(57)【要約】光により高精度で物質を特定することのできる物質特定装置、物質特定方法及び物質特定プログラムを提供する。物質特定装置１０は、励起光の照射条件を設定する設定部１１と、照射条件で、対象物１００に励起光を照射する照射部１２と、励起光の照射に応じて生じた対象物１００の遅延蛍光又は燐光の発光データを測定する測定部１３と、発光データ及び複数の物質にそれぞれ照射条件で励起光を照射した場合に測定された遅延蛍光又は燐光の発光データに基づいて、対象物を構成する物質を特定する特定部１５と、を備える。
2020059727.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
励起光の照射条件を設定する設定部と、
前記照射条件で、対象物に前記励起光を照射する照射部と、
前記励起光の照射に応じて生じた前記対象物の遅延蛍光又は燐光の発光データを測定する測定部と、
前記発光データ及び複数の物質にそれぞれ前記照射条件で前記励起光を照射した場合に測定された遅延蛍光又は燐光の発光データに基づいて、前記対象物を構成する物質を特定する特定部と、
を備える物質特定装置。
【請求項２】
前記照射部は、複数の異なる波長の前記励起光を発生させる１又は複数の光源を含む、
請求項１に記載の物質特定装置。
【請求項３】
前記照射条件は、前記励起光の波長、前記励起光の強度及び前記励起光の照射時間の少なくともいずれかを含む、
請求項１又は２に記載の物質特定装置。
【請求項４】
前記励起光の波長は、１０ｎｍ以上である、
請求項１から３のいずれか一項に記載の物質特定装置。
【請求項５】
前記発光データは、前記励起光の照射を止めた後に生じる遅延蛍光又は燐光の発光データを含む、
請求項１から４のいずれか一項に記載の物質特定装置。
【請求項６】
前記測定部は、前記励起光の波長の光を遮蔽するフィルタを透過した、前記遅延蛍光又は前記燐光の前記発光データを測定する、
請求項１から５のいずれか一項に記載の物質特定装置。
【請求項７】
前記発光データは、発光スペクトル曲線及び発光強度の時間減衰曲線の少なくともいずれかを含む、
請求項１から６のいずれか一項に記載の物質特定装置。
【請求項８】
前記特定部は、前記発光スペクトル曲線の形状、前記発光スペクトル曲線における最大発光強度を与える波長及び半値幅、前記発光スペクトル曲線の異なる波長についての発光強度比並びに前記時間減衰曲線から算出される発光寿命の少なくともいずれかを用いて、前記対象物を構成する物質を特定する、
請求項７に記載の物質特定装置。
【請求項９】
前記測定部は、前記遅延蛍光又は前記燐光の画像を連続撮影し、前記遅延蛍光又は前記燐光の画素値の時間変化に基づいて、前記時間減衰曲線を測定する、
請求項７又は８に記載の物質特定装置。
【請求項１０】
前記測定部は、前記遅延蛍光又は前記燐光を１００ｆｐｓ以上のフレームレートで撮影する高速カメラを含む、
請求項１から９のいずれか一項に記載の物質特定装置。
【請求項１１】
前記測定部は、前記遅延蛍光又は前記燐光を１００ｆｐｓより低いフレームレートで撮影するカメラ及び前記高速カメラを含み、時間変化が比較的速い期間における前記遅延蛍光又は前記燐光を前記高速カメラで撮影し、時間変化が比較的遅い期間における前記遅延蛍光又は前記燐光を前記カメラで撮影する、
請求項１０に記載の物質特定装置。
【請求項１２】
前記測定部は、前記励起光の照射中に生じた前記対象物の蛍光に関するデータを含む前記発光データを測定する、
請求項１から１１のいずれか一項に記載の物質特定装置。
【請求項１３】
既知の物質に関する遅延蛍光又は燐光の発光データを学習データとした機械学習によって、前記対象物に関する前記発光データに基づいて、前記対象物を構成する物質を推定する学習モデルを生成する機械学習部をさらに備える、
請求項１から１２のいずれか一項に記載の物質特定装置。
【請求項１４】
励起光の照射条件を設定することと、
前記照射条件で、対象物に前記励起光を照射することと、
前記励起光の照射に応じて生じた前記対象物の遅延蛍光又は燐光の発光データを測定することと、
前記発光データ及び複数の物質にそれぞれ前記照射条件で前記励起光を照射した場合に測定された遅延蛍光又は燐光の発光データに基づいて、前記対象物を構成する物質を特定することと、
を含む物質特定方法。
【請求項１５】
物質特定装置に備えられたコンピュータを、
励起光の照射条件を設定する設定部、
前記照射条件で、対象物に前記励起光を照射する照射部、
前記励起光の照射に応じて生じた前記対象物の遅延蛍光又は燐光の発光データを測定する測定部、及び
前記発光データと、複数の物質にそれぞれ前記照射条件で前記励起光を照射した場合に測定された遅延蛍光又は燐光の発光データに基づいて、前記対象物を構成する物質を特定する特定部、
として機能させる物質特定プログラム。
【請求項１６】
励起光の照射条件を設定する設定部と、
前記照射条件で、対象物に前記励起光を照射する照射部と、
前記励起光の照射に対して遅延して生じた前記対象物の発光に関する発光データを測定する測定部と、
前記発光データ及び複数の物質にそれぞれ前記照射条件で前記励起光を照射した場合に遅延して生じた発光に関する発光データに基づいて、前記対象物を構成する物質を特定する特定部と、
を備える物質特定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物質特定装置、物質特定方法及び物質特定プログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、対象物を構成する物質を、光を用いて特定することがある。例えば、対象物に光を照射して吸収スペクトルを測定し、対象物を構成する物質を特定する吸光分光法や、対象物をレーザによって電離させてプラズマ光を測定し、対象物を構成する物質を特定するレーザ誘起ブレークダウン分光法が用いられている。また、対象物に比較的長時間（数十秒）励起光を照射し、発生する遅延蛍光のスペクトルや蛍光寿命等の物性値を測定することがある。【０００３】
レーザ誘起ブレークダウン分光法に関して、例えば下記特許文献１には、第１レーザ部によりレーザ光を照射して散乱光を測定し、測定結果から物質が存在する範囲を抽出し、第１レーザ部と異なる第２レーザ部によりレーザ光を照射して、プラズマ光のスペクトルを測定する物質特定システムが記載されている。【０００４】
また、蛍光寿命の測定に関して、例えば下記特許文献２には、測定対象の蛍光体をステージに載せて一定の速度で移動させ、蛍光体に対して励起光を照射し、励起光により発する蛍光の残光を撮像した画像を用いて、経過時間と残光強度とを検出し、蛍光寿命を算出する蛍光寿命測定装置が記載されている。【０００５】
また、遅延蛍光の利用に関して、例えば下記特許文献３には、花卉に励起光を照射して、発生したクロロフィル蛍光及び遅延蛍光を撮像し、遅延蛍光の光量とクロロフィル蛍光の光量との比と花卉の日持ち性との相関に基づいて、花卉の日持ち性を判定する花卉の日持ち性判定装置が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】国際公開第２０１５／０３７６４３号
【特許文献２】特開２０１０−１６４４６８号公報
【特許文献３】特開２００４−３０１６３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
対象物を構成する物質を、光を用いて特定する場合、光の照射条件を固定して測定を行うことがある。しかしながら、照射条件が固定されていると、異なる物質について区別が困難なほど似た発光データが測定される場合があり、物質の特定が困難なことがある。【０００８】
そこで、本発明は、光により高精度で物質を特定することのできる物質特定装置、物質特定方法及び物質特定プログラムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一態様に係る物質特定装置は、励起光の照射条件を設定する設定部と、照射条件で、対象物に励起光を照射する照射部と、励起光の照射に応じて生じた対象物の遅延蛍光又は燐光の発光データを測定する測定部と、発光データ及び複数の物質にそれぞれ照射条件で励起光を照射した場合に測定された遅延蛍光又は燐光の発光データに基づいて、対象物を構成する物質を特定する特定部と、を備える。【００１０】
この態様によれば、任意の照射条件で励起光を対象物に照射し、それに応じて生じた遅延蛍光又は燐光の発光データ及び複数の物質について同様の照射条件で測定された遅延蛍光又は燐光の発光データに基づいて、対象物を構成する物質を特定することで、異なる物質について区別が困難なほど似た発光データが測定されることを回避して、高精度で物質を特定することができる。【００１１】
上記態様において、照射部は、複数の異なる波長の励起光を発生させる１又は複数の光源を含んでよい。【００１２】
この態様によれば、複数の異なる波長の励起光を対象物に照射することで、各波長の励起光の照射によって得られた発光データを活用して、高精度に物質を特定することができる。【００１３】
