JP2015114136A

JP2015114136A - 吸収スペクトル解析装置、物質の吸収スペクトルのベースライン設定方法、及びコンピュータプログラム

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Publication number: JP2015114136A
Application number: JP2013254591A
Authority: JP
Inventors: 宏哲吉岡; Hiroaki Yoshioka
Original assignee: IRIS KK
Current assignee: IRIS KK
Priority date: 2013-12-10
Filing date: 2013-12-10
Publication date: 2015-06-22
Anticipated expiration: 2033-12-10
Also published as: JP5621154B1

Abstract

【課題】検量線を用いることなく吸収スペクトルのベースラインを設定することが可能な吸収スペクトル解析装置、物質の吸収スペクトルのベースライン設定方法、及びコンピュータプログラムを提供する。【解決手段】太陽を光源とした赤外分光法にて測定された吸収スペクトルの実測値の複数のピークにおける波数を特定し、特定された複数の波数のそれぞれに対応する吸収スペクトルの理論値の透過率を特定し、特定された各透過率を補間して理論値補間ラインを生成する。また、吸収スペクトルの理論値の複数のピークにおける波数を特定し、特定された複数の波数のそれぞれに対応する吸収スペクトルの実測値の透過率を特定し、特定された各透過率を補間して実測値補間ラインを生成する。理論値補間ラインと実測値補間ラインを波数毎に平均して得た線を、ベースラインとして設定する。【選択図】図６

Description

本発明は、物質の吸収スペクトルのベースラインを設定するための吸収スペクトル解析装置、物質の吸収スペクトルのベースライン設定方法、及びコンピュータプログラムに関する。

ガス（例えば、大気）中の特定の物質の濃度を検出するために、ガスを光学的に測定して前記特定の物質の吸収スペクトルを得ることが知られている。

例えば、特許文献１には、フーリエ変換赤外分光法（ＦＴ−ＩＲ法）を用いたガス分析装置が開示されている。この特許文献１に記載されたガス分析装置では、検量線において、所定波数域に見られる測定成分固有のピーク値が、測定によって得られた吸収スペクトルデータに見られるか否かを判定し、その判定の結果、所定波数域にピーク値がなければ、測定対象のガス中にエタノール等の所定の測定成分が含まれていないとして、その吸収スペクトルデータを用いてベースラインを補正する。

特開２０１０−１５１６２４号公報

分光法を用いて物質の濃度を正確に測定するためには、正確なベースラインを設定することが不可欠である。しかしながら、特許文献１のガス分析装置にあっては、ベースラインの補正に検量線を必要とする。検量線を作成するためには、標準物質を用いて吸収スペクトルを測定しなければならず、作業者にとって負担が大きい。

本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、その主たる目的は、検量線を用いることなく吸収スペクトルのベースラインを設定することが可能な吸収スペクトル解析装置、物質の吸収スペクトルのベースライン設定方法、及びコンピュータプログラムを提供することにある。

上述した課題を解決するために、本発明の一の態様の吸収スペクトル解析装置は、波長又は波数と特定の物質の吸光度又は透過率との関係を示す吸収スペクトルの実測値と、波長又は波数と前記特定の物質の吸光度又は透過率との関係を示す吸収スペクトルの理論値とに基づいて、前記特定の物質の吸収スペクトルのベースラインを設定する吸収スペクトル解析装置であって、前記特定の物質の吸収スペクトルの測定データを取得する実測値取得手段と、前記特定の物質の吸収スペクトルの理論値を取得する理論値取得手段と、前記実測値取得部によって取得された前記測定データに基づいて、吸光度又は透過率の実測値の複数のピークにおける波長又は波数を特定する第１波長・波数特定手段と、前記第１波長・波数特定手段によって特定された複数の波長又は波数における前記吸収スペクトルの理論値の吸光度又は透過率を特定する理論値特定手段と、前記理論値取得手段によって取得された前記吸収スペクトルの理論値に基づいて、吸光度又は透過率の理論値の複数のピークにおける波長又は波数を特定する第２波長・波数特定手段と、前記第２波長・波数特定手段によって特定された複数の波長又は波数における前記吸収スペクトルの実測値の吸光度又は透過率を特定する実測値特定手段と、前記理論値特定手段によって特定された複数の理論値を補間して、理論値補間ラインを生成する第１補間ライン生成手段と、前記実測値特定手段によって特定された複数の実測値を補間して、実測値補間ラインを生成する第２補間ライン生成手段と、前記第１補間ライン生成手段によって生成された前記理論値補間ラインと、前記第２補間ライン生成手段によって生成された前記実測値補間ラインとを、波長又は波数毎に平均した結果を、前記特定の物質の吸収スペクトルのベースラインとして設定するベースライン設定手段と、を備える。

この態様において、前記第１補間ライン生成手段は、前記理論値特定手段によって特定された複数の理論値を直線補間して、理論値補間ラインを生成するように構成されており、前記第２補間ライン生成手段は、前記実測値特定手段によって特定された複数の実測値を直線補間して、実測値補間ラインを生成するように構成されていてもよい。

