JPH01500632A - 測光器の光学的検出回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 測光器の光学的検出回路 発明の背景 この発明は、測光器の光学的検出回路に関するものであり、特に、検出した光学 的信号の高精度なＡ／Ｄ変換において、信号対雑音比と干渉特性の改善向上を提 供する光学的検出回路に関するものである。

さらにこの発明は、基準信号と真信号とをゼロレベルに達するまで放電する放電 期間と、反転されたブランク信号をその期間を通して積分するゼロブランク期間 と、基準信号と真信号とを共に積分する計測期間と、積分された基準信号と積分 された計測信号の比率をディジタルカウントする逆積分期間すなわちカウント期 間とから構成されるプログラム化された順序を通して二重積分方式を応用した光 学的検出回路に関するものである。

サンプルの光学的特性をアナログ表示する測光器は周知のものであり、分光光度 計、比濁計、蛍光分析計等がある。この種の測光器は測定された被検査サンプル におけるパラメータを表示する光関連信号（ｌｉｇｈｔ−ｒｅｌａｔｅｄ　ｓｉ ｇｎａｌ）の強さを測定するためにＡ／Ｄ変換器においてディジタル変換される アナログ信号を出力する。

未知のアナログ信号を一定時間積分し、次にパルスカウンタを通ったパルスを介 してデジタル変換を行い基準電圧の積分と比較するＡＩＤ変換において、二重積 分方式を使用する計測機器として幾つか公知のものがある。

この種の装置においては、優れた雑音及び干渉除去特性を存する椿寒のＨｉ術間 をにおいて梯っかの閤頴がある−したがうて−この発明は真信号とブランク基準 信号の積分時に関連する技術開発によって雑音対信号比の改善を図った光学的検 出回路を提供することを目的とする。

また、この発明は、たとえば干渉の主要な原因となる蛍光灯及び送電線の周波数 の整数倍に積分時間を選定することにより干渉特性を改善する光学的検出回路を 提供することを目的とする。

さらに、この発明は放電期間、ゼロブランク期間、計測期間及び逆積分期間すな わちカウント期間を通してプログラムを制御し、検出したサンプル信号と検出し た基準信号を示す比例信号の高精度なＡ／Ｄ変換を可能とすることを目的とする 。

この発明に係る上記した目的及びその他の目的は、添付図面と共にこの発明の詳 細な説明により明らかになるものである。

発明の概要 この発明は、光学的計測器においてアナログ信号を被検査サンプルの特性を示す ディジタル信号に変換する装置及び方法に関するものであり、公知技術の利用と 共に上記目的を達成し、問題点を解決するものである。この発明に係る装置は、 基準信号検出回路及び真信号検出回路とから構成されており、その各回路にはプ ログラマによって制御される積分器及び複数のスイッチが設けられ、各信号積分 を逐次制御する。この真信号検出回路は、サンプルの表示信号を出力する真信号 検出器とそのアナログ信号を反転する手段と検出した信号あるいは所定期間反転 されたブランク信号のいずれかを積分する手段とから構成されており、基準信号 検出回路は所定期間検出信号を積分する積分器から構成されている。プログラマ は、（１）放電期間において、基準信号積分器と真信号積分器の双方が所定の基 準レベルすなわちゼロレベルに達するように放電を行い、（２）ゼロブランク期 間において、真信号積分器が反転されたブランク信号を積分すると同時に基準信 号積分器は所定基準レベルすなわちゼロレベルを維持し、（３）計測期間におい て、真信号積分器が先のブランク期間において積分器に蓄積された電荷に比例す る真信号を積分すると同時に基準積分器が基準信号を積分し、（４）逆積分期間 において、逆積分時間が基準信号対真信号の比率に比例するように、積分された 基準信号により真信号積分器が放電するように各積分器を制御する。その他の実 施例としては、基準信号検出器に代えて逆積分期間において比較する固定電圧を 使用することも可能である。

この発明に係る方法は、基準信号検出器と真信号検出器とから出力されるアナロ グ信号を受信するように各積分器が接続された回路内において、基準信号積分器 と真信号積分器を放電させ、所定期間アナログブランク信号を反転させることに より真信号検出回路内においてブランク信号を積分し、基準信号積分器と真信号 積分器において真信号検出器と基準信号検出器の出力信号を所定期間積分し、基 準信号積分器からの出力により真信号積分器を逆積分し、それらの比率に比例し たディジタルカウントを行うものである。

