JP2000509143A - Method and apparatus for detecting the presence of a liquid on a reflective surface using modulated light - Google Patents
Method and apparatus for detecting the presence of a liquid on a reflective surface using modulated lightInfo
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Abstract
(57)【要約】 本発明は、透明な反応チャンバー又はその他の反射表面への液滴の適用を、周囲光及びチャンバーの過渡的な動きが存在する状態で検出するための方法と装置である。光源(4)は、変調器(3)により固定的又は可変の変調速度で2以上の分離したレベルに変調される。これらのレベルには、光源からの光が無いオフレベルが含まれる。光源からの光は光検出器(5)に反射され、この光検出器(5)に反射された光が変調光レベルの各々について少なくとも1回サンプリングされる。変調レベルとオフレベルとの差が表面又はチャンバーの反射率を表す。液体がチャンバーに入るか表面に適用されると反射率が変化する。これにより変調レベルとオフレベルとの間に検出可能な変化が生じる。周囲光はレベルの絶対値を単にシフトさせるだけである。液体の存在を表すのに充分な反射率の変化が生じたか否かを判定するために振幅の差が閾値と比較される。3サイクル以上の完全な変調サイクルにわたってこのような検出がなされた場合、液体の存在が報告される。 SUMMARY OF THE INVENTION The present invention is a method and apparatus for detecting the application of a droplet to a transparent reaction chamber or other reflective surface in the presence of ambient light and transient movement of the chamber. . The light source (4) is modulated by the modulator (3) at a fixed or variable modulation rate to two or more discrete levels. These levels include off-levels where there is no light from the light source. Light from the light source is reflected by a light detector (5), and the light reflected by the light detector (5) is sampled at least once for each modulated light level. The difference between the modulation level and the off level represents the reflectivity of the surface or chamber. The reflectivity changes as liquid enters the chamber or is applied to the surface. This causes a detectable change between the modulation level and the off level. Ambient light simply shifts the absolute value of the level. The difference in amplitude is compared to a threshold to determine if a change in reflectivity has occurred that is sufficient to indicate the presence of liquid. If such detection is made over three or more complete modulation cycles, the presence of liquid is reported.
Description
【発明の詳細な説明】 変調光を用いて反射表面上の液体の存在を検出するための方法及び装置 技術分野 本発明は、一般には周囲光の存在下において反射光の変化を検出する技術分野 に関し、特に、反射表面又は高反射性表面を有する反応チャンバーへの液体の適 用を検出することに関するものである。 背景技術 種々の生物医学的なアプリケーションでは、表面からの反射光のレベルが変化 した時点を検出できることが非常に望ましい。これは、オバーハート(Oberhardt )が米国特許第4,849,340号及び第5,110,727号において述べ ているような反応チャンバーへの液体の適用を検出することが望まれる場合に特 に有用である。 反応チャンバー内における生化学的反応の開始と終了との間の時間を正確に測 定するためには、反応の開始時間を正確に知る必要がある。オバーハートによっ て教示されている形式の反応では、血液又は血清の滴がチャンバー内に入れられ たときが開始時間である。この液体の適用により、チャンバーの屈折率又は吸収 率が変化する。これにより反射光線の振幅が変化する。 この変化を検出するための従来の方法は、絶対値が所定の固定の閾値よりも大 きな反射光のレベルが増加又は減少したことを調べるだけであった。この方法は 、検出器に到達する周囲光の変化によって、またチャンバーの振動又は移動によ って間違ってトリガを発生し易い。例えば、閃光又は影の変化が検出器に入ると 、システムは誤ってトリガを起こし、反応の計時を早く始めてしまう。また、反 応チャンバーがある種の裏当て用のカード上に取り付けられており、光源又は検 出器に対してカードが僅かに動かされた場合にも誤ったトリガーが生じる。この よ うな動きは、ニュージャージー州ラッサーフォードにあるベクトン・ディキンソ ン(Becton Dickinson)によって製造されているバキュテーナー(Vacutainer) (R)内に挿入されたペンシルバニア州サウスイースタンにあるアルファ・サイ エンティフィック(Alpha Scientific)社によって製造されているDIFF−S AFE(R)のような血液ディスペンサーが、血液又は血清の滴を供給する前に テストカードの表面に接触した場合に生じる。 反射光の変化には非常に敏感であるが、周囲光の変化には非常に鈍感で、また 反射表面の振動や過渡的な動きにも鈍感な検出方法を有することが非常に望まし い。 発明の開示 本発明は、透明な反応チャンバー又はその他の反射表面への液滴の適用を、静 的な又は変化する周囲光状態でかつチャンバーの過渡的な動きがある状態で検出 するための方法と装置を含む。 光源は固定の又は可変の変調レートで2以上の分離したレベルに変調される。 これらのレベルには、光源から光が出力されないオフレベルが含まれる。光源か らの光は反射表面から光検出器に反射される。この検出器の出力は、各変調レベ ルについて少なくとも1回、順次サンプリングされる。 オフレベルを表す検出器からのサンプル値は、システムに入る周囲光の量に比 例する。他の変調レベルとオフレベルの差が表面又はチャンバーの反射率を表す 。液体がチャンバーに入るか表面に適用されると、屈折率又は吸収率の相違のた めに反射率が変化する。これにより、大量の周囲光が存在していても、オンレベ ルとオフレベルとの間の差に変化が生じる。しかし、周囲光だけではその差は変 化せず、全てのレベルの振幅が単に増加または減少するだけである。 液体が適用されたことを示すのに充分な程度に反射率が変化したか否かを判定 するために振幅の差が閾値と比較される。一以上の差が充分に変化した場合、シ ステムは液体が検出されたことを報告する。 長期ドリフトの可能性があるため、差の移動平均をとり、差の変化を元の絶対 値ではなくこの平均値と比較するようにしてもよい。 また、大きな反射又は周囲光によって光学検出システムが最も明るい変調レベ ルで飽和してしまう恐れがあるため、本発明ではこの状態を感知し、一以上の差 の変化を無視することができる。 図面の簡単な説明 本発明のより完全な理解のためには、添付図面により詳細に示され、本発明の 例示によって下記に記載されている実施例を参照すべきである。 図1は本発明のブロック図である。 図2は光源、反応チャンバーの一部である反射表面、及び光検出器を示す。 図3は周囲光の存在下でサンプリングされた3状態変調器からの光レベルのタ イミング図である。 図4は変調器の実施態様の状態図である。 図5は変調器の実施態様の概略図である。 図6は可能な検出プログラムのフローチャートである。 本発明は図示された特定の実施態様に必ずしも限定されるものでないことを理 解しなければならない。 発明を実施するための最良の形態 図1は本発明のブロック図である。タイマー1は所定の繰り返し速度で周期的 な信号を発生する。このタイマー1は、デジタル技術の分野で良く知られている 周期的な信号を発生するためのタイプ555、又は周期的な信号を発生できる他 の形式の非安定発振器で構成できる。 400Hz〜1200Hzの間の繰り返し速度が満足する結果をもらたすこと が分かった。約833Hzの速度を使用した場合、本発明の変調速度は、後で述 べるように10mSとなる。 