JP4211673B2 - 物質比較装置及び物質比較方法 - Google Patents

Description

本発明は、分析対象物及び参照物質に光を照射し、それらの反射光又は透過光を分光分析して、分析対象物と参照物質とが同じ物質であるかどうかを判断する物質比較装置及び物質比較方法に関するものである。

工場などで生産された食品や薬品などについては、製品の安全性を確保するために、製品検査が一般に行われている。従来の製品検査は、製品からランダムにサンプルを抜き出し、各サンプルについて、製品中への異物の混入の有無を調べたり、サンプルと標本物質（参照物質）との差異を識別するというものであった。

サンプルと標本物質との差異の識別は、例えば、ある波長の光をサンプル及び標本物質に照射し、それらの反射光又は透過光を分光分析して、ある波長の光の吸収が同じかどうかを判断するというものであった。この分光分析に用いる機器としては、フィルターを用いた小型の分光器、又は実験室用の大型の分光器が一般的に使用されていた。

ところで、フィルターを用いた小型の分光器は、安価であるものの、比較可能な波長の数が少なすぎるため、使用可能なサンプルに制限が生じてしまう。このため、フィルターを用いた小型の分光器は、物質比較装置としての実用性に乏しいという問題があった。

また、実験室用の大型の分光器は、スペクトルを採取することを目的としたものであるため、可搬性について考慮されていない。このため、この分光器は、製品の製造現場で使用することが困難であるという問題があった。

以上の事情を考慮して創案された本発明の目的は、小型で、簡単に、様々なサンプルついて物質比較が可能な物質比較装置及び物質比較方法を提供することにある。

上記目的を達成すべく本発明に係る物質比較装置は、分析対象物及び参照物質に光を照射し、それらの反射光又は透過光を分光分析して、分析対象物と参照物質とが同じ物質であるかどうかを判断する装置において、
分析対象物及び参照物質に光を出射する光源と、
分析対象物で反射された又は分析対象物を透過したサンプル光と参照物質で反射された又は参照物質を透過したレファレンス光をそれぞれ分光する回折格子と、
回折格子で分光されたサンプル光を所定の波長バンドごとに偏向して反射させるサンプル光用プログラマブル回折格子と、
サンプル光用プログラマブル回折格子で偏向、反射されたサンプル光を波長バンドごとに通過／遮断するサンプル光用アパチャと、
回折格子で分光されたレファレンス光を所定の波長バンドごとに偏向して反射させるレファレンス光用プログラマブル回折格子と、
レファレンス光用プログラマブル回折格子で偏向、反射されたレファレンス光を波長バンドごとに通過／遮断するレファレンス光用アパチャと、
サンプル光とレファレンス光の波長バンドごとのスペクトルを交互に検出し、サンプル光とレファレンス光のスペクトルの差を出力するアレイ検出素子と、
各アパチャを通過したサンプル光とレファレンス光を屈折させてアレイ検出素子に到達させる屈折手段と、
アレイ検出素子からの出力に基づいて物質比較の演算を行う演算手段とを備えたものである。

本発明に係る別の物質比較装置は、分析対象物及び参照物質に光を照射し、それらの反射光又は透過光を分光分析して、分析対象物と参照物質とが同じ物質であるかどうかを判断する装置において、
分析対象物に光を出射する光源と、
分析対象物で反射された又は分析対象物を透過したサンプル光と光源から別経路でガイドされたレファレンス光をそれぞれ分光する回折格子と、
回折格子で分光されたサンプル光を所定の波長バンドごとに偏向して反射させるサンプル光用プログラマブル回折格子と、
サンプル光用プログラマブル回折格子で偏向、反射されたサンプル光を波長バンドごとに通過／遮断するサンプル光用アパチャと、
回折格子で分光されたレファレンス光を所定の波長バンドごとに偏向して反射させるレファレンス光用プログラマブル回折格子と、
レファレンス光の波長バンドごとのスペクトルに、予め作製しておいた参照物質の光吸収スペクトルと同じ重み付けを行うべく、レファレンス光用プログラマブル回折格子での偏向量を調節する制御手段と、
レファレンス光用プログラマブル回折格子で偏向、反射されたレファレンス光を波長バンドごとに通過／遮断するレファレンス光用アパチャと、
サンプル光とレファレンス光の波長バンドごとのスペクトルを交互に検出し、サンプル光とレファレンス光のスペクトルの差を出力するアレイ検出素子と、
各アパチャを通過したサンプル光とレファレンス光を屈折させてアレイ検出素子に到達させる屈折手段と、
アレイ検出素子からの出力に基づいて物質比較の演算を行う演算手段とを備えたものである。

上記レファレンス光用アパチャを通過するレファレンス光の波長バンドごとの強度が、分析対象物に参照物質と同じ物質を用いたときのサンプル光の波長バンドごとの強度と等しくなるように、レファレンス光用プログラマブル回折格子でのレファレンス光の偏向量を調節してもよい。
また、上記サンプル光用プログラマブル回折格子での偏向量を調節することにより、サンプル光用アパチャを通過するサンプル光の波長バンドごとの強度を調整し、アレイ検出素子で検出するスペクトルの差を増幅させてもよい。

また、プログラマブル回折格子は、ＭＥＭＳアクチュエータを有することが好ましい。

また、分析対象物で反射された又は分析対象物を透過したサンプル光を全て受光可能とすべく、第１光ガイド部材のサンプル光導入端に、第１光ガイド部材を走査させるスキャニング手段を設けてもよい。