上記の態様において、前記実測値取得手段は、前記特定の物質の吸光度又は透過率の理論値の複数のピークにおける波長又は波数に基づいて、吸収スペクトルの実測値を波長又は波数について補正する補正手段を具備し、前記補正手段によって補正された吸収スペクトルの実測値を、前記測定データとして取得するように構成されていてもよい。

上記の態様において、前記理論値取得手段は、前記実測値取得手段によって取得された前記測定データが測定された位置、気温、及び気圧における前記特定の物質の吸収スペクトルの理論値を取得するように構成されていてもよい。

上記の態様において、前記理論値取得手段は、前記実測値取得手段によって取得された前記測定データにおける波長又は波数の範囲における前記特定の物質の吸収スペクトルの理論値を取得するように構成されていてもよい。

上記の態様において、前記第１波長・波数特定手段は、前記実測値取得手段によって取得された前記測定データを、波長又は波数について複数の区間に分割し、分割された各区間において、吸光度又は透過率の実測値の１つのピークを特定し、各ピークにおける波長又は波数を特定するように構成されており、前記第２波長・波数特定手段は、前記第１波長・波数特定手段によって前記測定データが分割された波長又は波数についての複数の区間のそれぞれにおいて、吸光度又は透過率の理論値の１つのピークを特定し、各ピークにおける波長又は波数を特定するように構成されていてもよい。

また、本発明の他の態様の吸収スペクトルのベースラインの設定方法は、波長又は波数と特定の物質の吸光度又は透過率との関係を示す吸収スペクトルの実測値と、波長又は波数と前記特定の物質の吸光度又は透過率との関係を示す吸収スペクトルの理論値とに基づいて、前記特定の物質の吸収スペクトルのベースラインを設定する方法であって、前記特定の物質の吸収スペクトルの測定データを取得するステップと、前記特定の物質の吸収スペクトルの理論値を取得するステップと、取得された前記測定データに基づいて、吸光度又は透過率の実測値の複数のピークにおける波長又は波数を特定するステップと、特定された複数の波長又は波数における前記吸収スペクトルの理論値の吸光度又は透過率を特定するステップと、取得された前記吸収スペクトルの理論値に基づいて、吸光度又は透過率の理論値の複数のピークにおける波長又は波数を特定するステップと、特定された複数の波長又は波数における前記吸収スペクトルの実測値の吸光度又は透過率を特定するステップと、特定された複数の理論値を補間して、理論値補間ラインを生成するステップと、特定された複数の実測値を補間して、実測値補間ラインを生成するステップと、生成された前記理論値補間ラインと、生成された前記実測値補間ラインとを、波長又は波数毎に平均した結果を、前記特定の物質の吸収スペクトルのベースラインとして設定するステップと、を有する。

また、本発明の他の態様のコンピュータプログラムは、波長又は波数と特定の物質の吸光度又は透過率との関係を示す吸収スペクトルの実測値と、波長又は波数と前記特定の物質の吸光度又は透過率との関係を示す吸収スペクトルの理論値とに基づいて、前記特定の物質の吸収スペクトルのベースラインをコンピュータに設定させるためのコンピュータプログラムであって、前記特定の物質の吸収スペクトルの測定データを取得する実測値取得手段と、前記特定の物質の吸収スペクトルの理論値を取得する理論値取得手段と、前記実測値取得部によって取得された前記測定データに基づいて、吸光度又は透過率の実測値の複数のピークにおける波長又は波数を特定する第１波長・波数特定手段と、前記第１波長・波数特定手段によって特定された複数の波長又は波数における前記吸収スペクトルの理論値の吸光度又は透過率を特定する理論値特定手段と、前記理論値取得手段によって取得された前記吸収スペクトルの理論値に基づいて、吸光度又は透過率の理論値の複数のピークにおける波長又は波数を特定する第２波長・波数特定手段と、前記第２波長・波数特定手段によって特定された複数の波長又は波数における前記吸収スペクトルの実測値の吸光度又は透過率を特定する実測値特定手段と、前記理論値特定手段によって特定された複数の理論値を補間して、理論値補間ラインを生成する第１補間ライン生成手段と、前記実測値特定手段によって特定された複数の実測値を補間して、実測値補間ラインを生成する第２補間ライン生成手段と、前記第１補間ライン生成手段によって生成された前記理論値補間ラインと、前記第２補間ライン生成手段によって生成された前記実測値補間ラインとを、波長又は波数毎に平均した結果を、前記特定の物質の吸収スペクトルのベースラインとして設定するベースライン設定手段として、前記コンピュータを機能させる。

本発明に係る吸収スペクトル解析装置、物質の吸収スペクトルのベースライン設定方法、及びコンピュータプログラムによれば、検量線を用いることなく吸収スペクトルのベースラインを設定することが可能となる。

実施の形態に係る吸収スペクトル測定システムの構成を示す模式図。光学測定ユニットの構成を示す模式図。吸収スペクトル解析装置の構成を示すブロック図。吸収スペクトル解析装置による測定データ解析処理の手順を示すフローチャート。観測スペクトルの波数シフトを説明する図。ベースライン設定処理の手順を示すフローチャート。ベースライン設定処理の内容を説明するための図。

