JP2005502878A - 光源放出光をコンピュータ制御することによって光測定値をデジタル化する方法および機器 - Google Patents

Abstract

本発明は、光源の放出光をコンピュータ制御することによって光測定値をデジタル化する方法および機器に関する。本発明では、たとえばＣＭＯＳまたはＣＣＤ画像チップを含むカメラ・システムなどのＬＳＤ（光感応性デバイス）を使用して、光源出力をデジタル的に制御することによって、精確な測定を実施する。ＬＳＤからは一定出力値が得られ、それによって、ＬＳＤ出力の非線形性および範囲制限が回避される。この測定方法およびシステムを、診断目的に用いる化学的な検査および分析物に適用する。この方法を用いて、反射率、透過率、蛍光および混濁度を測定することができる。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、測定技術分野に関する。より詳細には、本発明は、光源放出光をコンピュータ制御することによって光測定値をデジタル化する方法および機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
光源を内蔵した光測定装置では、光のレベル、通常は一定レベルに保たれ、その装置によって行われるプロセスに従ってオンオフされる。一般に、装置内の光感応性デバイスは、検査対象物および／または基準対象物から光量を正しく検出することができるまで調整される。光源を装備していない他の画像システムは、周囲光レベルに対して調整される。写真（フィルム）用のカメラがその例である。正しくフィルムを露光するために、通常、照度計で検査対象物からの光を測定した後で、シャッタ・スピードおよびレンズ開口が調整される。
デジタル・カメラも、周囲光を測定し、それを利用できるように構成されている。このようなカメラでは、通常、光感応性の画像チップ自体が照度計である。一般に、デジタル・カメラは、記録される光量を調整するために使用される電子シャッタを含む。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ウエブ・カメラとして使用されるもののような安価なデジタル・カメラは、通常、精密光測定装置には使用されない。それらは、制限された出力分解能範囲を有する傾向がある。さらに、信号出力が受光強度の非線形関数になる傾向がある。しかし、このようなカメラの測定範囲および測定精度は、光源からの光出力を制御することによって改善され得る。迅速に光の放出を変化させるために、機械式ではなく電子式制御システムが利用されるべきである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明は、たとえば、ＣＭＯＳ（相補型金属酸化物半導体）またはＣＣＤ（電荷結合素子）画像チップを含むカメラ・システムなどのＬＳＤ（光感応性デバイス）を使用して、光源出力のデジタル制御による精確な測定を行うことによって前記問題を解決する。ＬＳＤからは一定出力値が得られ、それによって、ＬＳＤ出力の非線形性および範囲制限が回避される。この測定方法およびシステムは、診断目的に用いられる化学的な検査および分析物に適用される。この方法は、反射率、透過率、蛍光および混濁度を測定することに使用できる。
【０００５】
この方法およびシステムのいくつかの利点は、以下の態様を含むが、必ずしもこれらに限定されるものではない。
・この方法は、ＬＳＤ測定範囲の拡張に使用することができる。光制御用ＤＡＣ（デジタル−アナログ・コンバータ）の分解能が１６ビットである場合、ＬＳＤからの１ビット・デジタル出力は、１６ビットの測定分解能を提供することができる。
・この方法は、通常、ＣＣＤまたはＣＭＯＳカメラの光応答関数に見られる非線形性に無関係なので、ＤＡＣ制御光源の光出力を較正することによって、非線形ＬＳＤから線形応答を得ることができる。
・ＤＡＣの光制御値と分析物濃度の間に単一の伝達関数が確定されうる。
【０００６】
本発明の上記その他の目的および特徴は、光源のデジタル制御によって光をデジタル化する方法によって実現される。前記方法を用いるシステムおよび迅速に測定結果を得るための探索方法が提供される。
【０００７】
本発明は、光源からの出力をデジタル制御することによって、照明された検査対象物からの記録光をデジタル化する方法を含む。検査対象物からの光はＬＳＤ（光感応性デバイス）によって記録され、ＬＳＤから要求目標出力が得られるまで、この対象物の照明が変えられる。検査対象物が変更された場合、通常、検査対象物からの光量も変化する。そして、再度ＬＳＤ出力が目標値に等しくなるか、あるいはほぼ等しくなるまで照明が変えられる。この光コントローラの設定は、各検査対象物からの光量を計算するのに使用される。したがって、ＬＳＤの範囲制限および非線形性の影響が回避され得る。
【０００８】
逐次近似により光のレベルをデジタル化して光量を測定する方法は、
検査対象物によって改変された光信号を受け取る光感応性デバイスの出力目標値を特定することと、
光感応性デバイスに接続されたＡＤＣ（アナログ−デジタル・コンバータ）の初期ステップ値を規定することと、
光信号を提供する光源を制御するＮビット分解能ＤＡＣ（デジタル−アナログ・コンバータ）の出力値をこの初期ステップ値に設定することと、