一方、本発明に係る物質比較方法は、分析対象物及び参照物質に光を照射し、それらの反射光又は透過光を分光分析して、分析対象物と参照物質とが同じ物質であるかどうかを判断する方法において、
光源から出射された光を分析対象物に照射し、その光を反射又は透過させてサンプル光とすると共に、光の一部を参照物質に照射し、その光を反射又は透過させてレファレンス光とし、
サンプル光とレファレンス光を回折格子でそれぞれ分光し、
分光されたサンプル光をサンプル光用プログラマブル回折格子で所定の波長バンドごとに偏向、反射させ、これをサンプル光用アパチャで所定の波長バンドごとに通過／遮断すると共に、
分光されたレファレンス光をレファレンス光用プログラマブル回折格子で所定の波長バンドごとに偏向、反射させ、これをレファレンス光用アパチャで所定の波長バンドごとに通過／遮断し、
各アパチャを通過したサンプル光とレファレンス光を屈折させてアレイ検出素子に到達させると共に、
アレイ検出素子でサンプル光とレファレンス光の波長バンドごとのスペクトルを交互に検出し、
アレイ検出素子が出力したサンプル光とレファレンス光のスペクトルの差に基づいて演算手段で物質比較を行うものである。

本発明に係る別の物質比較方法は、分析対象物及び参照物質に光を照射し、それらの反射光又は透過光を分光分析して、分析対象物と参照物質とが同じ物質であるかどうかを判断する方法において、
光源から出射された光を分析対象物に照射し、その光を反射又は透過させてサンプル光とすると共に、光の一部を出射された状態のままのレファレンス光として取り出し、
サンプル光とレファレンス光を回折格子でそれぞれ分光し、
分光されたサンプル光をサンプル光用プログラマブル回折格子で所定の波長バンドごとに偏向、反射させ、これをサンプル光用アパチャで所定の波長バンドごとに通過／遮断すると共に、
分光されたレファレンス光をレファレンス光用プログラマブル回折格子で所定の波長バンドごとに偏向、反射させ、レファレンス光の波長バンドごとのスペクトルに、予め作製しておいた参照物質の光吸収スペクトルと同じ重みの重み付けを行うべく、レファレンス光用プログラマブル回折格子での偏向量を制御手段で調節し、レファレンス光用プログラマブル回折格子で偏向、反射されたレファレンス光をレファレンス光用アパチャで所定の波長ごとに通過／遮断し、
各アパチャを通過したサンプル光とレファレンス光を屈折させてアレイ検出素子に到達させると共に、
アレイ検出素子でサンプル光とレファレンス光の波長バンドごとのスペクトルを交互に検出し、
アレイ検出素子が出力したサンプル光とレファレンス光のスペクトルの差に基づいて演算手段で物質比較を行うものである。

ここで、サンプル光とレファレンス光の波長バンドごとのスペクトルが交互にアレイ検出素子で検出されるように、各プログラマブル回折格子で各光を偏向、反射させる際、各プログラマブル回折格子の偏向制御を同期させて行うことが好ましい。

また、分析対象物で反射した又は分析対象物を透過したサンプル光の受光を２次元的に走査して行い、物質比較を２次元的に行うことが好ましい。

本発明によれば、様々なサンプルについての物質比較を、簡単、かつ、高速に行うことができるという優れた効果を発揮する。

以下、本発明の好適一実施の形態を添付図面に基づいて説明する。

本発明の好適一実施の形態に係る物質比較装置の平面概略図を図１に、側面概略図を図２に示す。

図１及び図２に示すように、本実施の形態に係る物質比較装置１０は、サンプル（分析対象物）１３及び参照物質（標本物質）１４に光Ｌを照射し、それらの反射光（サンプル光Ｌ１、レファレンス光Ｌ２）を分光分析して、サンプル１３と参照物質１４が同じ物質かどうかを判断するものであり、光Ｌを出射する光源１１と、第１及び第２光ガイド部材１２ａ，１２ｂと、マルチチャンネル分光器２０とで主に構成される。

第１光ガイド部材１２ａは、光源１１から出射した光Ｌをサンプル１３に照射し、反射させてなるサンプル光Ｌ１を導入するものである。また、第２光ガイド部材１２ｂは、光源１１から出射された光Ｌの一部を参照物質１４に照射し、反射させてなるレファレンス光Ｌ２を導入するものである。第１及び第２光ガイド部材１２ａ，１２ｂとしては、慣用の光ファイバ、導波路状のもの、又はミラー、レンズ、プリズムなどを組み合わせたもの等が適用される。また、第１及び第２光ガイド部材１２ａ，１２ｂは、同一のものであることが好ましい。

マルチチャンネル分光器２０は、各光ガイド部材１２ａ，１２ｂの他端側に光学的に接続される。マルチチャンネル分光器２０は、光の伝搬方向上流側から、回折格子２１、光反射偏向手段（光反射手段）２２、アパチャ２３、屈折手段２４、アレイ検出素子２５の順に設けられる。

回折格子２１には、第１光ガイド部材１２ａを経て出射されたサンプル光Ｌ１が照射され、反射される。また、回折格子２１には、第２光ガイド部材１２ｂを経て出射されたレファレンス光Ｌ２が照射され、反射される。反射された各光Ｌ１，Ｌ２は、それぞれ分光される。

光反射偏向手段２２には、回折格子２１で分光された各光Ｌ１，Ｌ２が照射され、反射、偏向される。この光反射偏向手段２２は、分光された各光Ｌ１，Ｌ２を所定の波長バンドごとに偏向して反射するプログラマブル回折格子である。また、各プログラマブル回折格子が、ＭＥＭＳアクチュエータを有することがより好ましい。さらに、光反射偏向手段２２は、サンプル光Ｌ１とレファレンス光Ｌ２を別々に反射、偏向させるべく、光ガイド部材１２の経路数と同数（図１中ではサンプル光用プログラマブル回折格子２２ａ，レファレンス光用プログラマブル回折格子２２ｂの２つ）設ける。

