ラマン散乱信号取得装置およびプラスチック識別装置ならびにラマン散乱信号取得方法およびプラスチック識別方法
【課題】弱いラマン散乱光であっても識別対象物を識別可能にするラマン散乱信号取得装置ならびにラマン散乱信号取得方法の提供。
【解決手段】励起用レーザ光Ｌの照射により被識別プラスチックＰから発生するラマン散乱光を、励起用レーザ光Ｌの照射範囲から広く集光する集光レンズ３２を含む採光光学系３０と、ラマン散乱光を分光する分光器５２を含む分光光学系５０と、複数の光ファイバからなり、採光光学系３０により集光される光を分光器５２の回折格子の向きに対応するスリット状に変換する光路変換体としての光ファイバ束４０とを有する。
【解決手段】励起用レーザ光Ｌの照射により被識別プラスチックＰから発生するラマン散乱光を、励起用レーザ光Ｌの照射範囲から広く集光する集光レンズ３２を含む採光光学系３０と、ラマン散乱光を分光する分光器５２を含む分光光学系５０と、複数の光ファイバからなり、採光光学系３０により集光される光を分光器５２の回折格子の向きに対応するスリット状に変換する光路変換体としての光ファイバ束４０とを有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、対象物から散乱されたラマン散乱信号を取得するラマン散乱信号取得装置ならびにラマン散乱信号取得方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
家庭ごみや産業廃棄物として廃棄されるプラスチックの処理に際して、廃棄プラスチックの材質が不明の場合がある。このような廃棄プラスチックの大部分は、粉砕後、焼却処理するしかない。しかしながら、プラスチックは、廃棄プラスチックの材質（原料の種類）が何であるかを識別することで、融解、再成形することが可能であるという特質を有するので、付加価値の高い製品に再利用することが可能である。また、焼却する場合でも、例えばポリ塩化ビニルが存在していれば有毒ガス発生の恐れがあるので、事前にその存在を検出する必要がある。
【０００３】
このような廃棄プラスチックの材質を識別する方法の１つとして、ラマン散乱スペクトルを利用した方法が提案されている。例えば、特許文献１には、レーザ光源から発した単色のレーザ光を、光ファイバを介してファイバヘッドに導き、このファイバヘッドを介してプラスチック素材にレーザ光をスポット状に集光照射し、ファイバヘッドに備えられるファイバヘッド対物レンズを介してプラスチック素材から散乱される光を集め、この集められた光を、光ファイバを介して分光器に導き、分光分析することによりラマン散乱スペクトルを決定し、データベースに格納された既知のバンドパターンと照合することによりプラスチック素材の種類を識別することが記載されている。また、本発明者らは、高速でプラスチックの材質を識別することが可能なラマン散乱に基づくプラスチックの識別装置を開発している（例えば、特許文献２参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−３５６５９５号公報
【特許文献２】特許第４２０３９１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところが、識別対象物から散乱されるラマン散乱光は非常に弱いため、上記のようにラマン散乱光をレンズにより集光しても得られる信号は弱い。そのため、強い信号を得るためには照射するレーザ光の出力を上げる必要があるが、出力を上げると識別対象物が破損する恐れがある。特に、識別対象物が黒色プラスチックの場合には、レーザ光を吸収しやすく燃えやすいためレーザ光の出力を低く抑える必要があり、さらにラマン散乱光が弱くなるため、プラスチックリサイクルの現場で要求される短い時間内にその材質の識別は不可能とされている。
【０００６】
そこで、本発明においては、弱いラマン散乱光であっても識別対象物を識別可能にするラマン散乱信号取得装置ならびにラマン散乱信号取得方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のラマン散乱信号取得装置は、励起用レーザ光の照射により対象物から発生するラマン散乱光を、励起用レーザ光の照射範囲から広く集光する集光レンズを含む採光光学系と、ラマン散乱光を分光する分光器を含む分光光学系と、１または複数の光導波路により構成され、採光光学系により集光される光を分光器の回折格子の向きに対応するスリット状に変換する光路変換体とを有するものである。
【０００８】
また、本発明のラマン散乱信号取得方法は、励起用レーザ光の照射により対象物から発生するラマン散乱光を分光器により分光してラマン散乱光を得るラマン散乱信号取得方法であって、対象物から発生するラマン散乱光を集光レンズを含む採光光学系により励起用レーザ光の照射範囲から広く集光し、採光光学系により集光される光を１または複数の光導波路により分光器の回折格子の向きに対応するスリット状に変換して分光器に導くことを特徴とする。
【０００９】
これらの発明によれば、励起用レーザ光の照射により対象物から発生したラマン散乱光が、励起用レーザ光の照射範囲から広く集光されて、１または複数の光導波路により分光器の回折格子の向きに対応するスリット状に変換され、分光光学系に導かれる。すなわち、対象物から発生したラマン散乱光が弱い場合であっても、このラマン散乱光が励起用レーザ光の照射範囲から広く集光され、光路変換体の入射端の１または複数の光導波路に入射され、分光器の回折格子の向きに対応するスリット状の光に変換されて、分光光学系に導かれ、分光器により分光されるので、強いラマン散乱信号を得ることができる。
【００１０】
ここで、光路変換体は、入射端が励起用レーザ光の照射により発生するラマン散乱光の形状に対応する形状であることが望ましい。これにより、励起用レーザ光の照射により発生するラマン散乱光がその形状に対応する形状の光路変換体の入射端に入射され、スリット状に変換されて出射されて分光器に導かれるため、ラマン散乱ピークが幅広くなるといった波長あるいは波数分解能の劣化を起こすことなく、強いラマン散乱信号を得ることができる。なお、入射端が励起用レーザ光の照射により発生するラマン散乱光の形状に対応する形状とは、励起用レーザ光の形状を変化させて照射した際に発生するラマン散乱光が励起用レーザ光の形状に対応する形状となった場合に、このラマン散乱光をできる限り漏らさないような形状をいう。
【００１１】
また、採光光学系は集光レンズにより集光される光を光路変換体の入射端の形状に合わせて照射する入射レンズを含むことが望ましい。これにより、集光レンズにより励起用レーザ光の照射範囲から広く集光される光を余すところなく光路変換体の入射端に入射させ、強いラマン散乱信号を得ることができる。
【００１２】
また、入射レンズが、フライアイレンズであり、光路変換体の入射端は、フライアイレンズに対応する形状とすることができる。これにより、フライアイレンズの広い範囲に入射する光を光路変換体により分光光学系に導いて、分解能の良く、かつ強いラマン散乱信号を得ることができる。
【００１３】
また、光路変換体から出射される光を分光器に導くコリメート鏡またはコリメートレンズを有することが望ましい。光路変換体によりスリット状に変換された光をコリメート鏡またはコリメートレンズにより平行光へ変換し、分光光学系に導くことで、分解能の良いラマン散乱信号を得ることができる。
【００１４】
また、光路変換体の出射端の後方にスリットを有することが望ましい。これにより、光路変換体によりスリット状に変換された光を、スリットを介して分光光学系に導くことで、迷光を除去して、ラマン散乱信号の分解能を高めることができる。
【００１５】
また、励起用レーザ光としては狭帯域化レーザ光を用いることが望ましい。レーザ光の波長を絞った狭帯域化レーザ光を使用することで、少ないエネルギで対象物からラマン散乱光を発生させることができる。
【発明の効果】
【００１６】