出力目標値に対するＡＤＣ値の関係に基づいて、ＤＡＣ出力値の調整を、調整終了時にＡＤＣ値が出力目標値に等しくなるまで、１回または複数回、最大Ｎ−１回反復して繰り返すことと、
最終ＤＡＣ出力値を光信号値の尺度として特定することとを含む。
【０００９】
本発明は、検査対象物を含む照明領域を照明する光源放出光を制御することによって光測定値をデジタル化して、光感応性デバイスから一定またはほぼ一定の信号を得る方法をさらに開示する。この方法は、
複数の光信号によって照明領域を制御可能に照明することと、
これら複数の光信号を改変することと、
これら複数の改変された光信号を記録することと、
これら複数の改変された光信号に対応する出力信号を送信することと、
この出力信号に基づいて光源の動作を制御することとを含み、それにより、この出力信号が一定であるように、照明光信号が調整可能に制御可能である。
【００１０】
本発明は、照明領域を照明する光源放出光を制御することによって光測定値をデジタル化して、前記光感応性デバイスから一定またはほぼ一定の信号を得るシステムも含む。このシステムは、
複数の光信号によって、検査対象物を含む照明領域を制御可能に照明するように構成された光源と、
照明領域内の検査対象物によって全体的に改変された複数の光信号を記録し、改変された複数の光信号に対応する出力信号を送信するように構成された光感応性デバイスと、
この出力信号を受け取り、制御信号を生成するように構成されたデータ・プロセッサ・システムと、
この制御信号を介してデータ・プロセッサ・システムに受信可能に接続され、光源の動作を制御する光源コントローラとを備え、それにより、前記出力信号が一定であるように、放出される光信号が調整可能に制御可能である光源コントローラである。
【００１１】
代替実施例では、このシステムは、
制御信号を生成するように構成されたデータ・プロセッサ・システムと、
この制御信号に応答する光源コントローラと、
この光源コントローラに応答する光源と、
検査対象物を含み、この光源によって照明される照明領域と、
検査対象物によって改変された光を画像化し、この改変された光を表す出力信号をデータ・プロセッサ・システムに送信するように構成された光感応性デバイスとを備え、それにより、この出力信号が一定であるように、改変される光信号が調整可能に制御可能である。
【００１２】
ＤＡＣ（デジタル−アナログ・コンバータ）からの出力値はマイクロプロセッサ・システムによって光源の出力制御に使用される。ＬＥＤ（発光ダイオード）など、任意の制御可能な光源が使用され得る。このような光源からの光（たとえば、可視、赤外、紫外など）が検査対象物を照明する。検査対象物からの光は、たとえば、デジタル・カメラなどのＬＳＤによって受けられる。カメラのＡＤＣ（アナログ−デジタル出力コンバータ）は、マイクロプロセッサ・システムに接続されている。次いで、ＬＳＤから所与の目標値出力が得られるまで、コンピュータ・システムは、光の強度を調整することができる。手順は、検査対象物のカメラ画像中の単一の画像要素（画素）または一群の画素を使用することによって実施され得る。検査対象物からの反射光、透過光、（蛍光の場合には）再放出光および／または拡散光はこの方法によって測定され得る。
【００１３】
目標値を得るためのＤＡＣ調整は逐次近似探索法によって行われる。その後、この方法のＤＡＣ調整ステップ数が、解の分解能（ビット数）を規定する。このビット数は、ＤＡＣの設定回数および後続のＡＤＣ値の読取り回数とも等しい。ただし、この探索は高速化され得る。最初に、（基準検査対象物で）システムの設定値を較正することによって、画像取得の必要数と組み合わされた較正テーブル中で高速な探索を行うことによって、より高速な探索が行われ得る。
【実施例】
【００１４】
次に、図１〜図１２を参照すると、本発明の実施例によるシステムは、
光源１０（たとえば、異なる色のＬＥＤ）と、
光源コントローラ２０（たとえば、デジタル−アナログ・コンバータすなわちＤＡＣ）と、
ＬＳＤ（光感応性デバイス）３０（たとえば、デジタルまたはアナログ・カメラ）と、
出力レベル検出器４０（たとえば、ＡＤＣコンパレータ）と、
データ・プロセッサ・システム５０と、
（検査対象物が配設される）照明領域６０とを含む。
【００１５】
図１に示す本発明によるシステムにおいて、本発明の光測定方法が使用され得る。このシステムは、連鎖状に閉じた以下の機能ユニットを備える。
１．光源用電源２０からの出力を制御するプロセッサ（コンピュータ）５０（図１の太い矢印参照）
２．この電源出力が光源１０の強度を制御する。
３．この光源が照明領域６０に配設された検査対象物を照明する。
４．ＬＳＤ（光感応性デバイス）３０によって、検査対象物から（たとえば、反射、透過、拡散などの）改変された光が受けられる。
５．ＬＳＤ出力がアナログ信号の場合には、この出力がデジタル化される。
６．このデジタル化されたＬＳＤ出力がプロセッサ・システム５０によって読み取られる（図１の太い矢印参照）。
【００１６】
このシステムによって、ＬＳＤから一定の目標値が得られるように光源出力あ調整され得る。光源出力設定値は、様々な検査対象物に対して変化し、ＬＳＤによって検査対象物から受け取る光の尺度として用いられる。
【００１７】
異なるスペクトルの放出光を有する光源を使用するか、あるいは、光が（広帯域）ＬＳＤに達する前に広帯域光源を濾波することによって、検査対象物からの光のスペクトル情報が得られる。ＬＥＤの色は、可視スペクトルだけでなく、近赤外および近紫外のスペクトル範囲を含み得る。