図面の簡単な説明 第１図は、従来技術として公知な単光束分光光度計のブロックダイヤグラムであ り、この発明の特性を例示する。

第２図は、この発明に係る光学的検出回路の理解を支援する二重光束比濁計のブ ロックダイヤグラムである。

第３図は、たとえば、第１図及び第２図に示したような光測器等に使用されるこ の発明に係る光学的検出回路のブロックダイヤグラムである。

第４図は、第３図の回路に関して、放電期間、ゼロブランク期間、計測期間及び 逆積分期間の各期間を示したタイミングダイヤグラムである。

第５図は、第３図に示した基準信号検出回路の一部において取りうる他の実施例 である。

実施例 第１図及び第２図において公知な二種類の側光分析器をブロック図にて例示する 。

第１図は計測器用に選定された波長の短い帯域のスペクトル波長帯域における光 の強さを測定する単光束分光光度計の基本構成を示す。この種の計測器は、光の 強さを測定する測光器として代表的なものである。第１図に示す分光光度計１０ は、光源１２、入射スリット装置１４及びキュベツト内のサンプル用の光源を備 えた検出器２０へ信号を出力するモノクロメータ１６とから構成されており、計 測器２２はその出力信号の強さを適切に測定する。したがって、光源１２から発 せられる光りはモノクロメータ１６内においてプリズムあるいは回折格子により 種々の波長に分解される最適な位置より入射する。また、出口スリットにより吸 収光の測定をおこなう液体サンプルを入れる分析用のセルまたはキュベツト１８ を透過する入射光線を制御することも可能である。したがって、キュベツトから 発せられた光りは検出され、その光りの強さが測定されてその物質の濃度（ｃｏ ｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ）に関する信号が出力される。この種の装置に関する構 成としては種々の周知技術があり、また、この発明が適用する検出器２０と出力 計測器２２とを組み合わせた構成となっている。

第２図は、二重光線技術を使用する比濁計２４としてすでに公知な測光器の一例 を示す。ここで、光源２６は入射スリット３２及び３４を介して真検出回路２８ と基準検出回路３０に対して設けられたものであり、サンプルキュベツト４０内 の測定サンプル及び基準キュベツト４２内の基準サンプルへ光学式装置ｔ３６及 び３８を介して光線を照射する。たとえば、この装置を複合免疫検定に使用する 場合、光学的システム２８はキュベツト４０内のサンプル液体からの入射光線の 前方散乱を正確に測定し、＾／Ｄ変換機能を備える検出器４４へ信号が入力され てＡ／Ｄ変換される。キュベツト４０内のサンプルによって散乱した光の量は散 乱粒子の大きさ、それらの濃度、形状、使用した光線の波長、粒子及びそれらが 浮遊する媒体の屈折指数及び散乱の測定角度に依存するものであり、従来技術に おいて周知なように、これらのデータよりサンプル内の必要な濃度の測定をする ことが可能である。

基準光学回路３０は、光源２６から発せられミラー２７によって反射された光り による分散光と比較する基準光源を備えている。基準光源３８から発せられた光 線はキュベツト４２内の公知成分を含有する標準サンプルを透過して、次にこの 標準サンプルから発せられた光りが検出器４６内において検知される。計測者が 必要とする場合には、メーク４８への出力信号は検出器４４及び４６の出力比と して出力される。このような種々の方式における基本原理は、複雑さの度合いの 変化、ハードウェア、サンプルハンドリング技術及び電子工学等と共に周知技術 の比濁計に利用されている。以下に詳細に述べるこの発明に係る装置及び方法は 、特にこの種の比濁計の出力関連に適用するものである。

第３図において、この発明に係る測定回路のブロック図を符号５０で示す。この 回路は、基準信号測定回路５０λ及び真信号測定回路５０ｂから構成されている 。この基準信号検出器５２は、ｍ１図あるいは第２図のいずれかに示すような測 光器からの基準光線量に相当するアナログ信号を検出して、この基準光線信号の 強度に相当するアナログ信号を出力する。基準信号検出器５２からの出力信号は 、増幅器５３において随意に増幅され、その増幅されたアナログ信号は制御スイ ッチ４９を介して入出力間に積分コンデンサ５６を備える演算増幅器５５と、そ の入出力間とコンデンサ５６の双方に渡って接続された制御スイッチ５７とから 構成される基準信号積分器５４に出力される。プログラマ５８は、たとえば、ト ランジスタから構成される複数の制御スイッチの作動制御、特に制御スイッチ５ ７を制御することにより回路５０の逐次動作の制御を行う。

