JP2019184560A - Non-contact spectrometry device and non-contact spectrometry method - Google Patents
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Abstract
【課題】測定対象物を適正に評価することが容易な非接触分光測定装置を提供する。【解決手段】非接触分光測定装置1Aは、測定ヘッド2Aおよび制御装置3を備える。測定ヘッド2Aは、光源10、分光器20、撮像部30、第1偏光子41、第2偏光子42、シャッタ51、ビームスプリッタ52、レンズ54および絞り55を備える。光源10は、広帯域の白色光を出力する。分光器20は、測定対象物Saから到達した光のスペクトルを取得する。第1偏光子41は、光源10から測定対象物へ至る第1光路の途中に設けられており、光源10から出力された光のうち特定偏光の光を測定対象物へ出力する。第2偏光子42は、測定対象物から分光器20へ至る第2光路の途中に設けられており、測定対象物で生じた光を入力して、上記特定偏光の光を除く光を分光器20へ出力する。【選択図】図1An object of the present invention is to provide a non-contact spectrometer for easily evaluating a measurement object. A non-contact spectrometer 1A includes a measurement head 2A and a controller 3. The measurement head 2A includes a light source 10, a spectroscope 20, an imaging unit 30, a first polarizer 41, a second polarizer 42, a shutter 51, a beam splitter 52, a lens 54, and an aperture 55. The light source 10 outputs broadband white light. The spectroscope 20 acquires the spectrum of the light that has arrived from the measurement target Sa. The first polarizer 41 is provided in the first optical path from the light source 10 to the measurement target, and outputs light of a specific polarization among the light output from the light source 10 to the measurement target. The second polarizer 42 is provided in the middle of a second optical path from the object to be measured to the spectroscope 20, and receives light generated by the object to be measured and converts the light excluding the light of the specific polarization into a spectroscope. Output to 20. [Selection diagram] Fig. 1
Description
本発明は、非接触で分光測定を行う装置および方法に関するものである。 The present invention relates to an apparatus and method for performing non-contact spectroscopic measurement.
測定対象物に光を照射した際に該測定対象物で生じる光のスペクトルを分光器により取得することで、このスペクトルに基づいて該測定対象物を評価することができる。このような分光測定の対象物としては様々なものがある。非特許文献1には、分光測定により、果実の糖度、米の食味、牛肉の脂肪、魚の脂肪、飼料の栄養成分、建材の含有成分、等を非破壊で評価することができると記載されている。 By obtaining a spectrum of light generated in the measurement object when the measurement object is irradiated with light using a spectroscope, the measurement object can be evaluated based on the spectrum. There are various objects for such spectroscopic measurement. Non-Patent Document 1 describes that the sugar content of fruits, the taste of rice, the fat of beef, the fat of fish, the nutritional components of feed, the ingredients of building materials, etc. can be evaluated non-destructively by spectroscopic measurement. Yes.
例えば、農産物の含有成分を非破壊の分光測定により評価することができれば、その農産物の品質の管理が容易となり、また、その農産物の適切な収穫時期を明確化することができて、農産物の品質向上および生産効率改善が期待される。食品を測定対象物とする場合等には、非破壊で分光測定することに加えて、測定対象物の汚染を回避するために非接触で分光測定することが重要である。 For example, if the components of agricultural products can be evaluated by non-destructive spectroscopic measurement, the quality of the agricultural products can be easily controlled, and the appropriate harvest time of the agricultural products can be clarified. Improvements and production efficiency improvements are expected. When using food as a measurement object, it is important to perform non-contact spectroscopic measurement in order to avoid contamination of the measurement object in addition to non-destructive spectroscopic measurement.
非破壊かつ非接触で分光測定することができる装置の発明が特許文献1に記載されている。この文献に記載された非接触分光測定装置は、複数の特定波長それぞれにおいて、植物により反射された太陽光の強度を測定するとともに、直接入射した太陽光の強度を測定して、前者の強度を後者の強度で補正する。そして、この非接触分光測定装置は、複数の特定波長それぞれにおける補正後の強度に基づいて植物の生育状況を評価する。 Patent Document 1 discloses an invention of an apparatus capable of performing non-destructive and non-contact spectroscopic measurement. The non-contact spectroscopic measurement device described in this document measures the intensity of sunlight reflected by a plant at each of a plurality of specific wavelengths, and measures the intensity of sunlight directly incident to obtain the former intensity. The latter intensity is corrected. And this non-contact spectroscopic measurement apparatus evaluates the growth condition of a plant based on the intensity | strength after correction | amendment in each of several specific wavelength.
しかしながら、特許文献1に記載された発明を含む従来の分光測定技術では、取得されるスペクトルは非接触分光測定装置と測定対象物との間の光学系の設定に依存し、測定対象物を適正に評価することは困難である。このことについては、非特許文献1に、「観察されるスペクトルは試料光学系の配置により影響を受ける」と記載され、「屈折・散乱そして表面反射は物質情報を反映していない」と記載され、また、光学系について「鏡面反射を回避する配置を選択する」ことが重要である旨が記載されている。 However, in the conventional spectroscopic measurement technique including the invention described in Patent Document 1, the acquired spectrum depends on the setting of the optical system between the non-contact spectroscopic measurement device and the measurement target, and the measurement target is set appropriately. It is difficult to evaluate. Regarding this, Non-Patent Document 1 states that “the observed spectrum is affected by the arrangement of the sample optical system”, and “refraction / scattering and surface reflection do not reflect material information”. In addition, it is described that it is important for the optical system to “select an arrangement that avoids specular reflection”.
一方、小型で可搬性を有し現場での分光測定が容易な非接触分光測定装置が求められている。しかし、このような非接触分光測定装置と測定対象物との間の光学系を適切に設定することは容易でないので、測定対象物を適正に評価することは更に困難である。 On the other hand, there is a demand for a non-contact spectroscopic measurement apparatus that is small in size and portable and that is easy to perform spectroscopic measurement in the field. However, since it is not easy to appropriately set the optical system between such a non-contact spectroscopic measurement apparatus and the measurement object, it is more difficult to properly evaluate the measurement object.
本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、測定対象物を適正に評価することが容易な非接触分光測定装置および非接触分光測定方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a non-contact spectroscopic measurement apparatus and a non-contact spectroscopic measurement method that can easily evaluate a measurement object appropriately.
本発明の非接触分光測定装置は、(1) 広帯域の光を出力する光源と、(2) 光源から測定対象物へ至る第1光路の途中に設けられ、光源から出力された光を入力して、特定偏光の光を測定対象物へ出力する第1偏光子と、(3) 測定対象物で生じた光のうち到達した光のスペクトルを取得する分光器と、(4) 測定対象物から分光器へ至る第2光路の途中に設けられ、測定対象物で生じた光を入力して、特定偏光の光を除く光を分光器へ出力する第2偏光子と、(5) 光源から出力された光を測定対象物に照射している期間に分光器が取得した第1スペクトルから、光源から出力される光を測定対象物に照射していない期間に分光器が取得した第2スペクトルを減算して、その減算結果として第3スペクトルを求め、第3スペクトルを光源の出力光スペクトルで除算した結果として第4スペクトルを求め、第4スペクトルまたは第4スペクトルを処理して得られた第5スペクトルに基づいて測定対象物を評価する演算部と、を備える。演算部は、第4スペクトルを標準化処理して第5スペクトルを求め、この第5スペクトルに基づいて測定対象物を評価するのが好適である。 The non-contact spectroscopic measurement apparatus of the present invention includes (1) a light source that outputs broadband light, and (2) provided in the middle of the first optical path from the light source to the measurement object, and inputs the light output from the light source. A first polarizer that outputs light of a specific polarization to the measurement object, (3) a spectroscope that obtains the spectrum of the light that has arrived among the light generated by the measurement object, and (4) from the measurement object A second polarizer that is provided in the middle of the second optical path to the spectroscope, inputs the light generated by the measurement object, and outputs the light other than the specific polarized light to the spectroscope, and (5) outputs from the light source. From the first spectrum acquired by the spectrometer during the period when the measurement object is irradiated with the measured light, the second spectrum acquired by the spectrometer during the period when the light output from the light source is not irradiated to the measurement object The third spectrum is obtained as a result of the subtraction, and the third spectrum is obtained as an output light spectrum of the light source. In search of fourth spectra as a result of the division, and an arithmetic unit for evaluating the measurement object based on the fifth spectrum obtained by processing the fourth spectral or fourth spectrum. The calculation unit preferably obtains a fifth spectrum by standardizing the fourth spectrum and evaluates the measurement object based on the fifth spectrum.
本発明の非接触分光測定装置では、第1光路および第2光路は、測定対象物に対して光が入出射する部分が共通の光路であるのが好適である。第1偏光子および第2偏光子は、直線偏光の光を出力する偏光子であってもよい。第1偏光子および第2偏光子は、円偏光の光を出力する偏光子であってもよい。また、第1偏光子および第2偏光子は、円偏光の光を出力する偏光子であり、共通の光路の途中に共通の偏光子として設けられていてもよい。 In the non-contact spectroscopic measurement apparatus of the present invention, it is preferable that the first optical path and the second optical path are common optical paths in which light enters and exits the measurement object. The first polarizer and the second polarizer may be polarizers that output linearly polarized light. The first polarizer and the second polarizer may be polarizers that output circularly polarized light. The first polarizer and the second polarizer are polarizers that output circularly polarized light, and may be provided as a common polarizer in the middle of a common optical path.
本発明の非接触分光測定装置は、(1) 第2光路の途中に設けられ、測定対象物からの光を2分岐して第1分岐光および第2分岐光とし、第1分岐光を分光器へ出力するビームスプリッタと、(2) ビームスプリッタから出力された第2分岐光を受光して、測定対象物を撮像する撮像部と、(3) 撮像部により撮像された測定対象物の画像を表示する表示部と、を更に備えるのが好適である。表示部は、測定対象物の画像において、分光器が分光測定する範囲を表示するのが好適である。本発明の非接触分光測定装置は、(1) レーザ光を出力するレーザ光源と、(2) 第2光路の途中に設けられ、測定対象物からの光を分光器へ出力するとともに、レーザ光源からのレーザ光を第2光路に沿って測定対象物へ出力するビームスプリッタと、を更に備えるのが好適である。また、第1光路を経て測定対象物に光が照射される範囲は視認可能なスポット形状であるのが好適である。 The non-contact spectroscopic measurement apparatus of the present invention is (1) provided in the middle of the second optical path, splits the light from the measurement object into two to be the first branched light and the second branched light, and splits the first branched light. A beam splitter that outputs to the detector, (2) an imaging unit that receives the second branched light output from the beam splitter and images the measurement object, and (3) an image of the measurement object that is imaged by the imaging unit It is preferable to further include a display unit for displaying. The display unit preferably displays a range in which the spectroscope performs spectroscopic measurement in the image of the measurement object. The non-contact spectroscopic measurement apparatus of the present invention includes (1) a laser light source that outputs laser light, and (2) a light source that is provided in the middle of the second optical path and outputs light from the measurement object to the spectrometer. It is preferable to further include a beam splitter that outputs the laser beam from the laser beam to the measurement object along the second optical path. Moreover, it is preferable that the range in which the measurement object is irradiated with the light through the first optical path has a visible spot shape.
本発明の非接触分光測定方法は、(1) 光源から測定対象物へ至る第1光路の途中に設けられた第1偏光子により、光源から出力された広帯域の光を特定偏光の光として測定対象物に照射し、その照射期間に、測定対象物から分光器へ至る第2光路の途中に設けられた第2偏光子により、測定対象物で生じた光のうち特定偏光の光を除いた光を分光器に入射させて、その入射した光の第1スペクトルを分光器により取得する第1スペクトル取得ステップと、(2) 光源から出力される光を測定対象物に照射していない期間に、分光器に入射した光の第2スペクトルを分光器により取得する第2スペクトル取得ステップと、(3) 第1スペクトルから第2スペクトルを減算した結果として第3スペクトルを求める減算ステップと、(4) 第3スペクトルを光源の出力光スペクトルで除算した結果として第4スペクトルを求める除算ステップと、(5) 第4スペクトルまたは第4スペクトルを処理して得られた第5スペクトルに基づいて測定対象物を評価する評価ステップと、を備える。本発明の非接触分光測定方法は、第4スペクトルを標準化処理して第5スペクトルを求める標準化ステップを更に備え、評価ステップにおいて、この第5スペクトルに基づいて測定対象物を評価するのが好適である。 In the non-contact spectroscopic measurement method of the present invention, (1) a broadband light outputted from a light source is measured as light of a specific polarization by a first polarizer provided in the middle of a first optical path from the light source to the measurement object. The target object is irradiated, and during the irradiation period, light of a specific polarization is removed from the light generated in the measurement object by the second polarizer provided in the middle of the second optical path from the measurement object to the spectrometer. A first spectrum acquisition step in which light is incident on the spectrometer and the first spectrum of the incident light is acquired by the spectrometer; (2) in a period in which the measurement object is not irradiated with the light output from the light source; A second spectrum acquisition step of acquiring the second spectrum of the light incident on the spectrometer by the spectrometer; (3) a subtraction step of obtaining a third spectrum as a result of subtracting the second spectrum from the first spectrum; ) 3rd spectrum as light source A division step for obtaining a fourth spectrum as a result of division by the output light spectrum of (5), and (5) an evaluation step for evaluating the measurement object based on the fourth spectrum or the fifth spectrum obtained by processing the fourth spectrum; . The non-contact spectroscopic measurement method of the present invention preferably further includes a standardization step of standardizing the fourth spectrum to obtain the fifth spectrum, and evaluating the measurement object based on the fifth spectrum in the evaluation step. is there.
本発明の非接触分光測定方法では、第1光路および第2光路は、測定対象物に対して光が入出射する部分が共通の光路であるのが好適である。第1偏光子および第2偏光子は、直線偏光の光を出力する偏光子であってもよい。第1偏光子および第2偏光子は、円偏光の光を出力する偏光子であってもよい。また、第1偏光子および第2偏光子は、円偏光の光を出力する偏光子であり、共通の光路の途中に共通の偏光子として設けられていてもよい。 In the non-contact spectroscopic measurement method of the present invention, it is preferable that the first optical path and the second optical path have a common optical path in a portion where light enters and exits the measurement object. The first polarizer and the second polarizer may be polarizers that output linearly polarized light. The first polarizer and the second polarizer may be polarizers that output circularly polarized light. The first polarizer and the second polarizer are polarizers that output circularly polarized light, and may be provided as a common polarizer in the middle of a common optical path.
