(57)【要約】光散乱光度計の信号品質向上システムはコンピュータまたはマイクロコントローラ（ＭＣＵ）によって制御される適合なサンプリングおよびサブトラクト回路を含む。ＭＣＵは、生の光度計信号を増幅するために使用されるプログラム可能なゲイン増幅器（ＰＧＡ）カスケードを制御する。ＤＣ精度を維持するために、信号がＰＧＡカスケードにより増幅される前に光度計からの生の信号に含まれるＤＣオフセットがＭＣＵ内のアルゴリズムにより計算され生の信号から差し引かれる。ＤＣの計算および適合なキャンセレーションに加え、ＭＣＵは増幅信号の無関係な周波数帯域を補償するためにデジタルフィルタリングスキームを適用し、付加信号調整のためのユーザの所定の平均化関数を提供する。ハードウェアフィルタがアナログツーデジタル変換器（ＡＤＣ）による信号エイリアシングを防ぐために使用され、６０Ｈｚノッチフィルタが一般の電気的ノイズを抑制する。【特許請求の範囲】
【請求項１】
光検出器からの電気信号の質を高める装置であって、
増幅器と、
該増幅器に接続される電圧固定回路と、
該電圧固定回路に接続されるプログラム可能なゲイン増幅器と、
該プログラム可能なゲイン増幅器に接続されるフィルタと、
該フィルタに接続されるノッチフィルタと、
該ノッチフィルタに接続されるアナログツーデジタル変換器と、
該アナログツーデジタル変換器に接続される少なくとも１つのデジタルツーアナログ変換器と、
反転加算増幅器と、
該増幅器の入力と、
少なくとも１つのＤＣ基準電圧ジェネレータと、
コンピュータと
を備え、
該コンピュータは、該アナログツーデジタル変換器、該プログラム可能なゲイン増幅器、該フィルタ、該ノッチフィルタ、および該少なくとも１つのデジタルツーアナログ変換器に接続され、該コンピュータは、該装置にフィードバック制御およびデジタルフィルタリングを提供する、装置。
【請求項２】
前記光検出器は、紫外線スペクトル、青−緑−黄色スペクトル、赤色スペクトルおよび赤外線スペクトルそれぞれについて、１００ｎｍと４００ｎｍとの間、４００ｎｍと６００ｎｍとの間、６００ｎｍと７００ｎｍとの間、７００ｎｍと１１００ｎｍとの間の値のうちの少なくとも１つに近い波長を有する最大感度を有する、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記光検出器からの信号は、トランス−インピーダンス増幅器によって増幅されて、１と３０，０００との間、１と１０，０００，０００との間の値のうちの少なくとも１つのゲインを達成する、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記増幅器は、高同相信号除去比（ＣＭＲＲ）および５のゲインを有する計装用増幅器によって達成される同相モードの増幅を有する、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記計装用増幅器は、１と１００との間の値のうちの少なくとも１つで変動する同相モードの増幅ゲインを有する、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記計装用増幅器は、１と１００との間の値に固定された同相モードの増幅ゲインを有する、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記プログラム可能なゲイン増幅器のカスケードは、前記コンピュータによって動的に制御される、請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記プログラム可能なゲイン増幅は、１と３０，０００との間、１と１００，０００，０００との間の値のうちの少なくとも１つのゲインを達成する、請求項１に記載の装置。
【請求項９】
前記フィルタは、帯域補償を提供する、請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
前記フィルタは、デジタル処理のために使用されるアンチエイリアス処理信号を提供する、請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
前記フィルタは、バターワース応答、ベッセル応答、チェビシェフ応答、および楕円応答のうちの少なくとも１つを提供するように構成される、請求項１に記載の装置。
【請求項１２】
前記フィルタは、第１次と第８次との間のオーダーである、請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
前記フィルタは、受動的と能動的とのうちの少なくとも１つである、請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
前記フィルタは、継続的フィルタと切り替えキャパシタとのうちの少なくとも１つである、請求項１２に記載の装置。
【請求項１５】
前記フィルタは、デジタルフィルタとしてインプリメントされる、請求項１２に記載の装置。
【請求項１６】
