JPH10510926A - 分光計測定の比較を可能にするための方法と装置組合せ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 同系列の同タイプの複数の個々の測定装置による分光計測定の比較を可能にするための方法、およびこの方法を実施するための分光計が記載される。さらに自動規格化分光計が記載される。この方法または分光計を用いて、比較可能性と、スペクトル測定精度の著しい改善が可能となる。これは分光計の検定によって測定値が再現可能となり、試料のコンシステンシまたは寸法の相違が調整または補償されるためである。

Description

【発明の詳細な説明】 分光計測定の比較を可能にするための方法と装置組合わせ 本発明は、同一系列の同タイプの個々の測定装置による、好ましくは近赤外領 域の分光計測定の比較を可能にするための方法ならびに装置組合せに関する。 近赤外分光計は広い範囲で使用されている。これらの分光計は気体および固体 の分析に用いられる。精度に関する要件が絶えず厳しくなっているので、これら の装置の正確な較正が特に重要になってきた。その際に特に重要なのは、ある分 光計で得られたある試料の測定値が、同種の別の分光計で再現可能なことである 。 さらにスペクトル測定の精度は、測定試料自体の変化によって、例えば不均質 な材料のコンシステンシまたは寸法の変化によって損なわれる。粒度の効果を減 少させるための規格化の方法は、例えばＵＳ−ＰＳ５，１３２，５３８に記載さ れている。 測定装置を標準化するために、自然の（絶対的）標準を利用することは一般に 知られており、例えば気体のスペクトル吸収帯を利用して、分光計の波長スケー リングを較正しようとするものがある。赤外および近赤外スペクトル領域では、 波長スケールの標準化がこの分野での最新技術になっている。一方、強度スケー ルの方はまだ標準化されていない。試料を「１００％」標準試料または基準試料 に対して相対的に測定する。反射測定の場合は、これは通常「１００％」反射体 を意味する。透過測定の場合、これは通常、光線中に試料がないときの信号値を 意味する。さらに「ゼロ信号」は、物理的に光線が検出器に達するのを妨げるこ とによって測定できる。試料のこの信号は測定したオフセット信号をによってそ の後に補正することができる。 測定したオフセット信号ですでに補正された信号Ｓ_mとＳ_rから、Ｓ_m／Ｓ_rがＩ_m ／Ｉ_rに正比例すると想定される。 ただし Ｓ_mは試料測定時の信号を意味し、 Ｓ_rは基準試料測定時の信号を意味し、 Ｉ_mは試料によって反射された、あるいは試料中を透過した光の真の強度信号 であり、 Ｉ_rは基準試料によって反射された、あるいはその中を透過した光の真の強度 信号である。 実際には分光計の構造は、検出器がその特性曲線の直線領域で動作するように 設計することによって、特にこのような状況を考慮に入れている。その際に使用 者は、できる限りＩ_mとＩ_rを同一の境界条件のもとで測定しなければならない。 しかし上記のように動作する今日の最新の分光計も、特定の試料のそれ自体整合 性のある反射信号または透過信号を測定する際にはうまく機能しない場合が多い 。個々の分光計の間の分光感度の（強度スケール上での）差は、同一系列の分光 計の場合でさえ極めて大きいことがある。ある場合に は、分光計の感度はＩ_m／Ｉ_rに正比例するが、線形比例係数は装置間で互いに異 なることがある。また別の場合には、Ｓ_m／Ｓ_rは、より複雑な形でＩ_m／Ｉ_rと関 係し、線形にはならないことがある。 線形比例係数が装置間で異なる理由は、基準試料の反射の違いや、光学的調節 の違いや、試料ホルダの機械的公差などにあることが知られている。 Ｓ_m／Ｓ_rとＩ_m／Ｉ_rとが直線関係にならない理由は、検出器の特性曲線が直線 でないか、あるいは試料の反射（透過）に依存する散乱光が存在するためである 可能性がある。非直線性の別の理由は屈折率の大きな相違による光学的境界層で の多重反射である可能性がある。非直線性の効果は試料との接触箇所で特に明確 に現れ、また例えば石英（屈折率ｎ＝１．４５）の代わりにサファイア（ｎ＝１ ．７５）を窓材料として使用する場合、さらに強くなる。