JP2019032270A - 分光測定装置及び分光測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ピーク波長が離れた少数のＬＥＤで光源を構成しても、広い帯域で一定の精度を維持できる分光測定装置及び分光測定方法を提供する。【解決手段】分光測定装置１０に含まれる光源１１は、ピーク波長が離れたＬＥＤ１１ａとＬＥＤ１１ｂとを備えている。分光測定装置１０には、ＬＥＤ１１ａ又はＬＥＤ１１ｂのピーク波長の周辺の帯域で反射率を測定するステップと、光源１１の輝度を高くした状態で、ＬＥＤ１１ａ及びＬＥＤ１１ｂのピーク波長の間の帯域で反射率を測定するステップとがある。【選択図】図２

Description

本発明は、ＬＥＤを光源とする分光測定装置及び分光測定方法に関する。

光源、分光器、検出器を主要な構成要素とし、少なくとも２つの波長帯域を使って反射率や透過率を測定する分光測定装置が知られている。通常、分光測定装置は、光源から得た光を分光器で単色化し、この単色した光（以下「単色光」という）で試料の透過光又は反射光を測る。また、光源から得た光を試料に当て、その反射光や透過光について分光分析しても良い。光源には、スペクトルが比較的平坦で連続的な重水素放電管やタングステンランプが用いられる。分光器には、プリズムや回折格子など、検出器には、光電子倍増管やホトダイオードなどが利用される。

例えば、特許文献１には、トマト等の試料の内部で反射した拡散反射光から得た分光スペクトルに基づいて、成分を分析する分光分析装置（分光測定装置）が記載されている。特許文献１に記載された分光測定装置では、第１の光ファイバーを介して光源から放射される赤外線光（連続スペクトル）を試料に照射し、第２の光ファイバーを介して拡散反射光を凹面回折格子（分光器）に導き、リニアイメージセンサ（検出器）で分光スペクトルを得ている。

特開２０００−２０６０３７号公報（図１）

特許文献１に記載された分光測定装置は、光源にタングステン−ハロゲンランプを使用していた。タングステン−ハロゲンランプは、ガラス管や口金が必要なため分光測定装置の小型化の障害となる。これに対し、光源をＬＥＤ化すれば、容易に分光測定装置の小型化が図れると思われる。

しかしながら、ＬＥＤは、半値幅の狭い釣鐘状のスペクトルを示すことが多い。このようなＬＥＤから広い帯域で平坦な特性を持つ光源を得ようとすると、ピーク波長が少しずつずれた多数のＬＥＤを準備すれば実現できる。ところが、装置を小型化しようとすることと、多数のＬＥＤを準備することとは相反する。

このため、やむを得ず、ピーク波長が離れた少数のＬＥＤで光源を構成すると、１つのＬＥＤのピーク波長と他方のＬＥＤのピーク波長との間に強度の弱い帯域が現れる。この強度が弱い帯域は、強度が強い帯域に比べ測定誤差が大きくなってしまう。すなわち、少数のＬＥＤで構成した光源では全帯域に亘って一定の精度が得られない。

そこで、本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、ピーク波長が離れた少数のＬＥＤで光源を構成しても、広い帯域で一定の精度を維持できる分光測定装置及び分光測定方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の分光測定方法は、ピーク波長が離れた第１ＬＥＤと第２ＬＥＤとを有する分光測定方法において、少なくとも２つの帯域で測定を行い、前記
２つの帯域のうちの一方の帯域は、前記第１ＬＥＤ又は前記第２ＬＥＤのピーク波長の周辺の帯域であり、前記２つの帯域のうちの他方の帯域は、前記第１ＬＥＤの前記ピーク波長と前記第２ＬＥＤの前記ピーク波長との間の帯域であり、前記一方の帯域で測定する第１測定ステップと、前記第１ＬＥＤ又は前記第２ＬＥＤへの電流供給量を増加してから前記他方の帯域で測定する第２測定ステップとを有することを特徴とする。

本発明の分光測定方法において、光源は、ピーク波長が離れた第１ＬＥＤと第２ＬＥＤとを備えている。このため、第１ＬＥＤ及び第２ＬＥＤのピーク波長の周辺の帯域で強度が強く、第１ＬＥＤ及び第２ＬＥＤのピーク波長の間の帯域で強度が弱くなる。そこで、本発明の分光測定方法では、照射強度の強いピーク波長周辺の帯域について透過率や反射率を測定する第１測定ステップと、ピーク波長の間の谷間となる帯域で透過率や反射率を測定する第２測定ステップとを準備する。第１測定ステップでは、あらかじめ設定した条件で第１及び第２ＬＥＤを発光させる。第２測定ステップでは、前記条件に対し第１又は第２ＬＥＤへの電流供給量を増加し、光源の発光強度を強くする。