以下、本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。

［吸収スペクトル測定システムの構成］
図１は、本実施の形態に係る吸収スペクトル測定システムの構成を示す模式図である。吸収スペクトル測定システムは、太陽光を測定することにより、特定の物質（例えば二酸化炭素）の吸収スペクトルを測定し、これを解析して前記物質の濃度を検出するものである。かかる吸収スペクトル測定システム１００は、光学測定ユニット１と、吸収スペクトル解析装置２とによって主として構成される。

＜光学測定ユニット１の構成＞

図２は、光学測定ユニット１の構成を示す模式図である。光学測定ユニット１は、短波長カットフィルタ１１と、コリメータ１２と、干渉フィルタ１３と、エタロン１４と、集光レンズ１５と、検出素子１６と、信号処理回路１７とを備えている。

この光学測定ユニット１の測定波長は１５７２ｎｍを中心とした半値幅２ｎｍの領域であり、紫外及び可視光は測定範囲外である。このため、短波長カットフィルタ１１は、１．３μｍ以下の短波長域をブロックするように構成されている。

コリメータ１２は、２枚の凸レンズとアパーチャとを組み合わせ、太陽の視野角０．５度に一致させることで、雲などから余分な光が入ることを防ぐ。かかるコリメータ１２は、干渉フィルタ１３及びエタロン１４のために、純度の高い平行光線を得るように構成されている。

干渉フィルタ１３は、中心波長を微調整するため、取付角度を変えられる構造となっている。この取付角度を０度から８度の範囲で変化させることで、波長を１５６９ｎｍ乃至１５７４ｎｍの範囲で調整することができる。なお、二酸化炭素の測定では、取付角度を５．５度とすることで、波長１５７２ｎｍに調整する。

エタロン１４は、ペルチェ素子を有する温度調整部１４ａが取付けられており、これによる温度制御が可能な構造である。温度調整部１４ａには、温度制御部１４ｂが接続されている。温度制御部１４ｂは、１０℃程度の温度幅でエタロン１４の温度を変化させることが可能である。二酸化炭素の測定は、エタロン１４の温度を１０℃程度繰り返し上下させながら行われる。１回の上下サイクルで二酸化炭素濃度が１回測定される。温度調整部１４ａはサーミスタ（図示せず）を具備しており、温度制御部１４ｂは、サーミスタによって検出された温度を利用してＰＩ制御によりエタロン１４の温度制御を行うように構成されている。

エタロン１４から出射した光は集光レンズ１５により集光される。集光レンズ１５を出射した光は、検出素子１６により検出される。

検出素子１６は、ＩｎＧａＡｓフォトダイオードであり、８００ｎｍ乃至１７００ｎｍの近赤外領域の光を検出することが可能である。

信号処理回路１７は、検出素子１６から出力された検出信号を受信し、各種の信号処理を行う。検出素子１６から出力された検出信号は、信号処理回路１７により、アナログ信号からデジタル信号へと変換され、波長毎に受光強度を示す測定データとして信号処理回路１７から出力される。

＜吸収スペクトル解析装置２の構成＞
次に、吸収スペクトル解析装置２の構成について説明する。吸収スペクトル解析装置２は、コンピュータにより構成されている。図３は、吸収スペクトル解析装置２の構成を示すブロック図である。吸収スペクトル解析装置２は、コンピュータ２０によって実現される。図３に示すように、コンピュータ２０は、本体２１と、表示部２２と、入力部２３とを備えている。本体２１は、ＣＰＵ２１ａ、ＲＯＭ２１ｂ、ＲＡＭ２１ｃ、ハードディスク２１ｄ、読出装置２１ｅ、入出力インタフェース２１ｆ、及び画像出力インタフェース２１ｈを備えており、ＣＰＵ２１ａ、ＲＯＭ２１ｂ、ＲＡＭ２１ｃ、ハードディスク２１ｄ、読出装置２１ｅ、入出力インタフェース２１ｆ、及び画像出力インタフェース２１ｈは、バス２１ｊによって接続されている。

ＣＰＵ２１ａは、ＲＡＭ２１ｃにロードされたコンピュータプログラムを実行することが可能である。そして、吸収スペクトル解析用のコンピュータプログラム２４ａを当該ＣＰＵ２１ａが実行することにより、コンピュータ２０が吸収スペクトル解析装置２として機能する。

ＲＯＭ２１ｂは、マスクＲＯＭ、ＰＲＯＭ、ＥＰＲＯＭ、又はＥＥＰＲＯＭ等によって構成されており、ＣＰＵ２１ａに実行されるコンピュータプログラム及びこれに用いるデータ等が記録されている。

ＲＡＭ２１ｃは、ＳＲＡＭまたはＤＲＡＭ等によって構成されている。ＲＡＭ２１ｃは、ハードディスク２１ｄに記録されているコンピュータプログラム２４ａの読み出しに用いられる。また、ＣＰＵ２１ａがコンピュータプログラムを実行するときに、ＣＰＵ２１ａの作業領域として利用される。

