JP4553990B2 - 物体の光学特性を測定するための装置および方法 - Google Patents
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Description
発明の分野
本発明は、物体のカラー・スペクトル、半透明性(translucence)、光沢およびその他の特性のような光学特性を測定するデバイスおよび方法に関し、更に特定すれば、高さまたは角度の依存性に伴う問題を最少に抑えたハンドヘルド・プローブを用いて、歯、織物またはその他の物体、あるいは表面の色およびその他の光学特性を測定するデバイスおよび方法に関するものである。
発明の背景
分光光度計(spectrophotometer)や測色計(colorimeter)のような種々の色／光学測定デバイスが、当技術分野では公知である。かかる従来のデバイスの限界を理解するためには、色に関するある種の原理を理解することが助けとなる。理論的な裏付けはしないが、本出願人は以下の議論を行うことにする。
物体の色は、光が当該物体から反射される態様を決定する。光が物体に入射するとき、反射光は、物体の色に応じて、強度および波長が異なる。したがって、赤い物体は、青または緑の物体よりも強い強度で赤い光を反射し、同様に緑の物体は、赤い物体または青い物体よりも強い強度で、緑の光を反射する。
物体の光学的性質は、光が表面から反射する態様によっても影響を受ける。光沢のある物体、即ち、ミラーやその他の高艶出表面のように光を鏡面的に反射する物体は、粗く研磨した表面または研磨していない表面からの反射のような、拡散物体(diffuse object)即ち光を全方向に反射する物体とは異なった光の反射を行なう。双方の物体は同じ色を有し同じ反射または吸収光学スペクトル応答を呈するが、光を反射する態様のために、それらの外観は異なる。
加えて、多くのオブジェクトは、透過性であったり、半透明の表面やその表面を覆う薄い層を有する場合もある。例えば、外層および内層から成る複雑な構造を有する物質もある。外層は半透過性である。内層もそれ以上またはそれ以下の透過性を有する。このような物質や物体は、同じ色であっても、これらが透過層において光を伝搬し、その入射点から変位した光線を放出する態様のために、透明な物体とは外観が異なる。
物体の色を評価する方法の１つに、それを広帯域スペクトル即ち「白い」光で照明し、可視スペクトル全体におよぶ反射光のスペクトル特性を測定し、反射スペクトルを入射光スペクトルと比較するというものがある。かかる計器は、典型的には、広帯域分光光度計を必要とするが、通常、高価であり、嵩張り、比較的操作がやっかいなために、かかる計器の実用的な応用は限られている。
ある種の用途では、分光光度計によって与えられる広帯域データは不要な場合がある。かかる用途では、数値、または物体の色を表す値の比較的小さな集合によって、色を評価するデバイスが製造または提案されている。
物体の色は、３つの値で表現可能であることは公知である。例えば、物体の色は、ＣＩＥ値によって、または「三刺激値(tristimulus values)」として知られているものによって、あるいはその他の多数の直交結合(orthogonal combination)によって、赤、緑および青値、強度値および色差値で表すことができる。殆どの三刺激システムでは、３つの値が直交する、即ち、集合内の２つの要素のいずれの組み合わせも、第３の要素には含まれ得ない。
物体の色を評価するかかる方法の１つに、広帯域「白色」光で物体を照明し、狭帯域フィルタを通過させた後に、反射光の強度を測定するというものがある。典型的には３つのフィルタ（例えば、赤、緑および青）を用いて、表面の色を表す三刺激光の値を供給する。更に他の方法には、一度に１つずつ３つの単色光源又は狭帯域光源（例えば、赤、緑および青）で物体を照明し、次に単一の光センサを用いて反射光の強度を測定するというものがある。次に、３つの測定値を、表面の色を表す三刺激値に変換する。かかる色測定技法は、表面の色を表す等価な三刺激値を生成するために利用することができる。通常、複数のカラー・センサ（または分光光度計の場合は連続体）と共に「白色」光源を用いても、単一光センサと共に複数の有色光源を利用しても、問題にはならない。
しかしながら、従来の技法には難点がある。光が表面に入射し、受光部に反射される場合、光センサの高さ、ならびに表面および光源に対するセンサの角度が、受ける光の強度にも影響を与える。色の判定は、異なる色に対して、受けた光の強度を測定し評価することによって行われるので、受光部の高さおよび角度依存性を排除すること、または何らかの方法で考慮することは重要である。
光源および受光部の高さおよび角度依存性を解消する１つの方法に、固定取り付け構成を備え、光源および受光部を固定化し、物体の配置および測定を常に予め設定された高さおよび角度で行うというものがある。固定取り付け構成は、かかる方法の適用可能性を大きく制限する。別の方法に、光源および受光ブローブに取り付け脚を追加し、物体をプローブに接触させ、一定の高さおよび角度を保持するというものがある。かかる装置における脚部は、物体に対して一定の角度（通常垂直）を維持することを保証するために、十分に広く離れていなければならない。かかる装置は、小さな物体上、または到達するのが困難な物体上で利用するのが非常に難しく、通常、曲面を有する物体を測定する際には満足のいくように機能することができない。
歯科学の分野における色測定デバイスの使用が提案されている。最近の歯科学では、歯の色は、典型的には、患者の歯を１組の「シェード・ガイド（shade guide）」と手作業で比較することによって評価される。義歯(dental prosthesis)の所望の色を適正に選択するために、歯科医は多数のシェード・ガイドを利用することが可能である。かかるシェード・ガイドは、数十年にわたって利用されてきており、色の決定は、１組のシェード・ガイドを患者の歯の隣に保持し、最もよく一致するものを見つけ出そうとすることによって、歯科医が主観的に行っていた。しかしながら、不幸なことに、最良の一致は、しばしば、歯科治療室(dental operatory)における周囲の光の色や、患者の化粧または衣服の周囲色、更に歯科医の疲労度によって影響される。
同様の主観的な色の評価は、塗装業界においても行われており、物体の色を塗料基準ガイドと比較する。この業界では多数の塗料ガイドが入手可能であり、色の判定も、多くの場合、周囲の光の色、ユーザの疲労、およびユーザの色に対する感受性によって影響される。多くの人はある種の色には色感がなく（色盲）、更に色の判定を複雑化することになる。
一般的に、色の評価は、多くの業界で必要とされる。確かに全てではないが、いくつかの用途には、歯科学（歯の色）、皮膚科学（皮膚障害の色）、内装（塗料、織物の色）、繊維業界、自動車修理（塗装色の一致）、写真（再現の色、撮影対象物体に対する写真の色基準）、印刷およびリソグラフィ、化粧（髪および皮膚の色、化粧の一致）、ならびに便利で信頼性のある方法で色を測定することが有用なその他の用途が含まれる。
かかる用途に関しては、しかしながら、従来の色／光学測定技法の限界が、典型的には、かかる技法の利用を制限している。例えば、典型的な広帯域分光計は、高コストでおよび嵩張ること、更に高さおよび角度依存性に対処するために固定取り付け構成または脚部が必要なことのために、かかる従来技術の適用可能性がしばしば制限されている。
更に、かかる従来の方法およびデバイスの他の制約として、高さおよび角度依存性問題の解決が、典型的には、測定対象物体と接触することを必要とする点があげられる。ある種の用途では、物体の色を測定し評価する際に、この物体の表面との接触を必要としない小さなプローブを用いることが望ましい場合がある。ある種の用途では、例えば、衛生上の考慮から、かかる接触は望ましくない。内装のようなその他の用途では、物体との接触が、表面に傷を付けたり（物体に湿性塗料を塗る場合のように）、あるいは望ましくない影響の原因となる可能性がある。
要約すれば、歯科学の分野およびその他の用途では、物体との物理的な接触を必要とせず、物体の色およびその他の光学特性を信頼性高く測定し評価することができる、低価格で、小形のハンドヘルド・プローブ、ならびにかかるデバイスに基づく方法が必要とされている。
発明の概要
本発明によれば、信頼性高く、しかも高さおよび角度依存性の問題を最少に抑え、物体の色およびその他の光学特性を測定するデバイスおよび方法を提供する。本発明では、ハンドヘルド・プローブを利用する。ある種の好適な実施形態では、このハンドヘルド・プローブは、多数の光ファイバを内蔵する。１つ（又はそれ以上）の光源（群）から、測定対象物体に光を差し向ける。ある種の好適な実施形態では、光源は、中央光源光ファイバである(他の光源および光源配列も利用可能である)。物体から反射した光は、多数の受光部（器）によって検出される。これらの受光部（受光部光ファイバとすることができる）に含まれるのは、複数の周囲受光部および／または広帯域またはその他の受光部（受光部光ファイバ等とすることができる）である。ある種の好適な実施形態では、ある数の周囲光ファイバ群を用いて、所望の、そして所定の高さおよび角度で測定を行うことによって、従来の方法において見られた高さおよび角度依存性の問題を最少に抑え、光沢のようなその他の光学特性を定量化する。ある種の実施形態では、本発明は、測定対象物体の光沢、半透明および蛍光（fluorescence）特性や、表面構造および／またはその他の光学的特性または表面特性を測定することも可能である。ある実施形態では、本発明は、表面スペクトル反射応答およびバルク・スペクトル（bulk spectral）応答も区別することができる。
本発明は、広帯域分光光度計の構成要素を含むことができ、また代わりに、三刺激型測色計の構成要素を含んでもよい。本発明は、種々の色測定デバイスを用い、実用的で、信頼性高くかつ効率的に色およびその他の光学特性を測定することができ、ある種の好適な実施形態では、カラー・フィルタ・アレイや複数のカラー・センサを含む。制御および計算の目的のために、マイクロプロセッサを含ませる。温度センサを含ませて温度を測定し、異常状態の測定および／またはフィルタまたはシステムのその他の構成物の温度効果の補償を行う。加えて、本発明は、オーディオ・フィードバックを含み、色／光学測定を行う際にオペレータを誘導することができ、更に、１つ以上の表示デバイスを含み、制御、ステータスまたはその他の情報を表示させてもよい。
本発明によって、ハンドヘルド・プローブを用い実用的かつ信頼性高い色／光学的測定が可能となり、本質的に高さおよび角度依存性の問題がなく、物体に対してプローブの高さおよび角度を固定するための固定具、脚、またはその他の望ましくない機械的構成に頼ることもない。
したがって、本発明の目的は、従来の色／光学測定技法の限界に対処することである。
本発明の他の目的は、物体または表面との接触を利用すると有利なこともあるあるが、必ずしも必要としない、実用的な大きさのハンドヘルド・プローブを用いて、歯、織物またはその他の物体あるいは表面の色またはその他の光学特性を測定する際に有用な、方法およびデバイスを提供することである。
本発明の別の目的は、固定位置機械的取り付け用脚部またはその他の機械的な障害物を必要としない、色／光学測定プローブおよび方法を提供することである。
本発明の更に他の目的は、測定対象の表面付近に単に置くだけのプローブと共に利用可能であり、色および／またはその他の光学特性を測定する際に有用なプローブおよび方法を提供することである。
本発明の更に別の目的は、測定対象物体の半透明特性を判定可能なプローブおよび方法を提供することである。
本発明の更に別の目的は、測定対象物体の一方の面から測定を行なうことによって、当該物体の半透明特性を判定することが可能なプローブおよび方法を提供することである。
本発明の別の目的は、測定対象物体の表面組織特性を判定可能なプローブおよび方法を提供することである。
本発明の更に別の目的は、測定対象物体の蛍光特性を判定可能なプローブおよび方法を提供することである。
本発明の更に別の目的は、測定対象物体の光沢（または鏡面反射度）特性を判定可能なプローブおよび方法を提供することである。
本発明のその他の目的は、プローブを領域全体に渡って移動させ、更に領域全体の色を統合することにより、小さな特異点の面積を単独に測定可能な、あるいは不規則な形状を測定可能なプローブおよび方法を提供することである。
本発明の更なる目的は、物体の色を測定し、人工器官（プロテーゼ：prosthesis）、有色充填材、またはその他の素材を用意するか、あるいはその他の処置を行なう方法を提供することである。
本発明の更に他の目的は、汚染問題を極力抑えつつ、物体を測定し、コーティング、層、プロテーゼ、有色充填材、またはその他の素材を用意する信頼性高く便利な方法をもたらす方法および装置を提供することである。
本発明の目的は、測定データを用いて、物体、プロテーゼ等を形成するプロセスを実施する方法ならびに、かかる測定値および／またはその他のデータを記録データベースの一部として保持する方法を提供することである。
また、本発明の目的は、測定対象物体に対して実質的に固定的に保持されるプローブを用いて、光学特性を測定するプローブおよび方法を提供することである。
最後に、本発明の目的は、洗浄のための取り外し、使用後の廃棄等が可能な、着脱自在のチップ（tip(s)）またはシールドを有することができるプローブを用いて、光学特性を測定するプローブおよび方法を提供することである。
【図面の簡単な説明】
本発明は、添付図面と関連したいくつかの好適な実施形態の記載によって、より深く理解することができよう。
図１は、本発明の好適な実施形態を示す図である。
図２は、本発明のある種の実施形態にしたがって使用可能なプローブの断面を示す図である。
図３は、ある種の実施形態と共に用いる、光ファイバ受光部およびセンサの例示構成を示す図である。
図４Ａないし図４Ｃは、光ファイバのある種の幾何学形状に関する検討を示す。
図５Ａおよび図５Ｂは、受光部が物体に向かっておよび物体から離れるように移動する際の、光ファイバ受光部によって受光される光の振幅を示す。
図６は、本発明の実施形態による色測定方法を示すフロー・チャートである。
図７Ａおよび図７Ｂは、本発明のある種の実施形態と共に用いることができる保護用キャップを示す。
図８Ａおよび図８Ｂは、本発明のある種の実施形態と共に使用可能な着脱自在プローブ・チップを示す。
図９は、本発明の好適な実施形態の理解を更に深めるのに役立つことができる、別の実施形態による光ファイバの束を示す。
図１０Ａ、図１０Ｂ、図１０Ｃおよび図１０Ｄは、本発明の好適な実施形態の理解を更に深めるのに役立つことができる、他の光ファイバ束構成および原理を示しかつ記載する。
図１１は、本発明のある種の実施形態において使用可能なリニア光センサ・アレイを示す。
図１２は、本発明のある種の実施形態において使用可能なマトリクス光センサ・アレイを示す。
図１３Ａおよび図１３Ｂは、本発明のある種の実施形態において使用可能なフィルタ・アレイのある種の光学特性を示す。
図１４Ａおよび図１４Ｂは、本発明のある種の実施形態において使用される受光部の受光強度の例を示す。
図１５は、本発明のある種の実施形態において使用可能なオーディオ・トーンを示すフロー・チャートである。
図１６は、本発明の好適な実施形態の理解を更に深めるのに役立つことができる、測定対象物体に対して実質的に固定的に保持されたプローブを用いて測定を行うために利用可能な複数の受光部リングを利用する実施形態を示す。
図１７および図１８は、本発明の好適な実施形態の理解を更に深めるのに役立つことができる、機械的な移動を利用し測定対象物体に対して実質的に固定的に保持されたプローブを用いて測定を行うために利用可能な実施形態を示す。
図１９Ａないし図１９Ｃは、コヒーレント光導管が、着脱自在のプローブ・チップとして機能することができる、本発明の実施形態を示す。
図２０Ａおよび図２０Ｂは、本発明の好適な実施形態にしたがって使用可能なプローブの断面図を示す。
図２１ならびに図２２Ａおよび図２２Ｂは、ある好適な実施形態を理解する目的のために、光ファイバのある幾何学的特性およびその他の特性を示す。
図２３Ａおよび図２３Ｂは、本発明にしたがって、「鏡面除外」型(specular-excluded type)スペクトルを測定するプローブを示す。
図２４、図２５および図２６は、カメラおよび本発明による反射計型計器を一体化した実施形態を示す。
図２７および図２８は、本発明のある種のハンドヘルド型実施形態を示す。
図２９は、本発明の実施形態をどのように用いて様々な種類の物体の表面特性を評価することができるのかを示す、物体の断面図を示す。
図３０ないし図４２は、本発明の範囲内に該当するその他の実施形態（システム、光源、受光部等）、特質および特徴を示す。
好適な実施形態の詳細な説明
本発明の好適な実施形態の理解を更に深めるのに役立つことができる、いくつかの好適な実施形態およびその他のある実施形態を参照しながら、本発明について詳細に説明する。後述するが、種々の実施形態の種々の改良および置換も、本明細書における原理および教示に基づいて可能である。
図１を参照し、本発明による色／光学特性測定システムおよび方法の好適な実施形態の一例を説明する。
プローブ・チップ１は、複数の光ファイバを内包し、その各々が１本以上の光ファイバから成るものとすることができる。好適な実施形態では、プローブ・チップ１内に内蔵されている光ファイバは、単一の光源光ファイバと、多数の受光部（器）光ファイバ群とを含む。物体の色またはその他の光学特性を測定するためのかかる光ファイバの使用については、後で説明する。プローブ・チップ１は、プローブ本体２に取り付けられ、プローブ本体２上には、スイッチ１７が固定されている。スイッチ１７はワイヤ１８を通じてマイクロプロセッサ１０と通信し、例えば、オペレータがデバイスを作動させ、色／光学測定を行うための機構を備える。プローブ・チップ１内の光ファイバは、その先端（即ち、プローブ本体２から遠い端部）において終端する。プローブ・チップ１の先端は、測定対象物体の表面に向けられているが、これについては以下で更に詳しく説明する。プローブ・チップ１内の光ファイバは、光学的に、プローブ本体２を貫通し、光ファイバ・ケーブル３を介して光センサ８に達する。光センサ８は、マイクロプロセッサ１０に結合されている。
マイクロプロセッサ１０は、従来の関連する構成物、即ち、メモリ（ＰＲＯＭ、ＥＰＲＯＭまたはＥＥＰＲＯＭのようなプログラム可能メモリ、ＤＲＡＭまたはＳＲＡＭのようなワーキングメモリ、および／またはＦＬＡＳＨ等の不揮発性メモリのような他のタイプのメモリ）、周辺回路、クロックおよび電源のような構成物を含むが、明確化のために、かかる構成物は明示的に示していないことを注記しておく。他の型の計算デバイス（他のマイクロプロセッサ・システム、プログラム可能ロジック・アレイ等）が、本発明の他の実施形態には用いられる。
図１の実施形態において、光ファイバ・ケーブル３からの光ファイバは、スライス・コネクタ(splicing connector)４において終端する。スライス・コネクタ４から、本実施形態において用いられる受光部光ファイバの一部または各々は、多数の小さな光ファイバ（全体としてファイバ７として示す）に継がれる。この実施形態では、これらの光ファイバは、直径が等しい光ファイバであるが、他の好適な実施形態では、異なる直径および／または開口数（ＮＡ）の場合もある（例えば、「高さ／角度」がより大きいまたはより小さい、あるいは周囲ファイバ（ペリメータ・ファイバ：perimeter fiber）を含む。以下で更に詳しく説明する）。各ファイバ群のファイバの１本は、中性濃度フィルタ(neutral density filter)（図３を参照しながら更に詳しく説明する）を介して光センサ８に達することができ、かかる中性的にフィルタ処理されるファイバは、集合的に高さ／角度の判定、半透明性判定、および光沢判定の目的のために用いることができる（更に、以下で更に詳しく説明するように、他の表面特性を測定するためにも用いることができる）。各ファイバ群の残りのファイバは、カラー・フィルタを介して光センサ８に達することができ、色／光学測定を行うために用いることができる。更に他の実施形態では、スライス・コネクタ４を用いずに、例えば、５本以上のファイバ束が各々、光センサ８から、プローブ・チップ１の先端まで延在する。ある種の実施形態では、例えば、ファイバ束の製造プロセスを容易にする目的のために、未使用のファイバまたはその他の物質を、ファイバの束の一部として含ませてもよい。ここで注記すべきことは、本発明の目的のために、複数の受光部光ファイバまたはエレメント（ファイバ７のような）が光センサ８に面し、受光部光ファイバ／エレメントからの光が、物体２０から反射した光を表すことである。ここに記載する種々の実施形態は、本発明の以前では明らかでなかったかもしれないトレードオフおよび利点（したがって、独立して新規な利点）を提示するが、この説明にとって重要なことは、プローブ・チップ１の先端における光ファイバ／エレメントからの光がセンサ８に供給され、色／光学測定および角度／高さ判定などが行われることである。ある好適な実施形態の光ファイバ構成について、特定して、以下で更に詳しく説明する。
好適実施例における光源１１は、ハロゲン光源（例えば、５〜１００ワットで、特定の用途に対して特定のワット数を選択する）であり、マイクロプロセッサ１０の制御下に置くことができる。光源１１からの光は、コールド・ミラー６から反射し、光源光ファイバ５に入射する。光源光ファイバ５は、プローブ・チップ１の先端を通過し、ここに記載する測定を行う目的のために用いられる光刺激を与える。コールド・ミラー６は可視光を反射し、赤外光を通過させる。これは、光が光源光ファイバ５に導入される前に、光源１１によって生成される赤外光の量を減少させるために用いられる。光源１１のようなハロゲン光源からの光の、このような赤外光減少は、受光センサの飽和を防止するのに役立ち、システム全体の感度を低下させることができる。ファイバ１５は、光源１１から直接光を受光し、光センサ８に通過させる（中性濃度フィルタを通してもよい）。マイクロプロセッサ１０は、ファイバ１５を通過した光源１１の光出力を監視し、こうして光源１１の出力のドリフトを監視し、必要であれば、これを補償することができる。ある種の実施形態では、光源１１の異常またはその他の望ましくない動作が検出された場合、マイクロプロセッサ１０は、アラーム（スピーカ１６によって等）を発生したり、あるいは何らかの指示を与えることもできる。
光センサ８からのデータ出力はマイクロプロセッサ１０に至る。マイクロプロセッサ１０は、光センサ８からのデータを処理し、色および／またはその他の特性の測定値を得る。また、マイクロプロセサ１０は、入力デバイスとして機能する、キー・パッド・スイッチ１２にも結合されている。キー・パッド・スイッチ１２を通して、オペレータは制御情報またはコマンド、あるいは測定対象物体等に関する情報を入力することができる。通常、キー・パッド・スイッチ１２、またはその他の適切なデータ入力デバイス（プッシュ・ボタン、トグル、膜型またはその他のスイッチ等のような）は、所望の情報をマイクロプロセッサ１０に入力する機構として機能する。
また、マイクロプロセッサ１０はＵＡＲＴ１３との通信も行う。ＵＡＲＴ１３は、マイクロプロセッサ１０をコンピュータ１３Ａのような外部デバイスと接続可能にするものである。かかる実施形態では、マイクロプロセッサ１０によって提供されるデータは、必要に応じて、平均化、フォーマット変換、あるいは種々の表示または印刷オプション等のような、特定の用途のために処理することも可能である。好適な実施形態では、ＵＡＲＴ１３は、パーソナル・コンピュータでは共通して見られる、ＲＳ２３２インターフェースとして公知のものを備えるように構成されている。
また、マイクロプロセッサ１０は、特定の用途のために必要とされるステータス、制御またはその他の情報を表示する目的のために、ＬＣＤ１４とも通信を行う。例えば、カラー・バー、チャート、またはその他の色のグラフィック表現、あるいはその他の収集データおよび／または測定対象を表示することができる。他の実施形態では、ＣＲＴ、マトリクス型ＬＥＤ、ライト、またはシステム・ステータス等の可視表示を与えるその他の機構のような、他の表示デバイスが用いられる。システムの初期化時に、例えば、システムが安定であり、色の測定を行う用意ができており、そのために使用可能であることの指示を、ＬＣＤ１４が与えることができる。
また、マイクロプロセッサ１０にはスピーカ１６も結合されている。スピーカ１６は、好適な実施形態では、以下で更に詳しく説明するが、オペレータにオーディオ・フィードバックを与えるように機能し、デバイスの使用時にオペレータを誘導するように作用することができる。また、スピーカ１６は、オーディオ・トーン、ビープ、またはシステムが初期化され、測定を行うために使用可能であることの可聴指示（即ち、音声）を含む、システムの状態をオペレータに知らせるステータスまたはその他の情報を与えるように機能することも可能である。また、スピーカ１６は、測定データ、シェード・ガイドまたは測定データに対応する基準値を示す音声情報、あるいは色／光学測定のステータスの指示を提示することも可能である。
また、マイクロプロセッサ１０は、温度センサ９からの入力も受け取る。多くの型のフィルタ（および恐らくは光源またはその他の構成要素も）が信頼性高く動作するのは所与の温度範囲内のみである可能性が高いので、温度センサ９は、温度情報をマイクロプロセッサ１０に提供する役割を果たす。即ち、光センサ８内に含まれ得るカラー・フィルタは、温度に感応し、ある温度範囲でのみ信頼性高く動作する場合がある。ある種の実施形態では、温度が使用可能範囲内にある場合に、マイクロプロセッサ１０は、カラー・フィルタの温度のばらつきを補償することができる。かかる実施形態では、カラー・フィルタは、フィルタの製造者によって提供されるデータによって、または温度の関数としての測定を通じて、フィルタ処理特性に関しては温度の関数として特性付けされる。かかるフィルタ温度補償データは、メモリ内にルックアップ（参照）テーブルの形態で格納しておくことができ、あるいは多項式係数集合として格納し、これからフィルタの温度特性をマイクロプロセッサ１０が計算するようにしてもよい。
