(57)【要約】【課題】  微量の蛍光物質を含有した被検査物から放出される蛍光を環境光の下で確実に検出する。【解決手段】  光源２からパルス光を被検査物１に照射する。被検査物１から放出された蛍光を光センサ３が受光し、抽出部１２は、光センサ３の出力からパルス光が照射されていない期間における出力を抽出する。パターン形成部１３は、ノイズ成分を排除して、蛍光の減衰パターンを導き出す。演算部１５は、減衰パターンと基準パターンとの畳み込み演算する。処理部１６は、複数の演算結果を平均化して、相関を求める。識別部６は、相関出力から特定の蛍光物質を識別する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
蛍光物質を含有する被検査物に光を照射して、被検査物から放出される蛍光を検出して、前記蛍光物質を識別する蛍光検出装置であって、被検査物にパルス光を照射する光源と、受光用の光センサと、該光センサの出力信号から前記蛍光の減衰パターンを導き出す導出部と、前記減衰パターンと前記蛍光物質に関連した基準パターンとの相関を求める演算処理部と、前記相関出力に基づいて前記蛍光物質を識別する識別部とを備えたことを特徴とする蛍光検出装置。
【請求項２】
蛍光物質を含有する被検査物に光を照射して、被検査物から放出される蛍光を検出して、前記蛍光物質を識別する蛍光検出装置であって、被検査物にパルス光を照射する光源と、受光用の光センサと、該光センサの出力信号の中からパルス光の照射後に放出された蛍光に対する出力信号を抽出する抽出部と、抽出された出力信号から減衰パターンを導出するパターン形成部と、前記減衰パターンを前記蛍光物質に応じて予め決められた基準パターンで畳み込み演算する演算部と、複数の演算結果を平均化して相関出力を算出する処理部と、前記相関に基づいて予め登録されている蛍光物質の中から被検査物に含有されている蛍光物質を特定する識別部とを備えたことを特徴とする蛍光検出装置。
【請求項３】
蛍光を検出する光センサと、前記蛍光と補色関係にある光を検出する光センサとが組み合わせて用いられたことを特徴とする請求１または２項記載の蛍光検出装置。
【請求項４】
基準パターンとして、蛍光の減衰特性に基づいて決められた複数の減衰パターンが用いられ、識別部は、検出された減衰パターンとの相関が最も高い基準パターンから蛍光物質を特定することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の蛍光検出装置。
【請求項５】
基準パターンは、蛍光の減衰特性に応じてパルス光のパルス間隔時間内に減衰する関数とされ、前記時間内における前記関数の積分値が０とされたことを特徴とする請求項４記載の蛍光検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蛍光物質を含有する被検査物からの蛍光を検出して、蛍光物質に関する蛍光情報を得るための蛍光検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
クレジットカードやＩＤカード、あるいは荷札やシール、包装材に蛍光物質を添加することにより、目に見えない特殊な情報を持たせることができる。この情報を読み取り、識別するために、蛍光物質を含有する被検査物に励起光を照射し、被検査物から放出される蛍光を検出する蛍光検出装置が用いられる。
【０００３】
特許文献１に記載の蛍光検出装置では、蛍光物質で形成されたマークに光を照射して、入射光の強度を検出する。検出した強度を蛍光物質による蛍光の強度と比較して、蛍光物質を特定する。
【特許文献１】特許第３５３１０７６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記の蛍光検出装置では、蛍光物質が多量に含まれているマークからの蛍光を検出している。ところで、蛍光物質を材料に練り込んで成形した被検査物では、蛍光物質が分散して存在するので、検出範囲における蛍光物質は微量となり、蛍光が微弱である。そのため、検出される信号強度が低く、蛍光物質を特定できない。特に、蛍光灯や太陽光等の環境光のある下で蛍光を検出する場合、蛍光灯や太陽光がノイズとなり、蛍光による信号強度とノイズによる信号強度とを判別できす、蛍光を検出することが困難となる。
