JPH06213813A - 物質および／またはその特性決定の方法と装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 物質のサンプルに放射線を当てて物質やその
特性を決定する装置で、スペクトル範囲が広くて選択性
の高い方法と装置を開示する。 【構成】 この発明は図２に示す手続きに関する。材料
またはその特性を決定すべきサンプルは放射線源（１）
の電磁放射線を反射しまたは透過する。サンプルからの
放射線を数個のチャンネルに集めて分析し、各チャンネ
ルで個々に規定したスペクトル透過特性（７）で放射線
を変調する。変調した放射線を１個または数個の検出器
（９）に送り、その出力信号を更に電子的に処理する
（１０，１１，１２，１３）。チャンネルが感知するス
ペクトル範囲は、全てのチャンネルで同じであるが、そ
の共通の範囲内で各チャンネルは異なるスペクトル透過
関数（７）を持ち、所定の応用に対して最適に適用でき
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、物質のサンプルから
の放射線を数個の測定チャンネルに集めて分析すること
により、物質および／またはその特性を決定するための
方法に関する。

【０００２】また、物質のサンプルからの放射線を当て
る数個の測定チャンネルを備える型の、物質および／ま
たはその特性を決定する装置に関する。

【０００３】

【従来の技術】ブラン・アンド・リュッベ(Bran & Lueb
be) 社のインフラライザ(Infralyzer)４５０などの普通
のフィルタ分光計は通常干渉フィルタを備え、各フィル
タ（チャンネル）は異なった、通常非常に狭いスペクト
ル透過範囲を持つ。干渉フィルタを備える計器の欠点
は、例えばそれぞれ特定の波長で吸収帯を持つｎ個の物
質の同定にはｎ個の干渉フィルタが必要ということであ
る。

【０００４】ＩＲガス分析に用いられる非分散型相関フ
ィルタ計、例えばリーズ・アンド・ノースラップ(Leeds
& Northrup)社のＩＲアナライザ、などの別の既知の型
のフィルタ計は、調査対象の物質のスペクトルを校正放
射線に加える。これらの計器は上に述べた干渉フィルタ
分光計よりスペクトル範囲が広いので検出限界が低い。
各種の異なる物質、特に液体や固体のスペクトルは一般
に強く重なり合っているのでこれらの計器は選択性が小
さく、邪魔になる混合信号が発生する。

【０００５】

【課題を解決するための手段】この発明の目的は、従来
の方法や装置の欠点を除去し、スペクトル範囲が広くて
も特に高い選択性を得る方法と装置を提供することであ
る。この目的を解決するための物質および／またはその
性質を決定する方法は、その物質のサンプルからの放射
線を集めて数個の測定チャンネルによって分析すること
であり、その方法は、数個の測定チャンネルを通して放
射線を導き、所定のスペクトル透過特性によって測定チ
ャンネル内の放射線を変調し、個々のチャンネルで変調
した放射線に従ってチャンネル特有の信号を発生し、チ
ャンネル特有の信号を処理してサンプルの物質および／
またはその特性を決定し、共通のスペクトル範囲を蔽い
かつこの共通のスペクトル範囲内で異なるように測定チ
ャンネルのスペクトル透過特性を選択する段階を含む。

【０００６】上述の目的を満たす装置は、物質のサンプ
ルからの放射線を導く数個の測定チャンネルを備え、測
定チャンネルはそれぞれ放射線を変調する所定のスペク
トル透過特性を備えており、それぞれがチャンネル特有
の透過特性で変調した放射線に従って出力信号を発生す
る。

【０００７】この装置は、変調した放射線に従う信号を
導く処理ユニットを更に備える。このような測定チャン
ネルのスペクトル透過特性は共通のスペクトル範囲内で
重なり合い、この共通のスペクトル範囲内で異なってい
る。

【０００８】従ってこの発明では、スペクトル透過関数
とも呼ぶスペクトル透過特性は、以下に述べるように、
測定するサンプルの電磁スペクトルが所望の情報に直接
関連する信号を発生するように選ぶ。

【０００９】以下の説明において測定チャンネルとは、
他に説明がない限り、一つの透過関数だけに関連するも
のとする。

【００１０】第１の望ましい実施態様では、少なくとも
一部の並列の測定チャンネルを通して放射線を導く。

【００１１】第２の望ましい実施態様では、少なくとも
一つのチャンネルのスペクトル透過特性が時間的に変化
し、これにより少なくとも一部の測定チャンネルが時間
的に順次発生する。このため、例えばＬＣＤスクリーン
のような選択的に制御可能な光学スイッチのマトリック
スか、または選択的に活性化できる検出器要素のマトリ
ックスを備えてよい。

【００１２】更にこの発明の別の一層望ましい実施態様
または実現方法は、決定すべき特性および／または物質
を予め決定しておいて、そのスペクトル透過特性の差を
状態空間で決定することである。状態空間の次元は測定
チャンネルの数に等しい。決定すべき各物質および／ま
たはその特性は、特有の状態を定義する。前記状態空間
内の各状態は、スペクトル透過特性で重みをつけた放射
線をスペクトル範囲の全波長に渡って積分したものと定
義される。

【００１３】この望ましい演算により、この発明の方法
は従来の方法に共通している間接法に比べて格段に速
く、次の２段階でデータを得る。第１段階は、分散的に
であれインターフェログラムのフーリエ変換によってで
あれ、サンプルのスペクトルを分光計で測定することか
ら成る。第２段階は、全スペクトルを考慮に入れて、例
えば主成分分析または部分的最小自乗法により、このス
ペクトルから情報を抽出することである。

【００１４】これは通常、測定したスペクトルに数値関
数を掛けることによって計算で得られる。そして全波長
に渡って積分計算を行うことにより、調査する性質に直
接関連するスペクトルから得られる測定値を各関数毎に
得る。

【００１５】この発明では、上に述べた数値関数とその
乗算計算の代わりに光学的な透過関数と放射線の光学的
な処理を用い、スペクトル測定と上に述べた乗算計算と
積分とを新規な光学的な方法で行って、ハードウエアの
計算量と処理時間を大きく減らす。

【００１６】更に別の望ましい実施態様では、偏光干渉
フィルタを用いて透過特性を実現し、基本的にあらゆる
透過特性をほとんど作業なしで実現するという決定的な
長所を持つ。しかもスペクトル透過特性を、干渉薄膜フ
ィルタによって実現することができる。

