JP4714822B2 - 光散乱体の非破壊測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、光散乱体を被検体とし、その性状特性値を測定する光散乱体の非破壊測定装置に関する。

従来、例えば青果物の糖度測定や、人の血糖値測定など、光散乱体からなる被検体の内部の性状に関する特性値を光学的に測定する種々の光散乱体の非破壊測定装置が知られている。
例えば、特許文献１には、被検対象の青果物からの反射光を受光し、近赤外領域の波長に対する吸光度スペクトルを測定し、これらの吸光度スペクトルの２次微分値を演算し、この演算結果から青果物糖度を推定する青果物の糖度測定方法および装置が記載されている。ここで、分光器で得られた吸光度スペクトルの２次微分値から果実糖度を推定するには試料の吸光度スペクトルの２次微分値と試料糖度の実測値との関連付けを最小自乗法により予め行い(これを検量線作りと呼ぶ)、作成した検量線を用いて測定した吸光度スペクトルの２次微分値の演算結果から試料糖度を推定している。
また、特許文献２には、青果物の測定部位に３つの異なる近赤外波長領域の光を照射し、青果物の測定部位を透過したそれぞれの透過光を異なる距離をおいた２箇所で受光してその透過光量を検出し、検出した２箇所での同波長の透過光量の比である相対透過度を各波長ごとに算出し、同各波長の相対透過度を用いて青果物の糖度を算定する青果物の非破壊糖度測定装置が記載されている。
特開平４−２０８８４２号公報（図１、２） 特開２００４−３１７３８１号公報（図１−４）

しかしながら、上記のような従来の光散乱体の非破壊測定装置には、以下のような問題があった。
特許文献１に記載の技術では、吸光度の２次微分値と果実糖度の関係付けで作成された検量線を用いて糖度の推定を行うことで、同種の果実、例えば、リンゴにおける異なる品種、例えば「ふじ」と「スターキング」に対しては同一検量線を用いることができるものの、異なる種類の果実にまで、同一の検量線を適用できる技術ではなく、果実の種類毎に検量線を作り直す必要がある。これは果実に照射された光は散乱体である果実内部で散乱され果実内部を伝播するが、果実の種類によって同じ糖度でも組織構造が異なり、その散乱光路長が異なることで検出される吸光度が異なってしまう為である。
特許文献２に記載の技術では、異なる距離をおいた２箇所で受光した光量の相対透過度を計測し、異なる３つの波長の各相対透過度から算出される相対吸光度比を用いることで散乱光路長の違いによる誤差を低減することができるものの、この手法は、均一な光散乱体における理論に基づいており、散乱係数が空間的に一様に分布していない被検体の種類では測定精度が悪化してしまうという問題がある。例えば、リンゴのように散乱係数が空間的に略均一に分布した果実では高精度であるが、ミカンなどのように内部に房構造を有するような被検体では散乱係数の分布が空間的に不均一で測定精度が悪化する傾向があった。

本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、内部の散乱特性が不均一である光散乱体、例えば、散乱係数の分布が空間的に不均一な光散乱体を被検体としても、良好な測定精度を得ることができる光散乱体の非破壊測定装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、請求項１に記載の発明では、複数の波長光を発生する光源と、該光源からの前記複数の波長光を出射する光出射口を有し、該光出射口から前記複数の波長光を光散乱体からなる被検体上の１箇所の照射領域に向けて照射する光照射部と、前記被検体からの透過光を受光するために、前記光照射部の前記光出射口の中心に対して互いに異なる径を有する少なくとも２つの同心円の円周上においてそれぞれ２箇所以上の位置に受光口を有する少なくとも２つの受光部と、該少なくとも２つの受光部で受光した光の光強度を検出する透過光検出部と、前記同心円径の異なる２つの受光部の前記光強度の比をとった相対透過率を前記複数の波長ごとに算出し、前記相対透過率に基づいて前記被検体内部の性状特性値Ｃを算定する演算処理部とを備え、前記複数の波長光は、４つ以上の波長λ _ｉ （ｉ＝１，２，…，ｎ、ただしｎは４以上の整数）の光を含み、前記透過光検出部が、前記少なくとも２つの受光部のうち、前記同心円の半径がρ _１ 、ρ _２ （ただし、ρ _１ ＜ρ _２ ）の２つの受光部で受光した光の波長λ _ｉ における総受光量をそれぞれＪ _１λｉ 、Ｊ _２λｉ として検出したときに、前記演算処理部が、下記式（１）で表される前記波長λ _ｉ ごとの相対透過率Ｒ _λｉ を算出し、下記式（２）で表される相対吸光度比γ _ｋ （ｋ＝１，…，ｍ、ただし、ｍ＝ｎ−２）を算出し、前記性状特性値Ｃを、前記ｍ個の相対吸光度比γ _ｋ （ｋ＝１，…，ｍ）を説明変数とする多項式を用いた下記式（１２）で表される検量式によって算定するようにした構成とする。
Ｒ _λｉ ＝Ｊ _２λｉ ／Ｊ _１λｉ ・・・（１）
γ _ｋ ＝ｌｎ（Ｒ _λｋ ／Ｒ _０ ）／ｌｎ（Ｒ _１ ／Ｒ _０ ） ・・・（２）
Ｃ＝β _０ ＋β _１ ・γ _１ ＋…＋β _ｍ ・γ _ｍ ・・・（１２）
ここで、Ｒ _０ 、Ｒ _１ は、Ｒ _λｉ のうちの異なる２つの相対透過率であり、Ｒ _λｋ （ｋ＝１，…，ｍ、ただし、ｍ＝ｎ−２）は、Ｒ _λｉ のうちＲ _０ 、Ｒ _１ を除いたｍ個の相対透過率を表す。
この発明によれば、光照射部から、被検体の１箇所の照射領域に照射された光の、透過光を少なくとも２つの受光部で受光して、透過光検出部で各受光部の光強度を検出し、演算処理部により、各受光部の光強度から、同心円径の異なる２つの受光部の光強度の比である相対透過率を波長ごとに算出して、それらに基づいて被検体内部の性状特性値を算定することができる。その際、少なくとも２つの受光部の受光口が、各同心円の円周上においてそれぞれ２箇所以上の受光口を有するので、光照射部から同一距離だけ離れた位置の２箇所以上の光強度を検出して、それぞれを平均化した相対透過率を算出することができる。そのため、被検体内部の散乱特性の不均一性に起因する測定誤差を低減することができる。
被検体内部の散乱特性の不均一性は、例えば、散乱係数の空間的な分布の不均一性などがある。一般に、被検体内部の組織の構成や構造に不均一性、異方性があれば、散乱特性の不均一性が生じることが多い。
また、この発明によれば、ｎ（ｎ≧４）個の波長光に応じて、ｍ（ｍ＝ｎ−２≧２）個の相対吸光度比γ _ｋ を算出し、このｍ個の相対吸光度比を説明変数とする多項式を用いた検量式によって性状特性値Ｃを算定する。

請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の光散乱体の非破壊測定装置において、前記少なくとも２つの受光部の各受光口が、前記光照射部の光軸に直交する平面において前記光出射口の中心を通る直線上でそれぞれ前記光出射口の中心を挟んで対向するように配置された構成とする。
この発明によれば、受光部の各受光口が光出射口の中心を通る直線上でそれぞれ光出射口の中心を挟んで対向するように配置されるので、それぞれが配置される直線方向における光散乱体の散乱特性の不均一性に起因する測定誤差を低減することができる。

請求項３に記載の発明では、請求項１または２に記載の光散乱体の非破壊測定装置において、前記少なくとも２つの受光部の受光口が、前記光照射部の光軸に直交する平面において前記光出射口の中心を通り互いに直交する直線上に配置された構成とする。
この発明によれば、受光部の受光口が、光出射口の中心を通り互いに直交する直線上に配置されているので、それぞれの直線上の受光口から、直交する２軸方向に伝搬する光の光量が取得されるので、被検体に２軸方向における散乱特性の不均一性を効率的に低減することができる。

請求項４に記載の発明では、請求項１〜３のいずれかに記載の光散乱体の非破壊測定装置において、前記少なくとも２つの受光部の受光口が、それぞれの同心円上でそれぞれ略等間隔に配置された構成とする。
この発明によれば、受光部の受光口をそれぞれの同心円上で略等間隔に配置するので、同心円の周方向における散乱特性の不均一性を略均等に低減することができる。
なお、各同心円上での配置間隔を共通とすれば、均等化の程度を、同心円径の大きさによらず、一定とすることができるのでより好ましい。

