(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
出射光の波長がそれぞれ異なる複数の半導体レーザからそれぞれ対応する各レンズを介して同一方向に出射される各レーザ光を、各レンズにそれぞれ対応しそれぞれ異なる所定角度に設定された各反射鏡により反射させて回折格子またはプリズムに入射させ、該入射させた各レーザ光を該回折格子またはプリズムで同軸上にして被測定物に同時に照射するレーザ照射手段と、該レーザ照射手段から被測定物に照射され、被測定物を透過した光を検知する検知手段と、該検知手段で検知された光に基づくデータを処理して被測定物の内部成分を求める処理手段と、を具備し、前記検知手段は、前記被測定物を透過した光を受光する半導体受光素子を備え、被測定物が所定の測定位置に存在しない時に入射される前記各レーザ光を反射させる反射型拡散板を備え、前記透過した光を通過させると共に、前記反射型拡散板で反射された各レーザ光を前記半導体受光素子に向けて反射させる窓板を備えることを特徴とする食品の非破壊成分測定装置。
【請求項２】
前記レーザ照射手段は、各半導体レーザから出射されるレーザ光を監視するモニターを備えることを特徴とする請求項１記載の食品の非破壊成分測定装置。
【請求項３】
前記処理手段は、基準クロック発生器、各レーザ光に対応した変調信号発生器及びレーザ電源を有する電源部と、各レーザ光変調信号に対応したバンドパスフィルタ、同期整流器及びＶＦまたはＡＤ変換器を有する処理部と、を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の食品の非破壊成分測定装置。
【請求項４】
前記半導体レーザは、温度センサで検出した温度に基づいて温度コントローラで温度調整器を調整することにより、その温度が制御されることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の食品の非破壊成分測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、果実等の食品に含まれる糖、酸等の内部成分を測定する食品の非破壊成分測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般的に、果実、魚、肉等の食品に近赤外光を含む光を照射し、その透過光や反射光から食品内に含まれる糖、酸、脂質等の内部成分を分析する方法は良く知られている。この方法は近赤外分光分析法と呼ばれ、食品の内部を透過した光のうち特定の波長の光が食品の内部成分で一部吸収されて影響を受けることから、その変動を測定することによって成分を推定するものである。
【０００３】
そして、この方法を採用した成分測定装置の場合、光源としてハロゲンランプを用い、果実を透過してきた光を回折格子等を用いて分光し、４〜５波長程度の特定波長の変化を測定することによって成分を測定しているが、食品を透過する光がごくわずかであることから、測定精度を上げるために強力な光源（数１０ワットから数１００ワット）を必要とし、また、光源から照射される光のほとんどが熱になることから、被測定物が熱の影響を受けたり、測定装置自体にこの熱を除去する熱対策が必要になったりして、測定装置自体が高エネルギー消費となり易いという不都合がある。
【０００４】
そこで、このような不都合を解消するものとして、例えば特開平１０−２０６３２３号公報に開示されているように、単一の測定部内に、波長の異なるレーザ光を順次照射する少なくとも３つの光ファイバーを備えた非破壊糖度測定装置が提案されている。この測定装置は、ローラコンベア等の搬送路内に単一の測定部を配置し、この測定部内に波長λ１、λ２、λ３の３種類のレーザ光を順次照射する光ファイバーｗ１、ｗ２、ｗ３と、青果物から出射された波長λ１、λ２、λ３の各レーザ光を検出する検出器と、この検出器から出力される検出信号に基づいて青果物の食味特性を算出するコンピュータとでその主要部が構成されている。
【０００５】
