(57)【要約】      （修正有）【課題】光学系の色収差を低減させ、測定精度を向上させる分光計測装置を提供する。【解決手段】光源７から発せられる照射光２を照射する投光光学系４と、測定対象物からの反射光５を受光し、受光部１５へと導く受光光学系６と、受光部で受光された反射光に基づき測定対象物の状態を検出する分光器２３を具備し、投光光学系と受光光学系は、それぞれ色収差を除去する照射系色収差低減部材１１と受光系色収差低減部材１４を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源から発せられる照射光を照射する投光光学系と、測定対象物からの反射光を受光し、受光部へと導く受光光学系と、前記受光部で受光された前記反射光に基づき前記測定対象物の状態を検出する分光器を具備し、前記投光光学系と前記受光光学系は、それぞれ色収差を除去する照射系色収差低減部材と受光系色収差低減部材を有する分光計測装置。
【請求項２】
前記受光光学系は前記測定対象物からの前記反射光の一部を反射させるミラーを有し、前記投光光学系と前記受光光学系とは、投光光軸と受光光軸が交差する様に配置され、前記投光光軸と前記受光光軸との交差位置に前記ミラーを設けた請求項１に記載の分光計測装置。
【請求項３】
前記照射系色収差低減部材の径は、前記ミラーの径よりも大きい請求項２に記載の分光計測装置。
【請求項４】
前記照射系色収差低減部材は照射系凹レンズと照射系凸レンズとから構成される照射系レンズ群であり、前記受光系色収差低減部材は受光系凹レンズと受光系凸レンズとから構成される受光系レンズ群である請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の分光計測装置。
【請求項５】
前記照射系色収差低減部材は自由曲面又は軸外し放物面の反射面を有する照射系反射ミラーであり、前記受光系色収差低減部材は自由曲面又は軸外し放物面の反射面を有する受光系反射ミラーである請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の分光計測装置。
【請求項６】
前記光源は近赤外光を含む前記照射光を発光するフィラメントであり、前記投光光学系は楕円鏡を有し、該楕円鏡で反射された前記照射光の集光位置と前記照射系色収差低減部材の焦点位置が略一致する様、該照射系色収差低減部材が配置された請求項１〜請求項５のうちいずれか１項に記載の分光計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、測定対象物からの反射光を基に分光計測を行う分光計測装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
橋梁やトンネル等の構造物は、脚部や壁面等に大量のコンクリートが用いられている。コンクリートは、大気中の塩分等により経年劣化する為、保守作業として定期的にコンクリート中の塩分濃度を計測し、コンクリートの劣化度合いを判断する必要がある。
【０００３】
非接触でコンクリート中の塩分濃度を測定する装置として分光計測装置がある。分光計測装置は、コンクリートに近赤外光を照射し、コンクリートからの反射光を分析することで、コンクリート中の塩分濃度を測定可能となっており、塩分濃度を基にコンクリートの劣化度合いを判断している。
【０００４】
分光計測装置に用いられる光源としては、例えばハロゲンランプ、ハロゲンヒータ等が挙げられる。ハロゲンランプ、ハロゲンヒータの場合、発光する光の波長が０．８μｍ〜２．５μｍ程度の近赤外光を含むものであり、温度変化等に対して安定性がある。更に、ハロゲンランプ、ハロゲンヒータは、光源から測定対象物迄の距離が１０ｍ程度あっても計測が可能な光量が得られる為、分光計測装置の光源として適している。
【０００５】
分光計測では、測定精度向上の為、高い波長分解能を得る必要があるが、光学系に色収差がある場合、波長毎に焦点距離が変化し、距離毎に分光特性の曲線が変化する可能性がある為、測定精度向上の妨げになる虞れがある。
【０００６】
