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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-11-02
(45)【発行日】2022-11-11
(54)【発明の名称】厚さ測定装置及び方法
(51)【国際特許分類】
G01B 11/06 20060101AFI20221104BHJP
A01G 7/00 20060101ALI20221104BHJP
【ＦＩ】
G01B11/06 G
A01G7/00 603
【請求項の数】
3
(21)【出願番号】P 2021534537
(86)(22)【出願日】2020-03-24
(86)【国際出願番号】 JP2020013087
(87)【国際公開番号】W WO2021014689
(87)【国際公開日】2021-01-28
【審査請求日】2022-05-30
(31)【優先権主張番号】P 2019136105
(32)【優先日】2019-07-24
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用 ベグズスレン・トゥメンデムベレルが、ｈｔｔｐ：／／ｈｄｌ．ｈａｎｄｌｅ．ｎｅｔ／２１１５／７４２９９及びｈｔｔｐｓ：／／ｅｐｒｉｎｔｓ．ｌｉｂ．ｈｏｋｕｄａｉ．ａｃ．ｊｐ／ｄｓｐａｃｅ／ｂｉｔｓｔｒｅａｍ／２１１５／７４２９９／１／Ｂｅｇｚｓｕｒｅｎ＿Ｔｕｍｅｎｄｅｍｂｅｒｅｌ．ｐｄｆのアドレスのウェブサイト「北海道大学学術成果コレクション」にて、「ＳＴＵＤＹ ＯＦ ＳＰＥＣＴＲＯ－ＰＯＬＡＲＩＭＥＴＲＩＣ ＢＩＤＩＲＥＣＴＩＯＮＡＬ ＲＥＦＬＥＣＴＡＮＣＥ ＰＲＯＰＥＲＴＩＥＳ ＯＦ ＬＥＡＶＥＳ」と題して、高橋幸弘及びベグズスレン・トゥメンデムベレルが発明した「植物の葉の外皮層厚測定装置及び方法」について平成３１年３月２５日に公開した。
【早期審査対象出願】
(73)【特許権者】
【識別番号】504173471
【氏名又は名称】国立大学法人北海道大学
(74)【代理人】
【識別番号】100145403
【弁理士】
【氏名又は名称】山尾 憲人
(74)【代理人】
【識別番号】100132241
【弁理士】
【氏名又は名称】岡部 博史
(72)【発明者】
【氏名】高橋 幸弘
(72)【発明者】
【氏名】ベグズスレン トゥメンデムブレル
【審査官】山▲崎▼ 和子
(56)【参考文献】
【文献】特開２０００－２２７３１０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開昭６４－０７５９０２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０２－０２１２０３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００７－０７８６０８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０１－１９５３０４（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０１Ｂ １１／００－１１／３０
Ｇ０１Ｎ ２１／００－２１／０１
２１／１７－２１／６１
Ａ０１Ｇ ７／００
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
入射面と前記入射面に対向する対向面とを有する第１層と、前記第１層の対向面と接する第２層とを含む植物の葉の全体の第１層の厚さを測定する厚さ測定装置であって、所定の波長λの光を所定の入射角θｉで空気層から前記入射面に入射させる光源と、
前記入射面で前記入射角θｉと同一の反射角で反射してくる第１の反射光と、前記入射面において屈折角θ２で屈折して前記第１層に入射した後当該第１層の対向面で反射して前記入射面に戻り当該入射面で屈折して出射する第２の反射光とを合成してなる合成反射光を受光し、当該合成反射光のうち前記入射面に対して垂直なＳ偏光成分の光強度を含む２次元画像を取得する分光カメラと、
前記入射角θｉを変化させながら、前記変化された各入射角θｉに対して前記Ｓ偏光成分の光強度を含む２次元画像を取得し、前記Ｓ偏光成分の光強度の極小値に対応する入射角θｉを検索し、次式を用いて、
【数1】
前記植物の葉の全体の第１層の厚さｔを計算して出力する制御手段とを備え、
ｍは自然数であり、
ｎ１は前記空気層の屈折率であり、
ｎ２は前記第１層の屈折率であり、
前記第１層は外皮層であるクチクラ層であることを特徴とする厚さ測定装置。
【請求項2】
前記分光カメラは、前記合成反射光のうち前記入射面に対して垂直なＳ偏光成分を検出する偏光フィルタを含むことを特徴とする請求項１に記載の厚さ測定装置。
【請求項3】
入射面と前記入射面に対向する対向面とを有する第１層と、前記第１層の対向面と接する第２層とを含む植物の葉の全体の第１層の厚さを測定する厚さ測定方法であって、光源からの所定の波長λの光を所定の入射角θｉで空気層から前記入射面に入射させるステップと、
分光カメラが、前記入射面で前記入射角θｉと同一の反射角で反射してくる第１の反射光と、前記入射面において屈折角θ２で屈折して前記第１層に入射した後当該第１層の対向面で反射して前記入射面に戻り当該入射面で屈折して出射する第２の反射光とを合成してなる合成反射光を受光し、当該合成反射光のうち前記入射面に対して垂直なＳ偏光成分の光強度を含む２次元画像を取得するステップと、