【０００５】
本発明は、上記に鑑み、微量の蛍光物質を含有した被検査物から放出される蛍光を環境光の下で確実に検出できる蛍光検出装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、蛍光物質を含有する被検査物に光を照射して、被検査物から放出される蛍光を検出して、前記蛍光物質を識別する蛍光検出装置であって、被検査物にパルス光を照射する光源と、受光用の光センサと、該光センサの出力信号から前記蛍光の減衰パターンを導き出す導出部と、前記減衰パターンと前記蛍光物質に関連した基準パターンとの相関を求める演算処理部と、前記相関出力に基づいて前記蛍光物質を識別する識別部とを備えたものである。
【０００７】
導出部は、光センサの出力信号の中からパルス光の照射後に放出された蛍光に対する出力信号を抽出する抽出部と、抽出された出力信号から減衰パターンを導出するパターン形成部とから構成される。演算処理部は、減衰パターンを前記蛍光物質に応じて予め決められた基準パターンで畳み込み演算する演算部と、複数の演算結果を平均化して相関出力を算出する処理部とから構成される。識別部は、前記相関出力に基づいて予め登録されている蛍光物質の中から被検査物に含有されている蛍光物質を特定する。
【０００８】
このように、検出された蛍光に基づく減衰パターンと蛍光物質に関連する基準パターンとを単に比較するのではなく、両者の畳み込み演算といった手法により相関を求め、この相関出力から蛍光物質を特定している。したがって、光センサの出力信号に環境光のノイズ成分が含まれていても、演算処理によってノイズ成分が希釈化され、相関出力はノイズの影響を受けない。そのため、蛍光による信号強度の強弱に関係なく、ノイズに影響されずに微弱な蛍光を検出することができる。また、パルス光の照射時に放出される蛍光に対する光センサの出力を排除している。この短寿命の蛍光による出力はノイズの一種であるが、この出力が排除されるので、蛍光物質による微弱な蛍光を精度よく検出できる。
【０００９】
基準パターンとして、蛍光の減衰特性に基づいて決められた複数の減衰パターンが用いられる。基準パターンは、蛍光の減衰特性に応じてパルス光のパルス間隔時間内に減衰する関数とされ、前記時間内における前記関数の積分値が０とされる。このような関数で表される基準パターンを用いることにより、環境光のノイズ成分の影響を受けずに相関出力が得られる。
【００１０】
演算部では、導出された減衰パターンを複数の基準パターンで畳み込み演算を行い、複数の相関出力が得られる。識別部は、複数の相関出力の中から検出された減衰パターンとの相関が最も高い基準パターンを選定し、その基準パターンと対応する蛍光物質を特定の蛍光物質と識別する。
【００１１】
そして、光センサは、１つでも複数でもよく、被検査物に含有される蛍光物質の種類、組み合わせに応じて光センサの個数は選択される。光センサを２つにする場合、蛍光を検出する光センサと、前記蛍光と補色関係にある光を検出する光センサとを組み合わせて用いる。一方の光センサが検出した蛍光からは高い相関出力が得られ、他方の光センサが検出した蛍光による相関出力は０となる。したがって、被検査物に含有されている特定の蛍光物質を確実に識別することができる。光センサを３つ以上にする場合、各光センサは特定の蛍光を検出するようにする。被検査物に複数の蛍光物質が含有されている場合に、それぞれの蛍光を検出できる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によると、微量の蛍光物質を含有した被検査物に対して、環境光によるノイズの影響を受けずに蛍光物質による蛍光を確実に検出でき、高感度な検出装置を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明の蛍光検出装置を図１に示す。