赤外線分析装置
【課題】複数の半導体発光素子から射出される赤外光のスポット径を必要以上に広げることなく強度分布を均一にすることで、高い測定精度を維持することができる赤外線分析装置を提供する。
【解決手段】赤外線分析装置の一種である水分計は、検査対象物としての紙Ｐの一方側に配置されて紙Ｐに照射すべき波長の異なる赤外光を射出する複数の半導体発光素子２１ａ〜２１ｃと、半導体発光素子２１ａ〜２１ｃと紙Ｐとの間に配設されて半導体発光素子２１ａ〜２１ｃから射出される赤外光の各々を多重反射させて強度分布を均一化する多角形状のライトパイプ２２とを有する上ヘッド１１と、紙Ｐの他方側に配置されて紙Ｐを介した赤外光を検出する検出器３１を有する下ヘッド１２とを備える。
【解決手段】赤外線分析装置の一種である水分計は、検査対象物としての紙Ｐの一方側に配置されて紙Ｐに照射すべき波長の異なる赤外光を射出する複数の半導体発光素子２１ａ〜２１ｃと、半導体発光素子２１ａ〜２１ｃと紙Ｐとの間に配設されて半導体発光素子２１ａ〜２１ｃから射出される赤外光の各々を多重反射させて強度分布を均一化する多角形状のライトパイプ２２とを有する上ヘッド１１と、紙Ｐの他方側に配置されて紙Ｐを介した赤外光を検出する検出器３１を有する下ヘッド１２とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、赤外光を用いて検査対象物の特性を分析する赤外線分析装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
赤外線分析装置は、赤外光を検査対象物に照射し、検査対象物を透過した赤外光或いは検査対象物によって反射・散乱された赤外光を受光して透過特性或いは反射特性を求めることにより、検査対象物の検査を行う装置である。この赤外線分析装置は、検査対象物を破壊することなくその特性を検査することが可能であるため、様々な分野で用いられている。例えば、紙の製造分野においては、製品である紙に含まれる水分をオンラインで測定する水分計や、紙の厚みをオンラインで測定する紙厚計として用いられている。
【０００３】
具体的に、上記の水分計及び紙厚計は、波長が異なる複数の近赤外光を検査対象物の紙に照射し、紙を透過した近赤外光を受光してそれらの吸収率を求め、予め測定されている近赤外光の吸収率と紙の水分や厚みとの関係等を参照して紙の水分や厚みを測定する。紙に照射される近赤外光としては、例えば水による吸収率が高い波長１．９４μｍの近赤外光、紙の８０％を占める成分であるセルロースによる吸収率が高い波長２．１μｍの近赤外光、並びに水及びセルロースによる吸収率が共に低い波長１．７μｍの近赤外光が用いられる。
【０００４】
従来は、上記の近赤外光の光源としてハロゲンランプ等のランプが用いられていたが、近年ではＬＤ（Laser Diode）やＬＥＤ（Light Emitting Diode）等の半導体発光素子が用いられる機会が増大している。ＬＤやＬＥＤ等の半導体発光素子は、ハロゲンランプ等のランプに比べて、寿命が長い、発光効率が高い、消費電力が低い、変調が容易である等の利点を有する。以下の特許文献１には、ＬＤやＬＥＤを光源に用いて紙等のシート製品中の水分等を測定するセンサが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特表２００８−５３９４２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、上述した水分計や紙厚計等の赤外線分析装置は、波長が異なる複数の近赤外光を用いて紙の水分や厚みを測定するものであるため、ＬＤやＬＥＤ等の半導体発光素子を光源に用いる場合には、各波長の近赤外光を射出する複数の半導体発光素子が必要になる。このような複数の半導体発光素子を備える赤外線分析装置においては、検査対象物に照射される各波長の近赤外光の強度分布が空間的に均一であり、且つ、揃っていることが測定精度を維持する上で重要になる。
【０００７】
なぜならば、検査対象物としての紙に照射される各波長の空間的な強度分布が不均一で揃っていない場合には、半導体発光素子と受光素子との相対的な位置ずれが生じたときに、その位置ずれ量に応じて受光素子で受光される近赤外光の強度が変動して測定精度が悪化してしまうからである。また、搬送テンションの揺らぎによって紙が振動し、半導体発光素子と受光素子との間における紙の通過位置が変動する場合にも同様に測定精度が悪化してしまうからである。
【０００８】
ここで、半導体発光素子は、射出される近赤外光の強度分布を均一化するために、放物鏡や楕円鏡等の集光光学系と組み合わせて用いられることが多い。集光光学系に対する半導体発光素子の組み合わせ方法としては、１つの集光光学系に１つの半導体発光素子を組み合わせる方法と、１つの集光光学系に複数の半導体発光素子を組み合わせる方法が考えれる。前者の方法は、各集光光学系から射出される近赤外光を検査対象物上の同じ位置に重ね合わせることになるが、このような重ね合わせを行っても強度分布が均一にならないという問題がある。後者の方法は、集光光学系から射出されて検査対象物上に照射される各近赤外光の径（スポット径）が波長毎に異なってしまい、強度分布が均一にならないという問題がある。
【０００９】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、複数の半導体発光素子から射出される赤外光のスポット径を必要以上に広げることなく強度分布を均一にすることで、高い測定精度を維持することができる赤外線分析装置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】
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明の赤外線分析装置は、赤外光を用いて検査対象物（Ｐ）の特性を分析する赤外線分析装置（１）において、前記検査対象物の一方側に配置されて前記検査対象物に照射すべき波長の異なる赤外光を射出する複数の光源（２１ａ〜２１ｃ）と、該光源と前記検査対象物との間に配設されて前記複数の光源から射出される赤外光の各々を多重反射させて強度分布を均一化する多角形状の光学素子（２２）とを有する第１ヘッド（１１）と、前記検査対象物の他方側に配置されて前記検査対象物を介した赤外光を検出する検出器（３１）を有する第２ヘッド（１２）とを備えることを特徴としている。
この発明によると、検査対象物の一方側に配置された複数の光源から射出された波長の異なる赤外光が多角形状の光学素子に入射して多重反射されることにより強度分布が均一化され、この強度分布が均一化された赤外光が光学素子から射出されて検査対象物に照射され、検査対象物に照射された赤外光のうち検査対象物を透過した赤外光が検出器により検出される。
また、本発明の赤外線分析装置は、前記光学素子が、前記光源からの赤外光が入射される入射端（２２ａ）と多重反射した赤外光が射出される射出端（２２ｂ）とを有しており、前記射出端が前記入射端よりも大に形成されたテーパー状であることを特徴としている。
また、本発明の赤外線分析装置は、前記複数の光源が、前記光学素子が有する前記入射端に沿う平面内でマトリクス状に配列されていることを特徴としている。
また、本発明の赤外線分析装置は、前記光学素子が、内面が前記複数の光源から射出される赤外光を反射する反射面とされた多角環状の内面反射鏡であることを特徴としている。