（１）対象物から発生するラマン散乱光を、集光レンズを含む採光光学系により励起用レーザ光の照射範囲から広く集光し、採光光学系により集光される光を１または複数の光導波路により分光器の回折格子の向きに対応するスリット状に変換して分光器に導くことにより、励起用レーザ光を対象物に対して広い範囲に照射して、対象物から発生するラマン散乱光が弱い場合であっても強いラマン散乱信号を得て、識別対象物を高精度に識別することが可能となるため、レーザ光を吸収してダメージを受けやすい黒色の識別対象物であっても識別することができる。
【００１７】
（２）光路変換体が、入射端が励起用レーザ光の照射により発生するラマン散乱光の形状に対応する形状であることにより、ラマン散乱ピークが幅広くなるといった波長あるいは波数分解能の劣化を起こすことなく、強いラマン散乱信号を得て、高精度に識別することが可能となる。
【００１８】
（３）採光光学系が集光レンズにより集光される光を光路変換体の入射端の形状に合わせて照射する入射レンズを含むことにより、集光レンズにより励起用レーザ光の照射範囲から広く集光される光を余すところなく光路変換体の入射端に入射させ、強いラマン散乱信号を得ることができ、高精度に識別することが可能となる。
【００１９】
（４）光路変換体の出射端の後方にスリットを有することにより、光路変換体によりスリット状に変換された光を、スリットを介して分光光学系に導くことで、迷光を除去して、ラマン散乱信号の分解能を高め、精度良く識別対象物を識別することが可能となる。
【００２０】
（５）励起用レーザ光としては狭帯域化レーザ光を用いることで、少ないエネルギで識別対象物からラマン散乱光を発生させることができるため、対象物がレーザ光を吸収しやすい黒色の場合に、対象物がダメージを受けにくくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の実施の形態におけるプラスチック識別装置の概略構成図である。
【図２】図１のラマン散乱識別装置のブロック図である。
【図３】図２のラマン散乱信号取得装置の構成図である。
【図４】（ａ）は図３のＡ−Ａ断面図、（ｂ）は図３のＢ−Ｂ断面図である。
【図５】図２のラマン散乱信号取得装置の別の実施形態を示す構成図である。
【図６】（ａ）は図５のＡ−Ａ断面図、（ｂ）は図５のＢ−Ｂ断面図である。
【図７】既知のプラスチックのラマン散乱スペクトルの例を示す図である。
【図８】識別手段によるＰＳの識別例を示す図である。
【図９】光路変換体の別の例を示す図であって、（ａ）は斜視図、（ｂ）は平面図、（ｃ）は側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
図１は本発明の実施の形態におけるプラスチック識別装置の概略構成図、図２は図１のラマン散乱識別装置のブロック図、図３は図２のラマン散乱信号取得装置の構成図、図４（ａ）は図３のＡ−Ａ断面図、（ｂ）は図３のＢ−Ｂ断面図である。
【００２３】
図１において、本発明の実施の形態におけるラマン散乱に基づく識別装置としてのプラスチック識別装置１は、搬入された粉砕プラスチックを異物とプラスチック片とに選別する風力選別や比重選別のような前処理設備２と、前処理設備２により選別されたプラスチック片を振動させて整列させる振動整列フィーダ３と、振動整列フィーダ３により整列させたプラスチック片を載置台としてのベルト４ａ上に載置して搬送する搬送装置としてのベルトコンベア４と、ベルトコンベア４上のプラスチック片、すなわち識別対象物である被識別プラスチックにレーザ光を照射し、この被識別プラスチックから散乱されたラマン散乱光を得て被識別プラスチックの材質および品質を識別するラマン散乱識別装置５とを備える。
【００２４】
また、このプラスチック識別装置１は、ラマン散乱識別装置５による識別の結果に応じて圧縮空気を噴出することにより被識別プラスチックを材質および品質ごとに選別する選別用エアガン６と、選別用エアガン６を駆動するエアガン駆動装置７と、ラマン散乱識別装置５とエアガン駆動装置７との動作を同期させて制御する同期制御装置８とを備える。また、このプラスチック識別装置１は、ベルトコンベア４の搬送速度を調整するコンベア速度調整装置９を備えており、同期制御装置８は、ラマン散乱識別装置５とエアガン駆動装置７とともにコンベア速度調整装置９の動作を同期させて制御する。
【００２５】
ラマン散乱識別装置５は、図２に示すように、被識別プラスチックＰから散乱されたラマン散乱信号を取得するラマン散乱信号取得装置１０と、ラマン散乱信号取得装置１０により取得したラマン散乱信号を処理するデータ処理装置２０とから構成される。ラマン散乱信号取得装置１０は、以下に説明する採光光学系３０、光路変換体としての光ファイバ束４０、分光光学系５０および半導体レーザ駆動電源６０とを有する。
【００２６】
図３に示すように、採光光学系３０は、レーザ光Ｌをベルト４ａ上に載置された被識別プラスチックＰに照射するとともに、この被識別プラスチックＰから散乱されたラマン散乱光および被識別プラスチックにより反射されたレーザ光を採光するものである。採光光学系３０により集光された光は、光ファイバ束４０によって分光光学系５０に導かれる。分光光学系５０から出力される電気信号はデータ処理装置２０に入力され、データ処理される。半導体レーザ駆動電源６０は、後述の半導体レーザ発生装置３１を駆動するための電源である。
【００２７】
採光光学系３０は、識別対象物である被識別プラスチックＰに照射する励起用レーザ光Ｌを発生させる半導体レーザ発生装置３１と、平凸レンズにより構成され、レーザ光Ｌを被識別プラスチックＰに照射するとともに被識別プラスチックＰから散乱されたラマン散乱光Ｒを集光する集光レンズ３２と、半導体レーザ発生装置３１により発生したレーザ光Ｌを反射して集光レンズ３２まで導くとともに、ラマン散乱光Ｒを透過するダイクロイックミラー３３と、平凸レンズにより構成され、ダイクロイックミラー３３を透過したラマン散乱光Ｒを集光して光ファイバ束４０へ入射させる入射レンズ３４とを備える。
【００２８】
集光レンズ３２は、半導体レーザ発生装置３１により発生したレーザ光Ｌを被識別プラスチックＰが黒色であってもダメージを受けないように広くしたスポットサイズで照射するとともに、このレーザ光Ｌの照射形状に合わせて広い範囲から集光するように照射距離を調整したものである。なお、半導体レーザ発生装置３１は通常のレーザ光を発生するものを使用することができるが、黒色の被識別プラスチックＰを識別する場合には、レーザ光の波長を絞った狭帯域化レーザ光を発生するものを使用することが望ましい。また、レーザ光Ｌはラマン散乱光Ｒを集光する集光レンズ３２により同軸で照射しているが、同軸で照射する必要はなく、他の方向から照射する構成とすることも可能である。
【００２９】
なお、採光光学系３０は、上記構成の他、集光レンズ３２および入射レンズ３４をそれぞれ複数の平凸レンズにより構成したり、半導体レーザ発生装置３１とダイクロイックミラー３３との間にミラーを設けたり、ダイクロイックミラー３３を、レーザ光Ｌを反射し、かつラマン散乱光Ｒを透過するハーフミラーに代えたり、さらにバンドパスフィルタやロングパスフィルタを介在させたりして構成することも可能である。
【００３０】
光ファイバ束４０は、入射レンズ３４により集光される光を分光光学系５０に導くものであり、複数の光導波路としての光ファイバ４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄ，４０ｅ，４０ｆ，４０ｇからなる。この光ファイバ束４０の入射端は、図４（ａ）に示すように、１本の光ファイバ４０ａの周りを複数の光ファイバ４０ｂ〜４０ｇによって取り囲み、円状に結束されている。入射レンズ３４は、集光レンズ３２により集光される光を、この光ファイバ束４０の入射端の配置に合わせて照射するものである。一方、光ファイバ束４０の出射端は、図４（ｂ）に示すように、光ファイバ４０ａ〜４０ｇを後述する分光器５２の回折格子（スリット）の向きに対して平行となるように１列に並べてスリット状に結束されている。
【００３１】
