JP2023069314A - 光測定方法および光測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】被測定物の配置と光照射のタイミングを合わせなくても、移動する被測定物を抜けなく正確に測定できる方法および装置を提供する。
【解決手段】光測定装置１００において、照明装置２００は、被測定物ＯＢＪが通過する照射領域に対して、経時的に波長が変化するパルス光Ｓ_ＩＮを所定の繰り返し周波数で照射する。光検出器３０２は、パルス光Ｓ_ＩＮが照射された被測定物ＯＢＪからの光Ｓ_ＯＢＪを受光する。光検出器３０２が生成する検出信号が、被測定物ＯＢＪの分光スペクトルの演算に利用される。パルス光Ｓ_ＩＮの繰り返し周波数をｆ［Ｈｚ］、被測定物ＯＢＪの移動方向の有効サイズをＤ［ｍ］、被測定物ＯＢＪの移動速度をｖ［ｍ／ｓ］、被測定物ＯＢＪの表面におけるパルス光の照射スポットの移動方向のサイズをｄ［ｍ］としたときに、
（ｆ・（Ｄ－ｄ）／ｖ）≧２．０…（１）
を満たす。
【選択図】図１

Description

本開示は、光測定装置に関する。

対象物の成分分析や検査に分光解析が広く用いられる。分光解析では、測定光を対象物に照射し、対象物の影響を受けた物体光のスペクトルが測定される。そして、物体光のスペクトルと測定光のスペクトルの関係にもとづいて、反射特性（波長依存性）あるいは透過特性などの光学的特性を得ることができる。

特許文献１や２には、製品検査装置が開示される。この製品検査装置は、対象物にパルス光を照射するためのパルス光源と、対象物からの光が入射する位置に配置された光検出器と、光検出器からの出力に従って対象物の分光特性を算出する演算手段を備えている。

特開２０２０－１５９９７１号公報 特開２０２０－１５９９７３号公報

製品検査装置では、対象物が測定位置を通過するタイミングと、パルス光源の光照射タイミングを合わせないと、正確な分光測定をおこなうことができない。そのため、配置と照射のタイミングを合わせるための機構が必要となり、装置が複雑になるという問題があった。

本開示は係る課題に鑑みてなされたものであり、その例示的な目的のひとつは、被測定物の配置と光照射のタイミングを合わせなくても、移動する被測定物を抜けなく正確に測定できる方法および装置を提供することにある。

本開示のある態様の光測定方法は、被測定物が通過する照射領域に対して、経時的に波長が変化するパルス光を所定の繰り返し周波数で照射する第１ステップと、第１ステップにおいてパルス光が照射された被測定物からの光を光検出器により検出する第２ステップと、第２ステップにおいて光検出器が生成する検出信号にもとづいて、被測定物の分光スペクトルを得る第３ステップと、を備える。パルス光の繰り返し周波数をｆ［Ｈｚ］、被測定物の移動方向の有効サイズをＤ［ｍ］、被測定物の移動速度をｖ［ｍ／ｓ］、被測定物の表面におけるパルス光の照射スポットの移動方向のサイズをｄ［ｍ］としたときに、
（ｆ・（Ｄ－ｄ）／ｖ）≧２．０ …（１）
を満たす。

本開示の別の態様は、光測定装置である。この光測定装置は、被測定物が通過する照射領域に対して、経時的に波長が変化するパルス光を所定の繰り返し周波数で照射する照明装置と、パルス光が照射された被測定物からの光を受光する光検出器と、を備え、光検出器が生成する検出信号が、被測定物の分光スペクトルの演算に利用され、パルス光の繰り返し周波数をｆ［Ｈｚ］、被測定物の移動方向の有効サイズをＤ［ｍ］、被測定物の移動速度をｖ［ｍ／ｓ］、被測定物の表面におけるパルス光の照射スポットの移動方向のサイズをｄ［ｍ］としたときに、
（ｆ・（Ｄ－ｄ）／ｖ）≧２．０ …（１）
を満たす。

なお、以上の構成要素を任意に組み合わせたもの、本開示の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本開示の態様として有効である。

本開示のある態様によれば、被測定物の配置と光照射のタイミングを合わせなくても、移動する被測定物を抜けなく正確に測定できる。

実施形態に係る光測定装置を示すブロック図である。 測定光Ｓ_ＩＮを説明する図である。 図１の光測定装置による分光を説明する図である。 図４（ａ）、（ｂ）は、光測定装置における光照射を説明する図である。 パルス光の照射条件を説明する図である。 被測定物に対するパルス照射の一例を示す図である。 図７（ａ）、（ｂ）は、条件１および条件２での実験結果を示す図である。 光測定装置の一形態である検査装置を示す図である。 変形例１に係る光測定装置を示す図である。 変形例３に係る光測定装置を示す図である。 変形例４に係る光測定装置を示す図である。

（実施形態の概要）
本開示のいくつかの例示的な実施形態の概要を説明する。この概要は、後述する詳細な説明の前置きとして、実施形態の基本的な理解を目的として、１つまたは複数の実施形態のいくつかの概念を簡略化して説明するものであり、発明あるいは開示の広さを限定するものではない。この概要は、考えられるすべての実施形態の包括的な概要ではなく、すべての実施形態の重要な要素を特定することも、一部またはすべての態様の範囲を線引きすることも意図していない。便宜上、「一実施形態」は、本明細書に開示するひとつの実施形態（実施例や変形例）または複数の実施形態（実施例や変形例）を指すものとして用いる場合がある。

