JP2002502980A

JP2002502980A - 試料ホルダ起伏形状を補償し且つシステム・ノイズのロック除去を行う反射測定システム

Info

Publication number: JP2002502980A
Application number: JP2000530879A
Authority: JP
Inventors: ジョンエルローレス; アルバートイーチュー
Original assignee: イーワイラボラトリーズインコーポレイテッド
Priority date: 1998-02-10
Filing date: 1999-02-09
Publication date: 2002-01-29
Also published as: EP1060455A1; EP1060455A4; US6584217B1; WO1999040536A1; US7031508B2; US20040071331A1

Abstract

(57)【要約】完全独立システムは、背景領域によって取り囲まれた装置膜上の着色スポットの強度を検査し、スポットを生成する試料についての情報を得るのに光反射率を使用する。マスタ・クロック（２７０）が、交互に、スポット中心に合焦した１つのＬＥＤ（２８０）を駆動し、次に背景領域に合焦した２つのＬＥＤを駆動する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】（他の係属中の出願に対する関係）この出願は、「OPTICAL SPECIMEN ANALYSIS SYSTEM AND METHOD」という名称の、１９９８年２月１０日に米国特許第５，７１７，７７８号として許される出
願通し番号０８／４６５，０８９および「OPTICAL SPECIMEN ANALYSIS SYSTEM A
ND METHOD」という名称の、前記通し番号０８／４６５，０８９の係属である、１９９７年１２月２２日に出願された出願通し番号０８／９９５，５９０からの
一部係属出願である。これらの出願は、参考資料として、ここに援用する。

【０００２】（発明の分野）本発明は、全般的には反射測定システムに関するものであり、一層詳しくは、
テスト用基体の或る領域のカラー濃度または光学濃度のような特性における変化
を分析するのに使用される反射測定システム及び方法に関する。このような領域
は、（他の用途のうちでも）分子認識用途において試料内の化学的状態を表し、
コントラスト信号から意味のある情報を確認することができる着色スポットを含
み得る。

【０００３】（発明の背景）自動光学分析システムを含めて、光学技術を使用して生物学的その他の試料を
分析することは公知技術である。試料内の或る特定の検体に結合できる或る特殊
な試薬との反応についてテストすることによって、この検体の潜在的な存在を検
知することがしばしば望まれる。このような分子認識反応は、互いに対する高い
結合親知力を所有する分子の錯化を表す。

【０００４】たとえば、妊娠の指標として、検体ヒト絨毛性ゴナドトロピン（ＨＣＧ）（妊
婦の尿に存在するホルモン）を検出することを考えられたい。尿の２、３の液滴
を、ＨＣＧに結合することが知られている試薬を有する基体にさらす。このよう
なテストを実施するに際して、付加的な試薬をテスト用基体に添加して、ＨＣＧ
が尿内に存在する場合には、結果の少なくとも一部に特性の変化（たとえば、カ
ラー）が生じる。こうして生じたカラー変化は、訓練を受けていない目にもはっ
きりと見え、家庭妊娠テストとして役立つことができる。

【０００５】人間の目では、せいぜい、質的な結果を見るだけである。しかしながら、テス
トを行ったり、テスト結果を読み取ったりするのに経験を積んだ実験室技術者の
場合でも、テストから容易に「イエス」、「ノー」の結果を確認できないことも
多い。また、或る種のテストでは、量的な結果が望ましいことがある。たとえば
、疾病状態の進行度あるいは程度を測定したい場合がある。１つの看者が異なる感度を有するの、カラー、コントラスの変化を視覚で検査す
ることは質的なものにすぎず、ひとりの観察者の目が別の観察者の目とは感度が
異なっていることは普通である。同じ視覚的感度を持つ観察者がふたりいたとし
ても、疲労や主観的な判断差が同じデータについて異なった結果を与えることが
あり得る。

【０００６】多くの他の分子認識用途（免疫学的、非免疫学的を問わず）は、コントラスト
・データを使用して分析することができる意味のあるコントラスト信号を得るこ
とができる。免疫学的ペア用途（たとえば、抗体-抗原、「Ab-Ag」）に加えて、
Ab／Ag／AbまたはAg／Ab／プロテインＡ-ゴールドのような種々のサンドイッチ・フォーマット・マトリックス分析評価技術は、アビジン・ビオチン誘導体間結
合あるいはレクチン・カルボヒドレート結合のような意味のあるコントラスト信
号を生成することができる。多くの用途は、分子認識サイトとしてホルモン受容
体を使用する。そして、反応特殊結合はDNA交雑において使用される強力な分析ツールとなる。より信頼性が高い自動化した分析ツールを得ることができるなら
ば、このような用途は有益となろう。

【０００７】種々のシステムは、免疫学的、非免疫学的な分子認識用途から得られた結果を
分析するための自動化した、信頼性のあるシステムを得るシステムが種々試みら
れている。或る種のテストでは、特に免疫学検定装置を使用するテストでは、染
料着色したスポットの存在ならびにそれを取り囲む背景領域に対する反射率を識
別する必要がある。たとえば、電気泳動免疫ブロット（「Western Blots」をテストするときには、濃度計を使用してニトロセルロース・ストリップから反射し
たの光の光学的濃度を測定する。しかしながら、ストリップにおける抗体生成カ
ラー・バンドの濃度は、背景カラーと同様に変化する可能性がある。さらなる複
雑化の要因としては、このようなテストにおいて使用される濃度計が、カラー・
バンドにおける単一のポイントしか測定できないということがある。したがって
、濃度計は自動化し結果を得ることはできるが、その結果が大きく変化する可能
性があり、また、非常に不正確である可能性がある。

【０００８】 Chu等の米国特許第５，００６，４６４号が、免疫学検定テストの結果をより迅速に定量化するのに反射測定法を使用することを開示している。たとえば、こ
こで、このような迅速な免疫学検定テストを使用して人間の血液を調べたいと仮
定する。血液、血清または血漿の試料を、数滴、分析装置のテスト用基体上に垂
らす。テスト用基体は、しばしば、多孔性の膜であり、膜の個別の領域で膜に結
合した１つまたはそれ以上の受容体化学物質を有し、これらの化学物質が血液内
に１つまたはそれ以上の標的検体が存在しているならばこの検体と結合反応する
。代表的には、血液試料の添加後、着色染料を含み得る標識試薬を、数滴、テス
ト用基体に添加する。最後に、洗浄用溶液を、数滴、テスト用基体に添加し、受
容体化学物質が設置された膜の個別の領域に特に結合しなかった任意の残留試薬
を除去してもよい。それ故、血液内の標的検体の存在が、装置上の、無着色周囲
背景（化学物質が結合していないテスト用基体の領域となる）に対する染料着色
スポットの存在によって示され得る。もちろん、このようなテストは、血液内の
或る特定の検体の診断に限らず、当該標的検体を含み得る他のタイプの試料、生
物学的製剤その他でも実施し得る。

【０００９】図１Aは、上記Chuタイプの分析を実施するのに用いられ得る装置１０を例示し
ている。装置１０は、多分１ｃｍ平方を測定することができ、経済的な理由のた
めに、上下の層２０、３０を包含するボール紙（または、時にはプラスチック）
のいくつかの層から作られている。上方層２０は、開口４０（おそらく、直径８
ｍｍ）を構成しており、この開口は、底層３０より高い状態に位置する表面５０
を露出させている。表面５０は、膜（または基体）を構成し、好ましくは、これ
の多孔性表面が少なくとも１つの不動受容体化学物質を含有し、この化学物質が
試料内に存在する標的検体との結合反応を生じることになる。

【００１０】図１Bは、上記のテスト作業が実施された後の、図１Aに示す装置の頂面図であ
る。スポット６０（受容体化学物質がテスト用基体に付着している）は、かなり
（理想的に）円形であるものとして示してあり、装置１０の周囲上面７０に対す
るコントラストがはっきりしているカラーを有し、当該検体がテストされる試料
内に存在したことを示している。チャレンジは、周囲領域７０に対するスポット
６０の反射率を決定することである。換言すれば、チャレンジは、スポット６０
からの信号と領域７０からの背景基準レベルとを区別することである。ここで、
いずれの信号における小さい変化も２つの信号間の差におけるかなりの変化隣得
るということは了解されたい。

【００１１】反射率信号を背景基準レベルと区別する能力によって、試料における標的検体
の有無に関して意味のある結論に達することができる。たとえば、図１Cはスポットがどこにもない装置１０、たとえば、結合反応がなんら生じておらず、標的
検体が試料にそんざいしていない装置１０を示している。図１Dにおいて、暗いスポットが存在しているが、これはしばしばあるケースであり、スポットは形状
不均一であり、予想よりもサイズが小さいかも知れない。スポット・サイズは、
試料が導入される前に、最初に化学物質を含浸させたか、または、化学物質で処
理した膜５０の領域によって影響を受ける可能性がある。図１Fは、均一なスポット６０を示しているが、図１Bに示すスポットより不透明さが少ないのに対して、図１Ｆは、図１Aまたは図１Ｃに示す不透明さの少ない不均一な形状のスポットを示している。

【００１２】周囲領域７０に対するスポット６０の反射率を正確に識別することは非常に難
しい可能性がある。これは、好ましくは自動化様式で、訓練を受けた作業員を必
要とすることなく、信号をノイズから区別しようとしている場合に、特に当ては
まる。多くの用途において、正の読み取り値と負の読み取り値との差は、反射率
で約±１％よりも小さい可能性がある。実際問題として、スポット反射率がおそ
らくは背景反射率の９８%であるとき、ボーダーラインの読み取り値が生じることが多い。実際問題として、９５．４%の読み取り値が負となるのに対し、９７．６%の読み取り値が正となる。したがって、意味のあるデータを得ようとしている場合、反射率を正確かつ一貫して解釈することが重要である。訓練を受けた
人間の目でさえ、数パーセントもの小さい反射率の変化を分解することはできな
い。所与の時間内に多くの装置１０を検査しなければならないとき、人間の目は
劣等な反射測定器具ともなる。たとえ反射率変化が目で区別することができるに
充分に大きくても、疲労、観察での反射率変化および誤差が、異なった分析結果
を生じさせる可能性がある。

