(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の光電セルを有する線形アレイにおける照射領域と隣接する暗領域との間のシャドーラインのセル交差番号を決定するための方法であり、
前記複数のセルのそれぞれから応答信号を得るために前記アレイを走査するステップであって、前記応答信号の振幅が入射光による対応するセルの照射量によって決定されるようになっているステップと、
前記走査アレイからの前記応答信号を、前記アレイからの前記応答信号に関する情報を含むディジタル信号に変換するステップであって、前記ディジタル信号が集合的に、前記アレイに関する照射分布曲線を表すようになっているステップと、
前記シャドーラインが内部に存在する前記線形走査型アレイのセルの範囲を確立するステップと、
セルの前記範囲にわたって前記照射分布曲線の２階微分を算出するステップと、
前記２階微分によって境界をなす最大の正領域を識別するステップと、
前記最大の正領域の重心を求めるステップと、
前記重心のセル番号座標を前記セル交差番号であるように割り当てるステップと、を含む前記方法。
【請求項２】
暗電流補正を前記照射分布曲線に施すステップをさらに含む請求項１に記載の方法。
【請求項３】
移動平均フィルタを前記照射分布曲線に適用するステップをさらに含む請求項１に記載の方法。
【請求項４】
セルの範囲を確立する前記ステップが、
ピークセル振幅を求めることによって、最大の照射量を受光する最も明るいセルを発見するサブステップと、
最も明るいセルから前記暗領域に向かう方向に探索し、前記ピークセル振幅の予め定められた百分率にほぼ相当する振幅を有する領域開始セルを位置付けるサブステップと、
前記領域開始セルから前記方向に探索を続け、複数の領域終了セル基準のいずれか１つに適合する領域終了セルを位置付けるサブステップと、をさらに含む請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記複数の領域終了セル基準が、前記領域のセルの中で最も暗い（dimmest）セル振幅に対して少なくとも予め決定された百分率だけ増大した対応する振幅を有する前記領域終了セルを含む請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記複数の領域終了セル基準が、前記アレイにおける前記複数のセルの最後である前記領域終了セルを含む請求項４に記載の方法。
【請求項７】
屈折計であって、
複数の光電セルを含む線形走査型アレイであって、各セルが走査中に応答信号を生成し、各応答信号の振幅が入射光による対応するセルの照射量によって決定される線形走査型アレイと、
光を前記アレイに向けるための光学装置であって、前記アレイの特定の光電セルが前記光によって照射され、前記アレイの照射領域および暗領域によって定義されるシャドーラインのセル交差番号が前記光学装置と連動するように配置される物質の屈折率によって決定されるようになっている光学装置と、
前記線形走査型アレイからの前記応答信号を、前記線形走査型アレイからの前記応答信号の振幅に関する情報を含むディジタル信号に変換するためのアナログ／ディジタル変換装置であって、前記ディジタル信号が集合的に前記アレイに関する照射分布曲線を表しているアナログ／ディジタル変換装置と、
前記シャドーラインが表されている前記照射分布曲線の少なくとも一部における２階微分を算出し、前記２階微分によって境界をなす最大の正領域を識別し、前記最大の正領域の重心を求め、前記重心のセル座標を前記セル交差番号に割り当て、前記セル交差番号に基づく前記屈折率を算出するためのディジタル処理回路装置と、
前記物質の前記屈折率に基づく測定値を記録するための前記ディジタル処理回路装置に接続された出力装置と、を具備する屈折計。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は一般に、光電セルの線形走査型アレイにおける照射領域と暗領域との間の遷移境界または「シャドーライン」の位置を決定するための方法に関する。そのような方法は、シャドーラインの位置がテスト試料の屈折率と相関があるような臨界角屈折計に特に適用することができる。
【０００２】
【従来の技術】
