JP2020530106A - 媒体を分析するための装置、ならびに関連する卵識別装置及び方法 - Google Patents

Abstract

分析すべき媒体（たとえば鳥卵）を調べるための装置が提供される。このような装置には、媒体に向けて光を放出するように構成された発光体アセンブリが含まれている。発光体アセンブリには、第１の光信号を放出するように構成された第１の発光体源と、第２の光信号を放出するように構成された第２の発光体源とが含まれている。第１及び第２の光信号を位相直交で媒体を通して送信する。検出器アセンブリが、媒体を通して送信された第１及び第２の光信号を検出するように構成されている。検出器アセンブリはさらに、第１及び第２の光信号それぞれの相対振幅または絶対振幅を分離するように構成されている。プロセッサが、検出信号を処理して、第１及び第２の光信号の相対振幅及び絶対振幅のうちの少なくとも一方を用いて媒体の特性を特定するように構成されている。対応する方法も提供されている。【選択図】図５

Description

本開示は全般的に、分析すべき媒体の特性を特定するためのデバイスに関する。より詳細には、本開示は、媒体の特性を特定するために用いる発光体・検出器システムであって、ある場合には、鳥卵内の胚の生存能力または存在を判定するために用い得るシステム、及び関連する方法に関する。

家禽卵を何らかの観察可能な品質に基づいて見分けることは、家禽業界では良く知られた、長い間利用されている慣行である。「キャンドリング」はこのような技術の１つに対する一般名であり、ロウソクの光を用いて卵を検査する元々の慣行にその起源がある用語である。卵に精通した者であれば周知のように、卵殻はほとんどの照明条件下で不透明に見えるが、実際には多少半透明であり、直接光の前に置けば卵の中身を観察することができる。

生存家禽に孵化されるべき卵を通常は胚発育中にキャンドリングして、透明卵、腐敗卵、及び死亡卵（まとめて、本明細書では「非生存卵」と言う）を識別する。非生存卵（生存不能卵とも言う）を孵卵から取り除いて、利用可能な孵卵器スペースを増やす。多くの場合、孵化する前に、生存卵（生存可能卵とも言う）内に卵内注射によって物質を導入することが望ましい。民間家禽業界では、孵化後の死亡率を減らすかまたは孵化した鳥の成長速度を上げるために、鳥卵内に種々の物質を注射することが採用されている。

民間の家禽生産では、民間のブロイラー卵のうち一定の割合のみが孵化する。孵化しない卵には、受精しなかった卵、並びに受精したが死んだ卵が含まれる。民間の家禽生産で生じる非生存卵の数の故に、卵内注射及び処置物質のコスト用に自動化された方法を用いること、生存卵を識別（または非生存卵を識別）して非生存卵を取り除くかまたは生存卵のみに選択的に注射するための自動化された方法を用いることが望ましい。

卵は「生存」卵の場合がある。すなわち、生存可能な胚がある。図１に孵卵のおよそ１日目の生存家禽卵１を例示する。図２に孵卵のおよそ１１日目の生存卵１を例示する。卵１は、１０で表される辺りに多少細い端部を有し、また２０で示す辺りに広がった端部または丸い端部が対向して配置されている。図１では、胚２が卵黄３の上に示されている。卵１には、広がった端部２０に隣接して気室４が含まれている。図２に例示するように、ひよこの翼５、脚部６、及びくちばし７が発育している。

卵は「透明」または「無精」卵の場合がある。すなわち、胚がない。より詳細には、「透明」卵は腐敗しなかった無精卵である。卵は「早期死亡」卵の場合がある。すなわち、胚がおよそ１〜５日経って死んでいる。卵は「中期死亡」卵の場合がある。すなわち、胚がおよそ５〜１５日経って死んでいる。卵は「後期死亡」卵の場合がある。すなわち、胚がおよそ１５〜１８日経って死んでいる。

卵は「腐敗」卵の場合がある。すなわち、卵には、腐敗した無精卵黄（たとえば、卵の殻に亀裂が入った結果）、あるいは腐敗した死亡胚が含まれている。「早期死亡」、「中期死亡」、または「後期死亡胚」は腐敗卵の場合があるが、これらの用語を本明細書で用いる場合、腐敗していない卵を指す。透明卵、早期死亡卵、中期死亡卵、後期死亡卵、及び腐敗卵は「非生存」卵であると分類される場合もある。なぜならば、それらには生存胚が含まれていないからである。

以前のキャンドリング装置の中には、不透明度特定システムを用いているものがあった。このシステムでは、複数の光源及び対応する光検出器がアレイ状に搭載されて、光源と光検出器との間のフラット上に卵を通す。しかしこのシステムは、特に腐敗卵に関して、生存卵と非生存卵とを見分けることに限られている。腐敗卵には、有害な病原体が含まれている場合があり、これに近接する本来は生存可能卵を汚染する可能性がある。

したがって、生存卵と非生存卵とを正確に区別することができる卵識別システム、特に腐敗卵を識別することができる卵識別システムを提供することが望ましいであろう。さらに、このように生存卵と非生存卵とを見分けることを高スループットで正確に行いやすくする関連する方法を提供することが望ましい。

前述及び他の必要性は、本開示の態様によって満たされる。本開示では、一態様により、分析すべき媒体を調べるための装置が提供される。装置は、媒体に向けて光を放出するように構成された発光体アセンブリを有する。発光体アセンブリは、第１の光信号を放出するように構成された第１の発光体源と、第２の光信号を放出するように構成された第２の発光体源とを有する。第１及び第２の光信号は位相直交で媒体を通して送信される。検出器アセンブリが、媒体を通して送信された第１及び第２の光信号を検出するように構成されている。検出器アセンブリはさらに、第１及び第２の光信号それぞれの相対振幅または絶対振幅を分離するように構成されている。プロセッサが、検出信号を処理して、第１及び第２の光信号の相対振幅または絶対振幅のうちの少なくとも一方を用いて媒体の特性を特定するように構成されている。

別の態様では媒体を分析する方法が提供される。本方法には、分析すべき媒体を通して第１の光信号及び第２の光信号を位相直交で送信することが含まれる。本方法にはさらに、媒体を通して送信された第１及び第２の光信号を検出することと、第１及び第２の光信号それぞれの相対振幅または絶対振幅を分離することとが含まれる。本方法にはさらに、第１及び第２の光信号の相対振幅または絶対振幅のうちの少なくとも一方を用いて媒体の特性を判定することが含まれる。

さらに別の態様では、卵の現状を非侵襲的に特定するための装置が提供される。装置には、卵に向けて光を放出するように構成された発光体アセンブリが含まれる。発光体アセンブリは、第１の光信号を放出するように構成された第１の発光体源と、第２の光信号を放出するように構成された第２の発光体源とを有する。第１及び第２の光信号は位相直交で卵を通して送信される。検出器アセンブリが、卵を通して送信された第１及び第２の光信号を検出するように構成されている。検出器アセンブリはさらに、第１及び第２の光信号それぞれの相対振幅または絶対振幅を分離するように構成されている。プロセッサが、検出された第１及び第２の光信号を処理して、第１及び第２の光信号の相対振幅または絶対振幅のうちの少なくとも一方を用いて卵の現状を特定するように構成されている。

さらに別の態様では、卵の現状を分析する方法が提供される。本方法には、分析すべき卵を通して第１の光信号及び第２の光信号を位相直交で送信することが含まれる。本方法にはさらに、卵を通して送信された第１及び第２の信号を検出することと、第１及び第２の光信号それぞれの相対振幅または絶対振幅を分離することとが含まれる。本方法にはさらに、第１及び第２の光信号の相対振幅または絶対振幅のうちの少なくとも一方を用いて卵の現状を判定することが含まれる。

このように、本明細書の他の場所でも詳述しているように、本開示の種々の態様によって利点が得られる。

以上のように本開示の種々の実施形態を概略的に説明した上で、添付図面を参照する。図面は必ずしも一定の比率では描かれていない。

孵卵のおよそ１日目の生存鶏卵を例示する。 孵卵のおよそ１１日目の生存鶏卵を例示する。 本開示の一態様による卵識別装置の概略斜視図である。 卵を固定位置に収容することができる卵フラットの概略斜視図である。 本開示の一態様による卵識別システムを例示する図である。 本開示の一態様による卵識別方法の一部を例示するグラフである。 本開示の一態様による卵識別方法の一部を例示するグラフである。 本開示の一態様による、媒体の特性を特定するために用いる方法による検出器ゲイン対検出光のパワー変動の周波数のプロットである。 本開示の一態様による、図８の場合よりも長いサンプル時間に対する検出器ゲイン対検出光のパワー変動の周波数のプロットである。 本開示によるアナログ実施態様を例示する図である。 本開示によるダウンコンバータのデジタル実施態様を例示する図である。 隣接チャネル除去及び周波数計画に対する本開示の方法態様を例示する図である。 本開示の方法の一部として直交誤差の効果を例示する図である。 異なる卵タイプの光学密度対送信光の波長のプロットである。 干渉光を用いずに生存卵と非生存卵とを識別するための信号パワー対位相角をプロットするグラフである。 干渉光を用いずに生存卵と非生存卵とを識別するための信号パワー対位相角をプロットするグラフである。 図５に示すシステムに対するフィルタ帯域幅とノイズフロアとの間の測定された関係を例示する図である。 図５に示すシステムに対するフィルタ帯域幅とノイズフロアとの間の測定された関係を例示する図である。 生存卵と非生存卵とを識別するための信号パワー対位相角をプロットするグラフであり、自己干渉光の効果を例示する図である。 生存卵と非生存卵とを識別するための信号パワー対位相角をプロットするグラフであり、自己干渉光の効果を例示する図である。 生存卵と非生存卵とを識別するための信号パワー対位相角をプロットするグラフであり、自己干渉光の効果を例示する図である。 生存卵と非生存卵とを識別するための信号パワー対位相角をプロットするグラフであり、自己干渉光の効果を例示する図である。

