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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf spektrometische Verfahren und Spektrometrievorrichtungen zum Durchführen von Analyse durch Erfassen von Spektraldaten von zu messenden Zielobjekten.
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Hintergrund
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In einer Vorrichtung, die Messlicht auf ein zu messendes Zielobjekt abstrahlt, um so Spektraldaten des Zielobjektes aus einer Mehrzahl von Einheitsregionen auf dem Zielobjekt zu erfassen, werden manchmal Spektraldaten verwendet, die durch Mitteln der Spektraldaten einer Mehrzahl von Einheitsregionen ermittelt werden (siehe beispielsweise
JP 2012-173174A ).
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Zusammenfassung der Erfindung
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Technisches Problem
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Eine Aufgabe ist es, ein Spektrometrieverfahren und eine Spektrometrievorrichtung bereitzustellen, die hochgenaue Analyse ermöglichen.
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Problemlösung
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Um das Problem zu lösen, wird ein Spektrometrieverfahren bereitgestellt, welches beinhaltet das Beleuchten eines zu messenden Zielobjektes durch Messlicht aus einer Lichtquelle; Empfangen, mit einer Mehrzahl von zweidimensional angeordneten Pixeln, ausgestrahlten Lichts oder diffus reflektierten Lichts, welches vom Zielobjekt als Ergebnis davon ausgegeben wird, dass es mit dem Messlicht bestrahlt wird; mehrmals Erfassen von Spektraldaten jeder einer Mehrzahl von Einheitsregionen, wobei die Mehrzahl von Einheitsregionen zumindest eine Einheitsregion und eine an die eine Einheitsregion angrenzende Einheitsregion auf dem Zielobjekt beinhaltet; und Berechnen von Spektraldaten des Zielobjekts durch Mitteln der Spektraldaten der Mehrzahl von Einheitsregionen, die mehrmals erfasst sind.
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Als ein erster Aspekt des Spektrometrieverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Mehrzahl von zweidimensional angeordneten Pixeln Pixel beinhalten, die in einer ersten Richtung angeordnet sind und Pixel, die in einer zur ersten Richtung orthogonalen zweiten Richtung angeordnet sind, und Wellenlängeninformation kann jedem der in der ersten Richtung zugewiesenen Pixel zugewiesen werden und Positionsinformation des Zielobjektes kann jedem der in der zweiten Richtung angeordneten Pixel zugewiesen werden, so dass Spektraldaten jeder der Einheitsregionen, die in der zweiten Richtung auf dem Zielobjekt angeordnet sind, erfasst werden können.
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Als ein zweiter Aspekt des Spektrometrieverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung können die Spektraldaten jeder der Mehrzahl von Einheitsregionen erfasst werden, indem ein wellenlängenvariabler Filter, der an einer Frontstufe der Mehrzahl von zweidimensional angeordneten Pixeln vorgesehen ist, veranlasst wird, zeitlich eine Übertragungswellenlänge zu ändern.
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In Jeglichen der Aspekte beinhaltet das Messlicht vorzugsweise Licht in einem Wellenlängenbereich von 1650 nm bis 1750 nm oder 2100 nm bis 2200 nm. Weiterhin beinhaltet die Mehrzahl von zweidimensional angeordneten Pixeln vorzugsweise 40000 oder mehr Pixel (beispielsweise 200×200 Pixel).
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Eine Spektrometrievorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung beinhaltet eine Lichtquelle, welche Messlicht auf ein zu messendes Zielobjekt einstrahlt; ein Bildaufnahmemittel (Hyperspektralkamera), welches Spektraldaten jeder einer Mehrzahl von Einheitsregionen auf dem Zielobjekt erfasst, durch Empfangen, mit einer Mehrzahl von zweidimensional angeordneten Pixeln, von übertragenem Licht oder diffundiertem reflektierten Licht, welches vom Zielobjekt als Ergebnis davon abgegeben wird, dass es mit dem Messlicht aus der Lichtquelle bestrahlt wird; und ein Spektrumrechenmittel (Computer), das Spektraldaten des Zielobjekts basierend auf den Spektraldaten jeder der Mehrzahl von Einheitsregionen berechnet, die im Bildaufnahmemittel erfasst werden. Das Bildaufnahmemittel erfasst die Spektraldaten jeder der Mehrzahl von Einheitsregionen mehrmals. Das Spektrumrechenmittel berechnet die Spektraldaten des Zielobjektes durch Mitteln der mehrmals in zumindest einer Einheitsregion und einer Einheitsregion angrenzend an der einen Einheitsregion auf dem Zielobjekt erfassten Spektraldaten.
