I nte rna t io na l J o urna l o f   E lect rica l a nd   Co m p ute E ng in ee ring   ( I J E CE )   Vo l.   7 ,   No .   6 Dec em b er   201 7 ,   p p .   3 0 7 0 ~ 3 0 7 5   I SS N:  2 0 8 8 - 8708 DOI : 1 0 . 1 1 5 9 1 / i j ec e . v7 i 6 . p p 3 0 7 0 - 3075          3070       J o ur na l ho m ep a g e h ttp : //ia e s jo u r n a l.c o m/o n lin e/in d ex . p h p /I JE C E   Desig a nd Devel o p m en o a   Sho r tw a v e n ea r Infrar ed  Spectros co py  usi ng  NIR LEDs  an d Regress io n Mo del       K i m   Seng   Chia Yit   P eng   T a n   Facu lt y   o f   E lectr ical  a n d   E lect r o n ic  E n g i n ee r i n g ,   U n i v er s iti  T u n   Hu s s ei n   On n   Ma la y s ia,   B atu   P ah at,   Ma la y s ia       Art icle  I nfo     AB ST RAC T   A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   J u l 2 9 ,   2 0 1 7   R ev i s ed   Oct  2 ,   2 0 1 7   A cc ep ted   Oct  1 8 ,   2 0 1 7     Ne a in f ra r e d   (NIR)   sp e c tro sc o p ic  tec h n o l o g y   h a b e e n   g e t ti n g   m o re   a tt e n ti o n   in   v a rio u f ield s.  T h e   d e v e lo p m e n o f   a   lo w   c o st  NIR   sp e c tro sc o p y   is  c ru c ial  to   re d u c e   th e   f in a n c ia b a rriers   so   th a m o re   NIR   sp e c tro sc o p ic   a p p li c a ti o n w il b e   in v e stig a te d   a n d   d e v e lo p e d   b y   m e a n o th e   NIR   sp e c tro sc o p ic  tec h n o lo g y .   T h is  stu d y   p ro p o se a n   a lt e rn a ti v e   to   m e a su re   sh o rtw a v e   NIR   sp e c tru m   u sin g   o n e   c o ll im a ti n g   len s,  tw o   slit s,  o n e   NIR   tran sm issio n   g ra ti n g ,   o n e   li n e a a rra y   se n so r,   a n d   o n e   m icro c o n tr o ll e r.   F iv e   h ig h   p re c isio n   n a rr o w   b a n d NIR   li g h e m it ti n g   d io d e (L EDs)  we re   u se d   to   c a li b ra te  th e   p r o p o se d   sp e c tro sc o p y .   T h e   e ff e c ts  o f   th e   p ro p o se d   tw o   slit d e sig n ,   th e   d istan c e   b e tw e e n   th e   g ra ti n g   a n d   li n e a a rra y   se n so r,   a n d   th re e   d if fe re n re g r e ss io n   m o d e ls  w e r e   in v e stig a ted .   T h e   a c c u ra c y   o f   th e   p ro p o se d   d e sig n   wa c ro ss - v a li d a ted   u sin g   lea v e - one - o u c ro ss - v a li d a ti o n .   Re su lt sh o w   th a th e   p r o p o se d   tw o   slit d e sig n   w a a b le  to   e li m in a te  u n w a n ted   sig n a ls  su b sta n ti a ll y ,   a n d   th e   c ro ss - v a li d a ti o n   w a s   a b le  to   e sti m a t e   th e   b e st  m o d e w it h   ro o t   m e a n   sq u a re d   e rro o f   c ro ss - v a li d a ti o n   o f   3 . 8 9 3 2 n m .   F in d in g in d ica te  th a th e   c ro ss - v a li d a ti o n   a p p r o a c h   is  a   g o o d   a p p r o a c h   to   e sti m a te  th e   f in a m o d e w it h o u o v e r - f it ti n g ,   a n d   t h e   p r o p o se d   sh o rtw a v e   NIR   sp e c tro sc o p y   wa a b le  to   e sti m a te  th e   p e a k   v a lu e   o f   th e   a c q u ired   sp e c tru m   f ro m   NIR   L EDs  w it h   RM S o f   1 . 1 6 1 6 n m .   K ey w o r d :   NI R   L E D   R eg r es s io n   m o d el   Sh o r t w av n ea r   i n f r ar ed   Sp ec tr o s co p y   W av elen g t h   Co p y rig h ©   2 0 1 7   In stit u te o A d v a n c e d   E n g i n e e rin g   a n d   S c ien c e .     Al rig h ts  re se rv e d .   C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   Ki m   Se n g   C h ia,     Dep ar t m en t o f   E lectr ical  an d   E lectr o n ic  E n g in ee r i n g ,   Un i v er s iti T u n   H u s s ei n   On n   Ma la y s ia,   B atu   P ah at,   Ma la y s ia.   E m ail:  k s c h ia @ u t h m . ed u . m y       1.   I NT RO D UCT I O     Nea r   in f r ar ed   s p ec tr o s co p ic  tech n o lo g y   h a s   b ee n   g etti n g   m o r atten t io n   in   v ar io u s   f ield s   e. g .   ag r icu l tu r [ 1 ] ,   C h in e s m ed i cin [ 2 ] [ 3 ] ,   n eu r o - ec o n o m ic  r esear ch   [ 4 ] ,   an d   f o o d   in d u s tr y   [ 5 ]   to   p o ten tiall y   r ep lace   co n v en tio n al  m ea s u r e m en ap p r o ac h es  ( e. g .   