一実施形態に係る光測定方法は、以下の処理を含む。
第１ステップ 被測定物が通過する照射領域に対して経時的に波長が変化するパルス光を所定の繰り返し周波数で照射する。
第２ステップ 第１ステップにおいてパルス光が照射された被測定物からの光を光検出器により検出する。
第３ステップ 第２ステップにおいて光検出器が生成する検出信号にもとづいて、被測定物の分光スペクトルを得る。
パルス光の繰り返し周波数をｆ［Ｈｚ］、被測定物の移動方向の有効サイズをＤ［ｍ］、被測定物の移動速度をｖ［ｍ／ｓ］、被測定物の表面におけるパルス光の照射スポットの移動方向のサイズをｄ［ｍ］としたときに、式（１）を満たす。
（ｆ・（Ｄ－ｄ）／ｖ）≧２．０ …（１）

一実施形態に係る光測定装置は、被測定物が通過する照射領域に対して、経時的に波長が変化するパルス光を所定の繰り返し周波数で照射する照明装置と、パルス光が照射された被測定物からの光を受光する光検出器と、を備える。光検出器が生成する検出信号は、被測定物の分光スペクトルの演算に利用される。パルス光の繰り返し周波数をｆ［Ｈｚ］、被測定物の移動方向の有効サイズをＤ［ｍ］、被測定物の移動速度をｖ［ｍ／ｓ］、被測定物の表面におけるパルス光の照射スポットの移動方向のサイズをｄ［ｍ］としたときに、
（ｆ・（Ｄ－ｄ）／ｖ）≧２．０ …（１）
を満たす。なお、被測定物が加速度運動を行う場合、移動速度ｖ［ｖ／ｍ］は、平均速度をとればよい。

一実施形態に係る光測定装置／方法において、被測定物の移動と非同期でパルス光を照射した場合において、式（１）を満たすとき、少なくとも１つのパルス光が、そのパルスの持続時間（パルス幅）の間、移動中の被測定物に対して照射されることが保証される。これにより、被測定物の配置と照射のタイミングを合わせなくても、移動する被測定物を抜けなく正確に測定できる。

ここで「有効サイズ」とは、被測定物のうち、実質的にスペクトルの測定に寄与する部分のサイズをいう。たとえば、被測定物へのパルス光の入射側、あるいは被測定物からの光の出射側において、光の一部あるいは全部が遮蔽される場合には、遮蔽されている部分は測定に寄与しないから、その部分を除いた範囲のサイズが有効サイズとなる。

一実施形態において、
（ｆ・（Ｄ－ｄ）／ｖ）≧１０．０ …（２）
を満たしてもよい。これにより、少なくとも９個のパルス光が、被測定物に対して照射されることが保証される。これにより、少なくとも９回分の光検出器の出力を積算することにより、Ｓ／Ｎ比を改善できる。

一実施形態において、
（ｆ・（Ｄ－ｄ）／ｖ）≧５００．０ …（３）
を満たしてもよい。これにより、少なくとも４９９個のパルス光が、移動中の被測定物に対して照射されることが保証される。これにより、少なくとも４９９回分の光検出器の出力を積算することにより、Ｓ／Ｎ比を改善できる。これは被測定物の透過光を測定する場合において、透過率が低い場合に有効である。

一実施形態において、
（ｆ・（Ｄ－ｄ）／ｖ）≧５０００．０ …（４）
を満たしてもよい。これにより、少なくとも４９９９個のパルス光が、移動中の被測定物に対して照射されることが保証される。これにより、少なくとも４９９９回分の光検出器の出力を積算することにより、Ｓ／Ｎ比を改善できる。これは透過率が非常に低い（たとえば１０％以下）被測定物の透過光を測定する場合において有効である。

一実施形態において、ｖ＞０．５ｍ／ｓであってもよい。
ｖ＞０．５ｍ／ｓの移動速度は、一般的な分光測定の応用においては高速な部類に入る。被測定物の配置と同期して、照射のタイミングを制御する場合、移動速度が速ければ速いほど、その制御の難易度は高くなる。これに対して、本実施形態では、タイミング合わせが不要であるため、移動速度が速い応用において特に有用である。

一実施形態において、搬送装置による搬送によって移動してもよい。この場合、移動速度ｖを制御しやすいという利点がある。

一実施形態において、被測定物は、落下により移動してもよい。被測定物を支持部材などによって支持した状態で測定すると、支持部材によって光の一部が遮蔽されるなどの問題が生ずるが、この方式では、自由空間中の被測定物を測定できるため、光の遮蔽の問題を解決できる。また、被測定物を移動させる搬送手段を省略でき、あるいは構成を簡素化できる。

一実施形態において、被測定物は、斜面を滑ることにより移動してもよい。これにより、被測定物を移動させる搬送手段を省略でき、あるいは構成を簡素化できる。

一実施形態において、照明装置は、広帯域のパルス光源と出射されたパルス光のパルス幅を１パルスにおける波長と経過時間との関係が１対１となるように伸長させるパルス伸長素子を備えてもよい。

一実施形態において、パルス伸長素子は、パルス光源から出射されたパルス光を波長に応じて空間的に分割するアレイ導波路回折格子と、アレイ導波路回折格子が分割する波長の数に応じた数の複数のファイバと、を備えてもよい。

（実施形態）
以下、本開示を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、開示を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも開示の本質的なものであるとは限らない。

図面に記載される各部材の寸法（厚み、長さ、幅など）は、理解の容易化のために適宜、拡大縮小されている場合がある。さらには複数の部材の寸法は、必ずしもそれらの大小関係を表しているとは限らず、図面上で、ある部材Ａが、別の部材Ｂよりも厚く描かれていても、部材Ａが部材Ｂよりも薄いこともあり得る。

図１は、実施形態に係る光測定装置１００を示すブロック図である。光測定装置１００は、対象物ＯＢＪの透過スペクトルを測定する分光器であり、主として照明装置２００、受光装置３００、搬送装置４００、処理装置５００を備える。いくつかの図において、照明装置２００や受光装置３００などを簡略化して箱で示す場合があるが、これは、それぞれを構成する部材が、単一の筐体に収容されることを意図したものではない。また、図面の上下、左右も、実際の光測定装置１００における各部材の配置や、光の進行方向を限定するものではない。

