JP2016205987A - 分光計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】安価な構成で高速計測が可能な分光計測装置を提供する。【解決手段】分光計測装置１は、光源１０、回折格子２０、空間フィルタ部３０、検出部４０および解析部５０を備える。回折格子２０は、光源１０から出力された光を空間的に分光して波長によって異なる光路へ光を出力する。空間フィルタ部３０は、回折格子２０から出力された光を波長によって異なる位置に入力し、波長に応じた損失を該光に与えて該光を出力する。検出部４０は、空間フィルタ部３０から出力された光の強度を検出する。解析部５０は、検出部４０による検出結果に基づいて、光源１０と検出部４０との間の光路上に配置された被測定試料９０中の成分の吸収帯域および非吸収帯域それぞれの光の強度を求めて、被測定試料９０を成分について評価する。【選択図】図１

Description

本発明は、分光計測装置に関するものである。

赤外領域のうちでも特に波長２.５〜２５μｍの領域は、指紋領域と呼ばれ、物質固有の吸収ピークが現れるので、物質の同定に用いられる。赤外領域における物質の吸収特性を測定する際には、フーリエ変換型赤外分光（ＦＴＩＲ）技術が主に用いられる。ＦＴＩＲは、干渉光学系における２光路のうち一方の光路上に被測定試料を配置して、その２光路の光路長差を走査することで時系列に干渉強度データを取得し、この時系列データをフーリエ変換することにより、各波長での被測定試料の吸収情報を得る。このことから、ＦＴＩＲは、被測定試料の詳細な情報を得る為には膨大な量の時系列データを必要とする。しかし、光源として用いられるレーザ光源の性質上、単位時間当たりに得られるデータ数には限界がある。データ数を増やすには長時間に亘って計測を行う必要があることから、高速な計測が困難である。

一方、ＦＴＩＲとは別に分散型の分光計測装置も知られている。分散型の分光計測装置は、被測定試料を通過した光を分光部により空間的に分光して波長によって異なる光路へ伝搬させ、各波長の光の強度を検出器により検出することにより、各波長での被測定試料の吸収情報を得る。複数の検出器を用いることで、複数波長の光の強度を同時に検出することができるので、高速な計測が可能である。しかし、各波長に対応して検出器を用いる必要がある。被測定試料の詳細な吸収情報を得るには多くの検出器を用いる必要があることから、装置が高価となる。

特許文献１に記載された装置は、コレステロール濃度を測定するものであって、透過波長域が互いに異なる複数のバンドパスフィルタを順次に切り替えて用いることにより、各波長での被測定試料（コレステロール）の吸収情報を得て、コレステロールの濃度を測定する。しかし、多数のバンドパスフィルタを順次に切り替える必要があることから、高速な計測が困難である。

特許文献２に記載された装置は、歯の分光学的特性に基づいて歯色を識別するものであって、被測定試料（歯）における分光学的特性に応じた損失特性を有するフィルタを用いることにより、少数回の光強度測定データから被測定試料（歯）の色を分類する。しかし、被測定試料によってはフィルタの作製が困難であり、また、装置が高価になる可能性がある。

特許文献３に記載された装置は、大気ガス分量を測定するものであって、エタロン、バンドパスフィルタおよび回折格子による空間分散を組み合わせ、被測定試料（大気ガス）の吸収波長における吸光度の変化と、被測定試料が吸収しない波長（窓帯域）の強度とを比較して、大気ガス分量の常時監視を行う。

特許文献３に記載された装置は、被測定試料の特定の単一吸収波長における吸光度を測定する。大気ガスの一部の種類の評価において、同一帯域に吸収を持つ別物質を想定しないでよい場合に限り、単一波長における吸光度の測定により分量評価が可能である。しかし、被測定試料の吸収波長が類似または別の試料の吸収波長と同一である場合に、これらを区別（同定）することができない。

特許第５５９１６８０号公報 特許第４５０８４７６号公報 特開２００１-１０８６１３号公報

本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、安価な構成で高速計測が可能な分光計測装置を提供することを目的とする。

本発明の分光計測装置は、(1) 光を出力する光源と、(2) 光源から出力された光を空間的に分光して波長によって異なる光路へ光を出力する分光部と、(3) 分光部から出力された光を波長によって異なる位置に入力し、波長に応じた損失を該光に与えて該光を出力する空間フィルタ部と、(4) 空間フィルタ部から出力された光の強度を検出する検出部と、(5) 検出部による検出結果に基づいて、光源と検出部との間の光路上に配置された被測定試料で透過または反射した光のうち前記被測定試料中の成分の吸収帯域および非吸収帯域それぞれの光の強度を求めて、被測定試料を成分について評価する解析部と、を備える。

