JP3847197B2 - 分光分析装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、計測対象箇所に位置する被計測物に光を照射する投光手段と、前記被計測物からの透過光を受光して分光し、その分光された光を計測する受光手段と、各部の動作を制御する制御手段とが設けられ、前記制御手段が、前記受光手段にて受光した光により、前記被計測物の内部品質を解析するように構成されている分光分析装置に関する。
【0005】
【課題を解決するための手段】
〔請求項1記載の発明〕
請求項1に記載の発明は、計測対象箇所に位置する被計測物に光を照射する投光手段と、前記被計測物からの透過光を受光して分光し、その分光された光を計測する受光手段と、各部の動作を制御する制御手段とが設けられ、
前記制御手段が、前記受光手段にて受光した光により、前記被計測物の内部品質を解析するように構成されている分光分析装置であって、
前記被計測物が前記計測対象箇所を通過するように設定速度で搬送コンベアにて搬送されるように構成され、
前記投光手段と前記受光手段とが、前記計測対象箇所の左右両側箇所に振り分けて配置され、
前記受光手段の位置を前記計測対象箇所に対して遠近方向に沿って変更調節する間隔維持手段が設けられ、
前記制御手段が、前記被計測物の品種が変わる際に予め入力される被計測物の大きさについての品種情報及び制御プログラムに基づいて、前記計測対象箇所に位置することになる被計測物のうちで推測される最も大きい被計測物と前記受光手段との間隔を設定間隔に維持するように、前記間隔維持手段の変更調節動作を制御するように構成されている点を特徴とする。
【0008】
〔請求項2記載の発明〕
請求項2に記載の発明は、請求項1記載の発明において、前記計測対象箇所に位置する前記被計測物と前記投光手段との間隔を変更調節できるように、前記投光手段の位置を前記計測対象箇所に対して遠近方向に沿って変更調節する投光位置調整手段が設けられ、
前記制御手段が、前記被計測物の品種が変わる際に予め入力される被計測物の大きさについての品種情報及び制御プログラムに基づいて、前記投光手段から照射される集束光の焦点位置が、前記計測対象箇所に位置することになる被計測物のうちで推測される最も小さい被計測物の表面と一致するように、前記投光位置調整手段の変更調節動作を制御するように構成されている点を特徴とする。
【0024】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る分光分析装置用のデータ処理装置について、被計測物Mとして例えばミカンの内部品質情報(糖度や酸度等)を計測するための分光分析装置に対する処理に適用した場合について図面に基づいて説明する。
【0025】
先ず、前記分光分析装置の構成並びに計測動作について説明する。
図1に示すように、分光分析装置は、被計測物Mに光を照射する投光部1と、被計測物Mを透過した光を計測対象光として、その計測対象光を分光してその分光した計測対象光を受光して分光スペクトルデータを得る受光部2と、分光スペクトルデータに基づいて被計測物Mの内部品質を解析する演算処理や、各部の動作を制御する動作制御処理等を実行する制御部3等を備えて構成され、被計測物Mは、搬送コンベア6により設定速度で一列で縦列状に載置搬送されて計測対象箇所Tを順次、通過していくように構成されている。そして、計測対象箇所Tに位置する被計測物Mに対して、投光部1から投射した光が被計測物Mを透過した後に受光部2にて受光される状態で、投光部1と受光部2とが、計測対象箇所Tの左右両側箇所に振り分けて配置されている。
【0026】
前記投光部1には、計測対象箇所Tに対して遠近方向に移動自在に構成されて、計測対象箇所Tに位置する被計測物Mに光を照射する投光手段7が備えられ、前記受光部2には、計測対象箇所Tに対して遠近方向に移動自在に構成されて、被計測物Mからの透過光を受光して分光し、その分光された光を計測する受光手段8が備えられている。
