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JP2003510560A - 分光分析用内蔵型光学ブロック - Google Patents

分光分析用内蔵型光学ブロック

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Publication number
JP2003510560A
JP2003510560A JP2001510820A JP2001510820A JP2003510560A JP 2003510560 A JP2003510560 A JP 2003510560A JP 2001510820 A JP2001510820 A JP 2001510820A JP 2001510820 A JP2001510820 A JP 2001510820A JP 2003510560 A JP2003510560 A JP 2003510560A
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JP
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light
chamber
flowing
sample portion
light source
Prior art date
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Application number
JP2001510820A
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エリッチ アール グロス
アンソニー エス リー
Original Assignee
テクストロン・システムズ・コーポレイション
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 流動している穀物又はその他の農産物の試料の成分の含有率を、短波近赤外分析装置を用いて、収穫又は加工と同時に測定する。前記分析装置は、試料を照射し、前記試料からの拡散反射率を、複数の波長について個別にピックアップし、前記拡散反射率を空間分離して、個別の波長の応答を求める。この結果、前記分析対象産物の同じ部分から、前記個別の波長の強度が同時に並列に検出される。次に、前記組成物質の含有率を、既知の含有率と比較し、前記試料産物の成分を求める。この新規な波長分析装置は、農業用コンパインに取り付けて、現場でのリアルタイム測定を行うのに適している。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 関連出願 本出願は、１９９９年７月１６日に出願された米国特許出願Ｎｏ．０９／３５
４，４９７の継続出願であり、これに基づいて優先権を主張する。この関連出願
の教示はすべて、本出願に参考文献として編入したものである。
【０００２】 発明の背景 穀物などの農産物の価値が、その固有の構成成分の質により左右されることは
、長年にわたって認められている。特に、望ましい蛋白質成分、油分、デンプン
成分、繊維成分及び水分並びに望ましいレベルの炭水化物及びその他の成分を含
有する穀物は、高値で販売することができる。このため、このような穀物及びそ
の加工製品が好まれる市場において、成分及びその他の、例えば硬度などの物理
的特性を知る必要が生じてきた。
【０００３】 蛋白質及び水分の含有率を分析するための多くの分析システムが、近赤外（Ｎ
ＩＲ）分光技術を用いて開発されてきた。これらのシステムの中には、例えば米
国特許５，２５８，８２５に説明されているように、製粉された穀物を対象とし
たものがある。しかし、製粉で価値を付加することにより、最初の選別で得られ
た経済的利得が減少してしまう場合もあることから、例えば米国特許４，２６０
，２６２のように、全粒の分析を対象としたものもある。
【０００４】 ＮＩＲ分光光度計を用いた手法は、湿式分析、化学分析及びその他の、成分の
分離及び分析に何時間も要する検査法と比較すると、結果が出るまでにわずか３
０秒から６０秒と高速であるため、広く好まれている。また、ＮＩＲ分光光度計
を用いた手法は、分析対象の試料を破壊しないという理由でも好まれている。例
えば、代表的な小麦粒分析では、選択した波長で試料を順次照射する。次に、こ
の試料の拡散透過率又は拡散反射率を測定する。次に、いずれの場合も、この測
定結果を用いて計算を行い、ある物質成分の含有率を求める。
【０００５】 例えば、米国特許４，２６０，２６２に記載された分析装置は、油分、水分及
び蛋白質成分の含有率を、次の方程式を用いて求める：
【０００６】 油分％ ＝Ｋ０＋Ｋ１（ΔＯＤ）ｗ＋Ｋ２（ΔＯＤ）ｏ＋Ｋ３（ΔＯＤ）ｐ 水分％ ＝Ｋ４＋Ｋ５（ΔＯＤ）ｗ＋Ｋ６（ΔＯＤ）ｏ＋Ｋ７（ΔＯＤ）ｐ 蛋白質％ ＝Ｋ８＋Ｋ９（ΔＯＤ）ｗ＋Ｋ１０（ΔＯＤ）ｏ＋Ｋ１１（ΔＯＤ
）ｐ
【０００７】 ここで、（ΔＯＤ）ｗは、水分に対して反応する一対の波長を用いた光学濃度
の変化を表し、（ΔＯＤ）ｏは、油分に対して反応する一対の波長を用いた光学
濃度の変化を表し、（ΔＯＤ）ｐは、蛋白質成分に対して反応する一対の波長を
用いた光学濃度の変化を表す。Ｋ０−Ｋ１１は、定数又は作用因子である。
【０００８】 従って、任意の成分の光学濃度の変化を、次の方程式から求めることが可能で
ある：
【０００９】 ΔＯＤ＝ｌｏｇ（Ｉｉ／Ｉｒ）１−ｌｏｇ（Ｉｉ／Ｉｒ）２
【００１０】 ここで、（Ｉｉ／Ｉｒ）１は、ある選択された波長における反射光強度に対す
る入射光強度の比であり、（Ｉｉ／Ｉｒ）２は、第２の選択された波長における
反射光強度に対する入射光強度の比である。
【００１１】 一般に、穀物分析装置では、約１１００から２５００ナノメートルの範囲で選
択された波長を使用する。しかし、米国特許５，２５８，８２５では、５４０ナ
ノメートルの波長を更に使用することにより、小麦粉の粒径効果が克服された。
