CN107076613A - 光谱测定方法及光谱测定装置 - Google Patents
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Abstract
在光谱测定方法中，把来自光源的测量光照射到测量物体上，多个二维排列像素接收由于测量光的照射而从测量物体中发射出的透射光或漫反射光，从而获得多个单元区域的光谱数据，多个单元区域包括测量物体上的至少一个单元区域以及与一个单元区域相邻的单元区域，并且通过对多个单元区域中的每一个单元区域的光谱数据求平均来计算测量物体的光谱数据。此外，光谱测定装置多次(两次以上)成像测量物体的同一单元区域，并通过对从测量物体的多次成像的单元区域中得到的光谱数据进行积分和求平均来计算测量物体的光谱数据。
Description
技术领域
本发明涉及通过获得要测量的对象物体的光谱数据来进行分析的光谱测定方法及光谱测定装置。
背景技术
在将测量光照射到要测量的对象物体上以从对象物体上的多个单元区域中获得对象物体的光谱数据的装置中，有时使用通过对多个单元区域的光谱数据求平均而得到的光谱数据(例如，参见JP2012-173174A)。
发明内容
技术问题
本发明的目的在于提供能够进行高精度分析的光谱测定方法及光谱测定装置。
解决问题的技术方案
为了解决该问题，本发明提供一种光谱测定方法，该方法包括：利用来自光源的测量光照射要测量的对象物体；利用多个二维排列像素接收由于利用所述测量光进行照射而从所述对象物体输出的透射光或漫反射光；多次获得多个单元区域中的每一个单元区域的光谱数据,所述多个单元区域包括所述对象物体上的至少一个单元区域以及与所述一个单元区域相邻的单元区域；以及通过对多次获得的所述多个单元区域的所述光谱数据求平均来计算所述对象物体的光谱数据。
就根据本发明的光谱测定方法的第一方面而言，所述多个二维排列像素可以包括排列在第一方向上的像素以及排列在与所述第一方向正交的第二方向上的像素，并且波长信息可以被分配给排列在所述第一方向上的所述像素中每一者，而所述对象物体的位置信息可以被分配给排列在所述第二方向上的所述像素中每一者，从而可以获得所述对象物体上的沿所述第二方向布置的所述多个单元区域中的每一个单元区域的光谱数据。
就根据本发明的光谱测定方法的第二方面而言，可以通过使设置在所述多个二维排列像素的前段处的可变波长滤波器暂时改变传输波长来获得所述多个单元区域中的每一个单元区域的所述光谱数据。
在任一方面中，所述测量光优选地包括在1650nm至1750nm或2100nm至2200nm的波长范围内的光。此外，所述多个二维排列像素优选地包括40,000以上个像素(例如，200×200像素)。
根据本发明的光谱测定装置包括：光源，其将测量光照射在要测量的对象物体上；图像采集装置(高光谱相机)，其通过利用多个二维排列像素接收由于利用来自所述光源的所述测量光进行照射而从所述对象物体输出的透射光或漫反射光，来获得所述对象物体上的多个单元区域中的每一个单元区域的光谱数据；以及光谱计算装置(计算机)，其根据在所述图像采集装置中得到的所述多个单元区域中的每一个单元区域的所述光谱数据来计算所述对象物体的光谱数据。所述图像采集装置多次获得所述多个单元区域中的每一个单元区域的所述光谱数据。所述光谱计算装置通过对在所述对象物体上的至少一个单元区域以及与所述一个单元区域相邻的单元区域中多次获得的所述光谱数据求平均来计算所述对象物体的所述光谱数据。
本发明的有益效果
根据本发明的光谱测定方法及光谱测定装置得到了提高的S/N比率并能够进行高精度分析。
附图说明
图1示意性地示出了根据本发明的实施例的检测装置。
图2示意性地示出了高光谱图像。
图3是示出了在空间方向上求平均的单元区域的数量与S/N比率之间的关系的曲线图。
图4是示出了测量时间与S/N比率之间的关系的曲线图。
图5是示出了SNV(标准正态变量)变换的效果的曲线图。
图6是示出了对于作为参数的平均数而言波长与S/N比率之间的关系的曲线图。
图7是示出了针对酒石酸钠的水分百分比的测量实例而言检定曲线的精度与在空间方向上的单元区域的平均数之间的关系的曲线图。
具体实施方式
下文将参考附图对根据本发明的实施例的光谱测定方法及光谱测定装置的具体实例进行描述。本发明不限于这些实例，并意图包括由权利要求书的范围表示以及落入与权利要求书的范围等同的解释和范围内的所有变型。
