WO2003091676A1 - Small packaged spectroscopic sensor unit - Google Patents

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    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G01N21/35—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
    • G01N21/3563—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light for analysing solids; Preparation of samples therefor

Definitions

  • the present invention is intended to determine the internal quality, components, etc. from the appearance alone, such as fruits, vegetables, plant leaves and other agricultural products such as fish, meat, milk, oil, alcoholic beverages, etc. Liquid, butter, dairy products such as cheese, and other spectroscopic sensor units used in spectrometers for non-destructive inspection of the internal quality (including components) of light-permeable test objects. Spectrometers for on-line measurement in a very small space installed on a transport line, and a compact configuration that can be easily operated and operated with an inspection device, make it possible to perform inspection work on inspection objects at any site.
  • the present invention relates to a small-sized package spectroscopic sensor for a spectroscopic device for configuring an extremely small nondestructive inspection device so that it can be easily performed. Background art
  • 3-164004 / 44 is such that light reflected from the fruit and vegetable is incident on a measuring head portion, and is transmitted through an optical fiber.
  • the schematic configuration of the optical sensor device disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. H11-183733 is such that light reflected from an object to be measured is guided to a main body case through an optical fiber, and the optical fiber is emitted.
  • the light emitted from the array of light beams is spectrally processed by a concave diffraction grating, converted into an electric signal by a photoelectric converter, and the electric signal is processed by a data processing unit.
  • All devices for detecting quality and components are configured to split light into a plurality of different wavelength bands via mirrors and concave diffraction gratings and obtain a spectral output by a photoelectric conversion element.
  • the measuring instrument body or the apparatus main body becomes large.
  • the optical axis alignment accuracy is required to fix the concave diffraction grating in order to increase the spectral accuracy.
  • fixing a concave diffraction grating requires a lot of labor and cost, and the economics of manufacturing a spectroscope is poor.
  • spectrometers equipped with concave diffraction gratings are required to have optical axis accuracy in terms of the relationship between the concave diffraction grating and the object on the light receiving side and between the concave diffraction grating and the object on the reflection side. Since the spectroscope has a certain distance between the exit and the reflecting mirror, concave diffraction grating, and photoelectric converter, the transmitted light coming out of the optical fiber is, for example, Impact force If used, the optical axis is likely to be out of alignment or misalignment, and has the problem of lacking mechanical strength and durability.
  • the reflection of light is apt to change due to thermal strain or minute displacement such as thermal expansion or contraction of components due to environmental temperature fluctuation, and this causes a deviation in the relationship between the output of photoelectric conversion and the wavelength, which causes There was a problem that the spectral measurement accuracy fluctuated. Therefore, conventionally known spectrometers are small in size and lack in impact resistance (seismic resistance). Therefore, the entire measuring device using this spectrometer is required to be portable type (portable type) or handy type (portable type). Equation) is difficult, and the conventional measuring device is an indoor stationary type that is mainly unsuitable for temperature fluctuation.
  • US Pat. No. 6,057,925 discloses a spectrometer without a diffraction grating.
  • a micro lens array 93 is provided between an LVF (continuously variable interference filter) 91 and a detector array 92. Is provided to project an image on the photosensitive surface of the detector array 92, which is used for a spectroscopic device such as a colorimeter. That is, the light from the LVF 91 is focused on the image chip photosensitive surface of the detector 92 through the microlens array 93 to form an image.
  • LVF continuously variable interference filter
  • a transparent cover (transparent cover) or a gap is provided between the LVF 91 and the microlens array 93 and between the microlens array 93 and the upper surface of the image chip of the detector array 92. It focuses on For this reason, it is difficult to focus on the center of all the image chips of the detector array 92, and the image position may be deviated from the center or blurred for each image chip. As a result, there was a problem that the output from the detector was inaccurate and the spectral accuracy of light could not be obtained.
  • color is determined by a combination of large wavelength widths such as the R, G, and B spectral sensitivities of human relative luminous efficiency, as in the known R, G, and B spectral colorimetric methods based on the human's relative luminous efficiency.
  • Spectroscopy that can be used for instruments such as a colorimeter that measures the internal quality of vegetables and fruits, fish, meat, and other test objects, and that requires high resolution to detect non-destructively internal components, etc. There was a problem that it could not be used as a device.
  • the present invention has been made in view of the above facts, and has been made by spectroscopic analysis of an object to be inspected (a crop such as a fruit, a vegetable, a plant leaf, and a liquid such as fish, meat, milk, oil, liquor, butter, and cheese).
  • Spectroscopic means used for non-destructive inspection of the internal quality and components of dairy products such as dairy products, other foods, living organisms, etc.
  • Another object of the present invention is to provide a small, highly accurate packaged spectroscopic sensor unit with improved mechanical strength and earthquake resistance by constructing a small spectroscopic sensor unit with no space in the optical path without providing any optical path. It is.
