810, 845, 872, 904, and 915 nm, and the half width power is as narrow as S4 nm or less.
  • An example was described in which a light-emitting diode with a wavelength variation of 0.2 nm / ° C or less was used for light-emitting diodes. Even with three LEDs with peak values of 810, 872, and 904 nm, sufficiently high accuracy and measurement results can be obtained.
  • the light emission intensity of the light emitting element is controlled by monitoring the temperature of the light emitting element.
  • one light emitting unit including five light emitting elements 153, one position detecting light emitting element 155 and one rotating mirror unit 70, and one reflected light
  • the nondestructive spectrometer of the present invention may be constituted by the detection element 172.
  • five light emitting elements 153, one position detecting light emitting element 155, and one position detecting light emitting element 155 are provided around one reflected light detecting element 172. It is also possible to increase the intensity of the irradiation light and increase the measurement accuracy by arranging four light-emitting units composed of the rotating mirror unit 70. In this case, the positions of the light irradiation window 141 of the mounting plate 14 and the light detection element holding hole 142 may be interchanged.
  • the light from the plurality of light emitting elements 153 is reflected by the mirror 71 and irradiates the object 60 to be measured, the light emitted from the light emitting elements is more efficient than the prior art using the diffusion plate. It can be used well and can measure with high accuracy.

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Abstract

　光の減衰を伴わずに測定対象に照射する非破壊分光測定器を提供する。 　円周上に円周の中心に向けて配置された位置検出用発光手段１５５および異なる発光波長を有する複数の発光手段１５３と、円周の中心に位置し発光手段からの光を測定対象６０に向けて反射する鏡７１と、測定対象に照射し測定対象内部で拡散反射した光の強度を検出する反射光検出手段１７２とを有し、異なる波長の吸光度から測定対象の成分の大きさを測定する非破壊分光測定器において、前記鏡７１が、ステッピングモータによって駆動される回転体７３に取り付けられ、位置検出用発光手段１５５に近接して位置検出用受光素子１５６を設け、回転体７３のスリット７３１から回転体内部空間に導入された光が内部空間で乱反射してスリット７３１を経由して位置検出用受光素子１５６に到達したことを検出して回転体の原点を決定する。

