JP2016080429A - 分光測定装置 - Google Patents
分光測定装置 Download PDFInfo
- Publication number
- JP2016080429A JP2016080429A JP2014209746A JP2014209746A JP2016080429A JP 2016080429 A JP2016080429 A JP 2016080429A JP 2014209746 A JP2014209746 A JP 2014209746A JP 2014209746 A JP2014209746 A JP 2014209746A JP 2016080429 A JP2016080429 A JP 2016080429A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- measurement
- unit
- light
- measurement object
- pixels
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000005259 measurement Methods 0.000 title claims abstract description 132
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 title claims abstract description 34
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 claims abstract description 25
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 claims description 58
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims description 8
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims description 4
- 230000001678 irradiating effect Effects 0.000 claims description 4
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 abstract description 21
- 238000012935 Averaging Methods 0.000 description 23
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 13
- 238000011088 calibration curve Methods 0.000 description 5
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 5
- 238000000034 method Methods 0.000 description 5
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 description 5
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 4
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000002835 absorbance Methods 0.000 description 3
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 3
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 3
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 3
- HELHAJAZNSDZJO-OLXYHTOASA-L sodium L-tartrate Chemical compound [Na+].[Na+].[O-]C(=O)[C@H](O)[C@@H](O)C([O-])=O HELHAJAZNSDZJO-OLXYHTOASA-L 0.000 description 3
- 229960002167 sodium tartrate Drugs 0.000 description 3
- 239000001433 sodium tartrate Substances 0.000 description 3
- 235000011004 sodium tartrates Nutrition 0.000 description 3
- 229910000530 Gallium indium arsenide Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 2
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 2
- 230000006870 function Effects 0.000 description 2
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 2
- 230000000007 visual effect Effects 0.000 description 2
- 238000000701 chemical imaging Methods 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 230000001066 destructive effect Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- FGJLAJMGHXGFDE-UHFFFAOYSA-L disodium;2,3-dihydroxybutanedioate;dihydrate Chemical compound O.O.[Na+].[Na+].[O-]C(=O)C(O)C(O)C([O-])=O FGJLAJMGHXGFDE-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 229910052736 halogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000002367 halogens Chemical class 0.000 description 1
- 238000007689 inspection Methods 0.000 description 1
- 238000011835 investigation Methods 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 description 1
