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JP7262345B2 - Material inspection device, material inspection method and material inspection program - Google Patents

Material inspection device, material inspection method and material inspection program Download PDF

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JP7262345B2 JP2019159013A JP2019159013A JP7262345B2 JP 7262345 B2 JP7262345 B2 JP 7262345B2 JP 2019159013 A JP2019159013 A JP 2019159013A JP 2019159013 A JP2019159013 A JP 2019159013A JP 7262345 B2 JP7262345 B2 JP 7262345B2
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修三 江藤
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Description

特許法第30条第2項適用 (1)ウェブサイトの掲載日 2019年3月13日 (2)ウェブサイトのアドレスhttps://spie.org/ESD/conferencedetails/artificial-intelligence-and-machine-learning-in-defense-applications?SSO=1 (3)公開者 比護 貴之 江藤 修三Application of Article 30, Paragraph 2 of the Patent Act (1) Date of posting on the website March 13, 2019 (2) Website address https://spie. org/ESD/conferencedetails/artificial-intelligence-and-machine-learning-in-defense-applications? SSO = 1 (3) Publisher Takayuki Higo Shuzo Eto

本発明は、物質検査装置、物質検査方法及び物質検査プログラムに関する。 The present invention relates to a material inspection device, a material inspection method, and a material inspection program.

近年、対象物にレーザ等の光を当て、対象物の吸収光や散乱光の特徴を分析することで、対象物の成分を特定する、または対象物に特定の分子が含まれることを検知する技術の利用が盛んである。対象物の成分を特定することは同定と呼ばれ、対象物における特定の分子の含有を判定することは検知と呼ばれる。ここでは、合わせて、同定・検知と呼ぶ。 In recent years, by applying light such as a laser to an object and analyzing the characteristics of the absorbed light and scattered light of the object, it is possible to identify the components of the object or detect that the object contains specific molecules. The use of technology is flourishing. Identifying a component of an object is called identification, and determining the inclusion of a particular molecule in the object is called sensing. Here, they are collectively called identification/detection.

対象物の吸収光や散乱光は、対象物を構成する物質により、特定の波長の光が吸収され易い、あるいは生じた散乱光の特定の波長が強いといった特徴を有する。そのため、吸収光や散乱光の波長毎の強度を解析することで、対象物の同定・検知が可能となる。吸収光や散乱光の波長毎の強度をここでは、「スペクトル」と呼ぶ。 Absorbed light and scattered light of an object have characteristics such that light of a specific wavelength is easily absorbed or the generated scattered light has a strong specific wavelength, depending on the substance that constitutes the object. Therefore, by analyzing the intensity of each wavelength of absorbed light and scattered light, it is possible to identify and detect the object. Here, the intensity of each wavelength of absorbed light or scattered light is called a "spectrum".

同定・検知のためのスペクトル解析としては以下の従来技術がある。以下では、各種物質毎に、レーザを照射した際の吸収光及び散乱光のスペクトルを整備したデータベースが存在する場合で説明する。データベース内の各スペクトルのデータは、例えば、実験室環境において各種の物質サンプルに対して、それぞれレーザ等の光を照射し、吸収光や散乱光のスペクトルを計測する方法やコンピューターシミュレーションにより得られる。 Spectral analysis for identification/detection includes the following conventional techniques. In the following, a case where there is a database in which the spectra of absorbed light and scattered light when irradiated with laser exist for each of various substances will be described. The data of each spectrum in the database can be obtained, for example, by irradiating various material samples with light such as laser light in a laboratory environment and measuring the spectrum of absorbed light and scattered light, or by computer simulation.

物質の同定・検知を行う物質検査装置は、検査対象物質にたいしてレーザを照射し、その検査対象物質からの散乱光を得る。そして、物質検査装置は、取得した散乱光を用いて検査対象物質のスペクトルを取得する。その後、物質検査装置は、検査対象物質のスペクトルとデータベースに格納された各種物質のスペクトルの重みを付加した線形和との差分を最小とする重みを求める。このLの最小化の計算は、データベースに格納された物質の種類がP個であり、スペクトルを形成する波長の種類がN個の場合、P個の説明変数を有するN個のデータに対する重回帰の計算と同じである。このような分析方法はclassical least squares(CLS)と呼ばれる。 A substance inspection device that identifies and detects a substance irradiates a substance to be inspected with a laser beam and obtains scattered light from the substance to be inspected. Then, the substance inspection device acquires the spectrum of the substance to be inspected using the acquired scattered light. Thereafter, the substance inspection apparatus obtains a weight that minimizes the difference between the spectrum of the substance to be inspected and the weighted linear sum of the spectra of various substances stored in the database. When there are P types of substances stored in the database and N types of wavelengths forming the spectrum, the calculation of minimization of L is performed by multiple regression on N data with P explanatory variables. is the same as the calculation of Such analytical methods are called classical least squares (CLS).

また、同定・検知の方法として、対象物からの散乱光及び蛍光からスペクトルデータを一定の時間繰り返し収集し、収集したスペクトルデータに対して多変量解析を用いて解析してラマン散乱光を抽出する従来技術がある。また、対象物から取得した成分スペクトルを反復して分解及び改良して同定を行う従来技術がある。また、モデル化されていない成分または他のスペクトル情報を多変量モデルに組み込み、多変量モデルを用いたキャリブレーションの結果を維持し、残留誤差から構成要素を推定する処理を繰り返して同定を行うアルゴリズムが提案されている。また、対象物のスペクトルのデータセットを取得し、スペクトルの純粋な成分についてデータセットを取得して、取得したデータセトを用いて濃度係数を求めてスペクトルシフトを行い、残留誤差を計算して、残差が所定値内になるまでシフトを繰り返すアルゴリズムが提案されている。 In addition, as a method of identification and detection, spectral data is repeatedly collected from the scattered light and fluorescence from the object for a certain period of time, and the collected spectral data is analyzed using multivariate analysis to extract Raman scattered light. There is prior art. In addition, there is a prior art that repeatedly decomposes and refines component spectra acquired from an object for identification. Algorithms that incorporate unmodeled components or other spectral information into the multivariate model, maintain the results of calibration with the multivariate model, and iteratively identify the components by estimating them from residual errors. is proposed. Also, a data set of the spectrum of the object is obtained, a data set is obtained for the pure components of the spectrum, the obtained data set is used to determine the concentration coefficients, the spectral shift is performed, the residual error is calculated, and the residual error is calculated. Algorithms have been proposed that repeat the shift until the difference is within a predetermined value.

特開2017-129389号公報JP 2017-129389 A 特許5059106号公報Japanese Patent No. 5059106 米国特許第6711503号明細書U.S. Pat. No. 6,711,503 米国特許第6418383号明細書U.S. Pat. No. 6,418,383

しかしながら、一般的なCLSなどの従来技術では、対象物のスペクトルや物質毎のスペクトルに含まれるノイズが小さい場合に高精度な結果が得られる一方で、ノイズが大きい場合には、誤った結果を与える可能性がある。このノイズが大きい状況としては、例えば、遠距離からの物質の同定・検知を行う場合などが考えられる。そのような状況においては、ノイズに頑健なスペクトル解析技術が求められる。 However, conventional techniques such as general CLS can obtain highly accurate results when the noise contained in the spectrum of the object or the spectrum of each substance is small, but when the noise is large, erroneous results are obtained. may give. A situation in which this noise is large may be, for example, a case of identifying/detecting a substance from a long distance. In such situations, noise robust spectral analysis techniques are required.

開示の技術は、上記に鑑みてなされたものであって、ノイズが想定される環境下においても高精度な同定や検知を行う物質検査装置、物質検査方法及び物質検査プログラムを提供することを目的とする。 The disclosed technology has been made in view of the above, and aims to provide a material inspection device, a material inspection method, and a material inspection program that perform highly accurate identification and detection even in an environment where noise is assumed. and

本願の開示する物質検査装置、物質検査方法及び物質検査プログラムの一つの態様において、発光部は、対象物に光を照射する。測定部は、前記光が照射された前記対象物からの散乱光及び吸収光のいずれか一方もしくは双方を計測し、複数の波長における計測した光の強度を表すスペクトルを取得する。スペクトル解析部は、複数の既知の基準物質のスペクトルの基準物質毎に重みを加えた線形和と、所定のスペクトルとの差を最小とする重みを、前記重みが非負となる条件の下で算出するスペクトル分解を実行する。スペクトル波長選定部は、前記スペクトル分解の解析誤差を基に、前記スペクトルにおける複数の前記波長の中から1つ又は複数の使用波長を選定し、前記対象物のスペクトルを前記所定のスペクトルとして、前記使用波長毎の前記対象物の光の強度を表す制限スペクトルを用いたスペクトル分解を前記スペクトル解析部に実行させる。同定検知部は、前記スペクトル解析部による前記対象物のスペクトルに対する前記制限スペクトルを用いたスペクトル分解で得られた重みを基に、前記対象物と前記基準物質との同定又は検出を行う。 In one aspect of the material inspection device, material inspection method, and material inspection program disclosed in the present application, the light emitting unit irradiates the object with light. The measurement unit measures one or both of scattered light and absorbed light from the object irradiated with the light, and obtains a spectrum representing the intensity of the measured light at a plurality of wavelengths. The spectral analysis unit calculates a weight that minimizes the difference between a linear sum of spectra of a plurality of known reference substances weighted for each reference substance and a predetermined spectrum under the condition that the weight is non-negative. perform a spectral decomposition that The spectrum wavelength selection unit selects one or more working wavelengths from among the plurality of wavelengths in the spectrum based on the analysis error of the spectrum decomposition, sets the spectrum of the object as the predetermined spectrum, and selects the The spectral analysis unit is caused to perform spectral decomposition using a limited spectrum representing the light intensity of the object for each wavelength used. The identification detection unit identifies or detects the object and the reference substance based on the weight obtained by spectral decomposition of the spectrum of the object using the restricted spectrum by the spectrum analysis unit.

1つの側面では、本発明は、ノイズが想定される環境下においても高精度な同定や検知を行うことができる。 In one aspect, the present invention can perform highly accurate identification and detection even in an environment where noise is expected.

図1は、実施例1に係る物質検査装置のブロック図である。FIG. 1 is a block diagram of a material inspection device according to a first embodiment. 図2は、計測に伴う誤差を表す図である。FIG. 2 is a diagram showing errors associated with measurement. 図3は、スペクトル波長の選定の概要を説明するための図である。FIG. 3 is a diagram for explaining an outline of selection of spectrum wavelengths. 図4は、スペクトル波長の選定結果の一例を表す図である。FIG. 4 is a diagram showing an example of selection results of spectrum wavelengths. 図5は、重み係数を付加した基準物質のスペクトルの線形和を表す図である。FIG. 5 is a diagram showing a linear sum of spectra of reference substances with weighting factors added. 図6は、選定されたスペクトル波長を用いた場合の各基準物質のスペクトルの線形和を説明するための図である。FIG. 6 is a diagram for explaining the linear sum of the spectra of each reference substance when using the selected spectral wavelengths. 図7は、実施例1に係る物質検査装置による同定・検知処理のフローチャートである。FIG. 7 is a flowchart of identification/detection processing by the substance inspection device according to the first embodiment. 図8は、スペクトル波長選定部及びスペクトル解析部によるスペクトル波長の選定処理のフローチャートである。FIG. 8 is a flowchart of spectrum wavelength selection processing by the spectrum wavelength selection unit and the spectrum analysis unit. 図9は、実施例2に係る物質検査装置のブロック図である。FIG. 9 is a block diagram of a material inspection device according to the second embodiment. 図10は、レーザ波長と特定の物質のスペクトルの関係を表す図である。FIG. 10 is a diagram showing the relationship between the laser wavelength and the spectrum of a specific substance. 図11は、レーザ波長毎の解析誤差の一例を表す図である。FIG. 11 is a diagram showing an example of analysis error for each laser wavelength. 図12は、同定結果の一例を表す図である。FIG. 12 is a diagram showing an example of identification results. 図13は、実施例2に係る物質検査装置による同定・検知処理のフローチャートである。FIG. 13 is a flowchart of identification/detection processing by the substance inspection device according to the second embodiment.

以下に、本願の開示する物質検査装置、物質検査方法及び物質検査プログラムの実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施例により本願の開示する物質検査装置、物質検査方法及び物質検査プログラムが限定されるものではない。また、以下の説明では、散乱光を用いた物質の同定・検知について主に説明するが、吸収光を用いた物質の同定・検知についても同様である。 Embodiments of the material inspection device, the material inspection method, and the material inspection program disclosed in the present application will be described in detail below with reference to the drawings. The material inspection device, material inspection method, and material inspection program disclosed in the present application are not limited to the following embodiments. Further, in the following description, identification and detection of substances using scattered light will be mainly described, but identification and detection of substances using absorbed light are also the same.