本発明の分光計測装置では、空間フィルタ部が各波長の光に与える損失の大きさが可変であるのが好適である。空間フィルタ部が、成分の吸収帯域の光に対して選択的に損失を与える第１フィルタと、成分の非吸収帯域の光に対して選択的に損失を与える第２フィルタとに、時系列で設定されるのが好適である。空間フィルタ部が、成分の吸収帯域の光に対して選択的に損失を与える第１フィルタと、成分の非吸収帯域の光に対して選択的に損失を与える第２フィルタとを含むのが好適である。第１フィルタおよび第２フィルタそれぞれの各波長での損失が互いに相補的であるのが好適である。空間フィルタ部が、成分の吸収帯域および非吸収帯域のうちの何れか一方の帯域の光に対して選択的に損失を与え、解析部が、成分の吸収帯域および非吸収帯域の双方の光の強度と検出部による検出結果とに基づいて、成分の吸収帯域および非吸収帯域それぞれの光の強度を求めるのも好適である。

また、本発明の分光計測装置では、空間フィルタ部が、被測定試料中のＮ個（Ｎは２以上の整数）の成分それぞれに対応して設けられ、解析部が、Ｎ個の成分のうちの第ｉ成分用の空間フィルタ部によりＮ個の成分のうちの第ｊ成分を分光計測する際の感度に基づいて、第ｉ成分用の空間フィルタ部による第ｉ成分についての評価結果を補正するのが好適である。

本発明によれば、安価な構成で高速計測が可能となる。

本実施形態の分光計測装置１の構成を示す図である。 本実施形態の分光計測装置１の構成の一部を示す側面図である。 本実施形態の分光計測装置１の構成の一部を示す斜視図である。 空間フィルタ部３０の一例を示す図である。 空間フィルタ部３０の他の一例を示す図である。 機械式シャッタアレイによる空間フィルタ部３０の構成を示す図である。 被測定試料９０中の２つの成分について評価する場合に用いられる空間フィルタ部３０の一例を示す図である。 反射型の空間フィルタ部３０を用いた場合の分光計測装置１の構成の一部を示す斜視図である。 成分Ａの吸収スペクトルを示す図である。 成分Ａを含む被測定試料の透過スペクトルを示す図である。 成分Ａ用の空間フィルタ部の構成を示す図である。 スペクトル一致度と成分Ａの濃度との関係を示すグラフである。 成分Ｂの吸収スペクトルを示す図である。 成分Ｂを含む被測定試料の透過スペクトルを示す図である。 成分Ａ用の空間フィルタ部を用いた場合のスペクトル一致度と成分Ｂの濃度との関係を示すグラフである。 成分Ｘの吸収スペクトルを示す図である。 成分Ｘを含む被測定試料の透過スペクトルを示す図である。 成分Ａ用の空間フィルタ部を用いた場合のスペクトル一致度と成分Ｘの濃度との関係を示すグラフである。 光源の出力スペクトルが平坦でない場合における成分Ａを含む被測定試料の透過スペクトルを示す図である。 光源の出力スペクトルが平坦でない場合におけるスペクトル一致度と成分Ａの濃度との関係を示すグラフである。 成分Ａ，Ｂ，Ｃそれぞれの吸収スペクトルを示す図である。 成分Ａ，Ｂ，Ｃを含む被測定試料の透過スペクトルを示す図である。 成分Ａ用の空間フィルタ部を用いた場合のスペクトル一致度と成分Ａの濃度との関係を示すグラフである。 成分Ｂ用の空間フィルタ部を用いた場合のスペクトル一致度と成分Ｂの濃度との関係を示すグラフである。 成分Ｃ用の空間フィルタ部を用いた場合のスペクトル一致度と成分Ｃの濃度との関係を示すグラフである。 成分Ａ用の空間フィルタ部を用いた場合の補正後のスペクトル一致度と成分Ａの濃度との関係を示すグラフである。 成分Ｂ用の空間フィルタ部を用いた場合の補正後のスペクトル一致度と成分Ｂの濃度との関係を示すグラフである。 成分Ｃ用の空間フィルタ部を用いた場合の補正後のスペクトル一致度と成分Ｃの濃度との関係を示すグラフである。 本実施形態の変形例の分光計測装置１Ａの構成を示す図である。

以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。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。

図１〜図３は、本実施形態の分光計測装置１の構成を示す図である。これらの図には、説明の便宜のためにｘｙｚ直交座標系が示されている。分光計測装置１は、光源１０、回折格子２０、空間フィルタ部３０、検出部４０、解析部５０、レンズ６１、シリンドリカルレンズ６２およびシリンドリカルレンズ６３を備え、光源１０と検出部４０との間の光路上に配置された被測定試料９０を分光計測する。

図２は、本実施形態の分光計測装置１の構成の一部を示す側面図である。図１は、回折格子２０から検出部４０までの光学系の光軸（ｚ軸）に垂直なｘ軸方向に見た分光計測装置１の構成を示す。図２は、ｚ軸およびｘ軸の双方に垂直なｙ軸方向に見た分光計測装置１の構成を示す。また、図３は、本実施形態の分光計測装置１の構成の一部を示す斜視図である。

光源１０は、光を出力する。光源１０は、被測定試料９０の分光計測を行うのに好適な波長帯域の光を出力する。光源１０は、赤外領域（特に指紋領域である波長２.５〜２５μｍの領域）の光を出力するのが好適であるが、これに限定されない。光源１０として、例えば、ランプ光源、量子カスケードレーザおよび熱型光源等が用いられる。レンズ６１は、光源１０から出力された光をコリメートする。

