JP3098768B2 - 分光測光装置およびその測光方法 - Google Patents
分光測光装置およびその測光方法Info
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Description
出され、この狭波長帯域の波長が所定のスペクトル範囲
に亘って高速で走査されるタイプの分光測光装置および
その測光方法に関する。
的回折格子が用いられており、回折格子は入口スリット
から光を受け、受光した光を分散し、出力スリットに向
けてスペクトルとする。回折格子は振動され、回折格子
により分散されて、出口スリットを通過した光を、スペ
クトル範囲に亘って高速で走査する。このような装置
は、Isaac J.Landaによる米国特許第4285596号に記載
されている。他のこのような装置は、Philip A.McGee
により発明されて本発明の譲受人に譲渡された係属中の
出願番号294679号に記載されている。一方、本発明は、
光線を通過する際に傾斜する複数のフィルタを使用し
て、透過した光をスペクトル範囲に亘って走査する装置
にも適用可能である。このような装置は、Donald R.We
bsterによる米国特許第4040747号に記載されている。回
折格子を振動させるタイプおよびフィルタを傾斜させる
タイプの両方の装置は、穀物サンプルのような農産物を
分析するために、近赤外を含むスペクトル範囲に亘って
走査するのに有効に用いられる。このような装置は、前
述のWebsterによる米国特許第4040747号に十分明らかに
されているように、サンプルの反射率を狭波長帯域の増
分ごとに測定することにより、穀物サンプルを構成する
油分、蛋白質分および水分を正確に決定するように作動
する。
願に記載された回折格子を振動させるタイプの装置にお
いて、出口スリットを通過した狭波長帯域の光は分析す
べきサンプルを照射する。サンプルから反射された光は
光検出器により検出され、その結果生じる光検出器の信
号は増幅され、一連のデジタル値に変換される。各デジ
タル値は、回折格子が振動するときに走査されるスペク
トル範囲に沿って分布されたインクリメンタルインデッ
クスポイント(以下「インクリメンタルポイント」とい
う。)の各ポイントで反射されたエネルギを表す。これ
らのデジタル値はコンピュータに出力され、コンピュー
タはこれらを受け取り、例えば穀物サンプルを構成する
油分、蛋白質分および水分を決定するためにサンプルを
分析するのに用いられる。
は、スペクトル範囲に亘る走査速度が高速になると、光
検出器の不規則雑音を除去することができるが、測光に
より得られるデータが歪むといった問題点があった。
程度高速で測定できるかは、光検出器および、光検出器
からの出力信号を増幅するために光検出器に接続された
増幅器の応答時間によって決定される。各インクリメン
タルポイントにおける増幅器の出力信号はデジタル値に
変換されるが、スペクトル範囲に亘る走査が過度に高速
に行われると、増幅器の出力信号は、各インクリメンタ
ルポイントにおいて、平衡状態の値に達することなくデ
ジタル値に変換される。この結果、コンピュータにより
受け取られるデジタル値は歪み、各インクリメンタルポ
イントにおいて、サンプルから反射されたエネルギを正
確に示すことができなくなる。
から一次微分値を算出し、その一次微分値に歪みを補正
するように選択された補正係数を乗算し、得られた乗算
値を元のデジタル値に加算して、測光により得られるデ
ータの歪みを補正することを目的としている。
を解決するため、光の狭波長帯域の波長を所定のスペク
トル範囲に亘って高速で走査する分光手段と、前記所定
のスペクトルの全範囲に亘って、前記狭波長帯域の波長
のエネルギ強度を検出し、該エネルギ強度に応答した出
力信号を発生する光検出手段と、前記光検出手段の出力
信号に応答し、該出力信号を補正する補正手段と、を備
えている。そして前記分光手段が、前記光検出手段の出
力信号が検出されたエネルギ強度に対して実質的に歪み
を生じる程十分な高速で前記狭波長帯域の波長を走査
し、前記補正手段が、前記所定のスペクトルの範囲に亘