又、従来では、色収差の影響を補正する為、事前に所定の基準拡散反射物について距離毎に測定を行って基準値として保存し、測定を行なった際に測定結果と測定対象物迄の距離に対応する基準値と比較することで色収差の影響を補正しており、作業時間が掛ると共に作業性も悪かった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００９−１５６８０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、光学系の色収差を低減させ、測定精度を向上させる分光計測装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、光源から発せられる照射光を照射する投光光学系と、測定対象物からの反射光を受光し、受光部へと導く受光光学系と、前記受光部で受光された前記反射光に基づき前記測定対象物の状態を検出する分光器を具備し、前記投光光学系と前記受光光学系は、それぞれ色収差を除去する照射系色収差低減部材と受光系色収差低減部材を有する分光計測装置に係るものである。
【００１０】
又本発明は、前記受光光学系は前記測定対象物からの前記反射光の一部を反射させるミラーを有し、前記投光光学系と前記受光光学系とは、投光光軸と受光光軸が交差する様に配置され、前記投光光軸と前記受光光軸との交差位置に前記ミラーを設けた分光計測装置に係るものである。
【００１１】
又本発明は、前記照射系色収差低減部材の径は、前記ミラーの径よりも大きい分光計測装置に係るものである。
【００１２】
又本発明は、前記照射系色収差低減部材は照射系凹レンズと照射系凸レンズとから構成される照射系レンズ群であり、前記受光系色収差低減部材は受光系凹レンズと受光系凸レンズとから構成される受光系レンズ群である分光計測装置に係るものである。
【００１３】
又本発明は、前記照射系色収差低減部材は自由曲面又は軸外し放物面の反射面を有する照射系反射ミラーであり、前記受光系色収差低減部材は自由曲面又は軸外し放物面の反射面を有する受光系反射ミラーである分光計測装置に係るものである。
【００１４】
更に又本発明は、前記光源は近赤外光を含む前記照射光を発光するフィラメントであり、前記投光光学系は楕円鏡を有し、該楕円鏡で反射された前記照射光の集光位置と前記照射系色収差低減部材の焦点位置が略一致する様、該照射系色収差低減部材が配置された分光計測装置に係るものである。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、光源から発せられる照射光を照射する投光光学系と、測定対象物からの反射光を受光し、受光部へと導く受光光学系と、前記受光部で受光された前記反射光に基づき前記測定対象物の状態を検出する分光器を具備し、前記投光光学系と前記受光光学系は、それぞれ色収差を除去する照射系色収差低減部材と受光系色収差低減部材を有するので、色収差が補正され、測定精度を向上させることができると共に、色収差の補正の為に別途処理を行う必要がなく作業時間が短縮され、作業性を向上させることができるという優れた効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】第１の実施例に係る分光計測装置の光学系を示す構成図である。
【図２】第２の実施例に係る分光計測装置の光学系を示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施例を説明する。
【００１８】
先ず、図１に於いて、第１の実施例について説明する。
【００１９】
図１中、１は分光計測装置を示している。該分光計測装置１は、近赤外光を含む照射光２を投光光軸３上に照射する投光光学系４、測定対象物（図示せず）からの反射光５を受光する受光光学系６を有している。
【００２０】
前記投光光学系４は前記投光光軸３を有し、該投光光軸３上に楕円鏡８、光チョッパ９、照射系色収差低減部材である照射系レンズ群１１が設けられている。又、前記投光光軸３上には光源７が設けられ、該光源７からの光が前記投光光学系４により測定対象物に照射される様になっている。
【００２１】
又、前記受光光学系６は、受光光軸１２を有し、該受光光軸１２上にミラー１３、受光系色収差低減部材である受光系レンズ群１４が設けられている。又、該受光系レンズ群１４の焦点位置には受光部である受光ファイバ１５が設けられている。前記受光光軸１２は前記投光光軸３と交差し、前記ミラー１３はこの交差位置に配設され、前記反射光５の少なくとも一部を前記受光光軸１２上へと反射させる様になっている。
【００２２】
前記光源７は、例えば近赤外光を含む前記照射光２を発光するハロゲンランプであり、フィラメント１６に通電することで、例えば０．８μｍ〜２．５μｍ程度の波長帯域の近赤外光を含む前記照射光２を発光する。尚、前記ハロゲンランプに代えて、ハロゲンヒータを用いてもよい。該ハロゲンヒータは、前記フィラメント１６から生じる輻射熱により加熱を行うものであるが、輻射熱の放出に伴い近赤外光を含む光が発光されるので、発光された光を光源とすることができる。