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Vorteilhafte Effekte der Erfindung
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Das Spektrometrieverfahren und die Spektrometrievorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung erzielen ein verbessertes S/N-Verhältnis und ermöglichen hochgenaue Analyse.
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Kurze Beschreibung von Zeichnungen
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1 illustriert schematisch eine Inspektionsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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2 illustriert schematisch ein hyperspektrales Bild.
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3 ist ein Graph, welcher die Beziehung zwischen der Anzahl von Einheitsregionen, die in räumlicher Richtung zu mitteln sind, und dem S/N-Verhältnis illustriert.
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4 ist ein Graph, welcher die Beziehung zwischen der Messzeit und dem S/N-Verhältnis illustriert.
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5 ist ein Graph, der Effekte von SNV(Standardnormal-Zufallsvariablen)-Transformation illustriert.
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6 ist ein Graph, welcher die Beziehung zwischen der Wellenlänge und dem S/N-Verhältnis in Bezug auf die Durchschnittszahl als ein Parameter illustriert.
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7 ist ein Graph, welcher die Beziehung zwischen der Genauigkeit einer Kalibrationskurve und der Durchschnittsanzahl von Einheitsregionen in räumlicher Richtung unter Bezugnahme auf ein Messbeispiel des Feuchteprozentsatzes eines Natrium-Tartrats illustriert.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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Spezifische Beispiele eines spektrometrischen Verfahren und einer Spektrometrievorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden unten unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf jene Beispiele zu beschränken und soll alle Modifikationen enthalten, welche durch den Schutzumfang der Ansprüche angegeben sind, und die innerhalb von Interpretation und Äquivalenzumfang zum Schutzumfang der Ansprüche liegen.
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1 illustriert schematisch eine Spektrometrievorrichtung 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Spektrometrievorrichtung 100 evaluiert beispielsweise die Eigenschaften eines zu messenden Zielobjekts 3, das auf einem Messtisch 2 platziert ist. Obwohl das durch die Spektrometrievorrichtung 100 zu messende Zielobjekt 3 nicht besonders beschränkt ist, wird es bevorzugt, dass das Zielobjekt ein homogenes Objekt ist, das aus einem einzelnen Material aufgebaut ist.
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Die Spektrometrievorrichtung 100 misst das Spektrum diffundierten reflektierten Lichts, welches als ein Ergebnis des Beleuchtens des zu messenden Zielobjekts 3 mit Messlicht ermittelt wird, welches ein nahes Infrarotlicht ist, und führt Spektrometrie am Zielobjekt 3 auf Basis des Spektrums durch. Für diesen Zweck enthält die Spektrometrievorrichtung 100 eine Lichtquelleneinheit 10, eine Detektionseinheit 20 (Bildaufnahmemittel, Hyperspektralkamera) und eine Analyseeinheit 30 (Spektrumrechenmittel, Computer). Obwohl die nachfolgende Beschreibung der Ausführungsform sich auf einen Fall bezieht, bei dem für die Spektrometrie Nahinfrarotlicht verwendet wird, kann Licht in einem anderen Wellenlängenbereich für die Messung verwendet werden. Darüber hinaus kann das Spektrum von aus gesendetem Licht anstelle des Spektrums des diffundierten reflektierten Lichts verwendet werden.
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Die Lichtquelleneinheit 10 strahlt Messlicht aus, welches Nahinfrarotlicht ist, zu einer vorbestimmten Bestrahlungsregion A1 auf den Messtisch 2. Der Wellenlängenbereich des aus der Lichtquelleneinheit 10 abgestrahlten Messlichts wird angemessen in Übereinstimmung mit dem Zielobjekt 3 ausgewählt. Im Detail wird vorzugweise Licht in einem Wellenlängenbereich von 800 nm bis 2500 nm als das Messlicht verwendet und spezifischer wird vorzugsweise Licht in einem Wellenlängenbereich von 1000 nm bis 2300 nm verwendet. Die in dieser Ausführungsform beschriebene Lichtquelleneinheit 10 beinhaltet eine Lichtquelle 11, die aus einer Halogenlampe gebildet ist. In dem Fall, bei dem das verwendete Messlicht Nahinfrarotlicht ist, wird es bevorzugt, dass die Messung unter Verwendung von Licht in einen anderen Wellenlängenbereich als dem Absorptionsband vom Wasser durchgeführt wird. Beispielsweise wird es bevorzugt, dass Licht in einem Wellenlängenbereich von 1500 nm bis 1800 nm (insbesondere 1650 nm bis 1750 nm) oder 2100 nm bis 2200 nm verwendet wird.