それでも、多くの応用 分野では、サファイア窓は、例えばその優れた強度と抵抗力のために必要である 。 したがって本発明の根底となる課題は、同じ種類の多数のスペクトル測定を行 う際に得られる精度と再現可能性を改善することにある。 この課題は、以下の工程段階を特徴とする冒頭に挙げた種類の方法によって解 決される。 − 同系列の個々の分光計における保証済み標準試料の公称スペク トルを記憶する、 − 同系列の個々の分光計で標準試料のいくつかの比較スペクトルを測定する、 − 標準試料の各波長点ごとに公称スペクトルと比較スペクトルの偏差の近似関 数のパラメータを計算する、 − 各波長点ごとにパラメータを装置に記憶する、 − 未知の試料のスペクトルを測定する、 − 近似関数から得られた方程式を適用して、未知の試料のスペクトル測定値の 各波長点ごとの真の値を計算する、 − 補正したスペクトルを実際スペクトルとして出力する。 したがってこの方法は、装置と、測定評価のための１組の標準試料と、補正の ためのパラメータの計算とを関連付けている。この方法の利点は、１つの標準か ら導出される、絶対的な拡散反射率または吸収係数に基づいているため、特定の 親装置から独立していることにある。親システムはいつでも交換しまたは複製す ることができる。 この方法はさらに、標準試料が適切な方法で定義されているならば、あらゆる 種類のスペクトル測定、即ち、透過測定、反射測定あるいは吸収測定に適する。 標準試料は関連する測定範囲をカバーし、安定した物理的特性を備えていなけれ ばならない。 この方法の有利な実施例では、例えば拡散反射率が２％、１０％、２０％、４ ０％、５０％、６０％、８０％、９９％の８種類の標 準試料を用意する。 装置技術の種類の影響は、近似関数を少なくとも２次またはそれより高次とす ることによって除去することができる。 未知試料の測定精度は、各反射率ごとに比較スペクトルの測定を最低３回行い 、その値を好ましくは各波長点ごとに平均することにより改善される。 近似関数のパラメータを計算する際に、様々な反射率をもつ試料のスペクトル を、各波長点ごとの近似関数のパラメータの計算に援用するようになっている。 近似関数の品質を各波長点における標準偏差または相関係数の計算によって求 めるこの処置によって、常に測定結果の信頼性の検査が可能となる。 この課題はさらにこの方法を実施するための分光計によって解決される。この 分光計は複数の公称スペクトル用の第１のメモリと、様々な標準試料の比較スペ クトル用の第２のメモリを備えており、各波長点ごとのスペクトルの比較から近 似関数のパラメータを求めることができる。 この目的のために、比較スペクトルを標準試料の公称スペクトルと比較するこ とにより、各波長点ごとに近似関数のパラメータを計 算するためのユニットを備えている。 近似関数の各波長点ごとにパラメータ用の第３のメモリを備えているため、見 つかった値またはパラメータは、装置内でいつでも利用できる。 未知試料のスペクトルを記憶するための第４のメモリを備えているため、本来 の測定と測定値の処理は互いに独立に行われる。 未知試料の各波長点ごとに近似関数によって決定される方程式により実際値を 計算するための計算ユニットを備えているため、未知試料の「真の」スペクトル の決定が自動的に行われる。 近似関数の品質を計算するための計算ユニットを備えているため、測定および 装置の信頼性はいつでも検査することができる。 補正された「真の」スペクトルを実際スペクトルとして出力するための出力ユ ニットが設けられている。 分光計には、分光計の分光測定の比較を可能にするための１組の標準試料が割 り当てられるので、同一タイプの全系列の装置の測定を比較することができる。 この方法を実施するためのプログラム記憶式制御装置を備えている場合、この 方法は外部の介入なしに進行する。この方法の個々の 段階は制御装置のプログラム・メモリにファイルされている。 この方法は、装置間で異なる感度の影響を回避する。試料の組成あるいは寸法 の相違は、この方法では、あるいは分光計自体によっては考慮されない。したが って有利な実施例では、同じタイプの装置では、同じ寸法のホルダに試料が収容 され、そのホルダが好ましくはインデックスが付けてあるため、位置の変化も避 けることができる。 