って前記狭波長帯域の波長が走査される間に、前記光検
出手段の出力信号の変化の一次微分値を決定し、前記一
次微分値に、前記出力信号の歪みを補正するよう予め選
択された補正係数を乗算して乗算値を求め、前記乗算値
を、前記光検出手段の出力信号に加算することにより、
前記光検出手段の出力信号の前記歪みを補正することを
特徴とする。
共に、前記所定のスペクトルの全範囲に亘って分布され
た多数のインクリメンタルポイントの各ポイントにおけ
る前記検出手段の出力信号の大きさを表す出力値を決定
し、前記各インクリメンタルポイントごとに、該インク
リメンタルポイントにおいて決定された出力値から直前
のインクリメンタルポイントにおいて決定された出力値
を引算して前記光検出手段の出力信号の一次微分値を表
す差の値を求め、前記各インクリメンタルポイントごと
に、前記差の値を前記補正係数に乗算して乗算値を決定
し、前記各インクリメンタルポイントごとに、前記乗算
値を前記光検出手段の出力信号の出力値に加算すること
により、前記光検出手段により検出されたエネルギ強度
の補正値を決定するようにしてもよい。
が、サンプルからの反射光によるようにしてもよい。
を解決するため、光検出手段によって検出される光の狭
波長帯域の波長を所定のスペクトル範囲に亘って走査
し、前記光検出手段が検出した光エネルギの強度に応答
した出力信号を発生する、走査タイプの分光測光装置を
操作する分光測光方法において、前記光検出手段の出力
信号が前記光検出手段により検出される光エネルギの強
度に対して歪む程十分な高速で前記所定のスペクトル範
囲に亘って前記波長を走査するステップと、前記光検出
手段の出力信号が前記所定のスペクトル範囲に亘って変
化する際に前記光検出手段の出力信号の変化の一次微分
値を決定するステップと、前記一次微分値に、前記出力
信号の歪みを補正するよう予め選択された補正係数に乗
算して乗算値を求めるステップと、前記乗算値を、前記
光検出手段の出力信号に加算するステップと、からなる
ことを特徴とする。
を決定するステップが、前記所定のスペクトルの全範囲
に亘って分布された多数のインクリメンタルポイントの
各ポイントにおける前記光検出手段の出力信号の大きさ
を表す出力値を決定するステップと、前記各インクリメ
ンタルポイントごとに、該インクリメンタルポイントに
おいて決定された出力値から直前のインクリメンタルポ
イントにおいて決定された出力値を引算して前記光検出
手段の出力信号の一次微分値を表す差の値を求めるステ
ップと、前記各インクリメンタルポイントごとに、前記
差の値を前記補正係数に乗算して乗算値を決定するステ
ップと、前記各インクリメンタルポイントごとに、前記
乗算値を前記光検出手段の出力信号の出力値に加算する
ステップと、からなるようにしてもよい。
を解決するため、テストサンプルを分析するための分光
測光方法が、狭波長帯域の光により前記テストサンプル
を照射するステップと、前記狭波長帯域の光の波長を所
定のスペクトル範囲に亘って高速で走査するステップ
と、光検出手段により前記テストサンプルから反射した
光エネルギの強度を検出し、該エネルギ強度に応答した
出力信号を発生するステップと、を備え、前記波長を走
査するステップが、前記光検出手段が発生した出力信号
が該光検出手段により検出される光エネルギの強度に対
して歪む程十分な高速で走査され、前記分光測光方法が
さらに、前記光検出手段が発生した出力信号の変化の一
次微分値を決定するステップと、前記一次微分値に、前
記出力信号の歪みを補正するよう予め選択された補正係
数を乗算して乗算値を求めるステップと、前記乗算値
を、前記光検出手段の出力信号に加算するステップと、
を備えることを特徴とする。
の狭波長帯域の波長が高速に走査され、光検出手段によ
って前記スペクトル範囲に亘る前記狭波長帯域における
エネルギの強度が検出され、該エネルギの強度に対応し
た出力信号が発生されて出力値が得られる。さらに、前
記光検出手段の出力値の変化の一次微分値が決定され、
所定の定数が前記一次微分値に乗算され、得られた乗算
値が前記光検出手段の出力値に加算される。このように