Description

明 細 書
非破壊分光測定器
技術分野
[0001] 本発明は、果実などにおける離散的な吸収スペクトルを測定して、非破壊で糖度な どの成分を測定する近赤外分光技術を利用した非破壊分光測定器に関する。
背景技術
[0002] 従来、果実糖度の非破壊測定法として、近赤外線の吸収現象を利用した分光分析 が広く使われている。この非破壊分光測定法は、ハロゲンランプを光源として使い、 光ファイバなどで光を誘導し、果実の表面へ照射させ、その反射光や透過光を回折 格子などで分光し、果実の連続的な吸収スペクトルを測定し、その内必要な波長の 吸光度を取り出し、予め用意された関係式に代入することで、糖度を測定するのがー 般的である。
[0003] また、本出願人は、小型化、低消費電力化により、圃場での持ち歩きを可能にした 、ハンディ型果実成分非破壊測定器を提案した。これは、それ以前の方法に対して、 LDなどの狭い半値幅を持つ光源を複数用いることが特徴である。ハロゲンランプと 違レ、、必要とする波長の光のみを発光することから、無駄な電力を消費しないという 利点を有している。また、回折格子などの分光の仕組みが不要で、小型化に適して いる (例えば、特許文献 1参照）。
[0004] 従来、測定器の取り扱いにおける利便性の面から、小型化、低消費電力化が求め られており、そのような考えから、光源に LEDや LDなどの波長域の狭い光源を採用 するハンディ型果実成分非破壊測定器が提案されているが、さらなる小型化や高精 度の追求、外乱光への耐性の点で改善の余地が残されてレ、る。
[0005] 光源に LEDを使用した場合、発光波長の半値幅が少なくとも 20nm以上と広ぐ分 光分析用の光源としては、精度の点で最適な光源とは言えなかった。
[0006] また、 LDは半値幅が 2nm以下であるが、温度による波長変動が大きぐ精密に波 長変動を検出する必要があった。さらに、光ファイバの束により分岐した光の一部を、 波長補正用のフィルターを透過させ、その透過量の変化によって波長の変動を検出 する方法では、 LD光が発光されてから果実に照射されるまでの経路にぉレ、て光の 減衰が著しぐその結果外乱光に対する耐性が弱くなつた。
[0007] このような問題点を解決するために、本出願人らは、平成 15年 1月 16日付けで、光 誘導手段を簡素化しかつブロック化することによって、小型化の追求や高精度の要 求に対応し、外乱光への耐性を向上させた LEDや LDを用いた非破壊分光測定器 を提供することを目的とする非破壊分光測定器を出願している（特許文献 2、参照）
[0008] 特許文献 1 :特開 2002— 116141号公報
特許文献 2：特願 2003— 008588号
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0009] 上記特許文献 2の出願に力、かる発明は、図 8および図 9に示す構成を有している。
すなわち、図 8は前記非破壊分光測定器の全体構成を説明する概念図であり、図 9 は前記非破壊分光測定器の光学ユニットの構成を説明する模式的な断面図である。
[0010] 前記非破壊分光測定器 1は、光学ユニット 10と、演算回路部 20と、表示装置 30と、 電源部 40と、遮光フード 50とを有して構成される。
[0011] 光学ユニット 10は、測定対象 60に精度の高い波長の光を照射し、測定対象 60か らの拡散反射光を受光する手段である。
[0012] 演算回路部 20は、拡散反射光の強度と糖度などの成分との関係式である検量線 が格納されており、測定対象 60からの反射光のデータを用いて検量線を参照して測 定対象 60の糖度などの成分を演算し、表示装置 30や図示を省略したパソコンなど の外部装置へ出力する働きと、発光素子の強度を監視して発光素子の出力強度を 制御するとともに、発光素子の温度を監視して発光素子の発光波長の変化を検出し 、測定対象の温度を監視して前記演算結果に対して温度補正を行う回路である。発 光素子の温度と測定対象の温度は、反射光のデータと共に検量線のパラメータとし て用いることも可能である。さらに、演算回路部 20は、電圧制御回路を有している。
[0013] 演算回路 20に格納される検量線は、外部から書き替えることも可能である。
[0014] 表示装置 30は、例えば LCDを用いて構成され、測定結果などのデータを表示する 手段である。 [0015] 電源部 40は、例えば乾電池などの電源を有しており、光学ユニット 10、演算回路 部 20、表示装置 30へ電力を供給する手段であり、測定スィッチ 41を有している。