【００１８】
次に、本発明によるシステムの実施例の特定のユニットをさらに詳細に説明する。
１．プロセッサ５０は、複数の方法によって光源２０の電力を制御することができる。
ａ）たとえば、電流出力を備えたデジタル−アナログ・コンバータによって、光源の電流は制御され得る。
ｂ）たとえば、電圧出力を備えたデジタル−アナログ・コンバータによって、光源の電圧は制御され得る。
ｃ）プロセッサによって出力電力はパルス化され得る。パルス長およびパルス・レートならびにパルス振幅は変更され得る。
２．光源１０は以下のいずれか１つとすることができる。
ａ）発光ダイオード
ｂ）白熱電球
ｃ）ガス放電ランプ、または
ｄ）レーザなど
必要な場合には、光源からの光はスペクトル的に濾波され得る。
３．概ね照明領域６０内に配設された検査対象物は、光源１０から光を受け取る。ＬＳＤ（光感応性デバイス）３０は、検査対象物から（たとえば、反射光、透過光、再放出光または拡散光などの）改変された光を受け取る。
４．ＬＳＤ３０は、実質的に、光検出器および必要な支持回路ならびに光学系を備える。可能な光検出器は、以下のものを含む。
ａ）フォトダイオードまたはアバランシェ・フォトダイオード
ｂ）フォトトランジスタ
ｃ）ＣＣＤカメラ・チップ
ｄ）ＣＭＯＳカメラ・チップ
ｅ）光電子増倍管
５．プロセッサ・システム５０は、ＬＳＤ３０から出力を読み取ることができる。この出力がアナログ信号（電圧または電流）の場合、これはデジタル信号に変換される。これは、以下の方法の１つで行うことができる。
ａ）図２に示すように、コンパレータが使用され得る。
ｂ）電圧または電流が増加すると、パルス・レートが増加（または減少）するように、電圧または電流がパルスに変換され得る。これは、電圧（または電流）−周波数コンバータを使用することによって行うことができる。次いで、プロセッサが、（その内部クロックを使用することによって）パルス間の時間を測定して、ＬＳＤ出力信号をデジタル化することができる。
ｃ）ＡＤＣ（アナログ−デジタル・コンバータ）が使用され得る。
６．プロセッサ・システム５０が、ＬＳＤ３０から出力信号を受け取る。
ａ）図２に示すデジタル化方法が適用される場合、以下の手順が使用され得る。
ＬＳＤの出力範囲内でＶ_ｒｅｆが適切な出力目標値に調整される。
以下で説明するＳＡＭ（逐次近似法）に従って、プロセッサ５０が光源出力を調整する。
ｂ）デジタル出力を備えたカメラ３０が使用される場合、以下の手順が使用され得る。
デジタル目標出力値Ｔが、ＬＳＤの出力範囲内の適切な値に選択される。
以下で説明するＳＡＭ（逐次近似法）に従って、プロセッサ５０が光源出力を調整する。
【００１９】
不特定の検査対象物の光レベルを探索する最も高速な方法は、２値ＳＡＭ（逐次近似法）を利用することによる。本発明者らは、
ａ）入出力の関係が未知である時、あるいは、
ｂ）入出力の関係が線形である時、あるいは、
ｃ）入出力の関係は非線形であるが、それが単調増加または単調減少である時にＳＡＭを用いる。
【００２０】
ＳＡＭの手順は以下のごとく記述できる（図１０および図１１の流れ図参照）。
１．ＬＳＤの出力目標値Ｔが規定される。デジタル・カメラ・システムを使用する場合、Ｔは、このシステムの出力範囲の任意の出力値とすることができるが、好ましくは、この範囲の中間の値である。単一画素出力または１組の画素出力の平均値が目標値として使用され得る。詳細は下記を参照されたい。図２に示すように接続され、アナログ出力を備えたＬＳＤを使用する場合、Ｖ_ｒｅｆは適切な値（好ましくは、ＬＳＤの応答範囲の中間）に調整される。
２．ＤＡＣの初期ステップ値（ＳＶ）が、ＤＡＣの最大値＋１を２で割った商として定義される。ＤＡＣが１０ビットの分解能を有する場合、その最大値は１０２３となり、初期ＳＶは５１２となる。
３．ＤＡＣの初期出力がＳＶに等しく設定される。
４．以下のステップがＮ−１回繰り返される。Ｎは、ＤＡＣの２進桁数である。（ＤＡＣが１０ビットの分解能を有する場合、Ｎは１０に等しくなる。）
以下のループが実行される。
５．現在のＤＡＣ出力値がＤＡＣに転送され、ＡＤＣからの結果出力を測定する。
６．ＡＤＣ値がＴよりも大きい場合、
ＳＶが２で割られる。
現在のＤＡＣ出力値からこの新しいＳＶ値が引かれる。
このループが（Ｎ−１回）続けられる。
ＡＤＣ値がＴよりも小さい場合、
ＳＶが２で割られる。
この新しいＳＶ値が現在のＤＡＣ出力値に加えられる。
このループを（Ｎ−１回）続ける。
ＡＤＣ値がＴに等しい場合（この条件は、ＡＤＣが１ビットの出力範囲を有する場合には用いない）、
このループは終了される。
ループはここで終了する。
７．このループが終了された後、ＤＡＣの現在の（最終の）設定値が記録され、光量の尺度として用いられる。
【００２１】
ステップ５および６が繰り返されるごとに、２進数の１つの桁（ビット）だけ精度が改良される。保存された照度値において１／１０２４の精度を得るには、最大１０回の照度調整および画像記録が行わなれなければならない。大部分のデジタル・カメラ回路は、１秒当たり約１０枚あるいはそれ以上の画像を記録することができ、したがって、約１秒以内で正確な光測定値を得ることができる。
【００２２】
１つ以上の画素に基づく目標出力値