通常、（例えば、キー・パッド・スイッチ１２またはスイッチ１７を通じて）オペレータによる作動に応答するものとすることができる、マイクロプロセッサ１０の制御の下で、光は光源１１から送出され、光源光ファイバ５を通じて（更に、光ファイバ・ケーブル３、プローブ本体２およびプローブ・チップ１を通じて、またはその他の適切な光源エレメントのいずれかを通じて）コールド・ミラー６から反射され、物体２０に向けられる。物体２０から反射された光は、プローブ・チップ１内の受光部光ファイバ／エレメントを通過し、（プローブ本体２、光ファイバ・ケーブル３、およびファイバ７を通じて）光センサ８に到達する。光センサ８が生成した情報に基づいて、マイクロプロセッサ１０は、色／光学測定結果またはその他の情報を、オペレータに提供する。マイクロプロセッサ１０が生成した色測定値またはその他のデータは、ディスプレイ１４上に表示され、ＵＡＲＴ１３を介してコンピュータ１３Ａに渡され、あるいはスピーカ１６に供給されるオーディオ情報を発生するために用いることができる。図１に示す好適な実施形態の他の動作上の特徴については、以下で説明する。
図２を参照し、プローブ・チップ１の先端にある光ファイバ構成の実施形態について、これより説明する。これは、本発明の好適な実施形態の理解を深めるのに役立つことができる。図２に示すように、この実施形態は、光源光ファイバＳとして示されている、単一の中央光源光ファイバ、および受光部Ｒ１，Ｒ２およびＲ３として示されている、複数の周囲受光部光ファイバ(perimeter light receiver fiber optics)を用いる。図示のように、この実施形態は、３本の周囲光ファイバを用いるが、他の実施形態では、２本、４本またはその他のいずれかの数の受光部光ファイバが用いられる。更に詳しく説明するが、周囲受光部光ファイバは、色／光学測定を行う目的のために反射光を与えるだけでなく、かかる周囲ファイバは、測定対象の物体の表面に対する、プローブ・チップ１の角度および高さに関する情報を提供する機能も果たし、更に、測定対象の物体の表面特性に関する情報を提供することも可能である。
図示した実施形態では、受光部光ファイバＲ１ないしＲ３は、光源光ファイバＳ周囲に対称的に配置され、互いに約１２０度の間隔がある。尚、間隔ｔが受光部光ファイバＲ１ないしＲ３および光源光ファイバＳの間に設けられていることを注記しておく。ファイバ束の周囲に沿った受光部光ファイバの正確な角度配置は、通常さほど重要ではないが、１２０度ずつ離して配置された３本の受光部光ファイバは概ね容認可能な結果を与え得ると判断されている。前述したように、ある種の実施形態では、受光部光ファイバＲ１ないしＲ３は、各々、単一のファイバから成り、これをスライス・コネクタ４（再度図１を参照）において分割するか、あるいは代替実施形態では、受光部光ファイバＲ１ないしＲ３は、各々、ファイバの束から成り、例えば、少なくとも１束当たり５本のファイバを数える。均一サイズの入手可能なファイバを用いる場合、例えば、７本のファイバの束が容易に作成可能であると判断されている（しかしながら、当業者には明白であろうが、ファイバの正確な数は、受光部光ファイバの所望数、製造上の考慮点等に鑑みて決定することができる）。色／光学測定値を生成するための受光部光ファイバＲ１ないしＲ３の使用については、更に説明するが、受光部光ファイバＲ１ないしＲ３は、例えば、測定対象物体の表面に対するプローブ・チップ１の角度が９０度であるか否かについての検出、あるいは測定対象物体の表面に、表面組織および／またはスペクトル上の不規則性が含まれていないか否かについての検出を行うように機能することができることを、ここで注記しておく。プローブ・チップ１が測定対象物体の表面に垂直であり、測定対象物体の表面が拡散反射面（即ち、「ホット・スポット」を有する場合がある光沢、鏡面、または光輝反射面と比較して、艶消し反射面）である場合、周囲ファイバに入力される光強度はほぼ等しくなければならない。また、間隔ｔは、色／光学測定を行うべき（以下で更に詳しく説明する）最適な高さを調整するように作用することも注記すべきであろう。以下で説明する好適な実施形態は、測定対象物体の光沢または鏡面反射度の定量化を可能にすることができる。
本発明の実施形態と用いられる特定の態様の１つでは、プローブ・チップ１上の光ファイバ間の領域は、非反射性物質および／または面（黒いマット（mat）、輪郭付き面(contoured)、またはその他の非反射面とするとよい）で、完全にまたは部分的に充填される。このようにプローブ・チップ１の非反射性領域を露出させることが、望ましくない反射を減らすことに役立ち、これによって精度および信頼性を向上させることができる。
図３を参照し、本発明の好適な実施形態において用いることができる受光部光ファイバおよびセンサの部分的な構成について説明する。ファイバ７は、受光部光ファイバを表し、測定対象物体から反射した光を光センサ８に伝達する。実施形態の一例では、１６個のセンサ（８つから成る組が２つ）を用いるが、説明を容易にするために、図３には８個のみを示す（この好適な実施形態では、例えば、図３の回路を２系統備え、結果的に１６個のセンサを備える）。他の実施形態では、本発明にしたがって、その他の数のセンサを用いる。
ファイバ７からの光はセンサ８に与えられ、好適な実施形態では、フィルタ２２を通過して、検知（感知）エレメント２４に到達する。この好適な実施形態では、検知エレメント２４は、Texas Instrumentsが製造し、部品番号TSL230の下で販売されている、光−周波数変換器を含む。かかる変換器は、通常、フォト・ダイオード・アレイ状に構成され、ファイバ７から受光した光を積分し、入射光の強度（周波数ではない）に比例する周波数のＡＣ信号を出力する。理論的な裏付けはしないが、かかるデバイスの基本原理は、強度が増大するに連れて、積分器の出力電圧は一層早く上昇し、積分器の上昇時間が短い程、出力周波数は高くなるというものである。TSL230センサの出力は、ＴＴＬ互換（コンパチブル）デジタル信号であり、種々のデジタル論理デバイスに結合することができる。
検知エレメント２４の出力は、本実施形態では、特定の検知エレメントに供給される光強度によって異なる周波数の非同期信号であり、これらをプロセッサ２６に供給する。好適な実施形態では、プロセッサ２６は、Microchip PIC16C55またはPIC16C57マイクロプロセッサであり、以下で更に詳しく説明するが、検知エレメント２４によって出力される信号の周波数を測定するアルゴリズムを実装している。他の実施形態では、HitachiのSH RISCマイクロコントローラのような、集積度を高めたマイクロプロセッサ／マイクロコントローラを用いて、システム・インテグレーション等を更に高める。
前述のように、プロセッサ２６は、検知エレメント２４から出力される信号の周波数を測定する。好適な実施形態では、プロセッサ２６は、ソフトウエア・タイミング・ループを実装し、周期的な間隔で、プロセッサ２６は、検知エレメント２４の出力の状態を読み込む。ソフトウエア・タイミング・ループを１回通過する毎に、内部カウンタを増分する。タイミング・ループの精度は、通常、プロセッサ２６に結合された水晶発振器タイム・ベース（図３には示されていない）によって決定される（通常このような発振器は非常に安定である）。検出エレメント２４の出力を読み込んだ後、プロセッサ２６は最後に読み込んだデータ（好適な実施形態では、かかるデータは、バイト長単位で読み込まれる）と排他的ＯＲ（「ＸＯＲ」）演算を実行する。いずれかのビットが変化した場合、ＸＯＲ演算は１を生成し、ビットが変化しなかった場合、ＸＯＲ演算は０を生成する。結果が非ゼロの場合、入力バイトを、内部カウンタ（ソフトウエア・タイミング・ループを通過する毎に増分される）の値と共にセーブする。結果がゼロの場合、システムは、データがセーブされる場合に必要な同じ時間量だけ待ち（例えば、無動作命令を実行する）、ループ動作を継続する。８つの入力全てが少なくとも２回変化し、各入力の全１／２周期の測定が可能になるまで、この処理は継続する。ループ・プロセスの完了時に、プロセッサ２６は、格納されている入力バイトおよび内部カウンタの状態を分析する。２ないし１６個のセーブされた入力（図３の８つのセンサ全てに対して）およびカウンタ状態（２つ以上の入力が同時に変化した場合、これらは同時にセーブされる）があるはずである。当業者には理解されようが、内部カウンタの格納値は、検知エレメント２４から受け取った信号の期間（周期）を決定する情報を含む。入力ビットが変化した時点において内部カウンタの値を適正に減算することによって、この周期を計算することができる。このように、検知エレメントの各出力について計算された周期は、プロセッサ２６によってマイクロプロセッサ１０（例えば、図１を参照）に供給される。このように計算された周期から、受光光強度の測定値を計算することができる。代替実施形態では、前述と同様のソフトウエア・ループによってＴＳＬ２３０センサの出力の周波数を直接測定する。出力は、ソフトウエア・タイミング・ループにおいてＲＩＳＣプロセッサによって監視し、前述のような直前の入力でＸＯＲを取る。特定のＴＳＬ２３０入力に対して遷移が発生した場合、この特定のＴＳＬ２３０入力のカウンタ・レジスタを増分する。ソフトウエア・ループを所定の時間期間実行し、遷移の回数を所定の時間で除算し、その結果を調整することによって入力の周波数を計算する。また、一層精巧化した測定方式を実施することにより、Hitachi SHファミリのような高速ＲＩＳＣプロセッサによって周波数および周期を同時に測定可能であることも、当業者には明白であろう。
図３に示す検知回路および方法論は、検知エレメント２４が受光した光の強度を測定するための実用的かつ便利な方法を提供するように決定されたものであることを注記しておく。別の実施形態では、他の回路および方法論が用いられる（このような他の検出方式の例は、後述する）。
図１を参照しながら前述したように、１本以上のファイバ７は光源１１を測定する。これは中性濃度フィルタを通り、受けた光の強度を減少するように機能し、他に受けた光の強度の範囲内に強度を大まかに維持する。多数のファイバ７も、周囲受光部光ファイバＲ１ないしＲ３（例えば、図２参照）からのものであり、これらも中性濃度フィルタを通してもよい。かかる受光ファイバ７は、角度／高さ情報および／または表面特性を決定し得るデータを提供するように機能する。
ファイバ７の残りの１２本のファイバ（図示の実施形態の合計１６本のファイバの内）は、カラー・フィルタを通過し、色の測定値を生成するために用いられる。一実施形態では、カラー・フィルタは、Kodak Sharp Cutting Wratten Gelatin Filtersであり、当該フィルタのカットオフ値よりも大きな波長（即ち、赤み値(redish values)）を有する光を通過させ、フィルタのカットオフ値よりも小さな波長（即ち、青み値(bluish values)）を有する光を吸収する。”Sharp Cutting”フィルタは、様々なカットオフ周波数／波長において入手可能であり、カットオフ値は、所望のカットオフ・フィルタの適正な選択によって、概ね選択することができる。一実施形態では、フィルタのカットオフ値は、可視スペクトル全体をカバーするように選択され、通常、受光部／フィルタの数で可視帯範囲（またはその他の所望の範囲）を除算した値程度の帯域間隔を有するように選択する。一例として、７００ナノメートルから４００ナノメートルを減算し、１１帯域（１２の色受光部／センサによって生成される）で除算し、概ね３０ナノメートルの帯域間隔が得られる。
理論またはここに記載する特定の実施形態にはとらわれずに、上述のようなカットオフ・フィルタのアレイを用いて、「隣接する」カラー受光部の光強度を減算することによって、受光した光スペクトルの測定／計算を行うことができる。例えば、帯域１（４００ｎｍないし４３０ｎｍ）＝（受光部１２の強度）−（受光部１１の強度）となり、残りの帯域についても同様である。かかるカットオフ・フィルタのアレイ、およびかかるアレイを用いたフィルタ処理から得られる強度値については、図１３Ａないし図１４Ｂとの関連において更に詳しく説明することにする。
ここで、代替実施形態では、他のカラー・フィルタ構成を用いることを注記しておくべきであろう。例えば、Schottガラス型フィルタ（別個のロングパス／ショートパス・フィルタによって構築されたもの、またはそれ以外のもの）、またはCorionが製造するようなノッチ干渉フィルタ等を用いて製作(develop)可能な、「ノッチ」フィルタ即ちバンドパス・フィルタを用いることができる。
本発明の好適な実施形態では、光源、フィルタ、センサおよび光ファイバ等の具体的な特性は、公知の色標準にプローブを向け、これを測定することによって、正規化／較正する。かかる正規化／較正は、プローブを適切な固定具に配置し、プローブを所定の位置（即ち高さおよび角度）から方向付けることによって、公知の色標準から行うことができる。このようにして測定した正規化／較正データは、例えば、参照テーブルに格納し、マイクロプロセッサ１０が用いて、測定色データまたはその他のデータの正規化または補正を行うことができる。かかる手順は、起動時に実行したり、規則的な周期間隔で実行したり、オペレータのコマンド等で実行することができる。特定の実施形態では、メモリ（参照テーブル、多項式またはその他の係数等）に格納されているかかる測定値を表わすデータまたはかかる測定値から導出したデータを用いて、特定の特性を有する物質に対して多数回の測定を行い、処理し、および／または統計的な分析等を行なうことができる。その後、本発明にしたがって行なった物体の計測に基づいて、格納されているデータとの比較を行い、測定物体の評価を行なうかあるいは予測する。例示的な一例では、評価または予測は、本発明による測定に基づいて、物体が湿っているかあるいは乾燥しているか（その表面に水またはその他の液体、乾いていないペンキ等を有する）について行なうことも可能である。更に別の例示的な一例では、歯、皮膚またはその他の材質における表面組織のような、基礎をなす物質の特性の評価または予測を行なう。このような機能は、１回以上前の時点で測定した物体のデータのように、以前の時点に得た物体の測定値との比較によって、更に高めることができる。このような履歴データおよび／または格納されているデータに基づくこのような比較によって、歯、表面組織、またはその他の物体等の現在または予定された状態またはステータスの非常に有用な評価または予測が可能となる。このような表面または表面下(subsurface)の評価／予測機能は、多くの他の工業的な使用も可能である。
これまでの説明から気付くべきことは、図３における受光部光ファイバおよび検知光ファイバならびに回路は、測定対象物体の表面から反射する光の強度を測定することによって、色およびその他の光学的またはそれ以外の特性を判定する実用的かつ便利な方法を提供するということである。
また、かかるシステムは、物体からの反射光のスペクトル帯を測定し、一旦かかるスペクトル・データを測定したなら、種々の方法で利用可能であることにも気付くべきであろう。例えば、かかるスペクトル・データは、直接、強度―波長帯域値として表示することができる。加えて、三刺激型の値は、容易に計算可能であり（例えば、従来のマトリクス解析）、他のいずれの所望の色値も同様である。歯科の用途（義歯のような）において有用な特定の実施形態では、色データは、歯科シェード・ガイド値（複数の値）に最も近い一致、または複数の一致の形態で出力される。好適な実施形態では、種々の既存のシェード・ガイド（Vita Zahnfabrikが生産するシェード・ガイドのような）を特徴化し参照テーブルに格納する。あるいは、グラフィック・アート業界では、Pantone色基準、および色測定データを用いて、最も近いシェード・ガイド値または複数の最も近いシェード・ガイド値を選択する。これは、信頼度、あるいは、一致または複数の一致の接近度を示す他の適切な係数によって達成することができる。このような係数には、例えば、ΔＥ値またはΔＥ値の範囲として知られているもの、または標準偏差最小化(standard deviation minimization)のような標準偏差に基づく基準が含まれる。更に他の実施形態では、色測定データを用いて（参照テーブルによる等）、義歯等のための塗料またはセラミクスの調合のための材料を選択する。本発明にしたがって測定されたかかるスペクトル・データには、他にも多くの使用法がある。
人の歯のようなある種の物体は、蛍光を発する可能性があることが知られており、かかる光学特性も、本発明にしたがって測定可能である。紫外線成分を有する光源を用いて、かかる物体に対して一層精度を高めた色／光学データを生成することができる。かかるデータは、層、被膜、復元材またはプロテーゼ等における蛍光材の量または割合あるいは種別を調節するために利用可能である。ある種の実施形態では、タングステン／ハロゲン光源（好適な実施形態において用いられているような）を、ＵＶ光源（水銀蒸気、キセノンまたはその他の蛍光光源等のような）と組み合わせ、物体に蛍光を発生させることができる光出力を生成可能である。あるいは、別個のＵＶ光源を、可視光遮断フィルタと組み合わせて使用し、物体を照明してもよい。かかるＵＶ光源は、赤色ＬＥＤ（例えば）からの光と組み合わせ、ＵＶ光がオンのときを視覚的に示したり、かかる光源と共に操作するプローブの方向上の位置決めの補助として機能することができる。先に説明したのと類似した方法で、ＵＶ光源を用いて、第２の測定を行うことができる。赤色ＬＥＤまたはそのほかの補助光源の帯域は無視する。このように、第２の測定を用いて、測定対象物体の蛍光の示度を得ることができる。かかるＵＶ光源を用いる場合、光を物体に伝達するためには、シリカの光ファイバ（またはその他の適切な材料）が、典型的に必要となる（ガラスやプラスチックのような標準的な光ファイバ材料は、一般的に、望むようにはＵＶ光を伝搬させない）。
先に述べたように、ある種の好適な実施形態では、本発明は、中央の光源光ファイバから離間し、この周囲に配した複数の周囲受光部光ファイバを用いて、測定対象物体の表面の色を測定し、更に当該表面に対するプローブの高さおよび角度に関する情報を判定する。この情報は、他の表面特性情報等も含むことができる。理論的な裏付けはしないが、本発明のある態様の基礎となるある種の原理について、図４Ａないし図４Ｃを参照しながら、これより説明する。
図４Ａは、コアおよびクラッディング（cladding）から成り、屈折率が段階的に変化する典型的な光ファイバ(step index fiber optic)を示す。この検討のために、コアの屈折率をｎ0とし、クラッディングの屈折率をｎ1とする。以下の検討は「屈折率が段階的に変化する」光ファイバを対象とするが、かかる検討は、一般的に、屈折率が徐々に変化するファイバ(gradient index fiber)にも同様に適用可能であることは、当業者には認められよう。
損失なく光を伝搬するためには、光は、臨界角度よりも大きな角度で、光ファイバのコアに入射しなければならない。臨界角は、Ｓｉｎ-1｛ｎ1／ｎ0｝で表すことができ、ここでｎ0はコアの屈折率、およびｎ1はクラッディングの屈折率である。したがって、全ての光は、ｐｈｉ（ファイ）以下の受入角度(acceptance angle)でファイバに入射しなければならず、ｐｈｉ＝２ｘＳｉｎ-1｛√（ｎ0 2―ｎ1 2）｝で表される。さもなければ、光は所望通りには伝搬されない。
光ファイバに入射する光について、これは受入角度ｐｈｉの範囲内で入射しなければならない。同様に、光が光ファイバから射出する場合、図４のＡに示すような角度ｐｈｉの円錐の範囲内で、光ファイバから射出する。値√（ｎ0 2―ｎ1 2）を、光ファイバのアパーチャと呼ぶ。例えば、典型的な光ファイバは、０．５のアパーチャ、および６０°の受入角度を有する。
光ファイバを光源として使用する場合を考える。一端を光源（図１の光源１１のような）で照明し、他端を表面近くに保持する。光ファイバは、図４のＡに示すような円錐状の光を放出する。光ファイバが表面に対して垂直に保持されている場合、表面上に円形の光パターンを形成する。光ファイバを持ち上げるに連れて、円の半径ｒは大きくなる。光ファイバを下げるに連れて、光パターンの半径は小さくなる。したがって、照明される円形領域における光強度（単位面積当たりの光エネルギ）は、光ファイバを下げる程大きくなり、光ファイバを持ち上げるに連れて小さくなる。
同じ原理は、概略的に、受光部として用いられる光ファイバにも当てはまる。光ファイバの一端に光センサを取り付け、他端を照明面付近に保持することを考える。この光ファイバに入射する光が、表面付近の光ファイバの端部に入射するときに、光ファイバが損失なく光を伝搬できるのは、光が受入角度ｐｈｉの範囲内で光ファイバに入射する場合のみである。表面付近において受光部として用いられる光ファイバは、表面上の半径ｒの円形領域からの光のみを受け入れ、伝搬する。光ファイバを表面から持ち上げるに連れて、この領域は大きくなる。光ファイバを下げるに連れて、この領域は小さくなる。
図４Ｂに示すように、互いに平行な２本の光ファイバを考える。説明の簡略化のために、図示の２本の光ファイバは、サイズおよびアパーチャが同一とする。しかしながら、以下の説明は、一般的に、サイズやアパーチャが異なる光ファイバにも適用可能である。一方の光ファイバを光源光ファイバとし、他方の光ファイバを受光部光ファイバとする。２本の光ファイバは表面に対して垂直に保持されているので、光源光ファイバは、半径ｒの円形領域を照明する円錐形の光を放出する。受光部光ファイバは、受入角度ｐｈｉの範囲内の光、即ち、角度ｐｈｉの円錐の範囲内で受光される光のみを受け入れる。得られる唯一の光が光源光ファイバによって放出されたものである場合、受光部光ファイバが受け入れ得る唯一の光は、図４Ｃに示すように、２つの円の交差部分において表面に当たる光である。２本の光ファイバが表面から持ち上げられるに連れて、光源光ファイバの円形領域に対する２つの円形領域の交差部分の割合は大きくなる。これらが表面に近づくに連れて、光源光ファイバの円形領域に対する２つの円形領域の交差部分の割合は小さくなる。光ファイバを表面に近づけ過ぎると（即ち、「臨界高さ」ｈc以下）、円形領域はもはや交差せず、光源光ファイバから放出される光は、受光部光ファイバによって受光されなくなる。
前述したように、光源ファイバによって照明される円形領域における光の強度は、ファイバを表面に向かって下げるに連れて増大する。しかしながら、２つの円錐の交差部分は、光ファイバ対を下げるに連れて狭くなる。したがって、光ファイバ対を表面に向かって下げるに連れて、受光部光ファイバによって受光される光の総強度は、最大値に増大し、次いで光ファイバ対を更に表面に向かって下げていくと、強度は急激に低下する。結果的に、臨界高さ」ｈc以下では強度はほぼゼロに低下し（測定対象物体は半透明でないと仮定する。以下で更に詳しく説明する）、光ファイバ対が表面に接するまで、ほぼゼロのままとなる。したがって、上述のような光ファイバの光源―受光部対を表面付近に配置し、それらの高さを変化させると、受光部光ファイバが受光する光の強度は、「ピーク高さ」ｈpにおいて、最大値に達する。
再び、理論的な裏付けはしないが、ピーク高さｈpの興味深い特性が観察されている。ピーク高さｈpは、主に、ファイバのアパーチャ、ファイバの直径およびファイバの間隔のような、固定パラメータの幾何学的形状の関数である。図示の構成における受光部光ファイバは、最大値のみを検出し、その値の量を判定しようとしないので、その最大値は一般的に表面の色とは無関係である。光源および受光部光ファイバの交差領域からの光を、表面が十分に反射し、受光部光ファイバの光センサの検出範囲内に達するようにすればよい。したがって、通常、赤または緑または青、あるいはいずれの色の表面でも、全て同じピーク高さｈpにおいて最大値を示す。
これまでの説明は、表面に対して垂直な２本の光ファイバに照準を当てたが、同様の分析は、他の角度をなす光ファイバ対にも適用可能である。光ファイバが表面に対して垂直でない場合、通常楕円領域を照明する。同様に、受光部光ファイバの受入領域も、通常楕円形となる。光ファイバ対を表面に近づくように移動させると、受光部光ファイバも、表面の色あるいは特性とは無関係に、ピーク高さにおいて最大値を検出する。しかしながら、光ファイバ対が表面に対して垂直でない場合に測定される最大強度値は、光ファイバ対が表面に対して垂直な場合に測定される最大強度値より小さくなる。
次に図５Ａおよび図５Ｂを参照し、光ファイバ光源―受光部対を表面に近づけるようにおよび遠ざけるように移動させた場合に受ける光の強度について説明する。図５Ａは、受けた光の強度を時間の関数として示す。対応する図５Ｂは、測定対象物体の表面からの光ファイバ対の高さを示す。図５Ａおよび図５Ｂは、（説明を容易にするために）測定対象物体の表面に対して光ファイバ対を近づける移動および遠ざける移動を、比較的均一な速度にした場合を示す（しかしながら、同様の図示および分析は、速度が均一でない場合にも同様に適用可能である）。
図５Ａは、光ファイバ対を表面に近づけ次いで表面から遠ざけるように移動させた場合に受けた光の強度を示す。図５Ａは、単一の受光部光ファイバについての強度関係を示すが、同様の強度関係は、例えば、図１および図２の多数の受光部光ファイバのような、他の受光部光ファイバについても観察されることが予測される。上述の好適な実施形態では、（ファイバ７の）１５本の光ファイバ受光部は、全体的に、図５Ａに示すものと同様の曲線を示すであろう。
図５Ａは、５箇所の領域を示す。領域１では、プローブを測定対象物体の表面に向かって移動させ、これによって、受光強度が増大する。領域２では、ピーク高さを超えてプローブを移動させ、受光強度はピークに達し、次いで急激に低下する。領域３では、プローブは測定対象物体の表面とほぼ接触状態にある。図示のように、領域３における受光強度は、測定対象物体の半透明性に応じて変動する。物体が不透明である場合、受光強度は非常に低いか、あるいは殆どゼロである（恐らく、検知回路の範囲外）。しかしながら、物体が半透明である場合、光強度は非常に高いが、通常ピーク値未満である。領域４では、プローブが持ち上げられ、光強度は急速に最大値に上昇する。領域５では、プローブを更に物体から遠ざけるように持ち上げ、光強度は再び低下する。
