特許 7595887 分光分析システム、計算装置、および計算プログラム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-11-29

(45)【発行日】2024-12-09

(54)【発明の名称】分光分析システム、計算装置、および計算プログラム

(51)【国際特許分類】

   G01J 3/45 20060101AFI20241202BHJP

   G01J 3/26 20060101ALI20241202BHJP

   G01N 21/27 20060101ALI20241202BHJP

【ＦＩ】

G01J3/45

G01J3/26

G01N21/27 Z

【請求項の数】 10

(21)【出願番号】P 2022561979

(86)(22)【出願日】2021-11-11

(86)【国際出願番号】 JP2021041441

(87)【国際公開番号】W WO2022102685

(87)【国際公開日】2022-05-19

【審査請求日】2023-04-04

(31)【優先権主張番号】P 2020188215

(32)【優先日】2020-11-11

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000146180

【氏名又は名称】株式会社ＭＯＲＥＳＣＯ

(73)【特許権者】

【識別番号】504173471

【氏名又は名称】国立大学法人北海道大学

(74)【代理人】

【識別番号】110000338

【氏名又は名称】弁理士法人 ＨＡＲＡＫＥＮＺＯ ＷＯＲＬＤ ＰＡＴＥＮＴ ＆ ＴＲＡＤＥＭＡＲＫ

(72)【発明者】

【氏名】島田 敏宏

(72)【発明者】

【氏名】中長 偉文

【審査官】田中 洋介

(56)【参考文献】

【文献】特表２００１－５０６７５３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１０－２０６２３５（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許第０６０４９７６２（ＵＳ，Ａ）

【文献】特開平０８－２６４６１４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－０２０２１３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１１－１６６８９４（ＪＰ，Ａ）

【文献】O.M.Lyulin，Line parameters of 15N2 16O from Fourier transform measurements in the 5800-7600cm-1 region and global fitting of line positions from 1000 to 7600cm-1，JOURNAL OF QUANTITATIVE SPECTROSCOPY & RADIATIVE TRANSFER，2010年02月，Vol.111 No.3，pp.345-356，DOI:10.1016/j/jqsrt.2009.10.010

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｊ ３／００－３／５２

Ｇ０１Ｎ ２１／００－２１／６１

ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＭＥＤＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

分光分析装置と計算装置とを含む、分光分析により試料の吸収スペクトルを算出する分光分析システムであって、
上記分光分析装置は、出射光のスペクトルがそれぞれ異なる複数の光源と、鏡間距離を調整可能な干渉計と、検出器とを備え、
上記吸収スペクトルは、当該吸収スペクトルの波形を表す複数のパラメータを用いた関数で表され、
上記計算装置は、上記複数の光源のそれぞれからの出射光を用いて、上記干渉計の異なる鏡間距離で上記試料を分析したときの上記検出器の各検出値と、上記試料の吸収スペクトルを表す上記関数を用いて上記複数の光源のそれぞれを用いたときの上記検出器の検出値を計算した各理論値との差が最小となる上記複数のパラメータを算出する、分光分析システム。

【請求項2】

分光分析装置と計算装置とを含む、分光分析により試料の吸収スペクトルを算出する分光分析システムであって、
上記分光分析装置は、光源と、鏡間距離を調整可能な干渉計と、波長ごとの検出感度がそれぞれ異なる複数の検出器とを備え、
上記吸収スペクトルは、当該吸収スペクトルの波形を表す複数のパラメータを用いた関数で表され、
上記計算装置は、上記複数の検出器のそれぞれを用いて、上記干渉計の異なる鏡間距離で上記試料を分析したときの各検出値と、上記試料の吸収スペクトルを表す上記関数を用いて上記複数の検出器それぞれの検出値を計算した各理論値との差が最小となる上記複数のパラメータを算出する、分光分析システム。

【請求項3】

分光分析装置と計算装置とを含む、分光分析により試料の吸収スペクトルを算出する分光分析システムであって、
上記分光分析装置は、光源と、鏡間距離を調整可能な干渉計と、検出器と、前記光源の出射光スペクトルを変化させる少なくとも１つの光学部材とを備え、
上記吸収スペクトルは、当該吸収スペクトルの波形を表す複数のパラメータを用いた関数で表され、
上記計算装置は、上記光源と上記少なくとも１つの光学部材とを用いて生成される複数の異なるスペクトルを有する光をそれぞれ用いて、上記干渉計の異なる鏡間距離で上記試料を分析したときの上記検出器の各検出値と、上記試料の吸収スペクトルを表す上記関数を用いて上記複数の異なるスペクトルを有する光をそれぞれ用いたときの上記検出器の検出値を計算した各理論値との差が最小となる上記複数のパラメータを算出する、分光分析システム。

【請求項4】

上記複数のパラメータは、試料の吸収スペクトルに表れる吸収ピークの高さに比例するパラメータ、および上記吸収ピークの幅に比例するパラメータを含む、請求項１から３の何れか１項に記載の分光分析システム。

【請求項5】

上記計算装置は、上記光源からの出射光のスペクトルを表す関数と、上記干渉計の透過率を表す関数と、上記試料の吸収スペクトルを表す上記関数と、を乗じて上記理論値を算出する、請求項１から４の何れか１項に記載の分光分析システム。

【請求項6】

上記計算装置は、上記試料の吸収スペクトルのうち既知の部分に基づいて決定された値を、当該吸収スペクトルを表す上記関数の各パラメータの初期値として用いて、当該パラメータを算出する、請求項１から５の何れか１項に記載の分光分析システム。