分光光学系５０は、光ファイバ束４０から出射される光を平行な光束に調整するコリメート鏡５１と、コリメート鏡５１により調整された光を分光する透過型回折格子等の分光器５２と、合焦レンズ５３と、分光器５２により分光された光を検出して電気信号へ変換する光検出器５４とから構成される。光ファイバ束４０から出射される光は、コリメート鏡５１の放物面の光軸を外した一部に入射されるようになっている。合焦レンズ５３は、分光器５２により分光された光を光検出器５４上に合焦させるものである。
【００３２】
光検出器５４は、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）やリニアアレイフォトダイオード等の例えば１０２４画素の２次元の光検出器である。分光器５２により分光されたラマン散乱光Ｒは、光検出器５４の大部分である一部の画素群へ入射されるように調整されている。光検出器５４に入射されたラマン散乱光Ｒは、光検出器５４により電気信号へ変換され、データ処理装置２０へ入力される。
【００３３】
なお、レーザ光Ｌの一部はダイクロイックミラー３３を透過して光ファイバ束４０の入射口へ集光される。このレーザ光Ｌは光検出器５４の小部分である一部に入射されるように調整されており、このレーザ光Ｌが入射する光検出器５４の手前の位置には、減光フィルタ５５が設けられている。減光フィルタ５５により減光された後、光検出器５４に入射されたレーザ光Ｌは、光検出器５４により電気信号へ変換され、データ処理装置２０へ入力される。
【００３４】
なお、分光光学系５０は、上記構成の他、コリメート鏡５１をコリメートレンズに代えたり、分光器５２を反射型回折格子としたり、さらに１つまたは複数のミラーやレンズを介在させたりして構成することも可能である。なお、分光器５２を反射型回折格子とする場合であっても、光ファイバ束４０の出射端は回折格子（溝）の向きに合わせて平行となるように配置する。
【００３５】
データ処理装置２０は、パーソナルコンピュータやＣＰＵボード等であり、ラマン散乱信号取得装置１０は、例えばＰＣＩ（Peripheral Component Interconnect）インタフェースにより接続される。図２に示すように、データ処理装置２０は、予め設定された基準値等を記憶する記憶手段２１と、ラマン散乱情報に基づいて被識別プラスチックＰの材質を識別する識別手段２２と、識別結果を出力する出力手段２３とを有する。
【００３６】
記憶手段２１に記憶される基準値は、識別したいプラスチック、例えば、ＰＣ（ポリカーボネート）、ＰＳ（ポリスチレン）、ＰＰ（ポリプロピレン）、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＰＶＣ（ポリ塩化ビニル）、ＡＢＳ樹脂（アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン共重合合成樹脂）、ＬＤＰＥ（低密度ポリエチレン）やＨＤＰＥ（高密度ポリエチレン）等の既知のプラスチックの材質ごとに予めラマン散乱スペクトルを測定することにより設定した１点以上の既知ピーク位置および既知ベースライン位置のそれぞれのラマン散乱強度である。
【００３７】
図７は本実施形態におけるプラスチック識別装置により参照資料としての既知のプラスチック（アクリル、ＰＣ、ＡＢＳ、ＰＳ、ＰＶＣ）のそれぞれのラマン散乱スペクトルを取得した結果を示している。図７の横軸はラマンシフトの波数（ｃｍ-1）、縦軸はラマン散乱強度（任意強度）である。
【００３８】
図７において、ＰＳを例に説明すると、ＰＳでは点Ａ1と点Ａ2の位置にピークがあるので、これらの２点Ａ1，Ａ2またはその近傍をＰＳ識別のためのピーク位置とする。また、これらのピーク位置Ａ1，Ａ2間にベースライン上の点Ｂがあるので、この点ＢをＰＳ識別のためのベースライン位置とする。なお、ベースラインの位置と強度には、ピーク位置からあまり離れていないラマン散乱強度が弱く、底になった部分の値を用いることが望ましい。また、強度の算出には、ピーク位置やベースライン位置を含む近傍の測定点の平均値を算出して、これを用いることでＳＮ比の向上を図ることができる。
【００３９】
識別手段２２は、識別したいプラスチックの材質ごとの既知ピーク位置（ＰＳの例では２点Ａ1，Ａ2）に対応するラマンシフトの波数におけるラマン散乱強度および既知ベースライン位置（ＰＳの例では点Ｂ）に対応するラマンシフトの波数におけるラマン散乱強度を、ラマン散乱信号取得装置１０から得る。なお、ラマン散乱スペクトルは、レーザ光Ｌの波長および強度の変化に応じて変化するので、識別手段２２は、ラマン散乱信号取得装置１０から入力された電気信号から所定のラマンシフトの波数におけるラマン散乱強度と、レーザ光の波長および強度を得て、ラマン散乱強度を補正する。識別手段２２は、これらの得られたラマン散乱強度と記憶手段２１に記憶された基準値とに基づいて被識別プラスチックの材質を識別するものである。
【００４０】
例えば、識別手段２２は、識別したいプラスチックの材質ごとの既知ピーク位置（２点
Ａ1，Ａ2）に対応するラマンシフトの波数におけるラマン散乱強度ＲA1，ＲA2と既知ベースライン位置（点Ｂ）に対応するラマンシフトの波数におけるラマン散乱強度ＲBとのそれぞれの差（ＲA1−ＲB），（ＲA2−ＲB）と、基準値としての既知のプラスチックの既知ピーク位置のラマン散乱強度ＲA10，ＲA20と既知ベースライン位置のラマン散乱強度ＲB0との差（ＲA01−ＲB0），（ＲA20−ＲB0）とを、直接またはそれぞれの比（ＲA1−ＲB）／（ＲA2−ＲB），（ＲA10−ＲB0）／（ＲA20−ＲB0）によって比較することにより被識別プラスチックの材質を識別する。なお、直接比較する際の基準値（ＲA10−ＲB0），（ＲA20−ＲB0）、または、比によって比較する際の基準値（ＲA10−ＲB0）／（ＲA20−ＲB0）は、予め記憶手段２１に記憶しておく。
【００４１】
図８はこの識別手段２２によるＰＳの識別例を示している。図８に示すように、ＰＳの２点Ａ1，Ａ2の既知ピーク位置に対応するラマンシフトの波数におけるラマン散乱強度ＲA1，ＲA2と点Ｂの既知ベースライン位置に対応するラマンシフトの波数におけるラマン散乱強度ＲBとのそれぞれの差（ＲA1−ＲB），（ＲA2−ＲB）の比（ＲA1−ＲB）／（ＲA2−ＲB）は、他の材質のものとは大きく相違している。したがって、ＰＳの既知ピーク位置のラマン散乱強度ＲA10，ＲA20と既知ベースライン位置のラマン散乱強度ＲB0との差（ＲA01−ＲB0），（ＲA20−ＲB0）の比（ＲA10−ＲB0）／（ＲA20−ＲB0）から設定した基準値としての閾値ＳPSによってフィルタリング（図示例では（ＲA10−ＲB0），（ＲA20−ＲB0）＞ＳPS＝２．５のみ抽出）することにより、ＰＳ、ＰＰ、ＰＥＴ、ＬＤＰＥ、ＨＤＰＥが混在した試料からＰＳのみを識別して抽出することが可能である。
【００４２】
なお、図示しないが、他の種類のプラスチックにおいても同様にそれぞれのプラスチックの既知ピーク位置に対応するラマンシフトの波数におけるラマン散乱強度と既知ベースライン位置に対応するラマンシフトの波数におけるラマン散乱強度とのそれぞれの差や比等に基づいて被識別プラスチックの材質を識別することが可能である。
【００４３】
上記構成のプラスチック識別装置１では、搬入された粉砕プラスチック（異物が含まれている場合もある。）を前処理風選機２により異物とプラスチック片とに選別し、この選別されたプラスチック片を振動整列フィーダ３により振動させて整列させ、ベルトコンベア４により搬送する。そして、ラマン散乱識別装置５によりベルトコンベア４のベルト４ａ上の被識別プラスチックＰにレーザ光を照射してプラスチックの材質を識別し、識別結果に応じて選別用エアガン６により選別して材質ごとに回収する。また、識別結果は出力手段２３にも出力される。
【００４４】
このとき、ラマン散乱識別装置５では、ラマン散乱信号取得装置１０により半導体レーザ発生装置３１を光源として、このレーザ光Ｌを試料である被識別プラスチックＰの表面に集光レンズ３２により広い範囲に集光照射し、被識別プラスチックＰから散乱されたラマン散乱光Ｒをレーザ光Ｌの照射範囲から広く採光光学系３０により集光して、入射端が円状に結束された光ファイバ束４０に入射させる。光ファイバ束４０に入射する光は、中心の１本の光ファイバ４０ａに入射する光だけでなく、その周囲の光ファイバ４０ｂ〜４０ｇに入射する光まで含めて、光ファイバ束４０の出射端からスリット状の光として出射され、分光光学系５０に導かれる。
