FI72391B - Foerfarande foer maetning av skillnaden av faergaemnehalt i prv - Google Patents

Description

1 72391

Menetelmä näytteiden väriainepitoisuuseron mittaamiseksi Tämän keksinnön kohteena on menetelmä kahden näytteen tai näytteen osa-alueiden väriainepitoisuuseron mittaamiseksi, jossa menetelmässä käytetään yhtä tai useampaa 5 valonlähdettä sekä yhtä valonilmaisinta.

Ennestään tunnetuilla menetelmillä voidaan mitata yhden näytteen heijastuskyky, transmissio tai absorptio yhdellä aallonpituudella tai näiden erotus kahdella aallonpituudella taikka kahden näytteen heijastuskyvvn, 10 transmission tai absorption erotus yhdellä aallonpituudella. Kahden näytteen ja kahden aallonpituuden tapauksessa erotuksen saaminen vaatii kaksi erillistä mittausta.

Keksinnön mukaiselle menetelmälle on pääasiallisesti tunnusomaista se, että molempia näytteitä tai näytteen 11 osa-alueita valaistaan samanaikaisesti ja molemmista näytteistä tai nävtteer. osa-alueista j okdetaan valo samanaikaisesti valoniimaisimeen näytteistä tai näytteen csa-alueiste mitattavi en valojen ollessa keskenään eriväriset siten, että ensimmäisestä näytteestä tai osa-alueesta valon- 20 ilmaisimeen saapuva valo absorboituu heikosti väriaineeseen ja toisesta näytteestä tai osa-alueesta mitattava valo absorboituu voimakkaasti väriaineeseen, näytteistä tai näytteen osa-alueista mitattavien valojen värejä vaihdellaan keskenään sopivalla taajuudella, kuten esimerkiksi taajuu- 25 della välillä 1 Hz...10 kHz ja valonilmaisimen antamaa vaih-tosignaalia käytetään näytteiden tai näytteen osa-alueiden väriainepitoisuuseron mittana.

Keksinnön mukaisella menetelmällä, jolla mitataan kahden näytteen väriero kahdella aallonpituudella, saadaan 30 näytteiden väriero yhdellä mittauksella tarkasti.

Näytteet, joille keksinnön mukainen menetelmä soveltuu, voivat olla kiinteitä, nestemäisiä tai kaasumaisia tilavuusnäytteitä tai valoa heijastavia pintoja tai valoa läpäiseviä kalvoja.

35 Keksintö käy lähemmin selville seuraavasta selityk sestä ja oheisista piirustuksista, joissa 2 72391 kuvio 1 esittää mittaustapahtumaa tutkittaessa ihon paikallista punertumista lisääntyneen verenkierron vaikutuksesta, kuvio 2 esittää näytteen osa-alueiden mittausta 5 laitetta tai laitteen optiikka pyörittämällä, kuvio 3 esittää menetelmän sovellutusta, jossa värien vuorottelu aikaansaadaan liikkuvalla suotimella, kuvio 4 esittää menetelmän sovellutusta, jossa värien vuorottelu aikaansaadaan liikkuvalla peilillä, 10 kuvio 5 esittää menetelmän sovellutusta, jossa värien vuorottelu aikaansaadaan valonkatkojilla, ja kuvio 6 esittää valolähteiden stabilointia ja automaattista balanssisäätöä. Menetelmäkuvauksessa esimerkkinä käytetään kahden pintanäytteen värieron mittaus-13 ta. Se, miten näytteiden laatu vaikuttaa menetelmän toteutuksen yksityiskohtiin, on alan ammattimiehelle selvää. Samoin on selvää, että tätä menetelmää voi soveltaa myös ultravioletti- ja infrapuna-alueella.