さらに、投光部1には、投光位置調整手段4として、軸受11aに回転自在に支持されて計測対象箇所Tに対して遠近方向に沿って設けられたネジ棒12aと、そのネジ棒12aの一端側に連結されて制御部3によって制御されるパルスモータ13aと、ネジ棒12aに外嵌するナット部材14aとが備えられ、投光手段7は、前記ナット部材14aを備える架台15aの上方に取り付けられている。そして、制御部3がパルスモータを回転させることによって、投光手段7の位置が、計測対象箇所Tに対して遠近方向に沿って変更調節されて、計測対象箇所Tに位置する被計測物Mと前記投光手段7との間隔を変更調節できるように構成されている。
同様に、前記受光部2においても、間隔維持手段5として、軸受け11b、ネジ棒12b、パルスモータ13b、及びナット部材14bとが備えられ、受光手段8は、ナット部材14bを備えた架台15bの上方に取り付けられている。そして、受光手段8の位置が、計測対象箇所Tに対して遠近方向に沿って変更調節されて、計測対象箇所Tに位置する被計測物Mと受光手段8との間隔を設定間隔に維持するように構成されている。
【0027】
次に、前記投光手段7の構成について説明する。
前記投光手段7は、図2に示すように、投光用枠体28の内部に、ハロゲンランプからなる光源21、この光源21から発光する光を反射させて被計測物Mの表面に焦点を合わせるための凹面形状の光反射板22、この光反射板22にて集光される光の焦点位置近くに位置させて、小径の透過孔を通過させることで集光された後の光の径方向外方側への広がりを抑制する絞り手段としての絞り板23、光源21からの光が計測対象箇所Tに照射される状態と、光を遮断する状態とに切り換え自在な投光用シャッター機構24、集光された光源21からの光を並行光に変更させる投光用コリメータレンズ25、並行光に変化した光を反射して計測対象箇所Tに位置する被計測物Mに向けて横向きに変更する投光用反射鏡26、この投光用反射鏡26にて反射された光を集光させる投光用集光レンズ27とを備えて構成されている。
また、前記投光用シャッター機構24は、詳述はしないが、遮蔽板を電動モータを用いた操作機構によって揺動操作して、光が計測対象箇所Tに照射される状態と、光を遮断する状態とに切り換える構成となっている。
【0028】
前記受光手段8は、図3に示すように、受光用枠体29の内部に、被計測物Mを透過した計測対象光を集光する受光用集光レンズ31、この受光用集光レンズ31を通過してくる光のうち後述するような計測対象の波長領域(600nm〜1000nm)の範囲の光だけを計測対象光として上向きに反射し、それ以外の波長の光をそのまま通過させるバンドパスミラー32、このバンドパスミラー32により上向きに反射された計測対象光をそのまま通過させる開放状態と、前記計測対象光の通過を阻止する遮蔽状態とに切り換え自在な受光用シャッター機構33、開放状態の受光用シャッター機構33を通過した光が入射されると、その光を分光して前記分光スペクトルデータを計測する分光器34、バンドパスミラー32をそのまま直進状態で通過した光の光量を検出する光量検出センサ35等を備えて構成されている。
【0029】
前記分光器34は、図4に示すように、入光口36から入射した計測対象光を反射する受光用反射鏡37と、反射された計測対象光を複数の波長の光に分光する凹面回折格子38と、凹面回折格子38によって分光された計測対象光における各波長毎の光強度を検出することにより分光スペクトルデータを計測する受光センサ39とが、外部からの光を遮光する遮光性材料からなる暗箱40内に配置される構成となっている。この受光センサ39は、凹面回折格子38にて分光反射された光を同時に各波長毎に受光するとともに波長毎の信号に変換して出力する、1024ビットのMOS型ラインセンサにて構成されている。このラインセンサは、詳述はしないが、各単位画素毎にフォトダイオード等の光電変換素子と、その光電変換素子にて得られた電荷を蓄積するコンデンサ、及び、その蓄積電荷を外部に出力させるための駆動回路等を内装して構成されている。
尚、コンデンサによる電荷蓄積時間は、外部から駆動回路を介して変更させることができるようになっている。
【0030】
前記受光用シャッター機構33は、図5に示すように、放射状に複数のスリット41が形成された円板42を、シャッター用パルスモータ43によって縦軸芯周りで回転操作される状態で備えて構成され、前記暗箱40の入光口36には前記各スリット41が上下に重なると光を通過させる開放状態となり、スリット41の位置がずれると光を遮断する遮断状態となるように、スリット41とほぼ同じ形状の透過孔44が形成されており、光の漏洩がないように暗箱40の入光口36に対して円板42を密接状態で摺動する状態で配備して構成されている。すなわち、この受光用シャッター機構33は凹面回折格子38に対する入光口36に近接する状態で設けられている。