【００１３】したがって、反射率データを正しく確認できる自動化システムが必要である。
代表的には、試料への露出後、後露出処理および上述したような着色の後、装置
１０は反射測定装置に挿入される。反射率計は、装置の少なくともスポット領域
を光にさらし、スポット領域から反射した光（信号）および対応する周囲領域か
ら反射した光（基準信号）の強さを測定しようと試みる。しかしながら、装置が
整合状態で反射率計内に挿入されていない限り、受容体スポット領域からの光が
正確に測定されることはない。事実、低密度スポットの場合、スポット強度を背
景領域強度から識別することは難しい可能性がある。着色スポットそれ自体が、
均一に着色されていないかも知れないし、スポット信号読み取り値が、反射光強
度について受容体スポット領域の部分を検査したことにかなり依存する可能性が
ある。

【００１４】さらに、普通の反射率計信号処理ユニットは、比較的大型であり、信号処理用
のコンピュータを除いて、製造するのに１ユニット当たり１，５００ドルのコス
トがかかり、普通は少なくとも８０４８６タイプのマイクロプロセッサを必要と
する傾向がある。たとえば、現代のビデオ・カメラに見出されるものと変わらな
い電荷制御装置（「ＣＣＤｓ」）を使用して強度を測定しようとすることがしば
しばであった。しかしながら、このような装置におけるピクセル間感度変動が、
較正および首尾一貫したデータ読み取りをいくぶん難しくしていた。さらに、か
さばることおよび高価であることに加えて、このようなシステムは、特に機械的
に頑丈ではなかった。

【００１５】上記の問題が存在しない場合であっても、膜５０の表面は、普通、不規則な表
面起伏形状（ｔｏｐｏｇｒａｐｈｙ）となっている。この不規則性は、ボール紙
または紙の膜表面ならびに高品質織布表面をふくむ安価に製造された装置で存在
する。ここで使用している膜という用語は、紙、ボール紙、布および装置１０を
製造する際に使用される他の普通に使用される膜材料を含むことは了解されたい
。光学品質の膜（たとえば、ガラス、セラミック、金属）はかなり平らな表面を
与えるであろうが、これらより高価な材料は、水の拡散等を可能としながら所望
化学物質を保持するには不適である。

【００１６】その結果、受容体領域におけるカラー強度がどうにか完全に均一であり、背景
領域からかなり識別できるとしても、膜表面における不規則性がなお強度読み取
り値に誤差をもたらすであろう。高強度スポットが生じる免疫学検定テストの場
合、１％〜２％の強度読み取り誤差は許容できるかも知れないが、他のテストの
場合、１％または２％の誤差は完全に失敗の結果となるかも知れない。

【００１７】必要なのは、装置上のスポットによって発生させられる強度信号を迅速かつ正
確に分析できる技術である。この場合、スポット濃度が重要なデータを含む。こ
のような技術は、免疫学的、非免疫学的な分子認識用途に適用できなければなら
ない。このような技術は、改良した信号対ノイズ特性を示し、好ましくは、装置
起伏形状における不規則性を補正しなければならない。この技術は、機械的に頑
丈であり、操作する素人にとって充分に簡単でなければならない。そして、製造
、保守が比較的安価に行えなければならない。

【００１８】本発明は、このような方法およびこの方法を実施するシステムを提供する。

【００１９】（本発明の概要）本発明は、無着色の背景によって取り囲まれた着色スポットを形成する膜を含
有する装置を検査する完全独立システムを提供する。着色スポットは、とりわけ
免疫学的、非免疫学的なベースを持つ用途を含む分子認識の結果であってもよい
。本発明は、相対的なスポット信号対背景基準信号を決定するのに光の反射率を
使用し、スポット強度に関して意味のある情報を収集する。この情報は、標的検
体または化学物質または物質を定量化するのを可能にし、その存在がスポット染
料特性に寄与する。

【００２０】膜表面は、スポット着色領域を包含し、この領域が目標物質の存在に応答し、
このスポット領域は、普通、無着色の背景領域に取り囲まれている。好ましい実
施例において、本発明は、二者択一的にスポット領域と背景領域を照明し、各領
域から反射してきた光の強度を測定する。別の実施例では、膜表面（着色スポッ
ト領域および背景領域）を照射し、次いで、スポット領域または背景領域を照射
し、スポット領域は照射しない。種々の照明モード中に反射してきた光の強度を
減算して、光がない場合に光検出器からの増幅信号と関連したゼロ出力ドリフト
効果を削除する。エミッタ光は、好ましくは、３つのほぼ同じ光源、たとえば、
発光ダイオード（「ＬＥＤ」）から来るものであるとよい。そのうちの１つはス
ポット領域を狙い、他の２つは背景領域を狙う。マスタ・クロック・ユニットが
活発にＬＥＤを駆動し、スポット、背景を二者択一的に照明する。あるいは、マ
スタ・クロック・ユニットによって、ＬＥＤでスポット領域および背景領域を同
時に照射させ、スポットのみあるいはスポットなしの背景のみを周期的に照射す
る時間を交替させるようにしてもよい。他の実施例では、単一の光源を設け、た
とえば、拡散性または反射性の反射体ユニットを使用して、この光源の光出力を
スポット領域、背景領域に一様に向ける。このような実施例において、装置表面
領域が光を受けるのを、マスタ・クロック・ユニットで制御する穴あき回転式機
械シャッタ、または、ソリッド・ステートの、好ましくは液晶シャッタによって
制御する。種々の実施例において、光源（単数または複数）は１つの平面を構成
する。そして、スポット領域、背景領域を含んでいる膜が第２の平面を構成する
。光源（単数または複数）を、いずれかの平面に配置し、光検出器を残りの平面
に配置してもよい。放射された光スペクトルは、可視光線、不可視光線、赤外線
、紫外線、Ｘ線のいずれであってもよく、とりわけＬＥＤ、レーザー・ダイオー
ド、白熱光を含む種々の光源から発生させたものであってもよい。

【００２１】次いで、反射光（すなわち、放出光の一部である）が、方位角９０度の設定し
た倍数の角度に隔たった光検出器（「ＰＤ」）によって検出される。装置膜表面
の起伏形状に依存して、方位角的に１８０度または９０度隔たった２つのＰＤを
設けると好ましい。

【００２２】本発明は、２つのサブシステムを提供する。すなわち、不均等な装置起伏形状
によるスキュー・誤差を実質的に減らすサブシステムと、ノイズを発生させるこ
となく信号電圧を測定することによって検出信号／ノイズを向上させる位相ロッ
クイン増幅器サブシステムとである。

【００２３】第１のサブシステムにおいて、本発明は、普通に使用される膜と関連する劣等
な起伏形状が反射光強度読み取り値における少なくとも±１％の不確定誤差の原
因となり得ると認識している。この誤差（ほぼ正弦波である）は、方位角的に１
８０度互いから隔たった２つのＰＤを使用して反射光強度をモニタすることによ
ってほぼ削除される。万が一膜を架橋ボール紙で作る場合には、２つのＰＤは方
位角的に９０度互いから隔てる。一対のＰＤをこのように方位角的に選んだ９０
度の倍数の角度で配置すると、その出力信号を平均化することで精度を±１％以
上向上させることができる。

【００２４】第２のサブシステムにおいて、平均したＰＤ出力信号は、同時に正負で増幅し
、これら正負に増幅した信号をスイッチでサンプリングする。このスイッチは、
ＬＥＤ駆動信号の活性領域と同期して作動する。その結果、活性ＬＥＤ駆動信号
部分で生じる同相信号のみをサンプリングすることができる。さらに、ＰＤ加算
増幅器の出力に存在する信号が効果的な振幅でほぼ二倍にされ、それによって、
信号／ノイズ比を向上させる。

【００２５】スイッチの出力は、ローパスフィルタに送られ、このローパスフィルタが、周
波数を測定周波数より高く、（おそらくは、３Ｈｚ）減衰する。測定周波数は、
ＬＥＤクロック・スイッチング周波数よりもかなり低い。このようにして、ロー
パスフィルタ出力には、クロック周波数の数ヘルツ内のノイズ成分以外のノイズ
がほとんどない。したがって、ローパスフィルタは、スポット光強度と比例した
信号を回復し、優れた信号対ノイズ特性を示す。

【００２６】本発明の他の特徴および利点は、添付図面と関連した、好ましい実施例を詳細
に説明する以下の説明から明らかとなろう。

【００２７】図２は、本発明、つまり試料ホルダ（specimen holder）の起伏形状（topogra
phy）の補償と及びシステム・ノイズのロック除去（lock-rejection）を有する反射率計システム１００の透視図である。システム１００の筐体は、システム１
００の中で生成された光に対して実質的に透過性である窓１２０に隣接して搭載
される装置ホルダ（device holder）１１０を含む。ホルダ１１０は、ここで上述された装置１０を保持することができる大きさである。装置１０は、窓１２０
に面した化学的に着色されたスポット（spot）を有するホルダ１１０に挿入され
る。（ここで使用されているように、「着色されたスポット」という用語は、領
域６０における特徴的な変化、例えばコントラスト、色、色又は光の濃度の、制
約のないあらゆる変化を一般的に示す。）このように装置１０の表面２０は、システム１００に面しており、及び反対の
表面３０は、システム１０から離れた方向に面している。好ましい実施形態にお
いて、システム１００は、視覚的読み取り装置、好ましくはデジタル読み取り１
３０及び／又はアナログ読み取り装置１４０を含む。当然であるが、読み取り装
置１３０及び／又は１４０は、受け入れ可能な強度の値が装置１０のスポット５
０から計測される場合に、電源を入れたり、切ったり、又は色を変えるようにバ
イアスがかけられている少なくとも一つの発光ダイオード（ＬＥＤ、light emit
ting diode）と取り替えられ、又はそれによって強化されることができる。シス
テム１００は、通常は、例えば前記システムの電源を入れたり、切ったりするた
めの、又は所望であれば手動較正機能を供給するための一つ以上のコントロール
（control）１５０、１６０を含む。

