JPS635240A - 反射率測定装置内の試料の反射率を測定する方法及び分光光度計の較正方法 - Google Patents

反射率測定装置内の試料の反射率を測定する方法及び分光光度計の較正方法

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JPS635240A
JPS635240A JP62153591A JP15359187A JPS635240A JP S635240 A JPS635240 A JP S635240A JP 62153591 A JP62153591 A JP 62153591A JP 15359187 A JP15359187 A JP 15359187A JP S635240 A JPS635240 A JP S635240A
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デビッド・エム・クーパー
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    • G01N21/17Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/47Scattering, i.e. diffuse reflection
    • G01N21/4785Standardising light scatter apparatus; Standards therefor

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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】 [発明の分野] 本発明は反射率測定装置の新規で、かつ、改良された較
正方法及び試験検体の光反射率を測定する方法に関する
。更に詳細には1本発明は、自動ゲイン又は感度設定が
組み込まれた光反射率測定装置における光反射率の較正
、測定及び測定値の補正方法を目的とする。試験試料の
反射率の測定に先立ち、単一の2次反射率標準の光反射
率を測定することにより、試験検体の反射率測定値から
正確な真の反射率を算出することができる。
[発明の背景及び従来技術] 反射率比とは、試料から反射される光の強度の、試料へ
の入射光の強度に対する比率である。試料から反射され
る光の強度を測定することは比較的容易であるが、試料
へ入射する光を測定することはより困難である。入射光
は、分光光度計のリードヘッド(読み取りヘッド)に1
次反射率標準を置くことによって測定され、上記装置の
操作波長における真の反射率を知ることによって、測定
された反射率から入射光を逆算することができる0次に
、試験試料の反射率は、試験試料から反射された光の強
度を、1次反射率標準から反射された光の強度で割り、
これに上記反射率標準の既知の反射率を掛けることによ
って求められる。
この技術は、反射率測定装置内に迷光が全く無いという
仮定に甚くものであるが、この仮定は誤りであり、大き
な測定誤差を招く。
分光光度計のような反射率測定装置の較正には、100
%と0%の反射率値を設定するのが常法である。これら
の反射率値を設定するには、何らかの標準と比較して測
定を行う必要がある。0%の反射率値を得るのは困難で
あった。また多くの方法及び装置は、0%の反射率とは
装置の電源を切った状態で測定された値であるという仮
定に基いて操作されるものである。このようにして得ら
れた0%反射率値は、迷光を排除することは非常に困難
ないし不可能であるため、正確ではない。
従来技術においては、測定を行う前にその都度1次反射
率標準を用いて較正を行なわねばならず、計器の感度又
はゲインを設定し直さねばならない、かかる状況下にお
いては、各々の測定値及び読みは、装置の感度又はゲイ
ンの設定に依存する。使用者が、測定を行う前にその都
度、装置内に1次反射率標準を置いて装置の感度を再設
定しなければならないということは、装置の有用性を低
め、使用する際のコストが割高となる。更に、各反射率
測定装置は許容差が近似していて、各装置に対する迷光
が同一となるように作られねばならない、このことは割
高で困難な、製造許容差や厳密な品質管理規準の維持を
必要とする。これらの装置に関するもう一つの欠点は、
常に感度が変化するため、装置を頻繁に較正しなければ
