CN117280196A - 分光测定装置和分光测定方法 - Google Patents

分光测定装置和分光测定方法 Download PDF

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Abstract

本发明是对包含从测定对象物发出的光的测定光(110)进行检测并对从所述测定对象物发出的光的分光特性进行测定的分光测定装置(100)，其特征在于，具备：分光光学系统，其对所述测定光(110)进行分光；检测部(40)，其对由所述分光光学系统进行分光后的光的强度进行检测；分光特性获取部(504)，其基于所述检测部的检测结果来获取测定光分光特性，所述测定光分光特性表示所述测定光的光强度与波长之间的关系；存储部(503)，其存储背景光候选分光特性信息，所述背景光候选分光特性信息是表示反映了所述检测部(40)的分光灵敏度特性的背景光候选的分光特性的信息；以及运算处理部(504)，其根据所述测定光分光特性和所述背景光候选分光特性信息，求出从所述测定对象物的周围发出的光即背景光的分光特性。

Description

分光测定装置和分光测定方法
技术领域
本发明涉及一种适于室外的分光特性的测定的分光测定装置和分光测定方法。
背景技术
分光测定是对测定对象物定性、定量地进行分析的技术之一(专利文献1)。用于分光测定的装置(分光测定装置)具备：分光光学系统，其对从测定对象物发出的光进行分光；检测器，其用于对通过该分光光学系统进行分光后的各光的强度进行检测；以及运算处理部，其根据该检测器的检测结果来计算测定光的分光特性(光谱)，该装置根据在该光谱中出现的峰值波长来确定测定对象物所包含的成分、或者根据峰值面积来确定测定对象物所包含的成分的量。在此，在从测定对象物发出的光中包含从光源照射到测定对象物的光的反射光、透过光、荧光发光、测定对象物自身放出的光(辐射光等自发光)等。
在使用上述的分光测定装置来对例如作为测定对象物的气体进行分光测定的情况下，对封入有该气体的容器(试样容器)和内部设为了真空状态的容器(对照容器)分别照射来自光源的光，并利用检测部对透过了各容器的光的分光强度进行检测。而且，根据从试样容器的透过光的分光强度减去对照容器的透过光的分光强度所得到的结果，来求出测定对象物的分光特性。通过这样，能够去除由容器的材料引起的透过光、由于在从容器到检测器的光路上存在的气体引起的透过光的影响。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：国际公开第2015/125918号
发明内容
发明要解决的问题
在使用上述的分光测定装置对设置于工厂的场地内的气体的配管中的气体泄漏进行检测、或者确定从土壤产生的气体的成分进行等在室外测定气体的成分、量的情况下，能够用存在于测定对象的周围的光代替来自光源的光。例如，在对配管中的气体泄漏进行检测的情况下，能够用在该配管中产生的太阳光、照明光的反射光、从配管产生的热辐射(辐射光)等代替光源光。另外，例如在确定从土壤产生的气体的成分的情况下，能够用从土壤发出的热辐射代替光源光。当然，也能够将太阳光、照明光本身设为光源光。在气体的产生部位，这样的光被气体吸收。因而，通过测定或者监视预计产生气体的部位的光的分光特性，能够确定有无产生气体泄漏、气体的成分。
在室外，在各种部位产生各种光(辐射光、反射光、透过光、散射光等)，这些光(背景光)与从测定对象物发出的光一起被导入分光测定装置。难以将背景光与从测定对象物产生的光相区别，而且，即使避开了直射光，当与从测定对象物发出的光相比时，背景光的一方的强度大的情况多，存在即使在包含背景光的状态下测定分光特性也无法确定测定对象物的成分、种类这一问题。
此外，在此，列举在室外使用分光测定装置的情况为例进行了说明，但是即使是在室内使用分光测定装置的情况，在难以将从测定对象物发出的光与背景光相区别地进行测定的情况下也存在同样的问题。
本发明要解决的问题是提供一种即使在难以将从测定对象物发出的光与背景光进行区别的情况下也能够高精度地对测定对象物的分光特性进行测定的技术。
用于解决问题的方案
为了解决上述问题而完成的本发明的第一方式是对包含从测定对象物发出的光的测定光进行检测并根据该检测的结果来对从所述测定对象物发出的光的分光特性进行测定的分光测定装置，其特征在于，具备：
分光光学系统，其对所述测定光进行分光；
检测部，其对通过所述分光光学系统进行分光后的测定光的强度进行检测；
分光特性获取部，其基于所述检测部的检测结果来获取测定光分光特性，所述测定光分光特性表示所述测定光的光强度与波长之间的关系；
存储部，其存储背景光候选分光特性信息，所述背景光候选分光特性信息是表示反映了从所述分光光学系统至所述检测部为止的测定光的光路的分光灵敏度特性的背景光候选的分光特性的信息；以及
运算处理部，其根据所述测定光分光特性和所述背景光候选分光特性信息，求出从所述测定对象物的周围发出的光即背景光的分光特性。
另外，为了解决上述问题而完成的本发明的第二方式是通过检测部对包含从测定对象物发出的光的测定光进行检测并根据该检测的结果对从所述测定对象物发出的光的分光特性进行测定的分光测定方法，其特征在于，包括以下步骤：
通过分光光学系统对所述测定光进行分光；
获取通过所述分光光学系统进行分光后的测定光的分光特性；以及
根据所述测定光的分光特性和背景光候选分光特性信息，求出从所述测定对象物的周围发出的光即背景光的分光特性，所述背景光候选分光特性信息是表示反映了从所述分光光学系统至所述检测部为止的测定光的光路的分光灵敏度特性的背景光候选的分光特性的信息。
在本发明中，在从测定对象物发出的光中包含测定对象物自身发出的光(辐射光等自发光)、由于来自太阳的光(太阳光)、来自照明装置等人工光源的光(照明光)被照射到测定对象物而产生的反射光、透过光、荧光发光等。
