JP2005164589A

JP2005164589A - 時変型スペクトルの分解能の向上のための分光成分の分析方法及びその装置

Info

Publication number: JP2005164589A
Application number: JP2004340993A
Authority: JP
Inventors: Wan-Taek Han; 玩澤韓
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2003-11-28
Filing date: 2004-11-25
Publication date: 2005-06-23
Also published as: KR20050052654A; US7245372B2; EP1536221A3; KR100571825B1; US20050117151A1; EP1536221B1; EP1536221A2

Abstract

【課題】時変型スペクトルの分解能の向上のための分光成分の分析方法及びその装置を提供する。
【解決手段】試料に光源を照射する段階と、試料を通過した光スペクトルを検出する段階と、検出された光スペクトルを任意の時間間隔で分割する段階と、分割された光スペクトルに加重値ベクトルと利得及びオフセットベクトルとを適用して分解能ベクトルを生成する段階と、分解能ベクトルのアナログ信号をデジタル信号に量子化する段階と、量子化されたスペクトルを光スペクトルのサイズに復元する段階と、を含む分光成分の分析方法である。
【選択図】図１

Description

本発明は分光学的成分の分析装置及び方法に係り、特に、時変型（time-varying）スペクトルの分解能の向上方法及びその装置に関する。

分光学的な成分の分析方法は、光源を試料と基準物質とにそれぞれ照射し、検出されたそれぞれのスペクトル振幅を比較して試料の成分を分析する。試料のスペクトル全体帯域を参照すれば、試料の主成分は残りの成分と区分される意味のあるスペクトルを有するが、このスペクトルの振幅を分析して試料の成分とその量とを推定する。
従来の分光学的な成分の分析方法は、ランプによって放射された赤外線が、選択されたフィルタを通過し、放射の特定周波数が試料に衝突して反射されるが、これを光電管で検出した後に一つの増幅器を使用して増幅させる。増幅器による利得誤差は、サンプル＆ホールド回路によって解決される。しかし、測定チャンネルの数だけサンプル＆ホールド回路を備えなければならないため、製作コストが高まるという短所を有する。

従来の他の分光学的な成分の分析方法は、複数の増幅器を使用してスペクトルを検出するが、複数の増幅器を使用することによってシステムが複雑になり、またチャンネルが追加されるにつれてシステム製作コストが高まるという短所を有する。そして、それぞれの増幅器ごとに利得誤差を有するため、分析正確性が劣るという短所がある。
一方、分析しようとする試料のスペクトル振幅が一定のサイズを有するならば、光信号を増幅器で増幅してスペクトルを検出することは容易である。しかし、試料のスペクトル振幅が異なれば、スペクトルを分析するほどの十分な信号対雑音比を確保できないため、試料の成分分析をあきらめるか、または他の波長を選定しなければならないという問題がある。

したがって、検出されるスペクトル中でその振幅差が大きくて分光学的に分析し難い場合に、スペクトルの分解能を適応的に向上させてスペクトル分析を容易にする方法が要求される。

本発明が解決しようとする目的は、スペクトルの分解能を適応的に向上させる方法を提供することである。
本発明が解決しようとする他の目的は、スペクトル分解能を向上させる分光成分の分析装置を提供することである。

前記目的を達成するために、本発明の一面による分光成分の分析方法は、試料に光源を照射する段階と、試料を通過した光スペクトルを検出する段階と、検出された光スペクトルを任意の時間間隔で分割する段階と、分割された光スペクトルに加重値ベクトルと利得及びオフセットベクトルとを適用して分解能ベクトルを生成する段階と、分解能ベクトルのアナログ信号をデジタル信号に量子化する段階と、量子化されたスペクトルを前記光スペクトルのサイズに復元する段階とを含む。