或いは、本発明の赤外線分析装置は、前記光学素子が、前記赤外光に対して透明な硝材を多角柱状に形成してなり、側面の各々が反射面とされた内面反射鏡であることを特徴としている。
また、本発明の赤外線分析装置は、前記第１ヘッドが、前記光学素子と前記検査対象物との間に配設されて前記光学素子から射出される赤外光を前記検査対象物上に集光する集光光学系（４０）を備えることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、検査対象物の一方側に配置された複数の光源から射出された波長の異なる赤外光を多角形状の光学素子に入射させて多重反射させることにより強度分布を均一化し、この強度分布が均一化した赤外光を光学素子から射出されて検査対象物に照射し、検査対象物に照射した赤外光のうち検査対象物を透過した赤外光を検出器により検出しているため、赤外光のスポット径を必要以上に広げることなく強度分布を均一にすることができるという効果がある。これにより、高い測定精度を維持することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施形態による赤外線分析装置としての水分計の概略構成を示す斜視図である。
【図２】水分計が備える上ヘッド及び下ヘッドの内部構成を示す正面透視図である。
【図３】水分計が備えるライトパイプの具体的構成例を示す斜視図である。
【図４】第１変形例による水分計が備える第１ヘッドの内部構成を示すである。
【図５】第２変形例による水分計が備える半導体発光素子を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照して本発明の一実施形態による赤外線分析装置について詳細に説明する。尚、以下では、理解を容易にするために、本発明を赤外線分析装置の一種である水分計を適用した例に挙げて説明するが、紙厚計等の他の赤外線分析装置についても水分計と同様に本発明を適用することができる。
【００１４】
図１は、本発明の一実施形態による赤外線分析装置としての水分計の概略構成を示す斜視図である。図１に示す通り、水分計１は、フレーム１０、上ヘッド１１（第１ヘッド）、及び下ヘッド１２（第２ヘッド）を備えており、例えば製紙工場に設置された抄紙機に取り付けられ、抄紙機で製造された紙Ｐ（検査対象物）に含まれる水分の測定を行う。
【００１５】
尚、以下の説明においては、図中に設定したＸＹＺ直交座標系を必要に応じて参照しつつ各部材の位置関係について説明する。但し、説明の便宜のため、各図に示すＸＹＺ直交座標系の原点は固定せずに、各図毎にその位置を適宜変更するものとする。図１に示すＸＹＺ直交座標系は、Ｘ軸が紙Ｐの搬送方向Ｄ１に沿う方向、Ｙ軸が紙Ｐの幅方向に沿う方向、Ｚ軸が鉛直方向に沿う方向にそれぞれ設定されている。
【００１６】
フレーム１０は、外径形状が長手方向と短手方向とを有する略四角環形状の部材であって、その開口部ＯＰ内において上ヘッド１１及び下ヘッド１２を長手方向に往復運動可能に支持する。具体的に、フレーム１０は、長手方向が紙Ｐの幅方向（Ｙ方向）に沿う方向に設定されるとともに短手方向が鉛直方向（Ｚ方向）に沿う方向に設定され、紙Ｐが開口部ＯＰの略中央を通過するように配置される。
【００１７】
つまり、フレーム１０は、搬送される紙Ｐの上方に上ヘッド１１が配置されるとともに、搬送される紙Ｐの下方に下ヘッド１２が配置されるように、紙Ｐに対する位置決めがなされている。尚、図１においては図示を省略しているが、フレーム１０は、上ヘッド１１を紙Ｐの上面に沿って長手方向に往復運動させる機構と、下ヘッド１２を紙Ｐの裏面に沿って長手方向に往復運動させる機構とを備える。これらの機構を同じように駆動すれば上ヘッド１１と下ヘッド１２とを同期させて往復運動させることができ、これらの機構を別々に駆動すれば上ヘッド１１と下ヘッド１２とを別個に移動させることができる。
【００１８】
上ヘッド１１は、上述の通り、紙Ｐの上面に沿って紙Ｐの幅方向に往復運動可能にフレーム１０に支持されており、紙Ｐの上面に向けて波長の異なる複数の赤外光（近赤外光）を照射する。具体的には、水による吸収率が高い波長λ１（例えば、１．９４μｍ）の近赤外光、紙の８０％を占める成分であるセルロースによる吸収率が高い波長λ２（例えば、２．１μｍ）の近赤外光、並びに水及びセルロースによる吸収率が共に低い波長λ３（例えば、１．７μｍ）の近赤外光を紙Ｐの上面に照射する。
【００１９】
下ヘッド１１は、上述の通り、紙Ｐの裏面に沿って紙Ｐの幅方向に往復運動可能にフレーム１０に支持されており、紙Ｐを介した近赤外光を受光する。下ヘッド１１によって受光された近赤外光の検出結果に基づいて紙Ｐに含まれる水分が測定される。尚、搬送方向Ｄ１（Ｘ方向）に搬送される紙Ｐを挟んで上ヘッド１１と下ヘッド１２とを同期させて紙Ｐの幅方向（Ｙ方向）に往復運動させることにより、図１に示すジグザグ状の測定ラインＬ１に沿って紙Ｐに含まれる水分が測定されることになる。
【００２０】
次に、上ヘッド１１及び下ヘッド１２の内部構成について詳細に説明する。図２は、水分計が備える上ヘッド及び下ヘッドの内部構成を示す正面透視図である。尚、図２では上ヘッド１１及び下ヘッド１２の筐体の図示を省略しており、上ヘッド１１については一部断面図を織り交ぜて図示している。図２に示す通り、上ヘッド１１は、半導体発光素子２１ａ〜２１ｃ（複数の光源）とライトパイプ２２（光学素子）とを備える。
【００２１】
半導体発光素子２１ａ〜２１ｃは、例えばＬＤ（Laser Diode）又はＬＥＤ（Light Emitting Diode）であり、紙Ｐに照射すべき近赤外光を射出する。具体的に、半導体発光素子２１ａは水による吸収率が高い波長λ１（例えば、１．９４μｍ）の近赤外光を射出し、半導体発光素子２１ｂはセルロースによる吸収率が高い波長λ２（例えば、２．１μｍ）の近赤外光を射出し、半導体発光素子２１ｃは水及びセルロースによる吸収率が共に低い波長λ３（例えば、１．７μｍ）の近赤外光を射出する。これら半導体発光素子２１ａ〜２１ｃは、プリント基板やセラミックス基板等の平板状の実装基板ＳＢ上に一定の間隔をもって直線状又は平面状に配列されて搭載されている。
【００２２】
ライトパイプ２２は、半導体発光素子２１ａ〜２１ｃと紙Ｐとの間に配設されており、半導体発光素子２１ａ〜２１ｃから射出される近赤外光の各々を多重反射させて強度分布を均一化する多角形状の光学素子である。具体的に、ライトパイプ２２は、ＸＹ平面内における形状が四角形状であって半導体発光素子２１ａ〜２１ｃからの近赤外光が入射される入射端２２ａと、ＸＹ平面内における形状が入射端２２ａと相似形状であって多重反射した近赤外光が射出される射出端２２ｂとを有しており、射出端２２ｂが入射端２２ａよりも大に形成されたテーパー状の光学素子である。
【００２３】
具体的に、ライトパイプ２２は、例えば、入射端２２ａの一辺の長さが数ｍｍ程度に設定され、射出端２２ｂの一辺の長さが十数ｍｍ〜数十ｍｍ程度に設定される。ここで、ライトパイプ２２から射出される近赤外光のスポット径は紙Ｐ上に設定される測定領域と同程度の大きさに設定され、ライトパイプ２２から射出される近赤外光のスポット径は射出端２２ｂの大きさに応じて規定されるため、射出端２２ｂの大きさは紙Ｐ上に設定される測定領域の大きさと同程度になるように設定される。尚、ライトパイプ２２は、実装基板ＳＢ上に搭載された半導体発光素子２１ａ〜２１ｃが入射端２２ａに極力近接し、且つ、紙Ｐとの間の間隔が数ｍｍ程度となるように、半導体発光素子２１ａ〜２１ｃと紙Ｐとの間に配設される。
