JP4714822B2 - Non-destructive measuring device for light scatterers - Google Patents
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Description
本発明は、光散乱体を被検体とし、その性状特性値を測定する光散乱体の非破壊測定装置に関する。 The present invention relates to a non-destructive measuring apparatus for a light scatterer that uses a light scatterer as an object and measures its property characteristic value.
従来、例えば青果物の糖度測定や、人の血糖値測定など、光散乱体からなる被検体の内部の性状に関する特性値を光学的に測定する種々の光散乱体の非破壊測定装置が知られている。
例えば、特許文献1には、被検対象の青果物からの反射光を受光し、近赤外領域の波長に対する吸光度スペクトルを測定し、これらの吸光度スペクトルの2次微分値を演算し、この演算結果から青果物糖度を推定する青果物の糖度測定方法および装置が記載されている。ここで、分光器で得られた吸光度スペクトルの2次微分値から果実糖度を推定するには試料の吸光度スペクトルの2次微分値と試料糖度の実測値との関連付けを最小自乗法により予め行い(これを検量線作りと呼ぶ)、作成した検量線を用いて測定した吸光度スペクトルの2次微分値の演算結果から試料糖度を推定している。
また、特許文献2には、青果物の測定部位に3つの異なる近赤外波長領域の光を照射し、青果物の測定部位を透過したそれぞれの透過光を異なる距離をおいた2箇所で受光してその透過光量を検出し、検出した2箇所での同波長の透過光量の比である相対透過度を各波長ごとに算出し、同各波長の相対透過度を用いて青果物の糖度を算定する青果物の非破壊糖度測定装置が記載されている。
For example,
Further,
しかしながら、上記のような従来の光散乱体の非破壊測定装置には、以下のような問題があった。
特許文献1に記載の技術では、吸光度の2次微分値と果実糖度の関係付けで作成された検量線を用いて糖度の推定を行うことで、同種の果実、例えば、リンゴにおける異なる品種、例えば「ふじ」と「スターキング」に対しては同一検量線を用いることができるものの、異なる種類の果実にまで、同一の検量線を適用できる技術ではなく、果実の種類毎に検量線を作り直す必要がある。これは果実に照射された光は散乱体である果実内部で散乱され果実内部を伝播するが、果実の種類によって同じ糖度でも組織構造が異なり、その散乱光路長が異なることで検出される吸光度が異なってしまう為である。
特許文献2に記載の技術では、異なる距離をおいた2箇所で受光した光量の相対透過度を計測し、異なる3つの波長の各相対透過度から算出される相対吸光度比を用いることで散乱光路長の違いによる誤差を低減することができるものの、この手法は、均一な光散乱体における理論に基づいており、散乱係数が空間的に一様に分布していない被検体の種類では測定精度が悪化してしまうという問題がある。例えば、リンゴのように散乱係数が空間的に略均一に分布した果実では高精度であるが、ミカンなどのように内部に房構造を有するような被検体では散乱係数の分布が空間的に不均一で測定精度が悪化する傾向があった。
However, the conventional non-destructive measuring apparatus for light scatterers as described above has the following problems.
In the technique described in
In the technique described in
本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、内部の散乱特性が不均一である光散乱体、例えば、散乱係数の分布が空間的に不均一な光散乱体を被検体としても、良好な測定精度を得ることができる光散乱体の非破壊測定装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-described problems, and a light scatterer having a nonuniform internal scattering characteristic, for example, a light scatterer having a spatially nonuniform distribution of scattering coefficients is used as a subject. However, an object of the present invention is to provide a non-destructive measuring device for a light scatterer capable of obtaining good measurement accuracy.
上記の課題を解決するために、請求項1に記載の発明では、複数の波長光を発生する光源と、該光源からの前記複数の波長光を出射する光出射口を有し、該光出射口から前記複数の波長光を光散乱体からなる被検体上の1箇所の照射領域に向けて照射する光照射部と、前記被検体からの透過光を受光するために、前記光照射部の前記光出射口の中心に対して互いに異なる径を有する少なくとも2つの同心円の円周上においてそれぞれ2箇所以上の位置に受光口を有する少なくとも2つの受光部と、該少なくとも2つの受光部で受光した光の光強度を検出する透過光検出部と、前記同心円径の異なる2つの受光部の前記光強度の比をとった相対透過率を前記複数の波長ごとに算出し、前記相対透過率に基づいて前記被検体内部の性状特性値Cを算定する演算処理部とを備え、前記複数の波長光は、4つ以上の波長λ i (i=1,2,…,n、ただしnは4以上の整数)の光を含み、前記透過光検出部が、前記少なくとも2つの受光部のうち、前記同心円の半径がρ 1 、ρ 2 (ただし、ρ 1 <ρ 2 )の2つの受光部で受光した光の波長λ i における総受光量をそれぞれJ 1λi 、J 2λi として検出したときに、前記演算処理部が、下記式(1)で表される前記波長λ i ごとの相対透過率R λi を算出し、下記式(2)で表される相対吸光度比γ k (k=1,…,m、ただし、m=n−2)を算出し、前記性状特性値Cを、前記m個の相対吸光度比γ k (k=1,…,m)を説明変数とする多項式を用いた下記式(12)で表される検量式によって算定するようにした構成とする。
R λi =J 2λi /J 1λi ・・・(1)
γ k =ln(R λk /R 0 )/ln(R 1 /R 0 ) ・・・(2)
C=β 0 +β 1 ・γ 1 +…+β m ・γ m ・・・(12)
ここで、R 0 、R 1 は、R λi のうちの異なる2つの相対透過率であり、R λk (k=1,…,m、ただし、m=n−2)は、R λi のうちR 0 、R 1 を除いたm個の相対透過率を表す。
この発明によれば、光照射部から、被検体の1箇所の照射領域に照射された光の、透過光を少なくとも2つの受光部で受光して、透過光検出部で各受光部の光強度を検出し、演算処理部により、各受光部の光強度から、同心円径の異なる2つの受光部の光強度の比である相対透過率を波長ごとに算出して、それらに基づいて被検体内部の性状特性値を算定することができる。その際、少なくとも2つの受光部の受光口が、各同心円の円周上においてそれぞれ2箇所以上の受光口を有するので、光照射部から同一距離だけ離れた位置の2箇所以上の光強度を検出して、それぞれを平均化した相対透過率を算出することができる。そのため、被検体内部の散乱特性の不均一性に起因する測定誤差を低減することができる。
被検体内部の散乱特性の不均一性は、例えば、散乱係数の空間的な分布の不均一性などがある。一般に、被検体内部の組織の構成や構造に不均一性、異方性があれば、散乱特性の不均一性が生じることが多い。
また、この発明によれば、n(n≧4)個の波長光に応じて、m(m=n−2≧2)個の相対吸光度比γ k を算出し、このm個の相対吸光度比を説明変数とする多項式を用いた検量式によって性状特性値Cを算定する。
In order to solve the above problems, in the invention according to
R λi = J 2λi / J 1λi (1)
γ k = ln (R λk / R 0 ) / ln (R 1 / R 0 ) (2)
C = β 0 + β 1 · γ 1 +... + Β m · γ m (12)
Here, R 0 and R 1 are two different relative transmittances of R λi , and R λk (k = 1,..., M , where m = n−2) is R of R λi . 0 and m relative transmittances excluding R 1 are represented.
According to this invention, at least two light receiving parts receive light transmitted from the light irradiation part to one irradiation region of the subject, and the transmitted light detection part receives the light intensity of each light receiving part. And calculates the relative transmittance, which is the ratio of the light intensities of two light receiving parts having different concentric circle diameters, for each wavelength from the light intensity of each light receiving part, and based on them, calculates the inside of the subject. The property characteristic value can be calculated. At that time, since the light receiving openings of at least two light receiving sections have two or more light receiving openings on the circumference of each concentric circle, the light intensity at two or more positions at the same distance from the light emitting section is detected. Thus, the relative transmittance obtained by averaging each can be calculated. Therefore, it is possible to reduce measurement errors due to non-uniformity of scattering characteristics inside the subject.
The non-uniformity of the scattering characteristics inside the subject includes, for example, the non-uniformity of the spatial distribution of the scattering coefficient. In general, if there is non-uniformity and anisotropy in the structure and structure of the tissue inside the subject, non-uniformity in scattering characteristics often occurs.
In addition, according to the present invention, m (m = n−2 ≧ 2) relative absorbance ratios γ k are calculated according to n (n ≧ 4) wavelength lights, and the m relative absorbance ratios are calculated. The characteristic property value C is calculated by a calibration formula using a polynomial with σ as an explanatory variable.
請求項2に記載の発明では、請求項1に記載の光散乱体の非破壊測定装置において、前記少なくとも2つの受光部の各受光口が、前記光照射部の光軸に直交する平面において前記光出射口の中心を通る直線上でそれぞれ前記光出射口の中心を挟んで対向するように配置された構成とする。
この発明によれば、受光部の各受光口が光出射口の中心を通る直線上でそれぞれ光出射口の中心を挟んで対向するように配置されるので、それぞれが配置される直線方向における光散乱体の散乱特性の不均一性に起因する測定誤差を低減することができる。
According to a second aspect of the present invention, in the non-destructive measurement apparatus for a light scatterer according to the first aspect, the light receiving ports of the at least two light receiving units are arranged in a plane perpendicular to the optical axis of the light irradiation unit. It is set as the structure arrange | positioned so that it may each oppose on both sides of the center of the said light emission opening on the straight line which passes along the center of a light emission opening.
According to the present invention, each light receiving port of the light receiving unit is arranged on the straight line passing through the center of the light emitting port so as to face each other with the center of the light emitting port interposed therebetween. Measurement errors due to non-uniformity of the scattering characteristics of the scatterer can be reduced.
請求項3に記載の発明では、請求項1または2に記載の光散乱体の非破壊測定装置において、前記少なくとも2つの受光部の受光口が、前記光照射部の光軸に直交する平面において前記光出射口の中心を通り互いに直交する直線上に配置された構成とする。
この発明によれば、受光部の受光口が、光出射口の中心を通り互いに直交する直線上に配置されているので、それぞれの直線上の受光口から、直交する2軸方向に伝搬する光の光量が取得されるので、被検体に2軸方向における散乱特性の不均一性を効率的に低減することができる。
According to a third aspect of the present invention, in the non-destructive measurement apparatus for a light scatterer according to the first or second aspect, the light receiving ports of the at least two light receiving units are on a plane perpendicular to the optical axis of the light irradiation unit. It is set as the structure arrange | positioned on the straight line which mutually passes through the center of the said light exit opening.
According to the present invention, the light receiving ports of the light receiving unit are arranged on straight lines that pass through the center of the light emitting port and are orthogonal to each other. Therefore, the non-uniformity of the scattering characteristic in the biaxial direction can be efficiently reduced.
請求項4に記載の発明では、請求項1〜3のいずれかに記載の光散乱体の非破壊測定装置において、前記少なくとも2つの受光部の受光口が、それぞれの同心円上でそれぞれ略等間隔に配置された構成とする。
この発明によれば、受光部の受光口をそれぞれの同心円上で略等間隔に配置するので、同心円の周方向における散乱特性の不均一性を略均等に低減することができる。
なお、各同心円上での配置間隔を共通とすれば、均等化の程度を、同心円径の大きさによらず、一定とすることができるのでより好ましい。
According to a fourth aspect of the present invention, in the non-destructive measurement apparatus for a light scatterer according to any one of the first to third aspects, the light receiving ports of the at least two light receiving portions are substantially equidistant on each concentric circle. It is set as the structure arrange | positioned.
According to the present invention, since the light receiving ports of the light receiving section are arranged at substantially equal intervals on the respective concentric circles, the nonuniformity of the scattering characteristics in the circumferential direction of the concentric circles can be reduced substantially evenly.
Note that it is more preferable to make the arrangement interval on each concentric circle common, because the degree of equalization can be made constant regardless of the size of the concentric circle diameter.