屈折計は、試料の屈折率を測定するために広く用いられている。固体および／または液体の試料を測定するために設計された屈折計において、全反射の臨界角は、高い屈折率のプリズムと試料との間の面対面の境界で、光が斜めに入射する集束ビーム方向を向け、そして境界における相互作用の後の、一部の光を観察することによって測定される。透過光屈折計では試料およびプリズムを透過する光が観測されるが、反射光屈折計では面対面の境界における全反射によって反射される光が観測される。いずれの場合も、照射領域が検出視野の一部に形成され、検出視野において照射領域と隣接する暗領域との間のシャドーラインの位置が、試料の屈折率を幾何学的に推論することを可能にする。業界で用いられるより簡素な手動屈折計において、十字線目盛りが視野に重ね合わされ、使用者は、試料における固体のパーセント濃度などの所望の情報を得るために印が付けられた十字線目盛りに関して、シャドーラインの位置を観測するため接眼レンズを通して見る。
【０００３】
自動屈折計は、十字線目盛りに関するシャドーラインの位置を視覚的に決定することに関連する当て推量を排除し、測定された読取り値の確度（真の値に対する接近度）および精度（精度にかかわらない再現性）を向上するために開発された。１９８７年２月３日公開のＭｉｃｈａｌｉｋに付与された米国特許第４，６４０，６１６号は、自動アッベ屈折計を開示しており、光電素子または「セル」の線形走査型アレイ（ＬＳＡ）が試料／プリズム境界で全反射される光を検出するために配置されている。市販の実施形態では、線形走査型アレイは、それぞれが入射光からセルによって受光される照射量に比例した振幅を有する一連のパルス信号を得るために、電子的に走査される直線状の電荷結合素子（ＣＣＤ）セルを具備している。線形走査型アレイによって受光される光は、アレイを照射領域と隣接する暗領域とに分割することによって、アレイ上にシャドーラインを形成する。シャドーラインが線形走査型アレイ上で位置する特定のセルまたは内挿されたセル間の端数は、「セル交差番号」と呼ばれ、光学装置と接触して配置される試料物質の屈折率によって決定される。したがって、セル交差番号を得るために、光電セルからのパルス信号を評価するための方法が必要となる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
Ｍｉｃｈａｌｉｋの特許は、セル交差番号を決定するために、アレイセルからの光強度信号を処理するための「閾値化」処理法を教示している。この対処法は、本願明細書では図４にグラフ表示されている。閾値化処理法に従って、参照照射曲線を確立するために、空の基準線または参照走査が試料の存在しない状態で（すなわち空気に対して）行われて格納される。図５に示されているような閾値曲線を形成するために、参照走査に基づく曲線は、たとえば９４％などの予め決定された一定の換算係数によって換算される。試料走査曲線が閾値曲線と交差する結果生ずるセルが、セル交差番号を示している。
【０００５】
このような処理法は精密かつ正確な測定となるが、参照走査および試料の走査が同程度であることが決定的であるため、入射光レベルを高度に制御しなければならない。強度レベルのどのような偏差でも、読取り値に誤りが生じるとことになる。開示された自動屈折計は「反射光」屈折計であるため、線形走査型アレイに達する光が試料を貫通することはなく、照射源を制御することにより、入射光レベルを適切に制御することができる。閾値化処理法の利点は、計器の電源を入れるたびに新たな参照走査を行うため、セルが寿命になるまでの各光電セルの応答特性におけるゆるやかな変化（「応答ドリフト」として知られている）が計器の性能に影響を及ぼさないことである。さらに、参照走査を用いることによって、所与のレベルの照射に応答するセル対セルの変動を補償する。
【０００６】
上述の反射光屈折計と異なり、「透過光」屈折計において、光は検出器アレイに達する前に試料を通過しなければならないため、参照走査および換算された閾値を用いることは問題が多い。したがって、試料の色、不透明さ、厚さ、均質性などの試料によって決まる因子のために、検出器アレイにおける入射光レベルを制御することは実用的ではない。たとえば、空気の参照走査は、浄水試料には適している可能性があるが、ケチャップなどの透過率の低い試料の測定には適していないであろう。閾値処理法の別の欠点は、誤差のある応答信号を提供する１つの欠陥のあるセルが、最悪の場合には、測定結果をゆがめる恐れがあることである。
【０００７】
