JPH09292282A - 近赤外分光器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 サンプリングトリガ信号を生成する光学的部
品の構成が簡易で、かつ光学部品の調整が容易な赤外分
光器を提供すること。 【解決手段】 同一光源から放射される近赤外光を、移
動鏡の変位により干渉させて測定光と参照光を出力する
フーリエ変換型近赤外分光器４０と、この測定光が被測
定対象５０を透過して生じる測定光インターフェログラ
ムと、参照光インターフェログラムとを同期して記憶す
る信号波形記憶部６０と、基準参照光インターフェログ
ラムに対して、今回の測定周期における前記同期信号波
形記憶部に記憶された当該参照光インターフェログラム
の位相が最も一致する位相差を演算する位相マッチング
演算部８０と、この位相マッチング演算部で演算された
位相差を基準に同期加算して、前記測定光インターフェ
ログラムと参照光インターフェログラムの平均を求める
インターフェログラム平均部９０とを具備し、この平均
された測定光インターフェログラムと参照光インターフ
ェログラムに対するフーリエ変換をそれぞれ演算して吸
収スペクトルを演算している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、重化学工業プロセ
スの成分濃度や物理的特性をオンライン測定するのに用
いて好適な近赤外分光分析計に掛り、特に分光器の構造
を簡素化する改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】フーリエ変換型近赤外分光器は、例えば
横河技報第３９巻(1995)第117頁に記載されている。図
４は従来のフーリエ変換型近赤外分光器の構成図で、例
えば分光研究第２７巻(1978)第405頁に記載されたもの
である。図において、光源１０からは赤外線が可動鏡１
２に向かって放射される。可動鏡１２と固定鏡１４は、
互いに９０度をなす位置に固定されており、ビームスプ
リッター１６がこれらの対角線の位置に取り付けられ
る。赤外線はビームスプリッター１６を透過して可動鏡
１２で反射してビームスプリッター１６に戻る経路と、
ビームスプリッター１６で反射されて固定鏡１４で反射
してビームスプリッター１６に戻る経路とがあり、赤外
線検出器１８に向かう両光が干渉する。この干渉光の強
弱は赤外線検出器１８により検出される。

【０００３】可動鏡１２を光軸Ｘ方向に変位させるため
に、Ｅ型の磁石２０とボイスコイル２２が設けられてい
る。周波数監視定速度サーボ系２６は、Ｇｅホトダイオ
ード３６の受光信号よりＨｅＮｅレーザー光の干渉光を
入力し、可動鏡１２が一定振幅・一定周波数で移動する
ように制御信号を出力する。ボイスコイル駆動アンプ２
４は、周波数監視定速度サーボ系２６からの制御信号に
従い、ボイスコイル２２に駆動電流を供給する。

【０００４】小干渉計３０は、可動鏡１２の変位を検出
する検出器で、可動鏡３３、固定鏡３４並びにビームス
プリッター３５を有している。そして、可動鏡１２のボ
イスコイル側にＨｅＮｅレーザー光３１と白色光３２の
光源が設置され、ビームスプリッター３５に向かってそ
れぞれ放射され、干渉光が生じる。Ｇｅホトダイオード
３６は、ＨｅＮｅレーザー光の干渉光を受光する。Ｓｉ
ホトダイオード３７は、白色光の干渉光を受光する。

【０００５】図５は、インターフェログラムと呼ばれる
干渉光の波形図で、（Ａ）は赤外光インターフェログラ
ム、（Ｂ）はレーザー光インターフェログラム、（Ｃ）
は白色光インターフェログラム、（Ｄ）はサンプリング
トリガ信号である。赤外光インターフェログラムは、中
央の部分ではビームスプリッター１６から二つの鏡まで
の距離が等しくなるため、全ての波長で位相が一致して
干渉光の強度が最大値をとる。他方、中央から離れた位
置ｘでは様々な波長の位相が相違して打ち消しあい、干
渉光の強度がゼロに近い信号となる。