制御手段が、前記入射角θｉを変化させながら、前記変化された各入射角θｉに対して前記Ｓ偏光成分の光強度を含む２次元画像を取得し、前記Ｓ偏光成分の光強度の極小値に対応する入射角θｉを検索し、次式を用いて、
【数2】
前記植物の葉の全体の第１層の厚さｔを計算して出力するステップとを含み、
ｍは自然数であり、
ｎ０は前記空気層の屈折率であり、
ｎ１は前記第１層の屈折率であり、
前記第１層は外皮層であるクチクラ層であることを特徴とする厚さ測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、生体又は物体の厚さを測定する厚さ測定装置及び方法に関する。
【背景技術】
【0002】
植物の葉の最外層である外皮層は、厚さが数１００ｎｍから数ミクロンの蝋（ろう）を主成分とするクチクラ層によって覆われている。クチクラ層は、病害の原因となる細菌などの侵入を防ぎ、また蒸散を制御していると考えられ、その厚さは植物の健康状態を反映して変化すると言われている。しかしながら、その厚さが薄いものでは可視光の波長程度以下であるため、光学顕微鏡では正確な厚さを測ることが不可能であり、これまでは専ら電子顕微鏡（ＴＥＭ）（以下、従来例１という）によってその厚さが推定されてきた（例えば、非特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】特許第４０８４８７７号公報
【非特許文献】
【0004】
【文献】Ｈ． Ｊ． Ｅｎｓｉｋａｔ， ｅｔ ａｌ．， “Ｄｉｒｅｃｔ Ａｃｃｅｓｓ ｔｏ Ｐｌａｎｔ Ｅｐｉｃｕｔｉｃｕｌａｒ Ｗａｘ Ｃｒｙｓｔａｌｓ ｂｙ ａ Ｎｅｗ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄ，” Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｐｌａｎｔ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ， Ｖｏｌｕｍｅ １６１， Ｎｕｍｂｅｒ １， Ｊａｎｕａｒｙ ２０００．
【文献】中原寿喜太，「近赤外線吸収形発汗量測定装置」，計測自動制御学会論文集，Ｖｏｌ．１８，Ｎｏ．１１，ｐｐ．１０９９－１１０３，昭和５７年１１月．
【文献】鶴岡典子ほか，「小型発汗計の開発とストレス負荷および温熱負荷時の発汗計測」，生体医工学，Ｖｏｌ．５４，Ｎｏ．５，ｐｐ．２０７－２１７，２０１６年．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかし、電子顕微鏡は、生体をそのまま観察することができず、物質を置換するために何段階にも及ぶ作業を、多大な時間をかけて行う必要がある。そのため、生きた状態での厚さの変化を捉えることが不可能である。また、一つの資料は数ｍｍ程度と小さいため、葉全体の代表性についても限界があるという問題点があった。
【0006】
また、例えば厚さ２００ｎｍ以下の薄膜の膜厚測定方法（以下、従来例２という）が特許文献１において開示されている。この膜厚測定方法では、装置構成を大幅に変更することなく、光干渉式膜厚測定方法を用いて２００ｎｍ以下の薄膜の膜厚を精度良く且つ高スループットで測定するために以下の構成を有する。光源からの照射光を測定対象物である基板上に設けた被膜に入射させ、被膜からの干渉を起こした反射光を、被膜の主面に対する照射光の入射角を変化させながら受光手段により、ステージ移動方向と光軸のなす面方向に光の透過軸を設定した偏向フィルタを透過したＰ偏光光の反射強度を測定し、測定した反射光の強度変動における極小値を取る反射角から前記被膜の膜厚を取得する。
【0007】
しかし、植物の葉の外皮層である蝋成分を含むクチクラ層の厚さを、従来例２に係る薄膜の膜厚測定方法を用いて、Ｐ偏光光の反射強度を測定した場合には、当該クチクラ層及びその内側の層においてＰ偏光の光波の吸収が大きく、大きな反射強度を得ることができず、十分な精度でクチクラ層の厚さを測定することができないという問題点があった。
【0008】
また、クチクラ層に限らず、生体又は物体の厚さについて、従来技術に比較して高い精度で測定はできないという問題点があった。
【0009】
本発明の目的は以上の問題点を解決し、従来技術に比較して簡単にかつ高い精度で、生体又は物体の厚さを測定することができる厚さ測定装置及び方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0010】
第１の発明に係る厚さ測定装置は、
入射面と前記入射面に対向する対向面とを有する第１層と、前記第１層の対向面と接する第２層とを含む生体又は物体の第１層の厚さを測定する厚さ測定装置であって、
所定の波長λの光を所定の入射角θｉで空気層から前記入射面に入射させる光源と、
前記入射面で前記入射角θｉと同一の反射角で反射してくる第１の反射光と、前記入射面において屈折角θ２で屈折して前記第１層に入射した後当該第１層の対向面で反射して前記入射面に戻り当該入射面で屈折して出射する第２の反射光とを合成してなる合成反射光を受光し、当該合成反射光のうち前記入射面に対して垂直なＳ偏光成分の光強度を検出する受光素子と、
前記入射角θｉを変化させながら、前記変化された各入射角θｉに対して前記Ｓ偏光成分の光強度を検出し、検出されたＳ偏光成分の光強度の極小値に対応する入射角θｉを検索し、次式を用いて、
ｎ０・ｓｉｎθｉ＝ｎ１・ｓｉｎθ２
前記第１層の厚さｔを計算して出力する制御手段とを備え、
ｍは自然数であり、