【0031】
前記投光手段7及び前記受光手段8は、上述したように、計測対象箇所Tに対して遠近方向に沿って夫々の位置が変更調節されるように構成されているとともに、被計測物Mが通過する計測対象箇所Tの上方側を迂回するように設けられた枠体55によって一体的に支持される状態で設けられ、この枠体55は、上下調節機構61によって搬送コンベア6に対してその全体の上下方向の位置を変更調節することができるようになっている。上下調節機構61については、詳述はしないが、固定部62に対して位置固定状態で設置され、上下位置調節用電動モータ63にて駆動されるネジ送り機構64によって上下に移動させることができるようになっている。
そして、搬送コンベア6における被計測物Mの通過箇所の上方側に位置させて、固定部62にて位置固定される状態で基準体の一例であるリファレンスフィルター65が設けられている。このリファレンスフィルター65は、所定の吸光度特性を有する光学フィルターで構成され、具体的には、オパールガラスを用いて構成されている。
【0032】
そして、前記枠体55の全体を上下方向に位置調節することによって、図7(イ)に示すように、投光手段7からの光が搬送コンベア6に載置される被計測物Mを透過した後に受光手段8にて受光される通常計測状態と、図7(ロ)に示すように、各投光手段7からの光が前記リファレンスフィルター65を透過した後に受光手段8にて受光されるリファレンス計測状態とに切り換えることができるように構成されている。
【0033】
前記搬送コンベア6は無端回動チェーン6aに設定間隔をあけて被計測物M載置用のバケット6bを取付けて回動駆動する構成となっており、図6に示すように、搬送コンベア6による計測対象箇所Tの搬送方向上手側箇所には、前記バケット6bの中心位置が通過する毎に検出信号を出力する光学式の通過センサ45が備えられている。すなわち、この通過センサ45は、被計測物Mが計測対象箇所Tを通過する周期を検出する搬送周期検出手段として機能することになる。
【0034】
前記制御部3は、マイクロコンピュータを利用して構成してあり、図9に示すように、分光器34によって得られる分光スペクトルデータに基づいて被計測物Mの内部品質を解析する演算手段100や、各部の動作を制御する制御手段としての動作制御手段101が夫々制御プログラム形式で備えられる構成となっている。
つまり、上述したような、投光位置調整手段4の変更調節動作、間隔維持手段5の変更調節動作、各シャッター機構24、33の開閉動作、上下調節機構61の動作、及び、受光センサ39の動作の管理等の各部の動作を制御するとともに、後述するような公知技術である分光分析手法を用いて被計測物Mの内部品質を解析する演算処理を実行する構成となっている。
【0035】
そして、制御部3は、予め入力される被計測物Mの大きさについての品種情報に基づいて、被計測物Mの大きさが小さい品種の場合には、図8の(イ)に示す如く、上下調節機構61を操作して、被計測物M中央部分を中心として被計測物Mの全体にわたって均一に投光手段7からの光が照射されるように、投光手段7と受光手段8との上下方向の位置を調整するとともに、制御部3が投光位置調整手段4のパルスモータ13aを回転させて、投光手段7から照射される集束光の焦点位置を、計測対象箇所Tに位置する推測される最も小さい被計測物Mの表面と一致するように、投光手段7の位置を計測対象箇所Tに近づける方向へ変更調節し、間隔維持手段5のパルスモータ13bを回転させて、計測対象箇所Tに位置する推測される最も大きい被計測物Mと受光手段8との間隔を設定間隔に維持するように、受光手段8の位置を計測対象箇所Tに近づける方向へ変更調節する。また、被計測物Mの大きさが大きい品種の場合にも、図8の(ロ)に示すように、上下調節機構61にて投光手段7と受光手段8とを上方側に移動させ、被計測物Mの中央部分を中心として被計測物Mの全体にわたって投光手段7からの光が照射されるように調整するとともに、制御部3が投光位置調整手段4のパルスモータ13aを回転させて、投光手段7から照射される集束光の焦点位置が、計測対象箇所Tに位置する推測される最も小さい被計測物Mの表面と一致するように、投光手段7の位置を計測対象箇所Tから遠ざかる方向へ変更調節し、間隔維持手段5のパルスモータ13bを回転させて、計測対象箇所Tに位置する推測される最も大きい被計測物Mと受光手段8との間隔を設定間隔に維持するように、受光手段8の位置を計測対象箇所Tから遠ざかる方向へ変更調節する。