タイマー1は、一組の制御信号を発生するプログラマブル・ロジック・デバイ ス(PLD)状態マシン2を駆動する。この状態マシン2は、ディスクリートロ ジック、集積回路、又はその他のデジタル的手法によって実現できる。これらの 制御信号は変調器3を駆動し、この変調器3は、テー・アール・ダブリュー・エ レクトロニック・コンポーネンツ・グループ(TRW Electronic Components Group )によって製造されている赤外線LED、タイプOP290に類似した光源4を 制御する。赤外線以外の波長を使用することもできる。光源は、オフレベル(光 無し)と少なくとも一つのオンレベルを発生するように駆動される。二つのオン レベルを設けることにより、周囲光の存在下で液体の適用を適切に検出できるだ けでなく、周囲光及び反射光のレベルの広いダイナミックレンジで機能できる。 LED4からの光は問題としている表面から光検出器に反射される。この光検 出器は、例えば、シーメンス(Siemens)社によって製造されているPINダイ オード、タイプBP104BSである。光源4からの光に感応するものであれば 任意の光検出器を使用できる。光検出器の電流出力は電圧に変換され、当技術分 野で良く知られている相互コンダクタンス増幅器によって増幅される。この電圧 信号はA/D変換器7のアナログ入力に供給される。本発明の一実施態様では、 PINダイオードが光検出器として使用されているが、光電子増倍管、リニアア レー、フォトディテクター等の、当技術分野で知られた他の光検出器も正常に動 作するであろう。テキサス・インスツルメンツ(Texas Instruments)によって 製造されているTSL230に類似の光/周波数変換器を類似の回路で使用する こともできる。 A/D変換器は100kHz以上の速度で変換を行う10又は12ビットの変 換器で構成できる。A/D変換器はデータ取得技術の分野では良く知られている 。ナショナル・セミコンダクター(National Semiconductor)によって製造され て いるADC12062のような並列ユニットだけでなく、マキシム・インテグレ ーテッド・プロダクツ(Maxim Integrated Products)によって製造されている MAX186のような直列ユニットも使用できる。光/周波数変換器を使用する 場合、本発明を変更することなくA/D変換器を省略できる。 A/D変換器は状態マシン8と同期がとられており、異なる変調光レベルのそ れぞれに対して1回変換を行う。そのデジタル出力は、当技術分野で知られてい る任意のマイクロプロセッサ又はマイクロコントローラによって構成できるプロ セッサ8に供給される。このプロセッサ8は、変調レベルとオフレベルとの間の 差を検出し、オフレベルを周囲光の存在に対して評価し、移動平均を計算し、差 を閾値と比較して反射表面又は反応チャンバーに液体が適用された時点を判断す る。 プロセッサ8は、液体の検出を報告するポート9に接続できる。あるいは、検 出が行われた時に、単に他のプログラム(例えば、生化学的反応の計時)を継続 する。検出の後に他のアプリケーションのための固定の光レベルを光源が出力す るように変調器を調整することができる。 当技術分野で知られている標準的な入力/出力ポートを介して、変調器の光レ ベルをプロセッサ8から直接制御することが可能である。このような代替の実施 態様では、状態マシンの機能がプロセッサのプログラムによってシミュレートさ れる。また、プロセッサはA/D変換のタイミングと開始を制御できる。 図2は、不透明な表面12の開口を通過して、透明のカバー10を備えた反射 表面又は反応チャンバー11上に到る光を発生する光源4を示す。光源からの光 13は表面11で反射する。正反射光線14は不透明表面12の第2の開口を通 って光検出器5へ入る。 図3は、相互コンダクタンス増幅器6(図1)の出力に現れるであろう変調光 のレベルを示す。本実施態様では、一つのオフレベル15と二つのオンレベル1 6と17の計3個の変調レベルを使用している。最初のオンレベル16は、光 源が約半分だけオンである中程度の明るさの状態を表す。第2のオンレベル17 は、光源が殆ど完全にオンである明るい状態を表す。明るい状態17の後、上記 のシーケンスは無限に繰り返される。各レベルの時間は5mS〜20mSの間で なければならない。実際には、10mSにすると満足に機能する。レベルの内の 一つが光源のオフレベル(光無し)であれば、光レベルの他のどのようなシーケ ーンスであっても本発明において使用できる。 周囲光がシステムに入ると、光検出器で検出されるオフレベルの振幅18が上 昇する。この測定されたオフレベルの値は、検出器に入る全ての周囲光に直接比 例する。他の二つのレベル19と20も上昇するが、レベル19とオフレベル1 8との間の差、及びレベル20とオフレベル18との間の差はほほ一定に保たれ る。 液体がチャンバーに入るか又は反射表面上に存在しているとき、上記の差は有 意的に変化する。レベル21、22及び23は、レベル18、19及び20と同 じ量の周囲光の存在下ではあるが、チャンバー内に液体がある場合の検出光を表 している。レベル23とレベル21との間の差は、レベル20とレベル18との 間の差よりも大きいことが明らかに分かる。レベル22とレベル21との間の差 をレベル19とレベル18との間の差と比べた場合も同様である。この差の変化 が反射表面上の液体の存在を検出するために使用される。液体の種類によって差 は図3に示すように増加するか、或いは減少する(不図示)。従って、差の絶対 値を考慮し、検出のための閾値と比較しなければならない。 図4は、変調を制御するのに用いることができる状態マシン2(図1)の状態 図である。これはタイマー1(図1)からの周期的出力によって駆動される。周 期的信号の各立ち上がりで、S0〜S7と表示された状態マシン24は状態を一 つ進める。周期的信号が約833Hzである場合、S0〜S7状態マシン24は 約10mSで一つのサイクルを完了する。状態マシン24は、当技術分野で知ら れているミーリー型順序回路(Mealy Machine)であり、状態S7を離れると、 F0〜F3と表示された第2の状態マシン25を動作させその状態を一つ進めさ せる。したがって、S0〜S7マシン24のサイクル毎に、F0〜F3マシン2 5がステップを一つ進める。F0〜F3マシン25は、S0〜S7マシン24が 完全なサイクルを3回繰り返す毎に、一つのサイクルを完了する。したがって、 タイマー1(図1)からの周期的信号が約833Hzである場合、F0〜F3マ シン25は約30mSで一つのサイクルを完了する。 S0〜S7状態マシン24は、状態S6(27)を通過する時に変換を行うよ うA/D変換器に信号を与えるであろう。S0〜S7状態マシン24はこの変換 指令信号を、何れもデジタルの技術分野では良く知られているムーア型順序回路 (Moor Machine)(状態による出力)又はミーリー型順序回路(Mealy Machine) (状態遷移による出力)として出力できる。 F0〜F3状態マシン25は変調器3(図1)への2本の制御ラインを駆動で きる。これらの制御ラインは、状態F0(28)において光源がオフで、状態F 1(29)において光源が中間の明るさで、状態F2(30)において光源が最 大の明るさとするものである。こうして、F0〜F3状態マシン25は光源を離 れる光の量、即ち光検出器に到達する光の量を制御する。 図4に示す状態マシンは変調器を駆動するのに必要な制御装置を単に代表する ものである。この特定の実施例は、変調器が明るさが順次増大する3つの明るさ の状態を持つようにする。他の状態マシンや変調方式も本発明に含まれる。任意 数の明るさレベルを使用し、それらを任意の順序で並べることが可能である。全 てのレベルが同一の持続時間を有している必要はない。本発明の重要な特徴はレ ベルの内の一つが光源のオフ状態を表すことである。このレベルが光検出器に入 る周囲光の量に関する情報を提供する。 図4の状態マシン、又は変調器を制御できる任意の状態マシンは、シプレス・ セミコンダクターズ(Cypress Semiconductors)によって製造されているPLD 、タイプ22V10又はその同等品にプログラムすることができる。また、ディ ス クリートの集積回路又は部品によって構成することができ、それ自体をマイクロ プロセッサ又はマイクロコントローラとすることもできる。 図5は変調器の一部の可能な実施態様の概略図である。制御ライン37と38 は状態マシンPLDから来る。オフ状態が要求される場合、これらの制御ライン の両方がハイになる。中間の明るさが必要とされる場合には、ラインの内の一方 がハイになり、他方がローになる。最大の明るさが必要とされる場合には、両方 のラインがローになる。制御ライン37と38は74ACT244型集積回路3 1に接続されている(74AC244も良好に動作するであろう)。この回路は 通常バスドライバとして使用されるが、その制御ラインがハイの時、その出力3 4はアースに対して非常に高インピーダンスとなる(トライステート)。もしそ の入力がロー(接地)35にされ、制御ラインがロー(イネーブル状態)にされ た場合、その出力34はアースに対して非常に低インピーダンスとなる。したが って、この素子は接地スイッチの役割を良好に果たす。 出力ライン36はミクレル(Micrel)によって製造されているLP2951に 類似した定電流源の電流制御リードである(ピン7)。この定電流素子は、ライ ン36上の電流量が光源の明るさを決定するように光源を駆動するために使用さ れる。2個の抵抗32と33が互いに並列にかつライン36に直列に設けられて いる。これらの抵抗は74ACT244(34)の出力に接続されている。