１つ以上の画素がカメラからの目標出力値を定義するのに使用され得る。一群の画素からの合計または平均出力値が「メタ画素」を表すようにすることによって、この「メタ画素」に対して、単一画素に対するのと同じ目標探索手順が適用され得る。検査対象物が、滑らかな白色または色付いた区域など比較的均質な表面である場合、この区域からのＡＤＣカメラ出力の画素値は、限られた範囲内でしか変化しないであろう。図９ａを参照されたい。画素値範囲が狭い場合、すなわち、応答関数のほぼ直線部分内にある場合（図５参照）、上記探索手順から記録された画像は、各画素値を調整し、目標値を生ずるＤＡＣ値を計算することができる。これは、直線近似によって行われ得る。図９ｂの場合のように画素値範囲が比較的大きい場合、それぞれ応答関数のほぼ線形な部分内に入るように、画像は副群に分割されるべきである。主要な副群の平均値は、上記探索手順の目標値を規定するのに使用されるべきである。精度を増すために、各群ごとに目標値を有する追加の画像が記録され得る。
【００２３】
（注：検査対象物の表面が完全に均質な場合でも、カメラの画素サイズ、照明の均一性、カメラの光学系における不可避のむらのために、検査対象物画像からの画素出力は変化するであろう。）
【００２４】
「メタ画素」は多くの画素の平均なので、その数字上の分解能は、単一画素についてのＡＤＣ出力分解能よりもよい。逆に言えば、ＡＤＣ出力が１０ビット以上の場合、最上位ビット８桁しか保存することができないが、「メタ画素」値については依然として高精度が得られることになる。
【００２５】
較正
カメラのＡＤＣ出力と光強度のＤＡＣ設定値の関係は、以下のようにして得ることができる。基準検査対象物が使用され、反射率が測定される場合には白色表面、透過率または光の散乱が測定される場合には透明物体が好ましい。各ＡＤＣ値ごとに、対応するＤＡＣ値が較正テーブルに記録される。（伝達関数が滑らかな曲線の場合、限られた回数の測定が較正テーブルを確立するために行われなければならない）
カメラの制御パラメータの設定値によっては、この関係は、図３に示す白色物体からの光についての関数に類似したものになり得る。
ＤＡＣ値と光強度の関係が線形に近い（または線形の）場合、この較正曲線は、（測定範囲内の）すべての検査対象物について反射率を計算することに後で使用され得る。図４および以下に説明する方法を参照されたい。
【００２６】
逐次近似法の高速化（図１２参照）（注：この方法は、図２に示すもののような１ビットＡＤＣタイプに用いられない。）
照明された基準物体（通常は白色物体）についてＤＡＣ入力とＡＤＣ出力の関係が較正された後、この較正テーブルは、プロセッサ・システムによって迅速に結果を得ることに使用され得る。通常、プロセッサ・メモリ中のテーブルからの読み取りは、光源出力を調整し、その後ＬＳＤからの出力を記録するよりもはるかに速い。
【００２７】
手順の例
上記で説明したようにＤＡＣ値とＡＤＣ値との間の関係が較正され表にされていると仮定する。さらに、ＤＡＣ値と光強度との間にほぼ線形関係を仮定する。これが、赤色および青色発光ダイオードについて仮定され得ることを図６に示す。最後に、ＤＡＣとＡＤＣの関係は、図３に示す関数に類似していると仮定する。図４では、図３のほぼ線形の応答曲線が、（ベスト・フィットした）直線で置き換えられている。白色および非白色物体についての応答直線は、点（Ｎｚ、Ｍｚ）から始まり、ＡＤＣの最大値（１０２３）に達して飽和する。直線の式は、白色および非白色物体それぞれについて、Ｍ＝ａ_Ｗ×Ｎ＋ｂ_ＷおよびＭ＝ａ×Ｎ＋ｂである。これらの式で、ａ_Ｗ、ｂ_Ｗ、ａおよびｂは既知の定数である。カメラのオフセット値Ｍ_Ｚは、光を消し、その暗画像を記録することによって得られる。図４で、Ｍ_Ｚは１８５に等しい。このＭ_Ｚの値は、Ｎ_Ｚ以下のすべてのＤＡＣ設定値について一定と仮定する。このＮ_Ｚの値は、白色物体についての線形応答の式に点（Ｎ_Ｚ、Ｍ_Ｚ）を入力することによって、Ｎ_Ｚ＝（Ｍ_Ｚ−ｂ_Ｗ）ａ_Ｗと得られる。
１．上記で説明した逐次近似法を利用することによって、この手順は始まり、ＤＡＣ値Ｎ_ｃが、最小値Ｍ_ｚと飽和値１０２３の間に入るＡＤＣ値Ｍが得られるまで行う。
２．記録されたＡＤＣ値は、白色物体に対して較正された表のスケールを、非白色物体のスケールに変換するのに使用される。Ｎ_Ｃを与えるＡＤＣ値Ｍは較正テーブルからＮ_Ｗを求めるのに使用される。テーブルは、目標ＡＤＣ値についてのＡＤＣ値Ｔ_Ｗも与える。この時点で、非白色物体についての目標値を与えるＤＡＣ値Ｔ_Ｃが求められる。図から以下のことがわかる。
（Ｔ_Ｃ−Ｎ_Ｚ）／（Ｎ_Ｃ−Ｎ_Ｚ）＝（目標値−Ｍ_Ｚ）／（Ｍ−Ｍ_Ｚ）
または、Ｔ_Ｃ＝Ｎ_Ｚ＋（目標値−Ｍ_Ｚ）×（Ｎ_Ｃ−Ｎ_Ｚ）／（Ｍ−Ｍ_Ｚ）
３．次いで、Ｔ_Ｃ値がＤＡＣに転送され、生じるＡＤＣ値が読み取られる。
４．たとえば、光源制御値と光源出力値の間に（わずかな）非線形性がある場合、カメラの応答が非線形である場合、または温度が変化している場合、受け取られたＡＤＣ値ＡＤＣＶは、Ｔ（目標）値から外れていることがある。図５に、非白色検査対象物について測定した非線形性の例を示す。ＴとＡＤＣＶのずれが許容可能な（小さい）制限値ΔＴよりも大きい場合、Ｔ_Ｃ値は調整されなければならない。このような補正は多くの方法で行うことができる。一例を以下に示す。上記で示した直線の式中の定数ａで定義したこの線の傾きはほとんど変化しないと仮定することができる。このとき、この傾きは次式で与えられる。
