JPH0781950B2 - 光学的に不均一な試料から拡散反射される光の測定装置及び測定方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 本発明は、光学的に不均一な試料、例えば体液の定性及
び定量分析に使用される試薬試験片から拡散反射される
光の測定方法及び装置に関する。

試料により反射される光のスペクトル特性は、試料の色
に関係する。機器分析の出現とともに、試験される試料
の色は、生化学分析操作に最も汎用される基準の一つと
なった。例えば、定性及び定量分析に使用される試薬試
験片を、体液、例えば血液又は尿と所定時間、接触させ
ることができる。着色した試験片の反射スペクトルは、
試験する体液中の目的物質の濃度に応じて変動する。従
って、試験片から反射される光を光電子により測定し、
得られる反射率を計算することによって、反射率を濃度
に相関させて所望の分析を行うことができる。

試薬試験片は、種々の化学試薬で処理された試験紙であ
るのが代表的である。試験片の表面は均一な形態を有し
ないので、測定を試験片で行うか又は測定構造体で行う
かによって結果が左右されるため、正確で、再現性のあ
る測定をするのは困難である。この問題に対する一つの
解決策は、光源と試験片との間に積分球又は半球を挿入
して使用し、試験片を実質的に均一に照射することであ
った。この解決策は、若干の成功をみたが、積分球又は
半球が装置費に加わり、その寸法を増大させる。

更に、積分球又は半球を利用する場合に、光源からの若
干の照射が消散又は消失する。従って、所望の程度の反
射エネルギーを得るためには、照射の程度を対応して増
加して、装置中で消散する光を補充しなければならな
い。このことは、より大きい光源を必要とし、電力消費
の増大を招く。

また、試験片を用いる場合には、反射率測定が試験片保
持装置における試験片の方位に鋭敏であることが判っ
た。例えば、試料の僅かなねじれ又は傾斜は、反射率測
定の程度を損なう。更に、反射率の測定は、試験片と光
源との間の距離によって損なわれることが判った。

従って、この分野には、試験すべき光学的に不均一な試
料から迅速で、正確かつ再現性ある光反射率の測定をす
る方法及び装置に対する必要がある。この装置は、積分
球又は半球の必要を排除するため、試料の直接照射を使
用すべきである。この装置は、電力消費を最少にするた
めに、光源と試料との間で消散又は消失する照明の量を
最少にすべきである。装置は、試料保持装置中の試料の
方位の微妙な変化に対してあまり鋭敏でなく、光源と試
料との間の距離の変動にあまり敏感でない反射率測定を
提供すべきである。更に、装置は、装置における構成成
分の性能の変化、特に試料の照明の変化を補正できるべ
きである。

発明の要旨 従って、本発明は、光学的に不均一な試料から拡散反射
される光の測定装置を提供することによって、この分野
におけるこれらの要求を満たすことを目的とする。装置
は、光学的に不均一な試料を固定された位置に保持する
装置を含む。少なくとも２個の光源装置が、試料の表面
で一致する入射光束の形で試料を直接照射する。入射光
のパルス及び反射光のパルスを作るため、光源装置を短
時間に順次、オン及びオフにする装置が設けられてい
る。表面から反射する光のパルスから実質的に一つの波
長の光を検出する光応答装置が設けられている。光応答
装置は試料の表面に対して実質的に垂直な光軸を有す
る。光源装置は、方位角において約（360°/N±１°）
〔Ｎは光源装置の総数に等しい〕離れている。各光源装
置は、表面に対して鋭角をなす軸線を有する。

本発明は、また、光学的に不均一な試料を固定された位
置に保持する装置を有する、光学的に不均一な試料から
拡散反射する光の測定装置を提供する。第一及び第二の
光源装置は、試料の表面上で一致する二つの入射光束の
形で試料を直接照射する。実質的に等しい反射エネルギ
ー及び持続時間を有する入射光束を得るため、光源装置
のそれぞれを同時に電源と接続及び遮断する装置が設け
られている。光応答装置は、表面から反射する光束から
実質的に一つの波長の光を検出する。光応答装置は表面
に対して実質的に垂直な光軸を有する。２個の光源装置
は方位角において約179°〜約181°離れ、前記の光源装
置はそれぞれ前記表面に対して鋭角をなす軸線を有す
る。その鋭角は実質的に等しい。

別の実施態様では、本発明は、光学的に不均一な試料に
ついて、正確で、再現性ある光反射率測定をなす装置を
提供する。この装置は試料を固定された位置に保持する
装置を含む。少なくとも２対の光源装置が試料を直接照
射する。各対は、第一及び第二の光源を含み、対をなし
ている各光源装置は、試料の表面で一致する入射光束を
放出することができる。実質的に等しい反射エネルギー
及び持続時間を有する入射光束を得るため、対をなして
いるそれぞれの光源装置を同時に電源と接続及び遮断
し、少なくとも２対の光源装置を順次、電源と接続する
装置が設けられている。光応答装置は、表面から反射す
る光束から実質的に一つの波長の光を検出する。光応答
装置は、表面に対して実質的に垂直な光軸を有する。２
個の光源装置は方位角において約179°〜約181°離れて
いる。対をなしている光源のそれぞれは、表面に対して
鋭角をなす軸線を有する。その鋭角は実質的に等しい。