ｎ１は前記空気層の屈折率であり、
ｎ２は前記第１層の屈折率である
ことを特徴とする。
入射面と前記入射面に対向する対向面とを有する第１層と、前記第１層の対向面と接する第２層とを含む生体又は物体の第１層の厚さを測定する厚さ測定装置であって、
所定の波長λの光を所定の入射角θｉで空気層から前記入射面に入射させる光源と、
前記入射面で前記入射角θｉと同一の反射角で反射してくる第１の反射光と、前記入射面において屈折角θ２で屈折して前記第１層に入射した後当該第１層の対向面で反射して前記入射面に戻り当該入射面で屈折して出射する第２の反射光とを合成してなる合成反射光を受光し、当該合成反射光のうち前記入射面に対して垂直なＳ偏光成分の光強度を検出する受光素子と、
前記入射角θｉを変化させながら、前記変化された各入射角θｉに対して前記Ｓ偏光成分の光強度を検出し、検出されたＳ偏光成分の光強度の極小値に対応する入射角θｉを検索し、次式を用いて、
【数1】
前記第１層の厚さｔを計算して出力する制御手段とを備え、
ｍは自然数であり、
ｎ１は前記空気層の屈折率であり、
ｎ２は前記第１層の屈折率である
ことを特徴とする。
【0011】
また、第２の発明に係る厚さ測定方法は、
入射面と前記入射面に対向する対向面とを有する第１層と、前記第１層の対向面と接する第２層とを含む生体又は物体の第１層の厚さを測定する厚さ測定方法であって、
光源からの所定の波長λの光を所定の入射角θｉで空気層から前記入射面に入射させるステップと、
前記入射面で前記入射角θｉと同一の反射角で反射してくる第１の反射光と、前記入射面において屈折角θ２で屈折して前記第１層に入射した後当該第１層の対向面で反射して前記入射面に戻り当該入射面で屈折して出射する第２の反射光とを合成してなる合成反射光を受光し、当該合成反射光のうち前記入射面に対して垂直なＳ偏光成分の光強度を受光素子により検出するステップと、
制御手段が、前記入射角θｉを変化させながら、前記変化された各入射角θｉに対して前記Ｓ偏光成分の光強度を検出し、検出されたＳ偏光成分の光強度の極小値に対応する入射角θｉを検索し、次式を用いて、
ｎ０・ｓｉｎθｉ＝ｎ１・ｓｉｎθ２
前記第１層の厚さｔを計算して出力するステップとを含み、
ｍは自然数であり、
ｎ０は前記空気層の屈折率であり、
ｎ１は前記第１層の屈折率である
ことを特徴とする。
入射面と前記入射面に対向する対向面とを有する第１層と、前記第１層の対向面と接する第２層とを含む生体又は物体の第１層の厚さを測定する厚さ測定方法であって、
光源からの所定の波長λの光を所定の入射角θｉで空気層から前記入射面に入射させるステップと、
前記入射面で前記入射角θｉと同一の反射角で反射してくる第１の反射光と、前記入射面において屈折角θ２で屈折して前記第１層に入射した後当該第１層の対向面で反射して前記入射面に戻り当該入射面で屈折して出射する第２の反射光とを合成してなる合成反射光を受光し、当該合成反射光のうち前記入射面に対して垂直なＳ偏光成分の光強度を受光素子により検出するステップと、
制御手段が、前記入射角θｉを変化させながら、前記変化された各入射角θｉに対して前記Ｓ偏光成分の光強度を検出し、検出されたＳ偏光成分の光強度の極小値に対応する入射角θｉを検索し、次式を用いて、
【数2】
前記第１層の厚さｔを計算して出力するステップとを含み、
ｍは自然数であり、
ｎ０は前記空気層の屈折率であり、
ｎ１は前記第１層の屈折率である
ことを特徴とする。
【発明の効果】
【0012】
従って、本発明に係る厚さ測定装置及び方法によれば、従来技術に比較して簡単にかつ高い精度で、生体又は物体の厚さを測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【0013】
【図1】実施形態に係る植物の葉の外皮層厚さ測定装置の構成例を示すブロック図である。
【図2B】変形例に係る光源装置２０の構成例を示す正面図である。
【図2C】変形例に係る受光素子装置３０の構成例を示す正面図である。
【図7】コーヒーの葉の断面について電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いて撮像した写真画像である。
【図9A】コーヒーの葉の断面について電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いて順次拡大撮像した写真画像である。
【図9B】コーヒーの葉の断面について電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いて順次拡大撮像した写真画像である。
【図9C】コーヒーの葉の断面について電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いて順次拡大撮像した写真画像である。
【図9D】コーヒーの葉の断面について電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いて順次拡大撮像した写真画像である。
【図10】ポトスの葉の蝋成分を含むクチクラ層の断面について電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いて撮像した写真画像である。
【図11】別の変形例に係る厚さ測定装置の測定原理を示す縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0014】
以下、本発明にかかる実施形態について図面を参照して説明する。なお、同一又は同様の構成要素については同一の符号を付している。