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Die Bestrahlungsregion A1 ist ein Teil der Oberfläche des Messtisches 2, auf welchem das Zielobjekt 3 platziert ist. Die Bestrahlungsregion A1 erstreckt sich in Form einer Linie in einer Richtung (x-Achsenrichtung in 1) des Messtisches 2.
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Die Lichtquelleneinheit 10 beinhaltet die Lichtquelle 11, einen Strahler 12, und eine Optikfaser 13, welche die Lichtquelle 11 und den Strahler 12 verbindet. Die Lichtquelle 11 erzeugt Nahinfrarotlicht. Das durch die Lichtquelle 11 erzeugte Nahinfrarotlicht wird an einer der Endoberflächen der optischen Faser 13 eingegeben. Dieses Nahinfrarotlicht wird durch eine Kernregion der optischen Faser 13 geführt und am Strahler 12 aus der anderen Endoberfläche ausgegeben. Der Strahler 12 strahlt das aus der Endoberfläche der optischen Faser 13 ausgegebene Nahinfrarotlicht auf die Bestrahlungsregion A1, in welcher das Zielobjekt 3 platziert ist. Weil der Strahler 12 das aus der optischen Faser ausgegebene Nahinfrarotlicht empfängt und das Nahinfrarotlicht in der Form einer eindimensionalen Linie in Übereinstimmung mit der Bestrahlungsregion A1 ausgibt, wird vorzugsweise eine Zylinderlinse als der Strahler 12 verwendet. Entsprechend wird in eine Linie im Strahler 12 geformtes Nahinfrarotlicht L1 auf die Bestrahlungsregion A1 aus dem Strahler 12 gestrahlt.
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Das aus der Lichtquelleneinheit 10 ausgegebene Nahinfrarotlicht L1 wird durch das auf der Bestrahlungsregion A1 platzierte Zielobjekt 3 diffundiert und reflektiert. Ein Bereich des Lichtes wird als diffundiertes reflektiertes Licht L2 an der Detektionseinheit 20 eingegeben.
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Die Detektionseinheit 20 fungiert als ein Hyperspektralsensor, der ein Hyperspektralbild unter Verwendung von zweidimensional angeordneten Sensoren erfasst. 12 illustriert schematisch das Hyperspektralbild. Das Hyperspektralbild besteht aus N Einheitsregionen P1 bis PN. 2 zeigt als ein Beispiel spezifisch zwei Einheitsregionen Pn und Pm. PN ist eine Einheitsregion auf dem Zielobjekt, welche durch das Bildaufnehmen des Zielobjekts 3 ermittelt wird, und Pm ist eine Einheitsregion auf dem Hintergrund (z. B. dem Messtisch 2). Die Detektionseinheit 20 erfasst das aufgenommene Bild des Hintergrundes zusätzlich zu dem des Zielobjekts 3.
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Die Einheitsregion Pn und Pm beinhalten jeweils Spektralinformation Sn und Spektralinformation Sm, die alle aus einer Mehrzahl von Teilen von Intensitätsdaten aufgebaut sind. Die Intensitätsdaten geben die Spektralintensität bei einer spezifischen Wellenlänge (oder einem Wellenband) an. In 2 werden 15 Teile von Intensitätsdaten als jede der Spektralinformation Sn und der Spektralinformation Sm gehalten, und werden in einem überlappenden Zustand gezeigt. Entsprechend ist ein Hyperspektralbild H dadurch gekennzeichnet, dass es eine Mehrzahl von Teilen von Intensitätsdaten für jede der Einheitsregionen aufweist, welche das Bild bilden, und somit dreidimensional konfigurierte Daten sind, die sowohl ein zweidimensionales Element als ein Bild als auch ein Element als Spektraldaten aufweisen. In dieser Ausführungsform bezieht sich das Hyperspektralbild H auf ein Bild mit Intensitätsdaten in zumindest fünf Wellenbändern pro Einheitsregion.