前記ノッチフィルタは、６０Ｈｚカットオフと５０Ｈｚカットオフとのうちの少なくとも１つに合わせて設計される、請求項１に記載の装置。
【請求項１７】
前記ノッチフィルタは、能動的フィルタと受動的フィルタとのうちの少なくとも１つである、請求項１６に記載の装置。
【請求項１８】
前記ノッチフィルタは、継続的フィルタである、請求項１６に記載の装置。
【請求項１９】
前記ノッチフィルタは、デジタルフィルタと切り替えキャパシタフィルタとのうちの少なくとも１つである、請求項１６に記載の装置。
【請求項２０】
前記コンピュータは、ＤＣノイズを計算し、ＤＣノイズをキャンセルするフィードバック制御スキームを活用するように構成される、請求項１に記載の装置。
【請求項２１】
前記コンピュータは、前記アナログツーデジタル変換器によって増幅された信号を測定する、請求項１に記載の装置。
【請求項２２】
前記コンピュータは、電圧比較器によって増幅された信号を測定する、請求項１に記載の装置。
【請求項２３】
前記コンピュータは、クローズドループフィードバックスキームを使用して初期の入力ＤＣオフセット電圧を差し引くＤＣ基準電圧ジェネレータを制御する、請求項１に記載の装置。
【請求項２４】
前記コンピュータは、オーディオ警報装置、ビジュアル表示装置、マシン連結、および無線送信機のうちの少なくとも１つを制御する、請求項１に記載の装置。
【請求項２５】
前記コンピュータは、クローズドループフィードバックスキームを用いて入力ＤＣオフセット電圧を差し引く少なくとも１つのデジタルツーアナログ変換機によってＤＣレベルを生成する、請求項１に記載の装置。
【請求項２６】
前記コンピュータは、クローズドループフィードバックスキームを用いて入力ＤＣオフセット電圧を差し引くバッファ付きデジタル電位差計によってＤＣレベルを生成する、請求項１に記載の装置。
【請求項２７】
前記コンピュータは、クローズドループフィードバックスキームを用いて入力ＤＣオフセット電圧を差し引くパルス幅変調器によってＤＣレベルを生成する、請求項１に記載の装置。
【請求項２８】
前記コンピュータは、前記装置を構成するコンポーネントを制御するために、デジタルおよびアナログの出力を提供する、請求項１に記載の装置。
【請求項２９】
前記アナログ出力は、０ボルトと５ボルトとの間、０ボルトと１ボルトとの間、０ボルトと１０ボルトとの間、０ボルトと１２ボルトとの間、０ボルトと３．３ボルトとの間、および０ボルトと２４ボルトとの間のうちの少なくとも１つの範囲であり得る、請求項１に記載の装置。
【請求項３０】
デバイスは、５ボルト、３．７ボルト、７．４ボルト、３．３ボルト、９ボルト、１２ボルト、２４ボルト、１１０ボルト、および２２０ボルトのうちの少なくとも１つのＤＣ電源によって電力供給される、請求項１に記載の装置。
【請求項３１】
光検出器からの電気信号の質を高める方法であって、
該光検出器を開始することおよびリセットすることのうちの少なくとも１つと、
初期化することであって、デジタルツーアナログ変換器（ＤＡＣ）、アナログツーデジタル変換器（ＡＤＣ）、プログラム可能なゲイン増幅器（ＰＧＡ）およびフィルタパラメータを初期化することと、
電圧増分を差し引くことであって、フィルタの出力が、所定の粗い閾値電圧以下の電圧の少なくとも１つになるまで、該フィルタの出力から電圧増分を差し引くことと、
電圧増分を差し引くことであって、該フィルタの出力が、所定の細かい閾値電圧以下の電圧の少なくとも１つになるまで、該フィルタの出力から電圧増分を差し引くことと、
該フィルタの出力をフィルタリングすることおよび処理することと、
出力することあって、電力停止とリセットのコマンドのうちの少なくとも１つを受信するまで、該フィルタの該フィルタリングおよび信号処理された出力を出力することと
を包含する、方法
【請求項３２】
前記初期化することは、前記ＤＡＣの出力電圧を０ボルトに設定すること、前記ＰＧＡのゲインをゼロに設定すること、前記ＡＤＣを初期化すること、および前記フィルタのコーナー周波数を設定することをさらに包含する、請求項３１に記載の方法。
【請求項３３】
前記所定の粗い閾値電圧に従って電圧増分を差し引くことは、前記ＡＤＣの値を読み取ること、該ＡＤＣの値が該粗い閾値以下の値のうちの少なくとも１つになるときを決定すること、該ＡＤＣの値が該粗い閾値以下の値のうちの少なくとも１つになるときには粗いＤＡＣ電圧を増加させることをさらに包含する、請求項３１に記載の方法。
【請求項３４】
前記所定の細かい閾値電圧に従って電圧増分を差し引くことは、前記ＡＤＣの値を読み取ること、該ＡＤＣの値が該細かい閾値以下の値のうちの少なくとも１つになるときを決定すること、該ＡＤＣの値が該細かい閾値以下の値のうちの少なくとも１つになるときには細かいＤＡＣ電圧を増加させることをさらに包含する、請求項３１に記載の方法。
【請求項３５】
前記ＡＤＣによってサンプリングすることは、前記フィルタの出力の最も高い周波数成分の少なくとも２倍の一定の時間間隔で実行される、請求項３１に記載の方法。
【請求項３６】
