光检测装置、校正系数计算装置及校正系数计算方法与流程

本发明涉及光检测装置、校正系数计算装置及校正系数计算方法。

背景技术：

以往，存在光检测装置，用于向工件照射测量光并通过受光元件检测由工件反射的光，进而进行工件的测量、成像等各种处理(例如，参照专利文献1)。在这种光检测装置中，通过iv转换电路将从受光元件根据受光量输出的电流信号转换为电压信号，并在通过放大电路放大该电压信号之后通过ad转换器将其转换为数字信号。

在专利文献1所公开的分光测量装置中，利用具有增益切换功能的可变放大电路作为所述放大电路。对该可变放大电路的设定增益进行调整以使放大的电压信号与ad转换器的动态范围匹配。由此来降低ad转换器中的转换误差。

专利文献1：日本特开2012-247286号公报

为了准确检测出受光元件的受光量，一般在光检测装置中进行从由放大电路放大的电压信号值(放大电路的输出值)中减去暗电压值的校正。该暗电压值指的是基于在光未入射至受光元件的暗环境下受光元件输出的微小电流(暗电流)从放大电路输出的电压值。

但是，在专利文献1所记载的这种可变放大电路中，尤其是在设定为较低增益的情况下，会发生相对于微小输入电压的输出值失调(偏移)的现象。即，在可变放大电路放大暗电压即微小输入电压的情况下，存在无法根据设定增益输出正确的值的情况。

进行从可变放大电路的输出值中减去暗电压值的校正时，如上所述的暗电压失调现象成为的误差，导致光检测装置的检测精度降低。为了避免该误差，需要限制在可变放大电路中设定的增益的范围，但是在这种情况下会限制光检测装置的动态范围。

另外，所述问题是将能够在限定的电源电压范围内处理信号的通用运算放大器作为构成可变放大电路的运算放大器来使用时产生的问题。虽然在使用能够在整个电源电压范围内处理信号的轨到轨(rail-to-rail)的运算放大器的情况下能够解决该问题，但在这种情况会大幅增加成本。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种即使在可变放大电路中使用通用运算放大器的情况下动态范围较广且高精度的光检测装置，以及，提供一种用于校正该光检测装置中的暗电压值的校正系数计算装置及校正系数计算方法。

本发明的光检测装置特征在于，具备：受光元件，接收光并输出受光信号；可变放大电路，放大输入的所述受光信号；以及暗电压校正部，基于在光未入射至所述受光元件的环境下增益为预定值以上且为两个以上的各个值时的所述可变放大电路的输出值，计算暗电压值相对于所述增益的变化率即校正系数。

在本发明中，利用暗电压校正部计算出的校正系数，能够对与在可变放大电路设定的增益相对应的暗电压值进行校正。例如，通过使在可变放大电路设定的增益与校正系数相乘来计算校正暗电压值。通过利用这种校正暗电压值，即使在可变放大电路设定在低增益一侧的情况下，也能够准确地进行从可变放大电路的输出值中减去暗电压值的校正。因此，无需限制在可变放大电路设定的增益的范围，且能够较广地设定光检测装置的动态范围。

因此，根据本发明，即使在将通用运算放大器应用于可变放大电路的情况下，也能够提供动态范围较广且高精度的光检测装置。

另外，在本发明中，在可变放大电路设定的“预定值以上”的增益指的是在使用通用运算放大器构成可变放大电路时不会产生如上所述的暗电压失调现象的值。例如，优选从在可变放大电路中可设定的多个增益中选择较高的一侧的增益(例如8倍以上)。

再者，通过本发明，因为能够利用通用运算放大器来构成可变放大电路，所以与使用轨到轨的运算放大器的情况相比，能够抑制成本。

在本发明的光检测装置中，优选所述暗电压校正部基于在被设定为所述预定值以上的第一增益、第二增益以及第三增益的各个值时的所述可变放大电路的所述输出值来计算所述校正系数。

在本发明中，利用设定为第一增益、第二增益以及第三增益的各值时的可变放大电路的输出值，进行输出值相对于增益的变化率的多次计算，在此基础上能够将这些多个变化率的平均值作为校正系数计算出，或将基于这些多个变化率利用最小二乘法求出的变化率作为校正系数计算出。由此，能够计算出更优的校正系数。

本发明的光检测装置的特征在于，具备：受光元件，接收光并输出受光信号；可变放大电路，放大输入的所述受光信号；存储部，存储校正系数或暗电压表中的至少一者，所述校正系数是暗电压值的变化率，所述暗电压表将基于所述校正系数计算出的校正暗电压值与所述可变放大电路的增益建立关联；以及输出值校正部，使用所述校正系数或所述暗电压表校正所述可变放大电路的输出值。