アパチャ２３は、偏向された各光Ｌ１，Ｌ２の通過／遮断を行う遮光絞りであり、偏向されたサンプル光を通過／遮断するサンプル光用アパチャと、偏向されたレファレンス光を通過／遮断するレファレンス光用アパチャとからなる。偏向された各光Ｌ１，Ｌ２が、遮断体２３ａに照射されると伝搬遮断となる。また、偏向された各光Ｌ１，Ｌ２が、隣接する遮断体２３ａ間の開口部に向けて照射されると通過となる。遮断体２３ａの形状は、特に限定するものではなく、矩形状の他に、円形状であってもよい。開口部は、遮断体２３ａ自体に設けた溝（スリット）であってもよい。

屈折手段２４（例えば、プルーフプリズム）には、アパチャ２３を通過した各光Ｌ１，Ｌ２が照射され、各光Ｌ１，Ｌ２の波長バンドごとのスペクトルが、アレイ検出素子２５に達するように屈折させる。

アレイ検出素子２５は、プリズム２４によって屈折された各スペクトルを検出し、サンプル光Ｌ１とレファレンス光Ｌ２のスペクトルの差を出力する。アレイ検出素子２５には、ＡＣアンプ２７を介して演算手段２８が電気的に接続されており、アレイ検出素子２５の出力に基づいて、演算手段２８が物質比較の演算を行う。

光源１１から出射される光Ｌとしては、特に限定するものではなく、紫外線、赤外線などが挙げられる。ここで、光源１１としては、装置コストが安価なランプが好ましいが、レーザ発振手段を用いてもよい。

屈折手段２４としては、アパチャ２３を通過した各光Ｌ１，Ｌ２を、アレイ検出素子２５の位置に屈折させることができるものであれば特に限定するものではなく、プリズムの他に、円筒レンズ（シリンドリカルレンズ）などが挙げられる。

図１，図２に示した本実施の形態に係る物質比較装置１０においては、分析対象物が固体であるサンプル１３に光Ｌを照射し、その反射光を利用する反射型を例に挙げて説明を行った。しかしながら、サンプル１３の反射光を利用する反射型に特に限定するものではない。例えば、図３に示すように、透過型の物質比較装置３０であってもよい。物質比較装置３０は、分析対象物が液体、気体、又は流動体である場合に有効であり、これらの分析対象物がセル（又は配管）３２ａ，３２ｂ内に注入、装填される。ランプ３１から照射された光Ｌが、セル３２ａ（サンプルセル）及びセル３２ｂ（レファレンスセル）を通過し、サンプル光Ｌ１、レファレンス光Ｌ２となる。また、図示しないが、物質比較装置３０におけるセル３２ａ，３２ｂがない状態、つまりオープンパスの物質比較装置であってもよい。オープンパスの物質比較装置の場合も、反射型又は透過型のいずれであってもよい。

次に、本実施の形態に係る物質比較装置１０を用いた物質比較方法を、添付図面に基づいて説明する。

サンプル１３に光強度Ｉ０の光Ｌを照射し、反射させることで、光Ｌの一部の波長バンドが吸光され、光強度Ｉ１のサンプル光Ｌ１として反射される。
この時、入射光Ｌとサンプル光Ｌ１との間には、
Ｌ１（λ）＝Ｌ（λ）×Ｔ（λ）
ここで、Ｔ（λ）は反射率
の関係が成り立つ。光強度が減衰された波長バンドから材質が、光強度の減衰程度からその濃度がわかる。

本実施の形態に係る物質比較装置１０においては、サンプル光Ｌ１の参照対象として、光Ｌを参照物質１４に照射し、反射又は透過させたレファレンス光Ｌ２を、常時測定する。そして、各光Ｌ１，Ｌ２のスペクトルの差が、全波長バンドでゼロになった場合（又は全波長バンドで一定値となった場合）、サンプル１３と参照物質１４とが同一の物質と判断される。

具体的には、先ず、光源１１から出射されたある光強度の光（白色光）Ｌは、所定の位置（ターゲット位置）に配置されたサンプル１３に照射され、反射光（又は透過光）がサンプル光Ｌ１となる。サンプル光Ｌ１は、ある波長バンドの光強度が減衰されており、第１光ガイド部材１２ａに導入され、固定された回折格子２１で反射される。同様に、光Ｌの一部は、参照物質１４に照射され、反射光（又は透過光）がレファレンス光Ｌ２となる。レファレンス光Ｌ２もまた、ある波長バンドの光強度が減衰されており、第２光ガイド部材１２ｂに導入され、固定された回折格子２１で反射される。この時、サンプル光Ｌ１とレファレンス光Ｌ２は、回折格子２１の別々の位置（図２中では上段と下段）で反射されるので、互いに干渉されない。回折格子２１によって、各光Ｌ１，Ｌ２はそれぞれ分光され、虹色光となる。

分光されたサンプル光Ｌ１とレファレンス光Ｌ２は、上下二段に配置された２つの光反射偏向手段（MEMS（Micro Electro Mechanical System）アクチュエータを有するプログラマブル回折格子（以下、MEMS型プログラマブル回折格子と記す））であるサンプル光用プログラマブル回折格子２２ａ，レファレンス光用プログラマブル回折格子２２ｂで反射、偏向される。MEMS型プログラマブル回折格子２２ａ，２２ｂにおける各MEMSアクチュエータ（以下、MEMS１、MEMS２と記す）に到達した各光Ｌ１，Ｌ２は、所定の角度範囲で高速で反射、偏向され、交互にアパチャ２３（サンプル光用アパチャ、レファレンス光用アパチャ）へと向かう。MEMS１、MEMS２による反射、偏向の際、各光Ｌ１，Ｌ２の光強度が各波長バンドごとに調整される。各波長バンドごとの光強度の調整によって、各光Ｌ１，Ｌ２における光路の違いによるスペクトルの変化をも補正することができる。その結果、後述するように、光路の異なる各光Ｌ１，Ｌ２であっても、それらのスペクトル差を比較することが可能となる。

