JPH1096692A - 葉の成分測定装置 - Google Patents
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Abstract
とせず、積分球を使用するより低コストであり、しかも
光量のばらつきは積分球と比較しても測定精度に影響が
でない葉の成分測定装置を提供する。 【解決手段】 被測定葉16に近赤外光を照射する光源
部2と、被測定葉16の透過光を受光する光量検出装置
11と、透過光量から被測定葉16の吸光度を算出し、
成分量推定式により被測定葉16の成分量を演算する演
算手段25とを有する成分測定装置である。光源部2
は、拡散反射板5に対して一定の入射角で配置される発
光素子3,4と、前記拡散反射板5のほぼ中央の垂直方
向に、前記発光素子3,4らの直射光を遮蔽し且つ拡散
反射板5の反射光を導出する反射光路8と、該反対光路
8の放射側9に設けた前記反射光を均一にする拡散透過
板10とから構成される。被測定葉16には拡散透過板
面10からの放射光が照射される。拡散反射板5と反射
光路8の壁面には、耐候性に優れた艶消し塗料が塗布さ
れる。
Description
置に関し、例えば植物の成長に関わる葉の成分量測定装
置に関する。
ール)と比較して窒素量を推定したり、対象の葉に光を
照射してその透過光から赤色光量と赤外光量とを測定す
ることにより葉に含まれる葉緑素量(クロロフィル)を
測定して、葉緑素量から窒素量を推定していた。また、
ここで推定された窒素量に基づき、生育時期に見合う施
肥量を判断していた。特に稲作に見られるように、推定
された窒素量により判断されるその後の施肥時期と施肥
量は、穀物の収量を確保しながら稲が倒伏しないように
するための重要なポイントとなっている。
験を要するだけでなく、目に見える葉色が天候や太陽光
の位置によって左右されることや、植物の一部を見るか
あるいは全体を見るかの違いによって、また観察角度に
よっても判断される結果が異なることが多い。しかし、
測定方法が簡便なことや、使用される色票が安価なこと
などから利用率が高いのも事実である。
置が開発されている。代表的な葉緑素計の測定原理は、
図6に示すように、測定しようとする葉50に光源51
から光を照射してその透過光を測定するもので、透過光
はダイクロイックミラー52によって葉緑素に関連する
クロロフィル成分に影響される赤色光域の透過光量(受
光素子53によって受光される)と、影響されない赤外
光域の透過光量(受光素子54によって受光される)と
を測定し、その光量差を求めることによって非破壊で単
位面積当たりのクロロフィルの濃度を推定している。た
だし、実際にはこのクロロフィル濃度と窒素濃度とが比
例関係にあることを前提として窒素濃度を推定し、植物
への施肥量を決定することに利用されている。
便に測定する葉の成分量測定装置を案出し、特開平8−
15141号として既に出願している。これを図7を参
照しながら詳細に説明する。図7は葉の成分量測定装置
の主要構成である光学測定部60である。被測定葉61
に任意波長の近赤外光を照射するための発光手段62
は、発光ダイオード等からなる近赤外発光素子63と任
意波長の近赤外光のみを通過させる狭帯域フィルター6
4とから構成されている。そして、被測定葉61の葉面
に均一に近赤外光が照射されるように被測定葉61を平
面的に挟持するとともに、挟持した被測定葉61からの
透過光と反射光とを測定するための測定窓65A、65
Bを開設した葉保持手段66A、66Bを設けてある。
この葉保持手段66Bの測定窓65Bと前記発光手段6
2とは、積分球67を介して光学的に連絡されている。
つまり、発光手段62は照射光を積分球67内部に照射
して散乱するよう積分球67に固設してあり、さらに積
分球67には前記測定窓65Bに連通する開口部68
と、開口部68に対向する位置にシリコンフォトダイオ
ードからなる反射受光手段69を固設する開口部70を
開設してある。
べると、発光手段62から照射された近赤外光は積分球