在本发明中，通过使用存储于存储部的校正系数或暗电压表，输出值校正部能够正确校正可变放大电路的输出值。由此，即使在将通用运算放大器应用于可变放大电路的情况下，也能够提供动态范围较广且高精度的光检测装置。

本发明的校正系数计算装置是一种与光检测装置连接的校正系数计算装置，所述光检测装置具备：接收光并输出受光信号的受光元件；以及放大输入的所述受光信号的可变放大电路，其特征在于，具备：运算部，基于在光未入射至所述受光元件的环境下增益为预定值以上且为两个以上的各个值时的所述可变放大电路的输出值计算暗电压值相对于所述增益的变化率即校正系数。

通过本发明，能够制造出即使在将通用运算放大器应用于可变放大电路的情况下动态范围较广且高精度的光检测装置。

本发明的校正系数计算方法的特征在于，进行：测量工序，测量在光未入射至受光元件的环境下增益为预定值以上且为两个以上的各个值时的所述可变放大电路的输出值；以及运算工序，基于测量的所述输出值计算暗电压值相对于所述增益的变化率即校正系数。

本发明的校正系数计算方法既可以在制造出的光检测装置中实施，也可以为制造光检测装置而实施。通过这种方法，即使是将通用运算放大器应用于可变放大电路的光检测装置，也能够执行动态范围较广且高精度的检测。

本发明的光检测装置的特征在于，具备：受光器，包括放大通过接收光而获得的受光信号的可变放大电路；以及暗电压校正部，计算用于校正所述受光器在光未入射至所述受光器的环境下所输出的暗电压值的校正系数，所述暗电压校正部基于第一暗电压值和第二暗电压值将所述暗电压值相对于所述增益的变化率作为所述校正系数计算出，所述第一暗电压值为所述可变放大电路的增益是第一增益时的所述暗电压值，所述第二暗电压值为所述可变放大电路的增益是第二增益时的所述暗电压值。

在本发明中，使用暗电压校正部计算出的校正系数，能够校正受光器相对于可变放大电路的增益的暗电压值。例如，通过使可变放大电路的增益与校正系数相乘来计算校正暗电压值。通过使用这种校正暗电压值，即使在可变放大电路的增益设定在低增益一侧的情况下，也能够正确地进行从受光器的输出值中减去暗电压值的校正。因此，无需限制在可变放大电路设定的增益的范围，且能够较广地设定光检测装置的动态范围。

因此，根据本发明，即使在将通用运算放大器应用于可变放大电路的情况下，也能够提供动态范围较广且高精度的光检测装置。

附图说明

图1是示出本发明的第一实施方式的分光测量装置的概略结构的框图。

图2是示出在所述实施方式中的暗电压的校正方法的流程图。

图3是示出暗电压值校正前后暗电压值相对于可变放大电路的增益的变化的图。

图4是示出所述实施方式中的分光测量方法的流程图。

图5是示出在实施例和比较例中进行白色测量的重复再现性实验而得到的结果的图。

图6是示出本发明的第二实施方式的分光测量装置和第三实施方式的校正系数计算装置的概略结构的框图。

附图标记说明

1、1a：分光测量装置(光检测装置)；2：光源；3：光源驱动电路；4：可变波长标准具；5：可变波长标准具驱动电路；6：受光器；61：受光元件；62：iv转换电路；63：可变放大电路；64：ad转换器；7：控制电路；71：微型计算机；72：标准具控制部；73：增益设定部；74：暗电压校正部；75：测量部；76：存储器(存储部)；77：驱动表存储区域；78：暗电压表存储区域；8：校正系数计算装置；84：运算部；a：校正系数；x：测量对象。

具体实施方式

第一实施方式

基于附图对本发明的第一实施方式进行说明。在本实施方式中，对作为本发明的光检测装置示例的分光测量装置进行说明。

分光测量装置的结构

如图1所示，分光测量装置1是对由测量对象x反射的测量对象光中各个波长的光的光量进行测量的装置，具备光源2、光源驱动电路3、可变波长标准具4、可变波长标准具驱动电路5、受光器6以及控制电路7。