【００１７】この発明の方法と装置を応用するに当たっ
て、必要であれば干渉薄膜と偏光干渉フィルタを混合す
ることも可能である。

【００１８】更に別の望ましい実施態様では、透過特性
を簡単に実現する方法として薄膜干渉および／または偏
光干渉フィルタの代わりにまたはそれに加えて、スペク
トル透過特性を実現するのにスペクトル平面にマスクを
備えるポリクロメータを設ける。マスクを備えるポリク
ロメータは、選択的に制御可能な光学的スイッチ望まし
くはＬＣＤスクリーンのマトリックス、または選択的に
活性化できる検出器のマトリックスによって実現するこ
とが望ましい。

【００１９】選択的に制御可能な光学スイッチのマトリ
ックスを用いることにより、スペクトル透過関数の時間
的な変調に関しておよび／または異なる検出応用への適
用に関して、柔軟性は最高になる。

【００２０】更に、選択的に活性化できる検出器のマト
リックスを用いることにより、個別の検出器を配列する
必要はなくなる。透過特性による放射線の変調と変調し
た放射線の検出は、選択的に活性化可能な検出器によっ
て同時に行われる。

【００２１】望ましくは少なくとも一つの透過特性の少
なくとも一つの振幅とスペクトル位置を時間的に変調す
ると、例えば固定した変調周波数に時間的な変調を加え
ると、得られる信号はＡＣ信号になるので、これを更に
周波数を選択して変調周波数で処理して、任意の外乱を
フィルタで除くことができる。例えば二つの物質のスペ
クトルが、同じ強度の対象とするスペクトル範囲内には
あるが関数形が異なる場合、上記の関数形を波長に渡っ
て時間的に変調すれば高次の周波数を発生するので、周
波数選択基準に基づいてより良い選択を行うことができ
る。

【００２２】異なる時間的な変調を行って異なる測定チ
ャンネルを実現することにより、例えば１個の検出器だ
けを用いて、単に各測定チャンネルに特定の周波数を割
り当てるだけで、従って単に電気的に周波数を選択的に
するだけで、測定チャンネルを作ることができる。

【００２３】更に少なくとも一つの透過特性を電気光学
的に制御することにより、この方法を別の応用に適応し
または単一のチャンネルだけで時間多重操作を行うこと
ができる。時間的な変調を簡単に行うにはマスクの位置
をポリクロメータの位置に対して相対的に機械的に変化
させればよく、これにより時間的な変調を機械的に行う
ことができる。

【００２４】簡単で望ましい変調の別の実施態様は、音
響光学的な変調器とマスクを用いるものである。

【００２５】更に別の望ましい実施態様では、実質的に
一定で消失しないスペクトル透過特性を持つ基準化チャ
ンネルを用いて、各測定チャンネルにおいてサンプルな
しの条件で発生する標準出力信号を決定し、更にこのサ
ンプルなし条件において基準化チャンネルの標準信号を
決定する。次に特定の測定チャンネルの標準信号と基準
化チャンネルの標準信号の商を計算して、基準化チャン
ネルの出力信号をこの商で基準化する。各測定チャンネ
ルの出力信号から、基準化チャンネルを前記商で基準化
した出力信号を引く。このようにして予め定めた透過特
性の差と光学的に実現可能な透過特性との関係を、望ま
しい方法で確立することができる。

【００２６】この発明の別の目的は、偏光干渉フィルタ
を作成する方法を提供することである。この方法を構成
する段階は、実現したいスペクトル透過特性を予め定
め、線形に偏光した電磁界の伝播方向に垂直な数個の複
屈折の板を通して電磁界を導き、スペクトル透過特性が
規定のスペクトル帯域幅を持つように板の厚さを選択
し、各板の光軸を回転し、複屈折板の後に偏光子を設け
て偏光子から出る電磁界が所望の所定の透過特性に対応
するエネルギー特性を持つようにすることである。

【００２７】この発明の別の目的は、同じ信号源から発
生し、かつスペクトル的に異なる重みをつけ、また望ま
しくは少なくとも一つのスペクトル自由度に渡って積分
する、数個のスペクトル信号を基準化する方法を提供す
ることである。この方法を構成する段階は、スペクトル
的に一定の一つの信号のスペクトル重みを提供し、基準
化信号源を設け、各残りのスペクトル信号と前記一つの
信号との商を計算して信号源入力を基準化し、前記一つ
の信号にこの商を掛け、残りの信号のそれぞれからこの
掛算の結果を引くことによって残りの信号のそれぞれの
基準化信号を形成することである。

【００２８】上に述べた方法で作成した偏光干渉フィル
タと同様に、今説明した基準化の方法も、この発明の第
１の目的における物質決定の方法と装置に適用するのに
最も適している。しかし他の目的にも用いることができ
るので、前記決定方法と装置の組合わせには制限されな
い。

【００２９】特に最後に説明した基準化方法は、物質と
特性を決定するために、上に述べた従来の方法と装置に
も適用してよいことは明らかである。

【００３０】この発明は、特殊なフィルタおよび／また
は適応的に可変のフィルタ、従って基本的に「フィルタ
状態」を用いるもので、それぞれは同一のスペクトル範
囲内にある放射線を任意の規定の方法で個々に変調す
る。従って例えば「ｎ」個の異なる物質の識別に必要な
フィルタはｌｏｇ（ｎ）個だけで、従って従来の技術の
一般的方法に比べると費用は格段に少なくてすむ。

【００３１】更にこの発明に基づく計器はスペクトル範
囲が広いので、より高い選択性だけでなく、格段に信号
対雑音比の高い定量分析ができる。この方法と装置は、
識別を定性的に行うものであれ濃度を定量的に決定する
ものであれ、例えば写真、照明技術、高音測定、測色、
図形および織物工業およびとりわけ物質の化学分析など
の各種の技術分野において用いることができる。

