JP2001525931A - 光スペクトル測定用装置とその方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 現場スペクトル測定用装置とその方法が開示されている。装置は光を拡散し、それによってそのスペクトルを描く低解像度の回折格子を使用する。描かれたスペクトルはディジタル電気信号に変換され、スペクトル情報を強化するために処理される。その結果得られたスペクトル情報は、スペクトルデータの光処理によって、より高い解像度のスペクトルイメージャを使用して取られたスペクトル情報と類似している。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の名称：光スペクトル測定用装置とその方法 発明の技術的分野 本発明は一般的に光スペクトルの測定に関し、より詳細には携帯用および現場 適用の光スペクトル測定用小システムに関する。 発明の背景 環境分析とその技術において、工業用モニターにおいて、健康管理診断におい て、および薬理学において、各種の量を測定するますます正確かつ高速な方法、 および器械設備が必要とされてきている。これらの要求のあるものは、Parker S ．編McGraw-Hill Encyclopedia of Chemistry，McGraw-Hill、1983、およびD．A ．SkoogおよびJ．J．Leary著Principle of Instrumental Analysis、第四版、Ha rcourt Brace College Publishers，New York，USA，1992に概説されている。例 えば環境面の適用においては、測定が重要であるような場所（工場出口、廃棄物 、ごみ捨場等）で直接使用でき、並びに汚損防止および廃棄物管理のために中央 へのリアルタイムモニター用に必要な情報を、ケーブル接続なしで連続して送信 する統合小型測定用具に対する要求がある。中でも広く行われている汚損物質の 特定方法は、分光測定法によるものであり、特に吸収分光測光法によるものであ る。現場での適用に基づく光スペクトル測定に対して存在する必要性の多くの例 が、先行技術に記述されている。 分光法は物質の放射エネルギーの相互作用の測定、および特殊化に関する分析 技術である。これは、しばしば分光計と呼ばれるこの目的用に設計された計器を 用いる作業、および基礎的レベルと実用的分析の両方 での相互作用を解釈するそれに対応する方法を含む。研究中の試料のサンプルに よって吸収または放出される放射エネルギーの分布は、そのスペクトルと呼ばれ る。もし、紫外線（UV）、可視（Vis）または赤外線（IR）光のエネルギーが使 用されれば、対応スペクトルは光スペクトルと呼ばれる。以下に続くここの記述 では、用語スペクトルは、光スペクトルの意味で用いられ、および用語分光計は 、分光光度計の意味で用いられる。 分光計は、測定スペクトルの解像度に影響を与えるその設計または器械設備に 関連する解像度を持つ。分光測定法の技術に習熟した人々に良く理解されるよう に、UVスペクトル作像に対して要求される解像度とIRスペクトル作像に対して要 求される解像度とは異なる。更に、用語高解像度および低解像度は、描かれたス ペクトル帯域に、または描かれた帯域内の光波長に関係する。広域分光計に対し て、累進的スペクトル解像度、または各帯域を適切に描くのに十分なスペクトル 解像度のいずれかが使用される。 スペクトルの解釈は、原子および分子エネルギーレベルでの基本的な情報を提 供する。例えば、それらのレベル内の種の分布、一方のレベルから他方への変化 を含むプロセスの性質、分子幾何構造、化学的結合、および溶液中の分子の相互 作用が、総てスペクトル情報を用いて研究される。特にスペクトルの比較は、こ こに参考文献に組み入れたParker S．編McGraw-Hill Encyclopedia of Chemistr y，McGraw-Hill、1983に開示されているように、質的化学的成分および化学的構 成の決定用、並びに量的化学分析用の基礎を提供する。 そのテキストからの情報を参照して、分光計の一般的機能ブロック図が図１に 示されており、下記五個の成分を含む。 放射エネルギーの安定源供給 分析用試料サンプルを保持する透明容器 測定用スペクトルの限定された領域を隔離するデバイス 放射エネルギーを電気信号の形式での利用可能な信号に変換する放射検出器、お よび、 計器目盛り、陰極線管、ディジタルメータまたは記録計チャート上に電気信号を 表示する信号プロセッサおよび読出し装置。 近代的な分光計は非常に精巧で、研究室的環境では卓越した測定性能を保証す るが、分光計は通常特別な車両で輸送される比較的高価な装置を必要とするので 、分光計の現場適用は例外的な状況においてのみ為される。 一般的に分光計の確度は殆どの研究室適用に十分であると考えられ、従って分 光計改良の最近の努力は現場活用性の改良に焦点が置かれている。 分光計の小型化は、その大量の現場適用に対する一つの必要な前提条件である 。しかしながら、光スペクトルの解像度、分光計のスペクトル範囲およびその物 理的大きさ間に存在する関係の故に、分光計のサイズは必要な確度および測定の 精度によって限定される。一般に製造されている分光計の光スペクトル解像度は 、その大きさに比例する。これは今日まで回避できなかった、分光計小型化に対 する良く知られた、かつ重要な制限である。不運なことに、環境分析に使用され る精密分光計はしばしば嵩高く、高価であり、運搬および据付に費用が掛かるの で、分光計の多くの既知の重要な適用は、高価性と不便さのために実施されない ままになっている。従来の分光計よりも廉価でかつ好ましくは手持ちできる携帯 用分光計は、多くの工業の便宜のために広い適用範囲で分光計の使用を可能とす る。 現場の測定に適応できる現在する分光計は、比較的大きくそして高価 である。Ocean Optics，CVI Laser CorporationおよびControl Dataのような会 社は、その価格が＄６，０００から＄２０，０００間の範囲である小型化PCコン パチブル、on-card分光計を提供している。これらの分光計は一般的に研究用途 に向けられ、および興味ある計測学特性を提供する。ある他の会社は、特定の試 料内容（例えばクリーンな土壌）測定用の携帯用自律分光計を提供している。そ の大きさは比較的大きく、および価格は数千米ドルに達する。半導体準拠統合技 術を使用して光学機能を行う試みは、伝統的な個別の技術手段によって得られる ものに対してより低い操作の質に終わってきた。従って、UV-Vis-IR範囲に対す る自律統合スペクトル測定準拠用具は未だ利用できない。 最近増加した研究活動が、検知適用および光通信における波長分割多重化（WD M）用の分光計の開発に向けられている。しかしながら、標準技術を使用した全 体的に統合した光電子部品による単純な低価格の解決が未だに欠けている。現場 測定用各種分光測定プローブが、当該技術分野で知られている。例えば米国特許 No.5,712,710は、液体中に溶解した特定の金属イオンの濃度を測定する方法用の プローブを記述している。このデバイスは、プローブ小型化の既知の問題点に取 り組んでいる。分光計の帯域が小型プローブのサイズを組み入れるには狭いか、 スペクトル作像の質が貧弱であるか、または光処理構成要素が大きくそして高価 である。このデバイスは、プローブに結合される手持ち処理ユニットを有する。 処理ユニットは、特定材料の濃度を計算しおよび表示するようにプログラムされ ている。このプローブでは、光検出器も処理ユニットも光回折構造と統合されて いない。更に、このようなプローブを使用している時、スペクトル作像における 貧弱な解像度の使用は、殆どの適用において受け入れられない。 米国特許No.5,020,910は、光検出器上に直接光回折構造を形成する 方法を記述している。このデバイスは、光の有用なスペクトルを得る外部電子回 路を必要とし、およびスペクトル解像度は存在する従来の分光計のそれと比較し て非常に高い。米国特許No.5,731,874は、統合光検出器を持つ分光計を記述して いる。このデバイスは、特別のスペクトル線のみを検知し、およびこうして狭い スペクトル範囲について有用である。 米国特許No.5,742,389において、Zavislan等は分光光度計およびその中での使 用に特に適した電子光モジュールを開示している。このデバイスは、手持ちの可 能な小さなハウジング内に移動可能に取り付けられた格子を組込んでいる。開示 されたデバイスは、それ自身を光学要素および検出器と配列させるが、解像度に は取り組んでいない。 上記の取り組みは、いずれも高解像度低価格手持ち分光計の製造を為し得ない 。これらの既知の小型分光測定プローブは、しばしば設計が複雑で、および製造 コストが高くなる。従って、上の困難が解消される自律する単純な低価格の解決 を提供することが望ましい。従来の分光計のそれと同等のスペクトル解像度を持 ち、および現場での広い種類の対象物の吸光度スペクトル識別特性を決定できる 低価格小型化分光測定センサー／トランスジューサに対する要求がある。 分光計がモニターシステムにおいてセンサーとして設置される適用での使用に 十分な解像度と精度を持つ小型手持ち携帯用分光計を提供することは、有利であ ろう。 発明の目的 現場適用に有用なスペクトル測定用具を提供することが本発明の目的である。 十分な大きさの解像度を維持しながら分光光度計の小型化を可能にす る統合分光測定センサー／トランスジューサを提供することが本発明の目的であ る。 スペクトル測定用低価格用具を提供することが本発明の目的である。 発明の概要 分光計の物理的サイズによって課される解像度の制限は、良く理解されている 。これらの制限は、低解像度格子を使用した解像度強化方法を実施する精巧な技 術の使用により回避される。これらの方法は、携帯用計器の設計および製造を可 能にする。 本発明よれば、極めて低減したコストで現場光スペクトル準拠の測定を可能に する統合分光測定センサー／トランスジューサ（IISS/T）を提供する新しい方法 が提案されている。この新方法は、効果的である。相応じて、IISS/Tは、小型分 光測定プローブ、および異なる要求に適応された手持ち分光計の複数の実施例の 製造を可能にする。例えば、或るものは、無線または他の通信システムを使用し た情報の殆ど連続的な送信に対する無線通信が設けられている。これはリアルタ イムの工業および環境モニターに対して特に有用である。 光スペクトル測定の提案された新方法は、改善された光学および低減された雑 音の従来の解決法の代わりに、ディジタル信号処理を使用することによって測定 精度を増強する。 