【００２４】
図３は、水分計が備えるライトパイプの具体的構成例を示す斜視図である。図３（ａ）に示すライトパイプ２２は、台形形状の板状部材Ｂ１〜Ｂ４を貼り合わせてなる四角環状（中空の四角錐状）の内面反射鏡であり、図３（ｂ）に示すライトパイプ２２は、半導体発光素子２１ａ〜２１ｃから射出される近赤外光に対して透明な硝材を四角柱状（四角錐状）に形成してなる内面反射鏡である。尚、図２においては、図３（ａ）に示すライトパイプ２２を図示している。
【００２５】
図３（ａ）に示すライトパイプ２２は、半導体発光素子２１ａ〜２１ｃから射出される近赤外光に対して高い反射率（例えば、９０％以上）を有するアルミニウム板等の金属板からなる板状部材Ｂ１〜Ｂ４の斜辺を貼り合わせることにより形成される。或いは、一方の面に金や銀が蒸着されて半導体発光素子２１ａ〜２１ｃから射出される近赤外光に対する反射率が高められた（例えば、９０％以上に高められた）金属板又はガラス板からなる板状部材Ｂ１〜Ｂ４を、その面を内側にして斜辺を貼り合わせることにより形成される。
【００２６】
尚、図３（ａ）に示すライトパイプ２２は、４枚の板状部材Ｂ１〜Ｂ４を貼り合わせて形成する方法以外の方法を用いて形成することも可能である。例えば、外径形状が四角錐形状の金属ブロックの内部を、図３（ａ）に示す通りに四角環状に削り出し、半導体発光素子２１ａ〜２１ｃから射出される近赤外光に対する反射率が高くなるようにその内面を処理（例えば、鏡面処理）することによって形成することができる。
【００２７】
図３（ｂ）に示すライトパイプ２２は、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）、フッ化カルシウム（ＣａＦ２）、ＢＫ７、クラウンガラス等の半導体発光素子２１ａ〜２１ｃから射出される近赤外光に対して透明であって、近赤外光に対して１．５前後の低屈折率の硝材を四角柱状（四角錐状）に研磨することにより形成される。尚、硝材としてＢＫ７やクラウンガラスを用いれば、硝材としてサファイアやフッ化カルシウムを用いる場合に比べて安価に形成することができる。
【００２８】
ここで、図３（ａ）に示すライトパイプ２２は、半導体発光素子２１ａ〜２１ｃから射出されて空気中を進む近赤外光をその内面で反射するものであるため、反射時に近赤外光が数％程度減衰することが考えられる。これに対し、図３（ｂ）に示すライトパイプ２２は、半導体発光素子２１ａ〜２１ｃから射出されてライトパイプ２２をなす硝材の内部を進む近赤外光を側面Ｃ１〜Ｃ４で反射するものであるため、近赤外光を全反射させることができる。よって、近赤外光を多重反射させた場合の減衰量の点からは、図３（ｂ）に示すライトパイプ２２の方が有利であると考えられる。
【００２９】
また、図３（ａ）に示すライトパイプ２２は四角環状であるため、近赤外光が入射端２２ａに入射する際の反射、及び、射出端２２ｂから射出される際の反射は生じない。これに対し、図３（ｂ）に示すライトパイプ２２は、硝材を四角柱状（四角錐状）に形成したものであるため、近赤外光が入射端２２ａに入射する際の反射、及び、射出端２２ｂから射出される際の反射が生ずる。但し、図３（ｂ）に示すライトパイプ２２は、ＢＫ７やクラウンガラス等の近赤外光に対する屈折率が低い硝材を用いているため、入射端２２ａ及び射出端２２ｂで生ずる反射を低く抑えることができる。
【００３０】
図２に戻り、ライトパイプ２２は、半導体発光素子２１ａ〜２１ｃから射出される近赤外光の各々を多重反射させることにより強度分布を均一化している。いま、図２に示す通り、ライトパイプ２２の中心軸に沿う光軸ＡＸから外れた位置に配置されている半導体発光素子２１ａから射出されて経路Ｐ１，Ｐ２を通過する近赤外光について考える。経路Ｐ１を通過する近赤外光は、光軸ＡＸに対して、半導体発光素子２１ａからθ１の角度をもって射出されて入射端２２ａからライトパイプ２２内に入射する。そして、経路Ｐ１を通過する近赤外光は、ライトパイプ２２の内面で２回反射される度に光軸ＡＸとのなす角度が徐々に小さくなり、最終的には光軸ＡＸに対してなす角度がθ２（θ１＞θ２）になって射出端２２ｂから射出される。経路Ｐ２を通過する近赤外光も同様に、ライトパイプ２２の内面で１回反射されることにより光軸ＡＸに対してなす角度が小さくなって射出端２２ｂから射出される。
【００３１】
このように、入射端２２ａからライトパイプ２２内に入射した近赤外光は、ライトパイプ２２の内部で反射（多重反射）されることにより光軸ＡＸとのなす角度が徐々に小さくされて射出端２２ｂから射出される。このため、近赤外光が入射端２２に入射する際の光軸ＡＸに対する角度（半導体発光素子２１ａ〜２１ｃから射出される近赤外光の角度）が異なっていても、ライトパイプ２２からは光軸ＡＸに対して略平行にされた近赤外光が射出される。このため、スポット径を必要以上に広げることなく均一な強度分布を有する近赤外光を紙Ｐの上面に照射することができる。
【００３２】
図２に示す通り、下ヘッド１２は検出器３１を備える。検出器３１は、受光面が光軸ＡＸの延長線上に位置し、且つ、受光面と紙Ｐとの間の間隔が数ｍｍ程度となるように、紙Ｐの下方に配置されており、紙Ｐを介した近赤外光（紙Ｐの上面から裏面に向けて透過した近赤外光）を検出する。この検出器３１としては、例えばＰｂＳ素子、Ｇｅ素子、又はＩｎＧａＡｓ素子を用いることが可能である。
【００３３】
ここで、上記のＰｂＳ素子は、硫化鉛を主成分とする光導電素子であって、約０．６〜３．０μｍの波長域の光の検出が可能であり、波長２．０μｍ付近において検出感度が最大となる素子である。上記のＧｅ素子は、ゲルマニウムを主成分とする光導電素子であって、約０．６〜１．８μｍの波長域の光の検出が可能な素子である。上記のＩｎＧａＡｓ素子は、インジウム、ガリウム、及び砒素を主成分とする三元混晶半導体素子であって、約０．９〜２．３μｍの波長域の光の検出が可能であり、波長１．５〜１．８μｍ付近において検出感度が最大となる素子である。
【００３４】
次に、上記構成の水分計１の動作について説明する。水分計１の動作が開始されると、フレーム１０に設けられた不図示の機構によって上ヘッド１１と下ヘッド１２とが駆動され、上ヘッド１１及び下ヘッド１２は、紙Ｐの幅方向（Ｙ方向）に同期して往復運動する。上ヘッド１１及び下ヘッド１２の駆動が開始されると同時に、上ヘッド１１に設けられた半導体発光素子２１ａ〜２１ｃの駆動も開始される。これにより、半導体発光素子２１ａからは波長λ１（例えば、１．９４μｍ）の近赤外光、半導体発光素子２１ｂからは波長λ２（例えば、２．１μｍ）の近赤外光、半導体発光素子２１ｃからは波長λ３（例えば、１．７μｍ）の近赤外光がそれぞれ射出される。
【００３５】
半導体発光素子２１ａ〜２１ｃから射出された近赤外光は、入射端２２ａからライトパイプ２２内に入射し、ライトパイプ２２の内部で多重反射されることにより光軸ＡＸとのなす角度が徐々に小さくされて強度分布が均一化されて射出端２２ｂから射出され、その後に紙Ｐの上面に照射される。紙Ｐの上面に照射された近赤外光は、その一部が紙Ｐの上面で反射・散乱され、残りが紙Ｐを透過する。
【００３６】
紙Ｐを透過した近赤外光は下ヘッド１２に設けられた検出器３１で検出される。ここで、波長λ１の近赤外光は、紙Ｐを透過する際に紙Ｐに含まれる水によって吸収され、波長λ２の近赤外光は紙Ｐを透過する際に紙Ｐの成分であるセルロースによって吸収される。これに対し、波長λ３の近赤外光は、紙Ｐを透過しても吸収が少ない。このため、波長λ１，λ２の近赤外光の強度は、波長λ３の近赤外光の強度に比べて小さくなる。