ハードディスク２１ｄは、オペレーティングシステム及びアプリケーションプログラム等、ＣＰＵ２１ａに実行させるための種々のコンピュータプログラム及び当該コンピュータプログラムの実行に用いられるデータがインストールされている。サーバ用のコンピュータプログラム２４ａも、このハードディスク２１ｄにインストールされている。

読出装置２１ｅは、フレキシブルディスクドライブ、ＣＤ−ＲＯＭドライブ、またはＤＶＤ−ＲＯＭドライブ等によって構成されており、可搬型記録媒体２４に記録されたコンピュータプログラムまたはデータを読み出すことができる。また、可搬型記録媒体２４には、コンピュータを吸収スペクトル解析装置２として機能させるためのコンピュータプログラム２４ａが格納されており、コンピュータ２ａが当該可搬型記録媒体２４からコンピュータプログラム２４ａを読み出し、当該コンピュータプログラム２４ａをハードディスク２１ｄにインストールすることが可能である。

なお、前記コンピュータプログラム２４ａは、可搬型記録媒体２４によって提供されるのみならず、電気通信回線（有線、無線を問わない）によってコンピュータ２ａと通信可能に接続された外部の機器から前記電気通信回線を通じて提供することも可能である。例えば、前記コンピュータプログラム２４ａがインターネット上のサーバコンピュータのハードディスク内に格納されており、このサーバコンピュータにコンピュータ２ａがアクセスして、当該コンピュータプログラムをダウンロードし、これをハードディスク２１ｄにインストールすることも可能である。

ハードディスク２１ｄには、例えば米マイクロソフト社が製造販売するWindows（登録商標）等のオペレーティングシステムがインストールされている。以下の説明においては、本実施の形態に係るコンピュータプログラム２４ａは当該オペレーティングシステム上で動作するものとしている。

入出力インタフェース２１ｆは、例えばUSB，IEEE1394，又はRS-232C等のシリアルインタフェース、SCSI，IDE，又は IEEE1284等のパラレルインタフェース、及びＤ／Ａ変換器、Ａ／Ｄ変換器等からなるアナログインタフェース等から構成されている。入出力インタフェース２１ｆには、キーボード及びマウスからなる入力部２３が接続されており、ユーザが当該入力部２３を使用することにより、コンピュータ２ａにデータを入力することが可能である。

また、入出力インタフェース２１ｆには、前述した光学測定ユニット１が接続されている。光学測定ユニット１から出力された測定データは、入出力インタフェース２１ｆに与えられる。

画像出力インタフェース２１ｈは、ＬＣＤまたはＣＲＴ等で構成された表示部２２に接続されており、ＣＰＵ２１ａから与えられた画像データに応じた映像信号を表示部２２に出力するようになっている。表示部２２は、入力された映像信号にしたがって、画像（画面）を表示する。

［吸収スペクトル測定システムの動作］
次に、本実施の形態に係る吸収スペクトル測定システム１００による吸収スペクトルの測定動作について説明する。

まず、ユーザは、測定対象となる物質を定め、光学測定ユニット１により太陽光を測定する。このとき、干渉フィルタ１３の取付角度を調節する等、測定対象の物質に応じて必要な設定を行う。なお、本実施の形態では、二酸化炭素を測定対象とした場合の吸収スペクトル測定システムの動作について説明する。

光学測定ユニット１による測定データは、吸収スペクトル解析装置２へと与えられ、吸収スペクトル解析装置２によって解析される。

図４は、吸収スペクトル解析装置２による測定データ解析処理の手順を示すフローチャートである。

光学測定ユニット１から出力された測定データが、吸収スペクトル解析装置２の入出力インタフェース２１ｆによって受信される（ステップＳ１）。測定データ（観測スペクトル）は、波長毎に受光強度を示す情報である。ＣＰＵ２１ａは、かかる波長毎に受光強度を示す情報を、波数毎に透過率を示す情報へと変換する（ステップＳ２）。

また、ＣＰＵ２１ａは、変換後の観測スペクトルを、波数シフトする（ステップＳ３）。図５は、観測スペクトルの波数シフトを説明する図である。図に示すように、観測スペクトルは、透過率について複数の極小値（谷のピーク）が存在する。これらのピークの波数は、測定対象に固有のものであり、理論上既知である。観測スペクトルでは、各ピークにおける波数が誤差を含んでおり、多くの場合において理論値からずれている。ステップＳ３の処理は、かかる誤差を修正するためのものである。具体的には、各ピークにおける波数のそれぞれと、対応する理論値のそれぞれとの差が最小になるように、観測スペクトルが波数シフトされる。波数シフトされた観測スペクトルのデータは、ＲＡＭ２１ｃ又はハードディスク２１ｄに格納される。

次にＣＰＵ２１ａは、計算上の黒体放射のスペクトルに、光学測定ユニット１に固有の装置関数を適用し、光学測定ユニット１によって黒体放射が仮想的に観測されたときの観測スペクトル（以下、「仮想太陽スペクトル」という。）を算出する（ステップＳ４）。黒体放射のスペクトルの理論値は、光学測定の際のばらつきを含んでいない。他方、黒体放射のスペクトルを実測する場合、光学測定を行う装置の状態により、ばらつきが生じる。ステップＳ４の処理では、実際に光学測定ユニット１によって観測された黒体放射のスペクトルを、計算によって再現するためのものである。

