JP2013164338A

JP2013164338A - 植物または植物加工品の異物検出方法

Info

Publication number: JP2013164338A
Application number: JP2012027524A
Authority: JP
Inventors: Akinori Kimura; 彰紀木村; Miyoko Fujimoto; 美代子藤本; Hiroshi Suganuma; 寛菅沼
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2012-02-10
Filing date: 2012-02-10
Publication date: 2013-08-22

Abstract

【課題】植物または植物加工品からなる検査対象物に混在する異物の検出を非破壊にて精度よく行う。
【解決手段】植物または植物加工品からなる検査対象物に対して近赤外領域の測定光を照射する照射ステップと、照射ステップにおいて照射された光による検査対象物からの散乱光を受光することで、検査対象物を撮像してハイパースペクトル画像を得る撮像ステップと、撮像ステップにおいて得られたハイパースペクトル画像に含まれて互いに異なる２つの画素間でのスペクトル形状に基づいて、検査対象物に混在する異物を検出する分析ステップと、を備える。近赤外領域の光を測定光に使用することで、検査対象物である植物または植物加工品の内部に異物がある場合でも当該異物を検出することが可能となる。また、ハイパースペクトル画像を撮像することで、当該画素単位で異物の検出が可能となり、異物の大きさ等を含めて高精度に異物を検出することが可能となる。
【選択図】図４

Description

本発明は、植物または植物加工品の異物検出方法に関する。

野菜や果物等の青果物の出荷前検査等において青果物を非破壊で検査する方法として、搬送される青果物をセンサーカメラで撮影し、その画像に基づいて青果物を選別する方法が知られている（特許文献１参照）。同様に、検査対象物である青果物に対して測定光を照射することで得られる散乱光を２つの独立した受光器で受光し、検査対象物の光透過率を測定することで、当該品の品質を評価する方法が示されている（特許文献２参照）。

特開昭６０−０７１０７６号公報特表平９−５０９４７７号公報

しかしながら、特許文献１記載の方法によれば、青果物の表面において反射される光の情報のみから青果物の画像が得られるため、外観形状に影響を与えない異状、例えば内部に異物がある場合等には、検出が困難となる。また、特許文献２記載の方法によれば、果実あるいは野菜の非破壊の検査は可能であるものの、検査対象物の局部の傷の有無、検査対象物の全体的な品質の評価等を行うことを目的としているため、異物の検出に特化して検査を行うための装置としては複雑な装置構成となる。また、特許文献２記載の装置を用いて異物の有無を検出したとしても当該異物の大きさ等を求めることは困難である。

本発明は上記を鑑みてなされたものであり、植物または植物加工品に混在する異物の検出を非破壊にて精度よく行うことができる異物検出方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る異物検出方法は、検査対象物である植物または植物加工品を撮像して得られたハイパースペクトル画像に基づいて、該検査対象物中に混在する異物を検出する植物または植物加工品の異物検出方法であって、検査対象物に対して近赤外領域の測定光を照射する照射ステップと、照射ステップにおいて照射された光による検査対象物からの散乱光を受光することで、検査対象物を撮像してハイパースペクトル画像を得る撮像ステップと、撮像ステップにおいて得られたハイパースペクトル画像に含まれて互いに異なる２つの画素間でのスペクトル形状に基づいて、検査対象物に混在する異物を検出する分析ステップと、を備えることを特徴とする。なお、本発明において「植物または植物加工品」は、青果物、穀物、飼料を含む。

上記の異物検出方法によれば、植物または植物加工品からなる検査対象物に対して近赤外領域の測定光を照射することにより、検査対象物からの散乱光を受光し、ハイパースペクトル画像を得る。そして、このスペクトル画像に含まれるスペクトル画像に含まれる互いに異なる２つの画素におけるスペクトルの形状に基づいて、異物を検出する。このように、近赤外領域の光を測定光に使用することで、検査対象物である植物または植物加工品の内部に異物がある場合でも当該異物を検出することが可能となる。また、ハイパースペクトル画像を撮像することで、当該画素単位で異物の検出が可能となり、異物の大きさ等を含めて高精度に異物を検出することが可能となる。