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Rückbezug nehmend auf 1 beinhaltet die Detektionseinheit 20 eine Kameralinse 24, einen Schlitz 21, ein Spektroskop 22 und einen Lichtempfänger 23. Die Detektionseinheit 20 weist eine Sichtfeldregion 20s (Bildaufnahmeregion) auf, die sich in derselben Richtung (x-Achsenrichtung) wie die Bestrahlungsregion A1 erstreckt. Die Sichtfeldregion 20s der Detektionseinheit 20 ist eine lineare Region, die in der Bestrahlungsregion A1 auf dem Messtisch 2 enthalten ist, und ist, wo das durch den Schlitz 21 passierende diffundierte reflektierte Licht L2 ein Bild auf dem Lichtempfänger 23 ausbildet.
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Der Schlitz 21 ist eine Öffnung, die in einer Richtung parallel zur Erstreckungsrichtung (x-Achsenrichtung) der Bestrahlungsregion A1 vorgesehen ist. Das diffundierte reflektierte Licht L2, welches in den Schlitz 21 der Detektionseinheit 20 eindringt, tritt in das Spektroskop 22 ein.
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Das Spektroskop 22 trennt das diffundierte reflektierte Licht L2 in einer Richtung (y-Achsenrichtung) orthogonal zur Längsrichtung des Schlitzes 21, das heißt der Erstreckungsrichtung der Bestrahlungsregion A1. Das durch das Spektroskop 22 getrennte Licht wird vom Lichtempfänger 23 aufgenommen.
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Der Lichtempfänger 23 beinhaltet eine Lichtempfangsoberfläche mit einer Mehrzahl von zweidimensional angeordneten Lichtempfangselementen und jedes Lichtempfangselement empfängt Licht. Somit empfängt der Lichtempfänger 23 Licht bei jeder Wellenlänge des diffundierten reflektierten Lichts L2, welches in jeder der in der Erstreckungsrichtung (x-Achsenrichtung) der Bestrahlungsregion A1 auf dem Messtisch 2 angeordneten Einheitsregionen reflektiert ist. Jedes Lichtempfangselement gibt ein Signal entsprechend der Intensität des empfangenen Lichtes als Information aus, die sich auf einen einzelnen Punkt auf einer aus Positionen und Wellenlängen aufgebauten zweidimensionalen Ebene bezieht. Das aus jedem der Lichtempfangselemente des Lichtempfängers 23 ausgegebene Signal wird aus Spektraldaten jeder Einheitsregion in Bezug auf das Hyperspektralbild aus der Detektionseinheit 20 an die Analyseeinheit 30 gesendet.
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Die Analyseeinheit 30 ermittelt das Spektrum des diffundierten reflektierten Lichts L2 in Übereinstimmung mit dem eingegebenen Signal und verwendet die ermittelten Spektraldaten jeder Einheitsregion, umso das Zielobjekt 3 zu messen. Die Analyseeinheit 30 ist als ein Computer konfiguriert, der eine CPU (Zentraleinheit), ein RAM (Wahlfrei-Zugriffsspeicher) und ein ROM (nur Lesespeicher), die als Hauptspeichereinheiten dienen, ein Kommunikationsmodul, das Kommunikation mit anderen Einheiten, wie etwa der Detektionseinheit, durchführt, und eine Hardwareeinheit, die eine Hilfsspeichereinheit wie eine Festplatte sein kann, beinhaltet. Diese Komponenten arbeiten so, dass die Analyseeinheit 30 ihre Funktion ausübt.
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Die Spektrometrievorrichtung 100 kann in einem einzelnen Bildaufnahmeprozess ein sogenanntes eindimensionales Spektralbild in Bezug auf jede der Einheitsregionen, die in der Erstreckungsrichtung (x-Achsenrichtung) der Bestrahlungsregion A1 angeordnet sind, erfassen. Daher, abhängig davon, ob der Messtisch 2, auf welchem das Zielobjekt 3 platziert ist, zu bewegen ist oder eine im Bild aufzunehmende Region durch die Spektrometrievorrichtung 100 zu bewegen ist, können Spektraldaten der zweidimensional angeordneten Einheitsregionen in Bezug auf das gesamte Zielobjekt 3 ermittelt werden.