【００３７】
近赤外光が検出器３１で検出されると、その検出信号は増幅された後に信号分離されて、波長λ１，λ２，λ３の近赤外光に応じた測定信号Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３がそれぞれ求められる。すると、これらの測定信号の比に基づく多変量解析によって近赤外光の吸収率が求められる。近赤外光の吸収率が求められると、予め測定されている近赤外光の吸収率と紙Ｐの水分との関係を示すテーブル等を参照して紙Ｐに含まれる水分が測定される。尚、水分の測定は、テーブルを用いる方法以外に、予め設定された関数等を用いて行っても良い。
【００３８】
以上の測定は、図１中に示す搬送方向Ｄ１（Ｘ方向）に紙Ｐが搬送されている状態で、上ヘッド１１及び下ヘッド１２が同期して紙Ｐの幅方向（Ｙ方向）に往復運動している間は継続して行われる。従って、図１に示すジグザグ状の測定ラインＬ１に沿って紙Ｐに含まれる水分が測定されることになる。
【００３９】
以上の通り、本実施形態では、波長の異なる近赤外光を射出する複数の半導体発光素子２１ａ〜２１ｃと検査対象物たる紙Ｐとの間に四角環状（中空の四角錐状）又は四角柱状（四角錐状）のライトパイプ２２を設け、半導体発光素子２１ａ〜２１ｃから射出される近赤外光の各々を多重反射させて強度分布を均一化しているため、半導体発光素子２１ａ〜２１ｃから射出される近赤外光のスポット径を必要以上に広げることなく強度分布を均一にすることができる。これにより、例えば上ヘッド１１と下ヘッド１２との相対的な位置ずれ、或いは、フレーム１０の開口部ＯＰにおける紙ＰのＺ方向の通過位置のずれが生じたとしても高い測定精度を維持することができる。
【００４０】
また、本実施形態では、実装基板ＳＢ上に搭載された半導体発光素子２１ａ〜２１ｃに対して入射端２２ａが極力近接するようにライトパイプ２２の配置がなされているため、半導体発光素子２１ａ〜２１ｃから射出される近赤外光を無駄なく集光して有効活用することができる。更に、ライトパイプ２２は、必要となる測定精度等を考慮して長さを設定すれば良いため小型化が可能であり、しかもコストの大幅な上昇を招くことなく作成することができる
【００４１】
次に、本実施形態の変形例について説明する。図４は、第１変形例による水分計が備える第１ヘッドの内部構成を示すである。図４においては、図２に示した部材と同一の部材については同一の符号を付してある。図４に示す通り、本変形例による水分計が備える第１ヘッド１１は、ライトパイプ２２と紙Ｐとの間に平凸レンズ４０（集光光学系）を備える構成である。この平凸レンズ４０は、ライトパイプ２２の射出端２２ｂから射出された近赤外光を紙Ｐ上に集光するものである。
【００４２】
前述した実施形態では、ライトパイプ２２の射出端２２ｂの大きさが紙Ｐ上に設定される測定領域の大きさと同程度になるように設定されていたため、単に射出端２２ｂを紙Ｐに向けてライトパイプ２２を配置するだけでよかった。しかしながら、ライトパイプ２２と紙Ｐとの間隔を大きくしたい場合、或いは、スポット径を小さくして検出感度を高めた場合には、図４に示す通り、ライトパイプ２２と紙Ｐとの間に平凸レンズ４０を配置してライトパイプ２２の射出端２２ｂから射出される近赤外光を紙Ｐ上に集光させれば良い。
【００４３】
図５は、第２変形例による水分計が備える半導体発光素子を示す図である。尚、図５においても、図２に示した部材と同一の部材については同一の符号を付してある。図５に示す通り、本変形例による水分計は、実装基板ＳＢ上にマトリクス状に配列された複数の半導体発光素子２１ａ〜２１ｃを備える構成である。具体的に、図５に示す例では、半導体発光素子２１ａ〜２１ｃが３つずつ実装基板ＳＢ上に搭載されている。尚、実装基板ＳＢは、ライトパイプ２２の入射端２２ａに対して平行となるように配設されるため、半導体発光素子２１ａ〜２１ｃは、入射端２２ａに沿う平面内でマトリクス状に配列される。
【００４４】
半導体発光素子２１ａ〜２１ｃは、ＬＤやＬＥＤで実現されることから各々の出力を高めるのには限界がある。このため、図５に示す通り、半導体発光素子２１ａ〜２１ｃを複数用意してマトリクス状に配列することにより、各波長（λ１，λ２，λ３）の近赤外線の強度を高めることができる。このようにマトリクス状に配列された複数の半導体発光素子２１ａ〜２１ｃを用いても、ライトパイプ２２の入射端２２ａの大きさはさほど変わらないため、ライトパイプ２２による強度分布の均一化の効果を十分に得ることができる。
【００４５】
以上、本発明の一実施形態による赤外線分析装置について説明したが、本発明は上記実施形態に制限される訳ではなく、本発明の範囲内で自由に変更が可能である。例えば、上記実施形態では、ライトパイプ２２の形状が、四角環状（中空の四角錐状）又は四角柱状（四角錐状）である場合を説明したが、その形状は六角環状又は六角柱状であっても良く、八角環状又は八角柱状であっても良い。つまり、ライトパイプの形状は、三角環状又は三角柱状以上の多角環状又は多角柱状であれば良い。また、ライトパイプの形状は、テーパー状である必要は必ずしもなく、柱状であっても良い。
【００４６】
また、上述した実施形態では、４枚の板状部材Ｂ１〜Ｂ４の斜辺を貼り合わせることにより形成されるライトパイプ２２（図３（ａ）参照）、及び、近赤外光に対して透明な硝材を四角柱状（四角錐状）に形成してなるライトパイプ２２（図３（ｂ）参照）を例に挙げて説明した。しかしながら、ライトパイプ２２の内面又は側面（近赤外光に対する反射面）は平面である必要は必ずしも無く、必要に応じて曲面にされていても良い。
【符号の説明】
【００４７】
１ 水分計
１１ 上ヘッド
１２ 下ヘッド
２１ａ〜２１ｃ 半導体発光素子
２２ ライトパイプ
２２ａ 入射端
２２ｂ 射出端
３１ 検出器
４０ 平凸レンズ
Ｐ 紙
【技術分野】
【０００１】
本発明は、赤外光を用いて検査対象物の特性を分析する赤外線分析装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
赤外線分析装置は、赤外光を検査対象物に照射し、検査対象物を透過した赤外光或いは検査対象物によって反射・散乱された赤外光を受光して透過特性或いは反射特性を求めることにより、検査対象物の検査を行う装置である。この赤外線分析装置は、検査対象物を破壊することなくその特性を検査することが可能であるため、様々な分野で用いられている。例えば、紙の製造分野においては、製品である紙に含まれる水分をオンラインで測定する水分計や、紙の厚みをオンラインで測定する紙厚計として用いられている。
【０００３】
具体的に、上記の水分計及び紙厚計は、波長が異なる複数の近赤外光を検査対象物の紙に照射し、紙を透過した近赤外光を受光してそれらの吸収率を求め、予め測定されている近赤外光の吸収率と紙の水分や厚みとの関係等を参照して紙の水分や厚みを測定する。紙に照射される近赤外光としては、例えば水による吸収率が高い波長１．９４μｍの近赤外光、紙の８０％を占める成分であるセルロースによる吸収率が高い波長２．１μｍの近赤外光、並びに水及びセルロースによる吸収率が共に低い波長１．７μｍの近赤外光が用いられる。
【０００４】