１９９７年４月１日公開のＫａａｈｒｅに付与された米国特許第５，６１７，２０１号は、シャドーライン境界のセル交差番号を決定するための別の方法を用いる反射光屈折計について述べている。この方法は、数学モデルによって照射分布曲線を描くことと、セル交差番号を求めるためにその数学モデルを用いることと、を含む。記載した実施形態において、照射分布曲線は、アレイの明領域、明領域から暗領域までのアレイの遷移領域、アレイの暗領域をそれぞれ３本の異なる直線Ａ，Ｂ，Ｃによって表されている。線Ｂと線Ｃの交点が、セル交差番号として選定される。非線型モデルも提案されている。透過光屈折計に関して類似の処理法が、２００１年１月９日公開のＢｙｒｎｅらに付与された米国特許第６，１７２，７４６号（この特許は本出願と共通の譲受人を共有している）に教示され、本願明細書では図６に示されている。しかし、この方法は、検出器アレイの遷移領域および暗領域を表す「最適」な直線を交差することを含み、検出光レベルは制御することが困難であるような透過光利用の場合には不正確すぎることが明らかになっている。得られる正確さは、この計器が用いられることができる光強度の範囲にわたって不適切であり、この方法は最終的に選択されなかった。
【０００８】
この発明は、上述した事情に鑑み、適切な正確さを維持すると同時に光り強度レベルの変動の影響を比較的受けない光電アレイにおけるシャドーラインのセル交差番号を決定するための新たな方法を提供することを主な目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この目的は、請求項１のステップの方法によって実現される。
すなわち、上述した課題を解決するため、請求項１のステップの方法は、複数の光電セルを有する線形アレイにおける照射領域と隣接する暗領域との間のシャドーラインのセル交差番号を決定するための方法であり、前記複数のセルのそれぞれから応答信号を得るために前記アレイを走査するステップであって、前記応答信号の振幅が入射光による対応するセルの照射量によって決定されるようになっているステップと、前記走査アレイからの前記応答信号を、前記アレイからの前記応答信号に関する情報を含むディジタル信号に変換するステップであって、前記ディジタル信号が集合的に、前記アレイに関する照射分布曲線を表すようになっているステップと、前記シャドーラインが内部に存在する前記線形走査型アレイのセルの範囲を確立するステップと、セルの前記範囲にわたって前記照射分布曲線の２階微分を算出するステップと、前記２階微分によって境界をなす最大の正領域を識別するステップと、前記最大の正領域の重心を求めるステップと、前記重心のセル番号座標を前記セル交差番号であるように割り当てるステップと、を含むことを特徴とする。
【００１０】
上記の方法は、試料物質の屈折率を測定するための自動屈折計を利用している。この屈折計は、請求項７にあげられた特徴を具備している。
請求項７の屈折計は、屈折計であって、複数の光電セルを含む線形走査型アレイであって、各セルが走査中に応答信号を生成し、各応答信号の振幅が入射光による対応するセルの照射量によって決定される線形走査型アレイと、光を前記アレイに向けるための光学装置であって、前記アレイの特定の光電セルが前記光によって照射され、前記アレイの照射領域および暗領域によって定義されるシャドーラインのセル交差番号が前記光学装置と連動するように配置される物質の屈折率によって決定されるようになっている光学装置と、前記線形走査型アレイからの前記応答信号を、前記線形走査型アレイからの前記応答信号の振幅に関する情報を含むディジタル信号に変換するためのアナログ／ディジタル変換装置であって、前記ディジタル信号が集合的に前記アレイに関する照射分布曲線を表しているアナログ／ディジタル変換装置と、前記シャドーラインが表されている前記照射分布曲線の少なくとも一部における２階微分を算出し、前記２階微分によって境界をなす最大の正領域を識別し、前記最大の正領域の重心を求め、前記重心のセル座標を前記セル交差番号に割り当て、前記セル交差番号に基づく前記屈折率を算出するためのディジタル処理回路装置と、前記物質の前記屈折率に基づく測定値を記録するための前記ディジタル処理回路装置に接続された出力装置と、を具備する屈折計である。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図面の図１をはじめに参照すると、本発明によって製作される屈折計が、概略的に示され、主に参照符号１０によって識別される。屈折計１０は、図１には上述の米国特許第４，６４０，６１６号によって教示されたものと類似の反射光屈折計として示すが、屈折計１０は、図２に示されるような上述の米国特許第６，１７２，７４６号によって教示されたものと類似の透過光屈折計であってもよい。屈折計１０が反射光設計または透過光設計のいずれであるかに関係なく、一般に１４で識別される光学装置によって向けられる光を検出するための線形走査型アレイ１２を具備している。さらに詳細には、図３によってさらに図示されるように、線形走査型アレイ１２は、それぞれが走査中に応答信号を提供する複数の光電セル１３を具備し、各応答信号の振幅は入射光による対応するセルの照射量によって決定される。線形走査型アレイは当業界では公知であり、たとえば、ＳＯＮＹを含む多数のメーカーから入手可能である。