【００２８】本発明の目的では、システム１００は、例えば、図１Ａ、１Ｃ乃至１Ｆに記載
のとおり、スポット６０と背景７０との間の相対的反射率を量子化することを目
的とする。生物学的試験における応用では、スポット６０は、検体を導入する前
の膜５０（図１Ａ参照）に存在する化学物質を含む化学物質に前記検体をさらす
ことによって生成される。しかしながら実際には、本発明はどのようにスポット
６０が形成されるかということから実質的に独立して、相対的反射率の正確な計
測を供給することができる。例えば、装置１０の膜５０におけるスポット６０と
して表示されている、塗料サンプル（sample）を分析するために、システム１０
０を使用することが望ましいであろう。

【００２９】記述のとおり、膜５０は通常は厚紙であり、比較的安価な素材であるが、残念
ながらいくらか粗い起伏形状を特徴とする素材である。出願人は、装置１０にお
ける膜５０を製造するために使用される厚紙に一般的である起伏形状は、反射さ
れた信号の計測された強度における少なくとも±２パーセントの誤差を容易にも
たらしうることを発見した。残念ながら、多くの応用例において、特に生物医学
的応用例において、±２パーセントの誤差は、本当の読み取り値と誤負読み取り
値又は誤正読み取り値との間の差を意味しうる。

【００３０】図３Ａ及び３Ｂは、前記起伏形状問題の性質と及び出願人によって発見された
解決法を理解する上で有用である。図３Ａは、膜５０の上部表面の山型の起伏形
状を、誇張した形態で示す。図３Ａはまた、球座標の一点を識別するために使用
される３つのパラメータのうちの２つ、すなわち仰角（altitude angle）α及び
半径Ｒも示しており；第三のパラメータ、方位角（azimuthal angle）Θは、平面図において見られる。

【００３１】図３Ａにおいて、比較的暗いスポット６０が、背景部７０と同様に、膜５０に
おいて見られる。反射率が、平行光を膜５０に、例えばＬＥＤ１、ＬＥＤ２、．
．．ＬＥＤ４で示される複数の発光ダイオードから当てることによって計測され
ると仮定するが、４つより少ない又は４つ以上のＬＥＤが使用されてもよい。ス
ポット６０から、及び背景７０から反射した光の強度はしばしば、ここではフォ
トダイオード（photodiode）ＰＤＡ、ＰＤＢ、及びＰＤＣとして示されている複
数の光検出器で検出されるが、他の光検出器、例えば光電子倍増管が使用されて
もよい。

【００３２】膜５０の上部表面が完全な平面であったなら、光は背景部７０から均等に反射
したであろうこと、及び光は、前記スポットが色の濃度において均一である場合
、スポット６０からより低い強度ではあるが、理論上均等に反射されるであろう
ことは、明らかである。しかし、平面である膜の表面を作り出すのは費用が高く
、及び図３Ａに示されたものは、厚紙から作られた実際の装置１０と遭遇するも
のにより近い。スポット６０は、劣っている膜の起伏形状によって傾斜している
ので、ＰＤＡがＰＤＣよりもより多く反射した光信号を受信するであろうことは
明らかである。巨視的には、ＰＤＡは、ＰＤＣの視野から見えるよりも、スポッ
ト６０からのより大きく突出した区域が見える。その結果、ＰＤＡは、スポット
６０の周囲が観察されると、はっきりしたコントラストを理論的に示す強度を有
する信号を受信するであろう。

【００３３】反射された光信号の強度におけるスキュー（skewing）は従来技術において単に黙認されてきた結果、比較的大きな不確実性の誤差（error）が容認されるようになった。しかしながら出願人は、上述の平らでない起伏形状に関連する正弦
波の搬送機能があり、及び互いに１８０度離れて配置された２つの光検出器が使
用される場合、膜の起伏形状による強度スキュー・誤差は、少なくとも約±１パ
ーセント改善されることができる。（±１パーセント前後の強度の変化は、単に
裸眼では見ることができない。）また、装置から装置への、及び実際には時間の関数としての単一の装置に対す
る起伏形状の影響、例えば前記スポットが乾き続けるにつれて、又は前記膜表面
が周囲温度及び／又は周囲湿度に応答して変化するにつれての前記影響が存在す
ることも、注目される。さらに、名目上は白色である、着色されていない膜領域
７０は、実際には白色以外でもよく、及び装置によって及び実際には単一の装置
の異なる領域に対して変わってもよい。

【００３４】スキュー・誤差の補正における１パーセント又は２パーセントの向上は、顕著
でないように聞こえるが、実際には、特にわずかなコントラストのスポットが読
み取られる場合、それは良い結果と疑わしい結果との間に差を作るであろう。最
も高い可能な計測正確性が必要とされるのは、正確に、通常は信号／ノイズ比が
乏しいことが特徴である前記の疑わしいスポットが分析されるときである。当然
であるが、医学的試験環境において、システム１００のようなシステムからの誤
った読み取りは、試験中の検体を取られた対象者に対する重大な派生問題を有し
うる。

【００３５】図３Ｂは、方位（又は縦）角度Θが変化するにつれて、光検出器（例えばＰＤ
Ａ）によって計測される反射光の強度を示す。ここで使用されているとおり、Θ
は、名目上の膜の平面に対して直角である対称軸を有する円錐体の角度を定義し
、前記光検出器は、前記円錐体の表面に配置され、角Θから離れて配置されてい
る。

【００３６】図３Ｂにおいて、強度計測が、正確にΘ＝１８０度に離れて、例えばデータ点
Ｘ１とデータ点Ｘ２、又はデータ点Ｘ２とデータ点Ｘ３に離れて行われている場
合、一定の光強度値が、起伏形状の変化の寄与から独立して得られることが注目
される。異なって説明されているが、反射光の強度が、Θ＝１８０度に離れて配
置されたたった二つの光検出器を使用して得られるのであれば、前記二つの光検
出器の出力からの合計の（平均の）信号は、実質的に前記起伏形状の正弦波変化
を相殺するであろう。この結果は、｛ｓｉｎ（Θ）＋ｓｉｎ（Θ＋１８０度）｝
＝０という関係から生じる。

【００３７】前記正弦波起伏形状機能を生成する厚紙膜５０の種類は、紙において継ぎ目が
なく（non-linked）、平行な繊維（parallel grain）を有してもよい。出願人は
、異なる種類の厚紙膜、外見上繊維が交差している紙の膜に対して、図３Ｂに記
載された周波数は２倍になり、例えば１８０度離れるのではなく、むしろ９０度
離れて行われたデータ計測は、実質的に起伏形状の誤差を無効にすることを発見
した。当然ながら、図３Ｂに記載された関係が完全な正弦波ではないために、起
伏形状の相殺は完全ではないが、かなり近い。

【００３８】図３Ａ及び３Ｂに記載の実施形態において、二つの光の平面が示されている：
発光源における平面と及び基板における平面である。所望であれば、ＬＥＤ及び
ＰＤの役割は、ＬＥＤ１、２及び３をＰＤ１、２、３と、及びＰＤＡ及びＰＤＢ
をＬＥＤ１及びＬＥＤ２と、好ましくは起伏形状・誤差を低減させるために１８
０度の方位に搭載されるように交換されることによって、逆になってもよい。こ
の実施形態においては、試料のすべては同時にＬＥＤ１及びＬＥＤ２によって証
明を当てられてもよく、それらは好ましくは、主クロック装置によって命令され
た駆動信号に応答して点滅する。この実施形態においては、（背景領域に集束さ
れた）ＰＤ１、ＰＤ３からの信号と及び（前記スポットの上に配置され、そこに
集束された）ＰＤ２からの信号は、ドリフト・誤差（drift error）を相殺するために減じられてもよい。

【００３９】図４Ａは、上述の発見の好ましい実施形態の上面図である一方で、図４Ｂは、
簡潔な平面図であり、方位角Θが見られる。図４Ａにおいて、３つの光源ＬＥＤ
１、ＬＥＤ２、ＬＥＤ３及びたった二つの光検出器（ＰＤｓ）ＰＤＡ及びＰＤＢ
が使用される。前記スポットと代表的な周辺の膜領域との間の反射率における比
較的微妙な変化は、起伏形状の不完全性を考慮に入れて、観察することが望まし
い。本発明において、光源の数は、ここで前述された強度における正弦波の変化
の相殺を最大化するために、３つに制限された。好ましい構成では、３つのＬＥ
Ｄ（ＰＤＡ、ＰＤＢ、ＰＤＣ）によって照らされる膜領域を通る線は、前記膜に
向かって突出したような受容器ＰＤの間の線に対して垂直である。前記３つの光
源が、前記スポットそれ自体（例えば所望の信号）及び２つの代表的な周辺背景
領域（背景参照区域信号を供給する）からの読み取りを獲得できるようにする一
方で、記載された起伏形状の相殺の利益を獲得する。

【００４０】ＬＥＤ１、ＬＥＤ２、ＬＥＤ３はすべて、名目上、理論上平面であり又は前記
膜の第二の平面に対して平行である線上又は第一の平面上に搭載されている。Ｌ
ＥＤと膜平面との間の距離は、レンズ・システム（lens system）の焦点距離の関数として、いくらか変化し、前記焦点距離は、軸上のＬＥＤ２と軸から外れた
ＬＥＤ１、ＬＥＤ２との間で変化する。隣接するＬＥＤの間の離れた距離は、約
６．３ミリメートルであり、及び前記スポットの名目上の大きさ（通常は約１．
６ミリメートル）によって、及び光学システムの拡大倍率によって決定される。
名目上のスポットの寸法が大きくなると、離れたＬＥＤの距離も大きくなること
が望ましい。

【００４１】前記スポットの中央領域は、最終的に前記膜の着色されていない背景部７０に
遭遇するまで、反射率を上げながら外側に向かって放射状に伸張する低反射率と
関連する。実際には、スポットから背景への遷移がある。ＬＥＤ２は、主に前記
スポットの中央に光を集束させることを意図する一方で、ＬＥＤ１及びＬＥＤ２
は、背景の周辺領域に光を集束させることを意図する。