图1示意性地示出了根据本发明的实施例的光谱测定装置100。光谱测定装置100评估例如被放置在测量台2上的要测量的对象物体3的性能。虽然利用光谱测定装置100测量的对象物体3不受特别限制，但对象物体优选地为由单一材料构成的均质物体。
光谱测定装置100测量由于利用测量光(其为近红外光)照射要测量的对象物体3而得到的漫反射光的光谱，并根据该光谱对对象物体3进行光谱测定。因此，光谱测定装置100包括光源单元10、检测单元20(图像采集装置、高光谱相机)以及分析单元30(光谱计算装置、计算机)。虽然本实施例的以下描述涉及使用近红外光来进行光谱测定的情况，但也可以使用其他波长范围内的光来测量。此外，可以使用透射光的光谱来替代漫反射光的光谱。
光源单元10朝测量台2上的预定照射区域A1照射测量光(其为近红外光)。根据对象物体3适当地选择从光源单元10照射出的测量光的波长范围。具体而言，优选地使用在800nm至2500nm的波长范围内的光作为测量光，并且更具体地说，优选地使用在1000nm至2300nm的波长范围内的光。本实施例所述的光源单元10包括由卤素灯组成的光源11。在所使用的测量光为近红外光的情况下，优选的是，通过使用在与水的吸收带不同的波长范围内的光来进行测量。例如，优选地使用在1500nm至1800nm(特别是在1650nm至1750nm)或2100nm至2200nm的波长范围内的光。
照射区域A1为测量台2的用于放置对象物体3的表面的一部分。照射区域A1以直线形状沿测量台2的一个方向(图1中的x轴线方向)延伸。
光源单元10包括光源11、照射器12以及将光源11和照射器12连接起来的光纤13。光源11产生近红外光。由光源11产生的近红外光被输入至光纤13的一侧端面。该近红外光被引导穿过光纤13的芯部区域，并从另一侧端面被输出至照射器12。照射器12将从光纤13的该另一侧端面输出的近红外光照射到放置有对象物体3的照射区域A1上。因为照射器12接收从光纤13输出的近红外光并输出呈一维直线形状(其与照射区域A1一致)的近红外光，所以柱面透镜优选地用作照射器12。因此，在照射器12中形成为直线的近红外光L1从照射器12照射到照射区域A1上。
从光源单元10输出的近红外光L1被放置在照射区域A1上的对象物体3漫射和反射。光的一部分作为漫反射光L2被输入至检测单元20。
检测单元20用作高光谱传感器，高光谱传感器通过使用二维排列的传感器来获得高光谱图像。图2示意性地示出了高光谱图像。高光谱图像由N个单元区域P1至PN构成。图2具体地示出了两个单元区域Pn和Pm作为实例。Pn是对象物体上的通过对对象物体3进行图像采集而得到的单元区域，而Pm是背景(例如，测量台2)上的单元区域。检测单元20除了获得对象物体3的采集图像之外还获得背景的采集图像。
单元区域Pn和Pm分别包括光谱信息Sn和光谱信息Sm，光谱信息Sn和光谱信息Sm中的每一个光谱信息由多条强度数据构成。强度数据表示特定波长(或波段)处的光谱强度。在图2中，15条强度数据被保存作为光谱信息Sn和光谱信息Sm中的各者，并以重叠状态示出。因此，高光谱图像H被表征为关于构成图像的每个单元区域具有多条强度数据，并因此是具有作为图像的二维元素以及作为光谱数据的元素这两者的三维构造数据。在该实施例中，高光谱图像H指的是在每个单元区域中具有至少五个波段的强度数据的图像。
返回参考图1，检测单元20包括相机镜头24、狭缝21、光谱镜22和光接收器23。检测单元20具有视场区域20s(图像采集区域)，视场区域20s沿与照射区域A1相同的方向(x轴线方向)延伸。检测单元20的视场区域20s为测量台2上的照射区域A1所包含的线性区域，并位于如下位置：使得穿过狭缝21的漫反射光L2在光接收器23上形成图像。
狭缝21为沿着与照射区域A1的延伸方向(x轴线方向)平行的方向设置的开口。进入检测单元20的狭缝21中的漫反射光L2进入光谱镜22。
光谱镜22使漫反射光L2沿与狭缝21的纵向(即，照射区域A1的延伸方向)正交的方向(y轴线方向)分光。光接收器23接收被光谱镜22分光的光。
光接收器23包括具有多个二维排列的光接收元件的光接收表面，并且每个光接收元件接收光。因此，光接收器23接收在如下位置处被反射的漫反射光L2的各个波长处的光：沿测量台2上的照射区域A1的延伸方向(x轴线方向)布置的每个单元区域。每个光接收元件均输出与接收光的强度对应的信号作为与由位置和波长构成的二维平面上的单个点有关的信息。从光接收器23的各个光接收元件输出的信号作为关于高光谱图像的每个单元区域的光谱数据从检测单元20被传输至分析单元30。