【００１２】
光学装置１４は、光学装置１４と連動するように配置された試料物質１６の屈折率によって決定される光によって照射される特定のセルを用いて、線形走査型アレイ１２に光を向けるように作用する。図１の具体的な反射光の実施形態に示される光学装置１４は、順番に光源１８と、光源の後の拡散板２０と、拡散板に続くコリメーティングレンズ２２と、コリメーティングレンズに密接に隣接し、中心波長５８９ｎｍで狭い帯域幅の光を透過するための単色フィルタ２４と、フィルタに密接に隣接する集束レンズ２６と、試験対象である試料物質を収容するための試料面３０Ａを有する高屈折率プリズム３０に光を再び向けるためのミラー２８と、プリズム３０における光学的な変化を補償するために作用する補償レンズ３２と、線形走査型アレイ１２の方向において光を再指向するためのもう１つのミラー３４と、を具備している。十分に理解されるように、光学装置１４は、線形走査型アレイ１２へ導く光路を提供し、光路では一部の光が光路から試料物質１６へ透過され、光の別の一部が試料面３０Ａおよび試料物質１６の境界で内部反射され、光路にとどまる。したがって、光によって照射される特定のセル１３は、試料物質１６の屈折率に左右されよう。図３において、照射領域５から暗領域７への遷移領域で境界またはシャドーライン９を定義する線形走査型アレイ１２における光の分布は、照射領域５および隣接する暗領域７を含むことをみてとることができる。したがって、シャドーライン９のセル交差番号は、試料物質１６の屈折率に左右される。
【００１３】
図示される光学装置は、大部分は米国特許第４，６４０，６１６号に記載されるものと類似している。尚、米国特許第４，６４０，６１６号は、本願明細書に参照によって組み込まれるものとする。当然のことながら、試料物質を透過する一部の光が線形走査型アレイに向けられ、プリズムと試料の境界で反射される一部の光が光路から出るように向けられる図２に示された構成などの透過光構成を含めて、さまざまな光学的構成が類似の機能を実現することができることを理解されたい。図２の光学装置１４は、配列順に光源１８’と、光源の後の照射窓２０’と、試料物質１６を照射するための照射プリズム２１と、試料物質を支持するための試料プリズム３０’と、角度位置調整可能なミラー２３と、５８９ｎｍ単色フィルタ２４と、コリメーティングレンズ系２２’と、ビームスプリッタ２５と、を具備している。光学装置１４用の透過光構成の図示された実施例は、米国特許第６，１７２，７４６号に教示されており、この特許は本願明細書に参照によって組み込まれる。本発明にとって重要であることは、線形走査型アレイ１２からの応答信号の処理であるため、屈折計１０の光学装置の特定の構成は、当業者にゆだねてもよい。実際に、本発明は、広義には、屈折計に限定されるわけではなく、検出器アレイに関するシャドーラインの位置（セル交差番号）を決定しようと探す任意の用途に適用される。
【００１４】
線形走査型アレイ１２および光学装置１４のさまざまな素子は、ハウジング（図示せず）の中で互いに対して固定した関係で取付けられることが好ましい。
【００１５】
ここで、図４に移ると、線形走査型アレイ１２のセル１３からの応答信号を処理するための電子回路のブロック図が示されている。中央処理装置３６が、アドレス／データバス３７を経由して、屈折計１０の他の回路および電子入出力装置に連結されている。キーパッド入力装置３８およびＬＣＤディスプレイ３９は、入出力装置として設けられることが好ましいが、キーボードおよびマウスなどの他の入力装置およびＣＲＴモニタ、プリンタなどの他の出力装置が可能である。