  • the internal quality of the object to be inspected, and the internal component is the light wavelength Wide range from those that exhibit their characteristics in the relatively short near-infrared region of 0 nm or less to those whose characteristics only appear in the near-infrared to mid-infrared region whose wavelength is 1000 nm or more.
  • An object of the present invention is to provide a small package sensor unit capable of performing spectroscopic analysis and inspection of the internal quality, internal components, and the like of the inspection object.
  • the object to be inspected can obtain only a very small amount of transmitted light having information on the partial component by using the light receiving surface of the photoelectric conversion element increased in a plurality of rows, it is necessary for spectroscopic analysis.
  • the objective is to provide a compact packaged spectroscopic sensor unit that can obtain a high output. Disclosure of the invention
  • the light incident side end of a bundle of optical fibers that has the property of removing light at a predetermined angle or more from the center line of the optical fiber and transmitting and transmitting only light within a predetermined incident angle from the surface of the inspection object
  • the light-emitting surface is connected to the light-entering end face of the light diffuser and
  • a light diffuser that has a shape corresponding to the size of the surface, is held by the shaping maintenance holder, and diffuses and transmits light from the light exit surface; and a continuously variable interference located at the light exit side end surface of the light diffuser.
  • Each is characterized by a small package spectroscopic sensor unit whose air paths are matched and hermetically stored and fixed in the package.
  • the shaping maintaining holder for aligning and maintaining the light emitting side end of the optical fiber bundle in a predetermined shape comprises two light emitting sides of a bundle of optical fibers.
  • the two types of photoelectric conversion elements that can simultaneously measure different wavelength bands by branching into two light-emitting surfaces are formed, each with a light diffuser and a continuously variable interference filter photoelectric conversion element. It has a double type.
  • the light incident side end of the bundle of optical fibers is branched into two parts from two different parts of one object.
  • Two light entrances are formed to allow internal diffused light to enter, and they are twisted on the way to the light exit side end to form a single optical fiber bundle.Each part of the light exit end has almost uniform light exit.
  • the light emitting surface is twisted so as to maintain a predetermined shape.
  • an optical fiber shaping maintenance holder for maintaining the light emitting side end of the optical fiber bundle in a predetermined shape and a diffuser holder for holding the light diffuser
  • an alignment means for matching light paths.
  • the light diffuser according to claims 1 to 3 is characterized in that light entering from the light exit surface of the optical fiber is diffusely reflected inside and enters. It is composed of optical glass that transmits from the end face on the light exit side opposite to the light to the continuously variable interference filter side.
  • the continuously variable interference filter is ion-assisted and vapor-deposited directly on the light-emitting-side end face of the light diffuser.
  • the continuous variable interference filter is formed by ion-assisted vapor deposition on the surface of a thin optical glass of the same quality as a light diffuser that diffuses and transmits light.
  • the back surface of the thin diffuser is bonded to the light-emitting side end surface of the light diffuser with a transparent adhesive to be integrated.
  • the continuous variable interference filter is formed on a transparent film by an ion-assisted vapor deposition method, and a light-emitting side end face of a light diffuser. It is provided in close contact with.
  • the corresponding continuously variable interference filter when a silicon array sensor is used for the photoelectric conversion element, the corresponding continuously variable interference filter has a short wavelength side of 400 nm to a long wavelength side of 110 nm.
  • the light that disperses the light up to each wavelength is used in combination.
  • the corresponding continuously variable interference filter is arranged so that the short-wavelength side 100 nm to the long wavelength side A combination of those that splits light up to 260 nm within a range that matches the light receiving characteristics of the indium gallium arsenide array sensor is used.
  • an indium-antimony array sensor is used as a photoelectric conversion element after cooling.
  • the continuously variable interference filter used is a combination of filters that disperse light from 2000 nm to 550 nm.
  • the combination of interference filters is 204036
  • two sets of photoelectric conversion elements and a continuously variable interference filter are provided with a silicon array sensor and a wavelength of 600 nm.
  • a combination of a continuously variable interference filter that filters light up to 1 OO nm and an indium gallium arsenide array sensor use the indium gallium arsenide array sensor in the wavelength range from l OOO nm to 260 nm. It is composed of two sets of a combination of a continuous variable interference filter that filters light in the range from 2000 nm to 550 nm using an antimony array sensor, or a range matching the light receiving characteristics. I have.
  • a lina-type silicon array sensor is used for one of the two sets of photoelectric conversion elements, and the other is an area-type indium gallium.
  • the combination is made using either an arsenic array sensor or an area-type antimony array sensor.
  • the light emitting surface of the bundle of optical fibers, the light diffuser, and the continuously variable interference filter do not have any gap between them. A light path is formed closely.
  • the photoelectric conversion element is fixed to a package with the light receiving surface as close as possible to the continuously variable interference filter.