した がって、両方のイネーブルライン37と38がハイの時、74ACT244はオ ープンとなり、ライン36に電流は流れない。この結果、光源はオフ状態になる 。イネーブルラインの片方、例えばライン37がローで、他方のイネーブルライ ンがハイの時、74ACT244の半分だけがオンになり、電流は一方の抵抗( 本例では抵抗32)を介してのみ流れる。この状態では、光源の明るさは半分に なる。両方のイネーブルライン37と38がローの時、74ACT244の両半 分がオンになり、電流は並列に組み合わされた抵抗32と33を介して流れる。 この場合、光源の明るさは高くなる。このようにして、状態マシンからライン3 7 と38を制御することにより、光源の明るさの状態を設定する。本実施態様では 、明るさの状態は3段階だけであるが、任意数の明るさの状態が得られるように 類似した変調器を構成することもできる。また、本発明の精神と範囲から逸脱す ることなく、任意の高品質アナログスイッチを74ACT244の代わりに使用 できる。抵抗32、33は、使用する光源で必要とされる明るさのレベルが得ら れるように選択される。抵抗32、33は通常、約100〜300オームである 。 図6は、表面への液体の適用を検出するのに使用されるプログラムのフローチ ャートである。図6の目的のために、A/D変換器は新しい変調された明るさレ ベルの各々に対して一つのサンプルを提供し、また明るさには3つのレベルがあ るものと仮定する。図6のプログラムが開始されると、最初のサンプルが到来す るまで待ち、その後、それがどのレベルを表しているのかを判定する。周囲光は 如何なるサンプル値も変化させる可能性があるため、プログラムは、到来するデ ータ・ストリームと同期をとるために3個のサンプル(即ち、全てのレベル)を 取り込まなければならない。同期ステップ39は、到来する最初の3個の(異な るレベルの)サンプルを取り込む。それらを比較し大きさによって順序付ける。 この順序付けから、オフレベルを表す次のサンプルが到来する時点を決定する。 そしてこの多くのサンプルを同期のために遅延させる。光レベルの発生を制御す るのにプロセッサを使用している場合には、同期化は不要である。 同期化の後、プログラムは、データサンプルを、本例では3個ずつのグループ として連続的に取り込む。検出が行われる前に、プログラムを最初に較正しなけ ればならない(40)。これは、存在する周囲光の量と存在するレベル間の差の ベースラインを確立することを意味する。この時点では、表面上に液体がないと 仮定しなければならない。極めて多量の周囲光が存在している場合、プログラム は較正するのを待つように判定するであろう(42)。周囲光が妥当であれば、 プログラムは、幾つかのグループの対応するサンプル(同じレベルを表すサンプ ル)を単純に平均化し、ベースラインを確立するであろう。或いは、各レベルの 移動平均又はレベル間の差の移動平均を求める動作を開始するであろう。このレ ベル間の差の移動平均は、液体の適用を表さないシステム中の長期的ドリフトに ゆっくり追従するという効果がある。もし固定平均を使用すると、プログラムは 、長期的ドリフトからの誤ったトリガーを防ぐために、時々再較正を行わなけれ ばならない(41)。 ベースライン又は移動平均が確立されると、プログラムは、3個ずつ(又は使 用されるレベルの数ずつ)のグループを取り込むことを継続する。新しい完全な グループ毎に、大きな変化を検出するために最新の差を移動平均差又はベースラ イン差と比較する。「ヒット」、即ち両方の差に大きな差が存在する状態を判定 するためにこれらの差の比較による絶対値自体を閾値と比較する。これは最初に ステップ43で行う。更に3個のサンプルを取込み、ステップ44にて再び「ヒ ット」を捜す。もし「ヒット」が見つからなかった場合、「ヒット」のカウント をリセットし、プログラムは、あたかも「ヒット」が起きなかったように動作す る(46)。2番目の引き続く「ヒット」をステップ44で検出した場合、更に 3個のサンプルを取込み、ステップ45にて三番目の「ヒット」をチェックする 。3番目のヒットが無い場合、「ヒット」のカウントをリセットし、プログラム は、あたかも「ヒット」が起きなかったように動作を再開する(46)。3番目 の引き続く「ヒット」をステップ45で検出した場合、トリガーを宣言する。こ れは液体が検出されたことを意味する。液体が検出されたことを報告するか又は アッセーのその他の部分を実行するためにトリガーを宣言した後、ルーチンを出 る(47)。 連続する3回の「ヒット」の統計により、ランダムな変動を除去し、正確な液 体検出の確率を増大できる。差の移動平均を使用することにより、長期ドリフト によって誤ったトリガを発生することなく、より高感度な閾値の設定が可能にな る。連続3回「ヒット」法により、速い閃光及びチャンバーの過渡的な動きに対 してシステムを不感にできる。差方式により、直流周囲光と60Hz(又は50 Hz)白熱光の存在下においても本発明による装置がそれらの影響を受けないよ うにできる。 表面によっては、光検出器が最も明るいレベルで飽和してしまうような高い反 射率を有している。本発明は、明るさのレベルが所定の絶対値よりも高い場合に はその最も明るいレベルを無視することによってこれを補償している。この場合 、残りのレベルとオフレベルとの間の差に基づいて検出が行われる。この状態が 検出された場合、閾値を変更してもよい。誤ったトリガーを防止するために、特 にオンレベルが一つしか残っていない場合には、通常、閾値を僅かに高くする。 或いは、光学的飽和状態から抜け出すまで最も明るしルベルを下げてもよい。こ のような最も明るい光レベルの動的な低下も本発明の範囲内であり、追加の回路 が必要となる。 上記の装置は本発明の原理の適用を単に例示するものであり、当業者であれば 、本発明の精神と範囲から逸脱することなく、他の装置も考え得るものである。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION Method and apparatus for detecting the presence of a liquid on a reflective surface using modulated light Technical field FIELD OF THE INVENTION The present invention relates generally to the field of detecting changes in reflected light in the presence of ambient light. In particular, the application of liquids to reaction chambers with reflective or highly reflective surfaces It is concerned with detecting the usage. Background art Varying levels of light reflected from surfaces in various biomedical applications It would be highly desirable to be able to detect when it happened. This is Oberhardt ) Described in U.S. Pat. Nos. 4,849,340 and 5,110,727. Especially when it is desired to detect the application of a liquid to the reaction chamber as Useful for Accurately measure the time between the start and end of a biochemical reaction in a reaction chamber In order to determine, it is necessary to know the exact start time of the reaction. By Overhart In a reaction of the type taught, a drop of blood or serum is placed in a chamber. Is the start time. The application of this liquid causes the refractive index or absorption of the chamber The rate changes. This changes the amplitude of the reflected light. Conventional methods for detecting this change have an absolute value greater than a predetermined fixed threshold. It was only determined that the level of reflected light had increased or decreased. This method is Due to changes in ambient light reaching the detector and due to vibration or movement of the chamber. It is easy to generate a trigger by mistake. For example, if a flash