制御スイッチ５７が開き、制御スイッチ４９が閉じられると、積分器５４は基準 入力信号を積分する。制御スイッチ４９が開くと、積分コンデンサはその後の積 分を停止するようにバイパスする。そして、基準信号積分器５４からの出力はプ ログラマ５８によって制御されるスイッチ５９の作動によって以下に述べるよう に真信号検出回路に入力される。

真検出回路５０ｂは被検査サンプルを透過する光線の強度に相当するアナログ信 号を出力する真信号検出器６０を備えており、この検出器６０からの出力信号は アナログ増幅器６１により増幅されて、インバータ６２に入力される。スイッチ ６３はプログラマ５８により随意に制御されてインバータ６２をバイパスする。

さらに、制御スイッチ６４は、インバータ６２において反転されたアナログ出力 信号の真信号積分器６６への入力を制御するためにインバータ６２の出力側に設 けられている。この積分器６６は、プログラマ５８によって制御される制御スイ ッチ６９と並列してその入出力間に真信号積分コンデンサ６８を有する演算増幅 器６７により構成されている。真信号積分器６６の出力は、カウンタ７■を有す る回路内に設けられたコンパレータ７０に出力される。この発明の作用及び目的 を達成するために使用される回路構成は、その分野の特殊な技術として知られて いるものである。

したがって、第４図のタイミングダイヤグラムに示すように、第３図における構 成はプログラマ５８によってシーケンス制御がなされる。よって、プログラマ５ ８はカウントを行いながら放電期間７２、ゼロブランク期間７４、計測期間７６ 及び逆積分期間７８を通して回路５０の制御を行う。したがって、第４図におい て上部に示す符号５４λの曲線は基準積分器５４のからの出力信号を意味し、下 部曲線６６ａは上述した各期間における積分器６６よりの出力を示す。

放電期間７８の初期においてプログラマ５８はシーケンス制御を開始し、コンデ ンサ５６の充電を行う放電スイッチ５７が閉じられて基準積分器５４の放電が行 われ、同時に真信号積分器６６のコンデンサ６８を放電させるためにスイッチ６ ９が閉じられる。したがって、初期の立ち上がりや機器の停止等によって累積さ れた残留電荷あるいは前サイクルまたはドリフト等の原因による基準信号検出回 路５０ａ内のコンデンサ５６の電荷を、基準レベル、すなわち放電サイクル７２ における曲線５４ａに示すようなゼロレベルまで放電することが好ましい。同様 に、基準信号積分器５４と真信号積分器６６を基準レベルすなわちゼロレベルに リセットして、基準サンプルと被検査サンプルが発した光線の基準信号と真信号 を分析するために真信号積分器６６内のコンデンサ６８の放電がおこなわれる。

放電期間７２が経過すると、プログラマ５８はゼロブランク期間７４における回 路を作動させる。このゼロブランク期間では、基準信号積分器よりの出力がその 基準レベルすなわちゼロレベルを維持するようにスイッチ５７は閉じられ、スイ ッチ５９は開かれている。

また、プログラマ５８はスイッチ６４を閉じ、真信号検出器６ｏにおいて検出さ れた真アナログ信号の反転信号を真信号積分器６６に入力する。そして、このゼ ロブランク期間においては、積分器６６が曲線６６ａで示すレベルまでブランク 信号すなわち真信号を積分するようにプログラマ５８はスイッチ６９を開いた状 懸とする。

ゼロブランク期間７４が終わると、プログラマ５８は計測期間７６における回路 を作動させる。プログラマはこの計測期間７６においてリード線７７を介して光 源またはシャッタを作動させることも可能であり、基準信号積分器５４及び真信 号積分器６６が基準信号検出器５２からのアナログ基準信号及び検出器６ｏから の真アナログ信号を積分するようにスイッチ５９及び６９を開いた状態でさらに スイッチ５７を開く。計測期間においては、積分器６６に真アナログ信号を入力 するためにスイッチ６３を閉じて、スイッチ６４を開く。この期間中、曲線５４ ａで示す基準信号積分器５４の出方信号は基準信号値５４ｂに達し、一方真信号 積分器６６の出力信号は第４図に示す値６４ｂに達する（この値は真の信号と、 迷光（ｓＬｒａｙ　ｌｉｇｈｔ）が付加されたブランク信号との差、すなわち、 真の散乱信号のみを意味する）。