【００１２】 従来技術の穀物分析装置は、穀物成分の分析の際に、通常、フィルターホイー
ル又は走査型回折格子を用いて、目的とする特定の波長を連続的に発生する。フ
ィルタホイール又は走査型回折格子は、可動部があるために、振動に敏感であり
、穀物を収穫と同時に分析する場合は信頼性が低い。従って、これらの分析装置
は、コンバイン又はその他の農産物収穫用機器が発生する振動への耐性に欠ける
ため、収穫中の穀物の成分のリアルタイム測定には使用されていない。
【００１３】 光学システムには、光を光源から離れた位置へと導くための光ファイバケーブ
ルが通常含まれる。しかしながら、光ファイバケーブルは、機械的振動によって
望ましくないモードの乱れが光ケーブル内部で発生するおそれがあるために、例
えばコンバインやハーベスタなどの一部の用途に使用するには、光信号を更に調
整しなければならない。そのようなモードの乱れ又はより高次の反射は、試料の
特性に関係のない光強度の乱れを引き起こす。従って、高価な調整装置を組み込
まなければ、光信号の質が低下してしまうおそれがあり、穀物分析装置のような
測定装置は、特に屋外での使用が求められる場合には、正確さが損なわれること
となる。
【００１４】 発明の概要 本発明は、コンバイン、穀物処理機又は貯蔵設備から送出される際の、流動し
ている農産物及び関連する物質の成分含有率を測定するための、分光分析システ
ム及び方法である。そのような農産物には、例えば小麦、トウモロコシ、ライ麦
、オート麦、大麦、米、大豆、アマランス、ライコムギ及びその他の穀類、草類
並びに飼料原料が含まれてもよいが、これらに限定されることはない。
【００１５】 本発明は、光の拡散反射特性を利用して、流動している農産物の成分含有率を
求める。好適な一実施例においては、本発明の方法は、短波長、６００からおよ
そ１１００ナノメートル（ｎｍ）の範囲内の近赤外（ＮＩＲ）放射エネルギー及
び、約５７０ナノメートル（ｎｍ）の波長を含めた可視スペクトル光に対するス
ペクトル反応の測定に関する。その他の波長を、５０００ナノメートル近くの中
赤外波長を上限として本発明で任意に用いてもよいが、この場合、分析対象の波
長の範囲は、検出器の帯域幅の制約に左右される。比較的短い波長のスペクトル
反応を、比較的長い波長のスペクトル反応と組み合わせて、蛋白質及びその他の
成分のモデリングに利用することが可能である。
【００１６】 本分析装置には、流動している農産物に複数の波長の光を同時に照射するのに
適した帯域幅を有する光ランプが含まれる。検出器が、農産物飼料から拡散反射
された光を受光することにより、この受信された光信号をリアルタイムの計算サ
ブシステムで分析し、試料の成分を測定することが可能である。
【００１７】 前記ランプは、第１のチャンバ内に角度をなして配置され、例えばサファイア
などの好適な保護材料から形成された窓を介して、前記流動している産物試料を
照射する。前記光源は、レンズ又は放物面鏡により集束され、前記農産物試料を
照射している光を強める。このため、前記試料から、第２のチャンバ内に角度を
なして配置された前記検出器への反射光の受光が強化される。各チャンバがこの
ような構造であることにより、試料測定の間、前記検出器が、前記ランプからの
迷光を前記検出装置自体の内部から受光することが防止される。このため、前記
検出器が受光する光は、前記産物試料から前記第２のチャンバ内に反射される光
のみである。
【００１８】 前記第２のチャンバには、前記照射された試料から受光した光の経路に設けら
れた拡散器が含まれる。前記拡散器から発せられた拡散光信号は、次に、前記第
２のチャンバ内に設けられた、例えば線形可変フィルタ（ＬＶＦ）などの、対象
となる複数の波長を空間分離する波長分離器に送られる。
【００１９】 次に、前記波長分離器は、前記光信号を、例えば電荷結合装置（ＣＣＤ）など
の、前記照射された試料から反射された前記空間分離された複数の波長を同時に
検出することの可能な好適な検出装置に送る。前記照射された試料からの個々の
波長に対応する、前記検出装置からの電気信号は、デジタルデータに変換される
。これらのデータについて、計算装置がスペクトル分析を行い、前記試料中の様
々な成分の含有率を計算する。
【００２０】 本発明には、前記第１のチャンバ内に設けられた反射装置が含まれる。この反
射装置は、前記ランプ光の一部を、前記第２のチャンバ内に配置された検出器内
に基準光として配向する。試料をスペクトル分析する際には、制御可能なシャッ
タ機構を用いて、この基準光を遮断する。逆に、前記基準光をスペクトル分析す
る際には、別のシャッタ機構を用いて、前記試料からの反射光を遮断する。基準
測定と試料測定との組合せに基づき、高精度な波長分析を行って、試料農産物の
成分を測定する。本発明の原理によれば、収穫物全体についての分析及び記録を
行い、収穫された産物と特定の地理的領域との相関関係を示すことが可能である
。
【００２１】 本分析装置は、高価かつ制限の多い光ファイバ又はモード変換装置を用いずに
流動している試料をモニタできるという利点を有する。従って、光ファイバに見
受けられる、機械的振動により引き起こされるモードの乱れが回避される。更に
、試料光を狭い光ケーブル中に導くための光ピックアップを組み込む必要がない
ことから、照射された試料からのモニタ光の開口角がより大きくてもよい。この
ように光反射信号が広角であることにより、受光する光の強度が増加し、より高
精度の成分分析を行うことが可能となる。
【００２２】 発明の詳細な説明 図１をより詳細に参照すると、本発明は、流動している農産物の成分を、加工
又は収穫と同時に分析するためのシステム１００である。前記システム１００に
より分析可能な農産物には、小麦、トウモロコシ、ライ麦、オート麦、大麦、米
、大豆、アマランス、ライコムギ及びその他の穀類、草類並びに飼料原料が含ま
れるが、これらに限定されることはない。分析される成分には、蛋白質、油分、
澱粉、繊維、水分、炭水化物及びその他の成分並びに硬度などの物理的特性が含