図1は、実施例1に係る物質検査装置のブロック図である。本実施例に係る物質検査装置1は、発光部11、測定部12、通知部13、同定検知部14、スペクトル解析部15、スペクトル波長選定部16及びデータベース17を有する。 FIG. 1 is a block diagram of a material inspection device according to a first embodiment. The material inspection device 1 according to this embodiment has a light emitting unit 11, a measuring unit 12, a notification unit 13, an identification detection unit 14, a spectrum analysis unit 15, a spectrum wavelength selection unit 16 and a database 17.

データベース17は、様々な種類の物質毎に、レーザを照射した際の吸収及び散乱光のスペクトルを整備した情報を保持する。データベース17に情報が格納された物質を、以下では「基準物質」と言う。例えば、基準物質には、CO、O、N、H、CH、NH及びSOなどがある。本実施例では、P個の基準物質#p(p=1~P)のスペクトルの情報が、データベース17に格納される。 The database 17 holds information in which the spectra of absorption and scattered light when irradiated with laser are arranged for each of various types of substances. A substance whose information is stored in the database 17 is hereinafter referred to as a “reference substance”. For example, reference substances include CO2 , O2 , N2 , H2 , CH4 , NH3 and SO2 . In this embodiment, information on spectra of P reference substances #p (p=1 to P) is stored in the database 17 .

そして、各基準物質#pのスペクトルには、予め決められた種類の波長のレーザを照射した場合の、散乱光の波長毎の強度が含まれる。このように特定の物質のスペクトルは波長毎に個別のスペクトルが得られる。そこで、個別のスペクトルに対応する波長を「スペクトル波長」と呼ぶ場合がある。また、以下では、スペクトル以下では、照射されるレーザの波長を、レーザが有する波長であることを明示するために、「レーザ波長」と言う場合がある。 The spectrum of each reference substance #p includes the intensity of scattered light for each wavelength when irradiated with a laser of a predetermined type of wavelength. In this way, the spectrum of a specific substance can be obtained as a separate spectrum for each wavelength. Therefore, wavelengths corresponding to individual spectra are sometimes called "spectral wavelengths". In the following, below the spectrum, the wavelength of the irradiated laser may be referred to as "laser wavelength" in order to clearly indicate that it is the wavelength possessed by the laser.

各基準物質#pのスペクトルの情報には、スペクトル波長の種類がN種類ある場合、各スペクトル波長に対応するN個の個別スペクトルが要素として含まれる。すなわち、スペクトルは、スペクトル波長がN種類ある場合、N次元のベクトルで表される。基準物質のスペクトルの情報であるxp(p=1~P)は、x1p、x2p、・・・、xNpというN個の要素を有するN次元の列ベクトルで表される。スペクトルを表す列ベクトルの各要素が、スペクトル波長毎の個別スペクトルにあたる。例えば、スペクトル波長は、1000種類存在する。 If there are N types of spectral wavelengths, the information on the spectrum of each reference substance #p includes N individual spectra corresponding to each spectral wavelength as elements. That is, the spectrum is represented by an N-dimensional vector when there are N spectral wavelengths. xp (p=1 to P), which is information on the spectrum of the reference substance, is represented by an N-dimensional column vector having N elements x1p, x2p, . . . , xNp. Each element of the column vector representing the spectrum corresponds to an individual spectrum for each spectral wavelength. For example, there are 1000 spectral wavelengths.

発光部11は、レーザ波長の指定とともにレーザ照射の指示を同定検知部14から受ける。発光部11は、同定検知部14からの指示を受けて、指定された波長を有するレーザを検査対象物Zへ向けて照射する。検査対象物Zは、レーザの照射を受けて散乱光を放射する。 The light emitting unit 11 receives from the identification detecting unit 14 an instruction to irradiate a laser beam along with the designation of the laser wavelength. The light emitting unit 11 receives an instruction from the identification detection unit 14 and irradiates the inspection object Z with a laser having a specified wavelength. The object to be inspected Z emits scattered light upon being irradiated with the laser.

測定部12は、検査対象物Zから放射された散乱光を受光する。そして、測定部12は、取得した散乱光から得られる検査対象物Zの波長毎の個別スペクトルを測定し、測定結果から得られる検査対象物Zのスペクトルの情報をスペクトル解析部15へ出力する。ここで、本実施例では散乱光のスペクトルを例に説明するが、これは吸収光のスペクトルを用いてもよい。その場合、測定部12は、検査対象物Zから放射された散乱光から検査対象物Zで吸収された吸収光の測定を行い、測定結果である検査対象物Zの吸収光のスペクトル情報をスペクトル解析部15へ出力する。 The measurement unit 12 receives scattered light emitted from the inspection object Z. As shown in FIG. Then, the measurement unit 12 measures the individual spectrum for each wavelength of the inspection object Z obtained from the acquired scattered light, and outputs information on the spectrum of the inspection object Z obtained from the measurement result to the spectrum analysis unit 15 . In this embodiment, the spectrum of scattered light will be described as an example, but the spectrum of absorbed light may be used. In this case, the measurement unit 12 measures the absorbed light absorbed by the inspection object Z from the scattered light emitted from the inspection object Z, and converts the spectral information of the absorption light of the inspection object Z, which is the measurement result, into a spectrum Output to the analysis unit 15 .

次に、スペクトル波長選定部16について説明する。ある検査対象物質Zのスペクトルは、ある検査対象物質Zから放射された散乱光の波長毎の強度及びその集まりの情報である。吸収光や散乱光のスペクトルは、特定のスペクトル波長において、基準物質#p毎に特徴が表れる傾向がある。また、基準物質#p毎の特徴が表れるスペクトル波長以外のスペクトル波長に対応する個別スペクトルは、同定・検知を行う際のノイズとなる可能性がある。そのため、基準物質#p毎の特徴が表れるスペクトル波長を有する個別スペクトルを用いてスペクトル分解を行うことが、検査対象物質Zの同定・検知の確度を向上させるためには好ましい。ここでの「スペクトル分解」とは、検査対象物Zのスペクトルをデータベース17に登録された基準物質#pのスペクトルに分解する処理である。スペクトル分解により、検査対象物質Zを基準物質#pに重みを付加した線形和で表した場合の重みが求められる。 Next, the spectral wavelength selector 16 will be described. The spectrum of a certain inspection target substance Z is information on the intensity of scattered light emitted from a certain inspection target substance Z for each wavelength and the collection thereof. The spectra of absorbed light and scattered light tend to show characteristics at specific spectral wavelengths for each reference substance #p. In addition, individual spectra corresponding to spectral wavelengths other than the spectral wavelength at which the characteristic of each reference substance #p appears may become noise during identification and detection. Therefore, it is preferable to perform spectral decomposition using an individual spectrum having a spectral wavelength in which the characteristic of each reference substance #p appears, in order to improve the accuracy of identification/detection of the inspection target substance Z. The “spectral decomposition” here is a process of decomposing the spectrum of the inspection object Z into the spectrum of the reference material #p registered in the database 17 . By spectrum decomposition, the weight when the inspection target substance Z is represented by a linear sum of weighted reference substances #p is obtained.

スペクトル波長選定部16は、検査対象物質Zの同定・検知を行う際に用いるスペクトル波長の選定を行う。具体的には、スペクトル波長選定部16は、データベース17から各基準物質#pのスペクトルの情報を取得し、個別スペクトルの値を用いて各基準物質#pを表す列ベクトルを生成する。次に、スペクトル波長選定部16は、各基準物質#pの重みをランダムに生成してテスト重みとする。 The spectrum wavelength selection unit 16 selects a spectrum wavelength used when identifying/detecting the substance Z to be inspected. Specifically, the spectral wavelength selection unit 16 acquires information on the spectrum of each reference material #p from the database 17, and generates a column vector representing each reference material #p using individual spectrum values. Next, the spectral wavelength selector 16 randomly generates weights for each reference material #p as test weights.

例えば、基準物質#pが、CO、O、N、H、CH、NH及びSOである場合、にスペクトル波長選定部16は、それぞれに対して0.18、0.07、0.06、0.14、0.19、0.11及び0.25といったテスト重みを乱数に基づき生成する。 For example, if the reference substances #p are CO 2 , O 2 , N 2 , H 2 , CH 4 , NH 3 and SO 2 , the spectral wavelength selection unit 16 selects 0.18, 0.18, 0.18, 0.18, 0.18, 0.18, 0.18, 0.18, 0.18, 0.18, 0.18, 0.18, 0.18, 0.18, 0.18, 0.18, 0.18, 0.18, 0.18, 0.18, 0.18, 0.18, 0.18, 0.18, 0.18, 0.18, and 0.18, respectively. Test weights such as 07, 0.06, 0.14, 0.19, 0.11 and 0.25 are generated based on random numbers.

次に、スペクトル波長選定部16は、テスト重みを各基準物質#pを表す列ベクトルに付加し、テスト重みを付加した各基準物質#pを表す列ベクトルの線形和を求める。 Next, the spectral wavelength selector 16 adds the test weight to the column vector representing each reference material #p, and obtains the linear sum of the column vectors representing each reference material #p to which the test weights have been added.

次に、スペクトル波長選定部16は、ランダムにノイズ成分を生成する。例えば、スペクトル波長選定部16は、重みを付加した基準物質#pのスペクトルの線形和で得られたスペクトルに含まれる各スペクトル波長に対して、各スペクトル波長の強度の標準偏差を用いて正規乱数によりノイズを生成する。 Next, the spectral wavelength selector 16 randomly generates noise components. For example, the spectrum wavelength selection unit 16 uses the standard deviation of the intensity of each spectrum wavelength for each spectrum wavelength included in the spectrum obtained by linearly summing the weighted spectrum of the reference substance #p to obtain a normal random number generates noise.

図2は、計測に伴う誤差を表す図である。図2において、縦軸はスペクトルの強度を表し、横軸はスペクトル波長を表す。図2は、SOを検査対象物Zとして、波長が202.13nmのレーザを照射した場合のスペクトル波長とスペクトルの強度との関係を表す。例えば、予め測定したスペクトル波長とスペクトルの強度との関係の測定結果が図2として得られた場合について説明する。図2における、各グラフ101~103は、それぞれ計測結果の最大値、計測結果の平均値、計測結果の最小値を表すグラフである。各測定結果が正規分布で表されるとして、グラフ101とグラフ102との差及びグラフ102とグラフ103との差が標準偏差の2倍となるように標準偏差を求める。図2から求められた標準偏差が14%であることから、本実施例では、スペクトル波長選定部16は、標準偏差を各スペクトル波長の強度の14%として、正規乱数を用いてノイズを生成する。 FIG. 2 is a diagram showing errors associated with measurement. In FIG. 2, the vertical axis represents spectral intensity, and the horizontal axis represents spectral wavelength. FIG. 2 shows the relationship between the spectrum wavelength and the spectrum intensity when SO 2 is the inspection object Z and is irradiated with a laser having a wavelength of 202.13 nm. For example, a case where the measurement result of the relationship between the spectrum wavelength and the spectrum intensity measured in advance is obtained as shown in FIG. 2 will be described. Graphs 101 to 103 in FIG. 2 represent the maximum value of the measurement results, the average value of the measurement results, and the minimum value of the measurement results, respectively. Assuming that each measurement result is represented by a normal distribution, the standard deviation is obtained so that the difference between the graphs 101 and 102 and the difference between the graphs 102 and 103 are twice the standard deviation. Since the standard deviation obtained from FIG. 2 is 14%, in this embodiment, the spectrum wavelength selection unit 16 sets the standard deviation to 14% of the intensity of each spectrum wavelength, and generates noise using normal random numbers. .

そして、スペクトル波長選定部16は、テスト重みを付加した各基準物質#pのスペクトルの線形和に、生成したノイズを加えてテストスペクトルを合成する。そして、スペクトル波長選定部16は、合成したテストスペクトルをスペクトル解析部15へ送信し、スペクトル分解を依頼する。スペクトル解析部15によるスペクトル分解の詳細については後で説明する。 Then, the spectrum wavelength selection unit 16 adds the generated noise to the linear sum of the test-weighted spectrum of each reference material #p to synthesize a test spectrum. The spectrum wavelength selection unit 16 then transmits the synthesized test spectrum to the spectrum analysis unit 15 and requests spectrum decomposition. Details of spectrum decomposition by the spectrum analysis unit 15 will be described later.

