JP2005321349A - 材質判断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 精度良く、かつ、高速に材質判断が可能な材質判断装置を提供するものである。
【解決手段】 本発明に係る材質判断装置１０は、分析対象物１３に光Ｌを照射し、その反射光Ｌ１を分光分析して、分析対象物１３の材質を判断するものであり、
光Ｌを出射する光源１１と、
光源１１から出射された光Ｌが照射され、反射される分析対象物１３と、
反射されたサンプル光Ｌ１を一端側から導入し、案内する第１光ガイド部材１２ａと、
光源１１から出射された光Ｌを直接レファレンス光Ｌ２として一端側から導入し、案内する第２光ガイド部材１２ｂと、
各光ガイド部材１２ａ，１２ｂの他端側に接続され、かつ、サンプル光Ｌ１及びレファレンス光Ｌ２をそれぞれ所定の波長バンドごとに掃引、変調するプログラマブル回折格子２２、及び各波長バンドごとに各光Ｌ１，Ｌ２のスペクトルの差を検出するアレイ検出素子２５を有するマルチチャンネル分光器２０と、
を備えたものである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、分析対象物に光を照射し、その反射光を分光分析して、分析対象物の材質を判断する材質判断装置に関するものである。

近年、地球環境上の問題から、廃棄物の分別、サーマルリサイクルが進んでいる。廃棄物として、例えばプラスチックのサーマルリサイクルを行う場合、燃焼時にダイオキシンなどを生成する物質や、内分泌攪乱物質（いわゆる環境ホルモン）を含む物質を分別する必要がある。

従来、この分別方法としては、先ず、分析対象物に光を照射し、その反射光をマルチチャンネル分光器を用いて分光分析し、複数の波長バンドのスペクトルの受光強度を検出素子で検出する。その後、それらの検出値を演算装置に転送し、ケモメトリックスなどの多変量解析手法を用いて材質を判断し、廃棄物の分別を行っていた。

また、廃棄物に含まれる廃棄プラスチックと紙類との識別を高速で行い、識別された廃棄物の純度を高めた材質識別方法がある（特許文献１参照）。

特開２００１−１３０６９号公報

ところで、光を照射する光源は、その光強度が時間の経過と共に変動したり、検出素子の電極暗電流が変動したりするため、スペクトルの微妙な変動を検出するのは困難であった。つまり、材質判断を正確に、精度良く行うことは困難であった。

また、特許文献１記載の材質識別方法は、識別対象物が廃棄プラスチック又は紙類のどちらであるかの識別を高速で行うことができる。しかしながら、その識別対象物の材質の特定までを含めた識別は、高速で行うことができないという問題があった。

以上の事情を考慮して創案された本発明の目的は、精度良く、かつ、高速に材質判断が可能な材質判断装置を提供することにある。

上記目的を達成すべく本発明に係る材質判断装置は、分析対象物に光を照射し、その反射光を分光分析して、分析対象物の材質を判断する装置において、
光を出射する光源と、
光源から出射された光が照射され、反射される上記分析対象物と、
反射されたサンプル光を一端側から導入し、案内する第１光ガイド部材と、
光源から出射された光を直接レファレンス光として一端側から導入し、案内する第２光ガイド部材と、
各光ガイド部材の他端側に接続され、かつ、サンプル光及びレファレンス光をそれぞれ所定の波長バンドごとに掃引、変調するプログラマブル回折格子、及び各波長バンドごとに各光のスペクトルの差を検出するアレイ検出素子を有するマルチチャンネル分光器と、
を備えたものである。

本発明に係る別の材質判断装置は、分析対象物に光を照射し、その反射光を分光分析して、分析対象物の材質を判断する装置において、
光を出射する光源と、
光源から出射された光が照射され、反射される上記分析対象物と、
反射されたサンプル光を一端側から導入し、案内する第１光ガイド部材と、
光源から出射された光を直接レファレンス光として一端側から導入し、案内する第２光ガイド部材と、
サンプル光及びレファレンス光がそれぞれ照射され、各光を反射し、所定の波長バンドごとに分光する回折格子と、
回折格子で分光された各光を反射させる光反射手段と、
反射された各光の波長バンドごとのスペクトルを交互に検出し、サンプル光とレファレンス光のスペクトルの差を出力するアレイ検出素子と、
アレイ検出素子からの出力に基づいて材質判断の演算を行う演算手段と、
を備えたものである。

本発明に係るまた別の材質判断装置は、分析対象物に光を照射し、その反射光を分光分析して、分析対象物の材質を判断する装置において、
光を出射する光源と、
光源から出射された光が照射され、反射される上記分析対象物と、
反射されたサンプル光を一端側から導入し、案内する第１光ガイド部材と、
光源から出射された光を直接レファレンス光として一端側から導入し、案内する第２光ガイド部材と、
各光ガイド部材の他端側に接続され、かつ、サンプル光及びレファレンス光をそれぞれ所定の波長バンドごとに掃引、変調するプログラマブル回折格子、及び各光の光量の総和を検出する検出素子を有するマルチチャンネル分光器と、
を備えたものである。

本発明に係る更に別の材質判断装置は、分析対象物に光を照射し、その反射光を分光分析して、分析対象物の材質を判断する装置において、
光を出射する光源と、
光源から出射された光が照射され、反射される上記分析対象物と、
反射されたサンプル光を一端側から導入し、案内する第１光ガイド部材と、
光源から出射された光を直接レファレンス光として一端側から導入し、案内する第２光ガイド部材と、
サンプル光及びレファレンス光がそれぞれ照射され、各光を反射し、所定の波長バンドごとに分光する回折格子と、
回折格子で分光された各光を反射させる光反射手段と、
サンプル光の波長バンドごとのスペクトルに、予め作製しておいた材質判断用のスペクトルと同じ重みの重み付けを行うべく、上記光反射手段でのサンプル光の反射率の制御を波長バンドごとに行う演算手段と、
反射された各光を集光する集光手段と、
集光された各光の光量の総和を交互に検出する検出素子と、
を備えたものである。