図示のように、光ファイバ対がピーク高さｈpにある物体に向かうようにおよびこれから離れるように移動すると、２つのピーク強度値（以下では、Ｐ１およびＰ２として論ずる）が検出されることになる。受光部光ファイバによって得られるピークＰ１およびＰ２が同一値である場合、これは、通常、プローブが、測定対象物体の表面に向かって、更にこれから離れるように、一貫的に移動したことを示す。ピークＰ１およびＰ２が異なる値である場合、これらは、プローブの移動が、測定対象物体の表面に向かって更にこれから離れるように、望んだようにはならなかったことを示す場合がある。あるいは、表面が湾曲しているか、あるいは表面に織り模様があることを示す。これについては、以下で更に詳しく説明する。かかる場合、データは疑わしいと考えられ、拒絶（破棄）することが可能である。加えて、周囲光ファイバ（例えば、図２を参照）の各々に対するピークＰ１およびＰ２は、同じピーク高さで発生するであろう（アパーチャ、直径、および光源光ファイバからの間隔等のような、周囲光ファイバの幾何学的属性を想定する）。したがって、測定対象物体の表面に向かって、更にこれから離れるように、一貫性を保って垂直に移動するプローブの周囲光ファイバは、同じ高さにおいて発生するピークＰ１およびＰ２を有するであろう。周囲受光部光ファイバから受光ファイバを監視し、同時の（またはほぼ同時の、例えば、所定の範囲内の）ピークＰ１およびＰ２を探すことによって、測定対象物体に対して所望の垂直角度に、プローブが保持されているか否かについて判定を行う機構が得られる。
加えて、領域３における相対的強度レベルは、測定対象物体の半透明性のレベルの示度として機能する。この場合も、かかる原理は概してプローブ（例えば、図１および図３のファイバ７を参照）内の受光部光ファイバ全てに適用可能である。かかる原理に基づいて、ここに開示する実施形態に関して適用可能な測定技法についてこれより説明する。
図６は、本発明のある種の実施形態にしたがって使用することができる、全体的な測定技法を示すフロー・チャートである。ステップ４９は、色／光学測定の開始即ち始まりを示す。ステップ４９の間、あらゆる機器の初期化、診断または設定手順を実行することができる。音響または視覚情報あるいはその他の指示をオペレータに与え、システムが使用可能であり、測定する準備ができていることをオペレータに知らせる。色／光学測定の起動は、オペレータがプローブを測定対象物体に向けて移動させることによって開始し、例えば、スイッチ１７（図１参照）の作動によって行われる。
ステップ５０において、システムは連続的に、受光部光ファイバ（例えば図１のファイバ７を参照）の強度レベルを監視する。強度が上昇している場合、ピークが検出されるまで、ステップ５０を繰り返す。ピークが検出されたなら、処理はステップ５２に進む。ステップ５２において、測定ピーク強度Ｐ１、およびかかるピークが発生した時刻を、（マイクロプロセッサ１０の一部として含まれるメモリのような）メモリに格納し、処理はステップ５４に進む。ステップ５４において、システムは、受光部光ファイバの強度レベルを監視し続ける。強度が低下している場合、ステップ５４を繰り返す。「谷」または平坦部(plateau)が検出された場合（即ち、強度がもはや低下しておらず、通常、物体との接触または殆ど接触していることを示す場合）、処理はステップ５６に進む。ステップ５６において、測定表面強度（ＩＳ）をメモリに格納し、処理はステップ５８に進む。ステップ５８において、システムは受信ファイバの強度レベルを監視し続ける。強度が上昇している場合、ピーク値を検出するまで、ステップ５８を繰り返す。ピークが検出された場合、処理はステップ６０に進む。ステップ６０において、測定ピーク強度Ｐ２、およびかかるピークが発生した時刻をメモリに格納し、処理はステップ６２に進む。ステップ６２において、システムは、受光部光ファイバの強度レベルを監視し続ける。一旦受光強度レベルがピークＰ２から低下し始めたなら、システムは、領域５に入った（例えば、図５のＡ参照）ことを認め、処理はステップ６４に進む。
ステップ６４において、システムは、マイクロプロセッサ１０の制御の下で、種々の受光部光ファイバについて、検知回路によって得た収集データを分析する。ステップ６４において、１本以上の様々な光ファイバのピークＰ１およびＰ２を比較してもよい。様々な光ファイバのいずれかに対するピークＰ１およびＰ２のいずれかが等しくないピーク値を有する場合、データを破棄し、色測定プロセス全体を繰り返せばよい。この場合も、ピークＰ１およびＰ２の値が等しくないことは、例えば、プローブを垂直に移動させなかったか、あるいは不安定に移動させた（即ち、角度のある移動または横方向の移動）ことを示す。例えば、ピークＰ１は物体上の第１点を表し、ピークＰ２は物体上の第２点を表すことができる。データが疑わしいので、本発明の好適な実施形態では、かかる状況において得たデータをステップ６４において破棄する。
ステップ６４においてデータを破棄しない場合、処理はステップ６６に進む。ステップ６６において、システムは、周囲光ファイバ（例えば、図２のＲ１ないしＲ３）の各々からの、中性濃度フィルタを介した受光部によって得られたデータを分析する。周囲光ファイバのピークが同じ時点において、あるいはほぼ同じ時点において発生しなかった場合、これは、例えば、プローブが測定対象物体の表面に垂直に保持されていなかったことを示す可能性がある。プローブを測定対象物体の表面に対して垂直に位置合わせしないと、疑わしい結果が得られるので、本発明の好適な実施形態では、かかる状況において得られたデータをステップ６６において破棄する。垂直な位置合わせは、通常、周囲光ファイバの同時またはほぼ同時のピークによって示されるので、好適な一実施形態では、同時またはほぼ同時のピーク発生（所定の時間範囲内のピーキング）は、データに対して容認可能な評価基準として機能する。他の実施形態では、ステップ６６は、周囲光ファイバのピーク値Ｐ１およびＰ２の分析を含む。かかる実施形態では、システムは、周囲光ファイバのピーク値（恐らく、いずれかの初期較正データで正規化されている）が、規定範囲内に等しいか否かについて判定しようとする。周囲光ファイバのピーク値が規定範囲内にある場合、データは容認可能であり、そうでない場合、データを破棄することができる。更に他の実施形態では、同時ピーキングおよび等しい値の検出の組み合わせを、データに対する容認／破棄評価基準として用い、および／またはオペレータが、（キー・パッド・スイッチ１２を通じてというように）１つ以上の容認評価基準範囲を制御できるようにしてもよい。かかる機能を備えると、システムの感度は、特定用途および動作環境等に応じて、オペレータによって制御可能に変化させることができるようになる。
ステップ６６においてデータを破棄しない場合、処理はステップ６８に進む。ステップ６８において、データを所望通りに処理し、色／光学測定データ出力を得ることができる。例えば、かかるデータは、いずれかの方法で正規化したり、温度補償、または半透明性データ、または光沢データ、または表面組織データまたは非垂直角データ、またはシステムによって検出される他のデータに基づいて調節してもよい。また、データは、データを使用する目的に応じて、異なる表示フォーマットまたはその他のフォーマットに変換してもよい。加えて、物体の半透明性および／または光沢を示すデータの評価および／または表示も、ステップ６８において行うことができる。ステップ６８の後、処理は開始ステップ４９に進むか、または処理は終了する等とすることができる。先に示したように、かかるデータも、現在または今後の状態またはステータスの評価または予測等を行なう目的のために、以前に格納したデータと比較することも可能である。
図６に示す処理にしたがって、受光部光ファイバ当たり３つの光強度値（Ｐ１，Ｐ２およびＩＳ）を格納し、色および半透明性などの測定を行う。格納ピーク値Ｐ１およびＰ２が等しくない場合（受光部のいくつかまたは全てについて）、これは、プローブが一領域全体にわたって固定保持されていなかったことの表示であり、データを破棄すればよい（他の実施形態では、データを破棄しなくてもよく、得られたデータは、測定データの平均を求めるために使用することができる）。加えて、３つの中性濃度周囲光ファイバに対するピーク値Ｐ１およびＰ２は、等しいかほぼ等しくなければならない。こうならない場合、これは、プローブが垂直に保持されていなかったこと、または湾曲面を測定していることの表示である。他の実施形態では、システムは曲面および／または非垂直角に対する補償を行おうとする。いずれの場合にしても、システムが色／光学測定を行うことができない場合、またはピーク値Ｐ１およびＰ２が容認可能な程度で等しくないため、またはその他の何らかの理由のためにデータを破棄する場合、オペレータに通知し、他の測定または（感度の調節のような）別の処置を取るようにすればよい。
上述のように構築され動作するシステムでは、受け入れられたデータは、高さおよび角度依存性が除去されており、物体の色／光学測定を行うことができる。ピーク高さで得たのではないデータ、または測定対象物体の表面に垂直なプローブを用いて得たのではないデータ等は、ある種の実施形態では破棄される。他の実施形態では、周囲光ファイバから受け取ったデータは、測定対象物体の表面に対する、プローブの角度を計算する際に用いることができ、かかる実施形態では、非垂直データまたは湾曲面データは、破棄される代わりに、補償することができる。また、中性濃度周囲光ファイバに対するピーク値Ｐ１およびＰ２は、測定対象物体の表面の輝度（グレー値）の測定値を与え、光学特性の評価に供し得ることも注記すべきであろう。
測定対象物体の半透明性は、例えば、（ＩＳ／Ｐ１）ｘ１００％のような比率または百分率として評価することができる。他の実施形態では、本発明にしたがって与えられる半透明性データを評価する他の方法が用いられ、ＩＳおよびＰ１またはＰ２等を用いる他の算術関数等がある。半透明性情報は、当業者にはわかるであろうが、出力色データ等の定量化および／または調節に用いることができる。
本発明の別の特定形態では、本発明にしたがって発生したデータは、自動化材料混成／発生機械(automated material mixing/generation machine)および／または方法を実施するために用いることができる。義歯または充填材のようなある種の物体／物質は、磁器(porcelain)または粉体／樹脂／材料または組織代用品から作られ、正確な比率で組み合わせて、あるいは添加物によって改質して、物体／義歯の所望の色を形成する。ある種の粉体はしばしば色素を含み、これは、通常、Beerの法則に従うか、および／またはKubelka-Munkの式および／または配合において混合された場合は、（必要であれば）Saundersonの式にしたがって作用する。本発明による測定から得られた色およびその他のデータは、配合に対する色素またはその他の材料の所望量を判定したり、あるいは推定するために用いることができる。磁器粉体およびその他の材料は、異なる色、不透明性等で得ることができる。義歯のようなある種の物体は、積層構造として、所望の物体の半透明性の度合いを模擬する場合がある（人の歯を模擬するというようなもの）。本発明によって発生されたデータは、磁器またはその他の材料の層の厚さおよび位置を判定し、所望の色、半透明性、表面特性等を、一層類似させて生産するために使用することができる。加えて、所望の物体に対する蛍光データに基づいて、材料の配合を調節し、所望量の蛍光発生材料を含ませることもできる。更に他の実施形態では、表面特性（織り模様のような）情報（以下で更に詳しく説明する）を用いて、配合に表面模様を付ける材料を加えることもでき、これらは全て、本発明にしたがって実施可能である。更に別の実施形態では、本発明によって得られた光沢データに基づいて、プロテーゼに対する表面研摩度を監視または調節することも可能である。
かかる染料配合型技術に関する更なる情報については、以下の文献を参照するとよい。HunterおよびHaroldによって編集された”The Measurement of Appearance”第２版、著作権１９８７年。BillmeyerおよびSaltzmanによる”Principles of Color Technology”、著作権１９８１年、およびLewisによって編集された”Pigment Handbook”、著作権１９８８年。これらは全て、NY, New YorkのJohn Wiley & Sons, Inc.によって出版されたと思われ、その全ては、この言及により、本願にも含まれるものとする。
ある種の動作環境においては、歯科学における用途のように、プローブの汚染が関心事となる。本発明のある種の実施形態では、かかる汚染の減少を図った実施を提供する。
図７Ａおよび図７Ｂは、プローブ・チップ１の端部に覆い被せるために使用可能な保護用キャップを示す。かかる保護用キャップは、本体８０から成り、その端部は光窓８２で覆われている。光窓８２は、好適な実施形態では、薄いサファイア窓を有する構造から成る。好適な実施形態では、本体８０はステンレス鋼で作られている。本体８０はプローブ・チップ１の端部に覆い被さり、例えば、本体８０内に形成された陥凹によって適所に配する。陥凹は、プローブ・チップ１上に形成されたリブ８４（スプリング・クリップまたはその他のリテイナとすればよい）と嵌合する。他の実施形態では、かかる保護用キャップをプローブ・チップ１に取りつける他の方法が用いられる。保護用キャップは、プローブ・チップ１から取り外し、典型的な圧力釜、高温スチーム、ケミクレーブ(chemiclave)またはその他の滅菌システムにおいて滅菌することができる。
サファイア窓の厚さは、プローブのピーク高さ未満とし、本発明によるピーク検出する機能を保存すべきであり、好ましくは、光源／受光円錐が重複する（図４Ｂおよび図４Ｃ参照）臨界高さ未満の厚さを有する。また、サファイア窓は、再生可能に製造し、こうしてキャップ毎のあらゆる光減衰を再現可能とすることも考えられる。加えて、サファイア窓によって生じる色／光学測定のあらゆる歪みも、マイクロプロセッサ１０によって較正することができる。
同様に、他の実施形態では、本体８０は、中央に孔のあるキャップ（サファイア窓とは異なり）を有し、この孔を光ファイバ光源／受光部上に配置する。孔のあるキャップは、プローブが表面に接触するのを防止するように作用し、これによって、汚染の危険性を低下させる。尚、かかる実施形態では、プローブ・チップの光源から受光エレメントへの光が、キャップによる悪影響を受けないように、孔を位置付けることを注記しておく。
図８Ａおよび図８Ｂは、本発明にしたがって汚染の減少を図るために使用可能な、着脱可能（自在）プローブ・チップの別の実施形態を示す。図８Ａに示すように、プローブ・チップ８８は着脱自在であり、４つの（あるいは、用途に応じて異なる数の）光ファイバ・コネクタ９０を含み、これらを、コネクタ９４に結合された光防護物（ガード）９２内に配置する。光防護物９２は、隣接する光ファイバ間の「クロス・トーク」を防止するように作用する。図８のＢに示すように、この実施形態では、着脱自在のチップ８８は、スプリング・クリップ９６によって、プローブ・チップ・ハウジング９３内に固着される（他の実施形態では、他の着脱自在に保持する実施態様も用いられる）。プローブ・チップ・ハウジング９３は、螺子または他の従来からの取り付け具によって、ベース・コネクタ９５に固着することができる。この実施形態では、異なるサイズのチップを異なる用途のために用意したり、更にこの処理の初期段階では、特定用途のために適正なサイズのもの（即ち、嵌合チップ(fitted tip)）を実装してもよいことを注記しておく。また、着脱自在のチップ８８も、典型的な圧力釜、高温スチーム、ケミクレーブ(chemiclave)またはその他の滅菌システムにおいて滅菌するか、あるいは使い捨てとすればよい。加えて、プローブ・チップ構造体全体は、洗浄または修理のために容易に分解できるように構成する。ある種の実施形態では、着脱自在のチップの光源／受光エレメントは、ガラス、シリカまたは同様の材料で作成することによって、圧力釜または同様の高温／圧力洗浄方法に特に適したものとする。ある種の他の実施形態では、着脱自在のチップの光源／受光エレメントは、コストが低いプラスチックまたはその他の同様の材料で作成し、使い捨て型の着脱自在のチップ等に特に適したものとする。
更に他の実施形態では、プラスチック、紙またはその他の型のシールド（使い捨て、洗浄可能／再利用可能等とすることができる）を用い、特定の用途において存在し得る、あらゆる汚染問題に対処できるようにする。かかる実施形態では、その方法論は、色／光学測定を行う前に、かかるシールドをプローブ・チップ上方に位置付けることを含むとよく、更に、色／光学測定を行った後に、シールドを取り外し、廃棄／洗浄すること等も含むとよい。
代わりの着脱自在プローブ・チップを利用した本発明の更に別の実施形態について、これより図１９Ａないし図１９Ｃを参照しながら説明する。図１９Ａに示すように、この実施形態は、着脱自在のコヒーレント光導管３４０を、着脱自在チップとして利用する。光導管３４０は、光導管の短い区域であり、好ましくは、小さな光ファイバを溶融した束(fused bundle)とし、ファイバを互いにほぼ平行とし、その端部は高精度に研磨されている。光導管３４０の断面３５０を図１９のＢに示す。光導管３４０と同様の光導管が、ボアスコープ(borescope)として知られているものに既に利用されており、内視鏡のような医学的用途においても利用されている。
この実施形態における光導管３４０は、光源から測定対象物体の表面まで光を導き、更に表面からの反射光を受け、それをプローブ・ハンドル３４４内の受光部光ファイバ３４６まで導くように作用する。光導管３４０は、圧縮かみ合い部（ジョー：jaw）３４２またはその他の適切な取付金具によって、光ファイバ３４６に対して適切な位置に保持されるか、あるいは光導管３４０を確実に位置付けるように結合し、光ファイバ３４６へのまたそれからの光を効果的に結合する。光ファイバ３４６は、別個のファイバ／光導管３４８に分離させてもよく、前述の実施形態の場合のように、これらを適切な光センサ等に結合することができる。
概略的に、光導管３４０内に用いる光ファイバのアパーチャは、光源および受光部用光ファイバのアパーチャと一致するように選択するればよく、あるいは光導管のアパーチャは、最も大きな光源または受光部アパーチャよりも大きくまたはそれ以上とすることも可能である。したがって、光導管の中央部分は、光源からの光を導き、ファイバの束の中で単一のファイバを構成するかのように、表面を照明することができる。同様に、光導管の外側部分は、反射光を受け、単一のファイバを構成するかのように、受光部光ファイバにそれを導くことができる。光導管３４０は端部を有し、高精度に研磨し垂直に切断することが好ましく、特に光ファイバ３４６に光を結合する端部では好ましい。同様に、光導管３４０に接する光ファイバ３４６の端部も、高精度に研磨し、高い精度で垂直に切断し、光の反射や、光源光ファイバおよび受光部光ファイバ間、ならびに隣接する受光部光ファイバ間のクロス・トークを最少に抑える。光導管３４０は重要な利点を与え、それはかかる着脱自在のチップの製造および実装の場合を含む。例えば、プローブ・チップは、特にプローブ・チップ・ホルダと位置合わせする必要がなく、圧縮機構（圧縮かみ合い部３４２を用いる等）を用いる等によって、プローブ・チップ・ホルダに対して保持し、光を光ファイバ３４６へまたそれから効果的に結合するだけでよい。したがって、かかる着脱自在のチップ機構は、位置合わせ用タブなどがなくても実施することができるので、着脱自在のプローブ・チップの実装は容易に行われる。このように容易に実装可能なプローブ・チップは、したがって、実装前に取り外して清浄化することにより、歯科医、医療関係、または汚染が問題となり得る環境におけるその他の作業において、色／光学測定装置の使用が容易となる。また、光導管３４０は、例えば、光導管の小部分として実施することも可能であり、簡単で低価格の大量生産等を容易に行うことが可能となる。
かかる光導管プローブ・チップの別の実施形態を、図１９Ｃに光導管３５２として示す。光導管３５２は、一端（端部３５４）が他端（端部３５６）よりも狭い光導管である。光導管３５２のような輪郭付けられた／テーパ状光導管(contoured/tapered light conduit)は、溶融プロセスの一部として、１束の小さな光ファイバを加熱し、延伸することによって製造することができる。かかる光導管は、拡大または縮小という追加の興味深い特性を有する。かかる現象が発生するのは、両端部に同数のファイバがあるからである。したがって、狭い端部３５４に入射する光が広い端部３５６に導かれ、広い端部３５６の方が広い領域をカバーするので、拡大効果が得られる。
図１９Ｃの光導管３５２は、図１９Ａの光導管３４０（全体的に円筒形でよい）と同様に用いることができる。しかしながら、光導管３５２は、その端部３５４のサイズが縮小されているので、小さな領域を測定する。このように、比較的大きなプローブ本体を製造し、光源光ファイバを受光部光ファイバから広い空間を取って配することができるので、接合部における光の反射およびクロス・トークの減少という利点が得られ、しかも小さなプローブ測定領域を維持することができる。加えて、光導管３５２の狭い端部３５４の相対的なサイズは、変更することができる。これによって、オペレータは、特定用途における条件にしたがって、着脱自在のプローブ・チップのサイズ／特性を選択することが可能となる。このようにプローブ・チップのサイズが選択可能なために、種々の用途や動作環境において、光学特性を測定する際に更に別の利点を得ることができる。
本明細書の開示を検討すれば当業者には明白であろうが、図１９Ａおよび図１９Ｃの光導管３４０および３５６は、必ずしも図示のような円筒／テーパ状である必要はなく、曲線状のプローブ・チップが有効に用いることができるような特殊用途（狭い場所または到達が困難な場所におけるような用途）のため等には、湾曲させてもよい。また、図１９Ｃの光導管３５２を逆にして、より広い領域をカバーするように（狭い端部３５４が光を光ファイバ３４６等に結合し、広い端部３５６を測定を行うように配置する）してもよいことを注記しておく。
図９を参照して、ここに開示するある種の実施形態の理解に役立つことができ、あるいはかかる実施形態と共に用いることができる、三刺激の実施形態についてこれより説明する。総じて、図１に示し前述したシステム全体は、この実施形態でも使用可能である。図９は、この実施形態に用いられるプローブ・チップの光ファイバの断面図を示す。
プローブ・チップ１００は、３本の周囲受光部光ファイバ１０４および３本の色受光部光ファイバ１０２によって包囲された（そしてこれらから離間された）中央光源光ファイバ１０６を含む。３本の周囲受光部光ファイバ１０４は、光学的に、中性濃度フィルタに結合され、上述の実施例と同様に、高さ／角度センサとして機能する。３本の色受光部光ファイバは、光学的に、赤色、緑色および青色フィルタのような適切な三刺激フィルタに結合する。この実施形態では、測定は、物体の三刺激色値によって行い、図６を参照しながら説明した処理が、全体的にこの実施形態にも適用可能である。即ち、周囲光ファイバ１０４を用いて、同時ピークを検出するか、あるいはプローブが測定対象物体に対して垂直か否かの検出を行うことができる。
図１０Ａは、図９を参照しながら説明した実施形態に類似した、別のかかる実施形態を示す。プローブ・チップ１００は、３本の受光部光ファイバ１０４、および複数の色受光部光ファイバ１０２によって囲まれた（そしてこれらから離間された）中央光源光ファイバ１０６を含む。色受光部光ファイバ１０２の本数、およびかかる受光部光ファイバ１０２に関連するフィルタは、特定の用途に基づいて選択すればよい。図９の実施例におけると同様、図６を参照しながら説明した処理が、全体的にこの実施例に適用可能である。
図１０Ｂは、中央光源光ファイバ２４０を包囲する複数の受光部光ファイバがある、別のかかる実施形態を示す。受光部光ファイバは、環状に配列され、中央光源光ファイバを包囲している。図１０Ｂは、受光部光ファイバのリング３つ（それぞれ光ファイバ２４２，２４４および２４６によって構成される）を示し、リング当たり６本の受光部光ファイバがある。リングは、図示のように、連続的に大きな円として構成し、プローブの端部の領域全体を覆うようにすればよく、所与のリング内における各受光部光ファイバから中央光ファイバまでの距離は、等しくなっている（あるいはほぼ等しくなっている）。中央光ファイバ２４０は、光源光ファイバとして使用され、図１に示した光源光ファイバ５と同様に、光源に接続されている。
複数の受光部光ファイバは、各々が、スライス・コネクタ４について図１に示した構成と同様に、２本以上の光ファイバに結合されている。各受光部光ファイバに対する、かかるスライス・コネクタからの１本の光ファイバは、中性濃度フィルタを通過し、次いで、図３に示した光センサ回路と同様の光センサ回路に達する。受光部光ファイバ毎のスライス・コネクタからの第２の光ファイバは、Sharp Cutting Wrattan Gelatin Filter（または前述のようなノッチ・フィルタ）を通過し、次いで、前述した光センサ回路に達する。このように、プローブ・チップ内の受光部光ファイバの各々は、色測定エレメントおよび中性光測定即ち「周囲」エレメントの双方を含む。
図１０Ｄは、平坦な拡散面２７２上の領域を照明するプローブ２６０（上述のような）の幾何学的配置を示す。プローブ２６０は、光パターン２６２を形成し、これは表面２７２から均一な半球パターン２７０に拡散的に反射される。かかる反射パターンでは、この明細書で先に説明したように、プローブが表面に垂直であれば、プローブ内の受光エレメントに入射する反射光は、全てのエレメントに対して等しく（ほぼ等しく）なる。
図１０Ｃは、粗い面２６８、即ち、光を不規則に反射する面を照明するプローブを示す。反射光は、ホット・スポット、即ち、反射光の強度が、他の領域２６４よりもかなり高い領域を示す。反射光パターンは、図１０Ｄに示した平坦面と比較すると、斑がある。
図１０Ｂに示したプローブは、大きな表面領域全体に配列された複数の受光部光ファイバを有するので、プローブを用いて、表面の織り模様を判定するために使用したり、この明細書で先に説明したように、表面の色および半透明性等を測定することができる。受光部光ファイバが受けた光の強度が、受光部光ファイバの所与のリング内の全ての光ファイバについて等しい場合、概ね、その表面は滑らかである。しかしながら、あるリング内の受光ファイバの光強度が互いに対して異なる場合、その表面は概ね粗い。所与のリング内、およびリング毎の受光部光ファイバ内において測定した光強度を比較することにより、表面の織り模様やその他の特性を定量化することができる。