  • a bundle of optical fibers for receiving the internal diffused light coming out of the surface of the inspection object emits light from an angle equal to or larger than a predetermined incident angle. Is removed, so no disturbance light enters.
  • the light emitting side end of a bundle of optical fibers is JP02 / 04036
  • the light-emitting surface is formed in accordance with the light-receiving surface of the photoelectric conversion element, the unevenness and unevenness of the incoming light from the light-receiving surface of the optical fiber bundle are dispersed, and the light-emitting surface has less unevenness and unevenness from the light-emitting surface.
  • the light is emitted as uniform light. In other words, it has the effect of dispersing the influence of extreme deviation, unevenness, foreign matter, etc. within the light receiving range coming from the surface of the object.
  • the light diffuser provided in conformity with the light emitting surface of the bundle of optical fibers functions to diffuse the light inside the light diffuser and emit the light to the light emitting side end surface as uniform light over the entire surface. That is, the light diffuser functions to diffuse light like an integrating sphere.
  • the continuously variable interference filter provided on the light exit side end face of the diffuser that diffuses the entire surface into uniform light selectively filters light from short to long wavelengths for each wavelength and separates the light.
  • the continuously variable interference filter provided on the light exit side end face of the light diffuser is formed in conformity with the shape of the light receiving surface of the photoelectric conversion element, and the filter and the light receiving surface are provided as close as possible.
  • the split light enters the light receiving surface of the photoelectric conversion element without being affected or disturbed by the outside, and acts to obtain an output signal corresponding to the wavelength.
  • the shaping and holding holder on the light emission side of the bundle of optical fibers, the light diffuser holder and the photoelectric conversion element are fixed and stored in a storage case through respective fixing means such as a push screw and a holding plate to be airtight. Since the sensor is sealed, the spectroscopy accuracy is stable and the structure is hardly affected by outside, so it can be used as a spectrometer for various applications.
  • the outgoing side of a bundle of optical fibers is branched into two, and from 600 nm
  • Silicon array sensor with sensitivity to light at wavelengths up to 1100 nm
  • indium gallium arsenide array sensor with sensitivity to light at wavelengths from lOnm to 260 nm, or 2 0
  • the one using a combination of a 10-mm antimony array sensor could not be detected using only a silicon array sensor. Can be used to expand applications.
  • a device using only a silicon array sensor can perform spectroscopic analysis only on light within the photosensitivity characteristic range of the silicon array (wavelength ll OO nm or less), and its use and target are limited. Since the arsenic array sensor or the image antimony array sensor is combined, an inspection object having information on the quality of the inspection object can be inspected even in a wavelength band of 110 nm or more.
  • the separated light for each wavelength is simultaneously received by a plurality of light receiving elements arranged in parallel in a plurality of rows, and the output signals are summed for each wavelength. Since it can be extracted, inspection can be easily performed even on an inspection object that can obtain only weak transmission.
  • FIG. 1 is a plan view showing an embodiment of a small-package spectral sensor unit of the present invention and its main part is shown by a broken surface.
  • FIG. 2 is an embodiment of a small-package spectral sensor unit of the present invention.
  • FIG. 3 is a side view showing a main part of the small-sized package spectral sensor according to an embodiment of the present invention, and
  • FIG. 5 is an exploded perspective view showing the configuration of the main part of FIG. 5.
  • FIG. 5 is a sectional view showing the detailed structure of the main part of the present invention.
  • FIG. 6 is a sectional view taken along the line Y--Y of FIG.
  • FIG. 7 is a side view using two types of array sensors showing another embodiment of the small packaged spectroscopic sensor unit of the present invention, and
  • FIG. 8 is a side view of the present invention. Another embodiment shows a bundle of optical fibers. 36
  • FIG. 11 A plan view in which the light incident side end is branched into two, and FIG. 9 is an explanatory view showing a conventional compact light splitting device.
  • Reference numeral 1 denotes a package.
  • the package 1 includes a storage case 1 1 and a lid 1 2. Inside the package 1, a light emitting side end 2 2 of the optical fiber bundle 2 is aligned and maintained in a predetermined shape.
  • Holder 3 for holding light
  • a light diffuser holder 5 for holding a light diffuser 4 for diffusing and transmitting light from the light exit surface 24 of the light emitting side end 22 of the optical fiber 12, and a light diffuser
  • the photoelectric conversion elements 7 that receive the light separated for each wavelength by the continuously variable interference filter 6 provided on the light emitting side end face 43 of 4 are arranged and stored in order.
  • the bundle of optical fibers 2 has a characteristic that a light beam incident from the light receiving surface 23 of the optical fiber bundle 2 removes a light beam having an incident angle 0 or more than a predetermined angle and transmits only a light beam having a predetermined incident angle ⁇ or less. It is formed by bundling a myriad of optical fibers. It is preferable to use an optical fiber having the incident angle ⁇ of 15 degrees, which constitutes a light incident side end portion 21 having a good directivity for light that diffuses and transmits through the inside of the inspection object S. are doing.