次に、ＣＰＵ２１ａは、ＲＡＭ２１ｃ又はハードディスク２１ｄに格納された観測スペクトルの波数域を取得し、仮想太陽スペクトルに含まれるデータから、前記波数域の範囲内のデータを抽出する（ステップＳ５）。以下、この抽出後のデータを、抽出太陽スペクトルという。

また、ＣＰＵ２１ａは、地表の観測位置（高度）、気温、及び気圧を入力するための入力画面を表示部２２に表示させ、ユーザから観測位置、気温、及び気圧の入力を受け付ける（ステップＳ６）。ユーザは入力部２３を操作することにより、観測位置、気温、及び気圧を吸収スペクトル解析装置２に入力する。

次にＣＰＵ２１ａは、吸収スペクトル理論値演算処理を実行する（ステップＳ７）。この吸収スペクトル理論値演算処理では、抽出太陽スペクトルと、入力された観測位置、気温、及び気圧とに基づいて、二酸化炭素の濃度の所定値（３８５ｐｐｍ）としたときの吸収スペクトルが算出される。

ここで、吸収スペクトル理論値演算処理について、さらに詳細に説明する。吸収スペクトル理論値演算処理では、物質の吸収スペクトルの線形（吸収線形）を近似式により表す。

大気上端での太陽光強度をＩ_０（ν）とすると、観測される光強度Ｉ（ν）は、次式で表される。

ただし、τ（ν）は光学的厚みである。簡単のために吸収する成分が１種類だけとすると、光学的厚みτ（ν）は、次式で表される。

ただし、（２）式において、σ（ｚ，ν）は吸収係数を、ｑ（ｚ）は吸収成分の高度ｚにおける数密度を、ｄｕは光路に沿った積分を示す。また、光路は大陽天頂角によって定まる。

吸収係数σ（ｚ，ν）は、吸収の強度とその広がりから定まり、次式のようになる。

ただし、Ｓ（Ｔ）は線強度を、ｆ（ν，Ｐ，Ｔ）は吸収線形関数（吸収線形の近似式）を示す。

吸収線形は、ドップラー幅とローレンツ幅による広がりを重ね合わせたもので、一般にフォークトファンクション(Voigt function)と呼ばれる関数で近似される。

ただし、Ｓ_０、Ｅ"、ν_０、ν_Ｌ０、ｎのそれぞれは定数である。また、Ｐは圧力を、Ｔは温度を示し、Ｔ_０＝２９６Ｋ、Ｐ_０＝１０１３．２５ｈＰａである。

以上の式を用い、入力として必要なｑ（ｚ）、Ｔ（ｚ）、Ｐ（ｚ）を用意すれば、吸収スペクトルを計算することができる。吸収スペクトル理論値演算処理では、測定対象成分である二酸化炭素の濃度を３８５ｐｐｍとし、入力された観測位置、気温、及び気圧を使用して、吸収スペクトルが求められる。

上記のような吸収スペクトル理論値演算処理を実行した後、ＣＰＵ２１ａは、ＲＡＭ２１ｃ又はハードディスク２１ｄに格納された波数シフト後の吸収スペクトルの実測データと、吸収スペクトル理論値演算処理により求められた吸収スペクトルの理論データとを用いて、ベースライン設定処理を実行する（ステップＳ８）。

図６は、ベースライン設定処理の手順を示すフローチャートであり、図７は、ベースライン設定処理の内容を説明するための図である。ベースライン設定処理において、まずＣＰＵ２１ａは、波数シフト後の吸収スペクトルの実測値を複数の区画に分ける（ステップＳ８０１）。この処理では、図７に示すように、下側のピーク値に対応する波数を求め、各波数を境界として区間を分ける。図７においては、吸収スペクトルの実測値を実線の曲線によって示し、吸収スペクトルの理論値を破線の曲線によって示している。また、区間の境界を実線（細線）の直線によって示している。

次にＣＰＵ２１ａは、吸収スペクトルの実測値の各区間において極大値（山のピーク）を検出し、各極大値に対応する波数を特定する（ステップＳ８０２）。図７において、吸収スペクトルの実測値の極大値を、黒丸印で示している。

次にＣＰＵ２１ａは、ステップＳ８０２において特定した波数に対応する吸収スペクトルの理論値を特定する（ステップＳ８０３）。図７において、吸収スペクトルの実測値の極大値に対応する理論値を、黒色の四角形印で示している。

次にＣＰＵ２１ａは、ステップＳ８０３によって特定した隣り合う理論値を直線補間する（ステップＳ８０４）。以下、ステップＳ８０４において理論値を補間して得られた線を、「理論値補間ライン」という。図７において、理論値補間ラインを、破線で示している。

次にＣＰＵ２１ａは、吸収スペクトルの理論値の各区間において極大値（山のピーク）を検出し、各極大値に対応する波数を特定する（ステップＳ８０５）。このときの区間は、ステップＳ８０１において設定した区間と同じである。図７において、吸収スペクトルの理論値の極大値を、白丸印で示している。