照明装置２００は、被測定物ＯＢＪが通過する照射領域に対して、経時的に波長が変化するパルス光（以下、測定光と称する）Ｓ_ＩＮを所定の繰り返し周波数で照射する。測定光Ｓ_ＩＮは、時間と波長が一対一の関係で対応付けられる。これを測定光Ｓ_ＩＮは「波長の一意性を有する」という。照明装置２００は、公知技術を用いて構成すればよく、たとえば特許文献１や２に記載のものを用いることができる。

搬送装置４００は、被測定物ＯＢＪを支持および搬送する。なお「支持する」とは、被測定物ＯＢＪを物理的に固定することのほか、ある範囲に留め置くことを含む。搬送装置４００によって、被測定物ＯＢＪは照射領域を横切るように移動する。本実施形態において、照明装置２００は、搬送装置４００による被測定物ＯＢＪの搬送と非同期で、言い換えるとフリーランで動作する。

図２は、測定光Ｓ_ＩＮを説明する図である。図２の上段は、測定光Ｓ_ＩＮの強度（時間波形）Ｉ_ＩＮ（ｔ）を、下段は測定光Ｓ_ＩＮの波長λの時間変化を示す。

この例において、測定光Ｓ_ＩＮは１個のパルスであり、その前縁部において主波長がλ_１、後縁部において主波長がλ_２であり、１パルス内で波長がλ_１からλ_２の間で経時的に変化する。この例では、測定光Ｓ_ＩＮは、時間とともに振動数が増加する、言い換えると時間とともに波長が短くなる正のチャープパルス（λ_１＞λ_２）である。なお、測定光Ｓ_ＩＮは、時間とともに波長が長くなる負のチャープパルスであってもよい（λ_１＜λ_２）。

図１に戻る。測定光Ｓ_ＩＮは、被測定物ＯＢＪの第１面（上面）に照射され、被測定物ＯＢＪを透過し、その第２面（下面）から透過光（以下、物体光ともいう）Ｓ_ＯＢＪとして放射される。測定光Ｓ_ＩＮのスペクトルをＩ_ＩＮ（λ）、物体光Ｓ_ＯＢＪの透過率の波長依存性をＴ（λ）とするとき、物体光Ｓ_ＯＢＪのスペクトルＩ_ＯＢＪ（λ）は、以下の式で表される。
Ｉ_ＯＢＪ（λ）＝Ｔ（λ）×Ｉ_ＩＮ（λ）

物体光Ｓ_ＯＢＪは、正透過光と拡散透過光を含みうるが、本実施形態は、拡散透過光が支配的である物体ＯＢＪの分光測定に特に好適である。正透過光は、測定光Ｓ_ＩＮの光軸と同じ方向に放射されるのに対して、拡散透過光である物体光Ｓ_ＯＢＪは、測定光Ｓ_ＩＮの光軸の方向のみでなく、それと異なる方向に広く放射される。たとえば拡散透過光は、光軸の方向を０°としたときに、コサイン特性の強度分布で放射される。

受光装置３００は、搬送装置４００を挟んで照明装置２００と反対側に設けられており、被測定物ＯＢＪの第２面から放射される拡散透過光を検出する。受光装置３００は、被測定物ＯＢＪの拡散透過光を物体光Ｓ_ＯＢＪとして検出する光検出器３０２を含む。受光装置３００は、光検出器３０２に加えて、集光光学系などを含みうるが、図１では省略している。

光検出器３０２は、光信号を電気信号に変換する光電変換素子であり、フォトダイオード、アバランシェフォトダイオード、フォトトランジスタ、光電効果を利用した光電子増倍管（フォトマル）や光照射による電気抵抗変化を利用した光電導素子などが例示される。

光検出器３０２の出力は、Ａ／Ｄコンバータによってデジタルの検出信号に変換され、処理装置５００に供給される。検出信号は、物体光Ｓ_ＯＢＪの時間波形Ｉ_ＯＢＪ（ｔ）を示す。

処理装置５００は、受光装置３００の出力信号にもとづいて、物体光Ｓ_ＯＢＪのスペクトルＩ_ＯＢＪ（λ）を生成する。そして、測定光Ｓ_ＩＮのスペクトルＩ_ＩＮ（λ）と物体光Ｓ_ＯＢＪのスペクトルＩ_ＯＢＪ（λ）にもとづいて、被測定物ＯＢＪの透過率Ｔ（λ）を計算する。
Ｔ（λ）＝Ｉ_ＯＢＪ（λ）／Ｉ_ＩＮ（λ）

被測定物ＯＢＪよりも照明装置２００側において、測定光Ｓ_ＩＮの一部をビームスプリッタなどを利用して別経路に分岐し、分岐された測定光Ｓ_ＩＮの時間波形Ｉ_ＩＮ（ｔ）を、受光装置３００とは別の受光装置（図１に不図示）で測定し、測定光Ｓ_ＩＮのスペクトルＩ_ＩＮ（λ）を得てもよい。あるいは、測定光Ｓ_ＩＮの安定性が高い場合には、予め測定したスペクトルＩ_ＩＮ（λ）を保持しておき、それを用いることができる。

図３は、図１の光測定装置１００による分光を説明する図である。上述のように、測定光Ｓ_ＩＮは、時間ｔと波長λが１対１で対応しているから、その時間ドメインの波形Ｉ_ＩＮ（ｔ）は、周波数ドメインのスペクトルＩ_ＩＮ（λ）に変換することができる。