【００２３】
前記楕円鏡８は、前記光源７を囲繞する様配置され、該光源７から発光された前記照射光２を反射させ、前記投光光軸３上の前記光チョッパ９へと集光させる。該光チョッパ９は、前記照射光２を所定の周波数でチョッピングする。前記照射光２が前記光チョッパ９を通過することで、測定対象物には断続的に特定周波数の前記照射光２が照射される様になっている。
【００２４】
尚、前記光チョッパ９の設けられる位置は、前記楕円鏡８に反射された前記照射光２の集光位置、即ち前記光源７を１次光源とした場合の２次光源となる位置となっている。ここで、前記光源７はハロゲンランプであり、前記照射光２は立体的な前記フィラメント１６から放出される為、前記楕円鏡８で反射された前記照射光２は１点に集中しない。従って、２次光源位置では、前記照射光２は光束径が１０ｍｍ程度のぼやけた点像となる。
【００２５】
前記照射系レンズ群１１は、照射系凹レンズ１７と照射系凸レンズ１８から構成され、前記照射系レンズ群１１の焦点位置が略２次光源位置、即ち略前記楕円鏡８による前記照射光２の集光位置となる様位置が設定される。前記照射系凹レンズ１７と前記照射系凸レンズ１８とが組合わされて前記照射系レンズ群１１が構成されることにより、前記分光計測装置１の光学系に生じる色収差が補正される。
【００２６】
尚、前記照射系凹レンズ１７と前記照射系凸レンズ１８には、長焦点距離の高ＮＡレンズが用いられ、前記照射系レンズ群１１の焦点距離が例えば２ｍ〜１０ｍとなる様に設定される。
【００２７】
前記光チョッパ９を通過した前記照射光２は、前記照射系レンズ群１１に入射し、略平行光束とされ、窓部１９を透過して測定対象物に照射される。尚、該窓部１９は、前記光源７から発生される前記照射光２に含まれる近赤外光と同程度、即ち０．８μｍ〜２．５μｍ程度の近赤外光に対する透過率が高い材質とするのが望ましい。
【００２８】
前記ミラー１３は、測定対象物からの前記反射光５の少なくとも一部を前記受光光軸１２上に反射させる様になっている。又、前記ミラー１３により反射された前記反射光５は、前記受光系レンズ群１４に入射される様になっている。
【００２９】
該受光系レンズ群１４は、受光系凸レンズ２１と受光系凹レンズ２２から構成され、前記分光計測装置１の光学系に生じる色収差が補正される。
【００３０】
前記受光系凸レンズ２１と前記受光系凹レンズ２２には、短焦点距離の光ファイバと同じ程度の小さめのＮＡのレンズが用いられ、前記受光系レンズ群１４に集光された前記反射光５は、前記受光ファイバ１５の受光端面に入射する様になっている。
【００３１】
該受光ファイバ１５は、例えば光ファイバであり、ファイバ径は０．６ｍｍ以下程度となっている。前記受光ファイバ１５に受光された前記反射光５は、前記受光ファイバ１５を通って分光器２３に入力される。該分光器２３は、前記受光ファイバ１５を介して入力された前記反射光５を分光解析する。具体的には、該反射光５から得られたスペクトル情報と、事前に測定した基準試料に対する近赤外光のスペクトル情報とを比較し、測定対象物の状態、例えば材質や組成についての情報を取得する。
【００３２】
尚、前記分光器２３としては、回折格子、プリズム、ＬＶＦ（リニア・バリアブル・フィルタ）で前記反射光５を分光する形式、光学フィルタで複数の波長帯域を得る形式等が利用可能となっている。又、前記分光器２３で用いられる光検出素子として、ＡＰＤ（アバランシェ・フォトダイオード）やラインセンサ等、各種検出素子が利用可能となっている。
【００３３】
又、前記分光計測装置１では、前記受光系レンズ群１４が前記照射系レンズ群１１に対して小さくなっている。これは、前記分光器２３に於ける波長分解能を確保する為には前記受光系レンズ群１４のＮＡは小さい程よいこと、該受光系レンズ群１４の焦点距離を長くすると前記分光計測装置１自体が大型化すること、前記受光系レンズ群１４のＮＡが一定の場合レンズ径を大きくしても受光量がほとんど変化しないこと等が理由となっている。更に、前記ミラー１３の大きさは前記受光系レンズ群１４の径に対応するので、該受光系レンズ群１４の小型化に伴い前記ミラー１３も小型化される。
【００３４】
次に、前記分光計測装置１の動作について説明する。
【００３５】
前記フィラメント１６に通電されることで、前記光源７から前記照射光２が発光される。該照射光２は、前記楕円鏡８で反射され、前記光チョッパ９が設けられた２次光源位置に集光される。