記憶装置ブロックは、計器の電源を切った場合には保存する必要がないプログラム変数を格納するための静的ランダムアクセス記憶装置（ＳＲＡＭ）４０と、Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｃｏｍｍｉｓｓｉｏｎ  ｆｏｒ  Ｕｎｉｆｏｒｍ  Ｍｅｔｈｏｄｓ  ｏｆ  Ｓｕｇａｒ  Ａｎａｌｙｓｉｓによって提供される実行可能なコードおよび蔗糖変換係数を格納するためのフラッシュ電気消去可能プログラム可能読出し専用記憶装置（ＥＥＰＲＯＭ）４１と、変更可能な利用者設定、較正データおよび注文に会わせて変更可能な変換表を格納するためのＥＥＰＲＯＭ４２と、を具備している。試料プリズム３０，３０’に関連する温度センサ３１からの情報、線形走査型アレイ１２からの信号情報をはじめとする測定情報を読み出すタスクは、プログラム可能なタイマ回路４３およびプログラム可能論理回路４４によって制御される。セルが最後に放電されたため、各応答信号の振幅は、入射光による対応するセル１３の照射量によって決定される。応答信号は、低域通過フィルタ４５の影響を受け、応答信号の振幅は、アナログ・ディジタル変換器４６によってアナログ形式からディジタル形式に変換され、それによって線形走査型アレイ１における特定のセル１３の順序を戻す位置を識別するセル番号と、そのセルによって検出される照射量を表す対応するディジタル化された振幅と、からなる一連のデータ点を提供する。これらのデータは全体として集合的に、線形走査型アレイ１２に関する照射分布曲線を表している。
【００１６】
ここで、図７〜１２に移ると、線形走査型アレイ１２のセル１３からのディジタル化された振幅情報に基づいて、シャドーライン９のセル交差番号を決定するための本発明によって好ましい方法が、説明される。まず、ステップ５０によれば、上述したように、線形走査型アレイ１２が電子走査され、応答パルスがディジタル化される。ディジタル化された応答信号を、以下では「画素」と呼ぶ。
【００１７】
ステップ５２の下で、暗電流補正ルーチンが生じたデータセットに対し実行される。ＣＣＤアレイ技術の２つの主な望ましくない副作用の１つは、画素にいわゆる「暗電流」が加算されることである。露光時間に比例して関連する暗電流は、光が存在しない時にセルによって生成される信号情報であり、不規則な熱効果および他の原因によって生じる。暗電流補正は、信号処理の応用において共通であるが、ここでは簡単に述べる。屈折計１０の電源がまず入ると、暗電流雑音の場合には、線形走査型アレイ１２は、できる限り高速の露光で１回の走査をさせ、そして、できる限り低速の露光で１回の走査を行うことによって特徴付けられ、いずれの走査も記憶装置に格納される。高速および低速の走査の１次補間を行い、現行走査が必要とする理論的な暗電流を求めることによって、補正が行われる。言い換えれば、例えば所与のセルに関する高速露光暗電流が１０であり、そのセルに関する低速露光暗電流が２０である場合には、高速と低速のちょうど中間の露光速度では、暗電流値１５となる。個々の暗電流値は、各画素の現行走査値から減じられる。
【００１８】
暗電流補正の後には、ステップ５４の下で、画素データに移動平均フィルタを適用する。第２の望ましくないＣＣＤアレイの副作用は、アレイにおけるセルからセルへの感度の変動である。この変動に対処するためには、移動平均フィルタが信号処理において共通の方法でデータに適用される。移動平均フィルタは、高い周波数の信号成分を排除すると同時に、低い周波数成分を通過させる。各画素がその周囲のセルによって生成される画素の平均となる。たとえば、５点移動平均フィルタにおいて、画素Ｘは、値（（画素（Ｘ−２）＋画素（Ｘ−１）＋画素Ｘ＋画素（Ｘ＋１）＋画素（Ｘ＋２））／５）が与えられる。
【００１９】
ステップ５６〜７４の次のグループは、範囲内でさらに処理するために、内部にシャドーライン９が存在する線形走査型アレイのセルの範囲を確立するための好ましいルーチンを含む。また、このルーチンの説明図を提供する図１１も参照されたい。ステップ５６に応じて、最も高い画素値を有する最も明るいセルを求めるために、画素データの全体の集合が探索され、そのセル番号および画素値が記憶装置に格納される。次に、ステップ５８において、図１１に見られるように右方への次のセルの画素データが読み出され、ステップ６０において、そのデータがステップ５６に位置し、格納された最も明るいセルの画素値の２５％以下であるかどうかを決定するために比較される。ステップ６０の２５％条件に適合するセルに達するまで、ステップ５８が反復され、ステップ６２の下で、その点に対応するセル番号が記憶装置にその範囲のＳＴＡＲＴセルとして格納され、画素値がＤＩＭＭＥＳＴ画素として格納される。