ここで、上記作用を効果的に奏する構成として、具体的には、測定光は、１２００ｎｍ〜２５００ｎｍの波長帯域の近赤外光である態様が挙げられる。

また、分析ステップにおいて、ハイパースペクトル画像に含まれて互いに異なる２つの画素のスペクトル情報から算出された１１００ｎｍ〜１３００ｎｍの波長帯域における差分スペクトル、あるいは、当該差分スペクトルの２階微分である２階微分差分スペクトルを算出し、当該差分スペクトルあるいは当該２階微分差分スペクトルのスペクトル形状から検査対象物に混在する異物を検出する態様とすることもできる。

上記のように、差分スペクトルや２階微分差分スペクトルを用いることで、スペクトル形状の微小な変化の検出も容易となり、異物の検出をより高精度で行うことが可能となる。

本発明によれば、植物または植物加工品に混在する異物の検出を非破壊にて精度よく行うことができる異物検出方法が提供される。

本実施形態に係る異物検出システムの構成を示す図である。ハイパースペクトル画像についてその概略を説明する図である。実施例で用いる検査対象物の作成方法を説明する図である。ハイパースペクトル画像に含まれるスペクトルを用いた分析方法について説明する図である。本実施形態の検出方法に用いられる差分スペクトルの例である。本実施形態の検出方法を用いられる２階微分スペクトルの例である。ハイパースペクトル画像に対して画像処理を行った結果について示す図である。

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は同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

（異物検出システムの構成）
本実施形態に係る異物検出システム１００について図１を用いて説明する。本実施形態に係る異物検出システム１００は、ベルトコンベア２上に分散載置された検査対象物３（図１では検査対象物の載置位置を示す）に混入した異物を検出する装置である。本実施形態に係る異物検出システム１００の検査対象物３としては、野菜や果物等の青果物、穀物、及び、飼料等からなる「植物または植物加工品」が挙げられる。本実施形態に係る異物検出システム１００において検出対象となるのは、植物または植物加工品に付着する異物である。異物としては、例えば、寄生虫や寄生虫の卵等が挙げられるが、これらに限定されない。異物検出システム１００は、測定光を検査対象物３に対して照射することにより得られる拡散反射光のスペクトルを測定し、そのスペクトルに基づいて検査対象物３に付着した異物を検出する。このため、異物検出システム１００は、照射手段１０、撮像手段２０、及び分析手段３０を備える。

照射手段１０は、一定の波長帯域を有する測定光を、ベルトコンベア２上における所定の照射領域Ａ１へ向けて照射する。照射手段１０が照射する測定光の波長範囲は、検査対象物３や、検出対象となる検査対象物３に付着した異物に応じて適宜選択される。測定光としては、波長範囲が１０００ｎｍ〜２５００ｎｍの光を含む近赤外光が好適に用いられ、この波長範囲に含まれて波長が互いに異なる複数の光が測定に用いられる。なお、本実施形態では、ハロゲンランプ１１を含む照射手段１０について説明する。

照射領域Ａ１とは、検査対象物３を載置するベルトコンベア２の表面（載置面２ｂ）の一部の領域である。この照射領域Ａ１は、載置面２ｂの進行方向２ａ（図１のｙ軸方向）と垂直な幅方向（ｘ軸方向）に広がり、載置面２ｂの一方の端から他方の端までを覆うライン状に延びる領域である。そして、照射領域Ａ１の延在方向に垂直な方向（ｙ軸方向）における照射領域Ａ１の幅は１０ｍｍ以下とされる。

照射手段１０は、ハロゲンランプ１１と、照射部１２と、ハロゲンランプ１１と照射部１２とを接続するバンドル光ファイバ１３と、を備える。ハロゲンランプ１１は、近赤外光を含む広帯域光を発生させる。