図１１は、光センサ８（およびフィルタ２２等）の代わりにリニア光センサおよび色傾斜（gradient）フィルタを用いた、本発明の実施形態を示す。受光部光ファイバ７は、図１の実施例の場合と同様にプローブ・チップ１に光学的に結合することができ、色傾斜フィルタ１１０を介して、リニア光センサ１１２に光学的に結合されている。この実施形態では、色傾斜フィルタ１１０は、透明なまたは開放基板(open substrate)上の一連の狭いストリップ状のカットオフ型フィルタから成るものとすることができ、リニア光センサ１１２のセンサ領域と位置的に対応するような構造とする。商業的に入手可能なリニア光センサ１１２の一例は、Texas Instrumentsの部品番号TSL213であり、これは６１個のフォト・ダイオードを直線アレイ状に有する。受光部光ファイバ７は、対応して、リニア光センサ１１２上に、直線上に配列されている。受光部光ファイバの本数は、色傾斜フィルタ１１０の全長をほぼ均一に覆うのに十分な本数が含まれている限りは、特定の用途毎に選択することができる。この実施形態では、光は、受光部光ファイバ７によって受光され出力され、リニア光センサ１１２によって受光された光は、（光強度、フィルタ特性および所望の精度によって決定される）短い時間期間にわたり積分される。直線アレイ・センサ１１２の出力は、ＡＤＣ１１４によってデジタル化され、マイクロプロセッサ１１６（マイクロプロセッサ１０と同じプロセッサまたはその他のプロセッサとすることができる）に出力される。
通常、図１１の実施形態では、周囲受光部光ファイバは、図１の実施形態と同様に使用すればよく、図６を参照しながら説明した処理が、全体的にこの実施形態に適用可能である。
図１２は、光センサ８（およびフィルタ２２等）の代わりに、マトリクス光センサおよび色フィルタ・グリッドを用いる、本発明の実施形態を示す。受光部光ファイバ７は、図１の実施例の場合と同様にプローブ・チップ１に光学的に結合することができ、フィルタ・グリッド１２０を介して、マトリクス光センサ１２２に光学的に結合されている。フィルタ・グリッド１２０は、狭い帯域の可視光を通過させる多数の小さな有色スポット・フィルタから成るフィルタ・アレイである。受光部光ファイバ７からの光は、対応するフィルタ・スポットを通過し、マトリクス光センサ１２２上の対応する点に達する。この実施形態では、マトリクス光センサ１２２は、ＣＣＤ型、またはビデオ・カメラにおいて使用されているその他のタイプの光センサ・エレメントのような、単色光センサ・アレイとすればよい。マトリクス光センサ１２２の出力は、ＡＤＣ１２４によってデジタル化され、マイクロプロセッサ１２６（マイクロプロセッサ１０と同じプロセッサまたはその他のプロセッサとすることができる）に出力される。マイクロプロセッサ１２６の制御のもとで、マトリクス光センサ１２２は、受光部光ファイバ７から色フィルタ・グリッド１２０を介してデータを収集する。
通常、図１２の実施形態では、周囲受光部光ファイバは、図１の実施形態と同様に使用すればよく、図６を参照しながら説明した処理が、全体的にこの実施形態に適用可能である。
通常、図１１および図１２の実施形態では、色フィルタ・グリッドは、前述のようなシャープ・カット・オフ・フィルタで構成することができ、またはノッチ・フィルタで構成することもできる。当業者には明白であろうが、これらは、従来のモノクロメータに利用されているような、回折格子および合焦ミラーで構成することも可能である。
前述の説明から明確となろうが、本発明を用いると、種々のタイプのスペクトル色／光学測光計（または三刺激型測色計）を構築し、周囲受光部光ファイバを用いて、高さおよび角度の偏差を本質的に解消した色／光学データを収集することができる。加えて、ある種の実施形態では、本発明は、測定対象物体の表面から、ピーク高さにおいて色／光学測定を行うことを可能にし、したがって、測定対象物体と物理的に接触することなく、色／光学データを得ることができる（かかる実施形態では、プローブを領域１を通過させて領域２まで進めることによってのみ色／光学データが得られるが、必ずしも図５Ａおよび図５Ｂの領域３に入らなくてもよい）。かかる実施形態は、特定用途において表面との接触が望ましくない場合に、使用することができる。先に説明した実施形態では、しかしながら、プローブの物体との物理的接触（またはほぼ物理的な接触）によって、図５Ａおよび図５Ｂの５つの領域全てが利用可能となり、これによって半透明性の情報も得ることが出きるような測定を行うことが可能となる。双方のタイプの実施例は、全体的に、ここに記載する本発明の範囲に含まれるものである。
次に、図１および図３の好適な実施形態（群）に関連して説明したタイプのカットオフ・フィルタ（図３のフィルタ２２のような）に関して、補足説明を行う。図１３Ａは、図３との関連において論じた、単一のKodak Sharp Cutting Wratten Gelatin Filterの特性を示す。かかるカットオフ・フィルタは、カットオフ周波数より低い（即ち、カットオフ波長より高い）光を通過させる。かかるフィルタは、広い範囲のカットオフ周波数／波長を有するように製造することができる。図１３Ｂは、多数のかかるフィルタ、好適な実施例では１２個を示す。カットオフ周波数／波長は、本質的に可視帯域全体が、カットオフ・フィルタの集合によってカバーされるように選択する。
図１４Ａおよび図１４Ｂは、図１３Ｂに示したようなカットオフ・フィルタ構成を用いた、強度測定の一例を示す。第１に、白い表面を測定した場合（図１４Ａ）、そして青い表面を測定した場合（図１４Ｂ）も示す。図１４のＡに示すように、白い表面の場合、中性フィルタを介した周囲光ファイバを、高さおよび角度などの検出に用いるが、概ね最高の強度が得られる（しかしながら、これは、少なくとも部分的には、中性濃度フィルタの特性に依存する）。図１３Ｂに示す特性を有するフィルタによって与えられる段階状カットオフ・フィルタ処理の結果として、残留する強度は、図１４Ａに示すように、徐々にその値が減少する。青い表面の場合、概ね図１４Ｂに示すように、強度は、その値が徐々に減少する。しかしながら、表面には無関係に、フィルタからの強度は、図示のように、常にその値が減少し、最も大きい強度値は、波長カットオフ値が最も小さい（即ち、青までの可視光を全て通過させる）フィルタの出力であり、最も低い強度値は、波長カットオフ値が最も高い（即ち、赤い可視光のみを通過させる）フィルタの出力である。前述の説明から理解されるように、図１４Ａおよび図１４Ｂの減少強度特性と一致しない検出色データはいずれも、異常として検出することができ、ある種の実施形態では、かかる状態の検出の結果、データの破棄、エラー・メッセージの発生、または診断ルーチンの開始等が行われることになる。
次に、図１および図３、ならびに関連する説明を参照し、かかるカットオフ・フィルタ構成を、どのようにして本発明にしたがって利用するのかについて詳細に説明する。
図１５は、本発明のある種の実施形態において使用可能なオーディオ・トーンを示すフロー・チャートである。オーディオ・トーン（これから述べるような、トーン、ビープ、音声等のような）は、ここに記載する形式の色測定システムの適正使用において、オペレータを誘導するのに特に有用でありかつ教育的な手段であることが発見されている。
オペレータは、ステップ１５０において、（図１のスイッチ１７のような）スイッチの作動により、色／光学測定を開始することができる。その後、システムの準備（設定、初期化、較正等）ができたなら、ステップ１５２において（図１のスピーカ１６を通じてというように）プローブ降下トーンを発する。システムは、ステップ１５４において、ピーク強度Ｐ１を検出しようとする。ピークが検出された場合、ステップ１５６において、測定ピークＰ１が適用可能な評価基準（図５Ａ、図５Ｂおよび図６に関連して前述したような）を満たすか否かについて判定を行う。測定ピークＰ１が受け入れられた場合、ステップ１６０において第１ピーク受け入れトーンを発生する。測定ピークＰ１が受け入れられなかった場合、ステップ１５８において失敗トーンを発生し、システムは、オペレータが別の色／光学測定を開始するのを待つ。第１のピークが受け入れられたと仮定すると、システムは、ステップ１６２において、ピーク強度Ｐ２を検出しようとする。第２ピークが検出された場合、ステップ１６４において、測定ピークＰ２が適用可能な評価基準を満たすか否かについて判定を行う。測定ピークＰ２が受け入れられた場合、プロセスは色計算ステップ１６６に進む（他の実施形態では、ステップ１６６において第２ピーク受け入れトーンを発生する）。測定ピークＰ２が受け入れられなかった場合、ステップ１５８において失敗トーンを発生し、システムは、オペレータが別の色／光学測定を開始するのを待つ。第２のピークが受け入れられたと仮定すると、ステップ１６６において色／光学計算を行う（例えば、図１のマイクロプロセッサ１０が、光センサ８等から出力されたデータを処理する等）。ステップ１６８において、色計算が適用可能な評価基準を満たすか否かについて判定を行う。色計算が受け入れられた場合、ステップ１７０において成功トーンを発生する。色計算が受け入れられなかった場合、ステップ１５８において失敗トーンを発生し、システムはオペレータが別の色／光学測定を開始するのを待つ。
本システムの特定の動作状態にしたがってオペレータに独特のオーディオ・トーンを提示することによって、オペレータのシステム使用を格段に簡単にすることができる。かかるオーディオ情報は、例えば、システムを思い通りに動作させた場合に、受け入れトーンは肯定的で励みになるフィードバックを与えるので、オペレータの満足度および熟練度を高めるのに役立つ。
次に、図１６ないし図１８を参照しながら、本発明の更に別の実施形態について説明する。これまでに説明した実施形態は、全体的に、測定対象物体に対するプローブの移動を基本とするものであった。かかる実施形態は多くの用途において大きな有用性を与えるが、ロボット、工業制御、自動製造等のようなある種の用途においては（物体および／またはプローブを互いに近接配置したり、物体の色／光学特性を検出したり、物体の進路を決めるため、例えば、検出された色／光学特性に基づいて分類し、更に工業的処理やパッケージ処理等を行うために）、測定対象物体の表面上に、保持したプローブ、即ち、ほぼ固定的に位置付けたプローブを用いて測定を行うことが望ましい場合がある（かかる実施形態の場合、位置決めされたプローブは、ある種の他の実施形態におけるようには扱うことができない）。
図１６は、このような更に別の実施形態を示す。この実施形態のプローブは、複数の周囲センサと、受光部３１２―３２０に結合された複数のカラー・センサとを含む。カラー・センサおよび関連する構成要素等は、前述の実施形態と同様に動作するように構築すればよい。例えば、光ファイバ・ケーブル等は、受光部３１２―３２０が受光する、光源３１０からの光をシャープ・カットオフ・フィルタまたはノッチ・フィルタに結合し、正確に規定された波長について、受けた光を測定する（例えば、図１、図３および図１１ないし図１４、ならびに関連する説明を参照のこと）。物体の色／光学特性は、複数のカラー・センサ測定値から判定することができ、これらには、三刺激計器の場合には、３つのかかるセンサ即ち８，１２，１５、あるいはより完全な帯域幅システムのためにはそれよりも多いカラー・センサを含むことができる（正確な数は、所望の色分解能などによって決定することができる）。
この実施形態では、比較的多数の周囲センサを用いる（例えば、本発明のある種の好適な実施形態において用いられる３つの周囲センサとは異なる）。図１６に示すように、周囲センサに結合された複数の受光部のトライアッド(triad)３１２―３２０を用い、好適な実施形態では、トライアッドとは、各々、光源３１０から等距離に配置した３本の光ファイバから成るもののことである。好適な実施形態では、光源３１０は、中央光源光ファイバである。周囲受光部／センサのトライアッドは、中央光源光ファイバ周囲の同心状センサ・リングとして構成することができる。図１６では、１０個のかかるトライアッド・リングが示されているが、他の実施形態では、所望の精度や動作範囲、およびコスト要因等に応じて、これよりも少ない数または多い数のトライアッド・リングを用いてもよい。
図１６に示すプローブは、ある範囲の高さ（即ち、測定対象物体からの距離）以内で動作することができる。前述の実施形態の場合と同様、かかる高さ特性は、主に、プローブの幾何学的形状および構成物質によって決定され、周囲センサの最小リングの間隔が最小高さを決定し、周囲センサの最大リンクの間隔が最大高さを決定する等となる。したがって、周囲センサ・リングの数や、中央光源光ファイバからのリング距離の範囲を変更することによって、種々の高さ範囲や精度等のプローブを構築することが可能となる。かかる実施形態は、同様の種類の物質を測定する場合等に特に適していることを注記しておく。
先に説明したように、複数の受光部／周囲センサのための受光エレメントは、Texas InstrumentsのTSL230光―周波数変換器のような個々のエレメントとすることができ、あるいはＣＣＤカメラにおいて見出される場合もあるもののような、矩形のアレイ・エレメントを用いて構築することもできる。他の実施形態では、他の広帯域光測定エレメントが使用される。かかる実施形態において用いられる周囲センサには（図１６の実施形態については３０のように）多数あるが、ＣＣＤカメラ型の検知エレメントのようなアレイが望ましい場合がある。尚、本発明のかかる実施形態には、周囲センサが測定する光の絶対強度レベルは、さほど重大でないことを注記しておく。かかる実施形態では、周囲光センサのトライアッド間の差は、光学測定を行うために利用すると有効である。
かかるプローブを用いる場合、測定対象物体の表面付近にこのプローブを保持／位置決めすることによって（即ち、特定のプローブの容認可能な高さの範囲内で）、光学測定を行うことができる。光源３１０に光を供給する光源をオンに切り替え、（周囲センサに結合された）受光部３１２―３２０によって受けられた反射光を測定する。トライアッド・センサのリングの光強度を比較する。通常、プローブが表面に対して垂直であり、表面が平面であれば、各トライアッドの３つのセンサの光強度はほぼ等しくなろう。プローブが表面に対して垂直でない場合、または表面が平面でない場合、１つのトライアッド内の３つのセンサの光強度は等しくない。したがって、プローブが測定対象表面等に対して垂直であるか否かについて判定することができる。また、周囲センサのトライアッドの測定値の分散（variance）を用いて、カラー・センサの光強度測定値を数学的に調節することによって、非垂直面を補償することも可能である。
センサのトライアッドを形成する３つのセンサは、中央光源３１０からの距離（半径）が異なるので、受光部３１２―３２０および周囲センサによって測定される光強度は変動することが予測される。いずれの所与のセンサのトライアッドについても、表面に近づくようにプローブを移動させると、受光強度は最大まで増大し、プローブを表面に近づくように移動させるに連れて、急激に低下する。既に説明した実施例の場合と同様に、強度は、プローブをピーク高さ未満に移動させると急激に低下し、不透明な物体に対しては、急激にゼロまたは殆どゼロに低下する。ピーク高さの値は、主に、光源３１０からの特定の受光部までの距離によって異なる。したがって、センサのトライアッドは、異なるピーク高さにおいてピークを得ることになる。センサのトライアッドが受ける光の値の変動を分析することによって、プローブの高さを決定することができる。この場合も、これは、同様の種類の物質を測定する場合に、特にあてはまる。先に論じたように、既に格納されているデータとの比較を利用して、かかる判定または評価等を行なうことも可能である。
本システムは、最初に中性的な背景（例えば、グレーの背景）に対して較正が行われ、較正値を不揮発性メモリ（例えば、図１のプロセッサ１０を参照）に格納する。いずれの所与の色または強度についても、受光部／周囲センサ（中央光源光ファイバからの距離には無関係）に対する強度は、通常、同様に変動するであろう。したがって、白い表面は周囲センサに対して最も高い強度を生じ、黒い壁は最も低い強度を生ずる。表面の色は、周囲センサの測定光強度に影響を与えるが、それらにほぼ同様に影響を与えるであろう。しかしながら、物体の表面からのプローブの高さは、センサのトライアッドに異なる影響を与える。プローブの最小高さ範囲では、最も小さいリング（光源光ファイバに最も近いもの）内のセンサのトライアッドは、それらの最大値またはその周囲にある。残りのトライアッドのリングは、それらの最大値よりも低い強度で、光を測定する。プローブを最小高さから上昇／位置決めするに連れて、最も小さいセンサ・リングの強度は低下し、次のセンサ・リングの強度が最大値まで増大し、次いで、プローブを更に上昇／位置決めすると、強度は低下する。第３のリング、第４のリング等についても同様である。したがって、トライアッドのリングによって測定される強度のパターンは、高さに依存する。かかる実施形態では、プローブのために、中性色表面を用い固定具内においてそれを較正することによって、このパターンの特性を測定し、不揮発性ＲＡＭの参照テーブル（等）に格納するとよい。ここでも、光の実際の強度は、かかる実施形態ではさほど重要ではないが、周囲センサのリング間の分散の度合いは重要である。
測定対象の表面からのプローブの高さの測定値(measure)を決定するために、周囲センサ（受光部３１２―３２０に結合されている）の強度を測定する。周囲センサの内側のリングから次のリングまでの光強度の分散等を分析し、参照テーブル内の値と比較することによって、プローブの高さを決定する。こうして表面に対して決定されたプローブの高さは、システム・プロセッサが用いて、カラー・センサによって測定された光強度を補償し、概ね高さとは無関係な、反射率の読み取り値を得る。前述の実施例の場合と同様、反射率の測定値は、測定対象物体の光学特性等を判定するために使用可能である。
先に述べたようなオーディオ・トーンは、かかる実施形態をハンドヘルド構成に用いる場合に、採用すると効果的であることを注記しておく。例えば、種々のパルス、周波数、および／または強度のオーディオ・トーンを用いて、計器が色測定のための容認可能範囲内に位置したとき、有効または無効の色測定が行われたとき等、計器の動作ステータスを示すことができる。通常、前述のようなオーディオ・トーンは、かかる別の実施形態との有効な使用ができるように適合化させることができる。
図１７は、本発明の更に別の実施形態を示す。この実施形態の好適な実施態様は、複数の受光部３２２（好適な実施形態では、３つの周囲受光部光ファイバから成る）によって包囲された、中央光源３１０（好適な実施態様では、中央光源光ファイバ）から成る。前述の実施形態と同様、３本の周囲受光部光ファイバは、各々、追加の光ファイバ内に接合し、光強度受光部／センサに到達させることができる。光強度受光部／センサは、前述の、Texas InstrumentsのTSL230光―周波数変換器によって実施すればよい。
各周囲受光部の１本のファイバをセンサに結合し、中性濃度フィルタを介する等として最大帯域幅（または実質的に同じ帯域幅）を測定し、周囲受光部のファイバの内他のものをセンサに結合し、光がシャープ・カット・オフまたはノッチ・フィルタを通過し、異なる周波数範囲におよぶ光（この場合も、先に記載した実施形態と同様）の光強度を測定する。このように、先に記載した実施形態と同様、色光センサおよび中性「周囲」センサがある。カラー・センサは、物体の色またはその他の光学特性を判定するために用い、周囲センサは、プローブが表面に対して垂直か否かを判定するために用い、および／または所定の角度範囲内で非垂直角度を補償するために用いる。
図１７の実施形態では、周囲センサ光ファイバの角度は、中央の光源光ファイバに対して機械的に変化させる。中央の光源光ファイバに対する周囲受光部／センサの角度を測定し、以下に述べるように利用する。機械的な機構の一例について、図１８を参照しながら説明する。その詳細は、光源に対して周囲受光部の所望の制御移動が得られる限り、重要ではない。
（特定の構成および構造等によって判定する）計器の有用な範囲内にプローブを保持し、色の測定を開始する。周囲受光部／センサの中央光源に対する角度は、中央の光源光ファイバに向かう点(pointing)に平行なところから変化させる。角度を変化させている間、周囲センサ（例えば、中性センサ）およびカラー・センサに対する光センサの強度を測定し、この光測定時におけるセンサの角度と共にセーブする。ある角度範囲にわたって、光強度を測定する。角度を大きくするに連れて、光強度は最大値まで増大し、角度を更に大きくすると減少に転じる。光値が最大となる角度を用いて、表面からのプローブの高さを判定する。ここに提供する教示に基づけば当業者には明白であろうが、適切な較正データにより、単純な幾何学的形状またはその他の解析(math)等を用いて、角度変化中に測定したデータに基づいて高さを計算することができる。次に、色／光学測定強度の補償、および／または色値の正規化等に、この高さの値を用いることができる。
図１８は、周囲センサの角度を調節し測定する機械的構成の実施形態の一例を示す。各周囲受光部／センサ３２２には、プローブ・フレーム３２８上に旋回アーム３２６が取り付けられている。旋回アーム３２６は、カム機構を形成するように、中央リング３３２に係合する。中央リング３３２は、旋回アーム３２６の一部を保持する溝を含み、カム機構を形成する。中央リング３３２は、直線アクチュエータ３２４および螺子切りスピンドル３３０によって、プローブ・フレーム３２８に対して垂直に移動することができる。直線アクチュエータ３２４に対する中央リング３３２の位置は、光源３１０に対する周囲受光部／センサ３２２の角度を決定する。直線アクチュエータ３２４の位置と１対１で対応するかかる角度位置データは、予め較正し、不揮発性メモリに格納しておき、後に、前述のような色／光学特性測定データを得る際に用いるとよい。
先に背景で述べたように、可変アパーチャ受光部を利用し、例えば、表面の光沢度を測定する種々の追加的な好適な実施形態について、図２０Ａないし図２２Ｂを参照しながらこれより説明する。前述の電子回路および分光光度計／反射計としての様々な実施態様が、かかる好適な実施形態に適用可能である。
図２０Ａを参照し、可変アパーチャ受光部を利用したプローブについてこれより説明する。図２０Ａにおいて、光源Ａ４５２は、小さい開口数ＮＡ、例えば、０．２５の光源光ファイバを表わす。受光部Ｂ４５４は、広い開口数、例えば、０．５の受光部光ファイバを表わす。受光部Ｃ４５６は、光源Ａと開口数は同じであるがコア径が小さい受光部光ファイバを表わす。受光部Ｄ４５８は、広い開口数、例えば、０．５の受光部光ファイバを表わす。
受光部（複数の受光部）Ｂ４５４の１つ以上（ある種の実施形態では、１つの受光部Ｂを利用する場合もあり、一方別の実施形態では複数の受光部Ｂを利用し、かかる受光部Ｂを６つまたは８つというように、光源Ａ周囲に円形に配列する）が分光計に達している（例えば、かかる好適な実施形態に適した構成の図１、図３、図１１、図１２を参照のこと）。受光部（複数の受光部）Ｂ４５４は、反射光のスペクトルを測定するために用いられる。受光部Ｃ４５６およびＤ４５８は、広帯域（波長）受光部に達し、受光部（複数の受光部）Ｂによって行なった測定を補正するために用いられる。受光部Ｃ４５６およびＤ４５８は、プローブが表面に対して垂直であるか否か補正しかつ検出すると共に、鏡面度対拡散反射（鏡面反射係数等）の測定／評価を行い、更に物質／物体の半透明度を測定する。
図２０Ｂは、図２０Ａの実施形態の改良を示す。ここでは、受光部Ｂ４５４を、密接に詰め込んだ細い光ファイバ４５４Ａの円筒状配列で置き換え、図示のように光源４５２を全体的に包囲する。受光部Ｂ４５４Ａの円筒状配列を形成するファイバは、小さなファイバ群に分割し、例えば、図１に示した光センサ８に至る。ファイバ群の数は、光センサの数で決定される。あるいは、受光部ファイバＢ４５４Ａの束全体を、従来の設計の回折格子分光計のような、分光計に対応させる。前述のように、受光部Ｃ４５６およびＤ４５８は、その周囲に配することもできる。ある種の実施形態では、受光部ＣおよびＤは、密接に詰め込んだ細い光ファイバの束で構成することも可能である。他の実施形態では、それらは単一の光ファイバから成る。
本発明の実施形態による半透明性の評価については既に説明した。しかしながら、好適な実施形態によれば、物質／物体の表面からの反射光（即ちピーク強度）、ならびにそれに関連するスペクトルおよび物質／物体の表面と接触しているときの光のスペクトルの双方を測定／評価可能であることを注記しておく。２つのスペクトルは、典型的に、振幅が異なり（典型的に、表面上の方が、表面に接触している場合よりも強度または輝度(intensity or luminance)が高い）、ある物質のスペクトルでは、クロミナンス（即ち、スペクトルの構造）も同様に異なる。
かかる実施形態によるプローブでピーク強度を測定すると、通常表面からの反射光の測定、および表面を貫通し、物質内部でばらばらに散乱し(bulk scatter)、再度物質から現れる（例えば、半透明性の結果）光の測定双方が行われる。プローブが表面に接触している場合（例えば、臨界高さ未満）、受光部光ファイバは表面からの反射光を検出することができず、したがって受光部によって検出される光は全て物質の半透明性の結果であり、そのスペクトルは物質のバルク内部における散乱の結果である。「反射スペクトル」および「バルク・スペクトル」は、通常、物質が異なれば異なり、かかる反射スペクトルおよびバルク・スペクトルの評価によって、材料、表面、物体、歯等を測定、評価、および／または特性付けするために追加のパラメータが得られ、その上半透明な物質およびその他の種類の物質を区別するための新たなメカニズムが得られる。
本発明の好適な実施形態によれば、光沢度（即ち、鏡面反射）の評価および測定を行なうことができる。その理解のために、図２１ないし図２２Ｂを参照する。