- 238000010606 normalization Methods 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 238000010238 partial least squares regression Methods 0.000 description 1
- 238000007781 pre-processing Methods 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 229940092162 sodium tartrate dihydrate Drugs 0.000 description 1
- 238000010183 spectrum analysis Methods 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
- G01J3/28—Investigating the spectrum
- G01J3/2823—Imaging spectrometer
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
- G01J3/02—Details
- G01J3/0205—Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows
- G01J3/0208—Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows using focussing or collimating elements, e.g. lenses or mirrors; performing aberration correction
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
- G01J3/02—Details
- G01J3/0205—Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows
- G01J3/0218—Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows using optical fibers
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
- G01J3/02—Details
- G01J3/0289—Field-of-view determination; Aiming or pointing of a spectrometer; Adjusting alignment; Encoding angular position; Size of measurement area; Position tracking
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
- G01J3/46—Measurement of colour; Colour measuring devices, e.g. colorimeters
- G01J3/50—Measurement of colour; Colour measuring devices, e.g. colorimeters using electric radiation detectors
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
- G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
- G01N21/35—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
- G01N21/359—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light using near infrared light
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
- G01J3/12—Generating the spectrum; Monochromators
- G01J2003/1226—Interference filters
- G01J2003/1234—Continuously variable IF [CVIF]; Wedge type
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
- G01J3/28—Investigating the spectrum
- G01J3/2823—Imaging spectrometer
- G01J2003/2826—Multispectral imaging, e.g. filter imaging
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N2201/00—Features of devices classified in G01N21/00
- G01N2201/12—Circuits of general importance; Signal processing
Abstract
【課題】高精度の分析を行うことが可能な分光測定装置を提供する。【解決手段】分光測定装置１００では、測定対象物３の同じ単位領域の撮像を複数回（２回以上）行うと共に、測定対象物３のスペクトルデータとして、測定対象物３を撮像した単位領域のそれぞれで得られた複数回のスペクトルデータを積算して平均化することで、算出することを特徴とする。複数の単位領域において複数回取得されたスペクトルデータを平均化して測定物のスペクトルデータを算出する構成とすることで、Ｓ／Ｎが改善され、より高精度の分析を行うことができる。【選択図】図１
Description
本発明は、測定対象物のスペクトルデータを取得して分析を行う分光測定装置に関する。
対象物に対して測定光を照射することで、対象物のスペクトルデータを測定対象物上の複数の単位領域のそれぞれにおいて取得する装置では、複数の単位領域のスペクトルデータを平均化したスペクトルデータを用いることがある（例えば、特許文献１参照）。
しかしながら、対象物に係るより高精度の分析が要求される場合、複数の単位領域のスペクトルデータを平均化する特許文献１記載の方法では、十分なＳ／Ｎ比が確保されない可能性がある。
そこで、高精度の分析を行うことが可能な分光測定装置の提供を目的とする。
上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る分光測定装置は、
（１） 測定対象物に対して測定光を照射する光源と、