本発明の非接触分光測定方法は、第2光路の途中に設けられたビームスプリッタにより、測定対象物からの光を2分岐して第1分岐光および第2分岐光とし、第1分岐光を分光器へ出力するとともに、第2分岐光を撮像部へ出力し、第2分岐光を受光した撮像部により測定対象物を撮像し、撮像部により撮像された測定対象物の画像を表示部により表示するのが好適である。表示部により、測定対象物の画像において、分光器が分光測定する範囲を表示するのが好適である。本発明の非接触分光測定方法は、第2光路の途中に設けられたビームスプリッタにより、測定対象物からの光を分光器へ出力するとともに、レーザ光源からのレーザ光を第2光路に沿って測定対象物へ出力するのが好適である。また、第1光路を経て測定対象物に光が照射される範囲は視認可能なスポット形状であるのが好適である。 In the non-contact spectroscopic measurement method of the present invention, a beam splitter provided in the middle of the second optical path splits the light from the measurement object into two to be the first branched light and the second branched light, and the first branched light is converted into the first branched light. In addition to outputting to the spectroscope, the second branched light is output to the imaging unit, the measurement target is imaged by the imaging unit that has received the second branched light, and the image of the measurement target captured by the imaging unit is displayed by the display unit. It is preferable to display. It is preferable that the display unit displays the range in which the spectroscope performs spectroscopic measurement in the image of the measurement object. The non-contact spectroscopic measurement method of the present invention outputs the light from the measurement object to the spectroscope by the beam splitter provided in the middle of the second optical path, and transmits the laser light from the laser light source along the second optical path. It is preferable to output to the measurement object. Moreover, it is preferable that the range in which the measurement object is irradiated with the light through the first optical path has a visible spot shape.
本発明によれば、測定対象物を適正に評価することが容易となる。 According to the present invention, it is easy to appropriately evaluate a measurement object.
以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。本発明は、これらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the description of the drawings, the same elements are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted. The present invention is not limited to these exemplifications, but is defined by the scope of the claims, and is intended to include all modifications within the meaning and scope equivalent to the scope of the claims.
先ず、第1実施形態の非接触分光測定装置1Aについて説明する。図1は、第1実施形態の非接触分光測定装置1Aの構成を示す図である。非接触分光測定装置1Aは、測定ヘッド2Aおよび制御装置3を備える。測定ヘッド2Aは、光源10、分光器20、撮像部30、第1偏光子41、第2偏光子42、シャッタ51、ビームスプリッタ52、レンズ54および絞り55を備える。図2は、第1実施形態の非接触分光測定装置1Aの測定ヘッド2Aにおける光源10から分光器20へ至るまでの光学系を説明する図である。なお、図2では、シャッタ51およびビームスプリッタ52の図示が省略されている。 First, the non-contact spectrometer 1A of the first embodiment will be described. FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of a non-contact spectrometer 1A according to the first embodiment. The non-contact spectrometer 1A includes a measurement head 2A and a control device 3. The measurement head 2A includes a light source 10, a spectroscope 20, an imaging unit 30, a first polarizer 41, a second polarizer 42, a shutter 51, a beam splitter 52, a lens 54, and a diaphragm 55. FIG. 2 is a diagram illustrating an optical system from the light source 10 to the spectroscope 20 in the measurement head 2A of the non-contact spectrometer 1A of the first embodiment. In FIG. 2, the shutter 51 and the beam splitter 52 are not shown.
光源10は、広帯域の光を出力する。光源10としては、分光測定の対象である測定対象物Saおよび分光測定による評価項目などに応じた波長帯域の光を出力するものが用いられる。光源10の出力波長帯域は、赤外域または可視域を含んでいてもよく、また、紫外域を含んでいてもよい。光源10は、例えば、キセノンランプ、ハロゲンランプ、LED(Light Emitting Diode)、蛍光灯、放電灯などであってもよい。また、光源10は、例えば秒単位で点灯/消灯を繰り返すことができるものであってもよく、短時間に高強度の光を放つストロボ動作をすることができるもの(例えば、キセノンフラッシュ光源、一眼レフカメラ用のフラッシュランプ、コンパクトカメラ用のLEDフラッシュランプ、等)であってもよい。 The light source 10 outputs broadband light. As the light source 10, a light source 10 that outputs light in a wavelength band corresponding to a measurement object Sa that is an object of spectroscopic measurement and an evaluation item by spectroscopic measurement is used. The output wavelength band of the light source 10 may include an infrared region or a visible region, and may include an ultraviolet region. The light source 10 may be, for example, a xenon lamp, a halogen lamp, an LED (Light Emitting Diode), a fluorescent lamp, a discharge lamp, or the like. The light source 10 may be one that can be repeatedly turned on / off in units of seconds, for example, and capable of performing a strobe operation that emits high-intensity light in a short time (for example, a xenon flash light source, a single-lens light source). A flash lamp for a reflex camera, an LED flash lamp for a compact camera, or the like.
第1偏光子41およびシャッタ51は、光源10から測定対象物Saへ至る第1光路の途中に設けられている。第1偏光子41は、光源10から出力された光を入力して、特定偏光(特定方向の直線偏光または特定回転方向の円偏光)の光を測定対象物Saへ出力する。シャッタ51は、光源10から出力された光の測定対象物Saへの照射/非照射を制御する。シャッタ51は、光源10から測定対象物Saへ至る第1光路に対する遮蔽板の挿入/待避により、測定対象物Saへの光の照射/非照射を制御してもよい。また、シャッタ51は、第1光路上に配置された液晶パネルの光の透過/遮断により、測定対象物Saへの光の照射/非照射を制御してもよい。シャッタ51を設けることなく、光源10からの光の出射/非出射により、測定対象物Saへの光の照射/非照射を制御してもよい。また、短い周期(例えば数十ms〜数百ms)で測定対象物Saへの光の照射/非照射を複数回繰り返すことで、日照などの周囲環境光の短時間の変化に追随できるようにしてもよく、この場合、照射時間および非照射時間それぞれを例えば100msとしてよい。 The first polarizer 41 and the shutter 51 are provided in the middle of the first optical path from the light source 10 to the measurement object Sa. The first polarizer 41 receives light output from the light source 10 and outputs light of specific polarization (linear polarization in a specific direction or circular polarization in a specific rotation direction) to the measurement object Sa. The shutter 51 controls irradiation / non-irradiation of the light output from the light source 10 to the measurement object Sa. The shutter 51 may control irradiation / non-irradiation of light to the measurement target Sa by inserting / saving a shielding plate with respect to the first optical path from the light source 10 to the measurement target Sa. Further, the shutter 51 may control the irradiation / non-irradiation of light to the measuring object Sa by transmitting / blocking light of the liquid crystal panel disposed on the first optical path. The irradiation / non-irradiation of light to the measuring object Sa may be controlled by the emission / non-emission of light from the light source 10 without providing the shutter 51. In addition, by repeating irradiation / non-irradiation of light to the measurement object Sa a plurality of times in a short cycle (for example, several tens to several hundreds of milliseconds), it is possible to follow a short time change of ambient ambient light such as sunlight. In this case, the irradiation time and the non-irradiation time may be set to 100 ms, for example.
第2偏光子42、レンズ54および絞り55は、測定対象物Saから分光器20へ至る第2光路の途中に設けられている。第2偏光子42は、測定対象物Saで生じた光を入力して、上記特定偏光の光を除く光を分光器20へ出力する。レンズ54は、測定対象物Saの光照射領域で生じ第2偏光子42を経た光を入力して、その光照射領域の像を結像面22上に結像する。分光器20の光入射スリット21は結像面22上にある。絞り55は、レンズ54の後段に設けられ、分光器20の光入射スリット21への光の入射の方向(指向性)を制限する。 The second polarizer 42, the lens 54, and the diaphragm 55 are provided in the middle of the second optical path from the measurement object Sa to the spectrometer 20. The second polarizer 42 receives the light generated by the measurement object Sa, and outputs the light excluding the specific polarized light to the spectrometer 20. The lens 54 receives light generated in the light irradiation region of the measurement object Sa and passed through the second polarizer 42, and forms an image of the light irradiation region on the imaging surface 22. The light entrance slit 21 of the spectroscope 20 is on the image plane 22. The diaphragm 55 is provided at the rear stage of the lens 54 and restricts the direction (directivity) of light incident on the light incident slit 21 of the spectrometer 20.
レンズ54の焦点距離および絞り55の開口径を適切に選択することにより、レンズ54の過焦点距離の1/2より遠くに測定対象物Sbが位置する場合であっても、その測定対象物Sbの像が結像面22上に結像され得る。このことにより、測定対象物Saと装置との間の距離の設定の自由度を高めることができる。また、分光器20の光入射スリット21のサイズが小さいほど、分光器20による分光測定の範囲が狭まり、測定角θが狭く指向性が高い状態を実現することができる。 By appropriately selecting the focal length of the lens 54 and the aperture diameter of the aperture 55, even if the measurement object Sb is located farther than 1/2 of the hyperfocal distance of the lens 54, the measurement object Sb Can be formed on the imaging plane 22. Thereby, the freedom degree of the setting of the distance between measuring object Sa and an apparatus can be raised. Further, as the size of the light incident slit 21 of the spectroscope 20 is smaller, the range of spectroscopic measurement by the spectroscope 20 is narrowed, and a state in which the measurement angle θ is narrow and the directivity is high can be realized.
分光器20は、測定対象物Saから到達した光のうち光入射スリット21を通過した光のスペクトルを取得する。分光器20は、光源10から出力される光の帯域において感度を有する。分光器20の分光可能な波長帯域は、光源10から出力される白色光の波長帯域に含まれるのが好適である。分光器20は、光源10から出力された光が測定対象物Saに照射されている期間に第1スペクトルを取得し、光源10から出力される光が測定対象物Saに照射されていない期間に第2スペクトルを取得する。 The spectroscope 20 acquires the spectrum of the light that has passed through the light incident slit 21 among the light that has arrived from the measurement object Sa. The spectroscope 20 has sensitivity in the band of light output from the light source 10. The spectral band that can be dispersed by the spectroscope 20 is preferably included in the wavelength band of white light output from the light source 10. The spectroscope 20 acquires the first spectrum during a period in which the light output from the light source 10 is applied to the measurement object Sa, and in a period in which the light output from the light source 10 is not applied to the measurement object Sa. A second spectrum is acquired.
分光器20として、例えば浜松ホトニクス株式会社製のマイクロ分光器C12666MAまたはC12880MAが好適に用いられる。これらのマイクロ分光器は、光入射スリット、グレーティングおよびCMOSリニアイメージセンサをMOEMS(Micro Opto Electro Mechanical Systems)技術により一体に組み込んだものであり、サイズが W20.1 x D12.5 x H10.1 mm という小型であるので、可搬性を有する非接触分光測定装置1Aを構成する上で好適である。 As the spectroscope 20, for example, a micro spectroscope C12666MA or C12880MA manufactured by Hamamatsu Photonics Co., Ltd. is preferably used. These micro-spectrometers integrate a light entrance slit, a grating and a CMOS linear image sensor using MOEMS (Micro Opto Electro Mechanical Systems) technology, and the size is W20.1 x D12.5 x H10.1 mm. Therefore, it is suitable for configuring the non-contact spectrometer 1A having portability.
ビームスプリッタ52は、第2偏光子42からレンズ54へ至る光路の途中に設けられている。ビームスプリッタ52は、第2偏光子42から出力された光を2分岐して第1分岐光および第2分岐光とし、第1分岐光を分光器20へ出力し、第2分岐光を撮像部30へ出力する。撮像部30は、ビームスプリッタ52から出力された第2分岐光を受光して、測定対象物Saを撮像して、その撮像により得られた画像データを出力する。撮像部30は、光源10から出力される光の帯域において感度を有する。撮像部30は、CCDカメラであってもよいし、CMOSカメラであってもよい。 The beam splitter 52 is provided in the middle of the optical path from the second polarizer 42 to the lens 54. The beam splitter 52 divides the light output from the second polarizer 42 into the first branched light and the second branched light, outputs the first branched light to the spectroscope 20, and outputs the second branched light to the imaging unit. Output to 30. The imaging unit 30 receives the second branched light output from the beam splitter 52, images the measurement object Sa, and outputs image data obtained by the imaging. The imaging unit 30 has sensitivity in the band of light output from the light source 10. The imaging unit 30 may be a CCD camera or a CMOS camera.
制御装置3は、測定ヘッド2Aと電気的に接続されている。制御装置3は、測定ヘッド2Aの動作(例えば、測定対象物Saへの光の照射/非照射、分光器20によるスペクトル取得、撮像部30による撮像)を制御する。制御装置3は、撮像部30から出力される画像データを入力して、撮像部30により撮像された測定対象物Saの画像を表示する表示部3aを含む。また、制御装置3は、分光器20により取得された第1スペクトルおよび第2スペクトルを入力して、それらのスペクトルに基づいて所定の演算(後述)を行う演算部として用いられる。制御装置3としては、パーソナルコンピュータ(PC)が用いられるが、小型で可搬性を有するノートPCまたはタブレットPCなどが用いられるのが好適である。 The control device 3 is electrically connected to the measurement head 2A. The control device 3 controls the operation of the measurement head 2A (for example, irradiation / non-irradiation of light to the measurement object Sa, spectrum acquisition by the spectroscope 20, and imaging by the imaging unit 30). The control device 3 includes a display unit 3 a that receives image data output from the imaging unit 30 and displays an image of the measurement object Sa captured by the imaging unit 30. Further, the control device 3 is used as a calculation unit that inputs the first spectrum and the second spectrum acquired by the spectroscope 20 and performs a predetermined calculation (described later) based on these spectra. As the control device 3, a personal computer (PC) is used, but it is preferable to use a notebook PC or tablet PC that is small and portable.