次に本開示の種々の態様について、添付図面を参照して以下でより十分に説明する。図面では、本開示の一部だがすべてではない態様を示す。実際には、本開示を多くの異なる形態で具体化してもよく、本明細書で述べる態様に限定されると解釈してはならない。むしろこれらの態様は、本開示が適用される法的要件を満たすように提供される。全体を通して同様の番号は同様の要素を指す。

本開示は、分析すべき媒体の１つ以上の特性を判定または特定するための装置及び方法に関する。本開示は、パルス酸素測定、ガス分析、または分析すべき他の物体もしくは媒体に用途があり得る。より詳細には、本開示は、卵内の胚の生存能力の判定を向上させるための装置及び方法に関する。場合によっては、本開示を、複数の卵の生存能力の判定を高スループットで行うために実施してもよい。場合によっては、卵を識別システムに無接触または非接触で通してもよいが、他の場合では、卵に機械的な光シールを接触させて漂遊信号（たとえば、周辺光）を減らしてもよい。本明細書で用いる場合、用語「無接触」及び「非接触」は、生存能力を判定するときの発光体・検出器対の動作中に、卵と本明細書で開示した卵識別システムの特定のコンポーネントとの間の離間に配置された関係を維持することを指す。

さらに、本開示は、卵の生存能力を判定するために送信（いわゆる「スルービーム」）モードを用いる装置及び方法に関する。送信モードで動作させることによって、卵識別装置の発光体及び検出器を共通の長手軸に沿って軸方向に位置合わせして、装置を実現可能な方法で構成し得るようにしてもよい。すなわち、発光体アセンブリ及び検出器アセンブリを卵の両側に配置して、卵がそれらの間を容易に通って評価及び識別ができるようにしてもよい。

本開示の態様による本方法及び装置を用いて、胚発育（孵卵期間とも言う）中の任意の時点で生存卵と非生存卵とを正確に識別してもよい。本開示の態様は、胚発育期間中の特定の日（たとえば、１１日目）または時間のみにおける識別に限定されない。加えて、本開示の態様による方法及び装置を任意の種類の鳥卵（たとえば、限定することなく、鶏、七面鳥、カモ、ガチョウ、ウズラ、キジ卵、外来鳥卵など）とともに用いてもよい。

図３に、本開示の種々の態様を実施することができる卵識別装置１００を例示する。卵識別装置１００には、フレーム１２０及び搬送機システム１４０が含まれていてもよい。搬送機システム１４０は、卵フラット５０（図４）に収容される複数の卵を卵識別システム１６０まで運ぶように構成されている。場合によっては、卵識別装置１００にはオペレータインターフェースディスプレイ１８０が含まれていてもよい。オペレータインターフェースディスプレイ１８０は、卵識別装置１００及び／または分析用に卵識別システム１６０を通る卵に関する情報を表示することができる。卵識別装置１００には、その種々の態様（たとえば、卵識別システム１６０の特定のコンポーネントを有効及び無効にできること）を制御するための１つ以上のコントローラが含まれていてもよい。卵識別装置１００は持ち運び可能であってもよく、また場合によっては、他の関連するデバイス（たとえば、卵注射装置、卵選別装置、卵搬送装置、卵除去装置、または性別識別装置など）に接続され得るようにモジュール方式で構成してもよい。場合によっては、卵識別システム１６０を、卵注射装置、卵選別装置、卵搬送装置、卵除去装置、または性別識別装置に直接適用してもよい。

図４を参照して、卵フラット５０を、複数の端部５４を有する本体５２で形成してもよい。本体５２は複数の開口ポケット５６を画定してもよい。各ポケット５６は、対応する卵の端部を収容することができる。場合によっては、卵の細い端部１０（図１及び２）をポケット５６内に収容して、丸い端部２０が卵フラット５０の上方に突き出るようにしてもよい。複数の突起部材５８をポケット５６の周りに設けて、卵が縦向きに維持されるようにしてもよい。卵を卵フラット５０に入れて運んでもよいが、卵の現状を特定するために複数の卵をある時間にわたって卵識別システム１６０に渡す任意の手段を用いてもよい。

次に図５を参照して、本開示の態様により卵の現状を非侵襲的に特定するための卵識別システム１６０を概略的に例示する。本明細書で説明するシステム及び方法は、卵の評価の全体を通して卵殻構造が無傷のままであるという点で非侵襲性であると言ってもよい。発光体・検出器対５００を卵の分類で用いるために設けてもよい。例示した発光体・検出器対５００には、発光体アセンブリ２００と検出器アセンブリ３００とが含まれていてもよい。動作時には、複数の発光体・検出器対５００をアレイ状に配設して、卵フラット５０（図４）によって支持される対応するアレイの卵を分類するために用いてもよい。発光体アセンブリ２００には発光体ハウジングが含まれていてもよい。本開示の態様は発光体ハウジングの例示した構成に限定されない。発光体ハウジングは、限定することなく種々の形状、サイズ、及び構成を有していてもよい。発光体アセンブリ２００のアレイを、卵識別システム１６０のフレームまたは他の支持部材を介して支持してもよい。卵識別システム１６０を無接触で動作させて卵が物理的に接触しないようにしてもよいため、発光体アセンブリ２００を静止位置に配置してもよい。

卵１に、卵１の丸い端部２０に近接して位置する発光体アセンブリ２００の第１及び第２の発光体源２１０、２２０から出る光を照射してもよい。場合によっては、２つの発光体源２１０、２２０から出る光ビームを結合して平行にして、結合信号によって表される単一ビームにしてもよい。場合によっては、発光源２１０、２２０から放出された光を平行にして及び／またはフォーカスしてもよい。本開示の種々の実施形態によれば、物体に約４００〜２６００ナノメートルの範囲内の波長の光を照射してもよい。鳥卵の応用例の場合、個々の各発光源２１０、２２０は特に、卵に可視スペクトル、赤外線スペクトル、近赤外スペクトル、または紫外線スペクトル内の波長の光を照射してもよい。第１及び第２の発光体源２１０、２２０は異なる波長の光を放出する。第１及び第２の発光体源２１０、２２０は、約７５０〜９５０ｎｍ、好ましくは約８００〜９１０ｎｍの範囲の光を放出してもよい。場合によっては、第１の発光体源２１０は、約８００〜８１０ｎｍの範囲、好ましくは約８０５〜８０９ｎｍの範囲の光を放出してもよい。この領域では、鳥卵の高い選択性が得られる一方で、第１の発光体波長の良好な送信特性が得られる。第２の発光体源は、約９００〜９１０ｎｍの範囲、好ましくは約９０５〜９１０ｎｍの範囲の光を放出してもよい。この領域でも、鳥卵の高い選択性が得られる一方で、第２の発光体波長の良好な送信特性が得られる。他の卵タイプ及び材料では、異なる波長が必要なこともある。

発光体アセンブリ２００を、卵１の長手軸に沿って電磁放射線の放出が最大になるように構成して、放出が卵１に向けてコヒーレントに送られるようにしてもよい。すなわち、卵１の所定の領域上に発光源２１０の放出を投影するように発光体アセンブリ２００を構成してもよい。いくつかの態様によれば、発光体源２１０、２２０を、たとえば、発光ダイオード（ＬＥＤ）またはレーザーダイオード（ＬＤ）、レンズ、バッフル、及び結合手段であって電磁スペクトルの種々の部分から光を放出するように構成されたもので形成してもよい。しかし、本開示の態様はＬＥＤまたはＬＤを用いることに限定されない。限定することなく、種々のタイプの発光体源を用いてもよい。詳細には、光の狭いスペクトルを放出する任意の供給源を用いてもよい。

検出器アセンブリ３００を、発光体アセンブリ２００の反対側の卵１の細い端部１０に隣接して配置してもよく、また検出器アセンブリ３００は、卵を通して送信された光を受け取ってもよい。検出器アセンブリ３００にはさらに、検出デバイス、たとえばフォトダイオード、レンズ、バッフル、増幅器、及びフィルタが含まれていてもよい。検出器アセンブリ３００を、媒体または材料を通して送信された放射束の目標部分を、波長の関数として測定するように構成してもよい。本明細書で光測定値に対して用語「強度」を用いることに関しては、パワー測定値（ワット）に言及する場合には「放射束」、またはパワー／面積（Ｗ／ｍ＾２）に言及する場合には「放射照度」と解釈しなければならない。検出器アセンブリ３００を、卵１に対する光強度値を、卵の現状（すなわち、生存能力または生存無能力）を判定するための利用可能な情報に変換するように構成してもよい（たとえば、マイクロプロセッサを介して）。同様に、光強度値を処理して、当該の卵が早期死亡、中期死亡、後期死亡、透明、亀裂、腐敗、及び／または紛失であるかを判定するのに用いてもよい。卵１の丸い端部２０を図示して、照射されていると説明しているが、発光体アセンブリ２００と検出器アセンブリ３００の位置を切り替えて、電磁放射線を上向きに送って卵１の細い端部１０内に入れ、送信光を丸い端部２０で検出することもできる。