前記フィルタリングすることおよび信号処理することは、デジタルフィルタリング、パターン認識、または予測的制御のアルゴリズムのうちの少なくとも１つを含む、請求項３１に記載の方法。
【請求項３７】
前記フィルタリングすることおよび信号処理することは、比例積分、最小平均二乗、またはカルマンフィルタのうちの少なくとも１つをさらに含む、請求項３２に記載の方法。
【請求項３８】
前記フィルタリングおよび信号処理された出力を出力することは、出力ＤＡＣ、シリアル出力ポート、パラレル出力ポート、ＵＳＢ出力ポート、および無線リンクのうちの少なくとも１つによって提供される、請求項３２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の引用）
本出願は、米国特許仮出願第６０／６２０，６６５号（２００４年１０月２２日出願）に基づく優先権を主張し、その内容は全体が本明細書において援用される。
【０００２】
（技術分野）
本発明の分野は、例えばエアロゾール粒子の検出および測定のシステムにおいて見られるような、光検出器の出力の信号品質の向上にある。詳しくは、本発明は、光ダイオードによって、より詳しくはエアロゾール粒子の凝縮からの光の散乱の結果として光ダイオードにより検出された光によって、検出された光の検出のための電気信号の品質向上に関する。
【背景技術】
【０００３】
光検出器を使用する背景技術におけるシステムの例は、それらに限定されるものではないが、光特性認識システム、通信システム、医療画像化センサ、レーザ距離計、放射線検出器、煙検出器、位置センサ、および近接センサを含む。これらの背景技術のシステムの全てにおいて、光検出器は、電気信号という形で光または放射線を測定するために使用され、電気信号は、様々な方法で処理されて有用な情報出力を生成する。背景技術からの特殊な例においては、平行にされた光の光線（それはコヒーレントであってもなくても良い）が、流動性混合物中に懸濁された粒子が透過される透明セルを通して方向付けられる。それから、光検出器は、粒子によって散乱またはブロックされた光の相対量を検出するために使用される。光検出器によって生成された信号は、粒子の濃度、粒子の大きさ、および／または粒子の存在についての情報を含む。
【０００４】
使用される光検出器のタイプは、デバイスの感度要求に依存する。光電子増倍管は、現在利用可能である最も敏感（かつ高価）な方法である。光電子増倍管は、ナノ秒の分解能で単一の光子の存在を検出し得る。しかしながら、光電子増倍管は、製造するのに費用を要し損傷を受けやすい。さらに、それらは非常に高い電圧を必要とし、従って商業的アプリケーションよりは研究所において使用される傾向にある。
【０００５】
光電子増倍管を使用することに対する１つの代替案は、光ダイオードとトランスインピーダンス増幅器とを使用することである。光電子増倍管とは対照的に、光ダイオードは、安価であり、壊れにくく、小さく、低電圧で動作する。
【０００６】
エアロゾール粒子の大きさおよび濃度を測定するために使用される別の背景技術のデバイスは、光散乱光度計または比濁計と呼ばれる。特に敏感な測定を要求するアプリケーションは、光電子増倍管ベースの光度計を要求する。
【０００７】
アプリケーションの感度要求が、光電子増倍管の使用を妥当としないときには、低減されたコストにより光ダイオードベースのデバイスが好ましい。しかしながら、背景技術の光ダイオードは、光電子増倍管ほど敏感ではなく、電気的増幅と関連するノイズの問題を有する傾向にある。
【０００８】
光ダイオードのデバイスの感度は、一部分、光ダイオードのデバイスと関連するトランスインピーダンス増幅器のゲインの関数である。増幅された信号は、光検出器に到達する光の量に関する有用な情報を含む。しかしながら、光検出器および増幅回路の固有の特性のために、増幅された信号は、オフセット電位、周囲の光によって生成されたノイズ、および電磁的障害のような付加的な要因も含む。これらの付加的要因は、増幅器の可能なゲインの段階を飽和に達する前に限定する影響を有する。従って、改良されたゲインおよび感度を有する低価格の光ダイオードベースの検出器のための技術におけるニーズがある。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、増幅、フィルタリング、ＤＣキャンセレーション、および検出器に到達する光の量に関連する有用な情報を抽出するための光検出器の出力信号の信号処理のための、装置および方法である。光検出器の例は、それに限定するものではないが、光ダイオード、光トランジスタ、光電子増倍管、およびチャージカップルドデバイス（Ｃｈａｒｇｅ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｄｅｖｉｃｅ、ＣＣＤ）画像センサを含む。本発明はまた、シリアルリンク、ビジュアル表示装置、アナログ出力、無線リンク、またはオーディオ出力のうちの少なくとも１つを経由して、光検出器により抽出された有用な情報を出力する手段も提供する。
【００１０】
