特開 2025-155807 含水分測定装置、含水分測定方法、及びプログラム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2025155807

(43)【公開日】2025-10-14

(54)【発明の名称】含水分測定装置、含水分測定方法、及びプログラム

(51)【国際特許分類】

   G01N 21/3554 20140101AFI20251002BHJP

   A01B 33/10 20060101ALI20251002BHJP

【ＦＩ】

G01N21/3554

A01B33/10 C

【審査請求】未請求

【請求項の数】15

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2024232705

(22)【出願日】2024-12-27

(31)【優先権主張番号】P 2024052279

(32)【優先日】2024-03-27

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(71)【出願人】

【識別番号】501203344

【氏名又は名称】国立研究開発法人農業・食品産業技術総合研究機構

(74)【代理人】

【識別番号】100165179

【弁理士】

【氏名又は名称】田▲崎▼ 聡

(74)【代理人】

【識別番号】100188558

【弁理士】

【氏名又は名称】飯田 雅人

(74)【代理人】

【識別番号】100175824

【弁理士】

【氏名又は名称】小林 淳一

(74)【代理人】

【識別番号】100152272

【弁理士】

【氏名又は名称】川越 雄一郎

(74)【代理人】

【識別番号】100181722

【弁理士】

【氏名又は名称】春田 洋孝

(72)【発明者】

【氏名】三宅 康也

(72)【発明者】

【氏名】齋藤 秀文

【テーマコード（参考）】

2B033

2G059

【Ｆターム（参考）】

2B033AA05

2B033AB01

2B033AB11

2B033ED14

2G059BB04

2G059BB08

2G059CC09

2G059EE01

2G059EE02

2G059EE11

2G059GG02

2G059GG03

2G059JJ11

2G059KK01

2G059MM01

2G059MM05

(57)【要約】

【課題】遠い位置にある対象物の含水分を精度よく検出することができる含水分測定装置、含水分測定方法、及びプログラムを提供する。
【解決手段】含水分測定装置は、水の吸収波長の光を照射する第１発光部と、水の吸収波長に応じた参照波長の光を照射する第２発光部と、前記第１発光部及び前記第２発光部により照射された光が対象物に反射した反射光を受光する受光部と、前記受光部により受光された反射光の強度に基づいて、前記対象物の含水分を算出する算出部と、を備え、前記第１発光部及び前記第２発光部により照射される光の半値角がそれぞれ２０度以下であり、前記第１発光部及び前記第２発光部によりそれぞれ照射される光の発光光軸と、前記受光部により受光される光の受光光軸とがなす角度が、前記半値角の０～０．５倍の角度である、含水分測定装置である。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

水の吸収波長の光を照射する第１発光部と、
水の吸収波長に応じた参照波長の光を照射する第２発光部と、
前記第１発光部及び前記第２発光部により照射された光が対象物に反射した反射光を受光する受光部と、
前記受光部により受光された反射光の強度に基づいて、前記対象物の含水分を算出する算出部と、を備え、
前記第１発光部及び前記第２発光部により照射される光の半値角がそれぞれ２０度以下であり、前記第１発光部及び前記第２発光部によりそれぞれ照射される光の発光光軸と、前記受光部により受光される光の受光光軸とがなす角度が、前記半値角の０～０．５倍の角度である、
含水分測定装置。

【請求項2】

前記第１発光部及び前記第２発光部は、前記受光部を囲んだ環状に配置されている、
請求項１に記載の含水分測定装置。

【請求項3】

前記第１発光部及び前記第２発光部により照射される光をそれぞれ集光するボールレンズを備える、
請求項１に記載の含水分測定装置。

【請求項4】

前記第１発光部及び前記第２発光部により出射される光の照射範囲をそれぞれ調整する絞り構造をさらに備える、
請求項１に記載の含水分測定装置。

【請求項5】

前記対象物までの距離を所定範囲内に保持する保持部をさらに備える、
請求項１に記載の含水分測定装置。

【請求項6】

前記保持部が、農業機械に設けられる、
請求項５に記載の含水分測定装置。

【請求項7】

前記対象物の位置を検出する位置センサをさらに備える、
請求項１に記載の含水分測定装置。

【請求項8】

前記算出部により算出された前記対象物の含水分と、前記位置センサにより検出された前記対象物の位置を対応付けた位置含水分情報を記憶部に記憶させる、
請求項７に記載の含水分測定装置。

【請求項9】

表示装置に表示された地図情報に前記位置含水分情報が示す位置を表示させる表示制御部をさらに備える、
請求項８に記載の含水分測定装置。

【請求項10】

前記第１発光部、前記第２発光部、及び前記受光部を備える光学ユニットが、前記第１発光部及び前記第２発光部により照射された光が反射する前記対象物の反射面に直交する直交軸に対して傾いて設けられ、
前記直交軸に対する前記受光光軸の傾き角βの範囲が、前記第１発光部及び前記第２発光部の放射角θ及び前記吸収波長の光と前記参照波長の光のなす角度φを用いて、
β≧θ／２＋φ
により表される、
請求項１に記載の含水分測定装置。

【請求項11】

前記第１発光部及び前記第２発光部の前記直交軸に対する傾きを調整する角度調整機構を備える、
請求項１０に記載の含水分測定装置。

【請求項12】

前記角度調整機構は、前記対象物の含水率が高いと想定される場合に、前記傾きを調整する、
請求項１１に記載の含水分測定装置。

【請求項13】

前記吸収波長の光及び前記参照波長の光をそれぞれ通過させる第１偏光板と、前記反射光を通過させ、前記第１偏光板が前記吸収波長の光及び前記参照波長の光に対して前記反射光を９０度偏光させる第２偏光板と、をさらに備える、
請求項１に記載の含水分測定装置。

【請求項14】

コンピュータが、
水の吸収波長の光を照射する第１発光部及び水の吸収波長に応じた参照波長の光を照射する第２発光部により照射された光が対象物に反射した反射光を受光する受光部により受光された反射光の強度に基づいて、前記対象物の含水分を算出し、
前記第１発光部及び前記第２発光部は、前記第１発光部及び前記第２発光部により照射される光の半値角がそれぞれ２０度以下となり、前記第１発光部及び前記第２発光部によりそれぞれ照射される前記光の発光光軸と、前記受光部により受光される光の受光光軸とがなす角度が、前記半値角の０～０．５倍の角度となる位置に配置されている、
含水分測定方法。

【請求項15】

コンピュータに、
水の吸収波長の光を照射する第１発光部及び水の吸収波長に応じた参照波長の光を照射する第２発光部により照射された光が対象物に反射した反射光を受光する受光部により受光された反射光の強度に基づいて、前記対象物の含水分を算出することを行わせ、
前記第１発光部及び前記第２発光部は、前記第１発光部及び前記第２発光部により照射される光の半値角がそれぞれ２０度以下となり、前記第１発光部及び前記第２発光部によりそれぞれ照射される前記光の発光光軸と、前記受光部により受光される光の受光光軸とがなす角度が、前記半値角の０～０．５倍の角度となる位置に配置されている、
プログラム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、含水分測定装置、含水分測定方法、及びプログラムに関する。

【背景技術】

【0002】

作物の生育にあたっては、土壌の物理的性質、例えば、砕土率や含水率を把握することが重要である。土壌の含水率を測定する技術としては、例えば、誘電率測定による埋め込み型の方式、土壌を採取する方式、水の吸収波長を利用する方式のものがある。このうち、誘電率測定による埋め込み型の方式では、移動ができないという問題がある。

【0003】

土壌を採取する方式では、採取した土壌を過熱乾燥し、加熱乾燥前後の重量を比較することで、含水率を算出する。このため、測定に時間を要する問題がある。水の吸収波長を利用する方式では、例えば、タングステンランプ等の高出力光源を分光して光源としたり、分光の際に光学フィルターを回転機構により切り替えたりするものがある。このうち、高出力光源を分光して光源とするものでは、消費電力が多くなる問題があり、光学フィルターを回転機構により切り替えるものでは、機械的な脆弱性が問題となる。

【0004】

このような問題に対して、近赤外線などの光を照射し、照射した光の反射光を受光した受光部の受光出力を取得し、取得した受光出力に基づいて、水分量を検出する技術がある。このような技術は、例えば、複写機、ファクシミリ、プリンタなどの画像形成装置に利用される例がある（例えば、特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０２３－０３４５２２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかし、上記特許文献１に開示された画像形成装置では、反射光を受光した受光部の受光出力に基づいて水分量を検出する技術を、転写紙の含水率の算出に利用している。このため、含水率を参照する対象物までの距離が数ｍｍ～数ｃｍといった近距離にあるものを想定している。したがって、例えば、農業機械に搭載して土壌の含水率を算出するために利用しようとすると、対象物までの距離が１０数ｃｍ～数１０ｃｍと遠すぎる問題がある。