  • the light-incident side end 21 is shown as a single united shape, but depending on the application, the light-incident side end 21 may be divided into two or more as described later. A plurality of branches may be formed.
  • An optical fiber bundle 2 composed of a myriad of fine optical fibers bundled together has a light incident side end 21 and a light beam adjoining at the light incident side end 21 and a light exit side end. In the part 2 2, the light is dispersed and almost evenly mixed and emitted from the light emitting surface 24.
  • the light emitting side end 22 is held in a predetermined shape by the shaping maintenance holder 3 and fixed by the holding lid 31.
  • light spots such as partial light intensity and deviation of the light rays entering from the light receiving surface 23 are uniformly dispersed at the light output side end 22 of the bundle of optical fibers 2 to become light without light spots.
  • a number of optical fibers are twisted so as to emit light from the light exit surface 24 to form a bundle of non-image optical fibers.
  • the predetermined shape of the light emitting side end 22 of the optical fiber bundle 2 is, together with the light diffuser 4 and the continuously variable interference filter 6 to be connected later, the length H and the width V of the light receiving surface 7 1 of the photoelectric conversion element 7. It is formed to match the size.
  • the light diffuser 4 is made of an optical glass that transmits light efficiently, and is positioned in the light diffuser holder 5 so that the light input side end surface 41 can be in close contact with the light output surface 24 of the optical fiber bundle 2. And is fixed with the presser cover 51.
  • the optical glass is preferably made of a material (borosilicate glass) used for an optical lens or the like, and its outer peripheral surface is optically polished so that light rays entering the inside are diffused while being efficiently reflected internally, and the light exit side end surface 4 to 3.
  • the light diffuser 4 has a function (role) similar to that of an integrating sphere that uniformly diffuses and reflects light inside to take out the light.
  • the continuously variable interference filter 6 is provided on the light emitting side end face 43 of the light diffuser 4 by ion-assist deposition to separate light of a short wavelength to a long wavelength (for example, from 4 OO nm to 11 OO nm) for each wavelength. It is formed to do.
  • the light diffuser 4 on which the continuously variable interference filter 6 is subjected to ion-assist deposition has a large length dimension from the light entrance surface 41 to the light exit side end surface 43, which makes deposition work generally difficult. Therefore, as shown in FIG. 5, the light exit side end of the light diffuser 4 is divided into thin diffusers 42 of a certain size, 4036
  • the ion assist vapor deposition work can be facilitated.
  • the thin plate diffuser 42 and the light diffuser 4 on which the continuously variable interference filter 6 is ion-assisted are bonded and integrated with an optically transparent adhesive.
  • the light emitting side end face 43 of the light diffuser 4 formed in this way is formed from the end face 52 of the light diffuser holder 5 in order to make the continuously variable interference filter 6 as close as possible to the light receiving element surface 71 of the photoelectric conversion element 7. That is, the length from the light entrance surface 41 to the light exit side end surface 43 of the light diffuser 4 is longer than the length of the light diffuser holder 5 by a predetermined size.
  • a continuously variable interference filter 6 is provided on the light emitting side end face 43.
  • the continuous variable interference filter 6 may use another thin plate material such as a transparent film. It may be provided by sticking it to the light exit side end face 43 with light transmissive adhesive.
  • the photoelectric conversion element 7 is open without providing a window glass or the like on the light receiving side, and the light receiving element surface 71 is exposed at a position recessed by a predetermined dimension.
  • the light exit side end face 43 of the light diffuser 4 and the continuously variable interference filter 6 are formed to have the same dimensions as the length H and the width V of the light receiving element surface 71 of the photoelectric conversion element 7.
  • the continuous variable interference filter 6 is prevented from contacting the bonding wire 72 formed on the side of the light receiving element surface 71. 0204036
  • Each of the shaping holder 3 for the bundle of optical fibers 2 configured as described above, the light diffuser holder 5 holding the light diffuser 4, the continuously variable interference filter 6, and the photoelectric conversion element 7. are placed side by side in the storage case 11 with their optical paths matched, and a holding plate 8 is put between terminal pins ⁇ 2 projecting from the back side of the photoelectric conversion element 7 to both sides.
  • the plate 8 is attached to the storage case 11 via the mounting screws 82, and then the storage case 11 is covered with the lid 12 and sealed, thereby forming a small package spectral sensor unit.
  • Reference numeral 13 shown in FIG. 1 is a fixing screw for fixing the shaping holder 3 and the light diffuser holder 5 to the inside of the storage case 11 from the side thereof, and furthermore, the light emitting surface of the bundle of optical fibers 2. It is also used as a position adjusting screw for matching the optical path between the light diffusing body 4 and the light incident side end face 41 of the light diffuser 4.