本発明においては、光ダイオードベースの検出器のゲインおよび感度は、少なくともノイズとＤＣオフセットとを取り除くことによって増大される。この増大された感度は、本発明の光ダイオードベースの検出器が、現在は光電子増倍管ベースの光度計を要求するアプリケーションにおいて使用されることを可能とする。
【００１１】
本発明の１つの実施形態は、光検出器からの電気信号の質を高める装置であって、該装置は、増幅器、該増幅器に接続される電圧固定回路、該電圧固定回路に接続されるプログラム可能なゲイン増幅器、該プログラム可能なゲイン増幅器に接続されるフィルタ、該フィルタに接続されるノッチフィルタ、該ノッチフィルタに接続されるアナログツーデジタル変換器、該アナログツーデジタル変換器に接続される少なくとも１つのデジタルツーアナログ変換器、反転加算増幅器、該増幅器の入力、少なくとも１つのＤＣ基準電圧ジェネレータ、およびコンピュータを備え、該コンピュータは、該アナログツーデジタル変換器、該プログラム可能なゲイン増幅器、該フィルタ、該ノッチフィルタ、および該少なくとも１つのデジタルツーアナログ変換器に接続され、該装置にフィードバック制御およびデジタルフィルタリングを提供する。
【００１２】
本発明の別の実施形態は、光検出器からの電気信号の質を高める方法であって、該方法は、該光検出器を開始することおよびリセットすることのうちの少なくとも１つ、デジタルツーアナログ変換器（ＤＡＣ）、アナログツーデジタル変換器（ＡＤＣ）、プログラム可能なゲイン増幅器（ＰＧＡ）およびフィルタパラメータを初期化すること、フィルタの出力が所定の粗い閾値電圧以下の電圧の少なくとも１つになるまで、該フィルタの出力から電圧増分を差し引くこと、該フィルタの出力が所定の細かい閾値電圧以下の電圧の少なくとも１つになるまで、該フィルタの出力から電圧増分を差し引くこと、該フィルタの出力をフィルタリングすることおよび処理すること、および電力停止およびリセットのコマンドのうちの少なくとも１つを受信するまで、該フィルタの該フィルタリングおよび信号処理された出力を出力することを包含する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明は、添付の図面を用いてより詳細に説明され得る。
【００１４】
図１の例示的なシステムのブロック図は、本発明の装置を示す。詳しくは、図１は、光度計の増幅、フィルタリング、ＤＣキャンセレーション、および信号処理の機能の実施例を示す。光度計からのアナログ信号は、計装用増幅器１の非反転入力に接続されるツイストペアケーブルを介して装置に入力される。増幅器１は、任意のタイプの計装用増幅器であり得るが、主要な決定因子として高同相信号除去比（ＣＭＲＲ）を用いて選択されるべきである。増幅器１は、理想的には少なくとも８５ｄＢのＣＭＲＲを有するべきである。システムにおけるこの増幅器１は、信号に対して小さなゲイン（すなわち、１と１０との間）も提供し得る。それから、計装用増幅器１の出力は、システムの他の部分を過電圧または不足電圧の信号から保護するために、電圧固定２を通過し得る。
【００１５】
固定電圧２を通過した後に、アナログ信号は、信号をさらに増幅する少なくとも１つのプログラム可能なゲイン増幅器（ＰＧＡ）３を通過する。ＰＧＡ３の正確なゲインは、マイクロコントローラ（ＭＣＵ）７によって制御され、特定のアプリケーションに合うようにプログラムされ得る。さらに、ゲインは固定、または制御アルゴリズムの関数であり得る。
【００１６】
それから、信号は、固定またはＭＣＵ７によって制御され得るカットオフ周波数を有するローパスフィルタ４を用いてフィルタリングされる。ローパスフィルタ４は、受動的または能動的であり得、ＭＣＵ７によって活性化または非活性化され得るか、またはジャンパを使用してバイパスされ得る。それから、ノッチフィルタ５が、信号中の周波数特定ノイズを取り除くためにインプリメントされる。ノチフィルタ５の拒絶帯域（ｓｔｏｐ  ｂａｎｄ）は、デフォルト周波数６０Ｈｚを有し、それは、ＭＣＵ７またはジャンパによって決定された設定によってシフトされ得る。ノッチフィルタ５も、受動的または能動的であり得、ＭＣＵ７によって、またはジャンパの使用によりバイパスされ得る。ＰＧＡ３およびフィルタブロック４、５の出力は、装置のアナログ出力１１として提供され得る。
【００１７】
ＭＣＵ７は、フィルタリングされた信号が内部または外部のアナログツーデジタル変換機（ＡＤＣ）６を通過した後に、このフィルタリングされた信号を受信する。ＭＣＵ７はまた、いくつかのデジタルツーアナログ変換機（ＤＡＣ）８、９を制御し得、変換機は、ＭＣＵ７に対して内部または外部であり得る。ＤＡＣブロックの電圧基準は、各電圧基準がそれより前のブロックの電圧基準よりも低いように設定され得る。この構成は、進路調節ＤＡＣ８、および継続的で細かな調節ＤＡＣ９を可能とする。
【００１８】
反転加算増幅器１０は、１つ以上のＤＡＣ８、９の出力を加算し反転するために使用される。それから、この反転された合計は、計装用増幅器１に入力されてＤＣ信号キャンセレーションのために負のＤＣオフセットを作る。