次にＣＰＵ２１ａは、ステップＳ８０５において特定した波数に対応する吸収スペクトルの実測値を特定する（ステップＳ８０６）。図７において、吸収スペクトルの理論値の極大値に対応する実測値を、白色の四角形印で示している。

次にＣＰＵ２１ａは、ステップＳ８０６によって特定した隣り合う実測値を直線補間する（ステップＳ８０７）。以下、ステップＳ８０７において実測値を補間して得られた線を、「実測値補間ライン」という。図７において、実測値補間ラインを、破線で示している。

次にＣＰＵ２１ａは、理論値補間ラインと実測値補間ラインを、同一の波数毎に平均し、得られた平均の線をベースラインとして設定する（ステップＳ８０８）。図７において、ベースラインを、実線で示している。ステップＳ８０８の処理を終了すると、ＣＰＵ２１ａは、メインルーチンに処理を戻す。

上記のようなベースライン設定処理を終了した後、ＣＰＵ２１ａは、ベースラインを設定した吸収スペクトルの実測値に、フォークトファンクションをフィッティングすることで、二酸化炭素の濃度を算出する（ステップＳ９）。

ステップＳ９では、以下のようにして二酸化炭素の濃度が算出される。

（２）式を実際に解くために、大気をＮ個の層に分け、各層での吸収の和として書き直すと、次式のようになる。

波長方向のデータ数がＭ個あるとすると、σ_ｉ，ｊは次のような行列となる。

σの逆行列を計算すれば、観測値τからｑ（ｚ）を求めることができるが、逆行列の計算は簡単ではない。ここで、本実施の形態では、気柱全量（単位断面積を持つ地上から大気上端までの気柱に含まれる測定対象成分の分子数）を求める。気柱全量のみを求める場合は、変数を１つに減らすことが可能である。

これにより、（３）式は、次式のようになる。

あとは、

とおいて、Ｒｅｓが最小になるように、

を解く。

上記のようにして、スペクトルフィッティングにより二酸化炭素濃度を算出すると、ＣＰＵ２１ａは、算出した二酸化炭素の濃度を表示部２２に表示させ（ステップＳ１０）、処理を終了する。

以上の如く構成したことにより、本実施の形態に係る吸収スペクトル解析システム１００にあっては、ベースラインを設定することが可能となり、精度よく測定対象の物質の濃度を求めることが可能となる。また、ベースラインを設定するために、検量線を必要としない。このため、検量線の作成に必要な、標準物質が不要となり、標準物質を測定する手間もない。また、本実施の形態に係る吸収スペクトル解析システム１００のように、太陽を光源とした地上からの赤外分光法においては、光学測定ユニット１の分解能に応じた装置関数を設定することで、検量線を用いずに吸収スペクトルの測定が行われる。このため、検量線を要しないベースラインの設定方法は、かかる大陽を光源とした赤外分光法において、特に有用である。

（その他の実施の形態）
上記の実施の形態においては、吸収スペクトルを、波数と透過率との関係を示すものとしたが、これに限定されるものではない。波長と吸光度との関係を示す吸収スペクトルを使用することも可能である。

また、上記の実施の形態においては、大陽を光源とした地上からの赤外分光法により、二酸化炭素の吸収スペクトルを解析する構成について述べたが、これに限定されるものではない。赤外レーザによる赤外分光法において、測定対象の物質の吸収スペクトルの実測値と、測定対象の物質の吸収スペクトルの理論値とに基づいて、ベースラインを設定する構成とすることも可能である。

また、上記の実施の形態においては、吸収スペクトル解析装置２をコンピュータ２０によって構成したが、これに限定されるものではない。ＡＳＩＣ(application specific integrated circuit)又はＦＰＧＡ(field-programmable gate array)等により、吸収スペクトル解析装置２と同様の処理が可能なハードウェアを構成することも可能である。また、本実施の形態においては、光学測定ユニット１と吸収スペクトル解析装置２を別々のユニットとして構成したが、光学測定ユニット１の機能と、吸収スペクトル解析装置２の機能とを搭載した１つの装置とすることも可能である。

本発明に係る吸収スペクトル解析装置、物質の吸収スペクトルのベースライン設定方法、及びコンピュータプログラムは、物質の吸収スペクトルのベースラインを設定するための吸収スペクトル解析装置、物質の吸収スペクトルのベースライン設定方法、及びコンピュータプログラム等として有用である。

１光学測定ユニット
１１短波長カットフィルタ
１２コリメータ
１３干渉フィルタ
１４エタロン
１５集光レンズ
１６検出素子
１７信号処理回路
２吸収スペクトル解析装置
２０コンピュータ
２１本体
２１ａＣＰＵ
２１ｃＲＡＭ
２１ｄハードディスク
２２表示部
２３入力部
２４可搬型記録媒体
２４ａコンピュータプログラム