上記態様において、照射条件は、励起光の波長、励起光の強度及び励起光の照射時間の少なくともいずれかを含んでよい。【００１４】
この態様によれば、励起光の波長、励起光の強度及び励起光の照射時間の少なくともいずれかを含む照射条件を設定することで、様々な条件で励起光を照射して遅延蛍光又は燐光の発光データを測定することができ、物質に特有の発光データを測定して、高精度で物質を特定することができる。【００１５】
上記態様において、励起光の波長は、１０ｎｍ以上であってよい。【００１６】
この態様によれば、波長が１０ｎｍ以上の励起光を用いることで、対象物に励起光を照射する場合の管理を簡素化することができ、物質特定装置の運用コストを低く抑えることができる。【００１７】
上記態様において、発光データは、励起光の照射を止めた後に生じる遅延蛍光又は燐光の発光データを含んでよい。【００１８】
この態様によれば、物質に特有の遅延蛍光又は燐光の発光データを測定することで、異なる物質について区別が困難なほど似た発光データが測定されることを回避して、高精度で物質を特定することができる。【００１９】
上記態様において、測定部は、励起光の波長の光を遮蔽するフィルタを透過した、遅延蛍光又は燐光の発光データを測定してもよい。【００２０】
この態様によれば、励起光が直接カメラに入射することを防止して、物質に特有の遅延蛍光又は燐光の発光データを高精度で測定することができる。【００２１】
上記態様において、発光データは、発光スペクトル曲線及び発光強度の時間減衰曲線の少なくともいずれかを含んでよい。【００２２】
この態様によれば、遅延蛍光又は燐光について、発光スペクトル曲線及び発光強度の時間減衰曲線の少なくともいずれかを測定することで、物質を特徴付ける発光データを測定して、高精度で物質を特定することができる。【００２３】
上記態様において、特定部は、発光スペクトル曲線の形状、発光スペクトル曲線における最大発光強度を与える波長及び半値幅、発光スペクトル曲線の異なる波長についての発光強度比並びに時間減衰曲線から算出される発光寿命の少なくともいずれかを用いて、対象物を構成する物質を特定してもよい。【００２４】
この態様によれば、発光スペクトルや発光寿命を特徴付ける量を用いて異なる物質を区別して、高精度で物質を特定することができる。【００２５】
上記態様において、測定部は、遅延蛍光又は燐光の画像を連続撮影し、遅延蛍光又は燐光の画素値の時間変化に基づいて、時間減衰曲線を測定してもよい。【００２６】
この態様によれば、遅延蛍光又は燐光の２次元的な位置を捉えながら、その時間変化に基づいて時間減衰曲線を測定することができる。【００２７】
上記態様において、測定部は、遅延蛍光又は燐光を１００ｆｐｓ以上のフレームレートで撮影する高速カメラを含んでよい。【００２８】
この態様によれば、図７のような励起光照射直後の遅延蛍光又は燐光の発光強度が急峻に減衰する現象に対し、高速カメラを適用することではじめて、時間分解画像とその発光強度の時間分解データ（時間依存性データ）を、高速かつ高精度に取得でき、物質に特有の遅延蛍光又は燐光の発光データを高精度で測定することができる。【００２９】
上記態様において、測定部は、遅延蛍光又は燐光を１００ｆｐｓより低いフレームレートで撮影するカメラ及び高速カメラを含み、時間変化が比較的速い期間における遅延蛍光又は燐光を高速カメラで撮影し、時間変化が比較的遅い期間における遅延蛍光又は燐光をカメラで撮影してもよい。【００３０】
この態様によれば、遅延蛍光又は燐光の時間変化が比較的速い期間及び遅い期間いずれにおいても、十分な時間分解能で連続画像を撮影できる。【００３１】
上記態様において、測定部は、励起光の照射中に生じた対象物の蛍光に関するデータを含む発光データを測定してもよい。【００３２】
この態様によれば、遅延蛍光又は燐光のみならず、蛍光に関するデータを含む発光データを測定することで、異なる物質について区別が困難なほど似た発光データが測定されることを回避して、高精度で物質を特定することができる。【００３３】
上記態様において、既知の物質に関する遅延蛍光又は燐光の発光データを学習データとした機械学習によって、対象物に関する発光データに基づいて、対象物を構成する物質を推定する学習モデルを生成する機械学習部をさらに備えてもよい。【００３４】
この態様によれば、機械学習を用いて、発光データの特徴量を抽出する負担を軽減して、物質を特定することができる。【００３５】
本発明の他の態様に係る物質特定方法は、励起光の照射条件を設定することと、設定された照射条件で、対象物に励起光を照射することと、励起光の照射に応じて生じた対象物の遅延蛍光又は燐光の発光データを測定することと、発光データ及び複数の物質にそれぞれ照射条件で励起光を照射した場合に測定された遅延蛍光又は燐光の発光データに基づいて、対象物を構成する物質を特定することと、を含む。【００３６】
この態様によれば、任意の照射条件で励起光を対象物に照射し、それに応じて生じた遅延蛍光又は燐光の発光データ及び複数の物質について同様の照射条件で測定された遅延蛍光又は燐光の発光データに基づいて、対象物を構成する物質を特定することで、異なる物質について区別が困難なほど似た発光データが測定されることを回避して、高精度で物質を特定することができる。【００３７】
本発明の他の態様に係る物質特定プログラムは、物質特定装置に備えられたコンピュータを、励起光の照射条件を設定する設定部、照射条件で、対象物に励起光を照射する照射部、励起光の照射に応じて生じた対象物の遅延蛍光又は燐光の発光データを測定する測定部、及び発光データと、複数の物質にそれぞれ照射条件で励起光を照射した場合に測定された遅延蛍光又は燐光の発光データとに基づいて、対象物を構成する物質を特定する特定部、として機能させる。【００３８】
この態様によれば、任意の照射条件で励起光を対象物に照射し、それに応じて生じた遅延蛍光又は燐光の発光データ及び複数の物質について同様の照射条件で測定された遅延蛍光又は燐光の発光データに基づいて、対象物を構成する物質を特定することで、異なる物質について区別が困難なほど似た発光データが測定されることを回避して、高精度で物質を特定することができる。【００３９】
本発明の他の態様に係る物質特定装置は、励起光の照射条件を設定する設定部と、照射条件で、対象物に励起光を照射する照射部と、励起光の照射に対して遅延して生じた対象物の発光に関する発光データを測定する測定部と、発光データ及び複数の物質にそれぞれ照射条件で励起光を照射した場合に遅延して生じた発光に関する発光データに基づいて、対象物を構成する物質を特定する特定部と、を備える。【００４０】
この態様によれば、任意の照射条件で励起光を対象物に照射し、それに応じて遅延して生じた発光に関する発光データ及び複数の物質について同様の照射条件で励起光を照射した場合に遅延して生じた発光に関する発光データに基づいて、対象物を構成する物質を特定することで、異なる物質について区別が困難なほど似た発光データが測定されることを回避して、高精度で物質を特定することができる。
【発明の効果】
【００４１】
本発明によれば、光により高精度で物質を特定することのできる物質特定装置、物質特定方法及び物質特定プログラムが提供される。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の実施形態に係る物質特定装置の機能ブロックを示す図である。
【図２】本実施形態に係る物質特定装置の物理的構成を示す図である。
【図３】本実施形態に係る物質特定装置により測定された発光データを示す図である。
【図４】本実施形態に係る物質特定装置により測定された発光データの第１区間を示す図である。
【図５】本実施形態に係る物質特定装置により測定された発光データの第２区間を示す図である。
【図６】本実施形態に係る物質特定装置により対象物に励起光を照射している様子を示す図である。
【図７】本実施形態に係る物質特定装置により撮影された対象物の遅延蛍光又は燐光の画像を示す図である。
【図８】本実施形態に係る物質特定装置により撮影されたグラニュー糖とコーンスターチの遅延蛍光又は燐光の画像を示す図である。
【図９】本実施形態に係る物質特定装置により測定された第１発光データを示す図である。
【図１０】本実施形態に係る物質特定装置により測定された第２発光データ及び第３発光データを示す図である。
【図１１】本実施形態に係る物質特定装置により測定された第４発光データ、第５発光データ、第６発光データ及び第７発光データを示す図である。
【図１２】本実施形態に係る物質特定装置により測定された第８発光データ、第９発光データ、第１０発光データ及び第１１発光データを示す図である。
【図１３】本実施形態に係る物質特定装置により実行される物質特定処理のフローチャートである。
【図１４】本実施形態の変形例に係る物質特定装置の機能ブロックを示す図である。
【図１５】本実施形態の第２変形例に係る物質特定装置の機能ブロックを示す図である。
【図１６】本実施形態の第２変形例に係る物質特定装置により実行される学習モデル生成処理のフローチャートである。
【図１７ａ】本実施形態に係る物質特定装置により測定された発光データの散布図の第１例である。
