JP6887935B2 - データ処理装置及びデータ処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、分光分析装置で測定されたスペクトルのバックグラウンドを除去するデータ処理装置及びデータ処理方法に関する。

ＸＰＳ（Ｘ線光電子分光装置）で測定された光電子ピークのバックグラウンド除去方法として、Ｓｈｉｒｌｅｙ法がよく使用される。Ｓｈｉｒｌｅｙ法とは、電子が高エネルギーから低エネルギーへエネルギーを失う際の非弾性バックグラウンドを、失うエネルギーの大きさに依らず一定と仮定して、バックグラウンドの形状を決定する方法である。Ｓｈｉｒｌｅｙ法では、あるエネルギーＥでのバックグラウンドｇ（Ｅ）は、以下の式で表される。

ここで、Ｊ（Ｅ）はスペクトルであり、Ｋ（Ｅ）は非弾性散乱微分断面積であり、Ｑ（Ｅ）はスペクトルの面積強度である。このように、バックグラウンドｇ（Ｅ）がスペクトルＪ（Ｅ）の面積強度に比例した形で示すものである（図８参照）。Ｓｈｉｒｌｅｙ法では、理論的に運動エネルギー表示で、バックグラウンドの除去範囲（バックグラウンド除去を適用するエネルギー範囲）の境界の終了点での値は開始点での値よりも小さい値である必要がある。

また、簡単なバックグラウンド除去方法として、線形法が知られている。線形法とは、バックグラウンド除去範囲の境界の開始点と終了点を定め、その間を線形で結び、それ以下をバックグラウンドとして除去する方法である（図９参照）。

特開平０８−１１０３１３号公報

Ｓｈｉｒｌｅｙ法や線形法の問題点は、バックグラウンドの除去範囲の境界を系統的に与えるものがなく、ユーザ（解析者）の判断で尤もらしい位置に境界を設定する必要があり、ユーザによって誤差が生じてしまうことである。例えば、図１０〜図１２に示す例では、全てＳｈｉｒｌｅｙ法によってバックグラウンドｇ（Ｅ）を求めているが、境界（開始点、終了点）を設定する位置によってバックグラウンドｇ（Ｅ）の形状に差が生じている。特に、図１１に示す例では、境界の開始点が適切な位置に設定されていないため、バックグラウンドｇ（Ｅ）がスペクトルＪ（Ｅ）を上回る領域があり、この領域ではバックグラウンド除去後の値が負となり、理論的に存在し得ないスペクトルとなっている。

本発明は、以上のような問題点に鑑みてなされたものであり、本発明のいくつかの態様によれば、バックグラウンド除去を適用するエネルギー範囲をユーザの判断に依らず自動で決定することが可能なデータ処理装置及びデータ処理方法を提供することができる。

（１）本発明に係るデータ処理装置は、分光分析装置で測定されたスペクトルを取得す
る取得部と、前記スペクトルにおいてバックグラウンド除去の対象とするエネルギー範囲を設定し、設定した前記エネルギー範囲に基づいて前記スペクトルのバックグラウンドを除去するデータ処理部とを含み、前記データ処理部は、前記スペクトルの最大点に前記エネルギー範囲の一方の端点を仮設定し、前記スペクトルの最大エネルギー点又は最小エネルギー点に前記エネルギー範囲の他方の端点を仮設定し、前記一方の端点を前記他方の端点から遠ざかる方向に変化させながらバックグラウンド除去後の前記エネルギー範囲のピーク面積を求め、当該ピーク面積が最大となる点を前記一方の端点として確定し、前記スペクトルの最大点に前記他方の端点を仮設定し、前記他方の端点を前記一方の端点から遠ざかる方向に変化させながらバックグラウンド除去後の前記エネルギー範囲のピーク面積を求め、当該ピーク面積が最大となる点を前記他方の端点として確定する。