or shadow change enters the detector , The system will falsely trigger and start timing the reaction early. Also, anti The reaction chamber is mounted on some kind of backing card, False triggers also occur when the card is slightly moved relative to the dispenser. this Yo The move is Becton Dickinso in Rutherford, NJ Vacutainer manufactured by Becton Dickinson (R) Alpha Sai at Southeastern Pennsylvania inserted DIFF-S manufactured by Alpha Scientific Before a blood dispenser such as AFE® delivers a drop of blood or serum Occurs when touching the surface of the test card. It is very sensitive to changes in reflected light, but very insensitive to changes in ambient light, It is highly desirable to have a detection method that is insensitive to vibration and transient movement of the reflecting surface. No. Disclosure of the invention The present invention provides for static application of droplets to a transparent reaction chamber or other reflective surface. In transient or changing ambient light conditions and with transient chamber movement Including methods and apparatus for doing so. The light source is modulated to two or more discrete levels at a fixed or variable modulation rate. These levels include an off level at which no light is output from the light source. Light source The light is reflected from the reflective surface to a photodetector. The output of this detector is Are sampled sequentially at least once. The sample value from the detector, which represents the off-level, is proportional to the amount of ambient light entering the system. For example. Difference between other modulation levels and off-level represents surface or chamber reflectivity . When liquid enters the chamber or is applied to the surface, a difference in refractive index or absorption The reflectance changes. This allows for on-level illumination even in the presence of large amounts of ambient light. A change occurs in the difference between the level and the off level. However, the difference is variable only with ambient light. The amplitude of all levels simply increases or decreases. Determine if reflectivity has changed enough to indicate that liquid has been applied The difference between the amplitudes is compared to a threshold. If one or more differences have changed sufficiently, The stem reports that liquid has been detected. Since there is a possibility of long-term drift, take the moving average of the difference, and You may make it compare with this average value instead of a value. Also, large reflections or ambient light can cause the optical detection system to have the brightest modulation level. The present invention senses this condition and may detect one or more differences. Changes can be ignored. BRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES For a more complete understanding of the invention, it is shown in more detail in the accompanying drawings, in which: Reference should be made to the examples described below by way of illustration. FIG. 1 is a block diagram of the present invention. FIG. 2 shows a light source, a reflective surface that is part of a reaction chamber, and a photodetector. FIG. 3 shows the light level data from a three-state modulator sampled in the presence of ambient light. FIG. FIG. 4 is a state diagram of an embodiment of the modulator. FIG. 5 is a schematic diagram of an embodiment of a modulator. FIG. 6 is a flowchart of a possible detection program. It is to be understood that this invention is not necessarily limited to the particular embodiments illustrated. Must understand. BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION FIG. 1 is a block diagram of the present invention. Timer 1 is periodic at a given repetition rate Generate a strong signal. This timer 1 is well known in the field of digital technology Type 555 for generating periodic signals, or other capable of generating periodic signals Of the type described above. A repetition rate between 400 Hz and 1200 Hz to give satisfactory results I understood. If a rate of about 833 Hz is used, the modulation rate of the present invention will be described later. It is 10 mS as shown. Timer 1 is a programmable logic device that generates a set of control