JP7818824B2 - Manufacturing method of measuring device - Google Patents
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Description
本発明は、測定装置の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a measuring device.
果実等の農産物の選別や各種測定項目(糖度等)の計測のための装置として、近赤外分光計が幅広く用いられている。しかし、近赤外分光計は、同じ型式でも複数の装置の間に差異(器差)が存在し、複数の装置により同一の測定対象を測定した場合においても、得られる測定値にバラつきが見られる。このため、複数の装置間で略同一の測定値が得られるようにすることが求められる。また、同一の装置においても、測定値の経時的変化に対応するため、定期的な校正作業を行うことが求められる。 Near-infrared spectrometers are widely used as devices for sorting fruit and other agricultural products and measuring various parameters (such as sugar content). However, near-infrared spectrometers can have differences (instrumental error) between multiple devices, even if they are the same model, and even when measuring the same object using multiple devices, there can be variation in the measured values obtained. For this reason, it is necessary to ensure that nearly identical measured values are obtained between multiple devices. Furthermore, even with the same device, regular calibration is required to address changes in measured values over time.
果実等の農産物の測定においては、その特性が長期間保持される標準試料が存在しないため、数十個の試料について分光測定と目的変数とする項目(例えば糖度、タンパク質含量など)を分析し、検量線の推定精度を確認する必要がある。糖度など分析が簡単な項目であれば校正作業は比較的容易だが、人が感じる食味・食感を推定する検量線など、校正が非常に困難、又は不可能な品質項目も存在する。これが、近赤外分光計による農産物の計測の発展の障壁となっている。近赤外分光計以外にも、センサの出力特性のバラつきにより、複数の測定装置の間で出力特性がバラつくことがあり、これにより測定装置の信頼性が不十分なものとなり得る。 When measuring agricultural products such as fruit, there are no standard samples whose characteristics are retained for long periods of time, so it is necessary to perform spectroscopic measurements on dozens of samples and analyze the target variables (such as sugar content and protein content) to confirm the estimated accuracy of the calibration curve. While calibration is relatively easy for items that are easy to analyze, such as sugar content, there are some quality items for which calibration is extremely difficult or impossible, such as calibration curves that estimate the taste and texture perceived by humans. This is a barrier to the development of agricultural product measurement using near-infrared spectrometers. In addition to near-infrared spectrometers, variations in sensor output characteristics can lead to variations in output characteristics between multiple measuring devices, which can make the measuring devices less reliable.
本発明は、測定装置の間の器差を低減させることができる測定装置の製造方法を提供するものである。 The present invention provides a method for manufacturing a measuring device that can reduce instrumental error between measuring devices.
上記の課題を解決するため、本発明に係る測定装置の製造方法は、複数のセンサを含み、前記複数のセンサの検出信号に基づき出力信号を出力する測定装置の製造方法である。この製造方法は、N個のセンサの各々の出力特性を取得するステップと、前記N個のセンサの各々の出力特性に基づいて、前記N個のセンサの中から、一の測定装置のためのj個のセンサ(N>>j)を選択して複数の測定装置を構成するステップとを含む。 To solve the above problem, the present invention provides a method for manufacturing a measuring device that includes multiple sensors and outputs an output signal based on the detection signals of the multiple sensors. This manufacturing method includes the steps of acquiring the output characteristics of each of N sensors, and selecting j sensors (N>>j) from the N sensors for one measuring device based on the output characteristics of each of the N sensors to configure multiple measuring devices.
本発明によれば、測定装置の間の器差を低減させることができる測定装置の製造方法を提供することができる。 The present invention provides a method for manufacturing a measuring device that can reduce instrumental error between measuring devices.
以下、添付図面を参照して本実施形態について説明する。添付図面では、機能的に同じ要素は同じ番号で表示される場合もある。なお、添付図面は本開示の原理に則った実施形態と実装例を示しているが、これらは本開示の理解のためのものであり、決して本開示を限定的に解釈するために用いられるものではない。本明細書の記述は典型的な例示に過ぎず、本開示の特許請求の範囲又は適用例を如何なる意味においても限定するものではない。 The present embodiment will be described below with reference to the accompanying drawings. In the accompanying drawings, functionally identical elements may be denoted by the same numerals. Note that the accompanying drawings show embodiments and implementation examples in accordance with the principles of the present disclosure, but these are intended to aid in understanding the present disclosure and should not be used to interpret the present disclosure in any limiting manner. The descriptions in this specification are merely typical examples and are not intended to limit the scope or application of the present disclosure in any way.
本実施形態では、当業者が本開示を実施するのに十分詳細にその説明がなされているが、他の実装・形態も可能で、本開示の技術的思想の範囲と精神を逸脱することなく構成・構造の変更や多様な要素の置き換えが可能であることを理解する必要がある。従って、以降の記述をこれに限定して解釈してはならない。 In this embodiment, the present disclosure has been described in sufficient detail to enable those skilled in the art to implement the present disclosure. However, it should be understood that other implementations and forms are possible, and that changes to the configuration and structure and substitutions of various elements are possible without departing from the scope and spirit of the technical ideas of the present disclosure. Therefore, the following description should not be interpreted as being limited to this.