  • FIG. Fig. 7 shows the light output side of a bundle of optical fibers 101 divided into two, and two sets of packages A102 and B103 are provided at these branch ends. It is a thing.
  • the internal configurations of the package A102 and the package B103 are the same as those in the first embodiment, but the package A102 and the package B103 are provided with a continuously variable interference filter having a different wavelength range for splitting. This is a combination of photoelectric conversion elements 104 and 105 corresponding to the wavelength range.
  • the internal configuration of the packages A102 and B103 is the same as that of the first embodiment, and the description of the configuration is omitted.
  • a continuously variable interference filter that filters light from a wavelength of 400 nm to 1100 ⁇ m, filters each wavelength, and separates the light on one package A102 side.
  • Package A102 combining a filter and a photoelectric conversion element 104 using a silicon array sensor. 6
  • the other side of the package B103 on the 15th side is a continuously variable interference filter that filters light from a wavelength of 10000 nm to 1800 nm and splits the light so that it varies linearly at each wavelength.
  • a package B 103 is formed by combining a filter and a photoelectric conversion element 105 using an elementary arsenic array sensor.
  • the transmitted light from the inspection object has a short wavelength range of 100 nm or less and a long wavelength range of 110 nm or more. It is used for spectroscopic analysis and inspection using light.
  • the photoelectric conversion element 104 using the silicon array sensor of the package A102 has the characteristic of light receiving sensitivity to light from 400 nm to 110 nm. It does not have photosensitivity for long wavelength light.
  • the photoelectric conversion element 105 used in the indium gallium arsenide array sensor has a light receiving sensitivity characteristic for light from a wavelength of 100 to 180 nm, and a light having a short wavelength of 100 nm or less. It does not have light sensitivity characteristics.
  • the transmitted light from the inspection object enters the same bundle of optical fibers 101, and the bundle of optical fibers is twisted to enter from the light entrance side end. After the light spots are dispersed, the light is branched, and the light is incident on each of the package A102 and the package B103.
  • the photoelectric conversion element 105 using the indium gallium arsenide array sensor has a configuration in which a Peltier element is incorporated and electronically cooled.
  • the embodiment is described with the spectral wavelength band of the package B 103 being from 900 nm to 180 nm, this is an example in which indium gallium arsenide is used for the light receiving element of the photoelectric conversion element 105. And does not limit the invention. 1 2 for indium gallium arsenide array sensors Those having light receiving sensitivity characteristics in the wavelength band from OO nm to 260 nm can also be used.
  • a photoelectric conversion element having a light receiving sensitivity to light having a longer wavelength up to 260 nm or light having a longer wavelength up to 550 nm, for example, an indium antimony element
  • an indium antimony element Such an element can be used after being cooled to a minus temperature.
  • FIG. 8 shows that the light incident side of the optical fiber bundle 201 is branched into two, a light incident side end 211a and a light incident side end 211b, and the inspection object S It is used when spectral light is analyzed by allowing transmitted light that is diffused and reflected inside to enter from multiple different positions on the surface of the inspection object S.
  • the bundle of optical fibers 201 is composed of optical fiber bundles at the light incident side ends 211 A and 211 B corresponding to different positions of the object S to be inspected.
  • the light spots are twisted so as to be evenly dispersed according to one bundle of fibers 201 and incorporated into the package 202.
  • the internal configuration of the package 202 is the same as that of the first embodiment or the second embodiment, and therefore detailed description is omitted.
  • the inspection object S is sandwiched from both sides, and if the transmitted light that diffuses and reflects inside the inspection object S and emerges from the surface enters, depending on the position inside the inspection object S, Even if there are deviations or spots in quality or components, the transmitted light from two directions can be incident, and the deviations and spots can be evenly dispersed and mixed for spectral analysis.
  • the sugar content and the acidity may be different between the sunlit sunlit surface and the shaded negative surface, and may be offset. Taking peach as an example, the difference is about 5% in sugar content. It can be measured to display this as the average sugar content.
  • the small-package spectral sensor unit of the present invention includes a bundle of optical fibers for receiving transmitted light that is diffusely transmitted and transmitted at a part of an object to be inspected, and a light incident spot at an end of the light exit side. Disperse and align the light diffuser according to the size and shape of the light-entering end face of the light diffuser.
  • the light receiving element surface of the photoelectric conversion element is provided as close as possible to the continuously variable interference filter, which is fixed in a storage case, airtightly packaged.
  • the constituent members of the spectroscopic sensor are fixed in the storage case, even if an external impact force is applied, for example, deviation of the optical axis and wavelength does not occur, and It has the effect of being unaffected by the environment.
  • the light is dispersed uniformly at the light output side end, and further diffused and reflected in the light diffuser. Since the light is dispersed by the continuously variable interference filter 1 as an effective light, it is possible to obtain a measurement value and an inspection value indicating the average quality of the inspection object.