ここで、光反射手段は、分光された各光を所定の波長バンドごとに掃引、変調するプログラマブル回折格子であることが好ましい。

また、プログラマブル回折格子は、ＭＥＭＳアクチュエータを有することが好ましい。

さらに、サンプル光とレファレンス光を別々に反射させるべく、光反射手段を少なくとも２つ設けることが好ましい。

また、集光手段は、第２回折格子又は積分球とされる。

さらに、分析対象物で反射されたサンプル光を全て受光可能とすべく、第１光ガイド部材のサンプル光導入端に、第１光ガイド部材を走査させるスキャニング手段を設けてもよい。

一方、本発明に係る材質判断方法は、分析対象物に光を照射し、その反射光を分光分析して、分析対象物の材質を判断する方法において、
光源から出射された光を分析対象物に照射し、反射させてサンプル光とすると共に、光の一部を出射された状態のままのレファレンス光として取り出し、
各光を所定の波長バンドごとに分光し、
分光された各光を反射させると共に、反射された各光の波長バンドごとのスペクトルをそれぞれ検出器で検出し、波長バンドごとにサンプル光とレファレンス光のスペクトルの差を出力し、
それらの出力値に基づいて材質判断を行うものである。

本発明に係る別の材質判断方法は、分析対象物に光を照射し、その反射光を分光分析して、分析対象物の材質を判断する方法において、
光源から出射された光を分析対象物に照射し、反射させてサンプル光とすると共に、光の一部を出射された状態のままのレファレンス光として取り出し、
各光を所定の波長バンドごとに分光し、
分光された各光を反射させると共に、分光されたサンプル光の反射率の制御を波長バンドごとに行って、サンプル光の波長バンドごとのスペクトルに、予め作製しておいた材質判断用のスペクトルと同じ重みの重み付けを順次行い、
反射された各光を集光し、
集光された各光の光量の総和を検出器で検出し、各総和を用いて材質判断を行うものである。

ここで、反射された各光の波長バンドごとのスペクトルが交互に検出器で検出されるように、分光された各光を反射させる際、各光を偏向させると共に、その偏向制御を同期させて行うことが好ましい。

また、集光された各光の光量の総和が交互に検出器で検出されるように、分光された各光を反射させる際、各光を偏向させると共に、その偏向制御を同期させて行うことが好ましい。

さらに、分析対象物から反射したサンプル光の受光を２次元的に走査して行い、材質の分布を２次元的に判断することが好ましい。

本発明によれば、精度良く、高速での材質判断が可能となるという優れた効果を発揮する。

以下、本発明の好適一実施の形態を添付図面に基づいて説明する。

本発明の好適一実施の形態に係る材質判断装置の平面概略図を図１に、側面概略図を図２に示す。

図１及び図２に示すように、本実施の形態に係る材質判断装置１０は、サンプル（分析対象物）１３に光Ｌを照射し、その反射光（サンプル光Ｌ１）を分光分析して、サンプル１３の材質を判断するものであり、光Ｌを出射する光源１１と、第１及び第２光ガイド部材１２ａ，１２ｂと、マルチチャンネル分光器２０とで構成される。

第１光ガイド部材１２ａは、光源１１から出射した光Ｌをサンプル１３に照射し、反射させてなるサンプル光Ｌ１を導入するものである。また、第２光ガイド部材１２ｂは、光源１１から出射された光Ｌの一部をレファレンス光Ｌ２として直接導入するものである。第１及び第２光ガイド部材１２ａ，１２ｂとしては、慣用の光ファイバ、導波路状のもの、又はミラー、レンズ、プリズムなどを組み合わせたもの等が適用される。また、第１及び第２光ガイド部材１２ａ，１２ｂは、同一のものであることが好ましい。

マルチチャンネル分光器２０は、各光ガイド部材１２ａ，１２ｂの他端側に光学的に接続される。マルチチャンネル分光器２０は、光の伝搬方向上流側から、回折格子２１、光反射偏向手段（光反射手段）２２、アパチャ２３、屈折手段２４、アレイ検出素子２５の順に設けられる。

回折格子２１には、第１光ガイド部材１２ａを経て出射されたサンプル光Ｌ１が照射され、反射される。サンプル光Ｌ１は、光源１１から出射された光をサンプル１３に照射し、反射させてなるものである。また、回折格子２１には、第２光ガイド部材１２ｂを経て出射されたレファレンス光Ｌ２が照射され、反射される。反射された各光Ｌ１，Ｌ２は、所定の波長バンドごとに分光される。

光反射偏向手段２２には、回折格子２１で分光された各光Ｌ１，Ｌ２が照射され、反射、偏向される。この光反射偏向手段２２は、分光された各光Ｌ１，Ｌ２を所定の波長バンドごとに掃引、変調するプログラマブル回折格子であることが好ましい。また、プログラマブル回折格子が、ＭＥＭＳアクチュエータを有することがより好ましい。さらに、光反射偏向手段２２は、サンプル光Ｌ１とレファレンス光Ｌ２を別々に反射、偏向させるべく、光ガイド部材の経路数と同数（図１中では２２ａ，２２ｂの２つ）設けることが好ましい。

アパチャ２３は、偏向された各光Ｌ１，Ｌ２の通過／断遮を行う遮光絞りである。偏向された各光Ｌ１，Ｌ２が、遮断体２３ａに照射されると伝搬遮断となる。また、偏向された各光Ｌ１，Ｌ２が、隣接する遮断体２３ａ間の開口部に向けて照射されると通過となる。遮断体２３ａの形状は、特に限定するものではなく、矩形状の他に、円形状であってもよい。開口部は、遮断体２３ａ自体に設けた溝（スリット）であってもよい。