【００１９】
随意的に、別のＤＡＣ（図には示されていない）が、出力ブロック１１に含まれ得、ＭＣＵ７によって制御される。これは、ＭＣＵ７が多数のデジタルフィルタリング手法をインプリメントすること、および結果をアナログ電圧として出力することを可能とする。ＭＣＵ７は、内部または外部のシリアルポートまたはシリアル出力のための他のデバイスも制御し得る。任意の数の他の出力デバイスが、ＭＣＵ７によって駆動されて、オーディオ出力、ビジュアル表示、またはラジオリンク出力を提供し得る。
【００２０】
上で検討された装置においては、好ましくは、光検出器は、紫外線スペクトル、青−緑−黄色スペクトル、赤色スペクトルおよび赤外線スペクトルそれぞれについて、１００ｎｍと４００ｎｍとの間、４００ｎｍと６００ｎｍとの間、６００ｎｍと７００ｎｍとの間、７００ｎｍと１１００ｎｍとの間の値のうちの少なくとも１つに近い波長を有する最大感度を有する。
【００２１】
さらに、上で検討された装置においては、好ましくは、光検出器からの信号は、トランス−インピーダンス増幅器によって増幅され、１と３０，０００との間、１と１０，０００，０００との間の値のうちの少なくとも１つのゲインを達成し、該増幅器は、高同相信号除去比（ＣＭＲＲ）および５のゲインを有する計装用増幅器によって達成される、同相モードの増幅器を有する。
【００２２】
さらに、上で検討された装置においては、計装用増幅器は、好ましくは、１と１００との間の値のうちの少なくとも１つで変動する同相モードの増幅ゲイン、１と１００との間の値に固定された同相モードの増幅ゲインのうちの少なくとも１つを有する。
【００２３】
さらに、上で検討された装置においては、プログラム可能なゲイン増幅器のカスケードは、好ましくは、コンピュータによって動的に制御され、プログラム可能なゲイン増幅器は、１と３０，０００との間、１と１００，０００との間のうちの少なくとも１つのゲインを達成する。
【００２４】
さらに、フィルタは、好ましくは、帯域補償（ｂａｎｄ  ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ）、デジタル処理のために使用されるアンチエイリアス処理信号を提供する。さらに、フィルタは、好ましくは、バターワース応答、ベッセル応答、チェビシェフ応答、および楕円応答のうちの少なくとも１つを提供するように構成される。さらに、フィルタは、第１次と第８次との間のオーダー、受動的と能動的とのうちの少なくとも１つ、継続的フィルタと切り替えキャパシタとのうちの少なくとも１つであり、デジタルフィルタとしてインプリメントされる。
【００２５】
さらに、ノッチフィルタは、好ましくは、６０Ｈｚカットオフと５０Ｈｚカットオフとのうちの少なくとも１つ、能動的フィルタと受動的フィルタとのうちの少なくとも１つ、なたびに継続フィルタ、デジタルフィルタ、および切り替えキャパシタフィルタのうちの少なくとも１つに合わせて設計される。
【００２６】
さらに、上で検討された装置においては、コンピュータは、ＤＣノイズを計算し、ＤＣノイズをキャンセルするフィードバック制御スキームを活用するように構成され、アナログツーデジタル変換器によって増幅された信号を測定し、電圧比較器によって増幅された信号を測定し、クローズドループフィードバックスキームを使用して初期の入力ＤＣオフセット電圧を差し引くＤＣ基準電圧ジェネレータを制御し、オーディオ警報装置、ビジュアル表示装置、マシン連結、および無線送信機を制御し、クローズドループフィードバックスキームを用いて入力ＤＣオフセット電圧を差し引くデジタルツーアナログ変換機によってＤＣレベルを生成し、クローズドループフィードバックスキームを用いて入力ＤＣオフセット電圧を差し引くバッファ付きデジタル電位差計によってＤＣレベルを生成し、クローズドループフィードバックスキームを用いて入力ＤＣオフセット電圧を差し引くパルス幅変調器によってＤＣレベルを生成し、装置を構成するコンポーネントを制御するために、様々なデジタルおよびアナログの出力を提供する。
【００２７】
さらに、上で検討された装置においては、アナログ出力は、０ボルトと５ボルトとの間、０ボルトと１ボルトとの間、０ボルトと１０ボルトとの間、０ボルトと１２ボルトとの間、０ボルトと３．３ボルトとの間、および０ボルトと２４ボルトとの間のうちの少なくとも１つの範囲であり得、装置は、５ボルト、３．７ボルト、７．４ボルト、３．３ボルト、９ボルト、１２ボルト、２４ボルト、１１０ボルト、および２２０ボルトのうちの少なくとも１つＤＣ電源によって電力供給される。
【００２８】
図２に示されるフロー図は、ＭＣＵが光検出器からの電気信号の質を高めるシステムを制御する方法を示す。図２のステップ２１は、システムに電源供給するかまたはシステムをリセットする初期ステップに向けられる。電源供給の後またはリセットした時は、ステップ２２に示されるように、ＭＣＵはシステムのハードウェアを初期化する。詳しくは、ステップ２２は、ＤＡＣの出力電圧を０Ｖに設定すること、ＰＧＡのゲインをゼロに設定すること、およびフィルタのコーナー周波数を設定することを少なくとも包含する。
