JP7414738B2 - 光学的検出器のための校正デバイスおよび校正デバイスのために校正ポイントをセットするセッティングデバイス - Google Patents

Description

本発明は、光学的検出器のための校正デバイス、およびかような校正デバイスの校正ポイントをセットするためのセッティングデバイスに関する。

近年、生物発光または蛍光の放射が、様々なサンプルの化学的および生物学的分析に有益なツールであることが分かってきた。例えば、アデノシン三リン酸（ＡＴＰ）はすべての生きた細胞に普遍的に存在していることに起因して、生物学的な残留物のための良好な指示分子である。ルシフェラーゼ酵素が存在する場合、ＡＴＰが反応し、および光放射色素であるルシフェリンが光子の放射を提供する。これは、例えば食料および飲料生産工場における洗浄プロセスの品質のような、微生物学的な汚染に関してサンプルを試験するのに使用され得る。この方法により、冷却塔ならびにディーゼルおよびケロシン燃料などの表面の試験ができる。最適な条件においては、光の量はサンプル中に存在するＡＴＰの量と比例し、定量的な結果の提供ができる。用途の例は、表面のモニター、ＣＩＰ水の試験、衛生のモニター、燃料の試験、金属加工液、殺生物剤の効果試験、塗料の試験、品質保証、ｅ－コートの試験である。

通常、清浄度は相対光単位（ＲＬＵ)で測定される。ＲＬＵ値は分析方法および特定の測定デバイスに依存して変化するが、１つの特定の測定デバイスによって得られるＲＬＵ値は、汚染の程度に比例し、および製品の清浄度を制御するために用いられ得る。

しかしながら、実際問題としてＲＬＵ値を比較可能にするためには、測定デバイスの信頼できる校正を要する。

上記に鑑み、上記の文脈における測定デバイスの校正に使用され得る、一定の照明レベルを提供する信頼できる校正光源の要求がある。これにより、校正に必要とされる光の量はかなり小さいことが考慮されなければならない。

この問題に対処するために、２つの異なるアプローチが使用された。１つのアプローチは、ＬＥＤを用いた光源を数Ｖ（ボルト）の範囲の定電圧で駆動し、結果的に駆動電流は数ｍＡ（ミリアンペア）の範囲になり、および放射される光の量を低減するための光学ファイバまたはアパーチャを提供する。これらの種の校正デバイスは通常、統合されたフォトダイオードおよびＬＥＤデバイス自体の光出力を安定化させるためのフィードバック制御システムを含む。

しかしながら、ＬＥＤの出力は温度に強く影響され、それは比較的高い消費電力に起因して上昇するため、この技法により安定でかつ信頼できる校正を提供することは難しい。

EP 0 984 270 A1は、校正デバイスに対応する例を開示している。
光の量を低減するために光学ファイバまたはアパーチャを使用する代案として、ＬＥＤをパルス化された電圧の手段により駆動することが提案された。しかしながら、これもデバイス中で温度を上げる。さらに、この種のパルス化された出力を提供する制御回路は比較的複雑で、デバイスを高価にする。

上記に鑑み、光学的検出器のための、単純な構造を有し、および信頼できる校正ができるようにする校正デバイスを提供することが本発明の目的である。さらに、校正デバイスの校正ポイントをセットするためのセッティングデバイスを提供することが本発明の目的である。

上記の目的は、請求項１に記載の校正デバイス、および請求項１２に記載のセッティングデバイスを用いることにより達成される。従属クレームは、本発明の異なる有利な側面に関する。

とりわけ本発明は、発光ダイオード、および発光ダイオードを駆動するための電子回路を含む、光学的検出器のための校正デバイスを提供し、ここで電子回路は、０．５～２５μＡの範囲の一定の駆動電流を発光ダイオードに供給するように構成された定電流発生器である。