また、本発明に係るデータ処理方法は、分光分析装置で測定されたスペクトルを取得する取得ステップと、前記スペクトルにおいてバックグラウンド除去の対象とするエネルギー範囲を設定し、設定した前記エネルギー範囲に基づいて前記スペクトルのバックグラウンドを除去するデータ処理ステップとを含み、前記データ処理ステップでは、前記スペクトルの最大点に前記エネルギー範囲の一方の端点を仮設定し、前記スペクトルの最大エネルギー点又は最小エネルギー点に前記エネルギー範囲の他方の端点を仮設定し、前記一方の端点を前記他方の端点から遠ざかる方向に変化させながらバックグラウンド除去後の前記エネルギー範囲のピーク面積を求め、当該ピーク面積が最大となる点を前記一方の端点として確定し、前記スペクトルの最大点に前記他方の端点を仮設定し、前記他方の端点を前記一方の端点から遠ざかる方向に変化させながらバックグラウンド除去後の前記エネルギー範囲のピーク面積を求め、当該ピーク面積が最大となる点を前記他方の端点として確定する。

本発明によれば、バックグラウンド除去後のピーク面積が最大となる点を、バックグラウンド除去を適用するエネルギー範囲の境界（端点）として設定することで、バックグラウンド除去を適用するエネルギー範囲をユーザの判断に依らず数学的に自動で決定することができる。

（２）本発明に係るデータ処理装置及びデータ処理方法では、前記データ処理部は（前記データ処理ステップでは）、前記一方の端点を前記他方の端点から遠ざかる方向に変化させながらバックグラウンド除去後の前記エネルギー範囲のピーク面積とバックグラウンド除去によって値が負となる領域のピーク面積とを求め、前記値が負となる領域のピーク面積が最大となる点が複数存在する場合には、バックグラウンド除去後の前記エネルギー範囲のピーク面積が最大となる点を前記一方の端点として確定し、前記値が負となる領域のピーク面積が最大となる点が１つのみ存在する場合には、前記値が負となる領域のピーク面積が最大となる点を前記一方の端点として確定し、前記他方の端点を前記一方の端点から遠ざかる方向に変化させながらバックグラウンド除去後の前記エネルギー範囲のピーク面積とバックグラウンド除去によって値が負となる領域のピーク面積とを求め、前記値が負となる領域のピーク面積が最大となる点が複数存在する場合には、バックグラウンド除去後の前記エネルギー範囲のピーク面積が最大となる点を前記他方の端点として確定し、前記値が負となる領域のピーク面積が最大となる点が１つのみ存在する場合には、前記値が負となる領域のピーク面積が最大となる点を前記他方の端点として確定する。

本発明によれば、バックグラウンド除去によって値が負となる領域のピーク面積が最大となる点が複数存在する場合には、バックグラウンド除去後のピーク面積が最大となる点を、バックグラウンド除去を適用するエネルギー範囲の境界として設定し、バックグラウンド除去によって値が負となる領域のピーク面積が最大となる点が１つのみ存在する場合には、当該値が負となる領域のピーク面積が最大となる点を、バックグラウンド除去を適用するエネルギー範囲の境界として設定することで、バックグラウンド除去を適用するエ
ネルギー範囲をより適切に決定することができる。

（３）本発明に係るデータ処理装置及びデータ処理方法では、前記データ処理部は（前記データ処理ステップでは）、前記スペクトルを平滑化する処理を行った後、前記エネルギー範囲を設定してもよい。

本発明によれば、スパイクノイズによる影響を排除して、バックグラウンド除去を適用するエネルギー範囲をより適切に決定することができる。

（４）本発明に係るデータ処理装置及びデータ処理方法では、前記データ処理部は（前記データ処理ステップでは）、前記スペクトルの最大エネルギー点及び最小エネルギー点を除く範囲において前記スペクトルの最大点を検出してもよい。

本発明によれば、スペクトルの両端での急激な立ち上がりによる影響を排除して、バックグラウンド除去を適用するエネルギー範囲をより適切に決定することができる。

本実施形態に係るデータ処理装置の機能ブロック図の一例を示す図。 第１の手法の処理の流れを示すフローチャート。 第１の手法について説明するための図。 第１の手法について説明するための図。 第２の手法の処理の流れを示すフローチャート。 第２の手法について説明するための図。 第２の手法について説明するための図。 Ｓｈｉｒｌｅｙ法について説明するための図。 線形法について説明するための図。 バックグラウンド除去範囲の境界の設定位置によるバックグラウンドの違いを示す図。 バックグラウンド除去範囲の境界の設定位置によるバックグラウンドの違いを示す図。 バックグラウンド除去範囲の境界の設定位置によるバックグラウンドの違いを示す図。