従来は、上記の近赤外光の光源としてハロゲンランプ等のランプが用いられていたが、近年ではＬＤ（Laser Diode）やＬＥＤ（Light Emitting Diode）等の半導体発光素子が用いられる機会が増大している。ＬＤやＬＥＤ等の半導体発光素子は、ハロゲンランプ等のランプに比べて、寿命が長い、発光効率が高い、消費電力が低い、変調が容易である等の利点を有する。以下の特許文献１には、ＬＤやＬＥＤを光源に用いて紙等のシート製品中の水分等を測定するセンサが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特表２００８−５３９４２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、上述した水分計や紙厚計等の赤外線分析装置は、波長が異なる複数の近赤外光を用いて紙の水分や厚みを測定するものであるため、ＬＤやＬＥＤ等の半導体発光素子を光源に用いる場合には、各波長の近赤外光を射出する複数の半導体発光素子が必要になる。このような複数の半導体発光素子を備える赤外線分析装置においては、検査対象物に照射される各波長の近赤外光の強度分布が空間的に均一であり、且つ、揃っていることが測定精度を維持する上で重要になる。
【０００７】
なぜならば、検査対象物としての紙に照射される各波長の空間的な強度分布が不均一で揃っていない場合には、半導体発光素子と受光素子との相対的な位置ずれが生じたときに、その位置ずれ量に応じて受光素子で受光される近赤外光の強度が変動して測定精度が悪化してしまうからである。また、搬送テンションの揺らぎによって紙が振動し、半導体発光素子と受光素子との間における紙の通過位置が変動する場合にも同様に測定精度が悪化してしまうからである。
【０００８】
ここで、半導体発光素子は、射出される近赤外光の強度分布を均一化するために、放物鏡や楕円鏡等の集光光学系と組み合わせて用いられることが多い。集光光学系に対する半導体発光素子の組み合わせ方法としては、１つの集光光学系に１つの半導体発光素子を組み合わせる方法と、１つの集光光学系に複数の半導体発光素子を組み合わせる方法が考えれる。前者の方法は、各集光光学系から射出される近赤外光を検査対象物上の同じ位置に重ね合わせることになるが、このような重ね合わせを行っても強度分布が均一にならないという問題がある。後者の方法は、集光光学系から射出されて検査対象物上に照射される各近赤外光の径（スポット径）が波長毎に異なってしまい、強度分布が均一にならないという問題がある。
【０００９】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、複数の半導体発光素子から射出される赤外光のスポット径を必要以上に広げることなく強度分布を均一にすることで、高い測定精度を維持することができる赤外線分析装置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】
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明の赤外線分析装置は、赤外光を用いて検査対象物（Ｐ）の特性を分析する赤外線分析装置（１）において、前記検査対象物の一方側に配置されて前記検査対象物に照射すべき波長の異なる赤外光を射出する複数の光源（２１ａ〜２１ｃ）と、該光源と前記検査対象物との間に配設されて前記複数の光源から射出される赤外光の各々を多重反射させて強度分布を均一化する多角形状の光学素子（２２）とを有する第１ヘッド（１１）と、前記検査対象物の他方側に配置されて前記検査対象物を介した赤外光を検出する検出器（３１）を有する第２ヘッド（１２）とを備えることを特徴としている。
この発明によると、検査対象物の一方側に配置された複数の光源から射出された波長の異なる赤外光が多角形状の光学素子に入射して多重反射されることにより強度分布が均一化され、この強度分布が均一化された赤外光が光学素子から射出されて検査対象物に照射され、検査対象物に照射された赤外光のうち検査対象物を透過した赤外光が検出器により検出される。
また、本発明の赤外線分析装置は、前記光学素子が、前記光源からの赤外光が入射される入射端（２２ａ）と多重反射した赤外光が射出される射出端（２２ｂ）とを有しており、前記射出端が前記入射端よりも大に形成されたテーパー状であることを特徴としている。
また、本発明の赤外線分析装置は、前記複数の光源が、前記光学素子が有する前記入射端に沿う平面内でマトリクス状に配列されていることを特徴としている。
また、本発明の赤外線分析装置は、前記光学素子が、内面が前記複数の光源から射出される赤外光を反射する反射面とされた多角環状の内面反射鏡であることを特徴としている。
或いは、本発明の赤外線分析装置は、前記光学素子が、前記赤外光に対して透明な硝材を多角柱状に形成してなり、側面の各々が反射面とされた内面反射鏡であることを特徴としている。
また、本発明の赤外線分析装置は、前記第１ヘッドが、前記光学素子と前記検査対象物との間に配設されて前記光学素子から射出される赤外光を前記検査対象物上に集光する集光光学系（４０）を備えることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、検査対象物の一方側に配置された複数の光源から射出された波長の異なる赤外光を多角形状の光学素子に入射させて多重反射させることにより強度分布を均一化し、この強度分布が均一化した赤外光を光学素子から射出されて検査対象物に照射し、検査対象物に照射した赤外光のうち検査対象物を透過した赤外光を検出器により検出しているため、赤外光のスポット径を必要以上に広げることなく強度分布を均一にすることができるという効果がある。これにより、高い測定精度を維持することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施形態による赤外線分析装置としての水分計の概略構成を示す斜視図である。
【図２】水分計が備える上ヘッド及び下ヘッドの内部構成を示す正面透視図である。
【図３】水分計が備えるライトパイプの具体的構成例を示す斜視図である。
【図４】第１変形例による水分計が備える第１ヘッドの内部構成を示すである。
【図５】第２変形例による水分計が備える半導体発光素子を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照して本発明の一実施形態による赤外線分析装置について詳細に説明する。尚、以下では、理解を容易にするために、本発明を赤外線分析装置の一種である水分計を適用した例に挙げて説明するが、紙厚計等の他の赤外線分析装置についても水分計と同様に本発明を適用することができる。
【００１４】
図１は、本発明の一実施形態による赤外線分析装置としての水分計の概略構成を示す斜視図である。図１に示す通り、水分計１は、フレーム１０、上ヘッド１１（第１ヘッド）、及び下ヘッド１２（第２ヘッド）を備えており、例えば製紙工場に設置された抄紙機に取り付けられ、抄紙機で製造された紙Ｐ（検査対象物）に含まれる水分の測定を行う。
【００１５】
尚、以下の説明においては、図中に設定したＸＹＺ直交座標系を必要に応じて参照しつつ各部材の位置関係について説明する。但し、説明の便宜のため、各図に示すＸＹＺ直交座標系の原点は固定せずに、各図毎にその位置を適宜変更するものとする。図１に示すＸＹＺ直交座標系は、Ｘ軸が紙Ｐの搬送方向Ｄ１に沿う方向、Ｙ軸が紙Ｐの幅方向に沿う方向、Ｚ軸が鉛直方向に沿う方向にそれぞれ設定されている。
【００１６】