請求項5に記載の発明では、請求項1〜4のいずれかに記載の光散乱体の非破壊測定装置において、前記少なくとも2つの受光部の受光口が、それぞれ前記同心円の円周上に延ばして設けられた円弧状の受光口により構成する。
この発明によれば、受光部の受光口が、円弧状の受光口からなるので、それぞれの円周方向の開口長さの範囲で、連続的に受光することができる。そのため透過光をその範囲でもれなく受光することができる。そのため、円周方向の散乱特性の不均一性を、円孔状の受光口を複数設ける場合に比べて、さらに均等化することができる。
ここで、円弧状とは、受光口の径方向の開口幅の2倍以上の長さの円弧状を意味するものとする。この場合、受光口の径方向の開口幅を直径とする2つの円孔状の受光口を2つ隣接して並べた場合と同等以上の作用効果が得られるので、1つの受光口でも、同心円の円周上において2箇所以上の位置に設けられた受光口としての技術的意義を持つものである。
請求項6に記載の発明では、複数の波長光を発生する光源と、該光源からの前記複数の波長光を出射する光出射口を有し、該光出射口から前記複数の波長光を光散乱体からなる被検体上の1箇所の照射領域に向けて照射する光照射部と、前記被検体からの透過光を受光するために、前記光照射部の前記光出射口の中心に対して互いに異なる径を有する少なくとも2つの同心円上で円周方向に沿って開口するリング状の受光口を有する少なくとも2つの受光部と、該少なくとも2つの受光部で受光した光の光強度を検出する透過光検出部と、前記同心円径の異なる2つの受光部の前記光強度の比をとった相対透過率を前記複数の波長ごとに算出し、前記相対透過率に基づいて前記被検体内部の性状特性値Cを算定する演算処理部とを備え、前記複数の波長光は、4つ以上の波長λ i (i=1,2,…,n、ただしnは4以上の整数)の光を含み、前記透過光検出部が、前記少なくとも2つの受光部のうち、前記同心円の半径がρ 1 、ρ 2 (ただし、ρ 1 <ρ 2 )の2つの受光部で受光した光の波長λ i における総受光量をそれぞれJ 1λi 、J 2λi として検出したときに、前記演算処理部が、下記式(1)で表される前記波長λ i ごとの相対透過率R λi を算出し、下記式(2)で表される相対吸光度比γ k (k=1,…,m、ただし、m=n−2)を算出し、前記性状特性値Cを、前記m個の相対吸光度比γ k (k=1,…,m)を説明変数とする多項式を用いた下記式(12)で表される検量式によって算定するようにした構成とする。
R λi =J 2λi /J 1λi ・・・(1)
γ k =ln(R λk /R 0 )/ln(R 1 /R 0 ) ・・・(2)
C=β 0 +β 1 ・γ 1 +…+β m ・γ m ・・・(12)
ここで、R 0 、R 1 は、R λi のうちの異なる2つの相対透過率であり、R λk (k=1,…,m、ただし、m=n−2)は、R λi のうちR 0 、R 1 を除いたm個の相対透過率を表す。
According to a fifth aspect of the present invention, in the non-destructive measurement apparatus for a light scatterer according to any one of the first to fourth aspects, the light receiving ports of the at least two light receiving portions are respectively extended on a circumference of the concentric circle. It is comprised by the circular arc- shaped light-receiving opening provided.
According to the present invention, since the light receiving port of the light receiving unit is formed of an arc- shaped light receiving port, it is possible to continuously receive light within the range of the opening lengths in the respective circumferential directions. For this reason, the transmitted light can be received within the range. Therefore, the non-uniformity of the scattering characteristics in the circumferential direction can be further equalized as compared with the case where a plurality of circular light receiving ports are provided.
Here, the arc shape means an arc shape having a length that is twice or more the radial opening width of the light receiving opening. In this case, since the same effect as or more than the case where two circular light receiving openings having the diameter of the opening width in the radial direction of the light receiving openings are arranged adjacent to each other can be obtained, even with one light receiving opening, concentric circles are obtained. It has a technical significance as a light receiving opening provided at two or more positions on the circumference of.
According to a sixth aspect of the present invention, the apparatus has a light source that generates light of a plurality of wavelengths and a light emission port that emits the plurality of wavelength lights from the light source, and the light of the plurality of wavelengths is emitted from the light emission port. A light irradiating unit that irradiates one irradiation region on the subject made of a scatterer, and a center of the light emitting port of the light irradiating unit to receive transmitted light from the subject. At least two light receiving portions having ring-shaped light receiving openings that open along the circumferential direction on at least two concentric circles having different diameters, and transmission for detecting the light intensity of light received by the at least two light receiving portions A relative transmittance obtained by taking a ratio of the light intensities of the light detecting portion and the two light receiving portions having different concentric diameters is calculated for each of the plurality of wavelengths, and the property characteristic inside the subject is calculated based on the relative transmittance. An arithmetic processing unit for calculating the value C, Wavelength numbers, four or more wavelengths λ i (i = 1,2, ... , n, where n is an integer of 4 or more) include a light, the transmitted light detection unit, said at least two light receiving portions Among these, when the total received light amount at the wavelength λ i of the light received by the two light receiving parts having the concentric radii ρ 1 and ρ 2 (where ρ 1 <ρ 2 ) is detected as J 1λi and J 2λi , respectively. Further, the arithmetic processing unit calculates a relative transmittance R λi for each wavelength λ i represented by the following formula (1), and a relative absorbance ratio γ k (k = 1 ) represented by the following formula (2). ,..., M, where m = n−2), and the property characteristic value C is a polynomial having m relative absorbance ratios γ k (k = 1,..., M) as explanatory variables. It is set as the structure made to calculate by the calibration formula represented by the following formula (12).
R λi = J 2λi / J 1λi (1)
γ k = ln (R λk / R 0 ) / ln (R 1 / R 0 ) (2)
C = β 0 + β 1 · γ 1 +... + Β m · γ m (12)
Here, R 0 and R 1 are two different relative transmittances of R λi , and R λk (k = 1,..., M , where m = n−2) is R of R λi . 0 and m relative transmittances excluding R 1 are represented.
請求項7に記載の発明では、請求項1〜6のいずれかに記載の光散乱体の非破壊測定装置において、前記透過光検出部が、前記各受光部の受光口に入射する光を前記受光部ごとにまとめて検出するように構成する。
この発明によれば、各受光部の受光口に入射する光を、受光部ごとにまとめて検出するので、透過光検出部の構成を簡素なものとすることができる。
According to a seventh aspect of the present invention, in the non-destructive measurement device for a light scatterer according to any one of the first to sixth aspects, the transmitted light detection unit transmits light incident on a light receiving port of each of the light receiving units. A configuration is adopted in which detection is performed for each light receiving unit.
According to the present invention, since the light incident on the light receiving ports of the respective light receiving units is detected together for each light receiving unit, the configuration of the transmitted light detecting unit can be simplified.
請求項8に記載の発明では、請求項1〜6のいずれかに記載の光散乱体の非破壊測定装置において、前記透過光検出部が、前記各受光部の受光口に入射する光を前記受光口ごとに検出し、それらの光強度を演算処理することで、前記受光部ごとの光強度を算出するようにした構成とする。
この発明によれば、透過光検出部が、各受光部において、受光口ごとに光強度を検出してからそれらの光量を演算処理することで、受光部ごとの光強度を算出するので、必要に応じて、各受光口の光強度を演算処理することができる。例えば、平均光量を求めたり、受光口ごとに校正を行ったりすることができる。
請求項9に記載の発明では、請求項1〜8のいずれかに記載の光散乱体の非破壊測定装置において、前記光照射部の光出射口側の端部と、前記少なくとも2つの受光部の受光口側の端部とが、それぞれの離間距離を固定する固定保持部材に一体に保持された構成とする。
この発明によれば、固定保持部材により、光照射部の光出射口と少なくとも2つの受光部の受光口とが、それぞれの離間距離が固定された状態で一体に保持されるので、それぞれの相対距離を一定に保った状態で容易に測定を行うことができる。
In the invention described in
According to the present invention, the transmitted light detection unit, each light-receiving unit, by processing them quantity from the detection of the light intensity for each light receiving port, because calculating the light intensity of each light receiving portion, If necessary, the light intensity of each light receiving port can be calculated. For example, the average light amount can be obtained, or calibration can be performed for each light receiving port.
According to a ninth aspect of the present invention, in the non-destructive measurement apparatus for a light scatterer according to any one of the first to eighth aspects, an end of the light irradiator on the light exit side and the at least two light receivers And the end on the light receiving opening side are integrally held by a fixed holding member that fixes the respective separation distances.
According to this invention, since the light emitting port of the light irradiating unit and the light receiving ports of the at least two light receiving units are integrally held by the fixed holding member with their respective separation distances fixed, Measurement can be easily performed with the distance kept constant.
請求項10に記載の発明では、請求項9に記載の光散乱体の非破壊測定装置において、前記光照射部の光出射口および前記少なくとも2つの受光部の受光口が、前記固定保持部材の表面の位置に整列して配置された構成とする。
この発明によれば、光出射口および少なくとも2つの受光部の受光口が固定保持部材の表面の位置に整列して配置されるので、光出射口と各受光口を被検体表面近傍の測定位置に配置したときに、固定保持部材がそれらの背後および前方に隙間が余計な隙間が生じないので、被検体からの光が固定保持部材に反射しても、伝搬しにくくなり、受光口に再入射しにくくなる。そのため迷光を低減して測定精度を向上することができる。
According to a tenth aspect of the present invention, in the non-destructive measurement apparatus for a light scatterer according to the ninth aspect, the light emitting port of the light irradiation unit and the light receiving ports of the at least two light receiving units are provided on the fixed holding member. The configuration is arranged in line with the surface position.
According to the present invention, since the light emitting port and the light receiving ports of the at least two light receiving portions are arranged in alignment with the surface position of the fixing holding member, the light emitting port and each light receiving port are arranged at the measurement position near the subject surface. Since the gap between the fixed holding member and the front of the fixed holding member does not occur when they are placed on the fixed holding member, even if the light from the subject is reflected by the fixed holding member, it is difficult to propagate and re-appears in the light receiving port. It becomes difficult to enter. Therefore, stray light can be reduced and measurement accuracy can be improved.
請求項11に記載の発明では、請求項9または10に記載の光散乱体の非破壊測定装置において、前記固定保持部材のうち、前記光照射部の光出射口および前記少なくとも2つの受光部の受光口が位置する表面が、光吸収性を備える構成とする。
この発明によれば、光出射口および受光口が位置する固定保持部材の表面が光吸収性を有するので、固定保持部材の表面反射光が低減される。そのため測定精度を向上することができる。
In the invention according to
According to this invention, the surface of the fixed holding member on which the light emitting port and the light receiving port are located has light absorption, so that the surface reflected light of the fixed holding member is reduced. Therefore, measurement accuracy can be improved.
本発明の光散乱体の非破壊測定装置によれば、光照射部を中心とする半径の異なる2つの同心円上のそれぞれから2箇所以上の位置での総受光量を複数の波長で検出して、同心円の半径差だけ離れた位置の相対透過率を算出することで、被検体内部で不均一な散乱度合いに起因する測定誤差を低減することができるので、散乱係数などが空間的に不均一に分布する光散乱体を被検体としても良好な測定精度を得ることができるという効果を奏する。 According to the non-destructive measuring apparatus for a light scatterer of the present invention, the total amount of light received at two or more positions on each of two concentric circles with different radii centered on the light irradiation part is detected at a plurality of wavelengths. By calculating the relative transmittance at positions separated by the concentric radius difference, measurement errors due to non-uniform scattering within the subject can be reduced, so that the scattering coefficient is spatially non-uniform. Even if a light scatterer distributed in the above is used as an object, an excellent measurement accuracy can be obtained.
以下では、本発明の実施の形態について添付図面を参照して説明する。すべての図面において、実施形態が異なる場合であっても、同一または相当する部材には同一の符号を付し、共通する説明は省略する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In all the drawings, even if the embodiments are different, the same or corresponding members are denoted by the same reference numerals, and common description is omitted.