【0036】
つまり、投光手段7からの光が、被計測物Mの中央部分を中心として、被計測物Mの全体にわたって均一に照射され、且つ、被計測物Mを通過せずに被計測物Mを回り込んで分光器34へ入射することを抑制されるべく、投光手段7と受光手段8との上下方向の位置を調整するとともに、投光手段7と被計測物Mとの間隔、及び、被計測物Mと受光手段8との間隔を調整することによって、投光手段7から照射される光を集束する状態で的確に被計測物Mへ入射させて、受光手段8にて設定適正量となる受光量が得られるようにすることとなり、受光センサ39の電荷蓄積量が不足してS/N(信号対雑音)比が低下してしまうことを防止しながら、外乱光が被計測物Mを透過した検出光に混じって受光手段8に入射することを防止して、受光量が設定適正範囲を逸脱して受光センサ39の電荷蓄積量が飽和しまうことを防止できるように構成されているものである。
【0037】
なお、予め入力する計測条件については、被計測物Mの品種や大きさが変わる際に、搬送コンベア6に被計測物Mを載置させる前に制御部3に入力したり、搬送コンベア6にて被計測物Mを計測対象箇所Tに搬送する途中で計測条件を検出して、その検出された計測条件を制御部3に入力するようにしている。
【0038】
次に、動作制御手段101による制御動作について説明する。
動作制御手段101は、被計測物Mに対する通常の計測に先立って、投光手段7からの光を被計測物Mに代えて前記リファレンスフィルター65に照射して、そのリファレンスフィルター65からの透過光を、分光器34にて分光してその分光した光を受光して得られた分光スペクトルデータを光量基準分光スペクトルデータとして求める基準データ計測モードと、搬送コンベア6により搬送される被計測物Mに対して、投光手段7から光を照射して計測分光スペクトルデータを得て、この計測分光スペクトルデータと前記光量基準分光スペクトルデータとに基づいて、被計測物Mの内部品質を解析する通常データ計測モードとに切り換え自在に構成されている。
【0039】
詳述すると、前記基準データ計測モードにおいては、搬送コンベア6による被計測物Mの搬送を停止させている状態で、前記校正用データ計測状態に切り換える。そして、前記受光用シャッター機構33を開放状態に切り換えて、投光手段7からの光を被計測物Mに代えて前記リファレンスフィルター65に照射して、そのリファレンスフィルター65からの透過光を、分光器34にて分光してその分光した光を受光して得られた分光スペクトルデータを基準分光スペクトルデータとして計測する。
【0040】
そして、前記基準データ計測モードにおいては、分光器34への光が遮断された無光状態での受光センサ39の検出値(暗電流データ)も計測される。すなわち、前記分光器34の受光用シャッター機構33を遮蔽状態に切り換えて、そのときの受光センサ39の単位画素毎における検出値を暗電流データとして求めるようにしている。
【0041】
次に、通常データ計測モードにおける制御動作について説明する。
この通常データ計測モードにおいては、上下調節機構61を操作して枠体55を通常計測状態に切り換えて、搬送コンベア6による被計測物Mの搬送を行う。そして、前記通過センサ45による検出情報に基づいて、被計測物Mが計測対象箇所Tを通過する周期を検出し、その周期に同期させる状態で、分光した光を受光して電荷蓄積動作を設定時間実行する電荷蓄積処理と、蓄積した電荷を送り出す送出処理とを設定周期で繰り返すように、受光センサ39の動作を制御する。つまり、図10に示すように、各被計測物Mが計測対象箇所Tを通過すると予測される時間帯において、受光センサ39が設定時間T1だけ電荷蓄積処理を実行し、被計測物Mが計測対象箇所Tに存在しないと予測される各被計測物M同士の中間位置付近が計測対象箇所Tに位置するようなタイミングで、設定時間T2だけ、蓄積した電荷を送り出す送出処理を実行するように、受光センサ39の動作を制御する。従って、この計測装置では、受光センサ39による電荷蓄積時間は常に一定で動作する構成となっている。尚、1秒間に7個づつ被計測物Mが通過するような処理能力とした場合には、電荷蓄積処理を実行する設定時間T1は、約140msec程度になる。