回折格子２０は、レンズ６１によりコリメートされた光のうち被測定試料９０を透過した光を入力する。回折格子２０は、その入力した光を空間的に分光して波長によって異なる光路へ光を出力する分光部として作用する。回折格子２０に入力する光はｙｚ平面に平行に伝搬するとし、回折格子２０から出力する光もｙｚ平面に平行に伝搬するとする。回折格子２０から出力する光は波長によって異なる方向に伝搬する。

シリンドリカルレンズ６２，６３は、ｙ軸方向について集光作用を有する。回折格子２０は、シリンドリカルレンズ６２の前焦点位置に配置されている。空間フィルタ部３０は、シリンドリカルレンズ６２の後焦点位置かつシリンドリカルレンズ６３の前焦点位置に配置されている。検出部４０は、シリンドリカルレンズ６３の後焦点位置に配置されている。

したがって、空間フィルタ部３０は、回折格子２０から出力された光を波長によって異なる位置に入力する。そして、空間フィルタ部３０は、波長に応じた損失を該光に与えて該光を出力する。また、検出部４０は、空間フィルタ部３０から出力された光の強度を検出する。検出部４０として、光源１０から出力される光の帯域に感度を有するものが用いられ、例えば、ＭＣＴ（テルル化カドミウム水銀）検出器やボロメータなどの熱型検出器が用いられる。

解析部５０は、検出部４０による検出結果に基づいて、被測定試料９０中の成分の吸収帯域および非吸収帯域それぞれの光の強度を求めて、被測定試料９０を前記成分について評価する。

図１ではレンズ６１と回折格子２０との間の光路上に被測定試料９０が配置されているが、これに限定されるものではなく、被測定試料９０は光源１０と検出部４０との間の光路上に配置されればよい。図１では被測定試料９０を透過した光を検出しているが、図２９に示される分光計測装置１Ａの構成のように被測定試料９０で反射した光を検出してもよい。図１では回折格子２０として反射型回折格子が示されているが、透過型回折格子が用いられてもよい。図１では透過型の空間フィルタ部３０が示されているが、反射型の空間フィルタ部が用いられてもよい。図１では透過型のレンズが用いられているが、反射型の集光用曲面鏡が用いられてもよい。

図２および図３に示されるように、空間フィルタ部３０は、ｘ軸方向について互いに異なる位置に配置された第１フィルタ３１および第２フィルタ３２を含む。第１フィルタ３１は、被測定試料９０中の成分の吸収帯域の光に対して選択的に損失を与える。第２フィルタ３２は、被測定試料９０中の成分の非吸収帯域の光に対して選択的に損失を与える。また、検出部４０は、ｘ軸方向について互いに異なる位置に配置された第１検出器４１および第２検出器４２を含む。第１検出器４１は、第１フィルタ３１から出力された光の強度を検出する。第２検出器４２は、第２フィルタ３２から出力された光の強度を検出する。第１フィルタ３１および第２フィルタ３２それぞれの各波長での損失が互いに相補的であるのが好適である。

図４は、空間フィルタ部３０の一例を示す図である。同図において、透過率の大きさが白黒で表されており、白色領域が光を透過させ、黒色領域が光を遮断する。例えば、被測定試料９０中の成分の吸収スペクトルにおける各々の吸収ピーク波長を含む半値幅の範囲を吸収帯域とし、その他の範囲を非吸収帯域とする。そして、第１フィルタ３１は、被測定試料９０中の成分の非吸収帯域の光に対する透過率を１（または１に近い値）とし、該成分の吸収帯域の光に対する透過率を０（または０に近い値）とする。第２フィルタ３２は、逆に、被測定試料９０中の成分の非吸収帯域の光に対する透過率を０（または０に近い値）とし、該成分の吸収帯域の光に対する透過率を１（または１に近い値）とする。

図５は、空間フィルタ部３０の他の一例を示す図である。同図において、透過率の大きさが濃淡で表されており、白色に近いほど透過率が大きく、黒色に近いほど透過率が小さい。各波長において、被測定試料９０中の成分の吸収が小さいほど、第１フィルタ３１の透過率は大きく、第２フィルタ３２の透過率は小さい。逆に、各波長において、被測定試料９０中の成分の吸収が小さいほど、第１フィルタ３１の透過率は小さく、第２フィルタ３２の透過率は大きい。

第１フィルタ３１および第２フィルタ３２それぞれの各波長での損失が上記のような関係を有することから、第１検出器４１による検出結果（第１フィルタ３１を透過した光の強度）Ｐ１は、主に被測定試料９０中の成分の非吸収帯域の光の強度に依存し、第２検出器４２による検出結果（第２フィルタ３２を透過した光の強度）Ｐ２は、主に被測定試料９０中の成分の吸収帯域の光の強度に依存する。空間フィルタ部３０（第１フィルタ３１、第２フィルタ３２）は、被測定試料９０中の判別したい成分（例えば有害物質や禁止薬物）毎に適切に設計される。上記の検出結果Ｐ１，Ｐ２は、被測定試料９０中の成分の種類や濃度に応じたものとなる。