例えば、図４（ａ）に示すように、MEMS１（又はMEMS２）は、基板４１上に静止電極４２ａ…４２ｎ（図４（ａ）中では４２ａのみ図示）が設けられ、各静止電極４２ａ…４２ｎと離間して移動電極４３ａ…４３ｎ（図４（ａ）中では４３ａのみ図示）を設けたものである。各移動電極４３ａ…４３ｎは、各静止電極４２ａ…４２ｎに対して当接、離間自在（図４（ａ）中では上下方向移動自在）に設けられる。また、各移動電極４３ａ…４３ｎは、基板４１に設けられる脚部４４ａ，４４ｂと、電極本体部（ミラー部）４５と、一端が脚部４４ａ，４４ｂに固定して設けられ、他端が電極本体部４５を吊設するフレキシブル接続部４６ａ，４６ｂとを有している。フレキシブル接続部４６ａ，４６ｂの厚さＤ２は、電極本体部４５の厚さＤ１よりも薄く（例えば、約１／３）形成しておくことで、フレキシブル接続部４６ａ，４６ｂは自在に屈曲される。電極本体部４５は剛直で、屈曲しない。各静止電極４２ａ…４２ｎは、それぞれが制御手段（例えば、コンピュータ（図示せず））の各アドレスに独立して接続されている。

各静止電極４２ａ…４２ｎと各移動電極４３ａ…４３ｎ間の電圧（電位差）を、制御手段によりそれぞれ制御することで、各移動電極４３ａ…４３ｎを独立させて駆動させることができる。その結果、各静止電極４２ａ…４２ｎと各移動電極４３ａ…４３ｎ間の離間距離Ｈ１…Ｈｎ（図４（ａ）中ではＨ１のみ図示）を、それぞれ無段階に自在に調節することができる。電圧と離間距離Ｈ１…Ｈｎとの関係は予め検量線を作成しておき、この検量線に基づいて、離間距離Ｈ１…Ｈｎを調節する。このように、静止電極と移動電極の各離間距離Ｈ１…Ｈｎを、それぞれ無段階に自在に調節することで、アパチャ２３を通過する各光Ｌ１，Ｌ２の強度を波長バンドごとに調節することができる。また、MEMS１，MEMS２の各移動電極４３ａ…４３ｎの制御は、高速で、かつ、制御手段によって同期させて交互に行われる。

具体的には、図４（ｂ）に示すように、全ての移動電極４３ａ…４３ｎを動かさず、静止電極４２ａ…４２ｎから離間させたままとすることで（全ＯＦＦ時）、アパチャ２３において、所定の波長バンドの光（図４（ｂ）中では光４９ａ〜４９ｃ）が全て遮断される。また、図４（ｃ）に示すように、全ての移動電極４３ａ…４３ｎを静止電極４２ａ…４２ｎと当接させることで（全ＯＮ時）、所定の波長バンドの光（図４（ｃ）中では光４９ａ〜４９ｃ）がアパチャ２３間を通過する。また、図４（ｄ）に示すように、移動電極４３ａ…４３ｎの一部を静止電極４２ａ…４２ｎと当接又は近接させ、残部の移動電極４３ａ…４３ｎを動かさず、離間させたままとすることで（光強度調整時）、当接又は近接させる静止電極と対応したある波長バンドの光（図４（ｄ）中では光４９ｂ，４９ｃ）だけが、光強度を調整されてアパチャ２３間を通過する。離間させたままの静止電極と対応したある波長バンドの光（図４（ｄ）中では光４９ａ）は、アパチャ２３で遮断される。

アパチャ２３間を通過した各光Ｌ１，Ｌ２は、交互に屈折手段２４に照射される。屈折手段２４に入射した各光Ｌ１，Ｌ２は、それぞれ屈折させられ、波長バンドごとのスペクトルがアレイ検出素子２５に達するように出射される。

屈折手段２４を通過した各光Ｌ１，Ｌ２は、交互に検出器（アレイ検出素子２５）で受光される。アレイ検出素子２５は、水平に配列、配置された各検出部を有しており、各検出部で各波長バンドごとのスペクトルがそれぞれ受光される。各検出部で、プリズム２４によって屈折された各光Ｌ１，Ｌ２の各スペクトルが交互に検出され、サンプル光Ｌ１とレファレンス光Ｌ２の各波長バンドごとのスペクトルの差がそれぞれＡＣ出力される。このＡＣ出力は、各波長バンドごとのスペクトルの吸収度合いに比例している。

各ＡＣ出力は、ＡＣアンプ２７を介して演算手段（例えば、データ演算装置）２８に取り込まれ、ケモメトリックスなどの多変量解析手法を用いて波形処理が施されることで、物質比較がなされる。例えば、物質比較は、以下に示す手順でなされる。

先ず、参照物質１４と同じ物質をターゲット位置に配置する。この状態で、光源１１から光Ｌを出射し、サンプル光Ｌ１及びレファレンス光Ｌ２の各波長バンドごとのスペクトルの差をアレイ検出素子２５からＡＣ出力する。この時、ＡＣ出力がゼロとなるように、MEMS２（レファレンス光用プログラマブル回折格子２２ｂ）の各移動電極４３ａ…４３ｎを調節し、この状態をMEMSデータ１として記憶させておく。

その後、物質比較を行うサンプル１３をターゲット位置に配置する。この状態で、光源１１からある光強度の光Ｌを出射し、各波長バンドごとのスペクトルに分光された各光Ｌ１，Ｌ２を、MEMS１，MEMS２で反射、偏向させる。MEMS１，MEMS２は、各波長バンドごとのスペクトルに分光された各光Ｌ１，Ｌ２がアレイ検出素子２５に達するように、各光Ｌ１，Ｌ２を反射、偏向させる。この時、MEMS１，MEMS２は、各光Ｌ１，Ｌ２の各スペクトルが交互にアレイ検出素子２５で検出されるべく、それぞれ制御手段により同期させて制御される。また、光Ｌ２がアレイ検出素子２５に達するようにレファレンス光Ｌ２をMEMS２で反射、偏向させる際、MEMS２は予め記憶しておいたMEMSデータ１の状態に制御される。