フレーム１０は、外径形状が長手方向と短手方向とを有する略四角環形状の部材であって、その開口部ＯＰ内において上ヘッド１１及び下ヘッド１２を長手方向に往復運動可能に支持する。具体的に、フレーム１０は、長手方向が紙Ｐの幅方向（Ｙ方向）に沿う方向に設定されるとともに短手方向が鉛直方向（Ｚ方向）に沿う方向に設定され、紙Ｐが開口部ＯＰの略中央を通過するように配置される。
【００１７】
つまり、フレーム１０は、搬送される紙Ｐの上方に上ヘッド１１が配置されるとともに、搬送される紙Ｐの下方に下ヘッド１２が配置されるように、紙Ｐに対する位置決めがなされている。尚、図１においては図示を省略しているが、フレーム１０は、上ヘッド１１を紙Ｐの上面に沿って長手方向に往復運動させる機構と、下ヘッド１２を紙Ｐの裏面に沿って長手方向に往復運動させる機構とを備える。これらの機構を同じように駆動すれば上ヘッド１１と下ヘッド１２とを同期させて往復運動させることができ、これらの機構を別々に駆動すれば上ヘッド１１と下ヘッド１２とを別個に移動させることができる。
【００１８】
上ヘッド１１は、上述の通り、紙Ｐの上面に沿って紙Ｐの幅方向に往復運動可能にフレーム１０に支持されており、紙Ｐの上面に向けて波長の異なる複数の赤外光（近赤外光）を照射する。具体的には、水による吸収率が高い波長λ１（例えば、１．９４μｍ）の近赤外光、紙の８０％を占める成分であるセルロースによる吸収率が高い波長λ２（例えば、２．１μｍ）の近赤外光、並びに水及びセルロースによる吸収率が共に低い波長λ３（例えば、１．７μｍ）の近赤外光を紙Ｐの上面に照射する。
【００１９】
下ヘッド１１は、上述の通り、紙Ｐの裏面に沿って紙Ｐの幅方向に往復運動可能にフレーム１０に支持されており、紙Ｐを介した近赤外光を受光する。下ヘッド１１によって受光された近赤外光の検出結果に基づいて紙Ｐに含まれる水分が測定される。尚、搬送方向Ｄ１（Ｘ方向）に搬送される紙Ｐを挟んで上ヘッド１１と下ヘッド１２とを同期させて紙Ｐの幅方向（Ｙ方向）に往復運動させることにより、図１に示すジグザグ状の測定ラインＬ１に沿って紙Ｐに含まれる水分が測定されることになる。
【００２０】
次に、上ヘッド１１及び下ヘッド１２の内部構成について詳細に説明する。図２は、水分計が備える上ヘッド及び下ヘッドの内部構成を示す正面透視図である。尚、図２では上ヘッド１１及び下ヘッド１２の筐体の図示を省略しており、上ヘッド１１については一部断面図を織り交ぜて図示している。図２に示す通り、上ヘッド１１は、半導体発光素子２１ａ〜２１ｃ（複数の光源）とライトパイプ２２（光学素子）とを備える。
【００２１】
半導体発光素子２１ａ〜２１ｃは、例えばＬＤ（Laser Diode）又はＬＥＤ（Light Emitting Diode）であり、紙Ｐに照射すべき近赤外光を射出する。具体的に、半導体発光素子２１ａは水による吸収率が高い波長λ１（例えば、１．９４μｍ）の近赤外光を射出し、半導体発光素子２１ｂはセルロースによる吸収率が高い波長λ２（例えば、２．１μｍ）の近赤外光を射出し、半導体発光素子２１ｃは水及びセルロースによる吸収率が共に低い波長λ３（例えば、１．７μｍ）の近赤外光を射出する。これら半導体発光素子２１ａ〜２１ｃは、プリント基板やセラミックス基板等の平板状の実装基板ＳＢ上に一定の間隔をもって直線状又は平面状に配列されて搭載されている。
【００２２】
ライトパイプ２２は、半導体発光素子２１ａ〜２１ｃと紙Ｐとの間に配設されており、半導体発光素子２１ａ〜２１ｃから射出される近赤外光の各々を多重反射させて強度分布を均一化する多角形状の光学素子である。具体的に、ライトパイプ２２は、ＸＹ平面内における形状が四角形状であって半導体発光素子２１ａ〜２１ｃからの近赤外光が入射される入射端２２ａと、ＸＹ平面内における形状が入射端２２ａと相似形状であって多重反射した近赤外光が射出される射出端２２ｂとを有しており、射出端２２ｂが入射端２２ａよりも大に形成されたテーパー状の光学素子である。
【００２３】
具体的に、ライトパイプ２２は、例えば、入射端２２ａの一辺の長さが数ｍｍ程度に設定され、射出端２２ｂの一辺の長さが十数ｍｍ〜数十ｍｍ程度に設定される。ここで、ライトパイプ２２から射出される近赤外光のスポット径は紙Ｐ上に設定される測定領域と同程度の大きさに設定され、ライトパイプ２２から射出される近赤外光のスポット径は射出端２２ｂの大きさに応じて規定されるため、射出端２２ｂの大きさは紙Ｐ上に設定される測定領域の大きさと同程度になるように設定される。尚、ライトパイプ２２は、実装基板ＳＢ上に搭載された半導体発光素子２１ａ〜２１ｃが入射端２２ａに極力近接し、且つ、紙Ｐとの間の間隔が数ｍｍ程度となるように、半導体発光素子２１ａ〜２１ｃと紙Ｐとの間に配設される。
【００２４】
図３は、水分計が備えるライトパイプの具体的構成例を示す斜視図である。図３（ａ）に示すライトパイプ２２は、台形形状の板状部材Ｂ１〜Ｂ４を貼り合わせてなる四角環状（中空の四角錐状）の内面反射鏡であり、図３（ｂ）に示すライトパイプ２２は、半導体発光素子２１ａ〜２１ｃから射出される近赤外光に対して透明な硝材を四角柱状（四角錐状）に形成してなる内面反射鏡である。尚、図２においては、図３（ａ）に示すライトパイプ２２を図示している。
【００２５】
図３（ａ）に示すライトパイプ２２は、半導体発光素子２１ａ〜２１ｃから射出される近赤外光に対して高い反射率（例えば、９０％以上）を有するアルミニウム板等の金属板からなる板状部材Ｂ１〜Ｂ４の斜辺を貼り合わせることにより形成される。或いは、一方の面に金や銀が蒸着されて半導体発光素子２１ａ〜２１ｃから射出される近赤外光に対する反射率が高められた（例えば、９０％以上に高められた）金属板又はガラス板からなる板状部材Ｂ１〜Ｂ４を、その面を内側にして斜辺を貼り合わせることにより形成される。
【００２６】
尚、図３（ａ）に示すライトパイプ２２は、４枚の板状部材Ｂ１〜Ｂ４を貼り合わせて形成する方法以外の方法を用いて形成することも可能である。例えば、外径形状が四角錐形状の金属ブロックの内部を、図３（ａ）に示す通りに四角環状に削り出し、半導体発光素子２１ａ〜２１ｃから射出される近赤外光に対する反射率が高くなるようにその内面を処理（例えば、鏡面処理）することによって形成することができる。
【００２７】
図３（ｂ）に示すライトパイプ２２は、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）、フッ化カルシウム（ＣａＦ２）、ＢＫ７、クラウンガラス等の半導体発光素子２１ａ〜２１ｃから射出される近赤外光に対して透明であって、近赤外光に対して１．５前後の低屈折率の硝材を四角柱状（四角錐状）に研磨することにより形成される。尚、硝材としてＢＫ７やクラウンガラスを用いれば、硝材としてサファイアやフッ化カルシウムを用いる場合に比べて安価に形成することができる。
【００２８】
ここで、図３（ａ）に示すライトパイプ２２は、半導体発光素子２１ａ〜２１ｃから射出されて空気中を進む近赤外光をその内面で反射するものであるため、反射時に近赤外光が数％程度減衰することが考えられる。これに対し、図３（ｂ）に示すライトパイプ２２は、半導体発光素子２１ａ〜２１ｃから射出されてライトパイプ２２をなす硝材の内部を進む近赤外光を側面Ｃ１〜Ｃ４で反射するものであるため、近赤外光を全反射させることができる。よって、近赤外光を多重反射させた場合の減衰量の点からは、図３（ｂ）に示すライトパイプ２２の方が有利であると考えられる。
【００２９】