その後、スペクトル波長選定部16は、テストスペクトルのスペクトル分解の結果をスペクトル解析部15から取得する。この場合、スペクトル波長選定部16は、スペクトル分解の結果として、各基準物質#pのそれぞれに対する推定された重みを取得する。そして、スペクトル波長選定部16は、推定された重みとテスト重みとの差から算出される解析誤差を最小化するように、スペクトル波長を選定する。 After that, the spectrum wavelength selection unit 16 acquires the results of spectral decomposition of the test spectrum from the spectrum analysis unit 15 . In this case, spectral wavelength selector 16 obtains an estimated weight for each reference material #p as a result of spectral decomposition. Then, the spectral wavelength selection unit 16 selects the spectral wavelength so as to minimize the analysis error calculated from the difference between the estimated weight and the test weight.

例えば、P個の基準物質#pに対するテスト重みをαとし、P個の基準物質に対する推定された重みをβとした場合、スペクトル波長選定部16は、推定された重みとテスト重みとの解析誤差を次の数式(1)で求める。 For example, if α p is the test weight for the P reference substances #p and β p is the estimated weight for the P reference substances, the spectral wavelength selection unit 16 determines the relationship between the estimated weight and the test weight. An analytical error is obtained by the following formula (1).

Figure 0007262345000001
Figure 0007262345000001

Eは、推定された重みとテスト重みとの解析誤差を表す。また、|α-β|は、α-βの絶対値を表す。 E represents the analytical error between the estimated weights and the test weights. |α p −β p | represents the absolute value of α p −β p .

数式(1)は、1つのテスト重みを用いる場合であるが、テスト重みを複数用いて解析誤差の最小値を求めることも可能である。例えば、K個のテスト重みを用いる場合、解析誤差は次の数式(2)で表される。 Expression (1) is for the case of using one test weight, but it is also possible to use a plurality of test weights to obtain the minimum value of the analysis error. For example, when using K test weights, the analytical error is expressed by the following equation (2).

Figure 0007262345000002
Figure 0007262345000002

kの添え字が付いたαは、k番目のテスト重みを表す。また、kの添え字が付いたβは、k番目のテスト重みを用いてスペクトル分解を行った場合の推定された重みを表す。 The k subscripted α p represents the kth test weight. Also, the k subscripted β p represents the estimated weights when the spectral decomposition is performed using the kth test weights.

ここで、本実施例に係るスペクトル波長選定部16による推定された重みとテスト重みとの解析誤差の最小化について詳細に説明する。データベース17に格納された基準物質#pのスペクトルの情報が、N種類のスペクトル波長に対応する散乱光の強度で表される場合、2のN乗個のスペクトル波長の組み合わせが存在する。そこで、スペクトル波長選定部16は、2のN乗個のスペクトル波長の組み合わせ全ての場合について解析誤差を算出し、解析誤差が最小となるスペクトル波長の選び方を見つけることができる。 Here, the minimization of the analysis error between the estimated weights and the test weights by the spectral wavelength selector 16 according to this embodiment will be described in detail. When the spectral information of the reference substance #p stored in the database 17 is represented by the intensity of scattered light corresponding to N kinds of spectral wavelengths, there are 2 N spectral wavelength combinations. Therefore, the spectrum wavelength selection unit 16 can calculate the analysis error for all combinations of 2 N spectrum wavelengths and find a method of selecting the spectrum wavelength that minimizes the analysis error.

しかし、全てのスペクトル波長の組み合わせを求める場合、基準物質#pの種類を表すNに対して指数的な計算時間を要する。そのため、全てのスペクトル波長の組み合わせに関する解析誤差を求める方法は、Nが大きい場合には実用的でなく、解析誤差を最小とするスペクトル波長を選定することは困難である。例えば、1つの解析誤差の算出に1秒を要する場合、N=1000であれば、おおよそ10の300乗秒の計算時間が費やされる。 However, when obtaining all combinations of spectral wavelengths, an exponential calculation time is required for N representing the type of reference material #p. Therefore, the method of finding the analysis error for all combinations of spectral wavelengths is not practical when N is large, and it is difficult to select the spectral wavelength that minimizes the analytical error. For example, if it takes 1 second to calculate one analysis error, and N=1000, the calculation time is about 10 to the 300th power.

この計算時間を短縮するために、本実施例に係るスペクトル波長選定部16は、貪欲法を用いて解析誤差が最小となるスペクトル波長の選定を行う。貪欲法を用いる場合、スペクトル波長選定部16は、スペクトル分解に用いるスペクトル波長を1つずつ追加していき、解析誤差の減少が止まった時点で処理を終了して、その時点でスペクトル分解に用いたスペクトル波長を解析誤差が最小となるスペクトル波長として選定する。スペクトル波長選定部16は、追加するスペクトル波長として、既に追加したスペクトル波長に対して、新たにスペクトル波長を追加した際に解析誤差の減少が最大となるスペクトル波長を選択する。 In order to shorten this calculation time, the spectral wavelength selection unit 16 according to the present embodiment selects the spectral wavelength that minimizes the analysis error using the greedy method. When the greedy method is used, the spectral wavelength selection unit 16 adds spectral wavelengths used for spectral decomposition one by one, and terminates the process when analysis error stops decreasing. The spectral wavelength obtained by the analysis is selected as the spectral wavelength at which the analysis error is minimized. As the spectrum wavelength to be added, the spectrum wavelength selection unit 16 selects a spectrum wavelength that maximizes the decrease in analysis error when adding a new spectrum wavelength to the already added spectrum wavelengths.

より詳細には、本実施例に係るスペクトル波長選定部16は、スペクトル波長の選定処理として以下の演算を実行する。ここでは、N種類のスペクトル波長をλ1、λ2、・・・、λNと表す。また、解析誤差を求める演算の繰り返し回数をtとする。また、t回目の演算において既に選択されているスペクトル波長の集合をStとする。また、t回目の計算で用いる前回演算で求められた暫定的な解析誤差をFtとする。スペクトル波長選定部16は、1回目の演算に用いる既に選択されているスペクトル波長の集合であるS1を空集合とし、1回目の演算で用いる解析誤差であるF1を無限大とする。 More specifically, the spectrum wavelength selection unit 16 according to the present embodiment executes the following calculation as spectrum wavelength selection processing. Here, the N kinds of spectral wavelengths are represented by λ1, λ2, . . . , λN. Also, let t be the number of repetitions of the computation for obtaining the analysis error. Also, let St be a set of spectrum wavelengths already selected in the t-th computation. Also, let Ft be the provisional analysis error obtained in the previous calculation used in the t-th calculation. The spectrum wavelength selection unit 16 sets S1, which is a set of already selected spectrum wavelengths used in the first calculation, to an empty set, and sets F1, which is an analysis error used in the first calculation, to infinity.

そして、スペクトル波長選定部16は、全てのスペクトル波長から既に選択されたスペクトル波長を除いた残りのスペクトル波長λiを求める。例えば、既にλ1、λ100が選択された場合、λi=(λ2、λ3、・・・、λ99、λ101、・・・λN)である。 Then, the spectral wavelength selection unit 16 obtains spectral wavelengths λi remaining after removing the already selected spectral wavelengths from all spectral wavelengths. For example, if λ1, λ100 have already been selected, λi=(λ2, λ3, . . . , λ99, λ101, .

次に、スペクトル波長選定部16は、選択済みのスペクトル波長に新たに選択したスペクトル波長を加えてスペクトル分解の実行をスペクトル解析部15に依頼する。その後、スペクトル波長選定部16は、各λiを新たに加えた場合のスペクトル波長の集合に含まれるスペクトル波長毎に、それぞれの推定された重みをスペクトル解析部15から取得する。そして、スペクトル波長選定部16は、E(St∪λi)を計算する。ここで、E(St∪λi)は、集合Stにλiを加えたスペクトル波長を用いてスペクトル分解を行った場合の推定された重み及びテスト重みを、数式(1)又は(2)に用いることで求められるt回目の演算による解析誤差を表す。 Next, the spectrum wavelength selection unit 16 requests the spectrum analysis unit 15 to perform spectrum decomposition by adding the newly selected spectrum wavelength to the already selected spectrum wavelengths. After that, the spectrum wavelength selection unit 16 acquires from the spectrum analysis unit 15 each estimated weight for each spectrum wavelength included in the set of spectrum wavelengths when each λi is newly added. Then, the spectral wavelength selector 16 calculates E(St∪λi). Here, E(St ∪ λi) is the estimated weights and test weights when spectral decomposition is performed using the spectral wavelengths obtained by adding λi to the set St. represents the analysis error due to the t-th calculation obtained by

スペクトル波長選定部16は、Ft≦E(St∪λi*)であれば、処理を打ち切り、λiに含まれる以外のスペクトル波長を、解析誤差を最小とするスペクトル波長として選定する。ここで、λi*は、E(St∪λi)を最小とするλiの中のいずれか1つのスペクトル波長である。 If Ft≦E(St∪λi*), the spectral wavelength selection unit 16 terminates the process and selects spectral wavelengths other than those included in λi as spectral wavelengths that minimize the analysis error. Here, λi* is any one spectral wavelength among λi that minimizes E(St∪λi).

これに対して、Ft>E(St∪λi*)であれば、スペクトル波長選定部16は、St+1=St∪λiとする。そして、t=t+1として、E(St∪λi)の計算及びFtとの比較を繰り返す。 On the other hand, if Ft>E(St∪λi*), the spectral wavelength selector 16 sets St+1=St∪λi. Then, with t=t+1, the calculation of E(St∪λi) and the comparison with Ft are repeated.

ここで、図3を参照して、スペクトル波長選定部16によるスペクトル波長の選定処理の大まかな流れを説明する。図3は、スペクトル波長の選定の概要を説明するための図である。ここでは、1000種類のスペクトル波長Sp1~Sp1000が使用可能な場合で説明する。実際には、スペクトル波長選定部16は、演算毎にスペクトル波長を追加して解析誤差を求めるが、その都度、選定したスペクトル波長をスペクトル解析部15に通知して推定された重みを取得する。ただし、以下の説明では、スペクトル解析部15による推定された重みの算出を省略して説明する。 Now, with reference to FIG. 3, a general flow of spectrum wavelength selection processing by the spectrum wavelength selection unit 16 will be described. FIG. 3 is a diagram for explaining an outline of selection of spectrum wavelengths. Here, the case where 1000 types of spectral wavelengths Sp1 to Sp1000 are available will be described. In practice, the spectrum wavelength selection unit 16 adds a spectrum wavelength for each calculation to obtain an analysis error. However, in the following description, calculation of estimated weights by the spectrum analysis unit 15 will be omitted.

スペクトル波長選定部16は、1回目の演算において、全てのスペクトル波長Sp1~Sp1000をそれぞれ1つずつ用いた場合の解析誤差Ae1-1~Ae1000-1を求める。そして、スペクトル波長選定部16は、解析誤差Ae1-1~Ae1000-1のうちスペクトル波長Sp100を用いた場合の解析誤差Ae100-1が最小であると判定し、スペクトル波長Sp100を選定するスペクトル波長に追加することを決定する。 In the first calculation, the spectrum wavelength selection unit 16 obtains analysis errors Ae1-1 to Ae1000-1 when all the spectrum wavelengths Sp1 to Sp1000 are used one by one. Then, the spectrum wavelength selection unit 16 determines that the analysis error Ae100-1 when using the spectrum wavelength Sp100 among the analysis errors Ae1-1 to Ae1000-1 is the smallest, and selects the spectrum wavelength Sp100 as the spectrum wavelength. Decide to add.