以下、本発明の好適な実施形態について図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また以下で説明される構成の全てが本発明の必須構成要件であるとは限らない。

１．構成
図１に、本実施形態に係るデータ処理装置の機能ブロック図の一例を示す。なお本実施形態のデータ処理装置は図１の構成要素（各部）の一部を省略した構成としてもよい。

データ処理装置１０は、試料の分光分析を行う分光分析装置１で測定されたスペクトルのバックグラウンドを除去する装置である。本実施形態では、分光分析装置１がＸ線光電子分光装置（ＸＰＳ、ＥＳＣＡ）である場合を例にとって説明するが、分光分析装置１は、オージェ電子分光装置（ＡＥＳ）や、エネルギー分散型Ｘ線分析装置（ＥＤＳ、ＥＤＸ）、核磁気共鳴装置（ＮＭＲ）、電子スピン共鳴装置（ＥＳＲ）、電子エネルギー損失分光分析装置（ＥＥＬＳ）であってもよい。

データ処理装置１０は、処理部２０と、操作部３０と、表示部４０と、記憶部５０とを
含んでいる。

操作部３０は、ユーザが操作情報を入力するためのものであり、入力された操作情報を処理部２０に出力する。操作部３０の機能は、キーボード、マウス、ボタン、タッチパネル、タッチパッドなどのハードウェアにより実現することができる。

表示部４０は、処理部２０によって生成された画像を表示するものであり、その機能は、ＬＣＤ、ＣＲＴ、操作部３０としても機能するタッチパネルなどにより実現できる。

記憶部５０は、処理部２０の各部としてコンピュータを機能させるためのプログラムや各種データを記憶するとともに、処理部２０のワーク領域として機能し、その機能はハードディスク、ＲＡＭなどにより実現できる。

処理部２０（コンピュータ）は、スペクトルを取得してバックグラウンドを除去する処理、データ処理結果を表示部４０に表示させる処理等を行う。処理部２０の機能は、各種プロセッサ（ＣＰＵ、ＤＳＰ等）などのハードウェアや、プログラムにより実現できる。処理部２０は、取得部２２、データ処理部２４を含む。

取得部２２は、分光分析装置１で測定されたスペクトルを取得し、取得したスペクトルを記憶部５０に記憶させる。

データ処理部２４は、前記スペクトルにおいてバックグラウンド除去の対象とするエネルギー範囲（バックグラウンド除去範囲）の境界を設定し、設定したバックグラウンド除去範囲に基づいて、前記スペクトルのバックグラウンドをＳｈｉｒｌｅｙ法又は線形法により除去する処理を行う。

また、処理部２０は、バックグラウンドが除去されたスペクトルに基づいて試料の分光分析（定性分析、定量分析等）を行い、分光分析結果を表示部４０に表示させる処理を行ってもよい。

２．本実施形態の手法
次に本実施形態の手法について図面を用いて説明する。ここでは、バックグラウンド除去後の値が極力負とならない位置にバックグラウンド除去範囲の境界を設定するための２つの方法について説明する。

２−１．第１の手法
第１の手法では、バックグラウンド除去後のピーク面積が境界内で最大となる点を、バックグラウンド除去範囲の境界（開始点、終了点）として設定する。

図２は、第１の手法の処理の流れを示すフローチャートである。まず、データ処理部２４は、スペクトルを平滑化する処理を行う（ステップＳ１０）。スペクトルの平滑化の手法としては、例えばＳａｖｉｔｚｋｙ−Ｇｏｌａｙ法を用いることができる。スペクトルの平滑化を行うことで、スパイクノイズによる影響を排除することができる。