蛍光検出装置は、被検査物１にパルス光を照射する光源２と、被検査物１からの光を受光する光センサ３と、光センサ３の出力信号から蛍光の減衰パターンを導き出す導出部４と、減衰パターンと基準パターンとの相関を求める演算処理部５と、相関出力に基づいて蛍光物質を識別するとともに識別結果を分析する識別部６と、分析結果を表示する表示部７とを備えている。これらが電源である電池とともにケース８に収容されており、蛍光検出装置は携帯可能とされる。ケース８の外面に、被検査物１に対向するように検出ヘッド９が取り付けられ、検出ヘッド９に光源２および光センサ３が一体的に装着される。複数の光センサ３が光源２の周囲に配置される。
【００１４】
被検査物１は、蛍光物質を含有させた材料からなるカードやシール等の物品であり、例えば合成樹脂素材に蛍光物質を練り込んで成形したり、あるいはインクや塗料に蛍光物質を混入して、成形品の表面に塗布したりして製造される。蛍光物質の含有量は、１ｐｐｍ〜１００ｐｐｍとされ、被検査物１に微量の蛍光物質が含まれることになり、蛍光物質が物品内部および表面に分散して存在する。被検査物１は、蛍光物質の有無、あるいは蛍光物質の組み合わせによって、特有の情報を有する。
【００１５】
蛍光物質としては、希土類錯体を用いる。この蛍光物質の蛍光は、寿命が長い特性がある。一般に、合成樹脂、紙等の被検査物の素材は短寿命の蛍光を放出する。そこで、蛍光検出装置では、時間分解蛍光測定法を採用することによって、短寿命の蛍光を排除して、長寿命の蛍光を検出する。
【００１６】
光源２は、励起光を発するＬＥＤあるいはレーザとされ、発光駆動部１０によって光源２が駆動され、図２（ａ）に示すような所定の間隔でパルス光を発する。パルス間隔は、検出したい蛍光物質の蛍光寿命に応じて、その蛍光寿命よりも長い時間に設定される。
【００１７】
光センサ３は、フォトダイオード等の受光素子とされる。光センサ３は、図２（ｂ）に示すように、パルス光によって被検査物１から放出された蛍光および燐光を検出し、その輝度に応じた信号を出力する。なお、本発明では、蛍光とは励起光によって放出される光とし、励起光が照射されている期間に放出される短寿命の蛍光だけでなく、励起光の照射停止後に放出される燐光も含むものとする。すなわち、燐光は長寿命の蛍光である。
【００１８】
光センサ３の前方には、光学フィルタ１１が設けられている。光学フィルタ１１は、例えば赤、緑、黄色といったように特定の波長の蛍光だけを通す。光センサ３が複数ある場合、各光センサ３に対して異なる透過特性の光学フィルタ１１を設ける。これによって、各光センサ３は、発光スペクトルの異なる蛍光をそれぞれ検出することができる。
【００１９】
導出部４は、蛍光を検出した光センサ３の出力信号の中からパルス光が照射されていない期間における出力信号を抽出する抽出部１２と、抽出された出力信号から蛍光による減衰パターンを導出するパターン形成部１３とから構成される。演算処理部５は、導き出された減衰パターンと関数発生部１４から出力された基準パターンとを畳み込み演算する演算部１５と、複数の演算結果を平均化して相関を求め、得られた相関を識別部６に出力する処理部１６とから構成される。
【００２０】
関数発生部１４は、予め決められた複数の基準パターンをパルス光の照射タイミングに応じて出力する。基準パターンは、図３（ａ）に示すような減衰関数として表され、関数発生部１４は光源２の点灯に応じて基準パターンを出力するので、関数発生部１４から出力される波形は鋸歯波あるいは三角波の波形となる。減衰関数は、パルス光が照射されていないパルス間隔時間内に、蛍光の減衰特性に応じて減衰する関数とされ、この期間内における減衰関数の積分値が０とされる。そして、パルス光が照射されている発光期間では、減衰関数は０とされる。基準パターンの減衰は直線状とされ、直線の傾きは蛍光寿命に基づいて決められ、基準パターンの傾きは蛍光物質ごとに異なる。そして、複数の基準パターンがメモリに記憶される。
【００２１】