次に、スペクトル波長選定部16は、スペクトル波長Sp1~Sp1000からスペクトル波長Sp100を除いた中から、1つずつ選択してスペクトル波長Sp100に追加して、2回目の演算を行いそれぞれの解析誤差を求める。ここでは、スペクトル波長選定部16は、スペクトル波長Sp100にスペクトル波長Sp1~Sp9及びSp101~Sp1000をそれぞれ加えた場合の解析誤差Ae1-2~99-2及びAe101-2~Ae1000-1を求める。そして、スペクトル波長選定部16は、解析誤差Ae1-2~Ae99-2及びAe101-Ae2~Ae1000-1のうちスペクトル波長Sp1を用いた場合の解析誤差Ae1-1が最小であると判定し、スペクトル波長Sp1を選定するスペクトル波長に追加することを決定する。ここでは、F1>E(S1∪Sp1)の場合で説明する。 Next, the spectrum wavelength selection unit 16 selects one by one from the spectrum wavelengths Sp1 to Sp1000 excluding the spectrum wavelength Sp100, adds them to the spectrum wavelength Sp100, performs the second calculation, and calculates each analysis error. demand. Here, the spectrum wavelength selection unit 16 obtains the analysis errors Ae1-2 to 99-2 and Ae101-2 to Ae1000-1 when the spectrum wavelengths Sp1 to Sp9 and Sp101 to Sp1000 are added to the spectrum wavelength Sp100. Then, the spectrum wavelength selection unit 16 determines that the analysis error Ae1-1 when using the spectrum wavelength Sp1 among the analysis errors Ae1-2 to Ae99-2 and Ae101-Ae2 to Ae1000-1 is the smallest, and the spectrum It is decided to add the wavelength Sp1 to the spectral wavelengths of choice. Here, the case of F1>E (S1∪Sp1) will be described.

スペクトル波長選定部16は、スペクトル波長Sp1~Sp1000からスペクトル波長Sp1及びSp100を除いた中から、1つずつスペクトル波長を選択してスペクトル波長Sp1及びSp100に追加して、3回目の演算を行いそれぞれの解析誤差を求める。ここでは、スペクトル波長選定部16は、スペクトル波長Sp1及びSp100にスペクトル波長Sp2~Sp99及びSp101~Sp1000をそれぞれ加えた場合の解析誤差Ae2-3~Ae99-3及びAe101-3~Ae1000-3を求める。そして、スペクトル波長選定部16は、解析誤差Ae2-3~Ae99-3及びAe101-3~Ae1000-3の中から、値が最小となる解析誤差を特定する。このようにスペクトル波長選定部16は、スペクトル波長の選択を繰り返す。そして、解析誤差の最小値が暫定的な解析誤差よりも大きくなった場合に、スペクトル波長選定部16は、スペクトル波長の追加を終了して、それまでに選定したスペクトル波長を、スペクトル分解に使用するスペクトル波長として決定する。このスペクトル波長選定部16により決定されたスペクトル分解に使用するスペクトル波長が、「使用波長」の一例にあたる。 The spectral wavelength selection unit 16 selects spectral wavelengths one by one from the spectral wavelengths Sp1 to Sp1000 excluding the spectral wavelengths Sp1 and Sp100, adds them to the spectral wavelengths Sp1 and Sp100, and performs the third calculation. Find the analytical error of Here, the spectrum wavelength selection unit 16 obtains the analysis errors Ae2-3 to Ae99-3 and Ae101-3 to Ae1000-3 when the spectrum wavelengths Sp2 to Sp99 and Sp101 to Sp1000 are added to the spectrum wavelengths Sp1 and Sp100. . Then, the spectrum wavelength selection unit 16 specifies the analysis error with the smallest value from among the analysis errors Ae2-3 to Ae99-3 and Ae101-3 to Ae1000-3. In this manner, the spectrum wavelength selection unit 16 repeats the selection of spectrum wavelengths. Then, when the minimum value of the analysis error becomes larger than the provisional analysis error, the spectrum wavelength selection unit 16 ends the addition of spectrum wavelengths and uses the spectrum wavelengths selected so far for spectrum decomposition. is determined as the spectral wavelength at which The spectrum wavelength used for spectrum decomposition determined by the spectrum wavelength selection unit 16 corresponds to an example of the "use wavelength".

図4は、スペクトル波長の選定結果の一例を表す図である。図4は、縦軸でレーザ波長を表し、横軸でスペクトル波長にあたる波数を表す。図4における波数は、ラマンシフトで表される。図4では、縦軸のレーザ波長毎に、各波長のレーザを照射した場合のスペクトル波長選定部16が貪欲法により選定したスペクトル波長を表す。この場合、スペクトル波長は、レーザ波長毎に、7~33個のスペクトル波長が選ばれている。 FIG. 4 is a diagram showing an example of selection results of spectrum wavelengths. In FIG. 4, the vertical axis represents the laser wavelength, and the horizontal axis represents the wave number corresponding to the spectral wavelength. Wavenumbers in FIG. 4 are represented by Raman shifts. In FIG. 4 , spectral wavelengths selected by the spectral wavelength selection unit 16 by the greedy method when the laser of each wavelength is irradiated are shown for each laser wavelength on the vertical axis. In this case, 7 to 33 spectral wavelengths are selected for each laser wavelength.

図1に戻って説明を続ける。スペクトル解析部15は、検査対象物Zスペクトルの情報の入力を測定部12から受ける。また、スペクトル解析部15は、照射されるレーザの波長に応じて選定された検査対象物Zの同定・検知に用いるスペクトル波長の情報の入力をスペクトル波長選定部16から受ける。そして、スペクトル解析部15は、スペクトル分解を行い、検査対象物Zのスペクトルと重みを付加した基準物質のスペクトルの線形和との差が最小となる重みβを求める。以下に、スペクトル解析部15によるスペクトル分解の詳細を説明する。 Returning to FIG. 1, the description continues. The spectrum analysis unit 15 receives input of information on the inspection object Z spectrum from the measurement unit 12 . Further, the spectral analysis unit 15 receives from the spectral wavelength selection unit 16 input of information on the spectral wavelength used for identification/detection of the inspection object Z selected according to the wavelength of the irradiated laser. Then, the spectral analysis unit 15 performs spectral decomposition to obtain the weight β p that minimizes the difference between the spectrum of the inspection object Z and the linear sum of the weighted spectrum of the reference material. Details of spectrum decomposition by the spectrum analysis unit 15 will be described below.

N種類のスペクトル波長を用いる場合、スペクトルはN種類のスペクトル波長に対する強度であり、N次元のベクトルで表される。このベクトルの個々の要素が個別のスペクトルにあたる。ここで、データベース17に格納されたP種類の基準物質#pのスペクトルをそれぞれ列ベクトルxp(p=1~P)で表し、検査対象物Zのスペクトルをベクトルyで表す。yもN次元のベクトルで表される。 If N spectral wavelengths are used, the spectrum is the intensity for the N spectral wavelengths and is represented by an N-dimensional vector. Each element of this vector corresponds to a separate spectrum. Here, the spectra of the P types of reference substances #p stored in the database 17 are respectively represented by column vectors xp (p=1 to P), and the spectrum of the inspection object Z is represented by the vector y. y is also represented by an N-dimensional vector.

yと類似するスペクトルを列ベクトルxp(p=1~P)から探す処理は、列ベクトルxpの重みを加えた線形和とyとの差が最小となるように、重みを探索することで実現可能である。この探索は次の数式(3)で表される。 The process of searching for a spectrum similar to y from the column vector xp (p = 1 to P) is realized by searching for the weight so that the difference between the weighted linear sum of the column vector xp and y is minimized. It is possible. This search is represented by the following formula (3).

Figure 0007262345000003
Figure 0007262345000003

ここで、β(p=1~P)は各基準物質#pに対する重みである。Σβ×xpは、データベースに格納された基準物質のスペクトルの重みを付加した線形和である。以下では、Σβ×xpをxpの線形和と言う。Lは、yとxpの線形和との差を表すもので、ここでは「残差」と呼ぶ。また、minLは、この残差を最小化する重みβを探す関数を表す。また、βは、重みβ(p=1~P)を要素とする列行列であり、以下では重み行列という。この操作は、検査対象物Zのスペクトルを基準物質のスペクトルに分解していると見做せ、この操作がスペクトル分解にあたる。 where β p (p=1 to P) is the weight for each reference material #p. Σβ p ×xp is the weighted linear sum of the spectra of the reference materials stored in the database. Σβ p ×xp is hereinafter referred to as the linear sum of xp. L represents the difference between y and the linear sum of xp, here called the "residual". Also, minL represents a function that searches for a weight β p that minimizes this residual. β is a column matrix whose elements are weights β p (p=1 to P), and is hereinafter referred to as a weight matrix. This operation can be regarded as decomposing the spectrum of the inspection object Z into the spectrum of the reference substance, and this operation corresponds to spectral decomposition.

上述した数式(3)におけるL(β)は、残差としてxpの線形和とyとの差分のL2ノルムを表す。L2ノルムとは、ベクトルの各要素の2乗和の平方根であり、次の数式(4)で表される。本実施例では、スペクトル解析部15は、残差を求める際にL2ノルムを用いる。ここで、dは、d=(d(1),d(2),・・・,d(P))である。 L(β) in Equation (3) above represents the L2 norm of the difference between the linear sum of xp and y as a residual. The L2 norm is the square root of the sum of squares of each element of the vector, and is represented by the following formula (4). In this embodiment, the spectral analysis unit 15 uses the L2 norm when obtaining residuals. Here, d is d=(d (1) , d (2) , . . . , d (P) ).

Figure 0007262345000004
Figure 0007262345000004

また、残差Lとして、L2ノルムの代わりにL1ノルムを用いることもできる。L1ノルムは次の数式(5)で表される。 Also, as the residual L, the L1 norm can be used instead of the L2 norm. The L1 norm is represented by the following formula (5).

Figure 0007262345000005
Figure 0007262345000005

例えば、y=x1の時にLを最小化する重みは、β1=1、βq=(q=2~P)となることが期待でき、この重みから、対象物に基準物質#1が含まれると解釈できる。一般的には、0<βpであれば検査対象物質Zに基準物質#pが含まれ、0=βpであれば検査対象物質Zに基準物質#pが含まれないことを示す。また、係数の大きさは基準物質#pの濃度(割合)と解釈できる。なお、係数の大きさと濃度は、線形関係で近似可能と考えられ、その際の傾きは予備実験で取得したデータで決定可能である。 For example, the weights that minimize L when y = x1 can be expected to be β1 = 1 and βq = (q = 2 to P). interpretable. In general, 0<βp indicates that the test substance Z contains the reference substance #p, and 0=βp indicates that the test substance Z does not contain the reference substance #p. Also, the magnitude of the coefficient can be interpreted as the concentration (ratio) of the reference substance #p. It should be noted that the magnitude of the coefficient and the concentration can be approximated by a linear relationship, and the slope at that time can be determined from the data obtained in the preliminary experiment.

上述した残差としてL2ノルムを用いた場合の、残差の最小化の計算方法について説明する。図5は、重み係数を付加した基準物質のスペクトルの線形和を表す図である。ベクトルyと列ベクトルxpとはともに、列ベクトルである。P個の列ベクトルxpを並べた行列をXとすると、X=(x1 x2 ・・・ xp)と表される。 A calculation method for minimizing the residual when the L2 norm is used as the residual will be described. FIG. 5 is a diagram showing a linear sum of spectra of reference substances with weighting factors added. Both vector y and column vector xp are column vectors. Assuming that a matrix in which P column vectors xp are arranged is X, X=(x1 x2 . . . xp).

ここで、Xβは、図5に示す行列式で表される。各基準物質#1~#Pのスペクトルは図5に示す列ベクトルx1~xpで表される。Xは、列ベクトルx1~xpを並べた行列である。行列Xは、列毎に物質種類毎に並び、行毎にスペクトル波長毎に並ぶ。すなわち、行列Xの各行は、同じスペクトル波長における各基準物質#1~#Pそれぞれのスペクトルを含む。重み行列βの各要素β~βは、各要素が基準物質#pそれぞれに対する重みであり、基準物質#pの数であるP個と同数の要素を有する列ベクトルである。 Here, Xβ is represented by the determinant shown in FIG. Spectra of each reference substance #1 to #P are represented by column vectors x1 to xp shown in FIG. X is a matrix in which column vectors x1 to xp are arranged. In the matrix X, columns are arranged for each substance type, and rows are arranged for each spectral wavelength. That is, each row of matrix X contains the respective spectrum of each reference material #1-#P at the same spectral wavelength. Each element β 1 to β P of the weight matrix β is a weight for each reference substance #p, and is a column vector having the same number of elements as P, which is the number of reference substances #p.

このとき、残差Lは次の数式(6)で表される。 At this time, the residual L is represented by the following formula (6).