この測定光Ｓ_ＩＮから生成される物体光Ｓ_ＯＢＪの時間波形Ｉ_ＯＢＪ（ｔ）も、時間ｔと波長λが１対１で対応したものとなる。したがって処理装置５００は、受光装置３００の出力が示す物体光Ｓ_ＯＢＪの波形Ｉ_ＯＢＪ（ｔ）を、物体光Ｓ_ＯＢＪのスペクトルＩ_ＯＢＪ（λ）に変換することができる。

処理装置５００は、２つのスペクトルＩ_ＯＢＪ（λ）とＩ_ＩＮ（λ）の比Ｉ_ＯＢＪ（λ）／Ｉ_ＩＮ（λ）にもとづいて、被測定物ＯＢＪの透過スペクトルＴ（λ）を計算することができる。

測定光Ｓ_ＩＮにおける時間ｔの波長λの関係が、λ＝ｆ（ｔ）なる関数で表されるとする。最も簡易には、波長λは、時間ｔに対して、一次関数にしたがってリニアに変化する。物体光Ｓ_ＯＢＪの時間波形Ｉ_ＯＢＪ（ｔ）が、ある時刻ｔ_ｘにおいて低下するとき、透過スペクトルＴ（λ）は、波長λ_ｘ＝ｆ（ｔ_ｘ）に吸収スペクトルを有することを意味する。

なお、処理装置５００における処理はこれに限定されない。時間の２つの時間波形Ｉ_ＯＢＪ（ｔ）とＩ_ＩＮ（ｔ）の比Ｔ（ｔ）＝Ｉ_ＯＢＪ（ｔ）／Ｉ_ＩＮ（ｔ）を演算した後に、この時間波形Ｔ（ｔ）の変数ｔをλに変換することで、透過スペクトルＴ（λ）を算出してもよい。

図４（ａ）、（ｂ）は、光測定装置１００における光照射を説明する図である。図４（ａ）には、被測定物ＯＢＪと、測定光Ｓ_ＩＮの瞬時的な照射スポットＳＰが示される。実際には照射スポットＳＰの位置は固定であり、被測定物ＯＢＪが移動するが、ここでは、これらの相対的な運動を、照射スポットＳＰが移動するものとして示している。ここでは被測定物ＯＢＪや照射スポットＳＰを円形で示すが、それらの形状は特に限定されない。

被測定物ＯＢＪの移動方向（図中、右方向）の有効サイズをＤ［ｍ］、被測定物ＯＢＪの移動速度をｖ［ｍ／ｓ］とする。図１を参照すると、被測定物ＯＢＪが、底面側から放射される物体光Ｓ_ＯＢＪが、搬送装置４００によって遮蔽されている。つまり被測定物ＯＢＪのうち、遮蔽されている範囲は測定に寄与しない。この場合、搬送装置４００の開口の幅が、被測定物ＯＢＪの有効サイズＤとなる。

図１において、搬送装置４００の被測定物ＯＢＪを支持、搬送する部分が透明である場合、被測定物ＯＢＪの有効サイズは、被測定物ＯＢＪの実際のサイズと一致しうる。

図４（ａ）、（ｂ）に戻る。また被測定物ＯＢＪの表面における測定光Ｓ_ＩＮの照射スポットの移動方向のサイズをｄ［ｍ］とする。ｄ＜Ｄの関係が成り立つものとする。図４（ｂ）には、パルス光が形成する照射エリアＡが示される。測定光のパルス幅がＴｐ［ｓ］であるとき、照射エリアＡの幅は、パルス幅Ｔｐに対して線形に伸びる。

図４（ｂ）には、時間的に隣接する２個のパルスが形成する照射エリアＡが示されている。２個の照射エリアＡの間隔は、パルス光の繰り返し周期Ｔｒ＝１／ｆ［ｓ］に応じて長くなる。ｆ［Ｈｚ］は、パルス光の繰り返し周波数である。測定光のパルス幅Ｔｐは、光照射の周期Ｔｒより小さく、以下の関係が成り立っている。
Ｔｐ＜Ｔｒ
Ｔｐ／Ｔｒをデューティサイクルとも称する。

上述のように、本実施形態において、照明装置２００は、搬送装置４００による被測定物ＯＢＪの搬送と非同期で動作する。このような場合に、少なくともひとつのパルス光は、いかなる状況においても、そのパルスの持続時間（パルス幅）の間、移動中の被測定物ＯＢＪに対して、それからはみ出すことなく照射される必要がある。言い換えると、図４（ｂ）において、少なくともひとつの照射エリアＡが、被測定物ＯＢＪからはみ出すことなく完全に包含される必要がある。このための条件を説明する。

図５は、パルス光の照射条件を説明する図である。パルスの測定光Ｓ_ＩＮのデューティサイクルが限りなく１に近い状態（すなわちＴｐ≒Ｔｒ）を考える。図５には、時間的に連続するＫ＝２個のパルス光が形成する照射エリアＡ_ｉ，Ａ_ｉ＋１が両方、被測定物ＯＢＪからはみ出すことなく照射される状態を示している。この状態では、以下の式が成り立つ。
（ｆ・（Ｄ－ｄ）／ｖ）＝２．０
この場合、Ｋ＝２個のパルス光が、スペクトルの測定に利用される。

図６は、被測定物に対するパルス照射の一例を示す図である。被測定物ＯＢＪの搬送とパルス光の照射は非同期であるから、図６に示すように、照射エリアＡと被測定物ＯＢＪの位置関係は左右方向でドリフトする。図６には、時間的に連続する３個（＝Ｋ＋１）のパルス光が形成する照射エリアＡ_ｉ，Ａ_ｉ＋１，Ａ_ｉ＋２が示されている。上記関係式が成り立っている場合、時間軸上でパルス発光のタイミングが前後にずれたとしても、連続する３個の照射エリアＡ_ｉ，Ａ_ｉ＋１，Ａ_ｉ＋２のうち、中央の照射エリアＡ_ｉ＋１は、被測定物ＯＢＪに完全に包含される。