[0016] 遮光フード 50は、測定対象 60からの反射光のみを受光素子へ到達させ、外光によ る測定誤差をなくすための遮光手段である。遮光フード 50は、測定対象 60に接した ときに測定対象を傷つけず、かつ外乱光の侵入を阻止するように、柔軟な材料で蛇 腹状に構成される。遮光フード 50の光学ユニット測定面側には、測定対象 60に接す る緩衝兼遮光用クッション 51が設けられている。
[0017] 図 9に示すように、前記非破壊分光測定器 1は、異なる発光波長を有する複数の発 光素子 15と、測定対象 60に照射し測定対象内部で拡散反射した発光素子からの光 の強度を検出する反射光検出素子 172と、発光素子の光の強度を検出する発光強 度検出素子 171と、発光強度検出素子が検出した発光手段の発光強度をフィードバ ックして発光強度を制御する発光制御部 23と、発光素子の温度を検出する発光手 段温度検出素子 161と、測定対象の温度を検出する測定対象温度検出素子 162と 、測定対象毎の吸光度と発光手段の温度と測定対象の温度を共にパラメータとして 作成した検量線 (スペクトルデータ） 22と、反射光検出素子が検出した測定対象内部 で拡散反射された各波長毎の反射光の強度と測定対象の温度を用いて検量線を参 照して測定対象の成分を演算する成分演算部 21とを備え、発光素子の温度変化に 依存して変化した発光波長毎の反射光の強度を用いて検量線を参照して測定対象 の成分を演算する。
[0018] さらに、前記非破壊分光測定器 1は、複数の発光素子 15を固定する第 1の光案内 ブロック 11と、発光素子からの光を案内する光案内通路 121と発光手段温度検出素 子 161を有する第 2の光案内ブロック 12と、光案内通路からの光を拡散する光拡散 手段 18および光拡散手段からの拡散光を案内する光通路 131および光通路の光を 分岐した光を案内する分岐光通路 132および光通路の途中に設けた光分岐用ガラ ス板 191ならびに発光強度検出素子 171とを有する第 3の光案内ブロック 13と、光照 射窓 141を有し反射光検出素子 172と測定対象温度検出素子 162を保持する取付 手段 14とからなる光学ユニット 10を備えている。
[0019] 発光素子 15は、発光波長の半値幅が狭く温度による波長変動の小さな近赤外線 発光 LEDが用いられる。
[0020] このような構成を有する前記比破壊分光測定器 1は、光誘導手段を簡素化しかつ ブロック化することによって、小型化の追求や高精度の要求に対応し、外乱光への耐 性を向上させた LEDや LDを用いた非破壊分光測定器を提供することができるが、 光拡散手段 18を介して複数の発光素子 15からの光を拡散しているので、ここでの減 衰が生じ、測定精度を向上する上での阻害要因となる恐れがある。
[0021] 上記問題点に鑑み、本発明は、発光素子からの光の減衰を伴わずに測定対象に 照射することができる非破壊分光測定器を提供することを目的とする。
課題を解決するための手段
[0022] 本発明は、円周上に該円周の中心に向けて配置した異なる波長の複数の発光素 子と、前記円周の中心に配置した回転ミラーと、前記回転ミラーの反射面の裏側に照 射された 1つの発光素子からの光を受光する受光素子とを備えて、回転ミラーの回転 と発光素子の発光とが同期するように制御することで、光の減衰を最小限に抑え、精 度向上を達成した。
発明の効果
[0023] 本発明によれば、半値幅が狭ぐ温度に対して変動の小さな光源を使用すると、高 精度の検量線の作成が可能になり、波長の変動を光源の温度を用いて補正でき、光 学的経路を簡略化することができる。その結果、本発明によれば、小型で、電力消費 が少なぐ外乱光に強い、高精度の、圃場で使用可能な非破壊分光測定器を得るこ とができる。
[0024] さらに、本発明によれば発光素子を効率良く使用して、高い精度で非破壊分光測 定を行うことができる。
図面の簡単な説明
[0025] [図 1]本発明の実施の形態にかかる非破壊分光測定器の概念図。
[図 2]本発明の実施の形態にかかる非破壊分光測定器の機能構成図。
[図 3]本発明の実施の形態にかかる非破壊分光測定器の光学ユニットの構成の概要 を説明する断面図。
[図 4]光学ユニットの光学ブロックの外形を示す図。 [図 5]光学ブロックの断面形状を示す図。
[図 6]取付板の形状を示す図。
[図 7]回転ミラー支持部材の形状を示す図。
[図 8]先行技術の非破壊分光測定器の概念図。
[図 9]先行技術の非破壊分光測定器の機能構成図。
発明を実施するための形態