本発明によれば、第一解像度における入射光のスペクトルを捕らえ、電気信号 を提供するためにアナログ測定をディジタル化し、および捕らえられたスペクト ルよりも高い解像度を持つスペクトルを得るために、電気信号を処理するステッ プを有する入射光のスペクトルを測定する方法が提供され、前記スペクトルは、 測定された光スペクトルおよび／またはそのパラメータの推定値である。設計さ れた分光計の光学ハードウ ェアは最小化されていることが好ましい。更に、全方法が小さな手持ちデバイス で行われることが、好ましい。 光信号から情報を引き出す提案された方法は、精巧なアナログ処理よりも一層 効率的であり、およびそれに特有な困難さから解き放たれている。それは、光学 処理に極めて大きい利点を持つ。例えば、過去数十年の間、分光計はあまり重大 な進歩を見なかったが、ディジタルプロセッサは重大な実行利得を経験している 。強化された性能によって、より複雑なおよび精巧な方法が行われるであろう。 これにより、来るべき年の間の性能の改良および／または更なる小型化が行われ る。更に今日の半導体準拠統合技術により、ディジタルプロセッサおよび光学構 成要素のVLSI実装が行われる。その上、電気的ディジタル信号処理の精度の向上 は、光アナログ信号処理の特徴であるその実行の技術上の困難さの増加を必ずし も意味しない。 有利なことに、IISS/Tは低価格、低解像度光学構成要素を使用する。格子形式 で低解像度光学構成要素を使用することにより、デバイスの全サイズはかなり低 減される。しかしながら、スペクトル解像度の重大な強化がないので、低解像度 光学構成要素を使用して決定されたスペクトルは、多くの適用で受け入れられな い。 IISS/Tは、機能的に融合する処理構成要素を有することが好ましい。 スペクトル再構成、および／またはスペクトルパラメータ推定の特殊化された 方法を実施する特殊化ディジタル信号プロセッサは、結果の必要な質を確保する 。 本発明の実施例によれば、光を分散する分散要素、およびスペクトルデータを 表す電気信号に分散光を変換する光検出器を有する、４ｎｍよりも低いスペクト ル解像度を持つトランスジューサ、並びに、 トランスジューサの解像度の少なくとも２倍の解像度を持つスペクトルデータ を提供するために、スペクトルデータの解像度を強化するプロセッサを有する分 光計が、提供されている。 分光計は、温度測定手段、および温度変動誘起誤差用スペクトル修正手段の設 けられていることが好ましい。 本発明の実施例によれば、光分散用分散要素、およびスペクトルデータを表す 電気信号に分散光を変換する光検出器を有する低解像度トランスジューサ、並び に、 捕らえられたサンプルスペクトルをより高い解像度を持つ既知のサンプルスペ クトルに関係付ける、記憶されたデータを使用してスペクトルデータの解像度を かなり強化するプロセッサを有する分光計が、提供されている。 本発明の実施例によれば、そのスペクトルを測定するために電磁放射を受け取 るポート、ポートで受け取った電磁放射を受け取り、受け取った電磁放射を分散 し、および分散電磁放射を提供する分散要素、並びに、分散電磁放射を分散要素 から受け取り、および分散電磁放射をスペクトルデータを表す電気信号に変換す る光検出器より成る低解像度のトランスジューサ、 スペクトルデータを表す電気信号をスペクトルデータを表すディジタル電気信 号に変換するアナログ／ディジタル変換器、並びに、 スペクトルデータの解像度をかなり強化し、および捕らえられたサンプルスペ クトルをより高い解像度を持つ既知のサンプルスペクトルに関係付ける記憶され たデータを使用してスペクトルデータ内の或る誤差を修正するプロセッサを有す る分光測定センサーが、提供されている。 本発明の別の面によれば、 スペクトルトランスジューサを使用してサンプルの第一スペクトルを 描き、 第一スペクトルを同じサンプル用の既知のスペクトルを表すデータと比較し、 第一スペクトルを既知のスペクトルの近似値に変形する較正データを決定し、 低解像度スペクトルトランスジューサを使用して第二サンプルのスペクトルを 描き、較正データを使用して第二サンプル用の理想的スペクトルを推定し、ここ でこの推定は決定された変形を使用して行われる、以上のステップを有するスペ クトル測定方法が、提供されている。 理想的スペクトルの推定は、強化解像度を持つスペクトル、およびスペクトル トランスジューサの不完全さに対して修正されたスペクトルの少なくとも一方に 帰着することが好ましい。のスペクトルはx^cal(λ)によって規定され、ここで較正データは次のステップで 決定される。すなわち、 の形式を選択し、 決定されたパラメータを有する較正データをメモリーに記憶するステップ。 本発明の別の実施例によれば、 分光測定トランスジューサに関するデータを決定するために、分光測定トラン スジューサを有する分光計を較正し、 サンプルのスペクトルを描き、および、 決定されたデータに基づく、描かれたスペクトルに関するスペクトルs(λ;l,a )を再構成し、ここで再構成されたスペクトルは描かれたスペクトルよりも高解 像度を持ち、 以上のステップを有するスペクトル測定方法が、提供されている。 図面の簡単な説明 本発明の典型的な実施例は図面と関連して記述される。ここで、 図１は、分光計の一般的な機能ブロック図を示す。 図２は、光スペクトル測定計器の機能を流れ図を示す。 ａ）存在する分光計、 ｂ）IISS/Tを使用した提案の方法に基づく。 図３は、本発明による提案されたインテリジェント分光測定トランスジューサ／ センサー（IISS/T）の基礎となる測定原理の説明図である。 図４は、本発明によって示される実際の利得の説明図である。 図５は、予見されたIISS/Tの一般的構造を示す。 図６は、特殊化ディジタル信号プロセッサによる分光測定トランスジューサの不 完全さ修正の効果の説明図である。 図７は、本発明によるIISS/Tのモデルによって実施される信号処理の連続的段階 の結果を図示する。 図８は、IISS/Tのハイブリッド２チップ構造の例を示す。 図９は、提案されたIISS/Tを使用するインテリジェント分光測定プローブの機能 の原理の説明図である。 図１０は、分光測定装置、すなわちディジタル信号プロセッサのようなマイクロ プロセッサの形成の計算手段の簡略化した図を示す。 図１１ａから１１ｄは、本発明の典型的な実施例による各４ステップの簡略化し た流れ図である。 図１２は、先行技術による測定システムの簡略化した図を示し、吸光分光光度計 −VARIAN製モデルCARY-3、およびパーソナルコンピュータPCを有する。 図１３ａは、標準の過塩素酸塩ホルミウムのサンプルのスペクトルのグラフであ る。 図１３ｂは、分光光度計によって得られた、χ（λ）を表す得られたデータのグ ラフである。 図１４ａは、標準の酸化ホルミウムのサンプルのスペクトルのグラフである。 図１５ａ、図１５ｂおよび図１６は、分光測定データ解像度強化の典型的結果、 および本発明による方法によって得られたスペクトル修正を示す。 図１７は、IISS/Tの適用を説明する図を示す。 発明の詳細な説明 下記の表記は、本発明の記述に使用される。すなわち、 λ−波長；λ∈[λ_min,λ_max]; Ｎ−分光測定装置によって得られたデータ数、 △λ−波長打切りのステップ；Δλ=(λ_max-λ_min)/(N-1); λ_n−分光測定装置によって得られたｎ次データ；n=1,...,Nに対するλ_min+(n− 1)Δλ； x(λ)−研究中のサンプルの実スペクトル ｌ−スペクトルx(λ)が構成されるピークの位置のベクトル；l=[l₁,l₂...l_K]^T； ｌ’−ｌの推定値 ａ−スペクトルx(λ)が構成されるピークの大きさのベクトル； a=[α₁α₂...α_K]^T； ａ’−ａの推定値 s(λ;l,a)−下記の形式を取ると仮定される研究中のサンプルの理想化されたス ペクトル； ここでν_s(λ,l)は、その最大値がλ＝１において位置決めされている、s(λ; l,a)の 隔離され、正規化されたピーク値である； x^cal(λ)−分光測定装置の較正用に使用されるサンプルの実スペクトル； s(λ;l^cal,a^cal)−分光測定装置の較正用に使用されるサンプルの理想化スペク トル； タ； 演算子（アルゴリズム） 演算子 または 逆重畳演算子のような再構成演算子； 上記のように、分光測定器械設備の計測学的実施における増加は、光学ハード ウェアへの改良に基づいている。光学ハードウェア実装のサイズと質における制 限は、一般的に単一の現場試験環境での設置および使用に良く適さない、大きな かつ高価な分光計システムに終わる。ここに記述したものは、ディジタル信号処 理を使用してシステムの解像度を増強する、より低い解像度の光学ハードウェア を使用した分光計である。ここで提案された解決法は優美であり、極めて有利で ある。ここに記述した方法は、統合広帯域分光計の実装を可能にする。更に、本 発明はスペクトル解像度を強化する取り組みを変更することに意義を有し、それ によって現場適用に対する分光計の設計および実装での多くの既知の障害を回避 する。 分光計のサイズの制限の一つは、そこに入射する光の量である。一般的な分光 計は入射光を有限の解像度のスペクトル帯域に分割するので、光はそれによって 分割され、その光度はそれによって影響を受ける。例えば、入射光が１００個の スペクトル帯域に分割された時、その結果生じる各帯域は精々入射光の１００分 の一を受光する。これらの帯域はそれぞれ、１００ｎｍの全帯域に対してはスペ クトル帯域の１ｎｍを、１０ｎｍの全帯域に対してはスペクトル帯域の０．１ｎ ｍを、または１０００ｎｍの全帯域に対してはスペクトル帯域の１０ｎｍを表す 。広範囲 の波長が単一帯域に含まれているので、不運なことに、帯域が大きい程、スペク トル情報は検査した時少ない値を持つ。例えば、分光計の医療適用において、ス ペクトルにおける小さな差異が重要なので０．１ｎｍ以下のスペクトル帯域が好 ましい。逆に、帯域が狭くなる程、分光計内の検出器に到達する光は少なくなる 。これを克服することは単純な問題である。例えば、スペクトル帯域内の光を１ ００倍に増加するためには検出器区域のサイズを１００倍に増加するだけで良い 。本質において、より大きなサイズのセンサーは、スペクトルデータのより高い 解像度作像を可能にする。 図２ａを参照して、存在する分光計システムの簡略化された流れ図が示されて いる。測定精度は、光アナログ信号処理の性能に依存している。信号の物理的性 質の光領域から電気領域への変換は、表示および通信目的のために行われる。 図２ｂに示されたブロック図は、本発明のスペクトル測定の提案された方法に よって設計された分光計に対応する。測定精度はディジタル信号処理の性能に大 いに依存する。本発明によれば、センサー／トランスジューサの光学ハードウェ アは最小化され、光情報は検出器およびアナログ／ディジタル変換器を使用して 電子形式のデータに変換され、次いでデータはディジタル信号処理を使用して処 理される。