そして、各光ファイバーｗ１、ｗ２、ｗ３は、先端部が折り曲げられてその先端がそれぞれ別方向に向くように設定されるか、あるいは各光ファイバーｗ１、ｗ２、ｗ３が束ねられて各波長λ１、λ２、λ３のレーザ光の照射方向が略同一方向に向くように設定されていて、測定部を通過する青果物に対し、波長λ１、λ２、λ３のレーザ光を順次照射するように設定されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この測定装置にあっては、レーザの使用によって熱対策が不要になると共に省エネ化が図れるものの、少なくとも３種類の波長のレーザ光を照射する光ファイバーｗ１、ｗ２、ｗ３を折り曲げるかあるいは束ねて所定の方向に向くように配置する方法であるため、各レーザ光を一本の光軸に完全に一致させるようにしたものではない。
【０００７】
つまり、測定精度の向上のためには、同軸上に光路を揃え、同じ経路を通ってきた光を測定することが望ましいが、上記の測定装置のように、各光ファイバーの先端部を折り曲げて光ファイバーの先端がそれぞれ別の方向を向くように設定する構造では、各光ファイバーを所定位置に設定する調整作業が困難であるという問題点があった。また、各光ファイバーを束ねて各波長の光を照射する構造では、各光ファイバーがある程度の大きさを有することから複数種類のレーザ光を同軸上に揃えて照射することが実際上困難であり、結果として測定精度の面で劣るという問題点があった。
【０００８】
すなわち、上記従来の測定装置は、各波長の光を青果物に照射する際、各波長の光の照射位置がずれる虞があり測定精度が上がらないという問題があり、この照射位置ずれの問題は、コンベアの搬送速度に変動が生じた場合や、使用するレーザ光が３波長よりも更に多波長の光を用いる場合に更に測定精度の低下を招く要因ともなっている。
【０００９】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、その目的は、異なる波長のレーザ光を回折格子等で同軸上にして被測定物に照射でき、測定精度の向上と装置の構成の簡素化を同時に図り得る食品の非破壊成分測定装置を提供することにある。また他の目的は、複数波長のレーザ光による同時照射及び同時検出を可能にして、測定効率の向上を図り得る食品の非破壊成分測定装置を提供することにある。更に他の目的は、電源部の温度上昇を抑えて所定波長のレーザ光を安定して照射し、測定精度のより一層の向上を図り得る食品の非破壊成分測定装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
かかる目的を達成すべく、本発明のうち請求項１記載の発明は、出射光の波長がそれぞれ異なる複数の半導体レーザからそれぞれ対応する各レンズを介して同一方向に出射される各レーザ光を、各レンズにそれぞれ対応しそれぞれ異なる所定角度に設定された各反射鏡により反射させて回折格子またはプリズムに入射させ、該入射させた各レーザ光を該回折格子またはプリズムで同軸上にして被測定物に同時に照射するレーザ照射手段と、該レーザ照射手段から被測定物に照射され、被測定物を透過した光を検知する検知手段と、該検知手段で検知された光に基づくデータを処理して被測定物の内部成分を求める処理手段と、を具備し、前記検知手段は、前記被測定物を透過した光を受光する半導体受光素子を備え、被測定物が所定の測定位置に存在しない時に入射される前記各レーザ光を反射させる反射型拡散板を備え、前記透過した光を通過させると共に、前記反射型拡散板で反射された各レーザ光を前記半導体受光素子に向けて反射させる窓板を備えることを特徴とする。
【００１２】