【図１７ｂ】本実施形態に係る物質特定装置により測定された発光データの散布図の第２例である。
【図１７ｃ】本実施形態に係る物質特定装置により測定された発光データの散布図の第３例である。
【図１７ｄ】本実施形態に係る物質特定装置により測定された発光データの散布図の第４例である。
【図１７ｅ】本実施形態に係る物質特定装置により測定された発光データの散布図の第５例である。
【図１８】本実施形態に係る物質特定装置により励起光の照射時間を変化させて測定された発光データを示す図である。
【図１９】本実施形態に係る物質特定装置によりスケッチブックに励起光を照射した場合に測定された発光データを示す図である。
【図２０】本実施形態に係る物質特定装置により牛乳パックに励起光を照射した場合に測定された発光データを示す図である。
【図２１】本実施形態に係る物質特定装置によりスケッチブックに励起光を照射した場合に測定された時間減衰曲線及びそれを近似する減衰曲線を示す図である。
【図２２】本実施形態に係る物質特定装置により撮影された牛乳パックの遅延蛍光又は燐光の画像を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００４３】
以下、本発明の一側面に係る実施の形態（以下、「本実施形態」と表記する。）を、図面に基づいて説明する。なお、各図において、同一の符号を付したものは、同一又は同様の構成を有する。
【００４４】
図１は、本実施形態に係る物質特定装置１０の機能ブロックを示す図である。物質特定装置１０は、設定部１１、照射部１２、測定部１３、記憶部１４及び特定部１５を備える。物質特定装置１０は、任意の照射条件で励起光を対象物１００に照射し、それに応じて生じた遅延蛍光又は燐光の発光データ及び複数の物質について同様の照射条件で予め測定した遅延蛍光又は燐光の発光データに基づいて、対象物１００を構成する物質を特定する。
【００４５】
対象物１００は、任意の物質で構成される物であってよく、気体、液体及び固体のいずれであってもよく、無機物であっても有機物であってもよく、例えば、紙、段ボール、布、毛、合成繊維、食品及びコンクリートやＳｉ、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＩｎＰ等の半導体等を含んでよい。また、植物や人体等の生物であっても構わない。また、対象物１００は、金属であっても酸化金属であってもよい。対象物１００は、例えば白い砂糖であってよく、肉眼では白い塩と区別が困難であるとする。この場合、予め測定された発光データとして、白い砂糖と白い塩の発光データを有することで、物質特定装置１０は、対象物１００が白い砂糖によって構成されていることを遠隔から非接触で特定することができる。
【００４６】
設定部１１は、励起光の照射条件を設定する。励起光の照射条件は、励起光の波長、励起光の強度及び励起光の照射時間の少なくともいずれかを含む。例えば、励起光の波長は、紫外線領域の２００ｎｍ〜４００ｎｍであってよいが、遠紫外線領域の２００ｎｍ以下であってもよいし、可視光領域の４００ｎｍ以上であってもよい。また、励起光の波長が短ければ短いほど（すなわち、エネルギー強度大）遅延蛍光又は燐光の発光寿命が長くなる傾向にあるため、発光寿命を物質特定に用いる場合、励起光の波長を比較的短く設定してよい。また、励起光の強度が強いほど遅延蛍光又は燐光の発光寿命が長くなる傾向にあるため、発光寿命を物質特定に用いる場合、励起光の強度を比較的強く設定してよい。また、励起光の照射時間が長いほど遅延蛍光又は燐光の発光寿命が長くなる傾向にあるため、発光寿命を物質特定に用いる場合、励起光の照射時間を比較的長く設定してよい。ただし、励起光の照射時間を一定時間以上長くしても、遅延蛍光又は燐光の発光寿命が変化しなくなる場合があるため、励起光の照射時間は、遅延蛍光又は燐光の発光寿命が最大値に近くなる時間のうち最も短い時間に設定してよい。このような例を、後に図１８を用いて説明する。励起光の波長、励起光の強度及び励起光の照射時間の少なくともいずれかを含む照射条件を設定することで、様々な条件で励起光を照射して遅延蛍光又は燐光の発光データを測定することができ、物質に特有の発光データを測定して、高精度で物質を特定することができる。
【００４７】
照射部１２は、設定部１１により設定された照射条件で、対象物１００に励起光を照射する。照射部１２は、例えば紫外線レーザや紫外ＬＥＤ（Light Emitting Diode）により構成されてよい。また、照射部１２により照射される励起光の波長は、１０ｎｍ以上であってよい。波長が１０ｎｍ以上の励起光を用いることで、対象物１００に励起光を照射する場合の管理を簡素化することができ、物質特定装置１０の運用コストを低く抑えることができる。また、照射部１２は、複数の異なる波長の励起光を発生させる１又は複数の光源を含んでよい。照射部１２は、波長可変のレーザやＬＥＤを光源として含んでもよいし、波長の異なる複数のレーザやＬＥＤを光源として含んでもよい。照射部１２によって、複数の異なる波長の励起光を対象物１００に照射することで、後述するように各波長の励起光の照射によって得られた発光データを活用して、高精度に物質を特定することが可能となる。
【００４８】
測定部１３は、励起光の照射に対して遅延して生じた対象物１００の発光に関する発光データを測定する。より具体的には、測定部１３は、励起光の照射に応じて生じた対象物１００の遅延蛍光又は燐光の発光データを測定する。なお、励起光の照射に対して遅延して生じた対象物１００の発光は、遅延蛍光又は燐光のみならず、他の遅延発光、残光又は蓄光を含んでよい。測定部１３は、カメラ１３ａと解析部１３ｂを含む。カメラ１３ａは、励起光の照射に応じて生じた対象物１００の遅延蛍光又は燐光の発光像を撮影する。カメラ１３ａは、遅延蛍光又は燐光を１００ｆｐｓ以上のフレームレートで撮影する高速カメラであってよい。高速カメラのフレームレートは、１０００ｆｐｓや１万ｆｐｓ以上であってもよい。高速カメラを用いることで、図７のような励起光照射直後の遅延蛍光又は燐光の発光強度が急峻に減衰する現象に対し、高速カメラを適用することではじめて、時間分解画像とその発光強度の時間依存性データを高速かつ高精度に取得でき、物質に特有の遅延蛍光又は燐光の発光データを高精度で測定することができる。高速カメラで対象物１００の遅延蛍光又は燐光を撮影する場合、イメージインテンシファイアによって光を増倍した画像を撮影してもよい。また、ビニング機能によって隣接画素を１画素として扱い、感度を向上させて遅延蛍光又は燐光の画像を撮影してもよい。また、撮影した画像に対して縮小処理又は膨張処理を施して、Ｓ／Ｎ比を向上させた画像を生成してもよい。なお、高速カメラで対象物１００の遅延蛍光又は燐光を撮影する場合、フレームレートに応じて励起光の強度を強くしてもよい。また、カメラ１３ａを使用することで、対象物１００の二次元又は三次元座標上の遅延蛍光又は燐光の測定が可能になる。これにより、画素配列に基づいて高分解能で座標位置を特定し、各座標位置に応じて対象物１００を構成する物質を特定することができる。そのため、従来の蛍光寿命測定と比較して、高速な計測が可能となる。このように本発明の装置では、対象物への短時間（例えば、０．０１ミリ秒〜５００ミリ秒）の励起光照射によって、遅延蛍光や燐光強度の時間依存性データを時間分解（例えば、０．０１ミリ秒〜１０ミリ秒）で測定できるというメリットを有する。また、本発明の装置では、短時間の露光で遅延蛍光又は燐光を撮影するため、長時間の露光では撮像フレーム間において対象物１００が移動してしまう状況やモーションブラーが生じてしまう状況においても用いることができるという特徴を有する。
【００４９】
解析部１３ｂは、カメラ１３ａにより撮影された画像に基づき、対象物の遅延蛍光又は燐光の発光データを解析する。ここで、発光データは、励起光の照射を止めた後に生じる遅延蛍光又は燐光の発光データを含んでよい。もっとも、発光データは、励起光を照射している間に生じる遅延蛍光又は燐光の発光データを含んでもよい。励起光の照射を止めた後に生じる遅延蛍光又は燐光の発光データを測定することで、異なる物質について区別が困難なほど似た発光データが測定されることを回避して、高精度で物質を特定することができる。
【００５０】
また、発光データは、発光スペクトル曲線及び発光強度の時間減衰曲線の少なくともいずれかを含んでよい。発光強度の時間減衰曲線について、図３から図６を用いて詳細に説明する。遅延蛍光又は燐光について、発光スペクトル曲線及び発光強度の時間減衰曲線の少なくともいずれかを測定することで、物質を特徴付ける発光データを測定して、高精度で物質を特定することができる。
【００５１】
また、測定部１３は、励起光の照射中に生じた対象物１００の蛍光に関するデータを含む発光データを測定してもよい。すなわち、測定部１３は、対象物１００の遅延蛍光又は燐光の発光データのみならず、通常の蛍光に関するデータを測定してもよい。その場合、発光データは、蛍光に関するデータと、遅延蛍光又は燐光に関するデータとを含む。このように、遅延蛍光又は燐光のみならず、蛍光に関するデータを含む発光データを測定することで、異なる物質について区別が困難なほど似た発光データが測定されることを回避して、高精度で物質を特定することができる。