ａ＝（Ｔ−ＡＤＣＶ）／（Ｔ_Ｃ［ｃｏｒｒ．］−Ｔ_Ｃ）
ただし、Ｔ_Ｃ［ｃｏｒｒ．］は、補正したＴ_Ｃ値である。この式から次式が得られる。
Ｔ_Ｃ［ｃｏｒｒ．］＝（Ｔ−ＡＤＣＶ）／ａ＋Ｔ_Ｃ
５．（ステップ３の）Ｔ_ＣにＴ_Ｃ［ｃｏｒｒ．］を代入する。
ＡＤＣ値とＴのずれが十分に小さくなるまで、ステップ３〜５を繰り返すことができる。
【００２８】
反射率および透過率の測定
前記装置および方法によって、（白色または透明な）基準物体が最初に測定される。基準物体が検査対象物に置き換えられた後、再度、目標出力値が得られるまでＤＡＣ出力が調整される。その後、ＤＡＣ（基準）／ＤＡＣ（検査）の比が測定値として使用され得る。
【００２９】
光の制御と物質の濃度の間で単一伝達関数を使用すること
表面が様々な量の物質で被覆されているとき、反射率の変化からこの物質の濃度が計算され得る。この関係は、ほとんどの場合非線形である。しかし、図１の各構成要素間と、反射率と物質の量との間のすべての（非線形または線形）関数は、共通の伝達関数に統合され得る。高精度で物質の濃度を求めるために、このシステムを較正しなければならないので、入力として現在のＤＡＣ設定値を用いてこの較正を行うことができる。これが、ＤＡＣ設定値と物質濃度の間の単一（非線形）伝達関数を生ずる。
【００３０】
「実施例」膜上で測定されたＣＲＰ
検査原理
ＣＲＰ検査は、固相サンドイッチ・フォーマットのイムノ分析評価である。
カートリッジ中の検査チューブ上に、固定されたＣＲＰ特異モノクローナル抗体が被覆された白色膜が取り付けられる。
この膜を通して、希釈し溶解させた血液サンプルが流され、抗体によってサンプル中のＣ−反応性タンパク質が捕捉される。
その後で添加された共役溶液は、（紫色の）超微細金粒子で共役化されたＣＲＰ特異抗体を含む。膜上で捕捉されたＣＲＰが、サンドイッチ・タイプの反応において抗体−金共役体を拘束する。
最後のステップで、洗浄溶液で結合していない共役物が膜から取り除かれる。
血液サンプル中の病理学的なレベルのＣＲＰの存在下では、膜は紫色に見える。サンプルのＣＲＰ濃度に伴って色量は増加する。
【００３１】
測定プラットホーム
図７に、測定構成を概略的に示す。この構成では、ＰＣと、ベルギー国Ｍｅｃｈｅｌｅｎ所在のＦｉｌｌｆａｃｔｏｒｙ社のＩＢＩＳデジタル・カメラと、光源としてＰＣから制御可能なＬＥＤとが使用される。検査対象物は、カメラの前に取り付けられた膜である。
【００３２】
測定プロセスの説明
白色膜を挿入する。
光強度画像ＬＷを生成する。アルゴリズム１を用いる。
ＣＲＰ検査を実施する。
色付いた膜を挿入する。
光強度画像ＬＣを生成する。アルゴリズム１を用いる。
光反射率画像ＬＲ＝ＬＷ／ＬＣを計算する。
画像ＬＲから平均色反射率を計算する。
平均色反射率の値およびＣＲＰ較正曲線から量に関するＣＲＰ値を計算する。
【００３３】
アルゴリズム１の詳細な説明および定義
光強度画像（ＬＷおよびＬＣ）の生成
定義：
Ｔ：目標カメラ値（６５０）
Ｉ：取得画像
ＩＬ：取得画像のリスト
Ｌ：ＬＥＤ値
ＬＬ：使用したＬＥＤ制御値のリスト
ＭａｘＬ：最大ＬＥＤ制御値（６００００）
ＭｉｎＬ：最小ＬＥＤ制御値（３００）
Ｃ：１画素のカメラ指示値
ＣＬ：すべての取得画像からの１画素のカメラ値のリスト
ＬＩ：１画素の光強度
ＭａｘＣ：最大許容カメラ値（９００）
ＭｉｎＣ：最小許容カメラ値（４００）
ＮＩ：補間反復回数（１０）
ＮＤ：光強度値の計算時に使用する最大エントリ数（４）
Ｒ：不要な部分を削除した平均値を計算する際に使用する半径
Ｍ：半径Ｒの円内で不要な部分を削除して計算した平均値
ＭＬ：不要な部分を削除して計算した平均値のリスト
ＳＬ：不要な部分を削除した平均値を計算する際に省いた低エントリ・パーセント
ＳＨ：不要な部分を削除した平均値を計算する際に省いた高エントリ・パーセント
ＤＴ：Ｔに近い所望の値までの相対距離（１０）
不要な部分を削除した平均値Ｍの計算：
半径Ｒの色付き円内部の画素に基づくヒストグラムを作成する。
ヒストグラム中の最低のＳＬおよび最高のＳＨのエントリを省く。
平均値を計算する。
アルゴリズム１：
Ｌ＝ＭｉｎＬとする。Ｉを取得する。Ｍを計算する。ＩをＩＬに格納する。ＬをＬＬに格納する。ＭをＭＬに格納する。
Ｌ＝ＭａｘＬとする。Ｉを取得する。Ｍを計算する。ＩをＩＬに格納する。ＬをＬＬに格納する。ＭをＭＬに格納する。
Ｌ＝（ＭｉｎＬ＋ＭａｘＬ）／２とする。
ＳｔｅｐＬ＝（ＭａｘＬ−ＭｉｎＬ）／４とする。
以下をＮＩ回繰り返す。
Ｉを取得する。Ｍを計算する。ＩをＩＬに格納する。ＬをＬＬに格納する。ＭをＭＬに格納する。
Ｍ＞＝Ｔの場合、Ｌ＝Ｌ−ＳｔｅｐＬとする。
Ｍ＜Ｔの場合、Ｌ＝Ｌ＋ＳｔｅｐＬとする。
ＳｔｅｐＬ＝ＳｔｅｐＬ／２とする。
繰返しを終了する。
ＭＬ中でＴに最も近い３個のエントリを見つける。
ＬＬ中で対応するエントリを用いて、最良の最小自乗法による直線Ｌ＝Ａ×Ｍ＋Ｂを計算する。
Ｄｉｓｔ＝（ＭａｘＣ−ＭｉｎＣ）／ＤＴとする。
Ｍ０＝Ｔ−Ｄｉｓｔ、Ｍ１＝Ｔ、Ｍ２＝Ｔ＋Ｄｉｓｔとする。
最小自乗法による直線Ｌ＝Ａ×Ｍ＋Ｂを用いて、対応するＬ０、Ｌ１、Ｌ２を計算する。
Ｌ０＝ｍａｘ（Ｌ０、ＭｉｎＬ）、Ｌ０＝ｍｉｎ（Ｌ０、ＭａｘＬ）とする。