計測期間が終わるとプログラマ５８は逆積分期間の制御を開始し、スイッチ５７ の開いた状態を維持する動力スイッチ５９を閉じ、また、スイッチ６９及び６４ を開いた状態としてスイッチ６３を開く。

この逆積分期間においては、真信号積分器６６と基準信号積分器５４とは放電し て、その信号が積分された基準信号と積分された真の信号との差を示すコンパレ ータ７０へ出力される。同時にプログラマ５８のリード線８２より信号が出力さ れてカウンタ７１が作動し、基準信号によって分割された積分ブランク信号と積 分検知信号との比率をカウント数が表示するようにコンパレータのカウント制御 が行われる。

第５図は、第４図に示した回路の一部において取りうる他の実施例を示すもので あり、基準検出回路５０ａに代わって真信号積分４６６へ逆積分期間中に出力す る制御スイッチ５９に接続される固定電圧源９０である。この場合は、逆積分に 固定電圧が使用されている時に真検出器の出力を直接読み込むことが可能である 。

ゼロブランク期間７４と計測期間７６とを期間間隔が等しくなるように、また、 ノイズ原因の主要な周波数に同期するように設定することが好ましい。たとえば 、比濁計においては６０Ｈｚの電気的ノイズと１２０Ｈｚの蛍光灯干渉が主なノ イズ原因である。したがって、積分時間が主要な干渉周波数の倍数と一致する時 に、最適な操作が可能となるように６０Ｈｚのニサイクルに相当する３３．３３ ｍ５の積分時間を設定することが望ましい。

第４図から第６図に示した回路においては、積分信号すなわち比例信号の高精度 なＡ／Ｄ変換時に検出信号と基準信号双方の積分を通して基本的な信号対雑音比 の向上が図られるという利点がある。さらに、この回路は各期間の周期間隔によ って干渉排除特性を示す。

したがって、この発明に係る回路は比濁計、分光光度計、蛍光分析等の測光分析 用の計測機器に適用することが可能となるものである。

つまり、この発明はブランク信号を反転し積分するようにゼロブランク期間を設 定した時に最大の機能が発揮されるものであり、残留光を意味する減信号（ｓｕ ｂｔｒａｃｔｉｖｅ　ｓｉｇｎａｌ）を設けて、真信号積分器における初期信号 の効果的なゼロスタートを正確に制御するようにこのゼロブランク期間において 反転した残留信号分だけ減じるように積分するしのである。

プログラマ５８の制御下において、たとえば、発光ダイオード、せん光電法、光 源の電子的調節等のように敏速な反応を示す光源を測光器内の光源として設ける ことも可能であり、また、タングステン電球等の反応速度の遅い光源に関しては 、機械的なシャッタを使用してもよい。

この発明はその精神または本質的な特徴から外れることなく、ほかの形感におい ても実施することが可能である。したがって、この実施例は例示した総ての点に おいて考慮されるものであうでそれに限定されるものではなく、この発明の範囲 は上記した説明によって制限されるものでもなく請求の範囲によって示されるも のである。