バンドル光ファイバ１３はライトガイド（例えば１５００本）を含み、ライトガイドはバンドル光ファイバ１３の一端側では円形に束ねられ、他端側では断面が矩形（例えば３本×５００本のマトリックス）になるように配列されている。ハロゲンランプ１１により発生された近赤外光は、バンドル光ファイバ１３の円形に束ねられた端面へ入射され、矩形に配列された端面から出射する。バンドル光ファイバ１３を使うことにより、効率よくライン状の光源を実現することが可能である。

照射部１２は、バンドル光ファイバ１３の端面から出射される近赤外光を検査対象物３が載置される照射領域Ａ１に対して照射する。照射部１２は、バンドル光ファイバ１３から出射される近赤外光を入射して、照射領域Ａ１に対応した１次元のライン状に出射するため、照射部１２としてシリンドリカルレンズが好適に用いられる。このように照射部１２においてライン状に整形された近赤外光Ｌ１が、照射部１２から照射領域Ａ１に対して照射される。

照射手段１０から出力された近赤外光Ｌ１は、照射領域Ａ１上に載置された検査対象物３により拡散反射される。そして、その一部が、拡散反射光Ｌ２として撮像手段２０に入射する。

撮像手段２０は、ハイパースペクトル画像を取得するハイパースペクトルセンサとしての機能を有する。ここで、本実施形態におけるハイパースペクトル画像について図２を用いて説明する。図２は、ハイパースペクトル画像についてその概略を説明する図である。図２に示すように、ハイパースペクトル画像とは、Ｎ個の画素Ｐ_１〜Ｐ_Ｎにより構成されている画像である。図２ではそのうちの一例として２個の画素Ｐ_ｎ及びＰ_ｍについて具体的に示している。画素Ｐ_ｎ及びＰ_ｍには、それぞれ複数の強度データからなるスペクトル情報Ｓ_ｎ及びＳ_ｍが含まれている。この強度データとは、特定の波長（又は波長帯域）におけるスペクトル強度を示すデータであり、図２では、１５個の強度データがスペクトル情報Ｓ_ｎ及びＳ_ｍとして保持されていて、これらを重ね合わせた状態で示している。このように、ハイパースペクトル画像Ｈは、画像を構成する画素毎に、それぞれ複数の強度データを持つという特徴から、画像としての二次元的要素と、スペクトルデータとしての要素と、をあわせ持った三次元的構成のデータである。なお、本実施形態では、ハイパースペクトル画像Ｈとは、１画素あたり少なくとも５つの波長帯域における強度データを保有している画素によって構成された画像のことをいう。なお、図２では検査対象物３もあわせて示している。すなわち、図２においてＰ_ｎは検査対象物３を撮像した画素であり、Ｐ_ｍは背景（例えば、ベルトコンベア）を撮像した画素である。

図１に戻り、本実施形態に係る撮像手段２０は、カメラレンズ２４と、スリット２１と、分光器２２と、受光部２３と、を備える。この撮像手段２０は、その視野領域２０ｓがベルトコンベア２の進行方向２ａと垂直な方向（ｘ軸方向）に延びている。撮像手段２０の視野領域２０ｓは、載置面２ｂの照射領域Ａ１に含まれるライン状の領域であって、スリット２１を通過した拡散反射光Ｌ２が受光部２３上に像を結ぶ領域である。

スリット２１は、照射領域Ａ１の延在方向（ｘ軸方向）と平行な方向に開口が設けられている。撮像手段２０のスリット２１に入射した拡散反射光Ｌ２は、分光器２２へ入射する。

分光器２２は、スリット２１の長手方向、すなわち照射領域Ａ１の延在方向に垂直な方向（ｙ軸方向）に拡散反射光Ｌ２を分光する。分光器２２により分光された光は、受光部２３によって受光される。

受光部２３は、複数の受光素子が２次元に配列された受光面を備え、各受光素子が光を受光する。これにより、受光部２３がベルトコンベア２上の幅方向（ｘ軸方向）に沿った各位置で反射した拡散反射光Ｌ２の各波長の光をそれぞれ受光することとなる。各受光素子は、受光した光の強度に応じた信号を位置と波長とからなる二次元平面状の一点に関する情報として出力する。この受光部２３の受光素子から出力される信号が、ハイパースペクトル画像に係る画像データとして、撮像手段２０から分析手段３０に送られる。