卵識別システム１６０には、１つ以上のコントローラまたは適切なハードウェアが含まれていてもよい。たとえば、コントローラ（複数可）７５、８０は、発光源２１０、２２０を制御するドライバであってもよい。オペレータがコントローラとやり取りできるように、オペレータインターフェース（たとえば、ディスプレイ）１８０を好ましくは設けてもよい。コントローラを、１つ以上の発光源２１０、２２０を作動及び作動停止させる制御信号を発生させるように構成してもよい。関数発生器（たとえば、任意の関数発生器７０など）を設けて、電気波形を発生させ、振幅、周波数、及び位相を制御してもよい。任意の関数発生器によって周期的なユーザ定義の波形を発生させることができる。コントローラにはまた、必要に応じて、１つ以上の発光源２１０、２２０及び検出器アセンブリ３００を制御し、検出器アセンブリ３００からの信号を処理するかまたは他の場合には評価及び測定する他のデバイスが含まれていてもよい。コントローラには、プロセッサ、または好適なソフトウェアを含む他の好適なプログラム可能もしくはプログラム不能な回路が含まれていてもよい。

プロセッサ６００を検出器アセンブリ３００に動作可能に接続してもよく、プロセッサ６００は、場合によっては、検出器アセンブリ３００から信号を受け取って処理してもよい。プロセッサ６００はまた、卵に対して生成されたデータセットを既知の卵状態に関連付けられるデータと比較してもよく、この比較データを用いて、タイプ（すなわち、生存、透明、死亡、腐敗）に従って卵を分類してもよい。プロセッサ６００は、１）検出器アセンブリ３００から信号を受け取って処理し、２）各卵に関連付けられるデータを処理及び記憶するように構成してもよい。

オペレータインターフェース１８０は、任意の好適なユーザインターフェースデバイスであってもよく、好ましくはタッチスクリーンまたはキーボードが含まれている。オペレータインターフェース１８０によって、ユーザは、コントローラから種々の情報を取り出し、種々のパラメータを設定し、及び／またはコントローラをプログラム／再プログラムすることができてもよい。オペレータインターフェース１８０には、他の周辺デバイス、たとえば、プリンタ、及びコンピュータネットワークへの接続部が含まれていてもよい。フラット５０内の複数の卵のそれぞれの特定された状態を、オペレータインターフェース１８０を介して、卵の集団または群に対する累積統計値とともに図式的に表示してもよい。このような累積統計値を、分類データを用いてプロセッサ６００が集めて、計算して、及び／または推定してもよい。累積統計値には、各集団、群、またはフラットに対して、早期死亡割合、中期死亡割合、及び腐敗卵の割合が含まれていてもよい。これらの統計値は、孵化場及び孵卵器動作、ならびに品種または群のステータス及び能力をモニタ及び評価するのに有用であり得る。

本開示によって、２つの別個の信号を同じ正弦波搬送波上で送信し、送信信号を検出し、検出器における別個の各信号の相対振幅を分離するための新しい装置及び方法が提供される。結合信号を、各信号に対する影響（たとえば、減衰）が異なる媒体を通して送信してもよい。媒体と２つの信号との相互作用によって、媒体についての有用な情報（特性）が得られる。検出信号によって、相対振幅または絶対振幅の両方を通して、媒体についての特性を特定する手段が得られる。単一搬送波上で二波長を用いることは、光吸収測定の分野では新しいことである。直交振幅変調（ＱＡＭ）を用いることは、デジタルデータを送信するための通信システムの分野で用いられる技術である。送信部ではなく、測定した媒体への吸収によって、振幅変調が適用される。２つの波長を吸収することによって、検出信号振幅の変化が媒体に応じて異なる。これは、位相偏移キーイング（単一象限）がなく、振幅シフトキーイング（滑らかな移行）がないという点で単純化される。この新しい方法によって、媒体の特性を特定するために用い得る非常に正確な相対的吸収測定値が得られる。

２つの信号を位相直交（すなわち、９０度位相）で送信することで、２つの信号の直交性によって、各信号の振幅を高精度で再生することができ、各信号の位相を知ることができる。信号を較正するために、対象とする信号のみを有効にして、送信信号の生成に用いた基準信号に対する受信信号の位相を測定することによって、いずれかの信号の位相が容易に測定され得る。したがって、第１の信号の基準位相を決定し、第２の信号に対する駆動信号を補償して、２つの信号を検出器において位相直交にしてもよい。

この技術は、振幅の小さい変化を２つの信号間で見分けるのに優位である。なぜならば、両信号に対して経路ゲインまたは減衰が同じだからである。さらに、信号は同じ周波数で送信され得るため、信号処理（たとえば、フィルタ応答）において周波数依存性のばらつきが生じると、両信号に等しく影響する。

これに関連して、本開示では、９０度の位相オフセットを伴って媒体中を送信される第１の周期信号及び第２の周期信号が提供される。結合信号を、第１の周期信号及び第２の周期信号との相互作用が異なる媒体を通して送信してもよい。媒体はこれらの信号をそれぞれ減衰させてもよい。媒体を出た信号は、第１の周期信号及び第２の周期信号の振幅中に材料特性についての有用な情報を有し得る。光信号の場合、光検出器の出力振幅は、最大及び最小の検出放射束（流束は、光検出器に達したものを意味する）の間の差である。第１の周期信号及び／または第２の周期信号の初期位相が分かれば、各信号の振幅を決定し得る。

場合によっては、第１の周期信号及び第２の周期信号は、異なる波長で放出された光であってもよい。発光源と反対側に位置する光検出器によって光信号を検出してもよい。媒体は、異なる波長の光が媒体を通して送信されることによってその特性が明らかになる任意の材料であってもよい。場合によっては、媒体は鳥卵たとえば鶏卵であってもよい。

前述したように、第１及び第２の周期信号を９０度の位相オフセットを伴う位相直交で送信してもよい。ベクトル解析では、内積によって２つのベクトル間の角度を以下のように決定することができる。
ａ・ｂ＝‖ａ‖‖ｂ‖ｃｏｓ（Θ）

たとえば、ａ及びｂが３次元空間Ｒ３における非ゼロベクトルで、Θがそれらの間の角度である場合、ａ・ｂ＝０となるのはｃｏｓ（Θ）＝０のときのみである。これは、２つのベクトルは内積の値がゼロの場合に垂直であるという有用な物理的解釈をもたらす。したがって、内積を用いて、２つのベクトルが垂直または直交しているか否かを判定するための好都合な方法が得られる。ノルム（長さ）が１であるベクトルを単位ベクトルと言う。単位ベクトルは正規化されていると言う。ベクトルの群が互いに直交して正規化されている場合、系は正規直交であると言う。正規直交ベクトル集合は基準系を構成する。直交座標系でのｘ−ｙ平面、複素変数を記述する実数／虚数平面、及び３次元系を記述するｉ−ｊ−ｋベクトルは、良く知られた基準系を規定する正規直交ベースのベクトル集合の例である。

さらに、図６及び７を参照して、内積によって、ベクトルｃがどのように別のベクトルａ上に「射影される」かの指標が得られる。ａが非ゼロ単位ベクトル（‖ａ‖＝１）であると仮定する。ｂが第２の非ゼロ単位ベクトル（‖ｂ‖＝１）で、ｂがａに直交すると仮定すると、ａ・ｂ＝０である。ベクトルｃをｃ＝αａ＋βｂ（α及びβはスカラ）と記述してもよい。生成物αを、ｃのａに沿った成分、またはｃのａに沿った射影という。
ａ・ｃ＝ａ・（αａ＋βｂ）＝αａ・ａ＋βａ・ｂ（注意：ａ・ｂ＝０）
α＝（ａ・ｃ）／（ａ・ａ）＝（‖ａ‖‖ｃ‖ｃｏｓ（Θ））／（‖ａ‖‖ａ‖ｃｏｓ（０））（注意：‖ａ‖＝１）
α＝ａ・ｃ＝‖ｃ‖ｃｏｓ（Θ）

フーリエ級数の展開において、ベクトルの直交性の概念は関数に一般化される。間隔α≦ｘ≦β上での２つの実数値関数ｕ（ｘ）及びｖ（ｘ）の標準内積は、次のように規定される。

α≦ｘ≦β上で、関数ｕ及びｖは、それらの内積が消える場合、すなわち以下である場合、直交していると言う。

関数の集合は、集合内の関数の別個の各対が直交している場合、互いに直交していると言う。以下の定理によって、これらの概念は関数ｓｉｎ（ｍπｘ／ｌ）及びｃｏｓ（ｍπｘ／ｌ）に関係付けられる。関数ｓｉｎ（ｍπｘ／ｌ）及びｃｏｓ（ｍπｘ／ｌ）、ｍ＝１、２、…、は、間隔−ｌ≦ｘ≦ｌ上で互いに直交する関数の集合を構成する。これらは、直交関係として知られる以下の等式を満たす。

