(57)【要約】検査対象物の内部を通ってきた透過光を光ファイバーに入光させ、その光を分光分析して検査対象物の内部品質や成分を測定、検査するために小型パッケージ化した分光センサーユニットである。所定入射角以内の光だけを通す光ファイバー束を、その受光面から入光された光の斑が出光側で均等に分散するように撚り合せ、かつこの光ファイバー束の出光面の形状が、光拡散体の入光側端面および光電変換素子の受光面の大きさと一致するように整形維持ホルダーにより保持させ、さらにその光ファイバー束の出光面からの光を拡散透過させる光拡散体と、該光拡散体の出光端面に設けられる連続可変干渉フイルターと、この連続可変干渉フイルターに続いて設けられる光電変換素子を具備し、さらに、前記光ファイバー束と光拡散体と連続可変干渉フイルターのそれぞれの光路を一致させ、かつそれらをパッケージ内で気密状態にシール保持させる。
2003091676.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
検査用の光源により検査対象物内部を拡散透過して出てくる光を光ファイバー束を介して入光し、この入光を分光しアレイ型センサーが受光したスペクトルから検査対象物の内部品質等を検査する装置に用いる分光センサーユニットであって、入光する光の角度を光ファイバーの中心線に対し所定度角以上の光を除去し、所定入射角以内の光のみを通過させ伝送する特性を有する光ファイバー束の入光側端部を検査対象物の表面から出て来る内部拡散光の受光面とし、該光ファイバー束の出光側端部を均一な層厚で入力光の斑が出光側端部の各部でほぼ均等に分散した出力光となるように光ファイバーを撚り合せ、その出光側端面を光拡散体の入光側端面および光電変換素子の受光面の大きさに一致させた形状となしてで整形維持ホルダーで保持させ、その出光側端面からの光を拡散透過させる光拡散体と、該光拡散体の出光側端面に位置する連続可変干渉フィルターと、該連続可変干渉フィルターに続く光電変換素子を設け、該光ファイバー束、光拡散体、および連続可変干渉フィルターのそれぞれを、その光路を一致させてパッケージ内で気密に収納固定してなることを特徴とする小型パッケージ分光センサーユニット。
【請求項２】
上記光ファイバー束の出光側端部を所定形状に整列維持せしめる整形維持ホルダは、光ファイバー束の出光側端部を２つに分岐して異なる波長帯域を同時計測できる２種類の光電変換素子それぞれの大きさに合せた２つのの出光面を形成し、それぞれの出光面に対応させてそれぞれの光拡散体、連続可変干渉フィルター、光電変換素子を設けて２連型に構成したことを特徴とする請求項１に記載の小型パッケージ分光センサーユニット。
【請求項３】
上記光ファイバー束の入光側端部を２つに分岐させて、１個の検査対象物の異なる２つの部位から内部拡散光を入光させる２つの受光面を形成し、それら受光面を出光側端部に至る途中で撚り合せて１つの光ファイバー束となすとともに、出光側端部の各部でほぼ均等な出光となるように撚り合せ、その出光側端面を所定形状に保持する構成となしたことを特徴とする請求項１または２項に記載の小型パッケージ分光センサーユニット。
【請求項４】
上記光ファイバー束の出光側端部を所定形状に整列維持せしめる光ファイバーの整形維持ホルダーと、光拡散体を保持する拡散体ホルダーとは、それらホルダーの光の通路を合致させる位置合せ手段を設けたことを特徴とする請求項１、２または３に記載の小型パッケージ分光センサーユニット。
【請求項５】
上記光拡散体は光ファイバーの出光面から入光した光がその内部で拡散反射して入光と反対側の出光側端面から連続可変干渉フィルター側に透過する光学ガラスで構成したことを特徴とする請求項１、２または３に記載の小型パッケージ分光センサーユニット。
【請求項６】
上記連続可変干渉フィルターは、光拡散体の出光側端面に直接イオンアシスト蒸着してなることを特徴とする請求項１、２、３または５に記載の小型パッケージ分光センサーユニット。
【請求項７】
上記連続可変干渉フィルターは、光をその内部で拡散反射して透過させる光拡散体と同質の薄板光学ガラスの表面にイオンアシスト蒸着をして形成し、該薄板光学ガラスの裏面を、前記光拡散体の出光側端面に透過性接着剤で一体に接着してなる構成としたことを特徴とする請求項１、２、３、５または６に記載の小型パッケージ分光センサーユニット。
【請求項８】
上記連続可変フィルターは、イオンアシスト蒸着法により透過性フィルムに形成されたものであり光拡散体の出光側端面に密着させて設けたことを特徴とする請求項１、２、３、５または６に記載の小型パッケージ分光センサーユニット。
【請求項９】