s en s o r y   ev al u atio n   a n d   c h e m ical  a n al y s i s )   th a ar ti m e - co n s u m i n g ,   e x p en s iv e   p er   m e asu r e m en t,   d estru c tiv e,   o r   in c o n v e n ien t.  Nea r   i n f r ar ed   s p ec t r o s co p ic  tech n o lo g y   is   p r o m i s in g   to   b a n   alter n a tiv m ea s u r e m e n ap p r o ac h   b ec au s e   th e   ac q u ir ed   r e f lecte d   o r   th e   tr an s m itted   n ea r   i n f r ar ed   en er g y   f r o m   s a m p le  co n ta in s   i n f o r m atio n   t h at  r elate d   to   t h co m p o s itio n   o f   C - H,   N - H,   an d     O - b o n d s   o f   t h s a m p le.   Sin ce   th ese  co m p o s itio n   ar th c o m m o n   an d   b asic  ch e m ical  co m p o s itio n   o f   m a n y   p r o d u cts  e. g .   ag r icu l tu r p r o d u cts  an d   f o o d ,   m a n y   r esea r ch es  h a v b ee n   co n d u cted   to   in v e s ti g ate  th e   r elatio n s h ip   b et w ee n   co m p o n en o f   i n ter est s   e. g .   p H,   g lu co s e,   an d   s o l u b le  s o lid s   co n ten t   an d   th n ea r   in f r ar ed   en er g y .     Nea r   I n f r ar ed   Sp ec tr o s co p ic  r esear ch   ai m s   to   r elate   t h co m p o n en o f   i n ter est  to   t h ab s o r p tio n   o f   th n ea r - i n f r ar ed   li g h e n er g y .   T h am o u n o f   t h ab s o r p tio n   is   r elate d   to   th c h e m ical  b o n d   o f   m o lec u le.   I n   f ac t,  t h b o n d   a m o n g   a to m s   n atu r all y   w il v ib r ate,   th e   h i g h e r   s tate  o f   e x cite m en r eq u ir es   m o r e   en er g y .   L ig h Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J E C E     I SS N:  2 0 8 8 - 8708       Desig n   a n d   Dev elo p men t o f a   S h o r tw a ve   n ea r   I n fr a r ed   S p ec tr o s co p u s in g   N I R   LEDs … .   ( K im  S en g   C h ia )   3071   en er g y   f r o m   Nea r   I n f r ar ed   L E p r o v id es  m o r e n er g y   f o r   ch e m ical  b o n d   i n   ato m s   to   v ib r ate.   Di f f er en t   m o lecu le s   co n ta in   d i f f er en t y p es  o f   b o n d in g   a m o n g   ato m s ,   th er ef o r e,   en er g y   r eq u ir ed   b y   an   ato m   to   v ib r ate  an d   ex c ite  to   n e x lev el   is   d i f f er en t.  C o n s eq u en t l y ,   t h i s   v ar i atio n   e n er g y   ca n   b e   s ee n   i n   s p ec tr u m   a n d   p r o v id r elate d   in f o r m a tio n   to   an al y ze   th t y p e s   o f   m o lec u le  t h at  p r es en t in   t h s a m p les.   T h er ar th r ee   ch alle n g es  i n   n ea r   i n f r ar ed   s p ec tr o s co p ic  r esear ch .   Fir s t,  t h m o d elli n g   o r   th s o - ca lled   c h e m o   m etr ics.   T h m o d ell in g   p ar f o cu s es  o n   ex tr ac ti n g   r elate d   i n f o r m atio n   f r o m   t h ese  h ig h l y   r ed u n d an a n d   o v er - lap p in g   n ea r   in f r ar ed   s p ec tr al  d ata,   an d   th en   r elatin g   t h e s in f o r m a tio n   to   co m p o n e n o f   in te r est s   u s in g   ca lib r atio n   m o d el  e. g .   ar tif icia n eu r o n   n et w o r k   an d   ad ap tiv lin ea r   n eu r o n   [ 6 ] .   T h m o d ell in g   p ar t is cr u cial  to   e n s u r t h n ea r   i n f r ar ed   s p ec tr o s co p ic  tech n o lo g y   is   ca p ab le  o f   ac h ie v in g   s atis f ied   m ea s u r e m e n ac c u r ac y   in   n o v el  ap p licatio n s   [ 7 ] .   Seco n d ,   th e x p er i m e n tal  d esi g n   t h at  ai m s   to   en s u r t h e   ac q u ir ed   n ea r   in f r ar ed   s p ec tr al  d ata  h as  m i n i m u m   e f f ec ts   f r o m   t h s u r r o u n d i n g   e. g .   te m p er atu r an d   m o is t u r e,   an d   t h ac q u ir ed   r ef er en ce   d at ar r ep r esen tati v e   an d   ac c u r ate.   A   s m a ll  d ev iatio n   o f   te m p er atu r o r   m o i s t u r m a y   u lti m atel y   ca u s e   t h ac q u ir ed   d ata  co n tain   u n w a n ted   s ig n al s .   L astl y ,   a   m ar k et   av a i lab le  n ea r   in f r ar ed   s p ec tr o s co p y   is   s till   r elati v el y   ex p en s iv e   an d   b u lk y .   