Figure 0007262345000006
Figure 0007262345000006

ここで、本実施例に係るスペクトル解析部15は、スペクトル波長選定部16により選定されたスペクトル波長に対応するスペクトルを用いて残差Lを求める。図6は、選定されたスペクトル波長を用いた場合の各基準物質のスペクトルの線形和を説明するための図である。図6におけるスペクトル波長を表す矢印上にあるスペクトル波長301が、スペクトル波長選定部16により選定されたスペクトル波長を表す。スペクトル解析部15は、図5に示すように、基準物質#pのそれぞれのスペクトルのうち選択されたスペクトル波長301に対応する行302にあたる部分の要素である個別スペクトルを用いてスペクトル分解を行う。例えば、20個のスペクトル波長が選ばれた場合、スペクトル解析部15は、行列Xにおける選定されたスペクトル波長301に対応する20個の行302を用いて求められる各基準物質#pのスペクトルの重みを付加した線形和を用いてスペクトル分解を実行する。 Here, the spectrum analysis unit 15 according to this embodiment obtains the residual L using the spectrum corresponding to the spectrum wavelength selected by the spectrum wavelength selection unit 16 . FIG. 6 is a diagram for explaining the linear sum of the spectra of each reference substance when using the selected spectral wavelengths. A spectrum wavelength 301 on an arrow representing a spectrum wavelength in FIG. 6 represents a spectrum wavelength selected by the spectrum wavelength selection unit 16 . As shown in FIG. 5, the spectral analysis unit 15 performs spectral decomposition using the individual spectra, which are the elements of the row 302 corresponding to the selected spectral wavelength 301 of each spectrum of the reference substance #p. For example, if 20 spectral wavelengths are selected, the spectral analysis unit 15 weights the spectrum of each reference material #p determined using the 20 rows 302 corresponding to the selected spectral wavelengths 301 in the matrix X. Perform spectral decomposition using linear summation with

例えば、スペクトル解析部15は、残差Lを最小化する重み行列βを、β=(X’X)-1X’yとして求めることができる。ここで、添え字のダッシュは転置を表し、添え字の-1は逆行列を表す。 For example, the spectrum analysis unit 15 can obtain the weighting matrix β that minimizes the residual L as β=(X'X) −1 X'y. Here, the subscript dash represents transposition, and the subscript -1 represents the inverse matrix.

スペクトル解析部15は、残差であるLを最小化する重み行列βを求める演算として、P個の説明変数を有するN個のデータに対する重回帰の計算を行う。ただし、本実施例に係るスペクトル解析部15は、数式(4)における係数である各重みβpが非負であるという条件を課して、重回帰の計算を実行する。スペクトル解析部15は、本実施例ではL2ノルムを用いて残差であるLを算出することから、二次計画法を用いて残差であるLを最小化する重み行列βを求める。ここで、L1ノルムを用いて残差を求める場合、スペクトル解析部15は、線形計画法を用いることで、残差であるLを最小化する重み行列βを求めることができる。 The spectral analysis unit 15 performs multiple regression calculation for N data having P explanatory variables as a calculation for obtaining a weighting matrix β that minimizes L, which is a residual. However, the spectrum analysis unit 15 according to the present embodiment performs multiple regression calculation under the condition that each weight βp, which is a coefficient in Equation (4), is non-negative. Since the spectrum analysis unit 15 calculates the residual L using the L2 norm in this embodiment, the weight matrix β that minimizes the residual L is obtained using the quadratic programming method. Here, when obtaining the residual using the L1 norm, the spectral analysis unit 15 can obtain the weight matrix β that minimizes the residual L by using linear programming.

このように、重みβp(ここでは、重みβpが式の係数であることから、「係数」と呼称して説明する。)を非負として重回帰の計算を行うことで、係数の解釈が容易になり、演算を容易に行うことができる。係数が非負であるという条件を課さずに残差であるLを最小化する重み行列βを求めると、負の回帰係数が得られる場合があり、その場合には負の回帰係数をどのように解釈するかという課題が生じる。これに対して、係数が非負であるという条件を課した場合には負の回帰係数の解釈の問題は生じず、スペクトル解析部15は、容易にスペクトル分解を実行することができる。 In this way, the weight βp (here, since the weight βp is the coefficient of the formula, it will be referred to as a “coefficient” for explanation) is non-negative and the multiple regression calculation is performed, thereby facilitating the interpretation of the coefficient. and the calculation can be easily performed. Finding the weight matrix β that minimizes the residual L without imposing the condition that the coefficients are non-negative may result in negative regression coefficients. The problem of interpretation arises. On the other hand, if the condition that the coefficients are non-negative is imposed, there is no problem of interpreting negative regression coefficients, and the spectrum analysis unit 15 can easily perform spectrum decomposition.

また、係数を非負として重回帰の計算を行うことで、係数を安定化させることができる。例えば、類似のスペクトルを有する基準物質#aと基準物質#bとが存在する場合を例に、係数の安定化について説明する。基準物質#a及び基準物質#bのそれぞれのスペクトルをxa及びxbとする。また、基準物質#a及び基準物質#bのそれぞれの重みをβa及びβbとする。この場合、これらのスペクトルの線形和はβ×xa+β×xbと表される。 In addition, the coefficients can be stabilized by performing multiple regression calculations with non-negative coefficients. For example, the stabilization of coefficients will be described by taking as an example a case where reference material #a and reference material #b having similar spectra are present. Let xa and xb be the spectra of reference material #a and reference material #b, respectively. Let βa and βb be the weights of the reference material #a and the reference material #b, respectively. In this case, the linear sum of these spectra is expressed as β a ×xa+β b ×xb.

スペクトルxa及びxbの類似性から、β=-βの場合、基準物質#a及び基準物質#bのスペクトルの線形和は、おおよそゼロになる。このように、類似したスペクトルがある場合、係数が負であることを許容すると、各スペクトルを打ち消し合うようにそれぞれの係数が決定される場合があり、これが係数の不安定化に繋がる。この不安定化の問題は、重回帰では多重共線性と呼ばれる。これに対して、本実施例では重みが非負であるという条件を課すことで係数の不安定化が軽減され、スペクトル解析部15は、重みを適切に算出することができる。 Due to the similarity of spectra xa and xb, the linear sum of the spectra of reference material #a and reference material #b is approximately zero when β a =−β b . In this way, when there are similar spectra, if the coefficients are allowed to be negative, the respective coefficients may be determined such that the spectra cancel each other out, leading to destabilization of the coefficients. This destabilization problem is called multicollinearity in multiple regression. On the other hand, in this embodiment, by imposing the condition that the weights are non-negative, the destabilization of the coefficients is alleviated, and the spectrum analysis unit 15 can appropriately calculate the weights.

以上のような重みβの算出を行った後、スペクトル解析部15は、算出した各基準物質#pに対応する重みβの情報を同定検知部14へ出力する。 After calculating the weight β p as described above, the spectrum analysis unit 15 outputs information on the calculated weight β p corresponding to each reference substance #p to the identification detection unit 14 .

また、スペクトル解析部15は、テストスペクトルをスペクトル波長選定部16から受信して、スペクトル分解の依頼を受ける。この場合、スペクトル解析部15は、取得したテストスペクトルの情報を検査対象物Zのスペクトルの情報と同様に扱って、スペクトル分解を実行し、基準物質#p毎の重みを算出する。ただし、スペクトル解析部15は、スペクトル波長選定部16が実行する貪欲法によるスペクトル波長の選択処理において、各計算段階でスペクトル波長選定部16により指定された集合に含まれるスペクトル波長を用いてスペクトル分解を実行する。スペクトル解析部15は、算出した基準物質#p毎の重みを推定された重みとしてスペクトル波長選定部16へ送信する。 Also, the spectrum analysis unit 15 receives the test spectrum from the spectrum wavelength selection unit 16 and receives a request for spectrum decomposition. In this case, the spectrum analysis unit 15 treats the acquired test spectrum information in the same manner as the spectrum information of the inspection object Z, performs spectrum decomposition, and calculates the weight for each reference material #p. However, in the spectral wavelength selection process by the greedy method executed by the spectral wavelength selection unit 16, the spectral analysis unit 15 performs spectral decomposition using the spectral wavelengths included in the set specified by the spectral wavelength selection unit 16 at each calculation stage. to run. The spectrum analysis unit 15 transmits the calculated weight for each reference substance #p to the spectrum wavelength selection unit 16 as an estimated weight.

図1に戻って説明を続ける。同定検知部14は、図示しない入力部からの操作者による検査対象物Zの同定・検知の実行指示を受ける。検査対象物Zの同定・検知の実行指示を受けると、同定検知部14は、発光部11にレーザの照射を指示する。 Returning to FIG. 1, the description continues. The identification detection unit 14 receives an execution instruction for identification and detection of the inspection object Z from an operator from an input unit (not shown). Upon receiving an instruction to execute identification/detection of the inspection object Z, the identification detection unit 14 instructs the light emitting unit 11 to emit laser light.

その後、同定検知部14は、検査対象物Zからの各レーザ波長を有するレーザを照射したときの散乱光により得られる検査対象物Zのスペクトルから求められた各基準物質#pの重みβをスペクトル解析部15から取得する。 After that, the identification detection unit 14 calculates the weight βp of each reference substance #p obtained from the spectrum of the inspection object Z obtained from the scattered light when the inspection object Z is irradiated with the laser having each laser wavelength. Obtained from the spectrum analysis unit 15 .

ここで、同定検知部14がスペクトル解析部15から取得する重みβは、選定されたスペクトル波長を用いたスペクトル分解の結果である重みである。すなわち、同定検知部14は、選定されたスペクトル波長に対応する検査対象物質Zの要素、及び、重みβを各々に付加した選定されたスペクトル波長に対応する各基準物質#pのスペクトルの線形和を用いることで求められた重みβをスペクトル解析部15から取得する。これは、各基準物質#pの特徴が表われるスペクトル波長を用いて求められた重みであり、スペクトル分解におけるノイズを軽減して求められた重みと言える。選定されたスペクトル波長に対応する各基準物質#pのスペクトルが、「制限スペクトル」の一例あたる。 Here, the weight β p acquired by the identification detection unit 14 from the spectrum analysis unit 15 is a weight that is the result of spectrum decomposition using the selected spectrum wavelength. That is, the identification detection unit 14 detects the element of the inspection target substance Z corresponding to the selected spectral wavelength, and the spectral linearity of each reference substance #p corresponding to the selected spectral wavelength to which the weight βp is added. A weight β p obtained by using the sum is acquired from the spectrum analysis unit 15 . This is a weight obtained using the spectral wavelength at which the characteristic of each reference material #p appears, and can be said to be a weight obtained by reducing noise in spectral decomposition. The spectrum of each reference material #p corresponding to the selected spectral wavelength is an example of a "restricted spectrum."

同定検知部102は、取得した重みβ及びデータベース17に格納された基準物質#pの情報を用いて同定・検知を実行する。同定検知部102は、ノイズを抑えたスペクトル分解により算出された重みβを用いることで、正確に同定・検知を行うことができる。その後、同定検知部14は、同定・検知の結果を通知部13へ出力する。 The identification detection unit 102 executes identification/detection using the acquired weight β p and information on the reference material #p stored in the database 17 . The identification detection unit 102 can perform accurate identification/detection by using the weight βp calculated by spectrum decomposition with reduced noise. After that, the identification detection unit 14 outputs the identification/detection result to the notification unit 13 .

通知部13は、同定・検知の結果の入力を同定検知部14から受ける。そして、通知部13は、表示装置などに同定・検知の結果を出力させて、操作者への同定・検知の結果の通知を行う。 The notification unit 13 receives an input of identification/detection results from the identification detection unit 14 . Then, the notification unit 13 causes a display device or the like to output the identification/detection result, and notifies the operator of the identification/detection result.

次に、図7を参照して、本実施例に係る物質検査装置1による同定・検知処理の流れについて説明する。図7は、実施例1に係る物質検査装置による同定・検知処理のフローチャートである。 Next, with reference to FIG. 7, the flow of identification/detection processing by the substance inspection device 1 according to the present embodiment will be described. FIG. 7 is a flowchart of identification/detection processing by the substance inspection device according to the first embodiment.

スペクトル波長選定部16は、スペクトル波長の選定処理を実行する(ステップS1)。その後、スペクトル波長選定部16は、選定したスペクトル波長の情報をスペクト解析部15へ通知する。 The spectral wavelength selection unit 16 executes spectral wavelength selection processing (step S1). After that, the spectrum wavelength selection unit 16 notifies the spectrum analysis unit 15 of information on the selected spectrum wavelength.

同定検知部102は、操作者からの検査対象物Zの同定・検知の実行指示を受けて、発光部11にレーザの照射を指示する。発光部11は、同定検知部102からの指示を受けてレーザを検査対象物質Zへ照射する(ステップS2)。 The identification detection unit 102 receives an execution instruction to identify and detect the inspection object Z from the operator, and instructs the light emission unit 11 to emit laser light. The light emitting unit 11 receives the instruction from the identification detection unit 102 and irradiates the inspection object substance Z with laser light (step S2).