【００３６】
前記照射光２は、前記光チョッパ９を通過する過程でチョッピングされると共に、外乱光が排除され、断続的な特定周波数の前記照射光２となる。該照射光２は、前記照射系レンズ群１１に入射し、該照射系レンズ群１１で略平行光束とされ、前記窓部１９を透過して測定対象物へと照射される。
【００３７】
測定対象物で反射された前記反射光５は、前記窓部１９を透過して前記ミラー１３に入射する。前記反射光５は、前記ミラー１３で反射されて前記受光光軸１２上に偏向され、前記受光系レンズ群１４で集光されて前記受光ファイバ１５に受光される。
【００３８】
該受光ファイバ１５に受光された前記反射光５は、前記分光器２３へと導かれる。該分光器２３で前記反射光５の分光解析が行われ、測定対象物の組成や材質の解析等が行われる。例えば、コンクリート中の塩分濃度が変化すると、前記反射光５のスペクトル情報が変化する。従って、事前に測定した基準試料のスペクトル情報と、前記反射光５のスペクトル情報を基にコンクリート中の塩分濃度を測定し、測定結果を基にコンクリートの劣化度合いを判断することができる。
【００３９】
上述の様に、本実施例では、前記照射系レンズ群１１として前記照射系凹レンズ１７と前記照射系凸レンズ１８を組合わせ、前記受光系レンズ群１４として前記受光系凸レンズ２１と前記受光系凹レンズ２２とを組合わせているので、前記照射系レンズ群１１と前記受光系レンズ群１４により色収差が補正され、高精度な分光計測を行うことができる。
【００４０】
又、前記照射系レンズ群１１と前記受光系レンズ群１４とにより色収差が補正されるので、予め基準拡散反射物の分光反射率の測定や距離測定を行い、測定結果と事前の測定結果との比較により色収差の影響を補正する必要がなく、作業時間が短縮され、作業性を向上させることができる。
【００４１】
又、第１の実施例では、測定対象物からの前記反射光５を分光解析することで測定対象物の状態を測定する様になっている。即ち、非接触で離れた位置にある測定対象物を測定可能であるので、トンネルや橋梁等、大型の構造物を測定する際にも足場を組む必要がなく、作業性を向上させることができる。
【００４２】
又、前記照射系レンズ群１１、前記受光系レンズ群１４により色収差が補正されることで、測定対象物の拡散反射特性に波長差があった場合でも、波長差の影響を低減させることができる。
【００４３】
又、前記ミラー１３を前記投光光軸３と前記受光光軸１２との交差位置に配置することで、光学系の簡略化及び小型化を図ることができる。
【００４４】
前記ミラー１３は、前記照射系レンズ群１１よりも小さくなっているので、該照射系レンズ群１１で略平行光束とされた前記照射光２が前記ミラー１３に遮られた場合であっても、充分な光量の前記照射光２を照射することができ、分光計測に充分な光量の前記反射光５を得ることができる。
【００４５】
又、前記フィラメント１６は面積を有する光源である為、該フィラメント１６から発光され前記楕円鏡８に反射された前記照射光２は、２次光源位置で光束径が１０ｍｍ程度のぼやけた点像となる。即ち、前記照射光２が１点に集中しない為、前記光チョッパ９が多少前後しても略同等の２次光源が得られる。従って、前記照射系レンズ群１１の焦点位置と２次光源位置との厳密な位置合せが不要となり、作業性を向上させることができる。
【００４６】
更に、前記楕円鏡８に反射された前記照射光２は１点に集中しない、即ち２次光源からの前記照射光２は、前記照射系レンズ群１１により略平行光束とされないものも含まれる為、略平行光束では前記ミラー１３に遮られる部分の前記反射光５も受光することができる。従って、より充分な光量の前記反射光５が確保でき、極近距離での分光計測も可能となる。
【００４７】
次に、図２に於いて、第２の実施例について説明する。尚、図２中、図１中と同等のものには同符号を付し、その説明を省略する。
【００４８】
第２の実施例の分光計測装置１では、第１の実施例に於ける照射系レンズ群１１（図１参照）、受光系レンズ群１４（図１参照）に代えて、照射系色収差低減部材である照射系反射ミラー２４と、受光系色収差低減部材である受光系反射ミラー２５とを設けている。
【００４９】
前記照射系反射ミラー２４は、自由曲面、又は軸外し放物面である反射面を有し、投光光軸３′を投光光軸３に偏向すると共に、２次光源位置に配置された光チョッパ９からの照射光２を略平行光束となる様反射させる様になっている。尚、前記照射系反射ミラー２４は、前記照射系レンズ群１１と同様、ミラー１３よりも大幅に径が大きくなっている。又、前記照射系反射ミラー２４は、該照射系反射ミラー２４の焦点位置が略２次光源位置となる様配置されている。