【００５２】
記憶部１４は、対象物１００についてある照射条件で励起光を照射した場合に測定された遅延蛍光又は燐光の発光データ１４ａと、既知の物質について１又は複数の照射条件で励起光を照射した場合に測定された遅延蛍光又は燐光の発光データ１４ｂとを記憶する。ここで、既知物質の発光データ１４ｂは、励起光の波長、励起光の強度及び励起光の照射時間を変化させた複数の照射条件で励起光を照射した場合に測定された遅延蛍光又は燐光の発光データを含んでよい。
【００５３】
特定部１５は、ある照射条件で励起光を対象物１００に照射した場合に測定された発光データ１４ａ及び複数の物質にそれぞれ同様の照射条件で励起光を照射した場合に測定された遅延蛍光又は燐光の発光データ１４ｂに基づいて、対象物１００を構成する物質を特定する。より具体的には、ある照射条件で励起光を対象物１００に照射した場合に測定された発光データ１４ａを、複数の物質にそれぞれ同様の照射条件で励起光を照射した場合に測定された遅延蛍光又は燐光の発光データ１４ｂと照合して、対象物１００を構成する物質を特定する。特定部１５は、設定部１１により設定された照射条件を特定し、その照射条件と同一又は最も近い照射条件で測定された既知物質の発光データ１４ｂを特定する。そして、対象物１００の発光データ１４ａと、特定された既知物質の発光データ１４ｂとを照合して、発光データの類似度に基づいて、対象物１００を構成する物質を特定する。例えば、遅延蛍光又は燐光の発光スペクトルを用いて物質を特定する場合、対象物１００について測定されたスペクトルのピークの幅（例えば半値幅）とテールの幅（例えばピークの半値幅より外側であって、ピーク強度の０．１％となるまでの幅）との比率を算出し、既知物質のスペクトルのピークの幅とテールの幅との比率と比較することで、正規化した発光データを用いてロバスト性の高い照合を行うことができる。また、特定部１５は、異なる波長の励起光を照射して得られた発光スペクトルのピーク波長の差やピーク強度比等を算出し、既知物質の発光スペクトルのピーク波長の差やピーク強度比等と比較して、対象物１００を構成する物質を特定してもよい。また、遅延蛍光又は燐光の発光寿命を用いて物質を特定する場合、対象物１００について発光寿命が飽和する励起光の強度を特定し、既知物質について発光寿命が飽和する励起光の強度と比較することで、ロバスト性の高い照合を行うことができる。
【００５４】
特定部１５は、ある照射条件で励起光を対象物１００に照射した場合に測定された発光データ１４ａをニューラルネットワーク等の学習モデルに入力し、いずれの既知物質の発光データ１４ｂに類似しているかを学習モデルによって特定してもよい。この場合、学習モデルは、様々な発光データを学習データとした教師有り学習で生成されたり、クラスタリング等の教師無し学習によって生成されたりしてよい。ここで、学習モデル、学習データ、発光データ１４ａ及び既知物質の発光データ１４ｂは、通信ネットワークを介してアクセス可能であればよく、必ずしも物質特定装置１０の記憶部に記憶されていなくてもよい。
【００５５】
このように、本実施形態に係る物質特定装置１０によれば、任意の照射条件で励起光を対象物に照射し、それに応じて生じた遅延蛍光又は燐光の発光データ及び複数の物質について同様の照射条件で測定された遅延蛍光又は燐光の発光データに基づいて、異なる物質について区別が困難なほど似た発光データが測定されることを回避して、高精度で物質を特定することができる。
【００５６】
例えば、対象物１００に第１物質と第２物質がランダムに分布しており、第１物質と第２物質が蛍光に関して同様の発光スペクトルを有しているとする。また、第１物質と第２物質は、可視光において同じ見た目をしているとする。そうした条件で、対象物１００を構成する物質の同定を蛍光測定及び可視光下での目視によって行うと、第１物質と第２物質を判別できないと考えられる。一方、第１物質と第２物質が蓄光現象において異なる特性を有し、遅延蛍光又は燐光の発光スペクトルや発光寿命が異なるとすれば、その情報を用いて第１物質と第２物質の判別が可能となる。特に、前述した複数の波長の励起光を照射して得られた発光スペクトルや発光寿命データを用いることで、混合物質等の複雑な系であっても構成物質を特定することができる。そのため、本実施形態に係る物質特定装置１０によれば、対象物１００から生じる遅延蛍光又は燐光を測定することで、例えば対象物１００に第１物質と第２物質が空間的にランダムに分布しているとき、これらの物質の分布や混合割合を特定することができる。なお、第１物質の発光と第２物質の発光が１つの画素に含まれる場合、第１物質に関する発光スペクトルや発光寿命と、第２物質に関する発光スペクトルや発光寿命との重み付け和によって、その画素の位置における第１物質の発光と第２物質の混合割合を特定してよい。
【００５７】
また、本実施形態に係る物質特定装置１０によれば、対象物１００に励起光を照射することで、対象物１００に特定の物質がどの程度含まれるかを遠隔から特定することができる。そのため、物質特定装置１０は、例えば、製紙工場において製造される紙の品質やエラー率を求めることに活用することができる。また、可視光における見た目が類似している物質（例えば塩と砂糖）が混合している対象物１００について、物質特定装置１０によって励起光を照射して遅延蛍光又は燐光の発光データを測定することで、遠隔から混合率を特定することができ、混合率が所望の値となっているか確認することができる。
【００５８】
図２は、本実施形態に係る物質特定装置１０の物理的構成を示す図である。物質特定装置１０は、演算部に相当するＣＰＵ（Central Processing Unit）１０ａと、記憶部に相当するＲＡＭ（Random Access Memory）１０ｂと、記憶部に相当するＲＯＭ（Read Only Memory）１０ｃと、通信部１０ｄと、入力部１０ｅと、表示部１０ｆと、を有する。これらの各構成は、バスを介して相互にデータ送受信可能に接続される。なお、本例では物質特定装置１０が一台のコンピュータで構成される場合について説明するが、物質特定装置１０は、複数のコンピュータが組み合わされて実現されてもよい。また、図２で示す構成は一例であり、物質特定装置１０はこれら以外の構成を有してもよいし、これらの構成のうち一部を有さなくてもよい。
【００５９】
ＣＰＵ１０ａは、ＲＡＭ１０ｂ又はＲＯＭ１０ｃに記憶されたプログラムの実行に関する制御やデータの演算、加工を行う制御部である。ＣＰＵ１０ａは、発光データに基づいて物質を特定するプログラム（物質特定プログラム）を実行する演算部である。ＣＰＵ１０ａは、入力部１０ｅや通信部１０ｄから種々のデータを受け取り、データの演算結果を表示部１０ｆに表示したり、ＲＡＭ１０ｂやＲＯＭ１０ｃに格納したりする。
【００６０】
ＲＡＭ１０ｂは、記憶部のうちデータの書き換えが可能なものであり、例えば半導体記憶素子で構成されてよい。ＲＡＭ１０ｂは、ＣＰＵ１０ａが実行する物質特定プログラムや複数の物質に関する遅延蛍光及び燐光の発光データ等を記憶してよい。なお、これらは例示であって、ＲＡＭ１０ｂには、これら以外のデータが記憶されていてもよいし、これらの一部が記憶されていなくてもよい。
【００６１】
ＲＯＭ１０ｃは、記憶部のうちデータの読み出しが可能なものであり、例えば半導体記憶素子で構成されてよい。ＲＯＭ１０ｃは、例えば物質特定プログラムや、書き換えが行われないデータを記憶してよい。
【００６２】
通信部１０ｄは、物質特定装置１０を他の機器に接続するインターフェースである。通信部１０ｄは、インターネット等の通信ネットワークに接続されてよい。
【００６３】
入力部１０ｅは、ユーザからデータの入力を受け付けるものであり、例えば、キーボード及びタッチパネルを含んでよい。
【００６４】
表示部１０ｆは、ＣＰＵ１０ａによる演算結果を視覚的に表示するものであり、例えば、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）により構成されてよい。表示部１０ｆは、物質を特定した結果や測定した発光データを表示してよい。
【００６５】
物質特定プログラムは、ＲＡＭ１０ｂやＲＯＭ１０ｃ等のコンピュータによって読み取り可能な記憶媒体に記憶されて提供されてもよいし、通信部１０ｄにより接続される通信ネットワークを介して提供されてもよい。物質特定装置１０では、ＣＰＵ１０ａが物質特定プログラムを実行することにより、図１を用いて説明した様々な動作が実現される。なお、これらの物理的な構成は例示であって、必ずしも独立した構成でなくてもよい。例えば、物質特定装置１０は、ＣＰＵ１０ａとＲＡＭ１０ｂやＲＯＭ１０ｃが一体化したＬＳＩ（Large-Scale Integration）を備えていてもよい。
【００６６】