【００４２】ＬＥＤ−発光は、主に拡散して反射される。Θ＝１８０度（好ましくは、±約
５度の範囲内で）離れて配置された２つのＰＤは、上述のとおり、起伏形状のス
キュー相殺の効果で、良い強度読み取りを供給する。図４Ａに記載のとおり、理
論上の光検出器ＰＤＡ、ＰＤＢは入射光に対して垂直である。ＰＤＡ及びＰＤＢ
は、仰角αに等しい角を有する膜の名目上の平面から等距離の平面上に配置され
る。理論上は、仰角αは、光の受容を最大限にするために９０度に近いが、実際
には、光学システム１７０の存在によってα＝３０度である。光検出器によって
受容される光の強度は、ｓｉｎ（α）／Ｒ² で変化する。

【００４３】対象となるスポットと光検出器又はＬＥＤとの間の放射距離Ｒは小さく、及び
各ＰＤに対して等しくなければならない。しかし、各ＬＥＤは実質的に光検出器
の平面から等距離にあるので、ＰＤＡ及びＰＤＢはそれぞれ同じ距離の２乗され
た強度の効果が見える。

【００４４】このように、図３Ｂに記載された特徴的な正弦波強度機能を生成する種類の厚
紙膜との使用のために、ＰＤＡ及びＰＤＢは、そうでなければ起伏形状の不規則
性のために計測されるスキューを無効にするために、１８０度に離れて配置され
る。当然、二つの近接な適合するもの、好ましくは同一の検出器ＰＤＡ、ＰＤＢ
を使用する代わりに、単一の検出器ＰＤＡが使用され、及び計測の間を１８０度
機械的に動いてもよい。前記のような配置は、すべての強度計測が、同一の（例
えば、まったく同じの）光検出器で行われたことを確証するであろう一方で、可
動機械式アーム（moving mechanical arm）又は同様のものを供給すること、前記システム全体の費用、体積、及び強度の損失に寄与するであろう。

【００４５】膜５０が、図３Ｂに記載の周波数の２倍の強度機能を明白にした厚紙から製造
されると、ＰＤＡ及びＰＤＢは、９０度に離れて配置され、例えばその内角が９
０度で、その対称軸は、膜５０の名目上の（理論上の）平面に対して垂直である
、想像上の円錐体の表面に配置されるであろう。

【００４６】図４Ａにおいて、３つのＬＥＤが装置１０の表面上に、好ましくは平凸レンズ
及び二重凸レンズを含むレンズ・システム１７０によって集束される。有効焦点
距離は約１センチメートルであり、それは、膜表面及びスポットの上の良い集束
場所に対する有効な高絞り値である。通常は、本発明は、赤く着色されたスポッ
トに対する強度を計測するために使用されるが、他の色のスポットも、同様に良
いデータを生むであろう。

【００４７】ＬＥＤ１、ＬＥＤ２、及びＬＥＤ３は、商用に使用可能な高い強度、高い輝度
の５ミリメートル直径の装置であり、それらは現在おそらく１装置当たり１０ド
ルである。前記ＬＥＤの容器は、約１０度の発散角度に集束する、内部に組み込
まれたレンズを含む。実際の応用においては、スポット６０の名目上の大きさは
、スポットの大きさの許容範囲とともに、知られるであろう。例えば理論上のス
ポットは１．６ミリメートルの直径であってもよいが、実際には、円形から三日
月型に形状が変化してもよいという条件で、大きさは１．６ミリメートル乃至２
．４ミリメートルに変化してもよい。（スポットの大きさの実質的な要素は、膜
に染み込ませた化学物質の大きさ及び模様である。）光学システム１６０は、内部ＬＥＤレンズとともに、名目上１．６ミリメート
ルの直径に標準ＬＥＤ焦点を合わせるように設計された。好ましい実施形態にお
いては、有効光学拡大倍率は約０．３４であり、それはすなわち５ミリメートル
のＬＥＤの直径と名目上１．５ミリメートルの円形のスポットとの間の比である
。当然のことながら、他の照明装置及び他の焦点システムが代わりに使用される
ことができる。

【００４８】図５は、システム１００のブロック図であり、回路１６０の好ましい実施形態
を示す。回路１６０は、２つの重要なサブ・システム：起伏形状・スキュー・誤
差低減サブ・システム２００、及びノイズを生成することなく信号の電圧を計測
することによって、検出された信号／ノイズを増幅させる閉じ込み式増幅器を含
む。起伏形状補償サブ・システム２００が存在しなかったとしても、サブ・シス
テム２１０は、スポットと周辺背景との間の遷移における過剰なノイズ信号を受
信することなく、公知の（スポット）信号及び公知の（背景領域）参照信号を入
手する信頼性を向上させるであろう。

【００４９】起伏形状・スキュー・誤差低減サブ・システム２００の多くが記載されてきた
。二つの光検出器ＰＤＡ、ＰＤＢは、Θ＝１８０度（又は、装置１０が交差した
繊維の種類の紙膜を使用する場合、Θ＝９０度）に離れて配置され、及びそれら
の出力は、加算増幅器２２０において結合される。記述されたとおり、増幅器２
２０の出力は、ＰＤＡ（波形Ａ）及びＰＤＢ（波形Ｂ）からの出力信号の平均合
計である波形Ｃになるであろう。これら、及び他の波形は、図５に示され、図６
Ａは波形Ａを示し、図６Ｂは波形Ｂを示す、等である。しかしながら図６Ｄは、
図６Ｃに重ねて記載された、波形Ｃ及びＤの平均合計を示す。

【００５０】好ましい実施形態において、ＬＥＤ１及び３は、装置１０の背景又は周辺領域
７０に向かっている一方で、ＬＥＤ２は、スポット６０に向かっている。好まし
い実施形態においては、ＬＥＤ１及び３は、（図６Ａに記載の）波形Ａによって
同時に起動され、ＬＥＤ２は相補形の波形Ｂによって起動される。ＬＥＤ駆動信
号の繰返し速度及び動作周期は、好ましくは主クロック２７０によって命令され
る。好ましい実施形態において、これらの波形は、２キロヘルツの繰返し周波数
を有する方形波である。この周波数は、フォトダイオード及び操作上の増幅シス
テム・ノイズを含む電子的ノイズが、特に約２キロヘルツと低いために選択され
た。主クロック２７０及び駆動装置２８０は、約２５０マイクロ秒間、中央ＬＥ
Ｄ２の電源を入れ、及び隣接するＬＥＤ１及びＬＥＤ３は、約２５０マイクロ秒
間電源を入れ、すべてのＬＥＤは、約２キロヘルツの基本クロック速度で駆動す
る。他の駆動構成が使用されてもよい。例えば、３つのＬＥＤのすべてが、装置
１０全体に照明を当てるために同時に電源を入れられてもよく、及び他の主クロ
ック周期において、ＬＥＤ２のみが、対象のスポット６０に照明を当てるために
起動してもよい。さらに他の実施形態においては、単一の光源が、電子シャッタ
、例えば液晶シャッタとともに使用されることができる。他の主クロック周期の
間、前記シャッタは、装置全体が照明を当てられるようにし（例えば、対象とな
るスポット及び背景）、及び対象となるスポットのみ、又はおそらく前記対象と
なるスポット区域を除く装置全体が照らされるようにするであろう。

【００５１】図５において、波形Ｃ及びＤは、それぞれＰＤＡ及びＰＤＢによって検出され
た光を示す。波形Ｃ及びＤの振幅は、次第にゆっくりと変化し、それぞれＰＤＡ
及びＰＤＢによって見られる反射光の強度を表す。ＰＤＡ及びＰＤＢはΘ＝１８
０度に離れて配置されるので、それらの平均結合出力信号（例えば波形Ａ及び波
形Ｂの平均合計）は、前記装置の膜表面５０の不規則な起伏形状によって、実質
的に誤差がないであろう。

【００５２】図６Ｃは、重ねられた波形Ｃ及びＤを示す。図６Ｃに示された例において、Ｐ
ＤＡは背景領域７０から反射したより多くの光、及びＰＤＢよりも少ないスポッ
ト６０から反射された光を見る。このように図６Ｃの第一の周期は（図６Ａに記
載されたＬＥＤ１及びＬＥＤ３への駆動信号が、アクティブであるか又は高い場
合に）、ＰＤＢに対するよりも大きい、ＰＤＡに対する信号振幅を示し、その波
形は、明らかにするために想像線で示されている。図６Ｃに記載の次の周期の間
（例えば、図６Ｂにおいて波形Ｂによって記載されたとおり、ＬＥＤ２がアクテ
ィブである場合）、ＰＤＢからの信号の振幅がＰＤＡからの信号振幅よりも高く
、それは、ＰＤＢが、スポット６０から反射した光をＰＤＡよりも多く見るとい
うことを意味する。

【００５３】図６Ｄは、２つのＰＤ出力信号の平均を示す。信号が、ＰＤ出力において直接
検査された場合、おそらく１マイクロアンペアの平均定常レベルであり、多くの
反射光が存在する状態では、おそらく１マイクロアンペアのピークとピークは重
ねて配置され、及び基本的に反射光がない状態では、ピークとピークを重ねて配
置した信号がない。

【００５４】加算増幅器２２０は、増幅された平均結合ＰＤ信号（例えば、図６Ｄに記載の
信号）を出力する。これらの増幅された信号は、好ましくは蓄電器Ｃ１によって
ＡＣ接続され、及び図６Ｅに記載の波形Ｅとして現れる。増幅器２２０は、実質
的にシステム１００に対するゲイン（gain）のすべてを供給し、及びサブ・シス
テム２００内におけるオフセット電圧誤差を排除するために、蓄電器Ｃ１を介し
てＡＣ接続されたその出力を有する。当然であるが、オフセット電圧は、蓄電器
Ｃ１をバンドパス・フィルタ（bandpass filter）に交換することによって排除されてもよく、それは主クロック交換周波数の上及び下の周波数範囲におけるノ
イズも排除することができる。