測定部12は、検査対象物質Zからの散乱光を受光する(ステップS3)。そして、測定部12は、検査対象物質Zのスペクトルの情報を生成してスペクトル解析部15へ出力する。 The measurement unit 12 receives the scattered light from the inspection target substance Z (step S3). Then, the measurement unit 12 generates information on the spectrum of the substance Z to be inspected and outputs the information to the spectrum analysis unit 15 .

スペクトル解析部15は、スペクトル波長の選定結果の通知をスペクトル波長選定部16から受ける。また、スペクトル解析部15は、検査対象物質Zのスペクトルの情報の入力を測定部12から受ける。そして、スペクトル解析部15は、選定されたスペクトル波長を用いて、重みβが非負の条件を課して検査対象物質Zのスペクトルと重みβを付加した基準物質のスペクトルの線形和との差が最小となる重みを求めることで、スペクトル分解を実行する(ステップS4)。その後、スペクトル解析部15は、算出した重みβの情報を同定検知部14へ出力する。 The spectrum analysis unit 15 receives notification of the selection result of the spectrum wavelength from the spectrum wavelength selection unit 16 . The spectrum analysis unit 15 also receives input of information on the spectrum of the substance Z to be inspected from the measurement unit 12 . Then, using the selected spectral wavelength, the spectral analysis unit 15 imposes a condition that the weight β p is non-negative, and the linear sum of the spectrum of the inspection target substance Z and the spectrum of the reference substance to which the weight β p is added. Spectral decomposition is performed by finding the weight that minimizes the difference (step S4). After that, spectrum analysis section 15 outputs information on calculated weight β p to identification detection section 14 .

同定検知部14は、算出された重みβの情報の入力をスペクトル解析部15から受ける。そして、同定検知部14は、データベース17に格納された基準物質#pのスペクトルの情報を用いて、検査対象物質Zの同定・検知を実行する(ステップS5)。その後、通知部13は、同定・検知の結果を操作者に通知する。 The identification detection unit 14 receives input of information on the calculated weight β p from the spectrum analysis unit 15 . Then, the identification detection unit 14 uses the spectral information of the reference substance #p stored in the database 17 to identify and detect the inspection target substance Z (step S5). After that, the notification unit 13 notifies the operator of the identification/detection result.

次に、図8を参照して、スペクトル波長の選定処理の流れについて説明する。図8は、スペクトル波長選定部及びスペクトル解析部によるスペクトル波長の選定処理のフローチャートである。図8のフローチャートで示した処理は、図7のステップS1で実施される処理の一例にあたる。 Next, the flow of spectrum wavelength selection processing will be described with reference to FIG. FIG. 8 is a flowchart of spectrum wavelength selection processing by the spectrum wavelength selection unit and the spectrum analysis unit. The process shown in the flowchart of FIG. 8 corresponds to an example of the process performed in step S1 of FIG.

スペクトル波長選定部16は、乱数を用いてテスト重みを生成する(ステップS101)。 The spectral wavelength selector 16 generates test weights using random numbers (step S101).

次に、スペクトル波長選定部16は、テスト重みを付加した基準物質のスペクトルの線形和を求める。さらに、スペクトル波長選定部16は、テスト重みを付加した基準物質のスペクトルの線形和にランダムに生成したノイズ成分を加えて、テストスペクトルを合成する(ステップS102)。その後、スペクトル波長選定部16は、テストスペクトルをスペクトル解析部15へ送信する。 Next, the spectrum wavelength selector 16 obtains a linear sum of the test-weighted spectra of the reference material. Furthermore, the spectral wavelength selection unit 16 adds randomly generated noise components to the linear sum of the test-weighted reference substance spectra to synthesize a test spectrum (step S102). After that, spectrum wavelength selection section 16 transmits the test spectrum to spectrum analysis section 15 .

次に、スペクトル波長選定部16は、選択対象となるスペクトル波長λiをN種類の全てのスペクトル波長とする。すなわち、λi=(λ1,・・・,λN)である。また、スペクトル波長選定部16は、1回目の演算で用いる既に選択されたスペクトル波長の集合であるS1を空集合とし、1回目の演算で用いる解析誤差であるF1を無限大とする。さらに、スペクトル波長選定部16は、解析誤差の演算回数tを1に設定する(ステップS103)。 Next, the spectrum wavelength selection unit 16 selects all the N types of spectrum wavelengths as the spectrum wavelengths λi to be selected. That is, λi=(λ1, . . . , λN). Also, the spectrum wavelength selection unit 16 sets S1, which is a set of already selected spectrum wavelengths used in the first calculation, to an empty set, and sets F1, which is an analysis error used in the first calculation, to infinity. Furthermore, the spectrum wavelength selection unit 16 sets the number of calculations t of the analysis error to 1 (step S103).

次に、スペクトル波長選定部16は、選択対象となるスペクトル波長λiの中から未選択のスペクトル波長を1つ選択する。この選択されたスペクトル波長をλsとする(ステップS104)。 Next, the spectrum wavelength selection unit 16 selects one unselected spectrum wavelength from among the spectrum wavelengths λi to be selected. Let λs be the selected spectral wavelength (step S104).

次に、スペクトル波長選定部16は、t回目の演算で用いる既に選択されているスペクトル波長の集合Stにλsを加えた選択されたスペクトル波長の集合の情報をスペクトル解析部15に通知し、スペクトル分解の実行を指示する。そして、スペクトル解析部15は、選択されたスペクトル波長を用いて、テストスペクトルのスペクトル分解を実行する(ステップS105)。その後、スペクトル解析部15は、スペクトル分解で得られた推定された重みβをスペクトル波長選定部16へ送信する。 Next, the spectrum wavelength selection unit 16 notifies the spectrum analysis unit 15 of information on the set of spectrum wavelengths selected by adding λs to the set St of spectrum wavelengths already selected for use in the t-th calculation, and Instructs the execution of decomposition. The spectral analysis unit 15 then performs spectral decomposition of the test spectrum using the selected spectral wavelength (step S105). After that, the spectral analysis unit 15 transmits the estimated weights β p obtained by spectral decomposition to the spectral wavelength selection unit 16 .

スペクトル波長選定部16は、推定された重みβをスペクトル波長選定部16から受信する。そして、スペクトル波長選定部16は、既に選択されているスペクトル波長の集合Stにλsを加えた選択されたスペクトル波長を用いた場合の解析誤差E(St∪λs)を算出する(ステップS106)。 The spectral wavelength selector 16 receives the estimated weights β p from the spectral wavelength selector 16 . Then, the spectrum wavelength selection unit 16 calculates the analysis error E(St∪λs) when using the spectrum wavelength selected by adding λs to the already selected spectrum wavelength set St (step S106).

その後、スペクトル波長選定部16は、λiに含まれる全てのスペクトル波長について、各スペクトル波長を追加した場合の解析誤差の算出が完了したか否かを判定する(ステップS107)。追加した場合の解析誤差を求めていないスペクトル波長が残存する場合(ステップS107:否定)、スペクトル波長の選定処理は、ステップS104へ戻る。 After that, the spectrum wavelength selection unit 16 determines whether or not calculation of the analysis error when each spectrum wavelength is added has been completed for all spectrum wavelengths included in λi (step S107). If there remains a spectral wavelength for which an analysis error has not been calculated for the addition (step S107: No), the spectral wavelength selection process returns to step S104.

これに対して、λiに含まれる全てのスペクトル波長について、追加した場合の解析誤差の算出が完了した場合(ステップS107:肯定)、スペクトル波長選定部16は、λiの中で追加した場合の解析誤差が最小となるスペクトル波長であるλi*を特定する(ステップS108)。 On the other hand, when the calculation of the analysis error in the case of addition has been completed for all spectrum wavelengths included in λi (step S107: Yes), the spectrum wavelength selection unit 16 performs the analysis in the case of addition in λi. λi*, which is the spectral wavelength that minimizes the error, is specified (step S108).

次に、スペクトル波長選定部16は、t-1回目の演算で算出された暫定的な解析誤差Ftが、選択したスペクトル波長λi*を既に選択されたスペクトル波長の集合Stに追加した場合の解析誤差であるE(St∪λi*)以下か否かを判定する(ステップS109)。 Next, the spectrum wavelength selection unit 16 performs analysis when the provisional analysis error Ft calculated in the t-1th calculation is added to the set St of already selected spectrum wavelengths with the selected spectrum wavelength λi*. It is determined whether or not the error is equal to or less than E(St∪λi*) (step S109).

FtがE(St∪λi*)より大きい場合(ステップS109:否定)、スペクトル波長選定部16は、λiに含まれるスペクトル波長からスペクトル波長λi*を除いた集合をλiとする(ステップS110)。 If Ft is greater than E(St∪λi*) (step S109: No), the spectrum wavelength selection unit 16 sets λi as a set obtained by removing the spectrum wavelength λi* from the spectrum wavelengths included in λi (step S110).

さらに、スペクトル波長選定部16は、演算の繰り返し回数であるtを1つインクリメントする。また、スペクトル波長選定部16は、スペクトル波長λi*を既に選択されているスペクトル波長の集合Stに追加した場合の解析誤差であるE(St∪λi*)を、次の演算で用いられる暫定的な解析誤差Ftとする。さらに、スペクトル波長選定部16は、スペクトル波長λi*を既に選択されているスペクトル波長の集合Stに追加した集合を、次の演算における既に選択されたスペクトル波長の集合Stとする(ステップS111)。その後、スペクトル波長の選定処理は、ステップS104へ戻る。 Furthermore, the spectrum wavelength selection unit 16 increments t, which is the number of repetitions of the calculation, by one. In addition, the spectrum wavelength selection unit 16 converts E(St∪λi*), which is an analysis error when adding the spectrum wavelength λi* to the already selected set St of spectrum wavelengths, into a provisional is an analytical error Ft. Furthermore, the spectrum wavelength selection unit 16 sets the set obtained by adding the spectrum wavelength λi* to the already selected set St of spectrum wavelengths as the set St of already selected spectrum wavelengths in the next calculation (step S111). Thereafter, the spectral wavelength selection process returns to step S104.

これに対して、FtがE(St∪λi*)以下の場合(ステップS109:否定)、スペクトル波長選定部16は、既に選択されたスペクトル波長の集合Stに含まれるスペクトルを選定するスペクトル波長として決定する(ステップS112)。 On the other hand, if Ft is equal to or less than E(St∪λi*) (step S109: NO), the spectrum wavelength selection unit 16 selects a spectrum included in the already selected set St of spectrum wavelengths as a spectrum wavelength Determine (step S112).

以上に説明したように、本実施例に係る物質検査装置は、スペクトル分解に使用するスペクトル波長を選定する。そして、物質検査装置は、選定したスペクトル波長を用いて、重みを付加した基準物質のスペクトルの線形和と検査対象物質のスペクトルとが最小となる重みを、重みが非負であるという条件を課して求める。選定したスペクトル波形を用いてスペクトル分解を行うことで、重みを求める上でのノイズを減らすことができ、より正確な重みの算出を行うことができる。したがって、ノイズが想定される環境下においても高精度な同定や検知を実行することができる。また、重みが非負である条件を課すことで、重みの解釈が容易となり且つ算出される重みが安定化するので、正確な重みの算出を行うことができる。したがって、より高精度な同定や検知を実行することができる。 As described above, the material inspection apparatus according to this embodiment selects spectral wavelengths to be used for spectral decomposition. Then, using the selected spectral wavelength, the substance inspection apparatus imposes a weight that minimizes the linear sum of the weighted reference substance spectrum and the test target substance spectrum, and imposes a condition that the weight is non-negative. ask for By performing spectral decomposition using the selected spectral waveform, noise in obtaining the weight can be reduced, and more accurate weight calculation can be performed. Therefore, highly accurate identification and detection can be performed even in an environment where noise is assumed. Moreover, by imposing the condition that the weights are non-negative, the weights can be easily interpreted and the calculated weights can be stabilized, so that the weights can be calculated accurately. Therefore, more accurate identification and detection can be performed.