67内で散乱し、測定窓65Bから被測定葉61面に照
射される。また、被測定葉61による反射光は積分球6
7内で散乱し反射受光手段69によって受光される。更
に、被測定葉61に照射された近赤外光のうち透過した
ものは、葉保持手段66の測定窓65A側に固設してあ
るシリコンフォトダイオードからなる透過受光手段71
で透過光として受光される。
球67の使用により、光源の光量を大きくできること
と、測定精度を確保するために測定に使用する波長数が
多くなった場合に、どの波長の光も発光位置に関係なく
被測定葉に均一に照射できることの利点がある。しかし
ながら、この積分球67の製作には、内部に球面加工を
施し、その球面を梨地加工後、金メッキして仕上げる工
程が必要であり、部品を製作するコストが高くなってい
た。
に球面の機械加工を要する積分球を使用することなく、
積分球を使用するより低コストであり、しかも光量のば
らつきは積分球と比較して劣らず、測定精度に影響がで
ない光源を備えた成分測定装置を提供することを技術課
題とする。
に、本発明は、被測定物に任意波長の近赤外光を照射し
て前記被測定物からの透過光又は反射光を受光し被測定
物の吸光度を算出するとともに、予め定めた成分量推定
式と前記被測定物の吸光度とにより被測定物の成分量を
演算する成分測定装置において、光源部は、複数の発光
素子が拡散反射板に対して一定の入射角で配置され、前
記拡散反射板のほぼ中央の垂直方向に前記発光素子の直
射光を遮蔽し且つ拡散反射板の反射光を導出する反射光
路と該反射光路の放射側には前記反射光を均一にする拡
散透過板と、前記発光素子を適宜発光させる発光制御装
置とからなり、前記拡散透過板面からの放射光を被測定
物に照射するようにした葉の成分測定装置とした。
波長ピークを持つ複数の発光ダイオードによることが最
も一般的で、さらに狭帯域フィルターを組み合わせるこ
とでよりシャープな特性を有する波長の光線とすること
ができる。またハロゲンランプと狭帯域フィルターの組
み合わせによっても発光素子を実現可能である。拡散反
射板は光が透過しない平板に、耐候性に優れた艶消し塗
料(商品名:フロンコート(フッ素系樹脂塗料)、商品
名:ポリジン(ポリエステル樹脂塗料)等として入手可
能)を塗布して光が減衰せず拡散反射するように形成す
るとよい。鏡の表面を、拡散反射する磨りガラス面にす
ることでも実現可能である。また反射光路に、光を拡散
反射する前記艶消し塗料を塗布することでより顕著な効
果を有するものとなる。さらに前記拡散透過板は、光が
拡散しながら透過して放射面で均一な明るさとなるよう
な乳白色ガラスで構成することがより効果的である。こ
の拡散透過板では、この拡散透過板に入射する光が拡散
反射板側に反射しないように、また拡散透過板による透
過ロスを最小にする。
によって説明する。本実施の形態では植物の葉に任意波
長の近赤外光を照射し、葉の透過光を受光し得られる吸
光度を算出するとともに、予め定めた成分量推定式と前
記吸光度とにより葉の特定成分量、例えば窒素成分等を
演算する成分測定装置を例として説明する。
素子3、4と上部に拡散反射板5とを設け、該拡散反射
板5に対して前記発光素子3、4の光が一定の角度で入
射する位置に発光素子3、4が配置できるように形成さ
れたブロック6を有し、ブロック6の上方に開放した、
すり鉢状の開口部7に拡散反射板5が反射面を下方にし
て設けてある。
ぼ中央の垂直方向、つまり、すり鉢状の開口部7の中心
には、前記発光素子3、4の直射光を遮蔽し且つ拡散反
射板5の反射光を導出する反射光路8が設けられてお
り、該反射光路8の下方の放射側9には、つまりブロッ
ク6の下方には前記反射光を均一にする拡散透過板10
が設けてある。
光素子を含む受光装置11が設けてあり、前記拡散透過
板10からの透過光を受光する。通常は、前記拡散透過
板10と光量検出装置11との間に被測定物が狭持され
る。したがって本例では葉16を狭持して、この葉の透
過光を光量検出装置11で受光することとなる。