図２１を参照し、図示のように鏡面に対して垂直に配置した、２本の光ファイバ、即ち、光源光ファイバ４６０および受光部光ファイバ４６２について検討する。純粋な鏡面から反射する光は、円すい形で反射する。受光部光ファイバの開口数が光源光ファイバの開口数以上である限り、表面から反射し、受光部光ファイバに衝突する光は全て、受光部光ファイバの受容円錐内部にあり、検出される。一般に、受光部光ファイバの開口数は、光源光ファイバの開口数以上である限り、問題にならない。光ファイバ対が表面からかなり離れている場合、受光部光ファイバ４６２は完全に照明される。結論として、対が表面４６４に近づくに連れ、受光部光ファイバ４６２は部分的にしか照明されなくなる。究極的に、臨界高さｈc以下の高さでは、受光部光ファイバ４６２は照明されない。通常、純粋な鏡面のような場合、臨界高さは、光源光ファイバ４６０の開口数の関数であり、受光部の開口数の関数ではないことを注記しておく。
次に図２２Ａおよび図２２Ｂを参照し、図２２Ａに示すように、拡散面４６４Ａに垂直な２本の光ファイバ（光源４６０および受光部４６２）について検討する（図２２Ｂは、混成鏡面／拡散面４６４Ｂおよび交差領域４６６Ｂを示す）。光源光ファイバ４６０は、表面４６４Ａ上の円形領域４６６Ａを照明し、光は表面４６４Ａから反射される。この光は、しかしながら、光が円錐の形状でのみ反射する鏡面とは異なり、全ての角度で反射する。通常、受光部光ファイバ４６２は常に全ての高さで照明されるが、その受入角度以下の角度でその表面に衝突する光を伝搬し、検出することができるだけである。したがって、光ファイバ対が臨界高さより低い場合、受光部光ファイバ４６２は光を検出しない。高さが臨界高さより高くなると、受光部光ファイバ４６２は、図示のように光源および受光部円錐の交差領域から発する光を検出し始める。光は、照明円の他の領域からも受光部光ファイバ４６２に入射する可能性があるが、受光部ファイバの受入角度よりも大きいので、検出されない。
受光部光ファイバ４６２の開口数が大きくなるに連れて、受光部光ファイバ４６２によって検出される強度は、受光強度が受光部光ファイバの開口数の関数ではない鏡面とは異なり、拡散面に対して増大する。したがって、異なる開口数を有する複数の受光部光ファイバを用いて構成したプローブでは、本発明の好適な実施形態におけると同様、表面が高光沢面である場合、双方の受光部（例えば、図２０Ａの受光部４５６および４５８を参照のこと）は、同じ光強度を測定する。表面が拡散性になるに連れて、しかしながら、受光部Ｄ４５８の強度は受光部Ｃ４５６よりも大きくなる。受光部からの２つの強度の比率Ｃ／Ｄは、物質の鏡面反射度の尺度であり、即ち、これと相関があり、表面の「光沢度」を定量化するために直接または間接的に用いることができる。加えて、通常、受光部Ｃ４５６（好ましくは、光源光ファイバＡ４５２と同じ開口数を有する）は、主に鏡面反射成分を測定することを注記しておく。一方、受光部Ｄ４５８は、通常拡散および鏡面成分双方を測定する。当業者には認められようが、異なる開口数／可変開口数の受光部を利用するかかるプローブおよび方法は、この中のどこかに記載するような追加の光学特性判定を用いてもまたは用いなくても、歯やその他の物体のような材質を更に定量化するために利用することができるという利点がある。
これより図２３Ａを参照し、追加の好適な実施形態について説明する。図２３Ａの実施形態は、非常に狭い開口数の非平行光ファイバ受光部４７２、および非常に狭い開口数の光源光ファイバ４７０を利用するか、あるいは他の光学エレメントを利用してコリメートまたはほぼコリメートな光源および受光エレメントを作成する。中央の光源光ファイバ４７０は、狭い開口数の光ファイバであり、図示のように受光部光ファイバ４７２（好ましくは、かかる実施形態では、このような受光部を２つ以上利用する）も狭い光ファイバである。他の受光部光ファイバは、広い開口数の光ファイバでもよい（例えば、図２０Ａの受光部４５８のような受光部）。図示のように、かかる実施形態の受光部光ファイバ４７２は、光源光ファイバ４７０に対してある角度をなし、受光部光ファイバの開口数は、プローブを表面に向けて下降させて受光強度が最大となったときに、受光部光ファイバの受容円錐が、光源光ファイバによって照明される円形領域全体と交差するように、または少なくとも光源によって照明される領域の大部分と交差するように選択する。したがって、受光部は通常光源光ファイバによって照明される同じ中央スポットを測定する。
かかる実施形態の特定の態様の１つに、鏡面除外プローブ／測定技法(specular excluded probe/measurement technique)が得られることがあげられる。通常、鏡面反射光は、受光部光ファイバには入射せず、したがって、プローブは拡散光にのみ感応する。かかる実施形態は、反射光を多帯域分光計(multi-band spectrometer)（前述のような）、または帯域が更に広いセンサに結合するために使用可能である。加えて、かかる実施形態は、鏡面を含むセンサおよび鏡面を除外するセンサ双方を利用するプローブ／測定技法の一部としても使用可能である。かかる構成を利用した例示の構成を図２３Ｂに示す。図２３Ｂにおいて、エレメント４７０は、光源光ファイバで構成することができ、あるいは代わりに図２０Ａまたは図２０Ｂに断面図で示したエレメントの全てまたは一部で構成することも可能である。更にその代わりとして、非平行受光部光ファイバ４７２は、その長さに沿って平行とするが、その端部に加工、研磨またはその他の仕上げあるいは屈曲を施した面を有し、鏡面反射光の全て、あるいは殆どの部分または大部分を除外することも可能である。他の実施形態では、受光部光ファイバ４７２は、鏡面反射光を除外する光学エレメントを含むことも可能である。本発明の実施形態の追加の態様として、これらのカメラとの一体化の完成度を高められることが挙げられる。これより図２４ないし図２６を参照し、かかる実施形態のいくつかを例示の目的で説明する。かかる実施形態では、前述のような光学特性測定の実施態様は、カメラと更に密接に一体化することができ、共通シャーシ４８０、共通コード即ちケーブル４８２、および共通プローブ４８４を含む。かかる好適な実施形態の代替案の１つでは、図２５に示すように、カメラの光学部品４８６を、プローブ４８４の端部付近にある分光計の光学部品４８８に隣接して配置する。分光計の光学部品４８８は、例えば、図１ないし３、図９ないし１０Ｂ、図１１〜１２、図１６〜１７、図２０Ａ、図２０Ｂならびに図２３Ａおよび図２３Ｂに示したような、この中のどこかで説明した色およびその他の光学特性測定実施形態のエレメントを内蔵することができる。他の実施形態では、カメラの光学部品およびランプ／光源４９０は、プローブ４８４端部付近に配置し、その回りに複数の受光部４９２を配置する。カメラの光学部品およびランプ／光源４９０は、カメラの検知エレメントに照明および光学部品を備え、この中のどこかに記載した技術にしたがって色／光学特性を作成するための光源を備える。受光部４９２は、例示の目的のために、単一のリングとして示すが、この中のどこかに記載しているような他の実施形態の受光部（多数のリングおよび群等を含む先に掲げた実施形態のけるように）では、アナログ的に利用することも可能である。かかるカメラの光学部品の原理は、総じてボアスコープまたは内視鏡分野では公知である。
かかる実施形態に関して、１つの計器が、カメラの使用および歯の光学的性質を定量化するための双方に利用することができる。カメラは、患者に１本の歯、複数の歯またはその他の歯の健康状態の概略的な状態を示すため、あるいはサイズや美観のような歯または歯の構造のある種の性質を測定するため、または前述のように色のポスチャライゼーション(postureization)のために利用することができる。したがって、光学特性測定のための実施態様は、ここで既に説明したような歯の光学的性質を測定することができる。図２５および図２６に示すようなある種の実施形態では、従来のように使用するために、カメラ上に保護シールドを被せ、保護シールドを取り外し、特殊化したチップを分光計の光学部品４８８内またはカメラの光学部品ならびにランプ／光源４９０および受光部４９２（かかるチップについては、適切な固着機構と共に、図２３Ａないし図２３Ｃと関連付けて論じたようなものとすることができる）上に挿入して汚染制御を行い、これによって光学的性質の測定および定量化を簡便化する。他の実施形態ではカメラ部分および分光計部分双方を覆う、共通の保護シールド（好ましくは、カメラ用として知られているような、薄く密着し、光透過性があるもの）を利用する。
半透明性および光沢を測定または評価することができる前述の実施形態に基づいて、本発明の更に別の態様について説明する。既に論じたように、光が物体に当たると、表面から反射する場合、物質のバルクによって吸収される場合、あるいはは物質内に貫入し、表面から射出されるかまたは物質を完全に通り抜ける（即ち、半透明性の結果）場合が考えられる。表面から反射する光は、鏡面的に反射する（即ち、反射角度が入射角度に等しい）か、または拡散的に反射する（即ち、光はあらゆる角度で反射し得る）場合がある。光が鏡面から反射する場合、反射光は集中する傾向がある。拡散面から反射する場合、光は中実の半円(solid hemisphere)全体に分散する傾向がある（表面は平面であると仮定する）（例えば、図２１ないし図２２Ｂを参照）。したがって、かかる実施形態の受光部が、拡散的に反射する光のみを測定する場合、光のスペクトル（統合スペクトル(integrated spectrum)またはグレー・スケール）は、鏡面反射光および拡散光双方を測定する計器より小さくなる。鏡面成分および拡散成分双方を測定する計器は、「鏡面含有」計器(specular included instrument)と呼ぶ場合もあり、一方拡散成分のみを測定する計器は、「鏡面除外」と呼ぶ場合もある。
前述の実施形態のように、光沢度または鏡面反射光の拡散反射光に対する比率を区別し定量化することができる計器は、本発明にしたがって利用し、測定色スペクトルを、純粋拡散面即ちランベルト面のような、同じ色の標準化面のそれに対して補正および／または正規化することができる。当業者には明らかであろうが、これを行なうには、例えば、光沢測定を利用して純粋拡散物質の輝度に対する色スペクトルの値即ち輝度（スペクトルの全体的な強度）を減少させればよい。
一方、半透明の物質は、当該物質の表面からの反射光の色スペクトル強度を低下させる傾向がある。したがって、半透明物質の色を測定する場合、測定したスペクトルは、不透明で同様の色を有する物質よりも暗く見える場合がある。前述のように半透明性を測定することにより、かかる半透明性測定値を用いて、測定した色スペクトルを、不透明で同様の色を有する物質のそれに対して調節することができる。本発明によれば、測定した色スペクトルは、かかる光沢および／または半透明性データに基づいて調節、補正または正規化することができ、その結果得られたデータは、例えば、この中のどこかで記載したように、プロテーゼの調合またはその他の工業的利用のために利用されることは理解されよう。
次に、プロテーゼ調合に対する光学的性質の出力に関する本発明の追加の態様について説明する。色を定量化する方法は多数あり、ＣＩＥＬａｂ表記(CIELab notation)、Ｍｕｎｓｅｌｌ表記(Munsell notation)、シェード・タブ値(shade tab value)等が含まれる。典型的に、歯の色は、シェード・タブ値の形態で歯科医によって研究所（実験室）に報告される。シェード・タブの評価法(nomenclature)またはその値は、特定の標準化したシェード・ガイドに割り当てられる任意の数値である。歯科医は、典型的に、シェード・タブ供給業者からシェード・タブを入手する。研究所は、このシェード・タブ値をポーセレンの配合に利用し、義歯の最終的な色を得る。
しかしながら、残念なことに、シェード・タブの色には分散があり、更に義歯のセラミックスまたはその他の物質のバッチ(batch)の色にも分散がある。したがって、歯の最終的な色を得るためのセラミックス／材料配合には分散があり、その結果隣接する歯とは一致しない義歯ができてしまう結果となる。
本発明によれば、かかる問題には以下のように対処することができる。歯科研究所は、新たな１回分のセラミック材料を受け取り、所望の色、半透明性および／または光沢範囲（複数の範囲）をカバーする試験用物質塊(batch)を生産する。次に、試験物質を測定し、値を試験物質に割り当てることができる。次いで、これらの値、ならびに関連する色、半透明性、光沢およびその他の光学的性質を、（モデムを介したダウンロードのように）研究所が用いる歯科用計器へのも含む、セーブおよび格納を行なうことができる。その後、歯科医が患者の歯の光学的性質を測定するとき、その光学的性質に対する出力値を、研究所がプロテーゼを調合するために利用する物質に直接関係付けた式、より望ましくは相関付けた式で、研究所に報告することができる。加えて、かかる機能性は、「仮想シェード・ガイド」、または特定用途のために計器をカスタム化即ち構成するために、歯のデータの使用を可能にすることができる。
本発明の更に別の態様について、本発明のコードレスの実施形態を示す図２７および図２８を参照しながら説明する。コードレス・ユニット５００は、筐体を含み、その上に、色／光学的性質データまたはステータスあるいはその他の情報を表示するためのディスプレイ５０２が取り付けられている。キーパッド５０４が、種々のコマンドおよび情報を入力するために備えられている。また、ユニット５００は、測定等を開始するための制御スイッチ５１０を、（前述のような）音声フィードバックのためのスピーカ５１２、インテリジェント充電スタンド（以下で説明する）および／またはホスト・コンピュータ等へのワイヤレス・データ送信のためのワイヤレス赤外線シリアル・トランシーバ、および／またはバッテリ再充電ポート５２０と共に備えることも可能である。ユニット５００は、プローブ５０６を含み、これは、好適な実施形態では、（前述のように）着脱自在のチップ５０８を含むことができる。勿論、ユニット５００は、ここで既に説明した種々の実施形態のエレメントを含むことも可能である。
充電スタンド５２６は、再充電している間ユニット５００を保持するためのソケット／ホルダ５３２を含むことが好ましく、更に有線シリアル・ポート５１８、ワイヤレスＩＲシリアル・トランシーバ５３０、ホスト・コンピュータ（前述のような）への接続のための有線シリアル・ポート５２４（ＲＳ２３２ポート等）、外部電力をシステムに供給するための電力ケーブル５２２、ならびにバッテリの充電状態および／またはその他のステータス情報等を示すランプ５２８を含むことが好ましい。
システム・バッテリは、従来のように充電スタンド５２６において充電することができる。充電インディケータ（ランプ５２８等）を用いて、内部バッテリの状態指示を与えることができる。ユニット５００は、スタンドから取り外すことができ、歯科医が光学測定を行なうことができる。歯科医が選択すれば、光学測定値をディスプレイ５０２から読み取ることができ、歯科医が処方箋を手書きで作ったり、その他の方法で準備することができる。あるいは、ワイヤレスＩＲトランシーバ５１４（またはＲＦのようなその他のコードレス・システム）によって、充電スタンド５２６のトランシーバ５３０のようなワイヤレス・トランシーバに、色／光学特性データを送信することも可能である。この場合、処方箋は、色／光学特性データに基づいて、電子的に作成することも可能である。電子処方箋は、シリアル・ポート５２４からコンピュータに、あるいはモデムまたはその他の通信チャネルを通じて、歯科医の研究所に送ることができる。
図２９を参照しながら、本発明の追加の態様について論ずることにする。
周知のように、内部が全体的に不透明な層、および外部が全体的に半透明な層からなるある種の物体がある。既に論じたように、ある物体に入射する光は、通常、物体によって３種類の影響を受ける。第１に、光は物体の外表面から、拡散的または鏡面的に反射する可能性がある。第２に、光は内部で散乱し、物体の構造によって吸収される可能性がある。第３に、光は内部で散乱し、物体の構造を透過し、物体の表面から再度現出する可能性がある。従来、物体の表面から反射する光が鏡面的であるか拡散的であるかを区別することは、物体に貫入し、内部で散乱し、物体から再度現出した光によってでは、不可能ではないにしても、困難であった。しかしながら、本発明によれば、物体の表面から反射する光と、内部で散乱し物体から再度現出する光との間で差別化を行なうことができる。
前述のように、１対の光ファイバが物体の表面を照明し、表面または物体からの反射光を受光するように作用する場合、臨界高さｈcが生ずる。物体の表面からのプローブの距離が臨界高さｈcよりも大きい場合、受光部光ファイバは、物体の表面からの反射光、および内部で散乱し物体から再度現出した光双方を受光する。プローブの距離が臨界高さｈc未満となると、物体の表面から反射する光は、もはや受光部光ファイバによって受光することはできない。通常、受光部光ファイバが受け入れることができる光は、外側層５４０を貫通し物体から再度現出する光のみである。
ある物体内部における内部光反射および吸収の殆どは、通常外側層５４０を内側層５４４から分離する接合部５４２で起こる。本発明によれば、接合部５４２の色のような、表面下構造(sub-surface structure)のような光学的性質を定量化する装置および方法を提供することができ、以前に取り込んだデータとの比較によりかかる構造の評価または予測を簡便化することも、しないことも可能である。
前述のような光ファイバ・プローブの臨界高さｈcは、ファイバの開口数およびファイバ間分離の関数である。したがって、プローブの臨界高さｈcは、特定の用途に基づいて最適化することができる。加えて、多数の受光部光ファイバ・リング、および／または多数の開口数受光部光ファイバを有するプローブを作成することにより、外側層の厚さ、表面光沢等の評価等を簡便化することも可能である。
多数の受光部光ファイバ・リングを利用することにより、外側層の厚さの近似測定を、物体表面上のピーク強度と物体表面に接触しての測定との比較に基づいて行なうことができる。多数の臨界高さを有するプローブは、物体表面と接触している場合、異なる強度レベルを与えるので、これによって、内部散乱の度合いおよび外層の厚さ、または接触点における物体の形態(morphology)を示すデータを生成することができる。
したがって、本発明によれば、物体の接合部５４２のような表面下構造の色またはその他の光学特性を、物体表面の光学特性とは総じて無関係に、評価または定量化することができ、しかも非破壊的にこれを行なうことができ、その上外側層５４０の厚さも評価できるようにこれを行なうことができる。
更に、ここに開示した多数の発明の概念および技法の広い利用可能性および多様性を強調するために、この中の好適な実施形態において用いた光ファイバに加えて、他の光学的合焦および集光エレメントを用いて、物体の光学特性を測定するために本装置および方法論が利用可能であることは、本明細書の開示を検討すれば当業者には明白であろう。例えば、レンズまたはミラーあるいはその他の光学エレメントを用いて、光源エレメントや受光エレメントを作成することも可能である。特定例として、本発明の大規模な実施形態では、フラッシュライトまたはその他の一般的に入手可能な光源を光源エレメントとして利用し、受光部を有する一般的な望遠鏡を、受光エレメントとして利用することができる。本明細書に提示した教示を利用するかかる改良は、明らかに本発明の範囲に入るものである。
当業者には明らかであろうが、本発明にしたがって、ある種の改良も行うことができる。例えば、ある種の好適な実施形態では中央光源光ファイバを用いたが、（複数の光源ファイバ等のような）他の光源構成を用いてもよい。加えて、本発明の種々の態様では参照テーブルを用いたが、多項式型の計算も同様に用いることができる。したがって、本発明の種々の好適な実施形態について例示の目的のために開示したが、請求の範囲に開示する本発明の範囲および精神から逸脱することなく、様々な変更、追加および／または交換が可能であることを当業者は認めよう。更に、種々の実施形態においては、主に可視光スペクトル内の光を利用しているが、本発明はそのような可視光スペクトルの全体又は一部に必ずしも限定されず、そのような可視光スペクトルに入らない放射エネルギを含むことが可能である。
図５Ａを参照すると、光源光ファイバおよび受光部光ファイバの対を移動させて物体に接触させ、更に物体から遠ざけるように移動した場合の、単一の受光ファイバによって測定した強度が、時間の関数として示されている。図５Ａは、強度を時間の関数として示すが、当業者には明白なように、受光ファイバによって検出される強度は、高さの関数として測定しプロットすることも可能である。表面に垂直な（または表面に対して少なくともある固定角度とした）、光源光ファイバおよび受光部光ファイバから成る所与の光ファイバ対は、ある強度対高さ関係を示す。この関係は、概略的に光沢、色および半透明性が同じ物質では一定である。ある種の光源および受光部光ファイバ対に対する数学的な強度対高さ関係を計算または測定し、参照テーブルの値としてまたは多項式としてあるいはその他の数学的関係として格納することができる。ここで注記すべき重要なことは、測定対象物体の光沢、半透明性および色の関数である強度ピークがあることである。同様の物質に対して、所与の高さにおける強度値は、色によって変化するが、形状対高さ曲線の形状は総じて色には無関係である。したがって、当業者には明白であろうが、本発明は強度測定値から高さを判定する近接センサとしても機能することができる。ピーク強度を検出するまで計器を物体に向かって移動させることによって、計器を較正する。計器が物体に向かって移動する間、光の強度を素早く測定し、図１に示すＲＡＭ１０のようなメモリにセーブする。測定したピーク強度（ファイバ対の強度対高さ関係を正規化するために利用する）の値から、近接センサを較正することができる。その後、本発明は、物体に接触することなく、光ファイバ対の物体の表面からの高さを測定するために利用することができる。
本発明は、広い範囲の産業活動において、用途を見出すことができる。本発明のある種の用途は、歯の光学的性質を測定すること、測定値を患者データベースの一部として利用すること、および測定値を義歯の調合に利用することを含み、なおもこれらに限定される訳ではない。
本発明の他の用途は、皮膚科において、皮膚の色やその他の表面組織を含む光学的性質を定量化し、測定値を患者のデータベースの一部としてセーブし、ある時間期間にわたって行なった測定を診断の目的に利用することにある。
本発明の更に別の用途は、食品製造業界にあり、製造プロセスにおいて変質したある種の食品の色およびその他の光学的性質を、開示した本発明によって測定および監視し、かかる食品がある種の容認基準を満たすか否かについて判定するために利用したり、測定値を制御およびフィードバック・プロセスの一部として利用することにより、受け入れられるかあるいは破棄されるまで、食品を更に処理する。同様に、野菜または果物等のための自動食品加工では、測定を行い、熟成度のような野菜または果物の状態の評価または予測を行なうことができる。
本発明の他の用途は、制御プロセスの一部として、新たに塗装した物体の色および光学的性質を測定することにある。例えば、物体にペンキを塗装し、次いで物体を測定し、恐らくは、適切な量または種類のペンキが塗布されたか否かについて判定したり、所望の表面状態に対応する測定値が得られるまで、プロセスを繰り返す等も可能である。
本発明の更に他の用途は、ある時間期間にわたって新たに塗装した物体の光学的性質を測定し、ペンキが硬化した即ち乾いたか否か確認することにある。同様に、かかる物体を測定し、一層最適な物体または望ましい物体を得るためには、追加の光沢被膜、表面組織係数(surface texture factor)または蛍光係数等を追加すべきか否か判定を行なうことも可能である。
本発明の更に他の用途は、工業的またはその他の制御システムにあり、品目をカラー・コード化するか、あるいは当該品目を特定する色または光沢または半透明性または光学的性質の組み合わせを有し、開示した発明を利用してその光学的性質を測定し、それらの光学的性質にしたがってソートする。概して、本発明は、工業プロセス・フローにおいて物体の光学的性質を測定し、かかる測定値を予め記憶されているデータと比較し、当該工業プロセスにおいて物体のソート、類別を行なったり、物体の移動方向を制御することができる。
本発明の更に他の用途は、カラー・コード化または光沢被膜または半透明タグまたはステッカを物体上に貼り付け、工業プロセスにおける在庫制御または送出制御(routing control)、あるいは物体のその他の種類の識別に供することにある。
本発明の更に他の用途は、印刷プロセスの一部において、素材に印刷するインキまたは染料の色あるいははその他の光学的性質を測定および制御することにある。かかる実施形態では、ここに記載したような実施態様を印刷機または印刷機器に一体化したり、あるいは別個の実施態様として用いることができる。
本発明の更に他の用途は、写真プロセスの一部として、当該写真プロセスの光学的性質を測定、監視および制御することにある。かかる実施形態では、ここに記載したような実施態様をカメラまたはその他の写真器材に一体化したり、あるいは別個の実施態様として用いることができる。
本発明の更に他の用途は、物体に接触することなく、物体の表面までの距離を測定することにある。
本発明は、被膜または物質を物体に追加または除去する工業プロセスにおいて用いることも可能である。物体を測定し、被膜または物質を追加または除去し、物体を再度測定し、所望の物体またはその他の容認基準を満たすまで、プロセスを繰り返す。かかるプロセスでは、予め記憶してあるデータとの比較を用いて、所望の物体が得られたか否か、または容認基準を満たしたか否か等を評価することができる。
更に他の用途では、美術作品、自動車またはその他の物体のように、その全てまたは一部を塗る必要がある塗装物(painting)またはその他の塗装物体(painted object)の復元において、塗布するペンキがある既存のペンキまたはその他の基準と一致するように、本発明を利用する。本発明は、塗布するペンキが既存のペンキと一致するか否か等の特徴化に用いることも可能である。かかるプロセスでは、予め記憶してあるデータとの比較を用いて、所望のペンキとの一致が得られたか等の評価を下すことができる。
