種子のカウント及び頻度計測装置並びに方法
種子の流れ内の種子のカウント及び頻度を計測する改善された装置について記述している。本装置は、播種装置の頻度及び精度を計測するのに有用である。種子カウントシステムは、画像生成領域と、画像検知装置と、画像生成領域と画像検知装置の間のレンズと、を包含可能である。画像生成領域とレンズの間の光学距離拡張器が、画像生成領域とレンズの間の物理的な距離を大きく上回る画像生成領域とレンズの間の有効な光学距離を生成し、これにより、大きな被写界深度を提供している。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、種子の流れ内の種子のカウント及び頻度を判定する装置及び方法に関するものであり、更に詳しくは、種子又は穀物が播種装置によって播かれた際に、種子又は穀物の高速の分散した流れ内の種子又は穀物の数及び頻度を正確に計測する小型の装置及び方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
播種装置は、種子の集合体から個別の種子を播く（又は、植え付ける）のに使用されている。このような播種装置は、通常、トラクターなどの輸送車両に取り付けられる（又は、その背後において牽引される）機械的装置であり、播種装置は、車両が広大な耕地を横断する際に列状に種子を播いてゆく。個々の種子が播種装置から播かれる速度は、輸送車両の移動速度と相関している。播種装置の播種速度は、様々なタイプの計量装置によって制御されており、且つ、車両の速度によって左右される。例えば、播種装置は、車両が約１０ｋｍ／時間で耕地を横断する際に、所望の播種速度を実現するべく設定可能である。実際には、一般的な最近の播種装置は、個々の種子を約１０〜２０種子／秒の速度で播いている。このような望ましい実質的に一定の速度で種子を播く播種装置の能力は、大量の種子を播種エリアの全体に均一且つ適切に分布させてエーカー当たりの所望の収穫量を得るために、農場主及び栽培者にとって非常に重要である。従って、農場主及び栽培者にとっては、播種装置の適切な調節及び較正が重要である。このような播種装置を適切に調節及び較正するには、播種装置から種子が播かれる際に種子の流れ内の種子のカウント及び頻度を適切に計測する必要がある。しかしながら、播種装置の高速の供給速度に起因し、正確な計測が困難である場合がある。
【０００３】
種子の生産者は、一般に、種子又は穀物の１つ又は複数の属性を向上させるべく、播種の前に種子及び穀物に前処理を施している。このような種子の処理は、例えば、それぞれの種子又は穀粒の外部表面に処理被覆を施す段階を包含可能である。いくつかの表面被覆方式は、処理済みの種子を従来の播種装置を使用して播く際に、これらの装置の播種精度又は播種特性に影響を及ぼす可能性を有している。例えば、処理被覆は、種子の自然な表面粗度又は滑らかさを変更可能であり、或いは、種子間の望ましくない接着を引き起こし、これにより、処理済みの種子と播種装置の間のやり取りに影響を及ぼすことになろう。従って、最適な処理方式及び被覆プロセスを識別できると共に、播種装置用の最適な設定を特定のタイプの処理済みの種子について知ることができるように、播種装置の性能に対する特定の種子処理の影響を正確に評価する必要性が存在している。
【０００４】
種子の流れ内の種子のカウント及び頻度を判定するための様々な技法及び装置が既に考案されている。このような装置及び方法は、播種装置によって播かれた種子の量及び頻度を計測するのに使用されている。又、このような装置は、一貫性のある最適な性能を保証するべく播種装置を較正及び試験するのにも有用である。このような装置の１つが、播種装置によって種子が播かれた際に種子を捕獲する移動グリースベルトである。このような装置においては、ベルト上の種子又は穀物の数及び間隔が、有効な播種速度を示している。残念ながら、グリースベルトカウンタは、多数のサンプルの供給速度を計測する場合には、有効ではない。
【０００５】
その他の既知の計測装置は、種子がシュートから播かれた際に、チューブ又はシュートを通じた種子、穀物、又は穀粒の通過を検知する赤外線センサ又はこれに類似したものを利用した電子計測システムを含んでいる。残念ながら、既知の電子計測装置においては、通常、限られた画像キャプチャ能力しか具備していない単一光センサを使用している。例えば、このような装置は、センサの近傍を実質的に同時に通過する２つの隣接した物体の通過を効果的にカウントすることができない。又、カウントのために幅の狭いチューブ又はシュートを通じて粒子を集中させることにより、計測対象の粒子の流れに影響を及ぼすことにもなる。従って、既知の電子計測装置は、十分な精度を有しておらず、且つ、播種頻度の十分に正確な計測を提供して播種装置の最適な性能を保証することもできない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従って、播種装置の出力量及び頻度を正確に計測する播種計測装置に対するニーズが存在している。このような装置は、約９９％以上のカウント精度を有する必要があると共に、通常、種子及び穀物と混合された状態において検出される埃の粒子やその他の小さな異物から種子及び穀物を弁別する能力を有している必要がある。又、このような装置及び方法は、制限されたチューブ又は漏斗を種子が通過することを必要とすることなしに、種子又は穀物が播種装置から直接出力される際に播種頻度に関するデータを取得する能力を有する必要もある。更には、本装置及び方法は、大きな幅及び深さを有する種子又は穀物の高速の流れ内の種子及び穀物のカウント及び頻度を計測する能力を有している必要がある。例えば、本装置及び方法は、最大で平均種子サイズの約６０倍の流れの幅及び深さを有する高速で移動する種子の流れ内の種子をカウントする能力を有している必要がある。更には、本装置は、耕地において便利に使用するべく、小型であると共に携帯可能である必要もある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
小型の種子カウントシステムは、画像生成領域、画像センサ、レンズ、及び光学距離拡張器を備えている。光学距離拡張器は、画像生成領域とレンズの間に配置されている。光学距離拡張器は、有効な光学距離が画像生成領域とレンズの間の物理的な距離を大幅に上回るように、画像生成領域とレンズの間の光学距離を事実上増大させている。この拡張された光学距離は、種子が画像生成領域を通過する際に種子の画像を生成するための向上した被写界深度を提供している。
【０００８】
別の実施例においては、本発明は、粒子サイズの少なくとも約１０倍の流れの幅を有する離隔した粒子の流れ内において既定の粒子サイズの粒子をカウントする方法を含んでいる。本方法は、流れの幅以上のアパーチャの深さを有するアパーチャに粒子の流れを通過させる段階を含んでいる。本方法は、粒子の流れがアパーチャを通過する際に、アパーチャ内の粒子の位置とは無関係に、粒子の流れ内の実質的にすべての粒子の実質的に合焦された画像をキャプチャする段階を更に含んでいる。更には、本方法は、キャプチャされた粒子の画像を分析して粒子の流れの少なくとも１つの特性を判定する段階を含んでいる。
【０００９】
本発明の別の実施例は、流れの平均軸を有する種子の実質的に分散した流れ内において種子の非常に鮮やかな画像を取得する手段を備える小型の種子カウント装置を含んでいる。非常に鮮やかな画像を取得する手段は、流れの軸からの種子の距離とは無関係に、流れ内のそれぞれの種子の非常に鮮やかな画像を取得する能力を有している。
【００１０】
本発明の更なる実施例は、粒子頻度計測装置を含んでいる。本装置は、その内部にアパーチャを具備したハウジング、アパーチャの第１側部に配置された画像センサ、及び第１側部の反対側であるアパーチャの第２側部上の光源を含んでいる。レンズは、光源からの光を画像センサ上に合焦しており、且つ、これは、アパーチャから第１距離に配置されている。レンズとアパーチャの間の対向しているミラーのペアが、光が、レンズに到達する前に、第１距離を大幅に上回る距離を伝播しなければならないように、光源からの光を反射している。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明による種子のカウント及び頻度計測装置の一実施例が図１〜図３に示されている。図１においては、装置１０は、代表的な播種装置の播種部分１６の下方に配置されている。播種装置１６が動作すると、個別の種子が、実質的に一定のインターバルにおいて装置１６の播種開口部１５から放出される。計測装置１０は、播かれた種子が、種子計測領域を定義しているアパーチャ１８を通じて落下するように、播種開口部１５の下方に配置されている。装置１０は、クランプ１４、或いは、ボルト又はこれに類似したものなどの任意のその他の適切な支持手段により、播種開口部１５の下方の位置に固定されている。計測装置１０によって収集された計測データは、シリアル通信ケーブル１３によってリモートコンピュータ又はこれに類似したものに伝達されている。或いは、この代わりに、計測データは、無線によってリモートコンピュータに伝達することも可能である。
【００１２】
計測装置１０は、実質的に均一なサイズを有する種子の流れのタイミング及び頻度をカウント及び計測するのに適している。例えば、計測装置１０は、種子又は穀粒の流れが播種装置１６から放出された際に種子又は穀粒の頻度をカウント及び計測する能力を有している。尚、本明細書において使用されている「種子」という用語は、実質的に均一なサイズを有すると共に、播種に適した複数の同様の種子、穀物、又は穀粒を意味している。このような種子は、例えば、約１ｍｍの平均直径を有するカノーラの種子などの小さな種子と、約５ｍｍの平均直径を有するコーン又はトウモロコシの穀粒などの大きな種子を包含可能である。
【００１３】
図２及び図３に示されているように、装置１０は、ハウジング１２を含んでいる。種子受け入れアパーチャ１８が、ハウジング１２の一部を通じて延長すると共に、種子計測エリアを定義している。このアパーチャ及び種子計測エリア１８は、図３には、クロスハッチングされたエリアとして示されている。図示の実施例においては、アパーチャ１８は、装置１０の計測対象である種子の平均直径の約１０〜６０倍である（「ｘ」方向において計測される）幅及び（「ｚ」方向において計測される）深さを有している。ハウジング１２は、アルミニウム又は任意のその他の好適な材料から構築可能である。一実施例においては、ハウジング１２の少なくともいくつかの内部表面は、ハウジング１２内における光の反射を極小化するべく、暗く着色可能である。好ましくは、計測装置１０は、装置１０が高度な携帯性を有すると共に、図１に示されているように計測位置に容易に配置及び取り付けできるように、小型のサイズ及び形状を有している。例えば、図１〜図３に示されている実施例においては、装置１０は、長さが３６０ｍｍ（約１４．２インチ）、高さが約９８ｍｍ（約３．９インチ）、そして、幅が約７２ｍｍ（約２．８インチ）であってよい。この実施例１０においては、アパーチャ１８は、約５８ｍｍｘ約５８ｍｍ（約２．３インチｘ２．３インチ）であってよい。このアパーチャ１８は、コーン又はトウモロコシの穀粒などの装置１０によって計測可能である大きな種子の平均直径を幅及び深さにおいて約１０倍上回っており、且つ、カノーラの種子などの装置１０によって計測可能である小さな種子の平均直径を幅及び深さにおいて約６０倍上回っている。
【００１４】
図２及び図３に示されているように、光源３２が、アパーチャ１８の第１側部に提供されている。光源３２は、図３に示されているように、実質的にアパーチャ１８の幅全体にわたって延長可能である。光源３２は、後程詳述するように、種子がアパーチャ１８を通過する際に、予め選択されたサイズの種子を装置１０が十分に検出できるようにするのに十分な光を供給する能力を有する任意の光源であってよい。図１及び図２に示されている計測装置１０の実施例において使用するのに適した光源３２の１つが、Ｋｉｎｇｂｒｉｇｈｔ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ社から入手可能である２２個のＫｉｎｇｂｒｉｇｈｔ ｒｅｄ ｕｌｔｒａ ｂｒｉｇｈｔ ＬＥＤランプ（部品番号：Ｌ−９３４ＳＲＣ−Ｇ）のアレイである。