導出部４からの減衰パターンは、図３（ｂ）に示すような直線状の傾きを有する波形とされる。畳み込み演算では、減衰パターンと基準パターンとを乗算する。その演算結果は、例えば図３（ｃ）に示すようになる。処理部１６は、複数の演算結果を平均化して、図３（ｄ）に示すような一定レベルの相関出力とする。相関出力は、畳み込み演算する基準パターンごとに求められる。
【００２２】
識別部６は、相関出力の出力レベルに基づいて、複数の相関出力があるときは、最も高い出力レベルとなる基準パターンを選出し、基準パターンに対応する蛍光物質を特定の蛍光物質として識別する。相関出力が１つのときは、出力レベルが閾値を超えるか否かで蛍光物質を特定する。そして、蛍光物質に対して、製造履歴、ＩＤ等の予め固有の情報が登録されており、特定した蛍光物質に基づいて被検査物１に関する情報を読み出す。あるいは、特定の蛍光物質の有無により、被検査物１が本物であるか偽物であるかを判断する。このようにして得られた情報は、液晶ディスプレイ等の表示部７に表示される。
【００２３】
図４に蛍光検出装置の各部の具体的な構成を示す。抽出部１２は、電子シャッタ２０、ＩＶ変換回路２１から構成される。パターン形成部１３は、最小値ゼロクランプ回路２２、ゼロ点サンプルホールド回路２３、ゼロ点微調整ＤＣサーボ２４、ｌｏｇアンプ２５、信号サンプルホールド回路２６から構成される。演算部１５は、乗算回路２７、関数発生部１４から構成される。処理部１６は、平均値フィルタ２８から構成される。識別部６は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭを有するマイコン２９から構成される。このマイコン２９は、装置全体の制御を司る。
【００２４】
発光駆動部１０によって光源２に駆動信号を印加すると、光源２は、図５のＡに示すように、紫外光のパルス光を所定時間、被検査物１に照射する。所定時間は、数十μｓｅｃ〜数ｍｓｅｃとされ、検出したい蛍光の寿命に応じて印加時間は設定される。ここで、マイコン２９が蛍光強度を検出しながら印加時間を調整してもよい。蛍光強度が不足するときには、印加時間を長くし、蛍光強度が強すぎるときには、印加時間を短くして、再測定する。したがって、最もＳ／Ｎ比を大きくできる印加時間に補正することによって、検出精度を高めることができる。
【００２５】
光源２の点灯、消灯のタイミングに応じて、測定が開始される。測定は複数回行われる。パルス光により被検査物１から蛍光が放出されると、これを受光した光センサ３は、Ｂに示すような光電流を発生する。光センサ３は、パルス光の照射中における被検査物１の反射光も検出する。すなわち、高輝度な短寿命の蛍光を検出する。そこで、マイコン２９は、パルス光の照射に合わせて電子シャッタ２０をオンする。電子シャッタ２０は光センサ３とＩＶ変換回路２１との間に設けられているので、電子シャッタ２０のオンにより光センサ３からの光電流は短絡される。電子シャッタ２０のオン中、ＩＶ変換回路２１には、光センサ３からの信号が入力しない。電子シャッタ２０のオン時間は、印加時間よりも長く設定され、光源２の点灯直前（１μｓｅｃ）から消灯後、ノイズ沈静するまでの時間（約５０μｓｅｃ）とされる。これによって、蛍光物質の蛍光以外の不要な蛍光を排除できる。
【００２６】
ＩＶ変換回路２１では、オペアンプを用いて、微小な光電流を電圧に変換して、増幅して出力する。ＩＶ変換回路２１の出力は、Ｄのように、短寿命の蛍光による出力がカットされた信号となる。このように、パルス光が照射されていない期間における光センサ３の出力信号に対して、ＩＶ変換回路２１から出力電圧があり、光センサ３の出力の中からパルス光の照射後に放出された蛍光に対する出力が抽出される。
【００２７】
光源２の点灯直前が最も暗く、光センサ３の出力が最小値となることから、この時点の明るさを０として、最小値ゼロクランプ回路２２では、このときの光電流のＩＶ変換後の電圧が０Ｖとなるように最小電圧基準値をクランプする。具体的には、繰り返し周波数よりも十分低い時定数を持つＡＣカップリングで直流分を除去した後、ダイオードクランプ回路で波形の最小値を０Ｖ付近まで持ち上げる。なお、ダイオードによる電圧ドロップ分の補正は別途行っておく。最小値ゼロクランプ回路２２の出力は、Ｅのようになる。