まれてもよいが、これらに限定されることはない。以下の説明では、分析される
産物が穀物である特定の例について述べているが、他の農産物を分析してもよい
ことが理解されるべきである。
【００２３】 本システム１００は、赤外光源１０などの好適な連続的照射装置を使用する。
前記光源１０から前方に発せられた光は、第１の窓１２を通過して、収穫中、加
工中又はダクト１６などの搬送装置内を流動している農産物１４の試料に照射さ
れる。
【００２４】 前記光源１０は、例えば５７０から約１１２０ナノメートル（ｎｍ）などの、
目的の範囲内の複数の波長の赤外光を連続的かつ同時に発生する。本発明の他の
複数の応用例では、４００から５０００ナノメートルに相当する可視光及び中赤
外光の範囲での波長を使用し、従って、そのような波長を発生可能な光源を要す
る。望ましい分析範囲は、検出器の特性に左右されるが、検出器の帯域幅は通常
は限られている。例えば、相当に安価なシリコンフォトダイオードアレイは、波
長６００から１１００ナノメートルの光強度を検出することが可能である。本発
明で使用可能なその他の検出器は、硫化鉛検出器及びセレン化鉛検出器であるが
、これらはそれぞれ、１０００から３０００ナノメートル及び３０００から５０
００ナノメートルの反応を対象とする。検出器については、本願中でより詳細に
後述する。
【００２５】 好適な光源１０は、クォーツハロゲン電球又はタングステンフィラメント電球
であり、容易に入手可能である。代表的な光源１０は、５ボルト（ｖＤＣ）で動
作し、１アンペアの電流が流れるタングステンフィラメント電球である。光源１
０を、フィルタを用いて、又は一体型の感光性フィードバック装置を当業で周知
の方法（図示せず）で用いることにより、更に安定化させてもよい。
【００２６】 光源１０は、農業用コンパイン又はその他の穀物加工装置中のダクト１６など
の搬送装置内を流動している産物１４を照射すべく配置されている。前記ダクト
１６内の前記農産物１４は、一般に、図の矢印の方向に流れているが、逆方向に
流れていてもよい。
【００２７】 ダクト１６に隣接して設けられた、前記光源１０及びその関連部品は、適切な
ハウジング１１内に配置されている。このような場合、第１の窓１２は、前記光
源１０と、前記流動している農産物１４との間に配置されていることが望ましい
。このことにより、前記流動している農産物による前記システム１００の閉塞が
防止される。前記第１の窓１２は、目的とする波長では透明であり、温度変化に
より吸収性が大きく変化しない、例えばサファイアなどの好適な材料から形成さ
れている。また、サファイアは高い引っかき抵抗性を有するので、前記農産物と
一緒に流れている石などの砕片が前記窓を損傷することがない。前記第１の窓１
２は、必要に応じて、前記ハウジング１１又は前記ダクト１６と一体的に形成さ
れていてもよい。
【００２８】 前記光源１０を収納した前記ハウジング１１、第１の窓１２、及びその他の、
後述する関連部品を、前記ダクト１６内の前記農産物１４の連続的な流れをモニ
タすべく配置する。そのためには、前記第１の窓１２が前記ダクト１６の開口部
１５に隣接するように前記ハウジング１１を取り付けることにより、光源１０が
、前記窓１２及び開口部１５を介して前記流動している産物１４を照射するよう
にする。
【００２９】 前記ハウジング１１は、独立した物理的ハウジングであってもよいし、又は、
前記ダクト１６内に一体的に形成されていてもよい。
【００３０】 光を、前記光源１０から分析対象の試料１４へと配向させるための放物面鏡又
は反射鏡１７が、前記ランプの空洞内に配置されている。好適な一実施例におい
ては、前記光を平行にして、前記試料から反射された、スペクトル分析される光
の強度を強める。しかし、レンズ２０により、前記光を、より強い又はより弱い
ビームへと更に集束又は発散させてもよい。言い換えれば、前記試料に照射され
る光が、平行ではなく、角度をなしていてもよい。
【００３１】 別の一実施例においては、例えば赤外線エミッタアレイなどの複数の光源１０
を、これらが同じ点に集束するのであれば、使用してもよい。
【００３２】 前記光源１０と前記流動している産物１４との間に配置された前記第１の窓１
２以外の光ファイバまたはその他の装置を使用しなくても、前記光源１０が前記
第１の窓１２を介して前記流動している産物１４を直接に照明すべく、前記光源
１０を配置することが望ましい。この好適な実施例においては、前記光源１０か
ら前記流動している農産物試料１４への照明スポットサイズの直径は、約２分の
１から１インチである。特に、前記光源１０からの入射光４８は、前記第１の窓
１２及び第２の窓１３の表面に殆ど接触している、又はその近くを流動している
試料１４に集束する。前記入射光４８が、前記第１の窓１２及び流動している試
料１４を透過して、第２の窓１３及び分析チャンバに向かう試料光４９を発生し
、この分析チャンバで光の強度が分析されると効果的である。前記試料が、前記
第１の窓１２及び第２の窓１３の表面から更に離れて配置されている応用例にお
いては、照明スポットサイズは例えば直径数インチなど、より大きくてもよい。
【００３３】 照明スポットサイズ及び入射開口が大きければ、前記流動している農産物試料
をより正確に測定できるので、好適である。スポットサイズが大きい場合、通常
、一回の測定毎に照射対象の穀物の複数粒を分析するので、これらの平均値が得
られるという利点がある。
【００３４】 他の分析装置には、試料からの反射光４９を受光し、遠くの光検出器に転向さ
せるために、高価な光学的ハードウェアが組み込まれている。これらのシステム
で小さなスポットを受光するためには、高強度の光源を必要とする。反射された
試料光４９を転向させるために光学的ハードウェアを使用するこの方法では、前
記反射された光を、狭い光ファイバケーブル内に集束させなければならないため
、スポットサイズの直径が小さく制限される。
【００３５】 一方、本発明は、前記第１のチャンバ６８に隣接する第２のチャンバ６５内に