概して言えば、本発明は、あらゆる工業プロセスにおいて、物体または物質の表面および／または下地表面の光学特性を測定し、恐らくは前述のように予め記憶してあるデータとの比較等を伴い、かかる測定に基づいてかかる物体または物質の状態またはステータスの評価または予測を行う場合に、用途を見出すことができる。加えて、そしてここに開示した多数の発明の概念および技法の広い利用可能性および多様性を強調するために、この中の好適な実施形態において用いた光ファイバに加えて、他の光学的合焦および集光エレメントを用いて、物体の光学特性を測定するために本装置および方法論が利用可能であることは、本明細書の開示を検討すれば、当業者には明白であろう。例えば、レンズまたはミラーあるいはそのほかの光学エレメントを用いて、光源エレメントや受光エレメントを作成することも可能である。特定例として、本発明の大規模な実施形態では、フラッシュライトまたはその他の一般的に入手可能な光源を光源エレメントとして利用し、受光部を有する一般的な望遠鏡を、受光エレメントとして利用することができる。この中に提示した教示を利用するかかる改良は、明らかに本発明の範囲に入るものである。
前述の実施形態、特徴、用途および使用に加えて、本発明によるその他の実施形態および改良についてこれより説明する。これまでの説明の場合と同様、以降の説明は、いずれの特定の理論にも拘束される訳ではなく、例示の目的のために行なう説明である。
光の強度を測定し定量化するためには、例えば、フォトダイオード、電荷結合素子、シリコン光検出器、光増倍管等を含む種々のデバイスが使用可能である。ある種の用途では、可視光帯域全体というような広い光周波数範囲にわたって光の強度を測定することが望ましい場合がある。他の用途では、分光分析の用途におけるように、狭い帯域での光の強度を測定することが望ましい場合もある。更に他の用途では、写真用露出計(photographic light meter)におけるように、高い光の強度を測定することが望ましい場合もある。更にまた別の用途では、抜粋分光計(abridged spectrometer)におけるように、低い光の強度を測定することが望ましい場合もある。典型的に、低い光の強度を測定する場合、１秒程度以上の長いサンプリング期間が要求される。
本発明の別の態様によれば、多数の光入力を迅速に測定するために使用可能な方法および装置を開示する。かかる実施形態は、Texas Instruments, Inc.（テキサス・インスツルメント社）が製造するＴＳＬ２３０のようなフォトダイオード・アレイや、Altera Corporation（アルテラ社）またはXilinx, Inc.（ザイリンクス社）が製造するゲート・アレイを利用することが好ましい。ある種の用途では、かかる実施形態を利用して広い帯域の可視光および赤外線光を測定することができる。他の用途では、かかる実施形態は、抜粋分光計として利用することができ、その場合各フォトダイオード・アレイは、光センサの上に配置された干渉フィルタのようなノッチ・フィルタを有する。
ＴＳＬ２３０は、１００個のシリコン・フォトダイオードから成り、正方形の１０ｘ１０アレイに配列されている。１００個のフォトダイオードは、積分器への入力として機能し、アレイに入射する光の強度に比例する周波数の出力信号を生成する。ＴＳＬ２３０は、スケール入力および感度入力を有し、感度およびスケールを各々１００倍、１０4の正味範囲で変化させることができる。出力周波数は、最大である約３００ｋＨｚ（センサが飽和する）からＨｚ未満までの範囲で変化することができる。したがって、このセンサは、当該センサの感度および／またはスケールを変えることによって、大きさが７桁の範囲に渡る光入力を検出することができ、所与の設定値に対して、５桁の大きさの範囲の光を検出することができる。
かかる実施形態の分光分析用途では、各センサには干渉フィルタのような光学フィルタが取り付けられる。当技術分野では周知であるが、干渉フィルタは、高い帯域外除去および高い帯域内透過特性を有し、非常に狭い帯域通過特性を有するように作成することができる。一例として、干渉フィルタは、２０ナノメートル以下の帯域通過範囲を有するように作成することができる。本発明のある種の態様によれば、ＴＳＬ２３０（または同様の）センサおよび干渉フィルタによって、物体の色の測定のような反射または透過分光写真の用途に適した抜粋型分光計を作成することができる。色判定用途では、「ライン」スペクトルを検出する必要はないが、高いグレー・スケール分解能を有すること、例えば、１対１０００以上に光強度を分解可能なことが望ましい場合が多い。
物質および物体の光学的性質を測定する計器および方法については既に述べた。かかる計器は、プローブおよび抜粋分光計で構成することができる。プローブは、物質または物体の表面に接触するまで、あるいはその付近まで移動させることができ（プローブまたは物質／物体の移動等によって）、プローブを表面に向かって移動させながら、プローブが受光する光のスペクトルを分析する。プローブは固定されていないので、連続的に多数回の測定を行なうことが好ましく、プローブを物体近くで移動させつつ、スペクトルを動的に捕獲し、および／または分析する。
ノッチ即ち干渉フィルタの帯域幅を狭めることに起因する１つの難題は、かかる減縮が各センサに入射する光の強度を低下させることである。したがって、低い光レベルを測定するためには、長いサンプリング時間が典型的に必要となる。ＴＳＬ２３０センサの場合、光レベルが低下するに連れて、デバイスの出力周波数が低下する。したがって、ノッチ・フィルタおよびＴＳＬ２３０を用いて作成した抜粋分光計によって毎秒２００回のサンプリングを行なうことが望ましい場合、ＴＳＬ２３０の出力を少なくとも２００Ｈｚのレートで発振させるのに十分な光が必要となる。センサの最大範囲が約３００ｋＨｚであるので、このセンサの最大ダイナミック・レンジは、（３００ｋＨｚ）／（２００Ｈｚ）即ち、おおよそ１．５ｘ１０3に減少する。光入力が低いと、ダイナミック・レンジは一層低下する。
図３０は、本発明の別の実施形態による、抜粋可視光範囲分光計を示す。この実施形態は、ＴＳＬ２３０センサ６１６、好ましくは７００ナノメートル以上の波長のＩＲ光を反射するホット・ミラーである（図３０にはわかるように示されていない）、光源即ちランプ６０４、１つ以上の光源（光路６０８によって示す）から成り光を物体６０６に与える光ファイバ・ケーブル・アセンブリ、および物体６０６から光を受光する１つ以上の受光部（光路６１８によって示す）、Altera FLEX 10K30TM(Altera Corporation（アルテラ社）の商標と考えられる）のようなゲート・アレイ６０２を利用し、コンピュータ６００に結合され、バス６２０を通じてセンサ６１６からの信号入力を受信する。好適な実施形態の１つでは、１５個までまたはそれ以上のＴＳＬ２３０センサを利用する。各ＴＳＬ２３０センサ６１６は、当該センサの上に干渉フィルタ６１４が配置され、各フィルタは２０ナノメートルの公称帯域幅（または個々の用途に適したその他の帯域幅）を有することが好ましい。また、センサ６１６は、光源６０４から直接、好ましくはＩＲフィルタ処理の後に、少量の制御された光（光路６１０）を受光することが好ましい。センサ６１６への光源入力は、センサ６１６をバイアスし、センサ６１６にフィルタ６１４から光が入力されない場合に、少なくとも２００Ｈｚの出力を生成するように機能する。したがって、センサ６１６は、システムのサンプリング周波数以上の出力信号周波数を常に生成することになる。入力光の強度が低い場合周波数変化は小さく、光入力が大きい場合周波数変化は大きくなる。センサ６１６のスケールおよび感度は、（コンピュータ６００の制御下に置くことができる制御バスを通じてゲート・アレイ６０２によって）、光入力値の全範囲を検出するように設定する。殆どの場合、特に物体の色判定では、センサ６１６のいすれへの光入力最大量も、光センサ６０４およびフィルタ６１４によって決定され、適切に制御することができる。
ゲート・アレイ６０２は、センサ６１６の各々の出力周波数および期間を独立して測定することができる。これは、出力が変化するときにはいつでも検出し、サンプリング期間毎の変化回数を計数し、最初に出力が変化した時に高速カウンタの値を第１レジスタに格納し、続く変化毎に第２レジスタに値を格納するという双方によって行なうことができる。したがって、第２レジスタは、タイマの最終値を保持する。高から低への遷移および低から高への遷移の双方を検出することが好ましい。各センサの出力周波数（ｆ）は、したがって次のように表わされる。
ここで、Ｎ＝サンプル期間における遷移回数、
Ｐl＝初期タイマ・カウント、
Ｐh＝最終タイマ・カウント
である。
内部高速タイマは、各サンプリング期間の開始時にリセットし、条件Ｐh＞Ｐlが常に真であることを保証する。
かかる実施形態によるシステムの精度は、システムのタイマ・クロック周波数によって決定することができる。Ｐrを所望の精度、Ｓrをサンプリング・レートとすると、タイマ・クロックの周波数は、次のように表わされる。
２） ｆｔ＝Ｐr・Ｓr
例えば、サンプリング・レート２００，および精度２16では、タイマ・クロック周波数は、２００ｘ２16、即ち、１３ＭＨｚとなる。
入力光強度が高い場合、Ｎは大きな数値となる。入力光強度が低い場合、Ｎは小さくなる（しかし、適正な光バイアスにより、常に２よりは大きい）。しかしながら、いずれの場合でも、Ｐh−Ｐlは大きな数値となり、常にシステムの精度の約１／２となる。このように、かかる実施形態によれば、光強度を測定可能な理論的精度は、光入力強度には無関係に、全てのセンサに対して同一とすることができる。１つのセンサが２００ないし２０５Ｈｚ（非常に低い光入力）の出力範囲を有する場合、このセンサが受光する光の強度は、光入力が１０，０００倍大きなセンサ（２００ないし５０，２００Ｈｚの範囲）と同じ位の精度で測定することができる。かかる実施形態のこの態様は、ＡＤＣを利用するセンサ、アナログ・マルチプレクサおよびサンプル／ホールド増幅器のような、ある種の従来からの光センサとは全く異なり、システムの精度が入力範囲に対して使用可能なＡＤＣのビット数に限定される。ＡＤＣを用いるシステムにおいて広い入力範囲を設けるためには、典型的に可変利得サンプル／ホールド増幅器が必要となる。ＡＤＣを１６ビットに精度高くサンプルすることも困難である。
本発明のかかる実施形態では、絶対精度が通常ランプの安定性および電気的ノイズによって制限される。これらは双方とも減少させることができ、通常設計の簡素さおよび回路カード上に必要な部品が少ないことのために最小とする。ゲート・アレイは、現場でプログラム可能なもの等とするとよく、典型的に２０個以上のＴＳＬ２３０センサを収容し、更に光データを利用するコンピュータ、マイクロプロセッサまたはマイクロコントローラへのインターフェースを備えることもできる。また、ゲート・アレイの代わりに、かかる実施形態は、高速ＲＩＳＣプロセッサを用いることによって、あるいはＤＳＰまたはその他の処理エレメントによっても実施可能であることを注記しておく。
光バイアスの使用およびその他の態様もこの中のどこかに記載されていることを注記しておく。
前述の実施形態、特徴、用途および使用に加えて、本発明による更に別の実施形態および改良についてこれより説明する。
宝石や歯のようなある種の物体および物質が呈する反射光スペクトルは、入射光角度および反射光角度の関数である。かかる物体および物質は、乳光物質(opalescent material)と呼ばれることもある。本発明の他の実施形態によれば、色、光沢、半透明性および表面組織のような特性に加えて、物体および物質の乳光特性を特定して測定および／または定量化する計器および方法論を提供することができる。これまでに説明した実施形態も、スペクトル・データおよびその他のデータ（複数のスペクトルのような）を捕獲し、比較および／または処理を行いかかる乳光物質を定量化するために使用可能であることは理解されよう。
本発明のかかる更に別の実施形態を図３１に示す。この実施形態によれば、光源６３８が光を供給し、光ケーブル６３２を通じて、更に光路（好ましくは光源ファイバ６３６）を通じてプローブ６３０に結合されている。プローブによって受光された（即ち、評価対象の物体または物質から反射した）光は、適切な光路（好ましくは、光ケーブル６３２からの１本以上の受光ケーブル）を通じて、分光計／光センサ６４０に結合される。制御／データ・バス６４８を介して、コンピュータ６４２が分光計／光センサ６４０に結合されている。また、コンピュータ６４２は、制御ライン（複数のライン）６４６を介して光源６３８にも結合されており、好ましくは光源６３８のオン／オフ状態を制御し、光源６３８に選択した特定の光や、その特定の特性を最適に制御するため、および個々の用途に対して適宜、任意にその他の制御情報、アナログまたはディジタル信号レベル等を光源６３８に供給することも可能である。光源６３８からの光は、光バイアスを与えたる目的のため（選択した個々の分光計に必要であるかあるいは望ましい場合）、または光源６３８の特性（ドリフト、温度効果等）を監視するために、任意に光路６４４によって分光計／光センサ６４０に結合することができる。
コンピュータ６４２は、ＰＣのような従来のコンピュータ、またはマイクロコントローラ、あるいはその他の処理デバイスとすることができ、好ましくはユーザ・インターフェース（例えば、ディスプレイ、制御スイッチ、キーボード等）に結合されている。これは、図３１においてインターフェース６５２によって総括的に示されている。任意に、データ処理、操作、記憶、または別の表示に用いることができるような他の計算機器に、インターフェース６５０を介してコンピュータ６４２を結合する。コンピュータ６４２は、好ましくは、ＣＰＵ、ランダム・アクセスまたはその他のメモリ、プログラム・コードを格納するための不揮発性メモリ／ストレージのような（しかし、これらに限定される訳ではない）典型的な構成部品を含むことが好ましく、ディスプレイ、音声発生器、キーボードまたはキーパッドまたはタッチ・スクリーンまたはマウス、あるいはその他のユーザ入力デバイス（インターフェース６５２を経由すればよい）のようなユーザのためのインターフェースを含むことができ、更に任意に（インターフェース６５０を介することができる）パラレルまたはシリアル・インターフェースのようなその他のコンピュータへのインターフェースを含むこともできる。コンピュータ６４２は、分光計／光センサ６４０にインターフェースして分光計およびシステム全体の制御を行い、光強度および光スペクトル・データを分光計／光センサ６４０から受信する。好適な実施形態では、分光計／光センサ６４０にインターフェースするための制御／データ・バス６４８は、標準的な２５ピン双方向パラレル・バスである。ある種の実施形態では、コンピュータ６４２は、別個、単体、および／または分光計／光センサ６４０から取り外し可能とすることも可能であり、更に従来のラップトップ、ノートブック、あるいはその他の携帯またはハンドヘルド型パーソナル・コンピュータとすることも可能である。他の実施形態では、コンピュータ６４２は、１つ以上のエンクロージャ内に収容されたシステムの一体部分とすることも可能であり、更に埋込み型パーソナル・コンピュータ、またはその他の種類の一体コンピュータとすることも可能である。好ましくは、コンピュータ６４２の目的は、光源６３８および分光計／光センサ６４０を制御すること、分光計／光センサ６４０から光強度およびスペクトルまたはその他のデータ出力を受信すること、受信したデータおよびその他のデータを分析し物体または物質の光学的性質を判定すること、ならびにデータをユーザあるいはその他の計算機器またはデータ収集システムに表示または出力することを含む。
好適な実施形態では、プローブ６３０の出力は、図３２に示すように構成するとよい。この中のどこかで記載したようなプローブ構成を含む、多数のその他のプローブ構成も、かかる実施形態において使用可能である。かかる好適な実施形態によれば、測定パラメータ範囲の拡大を可能とし、ある種の用途では構成の簡便化が可能な光特性判定システム／方法を得ることができる。プローブの断面６５６は、中央光ファイバ６５８を含み、好ましくは、６本の周辺光ファイバ６６０および６６２によって包囲されている。中央光ファイバ６５８には、光源（光源６３８等）からの光が供給される。６本の周辺光ファイバ６６０および６６２は、受光部であり、分光計／光センサ６４０に達する。好適な実施形態の１つでは、７本の光ファイバは全て同じ開口数（ＮＡ）を有する。しかしながら、以下で開示するように、光源の開口数したがって光源光ファイバの開口数を変更可能とすることが好ましい場合もある。また、ある種の実施形態では、受光部光ファイバのあるものから受光した光の円錐も制御し変化させ、ある受光部のＮＡを効果的に変化させる。
図３２に示すように、中央光ファイバ６５８（Ｓ）は、光源として機能する。１，３，５で示す光ファイバ６６０は、好ましくは「広帯域」ファイバであり、全スペクトル範囲にわたって光強度を測定する光センサ（好ましくは、分光計／光センサ６４０内にある）に達する。２，４，６で示す他の３本の受光部６６２は、好ましくは、「二重」受光部であり、分光計および「広帯域」光センサ（同様に好ましくは分光計／光センサ６４０内部にある）に達する。前述のように、プローブは、分光計、コンピュータ、光源および「広帯域」受光部と共に用いて、歯やその他の材質の色、半透明性および表面特性を測定することができる。また、前述のように、プローブをＮＡ「広帯域」受光部光ファイバと組み合わせて、光沢または鏡面度および表面からの受光光の拡散の関係を測定するためにも利用することができる。
図３３Ａは、分光計／光センサ６４０の好適な実施形態の図である。この実施形態では、プローブからのある光ファイバを広帯域光センサ（かかるセンサは、ＴＳＬ２３０センサや光学部品および／またはこの中のどこかで記載したフィルタを含むことができ、図３３Ａにセンサ６７６として示されている）に結合し、光ファイバのその他のものは、プローブが受光する光をスペクトル的に測定するために分光計、そして広帯域光センサ双方に結合する。ファイバ６６０（１，３，５）は、好ましくは、３つの広帯域光センサ（図３３Ａの光路６８２）に結合する。好ましくは、受光／検知エレメントはTexas Instruments（テキサス・インスツルメント社）のＴＳＬ２３０であるが、これらは、フォト・ダイオード、ＣＣＤまたはその他の光センサとしてもよい。ファイバ６６０（１，３，５）は、好ましくは、絞り６９４で遮蔽することによって、図３４に示すファイバによって生成される光の円錐のサイズを縮小する。マスク即ち絞り６９４は、最大角度ａでの光線のみを受光部光センサによって受光させることによって、受光部のＮＡを制限するように作用する。
ｈ＝絞りに対するファイバ端部の高さ
ｒ＝絞りの開口の半径
ａ＝ファイバの半径
とすると、
となる。したがって、受光部光ファイバの有効なＮＡは、絞り６９４によって減少させ制御することができる。可変絞り、即ち従来のカメラで利用されているようなサーボによって制御する絞りを利用することにより、受光部光ファイバのＮＡは、システムによって制御することができ、測定対象の物体または物質に最も相応しくなるように変化させることができる。再度図３４を参照すると、例示の受光部ファイバ６９０は絞り６９４を介して光を例示の光センサ６７６に供給する。ある制限された角度の光線６９６Ａのような光線が絞り６９４を通過し、一方ファイバ６９０の受入角度以内にあるが絞り６９４によって許される制限角度範囲内にはないその他の光線（受入角度の外側の限界は、図３４では破線６９６で示されている）は遮断されるため、事実上絞り６９４によってＮＡを落とした受光部または可変ＮＡを有する受光部が可能となる。
再び図３３Ａを参照すると、光源６３８は、光路６７４を通じて、センサ６７６のあるものに結合することができる。前述のような光バイアスを、光源から、あるいは別個に設けたＬＥＤ６８０から得ることもできる。ＬＥＤ６８０は、光をセンサ６７６のあるものに結合し、光導管６７８を通じてセンサ６７６に制御可能な光バイアスを供給することができる。制御可能な光バイアスをセンサ６７６のあるものに供給する等のためのＬＥＤ６８０の制御については、この中のどこかで説明する。ファイバ６６２からの光は、好ましくは、（図３３Ａにおける光路６８４を通じて）１つ以上の拡散キャビティ６８６（この中のどこかで更に詳しく説明する）に結合する。拡散キャビティ６８６の出力は、図示のように、光路／導管６８８を通じてセンサ６７６のあるものに結合されている。センサ６７６および当該センサ６７６から出力されるデータの制御は、ゲート・アレイ６７０によって行なうことが好ましい。ゲート・アレイ６７０は、インターフェース６６８を介して、計算機器に接合することができる（ゲート・アレイまたは同様の処理エレメントの使用、ならびにかかる計算機器の使用については、この中のどこかに記載されている）。
かかる実施形態における拡散キャビティ６８６の使用について、これより更に説明する。図示のように、受光部６６２（２４６）のあるものは、光路６８４を通じて１つ以上の拡散キャビティ６８６に結合することができる。光路６８４は、図３５Ａ、図３５Ｂ、および図３５Ｃに示すような拡散キャビティによって、受光部を例えば６つ（あるいはそれ以上またはそれ以下）の光ファイバに分割するように作用することができる。受光部６６２の１つは、拡散キャビティ６８６における中央ファイバであり、光ファイバ束６９８の一部として、６本の光ファイバ７０２によって包囲されている。拡散キャビティ６８６は、受光部光ファイバ６６２内に存在し得るあらゆる半径方向または有角光分散パターンを除去するように作用し、更に周囲を取り巻く６本の光ファイバに一層均一に照明するように作用する。したがって、図３２に示す受光部６６２（２，４，６）は、各々６本（または異なる数）のファイバに分割することができ、その結果１８個の受光部が得られる。１８本のファイバの内３本、即ち、拡散キャビティ毎に１本は、絞り６８４（図３４参照）を有することができる広帯域センサに達することが好ましい。他の１５本のファイバは、分光計システム（前述のような複数のセンサで構成することができる分光計／光センサ６４０の一部のような）に達することが好ましい。可視光帯域では、１５本の光ファイバおよび干渉ノッチ・フィルタを用いて、次のスペクトル分解能を得ることが好ましい。
かかる実施形態では、利用するファイバおよびフィルタの数を増減し、システム／分光計のスペクトル分解能を上昇または低下させることができる。
図３３Ｂおよび図３５Ｃにおいて、拡散キャビティ６８６の異なる配列を利用する本発明の代替実施形態についてこれより説明する。かかる実施形態では、３つの「二重帯域」受光部６６２が全て、共通の光ファイバ束６９８内に配置され、１つの拡散キャビティ６８６が利用されている。光ファイバ束６９８は、３本の受光部ファイバ６６２と、分光計システム用に１５本の追加のファイバ７０３を含むことが好ましいが、システムにおけるカラー・センサの数によっては、他の構成でそれ以上またはそれ以下のファイバを利用する場合もある。ある種の実施形態では、１５本の束状の光ファイバ７０３の直径を相違させると、拡散キャビティ６８６の効率を高め、光ファイバ束６９８内の光ファイバの断面充填配列を改良することが可能である。かかる実施形態によるかかる好適なファイバ束配列の一例として、可視光スペクトルの青色範囲におけるカラー・フィルタに直径の大きいファイバを利用すると、可視光スペクトルの赤色領域においてタングステン−ハロゲン・ランプの光源６３８からの光の強度を著しく低下させることができる。
この中のどこかで記載したように、分光計システムは、Texas InstrumentsのＴＳＬ２３０光センサ、干渉フィルタ、光バイアス・エレメント、光センサを制御するためのAltra FLEX 10K30のようなゲート・アレイ、パラレルまたはその他のインターフェースを介し、高速で同時に光センサの周波数および周期を測定し、光スペクトルおよび光強度を高精度かつ迅速に測定するためのコンピュータへのインターフェースで構成することができる。好適な実施形態ではかかる分光計システムを用いるが、例えばＣＣＤを回折格子と共に利用するようなその他の分光計も、他の実施形態では利用される。
図３６は、本発明による分光計型システムの態様の更なる改良を示す。前述の３つの拡散キャビティからの１５本のファイバの内の１本のような光ファイバが、干渉フィルタ７０８を介して、光センサ７１０（前述のように、ＴＳＬ２３０光センサとすることができる）に達することが好ましい。干渉フィルタ７０８のような干渉フィルタは、狭い帯域幅の光を通過させ、帯域外の光を除去するノッチ・フィルタとして機能する。しかしながら、フィルタを透過する光の帯域幅は、ファイバへの光の入射角度によって左右され、通常入射角度が大きくなる程広くなる。光ファイバは光の円錐を生成するので、円錐をコリメートしてかかる帯域幅の拡張を減少することが望ましいと判断した。図３６に示すように、例示の光ファイバ７０４によって生成される光の円錐（ライン７１２Ａで示す）は、干渉フィルタ７０８に入射する前に、第１非球面レンズ（またはフレネル・レンズ）７０６Ａによってコリメートすることが好ましい（ライン７１２Ｂで示す）。フィルタ７０８から射出される光（ライン７１２Ｃで示す）は、第２非球面レンズ（またはフレネル・レンズ）７０６Ｂによって「集光」され、光センサ７１０上でできるだけ多くの光を集中させる（ライン７１２Ｄで示す）。かかる実施形態によれば、フィルタ、特に干渉型フィルタは、かかる帯域幅の拡張やその他の望ましくない効果を低減するように一層最適に利用することができる。
再び図３３Ａを参照し（その説明は全体的に図３３Ｂにも適用可能である）、前述の光バイアスについて更に詳しく論ずる。前述のように、ＴＳＬ２３０型センサを迅速にサンプルするために、センサは光バイアスを必要とする場合がある。光バイアスをしないと、個々のセンサが受ける光の強度によっては、サンプリング期間の間に１対の遷移（例えば、高から低そして低から高への遷移、または低から高そして高から低への遷移）から成る状態変化を生成しないＴＳＬ２３０センサもあり、光強度測定がこのセンサでは不可能となる場合がある。好適な実施形態では、検知システムは、高から低および低から高双方の遷移を検出し、測定を行なうためには少なくとも２回の遷移を必要とする。言い換えると、かかるシステムは半周期を測定する。例えば、特定のＴＳＬ２３０上の光強度が減少しその出力周波数が２０１Ｈｚから１９９Ｈｚに低下したと仮定する。２０１Ｈｚでは、ＴＳＬ２３０の出力は１／２０１秒の周期で、即ち、４．９７５ｍｓ毎に遷移する。１９９Ｈｚでは、出力遷移周期は１／１９９秒即ち５．０２５ｍｓとなる。サンプリング・レートが毎秒２００サンプルの場合、サンプリング期間は５．００ｍｓとなる。したがって、ＴＳＬ２３０が４．９７５ｍｓ毎に遷移する場合、検知システムは常に２回または３回の遷移を検知し、常に強度測定を行なうことができる。しかしながら、１９９Ｈｚでは、検出回路は１回または２回の遷移を検出する。その結果、あるサンプリング間隔では測定が可能であるが、他の間隔では測定が不可能となり、例え光強度が変化していなくても、測定が不連続となってしまう。