【００４５】
すなわち、被識別プラスチックＰから散乱されたラマン散乱光Ｒが弱い場合であっても、複数の光ファイバ４０ａ〜４０ｇが円状に結束された光ファイバ束４０に入射され、スリット状の光として余すところなく分光光学系５０に導かれるので、強いラマン散乱信号を得ることができる。この光ファイバ束４０は、外径０．１ｍｍ以上好ましくは０．５ｍｍ以上としており、入射レンズ３４の焦点が多少合っていなくても強いラマン散乱信号を得ることができる。したがって、被識別プラスチックＰが黒色プラスチックの場合に、レーザ光Ｌを広い範囲に照射しても、強いラマン散乱信号を得ることができ、被識別プラスチックＰを識別することが可能である。
【００４６】
また、本実施形態におけるラマン散乱識別装置５では、同時に被識別プラスチックＰに反射されたレーザ光を光検出器５４に入射させることにより検出してラマン散乱情報を補正し、補正後のラマン散乱情報に基づいて被識別プラスチックＰを識別している。なお、ここで得る補正後のラマン散乱情報は、予め設定したピーク位置とベースライン位置のみを得るだけで良いため、従来のようにラマン散乱スペクトル全体を正確に測定する必要はない。
【００４７】
次に、本発明のラマン散乱信号取得装置の別の実施形態について説明する。図５は図２のラマン散乱信号取得装置の別の実施形態を示す構成図、図６（ａ）は図５のＡ−Ａ断面図、（ｂ）は図５のＢ−Ｂ断面図である。
【００４８】
図５に示すラマン散乱信号取得装置１０では、入射レンズ３４に代えて同一の平凸レンズ３５ａを縦横に配列したレンズ体であるフライアイレンズ３５を用いている（図６（ａ）参照。）。また、光ファイバ束４０に代えて、入射端がフライアイレンズ３５に対応する形状に配置されて結束された光ファイバ束４１を用いている。すなわち、光ファイバ束４１を構成する複数の光ファイバ４１ａの入射端は、フライアイレンズ３５を構成する複数の平凸レンズ３５ａのそれぞれの光軸上に配置されて、正方形状に結束されている。一方、光ファイバ束４１の出射端は、図６（ｂ）に示すように２列に千鳥配列されてスリット状に結束されている。その他の構成については図３で説明したものと同じである。
【００４９】
このような構成においても、被識別プラスチックＰから散乱されたラマン散乱光Ｒは採光光学系３０により集光され、フライアイレンズ３５から入射端が正方形状に結束された光ファイバ束４１の各光ファイバ４１ａに入射される。すなわち、この構成では、フライアイレンズ３５の広い範囲に入射する光３６（図６（ａ）参照。）が光ファイバ束４１により２列に千鳥配列されて分光光学系５０に導かれるので、前述と同様に強いラマン散乱信号を得ることができ、被識別プラスチックＰを識別することが可能である。
【００５０】
なお、フライアイレンズ３５の平凸レンズ３５ａの縦横の配置は集光レンズ３２により集光された光が入射する範囲内で任意に変更することが可能である。このとき、光ファイバ束４１の配置も、このフライアイレンズ３５の配置に対応するように円状または正多角形状に変更することが可能である。
【００５１】
また、図示しないが、光ファイバ束４０，４１の出射端の後方にスリットを配置することも可能である。これにより、光ファイバ束４０，４１のスリット状に結束された出射端から出射される光を、スリットを介して分光光学系５０に導くことで、迷光を除去して、ラマン散乱信号の分解能を高めることができる。
【００５２】
さらに、本実施形態においては光路変換体として光ファイバ束４０を用いたが、光路変換体としては透明な石英、ガラスやプラスチックなどを用いて、採光光学系３０により集光される光を分光器５２の回折格子の向きに対応するスリット状に変換するように１の光導波路を形成して一体化したモノリシック体４２（図９参照。）を用いることも可能である。この場合、入射端４２ａはレーザ光Ｌの照射により発生するラマン散乱光の形状に対応する形状とし、出射端４２ｂは分光器５２の回折格子の向きに対応するスリット状とする。
【００５３】
これにより、励起用レーザ光の照射により発生するラマン散乱光がその形状に対応する形状のモノリシック体４２の入射端４２ａに入射され、分光器５２の回折格子の向きに対応するスリット状の出射端４２ｂから出射されて分光器５２に導かれるため、ラマン散乱ピークが幅広くなるといった波長あるいは波数分解能の劣化を起こすことなく、強いラマン散乱信号を得て、被識別プラスチックＰを識別することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
本発明のラマン散乱信号取得装置およびラマン散乱信号取得方法は、プラスチック、木や紙等の材質を非破壊的に識別するためのラマン散乱に基づくプラスチックの識別等に有用である。
【符号の説明】
【００５５】
１ プラスチック識別装置
２ 前処理設備
３ 振動整列フィーダ
４ ベルトコンベア
４ａ ベルト
５ ラマン散乱識別装置
６ 選別用エアガン
７ エアガン駆動装置
８ 同期制御装置
９ コンベア速度調整装置
１０ ラマン散乱信号取得装置
２０ データ処理装置
２１ 記憶手段
２２ 識別手段
２３ 出力手段
３０ 採光光学系
３１ 半導体レーザ発生装置
３２ 集光レンズ
３３ ダイクロイックミラー
３４ 入射レンズ
３５ フライアイレンズ
４０，４１ 光ファイバ束
４０ａ〜４０ｇ，４１ａ 光ファイバ
４２ モノリシック体
５０ 分光光学系
５１ コリメート鏡
５２ 分光器
５３ 合焦レンズ
５４ 光検出器
５５ 減光フィルタ
６０ 半導体レーザ駆動電源
【技術分野】
【０００１】
本発明は、対象物から散乱されたラマン散乱信号を取得するラマン散乱信号取得装置ならびにラマン散乱信号取得方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
家庭ごみや産業廃棄物として廃棄されるプラスチックの処理に際して、廃棄プラスチックの材質が不明の場合がある。このような廃棄プラスチックの大部分は、粉砕後、焼却処理するしかない。しかしながら、プラスチックは、廃棄プラスチックの材質（原料の種類）が何であるかを識別することで、融解、再成形することが可能であるという特質を有するので、付加価値の高い製品に再利用することが可能である。また、焼却する場合でも、例えばポリ塩化ビニルが存在していれば有毒ガス発生の恐れがあるので、事前にその存在を検出する必要がある。
【０００３】
このような廃棄プラスチックの材質を識別する方法の１つとして、ラマン散乱スペクトルを利用した方法が提案されている。例えば、特許文献１には、レーザ光源から発した単色のレーザ光を、光ファイバを介してファイバヘッドに導き、このファイバヘッドを介してプラスチック素材にレーザ光をスポット状に集光照射し、ファイバヘッドに備えられるファイバヘッド対物レンズを介してプラスチック素材から散乱される光を集め、この集められた光を、光ファイバを介して分光器に導き、分光分析することによりラマン散乱スペクトルを決定し、データベースに格納された既知のバンドパターンと照合することによりプラスチック素材の種類を識別することが記載されている。また、本発明者らは、高速でプラスチックの材質を識別することが可能なラマン散乱に基づくプラスチックの識別装置を開発している（例えば、特許文献２参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−３５６５９５号公報
【特許文献２】特許第４２０３９１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところが、識別対象物から散乱されるラマン散乱光は非常に弱いため、上記のようにラマン散乱光をレンズにより集光しても得られる信号は弱い。そのため、強い信号を得るためには照射するレーザ光の出力を上げる必要があるが、出力を上げると識別対象物が破損する恐れがある。特に、識別対象物が黒色プラスチックの場合には、レーザ光を吸収しやすく燃えやすいためレーザ光の出力を低く抑える必要があり、さらにラマン散乱光が弱くなるため、プラスチックリサイクルの現場で要求される短い時間内にその材質の識別は不可能とされている。