、入射開口の大きい検出器５２が、前記反射された試料光４９を受光すべく設け
られているという点で有利である。受光した光を遠くの検出器に送らなくてもよ
いので、高価な光ファイバハードウェアを必要としない。さらに、試料光４９は
、当然のことながら、反射直後に、前記第２のチャンバ内に設けられた前記検出
器５２に当たる。ファイバシステムで本発明と同等の性能を得るためには、反射
された試料光を遠くの検出器に転向させるために、非常に大きなファイバ束が必
要となるであろう。
【００３６】 光ファイバピックアップ及び関連する光ファイバケーブルを使用しないことで
、より大きな照射スポットサイズの使用が可能になることに加えて、更なる利点
が得られる。一般に、光ファイバケーブルの帯域幅は限られている。従って、そ
のようなケーブルを用いて反射光を遠くの検出器に転向させる場合には、転向す
る光のスペクトル範囲は、ケーブルの帯域幅に限定される。スペクトルの帯域幅
が狭いと、結果が不正確となるおそれがあるため、このことは、成分測定に悪影
響を及ぼす。更に、中赤外領域の帯域幅を対象とする光ファイバケーブルがとり
わけ高価であることも、光ファイバケーブルの使用を困難にしている。この種の
ケーブルには、数メートルで１千ドル以上のものもある。本発明は、帯域幅に制
限がなく、また、光を転向させるための光ファイバケーブルを内蔵していないの
で、不必要な費用が余計にかかることもない。この結果、任意の広帯域光源及び
相補的な検出器を使用して成分サンプリングを実施することができる。
【００３７】 反射された試料光４９の転向に光ファイバケーブルを使用することは、光ファ
イバケーブル中の光信号の完全性が、加熱ひずみ及び機械的振動により損なわれ
やすいことから、更に不適切である。これは、光ファイバケーブルが赤外域の光
の伝送を対象とする場合に、特に言えることである。コンバイン又はハーベスタ
で特に起こりやすい加熱ひずみ及び機械的振動は、共に、試料成分の検出に用い
られる光信号の完全性に悪影響を及ぼす。本発明は、検出器５２が、光源に隣接
する第２のチャンバ６５内に設けられ、反射された試料光の経路４９に光ファイ
バが組み込まれていないことにより、上記の問題を回避したという点で有利であ
る。
【００３８】 本発明は、上述のように、開口面積が通常１平方ミリメートル未満である細い
ファイバの代わりに、通常１００から５００平方ミリメートルの広い入射開口を
用いる。このことにより、低い光強度で、広い入射範囲から入射することが可能
となる。更なる光学部品を用いて、様々な入射範囲を得られるように開口サイズ
を調節し、遠方の大きな試料からの入射を可能にしてもよい。
【００３９】 前記光源１０から発せられた光は、前記第１の窓１２及び前記ダクト１６の前
記開口部１５を透過して、前記流動している農産物１４に照射される。次に、光
源からの入射光４８が、試料１４で反射し、ここで、反射された試料光４９が、
角度をなして転向され、前記ダクトの開口部１５及び第２の窓１３を透過する。
【００４０】 好適な一実施例においては、前記光源と、前記第２のチャンバ６５内の検出器
ユニット５２との角度は、前記反射された試料光４９の大部分が、前記流動して
いる農産物のスペクトル分析のために前記第２のチャンバ６５に向かって転向さ
れるように、最適化される。例えば、図１に例示的に図示するように、前記光源
が、前記第１の窓１２に対して約６０度の最適角度をなす一方で、前記第２のチ
ャンバ内の前記検出器ユニット５２が、前記第２の窓に対して約６０度の角度を
なすようにしてもよい。
【００４１】 先に述べたように、前記第２のチャンバ６５には、前記反射された試料光４９
を検出するための光学装置が含まれる。詳細には、前記反射された試料光４９は
、前記第２の窓１３を透過して、前記第２のチャンバ６５に入射し、ここでスペ
クトル分析される。拡散器５９が、前記反射された試料光４９を散乱させ、より
正確な同時スペクトル読み取りのために、前記光の強度を、前記第２のチャンバ
６５全体に空間的に分布させる。例えば、様々な波長の前記反射された試料光４
９が、前記第２のチャンバ６５全体に、より均一に分布される。さもなければ、
前記流動している農産物１４から反射された試料光４９により生じる高強度の光
領域によるイメージング効果（原語ｉｍａｇｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔ）のために、
成分測定がより不正確となる。
【００４２】 気密密閉されたチャンバ４６が、反射された試料光４９を受光すべく、前記第
２のチャンバ６５内に配置されている。前記拡散器から発せられた光が、光透過
性の第３の窓６０を介して、前記気密密閉されたチャンバ４６内に共に配置され
た波長分離器５０及びＣＣＤアレイ検出器５２に照射する。この気密密閉チャン
バが、例えば湿気や塵などの腐食性の測定妨害要因から、精密な光学部品を保護
する。前記気密密閉されたチャンバ４６がなければ、前記検出装置５２及び波長
分離器５０に塵及びその他の細片が付着し、成分測定に悪影響を及ぼすであろう
。前記第２のチャンバ６５全体又はその一部が密閉された構成であってもよいこ
とに留意すべきである。
【００４３】 密閉されたチャンバ４６内の前記波長分離器５０は、好適な一実施例において
は、目的とする拡散反射された光エネルギーの様々な波長を、空間分離させる。
好適な波長分離器５０には、線形可変フィルタ（ＬＶＦ）、回折格子、プリズム
、干渉計又は同様の装置が含まれる。前記波長分離器５０は、分解能（Δλ／λ
）約１パーセントから４パーセントの線形可変フィルタ（ＬＶＦ）として設けら
れていることが望ましい。
【００４４】 この空間分離した波長は、次に、前記検出器５２に送られる。前記検出器５２
は、広範囲にわたる複数の波長で同時に応答を測定すべく配置されている。好適
な一実施例においては、前記検出器５２は、電荷結合素子（ＣＣＤ）のアレイで
あり、それぞれの波長で前記光強度を個別に測定する。言い換えれば、前記ＣＣ