另外，太阳光、照明光不仅被照射到测定对象物，也被照射到存在于该测定对象物的周边的物体，因此，产生反射光、透过光、荧光发光等。在存在于测定对象物的周边的物体产生的反射光、透过光、荧光发光、由于辐射光等光被照射到测定对象物而产生的反射光、透过光、荧光发光等也会包含在从测定对象物发出的光中。从测定对象物发出的光的分光特性反映了该测定对象物的性质，因此，通过对该光的分光特性进行测定，能够进行测定对象物的定性分析、定量分析。
但是，由测定对象物产生的光和由该测定对象物的周边产生的光这双方作为测定光入射到分光测定装置。因而，针对测定光获得的分光特性反映了由测定对象物产生的光和由测定对象物的周边产生的光这两方的分光特性。在本发明中，将由测定对象物的周边产生的光称为“背景光”。
另外，入射到分光测定装置的测定光在通过分光光学系统进行分光后入射到检测部，在该检测部中对分光后的光的强度进行检测。检测部的实际测量强度值依赖于从分光光学系统至检测部为止的光路上的光学元件的分光灵敏度特性，因此背景光的分光特性反映了所述分光灵敏度特性。
因此，在本发明中，预想测定光中包含的背景光的候选，并将在该背景光候选的分光特性中反映了所述分光灵敏度特性的信息(背景光候选分光特性信息)存储于存储部。而且，根据背景光候选分光特性信息和测定光的分光特性来估计测定对象物的背景光的分光特性。当求出背景光的分光特性时，能够根据该分光特性与所述测定光的分光特性的差分求出从所述测定对象物发出的光的分光特性。另外，基于朗伯比尔定律，能够根据从测定对象物发出的光的分光特性和背景光的分光特性来计算该测定对象物的吸光度。
在此，从分光光学系统至检测部为止的测定光的光路的分光灵敏度特性例如是在所述光路上存在物镜、聚光透镜、成像透镜、反射镜等一个或多个光学元件的情况下将全部光学元件的分光灵敏度特性与检测部的分光灵敏度特性进行合计所得到的。此外，关于在分光测定装置中使用的检测器，通常，向该检测器(的受光元件)入射的光的每个波长的光量(入射光量)与光电流的关系(光电灵敏度)是预先决定的，每个波长的光电灵敏度被称为分光灵敏度特性。光电灵敏度由量子效率(％)、入射光量(瓦特(W))与光电流(安培(A))的比率、或者将最大灵敏度波长下的光电灵敏度设为了100的相对灵敏度(％)等来表示。
背景光候选能够根据对测定对象物的分光特性进行测定的场所(是室外还是室内)、向测定对象物照射光的光源的种类、测定对象物的周边环境等的条件来决定。例如在测定场所为室外的情况下，能够将太阳光设为背景光候选。另外，在测定场所为室内的情况下，能够将从光源发出的光设为背景光候选。并且，也可以将多个温度下的黑体辐射设为背景光候选。
黑体被定义为遍及所有波长地完全吸收从外部入射的电磁辐射的物体，是理论上的物质(理想黑体)。关于每个温度的黑体的分光辐射亮度与波长之间的关系、也就是分光特性，用下面记载的式(1)表示为遵循普朗克的黑体辐射定律的温度和波长的函数。
[数1]
在式(1)中，T表示温度[K]，λ表示波长[nm]，h表示普朗克常数，k表示玻耳兹曼常数，c表示光速度[m/s]。在利用黑体辐射的分光特性的情况下，能够使用上述式(1)简单地计算表示反映了所述检测部的分光灵敏度特性的背景光候选的分光特性的信息(背景光候选分光特性信息)。
另外，也能够预先使用本发明的分光测定装置或本发明的分光测定方法对在测定对象物的周边的规定的范围内产生的光的分光特性进行测定，并将该分光特性作为背景光候选分光特性信息之一进行存储。
像这样，通过本发明的分光测定装置或分光测定方法获得的分光特性不仅反映了经过分光光学系统由检测部检测出的测定对象物的分光特性，背景光的分光特性也反映了所述分光灵敏度特性。
优选的是，所述背景光候选分光特性信息中包含多个种类的背景光候选的分光特性。在此，在“多个种类的背景光候选”中可能包含从种类不同的多个光源发出的光、从一个光源发出的光且强度不同的多个种类的光、从温度不同的黑体发出的光(黑体辐射)等。
运算处理部根据测定光分光特性和背景光候选分光特性信息求出背景光的分光特性。例如在与从测定对象物发出的光的强度相比背景光的强度非常大的情况下，背景光占测定光的大部分，因此，测定光的分光特性与背景光的分光特性近似。作为这样的例子，列举为了在室外对气体的配管的气体泄漏进行检测而对从该配管发出的光的分光特性进行测定的情况、或者为了测定血糖值而对从手腕、手背等的血管发出的光的分光特性进行测定的情况。在这样的情况下，运算处理部从多个种类的背景光候选的分光特性中提取与测定光分光特性近似的分光特性来作为背景光分光特性。作为从多个种类的背景光候选的分光特性中提取与测定光分光特性近似的分光特性的方法，列举使多个种类的背景光候选的分光特性按顺序与测定光分光特性进行匹配并提取最匹配的分光特性来作为背景光分光特性的处理(匹配处理)。
发明的效果
根据本发明，即使在如在室外对测定对象物的分光特性进行测定的情况、通过皮肤对在血管内流动的血液的分光特性进行测定的情况那样难以将从测定对象物发出的光与背景光相区别的情况下，也能够高精度地对测定对象物的分光特性进行测定。
附图说明
图1A是省略分光测定装置的壳体的一部分来表示的俯视图。
图1B是分光测定装置的侧视图。
图1C是省略分光测定装置的壳体的一部分来表示的立体图。
图2A是移相器的侧视图。
图2B是从反射面侧观察移相器时的图。
图3是分光测定装置的动作说明图。
图4是用于说明基于黑体的分光辐射亮度求出背景光的分光特性的方法的图，(a)是表示黑体的分光辐射亮度与波长之间的关系的曲线图，(b)是表示检测器的受光灵敏度与波长之间的关系的曲线图，(c)是表示利用检测器的受光灵敏度校正后的辐射亮度与波长之间的关系的曲线图。