また、図３（ａ）に示すライトパイプ２２は四角環状であるため、近赤外光が入射端２２ａに入射する際の反射、及び、射出端２２ｂから射出される際の反射は生じない。これに対し、図３（ｂ）に示すライトパイプ２２は、硝材を四角柱状（四角錐状）に形成したものであるため、近赤外光が入射端２２ａに入射する際の反射、及び、射出端２２ｂから射出される際の反射が生ずる。但し、図３（ｂ）に示すライトパイプ２２は、ＢＫ７やクラウンガラス等の近赤外光に対する屈折率が低い硝材を用いているため、入射端２２ａ及び射出端２２ｂで生ずる反射を低く抑えることができる。
【００３０】
図２に戻り、ライトパイプ２２は、半導体発光素子２１ａ〜２１ｃから射出される近赤外光の各々を多重反射させることにより強度分布を均一化している。いま、図２に示す通り、ライトパイプ２２の中心軸に沿う光軸ＡＸから外れた位置に配置されている半導体発光素子２１ａから射出されて経路Ｐ１，Ｐ２を通過する近赤外光について考える。経路Ｐ１を通過する近赤外光は、光軸ＡＸに対して、半導体発光素子２１ａからθ１の角度をもって射出されて入射端２２ａからライトパイプ２２内に入射する。そして、経路Ｐ１を通過する近赤外光は、ライトパイプ２２の内面で２回反射される度に光軸ＡＸとのなす角度が徐々に小さくなり、最終的には光軸ＡＸに対してなす角度がθ２（θ１＞θ２）になって射出端２２ｂから射出される。経路Ｐ２を通過する近赤外光も同様に、ライトパイプ２２の内面で１回反射されることにより光軸ＡＸに対してなす角度が小さくなって射出端２２ｂから射出される。
【００３１】
このように、入射端２２ａからライトパイプ２２内に入射した近赤外光は、ライトパイプ２２の内部で反射（多重反射）されることにより光軸ＡＸとのなす角度が徐々に小さくされて射出端２２ｂから射出される。このため、近赤外光が入射端２２に入射する際の光軸ＡＸに対する角度（半導体発光素子２１ａ〜２１ｃから射出される近赤外光の角度）が異なっていても、ライトパイプ２２からは光軸ＡＸに対して略平行にされた近赤外光が射出される。このため、スポット径を必要以上に広げることなく均一な強度分布を有する近赤外光を紙Ｐの上面に照射することができる。
【００３２】
図２に示す通り、下ヘッド１２は検出器３１を備える。検出器３１は、受光面が光軸ＡＸの延長線上に位置し、且つ、受光面と紙Ｐとの間の間隔が数ｍｍ程度となるように、紙Ｐの下方に配置されており、紙Ｐを介した近赤外光（紙Ｐの上面から裏面に向けて透過した近赤外光）を検出する。この検出器３１としては、例えばＰｂＳ素子、Ｇｅ素子、又はＩｎＧａＡｓ素子を用いることが可能である。
【００３３】
ここで、上記のＰｂＳ素子は、硫化鉛を主成分とする光導電素子であって、約０．６〜３．０μｍの波長域の光の検出が可能であり、波長２．０μｍ付近において検出感度が最大となる素子である。上記のＧｅ素子は、ゲルマニウムを主成分とする光導電素子であって、約０．６〜１．８μｍの波長域の光の検出が可能な素子である。上記のＩｎＧａＡｓ素子は、インジウム、ガリウム、及び砒素を主成分とする三元混晶半導体素子であって、約０．９〜２．３μｍの波長域の光の検出が可能であり、波長１．５〜１．８μｍ付近において検出感度が最大となる素子である。
【００３４】
次に、上記構成の水分計１の動作について説明する。水分計１の動作が開始されると、フレーム１０に設けられた不図示の機構によって上ヘッド１１と下ヘッド１２とが駆動され、上ヘッド１１及び下ヘッド１２は、紙Ｐの幅方向（Ｙ方向）に同期して往復運動する。上ヘッド１１及び下ヘッド１２の駆動が開始されると同時に、上ヘッド１１に設けられた半導体発光素子２１ａ〜２１ｃの駆動も開始される。これにより、半導体発光素子２１ａからは波長λ１（例えば、１．９４μｍ）の近赤外光、半導体発光素子２１ｂからは波長λ２（例えば、２．１μｍ）の近赤外光、半導体発光素子２１ｃからは波長λ３（例えば、１．７μｍ）の近赤外光がそれぞれ射出される。
【００３５】
半導体発光素子２１ａ〜２１ｃから射出された近赤外光は、入射端２２ａからライトパイプ２２内に入射し、ライトパイプ２２の内部で多重反射されることにより光軸ＡＸとのなす角度が徐々に小さくされて強度分布が均一化されて射出端２２ｂから射出され、その後に紙Ｐの上面に照射される。紙Ｐの上面に照射された近赤外光は、その一部が紙Ｐの上面で反射・散乱され、残りが紙Ｐを透過する。
【００３６】
紙Ｐを透過した近赤外光は下ヘッド１２に設けられた検出器３１で検出される。ここで、波長λ１の近赤外光は、紙Ｐを透過する際に紙Ｐに含まれる水によって吸収され、波長λ２の近赤外光は紙Ｐを透過する際に紙Ｐの成分であるセルロースによって吸収される。これに対し、波長λ３の近赤外光は、紙Ｐを透過しても吸収が少ない。このため、波長λ１，λ２の近赤外光の強度は、波長λ３の近赤外光の強度に比べて小さくなる。
【００３７】
近赤外光が検出器３１で検出されると、その検出信号は増幅された後に信号分離されて、波長λ１，λ２，λ３の近赤外光に応じた測定信号Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３がそれぞれ求められる。すると、これらの測定信号の比に基づく多変量解析によって近赤外光の吸収率が求められる。近赤外光の吸収率が求められると、予め測定されている近赤外光の吸収率と紙Ｐの水分との関係を示すテーブル等を参照して紙Ｐに含まれる水分が測定される。尚、水分の測定は、テーブルを用いる方法以外に、予め設定された関数等を用いて行っても良い。
【００３８】
以上の測定は、図１中に示す搬送方向Ｄ１（Ｘ方向）に紙Ｐが搬送されている状態で、上ヘッド１１及び下ヘッド１２が同期して紙Ｐの幅方向（Ｙ方向）に往復運動している間は継続して行われる。従って、図１に示すジグザグ状の測定ラインＬ１に沿って紙Ｐに含まれる水分が測定されることになる。
【００３９】
以上の通り、本実施形態では、波長の異なる近赤外光を射出する複数の半導体発光素子２１ａ〜２１ｃと検査対象物たる紙Ｐとの間に四角環状（中空の四角錐状）又は四角柱状（四角錐状）のライトパイプ２２を設け、半導体発光素子２１ａ〜２１ｃから射出される近赤外光の各々を多重反射させて強度分布を均一化しているため、半導体発光素子２１ａ〜２１ｃから射出される近赤外光のスポット径を必要以上に広げることなく強度分布を均一にすることができる。これにより、例えば上ヘッド１１と下ヘッド１２との相対的な位置ずれ、或いは、フレーム１０の開口部ＯＰにおける紙ＰのＺ方向の通過位置のずれが生じたとしても高い測定精度を維持することができる。
【００４０】
また、本実施形態では、実装基板ＳＢ上に搭載された半導体発光素子２１ａ〜２１ｃに対して入射端２２ａが極力近接するようにライトパイプ２２の配置がなされているため、半導体発光素子２１ａ〜２１ｃから射出される近赤外光を無駄なく集光して有効活用することができる。更に、ライトパイプ２２は、必要となる測定精度等を考慮して長さを設定すれば良いため小型化が可能であり、しかもコストの大幅な上昇を招くことなく作成することができる
【００４１】
次に、本実施形態の変形例について説明する。図４は、第１変形例による水分計が備える第１ヘッドの内部構成を示すである。図４においては、図２に示した部材と同一の部材については同一の符号を付してある。図４に示す通り、本変形例による水分計が備える第１ヘッド１１は、ライトパイプ２２と紙Ｐとの間に平凸レンズ４０（集光光学系）を備える構成である。この平凸レンズ４０は、ライトパイプ２２の射出端２２ｂから射出された近赤外光を紙Ｐ上に集光するものである。
【００４２】