【００１５】
画像検知装置４０が、光源３２の反対側であるハウジング１２の一端の近傍に提供されている。画像検知装置４０は、粒子がアパーチャ１８を通過する際に粒子の画像を十分に検知可能である任意のフォトセンサであってよい。尚、本明細書において使用されている「画像」という用語は、物体の光学的又は視覚的な表現又は複製を意味しており、且つ、これは、例えば、物体のシルエットを包含可能である、図２及び図３に示されている実施例１０においては、画像検知装置４０は、電荷結合素子（Ｃｈａｒｇｅ−Ｃｏｕｐｌｅ Ｄｅｖｉｃｅ：ＣＣＤ）である。ＣＣＤセンサ４０は、光を電荷に変換する複数の光感知半導体要素（ピクセル）を含んでいる。計測装置１０内において使用するべく利用可能な１つのＣＣＤは、Ｔｅｘａｓ Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ， Ｉｎｃ．社から入手可能なＴＡＯＳ Ｍｏｄｅｌ Ｎｏ． ＴＳＬ２０２である。ＴＳＬ２０２ ＣＣＤは、２つの６４ピクセルアレイを具備している。
【００１６】
ＣＣＤの光検知動作が図４に示されている。ピクセル４２上に入射した光が光電流を生成し、次いで、この光電流が、ピクセル４２と関連する能動積算回路４３によって積算される。積算期間には、サンプリングコンデンサがアナログスイッチを通じて積算器の出力に接続している。それぞれのピクセル４２、４４、４６、４８に蓄積される電荷の量は、そのピクセル上の光強度及び積算時間に直接比例している。ＣＣＤセンサ４０内のシフトレジスタ４７は、蓄積された電荷を、それぞれのピクセル４２、４、４６、４８から隣接するピクセルに対して規則的なクロックインターバルで連続的にシフトさせている。このセンサからアナログ信号を抽出するには、レジスタ４３全体を判読するために１２８個のクロックインパルスが必要である。従って、電荷のそれぞれの「パケット」がアレイ４０のシリコン基板に沿って伝達されている。入力信号がアレイ内の最後のピクセル４８に到達すると、電荷が電圧に変換され、出力増幅器５０によって増幅されることにより、出力アナログ信号「ＡＯ」が生成されることになる。
【００１７】
図２及び図３に示されている実施例１０においては、対物レンズ２４が、アパーチャ１８内の計測エリアからの光画像を画像センサ４０上に投影している。対物レンズ２４の位置は、画像センサ４０との関係において固定されている。アパーチャ１８内の物体は、光源からの光を遮断し、光が画像センサ４０に到達することを妨げる。従って、物体は、画像センサにとって、暗い形状又は影として表れる。一実施例１０においては、レンズ２４は、１３５ｍｍの焦点距離を具備したＪｏｓ． Ｓｃｈｎｅｉｄｅｒ Ｏｐｔｉｓｃｈｅ Ｗｅｒｋｅ ＧｍｂＨ社によるＣｏｍｐｏｎｏｎ−Ｓ ５，６／１３５レンズであってよい。
【００１８】
対物レンズ２４に進入する前に、光源３２からの光は、幅の狭いスリット１９を通じて第１ミラー２０に伝播し、次いで、第１ミラー２０と、これに対向している第２ミラー２２によって生成された拡張光学経路を横断することになる。第１及び第２ミラー２０、２２は、協働して光学距離拡張器を形成している。図示の実施例１０においては、２つのミラー２０、２２は、実質的に互いに平行であると共に、垂直から約３度だけ傾斜している。第２ミラー２２は、第１ミラー２０のわずかに下方に配置されている。好ましくは、ミラー２０、２２は、その内部面に（即ち、もう１つのミラー２０、２２に対向しているその面に）反射層を具備している。ミラー２０、２２の隣接している面に反射層を具備することにより、そうでない場合にミラー２０、２２のガラス基板による屈折から発生し得る画像の歪みを防止している。図示の実施例１０においては、これらのミラーは、高さが約６５ｍｍであり、幅が約３９．５ｍｍであって、厚さが約２ｍｍである。この構成においては、光源３２からの光は、第１ミラー２０の反射表面に入射し、第２ミラー２２の反射表面に向かって反射されることになる。光は、光が第２ミラー２２の下部から反射され、第１ミラー２０の下を通過して対物レンズ２４に進入するまで、ミラー２０、２２の間において前後に反復反射される。図示の実施例１０においては、光は、レンズ２４に進む前に、約１８回にわたって前後に反射されている。この結果、アパーチャ１８の中心とレンズ２４の間の有効な光学距離が実質的に増大している。
【００１９】
図１及び図２に示されている実施例１０においては、レンズ２４とアパーチャ１８の中心の間の物理的距離Ｌ1は、約７５ｍｍ（約３インチ）である。しかしながら、光が、アパーチャ１８の中心から、ミラー２０、２２の間を経て、レンズ２４までに伝播しなければならない合計光学距離は、約７０３ｍｍ（約２７．７インチ）である。従って、図示の実施例においては、レンズ２４とアパーチャ１８の中心の間の光学距離は、レンズ２４とアパーチャ１８の間の実際の物理的な距離Ｌ1よりも約９〜１０倍だけ大きくなっている。その他の実施例においては、アパーチャ１８とレンズ２４の間の実際の距離に対する有効な光学距離の比率は、約５：１〜約２０：１であってよい。更に別の実施例においては、この比率は、約７：１〜約１５：１、或いは、更に好ましくは、約８：１〜約１２：１であってよい。粒子又は種子の鮮やかな画像を取得すると共に、これにより、粒子又は種子をカウントする小型の装置１０の能力に対するこの拡張された光学距離の重要性については、後述する。この有効な光学距離の増大は、相対的に幅の広い有効な画像生成領域に対応するべく、スリット１９の幅の対応した増大を必要としている。又、有効な光学距離の増大は、光源３２の強度の対応した増大をも必要としている。有効な光学距離は、ミラー２０、２２の間の距離及び／又はミラー２０、２２の傾きを変化させることにより、変更可能である。
【００２０】
計測装置１０は、電子回路モジュール３０を更に含んでいる。図５ａに示されているように、電子回路モジュール３０は、アナログ／デジタルコンバータ５０、ハードウェアフィルタ６０、及びマイクロプロセッサ又はマイクロコントローラ７０を含んでいる。画像センサ４０からのアナログ出力信号「ＡＯ」は、コンバータ５０に入力されている。コンバータ５０は、このアナログ信号を増幅し、比較器段にアナログ信号を通過させることにより、フィルタ６０に送信される対応したデジタル信号（ＲＥＳ）を生成している。フィルタ６０は、このデジタル信号から（後述するように）特定のデータを除去し、最終的なフィルタリング済みの最終信号（ＯＵＴ）をマイクロコントローラ７０に対して入力している。図示の実施例３０においては、コントローラ７０は、クロック７２、カウンタ７４、及びデータ出力ポート７６を含んでいる。出力ポート７６は、例えば、データをリモートコンピュータ８０に伝達するためのＲＳ２３２シリアルポートであってよい。或いは、この代わりに、出力ポート７６は、データをリモートの無線受信機又はこれに類似したものに伝達するための無線送信ユニットであってもよい。コントローラ７０は、画像センサ４０の動作を制御すると共に、センサ４０、アナログコンバータ５０、及びフィルタ６０に対してクロックを提供している。
【００２１】
アナログコンバータユニット５０が図５ｂに示されている。ＣＣＤセンサ４０からのアナログ信号ＡＯは、増幅器５１を通過している。増幅された信号は、アナログ比較器５２に伝達され、閾値電圧レベルに照らして比較されることにより、２つのレベル（光及び影）のみを有する信号を定義している。アナログ比較器５２は、アナログ信号ＡＯをデジタル信号に変換し、次いで、これが、Ｄタイプのフリップフロップデジタルロジック回路５４によって処理されている。ＣＣＤセンサ４０のアーキテクチャに固有のスパイクを除去するべく、比較器５２からの出力信号をＣＣＤセンサ４０のシステムクロックと同期させている。安定したレベルにおけるＣＣＤセンサ４０からの信号ＡＯの計測を実現するには、わずかな時間遅延が必要である。フリップフロップ装置５４の出力信号ＲＥＳ５６は、（図６に示されているものと同様に）走査されたすべての種子を表している。
【００２２】
フリップフロップ装置５４の出力信号ＲＥＳ５６は、ハードウェアフィルタ段を通過している。図５ｃを参照すれば、信号ＲＥＳ５６は、信号ＣＬＫ７２によって駆動されているフリーランニングカウンタ７４をリセットするべく使用されている。ＬＯＷレベル信号がカウンタ７４のＲＥＳピンに印加されるたびに、カウンタ７４は、リセットし、カウント動作を停止する。ＨＩＧＨレベル信号がＲＥＳピンにおいて受信された際には、カウンタ７４は、ゼロからカウント動作を開始し、信号ＲＥＳ５６がＬＯＷレベルに切り替わって戻るまで継続する。カウンタ値「Ｂ」がＤＡＴＡ「Ａ」と同一の値に到達した際に、アイデンティティ比較器５９が、正確に１クロックサイクルにおいて信号「ＯＵＴ」５３を生成する。カウンタ値が、Ａ＝Ｂとなる前にリセットされた場合には、信号は生成されない。ＤＡＴＡ「Ａ」がゼロに設定された場合には、特殊な状態が発生する。この場合には、信号ＲＥＳ５６と信号ＯＵＴ５３が、まったく同一のものとなり、フィルタリングが結果的に提供されなくなる。
【００２３】
図６は、画像センサ１００からのデータ信号の電子回路モジュール３０による処理を示している。アナログ信号１００は、画像センサ４０によってキャプチャされた「フレーム」における代表的な出力信号ＡＯを表している。フレームとは、アパーチャ１８の幅全体の光学的な走査のことである。アナログ信号１００は、２つの相対的に強い画像パルス１０２、１０６と、２つの相対的に弱い画像パルス１０４、１０８を含んでいる。これらのパルスは、遮断物体に起因した走査の際の画像センサ４０に入射する光の不存在を示しており、従って、図６に示されているアナログ信号１００には、反転されたパルスとして表れている。画像パルスの強度は、パルスの幅（クロック７２によって計測される持続時間）、並びに、反転されたパルスの振幅（キャプチャされた画像の暗さ）によって示されている。相対的に強い画像パルス１０２、１０６は、大きなサイズを有する２つの粒子又は種子のキャプチャ画像を表しており、相対的に弱い画像１０４、１０８は、埃の粒子などの２つの相対的に小さな物体のキャプチャ画像を表している。アナログデータ信号１００がアナログ／デジタルコンバータ５０を通過すると、デジタル化信号３００が結果的に得られることになる。図６に示されているように、デジタル化信号３００は、既定の閾値振幅を下回るアナログ信号１００内の反転パルス１０２、１０４、１０６、及び１０８に対応した４つの方形パルス３０２、３０４、３０６、３０８を含んでいる。アナログ信号１００と同様に、デジタル化信号３００は、相対的に大きな粒子又は種子を表す２つの相対的に強い（幅の広い）パルス３０２、３０６と、小さな埃の粒子を表す２つの相対的に弱い（幅の狭い）パルス３０４、３０８を含んでいる。
【００２４】
デジタル化信号３００を積算すると、増大するカウンタ値４００が結果的に得られることになり、これは、デジタル化信号３００内の相対的に幅の広い方形パルス３０２、３０６のエリアに対応すると共に、相対的に大きな粒子又は種子を表している２つの大きな鋸歯ピーク４０２、４０６と、相対的に小さな埃粒子を表している相対的に幅の狭い方形パルス３０４、３０８のエリアに対応した２つの相対的に小さな鋸歯ピーク４０４、４０８を含んでいる。フィルタ６０は、相対的に小さなピークが、予め選択されている最小パルス幅を満足又は超過していないため、これらのピーク４０４、４０８を除去し、最終的な出力信号又はカウント信号５００を生成している。最終的な出力信号５００は、積算信号４００内の２つの大きなピーク４０２、４０６に対応した２つの方形パルス５０２、５０６を含んでいる。最終的な出力信号５００は、フィルタ６０からカウンタ７４に送信されている。或いは、この代わりに、フィルタ６０の予め選択されたフィルタ幅が、ゼロに設定されていた場合には、デジタル信号３０２がマイクロプロセッサ７０に直接伝達されることになり、装置１０は、２つの種子ではなく４つの種子をカウントすることになろう。従って、フィルタ６０が存在しない場合には、埃の粒子などの小さな物体が種子と共にカウントされることになろう。フィルタリングの後の信号ＯＵＴ５００内の立ち上がり及び立ち下がりエッジのそれぞれのシーケンスは、走査内の種子を表しており、これらをマイクロコントローラ７０内の内部カウンタ５８によってカウント可能である。