最終測定結果を得ろために、測定された光スペクトル、または使用者 によって規定されたスペクトルのパラメータの推定が行われる。例えば分光計は 、適当なプログラムでディジタル信号プロセッサを使用して、較正される。較正 データは、デバイスの光スペクトル作像の特性に関係する。例えば、トランスジ ューサの誤差および不完全さ、並びにその修正および低光解像度に関する修正に 対する変形が決定される。使用の間、一旦スペクトルが描かれ、およびディジタ ル化されると、光構成要素の計測上の不完全 さの情報は、例えば、光構成要素の計測上の不完全さを修正した後、処理のパラ メータを測定された光スペクトルを表す信号に適応することによって、ディジタ ル化されたスペクトルデータを修正するために使用される。プロセッサは、次い で測定された光スペクトル、または使用者によって規定されるそのパラメータの 推定を決定する。 図３を参照して、本発明による対応するセンサー／トランスジューサの基礎を 成す測定原理が図示されている。この図で、《サンプル》はそのスペクトルが測 定される試料のサンプルである。 果である。 可能にする−の光分光計を使用して得られたスペクトルの測定結果であり、およ び、 ッサを使用して強化された、本発明によるデバイスからの測定結果である。図に おいて、s(λ;l,a)はスペクトル識別特性、すなわち研究中のサンプルの特性ピ ーク位置、および大きさのセットである。あるいは、測定結果は同じスペクトル 識別特性を持つ再構成されたスペクトルである。 研究中のサンプルによって変形された光は、測定情報を移動し、提案されたセ ンサー／トランスジューサにおけるその情報の引き出しは以下に二段階で記述さ れる。 第一に、低解像度分光測定トランスジューサが、例えば一個の分散要素によっ て光の分散を行う。光検出器が分散光を電圧に変換するために使用される。A/D 変換器（アナログ／ディジタル変換器）が、この電圧をディジタル信号に変換す るために使用される。このステップは、本質的にサンプルを照射することによっ てスペクトルの産物を提供し、得ら れるスペクトルを分散し、および第二ステップでの使用のために電子データ信号 を提供するために分散スペクトルを捕える。 第二ステップでは、希望する精度と確度で実際のスペクトルを推定するために 、ディジタル信号プロセッサが、スペクトル再構成、およびディジタルデータ信 号の解像度の強化方法を実施する。ディジタル信号プロセッサは、このステップ での使用に特殊化されたプロセッサであることが好ましい。スペクトルデータの 増強という用語は、ここではスペクトル解像度を強化し、およびスペクトル作像 トランスジューサの誤差を修正する、現方法によって行われる操作を指すように 使用される。 IISS/Tの特殊化ディジタル信号プロセッサは、較正プロセスの間、分光測定ト ランスジューサの光構成要素の計測上の不完全さについての情報が与えられる。 本質において、既知のスペクトルを持つサンプルが解析され、並びに電子データ に関する較正データ、およびそれがそれらのサンプルに対する既知のスペクトル からどのように異なっているかが決定される。この較正データは、デバイスまた はスペクトルのタイプに最適な適当なスペクトル強化方法の選択、減衰曲線のよ うなスペクトル作像での誤差、および他の較正情報を含む。較正データは、スペ クトル再構成用に、および／または最終測定結果、すなわちスペクトル、または そのパラメータの推定値を生み出すために使用される。 本発明によるIISS/Tは、分散要素、光検出器、A/D変換器、および信号プロセ ッサ（DSP）を有する。分散要素および光検出器は、希望する出力解像度よりも 低い解像度を持つスペクトルを形成するために協同する。DSPは、出力スペクト ルまたは十分な解像度を持つ出力データを作り出すように、スペクトルを増強す るために使用される。多くの処理がDSP内で行われるので、DSPのコストは全セン サーコストのかなりの部分を占める。半導体設計および製造の現在の趨勢によっ て、センサー のコストは、十分な処理能力を持つDSPプロセッサがより入手し易くなるように 、将来低減するであろう、ということが期待される。 IISS/Tは、DSPおよび、例えば単純な分散要素、光検出器、およびアナログ／ ディジタル変換器を持つ小型、低コスト、かつ低質分光測定トランスジューサを 有する。機能的ブロックのこの融合は、IISS/Tの設計者に光および電気部分のそ れぞれの利点から利益を得させる。実際、IISS/Tの再プログラミングが可能であ り、全体の性能を改善するソフトウェアの変更も予想される。ソフトウェアの分 布およびその改良は、同様なハードウェアの改良に関連するコストに対して廉価 である、ということが良く知られている。更に、統合光電気デバイスは、温度誘 起誤差の自動修正に対して卓越した好機を提供する。小温度センサー回路が、統 合デバイス内の複数の位置のそれぞれに配置される。温度が決定され、および描 かれたスペクトルの適当な修正が、光学構成要素の温度に基づいて行われる。勿 論、DSPは、それが適当な温度範囲で操作する限り、温度変動によって誘起され る誤差に影響されない。従って、本発明によるデバイスは、温度変動に対する補 償の効果的な低コストシステムが設けられている。 図４は、本発明を使用して得られた測定結果の質における実際的な利得を示す 実験結果を図示する。この図において、 x(λ)は、（今日の統合分光計では利用できない）解像度０．１ｎｍに設定され た参照分光光度計ANRITSU（MVO2−直列光スペクトル分析器）によって得られた データを表す。 の一般的な解像度である、解像度５ｎｍに設定された同じ参照計器によって得ら れた生のデータであり、および、 て得られた解像度０．１ｎｍのスペクトルの推定である。 分光計を使用して測定されたスペクトルの卓越した近似性を形成するよ 発明を使用して得られた実際の利得の概念を与え、図示した解像度の利得は１０ のオーダーである。従って、実験は明らかに、低解像度分散要素およびDSPの使 用して、結果はかなりの程度により良い解像度を持つ分光計を象徴する、という ことを示している。分光計のサイズは少なくとも部分的に解像度に関係するので 、本発明によるデバイスは、同様の適用での使用に対してかなり低減したサイズ の分光計を可能にする。勿論、低減されたサイズ、およびデバイスのコストは、 これまで先行技術の分光計のサイズ、コスト、および／または解像度によって妨 げられていた多くの新しい適用を可能にする。 光信号からの情報を引き出す提案された方法は、ある遣り方では、精巧な光ア ナログ処理よりも効率的である。更にそれは、この種の処理に対する或るトラブ ル特性から免れている。下記するようにそれは、ディジタル信号処理用の精巧な アルゴリズムを使用しているので、概念的により複雑に見える。提案された方法 は、物理的センサーデバイスを変えることなしに異なる処理方法の変更および選 択が行える。今日まで、スペクトルセンサーへの改良は、センサーの交換、また はハードウェアの変更が必要であった。今日の半導体準拠統合技術を考慮して、 アルゴリズムのVLSI実施が光機能の小型化統合よりも容易であるので、技術的に 本発明は適応可能であり、および単純である。その上、電気ディジタル信号処理 の精度の向上は、光アナログ信号処理について一般的であるように、必ずしもそ の実施の技術的困難さの増加を意味しない。 IISS/Tの典型的な構造が、図５に示されている。この図に示された 小型の、そして可能ならば低コストの分光測定トランスジューサは、回折格子５ および光検出器１０をCCDの形式で含んでいる。随意的に、CMOS技術のような半 導体準拠統合技術を使用して、このようなデバイスは統合デバイスとして製造さ れる。 サンプルからの、そして分析を必要とするスペクトルを表す光は、ポートＤで 受光される。光は、x(λ)によって特殊化される。光は、捕え 、光がそれを通して分散される分散要素５に与えられる。分散要素５は、サイズ が小さいので（一個の集積回路内に示されている）、結果的に得られる捕えられ るスペクトルの解像度は低い。電子信号は特殊化DSPの形式でプロセッサ２０に 与えられ、そこでそれはディジタル化され、および出力スペクトル、または出力 スペクトルパラメータを形成するために増強される。 目的とするIISS/Tの波長範囲に依存して、図５に示されたIISS/Tの光部分はデ ィジタルプロセッサと同じシリコン集積回路（IC）内で、または代わりに個別の IC内で履行される。あるいはそれは、技術的理由によって分離して製造された外 部要素として、ICに取り付けられる。あるいは更に、それはICから分離して取り 付けられ、および光学的にそれと配列される。 上記のように、分光測定計器の小型化は、要求される測定の精度、および統合 デバイスの制限によって制限される。半導体準拠統合技術を使用した光機能の実 施は、伝統的な個別の器械設備と類似の性能を提供しない。これは、スペクトル 測定準拠器械設備の小型化を行わせる本発明の重要な動機付けである。 別の例として、IISS/Tに使用されている分光測定トランスジューサが、下記の パラメータで特殊化されると仮定しよう。 −４５０から６５０ｎｍまでの波長範囲（Vis） −分光測定トランスジューサの全表面：１ｃｍ² −回折格子のLitrow形状 −直径２５μｍの半導体ダイオードより成る光検出器 次いでIISS/Tの分光測定トランスジューサの開発されたモデルを使用して、我々 は下記を得る。 −１２００ステップ／ｍｍの回折格子 −ダイオード数；検出器の全幅は４ｍｍで１６０ −得られた光トランスジューサの光解像度Δλ=11nm 不運なことに、これらの結果は上記の仮定から起こり、それ故より高い解像度 は、異なる仮定か、または得られたもの、すなわち本発明によって描かれたスペ クトルの処理のいずれかを必要とする。 図６は、本発明によって設計されたIISS/Tの有効性を示す実験の結果を図示す る。この図において、 x(λ)は、０．２ｎｍの解像度―先行技術の統合分光計では一般的に利用できな い解像度―に設定された参照分光計CARY-3（Varian）によって要求されるデータ を表す。 サのモデルの出力における測定結果である。 であるスペクトルx(λ)の推定である。これは、本発明によって提案されたIISS/ Tの出力において得られる解像度であり、多くの実際の適用に対して使用者の要 求を満足する。解像度の約１０倍の強化が達成される。勿論、スペクトル強化が トランスジューサ解像度の、例えば４０または６０倍に増加するに従い、推定に おける誤差もまた増加することが期待される。これは、適用性、および特定の適 用に対する本発明の小型 化の度合いを決定する適用基準によって評価されなければならない。 