【請求項7】

試料の吸収スペクトルを算出する計算装置であって、
上記吸収スペクトルは、当該吸収スペクトルの波形を表す複数のパラメータを用いた関数で表され、
出射光のスペクトルがそれぞれ異なる複数の光源と、鏡間距離を調整可能な干渉計と、検出器とを備えた分光分析装置により、上記複数の光源のそれぞれからの出射光を用いて、上記干渉計の異なる鏡間距離で上記試料を分析したときの上記検出器の各検出値を取得する測定結果取得部と、
上記測定結果取得部が取得した各検出値と、上記複数のパラメータにより上記試料の吸収スペクトルを表した上記関数を用いて上記複数の光源のそれぞれを用いたときの上記検出器の検出値を計算した各理論値との差が最小となる上記複数のパラメータを算出するスペクトル算出部と、を備える計算装置。

【請求項8】

試料の吸収スペクトルを算出する計算装置であって、
上記吸収スペクトルは、当該吸収スペクトルの波形を表す複数のパラメータを用いた関数で表され、
光源と、鏡間距離を調整可能な干渉計と、波長ごとの検出感度がそれぞれ異なる複数の検出器とを備えた分光分析装置により、上記複数の検出器のそれぞれを用いて、上記干渉計の異なる鏡間距離で上記試料を分析したときの上記検出器の各検出値を取得する測定結果取得部と、
上記測定結果取得部が取得した各検出値と、上記複数のパラメータにより上記試料の吸収スペクトルを表した上記関数を用いて上記複数の検出器それぞれの検出値を計算した各理論値との差が最小となる上記複数のパラメータを算出するスペクトル算出部と、を備える計算装置。

【請求項9】

試料の吸収スペクトルを算出する計算装置であって、
上記吸収スペクトルは、当該吸収スペクトルの波形を表す複数のパラメータを用いた関数で表され、
光源と、鏡間距離を調整可能な干渉計と、検出器と、前記光源の出射光スペクトルを変化させる少なくとも１つの光学部材とを備えた分光分析装置により、上記光源と上記少なくとも１つの光学部材とを用いて生成される複数の異なるスペクトルを有する光をそれぞれ用いて、上記干渉計の異なる鏡間距離で上記試料を分析したときの上記検出器の各検出値を取得する測定結果取得部と、
上記測定結果取得部が取得した各検出値と、上記複数のパラメータにより上記試料の吸収スペクトルを表した上記関数を用いて上記複数の異なるスペクトルを有する光をそれぞれ用いたときの上記検出器の検出値を計算した各理論値との差が最小となる上記複数のパラメータを算出するスペクトル算出部と、を備える計算装置。

【請求項10】

請求項７から９の何れか１項に記載の計算装置としてコンピュータを機能させるための計算プログラムであって、上記測定結果取得部および上記スペクトル算出部としてコンピュータを機能させるための計算プログラム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、光源と干渉計と検出器とを備えた分光分析装置を含む分光分析システム等に関する。

【背景技術】

【0002】

紫外・可視光、近赤外光、中～遠赤外光等の各種波長の電磁波と物質の相互作用を吸収スペクトルとして測定して、物質の同定や定量に用いる分光分析システムは、化学、材料、医療等の分野で広く用いられている。

【0003】

従来の分光分析システムには、マイケルソン干渉計を用いて試料のインターフェログラムを作成し、これをフーリエ変換することにより試料の吸収スペクトルを求めるものが知られている。また、従来の分光分析システムには、ファブリ・ペロー干渉計を用いるものも知られている。

【0004】

ここで、マイケルソン干渉計には小型化が難しいという問題があり、ファブリ・ペロー干渉計には測定可能な周波数帯が狭いという問題がある。ここで、ファブリ・ペロー干渉計を用いた場合に測定可能な周波数帯が狭くなる理由について図７に基づいて説明する。図７は、ファブリ・ペロー干渉計の透過率と波長の関係を示す図である。

【0005】

図７のグラフＧに示されるように、ファブリ・ペロー干渉計においては、透過率が高くなる波長が周期的に表れる。また、ファブリ・ペロー干渉計への入射光Ｉ_ｉｎとファブリ・ペロー干渉計からの出射光Ｉ_ｏｕｔとの関係は、図７に示した数式（１）で表される。なお、数式（１）において、ｄは鏡間距離、λは波長、Ｒは反射率である。この数式（１）からも、透過率すなわちＩ_ｏｕｔ／Ｉ_ｉｎの値が波長および波数の変化に伴って周期的に変動することがわかる。

【0006】

このような特性から、ファブリ・ペロー干渉計を用いる場合、透過率のピークが１つのみとなるように波長（波数の逆数）の範囲を絞り込む必要があった。例えば、図７の例では、λ＝１８５０～１９５０ｎｍの範囲の光のみがファブリ・ペロー干渉計に入射するようにすれば、透過率のピークを１つのみとすることができる。そしてｄを少し変化させて透過率が高い波長を動かすことにより、この範囲におけるスペクトルを測定することができる。

【0007】

ファブリ・ペロー干渉計の測定可能な周波数帯を広げることは従来から試みられている。例えば、下記の特許文献１には、ファブリ・ペロー干渉計とフーリエ分光器とを併用することにより、ファブリ・ペロー干渉計の高い分解能を活かしつつ、測定可能な周波数帯を広げることを可能にした分光装置が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【文献】日本国公開特許公報「特開平６－３４４３９号公報」

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

しかしながら、上述のような従来技術ではフーリエ分光器を併用するため、小型化に限界があるという問題がある。本発明の一態様は、装置の小型化と測定可能な波長範囲の拡張の両立が可能な分光分析システム等を実現することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0010】