图5是同表示利用检测器的受光灵敏度校正测定光的分光特性(光谱)后的黑体的分光辐射亮度与波长之间的关系的曲线图一起示出的图。
图6是测定对象物的分光特性(光谱)。
图7是示出使用本实施方式的分光测定装置对测定对象物(二甲醚气体)的分光特性进行了测定的实施例1的模型环境的图。
图8的上侧部分是示出通过使用了最小二乘法的匹配处理估计出的背景光光谱和测定光的光谱的图，图8的中间部分是示出通过包络线状地进行匹配的处理估计出的背景光光谱与测定光的光谱的图，图8的下侧部分是示出通过使用了最小二乘法的匹配处理和包络线状地进行匹配的处理得到的测定对象物(二甲醚)的吸收光谱的图。
图9是通过包络线状地进行匹配的处理得到的二甲醚气体的各时间范围的吸收光谱。
图10是二甲醚气体的各时间范围中的测定视场内的吸光度的模拟彩色图像。
图11是示出使用本实施方式的分光测定装置对测定对象物(染料粉末)的分光特性进行测定的实施例2中来自加热到125℃的金属制板的辐射光的实际测量强度(a)、黑体的分光辐射亮度(b)、分光测定装置100的分光灵敏度特性(c)的与波长之间的关系的曲线图。
图12是在将茜素(Alizarin)的粉末载置于金属制板的状态下测定出的测定光和估计出的背景光的光谱(a)、茜素的辐射光的光谱(b)。
图13是示出茜素的辐射光的光谱和从已知的数据库获取到的茜素的分光特性的图。
图14是在将靛蓝(Indigo)的粉末载置于金属制板的状态下测定出的测定光和估计出的背景光的光谱。
图15是示出靛蓝的辐射光的光谱和从已知的数据库获取到的靛蓝的分光特性的图。
图16是示出使用本实施方式的分光测定装置对远处的测定对象物的分光特性进行了测定的实施例3的模型环境的图。
图17是示出树木(大叶栲)的分光特性的曲线图。
图18A是将天空的分光特性设为了背景光光谱的情况下的树木的吸收光谱。
图18B是通过本实施方式的方法估计出背景光光谱的情况下的树木的吸收光谱。
图19A示出了实施例3，将天空的分光特性设为了背景光光谱的情况下的招牌、海、山的吸收光谱。
图19B示出了实施例3，通过本实施方式的方法估计出背景光光谱的情况下的招牌、海、山的吸收光谱。
图20A是示出使用本实施方式的分光测定装置对测定对象物(血管)的分光特性进行了测定的实施例4中的被检者1的左手腕的模拟彩色图像(a)、根据左手腕的多个部位处的辐射光的分光特性求出的血管的累积光谱和标准的血液的吸收光谱的曲线图(b)。
图20B是示出使用本实施方式的分光测定装置对测定对象物(血管)的分光特性进行了测定的实施例4中的被检者1的左手背的模拟彩色图像(a)、根据左手背的多个部位处的辐射光的分光特性求出的血管的累积光谱和标准的血液的吸收光谱的曲线图(b)。
图21A是示出使用本实施方式的分光测定装置对测定对象物(血管)的分光特性进行了测定的实施例4中的被检者2的左手腕的模拟彩色图像(a)、根据左手腕的多个部位处的辐射光的分光特性求出的血管的累积光谱和标准的血液的吸收光谱的曲线图(b)。
图21B是示出使用本实施方式的分光测定装置对测定对象物(血管)的分光特性进行了测定的实施例4中的被检者2的左手背的模拟彩色图像(a)、根据左手背的多个部位处的辐射光的分光特性求出的血管的累积光谱和标准的血液的吸收光谱的曲线图(b)。
具体实施方式
下面，参照附图来说明本发明的实施方式。
[分光测定装置的结构]
参照图1A～图1C、图2A、图2B来说明作为本发明的实施方式的分光测定装置的结构。此外，在图1A和图1C中，省略了壳体的一部分，以使得能够看到分光测定装置的内部构造。
分光测定装置100具备壳体10以及收容于该壳体10的内部的移相器20、物镜31、成像透镜32以及检测器40。壳体10由一大一小两个矩形箱状的壳体101和壳体102构成。下面，将大的一方称为第一壳体101，将小的一方称为第二壳体102。移相器20相当于本发明的分光光学系统。移相器20、物镜31以及成像透镜32收容于第一壳体101，检测器40收容于第二壳体102。
第一壳体101由矩形板状的底板11、四个侧壁部12～15、以及盖16构成。侧壁部12～15彼此之间、侧壁部12～15与底板11之间、侧壁部12～15与盖16之间分别通过螺纹构件(未图示)以可拆卸的方式连结。
物镜31以其透镜面与侧壁部12平行的方式配置于底板11上。另外，成像透镜32以其透镜面与侧壁部13平行的方式配置于底板11上。物镜31和成像透镜32被保持在竖立设置于底板11的上表面的透镜保持件33与底板11之间。透镜保持件33由俯视时为L字状的构件和一对腿部构成，一对腿部的下端部固定于底板11的上表面。在底板11的上表面中与移相器20、物镜31、成像透镜32以及透镜保持件33的配置对应的适当的部位分别形成有凹部。通过向这些凹部插入物镜31的下端部、成像透镜32的下端部以及透镜保持件33的腿部的下端部，来对物镜31和成像透镜32进行定位。
在侧壁部12中与物镜31相向的部位设置有用于将测定光导入到壳体10内的导入口70。导入口70具有：圆筒状部71，其向侧壁部12的外方突出；聚光透镜72，其嵌入到圆筒状部71的内部；以及共轭面格子73，其配置于聚光透镜72与物镜31之间且该物镜31的共轭面。共轭面格子73被保持于竖立设置在底板11的上表面的格子保持件74。
在侧壁部13中与成像透镜32相向的部位设置有经过了成像透镜32的测定光(反射光)的导出口80，在形成有该导出口80的部分的侧壁部13的外表面安装有第二壳体102。在第二壳体102内，检测器40以其受光面与导出口80相向且受光面位于成像透镜32的成像面上的方式配置。检测器40由具有在受光面上二维地配置的多个受光元件的二维阵列传感器构成。