【００３２】

【実施例】図１によって手続きを説明する。三つのデカ
ルト座標ｋ₀ 、ｋ₁ 、ｋ₂ は三つの測定チャンネルを表
し、その透過関数はこれに対応してＴ₀ 、Ｔ₁ 、Ｔ₂ で
表す。全てのチャンネルのスペクトル範囲［σ₁ ，
σ₂ ］は全く同じで、透過関数Ｔ_i （ｉ＝０、１、２）
は正規化されているとする。ｋ₀ は強度測定チャンネル
に対応し、その透過関数Ｔ₀ は一定とする。測定する放
射線のスペクトルは各チャンネルｉで透過関数Ｔ_i を掛
け、その後放射線を検出してスペクトル範囲［σ ₁ ，σ
₂ ］の全波長に渡ってチャンネル毎に積分する。検出し
たチャンネル信号は、チャンネルｉに対応する座標軸ｋ
i 上の特有の座標位置を生成する。

【００３３】上に述べた３次元系は、ｄ≧２の任意の次
元に一般化することができる。

【００３４】チャンネルｋ₀ に対応する測定チャンネル
は、以下に説明するように正規化または基準化するため
に用いる。

【００３５】検出すべき特性Ｅ₁ がチャンネル特有の座
標位置ｋ₁₁およびｋ₂₁に対応し、更に別の特性Ｅ₂ がｋ
₁₂およびｋ₂₂に対応すれば、これらを最初に決定して記
憶する。調査するサンプルから得られるｋ_xyの値をこの
記憶した値と比較して、このサンプルがＥ₁ とＥ₂ のど
ちらの特性を持つかを決定する。

【００３６】一般に各特性に対して位置の値のある全領
域が属し、この領域はこの特性を持つ多数のサンプルか
ら統計的方法で決定する。特性が異なることがはっきり
決定すれば、異なる特性に属する領域は共通の点を持た
ないはずである。

【００３７】例えば水分のように特性が連続的な値の範
囲をとる場合に、未知のサンプルの特性値を決定するに
は、最初に決定したサンプルの特性値から最も一般的な
方法で内挿または外挿するのがよい。

【００３８】図２に、この発明の計器を実現する一例を
示す。一般に広帯域の線源１の電磁放射線とレンズで代
表する光学装置２とにより、調査するサンプル３を照射
する。レンズで代表する光学装置４はサンプルからの放
射線を集めてビームに変換し、フィルタ５を通して（必
ずしも必要ではない）、スペクトル範囲を図１に示す
［σ₁ ，σ₂ ］に制限する。このビームを図に示すよう
にビーム分割器６、６’、６”で分離して別々のチャン
ネルに送る。例えば偏光干渉フィルタまたは一般の干渉
フィルタである光学要素７、７’、７”を通すと、部分
ビームは透過関数Ｔによってスペクトル的にまたは場合
によっては時間的に変調される。チャンネルの一つ７は
図１で示した強度測定チャンネルである。レンズで代表
する光学装置８、８’、８”は、部分ビームを検出器
（すなわち変換器）９、９’、９”に収束させる。検出
器から出る電気信号を１０、１０’、１０”で増幅し、
１１、１１’、１１”で復調し、１２、１２’、１２”
でＡＤ変換し、プロセッサ１３に送信する。プロセッサ
１３は図１のｋ_xy値に対応する信号から以下に説明する
ように結果を計算する。

【００３９】レンズ２、４、８−８”で表した光学装置
は、鏡装置または光ファイバ装置またはそれらの組合わ
せでもよい。ビームの分割はビーム分割器だけでなく、
数本の光ファイバで行ってもよい。各部分ビームを別個
の検出器に収束させる必要は必ずしもない。光学的マル
チプレクサを用いて部分ビームを一つの検出器に収束さ
せることもできる。また、例えばカー電池を用いて各透
過関数の振幅を別の１周波数で変調し、各信号を一つの
検出器だけで監視し、後で周波数スイッチにより別々の
チャンネルに特有の信号に分割してもよい。これにより
検出器や電子要素を節約することができる。また、放射
線透過チャンネルは一つだけ例えば４、５、６、７、
８、９を用い、フィルタ要素７を適応して変えることに
より、異なるチャンネルの透過関数を順次作ることもで
きる。適応して変化させるフィルタ要素として、選択的
に制御可能な光学スイッチのマトリックス例えばＬＣＤ
スクリーンをポリクロメータの後に設けることができ
る。選択的に活性化することのできる検出器要素のマト
リックスをポリクロメータの後に設ければ、検出器９と
フィルタ要素７を同時に実現できる。

【００４０】この発明の計器を図３に示すようにすれ
ば、光学要素を節約することができる。この図では、異
なる透過関数を持つフィルタ７、７’、７”を機械的駆
動１５により測定ビームの位置に移動する。

【００４１】図４は、この発明で用いる偏光干渉フィル
タの望ましい実施態様を示す。要素２０と２０’は偏光
子を示す。要素２１、２１’、２１”．．．は平行な平
面の複屈折板で、その誘電軸は互いにまた偏光子の透過
方向に対して所定の向きにあり、所望のスペクトル透過
関数を発生するようになっている。偏光子・複屈折板・
偏光子という順序は変えてもよい。複屈折板の間に偏光
子を追加して置いてもよいが、フィルタの透過は減少す
る。

【００４２】図５に、偏光干渉フィルタのスペクトル透
過関数を時間的に変調する望ましい実施態様を示す。電
極２２、２２’、２２”．．．で示す装置により、長さ
方向の時間的に変化する電界を電圧電源２３からかける
ことができる。これらの電界により平行平面板の複屈折
は変化し、従って時間的に変調する。電界は必ずしも長
さ方向でなくてよい。複屈折板の端に電極を設けて、横
方向に電界をかけることもできる。適当な回路を用い
て、電界従って各板の複屈折を個々に同調させることも
できる。これにより透過関数のスペクトル範囲を同調さ
せることができる。

【００４３】図６は、マスクを備えるポリクロメータを
用いて透過関数を発生させる、この発明の光学計器の望
ましい実施態様を示す。サンプルから来る放射線の像
は、ポリクロメータの入口スリット２５に形成される。
放射線は、入口スリットの像の位置を移行させる光学偏
向システムを通る。このシステムをこの図ではガルバノ
メータコイル２７の軸に固定した偏向鏡２６で表す。分
散させる光学要素の例としてここに選んだ凹型の回折格
子２８により、スペクトル的に分解した入口スリットの
像を像平面２９上に発生する。この平面内には紙面に垂
直にマスクを取り付けてあり、各マスクは規定された透
過関数を発生する。マスクは例えばブラインド３０、３
０’．．．でよく、その内の一つの透過関数は強度測定
チャンネル、すなわちその透過関数が一定、であるとす
る。各マスクを出る放射線を検出器に収束させ、所望の
信号を発生する。偏向鏡２６を定期的に振動させること
により、透過関数を時間的に変調することができる。