【０００６】白色光インターフェログラムは、干渉計の
ゼロ点位置ｘ₀を決定するために用いられるもので、サ
ンプリングトリガ信号の生成に使用される。このサンプ
リングトリガ信号を開始信号として、赤外光インターフ
ェログラムを取り込むと、位相の揃った波形が得られ
る。赤外光インターフェログラムを積算平均してノイズ
成分を低減する場合、位相を揃えることは必要的要素で
ある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上述のような
構成によれば、サンプリングトリガ信号を生成するため
に、白色光３２の光源、Ｓｉホトダイオード３７並びに
付加回路が必要になり、光学的部品の構成が複雑になる
という課題があった。また小干渉計３０では、単一のビ
ームスプリッター３５を用いてＨｅＮｅレーザー光３１
と白色光３２の干渉光を得ているが、このような構成に
よれば光軸を正確に調整するのが大変で、組立に時間が
掛かると共に、プロセス現場のように塵芥や振動の発生
する恐れのある環境での信頼性が低下するという課題が
あった。本発明はこのような課題を解決したもので、サ
ンプリングトリガ信号を生成する光学的部品の構成が簡
易で、かつ光学部品の調整が容易な赤外分光器を提供す
ることを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明は、同一光源から放射される近赤外光を、移動鏡の変
位により干渉させて測定光と参照光を出力するフーリエ
変換型近赤外分光器４０と、この測定光が被測定対象５
０を透過して生じる測定光インターフェログラムと、こ
の参照光が当該被測定対象を迂回して当該測定光とほぼ
同一経路を伝播して生じる参照光インターフェログラム
とを同期して記憶する信号波形記憶部６０と、基準とな
る参照光インターフェログラムを予め記憶する基準波形
記憶部７０と、この基準波形記憶部に記憶された基準参
照光インターフェログラムに対して、今回の測定周期に
おける前記同期信号波形記憶部に記憶された当該参照光
インターフェログラムの位相が最も一致する位相差を演
算する位相マッチング演算部８０と、この位相マッチン
グ演算部で演算された位相差を基準に同期加算して、前
記測定光インターフェログラムと参照光インターフェロ
グラムの平均を求めるインターフェログラム平均部９０
と、このインターフェログラム平均部で平均された信号
についてフーリエ変換の対象となる区間を抽出する手段
１００と、このフーリエ変換対象区間抽出手段で抽出さ
れた区間についてフーリエ変換を演算し、前記測定光イ
ンターフェログラムと参照光インターフェログラムに対
するスペクトルから吸収スペクトルを演算する手段１１
０とを具備することを特徴としている。

【０００９】本発明の構成によれば、フーリエ変換型近
赤外分光器４０から測定光と参照光とが放射されてい
る。ここでは、参照光から従来のサンプリングトリガ信
号と同様の情報を抽出するため、基準参照光インターフ
ェログラムを予め記憶しておき、位相マッチング演算部
により各測定周期で得られる参照光インターフェログラ
ムを同期させて、インターフェログラム平均部９０で平
均化する。このとき、同期信号波形記憶部に記憶された
測定光インターフェログラムは、参照光インターフェロ
グラムと同期しているから、測定光インターフェログラ
ムは位相マッチング演算部で同期させて、インターフェ
ログラム平均部９０で平均化されることになる。そし
て、フーリエ変換の対象となる区間を抽出して、吸収ス
ペクトル演算手段１１０により、測定光インターフェロ
グラムと参照光インターフェログラムに対するスペクト
ルから吸収スペクトルを演算する。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下図面を用いて、本発明を説明
する。図１は本発明の一実施例を示す構成ブロック図で
ある。図において、フーリエ変換型近赤外分光器４０
は、波長帯域が0.9〜2.5μｍの同一光源から放射される
近赤外光を、移動鏡の変位により干渉させて測定光と参
照光を出力するもので、光学系の構成は図４に示すよう
なマイケルソン干渉計等が用いられる。被測定対象５０
は、近赤外分光分析により性状値を測定する対象物で、
例えば大豆や小麦のタンパク質分や脂肪分が該当する。