【００５０】
又、前記受光系反射ミラー２５は、自由曲面、又は軸外し放物面である反射面を有し、受光光軸１２を受光光軸１２′に偏向すると共に、略平行光束である反射光５を、受光ファイバ１５の受光端面に集光される様反射させる様になっている。
【００５１】
光源７から発光された前記照射光２は、楕円鏡８で反射され、２次光源位置に設けられた前記光チョッパ９を通過する。前記照射光２は、前記光チョッパ９を通過する過程でチョッピングされ、外乱光が排除され、断続的な特定周波数の前記照射光２となる。該照射光２は、前記照射系反射ミラー２４で略平行光束となる様反射され、窓部１９を透過して測定対象物へと照射される。
【００５２】
測定対象物で反射された前記反射光５は、前記窓部１９を透過して前記ミラー１３に入射する。該ミラー１３で反射された前記反射光５は、前記受光系反射ミラー２５で更に反射され、前記受光ファイバ１５の受光端面に集光され、受光される。
【００５３】
該受光ファイバ１５に受光された前記反射光５は、分光器２３に導かれ、該分光器２３で分光解析されることで、測定対象物の組成や材質等が解析される。
【００５４】
第２の実施例では、前記照射系反射ミラー２４と前記受光系反射ミラー２５を用い、レンズを用いない光学系となっているので、光学系に色収差が生じず、高精度な分光計測を行うことができる。
【００５５】
又、色収差を補正する為の光学系や処理が不要になるので、装置構成が簡略化されると共に、作業時間が短縮され、作業性を向上させることができる。
【００５６】
又、前記照射系反射ミラー２４と前記受光系反射ミラー２５により色収差が生じない光学系となっているので、測定対象物の拡散反射特性に波長差があった場合でも、波長差の影響を低減させることができる。
【００５７】
又、第２の実施例では、前記照射系反射ミラー２４、前記受光系反射ミラー２５を用い、レンズを使用しないので、光学系を小型化でき、前記分光計測装置１の小型化を図ることができる。
【００５８】
尚、第１の実施例、第２の実施例に於いて、前記分光計測装置１に角度計や距離計、レーザポインタ等を別途設けてもよい。前記角度計や距離計を設けることで、測定対象物との距離が離れている場合でも容易に測定位置を特定することができる。又、前記レーザポインタを設けることで、日中の屋外での測定を行う場合等、照射される前記照射光２の視認が困難な場合でも、容易に測定位置を視認することができる。
【００５９】
又、第１の実施例、第２の実施例では、前記分光計測装置１によりコンクリートの劣化度合いを判断する場合について説明したが、測定対象物はコンクリートに限定されるものではなく、木材、植物、食品、セラミックス、金属、各種建材等、状態に応じてスペクトル情報が変化するものであれば他の材質を測定対象とすることができる。
【００６０】
又、前記光源７は、前記フィラメント１６を有するハロゲンランプやハロゲンヒータに限られるものではなく、前記楕円鏡８に反射された際に１点に集光されない様な発光面積の大きいものであれば他のものを用いてもよい。
【００６１】
更に、分光計測に利用される光の周波数は、０．８μｍ〜２．５μｍに限定されるものではなく、用途に応じて適宜設定すればよい。
【符号の説明】
【００６２】
１              分光計測装置
２              照射光
３              投光光軸
４              投光光学系
５              反射光
６              受光光学系
７              光源
８              楕円鏡
９              光チョッパ
１１            照射系レンズ群
１２            受光光軸
１３            ミラー
１４            受光系レンズ群
１５            受光ファイバ
１６            フィラメント
１７            照射系凹レンズ
１８            照射系凸レンズ
２１            受光系凸レンズ
２２            受光系凹レンズ
２３            分光器
２４            照射系反射ミラー
２５            受光系反射ミラー
【図１】
2017072463.tif 000003
【図２】
2017072463.tif 000004