【0007】

そこで、本発明が解決しようとする課題は、遠い位置にある対象物の含水分を精度よく検出することができる含水分測定装置、含水分測定方法、及びプログラムを提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上記課題を解決した含水分測定装置は、水の吸収波長の光を照射する第１発光部と、水の吸収波長に応じた参照波長の光を照射する第２発光部と、前記第１発光部及び前記第２発光部により照射された光が対象物に反射した反射光を受光する受光部と、前記受光部により受光された反射光の強度に基づいて、前記対象物の含水分を算出する算出部と、を備え、前記第１発光部及び前記第２発光部により照射される光の半値角がそれぞれ２０度以下であり、前記第１発光部及び前記第２発光部によりそれぞれ照射される光の発光光軸と、前記受光部により受光される光の受光光軸とがなす角度が、前記半値角の０～０．５倍の角度である、含水分測定装置である。

【0009】

また、前記第１発光部及び前記第２発光部は、前記受光部を囲んだ環状に配置されている、ようにしてもよい。

【0010】

また、前記第１発光部及び前記第２発光部により照射される光をそれぞれ集光するボールレンズを備える、ようにしてもよい。

【0011】

また、前記第１発光部及び前記第２発光部によりそれぞれ出射される光の照射範囲を調整する絞り構造をさらに備える、ようにしてもよい。

【0012】

また、前記対象物までの距離を所定範囲内に保持する保持部をさらに備える、ようにしてもよい。

【0013】

また、前記保持部が、農業機械に設けられる、ようにしてもよい。

【0014】

また、前記対象物の位置を検出する位置センサをさらに備える、ようにしてもよい。

【0015】

また、前記算出部により算出された前記対象物の含水分と、前記位置センサにより検出された前記対象物の位置を対応付けた位置含水分情報を記憶部に記憶させる、ようにしてもよい。

【0016】

また、表示装置に表示された地図情報に前記位置含水分情報が示す位置を表示させる表示制御部をさらに備える、ようにしてもよい。

【0017】

また、前記第１発光部及び前記第２発光部により照射された光が反射する前記対象物の反射面に直交する直交軸に対する前記受光光軸の傾き角βの範囲が、前記第１発光部及び前記第２発光部の放射角θ及び前記吸収波長の光と前記参照波長の光のなす角度φを用いて、β≧θ／２＋φにより表される、ようにしてもよい。

【0018】

また、前記第１発光部及び前記第２発光部の前記直交軸に対する傾きを調整する角度調整機構を備える、ようにしてもよい。

【0019】

また、前記角度調整機構は、前記対象物の含水率が高いと想定される場合に、前記傾きを調整する、ようにしてもよい。

【0020】

また、前記吸収波長の光及び前記参照波長の光をそれぞれ通過させる第１偏光板と、前記反射光を通過させ、前記第１偏光板が前記吸収波長の光及び前記参照波長の光に対して前記反射光を９０度偏光させる第２偏光板と、をさらに備える、ようにしてもよい。

【0021】

また、上記課題を解決した含水分測定方法は、コンピュータが、水の吸収波長の光を照射する第１発光部及び水の吸収波長に応じた参照波長の光を照射する第２発光部により照射された光が対象物に反射した反射光を受光する受光部により受光された反射光の強度に基づいて、前記対象物の含水分を算出し、前記第１発光部及び前記第２発光部は、前記第１発光部及び前記第２発光部により照射される光の半値角がそれぞれ２０度以下となり、前記第１発光部及び前記第２発光部によりそれぞれ照射される前記光の発光光軸と、前記受光部により受光される光の受光光軸とがなす角度が、前記半値角の０～０．５倍の角度となる位置に配置されている、含水分測定方法である。

【0022】

また、上記課題を解決したプログラムは、コンピュータに、水の吸収波長の光を照射する第１発光部及び水の吸収波長に応じた参照波長の光を照射する第２発光部により照射された光が対象物に反射した反射光を受光する受光部により受光された反射光の強度に基づいて、前記対象物の含水分を算出することを行わせ、前記第１発光部及び前記第２発光部は、前記第１発光部及び前記第２発光部により照射される光の半値角がそれぞれ２０度以下となり、前記第１発光部及び前記第２発光部によりそれぞれ照射される前記光の発光光軸と、前記受光部により受光される光の受光光軸とがなす角度が、前記半値角の０～０．５倍の角度となる位置に配置されている、プログラムである。

【発明の効果】

【0023】

本発明に係る含水分測定装置、含水分測定方法、及びプログラムによれば、遠い位置にある対象物の含水分を精度よく検出することができる。

【図面の簡単な説明】

【0024】

【図1】第１の実施形態の含水分測定装置１の構成の一例を示すブロック図である。

【図2】光学ユニット１０の外観を示す斜視図である。

【図3】光学ユニット１０における第１吸収ＬＥＤ３１、第１参照ＬＥＤ４１、及び第２参照ＬＥＤ４２を通る立断面図である。

【図4】波長ごとの水の吸収スペクトルを示すグラフである。

【図5】２点校正により得られた強度比を示すグラフである。

【図6】対象物の含水分を測定する処理の一例を示すフローチャートである。

【図7】第１照射光及び第２照射光とフォトダイオード７０が受光する光の関係を模式的に示す図である。

【図8】光学ユニット１０から対象物までの距離に対する第１照射光及び第２照射光の反射光の受光強度及びその強度比を示すグラフである。

【図9】第２の実施形態の含水分測定装置２の構成の一例を示すブロック図である。

【図10】光学ユニット１０が設けられたロータリー８０の斜視図である。

【図11】光学ユニット１０の他の取付態様の一例を示す斜視図である。

【図12】光学ユニット１０における吸収ＬＥＤ３０及び参照ＬＥＤ４０の配置の例を説明する説明図である。

【図13】吸収ＬＥＤ３０及び参照ＬＥＤ４０の照射方向を調整する態様の一例を説明する図である。

【図14】第３の実施形態の光学ユニット１０が第１照射光Ｂ１１及び第２照射光Ｂ１２を照射し反射光を受光する状態を模式的に示す図である。

【図15】第１照射光Ｂ１１及び第２照射光Ｂ１２が土壌に反射した状態を模式的に示す図である。

【図16】土壌水分率と反射率比から予測される予測水分率に基づく関係を示す図である。

【図17】最低傾き角を縦軸、土壌の表面からフォトダイオード７０までの距離を横軸に示すグラフである。

【図18】角度調整機構９５が設けられたローラユニット８５の側面図である。

【図19】第４の実施形態の光学ユニット１０が第１照射光及び第２照射光を照射し反射光を受光する状態を模式的に示す図である。

【図20】第１偏光板５１を通過した第１照射光Ｂ１１及び第２照射光Ｂ１２が土壌に反射した状態を模式的に示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0025】

以下、本発明に係る含水分測定装置、含水分測定方法、及びプログラムを、図面を参照して説明する。

【0026】

（第１の実施形態）
第１の実施形態の含水分測定装置では、第１発光部が照射した水の吸収波長の光及び第２発光部が照射した水の吸収波長に応じた参照波長が対象物に反射した反射光を受光部により受光する。第１発光部及び第２発光部により照射される光の半値角は、いずれも２０度以下である。第１発光部により照射される光の発光光軸と受光部により受光される受光光軸とがなす角度は、上記の半値角の０～０．５倍である。

【0027】

含水分測定装置は、算出部において、受光部により受光された反射光の強度（受光強度）に基づいて、対象物の含水分を算出する。算出される含水分は、対象物に含まれる水分に関する指標であればよく、例えば、含水量でもよいし含水率でもよい。含水分測定装置は、算出部において含水分を算出することにより含水分を測定する。

【0028】

図１は、第１の実施形態の含水分測定装置１の構成の一例を示すブロック図である。含水分測定装置１は、例えば、光学ユニット１０と、制御装置１００と、を備える。光学ユニット１０は、例えば、ホルダ２０と、吸収ＬＥＤ（Light Emitting Diode）３０と、参照ＬＥＤ４０と、ボールレンズ５０と、絞り構造６０と、フォトダイオード７０と、を備える。

【0029】

吸収ＬＥＤ３０とは、対象物（例えば水）の吸収波長の光を発光するＬＥＤである。参照ＬＥＤ４０とは、対象物の周辺で対象部の吸収の少ない波長の光を発光するＬＥＤである。以下の説明において、同一の機能を有する部材が複数ある場合には、必要に応じて第１、第２などの番号を付したり、符号の１桁台を代えたり、枝番を付したりするなどしてそれらを分けて説明する。