T h d ev elo p m e n t o f   lo w   co s t a n d   p o r tab le  n ea r   i n f r ar ed   s p ec tr o s co p y   is   cr u cial  to   r e d u ce   th e   f in a n cial  b ar r ier s   s o   th at  m o r ap p licatio n s   w il b d ev elo p ed   f o r   p er s o n al  u s i n   h o m b y   m ea n s   o f   th n ea r   in f r ar ed   s p ec tr o s co p ic  tech n o lo g y   [ 8 ] .   Sev er al  atte m p ts   h a v b ee n   p r o p o s ed   to   r ed u ce   th f in a n cial   b ar r ier   o f   i m p le m e n t i n g   s p ec tr o s co p ic  an al y s is   b y   r ep lacin g   an   ex p e n s i v h alo g en   la m p   w it h   w a v e len g th   s elec tiv li g h e m it tin g   d io d es  ( L E Ds)  an d   d etec to r   b y   p h o to d io d es  [ 9 - 13 ] .   E v en   t h o u g h   t h p r o p o s ed   alt er n ati v d o es  n o r eq u ir ac cu r ate  ali g n m e n t   o f   th co m p o n e n t s   to   g u ar a n t ee   h ig h   p r ec is io n   m ea s u r e m e n ts   a s   co m m er cia s p ec tr o m eter   n ee d s   [ 12 ] ,   it  is   w o r th   to   h i g h li g h t   th a o n l y   l i m ited   w a v ele n g th s   ca n   b m ea s u r ed   b ec au s o n l y   w a v ele n g t h   s elec ti v li g h t   e m itti n g   d io d es  ( L E Ds)  w er u s ed   in   t h p r o p o s ed   m ea s u r e m en d ev ice.   On   th o th er   h a n d ,   r ec en w o r k   h a s   p r esen ted   s i m p le  an d   in e x p en s i v d esi g n s   to   ac q u ir v is i b le  s p ec tr u m   w it h   ac ce p tab le  ac cu r ac y   [ 14 ] .   T h is   s u g g e s ts   th a s h o r t w av e   n ea r   in f r ar ed   s p ec tr u m   i.e .   f r o m   7 0 0 1 0 0 0 n m   m a y   b ac q u ir ed   u s in g   s i m ilar   in ex p e n s i v s etu p   t h at  co n s i s ts   o f   tr an s m i s s io n   g r atin g ,   s lit,  a n d   d etec t o r .   T h u s ,   th is   s t u d y   ai m s   to   ev alu a te  th f ea s ib il it y   o f   an   a lter n ati v to   m ea s u r s h o r t w a v n ea r   i n f r ar ed   s p ec tr u m .       2.   M AT E RIAL S AN M E T H O DS   2 . 1 .   Sp ec t ro m et er   Dev elo p m e nt   Fig u r 1   illu s tr ates  t h to p   v iew   o f   t h p r o p o s ed   s h o r t w a v n ea r   in f r ar ed   s p ec tr o s co p y   th a co n s is t s   o f   p o ly   ( m et h y m et h ac r y la t e)   co llim at in g   len s ( w it h   4 . 5 m m   b ea m   ap er tu r d ia m eter   f o r   2 0 0 n m - 1 1 0 0 n m ) ,   t w o   s lit s ,   o n n ea r   i n f r ar ed   t r an s m is s io n   g r ati n g   w it h   3 0 0 G/ m m   a n d   2 4 . 5   d eg r ee   ( T h o r L ab s ) ,   o n 1 x 2 5 6   lin ea r   ar r a y   s e n s o r ,   an d   o n m icr o co n tr o ller   ( A r d u i n o   Na n o ) .   T h co lli m at in g   le n s   w a s   u s ed   to   m a k t h e   ac q u ir ed   lig h tr av el s   p ar allel   in to   th s p ec tr o m eter .   T h is   w il en s u r t h p o s itio n   o f   e ac h   w a v elen g t h   is   in d ep en d en t   o n   ac q u is it io n   s etu p   s o   t h at  t h p r o p o s ed   s p ec tr o m e ter   ca n   ac c u r atel y   e s t i m ate  th u n k n o w n   w a v ele n g t h s .   T w o   s lit s   w er u s ed ,   in s tead   o f   o n s lits   i n   g en er al  s p ec tr o m e ter ,   to   en s u r o n l y   d esire d   lig h t   ca n   b p ass   t h r o u g h   to w ar d   th tr an s m is s io n   g r ati n g .   T h d i s tan ce   b et w ee n   f ir s s lit  a n d   s e co n d   s lit  i s   f i x ed   at   1 . 3 cm .   T h t r an s m is s io n   g r ati n g   w o u ld   d is p er s th li g h o n   th li n ea r   ar r a y   s e n s o r .   T h lin ea r   ar r ay   s en s o r   th at  co n s is t s   o f   2 5 6   p h o to d io d es  w i th   d i m e n s io n   o f   6 3 . 5 μ m   ×5 5 . 5 μ m   ea ch   a n d   w it h   8 - μ m   s p ac in g   b et w ee n   p h o to d io d es w a s   u s ed   to   m ea s u r th i n te n s it y   o f   t h d is p er s ed   lig h t.            Fig u r 1 .   T h to p   v ie w   o f   th p r o p o s ed   s h o r t w a v n ea r   i n f r ar ed   s p ec tr o s co p y   w h er th to p   co v er   w as o p en ed   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8708   I J E C E     Vo l.  7 ,   No .   6 Dec em b er   2 0 1 7   :   3 0 7 0     3 0 7 5   3072   Nex t,  t h m icr o co n tr o ller   w as   u s ed   to   in ter f ac w i th   th e   li n ea r   ar r ay   s en s o r ,   an d   t h e n   to   t r an s m it  t h e   d ata  f r o m   t h lin ea r   ar r a y   s en s o r   to   a   co m p u ter   u s in g   US B   ca b le   f o r   r ec o r d   an d   an al y s i s .   