なお、図６の状況において、一部が被測定物ＯＢＪからはみ出している照射エリアＡ_ｉについては、図３に示す物体光Ｓ_ＯＢＪの時間波形Ｉ_ＯＢＪ（ｔ）のうち、前半部分が欠落するか、あるいは被測定物ＯＢＪの情報を含んでいないこととなる。同様に、照射エリアＡ_ｉ＋１についても、図３に示す物体光Ｓ_ＯＢＪの時間波形Ｉ_ＯＢＪ（ｔ）の後半部分が欠落するか、被測定物ＯＢＪの情報を含んでいないこととなる。

したがって、照射エリアＡ_ｉ，Ａ_ｉ＋２に対応する物体光Ｓ_ＯＢＪの時間波形Ｉ_ＯＢＪ（ｔ）については、スペクトルの測定には反映させずに、除去することが望ましい。不適切な時間波形Ｉ_ＯＢＪ（ｔ）の除去の方法は限定されない。たとえば不適切な時間波形Ｉ_ＯＢＪ（ｔ）については、Ａ／Ｄコンバータによる取り込みを行わないこととしてもよい。あるいはＡ／Ｄコンバータによって取り込んだ後に、信号処理によって積算処理から除外することとしてもよい。ある時間波形Ｉ_ＯＢＪ（ｔ）が不適切であるかどうかは、その波形にもとづいて判定してもよい。あるいは、被測定物ＯＢＪの位置と照射エリアＡの位置を監視して判定してもよい。

このようにして、図６の状況では、時間的に連続する３個のパルス光のうち中央のひとつを、スペクトルの測定に利用することができる。

以上の考察から、いかなる状況においても、１個の照射エリアＡが被測定物ＯＢＪに包含される条件、言い換えれば、少なくとも１個のパルス光が、その持続時間（パルス幅）Ｔｐの間、被測定物ＯＢＪに照射される条件は、
（ｆ・（Ｄ－ｄ）／ｖ）≧２．０ …（１）
となる。

関係式（１）を満たすように、ｆ、Ｄ，ｄ，ｖを規定することにより、被測定物の配置と照射のタイミングを合わせなくても、移動する被測定物ＯＢＪを抜けなく正確に測定できる。

式（１）を変形すると、許容される周波数範囲として、式（１ａ）を得る。
ｆ≧２．０×ｖ／（Ｄ－ｄ） …（１ａ）

これまでの説明では、１個の被測定物ＯＢＪに対して、１個のパルス光を確実に照射するための条件について考察したが、任意の定数Ｋ（Ｋ≧２）を導入して式（１ａ）を一般化すると、式（１ｂ）を得る。
ｆ＝Ｋ×ｖ／（Ｄ－ｄ） …（１ｂ）
式（１ｂ）を満たすように繰り返し周波数ｆを定めた場合、少なくとも（Ｋ－１）個のパルスが、それぞれのパルス幅の全区間にわたり、被測定物ＯＢＪに照射されることが保証される。定数Ｋを大きくするほど、１個の被測定物ＯＢＪに照射されるパルス光の個数が増え、Ｓ／Ｎ比を高めることができる。

たとえばＫ≧１０とする場合、式（２）が条件式となる。
（ｆ・（Ｄ－ｄ）／ｖ）≧１０．０ …（２）
これにより、少なくとも９個のパルス光が、被測定物に対して照射されることが保証される。これにより、少なくとも９回分の光検出器の出力を積算することにより、Ｓ／Ｎ比を改善できる。Ｋが小さい場合は、反射スペクトルの測定に適している。

たとえばＫ≧５００とすれば、式（３）が条件式となる。
（ｆ・（Ｄ－ｄ）／ｖ）≧５００．０ …（３）
これにより、少なくとも４９９個のパルス光が、移動中の被測定物に対して照射されることが保証される。これにより、少なくとも４９９回分の光検出器の出力を積算することにより、Ｓ／Ｎ比を改善できる。これは被測定物ＯＢＪの透過光を測定する場合において、透過率が低い場合に有効である。

たとえばＫ≧５０００とすれば、式（４）が条件式となる。
（ｆ・（Ｄ－ｄ）／ｖ）≧５０００．０ …（４）
これにより、少なくとも４９９９個のパルス光が、移動中の被測定物に対して照射されることが保証される。これにより、少なくとも４９９９回分の光検出器の出力を積算することにより、Ｓ／Ｎ比を改善できる。これは透過率が非常に低い（たとえば１０％以下）被測定物ＯＢＪの透過光を測定する場合において有効である。

以上が光測定装置１００の構成および動作である。続いて光測定装置１００に関する実験を説明する。

（実験条件）
照明装置２００は、アレイ導波路回折格子（AWG: Array Waveguide Grating）を用いたパルス分光光源である。パルス光Ｓ_ＩＮの波長は、９００～１３００ｎｍであり、伸長時間は０．５μｓ（２ｍ間隔で５０チャンネル）である。パルス光の繰り返し周波数ｆは可変である。

実験は、ｎ＝１００個の被測定物ＯＢＪを対象として、条件１，２の２通りで行った。

（条件１）
被測定物ＯＢＪの移動方向サイズ（光照射面として露出している部分）Ｄ １１ｍｍ
被測定物ＯＢＪの表面におけるパルス光のスポットサイズｄ １ｍｍ
被測定物ＯＢＪの移動速度ｖ １ｍ／ｓ
被測定物ＯＢＪの間隔 １．５７ｍｍ

光検出器３０２の検出信号を、デジタイザでデータ取得し、被測定物ＯＢＪの移動と同期したゲート信号（幅11msec、周期12.57msec）をデジタイザに入力し、ゲート信号がＯＮの時に、シードレーザでトリガをかけて、取り込み時間0.5μsecでデータを取得した。