【００２８】
また、光源２の点灯直前において、電子シャッタ２０がオンする前に、マイコン２９からＦに示すようなゼロ点サンプル指令が出力される。このとき、ゼロ点サンプルホールド回路２３は、ＩＶ変換回路２１の出力電圧をホールドする。ゼロ点微調整ＤＣサーボ２４は、ホールドされた電圧値で次の測定時にＩＶ変換後の電圧の補正を行う。光源２の点灯のたびに補正を行うが、複数回の補正でゼロ点に収束させるために、補正はゆるやかな微調整となる。これにより、ゼロクランプの残留オフセット電圧を厳密に０に近づけることができる。なお、蛍光寿命が蛍光灯リップル周期と同程度かそれ以上に長い場合には、リップル成分を抽出して、この分の補正を加える。
【００２９】
ｌｏｇアンプ２５は、測定ダイナミックレンジを拡大するため、微弱な蛍光による入力信号を伸長する。例えば１２０ｄＢから１６０〜１８０ｄＢまでレンジを広げる。ｌｏｇアンプ２５の出力は、Ｇに示すように、直線的な傾きを持つ減衰波形となる。これによって、光センサ３の出力に微小な直流残留成分やノイズ成分が含まれていても、これらの成分に関係なく、減衰波形が直線となる出力を得ることができる。なお、蛍光物質の含有量が１００ｐｐｍ以上であれば、ｌｏｇアンプ２５やゼロ点クランプは不要である。
【００３０】
そして、Ｈに示すように、マイコン２９から信号サンプル指令が出力される。出力タイミングは、光源２の消灯後で、かつ電子シャッタ２０がオフした後である。また、オン時間の長さは、パルス間隔時間よりも短い。この指令により、サンプルホールド回路２６は、信号サンプル指令のオン中、ｌｏｇアンプ２５からの入力に対してはそのまま出力し、オフ中はｌｏｇアンプ２５からの入力をホールドして、ノイズ等による信号変化の影響をなくす。したがって、サンプルホールド回路２６の出力はＩに示すようになり、これが検出された蛍光の減衰パターンとなる。
【００３１】
乗算回路２７は、減衰パターンと関数発生部１４から出力された基準パターンとを畳み込み演算する。関数発生部１４は複数、ここでは３つ設けられており、Ｊに示すように、それぞれ異なる基準パターン１〜３を出力する。各基準パターンは、直線の傾きと時間幅とがそれぞれ異なる減衰関数とされ、検出したい蛍光物質に応じて関数が決められている。このように、乗算回路２７は、正弦波をある位相で畳み込む一般的なロックインアンプと異なり、減衰波形のウェーブレットを減衰パターンで畳み込むウェーブレットロックインアンプである。
【００３２】
乗算回路２７での畳み込み演算による演算結果をＫに示す。減衰パターンと基準パターンにおいて、位相および波形が似ている場合、畳み込み演算により大きな出力が得られる。上記の畳み込み演算を実行することにより、短寿命の蛍光によるノイズや外乱光によるノイズの影響を受けずに、蛍光の測定に対して高感度で安定した出力を得ることができる。
【００３３】
そして、測定が行われるたびに演算結果は出力され、平均値フィルタ２８は、複数の演算結果の平均値を取る。Ｌに示すように、一定レベルの出力信号となり、これが検出された蛍光の減衰パターンと基準パターンとの相関出力となる。
【００３４】
アナログの相関出力は、ＡＤ変換回路３０によりデジタル信号に変換され、マイコン２９に出力される。マイコン２９は、複数の相関出力の出力レベルを比較する。ここで、基準パターンに対する減衰パターンの一致度が相関出力として現れ、一致度が高いほど相関出力の出力レベルは高くなる。マイコン２９は、最も高い出力レベルとなる相関出力を選定し、選定された相関に対応する基準パターンから蛍光物質を特定する。そして、この蛍光物質に対して予め登録されている情報を読み出し、表示部７に表示する。
【００３５】