請求項５に記載の発明では、請求項１〜４のいずれかに記載の光散乱体の非破壊測定装置において、前記少なくとも２つの受光部の受光口が、それぞれ前記同心円の円周上に延ばして設けられた円弧状の受光口により構成する。
この発明によれば、受光部の受光口が、円弧状の受光口からなるので、それぞれの円周方向の開口長さの範囲で、連続的に受光することができる。そのため透過光をその範囲でもれなく受光することができる。そのため、円周方向の散乱特性の不均一性を、円孔状の受光口を複数設ける場合に比べて、さらに均等化することができる。
ここで、円弧状とは、受光口の径方向の開口幅の２倍以上の長さの円弧状を意味するものとする。この場合、受光口の径方向の開口幅を直径とする２つの円孔状の受光口を２つ隣接して並べた場合と同等以上の作用効果が得られるので、１つの受光口でも、同心円の円周上において２箇所以上の位置に設けられた受光口としての技術的意義を持つものである。
請求項６に記載の発明では、複数の波長光を発生する光源と、該光源からの前記複数の波長光を出射する光出射口を有し、該光出射口から前記複数の波長光を光散乱体からなる被検体上の１箇所の照射領域に向けて照射する光照射部と、前記被検体からの透過光を受光するために、前記光照射部の前記光出射口の中心に対して互いに異なる径を有する少なくとも２つの同心円上で円周方向に沿って開口するリング状の受光口を有する少なくとも２つの受光部と、該少なくとも２つの受光部で受光した光の光強度を検出する透過光検出部と、前記同心円径の異なる２つの受光部の前記光強度の比をとった相対透過率を前記複数の波長ごとに算出し、前記相対透過率に基づいて前記被検体内部の性状特性値Ｃを算定する演算処理部とを備え、前記複数の波長光は、４つ以上の波長λ _ｉ （ｉ＝１，２，…，ｎ、ただしｎは４以上の整数）の光を含み、前記透過光検出部が、前記少なくとも２つの受光部のうち、前記同心円の半径がρ _１ 、ρ _２ （ただし、ρ _１ ＜ρ _２ ）の２つの受光部で受光した光の波長λ _ｉ における総受光量をそれぞれＪ _１λｉ 、Ｊ _２λｉ として検出したときに、前記演算処理部が、下記式（１）で表される前記波長λ _ｉ ごとの相対透過率Ｒ _λｉ を算出し、下記式（２）で表される相対吸光度比γ _ｋ （ｋ＝１，…，ｍ、ただし、ｍ＝ｎ−２）を算出し、前記性状特性値Ｃを、前記ｍ個の相対吸光度比γ _ｋ （ｋ＝１，…，ｍ）を説明変数とする多項式を用いた下記式（１２）で表される検量式によって算定するようにした構成とする。
Ｒ _λｉ ＝Ｊ _２λｉ ／Ｊ _１λｉ ・・・（１）
γ _ｋ ＝ｌｎ（Ｒ _λｋ ／Ｒ _０ ）／ｌｎ（Ｒ _１ ／Ｒ _０ ） ・・・（２）
Ｃ＝β _０ ＋β _１ ・γ _１ ＋…＋β _ｍ ・γ _ｍ ・・・（１２）
ここで、Ｒ _０ 、Ｒ _１ は、Ｒ _λｉ のうちの異なる２つの相対透過率であり、Ｒ _λｋ （ｋ＝１，…，ｍ、ただし、ｍ＝ｎ−２）は、Ｒ _λｉ のうちＲ _０ 、Ｒ _１ を除いたｍ個の相対透過率を表す。

請求項７に記載の発明では、請求項１〜６のいずれかに記載の光散乱体の非破壊測定装置において、前記透過光検出部が、前記各受光部の受光口に入射する光を前記受光部ごとにまとめて検出するように構成する。
この発明によれば、各受光部の受光口に入射する光を、受光部ごとにまとめて検出するので、透過光検出部の構成を簡素なものとすることができる。

請求項８に記載の発明では、請求項１〜６のいずれかに記載の光散乱体の非破壊測定装置において、前記透過光検出部が、前記各受光部の受光口に入射する光を前記受光口ごとに検出し、それらの光強度を演算処理することで、前記受光部ごとの光強度を算出するようにした構成とする。
この発明によれば、透過光検出部が、各受光部において、受光口ごとに光強度を検出してからそれらの光量を演算処理することで、受光部ごとの光強度を算出するので、必要に応じて、各受光口の光強度を演算処理することができる。例えば、平均光量を求めたり、受光口ごとに校正を行ったりすることができる。
請求項９に記載の発明では、請求項１〜８のいずれかに記載の光散乱体の非破壊測定装置において、前記光照射部の光出射口側の端部と、前記少なくとも２つの受光部の受光口側の端部とが、それぞれの離間距離を固定する固定保持部材に一体に保持された構成とする。
この発明によれば、固定保持部材により、光照射部の光出射口と少なくとも２つの受光部の受光口とが、それぞれの離間距離が固定された状態で一体に保持されるので、それぞれの相対距離を一定に保った状態で容易に測定を行うことができる。

請求項１０に記載の発明では、請求項９に記載の光散乱体の非破壊測定装置において、前記光照射部の光出射口および前記少なくとも２つの受光部の受光口が、前記固定保持部材の表面の位置に整列して配置された構成とする。
この発明によれば、光出射口および少なくとも２つの受光部の受光口が固定保持部材の表面の位置に整列して配置されるので、光出射口と各受光口を被検体表面近傍の測定位置に配置したときに、固定保持部材がそれらの背後および前方に隙間が余計な隙間が生じないので、被検体からの光が固定保持部材に反射しても、伝搬しにくくなり、受光口に再入射しにくくなる。そのため迷光を低減して測定精度を向上することができる。

請求項１１に記載の発明では、請求項９または１０に記載の光散乱体の非破壊測定装置において、前記固定保持部材のうち、前記光照射部の光出射口および前記少なくとも２つの受光部の受光口が位置する表面が、光吸収性を備える構成とする。
この発明によれば、光出射口および受光口が位置する固定保持部材の表面が光吸収性を有するので、固定保持部材の表面反射光が低減される。そのため測定精度を向上することができる。

本発明の光散乱体の非破壊測定装置によれば、光照射部を中心とする半径の異なる２つの同心円上のそれぞれから２箇所以上の位置での総受光量を複数の波長で検出して、同心円の半径差だけ離れた位置の相対透過率を算出することで、被検体内部で不均一な散乱度合いに起因する測定誤差を低減することができるので、散乱係数などが空間的に不均一に分布する光散乱体を被検体としても良好な測定精度を得ることができるという効果を奏する。

以下では、本発明の実施の形態について添付図面を参照して説明する。すべての図面において、実施形態が異なる場合であっても、同一または相当する部材には同一の符号を付し、共通する説明は省略する。

［第１の実施形態］
本発明の第１の実施形態に係る光散乱体の非破壊測定装置について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る光散乱体の非破壊測定装置の概略構成を示す模式的な構成図である。図２（ａ）、（ｂ）は、本発明の第１の実施形態に係る光散乱体の非破壊測定装置の受光部の図１におけるＡ視方向の側面図およびそのＢ−Ｂ断面図である。図３は、本発明の第１の実施形態に係る光散乱体の非破壊測定装置の受光部の固定保持部材の反射率特性を比較例とともに示すグラフである。横軸は波長（ｎｍ）、縦軸は反射率（％）を表す。図４は、本発明の第１の実施形態に係る光散乱体の非破壊測定装置の制御系の機能構成について説明するための機能ブロック図である。

本実施形態の非破壊測定装置１は、図１に示すように、外部から入射された光を散乱して外部に出射する光散乱体からなる被検体２の内部の性状特性値を光学的に測定するものであり、その概略構成は、光源ユニット７、センサプローブ３（固定保持部材）、光検出部２４、信号処理部１８、中央制御ユニット１９、および表示部２０からなる。
被検体２は、測定対象の性状を有する光散乱体であれば、どのようなものでもよい。例えば、青果物、生体などの動植物、食品、飲料物、土壌サンプル、その他、各種定量分析用検体、固体状・粉体状・ゼリー状・液体状等の試料などの例が挙げられる。
性状特性値としては、入射光に対する吸収の度合いと相関を有する性状を表す特性値であり、検量式を設定することができれば、どのようなものでもよい。例えば、青果物の糖度や酸度、血糖値、小麦粉の水分量やタンパク質成分量、ジャガイモなどのでんぷん濃度、生体の組織酸素飽和濃度、組織ヘモグロビン酸化度、土壌中の窒素などの肥料成分量などの性状特性値を挙げることができる。
また、非破壊測定装置１は、このような種々の性状特性値の１つを測定する装置であってもよいし、複数の性状特性値を切り替えて測定できる装置であってもよい。後者の場合、測定者は、操作入力を行う操作部２１（図４参照）から、測定する性状特性値や測定条件などをそれぞれの測定に応じて手動設定してもよいし、同一の被検体２に対する複数の性状特性値を自動的に連続して行えるようにしてもよい。

以下では、一例として、青果物の糖度を測定する場合の例で説明し、他の光散乱体、性状特性値に特有のことがらについては必要に応じて補足する。
なお、測定例として、温州ミカン、リンゴなどの例をあげる場合があるが、本実施形態では、果肉が房ごとに袋に収められることで内部組織に不均一性が無視できないミカンでも、内部組織の均一性が高いリンゴ、ナシ、メロンなど青果物でも、同一の検量式を用いて良好な測定精度が得られるので、被検体２は温州ミカン、リンゴに限定されない。

光源ユニット７は、複数の波長光を発生するためのもので、本実施形態では、被検体２に照射する複数の波長光、例えば、λ_１＝１０４０ｎｍ、λ_２＝９４０ｎｍ、λ_３＝９００ｎｍの３つの波長光を発生するものである。これらの波長は、糖度を測定するために近赤外領域から、良好な波長の組み合わせの一例として選択したものである。例えば、青果物の糖度測定であれば、このような好適な波長は、他にも、例えば、８００ｎｍ〜１２００ｎｍの範囲で設定することができる。
これら３つの波長光を発生するために、本実施形態の光源ユニット７は、単色光源８Ａ、８Ｂ、８Ｃ、光源制御部１１、および結合レンズ９Ａ、９Ｂ、９Ｃを備える。