【0015】
（厚さ測定方法の原理）
まず、植物の葉の外皮層厚さ測定方法の原理について以下に説明する。
まず、植物の葉の外皮層厚さ測定方法の原理について以下に説明する。
【0016】
本実施形態に係る外皮層厚さ測定方法は、特定の波長における偏光を用いた計測により、クチクラ層の上面（表面）と下面（クチクラ層と葉の細胞との境界面）で反射された光線が起こす干渉から、クチクラ層の厚さを推定するものである。
【0017】
【0018】
図３において、光源からの入射光４０は入射角θｉでクチクラ層３ａの上面の位置Ａに入射し、このとき、反対方向に同じ角度である反射角θｏ（＝θｉ）でクチクラ層３ａの上面（入射面）で反射して出射光４１となって出射し、そのときの光波の位相が１８０度ずれる。入射光４０のうち一部の入射光は、次式（１）のスネルの法則を満たすようにクチクラ層３ａの内部に屈折角θ２で屈折して屈折光４３として入射する。
【0019】
ｎａｉｒ・ｓｉｎθｉ＝ｎｗａｘｙ・ｓｉｎθ２ （１）
【0020】
ここで、ｎａｉｒは大気中の屈折率（≒１）であり、ｎｗａｘｙは蝋成分を含むクチクラ層３ａの屈折率である。
【0021】
クチクラ層３ａの内部に侵入した入射光４３は、クチクラ層３ａの内部を通過した後、クチクラ層３ａの下面の位置Ｂにおいて入射角θ３及び反射角θ４（＝θ３）で反射し、そのときの光波の位相が１８０度ずれる。位置Ｂで反射された反射光４４は再びクチクラ層３ａの内部を通過した後、位置Ｃで屈折して、位置Ａでの反射角θｏと同じ屈折角θｏで出射する。この出射光４２は前記出射光４１と同一の方向の出射光となって前記出射光４１と合成された後、受光素子５に「合成反射光」として観測される。
【0022】
従って、クチクラ層３ａの上面及び下面で反射された２つの出射光４１，４２が合成時に逆位相になる、つまりこれら２つの出射光４１，４２の強度が負方向のピークを示す条件は次式で表される。
【0023】
２・ｎｗａｘｙ・ｔ・ｃｏｓ（θ２）＝（ｍ－１／２）λ （２）
【0024】
ここで、ｔはクチクラ層３ａの厚さであり、ｍは自然数であり、λは大気中の光波の波長である。式（２）を厚さｔについて解くと、次式を得る。
【0025】
【数3】
【0026】
すなわち、干渉によって強度が負方向のピークを持つ屈折角θ２を計測できれば、クチクラ層３ａの厚さｔを推定できる。
【0027】
実施形態では、植物の葉に対する入射角θｉを変化させながら、入射角θｉと同じ角度の反射角θｏで反射する出射光の、入射面に垂直なＳ偏光成分の光強度を計測し、極小値を持つ角度を調べればよい。なお、Ｓ偏光成分の光強度を計測することの意義については詳細後述する。この測定方法は、植物が生きた状態のまま計測できること、また、分光カメラで２次元の画像を取得できれば、葉の全域にわたって、クチクラ層３ａの厚さｔを推定することが可能という点で、従来例１に係る電子顕微鏡を用いる測定方法に比べて高い優位性を有する。また、従来例２に係る薄膜の膜厚測定方法に比較して、計測する偏光成分が異なり、詳細後述するようにより高い精度で厚さｔを測定することができる。
【0028】
（厚さ測定装置の構成）
次いで、植物の葉の外皮層厚さ測定装置の構成について以下に説明する。
次いで、植物の葉の外皮層厚さ測定装置の構成について以下に説明する。
【0029】
【0030】
図１において、測定制御装置１は、当該測定装置の測定処理全体を制御するものであって、ＣＰＵ（Central Processing Unit）１０と、ＲＯＭ（Read Only Memory）１１と、ＲＡＭ（Random Access Memory）１２と、ＳＳＤ（Solid State Drive）１３と、操作部１４と、表示部１５と、通信インターフェース（以下、通信ＩＦという）１６と、信号インターフェース（以下、信号ＩＦという）１７，１８と、機構インターフェース（以下、機構ＩＦという）１９とを備えて構成される。
【0031】
ＣＰＵ１０は測定制御装置１の各部を制御する制御手段（コントローラ）であって、当該測定装置の測定処理を実行する。ＲＯＭ１１は測定制御装置１の測定処理のプログラム及びそれを実行するために必要なデータを予め格納する。ＲＡＭ１２はＣＰＵ１０が当該測定装置の測定処理を実行するときに、一時的に測定データ等を格納する。ＳＳＤ１３は測定制御装置１の測定処理の追加プログラム及びそれを実行するために必要なデータ、測定データを格納する。操作部１４は例えばキーボード及びマウスを含み、測定制御装置１の測定処理を実行するときの指示等を入力する。表示部１５は測定制御装置１の測定処理を実行したときの測定結果等を表示する。通信ＩＦ１６は測定結果をインターネット等のネットワークを介してクラウド又はサーバ装置に送信する。信号ＩＦ１７は測定制御装置１から光源４へのオン／オフ等の制御信号を送信する。信号ＩＦ１８は受光素子５からの受光強度信号レベルを示す信号を受信する。機構ＩＦ１９は、光源４及び受光素子５の位置を制御する移動機構６の動作を制御するための制御信号を送信し、移動機構６からのＡＣＫ信号等の返信信号等を受信する。
【0032】
載置台２上に被測定物の植物の葉３が載置され、葉３はその上面に外皮層であるクチクラ層３ａを有する。ここで、クチクラ層３ａの上面を通過する仮想水平線を符号９で示す。また、載置台２上に支持部材８により半円形状のレール７を有する移動機構６が支持される。
【0033】