[第1の実施の形態]
まず、本発明の第1の実施の形態に係る測定装置の製造方法を説明する。図1は、第1の実施の形態に係る製造方法により製造される測定装置10の構成を説明する。図1の上方の図は、測定装置10の測定面(下面)の構造を示しており、下方の図は側面断面図を示している。
[First embodiment]
First, a method for manufacturing a measuring device according to a first embodiment of the present invention will be described. Fig. 1 illustrates the configuration of a measuring device 10 manufactured by the manufacturing method according to the first embodiment. The upper view of Fig. 1 shows the structure of the measuring surface (lower surface) of the measuring device 10, and the lower view shows a side cross-sectional view.
この測定装置10は、一例として、光源11と、光ファイバ12と、遮光ゴム13と、複数の分光センサ14と、入射スリット15とを備えて構成される近赤外分光装置である。図1に示す近赤外分光装置は、本発明の製造方法の対象となる測定装置10の一例である。光源11は、測定対象SP(果実等)に照射する測定光を発する光源である。光ファイバ12は、光源11から測定面(下面)に向かって延びて、測定光を測定面に向けて導光するための導光部材である。 This measuring device 10 is, as an example, a near-infrared spectroscopic device comprising a light source 11, an optical fiber 12, a light-shielding rubber 13, multiple spectroscopic sensors 14, and an entrance slit 15. The near-infrared spectroscopic device shown in Figure 1 is an example of a measuring device 10 that is the subject of the manufacturing method of the present invention. The light source 11 is a light source that emits measurement light to be irradiated onto the measurement object SP (fruit, etc.). The optical fiber 12 extends from the light source 11 toward the measurement surface (bottom surface) and is a light-guiding member that guides the measurement light toward the measurement surface.
遮光ゴム13は、光ファイバ12の出射端面を囲うように測定装置10の下面に形成され、出射光が測定対象SPを介さずに分光センサ14に入射すること(迷光)を抑止する。 The light-shielding rubber 13 is formed on the underside of the measuring device 10 so as to surround the output end face of the optical fiber 12, preventing the output light from entering the spectroscopic sensor 14 without passing through the measurement target SP (stray light).
複数の分光センサ14は、例えば測定面において、光ファイバ12を囲う円周上に等間隔に配置され、測定対象SPからの反射光LBのスペクトルを計測するセンサである。複数の分光センサ14の検出値の平均値又は中央値により反射光LBのスペクトルの計測がなされることにより、複数の分光センサ14の間の特性のバラつきを抑制し、複数の測定装置10の間での性能バラつきを抑制することができる。1つの測定装置10に搭載される分光センサ14の数は、特定の数には限定されない。図1では、1つの測定装置10が16個の分光センサ14を備え、それぞれ22.5度の等間隔で配置されている場合を例示している。分光センサ14の配列も特に特定の配列に限定されるものではなく、例えば図1に示すように円周上に等間隔で配置される代わりに、例えば格子状に等間隔に配置することもできる。複数の分光センサ14の手前側には、反射光LBを制限するための入射スリット15が設けられる。なお、分光センサ14は、例えば、浜松ホトニクス社から提供されている超小型グレーティング型分光器C14384MA-01(商品名)を使用することができる。このような分光器は、近赤外域の光を高感度に測定することが可能であるが、感度や搭載された検出素子と測定波長の対応関係に誤差を含むことがあり得る。 The multiple spectroscopic sensors 14 are arranged, for example, at equal intervals on a circumference surrounding the optical fiber 12 on the measurement surface and measure the spectrum of the reflected light LB from the measurement target SP. Measuring the spectrum of the reflected light LB using the average or median of the detection values of the multiple spectroscopic sensors 14 reduces variations in characteristics among the multiple spectroscopic sensors 14 and thus performance variations among multiple measurement devices 10. The number of spectroscopic sensors 14 installed in one measurement device 10 is not limited to a specific number. Figure 1 illustrates an example in which one measurement device 10 is equipped with 16 spectroscopic sensors 14, each arranged at equal intervals of 22.5 degrees. The arrangement of the spectroscopic sensors 14 is also not limited to a specific arrangement. For example, instead of being arranged at equal intervals on the circumference as shown in Figure 1, the sensors can be arranged at equal intervals in a grid pattern, for example. An entrance slit 15 is provided in front of the multiple spectroscopic sensors 14 to limit the reflected light LB. The spectroscopic sensor 14 can be, for example, an ultra-compact grating spectrometer C14384MA-01 (product name) provided by Hamamatsu Photonics. Such spectrometers are capable of measuring light in the near-infrared range with high sensitivity, but there may be errors in sensitivity and in the correspondence between the installed detection element and the measured wavelength.