このように構成することにより、レーザ照射手段の複数の半導体レーザからレンズを介して同一方向に出射されるそれぞれ波長が異なる複数のレーザ光は、それぞれ反射鏡により反射され、回折格子またはプリズムに入射されて同軸となって被測定物に同時に照射され、この照射された各レーザ光の透過光が検知手段で検知される。そして、この検知手段で検知された光に基づくデータが処理手段で適宜に処理されて被測定物の内部成分が求められる。この内部成分を求める際に、被測定物に照射される複数のレーザ光が回折格子またはプリズムによって同軸となることから、照射される各レーザ光の被測定物への同時照射が可能となり、測定精度の向上が図れる。また複数のレーザ光がそれぞれレンズ及び反射鏡を介して回折格子またはプリズムに入射されて同軸となることから、同軸にするための複雑な機構が不要になる等、測定装置自体の構成の簡素化が図れる。更に、被測定物を透過した光を窓板を介して半導体受光素子で確実に受光でき、また測定位置に被測定物が存在しない場合に、反射型拡散板及び窓板を介して半導体受光素子に入射される光を利用して測定装置の校正が可能になり、測定精度のより一層の向上が図れる。
【００１３】
そして、レーザ照射手段としては、請求項２記載の発明のように、各半導体レーザから出射されるレーザ光を監視するモニターを備えることが好ましい。このように構成することにより、各波長に対応して設けたモニターによって、各レーザから出射される各レーザ光を監視できて、測定のより精度向上と測定作業の効率化が図れる。
【００１５】
また、処理手段としては、請求項３記載の発明のように、基準クロック発生器、各レーザ光に対応した変調信号発生器及びレーザ電源を有する電源部と、各レーザ光変調信号に対応したバンドパスフィルタ、同期整流器及びＶＦまたはＡＤ変換器を有する処理部と、を備えることが好ましい。このように構成することにより、回路の構成の簡素化が図れると共に、一つの検知手段で各レーザ信号の同時検出が可能になる。
【００１６】
また、半導体レーザは、請求項４記載の発明のように、温度センサで検出した温度に基づいて温度コントローラで温度調整器を調整することにより、その温度が制御されることが好ましい。このように構成することにより、半導体レーザの温度が温度コントローラで制御されて、安定したレーザ光の出射が可能になり、測定作業のより効率化が図れる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態の一例を図面に基づいて詳細に説明する。
図１〜図３は、本発明に係わる非破壊成分測定装置の一実施例を示し、図１がその全体構成を示す概略構成図、図２がその電源部のブロック図、図３がその処理部のブロック図である。
【００１８】
図１において、非破壊成分測定装置１（以下、測定装置１という）は、光学系２と処理系３を有し、光学系２には、レーザ照射手段としてのレーザ照射部４と、検知手段としての検知器５が設けられている。レーザ照射部４は、６３０ｎｍ、８３０ｎｍ、９１５ｎｍ、９４０ｎｍ、９８０ｎｍの５つの波長のレーザ光を出射する放熱板が固定された半導体レーザ６ａ〜６ｅを有し、各半導体レーザ６ａ〜６ｅの各出射口にはレンズ７ａ〜７ｅが配置されると共に、この各レンズ７ａ〜７ｅに対応して反射鏡８ａ〜８ｅが配置されている。
【００１９】
反射鏡８ａ〜８ｅは、その各配置角度がθ１＝８．３°、θ２＝２０．８°、θ３＝２９．１°、θ４＝３１．８°、θ５＝３６．５°に設定され、各反射光が回折格子９に入射されるように設定されている。回折格子９は、１２．７ｍｍ×１２．７ｍｍ×１．６ｍｍの大きさで、１２００本／ｍｍの性能を有し、反射鏡８ａ〜８ｅから入射される各レーザ光を同軸の光軸１０上に設定して、矢印イの如くピンホール板１１を介して被測定物Ｗに出射するように構成されている。
【００２０】
また、各レンズ７ａ〜７ｅと反射鏡８ａ〜８ｅとの間には、一部の光を透過させ一部の光を反射させる光学ガラス等の窓板１２ａ〜１２ｅが配置されており、この窓板１２ａ〜１２ｅに対応してモニタ検知器１３ａ〜１３ｅが設けられている。このモニタ検知器１３ａ〜１３ｅによって、各レーザ光の出射状態が監視されるようになっている。なお、モニタ検知器１３ａ〜１３ｅを後述する電源部２０に接続し、その検知状態に応じて電源部２０の出力調整トリマー２５ａ〜２５ｅを制御して常に最適な出射状態を維持するように構成することもできる。
【００２１】