ならないことである。
分光光度計を較正するための一方法が米国特許筒4,0
29,419号に開示されている。この方法によれば、
分光光度計は、1次白色標準に対して較正された2次白
色標準;暗電流及び押え板(プレッシャープレート)か
らの内部反射率を補償するための黒色標準;及び補正係
数において用いられる内壁の反射率を得るための反射鏡
を用いることによって較正される。この方法は、迷光が
ゼロであることを仮定したものではないが、分光光度計
を使用する度に2つの試料を読んでから装置を較正しな
ければならない。
分光光度計の光源における輻射変動を補償するだめの方
法が米国特許部3.245.305号に開示されている
。この特許に記載されている分光光度計は、2つの光源
及びそれらからの輻射線の相対強度を感知するための手
段を用いている。米国特許部3.245.305号の装
置はまた、1つの光源からの輻射線の強度を変化させる
ための手段を具備する。1つの光源からの輻射線の強度
を自動的に変化させるための感知装置に応答可能な更な
る装置を設けることにより2つの光源の強度比が一定に
保たれる。この装置によっては、入射光は直接には測定
されない。更に、第2の光源及びそれに付随する電子回
路の必要性は、上記装置及びその使用をより複雑かつ高
価にする。
米国特許部3,646,331号は、選ばれた、種々の
波長における100%のライン入力の出力をデジタル化
することにより分光光度計における輻射測定の誤差を補
正するための方法及び装置を開示している。Mファクタ
ーと呼ばれる係数が、個々の波長における出力から計算
され、デジタル化された出力にMファクターを1卦ける
ことにより、各波長における補正された100%出力が
得られる。これらのMファクターはそれぞれ保存され、
分光光度計により試料を測定する間、信号から誘導され
た入力信号は保存されたMファクターのそれぞれによっ
て同時に、乗じられて、補正された出力を与える。この
装置及び方法は完全に0%反射率値を無視しているため
、上記装置及び方法は、重大な固有の誤差を有すること
になる。
米国特許部4,310,243号は、分光光度計、及び
光電子増倍管の暗電流と分光光度計中の演算増幅器のオ
フセット(偏差)とを同時に補償して、演算増幅器の出
力電圧を、暗条件下でゼロボルトになるようにする方法
を開示している。この特許は、検知器の暗信号(dar
k signal)を補償する方法を開示しているが、
迷光は考慮されていない。
[発明の概要] 本発明の目的は、反射率測定装置を較正するための新規
でかつ改良された方法を提供することである。
本発明の更なる目的は、試験試料からの光反射率を測定
する新規でかつ改良された方法を提供することである。
本発明の更なる目的は、自動ゲイン又は感度設定能が組
み込まれた(これが無い場合は、時間、使用、及び環境
条件によって感度が大きく変化しやすい)反射率測定装
置を較正するための新規でかつ改良された方法を提供す
ることである。
本発明の更なる目的は、迷光による誤差を最小にする反
射率測定装置を較正するための新規かつ改良された方法
を提供することである。
本発明のまた更なる目的は、再較正に必要な時間を最小
にする反射率測定装置を較正するための新規かつ改良さ
れた方法を提供することである。
本発明の更なる目的は、測定を行う前にその都度、装置
を再較正することなく測定値が補正される、反射率測定
装置を較正するための新規でかつ改良された方法を提供
することである。
本発明の更なる目的は、その装置のゲイン設定とは別個
に迷光を算定する反射率測定装置を較正するための新規
かつ改良された方法を提供することである。
要するに、本発明は、分光光度計のような反射率測定装
置を較正する新規でかつ改良された方法及び試料の光反
射率を測定する方法を目的とするものである0本発明の
重要な特徴の1つによれば、本発明の方法は自動ゲイン
又は感度設定が組み込まれた(これが無い場合は時間、
使用及び環境条件によって感度が大きく変化しやすい)
反射率計に用いて特に有用である。反射率測定計器にお
ける大きな問題は、感度変化のため計器を絶えず再較正
しなければならないことである。計器がいくつかの波長
で用いられ、感度が度々変化する場合は再較正に時間が
かかり、結局、計器の有用性にも影響する。従来は反射
率測定値は計器のゲイン設定に依存していた。例えば、
これらの計器の寿命期間に亘って光源は減衰し電子回路