[0026] 本発明にかかる非破壊分光測定器を果実成分測定器に適用した場合の構造を、 図 1一図 7を用いて説明する。図 1は本発明にかかる非破壊分光測定器の全体構成 を説明する概念図であり、図 2は本発明にかかる非破壊分光測定器の機能構成を説 明する機能構成図であり、図 3は本発明にかかる非破壊分光測定器の光学ユニット の構成を説明する模式的な断面図（図中 D— D側は垂直軸での断面， E— E側は水平 軸での断面を示す）であり、図 4は本発明にかかる光学ユニットを構成する光学ブロッ クの外形を示す図であり（A)左側面図、 （B)は正面図、（C)は右側面図、図 5は図 4 の断面図であり、図 6は取付板の正面図であり、図 7は回転ミラー支持部材の形状を 説明する図である。
[0027] 図 1に示すように、本発明にかかる非破壊分光測定器 1は、光学ユニット 10と、演算 制御部 20と、表示装置 30と、電源部 40と、遮光フード 50と、駆動ユニット 80とを有し て構成される。
[0028] 光学ユニット 10は、測定対象 60に精度の高い波長の光を照射し、測定対象 60か らの拡散反射光を受光する手段である。
[0029] 演算制御部 20は、拡散反射光の強度と糖度などの成分との関係式である検量線 が格納されており、測定対象 60からの反射光のデータを用いて検量線 (スペクトルデ ータ）を参照して測定対象 60の糖度などの成分を演算し、表示装置 30や図示を省 略したパソコンなどの外部装置へ出力する働きと、発光素子の強度を監視して発光 素子の出力強度を制御するとともに、発光素子の温度を監視して発光素子の発光波 長の変化を検出し、測定対象の温度を監視して前記演算結果に対して温度補正を 行う回路である。発光素子の温度と測定対象の温度は、反射光のデータと共に検量 線のパラメータとして用いることも可能である。さらに、演算制御部 20は、電圧制御回 路を有している。
[0030] 演算制御部 20に格納される検量線は、外部から書き替えることも可能である。
[0031] 表示装置 30は、例えば LCDを用いて構成され、測定結果などのデータを表示する 手段である。
[0032] 電源部 40は、例えば乾電池などの電源を有しており、光学ユニット 10、演算制御 部 20、表示装置 30、駆動ユニット 80へ電力を供給する手段であり、測定スィッチ 41 を有している。
[0033] 遮光フード 50は、測定対象 60からの反射光のみを受光素子へ到達させ、外光によ る測定誤差をなくすための遮光手段である。遮光フード 50は、測定対象 60に接した ときに測定対象を傷つけず、かつ外乱光の侵入を阻止するように、柔軟な材料で蛇 腹状に構成される。遮光フード 50の光学ユニット測定面側には、測定対象 60に接す る緩衝兼遮光用クッション 51が設けられている。
[0034] 図 2、図 3に示すように、非破壊分光測定器 1は、円周上に配置され該円周の中心 に向けて配置された異なる発光波長を有する複数、例えば 5個の発光素子 153と、 測定対象 60に照射され測定対象内部で拡散反射した発光素子からの光の強度を 検出する反射光検出素子 172と、発光素子の光の強度を検出する発光強度検出素 子 171と、発光強度検出素子が検出した発光手段の発光強度をフィードバックして 発光強度を制御する発光制御部 23と、発光素子の温度を検出する発光手段温度検 出素子 161と、測定対象の温度を検出する測定対象温度検出素子 162と、測定対 象毎の吸光度と発光手段の温度と測定対象の温度を共にパラメータとして作成した 検量線 22と、反射光検出素子が検出した測定対象内部で拡散反射された各波長毎 の反射光の強度と測定対象の温度を用いて検量線を参照して測定対象の成分を演 算する成分演算部 21と、受光素子 156で位置検出用発光素子 155からの乱反射光 を受光したことによって、駆動ユニットの原点を算出し以降の駆動ユニットの回転を制 御する回転制御部 24とを備え、発光素子の温度変化に依存して変化した発光波長 毎の反射光の強度を用いて検量線を参照して測定対象の成分を演算する。
[0035] さらに、本発明の非破壊分光測定器 1は、複数の発光素子 153を固定するとともに 、発光素子からの光を案内する光通路 131および光通路の光を分岐した光を案内す る分岐光通路 132および光通路の途中に設けた光分岐用ガラス板 191ならびに発 光強度検出素子 171とを有する光学ブロック 13と、光照射窓 141を有し反射光検出 素子 172と測定対象温度検出素子 162を保持する取付板 14とからなる光学ユニット 10を備えている。
[0036] 発光素子 153は、発光波長の半値幅が狭く温度による波長変動の小さな近赤外線 発光 LEDであることが望ましレ、。
[0037] さらに、本発明の光学ブロック 13には、位置検出用発光素子 155が発光素子取付 穴 137に、位置検出用受光素子 156が受光素子取付穴 138に、発光素子温度検出 手段 161が温度検出手段取付穴 139に取り付けられている。位置検出用発光素子 1 55と位置検出用受光素子 156は、回転ミラー部 70の回転軸と同じ方向に互いに近 接して並べられている。