分析手段３０は、入力された信号により拡散反射光Ｌ２の反射スペクトルを得て、この得られたスペクトルに基づいて検査を行う。そして、この分析手段３０による分析の結果は、例えば分析手段３０に接続されるモニタや、プリンタ等に出力することによって、この異状検査システム１００のオペレータに通知される。

この分析手段３０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、主記憶装置であるＲＡＭ
（Random Access Memory）及びＲＯＭ（Read Only Memory）、撮像手段等の他の機器との
間の通信を行う通信モジュール、並びにハードディスク等の補助記憶装置等のハードウェ
アを備えるコンピュータとして構成される。

（異物検出システムによる検出方法）
次に、上記の異物検出システムにより撮像されたハイパースペクトル画像を用いて異物を検出する方法について、実施例に基づいて説明する。

図１に示す異物検出システム１００では、検査対象物３に対して近赤外領域の測定光を照射し（照射ステップ）、この結果検査対象物３からの散乱光を受光することで検査対象物３を撮像してハイパースペクトル画像を取得し（撮像ステップ）、このハイパースペクトル画像に含まれて互いに異なる２つの画素間でのスペクトル形状に基づいて、検査対象物に混在する異物を検出する（分析ステップ）。このうち、異物の検出に係る処理は、分析手段３０において行われる。

近赤外領域の測定光を検査対象物３に対して照射すると、当該測定光は、検査対象物の表面から内部に到達し、到達した領域を構成する物質に起因する吸収及び散乱を受け、散乱光が検査対象物３の表面から外部に出射する。ここで検査対象物３の表面や内部に異物がある場合、測定光は異物による吸収及び散乱の影響をも受けることになり、その結果、検査対象物３の表面から外部に出射されて撮像手段２０において受光する散乱光は、異物等がない検査対象物を照射して得られる散乱光とは異なるものとなる。本実施形態に係る異物検出システム１００では、検査対象物のうち異物が含まれない領域を照射した場合に得られる散乱光により得られるスペクトルと、異物が含まれる領域を照射した場合に得られる散乱光により得られるスペクトルとが互いに異なることを利用し、検査対象物を撮像して得られるハイパースペクトル画像に含まれる２つの画素を選択し、その両者のスペクトルを比較することで、異物を検出する方法が用いられる。２つの画素の比較を行う際に用いるスペクトルとしては反射光スペクトルでもよいし、吸収スペクトルに変換したものであってもよい。また、異物を検出する方法としては、２つの画素のスペクトルの差分スペクトルを算出しスペクトル形状から異物の検出を行う方法や、差分スペクトルの２階微分である２階微分差分スペクトルを算出し、このスペクトル形状から異物の検出を行う方法が挙げられる。

ここで、実際に検査対象物を撮像し、その画像データを用いて解析を行った結果について説明する。

はじめに、異物が含まれる検査対象物３を、以下の方法で作成した。ここでは、検査対象物として黄桃（缶詰入り）の果肉の切片を用い、異物としてハムの切片を用いた。そして図３（Ａ）に示すように２つの黄桃の切片３Ａによって矩形のハム切片３Ｂを挟むことにより、図３（Ｂ）に示すように目視により果肉に挟まれたハム（異物）を確認することが困難な検査対象物３を作成した。