【0030】

図２は、光学ユニット１０の外観を示す斜視図である。図３は、光学ユニット１０における第１吸収ＬＥＤ３１、第１参照ＬＥＤ４１、及び第２参照ＬＥＤ４２を通る立断面図である。ホルダ２０は、例えば、ベース部材２１と、保持部材２２と、ＬＥＤホルダ２３とを備える。ベース部材２１は、円盤状をなしている。ベース部材２１の一面側には、保持部材２２が突出して設けられている。保持部材２２には、中央の中央保持部２２Ａと、中央保持部２２Ａを囲んで環状に配置された周辺保持部２２Ｂ１～２２Ｂ６が設けられている。

【0031】

ＬＥＤホルダ２３としては、中央保持部２２Ａに保持される中央ＬＥＤホルダ２３Ａと、周辺保持部２２Ｂ１～２２Ｂ６にそれぞれ保持される周辺ＬＥＤホルダ２３Ｂ１～２３Ｂ６が設けられている。中央保持部２２Ａにはフォトダイオード７０が収容され、中央ＬＥＤホルダ２３Ａは、フォトダイオード７０が収容された中央保持部２２Ａを保持する。周辺保持部２２Ｂ１～２２Ｂ６には吸収ＬＥＤ３０及び参照ＬＥＤ４０が収容され、周辺保持部２２Ｂ１～２２Ｂ６は、吸収ＬＥＤ３０及び参照ＬＥＤ４０が収容された周辺ＬＥＤホルダ２３Ｂ１～２３Ｂ６をそれぞれ保持する。

【0032】

吸収ＬＥＤ３０としては、第１吸収ＬＥＤ３１と第２吸収ＬＥＤ３２が設けられている。吸収ＬＥＤ３０としては、水の吸収波長、例えば、１．９μｍまたは１．４５μｍ程度の波長の光を照射するＬＥＤが用いられる。実施形態では、１．９μｍの波長を有するＬＥＤが用いられている。第１吸収ＬＥＤ３１は、第２周辺ＬＥＤホルダ２３Ｂ２とともに第２周辺保持部２２Ｂ２に保持され、第２吸収ＬＥＤ３２は、第５周辺ＬＥＤホルダ２３Ｂ５とともに第５周辺保持部２２Ｂ５に保持される。吸収ＬＥＤ３０は、第１発光部の一例である。

【0033】

参照ＬＥＤ４０としては、第１参照ＬＥＤ４１～第４参照ＬＥＤ４４が設けられている。参照ＬＥＤ４０としては、吸収ＬＥＤ３０により照射される光（以下、第１照射光）の波長に近い波長、例えば、第１照射光の波長が１．９μｍである場合には、１．６μｍ～２．２μｍの波長の光を照射するＬＥＤが用いられる。

【0034】

第１照射光の波長が１．４５μｍである場合には、参照ＬＥＤ４０として、１．２μｍ～１．５５μｍの波長の光を照射するＬＥＤが用いられる。実施形態では、第１参照ＬＥＤ４１及び第３参照ＬＥＤ４３として１．６μｍの波長の光を照射するＬＥＤが用いられ、第２参照ＬＥＤ４２及び第４参照ＬＥＤ４４として２．２μｍの波長の光を照射するＬＥＤが用いられる。参照ＬＥＤ４０は、第２発光部の一例である。

【0035】

第１参照ＬＥＤ４１及び第２参照ＬＥＤ４２は、第１吸収ＬＥＤ３１に隣接して配置され、第３参照ＬＥＤ４３及び第４参照ＬＥＤ４４は、第２吸収ＬＥＤ３２に隣接して配置される。第１参照ＬＥＤ４１は第１周辺ＬＥＤホルダ２３Ｂ１とともに第１周辺保持部２２Ｂ１に保持され、第２参照ＬＥＤ４２は第３周辺ＬＥＤホルダ２３Ｂ３とともに第３周辺保持部２２Ｂ３に保持される。第３参照ＬＥＤ４３は第４周辺ＬＥＤホルダ２３Ｂ４とともに第４周辺保持部２２Ｂ４に保持され、第４参照ＬＥＤ４４は第６周辺ＬＥＤホルダ２３Ｂ６とともに第６周辺保持部２２Ｂ６に保持される。

【0036】

図３に示すように、第１吸収ＬＥＤ３１、第１参照ＬＥＤ４１、及び第２参照ＬＥＤ４２の光照射部には、ボールレンズ５０が配置される。ボールレンズ５０は、その他の吸収ＬＥＤ３０及び参照ＬＥＤの光照射部にも配置される。ボールレンズ５０は、第１照射光及び参照ＬＥＤにより照射される光（以下、第２照射光）を集光する。ボールレンズ５０は、フォトダイオード７０の受光部にも設けられており、吸収ＬＥＤ３０及び参照ＬＥＤ４０の発光角とフォトダイオード７０の受光角を同一にする。

【0037】

ボールレンズ５０を介した吸収ＬＥＤ３０及び参照ＬＥＤ４０の先には、絞り構造６０が設けられている。絞り構造６０は、ホルダ２０におけるベース部材２１を穿孔して加工することにより形成されている。絞り構造６０は、吸収ＬＥＤ３０及び参照ＬＥＤ４０により照射され、ボールレンズにより出射された光の照射範囲を調整する。

【0038】

第１照射光及び第２照射光の半値角はそれぞれ２０度以下である。半値角は、吸収ＬＥＤ３０及び参照ＬＥＤ４０とボールレンズ５０との距離、換言すれば、焦点距離からのずれにより定められる。絞り構造６０が介在されることにより、余分な反射やフォトダイオード７０に直接入射する迷光が低減される。絞り構造６０は、設けられていなくてもよい。また、第１照射光の発光光軸（以下、第１発光光軸）と、フォトダイオード７０により受光される光の受光光軸（以下、ＰＤ受光光軸）とがなす角度は、半値角の０～０．５倍の角度である。さらに、第２照射光の発光光軸（以下、第２発光光軸）と、ＰＤ受光光軸とがなす角度は、半値角の０～０．５倍の角度である。第１発光光軸とＰＤ受光光軸がなす角度、第２発光光軸とＰＤ受光光軸がなす角度は、いずれも同一角度である。

【0039】

フォトダイオード７０は、第１照射光及び第２照射光が対象物に反射した反射光を受光する。フォトダイオード７０は、受光した反射光の強度に応じた強度信号を制御回路１６０に出力する。強度信号には、波長の異なる反射光ごとの強度信号が含まれる。フォトダイオード７０は、受光部の一例である。

【0040】

光学ユニット１０は、例えば、第１照射光及び第２照射光が対象物にあたる方向を向いて配置される。対象物はどのようなものでもよいが、例えばトラクタやトラクタにけん引されるロータリーなどの農業機械が走行する土壌である。対象物が土壌である場合、含水分測定装置１は、土壌の含水分を測定する。

【0041】

第１照射光及び第２照射光は、土壌に反射して反射光となる。反射光は、光学ユニット１０におけるフォトダイオード７０の方向を含む方向に向いて放射される。フォトダイオード７０は、放射された反射光を受光し、受光した反射光の強度に基づく強度信号を生成して制御装置１００に出力する。

【0042】

図１に戻り、入出力インターフェース１１は、例えば、入力インターフェースは、制御装置１００と無線通信または有線通信可能なスマートフォンやパーソナルコンピュータに設けられる。スマートフォンに設けられる入出力インターフェース１１は、例えば、タッチパネルより構成れる。パーソナルコンピュータに設けられる入出力インターフェース１１は、例えば、入力インターフェース及び出力インターフェースを備える。

【0043】

入力インターフェースは、例えば、マウスやキーボード、タッチパネル、トラックボール、スイッチ、ボタン、ジョイスティック、カメラ、赤外線センサ、マイク等により実現される。出力インターフェースは、例えば、ディスプレイを備える。ディスプレイは、各種情報を表示する。ディスプレイは、例えば、液晶ディスプレイやＣＲＴ（Cathode Ray Tube）、有機ＥＬ（Electroluminescence）ディスプレイ等である。

【0044】

制御装置１００は、例えば、ドライバ群１１０と、増幅部１２０と、変換部１３０と、通信部１５０と、制御回路１６０と、記憶部１７０とを備える。ドライバ群１１０は、第１ドライバ１１１～第６ドライバ１１６を備える。第１ドライバ１１１～第６ドライバ１１６は、制御回路１６０により出力される駆動信号に基づいて、それぞれ第１参照ＬＥＤ４１、第１吸収ＬＥＤ３１、第２参照ＬＥＤ４２、第３参照ＬＥＤ４３、第２吸収ＬＥＤ３２、及び第４参照ＬＥＤ４４を点灯させたり消灯させたりする。