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Die Spektrometrievorrichtung 100 nimmt ein Bild derselben Einheitsregion des Zielobjekts 3 mehrmals (zweimal oder mehrfach) auf und berechnet Spektraldaten des Zielobjekt 3 durch Integrieren und Mitteln einer Mehrzahl von Malen des Werts der Spektraldaten, die bei jeder der Bildaufnahmeeinheitsregionen des Zielobjekts 3 ermittelt werden. Alternativ, statt die zu mittelnden Einheitsregion zu fixieren, können mehrmalige Werte von angemessenen ausgewählten Spektraldaten integriert und gemittelt werden.
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Im Detail, in dem Fall, bei dem das Zielobjekt 3 mit der Spektrometrievorrichtung 100 als Bild aufgenommen wird, wird angenommen, dass Spektraldaten des Zielobjekts 3 in M-Einheitsregionen in einem einzelnen Bildaufnahmeprozess erfasst werden. Wenn der Messprozess N-mal durch die Spektrometrievorrichtung 100 wiederholt wird, werden MxN Teile von Spektraldaten erfasst. In durch Mitteln der MxN Teile von Spektraldaten ermittelten Spektraldaten steigt das S/N-Verhältnis um √M mal relativ zu den Spektraldaten an, die durch Bildaufnehmen einer einzelnen Einheitsregion ermittelt werden. Entsprechend werden Spektraldaten des Zielobjekts 3 nicht nur durch Integrieren und Mitteln von benachbarten Spektraldaten berechnet, sondern auch durch Mitteln von Spektraldaten, die durch mehrmaliges Durchführen eines Bildaufnahmeprozesses erhalten werden, so dass das S/N-Verhältnis verbessert werden kann.
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Die Spektraldaten des Zielobjekts 3 werden vorzugsweise unter Verwendung von Spektraldaten einer Mehrzahl von zweidimensional angeordneten Einheitsregionen berechnet. Um hochgenaue Spektraldaten zu erhalten, wird es bevorzugt, Spektraldaten von zumindest fünf Einheitsregionen zu mitteln, die durch Integrieren von Spektraldaten von vier Einheitsregionen jeweils oben, links, rechts und unten an eine Einheitsregion angrenzend, erhalten werden. Falls das Zielobjekt ein homogenes Material, wie etwa eine Flüssigkeit, ist, wird es bevorzugt, Spektraldaten von mehr oder gleich den vorstehend erwähnten fünf Einheitsregionen zu mitteln. Um sich auf das Zielobjekt 3 beziehende, hochgenaue Spektraldaten schneller zu ermitteln, wird es bevorzugt, dass die Anzahl von Pixeln, die dazu dienen, die Spektraldaten des Zielobjekts 3 zu ermitteln, 40000 oder mehr Pixel (beispielsweise 200×200 Pixel) sind. Durch Durchschnittsbildung der ermittelten Spektraldaten unter Verwendung von Bildaufnahmemitteln mit einer großen Anzahl von Pixeln wird die Verbesserung des S/N-Verhältnisses bemerkbarer, und kann der Bildaufnahmeprozess für eine gewünschte Anzahl von Spektraldaten zum Verbessern des S/N-Verhältnisses schneller durchgeführt werden.
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Als Nächstes werden die Vorteile des Mittelns der Spektraldaten des Zielobjekts 3 gemäß dem oben beschriebenen Verfahren unter Bezugnahme von beispielsweise einem praktischen Beispiel beschrieben. 3 ist ein Graph, welcher die Beziehung zwischen der Anzahl von Einheitsregionen, die zu mitteln sind, aus Einheitsregionen, deren Bild aufgenommen ist, das heißt der Anzahl von Einheitsregionen, die räumlich zu mitteln sind, und dem S/N-Verhältnis illustriert. In diesem Fall wird ein Bild einer weißen reflektiven Standardplatte anstelle des Zielobjekts 3 aufgenommen. Die Frame-Rate wird auf 100 Rahmen pro Sekunde eingestellt, die Speicherzeit pro Rahmen wird auf 1 ms eingestellt und die Bildaufnahmezeit wird auf 1 Sekunde eingestellt. Mit anderen Worten werden 100 Stücke von Spektraldaten pro Einheitsregion ermittelt. Weiterhin ist der Wellenlängenbereich, in welchem die Spektraldaten erfasst werden (der Wellenlängenbereich, in welchem Verarbeitung, wie etwa Mitteln nach dem Bildaufnahmeprozess durchgeführt wird) 1580 nm bis 1650 nm.