は変化する、これらの変化を補償し、測定される試料か
ら反射される光を高度に保って最大の感度限界(res
o 1ution)を得るためには測定を行う前にその
都度ゲインを再設定する。
従来の計器はまた、迷光の測定値への影響を考慮してい
ない0分光光度測定法においては、例えば、計器から得
た読みを補正するための100%及び0%反射率値を設
定する必要がある。0%値は、全ての計器に必ず存在す
る迷光のため測定が不可能ないし極めて困難である。従
来、迷光は無視されるかゼロであると仮定されていたた
め、測定値に大きな誤差を生じる結果となった。
本発明は、反射率測定値が分光光度計の感度又はゲイン
設定に依存せず、かつ迷光を正確に検知又は測定するこ
とによって誤差を最小にする方法を提供する。本発明は
、リードヘッド内に配備された1つの2次反射率標準の
反射率が、未知の試験検体の測定を行う直前に測定され
る較正手順又は方法を目的とする6反射率測定装置のそ
れぞれの操作波長で測定される2つ一組の係数を用いて
未知の試験検体の反射率が測定される。少くとも2つ、
通常は3〜5個で一組の1次反射率較正標準を用いる反
射率標準の導入方法又は再較正方法を用いて係数が決定
され、保存される。1次反射率標準の組によって計器が
最終的に較正される。リードヘッド内に配備された1つ
の2次反射率標準により計器が迅速に短期較正される。
上記した又はそれ以外の本発明の目的及び利点は下記の
、添付の図面に示した本発明の好ましい実施態様の詳細
な説明から明らかになるであろう。
[好ましい実施態様の説明] 反射率測定計器、例えば分光光度計は試料、例えば試薬
片の反射率を測定するために用いられる。試薬試験片試
料にとっては、計器による読み値は、例えばグルコース
のような血液試料中の1以上の成分からの光反射率の尺
度となり得る。分光光度計は、特定C)色に対応する選
ばれた波長における反射率を測定するためのものである
従来、反射率測定計器からの測定値は、装置の感度又は
計器のゲイン設定に依存していたため、測定を行う前に
その都度再較正が必要であった。通常、再較正は迷光の
存在を無視してやや大ざっばに行なわれていた。このよ
うに迷光を補償しないことにより反射率測定値には大き
な誤差が生じる。
本発明は、装置の感度又は計器のゲイン設定とは無関係
に測定が行なわれ、装置のリードヘッド内の迷光の影響
による誤差が最小になる分光光度計のような反射率測定
装置を目的とする。本発明の重要な特徴によれば、2次
反射率標準が反射率測定装置のリードヘッドの試料用開
口内に配備されて2次標準の反射率測定が行なわれる一
方、試料もまたリードヘッド内又はその近傍に置かれる
0本発明の重要な特徴によれば、迷光(p o)及び2
次反射率標準の較正定数(pc)が計器の各操作波長で
測定され計器のメモリーに保存される。したがって、本
発明の重要な特徴によれば、−旦これらの定数が保存さ
れたならば、試験検体の真の反射率(PS)が、計器の
感度やゲインに影響されずに、測定反射率(rs)から
算出することができる。したがって、本発明方法の重要
な特徴によれば、1次反射率標準をもはや必要とせずに
反射率測定計器を較正することができる。
反射率測定装置は、リードヘッドによって読取られる試
料の真の反射率(ps)に比例する出力読み数値(rs
)を与える。この関係は下記の通りである: (1)   rs=K (ps+po)この等式におい
て、Kは計器の感度やゲインをはじめとする尺度係数で
ある。Kは短時間、通常は数分間−定に保つことができ
るが、設計、周囲条件又は使用によって長期的には変動
する。poは、すべての反射率測定計器にある程度の悪
影響を及ぼす迷光の作用に基づくものである。暗条件下
での読み値を単に差引くことによっては除去され得ない
迷光は、あたかも試料を有するリードヘッド内に更なる
偏差反射率poが存在していたかのように、出力読み値
(rs)に影響を及ぼす。
計器の較正工程中に、数個の、異った既知の反射率を有
する1次反射率標準が計器中で読取られる0次式: %式%) の−連のデータが計器の各操作波長で得られる。このデ
ータを収集する際、1次反射率標準が、例えば、BaS
O2とカーボンブラックの混合物の配合量の異るプレキ
シグラス(Plexiglas)を載置することによっ
て1次反射率標準を設定する0次に試料をキャリー(C
ary) 17分光光度計で測定することができる。こ