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る分光分析システムは、光源と干渉計と検出器とを備えた分光分析装置と、上記分光分析装置により複数の異なる分析条件で同一の試料を分析したときの上記検出器の各検出値と、複数のパラメータにより上記試料の吸収スペクトルを表した関数を用いて各分析条件下における上記検出器の検出値を計算した各理論値との差が最小となる上記パラメータを算出する計算装置と、を含む。

【0011】

また、本発明の一態様に係る計算装置は、上記の課題を解決するために、光源と干渉計と検出器とを備えた分光分析装置により複数の異なる分析条件で同一の試料を分析したときの上記検出器の検出値を取得する測定結果取得部と、上記測定結果取得部が取得した各検出値と、上記複数のパラメータにより上記試料の吸収スペクトルを表した関数を用いて各分析条件下における上記検出器の検出値を計算した各理論値との差が最小となる上記パラメータを算出するスペクトル算出部と、を備える。

【発明の効果】

【0012】

本発明の一態様によれば、装置の小型化と測定可能な波長範囲の拡張の両立が可能になる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】本発明の実施形態１に係る分光分析システムの構成例を示すブロック図である。

【図2】上記分光分析システムにより試料の吸収スペクトルを算出する際の処理の一例を示すフローチャートである。

【図3】本発明の実施形態２に係る分光分析システムの構成例を示すブロック図である。

【図4】分光分析装置による分析結果を示す図である。

【図5】計算装置が算出した吸収スペクトルと、フーリエ変換により導出した吸収スペクトルとを示す図である。

【図6】金属の切削に用いられる切削油のＦＴ－ＩＲ（Fourier Transform - Infrared Spectroscopy）で得られた吸収スペクトルを示す図である。

【図7】ファブリ・ペロー干渉計の透過率と波長の関係を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

〔実施形態１〕
（システム構成）
本発明の一実施形態に係る分光分析システム１００の構成を図１に基づいて説明する。図１は、分光分析システム１００の構成例を示すブロック図である。図示のように、分光分析システム１００には、分光分析装置１と計算装置２が含まれている。なお、分光分析装置１と計算装置２は一つの装置として構成されていてもよい。

【0015】

分光分析システム１００は、分光分析により試料の吸収スペクトルを算出するシステムであり、液体試料の分析に好適である。例えば、油を試料として分光分析システム１００で分析することにより、その劣化の有無や劣化の程度を判断することも可能である。無論、分光分析システム１００の分析対象となる試料は油に限られない。分光分析システム１００は、吸収スペクトルを測定可能な任意の試料の分析に利用可能である。また、分光分析システム１００は、赤外領域の他、紫外・可視光等の任意の電磁波による分光分析が可能である。

【0016】

分光分析装置１は、分光法により試料のスペクトルを分析するための装置である。分光分析装置１は、光源１１ａ～１１ｃ、干渉計１２、試料室１３、および検出器１４を備えている。なお、光源１１ａ～１１ｃをそれぞれ区別する必要がないときには単に光源１１と記載する。

【0017】

光源１１は、分光分析に用いる光を出射する。光源１１が出射する出射光は干渉計１２に入射する。光源１１が出射する出射光のスペクトルは予め求めておき、そのスペクトルを表す関数（後述するｇ_ｉ（ｋ））を計算装置２に記憶させておく。図１には、光源１１ａ～１１ｃが出射する出射光の強度と波長との関係、すなわち出射光のスペクトルを示すグラフを付記している。このグラフに示されるように、光源１１ａ～１１ｃが出射する出射光のスペクトルはそれぞれ異なっている。言い換えれば、分光分析装置１は、出射光のスペクトルがそれぞれ異なる光源を複数備えている。さらに言い換えれば、分光分析装置１は、波長に対する強度特性がそれぞれ異なる光源を複数備えている。分析の際には光源１１ａ～１１ｃの何れか１つが用いられる。つまり、分光分析装置１は、分析に使用する光源１１を切り替えることにより、分析条件を切り替える構成となっている。

【0018】

干渉計１２は、光源１１が出射する出射光を干渉させる。干渉計１２は、２枚の鏡を備えている。そして、それら２枚の鏡の一方は可動となっていて、鏡間距離を変動させることができるようになっている。干渉計１２としては、例えば、マイケルソン干渉計やファブリ・ペロー干渉計を用いてもよい。分光分析装置１を小型化する場合、干渉計１２として、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）で構成されるファブリ・ペロー干渉計を用いることが望ましい。また、マイケルソン干渉計やファブリ・ペロー干渉計と同様の原理あるいは類似の原理で動作する各種干渉計を適用することも可能である。

【0019】

試料室１３は、スペクトル測定の対象となる試料を収容するものである。より正確には、試料室１３は、光学セルまたはキュベットと呼ばれる試料容器を収容する空間である。干渉計１２から出射される干渉光は、試料室１３内の試料容器を透過して検出器１４に入射する。試料室１３および試料容器は、試料の吸収スペクトルの算出に対する影響が少ない形状および材質とすることが望ましい。

【0020】

なお、分光分析装置１は、試料で反射した反射光を検出器１４で検出する構成としてもよい。また、光源１１が出射する出射光を試料に入射させ、その出射光が試料で反射した反射光またはその出射光が試料を透過した透過光を干渉計１２で干渉させて検出器１４で検出する構成としてもよい。