光源2具有将峰值发光波长不同的多个led、半导体激光器等电信号转换为光的元件，并通过由控制电路7控制的光源驱动电路3进行点亮、熄灭以及调光。

可变波长标准具4具有一对反射膜以及用于改变一对反射膜之间的间隙的静电致动器等，根据一对反射膜之间的间隙，使由测量对象x反射的测量对象光中的预定波长的光透射。

根据控制电路7的控制，可变波长标准具驱动电路5向可变波长标准具4的静电致动器施加驱动电压，使透射光的波长变化。

受光器6具备受光元件61、iv转换电路62、可变放大电路63以及ad转换器64。

受光元件61是光电二极管等光电转换元件，接收透射过可变波长标准具4的光，并输出与受光量对应的受光信号(电流信号)。

iv转换电路62由运算放大器、电阻以及电容器构成，将从受光元件61输出的受光信号从电流信号转换为电压信号。

可变放大电路63构成为包括使用运算放大器的反向放大电路或非反向放大电路，并使用多路转换器等元件进行增益切换。可变放大电路63输入从iv转换电路62输出的受光信号(电压信号)，并放大该受光信号值。其中，可以将利用运算放大器作为构成可变放大电路63的运算放大器。

ad转换器64将由可变放大电路63放大的受光信号从模拟信号转换为数字信号。

控制电路7包括如微控制器(微型计算机)71以及存储器76，对分光测量装置1的整体动作进行控制。

微型计算机71通过执行存储于存储器76的程序作为标准具控制部72、增益设定部73、暗电压校正部74以及测量部75发挥作用。

存储器76是本发明的存储部，具有驱动表存储区域77和暗电压表存储区域78。

驱动表存储区域77中存储关联了相对于可变波长标准具4的静电致动器的驱动电压与可变波长标准具4的间隙量(或透射可变波长标准具4的光的波长)的驱动表。

暗电压表存储区域78中存储有用于计算校正暗电压值的校正系数a、关联了可在可变放大电路63设定的增益与校正暗电压值的暗电压表。另外，校正暗电压值是使用校正系数a对在光未入射至受光元件61的暗环境下从受光器6输出的输出值(暗电压值)进行校正而得到的值。

测量数据存储区域79中存储有关联了测量波长、可变放大电路63的增益和受光器6的输出值等的表、由测量部75测量的分光测量结果等。

标准具控制部72参照存储于驱动表存储区域77的驱动表来控制可变波长标准具驱动电路5的动作。

增益设定部73对在可变放大电路63设定的增益进行切换控制，将可变放大电路63的增益设定为期望的值。例如，增益设定部73调整可变放大电路63的增益，以使可变放大电路63的输出电压与ad转换器64的动态范围匹配。

暗电压校正部74计算校正系数a，使用校正系数a计算校正暗电压值，生成关联了可在可变放大电路63设定的增益与校正暗电压值的暗电压表。

测量部75与本发明的输出值校正部相对应，基于存储于暗电压表存储区域78的暗电压表校正受光器6的输出值，并计算透射过可变波长标准具4的各个波长光的光量(反射率)。

暗电压的校正方法

在本实施方式中，在对测量前的分光测量装置1进行调整时进行暗电压的校正。参照图2的流程图对暗电压的校正方法进行说明。

首先，在准备好光未入射至受光元件61的暗环境之后，增益设定部73按照顺序依次切换可变放大电路63的增益，并通过暗电压校正部74获取从受光器6输出的输出值(暗电压值)来进行暗电压值的测量(步骤s11：测量工序)。

在步骤s11中，所设定的可变放大电路63的增益为预定值以上的值。该“预定值以上”的增益指的是可变放大电路63的输出值中不产生“暗电压失调现象”的值。例如，优选从在可变放大电路63中可设定的多个增益中选择较高增益一侧的增益(例如8倍以上)。在本实施方式中，可设定1倍、2倍、4倍、8倍、16倍、24倍、32倍、50倍八种增益，在步骤s11中选择24倍(第一增益)、32倍(第二增益)、50倍(第三增益)并按照顺序依次设定。

接下来，暗电压校正部74基于在步骤s11中获取到的多个暗电压值计算校正系数a(步骤s12～s14；运算工序)。

具体而言，在步骤s12中，根据增益是24倍(第一增益)时的暗电压值(第一暗电压值)和增益是32倍(第二增益)时的暗电压值(第二暗电压值)计算暗电压值相对于增益的斜率(变化率)a1。同样地，根据增益是32倍(第二增益)时的暗电压值(第二暗电压值)和增益是50倍(第三增益)时的暗电压值(第三暗电压值)计算暗电压值相对于增益的斜率a2，根据增益是50倍(第三增益)时的暗电压值(第三暗电压值)和增益是24倍(第一增益)时的暗电压值(第一暗电压值)计算暗电压值相对于增益的斜率a3。

在步骤s13中，判断计算出的斜率a1～a3彼此之间的差(例如a1和a2之间的差、a2和a3之间的差、a3和a1之间的差)是否在阈值at以内，当该差在阈值at以内时进入下一个步骤s14，当该差比阈值at大时，返回到步骤s11。