前記光源からの測定光の照射によって出射される、前記測定対象物からの透過光又は拡散反射光を２次元配置された複数の画素で受光することで前記測定対象物上の複数の単位領域各々におけるスペクトルデータを取得する撮像手段と、
前記撮像手段において得られた前記複数の単位領域各々におけるスペクトルデータに基づいて、前記測定対象物のスペクトルデータを算出するスペクトル算出手段と、
を備える分光測定装置であって、
前記撮像手段は、前記複数の単位領域各々におけるスペクトルデータの取得を複数回行い、
前記スペクトル算出手段は、前記測定対象物上の少なくとも一の単位領域及び当該一の単位領域に対して隣接する単位領域において複数回取得されたスペクトルデータを平均化することで、前記測定対象物のスペクトルデータを算出する分光測定装置
である。
（１） 測定対象物に対して測定光を照射する光源と、
前記光源からの測定光の照射によって出射される、前記測定対象物からの透過光又は拡散反射光を２次元配置された複数の画素で受光することで前記測定対象物上の複数の単位領域各々におけるスペクトルデータを取得する撮像手段と、
前記撮像手段において得られた前記複数の単位領域各々におけるスペクトルデータに基づいて、前記測定対象物のスペクトルデータを算出するスペクトル算出手段と、
を備える分光測定装置であって、
前記撮像手段は、前記複数の単位領域各々におけるスペクトルデータの取得を複数回行い、
前記スペクトル算出手段は、前記測定対象物上の少なくとも一の単位領域及び当該一の単位領域に対して隣接する単位領域において複数回取得されたスペクトルデータを平均化することで、前記測定対象物のスペクトルデータを算出する分光測定装置
である。
上記の分光測定装置によれば、高精度の分析を行うことが可能となる。
［本発明の実施形態］
最初に本発明の実施態様を列記して説明する。
最初に本発明の実施態様を列記して説明する。
本発明の一態様に係る分光測定装置は、
（１） 測定対象物に対して測定光を照射する光源と、前記光源からの測定光の照射によって出射される、前記測定対象物からの透過光又は拡散反射光を２次元配置された複数の画素で受光することで前記測定対象物上の複数の単位領域各々におけるスペクトルデータを取得する撮像手段と、前記撮像手段において得られた前記複数の単位領域各々におけるスペクトルデータに基づいて、前記測定対象物のスペクトルデータを算出するスペクトル算出手段と、を備える分光測定装置であって、前記撮像手段は、前記複数の単位領域各々におけるスペクトルデータの取得を複数回行い、前記スペクトル算出手段は、前記測定対象物上の少なくとも一の単位領域及び当該一の単位領域に対して隣接する単位領域において複数回取得されたスペクトルデータを平均化することで、前記測定対象物のスペクトルデータを算出する。このように、隣接する複数の画素において複数回取得されたスペクトルデータを平均化して測定物のスペクトルデータを算出する構成とすることで、Ｓ／Ｎが改善され、より高精度の分析を行うことができる。
（１） 測定対象物に対して測定光を照射する光源と、前記光源からの測定光の照射によって出射される、前記測定対象物からの透過光又は拡散反射光を２次元配置された複数の画素で受光することで前記測定対象物上の複数の単位領域各々におけるスペクトルデータを取得する撮像手段と、前記撮像手段において得られた前記複数の単位領域各々におけるスペクトルデータに基づいて、前記測定対象物のスペクトルデータを算出するスペクトル算出手段と、を備える分光測定装置であって、前記撮像手段は、前記複数の単位領域各々におけるスペクトルデータの取得を複数回行い、前記スペクトル算出手段は、前記測定対象物上の少なくとも一の単位領域及び当該一の単位領域に対して隣接する単位領域において複数回取得されたスペクトルデータを平均化することで、前記測定対象物のスペクトルデータを算出する。このように、隣接する複数の画素において複数回取得されたスペクトルデータを平均化して測定物のスペクトルデータを算出する構成とすることで、Ｓ／Ｎが改善され、より高精度の分析を行うことができる。
（２）前記２次元配置された複数の画素は、第１の方向に配列する画素についてはそれぞれ波長情報を割り当てると共に、前記第１の方向に対して直交する第２の方向に配列する画素についてはそれぞれ測定対象物の位置情報を割り当てて、前記測定対象物上の前記第２の方向に沿った各単位領域のスペクトルデータをそれぞれ取得する態様とすることができる。
（３）前記測定光には、１６５０ｎｍ〜１７５０ｎｍの波長範囲の光が含まれる態様とすることができる。上記の波長範囲の光を測定光とすることで、水の吸収帯を避けて分析を行うことが可能となり、より高精度の分析が可能となる。
（４）前記測定光には、２１００ｎｍ〜２２００ｎｍの波長範囲の光が含まれる態様とすることができる。上記の波長範囲の光を測定光とすることで、水の吸収帯を避けて分析を行うことが可能となり、より高精度の分析が可能となる。
（５）前記撮像手段は、２００×２００画素以上の画素によって構成される態様とすることができる。このような画素数の撮像手段を用いて、得られたスペクトルデータの平均化を行うことで、Ｓ／Ｎが格段に向上すると共に、Ｓ／Ｎの向上のために必要なデータ数をより高速に取得することができる。
（６）前記撮像手段は、前記複数の画素の前段に設けられた波長可変フィルタが時間的に透過波長を変化させることによって、前記複数の画素において前記測定対象物上の複数の単位領域各々におけるスペクトルデータを取得する態様とすることができる。
［本発明の実施形態の詳細］
以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態にかかる分光測定装置の具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態にかかる分光測定装置の具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
本実施形態に係る分光測定装置１００について図１を用いて説明する。分光測定装置１００は、測定台２上に載置された測定対象物３の特性等を評価する装置である。分光測定装置１００の測定対象物３は特に限定されないが、単一の材料により構成された均質なものであることが好ましい。
分光測定装置１００は、近赤外光である測定光を測定対象物３に対して照射することにより得られる拡散反射光のスペクトルを測定し、そのスペクトルに基づいて測定対象物３の分光測定を行う。このため、分光測定装置１００は、光源ユニット１０、検出ユニット２０（撮像手段）、及び分析ユニット３０（スペクトル算出手段）を備える。なお、以下の実施形態では近赤外光を分光測定に使用する場合について説明するが、他の波長範囲の光を測定に用いてもよい。また、拡散反射光のスペクトルに替えて透過光のスペクトルを測定してもよい。