[第1の実施形態]
本発明の第1の実施形態に係る光散乱体の非破壊測定装置について説明する。
図1は、本発明の第1の実施形態に係る光散乱体の非破壊測定装置の概略構成を示す模式的な構成図である。図2(a)、(b)は、本発明の第1の実施形態に係る光散乱体の非破壊測定装置の受光部の図1におけるA視方向の側面図およびそのB−B断面図である。図3は、本発明の第1の実施形態に係る光散乱体の非破壊測定装置の受光部の固定保持部材の反射率特性を比較例とともに示すグラフである。横軸は波長(nm)、縦軸は反射率(%)を表す。図4は、本発明の第1の実施形態に係る光散乱体の非破壊測定装置の制御系の機能構成について説明するための機能ブロック図である。
[First Embodiment]
A non-destructive measuring apparatus for a light scatterer according to a first embodiment of the present invention will be described.
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a schematic configuration of a non-destructive measuring apparatus for a light scatterer according to a first embodiment of the present invention. FIGS. 2A and 2B are a side view and a cross-sectional view taken along line BB in FIG. 1 of the light receiving unit of the non-destructive measuring apparatus for a light scatterer according to the first embodiment of the present invention. is there. FIG. 3 is a graph showing the reflectance characteristic of the fixing holding member of the light receiving unit of the light scatterer nondestructive measuring apparatus according to the first embodiment of the present invention together with a comparative example. The horizontal axis represents wavelength (nm) and the vertical axis represents reflectance (%). FIG. 4 is a functional block diagram for explaining the functional configuration of the control system of the non-destructive measuring apparatus for light scatterers according to the first embodiment of the present invention.
本実施形態の非破壊測定装置1は、図1に示すように、外部から入射された光を散乱して外部に出射する光散乱体からなる被検体2の内部の性状特性値を光学的に測定するものであり、その概略構成は、光源ユニット7、センサプローブ3(固定保持部材)、光検出部24、信号処理部18、中央制御ユニット19、および表示部20からなる。
被検体2は、測定対象の性状を有する光散乱体であれば、どのようなものでもよい。例えば、青果物、生体などの動植物、食品、飲料物、土壌サンプル、その他、各種定量分析用検体、固体状・粉体状・ゼリー状・液体状等の試料などの例が挙げられる。
性状特性値としては、入射光に対する吸収の度合いと相関を有する性状を表す特性値であり、検量式を設定することができれば、どのようなものでもよい。例えば、青果物の糖度や酸度、血糖値、小麦粉の水分量やタンパク質成分量、ジャガイモなどのでんぷん濃度、生体の組織酸素飽和濃度、組織ヘモグロビン酸化度、土壌中の窒素などの肥料成分量などの性状特性値を挙げることができる。
また、非破壊測定装置1は、このような種々の性状特性値の1つを測定する装置であってもよいし、複数の性状特性値を切り替えて測定できる装置であってもよい。後者の場合、測定者は、操作入力を行う操作部21(図4参照)から、測定する性状特性値や測定条件などをそれぞれの測定に応じて手動設定してもよいし、同一の被検体2に対する複数の性状特性値を自動的に連続して行えるようにしてもよい。
As shown in FIG. 1, the
As long as the
The property characteristic value is a property value representing a property having a correlation with the degree of absorption with respect to incident light, and any property value can be used as long as a calibration equation can be set. For example, sugar and acidity of fruits and vegetables, blood sugar level, moisture content and protein content of flour, starch concentration such as potato, tissue oxygen saturation concentration of tissue, tissue hemoglobin oxidation degree, fertilizer component amount such as nitrogen in soil Characteristic values can be mentioned.
Further, the
以下では、一例として、青果物の糖度を測定する場合の例で説明し、他の光散乱体、性状特性値に特有のことがらについては必要に応じて補足する。
なお、測定例として、温州ミカン、リンゴなどの例をあげる場合があるが、本実施形態では、果肉が房ごとに袋に収められることで内部組織に不均一性が無視できないミカンでも、内部組織の均一性が高いリンゴ、ナシ、メロンなど青果物でも、同一の検量式を用いて良好な測定精度が得られるので、被検体2は温州ミカン、リンゴに限定されない。
Hereinafter, as an example, an example in the case where the sugar content of fruits and vegetables is measured will be described, and other light scatterers and characteristics specific to property characteristic values will be supplemented as necessary.
As an example of measurement, there may be cases such as Wenzhou mandarin oranges and apples. However, in this embodiment, even if the mandarin orange cannot be ignored in the internal tissue because the flesh is put in a bag for each bunch, the internal tissue Even in fruits and vegetables such as apples, pears, and melons with high uniformity, good measurement accuracy can be obtained using the same calibration formula, so the subject 2 is not limited to Satsuma mandarin and apples.
光源ユニット7は、複数の波長光を発生するためのもので、本実施形態では、被検体2に照射する複数の波長光、例えば、λ1=1040nm、λ2=940nm、λ3=900nmの3つの波長光を発生するものである。これらの波長は、糖度を測定するために近赤外領域から、良好な波長の組み合わせの一例として選択したものである。例えば、青果物の糖度測定であれば、このような好適な波長は、他にも、例えば、800nm〜1200nmの範囲で設定することができる。
これら3つの波長光を発生するために、本実施形態の光源ユニット7は、単色光源8A、8B、8C、光源制御部11、および結合レンズ9A、9B、9Cを備える。
The light source unit 7 is for generating a plurality of wavelength lights. In the present embodiment, a plurality of wavelength lights to irradiate the
In order to generate these three wavelength lights, the light source unit 7 of this embodiment includes monochromatic
単色光源8A、8B、8Cは、それぞれ波長λ1、λ2、λ3を発振する光源で、例えば、半導体レーザや発光ダイオードなどを採用することができる。
光源制御部11は、不図示の電源を備え、中央制御ユニット19からの制御信号に応じて、単色光源8A、8B、8Cの発光タイミングと光強度とを、それぞれの光源で独立に制御するものである。
本実施形態では、中央制御ユニット19から受け取る一定周期のクロック信号に同期して、それぞれ予め設定された発光強度となるように、直流または変調された電流を単色光源8A、8B、8Cに供給し、順次点灯する制御を行う。
結合レンズ9A、9B、9Cは、それぞれ単色光源8A、8B、8Cから出射された光をそれぞれ集光し、照射光10A、10B、10Cとして、後述する光ファイバケーブル4に光結合するための光学素子である。
The
The light
In the present embodiment, a DC or modulated current is supplied to the
The
センサプローブ3は、図2(a)、(b)に示すように、光源ユニット7によって発生された照射光10A、10B、10Cを被検体2の被検体表面2aに導くとともに、被検体表面2aからの光を光検出部24に導くためのもので、直径φDの円筒外形を有するプローブ本体3bに、光ファイバケーブル4、5、6の端部を固定した構成を有する。
As shown in FIGS. 2A and 2B, the
光ファイバケーブル4(光照射部)は、図1、2に示すように、一方の端部に出射端面4a(光出射口)、他方の端部に入射端面4cを備える3つの光ファイバ4bからなり、出射端面4aが、光ファイバの光軸方向の同一位置に整列した状態で、光軸方向から見て一定の領域内にまとめられた状態で結束され、他方の端部側で、3つの入射端面4cがそれぞれ照射光10A、10B、10Cの結像位置に配置されるように分岐されたものである。
そして、まとめられた状態の出射端面4aが、被検体表面2aに対向するプローブ端面3aの中心部で、プローブ端面3aと同一平面に整列した状態で固定されている。そして、光ファイバ4bの出射端面4a側の光軸は、プローブ端面3aの法線方向に一致されている。
As shown in FIGS. 1 and 2, the optical fiber cable 4 (light irradiating portion) is composed of three
The combined
光ファイバケーブル5、6(受光部)は、それぞれ一方の端部に入射端面5a、6a(受光口)、他方の端部に出射端面5c、6cを備える8つの光ファイバ5b、6bからなり、出射端面5c、6cが、光ファイバの光軸方向の同一位置に整列した状態で一定の領域内にまとめられた状態で結束され、一方の端部側で、8つの入射端面5a、6aがそれぞれの受光位置に配置されるように分岐されて、プローブ本体3bに取り付けられたものである。そして、光ファイバ5b、6bの入射端面5a、6a側の各光軸は、プローブ端面3aの法線方向に一致している。
Each of the
8つの入射端面5aは、出射端面4aの中心位置(光出射口中心)から、半径ρ1の円周上の等分位置に配置され、それぞれプローブ端面3aと同一平面上に整列されている。
8つの入射端面6aは、出射端面4aの中心位置から、半径ρ2の円周上の等分位置に配置され、それぞれプローブ端面3aと同一平面上に整列されている。
ここで、ρ2=ρ1+Δ(ただし、Δ>0)である。
ρ1、ρ2、Δは、それぞれ被検体2の大きさなどにより、適宜設定することができるが、特に、同心円の半径ρ1、同心円の半径の差Δ=ρ2−ρ1は、性状特性値の測定精度に影響しやすいため、測定対象に好適な値の範囲から設定することが好ましい。例えば、青果物の糖度測定では、ρ1、Δはそれぞれ3mm以上、5mm以上とすることが好ましい。ρ1、Δ上限値は、入射端面6a側での受光光強度の大きさから適宜設定すればよいが、例えば、青果物の糖度測定では、10mm以下が好適である。
Eight
Eight
Here, ρ 2 = ρ 1 + Δ (where Δ> 0).
ρ 1 , ρ 2 , and Δ can be set as appropriate depending on the size of the subject 2, etc. In particular, the concentric circle radius ρ 1 and the concentric circle radius difference Δ = ρ 2 −ρ 1 are Since it is easy to influence the measurement accuracy of the characteristic value, it is preferable to set from a range of values suitable for the measurement target. For example, in measuring the sugar content of fruits and vegetables, ρ 1 and Δ are preferably 3 mm or more and 5 mm or more, respectively. The ρ 1 and Δ upper limit values may be set as appropriate from the magnitude of the received light intensity on the
また、入射端面5a、6aの間の円周方向の配置位置は、特に限定されないが、本実施形態では、出射端面4aを挟んで対向位置にある入射端面5a、5aと、同じく入射端面6a、6aとが、それぞれ同一直径上に整列して配置されている。
すなわち、各入射端面5a、6aは、出射端面4aに対してプローブ端面3a上で良好な対称性を有する配列とされるとともに、入射端面5a、6aの円周方向に等間隔に配列されているので、出射端面4aを中心とする同心円状の測定領域から光を均等に受光することができる配置となっている。
Further, the arrangement position in the circumferential direction between the incident end faces 5a and 6a is not particularly limited, but in the present embodiment, the incident end faces 5a and 5a at the opposite positions across the
That is, the incident end faces 5a and 6a are arranged with good symmetry on the
光ファイバ4b、5b、6bのファイバ構成、ファイバ材質は、伝送損失が少ないことが好ましいが、校正のための特性値、例えば、受光口のNAや、光ファイバの波長ごとの伝送損失特性などが分かっていれば、特に限定されない。例えば、マルチモードでも、シングルモードでもよいし、屈折率分布も適宜の分布でよい。また、ガラスファイバでも、プラスチックファイバでもよい。
本実施形態では、光ファイバ4b、5b、6bを、φ0.2mmの心線を複数本合わせて、φ1程度としたものを採用している。すなわち、各入射端面5a、6aの開口面積が同一の場合の例となっている。
The fiber configurations and fiber materials of the
In the present embodiment, the
プローブ本体3bは、少なくともプローブ端面3a上では、被検体2からの光の反射光が、測定ノイズとならないように、光吸収性を付与することが好ましい。光吸収性の程度は、必要な測定精度にもよるが、例えば、青果物の糖度測定では、反射率で10%以下が好ましく、5%以下であることがより好ましい。また、校正を容易にするためには、測定に用いる波長範囲での反射率の波長特性は、略平坦であることが好ましい。
本実施形態では、近赤外領域で、このような良好な光吸収性を有する材質として、ポリアセタール素材の黒色グレードを採用している。
It is preferable that the probe
In this embodiment, the black grade of a polyacetal material is employ | adopted as a material which has such a favorable light absorptivity in a near infrared region.