して、測光により得られたデータの歪みが補正される。
である。このような装置の例は、前述の出願番号294679
号に詳細に記載されている。
光測光器11は振動する回折格子13を有している。分光測
光器11は狭波長帯域の光を出口スリット光学素子15を通
してサンプル17に導く。回折格子13が振動すると、サン
プル17を照ア射する光の中心波長は近赤外線スペクトル
範囲を走査される。サンプル17によって反射される回折
格子13からの光は赤外線用の一対の光検出器19により検
出される。光検出器19は一つの信号を発生し、この信号
は増幅器20によりA/Dコンバータ(アナログ−デジタル
変換器)22に伝達される。インデクシングシステム23は
回折格子13が振動する際にパルスを発生し、これらのパ
ルスをコンピュータ21およびA/Dコンバータ22に出力す
る。インデクシングシステム23から発生されるパルスに
応答し、A/Dコンバータ22は増幅器20の出力信号の連続
サンプルをデジタル値に変換し、これらのデジタル値は
コンピュータ21に記憶される。そのため各デジタル値
は、サンプルを照射している近赤外のある特定の波長に
おける増幅器20の出力信号に対応する。コンピュータ21
は、インデクシングシステム23が発生する複数のパルス
を計数することによって、回折格子13の回動角度位置、
すなわち、回折格子が振動するときにサンプルを照射す
る波長を監視する。インデクシングシステム23が発生す
るこれらのパルスは複数のインクリメンタルポイントを
規定しており、各インクリメンタルポイントにおいて、
増幅器20の出力信号の値がデジタル値に変換されてコン
ピュータ21に記憶される。インクリメンタルポイント
は、近赤外ア線スペクトルの全範囲に増加的に分布され
ており、各インクリメンタルポイントは、サンプルが照
射される各波長に対応している。
サンプルからデータを取得し、次いでテストサンプルか
らデータを取得する。本発明に基づいて、回折格子13は
非常に高速で振動し、このため光検出器19からの出力信
号および増幅器20からの出力信号の値は歪む。すなわ
ち、これらの信号は平衡状態値に到達する時間を有せ
ず、したがって、増幅器20の出力信号はサンプル17から
の反射強度を正確に示すものではない。
返し走査され、その標準サンプルから20セットのデータ
を得る。このデータの各セットは、スペクトル全範囲に
亘る1回の走査によって得られる一連のデジタル値を含
み、各デジタル値はそのスペクトル範囲中の各インクリ
メンタルポイントにおける増幅器からの出力信号に対応
している。
て、本実施例の測光方法を説明する。
ータ22を制御しているプログラムは、ステップ(以下、
Sで示す。)31で、標準サンプルが高速で走査される際
に、標準サンプルから、20セットのデータを取得してこ
れらを記憶する。標準サンプルからのデータが得られた
後、コンピュータのプログラムはS33に進み、20セット
のデータが、各インクリメンタルごとに平均され、各イ
ンクリメンタルポイントごとのデータの平均値が得られ
る。
換え、テストサンプルに出口スリット光学素子15からの
光を照射する。回折格子13が再び高速で振動して、テス
トサンプルを照射する光が近赤外線スペクトルの範囲に
亘って走査される。この走査が20回繰り返され、コンピ
ュータがテストサンプルから20セットのデータを取得し
て記憶する。
ュータはS39に進み、20セットのデータが、各インクリ
メンタルポイントごとに平均され、各インクリメンタル
ポイントごとの増幅器20からの出力信号の平均値が得ら
れる。
変化するため、また出口スリットを通過する狭波長帯域
の光の強度もスペクトルの全範囲に亘って変化するた
め、回折格子がスペクトル範囲に亘って波長を走査する
と、サンプルからの反射エネルギの強度は、連続曲線で
上下に変動したものとなる。S33で標準サンプルとして
記憶され、またS37でテストサンプルとして記憶された
各インクリメンタルポイントにおける平均値のセット
が、サンプルを照射する波長が近赤外線スペクトルの範
囲に亘って走査される際の増幅器20からの出力信号の平
均値を示す連続曲線上のインクリメンタルポイントを示