【0021】

検出器１４は、干渉計１２から出射される干渉光を検出し、検出した干渉光の強度を示す検出値を出力する。検出器１４は、光源１１、干渉計１２、および試料等に応じたものとすればよい。例えば、試料の赤外吸収スペクトルを求める場合には、赤外光を出射する光源１１を用い、検出器１４として赤外線検出器を用いればよい。

【0022】

計算装置２は、試料の吸収スペクトルを算出する。計算装置２は、計算装置２の各部を統括して制御する制御部２０と、計算装置２が使用する各種データを記憶する記憶部２１を備えている。制御部２０には、測定結果取得部２０１とスペクトル算出部２０２が含まれている。また、記憶部２１には測定結果２１１が記憶されている。

【0023】

また、計算装置２は、計算装置２が他の装置と通信するための通信部２２、計算装置２に対する入力操作を受け付ける入力部２３、および計算装置２が情報を出力するための出力部２４を備えている。なお、上述した構成要素のうち制御部２０以外は、計算装置２に外付けされた計算装置２の外部の装置により実現されてもよい。

【0024】

測定結果取得部２０１は、分光分析装置１の測定結果を取得する。より詳細には、測定結果取得部２０１は、分光分析装置１により複数の異なる条件で同一の試料を分析したときの検出器１４の検出値を取得する。なお、分析の際には、干渉計１２の鏡間距離を変動させることにより干渉させる光の光路差を変動させるから、測定結果取得部２０１は、検出器１４の検出値に加えて、その検出値が得られたときの光路差または鏡間距離を示すデータも取得する。そして、測定結果取得部２０１は、取得した上記各データと、分析条件（例えば使用した光源１１のスペクトルデータ）とを対応付けて、これを測定結果２１１として記憶部２１に記憶させる。

【0025】

スペクトル算出部２０２は、測定結果取得部２０１が取得した各検出値と、複数のパラメータにより試料の吸収スペクトルを表した関数を用いて各分析条件下における検出器１４の検出値を計算した各理論値との差が最小となる上記パラメータを算出する。言い換えれば、スペクトル算出部２０２は、分光分析装置１により実験的に得られたデータ（検出値）に最もよくあてはまるように、試料の吸収スペクトルを表した関数を決定する。このような手法はカーブフィッティング（curve fitting）と呼ばれる。

【0026】

以上のように、分光分析システム１００は、光源１１と干渉計１２と検出器１４とを備えた分光分析装置１と、分光分析装置１により複数の異なる分析条件で同一の試料を分析したときの検出器１４の各検出値と、複数のパラメータにより上記試料の吸収スペクトルを表した関数を用いて各分析条件下における検出器１４の検出値を計算した各理論値との差が最小となる上記パラメータを算出する計算装置２と、を含む。また、計算装置２は、上記の各処理を行うために、検出器１４の検出値を取得する測定結果取得部２０１と、測定結果取得部２０１が取得した各検出値を用いて上記パラメータを算出するスペクトル算出部２０２と、を備えている。

【0027】

上記の構成によれば、フーリエ変換の演算を行うことなく試料の吸収スペクトルを表す関数のパラメータを算出するので、フーリエ変換の演算に必要な光路差ゼロの位置の決定を行う必要がない。よって、例えばＭＥＭＳで構成されるファブリ・ペロー干渉計のような小型の干渉計１２を採用することができる。これにより分光分析装置１を持ち運ぶことが容易になり、様々な現場において分析をすることが可能となる。

【0028】

ここで、ＭＥＭＳで構成されるファブリ・ペロー干渉計においては、干渉により光が強め合って透過率が高くなる波長が複数存在する。このため、従来は測定する波長範囲を絞り込む必要があった。しかし、上記の構成によれば、測定する波長範囲を絞り込まなくとも、計算により吸収スペクトルを表す関数のパラメータを算出することができる。したがって、分光分析システム１００によれば、装置の小型化と測定可能な波長範囲の拡張とを両立することが可能になる。

【0029】

（具体的な計算内容について）
光源１１ａからの出射光のスペクトルをｇ_１（ｋ）としたとき、鏡間距離（ｘ）における検出器１４の検出値をｆ_１（ｘ）とし、干渉計１２の透過率をｈ（ｘ，ｋ）とし、試料の吸収スペクトルをｓ（ｋ）とすると、理論上、下記の数式（２）が成り立つ。下記の数式（２）の左辺が検出器１４による実測値を示す関数であり、右辺が理論値を示す関数である。また、光源１１ｂ、１１ｃからの出射光のスペクトルｇ_２（ｋ）、ｇ_３（ｋ）についても、それらの光源を用いた分析における検出値ｆ_２（ｘ）、ｆ_３（ｘ）について、上記と同様の数式が理論上成り立つ。なお、ｋは波数であり、ｋ＝１／λである。

【0030】

【数1】

【0031】

このように、スペクトル算出部２０２は、光源１１からの出射光のスペクトルを表す関数ｇ_ｉ（ｋ）と、干渉計１２の透過率を表す関数ｈ（ｘ，ｋ）と、試料の吸収スペクトルを表す関数ｓ（ｋ）と、を乗じて和をとることにより理論値を算出することができる。これにより、光源１１から出射され、干渉計１２を透過し、試料で一部が吸収された光が検出器１４で検出される値の理論値を算出することができる。

【0032】

スペクトル算出部２０２は、ｆ_１（ｘ）～ｆ_３（ｘ）について、上記数式（２）が成り立つように、吸収スペクトルｓ（ｋ）のパラメータを決定すればよい。ただし、各実測値と各理論値とを全て一致させることは一般に困難であるから、スペクトル算出部２０２は、以下説明するように、近似計算手法によって吸収スペクトルｓ（ｋ）のパラメータを決定する。

