2017 Fiscal Year Research-status Report
広視野中赤外分光イメージング装置の開発と文化財科学への応用
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15K01138
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| Research Institution | National Research Institute of Police Science |
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Principal Investigator |
菅原 滋 科学警察研究所, 法科学第四部, 主任研究官 (60356160)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
石丸 伊知郎 香川大学, 工学部, 教授 (70325322)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 中赤外分光 / 近赤外分光 / ハイパースペクトラルイメージング / 機械学習 / 色材 / 紙 / スペクトル解析 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度は２つの論文が掲載され、２つの国際学会と３つの国内学会で発表したので、その概要を示す。
１、ボロメータカメラを用いた中赤外ハイパースペクトラルイメージングについて：安価で汎用性が高いが、感度の低いボロメータカメラを検出器として用いた場合、どのような試料が測定可能かを検証した。アルミ板のような高反射率鏡面上に、接着剤やニスなどの有機物がうっすらと乗っている場合、スペクトルがきちんと測定でき、試料の同定や分布の可視化も可能であった。また、光沢紙のような高反射率の紙のスペクトルも、測定できる場合があった。現在分担研究者が、さらなる高感度化を目指して光源などを開発しているので、反射率の高くない普通の資料でも測定可能になると期待される。
２、MCT検出器を用いた中赤外ハイパースペクトラルイメージングについて：小さな試料しか測定できないが、高感度な市販のFTIRイメージングシステムを用いて、塗りつぶされた文字の可視化手法を研究した。具体的には測定データのスペクトル解析において、どの波長のピークを使用すればよいのかを検証した。紙上のインクのスペクトルを、測定箇所を変えながら多数測定し、インクのスペクトルの変動幅を確認した。そして、紙自体のスペクトルに邪魔されないインクの吸収ピークがどの波長に現れるのかを検証した。
３、波長1.0～2.35ミクロンの近赤外ハイパースペクトラルイメージングについて：高感度かつ広視野の測定法が確立されている、近赤外波長域の装置を使って、インク、紙、接着剤、ニスなどを測定し、各試料のスペクトル形状を確認した。近赤外スペクトルはピークの帰属が難しく、さらにインクのスペクトルは紙にしみこむことによって大きく変動もする。そこで、機械学習を用いて、スペクトルのわずかな差異から試料を同定する手法も検証した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
１、中赤外ハイパースペクトラルイメージングについて：ボロメータ検出器を用いた場合、現在の技術でどのような試料が測定可能か検証できた。しかし光沢紙など、反射率の高い紙試料については、もう少し検証が必要である。また、現在でも高感度化の開発が進んでいるので、数年後に再度、各種試料の測定可能性を検証する必要がある。
高感度なMCT検出器を使えば、紙の上の色材など、実際の文化財に近い試料でも測定可能であることを実証できた。しかし、現時点では簡単に追加実験できる状況ではない。外国を含む他機関との共同研究なども視野に入れて、追加実験できる環境を構築する必要がある。
２、波長1.0～2.35ミクロンの近赤外ハイパースペクトラルイメージングについて：この波長帯は、広視野かつ高感度な測定が可能であることがほぼ実証できた。しかしこの波長帯は、各種試料のスペクトル自体がこれまであまり測定されてこなかったので、文化財科学においてどのくらい役に立つのか、あいまいな部分がある。スペクトルなどの基礎的データの収集に努めつつ、実際に文化財試料を扱う研究者と積極的に意見交換しながら、応用手法について実験的検証を進めていく必要がある。
３、データ解析手法について
測定データの解析手法のうち、主成分分析や相関係数を用いた手法については、その有効性を実証できた。この分野はケモメトリクスと呼ばれ、先人たちの多くの研究の積み重ねがあるので、それらの成果を積極的に取り入れる必要がある。一方、これまでのケモメトリクスの研究に比べて本研究の新しい特徴は、点のスペクトルデータではなく面のデータ解析であることと、各種素材が複雑に混ざり合い空間的にも不均一な試料のデータを解析することである。それゆえ画像処理技術の他、近年研究の進展が著しい機械学習やディープラーニングなどの手法も積極的に取り入れていく必要がある。
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| Strategy for Future Research Activity |
１、中赤外ハイパースペクトラルイメージングについて：ボロメータ検出器は安価で汎用性が高いので、もし文化財資料が測定できるところまで感度が高まれば、とても大きな価値がある。現在、分担研究者が光源の開発など、高感度化に積極的に取り組んでおり、今後の開発の進展が期待される。一方、主研究者は、高感度なMCT検出器や、近年開発が進むT2SL検出器などによる文化財試料の測定可能性の検証を考えている。現時点ではMCT検出器を用いたシステムで追加実験できないので、追加実験可能な環境の構築を検討している。また、T2SL検出器はMCTに代わる高感度検出器として期待されるが、その能力について未知な部分もあるので、他機関の研究者と情報交換しながら、実験的な検証を進めていく。
２、波長1.0～2.35ミクロンの近赤外ハイパースペクトラルイメージングについて：この波長帯は、広視野かつ高感度な測定法がほぼ確立されているので、実際の文化財試料の測定も可能であると期待される。そこで実際の文化財に使われている各種材料のスペクトルなど、基礎的なデータを測定する。そして実際の文化財を扱っている研究者と情報交換しながら、具体的な応用について実験的な検証を進める。
３、データ解析手法について：文化財は各種素材が複合的に組み合わさった試料なので、それぞれのスペクトルが複雑に影響しあう。また、紙や木材など、材質が空間的に不均一な試料も扱う。そこで、スペクトル解析において各種統計的手法の活用が必要不可欠である。従来の手法はもちろん、近年研究が進む、機械学習やディープラーニングも取り入れていく必要がある。これらの新しい手法の活用には、学習データを大量に取得するという課題がある。ハイパースペクトラルイメージングは、異なる測定箇所のデータを短時間で大量に測定できるので、この課題を解決できると考えている。
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| Causes of Carryover |
昨年度測定したデータや、新しい解析手法を用いた分析結果などの中に、未発表のものがある。それらについて今年度中に学会発表したり、論文投稿を行ったりする。残予算はそのための費用として、使用する予定である。また、今回の研究成果をさらに進展させるための費用としても使用する予定である。
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