すことになる。
進み、標準サンプルおよびテストサンプルについてそれ
ぞれ、増幅器20からの出力信号の平均値の変化を表す連
続曲線の一次微分値が、各インクリメンタルポイントご
とに決定される。この一次微分値は、所定のインクリメ
ンタルポイントにおける平均値から直前のインクリメン
タルポイントにおける平均値を引算することによって決
定される。つまり、得られた差値はインクリメンタルポ
イントの一次微分値を表す。この引算ステップを各イン
クリメンタルポイントごとに実行することにより、S39
で、各インクリメンタルポイントについて一つの差値
が、標準サンプルおよびテストサンプルの両方において
それぞれ取得される。これらの一連の差値が、増幅器20
からの出力信号の平均値の変化を表す連続曲線の一次微
分値を表す。
れた各差値に、後述する方法によって得られる補正係数
が乗算され、各インクリメンタルポイントごとに乗算値
が得られる。
イントにおける平均値に加算され、各インクリメンタル
ポイントごとに加算値が得られる。このようにして得ら
れた各加算値は、近赤外線スペクトルの範囲に亘る高速
走査によって引き起こされた歪みが補正された、各イン
クリメンタルポイントにおける反射エネルギの強度を表
す。
乗算値を各インクリメンタルポイントにおいて得られた
元の平均値に加算するこれらのステップが、標準サンプ
ルの平均値のデータのセットと、テストサンプルの平均
値のデータのセットの両方において実行され、標準サン
プルおよびテストサンプルの両方について補正された反
射エネルギの強度を表すデータを得る。
ンプルの補正データの比が、各インクリメンタルポイン
トごとに算出される。その結果得られる各比の値が各イ
ンクリメンタルポイントにおけるテストサンプルの反射
率を表す。これらの比の値に基づいて、サンプルがS47
で分析される。例えば、穀物のサンプルにおいて、油
分、蛋白質分および水分の百分率を求めることができ
る。穀物サンプルの組成を定めるために反射率データを
用いる方法は米国特許第3861788号に記載されている。
めにサンプルを分析するもう一つの方法は、米国特許第
4766551号に記載されている。
ムを示している。第3図に示すように、プログラムの最
初のS51で、標準サンプルを数回、例えば20回、低速で
走査することにより、標準サンプルから20セットのデー
タが取得される。各セットにおけるデータは、赤外線ス
ペクトルの全範囲に亘って分布されたインクリメンタル
ポイントにおける反射強度を示している。このS51にお
ける走査速度は、各インクリメンタルポイントにおける
増幅器からの出力信号が平衡状態に達するように十分に
低速にする。次いで、S53において、S51で取得された20
セットのデータが、各インクリメンタルポイントごとに
平均され、各インクリメンタルポイントごとの反射強度
の平均値が得られる。
とにより、標準サンプルから20セットのデータが取得さ
れる。このデータの各セットは、サンプルに照射される
光が赤外線スペクトルの範囲に亘って1回走査されると
きに得られる、各インクリメンタルポイントにおける増
幅器20からの出力信号を示している。このS55における
走査速度は、分析すべきテストサンプルを走査する速度
と同じ速度にする。
れた20セットのデータが、S57で各インクリメンタルポ
イントごとに平均され、高速走査中の各インクリメンタ
ルポイントごとの増幅器20の出力信号の平均を示すデー
タの平均値が得られる。S57に続いてプログラムはS59に
進み、ここで、S57で得られた平均値の変化を示す連続
曲線の一次微分値が、各インクリメンタルポイントごと
に決定される。この一次微分値は、各インクリメンタル
ポイントにおける平均値から、直前のインクリメンタル
ポイントにおける平均値を引算することにより決定され
る。つまり、得られた差値は、各インクリメンタルポイ
ントの一次微分値を表す。
ラムは5個の選択されたインクリメンタルポイントにつ
いて、S57で得られたデータの平均値とS53で得られた平
均値との間の差の値を、各インクリメンタルごとに算出
する。S53で決定された平均値は、各インクリメンタル