（条件２）
被測定物ＯＢＪの移動方向サイズ（光照射面として露出している部分）Ｄ １．１ｍｍ
被測定物ＯＢＪの表面におけるパルス光のスポットサイズｄ ０．１ｍｍ
被測定物ＯＢＪの移動速度ｖ １０ｍ／ｓ
被測定物ＯＢＪの間隔 １１．４７ｍｍ

条件２では、幅0.11msec、周期1.257msecのゲート信号を用いた。取り込み時間は0.5μsecである。

（実験結果）
図７（ａ）、（ｂ）は、条件１および条件２での実験結果を示す図である。図７（ａ）を参照する。ｆ＝５０Ｈｚでは５０％（５０個）の被測定物ＯＢＪで正確なスペクトルが得なかったが、１００Ｈｚ，２００Ｈｚおよび１ｋＨｚでは、１００個すべての被測定物ＯＢＪについて、正確にスペクトル測定ができている。

図７（ｂ）を参照する。ｆ＝５ｋＨｚでは５０個の被測定物ＯＢＪについて正確なスペクトルが得られず、ｆ＝１０ｋＨｚでは１個の被測定物ＯＢＪについて正確なスペクトル測定が得られなかった。ｆ＝２０ｋＨｚおよび１００ｋＨｚの場合には、正確にスペクトル測定ができている。

この実験結果は、関係式（１）の妥当性を裏付けるものである。

（用途）
続いて、実施形態に係る光測定装置１００の用途を説明する。光測定装置１００は粉末を固形状に固めた飲食品などの製品の検査装置に利用することができる。図８は、光測定装置１００の一形態である検査装置８００を示す図である。検査装置８００は、飲食品などの製品Ｐを大量に検査し、良否を判定する。飲食品の場合、その透過率は１／１００～１／１０００のオーダーである。

検査装置８００は、光測定装置１００に関して説明したように、照明装置２００、受光装置３００、搬送装置４００、処理装置５００を備える。さら検査装置８００は、受光装置８１０、ビームダンパ８２０、デジタイザ８３０、ポンプ８４０を備える。

照明装置２００は、光源２１０、パルスストレッチャ２２０、照射光学系２３０を備える。光源２１０は、少なくとも１０ｎｍの連続スペクトル、具体的には９００～１３００ｎｍの近赤外領域において広い連続スペクトルを有するコヒーレントなパルス光を生成する。光源２１０は、パルスレーザと非線形素子を含むＳＣ（Super Continuum）光源であってもよい。パルスレーザは、モードロックレーザ、マイクロチップレーザ、ファイバレーザなどを用いることができる。非線形素子は、フォトニッククリスタルファイバなどの非線形ファイバを用いることができる。

パルスストレッチャ２２０は、光源２１０が生成するパルス光のパルス幅を、時間と波長が１対１で対応する態様で伸張する。パルスストレッチャ２２０は、１本の波長分散ファイバで構成してもよい。

あるいは、パルスストレッチャ２２０は、パルス光を波長毎に複数の経路に分岐する分波器と、複数の経路毎に異なる遅延を与える複数のファイバ（ファイバ束）と、複数のファイバの出力を再結合する合波器で構成してもよい。分波器は、プレーナ光波回路(ＰＬＣ：Planar Lightwave Circuits)で構成することができ、具体的にはアレイ導波路回折格子（AWG: Array Waveguide Grating）で構成してもよい。ファイバ束を構成する複数のファイバは長さが異なっている。

搬送装置４００の支持部分４０１は、凹部４１０を備える。凹部４１０の内部には、上流（図中左手側）において、マウンタ（不図示）により、複数の製品Ｐが載置される。搬送装置４００は、複数の支持部分４０１を、それらの配列方向（図中、右方向）に移動させる。なお、凹部４１０の面のうち、製品Ｐが載置される面を表面、その反対の面を裏面と称することとする。

照射光学系２３０は、伸張後のパルスを、測定光Ｓ_ＩＮとして照射領域１０に照射する。照射領域１０は、製品Ｐの通過箇所、つまり凹部４１０の通過箇所に定められる。照射光学系２３０は、レンズなどの透過光学系、ミラーなどの反射光学系あるいはそれらの組み合わせで構成することができる。凹部４１０が移動することにより、照射領域１０を、複数の製品Ｐが順次、横切ることになる。

光源２１０は、所定の周波数（周期）でパルス光を繰り返し発生する。光源２１０の動作周波数は、凹部４１０の移動速度つまり製品Ｐの搬送速度に応じて定めればよく、１個の製品Ｐが、照射領域１０に存在する間に、複数の測定光Ｓ_ＩＮが同じ製品Ｐに照射されるように定められる。具体的には、上述した関係式（１）を満たすように、繰り返し周波数ｆが定められる。

光源２１０の動作は、搬送装置４００の動作、言い換えると製品Ｐの位置とは無関係である。したがって、測定光Ｓ_ＩＮは、製品Ｐが凹部４１０内に存在しないときにも、照射領域１０に繰り返し照射される。

受光装置３００は、凹部４１０の上側に設けられている。凹部４１０の底面には、貫通孔４１２が形成される。この貫通孔４１２は、照射光学系２３０からの測定光Ｓ_ＩＮを、製品Ｐの底面に導くために形成される。この構成においては、被測定物である製品Ｐのうち、スペクトル測定に寄与しうる部分、言い換えると測定光Ｓ_ＩＮ（パルス光）が照射できるように露出している部分は、貫通孔４１２の部分となる。したがって、製品Ｐのサイズ（直径）ではなく、貫通孔４１２のサイズ（直径）が、製品Ｐの有効サイズＤとなる。