本発明のその他の詳細、特徴および利点は、図面を参照した以下の説明から明 らかとなろう。唯一の図は、この方法を実施するための本発明による装置のブロ ック回路図である。 図はこの方法を実施するための装置のブロック回路図を示す。その際に近似関 数として非直線的依存関係を有する２次関数を想定している。この装置は公称値 スペクトル用のメモリ１と、比較スペクトル用のメモリ２を備えている。計算ユ ニット３は各波長点ごとにそれぞれ１組のパラメータを有し、これは近似関数の 係数を表し、比較スペクトルを標準試料の公称スペクトルと比較することによっ て計算される。パラメータの値はメモリ４に記憶される。さらに未知の試料のス ペクトルを記憶するためのメモリ５が存在する。計算ユニット６によって未知の 試料のスペクトルの各波長点ごとに実際値が計算され、続いてメモリ７にファイ ルされ、最後に補正されたスペクトルが実際スペクトルとして出力装置８から出 力される。 次に述べる標準化のための方法は、拡散反射の測定のために開発されたもので 、光ファイバ・センサとともに近赤外線分光計を使用する。光ファイバ・センサ の尖端の保護窓は、コランダム製である。測定中、窓は試料に接触しているか、 あるいは試料の極めて近くにある（間隔約０．１ｍｍ）。この場合、Ｓ_m/Ｓ_rと Ｉ_m／Ｉ_rの間の関係は、２次方程式によってよく記述することができる。これは コランダムと反射体の境界面での多重反射が、はっきりした２次成分に寄与する ためである。 この方法を実施するには、まず２％、１０％、２０％、４０％、５０％、６０ ％、８０％、９９％の拡散反射率をもつ８個の標準試料を分光計で測定する。そ の結果、波長（約４５０データ点）に応じて８種の拡散反射スペクトルが得られ る。８個の標準試料の測定を３回繰り返す。新しい測定シリーズの前に、基準試 料を改めて測定する。 ３個の拡散反射スペクトルを各値ごとに平均して平滑化し、その際にSavitsky -Golayアルゴリズムを使用する。この平均化し平滑化したスペクトルが、標準試 料の「測定」値である。 ８個の標準試料は予め基準装置で測定しておく。この装置での測定で、その波 長について８個の拡散反射スペクトルが得られる。これが「真の」値である。 各波長（ｉ）ごとに８個の「測定」値と８個の「真の」値がある。理想的な分 光計では、「真の」値が「測定」値と一致するはずで ある。しかし上述した多数の影響のため、実際にはそうはならない。ここで考察 するケースでは、「測定」値と「真の」値の関係は、下記の２次関数によって適 切に記述することができる。 （１） Ｙ（ｉ）＝Ａ・Ｘ（ｉ）²＋Ｂ・Ｘ（ｉ）＋Ｃ ここでＡは２次係数、Ｂは１次係数、Ｃは一定なゼロ点偏差（オフセット）であ る。各係数は近似関数のパラメータである。Ｙからまたは「測定」値から、これ らはより大きい実験誤差を有すると想定されるので、ＹはＸの関数として記述さ れる。 ソフトウェアは最小２乗偏差法を適用して、「測定」値と「真の」値との間の 最良の２乗近似を与える係数を計算する。 近似関数のパラメータ、すなわちＡ，Ｂ，Ｃが既知になると、方程式１を使っ てＸ（ｉ）値とＹ（ｉ）値の関係を計算することができる。これらは分光計の分 光特性の影響を考慮に入れるように適合された「補正済み測定」値である。方程 式１は次の形に変形される。 （２） Ｘ（ｉ）²＋ｐ・Ｘ（ｉ）＋ｑ＝０ ただし ｐ＝Ｂ／Ａ、 ｑ＝［Ｃ−Ｙ（ｉ）］／Ａである。 方程式（２）から平方根を求めると、 （３） Ｘ₂（ｉ）＝−ｐ／２＋［（ｐ／２）²−ｑ］^1/2 および （４） Ｘ₂（ｉ）＝−ｐ／２−［（ｐ／２）²−ｑ］^1/2 この問題にとって意味のある根は、期待される実際値に最も近いものである。 コランダム窓を利用する場合、これは通常方程式（３）で示される根である。し かし例えば窓なしの光ファイバを使用し、そのため方程式（４）で示される根が 適切となる場合も生じうる。このため両方の根を計算する。典型的には一方の根 の値は０から１の間であり、他方の根は約１０倍大きい。 ２乗近似の品質は、各波長ごとに「真の」値を「補正済み測定」値に重ねてプ ロットし、線形回帰を行うことによって検査される。完全な近似の場合は相関係 数が値１になる。 ２乗近似の品質を調べる別の方法は、「真の」値と「補正済み測定」値との間 の残留誤差の標準偏差として定義される、各波長ごとの反射の誤差の標準偏差（ ＳＥＲ）を計算するものである。 