本発明の特に好ましい実施態様では、各対における２個
の光源装置は、試料の表面に同じ波長の実質的に単色光
の光束を投射することができる。

更に、本発明は、光学的に不均一な試料から拡散反射さ
れる光を測定する方法を提供するものである。この方法
は、光学的に不均一な試料を固定された位置に保持し、
試料の表面上で一致する少なくとも２個の入射光束を対
応する数の光源装置から投射させることによって試料を
直接照射することを含む。入射光束を得るため、少なく
とも２個の光源装置を順次電源と接続及び遮断する。表
面に対して実質的に垂直な角度で表面から反射する光束
から実質的に一つの波長の光を検出する。光源装置は、
方位角で約（360°/N±１°）〔Ｎは光源の総数に等し
い〕離れており、各光源装置は表面と鋭角を形成する軸
線を有する。

本発明は、更に、第一及び第二光源からの２個の入射光
束で試料を直接照射し、試料の表面で一致する入射光束
を得るため光源装置をそれぞれ同時に電源と接続及び遮
断することによって、光学的に不均一な試料から拡散反
射される光を測定する方法を提供する。前記表面に対し
て実質的に垂直な角度で前記表面から反射する光束から
実質的に一つの波長の光を検出する。２個の光源装置は
方位角で約179°〜約181°離れ、表面に対して実質的に
等しい鋭角を形成する。

更に別の実施態様では、本発明は、各対が試料の表面上
で一致する２個の入射光束を投射しうる第一及び第二の
光源を含む２対以上の光発生装置を順次、電源と接続及
び遮断することによって試料を直接照射することにより
光学的に不均一な試料から拡散反射される光を測定する
方法を提供する。実質的に等しい反射エネルギー及び持
続時間の入射光束を得るため、対をなしている光源装置
を同時に電源と接続及び遮断する。表面から反射する光
束を表面に対して実質的に垂直な角度で測定することに
よって実質的に一つの波長の光を検出する。光源装置が
方位角で約179°〜約181°離れている。本発明の特に好
ましい実施態様では、その物質を有すると思われる試薬
試験片上の物質の濃度又は存在を本発明方法により測定
し、対をなしている光源装置のそれぞれが同じ波長の実
質的に単色光を発生することができる。

詳細な説明 本発明の装置及び方法は、本質的に任意の種類の光学的
に不均一な試料から拡散反射される光を測定するため使
用することができる。本明細書において、“光学的に不
均一な試料”という表現は、肉眼では実質的に平坦に見
える試料又はその部分を意味するが、その試料の表面を
一定の高さで光源によって照射し、表面からのスペクト
ル反射率を測定する場合に、その表面の機械的性質が、
反射率の測定が方位角の函数であるようなものである。
この定義は、第１図及び第２図並びに光学的に均一な試
料及び光学的に不均一な試料の下記の説明を参照すれ
ば、一層容易に理解することができる。

第１図は、表面２の平面に対して一定の高さにある光源
装置（以下、光源という）４からの入射光束３によって
照射される表面２を有する試料１を示す。光源４は光束
３の軸線に相当する軸線を有する。試料表面（以下、表
面という）２に対する光源４の入射角は、αとして示
す。入射光束３は、表面２から拡散反射されるエネルギ
ー５として散乱する。

第２図は、第１図に示す配列の平面図である。光源４か
らの入射光束３は、反射光束５として表面２から反射す
る。光学的に不均一な試料の場合には、一定の入射角で
光源４によって生ずるスペクトル反射率は、光源４が第
２図に実線で示した位置から第２図に破線で示した位置
に移動するときに変化するであろう。位置におけるこの
変化は、方位角γで定義され、従って、光学的に不均一
な試料の場合、スペクトル反射率は方位角の函数であ
る。しかし、光学的に均一な試料の場合、それぞれの位
置で光源４が表面２に対して同じ入射角（α）にあれ
ば、光源４を破線で示した位置に移動することによって
スペクトル反射率は影響されない。

次に、色同定の目的での試薬試験片からの反射率の測定
に関連して本発明の装置及び方法を説明する。

本発明の反射率測定装置の一実施態様を第３図に示す。
この装置は、試験すべき試料１を支持する凹部８を有す
る平坦な表面７を有する保持装置６を含む。装置は、試
料１の表面２を実質的に均一に照射するため、２個の拡
散光源９及び10を含む。光源９は、その光源の光軸と一
致する軸線を有する単色光の光束13を投射する。同様
に、光源10は表面２上に、光束13と同じ波長の単色光の
光束14を投射する。光源９及び光源10は固定された位置
に保持され、各光源は試料１の表面２に対して実質的に
同じ角度（α）をなし、試験すべき表面上に光の実質的
に等しい入射角が得られる。光源は同じ仰角にあるの
で、二つの光源からの光束は表面２上で実質的に一致す
る。

各光束の成分は、表面２から垂直に上方へ反射し、混合
して反射光束15を形成する。この反射光束は、試験すべ
き表面の着色の程度の函数である大きさを有する。反射
光束15は、光応答装置17の感知ヘッド16に入る。光応答
装置17は通常、反射光束15の軸線と一致する光軸（図示
せず）を有する光検出装置（以下、検出装置という）で
あり、一致する軸は表面２に対して垂直である。