屈折手段２４（例えば、プルーフプリズム）には、アパチャ２３を通過した各光Ｌ１，Ｌ２が照射され、各光Ｌ１，Ｌ２の波長バンドごとのスペクトルが、アレイ検出素子２５に達するように屈折させる。

アレイ検出素子２５は、プリズム２４によって屈折された各スペクトルを検出し、サンプル光Ｌ１とレファレンス光Ｌ２のスペクトルの差を出力する。アレイ検出素子２５には、ＡＣアンプ２７を介して演算手段２８が電気的に接続されており、アレイ検出素子２５の出力に基づいて、演算手段２８が材質判断の演算を行う。

光源１１から出射される光Ｌとしては、特に限定するものではなく、紫外線、赤外線などが挙げられる。ここで、光源１１としては、装置コストが安価なランプが好ましいが、レーザ発振手段を用いてもよい。

屈折手段２４としては、アパチャ２３を通過した各光Ｌ１，Ｌ２を、アレイ検出素子２５の位置に屈折させることができるものであれば特に限定するものではなく、プリズムの他に、円筒レンズ（シリンドリカルレンズ）などが挙げられる。

次に、本実施の形態に係る材質判断装置１０を用いた材質判断方法を、添付図面に基づいて説明する。

サンプル１３に光強度Ｉ０の光Ｌを照射し、反射させることで、光Ｌの一部の波長バンドが吸光され、光強度Ｉ１のサンプル光Ｌ１として反射される。
この時、入射光Ｌとサンプル光Ｌ１との間には、
Ｌ１（λ）＝Ｌ（λ）×Ｔ（λ）
ここで、Ｔ（λ）は反射率
の関係が成り立つ。光強度が減衰された波長バンドから材質が、光強度の減衰程度からその濃度がわかる。

ところで、光源１１であるランプやレーザ発振手段から出射される光Ｌの光強度が常に一定であれば、最初に光Ｌの光強度を測定しておくことで、常に正確に材質判断を行うことができる。しかし、光Ｌの光強度は周囲の気温の変化などに応じて変動する。光強度の変動は、正確な材質判断を阻害する要因となる。

そこで、本実施の形態に係る材質判断装置１０においては、サンプル光Ｌ１の参照対象としてレファレンス光Ｌ２を、常時測定する。レファレンス光Ｌ２は、実際にサンプル１３に照射するのではなく、基準サンプルに照射し、反射させた状態をシミュレートして測定される。このシミュレーションにより測定されたレファレンス光Ｌ２の光強度を、常時、光Ｌの光強度としてフィードバックすることで、常に精度良く材質判断を行うことができる。

具体的には、先ず、光源１１から出射されたある光強度の光（白色光）Ｌは、所定の位置（ターゲット位置）に配置されたサンプル１３に照射され、反射された分がサンプル光Ｌ１となる。サンプル光Ｌ１は、ある波長バンドの光強度が減衰されており、固定された回折格子２１で反射される。同様に、光Ｌの一部は、直接、第２光ガイド部材１２ｂに導入され、レファレンス光Ｌ２となる。レファレンス光Ｌ２もまた、固定された回折格子２１で反射される。この時、サンプル光Ｌ１とレファレンス光Ｌ２は、回折格子２１の別々の位置（図２中では上段と下段）で反射されるので、互いに干渉されない。回折格子２１によって、各光Ｌ１，Ｌ２は波長バンドごとのスペクトルに分光され、虹色光となる。

分光されたサンプル光Ｌ１とレファレンス光Ｌ２は、上下二段に配置された２つの光反射偏向手段（MEMS（Micro Electro Mechanical System）アクチュエータを有するプログラマブル回折格子（以下、MEMS型プログラマブル回折格子と記す））２２ａ，２２ｂで反射、偏向される。MEMS型プログラマブル回折格子２２ａ，２２ｂにおける各MEMSアクチュエータ（以下、MEMS１，MEMS２と記す）に到達した各光Ｌ１，Ｌ２は、所定の角度範囲で高速で反射、偏向され、交互にアパチャ２３へと向かう。この反射、偏向によって、各光Ｌ１，Ｌ２の光強度が調整される。

例えば、図３（ａ）に示すように、MEMS１（又はMEMS２）は、基板３１上に静止電極３２ａ…３２ｎ（図３（ａ）中では３２ａのみ図示）が設けられ、各静止電極３２ａ…３２ｎと離間して移動電極３３ａ…３３ｎ（図３（ａ）中では３３ａのみ図示）を設けたものである。各移動電極３３ａ…３３ｎは、各静止電極３２ａ…３２ｎに対して当接、離間自在（図３（ａ）中では上下方向移動自在）に設けられる。また、各移動電極３３ａ…３３ｎは、基板３１に設けられる脚部３４ａ，３４ｂと、電極本体部（ミラー部）３５と、一端が脚部３４ａ，３４ｂに固定して設けられ、他端が電極本体部３５を吊設するフレキシブル接続部３６ａ，３６ｂとを有している。フレキシブル接続部３６ａ，３６ｂの厚さＤ２は、電極本体部３５の厚さＤ１よりも薄く（例えば、約１／３）形成しておくことで、フレキシブル接続部３６ａ，３６ｂは自在に屈曲される。電極本体部３５は剛直で、屈曲しない。各静止電極３２ａ…３２ｎは、それぞれが制御手段（例えば、コンピュータ（図示せず））の各アドレスに独立して接続されている。

各静止電極３２ａ…３２ｎと各移動電極３３ａ…３３ｎ間の電圧（電位差）を、制御手段によりそれぞれ制御することで、各移動電極３３ａ…３３ｎを独立させて駆動させることができる。その結果、各静止電極３２ａ…３２ｎと各移動電極３３ａ…３３ｎ間の離間距離Ｈ１…Ｈｎ（図３（ａ）中ではＨ１のみ図示）を、それぞれ無段階に自在に調節することができる。電圧と離間距離Ｈ１…Ｈｎとの関係は予め検量線を作成しておき、この検量線に基づいて、離間距離Ｈ１…Ｈｎを調節する。このように、静止電極と移動電極の各離間距離Ｈ１…Ｈｎを、それぞれ無段階に自在に調節することで、アパチャ２３を通過する光の強度を波長バンドごとに調節することができる。また、MEMS１，MEMS２の各移動電極３３ａ…３３ｎの制御は、高速で、かつ、制御手段によって同期させて交互に行われる。