解析部５０は、検出結果Ｐ１，Ｐ２に基づいて被測定試料９０を前記成分について評価する際に、被測定試料９０中に前記成分が含まれていないときの第１検出器４１による検出結果Ｐ１(0)および第２検出器４２による検出結果Ｐ２(0)を用いるのが好適である。例えば、解析部５０は、下記（１）式で定義するスペクトル一致度を求め、このスペクトル一致度に基づいて被測定試料９０を前記成分について評価するのが好適である。

本実施形態では、このような第１フィルタ３１および第２フィルタ３２の双方を用いることにより、何れか一方のみを用いる場合と比較して、被測定試料９０を高感度で評価することができるだけでなく、弁別能を高めることができる。例えば、特定の透過波長をもつ成分Ａと全ての波長を透過する成分Ｂとを測定する場合に、フィルタの透過波長と成分Ａの透過波長とが互いに一致していると、検出器による検出結果は成分Ａ，Ｂによらず同一である。しかし、本実施形態では、第１フィルタ３１および第２フィルタ３２を用いることで、成分Ａと成分Ｂとで互いに異なる検出結果を得ることができる。

空間フィルタ部３０は、被測定試料９０中の判別したい成分毎に適切に設計される。したがって、空間フィルタ部３０が各波長の光に与える損失の大きさが固定である場合には、判別したい成分毎に設計された空間フィルタ部３０を用意しておき、これらの空間フィルタ部３０を順次に光路中に配置して測定することで、被測定試料９０を各成分について評価することができる。

一方、空間フィルタ部３０が各波長の光に与える損失の大きさが可変であってもよい。この場合には、判別したい成分毎にフィルタ特性を予め求めて記憶部に記憶しておき、これらのフィルタ特性を順次に記憶部から読み出して空間フィルタ部３０に呈示させて測定することで、被測定試料９０を各成分について評価することができる。

このようなフィルタ特性が可変である空間フィルタ部３０は、液晶シャッタや機械式シャッタ等により実現することができる。図６は、機械式シャッタアレイによる空間フィルタ部３０の構成を示す図である。この空間フィルタ部３０は、並列配置された複数の帯状シャッタを有し、各々の帯状シャッタが第１フィルタ３１および第２フィルタ３２の何れかの側に配置されることで、第１フィルタ３１および第２フィルタ３２それぞれの透過特性を設定することができる。記憶部３４は、判別したい成分毎に求められたフィルタ特性を記憶する。フィルタ制御部３３は、記憶部３４に記憶されているフィルタ特性を順次に読み出して空間フィルタ部３０に呈示させる。このように構成される空間フィルタ部３０は、互いに相補的な透過特性を有する第１フィルタ３１および第２フィルタ３２を容易に実現することができる。

また、フィルタ特性が可変である空間フィルタ部３０を用いれば、上記のような第１フィルタ３１および第２フィルタ３２の対を成分毎に時系列で実現することもできる。また、各成分について第１フィルタ３１および第２フィルタ３２を時系列で実現することができる。この場合、検出部４０は１つの検出器を含むだけでよく、シリンドリカルレンズ６２，６３に替えて通常のレンズを用いることができる。

また、空間フィルタ部３０は、被測定試料９０中の成分の吸収帯域および非吸収帯域のうちの何れか一方の帯域の光に対して選択的に損失を与えるものであってもよい。この場合、検出部４０は、一方の帯域の光の強度を検出する。そして、解析部５０は、別手段で求めた前記成分の吸収帯域および非吸収帯域の双方の光の強度と、検出部４０による検出結果とに基づいて、前記成分の吸収帯域および非吸収帯域それぞれの光の強度を求めることができる。前記成分の吸収帯域および非吸収帯域の双方の光の強度を求める手段としては、空間フィルタ部３０において全帯域の光を透過させて強度を求める第１の手段、他の成分の吸収帯域および非吸収帯域の双方の光の強度の和を求める第２の手段、ならびに、空間フィルタ部３０の前段で光の一部を分岐して強度を求める第３の手段、等がある。

図７は、被測定試料９０中の２つの成分について評価する場合に用いられる空間フィルタ部３０の一例を示す図である。同図に示される空間フィルタ部３０は、リファレンス用フィルタ３０Ｒ、成分Ａ用の第１フィルタ３１Ａおよび成分Ｂ用の第１フィルタ３１Ｂを含む。リファレンス用フィルタ３０Ｒは、上記の第１の手段を実現するものであって、全帯域の光を透過させる。成分Ａ用の第１フィルタ３１Ａは、成分Ａの非吸収帯域の光を透過させる。成分Ｂ用の第１フィルタ３１Ｂは、成分Ｂの非吸収帯域の光を透過させる。