方程式（１）、（２）、（３）における関係を、ｍ！＝ｎであるときに周波数で直交すると言ってもよく、一方で、方程式（２）における関係を、ｍ＝ｎであるときに位相で直交すると言ってもよい。開示した装置及び方法の実施態様において、周波数で直交する２つの信号を用いてもよい。代替的に、開示した装置及び方法の実施態様において、位相で直交する２つの信号を用いてもよい。

そのベクトル対応物と同様に、互いに直交する関数の集合を用いて基準系を構成して、他の関数を記述してもよい。たとえば、正弦、余弦、または複素指数を用いるフーリエ級数を用いて、任意の周期関数を記述してもよい。

これらの結果を直接積分によって得てもよい。たとえば、次式である。

ただし、ｍ＋ｎ及びｍ−ｎはゼロではない。ｍ及びｎは正であるため、ｍ＋ｎ≠０である。他方で、ｍ−ｎ＝０である場合、ｍ＝ｎであり、積分の値は別の方法で求めなくてはならない。この場合、次式となる。

前述の方程式（１）及び（３）において、ｍ＝ｎのときの積分値は積分時間の関数であることに注意されたい。すなわち、再生された「信号」の「強度」は積分時間とともに増加する。前述の方程式（１）、（２）、（３）において、周波数は１／（２ｌ）の整数倍数であり、そうでない場合には残存する誤差項が存在することに注意されたい。さらに、直接積分（ｍ≠ｎ）の結果において、ｍ及び／またはｎの大きな値に対して、第２項は第１項と比べて小さいことに注意されたい。逆に、ｍ及びｎが同じ値に近づく領域において第１項は大きくなる。

前述の方程式（１）〜（３）において、以下であるとする。
ｍ＝ｃｆ／ｆ_ｏ
ｎ＝ｃｆ_ｏ／ｆ_ｏ＝ｃ
ｌ＝ｃ／（２ｆ_ｏ）
ｘ＝ｔ

ここで、
ｆ_ｏ＝所望の検出周波数
ｃ＝ｌにおけるｆ_ｏの周期の整数。なお、積分時間は２ｌである。
ｔ＝時間

ｆ_ｏ＝１０ｋＨｚ、ｃ＝１０周期または２ｍｓである以下の例について考える。
ｍ＝１０ｆ／１００００＝ｆ／１０００
ｎ＝１０
ｌ＝１０／（２＊１００００）＝０．０００５

場合によっては、複数の発光体・検出器対を実装して、卵識別装置１００の中を移動する卵に対するスループットを増加させてもよい。本開示の態様により、このような配置における発光体が、周波数計画スキームに従う直交周波数関係を有する信号を送信してもよい。

図８に検出器ゲイン対周波数をプロットする。ｍが整数値（すなわち、ｆ／１０００が整数）であるときに、ヌルが起きてゼロ信号が検出されることに注意されたい。これは周波数計画において有用で、複数の発光体が異なる周波数で送信することを可能にする場合がある。積分時間またはデータサンプリング（収集サイズ及び時間）を制御することによって、検出器を、これらの周波数ヌル上で放出する隣接した送信部に対して非常に鈍感に形成してもよい。この例では、検出器は、１，０００Ｈｚ境界上で設定された隣接信号に鈍感である（ｆ_ｏ＝１０，０００Ｈｚ検出周波数である場合を除く）。しかし、ｍが整数でないときには、検出信号中に考慮すべき残存するゲイン項が存在する。

図９に、ｃ＝５０周期または１０ｍｓに設定することによってゲインがどのように影響されるかを示す。所望の周波数ｆ_ｏの信号ゲインと第１の「ローブ」におけるゲインとの比は同じままであるが、各ローブにおける最大ゲインはｆ_ｏの方に引き寄せられる。たとえば、１２．５ｋＨｚ干渉物の結果は、ｃ＝５０／１０ｍｓの場合よりもｃ＝１０／１ｍｓの場合の方がはるかに厳しい。積分時間を増加させると、これらのローブにおけるゲインはそれほど重要ではなくなる。加えて、キャンセル周波数の数が積分時間とともに増加して、周波数計画の密度を上げることができる（すなわち、隣接チャネルを配置するのにより多くのヌルが利用できる）。

本開示の信号処理を、位相敏感検出器を用いて行ってもよい。たとえば、製品ＳＲ５１０／ＳＲ５３０、ＳＲ８１０／ＳＲ８３０、及びＳＲ８５０などのロックイン増幅器である（すべて、Ｓｔａｎｆｏｒｄ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｓｙｓｔｅｍｓから販売されている）。ロックイン増幅器は、極めて雑音の多い環境から既知の搬送波を用いて信号を抽出することができるタイプの増幅器である。このようなロックイン増幅器を、デジタルドメインにおいてダウンコンバージョン乗算を行うために用いてもよい。アナログゲインブロック及びアンチエイリアシング段に続いて、これらのシステムはアナログデジタル変換（ＡＤＣ）を即座に実行してもよい。

ロックイン測定では周波数基準が必要である。典型的に、被試験物体を基準信号によって励起する。
Ｖ_ＲＥＦ＊ｓｉｎ（２πｆ_０ｔ＋θ_ＲＥＦ）
ここで、
Ｖ_ＲＥＦ＝基準の振幅
ｆ_０＝基準の周波数（ヘルツ）
ｔ＝時間（秒）
θ_ＲＥＦ＝基準信号の位相（ラジアン）

一般性を失うことなく、Ｖ_ＲＥＦを単一であると仮定してもよい。そして、基準信号に対して以後のすべての振幅を考慮してもよい。検出器によってシステムからの信号が増幅される。この増幅プロセスからの出力は以下のように表される。
Ｖ_ＳＩＧ＊ｓｉｎ（２πｆｔ＋θ_ＳＩＧ）
ここで、
Ｖ_ＳＩＧ＝出力信号の振幅
ｆ＝出力信号の周波数（ヘルツ）
ｔ＝時間（秒）
θ_ＲＥＦ＝基準信号の位相（ラジアン）

典型的なロックイン応用例ではＶ_ＳＩＧ＜＜Ｖ_ＲＥＦであることに注意されたい。検出器は増幅信号に本来の基準信号を乗じてもよい。乗算は位相敏感であってもよく、デジタルドメインまたはアナログドメインのいずれかで行ってもよい。パワースペクトル密度（ＰＳＤ）の出力は２つの正弦波の積である。
Ｖ_ＰＳＤ＝Ｖ_ＳＩＧ＊ｓｉｎ（２πｆｔ＋θ_ＳＩＧ）＊ｓｉｎ（２πｆ_０ｔ＋θ_ＲＥＦ）注意：Ｖ_ＲＥＦ＝１を仮定
＝（１／２）Ｖ_ＳＩＧ＊ｃｏｓ（２π［ｆ−ｆ_０］ｔ＋θ_ＳＩＧ−θ_ＲＥＦ）−（１／２）Ｖ_ＳＩＧ＊ｃｏｓ（２π［ｆ＋ｆ_０］ｔ＋θ_ＳＩＧ＋θ_ＲＥＦ）

所与の入力周波数に対して、ＰＳＤ出力は２つのＡＣ信号である。一方は差周波数（ｆ_０−ｆ）であり、他方は和周波数（ｆ_０＋ｆ）である。ＰＳＤ出力がローパスフィルタを通ると、ＡＣ和項（ｆ_０＋ｆ）が取り除かれて、差分項が残る。
＝（１／２）Ｖ_ＳＩＧ＊ｃｏｓ（２π［ｆ−ｆ_０］ｔ＋θ_ＳＩＧ−θ_ＲＥＦ）

ｆ＝ｆ_０であるとき、ＤＣ信号はＰＳＤにおいて以下のようになる。
Ｖ_ＰＳＤ＝（１／２）Ｖ_ＳＩＧ＊ｃｏｓ（θ_ＳＩＧ−θ_ＲＥＦ）

この最後の方程式によって、信号間の位相θ_ＳＩＧ−θ_ＲＥＦが時不変である必要性が明らかである。そうでない場合には、ｃｏｓ（θ_ＳＩＧ−θ_ＲＥＦ）は変化して、Ｖ_ＰＳＤは厳密にはＤＣ信号ではない。言い換えれば、検出器基準は信号基準に位相固定されていてもよい。θ_ＲＥＦをθ_ＳＩＧに調整することによって、θ_ＳＩＧ−θ_ＲＥＦをゼロに等しくして、ｃｏｓ（θ_ＳＩＧ−θ_ＲＥＦ）＝１にしてもよい。この調整は、混合器の前に位相調整θ＝θ_ＳＩＧ−θ_ＲＥＦを用いて行ってもよく、次のようになる。
Ｖ_ＰＳＤ＝（１／２）Ｖ_ＳＩＧ