図７を参照して、IISS/Tにおいて、および本発明によって行われる信号処理方 法が、図示されている。この図において、 x(λ)は、今日の統合分光計で一般的に利用できない解像度０．２ｎｍの解像度 に設定された参照分光計CARY-3（Varian）によって得られたデータを表す。 １−１０ｎｍのオーダーの解像度は、光信号処理機能を実施するために使用され る技術に依存してスペクトル増強を持たない統合分光計から得 計器によって得られた測定結果である。および、s(λ;l,a)は、ディジタル信号 処理後に得られ、従って本発明によって提案されたIISS/Tの出力で得ることので きるx(λ)のスペクトル識別特性である。これは、解像度の４０倍の増加を表す 。図に見られるように、推定における誤差は極めて明白である。或る適用におい てはこれは十分に正確であり、他の適用においてはより高い解像度を持つ、より 大きいトランスジューサが使用される。 この例において、DSPによって行われた処理は、分析された光スペクトルのパ ラメータースペクトルが構成されるピークの位置および大きさーを計算すること を含む。これらのパラメータの或るものは、特定の光照射または分析されたサン プルに含まれる特定の汚濁因子に対応する。 図８において、二個の融合チップを有するIISS/Tのハイブリッドバージョンの 一例が示されている。分光測定トランスジューサ、および特殊化専用ディジタル 電気信号プロセッサの分離統合を採用しているこの実施例は、全体統合に向けて の自然なステップである。それはまた、異なるスペクトル測定準拠適用に対する 各種入力センサーとのIISS/Tの結合が望ましい等の場合に、DSPを選択する際の 原型作成の柔軟性に対 して有用である。機能的には、図８のデバイスは、図５に関係する記述に従って 動作する。 図５に示される十分に統合されたIISS/Tのモノリシック実施に対して、制約は 、マイクロエレクトロニクス（VLSI）および統合光技術は技術的に未だ完全に両 立し得ない、という事実によって課される制約を含む。しかしながら、ある適用 −特定の測定システム−のモノリシック実施は、以下に記述されたように成功で あった。すなわちR．E．Kunz著「全統合光測定センサー」SPIE Proceedings，Vo l．1587，1991 pp．98-113、およびL Templeton，IM;Fallahi，M;Erickson，LE; Chatenoud，F;Koteles，ES;Champion，HG;He，JJ;Barber共著「波長分割多重化 送信器レーザー配列用多重周期格子の融合イオンビームリソグラフィー」RPU‐J ournal of Vacuum Science and Technology‐Section B．Microelectronics Nan ometer Structure，1995，v.13，n.6，p.2722，3p。多層シリコンベース材料の 領域の研究進歩は非常に早く、IISS/Tのモノリシックの実施の新しい可能性を約 束している。IISS/Tの達成し得るパラメータは、低コスト小型分光測定センサー ／トランスジューサの大量生産を発展させる試みを正当化する。 図９は、本発明によるIISS/Tの典型的な適用を示し、ここでIISS/Tはリアルタ イムの環境および／または工業モニター用の遠方制御分光測定プローブに使用さ れる。プローブは主にIISS/T、特定の適用に選択された光源、およびモニターネ ットワークとのリアルタイム通信用遠距離通信より成る。ある適用では、他のセ ンサーおよびトランスジューサが、IISS/Tへの入力光を提供する。この場合、II SS/Tはトランスジューサとして使用される。スペクトルの測定が望ましい所では 、IISS/Tはプローブに対してセンサー入力として作用する。 データが一旦捕えられても、データの解釈は簡単な仕事ではない。デ ータが解釈される前に、スペクトルデータは増強を必要とする。例えば、１０ｎ ｍの解像度で捕えられた時、スペクトルデータは殆どの適用で有用ではない。現 在の技術を使用して適正なコストで手持ち広帯域分光測定センサーを生産するた めに、４ｎｍ−１０ｎｍのような低解像度を持つ格子が採用される。従って、捕 えられたスペクトルは解析に先立って増強されることが必須である。ここに提案 したように、増強の方法は、存在するセンサーの較正データに基づいて低解像度 スペクトルからのスペクトル値の推定を含む。増強のプロセスを以下に述べる。 図１０を参照して、下記を有するシステムが示されている。すなわち、 測定されたスペクトルの情報を含む光のようなアナログ電磁信号を、スペクトル を表すディジタル電気信号に変換する分光測定トランスジューサの形式の分光測 定装置、マイクロプロセッサの形式の計算手段、一般目的用ディジタル信号プロ セッサ、または適用特定ディジタル信号プロセッサ、および解析される試料のサ ンプル（以下サンプルと参照する）のスペクトルを測定するために必要な他の機 能的要素。以下に説明するスペクトルを増幅する方法は、演算処理装置（プロセ ッサ）内で実行される方法としてＩＩＳＳ／Ｔにおいて有用である。ここではス ペクトルの増幅を実行する実施例として説明する。もちろん、ＩＩＳＳ／Ｔは当 該技術において知られており、また公知となりうる他の適切な方法を有している 。以下に説明するスペクトルを増幅する方法は、他の分光デバイスに一般的に適 用される。 スペクトル・データ−増幅スペクトルの解像度と修正度を高める方法 の下でサンプルのスペクトル中に得られたピーク値の位置Ｉと大きさａを評価（ 推定）することである。この操作の実行可能性は、分光分析装 に対する補助操作によって究極的に決まる。この操作は、パラメータＩおよび ａの評価するための本発明の実施例に基づく方法の下にある分光分析データと理 想的なスペクトル間の関係の数学的モデルに関する情 める必要はないが、有効な較正結果はこの工程中に入手されなければならない。 分光分析ピークの位置Ｉと大きさａの評価に関する相当な困難性は、サンプル 中の物理現象によって、また、分光分析装置内の不完全性に起 s(λ;l,a)がx(λ)の近似値と想定し、機器上の不明瞭性のみが修正されれば、例 えば両ソースによってもたらされる不明瞭性を小さくさせることによって分光分 析データを修正するために、理想的スペクトルs(λ;l,a)の再構築のためのプロ セスを適用する本発明の方法によって克服される。 上述の機能的必須条件に基づくとともに図１１ａから１１ｄを参照して、方法 は次の工程を含む： ．分光計の較正（サブプロシージャＩＳＤ＿cal）、 ．スペクトルs(λ;l,a)の再構築（サブプロシージャＩＳＤ＿rec）、ロシージャＩＳＤ＿est）、 サブプロシージャＩＤＳ＿cal サブプロシージャＩＤＳ＿calは次の工程を含む： 工程と； ｂ）そのスペクトルx^cal(λ)が既知である較正サンプルを選定する工程と； ｃ）分光分析装置の測定パラメータの設定する工程と； ｄ）そのスペクトルx^cal(λ)が既知である較正サンプルを代表するデー を入手する工程と； 修正を実行し、スムージイング（平滑に）し、較正データ中のエラーの可変条件 の前評価の形態にあるアプリオリ情報と、標準化を得る工程と； を実行する工程は、特定装置を併用して実行するのが好ましい。例えば、既知の 可変条件が分散要素のタイプ中に存在しているときは、このアプリオリ知識が、 評価を実行するための工程の決定において有益であり、従って、較正の工程が決 定される。もちろん、評価と較正のためのある一定の工程が、分光分析装置に対 して実質上普遍的なので、この工程は必要ではない。 サブプロシージャＩＳＤ＿rec サブプロシージャＩＳＤ＿recは次の工程を含む： ａ）上述と実質的に同じ測定パラメータを設定する工程と；を前処理する工程と； に基づいた理想的スペクトルs(λ;l,a)を評価する工程。 サブプロシージャＩＳＤ＿est サブプロシージャＩＳＤ＿estは次の工程を含む： スペクトル内のピークの位置Ｉを評価する工程と； ｂ）次の方法の一つを用いてカーブ・フィティング（曲線あてはめ）アルゴリ ズムによってピークの大きさを評価する工程と； 評価値ｉ と； ｃ）工程（ａ）と（ｂ）で得られたピークのパラメータの評価を反復修正する 工程と； ｄ）パラメータを、分析実体のいくつかの予め規定されたパラメータに変換す るようなユーザの必須条件に基づいてパラメータの評価の結果に適合させる工程 。典型的な実施例の特定する装置は、第１２図に示すような測定システムのため に設計され、ＶＡＲＩＡＮによるモデルＣＡＲＹ−３の吸収分光測光装置（スペ クトロフォトメータ）およびパソコンＰＣを含んでいる。 次の測定パラメータが較正のためと、テスト・データを得るために選択される ： 波長範囲：λ_min=1999nm,λ_max=800nm; 分光測光装置によって得られたデータの数：N=6002; 波長ｄｉｓｃｒｅｔｉｚａｔｉｏｎの工程：Δλ=(λ_max-λ_min)/(N-1)=0.1nm テスト・データは標準のホリミウム穿孔サンプルのために求められ；その実際 のスペクトルx(λ)を第１３ａ図に示す。このスペクトルの既知パラメータは次 の通りである： ピークの位置のベクトル； l=[382.7 386 390.1 417 422 451.2 468.1 473 479.5 485.1 491]^T ピークの大きさのベクトル； a=[.0483 .1492 .0938 .766 .2481 1.2513 .2292 .2595 .1475 .5419 .1073]^T 研究下にあるサンプルの理想化スペクトルは、 の形態をとるように予想され、 ピークは、 ν_s(λ,l)=δ(λ-l)に対してfor l∈[λ_min,λ_max]によって規定される。 分光光度計によって得られたx(λ)を代表する一連のデータ 較正データは標準酸化ホルミウムのために得られた。そのスペクトルx^cal(λ) を第１４ａ図に示す。このスペクトルのパラメータは次の通りである： ピークの位置のベクトルは： l^cal=[4152 419.2 425.5 445.5 454.2 460.7 473.7 484 488.4]^T ピークの大きさのベクトルは； a^cal=[.0799 .1813 .0868 2313 .7862 .9772 .0815 .076 .0709]^T である。 較正s(λ;l^cal,a^cal)のために使用されたサンプルの理想的なスペクトルは、 次の形態を有することが想定される： 分光光度計によって得られたx^cal(λ)の一連のデータのそれぞれは、 であり、第１４ｂ図に示す。 理想化スペクトルs(λ;l,a)をデータ・スペースにマッピングするための射影 の選ばれた演算子は、 関数g_xy(λ)はガウス関数の形態を有するように評価される： 選ばれた演算子は、 次の工程によって特定付けられる： される理想的なフィルタによって見つけられ、また、 ンをベースとしたカーマン・フィルタを使用して算出される。 