光源ユニット１０は、近赤外光である測定光を、測定台２上における所定の照射領域Ａ１へ向けて照射する。光源ユニット１０が照射する測定光の波長範囲は、測定対象物３によって適宜選択される。測定光としては、具体的には、波長範囲が８００ｎｍ〜２５００ｎｍの光が好適に用いられ、特に１０００ｎｍ〜２３００ｎｍの光が好適に用いられる。なお、本実施形態では、ハロゲンランプからなる光源１１を含む光源ユニット１０について説明する。近赤外光の測定光を用いる場合、水の吸収帯とは異なる波長範囲の光を用いた測定を行うことが好ましく、例えば、１５００ｎｍ〜１８００ｎｍ（特に１６５０ｎｍ〜１７５０ｎｍ）、２１００ｎｍ〜２２００ｎｍの波長範囲の光を用いることが好ましい。
照射領域Ａ１とは、測定対象物３を載置する測定台２の表面の一部の領域である。この照射領域Ａ１は、測定台２の一の方向（図１のｘ軸方向）に広がるライン状に延びる領域である。
光源ユニット１０は、光源１１と、照射部１２と、光源１１と照射部１２とを接続する光ファイバ１３と、を備える。光源１１は、近赤外光を発生させる。
光源１１により発生された近赤外光は、光ファイバ１３の一方の端面へ入射される。この近赤外光は、光ファイバ１３のコア領域を導波し、もう一方の端面から照射部１２に対して出射される。
照射部１２は、光ファイバ１３の端面から出射される近赤外光を測定対象物３が載置される照射領域Ａ１に対して照射する。照射部１２は、光ファイバ１３から出射される近赤外光を入射して、照射領域Ａ１に対応した１次元のライン状に出射するため、照射部１２としてシリンドリカルレンズが好適に用いられる。このように照射部１２においてライン状に整形された近赤外光Ｌ１が、照射部１２から照射領域Ａ１に対して照射される。
光源ユニット１０から出力された近赤外光Ｌ１は、照射領域Ａ１上に載置された測定対象物３により拡散反射される。そして、その一部が、拡散反射光Ｌ２として検出ユニット２０に入射する。
検出ユニット２０は、２次元に配置されたセンサによってハイパースペクトル画像を取得するハイパースペクトルセンサとしての機能を有する。ここで、本実施形態におけるハイパースペクトル画像について図２を用いて説明する。図２は、ハイパースペクトル画像についてその概略を説明する図である。図２に示すように、ハイパースペクトル画像とは、Ｎ個の単位領域Ｐ１〜ＰＮにより構成されている画像である。図２ではそのうちの一例として２個の単位領域Ｐｎ及びＰｍについて具体的に示している。単位領域Ｐｎ及びＰｍには、それぞれ複数の強度データからなるスペクトル情報Ｓｎ及びＳｍが含まれている。この強度データとは、特定の波長（又は波長帯域）におけるスペクトル強度を示すデータであり、図２では、１５個の強度データがスペクトル情報Ｓｎ及びＳｍとして保持されていて、これらを重ね合わせた状態で示している。このように、ハイパースペクトル画像Ｈは、画像を構成する単位領域毎に、それぞれ複数の強度データを持つという特徴から、画像としての二次元的要素と、スペクトルデータとしての要素をあわせ持った三次元的構成のデータである。なお、本実施形態では、ハイパースペクトル画像Ｈとは、１単位領域あたり少なくとも５つの波長帯域における強度データを保有している画像のことをいう。
図２では測定対象物３もあわせて示している。すなわち、図２においてＰｎは測定対象物３を撮像した測定対象物上の単位領域であり、Ｐｍは背景（例えば、測定台２）上の単位領域である。このように、検出ユニット２０では、測定対象物３だけでなく背景を撮像した画像も取得される。
図１に戻り、本実施形態に係る検出ユニット２０は、カメラレンズ２４と、スリット２１と、分光器２２と、受光部２３と、を備える。この検出ユニット２０は、その視野領域２０ｓ（撮像領域）が照射領域Ａ１と同じ（ｘ軸方向）に延びている。検出ユニット２０の視野領域２０ｓは、測定台２上の照射領域Ａ１に含まれるライン状の領域であって、スリット２１を通過した拡散反射光Ｌ２が受光部２３上に像を結ぶ領域である。
スリット２１は、照射領域Ａ１の延在方向（ｘ軸方向）と平行な方向に開口が設けられる。検出ユニット２０のスリット２１に入射した拡散反射光Ｌ２は、分光器２２へ入射する。
分光器２２は、スリット２１の長手方向、すなわち照射領域Ａ１の延在方向に垂直な方向（ｙ軸方向）に拡散反射光Ｌ２を分光する。分光器２２により分光された光は、受光部２３によって受光される。
受光部２３は、複数の受光素子が２次元に配列された受光面を備え、各受光素子が光を受光する。これにより、受光部２３が測定台２上の照射領域Ａ１の延在方向（ｘ軸方向）に沿った各単位領域で反射した拡散反射光Ｌ２の各波長の光をそれぞれ受光することとなる。各受光素子は、受光した光の強度に応じた信号を位置と波長とからなる二次元平面状の一点に関する情報として出力する。この受光部２３の受光素子から出力される信号が、ハイパースペクトル画像に係る単位領域毎のスペクトルデータとして、検出ユニット２０から分析ユニット３０に送られる。
分析ユニット３０は、入力された信号により拡散反射光Ｌ２のスペクトルを得て、この得られた単位領域毎のスペクトルデータを用いて、測定対象物３の測定を行う。
この分析ユニット３０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、主記憶装置であるＲＡＭ（Random Access Memory）及びＲＯＭ（Read Only Memory）、検出ユニット等の他の機器との間の通信を行う通信モジュール、並びにハードディスク等の補助記憶装置等のハードウェアを備えるコンピュータとして構成される。そして、これらの構成要素が動作することにより、分析ユニット３０としての機能が発揮される。
上記の分光測定装置１００は、一度の撮像によって、照射領域Ａ１の延在方向（ｘ軸方向）に沿った各単位領域についての所謂１次元のスペクトル画像を取得することができる。したがって、測定対象物３が載置された測定台２を移動するか、又は、分光測定装置１００による撮像領域を移動させることによって、測定対象物３全体についての２次元に配列された単位領域毎のスペクトルデータを取得することができる。
ここで、上記の分光測定装置１００では、測定対象物３の同じ単位領域の撮像を複数回（２回以上）行うと共に、測定対象物３のスペクトルデータとして、測定対象物３を撮像した単位領域のそれぞれで得られた複数回のスペクトルデータを積算して平均化することで、算出する。なお、平均化する単位領域を固定せず、適宜選択して複数回のスペクトルデータを積算して平均化してもよい。
具体的には、分光測定装置１００で測定対象物３を撮像した場合、１度の撮像でＭ個の単位領域によって測定対象物３のスペクトルデータを取得するとする。この分光測定装置１００によってＮ回測定を繰り返すと、Ｍ×Ｎ個のスペクトルデータが取得される。このＭ×Ｎ個のスペクトルデータを平均化して得られるスペクトルデータは、１単位領域で撮像されたスペクトルデータに対してＳ／Ｎが√Ｍ倍増加することになる。このように、近隣のスペクトルデータを積算して平均化するのみでなく、複数回撮像して得られたスペクトルデータも含めて平均化して測定対象物３のスペクトルデータを算出する構成とすることで、Ｓ／Ｎを向上させることができる。