【００５５】６Ｅにおいて、波形Ｅは、白い背景領域から反射した光に対して、ピークから
ピークが２０ボルトくらい大きさでもよく、及びスポットがない場合、例えば周
辺領域とスポットが存在する領域との間の強度コントラストがない場合、ピーク
からピークは本来０ボルトであろう。

【００５６】サブ・システム２１０は、サブ・システム２００からＡＣ接続された出力（又
はバンドパス接続された出力）を受信する。サブ・システム２１０は、それぞれ
が入力として波形Ｃを受信し、及びそれぞれ波形Ｄ（波形Ｃの一つの変形）及び
波形Ｅ、つまり波形Ｃの変形を出力する正及び負同一ゲイン増幅器２３０、２４
０を含む。図Ｄ及びＥにそれぞれ記載された波形Ｄ及びＥは、増幅器２４０によ
って行われる変換のために、互いに相対して１８０度位相偏移する。好ましい実
施形態においては、増幅器２３０、２４０は、同一の電圧ゲインを供給し、及び
信号／ノイズ比を最大限にするために、ピークからピークへ最大約１２ボルトの
出力波形Ｄ及びＥを出力することができる。電子ノイズ（ショット・ノイズ（sh
ot noise）、ランダム・ノイズ（random noise）等）は、増加する電力供給電圧
とともには増加しないので、ノイズへの信号が、増強される一方で、出力信号は
、増加する電力供給電圧とともに大きくなる。システム１０における中心的ノイ
ズ源は、光検出器ＰＤＡ、ＰＤＢであり、より低い度合いでは増幅器２２０であ
る。

【００５７】スイッチ２５０は、波形信号Ｄ及びＥをサンプリングし、及び図６Ｆに記載の
とおり、サンプリングされた波形Ｆを生成する。波形Ｆは、高周波サンプリング
速度（ここでは２キロヘルツ）を除去するために、低域フィルタ（フィルタ２６
０）にかけられる。フィルタ２６０の出力、図６Ｇに記載の波形Ｇは、相対的な
信号／ノイズに比例したＤＣ電圧であり、すなわち、着色されたスポットの濃度
に比例する。前記ＤＣ波形信号Ｇは、デジタル出力、例えば表示器１３０及び／
又はアナログ出力、例えば表示器１４０を生成するためにデジタル化されてもよ
い。回路１６０はまた、主クロック２７０及びＬＥＤ駆動回路２８０も含む。電
源２９０は、システム１００に、好ましくは±１２ボルトの動作電位を供給する
。電源２９０は、従来の方法で整流された１１０／２２０ＶＡＣから供給されて
もよい。

【００５８】他に、低電圧電池操作も、例えば電圧二倍器及び電圧変換器、例えば商用に使
用可能であるハリスＩＣＬ７６６０ＩＣ等を使用して、所望の電圧を供給するこ
とが可能である。前記のような電圧二倍器及び電圧変換器は通常はより高い電圧
レベルへとリップル（ripple）を取り入れるが、二倍器−変換器クロック回路は
、本発明において主クロック回路２７０から同期されてもよい（又は得られても
よい）。前記同期が実行されると、電圧倍増リプルによる信号誤差は、システム
２１０によって排除され、及びシステム１００のデータ読み取りの質を低下させ
ず又は影響を与えないであろう。

【００５９】主クロック２７０は、ＬＥＤであるＬＥＤ１、ＬＥＤ２、ＬＥＤ３が、約５０
パーセントの動作周期で約２キロヘルツでアクティブになるようにする従来のＬ
ＥＤ駆動装置２８０にクロック信号を出力するが、他の駆動周波数及び動作周期
が使用されてもよい。光検出器ＰＤＡ及びＰＤＢは各々、少なくともＬＥＤによ
って出力された光のほんの一部を受信し、及び図６Ａ及び６Ｂに記載のとおり、
変化する振幅の２キロヘルツ信号を自ら出力するであろう。

【００６０】記載されたとおり、サブ・システム２１０への入力信号は、ＡＣ接続されてお
り、及びＤＣオフセットをまったく有しない。波形Ｃのピークからピークへの大
きさは、大変暗いスポットに対して２０ボルト（すなわち、±１０ボルト）くら
いであり、及び境界線の試料に対しては、おそらく０．２ボルトかそれ以下であ
ろう。

【００６１】通常は、無垢の白色膜は、おそらく５．２ミリ平方メートルのアクティブ区域
を有するフォトダイオード検出器上で、約３マイクロワットの光の信号を生成す
るであろう。この検出された光出力は、約１ボルトの出力電圧を生成し、さらに
増幅されるために、相互コンダクタンス増幅器（例えば、増幅器２２０）に入力
される約１マイクロアンペアの電気信号を生成する。

【００６２】実際には、本発明は、より良いとは言えないまでも、ピークからピークが約２
０ミリボルトの装置１０におけるスポット６０と周辺区域７０との間の反射率に
おける差を容易に解決することができる。図３Ｂにおける計測された反射率にお
ける１パーセントの誤差が、サブ・システム２１０への入力において、ピークか
らピークへの２００ミリボルトの誤差、例えばピークからピークへ１パーセント
×２０ボルトの誤差を生じさせることが注目される。境界線上での分析の場合、
肯定的分析と否定的分析の差は、おそらく２０ミリボルト乃至３０ミリボルトか
それ以下の、検出された光強度の差によって決定されることができる。

【００６３】サブ・システム２１０における増幅器２３０、２４０は、閉じ込み式システム
として動作する。記載されたとおり、遠くへの信号Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅのすべて
は、基本クロック速度、例えば約２キロヘルツで切り換えられる。しかしながら
、スイッチ２５０の出力から及び低域フィルタ２６０へは、妥当な信号はＤＣで
ある。ノイズを増幅することなく、ＰＤＡ及びＰＤＢによって受信される光強度
に比例するＤＣ信号Ｇを出力することは、サブ・システム２１０の機能である。

【００６４】スイッチ２５０は、主クロック２７０と同期して動作し、及びクロック周波数
、ここでは２キロヘルツでサンプリングされる。そのように、２キロヘルツ以外
の周波数コンポーネントは、サンプリングされず、波形Ｆの大きさには寄与しな
い。例えば、１キロヘルツ又は３キロヘルツにおけるノイズ・コンポーネントは
、増幅器２３０及び２４０によって取り消され、波形Ｆ又は波形Ｇには寄与しな
い。サンプリングされた波形Ｆの信号は、低域フィルタ２６０に入力され、それ
は好ましくは、少なくとも主クロック周波数においてゼロに配置された２極フィ
ルタである。通常フィルタ２６０は、約２０ヘルツの３デシベル減衰周波数を示
す。

【００６５】例えば６０ヘルツの低周波数ノイズ・コンポーネントは、単に遅すぎてスイッ
チ２５０によって見られることができない。例えば、１００ヘルツの低周波数ノ
イズ・コンポーネントがシステム１００に存在すると仮定する。１００ヘルツの
波形は、２キロヘルツにおけるＰＤＡ、ＰＤＢ（例えば、主クロック速度）によ
ってサンプリングされ、及び（増幅器２３０による）ゲイン＋Ｋ及び（増幅器２
４０による）ゲイン−Ｋで増幅される。スイッチ２５０は、迅速に、これらの反
対の位相の低周波数ノイズ・コンポーネントの信号部を同期させてサンプリング
する。

【００６６】本質的に、サブ・システム２１０コンポーネント２３０、２４０、２５０は、
１００ヘルツノイズ信号を１９００ヘルツ及び２１００ヘルツ出力信号に変換す
る。しかしながら、これらの１９００ヘルツ及び２１００ヘルツのコンポーネン
トは、実質的には、２０ヘルツの低域フィルタ２６０によって減弱され、及び１
００ヘルツのノイズ・コンポーネントはシステム１００からの出力信号Ｇに寄与
しない。

【００６７】このように、非ゼロ信号を低域フィルタ２６０に通すために、前記信号はそれ
自身が（ここでは２キロヘルツの）主クロック周波数においてサンプリングされ
なければならず、及び主クロック２７０のアクティブ部と、同期で位相が合って
いなければならない。

【００６８】主クロック信号のアクティブ部は、スイッチ２５０が主クロック波形のこの部
分に同期すると、ＬＥＤ１、ＬＥＤ２、ＬＥＤ３を駆動させる動作周期の部分に
なるであろう。低域フィルタ２６０を通過することを許されるノイズ・コンポー
ネントは、２キロヘルツのクロック・サンプリング速度に極めて近いコンポーネ
ントのみである。このように２キロヘルツ±３ヘルツの周波数差（frequency sp
read）に入るノイズは、低域フィルタ２６０を通過するかもしれないが、すべて
の他のノイズ・コンポーネントは、実質的に前記フィルタによって減弱されるで
あろう。

【００６９】システム１００信号／ノイズ比を改善させることについて、閉じ込み式サブ・
システム２１０によって供給される効果を考察する。選択された主クロック周波
数（約２キロヘルツ）において、フォトダイオード検出器ＰＤＡ及びＰＤＢから
、及び加算増幅器２２０からのノイズ寄与は、約０．０８μＶ／Ｈｚ^1/2である。２０ヘルツ遮断周波数低域フィルタ２６０では、合計出力ノイズ（波形Ｇ）は
、約０．０８＊（２０）^1/2＝０．４μＶになるであろう。同じフォトダイオード対及び増幅器からのフィルタに通されていない出力ノイズは、約１ｍＶであろ
う。このように、サブ・システム２１０は、約２，５００の要素、例えば１ｍＶ
／０．４μＶによって、システム・ノイズを低減する。