範囲のＳＴＡＲＴセルを割り当てるためのこの手順は常に、シャドーラインの位置の相当前であり、かつ最も明るいセルの相当後であるＳＴＡＲＴセルを提供し、また、走査において任意の異常が確実に無視するのを助ける。一旦、ＳＴＡＲＴセルが識別されると、図１１に見られるように、右方向の次のセルを読み出すことによってルーチンはステップ６４に進む。この画素値はステップ６６によって、以前に格納されたＤＩＭＭＥＳＴ画素値と比較される。比較された画素値が以前に格納されたＤＩＭＭＥＳＴ画素値未満である場合には、比較された画素値はステップ６８において新たなＤＩＭＭＥＳＴ画素値として格納される。しかし、比較された画素値が以前に格納されたＤＩＭＭＥＳＴ画素値以上である場合には、照射曲線はこれ以上下がらず、ステップ７０において、そのセルの画素値が予め決定された終了基準に適合しているかどうかを決定するために調べられる。好ましいルーチンでは、画素値がＤＩＭＭＥＳＴ画素値の１０５％以上である場合には、ステップ７２でそのセル番号がＥＮＤセルとして格納される。１０５％の終了条件を満たすセルが存在しない場合には、アレイの最後のセルがＥＮＤセルとして割り当てられるようなデフォルトの終了条件が、ステップ７４によって課せられる。１０５％条件にも最後のセルの条件にも適合しない場合には、ステップ７４から次のセルを読み出すためのステップ６４にフローが戻る。図１１でみてとることができるように、範囲のＥＮＤを求めるための好ましい技術における目標は、照射曲線において５％の上昇を求め、それに失敗した場合には、最後のセルをＥＮＤセルとして選定することである。一定のタイプの試料は、このステップによって無視される走査における異常を発生する恐れがある。
【００２０】
前の段落で述べた範囲を求めるルーチンの利点の１つは、シャドーライン９のための探索を急速に狭めるため、シャドーラインの局所領域において存在しない画素に対してさらに計算時間を費やす必要がないことであることをここに明記しておく。しかし、以下の詳細から明白であるように、第１のセルがＳＴＡＲＴ、最後のセルがＥＮＤであるような線形走査型アレイ１２におけるセルの全体のラインを含むような範囲を単純に処理するだけである可能性があるが、この処理法は好ましくない。何故かというと結果に影響を及ぼす可能性がある照射曲線の潜在的な異常を排除することができないためである。当然のことながら、範囲を求める他の技術を利用することもできる。したがって、シャドーラインが内部に存在する線形走査型アレイのセルの範囲を確立するステップは、上述の好ましい技術に限定されるわけではなく、アレイ全体にわたる範囲を確立する簡素な技術のほか、アレイ全体に対するセルの範囲を狭めるさらに選択的な技術も広義には含むことを意味する。
【００２１】
図７に戻り、ここで図８〜１０も参照すると、セル交差番号を決定するための本発明の方法は、ＳＴＡＲＴからＥＮＤまでのセルの範囲に集中することによって継続する。さらに具体的にいえば、ＳＴＡＲＴからＥＮＤまでの照射曲線の２階微分がステップ７８において算出することができるように、ＳＴＡＲＴからＥＮＤまでの照射曲線の１階微分がステップ７６において算出される。図８は、試料走査から得た照射曲線に重ね合わされた１階微分および２階微分の作図を含んでいる。１階微分は、照射曲線の傾きの測定値であり、この応用の場合には、隣接するセル間の画素値の差として算出することができる。２階微分は、照射曲線の傾きの傾きの測定値（すなわち、変化率の変化率）である。この応用において、２階微分は、画素値の１階微分の間の差である。
【００２２】
図８〜１０においてみてとることができるように、２階微分のグラフは、シャドーラインの付近で最大領域を有する正の「こぶ」を提供する。重要なことは、図１０によって実証されているように、この最大の正領域は、線形走査型アレイに入射する光の強度レベルに関係なく、同一のセル番号座標に出現することである。ステップ８０は、ＳＴＡＲＴからＥＮＤまで数値積分などによる２階微分によって定義される最大の正領域を探索することを含む。上述した範囲を求める技術は、速度のほかに第２の利点を提供する。何故なら照射曲線の潜在的な異常を排除するためであるが、この異常は２回微分に実際のシャドウライン位置に生ずるこぶよりも大きなこぶを生ずる場合がある。このような異常が無視されない場合には、誤った読出し値が生じる可能性がある。
【００２３】