次に、データ処理部２４は、スペクトルの最大点（最大値となるピーク位置）を検出する（ステップＳ１１）。ここで、スペクトルの最大エネルギー点及び最小エネルギー点を除く範囲（例えば、スペクトル全長の２０〜８０％の範囲）内において最大点を検出することで、スペクトルの両端での急激な立ち上がりによる影響を排除することができる。

次に、データ処理部２４は、スペクトルの最大点にバックグラウンド除去範囲の開始点
（一方の端点）を仮設定し、スペクトルの最大エネルギー点にバックグラウンド除去範囲の終了点（他方の端点）を仮設定する（ステップＳ１２）。次に、データ処理部２４は、開始点を低エネルギー側（他方の端点から遠ざかる方向）に変化させながら、バックグラウンド除去後の開始点‐終了点（ステップＳ１２で仮設定した終了点）間のピーク面積を算出し（ステップＳ１３）、算出したピーク面積が最大となる点を開始点として確定する（ステップＳ１４）。バックグラウンド除去後の開始点‐終了点間のピーク面積とは、開始点‐終了点間のスペクトルから、開始点‐終了点間でＳｈｉｒｌｅｙ法又は線形法により決定したバックグラウンドを差し引いた面積である。

図３には、スペクトルの最大点に仮設定された開始点を最小エネルギー点まで変化させたときの、バックグラウンド除去後の開始点‐終了点間のピーク面積（開始点‐終了点間のスペクトルＪ（Ｅ）から、開始点‐終了点間でＳｈｉｒｌｅｙ法により決定したバックグラウンドを差し引いた面積）の変化が示されている。また、当該ピーク面積が最大となる点が、開始点として確定されている。なお、図３に示すバックグラウンドｇ（Ｅ）は、確定された開始点と仮設定された終了点間で決定したバックグラウンドを示している。

次に、データ処理部２４は、スペクトルの最大点に終了点を仮設定し（ステップＳ１５）、終了点を高エネルギー側（一方の端点から遠ざかる方向）に変化させながら、バックグラウンド除去後の開始点（ステップＳ１４で確定した開始点）‐終了点間のピーク面積を算出し（ステップＳ１６）、算出したピーク面積が最大となる点を終了点として確定する（ステップＳ１７）。

図４には、スペクトルの最大点に仮設定された終了点を最大エネルギー点まで変化させたときの、バックグラウンド除去後の開始点‐終了点間のピーク面積（開始点‐終了点間のスペクトルＪ（Ｅ）から、開始点‐終了点間でＳｈｉｒｌｅｙ法により決定したバックグラウンドを差し引いた面積）の変化が示されている。また、当該ピーク面積が最大となる点が、終了点として確定されている。なお、図４に示すバックグラウンドｇ（Ｅ）は、確定された開始点と確定された終了点間で決定したバックグラウンドを示している。

なお、ステップＳ１３で開始点を確定せずに、ステップＳ１７で終了点を確定した後、再度、スペクトルの最大点に開始点を仮設定し、当該開始点を低エネルギー側に変化させながらバックグラウンド除去後の開始点‐終了点（ステップＳ１７で確定した終了点）間のピーク面積を算出し、算出したピーク面積が最大となる点を開始点として確定してもよい。

また、スペクトルの最大点にバックグラウンド除去範囲の一方の端点を仮設定し、スペクトルの最小エネルギー点に他方の端点を仮設定し、仮設定した一方の端点を高エネルギー側に変化させながらバックグラウンド除去後の両端点間のピーク面積を算出し、算出したピーク面積が最大となる点を一方の端点として確定した後、スペクトルの最大点に仮設定した他方の端点を低エネルギー側に変化させながらバックグラウンド除去後の両端点間のピーク面積を算出し、算出したピーク面積が最大となる点を他方の端点として確定するようにしてもよい。

このように、本実施形態の第１の手法によれば、バックグラウンド除去後の開始点‐終了点間（両端点間）のピーク面積が最大となる点を、バックグラウンド除去範囲の境界として確定することで、バックグラウンド除去範囲をユーザの判断に依らず数学的に自動で決定することができる。