【0045】

変換部１３０は、フォトダイオード７０により出力される強度信号の電流を制御回路１６０に入力可能に変換する。変換部１３０は、変換した強度信号を増幅部１２０に出力する。増幅部１２０は、変換部１３０により変換された強度信号を増幅する増幅部１２０は、増幅した強度信号を制御回路１６０に出力する。通信部１５０は、例えば、ＮＩＣ（Network Interface Card）等の通信インターフェースを含む。

【0046】

制御回路１６０は、例えば、取得部１６１と、駆動制御部１６２と、算出部１６３とを備える。制御回路１６０は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）などのハードウェアプロセッサがプログラム（ソフトウェア）を実行することにより実現される。これらの構成要素のうち一部または全部は、ＬＳＩ（Large Scale Integration）やＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）、ＧＰＵ（Graphics Processing Unit）などのハードウェア（回路部；circuitryを含む）によって実現されてもよいし、ソフトウェアとハードウェアの協働によって実現されてもよい。プログラムは、予めＨＤＤ（Hard Disk Drive）やフラッシュメモリなどの記憶装置（非一過性記憶媒体）に格納されていてもよいし、ＤＶＤやＣＤ－ＲＯＭなどの着脱可能な記憶媒体（非一過性記憶媒体）に格納されており、記憶媒体がドライブ装置に装着されることでインストールされてもよい。プログラムは、通信技術を利用した変更（更新）技術（OTA: Over The Air）により更新されてもよい。

【0047】

取得部１６１は、フォトダイオード７０により出力され、変換部１３０により変換され、増幅部１２０により増幅された反射光の強度を示す強度信号を取得する。取得部１６１が取得する強度信号に含まれる反射光の強度は、変換部１３０で変換され、増幅部１２０で増幅された反射強度である。

【0048】

駆動制御部１６２は、対象物の含水分を測定する際に、吸収ＬＥＤ３０及び参照ＬＥＤ４０による光の照射を制御するための駆動信号をドライバ群１１０に出力する。駆動制御部１６２は、例えば、点灯する吸収ＬＥＤ３０及び参照ＬＥＤ４０が順次移動するように、複数の吸収ＬＥＤ３０及び参照ＬＥＤ４０を個別に点灯させる。駆動制御部１６２は、例えば、第１参照ＬＥＤ４１、第１吸収ＬＥＤ３１、第２参照ＬＥＤ４２、第３参照ＬＥＤ４３、第２吸収ＬＥＤ３２、第４参照ＬＥＤ４４、第１参照ＬＥＤ４１の順でするように駆動信号を出力する。

【0049】

算出部１６３は、取得部１６１により取得された強度信号に示される反射光の強度に基づいて、対象物の含水分を算出する。

【0050】

図４は、波長ごとの水の吸収スペクトルを示すグラフである。水の吸収スペクトルは、１４５０ｎｍ、１９４０ｎｍ、及び２９００ｎｍで高くなる。このため、水の吸収スペクトルが高くなる波長に近い光を対象物に照射し、その反射光の強度と吸収率の低い周辺の波長(参照光)の反射光の強度を測定し、その比率から、対象物の含水分を測定することができる。

【0051】

例えば、吸収ＬＥＤ３０により照射される波長が１．９μｍの光の含水率ｘの対象物からの反射光の強度を吸収反射光強度Ｒ１９（ｘ）、参照ＬＥＤ４０により照射される波長が１．６μｍ及び２．２μｍの光の反射強度をそれぞれ第１参照反射光強度Ｒ１６（ｘ）及び第２参照反射光強度Ｒ２２（ｘ）とする。算出部１６３は、吸収反射光強度Ｒ１９（ｘ）、第１参照反射光強度Ｒ１６（ｘ）、及び第２参照反射光強度Ｒ２２（ｘ）を用いて、下記の（１）式に示す既知のｘの２点校正により直線近似する。
１－ａ×Ｒ１９（ｘ）／（Ｒ１６（ｘ）＋ｂ×Ｒ２２（ｘ））・・・（１）
ここで、ａ，ｂは校正係数である。

【0052】

図５は、２点校正により得られた強度比を示すグラフである。図５は、吸収反射光強度Ｒ１９を示す第１曲線Ｍ１、第１参照反射光強度Ｒ１６を示す第２曲線Ｍ２、及び第２参照反射光強度Ｒ２２を示す第３曲線Ｍ３、及び（１）式で算出される第２近似曲線ＮＳ２を示す。算出部１６３は、（１）式により、対象物の含水分（含水率）を算出する。

【0053】

次に、対象物の含水分を測定する処理について説明する。図６は、対象物の含水分を測定する処理の一例を示すフローチャートである。最初の段階では、吸収ＬＥＤ３０及び参照ＬＥＤ４０は、すべて消灯している状態とする。制御装置１００における制御回路１６０の駆動制御部１６２は、まず、第１参照ＬＥＤ４１及び第３参照ＬＥＤ４３を点灯させる（ステップＳ１０１）。第１参照ＬＥＤ４１及び第３参照ＬＥＤ４３は、点灯することにより対象物に向けて光を照射する。第１参照ＬＥＤ４１及び第３参照ＬＥＤ４３により照射された第２照射光は、対象物に反射して反射光を放射する。

【0054】

続いて、フォトダイオード７０は、対象物により放射される反射光を受光する（ステップＳ１０３）。フォトダイオード７０は、受光した反射光の強度に基づいて、強度信号を生成し、生成した強度信号を制御装置１００に出力する（ステップＳ１０５）。制御装置１００は、出力された強度信号を変換部１３０により変換し、増幅部１２０により増幅した後、制御回路１６０の取得部１６１により取得する。

【0055】

続いて、駆動制御部１６２は、第１参照ＬＥＤ４１及び第３参照ＬＥＤ４３を消灯させ（ステップＳ１０７）、第１吸収ＬＥＤ３１及び第２吸収ＬＥＤ３２を点灯させる（ステップＳ１０９）。第１吸収ＬＥＤ３１及び第２吸収ＬＥＤ３２は、点灯することにより対象物に向けて光を照射する。第１吸収ＬＥＤ３１及び第２吸収ＬＥＤ３２により照射された第１照射光は、対象物に反射して反射光を放射する。

【0056】

フォトダイオード７０は、対象物により放射される反射光を受光する（ステップＳ１１１）。フォトダイオード７０は、受光した反射光の強度に基づいて、強度信号を生成し、生成した強度信号を制御装置１００に出力する（ステップＳ１１３）。制御装置１００は、出力された強度信号を変換部１３０により変換し、増幅部１２０により増幅した後、制御回路１６０の取得部１６１により取得する。

【0057】

続いて、駆動制御部１６２は、第１吸収ＬＥＤ３１及び第２吸収ＬＥＤ３２を消灯させ（ステップＳ１１５）、第２参照ＬＥＤ４２及び第４参照ＬＥＤ４４を点灯させる（ステップＳ１１７）。第２参照ＬＥＤ４２及び第４参照ＬＥＤ４４は、点灯することにより対象物に向けて光を照射する第２参照ＬＥＤ４２及び第４参照ＬＥＤ４４により照射された第２照射光は、対象物に反射して反射光を放射する。

【0058】

フォトダイオード７０は、対象物により放射される反射光を受光する（ステップＳ１１９）。フォトダイオード７０は、受光した反射光の強度に基づいて、強度信号を生成し、生成した強度信号を制御装置１００に出力する（ステップＳ１２１）。制御装置１００は、出力された強度信号を変換部１３０により変換し、増幅部１２０により増幅した後、制御回路１６０の取得部１６１により取得する。その後、駆動制御部１６２は、第２参照ＬＥＤ４２及び第４参照ＬＥＤ４４を消灯させる（ステップＳ１２３）。

【0059】

続いて、算出部１６３は、ステップＳ１０１～ステップＳ１２３までの一連の処理（以下、計測処理）を実行した回数が２００回に到達したか否かを判定する（ステップＳ１２５）。計測処理を実行した回数が２００回に到達していないと判定した場合、算出部１６３は、計測処理を実行した回数をインクリメント（＋１）して、処理をステップＳ１０１に戻す。計測回数は、２００回を超えてもよいし２００回未満でもよい。計測回数を増やすほど、ノイズの影響を減少させることができ、計測回数が少ないほど、計測時間を短くすることができる。

【0060】

計測処理を実行した回数が２００回に到達したと判定した場合、算出部１６３は、実行した２００回分の計測処理の結果に基づいて、対象物（土壌）の含水分を算出する（ステップＳ１２９）。このとき、算出部１６３は、校正時に求めた校正係数ａ，ｂを用いて、（１）式を利用して対象物（土壌）の含水分を算出する。こうして、含水分測定装置１は、図６に示す処理を終了する。