上述した課題を解決するために、本発明の一の態様の吸収スペクトル解析装置は、波長又は波数と特定の物質の吸光度又は透過率との関係を示す吸収スペクトルの実測値と、波長又は波数と前記特定の物質の吸光度又は透過率との関係を示す吸収スペクトルの理論値とに基づいて、前記特定の物質の吸収スペクトルのベースラインを設定する吸収スペクトル解析装置であって、前記特定の物質の吸収スペクトルの測定データを取得する実測値取得手段と、前記特定の物質の吸収スペクトルの理論値を取得する理論値取得手段と、前記実測値取得手段によって取得された前記測定データに基づいて、吸光度又は透過率の実測値の複数のピークにおける波長又は波数を特定する第１波長・波数特定手段と、前記第１波長・波数特定手段によって特定された複数の波長又は波数における前記吸収スペクトルの理論値の吸光度又は透過率を特定する理論値特定手段と、前記理論値取得手段によって取得された前記吸収スペクトルの理論値に基づいて、吸光度又は透過率の理論値の複数のピークにおける波長又は波数を特定する第２波長・波数特定手段と、前記第２波長・波数特定手段によって特定された複数の波長又は波数における前記吸収スペクトルの実測値の吸光度又は透過率を特定する実測値特定手段と、前記理論値特定手段によって特定された複数の理論値を補間して、理論値補間ラインを生成する第１補間ライン生成手段と、前記実測値特定手段によって特定された複数の実測値を補間して、実測値補間ラインを生成する第２補間ライン生成手段と、前記第１補間ライン生成手段によって生成された前記理論値補間ラインと、前記第２補間ライン生成手段によって生成された前記実測値補間ラインとを、波長又は波数毎に平均した結果を、前記特定の物質の吸収スペクトルのベースラインとして設定するベースライン設定手段と、を備える。

また、本発明の他の態様のコンピュータプログラムは、波長又は波数と特定の物質の吸光度又は透過率との関係を示す吸収スペクトルの実測値と、波長又は波数と前記特定の物質の吸光度又は透過率との関係を示す吸収スペクトルの理論値とに基づいて、前記特定の物質の吸収スペクトルのベースラインをコンピュータに設定させるためのコンピュータプログラムであって、前記特定の物質の吸収スペクトルの測定データを取得する実測値取得手段と、前記特定の物質の吸収スペクトルの理論値を取得する理論値取得手段と、前記実測値取得手段によって取得された前記測定データに基づいて、吸光度又は透過率の実測値の複数のピークにおける波長又は波数を特定する第１波長・波数特定手段と、前記第１波長・波数特定手段によって特定された複数の波長又は波数における前記吸収スペクトルの理論値の吸光度又は透過率を特定する理論値特定手段と、前記理論値取得手段によって取得された前記吸収スペクトルの理論値に基づいて、吸光度又は透過率の理論値の複数のピークにおける波長又は波数を特定する第２波長・波数特定手段と、前記第２波長・波数特定手段によって特定された複数の波長又は波数における前記吸収スペクトルの実測値の吸光度又は透過率を特定する実測値特定手段と、前記理論値特定手段によって特定された複数の理論値を補間して、理論値補間ラインを生成する第１補間ライン生成手段と、前記実測値特定手段によって特定された複数の実測値を補間して、実測値補間ラインを生成する第２補間ライン生成手段と、前記第１補間ライン生成手段によって生成された前記理論値補間ラインと、前記第２補間ライン生成手段によって生成された前記実測値補間ラインとを、波長又は波数毎に平均した結果を、前記特定の物質の吸収スペクトルのベースラインとして設定するベースライン設定手段として、前記コンピュータを機能させる。