上記光電変換素子は、シリコンアレイセンサーを用い、これに組合わされる連続可変干渉フィルターは、短波長側４００ｎｍから長波長側１１００ｎｍまでの光を波長ごとに分光するものであることを特徴とする請求項１、３、６、７または８に記載の小型パッケージ分光センサーユニット。
【請求項１０】
上記シリコンアレイセンサーと連続可変干渉フィルターは、リニヤ型で構成したものであることを特徴とする請求項１、３、６、７、８または９に記載の小型パッケージ分光センサーユニット。
【請求項１１】
上記シリコンアレイセンサーと連続可変干渉フィルターは、エリア型で構成したものであることを特徴とする請求項１、３、６、７、８または９項に記載の小型パッケージ分光センサーユニット。
【請求項１２】
上記光電変換素子は、インジウムガリウムヒ素またはインジウムアンチモンアレイセンサーを用い、これに対応する連続可変干渉フィルターは、短波長側１０００ｎｍ以上５５００ｎｍまでの光を各波長ごとに分光するものであることを特徴とする請求項１、３、６、７または８に記載の小型パッケージ分光センサーユニット。
【請求項１３】
上記光電変換素子のインジウムガリウムヒ素またはインジウムアンチモンアレイセンサーと、連続可変干渉フィルターは、リニヤ型で構成したものであることを特徴とする請求項１、３、６、７、８または１２に記載の小型パッケージ分光センサーユニット。
【請求項１４】
上記光電変換素子のインジウムガリウムヒ素またはインジウムアンチモンアレイセンサーと、連続可変干渉フィルターは、エリア型で構成したものであることを特徴とする請求項１、３、６、７、８または１２に記載の小型パッケージ分光センサーユニット。
【請求項１５】
上記２つに分岐した光ファイバー束のそれぞれに対応させる２組の光電変換素子と連続可変干渉フィルターのいずれか一方は、シリコンアレイセンサーに、波長６００ｎｍから１１００ｎｍまでの光を濾過する連続可変干渉フィルターの組合せとし、その他方は、インジウムガリウムヒ素またはインジウムアンチモンアレイセンサーに、波長１０００ｎｍから５５００ｎｍまでの光を濾過する連続可変干渉フィルターの組合せとなしたことを特徴とする請求項２、６、７、８に記載の小型パッケージ分光センサーユニット。
【請求項１６】
上記２組の光電変換素子は、リニヤ型アレイセンサーを用いて構成したものであることを特徴とする請求項２、６、７、８または１５に記載の小型パッケージ分光センサーユニット。
【請求項１７】
上記２組の光電変換素子は、エリア型アレイセンサーを用いて構成したものであることを特徴とする請求項２、６、７、８または１５に記載の小型パッケージ分光センサーユニット。
【請求項１８】
上記２組の光電変換素子の１つに、リニヤ型シリコンアレイセンサーを用い、他の１つにはエリア型インジウムガリウムヒ素アレイセンサーまたはエリア型インジウムアンチモンアレイセンサーのいずれかを用いて組合せたことを特徴とする請求項２、６、７、８または１５に記載の小型パッケージ分光センサーユニット。
【請求項１９】
上記光ファイバー束の出光面と、光拡散体と、連続可変干渉フィルターのそれぞれの対向面は隙間を設けず密接させて光の通路を形成したことを特徴とする請求項１ないし１８項のいずれかに記載の小型パッケージ分光センサーユニット。
【請求項２０】
上記光電変換素子は、その受光面を連続可変干渉フィルターに限りなく近接させてパッケージ内に固定したことを特徴とする請求項１、２、３、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８または１９に記載の小型パッケージ分光センサーユニット。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、外観からだけでは内部品質、成分等の判定が不可能であるもの、例えば果実、野菜類、植物の葉等の農産物および魚類、肉類、牛乳、油、酒類等各種の液体、バター、チーズ等の乳製品、その他、光が透過することのできる検査対象物の内部品質（成分も含む）を非破壊検査する分光装置に用いる分光センサーユニットに係り、検査対象物の搬送ラインに設置して極めて小さいスペースでオンライン計測するための分光装置や、検査装置を手軽に持って操作できる小型の構成となして、検査対象物に対しての検査作業を如何なる現場であっても容易に行なうことができるように、極めて小型の非破壊検査装置を構成するための分光装置用の小型パッケージ分光センサーに関するものである。
背景技術