前記検知器５は、被測定物Ｗを透過した光を通過させる前記窓板１２ａと同様の窓板１５と、この窓板１５に対応して設けられた半導体受光素子１６を有し、半導体受光素子１６は、シリコンホトダイオード１６ａ、集光レンズ１６ｂ及び受光面１６ｃとで形成されている。また、検知器５は、前記光軸１０上で被測定物Ｗの反回折格子９側に配置された反射型拡散板１７を有し、この反射型拡散板１７によって、測定位置Ｓに被測定物Ｗが存在しない場合のレーザ光が反射拡散されて窓板１５に入射され、例えば測定装置１の校正が行われる。なお、図１のθ６、θ７は、θ６＝２０°、θ７＝３０°に設定され、また、検知器５内にはプリアンプ１８（図３参照）が内蔵されている。
【００２２】
一方、前記処理系３は電源部２０と処理部２１を有している。電源部２０は、図２に示すように、前記各波長に対応したレーザ電源２２ａ〜２２ｅ及び変調信号発生器２３ａ〜２３ｅ（図では信号発生器と記す）を有し、各変調信号発生器２３ａ〜２３ｅは一つの基準クロック発生器２４に接続されている。なお、レーザ電源２２ａ〜２２ｅは、出力調整トリマー２５ａ〜２５ｅによってその出力が各々可変される。また、電源部２０は温度コントローラ２６を有し、この温度コントローラ２６には、前記半導体レーザ６ａ〜６ｅに取り付けられたペルチェ素子２７とサーミスタ等の温度センサ２８が接続されている。
【００２３】
前記処理部２１は、図３に示すように、検知器５で検知された信号を増幅するメインアンプ２９と、このメインアンプ２９の出力信号を所定の波長帯で濾過する５つのバンドパスフィルタ３０ａ〜３０ｅ（図ではフィルタと記す）と、このバンドパスフィルタ３０ａ〜３０ｅで濾過された所定帯域の波長信号を同期して整流する同期整流器３１ａ〜３１ｅと、この同期整流器３１ａ〜３１ｅの出力信号（電圧）をパルスに変換して出力するＶＦ変換器３２ａ〜３２ｅを有している。なお、バンドパスフィルタ３０ａ〜３０ｅの周波数ｆは、前記変調信号発生器２３ａ〜２３ｅに対応して３３０Ｈｚ、６６０Ｈｚ、１３２０Ｈｚ、２６４０Ｈｚ、５２８０Ｈｚに設定され、また電源部２０と処理部２１はプリント基板（図示せず）上に構築されている。
【００２４】
次に、上記測定装置１の動作の一例について説明する。先ず、処理系３の電源部２０が作動すると、基準クロック発生器２４から各変調信号発生器２３ａ〜２３ｅに基準クロックが入力されて、所定波長の変調信号が作成される。そして、この変調信号で各レーザ電源２２ａ〜２２ｅが作動すると、各半導体レーザ６ａ〜６ｅから所定波長のレーザ光が、対応したレンズ７ａ〜７ｅを介して対応した反射鏡８ａ〜８ｅに出射され、この反射鏡８ａ〜８ｅで反射されて回折格子９にそれぞれ入射される。
【００２５】
なお、半導体レーザ６ａ〜６ｅからのレーザ光の出射の際に、半導体レーザ６ａ〜６ｅの温度が温度センサ２８により検出され、この検出温度に基づいて温度コントローラ２６がペルチェ素子２７を作動させる。これにより、レーザ光の出射による各半導体レーザ６ａ〜６ｅの温度上昇が抑えられて、所定温度に維持され、レーザ光が安定して出射される。
【００２６】
そして、回折格子９に入射された各波長のレーザ光は、回折格子９で同軸の光軸１０上に設定されて、測定位置Ｓ方向に同時に出射され、このレーザ光が測定位置Ｓにセットされているメロンや西瓜等の食品からなる被測定物Ｗに照射される。この被測定物Ｗに照射されたレーザ光は、その波長が被測定物Ｗの品質に関係する波長に予め設定されていることから、被測定物Ｗの内部を透過及び反射した各波長の光は、窓板１５を透過して半導体受光素子１６のシリコンホトダイオード１６ａに同時に入射され、集光レンズ１６ｂで集光され受光面１６ｃで同時に受光される。この受光面１６ｃによる受光で被測定物Ｗの内部成分に対応した光信号が電気信号（信号電流）に変換（検知）されることになる。
【００２７】