このような測定対象物３のスペクトルデータの算出には、２次元配置された複数個の単位領域のスペクトルデータを用いることが好ましく、高精度のスペクトルデータを得るためには、少なくとも１の単位領域に対してその上下左右に隣接する４つの単位領域のスペクトルデータを積算した５単位領域のスペクトルデータを平均化することが好ましい。また、測定対象物が液体のような均質な物質である場合には、上記の５単位領域以上の単位領域のスペクトルデータを用いて平均化することが好ましい。測定対象物３に関する高精度のスペクトルデータをより高速に取得するためには、測定対象物３のスペクトルデータを取得する画素数が２００×２００以上であることが好ましい。画素数を多くすることで、Ｓ／Ｎの改善がより顕著になると共に、Ｓ／Ｎ改善のための所望の数のスペクトルデータの撮像をより高速に行うことができる。
次に、上記の方法で測定対象物３のスペクトルデータを平均化した場合の効果について、実施例等を参照しながら説明する。
まず、図３は、同時に撮像した単位領域のうち平均化の対象とする単位領域の数、すなわち空間平均化の対象とする単位領域数を変化させたときのＳ／Ｎの変化を評価した結果を示した図である。ここでは、測定対象物３に代えて、標準白色反射板を撮像したものである。分光測定装置１００では、フレームレート１００ｆｐｓ、１フレームの蓄積時間を１ｍｓとし、撮像時間を１秒とした。すなわち、１単位領域について１００個のスペクトルデータを得た。また、スペクトルデータを取得した波長範囲（撮像後の平均化等の処理を行った波長範囲）は１５８０ｎｍ〜１６１５ｎｍであった。図３にも示す通り、一つの単位領域で撮像したスペクトルデータについて時間平均化を行うと、Ｓ／Ｎ＝９３６という結果が得られるが、空間平均化対象の単位領域数が増加するに従い、Ｓ／Ｎが改善していることが確認できる。検討では５単位領域を平均することでＳ／Ｎ＞２０００となることが確認された。Ｓ／Ｎが２０００を超えると、０．１％未満の定量計測が可能となる。さらに、１００単位領域平均でＳ／Ｎ＞５０００となることが確認された。Ｓ／Ｎが５０００を超えると、定量精度が０．０２％まで改善する可能性が出てくるため、一般的に定量計測で求められる精度レベルに到達するため、この方法が定量計測に用いることができる可能性がある。現在定量計測に用いられる他の方法では、しばしば前処理に時間を要すことがある。また、定量計測は一般的に破壊試験となることから、本実施形態に係る分光測定装置１００を用いた定量計測方法が実施できれば、他の方法に対して優位性を示してくることになる。
なお、当然ながら近隣の複数の単位領域のスペクトルデータを平均化する、すなわち、空間平均を行うことにより、画像上の空間分解能は劣化することになる。具体的には空間平均に使用した単位領域数に反比例して分解能は低下する。しかし、測定対象物が画素に対して大きなものや、比較的低分解能で観察できれば十分なもの、更には液体などの場合にはしばしば空間分解能よりも計測精度、Ｓ／Ｎが重要となることが考えられるため、そのような場合において本実施形態に係る分光測定装置による分析方法が好適に用いられる。
さらに調べた結果、空間平均に用いる単位領域数を３００まで増やしてもＳ／Ｎは向上することが確認された。そこで、３００単位領域に対して空間平均をとる条件で、時間平均数を増やした場合のＳ／Ｎの改善効果を確認した。
図３に示した評価と同様に、フレームレートを１００ｆｐｓとし、１フレームの蓄積時間を１ｍｓとした場合の計測時間とＳ／Ｎとの関係を図４に示す。波長範囲は図３と同じく１５８５ｎｍ〜１６１５ｎｍの値を使用した。横軸の最低値である０．０１秒は、すなわち１フレームに相当するため、時間軸上には平均化していないことになる。３００単位領域に対して空間平均をとる条件では、０．０１秒の場合にＳ／Ｎ＝８６００となっていたが、５フレーム分（０．５秒）のスペクトルデータを用いて平均化することでＳ／Ｎが１８０００まで改善していることが確認された。さらに、２００フレーム（２秒）まで平均化した場合に、＜√測定時間＞の関係でＳ／Ｎが改善しており、時間軸に沿って平均化を行うことによるＳ／Ｎの改善効果が確認された。なお、Ｓ／Ｎ＞１００００とは、分光計測器としてスペクトル解析を行うには十分な性能である。
次に、光源の出力変動等の外部要因の変動がＳ／Ｎに与える影響を確認するため、解析したスペクトルに対して標準正規変量（Standard Normal Variate；ＳＮＶ）変換を施す効果について確認した。その結果を図５に示す。図５に示すように、ＳＮＶ変換を行わない場合には時間軸方向に平均化するフレーム数を増加させてもすぐに飽和してしまっているが、ＳＮＶ変換を施すことにより、Ｓ／Ｎ＞１５０，０００となることが確認された。このことから、高いＳ／Ｎを得るためには、空間方向、時間方向の平均化数の増加に加え、ＳＮＶ，Multiplicative Scattering Correlation；ＭＳＣ等に代表されるスペクトル正規化の処理を施すことが有効であると考えられる。
また、今回の解析では、検出ユニット２０として、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ量子井戸型２次元センサを用いた。このセンサは１０００〜２３５０ｎｍに感度を有し、近赤外領域を一つのセンサでほぼカバーできる特徴を有する。上記のＳ／Ｎの評価結果では、波長範囲が限定されていたが、上記の２次元センサをハイパースペクトル画像撮像の構成で使用した場合、２次元のセンサのうちの１次元は上述したように波長成分に振り分けられる。そこで、空間平均化の対象となる単位領域数を３００とし、時間方向に平均化数（平均フレーム数）を変化させた場合のＳ／Ｎの変化を波長に対してプロットした結果を図６に示す。
図６に示されるＳ／Ｎの変化は、光源のスペクトルや光学系の損失波長依存性も含んだ特性となっている。実際に測定対象物を撮像する場合には、測定対象物毎に分析のために必要となる波長帯が異なるため、所望の波長域で必要なＳ／Ｎが確保されることが必要となる。図６の結果に基づけば、平均化対象の単位領域数を５００以上とすることで、近赤外領域でも特に長波長側の１７００ｎｍ〜２２００ｎｍの波長範囲でＳ／Ｎ＞５０，０００となることが確認された。したがって、空間・時間の同時平均化により、高速かつ高精度の分光測定装置の実現が可能になる。
ここで、空間方向の平均を用いることで、均質媒質を精度よく測定できる例として、酒石酸ナトリウム中の水分率の定量例を示す。上記の評価でも用いたＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ量子井戸型２次元センサを搭載した分光測定装置を用いて、酒石酸ナトリウム（水分率０ｗｔ％）及び酒石酸ナトリウム２水和物（水分率１５．６６ｗｔ％）の吸光度スペクトルを測定した。フレームレートを２００ｆｐｓとし、データの時間平均は行わず空間方向の平均化対象の単位領域数を変化させながら、吸光度平均スペクトルを取得した。
次に、１１００ｎｍ〜２２００ｎｍの波長範囲における吸光度データ及び水分率をＰＬＳ回帰分析することで、水分率の検量線を作成した。この水分率の検量線の精度と、空間方向の単位領域平均数の関係を調査した。結果を図７に示す。