従来、例えば青果物の内部品質、または糖度、酸度等を非破壊で検査する場合、その青果物に光を照射し、該青果物を透過した透過光を受光して検査測定する装置として、例えば特開平３−１６０３４４号公報で開示されている青果物の成分測定装置があり、また他の公知例として青果物の糖度を計測する光センサー装置として特開平１１−１８３３７４号公報が開示されている。前記特開平３−１６０４３４４号公報に示されている青果物の成分測定装置の概略構成は、測定ヘッド部で青果物からの反射光を入光し、光ファイバーを通じて、ミラーと凹面回析格子を有する分光器に導き、該分光器により分光された波長帯の異なる光をそれぞれ複数の検出アレイが配列されたディテクタアレイにより光電変換し、その電気信号を演算部に入力して青果物の成分を測定するものである。また、特開平１１−１８３３７４号公報に示されている光センサー装置の概略構成は、被測定物からの反射光を光ファイバーを通じて本体ケースに導き、光ファイバーの放光部列から放光された光を凹面回析格子により分光処理し、光電変換器により電気信号に変換してその電気信号をデーター処理部で処理するものである。
このように、対象物からの透過光または反射光を光ファイバーを通じて分光器に導き、分光して光電変換し、そのスペクトルをコンピュータを用いた統計解析により対象物の内部品質や成分を検出する装置は、いずれもミラーや凹面回析格子を介して複数の異なる波長帯の光に分光し光電変換素子により分光出力を得る構成となっている。
このように、従来例である公報において記載されているそれぞれの分光器は、いずれも凹面回析格子を組付け使用しているために、測定器本体または装置本体が大型化されてしまう。また、凹面回析格子を内装する分光器にあっては、その分光精度を高めるために上記凹面回析格子を固定化するに当り、その光軸位置合せ精度が要求され、この要求に答えるためには、凹面回析格子の固定に多大な手間と費用が嵩み分光器の製作経済性が悪い。
さらには、凹面回析格子を内装する分光器は、その凹面回析格子と受光側対象物との間及び凹面回析格子と反射側対象物との間での光軸精度要求されているものの、その分光器は、光ファイバーから出て来る透過光をその出口と反射鏡や凹面回析格子、光電変換器とのそれぞれの間に一定距離の空間を設けているために、例えば外的衝撃力が作用すれば、光軸の狂いやズレが生じやすいものであり、機械的強度及び耐久性に欠けるという問題点を有するものであった。
また、環境温度変動に伴う構成部材の熱膨張あるいは収縮等の熱歪や微細な変位で光の反射が変わりやすく、このために光電変換した出力と波長との関係にズレが生じ、これが原因で分光測定精度が変動してしまうという問題があった。従って、従来公知の分光器にあっては、小型化、耐衝撃性（耐震性）に欠けることから、この分光器を使用する測定装置全体をポータブルタイプ（可搬式）やハンディタイプ（携帯式）とすることが困難であり、しかも従来の測定装置は、主として温度変動に不向きである屋内用の据置型であった。
また、ポータブル式測定器においても果樹農産物等を屋外で、青果物の成分検査または品質検査や、その他の場所で対象物の成分検査または品質検査を行なう作業は、その作業者が片手で被測定物を把握固定し、他方の片手で測定器を操作することが効果的作業の形態として望ましいことであるが、上記それぞれの従来例に記載されているように、測定ヘッドと測定器本体（分光器部分）とが分離されており、装置本体を携帯しながら操作することが困難であって、効率的な検査作業を行なうことが困難であった。
また、色測定センサアセンブリとして、色の内容を光学的な波長のスペクトルで測定するコンパクト分光装置として、米国特許６，０５７，９２５号公報に回析格子を用いない分光装置が記載されているものがあるが、この公知例は第９図に示しているように、ＬＶＦ（連続可変干渉フィルター）９１と、検出器アレイ９２との間にマイクロレンズアレイ９３を設けて、検出器アレイ９２の感光面に像を投射するようになしたものであり、これは色彩計のような分光装置に用いるものである。
つまり、ＬＶＦ９１からの光をマイクロレンズアレイ９３を通して検出器９２の画像チップ感光面に焦点を合せて結像するようになしたものである。しかもＬＶＦ９１とマイクロレンズアレイ９３との間及びマイクロレンズアレイ９３と検出器アレイ９２の画像チップ上面との間は、透明なカバー（透過性カバー）または空隙を設けてレンズの焦点を合せたものである。このため、検出器アレイ９２のすべての画像チップに対し、その中央に焦点を合せることが困難であり、各画像チップごとに結像位置が中央から外れたり、ボケたりしての不揃いとなって、検出器からの出力が不正確で光の分光精度を得られない問題があった。
即ち、周知の人間の比視感度を基にしたＲ・Ｇ・Ｂ分光表色法の如く人の比視感度のＲ・Ｇ・Ｂの分光感度のような大きな波長巾でその組合せにより色彩を測定する色彩計のような装置には使用され得るとしても、青果物や魚類、肉類その他の検査対象物の内部品質や、内部成分等を非破壊で検出する高分解能を必要とする分光装置として、使用することはできないという問題があった。