【００２９】
次に、ステップ２３においては、ＭＣＵはコースサンプル（Ｃｏａｒｓｅ  Ｓａｍｐｌｅ）とサブトラクトループ（Ｓｕｂｔｒａｃｔ  Ｌｏｏｐ）を実行する。詳しくは、ステップ２３Ａにおいて、ＭＣＵは、ＡＤＣ値を介して、フィルタの出力信号の電圧レベルを読み取る。ステップ２３Ｂは、電圧レベルが所定の粗い閾値電圧レベルより上か否かを決定する。
【００３０】
フィルタブロックの出力信号の電圧レベルが、所定の粗い閾値電圧レベルより上である場合（すなわち、２３Ｂについて「イエス」のアウトプット）には、粗い調節がステップ２３Ｃで行われ、ＭＣＵは粗いＤＡＣ電圧を増加させる。ステップ２３Ｃは、出力信号から増加した電圧を差し引く効力を有する。ステップ２３Ａ、２３Ｂ、および２３Ｃは、入力信号のＤＣ成分が、所定の粗い閾値電圧レベル以内にキャンセルされるまで繰り返される。電圧レベルが所定の粗い閾値電圧レベル内のとき（すなわち、２３Ｂについて「ノー」のアウトプット）には、図２に示されるように、該方法は、ファインサンプル（Ｆｉｎｅ  Ｓａｍｐｌｅ）およびサブトラクトループ２４に続く。
【００３１】
図２のファインサンプルおよびサブトラクトループ２４においては、フィルタリングされた出力電圧をサンプリングすること、およびＤＡＣを増加させることの全体プロセスが、細かなＤＡＣ調節を用いて繰り返される。詳しくは、ステップ２４Ａにおいて、ＭＣＵは、ＡＤＣ値を介して、フィルタブロックの出力信号の圧力レベルを読み取る。ステップ２４Ｂは、圧力レベルが所定の細かな閾値圧力レベルよりも上であるか否かを決定する。
【００３２】
フィルタブロックの出力信号の電圧レベルが、所定の細かい閾値電圧レベルよりも上である場合（すなわち、２４Ｂについて「イエス」のアウトプット）には、細かい調節がステップ２４Ｃで行われ、ＭＣＵは細かいＤＡＣ電圧を増加させる。ステップ２４Ｃは、出力信号から増加した電圧を差し引く効力を有する。ステップ２４Ａ、２４Ｂ、および２４Ｃは、入力信号のＤＣ成分が、所定の細かい閾値電圧レベル以内にキャンセルされるまで繰り返される。出力電圧が所定の細かい閾値電圧よりも小さくなるまで繰り返される。特定のアプリケーションの要求と同じ数だけの、継続するより細かなＤＡＣ調節と閾値電圧があり得る。電圧レベルが所定の細かい閾値電圧レベル内のとき（すなわち、２４Ｂについて「ノー」のアウトプット）には、図２に示されるように、該方法は、サンプリング／プロセシングのセクション２５に続く。
【００３３】
図２のステップ２５は、サンプリング／プロセシングループ２５を示す。ステップ２３およびステップ２４のＤＣキャンセレーションが完了した後に、ＭＣＵは、ステップ２５ＡにおいてＡＤＣを介してフィルタリングされた信号を継続的にサンプリングする。サンプリングは、ニキストサンプリング定理（Ｎｙｑｕｉｓｔ  ｓａｍｐｌｉｎｇ  ｔｈｅｏｒｅｍ）に従った一定の時間間隔（すなわち、最も高い周波数成分の少なくとも２倍）で、ＡＤＣによって実行される。それから、ＭＣＵは、ステップ２５Ｂのデジタルフィルタリングおよび信号プロセシングの機能における、任意の数のデジタルフィルタリング、パターン認識、または予測的制御のアルゴリズムをインプリメントし得る。そのようなアルゴリズムの例は、それに限定するものではないが、比例積分、最小平均二乗、またはカルマンフィルタを含む。
【００３４】
ステップ２６においては、ＭＣＵは、サンプリング／プロセシングループ２５を継続的に繰り返す前に、出力ＤＡＣ、シリアル出力ポート、パラレル出力ポート、ＵＳＢ出力ポート、および無線リンクのうちの少なくとも１つによって結果を出力する。ＭＣＵはまた、オーディオ警報装置、ビジュアル表示装置、マシン連結、無線送信機、または任意の他の電気的に制御されるデバイスのような、特定の出力デバイスを制御し得る。サンプリング／プロセシングループ２５は、デバイスが、事前にプログラムされた条件に応じてＭＣＵによって電力停止されるかまたはリセットされるまで継続する。
【００３５】
先の記述は、本発明を示し説明するものである。さらに、本開示は、本発明の好適な実施形態だけを説明するが、上記のように、本発明は、様々な他の組み合わせ、変更、および環境における使用が可能であり、本明細書において説明されるように、上記の教示および／または当分野の技術または知識と相応する、本発明のコンセプトの範囲内の変更や修正が可能である。上記の実施形態は、本発明の実施について知られるベストモードを説明し、当業者が、そのようにまたは他の実施形態で、および本発明の特定のアプリケーションまたは使用によって要求される様々な変更とともに、本発明を利用することを可能とすることが、さらに意図されている。従って、本説明は、本明細書において開示される形態またはアプリケーションについての発明に限定することは意図されていない。また、特許請求の範囲が代替的な実施形態を含むと解釈されることが意図されている。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】図１は、本発明の装置および方法をインプリメントするために使用される機能ブロックを示す例示的なブロック図である。