Ｄアレイのそれぞれのセルは、個々の帯域通過の光の強度を測定すべく、同調さ
れている。
【００４５】 ただし、好適な検出器５２は、この他にも、高速走査型光ダイオード、電荷注
入素子（ＣＩＤ）又はその他の、目的とする複数の波長を同時に並列に検出する
のに適したいかなる検出器のアレイであってもよい。
【００４６】 好適な一実施例においては、検出器５２は、例えばローラルフェアチャイルド
社から入手可能なフェアチャイルドＣＣＤ１３３ＡなどのシリコンＣＣＤアレイ
製品である。この装置は、好適には約１３マイクロメートルの空間分解能を有す
る。周波数分解能は、（前記線形可変フィルタ５０により決定された）選択され
た目的の帯域幅を、ＣＣＤ素子の数で除算したものである。前記好適な実施例に
おいては、前記ＣＣＤアレイ５２は、１，０２４素子のアレイであり、約５７０
ｎｍから約１１２０ｎｍまでの範囲の波長を処理する。先に述べたように、異な
る帯域幅を対象とする他の検出器を用いてもよい。
【００４７】 加えて、ＣＣＤアレイなどの前記検出器５２は、一般に温度の影響を受けやす
いので、安定化を行うことが望ましい。
【００４８】 好適な一実施例においては、ＬＶＦ５０とＣＣＤアレイ５２とが比較的近くに
位置しているために、これらの部品を双方ともに温度安定化させることが可能で
ある。温度安定化を、好適なヒートシンク表面、熱電冷却器（ペルチェ冷却器）
又はファンを用いて行ってもよい。本発明のこの好適な実施例には、基準光線２
３を波長分離器５０に向けて反射するために前記第１のチャンバ内に配置された
反射体２２と、光遮断シャッタの位置に応じて前記第２のチャンバ６５内に配置
された検出器５２とが含まれる。前記反射体２２は、同じ基準光強度に基づいて
繰り返し測定が行われるように固定されていることが望ましい。
【００４９】 第１のシャッタが、反射された試料光４９の前記第２のチャンバ６５内への経
路を制御する一方で、第２のシャッタが、基準光反射体２２から反射された基準
光線２３の前記第２のチャンバ６５内への経路を制御する。任意の時点で、前記
第１及び第２のシャッタを制御し、適切な光を前記第２のチャンバ６５内に流入
させる。基準光線２３又は反射された試料光４９のどちらを前記検出器５２に照
射するかを、単一のシャッタで制御する構成であってもよいことに留意すべきで
ある。
【００５０】 前記第２のチャンバ６５に隣接して配置された制御電子装置１８が、前記シャ
ッタ機構を制御する。シャッタ位置命令は、電子部品ブロック３０内に設けられ
た制御器３５により伝送される電子部品信号を介して受信される。
【００５１】 シャッタを用いて、３つの測定を行う。第１の測定では、反射された試料光４
９と基準光線２３との双方を遮断する。この「暗い」第２のチャンバ６５の基準
測定により、前記検出器ユニット又はアレイ５２を較正する。第２の測定では、
反射された試料光４９を遮断して、基準光線２３を測定する。この測定により、
前記システムを前記光源１０に合わせて較正する。最後に、第３の測定では、基
準光線２３を遮断し、反射された試料光線４９を測定する。測定の詳細及び関連
する計算については、図２に更に示す。
【００５２】 前記電子部品ブロック３０とシステムハウジング１１との間の単一の又は複数
の電子信号２７により、前記制御器３５は、前記第１及び第２のシャッタの位置
及び、詳細には、前記検出器ユニット５２を収容した前記第２のチャンバ６５へ
の基準光線２３及び反射された試料光４９の流入を制御する信号を伝送する。例
えば、試料測定作業の間は前記第１のシャッタを開位置にして、光を試料に照射
し、前記流動している産物試料１４により拡散反射させ、基準測定の間は閉位置
にして、試料からの光と、前記シャッタからの拡散反射光を遮断する。検出器ユ
ニット５２の較正及び流動している産物１４のサンプリングの間は、前記第２の
シャッタを用いて、基準光線２３を、前記第２のチャンバ６５に入射しないよう
に遮断する。
【００５３】 前記複数の電子信号２７は、前記システムハウジング１１と電子部品ブロック
３０とを接続しているワイヤハーネス２８中に束ねられている。前記システム１
００を、例えば農業用ハーベスタなどに実際に使用する場合には、ハウジング１
１をダクト１６の隣に配置する一方で、電子部品ブロック３０を、例えば前記ハ
ーベスタの安全キャブなどのより過酷でない環境中に配置できるように、前記ケ
ーブルシース２８が十分な長さであることが望ましい。この距離は、一般的には
、例えば３メートルであるが、これより長くても又は短くてもよい。
【００５４】 電子部品ブロック３０には、アナログからデジタルへの変換器３３、成分計算
機構３４、制御器３５及び表示インターフェース３６が含まれる。好適な一実施
例においては、前記成分計算機能３４、制御器３５及び表示インターフェース３
６は、コンピュータ、マイクロコントローラ、マイクロプロセッサ及び／又はデ
ジタル信号プロセッサ中にソフトウェアとして組み込まれている。ワイヤハーネ
ス２８中の電子信号２７が、前記システムハウジング１１と前記電子部品ブロッ
ク３０とを接続している。
【００５５】 通常、前記電子部品ブロックは、例えばキャブなどの密閉された環境内に取り
付けられており、一方、前記工学システム１００の前記ハウジング１１は、前記
流動している農産物１４を検出する位置に取り付けられている。これらがこのよ
うに離間していることから、電子部品は、前記ワイヤハーネス２８の長さのため
に信号の完全性が損なわれないような構成となっている。例えば、ワイヤハーネ
ス２８内の電子信号２７は、ＣＣＤアレイ検出器５２によるＡ／Ｄ読み取りに有
害な作用を与えるおそれのある過剰な結合ノイズを防止すべく、適切に保護され
ている。上述のＡ／Ｄサンプリング処理を調整する制御器３５は、様々なスペク
トル測定のために、前記第２のチャンバ６５内の前記シャッタ機構を制御する。
【００５６】 それぞれの波長について前記ＣＣＤにより供給された個々の電子信号は、次に
、前記検出器５２の出力から、アナログからデジタルへの変換器３３に送信され