第４図から、光源９及び光源10が、方位角で180°離れ
ていることが判る。方位角は、光源９の光軸18と光源10
の光軸19との間の角度によって形成される角度γとして
示されている。

本発明の装置は、表面２を照射する光の短いパルスを作
るために極めて短い持続時間で複数の光源を同時に又は
順次、電源と接続及び遮断する間、試料１を固定された
位置に保持することによって操作される。光源が点滅す
るので、脈動する反射エネルギーが検出装置17で測定さ
れる。反射エネルギーは、次いで電気信号に変換され、
参照水準と該信号を比較し、結果を所望のパラメータ、
例えば試験すべき血液試料中の蛋白質の濃度に変換する
比較回路を有する論理系統で電子的に処理される。この
装置及び記載した操作を用いて、光学的に不均一な試料
について極めて正確で、再現性ある反射率の測定を行い
うることが判明した。反射率の測定は、試料保持装置中
の試料の方位のわずかな変動に対してあまり鋭敏でな
い。更に、光源と試料との間に光拡散装置を使用する必
要はない。また、反射率の測定は試料と光源との間の距
離のわずかな変動に対してあまり敏感でない。

第５図は、本発明の別の実施態様を示すもので、多数の
光源を組み込んだ装置を示す。この実施態様では、試料
１の表面２はＮ個（ここでは、Ｎ＝６）の光源で照射さ
れる。光源は20、21、22、20′、21′及び22′で示され
ている。第５図から明らかなとおり、６個の光源は方位
角で360°/N離れて配置されている。光源は、表面２に
対して実質的に同じ入射角（第３図におけるα）で存在
する。すべての光源が同じ波長の光を発する必要はな
い。

第５図の各光源は、順次、電源と接続及び遮断されて、
試料１の表面２が光源からの光のパルスによって定期的
に照射される。生ずる反射光15のパルスは、検出装置17
（第３図参照）によって集められ、そこで電気信号に変
換される。信号は処理され、光学的に不均一な試料から
の反射率が計算される。

第５図に示した装置を下記のように本発明の好ましい実
施態様に変えることができる。好ましい実施態様では、
試料１の表面２は20-20′、21-21′及び22-22′で示し
た対をなして配置した光源を向かい合わせることによっ
て照射される。第５図から明らかなとおり、各対の２個
の光源は方位角で180°離れている。更に、各対におけ
る２個の光源は表面２に対して実質的に同じ入射角（第
３図におけるように、α）にある。各対における２個の
光源は、同じ波長の単色光の光束を発することができる
が、すべての光源対が同じ波長の光を発する必要はな
い。従って、例えば、光源20及び20′からの光束がそれ
ぞれ同じ波長を有するが、この波長は光源21及び21′に
よって生ずる光束の波長と同じである必要はない。同様
に、光源22及び22′は同じ波長の光束を発するが、この
波長は光源20及び20′又は21及び21′から発せられる光
束の波長と同じである必要はない。

好ましい実施態様において、各対における２個の光源
は、同時に電源と接続及び遮断され、第５図の各光源対
は、順次、電源と接続及び遮断されて、試料１の表面２
が各対の２個の光源からの光のパルスで定期的に照射さ
れる。生ずる反射光15のパルスは検出装置17（第３図参
照）で再び集められ、そこで電気信号に変換される。信
号を処理し、光学的に不均一な試料からの反射率を計算
する。

次に、本発明の装置における種々の構成要素を更に詳細
に説明する。

本発明の装置はＮ個（Ｎは２以上である）の光源を含
む。光源の数の上限は、一般に、本発明の実施に限定的
ではない。それにもかかわらず、光源の数は、実際の考
慮事項、例えばコスト及び物理的制約によって制限され
ることがある。一般に、光源の数は約200を超えない。
多数の光源を使用する場合には、若干又は全部の光源を
試料からすこし離して配置し、光の集束装置又は光案内
装置、例えばファイバーオプティクスを使用し、試料へ
光源からの光を伝達することが必要である。約20個まで
の光源、例えば10対を光案内装置を備えることなく充分
接近して間隔をおいて配置することができる。光源の数
及び試料の周りの光源対の配置の形状を各用途に適合さ
せうる場合には、本発明の好ましい実施態様において、
６個の光源（３対）を対称に配置し、試料の周囲に実質
的に均一に間隔をおいて設置する（第５図参照）。

試験すべき試料の表面での入射光の角度（α）は、試料
の性質、光源の性質、検出装置の性質及び検出装置から
の信号を処理する関連回路及び測定に必要な精度に応じ
て変動しうる。入射角が大きすぎる場合、検出装置に集
光される鏡面反射が多過ぎ、従って、検出装置からの信
号を色調を示す拡散反射成分に分解するのが困難にな
る。入射角が小さ過ぎる場合には、検出装置に充分な光
量を集められず、検出装置からの信号は低すぎるか又は
信頼性が低い。試薬試験片について測定する場合には、
入射角が約40°〜約50°であってよいことが判明した。
入射光の角度は試薬試験片について約44°〜約46°であ
るのが好ましく、これが一般に装置の製造誤差を考慮し
て適切である。本発明の特に好ましい実施態様では、各
光源の軸線は、表面２に対してほぼ45°の角度（α）を
形成する。光源を対で使用する場合、光源対における２
個の光源のそれぞれからの入射光は、試料の表面に対し
て実質的に同じ角度をなすが、前記範囲内でのこれらの
角度の偏移は許容されうる。