れらの測定方法は国家規格基準局(National 
Bureau or 5tandards)の規格に従
って行うことができる。
1次標準の測定データを、真の値もしくは実際の値CP
11P2・・・pn)に対する測定値(rl 。
rl・・・rn)を第2図に示されるようなグラフ上に
プロットした。次に、次式: %式% の最小二乗法による線形回帰線を各操作波長のデータに
ついて算出した(上記式中、mは勾配を表し;bは第2
図中の線の縦軸切片であり:K、m及びbは各操作波長
において異っていてもよい、)。
なお、等式(1)及び(2)を比較すると、m=にであ
り、b/m=poである。
2次反射率標準の反射率(pc)もまた等式(2): %式% から算出することができる。このようにして、b、m、
pc及びpoを計器の各波長について計算する。各波長
についての定数pc及びpoは、後に使用するため、反
射率測定計器のメモリー中に保存される。
本発明の重要な特徴によれば、試料の真の反射率である
psは、未知の各試験検体の測定を行う直前に、安定で
比較的高反射性の2次標準からの光反射率を読取ること
によりKとは別個に計算される。2次標準反射率(pc
)を読取る場合: rc=K(pc+po) であり、又Kを求める場合は (4)K= rc/ (pc+p o)[ここでpcは
2次標準の反射率(前もって算出され保存されている)
である]となる。
等式(1)を移項操作すると次式: (5)ps= (rs/K)−poが得られる。
Kを消去するために等式(4)を等式(5)に代入する
と: ps= (rs (pc+po)/rc)−p。
=pc (rs/rc)+ po(rs/re−1)となる。
未知の試験検体の反射率は試料読み値 (rs)、2次標準反射率読み値(rc)及び適切に保
存されたpc及びpo値から等式(6)を用いて算出す
ることができる。この計算は2次標準と未知試料の反射
率読取り工程中にKが安定である限り分光光度計の感度
(Kの一部分)とは別個に行なわれる。
等式(6)において、従来技術で行なわれているように
迷光をゼロと仮定した場合、poはゼロとなり、po 
(rs/rc−1)に相当する大きな反射率誤差を生じ
る。この誤差はrsがrcよりもかなり小さい、低い試
料反射率において最大となる。
上記のように1本方法により、各波長について一度測定
される2つの定数(pc及びpo)が得られ、各計器の
消去可能なメモリーに保存することができる0次に、上
記計器を用いて2次標準(rc)の反射率が読取られ、
次いで試験検体の反射率(rs)が読取られる。この情
報により、計器の電子回路は等式(6)の計算を行い、
試験検体の真の反射率(ps)を迅速かつ正確に割出す
。この測定は計器のゲイン(K)とは別個に行なわれ、
迷光による誤差を最小にする。ゲインとは別個に行なわ
れることにより、計器は素人でも操作することができ、
したがって操作費用が低減される。迷光による誤差を最
小にすることにより、計器による読取りの正確さが増し
、診断結果が改良される。
本発明をより十分に理解するために第1図が参照される
。第1図においては、リードヘッドが模式的に、参照番
号10によって包括的に示されている。リードへラド1
0は、例えば分光光度計に用いられるような種類のもの
であり、本発明の譲受人に譲渡され、ここに参照例とし
て用いる米国特許出願筒659,416号に、より詳細
に記載されている。リードへラド10は半球形出部壁1
2及び円錐形下部壁14を有する。リードヘッドlO内
には広帯域スペクトル光源16、好ましくはキセノンフ
ラッシュランプが取付けられている。リードヘッド10
の底部には2次反射率標準(図示せず)と測定すべき試
験検体(図示せず)とを別々に配置するための試料用開
口18が具備されている。リードへラド10の上端には
第2の開口20があり、その中に第1及び第2のレンズ
22及び24が配置されている。第1のレンズ22は試
験検体上にその焦点が合わされ、第2のレンズ24はリ
ードへラド10の内壁上にその焦点が合わされている。
本発明によれば、まず2次標準をリードへラド10内の
所定位置にある開口18内に置き、試験検体もリードへ
ラド10内の所定の位置に置いて2次標準反射率測定値
rcを得る。その直後試験検体をリードヘッド10の開
口18内に置き、2次標準をリードヘッド10内の所定
の位置に置いて試験検体の反射率測定値rsを得る。こ