具体的には、図３（ｂ）に示すように、全ての移動電極３３ａ…３３ｎを動かさず、静止電極３２ａ…３２ｎから離間させたままとすることで（全ＯＦＦ時）、アパチャ２３において、所定の波長バンドの光（図３（ｂ）中では光３９ａ〜３９ｃ）が全て遮断される。また、図３（ｃ）に示すように、全ての移動電極３３ａ…３３ｎを静止電極３２ａ…３２ｎと当接させることで（全ＯＮ時）、所定の波長バンドの光（図３（ｃ）中では光３９ａ〜３９ｃ）がアパチャ２３間を通過する。また、図３（ｄ）に示すように、移動電極３３ａ…３３ｎの一部を静止電極３２ａ…３２ｎと当接又は近接させ、残部の移動電極３３ａ…３３ｎを動かさず、離間させたままとすることで（光強度調整時）、当接又は近接させる静止電極と対応したある波長バンドの光（図３（ｄ）中では光３９ｂ，３９ｃ）だけが、光強度を調整されてアパチャ２３間を通過する。離間させたままの静止電極と対応したある波長バンドの光（図３（ｄ）中では光３９ａ）は、アパチャ２３で遮断される。

アパチャ２３間を通過した各光Ｌ１，Ｌ２は、交互に屈折手段２４に照射される。屈折手段２４に入射した各光Ｌ１，Ｌ２は、それぞれ屈折させられ、波長バンドごとのスペクトルがアレイ検出素子２５に達するように出射される。

屈折手段２４を通過した各光Ｌ１，Ｌ２は、交互に検出器（アレイ検出素子２５）で受光される。アレイ検出素子２５は、水平に配列、配置された各検出部を有しており、各検出部で各波長バンドごとのスペクトルがそれぞれ受光される。各検出部で、プリズム２４によって屈折された各光Ｌ１，Ｌ２の各スペクトルが交互に検出され、サンプル光Ｌ１とレファレンス光Ｌ２の各波長バンドごとのスペクトルの差がそれぞれＡＣ出力される。このＡＣ出力は、各波長バンドごとのスペクトルの吸収度合いに比例している。

各ＡＣ出力は、ＡＣアンプ２７を介して演算手段（例えば、データ演算装置）２８に取り込まれ、ケモメトリックスなどの多変量解析手法を用いて波形処理が施されることで、材質判断がなされる。例えば、材質判断は、以下に示す方法でなされる。

(1) 測定スペクトルにおける吸収ピークの位置から、材質又は状態を判断する。

例えば、サンプル１３における光Ｌの照射部分がポリプロピレンであれば、図１０に示すような反射スペクトルが得られる。また、例えば、サンプル１３における光Ｌの照射部分がポリ塩化ビニル（透明色）であれば、図１１に示すような反射スペクトルが得られる。さらに、例えば、サンプル１３における光Ｌの照射部分がポリ塩化ビニル（クリーム色）であれば、図１２に示すような反射スペクトルが得られる。このように、材質が異なっていれば、反射スペクトルの吸光度のピーク位置がそれぞれ異なるので、材質判断が可能となる。また、材質が同じであると、色が異なっていても反射スペクトルの吸光度のピーク位置はほぼ同じとなる。

(2) 全ての波長バンドの測定スペクトルを演算手段に読み込み、演算手段のメモリに記憶、保存されている計算パラメータ（材質判断用スペクトル）を用いて演算を行う。この演算は、以下のＡ)〜Ｄ)のいずれかの手法を用いて行う。この演算によって、材質データが得られ、この材質データに基づいて材質を判断する。
Ａ) 相関スペクトル又は随伴スペクトルと測定スペクトルとの積を、全ての波長バンドで順次計算して総和を求め、その総和がある閾値以上となるかどうかで、材質を判断する。
Ｂ) 直交スペクトルと測定スペクトルとの積を、全ての波長バンドで順次計算して総和を求め、その総和がゼロになるかどうか（又はある閾値以下になるかどうか）で、材質を判断する。直交スペクトルは、Gram-Schmidtの直交化などにより求める。
Ｃ) サンプルの主成分分析（多変量解析法の一方法）を行って主成分を計算し、その主成分から判断分析などの手法を用いて材質を判断する。
Ｄ) ニューラルネットワークの出力を用いて材質を判断する。

以上に述べたように、本実施の形態に係る材質判断装置１０は、サンプル光Ｌ１とレファレンス光Ｌ２の各波長バンドごとのスペクトルの差を基に、材質判断を行っている。ある波長バンドのスペクトルの差が小さくても、言い換えるとサンプル１３によるある波長バンドの光反射が小さくても、分割波長バンドの全域に亘って各波長バンドごとのスペクトルの差を光強度調整（光強度を増幅及び／又は減衰）する。例えば、サンプル１３の大まかな種類（樹脂、紙、金属、ガスなど）がわかっていれば、各種類に応じて光強度調整を行う波長バンドを変える。これによって、ある波長バンドのスペクトルの差を強調させる（増幅させる）ことができる。