移相器20具备固定反射构件21、可动反射构件22、以及对该可动反射构件22进行驱动的驱动机构23。固定反射构件21由立方体状的金属块构成，通过对其一个表面进行镜面加工而形成有反射面21a(下面，也称为固定反射面21a)。固定反射构件21以其反射面21a相对于物镜31和成像透镜32的各光轴倾斜45°的方式固定于底板11的上表面。
在固定反射构件21的上表面固定有驱动机构23。驱动机构23例如由超声波马达构成，使配置于该驱动机构23的上部的移动体24沿水平方向移动。移动体24由具有安装板部24a和从该安装板部24a的端部向下方折曲的安装端部24b的、截面为L字状的构件构成，并通过安装板部24a安装于驱动机构23的上部。驱动机构23以使移动体24的移动方向与固定反射面21a的法线方向一致的方式固定于固定反射构件21的上表面。
可动反射构件22固定于移动体24的安装端部24b。可动反射构件22由立方体状的金属块构成，具有对其一个表面进行镜面加工而形成的反射面22a(下面，也称为可动反射面22a)、以及形成于与该反射面22a相反一侧的面(背面)的嵌合于所述安装端部24b的嵌合凹部22b。可动反射构件22的反射面22a具有与固定反射构件21的反射面21a大致相同的大小。
在第一壳体101的内部收容有控制分光测定装置100的动作的控制装置50。如图3所示，在控制装置50连接有驱动机构23和检测器40。另外，控制装置50具有存储部501、背景光信息存储部503、运算处理部504以及通信部505。在存储部501保存有控制驱动机构23、检测器40等的动作的控制程序。
背景光信息存储部503相当于本发明的存储部。在背景光信息存储部503存储有与背景光候选的分光特性有关的信息(下面称为“背景光信息”)。“背景光”是导入到分光测定装置100的测定光中的除了从测定对象物发出的光以外的光。背景光信息相当于本发明的背景光候选分光特性信息。在本实施方式中，根据理想的辐射体即黑体的分光辐射亮度和分光测定装置100的分光灵敏度特性来计算背景光信息。关于黑体的分光辐射亮度I，用以下的式(1)表示为遵循普朗克的黑体辐射定律(普朗克定律)的温度和波长的函数。
[数1]
另外，分光测定装置100的分光灵敏度特性是从分光测定装置100的导入口70至检测器40为止的测定光的光路的分光灵敏度特性，具体地说，是将位于该光路上的多个光学元件的分光灵敏度特性、检测器40的分光灵敏度特性进行统合所得到的概念。所述光学元件包括聚光透镜72、物镜31、固定反射构件21、可动反射构件22以及成像透镜32。检测器40的分光灵敏度特性被称为入射到该检测器40的光的每个波长的光量(入射光量)与光电流之间的关系(光电灵敏度)，通过检测器40来决定。光电灵敏度用量子效率(％)、入射光量(瓦特(W))与光电流(安培(A))的比率、或者将最大灵敏度波长时的光电灵敏度设为100得到的相对灵敏度(％)等表示。在本实施方式中，使将检测器40的测定波长范围内的黑体的分光辐射亮度与分光测定装置100的分光灵敏度系数(相对灵敏度系数)相乘所得的结果作为背景光信息保存于背景光信息存储部503。
例如，图4的(a)的曲线图表示温度为50℃、100℃、150℃、200℃时的、黑体的分光辐射亮度与波长之间的关系，图4的(b)的曲线图表示分光测定装置100的分光灵敏度系数(％)与波长之间的关系。在图4的(a)中，横轴表示波长，纵轴表示分光辐射亮度。另外，在图4的(b)中，横轴表示波长，纵轴表示分光灵敏度系数。在这样的例子中，背景光信息存储部503中保存的信息为如图4的(c)所示那样的表示黑体的分光辐射亮度光谱的曲线图、或者该曲线图上的各点的坐标值数据。
运算处理部504根据被输入到控制装置50的检测器40的检测信号求出干涉图，以数学方式对该干涉图进行傅里叶变换来求出测定光的每个波长的相对强度即分光特性。另外，运算处理部504根据测定光的分光特性和背景光信息存储部503中保存的背景光信息来估计该测定光中包含的背景光的分光特性。而且，根据估计出的背景光的分光特性与测定光的分光特性的差分求出测定对象物的分光特性。因此，在运算处理部504中保存有用于求出测定对象物的分光特性的数据处理用程序。此外，在本实施方式中，由检测器40和运算处理部504构成本发明的检测部。另外，运算处理部504作为本发明的分光特性获取部和运算处理部发挥功能。
通信部505用于将个人计算机、打印机等外部装置与控制装置50经由互联网等通信线路进行连接。通过这样的结构，由运算处理部504获得到的测定对象物的分光特性等数据能够通过通信部505输出到个人计算机的显示器、打印机等。另外，在此，设为设置于第一壳体101的内部的控制装置50具有背景光信息存储部503、运算处理部504的功能来进行了说明，但也可以设为检测器40的检测结果经由通信部505、互联网传输到个人计算机，并在此进行处理。在该情况下，在个人计算机中具有安装上述的数据处理程序，且保存有背景光信息的存储器。在该结构中，个人计算机的CPU作为运算处理部发挥功能，存储器作为背景光信息存储部发挥功能。
[测定光的分光特性的测定]
参照图3来说明使用上述结构的分光测定装置100进行的测定光的分光特性的测定动作。使用分光测定装置100的分光特性进行测定的测定方法被称为成像型二维傅里叶分光法。
首先，使分光测定装置100的移相器20的驱动机构23进行动作，来使可动反射构件22沿图3中用箭头A表示的方向进行往复移动。更具体地说，使可动反射构件22在基准位置与变动位置之间以固定的速度进行往复移动，该基准位置是使固定反射面21a与可动反射面22a处于同一面上的位置，该变动位置是使可动反射面22a位于比固定反射面21a的后方的位置。驱动机构23的驱动由控制装置50来控制。