Keksinnön mukaisessa menetelmässä käytetään kahta 20 eriväristä valoa, ts. valoja, joiden aallonpituusalue on rajoitettu siten, että niiden aallonpituusalueen keski-aallonpituus on erisuuri. Aallonpituusalueen rajoittaminen tapahtuu ammattimiehelle tunnetulla tavalla, kuten esimerkiksi suotimella, hilalla tai prismalla. Nimitetään 25 toista pintanäytettä tutkittavaksi pinnaksi ja toista vertailupinnaksi. Molempia pintoja valaistaan samanaikaisesti, toista toisenvärisellä ja toista toisenvärisellä valolla, ja molemmista heijastuneen valon annetaan samanaikaisesti vaikuttaa yhteen valonilmaisimeen. Mittaus-30 geometrian on oltava sellainen, että valon tulo- ja lähtö-kulmat pintaan nähden ovat erisuuret, eli että ilmaisimeen pääsee vain diffuusista heijastunutta valoa. Valojen värejä vaihdellaan keskenään sopivalla taajuudella, joka valitaan siten, että sekä valon värin sähköinen tai mekaaninen 35 ohjaus että valonilmaisin ja siihen liittyvä elektroniikka, kuten esim. vahvistimet, pystyvät ko. taajudella luotetta- 3 72391 vasti ja tarkasti toimimaan. Valonilmaisimen lineaarisuuden ansiosta informaatio heijastuskertoimien erotuksesta säilyy, ja jos pinnat ovat eriväriset käytettävien kahden aallonpituuden suhteen, ts, jos yhden pinnan heijas-5 tuskertoimien erotus näillä kahdella aallonpituudella on erisuuri kuin toisen pinnan vastaava erotus, valonilmai-sin antaa vaihtosignaalin, jonka taajuus on sama kuin värien vuorottelutaajuus ja amplitudi verrannollinen pintojen värieroon. Mittauksen tulos on riippumaton näytteen 10 tummuudesta eli sen absorption neutraalista komponentista; jos toinen pinta on valkoinen ja toinen musta, niin signaalia ei saada, koska kummassakaan ei ole väriainetta. Tulos on myöskin riippumaton pintojen kiiltoerosta. Menetelmä soveltuu siis erityisesti väriaineen pitoisuus-15 erojen mittaukseen, kunhan löydetään kaksi aallonpituutta, joista toisella väriaine absorboi voimakkaasti ja toisella heikosti.

Alan ammattimiehelle on selvää, että yleisesti tässä menetelmässä mittausvalon aallonpituusalueen rajoittaminen 20 eli värin valinta voidaan tehdä näytteen jälkeenkin,jolloin näytteitä valaistaisiin valkoisella valolla.

Yleisesti keksinnön mukaisessa menetelmässä, jottei näytteen tummuus vaikuttaisi mittaustulokseen, on tarpeen säätää samaa näytettä valaisevien valonlähteiden voimakkuus 25 sellaiseksi, että ne aiheuttavat valonilmaisimessa yhtä suuren signaalin. Säätö tapahtuu käytännössä siten, että toisen näytteen paikalle asetetaan valkoinen ja toisen näytteen paikalle musta kalibrointipinta, taikka jos on kysymys tilavuusnäytteistä, toisen paikalle läpinäkymätön 30 ja toisen paikalle täysin läpinäkyvä eli väritön kalibroin-tinäyte, sekä säädetään valonvoimakkuutta joko sähköisesti tai suotimilla siten, että valonilmaisimen vaihtosignaali tulee nollaksi. Mustan ja valkoisen tai läpinäkymättömän ja värittömän kalibrointinäytteen paikat vaihdetaan ja 35 säätö toistetaan. Patenttivaatimus 8 käsittelee tämän balanssisäädön suorittamista automaattisesti.

11 72391

Sen lisäksi, että näytteet voivat olla saman pinnan eri osia, ne voivat olla myös esim. saman neste- tai kaasuvirtauksen eri osia.

Kuvion 1 esimerkissä, joka havainnollistaa patentti-5 vaatimuksia 1 ja keksintöä sovelletaan ihon paikalliseen punertumiseen lisääntyneen verenkierron vaikutuksesta. Hemoglobiinin absorptiospektrissä alueella 500...600 nm on voimakas absorptiovyö ja 600 nm suuremmilla aallonpituuksilla ei esiinny merkittävästi absorptiota. Ihosta 10 1, 2 heijastunut valo mitataan. Valonlähteinä käytetään neljää valoa emittoivaa diodia (LED) 3-6, joista kaksi 3, 4 on vihreätä ja kaksi 5, 6 punaista. Vihreiden LEDien huippuaallonpituus on 565 nm ja punaisten 635 nm. Valon-ilmaisimena käytetään yhtä valotransistoria 7, johon 15 osuu kahdesta ihon testialueesta 1, 2 heijastunut valo.

Ohjausyksikkö 8 toimii siten, että kumpaakin testi-aluetta 1, 2 valaisee yksi vihreä ja yksi Dunainen LED vuorotellen siten, että aina punaisen LEDin valaistessa toista testialuetta valaisee toista vihreä, Valotransis-20 torin vaihtosignaali syötetään vahvistimeen 9, tasasuun-nataan ja mitataan.