本発明は、かかる事実に鑑みてなされたもので、分光分析により検査対象物（果実、野菜、植物の葉などの農作物、および魚類、肉類、牛乳、油、酒類等の液体、バター、チーズ等の乳製品その他の食品や生体などを含む）の内部品質、成分等を非破壊で検査するために用いる分光手段を、内部に一定距離の空間を設けたり、または反射鏡や回析格子を設けたりせず、光路に空間を設けない小型の分光センサーユニットを構成することにより、機械的強度と耐震性を高めた高精度小型のパッケージ分光センサーユニットを提供することを目的とするものである。
また本発明は、検査対象物の内部品質、内部成分が光の波長１１００ｎｍ以下の比較的短い近赤外領域にその特性を現わすものから、波長が１０００ｎｍ以上の近赤外から中赤外領域にしか特性が現われないものまでの広い範囲の検査対象物の内部品質、内部成分等を分光分析し検査することを可能とする小型パッケージセンサーユニットを提供することを目的とする。
さらに本発明では、光電変換素子の受光面を複数列に増加したものを用いて内部成分の情報を持った透過光が微弱な光量しか得られない検査対象物であっても、分光分析に必要な出力を得ることを可能とする小型パッケージ分光センサーユニットの提供を目的とする。
発明の開示
上記目的を達成するために、本発明の請求項１では、検査用の光源により検査対象物内部を拡散透過して出てくる光を光ファイバー束を介して入光し、この入光を分光しアレイ型センサーが受光したスペクトルから検査対象物の内部品質等を検査する装置に用いる分光センサーユニットであって、入光する光の角度を光ファイバーの中心線に対し所定度角以上の光を除去し、所定入射角以内の光のみを通過させ伝送する特性を有する光ファイバー束の入光側端部を検査対象物の表面から出て来る内部拡散光の受光面とし、該光ファイバー束の出光側端部を均一な層厚で入力光の斑が出光側端部の各部でほぼ均等に分散した出力光となるように光ファイバーを撚り合せ、その出光面を光拡散体の入光側端面および光電変換素子の受光面の大きさに一致させた形状となして整形維持ホルダーで保持させ、その出光面からの光を拡散透過させる光拡散体と、該光拡散体の出光側端面に位置する連続可変干渉フィルターと、該連続可変干渉フィルターに続く光電変換素子を設け、該光ファイバー束、光拡散体、および連続可変干渉フィルターのそれぞれを、その光路を一致させてパッケージ内で気密に収納固定してなる小型パッケージ分光センサーユニットであることを特徴としている。
また、本発明の好ましい実施の形態である本発明の請求項２では、上記光ファイバー束の出光側端部を所定形状に整列維持せしめる整形維持ホルダは、光ファイバー束の出光側を２つに分岐して異なる波長帯域を同時計測できる２種類の光電変換素子それぞれの大きさに合せた２口の出光面を形成し、それぞれに光拡散体、連続可変干渉フィルター光電変換素子を設けて二連型に構成している。
さらに、本発明の好ましい実施の形態である本発明の請求項３項では、上記光ファイバー束の入光側端部を２つに分岐して１個の対象物の異なる２つの部位から内部拡散光を入光させる２つの入光部を形成し、それを出光側端部に至る途中で撚り合せて１つの光ファイバー束となし、出光側端部の各部でほぼ均等な出光となるように撚り合せて出光面を所定形状に保持するように構成している。
さらに本発明の好ましい実施の形態である本発明の請求項４では、上記光ファイバー束の出光側端部を所定形状に整列維持せしめる光ファイバー整形維持ホルダーと光拡散体を保持する拡散体ホルダーとは、それぞれ光の通路を合致させる位置合せ手段を設けている。
さらに、本発明の好ましい実施の形態である本発明の請求項５では、請求項１ないし３おける光拡散体は、光ファイバーの出光面から入光した光がその内部で拡散反射して入光と反対側の出光側端面から連続可変干渉フィルター側に透過する光学ガラスで構成している。
さらに、本発明の好ましい実施の形態である本発明の請求項６では、連続可変干渉フィルターは、光拡散体の出光側端面に直接イオンアシスト蒸着している。
さらに、本発明の好ましい実施の形態である本発明の請求項７では、上記連続可変干渉フィルターは、光を拡散透過させる光拡散体と同質の薄板光学ガラスの表面にイオンアシスト蒸着により形成し、該薄板拡散体の裏面を前記光拡散体の出光側端面に透過性接着剤で接着して一体化している。
さらに、本発明の好ましい実施の形態である本発明の請求項８では、上記連続可変干渉フィルターは、イオンアシスト蒸着法により透過性フィルムに形成されたものであり、光拡散体の出光側端面に密着させて設けている。