図3に、このようなポリアセタール素材の黒色グレードの反射率の波長特性を比較例とともに示した。
曲線100は、アセタールコポリマーを原料とした黒色グレードのポリアセタール素材の波長700nm〜1200nmの反射率特性を示している。
図3から分かるように、この波長帯域では、いずれも5%以下の略平坦な反射率分布を備えている。
一方、曲線101は、比較例として、センサプローブ3をアルミ材で製作し、プローブ端面3aに黒色アルマイト処理を施した場合の反射率特性を示す。
曲線101は、この波長範囲では、長波長になるにつれて上昇し、1200nmでは、60%をわずかに超える反射率となっている。本実施形態の波長範囲でも、約45%〜55%となっており、10%以下の良好な光吸収性を有していない場合の例となっている。
FIG. 3 shows the reflectance wavelength characteristics of such a black grade polyacetal material together with a comparative example.
A
As can be seen from FIG. 3, in this wavelength band, all have a substantially flat reflectance distribution of 5% or less.
On the other hand, as a comparative example, a
The
光検出部24は、被検体表面2aからの光のうち、各入射端面5a、6aに入射して、光ファイバ5b、6b内を伝搬し、出射端面5c、6cからまとめて出射された透過光12、13をそれぞれ集光する集光レンズ14、15と、それぞれの集光位置に受光面が配置された光検出器16、17(透過光検出部)とからなる。
光検出器16、17は、照射光10A、10B、10Cの波長光に十分な感度を有するフォトダイオードなどを採用することができる。
Of the light from the
The
信号処理部18は、光検出器16、17の検出出力を増幅し、光検出器16、17の波長特性に応じて予め設定された校正値に基づいて、検出出力を校正するとともに、入射端面5a、6aの受光範囲の総受光強度に換算したデジタル信号に変換して、演算処理部30に送出するものである。
以下では、入射端面5aからの波長λi(i=1,2,3、以下同じ)に対応する総受光量をJ1λi、受光面積当たりの平均受光量をI1λi、同じく入射端面6aからのものをそれぞれJ2λi、I2λiと表す。
ここで、それぞれに入射する透過光12、13の波長は、中央制御ユニット19から送出されるクロック信号に基づいて、光源制御部11の波長切り替えタイミングを自動的に判別して判断する。
The
In the following, the total received light amount corresponding to the wavelength λ i (i = 1, 2, 3; the same applies hereinafter) from the
Here, the wavelengths of the transmitted
中央制御ユニット19は、非破壊測定装置1の測定動作を制御するもので、光源制御部11、信号処理部18、表示部20、および操作部21に電気的に接続され、それぞれとの間で、種々の制御信号やデータの通信を行って、それぞれの動作を制御するものである。
その概略の機能ブロック構成は、図4に示すように、装置制御部22、表示制御部23、および演算処理部30からなる。
中央制御ユニット19のハード構成は、それぞれの機能ブロックの動作を行うハードウェアから構成してもよいが、CPU、メモリ、入出力インタフェース、適宜の記憶部などを備えるコンピュータで構成し、それぞれの機能ブロックの動作に対応するプログラムを実行させてもよい。
The
The schematic functional block configuration includes an
The hardware configuration of the
装置制御部22は、測定者が操作する操作部21からの操作入力に応じて、光源制御部11、信号処理部18、演算処理部30、表示制御部23の動作を協調して制御し、測定の開始、終了、および測定動作などを行うものである。
光源制御部11、信号処理部18に対しては、複数の波長光の発光および検出処理の制御する制御信号を送出するとともに、それぞれの動作を同期させるクロック信号を送出する。
演算処理部30に対しては、操作部21の操作入力に応じて測定する性状特性値を通知し、演算処理部30の処理動作を初期設定する。
表示制御部23に対しては、操作部21の操作入力や、演算処理部30から送出された測定結果などの情報を送出し、表示部20に表示させる制御を行う。
The
To the light
A property characteristic value to be measured is notified to the
The
表示制御部23は、装置制御部22から送出された情報を表示部20に表示するための映像信号に変換するものである。
The
演算処理部30は、相対透過率算出部31、相対吸光度比算出部32、性状特性値算定部33、検量式データ保持部34からなる。
相対透過率算出部31は、信号処理部18から送出されるJ1λi、J2λiから、上記の式(1)にしたがって、相対透過率Rλiを算出するものである。
The
The
相対吸光度比算出部32は、相対透過率算出部31で算出された相対透過率Rλiから、下記式(2a)にしたがって、相対吸光度比γ1を求めるものである。
γ1=ln(Rλ1/R0)/ln(R1/R0) ・・・(2a)
ここで、R0、R1は、次式のように選ぶ。
R0=Rλ3 ・・・(3)
R1=Rλ2 ・・・(4)
式(2a)は、上記の式(2)において、n=3、m=k=1の場合の例になっている。
The relative
γ 1 = ln (R λ1 / R 0 ) / ln (R 1 / R 0 ) (2a)
Here, R 0 and R 1 are selected as follows.
R 0 = R λ3 (3)
R 1 = R λ2 (4)
Expression (2a) is an example in the case of n = 3 and m = k = 1 in the above expression (2).
性状特性値算定部33は、相対吸光度比算出部32で算出されたγ1から、次式で表さされる検量式によって本実施形態の性状特性値である糖度Csを算定するものである。
Cs=βs0+βs1・γ1 ・・・(5)
ここで、βs0、βs1は、予め、糖度が知られている試料で行った実験結果から、式(2a)で定義される相対吸光度比γ1を説明変数とする単回帰分析を行って推定された係数であり、性状特性値算定部33によって、検量式データ保持部34から呼び出される。
糖度Csは、算定後、装置制御部22に送出される。
Attribute property
C s = β s0 + β s1 · γ 1 (5)
Here, β s0 and β s1 are obtained by performing a single regression analysis using the relative absorbance ratio γ 1 defined by the equation (2a) as an explanatory variable based on the result of an experiment performed on a sample having a known sugar content in advance. The estimated coefficient is called from the calibration formula
The sugar content C s is sent to the
検量式データ保持部34は、測定対象である性状特性値に応じて、予め求められた検量式の係数を記憶するものであり、例えば、ROM、外部記憶媒体、外部記憶部などの記憶部から構成される。
糖度Csを算定する場合には、上記のβs0、βs1が記憶されている。
The calibration formula
When calculating the sugar content C s , the above β s0 and β s1 are stored.
次の本実施形態の非破壊測定装置1の測定動作について説明する。
図5は、本発明の第1の実施形態に係る光散乱体の非破壊測定装置の測定部位の近傍の模式的な断面図である。図6(a)、(b)は、ミカンの測定における測定の方向性について説明するための断面説明図である。図7は、光照射口および受光口が、プローブ端面と整列していない場合の測定について説明する測定部位の近傍の模式的な断面図である。図8は、光照射口および受光口とプローブ端面との間のギャップ量ΔGAPがある場合の吸光度の波長特性の一例について説明するグラフである。横軸は波長(nm)、縦軸は吸光度を示す。図8の縦軸の吸光度は、ここでは上記の式(1)にしたがって算出される相対透過率Rλiの逆数の自然対数(−ln(Rλi))で定義した値を示す。図9は、光拡散理論によって計算される、2つの受光部の同心円半径の差Δと、相対反射率Rλと糖度1(Brix%)当たりのRλの変化量δRλとの比(δR/R)との関係を示すグラフである。横軸はΔ(mm)、縦軸はδR/R(%)を示す。図10は、本発明の第1の実施形態に係る光散乱体の非破壊測定装置で推定した糖度と屈折糖度計の実測値との関係を示すグラフである。横軸は屈折糖度計(PR−101、アタゴ社製、以下共通)による果汁糖度の実測値、縦軸は本実施形態の装置による果実糖度の推定値を示す。いずれも、糖度の単位は、Brix%である。
Next, the measurement operation of the
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of the vicinity of the measurement site of the non-destructive measurement apparatus for light scatterers according to the first embodiment of the present invention. 6 (a) and 6 (b) are cross-sectional explanatory views for explaining the directionality of measurement in the measurement of mandarin oranges. FIG. 7 is a schematic cross-sectional view of the vicinity of the measurement site for explaining the measurement when the light irradiation port and the light receiving port are not aligned with the probe end surface. Figure 8 is a graph illustrating an example of wavelength characteristics of absorbance when there is a gap amount delta GAP between the light irradiation port and receiving port and the probe end face. The horizontal axis represents wavelength (nm) and the vertical axis represents absorbance. The absorbance on the vertical axis in FIG. 8 represents a value defined by the natural logarithm (−ln (R λi )) of the reciprocal of the relative transmittance R λi calculated according to the above equation (1). FIG. 9 shows the difference (ΔR) between the difference Δ between the concentric radii of the two light receiving portions calculated by the light diffusion theory and the relative reflectance R λ and the amount of change δR λ of R λ per sugar content 1 (Brix%). / R) is a graph showing the relationship. The horizontal axis represents Δ (mm), and the vertical axis represents δR / R (%). FIG. 10 is a graph showing the relationship between the sugar content estimated by the non-destructive measurement apparatus for a light scatterer according to the first embodiment of the present invention and the measured value of a refractometer. The abscissa represents an actual measurement value of the fruit juice sugar content by a refractometer (PR-101, manufactured by Atago Co., Ltd., hereinafter), and the vertical axis represents an estimated value of the fruit sugar content by the apparatus of the present embodiment. In either case, the unit of sugar content is Brix%.
非破壊測定装置1で、測定を行うには、図5に示すように、センサプローブ3を、被検体2の測定部位における被検体表面2aに、プローブ端面3aを接触または略接触させた状態で配置する。ここで、図5は、模式図のため、被検体表面2aを平面としているが、被検体表面2aは被検体2の形状により異なり、例えば、ミカンなどでは、凹凸や湾曲があることは言うまでもない。また、見易さのため、プローブ端面3aと被検体表面2aとの間に隙間を設けて図示しているが、このようにわずかの隙間を設けて略接触させる配置としてもよいし、完全に接触させてもよい。また、本実施形態では、出射端面4aを被検体2に接触するか、略接触するようなるべく近づけることが好ましいが、被検体表面2aと入射端面5a、6aは必ずしも接触させる必要がない。
In order to perform measurement with the
操作部21から、測定開始が入力されると、中央制御ユニット19は、光源制御部11を介して、単色光源8A、8B、8Cを順次点灯する。それぞれから出射される波長λ1、λ2、λ3を有する照射光10A、10B、10Cは、結合レンズ9A、9B、9Cによって、3つに分岐された光ファイバ4bの各入射端面4cに光結合される。
そして、各光ファイバ4bの内部を伝搬して、センサプローブ3のプローブ端面3aの中心に位置する出射端面4aから被検体表面2aに向けて照射される。
When the measurement start is input from the
Then, the light propagates through each
被検体表面2aに照射された光は、被検体表面2aで反射される反射光と、被検体2の内部に入射して内部を透過する透過光に分かれる。
反射光は、被検体表面2aとプローブ端面3aとの間で反射を繰り返して減衰する。
透過光は、被検体2の内部の性状によって、散乱され、種々の光路を通って、再び被検体表面2aに到達した光の一部が被検体2の外部に出射され、各入射端面5a、6aの位置で、それぞれ光ファイバ5b、6bに入射する。
例えば、図5に示すように、互いに出射端面4aを挟んで対向する位置にある入射端面5A(6A)と入射端面5B(6B)とには、それぞれ図示右側、左側に向かう光が、内部光25A(26A)と内部光25B(26B)とが入射する。
これらの内部光の光路は、出射端面4aと各入射端面5a(6a)との間の被検体2の内部の性状と出射端面4aと入射端面5a(6a)との距離に応じて散乱を起こしつつ透過する。そのため、それぞれからの出射光の光強度は、出射端面4aと入射端面5a(6a)と間の被検体2の性状の情報を含んでいる。
したがって、内部光25A(26A)と内部光25B(26B)とは、出射端面4aに対して図示左右方向の性状の違いを反映した光強度となる。
The light irradiated on the
The reflected light is repeatedly reflected and attenuated between the
The transmitted light is scattered by the properties inside the
For example, as shown in FIG. 5, light entering the right side and the left side of the figure is incident on the
The optical paths of these internal light scatter according to the internal properties of the subject 2 between the
Therefore, the
同様に、例えば、入射端面5A(6A)を90°回転した位置である図2(a)の入射端面5C(6C)に入射する内部光の光強度は、図5の紙面直交方向の性状の情報を含んでいる。
例えば、被検体2が、図6(a)、(b)に示すミカン200のように、果皮部200aで覆われた内部が複数の袋部200c内に収容された果肉部200bからなるような場合、袋部200cの長手方向に沿う断面(図6(a)参照)とそれと直交する袋部200cを隣接方向に横断する断面(図6(b)参照)では、袋部200cの有無により散乱特性が全く異なっており、方向によって著しい不均一性、異方性を有する。そのため、それぞれの断面に沿う方向に配置された、入射端面5A(6A)と、入射端面5C(6C)とでは、袋部200cの有無などの性状の違いに応じた情報を含むことになる。
従来の非破壊測定技術では、このような空間的に不均一な散乱特性を有する光散乱体では、光照射口と受光口との配置位置によって測定誤差にバラツキが生じていた。
被検体2がこのような散乱特性の不均一性、異方性を有する場合の他の例として、例えば、筋肉の伸縮方向とそれに直交する方向で散乱特性が異なる筋肉繊維などが挙げられる。
Similarly, for example, the light intensity of the internal light incident on the incident end surface 5C (6C) in FIG. 2A, which is a position obtained by rotating the
For example, as shown in FIGS. 6 (a) and 6 (b), the
In the conventional non-destructive measurement technique, in the light scatterer having such a spatially non-uniform scattering characteristic, the measurement error varies depending on the arrangement position of the light irradiation port and the light receiving port.