【００４４】ガルバノメータコイル上に設けた揺動鏡以
外に、他の駆動を備えた透明な板およびプリズムを変調
器として考えることもできる。また時間的な変調は、格
子２８を中心点の周りに動かしたり、分散プリズムを回
転したり、マスク３０、３０’．．．を焦点面内で動か
したりすることによって行うこともできる。またマスク
は光の透過が可変の中性フィルタでもよく、また電界を
かけることによって各画素の透過を同調させ、更に機械
的な可動部分のない時間的な変調を行うことのできる液
晶配列でもよい。

【００４５】図７は、分散要素として音響光学的変調器
を用いる、この発明の光学計器を示す。マスク３０、３
０’と共に用いて、スペクトル透過関数を発生する。サ
ンプルからの放射線はスリット３１を通って入る。図に
レンズで表したコリメータ３２により平行ビームを発生
し、透明な媒体の静止した音響波によって回折する。媒
体３３は透明な固体、または透明な液体やガスを満たし
たキュベットでよい。ＨＦ駆動器３４は媒体内に音響波
を発生する。レンズで表した光学装置３５は、図６で示
したように紙面に垂直にマスク３０、３０’．．．を取
り付けた平面３６に、回折した放射線を収束させる。駆
動するＨＦ周波数を変化させることにより時間的な変調
を行う。

【００４６】この発明は、σをｃｍ^-1の波数としたスペ
クトルＳ（σ）を持つ放射線源が放射線を放出してサン
プルを通して透過し、またはサンプルから反射する方法
に特に関連する。サンプル自身も放射線を出してもよい
し、または励起されて別の周波数範囲で放射線を出して
もよい。サンプルから来る放射線を適当な光学機械を通
して計器で集め、場合によってはスペクトル透過Ｆ
（σ）のフィルタで変調して、それぞれ独自の透過関数
Ａ_k （σ）を持つ数個のチャンネルに分割する。ただし
ｋは特定のチャンネルを表す。チャンネルｋを通った
後、放射線はスペクトル感度Γ（σ）の検出器に導かれ
る。

【００４７】別の装置の例では、サンプルの後に反射ス
ペクトルＲ（σ）の乱反射スクリーンを設け、同じ装置
で透明なサンプルと乱反射するサンプルとを測定する。

【００４８】透過（または反射）スペクトルＩ（σ）の
サンプルがあると（サンプルがないときに得られる標準
スペクトルで必ず割ってあるものとする）、チャンネル
ｋの後の検出器で測定した電気信号は、

【数１】 に比例する。ただし、「核」Ｋ（σ）はサンプルがない
ときの全てのスペクトルの影響により、例えばＳ
（σ）、Γ（σ）、また場合によってはＦ（σ）とＲ
（σ）の積と、更にここに述べていない別のスペクトル
の影響により、形成される。

【００４９】スペクトル透過関数Ａ_k （σ）は、所定の
応用に対して最適な特性を持つように選択する。

【００５０】望ましい方法は、各サンプルｎの波長に分
解したスペクトルＩ_n （σ）を得ることである。これら
のスペクトルは通常は標準に関して測定する。言い換え
ると、放射線源と計器と恐らくは反射体との固定した所
定の装置を用いてサンプルがないときに得たスペクトル
で、各点毎に割る。つまりそのようなスペクトルにおい
ては、（１）で

【数２】 である。任意の装置においてＫ（σ）を対応する標準測
定によって決定し、式（１）を用いることにより、この
発明の計器を用いて期待される信号を、各サンプルに対
してそれぞれのチャンネルで決定することができる。

【００５１】今後チャンネル０は強度測定チャンネルと
定義し、その透過関数は常に

【数３】 とする。

【００５２】更に計算するには、スペクトルの定数部分
を引くことが望ましい。つまり、

【数４】 と定義して

【数５】 にすることである。更にｗ_kRを、チャンネルｋにおいて
サンプルがない場合に測定した信号とする。従って、

【数６】

【００５３】新しいスペクトルは、スペクトルＩ
_On（σ）に核Ｋ（σ）を掛けることによって得られる。

【数７】 付加的な定数についてはこれくらいにして、スペクトル
透過関数Ａ_k （σ）はスペクトルＪ_n （σ）から例えば
特異値分解により、または主成分分析（Ｋ．Ｖ．マルデ
ィア(Mardia)、Ｊ．Ｔ．ケント(Kent)、Ｊ．Ｍ．ビビー
(Bibby) 、「多変量解析」、アカデミック・プレス社、
１９７９年）により計算する。またスペクトル透過関数
は別の方法、例えば部分最小自乗法（Ｈ．マーテンス(M
artens) およびＴ．ナエス(Naes)、「多変量校正」、
Ｊ．ワイリー・アンド・サンズ社、１９８９年）または
純粋な推定によっても得られる。

【００５４】次に各スペクトルＪ_n （σ）を成分毎に
「係数」Ｕ_k （σ）に関して近似する。

【数８】 例えば、

【数９】 ここでｋは強度測定チャンネルだけでなく、チャンネル
の数を表す。係数Ｕ_k （σ）は、調査する特性との相関
が最大になるように選ぶ。係数で記述されない残差 Ｒ
_n （σ）は、考慮している応用には関係ないと考えられ
る。

【００５５】特異値分解から、これも「係数」と呼ぶス
ペクトル配分は対として直交することが分かる。すなわ
ち、ｋ１とｋ２が等しくなければ、

【数１０】 式（７）は、Ｕ_k （σ）が負の値もとれるときだけ満足
される。計算した係数がこの発明の手続きの透過関数で
あることが望ましいが、透過関数は必ず正である。
（１）で定義した測定量ｗ_knと（６）で定義した理論的
係数成分Ｖ_knとの関係を得るために、