単色光源８Ａ、８Ｂ、８Ｃは、それぞれ波長λ_１、λ_２、λ_３を発振する光源で、例えば、半導体レーザや発光ダイオードなどを採用することができる。
光源制御部１１は、不図示の電源を備え、中央制御ユニット１９からの制御信号に応じて、単色光源８Ａ、８Ｂ、８Ｃの発光タイミングと光強度とを、それぞれの光源で独立に制御するものである。
本実施形態では、中央制御ユニット１９から受け取る一定周期のクロック信号に同期して、それぞれ予め設定された発光強度となるように、直流または変調された電流を単色光源８Ａ、８Ｂ、８Ｃに供給し、順次点灯する制御を行う。
結合レンズ９Ａ、９Ｂ、９Ｃは、それぞれ単色光源８Ａ、８Ｂ、８Ｃから出射された光をそれぞれ集光し、照射光１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃとして、後述する光ファイバケーブル４に光結合するための光学素子である。

センサプローブ３は、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、光源ユニット７によって発生された照射光１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃを被検体２の被検体表面２ａに導くとともに、被検体表面２ａからの光を光検出部２４に導くためのもので、直径φＤの円筒外形を有するプローブ本体３ｂに、光ファイバケーブル４、５、６の端部を固定した構成を有する。

光ファイバケーブル４（光照射部）は、図１、２に示すように、一方の端部に出射端面４ａ（光出射口）、他方の端部に入射端面４ｃを備える３つの光ファイバ４ｂからなり、出射端面４ａが、光ファイバの光軸方向の同一位置に整列した状態で、光軸方向から見て一定の領域内にまとめられた状態で結束され、他方の端部側で、３つの入射端面４ｃがそれぞれ照射光１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃの結像位置に配置されるように分岐されたものである。
そして、まとめられた状態の出射端面４ａが、被検体表面２ａに対向するプローブ端面３ａの中心部で、プローブ端面３ａと同一平面に整列した状態で固定されている。そして、光ファイバ４ｂの出射端面４ａ側の光軸は、プローブ端面３ａの法線方向に一致されている。

光ファイバケーブル５、６（受光部）は、それぞれ一方の端部に入射端面５ａ、６ａ（受光口）、他方の端部に出射端面５ｃ、６ｃを備える８つの光ファイバ５ｂ、６ｂからなり、出射端面５ｃ、６ｃが、光ファイバの光軸方向の同一位置に整列した状態で一定の領域内にまとめられた状態で結束され、一方の端部側で、８つの入射端面５ａ、６ａがそれぞれの受光位置に配置されるように分岐されて、プローブ本体３ｂに取り付けられたものである。そして、光ファイバ５ｂ、６ｂの入射端面５ａ、６ａ側の各光軸は、プローブ端面３ａの法線方向に一致している。

８つの入射端面５ａは、出射端面４ａの中心位置（光出射口中心）から、半径ρ_１の円周上の等分位置に配置され、それぞれプローブ端面３ａと同一平面上に整列されている。
８つの入射端面６ａは、出射端面４ａの中心位置から、半径ρ_２の円周上の等分位置に配置され、それぞれプローブ端面３ａと同一平面上に整列されている。
ここで、ρ_２＝ρ_１＋Δ（ただし、Δ＞０）である。
ρ_１、ρ_２、Δは、それぞれ被検体２の大きさなどにより、適宜設定することができるが、特に、同心円の半径ρ₁、同心円の半径の差Δ=ρ_２−ρ_１は、性状特性値の測定精度に影響しやすいため、測定対象に好適な値の範囲から設定することが好ましい。例えば、青果物の糖度測定では、ρ₁、Δはそれぞれ３ｍｍ以上、５ｍｍ以上とすることが好ましい。ρ₁、Δ上限値は、入射端面６ａ側での受光光強度の大きさから適宜設定すればよいが、例えば、青果物の糖度測定では、１０ｍｍ以下が好適である。

また、入射端面５ａ、６ａの間の円周方向の配置位置は、特に限定されないが、本実施形態では、出射端面４ａを挟んで対向位置にある入射端面５ａ、５ａと、同じく入射端面６ａ、６ａとが、それぞれ同一直径上に整列して配置されている。
すなわち、各入射端面５ａ、６ａは、出射端面４ａに対してプローブ端面３ａ上で良好な対称性を有する配列とされるとともに、入射端面５ａ、６ａの円周方向に等間隔に配列されているので、出射端面４ａを中心とする同心円状の測定領域から光を均等に受光することができる配置となっている。

光ファイバ４ｂ、５ｂ、６ｂのファイバ構成、ファイバ材質は、伝送損失が少ないことが好ましいが、校正のための特性値、例えば、受光口のＮＡや、光ファイバの波長ごとの伝送損失特性などが分かっていれば、特に限定されない。例えば、マルチモードでも、シングルモードでもよいし、屈折率分布も適宜の分布でよい。また、ガラスファイバでも、プラスチックファイバでもよい。
本実施形態では、光ファイバ４ｂ、５ｂ、６ｂを、φ０．２ｍｍの心線を複数本合わせて、φ１程度としたものを採用している。すなわち、各入射端面５ａ、６ａの開口面積が同一の場合の例となっている。

プローブ本体３ｂは、少なくともプローブ端面３ａ上では、被検体２からの光の反射光が、測定ノイズとならないように、光吸収性を付与することが好ましい。光吸収性の程度は、必要な測定精度にもよるが、例えば、青果物の糖度測定では、反射率で１０％以下が好ましく、５％以下であることがより好ましい。また、校正を容易にするためには、測定に用いる波長範囲での反射率の波長特性は、略平坦であることが好ましい。
本実施形態では、近赤外領域で、このような良好な光吸収性を有する材質として、ポリアセタール素材の黒色グレードを採用している。

図３に、このようなポリアセタール素材の黒色グレードの反射率の波長特性を比較例とともに示した。
曲線１００は、アセタールコポリマーを原料とした黒色グレードのポリアセタール素材の波長７００ｎｍ〜１２００ｎｍの反射率特性を示している。
図３から分かるように、この波長帯域では、いずれも５％以下の略平坦な反射率分布を備えている。
一方、曲線１０１は、比較例として、センサプローブ３をアルミ材で製作し、プローブ端面３ａに黒色アルマイト処理を施した場合の反射率特性を示す。
曲線１０１は、この波長範囲では、長波長になるにつれて上昇し、１２００ｎｍでは、６０％をわずかに超える反射率となっている。本実施形態の波長範囲でも、約４５％〜５５％となっており、１０％以下の良好な光吸収性を有していない場合の例となっている。

光検出部２４は、被検体表面２ａからの光のうち、各入射端面５ａ、６ａに入射して、光ファイバ５ｂ、６ｂ内を伝搬し、出射端面５ｃ、６ｃからまとめて出射された透過光１２、１３をそれぞれ集光する集光レンズ１４、１５と、それぞれの集光位置に受光面が配置された光検出器１６、１７（透過光検出部）とからなる。
光検出器１６、１７は、照射光１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃの波長光に十分な感度を有するフォトダイオードなどを採用することができる。

信号処理部１８は、光検出器１６、１７の検出出力を増幅し、光検出器１６、１７の波長特性に応じて予め設定された校正値に基づいて、検出出力を校正するとともに、入射端面５ａ、６ａの受光範囲の総受光強度に換算したデジタル信号に変換して、演算処理部３０に送出するものである。
以下では、入射端面５ａからの波長λ_ｉ（ｉ＝１，２，３、以下同じ）に対応する総受光量をＪ_１λｉ、受光面積当たりの平均受光量をＩ_１λｉ、同じく入射端面６ａからのものをそれぞれＪ_２λｉ、Ｉ_２λｉと表す。
ここで、それぞれに入射する透過光１２、１３の波長は、中央制御ユニット１９から送出されるクロック信号に基づいて、光源制御部１１の波長切り替えタイミングを自動的に判別して判断する。

中央制御ユニット１９は、非破壊測定装置１の測定動作を制御するもので、光源制御部１１、信号処理部１８、表示部２０、および操作部２１に電気的に接続され、それぞれとの間で、種々の制御信号やデータの通信を行って、それぞれの動作を制御するものである。
その概略の機能ブロック構成は、図４に示すように、装置制御部２２、表示制御部２３、および演算処理部３０からなる。
中央制御ユニット１９のハード構成は、それぞれの機能ブロックの動作を行うハードウェアから構成してもよいが、ＣＰＵ、メモリ、入出力インタフェース、適宜の記憶部などを備えるコンピュータで構成し、それぞれの機能ブロックの動作に対応するプログラムを実行させてもよい。