次のステップ８２は、２階微分によって定義される最大の正領域の「重力の中心」または重心（centroid）を求めることである。数学的にいえば、２階微分は最大の正領域の始まりにおいてゼロと交差して正となるところから開始して、２階微分が再びゼロと交差して負となるまで積分することによって行う。これは、こぶ全体の正の面積を示している。正の交差で再び始め、この２回目の積分が全体の面積の２分の１に達するセルまで積分を実行する。次に、この半分のセルより１つセルを下げ、重心の実際のセル座標を求めるために内挿することによって、重心の位置が決められる。図１２に示されているように、このセル座標は、シャドーラインのセル交差番号であると考えられ、図７のステップ８４などで格納される。
【００２４】
上述したように、シャドーライン９のセル交差番号は、試料物質１６の屈折率に応じて変化する。したがって、光学装置１４の光路および他の物理特性は格納されることができる既知のシステム変数であるため、屈折率を算出するためにセル交差番号を用いることができる。屈折率は出力として直接記録されるか、または固体百分率などさらに有用な形態に変換される。また、温度センサが試料物質１６の温度を測定するために設けられている場合には、温度補償された読出し値を算出し、記録することもできる。
【００２５】
本発明の方法は、広範囲の光強度が含まれている場合であっても、屈折計の測定の改良した精度（再現性）を提供する。読出しが行われる前に、十分既知の特性を有する試料を用いて、確度が「較正される」ため、改良された測定確度は、改良された精度に伴う。したがって、シャドーラインの決定のための本方法は、反射光自動屈折計および透過光自動屈折計のいずれにも適用することができ、他の用途にも適している可能性がある。
【００２６】
なお、本発明の性質および操作モードは、添付の図面を用いて、本発明の詳細な説明において十分に説明されている。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように、本願発明は、複数の光電セルを有する線形アレイにおける照射領域と隣接する暗領域との間のシャドーラインのセル交差番号を決定するための方法であって、前記複数のセルのそれぞれから応答信号を得るために前記アレイを走査するステップであって前記応答信号の振幅が入射光による対応するセルの照射量によって決定されるようになっているステップと、前記走査アレイからの前記応答信号を、前記アレイからの前記応答信号に関する情報を含むディジタル信号に変換するステップであって、前記ディジタル信号が集合的に、前記アレイに関する照射分布曲線を表すようになっているステップと、前記シャドーラインが内部に存在する前記線形走査型アレイのセルの範囲を確立するステップと、セルの前記範囲にわたって前記照射分布曲線の２階微分を算出するステップと、前記２階微分によって境界をなす最大の正領域を識別するステップと、前記最大の正領域の重心を求めるステップと、前記重心のセル番号座標を前記セル交差番号であるように割り当てるステップと、を含む前記方法であることを特徴とするから、この発明により、適切な正確さを維持すると同時に光り強度レベルの変動の影響を比較的受けない光電アレイにおけるシャドーラインのセル交差番号を決定するための新たな方法を提供することができる。
また、本願発明は、屈折計であって、複数の光電セルを含む線形走査型アレイであって、各セルが走査中に応答信号を生成し、各応答信号の振幅が入射光による対応するセルの照射量によって決定される線形走査型アレイと、光を前記アレイに向けるための光学装置であって、前記アレイの特定の光電セルが前記光によって照射され、前記アレイの照射領域および暗領域によって定義されるシャドーラインのセル交差番号が前記光学装置と連動するように配置される物質の屈折率によって決定されるようになっている光学装置と、前記線形走査型アレイからの前記応答信号を、前記線形走査型アレイからの前記応答信号の振幅に関する情報を含むディジタル信号に変換するためのアナログ／ディジタル変換装置であって、前記ディジタル信号が集合的に前記アレイに関する照射分布曲線を表しているアナログ／ディジタル変換装置と、前記シャドーラインが表されている前記照射分布曲線の少なくとも一部における２階微分を算出し、前記２階微分によって境界をなす最大の正領域を識別し、前記最大の正領域の重心を求め、前記重心のセル座標を前記セル交差番号に割り当て、前記セル交差番号に基づく前記屈折率を算出するためのディジタル処理回路装置と、前記物質の前記屈折率に基づく測定値を記録するための前記ディジタル処理回路装置に接続された出力装置と、を具備することを特徴とする自動屈折計であるため、この自動屈折計の利用により、上記方法を実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明によって製作される反射光屈折計の光学的な概略図である。