そして、アレイ検出素子２５で検出された各光Ｌ１，Ｌ２のスペクトルの差がそれぞれＡＣ出力され、スペクトル差が全波長バンドでゼロになった場合（又は全波長バンドで一定値となった場合）、演算手段２８においてサンプル１３と参照物質１４とが同一の物質と判断される。

以上に述べたように、本実施の形態に係る物質比較装置１０は、サンプル光Ｌ１とレファレンス光Ｌ２の各波長バンドごとのスペクトルの差を基に、物質比較を行っている。ここで、ある波長バンドのスペクトルの差が小さくても、言い換えるとサンプル１３及び／又は参照物質１４によるある波長バンドの光反射が小さくても、分割波長バンドの全域に亘って各波長バンドごとのスペクトルの差を光強度調整（光強度を増幅及び／又は減衰）することができる。例えば、サンプル１３の大まかな種類（樹脂、紙、金属、ガスなど）がわかっていれば、各種類に応じて光強度調整を行う波長バンドを変えることができる。これによって、ある波長バンドのスペクトルの差を強調させる（増幅させる）ことができる。

例えば、図４（ｄ）における光強度調整の一例を図５に示すように、波長範囲がλ４〜λ９、光強度がＰ４の入射光５１は、図４（ｄ）に示したMEMS１（又はMEMS２）により反射され、アパチャを通過することで通過光５２となる。この通過光５２は、λ６〜λ７、λ８〜λ９の波長バンドにおいて光強度がＰ５（＜Ｐ４）に調整される。また、通過光５２は、λ４〜λ５の波長バンドにおいて光強度がＰ６（＜Ｐ５）に調整される。さらに、通過光５２は、λ５〜λ６の波長バンドで、光強度がＰ６からＰ７（＜Ｐ６）に連続的に減少するように調整される。また、通過光５２は、λ７〜λ８の波長バンドにおいて光強度がＰ８（＜Ｐ７）に調整される。このように、MEMS１（又はMEMS２）は、波長バンドごとに、入射光５１を偏向させると共に、通過光５２の光強度を自在に調整することができる。

その結果、本実施の形態に係る物質比較装置１０は、各光Ｌ１，Ｌ２の各波長バンドごとのスペクトルの差が小さくても、常に精度良く検出でき、正確に物質比較を行うことができる。また、この物質比較処理は高速（例えば１msecというオーダー）であるため、短時間で物質比較を行うことができる。

また、物質比較処理が高速で（短時間で）可能であることを利用し、図６に示すように、第１光ガイド部材１２ａのサンプル光導入端（図６中では左端）に、スキャニング手段６１を設けてもよい。このスキャニング手段６１（例えば、ポリゴンミラーやガルバノミラーなど）は、サンプル１３の反射面で反射したサンプル光Ｌ１を全て受光するためのものである。これによって、物質比較装置６０は、サンプル１３に照射され、反射したサンプル光Ｌ１を、第１光ガイド部材１２ａにおいて漏れなく受光可能となる。つまり、物質比較装置６０は、サンプル１３から反射したサンプル光Ｌ１の受光を２次元的に走査して行うことができ、サンプル１３の面状の分光分析も高速で行うことができる。その結果、サンプル１３の反射面における二次元分布の計測を、リアルタイム（又はほぼリアルタイム）に行うことができるため、サンプル１３の反射面における異常（異物の付着など）を短時間で識別、判断することができる。また、二次元分布の計測結果は、マルチチャンネル分光器２０に接続したモニタ６２に、二次元画像６３として表示することができる。

また、図７に示すように、透過型の物質比較装置７０における第２光ガイド部材１２ｂの中途に、複数の参照物質１４の内の１つを選択可能なスイッチング手段７１を設けてもよい。これによって、１つのサンプル１３と複数の参照物質（１４１，１４２，…，１４ｎ）とを物質比較することも可能である。さらに、スイッチング手段７１と共に、第１光ガイド部材１２ａの中途に、複数のサンプル１３の内の１つを選択可能なスイッチング手段７２を設けてもよい。これによって、複数のサンプル（１３１，１３２，…，１３ｎ）と複数の参照物質（１４１，１４２，…，１４ｎ）とをそれぞれ物質比較することも可能である。

例えば、１つのサンプル１３と複数の参照物質（１４１，１４２，…，１４ｎ）とを物質比較する場合、先ず、スイッチング手段７１を参照物質１４１に合わせる。次に、サンプル１３のサンプル光Ｌ１及び参照物質１４１のレファレンス光Ｌ２の波長バンドごとのスペクトル差を求める。その後、スイッチング手段７１を順次切り換えてゆき、最後に参照物質１４ｎに合わせ、サンプル１３のサンプル光Ｌ１及び参照物質１４ｎのレファレンス光Ｌ２の波長バンドごとのスペクトル差を求める。これによって、１つのサンプル１３と複数の参照物質（１４１，１４２，…，１４ｎ）との物質比較を、参照物質を取り替えることなく行うことができる。

また、複数のサンプル（１３１，１３２，…，１３ｎ）と複数の参照物質（１４１，１４２，…，１４ｎ）とを物質比較する場合、先ず、スイッチング手段７１を参照物質１４１に、スイッチング手段７２をサンプル１３１に合わせる。次に、サンプル１３１のサンプル光Ｌ１及び参照物質１４１のレファレンス光Ｌ２の波長バンドごとのスペクトル差を求める。その後、スイッチング手段７１を順次切り換えてゆき、最後に参照物質１４ｎに合わせ、サンプル１３１のサンプル光Ｌ１及び参照物質１４ｎのレファレンス光Ｌ２の波長バンドごとのスペクトル差を求める。次に、スイッチング手段７２をサンプル１３２に合わせ、同様にして、サンプル１３２のサンプル光Ｌ１及び参照物質１４ｎのレファレンス光Ｌ２の波長バンドごとのスペクトル差を求める。その後、スイッチング手段７２を順次切り換えてゆき、最後に参照物質１３ｎに合わせ、同様にして、サンプル１３２のサンプル光Ｌ１及び参照物質１４ｎのレファレンス光Ｌ２の波長バンドごとのスペクトル差を求める。これによって、複数のサンプル（１３１，１３２，…，１３ｎ）と複数の参照物質（１４１，１４２，…，１４ｎ）との物質比較を、サンプル及び参照物質を取り替えることなく行うことができる。