Merkitään testialueiden 1, 2 heijastuskertoimia punaisessa valossa R^ ja R2 sekä vihreässä valossa ja G2-Heijastuskertoimien vaihteluväli on 0..,100 %. Valonläh-25 teiden 3, 4 ja 5, 6 vuorotellessa yllä kuvatulla tavalla valonilmaisimen 7 vaihtosignaali on verrannollinen lausekkeeseen S r (R·^ + G2) - (R2 + G]_) 30 joka saadaan yksinkertaisella tavalla muotoon S = (R1 - G1) - (R2 - Gp) (I.

5 72391

Merkitään H1 = R1 - G1 H2 . R2 - G2 5 Tästä seuraa S = Ηχ - Η2

Nimitetään suureita ja Η2 H-indekseiksi. H-indeksi on luonteeltaan väri-indeksi ja sitä voidaan käyttää ihon 10 hemoglobiinipitoisuuden mittana. Se saa arvon 0, kun ihossa ei ole lainkaan hemoglobiinia ja arvon 1QQ %, kun iho on täysin hemoglobiininpunainen.Yllä kuvattu mittaus antaa kahden testialueen H-JLndeksin erotuksen. Jos esim. alue 1 on normaalia ihoa, antaa mittaus alueen 2 punertuman. 15 Alan ammattimiehelle on selvää, että ylläolevassa esi merkissä erilliset vihreät ja punaiset LEDit voidaan korvata sellaisilla, jotka saamansa ohjauksen mukaan voivat lähettää joko vihreää tai punaista valoa, kunhan niiden kirkkaus on riittävä. Tällöin LEDejä tarvittaisiin vain 20 kaksi.

Värien vuorottelu voidaan luonnollisesti saada aikaan myös näytteiden 1, 2 paikkojen vuorottelulla valonsäteiden Dvsyessä samanvärisinä. Tämä keksinnön ominaisuus ilmaistaan patenttivaatimuksessa 3. Jos näytteet 1, 2 ovat 25 saman pinnan eri osia ja pinta pysyy liikkumattomana, voidaan näytteiden paikkaa vaihtaa kääntämällä laitteen optiikkaa tai koko laitetta l80°. Jos kääntäminen muutetaan jatkuvaksi pyörimisliikkeeksi, saadaan ilmaisimesta sinimuotoinen vaihtosignaali, jos pinnan väriainepitoisuu-30 della on mittausalueella vakiogradientti. Signaalin vaihe-kulma antaa gradientin suunnan. Tämä keksinnön ominaisuus ilmaistaan patenttivaatimuksessa 4, jota kuva 2 havainnollistaa. Kuvassa 2 näytealueet on merkitty viitenumeroilla la ja 2a.

35 Patenttivaatimuksen 6 mukaista menetelmää havainnollis taa kuvio 3- Tutkittavana on kaksi pintanäytettä Ib ja 2b.

, 72391 ο

Valonlähteenä on lamppu 3b. Näytteiden ja lampun välissä on pyörivä suodin 1Q, joka on koottu kahdesta puoliskosta, jotka ovat eriväriset patenttivaatimuksen 1 esittämällä tavalla. Näytteistä Ib ja 2b heijastuva valo osuu valon-5 ilmaisimeen 7b, jonka vaihtosignaali vahvistetaan vahvistimessa 9b, tasasuunnataan ja mitataan.

Patenttivaatimuksen 7 mukaista menetelmää havainnollistaa kuvio Tutkittavana on kaksi nestenäytettä kyve-teissä le ja 2c. Valonlähteenä on lamppu 3c. Suotimista 10 11 ja 12 toinen päästää lävitseen sen väristä valoa, joka absorboituu voimakkaasti väriaineeseen ja toinen valoa, joka absorboituu heikosti väriaineeseen. Suodin 13 on kiilamainen neutraalisuodin, jonka tarkoituksena on mahdollistaa balanssisäätö. Peili 14 on pyörivä katkojapeili, joka 15 on sijoitettu valonsäteisiin nähden siten, että aina yhden valonsäteen heijastuessa peilistä toinen.pääsee aukkokohdasta. Peili 15 kääntää katkojapeilin aukkokohdasta oääs-seen valon yhdensuuntaiseksi katkojapeilistä heijastuneen valon kanssa. Valonilmaisimen 7c vaihtosignaali johdetaan 20 vahvistimeen 9c, tasasuunnataan ja mitataan.