図３は、本実施形態に係る物質特定装置１０により測定された発光データＬを示す図である。発光データＬは、対象物１００である普通紙に対して特定の波長のレーザを励起光として５００ｍｓにわたって照射し、カメラ１３ａ（高速カメラ）によって２５０ｆｐｓで照射中及び照射前後の画像を撮像して、撮像結果の画素から励起光が照射されていた中心座標の画素の画素値を８ビット（０〜２５５）で表したものである。同図の横軸は、画像フレーム数であり、横軸の数値を４倍するとｍｓ単位に換算できる。また、同図の縦軸は、励起光であるレーザの照射位置における画素値である。
【００６７】
発光データＬからは、励起光の照射を開始してからすぐに、画素値が最大値（２５５）に達して、照射中は最大値のまま一定であり、励起光の照射を終了してから遅延蛍光又は燐光を発して、画素値が最大値から最小値へ徐々に減衰していることが読み取れる。以下では、励起光の照射を開始した前後の画素値の変化を表す第１区間Ａと、励起光の照射を終了した前後の画素値の変化を表す第２区間Ｂと、についてそれぞれ詳細に説明する。
【００６８】
図４は、本実施形態に係る物質特定装置１０により測定された発光データＬの第１区間Ａを示す図である。同図においても、横軸は画像フレーム数であり、縦軸はレーザ照射位置における画素値である。
【００６９】
発光データＬの第１区間Ａによれば、励起光の照射を開始してから１フレーム（４ｍｓ）程度で画素値が最大値に達して、その後一定となる。
【００７０】
図５は、本実施形態に係る物質特定装置１０により測定された発光データＬの第２区間Ｂを示す図である。同図においても、横軸は画像フレーム数であり、縦軸はレーザ照射位置における画素値である。
【００７１】
発光データＬの第２区間Ｂは、指数減衰区間Ｂ１と緩やかな減衰区間Ｂ２とを含む。励起光の照射を終了すると、ただちに指数減衰区間Ｂ１が始まり、画素値が指数的に減衰する。本例の場合、指数減衰区間Ｂ１は、励起光の照射を終了してから５フレーム（２０ｍｓ）程度にわたって続いており、その間に画素値は最大値から７０％ほど減衰している。
【００７２】
指数減衰区間Ｂ１に続いて、緩やかな減衰区間Ｂ２は、２４フレーム（９６ｍｓ）程度にわたって続いており、その間に画素値は最小値まで減衰している。
【００７３】
本例では、１台のカメラ１３ａによって２５０ｆｐｓで励起光を照射した後の画像を撮像しているが、測定部１３は、対象物１００の遅延蛍光又は燐光を１００ｆｐｓより低いフレームレートで撮影するカメラ及び高速カメラを含んでよく、時間変化が比較的速い期間における遅延蛍光又は燐光を高速カメラで撮影し、時間変化が比較的遅い期間における遅延蛍光又は燐光をカメラで撮影してもよい。ここで、時間変化が比較的速い期間は、例えば指数減衰区間Ｂ１であり、時間変化が比較的遅い期間は、例えば減衰区間Ｂ２である。この場合、高速カメラは、１０ｎｓｅｃオーダーの明るさの変化を捉えられるもの、すなわち１０８ｆｐｓ程度で画像を撮影するものであってよい。このように、高速カメラと比較的低速なカメラと２台のカメラを用いることで、遅延蛍光又は燐光の時間変化が比較的速い期間及び遅い期間いずれにおいても、十分な時間分解能で連続画像を撮影できる。
【００７４】
なお、本例では、励起光の照射時間を５００ｍｓとしているが、この値は任意に設定できる。対象物１００が普通紙（本例ではスケッチブック）の場合、励起光の照射時間を７００ｍｓ程度以上とすれば、遅延蛍光又は燐光の寿命が飽和する傾向にある。このように、対象物１００に対する励起光の照射時間は、遅延蛍光又は燐光の寿命が飽和する照射時間以上となるように設定されてよい。なお、遅延蛍光又は燐光の寿命が飽和する励起光の照射時間は、対象物１００を構成する物質に依存する。
【００７５】
図６は、本実施形態に係る物質特定装置１０により対象物１００に励起光を照射している間に撮影した画像を示す図である。同図では、励起光の照射により発光している発光部Ｌｐ、反射光Ｒ及び測定に用いた治具Ｊが撮影されている。測定部１３は、対象物１００の遅延蛍光又は燐光の画像を連続撮影し、遅延蛍光又は燐光の画素値の時間変化に基づいて、時間減衰曲線を測定してもよい。図３〜５に示した発光データＬの最大の画素値は、図６において励起光が照射されている発光部Ｌｐの中心座標の画素の画素値である。測定部１３は、励起光が照射されている画像上の円状領域を特定し、その円の中心に位置する画素の画素値の時間変化を測定することで、対象物１００の遅延蛍光又は燐光の時間減衰曲線を測定してよい。また、測定部１３は、対象物１００の遅延蛍光又は燐光が生じている画像上のエリアを特定し、そのエリア全体の画素値の平均値の時間変化を測定することで、対象物１００の遅延蛍光又は燐光の時間減衰曲線を測定してもよい。これにより、ノイズの影響を低減して遅延蛍光又は燐光の時間減衰曲線を測定することができる。
【００７６】
図７は、本実施形態に係る物質特定装置１０により撮影された対象物１００の遅延蛍光又は燐光の画像を示す図である。図６において励起光が照射されている中心座標の画素の画素値は、図５に示す発光データＬの第２区間Ｂの画素値である。
【００７７】
本実施形態に係る物質特定装置１０は、図３〜５に示すように、励起光の照射中及び照射前後について発光データを測定し、遅延蛍光又は燐光の輝度の時間変化を、例えばｍｓ単位で測定するものであり、物質毎に蓄光時間が異なることに着目して物質特定を行うものである。一方、例えば特許文献３に記載の技術では、カメラの露光時間を３０秒程度として遅延蛍光を撮影して、遅延蛍光の輝度の積算値を測定するものである。このように、遅延蛍光又は燐光の輝度の時間変化を測定することは、従来技術では着目されておらず、本発明における新規な構成の一つである。本実施形態に係る物質特定装置１０は、対象物１００の遅延蛍光又は燐光のリアルタイムの時間変化に関する発光データに基づいて、対象物１００を構成する物質を特定することができるが、例えば特許文献３に記載の技術では、遅延蛍光の輝度の積算値が測定されるだけであり、対象物の動的な発光特性を利用した物質特定はできない。また、本実施形態に係る物質特定装置１０では、遅延蛍光又は燐光の２次元的な位置を捉えながら、その時間変化に基づいて時間減衰曲線を測定することができる。すなわち、本実施形態に係る物質特定装置１０によれば、対象物１００を構成する物質と、対象物１００の位置とを同時に特定することができる。
【００７８】
図８は、本実施形態に係る物質特定装置１０により撮影されたグラニュー糖とコーンスターチの遅延蛍光又は燐光の画像を示す図である。同図では、肉眼視において見た目が類似しているグラニュー糖とコーンスターチを隣接するように配置して、境界線上に励起光を照射し、照射から１０ｍｓ後、２０ｍｓ後、３０ｍｓ後、４０ｍｓ後、５０ｍｓ後及び６０ｍｓ後に撮影されたグラニュー糖の遅延蛍光又は燐光Ａ及びコーンスターチの遅延蛍光又は燐光Ｂの画像を示している。同図から、グラニュー糖の遅延蛍光又は燐光Ａの発光寿命は、コーンスターチの遅延蛍光又は燐光Ｂの発光寿命よりも長いことが読み取れる。
【００７９】
例えば、グラニュー糖の発光寿命がコーンスターチの発光寿命より長いことを既知物質の発光データ１４ｂとして記憶していれば、グラニュー糖とコーンスターチの配置が不明な場合であっても、図８に示すデータから、同図の左側にグラニュー糖が配置され、右側にコーンスターチが配置されていることが特定できる。また、より詳細に、複数の物質の発光寿命を既知物質の発光データ１４ｂとして記憶していれば、グラニュー糖及びコーンスターチ以外の物質が分布している場合であっても、発光寿命の違いに基づいて物質を特定することができる。また、物質を特定するための発光データとしては、発光寿命に限らず、発光スペクトル曲線や時間減衰曲線の特徴量を用いてもよい。
【００８０】
図９は、本実施形態に係る物質特定装置１０により測定された第１発光データＤ１を示す図である。第１発光データＤ１は、波長が３７５ｎｍの励起光を対象物１００に照射した後、０．１ｍｓから１０００ｍｓまでに測定された遅延蛍光又は燐光の発光スペクトル曲線である。なお、遅延蛍光又は燐光の測定を開始するタイミングは、励起光の照射から０．１ｍｓ後に限られず、０．０１ｍｓ後であったり、１μｓ後であったり、１ｍｓ後であったりしてもよく、任意である。また、遅延蛍光又は燐光の測定を終了するタイミングは、励起光の照射から１０００ｍｓ後に限られず、１００ｍｓ後であったり、５００ｍｓ後であったり、１０ｓ後であったりしてもよく、任意である。同図では、横軸にｎｍの単位で波長を示し、縦軸に任意単位で発光強度を示している。第１発光データＤ１の発光スペクトル曲線は、おおよそ５４０ｎｍで発光強度が最大（主ピークという）となっている。
【００８１】
特定部１５は、発光スペクトル曲線の形状を用いて、対象物１００を構成する物質を特定してよい。本例の場合、発光スペクトル曲線は、５４０ｎｍより長波長の領域で発光強度が緩やかに減少していき、５４０ｎｍより短波長の領域では、発光強度が緩やかに減少した後、４３０ｎｍ〜４６０ｎｍ付近でほぼ一定（ショルダーピークという）となり、４３０ｎｍより短波長の領域で発光強度が線形に減少している。特定部１５は、このような発光スペクトル曲線の形状の特徴を抽出して、既知物質の発光スペクトル曲線の形状の特徴と比較することにより、対象物１００を構成する物質を特定してよい。
【００８２】