signals. Drive (PLD) state machine 2. This state machine 2 has a discrete This can be achieved by means of a trick, an integrated circuit, or other digital means. these The control signal drives a modulator 3, which is configured by a TAW. TRW Electronic Components Group )), A light source 4 similar to infrared LED, type OP290 Control. Wavelengths other than infrared can also be used. The light source is off level (light None) and at least one on-level is generated. Two on The level allows proper detection of liquid application in the presence of ambient light. Not only that, it can function with a wide dynamic range of ambient light and reflected light levels. Light from the LED 4 is reflected from the surface in question to the photodetector. This optical test The dispenser is, for example, a PIN die manufactured by Siemens. Aether, type BP104BS. If it is sensitive to the light from the light source 4, Any photodetector can be used. The current output of the photodetector is converted to a voltage, It is amplified by a well-known transconductance amplifier in the field. This voltage The signal is supplied to an analog input of the A / D converter 7. In one embodiment of the present invention, A PIN diode is used as a photodetector. Other photodetectors known in the art, such as lasers, photodetectors, etc. Will make. By Texas Instruments Use a similar optical / frequency converter in the similar circuit to the TSL 230 being manufactured You can also. The A / D converter is a 10- or 12-bit converter that performs conversion at a speed of 100 kHz or more. It can be composed of a heat exchanger. A / D converters are well known in the field of data acquisition technology . Manufactured by National Semiconductor hand Not only parallel units such as the ADC12062, but also Maxim Integral Manufactured by Maxim Integrated Products A series unit such as MAX186 can also be used. Use an optical / frequency converter In this case, the A / D converter can be omitted without changing the present invention. The A / D converter is synchronized with the state machine 8 and has different modulated light levels. One conversion is performed for each. Its digital output is known in the art. A microprocessor that can be configured by any microprocessor or microcontroller It is supplied to the sensor 8. The processor 8 controls the level between the modulation level and the off level. Detect differences, evaluate off-level against the presence of ambient light, calculate moving average, To determine when liquid has been applied to the reflective surface or reaction chamber. You. The processor 8 can be connected to a port 9 for reporting the detection of a liquid. Alternatively, Simply continue with another program (eg, timing a biochemical reaction) when the delivery occurs I do. The light source outputs a fixed light level for other applications after detection The modulator can be adjusted as follows. Through standard input / output ports known in the art, the optical The bell can be controlled directly from the processor 8. Implementation of such an alternative In an aspect, the state machine functions are simulated by a processor program. It is. Further, the processor can control the timing and start of the A / D conversion. FIG. 2 shows a reflection through an opening in an opaque surface 12 with a transparent cover 10. A light source 4 for generating light reaching a surface or reaction chamber 11 is shown. Light from light source 13 is reflected at the surface 11. The specular ray 14 passes through a second aperture in the opaque surface 12. Enters the photodetector 5. FIG. 3 shows the modulated light that would appear at the output of the transconductance amplifier 6 (FIG. 1). Indicates the level of In this embodiment, one off level 15 and two on levels 1 A total of three modulation levels, 6 and 17, are used. The first on level 16 is light Represents a medium brightness condition where the source is only about half on. Second on-level 17 Represents a bright state in which the light source is almost completely on. After bright condition 17, above Is repeated indefinitely. The time for each level is between 5ms and 20ms There must be. In practice, a value of 10 ms works satisfactorily. Within the