光源を対で使用する場合、必ずしもすべての光源対が試
験すべき表面に対して同じ入射角である必要はない。例
えば、一つの対における２個の光源のそれぞれの入射角
は44°であってよく、別の対における２個の光源のそれ
ぞれの入射角は約46°であってよい。この配列は、一層
接近して光源を配置し、これにより装置により多くの光
源対を使用することを可能にする。

光源は、試験すべき表面に対して傾斜した角度で存在す
るので、楕円形照明パターンが形成される。光源からの
入射光束が表面上で小さく、集中した点に集まる場合、
検出装置はその点に注意深く照準を合わせなければなら
ず、入射角の変動における許容誤差は小さくなるであろ
う。これらの理由で、またコストが低く、市場で入手し
うる光源が広い照明パターンを生ずるので、表面の大き
い範囲を照射し、この範囲の小さい部分に検出装置の焦
点を合わせるのが有利であることが判明した。好ましい
実施態様で、試薬試験片の完全な試薬領域を照射し、表
面と検出装置との間に孔を設けることによってその領域
の小さい部分に検出装置の焦点を合わせることができ
る。

複数の光源対を使用する場合には、一つの対における各
光源が試料１の表面上に光を投射する。理想的条件下で
は、２個の照明パターンが重ね合わされて光の均一なパ
ターン及び均一な反射光束15を形成する。

方位角は、光源の数（即ち、Ｎ）及び測定に必要な精度
に応じて変動しうる。本発明の一つの実施態様において
は、光源を方位角で約360°/N離して設置する。従っ
て、例えば６個の光源を約60°離して、５個の光源を約
72°離して、４個の光源を約90°離して、３個の光源を
約120°離して設置する。試薬試験片について反射率を
測定する場合には、±１°の方位角の偏移は一般に許容
され、これらの偏移は通常、装置の製造誤差を充分、考
慮している。従って、方位角は（360°/N±１°）と便
宜的に表現することができる。

第５図を参照して説明したように光源を対として使用す
る場合、方位角を測定に必要な精度に応じて変えること
ができる。方位角が180°から偏移する場合、照明パタ
ーンは重ねられず、極端な場合には２個の別々の照明点
が形成される。検出装置17は、試料の表面の極めて小さ
い領域からのエネルギーを受理する。従って、照明パタ
ーンが光の均一な点からはずれると、誤った反射率の読
みが生ずることがある。このことは、例えば、発散する
パターンの間に暗い領域がある場合又は検出装置が一方
の光源から、他方より多くの反射光を集める場合に起こ
る。試薬試験片について反射率を測定する場合には、対
をなしている２個の光源の間の方位角は、一般に、約17
9°〜181°であってよく、これは、一般に装置の製造誤
差を充分に斟酌している。本発明の好ましい実施態様で
は、対をなしている光源の間の方位角は、反射率測定の
精度を最大にするためには、約180°である。

好ましい実施態様では、光源は、試料及び検出装置が応
答する電磁スペクトル範囲において単色光の反射光束を
生ずることができる。すべての光源が同じ波長の反射光
を生ずるように光源を選択しうる場合には、各光源対に
おける２個の光源に起因する反射光束が実質的に一つの
波長を有しさえすればよい。可視スペクトル範囲の光を
一般に使用する。この光は、試薬試験片を測定するのに
特に好適である。光源が約550ナノメータ（nm）〜約940
nm、好ましくは約550nm〜約660nmの波長を有する光を発
生しうるのが代表的である。第５図に示した実施態様で
は、３対の光源は、約557nm、約610nm及び約660nmの波
長をそれぞれ有する光を発生する。

発光半導体装置、例えば発光ダイオード（LED）の使用
は、本発明に特に有利であることが判った。前記の波長
範囲の拡散する単色光を発生しうる発光ダイオードは、
市場で入手しえる。発光ダイオードは、低コストであ
り、電力の要求が低く、輝度が高く、高速で直接変調す
ることができる。更に、発光ダイオードは小さい寸法で
入手しうるのが代表的であり、これにより光案内装置、
例えばファイバーオプティック束を使用することなく、
操作保持装置の周りに多数の対のLEDを配置することが
可能になる。LEDは、例えば、GaAlAs、GaP、GaAsP/GaP
並びに均等なチップ材料を基礎とするものである。第５
図に示した好ましい実施態様では、スタンレー・エレク
トリック社（Stanley Electric Co.,Ltd）から入手しう
るスタンレーESAA-:ESBR-及びESBG-5531系の高効率発光
ダイオード６個によって単色光で照射する。