接下来，以使分光测定装置100的导入口70朝向测定对象物S的方式设置该分光测定装置100。由此，包含从测定对象物S发出的光的测定光110从导入口70入射到第一壳体101内。入射到第一壳体101的测定光110在穿过聚光透镜72、物镜31之后成为平行光并到达移相器20。到达了移相器20的测定光110以跨固定反射面21a和可动反射面22a这两方的方式入射到两个反射面，并由各反射面反射。
由固定反射面21a反射出的光(固定反射光)和由可动反射面22a反射出的光(可动反射光)分别在穿过成像透镜32后从导出口80入射到第二壳体102，并在检测器40的受光面上聚光而形成干涉光。在检测器40的受光面配置有多个受光元件，检测器40生成与入射到各受光元件的干涉光的强度相应的检测信号，并向控制装置50输出。
通过运算处理部504对从检测器40输入到控制装置50的检测信号进行处理，由此获取表示干涉光的强度变化的干涉图，并以数学方式对该干涉图进行傅里叶变换，由此获取测定光110的分光特性(光谱)。在本实施方式所涉及的分光测定装置100中，在检测器40的受光面二维地配置有多个受光元件，因此能够对测定光110的分光特性进行二维测定。
[测定对象物的分光特性的计算]
当计算出测定光110的分光特性时，运算处理部504根据该测定光110的分光特性和背景光信息存储部503中保存的背景光信息来估计所述测定光110中包含的背景光的分光特性。作为估计的方法，列举以下方法：使用最小二乘法，从背景光信息存储部503中保存的与多个温度有关的黑体的分光辐射亮度光谱中，将与测定光的分光特性之差最小的分光特性设为背景光的分光特性。另外，通过使表示各温度下的黑体的分光辐射亮度光谱的曲线图在表示测定光的光谱的曲线图的上侧包络线状地(也就是以与曲线图峰值相切的方式)进行匹配、或者在曲线图的下侧包络线状地(也就是以与曲线图底部相切的方式)进行匹配，来决定背景光的分光特性。对于匹配处理，能够使用牛顿法、图案法、高斯-牛顿法这样的非线性最小二乘法。
此外，在为了对由于来自光源的光被照射到测定对象物S而在该测定对象物S产生的光的分光特性(将该分光特性称为主动分光特性)进行测定而对测定光中包含的背景光进行估计的情况下，优选的是，使表示黑体的分光辐射亮度光谱的曲线图在表示测定光的光谱的曲线图的上侧包络线状地进行匹配。另外，在为了对测定对象物S自身发出的光的分光特性(将该分光特性称为被动分光特性)进行测定而对测定光中包含的背景光进行估计的情况下，优选的是，使表示黑体的分光辐射亮度光谱的曲线图在表示测定光的光谱的曲线图的下侧包络线状地进行匹配。另外，在定性地评价测定对象物S中产生的光的分光特性的情况下，优选的是，使用最小二乘法从黑体的分光辐射亮度光谱中估计背景光的分光特性。
例如，图5示出了从图4的(c)所示的各温度下的分光辐射亮度光谱中搜索在表示测定光110的分光特性的曲线图(光谱)的上侧包络线状地进行匹配的分光辐射亮度光谱得到的结果。如图5所示，表示温度为200℃的分光辐射亮度光谱的曲线图在测定光的光谱的上侧包络线状地进行匹配，因此，运算处理部504将温度为200℃的分光辐射亮度光谱估计为背景光光谱(背景光的分光特性)。
接着，运算处理部504求出所估计出的背景光的分光特性与测定光110的分光特性的差分，将该差分设为由测定对象物发出的光的分光特性。然后，使用基于比尔-朗伯定律的下面的关系式(2)，根据由测定对象物发出的光的分光特性和背景光的分光特性来计算测定对象物的吸光度。图6示出了在由测定对象物发出的光的分光特性为图5所示的分光特性时求出的该测定对象物的吸光度。此外，在此，将测定光110的强度设为了式(2)的“入射光强度”。
[数2]
接着，说明利用几个具体的模型环境对从测定对象物发出的光的分光特性进行测定的实施例。
[实施例1]
实施例1是将规定温度的黑体作为光源来对测定对象物的主动分光特性进行测定的例子。在该实施例中，利用如图7所示那样的设置有温度被设定为200℃的黑体的模型环境来对从作为测定对象物的二甲醚气体发出的光、也就是透过了二甲醚气体的黑体的辐射光的分光特性进行了测定。在图7所示的模型环境中，在距分光测定装置100的成像透镜780mm的位置处设置有黑体。另外，使用了具有与黑体的辐射面相当的测定视场(150×150pixel)的检测器40。
首先，在黑体与分光测定装置100之间从喷罐喷射二甲醚气体15秒之后，每隔16秒对测定光的分光特性进行了测定。接着，通过使各温度下的黑体的分光辐射亮度光谱与各时间范围内的测定光的分光光谱进行匹配来估计出背景光光谱。背景光光谱的估计通过使用了最小二乘法的匹配处理以及与测定光的分光光谱包络线状地进行匹配的处理来进行，将在各处理中获得到的背景光光谱进行了比较。在该实施例中，根据二甲醚气体的透过光来对该二甲醚气体的吸收分光特性(主动分光特性)进行测定，因此，使黑体的分光辐射亮度光谱在测定光的分光光谱的上侧包络线状地进行匹配。图8的上侧部分是将通过使用了最小二乘法的匹配处理估计出的背景光光谱与测定光光谱一起示出的图，中间部分是将通过包络线状地进行匹配的处理估计出的背景光光谱与测定光光谱一起示出的图。在各图中，曲线图的横轴表示波长，纵轴表示相对强度。另外，实线的曲线表示测定光光谱，虚线的曲线表示背景光光谱。
图8的下侧部分示出了求出通过上述的两种匹配处理获得到的各背景光光谱与测定光光谱的差分、并根据该差分使用上述的关系式(2)计算出的测定对象物(二甲醚气体)的吸收光谱。图8的下侧部分的各曲线图的横轴表示波长，纵轴表示吸光度。另外，实线的曲线表示从通过包络线状地进行匹配的处理估计出的背景光光谱获得到的吸收光谱，虚线的曲线表示从通过使用了最小二乘法的匹配处理估计出的背景光光谱获得到的吸收光谱。如图8的下侧部分所示，在使用了任意匹配处理的情况下都在大致相同的波长范围观察到吸收峰值。也就是说，可知在至少使用了上述两种匹配处理的情况下能获得大致相似的吸收光谱。