装置制御部２２は、測定者が操作する操作部２１からの操作入力に応じて、光源制御部１１、信号処理部１８、演算処理部３０、表示制御部２３の動作を協調して制御し、測定の開始、終了、および測定動作などを行うものである。
光源制御部１１、信号処理部１８に対しては、複数の波長光の発光および検出処理の制御する制御信号を送出するとともに、それぞれの動作を同期させるクロック信号を送出する。
演算処理部３０に対しては、操作部２１の操作入力に応じて測定する性状特性値を通知し、演算処理部３０の処理動作を初期設定する。
表示制御部２３に対しては、操作部２１の操作入力や、演算処理部３０から送出された測定結果などの情報を送出し、表示部２０に表示させる制御を行う。

表示制御部２３は、装置制御部２２から送出された情報を表示部２０に表示するための映像信号に変換するものである。

演算処理部３０は、相対透過率算出部３１、相対吸光度比算出部３２、性状特性値算定部３３、検量式データ保持部３４からなる。
相対透過率算出部３１は、信号処理部１８から送出されるＪ_１λｉ、Ｊ_２λｉから、上記の式（１）にしたがって、相対透過率Ｒ_λｉを算出するものである。

相対吸光度比算出部３２は、相対透過率算出部３１で算出された相対透過率Ｒ_λｉから、下記式（２ａ）にしたがって、相対吸光度比γ_１を求めるものである。
γ_１＝ｌｎ（Ｒ_λ１／Ｒ_０）／ｌｎ（Ｒ_１／Ｒ_０） ・・・（２ａ）
ここで、Ｒ_０、Ｒ_１は、次式のように選ぶ。
Ｒ_０＝Ｒ_λ３ ・・・（３）
Ｒ_１＝Ｒ_λ２ ・・・（４）
式（２ａ）は、上記の式（２）において、ｎ＝３、ｍ＝ｋ＝１の場合の例になっている。

性状特性値算定部３３は、相対吸光度比算出部３２で算出されたγ_１から、次式で表さされる検量式によって本実施形態の性状特性値である糖度Ｃ_ｓを算定するものである。
Ｃ_ｓ＝β_ｓ０＋β_ｓ１・γ_１ ・・・（５）
ここで、β_ｓ０、β_ｓ１は、予め、糖度が知られている試料で行った実験結果から、式（２ａ）で定義される相対吸光度比γ_１を説明変数とする単回帰分析を行って推定された係数であり、性状特性値算定部３３によって、検量式データ保持部３４から呼び出される。
糖度Ｃ_ｓは、算定後、装置制御部２２に送出される。

検量式データ保持部３４は、測定対象である性状特性値に応じて、予め求められた検量式の係数を記憶するものであり、例えば、ＲＯＭ、外部記憶媒体、外部記憶部などの記憶部から構成される。
糖度Ｃ_ｓを算定する場合には、上記のβ_ｓ０、β_ｓ１が記憶されている。

次の本実施形態の非破壊測定装置１の測定動作について説明する。
図５は、本発明の第１の実施形態に係る光散乱体の非破壊測定装置の測定部位の近傍の模式的な断面図である。図６（ａ）、（ｂ）は、ミカンの測定における測定の方向性について説明するための断面説明図である。図７は、光照射口および受光口が、プローブ端面と整列していない場合の測定について説明する測定部位の近傍の模式的な断面図である。図８は、光照射口および受光口とプローブ端面との間のギャップ量Δ_ＧＡＰがある場合の吸光度の波長特性の一例について説明するグラフである。横軸は波長（ｎｍ）、縦軸は吸光度を示す。図８の縦軸の吸光度は、ここでは上記の式（１）にしたがって算出される相対透過率Ｒ_λｉの逆数の自然対数（−ｌｎ（Ｒ_λｉ））で定義した値を示す。図９は、光拡散理論によって計算される、２つの受光部の同心円半径の差Δと、相対反射率Ｒ_λと糖度１（Ｂｒｉｘ％）当たりのＲ_λの変化量δＲ_λとの比（δＲ／Ｒ）との関係を示すグラフである。横軸はΔ（ｍｍ）、縦軸はδＲ／Ｒ（％）を示す。図１０は、本発明の第１の実施形態に係る光散乱体の非破壊測定装置で推定した糖度と屈折糖度計の実測値との関係を示すグラフである。横軸は屈折糖度計（ＰＲ−１０１、アタゴ社製、以下共通）による果汁糖度の実測値、縦軸は本実施形態の装置による果実糖度の推定値を示す。いずれも、糖度の単位は、Ｂｒｉｘ％である。

非破壊測定装置１で、測定を行うには、図５に示すように、センサプローブ３を、被検体２の測定部位における被検体表面２ａに、プローブ端面３ａを接触または略接触させた状態で配置する。ここで、図５は、模式図のため、被検体表面２ａを平面としているが、被検体表面２ａは被検体２の形状により異なり、例えば、ミカンなどでは、凹凸や湾曲があることは言うまでもない。また、見易さのため、プローブ端面３ａと被検体表面２ａとの間に隙間を設けて図示しているが、このようにわずかの隙間を設けて略接触させる配置としてもよいし、完全に接触させてもよい。また、本実施形態では、出射端面４ａを被検体２に接触するか、略接触するようなるべく近づけることが好ましいが、被検体表面２ａと入射端面５ａ、６ａは必ずしも接触させる必要がない。

操作部２１から、測定開始が入力されると、中央制御ユニット１９は、光源制御部１１を介して、単色光源８Ａ、８Ｂ、８Ｃを順次点灯する。それぞれから出射される波長λ_１、λ_２、λ_３を有する照射光１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃは、結合レンズ９Ａ、９Ｂ、９Ｃによって、３つに分岐された光ファイバ４ｂの各入射端面４ｃに光結合される。
そして、各光ファイバ４ｂの内部を伝搬して、センサプローブ３のプローブ端面３ａの中心に位置する出射端面４ａから被検体表面２ａに向けて照射される。

被検体表面２ａに照射された光は、被検体表面２ａで反射される反射光と、被検体２の内部に入射して内部を透過する透過光に分かれる。
反射光は、被検体表面２ａとプローブ端面３ａとの間で反射を繰り返して減衰する。
透過光は、被検体２の内部の性状によって、散乱され、種々の光路を通って、再び被検体表面２ａに到達した光の一部が被検体２の外部に出射され、各入射端面５ａ、６ａの位置で、それぞれ光ファイバ５ｂ、６ｂに入射する。
例えば、図５に示すように、互いに出射端面４ａを挟んで対向する位置にある入射端面５Ａ（６Ａ）と入射端面５Ｂ（６Ｂ）とには、それぞれ図示右側、左側に向かう光が、内部光２５Ａ（２６Ａ）と内部光２５Ｂ（２６Ｂ）とが入射する。
これらの内部光の光路は、出射端面４ａと各入射端面５ａ（６ａ）との間の被検体２の内部の性状と出射端面４ａと入射端面５ａ（６ａ）との距離に応じて散乱を起こしつつ透過する。そのため、それぞれからの出射光の光強度は、出射端面４ａと入射端面５ａ（６ａ）と間の被検体２の性状の情報を含んでいる。
したがって、内部光２５Ａ（２６Ａ）と内部光２５Ｂ（２６Ｂ）とは、出射端面４ａに対して図示左右方向の性状の違いを反映した光強度となる。

同様に、例えば、入射端面５Ａ（６Ａ）を９０°回転した位置である図２（ａ）の入射端面５Ｃ（６Ｃ）に入射する内部光の光強度は、図５の紙面直交方向の性状の情報を含んでいる。
例えば、被検体２が、図６（ａ）、（ｂ）に示すミカン２００のように、果皮部２００ａで覆われた内部が複数の袋部２００ｃ内に収容された果肉部２００ｂからなるような場合、袋部２００ｃの長手方向に沿う断面（図６（ａ）参照）とそれと直交する袋部２００ｃを隣接方向に横断する断面（図６（ｂ）参照）では、袋部２００ｃの有無により散乱特性が全く異なっており、方向によって著しい不均一性、異方性を有する。そのため、それぞれの断面に沿う方向に配置された、入射端面５Ａ（６Ａ）と、入射端面５Ｃ（６Ｃ）とでは、袋部２００ｃの有無などの性状の違いに応じた情報を含むことになる。
従来の非破壊測定技術では、このような空間的に不均一な散乱特性を有する光散乱体では、光照射口と受光口との配置位置によって測定誤差にバラツキが生じていた。
被検体２がこのような散乱特性の不均一性、異方性を有する場合の他の例として、例えば、筋肉の伸縮方向とそれに直交する方向で散乱特性が異なる筋肉繊維などが挙げられる。

本実施形態では、このように、各入射端面５ａ、６ａの配置位置に応じた被検体２の内部の性状の情報を含む光が、光ファイバ５ｂ、６ｂによって伝送され、出射端面５ｃ、６ｃからまとめて、それぞれ透過光１２、１３として出射される。そして、各透過光は、それぞれ集光レンズ１４、１５によって集光され、光検出器１６、１７で受光される。
光検出器１６、１７は、受光した光強度に比例した検出出力信号を信号処理部１８に送出する。この検出出力は、光ファイバ５ｂ、６ｂをそれぞれで伝送された全光量を合わせたものとなる。