２−２．第２の手法
第２の手法では、バックグラウンド除去によって値が負となる領域のピーク面積が最大
（最も０に近い値）となる点を、バックグラウンド除去範囲の境界（開始点、終了点）として設定する。但し、値が負となる領域のピーク面積が最大となる点が複数存在する場合には、第１の手法と同様に、バックグラウンド除去後の開始点‐終了点間のピーク面積が最大となる点を、バックグラウンド除去範囲の境界として設定する。

図５は、第２の手法の処理の流れを示すフローチャートである。なお、ステップＳ２０〜Ｓ２２は、第１の手法のステップＳ１０〜Ｓ１２と同様の処理であるから説明を省略する。

データ処理部２４は、スペクトルの最大点に仮設定した開始点を低エネルギー側に変化させながら、バックグラウンド除去後の開始点‐終了点（ステップＳ２２で仮設定した終了点）間のピーク面積と、バックグラウンド除去によって値が負となる領域のピーク面積とを算出する（ステップＳ２３）。値が負となる領域のピーク面積とは、バックグラウンドがスペクトルを上回る領域のバックグラウンド除去後の面積の合計値であり、開始点‐終了点間でバックグラウンドがスペクトルを上回る領域が存在しない場合には０となる。次に、データ処理部２４は、値が負となる領域のピーク面積が最大となる点が複数存在するか否かを判断する（ステップＳ２４）。当該値が負となる領域のピーク面積が最大となる点が１つのみ存在する場合（ステップＳ２４のＮ）には、値が負となる領域のピーク面積が最大となる点を開始点として確定し（ステップＳ２５）、値が負となる領域のピーク面積が最大となる点が複数存在する場合（ステップＳ２４のＹ）には、バックグラウンド除去後の開始点‐終了点間のピーク面積が最大となる点を開始点として確定する（ステップＳ２６）。

図６、図７には、スペクトルの最大点に仮設定された開始点を最小エネルギー点まで変化させたときの、バックグラウンド除去によって値が負となる領域のピーク面積の変化が示されている。図６に示す例では、値が負となる領域のピーク面積が最大（最も０に近い値）となる点が１つのみ存在するため、値が負となる領域のピーク面積が最大となる点が開始点として確定されている。一方、図７に示す例では、値が負となる領域のピーク面積が最大（ここでは、０）となる点が複数存在するため、第１の手法と同様に、バックグラウンド除去後の開始点‐終了点間のピーク面積が最大となる点が開始点として確定される。なお、図６、図７に示すバックグラウンドｇ（Ｅ）は、確定された開始点と仮設定された終了点間で決定したバックグラウンドを示している。

次に、データ処理部２４は、スペクトルの最大点に終了点を仮設定し（ステップＳ２７）、終了点を高エネルギー側に変化させながら、バックグラウンド除去後の開始点（ステップＳ２５、Ｓ２６で確定した開始点）‐終了点間のピーク面積と、バックグラウンド除去によって値が負となる領域のピーク面積とを算出する（ステップＳ２８）。次に、データ処理部２４は、値が負となる領域のピーク面積が最大となる点が複数存在するか否かを判断する（ステップＳ２９）。値が負となる領域のピーク面積が最大となる点が１つのみ存在する場合（ステップＳ２９のＮ）には、値が負となる領域のピーク面積が最大となる点を終了点として確定し（ステップＳ３０）、当該値が負となる領域のピーク面積が最大となる点が複数存在する場合（ステップＳ２９のＹ）には、バックグラウンド除去後の開始点‐終了点間のピーク面積が最大となる点を終了点として確定する（ステップＳ３１）。

このように、本実施形態の第２の手法によれば、バックグラウンド除去によって値が負となる領域のピーク面積が最大となる点を、バックグラウンド除去範囲の境界として確定し、値が負となる領域のピーク面積が最大となる点が複数存在する場合には、第１の手法と同様に、バックグラウンド除去後の開始点‐終了点間のピーク面積が最大となる点を、バックグラウンド除去範囲の境界として確定することで、バックグラウンド除去範囲をよ
り適切に自動で決定することができる。