图9是汇总地示出通过包络线状地进行匹配的处理获得到的二甲醚气体的各时间范围的吸收光谱的图。根据图9可知，在任意时间范围内都在吸收光谱中确认到二甲醚固有的吸收峰值(波长λ＝8.5μm)，另外，吸光度随着时间的经过而下降。
图10示出了以二甲醚的吸收波长即8.5μm处的吸光度为基准将测定视场内的吸光度可视化所得到的模拟彩色图像。此外，图10实际上是彩色图像，但是在此用黑白来表现。在该模拟彩色图像中，根据测定视场内的吸光度的大小将颜色分十个等级进行涂色，在实际的图像中，吸光度的最大值用红色来表示，最小值用绿色来表示。二甲醚的气体浓度越高则吸光度越大，因此，根据图10能够确认，气体浓度随着时间的经过而下降。另外，整体看来，测定视场的下半部的气体浓度高。其结果，与二甲醚气体的比重比空气的比重大这一点是一致的。
[实施例2]
实施例2是对测定对象物的被动分光特性进行了测定的例子。在该实施例中，在加热到125℃的铝制板上载置作为测定对象物的染料(茜素、靛蓝)的粉末来将该染料粉末进行加热，并求出了从该染料粉末发出的光(辐射光)的分光特性。铝的辐射率为0.05左右，通过将板进行加热而从该板发出的辐射光的强度相比于从染料粉末发出的辐射光的强度而言非常小，能够无视。因此，在本实施例中，将由上述的式(1)表示的黑体的分光辐射亮度I(λ,T)设为了背景光候选的分光特性。
首先，通过使用分光测定装置100对加热到125℃的黑体的分光特性进行测定，来求出该分光测定装置100的分光灵敏度系数。图11的(a)是加热到125℃的黑体的分光特性的实际测量值，图11的(b)是将125℃带入到式(1)中的温度T时的分光辐射亮度I(λ,125℃)。图11的(a)、(b)的曲线图的横轴表示波长(nm)，纵轴表示相对强度。
当将实际测量值设为I’(λ,125℃)、将分光测定装置100的分光灵敏度系数设为Sp时，能够使用I(λ,125℃)和Sp用下面的式(3)来表示I’(λ,125℃)，因此，能够根据I’(λ,125℃)和I(λ,125℃)来求出分光灵敏度系数Sp。
I’(λ,125℃)＝I(λ,125℃)×Sp…(3)
图11的(c)是表示根据I’(λ,125℃)和I(λ,125℃)求出的分光灵敏度系数与波长之间的关系的曲线图。该曲线图的横轴均表示波长，纵轴表示灵敏度。
接着，在加热到125℃的铝制板上分别载置茜素、靛蓝的粉末，使用分光测定装置100对从被加热到约125℃的该粉末发出的辐射光(也就是测定光)的分光特性进行了测定。而且，使将125℃附近的黑体的热辐射光谱与分光灵敏度系数Sp相乘所得到的结果与测定光的分光特性的曲线图(光谱)进行匹配来估计背景光光谱。在该实施例中，为了对测定对象物自身发出的辐射光的分光特性(被动分光特性)进行测定，使将黑体的热辐射光谱与灵敏度系数相乘所得到的结果在测定光的光谱的下侧包络线状地进行匹配。
图12的(a)和图14示出了在金属制板分别载置有茜素和靛蓝的粉末的状态下测定出的测定光的光谱、以及通过上述的匹配处理估计出的背景光光谱。图12的(b)示出了根据所估计出的背景光光谱和测定光的光谱计算出的茜素的辐射光光谱。另外，图13和图15示出了通过本实施例获得到的茜素和靛蓝的分光特性、以及从已知的数据库获取到的茜素和靛蓝的分光吸光度。
在图12和图14中，横轴表示波长，纵轴表示相对强度。另外，在图13和图15中，横轴表示波长，左纵轴表示分光特性的相对强度，右纵轴表示分光吸光度(无刻度)。并且，另外，在图12的(a)和图14中，实线的曲线是测定光的光谱，虚线的曲线是背景光光谱。如根据图13和图15可知，在通过本实施例获得的茜素和靛蓝的光谱中虽然未观察到如在从数据库获取到的光谱中看到那样的陡峭的峰值，但是在与从数据库获取到的光谱的峰值对应的波长位置处观察到峰值。该结果表明，有可能使用分光测定装置100来鉴定茜素和靛蓝。
[实施例3]
实施例3是将太阳作为光源来对测定对象物的主动分光进行测定的例子。在该实施例中，在处于大楼的6层的房间设置分光测定装置100，对能够从该房间的窗看到的对象物的分光特性进行了测定。具体地说，如图16所示，将处于与设置有分光测定装置100的大楼100A隔着通路相邻的两层的建筑物100B的房顶的植物(大叶栲，Castanopsissieboldii)、位于所述大楼100A的远方的红色的招牌、蓝色的海、绿色的山分别设为测定对象物，对通过向这些测定对象物照射温度约为5000开(K)的太阳光而产生的反射光的分光特性进行了测定。
图17示出了使用分光测定装置100对包括建造物100B的屋顶的植物的规定的测定范围的分光特性进行三次测定所得到的结果。另外，图18A示出了将天空(sky)的分光特性设为背景光光谱、根据该背景光光谱和图17所示的分光特性计算出的植物的吸收光谱，图18B示出了将在图17所示的分光特性的曲线图的上侧包络线状地进行匹配的黑体的分光辐射亮度光谱估计为背景光光谱、根据该背景光光谱和图17所示的分光特性计算出的植物的吸收光谱。在此，在式(1)中，使用将温度T设为了约5000开(K))时的黑体的分光辐射亮度I的光谱来估计背景光光谱。
根据图18A与图18B的比较可知的是，在图18A所示的吸收光谱中，400nm～800mn的波长范围内的吸光度的变化小，但是在图18B所示的吸收光谱中，长波长侧(700nm～800nm的波长范围)的吸光度下降了。已知在大叶栲等植物的叶子中大量包含的叶绿素不吸收700nm～800nm的波长，因此，图18B所示的吸收光谱可以说是包含叶绿素的植物的特征性的波形，表明了该方法能够利用于鉴定在测定范围存在植物的可能性。
另外，图19A示出了将天空(sky)的分光特性设为背景光光谱、根据该背景光光谱和针对包括各测定对象物(招牌、海、山)的测定范围获得的分光特性计算出的吸收光谱，图19B示出了将在针对包括各测定对象物的测定范围获得的分光特性的曲线图的上侧包络线状地进行匹配的黑体的分光辐射亮度光谱估计为背景光光谱、根据该背景光光谱和各分光特性计算出的吸收光谱。
