(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検体に光を照射してその反射光により被検体内部の屈折率を非破壊で測定する装置であって、
所定の屈折率を備えたプリズムと、
該被検体に対して該プリズムを介して近赤外光を投射する投射手段と、
該被検体と該プリズム間を充填し、該被検体の特性に合わせて設定された屈折率を有する接触材と、
該被検体内部に侵入した光の内部反射光を該接触材と該プリズムとを介して受光する受光手段とを備え、
該投射手段は該プリズムの表面のうち該接触材又は該被検体に接触する面に対して平行に移動可能であることを特徴とする非破壊測定装置。
【請求項２】
請求項１記載の屈折型非破壊測定装置であって、
該被検体は青果物であって、屈折率により該青果物の糖度を測定することを特徴とする非破壊測定装置。
【請求項３】
請求項１記載の非破壊測定装置であって、
該被検体はパイプ内を通る液体であることを特徴とする非破壊測定装置。
【請求項４】
請求項１記載の非破壊測定装置であって、
該プリズムの屈折率Ｎｐ、該接触材の屈折率Ｎｃおよび該被検体の屈折率Ｎｓとが、Ｎｐ＞Ｎｃ＞Ｎｓという関係を有することを特徴とする非破壊測定装置。
【請求項５】
請求項１記載の非破壊測定装置であって、
該接触材は弾力性を有する物質であることを特徴とする非破壊測定装置。
【請求項６】
請求項１記載の非破壊測定装置であって、
該接触材は透明でかつ強度を有する袋内にしょ糖の溶液を入れたものであることを特徴とする非破壊測定装置。
【請求項７】
請求項１記載の非破壊測定装置であって、
接触材は複数であり、
該複数の接触材は、そのいずれか一つを選択的に該被検体と該プリズムの間に挿入可能であることを特徴とする非破壊測定装置。
【請求項８】
被検体に光を照射してその反射光により被検体内部の屈折率を非破壊で測定する方法であって、
該被検体と所定の屈折率を備えたプリズムとの間に
該被検体の特性に合わせて設定された屈折率を有する接触材を充填し、
該プリズムの表面のうち該接触材又は該被検体に接触する面に対して平行に移動可能である投射手段により該被検体に対して該プリズムを介して近赤外光を投射し、
該被検体内部に侵入した光の内部反射光を該接触材と該プリズムとを介して受光することを特徴とする非破壊測定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
りんご、もも等の青果物の糖度を測定する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図６に示すように、従来は青果物の果汁を被検体５０とし、同じ屈折率を有するプリズム５２、５４の間に被検体を挟む形としていた。
この装置においては、光源５６からプリズム５２、５４を介して被検体５０に単色可視光が入射され、被検体５０とプリズム５２、５４の屈折率の違いにより入射光は屈折し、屈折光を受光するラインセンサ５８は、出射光の照射の有無により明暗の部分に分かれる。
出射光の出射方向は、被検体の屈折率により異なるため、ラインセンサ５８上に到達した屈折光の境界位置により被検体の屈折率を求めることができ、さらに被検体である青果物の糖度が得られる。（ＩＣＵＭＳＡ（国際砂糖分析法統一委員会）の関係式による）（表１）
【０００３】
【表１】
0003576773.tif 000002
この表において、「％」は糖度を示しており、しょ糖を水に溶解したときの重量％を単位としており、Ｂｒｉｘ％とも呼ばれる。「ｎＤ２０  」は、２０℃におけるサンプルの屈折率を示す。ここで、サンプル温度が２０℃でない場合や、使用光源の波長が異なる場合はこの換算値は異なる。すなわち、一般に使用光源波長による座屈率変化（分散）は、式（２）（ハルトマンの分散式）で表される。
ｎ＝ｈ０＋（ｃ／（λ−λ０））
ここで、
ｎ：屈折率
λ：波長
ｈ０、ｃ：物質によって定まる定数である。
【０００４】
別の従来例を図７に示す。
この例では、プリズム６２を介して青果物の果汁である被検体５０に単色可視光が照射される。このときの入射角を適当に選ぶと、入射光はプリズム６２に接する被検体５０の被検体面６４で全反射される。全反射された光を受光するラインセンサ５８は、反射光の照射の有無によって明暗の部分に分かれる。全反射の始まる角度は被検体の屈折率により異なるため、ラインセンサ５８の境界位置により被検体である青果物の屈折率および糖度が得られるのは上記の従来例と同様である。
しかし、これらの装置では、青果物を破壊して果汁を採取しなければならなかった。このため、測定のたびに青果物を破壊・消費しなければならず、また、販売する青果物そのものの糖度を測ることはできなかった。
【０００５】
これらに対して、被検体を破壊せずに測定する方法として図８の様な従来例がある。
この例では、図７の被検体５０に代えて、破壊していない青果物を被検体６６としている。測定原理は図７の例と同様である。