図9は、実施例2に係る物質検査装置のブロック図である。本実施例に係る物質検査装置1は、解析誤差が最小のレーザ波長の選定を実行し、選定したレーザ波長を照射してスペクトル分解を行い、同定・検知を実行することが実施例1と異なる。本実施例に係る物質検査装置1は、実施例1の物質検査装置1が有する各部に加えてレーザ波長選定部18をさらに有する。以下の説明では、実施例1と同様の各部の動作については説明を省略する。 FIG. 9 is a block diagram of a material inspection device according to the second embodiment. The substance inspection apparatus 1 according to the present embodiment selects a laser wavelength with a minimum analysis error, irradiates the selected laser wavelength to perform spectral decomposition, and executes identification and detection, which is different from the first embodiment. . The material inspection apparatus 1 according to the present embodiment further includes a laser wavelength selection section 18 in addition to the components of the material inspection apparatus 1 according to the first embodiment. In the following description, the description of the operation of each unit similar to that of the first embodiment will be omitted.

データベース17は、使用可能なレーザ波長毎の基準物質のスペクトルを、基準物質毎に保持する。図10は、レーザ波長と特定の物質のスペクトルの関係を表す図である。レーザ波長が異なるとスペクトル波長毎の強度が変化する。すなわち、レーザ波長が異なる毎に、特定の物質のスペクトルを表す列ベクトルの各要素であるスペクトル波長毎の個別のスペクトルの値が変化する。例えば、レーザ波長の種類がK個ある場合、特定の物質のスペクトルを表す列ベクトルは、図10に示すように、レーザ波長毎に異なる特定の物質のスペクトル##1~##Rと表される。例えば、データベース17は、基準物質毎に、図10に示すような各レーザ波長に対応するスペクトルを表す列ベクトルの各要素を保持する。 The database 17 holds the spectrum of the reference substance for each usable laser wavelength for each reference substance. FIG. 10 is a diagram showing the relationship between the laser wavelength and the spectrum of a specific substance. Different laser wavelengths change the intensity for each spectral wavelength. That is, each time the laser wavelength is different, the individual spectral value for each spectral wavelength, which is each element of the column vector representing the spectrum of a particular substance, changes. For example, if there are K types of laser wavelengths, the column vector representing the spectrum of a specific substance is expressed as spectrums ##1 to ##R of a specific substance that differ for each laser wavelength, as shown in FIG. be. For example, the database 17 holds each element of a column vector representing a spectrum corresponding to each laser wavelength as shown in FIG. 10 for each reference substance.

ここで、レーザの波長毎にスペクトルが異なることから、スペクトル分解の精度は照射するレーザの波長に依存する。そこで、照射するレーザには、解析誤差が最小となる波長のレーザを用いることが好ましい。 Here, since the spectrum differs for each wavelength of the laser, the accuracy of spectral resolution depends on the wavelength of the irradiated laser. Therefore, it is preferable to use a laser beam with a wavelength that minimizes the analysis error.

図9に戻って説明を続ける。レーザ波長選定部18は、使用可能なレーザの波長を予め記憶する。例えば、使用可能なレーザの波長がK種類ある場合、レーザ波長選定部18は、R個のレーザ波長を記憶する。 Returning to FIG. 9, the description continues. The laser wavelength selection unit 18 stores in advance the wavelengths of usable lasers. For example, if there are K types of usable laser wavelengths, the laser wavelength selector 18 stores R laser wavelengths.

レーザ波長選定部18は、使用可能なレーザ波長の中から1つレーザ波長を選択する。次に、レーザ波長選定部18は、各基準物質#pの選択したレーザ波長に対応するスペクトルの情報をデータベース17から取得し、各基準物質#pのスペクトルを表す列ベクトルを生成する。次に、レーザ波長選定部18は、各基準物質#pの重みをランダムに生成してテスト重みとする。次に、レーザ波長選定部18は、テスト重みを各基準物質#pの列ベクトルに付加し、テスト重みを付加した各基準物質#pを表す列ベクトルの線形和を求める。 The laser wavelength selection unit 18 selects one laser wavelength from available laser wavelengths. Next, the laser wavelength selection unit 18 acquires information on the spectrum corresponding to the selected laser wavelength of each reference material #p from the database 17, and generates a column vector representing the spectrum of each reference material #p. Next, the laser wavelength selection unit 18 randomly generates a weight for each reference material #p as a test weight. Next, the laser wavelength selector 18 adds a test weight to the column vector of each reference material #p, and obtains a linear sum of the column vectors representing each reference material #p to which the test weight is added.

次に、レーザ波長選定部18は、ランダムにノイズ成分を生成する。そして、レーザ波長選定部18は、テスト重みを付加した各基準物質#pのスペクトルの線形和に生成したノイズ成分を加えてレーザ波長選定用テストスペクトルを合成する。そして、レーザ波長選定部18は、合成したレーザ波長選定用テストスペクトルをスペクトル解析部15に送信し、スペクトル分解を依頼する。 Next, the laser wavelength selector 18 randomly generates noise components. Then, the laser wavelength selection unit 18 adds the generated noise component to the linear sum of the test-weighted spectrum of each reference material #p to synthesize a test spectrum for laser wavelength selection. Then, the laser wavelength selection unit 18 transmits the synthesized test spectrum for laser wavelength selection to the spectrum analysis unit 15 and requests spectrum decomposition.

その後、レーザ波長選定部18は、レーザ波長選定用テストスペクトルのスペクトル分解の結果である推定された重みをスペクトル解析部15から取得する。次に、スペクトル波長選定部16は、推定された重み及びテスト重みを用いて解析誤差を求める。例えば、レーザ波長選定部18は、スペクトル波長選定部16と同様に数式(5)又は(6)を用いて、解析誤差を求める。 After that, the laser wavelength selection unit 18 obtains from the spectrum analysis unit 15 the estimated weight that is the result of the spectral decomposition of the test spectrum for laser wavelength selection. Next, the spectral wavelength selector 16 uses the estimated weights and test weights to obtain an analysis error. For example, the laser wavelength selection unit 18 uses equation (5) or (6) in the same way as the spectrum wavelength selection unit 16 to find the analysis error.

レーザ波長選定部18は、使用可能な各レーザ波長について解析誤差を求める。そして、レーザ波長選定部18は。解析誤差が最小となるレーザ波長を照射レーザ波長と決定する。そして、レーザ波長選定部18は、照射レーザ波長の情報を同定検知部14へ通知する。このレーザ波長選定部18が、「光波長選定部」の一例にあたる。 The laser wavelength selector 18 obtains an analysis error for each usable laser wavelength. And the laser wavelength selection unit 18 is: The laser wavelength that minimizes the analysis error is determined as the irradiation laser wavelength. Then, the laser wavelength selection unit 18 notifies the identification detection unit 14 of information on the irradiation laser wavelength. This laser wavelength selection unit 18 corresponds to an example of the "optical wavelength selection unit".

図11は、レーザ波長毎の解析誤差の一例を表す図である。図11の縦軸は解析誤差を表し、横軸はレーザ波長の種類を表す。例えば、各レーザ波長を用いた場合の解析誤差が図11で示すように求められた場合、棒グラフ400で示されるレーザ波長が213.51nmのときに解析誤差が最小の0.007となる。そこで、レーザ波長選定部18は、照射レーザ波長を213.51nmと決定する。 FIG. 11 is a diagram showing an example of analysis error for each laser wavelength. The vertical axis in FIG. 11 represents the analysis error, and the horizontal axis represents the type of laser wavelength. For example, when the analysis error when using each laser wavelength is obtained as shown in FIG. 11, the minimum analysis error is 0.007 when the laser wavelength shown in the bar graph 400 is 213.51 nm. Therefore, the laser wavelength selection unit 18 determines the irradiation laser wavelength to be 213.51 nm.

同定検知部14は、照射レーザ波長の情報の通知をレーザ波長選定部18から受ける。また、同定検知部14は、操作者による検査対象物Zの同定・検知の実行指示を受けて、レーザ波長選定部18からから通知された照射レーザ波長を有するレーザの照射を発光部11に指示する。その後、同定検知部14は、スペクトル解析部15から、検査対象物Zからの照射レーザ波長を有するレーザを照射したときの散乱光にから得られる検査対象物Zのスペクトルから求められた各基準物質#pの重みβをスペクトル解析部15から受ける。そして、同定検知部14は、取得した重みβを用いて同定・検知を実行する。 The identification detection unit 14 receives notification of information on the irradiation laser wavelength from the laser wavelength selection unit 18 . Further, the identification detection unit 14 receives an instruction from the operator to identify and detect the inspection object Z, and instructs the light emission unit 11 to irradiate the laser having the irradiation laser wavelength notified from the laser wavelength selection unit 18. do. After that, the identification detection unit 14 detects each reference substance obtained from the spectrum of the inspection object Z obtained from the spectrum of the inspection object Z obtained from the scattered light when the laser having the irradiation laser wavelength from the inspection object Z is irradiated from the spectrum analysis unit 15 The weight β p of #p is received from the spectrum analysis unit 15 . Then, the identification detection unit 14 executes identification/detection using the acquired weight βp .

例えば、レーザ波長毎の選定されたスペクトル波長が図4で表される場合、レーザ波長選定部18により照射レーザ波長が213.51nmと決定されると、スペクトル解析部15は、図4の黒塗の点200で表されるスペクトル波長を用いてスペクトル分解を実行する。 For example, when the spectral wavelength selected for each laser wavelength is shown in FIG. Spectral decomposition is performed using the spectral wavelengths represented by points 200 in .

図12は、同定結果の一例を表す図である。図12は、レーザ波長選定部18により照射レーザ波長が213.51nmと決定され、図4における点200で表されるスペクトル波長を用いてスペクトル解析部15がスペクトル分解を実行した場合の同定結果である。また、データベース17は、基準物質として、CO、O、N、H、CH、NH及びSOのスペクトルを保持する。 FIG. 12 is a diagram showing an example of identification results. FIG. 12 shows the identification result when the irradiation laser wavelength is determined to be 213.51 nm by the laser wavelength selection unit 18, and the spectrum analysis unit 15 performs spectral decomposition using the spectrum wavelength represented by the point 200 in FIG. be. The database 17 also holds spectra of CO 2 , O 2 , N 2 , H 2 , CH 4 , NH 3 and SO 2 as reference substances.

この場合、CO、O、N、H、CH、NH及びSOのテスト重みを、それぞれ、0.18、0.07、0.06、0.14、0.19、0.11及び0.25と決定する。そして、物質検査装置1は、そのテスト重みを用いて生成したスペクトルをスペクトル分解することで、各基準物質に対する重みを表す値として0.18、0.07、0.06、0.14、0.18、0.11及び0.25を得る。このように、テスト重みに対して、物質検査装置1による推定結果としてほぼ同じ値を有する推定結果が得られる。したがって、本実施例に係る物質検査装置1は、高精度な同定や検知を行うことができるといえる。 In this case, the test weights for CO2 , O2 , N2 , H2 , CH4 , NH3 and SO2 are respectively 0.18, 0.07, 0.06, 0.14, 0.19, Determine 0.11 and 0.25. Then, the substance inspection apparatus 1 spectrally decomposes the spectrum generated using the test weights, and obtains values of 0.18, 0.07, 0.06, 0.14, and 0 representing weights for the respective reference substances. .18, 0.11 and 0.25 are obtained. In this way, an estimation result having substantially the same value as the estimation result by the material inspection device 1 is obtained for the test weight. Therefore, it can be said that the substance inspection device 1 according to the present embodiment can perform highly accurate identification and detection.

次に、図13を参照して、本実施例に係る物質検査装置1による同定・検知処理の流れについて説明する。図13は、実施例2に係る物質検査装置による同定・検知処理のフローチャートである。 Next, with reference to FIG. 13, the flow of identification/detection processing by the substance inspection apparatus 1 according to the present embodiment will be described. FIG. 13 is a flowchart of identification/detection processing by the substance inspection device according to the second embodiment.

スペクトル波長選定部16は、スペクトル波長の選定処理を実行する(ステップS11)。その後、スペクトル波長選定部16は、選定したスペクトル波長の情報をスペクトル解析部15へ通知する。 The spectral wavelength selection unit 16 executes spectral wavelength selection processing (step S11). After that, the spectral wavelength selection unit 16 notifies the information of the selected spectral wavelength to the spectrum analysis unit 15 .

レーザ波長選定部18は、テスト重みを生成し、生成したテスト重みを用いてレーザ波長選定用テストスペクトルを合成する。そして、レーザ波長選定部18は、各レーザ波長を用いた場合の、レーザ波長用テストスペクトルをスペクトル分解して得られる推定された重みとテスト重みとの解析誤差を取得し、解析誤差が最小となるレーザ波長を照射するレーザのレーザ波長として選択する(ステップS12)。その後、レーザ波長選定部18は、選択したレーザ波長の情報を同定検知部14に通知する。 The laser wavelength selection unit 18 generates test weights and uses the generated test weights to synthesize a test spectrum for laser wavelength selection. Then, the laser wavelength selection unit 18 obtains an analysis error between the estimated weight obtained by spectrally decomposing the test spectrum for the laser wavelength and the test weight when each laser wavelength is used, and determines that the analysis error is the minimum. is selected as the laser wavelength of the laser for irradiation (step S12). After that, the laser wavelength selection unit 18 notifies the identification detection unit 14 of information on the selected laser wavelength.