【図２】図２は、適合なＤＣキャンセレーションアルゴリズムによる光度計信号自動ゼロ化を示す例示的なフローチャートである。
【図１】
2008518211.tif 000002
【図２】
2008518211.tif 000003
【手続補正書】
【提出日】平成19年6月26日(2007.6.26)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光検出器からの電気信号の質を高める装置であって、
増幅器と、
該増幅器に接続される電圧固定回路と、
該電圧固定回路に接続されるプログラム可能なゲイン増幅器と、
該プログラム可能なゲイン増幅器に接続されるフィルタと、
該フィルタに接続されるノッチフィルタと、
該ノッチフィルタに接続されるアナログツーデジタル変換器と、
反転加算増幅器と、
少なくとも１つのＤＣ基準電圧ジェネレータと、
粗い調節デジタルツーアナログ変換器と、
細かい調節デジタルツーアナログ変換器と、
コンピュータと
を備え、
該コンピュータは、該アナログツーデジタル変換器、該プログラム可能なゲイン増幅器、該フィルタ、該ノッチフィルタ、該粗い調節デジタルツーアナログ変換器および該細かい調節デジタルツーアナログ変換器に接続され、該コンピュータは、該装置にフィードバック制御およびデジタルフィルタリングを提供する、装置。
【請求項２】
前記光検出器は、紫外線スペクトル、青−緑−黄色スペクトル、赤色スペクトルおよび赤外線スペクトルそれぞれについて、１００ｎｍと４００ｎｍとの間、４００ｎｍと６００ｎｍとの間、６００ｎｍと７００ｎｍとの間、７００ｎｍと１１００ｎｍとの間の値のうちの少なくとも１つに近い波長を有する最大感度を有する、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記光検出器からの信号は、トランス−インピーダンス増幅器によって増幅されて、１と３０，０００との間、１と１０，０００，０００との間の値のうちの少なくとも１つのゲインを達成する、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記増幅器は、高同相信号除去比（ＣＭＲＲ）および５のゲインを有する計装用増幅器によって達成される同相モードの増幅を有する、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記計装用増幅器は、１と１００との間の値のうちの少なくとも１つで変動する同相モードの増幅ゲインを有する、請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記計装用増幅器は、１と１００との間の値に固定された同相モードの増幅ゲインを有する、請求項４に記載の装置。
【請求項７】
前記プログラム可能なゲイン増幅器のカスケードは、前記コンピュータによって動的に制御される、請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記プログラム可能なゲイン増幅は、１と３０，０００との間、１と１００，０００との間の値のうちの少なくとも１つのゲインを達成する、請求項１に記載の装置。
【請求項９】
前記フィルタは、帯域補償を提供する、請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
前記フィルタは、デジタル処理のために使用されるアンチエイリアス処理信号を提供する、請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
前記フィルタは、バターワース応答、ベッセル応答、チェビシェフ応答、および楕円応答のうちの少なくとも１つを提供するように構成される、請求項１に記載の装置。
【請求項１２】
前記フィルタは、第１次と第８次との間のオーダーである、請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
前記フィルタは、受動的と能動的とのうちの少なくとも１つである、請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
前記フィルタは、継続的フィルタと切り替えキャパシタとのうちの少なくとも１つである、請求項１２に記載の装置。
【請求項１５】
前記フィルタは、デジタルフィルタとしてインプリメントされる、請求項１２に記載の装置。
【請求項１６】
前記ノッチフィルタは、６０Ｈｚカットオフと５０Ｈｚカットオフとのうちの少なくとも１つに合わせて設計される、請求項１に記載の装置。
【請求項１７】
前記ノッチフィルタは、能動的フィルタと受動的フィルタとのうちの少なくとも１つである、請求項１６に記載の装置。
【請求項１８】
前記ノッチフィルタは、継続的フィルタである、請求項１６に記載の装置。
【請求項１９】