しかし、プリズム６２と被検体の被検体面６８との接触が不十分な場合やその近傍に空気が存在すると、被検体面６８において全反射が生じない。また、被検体面がプリズム６２に対して傾斜角を有する場合、この傾斜角の影響により正確な測定ができない。
さらに、青果物を破壊せずに測定する方法として、近赤外吸光分析を用いた装置が実用化されているが、装置が大型であり、高価であり、電源が必要である。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明においては、所定の屈折率を備えたプリズムと、被検体に対してプリズムを介して近赤外光を投射する投射手段と、被検体とプリズム間を充填し、被検体の特性に合わせて設定された屈折率を有する接触材と、被検体内部に侵入した光の内部反射光を接触材とプリズムとを介して受光する受光手段とを有する。
【０００７】
【実施例】
図１は本発明の第１実施例を示す図である。
被検体２は、接触材４を介してプリズム６に接触している。光源８から投射される光は、プリズム６および接触材４を通って被検体２に照射される。この光による被検体面１０からの反射光は接触材４およびプリズム６を通って出射し、ラインセンサ１２により検知される。
【０００８】
被検体４は、リンゴや桃といった青果物である。光源８から被検体２へ投射される光は、青果物に対して透過性の良い近赤外光であって、７００〜７２０ｎｍあるいは７９０〜８１０ｎｍに中心波長を有する単色光を用いている。このような投射光を使用するため、投射光は被検体表面１０で遮られることがなく、被検体２を破壊せずに内部まで投射光を投射することができる。
【０００９】
接触材４は、弾力性を有する透明シリコンのゲル体を使用している。このような接触材を使用することによって、被検体面１０が平面でなくても、途中に空気層を介在させずにプリズム６と接触させることが可能となる。
また、プリズム６、接触材４、被検体２それぞれの屈折率Ｎｐ、Ｎｃ、Ｎｓには、次のような関係を持たせている。
Ｎｐ＞Ｎｃ＞Ｎｓ          ・・・（１）
【００１０】
本発明は、光源８から被検体２に投射する光が被検体面１０で全反射するときの臨界角をラインセンサ１２によって測定し、その臨界角から被検体の屈折率さらには、被検体たる青果物の糖度を測定しようとするものである。すなわち、（１）式が成り立つ場合には、光源８から入射角αで投射される光は、
Ｎｐ＞Ｎｃ  の関係よりαより小さい角度βで屈折する。このとき、
Ｎｐｓｉｎα  ＝  Ｎｃｓｉｎβ
である（スネルの法則）。この屈折光は、被検体面１０において、Ｎｃ＞Ｎｓの関係により、ある臨界角γを超える角度で入射すると全反射が起きる。γ以下の角度では被検体内部への屈折光と反射光が併存する。なお、（１）式より、被検体面２で臨界角γを超えて全反射が起きる以前に、接触材４とプリズム６の境界面で全反射が起きることはない。被検体２から反射された光は、接触体４とプリズム６との境界で再び屈折してラインセンサー１２に達する。
【００１１】
ラインセンサ１２においては、被検体２からの全反射による反射光によって照射された部分とそうでない部分とで明暗の差が現われる。その明暗の境界値１４、プリズム６の屈折率Ｎｐ、接触材４の屈折率Ｎｃおよび角度αにより、被検体２の被検体面１０における臨界角γを求めることができ、これにより被検体２の屈折率を求めることができる。被検体である青果物の糖度は、その屈折率からＩＣＵＭＳＡ（国際砂糖分析法統一委員会）の関係式（表１）により求めることができる。
【００１２】
図２は、第２実施例であって、被検体面がプリズム面１６に対してわずかに傾斜している場合である。傾斜角度はδである。このような場合には、被検体面１０において全反射された光によって生じるラインセンサ１２上の境界値１４はその傾斜により変動してしまう。本実施例では、被検体、接触材およびプリズムの構成および屈折率の関係は第１実施例と同様であるが、被検体と接触材の屈折率は極めて近い値としている。
Ｎｐ ＞ Ｎｃ ＞ Ｎｓ
このとき、以下の関係が存在する。
Ｎｐｓｉｎα２ ＝ Ｎｃｓｉｎβ２
Ｎｃｓｉｎγ２ ＝ Ｎｓ
Ｎｃｓｉｎβ３ ＝ Ｎｐｓｉｎα３
β２ ＝ γ２ ＋δ
β３ ＝ γ２ −δ
さらにδが微小であることより、
ｃｏｓδ ＝ １
ｓｉｎδ ＝ δ
である。以上の関係から、
【数１】
0003576773.tif 000003
となり、
全反射角α３ は、接触材の屈折率Ｎｃと傾斜角δに依存する。
【００１３】
本実施例では、接触材の屈折率Ｎｃと被検体の屈折率Ｎｓを近似としているため、（２）式より、全反射角α３ は傾斜角に関係のない値をとることが分かる。このことは図３に示されている。図５は、（２）式において、Ｎｓ＝１．３３２９〜１．３６３８４（０〜２０％Ｂｒｉｘ）、Ｎｃ＝１．３６３８４（２０％Ｂｒｉｘ）、Ｎｐ＝１．７とした場合に、Ｎｓを０、５、１０、１５、２０％Ｂｒｉｘとしたときの傾斜角δに対する全反射角α３ の変化を表したものである。この図からも分かるように、接触材の屈折率Ｎｃの値と被検体の屈折率Ｎｓの値とを１．３６３８４（２０％Ｂｒｉｘ）の近辺のほぼ同じ値（Ｎｃ≒Ｎｓ）とすると、全反射角α３ は傾斜角δに関係のない一定の値をとることが分かる。また、ＮｃとＮｓが近い値を取るほど全反射角に対する傾斜角の影響は小さくなることも分かる。その他の作用・効果については第１実施例と同様である。