、ここでこれらの電子信号は、処理のためのデジタル信号に変換される。
【００５７】 計算ブロック３４は、好適には上述のマイクロコンピュータ又はデジタル信号
プロセッサ内に組み込まれているが、次に、受信した波長の強度に基づいて計算
を実行し、前記試料１４の成分の含有率を求める。ケモメトリックモデルを用い
て測定された前記成分含有率を、例えば計器を用いるか、又はディスプレイに表
示するなどの任意の望ましい方法で表示する。前記ディスプレイは、前記ハーベ
スタの前記キャブ内に配置されたラップトップ型コンピュータ又はその他のコン
ピュータと一体であってもよい。前記計算ブロックが、前記電子部品ブロック３
０の一部であってもよいし、又は、これから物理的に分離していてもよい。
【００５８】 穀物含有率を、Ｓｈａｒａｆ，Ｍ．Ａ．、Ｉｌｌｍａｎ，Ｄ．Ｌ．及びＫｏｗ
ａｌｓｋｉ，Ｂ．Ｒ．著“Ｃｈｅｍｏｍｅｔｒｉｃｓ”（ニューヨーク、Ｊ．Ｗ
ｉｌｅｙ ＆ Ｓｏｎｓ，１９８６）に詳述されている多変量解析技術を用いて
、試料光と特定の波長とに基づき計算する。
【００５９】 目的とする好適な波長は、測定する成分により異なる。例えば、蛋白質含有率
を測定する場合、蛋白質の部分構造の振動回転倍音帯に特有の吸収率を利用して
計算を行う。これよりも波長が長いと、吸収係数が大きく、光路長が短くなるの
で、穀物粒内部のサンプリングができない。これよりも波長が短いと、吸収係数
が小さいので、信号が微弱となる。
【００６０】 システム１００は、このようにして、試料への照射後に、複数の波長を並列に
空間分離及び検出し、試料を迅速に分析する。更に、前記ユニットの光学部品が
振動に対して安定であるので、システム１００は、農業用コンバイン又はその他
の収穫用及び加工用機器に見受けられるような振動にからの影響を受けにくい。
従って、システム１００は、収穫及びその他の加工作業と並行して、収穫された
穀物又はその他の農産物のリアルタイム分析を実施可能な環境での使用が容易で
ある。このようして得たデータを基準データと比較して、成分含有率を求め、こ
れを利用して、いわゆるグローバルポジショニングシステム（ＧＰＳ）に基づき
、作付け地割り図を作成してもよい。
【００６１】 更に、ＣＣＤアレイを検出器ユニット５２として使用することで、個別の又は
走査型のダイオードアレイを使用する従来技術と比較した利点が得られる。詳細
には、全てのＣＣＤ素子に、このうち１つが飽和に近くなるまで、同時かつ互い
に並列に荷電する。次にこれらを空にし、前記ＣＣＤアレイへの荷電が再開する
までの間に、前記制御器３５により結果を読み取る。従って、同じ時間間隔中は
、各画素は同じ穀物を読み取っている。これに対し、ダイオードアレイの場合は
、例えば、ある穀物塊が、以前の画素により読み取られた穀物塊とは別である場
合には、任意の素子によりその穀物塊から信号を生成できるように、読み取りを
順次行わなければならない。
【００６２】 多数の測定を通して平均化を行うことにより、システム１００の信号対雑音比
を改善してもよい。
【００６３】 好適な吸収率測定には、以下の手順（図２にも図示する）が含まれる： １．試料反射光及び基準光を双方とも波長検出器ユニットから遮断する（ステ
ップ３０１） ２．波長検出器ユニットの読み取りを行い、暗スペクトルの測定データをＤと
して記憶する（ステップ３０２） ３．試料反射光を遮断し、基準光を波長検出器ユニットに照射する（ステップ
３０３） ４．波長検出器ユニットの読み取りを行い、基準光スペクトルの測定データを
Ｒとして記憶する（ステップ３０４） ５．基準光を遮断し、試料反射光を波長検出器ユニットに照射する（ステップ
３０５） ６．波長検出器ユニットの読み取りを行い、試料スペクトルの測定データをＳ
として記憶する（ステップ３０６） ７．吸収スペクトルＡを計算する。ここで、これらの拡散反射率測定から求め
た光吸収率は、以下の式で表される： Ａ ＝ ＬＯＧ１０（Ｒ−Ｄ／Ｓ−Ｄ）
【００６４】 更に、蛋白質の存在による吸収率の変動が非常に少ないことから、一般には様
々な実現、平均化及び二次導関数分析を行って、特定の波長における所望の吸収
率の値を求める。従って、さらなるデータ処理により、この関数の二次導関数を
求め、コンスタントな及びリニアオフセットを取り除いて、吸収スペクトルの二
次的な及びより高次の特徴のみを蛋白質成分の測定に利用してもよい。
【００６５】 等価物 この発明の好適な実施態様について詳細に図示及び説明したが、形状及び詳細
についての様々な変更を、本発明の精神と範囲とから逸脱することなく実施でき
ることは、当該分野の熟練技術者によって理解されよう。当該分野の熟練技術者
は、本明細書に記載した発明の実施例の等価物を数多く、通常の実験で理解し、
あるいは確認することが可能であろう。そのような等価物については、請求項に
含まれるものとする。
【図面の簡単な説明】
本発明の以上の及びその他の目的、特徴及び長所は、添付の図面と関連させな
がら以下の本発明の好適な実施例のより詳細な説明を参考にすることにより、よ
り十二分に理解されよう。前記の図面において、異なる図面を通じ、同様の参照
記号は同様な要素を言及するものである。図面は、実寸ではないが、本発明の原
理の実例を挙げたものである。
【図１】 図１は、本発明に基づく短波長近赤外穀物成分分析システムを高度
に概略した図面である。
【図２】 図２は、本発明の原理に基づき試料の吸収率を測定するための方法
を示したものである。
【手続補正書】特許協力条約第３４条補正の翻訳文提出書
【提出日】平成１３年９月１７日（２００１．９．１７）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３７】 反射された試料光４９の転向に光ファイバケーブルを使用することは、光ファ
イバケーブル中の光信号の完全性が、加熱ひずみ及び機械的振動により損なわれ
やすいことから、更に不適切である。これは、光ファイバケーブルが赤外域の光