非常に低い光強度も含め、高いレートで広い範囲の強度値にわたって光を測定することが望ましい。図３３Ａに示すようなＴＳＬ２３０センサの光バイアスを利用することにより、ＴＳＬ２３０の最小出力周波数を制御することができる。正規化または較正手順の一部として、以下のように、最小光値を測定することが好ましい。
１．光バイアスをオンに切り替え、安定させる。
２．黒いエンクロージャ内にプローブを入れる。好ましくは同時に、各センサ毎に「黒レベル」の強度測定値Ｉbを得て、記録する。
３．光源をオンに切り替え、安定させる。同様に好ましくは同時に、硫化バリウムのような「白」の標準またはLabsphere, Inc（ラブスフェア社）の製品の商標と考えられる”Spectralon”上で、各センサ毎に、「白レベル」の強度測定値Ｉwを得て記録する。全てのセンサによって測定した実際の強度は、標準値ＩSからはばらついている。典型的に、色の測定では、標準値ＩＳは公称上「１００％」である。
４．「黒レベル」強度を減算し、白レベル測定値からの利得を調節することによって、続いて得た光測定値を正規化し、以下のように各センサ毎に正規化強度ＩNを得る。
ここで、Ｉ＝強度測定値、ＩNは正規化または較正した強度測定値である。かかる好適な実施形態では、正規化を各光センサ毎に行い、各センサ毎に独立した「黒レベル」および「白レベル」強度をセーブする。
ある状況では、光源および光バイアス源が安定するのに長時間を要する場合もある。別の状況では、光源およびバイアス源がドリフトする場合もある。好適な実施形態では、光源は、Welch Allyn, Inc（ウェルチ・アリン社）が製造する１８Ｗ，３３００Ｋのハロゲン安定化タングステン・フィラメント・ランプである。光バイアスは、高い強度のＬＥＤ、およびセンサ６７６の各バイアスされるセンサに至る光ファイバ光誘導管即ち導管（図３３ＡのＬＥＤ６８０および光導管６７８を参照のこと）によって与えることが好ましい。ＬＥＤ６８０の強度は、好ましくは、高周波数パルス幅変調、またはアナログの定電流コントローラによって制御し変更することが好ましい。バイアスＬＥＤ６８０の強度を制御することによって、バイアス光レベルを様々に変化させ、センサのサンプリング・レートに最も良く一致させることが可能となる。
好ましくは、ＴＳＬ２３０センサのようなセンサを１つ設けて、ＬＥＤ６８０の強度を測定し、ＬＥＤ光バイアス・システムの強度変動を補正する。ＬＥＤ６８０はモノクロームであるので、ＬＥＤ強度のドリフトを追跡し補正するためには、典型的に１つのセンサで十分である。ＬＥＤバイアス強度は、「黒」レベルの測定を行うときに測定し記録することが好ましい。続いて行われる各光強度測定毎に、次のように、各センサ毎にＬＥＤドリフトに対して黒ラベルを補正する。
４）Ｉb（補正済み）＝Ｉb・Ｉ（バイアス・センサ）／Ｉb（バイアスセンサ）ここで、Ｉ（バイアス・センサ）は、バイアス・センサによって測定した強度、Ｉb（バイアス・センサ）は、バイアス・センサによって測定した「黒レベル」強度、Ｉbは、光センサ（バイアス・センサ以外）によって測定した「黒レベル」強度、そしてＩb（補正済み）は上記式４）に用いられる調節後のバイアスである。
光源のドリフトは、複数の光センサによって測定することが好ましい。光源は多色光であるので、そのスペクトルもドリフトする可能性がある。タングステン・フィラメント・ランプは、黒体放射体(black body radiator)のスペクトルによって非常に強く近似されるスペクトルを生成し、完全放射体に対するプランクの法則によって表現可能であることがわかる。
可視光帯域内のいずれの波長においても完全放射体の強度に影響を与える唯一の変数は、光源の温度（Ｔ）である。したがって、単一の狭帯域光センサを利用すれば、かかる光源の温度変動を検出することができる。しかしながら、以下で述べるように、ランプのエンヴェロープ上のフィラメントの被着や、ランプのスペクトル調節というように、ランプのスペクトル出力に影響を及ぼし得る他の要因もある。好適な実施形態では、スペクトル補正の高精度化およびランプの強度変動のために、追加の狭帯域フィルタを利用する。かかる好適な実施形態のあるものでは、３つのバンド・パス・フィルタおよびセンサを利用して、連続的にランプのスペクトル・シフトおよび強度を測定する。更にランプのスペクトルおよび強度のドリフトを補正するためにかかるフィルタおよびセンサを利用することが好ましい。
図３７は、本発明の好適な実施形態に用いられる光源の好適な実施形態を示す。かかる光源は、好ましくは、ハロゲン・タングステン・フィラメント・ランプ７２４から成り、ランプのエンヴェロープにレンズを鋳込んで、ランプ７２４の本体に平行な軸上に集中光パターンを生成する。ランプ７２４におけるかかるレンズの使用は、光出力を集中するため、および反射器を有するランプによって発生し得るランプ・フィラメントの影を小さくするためである。好ましくは「０°ホット・ミラー」であるホット・ミラー７２２は、システムに入力されるＩＲ光の強度を低下させる。ある種の実施形態では、ホット・ミラーは色補正特性も備える場合があり、例えば、短い方の波長（青）よりも長い方の波長（赤）の光強度を低下させる。ランプ７２４からの光出力は、ホット・ミラー７２２を通過し、好ましくは、テーパ状のガラス・ロッド７２０に達する。ガラス・ロッド７２０のランプ７２４に最も近い端部は、好ましくは、公称上ランプ７２４のエンベロープの直径である直径を有する。ガラス・ロッド７２０の他端は、公称上４ｍｍであり、即ち、光源光ファイバ７１４の直径の４倍以上である。
ガラス・ロッド７２０は、多数の目的に供するものである。第１に、ガラス・ロッド７２０は、光ファイバ７１４をランプ７２４から変位させることによって、光ファイバ７１４の熱シールドとして作用し、光ファイバは、ガラス・ロッド７２０の存在によって、ランプ７２４から熱的に絶縁される。第２に、ガラス・ロッド７２０は、光ファイバ７１４に近い小領域に光を集中させ、狭い端部から現出する光の角度分散を広げ、光源光ファイバ７１４のＮＡを均一に「埋める」ことができる分散光パターンを得るように作用する。テーパ状ガラス・ロッド７２０がないと、ランプ７２４から現出する光の角度分散パターンは、光源光ファイバ７１４の受容円錐を完全にまたは均一に埋めることができない場合がある。ガラス・ロッド７２０のような部材(implement)を用いずに光源光ファイバ７１４が所望通りに光で満たされることを保証するには、光源光ファイバ７１４をランプ７２４に非常に近づける必要があるので、光源光ファイバ７１４が過熱し溶融し得るという危険性が生ずる。
光源光ファイバ７１４とガラス・ロッド７２０との間には、絞り７１８があることが好ましい。絞り７１８は、光源光ファイバ７１４に入射する光線の角度範囲を制限するために利用することが好ましい。絞り７１８を完全に解放した場合、光源光ファイバ７１４の受容円錐全体を満たすことができる。絞り７１８を閉じるに連れて、光源光ファイバ７１４に入射する光の円錐は狭くなり、したがって光ファイバ７１４に入射する光の角度分布は減少する。絞り７１８を更に狭めると、光ファイバ７１４に入射する光をほぼコリメート・ビームとすることが可能となる。
光ファイバの端部を光ファイバの軸に垂直によく研磨すると、光ファイバの一端に入射する光の角度は、光ファイバの他端から射出する際にも保存されるという性質があることは周知である。当業者には周知のように、光ファイバ・ケーブルを研磨する技術は多数存在する。したがって、よく研磨した光ファイバを用いれば、絞り７１８の直径を変化させることにより、光源光ファイバ７１４に入射する光の円錐を制御することができ、したがって光源光ファイバ７１４から現出する光の円錐も制御することができる。
代替実施形態では、絞り７１８をディスク７３０と置換する。ディスク７３０は、図３８Ａおよび図３８Ｂに示すように、その周辺付近に配置された、あるパターンの孔を含むことが好ましい。好ましくは、ディスク７３０は、ギア７３６およびギア歯７３０Ａを介してステッピング・モータ７３８によって駆動し、ディスク７３０を所望の位置に素早く移動させ、安定な状態にそれを保持して光の測定を行なうようにする。ステッピング・モータ７３８は、コンピュータ（この中のどこかで記載したようなもの。例えば、図３０および図３１を参照のこと）で制御し、ディスク７３０を軸７３２中心に回転させ、所望の制御可能な位置で停止するように制御する。したがって、このようなコンピュータは実際には各測定に同期して、光源のＮＡを変化させることができる。好ましくは、この手順は次のように進む。
１．所望のアパーチャにディスクを回転させる。
２．一時停止し、ディスクを安定させる。
３．光サンプルを１回測定する。
４．ディスクを次の所望のアパーチャに回転させ、必要に応じて処理を繰り返す。
図３８Ｂに示すように、ディスク７３０上の孔のパターンは、円形またはその他のいずれの所望の形状でもよい。かかるアパーチャも、光源ファイバに入射する光の光パターンまたは光のスペクトルに影響を及ぼすように分散された、あるパターンの微視的な孔を構成することができる。加えて、ディスクは、フィルタまたは回折格子等を含み、光源ファイバに入射する光のスペクトルを変形することも可能である。かかる孔またはアパーチャも、光の円錐を生成するリングで構成することができ、ファイバに入射する光線は、狭い角度範囲またはその他の所望の角度範囲に分布する。図３８Ａおよび図３８Ｂのディスクの実施形態によって、広い角度範囲にわたって光源光ファイバ７１４の光パターンを効果的に制御することが可能となる。
再び図３７を参照すると、光導管７１６は、貫通光路６７４のように、光をセンサ６７６に通過させ（例えば、図３３Ａおよび図３３Ｂを参照のこと）、前述のようにランプのスペクトル的性質を測定する。光源光ファイバ７１４に入射する光の分布を制御する絞りまたはアパーチャ・ディスクが光源のスペクトル特性を変更すると、前述のように、その結果としてスペクトルを調節することができる。
ここに記載するように、１対の光ファイバを利用し、一方のファイバが光源として機能し、他方のファイバが受光部として機能する場合、受光部ファイバが受光する光の強度は、物体または物質の表面上の当該対の高さ、および物体または物質の表面に対する対の角度と共に変化する。前述のように、ある種の好適な実施形態では、表面に対するプローブの角度は、同じ受光部ＮＡを有する３本以上の光ファイバ受光部を利用することによって検出することができる。システムの正規化の後、（図３２におけるファイバ６６０（１，３，５）のような）３本の受光部ファイバの強度が同じである場合、これはプローブが表面に対して垂直であることを示す。強度が３つのセンサ間でばらつく場合、これはプローブが表面に対して垂直ではないことを示す。一般的に言えば、この現象はあらゆる高さにおいても生ずる。一般に、３本のファイバにおける強度のばらつきは、プローブ内の３本のファイバの幾何学的形状に左右され、物質の色には無関係である。したがって、例えばプローブをファイバ１に向かって傾斜させるに連れて、センサ３および５によって測定した強度は名目上同一となるが、ファイバ１によって測定した強度は、ファイバ３および５とは異なる。その結果、システムは、ファイバ１側への角度のずれを検出することができる。好適な実施形態では、ファイバ１の強度値をファイバ３および５の強度値と比較することによって、角度の測定を行なうことができ、更に補正または利得係数によってファイバ１，３および５の強度を補正し、その光測定値を「調節」し、プローブの角度ずれを補償することができる。このように、図３２に示すプローブ構成によって、角度変化を検出し測定することが可能となる。
また、角度変化も、他のファイバ６６２（２，４，６）によって測定した強度に影響を及ぼす。同様に、ファイバ６６２（２，４，６）における「広帯域」センサ間の差も、更にプローブの角度を定量化するために利用することができ、光強度測定値を調節するために利用することができる。しかしながら、プローブの角度による強度のずれは、ファイバに異なる影響を与えることを注記しておく。センサ６６２（２．４．６）を図３３Ａに示す分光計に利用する場合、各ファイバ毎、および図３５Ａに示す拡散キャビティ６８６から出現する１組６本のファイバについて別個に強度調節を行なわなければならない。しかしながら、図３３Ｂに示すように１つの拡散キャビティ６８６を利用する場合、角度補正は、光路７０３によって供給される全てのセンサに等しく適用される。図３３Ｂに示すような実施形態では、角度判定および／または補正は、用途毎により好ましい方法で行なうことも可能である。
プローブが物体または物質の表面に近づけつつ（プローブを物体に向かって移動させても、物体をプローブに向かって移動させてもよい）、光源ファイバは物体／物質を照明する。光の一部は物体／物質の表面から反射し、光の一部は物体／物質に貫入するものもあり（半透明であるか、その表面上に半透明層を有する場合）、物質から再度現出し、受光部光ファイバに衝突するものもある。この中のどこかに記載したように、受光部によって測定した強度はピーク現象を呈し、光強度は最大値まで変動し、次いでプローブが物体／物質に接触するまで下降し、接触時に最小値を示す。物体／物質が不透明の場合、最小値の光強度は本質的にゼロである。物体／物質の半透明性が高い場合、強度はピーク強度に近い場合がある。
かかる現象に基づいて、本発明の別の態様によれば、「広帯域」センサのピーク高さ強度を測定し、他の高さにおける強度値と比較し、測定した強度のピーク強度に対する比率だけ全てのセンサの利得を調節することによって、プローブの高さを定量化し、ピーク高さ付近のプローブの高さ変動を調節することが可能となる。Ｉpを広帯域受光部のピーク強度とし、Ｉmをプローブが物質と接触しているときに測定した強度とし、Ｉをピーク高さより低い高さで測定した強度とすると、
で表わされる比率が、利得調節係数となる。利得調節計数を分光計のセンサに適用すると、ピーク高さ以内の広い高さ範囲について、高さには無関係にスペクトルを測定することが可能となる。
次に図３９Ａおよび図３９Ｂを参照する。光ファイバ対（例えば、光源光ファイバ７４２および受光部光ファイバ７４４）が物質または物体７４６に近づくと、物質または物体７４６は光源光ファイバ７４２（例えば、図３９Ａのライン７４５を参照のこと）によって照明される。光源光ファイバ７４２から放出される光は、この中のどこかで説明したように制御することができる。したがって、光源光ファイバ７４２は、ほぼコリメート化した光（小さな入射角度）で物質または物体７４６を照明するように制御することができ、あるいは光源光ファイバ７４２は、広い入射角度、またはあるパターンの角度、または異なるスペクトル的性質で物質または物体７４６を照明するように制御することができる。図３８Ｂに示すようなスリット・パターンを有するアパーチャ・ディスクを用いて光源光ファイバ７４２を照明すると、狭い単一の角度範囲で物質または物体７４６を照明するために、光源光ファイバ７４２を用いることも可能である。
図３９Ａおよび図３９Ｂに示すような、同じＮＡを有する光源光ファイバ７４２および受光部光ファイバ７４４について検討する。光源光ファイバ７４２によって供給される光の角度分布は、光源ファイバ（およびプローブの角度）のみに依存し、物質からのファイバの高さには無関係である。プローブを物質または物体７４６に対して実質的に垂直に保持すると、光の角度分布は高さとは無関係になる。しかしながら、光源ファイバ７４２によって照明される領域は高さに依存し、高くなる程広くなる。受光部光ファイバ７４４は、その受入角度以内の光だけを受光することができるので、図３９Ａおよび図３９Ｂに示す２つの円錐の重複する領域から反射する、表面からの反射光のみを検出することができる。
図３９Ａは、ピーク高さにおけるファイバ対を示し、一方図３９Ｂは臨界高さにおけるファイバ対を示す。臨界高さでは、受光部ファイバ７４４が受光可能な表面からの反射光のみが光源光線７４５となり、反射角度に等しい入射角度を有する反射光線７４８、または「鏡面的に」反射した光のみを検出することができる。しかしながら、プローブがピーク高さにある場合、受光部ファイバによって受光可能な反射光線は、広い入射角度範囲および広い反射角度範囲双方において変動する。したがって、ピーク高さでは、受光部は広い範囲の入射角度の光線および反射角度の光線を検出している。前述のように高さのずれに対してスペクトルを調節することによって、更にプローブの角度を物質または物体の表面に対して検出することによって、広い入射角度範囲および反射角度範囲にわたって反射即ち戻りスペクトルを測定することができる。
一般に、不透明な表面では、拡散面であれ鏡面であれ、高さを調節したスペクトルは、プローブが物質または物体に近づいても一定に見える。一般に、乳光物質または物体、即ち、半透明な表面を有し、光線が物質に貫入し再度放出することができる物質では、プローブが物質または物体に近づくに連れて、高さを調節しても、スペクトルはずれる。一般に、歯や宝石のような半透明物質では、プローブが臨界高さよりも低い位置にあり、物質または物体に接触しているかほぼ接触する場合、スペクトルは更にずれる。
本発明のある種の態様に対する更なる改良として、図３７に示す絞りまたは図３８Ａおよび図３８Ｂに示すアパーチャ・ディスクを利用することができる。かかる実施形態の１つでは、プローブが物質または物体に近づく際に光源光ファイバ７１４のＮＡを一定に保持し、前述のように光強度およびスペクトルの測定を行い、データ・キューにセーブする。プローブが物質または物体に接触したときに、光源光ファイバ７１４のＮＡを変化させ（最初の１組の測定値の状態に応じて、狭いＮＡから広いＮＡへ、または広いＮＡから狭いＮＡへ）、光源ＮＡの関数としてスペクトルの測定を行なう。次いで、プローブを物質から遠ざけるように移動させ、プローブからの距離を広げながら、そしてプローブがピーク高さを通過する際に、光強度およびスペクトルの測定を行なう。光源ＮＡおよび高さの分散の結果生ずるスペクトルのずれを用いて、物質または物体の乳白性(opalescence)を定量化することが好ましい。
代替実施形態では、プローブを物質または物体に接近するようにあるいは物質または物体に接触するように移動させつつ、光およびスペクトル・データの測定と同期させて、図３８Ａおよび図３８Ｂに示すアパーチャ・ディスクをステッピング・モータ７３８によって回転させる。別の代替実施形態では、プローブを物質から固定の高さに配置するか、あるいは物質または物体と接触して配置し、光強度およびスペクトル・データを測定しながら、光源ファイバのＮＡを変化させる。更に別の代替実施形態では、前述のように光源および受光部のファイバのＮＡを変化させ、得られるスペクトルを利用して、物質の光学的性質を定量化する。
これより物質の光沢度を定量化する本発明の代替実施形態について、図４０Ａおよび図４０Ｂを参照しながら説明する。図４０Ａおよび図４０Ｂは、ミラー（図４０Ａ）のように非常に反射性の高い表面上、および拡散面（図４０Ｂ）上に配置した、光源（７４２）および受光部（７４４）ファイバ対を示す。光源光ファイバ７４２からの光の円錐は、円７４２Ａによって図示されており、受光部光ファイバ７４４の受容円錐は円７４４Ａによって図示されており、重複部分が区域７５０によって示されている。鏡面では、受光部光ファイバ７４４が受光する光のみが、入射角度に等しい反射角度を有する光線であり、したがって受光部７４４の表面に衝突する光線のみが、図４０Ａにおいて円７５２で示す光ファイバの直径のサイズの小さな円形区域に衝突する。受光部光ファイバ７４４が光源光ファイバ７４２よりも大きなＮＡを有する限り、受光部光ファイバ７４４に入射する光は全て受け入れられる。したがって、受光部光ファイバ７４４において受光される光線の角度分布は、非常に狭い範囲に限定され、光ファイバ対の表面からの高さに依存する。
光ファイバ対が拡散面上に位置する図４０Ｂについて検討する。２つの円錐の重複領域に入射するあらゆる光線は、受光部光ファイバ７４４が受光することができる（勿論、受光部ファイバに入射することが条件である）。したがって、拡散面でも、受光部光ファイバ７４４が受光する光線の角度分布は高さに依存するが、鏡面の角度分布よりは大きい。本発明のかかる実施形態によれば、かかる角度分布の変化を用いて、特定の物質または物体の光沢のような光学的性質を定量化することができる。
本発明の他の実施形態による検出器を図４１に示す。この場合、単一の受光部ファイバ７５８をセンサ（センサ７６０Ａおよび７６０Ｂで示す）の放射分布(radial distribution)上に配置する。２つ以上のセンサを一次元または二次元で利用することができるが、説明の目的上２つのセンサのみを図４１に示す。図示の実施形態では、一方のセンサ（センサ７６０Ｂ）はファイバ７５８の中心に対応して配置され、ゼロ付近の角度を測定する。他方のセンサ（センサ７６０Ａ）は、受光部ファイバ７５８の受入角度の約１／２の所に配置されている。代替実施形態では、センサは、ＣＣＤのような線形アレイに、あるいはビデオ・カメラのＣＣＤまたはＭＯＳセンサのように二次元センサに配列または構成することができる。本発明の態様によれば、センサの強度パターンを分析することにより、物質の光沢度を測定し定量化することができる。
図４２Ａおよび図４２Ｂに示すように、プローブを物質または物体に向けて移動させると、受光部ファイバ７５８が受光する光の角度分布が物質または物体の表面に応じて変化する。図４２Ａは、鏡面に対する２つのセンサの強度パターンを示し、図４２Ｂは拡散面に対する強度パターンを示す。通常、反射性物質はピーク・パターンを呈する傾向があり、センサ１のピーク強度は、センサ２のピーク強度よりも遥かに高い。拡散性物質では、センサ２（広い角度）のピーク強度はセンサ１のピーク強度に近い。ピーク密度の変動を定量化することにより、物質の光沢度も付加的に定量化することができる。加えて、代替実施形態では、一方または他方のセンサのピーク時における両センサの相対値を捕獲し、物質または物体の光学的性質を定量化するために用いる。
前述の種々の実施形態と共に、種々の光ファイバを利用することができ、小径のファイバは、評価対象の物体または物質上の小さいスポットの光学特性を評価するために用いられる。本発明のかかる態様およびここに記載する種々の実施形態によれば、直径約３００ミクロンのファイバ、および直径約１ミリメートルまでまたはこれ未満のファイバ、および約１ないし１．５ミリメートルまでのファイバを利用したが、他の直径のファイバも本発明の別の実施形態および用途では利用する。かかるファイバを用いる場合、約３００ミクロン、あるいは代わりに約１ミリメートル、または約１．５ミリメートル、または約０．３ないし１ミリメートル、または約１ないし１．５ミリメートルのスポット・サイズで、評価対象の物体または物質を判定することができる。かかる実施形態によれば、プローブを物体または物質に向かって移動させ、または接触させ、または接触する手前で複数のスペクトルを判定し、更にかかるスペクトルにおける可能な変化を判定することによる等を含め、スペクトル、半透明性、乳白性、光沢、表面組織、蛍光性、レイリー散乱等を含む、かかるスポット・サイズの光学的性質を定量化または判定することができる。これらは全て、計器を単に評価対象物体または物質の単一の表面に向けて移動させるだけである。
また、ここに記載した本発明の種々の実施形態の種々の原理によれば、本発明の範囲以内において改良も可能であることを注記しておく。本発明のある種の実施形態によれば、光源／受光部の組み合わせの変形を利用することができ、本発明によって得られる種々のスペクトルにしたがって、種々の光学的性質を判定することができる。種々のスペクトルには、物体または物質からの１つ以上の距離で捕獲したスペクトル（および鏡面反射光を含む）や、表面またはその付近で捕獲したスペクトル（例えば、臨界高さ以内、および実質的にまたは完全に鏡面反射光を除外して）を含むことができる。ある種の実施形態では、評価対象物体または物質のゴニオメータ測定または評価を時として検討するものを生成するように、測定することも可能である。他の実施形態では、構造によっては、ある構造と共に用いることもまたはそれなくして用いることも可能なこともある。例えば、本発明の態様のある用途では、高さ／角度判定または補正のために周辺ファイバを利用する場合もあり、一方別の用途では利用しない場合もある。かかる改良、代替、および具体例は、本発明の種々の実施形態の範囲内のことである。
本願と同日に出願した同時係属中の出願、Apparatus and Method for Measuring Optical Characteristics of Teeth（歯の光学特性測定装置および方法）およびMethod and Apparatus for Detecting and Preventing Counterfeiting（偽作検出および防止方法および装置）について言及しておく。双方とも本願と同一発明者によるものであり、その内容はこの言及により本願にも含まれるものとする。
加えて、実施形態および方法論は、多種多様の物体および物質に適用可能であり、その代表的な例について、この中のどこかおよび／または先に言及した同時継続中の出願の中に記載されていることを注記しておく。更に加えて、本発明の実施形態および態様は、宝石(gem)即ち宝石(precious stone)、ダイアモンド、真珠、ルビー、サファイア、エメラルド、オパール、アメジスト、サンゴのような物質またはその他の物体、およびその他の貴重な物質を特性付けするために適用することができる。かかる宝石は、物体または物質の表面および／または表面特性に関係する光学的性質（この中のどこかで記載したように）によって特性付けすることができる。代表例として、かかる宝石は、当該宝石が関与する購入、販売、またはその他の取引の一部として、あるいはかかる取引のためまたは保険の目的等のための価値評価の一部として特性付けすることも可能であり、更に、宝石の表面に汚染があるか否か、または何か変化しているか否か、あるいは宝石が以前に測定した宝石と同一か否か等を、後に示す場合のために測定することも可能である。本発明による宝石あるいはその他の物体または物質の測定は、当該宝石に一意の「指紋」または１組の特性または識別を与えるために用いることができ、これによって後に測定した宝石、物体または物質を特定したり、あるいはその同定(identity)または非同定(non-identity)を確認することが、後の測定によって可能となる。