【００２５】
図７は、粒子がアパーチャ１８を通過する際に種子などの粒子を計測装置１０によって走査及びカウントする方法を示している。図７においては、それぞれのライン６００〜６０５は、２つの種子６１０、６２０及び埃の１つの粒子６３０がアパーチャ１８を実質的に同時に通過した際の画像センサ４０によるアパーチャ１８の一連の連続的な光学走査の中の１つに対応した信号を表している。第１の走査（「ｎ」）においては、画像センサ４０は、物体の画像を検出しておらず、カウンタに送信される最終的な出力信号６００も、カウント可能なパルスを含んでいフラットなラインである。第２の走査（「ｎ＋１」）においては、画像センサ４０は、アパーチャの第１走査の完了以降にセンサ４０の視野内に落下してきた埃の粒子６３０を検出している。第２の走査の結果、単一の幅の狭い方形パルスを含むデジタル化信号６０１ａと、最終的なフラットな出力信号６０１ｂが生成されている。埃の粒子６３０に対応したデジタル化信号６０１ａ内の単一方形パルスは、種子を表すには幅が狭すぎると判定され、従って、最終的な信号６０１ｂからフィルタリングによって除去されているため、出力信号６０１ｂは、カウント可能なパルスを含んではいない。
【００２６】
第３走査（「ｎ＋２」）においては、画像センサ４０は、デジタル化信号６０２ａによって示されているように、第１種子６１０の狭い底部部分と第２種子６２０の幅の広い部分を検出している。デジタル化信号６０２ａ内の第１種子６１０に対応した方形パルスの相対的に狭い幅に起因し、このパルスは、最終的な信号６０２ｂからフィルタリングによって除去されている。従って、最終的な信号６０２ｂは、第２種子６２０に関連した単一のパルスのみを含んでいる。第４走査（「ｎ＋３」）においては、画像センサ４０は、第１及び第２種子６１０、６２０の両方の幅の広い部分を検出している。従って、デジタル化信号６０３ａのフィルタリングの後に、最終的な信号６０３ｂは、２つの種子６１０、６２０と関連した２つのカウントパルスを含んでいる。第５の走査（「ｎ＋４」）の時点においては、第２種子は、画像センサ４０の目視線を既に通過しており、従って、センサ４０は、第１種子６１０の幅の広い部分を検出するのみである。従って、デジタル化信号６０４ａ及び最終的な信号６０４ｂは、それぞれ、第１種子と関連した単一の方形パルスを含んでいる。最後の走査（「ｎ＋５」）の時点においては、両方の種子がセンサ４０の目視線を既に通過しており、最終的な信号６０５は、カウントパルスを含んでいない。次の表１は、図７に示されている最終的な信号６００、６０１ｂ、６０２ｂ、６０３ｂ、６０４ｂ、及び６０５によって表されている画像データをコントローラ７０及びカウンタ７４によって分析することにより、データによって示されている種子の数を判定する方法を示している。
【００２７】
【表１】
【００２８】
表１において、「種子＃１のカウント」及び「種子＃２のカウント」というラベルが付与されている列は、それぞれの光学走査「ｎ」〜「ｎ＋５」の最終的なカウント信号における、それぞれ、第１種子６１０及び第２種子６２０のカウントパルスの存在又は不存在を示している。表１のカウンタコントローラ値は、それぞれの走査のそれぞれの最終的なカウント信号内に含まれているカウントパルスの合計数（即ち、「種子＃１のカウント」及び「種子＃２のカウント」列の合計）である。マイクロプロセッサコントローラ７０は、表１の最後の列内に示されているそれぞれの走査における最終的な結果を判定している。それぞれの光学走査ごとに、プロセッサ７０は、現在の走査における現在のコントローラカウンタ値を直前の走査におけるコントローラカウンタ値から減算している。この最終結果が正の数（＞０）である場合に、その最終結果を確定した種子のカウントとして報告している。表１に示されているように、図７に示されている一連の走査は、結果的に「２」という最終的な種子のカウントを正しくもたらしている。
【００２９】
種子のカウントデータは、データストリームとしてシステムマイクロプロセッサ７０からリモートコンピュータ８０に報告されており、このデータストリームは、次のようなフォーマットを有することが可能である。
【００３０】
ＴＩＭＥ ＣＯＵＮＴＳ／ＳＣＡＮ ＣＡＣＨＥ＼ｒ＼ｎ 新しい計測の開始
０００２４Ａ９Ｃ ０１ ００＼ｒ＼ｎ 第１種子の検出
０００２４ＡＥＦ ０１ ００＼ｒ＼ｎ 第２種子
０００２４Ｂ４２ ０２ ００＼ｒ＼ｎ 同一走査において２つの種子
０００２４Ｂ９６ ０１ ０２＼ｒ＼ｎ ２つの更なるデータセットの判読を要する
【００３１】
上記のデータストリーム内において、時間データは、計測の開始以降の絶対時間に対応した３２ビット値（ＨＥＸフォーマット）である。従って、キャプチャされたデータは、種子の流れ内の連続した種子の間の経過時間インターバルを含んでおり、これを処理することにより、平均頻度及び統計頻度分布などの種子の頻度の様々な側面を算出可能である。時間分解能は、約４００マイクロ秒であってよく、これは、約２５００Ｈｚの画像センサの走査レートに等しい。この走査レートにおいては、アパーチャ１８によって定義されている計測エリアが２５００回／秒で継続的に走査されることになる。この高頻度の走査レートにより、装置１０は、高流速で流れる種子又はその他の粒子を効果的に計測する能力を有することができる。一実施例においては、マイクロプロセッサ７０は、データをリモートコンピュータ８０に供給し、このリモートコンピュータ８０が、データの統計的評価を含む計測パラメータの報告を生成している。
【００３２】
前述の例に示されているように、装置１０は、アパーチャ１８を実質的に同時に通過する複数の粒子及び種子をカウントする能力を有している。従って、装置１０は、播種装置から播かれる種子を正確にカウント可能である（このような装置は、少なくとも時折、一度に複数の隣接する種子（所謂、「ダブル」である）を供給可能である）。従って、装置１０は、所与の期間内に装置によって播種される種子の数と総重量を計測するのに特に有用である。又、装置１０は、従来の播種装置の播種精度に対する様々な種子処理法の影響を評価するのにも特に有用である。更には、装置１０は、当業者には周知のように、フィンガピックアップ型播種装置のスプリング張力、真空型播種装置の真空レベル及びスクレーパの位置、播種精度に対する駆動速度の影響、及びこれらに類似したものなどの特定の種子タイプ及び処理方式における播種装置用の最適なハードウェア設定を判定するのにも有用である。
【００３３】
対向しているミラー２０、２２によって生成されている拡張された光学距離は、アパーチャ１８内の粒子の位置とは無関係に、アパーチャ１８を通過する粒子又は種子を検出する装置１０の能力を向上させることができる。この効果を示すべく、前述の計測装置１０と類似した、但し、ミラー２０及びミラー２２を有していない小型の光学計測装置６００が図８ａ〜図８ｃに示されている。本装置１０と同様に、装置６００は、計測エリアを定義しているアパーチャ６１８、光源６３２、レンズ６２４、及び画像センサ６４０を含んでいる。レンズ６２４は、アパーチャ６１８の中心から距離Ｌ2において固定されており、画像センサ６４０は、レンズ６２４から距離Ｌ1において固定されている。レンズ６２４及び距離Ｌ1及びＬ2は、アパーチャ６１８の中心を通過する種子６９０の正確に合焦された画像が画像センサ６４０上に投影されるように、選択されている。従って、図８ａに示されているように、種子又は粒子６９０が実質的にアパーチャ６１８の中心を通過した際には、種子又は粒子６９０の投影された画像に、ぼやけは実質的に存在していない。
【００３４】
図８ｂは、種子又は粒子６９２が、実質的にアパーチャ６１８の中心よりもレンズ６２４に近いアパーチャ６１８の前方部分を通過した際の結果を示している。種子又は粒子６９２が実質的にレンズに近いため、種子又は粒子の画像は、画像センサ６４０の前方の距離ａのポイントに投影されることになる。この結果、画像センサ６４０に到達した画像は、合焦されてはおらず、大量のぼやけを含んでいる。図８ｃに示されているように、種子又は粒子６９４が、実質的にアパーチャ６１８の中心よりもレンズ６２４から遠いアパーチャ６１８の後方の部分を通過した場合にも、類似の結果が発生することになる。この場合には、種子又は粒子６９４の画像は、画像センサ６４０の背後の距離「ｄ」のポイントに投影される。この結果、画像センサ６４０に到達した画像は、この場合にも、合焦されてはおらず、大量のぼやけを含んでいる。種子の画像が過剰にぼやけている場合には、前述の装置１０などのシステムは、ぼやけた画像を種子として認識することができない。写真用語によれば、装置６００は、非常に浅い被写界深度を有している。
【００３５】
図９ａ及び図９ｂは、検知された画像の品質に対する被写界深度の影響と、画像センサ４０によって生成される対応したアナログ信号に対する結果的な影響を示している。図９ａは、前述の図８ａ〜図８ｃに示されているものに類似した小型の光学計測装置６００における走査の結果を示している。このような装置６００においては、種子７１０がアパーチャ６１８の中心を通過した際には、種子７１０の画像は、画像センサ６４０上に鮮やかに合焦され、対応した大きな振幅のパルス７２２が、画像センサのアナログ出力信号７２０を結果的にもたらすことになる。しかしながら、種子７１２が、実質的にアパーチャ６１８の中心の背後を通過したり、或いは、種子７１４が、実質的にアパーチャ６１８の中心の前方を通過した際には、画像センサ６４０上に投影される画像は、相当にぼやけることになる。この結果、画像センサのアナログ出力信号７２０内の対応したパルス７２４、７２６は、閾値振幅Ａ0を下回る相対的に小さな振幅を有している。従って、合焦されていない種子７１２及び７１４は、カウントされないことになる。
【００３６】
対照的に、前述の対向しているミラー２０、２２によって生成されているアパーチャ１８とレンズ２４の間の拡張された光学距離により、本発明による装置１０は、広いアパーチャ１８内の粒子及び種子の位置とは無関係に、粒子又は種子を正確にカウントする能力を有している。拡張された光学距離により、アパーチャ内の粒子又は種子の位置とは無関係に、粒子又は種子の非常に鮮やかな画像が、レンズ２４によって画像センサ４０上に投影されることになる。換言すれば、アパーチャ１８内のどこかに位置している物体の画像が非常に鮮やかな画像として画像センサ４０上に投影されるように、ミラー２０、２２は協働して向上した被写界深度を提供しているのである。図９ｂに示されているように、種子８１０がアパーチャ１８の中心を通過した場合にも、種子８１２がアパーチャ１８の後方の部分を通過した場合にも、或いは、種子８１４がアパーチャ１８の前方の部分を通過した場合にも、結果的に得られるアナログ出力信号８２０は、それぞれが閾値振幅Ａ0を超過している対応した大きな振幅のパルス８２２、８２４、８２６を含んでいる。換言すれば、３つの種子の画像内にぼやけが実質的に存在していないということに起因し、画像センサ４０によって生成されるすべての３つのパルスの振幅は、同様に強力なものになっている。従って、装置１０は、すべての３つの種子８１０、８１２、８１４を正確にカウント可能である。従って、装置１０は、長さが短く、且つ、システムのオプティクス２４が、固定されており、調整不能ではあるが、装置１０は、カウントの精度に対して影響を及ぼすことなしに（又は、ほとんど影響を及ぼすことなしに）、画像生成対象の物体とレンズ２４の間の距離の大きな変動に対して対応可能である。例えば、前述の実施例１０においては、レンズ２４に対する種子の近さは、種子がアパーチャ１８を通過する際に種子を検出する装置の能力に対して悪影響を及ぼすことなしに、±２９ｍｍだけ変化可能である。換言すれば、約１ｍｍの平均直径を有する種子の場合には、装置１０は、最大で種子の直径の約６０倍の種子の位置の合計変動に対して対応可能である。従って、装置１０は、種子の流れ内の種子を正確にカウントする能力を有しており、この場合に、種子の流れは、最大で平均種子直径の約６０倍の流れの幅及び流れの深さを有している。