れらの測定の工程中、光源16からの光はリードへラド
lOの内側から反射され、2次反射率標準及び試験検体
上にあらゆる方向から注がれる。2次反射率標準及び試
験試料から反射された光はレンズ22により第1の検知
器又は光ダイオード26上に集中せしめられる。光ダイ
オード26によって検知された反射率は計器の公知の電
子回路によって測定され、試験検体の真の反射率(p 
s)と2次標準の真の反射率(pc)にそれぞれ比例す
る反射率の読み(rs及びrc)が得られる。第2のレ
ンズ24はリードへラドlOの内側から反射された光を
第2の検知器又は光ダイオード28上に集中させる。第
2の検知器から得られた読みを用いて光ダイオード26
で測定された反射率rs及びrcを補正して光源16か
らの光のばらつきを短期補償する。干渉フィルター30
をレンズ22及び24と検知器26及び28との間に配
備して、予め選ばれた波長の光のみが検知器26及び2
8に到達するようにする。反射率測定計器、例えば、リ
ードヘッド10を有する分光光度計(図示せず)はまた
、本明細書に記載した計算を実行し得る、当業界周知の
電子回路及びメモリーを有する。
計器は、まず予め選ばれた操作波長で2次標準(rc)
の反射率を読み、自動的に感度又はゲインを変化させる
ことにより計器内のドリフトを長期補償する0次に試験
検体を開口18中に置き、2次標準をリードへラド10
内の別の予め選ばれた位置に置き直して試験試料の反射
率(rs)を測定する0本発明の方法によれば測定又は
読取を行う前にその都度計器を較正する必要がないので
、従来技術の方法よりも、より迅速でより正確な測定が
可能となる。
本発明の装置及び方法はまた、素人でも計器を容易に用
いることができるので利用者にとって好都合である0反
射率測定を行うための本発明装置の購入価格は、1次標
準は必要とされず、維持する必要もないため従来技術の
ものよりもかなり低くなる。また、本発明は迷光が計算
され、反射率測定値の計算に導入されるため、従来技術
の方法よりもより正確である。
上記の教示により、本発明の修正及び変形は数多くなさ
れ得る。したがって、本発明は上記に詳細に記載した以
外にも、特許請求の範囲内での実施が可能であることが
理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
81図は、本発明の原理により較正されて反射率測定に
用いられる分光光度計のような型式の反射率測定計器の
リードヘッドを示す模式図である。 第2図は、それぞれ既知の反射率を有する複数の1次反
射率標準から反射率を読むことによって収集したデータ
に基いてプロットした最小二乗性線形回帰線を示すグラ
フである。 lO:リードヘッド 12二半球形上部壁 14:円錐形下部壁 16:広帯域スペクトル光源 18:試料用開口 20:第2の開口 22:第1のレンズ 24;第2のレンズ 26:第1の検知器(光ダイオード) 28:第2の検知器(光ダイオード) 30:干渉フィルター FIG、 2 jl イ11  (Pn)

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、反射率測定装置内の試料の反射率を測定する方法で
    あって、 試験検体と共に反射率測定装置内に置かれた、既知の反
    射率の2次反射率標準から反射された光の量を測定し; 該標準から測定された該光の量に比例するように該装置
    の感度を調節し; 該試験検体から反射された光の量を測定し;かつ 該試験検体の反射率を算出することを特徴とする方法。 2、反射率測定装置内の試料の反射率を測定する方法で
    あって、 該反射率測定装置のそれぞれの操作波長について、既知
    の反射率の少くとも2個の1次反射率標準から反射され
    た光を測定し; 複数の操作波長における該既知の反射率及び該1次反射
    率標準に基<読みに対する最小二乗法による線形回帰線
    を割出し; 該装置の複数の操作波長について、反射率測定装置内の
    迷光を示す偏差(オフセット)反射率係数を算出し; 試験検体と共に反射率測定装置内に置かれた、既知の反
    射率の2次反射率標準から反射された光の量を測定し; 該試験検体から反射された光の量を測定し;かつ 該試験検体の反射率を算出することを特徴とする方法。 3、装置のメモリーに、複数の偏差反射率係数を保存す