信号処理部１８では、光検出器１６、１７の検出出力を受信タイミングから波長ごとに識別し、それぞれの波長に応じて予め作成された校正情報に基づいて、波長ごとの総受光量Ｊ_１λｉ、Ｊ_２λｉに換算する。
ここで、校正情報は、波長ごとの、光ファイバ５ｂ、６ｂの伝送損失、集光レンズ１４、１５の透過率、光検出器１６、１７の感度特性を補正する補正係数などとして与えられる。
そして、波長ごとの総受光量Ｊ_１λｉ、Ｊ_２λｉを、入射端面５ａ、６ａのそれぞれの受光面積で平均化した光強度Ｉ_１λｉ、Ｉ_２λｉとすると、Ｉ_１λｉ、Ｉ_２λｉは下記式で算出される。
Ｉ_１λｉ＝Ｊ_１λｉ／Ａ_１ ・・・（７）
Ｉ_２λｉ＝Ｊ_２λｉ／Ａ_２ ・・・（８）
ここで、Ａ_１、Ａ_２はそれぞれ、入射端面５ａ、６ａのそれぞれの受光面積の和である。

相対透過率算出部３１では、式（１）にしたがって、波長λ_ｉごとの相対透過率Ｒ_λｉを算出し、相対吸光度比算出部３２に各算出結果を送出する。

次に、相対吸光度比算出部３２では、式（２ａ）にしたがって、相対吸光度比γ_１を算出し、性状特性値算定部３３に送出する。ここで式(２ａ)に表れる２つの異なる波長の相対透過率比Ｒ_λ１／Ｒ_０、およびＲ_１／Ｒ_０は式（１）の定義からそれぞれ下記式で表される。
Ｒ_λ１／Ｒ_０＝（Ｊ_２λ1 ・Ｊ_１λ３）／（Ｊ_２λ３・Ｊ_１λ1） ・・・（９）
Ｒ₁／Ｒ_０ ＝（Ｊ_２λ２・Ｊ_１λ３）／（Ｊ_２λ３・Ｊ_１λ２） ・・・（１０）
さらに式（７）、（８）式の関係を用いると式（９）、（１０）は下記式で表される。
Ｒ_λ１／Ｒ_０＝（Ｊ_２λ1 ・Ｊ_１λ３）／（Ｊ_２λ３・Ｊ_１λ1）
＝（Ａ_１・Ａ_２・Ｉ_２λ1 ・Ｉ_１λ３）／（Ａ_１・Ａ_２・Ｉ_２λ３・Ｉ_１λ1）
＝（Ｉ_２λ1 ・Ｉ_１λ３）／（Ｉ_２λ３・Ｉ_１λ1） ・・・（９ａ）
Ｒ₁／Ｒ_０ ＝（Ｊ_２λ２ ・Ｊ_１λ３）／（Ｊ_２λ３・Ｊ_１λ２）
＝（Ａ_１・Ａ_２・Ｉ_２λ２ ・Ｉ_１λ３）／（Ａ_１・Ａ_２・Ｉ_２λ３・Ｉ_１λ２）
＝（Ｉ_２λ２ ・Ｉ_１λ３）／（Ｉ_２λ３・Ｉ_１λ２） ・・・（１０ａ）
式（９ａ）、（１０ａ）から２つの異なる波長の相対透過率比は入射端面５ａ、６ａのそれぞれの受光面積で平均化した光強度Ｉ_１λｉ、Ｉ_２λｉで表され、受光面積Ａ_１，Ａ_２に依存しない。

性状特性値算定部３３では、検量式データ保持部３４から、検量式の係数β_ｓ０、β_ｓ１を呼び出し、式（５）にしたがって、糖度Ｃ_ｓを算出する。そして、装置制御部２２に計算結果を送出する。
装置制御部２２は、表示制御部２３を制御して、糖度Ｃｓを表示部２０に出力する。
以上で、非破壊測定装置１による糖度Ｃ_ｓの測定が終了する。

このように本実施形態では、入射端面５ａ、６ａを、出射端面４ａを中心とする同心円の円周を等分する位置に配置したため、出射端面４ａから等距離ρ_１、ρ_２にある位置から被検体２の外部に出射される光を偏りなく受光することができる。そのため、被検体２の内部の散乱特性に不均一性があって、各入射端面５ａ、６ａで検出される光強度にバラツキが生じても、それらの総和であるＪ_１λｉ、Ｊ_２λｉを用いて、相対透過率Ｒ_λｉを算出するので、この相対透過率は、被検体２の内部の散乱特性の不均一性を平均化していることになる。
したがって、空間的に散乱特性が均一な光散乱体で良好となる式（５）を検量式として精度よく性状特性値を算定することができる。

また、本実施形態では、出射端面４ａを挟んで各１対の入射端面５ａ、５ａ、６ａ、６ａが同一直線上で対向するように配置されているので、この直線に直交する面に関する非対称性が良好に低減される。

また、本実施形態では、プローブ端面３ａと、出射端面４ａ、各入射端面５ａ、６ａとが、互いに同一平面上に整列しているため、被検体表面２ａでの反射光の影響を低減することができる。
例えば、図７に示すように、プローブ端面３ａと、出射端面４ａ、各入射端面５ａ、６ａとが、距離Δ_ＧＡＰだけ離れているとする。出射端面４ａからの出射光のうち、被検体表面２ａで反射される表面反射光２７は、プローブ端面３ａで反射されて、被検体表面２ａに再入射し、その透過光や反射光が、入射端面６Ａに入射する。
このとき、Δ_ＧＡＰが大きいと、反射率が高い比較的小さな入射角θの光が少ない反射回数で、入射端面５ａ、６ａの近傍に到達し、より高輝度のノイズ光となる。
これに対して、Δ_ＧＡＰが小さいと、入射角θが小さい光は反射回数が大きくなるので、著しく減衰し、入射角θが大きい光は反射率が低いため、やはり減衰が大きくなる。
例えば、図８は、Δ_ＧＡＰを変化させたときの、吸光度の波長特性の測定結果の一例である。曲線１０２、１０３、１０４が、それぞれΔ_ＧＡＰ＝０ｍｍ、５ｍｍ、１０ｍｍの場合の測定結果を示す。
図８から分かるように、Δ_ＧＡＰを、５ｍｍ、１０ｍｍとした測定では、全体に吸光度が低下し、とりわけΔ_ＧＡＰ＝０ｍｍの場合に観察される波長９５０ｎｍから１０００ｎｍの間のスペクトルが著しく低下しており、測定精度に大きく影響することが分かる。
したがって、Δ_ＧＡＰは、本実施形態のように、０ｍｍとすることが好ましい。
また、本実施形態では、さらに、プローブ端面３ａの反射率が、測定波長領域にわたって、５％以下となる光吸収性の材質を用いているので、一層、ノイズ光の影響を排除することができるものである。

また、本実施形態では、入射端面５ａ、６ａの配置される同心円半径の差Δを適切に設定しているため、良好な測定精度を得ることができる。
適切なΔの値は、性状特性値の単位変化分に対する相対透過率Ｒ_λｉの変化量δＲの大きさを見積もることによって設定することができる。
図９に示すのは、糖度測定の場合において、Δを変化させたときの、相対透過率Ｒ_λと糖度１Ｂｒｉｘ％当たりのＲ_λの変化量δＲ_λと比（δＲ_λ／Ｒ_λ、グラフではδＲ／Ｒと表記した）を、光拡散理論を用いて計算し、黒丸でプロットしたグラフである。ここで、λ＝９４０ｎｍ、ρ_１＝１０ｍｍ、被検体２の等価散乱係数を１．１ｍｍ^−１としている。
ここで、δＲ／Ｒは、糖度測定の感度に相当する量であり、直線１０５に示すように、ΔとδＲ／Ｒとは、良好な比例関係にある。つまり、Δを大きくすることで糖度変化に対する相対透過率Ｒの変化量、つまり測定感度が増大することを意味する。一般に相対透過率を測定する場合、測定装置が有する測定誤差より大きな相対反射率の測定感度が必要になる。測定装置が有する相対透過率の測定精度が０．１％程度とすると、測定感度としては０．２％以上が得られる距離Δの設定が必要になる。つまり、図９から、Δ≧５ｍｍが必要となることが分かる。

次に、非破壊測定装置１で測定した糖度の第１測定例について説明する。
本測定例では、被検体２を温州ミカンとし、センサプローブ３の条件を、ρ_１＝３ｍｍ、ρ_２＝１０ｍｍ、Δ＝７ｍｍとした。ここで、式（２ａ）に表れる３つの異なる測定波長にはλ_１＝１０４０ｎｍ、λ_２＝９４０ｎｍ、λ_３＝９００ｎｍを用いている。また式（５）で表される検量式において各回帰係数にはβ_ｓ０＝０．９６３、β_ｓ１＝０．０１６３を用いている。
そして、被検体２を非破壊測定装置１で測定したのち（推定値）、それらの果汁をしぼって、屈折糖度計によって糖度を測定した（実測値）。そして、これらの実測値を横軸、推定値を縦軸として、図１０に示すような散布図にプロットした。
図１０から分かるように、それぞれの測定値は、良好な相関がある。平均誤差は０．６０Ｂｒｉｘ％であった。
したがって、本実施形態の非破壊測定装置１によれば、温州ミカンのような不均一な内部構造を有する被検体でも、破壊検査による糖度測定と同等の測定を行うことができることが分かる。

次に、本実施形態の変形例について説明する。
図１１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は、それぞれ本発明の第１の実施形態の第１〜第４変形例に用いる受光部の図１におけるＡ視方向の側面図である。