望ましくは、加重値ベクトルは、分割された光スペクトルで分解能を増加させる関心領域を選定し、利得及びオフセットベクトルは、関心領域のスペクトルを増幅して動的活性領域でスペクトルのサイズを調節する。
前記目的を達成するために、本発明の他の面による分光成分の分析方法は、試料に光源を照射する段階と、試料を通過した光スペクトルを検出する段階と、検出された光スペクトルを任意の時間間隔で分割する段階と、分割された光スペクトルで関心領域を表示する加重値ベクトルを生成する段階と、関心領域のスペクトルサイズを増幅するための利得及びオフセットベクトルを生成する段階と、検出された光スペクトルのサイズ通りに復元させる合成ベクトルを生成する段階と、検出された光スペクトルに加重値ベクトルを積算して関心領域ベクトルを生成する段階と、関心領域ベクトルに利得及びオフセットベクトルを積算して分解能ベクトルを生成する段階と、分解能ベクトルを合成ベクトルと積算して復元ベクトルを生成する段階と、復元ベクトルを加算して検出された光スペクトルサイズに分解能の向上したスペクトルを得る段階とを含む。

前記他の目的を達成するために、本発明の分光成分の分析装置は、光源と、試料と、光源を試料に照射して現れる光スペクトルを検出する検出器と、光スペクトルの関心領域に対して所定の加重値ベクトルと利得及びオフセットベクトルとを調整するスペクトルウェイティングブロックと、加重値ベクトルと利得及びオフセットベクトルとに応答して検出器によって検出された光スペクトルを増幅して分解能ベクトルを生成するアップダウン分解能ブロックと、アップダウン分解能ブロックの出力である分解能ベクトルを受信してデジタル信号に変換させるアナログ−デジタル（Ａ/Ｄ）変換部と、Ａ/Ｄ変換部の出力を光スペクトルのサイズに復元する合成ベクトルで積算して復元ベクトルを生成し、復元ベクトルを加算して分解能の向上したスペクトルを出力するスペクトル合成ブロックとを含む。

さらに望ましくは、加重値ベクトルは、一定時間間隔で分割された光スペクトルにおいて、その振幅が小さくて分解能の低い領域を関心領域に選定する。アップダウン分解能ブロックは、スペクトルウェイティング制御部から利得ベクトルを受信する利得制御部と、スペクトルウェイティングブロックからオフセットベクトルを受信するオフセット制御部と、利得ベクトルとオフセットベクトルとに応答して関心領域のスペクトルを増幅する増幅部とを含む。

本発明の分光成分の分析方法及び装置によれば、振幅差の大きいスペクトルに対して一定時間間隔で分割した後、時間間隔別に異なって分解能を適用させてスペクトルを分析する。これにより、関心のある領域のスペクトルの分解能と精度、そして信号対雑音比が向上する。また、関心領域の数が多い場合、従来の分光成分分析装置で複数の増幅器やサンプル＆ホルダーの必要によってシステム構成が大きくなり、かつコスト高となる一方、小さなサイズに低コストでシステムを構成しうる。そして、スペクトル測定回数を減少させることによって、従来の成分の分析方法に比べてドリフトによるノイズの影響を減少させる。

本発明と本発明の動作上の利点及び本発明の実施によって達成される目的を十分に理解するためには、本発明の望ましい実施形態を示す添付図面、及び添付図面に記載された内容を参照しなければならない。
以下、添付した図面を参照して本発明の望ましい実施形態を説明することによって、本発明を詳細に説明する。各図面に提示された同じ参照符号は、同じ部材を表す。

図１は、本発明の一実施形態による分光的成分の分析装置を説明する図面である。これを参照すれば、分光的成分の分析装置１００は、光源１１０、試料１２０、検出部１３０、アップダウン分解能ブロック１４０、スペクトル関心領域ウェイティングブロック１５０（ＳｐｅｃｔｒａｌＲｅｇｉｏｎＯｆＩｎｔｅｒｅｓｔＷｅｉｇｈｔｉｎｇＢｌｏｃｋ、以下“スペクトルＲＯＩウェイティングブロック”と称す）、Ａ/Ｄ変換部１６０、そしてスペクトル合成ブロック１７０を含む。

光源１１０から出た光は、試料１２０を通過して検出部１３０に伝えられる。検出部１４０は、光信号を電気的信号に変換する。電気的信号は、電流の変化で現れるが、この電流の変化を時間的に表したものをスペクトルという。検出部１４０の電流の変化量、すなわち、スペクトルは、そのサイズが微弱であるため、増幅器１４２を通じてそのサイズが増幅される。