このような空間フィルタ部３０を用いることで、解析部５０は、リファレンス用フィルタ３０Ｒを透過して検出器により検出された全帯域の光の強度Ｐ_total、成分Ａ用の第１フィルタ３１Ａを透過して検出器により検出された成分Ａの非吸収帯域の光の強度Ｐ１_Ａ、および、成分Ｂ用の第１フィルタ３１Ｂを透過して検出器により検出された成分Ｂの非吸収帯域の光の強度Ｐ１_Ｂを得ることができる。そして、解析部５０は、全帯域の光の強度Ｐ_totalから成分Ａの非吸収帯域の光の強度Ｐ１_Ａを差し引くことで、成分Ａの吸収帯域の光の強度Ｐ２_Ａ（＝Ｐ_total−Ｐ１_Ａ）を求めることができる。また、解析部５０は、全帯域の光の強度Ｐ_totalから成分Ｂの非吸収帯域の光の強度Ｐ１_Ｂを差し引くことで、成分Ｂの吸収帯域の光の強度Ｐ２_Ｂ（＝Ｐ_total−Ｐ１_Ｂ）を求めることができる。解析部５０は、これらの光強度に基づいて、被測定試料９０を成分Ａ、Ｂについて評価することができる。

また、上記の第２の手段を実現するには、例えば、空間フィルタ部３０は、成分Ａ用の第１フィルタ３１Ａおよび第２フィルタ３２Ａ、ならびに、成分Ｂ用の第１フィルタ３１Ｂを含む構成とすることができる。この場合、解析部５０は、成分Ａ用の第１フィルタ３１Ａを透過して検出器により検出された成分Ａの非吸収帯域の光の強度Ｐ１_Ａ、成分Ａ用の第２フィルタ３２Ａを透過して検出器により検出された成分Ａの吸収帯域の光の強度Ｐ２_Ａ、および、成分Ｂ用の第１フィルタ３１Ｂを透過して検出器により検出された成分Ｂの非吸収帯域の光の強度Ｐ１_Ｂを得ることができる。そして、解析部５０は、成分Ａの非吸収帯域の光の強度Ｐ１_Ａと成分Ａの吸収帯域の光の強度Ｐ２_Ｂとの和Ｐ_total（＝Ｐ１_Ａ＋Ｐ１_Ｂ）を求めることができる。さらに、解析部５０は、この和Ｐ_totalから成分Ｂの非吸収帯域の光の強度Ｐ１_Ｂを差し引くことで、成分Ｂの吸収帯域の光の強度Ｐ２_Ｂ（＝Ｐ_total−Ｐ１_Ｂ）を求めることができる。解析部５０は、これらの光強度に基づいて、被測定試料９０を成分Ａ、Ｂについて評価することができる。

上記の第１または第２の手段によれば、一般に被測定試料９０中のＮ個（Ｎは２以上の整数）の成分について評価するには、空間フィルタ部３０は(Ｎ＋１)個のフィルタを有する構成とすることができる。空間フィルタ部３０が各波長の光に与える損失の大きさが可変であれば、空間フィルタ部３０を更に小型化することができ、また、検出部４０に含まれる検出器の個数も削減することができる。

空間フィルタ部３０は反射型のものであってもよい。図８は、反射型の空間フィルタ部３０を用いた場合の分光計測装置１の構成の一部を示す斜視図である。空間フィルタ部３０が反射型のものである場合、第１フィルタ３１は、被測定試料９０中の成分の非吸収帯域の光を選択的に反射させ、該成分の吸収帯域の光を選択的に吸収する。第２フィルタ３２は、被測定試料９０中の成分の非吸収帯域の光を選択的に吸収し、該成分の吸収帯域の光を選択的に反射させる。

反射型の空間フィルタ部３０は、反射特性が固定であってもよいし、反射特性が可変であってもよい。後者の場合、空間フィルタ部３０として、液晶やＤＭＤ（Digital Micromirror Device）によって構成することができる。また、反射型の空間フィルタ部３０を用いる場合においても、被測定試料９０中のＮ個の成分について評価するために、空間フィルタ部３０は(Ｎ＋１)個のフィルタを有する構成とすることができる。

以上のように、本実施形態では、分光部である回折格子２０による空間分光を利用するとともに、空間フィルタ部３０を用いて検出部４０により光検出を行うことで、その検出部４０に含まれる検出器の個数を少なくすることができるので、安価に装置を構成することができ、また、高速計測が可能となる。

次に、本実施形態の分光計測装置１の作用効果について行ったシミュレーションの内容および結果について説明する。以下の説明において、被測定試料中の成分の濃度および波長は任意単位である。

図９は、成分Ａの吸収スペクトルを示す図である。図１０は、成分Ａを含む被測定試料の透過スペクトルを示す図である。成分Ａは、波長２００，５００および７００それぞれにおいて吸収ピークが存在する吸収スペクトルを有するものとした。被測定試料中の成分Ａの濃度を０，１，２，３，５，１０，２０，３０の各値とした。また、光源の出力スペクトルは全波長域で平坦であるとした。

図１１は、成分Ａ用の空間フィルタ部の構成を示す図である。同図において、透過率の大きさが白黒で表されており、白色領域が光を透過させ、黒色領域が光を遮断する。被測定試料中の成分Ａの吸収スペクトルにおける各々の吸収ピーク波長を含む半値幅の範囲を吸収帯域とし、その他の範囲を非吸収帯域とした。そして、第１フィルタ３１は、成分Ａの非吸収帯域の光に対する透過率を１とし、成分Ａの吸収帯域の光に対する透過率を０とした。第２フィルタ３２は、逆に、成分Ａの非吸収帯域の光に対する透過率を０とし、成分Ａの吸収帯域の光に対する透過率を１とした。