上記目的を達成するため、本発明の分光測定装置は、ピーク波長が離れた第１ＬＥＤ及び第２ＬＥＤを含む光源と、前記第１ＬＥＤ及び第２ＬＥＤにそれぞれ直列接続する第１可変定電流源及び第２可変定電流源と、前記第１可変定電流源及び前記第２可変定電流源に流れる電流値を制御する制御回路とを有し、前記制御回路は、測定する帯域に応じて前記第１可変定電流源及び前記第２可変定電流源に流す電流を切り換えることを特徴とする。

本発明の分光測定装置は、光源と分光器と検出器とを備えている。光源にはピーク波長が離れている第１ＬＥＤ及び第２ＬＥＤが含まれ、第１ＬＥＤ及び第２ＬＥＤにはそれぞれ第１可変定電流源及び第２可変定電流源が直列接続している。第１可変定電流源及び第２可変定電流源を流れる電流は、測定帯域により異なった値に設定される。

前記分光器は、複数のバンドパスフィルターを備えていても良い。

本発明の分光測定装置及び分光測定方法は、ピーク波長が離れた少数のＬＥＤで光源を構成しても、それぞれのピーク波長の間の帯域のデータを取得するとき、ＬＥＤに流す電流を増加し、光源の強度を強くしている。この結果、本発明の分光測定装置及び分光測定方法は、広い帯域で一定の精度を維持できる。

本発明の実施形態として示す分光測定装置において主要部品の配置関係を示す図である。 図１に示す分光測定装置のブロック図である。 図１に示す分光測定装置に含まれる光源のスペクトル図である。 図１に示す分光測定装置に含まれる光源のスペクトル図である。

以下、添付図１〜図４を参照して本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、（）に特許請求の範囲で示す発明特定事項を記載する。

図１は、本発明の実施形態として示す分光測定装置１０の主要な部品の配置関係を示す図である。図１に示すように、分光測定装置１０は、主要な部品として、光源１１、分光器１２、検出器１３を備えている。分光器１２は、ホイール１２ａ、フィルター１２ｂ（バンドパスフィルター)、モーター１２ｃからなっている。ホイール１２ａは、円盤であ
り、８枚のフィルター１２ｂが環状に取り付けられている。なお、ホイール１２aは、フィルター１２ｂの取り付け部が開口している。モーター１２ｃの軸は、ホイール１２ａの中心を貫いている。光源１１は、検出器１３とともにフィルター１２ｂの背面部に設置され、試料２０は、ホイール１２ａの前面側に配置される。

光源１１を発した光は、１つのフィルター１２ｂを抜け、試料２０に照射される。この試料２０を照射する光（以下「照射光」という）は、試料２０で反射する。この反射した光（以下「反射光」という）は、再びフィルター１２ｂを通り、検出器１３に入射する。

ホイール１２ａに取り付けられた８枚のフィルター１２ｂは、５〜１０ｎｍの通過帯域をもつバンドパスフィルターであり、それぞれの通過帯域が異なっている。なお、農産物等の品質評価としては、既知の物質の分量等が分れば良いので、特定の帯域における反射率を測定するだけで済むことが多い。このため、分光器１２として構造が簡単で光線の強度を強くできるバンドパスフィルターを使用することができる。

なお、光源１１の発光及び試料２０からの反射光はできるだけフィルター１２ｂに垂直入射させる必要がある。このときフィルター１２ｂの反射光が検出器１３に入射してしまう場合は、検出器１３をバンドパスフィルターの前面側（試料２０側）に配置すれば良い。しかしながら、以後の説明では、フィルター１２ｂの反射は無視し、光源１１と検出器１３をフィルター１２ｂの背面側に併設させておく。

反射率の分光測定は、以下のように行う。まず、分光測定装置１０では、１つのフィルター１２ｂを選択したときの照射光と、他のフィルター１２ｂを選択したときの照射光の強度が概ね等しくなるよう、フィルター１２ｂごとに予め光源１１に流す電流を決めておく。すなわち、Ａｕ又はＡｌからなる基準板と検出器１３を使用し、基準板による反射光が各フィルター１２ｂごとに等しくなるよう電流調整する。

次に、試料２０と、１つのフィルター１２ｂをセットし、光源１１を点灯させ、当該１つのフィルターによって決まる帯域の反射光を測定する。続いて、ホイール１２ａを４５°回転し、他のフィルター１２ｂに切換え、光源１１を点灯させ、当該他のフィルター１２ｂによって決まる帯域の反射光を測定する。なお、前述したように、電源には個々のフィルター１２ｂごとに決まった電流を流す。この過程について全てのフィルター１２ｂについて実施し、各フィルター１２ｂで決まる帯域の反射光を測定する。