As another example of the case where the
本実施形態では、このように、各入射端面5a、6aの配置位置に応じた被検体2の内部の性状の情報を含む光が、光ファイバ5b、6bによって伝送され、出射端面5c、6cからまとめて、それぞれ透過光12、13として出射される。そして、各透過光は、それぞれ集光レンズ14、15によって集光され、光検出器16、17で受光される。
光検出器16、17は、受光した光強度に比例した検出出力信号を信号処理部18に送出する。この検出出力は、光ファイバ5b、6bをそれぞれで伝送された全光量を合わせたものとなる。
In the present embodiment, in this way, light including information on the internal properties of the subject 2 corresponding to the arrangement positions of the incident end faces 5a and 6a is transmitted by the
The
信号処理部18では、光検出器16、17の検出出力を受信タイミングから波長ごとに識別し、それぞれの波長に応じて予め作成された校正情報に基づいて、波長ごとの総受光量J1λi、J2λiに換算する。
ここで、校正情報は、波長ごとの、光ファイバ5b、6bの伝送損失、集光レンズ14、15の透過率、光検出器16、17の感度特性を補正する補正係数などとして与えられる。
そして、波長ごとの総受光量J1λi、J2λiを、入射端面5a、6aのそれぞれの受光面積で平均化した光強度I1λi、I2λiとすると、I1λi、I2λiは下記式で算出される。
I1λi=J1λi/A1 ・・・(7)
I2λi=J2λi/A2 ・・・(8)
ここで、A1、A2はそれぞれ、入射端面5a、6aのそれぞれの受光面積の和である。
In the
Here, the calibration information is given as a correction coefficient for correcting the transmission loss of the
Then, assuming that the total received light amounts J 1λi and J 2λi for each wavelength are the light intensities I 1λi and I 2λi obtained by averaging the light receiving areas of the incident end faces 5a and 6a, I 1λi and I 2λi are calculated by the following equations. The
I 1λi = J 1λi / A 1 (7)
I 2λi = J 2λi / A 2 (8)
Here, A 1 and A 2 are the sum of the light receiving areas of the incident end faces 5a and 6a, respectively.
相対透過率算出部31では、式(1)にしたがって、波長λiごとの相対透過率Rλiを算出し、相対吸光度比算出部32に各算出結果を送出する。
The
次に、相対吸光度比算出部32では、式(2a)にしたがって、相対吸光度比γ1を算出し、性状特性値算定部33に送出する。ここで式(2a)に表れる2つの異なる波長の相対透過率比Rλ1/R0、およびR1/R0は式(1)の定義からそれぞれ下記式で表される。
Rλ1/R0=(J2λ1 ・J1λ3)/(J2λ3・J1λ1) ・・・(9)
R1/R0 =(J2λ2・J1λ3)/(J2λ3・J1λ2) ・・・(10)
さらに式(7)、(8)式の関係を用いると式(9)、(10)は下記式で表される。
Rλ1/R0=(J2λ1 ・J1λ3)/(J2λ3・J1λ1)
=(A1・A2・I2λ1 ・I1λ3)/(A1・A2・I2λ3・I1λ1)
=(I2λ1 ・I1λ3)/(I2λ3・I1λ1) ・・・(9a)
R1/R0 =(J2λ2 ・J1λ3)/(J2λ3・J1λ2)
=(A1・A2・I2λ2 ・I1λ3)/(A1・A2・I2λ3・I1λ2)
=(I2λ2 ・I1λ3)/(I2λ3・I1λ2) ・・・(10a)
式(9a)、(10a)から2つの異なる波長の相対透過率比は入射端面5a、6aのそれぞれの受光面積で平均化した光強度I1λi、I2λiで表され、受光面積A1,A2に依存しない。
Next, the relative absorbance
R λ1 / R 0 = (J 2λ1 · J 1λ3 ) / (J 2λ3 · J 1λ1 ) (9)
R 1 / R 0 = (J 2λ2 · J 1λ3 ) / (J 2λ3 · J 1λ2 ) (10)
Further, using the relationship of the formulas (7) and (8), the formulas (9) and (10) are represented by the following formulas.
R λ1 / R 0 = (J 2λ1 · J 1λ3 ) / (J 2λ3 · J 1λ1 )
= (A 1 · A 2 · I 2λ1 · I 1λ3 ) / (A 1 · A 2 · I 2λ3 · I 1λ1 )
= (I 2λ1 · I 1λ3 ) / (I 2λ3 · I 1λ1 ) (9a)
R 1 / R 0 = (J 2λ2 · J 1λ3 ) / (J 2λ3 · J 1λ2 )
= (A 1 · A 2 · I 2λ2 · I 1λ3 ) / (A 1 · A 2 · I 2λ3 · I 1λ2 )
= (I 2λ2 · I 1λ3 ) / (I 2λ3 · I 1λ2 ) (10a)
From the expressions (9a) and (10a), the relative transmittance ratios of two different wavelengths are expressed as light intensities I 1λi and I 2λi averaged over the respective light receiving areas of the incident end faces 5a and 6a, and the light receiving areas A 1 and A Does not depend on 2 .
性状特性値算定部33では、検量式データ保持部34から、検量式の係数βs0、βs1を呼び出し、式(5)にしたがって、糖度Csを算出する。そして、装置制御部22に計算結果を送出する。
装置制御部22は、表示制御部23を制御して、糖度Csを表示部20に出力する。
以上で、非破壊測定装置1による糖度Csの測定が終了する。
The property characteristic
The
Thus, the measurement of sugar content C s non-destructive measuring
このように本実施形態では、入射端面5a、6aを、出射端面4aを中心とする同心円の円周を等分する位置に配置したため、出射端面4aから等距離ρ1、ρ2にある位置から被検体2の外部に出射される光を偏りなく受光することができる。そのため、被検体2の内部の散乱特性に不均一性があって、各入射端面5a、6aで検出される光強度にバラツキが生じても、それらの総和であるJ1λi、J2λiを用いて、相対透過率Rλiを算出するので、この相対透過率は、被検体2の内部の散乱特性の不均一性を平均化していることになる。
したがって、空間的に散乱特性が均一な光散乱体で良好となる式(5)を検量式として精度よく性状特性値を算定することができる。
As described above, in the present embodiment, since the incident end faces 5a and 6a are arranged at positions that equally divide the circumference of the concentric circle with the
Therefore, the property characteristic value can be calculated with high accuracy using the equation (5), which is good for a light scatterer having spatially uniform scattering characteristics, as a calibration formula.
また、本実施形態では、出射端面4aを挟んで各1対の入射端面5a、5a、6a、6aが同一直線上で対向するように配置されているので、この直線に直交する面に関する非対称性が良好に低減される。
In the present embodiment, since the pair of incident end faces 5a, 5a, 6a, 6a are arranged so as to face each other on the same straight line with the
また、本実施形態では、プローブ端面3aと、出射端面4a、各入射端面5a、6aとが、互いに同一平面上に整列しているため、被検体表面2aでの反射光の影響を低減することができる。
例えば、図7に示すように、プローブ端面3aと、出射端面4a、各入射端面5a、6aとが、距離ΔGAPだけ離れているとする。出射端面4aからの出射光のうち、被検体表面2aで反射される表面反射光27は、プローブ端面3aで反射されて、被検体表面2aに再入射し、その透過光や反射光が、入射端面6Aに入射する。
このとき、ΔGAPが大きいと、反射率が高い比較的小さな入射角θの光が少ない反射回数で、入射端面5a、6aの近傍に到達し、より高輝度のノイズ光となる。
これに対して、ΔGAPが小さいと、入射角θが小さい光は反射回数が大きくなるので、著しく減衰し、入射角θが大きい光は反射率が低いため、やはり減衰が大きくなる。
例えば、図8は、ΔGAPを変化させたときの、吸光度の波長特性の測定結果の一例である。曲線102、103、104が、それぞれΔGAP=0mm、5mm、10mmの場合の測定結果を示す。
図8から分かるように、ΔGAPを、5mm、10mmとした測定では、全体に吸光度が低下し、とりわけΔGAP=0mmの場合に観察される波長950nmから1000nmの間のスペクトルが著しく低下しており、測定精度に大きく影響することが分かる。
したがって、ΔGAPは、本実施形態のように、0mmとすることが好ましい。
また、本実施形態では、さらに、プローブ端面3aの反射率が、測定波長領域にわたって、5%以下となる光吸収性の材質を用いているので、一層、ノイズ光の影響を排除することができるものである。
In the present embodiment, the
For example, as shown in FIG. 7, to the
At this time, if ΔGAP is large, light having a relatively small incident angle θ with high reflectivity reaches the vicinity of the incident end faces 5a and 6a with a small number of reflections, and becomes brighter noise light.
On the other hand, when ΔGAP is small, light having a small incident angle θ has a large number of reflections, so that the number of reflections is significantly attenuated. Light having a large incident angle θ has a low reflectance, and therefore the attenuation is also large.
For example, FIG. 8 is an example of the measurement result of the wavelength characteristic of absorbance when ΔGAP is changed.
As can be seen from FIG. 8, in the measurement where ΔGAP was set to 5 mm and 10 mm, the overall absorbance decreased, and in particular, the spectrum between 950 nm and 1000 nm observed when ΔGAP = 0 mm significantly decreased. It can be seen that the measurement accuracy is greatly affected.
Thus, delta GAP, as in the present embodiment, it is preferable to 0 mm.