分析单元30根据输入信号得到漫反射光L2的光谱，并使用得到的每个单元区域的光谱数据，以测量对象物体3。分析单元30构造为计算机，计算机包括CPU(中央处理单元)、用作主存储单元的RAM(随机存取存储器)和ROM(只读存储器)、与其他单元(例如检测单元)进行通信的通信组件以及可以为例如硬盘等辅助存储单元的硬件单元。这些部件工作使得分析单元30表现出其功能。
光谱测定装置100可以在单次图像采集处理中获得关于沿照射区域A1的延伸方向(x轴线方向)布置的每个单元区域的所谓的一维光谱图像。因此，随着移动放置有对象物体3的测量台2或者移动由光谱测定装置100进行图像采集的区域，可以获得关于整个对象物体3的二维排列的单元区域的光谱数据。
光谱测定装置100多次(两次以上)采集对象物体3的同一单元区域的图像，并通过对在对象物体3的每个经图像采集的单元区域处得到的多次光谱数据进行积分和求平均，来计算对象物体3的光谱数据。作为选择，替代固定要进行求平均的单元区域，可以对适当选取的多次光谱数据进行积分和求平均。
具体而言，在利用光谱测定装置100对对象物体3进行图像采集的情况下，假设在单次图像采集处理中在M个单元区域中获得对象物体3的光谱数据。当利用光谱测定装置100重复N次测量处理时，获得了M×N条光谱数据。在通过对M×N条光谱数据求平均而得到的光谱数据中，S/N比率相对于通过对单个单元区域进行图像采集而得到的光谱数据增大√M倍。因此，不仅通过对相邻光谱数据进行积分和求平均，而且还通过对多次进行图像采集处理而得到的光谱数据求平均来计算对象物体3的光谱数据，使得可以提高S/N比率。
优选地通过使用多个二维排列的单元区域的光谱数据来计算对象物体3的光谱数据。为了得到高精度的光谱数据，优选地对至少五个单元区域的光谱数据求平均：至少五个单元区域的光谱数据通过对分别与一个单元区域的上侧、下侧、左侧和右侧相邻的四个单元区域的光谱数据进行积分而得到。如果对象物体为例如液体等均质材料，则优选地对多于或等于上述五个单元区域的单元区域的光谱数据求平均。为了更快速地获得与对象物体3有关的高精度光谱数据，优选的是，用于获得对象物体3的光谱数据的像素的数量为40,000以上个像素(例如，200×200个像素)。通过对使用具有大量像素的图像采集装置得到的光谱数据求平均，使得S/N比率的提高变得更显著，并且可以更快地进行期望数量的光谱数据的数据采集处理，以提高S/N比率。
接下来，将参考例如实例来描述根据上述方法对对象物体3的光谱数据求平均的优点。图3是示出了在同时进行数据采集的单元区域中要进行求平均的单元区域的数量(即，要进行求空间平均的单元区域的数量)与S/N比率之间的关系的曲线图。在该情况下，替代对象物体3，对标准的白色反射板进行图像采集。帧率被设定为100帧每秒，每帧的存储时间被设定为1ms，并且图像采集时间被设定为1秒。换句话说，每个单元区域均得到100条光谱数据。此外，获得光谱数据的波长范围(进行图像采集处理之后的例如求平均等处理的波长范围)为1580nm至1615nm。
虽然针对通过对单个单元区域进行图像采集而得到的光谱数据仅进行求时间平均导致S/N比率为936，但可以确认的是，在要进行求空间平均的单元区域数量增大的同时S/N比率提高，并且通过对五个单元区域求平均来实现S/N>2000。当S/N比率超过2000时，小于0.1％的定量测量变得可行。此外，可以确认的是，通过对100个单元区域求平均来实现S/N>5000。当S/N比率超过5000时，存在定量精度提高至0.02％以达到在定量测量中通常所需的精度等级的可能性，使得该方法可以在定量测量中使用。目前在定量测量中使用的其他方法中，预处理常常需要时间。此外，因为定量测量通常为破坏性试验，所以使用光谱测定装置100的定量测量方法将优于其他方法。
自然的是，对多个相邻单元区域的光谱数据求平均(即，进行求空间平均)使图像的空间分辨率劣化。具体而言，分辨率以与用于求空间平均的单元区域的数量成反比地劣化。然而，如果对象物体相对于像素而言较大、可以在相对低分辨率下被充分观察或为例如液体，则可以想到的是，测量精度和S/N比率常常比空间分辨率更重要。因此，在这些情况下，优选地使用基于根据本实施例的光谱测定方法及光谱测定装置的分析方法。