Claims

波長又は波数と特定の物質の吸光度又は透過率との関係を示す吸収スペクトルの実測値と、波長又は波数と前記特定の物質の吸光度又は透過率との関係を示す吸収スペクトルの理論値とに基づいて、前記特定の物質の吸収スペクトルのベースラインを設定する吸収スペクトル解析装置であって、
前記特定の物質の吸収スペクトルの測定データを取得する実測値取得手段と、
前記特定の物質の吸収スペクトルの理論値を取得する理論値取得手段と、
前記実測値取得部によって取得された前記測定データに基づいて、吸光度又は透過率の実測値の複数のピークにおける波長又は波数を特定する第１波長・波数特定手段と、
前記第１波長・波数特定手段によって特定された複数の波長又は波数における前記吸収スペクトルの理論値の吸光度又は透過率を特定する理論値特定手段と、
前記理論値取得手段によって取得された前記吸収スペクトルの理論値に基づいて、吸光度又は透過率の理論値の複数のピークにおける波長又は波数を特定する第２波長・波数特定手段と、
前記第２波長・波数特定手段によって特定された複数の波長又は波数における前記吸収スペクトルの実測値の吸光度又は透過率を特定する実測値特定手段と、
前記理論値特定手段によって特定された複数の理論値を補間して、理論値補間ラインを生成する第１補間ライン生成手段と、
前記実測値特定手段によって特定された複数の実測値を補間して、実測値補間ラインを生成する第２補間ライン生成手段と、
前記第１補間ライン生成手段によって生成された前記理論値補間ラインと、前記第２補間ライン生成手段によって生成された前記実測値補間ラインとを、波長又は波数毎に平均した結果を、前記特定の物質の吸収スペクトルのベースラインとして設定するベースライン設定手段と、
を備える、
吸収スペクトル解析装置。
前記第１補間ライン生成手段は、前記理論値特定手段によって特定された複数の理論値を直線補間して、理論値補間ラインを生成するように構成されており、
前記第２補間ライン生成手段は、前記実測値特定手段によって特定された複数の実測値を直線補間して、実測値補間ラインを生成するように構成されている、
請求項１に記載の吸収スペクトル解析装置。
前記実測値取得手段は、前記特定の物質の吸光度又は透過率の理論値の複数のピークにおける波長又は波数に基づいて、吸収スペクトルの実測値を波長又は波数について補正する補正手段を具備し、前記補正手段によって補正された吸収スペクトルの実測値を、前記測定データとして取得するように構成されている、
請求項１又は２に記載の吸収スペクトル解析装置。
前記理論値取得手段は、前記実測値取得手段によって取得された前記測定データが測定された位置、気温、及び気圧における前記特定の物質の吸収スペクトルの理論値を取得するように構成されている、
請求項１乃至３の何れかに記載の吸収スペクトル解析装置。
前記理論値取得手段は、前記実測値取得手段によって取得された前記測定データにおける波長又は波数の範囲における前記特定の物質の吸収スペクトルの理論値を取得するように構成されている、
請求項１乃至４の何れかに記載の吸収スペクトル解析装置。
前記第１波長・波数特定手段は、前記実測値取得手段によって取得された前記測定データを、波長又は波数について複数の区間に分割し、分割された各区間において、吸光度又は透過率の実測値の１つのピークを特定し、各ピークにおける波長又は波数を特定するように構成されており、
前記第２波長・波数特定手段は、前記第１波長・波数特定手段によって前記測定データが分割された波長又は波数についての複数の区間のそれぞれにおいて、吸光度又は透過率の理論値の１つのピークを特定し、各ピークにおける波長又は波数を特定するように構成されている、
請求項１乃至５の何れかに記載の吸収スペクトル解析装置。
波長又は波数と特定の物質の吸光度又は透過率との関係を示す吸収スペクトルの実測値と、波長又は波数と前記特定の物質の吸光度又は透過率との関係を示す吸収スペクトルの理論値とに基づいて、前記特定の物質の吸収スペクトルのベースラインを設定する方法であって、
前記特定の物質の吸収スペクトルの測定データを取得するステップと、
前記特定の物質の吸収スペクトルの理論値を取得するステップと、
取得された前記測定データに基づいて、吸光度又は透過率の実測値の複数のピークにおける波長又は波数を特定するステップと、
特定された複数の波長又は波数における前記吸収スペクトルの理論値の吸光度又は透過率を特定するステップと、
取得された前記吸収スペクトルの理論値に基づいて、吸光度又は透過率の理論値の複数のピークにおける波長又は波数を特定するステップと、
特定された複数の波長又は波数における前記吸収スペクトルの実測値の吸光度又は透過率を特定するステップと、
特定された複数の理論値を補間して、理論値補間ラインを生成するステップと、
特定された複数の実測値を補間して、実測値補間ラインを生成するステップと、
生成された前記理論値補間ラインと、生成された前記実測値補間ラインとを、波長又は波数毎に平均した結果を、前記特定の物質の吸収スペクトルのベースラインとして設定するステップと、
を有する、
吸収スペクトルのベースラインの設定方法。
波長又は波数と特定の物質の吸光度又は透過率との関係を示す吸収スペクトルの実測値と、波長又は波数と前記特定の物質の吸光度又は透過率との関係を示す吸収スペクトルの理論値とに基づいて、前記特定の物質の吸収スペクトルのベースラインをコンピュータに設定させるためのコンピュータプログラムであって、
前記特定の物質の吸収スペクトルの測定データを取得する実測値取得手段と、
前記特定の物質の吸収スペクトルの理論値を取得する理論値取得手段と、
前記実測値取得部によって取得された前記測定データに基づいて、吸光度又は透過率の実測値の複数のピークにおける波長又は波数を特定する第１波長・波数特定手段と、
前記第１波長・波数特定手段によって特定された複数の波長又は波数における前記吸収スペクトルの理論値の吸光度又は透過率を特定する理論値特定手段と、
前記理論値取得手段によって取得された前記吸収スペクトルの理論値に基づいて、吸光度又は透過率の理論値の複数のピークにおける波長又は波数を特定する第２波長・波数特定手段と、
前記第２波長・波数特定手段によって特定された複数の波長又は波数における前記吸収スペクトルの実測値の吸光度又は透過率を特定する実測値特定手段と、
前記理論値特定手段によって特定された複数の理論値を補間して、理論値補間ラインを生成する第１補間ライン生成手段と、
前記実測値特定手段によって特定された複数の実測値を補間して、実測値補間ラインを生成する第２補間ライン生成手段と、
前記第１補間ライン生成手段によって生成された前記理論値補間ラインと、前記第２補間ライン生成手段によって生成された前記実測値補間ラインとを、波長又は波数毎に平均した結果を、前記特定の物質の吸収スペクトルのベースラインとして設定するベースライン設定手段として、
前記コンピュータを機能させる、
コンピュータプログラム。