[0038] さらに、光学ブロック 13の光通路 131内には、駆動ユニット 80を構成するステツピン グモータ 81の出力軸に固定された回転ミラー部 70が設けられている。回転ミラー部 7 0は、円筒状の回転ミラー支持部材 73と、該支持部材の先端に傾斜して取り付けら れた鏡 71とを有している。回転ミラー支持部 73の長辺側にはスリット 731が設けられ ている。
[0039] 軸受 83を有するステッピングモータ 81は、取付板 85— 1、 85_2によって光学ブロッ ク 13に取り付けられている。
[0040] 図 4に、光学ブロック 13の外形を、図 5にその断面を示す。図 5 (A)は図 4の A— A 線での、図 5 (B)は図 4の B—B線での、図 5 (C)は図 4の C一 C線での断面図である。 光学ブロック 13には、複数の発光素子 153と位置検出用発光素子 155が取りつけら れる発光素子取付穴 137が中心に位置する光通路 131へ向けて穿たれている。
[0041] 光学ユニット 10は、光学ブロック 13と、取付板 14と、位置検出用発光素子 155と、 位置検出用受光素子 156と、複数の発光素子 153と、サーミスタなどの温度検出素 子 161と、分岐光検出素子 171と反射光検出素子 172-1— 172-4と、光分岐用ガ ラス板 191と、保護ガラス板 192とを有して構成される。さらに、光学ユニット 10は、正 面に光照射窓 141と、サーモパイルなどの温度検出素子 162を有している。
[0042] 光学ブロック 13は、熱電導率の大きな金属例えばアルミニウムを用いて構成され、 発光波長の異なる複数の発光素子 153が固定され、複数の発光素子固定穴 137を 有している。発光素子固定穴 137に発光波長の異なる例えば LEDからなる発光素 子 153および位置検出用発光素子 155が挿入固定されている。発光素子固定穴 13 7の周壁と発光素子 153との間には熱伝導性材料例えばシリコングリスを介在させて 、両者の間の熱伝導を高めている。
[0043] また、光学ブロック 13の光通路 131内には、回転ミラー部 70が揷入され、位置検出 用発光素子 155を除くそれぞれの発光素子 153からの光を光分岐用ガラス板 191へ 導く。
[0044] さらに、光学ブロック 13は、光通路 131と、光分岐通路 132と、ガラス板保持溝 134 と、光検出素子保持穴 135とを有している。光通路 131は、発光素子から照射された 光を、測定対象へ導く通路であり、途中に光の一部を分岐する光分岐通路 132が設 けられている。光分岐通路 132は、発光素子からの光の一部を分岐した光を分岐光 検出素子 171へ導く通路であり、光通路 131の光軸に直角に交差するように設けら れており、一端が光通路 131に開口し他端が光検出素子保持穴 135に開口している 。ガラス板保持溝 134は、光通路 131の途中に光軸に 45度で交差するように設けら れており、光分岐用ガラス板 191を保持する。光検出素子保持穴 135は、分岐光検 出素子 171を絶縁材を介して保持する。
[0045] 図 6に示す取付板 14は、絶縁性の合成樹脂である例えば PEEK材を用いて構成さ れ、光照射窓 141と、反射光検出素子 172— 1一 172— 4を保持する光照射窓 141の 周囲に配置された複数の光検出素子保持穴 142-1— 142-4と、測定対象検出用 発光素子 151を保持する測定対象検出用発光素子保持穴 143と、測定対象温度検 出素子 162を保持する温度検出素子保持穴 144とを有して構成され、光照射窓 141 には、保護ガラス板 192が固定されている。
[0046] 取付板 14に取り付けられた光照射窓 141と、反射光検出素子 172と、測定対象温 度検出素子 162と、測定対象検出用発光素子 151は、測定対象へ向けて配置され る。
[0047] 光源を構成する発光素子 153は、測定対象に半値幅の小さな精度の高い光を照 射する素子であり、発光手段として働ぐこの実施例では異なる発光波長を有する 5 本の LED153で構成され、光学ブロック 13に設けた回転ミラー部 70の鏡 71へ LED の光が照射される角度で配置される。 LED153は、例えば、発光のピーク波長が 81 0、 845、 872、 904、 915nmのレヽずれ力であり、半ィ直幅力 S4nm以下と狭レヽ発光ダイ オードである。さらに、この発光ダイオードは、温度による波長変動が 0. 2111117で以 下であることが望ましい。