最後に、試料２０から得られた反射光と、基準板で測定しておいた反射光について、各フィルター１２ｂごとに比をとる（正確には、基準板の反射率で補正する）と、それぞれの帯域の反射率が得られる。

図２は、分光測定装置１０のブロック図である。なお、図２では、モーター１２ｃやホイール１２ａなど分光器１２の駆動に係る部材については図示していない。図２に示すように、分光測定装置１０には、光源１１、分光器１２、検出器１３に加え、制御回路１４、２つの可変定電流源１５、１６（第1可変定電流源、第２可変定電流源）、電源１７が書き加えられている。

光源１１は、２つのＬＥＤ１１ａ、１１ｂ（第１ＬＥＤ、第２ＬＥＤ）からなる。ＬＥＤ１１ａ、１１ｂは、赤外線発光型ＬＥＤであり、ピーク波長がそれぞれ８００ｎｍと８５０ｎｍであり（図３参照）、可変定電流源１５、１６と直列接続している。可変定電流源１５、１６は、制御回路１４から出力される制御信号１５ａ、１６ａに基づいてＬＥＤ１１ａ、１１ｂに流す電流を調整する。電源１７は、ＬＥＤ１１ａ、１１ｂに電力を供給する。

光源１２から発した光線Ｌ１は、分光器１２に含まれる１つのフィルター１２ｂ（図１参照）を通り、試料２０で反射する。この反射した光からなる光線Ｌ２は、再びフィルター１２ｂを通り検出器１３に入射する。検出器１３は、ホトダイオードであり、入射した光に応じた電流値を測定データ１３ａとして制御回路１４に出力する。

なお、前述のように１つのフィルター１２ｂがセットされているとき、制御回路１４は、ＬＥＤ１１ａ、１１ｂに予め決めておいた電流が流れるように、可変定電流源１５、１６を設定する。すなわち、どのフィルター１２ｂがセットされているか、信号１２ｄを介して分光器１２と制御回路１４との間で、どのフィルター１２ｂが選択されているかについて情報がやりとりされる。

図３は、分光測定器１０に含まれる光源１１の発光スペクトル３０（実線）を示すスペクトル図である。図３に示すように光源１１の発光スペクトル３０は、λ=８００ｎｍ付近にピークを有するＬＥＤ１１ａのスペクトル３１（破線）と、λ=８５０ｎｍ付近にピークを有するＬＥＤ１１ｂのスペクトル３２（破線）とを合算したものである。発光スペクトル３０は、λ=８２０ｎｍ付近に谷が存在する。

図４は、図３で示したスペクトル図にフィルター１２ｂ（図１参照）の通過帯域を書き加えた光源１１のスペクトル図である。図中、ハッチングの掛った帯域に付された符号ｆｎ（ｎは整数）は、この帯域がｎ番目のフィルター１２ｂの通過帯域であることを示している。各通過帯域ｆ１〜ｆ８は、幅が５〜１０ｎｍであり、全体としては離散した状態で７８０〜８７０ｎｍに亘って分散している。

前述のように、農産物の選定では、既知の物質についてその分量が分れば良い場合が多い。すなわち、予め必要とする波長帯の反射率だけ分かれば良く、分析すべき帯域はとびとびとなっても良い。この結果、分光測定装置１０は、分光器１２をバンドパスフィルター１２ｂで構成でき、光学系が簡単化し、試料２０（図１参照）を照射する光の強度も強くできる。

反射率は、（反射光の強度）／（照射光の強度）であるから、各帯域ｆ１〜ｆ２の間で反射率の精度を均一にするには、測定しようとする帯域ごとに照射光の強度が略一定であることが望ましい。前述したように、分光測定装置１０では、第ｎ番目のフィルター１２ｂから第（ｎ＋１）番目のフィルター１２ｂに切り替えるとき、可変定電流回路１５、１６に流す電流を設定し直している。この結果、分光測定装置１０では、フィルター１２ｂごとに照射光の強度は概ね等しくなる。

以上のようにして、分光測定装置１０は、フィルター１２ｂごとに、試料２０（図１参照）を照射する光の強度を概ね等しくできるため、全測定帯域で測定精度が略等しくなる。

分光測定装置１０における分光測定方法の特徴をまとめると以下の通りになる。ピーク波長が離れたＬＥＤ１１ａ（第１ＬＥＤ）とＬＥＤ１１ｂ（第２ＬＥＤ）とを有する分光測定装置１０は、少なくとも2つの帯域で測定を行う。２つの帯域のうち一方の帯域は、例えば、ＬＥＤ１１ａのピーク波長の周辺の帯域ｆ３（又は帯域ｆ７）であり、他方の帯域は、ＬＥＤ１１ａのピーク波長とＬＥＤ１１ｂのピーク波長との間の帯域ｆ４（又は帯域ｆ５）である（図４参照）。そして、分光測定装置１０は、一方の帯域で反射率を測定する第1測定ステップと、ＬＥＤ１１ａ又はＬＥＤ１１ｂへの電流供給量を増加してから他方の帯域で反射率を測定する第２測定ステップとを有している。