基于进一步的研究，可以确认的是，即使通过将用于求空间平均的单元区域的数量增加至300，S/N比率也提高。在对300个单元区域求空间平均的条件下，在时间平均数增大的情况中确认到S/N比率提高的效果。
图4是示出了测量时间与S/N比率之间的关系的曲线图。与图3所示的评估类似的是，帧率被设定为100帧每秒，每帧的存储时间被设定为1ms，并且波长范围被设定为1585nm至1615nm。具体而言，因为横轴上的0.01秒的最小值与一帧对应，所以这意味着没有在时间轴上进行求平均。虽然在要对300个单元区域求空间平均的条件下S/N比率在0.01秒处为8600，但可以确认的是，通过对五帧(0.5秒)的光谱数据求平均来将S/N比率提高至18,000。此外，当进行求平均直到200帧(2秒)为止时，S/N比率与[√测量时间]成正比地提高，并且确认到由于沿着时间轴进行求平均而得到S/N比率的提高效果。当S/N>10,000时，光谱测定装置具有足够性能以进行光谱分析。
图5是示出了SNV(标准正态变量)变换的效果的曲线图。为了检查由外部因素的波动(例如，光源的输出波动)对S/N比率造成的影响，确认对分析光谱进行标准正态变量(SNV)变换的效果。在没有进行SNV变换的情况下，如果在时间轴线方向上求平均的帧的数量增大，则立即发生饱和。相比之下，通过进行SNV变换，可以确认S/N>150,000。这意味着：为了得到高S/N比率，可以想到的是，除了增大在空间方向和时间方向上要进行求平均的数量之外，有效地进行由例如SNV、多元散射相关(MSC)等表征的光谱归一化处理。
在该分析中，InGaAs/GaAsSb量子阱类型的二维传感器用作检测单元20。该传感器具有1000nm至2350nm的灵敏度，并具有能够利用单个传感器大体上覆盖近红外区域的特征。如上所述，虽然在上述S/N评估结果中波长范围是受限的，但如果在采集高光谱图像的构造中使用上述二维传感器，则二维传感器的一维被分配给波长分量。图6示出了在要进行求空间平均的单元区域的数量被设定为300且改变时间方向上的平均数(帧的平均数)的情况下通过绘制S/N比率相对于波长的变化而得到的结果。
图6中所示的S/N比率的变化还包括光源的光谱和光学系统的损耗的波长相关性。当实际对对象物体进行图像采集时，进行分析所需的波段随着对象物体变化而变化。因此，需要确保期望波长范围内的所需S/N比率。根据图6中的结果，可以确认的是，通过把要进行求平均的单元区域的数量设定为500以上，即使在近红外区域中(具体而言，在长波长侧的1700nm至2200nm的波长范围内)也实现了S/N>50,000。因此，通过同时进行空间平均和时间平均，可以得到高速且高精度的光谱测定方法及光谱测定装置。
将酒石酸钠中的水分百分比的定量实例作为实例进行讨论，在该实例中，可以通过在空间方向上进行求平均来精确地测量均质介质。通过使用配备有在上述评估中使用的InGaAs/GaAsSb量子阱类型二维传感器的光谱测定装置，测量酒石酸钠(水分百分比为0wt％(质量百分比))以及酒石酸钠二水合物(水分百分比为15.66wt％)的吸收光谱(absorbance spectra)。通过将帧率设定为200帧每秒并同时改变在空间方向上求平均的单元区域的数量来获得平均吸收光谱，而无需对数据求时间平均。然后，通过对1100nm至2200nm的波长范围内的吸光度数据(absorbance data)和水分百分比进行PLS回归分析，产生水分百分比的检定曲线。调查水分百分比的该检定曲线的精度与在空间方向上求平均的单元区域的数量之间的关系。图7示出了其结果。
图7是示出了在对酒石酸钠的水分百分比的测量的实例情况下检定曲线的精度与在空间方向上求平均的单元区域的数量之间的关系的曲线图。在图7中，根据检定曲线标准误差(RMSE)评估检定曲线的精度。结果，可以确认的是，随着空间方向上的平均数的增大，RMSE下降。因此，利用根据本实施例的光谱测定方法及光谱测定装置，可以精确地检定均质介质，而不会发生测量时间因空间方向上的求平均而增大。