第1偏光子41は、光源10から出力された広帯域の白色光(一般に非偏光の光)のうち特定偏光(特定方向の直線偏光または特定回転方向の円偏光)の光を出力する。これに対して、第2偏光子42は、測定対象物Saで生じた光のうち該特定偏光の光を除く光を出力する。すなわち、第2偏光子42は、光源10から出力され第1偏光子41により特定偏光とされて測定対象物Saに照射された光のうち、測定対象物Saの表面で反射された特定偏光を維持する光を選択的に遮断し、また、測定対象物Saの内部における光吸収を反映した拡散反射光(一般に非偏光の光)のうち特定偏光を維持する光を選択的に遮断し、他の偏光成分の光を選択的に透過させる。第2偏光子42から出力される光は、測定対象物Saの内部における光吸収を反映した拡散反射光のうち特定偏光の光を除く光である。このような拡散反射光が分光器20および撮像部30それぞれにより受光される。 The first polarizer 41 outputs light of specific polarization (linearly polarized light in a specific direction or circularly polarized light in a specific rotation direction) out of broadband white light (generally non-polarized light) output from the light source 10. On the other hand, the 2nd polarizer 42 outputs the light except the light of this specific polarization among the light which a measurement object Sa generated. That is, the second polarizer 42 outputs the specific polarized light reflected from the surface of the measuring object Sa among the light output from the light source 10 and made the specific polarized light by the first polarizer 41 and applied to the measuring object Sa. Selectively block light to be maintained, and selectively block light that maintains specific polarization out of diffusely reflected light (generally non-polarized light) reflecting light absorption inside the measuring object Sa, etc. The light of the polarized component is selectively transmitted. The light output from the second polarizer 42 is light that excludes light of specific polarization from the diffuse reflection light that reflects light absorption inside the measurement object Sa. Such diffuse reflected light is received by the spectroscope 20 and the imaging unit 30, respectively.
第1偏光子41および第2偏光子42は、直線偏光の光を出力する偏光子であってよい。この場合、第1偏光子41および第2偏光子42は、各々が出力する直線偏光の偏光方位が互いに直交するよう配置される。 The first polarizer 41 and the second polarizer 42 may be polarizers that output linearly polarized light. In this case, the first polarizer 41 and the second polarizer 42 are arranged such that the polarization directions of the linearly polarized light output from each of the first polarizer 41 and the second polarizer 42 are orthogonal to each other.
第1偏光子41および第2偏光子42は、円偏光の光を出力する偏光子であってもよい。この場合、第1偏光子41および第2偏光子42は、互いに同じ回転方位の円偏光の光を出力する。一般に、このような偏光子は、直線偏光フィルタ層と1/4波長板層とが積層された構造を有する。第1偏光子41の直線偏光フィルタ層と第2偏光子42の直線偏光フィルタ層とは、各々が出力する直線偏光の偏光方位が互いに同じであってよい。光源10から出力される広帯域の白色光は、第1偏光子41の直線偏光フィルタ層を通過して特定の直線偏光状態となった後、第1偏光子41の1/4波長板層を通過して左回転および右回転の何れかの円偏光状態となる。第1偏光子41から出力された円偏光の光が測定対象物Saに照射されたとき、その測定対象物Saの表面で反射された光は、照射光とは逆方向の回転方位の円偏光状態となるから、第2偏光子42の1/4波長板層により直線偏光となると、第2偏光子42の直線偏光フィルタ層により遮断される。したがって、第2偏光子42から出力される光は、測定対象物Saの内部における光吸収を反映した拡散反射光のうち特定偏光の光を除く光である。 The first polarizer 41 and the second polarizer 42 may be polarizers that output circularly polarized light. In this case, the first polarizer 41 and the second polarizer 42 output circularly polarized light having the same rotational orientation. In general, such a polarizer has a structure in which a linear polarizing filter layer and a quarter-wave plate layer are laminated. The linear polarization filter layer of the first polarizer 41 and the linear polarization filter layer of the second polarizer 42 may have the same polarization azimuth of the linearly polarized light output from each other. The broadband white light output from the light source 10 passes through the linear polarization filter layer of the first polarizer 41 and enters a specific linear polarization state, and then passes through the quarter wavelength plate layer of the first polarizer 41. Thus, a circularly polarized state of either left rotation or right rotation is obtained. When the circularly polarized light output from the first polarizer 41 is irradiated onto the measurement object Sa, the light reflected on the surface of the measurement target Sa is circularly polarized light having a rotation direction opposite to the irradiation light. Therefore, when linearly polarized light is obtained by the quarter-wave plate layer of the second polarizer 42, it is blocked by the linearly polarizing filter layer of the second polarizer 42. Therefore, the light output from the second polarizer 42 is light that excludes light of a specific polarization from the diffuse reflection light that reflects light absorption inside the measurement object Sa.
光源10から出力された光が測定対象物Saへ照射される方向(測定対象物Saにおける第1光路の方向)と、測定対象物Saで生じた光が測定対象物Saから分光器20および撮像部30へ出射される方向(測定対象物Saにおける第2光路の方向)とがなす角度を、αとする。この角度αは可変であるのが好適である。測定対象物Saまでの距離に応じて角度αを適切に調整することにより、光源10からの光が測定対象物Saにおいて照射される範囲(照射範囲Ra)が、分光器20の受光範囲および撮像部30の撮像範囲と重なるように設定することができる。 The direction in which the light output from the light source 10 is applied to the measurement object Sa (the direction of the first optical path in the measurement object Sa) and the light generated in the measurement object Sa are transmitted from the measurement object Sa to the spectrometer 20 and the imaging. An angle formed by the direction emitted to the unit 30 (the direction of the second optical path in the measurement object Sa) is α. This angle α is preferably variable. By appropriately adjusting the angle α according to the distance to the measurement object Sa, the range (irradiation range Ra) in which the light from the light source 10 is irradiated on the measurement object Sa is the light reception range and imaging of the spectrometer 20. It can be set to overlap the imaging range of the unit 30.
光源10から第1光路を経て測定対象物Saに光が照射される範囲(照射範囲Ra)は視認可能なスポット形状であるのが好適である。また、照射範囲Raは狭いほど好適である。したがって、光源10として、出力光が可視光を含み、できるかぎり点光源と見做すことができるものを用いて、輪郭が明瞭である照射範囲Raを照射光学系により形成するのが好適である。 It is preferable that the range (irradiation range Ra) in which the measurement object Sa is irradiated with light from the light source 10 through the first optical path has a visible spot shape. In addition, the narrower the irradiation range Ra, the better. Therefore, it is preferable to use an irradiation optical system that forms an irradiation range Ra having a clear outline by using a light source 10 whose output light includes visible light and can be regarded as a point light source as much as possible. .
また、制御装置3の表示部3aは、撮像部30により撮像された測定対象物Saの画像の表示に加えて、その測定対象物Saの画像において、分光器20が分光測定する範囲(分光可能範囲Rb)を表示するのが好適である。このようにすることで、測定対象物Saのうちの所望の範囲を分光測定することが容易となる。 In addition to displaying the image of the measuring object Sa imaged by the imaging unit 30, the display unit 3 a of the control device 3 includes a range in which the spectroscope 20 performs spectroscopic measurement in the image of the measuring object Sa (spectral is possible). It is preferred to display the range Rb). By doing in this way, it becomes easy to carry out the spectroscopic measurement of the desired range in the measuring object Sa.
次に、第2実施形態の非接触分光測定装置1Bについて説明する。図3は、第2実施形態の非接触分光測定装置1Bの構成を示す図である。非接触分光測定装置1Bは、測定ヘッド2Bおよび制御装置3を備える。測定ヘッド2Bは、光源10、分光器20、第1偏光子41、第2偏光子42、シャッタ51、ビームスプリッタ52、レンズ54、絞り55およびビームダンパ56を備える。以下では、第1実施形態の非接触分光測定装置1Aの構成と相違する点について主に説明する。 Next, a non-contact spectrometer 1B according to the second embodiment will be described. FIG. 3 is a diagram illustrating a configuration of a non-contact spectrometer 1B according to the second embodiment. The non-contact spectrometer 1B includes a measurement head 2B and a control device 3. The measurement head 2B includes a light source 10, a spectrometer 20, a first polarizer 41, a second polarizer 42, a shutter 51, a beam splitter 52, a lens 54, a diaphragm 55, and a beam damper 56. In the following, differences from the configuration of the non-contact spectrometer 1A of the first embodiment will be mainly described.
第2実施形態における測定ヘッド2Bでは、光源10から測定対象物Saへ至る第1光路と、測定対象物Saから分光器20へ至る第2光路とは、測定対象物Saに対して光が入出射する部分(測定対象物Saとビームスプリッタ52との間の光路の部分)が共通の光路となっている。 In the measurement head 2B in the second embodiment, the first optical path from the light source 10 to the measurement object Sa and the second optical path from the measurement object Sa to the spectroscope 20 allow light to enter the measurement object Sa. The exiting portion (the portion of the optical path between the measuring object Sa and the beam splitter 52) is a common optical path.
第1偏光子41およびシャッタ51は、光源10とビームスプリッタ52との間の光路上に配置されている。第2偏光子42は、ビームスプリッタ52とレンズ54との間の光路上に配置されている。第1偏光子41および第2偏光子42は、直線偏光の光を出力する偏光子であってよいし、円偏光の光を出力する偏光子であってもよい。 The first polarizer 41 and the shutter 51 are disposed on the optical path between the light source 10 and the beam splitter 52. The second polarizer 42 is disposed on the optical path between the beam splitter 52 and the lens 54. The first polarizer 41 and the second polarizer 42 may be polarizers that output linearly polarized light, or may be polarizers that output circularly polarized light.
光源10から出力された広帯域の白色光は、第1偏光子41により特定偏光とされ、シャッタ51を通過して、ビームスプリッタ52に入力される。光源10からビームスプリッタ52に入力された光は、ビームスプリッタ52を透過して、測定対象物Saへ照射される。このとき、光源10からビームスプリッタ52に入力された光の一部がビームスプリッタ52で反射されるが、その反射光はビームダンパ56により吸収される。また、測定対象物Saで生じた光は、ビームスプリッタ52で反射されて分光器20へ出力される。 The broadband white light output from the light source 10 is made specific polarization by the first polarizer 41, passes through the shutter 51, and is input to the beam splitter 52. The light input from the light source 10 to the beam splitter 52 passes through the beam splitter 52 and is irradiated onto the measurement object Sa. At this time, a part of the light input from the light source 10 to the beam splitter 52 is reflected by the beam splitter 52, but the reflected light is absorbed by the beam damper 56. Further, the light generated by the measuring object Sa is reflected by the beam splitter 52 and output to the spectrometer 20.
第2実施形態の非接触分光測定装置1Bは、第1光路および第2光路において測定対象物Saに対して光が入出射する部分が共通の光路となっていることから、測定対象物Saまでの距離が変化しても、明瞭な輪郭を有するスポット照明で照射範囲Raを形成することができ、その範囲内の一点または一部範囲を確実に分光測定することができる。 In the non-contact spectroscopic measurement apparatus 1B of the second embodiment, since the part where light enters and exits the measurement object Sa in the first optical path and the second optical path is a common optical path, up to the measurement object Sa. Even if the distance changes, the irradiation range Ra can be formed with spot illumination having a clear outline, and one point or a partial range within the range can be reliably subjected to spectroscopic measurement.
次に、第3実施形態の非接触分光測定装置1Cについて説明する。図4は、第3実施形態の非接触分光測定装置1Cの構成を示す図である。非接触分光測定装置1Cは、測定ヘッド2Cおよび制御装置3を備える。図4に示される第3実施形態における測定ヘッド2Cは、図3に示された第2実施形態における測定ヘッド2Bの構成に加えて、ビームスプリッタ53、ビームダンパ57および撮像部30を更に備える。以下では、第2実施形態の非接触分光測定装置1Bの構成と相違する点について主に説明する。 Next, a non-contact spectrometer 1C of the third embodiment will be described. FIG. 4 is a diagram illustrating a configuration of a non-contact spectrometer 1C according to the third embodiment. The non-contact spectrometer 1C includes a measurement head 2C and a control device 3. The measurement head 2C in the third embodiment shown in FIG. 4 further includes a beam splitter 53, a beam damper 57, and an imaging unit 30 in addition to the configuration of the measurement head 2B in the second embodiment shown in FIG. Below, the point which is different from the structure of the non-contact spectrometry apparatus 1B of 2nd Embodiment is mainly demonstrated.
第3実施形態における測定ヘッド2Cでは、ビームスプリッタ52に加えてビームスプリッタ53も設けられている。ビームスプリッタ53は、第1偏光子41およびシャッタ51とビームスプリッタ52との間の光路上に配置されている。 In the measurement head 2 </ b> C in the third embodiment, a beam splitter 53 is also provided in addition to the beam splitter 52. The beam splitter 53 is disposed on the optical path between the first polarizer 41 and the shutter 51 and the beam splitter 52.
第1偏光子41およびシャッタ51は、光源10とビームスプリッタ53との間の光路上に配置されている。第2偏光子42は、ビームスプリッタ52とレンズ54との間の光路上に配置されている。第1偏光子41および第2偏光子42は、直線偏光の光を出力する偏光子であってよいし、円偏光の光を出力する偏光子であってもよい。 The first polarizer 41 and the shutter 51 are disposed on the optical path between the light source 10 and the beam splitter 53. The second polarizer 42 is disposed on the optical path between the beam splitter 52 and the lens 54. The first polarizer 41 and the second polarizer 42 may be polarizers that output linearly polarized light, or may be polarizers that output circularly polarized light.
光源10から出力された広帯域の白色光は、第1偏光子41により特定偏光とされ、シャッタ51を通過して、ビームスプリッタ53に入力される。光源10からビームスプリッタ53に入力された光は、ビームスプリッタ53を透過して、ビームスプリッタ52へ出力される。このとき、光源10からビームスプリッタ53に入力された光の一部がビームスプリッタ53で反射されるが、その反射光はビームダンパ57により吸収される。 The broadband white light output from the light source 10 is made specific polarization by the first polarizer 41, passes through the shutter 51, and is input to the beam splitter 53. Light input from the light source 10 to the beam splitter 53 passes through the beam splitter 53 and is output to the beam splitter 52. At this time, part of the light input from the light source 10 to the beam splitter 53 is reflected by the beam splitter 53, but the reflected light is absorbed by the beam damper 57.
ビームスプリッタ53からビームスプリッタ52に入力された光は、ビームスプリッタ52を透過して、測定対象物Saへ照射される。ビームスプリッタ53からビームスプリッタ52に入力された光の一部がビームスプリッタ52で反射されるが、その反射光はビームダンパ56により吸収される。 The light input from the beam splitter 53 to the beam splitter 52 passes through the beam splitter 52 and is irradiated onto the measurement object Sa. A part of the light input from the beam splitter 53 to the beam splitter 52 is reflected by the beam splitter 52, and the reflected light is absorbed by the beam damper 56.