在步骤s14中，将根据以下表达式(1)对斜率a1～a3进行平均计算而得到的值设为校正系数a，并存储于暗电压表存储区域78。

a＝(a1+a2+a3)/3···表达式(1)

接下来，暗电压校正部74将可在可变放大电路63设定的各个增益与校正系数a相乘得到的积作为校正后的暗电压值即校正暗电压值算出。进而，暗电压校正部74生成关联了可变放大电路63的各个增益和校正暗电压值的暗电压表，并存储于暗电压表存储区域78(步骤s15)。

通过以上的步骤s11～s15，完成暗电压的校正。

图3示出实施所述暗电压的校正前后暗电压值相对于可变放大电路63的增益的变化。

如图3所示，在暗电压校正前，当可变放大电路63的增益设定为1倍、2倍、4倍时，从受光器6输出的暗电压值失调(偏移)，无法获取到正确的值。而在暗电压校正后，暗电压值相对于可变放大电路63的增益呈线性变化。即，在校正前发生的暗电压失调现象在校正后被消除。

分光测量方法

在进行通过分光测量装置1的分光测量时，利用在本实施方式中生成的暗电压表。参照图4的流程图对通过分光测量装置1实施的分光测量方法进行说明。

首先，在测量部75初始化表示测量波长的变量i之后(步骤s21)，标准具控制部72控制可变波长标准具驱动电路5，将根据变量i设定的驱动电压施加于可变波长标准具4(步骤s22)。由此，测量对象x的反射光中具有与变量i对应的波长的光透射过可变波长标准具4，并入射至受光器6。

接下来，测量部75从受光器6获取受光信号(步骤s23)，并判断所获取的受光信号的输出值是否在允许范围(测量范围)以内(步骤s24)。其中，在受光信号的输出值在允许范围以外的情况下(步骤s24：否)，增益设定部73切换可变放大电路63的增益(步骤s25)，之后返回步骤s23。在受光信号的输出值小于允许范围的情况下，增益切换将在可变放大电路63设定的增益提升一个档次；在该输出值高于允许范围的情况下，增益切换将该增益降低一个档次。

在受光信号的输出值在允许范围以内的情况下(步骤s24：是)，关联当前变量i(测量波长)、可变放大电路63的增益以及受光器6的输出值等，并存储至测量数据存储区域79(步骤s26)。

之后，测量部75递加变量i(步骤s27)，并判断当前的变量i是否是imax(是否对作为测量对象的所有波长进行了测量)(步骤s28)。在步骤s28中，是的情况下进入步骤s29，否的情况下返回步骤s22。

在步骤s29中，测量部75根据以下表达式(2)计算每个测量波长的受光量(反射率r)。另外，在表达式(2)中，x(i)是与各个变量i(测量波长)对应的受光器6的输出值，xref是预先测量基准白色板时的基准输出值，d是校正暗电压值。

r＝(x(i)-d)/(xref-d)···表达式(2)

其中，测量部75通过参照测量数据存储区域79获取与各个变量i(测量波长)对应的增益，通过参照存储于暗电压表存储区域78的暗电压表，获取与所获取的增益对应的校正暗电压值d。然后，测量部75使用从暗电压表获取的校正暗电压值d进行表达式(2)的运算。

另外，在表达式(2)中进行从受光器6每次测量的输出值减去校正暗电压d的校正。

通过以上处理，进行通过分光测量装置1的高精度分光测量。

本实施方式的作用效果

在本实施方式的分光测量装置1中，基于暗电压校正部74所计算出的校正系数a计算与在可变放大电路63设定的增益相对应的校正暗电压值。通过使用这种校正暗电压值，即使在可变放大电路63将增益值设定为较低的情况下，也能正确地进行从受光器6的输出值中减去暗电压值的校正。所以，在本实施方式中，无需限制在可变放大电路63设定的增益的范围，且能够较广地设定分光测量装置1的动态范围。由此，即使在使用通用运算放大器来构成可变放大电路63的情况下，也能够提供动态范围较广且高精度的分光测量装置1。

另外，在本实施方式中，因为能够利用通用运算放大器用于构成可变放大电路63，所以与利用轨到轨的运算放大器的情况相比，能够抑制成本。

在本实施方式中，基于将增益设定为三种增益的各个值时从可变放大电路63输出的暗电压值，计算暗电压值相对于增益的斜率a1～a3，并将这些值的平均值设为校正系数a。所以，能够通过简单的计算得出合适的校正系数a。