本実施の形態に係る物質比較装置１０は、以下に挙げるような場合に適用可能である。

Ａ） 海外に技術移転を行った際、図８に示すように、海外現地において、本社生産品（参照物質）８２と同じもの（現地生産品）８１が生産されているかどうかを判断する。

Ｂ） 成分の配合割合を調整した製品（例えば、薬品や食品など）や、色調を調整した製品（例えば、プラスチック、紙など）を生産した場合、図９に示すように、その製品９１を少なくとも２つに分割し、製品９１の一方を鍵部品（サンプル）９２ａ、残りを鍵穴部品（参照物質）９２ｂとしておく。その後、図１０に示すように、鍵部品９２ａと鍵穴部品９２ｂとを比較、照合し、鍵部品９２ａを分光キー（又は分光タグ）として用いる。両者が同じ物質であった時、各光Ｌ１，Ｌ２のスペクトルの差が、全波長バンドでゼロになる（又は全波長バンドで一定値となる）ことを利用し、両者が同じ物質であるかどうかを識別、判断する。

Ｃ） 図１１に示すように、ダクト１１１の中途に設けられた反応器１１２の上流側及び下流側からガスＧ１，Ｇ２を抜き出し、ガスＧ２を図３に示した物質比較装置３０のガスセル３２ａに、ガスＧ１を物質比較装置３０のガスセル３２ｂに注入する。そして、各ガスＧ１，Ｇ２の比較を行い、反応器１１２において、正常な反応が起こっているかどうかを判断する。この場合、反応前のガス及び正常な反応によって生じた反応後のガスを、予め採取しておき、この両ガスの透過光のスペクトルの差が、全波長バンドでゼロになるように調整しておく。異常な反応が起こっている場合、スペクトル差が生じるので、スペクトル差に応じて制御手段１１３を用いて、反応器１１２内の反応を制御する。

Ｄ） 捜索している物質（例えば、自動車事故時に付着した塗料、化学薬品、重金属など）が、目的とする物質（サンプル）に付着しているかどうかを識別、判断する。

Ｅ） 検査対象物（サンプル）と、予め抽出しておいた正常な状態の検査対象物（参照物質）とを比較することで、検査対象物の損傷箇所（例えば、酸化部や腐食部など）を識別、判断する。

Ｆ） ある測定空間の現在の雰囲気ガス（サンプル）と、予め抽出しておいた測定空間の通常雰囲気ガスとを比較することで、ある測定空間におけるガスリークの監視、観測が可能となる。

次に、本発明の他の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。

本発明の他の好適一実施の形態に係る物質比較装置の平面概略図を図１２に示す。尚、図１，図２，図７と同様の部材については同じ符号を付しており、これらの部材については説明を省略する。

本実施の形態に係る物質比較装置の基本的な構成は、図１に示した物質比較装置１０と同じである。図１２に示すように、本実施の形態に係る物質比較装置１２０が、前実施の形態に係る物質比較装置１０と異なる点は、参照物質１４を用いない点、少なくともMEMS型プログラマブル回折格子（光反射偏向手段）２２ｂに制御手段１２１を接続した点にある。制御手段１２１は、少なくともMEMS型プログラマブル回折格子２２ｂにおける光の反射率を、各波長バンドごとに制御するものである。

図１２においては、透過型の物質比較装置を例に挙げて説明を行ったが、特に透過型に限定するものではなく、反射型の物質比較装置であってもよい。

次に、本実施の形態に係る物質比較装置１２０を用いた物質比較方法を、添付図面に基づいて説明する。

本実施の形態に係る物質比較装置１２０を用いた物質比較方法は、基本的に前実施の形態に係る物質比較装置１０を用いた物質比較方法と同じであるが、MEMS型プログラマブル回折格子（レファレンス光用プログラマブル回折格子）２２ｂによる反射、偏向の手法が異なる。

先ず、光源１１から出射されたある光強度の光（白色光）Ｌは、所定の位置（ターゲット位置）に配置されたサンプル１３に照射され、透過した（又は反射された）分がサンプル光Ｌ１となる。サンプル光Ｌ１は、ある波長バンドの光強度が減衰されており、固定された回折格子２１で反射される。これに対して、光Ｌの一部は、直接、第２光ガイド部材１２ｂに導入され、レファレンス光Ｌ２となる。レファレンス光Ｌ２もまた、固定された回折格子２１で反射される。この時、サンプル光Ｌ１とレファレンス光Ｌ２は、回折格子２１の別々の位置（図２参照）で反射されるので、互いに干渉されない。回折格子２１によって、各光Ｌ１，Ｌ２はそれぞれ分光され、虹色光となる。

分光されたサンプル光Ｌ１とレファレンス光Ｌ２は、上下二段に配置された２つのMEMS型プログラマブル回折格子２２ａ，２２ｂで反射、偏向される。MEMS型プログラマブル回折格子２２ａ，２２ｂにおけるMEMS１，MEMS２に到達した各光Ｌ１，Ｌ２は、所定の角度範囲で高速で反射、偏向される。