  • continuously variable interference filter is located as close as possible to the surface of the light receiving element of the photoelectric conversion element, light dispersed for each wavelength is diffused or diffused.
  • the photoelectric conversion is performed without dispersion, and there is an effect that stable and accurate measurement values and inspection values can be obtained with good spectral accuracy.
  • the compact package spectroscopic sensor unit having the above-described configuration can be formed to be as small as the outer dimensions (size) of, for example, about 20 cigarette cases or less, so as to fit in the palm of one hand. Therefore, there is an effect that a measurement and inspection device having a lightweight structure that can be easily portable and used and can be obtained is obtained.

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Description

明 細 書 小型パッケージ分光センサ一ュニッ ト 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ょぴ魚類、 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— 1 6 0 3 4 4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 1 1— 1 8 3 3 7 4号公報が開示されている。 前記特開平 3— 1 6 0 4 3 4 4 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、 測定へッ ド部で青果物からの反射光を入光し、 光ファイバ一を通じて、 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ァ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 1 1— 1 8 3 3 7 4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 を光ファイバ一を通じて本体ケースに導き、 光ファイバ一の放光部列 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一を通 じて分光器に導き、 分光して光電変換し、 そのスペク トルをコンビュ 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折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、 凹面回折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、 凹面回折格子を内装する分光器は、 その凹面回折格子と 受光側対象物との問及ぴ凹面回析格子と反射側対象物との問での光軸 精度要求されているものの、 その分光器は、 光ファイバ一から出て来 る透過光をその出口と反射鏡や凹面回折格子、 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， 0 5 7 , 9 2 5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、 L V F (連続 可変干渉フィルター） 9 1 と、 検出器アレイ 9 2との間にマイクロレ ンズァレイ 9 3を設けて、 検出器ァレイ 9 2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、 L V F 9 1からの光をマイクロレンズアレイ 9 3を通して 検出器 9 2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 L V F 9 1 とマイクロレンズァレイ 9 3 との間及 びマイクロレンズアレイ 9 3と検出器ァレイ 9 2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 9 2のすベての画 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ュ 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ュニッ 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 1 1 0 0 n m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 1 0 0 0 n m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一ュニットを提 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 を用いて內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ュニッ 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、 検查用の光源に より検查対象物内部を拡散透過して出てくる光を光ファイバ一束を介 して入光し、 この入光を分光しアレイ型センサ一が受光したスぺク 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 ュニッ トであって、 入光する光の角度を光ファイバ一の中心線に対し 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一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、 該光ファイバ一束の出光側端部 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一を撚り合せ、 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、 該光ファイバ一束、 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ュニッ 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、 上記光フア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、 光ファイバ一束の出光側を 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、 上記光ファイバ一束の入光側端部を 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つの光ファイバ一束 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、 上記光フア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 ア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、 光ファイバ一の出光面から入光 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一は、 光拡散体の出光側端面に直接イオンァシ スト蒸着している。 JP02/04036
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一は、 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一は、 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 4 0 0 n mから長波長側 1 1 0 0 n m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 ゥムガリウムヒ素アレイセンサ一を用いるときは、 これに対応する連 続可変干渉フィルタ一は、 短波長側 1 0 0 0 n mから長波長側 2 6 0 0 n mまでの光を、 インジウムガリ ゥ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 2 0 0 0 n mから 5 5 0 0 η m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一は 2 0 0 0 n mから 5 5 0 O n m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、 またはィ ンジゥムガリゥムヒ素アレイセンサーまたはィンジゥムアンチモンァ レイセンサ一と連続可変干渉フィルターの組合せは、 それぞれリ-ャ 204036
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 1 5ない し 1 7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 6 0 0 nmから 1 1 O O nm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 l O O O nmから 2 6 0 0 η mまでの範囲でィンジゥムガリ ウムヒ素ァレイセンサーの受光特性に 合わせた範囲、 またはィンジゥムアンチモンアレイセンサーを用い波 長 20 0 0 n mから 5 5 0 0 n m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 1 8で は、 上記 2組の光電変換素子の 1つにリニャ型シリコンアレイセンサ 一を用い、 他の 1っはェリア型インジウムガリウムヒ素アレイセンサ 一またはェリア型ィンジゥムアンチモンァレイセンサ一のいずれかを 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 1 9では、 光ファイバ一束の出光面と光拡散体と連続可変干渉フィルタ一は、 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 2 0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ュニッ 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 光ファイバ一束が、 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、 光ファイバ一束の出光側端部は、 光ファイバ一を撚り合せて JP02/04036