【0061】

実施形態の含水分測定装置１において、光学ユニット１０は、第１照射光及び第２照射光の半値角はそれぞれ２０度以下であり、第１発光光軸及び第２発光光軸と、ＰＤ受光光軸とがなす角度が、半値角の０～０．５倍の角度である。このため、対象物の大きさ（対象物までの距離）が変動しても含水分の測定が可能となる。以下、その原理について説明する。

【0062】

第１照射光及び第２照射光と、フォトダイオード７０が受光する光の関係について説明する。一般に、ＬＥＤが照射する光はコヒーレント光ではないので、ＬＥＤが照射する光は放射角が狭いほど強度が高くなる。第１照射光及び第２照射光は、いずれも半値角が２０度以下であり、第１照射光及び第２照射光の反射光の強度が、含水分の測定のためにフォトダイオード７０が受光する光の強度として必要な強度であると想定される。

【0063】

また、吸収ＬＥＤ３０及び参照ＬＥＤ４０とフォトダイオード７０とがなす角度は、ＬＥＤの放射角の１／２の範囲内であれば、吸収ＬＥＤ３０及び参照ＬＥＤ４０の照射領域とフォトダイオード７０の受光領域には重なりがあることとなる。この点について、図７を参照して説明する。図７は、第１照射光及び第２照射光とフォトダイオード７０が受光する光の関係を模式的に示す図である。

【0064】

例えば、第１照射光Ｂ１１は、半値角の広がりを持って吸収ＬＥＤ３０から照射されるとする。同様に、第２照射光Ｂ１２は、半値角の広がりを持って参照ＬＥＤ４０から照射されるとする。また、フォトダイオード７０が第１照射光Ｂ１１及び第２照射光Ｂ１２の反射光を受光可能となる受光範囲Ｂ２１は、第１照射光Ｂ１１及び第２照射光Ｂ１２と同様の広がりを持ってフォトダイオード７０から遠ざかるほど広くなる。

【0065】

ここで、光学ユニット１０が設けられた位置を基準位置Ｐ０として、基準位置Ｐ０に最も近い第１位置Ｐ１において、第１照射光Ｂ１１の照射領域（以下、第１照射領域）ＳＡ１１と、フォトダイオード７０の受光領域（以下、ＰＤ受光領域）ＳＡ２１、及び第２照射光Ｂ１２の照射領域（以下、第２照射領域）ＳＡ１２と、ＰＤ受光領域ＳＡ２１は、重なる部分が生じる。このため、基準位置Ｐ０から第１位置Ｐ１までの距離より遠くにある対象物の含水分の測定が可能となり、基準位置Ｐ０から第１位置Ｐ１までの距離より光学ユニット１０から遠い範囲が、含水分測定可能範囲ＣＸ１となる。

【0066】

含水分測定可能範囲ＣＸ１には、第１発光光軸と第２発光光軸とＰＤ受光光軸の３つの光軸が交差するクロスポイントαがある。クロスポイントαより光学ユニット１０側の位置に対象物があるときに、対象物の含水分の測定精度を高くすることができる。ここで、第１発光光軸とＰＤ受光光軸、及び第２発光光軸とＰＤ受光光軸の角度が大きく、例えば１０度を超えて１５度程度となると、クロスポイントαが光学ユニット１０に近くなりすぎる。

【0067】

クロスポイントαが近い光学ユニット１０の場合、例えば、光学ユニット１０の近い位置、例えば数ｍｍ程度の位置における対象物の含水分の測定には適することがある。ところが、例えば光学ユニット１０を農業機械に搭載して土壌の含水分を測定する際には、光学ユニット１０から対象物である土壌までの距離が数１０ｃｍ（数１００ｍｍ）と大きいことから、クロスポイントαが近い光学ユニット１０は、農業機械に搭載して土壌の含水分を測定する際には適しにくい。

【0068】

この点、第１の実施形態の含水分測定装置１では、ここで、第１発光光軸及び第２発光光軸と、ＰＤ受光光軸とがなす角度が、半値角の０～０．５倍の角度（０度～１０度）である。このため、クロスポイントαを光学ユニット１０から遠い位置、例えば、１０ｃｍ程度の位置に配置することができる。

【0069】

また、第１位置Ｐ１よりも基準位置Ｐ０から遠い第２基準位置では、第１照射領域ＳＡ１１とＰＤ受光領域ＳＡ２１が重なる範囲及び第２照射領域ＳＡ１２とＰＤ受光領域ＳＡ２１が重なる範囲は、第１基準位置よりも広くなる。さらに、第ｎ位置Ｐｎ（ｎ＝正の整数）では、第１照射領域ＳＡ１１とＰＤ受光領域ＳＡ２１が重なる範囲及び第２照射領域ＳＡ１２とＰＤ受光領域ＳＡ２１が重なる範囲は、第ｎ－１位置Ｐｎ－１よりも広くなる。

【0070】

ここで、第１発光光軸及び第２発光光軸と、ＰＤ受光光軸とがなす角度が、半値角の０～０．５倍の角度であると、無限遠においても第１照射領域ＳＡ１１及び第２照射領域ＳＡ１２とＰＤ受光領域ＳＡ２１が重なる範囲が存在することとなる。このため、第１の実施形態の含水分測定装置１を農業機械に搭載して土壌の含水分を測定する際に適したものとすることができる。

【0071】

次に、フォトダイオード７０による反射光の受光強度について説明する。フォトダイオード７０による反射光の受光強度は、光学ユニット１０と対象物との距離により変動する。図８は、光学ユニット１０から対象物までの距離に対する第１照射光及び第２照射光の反射光の受光強度及びその強度比を示すグラフである。

【0072】

光学ユニット１０から対象物までの距離が第１距離Ｌ１（基準位置Ｐ０から第１位置Ｐ１までの距離、Ｐ１－Ｐ０）である場合には、フォトダイオード７０は、反射光を受光できないので、受光強度は０となる。第１距離Ｌ１は、例えば５０ｍｍ程度である。光学ユニット１０から対象物までの距離が第１距離Ｌ１を超えると、第１照射光の反射光（以下、第１反射光）の受光強度（以下、第１受光強度）ＰＬ１及び第２照射光の反射光（以下、第２反射光）の受光強度（以下、第２受光強度）ＰＬ２は、いずれも増加し、フォトダイオード７０が受光した反射光の受光強度に基づく含水分の測定が可能となる。

【0073】

続いて、光学ユニット１０から対象物までの距離が第２距離Ｌ２となると、第１受光強度ＰＬ１及び第２受光強度ＰＬ２はいずれも減少するが、含水分の測定に必要な受光強度を維持している。第２距離Ｌ２は、例えば、７０ｍｍ程度である。さらに、光学ユニット１０から対象物までの距離が第３距離Ｌ３となると、反射光の強度を測定するためのノイズレベルＮＬにまで到達する。この場合には、第１受光強度ＰＬ１及び第２受光強度ＰＬ２には誤差が多く含まれる可能性が高くなる。第３距離Ｌ３は、例えば、２３０ｍｍ程度である。

【0074】

また、光学ユニット１０と対象物との距離が第１距離Ｌ１～第３距離Ｌ３となるまでの間では第１反射光及び第２反射光の強度比ＰＢは０．１以上であり、含水分の測定に利用可能な強度比である。したがって、第１距離Ｌ１～第３距離Ｌ３の範囲までが含水分測定可能範囲ＣＸ２であることがわかる。

【0075】

第１の実施形態の含水分測定装置１は、対象物である土壌に照射した第１照射光及び第２照射光の反射光を受光し、反射光の強度に基づいて、土壌の含水分を測定する。このとき、第１照射光及び第２照射光の半値角がそれぞれ２０度以下であり、第１発光光軸及び第２発光光軸と、ＰＤ受光光軸とがなす角度が、第１照射光及び第２照射光の半値角の０～０．５倍の角度である。このため、第１照射光と第２照射光の半値角が２０度以下であるので、強度の高い光が無限遠でも重なり合うこととなるので、光学ユニット１０の遠くにある対象物に対しても含水分の測定を行うことができる。したがって、光学ユニット１０から遠い位置にある対象物の含水分を精度よく検出することができる。

【0076】

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態の含水分測定装置について説明する。図９は、第２の実施形態の含水分測定装置２の構成の一例を示すブロック図である。第２の実施形態の含水分測定装置２は、光学ユニット１０が農業機械、例えばロータリーに設けられる点、及びＧＮＳＳ（Global Navigation Satellite System）装置を備える点において第１の実施形態と主に異なる。さらに、第２の実施形態の含水分測定装置２は、制御回路１６０に表示制御部１６４が設けられる点、及び記憶部１７０に圃場マップ１７１が記憶されている点において第１の実施形態と主に異なる。