本実施形態の各変形例は、図１１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）に示すように、それぞれ、センサプローブ３に代えて、センサプローブ４０、４１、４２、４３を備え、それに応じて、光ファイバケーブル５、６の形状や構成を代えたものである。

第１変形例のセンサプローブ４０は、センサプローブ３の８つの入射端面６ａの円周方向に、さらに８つの入射端面６ａを加えて、同一円周上に等間隔に配置したものである（図１１（ａ）参照）。
したがって、半径ρ_２の円周上でより細かいピッチの受光位置で受光することができるので、空間的に散乱特性が不均一な被検体２からの透過光をより平均化することができるので、測定精度を向上することができる。

第２変形例のセンサプローブ４１は、センサプローブ３の入射端面５ａ、６ａに代えて、各同心円に沿う円弧状の入射端面４１ａ、４１ｂ（受光口）を備えたものである（図１１（ｂ）参照）。
入射端面４１ａ、４１ｂは、光ファイバ５ｂ、６ｂの心線の数を増やして、円弧状の領域に配置して形成してもよいし、円弧状の導光部材で形成して、光ファイバ５ｂ、６ｂに導光してもよい。
この場合、例えば、入射端面４１ａ、４１ｂの円周方向の長さを、各同心円径に比例して同一に設定することにより、円周方向の受光面積比を共通にすることで、空間的に散乱特性が不均一な被検体２からの透過光をより平均化することができる。

第３変形例のセンサプローブ４２は、センサプローブ３の入射端面５ａ、６ａに代えて、それぞれの同心円上で円周方向に沿って開口するリング状入射端面４２ａ、４２ｂ（受光口）を備える（図１１（ｃ）参照）。
本変形例は、同心円上のすべての透過光を受光することができるので、散乱特性が空間的にどのような不均一性があっても、確実に被検体２からの透過光の不均一性を均等化することができる。

第４変形例のセンサプローブ４３は、センサプローブ３の入射端面５ａ、６ａに加えて、ρ_１、ρ_２と異なる半径ρ_３の同心円上に、入射端面４３ａを入射端面５ａ、６ａが配置された各直線上に配置したものである（図１１（ｄ）参照）。そして、特に図示しないが、入射端面４３ａの入射光を伝送する光ファイバ、それを検出する光検出器などもを備え、操作部２１からの設定により、相対透過率を算出する２つの受光部を入射端面５ａ、６ａ、４３ａの３つの中から選択することができるようになっている。
半径ρ_３は、図１１（ｄ）では、ρ_１＜ρ_３＜ρ_２の場合の例を示したが、ρ_３＜ρ_１、ρ_２＜ρ_３などであってもよい。
本変形例によれば、３つ以上の受光部を備え、そのうちの２つの受光部の受光光の光強度を用いて相対透過率を算出できる。したがって、被検体２の種類や、性状特性値の種類に応じて、２つの受光部の配置位置、その半径差Δを選択的に変更することができる。そのため、汎用的な測定に好適な装置となる。

また、上記第１の実施形態および変形例の受光口の数は一例であって、２個以上であれば、被検体の種類や必要な測定精度に応じて、適宜の数だけ配置することができる。
１つの透過光検出部上の受光口を２個とする場合、効率的に被検体の散乱特性の不均一性を平均化するためには、光射出口中心を通る直線上の略対向位置に配置するか、２つの受光口と光射出口中心を通る直線が略直交する位置に配置することが好ましい。
散乱特性が空間的により不均一である被検体に対応できるようにするには、少なくとも４個の受光口を光出射口中心に対して略十字となる位置に配置しておくことが好ましい。

［第２の実施形態］
本発明の第２の実施形態に係る光散乱体の非破壊測定装置について説明する。
図１２は、本発明の第２の実施形態に係る光散乱体の非破壊測定装置の概略構成を示す模式的な構成図である。

本実施形態の非破壊測定装置５０（光散乱体の非破壊測定装置）は、図１２に示すように、第１の実施形態の非破壊測定装置１の光源ユニット７に代えて、光源５２、結合レンズ９からなる光源ユニット５１を備え、光ファイバケーブル４、光源制御部１１、信号処理部１８に代えて、それぞれ、光ファイバケーブル４Ａ、光源制御部５３、信号処理部６０を備えるものである。以下では、上記第１の実施形態と異なる点を中心に説明する。

光源５２は、近赤外領域の波長の光を含む白色光源である。例えば、ハロゲンランプなどを採用することができる。ただし、測定に用いる波長光を含む帯域の波長分布を有する光源であれば、必ずしも白色光源でなくてもよい。
結合レンズ９は、光源５２から出射された白色光を集光し、入射端面４ｃに光結合し、光ファイバ４ｂに入射させる光学素子である。

光ファイバケーブル４Ａは、上記第１の実施形態の光ファイバケーブル４の入射端面４ｃ側が３つに分岐されていないものである。
光源制御部５３は、中央制御ユニット１９からの制御信号に応じて、光源５２に電圧を供給し、所定の光量で点灯制御するものである。ただし、本実施形態では、白色光を点灯するので、第１の実施形態のような波長を切り替える制御は行わない。

信号処理部５３は、出射端面５ｃ、６ｃから出射される透過光１２、１３を分光し、そのスペクトルから複数の波長光成分の総受光強度を総受光量Ｊ_１λｉ、Ｊ_２λｉ（ｉ＝１，２，…，ｎ、ただしｎは３以上の整数）として取得する。すなわち、本実施形態は、複数の波長光を、受光口で受光した透過光から分光して取得する構成となっている。そのため、光源が１つであっても、複数の波長光を容易に取得できるものである。
ここで、ｎ＝３として、上記第１の実施形態と同様の検量式を用いてもよいが、以下では、ｎ≧４である場合の例について説明する。
その概略構成は、集光レンズ１４、１５、シャッタ５４、５５、プリズム５６、回折格子５７、および多チャンネル検出器５８（光検出部）からなる。

シャッタ５４、５５は、それぞれ集光レンズ１４、１５で集光された透過光１２、１３の光路上に配置され、透過光１２、１３のいずれか一方を透過させ、いずれか他方を遮光する光路選択手段である。
プリズム５６は、シャッタ５４、５５の開閉動作により透過された光を、回折格子５７に対して一定の光路に沿って入射できるように、透過光の光路を合成する光路合成手段である。本実施形態では、透過光１３は進行方向に透過させ、透過光１２は反射して透過後の透過光１３と同一の光路に合成する構成としている。

回折格子５７は、透過光１２、１３の分光を行うためのものである。分光の波長範囲は、複数の波長λ_ｉの成分が取得できる範囲でよい。
多チャンネル検出器５８は、回折格子５７で回折された光の光路上で、回折角度に応じた位置に、それぞれ多数の光検出素子を配置し、それぞれの光検出出力を取得することで、分光スペクトルを取得するものである。
多チャンネル検出器５８としては、例えば、ＣＣＤ等のリニアアレイセンサを採用することができる。

次に、非破壊測定装置５０の測定動作について第１の実施形態と異なる点を中心に説明する。
図１３は、本発明の第２の実施形態に係る光散乱体の非破壊測定装置で推定した糖度と屈折糖度計の実測値との関係を示すグラフである。横軸は屈折糖度計による果汁糖度の実測値、縦軸は本実施形態の装置の推定値を示す。いずれも、糖度の単位は、Ｂｒｉｘ％である。

上記第１の実施形態と同様にして、被検体２の測定部位にセンサプローブ３を配置する。
操作部２１から、測定開始が入力されると、中央制御ユニット１９は、光源制御部５３を介して、光源５２を点灯する。そして、近赤外領域に波長を有する白色光が照射光１０として出射され、結合レンズ９によって、光ファイバ４ｂの入射端面４ｃに光結合される。そして、出射端面４ａから被検体表面２ａに向けて照射される。

被検体表面２ａに照射された光は、被検体２の内部に透過して、被検体２の内部の性状によって、散乱・吸収され、種々の光路を通って、再び被検体表面２ａに到達した光の一部が被検体２の外部に出射され、各入射端面５ａ、６ａの位置で、それぞれ光ファイバ５ｂ、６ｂに入射する。このとき、各光ファイバに入射する光は、被検体２の内部の性状に応じて、波長に応じて、散乱・吸収され、内部の性状の情報を含むスペクトルを備えた光となっている。

信号処理部６０では、シャッタ５４、５５を操作して、透過光１２、１３を順次、回折格子５７に入射させる。そして、回折格子５７により分光された光の光強度分布を多チャンネル検出器５８により取得する。そして、各受光位置と波長とを対応させた透過スペクトルＳ_１、Ｓ_２を取得する。ここで、透過スペクトルＳ_１、Ｓ_２は、それぞれ各波長ごとの、光ファイバ５ｂ、６ｂの伝送損失、集光レンズ１４、１５の透過率、多チャンネル検出器５８の波長感度特性など応じて予め作成された校正情報に基づいて校正されている。
これにより、分光範囲のすべての波長について、総受光量Ｊ_１λｉ、Ｊ_２λｉを算出することが可能となる。算出された総受光量Ｊ_１λｉ、Ｊ_２λｉは相対透過率算出部３１に送出される。