【0033】

具体的には、スペクトル算出部２０２は、理論値を表す関数の値と、検出器１４により実測した検出値を表す関数ｆ_ｉ（ｘ）の値との差を最小にするパラメータを算出すればよい。このための計算手法としては、種々の近似計算手法を適用することができる。例えば、検出値と理論値との差を下記の数式（３）で表してもよい。なお、下記の数式（３）におけるｍは任意の自然数であり、ｍ＝２のときの当該計算手法は最小二乗法である。

【0034】

【数2】

【0035】

上記数式（３）において、ｆ_ｉ（ｘ）は、ｉ番目（ｉは自然数）の分析条件で分析したときの検出値を表す関数である。この関数は、光路差と信号強度との関係を示すものであり、記憶部２１に記憶されている測定結果２１１を用いて生成することができる。

【0036】

また、ｓ（ｋ）は、上述のとおり、試料の吸収スペクトルを表す関数（波長または波数と強度との関係を表す関数）である。この関数には複数のパラメータが含まれており、これらのパラメータの値が定まることにより関数ｓ（ｋ）すなわち試料の吸収スペクトルが定まる。

【0037】

例えば、試料の吸収スペクトルに表れるピーク（吸収ピーク）の個数が有限であり、かつ、その試料を構成する物質に特徴的なピークが表れることが推測できる場合には、ｓ（ｋ）を下記の数式（４）で表してもよい。
ｓ（ｋ）＝Σ _ｊ Ａ_ｊ・ｅｘｐ（－（ｋ－ｋ_ｊ）²／Ｂ_ｊ ²） …（４）
なお、上記数式（４）において、ｊは吸収ピークの番号、ｋ_ｊは吸収ピークの位置、Ａ_ｊは吸収ピークの高さに比例するパラメータ、Ｂ_ｊは吸収ピークの幅に比例するパラメータである。これらのパラメータ（Ａ_ｊ、Ｂ_ｊ）を求めることにより、関数ｓ（ｋ）を定めることができる。

【0038】

特に、赤外分光分析で得られる吸収スペクトルにおいては、試料を構成する物質の分子振動に由来する特徴的な吸収ピークが現れることが多く、試料ごとの差異は吸収ピークの高さや幅の比の差異として表れることも多い。このため、吸収ピークの個数は有限となり、上記数式（４）の適用がきわめて有効である。

【0039】

また、ｈ（ｘ，ｋ）は、上述のとおり、干渉計１２の透過率を表す関数（鏡間距離および波長と、透過光の強度との関係を表す関数）である。なお、ｘは干渉計１２における鏡間距離である。この関数は予め計算装置２に記憶させておけばよい。干渉計１２がファブリ・ペロー干渉計である場合、ｈ（ｘ，ｋ）は図７に示した数式（１）を用いればよい。

【0040】

また、ｇ_ｉ（ｋ）は、上述のとおり、光源１１からの出射光のスペクトルを表す関数である。上述のように、この関数は予め計算装置２に記憶させておけばよい。光源１１として光源１１ａ～１１ｃの３つを用いる場合、光源１１ａ～１１ｃのそれぞれに対応する関数ｇ_ｉ（ｋ）を用いる。

【0041】

スペクトル算出部２０２は、上記数式（３）で示される差が最小となるように関数ｓ（ｋ）のパラメータを算出する。この演算において、スペクトル算出部２０２は、関数ｓ（ｋ）のパラメータをまず初期値に設定し、その後、それを更新する演算を繰り返し行う。以上のような演算により、試料の吸収スペクトルを表す関数ｓ（ｋ）が定まる。

【0042】

（分析条件について）
上述のように、計算装置２は、分光分析装置１により複数の異なる条件で試料を分析したときの検出器１４の各検出値を用いて当該試料の吸収スペクトルを算出する。ここで、分光分析装置１は、上述のように出射光のスペクトルがそれぞれ異なる複数の光源１１ａ～１１ｃを備えている。

【0043】

このため、分光分析装置１では、分析に用いる光源１１を切り替えることにより試料の分析条件を異ならせることができる。よって、測定結果取得部２０１は、試料を異なる光源１１からの出射光で分析したときの検出器１４の各検出値を取得すればよい。そして、スペクトル算出部２０２は、取得された各検出値と、上記試料の吸収スペクトルを表す関数を用いて各光源１１を用いたときの検出器１４の検出値を計算した各理論値との差が最小となるように上記関数のパラメータを算出すればよい。

【0044】

これにより、光源１１を切り替えるだけで簡単かつ迅速に複数の分析条件での検出値を取得することができ、それらの検出値を用いて試料の吸収スペクトルを算出することができる。

【0045】

例えば、１１ａ～１１ｃの計３つの光源１１を用いる場合、上記数式（２）におけるｉ＝３となる。この場合、例えば光源１１ａ～１１ｃのスペクトルをそれぞれｇ_１（ｘ）、ｇ_２（ｘ）、およびｇ_３（ｘ）とし、光源１１ａ～１１ｃのそれぞれを用いた分析における検出値からｆ_１（ｘ）、ｆ_２（ｘ）、およびｆ_３（ｘ）を生成すればよい。これにより、上記数式（３）により試料の吸収スペクトルを算出することができる。

【0046】

なお、複数の光源１１を用いる場合、強度のピークが現れる波長域が異なる光源１１を用いることが好ましい。例えば、図１の例では、光源１１ａ～１１ｃに付記したグラフに示されるように、光源１１ａ～１１ｃの出射光は、強度のピークが現れる波長域がそれぞれ異なっている。このような光源１１ａ～１１ｃを用いることにより、算出される吸収スペクトルの精度を高めることができる。