【数１１】 と定義する。

【００５６】Ａ_k （σ）を

【数１２】 になるように選ぶと、下記の関係は定数ｂ_k を用いて確
かに満足される。

【数１３】 では、（１）で定義した測定値ｗ_knと（６）で定義した
成分Ｖ_knとを正確に結ぶものは何か。

【００５７】式（２）、（４）、（５）、（６）、
（８）、（９）から次が得られる。

【数１４】 従って上に述べたように強度測定チャンネルと標準測定
を用いることにより、サンプルの係数成分と、この発明
の計器の対応するチャンネルでサンプルが発生する信号
との間の、正確な関係を得ることができる。

【００５８】例えば化合物の同定などある種の応用で
は、Ｖ_knの絶対的な大きさは必ずしも必要ではなく、異
なるチャンネルｋとの相対的な比率が必要である。この
場合、Ｖ_knを正規化して１にするのがよい。例えば、

【数１５】 で定義される新しい量Ｘ_knを導入する。ただしｋはチャ
ンネル数（強度測定チャンネルを含まず）である。こう
すれば反射特性または透過特性に関わらず、同じ化学成
分を持つサンプルの間隔をＸ_knに関して非常に近くする
ことができると期待される。

【００５９】すでに述べたようにこの発明の目的は、簡
単で丈夫な計器を用いて測定信号を速く、直接に、正確
に決定することである。

【００６０】望ましい実施態様では、計器はすでに説明
した次の要素から成る。

【００６１】１． 自分で放射線を出さないサンプルの
場合は、鏡および／またはレンズから成る光学装置を用
いて、放射線源を調査対象の上に収束させる。対象が放
射線を吸収し過ぎて過熱しないようにするために、放射
線源はスイッチを断続し、パルスにし、または変調して
よい。連続的な放射線源を用いる場合は、放射線ビーム
を遮断しまたは偏向させることによって過熱を防ぐこと
ができる。このために、シャッタやチョッパ、可動ブラ
インドや偏向光学装置、回転偏光子、光学的スイッチな
どの機械的および光学的システムを用いることができ
る。ビームを周期的に遮断または変調すれば、この装置
を信号の時間的な変調に用いることもできる。

【００６２】２． 収集するための光学装置は、サンプ
ルから反射し、透過し、または放射した放射線を拾っ
て、異なる放射線移送チャンネルに分配する。収集のた
めには、鏡やレンズや光ファイバから成る普通の光学装
置を考えてよく、放射線移送チャンネルへの分配には、
各種の形式のビーム分割器や光ファイバを用いることが
できる。

【００６３】３． この放射線移送チャンネルでは、規
定のスペクトル透過関数を持つフィルタで放射線を変調
する。この作業は次の２部分から成る。つまり、スペク
トル範囲の選択と、この範囲内でのスペクトル透過関数
の生成である。場合によってどちらの作業も、ビームダ
クト内の１カ所または数カ所で数個のフィルタを用いて
行う。

【００６４】対象となるスペクトル範囲は既知の方法で
選択できる。例えば、 ・放射線源は対象とする範囲内だけで放射する。 ・検出器は対応するスペクトル感度を持つ。 ・プリズムおよび／または格子を備えるポリクロメー
タ。 ・音響光学的フィルタ。 ・干渉フィルタ。 ・着色ガラス、２色ビーム分割器などのようなカットオ
フフィルタ。 ・反射フィルタ。 ・色物質、クリスチァンセン(Christiansen)フィルタで
の回折。 ・吸収する流体およびガス。 ・以下に述べる偏光干渉フィルタ。

【００６５】規定のスペクトル透過関数を発生する望ま
しい実施態様を以下に説明する。偏光干渉フィルタを用
いれば、複屈折材料および偏光子のスペクトル透過範囲
内で、任意の連続透過関数を発生することができる。

【００６６】Ａ_k （σ）を発生するスペクトル透過関数
とし、これが波数間隔［σ₁ ，σ₂］に対応するスペク
トル範囲に限定されるとする。偏光干渉フィルタを用い
てこの透過関数を発生するための望ましい手続きは、こ
れを鏡対称的に波数軸上で継続することが必要である。
例えば、

【数１６】 ただし、

【数１７】 と定義する。

【００６７】これにより、二つの偏光子の間に同じ性質
の複屈折板（例えば石英、方解石、その他の複屈折材料
で作った板）を置けば、所望の透過関数を発生すること
ができる。板の向きは、分析する放射線の伝播方向に垂
直に複屈折が起こるようにする。簡単のために、以後は
単軸結晶だけを考える。その結晶学的な対称軸（以下光
学軸と呼ぶ）は、分析する放射線の伝播方向に垂直にす
る。Ｄを板の共通の厚さ、μ（σ）を一般に波長に依存
する複屈折とする。更に簡単のために、変数ｕ＝μ
（σ）σを導入する。μ（σ）は対象とするスペクトル
範囲内では常に単調関数と考えられるので、ｕとσの間
には１対１の関係がある。

【００６８】間隔［σ₁ ，σ₂ ］と厚さＤとの間には次
の関係がある。

【数１８】 ただし、ｍは整数。従って所定のスペクトル範囲では、
厚さはこれに従って選択しなければならない。

【００６９】このような１個の複屈折板を透過軸が同じ
向きにある２個の偏光子の間に置き、また板の光軸を偏
光子の透過軸と４５度の角度にすると、偶数ｍに対して

【数１９】 で与えられるスペクトル変調が行われる。このように配
置すると、変数ｕに関する周期的透過関数が得られる。
この関数はただ１個の板に対してコサイン関数であり、
ｕの周期はＤ^-1である。

【００７０】次に２個の偏光子の間にＮ個の板を置く
と、単一のコサインではなくて次の級数を得る。

【数２０】 ここで係数ｇ_n は、個々の板の光軸と第１偏光子の透過
軸との間の角に依存する。（１２）で定義したスペクト
ル透過関数の鏡対称継続により、（１５）のようなコサ
イン級数によって任意に正確に近似することができる。
つまり、スペクトル透過関数はフーリエ級数によって任
意の所望の精度で近似することができる。実際には最大
２０枚の板を使えば、ほとんどのスペクトル透過関数に
は十分である。以下ではｆ（ｕ（σ））を用いて、チャ
ンネルｋの透過関数Ａ_k （σ）を表す。