さらに、本発明の好ましい実施の形態では、光電変換素子にシリコンアレイセンサーを用いるとき、これに対応する連続可変干渉フィルターは、短波長側４００ｎｍから長波長側１１００ｎｍまでの光を波長ごとに分光するものを組合せて用いる。
さらに、本発明の好ましい実施の形態では、光電変換素子にインジウムガリウムヒ素アレイセンサーを用いるときは、これに対応する連続可変干渉フィルターは、短波長側１０００ｎｍから長波長側２６００ｎｍまでの光を、インジウムガリウムヒ素アレイセンサーの受光特性に合わせた範囲で分光するものを組合せて用いる。さらに長波長２０００ｎｍから５５００ｎｍ附近まで計測するときには、光電変換素子にインジウムアンチモンアレイセンサーを冷却して用いる。このときの連続可変干渉フィルターは２０００ｎｍから５５００ｎｍまでの光を分光するものを組合せて用いる。
さらに、本発明の好ましい実施の形態では、上記光電変換素子のシリコンアレイセンサーと連続可変干渉フィルターの組合せ、またはインジウムガリウムヒ素アレイセンサーまたはインジウムアンチモンアレイセンサーと連続可変干渉フィルターの組合せは、それぞれリニヤ型で構成したもの、またはエリア型で構成している。
また、本発明の好ましい実施の形態である本発明の請求項１５ないし１７項では、２組の光電変換素子と連続可変干渉フィルターに、シリコンアレイセンサーと波長６００ｎｍから１１００ｎｍまでの光を濾過する連続可変干渉フィルターの組合せと、インジウムガリウムヒ素アレイセンサーを用いるときは、波長１０００ｎｍから２６００ｎｍまでの範囲でインジウムガリウムヒ素アレイセンサーの受光特性に合わせた範囲、またはインジウムアンチモンアレイセンサーを用い波長２０００ｎｍから５５００ｎｍまでの範囲の光を濾過する連続可変干渉フィルターの組合せの２組で構成している。
さらに、本発明の好ましい実施の形態である本発明の請求項１８では、上記２組の光電変換素子の１つにリニヤ型シリコンアレイセンサーを用い、他の１つはエリア型インジウムガリウムヒ素アレイセンサーまたはエリア型インジウムアンチモンアレイセンサーのいずれかを用いて組合せている。
また、本発明の好ましい実施の形態である本発明の請求項１９では、光ファイバー束の出光面と光拡散体と連続可変干渉フィルターは、それぞれの間に隙間を設けず密接させて光の通路を形成している。
さらに、本発明の好ましい実施の形態である本発明の２０項では、光電変換素子は、その受光面を連続可変干渉フィルターに限りなく近接させてパッケージに固定している。
前記のように構成した本発明の小型パッケージ分光センサーユニットによれば、検査対象物の表面から出てくる内部拡散光を入光させる光ファイバー束が、所定の入射角以上の角度からの光は除去しているので外乱光が入射することはない。
また、光ファイバー束の出光側端部は、光ファイバーを撚り合せて光電変換素子の受光面に合せて出光面を形成しているので、光ファイバー束の受光面からの入光の片寄りやムラは、分散され出光面からは、片寄りやムラの少ない均一な光となって出光される。即ち対象物の表面から来る受光範囲内の極部的な片寄りやムラ、異物などの影響を分散してしまう作用をなす。
さらに、光ファイバー束の出光面に合致せしめて設けた光拡散体はその内部で光を拡散させ出光側端面へ全面均一な光として出光する作用をなす。即ち光拡散体は積分球のように光を拡散させる作用をなす。
このように全面均一な光に拡散させた拡散体の出光側端面に設けた連続可変干渉フィルターは、短い波長から長い波長まで光を各波長ごとに選択的に光を濾過し分光する作用をなす。
光拡散体の出光側端面に設けた連続可変干渉フィルターは、光電変換素子の受光面の形状に合せて形成されており、しかもそのフィルターと受光面とは限りなく近接させて設けられているため、分光された光は外部の影響を受けたり乱れることなく、光電変換素子の受光面に入光し、波長に応じた出力信号が得られる作用をなす。
さらに、前記光ファイバー束の出光側の整形維持ホルダーと、光拡散体ホルダーと光電変換素子とは、収納ケース内に押しネジや押え板等の各固定手段を通じて固定して収納し気密シールしているので、分光精度は安定しており外部から影響を受け難い構成をなしているので、いろいろな用途の分光測定センサーとして展開できる。
また、光ファイバー束の出光側を２つに分岐して、６００ｎｍから１１００ｎｍまでの波長の光に受光感度特性を有するシリコンアレイセンサーと、１０００ｎｍから２６００ｎｍまでの波長の光に受光感度特性を有するインジウムガリウムヒ素アレイセンサー、または２０００ｎｍから５５００ｎｍまでの波長の光に受光感度特性を有するインジウムアンチモンアレイセンサーとを組合せて用いたものは、シリコンアレイセンサーだけを用いたものでは検査できなかった１１００ｎｍ以上の波長の光も光電変換し受光に応じた信号を得ることができるので用途が拡大展開される。