すなわち、第1測定ステップでは第３番目のフィルター１２ｂを用いてピーク波長周辺の帯域ｆ３で反射率を測定し、第２測定ステップでは第４番目のフィルター１２ｂを用い、ＬＥＤ１１ａ，１１ｂへの電流供給量を増加してからピーク波長間の帯域ｆ４で反射率を測定する。なお、光源１１のスペクトルがピークを示す波長と谷を示す波長の中間となる帯域（例えば、ｆ６帯域）では、第１ステップで流す電流と第２ステップで流す電流の中間の電流をＬＥＤ１１ａ、１１ｂに流す（帯域ｆ２、ｆ８も同様に電流を増加させる）。

分光測定装置１０に含まれる分光器１２は、複数のバンドパスフィルター１２ｂからなっていた。本発明の分光測定装置では、分光器は複数のバンドパスフィルター１２ｂからなるものに限られない。例えば、分光器は、良く知られたプリズムや回折格子であっても良い。しかしながら、これらの分光器に比べ、複数のバンドパスフィルターからなる分光器は、光線群を平行化する度合いが低くてよく、照射強度も強くできる。

分光器１２が回折格子やプリズムである場合、測定する帯域は連続的になる。この場合でも、分光測定装置１０は、光源１１に供給する電流が異なる少なくとも２つのステップで反射率を測定する。つまり、分光測定装置１０は、ピーク波長周辺の帯域で測定する第1測定ステップと、ピーク波長の間の帯域（谷となる帯域）で測定する第２測定ステップとを有する。第１ステップでは予め定めておいた電流をＬＥＤ１１ａ、１１ｂに流す。第２ステップでは当該電流よりも供給量を増やす。

また、図３に示した帯域より広い測定帯域を必要とする場合は、ＬＥＤ１１ａ、１１ｂとはピーク波長の異なる第３ＬＥＤを追加すれば良い。分光測定装置１０は、試料２０（図１参照）からの反射光を測定していたが、透過光を測定しても良い。光源１１に使用するＬＥＤ１１ａ、１１ｂは、温度特性を持つので、制御回路１４は温度補償機能を備えると良い。

１０…分光測定装置、
１１…光源、
１１ａ、１１ｂ…ＬＥＤ（第１ＬＥＤ、第２ＬＥＤ）、
１２…分光器、
１２ａ…ホイール、
１２ｂ…フィルター（バンドパスフィルター）、
１２ｃ…モーター、
１３…検出器、
１３ａ…測定テータ、
１４…制御回路、
１５、１６…可変定電流源（第１可変定電流源、第２可変定電流源）、
１５ａ、１６ａ…制御信号、
１７…電源、
２０…試料、
Ｌ１、Ｌ２…光線。

Claims (3)

1. ピーク波長が離れた第１ＬＥＤと第２ＬＥＤとを有する分光測定方法において、
   少なくとも２つの帯域で測定を行い、
   前記２つの帯域のうちの一方の帯域は、前記第１ＬＥＤ又は前記第２ＬＥＤのピーク波長の周辺の帯域であり、
   前記２つの帯域のうちの他方の帯域は、前記第１ＬＥＤの前記ピーク波長と前記第２ＬＥＤの前記ピーク波長との間の帯域であり、
   前記一方の帯域で測定する第１測定ステップと、
   前記第１ＬＥＤ又は前記第２ＬＥＤへの電流供給量を増加してから前記他方の帯域で測定する第２測定ステップとを有する
   ことを特徴とする分光測定方法。
2. ピーク波長が離れた第１ＬＥＤ及び第２ＬＥＤを含む光源と、
   前記第１ＬＥＤ及び第２ＬＥＤにそれぞれ直列接続する第１可変定電流源及び第２可変定電流源と、
   前記第１可変定電流源及び前記第２可変定電流源に流れる電流値を制御する制御回路とを有し、
   前記制御回路は、測定する帯域に応じて前記第１可変定電流源及び前記第２可変定電流源に流す電流を切り換えることを特徴とする分光測定装置。
3. 前記分光器は、複数のバンドパスフィルターを備えることを特徴とする請求項２に記載の分光測定装置。