【0047】

また、干渉計１２としてファブリ・ペロー干渉計を用いる場合、理想的には、ファブリ・ペロー干渉計の透過率のピークが各１つのみとなるような複数の光源１１を用いればよい。例えば、図７に示したグラフＧのような特性を有するファブリ・ペロー干渉計を用いた場合、λ＝１８５０～１９５０ｎｍの光を出射する光源１１ａと、λ＝１９５０～２０５０ｎｍの光を出射する光源１１ｂと、λ＝２０５０～２２００ｎｍの光を出射する光源１１ｃとを用いればよい。ただし、ここまで波長範囲を制限するためには高性能なバンドパスフィルタ等を用いる必要がある。計算装置２によれば、このようなバンドパスフィルタ等を用いなくとも、実用に足る精度で吸収スペクトルを算出することが可能である。

【0048】

また、光源１１の出射光のスペクトルを変化させる光学部材（例えばフィルタ）を用いて分析条件を変えてもよい。この場合、光学特性が異なる２種類の光学部材を用いれば、それらの何れかを用いて測定した検出値と、何れの光学部材も用いずに測定した検出値との計３種類の検出値を得ることができるので、上述の例と同様にして試料の吸収スペクトルを算出することができる。また、例えば赤外光源のように加熱温度により出射光のスペクトルが変化する光源１１を用いる場合、光源１１に供給する電力を変化させることにより、光源１１の出射光のスペクトルを変化させることも可能である。

【0049】

（処理の流れ）
分光分析システム１００により試料の吸収スペクトルを算出する際の処理の流れを図２に基づいて説明する。図２は、分光分析システム１００により試料の吸収スペクトルを算出する際の処理の一例を示すフローチャートである。

【0050】

分光分析システム１００により試料の吸収スペクトルを算出する場合、まず、分光分析装置１により、分析条件を変えながら試料の分析を複数回行う（Ｓ１）。上述のように、複数回の各分析で使用する光のスペクトル（波長と強度との関係）は、光源１１を切り替える等して、それぞれ異なるものとする。

【0051】

そして、計算装置２の測定結果取得部２０１は、上記の分析により得られた検出値を、通信部２２を介して分光分析装置１から取得する（Ｓ２）。また、測定結果取得部２０１は、取得した検出値を測定結果２１１として記憶部２１に記憶させる。なお、分析により得られた検出値は、ユーザが入力部２３を介して計算装置２に入力してもよい。

【0052】

次に、計算装置２のスペクトル算出部２０２が、測定結果２１１を読み出し、これを用いて検出値を表す関数、すなわち上述の数式（３）における関数ｆ_ｉ（ｘ）を生成する（Ｓ３）。また、スペクトル算出部２０２は、理論値を表す関数（上述の数式（２）の右辺の「１」を「ｉ」に変更した関数）も生成する（Ｓ４）。この際、スペクトル算出部２０２は、理論値を表す関数に含まれるパラメータには仮定の値（初期値）を代入しておく。

【0053】

そして、スペクトル算出部２０２は、検出値と理論値との差が小さくなるように上記パラメータの値を更新する。具体的には、スペクトル算出部２０２は、Ｓ５の更新により上記数式（３）で表される差が十分に小さくなったか否かを判定する（Ｓ６）。この判定基準は予め定めておけばよい。Ｓ６でＹＥＳと判定された場合にはＳ７の処理に進む。一方、Ｓ６でＮＯと判定された場合にはＳ４の処理に戻る。この場合、スペクトル算出部２０２は、Ｓ４において理論値を表す関数に含まれるパラメータにＳ５で更新された値を代入し、その後、Ｓ４およびＳ５の処理に進む。

【0054】

Ｓ７では、スペクトル算出部２０２は、スペクトルの算出結果を出力させる。例えば、スペクトル算出部２０２は、算出したパラメータを出力させてもよいし、算出したパラメータにより確定された関数を出力させてもよいし、その関数のグラフを出力させてもよい。これにより、試料の吸収スペクトルを分光分析システム１００のユーザに認識させることができる。Ｓ７の終了により、分光分析システム１００における処理は終了となる。

【0055】

なお、上述したＳ４～Ｓ６の繰り返し計算が不要である場合、スペクトル算出部２０２は、Ｓ４において理論値を表す関数を生成する際に、検出値と理論値の差が最小となるパラメータを算出すればよい。この場合、Ｓ５およびＳ６の処理は省略されて、Ｓ４で算出されたパラメータがＳ７で出力される。

【0056】

〔実施形態２〕
本発明の他の実施形態について、以下に説明する。なお、説明の便宜上、上記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を繰り返さない。

【0057】

（システム構成）
本実施形態に係る分光分析システム１００ａの構成を図３に基づいて説明する。図３は、分光分析システム１００ａの構成例を示すブロック図である。図示のように、分光分析システム１００ａには、分光分析装置１ａと計算装置２が含まれている。つまり、分光分析システム１００ａは、分光分析装置１の代わりに分光分析装置１ａを含む点で実施形態１の分光分析システム１００と相違している。

【0058】

分光分析装置１ａは、図３に示すように、光源１１、干渉計１２、試料室１３、および検出器１４ａ～１４ｃを備えている。なお、検出器１４ａ～１４ｃをそれぞれ区別する必要がないときには単に検出器１４と記載する。このように、分光分析装置１ａは、光源１１を１つ備え、検出器１４を複数備えている点で実施形態１の分光分析装置１と相違している。