特定部１５は、発光スペクトル曲線における最大発光強度（主ピーク）を与える波長及び半値幅を用いて、対象物１００を構成する物質を特定してよい。本例の場合、発光スペクトル曲線は、最大発光強度（主ピーク）を与える波長が５４０ｎｍ程度であり、その半値幅ＨＷは、１４０ｎｍ程度（６１０ｎｍ−４７０ｎｍ＝１４０ｎｍ）である。なお、本例では半値全幅を半値幅ＨＷとしているが、半値半幅を用いてもよい。特定部１５は、対象物１００について測定された最大発光強度（主ピーク）を与える波長及び半値幅を、既知物質について測定された最大発光強度（主ピーク）を与える波長及び半値幅と比較することにより、対象物１００を構成する物質を特定してよい。
【００８３】
特定部１５は、単一の波長の励起光を照射して得られた発光スペクトル曲線に関し、異なる波長での発光強度比を算出して、対象物１００を構成する物質を特定してよい。特定部１５は、対象物１００について測定された第１波長λ１における発光強度Ｉ（λ１）と、第２波長λ２における発光強度Ｉ（λ２）との比Ｉ（λ１）／Ｉ（λ２）を、既知物質について測定された発光強度比Ｉ（λ１）／Ｉ（λ２）と比較することにより、対象物１００を構成する物質を特定してよい。
【００８４】
図１０は、本実施形態に係る物質特定装置１０により測定された対象物の第２発光データＤ２及び第３発光データＤ３を示す図である。第２発光データＤ２は、波長が３７５ｎｍの励起光を対象物１００に照射した後、０．１ｍｓから１００ｍｓまでに測定された最大発光強度を与える波長４５０ｎｍでの遅延蛍光又は燐光の発光強度の時間減衰曲線である。また、第３発光データＤ３は、波長が３７５ｎｍの励起光を対象物１００に照射した後、０．１ｍｓから１００ｍｓまでに測定された最大発光強度を与える波長５５０ｎｍでの遅延蛍光又は燐光の発光強度の時間減衰曲線である。同図では、横軸にｍｓの単位で励起光を照射してからの経過時間を示し、縦軸に任意単位で発光強度を示している。なお、遅延蛍光又は燐光の測定を開始するタイミングは、励起光の照射から０．１ｍｓ後に限られず、０．０１ｍｓ後であったり、１μｓ後であったり、１ｍｓ後であったりしてもよく、任意である。また、遅延蛍光又は燐光の測定を終了するタイミングは、励起光の照射から１００ｍｓ後に限られず、５０ｍｓ後であったり、５００ｍｓ後であったり、１ｓ後であったりしてよく、任意である。
【００８５】
同図では、第２発光データＤ２の時間減衰曲線を近似する第２減衰曲線Ｌ２と、第３発光データＤ３の時間減衰曲線を近似する第３減衰曲線Ｌ３と、を示している。解析部１３ｂは、発光強度の時間減衰曲線を、Ｉ（ｔ）＝Ｉ０ｅｘｐ（−ｔ／τ）によって近似して、Ｉ０及びτを、例えば最小二乗法で求めてよい。なお、Ｉ０は励起停止時の発光強度，時定数τは遅延蛍光、又は燐光の寿命である。特定部１５は、時間減衰曲線から算出される発光寿命を用いて、対象物１００を構成する物質を特定してよい。特定部１５は、例えば、対象物１００に関する発光の半減期τ／２を、既知物質に関する発光の半減期と比較することにより、対象物１００を構成する物質を特定してよい。なお、解析部１３ｂは、一般には、発光強度の時間減衰曲線を、Ｉ（ｔ）＝Σｊ＝１ＮＩｊｅｘｐ（−ｔ／τｊ）によって近似して、Ｉｊ及びτｊを、例えば最小二乗法で求めてよい。ここで、Ｎは１以上の整数である。このように、複数の指数関数の重ね合わせによって発光強度の時間減衰曲線を近似することで、時間減衰曲線を精度良く近似することができる。
【００８６】
特定部１５は、異なる波長について測定した遅延蛍光又は燐光の発光強度の時間減衰曲線に基づいて、複数の波長に関する発光寿命を、既知物質に関する同じ波長の発光寿命と比較することにより、対象物１００を構成する物質を特定してもよい。
【００８７】
図１１は、本実施形態に係る物質特定装置１０により測定された第４発光データＤ４、第５発光データＤ５、第６発光データＤ６及び第７発光データＤ７を示す図である。第４発光データＤ４は、波長が２５０ｎｍの励起光を対象物１００に照射した後、０．１ｍｓから１０００ｍｓまでに測定された遅延蛍光又は燐光の発光スペクトル曲線である。第５発光データＤ５は、波長が３００ｎｍの励起光を対象物１００に照射した後、０．１ｍｓから１０００ｍｓまでに測定された遅延蛍光又は燐光の発光スペクトル曲線である。第６発光データＤ６は、波長が３５０ｎｍの励起光を対象物１００に照射した後、０．１ｍｓから１０００ｍｓまでに測定された遅延蛍光又は燐光の発光スペクトル曲線である。第７発光データＤ７は、波長が３７５ｎｍの励起光を対象物１００に照射した後、０．１ｍｓから１０００ｍｓまでに測定された遅延蛍光又は燐光の発光スペクトル曲線である。同図では、横軸にｎｍの単位で波長を示し、縦軸に任意単位で発光強度を示している。
【００８８】
第４発光データＤ４、第５発光データＤ５、第６発光データ及び第７発光データの発光スペクトル曲線を比較すると、励起光の波長を変化させると、発光スペクトル曲線の形状が変化し、発光スペクトル曲線における最大発光強度（主ピーク）を与える波長及び半値幅が変化し、発光スペクトル曲線の異なる波長についての発光強度比が変化することが読み取れる。このように、励起光の照射条件の変化に対して発光スペクトル曲線がどのように変化するか測定し、それぞれの照射条件に関して既知物質について測定された発光スペクトル曲線の変化と比較することにより、異なる物質をより精度良く区別して、対象物１００を構成する物質を高精度で特定することができる。
【００８９】
図１２は、本実施形態に係る物質特定装置１０により測定された第８発光データ、第９発光データ、第１０発光データ及び第１１発光データを示す図である。第８発光データＤ８は、波長が２５０ｎｍの励起光を対象物１００に照射した後、０．１ｍｓから１００ｍｓまでに測定された５２５ｎｍの遅延蛍光又は燐光の発光強度の時間減衰曲線である。第９発光データＤ９は、波長が３００ｎｍの励起光を対象物１００に照射した後、０．１ｍｓから１００ｍｓまでに測定された５２５ｎｍの遅延蛍光又は燐光の発光強度の時間減衰曲線である。第１０発光データＤ１０は、波長が３５０ｎｍの励起光を対象物１００に照射した後、０．１ｍｓから１００ｍｓまでに測定された５２５ｎｍの遅延蛍光又は燐光の発光強度の時間減衰曲線である。第１１発光データＤ１１は、波長が３７５ｎｍの励起光を対象物１００に照射した後、０．１ｍｓから１００ｍｓまでに測定された５２５ｎｍの遅延蛍光又は燐光の発光強度の時間減衰曲線である。同図では、横軸にｍｓの単位で励起光を照射してからの経過時間を示し、縦軸に任意単位で発光強度を示している。
【００９０】
同図では、第８発光データＤ８の時間減衰曲線を近似する第８減衰曲線Ｌ８と、第９発光データＤ９の時間減衰曲線を近似する第９減衰曲線Ｌ９と、第１０発光データＤ１０の時間減衰曲線を近似する第１０減衰曲線Ｌ１０と、第１１発光データＤ１１の時間減衰曲線を近似する第１１減衰曲線Ｌ１１と、を示している。これらのデータを比較すると、励起光の波長を変化させると、発光強度の時間減衰曲線の形状が変化し、発光寿命が変化することが読み取れる。このように、励起光の照射条件の変化に対して発光強度の時間減衰曲線がどのように変化するか測定し、それぞれの照射条件に関して既知物質について測定された発光強度の時間減衰曲線の変化と比較することにより、異なる物質をより精度良く区別して、対象物１００を構成する物質を高精度で特定することができる。例えば、励起光の異なる照射条件について発光の半減期を求めて、既知物質に関して同様の照射条件の下で測定された発光の半減期と比較することにより、対象物１００を構成する物質を特定してよい。
【００９１】
本実施形態に係る物質特定装置１０によれば、発光スペクトルや発光寿命を特徴付ける量を用いて異なる物質を区別して、対象物１００を構成する物質を高精度で特定することができる。
【００９２】
図１３は、本実施形態に係る物質特定装置１０により実行される物質特定処理のフローチャートである。はじめに、物質特定装置１０は、励起光の照射条件を設定する（Ｓ１０）。そして、設定された照射条件で対象物１００に励起光を照射する（Ｓ１１）。
【００９３】
物質特定装置１０は、励起光の照射に応じて生じた対象物１００の遅延蛍光又は燐光をカメラ１３ａで撮影する（Ｓ１２）。そして、物質特定装置１０は、撮影された画像に基づき、遅延蛍光又は燐光の発光データを解析する（Ｓ１３）。ここで、発光データは、発光スペクトル曲線及び発光強度の時間減衰曲線を含んでよい。
【００９４】
物質特定装置１０は、得られた発光データと、複数の物質にそれぞれ同様の照射条件で励起光を照射した場合に測定された遅延蛍光又は燐光の発光データとを照合する（Ｓ１４）。そして、物質特定装置１０は、発光データの類似性に基づいて、対象物１００を構成する物質を特定する（Ｓ１５）。以上により、物質特定処理が終了する。
【００９５】
図１４は、本実施形態の変形例に係る物質特定装置１０の機能ブロックを示す図である。本変形例に係る物質特定装置１０は、励起光の波長の光を遮蔽するフィルタ１３ｃを備える点で、実施形態に係る物質特定装置１０と相違する。その他について、本変形例に係る物質特定装置１０は、実施形態に係る物質特定装置１０と同様の構成を有する。