同定検知部102は、選択されたレーザ波長の情報の通知をレーザ波長選定部18から受ける。その後、操作者からの検査対象物Zの同定・検知の実行指示を受けて、選択されたレーザ波長を有するレーザの照射を発光部11に指示する。発光部11は、同定検知部102からの指示を受けて、選択されたレーザ波長を有するレーザを検査対象物質Zへ照射する(ステップS13)。 The identification detection unit 102 receives notification of information on the selected laser wavelength from the laser wavelength selection unit 18 . After that, upon receiving an execution instruction for identification and detection of the inspection object Z from the operator, the light emitting unit 11 is instructed to irradiate the laser having the selected laser wavelength. Upon receiving the instruction from the identification detection unit 102, the light emission unit 11 irradiates the inspection object substance Z with a laser beam having the selected laser wavelength (step S13).

測定部12は、検査対象物質Zからの散乱光を受光する(ステップS14)。そして、測定部12は、検査対象物質Zのスペクトルの情報をスペクトル解析部15へ出力する。 The measurement unit 12 receives the scattered light from the inspection target substance Z (step S14). Then, the measurement unit 12 outputs information on the spectrum of the substance Z to be inspected to the spectrum analysis unit 15 .

スペクトル解析部15は、選定されたスペクトル波長の情報の通知をスペクトル波長選定部16から受ける。また、スペクトル解析部15は、検査対象物質Zのスペクトルの情報の入力を測定部12から受ける。そして、スペクトル解析部15は、選定されたスペクトル波長を用いて、重みが非負の条件を課して検査対象物質Zのスペクトルと重みを付加した基準物質のスペクトルの線形和との差が最小となる重みを求めることで、スペクトル分解を実行する(ステップS15)。その後、スペクトル解析部15は、算出した重みの情報を同定検知部14へ出力する。 The spectrum analysis unit 15 receives notification of information on the selected spectrum wavelength from the spectrum wavelength selection unit 16 . The spectrum analysis unit 15 also receives input of information on the spectrum of the substance Z to be inspected from the measurement unit 12 . Then, using the selected spectrum wavelength, the spectrum analysis unit 15 imposes a condition that the weight is non-negative so that the difference between the spectrum of the inspection target substance Z and the linear sum of the weighted reference substance spectrum is the minimum. Spectral decomposition is performed by obtaining a weight that is equal to (step S15). After that, the spectrum analysis unit 15 outputs the calculated weight information to the identification detection unit 14 .

同定検知部14は、算出された重みの情報の入力をスペクトル解析部15から受ける。そして、同定検知部14は、データベース17に格納された基準物質のスペクトルの情報を用いて、検査対象物質Zの同定・検知を実行する(ステップS16)。その後、通知部13は、同定・検知の結果を操作者に通知する。 The identification detection unit 14 receives input of the calculated weight information from the spectrum analysis unit 15 . Then, the identification detection unit 14 uses the spectral information of the reference substance stored in the database 17 to identify and detect the inspection target substance Z (step S16). After that, the notification unit 13 notifies the operator of the identification/detection result.

以上に説明したように、本実施例に係る物質検査装置は、解析誤差が最小となる波長のレーザを選択して検査対象物質に照射し、その散乱光を用いて同定・検知を行う。これにより、よりスペクトル分解の誤差を抑えることができ、より高精度の同定・検知を行うことが可能となる。 As described above, the substance inspection apparatus according to the present embodiment selects a laser with a wavelength that minimizes the analysis error, irradiates the substance to be inspected, and uses the scattered light to perform identification and detection. As a result, it is possible to further suppress errors in spectral resolution and to perform identification and detection with higher accuracy.

1 物質検査装置
11 発光部
12 測定部
13 通知部
14 同定検知部
15 スペクトル解析部
16 スペクトル波長選定部
17 データベース
18 レーザ波長選定部
R 検査対象物
1 substance inspection device 11 light emitting unit 12 measurement unit 13 notification unit 14 identification detection unit 15 spectrum analysis unit 16 spectrum wavelength selection unit 17 database 18 laser wavelength selection unit R inspection object

Claims (7)

対象物に光を照射する発光部と、
前記光が照射された前記対象物における散乱光又は吸収光のいずれか一方もしくは双方を計測し、複数の波長における計測した光の強度を表すスペクトルを取得する測定部と、
複数の既知の基準物質のスペクトルの基準物質毎に重みを加えた線形和と、所定のスペクトルとの差を最小とする重みを、前記重みが非負となる条件の下で算出するスペクトル分解を実行するスペクトル解析部と、
前記スペクトル分解の解析誤差を基に、前記スペクトルにおける複数の前記波長の中から1つ又は複数の使用波長を選定し、前記対象物のスペクトルを前記所定のスペクトルとして、散乱光の前記使用波長毎の強度を表す制限スペクトルを用いたスペクトル分解を前記スペクトル解析部に実行させるスペクトル波長選定部と、
前記スペクトル解析部による前記対象物のスペクトルに対する前記制限スペクトルを用いたスペクトル分解で得られた重みを基に、前記対象物と前記基準物質との同定又は検知を行う同定検知部と
を備えたことを特徴とする物質検査装置。
a light emitting unit that irradiates an object with light;
a measurement unit that measures either one or both of scattered light and absorbed light in the object irradiated with the light and obtains a spectrum representing the intensity of the measured light at a plurality of wavelengths;
Perform spectral decomposition to calculate a weight that minimizes the difference between a linear sum of spectra of a plurality of known reference substances weighted for each reference substance and a predetermined spectrum under the condition that the weight is non-negative a spectrum analysis unit for
Based on the analysis error of the spectrum decomposition, one or more working wavelengths are selected from the plurality of wavelengths in the spectrum, and the spectrum of the object is set as the predetermined spectrum, and each of the working wavelengths of the scattered light a spectrum wavelength selection unit that causes the spectrum analysis unit to perform spectrum decomposition using a limited spectrum that represents the intensity of
an identification detection unit that identifies or detects the object and the reference substance based on the weight obtained by spectral decomposition of the object spectrum using the restricted spectrum by the spectrum analysis unit; A substance inspection device characterized by:
前記スペクトル波長選定部は、テスト重みをそれぞれに付加した複数の前記基準物質のスペクトルの線形和を求め、前記線形和にノイズ成分を加えたテストスペクトルに対する前記スペクトル分解を前記スペクトル解析部に行わせることで推定された重みを求め、前記推定された重みと前記テスト重みとの前記解析誤差を最小化するように前記使用波長を選択することを特徴とする請求項1に記載の物質検査装置。 The spectrum wavelength selection unit obtains a linear sum of the spectra of the plurality of reference materials to which test weights are added, and causes the spectrum analysis unit to perform the spectral decomposition on the test spectrum obtained by adding a noise component to the linear sum. 2. A material inspection apparatus according to claim 1, wherein the estimated weight is obtained by: and the working wavelength is selected so as to minimize the analytical error between the estimated weight and the test weight. 前記スペクトル波長選定部は、異なる前記波長を順次追加しながら前記解析誤差を求めることを繰り返し、前記推定された重みと前記テスト重みとの解析誤差とを最小化する前記使用波長を決定することを特徴とする請求項2に記載の物質検査装置。 The spectrum wavelength selection unit repeatedly obtains the analysis error while sequentially adding different wavelengths, and determines the use wavelength that minimizes the analysis error between the estimated weight and the test weight. 3. The material inspection device according to claim 2. 前記スペクトル分解における前記テストスペクトルに対する前記解析誤差を基に、前記発光部で照射する光の波長を選択する光波長選択部をさらに備え、
前記発光部は、前記光波長選択部により選択された波長の光を前記対象物に照射し、
前記測定部は、前記光波長選択部により選択された波長の光が照射された前記対象物からの散乱光のスペクトルを取得する
ことを特徴とする請求項2又は3に記載の物質検査装置。
further comprising a light wavelength selection unit that selects the wavelength of the light emitted by the light emitting unit based on the analysis error for the test spectrum in the spectrum decomposition,
The light emitting unit irradiates the object with light of a wavelength selected by the light wavelength selection unit,
The substance inspection device according to claim 2 or 3, wherein the measurement unit acquires a spectrum of scattered light from the object irradiated with the light of the wavelength selected by the light wavelength selection unit.
前記光波長選択部は、前記光の波長を変更して前記スペクトル分解を行った場合の前記テストスペクトルに対する各解析誤差を基に、前記光の波長を選択することを特徴とする請求項4に記載の物質検査装置。 5. The optical wavelength selection unit according to claim 4, wherein the wavelength of the light is selected based on each analysis error for the test spectrum when the spectrum decomposition is performed by changing the wavelength of the light. A material inspection device as described. 対象物に光を照射し、
前記光が照射された前記対象物からの散乱光又は吸収光のいずれか一方もしくは双方を計測し、
複数の波長における計測した光の強度を表すスペクトルを取得し、
複数の既知の基準物質のスペクトルの基準物質毎に重みを加えた線形和と、所定のスペクトルとの差を最小とする重みを、前記重みが非負となる条件の下で算出するスペクトル分解を実行した場合の解析誤差を基に、複数の前記波長の中から1つ又は複数の使用波長を選定し、
前記基準物質の散乱光の前記使用波長毎の強度を表す制限スペクトルの前記基準物質毎に重みを加えた線形和と、前記対象物の前記制限スペクトルとの差を最小とする検査重みを、前記検査重みが非負となる条件の下で算出し、
算出した前記検査重みを基に、前記対象物と前記基準物質との同定又は検知を行う
ことを特徴とする物質検査方法。
Irradiate the object with light,
measuring either one or both of scattered light and absorbed light from the object irradiated with the light;
obtaining a spectrum representing the intensity of the measured light at multiple wavelengths;
Perform spectral decomposition to calculate a weight that minimizes the difference between a linear sum of spectra of a plurality of known reference substances weighted for each reference substance and a predetermined spectrum under the condition that the weight is non-negative Select one or more working wavelengths from the plurality of wavelengths based on the analysis error in the case of
The inspection weight that minimizes the difference between the linear sum of the weighted for each reference substance of the restricted spectrum representing the intensity of the scattered light of the reference substance for each of the used wavelengths and the restricted spectrum of the object, Calculated under the condition that the test weight is non-negative,
A substance inspection method, wherein the object and the reference substance are identified or detected based on the calculated inspection weight.
対象物に光を照射し、
前記光が照射された前記対象物からの散乱光又は吸収光のいずれか一方もしくは双方を計測し、
複数の波長における計測した光の強度を表すスペクトルを取得し、
複数の既知の基準物質のスペクトルの基準物質毎に重みを加えた線形和と、所定のスペクトルとの差を最小とする重みを、前記重みが非負となる条件の下で算出するスペクトル分解を実行した場合の解析誤差を基に、複数の前記波長の中から1つ又は複数の使用波長を選定し、
前記基準物質の散乱光の前記使用波長毎の強度を表す制限スペクトルの前記基準物質毎に重みを加えた線形和と、前記対象物の前記制限スペクトルとの差を最小とする検査重みを、前記検査重みが非負となる条件の下で算出し、
算出した前記検査重みを基に、前記対象物と前記基準物質との同定又は検知を行う
処理をコンピュータに実行させることを特徴とする物質検査プログラム。
Irradiate the object with light,
measuring either one or both of scattered light and absorbed light from the object irradiated with the light;
obtaining a spectrum representing the intensity of the measured light at multiple wavelengths;
Perform spectral decomposition to calculate a weight that minimizes the difference between a linear sum of spectra of a plurality of known reference substances weighted for each reference substance and a predetermined spectrum under the condition that the weight is non-negative Select one or more working wavelengths from the plurality of wavelengths based on the analysis error in the case of
The inspection weight that minimizes the difference between the linear sum of the weighted for each reference substance of the restricted spectrum representing the intensity of the scattered light of the reference substance for each of the used wavelengths and the restricted spectrum of the object, Calculated under the condition that the test weight is non-negative,
A material inspection program for causing a computer to execute a process of identifying or detecting the object and the reference material based on the calculated inspection weight.
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