A ll  o f   t h ese  s et u p   ar in s id an   al u m in u m   b lac k   b o x   w it h   d i m en s io n   o f   1 0 0 mm ×7 6 m m ×3 5 m m .   T h d is tan ce   b et w ee n   th e   g r atin g   an d   th e   li n ea r   ar r a y   s e n s o r   w a s   ad j u s ted   u n til   th e   d i s p er s ed   lig h t   ca n   b m ea s u r ed   b y   t h e   li n ea r   ar r a y   s en s o r .   L ast l y ,   Ma t lab   ( R 2 0 0 9 b )   s o f t w ar w a s   u s ed   to   i n t er f ac w it h   t h m icr o co n tr o ller   f o r   r ec o r d   an d   an al y ze   t h ac q u ir ed   d ata.     2 . 2 .   Wa v eleng t h Ca lib ra t io   W av elen g t h   ca lib r atio n   ai m s   t o   en s u r t h at  th p r o p o s ed   s p ec tr o s co p y   is   ca p ab le  o f   id en t if y in g   t h e   w a v ele n g t h   o f   t h ac q u ir ed   s p ec tr u m .   Fi v h ig h   p r ec is io n   n ar r o w   b an d s   n ea r   in f r ar ed   L E Ds  ( T h o r L ab s )   w it h   d if f er e n ce n ter   w av e len g t h s   o f   7 8 0 nm ,   8 5 1 nm ,   8 7 0 nm ,   9 1 0 nm ,   an d   9 4 0 n m   w er u s ed   as  th r ef er en ce s   f o r   ca lib r atio n   an d   v alid atio n .   Si n ce   th er w er f i v d ata,   lea v e - o n e - o u cr o s s - v a lid atio n   w as  u s ed   to   v alid ate  t h e   ac cu r ac y   o f   t h d es ig n ed   s h o r t w a v n ea r   i n f r ar ed   s p ec tr o s co p y .   T h ca lib r atio n   m o d el  a i m s   to   est i m ate   t h e   w a v ele n g t h   w h e n   th u n k n o wn   li g h is   m ea s u r ed   b ased   o n   th f o llo w i n g   r elatio n s h ip ,   i.e .   y   m X,   in   w h ic h ,   y   is   th est i m a ted   w a v ele n g t h ,   is   th p ix el  p o s itio n   o f   th lin ea r   ar r a y   s en s o r   w i th   v alu e   b et w ee n   1   an d   2 5 5     ( i.e .   f r o m   f ir s p ix el  to   t h las t   p ix el  o f   t h li n ea r   ar r a y   s e n s o r ) ,   an d   th m   is   th co e f f ic ie n v a lu t h at  r elate s   th an d   y .   O n o f   th c h all en g e s   w as  to   en s u r th ac q u i r ed   lig h w o u ld   b s u cc e s s f u ll y   d i s p er s ed   o n   th lin ea r   ar r a y   s en s o r   u s in g   th g r atin g .   T h p r eli m in ar y   te s w a s   to   e n s u r th e   p ea k   o f   t h e   ac q u ir ed   s p ec tr u m   w o u ld   b in   t h lo g ic  s eq u e n c e.   T o   av o id   an   ex tr ap o latio n   p r ed ictio n ,   th p r ed ictio n   o f   b o th   7 8 0   an d   9 4 0 n m   w er ex cl u d ed   d u r in g   t h cr o s s - v alid atio n .   T h r ee   d if f er e n r eg r ess io n   m o d els  i.e .   lin ea r ,   q u ad r atic,   cu b ic   r eg r ess io n   m o d el s   w o u ld   b i n v e s ti g ated   to   a v o id   b o th   u n d er -   an d   o v er - f itti n g   is s u es.  R o o m ea n   s q u ar ed   er r o r   o f   cr o s s - v alid atio n   ( R M SECV)  w as  u s ed   to   d eter m i n th b est  m o d el.   T h e   ar ch ite ctu r es  o f   t h b est   m o d el s   d u r i n g   t h cr o s s - v a lid atio n   w o u ld   b av er ag ed   a n d   u s ed   as   th e   f i n al  m o d el  f o r   th e   p r o p o s ed   s en s o r   to   p r ed ict  th w a v ele n g t h   o f   t h ac q u ir ed   s p ec tr u m .         3.   RE SU L T S AN AN AL Y SI S   3 . 1 .   T he  E f f ec t s   o f   t he  Seco nd   Sli t   Fig u r 2   ill u s tr ates  t h at  th p r o p o s ed   tw o   s lit s   d esig n   w a s   ab le  to   r em o v u n w an ted   s i g n a ls   an d   th e   p ea k   o f   t h s p ec tr u m   ca n   ea s i l y   b o b s er v ed .   T h ese  u n w a n t ed   s ig n als   m a y   b d u e   to   th e   p r esen d esi g n   d id   n o co n s i s o f   v ar io u s   f o cu s   le n s   to   g u id th l ig h tr av e ls   to   th d esire d   p ath .   T h p r o p o s ed   s o lu tio n   t h at  u s ed   an   ex tr s lit  to   b lo ck   u n w an te d   lig h f r o m   o t h er   d ir ec tio n s   s u cc es s f u ll y   f i lter ed   th n o is es.   