検知器５で信号電流が検知されると、この信号電流がプリアンプ１８で増幅されて処理部２１に出力される。処理部２１は、検知器５から入力される信号電流をメインアンプ２９で増幅し、各バンドパスフィルタ３０ａ〜３０ｅで所定の周波数帯毎に濾過する。そして、この濾過された周波数帯の各電圧信号が、各同期整流器３１ａ〜３１ｅで整流されると共に各ＶＦ変換器３２ａ〜３２ｅでパルス信号に変換され、このパルス信号が外部に出力される。これにより、５つの波長に係わる各処理回路が同時に動作して、同時検出を行うことができる。なお、電圧信号のパルス信号への変換は、ＶＦ変換器３２ａ〜３２ｅの代わりにＡＤ変換器を用いることもできる。
【００２８】
このパルス信号を、例えばデータ処理部としてのパソコン３３（図１参照）で係数処理することによって、光信号が被測定物Ｗの内部成分に対応した測定データとなり、この測定データをＣＲＴに表示したりプリンター（いずれも図示せず）で印字すること等によって内部成分が測定される。なお、前記処理部２１とパソコン３３は完全別体ではなく、例えば処理部２１の各機能の一部をパソコン３３内に構築することも勿論可能である。
【００２９】
このように上記実施例の測定装置１にあっては、５つの所定波長のレーザ光を出射し得るレーザ電源２２ａ〜２２ｅ及び半導体レーザ６ａ〜６ｅを設けると共に、各レーザ光をレンズ７ａ〜７ｅ及び反射鏡８ａ〜８ｅを介して回折格子９に入射させて、各レーザ光を同軸の光軸１０上に設定して被測定物Ｗに同時に照射するため、被測定物Ｗに照射される５波長のレーザ光を完全に同軸上に載せることができて、各レーザ光の被測定物Ｗへの同時照射が可能になる。その結果、同一光軸１０を通るレーザ光を被測定物Ｗの所定位置に確実に照射できて、測定精度の向上を図ることができる。
【００３０】
また、５波長のレーザ光が各波長に対応して設けたレンズ７ａ〜７ｅや反射鏡８ａ〜８ｅを介して回折格子９に入射されるため、各反射鏡８ａ〜８ｅを所定角度で配置することにより、各波長のレーザ光を対応したレンズ７ａ〜７ｅや反射鏡８ａ〜８ｅで回折格子９に正確に入射させることができ、例えば複数のレーザ光を一つのレンズを介して照射する場合に比較して、レンズ７ａ〜７ｅや反射鏡８ａ〜８ｅの角度や位置設定を容易に行うことができる。その結果、これらの角度や位置設定に高精度な制御機構を設ける必要がなくなり、測定装置１の構成の簡素化を図ることができると共に、使い勝手（操作性）に優れかつ安価な測定装置１を得ることが可能になる。
【００３１】
また、各レーザ光に対応して窓板１２ａ〜１２ｅとモニタ検知器１３ａ〜１３ｅを配置しているため、各レーザ光の強度を監視することができると共に、半導体レーザ６ａ〜６ｅの温度が温度コントローラ２６によって所定温度となるように制御されるため、各レーザ光が安定して照射される。
【００３２】
また、検知器５に反射型拡散板１７を設けているため、測定位置Ｓに被測定物Ｗがない場合に、レーザ光を窓板１５に反射拡散させてその状態を検知することで、レーザ光の強度を測定できて、この測定データに基づいて測定装置１の校正を行うことができる。これらのことから、上記測定装置１によれば、被測定物Ｗの内部成分の測定を、より高精度でかつ長期に亘り安定して行うことが可能になる。
【００３３】
更に、光源としてパロゲンランプではなく、複数の所定波長の半導体レーザ６ａ〜６ｅによるレーザ光を使用しているため、測定装置１自体の温度上昇が抑えられて熱対策が不要になると共に、出力が数１０ｍｍワットと小さい半導体レーザ６ａ〜６ｅを使用することができるため、光源に使用する電力を極めて小さくすることができ、測定装置１の構成の一層の簡素化と省エネルギー化を図ることができるという付随的な作用効果を得ることもできる。
【００３４】
なお、上記実施例においては、５波長のレーザ光を使用する場合について説明したが、本発明はこれに何等限定されるものでなく、被測定物Ｗの種類に応じて複数の所定波長のレーザ光を使用することができるし、上記した５つの波長の波長自体も被測定物Ｗに応じて適宜の波長を使用できる。また、上記実施例における光学系２と処理系３は便宜上分割したものであって、その構成は適宜に変更できるし、回折格子９の性能も一例であって、複数のレーザ光を同軸上に設定し得る適宜性能の回折格子やプリズム等を使用できる。
【００３５】