上記の蛍光検出装置では、パルス光によって強い蛍光が放出されている期間は蛍光の測定を行わず、光源２の消灯後の蛍光の残光成分が存在する期間に測定を行っている。しかし、残光成分中には、外乱光や残留ノイズが含まれている。これらのノイズが非常に少ない場合、畳み込み演算による演算結果を累積平均することにより、ノイズ成分がキャンセルされて、測定結果への影響がなくなる。また、外乱光の混入等によって光センサ３の出力に直流オフセットが生じた場合でも、上記特性を有する基準パターンとの畳み込み演算によって、直流オフセット分の出力がキャンセルされ、測定結果への影響がなくなる。ノイズ成分が大きくてノイズが無視できない場合、基準パターンを構成する減衰関数の積分値が０となっているので、ノイズ成分に対する基準パターンの正成分による畳み込みが負成分の畳み込みにより相互にキャンセルされる。この場合でも、ノイズによる出力が排除され、測定結果には影響しない。
【００３６】
ここで、光センサ３を２つ設ける場合、一方の光センサ３の光学フィルタ１１は、図６（ａ）に示すように、特定波長の蛍光を通すバンドパスフィルタとされる。他方の光センサ３の光学フィルタ１１は、図６（ｂ）に示すように、特定波長の蛍光を通さないバンドカット特性を有するフィルタとされ、蛍光と補色関係にある光を通す。
【００３７】
一方の光センサ３の出力に対する複数の相関出力に基づいて、一致度の高い相関出力に対応する蛍光物質が特定される。他方の光センサ３の出力における相関出力は、光学フィルタ１１によって蛍光がカットされるので、０となる。このように、２つの相関出力の組み合わせによって、１種類の蛍光物質を確実に特定することができる。ここで、他方の光センサ３の出力における相関出力が０とならないとき、異なる蛍光物質が存在していることになり、特定の蛍光物質は存在していないと識別できる。
【００３８】
光センサ３を１つとした場合、１つの基準パターンとの畳み込み演算を行う。マイコン２９は、相関出力の出力レベルが閾値を超えるか否かを判断する。超えるとき、特定の蛍光物質が存在し、超えないとき、特定の蛍光物質は存在しないと識別できる。
【００３９】
また、光センサ３を複数設け、それぞれの光センサ３に対して、分光特性の異なる光学フィルタ１１を設ける。基準パターンも光センサ３と同数とする。基準パターンは、複数の既知の蛍光物質の蛍光寿命に基づいて作成される。そして、各光センサ３における相関出力から１つの蛍光物質を識別したり、あるいは複数の蛍光物質の組み合わせを識別することができる。これによって、各種の情報を得ることができる。
【００４０】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で上記実施形態に多くの修正および変更を加え得ることは勿論である。上記の実施形態では、ハード的な構成としたが、例えば演算処理部の機能をソフトウェアで実現することもできる。この場合、複数の減衰パターンを導き出して、これらを平均化する。平均化された波形に基準パターンを乗算して、１周期分を積分、すなわち減衰関数における正の部分の面積から負の部分の面積を差し引いて相関を求める。このような手順で演算すると、マイコンへの負荷が軽くなり、処理速度が速くなるとともに、識別精度も向上する。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の蛍光検出装置の概略ブロック図
【図２】パルス光および光センサの出力波形図
【図３】演算処理時の波形図
【図４】蛍光検出装置の回路図
【図５】蛍光検出時の波形図
【図６】光学フィルタの分光特性を示す図
【符号の説明】
【００４２】
１    被検査物
２    光源
３    光センサ
４    導出部
５    演算処理部
６    識別部
７    表示部
１１    光学フィルタ
１２    抽出部
１３    パターン形成部
１４    関数発生部
１５    演算部
１６    処理部
【図１】
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【図２】
2006331116.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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