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Obwohl das Durchführen nur zeitlicher Mittelung in Bezug auf Spektraldaten, die durch Bilderfassen einer einzelnen Einheitsregion ermittelt werden, zu einem S/N-Verhältnis von 936 führt, wird bestätigt, dass sich das S/N-Verhältnis verbessert, wenn die Anzahl von Einheitsregionen, die räumlich zu mitteln sind, ansteigt, und dass S/N > 2000 für das Mitteln von fünf Einheitsregionen erzielt wird. Wenn das S/N-Verhältnis 2000 übersteigt, wird eine quantitative Messung unter 0,1% möglich. Weiterhin wird bestätigt, dass S/N > 5000 durch Mitteln von 100 Einheitsregionen erzielt wird. Wenn das S/N-Verhältnis 5000 übersteigt, gibt es die Möglichkeit, dass sich die quantitative Genauigkeit bis zu 0,02% verbessert, um so das Genauigkeitslevel zu erreichen, das allgemein bei quantitativer Messung erforderlich ist, wodurch dieses Verfahren möglicher Weise bei quantitativer Messung verwendet werden kann. Bei anderen aktuell bei quantitativer Messung verwendeten Verfahren erfordert die Vorverarbeitung oft Zeit. Darüber hinaus, da eine quantitative Messung normalerweise ein destruktiver Test ist, würde ein quantitatives Messverfahren, welches die Spektrometrievorrichtung 100 verwendet, anderen Verfahren überlegen sein.
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Natürlich beeinträchtigt das Mitteln von Spektraldaten einer Mehrzahl von benachbarten Einheitsregionen, das heißt Durchführen von räumlichen Mitteln die räumliche Auflösung des Bildes. Spezifisch verschlechtert sich die Auflösung umgekehrt proportional zur Anzahl von Einheitsregionen, die für das räumliche Mitteln verwendet werden. Jedoch, falls das Zielobjekt relativ zu den Pixeln groß ist, bei relativ niedriger Auflösung hinreichend beobachtbar ist oder beispielsweise eine Flüssigkeit ist, ist es vorstellbar, dass die Messgenauigkeit und das S/N-Verhältnis wichtiger sind als die räumliche Auflösung. Daher wird vorzugsweise in solchen Fällen das Analyseverfahren, das auf dem Spektroskopieverfahren und der Spektroskopievorrichtung gemäß dieser Ausführungsform basiert, verwendet.
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Als ein Ergebnis weiterer Recherche wird bestätigt, dass sich das S/N-Verhältnis verbessert, selbst durch Erhöhen der Anzahl von Einheitsregionen, die zum räumlichen Mitteln verwendet werden, auf 300. Die Verbesserungseffekte des S/N-Verhältnisses werden in einem Fall bestätigt, bei dem die zeitliche Durchschnittsanzahl in einer Bedingung gesteigert wird, in der 300 Einheitsregionen räumlich zu mitteln sind.
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4 ist ein Graph, welcher die Beziehung zwischen der Messzeit und dem S/N-Verhältnis illustriert. Ähnlich zu der in 3 gezeigten Evaluierung wird die Rahmenrate auf 100 Rahmen pro Sekunde eingestellt, wird die Speicherzeit pro Rahmen auf 1 ms eingestellt und wird der Wellenlängenbereich auf 1585 nm bis 1615 nm eingestellt. Weil der Minimalwert von 0,01 Sekunden auf der Abszissen-Achse spezifisch einem Rahmen entspricht, impliziert dies, dass eine Durchschnittsbildung nicht auf der Zeitachse durchgeführt wird. Obwohl das S/N-Verhältnis bei 0,01 Sekunden unter der Bedingung, in welcher drei Einheitsregionen räumlich zu mitteln sind, 8600 beträgt, wird bestätigt, dass das S/N-Verhältnis auf 18000 verbessert wird, indem fünf Rahmen (0,5 Sekunden) an Spektraldaten gemittelt werden. Weiterhin, wenn eine Durchschnittsbildung bis zu 200 Rahmen (2 Sekunden) durchgeführt wird, wird das S/N-Verhältnis proportional zu [√Messzeit] verbessert und wird ein Verbesserungseffekt des S/N-Verhältnisses als Ergebnis der Durchführung des Mittelns längs der Zeitachse bestätigt. Wenn S/N > 10000, weist eine Spektrometrievorrichtung ausreichende Leistungsfähigkeit zum Durchführen einer Spektralanalyse auf.