更に、上記実施例におけるレーザ照射部４や検知器５の構成、電源部２０や処理部２１の回路構成等も一例に過ぎず、所定波長の複数のレーザ光を同軸上に設定して被測定物Ｗに同時に照射し、かつその検知データから内部成分を分析し得る適宜の構成を採用する等、本発明に係わる各発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変更することができる。
【００３６】
【発明の効果】
以上詳述したように、請求項１記載の発明によれば、レーザ照射手段の複数の半導体レーザからレンズを介して同一方向に出射されるそれぞれ波長が異なる複数のレーザ光が、それぞれ反射鏡により反射され、回折格子またはプリズムに入射されて同軸となって被測定物に同時に照射され、この照射された各レーザ光の透過光が検知手段で検知されるため、複数のレーザ光の被測定物に対する同時照射が可能となって、測定精度の向上が図れると共に、複数のレーザ光がそれぞれレンズ及び反射鏡を介して回折格子またはプリズムに入射されて同軸となることから、複数のレーザ光を同軸に設定するための複雑な機構が不要になる等、測定装置自体の構成の簡素化を図ることができる。更に、被測定物を透過した光を窓板を介して半導体受光素子で確実に受光でき、また測定位置に被測定物が存在しない場合に、反射型拡散板及び窓板を介して半導体受光素子に入射される光を利用して測定装置の校正が可能になり、測定精度のより一層の向上が図れる。
【００３７】
また、請求項２記載の発明によれば、請求項１記載の発明の効果に加え、各半導体レーザから出射されるレーザ光を監視するモニターが備えられているため、各半導体レーザから出射されるレーザ光を監視できて、測定精度のより向上と測定作業の効率化を図ることができる。
【００３９】
また、請求項３記載の発明によれば、請求項１または２記載の発明の効果に加え、処理手段が、基準クロック発生器、各レーザ光に対応した変調信号発生器及びレーザ電源を有する電源部と、各レーザ光変調信号に対応したバンドパスフィルタ、同期整流器及びＶＦまたはＡＤ変換器を有する処理部とを備えているため、回路の構成の簡素化を図ることができると共に、一つの検知手段により各レーザ信号を同時検出することができる。
【００４０】
また、請求項４記載の発明によれば、請求項１ないし３記載の発明の効果に加え、温度センサで検知した温度に基づいて温度コントローラで温度調整器を調整して、半導体レーザの温度を制御することができるため、安定したレーザ光の出射が可能となり、測定精度のより一層の向上と安定化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わる食品の非破壊成分測定装置の一実施例の全体構成を示す概略構成図
【図２】同その電源部のブロック図
【図３】同その処理部のブロック図
【符号の説明】
１・・・・・・・・・・非破壊成分測定装置
２・・・・・・・・・・光学系
３・・・・・・・・・・処理系
４・・・・・・・・・・レーザ照射部
５・・・・・・・・・・検知器
６ａ〜６ｅ・・・・・・半導体レーザ
７ａ〜７ｅ・・・・・・レンズ
８ａ〜８ｅ・・・・・・反射鏡
９・・・・・・・・・・回折格子
１０・・・・・・・・・光軸
１３ａ〜１３ｅ・・・・モニタ検知器
１５・・・・・・・・・窓板
１６・・・・・・・・・半導体受光素子
１７・・・・・・・・・反射型拡散板
２０・・・・・・・・・電源部
２１・・・・・・・・・処理部
２２ａ〜２２ｅ・・・・レーザ電源
２３ａ〜２３ｅ・・・・変調信号発生器
２４・・・・・・・・・基準クロック発生器
２６・・・・・・・・・温度コントローラ
２７・・・・・・・・・ペルチェ素子
２８・・・・・・・・・温度センサ
３０ａ〜３０ｅ・・・・バンドパスフィルタ
３１ａ〜３１ｅ・・・・同期整流器
３２ａ〜３２ｅ・・・・ＶＦ変換器
Ｗ・・・・・・・・・・被測定物
Ｓ・・・・・・・・・・測定位置
【図１】
0004031191.tif 000002
【図２】
0004031191.tif 000003
【図３】
0004031191.tif 000004