校正デバイスにおいて駆動電流は、好ましくは１～１０μＡの範囲、さらに好ましくは１．５～４．５μＡの範囲、および最も好ましくは２～４μＡの範囲である。
校正デバイスはさらに、光を確実に対応する検出器に向けるように、発光ダイオードを取り囲む散光器を含み得る。

校正デバイスはさらに、発光ダイオードを収容しているペン型の外装が軸方向に圧縮される際に、発光ダイオードにエネルギを与えるように配置されているスイッチングデバイスを含み得る。
校正デバイスはさらに、１つまたは複数の駆動電流をセットするための、セッティングユニットを含み得る。

校正デバイスはさらに、セッティングユニットが、発光ダイオードの光出力を測定するための光検出器またはセンサを使用するフィードバック制御に基づいて、一定の駆動電流をセットする制御をするための外部電流制御器を接続するためのインターフェースを含むように構成され得る。

校正デバイスはさらに、電流発生器が、複数の予め決められた一定の駆動電流の間をスイッチ可能であるように構成され得る。

校正デバイスはさらに、電流発生器が第１のオペアンプおよびシャント抵抗器を含み、ここでシャント抵抗器は発光ダイオードと直列に接続されており、およびここで第１のオペアンプは、セットされた入力電圧をシャント抵抗器に渡る電圧降下に基づいて得られた電圧と比較するために接続されるように構成され得る。

校正デバイスはさらに、電流発生器が、第１のオペアンプの出力とシャント抵抗器との間の第１のノードにローパスフィルタとして接続された、第２のオペアンプをさらに含むように構成され得る。

校正デバイスはさらに、電流発生器が、シャント抵抗器と発光ダイオードとの間のノードで電圧フォロワとして接続された、第３のオペアンプをさらに含むように構成され得る。

校正デバイスはさらに、第２および第３のオペアンプの出力が、夫々の抵抗器を介して第１のオペアンプの反転入力に接続されるように構成され得る。

さらに本発明は、上記で記載したとおりの校正デバイスの少なくとも１つの校正ポイントをセットするためのセッティングデバイスを提供する。セッティングデバイスは、試験する校正デバイスの光放射強度を表する信号を出力するように構成された光検出器、試験する校正デバイスの一定の駆動電流を制御するための制御器、試験する校正デバイスの少なくとも１つの校正ポイントをセットするための校正ポイントセッティング手段、を含む。

本発明は以下に添付の図面を参照して記載され、それらは以下を示す：
図１は本発明に従う校正デバイスの概略図であり； 図２は本発明の校正デバイスの定電流発生器の回路図であり； 図３は本発明のさらなる態様に従う校正デバイスの概略図であり；および 図４は校正デバイスのためのセッティングデバイスの主要な構成である。 下記において、本発明の好ましい態様は添付の図面を参照して詳細に記載される。

図１で示される通り、本発明に従う校正デバイスは、ペンの形状を有する外装７と共に提供される。
ペン型の外装７は、発光ダイオード（ＬＥＤ）１、および発光ダイオード１を駆動するための電子回路３を収容する。加えてペン型の外装７は、発光ダイオード１を駆動するための電子回路に電力を与えるためのコンデンサ、二次電池またはバッテリのような、エネルギ供給源を収容し得る。

さらに図１で示されるように、発光ダイオード１は、散光器５に取り囲まれたペン型の外装７内に提供され、これはペン型外装７の半透明な領域であって、発光ダイオード１から放射された光がペン型の外装７の外部に照射されるようにする。

ペン型の外装７は、アンプルまたは試験管のような、サンプルを収集するデバイスの通常の形状に似た形状である。ペン型の外装７の寸法は、生物発光の検査のための光学的検出器システムの中に収容され得るような寸法である。
実際の使用において、参照の光源が、実際のサンプルによって放射された光を表すようにすることが重要である。