の光は拡散反射板5に照射され拡散反射板5によって乱
反射し且つ拡散反射板5とブロック6のすり鉢状の壁面
との間においても乱反射する。つまり、理想である積分
球に近似した乱反射状態を作りだしており、拡散反射板
5からの反射光は、発光素子3、4の位置に関係なく安
定した光量の光源となっている。拡散反射板5の反射光
のうち、すり鉢状の開口部7の中心へ乱反射したもの
は、形成された反射光路8に沿って下方の放射側9に向
けて誘導され、さらに拡散透過板10に入射した光は、
拡散透過板10内で拡散しながら透過面で均一な光とな
って被測定葉16に照射される。
直接照射されるのではなく、拡散反射板5とすり鉢状の
開口部7との間で乱反射により十分に拡散反射されるの
で、拡散反射板5の反射光量は、発光素子3、4の位置
に関係なく反射面のどの位置でもほぼ均一な光量とする
ことができる。さらに本発明では、反射光路8によって
光を導出し、放射側9の拡散透過板10によって再度拡
散するので、該拡散透過板10の透過面から照射される
光は透過面で均一な光となる。つまり、拡散透過板10
の透過面の光量はどの位置においても均一に被測定葉に
照射されるものとなり、葉への照射光のばらつきが原因
となる測定値のばらつきが解消された。
耐候性に優れた艶消し塗料を塗布することにより、それ
ぞれの面で反射光が乱反射することで光が一カ所に集中
することなく散乱光となって、光源素子3、4の位置に
よる光量ムラの影響を無くすことができる。さらに前記
拡散透過板10を乳白色ガラスで構成することにより、
拡散透過板10内では透過光が散乱することで、多少偏
って入射しても拡散透過板10から照射する光量は拡散
透過板10の照射面で均一となっており、顕著な効果を
有するものとなる。
施形態において、図8に示すように、被測定葉からの反
射光量を受光する反射光量検出手段90を、開口94を
設けた拡散反射板5の裏側に設けることにより、被測定
葉の吸光度をより精度よく測定することが可能となる。
り、より具体的に説明する。図1及図3に示すものは、
携帯型成分測定装置1の主要部分を破断した側面図であ
る。図1及び図2では、上蓋13内に光源部2と、下部
に光量検出装置11としてのフォトダイオード(図示せ
ず)とを設けた構成になっている。光源部2は、異なる
波長ピークを持つ複数の発光素子であるLED3、4を
同一円周上に配設して、該LED3、4にはそれぞれ波
長帯域の異なる狭帯域フィルター14、15を設けてあ
る。波長帯域は600nm〜1100nmで、この波長
帯域から、求める成分に関係する任意の特定波長の狭帯
域フィルター14、15を選択してある。各LDE3、
4の発光する光は、狭帯域フィルター14、15によっ
て特定波長の光となって、光が反射する拡散反射板5に
入射する。この拡散反射板5には、各LED3、4の光
線がほぼ一定の角度で入射するように、ブロック6が形
成されている。
ロック6の中央に設けた反射光路8に入射し、反射光路
8の放射側9に設けられた拡散反射板10に入射する。
拡散反射板10は反射光路8の光軸と垂直に設けられ、
円形の磨りガラスあるいは乳白色のガラスで形成されて
いる。該拡散透過板10は、その放射側9または被測定
葉16側のどちらか一方側に磨り面を形成しても良い
し、または両面に磨り面を形成してもよい。ブロック6
の開口部7と反射光路8は例えばアルミニウムの無垢で
形成するのがよく、また、アルミニウム内面に梨地加工
を施してもよいが、前述したように、同じ効果を耐候性
に優れた艶消し塗料を塗布することにより安価で且つ容
易に達成できる。
で囲まれた空間を光が反射・拡散を繰り返しながら反射
光路8から出て、拡散透過板10を経て被測定葉16を
介して光量検出装置11に入射する。光量検出装置11
と拡散透過板10との間に被測定葉16が挿入できる間
隔をおいて固定できるようリング状のスペーサ32を固
設してある。
13を設け、該上蓋13から延長した腕17は軸18に
よって軸支されている。上蓋13が軸支される軸18に