为了说明本实施方式的效果，在图5中示出进行白色测量的重复再现性实验而得到的结果。在该实验中，将进行了本实施方式的暗电压的校正后的分光测量装置1作为实施例(暗电压校正后)，将进行暗电压的校正前的分光测量装置1作为比较例(暗电压校正前)。图5所示的图中的δeab是相对于标准白色的色差。

如图5所示，实施例的暗电压校正后的δeab表示在全部十次测量结果中接近0的值。另一方面，作为比较例的暗电压校正前的δeab在十次的测量结果中，0到1的值之间存在较大差异。所以，相较于比较例，在实施例中测量精度明显提高。

第二实施方式

参照图6对本发明的第二实施方式的分光测量装置1a进行说明。另外，对与第一实施方式相同的结构附加相同的附图标记，并省略或简化其说明。

在第一实施方式中，暗电压校正部74进行校正系数a的计算和暗电压表的生成，但是第二实施方式的分光测量装置1a不具备那样的暗电压校正部74。即，在第二实施方式中，在制造分光测量装置1a时，在暗电压表存储区域78中存储有校正系数a以及暗电压表中的至少一者。

例如，在暗电压表存储区域78中存储有暗电压表的情况下，测量部75能够使用从暗电压表获取的校正暗电压值来校正受光器6的输出值。另外，在暗电压表存储区域78中存储有校正系数a的情况下，测量部75能够基于校正系数a计算校正暗电压值，并使用该校正暗电压值来校正受光器6的输出值。

与第一实施方式一样，根据本实施方式，即使在使用通用运算放大器来构成可变放大电路63的情况下，也能够提高动态范围较广且高精度的分光测量装置1a。

第三实施方式

与第二实施方式一样，参照图6对本发明的第三实施方式的校正系数计算装置8进行说明。另外，对与第一实施方式相同的构成附加相同的附图标记，并省略或简化其说明。

本实施方式的校正系数计算装置8包括具有与第一实施方式的暗电压校正部74相同功能的运算部84。为了制造第二实施方式的分光测量装置1a，该校正系数计算装置8与分光测量装置1a连接。并且，运算部84通过实施所述的暗电压的校正方法来将校正系数a以及暗电压表中的至少一者存储于分光测量装置1a的暗电压表存储区域78。

根据本实施方式的校正系数计算装置8，能够制造出动态范围广且高精度的分光测量装置1a。

变形例

另外，本发明并不限定于所述的各个实施方式，且在能够实现本发明的目的的范围内的变形、改良等均包括在本发明中。

在第一实施方式中，暗电压校正部74进行校正系数a的计算和暗电压表的生成，但是也可以只进行校正系数a的计算。在这种情况下，测量部75可以通过计算存储于暗电压表存储区域78的校正系数a和在当前时间点上在可变放大电路63设定的增益的积来计算校正暗电压值。

本发明的校正系数计算方法不限定于在第一实施方式中说明的方法。

例如，虽然第一实施方式中，在步骤s11中按照顺序依次在可变放大电路63设定了三个增益，但是只要是两个以上的增益即可，并不限定。另外，也可以使用原点(增益为0时的输出值)来计算校正系数a。

另外，虽然在所述实施方式中通过计算暗电压值相对于增益的斜率a1～a3的平均值来计算校正系数a，但是也可以通过基于暗电压值相对于增益的斜率a1～a3进行最小二乘法计算来算出校正系数a。

在所述各个实施方式中，暗电压校正部74根据受光器6的输出值(暗电压值)求解校正系数a。即，在本发明中，“基于可变放大电路的输出值计算校正系数”的处理并非仅限于使用可变放大电路63的输出值本身来计算校正系数，也包括根据通过对可变放大电路63的输出值实施处理(在所述实施方式中通过ad转换器64进行的ad转换处理)而得到的值来计算校正系数a。

另外，在所述各个实施方式中，在设置为将可变放大电路63的输出值输入至控制电路7的情况下，暗电压校正部74可以从可变放大电路63的输出值(暗电压值)直接求出校正系数a。在这种情况下，测量部75可以基于校正系数a或暗电压校正表校正可变放大电路63的输出值，并计算透射过可变波长标准具4的各个波长的光的光量(反射率)。

虽然所述各个实施方式的分光测量装置1、1a作为从测量对象光中分离出预定波长的光的分光设备包括可变波长标准具4，但是也可以包括aotf(声光学可变波长滤波器)、lctf(液晶可调谐滤波器)等其他形式的分光设备。

本发明的光检测装置并不限于分光测量装置1、1a，例如也可以是成像装置等用于检测光的具备受光元件和可变放大电路的装置。另外，本发明的校正系数计算装置也可以连接如成像装置等光检测装置。