複数の分光センサ14の検出信号は、図示しない演算制御部に入力され、複数の分光センサ14の複数の検出値の平均値又は中央値が、測定装置10の測定値として出力され得る。複数の分光センサ14の検出値の平均値又は中央値が演算されることで、分光センサ14の性能にバラつきがある場合においても、そのバラつきの影響を排除した測定値を出力することができる。 The detection signals from the multiple spectroscopic sensors 14 are input to a calculation control unit (not shown), and the average or median of the multiple detection values from the multiple spectroscopic sensors 14 can be output as the measurement value of the measuring device 10. By calculating the average or median of the detection values from the multiple spectroscopic sensors 14, even if there is variation in the performance of the spectroscopic sensors 14, it is possible to output a measurement value that eliminates the influence of that variation.
図2は、1つの測定装置10に複数の分光センサ14が設けられることの効果を説明するグラフである。図2(a)は、1つの測定装置10が単一の分光センサ14を有している場合の、複数の測定装置10の間の検出スペクトル信号のバラつきを示している。図2(b)は、1つの測定装置10が4個の分光センサ14を有している場合の、複数の測定装置10間の検出スペクトル信号のバラつきを示している。図2(c)は、1つの測定装置10が16個の分光センサ14を有している場合の、複数の測定装置10間の検出スペクトル信号のバラつきを示している。 Figure 2 is a graph illustrating the effect of providing multiple spectroscopic sensors 14 in one measurement device 10. Figure 2(a) shows the variation in detected spectral signals between multiple measurement devices 10 when each measurement device 10 has a single spectroscopic sensor 14. Figure 2(b) shows the variation in detected spectral signals between multiple measurement devices 10 when each measurement device 10 has four spectroscopic sensors 14. Figure 2(c) shows the variation in detected spectral signals between multiple measurement devices 10 when each measurement device 10 has 16 spectroscopic sensors 14.
図2に示すように、1つの測定装置10に搭載される分光センサ14の数が多くなるほど、複数の分光センサ14の検出値の平均値又は中央値が出力信号とされることにより、複数の測定装置10の間の検出信号のバラつきは小さくなる。 As shown in Figure 2, the more spectroscopic sensors 14 installed in one measuring device 10, the smaller the variation in detection signals between multiple measuring devices 10 becomes, since the average or median value of the detection values of the multiple spectroscopic sensors 14 is used as the output signal.
しかし、1つの測定装置10に搭載される分光センサ14の数が増えても、依然として測定装置10の間の検出信号のバラつきは存在する。そこで、本実施の形態では、次に説明する製造方法を採用することにより、このようなバラつきを低減することを提案する。 However, even if the number of spectroscopic sensors 14 mounted on one measuring device 10 increases, there will still be variation in the detection signals between measuring devices 10. Therefore, in this embodiment, we propose reducing this variation by adopting the manufacturing method described below.
図3及び図4を参照して、第1の実施の形態における製造方法を説明する。図3は、第1の実施の形態の製造方法を説明するフローチャートであり、図4はその製造方法の概要を示している。この方法では、1台当たりj個の分光センサ14を有する測定装置10を製造するため、N個の分光センサ14(N>>j)を用意し、このN個の分光センサ14を母集団とする。 The manufacturing method of the first embodiment will be described with reference to Figures 3 and 4. Figure 3 is a flowchart explaining the manufacturing method of the first embodiment, and Figure 4 shows an overview of the manufacturing method. In this method, to manufacture a measuring device 10 having j spectroscopic sensors 14 per unit, N spectroscopic sensors 14 (N>>j) are prepared, and these N spectroscopic sensors 14 are used as the population.
そして、この母集団の複数の分光センサ14の各々の出力特性を測定・取得する(ステップS11)。出力特性の測定は、各分光センサ14の各々について出力信号を測定することによって行っても良いし、外観検査等に基づいて出力特性を推定するものであってもよい。なお、分光センサ14の出力チャンネル数が複数ある場合には、主成分分析、t-distributed Stochastic Neighbor Embedding(t-SNE、t分布型確率的近傍埋め込み)、Nonnegative Matrix Factorization(NMF、非負値行列因子分解)等を用いて次元圧縮を実行した後に出力特性の測定等を実行することもできる。 Then, the output characteristics of each of the multiple spectroscopic sensors 14 in this population are measured and acquired (step S11). The output characteristics may be measured by measuring the output signal of each spectroscopic sensor 14, or the output characteristics may be estimated based on visual inspection, etc. If the spectroscopic sensor 14 has multiple output channels, the output characteristics may be measured after performing dimensionality reduction using principal component analysis, t-distributed stochastic neighbor embedding (t-SNE), nonnegative matrix factorization (NMF), etc.