校正デバイスのこの目的のために、夫々参照の光源は、実際のサンプルと同じ形態を有し、および実際のサンプルとして専用の領域だけから光を放射するように設計されている。

発光ダイオード１の光強度は、その接合部（junction）を通して印加される電流に正比例する。

本発明に従うと、制御された電流源は、発光ダイオード１を通る低い電流を生成する。

安定化された電流源は、発光ダイオード１の順方向電圧が温度に依存し、および２７８Ｋから３０８Ｋの範囲内で１３％の変化を招き得ることから、電圧降下型抵抗器よりも有利である。

光放射が発光測定デバイス（フォトダイオード、フォトトランジスタ、、、）で信号を生み出すのに十分なほど大きくなければならない、発光フィードバックをもった光源駆動と比べて、電流で制御された発光ダイオード１は開ループモードで直接低輝度を生成する。

それでも、主にキャリア寿命の変化に起因して、まだ温度は発光ダイオード１の輝度強度に影響を与える（１３６Ｋから３７５Ｋの範囲で約１６％）。

しかしながら、典型的には検出デバイスは２７８Ｋから３０８Ｋの範囲内でのみ稼働し、および主に２９５Ｋで校正されることを考慮すると、この効果は許容される。発光ダイオード１はとても低い電流で駆動されているので、ダイオードの自己発熱は無視され得る。

本発明に従うと、発光ダイオードの駆動電流は、０．５～２５μＡの範囲にセットされる。
好ましくは、駆動電流は１～１０μＡの範囲であり、より好ましくは、１．５～４．５μＡの範囲、および最も好ましくは、２～４μＡの範囲である。

この範囲において、発光ダイオード１から放射される光の量は、発光ダイオード１を通して流れる駆動電流に正比例する。

提案された低い電流源により、発光ダイオード１は、その順方向電圧降下のいかなる変化にもかかわらず、一定の電流を供給されることができる。

駆動電流は、駆動電圧からの指数関数的な依存性を有しており、それゆえ、電圧の小さな変動が、駆動電流の巨大な変化を引き起こし得ることを覚えておくべきである。この問題はしかしながら、本明細書に記載のとおりの定電流発生器３を使用することにより避け得る。

図２において、対応する定電流発生器３の構成の例が示されている。

二次電池、バッテリまたはコンデンサのような電源３９は、抵抗器Ｒ２を介して第１のオペアンプ３１の非反転入力に接続されている。付加的な抵抗器Ｒ３は、制御可能または可変な抵抗器、またはポテンシオメータであり得、およびそれは抵抗器Ｒ２と接地との間に接続されているが、抵抗器Ｒ２と共に、第１のオペアンプ３１の非反転入力における電圧Ｖ２をセットするための電圧分圧器として作動するだろう。

第１のオペアンプ３１の出力は、シャント抵抗器３３（Ｒ１）を介して発光ダイオード１の入力と接続されており、その出力は接地と接続されている。

さらに、第１のコンデンサＣ１および抵抗器Ｒ６は、第１のオペアンプ３１の出力を安定させるために、第１のオペアンプ３１の出力に接続されたノードＮ３と、第１のオペアンプ３１の反転入力との間に直列に接続される。

次いで、図２の定電流発生器３はさらに第２のオペアンプ３５を供され、それは第２のコンデンサＣ２およびさらなる抵抗器Ｒ７と共に、互いに並列に接続され、ローパスフィルタを形成する。

第２のオペアンプ３５の非反転入力は、抵抗器Ｒ４およびＲ８により形成される電圧分圧器を介して、第１のオペアンプ３１の出力とシャント抵抗器３３の入力との間に提供されるノードＮ１と接続される。