【0042】
そして、動作制御手段101は、受光センサ39が前記電荷蓄積処理を行う状態において、受光センサ39が電荷蓄積処理を行う状態において、遮蔽状態から開放状態に切り換えてその開放状態を開放維持時間Txが経過する間維持した後に遮蔽状態に戻すように、受光用シャッター機構33の動作を制御するよう構成され、変更指令情報に基づいて、前記開放維持時間Txを変更調整するように構成されている。
この開放維持時間Txは、被計測物Mの品種の違いに応じて変更させる構成となっている。説明を加えると、例えば、温州ミカンであれは光が比較的透過しやすいので比較的短い時間(10msec程度)に設定し、伊予柑であれば光が透過し難いので長めの時間 (30msec程度)に設定する。
このような品種の違いによる動作条件の設定は、作業員が人為的に行う構成となっている。つまり、図9に示すように、品種の違いに応じて設定位置を人為的に切り換える人為操作式の切換操作具66が設けられ、この切換操作具66の設定情報が制御部3に入力され、制御部3はその設定情報に従って開放維持時間Txを変更調整する構成となっている。
【0043】
又、動作制御手段101は、前記光量検出センサ35にて検出される受光量、すなわち、被計測物Mの光透過量の実測値の変化に基づいて、被計測物Mが計測対象箇所Tに到達したか否かを検出するようになっており、被計測物Mが到達したことを検出すると受光用シャッター機構33を開放状態に切り換え、前記開放維持時間Txだけ開放状態を維持した後に、受光用シャッター機構33を遮蔽状態に切り換えて計測処理を終了する構成となっている。
具体的に説明すると、図11に光量検出センサ35の検出値の時間経過に伴う変化状態を示している。被計測物Mが到達するまでは投光手段7から投射される光によってほぼ最大値が出力されているが、被計測物Mが計測対象箇所Tに至ると計測用光が遮られて光量検出センサ35の検出値(受光量)が減少し始めて検出値が予め設定した設定値以下にまで減少したとき(t1)に、被計測物Mが計測対象箇所Tに到達したものと判断して、その時点から設定時間が経過したとき(t2)に、受光用シャッター機構33を開放状態に切り換える。そして、前記開放維持時間Txだけ開放状態を維持した後に、受光用シャッター機構33を遮蔽状態に切り換えるのである。
【0044】
そして、前記演算手段100は、このようにして得られた各種データに基づいて公知技術である分光分析手法を用いて被計測物Mの内部品質を解析する演算処理を実行するように構成されている。
つまり、上記したようにして得られた計測分光スペクトルデータを、前記基準データ計測モードにて求められた基準分光スペクトルデータ、及び、暗電流データを用いた正規化して、分光された各波長毎の吸光度スペクトルデータを得るとともに、その吸光度スペクトルデータの二次微分値を求める。そして、その二次微分値により被計測物Mに含まれる糖度に対応する成分量や酸度に対応する成分量を算出する解析演算処理を実行するように構成されている。
吸光度スペクトルデータdは、基準分光スペクトルデータをRd、計測分光スペクトルデータをSdとし、暗電流データをDaとすると、
【0045】
【数1】
d=log{(Rd−Da)/(Sd−Da)}
【0046】
という演算式にて求められる。
そして、制御部3は、このようにして得られた吸光度スペクトルデータdを二次微分した値のうち特定波長の値と、下記の数2に示される検量式とを用いて、被計測物Mに含まれる成分量を算出するのである。
【0047】
【数2】
Y=K0+K1・A(λ1)+K2・A(λ2)
【0048】
但し、
Y ;成分量
K0,K1,K2 ;係数
A(λ1 ),A(λ2 ) ;特定波長λにおける吸光度スペクトルの二次微分値
【0049】
尚、成分量を算出する成分毎に、特定の成分量算出式、特定の係数K0,K1,K2、及び、波長λ1,λ2等が予め設定されて記憶されており、演算手段100は、この成分毎に特定の検量式を用いて、各成分の成分量を算出する構成となっている。
【0053】
〔別実施形態〕
次に別実施形態を説明する。