光源は、本質的に多色光を発するものであって、それか
ら実質的に一つの波長の光を除いてすべてを分離して、
単色光を光源から投射する装置からなっていてもよい。
これは典型的には、タングステンランプ及びそのランプ
と試験すべき試料の表面との間に挿入された適当なフィ
ルターを用いて達成することができる。

反射率を測定している間、試料を固定された位置に保持
するが、表面の走作又は試料の異なる領域からの反射率
の測定をするため移動することができる。

光源の出力の変化は、検出装置には、試料からの反射エ
ネルギーの変化と区別しえないので、正確で、信頼性の
ある反射率の測定を行うためには、各光源からの出力が
安定していることが重要である。若干の場合には、試料
の表面に関して数回の読み取りを行うことが必要でさえ
あり、この場合には、各読み取りを行っている間、各光
源の出力が安定していることが重要である。例えば、試
薬試験片にしばしば、一回に数種の異なる生化学的分析
をするため数種の異なる試薬を与え、各試薬の色を測定
している間、各光源からの出力が安定していることが重
要である。光源の対を電源と接続及び遮断して一つの対
の光源を同時にオン・オフすることによって、光のパル
スが生ずる。各光源からの安定な、再現性ある出力は、
この方法で光源を点滅させることによって得られる。

安定で、再現性ある出力を得るのに充分な持続時間を有
する電流パルスを光源に供給することによって光のパル
スを生じさせる。各パルスの持続時間は、光源の性質及
び操作特性並びに装置の他の成分の応答の速度に左右さ
れる。点滅は、選択された光源又は光源の選択された対
の任意の組合せを電源と接続及び遮断するように操作し
うる装置を開閉し、調時することによって達成すること
ができる。例えば、安定な出力は一般に、約20〜約25ミ
リアンペアの入力電流で約100〜約300ミリセコンドの
間、電源と接続されるLEDを用いて得ることができる。
それより高い入力電流では、光源に熱が発生し、熱は出
力の安定性及び再現性に悪く作用する。熱の悪影響を最
少にするためには、入力電流を高くして、光源を電源と
接続する持続時間を減少するのが代表的である。対をな
している光源のオン−オフサイクルの持続時間は実質的
に等しい。

光源の対を使用する場合、すべての光源対を同時に点滅
させるか、又は選択された対を順次、点滅させることが
できる。例えば、同じ波長の光源対を同時に又は順次点
滅させることができる。他方、検出装置で反射光束（第
３図における15）を単色光成分に分離するのが困難であ
るので、通常、波長の異なる光源対を、順次に点滅させ
る。光源対を点滅させる順序は、限定的であるとは思わ
れなかった。

第６図は、マイクロプロセッサ（μＰ）23によって各光
源のオン−オフサイクル及び出力を制御する装置の略示
系統図である。ディジタル−アナログ変換器（DAC）24
にディジタル信号（0/1）が送られ、その出力25が光源2
6への供給電力となる。マイクロプロセッサ23は、所定
の持続時間、光源を点滅させるため開閉するディジタル
スイッチ28に接続されたタイマー27を制御する。生ずる
光のパルスは、装置の電子的構成要素、及び光学的構成
要素が応答するのに充分であるが、光源が不安定である
ことによって起こる変動が測定の精度に悪影響を及ぼす
程長くない持続時間を有するべきである。各光源は、必
要に応じて１回より多く点滅することができ、パルスサ
イクルを必要に応じて反復することができる。

電流のパルスの持続時間は、広範囲に変えることができ
る。例えば、特定の波長を有する光源が低い出力を有す
るものであってもよいし、又、検出装置が測定される反
射光の異なる波長のそれぞれに対して同じ感度を有して
いなくてもよい。例えば、一つの対における光源に対す
るパルスの持続時間が異なる波長の別の対の光源に対す
るパルスの持続時間とは異なっていてもよい。

光源からの光束の強度も、広範囲に変えることができ
る。通常、試料から反射されるエネルギーの所望の程度
は、検出装置の感度及び検出装置からの信号を処理する
回路の性質に基づいて設定する。光束の強度は、試料の
色の変化を区別できるように、その試験条件下において
少なくとも所望の程度の反射光束を生ずるのに充分なも
のであるべきである。光源への入力電流を調節すること
によって各光束の強度を制御することができる。入力電
流は、光源の性質及びその操作特性に応じて変える。例
えば、第５図に示した好ましい実施態様では、各光源は
20ミリアンペアの入力電流で付勢されるLEDである。試
薬試験片が測定に供される場合、557nmの波長を有する
光源は、12〜18ミリカンデラ（mcd）の出力を生じ、610
nmの波長を有する光源は20〜30mcdの出力を生じ、660nm
の波長を有する光源は32〜48mcdの出力を生じる。従っ
て、入射光束の強度は光源対毎に、例えば、各対が波長
の異なる単色光を発生するように変えてよい。