ソフトウェアは相関係数と、各波長ごとの反射の標準偏差を計算する。２乗近 似の品質は、分光計の通常の動作範囲でのみ決定する。標準化については、すべ ての波長にわたる相関係数の平均が０．９９９５以上で、かつ最小相関係数が０ ．９９９０以上である場合、２乗近似が充分良好であると見なされる。同様にＳ ＥＲは０．００１基準単位以下であることが望ましい。これらの限界値は、同系 列のいくつかの異なる分光計と、標準化した数組の標準試料を使用して実験的に 求めたものである。したがって、これらの限界値はこの場合に望ましい標準化の 程度を表す。 これらの条件が満たされると直ちに、移植性を実施するためのソフトウェアが 起動する。後続のすべての測定値が自動的に補正され、「真の」値を得るために 、方程式３または４が援用される。分光計で行われる測定は、基準装置で得られ る測定と、近似の精度に相当するまたはノイズ部分などによる残留誤差の範囲内 で一致する。同じ方法を任意の数の分光計に繰り返し適用することができるため 、標準化した分光計の母集団が得られる。 以下、基準装置と、１組の基準試料の意味を説明する。基準装置は１組の基準 試料を利用して得られる。この１組の基準試料は、８個の拡散反射ターゲットか らなり、これらのターゲットは２％から９９％の範囲をカバーし、１つの分光計 で検定されたものであり、この分光計はまた、国立度量衡検定局、例えば米国の 国立標準局によって証明された試料で検定されたものである。測定される拡散反 射の値は、したがってその材料の絶対特性である。これらの値はその１組の標準 試料の「真の」値を表す。 次いで拡散反射する試料を、基準装置で再現可能な形で利用できるように、個 別のホルダに固定する。これが標準基準試料のセットである。 次にこの標準基準試料のセットを上述のように基準装置で測定する。以前と同 様に２次と１次の係数および各波長ごとの２乗近似のオフセットを算出する。こ の場合も、近似の品質を決定し、分光計 の動作波長領域における残留誤差を決定するために、相関係数と反射の標準誤差 が必要となる。２乗近似が標準化に利用するのに十分なほど良好であるかどうか 決定するのにも同じ判定基準が援用される。 移植性を実施するための方法の終了後、基準装置で行われた測定値は、国立度 量衡検定局によって決定された測定値と、基準単位（標準偏差）の±０．０１と 評価される残留誤差の範囲内で一致する。 これによって国立度量衡検定局の標準および測定値との比較が可能になる。 基準装置がこのようにして標準化された後は、別の１組の標準試料について「 真の」値を直接求めるためにそれを利用することができる。 この方法の利点は、この方法が、国立度量衡検定局によって証明済みの絶対的 な拡散反射に依拠しているため、基準試料の固定したセットまたは基準装置によ って左右されない点にある。基準装置も基準試料のセットも、いつでも取り替え ることができ、またいつでも複製することができる。 移植性の実施は、前記のように特別な標準化した材料の絶対特性と適切な計算 方法を使用して、同系列の様々な分光計を標準化する一方法である。 適切な１組の標準試料が定義できることを前提として、同じ標準化の方法が、 例えば反射、透過あるいは透過反射など各種の分光計測定に適用することができ る。この１組の標準試料は主要測定領域をカバーし、不変の物理特性を体現して いなければならない。この物理特性は、独立した物体によって定量化できるもの でなければならない。 「測定」値と「真の」値の関係は、分光計の構造が異なると異なる。したがっ てここに述べた２次方程式を、簡単な１次方程式またはより高次の方程式で置き 替えるのが適切なこともある。方程式が解析的に解けない場合、別の数値決定法 を使用することができる。使用する標準試料の数は、関係の複雑さと必要な精度 に合わせて変えることができる。 参照番号リスト １ メモリ（公称スペクトル） ２ メモリ（比較スペクトル） ３ 計算ユニット（近似関数） ４ メモリ（近似関数） ５ メモリ（未知の試料） ６ 計算ユニット ７ メモリ ８ 出力ユニット