アップダウン分解能ブロック１４０は、増幅部１４２と利得制御部１４４、そしてオフセット制御部１４４を含む。増幅部１４２は、検出部１３０の出力スペクトル信号（ｘ(ｎ)）を増幅し、動的活性領域に合うようにスペクトルのサイズを調節する。増幅部１４２で増幅されるスペクトル信号は、経時的に任意の時間間隔でまたは任意の時間間隔で分割されうるが、この時に分割された時間間隔で分布されるスペクトルは、利得制御部１４２及びオフセット制御部１４４から提供される調節信号の利得値とオフセット値とによってそれぞれ別に増幅されうる。

利得制御部１４２及びオフセット制御部１４４の調節信号は、スペクトルＲＯＩウェイティングブロック１５０で提供される。スペクトルＲＯＩウェイティングブロック１５０は、ＣＰＵ１５２とデータメモリブロック１５４とより構成され、試料１２０のスペクトル上で試料分析に有用に使用されるスペクトル波長帯域を選定し、この選定された波長帯域によってスペクトルを経時的に分割する。分割された波長帯域でのスペクトルは、その振幅によって分解能を増加させる部分に選定される。分解能を増加させるスペクトル部分は、スペクトルＲＯＩウェイティングブロック１５０で生成される加重値ベクトルによって決定される。この加重値ベクトルが利得制御部１４２とオフセット制御部１４４とに提供される。

Ａ/Ｄ変換部１６０は、増幅されたスペクトルをデジタル信号に量子化してスペクトル合成ブロック１７０に伝達する。スペクトル合成ブロック１７０は、アップダウン分解能ブロック１４０で時間間隔別に異なって適用された分解能を有するスペクトルを、元来のスペクトルサイズに合成する。
以下、スペクトルの分解能を向上させるために、図２のフローチャートで求められるベクトルを図３のブロックダイヤグラムに適用して関心領域のスペクトルを分解する方法が具体的に説明される。

図２を参照すれば、検出部１３０（図１参照）から受信された元来のスペクトルｘ(ｎ)で分解能を向上させる部分を選定する（２１０）。ｘ(ｎ)スペクトルを任意の時間間隔で分けた（２２０）後、分けられた時間間隔を基準として加重値ベクトルＷを構成する（２３０）。加重値ベクトルＷと時間間隔によって、ｘ(ｎ)スペクトルの利得及びオフセットを変化させるベクトルＲを構成する（２４０）。そして、ｘ(ｎ)スペクトルのサイズに復元させるベクトルＳを構成する（２５０）。

図３を参照すれば、スペクトルＲＯＩウェイティングブロック１５０が検出部１３０（図１参照）から受信された元来のスペクトルｘ(ｎ)に加重値ベクトルＷを積算して関心領域ベクトルｖ(ｎ)を生成させる。加重値ベクトルＷを例示的に次のように表す。

そして、関心領域ベクトルｖ(ｎ)を次のように表す。

図４は、元来のスペクトルｘ(ｎ)に対して加重値ベクトルＷと関心領域ベクトルｖ(ｎ)とを示す図面である。第２関心領域ベクトルｖ₁(n)の分解能が、例えば、８と現れるのに対して、第４関心領域ベクトルｖ₃(n)の分解能が３と現れる。これは、第４関心領域ベクトルｖ₃(n)のサイズが相対的に小さいために現れる現象である。

また、図３で、アップダウン分解能ブロック１４０は、関心領域ベクトルｖ(ｎ)を受信して利得及びオフセットベクトルＲで関数積して分解能ベクトルｒ(ｎ)を生成する。利得及びオフセットベクトルＲは、次のように定義される。

分解能ベクトルｒ(ｎ)は、関心領域ベクトルｖ(ｎ)と利得及びオフセットベクトルＲとの関数積で表せば、次の通りである。

で表現される。

分解能ベクトルｒ(ｎ)は、元来のベクトルｘ(ｎ)のサイズに復元させるための合成ベクトルＳと関数積されて復元ベクトルｚ(ｎ)を生成する。合成ベクトルＳは、次のように定義される。