次に、この検査対象物３についてのハイパースペクトル画像を取得したのちのスペクトル情報の抽出方法について図４に示す。検査対象物３のハイパースペクトル画像を取得すると、図４に示すように、検査対象物３のうち異物であるハム切片３Ｂが含まれる領域を撮像した画素と、検査対象物３のうち異物が含まれない領域を撮像した画素と、検査対象物３が含まれない（バックグラウンドのみ）領域を撮像した画素とが含まれる。図４の例では、スペクトルＳａは、異物であるハム切片３Ｂが含まれる領域を撮像した画素の吸収スペクトルであり、スペクトルＳｂは、異物が含まれず桃切片３Ａのみからなる領域を撮像した画素の吸収スペクトルである。ここでスペクトルＳａとスペクトルＳｂとは撮像対象が異なるため、対象物の構成物質に基づいたスペクトル形状が互いに異なる。そこで、この２つのスペクトルＳａ、Ｓｂの差分スペクトルを算出した場合、及び、この差分スペクトルの２階微分を行った２階微分差分スペクトルを算出した場合には、特定の波長帯域において特徴のあるスペクトル形状を確認することができると考えられる。

図５は、検査対象物において異物を含まない領域からの散乱光のスペクトルと、異物を含む領域からの散乱光のスペクトルとの差分スペクトルを示すグラフである。この実験では、９００〜２５００ｎｍの波長帯域の近赤外光を用いて異物を含む検査対象物を撮像したハイパースペクトル画像から、異物を含まない黄桃（厚さ３ｍｍ）のみの領域の画素、及び、厚さ３ｍｍの黄桃の下に１ｍｍ角、３ｍｍ角、５ｍｍ角、１０ｍｍ角のハム切片を含む領域の画素をそれぞれ抽出した。そして、黄桃のみの領域の画素での散乱光のスペクトルと、ハムを含む領域の画素での散乱光のスペクトルとの差分スペクトルを求めた。この結果、いずれの差分スペクトルにおいても、波長１１００ｎｍ付近及び波長１３００ｎｍ付近においてピークが認められ、厚さ３ｍｍの黄桃に隠れた１ｍｍ角のハムを検出できることが分かった。

また、図６は、検査対象物において異物を含む領域および異物を含まない領域各々からの散乱光の２階微分スペクトルを示すグラフである。この実験では、９００〜２５００ｎｍの波長帯域の近赤外光を用いて異物を含む検査対象物を撮像したハイパースペクトル画像から、異物を含まない黄桃（厚さ１０ｍｍ）のみの領域の画素、及び、ハムの切片を含む領域の画素を抽出した。そしてハムを含まない画素での散乱光の２階微分スペクトルと異物を含む画素での散乱光の２階微分スペクトルとを求めた。この結果、異物が含まれない領域の２階微分スペクトルと異物が含まれる領域の２階微分スペクトルでは、波長１３００ｎｍ付近においてピークの位置が互いに異なることを確認できた。これは、異物の影響を受けてピークシフトが発生したものと考えられる。これら二つの２階微分スペクトルの差スペクトルを利用して異物検出が可能である。

図５，６に示すように、検査対象物が黄桃であって異物がハムである場合、波長１１００ｎｍ及び波長１３００ｎｍ付近において、異物に由来すると思われるピーク形状の変化が確認された。そこで、撮像手段２０により撮像されたハイパースペクトル画像について異物に由来する波長を強調して加工を施したものを図７に示す。図７（Ａ）は、異物として１０ｍｍ角のハムを黄桃の果肉の上に載置した状態で撮像した可視画像である。図７（Ｂ）は、図７（Ａ）の黄桃及びハムについて、本実施形態に係る異物検出システムを用いて撮像することで得られたハイパースペクトル画像について、波長１１００ｎｍ付近を強調する画像処理を施したものである。また、図７（Ｃ）は、図７（Ｂ）で用いたものと同じハイパースペクトル画像について、波長１３００ｎｍ付近を強調する画像処理を施したものである。図７（Ｂ）及び図７（Ｃ）のいずれの画像においても、黄桃の果肉とハム切片とを区別することができ、異物の存在を確認することができた。このように、ハイパースペクトル画像において、異物に由来してスペクトル形状が変化する波長領域を強調する画像処理を施すことで、異物を抽出することができることも確認された。