逆に、θ_ＲＥＦをθ_ＳＩＧ−９０°に調整することによって、（θ_ＳＩＧ−θ_ＲＥＦ）を９０に等しくしてもよい。この場合、ｃｏｓ（θ_ＳＩＧ−θ_ＲＥＦ）＝０であり、入力信号はキャンセルされる。典型的に、ロックイン増幅器応用例では、第２のＰＳＤを加えることによってこの位相依存性をなくしてもよい。第２のＰＳＤが、９０°だけシフトした基準オシレータによって信号に乗じた場合、すなわち基準信号ｓｉｎ（２πｆ_０ｔ＋９０＋θ_ＲＥＦ）＝ｃｏｓ（２πｆ_０ｔ＋θ_ＲＥＦ）である場合には、そのローパスフィルタリングされた出力は次のようになる。
Ｖ_ＰＳＤ２＝（１／２）Ｖ_ＳＩＧ＊ｓｉｎ（θ_ＳＩＧ−θ_ＲＥＦ）

こうして２つの出力がある。一方はｃｏｓθに比例し、他方はｓｉｎθに比例する。第１の出力Ｉ及び第２の出力Ｑを次のようにする。
Ｉ＝（１／２）Ｖ_ＳＩＧ＊ｃｏｓθ
Ｑ＝（１／２）Ｖ_ＳＩＧ＊ｓｉｎθ

これらの２つの量は、信号をロックイン基準オシレータに対するベクトルとして表している。「Ｉ」を「同相」成分と言い、「Ｑ」を「直交」成分と言う。典型的に、ロックイン増幅器では、以下のように、大きさ計算から位相依存を取り除くことに加えて、第２のＰＳＤを用いて出力及び入力信号間の位相差を計算する。
Ｒ＝（Ｉ^２＋Ｑ^２）^１／２＝（１／２）Ｖ_ＳＩＧ
θ＝ｔａｎ^−１（Ｑ／Ｉ）

ロックイン増幅器が与える位相敏感検出をパルス酸素測定などの光学マルチスペクトル測定に適用して、単一の基準周波数ｆ_０上で２つの波長を測定することを可能にしてもよい。この技術によって、波長λ_１及びλ_２の２つの信号の検出パワー間で単純なレシオメトリック比較を行うことができる。

次の条件で、システムの直交除去特性を用いて２つの信号を同じ周波数で送信及び検出してもよい。
ｉ）２つの信号は９０°位相外れである（たとえば、それらは位相で直交する）
ｉｉ）２つの信号と基準との間の位相差は既知である

本明細書で用いる場合、用語「基準周波数」は「チャネル」と交換可能に用いる。概念的には、個々の波長に対するパワー測定値を検出器でそれらの周波数によって区別してもよい。２つの波長をさらに、基準周波数またはチャネル内でそれらの位相によって区別してもよい。

図１０に、本開示によるアナログ実施態様を示す。直交基準クロック
ｓｉｎ（２πｆ_０＋θ_ＲＥＦ） （Ａ）
ｃｏｓ（２πｆ_０＋θ_ＲＥＦ） （Ｆ）
これらを、直接デジタル合成（ＤＤＳ）１０００を用いて発生させてもよい。これらの２つの基準は、任意の絶対位相θ_ＲＥＦを有するが、互いに対する９０°の相対位相を有する。必要な信号を発生させることができる典型的なデバイスは、製品ＡＤ９８５４（Ａｎａｌｏｇ Ｄｅｖｉｃｅｓから販売）、またはＡＦＧ３０２２Ｃ Ａｒｂｉｔｒａｒｙ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ（ＡＦＧ）（Ｔｅｋｔｒｏｎｉｃｓから販売）である。直交基準を発生させるための他の方法があることに注意されたい（たとえばデジタル除算を備えたフェーズロックドループ）。測定システムの性質を変えずに、直交基準を発生させるための他の方法を用いてもよい。

基準信号（Ａ）及び（Ｆ）を用いて光パワードメインにおける信号の忠実な再生を、狭帯域の照明源（たとえば、中心波長がλ_１及びλ_２の発光ダイオード（ＬＥＤ）またはレーザーダイオード（ＬＤ））を用いて行う。すなわち、発光体の光パワーは入力信号に対して線形に変化してもよい。図１０に示すように、駆動回路１００２は入力信号を、ＬＥＤ１００４を駆動するために用いる電流に変換して、Ｐ_ＯＰＴ≒Ｋ＊Ｉ_ＬＥＤとなるようにする。ここで、Ｐ_ＯＰＴは光出力パワー、Ｉ_ＬＥＤはＬＥＤ電流、Ｋは定数である。ＬＤをＬＥＤの代わりに用いても良い。

２つの光源を（必須ではないが）結合して平行にして単一ビーム１００６にしてもよい。単一ビームを用いて、システムを較正すること及び検出信号と干渉する可能性がある迷光を制御することの種々の態様に対処する。測定はビームを結合及び／または平行化せずに行ってもよいが、較正及び検出が難しくなる。ビームの結合及び平行化は、限定することなく、ダイクロイックミラー、ランダム化２分岐光ファイバー束、または２色ＬＥＤを用いて実施してもよい。ダイクロイックミラー（たとえば、４５度ダイクロイックミラー）を用いて、異なる波長の２つのビームを結合してもよい。ダイクロイックミラーは、透明基材（たとえばガラスまたはサファイア）の一方の側に光干渉コーティングを、他方の側に任意的な反射防止コーティングを施したものを有している。２つのビームを正確にオーバーラップさせることを望む場合、２つの異なる波長のＬＥＤを遠隔に配置して、ランダム化２分岐光ファイバー束を用いて均質化してもよい。ケーブル束には２つの入力と１つの出力とがある。２色ＬＥＤは２つの独立に制御されたダイが共通のパッケージに入っている。

結合して平行にしたビームを試験物体１００８に送ってもよい。試験物体１００８を通った光は吸収されて散乱される。放射線は試験物体１００８を通して送信されると何桁も減衰し得る。試験物体１００８を通して送信された放射線を任意的に集光レンズ１０１０を用いて収集して、検出器アセンブリ３００上での光パワーを増加させ、収集光に対する空間選択性を得てもよい。図１０に示すように、シリコンＰＩＮダイオード１０２０を用いており、シリコンＰＩＮダイオード１０２０は、電磁スペクトルの可視及び近赤外線（ＮＩＲ）部分の波長に対して動作する。

ＰＩＮダイオード１０２０が生成する光電流を電圧信号に変換してもよい。電圧電流変換を、ＰＩＮダイオード１０２０に抵抗器を取り付けることによって行ってもよい。しかし、高ゲイン／低ノイズ応用例の場合には、トランスインピーダンス増幅器１０３０を設けてもよい。信号対雑音比（ＳＮＲ）を向上させるために、システムの帯域幅制約内でトランスインピーダンス増幅器のゲインを最大にしてもよい。

続けて電圧増幅器１０４０を設けることでさらなるゲインを得てもよい。必要に応じて、この第２段によって信号のスケーリングを得てもよいが、このスケーリング段を犠牲にしてＳＮＲのわずかな劣化が生じる。

ダウンコンバージョンの前に、ＤＣブロック（アナログ）、アンチエイリアシング（デジタル）、及び／またはノイズ帯域幅制約（アナログ／デジタル）を得るために、さらなるフィルタリング１０５０を必要としてもよい。場合によっては、第２ゲイン段１０４０及びフィルタ段１０５０を結合してもよい。

フィルタ段の出力は次のように表される。
Ｖ（ｔ）＝Ａｓｉｎ（２πｆ_０＋θ_ＳＩＧ）＋Ｂｃｏｓ（２πｆ_０＋θ_ＳＩＧ） （Ｅ）
ここで、
θ_ＳＩＧ＝フィルタブロックの出力における信号の位相
Ａ＝この点まで伝搬している直交基準のＩ出力のゲイン／減衰
Ｂ＝この点まで伝搬している直交基準のＱ出力のゲイン／減衰

遅延／位相回転段１０６０の出力は次の通りである。
ｓｉｎ（２πｆ_０＋θ_ＲＥＦ＋θ） （Ｂ）
ｃｏｓ（２πｆ_０＋θ_ＲＥＦ＋θ） （Ｇ）

フィルタ段（Ｅ）の出力に位相調整された基準信号を乗じて１０７０、ローパスフィルタ１０８０を用いて高周波成分を取り除いた結果、次のようになる。
［Ａｓｉｎ（２πｆ＋θ_ＳＩＧ）＋Ｂｃｏｓ（２πｆ＋θ_ＳＩＧ）］＊ｓｉｎ（２πｆ_０＋θ_ＲＥＦ＋θ）
＝（１／２）Ａｃｏｓ（［ｆ−ｆ_０］ｔ＋θ_ＳＩＧ−θ_ＲＥＦ−θ）−（１／２）Ａｃｏｓ（［ｆ＋ｆ_０］ｔ＋θ_ＳＩＧ＋θ_ＲＥＦ＋θ）
＋（１／２）Ｂｓｉｎ（［ｆ＋ｆ_０］ｔ＋θ_ＳＩＧ＋θ_ＲＥＦ＋θ）−（１／２）Ｂｓｉｎ（［ｆ−ｆ_０］ｔ＋θ_ＳＩＧ−θ_ＲＥＦ−θ） （Ｃ）
≒（１／２）Ａｃｏｓ（［ｆ−ｆ_０］ｔ＋θ_ＳＩＧ−θ_ＲＥＦ−θ）−（１／２）Ｂｓｉｎ（［ｆ−ｆ_０］ｔ＋θ_ＳＩＧ−θ_ＲＥＦ−θ） （Ｄ）
θ＝θ_ＳＩＧ−θ_ＲＥＦ
≒（１／２）Ａｃｏｓ（［ｆ−ｆ_０］ｔ）−（１／２）Ｂｓｉｎ（［ｆ−ｆ_０］ｔ）と設定する。