【0059】

検出器１４ａ～１４ｃは、何れも干渉計１２から出射される干渉光を検出するものであるが、波長ごとの検出感度特性（波長と感度の関係）がそれぞれ異なっている。図３には、検出器１４ａ～１４ｃの波長ごとの検出感度特性を示すグラフを付記している。このように、分光分析装置１ａは、波長ごとの検出感度特性がそれぞれ異なる検出器を複数備えている。分析の際には検出器１４ａ～１４ｃの何れか１つが用いられる。つまり、分光分析装置１ａは、分析に使用する検出器１４を切り替えることにより、分析条件を切り替える構成となっている。

【0060】

そして、本実施形態の計算装置２の測定結果取得部２０１は、試料を検出器１４ａ～１４ｃのそれぞれを用いて分析したときの各検出値を取得する。そして、本実施形態の計算装置２のスペクトル算出部２０２は、上記各検出値と、試料の吸収スペクトルを表す関数ｓ（ｋ）を用いて複数の検出器１４ａ～１４ｃの検出値を計算した各理論値との差が最小となるように、関数ｓ（ｋ）のパラメータを算出する。

【0061】

これにより、使用する検出器１４を切り替えるだけで簡単かつ迅速に複数の分析条件での検出値を取得することができ、それらの検出値を用いて試料の吸収スペクトルを算出することができる。

【0062】

例えば、１４ａ～１４ｃの計３つの検出器１４を用いる場合、実施形態１で説明した数式（３）におけるｉ＝３となる。この場合、例えば光源１１のスペクトルをｇ_１（ｘ）とし、検出器１４ａ～１４ｃのそれぞれを用いた分析を行い、それらの分析で得た各検出値からｆ_１（ｘ）、ｆ_２（ｘ）、およびｆ_３（ｘ）を生成すればよい。これにより、上記数式（３）により試料の吸収スペクトルを算出することができる。

【0063】

なお、複数の検出器１４を用いる場合、検出感度のピークが現れる波長域が異なる検出器１４を用いることが好ましい。例えば、図３の例では、検出器１４ａ～１４ｃに付記したグラフに示されるように、検出器１４ａ～１４ｃは、検出感度のピークが現れる波長域がそれぞれ異なっている。このような検出器１４ａ～１４ｃを用いることにより、算出される吸収スペクトルの精度を高めることができる。

【0064】

〔吸収スペクトルの算出例〕
分光分析システム１００を用いて吸収スペクトルを算出した例について、図４および図５に基づいて説明する。図４は、分光分析装置１による分析結果を示す図である。また、図５は、計算装置２が算出した吸収スペクトルと、フーリエ変換により導出した吸収スペクトルとを示す図である。

【0065】

図４のグラフＧ１は、光源１１ａ～１１ｃが出射する出射光のスペクトルａ～ｃを示している。この例において、光源１１ａはカートリッジヒーター、光源１１ｂはグローバー（glow bar）光源、光源１１ｃはハロゲンランプをシリコンで被覆したものである。このシリコンはハロゲンランプが発する可視光領域の光を遮光するためのものである。グラフＧ１に示されるとおり、光源１１ａ～１１ｃが出射する出射光のスペクトルａ～ｃはそれぞれ異なるものとなっている。なお、使用した干渉計１２はマイケルソン干渉計である。

【0066】

また、グラフＧ２は、分光分析装置１の検出器１４が出力した検出値を用いて作成したインターフェログラムである。グラフＧ２には、光源１１ａ～１１ｃのそれぞれに対応するインターフェログラムを重畳して示している。各インターフェログラムは概ね同様の形状となっている。

【0067】

なお、この分析における可動鏡位置（光路長）の変化は５ｍｍ（±０．２５ｍｍ）とした。干渉計１２がマイケルソン干渉計であれば、このような比較的広い範囲で鏡間距離を変化させたデータを取得することができるので、それをフーリエ変換して試料の吸収スペクトルを導出することができる。グラフＧ２のデータをフーリエ変換することにより得られた吸収スペクトルを、図５にＧ４として示している。

【0068】

そして、グラフＧ３は、グラフＧ２の一部を切り出したものである。グラフＧ３では、光源１１ａ～１１ｃのそれぞれに対応するインターフェログラムを「＋」、「×」、「○」の系列で示している。なお、グラフＧ３の横軸（光路長差）の範囲は、ファブリ・ペロー干渉計の鏡間距離変化（±０．００２ｃｍ＝４０μｍ）程度とした。グラフＧ３のデータ（光源１１ａ～１１ｃのそれぞれを用いた分析により取得したデータ）を計算装置２に入力して計算させた吸収スペクトルを、図５にＧ５として示している。

【0069】

図５に示すように、グラフＧ５では、グラフＧ４の主要なピークと対応する位置にピークが表れており、グラフＧ３で示す狭い範囲で鏡間距離を変化させたデータからでも計算装置２が計算した吸収スペクトルが妥当なものであることがわかる。このように、計算装置２によれば、ファブリ・ペロー干渉計における鏡間距離の変化範囲と同等の狭い鏡間距離の変化範囲で得られたデータから、試料の吸収スペクトルを算出することができる。よって、干渉計１２としてファブリ・ペロー干渉計を用いた場合であっても、計算装置２により試料の吸収スペクトルを算出することができる。

【0070】

なお、使用する光源１１の特性をシャープにする、使用する光源１１の数を増やす、等により分解能を向上させることができる。光源１１の特性をシャープにする方法としては、例えば、スペクトルのピーク幅がより狭い光源１１を用いる、ピーク幅を狭くする光学部材（フィルタ等）を使用する等が挙げられる。