複数個(例えばN個)の分光センサ14があり、その出力特性に関する情報が予め得られているとする。このとき、N個の分光センサ14を適宜j個(N>>j)ずつ組み合わせて多数のj個の分光センサ14の組合せを作り、それぞれの組合せによる複数の測定装置10の出力特性をコンピュータ上で演算する。その後、j個の可能な全ての組合せについての出力特性を「総当たり」で計算する。そして、複数の測定装置10の間で最も出力特性のバラつきが小さくなる組合せを決定し、その組合せに従って、それぞれj個の分光センサ14を含む複数の測定装置10を構成する(ステップS13)。 Suppose there are multiple (e.g., N) spectroscopic sensors 14, and information regarding their output characteristics is obtained in advance. N spectroscopic sensors 14 are then appropriately combined in groups of j (N>>j) to create multiple combinations of j spectroscopic sensors 14, and the output characteristics of multiple measuring devices 10 resulting from each combination are calculated on a computer. The output characteristics for all possible j combinations are then calculated "brute force." The combination that minimizes the variation in output characteristics among the multiple measuring devices 10 is then determined, and multiple measuring devices 10 each containing j spectroscopic sensors 14 are configured according to this combination (step S13).
この第1の実施の形態の製造方法によれば、1台当たりj個の分光センサ14を有する複数の測定装置10を構成するためのN個の分光センサ14に関し、そのあらゆる組合せについて総当たりで出力特性を測定するため、複数の測定装置10の間での出力特性を均一化することが可能になる。 According to the manufacturing method of this first embodiment, the output characteristics are measured in a round-robin manner for every possible combination of N spectroscopic sensors 14 that make up multiple measuring devices 10, each having j spectroscopic sensors 14, making it possible to uniform the output characteristics among the multiple measuring devices 10.
[第2の実施の形態]
次に、図5及び図6を参照して、第2の実施の形態における製造方法を説明する。第2の実施の形態の製造方法も、一例として図1に示すような測定装置10を製造対象とするものである。図5は、第2の実施の形態の製造方法を説明するフローチャートであり、図6はその製造方法の概要を示している。この方法でも、1台当たりj個の分光センサ14を有する測定装置10を製造するため、N個の分光センサ14(N>>j)を用意し、このN個の分光センサ14を母集団とする。そして、この母集団のN個の分光センサ14の各々の出力特性を測定する(ステップS21)。ここまでは第1の実施の形態と同一である。
Second Embodiment
Next, a manufacturing method according to a second embodiment will be described with reference to FIGS. 5 and 6 . The manufacturing method according to the second embodiment also targets the manufacturing of a measuring device 10 as shown in FIG. 1 as an example. FIG. 5 is a flowchart illustrating the manufacturing method according to the second embodiment, and FIG. 6 shows an overview of the manufacturing method. This method also manufactures measuring devices 10 each having j spectroscopic sensors 14. To do this, N spectroscopic sensors 14 (N>>j) are prepared, and these N spectroscopic sensors 14 form a population. Then, the output characteristics of each of the N spectroscopic sensors 14 in this population are measured (step S21). Up to this point, the process is the same as in the first embodiment.
その後、第2の実施の形態の製造方法では、複数の分光センサ14の出力特性に応じて、複数の分光センサ14を複数(例えばk個)のグループにグルーピング(分類)する。この第2の実施の形態では、一例として、図6に示すように、グループ(A)~(D)を特徴空間において定義し、出力特性の近似する分光センサ14の特徴空間での距離が遠くなるよう(離間するよう)、グルーピングを実行する(ステップS22)。そして、グループ(A)~(D)毎にj個の分光センサ14を選抜して、1台当たりj個の分光センサ14を備える測定装置10を複数台構成する(ステップS23)。また、グループの数kは、特にjやNによって制限されることなく、グルーピングが最適に実行され得る数値に設定され得る。 Then, in the manufacturing method of the second embodiment, the spectroscopic sensors 14 are grouped (classified) into multiple groups (e.g., k groups) according to their output characteristics. In this second embodiment, as an example, as shown in FIG. 6, groups (A) to (D) are defined in feature space, and grouping is performed so that spectroscopic sensors 14 with similar output characteristics are spaced apart (separated) in feature space (step S22). Then, j spectroscopic sensors 14 are selected from each of groups (A) to (D), and multiple measuring devices 10 each equipped with j spectroscopic sensors 14 are configured (step S23). Furthermore, the number of groups k is not particularly limited by j or N, and can be set to a value that allows optimal grouping.
分光センサ14の選抜のために使用され得るアルゴリズムとしては、一例としてKennard-Stone(KS)法及びその派生アルゴリズムを使用することができる。これは、最初に特徴空間上で最も離れた2点を選択し、その後選択された全ての点からの最小距離が最も遠い点を逐次的に選択するアルゴリズムである。KS法では、距離の演算においてユークリッド距離を用いているが、派生アルゴリズムにおいては、マハラノビス汎距離が用いられることがある。 As an example of an algorithm that can be used to select the spectroscopic sensor 14, the Kennard-Stone (KS) method and its derived algorithms can be used. This is an algorithm that first selects the two points that are furthest apart in the feature space, and then sequentially selects the point with the furthest minimum distance from all of the selected points. The KS method uses Euclidean distance to calculate distance, but derived algorithms may use Mahalanobis generalized distance.