    ることを更に含む特許請求の範囲第2項記載の方法。 4、複数の操作波長について、該2次反射率標準から反
    射された光の量を測定し; 該装置の複数の操作波長について、2次標準の反射率を
    算出する工程を更に含む特許請求の範囲第2項記載の方
    法。 5、装置のメモリーに複数の2次標準の反射率を保存す
    ることを更に含む特許請求の範囲第4項記載の方法。 6、試料の真の反射率psを次式: ps=pc(rs/rc)+ po(rs/rc−1) (式中、pcは保存された、装置の操作波長における2
    次標準反射率であり;poは保存された、装置の操作波
    長における偏差反射率であり;rs及びrcはそれぞれ
    、試料と2次標準との反射率測定値である) によって算出することを含む特許請求の範囲第5項記載
    の方法。 7、リードヘッド;該リードヘッド内に取付けられた広
    帯域スペクトルの光源;第1の、試料用開口;第2の開
    口;該第2の開口中の1個以上のレンズ;反射された光
    が集中する1個以上の検知器(それにより、該検知器は
    、収集された反射光の強度に比例して出力信号を与える
    );該リードヘッド中の2次反射率標準;及びメモリー
    を具備する、試験試料の反射率を測定するための分光光
    度計の較正方法であって、 該分光光度計の複数の操作波長について、異った既知の
    反射率を有する、少くとも2個の1次反射率標準から反
    射された光の量を測定し; 複数の操作波長における該既知の反射率及び該1次反射
    率に対する該出力読み値に対する最小二乗法による線形
    回帰線を割出し; 該最小二乗法による線形回帰線の勾配及び切片を用いて
    複数の操作波長についての迷光の偏差反射率を算出し; 該複数の波長について、既知の反射率を有する2次反射
    率標準から反射された光の量を測定し; 該最小二乗法による線形回帰線の勾配及び切片を用いて
    、分光光度計の該複数の操作波長について、2次標準の
    反射率を算出し;かつ 該メモリー中に、複数の波長についての該偏差反射率及
    び該2次標準反射率を保存することを特徴とする方法。 8、該第1の試料開口の隣りに未知の反射率の試料を置
    き; 該2次反射率標準から反射された光の量を測定し; 該試料から反射された光の量を測定し; 該試料の反射率を算出することを更に含む特許請求の範
    囲第7項記載の方法。 9、分光光度計を用いて試料の反射率を測定するための
    方法であって、 偏差反射率の値を算出し; 2次標準反射率の値を算出し; 該2次反射率標準を光に暴露し; 該2次反射率標準から反射された光の量を測定し; 該試料を該光に暴露し; 該試料から反射された光の量を測定し; 該2次反射率標準及び該試料から反射された、測定され
    た量の光を用いて試料の真の反射率を算出することを特
    徴とする方法。 10、自動ゲイン又は感度設定能が組み込まれた分光光
    度計のリードヘッドによって読取られるような、試料の
    真の反射率を算出する方法であって、 該分光光度計の各操作波長について、既知の反射率を有
    する、少くとも2個の1次反射率標準から反射された光
    の量を測定し; 該波長のそれぞれにおける、該1次反射率標準の各々の
    真の反射率及び測定反射率をはじめとするデータを編集
    し、 該データにより、該波長のそれぞれについて最小二乗法
    による回帰線を計算し; 各最小二乗法による回帰線について勾配m及び切片bを
    決め; 次式: Po=b/m により、各波長についての迷光係数poを算出し; 該分光光度計の複数の操作波長について、既知の反射率
    を有する2次反射率標準の反射率rcの値を測定し; 次式: pc:(rc−b)/m により、2次標準反射率pcを算出し: 該試料の反射率rsの値を測定し; 次式: ps:pc(rs/rc)+ po(rs/rc−1) により、試料の真の反射率psを算出することを特徴と
    する方法。
JP62153591A 1986-06-23 1987-06-22 反射率測定装置内の試料の反射率を測定する方法及び分光光度計の較正方法 Pending JPS635240A (ja)

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