はコイルバネ19を遊嵌してあり、常に上蓋13を押し
上げるように作用している。つまり、図2で示すよう
に、測定においては被測定葉16を測定場所に挿入し上
蓋13の上部を矢印の方向に押し下げることで測定を可
能にしている。この測定のタイミングは、上蓋13を押
し下げることにより上蓋13の下方に設けた押し下げ突
起20(図3参照)が、対向する位置に設けたマイクロ
スイッチ21を押し下げることで、上蓋13を押し下げ
たことを検知して測定(光の照射及び光量測定)が行な
われる。また、好ましくはリング状の弾性体からなるカ
バー12(図3参照)を拡散透過板10を囲むように設
け、上蓋13を押し下げるとカバー12によって被測定
葉16を押圧保持するとともに外部光を遮蔽する。
ック図を示し説明する。光源部2と、光量検出装置11
とからなる測定部で検出される被測定葉16の透過光量
は、光量検出装置11によってアナログの信号に変換さ
れアナログボード22に連絡される。光源部2にはLE
D3、4の発光装置23を設けてある。アナログボード
22ではアナログからデジタル信号へのA/D変換をす
るか、あるいは電圧から周波数へのV/F変換を行う。
変換された信号はI/Oボード24を経由して演算制御
装置の作用を含むCPUボード25に入力される。前記
I/Oボード24には、測定結果、演算結果あるいは操
作指示を表示する液晶表示器LCD26、初期データを
入力したり操作を行うキーボード27、外部装置とデー
タを入出力するRS232C等の接続ポート28及びス
イッチ等を設けてある。これらCPUボード25とI/
Oボード24には電源ボード29から電源を供給するよ
うに接続してある。また、プリンタ31はプリンタI/
Fボード30を介してCPUボード25に接続してあ
る。
用について以下に説明する。まず最初に成分測定装置1
に予め成分量が既知の基準サンプル80を挿入し測定す
ると、CPUボード25では近赤外光を照射したときの
基準サンプルの吸光度と基準サンプルの実際の成分量と
から成分量推定式が算出される。そして、これを記憶装
置の作用を持つCPUボード25内に記憶させる。
り出し、被測定葉16を挿入する。上蓋13を押し下げ
ると、スイッチ21の検出信号に基づき、CPUボード
25からは発光制御装置23を経て光源部2へ発光信号
が送られる。これに応じて、光源部2内のLED3、4
からは被測定葉16に向けて光が照射される。このLE
D3、4から発光する光は、狭帯域フィルター14、1
5によって近赤外域の特定波長の光となっており、前述
した反射・散乱を繰り返して拡散透過板10から光量検
出装置11に到達するので積分球を使用した場合と同じ
程度に被測定葉16に均一に照射される。
過光が光量検出装置11により受光され、該受光信号は
A/D変換のためにアナログボード22に連絡される。
アナログボード22ではA/D変換を行い、次に、I/
Oボード24を経由して演算制御装置の機能を有するC
PUボード25に入力される。CPUボード25におい
ては、被測定葉16の透過光から光の透過率あるいは吸
光度が算出される。
れると、該吸光度は予め記憶された前記成分量推定式に
代入され、最終的に作業者の求めている成分量が算出さ
れる。
4の一定時間点灯を一定間隔で繰り返す光源点灯ルーチ
ンを設ける場合もある。この光源点灯ルーチンにより、
異なる波長ピークを持つ各LED3、4がそれぞれ点灯
して、それぞれの波長別に被測定葉16の透過光量が測
定される。これにより、被測定葉16の透過光量の測定
精度が良くなり、さらには被測定葉16の吸光度の測定
精度が良くなる。
て、同一の被測定葉16を複数回測定した場合に得られ
る値のばらつきを検証したのが図5である。図5(1)
が波長900nmを照射した場合、図5(2)が波長60
0nmを照射した場合、図5(3)が波長800nmを照射
した場合の値(吸光度)を示す。それぞれ同じ被測定葉
の同じ場所を6回測定するように、1回ごとに差し替え
て装置に狭持して測定した。結果は、測定値のばらつき