T h f ir s m a x i m u m   o f   th p ea k   o f   th 780nm   w as  allo ca ted   at  th 1 1 1 s p ix el  o f   th li n ea r   ar r ay   s en s o r .   T h s ec o n d   m ax i m u m   o f   th p ea k   w as  o b s er v ed   at  4 5 th   a n d   1 8 9 th   p ix els.  T h s i m ilar   f i n d in g s   w er o b tain ed   f o r   th r est  o f   h i g h   n ar r o w   b an d s   L E D s   i.e .   8 5 1 nm ,   8 7 0 nm ,   9 1 0 nm ,   a n d   9 4 0 n m .             ( a)     ( b )     Fig u r 2 .   T h in ten s i t y   o f   t h ac q u ir ed   lig h t f r o m   t h L E w it h   p ea k   at  7 8 0 n m   a g ai n s t th lo ca tio n   o f   th p ix els i n   th l in ea r   ar r a y   s e n s o r   w h e n   t h p r o p o s ed   d esig n   u s ed : ( a)   s in g le  s l it,  an d   ( b )   t w o   s lits ,   r esp ec ti v el y   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J E C E     I SS N:  2 0 8 8 - 8708       Desig n   a n d   Dev elo p men t o f a   S h o r tw a ve   n ea r   I n fr a r ed   S p ec tr o s co p u s in g   N I R   LEDs … .   ( K im  S en g   C h ia )   3073   3 . 2 .   T he  Di s t a nce  bet w ee n t he  G ra t ing   a nd   L inea Arr a y   Sens o   Fig u r 3   d ep icts   t h at  t h p o s iti o n   o f   t h p ea k   w o u ld   b s h if te d   to   lef w h e n   t h d is ta n ce   b et w ee n   t h e   g r atin g   a n d   t h li n ea r   ar r a y   s e n s o r   w as  in cr ea s ed .   T h s a m e   ef f ec w a s   o b s er v ed   f o r   th r est  o f   h i g h   n ar r o b an d s   L E D s   i.e .   8 5 1 nm ,   8 7 0 nm ,   9 1 0 nm ,   an d   9 4 0 n m .   I n   o r d er   to   id en tify   th m o s s u i tab le  d is tan ce   b et w ee n   th g r ati n g   an d   th li n ea r   ar r a y   s en s o r ,   th to tal  p ix els  b et w ee n   th p ea k s   o f   d if f er en w a v ele n g t h s   w er e   an al y ze d .   R e s u lts   i n d icate   th at  d i s tan ce s   o f   2 . 5 cm   g av a   b etter   r eso lu tio n   co m p ar to   th at  o f   1 . 7 c m   an d   2 . 1 cm .   T h u s ,   t h d is ta n ce   o f   2 . 5 cm   w a s   ch o s e n   as t h m o s t s u itab le  d is ta n ce   f o r   th p r o p o s ed   s en s o r .               ( a)       ( b )     Fig u r 3 .   T h in ten s i t y   o f   t h ac q u ir ed   lig h t a g ai n s t t h lo ca t io n   o f   th p i x els i n   t h lin ea r   a r r ay   s e n s o r   f r o m   th L E w it h   p ea k s   o f : ( a)   7 8 0 n m ,   an d   ( b )   8 5 1 n m ,   d   th d is tan ce   b et w ee n   Dis tan ce   b et w ee n   th l in ea r   ar r ay   s e n s o r   an d   g r atin g       3 . 3 .   T he  A cc ura cy   o f   th Sh o rt wa v nea I nfr a re d S pect ru m   T ab le  1   tab u lates  th p o s itio n   o f   th ac q u ir ed   w a v elen g t h   v ia  th p r o p o s ed   s h o r t w a v n e ar   in f r ar ed   s en s o r .   A ll  th ac q u ir ed   s p ec t r u m   w er in   t h co r r ec s eq u e n ce .   T h is   i n d icate s   t h at  t h p r o p o s ed   d esig n   w as   ab le  to   d etec t   th p ea k   o f   g i v en   s p ec tr u m   at   th co r r ec s e q u en ce .   T h d etail  o f   th e   p r ed icted   v al u v ia  t h e   b est  m o d el  w o u ld   b ex p lain e d   af ter   w h ad   d is cu s s ed   th o u tco m e s   o f   t h cr o s s - v alid atio n   as  f o llo w .       T ab le  1 .   T h p o s itio n   o f   th p ea k s   t h at  d ete cted   in   t h lin ea r   ar r ay   s e n s o r   W a v e l e n g t h ,   n m   P o si t i o n   P r e d i c t e d   v a l u e   v i a   t h e   b e st   mo d e l ,   n m   7 8 0   1 2 8 t h   7 8 0 . 3 5 8 4   8 5 1   1 3 6 t h   8 5 2 . 8 0 9 6   8 7 0   1 3 8 t h   8 6 8 . 7 2 4 4   9 1 0   1 4 4 t h   9 1 1 . 1 9 3 6   9 4 0   1 4 9 t h   9 4 0 . 5 4 0 1       T ab le  2   tab u lates  t h cr o s s - v alid atio n   p er f o r m a n ce   o f   th r e d if f er en t   r eg r es s io n   m o d el   o f   li n ea r ,   q u ad r atic,   an d   cu b ic.   R es u lts   d ep icts   th at  th m o d el  w as  u n d er - f itted   w h en   s i m p le  m o d el  o f   lin ea r   r eg r es s io n   w a s   u s ed .   O n   t h o th er   h a n d ,   th m o d el  w as  o v er - f itted   w h e n   co m p le x   m o d el  o f   c u b ic  r eg r ess io n   w as   ap p lied .   