即ち、シリコンアレイセンサーだけを用いたものは、シリコンアレイの受光感度特性範囲内（波長１１００ｎｍ以下）の光しか分光分析できず、用途、対象物が限られていたが、インジウムガリウムヒ素アレイセンサーまたはインジウムアンチモンアレイセンサーを組合せたので、１１００ｎｍ以上の波長帯にも検査対象物の品質に係る情報を有する検査対象物も検査できるようになる。
また、光電変換素子をエリア型で構成したものは、分光された各波長ごとの光を、複数列に並列した複数個の受光素子で同時に受光し、その出力信号を波長ごとに合算して取出すことができるので、微弱な透過しか得られない検査対象物でも検査が容易となる。
発明を実施するための最良の形態
以下に、本発明の第１実施例を第１図乃至第６図に基づいて詳細に説明する。
１はパッケージであり、このパッケージ１は、収納ケース１１と蓋１２とにより構成され、そのパッケージ１の内部には、光ファイバー束２の出光側端部２２を所定形状に整列維持するための整形維持ホルダー３と、光ファイバー２の出光側端部２２の出光面２４からの光を拡散透過させる光拡散体４を保持する光拡散体ホルダー５と、光拡散体４の出光側端面４３に設けた連続可変干渉フィルター６により波長ごとに分光された光を受光する光電変換素子７を順に並べて収納している。
光ファイバー束２は、その受光面２３から入光する光線の入射角θが所定角度以上の光線を除去し、所定の入射角θ以内の光線のみを通過させ伝送する特性を有する微細な無数の光ファイバーを束ねて形成している。好ましくは上記入射角θが１５度の光ファイバーを用いるのがよく、検査対象物Ｓの内部を拡散透過して出てくる光に対する指向性のよい入光側端部２１を構成している。
この実施例の各図では入光側端部２１を１つにまとめて固めた形状を示しているが用途によっては、後述するように入光側端部２１を２つまたはそれ以上の複数に分岐して形成してもよい。無数の微細な１本１本の光ファイバーが束ねられて構成されている光ファイバー束２は、その入光側端部２１で隣り合って入光した光線が、その出光側端部２２では分散してほぼ均等に混ぜ合されて出光面２４から出光するように撚り合されており、その出光側端部２２が整形維持ホルダー３によって所定形状に保形し、かつ押え蓋３１により固定している。
即ち、受光面２３から入光した光線の部分的な光強弱や片寄りなどの光斑が、光ファイバー束２の出光側端部２２では均等に分散して光斑のない光となって出光面２４から出光するように無数の光ファイバーを撚り合せ、非イメージの光ファイバー束となしている。この光ファイバー束２の出光側端部２２の所定形状は、後に接続する光拡散体４と連続可変干渉フィルター６と共に、光電変換素子７の受光面７１の長さＨと巾Ｖの大きさと合致するように形成している。
光拡散体４は、光を効率よく透過させる光学ガラスを用い、その入光側端面４１が上記光ファイバー束２の出光面２４と密接できるように、光拡散体ホルダー５内に位置決めし、かつ押え蓋５１で固定している。この光学ガラスは、好ましくは光学レンズ等に用いる材質（硼珪酸ガラス）を使用し、その外周面を光学研磨して、内部に入光した光線が効率よく内面反射しながら拡散し、出光側端面４３に至るようになしている。
即ち、この光拡散体４は、光を内部で均等に拡散反射させて取出す積分球と同様な機能（役目）を有するようになしている。
連続可変干渉フィルター６は、上記光拡散体４の出光側端面４３にイオンアシスト蒸着により設けて、短い波長から長い波長（例えば４００ｎｍから１１００ｎｍまで）の光を各波長ごとに分光するように形成している。
この連続可変干渉フィルター６を、イオンアシスト蒸着させる光拡散体４は、その入光面４１から出光側端面４３までの長さ寸法が大きく、一般的には蒸着作業が困難であるから、第５図に示す如く光拡散体４の出光側端を一定寸法の薄板拡散体４２に分割し、この薄板拡散体４２の出光側端面４３にイオンアシスト蒸着加工を施せば、そのイオンアシスト蒸着作業を容易ならしめることができる。
この場合連続可変干渉フィルター６をイオンアシスト蒸着した薄板拡散体４２と光拡散体４とは光学用の透過性接着剤で接合して一体化して用いる。
このように形成した光拡散体４の出光側端面４３は連続可変干渉フィルター６を光電変換素子７の受光素子表面７１に限りなく近接させるため光拡散体ホルダー５の端面５２から所定寸法だけ突出している。即ち、光拡散体４の入光面４１から出光側端面４３までの長さ寸法は、光拡散体ホルダー５の長さより所定寸法だけ長くしており、その突出した出光側端面４３に連続可変干渉フィルター６を設けている。