の伝送を対象とする場合に、特に言えることである。コンバイン又はハーベスタ
で特に起こりやすい加熱ひずみ及び機械的振動は、共に、試料成分の検出に用い
られる光信号の完全性に悪影響を及ぼす。本発明は、検出器５２が、光源に隣接
する第２のチャンバ６５内に設けられ、反射された試料光の経路４９に光ファイ
バが組み込まれていないことにより、上記の問題を回避したという点で有利であ
る。更に、各チャンバ、即ち前記第１のチャンバ６８及び前記第２のチャンバ６
５は、試料測定の間、前記検出器５０が前記光源１０からの迷光を前記システム
１００の前記ハウジング１１の内部から受光することを防止するような構造とな
っている。このため、前記検出器５０が受光する光は、前記試料からの反射光４
９のみである。詳細には、前記ハウジング１１の前記第１のチャンバ６８と前記
第２のチャンバ６５とを隔てている壁５７が、前記第１の窓１２と前記第２の窓
１３とにまで延伸して、前記入射光４８を前記試料１４に照射させると共に前記
入射光４８が前記検出器５０に直接に入射しないようにする光遮断要素を形成し
ている。
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＭＺ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ，ＵＧ ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ， ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＧ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ， ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＢＺ，Ｃ Ａ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＤＭ ，ＤＺ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ， ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，Ｋ Ｅ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ， ＭＷ，ＭＸ，ＭＺ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，Ｒ Ｕ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ， ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ (72)発明者 リー アンソニー エス アメリカ合衆国 カリフォルニア州 94952 ペタルナ エイス ストリート 514 Ｆターム(参考） 2B074 BA13 BA19 DB04 EB08 EB17 EC01 ED03 FB02 FC01 FC02 2G059 AA01 BB11 DD12 EE02 EE10 EE12 FF06 GG10 HH01 HH02 JJ02 JJ05 JJ06 JJ11 JJ17 JJ23 JJ26 KK04 MM01 MM05 MM09 MM14 PP04

Claims (32)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 流動している農産物の構成成分を加工と同時にリアルタイムに
    測定するための装置であって、前記装置が： 前記流動している農産物の試料部分を、加工と同時に、選択された照射帯域幅
    内の複数の波長で照射すべく、第１のチャンバ内に配置された光源と； 前記照射された試料部分からの反射光を受光して、複数の異なる波長の空間分
    離した光を生成すべく、第２のチャンバ内に配置された波長分離器と； 前記波長分離器から光を受光して、複数の選択された波長で光の強度を検出す
    べく、同じく第２のチャンバ内に配置された検出器と； を備えた、装置。
  2. 【請求項２】 前記光源が、前記第１のチャンバに設けられた第１の窓を介し
    て、前記流動している産物の試料部分に光を照射することを特徴とした、請求項
    １に記載の装置。
  3. 【請求項３】 前記波長分離器が、前記第２のチャンバに設けられた第２の窓
    を介して、前記流動している産物の前記照射された試料部分からの光を受光する
    ことを特徴とした、請求項２に記載の装置。
  4. 【請求項４】 前記第２のチャンバ内の前記検出器が 気密密閉されているこ
    とを特徴とした、請求項１に記載の装置。
  5. 【請求項５】 前記光源から発せられた光の一部を、較正測定のために前記第
    ２のチャンバ内に反射すべく、前記第１のチャンバ内に配置された反射体を更に
    備えた、請求項１に記載の装置。
  6. 【請求項６】 前記反射体及び照射された試料部分から反射された光を、前記
    検出器に向けて照射されないように選択的に遮断するシャッタ機構を更に備えた
    、請求項５に記載の装置。
  7. 【請求項７】 前記選択された照射帯域幅が、可視スペクトルから中赤外スペ
    クトルまでの領域内であることを特徴とした、請求項１に記載の装置。
  8. 【請求項８】 前記照射された試料からの反射光を、前記波長分離器内に拡散
    させるための拡散器を更に備えた、請求項１に記載の装置。
  9. 【請求項９】 流動している農産物の構成成分を加工と同時にリアルタイムに
    測定するための装置であって、前記装置が： 前記流動している農産物の試料部分を、加工と同時に、選択された照射帯域幅
    内の複数の波長で照射すべく、第１のチャンバ内に配置された光源と； 前記流動している農産物から照射された光の強度を均一に分散させる拡散器と
    ； 前記拡散器から光を受光して、複数の異なる波長の空間分離した光を生成する