図７において検量線の精度は検量線標準誤差（ＲＭＳＥ）で評価した。この結果、空間方向の平均数が増加するに従って、ＲＭＳＥが減少していることが確認できた。このように、本実施形態に係る分光測定装置によれば、空間方向の平均により測定時間を増すことなく、精度よく均質媒質を検量することが可能である。
なお、本発明に係る分光測定装置は上記実施形態に限定されない。例えば、上記実施形態のように分光測定装置が光源ユニット、検出ユニットおよび分析ユニットを備えている構成には限定されない。
また、上記実施形態では、分光測定装置において、２次元配置された複数の画素が第１の方向に配列する画素についてはそれぞれ波長情報を割り当てると共に、第１の方向に対して直交する第２の方向に配列する画素についてはそれぞれ測定対象物の位置情報を割り当てて、第２の方向に沿った各単位領域のスペクトルデータをそれぞれ取得する態様とすることができる、所謂ハイパースペクトル画像を取得する構成について説明したが、他の装置構成であってもよい。具体的には、２次元配置されたセンサの前段に可変波長フィルタを備え、波長フィルタによる透過波長を連続的に変化させることで、センサにおいてスペクトルを取得する構成とすることで、測定対象物に係るスペクトルデータを単位領域毎に取得することとしてもよい。ただし、ハイパースペクトル画像を取得する構成とすることで、特定の単位領域に係るスペクトルデータをリアルタイムに取得することができるため、より高速に測定を行うことができる。
また、上記実施形態では、近赤外光を用いた測定について説明したが、例えば可視光領域等他の波長帯域の光を用いた測定にも適用することができる。
２…測定台、３…測定対象物、１０…光源ユニット、２０…検出ユニット、３０…分析ユニット、１００…分光測定装置。
Claims (6)
- 測定対象物に対して測定光を照射する光源と、
前記光源からの測定光の照射によって出射される、前記測定対象物からの透過光又は拡散反射光を２次元配置された複数の画素で受光することで前記測定対象物上の複数の単位領域各々におけるスペクトルデータを取得する撮像手段と、
前記撮像手段において得られた前記複数の単位領域各々におけるスペクトルデータに基づいて、前記測定対象物のスペクトルデータを算出するスペクトル算出手段と、
を備える分光測定装置であって、
前記撮像手段は、前記複数の単位領域各々におけるスペクトルデータの取得を複数回行い、
前記スペクトル算出手段は、前記測定対象物上の少なくとも一の単位領域及び当該一の単位領域に対して隣接する単位領域において複数回取得されたスペクトルデータを平均化することで、前記測定対象物のスペクトルデータを算出する分光測定装置。 - 前記２次元配置された複数の画素は、第１の方向に配列する画素についてはそれぞれ波長情報を割り当てると共に、前記第１の方向に対して直交する第２の方向に配列する画素についてはそれぞれ測定対象物の位置情報を割り当てて、前記測定対象物上の前記第２の方向に沿った各単位領域のスペクトルデータをそれぞれ取得する請求項１に記載の分光測定装置。
- 前記測定光には、１６５０ｎｍ〜１７５０ｎｍの波長範囲の光が含まれる請求項１又は２に記載の分光測定装置。
- 前記測定光には、２１００ｎｍ〜２２００ｎｍの波長範囲の光が含まれる請求項１〜３のいずれか一項に記載の分光測定装置。
- 前記撮像手段は、２００×２００画素以上の画素によって構成される請求項１〜４のいずれか一項に記載の分光測定装置。
- 前記撮像手段は、前記複数の画素の前段に設けられた波長可変フィルタが時間的に透過波長を変化させることによって、前記複数の画素において前記測定対象物上の複数の単位領域各々におけるスペクトルデータを取得する請求項１記載の分光測定装置。
Priority Applications (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2014209746A JP2016080429A (ja) | 2014-10-14 | 2014-10-14 | 分光測定装置 |
| PCT/JP2015/076819 WO2016059946A1 (ja) | 2014-10-14 | 2015-09-21 | 分光測定方法及び分光測定装置 |
| CN201580055331.8A CN107076613A (zh) | 2014-10-14 | 2015-09-21 | 光谱测定方法及光谱测定装置 |
| DE112015004726.3T DE112015004726T5 (de) | 2014-10-14 | 2015-09-21 | Spektrokopiemessverfahren und Spektrokopiemessvorrichtung |
| US15/488,009 US20170219433A1 (en) | 2014-10-14 | 2017-04-14 | Spectroscopic measurement method and spectroscopic measurement device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2014209746A JP2016080429A (ja) | 2014-10-14 | 2014-10-14 | 分光測定装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2016080429A true JP2016080429A (ja) | 2016-05-16 |
Family
ID=55746494
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2014209746A Pending JP2016080429A (ja) | 2014-10-14 | 2014-10-14 | 分光測定装置 |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US20170219433A1 (ja) |
| JP (1) | JP2016080429A (ja) |
| CN (1) | CN107076613A (ja) |
| DE (1) | DE112015004726T5 (ja) |
| WO (1) | WO2016059946A1 (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2019144005A (ja) * | 2018-02-16 | 2019-08-29 | Ｊｆｅテクノリサーチ株式会社 | 成分含有量測定装置 |
| KR102659164B1 (ko) | 2021-10-22 | 2024-04-19 | 삼성전자주식회사 | 초분광 이미지 센서 및 그의 동작 방법 |