ｆ＝ｆ_０（またはｆ_０付近）の場合、
≒（１／２）Ａ（アナログデジタル変換器（ＡＤＣ）１０９０へのＩ入力において）
［Ａｓｉｎ（２πｆ＋θ_ＳＩＧ）＋Ｂｃｏｓ（２πｆ＋θ_ＳＩＧ）］＊ｃｏｓ（２πｆ_０＋θ_ＲＥＦ＋θ）
＝（１／２）Ａｓｉｎ（［ｆ−ｆ_０］ｔ＋θ_ＳＩＧ−θ_ＲＥＦ−θ）＋（１／２）Ａｃｏｓ（［ｆ＋ｆ_０］ｔ＋θ_ＳＩＧ＋θ_ＲＥＦ＋θ）
＋（１／２）Ｂｃｏｓ（［ｆ−ｆ_０］ｔ＋θ_ＳＩＧ−θ_ＲＥＦ−θ）−（１／２）Ｂｃｏｓ（［ｆ＋ｆ_０］ｔ＋θ_ＳＩＧ＋θ_ＲＥＦ＋θ） （Ｃ）
≒（１／２）Ａｓｉｎ（［ｆ−ｆ_０］ｔ＋θ_ＳＩＧ−θ_ＲＥＦ−θ）＋（１／２）Ｂｃｏｓ（［ｆ−ｆ_０］ｔ＋θ_ＳＩＧ−θ_ＲＥＦ−θ） （Ｄ）
θ＝θ_ＳＩＧ−θ_ＲＥＦ
≒（１／２）Ａｓｉｎ（［ｆ−ｆ_０］ｔ）＋Ｂｃｏｓ（［ｆ−ｆ_０］ｔ）と設定することを、次の場合に行う。
ｆ＝ｆ_０（またはｆ_０付近）
≒（１／２）Ｂ（アナログデジタル変換器（ＡＤＣ）１０９０へのＱ入力において）

代替的な態様では、図１１に示すように、デジタルドメインにおいて斜線ブロックを実施する。これらのブロックは、コンピュータによって（たとえば、デジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）上で実行されるソフトウェアにおいて）、またはロジック（たとえばフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ））において実施してもよい。ＡＤＣ１０９０の前に、フィルタブロック１０５０によってローパス、アンチエイリアシングフィルタを実施してもよい。ＡＤＣ１０９０の出力はフィルタ出力（Ｅ）のデジタル版を表す。乗算１１００をコンピュータによって処理してもよい。以後のローパスフィルタ機能を、ソフトウェアまたはデジタルハードウェアで（たとえば、ＦＩＲまたはＩＩＲフィルタで、またはＦＦＴ／ＤＦＴを直接用いて）実施してもよい。

また位相遅延１０６０をコンピュータによってまたは単純なデジタル時間遅延として処理してもよい。使用する際、Ｉ及びＱの両基準信号を検出器に印加する必要がなくてもよい。たとえ単一の基準を印加しても、第２を再び発生させることが可能である。

図１１に示すダウンコンバータのデジタル実施態様には、アナログ実施態様と比べていくつかの利点がある。第１に、デジタル乗算には、アナログ乗算器に共通の障害（たとえばｄｃオフセット、クロック漏れ、及び位相不均衡）がない。アナログ乗算器の障害は補償手段が必要となる場合がある。第２に、デジタル位相遅延をバランスさせられる場合があり、周波数及び温度に起因するばらつきの影響を受けない場合がある。第３に、アナログ乗算器はＤＳＰ及びＦＰＧＡよりも費用がかかる場合がある。

Ｉ及びＱ成分を再生するための図１０及び１１に例示したダウンコンバージョン（受信信号（Ｅ）に、送信信号を発生させるために用いた基準信号（Ｂ）及び（Ｇ）を乗じる）は、適切な間隔にわたって積分したときの方程式（１）、（２）、及び／または（３）を実現したものであることに注意されたい。積分時間を長くすることによって、再生信号の振幅を大きくして信号対雑音比（ＳＮＲ）を大きくする。デジタルドメインでは、積分及び以後のＬＰＦ（ローパスフィルタ）を、信号処理で用いる積分及びダンプブロックによって実現してもよい。これに関連して、離散フーリエ変換（ＤＦＴ）は、サンプリング開始が受信信号（Ｅ）と同期したときの同期ダウンコンバータである。標準ＤＦＴは正確な位相を再生しないので、ＤＦＴに対する係数を、正規化された基準から選ばなくてはならない。同様に、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を用いる場合には、基準信号ゼロ交差から始まるようにサンプリングが同期する場合を除いて、検出信号に対する正確な位相を与えない固定された回転因子を用いるように係数を最適化してもよい。

システム位相較正に関して言えば、Ｉ及びＱ上での信号を区別するために、乗算器の前で基準信号の位相を補正して、θ＝θ_ＳＩＧ−θ_ＲＥＦ＝０となるようにしてもよい。位相補正は、１つの供給源を無効にする（たとえば、λ_１供給源を有効にする一方で、λ_２供給源を無効にする）ことによって、システムを従来のロックイン増幅器に縮小するプロセスである。したがって、λ_１供給源の位相及び振幅を、θ＝ｔａｎ^−１（Ｑ／Ｉ）及びＲ＝（Ｉ^２＋Ｑ^２）^１／２として測定すべきである。この場合、Ｑ成分が十分に小さくなるまで位相を調整すれば十分である。較正は、λ_１供給源を無効にし、λ_１供給源を有効にして、Ｉ成分が十分に小さいことを検証することによって、検証してもよい。代替的に、試験物体（たとえば、卵）がないときに、基準信号（Ｅ）の位相を測定してもよい。測定した位相を基準として用いてもよい。λ_２に対するλ_１の吸収を、この初期基準位相に対して定量化してもよい。

振幅較正に関して言えば、フィルタブロック１０５０の出力における信号は次のように表されている。
Ｖ（ｔ）＝Ａｓｉｎ（２πｆ＋θ_ＳＩＧ）＋Ｂｃｏｓ（２πｆ＋θ_ＳＩＧ） （Ｅ）
ここで、
Ａ＝この点まで伝搬している直交基準のＩ出力のゲイン（減衰）
Ｂ＝この点まで伝搬している直交基準のＱ出力のゲイン（減衰）

Ａ及びＢの大きさは、試験物体１００８だけでなく計測器のコンポーネントも含む個々のブロックゲインの積を表す。ビーム結合器／平行化光学部品１００６において光源を結合したら、Ｉ及びＱの両経路は同じ物理媒体に従うが、発光体アセンブリ１００４の出力パワー及び放射照度に対する変動率、並びにビーム結合器／平行化光学部品１００６に対する結合効率が存在する。

測定システムの変動性を補償するために、波長に対する応答が既知である試験物体１００８を測定して、測定した応答から試験物体１００８の性能を差し引いてもよい。既知の波長不変の減衰を伴う減光フィルタを用いてもよい。このようなフィルタを用いれば、係数Ａ及びＢは等しいはずである。減光フィルタを用いた測定結果を用いて、以後のすべての測定値に対する補正係数を計算してもよい。たとえば、Ａの測定値が０．４でＢの測定値が０．５である場合、以後のすべての測定値について、Ｂに０．５／０．４＝１．２５を乗じることによって、ＢをＡに対して補正してもよい。較正の間、信号パワーを、最良の結果が得られるように意図された試験物体から放射されるものと同様のレベルまで、減光フィルタによって減衰させてもよい。代替的に、検出器におけるダイナミックレンジが十分であるならば、検出器を用いて較正を直接行ってもよい。代替的に、第２の（低ゲインの）検出器を用いて十分なダイナミックレンジを得てもよい。

使用目的によっては、たとえば、高スループットで鳥卵の現状を特定するのに複数の発光体・検出器対を用いる場合には、種々の基準周波数を適切に選択することによって、多チャネル／多周波数検出システムでの隣接する干渉信号の除去を最適化してもよい。以下の式、
Ｖ_ＳＩＧ＊ｓｉｎ（２πｆｔ＋θ_ＳＩＧ）＊ｓｉｎ（２πｆ_０ｔ＋θ_ＲＥＦ）≒（１／２）Ｖ_ＳＩＧ＊ｃｏｓ（［ｆ_０−ｆ］ｔ＋θ_ＳＩＧ−θ_ＲＥＦ）
を、ｎ／ｆ_０秒にわたって積分することで、ｆ＝ｆ_０／２ｎであるときの理想的なシステムにおける完全なキャンセルが証明される。ここで、ｎは、ｆ_０周期の数で表現された積分時間である。図１２に、ｆ_０＝１０ｋＨｚで、信号を５００μ秒またはｎ＝５周期にわたって積分した例を示す。この場合、検出器は、２ｋＨｚのヌル点またはその付近の信号に対して高レベルの除去を施してもよい。