Moreover, in this embodiment, since the light absorptive material whose reflectance of the
また、本実施形態では、入射端面5a、6aの配置される同心円半径の差Δを適切に設定しているため、良好な測定精度を得ることができる。
適切なΔの値は、性状特性値の単位変化分に対する相対透過率Rλiの変化量δRの大きさを見積もることによって設定することができる。
図9に示すのは、糖度測定の場合において、Δを変化させたときの、相対透過率Rλと糖度1Brix%当たりのRλの変化量δRλと比(δRλ/Rλ、グラフではδR/Rと表記した)を、光拡散理論を用いて計算し、黒丸でプロットしたグラフである。ここで、λ=940nm、ρ1=10mm、被検体2の等価散乱係数を1.1mm−1としている。
ここで、δR/Rは、糖度測定の感度に相当する量であり、直線105に示すように、ΔとδR/Rとは、良好な比例関係にある。つまり、Δを大きくすることで糖度変化に対する相対透過率Rの変化量、つまり測定感度が増大することを意味する。一般に相対透過率を測定する場合、測定装置が有する測定誤差より大きな相対反射率の測定感度が必要になる。測定装置が有する相対透過率の測定精度が0.1%程度とすると、測定感度としては0.2%以上が得られる距離Δの設定が必要になる。つまり、図9から、Δ≧5mmが必要となることが分かる。
Further, in the present embodiment, since the difference Δ between the concentric radii where the incident end faces 5a and 6a are arranged is set appropriately, good measurement accuracy can be obtained.
An appropriate value of Δ can be set by estimating the amount of change δR of the relative transmittance R λi with respect to the unit change of the property characteristic value.
FIG. 9 shows a ratio (δR λ / R λ) of a relative transmittance R λ and a change amount δR λ of R λ per 1 Brix% when δ is changed in the case of sugar content measurement. (represented as δR / R) was calculated using light diffusion theory and plotted with black circles. Here, λ = 940 nm, ρ 1 = 10 mm, and the equivalent scattering coefficient of the subject 2 is 1.1 mm −1 .
Here, δR / R is an amount corresponding to the sensitivity of sugar content measurement, and as shown by the
次に、非破壊測定装置1で測定した糖度の第1測定例について説明する。
本測定例では、被検体2を温州ミカンとし、センサプローブ3の条件を、ρ1=3mm、ρ2=10mm、Δ=7mmとした。ここで、式(2a)に表れる3つの異なる測定波長にはλ1=1040nm、λ2=940nm、λ3=900nmを用いている。また式(5)で表される検量式において各回帰係数にはβs0=0.963、βs1=0.0163を用いている。
そして、被検体2を非破壊測定装置1で測定したのち(推定値)、それらの果汁をしぼって、屈折糖度計によって糖度を測定した(実測値)。そして、これらの実測値を横軸、推定値を縦軸として、図10に示すような散布図にプロットした。
図10から分かるように、それぞれの測定値は、良好な相関がある。平均誤差は0.60Brix%であった。
したがって、本実施形態の非破壊測定装置1によれば、温州ミカンのような不均一な内部構造を有する被検体でも、破壊検査による糖度測定と同等の測定を行うことができることが分かる。
Next, a first measurement example of sugar content measured by the
In this measurement example, the
And after measuring the
As can be seen from FIG. 10, there is a good correlation between the measured values. The average error was 0.60 Brix%.
Therefore, according to the
次に、本実施形態の変形例について説明する。
図11(a)、(b)、(c)、(d)は、それぞれ本発明の第1の実施形態の第1〜第4変形例に用いる受光部の図1におけるA視方向の側面図である。
Next, a modification of this embodiment will be described.
FIGS. 11A, 11B, 11C, and 11D are side views of the light receiving unit used in the first to fourth modified examples of the first embodiment of the present invention in the A viewing direction in FIG. It is.
本実施形態の各変形例は、図11(a)、(b)、(c)、(d)に示すように、それぞれ、センサプローブ3に代えて、センサプローブ40、41、42、43を備え、それに応じて、光ファイバケーブル5、6の形状や構成を代えたものである。
As shown in FIGS. 11A, 11 </ b> B, 11 </ b> C, and 11 </ b> D, each modification of the present embodiment includes sensor probes 40, 41, 42, and 43 instead of the
第1変形例のセンサプローブ40は、センサプローブ3の8つの入射端面6aの円周方向に、さらに8つの入射端面6aを加えて、同一円周上に等間隔に配置したものである(図11(a)参照)。
したがって、半径ρ2の円周上でより細かいピッチの受光位置で受光することができるので、空間的に散乱特性が不均一な被検体2からの透過光をより平均化することができるので、測定精度を向上することができる。
The
Therefore, since light can be received at a light receiving position with a finer pitch on the circumference of the radius ρ 2 , transmitted light from the subject 2 having spatially non-uniform scattering characteristics can be further averaged. Measurement accuracy can be improved.
第2変形例のセンサプローブ41は、センサプローブ3の入射端面5a、6aに代えて、各同心円に沿う円弧状の入射端面41a、41b(受光口)を備えたものである(図11(b)参照)。
入射端面41a、41bは、光ファイバ5b、6bの心線の数を増やして、円弧状の領域に配置して形成してもよいし、円弧状の導光部材で形成して、光ファイバ5b、6bに導光してもよい。
この場合、例えば、入射端面41a、41bの円周方向の長さを、各同心円径に比例して同一に設定することにより、円周方向の受光面積比を共通にすることで、空間的に散乱特性が不均一な被検体2からの透過光をより平均化することができる。
The
The incident end faces 41a and 41b may be formed by increasing the number of cores of the
In this case, for example, by setting the circumferential lengths of the incident end faces 41a and 41b to be the same in proportion to the diameters of the concentric circles, the light receiving area ratio in the circumferential direction is made common, thereby spatially Transmitted light from the subject 2 having non-uniform scattering characteristics can be further averaged.
第3変形例のセンサプローブ42は、センサプローブ3の入射端面5a、6aに代えて、それぞれの同心円上で円周方向に沿って開口するリング状入射端面42a、42b(受光口)を備える(図11(c)参照)。
本変形例は、同心円上のすべての透過光を受光することができるので、散乱特性が空間的にどのような不均一性があっても、確実に被検体2からの透過光の不均一性を均等化することができる。
The
In this modified example, all the transmitted light on the concentric circles can be received, so that the non-uniformity of the transmitted light from the subject 2 can be reliably ensured regardless of the spatial non-uniformity of the scattering characteristics. Can be equalized.
第4変形例のセンサプローブ43は、センサプローブ3の入射端面5a、6aに加えて、ρ1、ρ2と異なる半径ρ3の同心円上に、入射端面43aを入射端面5a、6aが配置された各直線上に配置したものである(図11(d)参照)。そして、特に図示しないが、入射端面43aの入射光を伝送する光ファイバ、それを検出する光検出器などもを備え、操作部21からの設定により、相対透過率を算出する2つの受光部を入射端面5a、6a、43aの3つの中から選択することができるようになっている。
半径ρ3は、図11(d)では、ρ1<ρ3<ρ2の場合の例を示したが、ρ3<ρ1、ρ2<ρ3などであってもよい。
本変形例によれば、3つ以上の受光部を備え、そのうちの2つの受光部の受光光の光強度を用いて相対透過率を算出できる。したがって、被検体2の種類や、性状特性値の種類に応じて、2つの受光部の配置位置、その半径差Δを選択的に変更することができる。そのため、汎用的な測定に好適な装置となる。
In the
The radius ρ 3 is shown in FIG. 11D as an example in the case of ρ 1 <ρ 3 <ρ 2 , but may be ρ 3 <ρ 1 , ρ 2 <ρ 3 , or the like.
According to this modification, three or more light receiving units are provided, and the relative transmittance can be calculated using the light intensity of the light received by two of the light receiving units. Therefore, the arrangement positions of the two light receiving portions and the radius difference Δ thereof can be selectively changed according to the type of the subject 2 and the type of property characteristic value. Therefore, the apparatus is suitable for general-purpose measurement.
また、上記第1の実施形態および変形例の受光口の数は一例であって、2個以上であれば、被検体の種類や必要な測定精度に応じて、適宜の数だけ配置することができる。
1つの透過光検出部上の受光口を2個とする場合、効率的に被検体の散乱特性の不均一性を平均化するためには、光射出口中心を通る直線上の略対向位置に配置するか、2つの受光口と光射出口中心を通る直線が略直交する位置に配置することが好ましい。
散乱特性が空間的により不均一である被検体に対応できるようにするには、少なくとも4個の受光口を光出射口中心に対して略十字となる位置に配置しておくことが好ましい。
Further, the number of light receiving apertures in the first embodiment and the modification is an example, and if it is two or more, an appropriate number can be arranged according to the type of subject and the required measurement accuracy. it can.
When the number of light receiving ports on one transmitted light detection unit is two, in order to efficiently average the non-uniformity of the scattering characteristics of the subject, the light beam is positioned at substantially opposite positions on a straight line passing through the center of the light emitting port. It is preferable to arrange them at positions where the straight lines passing through the centers of the two light receiving openings and the light exit opening are substantially orthogonal.
In order to be able to deal with a subject whose scattering characteristics are spatially non-uniform, it is preferable that at least four light receiving openings are arranged at positions that are substantially cross-shaped with respect to the center of the light exit opening.
[第2の実施形態]
本発明の第2の実施形態に係る光散乱体の非破壊測定装置について説明する。
図12は、本発明の第2の実施形態に係る光散乱体の非破壊測定装置の概略構成を示す模式的な構成図である。
[Second Embodiment]
A non-destructive measuring apparatus for a light scatterer according to a second embodiment of the present invention will be described.
FIG. 12 is a schematic configuration diagram showing a schematic configuration of a non-destructive measuring apparatus for a light scatterer according to a second embodiment of the present invention.
本実施形態の非破壊測定装置50(光散乱体の非破壊測定装置)は、図12に示すように、第1の実施形態の非破壊測定装置1の光源ユニット7に代えて、光源52、結合レンズ9からなる光源ユニット51を備え、光ファイバケーブル4、光源制御部11、信号処理部18に代えて、それぞれ、光ファイバケーブル4A、光源制御部53、信号処理部60を備えるものである。以下では、上記第1の実施形態と異なる点を中心に説明する。
As shown in FIG. 12, the nondestructive measuring device 50 (light scatterer nondestructive measuring device) of this embodiment is replaced with the
光源52は、近赤外領域の波長の光を含む白色光源である。例えば、ハロゲンランプなどを採用することができる。ただし、測定に用いる波長光を含む帯域の波長分布を有する光源であれば、必ずしも白色光源でなくてもよい。
結合レンズ9は、光源52から出射された白色光を集光し、入射端面4cに光結合し、光ファイバ4bに入射させる光学素子である。
The
The
光ファイバケーブル4Aは、上記第1の実施形態の光ファイバケーブル4の入射端面4c側が3つに分岐されていないものである。
光源制御部53は、中央制御ユニット19からの制御信号に応じて、光源52に電圧を供給し、所定の光量で点灯制御するものである。ただし、本実施形態では、白色光を点灯するので、第1の実施形態のような波長を切り替える制御は行わない。
In the
The light
信号処理部53は、出射端面5c、6cから出射される透過光12、13を分光し、そのスペクトルから複数の波長光成分の総受光強度を総受光量J1λi、J2λi(i=1,2,…,n、ただしnは3以上の整数)として取得する。すなわち、本実施形態は、複数の波長光を、受光口で受光した透過光から分光して取得する構成となっている。そのため、光源が1つであっても、複数の波長光を容易に取得できるものである。
ここで、n=3として、上記第1の実施形態と同様の検量式を用いてもよいが、以下では、n≧4である場合の例について説明する。
その概略構成は、集光レンズ14、15、シャッタ54、55、プリズム56、回折格子57、および多チャンネル検出器58(光検出部)からなる。
The
Here, assuming that n = 3, a calibration formula similar to that in the first embodiment may be used, but an example in the case of n ≧ 4 will be described below.