が殆どなく、積分球を使用した場合と同じ安定した値を
得ることができた。照射面において照射光が均一となっ
ていなければ、つまり積分球を使用した時と同じように
照射面において均一な光量でなければ、同じ被測定葉を
差し替えて同じ部位を測定しても、測定ごとに値が異な
りばらついてしまうものであった。
測定葉からの透過光に基づくものに限定されるわけでは
なく、図8の変更例に示すように、被測定葉からの透過
光の測定に加えて、反射光も測定することにより、吸光
度の測定精度をより高めることができる。具体的には、
反射光を受光する反射光量受光手段90は、拡散反射板
5のほぼ中央で、反射光路8を介して被測定葉16に対
向する部分に設けられた、拡散反射板5の開口94の裏
側部分に設けられる。開口94の反射光路8側には、発
光素子3、4からの光が反射光量受光手段90に直接入
射しないように、光遮蔽部材92が設けられる。この反
射光量受光手段90からの検出信号が透過光量検出手段
11の検出信号と同様に、図4に示すアナログボード2
2に入力され信号処理されることは言うまでもない。
分測定装置によれば、拡散反射板に光を照射すると、拡
散反射板と開口部内で光が拡散・反射して指向性を失う
とともに、さらに、光が反射光路に入射すると、光が1
回または複数回さらに反射・拡散しながら拡散透過板に
到達する。拡散透過板に到達した光は、拡散透過板内で
拡散して該拡散反射板から被測定葉に照射される。した
がって、光源からの光量を減少させず、積分球を使用し
た場合と同じ程度に被測定物に均一に光を照射させるこ
とが可能となる。そして、積分球を製造する場合のよう
な球面の機械加工を必要とせず、積分球を使用するより
も低コストで測定装置を製作できるようになった。
前記拡散反射板に対して同じ角度で入射するように設け
てあるので、測定精度を確保するために測定に使用する
発光素子を複数個設けた場合に、波長が異なる各発光素
子と拡散反射板との距離が等しくなり、どの発光素子の
光も被測定物に均一に照射できるようになった。
図である。
果を示す図である。
装置の主要部を示す側断面図である。
Claims (6)
- 【請求項1】 被測定物である葉に任意波長の近赤外光
を照射する光源部と、前記被測定物から少なくとも透過
光を受光する光量検出手段と、該光量検出手段から得ら
れる光量から被測定物の吸光度を算出するとともに、成
分量が既知の基準測定物に前記近赤外光を照射したとき
に得られる吸光度に基づき成分量推定式を定め、該成分
量推定式と前記被測定物の吸光度とにより被測定物の特
定成分の成分量を演算する演算手段とからなる葉の成分
測定装置において、前記光源部が、 拡散反射板と、 前記拡散反射板の反射面に対してその光軸が一定の角度
で配置された複数の発光素子と、 前記拡散反射板のほぼ中央の垂直方向に前記発光素子の
直射光を遮蔽し且つ拡散反射板の反射光を導出する反射
光路と、 前記反射光を均一にするために該反射光路の放射側に設
けられた拡散透過板と、 前記発光素子を適宜発光させる発光制御装置と、から成
ることを特徴とする葉の成分測定装置。 - 【請求項2】 前記拡散反射板と反射光路の壁面には、
艶消し塗料が塗布されていることを特徴とする請求項1
記載の葉の成分測定装置。 - 【請求項3】 前記拡散透過板は乳白色ガラスであるこ
とを特徴とする請求項1記載の葉の成分測定装置。 - 【請求項4】 前記拡散透過板は、少なくともその片面
に磨りガラス面を有することを特徴とする請求項1記載
の葉の成分測定装置。 - 【請求項5】 被測定物の前記特定成分が窒素であるこ
とを特徴とする請求項1記載の葉の成分測定装置。 - 【請求項6】 前記拡散反射板のほぼ中央で、前記反射
光路に対向する部分の裏側には、被測定物からの反射光
を受光するための反射光量検出手段が設けられているこ
とを特徴とする請求項1記載の葉の成分測定装置。
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