較正は、ＮＤ（中性濃度）フィルタを用いてオフセット計算を行うことによってかまたは直接測定することによって行ってもよい。減光フィルタの固定減衰を用いてλ_１及びλ_２での応答を測定すれば、システム性能を正規化することができる。

同じ信号経路に沿って同じ周波数の直交ベクトルで送信することで、ゲイン差、群遅延、温度変化、並びに複数の周波数または複数の信号経路を用いることによって導入される他の変数に起因するばらつきがヌルになる。優位なことに、単一の信号経路であれば、複数の信号経路を用いることに付随するコストが回避される。

場合によっては、ノイズ信号によってＤＣ出力誤差が生じることがある。これはオフセットまたはゲイン誤差として現れる場合がある。両効果ともノイズ振幅及び周波数に依存するため、それらをすべての場合でゼロにオフセットすることはできず、測定精度を制限することになる。誤差は性質上ＤＣであるため、時定数を長くしても役に立たない。ほとんどの市販ロックイン増幅器において、許容ノイズの規定を出力への影響がフルスケールの数パーセントを超えないレベルとしている。

図１３に直交誤差（Θｅｒｒ）の効果を示す。信号Ａ及びＢがほぼ直交である（すなわちほぼ９０度離れている）場合を考え、振幅Ａの信号は誤差があってＩ軸と位置が合っていないが、振幅Ｂの信号はＱと完全に位置が合っていると仮定する。そして、振幅Ａの信号はＩ上に射影してＡ＊ｃｏｓ（Θｅｒｒ）の信号となり、Ｑ上に射影してＡ＊ｓｉｎ（Θｅｒｒ）の信号となる。ロックイン増幅器は、Ｉ上への射影であるＡ＊ｃｏｓ（Θｅｒｒ）を再生することができる。しかし、Ｑ上への射影であるＡ＊ｓｉｎ（Θｅｒｒ）は、ロックイン増幅器がＢと区別することができない干渉信号である。この射影は、他のどんな手段（たとえばＦＦＴ）を用いても区別することができない。直交誤差に起因する干渉は十分に低いため測定値を制限しない場合がある。

直交誤差に起因する信号対干渉比（Ｓ／Ｉ）は次のように計算してもよい。
Ｓ／Ｉ＝Ｂ／（Ａ＊ｓｉｎ（Θｅｒｒ））

下表１で、Ｂ及びＡの異なる振幅に対して直交誤差によって制限される測定フロアを計算している。振幅差が大きい場合（Ａ／Ｂ＝１０）であっても、３５ｄＢを超える信号除去が実現され得ることに注意されたい。

図１４に、異なる卵タイプ対送信光の波長（ナノメートル）の光学密度（ＯＤ）を示す。光学密度は対数目盛であり、付加的な各整数値は送信光の一桁の減少を表す。８００ｎｍ〜９２５ｎｍ（対象とする波長）での光学密度のばらつきを比べると、２つの波長における信号振幅のばらつきは、最大一桁程度変化すると予想され得る。次に、図１４に示す２点（８１０、９１０）を参照して、それらの間の線の勾配は、腐敗卵及び生存卵の場合で逆になっていることが示される。したがって、これらの２点から比を計算することは、腐敗卵と生存卵とを区別するのに十分である。

図１７及び１８に、ＳＲ８５０ロックイン増幅器に対してフィルタ帯域幅と信号ノイズとの間で測定した関係を例示する。時定数（ＴＣ）設定を信号に対してプロットしている。ＴＣ設定は以下の通りである。２＝１００μｓ、３＝３００μｓ、４＝１ｍｓ、５＝３ｍｓ、６＝１０ｍｓ、７＝３０ｍｓ、及び８＝１００ｍｓ。フィルタ設定は以下の通りである。０＝６ｄＢ／ｏｃｔ、１＝１２ｄＢ／ｏｃｔ、２＝１８ｄＢ／ｏｃｔ、３＝２４ｄＢ／ｏｃｔ。

各卵に対して受信信号（Ｅ）から大きさ（Ｒ）及び位相（θ）を再生したら、大きさ（Ｒ）及び位相（θ）を極座標に移して、互いに対してプロットしてもよい。これを図１５、１６、及び１９〜２２に示す。図示したように、プロットすると生存卵は非生存卵から分離される。したがって、図２２に示すように閾値レベルを設定して、受信信号の大きさ（Ｒ）及び位相（θ）に対するこのような閾値レベルに基づいて、卵が生存可能であるかまたは生存不能であると識別または判定されるようにしてもよい。閾値は、検出プロセス中に生存と非生存との間の分離が最大になるように較正プロセスによって決定してもよい。実際の閾値は、実施するシステムで用いる実際の電子機器及び光学部品に依存する場合がある。第１及び第２の供給源をほぼ同じパワーにすることで、見分けることが改善される。

実験室プロトタイプを構成していくつかの試験で用いた。図５に概略図を示す。

直交基準クロック
ｓｉｎ（２πｆ_０＋θ_ＲＥＦ） （Ａ）
ｃｏｓ（２πｆ_０＋θ_ＲＥＦ） （Ｆ）
を、Ｔｅｋｔｒｏｎｉｘ ＡＦＧ３０２２Ｃ Ａｒｂｉｔｒａｒｙ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ７０を用いて発生させた。これらの２つの基準は、任意の絶対位相θ_ＲＥＦを有するが、互いに対する９０°の相対位相を有する。一対のＳｔａｎｆｏｒｄ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｓｙｓｔｅｍｓ ＬＤＣ５０１ Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｓ ７５、８０に対して、基準信号（Ａ）及び（Ｆ）を変調信号として用いることで、全高調波歪み（ＴＨＤ）が低い状態で光パワードメインにおける各信号の忠実な再生を行う。すなわち、照明源の光パワー出力は入力信号に対して線形に変化する。Ｐ_ＯＰＴ≒Ｋ＊Ｉ_{ＤＲＩＶＥ}。ここで、Ｐ_ＯＰＴは光出力パワー、Ｉ_{ＤＲＩＶＥ}は照明源を流れる駆動電流、Ｋは定数である。

試験中、レーザーダイオードコントローラ７５、８０を用いて、以下の狭帯域の照明源を表示した波長で駆動した。
発光ダイオード（ＬＥＤ）結合
ＯＳＲＡＭ ＳＦＨ ４７８０Ｓ ６８０ｍＷ、８１０ｎｍ
Ｍａｒｕｂｅｎｉ ＳＭＢＢ９１０Ｄ−１１００、４７０ｍＷ、９１０ｎｍ
レーザーダイオード（ＬＤ）結合
ＴｈｏｒＬａｂｓ Ｌ８０８Ｐ０１０ １０ｍＷ、８０８ｎｍ
ＴｈｏｒＬａｂｓ Ｍ５−９０５−０１００ １００ｍＷ、９０５ｎｍ

ＬＥＤ及びＬＤの両方を用いてビーム分散及び不要な迷光を最小にするとき、平行化レンズ２０５及び２０７を用いた。８３０ｎｍのシャープなカットオフ波長を有するＳｅｍｒｏｃｋ ＬＰＤ０２−８３０ＲＵ−２５ ４５度ダイクロイックミラー２０９を用いて、２つの照明源を結合して単一ビームにした。結合して平行にしたビームを、異なる既知の状態（生存、腐敗、死亡）の試験物体（Ｅ１７〜Ｅ１９鶏卵１）に送った。

試験物体を通して送信された放射線を一連の３つの集光レンズで収集して、試験物体と検出器との間を伝達した光パワーを増加させ、＋／−１２度の受け入れ円錐の外側の光を最小にした。

試験で用いた検出器３００は、Ｖｉｓｈａｙ ＴＥＭ５１１０Ｘ０１ Ｓｉｌｉｃｏｎ ＰＩＮ Ｄｉｏｄｅであった。ＰＩＮダイオードによって生じた光電流を、Ｔｅｘａｓ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ ＯＰＡ３８０高速トランスインピーダンス増幅器を用いて電圧信号に変換した。

第２のゲイン段（９）の出力は次のように表される。
Ｖ（ｔ）＝Ａｓｉｎ（２πｆ_０＋θ_ＳＩＧ）＋Ｂｃｏｓ（２πｆ_０＋θ_ＳＩＧ） （Ｅ）
ここで、
θ_ＳＩＧ＝フィルタブロックの出力における信号の位相
Ａ＝この点まで伝搬している直交基準のＩ出力のゲイン／減衰
Ｂ＝この点まで伝搬している直交基準のＱ出力のゲイン／減衰

ＳＲ８５０ Ｌｏｃｋ−Ｉｎ増幅器９５を用いて、受信信号（Ｅ）から大きさ（Ｒ）及び位相（θ）を再生した。

ＴＥＫ ＡＦＧ ３０２２Ｃからの同期化出力信号をＳＲＳ ＳＲ８５０ Ｅｘｔｅｒｎａｌ Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ Ｉｎｐｕｔ（Ｂ）に接続することによって、位相較正を維持した。Ｑ供給源（９０５ｎｍＬＤ／９１０ｎｍＬＥＤ）をターンオフすることによって、ＳＲ８５０の位相をＩ供給源（８０８ｎｍＬＤ／８１０ｎｍＬＥＤ）と、器具の較正特徴を用いて位置合わせした。