なお、本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。本発明は、実施の形態で説明した構成と実質的に同一の構成（例えば、機能、方法及び結果が同一の構成、あるいは目的及び効果が同一の構成）を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。

１…分光分析装置、１０…データ処理装置、２０…処理部、２２…取得部、２４…データ処理部、３０…操作部、４０…表示部、５０…記憶部

Claims (5)

1. 分光分析装置で測定されたスペクトルを取得する取得部と、
   前記スペクトルにおいてバックグラウンド除去の対象とするエネルギー範囲を設定し、設定した前記エネルギー範囲に基づいて前記スペクトルのバックグラウンドを除去するデータ処理部とを含み、
   前記データ処理部は、
   前記スペクトルの最大点に前記エネルギー範囲の一方の端点を仮設定し、前記スペクトルの最大エネルギー点又は最小エネルギー点に前記エネルギー範囲の他方の端点を仮設定し、前記一方の端点を前記他方の端点から遠ざかる方向に変化させながらバックグラウンド除去後の前記エネルギー範囲のピーク面積を求め、当該ピーク面積が最大となる点を前記一方の端点として確定し、
   前記スペクトルの最大点に前記他方の端点を仮設定し、前記他方の端点を前記一方の端点から遠ざかる方向に変化させながらバックグラウンド除去後の前記エネルギー範囲のピーク面積を求め、当該ピーク面積が最大となる点を前記他方の端点として確定する、データ処理装置。
2. 請求項１において、
   前記データ処理部は、
   前記一方の端点を前記他方の端点から遠ざかる方向に変化させながらバックグラウンド除去後の前記エネルギー範囲のピーク面積とバックグラウンド除去によって値が負となる領域のピーク面積とを求め、前記値が負となる領域のピーク面積が最大となる点が複数存在する場合には、バックグラウンド除去後の前記エネルギー範囲のピーク面積が最大となる点を前記一方の端点として確定し、前記値が負となる領域のピーク面積が最大となる点が１つのみ存在する場合には、前記値が負となる領域のピーク面積が最大となる点を前記一方の端点として確定し、
   前記他方の端点を前記一方の端点から遠ざかる方向に変化させながらバックグラウンド除去後の前記エネルギー範囲のピーク面積とバックグラウンド除去によって値が負となる領域のピーク面積とを求め、前記値が負となる領域のピーク面積が最大となる点が複数存在する場合には、バックグラウンド除去後の前記エネルギー範囲のピーク面積が最大となる点を前記他方の端点として確定し、前記値が負となる領域のピーク面積が最大となる点が１つのみ存在する場合には、前記値が負となる領域のピーク面積が最大となる点を前記他方の端点として確定する、データ処理装置。
3. 請求項１又は２において、
   前記データ処理部は、
   前記スペクトルを平滑化する処理を行った後、前記エネルギー範囲を設定する、データ処理装置。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項において、
   前記データ処理部は、
   前記スペクトルの最大エネルギー点及び最小エネルギー点を除く範囲において前記スペクトルの最大点を検出する、データ処理装置。
5. 分光分析装置で測定されたスペクトルを取得する取得ステップと、
   前記スペクトルにおいてバックグラウンド除去の対象とするエネルギー範囲を設定し、設定した前記エネルギー範囲に基づいて前記スペクトルのバックグラウンドを除去するデータ処理ステップとを含み、
   前記データ処理ステップでは、
   前記スペクトルの最大点に前記エネルギー範囲の一方の端点を仮設定し、前記スペクト
   ルの最大エネルギー点又は最小エネルギー点に前記エネルギー範囲の他方の端点を仮設定し、前記一方の端点を前記他方の端点から遠ざかる方向に変化させながらバックグラウンド除去後の前記エネルギー範囲のピーク面積を求め、当該ピーク面積が最大となる点を前記一方の端点として確定し、
   前記スペクトルの最大点に前記他方の端点を仮設定し、前記他方の端点を前記一方の端点から遠ざかる方向に変化させながらバックグラウンド除去後の前記エネルギー範囲のピーク面積を求め、当該ピーク面積が最大となる点を前記他方の端点として確定する、データ処理方法。

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