第２のオペアンプ３５の出力は、抵抗器Ｒ９を介して第１のオペアンプ３１の反転入力と接続される。

他方では、第２のオペアンプ３５の反転入力は、抵抗器Ｒ５を介して第３のオペアンプ３７の出力と接続される。

第３のオペアンプ３７は電圧フォロワとして構成されており、つまり、その出力は第３のオペアンプ３７の反転入力にフィードバックされる。

第３のオペアンプ３７の非反転入力は、シャント抵抗器３３の出力側および発光ダイオード１の入力側に提供される、さらなるノードＮ２に接続される。

この構成で、第１のオペアンプ３１の非反転入力における電圧Ｖ２は、駆動電流が印加されたシャント抵抗器３３で起こる電圧降下によって得られる第２の電圧と比較される。

抵抗器Ｒ１からＲ９、コンデンサＣ１およびＣ２の値、および電源３９についての適切な設定により、発光ダイオード１を流れる非常に安定で、および０．５と２５μＡとの間の範囲の量を有する駆動電流を得ることが実行可能である。

定電流発生器３によるＬＥＤへの非常に低い強度の供給で、発光ダイオード１を、過度の熱を生成することなく駆動することが実行可能であり、そのため光出力は、安定で、およびＡＴＰの生物発光のための典型的な検出デバイスの数ＲＬＵ（相対光単位）の望まれた範囲になる。

図２で示されるように、定電流変換器３は、第１のオペアンプ３１の非反転入力における電圧Ｖ２を制御することにより、発光ダイオード１を流れる駆動電流をセットするための、セッティング手段１１と共に提供され得る。

これは、電源３９を制御するか、または電圧分圧器として働く抵抗器Ｒ２およびＲ３を制御するか、のどちらかによってなされ得る。例えば、調整可能な抵抗器Ｒ３の代わりに、第１のオペアンプ３１の非反転入力と接地との間に並列に接続された複数のスイッチ可能な抵抗器を提供し、および予め決められた電圧をＶ２としてセットするために夫々のスイッチを制御することも実行可能である。

対応するセッティング手段１１は、好ましくは、手動操作かまたは電気信号かのどちらかによる、外部からのセッティング信号を受信するためのインターフェースとともに提供されるだろう。

図３は本発明の校正デバイスのさらなる態様を示す。

図３の校正デバイスは、ペン型の外装７の１つの端にバネで付勢されたスイッチが提供されている限りにおいて、これまでに記載された態様と異なっている。このスイッチは、検出デバイスの蓋を閉めることにより操作され、および第１のオペアンプ３１に印加される電圧Ｖ２をスイッチする。つまり、図３の校正デバイスは、蓋が閉められた検出デバイスに載せられた時だけ光を放射するだろう。この構成は、校正デバイスに電力供給するバッテリのエネルギを節約するのに役に立ち、および長時間にわたる意図しない連続稼働に起因する校正デバイスのいかなる加熱をも避けるのに役立つだろう。さらに、環境からの迷光によって、校正が必ず影響を及ぼされないようにするだろう。

最終的に図４は、上記の態様のいずれかに従う校正デバイスの、１つ以上の校正ポイントをセットするためのセッティングデバイスを示す。

図４に示されるとおり、セッティングデバイスは、フォトマルチプライヤのような光検出器５１を含む。光検出器５１は、前に記載の通りの校正デバイスを受け入れる手段を備えた筐体５７の中に提供される。光検出器５１は、光検出器５１が校正デバイスから放射された光を受け入れるであろう位置に配置される。

光検出器５１により出力されるこの信号は、さらなるプロセシングのために校正ポイントセッティング手段５５へ送達される。校正ポイントセッティング手段５５は、コンピュータとして実行されてもよい。

加えて、本発明のセッティングデバイスは、制御器５３を備えており、それは試験される校正デバイスと接続されている。

好ましい態様においては、加えて制御器５３が校正ポイントセッティング手段５５とも接続されている。このように、フィードバック制御が実行される。つまり、制御器５３は校正デバイスの発光ダイオード１に印加される駆動電流をセットするだろう。光検出器５１は、測定された光の量を校正ポイントセッティング手段５５に報告し、それは次に制御器５３に、発光ダイオード１の駆動電流を増加させるかまたは減少させるかのどちらかを勧め、校正デバイスが予め決められた光の量を出力するようにするだろう。