【００９６】
本変形例に係る物質特定装置１０の測定部１３は、励起光の波長の光を遮蔽するフィルタ１３ｃを透過した、遅延蛍光又は燐光の発光データを測定する。これにより、励起光が直接カメラ１３ａに入射することを防止して、物質に特有の遅延蛍光又は燐光の発光データを高精度で測定することができる。また、フィルタ１３ｃは、複数の異なる波長の光を遮蔽するものであってよく、遮蔽する波長を切り替えられるものであってよい。照射部１２によって、複数の異なる波長の励起光を対象物１００に照射する場合、フィルタ１３ｃは、カメラ１３ａの撮像タイミングと同期して各励起波長に対応するフィルタを適用してよい。この場合、フィルタ１３ｃは、液晶又は回転板で構成されてよい。このように、複数の異なる波長の光を遮蔽することで、カメラ１３ａによって、複数の異なる波長の励起光に起因する発光データを精度良く測定することができる。
【００９７】
図１５は、本実施形態の第２変形例に係る物質特定装置１０の機能ブロックを示す図である。本変形例に係る物質特定装置１０は、機械学習部１６を備える点で、実施形態に係る物質特定装置１０と相違する。その他について、本変形例に係る物質特定装置１０は、実施形態に係る物質特定装置１０と同様の構成を有する。なお、本例では、物質特定装置１０が機械学習部１６を備える場合について説明するが、機械学習部１６の機能は、物質特定装置１０と通信可能な他のコンピュータによって提供されてもよい。
【００９８】
機械学習部１６は、既知の物質に関する遅延蛍光又は燐光の発光データを学習データとした機械学習によって、対象物に関する発光データに基づいて、対象物を構成する物質を推定する学習モデル１４ｃを生成する。機械学習部１６は、例えば、発光データ及び対象物を構成する物質を学習データとする教師あり学習によって、学習モデル１４ｃを生成したり、発光データを学習データとする教師なし学習によって、学習モデル１４ｃを生成したりしてよい。
【００９９】
学習データとしては、発光データをそのまま用いたり、発光データを前処理したデータを用いたりしてよい。発光データをそのまま用いる場合であっても、発光データの特徴点を抽出して学習データとしてよい。
【０１００】
特定部１５は、発光データ１４ａ及び既知物質の発光データ１４ｂに加えて、学習モデル１４ｃの出力に基づいて、対象物を構成する物質を特定してよい。このようにして、機械学習を用いて、発光データ１４ａの特徴量を抽出する負担を軽減して、物質を特定することができる。
【０１０１】
図１６は、本実施形態の第２変形例に係る物質特定装置１０により実行される学習モデル生成処理のフローチャートである。はじめに、物質特定装置１０は、励起光の照射条件を設定する（Ｓ２０）。そして、設定された照射条件で、構成物質が既知である対象物に励起光を照射する（Ｓ２１）。
【０１０２】
物質特定装置１０は、励起光の照射に応じて生じた対象物の遅延蛍光又は燐光をカメラ１３ａで撮影する（Ｓ２２）。そして、物質特定装置１０は、遅延蛍光又は燐光の発光データを学習データとした機械学習によって、対象物を構成する物質を推定する学習モデルを生成する（Ｓ２３）。生成した学習モデルは、記憶部１４に記憶される。以上により、学習モデル生成処理が終了する。
【０１０３】
図１７ａは、本実施形態に係る物質特定装置１０により測定された発光データの散布図の第１例である。同図では、横軸に蛍光の輝度値を示し、縦軸に蓄光時間（蓄光の寿命）をミリ秒の単位で示している。ここで、蛍光の輝度は、波長が約３００ｎｍである励起光を対象物に照射した場合に生じる可視光の発光強度である。また、蓄光時間（蓄光の寿命）は、励起光を対象物に照射して、照射を止めてから遅延蛍光又は燐光が消えるまでの時間である。同図では、各対象物の無作為の位置に励起光を照射し、対象物について５回の測定を行い、白色の単語カード（単語カードＡ）の発光データを菱形で示し、白色の単語カード（単語カードＢ）の発光データを四角形で示し、白色の単語カード（単語カードＤ）の発光データをバツ印で示し、白色の画用紙（色画用紙）の発光データをアスタリスクで示し、白色のケント紙の発光データを丸印で示し、白色の牛乳パックの発光データをプラス印で示している。
【０１０４】
散布図の第１例によれば、異なる物質で構成された対象物の発光データは、蛍光強度と蓄光時間（蓄光の寿命）の平面上でおおよそ異なる領域にプロットされる。そのため、例えば蛍光強度と蓄光の発光データを用いることで、対象物を破壊せずに構成物質を特定することができる。また、異なる対象物であるが蛍光強度が同程度である物について、蓄光に関する発光データを用いることで、対象物を構成する物質を識別することができるようになる。
【０１０５】
物質特定装置１０は、紫外線を遮蔽し、可視光を透過するフィルタを備えてよく、蛍光と蓄光を連続的に測定してよい。また、物質特定装置１０は、比較的長波長の光を蓄光の寿命測定に用いて、比較的短波長の光を蛍光強度の測定に用いてよい。なお、物質特定装置１０は、蛍光と蓄光だけではなく、例えば反射光と蓄光を測定してもよく、蛍光以外の物理量と蓄光を測定してもよい。
【０１０６】
物質特定装置１０は、第２変形例に記載したように、機械学習により生成した学習モデルを用いて、蛍光強度と蓄光寿命に関する発光データに基づいて、対象物を構成する物質を特定してもよい。
【０１０７】
物質特定装置１０によって対象物を構成する物質が識別できることを応用して、対象物の品質検査を行ったり、偽造検査を行ったりすることもできる。
【０１０８】
図１７ｂは、本実施形態に係る物質特定装置１０により測定された発光データの散布図の第２例である。同図では、横軸に蛍光の輝度値を示し、縦軸に蓄光時間（蓄光の寿命）をミリ秒の単位で示している。ここで、蛍光の輝度は、波長が約３００ｎｍである励起光を対象物に照射した場合に生じる可視光の発光強度である。また、蓄光時間（蓄光の寿命）は、励起光を対象物に照射して、照射を止めてから遅延蛍光又は燐光が消えるまでの時間である。同図では、各対象物について５回の測定を行い、白色の布（テプラα（ポリエステル・シルク調））の発光データを菱形で示し、白色の布（キャスコット（アクリル））の発光データを三角形で示し、白色の布（エスモ（ポリエステル・紫外線遮蔽性））の発光データをアスタリスクで示し、白色の布（ＸＹ−Ｅ（ポリエステル・レーヨン調））の発光データを四角形で示し、白色の布（エクセシオン（ポリエステル・ウール調））の発光データをバツ印で示している。
【０１０９】
散布図の第２例によれば、異なる物質で構成された対象物の発光データは、蛍光強度と蓄光時間（蓄光の寿命）の平面上でおおよそ異なる領域にプロットされる。そのため、例えば蛍光強度と蓄光の発光データを用いることで、対象物を破壊せずに構成物質を特定することができる。また、異なる対象物であるが蛍光強度が同程度である物について、蓄光に関する発光データを用いることで、対象物を構成する物質を識別することができるようになる。
【０１１０】
図１７ｃは、本実施形態に係る物質特定装置１０により測定された発光データの散布図の第３例である。同図では、横軸に蛍光の輝度値を示し、縦軸に蓄光時間（蓄光の寿命）をミリ秒の単位で示している。ここで、蛍光の輝度は、波長が約３００ｎｍである励起光を対象物に照射した場合に生じる可視光の発光強度である。また、蓄光時間（蓄光の寿命）は、励起光を対象物に照射して、照射を止めてから遅延蛍光又は燐光が消えるまでの時間である。同図では、各対象物について５回の測定を行い、白色のゴム（ゴム手袋）の発光データを菱形で示し、白色のゴム（十川ゴム）の発光データを四角形で示し、白色のゴム（再生ゴム）の発光データを三角形で示している。
【０１１１】
散布図の第３例によれば、異なる物質で構成された対象物の発光データは、蛍光強度と蓄光時間（蓄光の寿命）の平面上でおおよそ異なる領域にプロットされる。そのため、例えば蛍光強度と蓄光の発光データを用いることで、対象物を破壊せずに構成物質を特定することができる。また、異なる対象物であるが蛍光強度が同程度である物について、蓄光に関する発光データを用いることで、対象物を構成する物質を識別することができるようになる。
【０１１２】
図１７ｄは、本実施形態に係る物質特定装置１０により測定された発光データの散布図の第４例である。同図では、横軸に蛍光の輝度値を示し、縦軸に蓄光時間（蓄光の寿命）をミリ秒の単位で示している。ここで、蛍光の輝度は、波長が約３００ｎｍである励起光を対象物に照射した場合に生じる可視光の発光強度である。また、蓄光時間（蓄光の寿命）は、励起光を対象物に照射して、照射を止めてから遅延蛍光又は燐光が消えるまでの時間である。同図では、各対象物について５回の測定を行い、灰色のモルタル（モルタルＡ）の発光データを菱形で示し、灰色のコンクリートの発光データを四角形で示し、灰色のモルタル（モルタルＢ）の発光データを三角形で示している。
【０１１３】