【００７１】図４の配列について更に詳細に検討する。
この配列に入射する放射線は、先ず偏光子Ｐ₁ によって
線形に偏光する。次に複屈折板Ｄ₁ に当たると、その光
軸（放射線の伝播方向に垂直）は偏光方向に関して角Φ
₁ だけ回転する。放射線は更に複屈折板Ｄ_n （２≦ｎ≦
Ｎ）を通る。Ｄ_n-1 とＤ_n の光軸の角度をΦ_n で表す。
最後に、放射線はこれも分析器と呼ぶ偏光子Ｐ₂ を通
る。その偏光方向はＤ_Nの光軸に対して角Φ_N+1 だけ回
転する。

【００７２】スペクトル透過関数ｆ（ｕ（σ））にＫ
（σ）の重みをつけて全波数に渡って積分したものは、
サンプルのない場合

【数２１】 に式（１）に従って検出器により測定できるが、このス
ペクトル透過関数は線形偏光電磁界のエネルギースペク
トルに対応する。線形偏光電磁界については、ジョンズ
(Jones) マトリックスを用いて以下に検討する。ｆ
（ｕ）と角Φ₁ ．．．Φ_N+1 との関係は、ｆ（ｕ）を
発生する界の性質を検討することによって得られる。界
の電気成分 Ｅ＝Ｒｅ（ａ_N （ｚ））は一般化して次式
で与えられる。

【数２２】

【００７３】図４に示す装置から出る界の相対振幅の式
は、

【数２３】 である。この意味は、Ｐ₁ を通ってこの配列に入る界の
振幅で出る振幅を割ることである。複素数を用いた用語
法では、実数部か虚数部が物理量を示すと理解されてい
る。（１５）で与えられるｆ（ｕ）に対しては、ａ
_N （ｚ）は（１７）から「多項式根解法」によって決定
される。全てのｕに対してｆ（ｕ）≧０であれば、全て
の係数ａ_N が（０≦ｎ≦Ｎ）が実数であるような数個の
解が一般に存在する。ｆ（ｕ）は電磁エネルギースペク
トルなので、この条件は確かに満足する。

【００７４】その後の計算においては、次のように仮定
しても一般性を失わない。

【数２４】

【００７５】図４でｘ方向に伝播する電磁波について
は、電界はｘ方向に垂直な平面内のベクトル（Ｅ₁ ，Ｅ
₂ ）として記述することができる。図４の装置がＰ₁ を
通って入る界に与える影響は、次のように定義される転
換マトリックスＴ_N を用いて決定することができる。

【数２５】

【００７６】従って（２ｘ２）転換マトリックスは、入
来する界を出力する界に写像する。これは個別の光学要
素のジョーンズ・マトリックスと、角Φ₁ ．．．Φ_N+1
で決定される簡単な（２ｘ２）回転マトリックスとの積
で構成される。すなわち、

【数２６】 ただし、

【数２７】 は複屈折板のジョーンズ・マトリックス（ｚは（１６）
で定義される）で、

【数２８】 は角Φ_n による（２ｘ２）回転マトリックスである。

【００７７】Ｔ_N はｚに依存して次式のように反復的に
示すことができる。

【数２９】

【００７８】転換マトリックスの要素の多項式と界の振
幅（１８）との接続は、図４の偏光子Ｐ₁ およびＰ₂ で
転換マトリックス要素を投影することによって得られ
る。

【数３０】

【００７９】乗法を行うと次の式を得る。

【数３１】 ただし、

【数３２】

【００８０】（２４）で定義される多項式

【数３３】 は、出力界ａ_N （ｚ）から独立ではない。これを決定す
るには、分析器を９０度回転して、出力界が補助的なエ
ネルギースペクトル

【数３４】 を持つようにしなければならない。

【００８１】これは物理的には図４に示す装置におい
て、複屈折板での吸収と反射を除いては、偏光子Ｐ₁ お
よびＰ₂ の間でエネルギー損失がないことを意味する。
回転角を決定するには、（２７）を計算するための界ａ
_N （ｚ）とｂ_N （ｚ）を先ず計算しなければならない。
多項式の係数は次の式になる。

【数３５】

【００８２】（２８ａ）は（１８）に対応するもので、
総和指数は１増えて係数の肩付き数字はＮ＋１である。
これは以下に角Φ_n の繰返し計算を行うからである。
（２８ｂ）は補助界の係数を指定するものである。

【００８３】角の計算には、次の反復法を用いることが
できる。ｎ＝Ｎ＋１に設定して、次のように行う。

【数３６】 必ずｎをｎ−１に置き換えて（２９ａ）〜（２９ｄ）を
ｎ＝０まで繰り返す。このようにして全ての角Φ_n （Ｎ
＋１≧ｎ≧１）と、更にｎ個の複屈折板を持つ装置に関
する転換マトリックスの要素として発生する界が得られ
る。

【００８４】所望の透過関数は、他の方法によっても発
生することができる。

【００８５】・干渉フィルタを用いることにより、普通
の帯域フィルタだけでなく、干渉層の厚さを適当に選べ
ばこの発明に必要な複雑な関数も発生することができ
る。

【００８６】・プリズムや格子や音響光学的に発生する
回折格子を用いて測定ビームをスペクトルに分割するポ
リクロメータを使えば、所望の透過関数はスペクトルの
像平面内のマスクによって作ることができる。

【００８７】マスクは各波長において、放射線強度の０
％から１００％の間の一部を透過しまたは反射する。

【００８８】透過または反射した放射線は、光学装置を
備える検出器に収束する。ポリクロメータの入口スリッ
トに例えば垂直に設けた光ファイバなどの数個の放射線
源があれば、またはスペクトルの像平面内に数個のマス
クを設けて検出器配列や数個の検出器に別個に収束させ
れば、１台のポリクロメータで数個の透過関数を作るこ
とができる。

【００８９】マスクはスペクトル透過関数の発生の他
に、通過幅として用いることができる。マスクの一例
は、透過関数の下の部分が透明で、透過関数の上の部分
が不透明なブラインドである。反射における同様な例
は、透明部分を反射部分にまた不透明部分を透明部分に
置き換えたものである。

【００９０】マスクの別の実施態様は、各波長の強度を
透過関数の対応する値に落とすフィルタから成る。これ
は空間的に可変な透過の中性フィルタか、または個々に
部分的に透過または反射する要素の配列から成り、かつ
その分布が所望のスペクトル透過関数を発生させるフィ
ルタであってよい。