【００７０】閉じ込み式増幅器２３０、２４０、スイッチ２５０及び低域フィルタ２６０に
よって供給される同期位相検出は、非同期検出器又は同じ帯域幅を有する狭帯域
フィルタとは異なり、システム信号／ノイズを効果的に倍増する。サブ・システ
ム２１０によって供給される向上した信号／ノイズ特性は、サブ・システム２０
０によって供給される起伏形状取り消し特性とともに、システム１００が、実質
的に従来のシステムから得られるものよりも優れた正確性を有する信頼できるデ
ータを出力できるようにする。少なくとも、正確性は、サブ・システム２００を含むことによって、少なくとも
±１パーセント向上する。その結果、薄い（低密度の）スポットに対して、シス
テム１００は、信頼できる表示器１３０、１４０に出力情報を供給することがで
きる。前記のような状況において、従来のシステムは、計測されているデータに
大きさが近似する誤差を示すであろう。従来のシステムが誤正又は誤負出力を供
給する傾向にある一方で、本発明は真の出力情報を供給することができる。

【００７１】装置上の試料からの反射率情報を実際に入手する際のシステム１００の使用は
、ここから説明される。実際には、装置１０は検体、化学物質にさらされ、及び
検体の相対的な大きさと同様に、検体が存在するか、しないかに関する有意義な
情報を含むことができる色濃度を有する着色されたスポット６０を生成するため
に、洗浄されるであろう。他に、本発明の目的として、装置１０はシステム１０
０に与えられ、それは周辺の膜領域７０と相対した着色されたスポット６０の彩
度を識別するために使用されるであろう。言い換えれば、スポット６０がどのよ
うに周辺領域７０に生成されたかは、本発明には比較的重要ではなく、名目上の
スポットの直径を供給することが、システム１００には適している。

【００７２】最初に着色されていない装置１０、例えば図１Ｂに記載されたものは、ホルダ
１１０に挿入され、及びコントロール、例えば１５０は、表示器１３０／１４０
上にゼロ読み取りを生成するために調整されるであろう。他に、システム１００
は、空白、好ましくはすべて白の装置１０で表示される場合に、前記システムを
自動的にゼロにする電子機器を含むことができる。前記ゼロ調整（手動又は自動
）は基本的には、好ましくは白い背景のための背景参照信号を基準化し又は設定
する。この基準化された信号レベルは、領域７０によって囲まれた（好ましくは
赤く）着色されたスポット６０を含む装置１０を使用するときに、領域７０から
入手されなければならない。

【００７３】前記空白の装置は、ホルダ１１０から除去され、実際に着色された試料のスポ
ットは、ホルダ、例えば図１Ａ、１Ｃ乃至１Ｆに記載された装置に、制約なく挿
入される。実際には、デジタル読み取り装置１３０及び／又はアナログ読み取り
装置１４０は、自動的に１秒以内くらいに読み取りを表示する。出力読み取りが
行われる速度は、低域フィルタ２６０の減衰特性によって部分的に決定される。

【００７４】出力読み取りは、本発明からの光を当てられる着色されていない周辺領域と相
対した着色された領域の彩度の良い指標となるであろう。最も重要なことは、シ
ステム１００は専門家でない者によって操作されることができ、及びその結果は
、所望であれば、システム１００の中のオプションのメモリによって電子的にコ
ピーされ又は記憶されることができる。

【００７５】出力表示器１３０、１４０は、目前の作業に合わせて作られることができるこ
とが評価されるであろう。例えば、コントロール１６０は、例えば「血液検体」
、「尿検体」等のいくつかの位置の一つに転換可能でもよく、前記位置によって
、出力表示器１３０、１４０は、目前の作業に対して再基準化される。再基準化
によって、表示器１３０、１４０上の出力レベルは、目前の作業に対して再基準
決定又は再基準化される。血液試料に対しては、おそらく「１２．３」の最小限
のデジタル読み取りが良いが、尿試料には、最小読み取りは「９．５」であろう
。再標準化は、各試料に対する適切な読み取りという結果を生む。

【００７６】一度標準化されると、出力表示器は、所望であれば、計測された光の強度デー
タ、例えば：「良い」「悪い」「疑わしい」に基づいて、多くの出力の一つを表
示することができる。所望であれば、デジタル出力１３０は、英数字読み取りを
使用して、前記の単語をつづることができる。

【００７７】所望であれば、装置１０の形状は、異なる作業に対して専用にすることができ
る。例えば、試料が血液である場合、装置１０の上部右角は切り取られることが
できる；試料が尿である場合、上部左角は切り取られることができる、等である
。マイクロスイッチ又はホルダ１１０に関連する同様のものは、どの種類のデー
タが表示されるかを自動的に感知することができ、及び出力表示器１３０、１４
０を自動的に再基準化することができる。あらゆる場合において、訓練されてい
ない専門家でない者がうまく装置１００を操作することができることは評価され
る。

【００７８】システム１００は、２５０ドル以下で大量生産することができ、及びおそらく
６センチメートル×１５センチメートル×１８センチメートルかそれより小さい
形状要素で製造されることができる。使いやすさ、剛性、低費用及び小ささはす
べて、従来システムに対してきわだった対照を見せる。さらに、膜起伏形状を補
う能力は、最低１パーセント及びおそらく１００パーセントかそれ以上の正確性
を前記システム読み取りに加え、及びノイズを生成することなくピーク信号を計
測する能力は、さらにシステムの信頼性を向上させる。本発明は、従来のシステ
ムよりも多く、最大量の光学的情報を着色されたスポットから入手し、及び向上
した正確性と信頼性でそれを行う。

【００７９】図２乃至５及び波形６Ａ乃至６Ｇに記載の構成は、本発明の一つの実施形態を
示している。起伏形状補正及び信号／ノイズの向上を供給する他の実施形態も可
能である。上述のとおり、図４Ａに記載の実施形態は、実質的に同一のＬＥＤを
使用することによって、差動ＬＥＤのドリフトを最小限にするように努める。異
なるアプローチが図７Ａに記載の実施形態においてとられ、そこでは単一の光源
ＬＳ１が使用される。当然ながら、前記スポット及び周辺領域のそれぞれ６０、
７０が単一の実質的に均一の出力光源から照明を当てられることができる場合、
異なる光源による差動ドリフトはないであろう。

【００８０】このように、図７Ａにおいては、拡散性（おそらく白）を有し又は反射性（お
そらく鏡面）を有してもよい内部表面３１０を有する反射装置３００は、単一の
光源ＬＳ１からの光線を、装置１０に一様に誘導する。ＬＳ１はＬＥＤ又は（ス
イッチ速度が重要でない場合）他の光源の中でも、白熱がよいかもしれない。装
置１０に誘導される前に好ましくは充分に拡散される光出力を有する単一の光源
を供給することによって、図４Ａに記載の複数のＬＥＤ実施形態において存在す
るかもしれない光源から光源の変化は、排除される。

【００８１】好ましくは、ＬＳ１から装置１０に誘導された光線は、集束されていない光線
である。拡散非集束光が望ましい場合、拡散装置３２０が含まれてもよく、装置
３００の内側表面３１０、例えばおそらく白い表面それ自身は、散乱性でもよい
。他に、内側反射表面３１０は、高い反射性の、例えば鏡でもよい。拡散性でも
、反射性でも、またそれらの組み合わせでも、反射装置３００の内側表面３１０
は、制約のない、半球や放射状を含む様々な形状を有してもよい。

【００８２】穿孔ディスク（perforated disk）３４０は、背景領域７０に照明を当てるための光が通過する貫通開口部３７０を定める。ディスク３４０はまた、スポット
６０に照明を当てるための光が通過する貫通開口部３８０（図７Ｂに記載）も定
める。好ましい実施形態においては、円形ディスク３４０は８つの開口部３７０
、及び４つの開口部３８０、合計で１２の開口部を有する。

【００８３】図７Ａにおいて、ディスク３４０は、第一の又は光源平面に搭載されるように
示されている。所望であれば、代わりに回転ディスク３４０が、第二の平面また
はＰＤ平面に隣接して搭載されることができる。この代替的実施形態は、図７Ａ
において、想像線ディスク３４０’によって示されている。当然であるが、第二
の平面に搭載されたディスク３４０’における様々な貫通開口部の位置は、第一
の平面に搭載されたディスクの開口部の位置とは異なる。簡易に図示するために
、図７Ｂは反射装置３００を含まない。

【００８４】第一の平面に搭載されても、第二の平面に搭載されても、穿孔円形ディスク３
４０は主クロック装置２７０からの命令信号の下で、中央ディスク中心軸３６０
に関してモータ３５０によって回転される。（図７Ｂにおいてｗで示されている
）機械的回転速度は、好ましくは、システムの電子的ノイズを低減させる周波数
、例えば１００ヘルツから約５キロヘルツである。機械式ディスク回転によって
、光を、装置１０上の所望のスポット６０又は周辺領域７０に当たり、又は当た
らないようにすることができる。所望の開口部が装置１０の上に整列して配置さ
れている場合、ＰＤ計測が行われる。このように、一対の開口部３７０が装置１
０に配列されている場合に、シャッタ動作を制御する主クロック装置からの信号
によって決定されるとおり、領域７０からの背景ＰＤ強度読み取りが行われる。
同様に、スポットＰＤ強度読み取りは、単一の開口部３８０がスポット区域（こ
こでも、主クロック装置からの信号によって決定される）に整列される場合に、
行われる。ディスク回転は主クロック２７０によって制御されるので、ＰＤＡ、
ＰＤＢ（好ましくは、図４Ａ、４Ｂに記載のとおり、同じ起伏形状補正方位９０
度又は１８０度の方向を有する）からの出力信号は、図６に記載の波形Ｃ及びＤ
に類似する。

【００８５】図４Ａの場合、光照明の異なる組み合わせが可能である。一つの組み合わせは
、単に、スポット６０、周辺領域７０、スポット６０、周辺領域７０というよう
に、交代で照明を当てるものである。図７Ａにおいて、ディスク３４０の穴の型
は、光の型に影響を与える。他に、図４Ａ及び７Ａにおいてスポット及び周辺領
域の両方に照明を当てることができ、及びスポットだけか又は周辺領域だけ（ス
ポットは除く）に照明を当てることができる。ＰＤＡ、ＰＤＢ信号は、（より少
ないスポットだけ又はより少ないスポットを除く周辺区域の合計照度に対応して
）、スポット及び背景又は周辺領域に所望の信号を供給するために、減じられる
ことができる。