この第2の実施の形態では、出力特性の近似する分光センサ14は、距離が遠くなるようにグルーピングがされるため、グループ(A)~(D)の各々は、出力特性が異なる分光センサ14の集合として構成され得る。このため、同じグループに所属する分光センサ14を選抜することで、複数の測定装置10に出力特性が偏ることなく分光センサ14が分配され、複数の測定装置10の間で出力特性を均一化することが可能になる。 In this second embodiment, spectroscopic sensors 14 with similar output characteristics are grouped so that they are spaced farther apart, and each of groups (A) to (D) can be configured as a collection of spectroscopic sensors 14 with different output characteristics. Therefore, by selecting spectroscopic sensors 14 that belong to the same group, the spectroscopic sensors 14 can be distributed among multiple measuring devices 10 without bias in output characteristics, making it possible to uniform the output characteristics among multiple measuring devices 10.
[第3の実施の形態]
次に、図7及び図8を参照して、第3の実施の形態における製造方法を説明する。第3の実施の形態の製造方法も、一例として図1に示すような測定装置10を製造対象とするものである。図7は、第3の実施の形態の製造方法を説明するフローチャートであり、図8はその製造方法の概要を示している。この方法でも、1台当たりj個の分光センサ14を有する測定装置10を製造するため、N個の分光センサ14(N>>j)を用意し、このN個の分光センサ14を母集団とする。そして、この母集団のN個の分光センサ14の各々の出力特性を測定する(ステップS31)。ここまでは第1及び第2の実施の形態と同一である。
[Third embodiment]
Next, a manufacturing method according to a third embodiment will be described with reference to FIGS. 7 and 8 . The manufacturing method according to the third embodiment also targets the manufacturing of a measuring device 10 as shown in FIG. 1 as an example. FIG. 7 is a flowchart illustrating the manufacturing method according to the third embodiment, and FIG. 8 shows an outline of the manufacturing method. This method also manufactures measuring devices 10 each having j spectroscopic sensors 14. To do this, N spectroscopic sensors 14 (N>>j) are prepared, and these N spectroscopic sensors 14 form a population. Then, the output characteristics of each of the N spectroscopic sensors 14 in this population are measured (step S31). Up to this point, the process is the same as in the first and second embodiments.
その後、第3の実施の形態の製造方法では、複数の分光センサ14の出力特性に応じて、複数の分光センサ14を複数のグループにグルーピング(分類)する。グルーピングは、一例として、第2の実施の形態と同様に、例えば4つのグループ(A)~(D)を特徴空間の4つの象限に定義することができる。 Then, in the manufacturing method of the third embodiment, the spectroscopic sensors 14 are grouped (classified) into multiple groups according to the output characteristics of the spectroscopic sensors 14. As an example, similar to the second embodiment, the grouping can be performed by defining four groups (A) to (D) in four quadrants of the feature space.
第2の実施の形態との相違点は、第2の実施の形態が、出力特性の近似する分光センサ14の特徴空間での距離が遠くなるようグルーピングを実行するのに対し、この第3の実施の形態では、出力特性の近似する分光センサが同一グループとなるようグルーピングがされることである(ステップS32)。そして、複数のグループ(A)~(D)の各々から所定数の分光センサ14を選抜して、1台当たりj個の分光センサ14を有する測定装置10を複数台構成する(ステップS33)。複数のグループ(A)~(D)の各々から1台の測定装置10の構成のために選抜される分光センサ14の個数は、グループの間で同一であることが好適であるが、条件に応じて、選抜数が他のグループとは異なるように選抜がなされることも可能である。 The difference from the second embodiment is that, whereas in the second embodiment, grouping is performed so that spectroscopic sensors 14 with similar output characteristics are farther apart in feature space, in this third embodiment, grouping is performed so that spectroscopic sensors with similar output characteristics are in the same group (step S32). Then, a predetermined number of spectroscopic sensors 14 are selected from each of the multiple groups (A) to (D) to configure multiple measurement devices 10, each having j spectroscopic sensors 14 (step S33). It is preferable that the number of spectroscopic sensors 14 selected to configure one measurement device 10 from each of the multiple groups (A) to (D) be the same across groups, but depending on the conditions, the number selected can be different from one group to another.
この第3の実施の形態では、出力特性の近似する分光センサ14は、同一グループとなるようにグルーピングがされるため、グループ(A)~(D)の各々は、出力特性が近似する分光センサ14の集合として構成され得る。このため、グループ(A)~(D)の各々から所定数ずつ分光センサを選抜することで、複数の測定装置10に出力特性が偏ることなく分光センサ14が分配され、複数の測定装置10の間で出力特性を均一化することが可能になる。 In this third embodiment, spectroscopic sensors 14 with similar output characteristics are grouped together, so that each of groups (A) to (D) can be configured as a collection of spectroscopic sensors 14 with similar output characteristics. Therefore, by selecting a predetermined number of spectroscopic sensors from each of groups (A) to (D), the spectroscopic sensors 14 can be distributed among multiple measuring devices 10 without bias in output characteristics, making it possible to uniform the output characteristics among multiple measuring devices 10.