測定対象物Saで生じた光の一部はビームスプリッタ52で反射されて分光器20へ出力され、残部はビームスプリッタ52を透過してビームスプリッタ53へ出力される。ビームスプリッタ52からビームスプリッタ53に入力された光は、ビームスプリッタ53で反射されて撮像部30へ出力される。 A part of the light generated by the measuring object Sa is reflected by the beam splitter 52 and output to the spectroscope 20, and the remaining part is transmitted through the beam splitter 52 and output to the beam splitter 53. Light input from the beam splitter 52 to the beam splitter 53 is reflected by the beam splitter 53 and output to the imaging unit 30.
第3実施形態の非接触分光測定装置1Cも、第1光路および第2光路において測定対象物Saに対して光が入出射する部分が共通の光路となっていることから、測定対象物Saまでの距離が変化しても、明瞭な輪郭を有するスポット照明で照射範囲Raを形成することができ、その範囲内の一点または一部範囲を確実に分光測定することができる。また、第3実施形態の非接触分光測定装置1Cは、撮像部30および表示部3aを備えていることにより、測定対象物Saの画像を表示することができ、その画像において分光可能範囲Rbを表示することができる。 The non-contact spectroscopic measurement apparatus 1C of the third embodiment also has a common optical path where light enters and exits the measurement object Sa in the first optical path and the second optical path. Even if the distance changes, the irradiation range Ra can be formed with spot illumination having a clear outline, and one point or a partial range within the range can be reliably subjected to spectroscopic measurement. Further, the non-contact spectroscopic measurement apparatus 1C of the third embodiment includes the imaging unit 30 and the display unit 3a, so that an image of the measurement object Sa can be displayed, and the spectroscopic range Rb is displayed in the image. Can be displayed.
次に、第4実施形態の非接触分光測定装置1Dについて説明する。図5は、第4実施形態の非接触分光測定装置1Dの構成を示す図である。非接触分光測定装置1Dは、測定ヘッド2Dおよび制御装置3を備える。図5に示される第4実施形態における測定ヘッド2Dは、図3に示された第2実施形態における測定ヘッド2Bの構成と比較すると、第1偏光子41および第2偏光子42に替えて偏光子40を備える点で相違する。以下では、第2実施形態の非接触分光測定装置1Bの構成と相違する点について主に説明する。 Next, a non-contact spectrometer 1D according to the fourth embodiment will be described. FIG. 5 is a diagram illustrating a configuration of a non-contact spectrometer 1D according to the fourth embodiment. The non-contact spectrometer 1D includes a measurement head 2D and a control device 3. The measurement head 2D in the fourth embodiment shown in FIG. 5 is polarized in place of the first polarizer 41 and the second polarizer 42 as compared with the configuration of the measurement head 2B in the second embodiment shown in FIG. The difference is that a child 40 is provided. Below, the point which is different from the structure of the non-contact spectrometry apparatus 1B of 2nd Embodiment is mainly demonstrated.
第4実施形態における測定ヘッド2Dでは、光源10から測定対象物Saへ至る第1光路と、測定対象物Saから分光器20へ至る第2光路とは、測定対象物Saに対して光が入出射する部分(測定対象物Saとビームスプリッタ52との間の光路の部分)が共通の光路となっている。偏光子40は、円偏光の光を出力する偏光子である。偏光子40は、第1偏光子41および第2偏光子42の双方を兼ねるものとして、その共通の光路に配置されている。 In the measuring head 2D in the fourth embodiment, the first optical path from the light source 10 to the measuring object Sa and the second optical path from the measuring object Sa to the spectroscope 20 allow light to enter the measuring object Sa. The exiting portion (the portion of the optical path between the measuring object Sa and the beam splitter 52) is a common optical path. The polarizer 40 is a polarizer that outputs circularly polarized light. The polarizer 40 serves as both the first polarizer 41 and the second polarizer 42, and is disposed in the common optical path.
光源10から出力された広帯域の白色光は、シャッタ51を通過して、ビームスプリッタ52に入力される。光源10からビームスプリッタ52に入力された光は、ビームスプリッタ52を透過し、偏光子40により特定の円偏光とされて、測定対象物Saへ照射される。このとき、光源10からビームスプリッタ52に入力された光の一部がビームスプリッタ52で反射されるが、その反射光はビームダンパ56により吸収される。また、測定対象物Saで生じた光は、偏光子40により特定の円偏光が除去された後に、ビームスプリッタ52で反射されて分光器20へ出力される。 The broadband white light output from the light source 10 passes through the shutter 51 and is input to the beam splitter 52. The light input from the light source 10 to the beam splitter 52 is transmitted through the beam splitter 52, converted into a specific circularly polarized light by the polarizer 40, and irradiated onto the measurement object Sa. At this time, a part of the light input from the light source 10 to the beam splitter 52 is reflected by the beam splitter 52, but the reflected light is absorbed by the beam damper 56. Further, the light generated by the measuring object Sa is reflected by the beam splitter 52 and output to the spectroscope 20 after the specific circularly polarized light is removed by the polarizer 40.
次に、第5実施形態の非接触分光測定装置1Eについて説明する。図6は、第5実施形態の非接触分光測定装置1Eの構成を示す図である。非接触分光測定装置1Eは、測定ヘッド2Eおよび制御装置3を備える。図6に示される第5実施形態における測定ヘッド2Eは、図4に示された第3実施形態における測定ヘッド2Cの構成と比較すると、第1偏光子41および第2偏光子42に替えて偏光子40を備える点で相違する。以下では、第3実施形態の非接触分光測定装置1Cの構成と相違する点について主に説明する。 Next, a non-contact spectrometer 1E according to the fifth embodiment will be described. FIG. 6 is a diagram showing a configuration of a non-contact spectrometer 1E according to the fifth embodiment. The non-contact spectrometer 1E includes a measurement head 2E and a control device 3. The measurement head 2E in the fifth embodiment shown in FIG. 6 is polarized in place of the first polarizer 41 and the second polarizer 42 as compared with the configuration of the measurement head 2C in the third embodiment shown in FIG. The difference is that a child 40 is provided. In the following, differences from the configuration of the non-contact spectrometer 1C of the third embodiment will be mainly described.
第5実施形態における測定ヘッド2Eでは、光源10から測定対象物Saへ至る第1光路と、測定対象物Saから分光器20へ至る第2光路とは、測定対象物Saに対して光が入出射する部分(測定対象物Saとビームスプリッタ52との間の光路の部分)が共通の光路となっている。偏光子40は、円偏光の光を出力する偏光子である。偏光子40は、第1偏光子41および第2偏光子42の双方を兼ねるものとして、その共通の光路に配置されている。 In the measurement head 2E in the fifth embodiment, the first optical path from the light source 10 to the measurement object Sa and the second optical path from the measurement object Sa to the spectroscope 20 allow light to enter the measurement object Sa. The exiting portion (the portion of the optical path between the measuring object Sa and the beam splitter 52) is a common optical path. The polarizer 40 is a polarizer that outputs circularly polarized light. The polarizer 40 serves as both the first polarizer 41 and the second polarizer 42, and is disposed in the common optical path.
光源10から出力された広帯域の白色光は、シャッタ51を通過して、ビームスプリッタ53に入力される。光源10からビームスプリッタ53に入力された光は、ビームスプリッタ53を透過して、ビームスプリッタ52へ出力される。このとき、光源10からビームスプリッタ53に入力された光の一部がビームスプリッタ53で反射されるが、その反射光はビームダンパ57により吸収される。 The broadband white light output from the light source 10 passes through the shutter 51 and is input to the beam splitter 53. Light input from the light source 10 to the beam splitter 53 passes through the beam splitter 53 and is output to the beam splitter 52. At this time, part of the light input from the light source 10 to the beam splitter 53 is reflected by the beam splitter 53, but the reflected light is absorbed by the beam damper 57.
ビームスプリッタ53からビームスプリッタ52に入力された光は、ビームスプリッタ52を透過し、偏光子40により特定の円偏光とされて、測定対象物Saへ照射される。ビームスプリッタ53からビームスプリッタ52に入力された光の一部がビームスプリッタ52で反射されるが、その反射光はビームダンパ56により吸収される。 The light input from the beam splitter 53 to the beam splitter 52 is transmitted through the beam splitter 52, converted into a specific circularly polarized light by the polarizer 40, and irradiated onto the measurement object Sa. A part of the light input from the beam splitter 53 to the beam splitter 52 is reflected by the beam splitter 52, and the reflected light is absorbed by the beam damper 56.
測定対象物Saで生じた光は、偏光子40により特定の円偏光が除去された後に、その一部はビームスプリッタ52で反射されて分光器20へ出力され、残部はビームスプリッタ52を透過してビームスプリッタ53へ出力される。ビームスプリッタ52からビームスプリッタ53に入力された光は、ビームスプリッタ53で反射されて撮像部30へ出力される。 After the specific circularly polarized light is removed by the polarizer 40, a part of the light generated from the measurement object Sa is reflected by the beam splitter 52 and output to the spectrometer 20, and the remaining part is transmitted through the beam splitter 52. And output to the beam splitter 53. Light input from the beam splitter 52 to the beam splitter 53 is reflected by the beam splitter 53 and output to the imaging unit 30.
次に、第6実施形態の非接触分光測定装置1Fについて説明する。図32は、第6実施形態の非接触分光測定装置1Fの構成を示す図である。非接触分光測定装置1Fは、測定ヘッド2Fおよび制御装置3を備える。図32に示される第6実施形態における測定ヘッド2Fは、図4に示された第3実施形態における測定ヘッド2Cの構成と比較すると、光源10、分光器20および撮像部30の間の光学的配置関係の点で相違する。以下では、第3実施形態の非接触分光測定装置1Cの構成と相違する点について主に説明する。 Next, a non-contact spectrometer 1F of the sixth embodiment will be described. FIG. 32 is a diagram illustrating a configuration of a non-contact spectrometer 1F according to the sixth embodiment. The non-contact spectrometer 1F includes a measurement head 2F and a control device 3. The measurement head 2F in the sixth embodiment shown in FIG. 32 is optically coupled between the light source 10, the spectroscope 20, and the imaging unit 30 as compared with the configuration of the measurement head 2C in the third embodiment shown in FIG. It differs in the point of arrangement relation. In the following, differences from the configuration of the non-contact spectrometer 1C of the third embodiment will be mainly described.
第6実施形態における測定ヘッド2Fでは、撮像部30と測定対象物Saとの間の光路にビームスプリッタ52,53が設けられている。ビームスプリッタ52,53のうち測定対象物Saに近い位置に設けられているビームスプリッタ52は、光源10から出力されて第1偏光子41を透過した光を測定対象物Saへ向けて反射させ、また、測定対象物Saから到達した光を第2偏光子42へ向けて透過させる。ビームスプリッタ52,53のうち撮像部30に近い位置に設けられているビームスプリッタ53は、ビームスプリッタ52から第2偏光子42を経て到達した光を2分岐して、一方の分岐光を分光器20へ出力し、他方の分岐光を撮像部30へ出力する。 In the measurement head 2F in the sixth embodiment, beam splitters 52 and 53 are provided in the optical path between the imaging unit 30 and the measurement object Sa. The beam splitter 52 provided at a position near the measurement object Sa among the beam splitters 52 and 53 reflects the light output from the light source 10 and transmitted through the first polarizer 41 toward the measurement object Sa, Further, the light reaching from the measuring object Sa is transmitted toward the second polarizer 42. The beam splitter 53 provided at a position close to the imaging unit 30 among the beam splitters 52 and 53 splits the light that has arrived from the beam splitter 52 via the second polarizer 42 into two, and splits one split light into a spectroscope. 20, and the other branched light is output to the imaging unit 30.
光源10から出力された広帯域の白色光は、第1偏光子41により特定偏光とされ、シャッタ51を通過して、ビームスプリッタ52に入力される。光源10からビームスプリッタ52に入力された光は、ビームスプリッタ52で反射されて、測定対象物Saに照射される。このとき、光源10からビームスプリッタ52に入力された光の一部がビームスプリッタ52を透過するが、その透過光はビームダンパ56により吸収される。 The broadband white light output from the light source 10 is made specific polarization by the first polarizer 41, passes through the shutter 51, and is input to the beam splitter 52. The light input from the light source 10 to the beam splitter 52 is reflected by the beam splitter 52 and applied to the measurement object Sa. At this time, part of the light input from the light source 10 to the beam splitter 52 passes through the beam splitter 52, but the transmitted light is absorbed by the beam damper 56.
測定対象物Saで生じてビームスプリッタ52に入力された光は、ビームスプリッタ52および第2偏光子42を経て、ビームスプリッタ53に入力される。測定対象物Saからビームスプリッタ53に入力された光の一部はビームスプリッタ53で反射されて分光器20へ出力され、残部はビームスプリッタ53を透過して撮像部30へ出力される。 Light generated by the measurement object Sa and input to the beam splitter 52 is input to the beam splitter 53 via the beam splitter 52 and the second polarizer 42. A part of the light input from the measurement object Sa to the beam splitter 53 is reflected by the beam splitter 53 and output to the spectrometer 20, and the remaining part is transmitted through the beam splitter 53 and output to the imaging unit 30.
第6実施形態では、光源10から出力された光が測定対象物Saへ照射されるまでに通過するビームスプリッタが1つのみであるので、測定対象物Saへ照射されるまでの光の減衰を小さくすることができる。したがって、低光量の光源10を用いることができ、装置の消費電力低減、小型化および可搬性向上が可能となる。 In the sixth embodiment, since there is only one beam splitter that passes through the light output from the light source 10 before being irradiated onto the measurement object Sa, the attenuation of light until the measurement object Sa is irradiated is reduced. Can be small. Therefore, the light source 10 with a low light quantity can be used, and the power consumption of the apparatus can be reduced, the size can be reduced, and the portability can be improved.
次に、第7実施形態の非接触分光測定装置1Gについて説明する。図33は、第7実施形態の非接触分光測定装置1Gの構成を示す図である。非接触分光測定装置1Gは、測定ヘッド2Gおよび制御装置3を備える。図33に示される第7実施形態における測定ヘッド2Gは、図32に示された第6実施形態における測定ヘッド2Fの構成と比較すると、第1偏光子41および第2偏光子42に替えて偏光子40を備える点で相違する。以下では、第6実施形態の非接触分光測定装置1Fの構成と相違する点について主に説明する。 Next, a non-contact spectrometer 1G of the seventh embodiment will be described. FIG. 33 is a diagram showing a configuration of a non-contact spectrometer 1G of the seventh embodiment. The non-contact spectrometer 1G includes a measurement head 2G and a control device 3. The measurement head 2G in the seventh embodiment shown in FIG. 33 is polarized in place of the first polarizer 41 and the second polarizer 42 as compared with the configuration of the measurement head 2F in the sixth embodiment shown in FIG. The difference is that a child 40 is provided. In the following, differences from the configuration of the non-contact spectrometer 1F of the sixth embodiment will be mainly described.