図２Ａに示すように、レール７には、第１のギアを介して、光源４を移動させるステッピングモータ４ｍが連結されるとともに、第２のギアを介して、受光素子５を移動させるステッピングモータ５ｍが連結される。光源４は、光源４からの光源光である入射光４０が植物の葉３の上面中央部に入射角θｉで入射するようにレール７の位置Ｐ１に設けられ、受光素子５は、Ｓ偏向光又はＰ偏向光を選択的に通過させる偏光フィルタ５ｆをその前面に有し、植物の葉３の上面中央部から出射角θｏで出射する出射光４１，４２を受光できるようにレール７の位置Ｐ２に設けられる。天頂角の基準線４５は、植物の葉３の上面の中心から半円形状のレール７の最上部の位置Ｐ３に向かって延在する。ここで、植物の葉３の上面の中心が概ね、レール７の円の中心に位置するように、植物の葉３が載置台２上に載置される。ここで、測定制御装置１のＣＰＵ１０の制御により、光源４から光源光が出射した後、植物の葉３の上面から出射する出射光４１，４２を受光素子５で受光してその強度を測定しながら、光源４の位置Ｐ１及び受光素子５の位置Ｐ２は、入射角θｉ＝出射角θｏとなるように位置Ｐ３に向かって順次移動するように、移動機構６を制御する。
【0034】
以上説明したように、本実施形態によれば、植物の葉３に対する入射角θｉを変化させながら、入射角θｉと同じ角度の反射角θｏで反射する出射光の、入射面に垂直なＳ偏光成分の光強度を計測し、極小値を持つ角度を調べる。これにより、植物が生きた状態のままで、クチクラ層３ａの厚さｔを推定できる。
【0035】
（変形例）
なお、以上の実施形態では、移動機構６が入射角θｉ＝出射角θｏとなるように光源４の位置Ｐ１及び受光素子５の位置Ｐ２を制御している。本発明はこれに限らず、図１及び図２Ａの移動機構６に代えて、以下に示す光源装置２０及び受光素子装置３０を用いてもよい。
なお、以上の実施形態では、移動機構６が入射角θｉ＝出射角θｏとなるように光源４の位置Ｐ１及び受光素子５の位置Ｐ２を制御している。本発明はこれに限らず、図１及び図２Ａの移動機構６に代えて、以下に示す光源装置２０及び受光素子装置３０を用いてもよい。
【0036】
図２Ｂは変形例に係る光源装置２０の構成例を示す正面図である。図２Ｂにおいて、光源装置２０は、レール７に沿った円弧形状で、複数の光源２１－１～２１－Ｎ（総称して、符号２１を付す）が所定の間隔で載置され、複数の光源２１－１～２１－Ｎのうちのいずれか１つの光源２１が選択的に発光する。
【0037】
図２Ｃは変形例に係る受光素子装置３０の構成例を示す正面図である。図２Ｃにおいて、受光素子装置３０は、レール７に沿った円弧形状で、複数の受光素子３１－１～３１－Ｎ（総称して、符号３１を付す）が所定の間隔で載置され、複数の受光素子３１－１～３１－Ｎのうちのいずれか１つの受光素子３１が選択的に受光する。
【0038】
ここで、発光する光源２１の位置Ｐ１と、受光する受光素子３１の位置Ｐ２とは、測定制御装置１のＣＰＵ１０は、入射角θｉ＝出射角θｏとなるように光源２１の位置Ｐ１及び受光素子３１の位置Ｐ２を制御する。
【0039】
以上の実施形態では、受光素子５，３１を用いているが、本発明はこれに限らず、分光カメラ等の撮像装置を用いて、植物の葉３の上面全体を測定することで、葉の上面全域にわたって、クチクラ層３ａの厚さｔを推定できる。
【0040】
さらに、以上の実施形態では、受光素子５は、偏光フィルタ５ｆを備えているが、本発明はこれに限らず、所定の帯域外のノイズを除去するために、受光したい帯域のみを通過させる帯域通過波長フィルタを受光素子５の前面に備えてもよい。
【実施例】
【0041】
（厚さ測定装置を用いた測定結果）
次いで、発明者らによる図１の厚さ測定装置を用いた測定結果について以下に説明する。
次いで、発明者らによる図１の厚さ測定装置を用いた測定結果について以下に説明する。
【0042】
図４は、図１の測定装置を用いてコーヒーの葉の表面を入射角θｉで波長４６０ｎｍの光で照射し、反射光強度をやはり出射角θｏ（＝θｉ）でＳ偏光成分（Ｒｓ：入射面に垂直）とＰ偏光成分（Ｒｐ：入射面に平行）に分けて反射率を計測した結果を示す。図４から明らかなように、Ｓ偏光成分の反射率ＲｓはＰ偏光成分の反射率Ｒｐに比較して大きく、約２８°で極小値を持つ。ここで、クチクラ層３ａの屈折率ｎｗａｘｙ＝１．５とすると、クチクラ層３ａの厚さｔは４０３ｎｍと求められる（ｍ＝３）。
【0043】
図５Ａは図１の外皮層厚さ測定装置を用いてポトスの葉について測定された測定結果であって、波長λ＝４６０ｎｍにおける入射角θｉに対する二方向性反射率（ＢＲＦ）を示すグラフである。また、図５Ｂは図５Ａのグラフにおけるピーク計数値に対する厚さｔを示すグラフである。
【0044】
すなわち、図５Ａ及び図５Ｂにおいて、４６０ｎｍにおけるポトスの葉のミラー反射測定結果と、構造的な干渉のピーク数と、蝋成分を含むクチクラ層の厚さとの関係を示す。特に、図５Ａは、測定限界内で構造的な干渉が発生する頻度を示しており、前記厚さｔは発生数に依存して決定することができる。
【0045】
この種の影響は、ミラーの反射だけではなく、コーヒー植物の葉のＢＲＦ測定にも見られる。従って、４６０ｎｍから５５０ｎｍまでの波長において、強く観測される構造的又は建設的なピークは、この光波長におけるミソフィル層の光波長における蝋成分を含むクチクラ層の屈折率よりもはるかに大きい。いちごの葉からは、私達は干渉波を見ることができなかった。
【0046】
図６Ａ～図６Ｆはそれぞれ、図１の外皮層厚さ測定装置を用いてコーヒーの葉について測定された測定結果であって、波長λ＝４６０ｎｍ、４７８ｎｍ、４９２ｎｍ、５１０ｎｍ、５２５ｎｍ、５３５ｎｍにおける二方向性反射率（ＢＲＦ）を示すグラフである。