Ｌ１＝ｍａｘ（Ｌ１、ＭｉｎＬ）、Ｌ１＝ｍｉｎ（Ｌ０、ＭａｘＬ）とする。
Ｌ２＝ｍａｘ（Ｌ２、ＭｉｎＬ）、Ｌ２＝ｍｉｎ（Ｌ０、ＭａｘＬ）とする。
Ｌ＝Ｌ０とする。Ｉを取得する。Ｍを計算する。ＩをＩＬに格納する。ＬをＬＬに格納する。ＭをＭＬに格納する。
Ｌ＝Ｌ１とする。Ｉを取得する。Ｍを計算する。ＩをＩＬに格納する。ＬをＬＬに格納する。ＭをＭＬに格納する。
Ｌ＝Ｌ２とする。Ｉを取得する。Ｍを計算する。ＩをＩＬに格納する。ＬをＬＬに格納する。ＭをＭＬに格納する。
各画素ごとに、以下を行う。
ＣＬを作成する。
ｍａｘ（ＣＬ）＜＝ＭｉｎＣの場合、ＬＩ＝ｍａｘＬとし、次の画素を続けて行う。
ｍｉｎ（ＣＬ）＞＝ＭａｘＣの場合、ＬＩ＝ｍｉｎＬとし、次の画素を続けて行う。
ＣＬ中でＴに最も近いＮＤ個のエントリを見つける。
ＬＬ中で対応するエントリを用いて、最良の最小自乗法による直線Ｌ＝Ａ×Ｍ＋Ｂを計算する。
ＬＩ＝Ａ×Ｔ＋Ｂとする。
ＬＩ＝ｍａｘ（ＬＩ、ＭｉｎＬ）、Ｌ０＝ｍｉｎ（ＬＩ、ＭａｘＬ）とする。
各画素ごとの実行を終了する。
アルゴリズム１の終了
【００３４】
本発明の上記説明および実施例は、本発明の原理の応用の単なる例と解釈すべきである。たとえば、本発明のシステムおよび方法は、任意のタイプの光（たとえば、赤外、可視、紫外）に適用可能である。
【００３５】
したがって、上記説明は特許請求の範囲のを限定するものではなく、本発明の真の趣旨および範囲は、特許請求の範囲によって定義される。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明による方法を用いた本発明の実施例によるシステム構成を示す図である。このシステムは、マイクロプロセッサ・システムを使用して、光源の出力を制御する。この光源は検査対象物を照明する。検査対象物からの光は光感応性デバイスによって受け取られる。デバイスからの出力はプロセッサ・システムによって受け取られる。
【図２】光感応性デバイスのアナログ出力をデジタル化することができる方法の例を示す図である。
【図３】ＤＡＣ出力から、デジタル型ＬＳＤからのＡＤＣ出力への伝達関数の例を示す図である。図１で説明したものと同様の構成で、白色および非白色物体を測定する。ＤＡＣ分解能は１６ビットであり、ＡＤＣ（カメラ）分解能は１０ビットである。
【図４】高速探索の例を示す図である。ＡＤＣ最小値（またはオフセット値）は約２００である。ＡＤＣ最大値（または飽和値）は１０２３である。ＤＡＣ値Ｎ_Ｃについて、ＡＤＣの最大値と最小値の間に位置する第１ＡＤＣ値Ｍが求められる。本文中でより完全に説明するように、この値はＴ_Ｃを求めるのに使用される。
【図５】ＤＡＣ設定値とＡＤＣ出力の非線形関係を示す図である。ここに示す測定では、非白色物体の応答曲線は、３５０よりも大きく、約７５０までのＡＤＣ値ではほぼ直線である。７５０よりも大きく、１０２３で飽和するところまでは、図に示すように、応答曲線は直線（破線）から外れ、右側に傾く。非線形性によるこのずれは、多くのカメラで典型的なものであり、本発明者らが使用したＩＢＩＳカメラのデータ・シートに示された曲線と同様のものである。また、ＤＡＣ設定値と光源出力の間の非線形性も、応答曲線の形状に影響を及ぼすことになる。図６を参照されたい。
【図６ａ】赤色ＬＥＤ（発光ダイオード）の光度の測定値を、ＬＥＤを流れる電流の関数として示す図である。図に示すように、この応答は直線で近似され得る。
【図６ｂ】青色ＬＥＤ（発光ダイオード）の光度の測定値を、この光源を流れる電流の関数として示す図である。この応答は、赤色ＬＥＤの場合よりも線形性の度合いが少ないが、依然として２ｍＡよりも大きい電流については直線で近似され得る。
【図７】ＣＲＰを含む円形膜を測定するための構成を（概略的に）示す図である。ＣＲＰを塗布する前に、白色膜を測定する。図８ｂに示すように、処理した後で膜の中央部が色付く。
【図８ａ】実施例で使用したＩＢＩＳカメラで記録した白色膜の画像を示す画像である。
【図８ｂ】実施例で使用したＩＢＩＳカメラで記録した色付いた膜の画像を示す画像である。色付きはいくらか不均一である。
【図９ａ】図８ａの白色で色付いていない表面からの画素値の広がりを示す図である。目標値（６５０）は、画素の平均出力値からわずかにずれている。ここでは、照明ＤＡＣ値は、４０８２に設定されている。
【図９ｂ】図８ｂのＣＲＰを含む色付いた表面からの画素の広がりを示す図である。画素の広がりは白色表面の場合よりも大きい。ここでは、照明ＤＡＣ値は、１４５０５に設定されている。
【図１０】光レベルをデジタル化するのに用いる単一画素ＳＡＭ（逐次近似法）を示す流れ図である。
【図１１】光レベルをデジタル化するのに用いるメタ画素ＳＡＭ（逐次近似法）を示す流れ図である。
【図１２】光レベルをデジタル化するのに用いる高速メタ画素ＳＡＭ（逐次近似法）を示す流れ図である。

Claims (61)

1. 照明領域を照明する光源放出光を制御することによって光測定値をデジタル化して、光感応性デバイスから一定またはほぼ一定の信号を得るシステムであって、
   複数の光信号によって、検査対象物を含む照明領域を制御可能に照明するように構成された光源と、
   前記照明領域内の前記検査対象物によって全体的に改変された前記複数の光信号を記録し、前記改変された複数の光信号に対応する出力信号を送信するように構成された光感応性デバイスと、