[0048] 測定対象検出用発光素子 151は、可視光線を発光する LEDを用いて構成され、 測定対象が遮光フード 50に接しているときのみ発光素子 153の発光を許容して、使 用者の安全を図る働きを有してレ、る。
[0049] 発光素子温度検出素子 161は、例えばサーミスタを用いて構成され、光源の温度 を測定する素子であり、発光手段温度検出手段として働き、温度データをパラメータ として演算回路に取り込み、演算結果の波長の変化に起因する誤差を補正するのに 用いる。
[0050] 測定対象温度検出素子 162は、例えばサーモパイルを用いて構成され、測定対象 からの輻射熱を検出して測定対象の温度を検出する素子であり、測定対象温度検出 手段として働き、測定対象の温度データをパラメータとして演算回路に取り込み、演 算結果の測定対象の温度変化に起因する誤差を補正するのに用いる。
[0051] 分岐光検出素子 171は、例えばフォトダイオードを用いて構成され、発光強度検出 手段として働き、光分岐用ガラス板 191からの分岐光を受光して光源の出力強度に 関するデータを得て、当該発光素子 153の出力を制御する働きを有している。
[0052] 反射光検出素子 172は、例えばフォトダイオードを用いて構成され、反射光検出手 段として働き、測定対象の内部で拡散反射されてきた光を受光する素子である。
[0053] 光分岐用ガラス板 191は、光分岐手段として働き、光案内通路 131の途中に 45度 の角度で設置され、 LEDからの光の一部（8%程度）を反射分岐して、光通路 131の 側壁に設けた開口を経由して分岐項検出素子 171に入射する。
[0054] 測定対象 60は、例えば、りんご、なし、トマト等の果実であり、その糖度などの成分 を測定することができる。また、かつおやマグロ等の魚肉を対象としその脂肪含有量 を非破壊で測定することが可能である。さらに、人などの血液を採取することなく皮膚 の外から糖度、コレステロールの値などの血中成分を測定することができる。 [0055] 回転ミラー部 70の回転ミラー支持部材 73の構造を、図 7を用いて説明する。図 7に おいて、 （A)は正面図、（B)は底面図、 （C)は背面図、（D)は右側面図、（E)は左側 面図である。回転ミラー支持部材 73は、中心に貫通孔 734を有する円筒の先端を斜 め 45度に切り落とした形状に構成される。先端に形成された斜面には、鏡 71を固定 支持するミラー支持面 732が形成され、ミラー支持面 732の上下両端にはミラー支持 爪 733が形成される。さらに、回転ミラー支持部材 73には、ミラー支持面 732の裏側 にスリット 731が設けられている。
[0056] 貫通穴 734に図の左側力、らステッピングモータの回転軸 82が揷入され、ネジ穴 73 5に揷入された 3本のビスによって回転ミラー支持部材 73が固定される。
[0057] この構成を有する回転ミラー支持部材 73は、光学ブロック 13の光通路 131に揷入 され、鏡 71が発光素子 153からの光を反射する位置に配置される。位置検出用発光 素子 155からの光は、スリット 731力 貫通穴 734に導入され、鏡 71の裏面 72で反 射され、貫通穴 734の内面で乱反射してスリット 731を通って位置検出用受光素子 1 56へ到達する。このことによって、回転ミラー（鏡） 71の原点を決定することができる。 回転ミラー 71の原点が決定すると、これに基づいて回転する鏡 71の位置を知ること ができ、回転ミラー 71の表面がいずれかの発光素子 153へ向いているときに、その 発光素子 153が発光するように制御して、鏡 71で反射された光が測定対象 60へ照 射される。
[0058] 次に、本発明にかかる非破壊分光測定器で、果実の糖度を測定する場合の動作 手順を説明する。非破壊分光測定器 1は、片手で持つことができ、もう一方の手で果 実を接触部の遮光フード 50に軽く当て、把持部に設けた測定スィッチ 41を押すと、 約 1秒で糖度が算出され、表示装置 30に表示される。
[0059] 測定スィッチ 41が押されると電源が入り、配置された LED153が順次発光する。発 光した光は、光案内通路 131へ入射して、鏡 71で反射して照射窓 141から果実 60 へ照射される。
[0060] 光通路 131の途中に配置された光分岐用ガラス板 191によって、 LEDの入射光の うち常に一定の割合 (8%)の光が反射され、分岐光検出素子 171により検出される。 分岐光検出素子 171で受光した光の強度がフィードバックされて、光通路 131から測 定対象 60に照射される光の強度が一定値になるように LED153の電流が制御され る。