The schematic configuration includes the
シャッタ54、55は、それぞれ集光レンズ14、15で集光された透過光12、13の光路上に配置され、透過光12、13のいずれか一方を透過させ、いずれか他方を遮光する光路選択手段である。
プリズム56は、シャッタ54、55の開閉動作により透過された光を、回折格子57に対して一定の光路に沿って入射できるように、透過光の光路を合成する光路合成手段である。本実施形態では、透過光13は進行方向に透過させ、透過光12は反射して透過後の透過光13と同一の光路に合成する構成としている。
The
The
回折格子57は、透過光12、13の分光を行うためのものである。分光の波長範囲は、複数の波長λiの成分が取得できる範囲でよい。
多チャンネル検出器58は、回折格子57で回折された光の光路上で、回折角度に応じた位置に、それぞれ多数の光検出素子を配置し、それぞれの光検出出力を取得することで、分光スペクトルを取得するものである。
多チャンネル検出器58としては、例えば、CCD等のリニアアレイセンサを採用することができる。
The
The
As the
次に、非破壊測定装置50の測定動作について第1の実施形態と異なる点を中心に説明する。
図13は、本発明の第2の実施形態に係る光散乱体の非破壊測定装置で推定した糖度と屈折糖度計の実測値との関係を示すグラフである。横軸は屈折糖度計による果汁糖度の実測値、縦軸は本実施形態の装置の推定値を示す。いずれも、糖度の単位は、Brix%である。
Next, the measurement operation of the nondestructive measuring
FIG. 13: is a graph which shows the relationship between the sugar content estimated with the nondestructive measuring apparatus of the light-scattering body based on the 2nd Embodiment of this invention, and the measured value of a refractive saccharimeter. The abscissa represents the actual value of the fruit juice sugar content measured by a refractometer, and the ordinate represents the estimated value of the apparatus of this embodiment. In either case, the unit of sugar content is Brix%.
上記第1の実施形態と同様にして、被検体2の測定部位にセンサプローブ3を配置する。
操作部21から、測定開始が入力されると、中央制御ユニット19は、光源制御部53を介して、光源52を点灯する。そして、近赤外領域に波長を有する白色光が照射光10として出射され、結合レンズ9によって、光ファイバ4bの入射端面4cに光結合される。そして、出射端面4aから被検体表面2aに向けて照射される。
Similarly to the first embodiment, the
When the measurement start is input from the
被検体表面2aに照射された光は、被検体2の内部に透過して、被検体2の内部の性状によって、散乱・吸収され、種々の光路を通って、再び被検体表面2aに到達した光の一部が被検体2の外部に出射され、各入射端面5a、6aの位置で、それぞれ光ファイバ5b、6bに入射する。このとき、各光ファイバに入射する光は、被検体2の内部の性状に応じて、波長に応じて、散乱・吸収され、内部の性状の情報を含むスペクトルを備えた光となっている。
The light irradiated on the
信号処理部60では、シャッタ54、55を操作して、透過光12、13を順次、回折格子57に入射させる。そして、回折格子57により分光された光の光強度分布を多チャンネル検出器58により取得する。そして、各受光位置と波長とを対応させた透過スペクトルS1、S2を取得する。ここで、透過スペクトルS1、S2は、それぞれ各波長ごとの、光ファイバ5b、6bの伝送損失、集光レンズ14、15の透過率、多チャンネル検出器58の波長感度特性など応じて予め作成された校正情報に基づいて校正されている。
これにより、分光範囲のすべての波長について、総受光量J1λi、J2λiを算出することが可能となる。算出された総受光量J1λi、J2λiは相対透過率算出部31に送出される。
In the
This makes it possible to calculate the total received light amounts J 1λi and J 2λi for all wavelengths in the spectral range. The calculated total received light amounts J 1λi and J 2λi are sent to the relative
相対透過率算出部31では、式(1)にしたがって、波長λiごとの相対透過率Rλiを算出し、相対吸光度比算出部32に各算出結果を送出する。
また、信号処理部60として既製の分光器ユニットを用いる場合、透過スペクトルS1、S2あるいは、相対透過率スペクトルR(λ)=S2/S1を、相対透過率算出部31に出力し、相対透過率算出部31では、R(λ)から必要な波長成分を取得してRλiを取得するようにしてもよい。
The
When an off-the-shelf spectrometer unit is used as the
次に、相対吸光度比算出部32では、式(2)にしたがって、相対吸光度比γkを算出し、性状特性値算定部33に送出する。本実施形態では、R0、R1を式(3)、(4)としている。したがって、異なるn個の波長に対する相対透過率Rλi(i=1,…,n)を用いて、次式のようにしてm(=n−2)個のγkが算出される。
γ1=ln(Rλ1/Rλ3)/ln(Rλ2/Rλ3) ・・・(11a)
γ2=ln(Rλ4/Rλ3)/ln(Rλ2/Rλ3) ・・・(11b)
γ3=ln(Rλ5/Rλ3)/ln(Rλ2/Rλ3) ・・・(11c)
・ ・・・
γm=ln(Rλn/Rλ3)/ln(Rλ2/Rλ3) ・・・(11m)
Next, the relative absorbance
γ 1 = ln (R λ1 / R λ3 ) / ln (R λ2 / R λ3 ) (11a)
γ 2 = ln (R λ4 / R λ3 ) / ln (R λ2 / R λ3 ) (11b)
γ 3 = ln (R λ5 / R λ3 ) / ln (R λ2 / R λ3 ) (11c)
・ ・ ・ ・
γ m = ln ( Rλn / Rλ3 ) / ln ( Rλ2 / Rλ3 ) (11m)
性状特性値算定部33では、検量式データ保持部34から、検量式の係数βkを呼び出して、例えば糖度などの性状特性値Cを算出する。
複数の相対吸光度比γkを用いて性状特性値を推定するための検量式は重回帰分析、あるいはPLS(Partial Least Square)回帰分析などの多変量解析により得ることができる。例えば、重回帰分析では次式を検量式として用いることができる。
C=β0+β1・γ1+…+βm・γm ・・・(12)
そして、装置制御部22に計算結果を送出する。
装置制御部22は、表示制御部23を制御して、性状特性値Cを表示部20に出力する。
以上で、非破壊測定装置1による性状特性値Cの測定が終了する。
The property characteristic
A calibration formula for estimating property characteristic values using a plurality of relative absorbance ratios γ k can be obtained by multivariate analysis such as multiple regression analysis or PLS (Partial Least Square) regression analysis. For example, in the multiple regression analysis, the following equation can be used as a calibration equation.
C = β 0 + β 1 · γ 1 +... + Β m · γ m (12)
Then, the calculation result is sent to the
The
Thus, the measurement of the property characteristic value C by the
このように本実施形態では、多チャンネル検出器58により、分光スペクトルを取得して、受光口で受光した波長ごとの光強度を算出して相対透過率を求めるので、光源52の数を減らすことができる。また、異なる波長光の照射を切り替えなくともよいので、多数の波長ごとの光強度を短時間で取得することができ、測定効率を向上することができる。
また、4つ以上の波長光により、重回帰分析などの多変量解析により得られる説明変数を2以上備える検量式で性状特性値を算出するので、測定精度を向上することができる。
異なる波長光は、被検体2の内部の異なる光路、光路範囲、光路長を有するため、それらを用いた相対吸光度比を2つ以上含む検量式は、受光口の配置が同一であっても、波長の選択によって、被検体2の内部のより広範囲な情報を含むことになる。そのため、受光口の位置、個数が同一であれば、第1の実施形態のような相対吸光度比が1つの場合よりも、被検体2の散乱特性の不均一性に起因する推定誤差を低減することができるので、より高精度となる。
As described above, in the present embodiment, the
In addition, since the property characteristic value is calculated by a calibration equation having two or more explanatory variables obtained by multivariate analysis such as multiple regression analysis using four or more wavelength lights, the measurement accuracy can be improved.
Since different wavelength lights have different optical paths, optical path ranges, and optical path lengths inside the
次に、非破壊測定装置50で測定した糖度の第2測定例について説明する。
本測定例の条件は、第1の実施形態と同様、被検体2を温州ミカンとし、センサプローブ3の条件を、ρ1=3mm、ρ2=10mm、Δ=7mmとした。検量式は、PLS回帰分析により得られたものを用いている。ここでは波長範囲900〜1070nmの相対吸光度比スペクトルγ(λ)=ln(R(λ)/R(λ3))/ln(R(λ2)/R(λ3))からPLS回帰分析により3つの主成分を選択し、検量式を作成した。ただしλはλ2、λ3を除く波長であり、波長λ2=940nm、λ3=900nmとした。
そして、被検体2を非破壊測定装置50で測定したのち(推定値)、それらの果汁をしぼって、屈折糖度計によって糖度を測定した(実測値)。そして、これらの実測値を横軸、推定値を縦軸として、図13に示すような散布図にプロットした。
図13から分かるように、それぞれの測定値は、良好な相関がある。平均誤差は0.53Brix%であった。
したがって、本実施形態の非破壊測定装置50によれば、温州ミカンのような空間的に散乱特性が不均一な構造を有する被検体でも、破壊検査による糖度測定と同等の測定を行うことができることが分かる。また、複数の相対吸光度比を用いるため、第1の実施形態に比べて高精度の測定を行うことができる。
Next, a second measurement example of sugar content measured by the
As in the first embodiment, the conditions of this measurement example are the subject 2 mandarin orange, and the conditions of the
And after measuring the
As can be seen from FIG. 13, the measured values have a good correlation. The average error was 0.53 Brix%.
Therefore, according to the nondestructive measuring
次に第3測定例について説明する。本測定例は、本実施形態に非破壊測定装置50で、異なる種類の果実を被検体2としても、同一の検量線で良好な測定が行えることを示す測定例である。
図14は、本発明の第2の実施形態に係る光散乱体の非破壊測定装置で推定した他の被検体の糖度と屈折糖度計の実測値との関係を示すグラフである。横軸は屈折糖度計による果汁糖度の実測値、縦軸は本実施形態の装置の推定値を示す。いずれも、糖度の単位は、Brix%である。
Next, a third measurement example will be described. This measurement example is a measurement example that shows that a good measurement can be performed with the same calibration curve using the
FIG. 14 is a graph showing the relationship between the sugar content of another subject estimated by the non-destructive measurement apparatus for a light scatterer according to the second embodiment of the present invention and the measured value of a refractometer. The abscissa represents the actual value of the fruit juice sugar content measured by a refractometer, and the ordinate represents the estimated value of the apparatus of this embodiment. In either case, the unit of sugar content is Brix%.
本測定例の条件は、被検体2をリンゴ(サンふじ、青森)とし、センサプローブ3の条件を、ρ1=3mm、ρ2=10mm、Δ=7mmとした。検量式は、第2測定例で説明した温州ミカンの糖度推定で用いた検量式と同じ式を用いている。
図14から分かるように、それぞれの測定値は、良好な相関がある。平均誤差は0.38Brix%であった。
したがって、本発明の第2の実施形態の非破壊測定装置50によれば、種類の異なる果実、ここでは温州ミカンとリンゴとを同じ検量式で高精度に推定することができ、果実の種類毎に検量線を作り直す必要がないので、従来技術に比べて測定装置の運用上非常に効率的となる。
このような作用効果は、従来技術の相対透過率の2次微分をとる装置では得られないものである。しかも、相対透過率の2次微分をとる必要がないので、そのような従来技術に比べて簡素な構成とすることができる。
In this measurement example, the
As can be seen from FIG. 14, the measured values have a good correlation. The average error was 0.38 Brix%.
Therefore, according to the nondestructive measuring
Such an effect cannot be obtained by a device that takes the second derivative of the relative transmittance of the prior art. In addition, since it is not necessary to take the second derivative of the relative transmittance, a simple configuration can be obtained as compared with such a conventional technique.
なお、上記の第1の実施形態の説明では、複数の波長光が単色光の場合で説明したが、単色光でなくとも、十分狭い帯域を有する狭帯域光を用いてもよい。このような狭帯域光は、例えば、バンドパスフィルタなどを用いることで容易に得られる。 In the above description of the first embodiment, the case where a plurality of wavelength lights is monochromatic light has been described. However, narrow band light having a sufficiently narrow band may be used instead of monochromatic light. Such narrow-band light can be easily obtained by using, for example, a band-pass filter.