校正デバイスの駆動電流のセットは、好ましくは、第１のオペアンプ３１の非反転入力における電圧Ｖ２を調整することによってなされる。

発光ダイオード１の駆動電流をセットする代替手段として、発光ダイオード１を通る駆動電流を印加しつつ、夫々の校正デバイスと光検出器５１によって検出された光との間の関係を表示する表を単に用意することも、実行可能であろう。

この表は、試験される校正デバイスが挿入されている検出デバイスによる使用の間に得られた値を、再校正するのに使用され得る。

本発明は好ましい態様を参照して記載されたが、本発明はこれらの態様に限定されない。例えば、クレームされた範囲の信頼でき、および一定の小駆動電流が得られ得る限りにおいて、定電流発生器３の代替の構成も実行可能であろう。

Claims (11)

1. 発光ダイオード（１）、および発光ダイオード（１）を駆動するための電子回路（３）を含み、ここで電子回路（３）が、発光ダイオード（１）へ０．５～２５μＡの範囲の一定の駆動電流を供給するように構成されている定電流発生器（３）であり、
   電流発生器（３）は、第１のオペアンプ（３１）およびシャント抵抗器（３３）を含み、
   シャント抵抗器（３３）は、発光ダイオード（１）と直列に接続されており、および
   第１のオペアンプ（３１）は、発光ダイオード（１）に一定の駆動電流を供給するように提供され、およびセットされた入力電圧（Ｖ２）を、シャント抵抗器（３１）に渡る電圧降下に基づいて得られる電圧と比較するために接続されている、
   生物発光の検査のための校正デバイス。
2. 駆動電流が１～１０μＡの範囲にある、請求項１に記載の校正デバイス。
3. 発光ダイオード（１）を取り囲む散光器（５）をさらに含む、請求項１または２に記載の校正デバイス。
4. 発光ダイオード（１）を収容しているペン型の外装（７）が、軸方向に圧縮される際に、発光ダイオード（１）にエネルギを与えるように配置されているスイッチングデバイス（９）をさらに含む、請求項１～３のいずれか一項に記載の校正デバイス。
5. 駆動電流をセットするためのセッティングユニット（１１）をさらに含む、請求項１～４のいずれか一項に記載の校正デバイス。
6. セッティングユニット（１１）が、発光ダイオード（１）の光出力を測定するための、光検出器（５１）を使用するフィードバック制御に基づいて、一定の駆動電流をセットする制御をするための外部電流制御器（５３）を接続するためのインターフェース（１３）を含む、請求項５に記載の校正デバイス。
7. 電流発生器（３）が、複数の予め決められた一定の駆動電流の間をスイッチ可能なように構成されている、請求項１～６のいずれか一項に記載の校正デバイス。
8. 電流発生器（３）が、第１のオペアンプ（３１）の出力とシャント抵抗器（３３）との間の第１のノードに、ローパスフィルタとして接続されている第２のオペアンプ（３５）をさらに含む、請求項１に記載の校正デバイス。
9. 電流発生器（３）が、シャント抵抗器（３３）と発光ダイオード（１）との間のノードに、電圧フォロワとして接続されている第３のオペアンプ（３７）をさらに含む、請求項１～８のいずれか一項に記載の校正デバイス。
10. 第２および第３のオペアンプ（３５、３７）の出力が、夫々の抵抗器（Ｒ５、Ｒ７、Ｒ９）を介して第１のオペアンプ（３１）の反転入力に接続されている、請求項９に記載の校正デバイス。
11. 装置であって、請求項１～１０のいずれか一項に記載の校正デバイス、および該校正デバイスのための少なくとも１つの校正ポイントをセットするためのセッティングデバイスを含み、
    該セッティングデバイスは、試験中の前記校正デバイスの光放射強度を表する信号を出力するように構成された光検出器（５１）、試験中の前記校正デバイスの一定の駆動電流を制御するための制御器（５３）、および試験中の前記校正デバイスのための少なくとも１つの校正ポイントをセットするための、校正ポイントセッティング手段（５５）を含む、前記装置。