【図２】図２は、本発明によって製作される透過光屈折計の光学的な概略図である。
【図３】図３は、図１または図２のいずれかに現れる光電セルの線形走査型アレイの拡大図である。
【図４】図４は、線形走査型アレイに関連する信号処理回路のブロック図である。
【図５】図５は、線形走査型アレイにおけるシャドーラインのセル交差番号を決定するための先行技術の方法を示すために、線形走査型アレイに関する参照照射曲線および閾値曲線を示すグラフである。
【図６】図６は、線形走査型アレイにおけるシャドーラインのセル交差番号を決定するための別の先行技術の方法を示すために、試料照射曲線と、照射曲線の遷移部分および暗部分に適合する線と、を示すグラフである。
【図７】図７は、線形走査型アレイにおけるシャドーラインのセル交差番号を決定するための本発明の方法を示すフローチャートである。
【図８】図８は、試料照射曲線の１階微分および２階微分が一緒にプロットされている試料照射曲線を示すグラフである。
【図９】図９は、同一の試料であるが線形走査型アレイ上に入射する光の３つの異なる強度レベルの一連の照射曲線を示すグラフである。
【図１０】図１０は、図９に示される３つの照射曲線の２階微分を示すグラフである。
【図１１】図１１は、試料照射曲線および本発明の方法で用いられる好ましい範囲を求めるステップを示すグラフである。
【図１２】図１２は、本発明によるセル交差番号を割り当てるステップを示すために、シャドーラインの領域における試料照射曲線の２階微分を示すグラフである。
【符号の説明】
５  照射領域、  ７  暗領域、  ９  シャドーライン、  １０  屈折計、  １２線形走査型アレイ、  １３  光電セル、  １４  光学装置、  １６  試料物質、  １８  光源、  １８’  光源、  ２０  拡散板、  ２０’  照射窓、  ２１照射プリズム、  ２２  コリメーティングレンズ、  ２２’  コリメーティングレンズ系、  ２３  角度位置調整可能なミラー、  ２４  単色フィルタ、  ２５  ビームスプリッタ、  ２６  集束レンズ、  ２８  ミラー、  ３０Ａ  試料面、  ３０  高屈折率プリズム、  ３０’  試料プリズム、  ３１  温度センサ、  ３２  補償レンズ、  ３４  ミラー、  ３６  中央処理装置、  ３７  アドレス／データバス、  ３８  キーパッド入力装置、  ３９  ＬＣＤディスプレイ、  ４０  静的ランダムアクセス記憶装置（ＳＲＡＭ）、  ４１  フラッシュ電気消去可能プログラム可能読出し専用記憶装置（ＥＥＰＲＯＭ）、  ４２  ＥＥＰＲＯＭ、  ４３  プログラム可能なタイマ、  ４４  プログラム可能論理回路（ＰＡＬ）、  ４５  低域通過フィルタ、  ４６  Ａ／Ｄ変換器、  ５０  走査を行い、Ａ／Ｄ変換を行うステップ、  ５２  「暗電流」補正を施すステップ、５４  移動平均フィルタを適用するステップ、  ５６  最も明るいセルを探して格納するステップ、  ５８  右にある次のセルを読み出すステップ、  ６０  最も明るいセルの２５％以上の値であるかを比較するステップ、  ６２  ＳＴＡＲＴセル数および対応するセル値が格納されるステップ、  ６４  右側の次のセルを読み出すステップ、  ６６  ＤＩＭＭＥＳＴの画素値との比較ステップ、  ６８  新たなＤＩＭＭＥＳＴ画素値を格納するステップ、  ７０  セルの画素値が終了基準に適合しているかどうかを調べるステップ、  ７２  ＥＮＤセルのセル番号を格納するステップ、７４  デフォルトの終了基準に適合しているかどうかを調べるステップ、  ７６  ‘ＳＴＡＲＴ’から‘ＥＮＤ’まで１階微分を行うステップ、  ７８  ‘ＳＴＡＲＴ’から‘ＥＮＤ’まで２階微分を行うステップ、  ８０  最大の正領域を求めるステップ、  ８２  最大の正領域の重心を求めるステップ、  ８４  シャドーラインセル番号を決定するステップ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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