第7実施形態における測定ヘッド2Gでは、ビームスプリッタ52と測定対象物Saとの間の光路上に偏光子40が配置されている。偏光子40は、円偏光の光を出力する偏光子であり、第1偏光子41および第2偏光子42の双方を兼ねる。 In the measurement head 2G in the seventh embodiment, the polarizer 40 is disposed on the optical path between the beam splitter 52 and the measurement object Sa. The polarizer 40 is a polarizer that outputs circularly polarized light, and serves as both the first polarizer 41 and the second polarizer 42.
光源10から出力された広帯域の白色光は、シャッタ51を通過して、ビームスプリッタ52に入力される。光源10からビームスプリッタ52に入力された光は、ビームスプリッタ52で反射され、偏光子40により特定の円偏光とされて、測定対象物Saに照射される。光源10からビームスプリッタ52に入力された光の一部がビームスプリッタ52を透過するが、その透過光はビームダンパ56により吸収される。 The broadband white light output from the light source 10 passes through the shutter 51 and is input to the beam splitter 52. The light input from the light source 10 to the beam splitter 52 is reflected by the beam splitter 52, converted into a specific circularly polarized light by the polarizer 40, and irradiated onto the measurement object Sa. A part of the light input from the light source 10 to the beam splitter 52 passes through the beam splitter 52, but the transmitted light is absorbed by the beam damper 56.
測定対象物Saで生じた光は、偏光子40により特定の円偏光が除去された後に、ビームスプリッタ52を経てビームスプリッタ53に入力される。測定対象物Saからビームスプリッタ53に入力された光の一部はビームスプリッタ53で反射されて分光器20へ出力され、残部はビームスプリッタ53を透過して撮像部30へ出力される。 The light generated by the measuring object Sa is input to the beam splitter 53 via the beam splitter 52 after the specific circularly polarized light is removed by the polarizer 40. A part of the light input from the measurement object Sa to the beam splitter 53 is reflected by the beam splitter 53 and output to the spectrometer 20, and the remaining part is transmitted through the beam splitter 53 and output to the imaging unit 30.
第7実施形態でも、光源10から出力された光が測定対象物Saへ照射されるまでに通過するビームスプリッタが1つのみであるので、測定対象物Saへ照射されるまでの光の減衰を小さくすることができる。したがって、低光量の光源10を用いることができ、装置の消費電力低減、小型化および可搬性向上が可能となる。 Also in the seventh embodiment, since only one beam splitter passes until the light output from the light source 10 is irradiated onto the measurement object Sa, the attenuation of the light until the measurement object Sa is irradiated is reduced. Can be small. Therefore, the light source 10 with a low light quantity can be used, and the power consumption of the apparatus can be reduced, the size can be reduced, and the portability can be improved.
次に、第8実施形態の非接触分光測定装置1Hについて説明する。図34は、第8実施形態の非接触分光測定装置1Hの構成を示す図である。非接触分光測定装置1Hは、測定ヘッド2Hおよび制御装置3を備える。図34に示される第8実施形態における測定ヘッド2Hは、図32に示された第6実施形態における測定ヘッド2Fの構成と比較すると、ビームスプリッタ53に対する分光器20および撮像部30の配置の点で相違する。以下では、第6実施形態の非接触分光測定装置1Fの構成と相違する点について主に説明する。 Next, a non-contact spectrometer 1H of the eighth embodiment will be described. FIG. 34 is a diagram showing a configuration of a non-contact spectrometer 1H of the eighth embodiment. The non-contact spectroscopic measurement apparatus 1H includes a measurement head 2H and a control device 3. The measurement head 2H in the eighth embodiment shown in FIG. 34 is different from the configuration of the measurement head 2F in the sixth embodiment shown in FIG. 32 in terms of the arrangement of the spectrometer 20 and the imaging unit 30 with respect to the beam splitter 53. Is different. In the following, differences from the configuration of the non-contact spectrometer 1F of the sixth embodiment will be mainly described.
第6実施形態における測定ヘッド2Fでは、測定対象物Saからビームスプリッタ53に入力された光の一部はビームスプリッタ53で反射されて分光器20へ出力され、残部はビームスプリッタ53を透過して撮像部30へ出力される。これに対して、第8実施形態における測定ヘッド2Hでは、測定対象物Saからビームスプリッタ53に入力された光の一部はビームスプリッタ53で反射されて撮像部30へ出力され、残部はビームスプリッタ53を透過して分光器20へ出力される。レンズ54および絞り55は、ビームスプリッタ53と分光器20との間に設けられている。 In the measurement head 2F in the sixth embodiment, a part of the light input from the measurement object Sa to the beam splitter 53 is reflected by the beam splitter 53 and output to the spectrometer 20, and the remaining part is transmitted through the beam splitter 53. The image is output to the imaging unit 30. On the other hand, in the measuring head 2H in the eighth embodiment, a part of the light input from the measuring object Sa to the beam splitter 53 is reflected by the beam splitter 53 and output to the imaging unit 30, and the remaining part is the beam splitter. 53 is transmitted to the spectroscope 20. The lens 54 and the diaphragm 55 are provided between the beam splitter 53 and the spectrometer 20.
このように構成される第8実施形態の非接触分光測定装置1Hも、第6実施形態の非接触分光測定装置1Fと同様の効果を奏する。なお、第1実施形態(図1)および第7実施形態(図33)の構成においても、ビームスプリッタに対する分光器20および撮像部30の配置の変更が可能である。 The non-contact spectrometer 1H according to the eighth embodiment configured as described above also has the same effect as the non-contact spectrometer 1F according to the sixth embodiment. Also in the configurations of the first embodiment (FIG. 1) and the seventh embodiment (FIG. 33), it is possible to change the arrangement of the spectrometer 20 and the imaging unit 30 with respect to the beam splitter.
次に、第9実施形態の非接触分光測定装置1Iについて説明する。図35は、第9実施形態の非接触分光測定装置1Iの構成を示す図である。非接触分光測定装置1Iは、測定ヘッド2Iおよび制御装置3を備える。図35に示される第9実施形態における測定ヘッド2Iは、図32に示された第6実施形態における測定ヘッド2Fの構成と比較すると、撮像部30に替えてレーザ光源60を備える点で相違し、ビームダンパ57を更に備える点で相違する。以下では、第6実施形態の非接触分光測定装置1Fの構成と相違する点について主に説明する。 Next, a non-contact spectrometer 1I according to the ninth embodiment will be described. FIG. 35 is a diagram illustrating a configuration of a non-contact spectrometer 1I according to the ninth embodiment. The non-contact spectroscopic measurement device 1I includes a measurement head 2I and a control device 3. The measurement head 2I in the ninth embodiment shown in FIG. 35 is different from the measurement head 2F in the sixth embodiment shown in FIG. 32 in that a laser light source 60 is provided instead of the imaging unit 30. The difference is that a beam damper 57 is further provided. In the following, differences from the configuration of the non-contact spectrometer 1F of the sixth embodiment will be mainly described.
レーザ光源60はレーザ光を出力する。小型化および可搬性向上の点で、レーザ光源60はレーザダイオードであるのが好適である。レーザ光の波長は、可視域であり、測定対象物Saの色に応じて適切に選択される。例えば、測定対象物Saが緑色であれば、レーザ光の波長は赤色(例えば635nm)であるのが好適である。 The laser light source 60 outputs laser light. The laser light source 60 is preferably a laser diode in terms of miniaturization and improved portability. The wavelength of the laser beam is in the visible range, and is appropriately selected according to the color of the measurement object Sa. For example, if the measurement object Sa is green, the wavelength of the laser light is preferably red (for example, 635 nm).
測定対象物Saから第2光路に沿ってビームスプリッタ53に入力された光の一部はビームスプリッタ53で反射されて分光器20へ出力される。レーザ光源60からビームスプリッタ53に入力されたレーザ光の一部は、ビームスプリッタ53を透過して第2光路に沿って測定対象物Saへ出力され、残部はビームスプリッタ53で反射されてビームダンパ57により吸収される。 A part of the light input to the beam splitter 53 along the second optical path from the measurement object Sa is reflected by the beam splitter 53 and output to the spectrometer 20. A part of the laser light input from the laser light source 60 to the beam splitter 53 passes through the beam splitter 53 and is output to the measuring object Sa along the second optical path, and the remaining part is reflected by the beam splitter 53 to be a beam damper 57. Is absorbed by.
測定対象物Saにおけるレーザ光の照射位置は、分光測定可能な位置または範囲を示している。すなわち、レーザ光源60は、分光測定可能な位置または範囲を示すレーザポインタとして用いられる。これにより、測定対象物Saにおける照射範囲または分光可能範囲の確認が容易となる。 The irradiation position of the laser beam on the measuring object Sa indicates a position or range where spectroscopic measurement is possible. That is, the laser light source 60 is used as a laser pointer indicating a position or range where spectroscopic measurement is possible. This facilitates confirmation of the irradiation range or the spectroscopic range of the measuring object Sa.
なお、第1実施形態(図1)、第3実施形態(図4)、第5実施形態(図6)、第7実施形態(図33)および第8実施形態(図34)の構成においても、撮像部30に替えてレーザ光源60を用いることができる。また、ビームスプリッタに対する分光器20およびレーザ光源60の配置の変更も可能である。 In the configurations of the first embodiment (FIG. 1), the third embodiment (FIG. 4), the fifth embodiment (FIG. 6), the seventh embodiment (FIG. 33), and the eighth embodiment (FIG. 34). Instead of the imaging unit 30, a laser light source 60 can be used. In addition, the arrangement of the spectrometer 20 and the laser light source 60 with respect to the beam splitter can be changed.
次に、本実施形態の非接触分光測定装置の動作について説明するとともに、本実施形態の非接触分光測定方法について、図7〜図14を用いて説明する。以下の動作説明は、第1〜第9の実施形態の非接触分光測定装置の何れを用いた場合にも適用できる。 Next, the operation of the non-contact spectroscopic measurement apparatus of the present embodiment will be described, and the non-contact spectroscopic measurement method of the present embodiment will be described with reference to FIGS. The following description of the operation can be applied to any of the non-contact spectrometers according to the first to ninth embodiments.
図7および図8は、本実施形態の非接触分光測定方法を説明するフローチャートである。図7は、メインルーチンのフローチャートである。図8は、サブルーチンのフローチャートである。図9〜図14は、各種のスペクトルを模式的に示す図である。図9は、光源10の出力光スペクトルSp0を模式的に示す図である。図10は、第1スペクトルSp1を模式的に示す図である。図11は、第2スペクトルSp2を模式的に示す図である。図12は、第3スペクトルSp3を模式的に示す図である。図13は、第4スペクトルSp4を模式的に示す図である。図14は、第5スペクトルSp5を模式的に示す図である。 7 and 8 are flowcharts for explaining the non-contact spectroscopic measurement method of this embodiment. FIG. 7 is a flowchart of the main routine. FIG. 8 is a flowchart of a subroutine. 9 to 14 are diagrams schematically showing various spectra. FIG. 9 is a diagram schematically showing the output light spectrum Sp0 of the light source 10. As shown in FIG. FIG. 10 is a diagram schematically showing the first spectrum Sp1. FIG. 11 is a diagram schematically showing the second spectrum Sp2. FIG. 12 is a diagram schematically illustrating the third spectrum Sp3. FIG. 13 is a diagram schematically illustrating the fourth spectrum Sp4. FIG. 14 is a diagram schematically showing the fifth spectrum Sp5.
図7に示されるように、先ず、光源10の出力光スペクトルSp0が未だ取得されていない場合(ステップSt1でNoの場合)、光源10の出力光スペクトルSp0(図9)を取得する(ステップSt2)。また、評価用計算式が未だ取得されていない場合(ステップSt3でNoの場合)、評価用計算式を取得する(ステップSt4)。評価用計算式は、相対反射スペクトルSp5(後述)と評価値との間の相関を表すものであり、相対反射スペクトルSp5に基づいて測定対象物を評価する際に用いられる。 As shown in FIG. 7, first, when the output light spectrum Sp0 of the light source 10 has not yet been acquired (No in Step St1), the output light spectrum Sp0 (FIG. 9) of the light source 10 is acquired (Step St2). ). If the evaluation calculation formula has not yet been acquired (No in step St3), the evaluation calculation formula is acquired (step St4). The evaluation calculation formula represents a correlation between a relative reflection spectrum Sp5 (described later) and an evaluation value, and is used when the measurement object is evaluated based on the relative reflection spectrum Sp5.
光源10の出力光スペクトルSp0および評価用計算式が準備できれば、個々の測定対象物について、相対反射スペクトルSp5を取得し(ステップSt5)、その取得した相対反射スペクトルSp5および評価用計算式に基づいて測定対象物を評価する(評価ステップSt6)。なお、測定対象物および評価項目は、例えば、植物の葉緑素濃度、果実の糖度、米の食味、牛肉の脂肪、魚の脂肪、飼料の栄養成分、建材の含有成分、等である。相対反射スペクトルSp5の取得(ステップSt5)の詳細な手順は図8に示されている。 If the output light spectrum Sp0 of the light source 10 and the calculation formula for evaluation can be prepared, the relative reflection spectrum Sp5 is acquired for each measurement object (step St5), and based on the acquired relative reflection spectrum Sp5 and the calculation formula for evaluation. The measurement object is evaluated (evaluation step St6). The measurement object and evaluation items are, for example, plant chlorophyll concentration, fruit sugar content, rice taste, beef fat, fish fat, feed nutritional component, building material content, and the like. A detailed procedure for obtaining the relative reflection spectrum Sp5 (step St5) is shown in FIG.
なお、第9実施形態(図35)の構成のようにレーザポインタとしてのレーザ光源60が設けられている場合には、光源10およびレーザ光源60の双方がオフである状態から、光源10およびレーザ光源60の双方をオン状態として、測定対象物Saにおける照射範囲または分光可能範囲を確認して所望範囲に設定する。その後にレーザ光源60をオフ状態として、図8に示される処理を行う。 When the laser light source 60 as a laser pointer is provided as in the configuration of the ninth embodiment (FIG. 35), the light source 10 and the laser are switched from the state where both the light source 10 and the laser light source 60 are off. Both the light sources 60 are turned on, the irradiation range or the spectroscopic range on the measuring object Sa is confirmed and set to a desired range. Thereafter, the laser light source 60 is turned off and the process shown in FIG. 8 is performed.