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．特に拡散反射の測定のために、同系列の同タイプの多数の個別測定装置によ る、好ましくは近赤外領域の分光計測定の比較を可能にするための方法であって 、 − 同系列の個々の分光計中に記憶された標準試料の公称スペクトルを記憶する 方式段階と、 − 同系列の個々の分光計を用いて、標準試料の多数の比較スペクトルを決定す る方式段階と、 − 標準試料の各波長点ごとに公称スペクトルからの比較スペクトルの偏差の近 似関数のパラメータを計算する方式段階と、 − 各波長点ごとのパラメータを装置に記憶する方式段階と、 − 未知の試料のスペクトルを測定する方式段階と、 − 近似関数から得られる方程式を用いて、未知の試料のスペクトルの測定値の 各波長点ごとの真の値を計算する方式段階と、 − 実際スペクトルとして補正済みスペクトルを出力する方式段階とを特徴とす る方法。 ２．複数の標準試料、特に７個を超える試料、好ましくは拡散反射率が２％、５ ％、１０％、２０％、４０％、５０％、６０％、８０％、９９％の試料を用いる ことを特徴とする、請求の範囲第１項に記載の分光計測定の比較を可能にするた めの方法。 ３．近似関数が少なくとも２次またはより高次であることを特徴とする、請求の 範囲第１項または第２項に記載の、分光計測定の比較 を可能にするための方法。 ４．反射率ごとに比較スペクトルの測定を最低３回行い、その値を好ましくは波 長点ごとに平均することを特徴とする、請求の範囲第１項、第２項または第３項 に記載の分光計測定の比較を可能にするための方法。 ５．様々な反射率の試料のスペクトルが、各波長点ごとに、近似関数のパラメー タの計算に援用されることを特徴とする、請求の範囲第１項、第２項、第３項ま たは第４項に記載の分光計測定の比較を可能にするための方法。 ６．近似関数の品質が、標準偏差または各波長点での相関係数の計算によって決 定されることを特徴とする、請求の範囲第１項、第２項、第３項、第４項または 第５項に記載の分光計測定の比較を可能にするための方法。 ７．複数の公称スペクトル用の第１のメモリ（１）と、様々な標準試料の比較ス ペクトル用の第２のメモリ（２）とを備えることを特徴とする、上記請求の範囲 のいずれか一項に記載の方法を用いたスペクトル測定用の分光計。 ８．標準試料の公称スペクトルと、比較スペクトルとの比較により、各波長点ご とに近似関数のパラメータを計算するためのユニット（３）を備えることを特徴 とする、請求の範囲第７項に記載のスペ クトル測定のための分光計。 ９．近似関数の各波長点ごとのパラメータ用の第３のメモリ（４）を備えること を特徴とする、請求の範囲第７項または第８項に記載のスペクトル測定用の分光 計。 １０．未知の試料のスペクトルを記憶するための第４のメモリ（５）を備えるこ とを特徴とする、請求の範囲第７項、第８項または第９項に記載のスペクトル測 定用の分光計。 １１．波長点ごとに近似関数によって決定される未知の試料の方程式によって、 実際値を計算するための計算ユニット（６）を備えることを特徴とする、請求の 範囲第７項、第８項、第９項または第１０項に記載のスペクトル測定用の分光計 。 １２．近似関数の品質を計算するための計算ユニット（６）を備えることを特徴 とする、請求の範囲第７項から第１１項のいずれか一項または複数の項に記載の スペクトル測定用の分光計。 １３．実際スペクトルとして補正済みスペクトルを出力するための出力ユニット （８）を備えることを特徴とする、請求の範囲第７項から第１２項のいずれか一 項または複数の項に記載のスペクトル測定用の分光計。 １４．分光計の分光計測定の比較を可能にするために用意された１ 組の標準試料が分光計に割り当てられていることを特徴とする、請求の範囲第７ 項から第１３項のいずれか一項または複数の項に記載のスペクトル測定用の分光 計。 １５．この方法を実施するためのプログラム記憶式制御装置を備えることを特徴 とする、請求の範囲第７項から第１４項のいずれか一項または複数の項に記載の スペクトル測定用の分光計。 １６．同じタイプの装置用の試料が同じ寸法のホルダに収容されており、このホ ルダが好ましくはインデックスが付けられているため、位置の変化も回避される ことを特徴とする、請求の範囲第７項から第１５項のいずれか一項または複数の 項に記載のスペクトル測定用の分光計。