【００８６】図７Ｄに記載の実施形態は、好ましくは固体の状態（例えば、液晶）のシャッ
タ４００が、機械式シャッタの代わりに使用されていることを除いて、図７Ａと
いくらか類似している。ここでも、単一の光源ＬＳ１が、反射装置３００ととも
に使用されてもよく、好ましくは図７Ａに関して説明された。ＬＳ１からの均一
分散光は、不透明よりもむしろ選択的に透明であるシャッタ４００の選択的通過
貫通領域４１０、４２０によって、スポット６０又は周辺領域７０（又は所望で
あれば、スポット６０及び領域７０）に向かう。領域４１０、４２０は、主クロ
ック装置２７０からのタイミング信号に応答するシャッタ駆動装置４３０からの
適切な電子信号によって、不透明又は反射状態から、透明状態に変わる。図７Ｃ
において想像線で示されたとおり、液晶シャッタ４００’は、第一の、ＬＥＤ平
面よりもむしろ、第二の、ＰＤ平面に配置されてもよい。簡易な図示のために、
図７Ｄは反射装置３００を含まない。

【００８７】図７Ｅは、単一の光源ＬＳ１が（上述の装置３００と同一でもよい）反射装置
３００とともに、レンズ・システム１７０を介して装置１０に照明を当てる本発
明の実施形態を示す。この実施形態においては、ＬＳ１は常に電源が入っている
が、電力消費を節約するために、パルスされ（pulsed）てもよい。

【００８８】複数のＰＤ、それらの６つの好ましくは同一の検出器ＰＤＡ、ＰＤＢ、．．．
ＰＤＦは、図示されたとおり、（膜表面の繊維の性質によって）９０度又は１８
０度の方位に配置される。各ＰＤは独自のレンズ、例えばＰＤＡにはレンズ１７
０Ａ、ＰＤＢにはレンズ１７０Ｂ等を有しており、ＰＤＡ並びにＰＤＤ、及びＰ
ＤＣ並びにＰＤＦは、個別の背景領域７０からの光を計測する一方で、ＰＤＢ及
びＰＤＥは、スポット区域６０からの光を計測する。好ましくはＰＤは平面より
も三次元で配置され、及び上述のとおり起伏形状補正を供給することが理解され
る。

【００８９】図７Ｅの実施形態において、ＬＳ１は、領域７０及び領域６０に常に照明を当
てることができる。しかしながら、様々なＰＤの集束された性質は、ＰＤＢ及び
ＰＤＥからの出力が、スポット強度の基準になる一方で、残りのＰＤからの出力
は、背景区域の強度の基準になることを確証する。様々なＰＤの出力が、例えば
所望であれば主クロック装置の制御下でサンプリングされ、どの信号が装置１０
の膜表面のどの領域を表すかがわかる。信号処理は、前述の内容と類似して行わ
れる。

【００９０】図７Ｆに記載の実施形態は、ＬＥＤ焦点平面とＰＤ焦点平面の位置を逆にする
：（起伏形状・スキュー効果を最小限にするために）ＬＥＤは装置１０の近くへ
と９０度又は１８０度の方位に傾斜し、及びＰＤは装置１０から離れて配置され
る。図７Ｆは、２つのＬＥＤ、ＬＥＤ１及びＬＥＤ２を示す一方で、実際には、
三次元に分配された追加のＬＥＤが使用されてもよい。このように、４つのＬＥ
Ｄが使用されると、平面図では、ＬＥＤ１及びＬＥＤ２は、９時及び３時の時計
の位置に、ＬＥＤ３及びＬＥＤ４は１２時及び６時の時計の位置にあるかもしれ
ない。しかしながら、方位的には、すべてのＬＥＤは、膜表面の繊維によって示
されるとおり、９０度又は１８０度に傾斜するだろう。

【００９１】図７Ｆは、図７Ｅにいくらか類似する。図７Ｆにおいて、膜表面は実質的にＬ
ＥＤによって均一に照明を当てられ、及び各ＰＤは、装置１０の個別の領域に集
束される。このようにＰＤＢからの信号は、スポット６０の強度に応答する一方
で、ＰＤＡ及びＰＤＣからの信号は、背景領域７０の強度に応答するであろう。
図７Ｆにおいて、主クロック装置２７０及びＬＥＤ駆動装置２８０（図５参照）
は、好ましくはＬＥＤをパルス点滅させる。ＬＥＤの電源が切れている場合、例
えば起動されない場合、ＰＤＡ、ＰＤＢ、ＰＤＣからの出力信号は、いわゆるゼ
ロ信号ドリフト・誤差（例えば、光がない場合の増幅されたＰＤからの誤差信号
）である。ＬＥＤの電源が入っている場合、ＰＤＡ、ＰＤＢ、ＰＤＣからの信号
は、反射光に応答する。ＬＥＤがオフ及びＬＥＤがオンの場合のＰＤ出力を減じ
ることは、ゼロ信号ドリフト・誤差・コンポーネントを相殺するであろう。前記
信号のさらなる処理は、図５を参照して上述されたとおりに、実行されてもよい
。

【００９２】本発明は、幅広い応用、生物学的及び非生物学的に使用されてもよい。例えば
、出願人チュの係属中アメリカ合衆国特許出願番号第０８／８２３，９３６号、
１９９７年３月２５日出願、「検体検査装置」において開示されている装置は、
ここに参照のために採用されており、免疫学的検定に使用されてもよい。前記免
疫学的検定の結果は、本発明を使用して得られてもよい。当然であるが、検出可
能な対象の範囲は、検体それ自体には限定されない。他の物質の中でも、大気中
の汚染物質、武器に使用される細菌は、本発明によって検出可能である、膜の無
垢の部分に相対したコントラストを有する、着色され又は着色されていないスポ
ットを作るかもしれない。さらに、本発明は反射され、拡散され、又は誘導され
た可視光の使用について説明してきた一方で、不可視光、例えば赤外線、紫外線
、Ｘ線周波数放射線、又はおそらく低エネルギ・レーザ光も同様に使用されても
よいことが理解される。

【００９３】添付の特許請求の範囲によって定義される本発明の主題と精神から逸脱するこ
となく、開示された実施形態に変更及び変形が行われてもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１Ａ】図１Aは、本発明を実施し得るスポット生成装置の斜視図である。

【図１Ｂ】図１Bは、スポットが存在しない、図１Aの装置の平面図であ
る。

【図１Ｃ】図１Cは、完全に形成された暗いスポットを表す、図１Aの装
置の平面図である。

【図１Ｄ】図１Dは、ゆがんだ暗いスポットを表す、図１Aの装置の平面
図である。

【図１Ｅ】図１Eは、完全に形成された明るい着色のスポットを表す、図１Aの装置の平面図である。

【図１Ｆ】図１Fは、ゆがんだ明るい着色のスポットを表す、図１Aの装
置の平面図である。

【図２】図２は、本発明の斜視図である。

【図３Ａ】図３Aは、従来技術による、反射光の強度をモニタするための従来構成を示す図である。

【図３Ｂ】図３Bは、反射光の強度間のアプリカントおよび光検出器間の角度方向によって発見された、本発明による三角関係を示す図である。

【図４Ａ】図４Aは、膜起伏形状によるスキューを最小限に抑えるように反射光の強度をモニタするための、本発明による好ましい構成の側面図である
。

【図４Ｂ】図４Bは、図４Aに示す構成の単純化した平面図であり、本発
明に従って光検出器間の方位角方向を表す図である。

【図５】図５は、本発明の好ましい実施例のブロック図である。

【図６】図６A〜図６Gは、図５に示すノードでの波形を示す図である。

【図７Ａ】図７Aは、単一の光源および回転可能な機械的シャッタを用いて膜起伏形状によるスキューを最小限に抑える、本発明による別の実施例の側
面図である。

【図７Ｂ】図７Bは、本発明による、図７Aに示す構成の単純化平面図で
ある。

【図７Ｃ】図７Cは、単一の光源および電子シャッタを用いて膜起伏形状のスキューを最小限に抑える、本発明によるまた別の実施例の側面図である。

【図７Ｄ】図７Dは、本発明による、図７Cに示す構成の単純化平面図で
ある。

【図７Ｅ】図７Eは、単一の光源および複数の合焦ＰＤを用いて膜起伏形状によるスキューを最小限に抑える、本発明による他の実施例の側面図である
。

【図７Ｆ】図７Fは、ＬＥＤおよびＰＤの位置を交換して膜起伏形状によるスキューを最小限に抑える、本発明によるまた別の実施例の側面図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者チューアルバートイーアメリカ合衆国カリフォルニア州 94010 ヒルスボローロブラーアベニュー 140 Ｆターム(参考） 2G059 AA01 BB04 CC16 DD13 EE02 EE13 FF06 GG01 GG02 GG03 GG07 GG10 HH01 HH02 HH03 JJ11 JJ14 JJ23 KK01 KK03 MM15 MM17 NN09 PP04