【００３７】
前述のものなどの小型のカウント装置１０は、ハイレベルな精度によって種子又は粒子の分散した流れ内の種子又は粒子をカウントする能力を有している。例えば、このような装置１０は、少なくとも、約９９パーセント、高い場合には、約９９．９パーセントものカウント精度を具備していると考えられる。装置１０は、粒子の流れ内において広く分散した粒子に対して対応可能であるため、装置によって粒子を受け取る前に、分散した流れを狭い流れに集中させる必要がない。例えば、装置１０を使用して従来の播種装置の播種頻度を計測する場合には、播種装置からの種子の流れをまず集中させる（或いは、さもなければ圧縮する）ことなしに、装置の出力をアパーチャ１８を通じて直接供給可能である。
【００３８】
図１０に示されているように、本発明は、種子のサイズを大きく上回る流れの深さを有する離隔した種子の流れの特性を計測する方法８００をも含んでいる。本方法は、大きな深さを具備した計測エリアに種子の流れを通過させる段階８１０を含んでいる。好ましくは、計測エリアの深さは、流れの深さ以上であり、且つ、種子直径の最大で約５８倍であってよい。本方法８００は、種子が計測エリアを通過する際に、計測エリア内の種子の位置とは無関係に、種子の流れ内の実質的にすべての種子の非常に鮮やかな画像をキャプチャする段階８２０を更に含んでいる。従って、種子が流れの中心に位置している場合にも、流れの前方又は後方のエッジに沿って又はこれらの近くに位置している場合にも、流れ内の実質的にすべての種子の非常に鮮やかな画像が得られることになる。最後に、キャプチャされた種子画像を分析することにより、種子の流れの少なくとも１つの特性を判定している８３０。判定される特性は、例えば、種子の流れ内の種子の量又は種子の流れ内の連続した粒子の間の期間又は頻度であってよい。種子の流れが少なくとも２つの異なるサイズの種子及び／又はその他の物体を含んでいる際には、判定される特性は、例えば、特定のサイズを上回る種子又は物体の数であってよい。
【００３９】
システム１０及び方法８００は、直径が約１ｍｍ以上である粒子の流れを計測する能力を有している。従って、装置１０及び方法８００は、カノーラの種子などの小さな種子又はコーン又はトウモロコシの穀粒などの相対的に大きな種子のカウント及び頻度を計測するのに効果的である。
【００４０】
本発明の様々な実施例に関する以上の説明は、本発明の様々な態様を説明及び例示することを意図したものであって、本発明の範囲をこれらに限定することを意図したものではない。
【００４１】
当業者であれば、本発明を逸脱することなしに、記述されている実施例に対して様々な変更及び変形を実施可能であることを認識するであろう。例えば、本装置及び方法は、移動する種子の特性を計測するという観点において説明されているが、本装置は、その他の物体又は粒子の流れを計測するべく使用することも可能である。そのようなすべての変更及び変形は、添付の請求項の範囲に属することを意図するものである。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】代表的な播種装置からの種子の分配を計測する際の本発明による計測装置の一実施例の透視図である。
【図２】図３のライン２−２に沿って取得された図１に示されている本発明による計測装置の一実施例の正面断面図である。
【図３】図２のライン３−３に沿って取得された図１及び図２の計測装置の平面断面図である。
【図４】図１〜図３の計測装置内において使用される電荷結合素子（Ｃｈａｒｇｅ−Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ：ＣＣＤ）の機能を示すブロックダイアグラムである。
【図５ａ】図１〜図３の計測装置の様々な電子的部分の間の関係を示すブロックダイアグラムである。
【図５ｂ】図１〜図３の計測装置内において使用される電子的アナログ装置の詳細を示すブロックダイアグラムである。
【図５ｃ】図１〜図３の計測装置内において使用される電子的フィルタ及びカウンタの詳細を示すブロックダイアグラムである。
【図６】種子のカウント及びタイミング／頻度を判定するための図１〜図３の計測装置による画像データの分析のグラフィカルな表現である。
【図７】図１〜図３の計測装置による一連の光学的な走査のグラフィカルな表現である。
【図８ａ−ｃ】図１〜図３のものに類似しているが、浅い被写界深度を具備した計測装置の概略表現である。
【図９ａ−ｂ】図１〜図３の装置内の向上した被写界深度のグラフィカルな表現である。
【図１０】本発明による種子の頻度及びカウントを計測する方法の一実施例を示すフローチャートである。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、種子の流れ内の種子のカウント及び頻度を判定する装置及び方法に関するものであり、更に詳しくは、種子又は穀物が播種装置によって播かれた際に、種子又は穀物の高速の分散した流れ内の種子又は穀物の数及び頻度を正確に計測する小型の装置及び方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
播種装置は、種子の集合体から個別の種子を播く（又は、植え付ける）のに使用されている。このような播種装置は、通常、トラクターなどの輸送車両に取り付けられる（又は、その背後において牽引される）機械的装置であり、播種装置は、車両が広大な耕地を横断する際に列状に種子を播いてゆく。個々の種子が播種装置から播かれる速度は、輸送車両の移動速度と相関している。播種装置の播種速度は、様々なタイプの計量装置によって制御されており、且つ、車両の速度によって左右される。例えば、播種装置は、車両が約１０ｋｍ／時間で耕地を横断する際に、所望の播種速度を実現するべく設定可能である。実際には、一般的な最近の播種装置は、個々の種子を約１０〜２０種子／秒の速度で播いている。このような望ましい実質的に一定の速度で種子を播く播種装置の能力は、大量の種子を播種エリアの全体に均一且つ適切に分布させてエーカー当たりの所望の収穫量を得るために、農場主及び栽培者にとって非常に重要である。従って、農場主及び栽培者にとっては、播種装置の適切な調節及び較正が重要である。このような播種装置を適切に調節及び較正するには、播種装置から種子が播かれる際に種子の流れ内の種子のカウント及び頻度を適切に計測する必要がある。しかしながら、播種装置の高速の供給速度に起因し、正確な計測が困難である場合がある。
【０００３】
種子の生産者は、一般に、種子又は穀物の１つ又は複数の属性を向上させるべく、播種の前に種子及び穀物に前処理を施している。このような種子の処理は、例えば、それぞれの種子又は穀粒の外部表面に処理被覆を施す段階を包含可能である。いくつかの表面被覆方式は、処理済みの種子を従来の播種装置を使用して播く際に、これらの装置の播種精度又は播種特性に影響を及ぼす可能性を有している。例えば、処理被覆は、種子の自然な表面粗度又は滑らかさを変更可能であり、或いは、種子間の望ましくない接着を引き起こし、これにより、処理済みの種子と播種装置の間のやり取りに影響を及ぼすことになろう。従って、最適な処理方式及び被覆プロセスを識別できると共に、播種装置用の最適な設定を特定のタイプの処理済みの種子について知ることができるように、播種装置の性能に対する特定の種子処理の影響を正確に評価する必要性が存在している。
【０００４】
種子の流れ内の種子のカウント及び頻度を判定するための様々な技法及び装置が既に考案されている。このような装置及び方法は、播種装置によって播かれた種子の量及び頻度を計測するのに使用されている。又、このような装置は、一貫性のある最適な性能を保証するべく播種装置を較正及び試験するのにも有用である。このような装置の１つが、播種装置によって種子が播かれた際に種子を捕獲する移動グリースベルトである。このような装置においては、ベルト上の種子又は穀物の数及び間隔が、有効な播種速度を示している。残念ながら、グリースベルトカウンタは、多数のサンプルの供給速度を計測する場合には、有効ではない。
【０００５】
その他の既知の計測装置は、種子がシュートから播かれた際に、チューブ又はシュートを通じた種子、穀物、又は穀粒の通過を検知する赤外線センサ又はこれに類似したものを利用した電子計測システムを含んでいる。残念ながら、既知の電子計測装置においては、通常、限られた画像キャプチャ能力しか具備していない単一光センサを使用している。例えば、このような装置は、センサの近傍を実質的に同時に通過する２つの隣接した物体の通過を効果的にカウントすることができない。又、カウントのために幅の狭いチューブ又はシュートを通じて粒子を集中させることにより、計測対象の粒子の流れに影響を及ぼすことにもなる。従って、既知の電子計測装置は、十分な精度を有しておらず、且つ、播種頻度の十分に正確な計測を提供して播種装置の最適な性能を保証することもできない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従って、播種装置の出力量及び頻度を正確に計測する播種計測装置に対するニーズが存在している。このような装置は、約９９％以上のカウント精度を有する必要があると共に、通常、種子及び穀物と混合された状態において検出される埃の粒子やその他の小さな異物から種子及び穀物を弁別する能力を有している必要がある。又、このような装置及び方法は、制限されたチューブ又は漏斗を種子が通過することを必要とすることなしに、種子又は穀物が播種装置から直接出力される際に播種頻度に関するデータを取得する能力を有する必要もある。更には、本装置及び方法は、大きな幅及び深さを有する種子又は穀物の高速の流れ内の種子及び穀物のカウント及び頻度を計測する能力を有している必要がある。例えば、本装置及び方法は、最大で平均種子サイズの約６０倍の流れの幅及び深さを有する高速で移動する種子の流れ内の種子をカウントする能力を有している必要がある。更には、本装置は、耕地において便利に使用するべく、小型であると共に携帯可能である必要もある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
小型の種子カウントシステムは、画像生成領域、画像センサ、レンズ、及び光学距離拡張器を備えている。光学距離拡張器は、画像生成領域とレンズの間に配置されている。光学距離拡張器は、有効な光学距離が画像生成領域とレンズの間の物理的な距離を大幅に上回るように、画像生成領域とレンズの間の光学距離を事実上増大させている。この拡張された光学距離は、種子が画像生成領域を通過する際に種子の画像を生成するための向上した被写界深度を提供している。
【０００８】
別の実施例においては、本発明は、粒子サイズの少なくとも約１０倍の流れの幅を有する離隔した粒子の流れ内において既定の粒子サイズの粒子をカウントする方法を含んでいる。本方法は、流れの幅以上のアパーチャの深さを有するアパーチャに粒子の流れを通過させる段階を含んでいる。本方法は、粒子の流れがアパーチャを通過する際に、アパーチャ内の粒子の位置とは無関係に、粒子の流れ内の実質的にすべての粒子の実質的に合焦された画像をキャプチャする段階を更に含んでいる。更には、本方法は、キャプチャされた粒子の画像を分析して粒子の流れの少なくとも１つの特性を判定する段階を含んでいる。
【０００９】
本発明の別の実施例は、流れの平均軸を有する種子の実質的に分散した流れ内において種子の非常に鮮やかな画像を取得する手段を備える小型の種子カウント装置を含んでいる。非常に鮮やかな画像を取得する手段は、流れの軸からの種子の距離とは無関係に、流れ内のそれぞれの種子の非常に鮮やかな画像を取得する能力を有している。
【００１０】