C o n s eq u en t l y ,   q u ad r atic  r eg r ess io n   m o d el  ac h ie v e d   th b est  p er f o r m a n ce   w it h   r o o m ea n   s q u ar ed   er r o r   o f   cr o s s - v al id atio n   o f   3 . 8 9 3 2 n m .   F in d i n g   i m p l ies  t h at   th er w as   n o n li n ea r   r elatio n s h ip   b et w ee n   th e   s p ec tr u m   d etec ted   b y   t h p r o p o s ed   d esig n   a n d   th r esp ec ti v e   w a v elen g t h .   T ab le   3   ta b u lates  th co ef f ici en o f   th q u ad r atic  r eg r es s io n   m o d els  th a w er u s ed   f o r   th cr o s s - v alid atio n .   T h esti m ated   f i n al  m o d el  th at  u s ed   to   p r ed ict   th w av ele n g th   o f   th ac q u ir ed   s p ec tr u m   eq u al s     - 0 . 1 0 9 9 X 2   3 8 . 0 7   2 2 9 2   b y   av er a g i n g   th e   co ef f icie n v alu e s   f r o m   th e   cr o s s - v al id ati o n .   T h f i n al  m o d el  w a s   ab le  to   esti m a te  th p ea k   v al u o f   t h ac q u ir ed   s p ec t r u m   a s   th at  tab u lated   in   T ab le  1 .   T h r o o m ea n   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8708   I J E C E     Vo l.  7 ,   No .   6 Dec em b er   2 0 1 7   :   3 0 7 0     3 0 7 5   3074   s q u ar er r o r   o f   th f i n al  m o d el   w as  1 . 1 6 1 6 n m   t h at  w as   s m all er   th an   t h R M SECV.  T h is   s h o w s   t h at  t h cr o s s - v alid atio n   ap p r o ac h   w as a b le  t o   esti m ate  t h o p ti m al  f i n al  m o d el  w ith o u t o v er - f itti n g   p r o b le m .       T ab le  2 .   L ea v e - o n e - o u t c r o s s   v alid atio n   f o r   th p r o p o s ed   s h o r t w av n ea r   in f r ar ed   s en s o r   M o d e l   C r o ss - v a l i d a t i o n   R 2   A c t u a l   w a v e l e n g t h ,   nm   P r e d i c t e d   w a v e l e n g t h ,   n m   Er r o r ,   n m   R M S E C V ,   n m   L i n e a r   r e g r e ssi o n   1   0 . 9 8 5 9   8 5 1   8 4 6 . 2 7 1 7   - 4 . 7 2 8 3   1 0 . 7 3 5 9   2   0 . 9 9 1 6   8 7 0   8 6 0 . 6 9 7 7   - 9 . 3 0 2 3   3   0 . 9 8 8 6   9 1 0   9 0 7 . 4 7 6 1   - 2 . 5 2 3 9   Q u a d r a t i c   r e g r e ssi o n   1   0 . 9 9 9 5   8 5 1   8 5 3 . 2 8 3 4   2 . 2 8 3 4   3 . 8 9 3 2   2   1 . 0 0 0 0   8 7 0   8 6 6 . 9 9 0 1   - 3 . 0 0 9 9   3   0 . 9 9 8 9   9 1 0   9 1 0 . 9 4 0 2   0 . 9 4 0 2   C u b i c   r e g r e ssi o n   1   N a N   8 5 1   8 5 4 . 8 5 2 8   3 . 8 5 2 8   1 0 . 1 6 0 5   2   N a N   8 7 0   8 6 6 . 9 4 3 7   - 3 . 0 5 6 3   3   N a N   9 1 0   9 1 8 . 8 9 1 1   8 . 8 9 1 1       T ab le  3 .   T h co ef f icien t o f   th e   q u ad r atic  r eg r ess io n   m o d els   C r o ss - v a l i d a t i o n   X 2   X   C o n st a n t   1   - 0 . 1 1 9 3   4 0 . 6 4   - 2 4 6 7   2   - 0 . 0 9 8   3 4 . 7 7   - 2 0 6 5   3   - 0 . 1 1 2 5   3 8 . 7 9   - 2 3 4 3   A v e r a g e   - 0 . 1 0 9 9   3 8 . 0 7   - 2 2 9 2       4.   CO NCLU SI O N   T h f ea s ib ilit ies  o f   th p r o p o s ed   alter n ativ to   m ea s u r s h o r t w av n ea r   in f r ar ed   s p ec tr u m   b et w ee n   7 8 0   an d   9 4 0 n m   w er in v esti g ated .   T h p r o p o s ed   t w o   s lit s   d esig n   w a s   ab le  to   elim i n at u n w a n ted   s ig n al s   s u b s ta n tial l y   s o   t h at  th p ea k   o f   th w av ele n g t h   co u ld   b v is u alize d   clea r l y .   T h ac cu r a c y   o f   th p r o p o s ed   d esig n   w as   v al id ated   u s in g   cr o s s - v alid atio n   ap p r o ac h .   T h b es m o d el  w as   o b tain ed   u s i n g   q u ad r atic   r eg r ess io n   m o d el  w i th   r o o m ea n   s q u ar ed   er r o r   o f   cr o s s - v a lid atio n   o f   3 . 8 9 3 2 n m .   T h eq u atio n   o f   t h f i n a l   m o d el  w a s   y   - 0 . 1 0 9 9 X 2   3 8 . 0 7   2 2 9 2   w it h   r o o m ea n   s q u ar ed   er r o r   o f   1 . 1 6 1 6 n m .   Fi n d in g   s u g g e s ts   t h at   s h o r t w a v n ea r   in f r ar ed   s p ec t r u m   ca n   b m ea s u r ed   u s i n g   t h p r o p o s ed   d esig n .   I n   o t h er   w o r d s ,   t h p r o p o s ed   d esig n   is   p r o m is i n g   to   e n co u r ag m o r s h o r t w av e   n ea r   in f r ar ed   s p ec tr o s co p ic  an al y s is   b y   r ed u cin g   th e   f i n an cia b ar r ier .   