この時、予め作製し、制御手段１２１のメモリに記憶、保存しておいた参照物質の光吸収スペクトルのデータと同じ割合となるように、MEMS２の各移動電極４３ａ…４３ｎ（図４（ｄ）参照）を調節してレファレンス光Ｌ２の反射率Ｒ(λ)を順次制御し、分光されたレファレンス光Ｌ２を、各波長バンドごとに反射率を変えて反射、偏向させる。言い換えると、MEMS２において、分光されたレファレンス光Ｌ２の偏向量の制御を波長バンドごとに行って、レファレンス光Ｌ２の波長バンドごとのスペクトルに、参照物質の光吸収スペクトルのデータと同じ重みの重み付けを行い、この状態で分光されたレファレンス光Ｌ２を反射、偏向させる。これによって、参照物質１４がなくても、光Ｌが参照物質１４で反射された状態をシミュレートすることができる。

MEMS１，MEMS２において、所定の角度範囲で高速で反射、偏向された各光Ｌ１，Ｌ２は、交互にアパチャ（図示せず）へと向かう。その後は、前実施の形態に係る物質比較装置１０の物質比較方法と同様であり、アレイ検出素子２５からサンプル光Ｌ１とレファレンス光Ｌ２の各波長バンドごとのスペクトルの差がそれぞれＡＣ出力される。各ＡＣ出力は、ＡＣアンプ２７を介して演算手段２８に取り込まれ、ケモメトリックスなどの多変量解析手法を用いて波形処理が施されることで、物質比較がなされる。

また、図７に示したスイッチング手段７１の機能を、図１２に示す制御手段１２１に持たせてもよい。具体的には、制御手段１２１のメモリに、複数の参照物質の光吸収スペクトルデータ（Ｄ１，Ｄ２，…，Ｄｎ）を記憶、保存させておき、必要に応じて各データにスイッチングするようにしてもよい。制御手段１２１のスイッチング手順は、図７に示したスイッチング手段７１のスイッチング手順と同様とされる。制御手段１２１における反射率制御部とスイッチング手段としての機能部は、一体に設けてもよく、又はそれぞれ別体に設けてもよい。

さらに、図７に示したスイッチング手段７１の機能を有する制御手段１２１と共に、第１光ガイド部材１２ａのサンプル光導入端（図１２中では左端）に、複数のサンプルの内の１つを選択可能なスイッチング手段７２を設けてもよい。これによって、複数のサンプル（１３１，１３２，…，１３ｎ）と複数の参照物質（１４１，１４２，…，１４ｎ）とをそれぞれ物質比較することも可能である。

本実施の形態に係る物質比較装置１２０においても、図１に示した物質比較装置１０と同様の作用効果が期待できる。これに加えて、物質比較装置１２０は、実際に参照物質１４を用いなくても、サンプル１３と複数の参照物質１４とを模擬的に物質比較することが可能となる。よって、物質比較装置１２０は、鮮度を保つことが困難な生鮮食品などを物質比較する際に特に有効である。生鮮食品は時間の経過と共に鮮度が落ちていくので、鮮度の経時変化を、それぞれ参照物質の光吸収スペクトルデータとして記憶、保存させておくことで、サンプル１３における現在の鮮度がどの状態にあるのかを判断することができる。

以上、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、他にも種々のものが想定されることは言うまでもない。

本発明の好適一実施の形態に係る物質比較装置の平面概略図である。 図１の側面概略図である。 図１の物質比較装置の第１変形例を示す平面概略図である。 MEMSアクチュエータの概略図である。図４（ａ）は横断面図、図４（ｂ）は全OFF時のモデル図、図４（ｃ）は全ON時のモデル図、図４（ｄ）は光強度調整時のモデル図である。 入射光及び通過光における波長と光強度との関係を示す図である。 図１の物質比較装置の第２変形例を示す平面概略図である。 図１の物質比較装置の第３変形例を示す平面概略図である。 図１の物質比較装置の適用例を示す平面概略図である。 生産品を分割する状態を示す図である。 図１の物質比較装置の適用例を示す平面概略図である。 図１の物質比較装置の適用例を示す平面概略図である。 本発明の他の好適一実施の形態に係る物質比較装置の平面概略図である。

符号の説明

１０ 物質比較装置
１１ 光源
１２ａ 第１光ガイド部材
１２ｂ 第２光ガイド部材
１３ サンプル（分析対象物）
１４ 参照物質
２０ マルチチャンネル分光器
２２ プログラマブル回折格子（光反射偏向手段）
２２ａ サンプル光用プログラマブル回折格子
２２ｂ レファレンス光用プログラマブル回折格子
２５ アレイ検出素子
Ｌ 光
Ｌ１ サンプル光
Ｌ２ レファレンス光

Claims (10)