凹部４１０の裏面側には、ポンプ８４０を設けてもよい。ポンプ８４０は吸引手段を構成しており、凹部４１０の裏面側を負圧にすることにより、製品Ｐが、凹部４１０に吸い付くことになり、製品Ｐの搬送にともなって製品Ｐが凹部４１０から脱落するのを防止できる。

受光装置３００によって、物体光Ｓ_ＯＢＪの時間波形Ｉ_ＯＢＪ（ｔ）が測定される。また、測定光Ｓ_ＩＮの光軸ＯＡ２上には、迷光を防ぐためにビームダンパ８２０が設けられる。

受光装置８１０は、測定光Ｓ_ＩＮのスペクトルを測定するために設けられる。照射光学系２３０は、ビームスプリッタなどを利用して、測定光Ｓ_ＩＮの一部を、参照光Ｓ_ＲＥＦとして別アームに分岐する。受光装置８１０は、別アームに分岐された参照光Ｓ_ＲＥＦの時間波形Ｉ_ＲＥＦ（ｔ）を測定する。この時間波形Ｉ_ＲＥＦ（ｔ）は測定光Ｓ_ＩＮの時間波形Ｉ_ＩＮ（ｔ）と等価である。

デジタイザ８３０は、Ａ／Ｄコンバータを含み、受光装置３００および受光装置８１０の出力すなわち時間波形Ｉ_ＯＢＪ（ｔ），Ｉ_ＲＥＦ（ｔ）を所定のサンプリング周波数でサンプリングし、デジタル信号の波形データＤ_ＯＢＪ（ｔ），Ｄ_ＩＮ（ｔ）に変換する。デジタル出力の受光装置３００、８１０を用いる場合、デジタイザ８３０は省略できる。

処理装置５００は、デジタルの波形データＤ_ＯＢＪ（ｔ）およびＤ_ＩＮ（ｔ）を処理し、製品Ｐの透過特性（あるいは吸収特性）Ｔ（λ）を取得する。処理装置５００は、プロセッサ、メモリ、ハードディスクなどの記憶媒体を含む汎用のあるは専用のコンピュータと、ソフトウェアプログラムの組み合わせで実装することができる。処理装置５００の処理については上述した通りである。

この検査装置８００によれば、製品Ｐの搬送と照明装置２００による光照射のタイミングを合わせなくても、製品Ｐの透過スペクトルを正確に測定することができる。

この検査装置８００によれば、製品Ｐに対して、搬送装置４００側から測定光Ｓ_ＩＮを照射するため、物体光Ｓ_ＯＢＪが貫通孔４１２によって遮られるのを防止でき、より多くの物体光Ｓ_ＯＢＪを受光装置３００によって検出することができる。

なお、図８の検査装置８００では、凹部４１０内に製品Ｐが存在しないときに、測定光Ｓ_ＩＮが貫通孔４１２を通過して、受光装置３００側に漏れることとなる。仮に受光装置３００が測定光Ｓ_ＩＮの光軸ＯＡ２上に配置されていたとすると、製品Ｐが光軸ＯＡ２に存在しないときに、高強度の測定光Ｓ_ＩＮが直接、光検出器３０２に入射することとなり、好ましくない。そこで受光装置３００は、凹部４１０内に製品Ｐが存在しないときには、測定光Ｓ_ＩＮが光検出器３０２に入射しないように構成するとよい。

たとえば受光装置３００は、被測定物ＯＢＪの拡散透過光（物体光Ｓ_ＯＢＪ）のうち測定光Ｓ_ＩＮの光軸ＯＡ２からずれた方向（ズレ角をθとする）に放射される成分Ｓ_θが光検出器３０２に入射するように構成される。

なお、光軸ＯＡ２方向の物体光Ｓ_ＯＢＪが、光検出器３０２に入射しなければよく、受光装置３００の入射アパーチャに入射しても構わない。

これにより、凹部４１０内に製品Ｐが存在しないときに、受光装置３００を保護することができる。この際に、照明装置２００の光源２１０は、搬送装置４００の動作と非同期で、フリーランさせておくことが可能であり、また搬送装置４００の動作と同期したシャッター制御も不要である。

続いて変形例を説明する。

（変形例１）
実施形態では、被測定物ＯＢＪの透過スペクトルを測定したが、反射スペクトルを測定してもよい。図９は、変形例１に係る光測定装置１００Ａを示す図である。受光装置３００は、被測定物ＯＢＪの反射光を物体光Ｓ_ＯＢＪとして検出するように配置される。なお、図９の場合、測定光Ｓ_ＩＮも物体光Ｓ_ＯＢＪも遮蔽されないから、被測定物ＯＢＪの有効サイズは、被測定物ＯＢＪ自体のサイズと一致する。

（変形例２）
図８では、凹部４１０の内部に被測定物ＯＢＪである製品Ｐが収容されたが、製品Ｐの支持および搬送の形態はこれに限定されない。製品Ｐは、ローラコンベヤや単純なベルトに載せた状態で移動してもよい。この場合、隣接する製品Ｐの間隔は不均一となり、被測定物ＯＢＪが照射領域を通過するタイミングの予測は難しい。このような状況においても、式（１）を満たすように照射繰り返し周波数ｆを定めることで、被測定物ＯＢＪのスペクトルを正確に測定できる。

（変形例３）
図１０は、変形例３に係る光測定装置１００Ｂを示す図である。光測定装置１００Ｂは、落下式（ドロップ式）の移動装置４３０を備える。被測定物ＯＢＪは、移動装置４３０の落下口４３２から落下する。被測定物ＯＢＪが自由落下する場合、加速度運動を行う。照明装置２００は、自由空間を落下中の被測定物ＯＢＪに対して測定光Ｓ_ＩＮを繰り返し周波数ｆで照射する。受光装置３００は、被測定物ＯＢＪからの透過光または反射光を測定する。この場合、式（１）における速度ｖは、測定光Ｓ_ＩＮを横切るときの平均速度あるいは最大速度とすればよい。図１０の場合、測定光Ｓ_ＩＮも物体光Ｓ_ＯＢＪも遮蔽されないから、被測定物ＯＢＪの有効サイズは、被測定物ＯＢＪ自体のサイズと一致する。