図１５に、開示した方法を孵卵の１８日目に施した１２０個の卵に対して、信号パワー（大きさ（Ｒ））に対する位相角（θ）をプロットする。各卵は光シーリングスタンド上に配置した。発光体源としてレーザーダイオード（８０８ｎｍ及び９０４ｎｍ）を用いた。時定数（ＴＣ）は１００ｍｓに設定した。

図１６に、開示した方法を孵卵の１７日目及び１８日目に施した２１６個の卵に対して、信号パワー（大きさ（Ｒ））に対する位相角（θ）をプロットする。各卵は光シーリングスタンド上に配置した。レーザーダイオード（８０８ｎｍ及び９０４ｎｍ）を発光体源として用いた。時定数（ＴＣ）は１００ｍｓに設定した。

図１９に、開示した方法を孵卵の１７日目及び１８日目に施した１６８個の卵に対して、信号パワー（大きさ（Ｒ））に対する位相角（θ）をプロットする。卵は、分析を受けるときに卵フラット内に配置した。レーザーダイオード（８０８ｎｍ及び９０４ｎｍ）を発光体源として用いた。時定数（ＴＣ）は１００ｍｓに設定し、フィルタ設定は「１」とした。自己干渉光を制御する試みは行わなかった。

図２０に、開示した方法を孵卵の１７日目及び１８日目に施した１６８個の卵に対して、信号パワー（大きさ（Ｒ））に対する位相角（θ）をプロットする。卵は、分析を受けるときに卵フラット内に配置した。３／４インチＰＶＣパイプの半インチ高さ部分を延ばしたが、卵フラットには触れなかった。レーザーダイオード（８０８ｎｍ及び９０４ｎｍ）を発光体源として用いた。時定数（ＴＣ）は１００ｍｓに設定し、フィルタ設定は「１」とした。

図２１に、開示した方法を孵卵の１７日目及び１８日目に施した１６８個の卵に対して、信号パワー（大きさ（Ｒ））に対する位相角（θ）をプロットする。卵は、分析を受けるときに卵フラット内に配置した。レーザーダイオード（８０８ｎｍ及び９０４ｎｍ）を発光体源として用いた。時定数（ＴＣ）は１００ｍｓに設定し、フィルタ設定は「１」とした。

図２２に、開示した方法を孵卵の１７日目及び１８日目に施した１６８個の卵に対して、信号パワー（大きさ（Ｒ））に対する位相角（θ）をプロットする。卵は、分析を受けるときに卵フラット内に配置した。レーザーダイオード（８０８ｎｍ及び９０４ｎｍ）を発光体源として用いた。時定数（ＴＣ）は１００ｍｓに設定し、フィルタ設定は「８」とした。

本明細書で述べた本開示の多くの変更及び他の態様が、前述の説明及び関連付けられる図面に示した教示の利益を有する本開示が関係する当業者に想起される。したがって、当然のことながら、本開示は開示した特定の態様には限定されず、変更及び他の態様が添付の請求項の範囲に含まれることが意図される。本明細書では特定の用語を用いているが、それらは一般的及び記述的な意味で用いているだけであり、限定を目的とするものではない。

Claims (26)

1. 分析すべき媒体を調べるための装置であって、
   媒体に向けて光を放出するように構成された発光体アセンブリであって、第１の光信号を放出するように構成された第１の発光体源と、第２の光信号を放出するように構成された第２の発光体源とを有し、前記第１及び第２の光信号は位相直交で前記媒体を通して送信される前記発光体アセンブリと、
   前記媒体を通して送信された前記第１及び第２の光信号を検出するように構成された検出器アセンブリであって、さらに前記第１及び第２の光信号それぞれの相対振幅または絶対振幅を分離するように構成されている前記検出器アセンブリと、
   前記検出された信号を処理して、前記第１及び第２の光信号の前記相対振幅または絶対振幅のうちの少なくとも一方を用いて前記媒体の特性を特定するように構成されたプロセッサと、
   を含む前記装置。
2. 前記第１及び第２の光信号は共通の周波数で送信される請求項１に記載の装置。
3. 前記発光体アセンブリは、前記第１及び第２の光信号を結合して、前記媒体を通して送信すべき結合信号を形成するように構成された光学部品アセンブリを含む請求項１に記載の装置。
4. 前記光学部品アセンブリはダイクロイックミラーを含む請求項３に記載の装置。
5. 前記検出器アセンブリは位相敏感検出器を含む請求項１に記載の装置。
6. さらに複数の発光体アセンブリ及び検出器アセンブリを含み、複数の発光体・検出器対を構成し、前記発光体は、直交周波数関係を伴う信号を送信する請求項１に記載の装置。
7. 媒体を分析する方法であって、
   分析すべき媒体を通して第１の光信号及び第２の光信号を位相直交で送信することと、
   前記媒体を通して送信された前記第１及び第２の光信号を検出することと、
   前記第１及び第２の光信号それぞれの相対振幅を分離することと、
   前記第１及び第２の光信号の前記相対振幅及び絶対振幅のうちの少なくとも一方を用いて前記媒体の特性を判定することと、
   を含む前記方法。
8. 第１の光信号及び第２の光信号を送信することは、第１の光信号及び第２の光信号を異なる波長で送信することをさらに含む請求項７に記載の方法。
9. 第１の光信号及び第２の光信号を送信することは、第１の光信号及び第２の光信号を共通の周波数で送信することをさらに含む請求項７に記載の方法。
10. 前記第１及び第２の信号を結合して、前記媒体を通して送信すべき結合信号を形成するステップをさらに含む請求項７に記載の方法。
11. 前記検出された第１及び第２の信号は位相敏感である請求項１０に記載の方法。
12. 卵の現状を非侵襲的に特定するための装置であって、
    卵に向けて光を放出するように構成された発光体アセンブリであって、第１の光信号を放出するように構成された第１の発光体源と、第２の光信号を放出するように構成された第２の発光体源とを有し、前記第１及び第２の光信号は位相直交で前記卵を通して送信される前記発光体アセンブリと、
    前記卵を通して送信された前記第１及び第２の光信号を検出するように構成された検出器アセンブリであって、さらに前記第１及び第２の光信号それぞれの相対振幅を分離するように構成されている前記検出器アセンブリと、
    前記検出された第１及び第２の光信号を処理して、前記第１及び第２の光信号の前記相対振幅または絶対振幅のうちの少なくとも一方を用いて前記卵の現状を特定するように構成されているプロセッサと、
    を含む前記装置。
13. 前記第１の光信号は第１の波長で放出され、前記第２の光信号は、前記第１の波長とは異なる第２の波長で放出される請求項１２に記載の装置。
14. 前記第１の発光体源は約７８０〜８３０ナノメートルの範囲の光を放出するように構成され、前記第２の発光体源は約８５０〜９４０ナノメートルの範囲の光を放出するように構成されている請求項１３に記載の装置。
15. 前記第１及び第２の光信号は共通の周波数で送信される請求項１２に記載の装置。
16. 前記検出器アセンブリは位相敏感検出器を含む請求項１２に記載の装置。
17. 前記検出された第１及び第２の光信号は処理されて、極座標系上にプロットされ、閾値レベルに対して評価されて前記卵の現状を判定する請求項１２に記載の装置。
18. 前記検出された第１及び第２の光信号は、前記卵内の生存胚を示す信号振幅の関数として処理される請求項１２に記載の装置。
19. さらに複数の発光体アセンブリ及び検出器アセンブリを含み、複数の発光体・検出器対を構成し、前記発光体は、直交周波数関係を伴う信号を送信する請求項１２に記載の装置。
20. 卵の現状を分析する方法であって、
    分析すべき卵を通して第１の光信号及び第２の光信号を位相直交で送信することと、
    前記卵を通して送信された前記第１及び第２の信号を検出することと、
    前記第１及び第２の光信号それぞれの相対振幅を分離することと、
    前記第１及び第２の光信号の前記相対振幅及び絶対振幅のうちの少なくとも一方を用いて前記卵の現状を判定することと、
    を含む前記方法。
21. 第１の光信号及び第２の光信号を送信することは、第１の光信号及び第２の光信号を異なる波長で送信することをさらに含む請求項２０に記載の方法。
22. 前記第１の光信号は約７８０〜８３０ナノメートルの範囲で送信され、前記第２の光信号は約８５０〜９４０ナノメートルの範囲で送信される請求項２１に記載の方法。
23. 第１の光信号及び第２の光信号を送信することは、第１の光信号及び第２の光信号を共通の周波数で送信することをさらに含む請求項２０に記載の方法。
24. 前記検出された第１及び第２の光信号は位相敏感である請求項２０に記載の方法。
25. 前記卵の現状を判定することはさらに、抽出した振幅及び位相データを処理して、極座標系上にプロットし、閾値レベルに対して評価して前記卵の現状を判定することを含む請求項２０に記載の方法。
26. 前記卵の現状を判定することはさらに、前記検出された第１及び第２の光信号の前記振幅の変調が、前記卵が生存胚を含むことを示していると判定することを含む請求項２０に記載の方法。

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