以上のような条件で、第１検出器４１による検出結果（第１フィルタ３１を透過した光の強度）Ｐ１、および、第２検出器４２による検出結果（第２フィルタ３２を透過した光の強度）Ｐ２を求めて、スペクトル一致度（上記（１）式）を計算した。図１２は、スペクトル一致度と成分Ａの濃度との関係を示すグラフである。同図に示されるように、成分Ａの濃度が高いほどスペクトル一致度は大きい。

図１３は、成分Ｂの吸収スペクトルを示す図である。図１４は、成分Ｂを含む被測定試料の透過スペクトルを示す図である。成分Ｂは、成分Ａとは別のものであって、波長２５０，４４０および７６０それぞれにおいて吸収ピークが存在する吸収スペクトルを有するものとした。被測定試料中の成分Ｂの濃度を０，１，２，３，５，１０，２０，３０の各値とした。また、光源の出力スペクトルは全波長域で平坦であるとした。図１１に示される成分Ａ用の空間フィルタ部を用いた。図１５は、成分Ａ用の空間フィルタ部を用いた場合のスペクトル一致度と成分Ｂの濃度との関係を示すグラフである。同図に示されるように、成分Ａ用の空間フィルタ部を用いて成分Ｂについて評価すると、スペクトル一致度は負の値となった。

図１６は、成分Ｘの吸収スペクトルを示す図である。図１７は、成分Ｘを含む被測定試料の透過スペクトルを示す図である。成分Ｘは、成分Ａ，Ｂの何れとも異なり、ランダムな吸収スペクトルを有するものとした。被測定試料中の成分Ｘの濃度を０，１，２，３，５，１０，２０，３０の各値とした。また、光源の出力スペクトルは全波長域で平坦であるとした。図１１に示される成分Ａ用の空間フィルタ部を用いた。図１８は、成分Ａ用の空間フィルタ部を用いた場合のスペクトル一致度と成分Ｘの濃度との関係を示すグラフである。成分Ｘのランダムな吸収スペクトルを２０種類設定して、その各々の場合についてスペクトル一致度と成分Ｘの濃度との関係を求めた。同図に示されるように、成分Ａ用の空間フィルタ部を用いて成分Ｘについて評価すると、スペクトル一致度は、平均的には値０であり、正負の小さい値をとることが分かった。

図１９は、光源の出力スペクトルが平坦でない場合における成分Ａを含む被測定試料の透過スペクトルを示す図である。成分Ａの吸収スペクトルは図９に示されるとおりである。被測定試料中の成分Ａの濃度を０，１，２，３，５，１０，２０，３０の各値とした。また、光源の出力光強度は、帯域の中央部で大きく、帯域の周辺で小さいものとした。図１１に示される成分Ａ用の空間フィルタ部を用いた。図２０は、光源の出力スペクトルが平坦でない場合におけるスペクトル一致度と成分Ａの濃度との関係を示すグラフである。同図は、光源の出力スペクトルが平坦であるとした場合の図１２と殆ど変らない結果となった。すなわち、光源の出力スペクトルの形状への依存性が小さいことが分かる。

以上のシミュレーション結果から分るように、光源の出力スペクトルの形状によらず、成分Ａ用の空間フィルタ部を用いることで被測定試料を成分Ａについて選択的に評価することができる。例えば、或る閾値を予め設定しておいて、スペクトル一致度が閾値より大きい場合に、被測定試料中に成分Ａが含まれていると判定することができる。

次に、被測定試料中に複数の成分が含まれている場合の本実施形態の分光計測装置１の作用効果について行ったシミュレーションの内容および結果について説明する。以下の説明においても、被測定試料中の各成分の濃度および波長は任意単位である。

図２１は、成分Ａ，Ｂ，Ｃそれぞれの吸収スペクトルを示す図である。これらのうち成分Ａの吸収スペクトルは、図９に示されたものと同じである。成分Ａ，Ｂ，Ｃそれぞれの吸収スペクトルは互いに異なる。成分Ａ，Ｂ，Ｃを含む被測定試料の透過スペクトルは、何れか１つの成分を含む被測定試料の透過スペクトルと比べて複雑な形状となる。成分Ａのみを含む被測定試料の透過スペクトルは図１０に示されたとおりであるのに対して、成分Ａ，Ｂ，Ｃを含む被測定試料の透過スペクトルは図２２に示されるようなものとなる。図２２において、被測定試料中の成分Ａの濃度を０，１，２，３，５，１０，２０，３０の各値とし、成分Ｂ，Ｃそれぞれの濃度を１０とした。また、光源の出力スペクトルは全波長域で平坦であるとした。