例えば、図３（ｄ）における光強度調整の一例を図４に示すように、波長範囲がλ４〜λ９、光強度がＰ４の入射光４１は、図３（ｄ）に示したMEMS１（又はMEMS２）により反射され、アパチャを通過することで通過光４２となる。この通過光４２は、λ６〜λ７、λ８〜λ９の波長バンドにおいて光強度がＰ５（＜Ｐ４）に調整される。また、通過光４２は、λ４〜λ５の波長バンドにおいて光強度がＰ６（＜Ｐ５）に調整される。さらに、通過光４２は、λ５〜λ６の波長バンドで、光強度がＰ６からＰ７（＜Ｐ６）に連続的に減少するように調整される。また、通過光４２は、λ７〜λ８の波長バンドにおいて光強度がＰ８（＜Ｐ７）に調整される。このように、MEMS１（又はMEMS２）は、波長バンドごとに、入射光４１を偏向させると共に、入射光４１の光強度を自在に調整することができる。

次に、レファレンス光Ｌ２のシミュレーションによる計測について、具体的に説明する。先ず、反射スペクトルが波長に関係なく一定の物質（テフロン（登録商標）やセラミックスなど）を、ターゲット位置に配置する。この状態で、光源１１から光Ｌを出射し、サンプル光Ｌ１及びレファレンス光Ｌ２の各波長バンドごとのスペクトルの差をアレイ検出素子２５からＡＣ出力する。この時、各ＡＣ出力がゼロとなるように、MEMS２の各移動電極３３ａ…３３ｎを調節し、この状態をMEMSデータ１として記憶させておく。

その後、材質判断を行うサンプル１３をターゲット位置に配置する。この状態で、光源１１からある光強度の光Ｌを出射し、各波長バンドごとのスペクトルに分光された各光Ｌ１，Ｌ２を、MEMS１，MEMS２で反射、偏向させる。MEMS１，MEMS２は、各波長バンドごとのスペクトルに分光された各光Ｌ１，Ｌ２がアレイ検出素子２５に達するように、各光Ｌ１，Ｌ２を反射、偏向させる。この時、MEMS１，MEMS２は、各光Ｌ１，Ｌ２の各スペクトルが交互にアレイ検出素子２５で検出されるべく、それぞれ制御手段により同期させて制御される。また、光Ｌ２がアレイ検出素子２５に達するように光Ｌ２をMEMS２で反射、偏向させる際、MEMS２は予め記憶しておいたMEMSデータ１の状態に制御される。

一方、光源１１から出射される光Ｌの光強度は、周囲の気温の変化などにより変動する。しかし、光強度がＩ０からＩ０′に変動した場合でも、レファレンス光Ｌ２は、MEMSデータ１の状態に調節されたMEMS２で反射、偏向される。その後、アレイ検出素子２５で、光強度Ｉ０′のレファレンス光Ｌ２に対応した各光スペクトルを検出し、この新たな検出値と、光強度Ｉ０のレファレンス光Ｌ２に対応した各光スペクトルとを比較することで、光強度の変動量が求められる。この光強度の変動量から新たな光強度Ｉ０′が決定され、この新たな光強度Ｉ０′は、即座にサンプル光Ｌ１の光強度Ｉ０′としてフィードバックされる。

本実施の形態に係る材質判断装置１０においては、シミュレーションにより測定されたレファレンス光Ｌ２の光強度を、常時、サンプル光Ｌ１の光強度としてフィードバックしている。よって、光源１１から出射される光Ｌの光強度の変動を常に検出でき、常に精度良く材質判断を行うことができる。

よって、光源１１から出射される光Ｌの光強度の変動による影響が殆どなくなる。このため、本実施の形態に係る材質判断装置１０は、各光Ｌ１，Ｌ２の各波長バンドごとのスペクトルの差を、常に精度良く検出でき、材質を正確に識別、判断することができる。また、この材質判断処理は高速であるため、短時間で材質を判断することができる。

また、材質判断処理が高速で（短時間で）可能であることを利用し、図１３に示すように、第１光ガイド部材１２ａのサンプル光導入端（図１３中では左端）に、スキャニング手段１３１を設けるようにしてもよい。このスキャニング手段１３１（例えば、ポリゴンミラーやガルバノミラーなど）は、第１光ガイド部材１２ａをサンプル１３と平行な面上に走査させるものである。これによって、第１光ガイド部材１２ａは、サンプル１３に照射され、反射したサンプル光Ｌ１を漏れなく受光可能となる。つまり、サンプル１３から反射したサンプル光Ｌ１の受光を２次元的に走査して行うことができ、サンプル１３の面状の分光分析も高速で行うことができる。その結果、サンプル１３の材質における二次元分布の計測を、リアルタイム（又はほぼリアルタイム）に行うことができるため、大量のゴミ（特に、プラスチック）を短時間で分別することができる。また、二次元分布の計測結果は、マルチチャンネル分光器２０に接続したモニタ１３２に、二次元画像１３３として表示することができる。

ここで、例えば、光源１１として太陽光を用い、大気やオゾン層をサンプル１３とすることで、大気汚染やオゾンホールの観測なども可能となる。また、光源１１としてランプやレーザを用い、ある測定空間をサンプル１３とすることで、ある測定空間におけるガスリークの監視、観測が可能となる。

また、レファレンス光Ｌ２の光強度を常時測定できることを利用し、光源１１の電圧を制御することで、レファレンス光Ｌ２の光強度が一定となるように補正を行ってもよい。この補正を、具体例を挙げて説明する。

先ず、入射光Ｉ０の光スペクトル（ゼロガススペクトル）を２０秒間隔で１０回計測し、それぞれの時の積算平均スペクトルを求めた。その結果、図５に示すように、最も受光強度が大きくなるのは、波長が２２８ｎｍの時であり、その時の受光強度は約29700であった。

次に、最も受光強度が大きな波長２２８ｎｍの時の受光強度と経過時間との関係を求めた。その結果、図６に菱形印のプロットで示すように、受光強度は常に一定ではなく、時間の経過に伴って変動し、最大で約1400のバラツキが生じた。この受光強度の変動は、ノイズに伴うランプ強度の変動によるものと考えられる。