【０００６】
そこで、本発明においては、弱いラマン散乱光であっても識別対象物を識別可能にするラマン散乱信号取得装置ならびにラマン散乱信号取得方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のラマン散乱信号取得装置は、励起用レーザ光の照射により対象物から発生するラマン散乱光を、励起用レーザ光の照射範囲から広く集光する集光レンズを含む採光光学系と、ラマン散乱光を分光する分光器を含む分光光学系と、１または複数の光導波路により構成され、採光光学系により集光される光を分光器の回折格子の向きに対応するスリット状に変換する光路変換体とを有するものである。
【０００８】
また、本発明のラマン散乱信号取得方法は、励起用レーザ光の照射により対象物から発生するラマン散乱光を分光器により分光してラマン散乱光を得るラマン散乱信号取得方法であって、対象物から発生するラマン散乱光を集光レンズを含む採光光学系により励起用レーザ光の照射範囲から広く集光し、採光光学系により集光される光を１または複数の光導波路により分光器の回折格子の向きに対応するスリット状に変換して分光器に導くことを特徴とする。
【０００９】
これらの発明によれば、励起用レーザ光の照射により対象物から発生したラマン散乱光が、励起用レーザ光の照射範囲から広く集光されて、１または複数の光導波路により分光器の回折格子の向きに対応するスリット状に変換され、分光光学系に導かれる。すなわち、対象物から発生したラマン散乱光が弱い場合であっても、このラマン散乱光が励起用レーザ光の照射範囲から広く集光され、光路変換体の入射端の１または複数の光導波路に入射され、分光器の回折格子の向きに対応するスリット状の光に変換されて、分光光学系に導かれ、分光器により分光されるので、強いラマン散乱信号を得ることができる。
【００１０】
ここで、光路変換体は、入射端が励起用レーザ光の照射により発生するラマン散乱光の形状に対応する形状であることが望ましい。これにより、励起用レーザ光の照射により発生するラマン散乱光がその形状に対応する形状の光路変換体の入射端に入射され、スリット状に変換されて出射されて分光器に導かれるため、ラマン散乱ピークが幅広くなるといった波長あるいは波数分解能の劣化を起こすことなく、強いラマン散乱信号を得ることができる。なお、入射端が励起用レーザ光の照射により発生するラマン散乱光の形状に対応する形状とは、励起用レーザ光の形状を変化させて照射した際に発生するラマン散乱光が励起用レーザ光の形状に対応する形状となった場合に、このラマン散乱光をできる限り漏らさないような形状をいう。
【００１１】
また、採光光学系は集光レンズにより集光される光を光路変換体の入射端の形状に合わせて照射する入射レンズを含むことが望ましい。これにより、集光レンズにより励起用レーザ光の照射範囲から広く集光される光を余すところなく光路変換体の入射端に入射させ、強いラマン散乱信号を得ることができる。
【００１２】
また、入射レンズが、フライアイレンズであり、光路変換体の入射端は、フライアイレンズに対応する形状とすることができる。これにより、フライアイレンズの広い範囲に入射する光を光路変換体により分光光学系に導いて、分解能の良く、かつ強いラマン散乱信号を得ることができる。
【００１３】
また、光路変換体から出射される光を分光器に導くコリメート鏡またはコリメートレンズを有することが望ましい。光路変換体によりスリット状に変換された光をコリメート鏡またはコリメートレンズにより平行光へ変換し、分光光学系に導くことで、分解能の良いラマン散乱信号を得ることができる。
【００１４】
また、光路変換体の出射端の後方にスリットを有することが望ましい。これにより、光路変換体によりスリット状に変換された光を、スリットを介して分光光学系に導くことで、迷光を除去して、ラマン散乱信号の分解能を高めることができる。
【００１５】
また、励起用レーザ光としては狭帯域化レーザ光を用いることが望ましい。レーザ光の波長を絞った狭帯域化レーザ光を使用することで、少ないエネルギで対象物からラマン散乱光を発生させることができる。
【発明の効果】
【００１６】
（１）対象物から発生するラマン散乱光を、集光レンズを含む採光光学系により励起用レーザ光の照射範囲から広く集光し、採光光学系により集光される光を１または複数の光導波路により分光器の回折格子の向きに対応するスリット状に変換して分光器に導くことにより、励起用レーザ光を対象物に対して広い範囲に照射して、対象物から発生するラマン散乱光が弱い場合であっても強いラマン散乱信号を得て、識別対象物を高精度に識別することが可能となるため、レーザ光を吸収してダメージを受けやすい黒色の識別対象物であっても識別することができる。
【００１７】
（２）光路変換体が、入射端が励起用レーザ光の照射により発生するラマン散乱光の形状に対応する形状であることにより、ラマン散乱ピークが幅広くなるといった波長あるいは波数分解能の劣化を起こすことなく、強いラマン散乱信号を得て、高精度に識別することが可能となる。
【００１８】
（３）採光光学系が集光レンズにより集光される光を光路変換体の入射端の形状に合わせて照射する入射レンズを含むことにより、集光レンズにより励起用レーザ光の照射範囲から広く集光される光を余すところなく光路変換体の入射端に入射させ、強いラマン散乱信号を得ることができ、高精度に識別することが可能となる。
【００１９】
（４）光路変換体の出射端の後方にスリットを有することにより、光路変換体によりスリット状に変換された光を、スリットを介して分光光学系に導くことで、迷光を除去して、ラマン散乱信号の分解能を高め、精度良く識別対象物を識別することが可能となる。
【００２０】
（５）励起用レーザ光としては狭帯域化レーザ光を用いることで、少ないエネルギで識別対象物からラマン散乱光を発生させることができるため、対象物がレーザ光を吸収しやすい黒色の場合に、対象物がダメージを受けにくくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の実施の形態におけるプラスチック識別装置の概略構成図である。
【図２】図１のラマン散乱識別装置のブロック図である。
【図３】図２のラマン散乱信号取得装置の構成図である。
【図４】（ａ）は図３のＡ−Ａ断面図、（ｂ）は図３のＢ−Ｂ断面図である。
【図５】図２のラマン散乱信号取得装置の別の実施形態を示す構成図である。
【図６】（ａ）は図５のＡ−Ａ断面図、（ｂ）は図５のＢ−Ｂ断面図である。
【図７】既知のプラスチックのラマン散乱スペクトルの例を示す図である。
【図８】識別手段によるＰＳの識別例を示す図である。
【図９】光路変換体の別の例を示す図であって、（ａ）は斜視図、（ｂ）は平面図、（ｃ）は側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
図１は本発明の実施の形態におけるプラスチック識別装置の概略構成図、図２は図１のラマン散乱識別装置のブロック図、図３は図２のラマン散乱信号取得装置の構成図、図４（ａ）は図３のＡ−Ａ断面図、（ｂ）は図３のＢ−Ｂ断面図である。
【００２３】
図１において、本発明の実施の形態におけるラマン散乱に基づく識別装置としてのプラスチック識別装置１は、搬入された粉砕プラスチックを異物とプラスチック片とに選別する風力選別や比重選別のような前処理設備２と、前処理設備２により選別されたプラスチック片を振動させて整列させる振動整列フィーダ３と、振動整列フィーダ３により整列させたプラスチック片を載置台としてのベルト４ａ上に載置して搬送する搬送装置としてのベルトコンベア４と、ベルトコンベア４上のプラスチック片、すなわち識別対象物である被識別プラスチックにレーザ光を照射し、この被識別プラスチックから散乱されたラマン散乱光を得て被識別プラスチックの材質および品質を識別するラマン散乱識別装置５とを備える。
【００２４】