分光センサ14のグループへの分類のためには、階層クラスタリング、k-meansクラスタリング、DBSCAN(Density-Based Spatial Clustering of Application with Noise)、k最近傍探索、スペクトルクラスタリング等のアルゴリズムが用いられ得る。 Algorithms such as hierarchical clustering, k-means clustering, DBSCAN (Density-Based Spatial Clustering of Application with Noise), k-nearest neighbor search, and spectral clustering can be used to classify the spectroscopic sensors 14 into groups.
図9は、第2及び第3の実施の形態の効果を説明するグラフである。具体的に、図9の上のグラフは、N個の分光センサ14についてグルーピングを行わずに、N個の分光センサ14をランダムに(無作為に)組み合わせて1台当たりj個の分光センサ14を有する測定装置10を組み立てた場合における、複数の測定装置10の間の出力特性のバラつきを示している。上のグラフにおいて、小さいドットは各分光センサ14の出力特性(出力値1,2)を示しており、大きな丸ドットは、測定装置10の出力特性を示している。ランダムな組合せを行う場合、この上のグラフに示すように、一部の測定装置10については他の測定装置10との比較において出力特性が有意に異なる場合がある。 Figure 9 is a graph illustrating the effects of the second and third embodiments. Specifically, the upper graph in Figure 9 shows the variation in output characteristics among multiple measuring devices 10 when measuring devices 10 each have j spectroscopic sensors 14 assembled by randomly combining N spectroscopic sensors 14 without grouping them. In the upper graph, small dots indicate the output characteristics (output values 1 and 2) of each spectroscopic sensor 14, and large round dots indicate the output characteristics of the measuring device 10. When random combinations are performed, as shown in the upper graph, the output characteristics of some measuring devices 10 may differ significantly compared to other measuring devices 10.
図9の下のグラフは、N個の分光センサ14のグルーピングを行い、その後Kennard-Stone法を用いて分光センサ14を選抜した場合における、複数の測定装置10の間の出力の特性のバラつきを示している。複数の測定装置10の間の出力特性のバラつきは、上のグラフ(ランダムに組み合わせた場合)に比べ抑制されていることが分かる。 The bottom graph in Figure 9 shows the variation in output characteristics among multiple measurement devices 10 when N spectroscopic sensors 14 are grouped and then the spectroscopic sensors 14 are selected using the Kennard-Stone method. It can be seen that the variation in output characteristics among multiple measurement devices 10 is suppressed compared to the top graph (when the devices are randomly combined).
図10の3つのグラフは、N個の分光センサ14のグルーピングを行い、その後階層クラスター分析(上のグラフ)、K-meansクラスター分析(中央のグラフ)、スペクトルクラスタリング(下のグラフ)を用いて分光センサ14を選抜した場合における、複数の測定装置10の間の出力の特性のバラつきを示している。複数の測定装置10の間の出力特性のバラつきは、図9の上のグラフ(ランダムに組み合わせた場合)に比べ抑制されていることが分かる。 The three graphs in Figure 10 show the variation in output characteristics among multiple measurement devices 10 when N spectroscopic sensors 14 are grouped and then the spectroscopic sensors 14 are selected using hierarchical cluster analysis (top graph), K-means cluster analysis (middle graph), and spectral clustering (bottom graph). It can be seen that the variation in output characteristics among multiple measurement devices 10 is suppressed compared to the top graph in Figure 9 (when the devices are randomly combined).
図11は、測定装置10の出力値(出力値1、出力値2)の標準偏差を比較したグラフである。図11に示すように、ランダムに分光センサ14を組み合わせた場合の標準偏差は大きいが、本実施の形態の方法(Knnard-Stone法、階層クラスター分析、K-meansクラスター分析、スペクトルクラスタリングを用いて分光センサ14を各グループから選抜した場合には、標準偏差は小さくなっている。 Figure 11 is a graph comparing the standard deviations of the output values (output value 1, output value 2) of the measurement device 10. As shown in Figure 11, the standard deviation is large when the spectroscopic sensors 14 are randomly combined, but the standard deviation is smaller when the spectroscopic sensors 14 are selected from each group using the method of this embodiment (Knard-Stone method, hierarchical cluster analysis, K-means cluster analysis, and spectral clustering).
なお、第3の実施の形態においては、N個の分光センサについてのグルーピングが実行された後において、そのN個の分光センサとは別の新たな分光センサが母集団に追加される場合がある。その場合には、母集団に所属するN個全ての分光センサについて新たにグルーピングを行う必要はなく、新たに追加対象とされる分光センサについてのみグルーピングを行うことができる。図12は、母集団に新たな分光センサが追加された場合の第3の実施の形態の変形例の製造方法を説明するフローチャートである。 In the third embodiment, after grouping of N spectroscopic sensors has been performed, a new spectroscopic sensor other than the N spectroscopic sensors may be added to the population. In this case, it is not necessary to perform new grouping of all N spectroscopic sensors belonging to the population; grouping can be performed only on the spectroscopic sensor to be newly added. Figure 12 is a flowchart illustrating a manufacturing method of a modified example of the third embodiment when a new spectroscopic sensor is added to the population.