   前記出力信号を受け取り、制御信号を生成するように構成されたデータ・プロセッサ・システムと、
   前記制御信号を介して前記データ・プロセッサ・システムに受信可能に接続され、前記光源の動作を制御する光源コントローラとを備え、それにより、前記出力信号が一定になるように、前記放出される光信号が調整可能に制御可能である、システム。
2. 前記光感応性デバイスがデジタル・カメラである、請求項１に記載のシステム。
3. 前記光感応性デバイスがデジタル・ビデオ・カメラである、請求項１に記載のシステム。
4. 前記光感応性デバイスがアナログ・カメラである、請求項１に記載のシステム。
5. 前記光感応性デバイスに受信可能に接続され、かつ前記光感応性デバイスの出力信号を表すデジタル信号を提供するように構成された出力レベル検出器をさらに備える、請求項４に記載のシステム。
6. 前記改変された光信号が、前記照明領域内の前記検査対象物からの反射、および／または前記検査対象物を貫通する透過、および／または前記検査対象物による拡散によって改変される、請求項１に記載のシステム。
7. 前記出力信号がアナログ信号であり、前記アナログ出力信号が出力レベル検出器に送られ、前記出力レベル検出器が、調整可能な基準電圧Ｖｒｅｆによって１ビットのデジタル出力信号を生成する、請求項１に記載のシステム。
8. 前記出力信号がデジタル信号である、請求項１に記載のシステム。
9. 前記光源の電流が制御される、請求項１に記載のシステム。
10. 電流出力を備えたデジタル−アナログ・コンバータによって前記電流が制御される、請求項９に記載のシステム。
11. 前記光源の電圧が制御される、請求項１に記載のシステム。
12. 電圧出力を備えたデジタル−アナログ・コンバータによって前記電圧が制御される、請求項１１に記載のシステム。
13. 前記プロセッサによって前記出力電力がパルス化される、請求項１に記載のシステム。
14. 前記パルスの長さおよび／または速度および／または振幅が変更される、請求項１３に記載のシステム。
15. 前記光源が、任意の数の発光ダイオードを備える、請求項１に記載のシステム。
16. 前記光源が、任意の数の白熱電球を備える、請求項１に記載のシステム。
17. 前記光源が、任意の数のガス放電ランプを備える、請求項１に記載のシステム。
18. 前記光源が、任意の数のレーザを備える、請求項１に記載のシステム。
19. 前記光源からの前記光がスペクトル濾波される、請求項１に記載のシステム。
20. 前記光感応性デバイスが光検出器を含む、請求項１に記載のシステム。
21. 前記光検出器がフォトダイオードまたはアバランシェ・フォトダイオードを含む、請求項２０に記載のシステム。
22. 前記光検出器がフォトトランジスタを含む、請求項２０に記載のシステム。
23. 前記光検出器がＣＣＤカメラ・チップまたはその均等物を含む、請求項２０に記載のシステム。
24. 前記光検出器がＣＭＯＳカメラ・チップまたはその均等物を含む、請求項２０に記載のシステム。
25. 前記光検出器が光電子増倍管を含む、請求項２０に記載のシステム。
26. 前記プロセッサ・システムが、前記光感応性デバイスからの前記出力を読み取る、請求項１に記載のシステム。
27. 前記ＬＳＤ（光感応性デバイス）の出力がアナログ信号（電圧または電流）である、請求項１に記載のシステム。
28. 前記アナログ信号がコンパレータによってデジタル信号に変換される、請求項２７に記載のシステム。
29. 前記電圧または電流が増加する時パルス・レートが増加または減少するように、前記アナログ信号がパルスに変換され、前記パルス・レートの増加または減少が電圧（または電流）−周波数コンバータを使用することによって完成され、その後、前記プロセッサが、（たとえば、その内部クロックを使用することによって）パルス間の時間を測定し、それによって、前記ＬＳＤ出力信号をデジタル化する、請求項２７に記載のシステム。
30. 前記アナログ信号がＡＤＣ（アナログ−デジタル・コンバータ）によってデジタル信号に変換される、請求項２７に記載のシステム。
31. 照明領域内の少なくとも１つの検査対象物を照明する光源放出光を制御することによって光測定値をデジタル化して、光感応性デバイスから一定またはほぼ一定の信号を得るシステムであって、
    制御信号を生成するように構成されたデータ・プロセッサ・システムと、
    前記制御信号に応答する光源コントローラと、
    前記光源コントローラに応答する光源と、
    検査対象物を含み、前記光源によって照明される照明領域と、
    前記検査対象物によって改変された光を画像化し、前記改変された光を表す出力信号を前記データ・プロセッサ・システムに伝えるように構成された光感応性デバイスとを含み、それにより、前記出力信号が一定になるように、前記改変された光信号が調整可能に制御可能である、システム。
32. 前記光源が、複数の光信号によって前記検査対象物を制御可能に照明する、請求項３１に記載のシステム。
33. 前記光感応性デバイスが、前記検査対象物によって全体的に改変された複数の光信号を画像化する、請求項３１に記載のシステム。
34. 前記改変された光信号が、前記照明領域内の前記検査対象物からの反射、および／または前記検査対象物を貫通する透過、および／または前記検査対象物による拡散によって改変される、請求項３１に記載のシステム。