1. 分析対象物及び参照物質に光を照射し、それらの反射光又は透過光を分光分析して、分析対象物と参照物質とが同じ物質であるかどうかを判断する装置において、
   分析対象物及び参照物質に光を出射する光源と、
   分析対象物で反射された又は分析対象物を透過したサンプル光と参照物質で反射された又は参照物質を透過したレファレンス光をそれぞれ分光する回折格子と、
   回折格子で分光されたサンプル光を所定の波長バンドごとに偏向して反射させるサンプル光用プログラマブル回折格子と、
   サンプル光用プログラマブル回折格子で偏向、反射されたサンプル光を波長バンドごとに通過／遮断するサンプル光用アパチャと、
   回折格子で分光されたレファレンス光を所定の波長バンドごとに偏向して反射させるレファレンス光用プログラマブル回折格子と、
   レファレンス光用プログラマブル回折格子で偏向、反射されたレファレンス光を波長バンドごとに通過／遮断するレファレンス光用アパチャと、
   サンプル光とレファレンス光の波長バンドごとのスペクトルを交互に検出し、サンプル光とレファレンス光のスペクトルの差を出力するアレイ検出素子と、
   各アパチャを通過したサンプル光とレファレンス光を屈折させてアレイ検出素子に到達させる屈折手段と、
   アレイ検出素子からの出力に基づいて物質比較の演算を行う演算手段とを備えたことを特徴とする物質比較装置。
2. 分析対象物及び参照物質に光を照射し、それらの反射光又は透過光を分光分析して、分析対象物と参照物質とが同じ物質であるかどうかを判断する装置において、
   分析対象物に光を出射する光源と、
   分析対象物で反射された又は分析対象物を透過したサンプル光と光源から別経路でガイドされたレファレンス光をそれぞれ分光する回折格子と、
   回折格子で分光されたサンプル光を所定の波長バンドごとに偏向して反射させるサンプル光用プログラマブル回折格子と、
   サンプル光用プログラマブル回折格子で偏向、反射されたサンプル光を波長バンドごとに通過／遮断するサンプル光用アパチャと、
   回折格子で分光されたレファレンス光を所定の波長バンドごとに偏向して反射させるレファレンス光用プログラマブル回折格子と、
   レファレンス光の波長バンドごとのスペクトルに、予め作製しておいた参照物質の光吸収スペクトルと同じ重み付けを行うべく、レファレンス光用プログラマブル回折格子での偏向量を調節する制御手段と、
   レファレンス光用プログラマブル回折格子で偏向、反射されたレファレンス光を波長バンドごとに通過／遮断するレファレンス光用アパチャと、
   サンプル光とレファレンス光の波長バンドごとのスペクトルを交互に検出し、サンプル光とレファレンス光のスペクトルの差を出力するアレイ検出素子と、
   各アパチャを通過したサンプル光とレファレンス光を屈折させてアレイ検出素子に到達させる屈折手段と、
   アレイ検出素子からの出力に基づいて物質比較の演算を行う演算手段とを備えたことを特徴とする物質比較装置。
3. 上記レファレンス光用アパチャを通過するレファレンス光の波長バンドごとの強度が、分析対象物に参照物質と同じ物質を用いたときのサンプル光の波長バンドごとの強度と等しくなるように、レファレンス光用プログラマブル回折格子でのレファレンス光の偏向量を調節する請求項１記載の物質比較装置。
4. 上記サンプル光用プログラマブル回折格子での偏向量を調節することにより、サンプル光用アパチャを通過するサンプル光の波長バンドごとの強度を調整し、アレイ検出素子で検出するスペクトルの差を増幅させる請求項１から３いずれかに記載の物質比較装置。
5. 上記各プログラマブル回折格子が、ＭＥＭＳアクチュエータを有する請求項１から４いずれかに記載の物質比較装置。
6. 上記分析対象物で反射された又は分析対象物を透過したサンプル光を全て受光可能とするべく、サンプル光を回折格子にガイドする第１光ガイド部材を設けると共に、その第１光ガイド部材のサンプル光導入端に、第１光ガイド部材を走査させるスキャニング手段を設けた請求項１から５いずれかに記載の物質比較装置。
7. 分析対象物及び参照物質に光を照射し、それらの反射光又は透過光を分光分析して、分析対象物と参照物質とが同じ物質であるかどうかを判断する方法において、
   光源から出射された光を分析対象物に照射し、その光を反射又は透過させてサンプル光とすると共に、光の一部を参照物質に照射し、その光を反射又は透過させてレファレンス光とし、
   サンプル光とレファレンス光を回折格子でそれぞれ分光し、
   分光されたサンプル光をサンプル光用プログラマブル回折格子で所定の波長バンドごとに偏向、反射させ、これをサンプル光用アパチャで所定の波長バンドごとに通過／遮断すると共に、
   分光されたレファレンス光をレファレンス光用プログラマブル回折格子で所定の波長バンドごとに偏向、反射させ、これをレファレンス光用アパチャで所定の波長バンドごとに通過／遮断し、
   各アパチャを通過したサンプル光とレファレンス光を屈折させてアレイ検出素子に到達させると共に、
   アレイ検出素子でサンプル光とレファレンス光の波長バンドごとのスペクトルを交互に検出し、
   アレイ検出素子が出力したサンプル光とレファレンス光のスペクトルの差に基づいて演算手段で物質比較を行うことを特徴とする物質比較方法。
8. 分析対象物及び参照物質に光を照射し、それらの反射光又は透過光を分光分析して、分析対象物と参照物質とが同じ物質であるかどうかを判断する方法において、
   光源から出射された光を分析対象物に照射し、その光を反射又は透過させてサンプル光とすると共に、光の一部を出射された状態のままのレファレンス光として取り出し、
   サンプル光とレファレンス光を回折格子でそれぞれ分光し、
   分光されたサンプル光をサンプル光用プログラマブル回折格子で所定の波長バンドごとに偏向、反射させ、これをサンプル光用アパチャで所定の波長バンドごとに通過／遮断すると共に、
   分光されたレファレンス光をレファレンス光用プログラマブル回折格子で所定の波長バンドごとに偏向、反射させ、レファレンス光の波長バンドごとのスペクトルに、予め作製しておいた参照物質の光吸収スペクトルと同じ重みの重み付けを行うべく、レファレンス光用プログラマブル回折格子での偏向量を制御手段で調節し、レファレンス光用プログラマブル回折格子で偏向、反射されたレファレンス光をレファレンス光用アパチャで所定の波長ごとに通過／遮断し、
   各アパチャを通過したサンプル光とレファレンス光を屈折させてアレイ検出素子に到達させると共に、
   アレイ検出素子でサンプル光とレファレンス光の波長バンドごとのスペクトルを交互に検出し、
   アレイ検出素子が出力したサンプル光とレファレンス光のスペクトルの差に基づいて演算手段で物質比較を行うことを特徴とする物質比較方法。
9. サンプル光とレファレンス光の波長バンドごとのスペクトルが交互にアレイ検出素子で検出されるように、各プログラマブル回折格子で各光を偏向、反射させる際、各プログラマブル回折格子の偏向制御を同期させて行う請求項７又は８記載の物質比較方法。
10. 分析対象物で反射した又は分析対象物を通過したサンプル光の受光を２次元的に走査して行い、物質比較を２次元的に行う請求項７から９いずれかに記載の物質比較方法。

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