【0071】

〔初期値の設定について〕
関数ｓ（ｋ）の各パラメータを算出するにあたり、それら各パラメータの適切な初期値を設定することにより、試料の吸収スペクトルの算出精度を高めることができる。例えば、一部の波長帯における吸収スペクトルが既知であれば、その情報に基づいて初期値を設定することにより、他の波長帯の吸収スペクトルを高精度に算出することができる。

【0072】

これは、例えば試料の劣化の有無の判定の際に有用である。これについて図６に基づいて説明する。図６は、金属の切削に用いられる切削油のＦＴ－ＩＲ（Fourier Transform - Infrared Spectroscopy）で得られた吸収スペクトルを示す図である。

【0073】

より詳細には、図６には、未使用の切削油（新油）の吸収スペクトルと、使用して劣化した切削油（劣化油）の吸収スペクトルとを重畳して示している。これらの吸収スペクトルは、概ね同様の波形であるが、前者は同図に破線の枠囲みで示す１７００（ｃｍ^－１）付近にピークがなく、後者はピークがある点で相違している。このピークは、切削油のアルキル基が酸化したことに起因して生じたものである。

【0074】

よって、切削油が劣化しているか否かは、１７００（ｃｍ^－１）付近のピークの有無により判定することができる。また、劣化が進む（アルキル基の酸化が進む）ほど、このピークの面積は大きくなるので、ピーク面積から劣化の程度を判定することもできる。

【0075】

このため、試料を切削油とし、その劣化の有無または劣化の程度を判定するための分析を行う場合には、１７００（ｃｍ^－１）付近を除く他の波数（波長）帯の吸収スペクトルは、図６に示すような既知のものと同じであると仮定して初期値を設定すればよい。無論、このような初期値の設定方法は、切削油に限られず、一部の波長（波数）帯における吸収スペクトルが既知である任意の試料について適用が可能である。

【0076】

このように、スペクトル算出部２０２は、試料の吸収スペクトルのうち既知の部分に基づいて決定された値を、関数ｓ（ｋ）の各パラメータの初期値として用いて、当該パラメータを算出してもよい。これにより、算出される吸収スペクトルの精度を高めることができる。

【0077】

例えば、試料の劣化により新たな吸収ピークが発生したり、劣化前から検出される吸収ピークの一部が増大したりすることが分かっているときには、近似的にｓ（ｋ）を下記の数式（５）で表すことができる。

【0078】

ｓ（ｋ）＝ｓ_０（ｋ）＋Ａ・ｅｘｐ（－（ｋ－ｋ_１）^２／Ｂ^２）…（５）
なお、上記数式（５）において、ｓ_０（ｋ）は劣化していない試料の吸収スペクトルであり、例えば、通常の分光測定により事前に測定した結果に基づいて求めておけばよい。つまり、ｓ_０（ｋ）は、試料の吸収スペクトルｓ（ｋ）のうち、既知の部分（劣化していない試料の吸収スペクトルであって、劣化後も変化しない吸収スペクトルを示すパラメータ）を含む。

【0079】

また、上記数式（５）において、ｋ_１は劣化によって生成する物質の吸収ピークの位置、Ａは吸収ピークの高さに比例するパラメータ、Ｂは吸収ピークの幅に比例するパラメータである。これらのパラメータ（Ａ、Ｂ）を求めることにより、関数ｓ（ｋ）を定めることができる。

【0080】

上記数式（５）を用いた場合、ｓ_０（ｋ）に含まれるパラメータ（劣化していない試料の吸収スペクトルであって、劣化後も変化しない吸収スペクトルを示すパラメータ）が、ｓ（ｋ）のパラメータの初期値となる。これにより、試料の劣化に基づいて変化した吸収ピークの高さや幅を高精度に算出することができる。また、これにより、試料の劣化の度合いを定量的に明らかにすることもできる。

【0081】

〔ソフトウェアによる実現例〕
計算装置２の制御ブロック（特に制御部２０に含まれる各部）は、集積回路（ＩＣチップ）等に形成された論理回路（ハードウェア）によって実現してもよいし、ソフトウェアによって実現してもよい。

【0082】

後者の場合、計算装置２は、各機能を実現するソフトウェアである計算プログラムの命令を実行するコンピュータを備えている。このコンピュータは、例えば１つ以上のプロセッサを備えていると共に、上記計算プログラムを記憶したコンピュータ読み取り可能な記録媒体を備えている。そして、上記コンピュータにおいて、上記プロセッサが上記計算プログラムを上記記録媒体から読み取って実行することにより、本発明の目的が達成される。上記プロセッサとしては、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）を用いることができる。上記記録媒体としては、「一時的でない有形の媒体」、例えば、ＲＯＭ（Read Only Memory）等の他、テープ、ディスク、カード、半導体メモリ、プログラマブルな論理回路などを用いることができる。また、上記プログラムを展開するＲＡＭ（Random Access Memory）などをさらに備えていてもよい。また、上記プログラムは、該プログラムを伝送可能な任意の伝送媒体（通信ネットワークや放送波等）を介して上記コンピュータに供給されてもよい。なお、本発明の一態様は、上記プログラムが電子的な伝送によって具現化された、搬送波に埋め込まれたデータ信号の形態でも実現され得る。

【0083】

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0084】

１、１ａ 分光分析装置
１１ａ～１１ｃ 光源
１２ 干渉計
１４、１４ａ～１４ｃ 検出器
２ 計算装置
２０１ 測定結果取得部
２０２ スペクトル算出部
１００、１００ａ 分光分析システム

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】