前記ノッチフィルタは、デジタルフィルタと切り替えキャパシタフィルタとのうちの少なくとも１つである、請求項１６に記載の装置。
【請求項２０】
前記コンピュータは、ＤＣノイズを計算し、ＤＣノイズをキャンセルするフィードバック制御スキームを活用するように構成される、請求項１に記載の装置。
【請求項２１】
前記コンピュータは、前記アナログツーデジタル変換器を介して、前記増幅された信号を測定する、請求項１に記載の装置。
【請求項２２】
前記コンピュータは、電圧比較器を介して、前記増幅された信号を測定する、請求項１に記載の装置。
【請求項２３】
前記コンピュータは、クローズドループフィードバックスキームを使用して初期の入力ＤＣオフセット電圧を差し引くために前記少なくとも１つのＤＣ基準電圧ジェネレータを制御する、請求項１に記載の装置。
【請求項２４】
前記コンピュータは、オーディオ警報装置、ビジュアル表示装置、マシン連結、および無線送信機のうちの少なくとも１つを制御する、請求項１に記載の装置。
【請求項２５】
前記コンピュータは、クローズドループフィードバックスキームを用いて入力ＤＣオフセット電圧を差し引くために前記少なくとも１つのデジタルツーアナログ変換器を介してＤＣレベルを生成する、請求項１に記載の装置。
【請求項２６】
前記コンピュータは、クローズドループフィードバックスキームを用いて入力ＤＣオフセット電圧を差し引くためにバッファ付きデジタル電位差計を介してＤＣレベルを生成する、請求項１に記載の装置。
【請求項２７】
前記コンピュータは、クローズドループフィードバックスキームを用いて入力ＤＣオフ
セット電圧を差し引くためにパルス幅変調器を介してＤＣレベルを生成する、請求項１に記載の装置。
【請求項２８】
前記コンピュータは、前記装置を構成するコンポーネントを制御するために、デジタルおよびアナログの出力を提供する、請求項１に記載の装置。
【請求項２９】
前記アナログ出力は、０ボルトと５ボルトとの間、０ボルトと１ボルトとの間、０ボルトと１０ボルトとの間、０ボルトと１２ボルトとの間、０ボルトと３．３ボルトとの間、および０ボルトと２４ボルトとの間のうちの少なくとも１つの範囲であり得る、請求項２８に記載の装置。
【請求項３０】
デバイスは、５ボルト、３．７ボルト、７．４ボルト、３．３ボルト、９ボルト、１２ボルト、２４ボルト、１１０ボルト、および２２０ボルトのうちの少なくとも１つのＤＣ電源によって電力供給される、請求項１に記載の装置。
【請求項３１】
光検出器からの電気信号の質を高める方法であって、
該光検出器を開始することおよびリセットすることのうちの少なくとも１つと、
デジタルツーアナログ変換器（ＤＡＣ）、アナログツーデジタル変換器（ＡＤＣ）、プログラム可能なゲイン増幅器（ＰＧＡ）およびフィルタパラメータを初期化することと、
フィルタの出力が所定の粗い閾値電圧以下の電圧になるまで、該フィルタの出力から電圧増分を差し引くことと、
該フィルタの出力が所定の細かい閾値電圧以下の電圧になるまで、該フィルタの出力から電圧増分を差し引くことと、
該フィルタの出力をフィルタリングおよび信号処理することと、
電力停止とリセットのコマンドのうちの少なくとも１つを受信するまで、該フィルタの該フィルタリングおよび信号処理された出力を出力することと
を包含し、
該ＡＤＣによるサンプリングが、該フィルタ出力における最も高い周波数成分の少なくとも二倍の一定の時間間隔で実行される、方法
【請求項３２】
前記初期化することは、前記ＤＡＣの出力電圧を０ボルトに設定すること、前記ＰＧＡのゲインをゼロに設定すること、前記ＡＤＣを初期化すること、および前記フィルタのコーナー周波数を設定することをさらに包含する、請求項３１に記載の方法。
【請求項３３】
前記所定の粗い閾値電圧に従って電圧増分を差し引くことは、前記ＡＤＣの値を読み取ること、該ＡＤＣの値が該粗い閾値以下の値になるときを決定すること、該ＡＤＣの値が該粗い閾値以下の値になるときには粗いＤＡＣ電圧を増加させることをさらに包含する、請求項３１に記載の方法。
【請求項３４】
前記所定の細かい閾値電圧に従って電圧増分を差し引くことは、前記ＡＤＣの値を読み取ること、該ＡＤＣの値が該細かい閾値以下になるときを決定すること、該ＡＤＣの値が該細かい閾値以下の値になるときには細かいＤＡＣ電圧を増加させることをさらに包含する、請求項３１に記載の方法。
【請求項３５】
前記フィルタリングおよび信号処理することは、デジタルフィルタリング、パターン認識、または予測的制御のアルゴリズムのうちの少なくとも１つを含む、請求項３１に記載の方法。
【請求項３６】
前記フィルタリングおよび信号処理することは、比例積分、最小平均二乗、またはカルマンフィルタのうちの少なくとも１つをさらに含む、請求項３２に記載の方法。
【請求項３７】
前記フィルタリングおよび信号処理された出力を出力することは、出力ＤＡＣ、シリアル出力ポート、パラレル出力ポート、ＵＳＢ出力ポート、および無線リンクのうちの少なくとも１つを介して提供される、請求項３２に記載の方法。
【国際調査報告】
2008518211.tif 000004