また、このプラスチック識別装置１は、ラマン散乱識別装置５による識別の結果に応じて圧縮空気を噴出することにより被識別プラスチックを材質および品質ごとに選別する選別用エアガン６と、選別用エアガン６を駆動するエアガン駆動装置７と、ラマン散乱識別装置５とエアガン駆動装置７との動作を同期させて制御する同期制御装置８とを備える。また、このプラスチック識別装置１は、ベルトコンベア４の搬送速度を調整するコンベア速度調整装置９を備えており、同期制御装置８は、ラマン散乱識別装置５とエアガン駆動装置７とともにコンベア速度調整装置９の動作を同期させて制御する。
【００２５】
ラマン散乱識別装置５は、図２に示すように、被識別プラスチックＰから散乱されたラマン散乱信号を取得するラマン散乱信号取得装置１０と、ラマン散乱信号取得装置１０により取得したラマン散乱信号を処理するデータ処理装置２０とから構成される。ラマン散乱信号取得装置１０は、以下に説明する採光光学系３０、光路変換体としての光ファイバ束４０、分光光学系５０および半導体レーザ駆動電源６０とを有する。
【００２６】
図３に示すように、採光光学系３０は、レーザ光Ｌをベルト４ａ上に載置された被識別プラスチックＰに照射するとともに、この被識別プラスチックＰから散乱されたラマン散乱光および被識別プラスチックにより反射されたレーザ光を採光するものである。採光光学系３０により集光された光は、光ファイバ束４０によって分光光学系５０に導かれる。分光光学系５０から出力される電気信号はデータ処理装置２０に入力され、データ処理される。半導体レーザ駆動電源６０は、後述の半導体レーザ発生装置３１を駆動するための電源である。
【００２７】
採光光学系３０は、識別対象物である被識別プラスチックＰに照射する励起用レーザ光Ｌを発生させる半導体レーザ発生装置３１と、平凸レンズにより構成され、レーザ光Ｌを被識別プラスチックＰに照射するとともに被識別プラスチックＰから散乱されたラマン散乱光Ｒを集光する集光レンズ３２と、半導体レーザ発生装置３１により発生したレーザ光Ｌを反射して集光レンズ３２まで導くとともに、ラマン散乱光Ｒを透過するダイクロイックミラー３３と、平凸レンズにより構成され、ダイクロイックミラー３３を透過したラマン散乱光Ｒを集光して光ファイバ束４０へ入射させる入射レンズ３４とを備える。
【００２８】
集光レンズ３２は、半導体レーザ発生装置３１により発生したレーザ光Ｌを被識別プラスチックＰが黒色であってもダメージを受けないように広くしたスポットサイズで照射するとともに、このレーザ光Ｌの照射形状に合わせて広い範囲から集光するように照射距離を調整したものである。なお、半導体レーザ発生装置３１は通常のレーザ光を発生するものを使用することができるが、黒色の被識別プラスチックＰを識別する場合には、レーザ光の波長を絞った狭帯域化レーザ光を発生するものを使用することが望ましい。また、レーザ光Ｌはラマン散乱光Ｒを集光する集光レンズ３２により同軸で照射しているが、同軸で照射する必要はなく、他の方向から照射する構成とすることも可能である。
【００２９】
なお、採光光学系３０は、上記構成の他、集光レンズ３２および入射レンズ３４をそれぞれ複数の平凸レンズにより構成したり、半導体レーザ発生装置３１とダイクロイックミラー３３との間にミラーを設けたり、ダイクロイックミラー３３を、レーザ光Ｌを反射し、かつラマン散乱光Ｒを透過するハーフミラーに代えたり、さらにバンドパスフィルタやロングパスフィルタを介在させたりして構成することも可能である。
【００３０】
光ファイバ束４０は、入射レンズ３４により集光される光を分光光学系５０に導くものであり、複数の光導波路としての光ファイバ４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄ，４０ｅ，４０ｆ，４０ｇからなる。この光ファイバ束４０の入射端は、図４（ａ）に示すように、１本の光ファイバ４０ａの周りを複数の光ファイバ４０ｂ〜４０ｇによって取り囲み、円状に結束されている。入射レンズ３４は、集光レンズ３２により集光される光を、この光ファイバ束４０の入射端の配置に合わせて照射するものである。一方、光ファイバ束４０の出射端は、図４（ｂ）に示すように、光ファイバ４０ａ〜４０ｇを後述する分光器５２の回折格子（スリット）の向きに対して平行となるように１列に並べてスリット状に結束されている。
【００３１】
分光光学系５０は、光ファイバ束４０から出射される光を平行な光束に調整するコリメート鏡５１と、コリメート鏡５１により調整された光を分光する透過型回折格子等の分光器５２と、合焦レンズ５３と、分光器５２により分光された光を検出して電気信号へ変換する光検出器５４とから構成される。光ファイバ束４０から出射される光は、コリメート鏡５１の放物面の光軸を外した一部に入射されるようになっている。合焦レンズ５３は、分光器５２により分光された光を光検出器５４上に合焦させるものである。
【００３２】
光検出器５４は、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）やリニアアレイフォトダイオード等の例えば１０２４画素の２次元の光検出器である。分光器５２により分光されたラマン散乱光Ｒは、光検出器５４の大部分である一部の画素群へ入射されるように調整されている。光検出器５４に入射されたラマン散乱光Ｒは、光検出器５４により電気信号へ変換され、データ処理装置２０へ入力される。
【００３３】
なお、レーザ光Ｌの一部はダイクロイックミラー３３を透過して光ファイバ束４０の入射口へ集光される。このレーザ光Ｌは光検出器５４の小部分である一部に入射されるように調整されており、このレーザ光Ｌが入射する光検出器５４の手前の位置には、減光フィルタ５５が設けられている。減光フィルタ５５により減光された後、光検出器５４に入射されたレーザ光Ｌは、光検出器５４により電気信号へ変換され、データ処理装置２０へ入力される。
【００３４】
なお、分光光学系５０は、上記構成の他、コリメート鏡５１をコリメートレンズに代えたり、分光器５２を反射型回折格子としたり、さらに１つまたは複数のミラーやレンズを介在させたりして構成することも可能である。なお、分光器５２を反射型回折格子とする場合であっても、光ファイバ束４０の出射端は回折格子（溝）の向きに合わせて平行となるように配置する。
【００３５】
データ処理装置２０は、パーソナルコンピュータやＣＰＵボード等であり、ラマン散乱信号取得装置１０は、例えばＰＣＩ（Peripheral Component Interconnect）インタフェースにより接続される。図２に示すように、データ処理装置２０は、予め設定された基準値等を記憶する記憶手段２１と、ラマン散乱情報に基づいて被識別プラスチックＰの材質を識別する識別手段２２と、識別結果を出力する出力手段２３とを有する。
【００３６】
記憶手段２１に記憶される基準値は、識別したいプラスチック、例えば、ＰＣ（ポリカーボネート）、ＰＳ（ポリスチレン）、ＰＰ（ポリプロピレン）、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＰＶＣ（ポリ塩化ビニル）、ＡＢＳ樹脂（アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン共重合合成樹脂）、ＬＤＰＥ（低密度ポリエチレン）やＨＤＰＥ（高密度ポリエチレン）等の既知のプラスチックの材質ごとに予めラマン散乱スペクトルを測定することにより設定した１点以上の既知ピーク位置および既知ベースライン位置のそれぞれのラマン散乱強度である。
【００３７】
図７は本実施形態におけるプラスチック識別装置により参照資料としての既知のプラスチック（アクリル、ＰＣ、ＡＢＳ、ＰＳ、ＰＶＣ）のそれぞれのラマン散乱スペクトルを取得した結果を示している。図７の横軸はラマンシフトの波数（ｃｍ-1）、縦軸はラマン散乱強度（任意強度）である。
【００３８】
図７において、ＰＳを例に説明すると、ＰＳでは点Ａ1と点Ａ2の位置にピークがあるので、これらの２点Ａ1，Ａ2またはその近傍をＰＳ識別のためのピーク位置とする。また、これらのピーク位置Ａ1，Ａ2間にベースライン上の点Ｂがあるので、この点ＢをＰＳ識別のためのベースライン位置とする。なお、ベースラインの位置と強度には、ピーク位置からあまり離れていないラマン散乱強度が弱く、底になった部分の値を用いることが望ましい。また、強度の算出には、ピーク位置やベースライン位置を含む近傍の測定点の平均値を算出して、これを用いることでＳＮ比の向上を図ることができる。