【００９１】マスクの別の形は、光学スイッチの配列か
ら成る。スイッチ（ＬＣＤ）の普通の型は、二つの偏光
子の間に複屈折材料を設けたものから成る。電界または
磁界をかけると複屈折は変化し（すなわち誘導し）、所
望の透過値または反射値が得られる。要素を適当な時間
間隔で繰り返しオンとオフに切り換えることにより、任
意の透過値（反射値）の時間平均が得られる。この型の
マスクは、任意の通過幅および透過関数を柔軟に発生す
ることができる。

【００９２】４． 強度やスペクトル透過関数を時間的
に変調することは、測定値の決定には原理的には必要な
いが、精度が高くなることが多い。振幅変調（ＡＭ）お
よび周波数変調（ＦＭ）の原理と回路技術については文
献が豊富である。変調手続きは測定技術に広く用いられ
ている。

【００９３】電磁放射線の変調器としては、次の方法が
考えられる。

【００９４】・機械的変調。ブラインドや揺動ブライン
ドや偏向光学装置を備える回転扇形。

【００９５】・パルス状および制御可能な放射線源。変
調は電流電源によって行われる。

【００９６】・電気光学的変調。電気的に誘導した複屈
折効果を用いるもので、ポッケル(Pockels) 電池、カー
電池、ピエゾ変調器などの名で知られる。

【００９７】・磁気光学的変調。磁界で誘導した複屈折
を用いるもので、ファラデー変調器、コットン・ムート
ン(Cotton-Mouton) 変調器の名で知られる。

【００９８】音響光学的変調器。媒体中の音波による放
射線の回折を用いるもので、ブリオン(Brillouin) 変調
器、デバイ・シアーズ(Debye-Sears) 変調器、ラマン・
ナス(Raman-Nath)変調器と呼ばれる。

【００９９】５． 検出器は入来する電磁放射線を電気
信号に変換する。光電子倍増管、ホトダイオード、ホト
トランジスタ、光伝導体、光電池、パイロ電気検出器、
ゴレイ(Golay) 電池、ボロメータなど、全ての既知の型
の検出器が用いられる。

【０１００】６． 電子回路により検出信号のフィルタ
リング、必要であれば変調、増幅、アナログ・ディジタ
ル変換などを行い、ハードウエアまたはプロセッサのソ
フトウエアで、式（１）〜（１１）により信号を更に処
理することができる。

【図面の簡単な説明】

詳細な説明を検討すればこの発明の理解ができ、上に述
べた以外の目的が明らかになる。説明は次の図面を参照
して行われている。

【図１】この手続きの基本的原理を理解するための図。

【図２】この発明の手続きに従って機能するこの発明の
計器の図。

【図３】この発明の手続きに従って機能し、更に実際の
形で示したこの発明の計器の図。

【図４】この発明の計器に用い、この発明の手続きに従
って製作した、透過関数を発生する偏光干渉フィルタの
図。

【図５】電界をかけることによって透過関数を変調する
ことのできる偏光干渉フィルタの図。

【図６】この発明の計器の透過関数を発生するためのマ
スクを備えるポリクロメータの図。

【図７】この発明の手続きに従って機能し、更に実際の
形で示したこの発明の計器の図。

【符号の説明】

１ 放射線源 ２ 光学装置 ３ サンプル ４ 光学装置 ５，５’，５” フィルタ ６，６’，６” ビーム分割器 ７，７’，７” 干渉フィルタ ８，８’，８” 光学装置 ９，９’，９” 検出器 １０，１０’，１０” 増幅器 １１，１１’，１１” 復調器 １２，１２’，１２” ＡＤ変換器 １３ プロセッサ １５ 機械的駆動 ２０，２０’ 偏光子 ２１，２１’，２１” 複屈折板 ２２，２２’，２２” 電極 ２３ 電圧電源 ２５ 入口スリット ２６ 偏向鏡 ２７ ガルバノメータ ２８ 回折格子 ２９ 像平面 ３０，３０’ マスク ３１ 入口スリット ３２ コリメータ ３３ 媒体 ３４ 駆動器 ３５ 光学装置 ３６ 像平面

フロントページの続き (72)発明者 ウルリッヒ ヴァルター グラウス スイス国ヴェツィコン，グロッセンシュタ インシュトラーセ １ (72)発明者 マルチン ラバルト スイス国タン − リュティ，グルディシ ュトゥッドシュトラーセ 29 (72)発明者 ハインツ ヴァグナー スイス国チューリッヒ，クライナルビスシ ュトラーセ 33