前述した実施形態では、ライトパイプ２２の射出端２２ｂの大きさが紙Ｐ上に設定される測定領域の大きさと同程度になるように設定されていたため、単に射出端２２ｂを紙Ｐに向けてライトパイプ２２を配置するだけでよかった。しかしながら、ライトパイプ２２と紙Ｐとの間隔を大きくしたい場合、或いは、スポット径を小さくして検出感度を高めた場合には、図４に示す通り、ライトパイプ２２と紙Ｐとの間に平凸レンズ４０を配置してライトパイプ２２の射出端２２ｂから射出される近赤外光を紙Ｐ上に集光させれば良い。
【００４３】
図５は、第２変形例による水分計が備える半導体発光素子を示す図である。尚、図５においても、図２に示した部材と同一の部材については同一の符号を付してある。図５に示す通り、本変形例による水分計は、実装基板ＳＢ上にマトリクス状に配列された複数の半導体発光素子２１ａ〜２１ｃを備える構成である。具体的に、図５に示す例では、半導体発光素子２１ａ〜２１ｃが３つずつ実装基板ＳＢ上に搭載されている。尚、実装基板ＳＢは、ライトパイプ２２の入射端２２ａに対して平行となるように配設されるため、半導体発光素子２１ａ〜２１ｃは、入射端２２ａに沿う平面内でマトリクス状に配列される。
【００４４】
半導体発光素子２１ａ〜２１ｃは、ＬＤやＬＥＤで実現されることから各々の出力を高めるのには限界がある。このため、図５に示す通り、半導体発光素子２１ａ〜２１ｃを複数用意してマトリクス状に配列することにより、各波長（λ１，λ２，λ３）の近赤外線の強度を高めることができる。このようにマトリクス状に配列された複数の半導体発光素子２１ａ〜２１ｃを用いても、ライトパイプ２２の入射端２２ａの大きさはさほど変わらないため、ライトパイプ２２による強度分布の均一化の効果を十分に得ることができる。
【００４５】
以上、本発明の一実施形態による赤外線分析装置について説明したが、本発明は上記実施形態に制限される訳ではなく、本発明の範囲内で自由に変更が可能である。例えば、上記実施形態では、ライトパイプ２２の形状が、四角環状（中空の四角錐状）又は四角柱状（四角錐状）である場合を説明したが、その形状は六角環状又は六角柱状であっても良く、八角環状又は八角柱状であっても良い。つまり、ライトパイプの形状は、三角環状又は三角柱状以上の多角環状又は多角柱状であれば良い。また、ライトパイプの形状は、テーパー状である必要は必ずしもなく、柱状であっても良い。
【００４６】
また、上述した実施形態では、４枚の板状部材Ｂ１〜Ｂ４の斜辺を貼り合わせることにより形成されるライトパイプ２２（図３（ａ）参照）、及び、近赤外光に対して透明な硝材を四角柱状（四角錐状）に形成してなるライトパイプ２２（図３（ｂ）参照）を例に挙げて説明した。しかしながら、ライトパイプ２２の内面又は側面（近赤外光に対する反射面）は平面である必要は必ずしも無く、必要に応じて曲面にされていても良い。
【符号の説明】
【００４７】
１ 水分計
１１ 上ヘッド
１２ 下ヘッド
２１ａ〜２１ｃ 半導体発光素子
２２ ライトパイプ
２２ａ 入射端
２２ｂ 射出端
３１ 検出器
４０ 平凸レンズ
Ｐ 紙
【特許請求の範囲】
【請求項１】
赤外光を用いて検査対象物の特性を分析する赤外線分析装置において、
前記検査対象物の一方側に配置されて前記検査対象物に照射すべき波長の異なる赤外光を射出する複数の光源と、該光源と前記検査対象物との間に配設されて前記複数の光源から射出される赤外光の各々を多重反射させて強度分布を均一化する多角形状の光学素子とを有する第１ヘッドと、
前記検査対象物の他方側に配置されて前記検査対象物を介した赤外光を検出する検出器を有する第２ヘッドと
を備えることを特徴とする赤外線分析装置。
【請求項２】
前記光学素子は、前記光源からの赤外光が入射される入射端と多重反射した赤外光が射出される射出端とを有しており、前記射出端が前記入射端よりも大に形成されたテーパー状であることを特徴とする請求項１記載の赤外線分析装置。
【請求項３】
前記複数の光源は、前記光学素子が有する前記入射端に沿う平面内でマトリクス状に配列されていることを特徴とする請求項２記載の赤外線分析装置。
【請求項４】
前記光学素子は、内面が前記複数の光源から射出される赤外光を反射する反射面とされた多角環状の内面反射鏡であることを特徴とする請求項１から請求項３の何れか一項に記載の赤外線分析装置。
【請求項５】
前記光学素子は、前記赤外光に対して透明な硝材を多角柱状に形成してなり、側面の各々が反射面とされた内面反射鏡であることを特徴とする請求項１から請求項３の何れか一項に記載の赤外線分析装置。
【請求項６】
前記第１ヘッドは、前記光学素子と前記検査対象物との間に配設されて前記光学素子から射出される赤外光を前記検査対象物上に集光する集光光学系を備えることを特徴とする請求項１から請求項５の何れか一項に記載の赤外線分析装置。
【請求項１】
赤外光を用いて検査対象物の特性を分析する赤外線分析装置において、
前記検査対象物の一方側に配置されて前記検査対象物に照射すべき波長の異なる赤外光を射出する複数の光源と、該光源と前記検査対象物との間に配設されて前記複数の光源から射出される赤外光の各々を多重反射させて強度分布を均一化する多角形状の光学素子とを有する第１ヘッドと、
前記検査対象物の他方側に配置されて前記検査対象物を介した赤外光を検出する検出器を有する第２ヘッドと
を備えることを特徴とする赤外線分析装置。
【請求項２】
前記光学素子は、前記光源からの赤外光が入射される入射端と多重反射した赤外光が射出される射出端とを有しており、前記射出端が前記入射端よりも大に形成されたテーパー状であることを特徴とする請求項１記載の赤外線分析装置。
【請求項３】
前記複数の光源は、前記光学素子が有する前記入射端に沿う平面内でマトリクス状に配列されていることを特徴とする請求項２記載の赤外線分析装置。
【請求項４】
前記光学素子は、内面が前記複数の光源から射出される赤外光を反射する反射面とされた多角環状の内面反射鏡であることを特徴とする請求項１から請求項３の何れか一項に記載の赤外線分析装置。
【請求項５】
前記光学素子は、前記赤外光に対して透明な硝材を多角柱状に形成してなり、側面の各々が反射面とされた内面反射鏡であることを特徴とする請求項１から請求項３の何れか一項に記載の赤外線分析装置。
【請求項６】
前記第１ヘッドは、前記光学素子と前記検査対象物との間に配設されて前記光学素子から射出される赤外光を前記検査対象物上に集光する集光光学系を備えることを特徴とする請求項１から請求項５の何れか一項に記載の赤外線分析装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１２−１７３２４９（Ｐ２０１２−１７３２４９Ａ）
【公開日】平成２４年９月１０日（２０１２．９．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−３８２４６（Ｐ２０１１−３８２４６）
【出願日】平成２３年２月２４日（２０１１．２．２４）
【出願人】（０００００６５０７）横河電機株式会社 (4,443)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年９月１０日（２０１２．９．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年２月２４日（２０１１．２．２４）
【出願人】（０００００６５０７）横河電機株式会社 (4,443)
【Ｆターム（参考）】
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