根据图19A与图19B的比较可知的是，与图19A所示的吸收光谱相比，图19B所示的吸收光谱中与各测定对象物的颜色对应的波长范围中的吸光度(在各曲线图中用朝下的箭头表示的部位)显著下降了。以上结果表明，有可能根据位于分光测定装置100的远方的测定对象物的颜色来进行鉴定。
[实施例4]
实施例4是对从被检者(人)的手腕和手背发出的光(辐射光)的被动分光特性进行了测定的例子。从被检者(人)的手腕和手背发出的辐射光(测定光)中包含从手腕或手背的皮肤发出的辐射光、以及从通过手腕或手背的血管发出的辐射光。从手腕或手背的皮肤发出的辐射光的分光特性反映了与该皮肤有关的信息，从通过手腕或手背的血管发出的辐射光的分光特性反映了与在该血管内流动的血液有关的信息。也就是说，如果将从手腕和手背发出的测定光分离为从皮肤发出的辐射光和从血管发出的辐射光并测定各辐射光的分光特性，则能够根据各辐射光的分光特性获取与皮肤有关的信息、与血液有关的信息。在获取与皮肤有关的信息的情况下，从血管发出的辐射光成为背景光，在获取与血液有关的信息的情况下，从皮肤发出的辐射光成为背景光。
但是，实际上无法将所述测定光分离为从手腕、手背的皮肤发出的辐射光和从血管发出的辐射光。因此，根据用上述的式(1)表示的黑体的分光辐射亮度I(λ,T)来估计背景光的分光特性。下面，说明获取血糖值来作为与血液有关的信息的情况。此外，在该实施例中，为了使从手腕、手背的皮肤发出的辐射光的发光强度相对地变大，在将分光测定装置100的共轭面格子73进行加热并维持在大约60℃的状态下进行了辐射光的测定。
首先，使用分光测定装置100对加热到接近被检者的体温(36℃～37℃)的黑体的分光特性实际地进行测定，并使用该测定值(实际测量值)求出了分光测定装置100的分光灵敏度系数Sp。接着，使用分光测定装置100对从被检者的手腕和手背发出的辐射光(也就是测定光)的分光特性进行了测定。当测定出测定光的分光特性时，运算处理部504使将接近被检者的体温的温度下的黑体的热辐射光谱与分光灵敏度系数Sp相乘所得到的结果与测定光的分光特性的曲线图(光谱)进行匹配，来估计从皮肤发出的辐射光(背景光)的分光特性的曲线图(光谱)，并根据该估计出的光谱与测定光的光谱的差求出从作为测定对象物的血管发出的辐射光的光谱。从血管发出的辐射光的分光特性是被动分光特性，因此，在实施例4中，使将黑体的热辐射光谱与分光灵敏度系数Sp相乘所得到的结果在测定光的分光特性的下侧包络线状地进行匹配。
当求出了从血管发出的辐射光的光谱时，运算处理部504基于该光谱与血糖值之间的相关关系来计算被检者的血糖值。因而，运算处理部504相当于血糖值计算部。作为光谱与血糖值之间的相关关系，存在用于根据在光谱中观察到的血糖值所固有的峰值强度值来计算血糖值的运算式、表示所述峰值强度值与血糖值之间的关系的曲线图、表等。光谱与血糖值之间的相关关系预先存储于存储部501。
说明通过上述的方法对两位被检者(下面，称为被检者1和被检者2)的血糖值进行测定所得到的结果。图20A和图20B示出了被检者1的测定结果，图21A和图21B示出了被检者2的测定结果。
图20A的(a)和图20B的(a)示出了以葡萄糖的吸收波长之一即9.65μm处的发光度为基准将被检者1的手腕和手背中的辐射光的发光度可视化所得到的模拟彩色图像。此外，图20A的(a)和图20B的(a)实际上是彩色图像，但是在此用黑白来表现。所述模拟彩色图像根据发光度的大小将颜色分十个等级进行涂色，在实际的图像中，发光度的最大值和最小值分别用红色、深蓝色来表示。在手腕、手背中，在皮肤附近存在血管的区域的温度比其它区域的温度高，辐射光的发光度大。因而，能够根据图20A的(a)和图20B的(a)的模拟彩色图像的颜色来确定血管所位于的区域，从而能够根据从该区域发出的辐射光的光谱求出血糖值。
在图20A的(b)中用实线表示的曲线图是将从在图20A的(a)的手腕的模拟彩色图像中标注有四边形标记的八个部位发出的辐射光的光谱累积所得的曲线图，在图20B的(b)中用实线表示的曲线图是将从在图20B的(a)的手背的模拟彩色图像中标注有四边形标记的七个部位发出的辐射光的光谱累积所得的曲线图(下面，称为累积光谱。)。另外，在图20A的(b)、图20B的(b)中用虚线表示的曲线图是从已知的数据库获取到的、使标准的人的血糖值的吸收光谱上下翻转所得到的曲线图。
在被检者2中也与被检者1同样地得到手腕和手背的模拟彩色图像、从手腕和手背中的血管发出的辐射光的累积光谱。图21A的(a)和(b)、图21B的(a)和(b)示出了它们的结果。此外，在图20A的(b)和图20B的(b)、图21A的(b)以及图21B的(b)中，横轴表示波长(μm)，左纵轴表示辐射光的累积光谱的相对强度，右纵轴表示分光吸光度。
根据图20A的(b)和图20B的(b)、图21A的(b)和图21B的(b)可知的是，在辐射光的累积光谱中至少观察到与在从数据库获取到的吸收光谱的波长9.25μm、9.65μm处观察到的葡萄糖特有的吸收峰值对应的发光峰值。特别地，在图20B的(b)和图21A的(b)中示出的辐射光的累积光谱的峰值位置、峰值波形与从数据库获取到的吸收光谱的峰值位置、峰值波形类似，当使用这些累积光谱基于发光光谱与血糖值之间的相关关系来计算出血糖值时，被检者1的血糖值为111mg/dL，被检者2的血糖值为112mg/dL。该结果表明有可能通过适当地设定测定部位来使用分光测定装置100测定血糖值。
根据以上记载，在上述的实施方式中，使用黑体的分光辐射亮度来估计背景光的分光特性。黑体的分光辐射亮度能够用遵循普朗克定律的、作为温度和波长的函数公知的数式来表示，因此能够容易地设定背景光的分光特性信息。