本発明の更なる実施例は、粒子頻度計測装置を含んでいる。本装置は、その内部にアパーチャを具備したハウジング、アパーチャの第１側部に配置された画像センサ、及び第１側部の反対側であるアパーチャの第２側部上の光源を含んでいる。レンズは、光源からの光を画像センサ上に合焦しており、且つ、これは、アパーチャから第１距離に配置されている。レンズとアパーチャの間の対向しているミラーのペアが、光が、レンズに到達する前に、第１距離を大幅に上回る距離を伝播しなければならないように、光源からの光を反射している。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明による種子のカウント及び頻度計測装置の一実施例が図１〜図３に示されている。図１においては、装置１０は、代表的な播種装置の播種部分１６の下方に配置されている。播種装置１６が動作すると、個別の種子が、実質的に一定のインターバルにおいて装置１６の播種開口部１５から放出される。計測装置１０は、播かれた種子が、種子計測領域を定義しているアパーチャ１８を通じて落下するように、播種開口部１５の下方に配置されている。装置１０は、クランプ１４、或いは、ボルト又はこれに類似したものなどの任意のその他の適切な支持手段により、播種開口部１５の下方の位置に固定されている。計測装置１０によって収集された計測データは、シリアル通信ケーブル１３によってリモートコンピュータ又はこれに類似したものに伝達されている。或いは、この代わりに、計測データは、無線によってリモートコンピュータに伝達することも可能である。
【００１２】
計測装置１０は、実質的に均一なサイズを有する種子の流れのタイミング及び頻度をカウント及び計測するのに適している。例えば、計測装置１０は、種子又は穀粒の流れが播種装置１６から放出された際に種子又は穀粒の頻度をカウント及び計測する能力を有している。尚、本明細書において使用されている「種子」という用語は、実質的に均一なサイズを有すると共に、播種に適した複数の同様の種子、穀物、又は穀粒を意味している。このような種子は、例えば、約１ｍｍの平均直径を有するカノーラの種子などの小さな種子と、約５ｍｍの平均直径を有するコーン又はトウモロコシの穀粒などの大きな種子を包含可能である。
【００１３】
図２及び図３に示されているように、装置１０は、ハウジング１２を含んでいる。種子受け入れアパーチャ１８が、ハウジング１２の一部を通じて延長すると共に、種子計測エリアを定義している。このアパーチャ及び種子計測エリア１８は、図３には、クロスハッチングされたエリアとして示されている。図示の実施例においては、アパーチャ１８は、装置１０の計測対象である種子の平均直径の約１０〜６０倍である（「ｘ」方向において計測される）幅及び（「ｚ」方向において計測される）深さを有している。ハウジング１２は、アルミニウム又は任意のその他の好適な材料から構築可能である。一実施例においては、ハウジング１２の少なくともいくつかの内部表面は、ハウジング１２内における光の反射を極小化するべく、暗く着色可能である。好ましくは、計測装置１０は、装置１０が高度な携帯性を有すると共に、図１に示されているように計測位置に容易に配置及び取り付けできるように、小型のサイズ及び形状を有している。例えば、図１〜図３に示されている実施例においては、装置１０は、長さが３６０ｍｍ（約１４．２インチ）、高さが約９８ｍｍ（約３．９インチ）、そして、幅が約７２ｍｍ（約２．８インチ）であってよい。この実施例１０においては、アパーチャ１８は、約５８ｍｍｘ約５８ｍｍ（約２．３インチｘ２．３インチ）であってよい。このアパーチャ１８は、コーン又はトウモロコシの穀粒などの装置１０によって計測可能である大きな種子の平均直径を幅及び深さにおいて約１０倍上回っており、且つ、カノーラの種子などの装置１０によって計測可能である小さな種子の平均直径を幅及び深さにおいて約６０倍上回っている。
【００１４】
図２及び図３に示されているように、光源３２が、アパーチャ１８の第１側部に提供されている。光源３２は、図３に示されているように、実質的にアパーチャ１８の幅全体にわたって延長可能である。光源３２は、後程詳述するように、種子がアパーチャ１８を通過する際に、予め選択されたサイズの種子を装置１０が十分に検出できるようにするのに十分な光を供給する能力を有する任意の光源であってよい。図１及び図２に示されている計測装置１０の実施例において使用するのに適した光源３２の１つが、Ｋｉｎｇｂｒｉｇｈｔ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ社から入手可能である２２個のＫｉｎｇｂｒｉｇｈｔ ｒｅｄ ｕｌｔｒａ ｂｒｉｇｈｔ ＬＥＤランプ（部品番号：Ｌ−９３４ＳＲＣ−Ｇ）のアレイである。
【００１５】
画像検知装置４０が、光源３２の反対側であるハウジング１２の一端の近傍に提供されている。画像検知装置４０は、粒子がアパーチャ１８を通過する際に粒子の画像を十分に検知可能である任意のフォトセンサであってよい。尚、本明細書において使用されている「画像」という用語は、物体の光学的又は視覚的な表現又は複製を意味しており、且つ、これは、例えば、物体のシルエットを包含可能である、図２及び図３に示されている実施例１０においては、画像検知装置４０は、電荷結合素子（Ｃｈａｒｇｅ−Ｃｏｕｐｌｅ Ｄｅｖｉｃｅ：ＣＣＤ）である。ＣＣＤセンサ４０は、光を電荷に変換する複数の光感知半導体要素（ピクセル）を含んでいる。計測装置１０内において使用するべく利用可能な１つのＣＣＤは、Ｔｅｘａｓ Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ， Ｉｎｃ．社から入手可能なＴＡＯＳ Ｍｏｄｅｌ Ｎｏ． ＴＳＬ２０２である。ＴＳＬ２０２ ＣＣＤは、２つの６４ピクセルアレイを具備している。
【００１６】
ＣＣＤの光検知動作が図４に示されている。ピクセル４２上に入射した光が光電流を生成し、次いで、この光電流が、ピクセル４２と関連する能動積算回路４３によって積算される。積算期間には、サンプリングコンデンサがアナログスイッチを通じて積算器の出力に接続している。それぞれのピクセル４２、４４、４６、４８に蓄積される電荷の量は、そのピクセル上の光強度及び積算時間に直接比例している。ＣＣＤセンサ４０内のシフトレジスタ４７は、蓄積された電荷を、それぞれのピクセル４２、４、４６、４８から隣接するピクセルに対して規則的なクロックインターバルで連続的にシフトさせている。このセンサからアナログ信号を抽出するには、レジスタ４３全体を判読するために１２８個のクロックインパルスが必要である。従って、電荷のそれぞれの「パケット」がアレイ４０のシリコン基板に沿って伝達されている。入力信号がアレイ内の最後のピクセル４８に到達すると、電荷が電圧に変換され、出力増幅器５０によって増幅されることにより、出力アナログ信号「ＡＯ」が生成されることになる。
【００１７】
図２及び図３に示されている実施例１０においては、対物レンズ２４が、アパーチャ１８内の計測エリアからの光画像を画像センサ４０上に投影している。対物レンズ２４の位置は、画像センサ４０との関係において固定されている。アパーチャ１８内の物体は、光源からの光を遮断し、光が画像センサ４０に到達することを妨げる。従って、物体は、画像センサにとって、暗い形状又は影として表れる。一実施例１０においては、レンズ２４は、１３５ｍｍの焦点距離を具備したＪｏｓ． Ｓｃｈｎｅｉｄｅｒ Ｏｐｔｉｓｃｈｅ Ｗｅｒｋｅ ＧｍｂＨ社によるＣｏｍｐｏｎｏｎ−Ｓ ５，６／１３５レンズであってよい。
【００１８】
対物レンズ２４に進入する前に、光源３２からの光は、幅の狭いスリット１９を通じて第１ミラー２０に伝播し、次いで、第１ミラー２０と、これに対向している第２ミラー２２によって生成された拡張光学経路を横断することになる。第１及び第２ミラー２０、２２は、協働して光学距離拡張器を形成している。図示の実施例１０においては、２つのミラー２０、２２は、実質的に互いに平行であると共に、垂直から約３度だけ傾斜している。第２ミラー２２は、第１ミラー２０のわずかに下方に配置されている。好ましくは、ミラー２０、２２は、その内部面に（即ち、もう１つのミラー２０、２２に対向しているその面に）反射層を具備している。ミラー２０、２２の隣接している面に反射層を具備することにより、そうでない場合にミラー２０、２２のガラス基板による屈折から発生し得る画像の歪みを防止している。図示の実施例１０においては、これらのミラーは、高さが約６５ｍｍであり、幅が約３９．５ｍｍであって、厚さが約２ｍｍである。この構成においては、光源３２からの光は、第１ミラー２０の反射表面に入射し、第２ミラー２２の反射表面に向かって反射されることになる。光は、光が第２ミラー２２の下部から反射され、第１ミラー２０の下を通過して対物レンズ２４に進入するまで、ミラー２０、２２の間において前後に反復反射される。図示の実施例１０においては、光は、レンズ２４に進む前に、約１８回にわたって前後に反射されている。この結果、アパーチャ１８の中心とレンズ２４の間の有効な光学距離が実質的に増大している。
【００１９】
図１及び図２に示されている実施例１０においては、レンズ２４とアパーチャ１８の中心の間の物理的距離Ｌ1は、約７５ｍｍ（約３インチ）である。しかしながら、光が、アパーチャ１８の中心から、ミラー２０、２２の間を経て、レンズ２４までに伝播しなければならない合計光学距離は、約７０３ｍｍ（約２７．７インチ）である。従って、図示の実施例においては、レンズ２４とアパーチャ１８の中心の間の光学距離は、レンズ２４とアパーチャ１８の間の実際の物理的な距離Ｌ1よりも約９〜１０倍だけ大きくなっている。その他の実施例においては、アパーチャ１８とレンズ２４の間の実際の距離に対する有効な光学距離の比率は、約５：１〜約２０：１であってよい。更に別の実施例においては、この比率は、約７：１〜約１５：１、或いは、更に好ましくは、約８：１〜約１２：１であってよい。粒子又は種子の鮮やかな画像を取得すると共に、これにより、粒子又は種子をカウントする小型の装置１０の能力に対するこの拡張された光学距離の重要性については、後述する。この有効な光学距離の増大は、相対的に幅の広い有効な画像生成領域に対応するべく、スリット１９の幅の対応した増大を必要としている。又、有効な光学距離の増大は、光源３２の強度の対応した増大をも必要としている。有効な光学距離は、ミラー２０、２２の間の距離及び／又はミラー２０、２２の傾きを変化させることにより、変更可能である。
【００２０】
計測装置１０は、電子回路モジュール３０を更に含んでいる。図５ａに示されているように、電子回路モジュール３０は、アナログ／デジタルコンバータ５０、ハードウェアフィルタ６０、及びマイクロプロセッサ又はマイクロコントローラ７０を含んでいる。画像センサ４０からのアナログ出力信号「ＡＯ」は、コンバータ５０に入力されている。コンバータ５０は、このアナログ信号を増幅し、比較器段にアナログ信号を通過させることにより、フィルタ６０に送信される対応したデジタル信号（ＲＥＳ）を生成している。フィルタ６０は、このデジタル信号から（後述するように）特定のデータを除去し、最終的なフィルタリング済みの最終信号（ＯＵＴ）をマイクロコントローラ７０に対して入力している。図示の実施例３０においては、コントローラ７０は、クロック７２、カウンタ７４、及びデータ出力ポート７６を含んでいる。出力ポート７６は、例えば、データをリモートコンピュータ８０に伝達するためのＲＳ２３２シリアルポートであってよい。或いは、この代わりに、出力ポート７６は、データをリモートの無線受信機又はこれに類似したものに伝達するための無線送信ユニットであってもよい。コントローラ７０は、画像センサ４０の動作を制御すると共に、センサ４０、アナログコンバータ５０、及びフィルタ６０に対してクロックを提供している。
【００２１】