level If one is off level of the light source (no light), then any other sequence of light levels Can be used in the present invention. When ambient light enters the system, the off-level amplitude 18 detected by the photodetector increases. Ascend. This measured off-level value is directly proportional to all ambient light entering the detector. For example. The other two levels 19 and 20 also rise, but level 19 and off level 1 8 and the difference between level 20 and off level 18 are kept approximately constant. You. The difference is significant when liquid enters the chamber or is on a reflective surface. It changes intentionally. Levels 21, 22 and 23 are the same as levels 18, 19 and 20 Displays the detection light in the presence of the same amount of ambient light but with liquid in the chamber. are doing. The difference between level 23 and level 21 is the difference between level 20 and level 18. It can clearly be seen that it is greater than the difference between them. Difference between level 22 and level 21 Is the same as when comparing the difference between level 19 and level 18. Change in this difference Is used to detect the presence of liquid on the reflective surface. Differs depending on the type of liquid Increases or decreases as shown in FIG. 3 (not shown). Therefore, the absolute difference The value must be considered and compared to a threshold for detection. FIG. 4 shows the state of state machine 2 (FIG. 1) that can be used to control the modulation. FIG. It is driven by the periodic output from timer 1 (FIG. 1). Week At each rising edge of the periodic signal, the state machine 24, labeled S0-S7, changes state to one. Go forward. If the periodic signal is about 833 Hz, the S0-S7 state machine 24 One cycle is completed in about 10 ms. State machine 24 is known in the art. Is a Mealy-type sequential circuit (Mealy Machine) that leaves state S7. Activate the second state machine 25 labeled F0-F3 and advance its state by one. Let Therefore, every cycle of the S0 to S7 machine 24, the F0 to F3 machine 2 5 advances one step. F0 to F3 machines 25 are S0 to S7 machines 24 Each time a complete cycle is repeated three times, one cycle is completed. Therefore, If the periodic signal from timer 1 (FIG. 1) is about 833 Hz, F0-F3 The thin 25 completes one cycle in about 30 ms. The S0-S7 state machine 24 performs the conversion when passing through state S6 (27). Will provide the signal to the A / D converter. The S0-S7 state machine 24 converts this Moore-type sequential circuits, all of which are well-known in the digital arts, (Moor Machine) (output by state) or Mealy type sequential circuit (Mealy Machine) (Output by state transition). F0-F3 state machine 25 can drive two control lines to modulator 3 (FIG. 1). Wear. These control lines indicate that the light source is off in state F0 (28) and state F0 (28). 1 (29), the light source is medium brightness, and in state F2 (30), the light source The brightness is large. Thus, the F0-F3 state machine 25 separates the light source. And the amount of light reaching the photodetector. The state machine shown in FIG. 4 is merely representative of the controls needed to drive the modulator Things. This particular embodiment shows that the modulator has three brightness levels that increase sequentially. To have a state of. Other state machines and modulation schemes are included in the present invention. Any It is possible to use a number of brightness levels and arrange them in any order. all It is not necessary that all levels have the same duration. An important feature of the present invention is One of the bells is to indicate the off state of the light source. This level enters the photodetector. Provide information about the amount of ambient light The state machine of FIG. 4, or any state machine that can control the modulator, is PLDs manufactured by Cypress Semiconductors , Type 22V10 or its equivalent. Also, S It can be composed of cleat integrated circuits or components, which are themselves micro It can also be a processor or a microcontroller. FIG. 5 is a schematic diagram of some possible embodiments of the modulator. Control lines 37 and 38 Comes from the state machine PLD. If an off-state is required, these