なお、上記の実施例では、予め異物が含まれる領域と異物が含まれない領域とを把握しておき、これらを選択した上で両者のスペクトルの差分スペクトルを算出しているが、本実施形態に係る異物検出システムを用いた異物分析を行う場合には、例えば、予め異物の含まれていない検査対象物のハイパースペクトル画像を撮像しておき、その中から任意の画素のスペクトルを基準スペクトルとして選んでおく。その後、検査対象物のハイパースペクトル画像を撮像し、当該画像に含まれる画素のスペクトルと基準スペクトルとの差分スペクトル（あるいは、当該差分スペクトルの２階微分差分スペクトル）を算出し、算出結果のスペクトルにおいて異物由来のピーク変化があるかどうかを調べることで、異物の有無を判断することができる。

以上のように、本実施形態に係る異物検出方法によれば、植物または植物加工品からなる検査対象物３に対して照射手段１０によって近赤外領域の測定光を照射することにより、検査対象物３からの散乱光を受光し、ハイパースペクトル画像を得る。そして、このスペクトル画像に含まれるスペクトル画像に含まれる互いに異なる２つの画素におけるスペクトルの形状に基づいて、異物を検出する。このように、近赤外領域の光を測定光に使用することで、検査対象物である植物または植物加工品の内部に異物がある場合でも当該異物を検出することが可能となる。また、ハイパースペクトル画像を撮像することで、当該画素単位で異物の検出が可能となり、異物の大きさ等を含めて高精度に異物を検出することが可能となる。

また、２つのスペクトルの形状を比較して異物の検出を行う際に、２つのスペクトルの差分スペクトルや２階微分差分スペクトルを用いることで、スペクトル形状の微小な変化の検出も容易となり、異物の検出をより高精度で行うことが可能となる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されず、種々の変更を行うことができる。

例えば、上記実施形態では、異物検出システム１００に分析手段３０が組み込まれた構成について説明したが、本発明に係る異物検出システムは、例えば、他の工業製品の異状分析等を行うシステムに組み込んで利用することもできる。また、分析手段３０は、上記実施形態のように画像データの撮像を行うカメラ２０と接続されている必要はなく、単体で使用することができる。

また、上記実施形態では、波長１１００ｎｍ〜１３００ｎｍ付近のスペクトル形状の変化が異物に由来する場合について説明したが、スペクトル形状が変化する波長領域は、検査対象物及び異物の構成物質等によって変化する。したがって、上記波長に限定されず、他の波長領域でのスペクトル変化が異物の検出に用いられることもある。

１００…異物検出システム、２…ベルトコンベア、３…検査対象物、１０…照射手段、１１…ハロゲンランプ、１２…照射部、１３…バンドル光ファイバ、２０…撮像手段、２１…スリット、２２…分光器、２３…受光部、３０…分析手段。

Claims

検査対象物である植物または植物加工品を撮像して得られたハイパースペクトル画像に基づいて、該検査対象物中に混在する異物を検出する植物または植物加工品の異物検出方法であって、
前記検査対象物に対して近赤外領域の測定光を照射する照射ステップと、
前記照射ステップにおいて照射された光による前記検査対象物からの散乱光を受光することで、前記検査対象物を撮像してハイパースペクトル画像を得る撮像ステップと、
前記撮像ステップにおいて得られたハイパースペクトル画像に含まれて互いに異なる２つの画素間でのスペクトル形状に基づいて、前記検査対象物に混在する異物を検出する分析ステップと、
を備えることを特徴とする異物検出方法。
前記測定光は、１２００ｎｍ〜２５００ｎｍの波長帯域の近赤外光であることを特徴とする請求項１記載の異物検出方法。
前記分析ステップにおいて、前記ハイパースペクトル画像に含まれて互いに異なる２つの画素のスペクトル情報から算出された１１００ｎｍ〜１３００ｎｍの波長帯域における差分スペクトル、あるいは、当該差分スペクトルの２階微分である２階微分差分スペクトルを算出し、当該差分スペクトルあるいは当該２階微分差分スペクトルのスペクトル形状から前記検査対象物に混在する異物を検出することを特徴とする請求項１又は２記載の異物検出方法。