Patenttivaatimuksen 8 mukaista menetelmää selventää, kuvio 5. Siinä keksinnön mukainen laite on toteutettu dikroisilla suotimilla ja kahdella valonkatkojalla. Näytteinä on kaksi pintanäytettä Id ja 2d. Valonlähteenä on 25 lamppu 3d. Kaksi samanlaista dikroista suodinta 16 ja 17 päästävät tietyn aallonpituusalueen lävitseen jaheijasta-vat muut aallonpituudet. Kiilamaista neutraalisuodinta 13d käytetään halanssisäätöön. Valonkatkojat 18 ja 19 ovat kiinteässä asennossa toisiinsa nähden ja pyörivät saman 30 akselin ympäri. Niiden keskinäinen asento on sellainen, että aina toisen päästäessä yhdenvärisen valon lävitseen, toinen päästää toisenvärisen valon lävitseen. Valonilmaisimen 7d vaihtosignaali johdetaan vaihvistimeen 9d, tasasuunnataan ja mitaaan.

35 Patenttivaatimuksia 3 ja 9 havainnollistaa kuvio 6.

Näytteinä on kaksi pintanäytettä le ja 2e, jotka on kiinni-

II

7 72391 tetty pyörivälle alustalle 20. Valonlähteenä on kaksi lamppua 3e ja 4e. Valojen väri valitaan jatkuvasäätöi-sillä interferenssisuotimilla 21 ja 27. Nämä päästävät lävitseen kapean aallonpituuskaistan, jonka keskiaallon-5 pituus valitaan siirtämällä suodinta pituussuunnassaan valonsäteeseen nähden. Näytteistä heijastunut valo osuu valonilmaisimeen 7e, jonka vaihtosignaali vahvistetaan vahvistimessa 9e, tasasuunnataan ja mitataan.

Valolähteiden stabilointia ja automaattista balanssi-1Q säätöä varten (patenttivaatimus 9l kummankin interferens-sisuotimen jälkeen otetaan valonsäteistä näyte säteenjaka-jilla 23 ja 2k. Näytesäteet ohjataan pyörivän alustan reunassa olevan hammastuksen läpi-valonilmaisimelle 25. Hammastus on siten mitoitettu, että koko ajan yksi ja vain yksi 15 valonsäde pääsee ilmaisimelle 25. Ilmaisimien 7e ja 25 on oltava spektriseltä herkkyydeltään samanlaiset. Jos nyt ilmaisin 25 antaa vaihtosignaalin, merkitsee se sitä, että valovoimakkuudet ovat ilmaisimien spektrisen herkkyyden huomioon ottaen epätasapainossa. Ilmaisimen 25 signaali syö-20 tetään ohjausyksikköön 26, joka muuttaa lamppujen 3e ja be kirkkaussuhdetta siten, että vaihtosignaali tulee nollaksi. Lampun spektrin muuttuminen kirkkautta säädettäessä ei ole haitallista, koska mittauksessa käytetään lähes monokromaattista valoa. Ohjausta varten ilmaisimen 25 vaihtosignaa-25 li voidaan tasasuunnata esim. vaiheherkällä ilmaisimella; sitä varten saadaan referenssisignaali esim. valolähetin-vastaanotinparilta 27. Ilmaisimen 25 signaalin tasakomponent-ti on verrannollinen valonsäteiden voimakkuuksien keskiarvoon. Säätämällä lamppujen J>e ja be kirkkautta samaan suun-30 taan ohjausyksikkö pitää ilmaisimen 25 signaalin tasakompo-nentin vakioarvossa ja stabiloi siten lamppujen valovoimakkuuden.

Yleisesti keksinnön mukaisessa menetelmässä, ja sen lisäksi, mitä patenttivaatimuksessa 9 on sanottu, itse 35 mittausilmaisimen signaalin tasakomponenttia voidaan käyttää hyväksi menetelmää käyttävän laitteen kalibroinnissa. Pinta- 8 72391 näytteiden kyseessä ollessa, jos balanssisäätö suoritetaan mustan ja valkoisen näytteen avulla, ja jos ilmaisin on tarkasti lineaarinen, ilmaisimen signaalin tasa-komponentti. balanssisäädössä vastaa tarkalleen yhden valon-5 säteen valovoimakkuutta. Jos mittauksessa on kaksi näytettä, joista toisessa ei ole lainkaan väriainetta ja toinen on väriaineella kyllästetty siten, että se absorboi toisen käytettävistä väreistä kokonaan, saadaan vaihtosignaali, jonka kaksinkertainen amplitudi on yhtä 10 suuri kuin balanssisäädössä saatu tasakomponentti. Balans-sisäätöä suoritettaessa voidaan siis laitteen vahvistus säätää sellaiseksi, että ilmaisimen signaalin tasakomponentti aiheuttaa näytössä esim. lukeman 100 %. Jos väriaine ei puhtaanakaan absorboi mitään aallonpituutta koko-15 naan, on kalibrointi tehtävä erikseen erityisellä kalib-rointinäytteellä.