I n   f u tu r e,   w w i ll  i n v e s ti g ate  t h f ea s i b ilit y   o f   th p r o p o s ed   s h o r t w a v n ea r   in f r ar ed   s p ec tr o s co p y   i n   v ar io u s   n ea r   i n f r ar ed   s p ec tr o s co p ic  an al y s is   e. g .   p r ed ictin g   t h in ter n al  q u alit y   o f   lo ca f r u it s .         ACK NO WL E D G M E NT S   T h is   s tu d y   w as   s p o n s o r ed   b y   t h R e s ea r ch   a n d   I n n o v at io n   F u n d   p r o v id ed   b y   t h Of f ice  f o r   R esear ch ,   I n n o v at io n ,   C o m m er cializa tio n   an d   C o n s u ltan c y   Ma n ag e m e n ( OR I C C ) ,   Un i v er s iti  T u n   H u s s ei n   On n   Ma la y s ia  ( UT HM ) .   A u t h o r s   w o u ld   lik to   ac k n o w led g UT HM   an d   A d v an ce d   Me ch atr o n ic  R e s ea r ch   Gr o u p   ( A d MiRe) ,   FKEE ,   UT HM   f o r   p r o v id in g   f ac ilit ies  f o r   th is   s tu d y .       RE F E R E NC E S     [1 ]   L .   X u e m e a n d   L .   Jia n sh e ,   " M e a s u re m e n o f   so il   p ro p e rti e u si n g   v isib le  a n d   s h o rt   w a v e - n e a in f ra r e d   sp e c tro sc o p y   a n d   m u lt iv a ri a te ca li b ra ti o n , "   M e a su re me n t,   v o l.   4 6 ,   p p .   3 8 0 8 - 3 8 1 4 ,   2 0 1 3 .   [2 ]   W. - l.   L i,   H. - f .   Ha n ,   L .   Zh a n g ,   Y.  Zh a n g ,   a n d   H. - b .   Qu ,   " M a n u f a c tu re id e n ti f ica ti o n   a n d   st o ra g e   ti m e   d e term in a ti o n   o f   Do n g ’e   Ej iao   u sin g   n e a in f ra re d   sp e c tro sc o p y   a n d   c h e m o m e tri c s,"   J o u rn a o Z h e ji a n g   U n ive rs it y   S CIENCE   B,  v o l.   1 7 ,   p p .   3 8 2 - 3 9 0 ,   2 0 1 6 .   [3 ]   Y.  L u o ,   W . - l.   L i,   W . - h .   Hu a n g ,   X . - h .   L iu ,   Y. - g .   S o n g ,   a n d   H. - b .   Qu ,   " Ra p id   q u a n ti f ica ti o n   o f   m u l ti - c o m p o n e n ts  i n   a lco h o p re c ip it a ti o n   li q u id   o f   C o d o n o p sis  Ra d ix   u sin g   n e a in f r a re d   sp e c tr o sc o p y   (NIRS), "   J o u rn a o Z h e ji a n g   Un ive rs it y   S CIENCE   B,   v o l.   1 8 ,   p p .   3 8 3 - 3 9 2 ,   2 0 1 7 .   [4 ]   I.   M .   K o p t o n   a n d   P .   Ke n n in g ,   " Ne a r - in f ra r e d   sp e c tro sc o p y   (NIRS)  a a   n e w   to o f o n e u r o e c o n o m ic  r e se a r c h , "   Fro n ti e rs   i n   Hu ma n   Ne u r o sc ien c e ,   v o l.   8 ,   2 0 1 4 .   [5 ]   J.  T .   A l a n d e r,   V.  Bo c h k o ,   B.   M a rti n k a u p p i,   S .   S a ra n w o n g ,   a n d   T .   M a n tere ,   " A   Re v ie w   o f   Op ti c a No n d e str u c ti v e   V isu a a n d   Ne a r - In f ra re d   M e th o d f o F o o d   Qu a li ty   a n d   S a fe t y , "   I n ter n a ti o n a J o u r n a o S p e c tro sc o p y ,   v o l.   2 0 1 3 ,   p .   3 6 ,   2 0 1 3 .   [6 ]   K.  S .   C h ia,  " A d a p ti v e   li n e a n e u ro n   in   v isib le  a n d   n e a i n f ra re d   sp e c tro sc o p ic  a n a ly sis:  p re d ictiv e   m o d e a n d   v a riab le se lec ti o n , "   AR PN  J o u r n a o E n g in e e rin g   a n d   Ap p li e d   S c ie n c e s,  v o l.   1 0 ,   p p .   9 0 5 5 - 9 0 5 9 ,   2 0 1 5 .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J E C E     I SS N:  2 0 8 8 - 8708       Desig n   a n d   Dev elo p men t o f a   S h o r tw a ve   n ea r   I n fr a r ed   S p ec tr o s co p u s in g   N I R   LEDs … .   ( K im  S en g   C h ia )   3075   [7 ]   K.  W ies n e r,   K.  F u c h s,  A .   M .   G ig ler,  a n d   R .   P a stu sia k ,   " T re n d i n   N e a In f ra re d   S p e c tr o sc o p y   a n d   M u lt iv a riate   Da ta  A n a l y sis F ro m   a n   In d u strial  P e rsp e c ti v e , "   Pro c e d ia   En g in e e ri n g ,   v o l.   8 7 ,   p p .   8 6 7 - 8 7 0 ,   2 0 1 4 .   [8 ]   J.  T e n h u n e n ,   H .   Ko p o la,  a n d   R.   M y ll y lä,  " No n - in v a siv e   g lu c o se   m e a su re m e n b a se d   o n   se lec ti v e   n e a in f ra re d   a b so r p ti o n re q u irem e n ts  o n   in str u m e n tatio n   a n d   sp e c tral  ra n g e , "   M e a su re me n t,   v o l.   2 4 ,   p p .   1 7 3 - 1 7 7 ,   1 9 9 8 .   [9 ]   V .   G io v e n z a n a ,   R.   