【００３９】
識別手段２２は、識別したいプラスチックの材質ごとの既知ピーク位置（ＰＳの例では２点Ａ1，Ａ2）に対応するラマンシフトの波数におけるラマン散乱強度および既知ベースライン位置（ＰＳの例では点Ｂ）に対応するラマンシフトの波数におけるラマン散乱強度を、ラマン散乱信号取得装置１０から得る。なお、ラマン散乱スペクトルは、レーザ光Ｌの波長および強度の変化に応じて変化するので、識別手段２２は、ラマン散乱信号取得装置１０から入力された電気信号から所定のラマンシフトの波数におけるラマン散乱強度と、レーザ光の波長および強度を得て、ラマン散乱強度を補正する。識別手段２２は、これらの得られたラマン散乱強度と記憶手段２１に記憶された基準値とに基づいて被識別プラスチックの材質を識別するものである。
【００４０】
例えば、識別手段２２は、識別したいプラスチックの材質ごとの既知ピーク位置（２点
Ａ1，Ａ2）に対応するラマンシフトの波数におけるラマン散乱強度ＲA1，ＲA2と既知ベースライン位置（点Ｂ）に対応するラマンシフトの波数におけるラマン散乱強度ＲBとのそれぞれの差（ＲA1−ＲB），（ＲA2−ＲB）と、基準値としての既知のプラスチックの既知ピーク位置のラマン散乱強度ＲA10，ＲA20と既知ベースライン位置のラマン散乱強度ＲB0との差（ＲA01−ＲB0），（ＲA20−ＲB0）とを、直接またはそれぞれの比（ＲA1−ＲB）／（ＲA2−ＲB），（ＲA10−ＲB0）／（ＲA20−ＲB0）によって比較することにより被識別プラスチックの材質を識別する。なお、直接比較する際の基準値（ＲA10−ＲB0），（ＲA20−ＲB0）、または、比によって比較する際の基準値（ＲA10−ＲB0）／（ＲA20−ＲB0）は、予め記憶手段２１に記憶しておく。
【００４１】
図８はこの識別手段２２によるＰＳの識別例を示している。図８に示すように、ＰＳの２点Ａ1，Ａ2の既知ピーク位置に対応するラマンシフトの波数におけるラマン散乱強度ＲA1，ＲA2と点Ｂの既知ベースライン位置に対応するラマンシフトの波数におけるラマン散乱強度ＲBとのそれぞれの差（ＲA1−ＲB），（ＲA2−ＲB）の比（ＲA1−ＲB）／（ＲA2−ＲB）は、他の材質のものとは大きく相違している。したがって、ＰＳの既知ピーク位置のラマン散乱強度ＲA10，ＲA20と既知ベースライン位置のラマン散乱強度ＲB0との差（ＲA01−ＲB0），（ＲA20−ＲB0）の比（ＲA10−ＲB0）／（ＲA20−ＲB0）から設定した基準値としての閾値ＳPSによってフィルタリング（図示例では（ＲA10−ＲB0），（ＲA20−ＲB0）＞ＳPS＝２．５のみ抽出）することにより、ＰＳ、ＰＰ、ＰＥＴ、ＬＤＰＥ、ＨＤＰＥが混在した試料からＰＳのみを識別して抽出することが可能である。
【００４２】
なお、図示しないが、他の種類のプラスチックにおいても同様にそれぞれのプラスチックの既知ピーク位置に対応するラマンシフトの波数におけるラマン散乱強度と既知ベースライン位置に対応するラマンシフトの波数におけるラマン散乱強度とのそれぞれの差や比等に基づいて被識別プラスチックの材質を識別することが可能である。
【００４３】
上記構成のプラスチック識別装置１では、搬入された粉砕プラスチック（異物が含まれている場合もある。）を前処理風選機２により異物とプラスチック片とに選別し、この選別されたプラスチック片を振動整列フィーダ３により振動させて整列させ、ベルトコンベア４により搬送する。そして、ラマン散乱識別装置５によりベルトコンベア４のベルト４ａ上の被識別プラスチックＰにレーザ光を照射してプラスチックの材質を識別し、識別結果に応じて選別用エアガン６により選別して材質ごとに回収する。また、識別結果は出力手段２３にも出力される。
【００４４】
このとき、ラマン散乱識別装置５では、ラマン散乱信号取得装置１０により半導体レーザ発生装置３１を光源として、このレーザ光Ｌを試料である被識別プラスチックＰの表面に集光レンズ３２により広い範囲に集光照射し、被識別プラスチックＰから散乱されたラマン散乱光Ｒをレーザ光Ｌの照射範囲から広く採光光学系３０により集光して、入射端が円状に結束された光ファイバ束４０に入射させる。光ファイバ束４０に入射する光は、中心の１本の光ファイバ４０ａに入射する光だけでなく、その周囲の光ファイバ４０ｂ〜４０ｇに入射する光まで含めて、光ファイバ束４０の出射端からスリット状の光として出射され、分光光学系５０に導かれる。
【００４５】
すなわち、被識別プラスチックＰから散乱されたラマン散乱光Ｒが弱い場合であっても、複数の光ファイバ４０ａ〜４０ｇが円状に結束された光ファイバ束４０に入射され、スリット状の光として余すところなく分光光学系５０に導かれるので、強いラマン散乱信号を得ることができる。この光ファイバ束４０は、外径０．１ｍｍ以上好ましくは０．５ｍｍ以上としており、入射レンズ３４の焦点が多少合っていなくても強いラマン散乱信号を得ることができる。したがって、被識別プラスチックＰが黒色プラスチックの場合に、レーザ光Ｌを広い範囲に照射しても、強いラマン散乱信号を得ることができ、被識別プラスチックＰを識別することが可能である。
【００４６】
また、本実施形態におけるラマン散乱識別装置５では、同時に被識別プラスチックＰに反射されたレーザ光を光検出器５４に入射させることにより検出してラマン散乱情報を補正し、補正後のラマン散乱情報に基づいて被識別プラスチックＰを識別している。なお、ここで得る補正後のラマン散乱情報は、予め設定したピーク位置とベースライン位置のみを得るだけで良いため、従来のようにラマン散乱スペクトル全体を正確に測定する必要はない。
【００４７】
次に、本発明のラマン散乱信号取得装置の別の実施形態について説明する。図５は図２のラマン散乱信号取得装置の別の実施形態を示す構成図、図６（ａ）は図５のＡ−Ａ断面図、（ｂ）は図５のＢ−Ｂ断面図である。
【００４８】
図５に示すラマン散乱信号取得装置１０では、入射レンズ３４に代えて同一の平凸レンズ３５ａを縦横に配列したレンズ体であるフライアイレンズ３５を用いている（図６（ａ）参照。）。また、光ファイバ束４０に代えて、入射端がフライアイレンズ３５に対応する形状に配置されて結束された光ファイバ束４１を用いている。すなわち、光ファイバ束４１を構成する複数の光ファイバ４１ａの入射端は、フライアイレンズ３５を構成する複数の平凸レンズ３５ａのそれぞれの光軸上に配置されて、正方形状に結束されている。一方、光ファイバ束４１の出射端は、図６（ｂ）に示すように２列に千鳥配列されてスリット状に結束されている。その他の構成については図３で説明したものと同じである。
【００４９】
このような構成においても、被識別プラスチックＰから散乱されたラマン散乱光Ｒは採光光学系３０により集光され、フライアイレンズ３５から入射端が正方形状に結束された光ファイバ束４１の各光ファイバ４１ａに入射される。すなわち、この構成では、フライアイレンズ３５の広い範囲に入射する光３６（図６（ａ）参照。）が光ファイバ束４１により２列に千鳥配列されて分光光学系５０に導かれるので、前述と同様に強いラマン散乱信号を得ることができ、被識別プラスチックＰを識別することが可能である。
【００５０】
なお、フライアイレンズ３５の平凸レンズ３５ａの縦横の配置は集光レンズ３２により集光された光が入射する範囲内で任意に変更することが可能である。このとき、光ファイバ束４１の配置も、このフライアイレンズ３５の配置に対応するように円状または正多角形状に変更することが可能である。
【００５１】
また、図示しないが、光ファイバ束４０，４１の出射端の後方にスリットを配置することも可能である。これにより、光ファイバ束４０，４１のスリット状に結束された出射端から出射される光を、スリットを介して分光光学系５０に導くことで、迷光を除去して、ラマン散乱信号の分解能を高めることができる。
【００５２】