まず、母集団に新たに追加された分光センサ14の各々の出力特性を測定する(ステップS34)。続いて、既存の(グルーピング済の)N個の分光センサにより構成されるグループ、例えば4つのグループ(A)~(D)につき、各グループに所属する分光センサの平均出力特性を算出する(ステップS35)。 First, the output characteristics of each of the spectroscopic sensors 14 newly added to the population are measured (step S34). Next, for groups consisting of N existing (already grouped) spectroscopic sensors, for example, four groups (A) to (D), the average output characteristics of the spectroscopic sensors belonging to each group are calculated (step S35).
そして、新たに追加された各分光センサ14を、その出力特性がグループの平均出力特性に最も近いグループに配置する(ステップS36)。最後に、複数のグループ(A)~(D)の各々から所定数の分光センサ14を選抜して、1台当たりj個の分光センサ14を有する測定装置10を複数台構成する(ステップS37)。 Then, each newly added spectroscopic sensor 14 is placed in the group whose output characteristics are closest to the average output characteristics of the group (step S36). Finally, a predetermined number of spectroscopic sensors 14 are selected from each of the multiple groups (A) to (D) to configure multiple measurement devices 10, each with j spectroscopic sensors 14 (step S37).
なお、第2及び第3の実施の形態の説明では出力値が2つの例を示したが、出力値の個数は限定されるものではない。また、出力値の個数が多く、個々のセンサの出力特性を把握することが難しい場合は、主成分分析、t-SNE(t分布型確率的近傍埋め込み法)、NMF(非負値行列因子分解)等の手法で予め出力特性の次元数を圧縮しても良い。 Note that, although the second and third embodiments have been described with examples using two output values, the number of output values is not limited. Furthermore, if there are a large number of output values and it is difficult to grasp the output characteristics of each sensor, the number of dimensions of the output characteristics may be compressed in advance using techniques such as principal component analysis, t-SNE (t-distribution stochastic neighbor embedding), or NMF (non-negative matrix factorization).
図13は、図2で示した検出スペクトル信号に対して主成分分析を適用し、その上で第3の実施の形態のうちk-meansクラスタリングによるセンサ選抜を適用した結果を示す。元の検出スペクトル信号は1100nm~2498nm、2nm間隔で構成され、700個の出力値があるが、主成分分析により各分光センサの特性を示す2次元の主成分に信号を圧縮したため、分光センサ間の出力特性の違いを視覚的に把握することが可能となる。 Figure 13 shows the results of applying principal component analysis to the detected spectral signals shown in Figure 2, followed by sensor selection using k-means clustering according to the third embodiment. The original detected spectral signal is composed of 1100 nm to 2498 nm at 2 nm intervals, with 700 output values. However, principal component analysis compresses the signal into two-dimensional principal components that represent the characteristics of each spectroscopic sensor, making it possible to visually grasp the differences in output characteristics between spectroscopic sensors.
図13に示すように、N個の分光センサ14についてグルーピングを行わずに、N個の分光センサ14をランダムに(無作為に)組み合わせて1台当たりj個の分光センサ14を有する測定装置10を組み立てた場合に比べ、k-meansクラスタリングによるセンサ選抜を適用した場合の複数の測定装置10の間の出力特性のバラつきが小さくなっていることが確認できる。 As shown in Figure 13, it can be seen that the variation in output characteristics among multiple measuring devices 10 is smaller when sensor selection using k-means clustering is applied compared to when N spectroscopic sensors 14 are not grouped and instead N spectroscopic sensors 14 are randomly combined to assemble a measuring device 10 having j spectroscopic sensors 14 per device.
(その他)
以上で説明した実施の形態では、センサとして複数の分光センサ14を備えた測定装置10を例として説明した。しかし、分光センサ14は一例として説明したものであり、本発明は、他の種類のセンサであって、複数のセンサの間で出力特性のバラつきがあるモノ一般にも適用することができる。例えば、複数の熱電対をセンサとして有する測定装置の製造方法においても、上記と同様の方法を適用することにより、複数の測定装置の間での出力特性のバラつきを低減させることが可能である。
(others)
In the embodiment described above, the measuring device 10 including a plurality of spectroscopic sensors 14 as sensors has been described as an example. However, the spectroscopic sensors 14 have been described as an example, and the present invention can also be applied to other types of sensors in general, where there is variation in output characteristics among the plurality of sensors. For example, by applying a method similar to that described above to a method for manufacturing a measuring device having a plurality of thermocouples as sensors, it is possible to reduce variation in output characteristics among the plurality of measuring devices.
なお、本発明は、上記の実施例に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、上記の実施例は、本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、本発明は、必ずしも説明した全ての構成を備える態様に限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能である。また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、削除したり、他の構成を追加・置換したりすることが可能である。 The present invention is not limited to the above-described examples, and various modifications are possible. For example, the above-described examples have been described in detail to clearly explain the present invention, and the present invention is not necessarily limited to embodiments that include all of the described configurations. Furthermore, it is possible to replace part of the configuration of one example with the configuration of another example. It is also possible to add the configuration of another example to the configuration of one example. It is also possible to delete part of the configuration of each example, or to add or replace other configurations.