Families Citing this family (15)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104040309B (zh) | 2011-11-03 | 2019-06-07 | 威利食品有限公司 | 用于最终使用者食品分析的低成本光谱测定系统 |
| EP4006542A1 (en) | 2013-08-02 | 2022-06-01 | Verifood Ltd. | Spectrometer comprising sample illuminator |
| CN106461461A (zh) | 2014-01-03 | 2017-02-22 | 威利食品有限公司 | 光谱测定系统、方法和应用 |
| WO2016063284A2 (en) | 2014-10-23 | 2016-04-28 | Verifood, Ltd. | Accessories for handheld spectrometer |
| WO2016125164A2 (en) | 2015-02-05 | 2016-08-11 | Verifood, Ltd. | Spectrometry system applications |
| WO2016125165A2 (en) | 2015-02-05 | 2016-08-11 | Verifood, Ltd. | Spectrometry system with visible aiming beam |
| WO2016162865A1 (en) | 2015-04-07 | 2016-10-13 | Verifood, Ltd. | Detector for spectrometry system |
| US10066990B2 (en) | 2015-07-09 | 2018-09-04 | Verifood, Ltd. | Spatially variable filter systems and methods |
| US10203246B2 (en) | 2015-11-20 | 2019-02-12 | Verifood, Ltd. | Systems and methods for calibration of a handheld spectrometer |
| US10254215B2 (en) | 2016-04-07 | 2019-04-09 | Verifood, Ltd. | Spectrometry system applications |
| EP3488204A4 (en) | 2016-07-20 | 2020-07-22 | Verifood Ltd. | ACCESSORIES FOR HANDLABLE SPECTROMETERS |
| US10791933B2 (en) | 2016-07-27 | 2020-10-06 | Verifood, Ltd. | Spectrometry systems, methods, and applications |
| DE102017213419A1 (de) * | 2017-08-02 | 2019-02-07 | Deere & Company | Spektrometeranordnung |
| TWI662261B (zh) * | 2018-01-17 | 2019-06-11 | 國立交通大學 | 同軸異質整合高光譜系統 |
| DE102018221329A1 (de) * | 2018-12-10 | 2020-06-10 | BSH Hausgeräte GmbH | Verfahren zum Betreiben eines Haushalts-Gargeräts und Haushalts-Gargerät |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006226775A (ja) * | 2005-02-16 | 2006-08-31 | Toyohashi Univ Of Technology | 果実の食味成分評価方法及び評価装置 |
| JP2007225349A (ja) * | 2006-02-21 | 2007-09-06 | Univ Of Tsukuba | ３次元光断層画像の画像処理方法 |
| JP2008224473A (ja) * | 2007-03-14 | 2008-09-25 | Fujifilm Corp | 断層画像処理方法および装置ならびにプログラム |
| US20090171591A1 (en) * | 2007-12-28 | 2009-07-02 | Weyerhaeuser Company | Methods for classification of somatic embryos comprising hyperspectral line imaging |
| JP2010220569A (ja) * | 2009-03-25 | 2010-10-07 | National Institute For Agro-Environmental Science | 植物体の生育変化の連続測定方法 |
| WO2012090416A1 (ja) * | 2010-12-28 | 2012-07-05 | オリンパス株式会社 | 検査装置 |
Family Cites Families (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6512577B1 (en) * | 2000-03-13 | 2003-01-28 | Richard M. Ozanich | Apparatus and method for measuring and correlating characteristics of fruit with visible/near infra-red spectrum |
| WO2004069164A2 (en) * | 2003-01-30 | 2004-08-19 | Euro Celtique Sa | Wireless blood glucose monitoring system |
| KR101019650B1 (ko) * | 2003-10-17 | 2011-03-07 | 아스텔라스세이야쿠 가부시키가이샤 | 평면 분광기를 이용한 이종품 검출장치 |
| CN101983329A (zh) * | 2008-04-01 | 2011-03-02 | 国立大学法人丰桥技术科学大学 | 辨别过滤装置、对象辨别方法、以及辨别过滤装置的过滤器的设计方法 |
-
2014
- 2014-10-14 JP JP2014209746A patent/JP2016080429A/ja active Pending
-
2015
- 2015-09-21 WO PCT/JP2015/076819 patent/WO2016059946A1/ja active Application Filing
- 2015-09-21 CN CN201580055331.8A patent/CN107076613A/zh active Pending