正確で、再現性ある測定を保証すべく、各光源の出力
は、安定でなければならないばかりでなく、光源対にお
ける２個の光源のそれぞれの全反射エネルギーへの寄与
は、実質的に等しくなければならない。市販の光源の出
力は、±50％程度、変動し、各光源の出力が種々の機能
退化速度に応じて変動しうるので、装置に、各光源によ
る反射エネルギーを定期的に測定し、次いで所望のレベ
ルを得るため必要に応じて光源への入力を増減する手段
を含むことができる。試験すべき試料によって反射され
る各光源からのエネルギーを測定し、次いで入力への適
切な調節を行うことによって光源の許容しうる適合を達
成することができる。光源からの光束の一部を受理し、
入力を変動させるため適切なフィードバックを生じるよ
うに参照検出装置を置くことによって光源出力の変動を
監視することができるが、これには、各光源に参照検出
装置が必要である。より簡単な方法を第７図に示す。

第７図において、Ｎは本発明の装置における光源の総数
である。文字“i"はプログラムカウンターである。ｉ＝
１、即ち、第一光源で始めると、各光源は順次、試料を
照射し、反射エネルギーは単独の検出装置17（第３図参
照）によって読み取られる。各光源と関連する反射率を
数値のプリセットウインドウに対比し、従って、各光源
への入力を調節して光の出力を増減する。この装置を第
二光源（ｉ＝２）、第三光源（ｉ＝３）、・・・ｉ＝Ｎ
光源について繰り返す。この操作は、当業者が容易に設
計しうるソリッドステート論理回路及び各光源への入力
を調節する常用の制御装置を装置に含めることによって
容易に実施することができる。検出装置の応答能の変動
が光源の出力の変動に比べて小さいので、１個の検出装
置をこの方法ですべての反射率の測定に使用することに
よって精度を増加する。この精度の増加は、コストを付
加することなく、装置の寸法を増大することなく達成さ
れる。

この実施態様の別の利点は、反射エネルギーを一致させ
る際に、光源ばかりでなく、１個以上の光源の出力に優
先的に影響するかもしれない、光路中のすべての成分に
ついて補正がなされることである。

更に、各光源による反射エネルギーを一致させることに
よって試料のねじれ又は傾斜に対する反射率測定の過敏
性は最少にされる。例えば、１個の光源を用いる場合、
試料の回転又は傾斜は、検出装置に対する移動方向に応
じて、検出装置に達する全反射エネルギーを増加又は減
少させる。反射エネルギーにおけるこの変化は試料の色
に関係しないので、回転は反射率測定に誤差を起こす。
一対の光源を使用し、一方の光源の全反射エネルギーへ
の寄与が他方の光源より著しく大きい場合に、同様の誤
差が生じる。しかしながら、対をなしている２個の光源
がほぼ等しい量の反射エネルギーを与える場合、試料が
回転するに従って、一方の光源からの寄与は減少し、他
方の光源からの寄与がそれに比例して増加し、検出装置
に受理される全エネルギーはほぼ一定となる。従って、
反射エネルギーだけが試料の特性を考慮するので、検出
装置に受理される全反射エネルギーに対する各光源の寄
与を一致させることが重要である。

光源対における光源に起因する反射エネルギーを一致さ
せることの他の利点は、光源と試料との間の距離の変動
に対する過敏性を減少することであり、光源を一致させ
ると、平均化効果が生じる。多数の一致させた光源を使
用することによって光源の特性が、平均化される。例え
ば、光源対に関する所定の波長は557nmであるが、一方
の光源は現実には560nmで作動し、他方は554nmで作動す
る場合、各光源が全反射エネルギーに対して等しい寄与
をなすように光源が均衡していれば、反射エネルギーの
平均波長は557nmとなるであろう。光源が均衡していな
い場合には、反射エネルギーの波長は明るい方の光源の
波長に偏るであろう。

検出装置は、試料から反射する光又は光源によって放出
され、試験条件下に試料によって反射される光の波長の
範囲で応答するように選択される。検出装置は光に対し
て高い感度及び使用するデータ速度に適応するのに充分
早い応答時間を有すべきである。本発明の好ましい装置
においては、検出装置は約25℃で約500〜約700nmの範囲
の波長を有する光に対して応答する。検出装置は、光起
電法で作動するシリコンフォトダイオードであるのが好
ましい。

検出装置は、その光軸が反射光束の軸線と実質的に一致
するような位置に固定される。これにより、検出装置に
よる反射光束の効率的な収集が確実になる。検出装置
は、一般に、反射光束が試料と検出装置との間で移動す
るときの透過損失を最少にするために、試験すべき試料
の表面に接近して設置する。しかしながら、若干の場
合、例えば空間が限られている場合には、より大きい観
察領域を有する検出装置を選択するか、又は試料と検出
装置との間に光案内装置を組み込むことによって検出装
置を試料からかなり離して設置することができる。試験
すべき表面を走査するか又は試料の異なる領域からの反
射率を測定するために、検出装置を移動することができ
る。同様に、検出装置の移動を試料の移動と協調させる
ことができる。

単色光を発生しうる光源について本発明の好ましい実施
態様を説明してきたが、多色光を発生しうる光源及び反
射光束（第３図における15）から実質的に一つの波長の
光を除いてすべてを分離して、前記の特性を有する拡散
性単色光が検出装置を活動させるか、又は検出装置に受
理されるようにする装置を用いて本発明を実施すること
もできる。このことは、例えば単色光検出装置を使用す
るか又は試料と検出装置との間の反射光束の路に適当な
光学フィルタを挿入することによって達成される。