在根据上述实施例的光谱测定方法及光谱测定装置中所述的构造通过如下步骤获得所谓的高光谱图像：将波长信息分配给在多个二维排列像素中的排列在第一方向上的每个像素，并且将要测量的对象物体的位置信息分配给排列在与第一方向正交的第二方向上的每个像素，以获得布置在第二方向上的每个单元区域的光谱数据。作为选择，也可以允许另一种装置构造。具体而言，二维排列的传感器的前段处可以设置有可变波长滤波器，并且可以连续改变经由波长滤波器透过的波长，使得在各个传感器处获得光谱。利用该构造，针对各个单元区域，可以获得对象物体的光谱数据。通过获得高光谱图像，可以实时获得与特定单元区域有关的光谱数据，从而允许甚至更快的测量。
此外，虽然在上述实施例中描述了使用近红外光的测量，但实施例也可以应用于使用其他波长范围(例如，可见光范围)内的光的测量。
工业实用性
例如，本发明可以用于分析化学成分，并用于辨认树脂和例如食物等有机物质中的异物。
Claims (12)
1.一种光谱测定方法，包括：
利用来自光源的测量光照射要测量的对象物体；
利用多个二维排列像素接收由于利用所述测量光进行照射而从所述对象物体输出的透射光或漫反射光；
多次获得多个单元区域中的每一个单元区域的光谱数据,所述多个单元区域包括所述对象物体上的至少一个单元区域以及与所述一个单元区域相邻的单元区域；以及
通过对多次获得的所述多个单元区域的所述光谱数据求平均来计算所述对象物体的光谱数据。
2.根据权利要求1所述的光谱测定方法，
其中，所述多个二维排列像素包括排列在第一方向上的像素以及排列在与所述第一方向正交的第二方向上的像素，并且波长信息被分配给排列在所述第一方向上的所述像素中每一者，而所述对象物体的位置信息被分配给排列在所述第二方向上的所述像素中每一者，从而获得所述对象物体上的沿所述第二方向布置的所述多个单元区域中的每一个单元区域的光谱数据。
3.根据权利要求1或2所述的光谱测定方法，
其中，通过使设置在所述多个二维排列像素的前段处的可变波长滤波器暂时改变传输波长来获得所述多个单元区域中的每一个单元区域的所述光谱数据。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的光谱测定方法，
其中，所述测量光包括在1650nm至1750nm的波长范围内的光。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的光谱测定方法，
其中，所述测量光包括在2100nm至2200nm的波长范围内的光。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的光谱测定方法，
其中，所述多个二维排列像素包括40,000以上个像素。
7.一种光谱测定装置，包括：
光源，其将测量光照射在要测量的对象物体上；
图像采集装置，其通过利用多个二维排列像素接收由于利用来自所述光源的所述测量光进行照射而从所述对象物体输出的透射光或漫反射光，来获得所述对象物体上的多个单元区域中的每一个单元区域的光谱数据；以及
光谱计算装置，其根据在所述图像采集装置中得到的所述多个单元区域中的每一个单元区域的所述光谱数据来计算所述对象物体的光谱数据，
其中，所述图像采集装置多次获得所述多个单元区域中的每一个单元区域的所述光谱数据，以及
所述光谱计算装置通过对在所述对象物体上的至少一个单元区域以及与所述一个单元区域相邻的单元区域中多次获得的所述光谱数据求平均来计算所述对象物体的所述光谱数据。
8.根据权利要求7所述的光谱测定装置，
其中，所述多个二维排列像素包括排列在第一方向上的像素以及排列在与所述第一方向正交的第二方向上的像素，并且波长信息被分配给排列在所述第一方向上的所述像素中每一者，而所述对象物体的位置信息被分配给排列在所述第二方向上的所述像素中每一者，从而获得所述对象物体上的沿所述第二方向布置的所述多个单元区域中的每一个单元区域的光谱数据。
9.根据权利要求7或8所述的光谱测定装置，
其中，所述测量光包括在1650nm至1750nm的波长范围内的光。
10.根据权利要求7至9中任一项所述的光谱测定装置，
其中，所述测量光包括在2100nm至2200nm的波长范围内的光。
11.根据权利要求7至10中任一项所述的光谱测定装置，
其中，所述图像采集装置由40,000以上个像素构成。
12.根据权利要求7所述的光谱测定装置，
其中，所述图像采集装置通过使设置在所述多个像素的前段处的可变波长滤波器暂时改变传输波长来在所述多个像素中获得所述对象物体上的所述多个单元区域中的每一个单元区域的所述光谱数据。
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