【0047】
【0048】
さらに、本発明者が、電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いて撮影した写真画像を以下に示す。
【0049】
図７はコーヒーの葉の断面について電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いて撮像した写真画像である。また、図８は図７の写真画像を拡大した写真画像である。さらに、図９Ａ～図９Ｄはコーヒーの葉の断面について電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いて順次拡大撮像した写真画像である。図１０はポトスの葉の蝋成分を含むクチクラ層の断面について電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いて撮像した写真画像である。
【0050】
図７においては、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）の画像を示しており、当該画像は、いくつかのセクションからなるコーヒーの葉（向軸面側）の蝋成分を含むクチクラ層の厚さの断面を示す。ここで、最上部セクション層の厚さは約４００ｎｍであった。図８では、図７の画像を拡大しており、この画像は、蝋成分を含むクチクラ層（コーヒー）の最上部セクション層を示し、厚さは約４００ｎｍである。図９Ａ～図９Ｄでは、コーヒーの葉の断面は段階的に拡大されていることがわかる。図１０には、ポトスの葉の蝋成分を含むクチクラ層を示す画像が示されており、その厚さは約４．２μｍであった。
【0051】
図７～図１０から明らかなように、光学的測定および計算から、コーヒーの葉の蝋成分を含むクチクラ層の厚さは約４０３ｎｍであり、ポトスのクチクラ層の厚さは４．２μｍであった。このとき、これについて電子顕微鏡を用いてチェックすることができ、互いに決定される２つの厚さは一致していることを確認できた。
【0052】
（実施形態と特許文献１との相違点）
本実施形態では、Ｓ偏光成分の光強度を用いてクチクラ層３ａの厚さを測定しているが、特許文献１では、Ｐ偏光成分の光強度を用いて物体の薄膜層の厚さを測定することが開示されている。これらの相違点について以下に説明する。
本実施形態では、Ｓ偏光成分の光強度を用いてクチクラ層３ａの厚さを測定しているが、特許文献１では、Ｐ偏光成分の光強度を用いて物体の薄膜層の厚さを測定することが開示されている。これらの相違点について以下に説明する。
【0053】
特許文献１に係る発明は、その図５、図６及び段落００６２の記載に基づいて、特に、
（Ａ）測定する反射光がＰ偏光光である点、
（Ｂ）反射光の強度変動の極小値を用いる点、及び
（Ｃ）測定対象が、厚さが２００ｎｍ以下の被膜である点、
に特徴を有することで、測定対象物を±３％程度の精度で測定することができるという優れた作用効果を奏することを主張しております（例えば、段落００６２参照；特許文献１の出願の審査経過における平成１９年１１月２日付け意見書参照）。
（Ａ）測定する反射光がＰ偏光光である点、
（Ｂ）反射光の強度変動の極小値を用いる点、及び
（Ｃ）測定対象が、厚さが２００ｎｍ以下の被膜である点、
に特徴を有することで、測定対象物を±３％程度の精度で測定することができるという優れた作用効果を奏することを主張しております（例えば、段落００６２参照；特許文献１の出願の審査経過における平成１９年１１月２日付け意見書参照）。
【0054】
これに対して、本実施形態では、特に、以下のことを特徴としており、特許文献１とは異なるものである。
（Ａ）測定する反射光がＳ偏光光である点（前記の電子顕微鏡での測定等から明らかなように、Ｓ偏光成分はクチクラ層３ａでのみ二回通過して反射する光成分が主成分であることが推定される。一方、Ｐ偏光成分はクチクラ層３ａ及びその下の葉の主体層の下面で反射して戻る光成分に対応する成分が主成分であると推定される。ここで、クチクラ層３ａのほとんどが屈折率１．５の細胞を含むに対して、葉の主体層は屈折率１．５の細胞と屈折率１．０の細胞間隙を含むのでおよそ屈折率１．２～１．４程度を有する。特許文献１の図４から明らかなように、図４の皮膜４２の屈折率はその基板４１の屈折率よりも小さいが、本実施形態では、クチクラ層３ａの屈折率は葉の主体層の屈折率よりも大きく、特許文献１の皮膜およびシリコン基板の構造と、本実施の形態での葉のクチクラ層３ａと主体層の構造とは全く異なる。）。
（Ｂ）入射光の入射角を変化させながら、当該入射角に対する合成反射光の光強度の極小値を用いる点。
（Ｃ）測定対象が、植物の葉の外皮層（例えばクチクラ層）である点（厚さの一例としては、コーヒーの葉のクチクラ層の厚さが約４０３ｎｍであり、ポトスのクチクラ層の厚さは４．２μｍである）。特許文献１では、シリコン基板上の皮膜の厚さを対象としている。
（Ａ）測定する反射光がＳ偏光光である点（前記の電子顕微鏡での測定等から明らかなように、Ｓ偏光成分はクチクラ層３ａでのみ二回通過して反射する光成分が主成分であることが推定される。一方、Ｐ偏光成分はクチクラ層３ａ及びその下の葉の主体層の下面で反射して戻る光成分に対応する成分が主成分であると推定される。ここで、クチクラ層３ａのほとんどが屈折率１．５の細胞を含むに対して、葉の主体層は屈折率１．５の細胞と屈折率１．０の細胞間隙を含むのでおよそ屈折率１．２～１．４程度を有する。特許文献１の図４から明らかなように、図４の皮膜４２の屈折率はその基板４１の屈折率よりも小さいが、本実施形態では、クチクラ層３ａの屈折率は葉の主体層の屈折率よりも大きく、特許文献１の皮膜およびシリコン基板の構造と、本実施の形態での葉のクチクラ層３ａと主体層の構造とは全く異なる。）。