また、図示しない他の実施例としてこの連続可変干渉フィルター６は、他の透過性フィルム等の薄板材を用いてもよい。それを出光側端面４３に光透過性接着で貼付けて設けてもよい。
光電変換素子７は、その受光側にウィンドウガラス等を設けることなく開放しており、所定寸法だけ凹んだ位置に受光素子表面７１を露出している。
そして、上記光拡散体ホルダー５の端面５２に光電変換素子７の受光側を突き合わせたとき、連続可変干渉フィルター６と受光素子表面７１とは接触しない範囲で限りなく接近させる。
光拡散体４の出光側端面４３と連続可変干渉フィルター６は、光電変換素子７の受光素子表面７１形状の長さＨ、および巾Ｖの寸法と同一寸法に形成している。
即ち、受光素子表面７１の側方に形成されているボンディングワイヤー７２に上記連続可変干渉フィルター６が接触しないようになしている。
以上のように構成されている光ファイバー束２の整形維持ホルダー３と、光拡散体４を保持した光拡散体ホルダー５と、連続可変干渉フィルター６、および光電変換素子７とのそれぞれを、それらの光路を合致させた状態で突き合わせて収納ケース１１内に並設し、光電変換素子７の裏側から両側に突き出した端子ピン７２の間に押え板８を被せ、この押え板８を取りつけねじ８２を介して収納ケース１１に取付け、ついでその収納ケース１１に蓋１２を被せてで密閉することで、小型パッケージ分光センサーユニットが構成される。
尚、第１図に示す１３は、整形維持ホルダー３と光拡散体ホルダー５を収納ケース１１内にその側方から固定するための固定ねじであり、しかも光ファイバー束２の出光面２４と、光拡散体４の入光側端面４１との光路を合致させるための位置調整ねじとしても用いられる。
次に第２実施例を、第７図に基づいて説明する。第７図は、光ファイバー束１０１の出光側を２つに分岐して、これらの分岐端にそれぞれのパッケージＡ１０２とパッケージＢ１０３の２組を設けたものである。
パッケージＡ１０２とパッケージＢ１０３の内部構成は前記実施例１と同様であるが、パッケージＡ１０２とパッケージＢ１０３とは分光する波長域の異なる連続可変干渉フィルターと、その波長域に対応した光電変換素子１０４、１０５を組合せたものである。パッケージＡ１０２とＢ１０３の内部構成は、前記実施例１と同様であるので、その構成説明を省略する。
この第２実施例は、その一方のパッケージＡ１０２側に、光の波長４００ｎｍから１１００ｎｍまでの光を濾過して各波長ごとに濾過して分光する連続可変干渉フィルターと、シリコンアレイセンサーを用いた光電変換素子１０４とを組合せたパッケージＡ１０２となし、その他方のパッケージＢ１０３側には、光の波長１０００ｎｍから１８００ｎｍまでの光を濾過して各波長ごとに直線的に変化するように分光する連続可変干渉フィルターと、インジウムガリウムヒ素アレイセンサーを用いた光電変換素子１０５とを組合せてパッケージＢ１０３となしたものである。
即ち、検査対象物の内部品質を検査するときに、その検査対象物からの透過光が１０００ｎｍ以下の短い波長域の光と、１１００ｎｍ以上の長い波長域の光とを用いて分光分析し検査する場合に用いるものである。
パッケージＡ１０２のシリコンアレイセンサーを用いた光電変換素子１０４は４００ｎｍから１１００ｎｍまでの光に受光感度の特性を有し、１１００ｎｍを越える長い波長の光に対しては、受光感度特性を有していない。インジウムガリウムヒ素アレイセンサーに用いた光電変換素子１０５は、波長１０００ｎｍから１８００ｎｍまでの光に受光感度特性を有し、１０００ｎｍ以下の短い波長の光に受光感度特性を有していない。
このようなことから、検査対象物からの透過光を同一の光ファイバー束１０１に入光させ、その光ファイバー束の光ファイバーを撚り合せて入光側端部からの入光斑を分散させた後に分岐し、上記パッケージＡ１０２とパッケージＢ１０３のそれぞれに入光させている。
インジウムガリウムヒ素アレイセンサーを用いた光電変換素子１０５は、ペルチェ素子を組込んで電子冷却する構成のものを用いている。
また、パッケージＢ１０３の分光波長帯を９００ｎｍから１８００ｎｍまでとして実施例を示したが、光電変換素子１０５の受光素子にインジウムガリウムヒ素を用いた場合の一例であり、本発明を限定するものではない。インジウムガリウムヒ素アレイセンサーには、１２００ｎｍから２６００ｎｍまでの波長帯に受光感度特性を有するものを用いることもできる。
即ち、インジウムガリウムヒ素アレイセンサーとして、更に長い波長の２６００ｎｍまでの光、また更に長い５５００ｎｍまでの波長の光に受光感度を有する光電変換素子、例えばインジウムアンチモン素子などの素子をマイナス温度に冷却して用いることもできる。