【００１４】
図４は、本発明の第３実施例を示す図である。
第３実施例では、プリズム６のプリズム面１６に平行に移動可能な光源１８を有する。プリズム６、接触材４、被検体２及びラインセンサ１２の構成については、第１実施例および第２実施例と同様である。プリズム６、接触材４、被検体２それぞれの屈折率Ｎｐ、Ｎｃ、Ｎｓの関係は第１実施例と同様に
Ｎｐ  ＞  Ｎｃ  ＞  Ｎｓ
としている。光源１８は、プリズム面１６に平行に移動可能であるため、プリズム面１６における入射角は常に一定である。
【００１５】
被検体２の被検体面１０にはプリズム面１６に対して傾斜があり、被検体面１０において全反射された光によって生じるラインセンサ上の境界値１４はその傾斜により変動してしまう。しかし、本実施例の構成により、光源１８を移動して光を投射し、光源１８の移動に対応する被検体面１０の数箇所で全反射された光をラインセンサ１２上の複数の境界値１４として検知する。この境界値を平均化することにより、傾斜角δの影響を除くことが可能である。
なお、第２実施例と同様に
Ｎｐ ＞ Ｎｃ ＞ Ｎｓ
とすればより正確に被検体の屈折率を測定することが可能である。
【００１６】
図５は、本発明の第４実施例を示す図である。
本実施例においては、３種の接触材２０、２２、２４が回転機構２６内に配置されている。回転機構２６の回転により、使用する接触材を選択してプリズム６上に配置することが可能である。被検体２を接触材上に載置するのは接触材の選択の前であっても後であっても良い。プリズム６と選択された接触材との間及び接触材と被検体２との間の接触は、被検体２の自重と接触材の弾力性により十分であって、プリズム６と接触材との間、または接触材と被検体２との間に空気が介在することはない。３種の接触材は、それぞれ異なる屈折率を有する。
【００１７】
本実施例においては、第１〜第３実施例と同様に、光源８から投射された光はプリズム６及び選択された接触材を通って被検体２に照射され、被検体面１０で反射された光は接触材及びプリズム６を通って出射し、ラインセンサ１２により検知される。
被検体２がプリズム面１６に対して傾斜している場合には、被検体面１０において全反射された光によって生じるラインセンサ上の境界値１４はその傾斜により変動してしまう。しかし、本実施例の構成では屈折率の異なる接触材を使用可能としているため、被検体の屈折率に最も近い屈折率を有する接触材を選択することにより、図３に示すように被検体２の傾斜の影響を抑えることが可能である。
【００１８】
なお、接触材は２種以上であればいくつあってもよく、多数あるほどより正確な測定を行うことができる。
なお、第１〜第４実施例において、接触材は透明かつ強度を有する袋にしょ糖等の高屈折率溶液を入れたもの、もしくはしょ糖等の高屈折率溶液そのものであってもよい。
また、被検体は工場のパイプを流れる液体であってもよい。この場合は、パイプの窓とプリズムとの間に接触材を充填して測定を行う。さらに、被検体はガラス等の容器中の液体であってもよい。この場合は、容器表面とプリズムとの間に接触材を充填して測定を行う。
【００１９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、青果物の形状に関わらず青果物を破壊せずにその糖度を測定できる。
さらに、電源が不要であり、小型携帯化が可能であり、製造も容易かつ安価にできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施例を示す図である。
【図２】第２実施例を示す図である。
【図３】傾斜角と全反射角との関係を示す図である。
【図４】第３実施例を示す図である。
【図５】第４実施例を示す上面図及び断面図である。
【図６】従来例を示す図である。
【図７】従来例を示す図である。
【図８】従来例を示す図である。
【符号の説明】
２  被検体
４  接触材
６  プリズム
８  光源
１０  被検体面
１２  ラインセンサ
１４  境界値
α  入射角
β  出射角
γ  臨界角
【図１】
0003576773.tif 000004
【図２】
0003576773.tif 000005
【図３】
0003576773.tif 000006
【図４】
0003576773.tif 000007
【図５】
0003576773.tif 000008
【図６】
0003576773.tif 000009
【図７】
0003576773.tif 000010
【図８】
0003576773.tif 000011