スプラインを基準とするカルマン・フィルタのための調整パラメータの別個の値 だけでなく理想的なフィルタの係数を含んでいる。 次の操作は較正中に実行される： P.A.Jansson，Ed，「スペクトルと画像のデコンボリューション」，Academic Press，Inc．（1997）に開示されたジャンセン・アルゴリズムのような反復アル ゴリズムを使用して関数g_sx(λ)を識別； 最適化アルゴリズムを使用して理想的スペクトルx^cal(λ)に基づく関数g_xy(λ )のパラメータσ_xyを評価； 最適化アルゴリズムを使用して理想的フィルタの効率を評価； 最適化アルゴリズムを使用してスプラインに基づくカルマン・フィルタの調整 パラメータを評価。 この典型的な方法によって得られた分光分析データ解像度の増幅の典型的な結 果を第１５ａ図、第１５ｂ図および第１６図に示す。この方法によって得られた テスト・スペクトル・パラメータの評価は次の通りである： ピークの位置ベクトルは； ピークの大きさベクトルは； 当該技術に習熟した人々にとって明白であるように、ここで説明した方法の適 用は、低解像度の光学要素を使用してスペクトル情報を得ることを考慮している 。これは解像度を増幅することによって有効な情報が、得られたスペクトルから 抽出されるために、スペクトル検知の適用例に使用された光学要素の小型化を考 慮している。 スペクトル解像度の増幅の提案された方法は、分光分析の実質上あらゆる分野 に適用可能である。所与の測定状況におけるその適用のための動機づけは、期待 された進歩に基づいている。いくつかの期待された進歩の例には、次のものが含 まれている。分光分析の高められた精度が所与の分光分析システムによって達成 される。高められた精度は、実験誤差の修正と測定スペクトルのパラメータの評 価の不確実性を少なくする結果による。所与の精度を伴う分光分析のコストの縮 減は、高解像度分光分析トランスデューサを機能的には同じであるが低解像度機 器と交換することによって達成される。分光分析の高められた信頼性と有効性は 、共通の演算リソースによって供給された低コストの分光計（スペクト ロメータ）のネットワークの並行利用の結果である。これは専用の処理リソース を有する従来の自律分光計と置換される。ソフトが、光学処理を使用するように 現在備わっているいくつかの機能と置換されるために、また、光学要素の小型化 によってもたらされたハードの不完全さの補正が達成されるために、分光計と分 光計に関する測定ツールの寸法が縮小される。 演算子と数学的方法またはアルゴリズムの多数のバリエーションが、本発明に よる方法に有用である。これまでの説明は、スペクトルの解像度を増幅するため の単一セットの式に関するものであるが、他の式も適用可能である。本発明によ るスペクトルを増幅するための他のアプローチのいくつかの例を以下に説明する 。 ａ）固定線形モデル； ｂ）非固定線形モデル； ｃ）非線形モデル、例えば； ここに、g(λ)とg(λ,λ')は分光分析装置の装置関数；F_sとF_yは非線形関数であ る。 ａ）固定線形モデルに対応する演算子： ｂ）非固定線形モデルに対応する演算子： ｃ）典型的な非線形モデルに対応する演算子： 任意に、非たたみこみ（デコンボリューション）または一般化非たた るために使用される： ａ）１９９５年、Morawski & Sokolowskiによって著されたオリジナル・ドメ イン、数値微分基準方法（original domain，numerical differentiation-based method）； ｂ）JanssonとGoldによる反復方法； ｃ）スペクトル−ドメイン、Tikhonov調整基準法； ｄ）スペクトル−ドメイン、Tikhonov調整基準法； ｅ）解像度に課された積極性強制（拘束）をともなうオリジナル−ドメイン、 Tikhonov調整基準法； ｆ）解像度に重畳された積極性強制（拘束）をともなうカルマン−フィルタ基 準法； ｇ）解像度のスプライン−近似をともなうカルマン−フィルタ基準法； ｈ）１９９５年、Morawski & Sokolowskiによって著された共役演算子法； ｉ）エントロピ基準変分法； ｊ）ボルテラ−シリーズ基準法； ｋ）１９９７年、Szczeci他によって著された有理フィルタ基準法。 さらに、Brown他の方法のようなケモメトリックス(chemometrics)のドメイン で開発された多数の他の方法、電気通信、地震学および画像処理が、スペクトル 解像度増幅のために本発明による方法が適用可能である。本発明で使用するため の数学的アルゴリズムの選択は、過度な実験なしに当該技術に習熟した人にとっ ては簡単である。 きる； ａ）１９９５年、Tikhonor他によって著されたデータ中の測定誤差の分散(var iance)の前評価による不一致原理(discrepancy principle)； ｂ）１９９１年、Ilansen & O'Learyによって著されたＬ−カーブ法； ｃ）１９９５年、Szezeci skl他によって著された付加的な一連の較正データ 法； 較正もその典型的な実施例に関してこれまでに説明した。 任意に、分離ピークν_s(λ,l)が次の形態を有するように想定される： ａ）ｌの全ての値に対するDirac分布δ(λ)； ｂ）その幅(width)がｌに対して一定または変化する三角形； ｃ）その幅がｌに対して一定または変化する四角形； ｄ）その幅がｌに対して一定または変化するガウス関数；および ｅ）その幅がｌに対して一定または変化するロレンツ関数。 任意に、少なくとも一つの次の方法が、機器の関数g(λ)の評価のために使用 される： ａ）分離ピークν_s(λ,l)がDirac分布δ(λ)の形態を有すると想 ｃ）非たたみこみ法および平滑近似法を連続使用する方法。 タを決定するために使用できる： 任意に、次の方法の少なくとも一つがピークの大きさａの評価のために使用さ れる、その位置Ｉの評価をｉと仮定すると： ここに、Ａは一連の可能な解答；オプション：q=2とＡ⊂Ｒ^k；ｑ 解答のいくつかの例は、次のものに開示されている。すなわち、Deming S.N.，M organ S.L.；Experimental Design;A Chemometric Approach，Elsevier 1987;F raser R.D.B.，Suzuki E．；Spectral Analysis-Methods and Techniques（e d by J.A．Balckburn)，M．Dckker，1970，による「生物学的適用例」pp.171-21 1；Fister III J.C.,Harris J.M.,Anal．Chem．Vol．67，No．4，1995bによる「 励起状態ラマン・スペクトルの多次元最小自乗解像法」pp.701-709;Fister III. C.,Harris J.M．Anal．Chem．Vol．67，No．8，1995a,による「光化学反応にお け る中間値からのラーマン・スペクトルの多次元最小自乗解像法」pp.1361-1370;A nal．Chem．Vol 66，No．8，Goodman K.J.,Brenna T.による「ガスクロマトグラ フィ／燃焼比質量分光測定における重複ピークの精度を回復するためのカーブ・ フィティング」pp.1294-1301;Proc．IMEKO-TCI&TCT Colloquium（London，UK，S ept．8-10，1993）による「測定量再構築のTikhonov法に基づくアルゴリズムに 積極的制約条件を取り込む方法」pp.299-304等々である。上述の最適化問題の特 に有効な解決法は、次に開示されたような非定常カルマン・フィルタまたは適応 ＬＭＳアルゴリズムに基づいている。すなわち、Ben Slima M.Szczecinski L.， Massicotte D.，Morawski R.Z.，Barwicz A，Proc.IEEE Instrum．& Meas．Tech nology Conf．(Ottawa，Canada，May 19-21，1997)による「分光分析装置のため の特殊演算処理装置のアルゴリズム仕様」pp.90-95およびBen Slima M.，Moraws ki R.Z.，Barwicz.A.，IEEE Trans．Instrum．& Meas.，Vol．46,No．3，June 1 997による「分光測光データ修正のカルマン−フィルタ基準アルゴリズム−パー トＩＩ；スペクトルの近似法のためのスプラインの使用」pp.685-689である。 任意に、大きさａを推定するための方法が、ピークの大きさａと位置Ｉの評価 （推定）の反復修正に使用される。既知の方法には次のものがおよび ここに、Ｌは一連の可能な解答；オプション：q=2とＬ⊂Ｒ^k；ｑ 上述の方法によれば、データは前処理される。この前処理は、スペクトル・デ ータの解像度を増幅する方法に関連する既知の技術と既知の目 的に基づくとともに前処理が使用されるセンサーによって実行される。任意に、 次の方法の一つがデータの標準化のために使用される： ａ）λ軸の線形または非線形変換、データ中の非固定効果の減少を意図してい る； ｂ）ｙ軸の線形または非線形変換、データ中の非固定効果の減少を意図してい る； ｃ）λ軸とｙ軸の線形または非線形変換、データ中の非固定および非線形効果 の減少を意図している。 任意に、次の方法の一つがデータを平滑にするために使用される：すなわち、 ａ）直線、ＦＩＲタイプまたはＩＩＲタイプのフィルタ操作； ｂ）中央フィルタ操作； ｃ）３次スプラインによる平滑近似操作； ｄ）識別演算子に関する非はめ込み（デコンボリューション）操作である。 ベースライン修正は、Brame E．G.，Grasselli J.,による「赤外線およびラマ ン分光術」、Marcel Dekker 1976に記述されたような標準的に知られた技術に基 づいて実行される。 本発明に基づいて得られた低解像度スペクトルからのスペクトルの解像度と精 度を増幅する方法が、この方法のいずれのハード装置に関しても説明したが、こ の方法はここで説明したような総合ハードウエア・デバイスで実行されるのが好 ましい。 第１７図を参照して、種々の分野の適用におけるＩＩＳＳ／Ｔの潜在的適用の 概略を示す。ＩＩＳＳ／Ｔ（図の中央）が、分析研究に使用された別の分光分析 技術の使用に適用されている。本発明によるＩＩＳＳ／Ｔの使用は、実時間環境 、農業、医療および工業上のモニタ操作にお けるスペクトル測定基準方法の適用を容易する。さらに、特定する適用または種 々の適用例のために設計されたハンドヘルド（手持ち式）分光計の使用を容易に している。 提案された発明は、次の方法を含むたくさんの方法で有利なセンサーの設置を 可能にする。