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5 ist ein Graph, welcher die Effekte von SNV(Standardnormal-Zufallsvariable)-Transformation illustriert. Um einen Einfluss auf das S/N-Verhältnis zu prüfen, der durch Fluktuation eines externen Faktors verursacht wird, wie etwa Ausgabefluktuationen einer Lichtquelle, werden die Effekte des Durchführens einer Standardnormal-Zufallsvariablen(SNV)-Transformation in einem analysierten Spektrum bestätigt. In einem Fall, bei dem eine SNV-Transformation nicht durchgeführt wird, tritt eine Sättigung unmittelbar auf, selbst falls die Anzahl von zu mittelnden Rahmen in der Zeitachsenrichtung vergrößert wird. Im Gegensatz dazu, durch Durchführen von SNV-Transformation, wird bestätigt, dass S/N > 150000. Die impliziert, dass, um ein hohes S/N-Verhältnis zu erhalten, es vorstellbar ist, dass es wirksam ist, einen Spektralnormalisierungsprozess durchzuführen, der beispielsweise durch SNV und multiplikative Zerstreuungskorrelation (MSC) typifiziert ist, zusätzlich zum Erhöhen der zu mittelnden Anzahl in der räumlichen Richtung und der zeitlichen Richtung.
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In dieser Analyse wird ein InGaAs/GaAsSb Quanten-Napftyp-Zweidimensional-Sensor als die Detektionseinheit 20 verwendet. Dieser Sensor weist eine Sensitivität bis 1000 nm bis 2350 nm auf und weist ein Merkmal auf, in der Lage zu sein, im Wesentlichen die Region des nahen Infrarots mit einem einzelnen Sensor abzudecken. Obwohl der Wellenlängenbereich in dem oben beschriebenen S/N-Evaluierungsverhältnis beschränkt ist, falls der vorerwähnte zweidimensionale Sensor in der Konfiguration verwendet wird, die ein Hyperspektralbild aufnimmt, wird eine Dimension des zweidimensionalen Sensors einer Wellenlängenkomponente wie oben beschrieben zugewiesen. 6 illustriert Ergebnisse, die durch Auftragen von Änderungen im S/N-Verhältnis relativ zur Wellenlängen in einem Fall erhalten werden, bei dem die Anzahl von Einheitsregionen, die räumlich zu mitteln sind, auf 300 eingestellt wird, und die Durchschnittsnummer in der zeitlichen Richtung (Durchschnittsanzahl von Rahmen) geändert wird.
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Die in 6 gezeigten Änderungen beim S/N-Verhältnis beinhalten auch das Spektrum der Lichtquelle und die Wellenlängenabhängigkeit des Verlusts des optischen Systems. Wenn konkrete Zielobjekte bildmäßig aufgenommen werden, variiert das für die Analyse benötigte Wellenband von Zielobjekt zu Zielobjekt. Daher ist es notwendig, ein erforderliches S/N-Verhältnis in einem gewünschten Wellenlängenbereich sicherzustellen. Basierend auf den Ergebnissen in 6 wird bestätigt, dass durch Einstellen der Anzahl von Einheitsregionen, die zu mitteln sind, auf 500 oder mehr, ein S/N > 50000 erzielt wird, selbst in der nahen Infrarotregion, insbesondere im Wellenlängenbereich von 1700 nm bis 2200 nm auf der langen Wellenlängenseite. Daher kann durch simultanes Durchführen von räumlichen Mitteln und zeitlichen Mitteln ein Hochgeschwindigkeits- und Hochgenauigkeits-Spektrometrieverfahren und eine Spektrometrievorrichtung erzielt werden.