相対透過率算出部３１では、式（１）にしたがって、波長λ_ｉごとの相対透過率Ｒ_λｉを算出し、相対吸光度比算出部３２に各算出結果を送出する。
また、信号処理部６０として既製の分光器ユニットを用いる場合、透過スペクトルＳ_１、Ｓ_２あるいは、相対透過率スペクトルＲ（λ）＝Ｓ_２／Ｓ_１を、相対透過率算出部３１に出力し、相対透過率算出部３１では、Ｒ（λ）から必要な波長成分を取得してＲ_λｉを取得するようにしてもよい。

次に、相対吸光度比算出部３２では、式（２）にしたがって、相対吸光度比γ_ｋを算出し、性状特性値算定部３３に送出する。本実施形態では、Ｒ_０、Ｒ_１を式（３）、（４）としている。したがって、異なるｎ個の波長に対する相対透過率Ｒ_λｉ（ｉ＝１，…，ｎ）を用いて、次式のようにしてｍ（＝ｎ−２）個のγ_ｋが算出される。
γ_１=ｌｎ（Ｒ_λ１／Ｒ_λ３）／ｌｎ（Ｒ_λ２／Ｒ_λ３） ・・・（１１ａ）
γ_２=ｌｎ（Ｒ_λ４／Ｒ_λ３）／ｌｎ（Ｒ_λ２／Ｒ_λ３） ・・・（１１ｂ）
γ_３=ｌｎ（Ｒ_λ５／Ｒ_λ３）／ｌｎ（Ｒ_λ２／Ｒ_λ３） ・・・（１１ｃ）
・ ・・・
γ_ｍ=ｌｎ（Ｒ_λｎ／Ｒ_λ３）／ｌｎ（Ｒ_λ２／Ｒ_λ３） ・・・（１１ｍ）

性状特性値算定部３３では、検量式データ保持部３４から、検量式の係数β_ｋを呼び出して、例えば糖度などの性状特性値Ｃを算出する。
複数の相対吸光度比γ_ｋを用いて性状特性値を推定するための検量式は重回帰分析、あるいはＰＬＳ（Partial Least Square）回帰分析などの多変量解析により得ることができる。例えば、重回帰分析では次式を検量式として用いることができる。
Ｃ＝β_０＋β_１・γ_１＋…＋β_ｍ・γ_ｍ ・・・（１２）
そして、装置制御部２２に計算結果を送出する。
装置制御部２２は、表示制御部２３を制御して、性状特性値Ｃを表示部２０に出力する。
以上で、非破壊測定装置１による性状特性値Ｃの測定が終了する。

このように本実施形態では、多チャンネル検出器５８により、分光スペクトルを取得して、受光口で受光した波長ごとの光強度を算出して相対透過率を求めるので、光源５２の数を減らすことができる。また、異なる波長光の照射を切り替えなくともよいので、多数の波長ごとの光強度を短時間で取得することができ、測定効率を向上することができる。
また、４つ以上の波長光により、重回帰分析などの多変量解析により得られる説明変数を２以上備える検量式で性状特性値を算出するので、測定精度を向上することができる。
異なる波長光は、被検体２の内部の異なる光路、光路範囲、光路長を有するため、それらを用いた相対吸光度比を２つ以上含む検量式は、受光口の配置が同一であっても、波長の選択によって、被検体２の内部のより広範囲な情報を含むことになる。そのため、受光口の位置、個数が同一であれば、第１の実施形態のような相対吸光度比が１つの場合よりも、被検体２の散乱特性の不均一性に起因する推定誤差を低減することができるので、より高精度となる。

次に、非破壊測定装置５０で測定した糖度の第２測定例について説明する。
本測定例の条件は、第１の実施形態と同様、被検体２を温州ミカンとし、センサプローブ３の条件を、ρ_１＝３ｍｍ、ρ_２＝１０ｍｍ、Δ＝７ｍｍとした。検量式は、ＰＬＳ回帰分析により得られたものを用いている。ここでは波長範囲９００〜１０７０ｎｍの相対吸光度比スペクトルγ（λ）＝ｌｎ（Ｒ（λ）／Ｒ（λ_３））／ｌｎ（Ｒ（λ_２）／Ｒ（λ_３））からＰＬＳ回帰分析により３つの主成分を選択し、検量式を作成した。ただしλはλ_２、λ_３を除く波長であり、波長λ_２＝９４０ｎｍ、λ_３＝９００ｎｍとした。
そして、被検体２を非破壊測定装置５０で測定したのち（推定値）、それらの果汁をしぼって、屈折糖度計によって糖度を測定した（実測値）。そして、これらの実測値を横軸、推定値を縦軸として、図１３に示すような散布図にプロットした。
図１３から分かるように、それぞれの測定値は、良好な相関がある。平均誤差は０．５３Ｂｒｉｘ％であった。
したがって、本実施形態の非破壊測定装置５０によれば、温州ミカンのような空間的に散乱特性が不均一な構造を有する被検体でも、破壊検査による糖度測定と同等の測定を行うことができることが分かる。また、複数の相対吸光度比を用いるため、第１の実施形態に比べて高精度の測定を行うことができる。

次に第３測定例について説明する。本測定例は、本実施形態に非破壊測定装置５０で、異なる種類の果実を被検体２としても、同一の検量線で良好な測定が行えることを示す測定例である。
図１４は、本発明の第２の実施形態に係る光散乱体の非破壊測定装置で推定した他の被検体の糖度と屈折糖度計の実測値との関係を示すグラフである。横軸は屈折糖度計による果汁糖度の実測値、縦軸は本実施形態の装置の推定値を示す。いずれも、糖度の単位は、Ｂｒｉｘ％である。

本測定例の条件は、被検体２をリンゴ（サンふじ、青森）とし、センサプローブ３の条件を、ρ_１＝３ｍｍ、ρ_２＝１０ｍｍ、Δ＝７ｍｍとした。検量式は、第２測定例で説明した温州ミカンの糖度推定で用いた検量式と同じ式を用いている。
図１４から分かるように、それぞれの測定値は、良好な相関がある。平均誤差は０．３８Ｂｒｉｘ％であった。
したがって、本発明の第２の実施形態の非破壊測定装置５０によれば、種類の異なる果実、ここでは温州ミカンとリンゴとを同じ検量式で高精度に推定することができ、果実の種類毎に検量線を作り直す必要がないので、従来技術に比べて測定装置の運用上非常に効率的となる。
このような作用効果は、従来技術の相対透過率の２次微分をとる装置では得られないものである。しかも、相対透過率の２次微分をとる必要がないので、そのような従来技術に比べて簡素な構成とすることができる。

なお、上記の第１の実施形態の説明では、複数の波長光が単色光の場合で説明したが、単色光でなくとも、十分狭い帯域を有する狭帯域光を用いてもよい。このような狭帯域光は、例えば、バンドパスフィルタなどを用いることで容易に得られる。

また、上記の説明では、プローブ端面３ａが平面の例で説明したが、プローブ端面３ａは、被検体２の形状に合わせた湾曲面としてもよい。また、プローブ端面３ａを変形可能な柔軟な材質で構成し、被検体２の押しつけたときにその形状に合わせて変形することができるようにしてもよい。これらの場合、光出射口、受光口を被検体に近接させやすくなるため、測定ノイズが低減され、より良好な測定精度が得られる。

また、上記の説明では、同一の円周上にある受光口からの光を１つの透過光検出部で検出する場合の例で説明したが、各受光口の光を別々の光検出器で検出し、その検出出力を演算処理してもよい。例えば、総和をとったり、平均したりしてもよい。
この場合、各透過光検出部の各受光口の大きさを変えた構成としてもよい。
上記各実施形態では、同一の透過光検出部で各受光口の大きさを変えると、総受光量を割る受光面積が円周方向に不均等な開口面積の和であるため、相対透過率を求めるのに必要なＩ_１λｉ、Ｉ_２λｉを求めることができない。このような場合、各受光口の光を別々の光検出器で検出し、各受光口に対応する開口面積で規格化した光強度を求めて、それらの総和をとれば、相対透過率を求めるのに必要なＩ_１λｉ、Ｉ_２λｉが得られる。

また、上記の各実施形態および変形例のすべての構成要素は、技術的に可能であれば、本発明の技術的思想の範囲で適宜組み合わせて実施することができる。例えば、第１の実施形態の非破壊測定装置１において、第２の実施形態における、相対吸光度比を複数用いた検量式、あるいは相対透過率を４つ以上用いた検量式を用いてもよい。