[0061] 測定対象である果実に照射された光は、果実の内部で、拡散反射を繰り返し、その 一部が、反射光検出素子 172により検出される。ただし、光照射窓 141から果実に照 射された光のうち果実表面からの直接反射光は、保護用クッション 51によって遮光さ れ、反射光検出素子 172では検出されない。
[0062] 反射光検出素子 172によって検出された光の強度は、温度検出素子 162が得た果 実の温度データと、温度検出素子 161が得た LEDの温度データとともに、前もって 用意された関係式に代入され、糖度が算出される。算出された糖度は表示装置 30に 一定時間表示された後、電源が落ち、動作を完了する。
[0063] 次に、本発明にかかる非破壊分光測定器において、反射光検出素子 172の反射 光強度検出データと温度検出素子 161が得た LEDの温度データと測定対象温度検 出素子 162が得た果実の温度データから糖度を算出する関係式について説明する 。本発明にかかる非破壊分光測定器は、果実の糖度を非破壊で測定する。その方 法は、透過力の比較的強い短波長領域の分光された近赤外線を果実に照射し、透 過光量から吸光度を得て、その吸光度に対して果実の温度による補正を行った値か ら甘味に関連した指標を求めるものである。
[0064] 反射光検出素子 172によって得られた五つの波長（ λ 1— λ 5)における果実の吸 光度を、それぞれ L ( l)、 L ( 2)、 L ( 3)、 L ( 4)、 L ( 5)とし、温度検出素子 162が得た果実の温度データを Tl、温度検出素子 161が得た LEDの温度データを T2とすると、果実の糖度 Cは、一般に下記（1)式で表される。
[数 1]
C = f ( L (入 1), L (入 2) , L (入 :3) . L (入 4)， L (入 5) , T 1 , T 2) ··· ( 1 )
[0065] 本測定器 1においては、下記（2)式の関係式を用いた
[数 2] C = k 0+ k 1* L (λ 1)+ k 2* L (λ 2)+ k 3* L (λ 3) .
+ k 4* L(A4)+k 5* L (λ 5)+ k 6* T 1+ k 7* T 2- ( 2 )
[0066] ここで、 K0、 Kl、 K2、 ···、 K7は比例定数を示す。
[0067] ただし、吸光度 L( λη)は、果実の温度の変化や、 LEDの温度変化による測定波 長（ λ n)の変化によってわずかながら変化する力 以下に述べる方法で Knの最適 値を求める場合、上記（2)式の右辺の最後の二つの項によって補正が可能である。
[0068] 将来、測定を想定される果実については、少なくとも 100個以上の試料を関係式の 作成用に用意し、吸光度 L( n)、試料の温度 Tl、 LEDの温度 Τ2、屈折糖度計に よる糖度 Cなどのデータを測定した。その際、恒温槽を用いて試料の温度、 LED (実 際には本測定器本体）の温度を、それぞれ 5°Cから 40°Cまで 5°Cおきに変化させ、試 料温度と LED温度のそれぞれの組み合わせにおけるデータを測定した。
[0069] このようにして得たデータをコンピュータにより統計的に処理し、線形重回帰分析の 手法を用いて、 Knの最適値を得た。この結果、 5°Cから 40°Cの測定環境の下で、高 精度の糖度の推定が可能となった。
[0070] 本発明による非破壊分光測定器においては、試料の温度、 LEDの温度を反映す る値として、温度検出素子 162で得た T1,温度検出素子 161で得た T2を関係式の パラメータとして用いたが、試料の温度や LEDの温度に相関の高い波長の吸光度な どを関係式のパラメータとして換わりに用いることで、測定対象温度検出素子 162や 発光素子温度検出素子 161を利用しないことも可能である。
[0071] 以上の実施の形態では、発光素子 153を 5個用い、それぞれの発光波長のピーク 波長力 810、 845、 872、 904、 915nmのレヽずれ力であり、半値幅力 S4nm以下と狭 い発光ダイオードであり、温度による波長変動が 0.2nm/°C以下であるものを用い た例を説明したが、例えば室内のような温度変化の少なレ、環境で使用する場合など では、発光波長のピーク値が 810、 872、 904nmの 3個の LEDとしても十分に精度 の高レ、測定結果を得ることができる。
[0072] また、本発明によれば、発光素子の温度を監視して発光素子の発光強度を制御す るようにしてレ、るので、温度変化が多少大きな LDを用いても十分実用に供し得る非 破壊分光測定器を提供することができる。