次に、信号の処理を第８図を参照して説明するが、第８
図は、光起電法で作動する好ましいシリコンフォトダイ
オード検出装置を用いて使用する装置を示す。光源９及
び10は、試料１の表面２を直接照射し、反射光束15はフ
ォトダイオード17によって集められる。フォトダイオー
ド17は、高ゲイン電流電圧変換器として使用される演算
増幅器30に供給される電流29を発生する。フォトダイオ
ード17及び演算増幅器30は、照度が高い程、低い正電圧
を生ずるように接続される。

演算増幅器30からの電圧出力31のアナログ−ディジタル
変換は、二重ランプ積分技術（dualramp integrator）
によってアナログ−ディジタル変換器32で達成される。
信号電圧31を、一定数のマイクロプロセッサクロックサ
イクルである時間、即ち好ましい実施態様では50ミリセ
コンド（msec）、積分器に適用する。これはマイクロプ
ロセッサ34及びタイマー35を介して達成される。次に、
反対極性の参照電圧33を印加する。積分器電圧が比較装
置（図示せず）で検出して閾値以下に低下するまで、ク
ロックサイクルを計算する。この時間間隔が固定された
積分時間に比例する場合、得られる数値は参照に対する
信号の割合を表し、その数値を“カウント”という。ま
ず、試料１を照射することなく“カウント”を読むこと
によってオフセット値を測定する。光源９及び10を点灯
して、まず、反射率が既知の標準試料から“カウント”
を読み、次に未知試料から“カウント”を読む。次に、
下記の式からマイクロプロセッサ34で反射率を計算す
る： 次に、反射率の計算値を色の既知の試料に関する反射率
と比較し、不変状態又は過渡的状態で所望の分析を示す
ことができる。

反射率を測定するため、多数の光源対を使用する場合、
すべての試料について、すべての対を電源と接続する必
要はない。例えば、第５図における光源対の１個だけ又
は２個を電源と接続し、生ずる信号に基づいて反射率を
測定する。すべての対を順次、電源と接続し、すべての
対について反射率を測定する場合、得られる測定値のす
べてを分析に使用する必要はない。このことは、本発明
の装置をプログラミングして異なる型の試料、例えば、
光源から発生する光のある波長だけに応答する試料につ
いて測定することに広い適応性を与える。

本発明の装置は、光学的に不均一な試料について極めて
正確で、再現性をもって光反射率を測定することができ
る。従って、本発明の装置及び方法を、機器分析による
色調を測定することによって試薬試験片上の物質の濃度
又は存在を測定するため使用することができる。前記の
説明及び図面から明らかなとおり、実質的に均一な直接
照明によって試料の表面を照射する。即ち、光源と試料
との間に拡散装置又は機構は存在しない。従って、正確
な分析を得るために、観察している表面の完全な拡散照
射を得る必要はない。積分球又は半球を省き、等しい光
源に関する照度をより大きくすることによって試料を低
コストで、小さいサイズで照射することができる。光源
と試料との間で消失する照射量及び消費電力は低減す
る。更に、試料保持装置における試料の方位及び光源と
試料との間の距離のわずかな変動を許容することができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は光源及び試験すべき試料の断面図、第２図は第
１図に示した光源及び試料の平面図、第３図は本発明の
反射率測定装置の断面図、第４図は第３図のＡ−Ａ線を
通る反射率測定装置の平面図、第５図は多数の光源対を
有する本発明の好ましい反射率測定装置の平面図、第６
図は本発明に使用する光源を制御する装置の略示系統
図、第７図は本発明の装置における光源からの出力を均
衡させる装置の理論図、第８図は本発明の装置における
検出装置からの信号を処理する装置の略示系統図であ
る。 １……試料、２……表面、３……入射光束、４、９、1
0、20、20′、21、21′、22及び22′……光源装置（光
源）、５及び15……反射光束、６……保持装置、17……
光応答装置（光検出装置、検出装置、フォトダイオー
ド）、23及び34……マイクロプロセッサ、24……ディジ
タル−アナログ変換器、27及び35……タイマー、28……
ディジタルスイッチ、30……演算増幅器、32……アナロ
グ−ディジタル変換器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭59−77341（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−95441（ＪＰ，Ａ) 特公 昭47−12840（ＪＰ，Ｂ１)