図8に示されるように、第1スペクトルSp1の取得(ステップSt11)および第2スペクトルSp2の取得(ステップSt12)を行う。これら2つのステップSt11,St12の実行順序は任意である。ステップSt11とステップSt12とを交互に繰り返して行い、複数のステップSt11それぞれで得られたスペクトルの平均を第1スペクトルSp1としてもよいし、複数のステップSt12それぞれで得られたスペクトルの平均を第2スペクトルSp2としてもよい。ステップSt11およびステップSt12では分光測定条件(露出時間、感度等)を互いに同一として、第1スペクトルSp1および第2スペクトルSp2が含む周囲環境光およびダーク信号の検出量を互いに等しくする。 As shown in FIG. 8, the first spectrum Sp1 is acquired (step St11) and the second spectrum Sp2 is acquired (step St12). The execution order of these two steps St11 and St12 is arbitrary. Step St11 and step St12 are alternately repeated, and the average of the spectra obtained in each of the plurality of steps St11 may be set as the first spectrum Sp1, or the average of the spectra obtained in each of the plurality of steps St12 is set as the second spectrum. It is good also as spectrum Sp2. In steps St11 and St12, the spectroscopic measurement conditions (exposure time, sensitivity, etc.) are set to be the same, and the detected amounts of ambient light and dark signals included in the first spectrum Sp1 and the second spectrum Sp2 are made equal to each other.
第1スペクトル取得ステップSt11において、光源10から測定対象物へ至る第1光路の途中に設けられた第1偏光子41により、光源10から出力された広帯域の光を特定偏光の光として測定対象物に照射する。その照射期間に、測定対象物から分光器20へ至る第2光路の途中に設けられた第2偏光子42により、測定対象物で生じた光のうち特定偏光の光を除いた光を分光器20に入射させて、その入射した光のスペクトル(第1スペクトルSp1)を分光器20により取得する。この第1スペクトルSp1(図10)は、光源10からの光が測定対象物に照射されて測定対象物の内部における光吸収を反映した拡散反射光のスペクトル、周囲環境光が測定対象物に照射されたことにより測定対象物で生じた反射光のスペクトル、および、分光器20のダーク信号のスペクトルを含む。周囲環境光は、屋外であれば例えば太陽光であり、屋内であれば例えば屋内照明の光である。 In the first spectrum acquisition step St11, the first polarizer 41 provided in the middle of the first optical path from the light source 10 to the measurement object causes the broadband light output from the light source 10 to be a specific polarization light. Irradiate. During the irradiation period, the second polarizer 42 provided in the middle of the second optical path from the measurement object to the spectrometer 20 removes light of a specific polarization from the light generated in the measurement object. 20 and the spectroscope 20 acquires the spectrum of the incident light (first spectrum Sp1). The first spectrum Sp1 (FIG. 10) is obtained by irradiating the measurement target with the spectrum of diffuse reflected light reflecting light absorption inside the measurement target when the light from the light source 10 is irradiated to the measurement target. As a result, the spectrum of the reflected light generated by the measurement object and the spectrum of the dark signal of the spectroscope 20 are included. Ambient ambient light is, for example, sunlight if it is outdoors, and is, for example, indoor illumination light if it is indoors.
第2スペクトル取得ステップSt12において、光源10から出力される光を測定対象物に照射していない期間に、分光器20に入射した光のスペクトル(第2スペクトルSp2)を分光器20により取得する。この第2スペクトルSp2(図11)は、周囲環境光が測定対象物に照射されたことにより測定対象物で生じた反射光のスペクトル、および、分光器20のダーク信号のスペクトルを含む。なお、図11において破線は分光器20のダーク信号のスペクトルを示す。 In the second spectrum acquisition step St <b> 12, the spectrum (second spectrum Sp <b> 2) of the light incident on the spectroscope 20 is acquired by the spectroscope 20 during a period when the measurement object is not irradiated with the light output from the light source 10. The second spectrum Sp2 (FIG. 11) includes a spectrum of reflected light generated by the measurement object as a result of irradiation of ambient environment light on the measurement object and a spectrum of a dark signal of the spectroscope 20. In FIG. 11, the broken line indicates the dark signal spectrum of the spectroscope 20.
制御装置3は、以上のような第1スペクトルSp1および第2スペクトルSp2を分光器20から入力して、演算部として以降の演算処理(ステップSt13〜St15、St6)を行う。 The control device 3 inputs the first spectrum Sp1 and the second spectrum Sp2 as described above from the spectroscope 20, and performs the following calculation processing (steps St13 to St15, St6) as a calculation unit.
第3スペクトル取得ステップ(減算ステップ)St13において、第1スペクトルSp1から第2スペクトルSp2を減算し、その減算結果として第3スペクトルSp3(=Sp1−Sp2)を求める。この減算により得られる第3スペクトルSp3(図12)は、周囲環境光の影響および分光器20のダーク信号が除去されたものであって、光源10からの光が測定対象物に照射されて測定対象物の内部における光吸収を反映した拡散反射光のスペクトルを表している。このような減算を行って第3スペクトルSp3を求めることにより、測定の度に異なる周囲環境光の影響を除去することができ、また、一般に温度によって異なる分光器20のダーク信号の影響を除去することができる。 In the third spectrum acquisition step (subtraction step) St13, the second spectrum Sp2 is subtracted from the first spectrum Sp1, and the third spectrum Sp3 (= Sp1-Sp2) is obtained as the subtraction result. The third spectrum Sp3 (FIG. 12) obtained by this subtraction is obtained by removing the influence of ambient light and the dark signal of the spectroscope 20, and is measured by irradiating the measurement object with light from the light source 10. It represents the spectrum of diffusely reflected light reflecting light absorption inside the object. By obtaining the third spectrum Sp3 by performing such subtraction, it is possible to remove the influence of ambient ambient light that is different for each measurement, and generally remove the influence of the dark signal of the spectroscope 20 that varies depending on the temperature. be able to.
第4スペクトル取得ステップ(除算ステップ)St14において、第3スペクトルSp3を光源10の出力光スペクトルSp0で除算し、その除算結果として第4スペクトルSp4(=Sp3/Sp0)を求める。この除算により得られる第4スペクトルSp4(図13)は、反射率のスペクトルを表している。 In a fourth spectrum acquisition step (division step) St14, the third spectrum Sp3 is divided by the output light spectrum Sp0 of the light source 10, and a fourth spectrum Sp4 (= Sp3 / Sp0) is obtained as a result of the division. A fourth spectrum Sp4 (FIG. 13) obtained by this division represents a reflectance spectrum.
通常、測定対象物の反射率のスペクトルを求める際は、測定対象物からの反射光のスペクトルの取得の前後に、周囲環境光を含めて同一の照明条件の下で測定対象物の位置に置いた標準白色板等からの反射光のスペクトルを取得し、これを照明光スペクトルとして利用する。しかし、例えば屋外の圃場では日照状況および光源からの距離等により照明条件が大きく異なることから、標準白色板を用いる場合には、測定毎に照明光スペクトルを取得する必要がある。圃場でこの作業を繰り返すことは、煩雑であり大きな労力負担となる。そこで、本実施形態では、光源10の出力光スペクトルSp0を予め取得しておき、圃場等の現場では反射光スペクトルのみを取得して反射スペクトルを計算することが便利である。 Normally, when obtaining the reflectance spectrum of a measurement object, place it at the position of the measurement object under the same lighting conditions, including ambient light, before and after obtaining the spectrum of the reflected light from the measurement object. A spectrum of reflected light from a standard white plate or the like is acquired and used as an illumination light spectrum. However, for example, in an outdoor field, the illumination conditions vary greatly depending on the sunshine conditions and the distance from the light source. Therefore, when using a standard white plate, it is necessary to acquire an illumination light spectrum for each measurement. Repeating this work on the field is cumbersome and burdensome. Therefore, in the present embodiment, it is convenient to obtain the output light spectrum Sp0 of the light source 10 in advance and obtain only the reflected light spectrum and calculate the reflected spectrum at a site such as a farm field.
前述の評価ステップSt6においては、第4スペクトルSp4および評価用計算式に基づいて測定対象物を評価してもよい。しかし、この場合、測定の度に、測定対象物までの距離が異なる可能性が高く、測定対象物における照射強度が異なることが考えられる。それ故、測定の度に得られる第4スペクトルSp4が異なり、第4スペクトルSp4に基づく測定対象物の評価が適正な結果とならない場合がある。そこで、評価ステップSt6においては、次に説明する第5スペクトル取得ステップSt15で求められた相対反射スペクトル(第5スペクトル)Sp5に基づいて測定対象物の評価を行うのが好ましい。 In the above-described evaluation step St6, the measurement object may be evaluated based on the fourth spectrum Sp4 and the calculation formula for evaluation. However, in this case, there is a high possibility that the distance to the measurement object is different for each measurement, and the irradiation intensity on the measurement object may be different. Therefore, the fourth spectrum Sp4 obtained every measurement is different, and the evaluation of the measurement object based on the fourth spectrum Sp4 may not be an appropriate result. Therefore, in the evaluation step St6, it is preferable to evaluate the measurement object based on the relative reflection spectrum (fifth spectrum) Sp5 obtained in the fifth spectrum acquisition step St15 described below.
第5スペクトル取得ステップ(標準化ステップ)St15において、第4スペクトルSp4を標準化処理して第5スペクトルSp5(図14)を求める。標準化処理の手法は様々あるが、そのうちSNV補正(Standard Normal Variate Correction)による標準化処理は次のとおりである。第4スペクトルSp4を波長λの関数としてI(λ)と表し、或る波長範囲におけるI(λ)の平均値をIaveとするとともに標準偏差をIstddevとする。第5スペクトルSp5を波長λの関数としてI'(λ)と表すと、I'(λ)={I(λ)−Iave}/Istddev なる式で表される。このI'(λ)は無次元量である。 In a fifth spectrum acquisition step (standardization step) St15, the fourth spectrum Sp4 is standardized to obtain a fifth spectrum Sp5 (FIG. 14). There are various standardization processing methods. Among these, standardization processing by SNV correction (Standard Normal Variate Correction) is as follows. The fourth spectrum Sp4 is expressed as I (λ) as a function of the wavelength λ, the average value of I (λ) in a certain wavelength range is I ave, and the standard deviation is I stddev . 'Expressed as (λ), I' I the fifth spectral Sp5 as a function of the wavelength λ (λ) = {I ( λ) -I ave} represented by / I stddev becomes equation. This I ′ (λ) is a dimensionless quantity.
以上のとおり、本実施形態では、光源10から測定対象物へ至る第1光路の途中に第1偏光子41が設けられ、測定対象物から分光器20へ至る第2光路の途中に第2偏光子42が設けられる。そして、これら第1偏光子41および第2偏光子42により、測定対象物の内部における光吸収を反映した拡散反射光が選択的に分光器20により受光されて、この拡散反射光のスペクトルが分光器20により取得される。したがって、非接触分光測定装置と測定対象物との間の光学系の設定の自由度が高く、測定対象物を適正に評価することが容易となる。 As described above, in the present embodiment, the first polarizer 41 is provided in the middle of the first optical path from the light source 10 to the measurement object, and the second polarization is in the middle of the second optical path from the measurement object to the spectrometer 20. A child 42 is provided. Then, the first polarizer 41 and the second polarizer 42 selectively receive the diffuse reflected light reflecting the light absorption in the measurement object, and the spectrum of the diffuse reflected light is spectrally separated. Acquired by the vessel 20. Therefore, the degree of freedom in setting the optical system between the non-contact spectroscopic measurement apparatus and the measurement object is high, and it is easy to appropriately evaluate the measurement object.
また、本実施形態では、測定対象物において輪郭が明瞭である照射範囲Raが照射光学系により形成される。或いは、撮像部および表示部により測定対象物の画像において分光可能範囲Rbが表示される。これにより、測定対象物における照射範囲Raまたは分光可能範囲Rbの確認が容易であるので、光軸を安定させることが困難である圃場のような場であっても、測定対象物の目標箇所からの拡散反射光のスペクトルを安定して取得することが容易となる。 In the present embodiment, an irradiation range Ra having a clear outline on the measurement object is formed by the irradiation optical system. Alternatively, the spectroscopic range Rb is displayed in the image of the measurement object by the imaging unit and the display unit. Thereby, since it is easy to confirm the irradiation range Ra or the spectroscopic range Rb in the measurement target, even in a field such as a field where it is difficult to stabilize the optical axis, It becomes easy to stably acquire the spectrum of the diffuse reflected light.
また、本実施形態では、非破壊かつ非接触で測定対象物からの反射光スペクトルを取得することが可能である。この取得された反射光スペクトルを解析することで、破壊および病原菌感染が生じること無く、測定対象物を評価をすることができる。例えば、葉緑素濃度を表すSPAD値等の様々な植物生育指標を求めることができ、生育管理および収穫基準の明確化等に寄与することができる。 Moreover, in this embodiment, it is possible to acquire the reflected light spectrum from the measurement object in a non-destructive and non-contact manner. By analyzing the acquired reflected light spectrum, the measurement object can be evaluated without causing destruction and infection with pathogenic bacteria. For example, various plant growth indexes such as SPAD values representing chlorophyll concentration can be obtained, which can contribute to growth management and clarification of harvest criteria.
以下に説明する実施例では、図1に示された第1実施形態の非接触分光測定装置1Aを用いて、測定対象物としてのコマツナのSPAD値を評価し、その評価結果を市販のSPAD計(コニカミノルタ株式会社製SPAD-502)による測定結果と比較した。なお、このSPAD計は、光源部と検出部との間に測定対象物を挟んで複数波長の吸収率を測定することで、測定対象物の葉緑素濃度を測定することができる。このSPAD計は、測定の際に測定対象物に接触するので、測定対象物の汚染(病原菌等の媒介)の虞がある。 In the example described below, the SPAD value of Komatsuna as a measurement object is evaluated using the non-contact spectroscopic measurement apparatus 1A of the first embodiment shown in FIG. It compared with the measurement result by (SPAD-502 by Konica Minolta Co., Ltd.). In addition, this SPAD meter can measure the chlorophyll concentration of a measurement object by measuring the absorption rate of a plurality of wavelengths with a measurement object sandwiched between a light source unit and a detection unit. Since this SPAD meter contacts the measurement object during measurement, there is a risk of contamination of the measurement object (mediation of pathogenic bacteria, etc.).