ポイントにおける歪みのない反射強度を示していると想
定される。
S59で算出された対応するインクリメンタルポイントに
おける一次微分値とを用いて、最小自乗法の回帰により
第2図のプログラムで用いられる補正係数が算出され
る。ここで、補正係数の算出は次式に従う。
れたインクリメンタルポイントにおけるS59で算出され
た一次微分値はX1〜X5で示され、S61で決定された差の
値はY1〜Y5で示される。この補正係数Kが算出される
と、S65でコンピュータのメモリに記憶される。
度であっても、このようにして、その特定の走査速度の
走査における補正係数が算出されてメモリに記憶される
と、その補正係数を用いることによって、分光測光装置
はその特定の走査速度でサンプルを繰り返して分析し、
スペクトル範囲に亘る各インクリメンタルポイントにお
いて正確な反射強度を取得することができる。
ジタル値から一次微分値を算出し、その一次微分値に歪
みを補正するように選択された補正係数を乗算し、乗算
値を元のデジタル値に加算するので、測光により得られ
るデータの歪みを補正することができる。したがって、
例えば穀物サンプルの構成成分を正確に分析することが
できる。
の度合いは、較正用の標準サンプルから反射したエネル
ギのピークに応答して発生する出力信号のピークの減少
したシフト差を観測することにより認識され得る。従来
の典型的な装置が、正確な測光がなされ得る走査速度の
約4倍の速度で操作されるときには、出力信号のピーク
は、反射強度のピークが発生する波長から明らかに0.75
ナノメータシフトする。この歪みが本発明により補正さ
れると、前記波長のシフトが0.09ナノメータに減少す
る。
るテストサンプルから反射されるものとして説明されて
いるが、検出エネルギはサンプルを透過するようにして
もよい。また、歪みを補正する計算を実行するためのシ
ステムはデジタルシステムとして説明されているが、こ
の補正はアナログ回路構成により実行されてもよい。す
なわち、スペクトルの全範囲に亘って波長が走査されて
いるとき、アナログシステムにおけるアナログ回路が一
次微分値を決定し、一次微分値を補正係数に乗算して乗
算値を求め、その乗算値を増幅器の出力信号に加算する
ようにしてもよい。さらに、分光測光器からの出力光に
よりサンプルを照射する代りに、サンプルを一定幅バン
ドの光で照射し、サンプルの透過光または反射光を分光
測光装置に入力するようにしてもよい。また、本発明は
本実施例および上述のものに限定されるものではなく、
自明な範囲に含まれるものであればよいのは言うまでも
ない。
に基づいて一次微分値を算出し、一次微分値に歪みを補
正するように選択された補正係数を乗算し、得られた乗
算値を元のデジタル値に加算しているので、光検出手段
により検出される光の波長を高速に走査した場合でも、
光検出手段から得られるデジタル値を補正することがで
き、例えば穀物サンプルの構成成分を正確に分析するこ
とができる。
す図であり、第1図はその概略図、第2図は第1図に示
すコンピュータに用いられるコンピュータプログラムの
フローチャート、第3図は第2図に示されるプログラム
に用いられる補正係数を決定するプログラムのフローチ
ャートである。 11……分光測光器(分光手段)、 13……回折格子、 15……出口スリット光学素子、 17……サンプル、 19……光検出器(光検出手段)、 20……増幅器、 21……コンピュータ(補正手段)、 23……インデクシングシステム。
Claims (6)
- 【請求項1】光の狭波長帯域の波長を所定のスペクトル
範囲に亘って高速で走査する分光手段と、 前記所定のスペクトルの全範囲に亘って、前記狭波長帯
域の波長のエネルギ強度を検出し、該エネルギ強度に応
答した出力信号を発生する光検出手段と、 前記光検出手段の出力信号に応答し、該出力信号を補正
する補正手段と、を備え、 前記分光手段が、前記光検出手段の出力信号が検出され
たエネルギ強度に対して実質的に歪みを生じる程十分な
高速で前記狭波長帯域の波長を走査し、 前記補正手段が、 前記所定のスペクトルの範囲に亘って前記狭波長帯域の
波長が走査される間に、前記光検出手段の出力信号の変