各計測時におけるＩ０の変動は、ガス濃度を計算する際に誤差が生じる要因となる。ここで、ノイズの原因を解析するために、以下の計算を行った。

各受光強度スペクトルをPi(ｘ)、ｉは計測の順番（１〜１０）、ｘは検知素子の番号（波長バンドに相当）とすると、１０個の各計測スペクトルの積算平均は、以下の(1)式で表される。

また、(1)式で得られた積算平均スペクトルのバラツキ具合を調べるために、分散スペクトルvar(ｘ)を計算すると、(2)式で表される。

(2)式で得られた分散の大きさが、波長依存性を有しているのか又はランダムであるのかを調べるために、分散の移動平均ptSDを計算すると、(3)式で表される。ここでは、９ポイントを移動平均した。

(3)式で得られた９点移動平均値と１０回計測時の平均受光強度との関係を図７に示すように、９点移動平均値と平均受光強度は強く相関していることがわかる。ここで、移動平均値は、ノイズの大きさに相当していることから、Ｉ０の変動は、受光強度、つまりランプ強度の変動に大きく起因していることがわかる。受光強度とノイズの大きさで単回帰分析を行うと、
ｙ＝0.0128ｘ＋2.9838（Ｒ²＝0.999（Ｒ:相関係数））…(4)式
となる。

(4)式から、ランプ強度とノイズの大きさとの関係を求めると図８となる。図８に示すように、線８１で表されるノイズの大きさは、線８２で表される電気系ノイズ（ランプ以外のノイズ）と、線８３で表されるランプノイズとの和となる。つまり、ノイズの大きさは２つの要素に起因しており、一方はランプ強度の大きさに比例するランプノイズ、他方はランプ強度の大きさに関係なく常に一定の値を示す電気系ノイズである。

波長２２８ｎｍにおける受光強度（約29700）の場合、図７に示したように９点移動平均値（ノイズの大きさ１０１）は約３５０であった。このため、受光強度Ｉ０の変動も最大約３５０となった。ところが、図８に示したように、ランプノイズ８３による影響をゼロとすると、ノイズの大きさ８１は理論的には３±0.5となり、受光強度Ｉ０の変動を最大で３±0.5とすることが可能となる。例えば、波長２２８ｎｍの光の受光強度がＩ０の時、ランプノイズ８３による影響をゼロとした場合（光強度の補正を行った場合）、図９に四角印のプロットで示すように、時間の経過に関係なく、受光強度は略一定（約29700）となる。図９に菱形印のプロットで示す光強度補正前と比較すると、受光強度の変動が抑制されていることがわかる。

そこで、シミュレーションにより測定されたレファレンス光Ｌ２の光強度を、常時、光源１１に接続して設けた電圧制御手段（図示せず）にフィードバックし、光源１１の電圧制御を行うようにする。これによって、レファレンス光Ｌ２の光強度は常にほぼ一定となり、本実施の形態に係る材質判断装置１０は、常に精度良く材質判断を行うことができる。

次に、本発明の他の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。

本実施の形態に係る材質判断装置の基本的な構成は、図１に示した材質判断装置１０と同じである。本実施の形態に係る材質判断装置が、材質判断装置１０と異なる点は、アパチャ２３と屈折手段２４との間に第２回折格子（集光手段）を設け、検出手段として検出器を設け、各MEMS型プログラマブル回折格子２２ａ，２２ｂに制御演算手段を接続した点である。

第２回折格子としては、回折格子２１と同じものが使用可能である。回折格子により、各波長バンドごとのスペクトル（虹色の光）に分光された各光Ｌ１，Ｌ２が、単一光（白色光）にコンデンス（集光）される。また、集光手段として、第２回折格子の代わりに積分球を用いてもよい。

検出器としては、アレイ型の検出器であってもよいが、シングル型の検出器で十分である。

制御演算手段は、各MEMS型プログラマブル回折格子２２ａ，２２ｂの制御手段としての機能と、図１に示したアレイ検出素子２５に接続された演算手段２８としての機能を併せ持つものである。制御手段としての機能部と演算手段としての機能部は、一体に設けてもよく、又はそれぞれ別体に設けてもよい。

次に、本実施の形態に係る材質判断装置を用いた材質判断方法を、添付図面に基づいて説明する。

本実施の形態に係る材質判断装置を用いた材質判断方法は、基本的に前実施の形態に係る材質判断装置１０を用いた材質判断方法と同じであるが、材質判断の演算手法が異なる。

先ず、光源１１から出射されたある光強度の光（白色光）Ｌは、所定の位置（ターゲット位置）に配置されたサンプル１３に照射され、反射された分がサンプル光Ｌ１となる。サンプル光Ｌ１は、ある波長バンドの光強度が減衰されており、固定された回折格子２１で反射される。同様に、光Ｌの一部は、直接、第２光ガイド部材１２ｂに導入され、レファレンス光Ｌ２となる。レファレンス光Ｌ２もまた、固定された回折格子２１で反射される。この時、サンプル光Ｌ１とレファレンス光Ｌ２は、回折格子２１の別々の位置（図２中では上段と下段）で反射されるので、互いに干渉されない。回折格子２１によって、光は波長バンドごとのスペクトルに分光され、虹色光となる。

分光されたサンプル光Ｌ１とレファレンス光Ｌ２は、上下二段に配置された２つのMEMS型プログラマブル回折格子２２ａ，２２ｂで反射、偏向される。MEMS型プログラマブル回折格子２２ａ，２２ｂにおけるMEMS１，MEMS２に到達した各光Ｌ１，Ｌ２は、所定の角度範囲で高速で反射、偏向される。