図２３は、成分Ａ用の空間フィルタ部を用いた場合のスペクトル一致度と成分Ａの濃度との関係を示すグラフである。成分Ａ用の空間フィルタ部は、図１１に示されたとおりのものである。被測定試料中の成分Ａの濃度を０，１，２，３，５，１０，２０，３０の各値とし、成分Ｂの濃度を０，２，５，２０の各値とし、成分Ｃの濃度を０，２，５，２０の各値とした。同図において、太線のグラフは、成分Ｂ，Ｃの何れをも含まないときのスペクトル一致度と成分Ａの濃度との関係を示す。太線以外の線のグラフは、成分Ｂ，Ｃの何れかを含むときのスペクトル一致度と成分Ａの濃度との関係を示す。

同図から、評価したい成分Ａについて求めたスペクトル一致度は、成分Ａ以外に被測定試料に含まれる他の成分の種類によって高い見積もり（overestimation）および低い見積もり（underestimation）の何れかになることが分かる。他の成分の吸収スペクトルが成分Ａの吸収スペクトルと類似している場合、スペクトル一致度は高い見積もりとなる。逆に、他の成分の吸収スペクトルが成分Ａの吸収スペクトルと相違している場合、スペクトル一致度は低い見積もりとなる。

図２４は、成分Ｂ用の空間フィルタ部を用いた場合のスペクトル一致度と成分Ｂの濃度との関係を示すグラフである。成分Ｂ用の空間フィルタ部は、成分Ａ用の空間フィルタ部と同様にして設計された。被測定試料中の成分Ｂの濃度を０，１，２，３，５，１０，２０，３０の各値とし、成分Ａの濃度を０，２，５，２０の各値とし、成分Ｃの濃度を０，２，５，２０の各値とした。同図において、太線のグラフは、成分Ａ，Ｃの何れをも含まないときのスペクトル一致度と成分Ｂの濃度との関係を示す。太線以外の線のグラフは、成分Ａ，Ｃの何れかを含むときのスペクトル一致度と成分Ｂの濃度との関係を示す。

図２５は、成分Ｃ用の空間フィルタ部を用いた場合のスペクトル一致度と成分Ｃの濃度との関係を示すグラフである。成分Ｃ用の空間フィルタ部は、成分Ａ用の空間フィルタ部と同様にして設計された。被測定試料中の成分Ｃの濃度を０，１，２，３，５，１０，２０，３０の各値とし、成分Ａの濃度を０，２，５，２０の各値とし、成分Ｂの濃度を０，２，５，２０の各値とした。同図において、太線のグラフは、成分Ａ，Ｂの何れをも含まないときのスペクトル一致度と成分Ｃの濃度との関係を示す。太線以外の線のグラフは、成分Ａ，Ｂの何れかを含むときのスペクトル一致度と成分Ｃの濃度との関係を示す。

図２１に示されるように、成分Ｃの吸収スペクトルは、成分Ａ，Ｂそれぞれの吸収スペクトルとの類似度が低い。それ故、図２５に示されるように、被測定試料が成分Ａ，Ｂをも含む場合、成分Ｃについてのスペクトル一致度は低い見積もりとなる。

以上のように、被測定試料中に複数の成分が含まれている場合、各成分について得られるスペクトル一致度は不正確なものとなる。そこで、以下のような補正を行うのが好ましい。補正を行うに際して考慮すべき点は、成分Ａ用の空間フィルタ部を用いた測定は、成分Ａの吸収スペクトルに対して感度を有するだけでなく、他の成分の吸収スペクトルに対してもプラスまたはマイナスの感度を有することである。

Ｎ個の成分のうちの第ｉ成分用の空間フィルタ部により、Ｎ個の成分のうちの第ｊ成分を分光計測する際の感度をａ_ｉ,jと表す。第ｉ成分用の空間フィルタ部の重み付け係数をＫ_ｉ(λ)と表す。第ｊ成分の吸収スペクトルをＬ_ｊ(λ)と表す。Ｎは２以上の整数であり、ｉ，ｊは１以上Ｎ以下の各整数である。λは波長である。感度ａ_i,jは、下記（２）式で表すことができる。重み付け係数Ｋ_ｉ(λ)は、非吸収帯域内では−１／Ｐ１(0)であり、吸収帯域内では１／Ｐ２(0)である。Ｐ１(0)およびＰ２(0)は、（１）式でも用いられたパラメータである。また、感度行列Ａを、感度ａ_i,jを第ｉ行第ｊ列の要素とする下記（３）式で表されるものとする。感度行列Ａは予め計算または測定により求めておくことができる。

第ｉ成分についての真のスペクトル一致度をｓ_{true_ｉ}として、真のスペクトル一致度ベクトルＳ_trueを、ｓ_{true_ｉ}を第ｉの要素とする下記（４）式で表されるものとする。また、第ｉ成分について測定により得られた見かけのスペクトル一致度をｓ_ｉとして、見かけのスペクトル一致度ベクトルＳを、ｓ_ｉを第ｉの要素とする下記（５）式で表されるものとする。

見かけのスペクトル一致度ベクトルＳは、感度行列Ａおよび真のスペクトル一致度ベクトルＳ_trueを用いて、下記（６）式のように表される。したがって、真のスペクトル一致度ベクトルＳ_trueは、下記（７）式のように表される。このように、解析部５０は、第ｉ成分用の空間フィルタ部による第ｉ成分についての評価結果（見かけのスペクトル一致度ｓ_ｉ）を感度ａ_ｉ,jに基づいて補正することで、真のスペクトル一致度ｓ_{true_ｉ}を求めるのが好適である。