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】試料内の分子として認識できる標的検体の存在の可能性を
定量化する方法であって、（ａ）前記標的検体にスポット部分を包含する膜を有
する装置をさらす段階であり、前記スポット部分を化学的に処理して、前記標的
検体の存在によって前記スポット部分の特性を変え、前記膜の周囲領域に対する
前記スポット部分のコントラストにより、前記標的検体の存在を定量化し得るよ
うにする段階と、（ｂ）前記膜の前記スポット部分および前記周囲領域を交互に
周期的に照明する段階と、（ｃ）前記スポット部分および前記周囲領域で反射し
た前記光の特性を測定し、このように測定した前記光の特性を比較する段階と、
（ｄ）このようにして測定した前記光の特性を比較している信号を出力する段階
とを包含することを特徴とする方法。
【請求項２】請求項１の方法において、前記特性が、（ｉ）カラー、（
ｉｉ）カラー濃度、（ｉｉｉ）光学濃度、（ｉｖ）反射光の相対的なコントラス
トからなるグループから選択した少なくとも１つの特性を包含することを特徴と
する方法。
【請求項３】請求項１の方法において、前記標的検体が、（ｉ）核酸、
（ｉｉ）抗原、（ｉｉｉ）抗体、（ｉｖ）ハプテン、（ｖ）ハプテン結合体、（
ｖｉ）巨大分子、（ｖｉｉ）タンパク質、（ｖｉｉｉ）重合体、（ｉｘ）化学物
質からなるグループから選択した少なく１つの検体を包含することを特徴とする
方法。
【請求項４】請求項１の方法において、階段（b）が、（ｉ）可視光源、（ｉｉ）非可視光源、（ｉｉｉ）ＬＥＤ、（ｉｖ）レーザー・ダイオード、（
ｖ）白熱光源、（ｖｉ）Ｘ線源、（ｖｉｉ）紫外線光源、（ｖｉｉｉ）赤外線光
源、（ｉｘ）拡散光源、（ｘ）非拡散光源からなるグループから選択した少なく
とも１つの光源からの照明を与える段階を包含することを特徴とする方法。
【請求項５】請求項１の方法において、階段（b）が、（ｉ）円形光パターンで前記スポット部分を照明し、環状光パターンで前記周囲領域を照明する
段階と、（ｉｉ）円形光パターンで前記スポット部分を照明し、円形光パターン
で前記周囲領域のうち少なくとも１つの周囲領域を照明する段階と、（ｉｉｉ）
前記スポット部分および前記周囲領域の少なくとも一方を非円形光パターンで照
明する段階と、（ｉｖ）複数の光源から前記照明階段を行う段階と、（ｖ）単一
の光源から前記照明階段を行う段階と、（ｖｉ）約１００Ｈｚから約１０ＫＨｚ
までの周波数で交互に周期的に照明する段階と、（ｖｉｉ）前記スポット部分か
ら前記周囲領域へ交互に周期的に切り替えて照明する段階とからなるグループか
ら選択した少なくとも１つの階段を包含することを特徴とする方法。
【請求項６】請求項１の方法において、階段（b）が、前記スポット部分および前記周囲領域のうち少なくとも一方を円形光パターンで照明し、前記ス
ポット部分および前記周囲領域が一線上に位置している段階を包含し、段階（ｃ
）が、前記測定を実施するように前記線に対して直角な線上に光検出器を配置し
、前記スポット部分および前記周囲領域が、各々、前記光検出器からほぼ等距離
のところにあるようにする段階を包含することを特徴とする方法。
【請求項７】請求項１の方法において、階段（b）が、単一の光源を用意する段階と、（ｉ）前記膜の少なくとも１つの選んだ領域に向けて光を通すよ
うな位置、寸法の貫通開口を構成する回転可能なディスク、（ｉｉ）前記膜の少
なくとも１つの選んだ領域に向けて光を通すように選択的に透明とした領域を構
成している電子シャッタ、（ｉｉｉ）前記膜の少なくとも１つの選んだ領域に向
けて光を通すように選択的に透明にした領域を構成している液晶シャッタからな
るグループから選択した構成要素を通して前記光源から光を選択的に通過させる
ことによって交互に周期的に照明する段階とを包含することを特徴とする方法。
【請求項８】請求項１の方法において、階段（b）が、前記膜の微細構成における不規則性からのスキュー・誤差を減らすように、方位角９０度の倍数
の角度、互いに隔たった少なくとも第１、第２の光検出器で強度を測定する段階
を包含することを特徴とする方法。
【請求項９】請求項２の方法において、階段（ａ）が、前記スポット領
域からの測定光強度を前記周囲領域の測定光強度から減算する段階を包含し、こ
の減算段階を、（ｉ）アナログ減算、（ｉｉ）デジタル減算からなるグループから選択した方法で実施し、光がないときの測定強度の影響を低減することを特
徴とする方法。
【請求項１０】請求項１の方法において、階段（ｄ）が、（ｉ）前記ス
ポット部分からの測定反射光と前記周囲領域からの測定反射光の比を表す信号、
（ｉｉ）少なくとも第１、第２の光検出器を用意し、前記スポット部分からの測
定反射光と前記スポット部分の測定照明強度の比を表す信号を出力すること、（
ｉｉｉ）少なくとも第１、第２の光検出器を準備し、前記周囲部分からの測定反
射光と前記周囲部分の測定照明強度の比を表す信号を出力すること、（ｉｖ）デ
ジタル読み取り信号、（ｖ）アナログ読み取り信号、（ｖｉ）少なくとも第１、
第２の光検出器を用意し、複数の比のうちの１つの比を表す信号を出力し、これ
らの比のうち第１の比が、前記部分の測定照明強度に匹敵する前記スポット部分
からの測定反射光によって表され、第２の比が、前記周囲部分からの測定反射光
対前記周囲部分の測定照明強度の比によって表されること、（ｖｉｉ）前記信号
に比例してカラーを変える光、（ｖｉｉｉ）前記信号に比例して強度を変える光
、（ｉｘ）印刷出力、（ｘ）ディジタル・コンピュータ・インターフェイス接続
可能な信号、（ｘｉ）ピッチが前記信号に比例する音、（ｘｉｉ）振幅が前記信
号に比例する音、（ｘｉｉｉ）前記信号に適した少なくとも１つワードを発音す
る可聴発音器からなるグループから選択した少なくとも１つの信号を出力する段
階を包含することを特徴とする方法。
【請求項１１】請求項１の方法において、階段（b）が、約１００Ｈｚ〜約１０ＫＨｚの範囲の選択した周波数で交互に周期的に照明する段階を包含し
、階段（ｄ）が、前記スポット部分の反射した測定光強度および前記周囲領域の
反射した測定光強度を表す反射光強度を段階（ａ）で同期照明することで測定す
る段階、前記スポット部分の反射した測定光強度および前記周囲領域の反射した
測定光強度を表す反転、非反転の測定反射光強度を結合する段階、反転、非反転
させた測定反射光強度の増幅バージョンを表す信号を同期して切り替えながらサ
ンプリングして前記出力信号を得る段階からなるグループから選択した少なくと
も２つの階段を包含することを特徴とする方法。
【請求項１２】請求項１１の方法において、階段（ｄ）が、さらに、（
ｉ）前記測定光強度を濾過して前記選択した周波数と関連する周波数成分を低減
する段階、（ｉｉ）前記出力を行う前に同期して切り替えながらサンプリングし
た信号をローパス濾過する段階からなるグループから選択した少なくとも１つの
階段を包含することを特徴とする方法。
【請求項１３】基体上のスポットの、この基体の周囲領域の強度に対す
る強度を測定する反射測定システムであって、クロック周波数およびテューティ
サイクルを有する少なくとも周期的なマスタ・クロック信号を出力するマスタ・
クロック・ユニットと、前記マスタ・クロック・ユニットの出力部に接続してあ
り、前記スポットに向けて制御状態で光を発し、前記周囲領域に向けて制御状態
で光を発する少なくとも１つの光源と、前記周囲領域および前記スポットで反射
した前記光の部分を検出するように配置した第１、第２の光検出器とを包含し、
前記第１、第２の光検出器からの出力信号が前記定量化用データを含んでいるこ
とを特徴とするシステム。
【請求項１４】請求項１３のシステムにおいて、前記第１、第２の光検
出器が、互いに或る方位角量隔たっており、前記基体の微細構成における不規則
性から生じるスキュー・誤差を減らすようになっており、前記方位角量が（ｉ）
１８０の度、（ｉｉ）９０度からなるグループから選択したものであることを特
徴とするシステム。
【請求項１５】請求項１３のシステムにおいて、さらに、前記第１、第
２の光検出器からの出力信号を、前記周期的マスタ・クロック信号と同期して、
サンプリングし、検出して前記定量化データを得る手段を包含することを特徴と
するシステム。
【請求項１６】請求項１３のシステムにおいて、さらに、前記第１、第
２の光検出器のゼロ光入力に対する応答を実質的にキャンセルし、前記第１、第
２の光検出器からの前記出力信号におけるドリフトを実質的にキャンセルする手
段を包含し、この手段が、前記定量化データの出力を実質的にキャンセルするこ
とを特徴とするシステム。
【請求項１７】請求項１６のシステムにおいて、実質的にキャンセルす
る前記手段が、ロックイン増幅器システムを包含することを特徴とするシステム
。
【請求項１８】請求項１６のシステムにおいて、さらに、前記第１、第
２の光検出器からの前記出力信号に接続して平均加算信号を出力する加算増幅器
と、各々が等しいゲインを有し、前記加算増幅器からの前記平均加算信号を受け
取るようにＡＣ接続してある非反転増幅器および反転増幅器と、前記マスタ・ク
ロック信号と同期して、前記非反転増幅器の出力と前記反転増幅器の出力を交互
にサンプリングするように接続したスイッチであり、前記サンプリング段階が、
前記光源が駆動される前記マスタ・クロック信号テューティサイクルの能動部分
の遷移なし間隔中に生じるスイッチとを包含し、前記スイッチの出力が、前記定
量化データを表す平均成分を包含することを特徴とするシステム。定めることを前記描写している平均の構成要素。
【請求項１９】請求項１３のシステムにおいて、前記少なくとも１つの
光源が、（ｉ）前記スポットおよび前記周囲領域を交互に照明すること、（ｉｉ
）前記スポットおよび前記周囲領域を同時に照明すること、（ｉｉｉ）前記スポ
ットのみを照明し、前記スポット以外のときは交互に前記周囲領域を照明するこ
とからなるグループから選択した少なくとも１つの方法で前記基体を照明するこ
とを特徴とするシステム。
【請求項２０】請求項１３のシステムにおいて、前記光源が、（ｉ）可
視光源、（ｉｉ）不可視光源、（ｉｉｉ）ＬＥＤ、（ｉｖ）レーザー・ダイオー
ド、（ｖｉ）Ｘ線源、（ｖｉｉ）紫外線光源、（ｖｉｉｉ）赤外線光源、（ｉｘ
）拡散光源、（ｘ）非拡散光源からなるグループから選択したものであることを
特徴とするシステム。