化の一次微分値を決定し、 前記一次微分値に、前記出力信号の歪みを補正するよう
予め選択された補正係数を乗算して乗算値を求め、 前記乗算値を、前記光検出手段の出力信号に加算するこ
とにより、前記光検出手段の出力信号の前記歪みを補正
することを特徴とする分光測光装置。 - 【請求項2】前記補正手段が、コンピュータ手段からな
ると共に、前記所定のスペクトルの全範囲に亘って分布
された多数のインクリメンタルポイントの各ポイントに
おける前記検出手段の出力信号の大きさを表す出力値を
決定し、 前記各インクリメンタルポイントごとに、該インクリメ
ンタルポイントにおいて決定された出力値から直前のイ
ンクリメンタルポイントにおいて決定された出力値を引
算して前記光検出手段の出力信号の一次微分値を表す差
の値を求め、 前記各インクリメンタルポイントごとに、前記差の値を
前記補正係数に乗算して乗算値を決定し、 前記各インクリメンタルポイントごとに、前記乗算値を
前記光検出手段の出力信号の出力値に加算することによ
り、前記光検出手段により検出されたエネルギ強度の補
正値を決定することを特徴とする請求項1に記載の分光
測光装置。 - 【請求項3】前記光検出手段により検出されたエネルギ
強度が、サンプルからの反射光によることを特徴とする
請求項1に記載の分光測光装置。 - 【請求項4】光検出手段によって検出される光の狭波長
帯域の波長を所定のスペクトル範囲に亘って走査し、前
記光検出手段が検出した光エネルギの強度に応答した出
力信号を発生する、走査タイプの分光測光装置を操作す
る分光測光方法において、 前記光検出手段の出力信号が前記光検出手段により検出
される光エネルギの強度に対して歪む程十分な高速で前
記所定のスペクトル範囲に亘って前記波長を走査するス
テップと、 前記光検出手段の出力信号が前記所定のスペクトル範囲
に亘って変化する際に前記光検出手段の出力信号の変化
の一次微分値を決定するステップと、 前記一次微分値に、前記出力信号の歪みを補正するよう
予め選択された補正係数に乗算して乗算値を求めるステ
ップと、 前記乗算値を、前記光検出手段の出力信号に加算するス
テップと、からなることを特徴とする分光測光方法。 - 【請求項5】前記光検出手段の出力信号の変化の一次微
分値を決定するステップが、前記所定のスペクトルの全
範囲に亘って分布された多数のインクリメンタルポイン
トの各ポイントにおける前記光検出手段の出力信号の大
きさを表す出力値を決定するステップと、 前記各インクリメンタルポイントごとに、該インクリメ
ンタルポイントにおいて決定された出力値から直前のイ
ンクリメンタルポイントにおいて決定された出力値を引
算して前記光検出手段の出力信号の一次微分値を表す差
の値を求めるステップと、 前記各インクリメンタルポイントごとに、前記差の値を
前記補正係数に乗算して乗算値を決定するステップと、 前記各インクリメンタルポイントごとに、前記乗算値を
前記光検出手段の出力信号の出力値に加算するステップ
と、からなることを特徴とする請求項4に記載の分光測
光方法。 - 【請求項6】テストサンプルを分析するための分光測光
方法が、 狭波長帯域の光により前記テストサンプルを照射するス
テップと、 前記狭波長帯域の光の波長を所定のスペクトル範囲に亘
って高速で走査するステップと、 光検出手段により前記テストサンプルから反射した光エ
ネルギの強度を検出し、該エネルギ強度に応答した出力
信号を発生するステップと、を備え、 前記波長を走査するステップが、前記光検出手段が発生
した出力信号が該光検出手段により検出される光エネル
ギの強度に対して歪む程十分な高速で走査され、前記分
光測光方法がさらに、 前記光検出手段が発生した出力信号の変化の一次微分値
を決定するステップと、 前記一次微分値に、前記出力信号の歪みを補正するよう
予め選択された補正係数を乗算して乗算値を求めるステ
ップと、 前記乗算値を、前記光検出手段の出力信号に加算するス
テップと、を備えることを特徴とする分光測光方法。
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