(1)上記実施形態では、投光手段として、ハロゲンランプ、反射板、及び、投光用反射鏡を備える構成としたが、これに限定されるものではない。
例えば、光源に水銀灯、Ne放電管等を用いたものでもよく、また、ビーム光による照射範囲を変更自在なビーム光源を投光手段として用いてもよい。
【0054】
(2)上記実施形態では、上下調節機構として、分光分析装置を上下方向へ移動させて、計測対象箇所に対する投光手段及び受光手段の上下方向位置を変更調整するような構成としたが、これに限定されるものではない。
例えば、搬送手段を上下方向へ移動させて、計測対象箇所に対する投光手段及び受光手段の上下方向位置を変更調整するような構成としてもよく、また、搬送手段におけるバケット部だけを、上下方向へ移動できるような構成として、計測対象箇所に対する投光手段及び受光手段の上下方向位置を変更調整するような構成としてもよい。
【0055】
(3)上記実施形態では、被計測物の内部品質として、糖度や酸度を例示したが、これに限らず、食味の情報等、それ以外の内部品質を計測してもよい。
【0056】
(4)上記実施形態では、基準体としてオパールガラスによるフィルターを用いたが、これに限らず、例えば、スリガラスなどの拡散板の他、所定の吸光度特性を有するものであればよく、材質は限定されない。
また、受光手段もMOS型ラインセンサに限らず、CCD型ラインセンサなどの他の検出手段を用いるようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図1】 分光分析装置の概略構成図
【図2】 投光手段の構成図
【図3】 受光手段の構成図
【図4】 分光器の構成図
【図5】 シャッター機構を示す図
【図6】 通過センサの設置状態を示す平面図
【図7】 上下位置変更状態を示す図
【図8】 異なる大きさの被計測物に対する投光手段及び受光手段の位置調節状態を示す図
【図9】 制御ブロック図
【図10】 計測作動のタイミングチャート
【図11】 受光量の変化と計測タイミングを示す図
【符号の説明】
3 制御手段
4 投光位置調整手段
5 間隔維持手段
6 搬送コンベア
7 投光手段
8 受光手段
M 被計測物
T 計測対象箇所
Claims (2)
- 計測対象箇所に位置する被計測物に光を照射する投光手段と、前記被計測物からの透過光を受光して分光し、その分光された光を計測する受光手段と、各部の動作を制御する制御手段とが設けられ、
前記制御手段が、前記受光手段にて受光した光により、前記被計測物の内部品質を解析するように構成されている分光分析装置であって、
前記被計測物が前記計測対象箇所を通過するように設定速度で搬送コンベアにて搬送されるように構成され、
前記投光手段と前記受光手段とが、前記計測対象箇所の左右両側箇所に振り分けて配置され、
前記受光手段の位置を前記計測対象箇所に対して遠近方向に沿って変更調節する間隔維持手段が設けられ、
前記制御手段が、前記被計測物の品種が変わる際に予め入力される被計測物の大きさについての品種情報及び制御プログラムに基づいて、前記計測対象箇所に位置することになる被計測物のうちで推測される最も大きい被計測物と前記受光手段との間隔を設定間隔に維持するように、前記間隔維持手段の変更調節動作を制御するように構成されている分光分析装置。 - 前記計測対象箇所に位置する前記被計測物と前記投光手段との間隔を変更調節できるように、前記投光手段の位置を前記計測対象箇所に対して遠近方向に沿って変更調節する投光位置調整手段が設けられ、
前記制御手段が、前記被計測物の品種が変わる際に予め入力される被計測物の大きさについての品種情報及び制御プログラムに基づいて、前記投光手段から照射される集束光の焦点位置が、前記計測対象箇所に位置することになる被計測物のうちで推測される最も小さい被計測物の表面と一致するように、前記投光位置調整手段の変更調節動作を制御するように構成されている請求項1記載の分光分析装置。
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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Related Child Applications (1)
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