【0077】

第２の実施形態において、第１の実施形態と同一の部材、要素については、同一の番号を付してその説明を省略することがある。第２の実施形態において、光学ユニットが設けられる農業機械はロータリーであるが、農業機械は自走式の機械でもよいし、トラクタなどにけん引される機械（アタッチメント）でもよく、例えば、トラクタ、コンバイン、ロータリー、プラウ、トレーラー、は種機などでもよい。

【0078】

図１０は、光学ユニット１０が設けられたロータリー８０の斜視図である。図１８には、直交座標系ＸＹＺの座標軸が表されている。Ｘ軸は、水平面（ＸＹ平面）に対して平行なロータリー８０の前後方向の軸である。Ｙ軸は、水平面に対して平行なロータリー８０の左右方向の軸である。Ｚ軸は、水平面に直交するロータリー８０の高さ方向の軸である。ロータリー８０は、例えば、ロータリー本体８１及びローラユニット８２を備える。ローラユニット８２は、ロータリー本体８１の後端部に設けられている。ローラユニット８２は、平行リンク機構８３を備える。平行リンク機構８３には、ローラ８４が取り付けられている。平行リンク機構８３には、ローラ８４とともに光学ユニット１０が取り付けられている。平行リンク機構８３は、光学ユニット１０から土壌までの距離を所定範囲内に保持する。平行リンク機構８３は、保持部の一例である。

【0079】

ローラ８４は、ロータリー８０の走行に伴って圃場における土壌を走行する。光学ユニット１０は、原則的には、土壌から一定の間隔を置いて配置されることとなるが、土塊の大きさに応じて距離が変動する。光学ユニット１０は、土壌との距離が変動する環境下で土壌の含水分を測定する。

【0080】

光学ユニット１０の真上には、ＧＮＳＳ装置９０が取り付けられている。ＧＮＳＳ装置９０は、ＧＮＳＳ衛星により送信されるＧＮＳＳ信号を受信することにより、ＧＮＳＳ装置９０自身の位置を検出する。ＧＮＳＳ装置９０は、検出した自身の位置をロータリー８０及びロータリー８０に取り付けられた光学ユニット１０の位置を示す位置情報として制御装置１００に送信する。光学ユニット１０の位置は、土壌の位置に相当する。ＧＮＳＳ装置９０は、土壌の位置を検出する。ＧＮＳＳ装置９０は、位置センサの一例である。ＧＮＳＳ装置９０は、取付位置との関係で、平行リンク機構８３に設けられてもよいし、精度の重要度が高くない場合には、ロータリー本体８１に設けられてもよい。

【0081】

制御装置１００は、ロータリー８０の例えば運転席の近傍に設けられてもよいし、例えば、入出力インターフェース１１のディスプレイが運転席の近傍に設けられ、その他の構成要素がロータリー８０の他の位置に設けられてもよい。制御装置１００は、ロータリー８０以外の位置、例えば、農業従事者の自宅などに設けられてもよい。この場合、光学ユニット１０やＧＮＳＳ装置９０は、制御装置１００にデータを送信する通信装置を備え、無線ネットワーク等を通じて制御装置１００に情報を送信するようにしてよい。

【0082】

制御装置１００の制御回路１６０における取得部１６１は、ＧＮＳＳ装置９０により送信される位置情報を取得する。算出部１６３は、土壌の含水分を算出した際に、含水分を算出するための受光強度を取得したときに取得部１６１により取得された位置情報を土壌の含水分に対応付ける。算出部１６３は、位置情報を対応付けた土壌の含水分を位置含水分情報として生成し、記憶部１７０に記憶させる。

【0083】

表示制御部１６４は、各種情報を入出力インターフェース１１に含まれるディスプレイに表示させるための情報を入出力インターフェース１１に提供する。表示制御部１６４は、記憶部１７０に記憶された圃場マップ１７１を読み出し、ディスプレイに表示された圃場マップ１７１上に算出部１６３により生成された位置含水分情報が示す位置を表示させる。圃場マップ１７１は、地図情報の一例である。ディスプレイは、表示装置の一例である。

【0084】

第２の実施形態の含水分測定装置２は、上記第１の実施形態の含水分測定装置１と同様の作用効果を奏する。さらに、第２の実施形態の含水分測定装置２では、土壌の含水分を測定したときの光学ユニット１０の位置情報を算出した含水分に対応付けることにより、ＧＮＳＳ装置９０により検出された位置の土壌の含水分として記憶部１７０に記憶させる。このため、圃場の各位置における土壌の含水分を測定することができ、例えば、圃場における含水分マップを作成することができる。

【0085】

さらに、第２の実施形態の含水分測定装置２は、ＧＮＳＳ装置９０により検出された位置の土壌の含水分を入出力インターフェース１１のディスプレイにおいて、圃場マップ１７１上に表示させる。このため、圃場における含水分を、視覚を通じて容易に認識させやすくすることができる。

【0086】

ロータリー本体８１には、他のローラユニットが取り付けられてもよい。図１１は、他のローラユニット８５の一例を示す斜視図である。ローラユニット８５は、平行リンク機構８３を備え、平行リンク機構８３には、複数、たとえば２つのローラ８４がロータリー８０の進行方向に並べて設けられる。２つのローラ８４の間には光学ユニット１０が配置され、２つのローラ８４が、それぞれ光学ユニット１０の前後に配置されることとなる。光学ユニット１０の前後にローラ８４が配置されることにより、光学ユニット１０から土壌までの距離を所定範囲内に精度よく保持することができる。

【0087】

上記の各実施形態において、光学ユニット１０は、２つの吸収ＬＥＤ３０及び４つの参照ＬＥＤ４０を備えるが、光学ユニット１０が備える吸収ＬＥＤ３０及び参照ＬＥＤ４０は、いずれ１つ以上であればよい。図１２は、光学ユニット１０における吸収ＬＥＤ３０及び参照ＬＥＤ４０の配置の例を説明する説明図である。上記の各実施形態における光学ユニット１０では、図１２（Ａ）に示すように、中央にフォトダイオード７０配置され、フォトダイオード７０を中心として隣接する吸収ＬＥＤ３０及び参照ＬＥＤ４０の間の中心角が６０度となるように吸収ＬＥＤ３０及び参照ＬＥＤ４０が等間隔で同心状に配置されている。

【0088】

例えば、吸収ＬＥＤ３０が１つであり、参照ＬＥＤ４０として、異なる２種類のＬＥＤが用いられている場合には、図１２（Ｂ）に示すように、隣接する吸収ＬＥＤ３０及び参照ＬＥＤ４０の間の中心角が１２０度となるように、吸収ＬＥＤ３０及び参照ＬＥＤ４０が等間隔で同心状に配置されていてよい。吸収ＬＥＤ３０が１つであり、参照ＬＥＤ４０が１つである場合には、図１２（Ｃ）に示すように、隣接する吸収ＬＥＤ３０及び参照ＬＥＤ４０の間の中心角が１８０度となるように、吸収ＬＥＤ３０及び参照ＬＥＤ４０が等間隔で同心状に配置されていてよい。

【0089】

また、上記の各実施形態では、絞り構造６０により吸収ＬＥＤ３０及び参照ＬＥＤ４０の照射方向を調整していたが、絞り構造６０以外の構成で吸収ＬＥＤ３０及び参照ＬＥＤ４０の照射方向を調整してもよい。図１３は、吸収ＬＥＤ３０及び参照ＬＥＤ４０の照射方向を調整する態様の一例を説明する図である。

【0090】

上記の各実施形態では、図１３（Ａ）に示すように、絞り構造６０を設けることにより吸収ＬＥＤ３０及び参照ＬＥＤ４０の照射方向を調整する。これに対して、図１３（Ｂ）に示すように、絞り構造を設けることなく、ＬＥＤホルダ２３の角度を調整することにより、吸収ＬＥＤ３０及び参照ＬＥＤ４０により照射される第１照射光及び第２照射光の照射方向を調整してもよい。あるいは、図１３（Ｃ）に示すように、ボールレンズ５０に対する吸収ＬＥＤ３０及び参照ＬＥＤ４０の位置をずらして第１照射光及び第２照射光の照射方向を調整してもよい。