【００１１】フーリエ変換型近赤外分光器４０の測定光
は、光ファイバ等の導光経路を介して被測定対象５０を
透過し、更にフォトダイオードＰＤにより光電変換さ
れ、ＡＤ変換器により所定桁数のディジタル信号に変換
される。参照光は、被測定対象５０を迂回する点を除い
て測定光とほぼ同一経路を伝播し、測定光が伝播により
環境から受ける影響を補償するために用いるものであ
る。参照光の伝播経路は、光ファイバ等の導光経路を介
してフォトダイオードＰＤに照射され、フォトダイオー
ドＰＤにより光電変換され、ＡＤ変換器により所定桁数
のディジタル信号に変換される。

【００１２】信号波形記憶部６０は、ＡＤ変換された測
定光インターフェログラムと参照光インターフェログラ
ムとを同期して記憶するものである。この記憶するデー
タ数は、フーリエ変換に当たり参照光インターフェログ
ラムの最大値発生部位が有意な情報として含まれるよう
に様に余裕をもって定める。フーリエ変換にあたり高速
フーリエ変換（ＦＦＴ）を用い、ＦＦＴのデータ数を１
０２４個とすると、信号波形記憶部６０の記憶するデー
タ数Ｎは、例えば２倍の２０４８個に選定するとよい。

【００１３】基準波形記憶部７０は、基準となる参照光
インターフェログラムを予め記憶するものである。通
常、新たな被測定対象５０に対して、初期化にあたり信
号波形記憶部６０に記憶された参照光インターフェログ
ラムを用いる。この基準参照光インターフェログラムに
あっては、図２（Ａ）に示すように最大値が中央となる
ように定めるとよい。

【００１４】位相マッチング演算部８０は、基準波形記
憶部７０に記憶された基準参照光インターフェログラム
に対して、今回の測定周期における同期信号波形記憶部
６０に記憶された参照光インターフェログラムの位相が
最も一致する位相差Δｘを演算する。この演算にあたっ
ては、相互相関関数が最大値となる位相差を求めてもよ
く、また実質的に有効な情報を有する最大値付近の数波
分についてデータの差の二乗和が最小となる位相差とし
てもよい。これは、基準波形記憶部７０が参照光インタ
ーフェログラムの記憶を開始するタイミングが、各測定
周期毎に多少変動するので、これを補償して同期をとる
ためである。ここで、測定周期は、フーリエ変換型近赤
外分光器４０における移動鏡の一回の走査を基準に定め
られる。

【００１５】インターフェログラム平均部９０は、位相
マッチング演算部８０で演算された位相差を基準に、今
回の測定周期における同期信号波形記憶部６０に記憶さ
れた測定光インターフェログラムと参照光インターフェ
ログラムを同期加算する。これにより、測定光インター
フェログラムと参照光インターフェログラムが平均化さ
れて、ノイズの影響が低減される。尚、フーリエ変換対
象区間抽出部１００は、インターフェログラム平均部９
０で平均された測定光インターフェログラムと参照光イ
ンターフェログラムについてフーリエ変換の対象となる
区間を抽出する。ＦＦＴの場合には、ハニング窓のよう
な重み付けをした時間窓が用いられるので、最大値を与
える部位がほぼ解析対象データの中央になるように選定
する。

【００１６】吸収スペクトル演算部１１０は、フーリエ
変換対象区間抽出部１００で抽出された区間についてフ
ーリエ変換を演算し、測定光インターフェログラムと参
照光インターフェログラムに対する周波数スペクトルを
求める。次に、両方の周波数スペクトルから吸収スペク
トルを演算する。この演算過程は、図３を用いて後で説
明する。

【００１７】このように構成された装置の動作につい
て、次に説明をする。図２はインターフェログラムの波
形図で、（Ａ）は基準参照光インターフェログラム、
（Ｂ）は今回の測定周期における同期信号波形記憶部６
０に記憶された参照光インターフェログラムである。基
準参照光インターフェログラムは、最大値を示す波のピ
ーク値が丁度中央にくるように選定するとよい。最大値
から離れるほど、インターフェログラムに含まれる情報
は少なくなるから、対称性も考慮して定める。尚、ＡＤ
変換のサンプリング時間も、このインターフェログラム
に含まれる波の一波長について、５〜２０点程度サンプ
リングが行われるように選定するとよい。