Claims (22)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】光学的に不均一な試料、すなわちそれに対
   し投射された光線が方位角によって不規則に反射する表
   面を有する試料を固定された位置に保持する装置（6,7,
   8）； 該試料の周りに、ある方位角をもって夫々配設された、
   前記試料の表面上で一致する入射光束により該試料を直
   接照射するための２つの光源装置（9,10）； 前記の試料表面の照度に対応した電気信号を発生するこ
   とによって該表面から拡散反射する光を検出するための
   該表面に対し実質的に垂直な光軸を有する光応答装置
   （17）； 前記信号を記憶し、該信号を既知反射率の試料における
   対応する値と比較し、前記試料からの反射率を計算する
   手段（30,32,34,35）；及び 前記の計算された反射率を報告する装置； を含む光学的に不均一な試料から拡散反射する光の測定
   装置であって、 前記光源装置の各々が、方位角において179°〜181°離
   れ、550nm〜940nmの波長の光線を投射可能で、かつ前記
   表面に対し、実質的に等しい鋭角を形成する軸線を有
   し、 前記の光応答装置が、前記の試料表面から反射する光束
   から実質的に一つの波長の光を検出し、 実質的に等しい時間を有する入射光のパルス及び反射光
   のパルスを作るため、前記光源装置を、300msecを越え
   ない時間、同時に電源と接続し、そして遮断する装置
   （23,24,27,28）と、 前記の各入射光束の反射エネルギーの差が±2.5％以内
   になるように保持する装置と、 をさらに含むことを特徴とする装置。
2. 【請求項２】前記の鋭角が、40°〜50°である特許請求
   の範囲第１項記載の装置。
3. 【請求項３】前記の鋭角が、44°〜46°である特許請求
   の範囲第１項記載の装置。
4. 【請求項４】前記の鋭角が、45°である特許請求の範囲
   第１項記載の装置。
5. 【請求項５】前記の方位角が、180°である特許請求の
   範囲第４項記載の装置。
6. 【請求項６】前記の装置が、前記の反射光束から実質的
   に一つの波長の光を除いてすべて分離する装置を含む特
   許請求の範囲第１〜５項のいずれか一に記載の装置。
7. 【請求項７】前記の分離装置が、前記の試料表面と前記
   の光応答装置との間の反射光束の光路に挿入された光学
   フィルターを含む特許請求の範囲第６項記載の装置。
8. 【請求項８】前記の光応答装置が、単色光検出装置であ
   る特許請求の範囲第１〜７項のいずれか一に記載の装
   置。
9. 【請求項９】前記の各光源装置が、同じ波長の実質的に
   単色光の２つの入射光束の形で前記の試料表面を直接照
   射する特許請求の範囲第８項記載の装置。
10. 【請求項１０】前記光源装置に起因する反射エネルギー
    を定期的に測定し、該光源装置のいずれかへの入力を増
    減して、一方の光源装置の出力を他方の光源装置の出力
    と均衡させる装置を含む特許請求の範囲第１〜９項のい
    ずれか一に記載の装置。
11. 【請求項１１】前記反射エネルギーの定期的な測定を、
    前記光応答装置にて行なう特許請求の範囲第10項載の装
    置。
12. 【請求項１２】前記反射エネルギーの測定を前記の各光
    源装置について順次行なう装置を含む特許請求の範囲第
    11項記載の装置。
13. 【請求項１３】前記の試料が、その濃度を被測定対象と
    する物質がそれに含有された試薬試験片である特許請求
    の範囲第１〜12項のいずれか一に記載の装置。
14. 【請求項１４】光学的に不均一な試料、すなわちそれに
    対し投射された光線が方位角によって不規則に反射する
    表面を有する試料を固定された位置に保持し； 前記試料の表面上で一致する２つの入射光束を対応する
    数の光源装置（9,10）から投射することによって該試料
    を直接照射し； 実質的に等しい時間を有する入射光のパルス及び反射光
    のパルスを作るため、前記光源装置を、300msecを越え
    ない時間、同時に電源と接続し、そして遮断し； 前記の試料表面の照度に対応した電気信号を発生せしめ
    ることによって、該表面から拡散反射する光のパルスか
    ら実質的に一つの波長の光を該表面に対し実質的に垂直
    な角度で検出し； 前記信号を記憶し、該信号を既知反射率の試料における
    対応する値と比較し、前記試料からの反射率を計算し、
    その計算された反射率を報告し； 前記各入射光束の反射エネルギーの差が±2.5％以内に
    なるように保持する ことを含み、 前記光源装置の各々が、方位角において179°〜181°離
    れ、550nm〜940nmの波長の光線を投射可能で、かつ前記
    表面に対し、実質的に等しい鋭角を形成する軸線を有す
    るものである、光学的に不均一な試料から拡散反射する
    光の測定方法。
15. 【請求項１５】前記の鋭角が、40°〜50°である特許請
    求の範囲第14項記載の方法。
16. 【請求項１６】前記の鋭角が、44°〜46°である特許請
    求の範囲第14項記載の方法。
17. 【請求項１７】前記の鋭角が、45°である特許請求の範
    囲第14項記載の方法。
18. 【請求項１８】前記の方位角が、180°である特許請求
    の範囲第17項記載の方法。
19. 【請求項１９】前記の光源装置に起因する反射エネルギ
    ーを定期的に測定し、該光源装置のいずれかへの入力を
    増減して、一方の光源装置の出力を他方の光源装置の出
    力と均衡させる特許請求の範囲第14〜18項のいずれか一
    に記載の方法。
20. 【請求項２０】前記反射エネルギーの定期的な測定を、
    前記電気信号発生手段にて行なう特許請求の範囲第19項
    載の方法。
21. 【請求項２１】前記反射エネルギーの測定を前記光源装
    置について順次行なう特許請求の範囲第20項記載の方
    法。
22. 【請求項２２】前記の試料が、その濃度を被測定対象と
    する物質がそれに含有された試薬試験片である特許請求
    の範囲第14〜21項のいずれか一に記載の方法。