復元ベクトルｚ(ｎ)は、合成ベクトルＳと分解能ベクトルｒ(ｎ)との関数積で表せば、次の通りである。

で表現される。

図５は、元来のスペクトルｘ(ｎ)に対して、分解能ベクトルｒ(ｎ)と復元ベクトルｚ(ｎ)とを表す図面であって、前記図４で分解能が３と現れた第４関心領域ベクトルｖ₃(n)が、分解能７の第４復元ベクトルz₃(n)に分解能が向上したことを表す。
この後、復元ベクトルｚ(ｎ)の和で分解能の向上したスペクトルｘ^−（ｎ）が得られる。

したがって、本実施形態の分光成分の分析装置１００を利用して時間間隔別にスペクトルの分解能を向上させる方法を整理すれば、図６の通りである。これを参照すれば、光源を試料に照射して（６１０）、試料を通過した光を検出部を通じて検出する（６２０）。定義された加重値ベクトルＷと利得及びオフセットベクトルＲとによって、アップダウン分解能ブロックから検出されたスペクトルの利得及びオフセットを調整する（６３０）。アップダウン分解能ブロックを通過したスペクトルをＡ/Ｄ変換部で量子化した（６４０）後、分解能の向上した量子化されたスペクトルを元来のスペクトルサイズに復元する（６５０）。この時、向上した分解能は、そのまま維持しつつ復元される。結果的に、分解能の向上したスペクトルが算出される（６６０）。

本発明は、図面に示された一実施形態を参考として説明されたが、これは例示的なものに過ぎず、当業者ならば、これから多様な変形及び均等な他の実施形態が可能であることが分かる。したがって、本発明の真の技術的保護範囲は、特許請求の範囲の技術的思想によって決定されなければならない。

本発明は、時変型スペクトルの分解能の向上方法を利用する分光学的成分の分析装置に適用可能である。

本発明の一実施形態による分光成分の分析装置を説明する図面である。図１の分光成分の分析装置に適用されるベクトルの生成順序を説明する図面である。図１の分光成分の分析装置内のベクトルの流れをさらに具体的に説明する図面である。試料から検出された元来のスペクトル及び分解能の向上したスペクトルを示す図面である。試料から検出された元来のスペクトル及び分解能の向上したスペクトルを示す図面である。本発明の分光成分の分析装置の動作を説明するフローチャートである。

符号の説明

１００…分光的成分の分析装置
１１０…光源
１２０…試料
１３０…検出部
１４０…アップダウン分解能ブロック
１４２…増幅部
１４４…利得制御部
１４６…オフセット制御部
１５０…スペクトルＲＯＩウェイティングブロック
１５２，１７２…ＣＰＵ
１５４，１７４…データメモリブロック
１６０…Ａ／Ｄ変換部
１７０…スペクトル合成ブロック
１７２…ＣＰＵ

Claims

試料に光源を照射する段階と、
前記試料を通過した光スペクトルを検出する段階と、
前記検出されたスペクトルを任意の時間間隔で分割する段階と、
前記分割されたスペクトルに加重値ベクトルと利得及びオフセットベクトルを適用して分解能ベクトルを生成する段階と、
前記分解能ベクトルのアナログ信号をデジタル信号に量子化する段階と、
前記量子化されたスペクトルに合成ベクトルを適用して前記光スペクトルのサイズに復元する段階と
を備えることを特徴とする分光成分の分析方法。
前記加重値ベクトルは、
前記分割されたスペクトル中で当該スペクトルの分解能を増加させる関心領域を選定することを特徴とする請求項１に記載の分光成分の分析方法。
前記利得及びオフセットベクトルは、
前記当該関心領域のスペクトルを増幅して動的活性領域で前記スペクトルのピークサイズを調節することを特徴とする請求項２に記載の分光成分の分析方法。
前記分解能ベクトルは、