- 2015-09-21 DE DE112015004726.3T patent/DE112015004726T5/de not_active Withdrawn
-
2017
- 2017-04-14 US US15/488,009 patent/US20170219433A1/en not_active Abandoned
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006226775A (ja) * | 2005-02-16 | 2006-08-31 | Toyohashi Univ Of Technology | 果実の食味成分評価方法及び評価装置 |
| JP2007225349A (ja) * | 2006-02-21 | 2007-09-06 | Univ Of Tsukuba | ３次元光断層画像の画像処理方法 |
| JP2008224473A (ja) * | 2007-03-14 | 2008-09-25 | Fujifilm Corp | 断層画像処理方法および装置ならびにプログラム |
| US20090171591A1 (en) * | 2007-12-28 | 2009-07-02 | Weyerhaeuser Company | Methods for classification of somatic embryos comprising hyperspectral line imaging |
| JP2010220569A (ja) * | 2009-03-25 | 2010-10-07 | National Institute For Agro-Environmental Science | 植物体の生育変化の連続測定方法 |
| WO2012090416A1 (ja) * | 2010-12-28 | 2012-07-05 | オリンパス株式会社 | 検査装置 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| GAO B C, LIU M: ""A Fast Smoothing Algorithm for Post-Processing of Surface Reflectance Spectra Retrieved from Airbor", SENSORS, vol. 13, JPN6015050029, 14 October 2013 (2013-10-14), pages 13879 - 13891, ISSN: 0003964236 * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2019144005A (ja) * | 2018-02-16 | 2019-08-29 | Ｊｆｅテクノリサーチ株式会社 | 成分含有量測定装置 |
| KR102659164B1 (ko) | 2021-10-22 | 2024-04-19 | 삼성전자주식회사 | 초분광 이미지 센서 및 그의 동작 방법 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| DE112015004726T5 (de) | 2017-07-06 |
| WO2016059946A1 (ja) | 2016-04-21 |
| CN107076613A (zh) | 2017-08-18 |
| US20170219433A1 (en) | 2017-08-03 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| WO2016059946A1 (ja) | 分光測定方法及び分光測定装置 | |
| US9164029B2 (en) | Method of classifying and discerning wooden materials | |
| WO2018043748A1 (ja) | 生体計測装置及び生体計測方法 | |
| JP2013044729A (ja) | 塗布状態測定方法 | |
| JP2023036975A (ja) | 製品検査方法及び製品検査装置 | |
| WO2016080442A1 (ja) | 品質評価方法及び品質評価装置 | |
| JP2010133934A (ja) | ２つの測定ユニットを有する表面測定装置 | |
| JP2013164338A (ja) | 植物または植物加工品の異物検出方法 | |
| US9232130B2 (en) | Multispectral camera using zero-mode channel | |
| JP6294696B2 (ja) | 遠赤外撮像装置、および遠赤外撮像方法 | |
| EP3159679A1 (en) | Apparatus and method for measuring haze of sheet materials or other materials using off-axis detector | |
| JP2016090476A (ja) | 異物検出方法 | |
| JP2015014527A (ja) | 異状検出装置及び異状検出方法 | |
| US10107745B2 (en) | Method and device for estimating optical properties of a sample | |
| JP2017203658A (ja) | 検査方法及び光学測定装置 | |
| JP2016156777A (ja) | 分光測定装置 | |
| JP2016206060A (ja) | 分光測定装置及び分光測定方法 | |
| DE102011079484A1 (de) | Verfahren und System zur Emissivitätsbestimmung | |
| JP5917572B2 (ja) | 分光測定装置及び画像部分抽出装置 | |
| WO2013133171A1 (ja) | 種子選別方法及び種子選別装置 | |
| KR20190104298A (ko) | 모유 분석 장치 | |
| JP4710366B2 (ja) | 赤外顕微鏡 | |
| JP7284457B2 (ja) | 量子効率分布の取得方法、量子効率分布の表示方法、量子効率分布の取得プログラム、量子効率分布の表示プログラム、分光蛍光光度計及び表示装置 | |
| JP2018200183A (ja) | 分光撮像装置及び分光撮像システム | |
| JP2017003499A (ja) | 分光測定装置及び分光測定方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20170828 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20180717 |
|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20190129 |