Claims (32)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 サンプルからの放射線を数個の測定チャ
   ンネルに集めて分析することにより物質および／または
   その特性を決定する方法であって、 前記放射線を前記数個の測定チャンネルに導き、 予め定めたスペクトル透過特性によって前記測定チャン
   ネル内の前記放射線を変調して、前記チャンネル内で変
   調した前記放射線に従ってチャンネル特有の信号を発生
   し、 前記決定のために前記チャンネル特有の信号を更に処理
   し、 前記測定チャンネルの前記スペクトル透過特性を、共通
   のスペクトル範囲に渡り前記範囲内で異なるように選択
   する、段階を含む方法。
2. 【請求項２】 前記放射線を前記測定チャンネルを通し
   て平行に導く段階を含む、請求項１記載の方法。
3. 【請求項３】 少なくとも一つのチャンネルのスペクト
   ル透過特性を時間的に変化させて、前記測定チャンネル
   の少なくとも一部を時間的に順次実現する段階を含む、
   請求項１記載の方法。
4. 【請求項４】 決定すべき前記特性および／または物質
   を予め定め、 前記スペクトル透過特性の差を決定して、状態空間でそ
   の次元が測定チャンネル数に等しくなるようにし、決定
   すべき各物質および／または特性は特有の状態を定義
   し、 前記状態空間内の各状態は、前記放射線に前記スペクト
   ル透過特性で重みをつけてスペクトル範囲の全波長に渡
   って積分することにより定義する、段階を含む、請求項
   １記載の方法。
5. 【請求項５】 少なくとも一部の前記測定チャンネルの
   前記スペクトル透過特性を偏光干渉フィルタで実現す
   る、請求項１記載の方法。
6. 【請求項６】 少なくとも一部の前記測定チャンネルの
   前記スペクトル透過特性を薄膜の干渉で実現する、請求
   項１記載の方法。
7. 【請求項７】 少なくとも一部の前記測定チャンネルの
   前記スペクトル透過特性をスペクトルの平面内にマスク
   を備えるポリクロメータで実現する、請求項１記載の方
   法。
8. 【請求項８】 前記マスクを備えるポリクロメータを、
   選択的に制御可能な光学スイッチのマトリックスで実現
   する、請求項７記載の方法。
9. 【請求項９】 前記マトリックスをＬＣＤスクリーン
   で、または選択的に活性化できる検出器のマトリックス
   で実現する、請求項８記載の方法。
10. 【請求項１０】 少なくとも一つの前記スペクトル透過
    特性の少なくとも一つの振幅とスペクトル位置を時間的
    に変調する、請求項１記載の方法。
11. 【請求項１１】 少なくとも一つの前記スペクトル透過
    特性を電気光学的に制御する段階を含む、請求項１記載
    の方法。
12. 【請求項１２】 前記時間的な変調は、マスクの位置を
    ポリクロメータの位置に関して変化させることによって
    行う、請求項１０記載の方法。
13. 【請求項１３】 少なくとも一つの前記測定チャンネル
    のスペクトル透過特性を音響光学的変調器およびマスク
    によって実現しまた変調する、請求項１記載の方法。
14. 【請求項１４】 実質的に一定の消失しないスペクトル
    透過特性を備える基準化チャンネルを設け、各測定チャ
    ンネルでサンプルのない条件において発生する標準出力
    信号を決定し、前記サンプルのない条件において前記基
    準化チャンネルで標準信号を決定し、前記特定の測定チ
    ャンネルの前記標準信号と前記基準チャンネルの前記標
    準信号とから商を形成し、前記基準化チャンネルの出力
    信号を前記商で基準化し、前記各測定チャンネルの出力
    信号から前記基準化チャンネルの前記基準化した出力信
    号を引く段階を更に含む、請求項１記載の方法。
15. 【請求項１５】 前記引算の結果を正規化する段階を更
    に含む、請求項１４記載の方法。
16. 【請求項１６】 前記サンプルの物質を前記一層の処理
    によって同定する段階を含む、請求項１記載の方法。
17. 【請求項１７】 前記一層の処理により物質の混合を定
    量的に分析する段階を含む、請求項１記載の方法。
18. 【請求項１８】 偏光干渉フィルタを生成する方法であ
    って、 実現すべきスペクトル透過特性を予め定め、 線形の偏光電磁界を前記界の伝播方向に垂直の数枚の複
    屈折板を通して導き、前記スペクトル透過特性が規定の
    スペクトル帯域幅を持つように前記板の厚さを選択し、 前記板の光軸を回転し、前記複屈折板の後に偏光子を設
    けて、前記偏光子から放出する電磁界が前記所望の所定
    の透過特性に対応するエネルギースペクトルを持つよう
    にする、段階を含む方法。
19. 【請求項１９】 前記複屈折板の厚さを少なくとも実質
    的に同じになるように選択する、請求項１８記載の方
    法。
20. 【請求項２０】 同じ信号源から発生し、かつスペクト
    ル的に異なる重みをつけた数個のスペクトル信号を基準
    化する方法であって、 前記信号の一つのスペクトル重みをスペクトル的に一定
    にし、 基準化する信号源を設け、信号源入力を基準化するため
    に残りの各スペクトル信号と前記一つの信号との商を形
    成し、前記商に前記一つの信号を掛け、 前記残りの信号の各一つから前記積の結果を引くことに
    よって前記残りの各信号の基準化した信号を形成する、
    段階を含む方法。
21. 【請求項２１】 物質および／またはその特性を決定す
    る装置であって、 前記物質のサンプルからの放射線を導く数個の測定チャ
    ンネルと、ただし前記測定チャンネルはそれぞれ前記放
    射線を変調するための所定のスペクトル透過特性を含
    み、また前記透過特性により変調した前記放射線に従っ
    てそれぞれ出力信号を発生するものであり、 前記チャンネルの前記信号を導く処理ユニットと、 共通のスペクトル範囲内で重なり合いかつ前記共通のス
    ペクトル範囲内で異なる、前記測定チャンネルの前記ス
    ペクトル透過特性と、を含む装置。
22. 【請求項２２】 少なくとも一部の前記測定チャンネル
    は平行チャンネルである、請求項２１記載の装置。
23. 【請求項２３】 少なくとも一部の前記測定チャンネル
    は一つのチャンネルで形成し、そのスペクトル透過特性
    は制御可能に時間的に変化する、請求項２１記載の装
    置。
24. 【請求項２４】 少なくとも一部の前記測定チャンネル
    の前記スペクトル透過特性は偏光干渉フィルタで実現さ
    れる、請求項２１記載の装置。
25. 【請求項２５】 少なくとも一部の前記測定チャンネル
    の前記スペクトル透過特性は干渉フィルタで実現され
    る、請求項２１記載の装置。
26. 【請求項２６】 マスクを備えるポリクロメータを前記
    スペクトルの平面内に設けて前記スペクトル透過特性を
    形成する、請求項２１記載の装置。
27. 【請求項２７】 選択的に制御可能な光学スイッチのマ
    トリックスを備える、請求項２６記載の装置。
28. 【請求項２８】 選択的に制御可能な光学スイッチの前
    記マトリックスは、ＬＣＤスクリーンまたは選択的に活
    性化できる検出器のマトリックスを備える、請求項２７
    記載の装置。
29. 【請求項２９】 前記放射線の振幅変調に従って出力を
    発生するための変調器を備える制御可能な可変スペクト
    ル透過特性手段を備え、前記手段の振幅と前記手段のス
    ペクトル透過特性のスペクトル位置の少なくとも一つは
    制御可能に可変である、請求項２１記載の装置。
30. 【請求項３０】 少なくとも一つの前記スペクトル透過
    特性は電気光学的に制御される、請求項２１記載の装
    置。
31. 【請求項３１】 ポリクロメータの位置に関するマスク
    の位置は制御可能に可変である、請求項２９記載の装
    置。
32. 【請求項３２】 少なくとも一つの前記スペクトル透過
    特性を制御可能に変化させる音響光学的変調器とマスク
    とを含む、請求項２１記載の装置。