    波長分離器と； 前記波長分離器から光を受光して、複数の選択された波長で光の強度を検出す
    べく配置された検出器と； を備えた、装置。
  10. 【請求項１０】 前記光源が、第１の窓を介して、前記流動している産物の試
    料部分に光を照射することを特徴とした、請求項９に記載の装置。
  11. 【請求項１１】 前記波長分離器が、第２の窓を介して、流動している産物の
    前記照射された試料部分からの光を受光することを特徴とした、請求項１０に記
    載の装置。
  12. 【請求項１２】 前記検出器が気密密閉されていることを特徴とした、請求項
    ９に記載の装置。
  13. 【請求項１３】 前記光源から発せられた光の一部を、較正測定のために前記
    波長分離器内に反射すべく配置された反射体を更に備えた、請求項９に記載の装
    置。
  14. 【請求項１４】 前記反射体及び照射された試料部分から反射された光を、前
    記検出器に向けて照射されないように選択的に遮断するシャッタ機構を更に備え
    た、請求項１３に記載の装置。
  15. 【請求項１５】 前記選択された照射帯域幅が、可視スペクトルから中赤外ス
    ペクトルまでの領域内であることを特徴とした、請求項９に記載の装置。
  16. 【請求項１６】 前記検出された強度の信号を受信し、検出された強度の値を
    供給すべく接続された、アナログからデジタルへの変換器を更に備えた、請求項
    １１に記載の装置。
  17. 【請求項１７】 前記検出器から前記検出された強度の信号を受信し、前記検
    出された強度の値から、前記農産物の前記試料部分の構成成分を計算すべく接続
    されたコンピュータを更に備えた、請求項１６に記載の装置。
  18. 【請求項１８】 流動している農産物の構成成分を、加工と同時にリアルタイ
    ムに測定するための方法であって、前記方法に： 前記流動している農産物の試料部分を、加工と同時に光源で照射するステップ
    であって、前記光源が、選択された照射帯域幅内の複数の波長を発するステップ
    と； 前記照射された試料部分からの反射光を、第２のチャンバ内で受光するステッ
    プと； 前記受光した光の波長を分離して、複数の異なる波長の空間分離した光を生成
    するステップと； 前記空間分離した光の強度を、複数の選択された波長で検出するステップと、
    が含まれる、方法。
  19. 【請求項１９】 前記光源が、前記第１のチャンバに設けられた第１の窓を介
    して、前記流動している産物の試料部分に光を照射することを特徴とした、請求
    項１８に記載の方法。
  20. 【請求項２０】 前記波長分離器が、前記第２のチャンバに設けられた第２の
    窓を介して、前記流動している産物の前記照射された試料部分から光を受光する
    ことを特徴とした、請求項１９に記載の方法。
  21. 【請求項２１】 前記光源から発せられた光の一部を、較正測定のために前記
    第２のチャンバ内に反射するステップを更に含む、請求項１８に記載の方法。
  22. 【請求項２２】 前記反射体及び照射された試料部分からの光を、前記第２の
    チャンバに選択的に入射させるステップを更に含む、請求項２１に記載の方法。
  23. 【請求項２３】 前記選択された照射帯域幅が、可視スペクトルから中赤外ス
    ペクトルの領域内であることを特徴とした、請求項１８に記載の方法。
  24. 【請求項２４】 前記照射された試料からの反射光を、前記波長分離器内に拡
    散させるステップを更に含む、請求項１８に記載の方法。
  25. 【請求項２５】 流動している農産物の構成成分を、加工と同時にリアルタイ
    ムに測定するための方法であって、前記方法に： 前記流動している農産物の試料部分を、加工と同時に光源で照射するステップ
    であって、前記光源が、選択された照射帯域幅内の複数の波長を発するステップ
    と； 前記照射された試料部分からの反射光を受光するステップと； 前記流動している農産物から照射された光の波長を、拡散器で拡散させるステ
    ップと； 前記受光した光の波長を分離して、複数の異なる波長の空間分離した光を生成
    するステップと； 前記空間分離した光の強度を、複数の選択された波長で検出するステップと、
    が含まれる、方法。
  26. 【請求項２６】 前記光源が、第１の窓を介して、前記流動している産物の試
    料部分に光を照射することを特徴とした、請求項２５に記載の方法。
  27. 【請求項２７】 前記波長分離器が、第２の窓を介して、流動している産物の
    前記照射された試料部分からの光を受光することを特徴とした、請求項２６に記
    載の方法。
  28. 【請求項２８】 前記光源から発せられた光の一部分を、較正測定のために前
    記検出器に向けて反射するステップを更に含む、請求項２５に記載の方法。
  29. 【請求項２９】 前記空間分離した光の強度を複数の波長で検出するために、
    前記反射体及び照射された試料部分からの光を、選択的に検出器に照射するステ
    ップを更に含む、請求項２８に記載の方法。
  30. 【請求項３０】 前記選択された照射帯域幅が、可視スペクトルから中赤外ス
    ペクトルまでの領域内であることを特徴とした、請求項２５に記載の方法。
  31. 【請求項３１】 単一の又は複数のＡ／Ｄ変換器を用いて、前記空間分離した
    光の強度を、複数の選択された波長で測定するステップを更に含む、請求項２５
    に記載の方法。
  32. 【請求項３２】 コンピュータ上で動作して、前記選択された波長の前記光の
    強度に基づき、前記農産物の前記試料部分の構成成分を計算するソフトウェアプ
    ログラムを提供するステップを更に含む、請求項３１に記載の方法。
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