散布図の第４例によれば、構成する物質の割合が異なる対象物の発光データは、蛍光強度と蓄光時間（蓄光の寿命）の平面上でおおよそ異なる領域にプロットされる。そのため、例えば蛍光強度と蓄光の発光データを用いることで、対象物を破壊せずに構成する物質の割合が異なることを識別することができる。また、構成する物質の割合が異なる対象物であるが蛍光強度が同程度である物について、蓄光に関する発光データを用いることで、対象物を構成する物質の割合が異なることを識別することができるようになる。
【０１１４】
図１７ｅは、本実施形態に係る物質特定装置１０により測定された発光データの散布図の第５例である。同図では、横軸に蛍光の輝度値を示し、縦軸に蓄光時間（蓄光の寿命）をミリ秒の単位で示している。ここで、蛍光の輝度は、波長が約３００ｎｍである励起光を対象物に照射した場合に生じる可視光の発光強度である。また、蓄光時間（蓄光の寿命）は、励起光を対象物に照射して、照射を止めてから遅延蛍光又は燐光が消えるまでの時間である。同図では、各対象物について１回の測定を行い、鉄板（Ｆｅ）の発光データ、粒状の亜鉛（Ｚｎ）の発光データ、粒状の金（Ａｕ）の発光データ、粒状の銅（Ｃｕ）の発光データ及び粒状のアルミニウム（Ａｌ）の発光データをそれぞれ菱形で示している。
【０１１５】
散布図の第５例によれば、異なる金属の発光データは、蛍光強度と蓄光時間（蓄光の寿命）の平面上でおおよそ異なる領域にプロットされる。そのため、例えば蛍光強度と蓄光の発光データを用いることで、対象物を破壊せずに対象物に含まれる金属を特定することができる。また、異なる対象物であるが蛍光強度が同程度である物について、蓄光に関する発光データを用いることで、対象物を構成する物質を識別することができるようになる。
【０１１６】
図１８は、本実施形態に係る物質特定装置１０により励起光の照射時間を変化させて測定された発光データを示す図である。同図では、それぞれ一定の波長の励起光を、３００ｍｓ照射した発光データＤ２１を実線で示し、５００ｍｓ照射した発光データＤ２２を一点鎖線で示し、７００ｍｓ照射した発光データＤ２３を二点鎖線で示し、９００ｍｓ照射した発光データＤ２４を破線で示している。
【０１１７】
発光データＤ２１及び発光データＤ２２によれば、励起光の照射時間を長くすることで、遅延蛍光又は燐光の発光寿命が長くなることが確認できる。一方、発光データＤ２３及び発光データＤ２４によれば、励起光の照射時間を長くしても、遅延蛍光又は燐光の発光寿命が長くならず、発光寿命が飽和することが確認できる。本例の場合、照射時間を７００ｍｓ以上としても、発光寿命はほとんど変化しない。
【０１１８】
図１９は、本実施形態に係る物質特定装置１０によりスケッチブックに励起光を照射した場合に測定された発光データＤ３１を示す図である。また、図２０は、本実施形態に係る物質特定装置１０により牛乳パックに励起光を照射した場合に測定された発光データＤ３２を示す図である。図１９及び図２０では、画素値に関して、最大値に対して５０％のラインに破線を示し、最大値に対して１０％のラインに一点鎖線を示している。
【０１１９】
図１９によると、スケッチブックの発光データＤ３１の場合、画素値が５０％となる時刻は２０ｍｓであり、１０％となる時刻は１３５ｍｓである。ここで、画素値が１０％となる時刻を画素値が５０％となる時刻で割った値は６．７５である。
【０１２０】
図２０によると、牛乳パックの発光データＤ３２の場合、画素値が５０％となる時刻は４５ｍｓであり、１０％となる時刻は２５５ｍｓである。ここで、画素値が１０％となる時刻を画素値が５０％となる時刻で割った値は５．７である。
【０１２１】
物質特定装置１０は、様々な対象物について遅延蛍光又は燐光の発光強度の時間減衰を測定して、例えば、発光強度が１０％となる時刻を発光強度が５０％となる時刻で割った値（時間減衰時刻の比）を記憶部１４に記憶する。そして、物質特定装置１０は、構成物質が未知である対象物に関して遅延蛍光又は燐光を測定し、時間減衰時刻の比を既知物質の値と比較して、対象物を構成する物質を特定することができる。もっとも、物質特定装置１０は、発光強度の時間減衰時刻の比に限らず、任意の特徴量を算出して、物質特定を行ってよい。
【０１２２】
図２１は、本実施形態に係る物質特定装置１０によりスケッチブックに励起光を照射した場合に測定された時間減衰曲線Ｄ４０及びそれを近似する減衰曲線Ｄ４１を示す図である。同図では、縦軸に遅延蛍光又は燐光の発光像を撮影した画素値を示し、横軸にフレーム数で表した時間（Time(Frame No.)）を示している。
【０１２３】
本例の減衰曲線Ｄ４１は、第１減衰曲線Ｄ４２及び第２減衰曲線Ｄ４３の重ね合わせである。具体的には、第１減衰曲線Ｄ４２は、Ｉ１ｅｘｐ（−ｔ／τ１）という関数形の曲線であり、Ｉ１＝５０６及びτ１＝０．２５８３である。また、第２減衰曲線Ｄ４３は、Ｉ２ｅｘｐ（−ｔ／τ２）という関数形の曲線であり、Ｉ２＝８２及びτ２＝０．００２２である。そして、減衰曲線Ｄ４１は、Σｊ＝１２Ｉｊｅｘｐ（−ｔ／τｊ）という関数形の曲線である。ここで、Ｉ１、Ｉ２、τ１及びτ２は、例えば最小二乗法で求めてよい。このように、複数の指数関数の重ね合わせによって発光強度の時間減衰曲線を近似することで、時間減衰曲線を精度良く近似することができる。
【０１２４】
図２２は、本実施形態に係る物質特定装置１０により撮影された牛乳パックの遅延蛍光又は燐光の画像を示す図である。同図では、対象物１００をカメラ１３ａ及び照射部１２から比較的遠く（具体的には４ｍ離れた位置）に配置して撮影した遅延蛍光又は燐光の画像を示している。カメラ１３ａが対象物１００から比較的遠くに配置されることで、見た目の蓄光強度は、カメラ１３ａを対象物１００の比較的近くに配置する場合よりも弱くなっているものの、約１２０ｍｓの寿命の蓄光が確認された。
【０１２５】
以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。実施形態が備える各要素並びにその配置、材料、条件、形状及びサイズ等は、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、異なる実施形態で示した構成同士を部分的に置換し又は組み合わせることが可能である。
【０１２６】
物質特定装置１０は、遅延蛍光又は燐光が対象物１００の任意の面で同程度に生じる場合に、波長が異なる励起光を対象物１００の複数点に照射し、カメラ１３ａから照射位置までの距離に応じて遅延蛍光又は燐光に時間差が生じることを利用して、カメラ１３ａから複数の照射位置までの距離を測定することもできる。
【０１２７】
また、物質特定装置１０は、励起光の照射範囲を、例えば可変焦点やアクティブなレンズ等で可変とすることで、照射光の単位面積あたりの強度を調整したり、照射面積を可変としたりする照射部１２を備えてもよい。
【０１２８】
なお、本実施形態では、放出光が対象物１００から照射部１２側に放出される場面が想定され、照射部１２側にカメラ１３ａが設けられている例を示した。他方、例えば対象物１００が光透過性を有する物質であり、放出光が対象物１００を透過することにより、照射部１２側より透過光側の方が放出光の強度が大きくなる場合は、当該透過光側にカメラ１３ａが配置されてもよい。
【０１２９】
また、物質特定装置１０の照射部１２は、パルス状の照射光を間欠的に複数回照射してよい。このとき、遅延蛍光又は燐光の発光持続時間は、照射光の出射インターバルより長くなってよい。すなわち、パルス状の照射光の照射間隔は、遅延蛍光又は燐光の寿命よりも短くてよい。
【符号の説明】
【０１３０】
１０…物質特定装置、１０ａ…ＣＰＵ、１０ｂ…ＲＡＭ、１０ｃ…ＲＯＭ、１０ｄ…通信部、１０ｅ…入力部、１０ｆ…表示部、１１…設定部、１２…照射部、１３…測定部、１３ａ…カメラ、１３ｂ…解析部、１４…記憶部、１４ａ…発光データ、１４ｂ…既知物質の発光データ、１５…特定部、１６…機械学習部、１００…対象物
【図１】
2020059727.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
2020059727.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
2020059727.tif 000015
【図１４】
2020059727.tif 000016
【図１５】
2020059727.tif 000017
【図１６】
2020059727.tif 000018
【図１７ａ】
2020059727.tif 000019
【図１７ｂ】
2020059727.tif 000020
【図１７ｃ】
2020059727.tif 000021
【図１７ｄ】
2020059727.tif 000022
【図１７ｅ】
2020059727.tif 000023
【図１８】
2020059727.tif 000024
【図１９】
2020059727.tif 000025
【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【国際調査報告】
2020059727.tif 000029
2020059727.tif 000030
2020059727.tif 000031
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