ここで、MEMS１における反射、偏向は、前実施の形態の(2)で示した材質判断の演算手法に基づいてなされる。具体的には、前実施の形態に係る材質判断装置の判断方法における(2)の演算を、以下のＡ)〜Ｄ)のいずれかの手法を用いてMEMS１，MEMS２を制御することで、MEMS１，MEMS２上で光学的に行う。
Ａ) 相関スペクトル又は随伴スペクトルと測定スペクトルとの積を、全ての波長バンドで順次計算して総和を求め、その総和がある閾値以上となるかどうかで、材質を判断する。
Ｂ) 直交スペクトルと測定スペクトルとの積を、全ての波長バンドで順次計算して総和を求め、その総和がゼロになるかどうか（又はある閾値以下になるかどうか）で、材質を判断する。直交スペクトルは、Gram-Schmidtの直交化などにより求める。
Ｃ) サンプルの主成分分析を行って主成分を計算し、その主成分から判断分析などの手法を用いて材質を判断する。
Ｄ) ニューラルネットワークの出力を用いて材質を判断する。

この時、予め作製し、メモリに記憶、保存しておいた各材質判断用スペクトルｂと同じ割合となるように、MEMS１の各移動電極３３ａ…３３ｎを調節して光の反射率Ｒ(λ)を順次制御し、波長バンドごとのスペクトルに分光されたサンプル光Ｌ１を、各波長バンドごとに反射率を変えて反射、偏向させる。言い換えると、MEMS１において、分光されたサンプル光Ｌ１の反射率の制御を波長バンドごとに行って、サンプル光Ｌ１の波長バンドごとのスペクトルに、各材質判断用スペクトルｂと同じ重みの重み付けを順次行い、この状態で分光されたサンプル光Ｌ１を反射、偏向させる。

MEMS１，MEMS２において、所定の角度範囲で高速で反射、偏向された各光Ｌ１，Ｌ２は、交互にアパチャ２３へと向かう。アパチャ２３間を交互に通過した各光Ｌ１，Ｌ２は、第２回折格子で集光される。この集光によって、各光Ｌ１，Ｌ２の全波長バンドのスペクトルがまとめられる（足し合わされる）。

その後、集光された各光Ｌ１，Ｌ２は、交互に屈折手段２４で屈折させられ、波長バンドごとのスペクトルが検出器に達するように出射される。

屈折手段２４を通過した各光Ｌ１，Ｌ２は、交互に検出器で受光される。検出器でそれぞれ受光、検出されるのは、各光Ｌ１，Ｌ２の全波長バンドにおける光量の総和である。よって、検出器からの出力が、そのまま反射スペクトルや材質データとなる。検出器に接続された演算手段では、反射スペクトルや材質データを基にして材質の判断のみを行うだけであり、前実施の形態に係る材質判断装置１０のように、アレイ検出素子２５から多量のデータを演算手段２８に転送し、それらのデータを演算手段２８で演算する必要がない。このため、データ転送に要する時間が大幅に短縮される。その結果、本実施の形態に係る材質判断装置では、非常に高速に、例えば１msecというオーダーで材質判断を行うことが可能となる。

また、サンプルが複数成分（例えば、樹脂）で構成される場合、MEMS１，MEMS２のコントローラのメモリに各樹脂（成分ｃ１、成分ｃ２、…、成分ｃｎ）のデータを記憶、保存しておき、各樹脂の成分判断をシーケンシャルに行う（逐次行う）。

具体的には、先ず、MEMS１において、サンプル光Ｌ１の波長バンドごとのスペクトルに、予め作製しておいた成分ｃ１の材質判断用スペクトルｂと同じ重みの重み付けを行い、成分ｃ１の材質データを検出器から出力する。次に、MEMS１において、サンプル光Ｌ１の波長バンドごとのスペクトルに、予め作製しておいた成分ｃ２の材質判断用スペクトルｂと同じ重みの重み付けを行い、成分ｃ２の材質データを検出器から出力する。順次、この演算を繰り返し、最後に、MEMS１において、サンプル光Ｌ１の波長バンドごとのスペクトルに、予め作製しておいた成分ｃｎの材質判断用スペクトルｂと同じ重みの重み付けを行い、成分ｃｎの材質データを検出器から出力する。このようにして、各樹脂の材質データを基にした材質判断を、演算手段において順次行う。

よって、本実施の形態に係る材質判断装置によれば、サンプルが複数成分で構成されるものであっても、材質判断の演算はMEMS１において行われるため、高速に材質判断を行うことができる。

以上、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、他にも種々のものが想定されることは言うまでもない。

本発明の好適一実施の形態に係る材質判断装置の平面概略図である。 図１の側面概略図である。 MEMSアクチュエータの概略図である。図３（ａ）は横断面図、図３（ｂ）は全OFF時のモデル図、図３（ｃ）は全ON時のモデル図、図３（ｄ）は光強度調整時のモデル図である。 入射光及び通過光における波長と光強度との関係を示す図である。 ある波長バンドの光の、波長と受光強度との関係を示す図である。 ある波長バンドの光の、受光強度の変動を示す図である。横軸は経過時間、縦軸は受光強度を示す。 平均受光強度と９点移動平均値との関係を示す図である。 ランプ強度とノイズの大きさとの関係を示す図である。 補正前及び補正後の、ある光の受光強度の変動を示す図である。横軸は経過時間、縦軸は受光強度を示す。 ポリプロピレンの反射スペクトルの一例を示す図である。 ポリ塩化ビニル（透明色）の反射スペクトルの一例を示す図である。 ポリ塩化ビニル（クリーム色）の反射スペクトルの一例を示す図である。 本発明の好適一実施の形態に係る材質判断装置の一変形例を示す平面概略図である。

符号の説明

１０ 材質判断装置
１１ 光源
１２ａ 第１光ガイド部材
１２ｂ 第２光ガイド部材
１３ サンプル（分析対象物）
２０ マルチチャンネル分光器
２２ 光反射偏向手段（プログラマブル回折格子）
２５ アレイ検出素子
Ｌ 光
Ｌ１ サンプル光（反射光）
Ｌ２ レファレンス光

Claims (14)