9 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、 光フアイ 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、 光ファイバ一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一は、 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一は、 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 —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、 前記光ファイバ一束の出光側の整形維持ホルダーと、 光拡 散体ホルダ一と光電変換素子とは、 収納ケース内に押しネジゃ押え板 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、 光ファイバ一束の出光側を 2つに分岐して、 6 0 0 n mから
1 1 0 0 n m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、 l O O O n mから 2 6 0 0 n m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 2 0
O O n mから 5 5 0 0 n mまでの波長の光に受光感度特性を有するィ JP02/04036
10 ンジゥムアンチモンァレイセンサーとを組合せて用いたものは、 シリ コンァレイセンサーだけを用いたものでは検查できなかった 1 1 0 0 n m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 コンァレ ィの受光感度特性範囲内 （波長 l l O O n m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ァ レイセンサーまたはィンジゥムアンチモンァレイセンサーを組合せた ので、 1 1 0 0 n m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。 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ュニットの実施例 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ュ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 一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一ュニ 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一束の 36
11 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。 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 1 1 と蓋 1 2とにより構成され、 そのパッケージ 1の内部には、 光ファイバ一 束 2の出光側端部 2 2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、 光ファイバ一 2の出光側端部 2 2の出光面 2 4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 4 3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。
光ファイバ一束 2は、 その受光面 2 3から入光する光線の入射角 0 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一を束ねて形成 している。 好ましくは上記入射角 Θが 1 5度の光ファイバ一を用いる 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 2 1を構成している。
この実施例の各図では入光側端部 2 1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 2 1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本の光ファイバ一が束ねられて構成されている光ファイバ一束 2 は、 その入光側端部 2 1で隣り合って入光した光線が、 その出光側端 部 2 2では分散してほぼ均等に混ぜ合されて出光面 2 4から出光する ように撚り合されており、 その出光側端部 2 2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 3 1 により固定している。 即ち、 受光面 2 3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、 光ファイバ一束 2の出光側端部 2 2では均等に分散して光 斑のない光となって出光面 2 4から出光するように無数の光ファイバ 一を撚り合せ、 非イメージの光ファイバ一束となしている。 この光フ アイバー束 2の出光側端部 2 2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 7 1 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 4 1が上記光ファイバ一束 2の出光面 2 4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 5 1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 4 3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 4 3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 4 O O n mから l l O O n m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 4 1から出光側端面 4 3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 4 2に分割し、 この薄板拡散 4036
13 体 4 2の出光側端面 4 3にイオンアシス ト蒸着加工を施せば、 そのィ 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 4 2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 4 3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 7 1に限りなく近接させ るため光拡散体ホルダー 5の端面 5 2から所定寸法だけ突出している c 即ち、光拡散体 4の入光面 4 1から出光側端面 4 3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 4 3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 4 3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 7 1 を露 出している。
そして、 上記光拡散体ホルダー 5の端面 5 2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 7 1 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 4 3 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 7 1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 7 1の側方に形成されているボンディングワイ ヤー 7 2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。 0204036
14 以上のように構成されている光ファイバ一束 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 1 1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 Ί 2の間に押え板 8を被 せ、 この押え板 8を取りつけねじ 8 2を介して収納ケース 1 1に取付 け、 ついでその収納ケース 1 1に蓋 1 2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 1 3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 1 1内にその側方から固定するための固定ねじであり、 しかも光ファイバ一束 2の出光面 24と、 光拡散体 4の入光側端面 4 1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 ィバ一束 1 0 1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 A 1 0 2とパッケージ B 1 0 3の 2組を設けたもので ある。
パッケージ A 1 0 2とパッケージ B 1 0 3の内部構成は前記実施例 1 と同様であるが、 パッケージ A 1 0 2とパッケージ B 1 0 3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 1 0 4、 1 0 5を組合せたものである。 パッケージ A 1 0 2と B 1 0 3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 A 1 0 2側に、 光の波長 40 0 nmから 1 1 0 0 η m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 1 0 4とを組合せたパッケージ A 1 0 2となし、 そ 6
15 の他方のパッケージ B 1 0 3側には、 光の波長 1 0 00 nmから 1 8 0 0 nm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—と、 ィンジゥムガリゥムヒ素アレイセ ンサーを用いた光電変換素子 1 0 5とを組合せてパッケージ B 1 0 3 となしたものである。