実験室内の作業台上に測定対象物(コマツナ)を置き、非接触分光測定装置を作業台の上方に配置した。周囲環境光は主に室内照明の光であった。光源10から測定対象物へ至る第1光路は測定対象物の上方から鉛直下方とした。測定対象物から分光器20へ至る第2光路は水平方向から上方45°とした。光源10としてハロゲンランプを用いた。SPAD値を求めるには700nm以上の照射光帯域が必要であることから、赤外線カットフィルタを取り外したハロゲンランプを用いた。分光器20として浜松ホトニクス株式会社製のマイクロ分光器C12666MAを用いた。この分光器の光入射スリットのサイズは鉛直方向50μm×水平方向750μmである。撮像部30として小型のCMOSカメラモジュールを用いた。第1偏光子41および第2偏光子42として、円偏光を出力する偏光子を用いた。 An object to be measured (Komatsuna) was placed on a work table in the laboratory, and a non-contact spectroscopic measurement device was placed above the work table. Ambient ambient light was mainly indoor lighting. The first optical path from the light source 10 to the measurement object was set vertically above the measurement object. The second optical path from the measurement object to the spectroscope 20 was 45 ° upward from the horizontal direction. A halogen lamp was used as the light source 10. Since the irradiation light band of 700 nm or more is necessary to obtain the SPAD value, a halogen lamp from which the infrared cut filter was removed was used. As the spectrometer 20, a micro spectrometer C12666MA manufactured by Hamamatsu Photonics Co., Ltd. was used. The size of the light entrance slit of this spectroscope is 50 μm in the vertical direction × 750 μm in the horizontal direction. A small CMOS camera module was used as the imaging unit 30. As the first polarizer 41 and the second polarizer 42, polarizers that output circularly polarized light were used.
光源10から出力された白色光は、ライトガイドにより導かれ、アパーチャを通って、測定対象物において明瞭な輪郭を持つスポット形状に照射された。また、測定対象物においてスポット状に照明された領域は、撮像部30により撮像され、表示部3aにより表示された。また、表示部3aにより、測定対象物の画像において分光器20が分光測定する範囲(分光可能範囲Rb)として、画面中央の十字線の交点の周りの円が表示された。図15は、分光器20における鉛直方向の指向性を示すグラフである。図16は、分光器20における水平方向の指向性を示すグラフである。両図において、横軸は分光器の光軸からの角度であり、縦軸は相対感度である。鉛直方向の半値角は約0.5°であり、水平方向の半値角は約1.2°であった。そこで、大きく見積もって分光器の光軸を挟み2°の角度範囲を分光可能範囲Rbとして円で表示した。 The white light output from the light source 10 was guided by a light guide, passed through the aperture, and irradiated to a spot shape having a clear outline on the measurement object. Moreover, the area | region illuminated in spot shape in the measuring object was imaged by the imaging part 30, and was displayed by the display part 3a. Further, the display unit 3a displayed a circle around the intersection of the cross line at the center of the screen as a range (spectral range Rb) that the spectroscope 20 performs spectroscopic measurement in the image of the measurement object. FIG. 15 is a graph showing the directivity in the vertical direction in the spectrometer 20. FIG. 16 is a graph showing the directivity in the horizontal direction in the spectrometer 20. In both figures, the horizontal axis is the angle from the optical axis of the spectrometer, and the vertical axis is the relative sensitivity. The half-value angle in the vertical direction was about 0.5 °, and the half-value angle in the horizontal direction was about 1.2 °. Therefore, the angle range of 2 ° with the optical axis of the spectroscope being roughly estimated was displayed in a circle as the spectroscopic range Rb.
表示部3a上の分光可能範囲Rbを利用すれば、測定対象物上の異物あるいは対象外の部位(葉脈等)を避けて分光測定することが可能となり、測定精度向上に寄与することができる。表示部がない実施形態(図3、図5)の照射範囲Raも同様の寄与があると期待される。一方、測定対象物の葉を挟んで使用する市販のSPAD計では、測定部位が隠れるので、位置の確認が難しいという問題がある。 If the spectroscopic range Rb on the display unit 3a is used, it is possible to perform spectroscopic measurement while avoiding a foreign object on the measurement object or a non-target part (such as a vein), which can contribute to improvement in measurement accuracy. It is expected that the irradiation range Ra of the embodiment without the display unit (FIGS. 3 and 5) also has a similar contribution. On the other hand, a commercially available SPAD meter used with the measurement object sandwiched between has a problem in that it is difficult to confirm the position because the measurement site is hidden.
レンズ54の焦点距離および絞り55の開口径を適切に選択することにより、過焦点距離を250mmとし、レンズ54から125mm以上離れた位置にある全ての測定対象物がレンズ54の後焦点位置に結像するようにした。したがって、本実施例では、第1スペクトルSp1および第2スペクトルSp2の取得は、測定対象物がレンズ54から125mm以上離れていれば、焦点合わせ無しで可能であった。 By appropriately selecting the focal length of the lens 54 and the aperture diameter of the aperture 55, the hyperfocal distance is set to 250 mm, and all the measurement objects located at a distance of 125 mm or more from the lens 54 are connected to the rear focal position of the lens 54. I tried to image. Therefore, in the present embodiment, the first spectrum Sp1 and the second spectrum Sp2 can be obtained without focusing if the measurement object is 125 mm or more away from the lens 54.
図17は、第1スペクトル取得ステップSt11で取得された第1スペクトルSp1を示す図である。図18は、第2スペクトル取得ステップSt12で取得された第2スペクトルSp2を示す図である。図19は、第3スペクトル取得ステップSt13で取得された第3スペクトルSp3を示す図である。第3スペクトルSp3(=Sp1−Sp2)は、周囲環境光の影響および分光器20のダーク信号が除去されたものであって、光源10からの光が測定対象物に照射されて測定対象物の内部における光吸収を反映した拡散反射光のスペクトルを表している。なお、これらのスペクトルSp1,Sp2,Sp3は、分光器20からの生データであって波長感度補正をしていないが、後に、同様に生データのままである出力光スペクトルSp0で第3スペクトルSp3を除算するので問題ない。 FIG. 17 is a diagram illustrating the first spectrum Sp1 acquired in the first spectrum acquisition step St11. FIG. 18 is a diagram illustrating the second spectrum Sp2 acquired in the second spectrum acquisition step St12. FIG. 19 is a diagram illustrating the third spectrum Sp3 acquired in the third spectrum acquisition step St13. The third spectrum Sp3 (= Sp1-Sp2) is obtained by removing the influence of ambient light and the dark signal of the spectroscope 20, and the light from the light source 10 is irradiated onto the measurement object, and the measurement object. It represents the spectrum of diffusely reflected light reflecting the internal light absorption. Note that these spectra Sp1, Sp2, Sp3 are raw data from the spectroscope 20 and are not subjected to wavelength sensitivity correction. However, the third spectrum Sp3 is the output light spectrum Sp0 that is still raw data in the same manner. There is no problem because it divides.
図20は、光源10の出力光スペクトルSp0および第3スペクトルSp3を示す図である。図21は、第4スペクトル取得ステップSt14で取得された第4スペクトルSp4を示す図である。第4スペクトルSp4(=Sp3/Sp0)は、反射率のスペクトルを表している。なお、おおよそ波長400nm以下の波長帯域では、出力光スペクトルSp0の強度が小さいことから、第4スペクトルSp4のノイズが大きい。また、おおよそ波長500nm以下の波長帯域では、第3スペクトルSp3の強度は小さく、第4スペクトルSp4の強度も小さい。したがって、以降では、波長500nm以上の帯域を扱うことにする。 FIG. 20 is a diagram illustrating the output light spectrum Sp0 and the third spectrum Sp3 of the light source 10. FIG. 21 is a diagram illustrating the fourth spectrum Sp4 acquired in the fourth spectrum acquisition step St14. The fourth spectrum Sp4 (= Sp3 / Sp0) represents the reflectance spectrum. Note that, in the wavelength band of approximately 400 nm or less, the intensity of the output light spectrum Sp0 is small, and therefore the noise of the fourth spectrum Sp4 is large. In the wavelength band of approximately 500 nm or less, the intensity of the third spectrum Sp3 is small and the intensity of the fourth spectrum Sp4 is also small. Therefore, hereinafter, a band having a wavelength of 500 nm or more will be handled.
図22は、16枚のコマツナの葉それぞれを測定対象物として第4スペクトル取得ステップSt14で取得された第4スペクトルSp4を示す図である。図23は、16枚のコマツナの葉それぞれを測定対象物として第5スペクトル取得ステップSt15で取得された第5スペクトルSp5を示す図である。目視によると、これら16枚のコマツナの葉の緑色の濃度は様々であった。また、これら16枚のコマツナの葉のSPAD値を市販のSPAD計により測定した。 FIG. 22 is a diagram illustrating the fourth spectrum Sp4 acquired in the fourth spectrum acquisition step St14 using each of the 16 Komatsuna leaves as the measurement object. FIG. 23 is a diagram illustrating the fifth spectrum Sp5 acquired in the fifth spectrum acquisition step St15 using each of the 16 Komatsuna leaves as the measurement object. Visually, the green density of these 16 Komatsuna leaves varied. Moreover, the SPAD value of these 16 Komatsuna leaves was measured with a commercially available SPAD meter.
図22に示されるように、16枚のコマツナの葉それぞれについて取得された第4スペクトルSp4は、大きなバラツキが存在するように見え、扱いが困難である。しかし、図23に示されるように、第4スペクトルSp4に対してSNV補正処理をして得られた相対反射スペクトル(第5スペクトル)Sp5は、16枚のコマツナの葉の間でバラツキが低減されている。 As shown in FIG. 22, the fourth spectrum Sp4 acquired for each of the 16 Komatsuna leaves appears to have large variations and is difficult to handle. However, as shown in FIG. 23, the relative reflection spectrum (fifth spectrum) Sp5 obtained by performing the SNV correction process on the fourth spectrum Sp4 is reduced in variation among the 16 Komatsuna leaves. ing.
16枚のコマツナの葉それぞれの第5スペクトルSp5と市販のSPAD計による測定結果との間の相関を評価した。その結果、第5スペクトルSp5における波長547nmおよび718nmそれぞれの強度が、SPAD計による測定結果に対して相関が高いことが分かった。そこで、第5スペクトルSp5における波長547nm付近および718nm付近それぞれの強度の値を利用して多重回帰分析を行い、SPAD値を推定した。 The correlation between the fifth spectrum Sp5 of each of the 16 Komatsuna leaves and the measurement result by a commercially available SPAD meter was evaluated. As a result, it was found that the respective intensities of the wavelengths 547 nm and 718 nm in the fifth spectrum Sp5 have a high correlation with the measurement result by the SPAD meter. Therefore, multiple regression analysis was performed using the intensity values of the fifth spectrum Sp5 near the wavelengths of 547 nm and 718 nm to estimate the SPAD value.
図24は、第5スペクトルSp5に基づくSPAD推定値とSPAD計によるSPAD実測値との間の相関を示すグラフである。この図は、16枚のコマツナの葉それぞれについてSPAD推定値およびSPAD実測値を表す位置を示している。クロスバリデーションの予測誤差は2.18であり、良好な結果であった。 FIG. 24 is a graph showing the correlation between the SPAD estimated value based on the fifth spectrum Sp5 and the SPAD actual measurement value by the SPAD meter. This figure shows the positions representing the estimated SPAD value and the measured SPAD value for each of the 16 Komatsuna leaves. The prediction error of cross validation was 2.18, which was a good result.
また、この多重回帰分析の結果から、相対反射スペクトル(第5スペクトル)Sp5において波長547nmでの相対反射率をR1とし、波長718nmでの相対反射率をR2とすると、本実験例におけるSPAD推定値の計算式は下記の通りである。
SPAD推定値 =6.8139 x R1 + 13.6028 x R2 + 20.8201
圃場で個別の植物サンプルの反射スペクトルを取得すれば、この計算式を評価ステップSt6で用いることにより、対応するSPAD値を逐次取得することができるようになる。なお、相関評価および多重回帰分析は、多変量解析ソフトウェア「The Unscrambler X」を用いて実施された。
Further, from the results of this multiple regression analysis, assuming that the relative reflectance at the wavelength 547 nm is R1 and the relative reflectance at the wavelength 718 nm is R2 in the relative reflectance spectrum (fifth spectrum) Sp5, the SPAD estimated value in this experimental example The calculation formula is as follows.
SPAD estimate = 6.8139 x R1 + 13.6028 x R2 + 20.8201
If the reflection spectrum of an individual plant sample is acquired in the field, the corresponding SPAD value can be acquired sequentially by using this calculation formula in the evaluation step St6. Correlation evaluation and multiple regression analysis were performed using multivariate analysis software “The Unscrambler X”.
以上のとおり、本実施形態により従来のSPAD計と同等の結果を非接触で得ることができる。 As described above, according to the present embodiment, a result equivalent to that of a conventional SPAD meter can be obtained without contact.
次に、周囲環境光を様々に設定した場合で各スペクトルを取得した。周囲環境光の光源として、蛍光灯、キセノンランプまたは赤色灯を用いた。何れの場合においても、共通の光源10を用い、共通の測定対象物(コマツナ)を用いた。図25は、周囲環境光源として蛍光灯を用いた場合のスペクトルSp1〜Sp3を示す図である。図26は、周囲環境光源としてキセノンランプを用いた場合のスペクトルSp1〜Sp3を示す図である。図27は、周囲環境光源として赤色灯を用いた場合のスペクトルSp1〜Sp3を示す図である。第1スペクトルSp1は、光源10および周囲環境光源の双方により測定対象物を照射したときに分光器20により取得されたスペクトルである。第2スペクトルSp2は、周囲環境光源のみにより測定対象物を照射したときに分光器20により取得されたスペクトルである。第3スペクトルSp3は、第1スペクトルSp1から第2スペクトルSp2を減算して得られたスペクトルである。 Next, each spectrum was acquired when ambient ambient light was set in various ways. A fluorescent lamp, a xenon lamp, or a red lamp was used as a light source of ambient ambient light. In any case, a common light source 10 was used, and a common measurement object (Komatsuna) was used. FIG. 25 is a diagram illustrating spectra Sp1 to Sp3 when a fluorescent lamp is used as the ambient environment light source. FIG. 26 is a diagram illustrating spectra Sp1 to Sp3 when a xenon lamp is used as the ambient environment light source. FIG. 27 is a diagram showing spectra Sp1 to Sp3 when a red lamp is used as the ambient environment light source. The first spectrum Sp1 is a spectrum acquired by the spectroscope 20 when the measurement object is irradiated by both the light source 10 and the ambient environment light source. The second spectrum Sp2 is a spectrum acquired by the spectroscope 20 when the measurement object is irradiated only by the ambient environment light source. The third spectrum Sp3 is a spectrum obtained by subtracting the second spectrum Sp2 from the first spectrum Sp1.