1. 分析対象物に光を照射し、その反射光を分光分析して、分析対象物の材質を判断する装置において、
   光を出射する光源と、
   光源から出射された光が照射され、反射される上記分析対象物と、
   反射されたサンプル光を一端側から導入し、案内する第１光ガイド部材と、
   光源から出射された光を直接レファレンス光として一端側から導入し、案内する第２光ガイド部材と、
   各光ガイド部材の他端側に接続され、かつ、サンプル光及びレファレンス光をそれぞれ所定の波長バンドごとに掃引、変調するプログラマブル回折格子、及び各波長バンドごとに各光のスペクトルの差を検出するアレイ検出素子を有するマルチチャンネル分光器と、
   を備えたことを特徴とする材質判断装置。
2. 分析対象物に光を照射し、その反射光を分光分析して、分析対象物の材質を判断する装置において、
   光を出射する光源と、
   光源から出射された光が照射され、反射される上記分析対象物と、
   反射されたサンプル光を一端側から導入し、案内する第１光ガイド部材と、
   光源から出射された光を直接レファレンス光として一端側から導入し、案内する第２光ガイド部材と、
   サンプル光及びレファレンス光がそれぞれ照射され、各光を反射し、所定の波長バンドごとに分光する回折格子と、
   回折格子で分光された各光を反射させる光反射手段と、
   反射された各光の波長バンドごとのスペクトルを交互に検出し、サンプル光とレファレンス光のスペクトルの差を出力するアレイ検出素子と、
   アレイ検出素子からの出力に基づいて材質判断の演算を行う演算手段と、
   を備えたことを特徴とする材質判断装置。
3. 分析対象物に光を照射し、その反射光を分光分析して、分析対象物の材質を判断する装置において、
   光を出射する光源と、
   光源から出射された光が照射され、反射される上記分析対象物と、
   反射されたサンプル光を一端側から導入し、案内する第１光ガイド部材と、
   光源から出射された光を直接レファレンス光として一端側から導入し、案内する第２光ガイド部材と、
   各光ガイド部材の他端側に接続され、かつ、サンプル光及びレファレンス光をそれぞれ所定の波長バンドごとに掃引、変調するプログラマブル回折格子、及び各光の光量の総和を検出する検出素子を有するマルチチャンネル分光器と、
   を備えたことを特徴とする材質判断装置。
4. 分析対象物に光を照射し、その反射光を分光分析して、分析対象物の材質を判断する装置において、
   光を出射する光源と、
   光源から出射された光が照射され、反射される上記分析対象物と、
   反射されたサンプル光を一端側から導入し、案内する第１光ガイド部材と、
   光源から出射された光を直接レファレンス光として一端側から導入し、案内する第２光ガイド部材と、
   サンプル光及びレファレンス光がそれぞれ照射され、各光を反射し、所定の波長バンドごとに分光する回折格子と、
   回折格子で分光された各光を反射させる光反射手段と、
   サンプル光の波長バンドごとのスペクトルに、予め作製しておいた材質判断用のスペクトルと同じ重みの重み付けを行うべく、上記光反射手段でのサンプル光の反射率の制御を波長バンドごとに行う演算手段と、
   反射された各光を集光する集光手段と、
   集光された各光の光量の総和を交互に検出する検出素子と、
   を備えたことを特徴とする材質判断装置。
5. 上記光反射手段が、分光された上記各光を所定の波長バンドごとに掃引、変調するプログラマブル回折格子である請求項２又は４記載の材質判断装置。
6. 上記プログラマブル回折格子が、ＭＥＭＳアクチュエータを有する請求項１，３，５いずれかに記載の材質判断装置。
7. 上記サンプル光とレファレンス光を別々に反射させるべく、上記光反射手段を少なくとも２つ設けた請求項２，４，５，６いずれかに記載の材質判断装置。
8. 上記集光手段が、第２回折格子又は積分球である請求項４記載の材質判断装置。
9. 上記分析対象物で反射されたサンプル光を全て受光可能とすべく、上記第１光ガイド部材のサンプル光導入端に、第１光ガイド部材を走査させるスキャニング手段を設けた請求項１から８いずれかに記載の材質判断装置。
10. 分析対象物に光を照射し、その反射光を分光分析して、分析対象物の材質を判断する方法において、
    光源から出射された光を分析対象物に照射し、反射させてサンプル光とすると共に、光の一部を出射された状態のままのレファレンス光として取り出し、
    各光を所定の波長バンドごとに分光し、
    分光された各光を反射させると共に、反射された各光の波長バンドごとのスペクトルをそれぞれ検出器で検出し、波長バンドごとにサンプル光とレファレンス光のスペクトルの差を出力し、
    それらの出力値に基づいて材質判断を行うことを特徴とする材質判断方法。
11. 分析対象物に光を照射し、その反射光を分光分析して、分析対象物の材質を判断する方法において、
    光源から出射された光を分析対象物に照射し、反射させてサンプル光とすると共に、光の一部を出射された状態のままのレファレンス光として取り出し、
    各光を所定の波長バンドごとに分光し、
    分光された各光を反射させると共に、分光されたサンプル光の反射率の制御を波長バンドごとに行って、サンプル光の波長バンドごとのスペクトルに、予め作製しておいた材質判断用のスペクトルと同じ重みの重み付けを順次行い、
    反射された各光を集光し、
    集光された各光の光量の総和を検出器で検出し、各総和を用いて材質判断を行うことを特徴とする材質判断方法。
12. 反射された各光の波長バンドごとのスペクトルが交互に検出器で検出されるように、分光された各光を反射させる際、各光を偏向させると共に、その偏向制御を同期させて行う請求項１０記載の材質判断方法。
13. 集光された各光の光量の総和が交互に検出器で検出されるように、分光された各光を反射させる際、各光を偏向させると共に、その偏向制御を同期させて行う請求項１１記載の材質判断方法。
14. 分析対象物から反射したサンプル光の受光を２次元的に走査して行い、材質の分布を２次元的に判断する請求項１０から１３いずれかに記載の材質判断方法。
    

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