control lines Both go high. If medium brightness is required, one of the lines Goes high and the other goes low. If maximum brightness is required, both Line goes low. Control lines 37 and 38 are 74ACT244 integrated circuit 3 1 (74AC244 will also work well). This circuit Usually used as a bus driver, but when its control line is high, its output 3 4 has a very high impedance with respect to the ground (tri-state). If Input is low (ground) 35 and the control line is low (enabled). Output 34 will have a very low impedance to ground. But Thus, this element functions well as a ground switch. Output line 36 connects to LP2951 manufactured by Micrel. Current control lead of a similar constant current source (pin 7). This constant current element Used to drive the light source so that the amount of current on the light source 36 determines the brightness of the light source. It is. Two resistors 32 and 33 are provided in parallel with each other and in series on line 36 I have. These resistors are connected to the output of 74ACT 244 (34). did Thus, when both enable lines 37 and 38 are high, 74ACT 244 is off. It becomes open, and no current flows through the line 36. As a result, the light source is turned off. . One of the enable lines, for example, line 37 is low and the other enable line is low. When high, only half of the 74ACT 244 is turned on, and current flows through one of the resistors ( In this example, the current flows only through the resistor 32). In this state, the brightness of the light source is halved Become. When both enable lines 37 and 38 are low, both halves of 74ACT 244 The minute is turned on and the current flows through the resistors 32 and 33 combined in parallel. In this case, the brightness of the light source increases. Thus, line 3 from the state machine 7 And 38, the state of the brightness of the light source is set. In this embodiment, , There are only three brightness states, so that any number of brightness states can be obtained. A similar modulator can be constructed. Also, departures from the spirit and scope of the present invention. Use any high quality analog switch instead of 74ACT244 without the need it can. The resistors 32 and 33 provide the required brightness level for the light source used. To be selected. Resistors 32 and 33 are typically about 100-300 ohms . FIG. 6 shows a flowchart of a program used to detect the application of a liquid to a surface. It is a chart. For the purpose of FIG. 6, the A / D converter is a new modulated brightness level. One sample is provided for each of the bells, and there are three levels of brightness. Assume that When the program of FIG. 6 starts, the first sample arrives And then determine which level it represents. Ambient light Because any sample value can change, the program 3 samples (ie all levels) to synchronize with the data stream Must be captured. Synchronization step 39 consists of the first three (different Samples at different levels). Compare them and order them by size. From this ordering, determine when the next sample representing the off-level will arrive. This many samples are then delayed for synchronization. Control light level generation If a processor is used for synchronization, no synchronization is required. After synchronization, the program divides the data samples into groups of three in this example. Continuously capture as The program must first be calibrated before detection takes place. (40). This is the difference between the amount of ambient light present and the level present. It means establishing a baseline. At this point, if there is no liquid on the surface You have to make an assumption. If a very large amount of ambient light is present, the program Will determine to wait to calibrate (42). If the ambient light is reasonable, The program consists of several groups of corresponding samples (samples representing the same level). Will simply average and establish a baseline. Or each level An operation will be started to determine a moving average or a moving average of the difference between the levels. This The moving average of the difference between the bells will lead to long-term drift in the system that does not represent the application of the