提案されたＩＩＳＳ／Ｔはある意味では自律しており、すなわち、 出力測定結果を外部演算および／または計算なしに発生することができる。ＩＩ ＳＳ／Ｔアーキテクチャは、高解像度光学処理分光計の保有する固有の技術上何 の問題もなく種々の低価格知能分光測光プローブおよびハンドヘルド分光測光機 器の製造を支持する。提案されたＩＩＳＳ／Ｔは特定化されたデジタル信号処理 装置を再プログラムすることによって種々多様な適用例に容易に適用される。ス ペクトル測定のために提案された方法は、ＩＩＳＳ／Ｔの総合小型装置のために 特に有利である。ＩＩＳＳ／Ｔは、そのコンパクトなパッキングと一体設計のた めに、機械的、電磁的、化学的および生物学的に強固である。さらに、運送、設 置、検査および修理がそう煩わしくない。 予め規定された特定の適用において、ＩＩＳＳ／Ｔの度量衡的パラメーター測 定の精度だけでなく測定量の変化と範囲−が、普通の目的の研究室用分光分析装 置のパラメータと比較される。しかも、ＩＩＳＳ／Ｔは相当低い製造コストであ る。現在の技術を用いることによって、ＩＩＳＳ／Ｔは１２ｃｍ3位の小型の製 造が可能である。このために、ＩＩＳＳ／Ｔは当然本来の場所での測定に適用さ れる。配置されたＩＩＳＳ／Ｔのネットワークは、環境モニタに現在使用されて いるサンプリングの車輌基準システムと置換される。別の方法として、単一処理 装置に接続された低解像度センサーのネットワークはランダム・サンプリング（ 確立抽出）、シーケンシャル・サンプリングのために、または処理装置が単一ス ペクトルの解像度と精度を増幅するために、また同時サンプリ ングのために必要とするよりも相当パワフルであるときに、有用である。この解 決法の主たる利点はその場所での断続的サンプリングのために環境モニター操作 の信頼性と有益性が高まることである。ＩＩＳＳ／Ｔのこの種のネットワークは 、製造工程の連続モニターのための化学、薬学および生物工業に有用である。こ れらの光学分野内でのこの解決法の主たる利点は、製品の品質の改善だけでなく 、製造工程の信頼性と安全性を高めることである。 スペクトルの増幅を実行するデジタル式処理装置なしには、有用な測定結果は なにも得られない。この点は光学的処理装置を有する既存のスペクトル・トラン スデューサと区別され、その結果、ノイズ・フィルタ等のようなスペクトル分析 のための外部処理装置を提供することになる。 標準的な一体技術を用いた本発明の実施例に従って製造されたＩＩＳＳ／Ｔの 価格は、旧来の分光計の価格と比較した半導体デバイスの価格と同等である。こ の種のＩＩＳＳ／Ｔの有用性は、現在実用目的で研究室環境に限定されている光 スペクトル測定を基準にした技術の使用へのアプローチに変わるであろう。本発 明は多くの度量衡学的適用分野で使用のための分光計を満たす方法を提供する。 明らかに、ここで説明した典型的な方法の使用は、ＩＩＳＳ／Ｔに限定される ものではない。上述したスペクトル修正および解像度の増幅は、ハンドヘルド分 光計以外の多くの適用例に有用である。例えば、スペクトルの高精度測定におい て、または低コスト高精密分光計の設計において有用である。同様にして、上述 したＩＩＳＳ／Ｔの処理装置において実行されるスペクトルを高揚させるための 典型的例は、スペクトルの精度と解像度を高める代表的な方法である。これは実 際にある例であって、本発明の装置の範囲を限定することを意図するものではな い。上 述した本発明の典型的な実施例は、提示された例に対する方法の適用性を限定す ることを意図するものではない。また特定されたデジタル信号処理装置の操作を 実施するのに使用される種々のアルゴリズムを限定することを意図したものでも ない。多数の他の実施例が本発明の精神または範囲から離脱することなく考察で きる。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項 【提出日】平成１１年５月２１日（１９９９．５．２１） 【補正内容】 最近増加した研究活動が、検知適用および光通信における波長分割多重化(WDM )用の分光計の開発に向けられている。しかしながら、標準技術を使用した全体 的に統合した光電子部品による単純な低価格の解決が未だに欠けている。現場測 定用各種分光測定プローブが、当該技術分野で知られている。例えば米国特許No .5,712,710は、液体中に溶解した特定の金属イオンの濃度を測定する方法用のプ ローブを記述している。このデバイスは、プローブ小型化の既知の問題点に取り 組んでいる。分光計の帯域が小型プローブのサイズを組み入れるには狭いか、ス ペクトル作像の質が貧弱であるか、または光処理構成要素が大きくそして高価で ある。このデバイスは、プローブに結合される手持ち処理ユニットを有する。処 理ユニットは、特定材料の濃度を計算しおよび表示するようにプログラムされて いる。このプローブでは、光検出器も処理ユニットも光回折構造と統合されてい ない。更に、このようなプローブを使用している時、スペクトル作像における貧 弱な解像度の使用は、殆どの適用において受け入れられない。 米国特許No.5,020,910は、光検出器上に直接光回折構造を形成する方法を記述 している。このデバイスは、光の有用なスペクトルを得る外部電子回路を必要と し、およびスペクトル解像度は存在する従来の分光計のそれと比較して非常に高 い。米国特許No.5,731,874は、統合光検出器を持つ分光計を記述している。この デバイスは、特別のスペクトル線のみを検知し、およびこうして狭いスペクトル 範囲について有用である。 米国特許No.5,742,389において、Zavislan等は分光光度計およびその中での使 用に特に適した電子光モジュールを開示している。このデバイスは、手持ちの可 能な小さなハウジング内に移動可能に取り付けられた格子を組込んでいる。開示 されたデバイスは、それ自身を光学要素および検出器と配列させるが、解像度に は取り組んでいない。 １９９１年２月１８日の優先権主張日を持つ１９９２年９月３日付けのWO 921 4997 A（Helsingin Mittakoja Oy）において、スペクトルデータの解像度を強化 する手順でフーリエ自己逆重畳方法FSDが、入力スペクトルから間隔０−L_tでの データセットを作り出すために用いられている。最大エントロピー方法MEMが、 このデータから予測誤差フィルタ係数を計算するために使用される。係数および データ点０からMを使用した線形予測方法LPによって、データはL_tを超えて干渉 図I(X)に予測され、それによって出力スペクトルに、最小歪みを持って狭まる最 大線が達成される。 １９９６年１２月２６日付け日本特許要約９６巻１２号および１９９６年８月 ２０日付けKoshobo JunによるJP 08 210915 A（JASCO Corp）に、逆重畳を使用 した改良スペクトル解像度の方法が提案されている。この方法は、多重チャンネ ル検出器によって導かれた、測定点数密度の所定の波数データから引き出された スリット関数用擬似データシーケンスに基づいて、スペクトルデータを処理する 。 １９９１年６月４日発行のDunn等の米国特許No.5,020,910は、光検知アレー上 に形成された回折格子を持つモノリシック回折分光計を開示している。回折格子 は、対象の波長を基礎となる感光性デバイスの方へ回折し、一方他の波長を感光 性要素から離して回折するのに役立つ。可変ピッチを持つ一つの回折格子、また は色々なピッチを持つ多重回折格子を形成することにより、如何なる数の特定光 波長も高度の確度で検出される。 上記の取り組みは、いずれも高解像度低価格手持ち分光計の製造を為し得ない 。これらの既知の小型分光測定プローブは、しばしば設計が複雑で、および製造 コストが高くなる。従って、上の困難が解消される自律する単純な低価格の解決 を提供することが望ましい。 図１０は、分光測定装置、すなわちディジタル信号プロセッサのようなマイクロ プロセッサの形成の計算手段の簡略化した図を示す。 図１１ａから１１ｄは、本発明の典型的な実施例による各４ステップの簡略化し た流れ図である。 図１２は、先行技術による測定システムの簡略化した図を示し、吸光分光光度計 −VARIAN製モデルCARY-3、およびパーソナルコンピュータPCを有する。 図１３ａは、標準の過塩素酸塩ホルミウムのサンプルのスペクトルのグラフであ る。 図１３ｂは、分光光度計によって得られた、χ（λ）を表す得られたデータのグ ラフである。 図１４ａ、１４ｂは、標準の酸化ホルミウムのサンプルのスペクトルのグラフで ある。 図１５ａ、図１５ｂおよび図１６は、分光測定データ解像度強化の典型的結果、 および本発明による方法によって得られたスペクトル修正を示す。 図１７は、IISS/Tの適用を説明する図を示す。 発明の詳細な説明 下記の表記は、本発明の記述に使用される。すなわち、 λ−波長；λ∈[λ_min,λ_max]; Ｎ−分光測定装置によって得られたデータ数、 △λ−波長打切りのステップ；Δλ=(λ_max-λ_min)/(N-l); λ_n−分光測定装置によって得られたｎ次データ；n=l,...,Nに対するλ_min+(n-l )Δλ； x(λ)−研究中のサンプルの実スペクトル ｌ−スペクトルx(λ)が構成されるピークの位置のベクトル；l=[l₁l₂...l_K]^T； ｌ’−ｌの推定値 ａ−スペクトルx(λ)が構成されるピークの大きさのベクトル； a=[α₁α₂...α_K]^T； ａ’−ａの推定値 s(λ;l,a)−下記の形式を取ると仮定される研究中のサンプルの理想化されたス ペクトル； 上記のように、分光測定器械設備の計測学的実施における増加は、光学ハード ウェアへの改良に基づいている。光学ハードウェア実装のサイズと質における制 限は、一般的に単一の現場試験環境での設置および使用に良く適さない、大きな かつ高価な分光計システムに終わる。ここに記述したものは、ディジタル信号処 理を使用してシステムの解像度を増強する、より低い解像度の光学ハードウェア を使用した分光計である。ここで提案された解決法は優美であり、極めて有利で ある。ここに記述した方法は、統合広帯域分光計の実装を可能にする。更に、本 発明はスペクトル解像度を強化する取り組みを変更することに意義を有し、それ によって現場適用に対する分光計の設計および実装での多くの既知の障害を回避 する。 分光計のサイズの制限の一つは、そこに入射する光の量である。一般的な分光 計は入射光を有限の解像度のスペクトル帯域に分割するので、光はそれによって 分割され、その光度はそれによって影響を受ける。例えば、入射光が１００個の スペクトル帯域に分割された時、その結果生じる各帯域は精々入射光の１００分 の一を受光する。これらの帯域はそれぞれ、１００ｎｍの全帯域に対してはスペ クトル帯域の１ｎｍを、１０ｎｍの全帯域に対してはスペクトル帯域の０．