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Ein quantitatives Beispiel des Feuchteprozentsatzes in einem Natrium-Tartrat wird als ein Beispiel beschrieben, in welchem ein homogenes Medium genau gemessen werden kann, indem eine Mittelung der räumlichen Richtung durchgeführt wird. Indem eine mit dem in der oben beschriebenen Evaluierung verwendeten InGaAs/GaAsSb Quanten-Napftyp-Zweidimensional-Sensor ausgerüstete Spektrometrievorrichtung verwendet wird, werden die Absorptionsspektren eines Natrium-Tartrats (mit einem Feuchtegrad von 0 Gew.-%) und eines Natrium-Tartrat-Dihydrats (mit einem Feuchteprozentsatz von 15,66 Gew.-%) gemessen. Ein Absorptionsdurchschnittsspektrum wird erfasst, indem die Rahmenrate auf 200 Rahmen pro Sekunde eingestellt wird und während die Anzahl von Einheitsregionen, die in räumlicher Richtung zu mitteln sind, ohne Durchführen einer zeitlichen Mittelung von Daten geändert wird. Dann, indem eine PLS-Regressionsanalyse der Absorptionsdaten und des Feuchteprozentsatzes in einem Wellenlängenbereich von 1100 nm bis 2200 nm durchgeführt wird, wird eine Kalibrierungskurve des Feuchtigkeitsprozentsatzes erzeugt. Die Beziehung zwischen der Genauigkeit dieser Kalibrierungskurve des Feuchtigkeitsprozentsatzes und der Anzahl von in der räumlichen Richtung gemittelten Einheitsregionen wird untersucht. Die Ergebnisse sind in 7 gezeigt.
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7 ist ein Graph, welcher die Beziehung zwischen der Genauigkeit der Kalibrierungskurve und der Anzahl von Einheitsregionen, die in räumlicher Richtung gemittelt werden, im Falle eines Beispiels der Messung des Feuchtigkeitsprozentsatzes von Natrium-Tartrat illustriert. In 7 wird die Genauigkeit der Kalibrierungskurve basierend auf einem Kalibrierungskurven-Standardfehler (RMSE) evaluiert. Als Ergebnis wird bestätigt, dass der RMSE abnimmt, wenn die Durchschnittsanzahl in räumlicher Richtung ansteigt. Entsprechend kann mit dem Spektrometrieverfahren und der Spektrometrievorrichtung gemäß dieser Ausführungsform ein homogenes Medium genau kalibriert werden, ohne dass die Messzeit aufgrund des Mittelns in räumlicher Richtung ansteigt.
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Die im Spektrometrieverfahren und der Spektrometrievorrichtung gemäß der obigen Ausführungsform beschriebene Konfiguration erfasst ein sogenanntes Hyperspektralbild durch Zuweisen von Wellenlängeninformation zu jedem von Pixeln, die in einer ersten Richtung angeordnet sind, aus einer Mehrzahl von zweidimensional angeordneten Pixeln, und Zuweisen von Positionsinformation eines zu messenden Zielobjektes zu jedem von Pixeln, die in einer zweiten Richtung orthogonal zur ersten Richtung angeordnet sind, um so Spektraldaten jeder von Einheitsregionen zu erfassen, die in der zweiten Richtung angeordnet sind. Alternativ ist auch eine andere Vorrichtungskonfiguration gestattet. Spezifisch kann ein wellenlängenvariabler Filter auf der Frontstufe der zweidimensional angeordneten Sensoren vorgesehen sein und kann die durch den Wellenlängenfilter zu transmittierende Wellenlänge kontinuierlich geändert werden, so dass das Spektrum bei jedem Sensor erfasst wird. Mit dieser Konfiguration können Spektraldaten des Zielobjekts in Bezug auf jede Einheitsregion erfasst werden. Durch Erfassen eines Hyperspektralbilds können Spektraldaten, die sich auf spezifische Einheitsregionen beziehen, in Echtzeit erfasst werden, was noch schnellere Messung gestattet.
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Weiterhin, obwohl eine Messung, die Nahinfrarotlicht verwendet, in der obigen Ausführungsform beschrieben ist, kann die Ausführungsform auf eine Messung angewendet werden, die Licht in einem anderen Wellenlängenbereich verwendet, wie etwa dem sichtbaren Lichtbereich.
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Industrielle Anwendbarkeit
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Beispielsweise kann die vorliegende Erfindung verwendet werden, um die chemische Zusammensetzung zu analysieren, sowie zum Identifizieren von Fremdstoffen in Polymer/Harz und organischer Materie, wie etwa Nahrung.