変形例３では、自由空間中の被測定物ＯＢＪを測定できるため、光の遮蔽の問題を解決できる。また、被測定物ＯＢＪを移動させる搬送手段を省略でき、あるいは構成を簡素化できるという利点がある。

（変形例４）
図１１は、変形例４に係る光測定装置１００Ｃを示す図である。光測定装置１００Ｃは、移動装置４４０を備える。移動装置４４０は、斜面４４２を有する。被測定物ＯＢＪは、斜面４４２上を滑ることにより、照明装置２００の照射範囲を横切るように移動する。受光装置３００は、被測定物ＯＢＪからの透過光または反射光を測定する。被測定物ＯＢＪが加速度運動を行う場合、式（１）における速度ｖは、測定光Ｓ_ＩＮを横切るときの平均速度あるいは最大速度とすればよい。

ＯＢＪ…被測定物、Ｐ…製品、１００…光測定装置、２００…照明装置、２１０…光源、２２０…パルスストレッチャ、２３０…照射光学系、３００…受光装置、３０２…光検出器、４００…搬送装置、４０１…支持部分、４１０…凹部、４１２…貫通孔、４３０…移動装置、４３２…落下口、４４０…移動装置、４４２…斜面、５００…処理装置、８００…検査装置、８１０…受光装置、Ｓ_ＩＮ…測定光、Ｓ_ＯＢＪ…物体光、８２０…ビームダンパ、８３０…デジタイザ、８４０…ポンプ。

Claims (17)

1. 被測定物が通過する照射領域に対して、経時的に波長が変化するパルス光を所定の繰り返し周波数で照射する第１ステップと、
   前記第１ステップにおいて前記パルス光が照射された被測定物からの光を光検出器により検出する第２ステップと、
   前記第２ステップにおいて前記光検出器が生成する検出信号にもとづいて、前記被測定物の分光スペクトルを得る第３ステップと、
   を備え、
   前記パルス光の繰り返し周波数をｆ［Ｈｚ］、前記被測定物の移動方向の有効サイズをＤ［ｍ］、前記被測定物の移動速度をｖ［ｍ／ｓ］、前記被測定物の表面における前記パルス光の照射スポットの移動方向のサイズをｄ［ｍ］としたときに、
   （ｆ・（Ｄ－ｄ）／ｖ）≧２．０ …（１）
   を満たすことを特徴とする光測定方法。
2. （ｆ・（Ｄ－ｄ）／ｖ）≧１０．０ …（２）
   を満たすことを特徴とする請求項１に記載の光測定方法。
3. （ｆ・（Ｄ－ｄ）／ｖ）≧５００．０ …（３）
   を満たすことを特徴とする請求項１に記載の光測定方法。
4. （ｆ・（Ｄ－ｄ）／ｖ）≧５０００．０ …（４）
   を満たすことを特徴とする請求項１に記載の光測定方法。
5. ｖ＞０．５ｍ／ｓであることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の光測定方法。
6. 前記被測定物は、搬送装置による搬送によって移動することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の光測定方法。
7. 前記被測定物は、落下により移動することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の光測定方法。
8. 前記被測定物は、斜面を滑ることにより移動することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の光測定方法。
9. 被測定物が通過する照射領域に対して、経時的に波長が変化するパルス光を所定の繰り返し周波数で照射する照明装置と、
   前記パルス光が照射された前記被測定物からの光を受光する光検出器と、
   を備え、前記光検出器が生成する検出信号が、前記被測定物の分光スペクトルの演算に利用され、
   前記パルス光の繰り返し周波数をｆ［Ｈｚ］、前記被測定物の移動方向の有効サイズをＤ［ｍ］、前記被測定物の移動速度をｖ［ｍ／ｓ］、前記被測定物の表面におけるパルス光の照射スポットの移動方向のサイズをｄ［ｍ］としたときに、
   （ｆ・（Ｄ－ｄ）／ｖ）≧２．０ …（１）
   を満たすことを特徴とする光測定装置。
10. （ｆ・（Ｄ－ｄ）／ｖ）≧１０．０ …（２）
    を満たすことを特徴とする請求項９に記載の光測定装置。
11. （ｆ・（Ｄ－ｄ）／ｖ）≧５００．０ …（３）
    を満たすことを特徴とする請求項９に記載の光測定装置。
12. （ｆ・（Ｄ－ｄ）／ｖ）≧５０００．０ …（４）
    を満たすことを特徴とする請求項９に記載の光測定装置。
13. ｖ＞０．５ｍ／ｓであることを特徴とする請求項９から１２のいずれかに記載の光測定装置。
14. 前記照明装置は、広帯域のパルス光源と、前記パルス光源から出射されたパルス光のパルス幅を１パルスにおける波長と経過時間との関係が１対１となるように伸長させるパルス伸長素子と、を備えることを特徴とする請求項９から１２のいずれかに記載の光測定装置。
15. 前記パルス伸長素子は、
    前記パルス光源から出射された前記パルス光を波長に応じて空間的に分割するアレイ導波路回折格子と、
    前記アレイ導波路回折格子が分割する波長の数に応じた数の複数のファイバと、
    を備えることを特徴とする請求項１４に記載の光測定装置。
16. 前記被測定物は、落下により移動することを特徴とする請求項９から１２のいずれかに記載の光測定装置。
17. 前記被測定物は、斜面を滑ることにより移動することを特徴とする請求項９から１２のいずれかに記載の光測定装置。

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