10…測定装置、 11…光源、 12…光ファイバ、 13…遮光ゴム、 14…分光センサ、 15…入射スリット、 SP…測定対象、 LB…測定光。
REFERENCE SIGNS LIST 10...measuring device, 11...light source, 12...optical fiber, 13...light-shielding rubber, 14...spectroscopy sensor, 15...entrance slit, SP...measurement object, LB...measurement light
Claims (7)
N個のセンサの各々の出力特性を取得するステップと、
前記N個のセンサの各々の出力特性に基づいて、前記N個のセンサの中から、一の測定装置のためのj個のセンサ(N>>j)を選択して複数の測定装置を構成するステップと を備え、
前記j個のセンサを選択するステップは、
前記N個のセンサの中から前記j個のセンサを選択する全ての組合せの出力特性を演算し、
前記複数の測定装置の出力特性のバラつきが最も小さくなる組合せを選択する、
測定装置の製造方法。 A method for manufacturing a measuring device that includes a plurality of sensors and outputs an output signal based on detection signals of the plurality of sensors, comprising:
acquiring output characteristics of each of the N sensors;
and selecting j sensors (N>>j) for one measurement device from among the N sensors based on the output characteristics of each of the N sensors to configure a plurality of measurement devices ;
The step of selecting j sensors includes:
calculating output characteristics of all combinations of selecting the j sensors from the N sensors;
selecting a combination that minimizes the variation in the output characteristics of the plurality of measuring devices;
A method for manufacturing a measuring device.
N個のセンサの各々の出力特性を取得するステップと、
前記N個のセンサの各々の出力特性に基づいて、前記N個のセンサの中から、一の測定装置のためのj個のセンサ(N>>j)を選択して複数の測定装置を構成するステップと を備え、
前記複数のセンサの出力特性に従い、前記出力特性が互いに近似するセンサが特徴空間において互いに離間するように前記複数のセンサを複数のグループに分類するステップを更に備え、
前記j個のセンサを選択するステップは、前記複数のグループの各々においてj個のセンサを選択することを含む、
測定装置の製造方法。 A method for manufacturing a measuring device that includes a plurality of sensors and outputs an output signal based on detection signals of the plurality of sensors, comprising:
acquiring output characteristics of each of the N sensors;
and selecting j sensors (N>>j) for one measurement device from among the N sensors based on the output characteristics of each of the N sensors to configure a plurality of measurement devices ;
further comprising a step of classifying the plurality of sensors into a plurality of groups according to output characteristics of the plurality of sensors such that sensors having similar output characteristics are spaced apart from each other in a feature space;
the step of selecting j sensors includes selecting j sensors in each of the plurality of groups.
A method for manufacturing a measuring device.
N個のセンサの各々の出力特性を取得するステップと、
前記N個のセンサの各々の出力特性に基づいて、前記N個のセンサの中から、一の測定装置のためのj個のセンサ(N>>j)を選択して複数の測定装置を構成するステップと を備え、
前記複数のセンサの出力特性に従い、前記出力特性が互いに近似するセンサが同一のグループとなるように前記複数のセンサを複数のグループに分類するステップを更に備え、 前記j個のセンサを選択するステップは、前記複数のグループの各々から所定数のセンサを選択することを含む、
測定装置の製造方法。 A method for manufacturing a measuring device that includes a plurality of sensors and outputs an output signal based on detection signals of the plurality of sensors, comprising:
acquiring output characteristics of each of the N sensors;
and selecting j sensors (N>>j) for one measurement device from among the N sensors based on the output characteristics of each of the N sensors to configure a plurality of measurement devices ;
further comprising a step of classifying the plurality of sensors into a plurality of groups according to output characteristics of the plurality of sensors such that sensors having similar output characteristics are grouped together, and the step of selecting the j number of sensors includes selecting a predetermined number of sensors from each of the plurality of groups.
A method for manufacturing a measuring device.
前記複数のセンサを複数のグループに分類するステップは、
前記母集団に新たに追加されたセンサの各々の出力特性を測定するステップと、
前記複数のグループに所属するセンサの平均出力特性を算出するステップと、
前記新たに追加されたセンサを、その出力特性と、前記複数のグループの前記平均出力特性との関係に基づいて前記複数のグループの1つに分類するステップと
を含む、請求項3に記載の測定装置の製造方法。 After the N sensors are classified into a plurality of groups, when a new spectroscopic sensor is added to the population of the N spectroscopic sensors,
The step of classifying the plurality of sensors into a plurality of groups includes:
measuring the output characteristics of each newly added sensor to the population;
calculating an average output characteristic of the sensors belonging to the plurality of groups;
4. The method of claim 3 , further comprising the step of classifying the newly added sensor into one of the plurality of groups based on a relationship between its output characteristic and the average output characteristic of the plurality of groups.
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