で表示され、
ここで、利得及びオフセットベクトルＲは

で表示され、Ｈは前記利得を、そしてＧは前記オフセットを表すことを特徴とする請求項１に記載の分光成分の分析方法。
前記合成ベクトルは、

で表し、Ｈは前記利得を、そしてＧは前記オフセットを表すことを特徴とする請求項１に記載の分光成分の分析方法。
前記加重値ベクトルは、

で表すことを特徴とする請求項１に記載の分光成分の分析方法。
試料に光源を照射する段階と、
前記試料を通過した光スペクトルを検出する段階と、
前記検出されたスペクトルを任意の時間間隔で分割する段階と、
前記分割されたスペクトルで関心領域を表示する加重値ベクトルを生成する段階と、
前記関心領域のスペクトルサイズを増幅するための利得及びオフセットベクトルを生成する段階と、
前記光スペクトルのサイズ通りに復元させる合成ベクトルを生成する段階と、
前記光スペクトルに前記加重値ベクトルを積算して関心領域ベクトルを生成する段階と、
前記関心領域ベクトルに前記利得及びオフセットベクトルを積算して分解能ベクトルを生成する段階と、
前記分解能ベクトルを前記合成ベクトルと積算して復元ベクトルを生成する段階と、
前記復元ベクトルを加算して前記光スペクトルサイズに分解能が向上したスペクトルを得る段階と
を備えることを特徴とする分光成分の分析方法。
前記利得及びオフセットベクトルは、
前記当該関心領域のスペクトルを増幅して動的活性領域で前記スペクトルのピークサイズを調節することを特徴とする請求項７に記載の分光成分の分析方法。
前記加重値ベクトルは、

で表示されることを特徴とする請求項７に記載の分光成分の分析方法。
前記分解能ベクトルは、

で表示され、
ここで、利得及びオフセットベクトルＲは、

で表示され、Ｈは前記利得を、そしてＧは前記オフセットを表すことを特徴とする請求項７に記載の分光成分の分析方法。
前記合成ベクトルは、

で表し、Ｈは前記利得を、そしてＧは前記オフセットを表すことを特徴とする請求項７に記載の分光成分の分析方法。
光源と、
試料と、
前記光源を前記試料に照射して現れる光スペクトルを検出する検出器と、
前記光スペクトルの関心領域に対して所定の加重値ベクトルと利得及びオフセットベクトルとを調整するスペクトルウェイティングブロックと、
前記加重値ベクトルと利得及びオフセットベクトルとに応答して前記検出器によって検出された光スペクトルを増幅して分解能ベクトルを生成するアップダウン分解能ブロックと、
前記アップダウン分解能ブロックの出力である前記分解能ベクトルを受信してデジタル信号に変換させるアナログ−デジタル変換部と、
前記アナログ−デジタル変換部の出力を前記光スペクトルのサイズに復元する合成ベクトルで積算して復元ベクトルを生成し、前記復元ベクトルを加算して分解能の向上したスペクトルを出力するスペクトル合成ブロックと
を備えることを特徴とする分光成分の分析装置。
前記加重値ベクトルは、一定時間間隔で分割された前記光スペクトルにおいて、その振幅が小さくて、前記分解能の低い領域を前記関心領域に選定することを特徴とする請求項１２に記載の分光成分の分析装置。
前記利得及びオフセットベクトルは、前記当該関心領域のスペクトルを増幅して、動的活性領域で前記スペクトルのピークサイズを調節することを特徴とする請求項１２に記載の分光成分の分析装置。
前記アップダウン分解能ブロックは、
前記スペクトルウェイティング制御部から前記利得ベクトルを受信する利得制御部と、
前記スペクトルウェイティングブロックから前記オフセットベクトルを受信するオフセット制御部と、
前記利得ベクトルと前記オフセットベクトルとに応答して前記関心領域のスペクトルを増幅する増幅部と
を備えることを特徴とする請求項１２に記載の分光成分の分析装置。
前記加重値ベクトルは、

で表示されることを特徴とする請求項１２に記載の分光成分の分析装置。
前記分解能ベクトルは、

で表示され、
ここで、利得及びオフセットベクトルＲは、

で表示され、Ｈは前記利得を、そしてＧは前記オフセットを表すことを特徴とする請求項１２に記載の分光成分の分析装置。
前記合成ベクトルは、

で表し、Ｈは前記利得を、そしてＧは前記オフセットを表すことを特徴とする請求項１０に記載の分光成分の分析装置。