よって、請求の範囲と同等な目的と範囲内における総ての変形を包含するもので ある。

第４図 第５図 国際調査報告

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. １．基準信号を検出する基準信号検出手段と彼検査サンプルよりの信号を検出す る其信号検出手段とから構成され、アナログ信号を該アナログ信号に対応したデ ィジタル信号に変換するための光学的検出回路において、要求に応じて前記真信 号検出手段からのアナログ信号を積分する其信号積分器と、ゼロプランク期間に 前記真信号検出手段からの出力信号を反転する反転手段と、（ａ）前記積分手段 の残留電荷が基準レベルに達するまで放電を行う放電期間と（ｂ）前記反転手段 からの出力信号がブランク信号を積分する前記積分手段に入力されるゼロプラン ク期間と（ｃ）前記反転手段からの信号を遮断すると同時に前記積分手段で前記 真信号検出手段からのアナログ出力を積分する計測期間と（ｄ）前記積分手段の 出力が前記真アナログ信号と前記プランク信号との差に相当する逆積分期間とを 通して前記真信号積分手段の操作をプログラムするプログラム手段とから構成さ れる光学的検出手段。
2. ２．前記逆積分期間において前記真信号検出回路の前記積分手段へ基準信号を出 力する基準信号回路を設ける請求の範囲第１項記載の光学的検出回路。
3. ３．前記基準信号検出回路は基準信号検出器と、前記計測期間において前記基準 信号検出手段からのアナログ出力信号を積分し、前記逆積分期間において前記真 信号積分手段へ積分された前記基準アナログ信号に相当する信号を出力する基準 信号積分器とから構成される請求の範囲第２項記載の光学的検出回路。
4. ４．前記真信号積分器の出力側と回路内において接続されたコンパレータを備え る請求の範囲第３項に記載の光学的検出回路。
5. ５．前記積分器の出力側と回路内において接続され、前記逆積分期間においてパ ルスをカウントするようにプログラムされたディジタルカウンタを備える請求の 範囲第３項記載の光学的検出回路。
6. ６．前記基準信号検出回路は回路内において前記基準信号検出器に接続された固 定電圧源を備える請求の範囲第２項記載の光学的検出回路。
7. ７．前記基準信号積分器は前記放電期間において基準信号レベルに達するまで放 電するように、また、前記計測期間において前記基準アナログ信号を積分するよ うにプログラムされた請求の範囲第２項に記載の光学的検出回路。
8. ８．基準信号を検出する基準検出手段と真信号を検出する真信号検出手段と前記 基準信号に対して前記真アナログ信号の強さを表すディジタル信号を出力する出 力回路とからなる構成の前記真信号を表示するディジタル表示に基準アナログ信 号と真アナログ信号を変換する装置において、要求に応じて前記基準アナログ信 号を積分する基準信号積分手段と、要求に応じて前記真のアナログ信号を積分す る真信号積分手段と、前記基準信号積分手段と前記真信号積分手段との操作を（ ａ）前記積分手段のいずれか一方において帯電した電荷を基準レベルまで放電す る放電期間と（ｂ）前記基準信号積分手段が基準アナログ信号を積分する一方前 記真信号積分手段が前記真アナログ信号を積分する計測期間と（ｃ）前記基準信 号積分手段が前記計測期間に前記真アナログ信号検出器において得られた信号を 逆積分する逆積分期間とを通して制御するプログラム手段とから構成される装置 。
9. ９．前記積分手段へ反転したゼロブランク信号を出力する反転手段は、回路内に おいて前記真信号アナログ検出器と前記真信号積分器とに接続され、前記計測期 間以前のゼロプランク期間において反転されたゼロプランク信号を積分するよう に前記プログラム手段によって制御される請求の範囲第８項記載の装置。
10. １０．前記期間の各期間長さを干渉雑音の主要な原因となる周波数の倍数になる ように設定した請求の範囲第８項記載の装置。
11. １１．アナログ基準信号を検出する手段と、アナログ真信号を検出する手段と、 前記アナログ基準信号と前記アナログ真信号とを各々積分する手段と、積分され た前記アナログ基準信号と積分された前記真信号の比率に相当する信号を出力す る手段とからなる構成の光学的回路において、前記アナログ真信号積分器の放電 を行うと同時に前記アナログ基準信号積分器の放電を行い、計測期間において前 記アナログ基準信号と前記アナログ真信号を前記アナログ基準信号積分器と前記 アナログ真信号積分器において同時に積分し、前記アナログ真信号積分器におい て積分された信号を基準信号積分器の積分後の出力信号でもって逆積分すること により、この二信号の比率に比例した期間内で信号を出力し、前記逆積分期間に おけるパルス数をカウントして前記比率を表示するディジタル信号を出力する手 段とからなるＡ／Ｄ変換方法。
12. １２．前記放電期間、前記計測期間及び前記逆積分期間の各期間間隔を主要な干 渉源の周波数の所定倍数に設定する請求の範囲第１１項記載の方法。
13. １３．前記計測期間以前にゼロプランク期間においてゼロプランク信号の積分を 行う請求の範囲第１２項記載の方法。