但是，在入射到测定对象物的光的种类、波长范围已知的情况下，也可以使用该已知的光的分光特性来估计背景光的分光特性。另外，预想到每次对从测定对象物发出的光的分光特性进行测定时背景光的分光特性不同。另外，背景光的强度也根据存在于测定对象物的周围的物体的吸收特性、反射特性而不同。因此，也可以每当对测定对象物的分光特性进行测定时使用分光测定装置100求出从不包括测定对象物的、与该测定对象物的周围类似的环境发出的光的分光特性，并将其作为背景光的分光特性。
另外，移相器不限于在上述实施方式中进行了说明的结构，能够利用迈克尔逊干涉仪。
附图标记说明
100：分光测定装置；110：测定光；10：壳体；101：第一壳体；102：第二壳体；20：移相器；40：检测器；50：控制装置；501：存储部；503：背景光信息存储部；504：运算处理部；505：通信部。

Claims (14)

1.一种分光测定装置，对包含从测定对象物发出的光的测定光进行检测，并根据该检测的结果来对从所述测定对象物发出的光的分光特性进行测定，所述分光测定装置具备：
分光光学系统，其对所述测定光进行分光；
检测部，其对通过所述分光光学系统进行分光后的光的强度进行检测；
分光特性获取部，其基于所述检测部的检测结果来获取测定光分光特性，所述测定光分光特性表示所述测定光的光强度与波长之间的关系；
存储部，其存储背景光候选分光特性信息，所述背景光候选分光特性信息是表示反映了从所述分光光学系统至所述检测部为止的测定光的光路的分光灵敏度特性的背景光候选的分光特性的信息；以及
运算处理部，其根据所述测定光分光特性和所述背景光候选分光特性信息，求出从所述测定对象物的周围发出的光即背景光的分光特性。
2.根据权利要求1所述的分光测定装置，其特征在于，
所述背景光候选分光特性信息包含反映了所述分光灵敏度特性的、表示太阳光的分光辐射亮度与波长之间的关系的信息。
3.根据权利要求1或2所述的分光测定装置，其特征在于，
所述背景光候选分光特性信息包含反映了所述分光灵敏度特性的、表示黑体的分光辐射亮度与波长之间的关系的信息。
4.根据权利要求1～3中的任一项所述的分光测定装置，其特征在于，
所述背景光候选分光特性信息包含多个种类的背景光候选分光特性，所述背景光候选分光特性是反映了所述分光灵敏度特性的背景光候选的分光特性，
所述运算处理部通过针对所述测定光分光特性的匹配处理，来从所述多个种类的背景光候选分光特性中提取所述背景光的分光特性。
5.根据权利要求1～3中的任一项所述的分光测定装置，其特征在于，
所述背景光候选分光特性信息包含多个温度下的背景光候选分光特性，所述背景光候选分光特性是反映了所述分光灵敏度特性的背景光候选的分光特性，
所述运算处理部通过针对所述测定光分光特性的匹配处理，来从所述多个温度下的背景光候选分光特性中提取所述背景光的分光特性。
6.根据权利要求1～5中的任一项所述的分光测定装置，其特征在于，
所述运算处理部根据所述测定光分光特性与所述背景光的分光特性的差分，来计算从所述测定对象物发出的光的分光特性。
7.根据权利要求6所述的分光测定装置，其特征在于，
所述测定对象物为被检者的血管，
所述分光测定装置还具备血糖值计算部，所述血糖值计算部基于从所述测定对象物发出的光的分光特性与血糖值之间的相关关系，来计算所述被检者的血糖值。
8.一种分光测定方法，是通过检测部对包含从测定对象物发出的光的测定光进行检测并根据该检测的结果对从所述测定对象物发出的光的分光特性进行测定的分光测定方法，所述分光测定方法包括以下步骤：
通过分光光学系统对所述测定光进行分光；
获取通过所述分光光学系统进行分光后的测定光的分光特性；以及
根据所述测定光的分光特性和背景光候选分光特性信息，求出从所述测定对象物的周围发出的光即背景光的分光特性，所述背景光候选分光特性信息是表示反映了从所述分光光学系统至所述检测部为止的测定光的光路的分光灵敏度特性的背景光候选的分光特性的信息。
9.根据权利要求8所述的分光测定方法，其特征在于，
所述背景光候选分光特性信息包含反映了所述分光灵敏度特性的、表示太阳光的分光辐射亮度与波长之间的关系的信息。
10.根据权利要求8或9所述的分光测定方法，其特征在于，
所述背景光候选分光特性信息包含反映了所述分光灵敏度特性的、表示黑体的分光辐射亮度与波长之间的关系的信息。
11.根据权利要求8～10中的任一项所述的分光测定方法，其特征在于，
所述背景光候选分光特性信息包含多个种类的背景光候选分光特性，所述背景光候选分光特性是反映了所述分光灵敏度特性的背景光候选的分光特性，
在求出所述背景光的分光特性的步骤中，通过针对所述测定光的分光特性的匹配处理，来从所述多个种类的背景光候选分光特性中提取所述背景光的分光特性。
12.根据权利要求8～10中的任一项所述的分光测定方法，其特征在于，
所述背景光候选分光特性信息包含多个温度下的背景光候选分光特性，所述背景光候选分光特性是反映了所述分光灵敏度特性的背景光候选的分光特性，
在求出所述背景光的分光特性的步骤中，通过针对所述测定光的分光特性的匹配处理，来从所述多个温度下的背景光候选分光特性中提取所述背景光的分光特性。
13.根据权利要求8～12中的任一项所述的分光测定方法，其特征在于，
还包括以下步骤：根据所述测定光的分光特性与所述背景光的分光特性的差分，来计算从所述测定对象物发出的光的分光特性。
14.根据权利要求13所述的分光测定方法，其特征在于，
所述测定对象物为被检者的血管，所述分光测定方法还包括以下步骤：基于从该测定对象物发出的光的分光特性与血糖值之间的相关关系，来计算所述被检者的血糖值。
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