即ち、 検查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 1 0 0 ◦ n m以下の短い波長域の光と、 1 1 00 n m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 A 1 0 2のシリ コンァレイセンサーを用いた光電変換素 子 1 0 4は 4 0 0 nmから 1 1 0 0 n mまでの光に受光感度の特性を 有し、 1 1 0 0 nm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ァレイセンサ一に用いた光 電変換素子 1 0 5は、 波長 1 0 0 0 から 1 8 0 0 n mまでの光に 受光感度特性を有し、 1 0 0 0 nm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 一束 1 0 1に入光させ、 その光ファイバ一束の光ファイバ一を撚り合 せて入光側端部からの入光斑を分散させた後に分岐し、 上記パッケ一 ジ A 1 0 2とパッケージ B 1 0 3のそれぞれに入光させている。
インジウムガリゥムヒ素アレイセンサーを用いた光電変換素子 1 0 5は、ペルチヱ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 B 1 0 3の分光波長帯を 9 00 n mから 1 8 0 0 nmまでとして実施例を示したが、 光電変換素子 1 0 5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、 1 2 O O n mから 2 6 0 0 n m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 2 6 0 0 n mまでの光、 また更に長い 5 5 0 0 n m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 であるセンサーュニッ 卜が得られる。
次に第 3実施例を第 8図に基づいて説明する。 第 8図は、 光フアイ バー束 2 0 1の入光側を、 入光側端部 2 1 1 Aと入光側端部 2 1 1 B 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、 光ファイバ一束 2 0 1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 2 1 1 Aと 2 1 1 Bの光フ アイバー束を 1つのファイバ一束 2 0 1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 2 0 2内に組込んでいる。 パッケージ 2 0 2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一束 2 0 1を 2つに分岐した入光側端部 2 1 1 Aの入光面 2 0 1 Aと、 入光側 端部 2 1 1 Bの入光面 2 0 1 B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 JP02/04036
17 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ュニッ トは、 検査対象物の內部で拡散透過して出て来る透過光を入光する光 ファイバ一束を、 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 一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、 光ファイバ一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一で分光される 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一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 6
18 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ュニッ トは、 外形寸法 （大きさ） を、 たとえば 2 0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。

Claims

請 求 の 範 囲
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 光ファイバ一束を介して入光し、 この入光を分光しアレイ型センサー が受光したスぺク 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ュニッ トであって、 入光する光の角度を光フアイ 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一束の入光側端部を 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、 該光フアイ 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一を撚り合せ、 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一で保持させ、 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、 該光ファイバ一束、 光拡散体、 お ょぴ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一 ジ分光センサーュニット。
2 . 上記光ファイバ一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、 光ファイバ一束の出光側端部を 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一 ジ分光センサーュニット。
3 . 上記光ファイバ一束の入光側端部を 2つに分岐させて、 1個の検 查対象物の異なる 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 の光ファイバ一束となすとともに、 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一 ジ分光センサーュニッ ト。
4 . 上記光ファイバ一束の出光側端部を所定形状に整列維持せしめる 光ファイバ一の整形維持ホルダーと、 光拡散体を保持する拡散体ホル ダ一とは、 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 分光センサーュニッ ト。
5 . 上記光拡散体は光ファイバ一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 —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ュニッ ト。
6 . 上記連続可変干渉フィルタ一は、 光拡散体の出光側端面に直接ィ 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ュニッ ト。
7 . 上記連続可変干渉フィルタ一は、 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 一ユニッ ト。
8 . 上記連続可変フィルタ一は、 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ュ-ッ ト。
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一は、 短波長側 4 0 0 n mから長波 長側 1 1 0 0 n m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 センサーュニッ ト。
1 0 . 上記シリ コンアレイセンサーと連続可変干渉フィルタ一は、 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ュニッ ト。
1 1 . 上記シリ コンアレイセンサーと連続可変干渉フィルタ一は、 ェ 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。
1 2 . 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ゥ 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 1 0 0 0 n m以上 5 5 0 0 n m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ュニッ ト。
1 3 . 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一は、 リニャ型 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 1 2に記載の小型パッケージ分光センサーュニッ ト。
1 4 . 上記光電変換素子のインジウムガリ ゥ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一は、 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 1 2に記載の小型パッケージ分光センサーュニッ ト。
1 5. 上記 2つに分岐した光ファイバ一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一のいずれか一方は、 シリ コンアレイセンサーに、 波長 6 0 0 nmから 1 1 O O n m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 ゥムガリウムヒ素またはィンジゥムアンチモンアレイセンサーに、 波 長 l O O O nmから 5 5 0 0 n m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ュニッ ト。
1 6. 上記 2組の光電変換素子は、 リニャ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徵とする請求項 2、 6、 7、 8または 1 5に記載の小型パッケージ分光センサーュニッ ト。
1 7. 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 1 5に記載の小型パッケージ分光センサーュニッ ト。
1 8. 上記 2組の光電変換素子の 1つに、 リニャ型シリ コンアレイセ ンサーを用い、 他の 1つにはェリア型インジウムガリウムヒ素アレイ センサ一またはェリァ型ィンジゥムアンチモンァレイセンサ一のいず 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 1 5に記載の小型パッケージ分光センサーュニッ ト。
1 9. 上記光ファイバ一束の出光面と、 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 1 8項のいずれかに記載の小 型パッケージ分光センサーュニッ ト。
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、 1 0、 1 1、 1 2、 1 3、 1 4、 1 5、 1 6、 1 7、 1 8または 1 9に記載の小型パッケージ分光センサーュ ニッ ト。
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