Edellä on kuvailtu useita keksinnön mukaista menetelmää käyttäviä laitteita, joissa toisiaan vastaavat yksityiskohdat on toteutettu eri tavoilla. On selvää, 20 että tämän keksinnön suojapiiriin kuuluvat sellaisetkin laitteet, joissa ko.yksityiskohtia on yhdistelty eri tavoin, tai joissa käytetään muita tunnettuja ratkaisuja ylläkuvattujen sijasta.

il

Claims (10)

1. 9. 72391
2. 1. Menetelmä kahden näytteen (1, 2) tai näytteen osa-alueiden väriainepitoisuuseron mittaamiseksi, jossa menetelmässä käytetään yhtä tai useampaa valonlähdettä 5 (3-61 sekä yhtä valonilmaisinta (71, t unnet t u siitä, että molempia näytteitä (1, 21 tai näytteen osa-alueita valaistaan samanaikaisesti ja molemmista näytteistä (1, 21 tai näytteen osa-alueista johdetaan valo samanaikaisesti valonilmaisimeen (71 näytteistä (1, 21 tai näyt-10 teen osa-alueista valonilmaisimeen saapuvien valojen ollessa keskenään eriväriset siten, että ensimmäisestä näytteestä tai osa-alueesta valonilmaisimeen saapuva valo absorboituu heikosti väriaineeseen ja. toisesta näytteestä tai osa-alueesta valonilmaisimeen saapuva valo absorboituu voimak-15 kaasti väriaineeseen, näytteistä (1, 2) tai näytteen osa- alueista valonilmaisimeen saapuvien valojen värejä vaihdellaan keskenään sopivalla taajuudella, kuten esimerkiksi taajuudella väliltä 1 Hz...10 kHz, ja valonilmaisimen (7) antamaa vaihtosignaalia käytetään näytteiden (1, 2) tai 20 näytteen osa-alueiden väriainepitoisuuseron mittana.
3. 2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että näytteitä valaistaan samanaikaisesti erivärisillä valoilla.
4. 3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, 25 tunnettu siitä, että värien vuorottelu saadaan aikaan näytteiden (Ib, 2b) pyörivällä tai edestakaisella liikkeellä.
5. 4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen menetelmä, jossa määritetään pinnan väriainepitoisuusgradientti, 30 tunnettu siitä, että näytteen osa-alueiden (Ib, 2b) sijaintipaikat saatetaan yhteiseen pyörimisliikkeeseen pinnalla sijaitsevan pyörimiskeskipisteen ympäri, osa-alueiden (Ib, 2b) etäisyyden toisistaan pysyessä olennaisesti muuttumattomana, ja valonilmaisimen (7) vaihtosi'Tnaalin, 35 jonka taajuus on sama kuin pyörimisliikkeen, amplitudia käytetään väriainepitoisuusgradientin itseisarvon mittana 10 72391 ja vaihetta väriainepitoisuusgradientin suunnan mittana.
6. 5. Patenttivaatimuksen 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että valonlähteinä (3-61 käytetään valoa emittoivia diodeja, ja värien vuorottelua ohjataan 5 moduloimalla diodien virtaa.
7. 6. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että värien vuorottelu saadaan aikaan yhdellä tai useammalla liikkuvalla suotimella (101.
8. 7. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, 10 tunnettu siitä, että värien vuorottelu saadaan aikaan yhdellä tai useammalla liikkuvalla peilillä (19).
9. 3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että värien vuorottelu saadaan aikaan yhdellä tai useammalla valonkatkojalla (18, 19).
10. 9. Jonkun ylläolevan patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että laitteeseen sisältyy toinen valonilmaisin (25), johon johdetaan vuoronperään sopivalla taajuudella, joka voi olla sama tai eri taajuus kuin värien vuorottelutaajuus mittauksessa, 20 näyte kummastakin erivärisestä valonsäteestä (3e, 4el, ja saatavaa vaihtosignaalia käytetään valonlähteiden (3e, ^e) valonvoimakkuuden keskinäisen suhteen säätämiseen siten, että kyseinen vaihtosignaali tulee nollaksi, ja saatavaa tasasignaalia käytetään valonlähteiden (3e, 4e) valon-25 voimakkuuden stabiloimiseen. Il 11 72391