１ｎ ｍを、または１０００ｎｍの全帯域に対してはスペクトル帯域の１０ｎｍを表す 。広範囲の波長が単一帯域に含まれているので、不運なことに、帯域が大きい程 、スペクトル情報は検査した時少ない値を持つ。例えば、分光計の医療適用にお いて、スペクトルにおける小さな差異が重要なので０．１ｎｍ以下のスペクトル 帯域が好ましい。逆に、帯域が狭くなる程、分光計内の検出器に到達する光は少 なくなる。これを克服することは単純な問題である。例えば、スペクトル帯域内 の光を１００倍に増加するためには検出器区域のサイズを１００倍に増加するだ けで良い。本質において、より大きなサイズのセンサーは、スペクトルデータの より高い解像度作像を可能にする。 図２（ａ）を参照して、存在する分光計システムの簡略化された流れ図が示さ れている。測定精度は、光アナログ信号処理の性能に依存している。信号の物理 的性質の光領域から電気領域への変換は、表示および通信目的のために行われる 。 図２（ｂ）に示されたブロック図は、本発明のスペクトル測定の提案された方 法によって設計された分光計に対応する。測定精度はディジタル信号処理の性能 に大いに依存する。本発明によれば、センサー／トランスジューサの光学ハード ウェアは最小化され、光情報は検出器およびアナログ／ディジタル変換器を使用 して電子形式のデータに変換され、次いでデータはディジタル信号処理を使用し て処理される。最終測定結果を得るために、測定された光スペクトル、または使 用者によって規定されたスペクトルのパラメータの推定が行われる。例えば分光 計は、適当なプログラムでディジタル信号プロセッサを使用して、較正される。 較正データは、デバイスの光スペクトル作像の特性に関係する。例えば、トラン スジューサの誤差および不完全さ、並びにその修正および低光解像度に関する修 正に対する変形が決定される。使用の間、一旦スペクトルが描かれ、およびディ ジタル化されると、光構成要素の計測上の不完全さの情報は、例えば、光構成要 素の計測上の不完全さを修正した後、処理のパラメータを測定された光スペクト ルを表す信号に適応することによって、ディジタル化されたスペクトルデータを 修正するために使用される。プロセッサは、次いで測定された光スペクトル、ま たは使用者によって規定されるそのパラメータの推定を決定する。 図３を参照して、本発明による対応するセンサー／トランスジューサの基礎を 成す測定原理が図示されている。この図で、《サンプル》はそのスペクトルが測 定される試料のサンプルである。 果である。 可能にする一の光分光計を使用して得られたスペクトルの測定結果であり、およ び、 ッサを使用して強化された、本発明によるデバイスからの測定結果である。図に おいて、s(λ;l,a)はスペクトル識別特性、すなわち研究中のサンプルの特性ピ ーク位置、および大きさのセットである。あるいは、測定結果は同じスペクトル 識別特性を持つ再構成されたスペクトルである。 特許請求の範囲 請求項１． 光を分散する分散要素と、分散光を、スペクトル・データを表す 電気信号に変換する光電検出器とを含む低解像度トランスデューサと； より高い解像度を有するサンプルの既知スペクトルに、サンプルの得られたス ペクトルに関連する記憶されたデータを使用するスペクトル・データを相当高め るための処理装置と； を具備する分光計。 請求項２． トランスデューサが、５ｎｍと１５ｎｍ間のスペクトル解像度を 有する光回折格子を有し、得られたスペクトル・データがトランスデューサの解 像度の少なくとも１０倍の解像度を有する請求項１に記載の分光計。 請求項３． トランスデューサが、分散要素以外のスペクトルの光学処理を実 行するための不在手段(absent means)である請求項１に記載の分光計。 請求項４． トランスデューサが、５ｎｍより小さい解像度を有する光回折格 子を有し、得られたスペクトル・データが２ｎｍより大きい解像度を有するスペ クトルを使用して得られた近似するスペクトル・データを提供する請求項１に記 載の分光計。 請求項５． 単一一体構成要素が、トランスデューサを含んでいる請求項１に 記載の分光計。 請求項６． 単一一体構成要素が、トランスデューサと処理装置を含んでいる 請求項１に記載の分光計。 請求項７． トランスデューサが、広帯域スペクトルに関するスペクトル・デ ータを提供する広帯域トランスデューサである請求項１に記載の分光計。 請求項８． 処理装置がトランスデューサを用いて得られたサンプルのスペク トルに関するデータと、同じサンプルの実質上理想的なスペク トルに関するデータとを記憶するための記憶装置と、記憶装置内に記憶されたデ ータに基づいて得られたスペクトルからより高い解像度を有するスペクトルの評 価を決定するための処理手段とを含んでいる請求項１に記載の分光計。 請求項９． 既知のスペクトルを有するサンプルに関するスペクトル情報を受 信し、得られたスペクトルと既知のスペクトルに関するデータを決定し、記憶装 置にデータを記憶するための構成手段を含んでいる請求項８に記載の分光計。 請求項１０． 処理装置が、既知のスペクトルx^cal(λ)を有するサン 憶装置に記憶するための構成手段を具備する請求項８に記載の分光計。 請求項１１． 処理装置がトランスデューサと併用するためにカスタマイズさ れた請求項１０に記載の分光計。 請求項１２． 処理装置が、 を評価するための手段と； ピークの大きさを評価するための手段と； ピークの位置と大きさａの評価を反復修正するための手段と； を具備する請求項８に記載の分光計。 請求項１３． 処理装置に温度情報を提供する温度トランスデューサを含み、 処理装置が温度に関する感知されたばらつきに関係なくスペクトル・データ中の エラーを修正する請求項１に記載の分光計。 請求項１４． 低解像度トランスデューサが４ｎｍより小さい解像度を有し、 処理装置がスペクトル・データの解像度を高めて、トランスデューサの解像度よ りも少なくとも２倍の解像度を有するスペクトル・データを提供する請求項１に 記載の分光計。 請求項１５． 電子放射線を受信し、そのスペクトルを測定する、ポートを含 む低解像度トランスデューサと；ポートで受信された電磁放射を受信し、受信さ れた電磁放射を分散し、さらに分散された電磁放射を提供する分散要素と；分散 要素からの分散電磁放射を受信し、さらに分散電磁放射をスペクトル・データを 表す電気信号に変換するための光電検出器と；スペクトル・データを表す電気信 号をスペクトル・データを表すデジタル電気信号に変換するためのアナログ／デ ジタル変換器と；スペクトル・データの解像度を相当高め、より高い解像度を有 するサンプルの知己スペクトルに対して、サンプルの得られたスペクトルに関係 する記憶データを使用してスペクトル・データ内のあるエラーを修正するための 処理装置とを具備する分光センサー。 請求項１６． 低解像度トランスデューサが分散要素以外の不在光学処理要素 である請求項１５に記載の分光センサー。 請求項１７． 処理装置が、高められた解像度でスペクトル・データからスペ クトル符号定数を抽出するための手段を含んでいる請求項１５に記載の分光セン サー。 請求項１８． エラーがトランスデューサ中の不完全性に起因するエラーを含 んでいる請求項１５に記載の分光センサー。 請求項１９． 温度情報を処理装置に提供する温度トランスデューサを含み、 エラーが温度のばらつきに起因するエラーを含んでいる請求項 １５に記載の分光センサー。 請求項２０． 低解像度トランスデューサが２ｎｍより小さい解像度を有する 請求項１５に記載の分光センサー。 請求項２１． スペクトル・トランスデューサを使用してサンプルの第１スペ クトルを得る工程と； 第１スペクトルを、同じサンプルの既知スペクトルを表すデータと比較する工 程と； 第１スペクトルを既知スペクトルの近似値に変換するために構成データを決定 する工程と； 低解像度スペクトル・トランスデューサを使用して第２サンプルのスペクトル を得る工程と； 較正データを使用して第２サンプルのための理想的スペクトルを評価し、この 評価が決定された変換を使用して実行される評価工程と； を含むスペクトル測定方法。 請求項２２． スペクトル・トランスデューサが５ｎｍより小さい解像度を有 する請求項２１に記載のスペクトル測定方法。 請求項２３． 低解像度スペクトル・トランスデューサが１ｎｍから１５ｎｍ までの解像度を有する請求項２１に記載のスペクトル測定方法。 既知スペクトルがx^cal(λ)によって規定され、また、 較正データが、 形態を選択する工程と； によって規定され、 決定パラメータを含む較正データを、記憶装置に記憶する請求項２１に記載の スペクトル測定方法。 請求項２５． 理想スペクトルを評価する工程が： を評価する工程と； ピークの大きさを評価する工程と； ピークのパラメータの評価を反復修正する工程と； を含む請求項２１に記載のスペクトル測定方法。 請求項２６． ピークの大きさａの評価と、ピークの大きさａと位置Ｉの評価 の反復修正の工程が、 と、 の一つを使用して実行され、ここにＬが、次のオプション：q=2と を有する一連の可能な解答である請求項２５に記載のスペクトル測定方法。 請求項２７． データの前処理の工程を含む請求項２１に記載のスペクトル測 定方法。 請求項２８． 前処理工程がデータの標準化工程を含む請求項２７に記載のス ペクトル測定方法。 請求項２９． 前処理工程がデータの平滑化工程を含む請求項２７に記載のス ペクトル測定方法。 請求項３０． 前処理工程がデータのベースラインの修正を実行する 工程を含む請求項２７に記載のスペクトル測定方法。 請求項３１． 較正データが、得られたスペクトルデータの数学的変換を含み 、前記数学的変換がデータを理想的スペクトル・データの近似値に変換するため である請求項２１に記載のスペクトル測定方法。 請求項３２． 較正データがスペクトル・トランスデューサ中の欠陥に関係す る請求項２１に記載のスペクトル測定方法。 請求項３３． スペクトル・トランスデューサによって得られたデータが、特 定タスクのための不十分な情報を含み、また、評価された理想スペクトルが前記 タスクのための十分な情報を含んでいる請求項２１に記載のスペクトル測定方法 。 請求項３４． スペクトル・トランスデューサが低解像度スペクトル・トラン スデューサである請求項２１に記載のスペクトル測定方法。 請求項３５． 評価された理想スペクトルが第１スペクトル・トランスデュー サの解像度の少なくとも５倍の解像度を有する請求項２１に記載のスペクトル測 定方法。 請求項３６． 評価された理想スペクトルが第１スペクトル・トランスデュー サの解像度の少なくとも１０倍の解像度を有する請求項２１に記載のスペクトル 測定方法。 請求項３７． 第２サンプルのための理想スペクトルを評価する工程が較正デ ータを使用し、決定変換を使用して実行される評価が評価スペクトルの結果とな り、評価スペクトルが分光トランスデューサ中の不完全性のために修正される請 求項２１に記載のスペクトル測定方法。 