【0091】

（第３の実施形態）
続いて、第３の実施形態について説明する。第３の実施形態の含水分測定装置は、第１の実施形態と同様の光学ユニット１０を備えるが、第１の実施形態と比較して、光学ユニット１０が対象物、例えば土壌の反射面に直交する直交軸、例えば鉛直軸に対する受光光軸の傾き角βの範囲が異なる。第１の実施形態では、吸収ＬＥＤ３０及び参照ＬＥＤ４０により照射された第１照射光及び第２照射光が反射する土壌の反射面に直交する直交軸、例えば鉛直軸に対して受光光軸が平行であり、鉛直軸に対する受光光軸の傾き角βが０度である。これに対して、第３の実施形態では、吸収ＬＥＤ３０及び参照ＬＥＤ４０及びフォトダイオード７０を備える光学ユニット１０が、吸収ＬＥＤ３０及び参照ＬＥＤ４０により照射された第１照射光及び第２照射光が鉛直軸に対して傾いて設けられる。鉛直軸に対する受光光軸の傾き角βは、第１発光部及び第２発光部の放射角θ及び吸収波長の光（第１照射光）と参照波長の光（第２照射光）のなす角度φを用いて下記（２）式に示す範囲とされる。
β≧θ／２＋φ ・・・（２）

【0092】

図１４は、第３の実施形態の光学ユニット１０が第１照射光Ｂ１１及び第２照射光Ｂ１２を照射し反射光Ｂ３１を受光する状態を模式的に示す図である。図１４では、水分測定装置の第１照射光及び第２照射光の反射光の受光光軸Ｂ２２が鉛直軸ＶＡから傾いて設置された含水分測定装置における吸収ＬＥＤ３０及び参照ＬＥＤ４０からそれぞれ照射される第１照射光Ｂ１１及び第２照射光Ｂ１２とフォトダイオード７０が受光する反射光の受光光軸Ｂ２２の関係を模式的に示している。

【0093】

フォトダイオード７０が受光する反射光は、例えば、第１照射光Ｂ１１及び第２照射光Ｂ１２から照射された光が土壌に反射した光のうち、フォトダイオード７０の受光範囲Ｂ２１に含まれる光である。鉛直軸ＶＡは、対象物である土壌Ｇの表面に直交する軸である。鉛直軸ＶＡに対する受光光軸Ｂ２２の傾き角βは、例えば、反射光Ｂ３１の受光光軸Ｂ２２と鉛直軸ＶＡがなす角度である。

【0094】

第１発光部及び前記第２発光部の放射角θは、例えば、吸収ＬＥＤ３０が照射する第１照射光Ｂ１１（図７参照）及び参照ＬＥＤ４０が照射する第２照射光Ｂ１２の広がり角度である。第１照射光と第２照射光のなす角度φは、例えば、吸収ＬＥＤ３０が照射する第１照射光Ｂ１１の光軸である第１照射光軸Ｂ１１Ｃと、参照ＬＥＤ４０が照射する第２照射光Ｂ１２の光軸である第２照射光軸Ｂ１２Ｃがなす角度である。

【0095】

図１５は、第１照射光Ｂ１１及び第２照射光Ｂ１２が土壌に反射した状態を模式的に示す図である。図１５の上段には、図７に示す第１の実施形態の含水分測定装置における受光光軸Ｂ２２（図１４）が、鉛直軸ＶＡの水平となるように設置された含水分測定装置における第１照射光Ｂ１１及び第２照射光Ｂ１２が低含水土壌Ｇ１に反射した状態を示す。

【0096】

図１５の中段には、上段に示した状態と同様に設置された含水分測定装置における第１照射光Ｂ１１及び第２照射光Ｂ１２が高含水土壌Ｇ２に反射した状態を示す。図１５の下段には、含水分測定装置における受光光軸Ｂ２２が、鉛直方向から傾いて設置された含水分測定装置における第１照射光Ｂ１１及び第２照射光Ｂ１２が高含水土壌Ｇ２に反射した状態を示す。

【0097】

低含水土壌Ｇ１は、土壌の水分率（含水率）が例えば３０％未満と低い（高くない）土壌である。高含水土壌Ｇ２は、例えば土壌の水分率（含水率）が例えば３０％以上と高い土壌である。また、以下の説明においては、主に表面での反射が少ない土壌中で水分の吸収を受けた光を散乱光ＲＬと称し、主に土壌に含まれる水分により反射する光を直接反射光ＲＳと称する。

【0098】

図１５の上段に示すように、低含水土壌Ｇ１に第１照射光Ｂ１１及び第２照射光Ｂ１２が照射された場合、直接反射光ＲＳはほとんど生じない。このため、フォトダイオード７０に到達する光に直接反射光ＲＳが含まれる割合は低く、フォトダイオード７０により受光される反射光Ｂ３１には、多くの散乱光ＲＬが含まれることとなる。したがって、第１照射光Ｂ１１及び第２照射光Ｂ１２を照射した場合の低含水土壌Ｇ１の反射光Ｂ３１では、散乱光ＲＬの成分の比率が高くなる。その結果、含水分測定装置では、低含水土壌Ｇ１に対する測定精度を高くすることができる。

【0099】

図１５の中段に示すように、高含水土壌Ｇ２に第１照射光Ｂ１１及び第２照射光Ｂ１２が照射された場合、反射光の強度が高くなる。このため、フォトダイオード７０に到達する反射光Ｂ３１に直接反射光ＲＳが含まれる割合が高くなる。このとき、第１照射光Ｂ１１及び第２照射光Ｂ１２を照射した場合の高含水土壌Ｇ２の反射光Ｂ３１では、直接反射光ＲＳの成分の比率が高くなる。その結果、含水分測定装置では、高含水土壌Ｇ２に対する測定精度が低くなる傾向が生じる。

【0100】

図１５の下段に示すように、受光光軸Ｂ２２が鉛直方向から傾いて設置された含水分測定装置から高含水土壌Ｇ２に第１照射光Ｂ１１及び第２照射光Ｂ１２が照射された場合、直接反射光ＲＳは、主にフォトダイオード７０の方向とは異なる方向を向く。このため、フォトダイオード７０に到達する反射光Ｂ３１に直接反射光ＲＳが含まれる割合が低くなり、反射光Ｂ３１には多くの散乱光ＲＬが含まれることとなる。したがって、含水分測定装置における受光光軸Ｂ２２が、鉛直方向から傾いて設置された含水分測定装置では、高含水土壌Ｇ２に対する測定精度を高くすることができる。

【0101】

図１６は、土壌水分率と反射率比から予測される予測水分率に基づく関係を示す図である。図１６には、２種類の土質の土壌、ここでは土質Ａの土壌と土質Ｂの土壌の土壌水分率と予水分率との関係、両者の検量線、及びそれぞれの土質の土壌水分率と予測水分率の誤差を示す。土壌水分率は、例えばＪＩＳ規格等に基づく任意の測定法を用いて測定した。予測水分量は、例えば、第１の実施形態の含水分測定装置を用いて計測された反射光Ｂ３１の反射率比に基づいて算出した。

【0102】

図１６から分かるように、土壌水分率が低く、例えば３０％未満の領域では、土質Ａの土壌及び土質Ｂの土壌ともに予測水分率が直線状の検量線におおよそ沿った形となり、誤差についてもおおよそ±２％程度の範囲に収まった。これに対して、土壌水分率が高くなり、例えば３０％を超えたあたりでは、土質Ａ及び土質Ｂの土壌の予測水分率が土壌水分率よりも低くなる傾向が見られた。さらに、含水率が３８％では、液状化が見られて表面に水が見え初めて表面に水が張り、表面反射の影響により、反射率が乱れてくる。このため、土質Ａ及び土質Ｂの土壌の予測水分率が直線状の検量線から大きくずれて、それぞれの土質の土壌水分率と予測水分率の誤差も－５％から－１０％と大きくなった。

【0103】

上記（２）式は、図１４に示す発光部（吸収ＬＥＤ３０、参照ＬＥＤ４０）とフォトダイオード７０との間の間隔ｌ、土壌の表面からフォトダイオード７０までの距離ｚ０を用いて導出できる。例えば、（３）式及び（４）式により、変数ｋ，ｋ′を定義すると、傾き角βは、下記（５）式及び（６）式を満たす必要がある。（５）式は、吸収ＬＥＤ３０により照射される第１照射光に対する傾き角βの定義であり、（６）式は、参照ＬＥＤ４０により照射される第２照射光に対する傾き角βの定義である。

【数1】

【0104】

図１７は、最低傾き角を縦軸、土壌の表面からフォトダイオード７０までの距離を横軸に示すグラフである。図１７に示すグラフは、θ＝１０度、φ＝５度に設定したときのものである。最低傾き角は、直接反射光がフォトダイオード７０に入らない傾き角βの最低値である。図１７中の第１グラフＧＦ１は、（５）式の不等号を等号に代えた式をグラフ化したものであり、第２グラフＧＦ２は、（６）式の不等号を等号に代えた式をグラフ化したものである。第３グラフＧＦ３は、（２）式の不等号を等号に代えた式をグラフ化したものである。