Civ e ll i,   R.   Be g h i,   R.   Ob e rti ,   a n d   R.   G u id e tt i ,   " Tes ti n g   o f   a   si m p li f ied   L ED  b a se d   v is/NIR  s y ste m   f o ra p id   rip e n e ss   e v a lu a ti o n   o f   w h i te  g r a p e   (V it is  v in if e ra   L . f o F ra n c iac o rta  w in e , "   T a la n t a ,   v o l.   1 4 4 ,   p p .   584 - 5 9 1 ,   2 0 1 5 .   [1 0 ]   T .   S .   Ye h   a n d   S .   S .   T se n g ,   " A   lo w   c o st L ED  b a se d   sp e c tro m e ter,"   J o u rn a o th e   C h in e se   Ch e mic a l   S o c iety ,   v o l.   5 3 ,   p p .   1 0 6 7 - 1 0 7 2 ,   2 0 0 6 .   [1 1 ]   M .   De g n e r,   H.  Ew a ld ,   a n d   E .   L e w is,   " L ED  b a se d   s p e c tro sc o p y   -   l o c o st  s o lu ti o n   fo r   h ig h   re so lu ti o n   c o n c e n tra ti o n   me a su re me n ts  e . g .   fo r   g a mo n it o rin g   a p p li c a ti o n s,"   in   2 0 1 1   F if th   In ter n a ti o n a l   Co n f e re n c e   o n   S e n sin g   T e c h n o lo g y ,   2 0 1 1 ,   p p .   1 4 5 - 1 5 0 .   [1 2 ]   F .   A .   G e n ti li n ,   B.   T .   Ko b o ,   L .   d e   S o u z a   Rib e ir o ,   J.  A .   d e   F ra n ç a ,   A.  L .   d e   S . M .   F e c io ,   M .   B.   d e   M .   F ra n ç a ,   e a l. " De v e lo p m e n a n d   tes ti n g   o f   a   h a rd w a re   p latf o r m   f o m e a su rin g   in stru m e n ts  b a se d   o n   n e a r - i n f ra re d   d iff u se   re f le c ti o n , "   M e a su re me n t,   v o l.   8 6 ,   p p .   1 4 - 2 5 ,   2 0 1 6 .   [1 3 ]   K.  S .   C h ia,  N.   A .   S .   S u a rin ,   a n d   S .   F .   Z.   M .   F u z i ,   " Pre d ictio n   o Glu c o se   Co n c e n tra ti o n   u si n g   Ne a In fr a re d   L ig h t   a n d   Ad a p ti v e   L in e a Ne u ro n , "   i n   IEE 1 3 th   I n tern a ti o n a C o ll o q u i u m   o n   S ig n a P ro c e ss in g   &   it A p p li c a ti o n   (CS P A   2 0 1 7 ),   P e n a n g ,   M a lay sia ,   2 0 1 7 .   [1 4 ]   M .   Ro d r ig u e s,  M .   B.   M a rq u e s,  a n d   P .   S .   Ca rv a lh o ,   " Ho w   to   b u il d   a   lo w   c o st sp e c tro m e ter  w it h   T r a c k e f o tea c h in g   li g h sp e c tra,"   Ph y sic s E d u c a ti o n ,   v o l.   5 1 ,   p .   0 1 4 0 0 2 ,   2 0 1 6 .       B I O G RAP H I E S   O F   AUTH O RS          K i m   S e n g   Ch i a   o b tain e d   h is  P h a n d   BE n g   f ro m   Un iv e rsiti   T e k n o lo g M a lay sia   in   F e b .   2 0 1 a n d   S e p t.   2 0 1 0 ,   re sp e c ti v e ly .   H e   wa a n   a ss istan p ro f e ss o a S o u th e rn   Un iv e rsity   Co ll e g e ,   S k u d a i,   M a l a y si a   f ro m   M a rc h   2 0 1 4   t o   A u g u st  2 0 1 4 .   He   h a se r v e d   a s   a   se n io lec tu re in   th e   F a c u lt y   o f El e c tri c a a n d   El e c t ro n ic  En g i n e e rin g ,   Un iv e rsiti   T u n   Hu ss e in   On n   M a lay sia ,   8 6 4 0 0   Ba tu   P a h a t,   M a lay sia   sin c e   S e p tem b e 2 0 1 4 .   His   re se a rc h   in t e re sts  a re   M a c h in e   L e a rn in g ,   A rti f icia In te ll ig e n c e ,   M icro c o n tro ll e r,   S o f M o d e li n g ,   a n d   Ne a I n f ra re d   S p e c tro sc o p ic  A n a l y sis  (e m a il :   k sc h ia@ u th m . e d u . m y ,   u rl h tt p s:// sites . g o o g le.co m /sit e /k sc h ia8 6 /).         Ta n   Yit  Pe n g   is  c u rre n tl y   p u rsu in g   th e   BE n g   in   M e c h a tr o n ic   a n d   R o b o ti c   En g in e e ri n g   in   t h e   F a c u lt y   o f   El e c tri c a l   a n d   El e c tro n ic  En g in e e ri n g ,   Un iv e rsiti   T u n   Hu ss e in   On n   M a lay sia ,   8 6 4 0 0   Ba tu   P a h a t,   M a lay sia .   S h e   wa t h e   tea m   l e a d e o f   U T HM  Ro b o ti c   Clu b   2 0 1 6 / 2 0 1 7 .   S h e   wa o n e   o f   th e   w in n e r s   in   In n o v a te  M a la y sia   De sig n   Co m p e ti to n   2 0 1 7 S im e   D a rb y   P lan tati o n   De sig n   Ch a ll e n g e He re se a rc h   in tere s ts  a re   Artif ici a In te ll ig e n c e   a n d   Ne a In f ra re d   S p e c tro sc o p ic  A n a l y si s   (e - m a il y ip in g 9 2 7 . y t@ g m a il . c o m ).           Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.