本発明の第１の実施形態に係る光散乱体の非破壊測定装置の概略構成を示す模式的な構成図である。 本発明の第１の実施形態に係る光散乱体の非破壊測定装置の受光部の図１におけるＡ視方向の側面図、および該側面図におけるＢ−Ｂ断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る光散乱体の非破壊測定装置の受光部の固定保持部材の反射率特性を比較例とともに示すグラフである。 本発明の第１の実施形態に係る光散乱体の非破壊測定装置の制御系の機能構成について説明するための機能ブロック図である。 本発明の第１の実施形態に係る光散乱体の非破壊測定装置の測定部位の近傍の模式的な断面図である。 ミカンの測定における測定の方向性について説明するための断面説明図である。 光照射口および受光口が、プローブ端面と整列していない場合の測定について説明する測定部位の近傍の模式的な断面図である。 光照射口および受光口とプローブ端面との間のギャップ量Δ_ＧＡＰがある場合の吸光度の波長特性の一例について説明するグラフである。 光拡散理論によって計算される、２つの受光部の同心円半径の差Δと、相対反射率Ｒ_λと糖度１Ｂｒｉｘ％当たりのＲ_λの変化量δＲ_λと比（δＲ／Ｒ）との関係を示すグラフである。 本発明の第１の実施形態に係る光散乱体の非破壊測定装置で推定した糖度と屈折糖度計の実測値との関係を示すグラフである。 本発明の第１の実施形態の第１〜第４変形例に用いる受光部の図１におけるＡ視方向の側面図である。 本発明の第２の実施形態に係る光散乱体の非破壊測定装置の概略構成を示す模式的な構成図である。 本発明の第２の実施形態に係る光散乱体の非破壊測定装置で推定した糖度と屈折糖度計の実測値との関係を示すグラフである。 本発明の第２の実施形態に係る光散乱体の非破壊測定装置で推定した他の被検体の糖度と屈折糖度計の実測値との関係を示すグラフである。

符号の説明

１、５０ 非破壊測定装置（光散乱体の非破壊測定装置）
２ 被検体
３、４０、４１、４２、４３ センサプローブ（固定保持部材）
４ 光ファイバケーブル（光照射部）
４ａ 出射端面（光出射口）
５、６ 光ファイバケーブル（受光部）
５ａ、６ａ 入射端面（受光口）
８、５２ 光源
１０、１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ 照射光
１１ 光源制御部
１２、１３ 透過光
１６、１７ 光検出器（透過光検出部）
１８、６０ 信号処理部
１９ 中央制御ユニット
２４ 光検出部
２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃ、２６Ａ、２６Ｂ、２６Ｃ 内部光
３０ 演算処理部
３１ 相対透過率算出部
３２ 相対吸光度比算出部
３３ 性状特性値算定部
３４ 検量式データ保持部
５４、５５ シャッタ
５６ プリズム
５７ 回折格子
５８ 多チャンネル検出器（光検出部）
２００ ミカン（被検体）

Claims (11)

1. 複数の波長光を発生する光源と、
   該光源からの前記複数の波長光を出射する光出射口を有し、該光出射口から前記複数の波長光を光散乱体からなる被検体上の１箇所の照射領域に向けて照射する光照射部と、
   前記被検体からの透過光を受光するために、前記光照射部の前記光出射口の中心に対して互いに異なる径を有する少なくとも２つの同心円の円周上においてそれぞれ２箇所以上の位置に受光口を有する少なくとも２つの受光部と、
   該少なくとも２つの受光部で受光した光の光強度を検出する透過光検出部と、
   前記同心円径の異なる２つの受光部の前記光強度の比をとった相対透過率を前記複数の波長ごとに算出し、前記相対透過率に基づいて前記被検体内部の性状特性値Ｃを算定する演算処理部とを備え、
   前記複数の波長光は、４つ以上の波長λ _ｉ （ｉ＝１，２，…，ｎ、ただしｎは４以上の整数）の光を含み、
   前記透過光検出部が、
   前記少なくとも２つの受光部のうち、前記同心円の半径がρ _１ 、ρ _２ （ただし、ρ _１ ＜ρ _２ ）の２つの受光部で受光した光の波長λ _ｉ における総受光量をそれぞれＪ _１λｉ 、Ｊ _２λｉ として検出したときに、
   前記演算処理部が、
   下記式（１）で表される前記波長λ _ｉ ごとの相対透過率Ｒ _λｉ を算出し、
   下記式（２）で表される相対吸光度比γ _ｋ （ｋ＝１，…，ｍ、ただし、ｍ＝ｎ−２）を算出し、
   前記性状特性値Ｃを、前記ｍ個の相対吸光度比γ _ｋ （ｋ＝１，…，ｍ）を説明変数とする多項式を用いた下記式（１２）で表される検量式によって算定するようにしたことを特徴とする光散乱体の非破壊測定装置。
   Ｒ _λｉ ＝Ｊ _２λｉ ／Ｊ _１λｉ ・・・（１）
   γ _ｋ ＝ｌｎ（Ｒ _λｋ ／Ｒ _０ ）／ｌｎ（Ｒ _１ ／Ｒ _０ ） ・・・（２）
   Ｃ＝β _０ ＋β _１ ・γ _１ ＋…＋β _ｍ ・γ _ｍ ・・・（１２）
   ここで、Ｒ _０ 、Ｒ _１ は、Ｒ _λｉ のうちの異なる２つの相対透過率であり、Ｒ _λｋ （ｋ＝１，…，ｍ、ただし、ｍ＝ｎ−２）は、Ｒ _λｉ のうちＲ _０ 、Ｒ _１ を除いたｍ個の相対透過率を表す。
2. 前記少なくとも２つの受光部の各受光口が、前記光照射部の光軸に直交する平面において前記光出射口の中心を通る直線上でそれぞれ前記光出射口の中心を挟んで対向するように配置されたことを特徴とする請求項１に記載の光散乱体の非破壊測定装置。
3. 前記少なくとも２つの受光部の受光口が、前記光照射部の光軸に直交する平面において前記光出射口の中心を通り互いに直交する直線上に配置されたことを特徴とする請求項１または２に記載の光散乱体の非破壊測定装置。
4. 前記少なくとも２つの受光部の受光口が、それぞれの同心円上でそれぞれ略等間隔に配置されたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の光散乱体の非破壊測定装置。
5. 前記少なくとも２つの受光部の受光口が、それぞれ前記同心円の円周上に延ばして設けられた円弧状の受光口により構成されたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の光散乱体の非破壊測定装置。
6. 複数の波長光を発生する光源と、
   該光源からの前記複数の波長光を出射する光出射口を有し、該光出射口から前記複数の波長光を光散乱体からなる被検体上の１箇所の照射領域に向けて照射する光照射部と、
   前記被検体からの透過光を受光するために、前記光照射部の前記光出射口の中心に対して互いに異なる径を有する少なくとも２つの同心円上で円周方向に沿って開口するリング状の受光口を有する少なくとも２つの受光部と、
   該少なくとも２つの受光部で受光した光の光強度を検出する透過光検出部と、
   前記同心円径の異なる２つの受光部の前記光強度の比をとった相対透過率を前記複数の波長ごとに算出し、前記相対透過率に基づいて前記被検体内部の性状特性値Ｃを算定する演算処理部とを備え、
   前記複数の波長光は、４つ以上の波長λ _ｉ （ｉ＝１，２，…，ｎ、ただしｎは４以上の整数）の光を含み、
   前記透過光検出部が、
   前記少なくとも２つの受光部のうち、前記同心円の半径がρ _１ 、ρ _２ （ただし、ρ _１ ＜ρ _２ ）の２つの受光部で受光した光の波長λ _ｉ における総受光量をそれぞれＪ _１λｉ 、Ｊ _２λｉ として検出したときに、
   前記演算処理部が、
   下記式（１）で表される前記波長λ _ｉ ごとの相対透過率Ｒ _λｉ を算出し、
   下記式（２）で表される相対吸光度比γ _ｋ （ｋ＝１，…，ｍ、ただし、ｍ＝ｎ−２）を算出し、
   前記性状特性値Ｃを、前記ｍ個の相対吸光度比γ _ｋ （ｋ＝１，…，ｍ）を説明変数とする多項式を用いた下記式（１２）で表される検量式によって算定するようにしたことを特徴とする光散乱体の非破壊測定装置。
   Ｒ _λｉ ＝Ｊ _２λｉ ／Ｊ _１λｉ ・・・（１）
   γ _ｋ ＝ｌｎ（Ｒ _λｋ ／Ｒ _０ ）／ｌｎ（Ｒ _１ ／Ｒ _０ ） ・・・（２）
   Ｃ＝β _０ ＋β _１ ・γ _１ ＋…＋β _ｍ ・γ _ｍ ・・・（１２）
   ここで、Ｒ _０ 、Ｒ _１ は、Ｒ _λｉ のうちの異なる２つの相対透過率であり、Ｒ _λｋ （ｋ＝１，…，ｍ、ただし、ｍ＝ｎ−２）は、Ｒ _λｉ のうちＲ _０ 、Ｒ _１ を除いたｍ個の相対透過率を表す。
7. 前記透過光検出部が、前記各受光部の受光口に入射する光を前記受光部ごとにまとめて検出するように構成されたことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の光散乱体の非破壊測定装置。
8. 前記透過光検出部が、前記各受光部の受光口に入射する光を前記受光口ごとに検出し、それらの光強度を演算処理することで、前記受光部ごとの光強度を算出するようにしたことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の光散乱体の非破壊測定装置。
9. 前記光照射部の光出射口側の端部と、前記少なくとも２つの受光部の受光口側の端部とが、それぞれの離間距離を固定する固定保持部材に一体に保持されたことを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の光散乱体の非破壊測定装置。
10. 前記光照射部の光出射口および前記少なくとも２つの受光部の受光口が、前記固定保持部材の表面の位置に整列して配置されたことを特徴とする請求項９に記載の光散乱体の非破壊測定装置。
11. 前記固定保持部材のうち、前記光照射部の光出射口および前記少なくとも２つの受光部の受光口が位置する表面が、光吸収性を備えることを特徴とする請求項９または１０に記載の光散乱体の非破壊測定装置。

Images