アナログコンバータユニット５０が図５ｂに示されている。ＣＣＤセンサ４０からのアナログ信号ＡＯは、増幅器５１を通過している。増幅された信号は、アナログ比較器５２に伝達され、閾値電圧レベルに照らして比較されることにより、２つのレベル（光及び影）のみを有する信号を定義している。アナログ比較器５２は、アナログ信号ＡＯをデジタル信号に変換し、次いで、これが、Ｄタイプのフリップフロップデジタルロジック回路５４によって処理されている。ＣＣＤセンサ４０のアーキテクチャに固有のスパイクを除去するべく、比較器５２からの出力信号をＣＣＤセンサ４０のシステムクロックと同期させている。安定したレベルにおけるＣＣＤセンサ４０からの信号ＡＯの計測を実現するには、わずかな時間遅延が必要である。フリップフロップ装置５４の出力信号ＲＥＳ５６は、（図６に示されているものと同様に）走査されたすべての種子を表している。
【００２２】
フリップフロップ装置５４の出力信号ＲＥＳ５６は、ハードウェアフィルタ段を通過している。図５ｃを参照すれば、信号ＲＥＳ５６は、信号ＣＬＫ７２によって駆動されているフリーランニングカウンタ７４をリセットするべく使用されている。ＬＯＷレベル信号がカウンタ７４のＲＥＳピンに印加されるたびに、カウンタ７４は、リセットし、カウント動作を停止する。ＨＩＧＨレベル信号がＲＥＳピンにおいて受信された際には、カウンタ７４は、ゼロからカウント動作を開始し、信号ＲＥＳ５６がＬＯＷレベルに切り替わって戻るまで継続する。カウンタ値「Ｂ」がＤＡＴＡ「Ａ」と同一の値に到達した際に、アイデンティティ比較器５９が、正確に１クロックサイクルにおいて信号「ＯＵＴ」５３を生成する。カウンタ値が、Ａ＝Ｂとなる前にリセットされた場合には、信号は生成されない。ＤＡＴＡ「Ａ」がゼロに設定された場合には、特殊な状態が発生する。この場合には、信号ＲＥＳ５６と信号ＯＵＴ５３が、まったく同一のものとなり、フィルタリングが結果的に提供されなくなる。
【００２３】
図６は、画像センサ１００からのデータ信号の電子回路モジュール３０による処理を示している。アナログ信号１００は、画像センサ４０によってキャプチャされた「フレーム」における代表的な出力信号ＡＯを表している。フレームとは、アパーチャ１８の幅全体の光学的な走査のことである。アナログ信号１００は、２つの相対的に強い画像パルス１０２、１０６と、２つの相対的に弱い画像パルス１０４、１０８を含んでいる。これらのパルスは、遮断物体に起因した走査の際の画像センサ４０に入射する光の不存在を示しており、従って、図６に示されているアナログ信号１００には、反転されたパルスとして表れている。画像パルスの強度は、パルスの幅（クロック７２によって計測される持続時間）、並びに、反転されたパルスの振幅（キャプチャされた画像の暗さ）によって示されている。相対的に強い画像パルス１０２、１０６は、大きなサイズを有する２つの粒子又は種子のキャプチャ画像を表しており、相対的に弱い画像１０４、１０８は、埃の粒子などの２つの相対的に小さな物体のキャプチャ画像を表している。アナログデータ信号１００がアナログ／デジタルコンバータ５０を通過すると、デジタル化信号３００が結果的に得られることになる。図６に示されているように、デジタル化信号３００は、既定の閾値振幅を下回るアナログ信号１００内の反転パルス１０２、１０４、１０６、及び１０８に対応した４つの方形パルス３０２、３０４、３０６、３０８を含んでいる。アナログ信号１００と同様に、デジタル化信号３００は、相対的に大きな粒子又は種子を表す２つの相対的に強い（幅の広い）パルス３０２、３０６と、小さな埃の粒子を表す２つの相対的に弱い（幅の狭い）パルス３０４、３０８を含んでいる。
【００２４】
デジタル化信号３００を積算すると、増大するカウンタ値４００が結果的に得られることになり、これは、デジタル化信号３００内の相対的に幅の広い方形パルス３０２、３０６のエリアに対応すると共に、相対的に大きな粒子又は種子を表している２つの大きな鋸歯ピーク４０２、４０６と、相対的に小さな埃粒子を表している相対的に幅の狭い方形パルス３０４、３０８のエリアに対応した２つの相対的に小さな鋸歯ピーク４０４、４０８を含んでいる。フィルタ６０は、相対的に小さなピークが、予め選択されている最小パルス幅を満足又は超過していないため、これらのピーク４０４、４０８を除去し、最終的な出力信号又はカウント信号５００を生成している。最終的な出力信号５００は、積算信号４００内の２つの大きなピーク４０２、４０６に対応した２つの方形パルス５０２、５０６を含んでいる。最終的な出力信号５００は、フィルタ６０からカウンタ７４に送信されている。或いは、この代わりに、フィルタ６０の予め選択されたフィルタ幅が、ゼロに設定されていた場合には、デジタル信号３０２がマイクロプロセッサ７０に直接伝達されることになり、装置１０は、２つの種子ではなく４つの種子をカウントすることになろう。従って、フィルタ６０が存在しない場合には、埃の粒子などの小さな物体が種子と共にカウントされることになろう。フィルタリングの後の信号ＯＵＴ５００内の立ち上がり及び立ち下がりエッジのそれぞれのシーケンスは、走査内の種子を表しており、これらをマイクロコントローラ７０内の内部カウンタ５８によってカウント可能である。
【００２５】
図７は、粒子がアパーチャ１８を通過する際に種子などの粒子を計測装置１０によって走査及びカウントする方法を示している。図７においては、それぞれのライン６００〜６０５は、２つの種子６１０、６２０及び埃の１つの粒子６３０がアパーチャ１８を実質的に同時に通過した際の画像センサ４０によるアパーチャ１８の一連の連続的な光学走査の中の１つに対応した信号を表している。第１の走査（「ｎ」）においては、画像センサ４０は、物体の画像を検出しておらず、カウンタに送信される最終的な出力信号６００も、カウント可能なパルスを含んでいフラットなラインである。第２の走査（「ｎ＋１」）においては、画像センサ４０は、アパーチャの第１走査の完了以降にセンサ４０の視野内に落下してきた埃の粒子６３０を検出している。第２の走査の結果、単一の幅の狭い方形パルスを含むデジタル化信号６０１ａと、最終的なフラットな出力信号６０１ｂが生成されている。埃の粒子６３０に対応したデジタル化信号６０１ａ内の単一方形パルスは、種子を表すには幅が狭すぎると判定され、従って、最終的な信号６０１ｂからフィルタリングによって除去されているため、出力信号６０１ｂは、カウント可能なパルスを含んではいない。
【００２６】
第３走査（「ｎ＋２」）においては、画像センサ４０は、デジタル化信号６０２ａによって示されているように、第１種子６１０の狭い底部部分と第２種子６２０の幅の広い部分を検出している。デジタル化信号６０２ａ内の第１種子６１０に対応した方形パルスの相対的に狭い幅に起因し、このパルスは、最終的な信号６０２ｂからフィルタリングによって除去されている。従って、最終的な信号６０２ｂは、第２種子６２０に関連した単一のパルスのみを含んでいる。第４走査（「ｎ＋３」）においては、画像センサ４０は、第１及び第２種子６１０、６２０の両方の幅の広い部分を検出している。従って、デジタル化信号６０３ａのフィルタリングの後に、最終的な信号６０３ｂは、２つの種子６１０、６２０と関連した２つのカウントパルスを含んでいる。第５の走査（「ｎ＋４」）の時点においては、第２種子は、画像センサ４０の目視線を既に通過しており、従って、センサ４０は、第１種子６１０の幅の広い部分を検出するのみである。従って、デジタル化信号６０４ａ及び最終的な信号６０４ｂは、それぞれ、第１種子と関連した単一の方形パルスを含んでいる。最後の走査（「ｎ＋５」）の時点においては、両方の種子がセンサ４０の目視線を既に通過しており、最終的な信号６０５は、カウントパルスを含んでいない。次の表１は、図７に示されている最終的な信号６００、６０１ｂ、６０２ｂ、６０３ｂ、６０４ｂ、及び６０５によって表されている画像データをコントローラ７０及びカウンタ７４によって分析することにより、データによって示されている種子の数を判定する方法を示している。
【００２７】
【表１】
【００２８】
表１において、「種子＃１のカウント」及び「種子＃２のカウント」というラベルが付与されている列は、それぞれの光学走査「ｎ」〜「ｎ＋５」の最終的なカウント信号における、それぞれ、第１種子６１０及び第２種子６２０のカウントパルスの存在又は不存在を示している。表１のカウンタコントローラ値は、それぞれの走査のそれぞれの最終的なカウント信号内に含まれているカウントパルスの合計数（即ち、「種子＃１のカウント」及び「種子＃２のカウント」列の合計）である。マイクロプロセッサコントローラ７０は、表１の最後の列内に示されているそれぞれの走査における最終的な結果を判定している。それぞれの光学走査ごとに、プロセッサ７０は、現在の走査における現在のコントローラカウンタ値を直前の走査におけるコントローラカウンタ値から減算している。この最終結果が正の数（＞０）である場合に、その最終結果を確定した種子のカウントとして報告している。表１に示されているように、図７に示されている一連の走査は、結果的に「２」という最終的な種子のカウントを正しくもたらしている。
【００２９】
種子のカウントデータは、データストリームとしてシステムマイクロプロセッサ７０からリモートコンピュータ８０に報告されており、このデータストリームは、次のようなフォーマットを有することが可能である。
【００３０】
ＴＩＭＥ ＣＯＵＮＴＳ／ＳＣＡＮ ＣＡＣＨＥ＼ｒ＼ｎ 新しい計測の開始
０００２４Ａ９Ｃ ０１ ００＼ｒ＼ｎ 第１種子の検出
０００２４ＡＥＦ ０１ ００＼ｒ＼ｎ 第２種子
０００２４Ｂ４２ ０２ ００＼ｒ＼ｎ 同一走査において２つの種子
０００２４Ｂ９６ ０１ ０２＼ｒ＼ｎ ２つの更なるデータセットの判読を要する
【００３１】
上記のデータストリーム内において、時間データは、計測の開始以降の絶対時間に対応した３２ビット値（ＨＥＸフォーマット）である。従って、キャプチャされたデータは、種子の流れ内の連続した種子の間の経過時間インターバルを含んでおり、これを処理することにより、平均頻度及び統計頻度分布などの種子の頻度の様々な側面を算出可能である。時間分解能は、約４００マイクロ秒であってよく、これは、約２５００Ｈｚの画像センサの走査レートに等しい。この走査レートにおいては、アパーチャ１８によって定義されている計測エリアが２５００回／秒で継続的に走査されることになる。この高頻度の走査レートにより、装置１０は、高流速で流れる種子又はその他の粒子を効果的に計測する能力を有することができる。一実施例においては、マイクロプロセッサ７０は、データをリモートコンピュータ８０に供給し、このリモートコンピュータ８０が、データの統計的評価を含む計測パラメータの報告を生成している。
【００３２】
前述の例に示されているように、装置１０は、アパーチャ１８を実質的に同時に通過する複数の粒子及び種子をカウントする能力を有している。従って、装置１０は、播種装置から播かれる種子を正確にカウント可能である（このような装置は、少なくとも時折、一度に複数の隣接する種子（所謂、「ダブル」である）を供給可能である）。従って、装置１０は、所与の期間内に装置によって播種される種子の数と総重量を計測するのに特に有用である。又、装置１０は、従来の播種装置の播種精度に対する様々な種子処理法の影響を評価するのにも特に有用である。更には、装置１０は、当業者には周知のように、フィンガピックアップ型播種装置のスプリング張力、真空型播種装置の真空レベル及びスクレーパの位置、播種精度に対する駆動速度の影響、及びこれらに類似したものなどの特定の種子タイプ及び処理方式における播種装置用の最適なハードウェア設定を判定するのにも有用である。
【００３３】
対向しているミラー２０、２２によって生成されている拡張された光学距離は、アパーチャ１８内の粒子の位置とは無関係に、アパーチャ１８を通過する粒子又は種子を検出する装置１０の能力を向上させることができる。この効果を示すべく、前述の計測装置１０と類似した、但し、ミラー２０及びミラー２２を有していない小型の光学計測装置６００が図８ａ〜図８ｃに示されている。本装置１０と同様に、装置６００は、計測エリアを定義しているアパーチャ６１８、光源６３２、レンズ６２４、及び画像センサ６４０を含んでいる。レンズ６２４は、アパーチャ６１８の中心から距離Ｌ2において固定されており、画像センサ６４０は、レンズ６２４から距離Ｌ1において固定されている。レンズ６２４及び距離Ｌ1及びＬ2は、アパーチャ６１８の中心を通過する種子６９０の正確に合焦された画像が画像センサ６４０上に投影されるように、選択されている。従って、図８ａに示されているように、種子又は粒子６９０が実質的にアパーチャ６１８の中心を通過した際には、種子又は粒子６９０の投影された画像に、ぼやけは実質的に存在していない。