このように、分光する波長帯の異なる２組のパッケージを用いれば、検査対象物Ｓの内部品質、成分を広い範囲で分光分析することが可能であるセンサーユニットが得られる。
次に第３実施例を第８図に基づいて説明する。第８図は、光ファイバー束２０１の入光側を、入光側端部２１１Ａと入光側端部２１１Ｂの２つに分岐して、検査対象物Ｓの内部で拡散反射して出て来る透過光を、検査対象物Ｓ表面の異なる複数の位置から入光させて分光分析する場合に用いるものである。
この第３実施例では、光ファイバー束２０１は、検査対象物Ｓの異なる位置に分岐して対応させる入光側端部２１１Ａと２１１Ｂの光ファイバー束を１つのファイバー束２０１に合せてそれぞれの入光斑が均等に分散するように撚り合せてパッケージ２０２内に組込んでいる。
パッケージ２０２の内部構成は、第１実施例、または第２実施例と同様であるから詳細説明は省略する。このように光ファイバー束２０１を２つに分岐した入光側端部２１１Ａの入光面２０１Ａと、入光側端部２１１Ｂの入光面２０１Ｂとで検査対象物Ｓを両側から挟むようにして、検査対象物Ｓ内部で拡散反射して表面に出て来る透過光を入光させれば、検査対象物Ｓの内部で、位置によって品質や成分の片寄りや斑があっても、２方向からの透過光を入光させ、その片寄りや斑を均等に分散させ混ぜ合せて分光分析できるので、検査対象物Ｓの平均化した品質、成分を検査することができる。
例えば、検査対象物Ｓが果物などでは、太陽光線を受けた陽光面と陰になった陰光面とで糖度や酸度が異なり片寄っている場合がある。桃を例にすればその差は糖度で５％程度の差がある。これを平均した糖度で表示するように測定することができる。
産業上の利用可能性
以上述べたように、本発明の小型パッケージ分光センサーユニットは、検査対象物の内部で拡散透過して出て来る透過光を入光する光ファイバー束を、その出光側端部で入光斑を分散させ、かつ光拡散体の入光側端面の大きさおよび形状に合せて整列させ、その光ファイバー束の出光面に光拡散体、連続可変干渉フィルターの順で密接させて波長ごとに分光させ、さらに光電変換素子の受光素子表面を連続可変干渉フィルターに限りなく近接させて設け、これを収納ケース内に固定し、気密状態になしてパッケージ化したものである。
したがって、本発明の分光センサーユニットは、その分光センサー構成部材が収納ケース内で固定されているので、たとえば外的衝撃力を受けても光軸、波長のズレなどの狂いを生じない、また環境にも影響されないという効果がある。
また、光ファイバー束の入光側端部の入光面から入る透過光に入光斑があっても、その出光側端部では均等に分散し、更に光拡散体内で拡散反射して均一な光となして連続可変干渉フィルターで分光されるので、検査対象物の平均的な品質を示す測定値、検査値を得ることができるという効果がある。
また、連続可変干渉フィルターは光電変換素子の受光素子表面に限りなく近接させているので、各波長ごとに分光された光が拡散または分散することなく光電変換され、分光精度がよく安定した精度の良い測定値、検査値が得られるという効果がある。
さらに、上記の構成による小型パッケージ分光センサーユニットは、外形寸法（大きさ）を、たとえば２０本入りタバコケースの大きさ程度以下に形成して、片手の掌に納まる程度の小型に形成できるので、手軽に携帯使用することができ、移動自在の軽量構造となした測定、検査装置が得られるという効果がある。
また、請求項２に記載の発明では、受光する波長帯の異なる２種類の光電変換素子をそれぞれ収納した二連パッケージ構造に構成したので、各種対象物のいろいろな内部成分や品質を広い範囲で測定、検査することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明の小型パッケージ分光センサーユニットの実施例を示しその要部を破断面で示す平面図であり、第２図は、本発明の小型パッケージ分光センサーユニットの実施例を示しその要部を破断面で示す側面図であり、第３図は、本発明の小型パッケージ分光センサーユニットの実施例を示した出力端子側側面図であり、第４図は、本発明の要部の構成を分解して示す斜視図であり、第５図は、本発明の要部詳細構造を示す断面図であり、第６図は、第５図のＹ−Ｙで示す部分の断面図、第７図は、本発明の小型パッケージ分光センサーユニットの他の実施例を示した２種類のアレイセンサーを用いた側面図であり、第８図は、本発明の更に他の実施例を示した光ファイバー束の入光側端部を２つに分岐した平面図、第９図は、従来のコンパクト分光装置を示した説明図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
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