（Ｂ）入射光の入射角を変化させながら、当該入射角に対する合成反射光の光強度の極小値を用いる点。
（Ｃ）測定対象が、植物の葉の外皮層（例えばクチクラ層）である点（厚さの一例としては、コーヒーの葉のクチクラ層の厚さが約４０３ｎｍであり、ポトスのクチクラ層の厚さは４．２μｍである）。特許文献１では、シリコン基板上の皮膜の厚さを対象としている。
【0055】
（実施形態等のまとめ）
以上説明したように、実施形態及びその変形例に係る植物の葉の外皮層厚さ測定装置によれば、
所定の波長λの光を所定の入射角θｉで植物の葉の入射面に入射させる光源と、
前記植物の葉の入射面で前記入射角θｉと同一の反射角で反射してくる第１の反射光と、前記植物の葉の入射面において屈折角θ２で屈折して前記植物の葉の外皮層に入射した後当該外皮層の対向面で反射して前記植物の葉の入射面に戻り当該植物の葉の入射面で屈折して出射する第２の反射光とを合成してなる合成反射光を受光し、当該合成反射光のうち前記入射面に対して垂直なＳ偏光成分の光強度を検出する受光素子と、
前記入射角θｉを変化させながら、前記変化された各入射角θｉに対して前記Ｓ偏光成分の光強度を検出し、検出されたＳ偏光成分の光強度の極小値に対応する入射角θｉを検索し、次式を用いて、
ｎａｉｒ・ｓｉｎθｉ＝ｎｗａｘｙ・ｓｉｎθ２
前記外皮層の厚さｔを計算して出力する制御手段とを備え、
ｍは自然数であり、
ｎａｉｒは大気中の屈折率であり、
ｎｗａｘｙは前記外皮層の屈折率である
ことを特徴とする。
以上説明したように、実施形態及びその変形例に係る植物の葉の外皮層厚さ測定装置によれば、
所定の波長λの光を所定の入射角θｉで植物の葉の入射面に入射させる光源と、
前記植物の葉の入射面で前記入射角θｉと同一の反射角で反射してくる第１の反射光と、前記植物の葉の入射面において屈折角θ２で屈折して前記植物の葉の外皮層に入射した後当該外皮層の対向面で反射して前記植物の葉の入射面に戻り当該植物の葉の入射面で屈折して出射する第２の反射光とを合成してなる合成反射光を受光し、当該合成反射光のうち前記入射面に対して垂直なＳ偏光成分の光強度を検出する受光素子と、
前記入射角θｉを変化させながら、前記変化された各入射角θｉに対して前記Ｓ偏光成分の光強度を検出し、検出されたＳ偏光成分の光強度の極小値に対応する入射角θｉを検索し、次式を用いて、
【数4】
前記外皮層の厚さｔを計算して出力する制御手段とを備え、
ｍは自然数であり、
ｎａｉｒは大気中の屈折率であり、
ｎｗａｘｙは前記外皮層の屈折率である
ことを特徴とする。
【0056】
ここで、前記制御手段の制御のもとで、前記入射角θｉと前記第１及び第２の反射光の出射角とが同じになるように、前記光源と前記受光素子とを移動させる移動機構をさらに備える。
【0057】
また、前記植物の葉の外皮層厚さ測定装置は、
複数の光源を備える光源装置と、
複数の受光素子とを備える受光素子装置とを備え、
前記制御手段は、前記複数の光源のうちの１つを順次選択的にオンして前記植物の葉の入射面に入射させる光源として用いかつ前記複数の受光素子のうちの１つを順次選択的にオンして前記合成反射光を検出する受光素子として用いて、前記入射角θｉを変化させながら、前記変化された各入射角θｉに対して前記Ｓ偏光成分の光強度を検出する。
複数の光源を備える光源装置と、
複数の受光素子とを備える受光素子装置とを備え、
前記制御手段は、前記複数の光源のうちの１つを順次選択的にオンして前記植物の葉の入射面に入射させる光源として用いかつ前記複数の受光素子のうちの１つを順次選択的にオンして前記合成反射光を検出する受光素子として用いて、前記入射角θｉを変化させながら、前記変化された各入射角θｉに対して前記Ｓ偏光成分の光強度を検出する。
【0058】
ここで、前記受光素子は、合成反射光のうち前記入射面に対して垂直なＳ偏光成分を検出する偏光フィルタを含む。また、前記植物の葉の外皮層はクチクラ層である。
【0059】
以上説明したように、本実施形態に係る植物の葉の外皮層厚さ測定装置及び方法によれば、従来例に比較して簡単にかつ高い精度で、植物の葉の外皮層の厚さを測定することができる。これにより、植物の養育状態を極めて簡便な方法で測定できる。
【0060】
（別の変形例）
以上の実施形態とその変形例では、植物の葉の蝋成分を含むクチクラ層の厚さである、植物の葉の外皮層の厚さを測定する外皮層厚さ測定装置及び方法について説明しているが、本発明はこれに限らず、人体を含む動物の皮膚表面層、動物からの発汗量、動物の皮膚細胞層、もしくは動植物の表皮細胞層の厚さ及び状態を検出する装置にも適用することができる。以下、生体又は物体の厚さを測定する厚さ測定装置について以下に説明する。
以上の実施形態とその変形例では、植物の葉の蝋成分を含むクチクラ層の厚さである、植物の葉の外皮層の厚さを測定する外皮層厚さ測定装置及び方法について説明しているが、本発明はこれに限らず、人体を含む動物の皮膚表面層、動物からの発汗量、動物の皮膚細胞層、もしくは動植物の表皮細胞層の厚さ及び状態を検出する装置にも適用することができる。以下、生体又は物体の厚さを測定する厚さ測定装置について以下に説明する。
【0061】
【0062】