liquid. The effect is to follow slowly. If you use a fixed average, the program Must be recalibrated from time to time to prevent false triggering from long-term drift (41). Once a baseline or moving average has been established, the program will be incremented by three (or Continue to capture groups (by number of levels used). New complete For each group, the latest difference is used to detect large changes. Compare with in difference. Judge "hit", that is, a state where there is a large difference between both For this purpose, the absolute value itself obtained by comparing these differences is compared with a threshold value. This is the first This is performed in step 43. Three more samples were taken, and at step 44, "H Search for " If no hits were found, count hits And the program behaves as if no "hit" had occurred. (46). If a second subsequent "hit" is detected in step 44, Take three samples and check for the third "hit" in step 45 . If there is no third hit, reset the "hit" count and program Restarts the operation as if no "hit" occurred (46). Third If a subsequent "hit" is detected in step 45, a trigger is declared. This This means that liquid was detected. Report that liquid was detected or Exit the routine after declaring a trigger to perform the rest of the assay. (47). Statistics of three consecutive "hits" eliminate random fluctuations and provide accurate fluid The probability of body detection can be increased. Long-term drift by using moving average of difference Makes it possible to set threshold values with higher sensitivity without generating false triggers. You. Three consecutive “hits” to combat fast flashes and transient chamber movements To make the system insensitive. According to the difference method, DC ambient light and 60Hz (or 50Hz) Hz) even in the presence of incandescent light, the device according to the invention is not affected by them. I can do it. Depending on the surface, a high response may cause the photodetector to saturate at the brightest level. Has an emissivity. The present invention relates to the case where the brightness level is higher than a predetermined absolute value. Compensates for this by ignoring its brightest levels. in this case , Based on the difference between the remaining level and the off level. This state If detected, the threshold may be changed. To prevent false triggering, If only one ON level remains, the threshold is usually slightly increased. Alternatively, the brightest level may be lowered until the light comes out of the optically saturated state. This Dynamic reduction of the brightest light levels, such as Is required. The above apparatus is merely illustrative of the application of the principles of the present invention and will be apparent to those skilled in the art. Other devices are conceivable without departing from the spirit and scope of the invention.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 EP(AT,BE,CH,DE, DK,ES,FI,FR,GB,GR,IE,IT,L U,MC,NL,PT,SE),OA(BF,BJ,CF ,CG,CI,CM,GA,GN,ML,MR,NE, SN,TD,TG),AP(KE,LS,MW,SD,S Z,UG),EA(AM,AZ,BY,KG,KZ,MD ,RU,TJ,TM),AL,AM,AT,AU,AZ ,BB,BG,BR,BY,CA,CH,CN,CZ, DE,DK,EE,ES,FI,GB,GE,HU,I S,JP,KE,KG,KP,KR,KZ,LK,LR ,LS,LT,LU,LV,MD,MG,MK,MN, MW,MX,NO,NZ,PL,PT,RO,RU,S D,SE,SG,SI,SK,TJ,TM,TR,TT ,UA,UG,US,UZ,VN (72)発明者 ゴッドレブスキー,グレゴリー,エス. アメリカ合衆国 27615 ノースカロライ ナ州,ラレイー,オールド イングリッシ ュ コート 1124 (72)発明者 バック,デービット,ティー. アメリカ合衆国 27615 ノースカロライ ナ州,ラレイー,ファルコン レスト サ ークル 7744────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page (81) Designated countries EP (AT, BE, CH, DE, DK, ES, FI, FR, GB, GR, IE, IT, L U, MC, NL, PT, SE), OA (BF, BJ, CF) , CG, CI, CM, GA, GN, ML, MR, NE, SN, TD, TG), AP (KE, LS, MW, SD, S Z, UG), EA (AM, AZ, BY, KG, KZ, MD , RU, TJ, TM), AL, AM, AT, AU, AZ , BB, BG, BR, BY, CA, CH, CN, CZ, DE, DK, EE, ES, FI, GB, GE, HU, I S, JP, KE, KG, KP, KR, KZ, LK, LR , LS, LT, LU, LV, MD, MG, MK, MN, MW, MX, NO, NZ, PL, PT, RO, RU, S D, SE, SG, SI, SK, TJ, TM, TR, TT , UA, UG, US, UZ, VN (72) Inventor God Levski, Gregory, S. United States 27615 North Carolina Old English, Raleigh, Na New Court 1124 (72) Inventor Buck, David, Tee. United States 27615 North Carolina Falcon Resta, Raleigh, Na Vehicle 7744
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