図28は、周囲環境光源として蛍光灯、キセノンランプおよび赤色灯それぞれを用いた場合の第3スペクトルSp3を示す図である。図29は、周囲環境光源として蛍光灯、キセノンランプおよび赤色灯それぞれを用いた場合の第3スペクトルSp3に対してSNV補正による標準化処理をして得られたスペクトルを示す図である。図28に示されるように、測定機会によって周囲環境光が異なると、標準化処理前の第3スペクトルSp3が異なることが分かる。これに対して、図29に示されるように、周囲環境光が異なっていても、第3スペクトルSp3に対して標準化処理をして得られたスペクトルは略同一の形状であることが分かる。すなわち、標準化処理をして得られる各スペクトルは、相似しており、相対強度で比較する場合には同一のものとして扱ってよいことが分かる。 FIG. 28 is a diagram illustrating a third spectrum Sp3 when a fluorescent lamp, a xenon lamp, and a red lamp are used as ambient environment light sources. FIG. 29 is a diagram showing a spectrum obtained by performing standardization processing by SNV correction on the third spectrum Sp3 when each of the fluorescent lamp, the xenon lamp, and the red lamp is used as the ambient environment light source. As shown in FIG. 28, it can be seen that the third spectrum Sp3 before the standardization process is different when the ambient light is different depending on the measurement opportunity. On the other hand, as shown in FIG. 29, it can be seen that the spectra obtained by standardizing the third spectrum Sp3 have substantially the same shape even if the ambient light is different. That is, it can be seen that the spectra obtained by the standardization process are similar, and may be treated as the same when compared by relative intensity.
図30は、周囲環境光源として蛍光灯、キセノンランプおよび赤色灯それぞれを用いた場合の第2スペクトルSp2を示す図である。図31は、周囲環境光源として蛍光灯、キセノンランプおよび赤色灯それぞれを用いた場合の第2スペクトルSp2に対してSNV補正による標準化処理をして得られたスペクトルを示す図である。これらの図に示されるように、測定機会によって周囲環境光が異なると、標準化処理前の第2スペクトルSp2が異なるだけでなく、第2スペクトルSp2に対して標準化処理をして得られたスペクトルも異なることが分かる。 FIG. 30 is a diagram illustrating a second spectrum Sp2 when a fluorescent lamp, a xenon lamp, and a red lamp are used as ambient environment light sources. FIG. 31 is a diagram illustrating a spectrum obtained by performing standardization processing by SNV correction on the second spectrum Sp2 when a fluorescent lamp, a xenon lamp, and a red lamp are used as the ambient environment light sources. As shown in these figures, when the ambient light varies depending on the measurement opportunity, not only the second spectrum Sp2 before the standardization process is different, but also the spectrum obtained by performing the standardization process on the second spectrum Sp2. I can see that they are different.
したがって、測定対象物からの反射光のスペクトルを得るには、測定対象物の近傍に配置された白色散乱板等からの反射光を分光測定して、周囲環境光のスペクトルを取得する必要がある。また、この周囲環境光のスペクトルの取得は、測定機会毎に実施する必要がある。圃場でこの作業を煩雑に繰り返すことは労力の負担が大きい。しかし、本実施例では、装置が白色光源を備え、第1スペクトルSp1から第2スペクトルSp2を減算することで反射光スペクトル(第3スペクトル)Sp3を取得し、この第3スペクトルSp3を白色光源の出力光スペクトルSp0で除算することで反射率スペクトル(第4スペクトル)Sp4を取得するので、測定対象物を容易に評価することができる。 Therefore, in order to obtain the spectrum of the reflected light from the measurement object, it is necessary to spectroscopically measure the reflected light from a white scattering plate or the like disposed in the vicinity of the measurement object to obtain the ambient light spectrum. . Further, it is necessary to acquire the ambient light spectrum at every measurement opportunity. Repeating this work on the field in a complicated manner is labor intensive. However, in this embodiment, the apparatus includes a white light source, and the reflected light spectrum (third spectrum) Sp3 is obtained by subtracting the second spectrum Sp2 from the first spectrum Sp1, and this third spectrum Sp3 is obtained from the white light source. Since the reflectance spectrum (fourth spectrum) Sp4 is obtained by dividing by the output light spectrum Sp0, the measurement object can be easily evaluated.
1A〜1I…非接触分光測定装置、2A〜2I…測定ヘッド、3…制御装置(演算部)、3a…表示部、10…光源、20…分光器、30…撮像部、40…偏光子、41…第1偏光子、42…第2偏光子、51…シャッタ、52,53…ビームスプリッタ、54…レンズ、55…絞り、56,57…ビームダンパ、60…レーザ光源、Ra…照射範囲、Rb…分光可能範囲、Sa,Sb…測定対象物。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1A-1I ... Non-contact spectroscopic measurement apparatus, 2A-2I ... Measuring head, 3 ... Control apparatus (calculation part), 3a ... Display part, 10 ... Light source, 20 ... Spectroscope, 30 ... Imaging part, 40 ... Polarizer, DESCRIPTION OF SYMBOLS 41 ... 1st polarizer, 42 ... 2nd polarizer, 51 ... Shutter, 52, 53 ... Beam splitter, 54 ... Lens, 55 ... Aperture, 56, 57 ... Beam damper, 60 ... Laser light source, Ra ... Irradiation range, Rb ... spectral range, Sa, Sb ... object to be measured.
Claims (20)
前記光源から測定対象物へ至る第1光路の途中に設けられ、前記光源から出力された光を入力して、特定偏光の光を前記測定対象物へ出力する第1偏光子と、
前記測定対象物で生じた光のうち到達した光のスペクトルを取得する分光器と、
前記測定対象物から前記分光器へ至る第2光路の途中に設けられ、前記測定対象物で生じた光を入力して、前記特定偏光の光を除く光を前記分光器へ出力する第2偏光子と、
前記光源から出力された光を前記測定対象物に照射している期間に前記分光器が取得した第1スペクトルから、前記光源から出力される光を前記測定対象物に照射していない期間に前記分光器が取得した第2スペクトルを減算して、その減算結果として第3スペクトルを求め、前記第3スペクトルを前記光源の出力光スペクトルで除算した結果として第4スペクトルを求め、前記第4スペクトルまたは前記第4スペクトルを処理して得られた第5スペクトルに基づいて前記測定対象物を評価する演算部と、
を備える非接触分光測定装置。 A light source that outputs broadband light;
A first polarizer that is provided in the middle of a first optical path from the light source to the measurement object, inputs light output from the light source, and outputs light of specific polarization to the measurement object;
A spectroscope for acquiring a spectrum of light that has reached among the light generated by the measurement object;
Second polarized light that is provided in the middle of the second optical path from the measurement object to the spectrometer, inputs light generated by the measurement object, and outputs light other than the light of the specific polarization to the spectrometer. With the child,
From the first spectrum acquired by the spectrometer during the period when the measurement object is irradiated with the light output from the light source, the period when the measurement object is not irradiated with the light output from the light source. Subtracting the second spectrum acquired by the spectroscope, obtaining a third spectrum as the subtraction result, obtaining a fourth spectrum as a result of dividing the third spectrum by the output light spectrum of the light source, A computing unit that evaluates the measurement object based on a fifth spectrum obtained by processing the fourth spectrum;
A non-contact spectroscopic measurement apparatus.
請求項1に記載の非接触分光測定装置。 The computing unit obtains a fifth spectrum by standardizing the fourth spectrum, and evaluates the measurement object based on the fifth spectrum.
The non-contact spectroscopic measurement apparatus according to claim 1.
請求項1または2に記載の非接触分光測定装置。 The first optical path and the second optical path are common optical paths where light enters and exits the measurement object.
The non-contact spectrometry apparatus according to claim 1 or 2.
請求項1〜3の何れか1項に記載の非接触分光測定装置。 The first polarizer and the second polarizer are polarizers that output linearly polarized light,
The non-contact spectrometry apparatus according to any one of claims 1 to 3.
請求項1〜3の何れか1項に記載の非接触分光測定装置。 The first polarizer and the second polarizer are polarizers that output circularly polarized light,
The non-contact spectrometry apparatus according to any one of claims 1 to 3.
請求項3に記載の非接触分光測定装置。 The first polarizer and the second polarizer are polarizers that output circularly polarized light, and are provided as a common polarizer in the middle of the common optical path.
The non-contact spectroscopic measurement apparatus according to claim 3.
前記ビームスプリッタから出力された前記第2分岐光を受光して、前記測定対象物を撮像する撮像部と、
前記撮像部により撮像された前記測定対象物の画像を表示する表示部と、
を更に備える請求項1〜6の何れか1項に記載の非接触分光測定装置。 A beam splitter provided in the middle of the second optical path, bifurcating light from the measurement object into first branched light and second branched light, and outputting the first branched light to the spectrometer;
An imaging unit that receives the second branched light output from the beam splitter and images the measurement object;
A display unit for displaying an image of the measurement object imaged by the imaging unit;
The non-contact spectrometry apparatus according to claim 1, further comprising:
請求項7に記載の非接触分光測定装置。 The display unit displays a range in which the spectroscope performs spectroscopic measurement in the image of the measurement object.
The non-contact spectroscopic measurement apparatus according to claim 7.
前記第2光路の途中に設けられ、前記測定対象物からの光を前記分光器へ出力するとともに、前記レーザ光源からのレーザ光を前記第2光路に沿って前記測定対象物へ出力するビームスプリッタと、
を更に備える請求項1〜8の何れか1項に記載の非接触分光測定装置。 A laser light source for outputting laser light;
A beam splitter provided in the middle of the second optical path for outputting light from the measurement object to the spectrometer and outputting laser light from the laser light source to the measurement object along the second optical path. When,
The non-contact spectrometry apparatus according to claim 1, further comprising:
請求項1〜9の何れか1項に記載の非接触分光測定装置。 The range in which the measurement object is irradiated with light through the first optical path is a visible spot shape.
The non-contact spectrometry apparatus according to any one of claims 1 to 9.
前記光源から出力される光を前記測定対象物に照射していない期間に、前記分光器に入射した光の第2スペクトルを前記分光器により取得する第2スペクトル取得ステップと、
前記第1スペクトルから前記第2スペクトルを減算した結果として第3スペクトルを求める減算ステップと、
前記第3スペクトルを前記光源の出力光スペクトルで除算した結果として第4スペクトルを求める除算ステップと、
前記第4スペクトルまたは前記第4スペクトルを処理して得られた第5スペクトルに基づいて前記測定対象物を評価する評価ステップと、
を備える非接触分光測定方法。 With the first polarizer provided in the middle of the first optical path from the light source to the measurement object, the measurement object is irradiated with the broadband light output from the light source as light of a specific polarization, and during the irradiation period, The second polarizer provided in the middle of the second optical path from the measurement object to the spectroscope makes light excluding the light of the specific polarization out of the light generated by the measurement object enter the spectroscope. A first spectrum acquisition step of acquiring the first spectrum of the incident light by the spectrometer;
A second spectrum acquisition step of acquiring a second spectrum of light incident on the spectroscope by the spectroscope during a period when the measurement object is not irradiated with light output from the light source;
Subtracting a third spectrum as a result of subtracting the second spectrum from the first spectrum;
A division step of obtaining a fourth spectrum as a result of dividing the third spectrum by the output light spectrum of the light source;
An evaluation step of evaluating the measurement object based on the fourth spectrum or a fifth spectrum obtained by processing the fourth spectrum;
A non-contact spectroscopic measurement method comprising:
前記評価ステップにおいて、この第5スペクトルに基づいて前記測定対象物を評価する、
請求項11に記載の非接触分光測定方法。 A standardization step of obtaining a fifth spectrum by standardizing the fourth spectrum;
In the evaluation step, the measurement object is evaluated based on the fifth spectrum.
The non-contact spectroscopic measurement method according to claim 11.
請求項11または12に記載の非接触分光測定方法。 The first optical path and the second optical path are common optical paths where light enters and exits the measurement object.
The non-contact spectroscopic measurement method according to claim 11 or 12.
請求項11〜13の何れか1項に記載の非接触分光測定方法。 The first polarizer and the second polarizer are polarizers that output linearly polarized light,
The non-contact spectrometry method according to any one of claims 11 to 13.
請求項11〜13の何れか1項に記載の非接触分光測定方法。 The first polarizer and the second polarizer are polarizers that output circularly polarized light,
The non-contact spectrometry method according to any one of claims 11 to 13.
請求項13に記載の非接触分光測定方法。 The first polarizer and the second polarizer are polarizers that output circularly polarized light, and are provided as a common polarizer in the middle of the common optical path.
The non-contact spectroscopic measurement method according to claim 13.
前記第2分岐光を受光した前記撮像部により前記測定対象物を撮像し、
前記撮像部により撮像された前記測定対象物の画像を表示部により表示する、
請求項11〜16の何れか1項に記載の非接触分光測定方法。 A beam splitter provided in the middle of the second optical path splits the light from the object to be measured into a first branched light and a second branched light, and outputs the first branched light to the spectrometer. , Outputting the second branched light to the imaging unit,
The measurement object is imaged by the imaging unit that has received the second branched light,
An image of the measurement object captured by the imaging unit is displayed by a display unit;
The non-contact spectrometry method according to any one of claims 11 to 16.
請求項17に記載の非接触分光測定方法。 The display unit displays a range in which the spectroscope performs spectroscopic measurement in the image of the measurement object.
The non-contact spectroscopic measurement method according to claim 17.
請求項11〜18の何れか1項に記載の非接触分光測定方法。 A beam splitter provided in the middle of the second optical path outputs light from the measurement object to the spectrometer and outputs laser light from a laser light source to the measurement object along the second optical path. To
The non-contact spectrometry method according to any one of claims 11 to 18.
請求項11〜19の何れか1項に記載の非接触分光測定方法。 The range in which the measurement object is irradiated with light through the first optical path is a visible spot shape.
The non-contact spectrometry method according to any one of claims 11 to 19.
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