[0073] 光を照射して内部で拡散反射された光により測定対象の内部の糖度などの成分を 測定するには、照射光が十分に内部に到達しそこで拡散反射された光の強度を検 出する必要がある。そのためには、測定対象への光照射部と反射光受光部との距離 を大きくする必要がある、しかしながら、光照射部と反射光受光部との距離を大きくす ると、光の減衰が大きくなり精度が低下するという問題がある。上記の説明では、光の 減衰に対処するために、 1つの光照射部からの光を 4つの受光部によって検出して 精度を上げている。
[0074] し力 ながら、測定対象によっては、 5個の発光素子 153と 1個の位置検出用発光 素子 155と 1個の回転ミラー部 70からなる 1個の発光部と、 1個の反射光検出素子 17 2とから本発明の非破壊分光測定器を構成してもよい。さらに、スイカやメロンなどの 外皮の厚い測定対象の場合には、 1個の反射光検出素子 172の周囲に、 5個の発 光素子 153と 1個の位置検出用発光素子 155と 1個の回転ミラー部 70からなる発光 部を 4個配置して、照射光の強度を高め、測定精度を上げることも可能である。この 場合、取付板 14の光照射窓 141と光検出素子保持穴 142の配置を入替えればよい
[0075] 本発明では、複数の発光素子 153からの光を鏡 71によって反射して測定対象 60 に照射しているので、拡散板を用いた先行技術に比較して、発光素子の光を効率良 く用いることができ、精度高く測定することができる。
符号の説明
[0076] 1 非破壊分光測定器
10 光学ユニット
13 光学ブロック
131 光通路
132 光分岐通路
134 ガラス板保持溝
135 光検出素子保持穴 137 発光素子固定用穴
138 位置検出用発光素子固定用穴
139 温度検出素子固定用穴
14 取付板
141 光照射窓
142 光検出素子保持穴
143 測定対象検出用発光素子保持穴
144 測定対象温度検出素子保持穴
151 測定対象検出用発光素子
153 発光素子
155 位置検出用発光素子
156 位置検出用受光素子
161 発光素子温度検出素子
162 測定対象温度検出素子
171 分岐光検出素子
172 反射光検出素子
191 光分岐用ガラス板
192 保護ガラス板
20 演算制御部
21 成分演算部
22 既知のスペクトルデータから得た検量線 23 発光制御部
24 回転制御部
0 表示装置
0 電源部
1 測定スィッチ
0 遮光フード
1 緩衝兼遮光用： 測定対象 (果実） 回転ミラー部 鏡
裏面
回転ミラー支持部材 スリット ミラー支持面 ミラー支持爪 貫通穴 ネジ穴
駆動ユニット ステッピングモータ 回転軸
軸受
取付板

Claims

請求の範囲
[1] 円周上に円周の中心に向けて配置された異なる発光波長を有する複数の発光手段 と、円周の中心に位置し発光手段からの光を測定対象に向けて反射する鏡と、測定 対象に照射し測定対象内部で拡散反射した発光手段からの光の強度を検出する反 射光検出手段とを有し、異なる波長の吸光度から測定対象の成分の大きさを測定す る非破壊分光測定器において、
前記鏡力 S、ステッピングモータによって駆動される回転体に取り付けられ、 異なる発光波長を有する複数の発光素子を順次発光させることを特徴とする非破壊 分光測定器。
[2] 請求項 1に記載の非破壊分光測定器において、
円周上に円周の中心に向けて配置された位置検出用発光手段を設け、
前記回転体には発光手段からの光が入射する面と反対側にスリットを設け、 位置検出用発光手段に近接して位置検出用受光素子を設け、
回転体のスリットから回転体内部空間に導入された位置検出用発光素子からの光が 内部空間で乱反射してスリットを経由して位置検出用受光素子に到達したことを検出 して回転体の原点を決定することを特徴とする非破壊分光測定器。
[3] 請求項 1または請求項 2に記載の非破壊分光測定器において、
測定環境の温度や測定対象の温度について様々な条件下で測定したデータをもと に作成した検量線を用いて、使用時の温度に関する測定条件の違いによる誤差を 軽減したことを特徴とする非破壊分光測定器。
[4] 円周上に円周の中心に向けて配置された位置検出用発光手段および異なる発光波 長を有する複数の発光手段と、円周の中心に位置し発光手段からの光を測定対象 に向けて反射する鏡とを有する光照射装置において、
前記鏡が、ステッピングモータによって駆動される円筒状の回転体に取り付けられ、 回転体には発光手段からの光が入射する面と反対側にスリットを設け、
位置検出用発光手段に近接して位置検出用受光素子を設け、
回転体のスリットから回転体内部空間に導入された位置検出用発光素子からの光が 内部空間で乱反射してスリットを経由して位置検出用受光素子に到達したことを検出 して回転体の原点を決定し、異なる発光波長を有する複数の発光素子を順次発光さ せることを特徴とする光照射装置。
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