また、上記の説明では、プローブ端面3aが平面の例で説明したが、プローブ端面3aは、被検体2の形状に合わせた湾曲面としてもよい。また、プローブ端面3aを変形可能な柔軟な材質で構成し、被検体2の押しつけたときにその形状に合わせて変形することができるようにしてもよい。これらの場合、光出射口、受光口を被検体に近接させやすくなるため、測定ノイズが低減され、より良好な測定精度が得られる。
In the above description, the
また、上記の説明では、同一の円周上にある受光口からの光を1つの透過光検出部で検出する場合の例で説明したが、各受光口の光を別々の光検出器で検出し、その検出出力を演算処理してもよい。例えば、総和をとったり、平均したりしてもよい。
この場合、各透過光検出部の各受光口の大きさを変えた構成としてもよい。
上記各実施形態では、同一の透過光検出部で各受光口の大きさを変えると、総受光量を割る受光面積が円周方向に不均等な開口面積の和であるため、相対透過率を求めるのに必要なI1λi、I2λiを求めることができない。このような場合、各受光口の光を別々の光検出器で検出し、各受光口に対応する開口面積で規格化した光強度を求めて、それらの総和をとれば、相対透過率を求めるのに必要なI1λi、I2λiが得られる。
In the above description, the light from the light receiving ports on the same circumference is described as an example in which the light is detected by one transmitted light detection unit, but the light from each light receiving port is detected by a separate photodetector. Then, the detected output may be processed. For example, the sum may be taken or averaged.
In this case, it is good also as a structure which changed the magnitude | size of each light-receiving opening of each transmitted light detection part.
In each of the above embodiments, if the size of each light receiving port is changed in the same transmitted light detection unit, the light receiving area that divides the total amount of received light is the sum of the non-uniform opening areas in the circumferential direction. It is impossible to obtain I 1λi and I 2λi necessary for obtaining . In such a case, the light from each light receiving opening is detected by a separate photodetector, the light intensity normalized by the opening area corresponding to each light receiving opening is obtained, and the sum of those is obtained to obtain the relative transmittance. I 1λi and I 2λi necessary for the above are obtained.
また、上記の各実施形態および変形例のすべての構成要素は、技術的に可能であれば、本発明の技術的思想の範囲で適宜組み合わせて実施することができる。例えば、第1の実施形態の非破壊測定装置1において、第2の実施形態における、相対吸光度比を複数用いた検量式、あるいは相対透過率を4つ以上用いた検量式を用いてもよい。
Moreover, if it is technically possible, all the components of each of the above-described embodiments and modifications can be appropriately combined and implemented within the scope of the technical idea of the present invention. For example, in the
1、50 非破壊測定装置(光散乱体の非破壊測定装置)
2 被検体
3、40、41、42、43 センサプローブ(固定保持部材)
4 光ファイバケーブル(光照射部)
4a 出射端面(光出射口)
5、6 光ファイバケーブル(受光部)
5a、6a 入射端面(受光口)
8、52 光源
10、10A、10B、10C 照射光
11 光源制御部
12、13 透過光
16、17 光検出器(透過光検出部)
18、60 信号処理部
19 中央制御ユニット
24 光検出部
25A、25B、25C、26A、26B、26C 内部光
30 演算処理部
31 相対透過率算出部
32 相対吸光度比算出部
33 性状特性値算定部
34 検量式データ保持部
54、55 シャッタ
56 プリズム
57 回折格子
58 多チャンネル検出器(光検出部)
200 ミカン(被検体)
1, 50 Nondestructive measuring device (Non-destructive measuring device for light scatterers)
2
4 Optical fiber cable (light irradiation part)
4a Output end face (light exit)
5, 6 Optical fiber cable (light receiving part)
5a, 6a Incident end face (light receiving aperture)
8, 52
18, 60
200 oranges (subject)
Claims (11)
該光源からの前記複数の波長光を出射する光出射口を有し、該光出射口から前記複数の波長光を光散乱体からなる被検体上の1箇所の照射領域に向けて照射する光照射部と、
前記被検体からの透過光を受光するために、前記光照射部の前記光出射口の中心に対して互いに異なる径を有する少なくとも2つの同心円の円周上においてそれぞれ2箇所以上の位置に受光口を有する少なくとも2つの受光部と、
該少なくとも2つの受光部で受光した光の光強度を検出する透過光検出部と、
前記同心円径の異なる2つの受光部の前記光強度の比をとった相対透過率を前記複数の波長ごとに算出し、前記相対透過率に基づいて前記被検体内部の性状特性値Cを算定する演算処理部とを備え、
前記複数の波長光は、4つ以上の波長λ i (i=1,2,…,n、ただしnは4以上の整数)の光を含み、
前記透過光検出部が、
前記少なくとも2つの受光部のうち、前記同心円の半径がρ 1 、ρ 2 (ただし、ρ 1 <ρ 2 )の2つの受光部で受光した光の波長λ i における総受光量をそれぞれJ 1λi 、J 2λi として検出したときに、
前記演算処理部が、
下記式(1)で表される前記波長λ i ごとの相対透過率R λi を算出し、
下記式(2)で表される相対吸光度比γ k (k=1,…,m、ただし、m=n−2)を算出し、
前記性状特性値Cを、前記m個の相対吸光度比γ k (k=1,…,m)を説明変数とする多項式を用いた下記式(12)で表される検量式によって算定するようにしたことを特徴とする光散乱体の非破壊測定装置。
R λi =J 2λi /J 1λi ・・・(1)
γ k =ln(R λk /R 0 )/ln(R 1 /R 0 ) ・・・(2)
C=β 0 +β 1 ・γ 1 +…+β m ・γ m ・・・(12)
ここで、R 0 、R 1 は、R λi のうちの異なる2つの相対透過率であり、R λk (k=1,…,m、ただし、m=n−2)は、R λi のうちR 0 、R 1 を除いたm個の相対透過率を表す。 A light source that generates light of multiple wavelengths;
It has a light exit opening for emitting a plurality of wavelength light from the light source and morphism irradiation direction from the light exit port to a radiation area of one location on the object comprising a plurality of wavelength light from the light scatterer A light irradiation unit;
Wherein in order to receive transmitted light from the subject, the light receiving opening at a position above two places on the circumference of the at least two concentric circles having different diameters from each other with respect to the center of the light exit opening of the light irradiation unit At least two light receiving parts having:
A transmitted light detector that detects the light intensity of light received by the at least two light receivers;
The relative transmittance obtained by taking the ratio of the light intensities of the two light receiving parts having different concentric diameters is calculated for each of the plurality of wavelengths, and the property characteristic value C inside the subject is calculated based on the relative transmittance. An arithmetic processing unit ,
The plurality of wavelength lights includes light of four or more wavelengths λ i (i = 1, 2,..., N, where n is an integer of 4 or more),
The transmitted light detection unit is
Of the at least two light receiving parts, the total received light amount at the wavelength λ i of the light received by the two light receiving parts having the concentric radii ρ 1 and ρ 2 (where ρ 1 <ρ 2 ) is expressed as J 1λi , respectively . When detected as J 2λi ,
The arithmetic processing unit is
The relative transmittance R λi for each wavelength λ i represented by the following formula (1) is calculated,
The relative absorbance ratio γ k (k = 1,..., M, where m = n−2) represented by the following formula (2 ) is calculated,
The property characteristic value C is calculated by a calibration formula represented by the following formula (12) using a polynomial having the m relative absorbance ratios γ k (k = 1,..., M) as explanatory variables. A non-destructive measuring device for a light scatterer characterized by the above .
R λi = J 2λi / J 1λi (1)
γ k = ln (R λk / R 0 ) / ln (R 1 / R 0 ) (2)
C = β 0 + β 1 · γ 1 +... + Β m · γ m (12)
Here, R 0 and R 1 are two different relative transmittances of R λi , and R λk (k = 1,..., M , where m = n−2) is R of R λi . 0 and m relative transmittances excluding R 1 are represented.
該光源からの前記複数の波長光を出射する光出射口を有し、該光出射口から前記複数の波長光を光散乱体からなる被検体上の1箇所の照射領域に向けて照射する光照射部と、
前記被検体からの透過光を受光するために、前記光照射部の前記光出射口の中心に対して互いに異なる径を有する少なくとも2つの同心円上で円周方向に沿って開口するリング状の受光口を有する少なくとも2つの受光部と、
該少なくとも2つの受光部で受光した光の光強度を検出する透過光検出部と、
前記同心円径の異なる2つの受光部の前記光強度の比をとった相対透過率を前記複数の波長ごとに算出し、前記相対透過率に基づいて前記被検体内部の性状特性値Cを算定する演算処理部とを備え、
前記複数の波長光は、4つ以上の波長λ i (i=1,2,…,n、ただしnは4以上の整数)の光を含み、
前記透過光検出部が、
前記少なくとも2つの受光部のうち、前記同心円の半径がρ 1 、ρ 2 (ただし、ρ 1 <ρ 2 )の2つの受光部で受光した光の波長λ i における総受光量をそれぞれJ 1λi 、J 2λi として検出したときに、
前記演算処理部が、
下記式(1)で表される前記波長λ i ごとの相対透過率R λi を算出し、
下記式(2)で表される相対吸光度比γ k (k=1,…,m、ただし、m=n−2)を算出し、
前記性状特性値Cを、前記m個の相対吸光度比γ k (k=1,…,m)を説明変数とする多項式を用いた下記式(12)で表される検量式によって算定するようにしたことを特徴とする光散乱体の非破壊測定装置。
R λi =J 2λi /J 1λi ・・・(1)
γ k =ln(R λk /R 0 )/ln(R 1 /R 0 ) ・・・(2)
C=β 0 +β 1 ・γ 1 +…+β m ・γ m ・・・(12)
ここで、R 0 、R 1 は、R λi のうちの異なる2つの相対透過率であり、R λk (k=1,…,m、ただし、m=n−2)は、R λi のうちR 0 、R 1 を除いたm個の相対透過率を表す。 A light source that generates light of multiple wavelengths;
Light having a light emission port that emits the plurality of wavelength lights from the light source, and irradiating the plurality of wavelength lights from the light emission port toward one irradiation region on the subject made of a light scatterer An irradiation unit;
In order to receive the transmitted light from the subject, a ring-shaped light reception that opens along the circumferential direction on at least two concentric circles having different diameters with respect to the center of the light emission port of the light irradiation unit. At least two light receiving parts having a mouth;
A transmitted light detector that detects the light intensity of light received by the at least two light receivers;
The relative transmittance obtained by taking the ratio of the light intensities of the two light receiving parts having different concentric diameters is calculated for each of the plurality of wavelengths, and the property characteristic value C inside the subject is calculated based on the relative transmittance. An arithmetic processing unit,
The plurality of wavelength lights includes light of four or more wavelengths λ i (i = 1, 2,..., N, where n is an integer of 4 or more),
The transmitted light detection unit is
Of the at least two light receiving parts, the total received light amount at the wavelength λ i of the light received by the two light receiving parts having the concentric radii ρ 1 and ρ 2 (where ρ 1 <ρ 2 ) is expressed as J 1λi , respectively . When detected as J 2λi ,
The arithmetic processing unit is
The relative transmittance R λi for each wavelength λ i represented by the following formula (1) is calculated,
The relative absorbance ratio γ k (k = 1,..., M, where m = n−2) represented by the following formula (2 ) is calculated,
The property characteristic value C is calculated by a calibration formula represented by the following formula (12) using a polynomial having the m relative absorbance ratios γ k (k = 1,..., M) as explanatory variables. A non-destructive measuring device for a light scatterer characterized by the above .
R λi = J 2λi / J 1λi (1)
γ k = ln (R λk / R 0 ) / ln (R 1 / R 0 ) (2)
C = β 0 + β 1 · γ 1 +... + Β m · γ m (12)
Here, R 0 and R 1 are two different relative transmittances of R λi , and R λk (k = 1,..., M , where m = n−2) is R of R λi . 0 and m relative transmittances excluding R 1 are represented.
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