35. 前記出力信号がアナログ信号であり、前記アナログ出力信号が出力レベル検出器に送られ、前記出力レベル検出器が、調整可能な基準電圧Ｖｒｅｆによって１ビットのデジタル出力信号を生成する、請求項３１に記載のシステム。
36. 前記出力信号がデジタル信号である、請求項３１に記載のシステム。
37. 前記電流が電流出力を備えたデジタル−アナログ・コンバータによって制御可能である、請求項３１に記載のシステム。
38. 前記電圧が電圧出力を備えたデジタル−アナログ・コンバータによって制御可能である、請求項３１に記載のシステム。
39. 前記光源が、任意の数の発光ダイオードを備える、請求項３１に記載のシステム。
40. 前記光源が、任意の数の白熱電球を備える、請求項３１に記載のシステム。
41. 前記光源が、任意の数のガス放電ランプを備える、請求項３１に記載のシステム。
42. 前記光源が、任意の数のレーザを備える、請求項３１に記載のシステム。
43. 前記光源からの前記光がスペクトル濾波される、請求項３１に記載のシステム。
44. 前記光感応性デバイスが光検出器を含む、請求項３１に記載のシステム。
45. 前記光検出器がフォトダイオードまたはアバランシェ・フォトダイオードを含む、請求項４４に記載のシステム。
46. 前記光検出器がフォトトランジスタを含む、請求項４４に記載のシステム。
47. 前記光検出器がＣＣＤカメラ・チップまたはその均等物を含む、請求項４４に記載のシステム。
48. 前記光検出器がＣＭＯＳカメラ・チップまたはその均等物を含む、請求項４４に記載のシステム。
49. 前記光検出器が光電子増倍管を含む、請求項４４に記載のシステム。
50. 前記ＬＳＤ（光感応性デバイス）の出力がアナログ信号（電圧または電流）である、請求項３１に記載のシステム。
51. 前記アナログ信号がコンパレータによってデジタル信号に変換される、請求項４８に記載のシステム。
52. 前記電圧または電流が増加する時パルス・レートが増加または減少する場合、前記アナログ信号がパルスに変換され、前記パルス・レートの増加または減少が電圧（または電流）−周波数コンバータを使用することによって完成され、その後、前記プロセッサが、（たとえば、その内部クロックを使用することによって）パルス間の時間を測定し、それによって、前記ＬＳＤ出力信号をデジタル化する、請求項４８に記載のシステム。
53. 前記アナログ信号がＡＤＣ（アナログ−デジタル・コンバータ）によってデジタル信号に変換される、請求項４８に記載のシステム。
54. 逐次近似法によって光のレベルをデジタル化して光量を測定する方法であって、
    検査対象物によって改変された光信号を受け取る光感応性デバイスの出力目標値を特定することと、
    前記光感応性デバイスに接続されたＡＤＣ（アナログ−デジタル・コンバータ）の初期ステップ値を規定することと、
    前記光信号を提供する光源を制御するＮビット分解能ＤＡＣ（デジタル−アナログ・コンバータ）の出力値を前記初期ステップ値に設定することと、
    前記出力目標値に対する前記ＡＤＣ値の関係に基づいて、前記ＤＡＣ出力値の調整を、前記調整終了時に前記ＡＤＣ値が前記出力目標値に等しくなるまで１回または複数回、最大（Ｎ−１）回反復して繰り返すことと、
    最終ＤＡＣ出力値を前記光信号値の尺度として取り扱うこととを含む、方法。
55. 前記ＤＡＣ出力値の前記調整が、
    前記ＡＤＣ値が前記出力目標値よりも大きい場合、前記ステップ値を２で割り、現在のＤＡＣ出力値から前記新しいステップ値を減じ、
    前記ＡＤＣ値が前記出力目標値よりも小さい場合、前記ステップ値を２で割り、現在のＤＡＣ出力値に前記新しいステップ値を加えることを含む、請求項５４に記載の方法。
56. 前記光感応性デバイスの応答範囲の中間になるように前記出力目標値が選択される、請求項５４に記載の方法。
57. 検査対象物を含む照明領域を照明する光源放出光を制御することによって光測定値をデジタル化して、前記光感応性デバイスから一定またはほぼ一定の信号を得る方法であって、
    複数の光信号によって照明領域を制御可能に照明することと、
    前記複数の光信号を改変することと、
    前記複数の改変された光信号を記録することと、
    前記複数の改変された光信号に対応する出力信号を送信することと、
    前記出力信号に基づいて光源の動作を制御することとを含み、それにより、前記出力信号が一定になるように、前記照明光信号が調整可能に制御可能である、方法。
58. 前記出力信号がデジタル信号である、請求項５７に記載の方法。
59. 前記出力信号がアナログ信号であり、前記アナログ信号をデジタル信号に変換することをさらに含む、請求項５７に記載の方法。
60. 前記出力信号に基づいて制御信号を生成して、前記光源の動作を制御することをさらに含む、請求項５７に記載の方法。
61. 前記プロセッサ・システムが、前記ＬＳＤから前記出力信号を受け取り、
    前記ＬＳＤの出力範囲内で適切な出力目標値にＶｒｅｆを調整することと、
    ＳＡＭ（逐次近似法）に従って、前記プロセッサにより前記光源の出力を調整することとを含む、請求項５７に記載の方法。

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