【００１８】位相マッチング演算部８０により、基準波
形記憶部７０に記憶された基準参照光インターフェログ
ラムに対して、今回の測定周期における同期信号波形記
憶部６０に記憶された参照光インターフェログラムの位
相差Δｘを演算する。そして、インターフェログラム平
均部９０により同期加算を行う。フーリエ変換に用いる
のは、最大値を示す波を中心とする領域Ｎ／２分であ
る。

【００１９】図３は吸収スペクトル演算部１１０の動作
を説明するスペクトル図で、（Ａ）は参照光スペクトル
と測定光スペクトル。（Ｂ）は吸収スペクトルである。
ＦＦＴにより、参照光インターフェログラムから参照光
スペクトルが得られ、測定光インターフェログラムから
測定光スペクトルが得られる。そして、参照光スペクト
ルと測定光スペクトルの偏差から、被測定対象５０に関
する吸収スペクトルが得られる。この吸収スペクトルか
ら、ケモメトリクス等を用いて性状値が求められる（例
えば、横河技報第３８巻(1994)第３３頁参照）。

【００２０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
基準参照光インターフェログラムを予め記憶しておき、
位相マッチング演算部により各測定周期で得られる参照
光インターフェログラムを同期させて、インターフェロ
グラム平均部９０で平均化させているので、従来必要と
されていたサンプリングトリガ信号用の光学系が不要と
なり、近赤外分光器の光学系の構成が簡単になるという
効果がある。また、インターフェログラムの段階で同期
加算をして平均化をしてフーリエ変換しているので、フ
ーリエ変換した後のスペクトルを加算して平均化する場
合に比較して、演算時間が短くてすみ、リアルタイム分
析のように演算処理の迅速性が要請させる用途に適する
という効果もある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す構成ブロック図であ
る。

【図２】インターフェログラムの波形図である。

【図３】吸収スペクトル演算部１１０の動作を説明する
スペクトル図である。

【図４】従来のフーリエ変換型近赤外分光器の構成図で
ある。

【図５】インターフェログラムと呼ばれる干渉光の波形
図である。

【符号の説明】

４０ フーリエ変換型近赤外分光器 ５０ 被測定対象（サンプル） ６０ 同期信号波形記憶部 ７０ 基準波形記憶部 ８０ 位相マッチング演算部 ９０ インターフェログラム平均部 １００ フーリエ変換対象区間抽出部 １１０ 吸収スペクトル演算部

フロントページの続き (72)発明者 雨宮 正仁 東京都武蔵野市中町２丁目９番32号 横河 電機株式会社内 (72)発明者 南光 智昭 東京都武蔵野市中町２丁目９番32号 横河 電機株式会社内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】同一光源から放射される近赤外光を、移動
   鏡の変位により干渉させて測定光と参照光を出力するフ
   ーリエ変換型近赤外分光器（４０）と、 この測定光が被測定対象（５０）を透過して生じる測定
   光インターフェログラムと、この参照光が当該被測定対
   象を迂回して当該測定光とほぼ同一経路を伝播して生じ
   る参照光インターフェログラムとを同期して記憶する信
   号波形記憶部（６０）と、 基準となる参照光インターフェログラムを予め記憶する
   基準波形記憶部（７０）と、 この基準波形記憶部に記憶された基準参照光インターフ
   ェログラムに対して、今回の測定周期における前記同期
   信号波形記憶部に記憶された当該参照光インターフェロ
   グラムの位相が最も一致する位相差を演算する位相マッ
   チング演算部（８０）と、 この位相マッチング演算部で演算された位相差を基準に
   同期加算して、前記測定光インターフェログラムと参照
   光インターフェログラムの平均を求めるインターフェロ
   グラム平均部（９０）と、 このインターフェログラム平均部で平均された信号につ
   いてフーリエ変換の対象となる区間を抽出する手段（１
   ００）と、 このフーリエ変換対象区間抽出手段で抽出された区間に
   ついてフーリエ変換を演算し、前記測定光インターフェ
   ログラムと参照光インターフェログラムに対するスペク
   トルから吸収スペクトルを演算する手段（１１０）と、 を具備することを特徴とする近赤外分光器。