さらに、本実施形態においては光路変換体として光ファイバ束４０を用いたが、光路変換体としては透明な石英、ガラスやプラスチックなどを用いて、採光光学系３０により集光される光を分光器５２の回折格子の向きに対応するスリット状に変換するように１の光導波路を形成して一体化したモノリシック体４２（図９参照。）を用いることも可能である。この場合、入射端４２ａはレーザ光Ｌの照射により発生するラマン散乱光の形状に対応する形状とし、出射端４２ｂは分光器５２の回折格子の向きに対応するスリット状とする。
【００５３】
これにより、励起用レーザ光の照射により発生するラマン散乱光がその形状に対応する形状のモノリシック体４２の入射端４２ａに入射され、分光器５２の回折格子の向きに対応するスリット状の出射端４２ｂから出射されて分光器５２に導かれるため、ラマン散乱ピークが幅広くなるといった波長あるいは波数分解能の劣化を起こすことなく、強いラマン散乱信号を得て、被識別プラスチックＰを識別することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
本発明のラマン散乱信号取得装置およびラマン散乱信号取得方法は、プラスチック、木や紙等の材質を非破壊的に識別するためのラマン散乱に基づくプラスチックの識別等に有用である。
【符号の説明】
【００５５】
１ プラスチック識別装置
２ 前処理設備
３ 振動整列フィーダ
４ ベルトコンベア
４ａ ベルト
５ ラマン散乱識別装置
６ 選別用エアガン
７ エアガン駆動装置
８ 同期制御装置
９ コンベア速度調整装置
１０ ラマン散乱信号取得装置
２０ データ処理装置
２１ 記憶手段
２２ 識別手段
２３ 出力手段
３０ 採光光学系
３１ 半導体レーザ発生装置
３２ 集光レンズ
３３ ダイクロイックミラー
３４ 入射レンズ
３５ フライアイレンズ
４０，４１ 光ファイバ束
４０ａ〜４０ｇ，４１ａ 光ファイバ
４２ モノリシック体
５０ 分光光学系
５１ コリメート鏡
５２ 分光器
５３ 合焦レンズ
５４ 光検出器
５５ 減光フィルタ
６０ 半導体レーザ駆動電源
【特許請求の範囲】
【請求項１】
励起用レーザ光の照射により対象物から発生するラマン散乱光を、前記励起用レーザ光の照射範囲から広く集光する集光レンズを含む採光光学系と、
前記ラマン散乱光を分光する分光器を含む分光光学系と、
１または複数の光導波路により構成され、前記採光光学系により集光される光を前記分光器の回折格子の向きに対応するスリット状に変換する光路変換体と
を有するラマン散乱信号取得装置。
【請求項２】
前記光路変換体は、入射端が前記励起用レーザ光の照射により発生するラマン散乱光の形状に対応する形状である請求項１記載のラマン散乱信号取得装置。
【請求項３】
前記集光レンズは、前記励起用レーザ光の照射形状に合わせて広い範囲から集光するように照射距離を調整したものである請求項１または２に記載のラマン散乱信号取得装置。
【請求項４】
前記採光光学系は、前記集光レンズにより集光される光を前記光路変換体の入射端の形状に合わせて照射する入射レンズを含む請求項１から３のいずれかに記載のラマン散乱信号取得装置。
【請求項５】
前記入射レンズは、フライアイレンズであり、
前記光路変換体の前記入射端は、前記フライアイレンズに対応する形状である請求項４記載のラマン散乱信号取得装置。
【請求項６】
前記光路変換体から出射される光を前記分光器に導くコリメート鏡またはコリメートレンズを有する請求項１から５のいずれかに記載のラマン散乱信号取得装置。
【請求項７】
前記光路変換体の出射端の後方にスリットを有する請求項１から６のいずれかに記載のラマン散乱信号取得装置。
【請求項８】
前記励起用レーザ光として狭帯域化レーザ光を用いた請求項１から７のいずれかに記載のラマン散乱信号取得装置。
【請求項９】
励起用レーザ光の照射により対象物から発生するラマン散乱光を分光器により分光してラマン散乱信号を得るラマン散乱信号取得方法であって、
前記対象物から発生するラマン散乱光を、集光レンズを含む採光光学系により前記励起用レーザ光の照射範囲から広く集光し、
前記採光光学系により集光される光を１または複数の光導波路により前記分光器の回折格子の向きに対応するスリット状に変換して前記分光器に導くこと
を特徴とするラマン散乱信号取得方法。
【請求項１】
励起用レーザ光の照射により対象物から発生するラマン散乱光を、前記励起用レーザ光の照射範囲から広く集光する集光レンズを含む採光光学系と、
前記ラマン散乱光を分光する分光器を含む分光光学系と、
１または複数の光導波路により構成され、前記採光光学系により集光される光を前記分光器の回折格子の向きに対応するスリット状に変換する光路変換体と
を有するラマン散乱信号取得装置。
【請求項２】
前記光路変換体は、入射端が前記励起用レーザ光の照射により発生するラマン散乱光の形状に対応する形状である請求項１記載のラマン散乱信号取得装置。
【請求項３】
前記集光レンズは、前記励起用レーザ光の照射形状に合わせて広い範囲から集光するように照射距離を調整したものである請求項１または２に記載のラマン散乱信号取得装置。
【請求項４】
前記採光光学系は、前記集光レンズにより集光される光を前記光路変換体の入射端の形状に合わせて照射する入射レンズを含む請求項１から３のいずれかに記載のラマン散乱信号取得装置。
【請求項５】
前記入射レンズは、フライアイレンズであり、
前記光路変換体の前記入射端は、前記フライアイレンズに対応する形状である請求項４記載のラマン散乱信号取得装置。
【請求項６】
前記光路変換体から出射される光を前記分光器に導くコリメート鏡またはコリメートレンズを有する請求項１から５のいずれかに記載のラマン散乱信号取得装置。
【請求項７】
前記光路変換体の出射端の後方にスリットを有する請求項１から６のいずれかに記載のラマン散乱信号取得装置。
【請求項８】
前記励起用レーザ光として狭帯域化レーザ光を用いた請求項１から７のいずれかに記載のラマン散乱信号取得装置。
【請求項９】
励起用レーザ光の照射により対象物から発生するラマン散乱光を分光器により分光してラマン散乱信号を得るラマン散乱信号取得方法であって、
前記対象物から発生するラマン散乱光を、集光レンズを含む採光光学系により前記励起用レーザ光の照射範囲から広く集光し、
前記採光光学系により集光される光を１または複数の光導波路により前記分光器の回折格子の向きに対応するスリット状に変換して前記分光器に導くこと
を特徴とするラマン散乱信号取得方法。
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１】
【公開番号】特開２０１２−４２２４８（Ｐ２０１２−４２２４８Ａ）
【公開日】平成２４年３月１日（２０１２．３．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１８１８０６（Ｐ２０１０−１８１８０６）
【出願日】平成２２年８月１６日（２０１０．８．１６）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２２年度地域イノベーション創出研究開発事業、「新規光計測によるプラスチック精密識別リサイクルシステムの構築」委託研究、産業技術力強化法１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（５０２４３７７９１）株式会社サイム (6)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年３月１日（２０１２．３．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年８月１６日（２０１０．８．１６）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２２年度地域イノベーション創出研究開発事業、「新規光計測によるプラスチック精密識別リサイクルシステムの構築」委託研究、産業技術力強化法１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（５０２４３７７９１）株式会社サイム (6)
【Ｆターム（参考）】
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