請求項３８． 較正が分光トランスデューサに関するデータを決定し、分光ト ランスデューサを含む分光計を較正する工程と； サンプルのスペクトルを結像する工程と； 決定データに基づき、かつ、結像スペクトルに関してスペクトル s(λ;l,m)を再構築し、再構築されたスペクトルが結像スペクトルよりも高い解 像度を有する工程と； を含むスペクトル測定方法。 づいてパラメータＩとａを評価する工程を含む請求項３８に記載のスペクトル測 定方法。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ， ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，ＫＥ，Ｌ Ｓ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ， ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，Ｅ Ｅ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＧＷ，ＨＵ ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ， ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，Ｍ Ｄ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ， ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，Ｕ Ｚ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＷ (72)発明者 スリマ・モハメド・ビー カナダ ケベック州 Ｇ８Ｙ ５Ｗ５ ト ロイス―リビエアズ プレイス デス チ ェノックス 114

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 請求項１． 光を分散する分散要素と分散光をスペクトル・データを表す電気 信号に変換する光電検出器とを含み、４ｎｍより小さいスペクトル解像度を有す るトランスデューサと、トランスデューサの解像度より少なくとも２倍の解像度 を有するスペクトル・データを提供するスペクトル・データの解像度に高めるた めの処理装置とを具備する分光計。 請求項２． トランスデューサが、５ｎｍと１５ｎｍ間のスペクトル解像度を 有する光回折格子を有し、得られたスペクトル・データがトランスデューサの解 像度の少なくとも１０倍の解像度を有する請求項１に記載の分光計。 請求項３． トランスデューサが、分散要素以外のスペクトルの光学処理を実 行するための不在手段(absent Means)である請求項１に記載の分光計。 請求項４． トランスデューサが、５ｎｍより小さい解像度を有する光回折格 子を有し、得られたスペクトル・データが２ｎｍより大きい解像度を有するスペ クトルを使用して得られた近似するスペクトル・データを提供する請求項１に記 載の分光計。 請求項５． 単一一体構成要素が、トランスデューサを含んでいる請求項１に 記載の分光計。 請求項６． 単一一体構成要素が、トランスデューサと処理装置を含んでいる 請求項１に記載の分光計。 請求項７． トランスデューサが、広帯域スペクトルに関するスペクトル・デ ータを提供する広帯域トランスデューサである請求項１に記載の分光計。 請求項８． 処理装置がトランスデューサを用いて得られたサンプルのスペク トルに関するデータと、同じサンプルの実質上理想的なスペク トルに関するデータとを記憶するための記憶装置と、記憶装置内に記憶されたデ ータに基づいて得られたスペクトルからより高い解像度を有するスペクトルの評 価を決定するための処理手段とを含んでいる請求項１に記載の分光計。 請求項９． 既知のスペクトルを有するサンプルに関するスペクトル情報を受 信し、得られたスペクトルと既知のスペクトルに関するデータを決定し、記憶装 置にデータを記憶するための構成手段を含んでいる請求項８に記載の分光計。 請求項１０． 処理装置が、既知のスペクトル x^cal(λ)を有するサン 憶装置に記憶するための構成手段を具備する請求項８に記載の分光計。 請求項１１． 処理装置がトランスデューサと併用するためにカスタマイズさ れた請求項１０に記載の分光計。 請求項１２． 処理装置が、 を評価するための手段と； ピークの大きさを評価するための手段と； ピークの位置と大きさａの評価を反復修正するための手段と； を具備する請求項８に記載の分光計。 請求項１３． 処理装置に温度情報を提供する温度トランスデューサを含み、 処理装置が温度に関する感知されたばらつきに関係なくスペクトル・データ中の エラーを修正する請求項１に記載の分光計。 請求項１４． 光を分散する分散要素と、分散光を、スペクトル・デ ータを表す電気信号に変換する光電検出器とを含む低解像度トランスデューサと ； より高い解像度を有するサンプルの既知スペクトルに、サンプルの得られたス ペクトルに関連する記憶されたデータを使用するスペクトル・データを相当高め るための処理装置と； を具備する分光計。 請求項１５． 電子放射線を受信し、そのスペクトルを測定する、ポートを含 む低解像度トランスデューサと；ポートで受信された電磁放射を受信し、受信さ れた電磁放射を分散し、さらに分散された電磁放射を提供する分散要素と；分散 要素からの分散電磁放射を受信し、さらに分散電磁放射をスペクトル・データを 表す電気信号に変換するための光電検出器と；スペクトル・データを表す電気信 号をスペクトル・データを表すデジタル電気信号に変換するためのアナログ／デ ジタル変換器と；スペクトル・データの解像度を相当高め、より高い解像度を有 するサンプルの知己スペクトルに対して、サンプルの得られたスペクトルに関係 する記憶データを使用してスペクトル・データ内のあるエラーを修正するための 処理装置とを具備する分光センサー。 請求項１６． 低解像度トランスデューサが分散要素以外の不在光学処理要素 である請求項１５に記載の分光センサー。 請求項１７． 処理装置が、高められた解像度でスペクトル・データからスペ クトル符号定数を抽出するための手段を含んでいる請求項１５に記載の分光セン サー。 請求項１８． エラーがトランスデューサ中の不完全性に起因するエラーを含 んでいる請求項１５に記載の分光センサー。 請求項１９． 温度情報を処理装置に提供する温度トランスデューサを含み、 エラーが温度のばらつきに起因するエラーを含んでいる請求項 １５に記載の分光センサー。 請求項２０． 低解像度トランスデューサが２ｎｍより小さい解像度を有する 請求項１５に記載の分光センサー。 請求項２１． スペクトル・トランスデューサを使用してサンプルの第１スペ クトルを得る工程と； 第１スペクトルを、同じサンプルの既知スペクトルを表すデータと比較する工 程と； 第１スペクトルを既知スペクトルの近似値に変換するために構成データを決定 する工程と； 低解像度スペクトル・トランスデューサを使用して第２サンプルのスペクトル を得る工程と； 較正データを使用して第２サンプルのための理想的スペクトルを評価し、この 評価が決定された変換を使用して実行される評価工程と； を含むスペクトル測定方法。 請求項２２． スペクトル・トランスデューサが５ｎｍより小さい解像度を有 する請求項２１に記載のスペクトル測定方法。 請求項２３． 低解像度スペクトル・トランスデューサが１ｎｍから１５ｎｍ までの解像度を有する請求項２１に記載のスペクトル測定方法。 既知スペクトルがx^cal(λ)によって規定され、また、 較正データが、 形態を選択する工程と； によって規定され、 決定パラメータを含む較正データを、記憶装置に記憶する請求項２１に記載の スペクトル測定方法。 請求項２５． 理想スペクトルを評価する工程が： を評価する工程と； ピークの大きさを評価する工程と； ピークのパラメータの評価を反復修正する工程と； を含む請求項２１に記載のスペクトル測定方法。 請求項２６． ピークの大きさａの評価と、ピークの大きさａと位置Ｉの評価 の反復修正の工程が、 と、 の一つを使用して実行され、ここにＬが、次のオプション：q=2と を有する一連の可能な解答である請求項２５に記載のスペクトル測定方法。 請求項２７． データの前処理の工程を含む請求項２１に記載のスペクトル測 定方法。 請求項２８． 前処理工程がデータの標準化工程を含む請求項２７に記載のス ペクトル測定方法。 請求項２９． 前処理工程がデータの平滑化工程を含む請求項２７に記載のス ペクトル測定方法。 請求項３０． 前処理工程がデータのベースラインの修正を実行する 工程を含む請求項２７に記載のスペクトル測定方法。 請求項３１． 較正データが、得られたスペクトルデータの数学的変換を含み 、前記数学的変換がデータを理想的スペクトル・データの近似値に変換するため である請求項２１に記載のスペクトル測定方法。 請求項３２． 較正データがスペクトル・トランスデューサ中の欠陥に関係す る請求項２１に記載のスペクトル測定方法。 請求項３３． スペクトル・トランスデューサによって得られたデータが、特 定タスクのための不十分な情報を含み、また、評価された理想スペクトルが前記 タスクのための十分な情報を含んでいる請求項２１に記載のスペクトル測定方法 。 請求項３４． スペクトル・トランスデューサが低解像度スペクトル・トラン スデューサである請求項２１に記載のスペクトル測定方法。 請求項３５． 評価された理想スペクトルが第１スペクトル・トランスデュー サの解像度の少なくとも５倍の解像度を有する請求項２１に記載のスペクトル測 定方法。 請求項３６． 評価された理想スペクトルが第１スペクトル・トランスデュー サの解像度の少なくとも１０倍の解像度を有する請求項２１に記載のスペクトル 測定方法。 請求項３７． 第２サンプルのための理想スペクトルを評価する工程が較正デ ータを使用し、決定変換を使用して実行される評価が評価スペクトルの結果とな り、評価スペクトルが分光トランスデューサ中の不完全性のために修正される請 求項２１に記載のスペクトル測定方法。 請求項３８． 較正が分光トランスデューサに関するデータを決定し、分光ト ランスデューサを含む分光計を較正する工程と； サンプルのスペクトルを結像する工程と； 決定データに基づき、かつ、結像スペクトルに関してスペクトル s(λ;l,a)を再構築し、再構築されたスペクトルが結像スペクトルよりも高い解 像度を有する工程と； を含むスペクトル測定方法。 づいてパラメータＩとａを評価する工程を含む請求項３８に記載のスペクトル測 定方法。