【0105】

図１７に示すグラフにおいて、最低傾き角と土壌の表面からフォトダイオード７０までの距離の関係が、第１グラフＧＦ１よりも上方の領域であり、第２グラフＧＦ２の上方の領域にあるときに、直接反射光がフォトダイオード７０に入らないようになる。第３グラフＧＦ３は、土壌の表面からフォトダイオード７０までの距離が４０ｍｍを超えるあたりからこの領域に含まれる。したがって、（２）式を満たすことで、直接反射光がフォトダイオード７０に入らないようにできることがわかる。

【0106】

傾き角βは、例えば、光学ユニット１０を水平軸周りに揺動させることにより調整できる。光学ユニット１０は、例えば、角度調整機構により揺動されることにより角度調整される。角度調整機構は、例えば、図１２に示すローラユニット８５と同様に設けられる。図１８は、角度調整機構９５が設けられたローラユニット８５の側面図である。

【0107】

ローラユニット８５について補足すると、ローラユニット８５は、例えば、前後に配置された１組のローラ８４を支持する第１フレーム８６及び第２フレーム８７を備える。第１フレーム８６は、ローラ８４の回転軸が設けられた高さと略同じ高さに設けられ、第２フレーム８７は、第１フレーム８６の上方に設けられる。

【0108】

第１フレーム８６は、右側フレームと左側フレームを備えており、右側フレームと左側フレームの間に角度調整機構９５が掛け渡されて設けられている。角度調整機構９５の下面には、光学ユニット１０が取り付けられている。第２フレーム８７は、上面視して第１フレーム８６における右側フレームと左側フレームの略中央位置に配置される。第２フレーム８７には、ＧＮＳＳ装置９０が設けられている。

【0109】

角度調整機構９５は、ローラ８４の回転軸に沿った軸（Ｘ軸）周り及び水平面内でローラ８４の回転軸の直交する軸（Ｙ軸）周りに揺動可能に光学ユニット１０を支持している。角度調整機構９５は、対象物である土壌の含水率が高いと想定される場合に、光学ユニット１０の傾き（吸収ＬＥＤ３０、参照ＬＥＤ４０、及びフォトダイオード７０の傾き）を調整する。

【0110】

土壌の含水率が高いと想定されるか否かは、例えば、作業員が目視で行ってもよいし、ＧＮＳＳ装置９０の測定結果や季節、気温、天候などの外的要因に基づいて判定してもよい。角度調整機構９５は、揺動させた光学ユニット１０を任意のまたは所定の揺動角度の位置で固定するストッパを設けてもよい。

【0111】

第３の実施形態の含水分測定装置によれば、第１の実施形態と同様の作用効果を奏する。さらに、第３の実施形態の含水分測定装置は、吸収ＬＥＤ３０、参照ＬＥＤ４０、及びフォトダイオード７０を備える光学ユニット１０が土壌の反射面に直交する鉛直軸に対して傾いて設けられ、前記直交軸に対する前記受光光軸の傾き角βの範囲が、上記の（２）式により表される範囲に調整される。このため、土壌の含水率が高い場合でも、フォトダイオード７０に対する吸収ＬＥＤ３０及び参照ＬＥＤ４０の直接反射光の入射を抑制できる。したがって、散乱光の成分を高い比率で利用して土壌の含水分を測定できるので、高含水土壌に対する含水分の測定精度を高くすることができる。

【0112】

（第４の実施形態）
続いて、第４の実施形態について説明する。第４の実施形態の含水分測定装置は、第１の実施形態と比較して、光学ユニット１０における吸収ＬＥＤ３０及び参照ＬＥＤ４０が照射する第１照射光及び第２照射光を偏光させる第１偏光板と、フォトダイオード７０が受光する反射光Ｂ３１を偏光させる第２偏光板を備える点で主に異なる。

【0113】

図１９は、第４の実施形態の光学ユニット１０が第１照射光及び第２照射光を照射し反射光を受光する状態を模式的に示す図である。第４の実施形態の光学ユニット１０は、第１偏光板５１及び第２偏光板５２を備える。第１偏光板５１は、吸収ＬＥＤ３０及び参照ＬＥＤ４０の下方に設けられ、第２偏光板５２は、フォトダイオード７０の下方に設けられる。

【0114】

第１偏光板５１は、吸収ＬＥＤ３０により照射される第１照射光Ｂ１１及び参照ＬＥＤ４０により照射される第２照射光Ｂ１２をそれぞれ通過させる。第２偏光板５２は、第１照射光Ｂ１１及び第２照射光Ｂ１２が土壌Ｇにより反射され、フォトダイオード７０に入射する反射光Ｂ３１を通過させる。第１偏光板５１は、第１照射光Ｂ１１及び第２照射光Ｂ１２をそれぞれ特定の方向に偏光させる。第２偏光板５２は、第１照射光Ｂ１１及び第２照射光Ｂ１２に対して反射光Ｂ３１を９０度偏光させる。

【0115】

図２０は、第１偏光板５１を通過した第１照射光Ｂ１１及び第２照射光Ｂ１２が土壌に反射した状態を模式的に示す図である。第１偏光板５１を通過した第１照射光Ｂ１１及び第２照射光Ｂ１２は、第１偏光板５１により例えば第１の方向の偏光されており、土壌Ｇに反射した散乱光ＲＬ及び土壌の表面の水分等に反射した直接反射光ＲＳも第１の方向に偏光する。反射光Ｂ３１には、散乱光ＲＬの成分及び直接反射光ＲＳの成分が含まれるが、反射光Ｂ３１は、第２偏光板５２を通過する。第２偏光板５２は、反射光Ｂ３１を第１の方向に対して９０度偏光させる。このため、第２偏光板５２を通過してフォトダイオード７０に到達する反射光Ｂ３１では、直接反射光ＲＳの成分が減衰されて、散乱光ＲＬの成分の割合が高くなる。その結果、含水分測定装置では、低含水土壌に対する測定精度を高くすることができる。

【0116】

以上、本発明を実施するための形態について実施形態を用いて説明したが、本発明はこうした実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変形及び置換を加えることができる。

【符号の説明】

【0117】

１，２ 含水分測定装置
１０ 光学ユニット
１１ 入出力インターフェース
２０ ホルダ
２１ ベース部材
２２ 保持部材
２２Ａ 中央保持部
２２Ｂ１～２２Ｂ６ 周辺保持部
２３ ＬＥＤホルダ
２３Ａ 中央ＬＥＤホルダ
２３Ｂ１～２３Ｂ６ 周辺ＬＥＤホルダ
３０ 吸収ＬＥＤ
３１ 第１吸収ＬＥＤ
３２ 第２吸収ＬＥＤ
４０ 参照ＬＥＤ
４１ 第１参照ＬＥＤ
４２ 第２参照ＬＥＤ
４３ 第３参照ＬＥＤ
４４ 第４参照ＬＥＤ
５０ ボールレンズ
６０ 絞り構造
７０ フォトダイオード
８０ ロータリー
８１ ロータリー本体
８２，８５ ローラユニット
８３ 平行リンク機構
８４ ローラ
８６ 第１フレーム
８７ 第２フレーム
９０ ＧＮＳＳ装置
９５ 角度調整機構
１００ 制御装置
１１０ ドライバ群
１１１～１１６ 第１ドライバ～第６ドライバ
１２０ 増幅部
１３０ 変換部
１５０ 通信部
１６０ 制御回路
１６１ 取得部
１６２ 駆動制御部
１６３ 算出部
１６４ 表示制御部
１７０ 記憶部
１７１ 圃場マップ
Ｂ１１ 第１照射光
Ｂ１１Ｃ 第１照射光軸
Ｂ１２ 第２照射光
Ｂ１２Ｃ 第２照射光軸
Ｂ２１ 受光範囲
Ｂ２２ 受光光軸
Ｂ３１ 反射光
ＣＸ１，ＣＸ２ 含水分測定可能範囲
Ｍ１ 第１曲線
Ｍ２ 第２曲線
Ｍ３ 第３曲線
ＮＬ ノイズレベル
ＮＳ１ 第１近似曲線
ＮＳ２ 第２近似曲線
Ｐ０ 基準位置
Ｐ１ 第１位置
ＰＢ 強度比
ＰＬ１ 第１受光強度
ＰＬ２ 第２受光強度
Ｒ１６ 第１参照反射光強度
Ｒ１９ 吸収反射光強度
Ｒ２２ 第２参照反射光強度
ＳＡ１１ 第１照射領域
ＳＡ１２ 第２照射領域
ＳＡ２１ ＰＤ受光領域

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】