【００３４】
図８ｂは、種子又は粒子６９２が、実質的にアパーチャ６１８の中心よりもレンズ６２４に近いアパーチャ６１８の前方部分を通過した際の結果を示している。種子又は粒子６９２が実質的にレンズに近いため、種子又は粒子の画像は、画像センサ６４０の前方の距離ａのポイントに投影されることになる。この結果、画像センサ６４０に到達した画像は、合焦されてはおらず、大量のぼやけを含んでいる。図８ｃに示されているように、種子又は粒子６９４が、実質的にアパーチャ６１８の中心よりもレンズ６２４から遠いアパーチャ６１８の後方の部分を通過した場合にも、類似の結果が発生することになる。この場合には、種子又は粒子６９４の画像は、画像センサ６４０の背後の距離「ｄ」のポイントに投影される。この結果、画像センサ６４０に到達した画像は、この場合にも、合焦されてはおらず、大量のぼやけを含んでいる。種子の画像が過剰にぼやけている場合には、前述の装置１０などのシステムは、ぼやけた画像を種子として認識することができない。写真用語によれば、装置６００は、非常に浅い被写界深度を有している。
【００３５】
図９ａ及び図９ｂは、検知された画像の品質に対する被写界深度の影響と、画像センサ４０によって生成される対応したアナログ信号に対する結果的な影響を示している。図９ａは、前述の図８ａ〜図８ｃに示されているものに類似した小型の光学計測装置６００における走査の結果を示している。このような装置６００においては、種子７１０がアパーチャ６１８の中心を通過した際には、種子７１０の画像は、画像センサ６４０上に鮮やかに合焦され、対応した大きな振幅のパルス７２２が、画像センサのアナログ出力信号７２０を結果的にもたらすことになる。しかしながら、種子７１２が、実質的にアパーチャ６１８の中心の背後を通過したり、或いは、種子７１４が、実質的にアパーチャ６１８の中心の前方を通過した際には、画像センサ６４０上に投影される画像は、相当にぼやけることになる。この結果、画像センサのアナログ出力信号７２０内の対応したパルス７２４、７２６は、閾値振幅Ａ0を下回る相対的に小さな振幅を有している。従って、合焦されていない種子７１２及び７１４は、カウントされないことになる。
【００３６】
対照的に、前述の対向しているミラー２０、２２によって生成されているアパーチャ１８とレンズ２４の間の拡張された光学距離により、本発明による装置１０は、広いアパーチャ１８内の粒子及び種子の位置とは無関係に、粒子又は種子を正確にカウントする能力を有している。拡張された光学距離により、アパーチャ内の粒子又は種子の位置とは無関係に、粒子又は種子の非常に鮮やかな画像が、レンズ２４によって画像センサ４０上に投影されることになる。換言すれば、アパーチャ１８内のどこかに位置している物体の画像が非常に鮮やかな画像として画像センサ４０上に投影されるように、ミラー２０、２２は協働して向上した被写界深度を提供しているのである。図９ｂに示されているように、種子８１０がアパーチャ１８の中心を通過した場合にも、種子８１２がアパーチャ１８の後方の部分を通過した場合にも、或いは、種子８１４がアパーチャ１８の前方の部分を通過した場合にも、結果的に得られるアナログ出力信号８２０は、それぞれが閾値振幅Ａ0を超過している対応した大きな振幅のパルス８２２、８２４、８２６を含んでいる。換言すれば、３つの種子の画像内にぼやけが実質的に存在していないということに起因し、画像センサ４０によって生成されるすべての３つのパルスの振幅は、同様に強力なものになっている。従って、装置１０は、すべての３つの種子８１０、８１２、８１４を正確にカウント可能である。従って、装置１０は、長さが短く、且つ、システムのオプティクス２４が、固定されており、調整不能ではあるが、装置１０は、カウントの精度に対して影響を及ぼすことなしに（又は、ほとんど影響を及ぼすことなしに）、画像生成対象の物体とレンズ２４の間の距離の大きな変動に対して対応可能である。例えば、前述の実施例１０においては、レンズ２４に対する種子の近さは、種子がアパーチャ１８を通過する際に種子を検出する装置の能力に対して悪影響を及ぼすことなしに、±２９ｍｍだけ変化可能である。換言すれば、約１ｍｍの平均直径を有する種子の場合には、装置１０は、最大で種子の直径の約６０倍の種子の位置の合計変動に対して対応可能である。従って、装置１０は、種子の流れ内の種子を正確にカウントする能力を有しており、この場合に、種子の流れは、最大で平均種子直径の約６０倍の流れの幅及び流れの深さを有している。
【００３７】
前述のものなどの小型のカウント装置１０は、ハイレベルな精度によって種子又は粒子の分散した流れ内の種子又は粒子をカウントする能力を有している。例えば、このような装置１０は、少なくとも、約９９パーセント、高い場合には、約９９．９パーセントものカウント精度を具備していると考えられる。装置１０は、粒子の流れ内において広く分散した粒子に対して対応可能であるため、装置によって粒子を受け取る前に、分散した流れを狭い流れに集中させる必要がない。例えば、装置１０を使用して従来の播種装置の播種頻度を計測する場合には、播種装置からの種子の流れをまず集中させる（或いは、さもなければ圧縮する）ことなしに、装置の出力をアパーチャ１８を通じて直接供給可能である。
【００３８】
図１０に示されているように、本発明は、種子のサイズを大きく上回る流れの深さを有する離隔した種子の流れの特性を計測する方法８００をも含んでいる。本方法は、大きな深さを具備した計測エリアに種子の流れを通過させる段階８１０を含んでいる。好ましくは、計測エリアの深さは、流れの深さ以上であり、且つ、種子直径の最大で約５８倍であってよい。本方法８００は、種子が計測エリアを通過する際に、計測エリア内の種子の位置とは無関係に、種子の流れ内の実質的にすべての種子の非常に鮮やかな画像をキャプチャする段階８２０を更に含んでいる。従って、種子が流れの中心に位置している場合にも、流れの前方又は後方のエッジに沿って又はこれらの近くに位置している場合にも、流れ内の実質的にすべての種子の非常に鮮やかな画像が得られることになる。最後に、キャプチャされた種子画像を分析することにより、種子の流れの少なくとも１つの特性を判定している８３０。判定される特性は、例えば、種子の流れ内の種子の量又は種子の流れ内の連続した粒子の間の期間又は頻度であってよい。種子の流れが少なくとも２つの異なるサイズの種子及び／又はその他の物体を含んでいる際には、判定される特性は、例えば、特定のサイズを上回る種子又は物体の数であってよい。
【００３９】
システム１０及び方法８００は、直径が約１ｍｍ以上である粒子の流れを計測する能力を有している。従って、装置１０及び方法８００は、カノーラの種子などの小さな種子又はコーン又はトウモロコシの穀粒などの相対的に大きな種子のカウント及び頻度を計測するのに効果的である。
【００４０】
本発明の様々な実施例に関する以上の説明は、本発明の様々な態様を説明及び例示することを意図したものであって、本発明の範囲をこれらに限定することを意図したものではない。
【００４１】
当業者であれば、本発明を逸脱することなしに、記述されている実施例に対して様々な変更及び変形を実施可能であることを認識するであろう。例えば、本装置及び方法は、移動する種子の特性を計測するという観点において説明されているが、本装置は、その他の物体又は粒子の流れを計測するべく使用することも可能である。そのようなすべての変更及び変形は、添付の請求項の範囲に属することを意図するものである。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】代表的な播種装置からの種子の分配を計測する際の本発明による計測装置の一実施例の透視図である。
【図２】図３のライン２−２に沿って取得された図１に示されている本発明による計測装置の一実施例の正面断面図である。
【図３】図２のライン３−３に沿って取得された図１及び図２の計測装置の平面断面図である。
【図４】図１〜図３の計測装置内において使用される電荷結合素子（Ｃｈａｒｇｅ−Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ：ＣＣＤ）の機能を示すブロックダイアグラムである。
【図５ａ】図１〜図３の計測装置の様々な電子的部分の間の関係を示すブロックダイアグラムである。
【図５ｂ】図１〜図３の計測装置内において使用される電子的アナログ装置の詳細を示すブロックダイアグラムである。
【図５ｃ】図１〜図３の計測装置内において使用される電子的フィルタ及びカウンタの詳細を示すブロックダイアグラムである。
【図６】種子のカウント及びタイミング／頻度を判定するための図１〜図３の計測装置による画像データの分析のグラフィカルな表現である。
【図７】図１〜図３の計測装置による一連の光学的な走査のグラフィカルな表現である。
【図８ａ−ｃ】図１〜図３のものに類似しているが、浅い被写界深度を具備した計測装置の概略表現である。
【図９ａ−ｂ】図１〜図３の装置内の向上した被写界深度のグラフィカルな表現である。
【図１０】本発明による種子の頻度及びカウントを計測する方法の一実施例を示すフローチャートである。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）画像生成領域と、
（ｂ）画像検知装置と、
（ｃ）前記画像生成領域と前記画像検知装置の間のレンズと、
（ｄ）前記画像生成領域と前記レンズの間の光学距離拡張器であって、これにより、前記画像生成領域と前記レンズの間の有効な光学距離が、前記画像生成領域と前記レンズの間の物理的な距離の少なくとも約５倍になっている、光学距離拡張器と、
を備える種子カウントシステム。
【請求項２】
前記光学距離拡張器は、複数のミラーを備える請求項１記載の種子カウントシステム。
【請求項３】
前記光学距離拡張器は、実質的に平行なミラーのペアを備える請求項１又は２記載の種子カウントシステム。
【請求項４】
前記画像検知装置は、電荷結合素子を備える請求項１〜３の中のいずれか一項記載の種子カウントシステム。
【請求項５】
前記画像生成領域は、前記システムによるカウントの対象である種子の直径の約１０〜６０倍の深さを有する請求項１〜４の中のいずれか一項記載の種子カウントシステム。
【請求項６】
（ａ）その内部にアパーチャを有するハウジングと、
（ｂ）前記アパーチャの第１側部に配置されている画像センサと、
（ｃ）前記第１側部の反対側であるアパーチャの第２側部上の光源と、
（ｄ）前記光源からの光を前記画像センサ上に合焦するレンズであって、前記アパーチャから第１距離に配置されているレンズと、
（ｅ）前記レンズと前記アパーチャの間の対向するミラーのペアと、
を有し、
（ｆ）これにより、前記光源から放射された光は、前記光源からの光が、前記レンズに到達する前に、前記第１距離の少なくとも約５倍である距離を伝播しなければならないように、前記ミラーの間において反射される、粒子頻度計測装置。
【請求項７】
前記画像センサは、電荷結合素子を備える請求項６記載の装置。
【請求項８】
前記対向しているミラーのペアは、実質的に互いに平行である請求項６又は７記載の装置。
【請求項９】
前記対向しているミラーのペアは、対向しているミラー面のペアを含んでおり、この場合に、前記対向しているミラー面のそれぞれは、その上部にミラーリング材料を備える請求項６〜８の中のいずれか一項記載の装置。
【請求項１０】
前記画像センサからのアナログ信号をデジタル信号に変換するアナログ／デジタルコンバータを更に備える請求項６〜９の中のいずれか一項記載の装置。
【請求項１１】
前記デジタル信号をフィルタリングするフィルタを更に備える請求項１０記載の装置。
【請求項１２】