図２６〜図２８は、図２３〜図２５に示された見かけのスペクトル一致度に対して上記補正を行った結果を示す。

図２６は、成分Ａ用の空間フィルタ部を用いた場合の補正後のスペクトル一致度と成分Ａの濃度との関係を示すグラフである。同図において、太線のグラフは、成分Ｂ，Ｃの何れをも含まないときのスペクトル一致度と成分Ａの濃度との関係を示す。太線以外の線のグラフは、成分Ｂ，Ｃの何れかを含むときのスペクトル一致度と成分Ａの濃度との関係を示す。

図２７は、成分Ｂ用の空間フィルタ部を用いた場合の補正後のスペクトル一致度と成分Ｂの濃度との関係を示すグラフである。同図において、太線のグラフは、成分Ａ，Ｃの何れをも含まないときのスペクトル一致度と成分Ｂの濃度との関係を示す。太線以外の線のグラフは、成分Ａ，Ｃの何れかを含むときのスペクトル一致度と成分Ｂの濃度との関係を示す。

図２８は、成分Ｃ用の空間フィルタ部を用いた場合の補正後のスペクトル一致度と成分Ｃの濃度との関係を示すグラフである。同図において、太線のグラフは、成分Ａ，Ｂの何れをも含まないときのスペクトル一致度と成分Ｃの濃度との関係を示す。太線以外の線のグラフは、成分Ａ，Ｂの何れかを含むときのスペクトル一致度と成分Ｃの濃度との関係を示す。

図２３〜図２５に示された補正前のスペクトル一致度に対し、図２６〜図２８に示された補正後のスペクトル一致度は、評価対象の成分以外の成分の濃度に対する依存性が低減されたことが分かる。補正後のスペクトル一致度は、評価対象の成分以外の成分の濃度が高い場合には、真の値からの差が大きくなる傾向が見られる。しかし、補正後のスペクトル一致度は、評価対象の成分の濃度が０に近い範囲では、真の値からの差が小さい。これは、評価対象の成分の濃度が低くても、擬陽性の心配なく検出することができることを示している。

１，１Ａ…分光計測装置、１０…光源、２０…回折格子（分光部）、３０…空間フィルタ部、３１…第１フィルタ、３２…第２フィルタ、４０…検出部、４１…第１検出器、４２…第２検出器、５０…解析部、６１…レンズ、６２…シリンドリカルレンズ、６３…シリンドリカルレンズ、９０…被測定試料。

Claims (7)

1. 光を出力する光源と、
   前記光源から出力された光を空間的に分光して波長によって異なる光路へ光を出力する分光部と、
   前記分光部から出力された光を波長によって異なる位置に入力し、波長に応じた損失を該光に与えて該光を出力する空間フィルタ部と、
   前記空間フィルタ部から出力された光の強度を検出する検出部と、
   前記検出部による検出結果に基づいて、前記光源と前記検出部との間の光路上に配置された被測定試料で透過または反射した光のうち前記被測定試料中の成分の吸収帯域および非吸収帯域それぞれの光の強度を求めて、前記被測定試料を前記成分について評価する解析部と、
   を備える分光計測装置。
2. 前記空間フィルタ部が各波長の光に与える損失の大きさが可変である、請求項１に記載の分光計測装置。
3. 前記空間フィルタ部が、前記成分の吸収帯域の光に対して選択的に損失を与える第１フィルタと、前記成分の非吸収帯域の光に対して選択的に損失を与える第２フィルタとに、時系列で設定される、請求項２に記載の分光計測装置。
4. 前記空間フィルタ部が、前記成分の吸収帯域の光に対して選択的に損失を与える第１フィルタと、前記成分の非吸収帯域の光に対して選択的に損失を与える第２フィルタとを含む、請求項１または２に記載の分光計測装置。
5. 前記第１フィルタおよび前記第２フィルタそれぞれの各波長での損失が互いに相補的である、請求項３または４に記載の分光計測装置。
6. 前記空間フィルタ部が、前記成分の吸収帯域および非吸収帯域のうちの何れか一方の帯域の光に対して選択的に損失を与え、
   前記解析部が、前記成分の吸収帯域および非吸収帯域の双方の光の強度と前記検出部による検出結果とに基づいて、前記成分の吸収帯域および非吸収帯域それぞれの光の強度を求める、
   請求項１または２に記載の分光計測装置。
7. 前記空間フィルタ部が、前記被測定試料中のＮ個（Ｎは２以上の整数）の成分それぞれに対応して設けられ、
   前記解析部が、前記Ｎ個の成分のうちの第ｉ成分用の前記空間フィルタ部により前記Ｎ個の成分のうちの第ｊ成分を分光計測する際の感度に基づいて、第ｉ成分用の前記空間フィルタ部による第ｉ成分についての評価結果を補正する、
   請求項１〜６の何れか１項に記載の分光計測装置。