図１１は、入射面と入射面に対向する対向面とを有する第１層５１（空気層５０に接する最外側層）と、第１層５１の対向面と接する第２層５２とを含む、生体又は物体の第１層５１の厚さｔを測定する厚さ測定装置の測定原理を示している。
【0063】
図１１において、図１の測定装置を用いて、光源４から、所定の波長λの光を所定の入射角θｉで空気層５０から第１層５１の入射面の位置Ａに入射させる。図１の受光素子５は、
（１）入射面で入射角θｉと同一の反射角θ０で反射してくる第１の反射光である出射光４１と、
（２）入射面において屈折角θ２で屈折して第１層５１に入射した後、当該第１層５１の対向面（又は第２層５２の上側面）の位置Ｂに入射角θ３で入射し反射角θ４で反射して入射面に戻り当該入射面の位置Ｃに入射角θ２で入射し、屈折角又は出射角θ０で屈折して出射する第２の反射光である出射光４２と、
を合成してなる合成反射光を受光し、当該合成反射光のうち入射面に対して垂直なＳ偏光成分の光強度を検出する。このように、入射光を入射、屈折、反射等させて受光素子５に入射させる条件は、次式で表される。
（１）入射面で入射角θｉと同一の反射角θ０で反射してくる第１の反射光である出射光４１と、
（２）入射面において屈折角θ２で屈折して第１層５１に入射した後、当該第１層５１の対向面（又は第２層５２の上側面）の位置Ｂに入射角θ３で入射し反射角θ４で反射して入射面に戻り当該入射面の位置Ｃに入射角θ２で入射し、屈折角又は出射角θ０で屈折して出射する第２の反射光である出射光４２と、
を合成してなる合成反射光を受光し、当該合成反射光のうち入射面に対して垂直なＳ偏光成分の光強度を検出する。このように、入射光を入射、屈折、反射等させて受光素子５に入射させる条件は、次式で表される。
【0064】
ｎ０＜ｎ１＜ｎ２ （４）
【0065】
ここで、ｎ０は空気層５０の屈折率であり、ｎ１は第１層５１の屈折率であり、ｎ２は第２層の屈折率である。
【0066】
図１の測定制御装置１は、入射角θｉを変化させながら、変化された各入射角θｉに対してＳ偏光成分の光強度を検出し、検出されたＳ偏光成分の光強度の極小値に対応する入射角θｉを検索し、式（３）と同様の次式を用いて、第１層５１の厚さｔを計算して出力することができる。
【0067】
【数5】
【0068】
ｎ０・ｓｉｎθｉ＝ｎ１・ｓｉｎθ２ （６）
【0069】
ここで、ｍは自然数であり、自然数ｍは波長λの入射光が第１層５１を通過するときの波数に対応し、第１層５１の厚さｔを高い精度で計算するためには、好ましくは、１、２又は３である。また、式（５）における、入射光の波長λは厚さｔとの関係から明らかなように、式（５）の右辺の数値が厚さｔと同程度（同じオーダー程度）になるように、入射光の波長λを選択する必要がある。
【0070】
以上説明したように、この変形例によれば、従来技術に比較して、簡単にかつ高い精度で、生体又は人体の第１層５１の厚さを測定することができる。
【0071】
また、非特許文献２及び３から明らかなように、例えば人体の毎分の発汗量が、０．０５－０．５［ｍｇ／ｍｉｎ／ｃｍ２］というプロットが見られる。ここで、汗の比重を１ｇ／ｃｍ３を仮定すると、人体の皮膚表面層の厚さｔは０．５～５［μｍ］に換算できる。すなわち、図１の測定装置を用いて、人体の皮膚表面層の厚さｔを測定し、汗の比重を１ｇ／ｃｍ３を仮定すると、人体の発汗量を計算できる。言い換えれば、図１の測定装置を、人体等の動物の発汗量測定装置（発汗計）として用いることができる。
【産業上の利用可能性】
【0072】
以上詳述したように、本発明に係る厚さ測定装置及び方法によれば、従来技術に比較して、簡単にかつ高い精度で、生体又は物体の第１層の厚さを測定することができる。これにより、生体等の生育状態、発汗量等を測定できる。
【符号の説明】
【0073】
１ 測定制御装置
２ 載置台
３ 植物の葉
３ａ クチクラ層
４ 光源
４ｍ ステッピングモータ
５ 受光素子
５ｍ ステッピングモータ
６ 移動機構
７ レール
８ 支持部材
９ 仮想水平線
１０ ＣＰＵ
１１ ＲＯＭ
１２ ＲＡＭ
１３ ＳＳＤ
１４ 操作部
１５ 表示部
１６ 通信インターフェース（通信ＩＦ）
１７，１８ 信号インターフェース（信号ＩＦ）
１９ 機構インターフェース（機構ＩＦ）
２０ 光源装置
２１－１～２１－Ｎ 光源
３０ 受光素子装置
３１－１～３１－Ｎ 受光素子
４０ 入射光
４１，４２ 出射光
４３ 屈折光
４４ 反射光
５０ 空気層
５１ 生体又は物体の第１層
５２ 生体又は物体の第２層
Ａ～Ｄ，Ｐ１～Ｐ３ 位置
２ 載置台
３ 植物の葉
３ａ クチクラ層
４ 光源
４ｍ ステッピングモータ
５ 受光素子
５ｍ ステッピングモータ
６ 移動機構
７ レール
８ 支持部材
９ 仮想水平線
１０ ＣＰＵ
１１ ＲＯＭ
１２ ＲＡＭ
１３ ＳＳＤ
１４ 操作部
１５ 表示部
１６ 通信インターフェース（通信ＩＦ）
１７，１８ 信号インターフェース（信号ＩＦ）
１９ 機構インターフェース（機構ＩＦ）
２０ 光源装置
２１－１～２１－Ｎ 光源
３０ 受光素子装置
３１－１～３１－Ｎ 受光素子
４０ 入射光
４１，４２ 出射光
４３ 屈折光
４４ 反射光
５０ 空気層
５１ 生体又は物体の第１層
５２ 生体又は物体の第２層
Ａ～Ｄ，Ｐ１～Ｐ３ 位置
【図1】
【図2A】
【図2B】
【図2C】
【図3】
【図4】
【図5A】
【図5B】
【図6A】
【図6B】
【図6C】
【図6D】
【図6E】
【図6F】
【図7】
【図8】
【図9A】
【図9B】
【図9C】
【図9D】
【図10】
【図11】