前記画像センサによって検知された画像をカウントするべく構成されたマイクロプロセッサを更に有する請求項６〜１１の中のいずれか一項記載の装置。
【請求項１３】
前記画像センサによって取得された連続した画像の間の経過期間を計測するべく構成されたマイクロプロセッサを更に備える請求項６〜１２の中のいずれか一項記載の装置。
【請求項１４】
粒子のサイズの約１０〜６０倍である流れの深さを有する離隔した前記粒子の流れの特性を計測する方法において、
（ａ）前記流れの深さ以上である深さを有する計測エリアに前記粒子の流れを通過させる段階と、
（ｂ）前記粒子の流れが前記アパーチャを通過する際に、前記計測エリア内における粒子の位置とは無関係に、前記粒子の流れ内の実質的にすべての粒子の実質的に合焦された画像をキャプチャする段階と、
（ｃ）前記キャプチャされた粒子の画像を分析して前記粒子の流れの少なくとも１つの特性を判定する段階と、
を有する方法。
【請求項１５】
前記特性は、前記粒子の流れ内の粒子の量である請求項１４記載の方法。
【請求項１６】
前記特性は、前記粒子の流れ内の連続した粒子の間における期間である請求項１４又は１５記載の方法。
【請求項１７】
前記流れ内のそれぞれの粒子の前記画像のサイズ及びシャープネスを表すデジタル信号を生成する段階を更に有しており、この場合に、前記キャプチャされた粒子の画像を分析する段階は、前記デジタル信号を分析する段階を有する請求項１４〜１５の中のいずれか一項記載の方法。
【請求項１８】
前記粒子の流れは、少なくとも２つの異なるサイズを有する粒子の流れを備えており、前記特性は、予め選択されたサイズ以上の前記流れ内の粒子の数である請求項１４〜１７の中のいずれか一項記載の方法。
【請求項１９】
前記粒子の流れは、少なくとも２つの異なるサイズを有する粒子の流れを備えており、前記特性は、予め選択されたサイズ以上の前記流れ内の粒子の頻度である請求項１４〜１８の中のいずれか一項記載の方法。
【請求項２０】
流れの平均軸を有する実質的に分散した流れ内の種子の非常に鮮やかな画像を取得する手段を備える小型の種子カウント装置において、
前記手段は、前記流れの軸からの種子の距離とは無関係に、前記流れ内のそれぞれの種子の非常に鮮やかな画像を取得する能力を有する、小型の種子カウント装置。
【請求項２１】
非常に鮮やかな画像を取得する前記手段は、
（ａ）画像センサと、
（ｂ）種子の画像を前記画像センサ上に合焦するレンズであって、前記レンズは、前記画像センサと前記流れの平均軸の間に配置されており、前記レンズは、前記流れの平均軸から第１距離にある、レンズと、
（ｃ）前記第１距離の少なくとも約５倍である前記流れの平均軸と前記レンズの間の有効な光学距離を提供するべく構成された複数のミラーと、
を備える請求項２０記載の小型の種子カウント装置。
【請求項２２】
前記画像センサは、電荷結合素子を備える請求項２１記載の小型の種子カウント装置。
【請求項２３】
予め選択されたサイズ以上である粒子を選択的にカウントする手段を更に備える請求項２０〜２２の中のいずれか一項記載の小型の種子カウント装置。
【請求項２４】
選択的にカウントする前記手段は、
（ａ）アナログ画像データ信号をデジタル画像信号に変換するアナログ／デジタルコンバータであって、前記デジタル画像信号は、画像生成された粒子のサイズを表している、アナログ／デジタルコンバータと、
（ｂ）前記デジタル信号をスクリーニングすることにより、前記予め選択された粒子サイズを下回るサイズの粒子を表すデータを除去するフィルタと、
を備える請求項２３記載の種子カウント装置。
【請求項２５】
種子の実質的に分散した流れ内の種子の非常に鮮やかな画像を取得する前記手段は、約１０〜２０種子／秒の速度で移動する種子の流れ内のそれぞれの種子の非常に鮮やかな画像を取得する能力を有する請求項２０〜２４の中のいずれか一項記載の種子カウント装置。
【請求項１】
（ａ）画像生成領域と、
（ｂ）画像検知装置と、
（ｃ）前記画像生成領域と前記画像検知装置の間のレンズと、
（ｄ）前記画像生成領域と前記レンズの間の光学距離拡張器であって、これにより、前記画像生成領域と前記レンズの間の有効な光学距離が、前記画像生成領域と前記レンズの間の物理的な距離の少なくとも約５倍になっている、光学距離拡張器と、
を備える種子カウントシステム。
【請求項２】
前記光学距離拡張器は、複数のミラーを備える請求項１記載の種子カウントシステム。
【請求項３】
前記光学距離拡張器は、実質的に平行なミラーのペアを備える請求項１又は２記載の種子カウントシステム。
【請求項４】
前記画像検知装置は、電荷結合素子を備える請求項１〜３の中のいずれか一項記載の種子カウントシステム。
【請求項５】
前記画像生成領域は、前記システムによるカウントの対象である種子の直径の約１０〜６０倍の深さを有する請求項１〜４の中のいずれか一項記載の種子カウントシステム。
【請求項６】
（ａ）その内部にアパーチャを有するハウジングと、
（ｂ）前記アパーチャの第１側部に配置されている画像センサと、
（ｃ）前記第１側部の反対側であるアパーチャの第２側部上の光源と、
（ｄ）前記光源からの光を前記画像センサ上に合焦するレンズであって、前記アパーチャから第１距離に配置されているレンズと、
（ｅ）前記レンズと前記アパーチャの間の対向するミラーのペアと、
を有し、
（ｆ）これにより、前記光源から放射された光は、前記光源からの光が、前記レンズに到達する前に、前記第１距離の少なくとも約５倍である距離を伝播しなければならないように、前記ミラーの間において反射される、粒子頻度計測装置。
【請求項７】
前記画像センサは、電荷結合素子を備える請求項６記載の装置。
【請求項８】
前記対向しているミラーのペアは、実質的に互いに平行である請求項６又は７記載の装置。
【請求項９】
前記対向しているミラーのペアは、対向しているミラー面のペアを含んでおり、この場合に、前記対向しているミラー面のそれぞれは、その上部にミラーリング材料を備える請求項６〜８の中のいずれか一項記載の装置。
【請求項１０】
前記画像センサからのアナログ信号をデジタル信号に変換するアナログ／デジタルコンバータを更に備える請求項６〜９の中のいずれか一項記載の装置。
【請求項１１】
前記デジタル信号をフィルタリングするフィルタを更に備える請求項１０記載の装置。
【請求項１２】
前記画像センサによって検知された画像をカウントするべく構成されたマイクロプロセッサを更に有する請求項６〜１１の中のいずれか一項記載の装置。
【請求項１３】
前記画像センサによって取得された連続した画像の間の経過期間を計測するべく構成されたマイクロプロセッサを更に備える請求項６〜１２の中のいずれか一項記載の装置。
【請求項１４】
粒子のサイズの約１０〜６０倍である流れの深さを有する離隔した前記粒子の流れの特性を計測する方法において、
（ａ）前記流れの深さ以上である深さを有する計測エリアに前記粒子の流れを通過させる段階と、
（ｂ）前記粒子の流れが前記アパーチャを通過する際に、前記計測エリア内における粒子の位置とは無関係に、前記粒子の流れ内の実質的にすべての粒子の実質的に合焦された画像をキャプチャする段階と、
（ｃ）前記キャプチャされた粒子の画像を分析して前記粒子の流れの少なくとも１つの特性を判定する段階と、
を有する方法。
【請求項１５】
前記特性は、前記粒子の流れ内の粒子の量である請求項１４記載の方法。
【請求項１６】
前記特性は、前記粒子の流れ内の連続した粒子の間における期間である請求項１４又は１５記載の方法。
【請求項１７】
前記流れ内のそれぞれの粒子の前記画像のサイズ及びシャープネスを表すデジタル信号を生成する段階を更に有しており、この場合に、前記キャプチャされた粒子の画像を分析する段階は、前記デジタル信号を分析する段階を有する請求項１４〜１５の中のいずれか一項記載の方法。
【請求項１８】
前記粒子の流れは、少なくとも２つの異なるサイズを有する粒子の流れを備えており、前記特性は、予め選択されたサイズ以上の前記流れ内の粒子の数である請求項１４〜１７の中のいずれか一項記載の方法。
【請求項１９】
前記粒子の流れは、少なくとも２つの異なるサイズを有する粒子の流れを備えており、前記特性は、予め選択されたサイズ以上の前記流れ内の粒子の頻度である請求項１４〜１８の中のいずれか一項記載の方法。
【請求項２０】
流れの平均軸を有する実質的に分散した流れ内の種子の非常に鮮やかな画像を取得する手段を備える小型の種子カウント装置において、
前記手段は、前記流れの軸からの種子の距離とは無関係に、前記流れ内のそれぞれの種子の非常に鮮やかな画像を取得する能力を有する、小型の種子カウント装置。
【請求項２１】
非常に鮮やかな画像を取得する前記手段は、
（ａ）画像センサと、
（ｂ）種子の画像を前記画像センサ上に合焦するレンズであって、前記レンズは、前記画像センサと前記流れの平均軸の間に配置されており、前記レンズは、前記流れの平均軸から第１距離にある、レンズと、
（ｃ）前記第１距離の少なくとも約５倍である前記流れの平均軸と前記レンズの間の有効な光学距離を提供するべく構成された複数のミラーと、
を備える請求項２０記載の小型の種子カウント装置。
【請求項２２】
前記画像センサは、電荷結合素子を備える請求項２１記載の小型の種子カウント装置。
【請求項２３】
予め選択されたサイズ以上である粒子を選択的にカウントする手段を更に備える請求項２０〜２２の中のいずれか一項記載の小型の種子カウント装置。
【請求項２４】
選択的にカウントする前記手段は、
（ａ）アナログ画像データ信号をデジタル画像信号に変換するアナログ／デジタルコンバータであって、前記デジタル画像信号は、画像生成された粒子のサイズを表している、アナログ／デジタルコンバータと、
（ｂ）前記デジタル信号をスクリーニングすることにより、前記予め選択された粒子サイズを下回るサイズの粒子を表すデータを除去するフィルタと、
を備える請求項２３記載の種子カウント装置。
【請求項２５】
種子の実質的に分散した流れ内の種子の非常に鮮やかな画像を取得する前記手段は、約１０〜２０種子／秒の速度で移動する種子の流れ内のそれぞれの種子の非常に鮮やかな画像を取得する能力を有する請求項２０〜２４の中のいずれか一項記載の種子カウント装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５ａ】
【図５ｂ】
【図５ｃ】
【図６】
【図７】
【図８ａ】
【図８ｂ】
【図８ｃ】
【図９ａ−ｂ】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５ａ】
【図５ｂ】
【図５ｃ】
【図６】
【図７】
【図８ａ】
【図８ｂ】
【図８ｃ】
【図９ａ−ｂ】
【図１０】
【公表番号】特表２００８−５３０６９９（Ｐ２００８−５３０６９９Ａ）
【公表日】平成２０年８月７日（２００８．８．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−５５５５２１（Ｐ２００７−５５５５２１）
【出願日】平成１８年２月１５日（２００６．２．１５）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＥＰ２００６／００１３５７
【国際公開番号】ＷＯ２００６／０８７１７６
【国際公開日】平成１８年８月２４日（２００６．８．２４）
【出願人】（５００５８４３０９）シンジェンタ パーティシペーションズ アクチェンゲゼルシャフト (352)
【公表日】平成２０年８月７日（２００８．８．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年２月１５日（２００６．２．１５）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＥＰ２００６／００１３５７
【国際公開番号】ＷＯ２００６／０８７１７６
【国際公開日】平成１８年８月２４日（２００６．８．２４）
【出願人】（５００５８４３０９）シンジェンタ パーティシペーションズ アクチェンゲゼルシャフト (352)
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