また、先に引用した同時係属中の出願に記載されている実施態様および方法論も、ここに記載した本発明の実施形態および特徴に適用可能であり、例えば、物質の混合または調合、光学特性データの遠隔送信、それに基づく第２の物体または物質の遠隔地における作成または局地的な作成（第２の計器を用いて離れて測定すること等も可能である）、オペレータの使用を追加するための種々の形式の音声フィードバック、カメラまたはその他の器具との一体化、物体を多数回および／または多数の場所で測定することによる、測定対象物体の配置（ポスチュライゼーション：posturization)または区分化（セクタリング：sectoring)、データ捕獲、格納およびソフトウエア・データベース、コンピュータ等における操作を含むことも注記しておく。本発明のかかる改良、強化および更に別の使用は全て、本発明の範囲内に含まれるものとする。
本発明は、物体のカラー・スペクトル、半透明性(translucence)、光沢およびその他の特性のような光学特性を測定するデバイスおよび方法に関し、更に特定すれば、高さまたは角度の依存性に伴う問題を最少に抑えたハンドヘルド・プローブを用いて、歯、織物またはその他の物体、あるいは表面の色およびその他の光学特性を測定するデバイスおよび方法に関するものである。
発明の背景
分光光度計(spectrophotometer)や測色計(colorimeter)のような種々の色／光学測定デバイスが、当技術分野では公知である。かかる従来のデバイスの限界を理解するためには、色に関するある種の原理を理解することが助けとなる。理論的な裏付けはしないが、本出願人は以下の議論を行うことにする。
物体の色は、光が当該物体から反射される態様を決定する。光が物体に入射するとき、反射光は、物体の色に応じて、強度および波長が異なる。したがって、赤い物体は、青または緑の物体よりも強い強度で赤い光を反射し、同様に緑の物体は、赤い物体または青い物体よりも強い強度で、緑の光を反射する。
物体の光学的性質は、光が表面から反射する態様によっても影響を受ける。光沢のある物体、即ち、ミラーやその他の高艶出表面のように光を鏡面的に反射する物体は、粗く研磨した表面または研磨していない表面からの反射のような、拡散物体(diffuse object)即ち光を全方向に反射する物体とは異なった光の反射を行なう。双方の物体は同じ色を有し同じ反射または吸収光学スペクトル応答を呈するが、光を反射する態様のために、それらの外観は異なる。
加えて、多くのオブジェクトは、透過性であったり、半透明の表面やその表面を覆う薄い層を有する場合もある。例えば、外層および内層から成る複雑な構造を有する物質もある。外層は半透過性である。内層もそれ以上またはそれ以下の透過性を有する。このような物質や物体は、同じ色であっても、これらが透過層において光を伝搬し、その入射点から変位した光線を放出する態様のために、透明な物体とは外観が異なる。
物体の色を評価する方法の１つに、それを広帯域スペクトル即ち「白い」光で照明し、可視スペクトル全体におよぶ反射光のスペクトル特性を測定し、反射スペクトルを入射光スペクトルと比較するというものがある。かかる計器は、典型的には、広帯域分光光度計を必要とするが、通常、高価であり、嵩張り、比較的操作がやっかいなために、かかる計器の実用的な応用は限られている。
ある種の用途では、分光光度計によって与えられる広帯域データは不要な場合がある。かかる用途では、数値、または物体の色を表す値の比較的小さな集合によって、色を評価するデバイスが製造または提案されている。
物体の色は、３つの値で表現可能であることは公知である。例えば、物体の色は、ＣＩＥ値によって、または「三刺激値(tristimulus values)」として知られているものによって、あるいはその他の多数の直交結合(orthogonal combination)によって、赤、緑および青値、強度値および色差値で表すことができる。殆どの三刺激システムでは、３つの値が直交する、即ち、集合内の２つの要素のいずれの組み合わせも、第３の要素には含まれ得ない。
物体の色を評価するかかる方法の１つに、広帯域「白色」光で物体を照明し、狭帯域フィルタを通過させた後に、反射光の強度を測定するというものがある。典型的には３つのフィルタ（例えば、赤、緑および青）を用いて、表面の色を表す三刺激光の値を供給する。更に他の方法には、一度に１つずつ３つの単色光源又は狭帯域光源（例えば、赤、緑および青）で物体を照明し、次に単一の光センサを用いて反射光の強度を測定するというものがある。次に、３つの測定値を、表面の色を表す三刺激値に変換する。かかる色測定技法は、表面の色を表す等価な三刺激値を生成するために利用することができる。通常、複数のカラー・センサ（または分光光度計の場合は連続体）と共に「白色」光源を用いても、単一光センサと共に複数の有色光源を利用しても、問題にはならない。
しかしながら、従来の技法には難点がある。光が表面に入射し、受光部に反射される場合、光センサの高さ、ならびに表面および光源に対するセンサの角度が、受ける光の強度にも影響を与える。色の判定は、異なる色に対して、受けた光の強度を測定し評価することによって行われるので、受光部の高さおよび角度依存性を排除すること、または何らかの方法で考慮することは重要である。
光源および受光部の高さおよび角度依存性を解消する１つの方法に、固定取り付け構成を備え、光源および受光部を固定化し、物体の配置および測定を常に予め設定された高さおよび角度で行うというものがある。固定取り付け構成は、かかる方法の適用可能性を大きく制限する。別の方法に、光源および受光ブローブに取り付け脚を追加し、物体をプローブに接触させ、一定の高さおよび角度を保持するというものがある。かかる装置における脚部は、物体に対して一定の角度（通常垂直）を維持することを保証するために、十分に広く離れていなければならない。かかる装置は、小さな物体上、または到達するのが困難な物体上で利用するのが非常に難しく、通常、曲面を有する物体を測定する際には満足のいくように機能することができない。
歯科学の分野における色測定デバイスの使用が提案されている。最近の歯科学では、歯の色は、典型的には、患者の歯を１組の「シェード・ガイド（shade guide）」と手作業で比較することによって評価される。義歯(dental prosthesis)の所望の色を適正に選択するために、歯科医は多数のシェード・ガイドを利用することが可能である。かかるシェード・ガイドは、数十年にわたって利用されてきており、色の決定は、１組のシェード・ガイドを患者の歯の隣に保持し、最もよく一致するものを見つけ出そうとすることによって、歯科医が主観的に行っていた。しかしながら、不幸なことに、最良の一致は、しばしば、歯科治療室(dental operatory)における周囲の光の色や、患者の化粧または衣服の周囲色、更に歯科医の疲労度によって影響される。
同様の主観的な色の評価は、塗装業界においても行われており、物体の色を塗料基準ガイドと比較する。この業界では多数の塗料ガイドが入手可能であり、色の判定も、多くの場合、周囲の光の色、ユーザの疲労、およびユーザの色に対する感受性によって影響される。多くの人はある種の色には色感がなく（色盲）、更に色の判定を複雑化することになる。
一般的に、色の評価は、多くの業界で必要とされる。確かに全てではないが、いくつかの用途には、歯科学（歯の色）、皮膚科学（皮膚障害の色）、内装（塗料、織物の色）、繊維業界、自動車修理（塗装色の一致）、写真（再現の色、撮影対象物体に対する写真の色基準）、印刷およびリソグラフィ、化粧（髪および皮膚の色、化粧の一致）、ならびに便利で信頼性のある方法で色を測定することが有用なその他の用途が含まれる。
かかる用途に関しては、しかしながら、従来の色／光学測定技法の限界が、典型的には、かかる技法の利用を制限している。例えば、典型的な広帯域分光計は、高コストでおよび嵩張ること、更に高さおよび角度依存性に対処するために固定取り付け構成または脚部が必要なことのために、かかる従来技術の適用可能性がしばしば制限されている。
更に、かかる従来の方法およびデバイスの他の制約として、高さおよび角度依存性問題の解決が、典型的には、測定対象物体と接触することを必要とする点があげられる。ある種の用途では、物体の色を測定し評価する際に、この物体の表面との接触を必要としない小さなプローブを用いることが望ましい場合がある。ある種の用途では、例えば、衛生上の考慮から、かかる接触は望ましくない。内装のようなその他の用途では、物体との接触が、表面に傷を付けたり（物体に湿性塗料を塗る場合のように）、あるいは望ましくない影響の原因となる可能性がある。
要約すれば、歯科学の分野およびその他の用途では、物体との物理的な接触を必要とせず、物体の色およびその他の光学特性を信頼性高く測定し評価することができる、低価格で、小形のハンドヘルド・プローブ、ならびにかかるデバイスに基づく方法が必要とされている。
発明の概要
本発明によれば、信頼性高く、しかも高さおよび角度依存性の問題を最少に抑え、物体の色およびその他の光学特性を測定するデバイスおよび方法を提供する。本発明では、ハンドヘルド・プローブを利用する。ある種の好適な実施形態では、このハンドヘルド・プローブは、多数の光ファイバを内蔵する。１つ（又はそれ以上）の光源（群）から、測定対象物体に光を差し向ける。ある種の好適な実施形態では、光源は、中央光源光ファイバである(他の光源および光源配列も利用可能である)。物体から反射した光は、多数の受光部（器）によって検出される。これらの受光部（受光部光ファイバとすることができる）に含まれるのは、複数の周囲受光部および／または広帯域またはその他の受光部（受光部光ファイバ等とすることができる）である。ある種の好適な実施形態では、ある数の周囲光ファイバ群を用いて、所望の、そして所定の高さおよび角度で測定を行うことによって、従来の方法において見られた高さおよび角度依存性の問題を最少に抑え、光沢のようなその他の光学特性を定量化する。ある種の実施形態では、本発明は、測定対象物体の光沢、半透明および蛍光（fluorescence）特性や、表面構造および／またはその他の光学的特性または表面特性を測定することも可能である。ある実施形態では、本発明は、表面スペクトル反射応答およびバルク・スペクトル（bulk spectral）応答も区別することができる。
本発明は、広帯域分光光度計の構成要素を含むことができ、また代わりに、三刺激型測色計の構成要素を含んでもよい。本発明は、種々の色測定デバイスを用い、実用的で、信頼性高くかつ効率的に色およびその他の光学特性を測定することができ、ある種の好適な実施形態では、カラー・フィルタ・アレイや複数のカラー・センサを含む。制御および計算の目的のために、マイクロプロセッサを含ませる。温度センサを含ませて温度を測定し、異常状態の測定および／またはフィルタまたはシステムのその他の構成物の温度効果の補償を行う。加えて、本発明は、オーディオ・フィードバックを含み、色／光学測定を行う際にオペレータを誘導することができ、更に、１つ以上の表示デバイスを含み、制御、ステータスまたはその他の情報を表示させてもよい。
本発明によって、ハンドヘルド・プローブを用い実用的かつ信頼性高い色／光学的測定が可能となり、本質的に高さおよび角度依存性の問題がなく、物体に対してプローブの高さおよび角度を固定するための固定具、脚、またはその他の望ましくない機械的構成に頼ることもない。
したがって、本発明の目的は、従来の色／光学測定技法の限界に対処することである。
本発明の他の目的は、物体または表面との接触を利用すると有利なこともあるあるが、必ずしも必要としない、実用的な大きさのハンドヘルド・プローブを用いて、歯、織物またはその他の物体あるいは表面の色またはその他の光学特性を測定する際に有用な、方法およびデバイスを提供することである。
本発明の別の目的は、固定位置機械的取り付け用脚部またはその他の機械的な障害物を必要としない、色／光学測定プローブおよび方法を提供することである。
本発明の更に他の目的は、測定対象の表面付近に単に置くだけのプローブと共に利用可能であり、色および／またはその他の光学特性を測定する際に有用なプローブおよび方法を提供することである。
本発明の更に別の目的は、測定対象物体の半透明特性を判定可能なプローブおよび方法を提供することである。
本発明の更に別の目的は、測定対象物体の一方の面から測定を行なうことによって、当該物体の半透明特性を判定することが可能なプローブおよび方法を提供することである。
本発明の別の目的は、測定対象物体の表面組織特性を判定可能なプローブおよび方法を提供することである。
本発明の更に別の目的は、測定対象物体の蛍光特性を判定可能なプローブおよび方法を提供することである。
本発明の更に別の目的は、測定対象物体の光沢（または鏡面反射度）特性を判定可能なプローブおよび方法を提供することである。
本発明のその他の目的は、プローブを領域全体に渡って移動させ、更に領域全体の色を統合することにより、小さな特異点の面積を単独に測定可能な、あるいは不規則な形状を測定可能なプローブおよび方法を提供することである。
本発明の更なる目的は、物体の色を測定し、人工器官（プロテーゼ：prosthesis）、有色充填材、またはその他の素材を用意するか、あるいはその他の処置を行なう方法を提供することである。
本発明の更に他の目的は、汚染問題を極力抑えつつ、物体を測定し、コーティング、層、プロテーゼ、有色充填材、またはその他の素材を用意する信頼性高く便利な方法をもたらす方法および装置を提供することである。
本発明の目的は、測定データを用いて、物体、プロテーゼ等を形成するプロセスを実施する方法ならびに、かかる測定値および／またはその他のデータを記録データベースの一部として保持する方法を提供することである。
また、本発明の目的は、測定対象物体に対して実質的に固定的に保持されるプローブを用いて、光学特性を測定するプローブおよび方法を提供することである。
最後に、本発明の目的は、洗浄のための取り外し、使用後の廃棄等が可能な、着脱自在のチップ（tip(s)）またはシールドを有することができるプローブを用いて、光学特性を測定するプローブおよび方法を提供することである。
【図面の簡単な説明】
本発明は、添付図面と関連したいくつかの好適な実施形態の記載によって、より深く理解することができよう。
図１は、本発明の好適な実施形態を示す図である。
図２は、本発明のある種の実施形態にしたがって使用可能なプローブの断面を示す図である。
図３は、ある種の実施形態と共に用いる、光ファイバ受光部およびセンサの例示構成を示す図である。
図４Ａないし図４Ｃは、光ファイバのある種の幾何学形状に関する検討を示す。
図５Ａおよび図５Ｂは、受光部が物体に向かっておよび物体から離れるように移動する際の、光ファイバ受光部によって受光される光の振幅を示す。
図６は、本発明の実施形態による色測定方法を示すフロー・チャートである。
図７Ａおよび図７Ｂは、本発明のある種の実施形態と共に用いることができる保護用キャップを示す。
図８Ａおよび図８Ｂは、本発明のある種の実施形態と共に使用可能な着脱自在プローブ・チップを示す。
図９は、本発明の好適な実施形態の理解を更に深めるのに役立つことができる、別の実施形態による光ファイバの束を示す。
図１０Ａ、図１０Ｂ、図１０Ｃおよび図１０Ｄは、本発明の好適な実施形態の理解を更に深めるのに役立つことができる、他の光ファイバ束構成および原理を示しかつ記載する。
図１１は、本発明のある種の実施形態において使用可能なリニア光センサ・アレイを示す。
図１２は、本発明のある種の実施形態において使用可能なマトリクス光センサ・アレイを示す。
図１３Ａおよび図１３Ｂは、本発明のある種の実施形態において使用可能なフィルタ・アレイのある種の光学特性を示す。
図１４Ａおよび図１４Ｂは、本発明のある種の実施形態において使用される受光部の受光強度の例を示す。
図１５は、本発明のある種の実施形態において使用可能なオーディオ・トーンを示すフロー・チャートである。
図１６は、本発明の好適な実施形態の理解を更に深めるのに役立つことができる、測定対象物体に対して実質的に固定的に保持されたプローブを用いて測定を行うために利用可能な複数の受光部リングを利用する実施形態を示す。
図１７および図１８は、本発明の好適な実施形態の理解を更に深めるのに役立つことができる、機械的な移動を利用し測定対象物体に対して実質的に固定的に保持されたプローブを用いて測定を行うために利用可能な実施形態を示す。
図１９Ａないし図１９Ｃは、コヒーレント光導管が、着脱自在のプローブ・チップとして機能することができる、本発明の実施形態を示す。
図２０Ａおよび図２０Ｂは、本発明の好適な実施形態にしたがって使用可能なプローブの断面図を示す。
図２１ならびに図２２Ａおよび図２２Ｂは、ある好適な実施形態を理解する目的のために、光ファイバのある幾何学的特性およびその他の特性を示す。
図２３Ａおよび図２３Ｂは、本発明にしたがって、「鏡面除外」型(specular-excluded type)スペクトルを測定するプローブを示す。
図２４、図２５および図２６は、カメラおよび本発明による反射計型計器を一体化した実施形態を示す。
図２７および図２８は、本発明のある種のハンドヘルド型実施形態を示す。
図２９は、本発明の実施形態をどのように用いて様々な種類の物体の表面特性を評価することができるのかを示す、物体の断面図を示す。
図３０ないし図４２は、本発明の範囲内に該当するその他の実施形態（システム、光源、受光部等）、特質および特徴を示す。
好適な実施形態の詳細な説明
本発明の好適な実施形態の理解を更に深めるのに役立つことができる、いくつかの好適な実施形態およびその他のある実施形態を参照しながら、本発明について詳細に説明する。後述するが、種々の実施形態の種々の改良および置換も、本明細書における原理および教示に基づいて可能である。
図１を参照し、本発明による色／光学特性測定システムおよび方法の好適な実施形態の一例を説明する。
プローブ・チップ１は、複数の光ファイバを内包し、その各々が１本以上の光ファイバから成るものとすることができる。好適な実施形態では、プローブ・チップ１内に内蔵されている光ファイバは、単一の光源光ファイバと、多数の受光部（器）光ファイバ群とを含む。物体の色またはその他の光学特性を測定するためのかかる光ファイバの使用については、後で説明する。プローブ・チップ１は、プローブ本体２に取り付けられ、プローブ本体２上には、スイッチ１７が固定されている。スイッチ１７はワイヤ１８を通じてマイクロプロセッサ１０と通信し、例えば、オペレータがデバイスを作動させ、色／光学測定を行うための機構を備える。プローブ・チップ１内の光ファイバは、その先端（即ち、プローブ本体２から遠い端部）において終端する。プローブ・チップ１の先端は、測定対象物体の表面に向けられているが、これについては以下で更に詳しく説明する。プローブ・チップ１内の光ファイバは、光学的に、プローブ本体２を貫通し、光ファイバ・ケーブル３を介して光センサ８に達する。光センサ８は、マイクロプロセッサ１０に結合されている。
マイクロプロセッサ１０は、従来の関連する構成物、即ち、メモリ（ＰＲＯＭ、ＥＰＲＯＭまたはＥＥＰＲＯＭのようなプログラム可能メモリ、ＤＲＡＭまたはＳＲＡＭのようなワーキングメモリ、および／またはＦＬＡＳＨ等の不揮発性メモリのような他のタイプのメモリ）、周辺回路、クロックおよび電源のような構成物を含むが、明確化のために、かかる構成物は明示的に示していないことを注記しておく。他の型の計算デバイス（他のマイクロプロセッサ・システム、プログラム可能ロジック・アレイ等）が、本発明の他の実施形態には用いられる。
図１の実施形態において、光ファイバ・ケーブル３からの光ファイバは、スライス・コネクタ(splicing connector)４において終端する。スライス・コネクタ４から、本実施形態において用いられる受光部光ファイバの一部または各々は、多数の小さな光ファイバ（全体としてファイバ７として示す）に継がれる。この実施形態では、これらの光ファイバは、直径が等しい光ファイバであるが、他の好適な実施形態では、異なる直径および／または開口数（ＮＡ）の場合もある（例えば、「高さ／角度」がより大きいまたはより小さい、あるいは周囲ファイバ（ペリメータ・ファイバ：perimeter fiber）を含む。以下で更に詳しく説明する）。各ファイバ群のファイバの１本は、中性濃度フィルタ(neutral density filter)（図３を参照しながら更に詳しく説明する）を介して光センサ８に達することができ、かかる中性的にフィルタ処理されるファイバは、集合的に高さ／角度の判定、半透明性判定、および光沢判定の目的のために用いることができる（更に、以下で更に詳しく説明するように、他の表面特性を測定するためにも用いることができる）。各ファイバ群の残りのファイバは、カラー・フィルタを介して光センサ８に達することができ、色／光学測定を行うために用いることができる。更に他の実施形態では、スライス・コネクタ４を用いずに、例えば、５本以上のファイバ束が各々、光センサ８から、プローブ・チップ１の先端まで延在する。ある種の実施形態では、例えば、ファイバ束の製造プロセスを容易にする目的のために、未使用のファイバまたはその他の物質を、ファイバの束の一部として含ませてもよい。ここで注記すべきことは、本発明の目的のために、複数の受光部光ファイバまたはエレメント（ファイバ７のような）が光センサ８に面し、受光部光ファイバ／エレメントからの光が、物体２０から反射した光を表すことである。ここに記載する種々の実施形態は、本発明の以前では明らかでなかったかもしれないトレードオフおよび利点（したがって、独立して新規な利点）を提示するが、この説明にとって重要なことは、プローブ・チップ１の先端における光ファイバ／エレメントからの光がセンサ８に供給され、色／光学測定および角度／高さ判定などが行われることである。ある好適な実施形態の光ファイバ構成について、特定して、以下で更に詳しく説明する。
好適実施例における光源１１は、ハロゲン光源（例えば、５〜１００ワットで、特定の用途に対して特定のワット数を選択する）であり、マイクロプロセッサ１０の制御下に置くことができる。光源１１からの光は、コールド・ミラー６から反射し、光源光ファイバ５に入射する。光源光ファイバ５は、プローブ・チップ１の先端を通過し、ここに記載する測定を行う目的のために用いられる光刺激を与える。コールド・ミラー６は可視光を反射し、赤外光を通過させる。これは、光が光源光ファイバ５に導入される前に、光源１１によって生成される赤外光の量を減少させるために用いられる。光源１１のようなハロゲン光源からの光の、このような赤外光減少は、受光センサの飽和を防止するのに役立ち、システム全体の感度を低下させることができる。ファイバ１５は、光源１１から直接光を受光し、光センサ８に通過させる（中性濃度フィルタを通してもよい）。マイクロプロセッサ１０は、ファイバ１５を通過した光源１１の光出力を監視し、こうして光源１１の出力のドリフトを監視し、必要であれば、これを補償することができる。ある種の実施形態では、光源１１の異常またはその他の望ましくない動作が検出された場合、マイクロプロセッサ１０は、アラーム（スピーカ１６によって等）を発生したり、あるいは何らかの指示を与えることもできる。
光センサ８からのデータ出力はマイクロプロセッサ１０に至る。マイクロプロセッサ１０は、光センサ８からのデータを処理し、色および／またはその他の特性の測定値を得る。また、マイクロプロセサ１０は、入力デバイスとして機能する、キー・パッド・スイッチ１２にも結合されている。キー・パッド・スイッチ１２を通して、オペレータは制御情報またはコマンド、あるいは測定対象物体等に関する情報を入力することができる。通常、キー・パッド・スイッチ１２、またはその他の適切なデータ入力デバイス（プッシュ・ボタン、トグル、膜型またはその他のスイッチ等のような）は、所望の情報をマイクロプロセッサ１０に入力する機構として機能する。
また、マイクロプロセッサ１０はＵＡＲＴ１３との通信も行う。ＵＡＲＴ１３は、マイクロプロセッサ１０をコンピュータ１３Ａのような外部デバイスと接続可能にするものである。かかる実施形態では、マイクロプロセッサ１０によって提供されるデータは、必要に応じて、平均化、フォーマット変換、あるいは種々の表示または印刷オプション等のような、特定の用途のために処理することも可能である。好適な実施形態では、ＵＡＲＴ１３は、パーソナル・コンピュータでは共通して見られる、ＲＳ２３２インターフェースとして公知のものを備えるように構成されている。
また、マイクロプロセッサ１０は、特定の用途のために必要とされるステータス、制御またはその他の情報を表示する目的のために、ＬＣＤ１４とも通信を行う。例えば、カラー・バー、チャート、またはその他の色のグラフィック表現、あるいはその他の収集データおよび／または測定対象を表示することができる。他の実施形態では、ＣＲＴ、マトリクス型ＬＥＤ、ライト、またはシステム・ステータス等の可視表示を与えるその他の機構のような、他の表示デバイスが用いられる。システムの初期化時に、例えば、システムが安定であり、色の測定を行う用意ができており、そのために使用可能であることの指示を、ＬＣＤ１４が与えることができる。
また、マイクロプロセッサ１０にはスピーカ１６も結合されている。スピーカ１６は、好適な実施形態では、以下で更に詳しく説明するが、オペレータにオーディオ・フィードバックを与えるように機能し、デバイスの使用時にオペレータを誘導するように作用することができる。また、スピーカ１６は、オーディオ・トーン、ビープ、またはシステムが初期化され、測定を行うために使用可能であることの可聴指示（即ち、音声）を含む、システムの状態をオペレータに知らせるステータスまたはその他の情報を与えるように機能することも可能である。また、スピーカ１６は、測定データ、シェード・ガイドまたは測定データに対応する基準値を示す音声情報、あるいは色／光学測定のステータスの指示を提示することも可能である。
また、マイクロプロセッサ１０は、温度センサ９からの入力も受け取る。多くの型のフィルタ（および恐らくは光源またはその他の構成要素も）が信頼性高く動作するのは所与の温度範囲内のみである可能性が高いので、温度センサ９は、温度情報をマイクロプロセッサ１０に提供する役割を果たす。即ち、光センサ８内に含まれ得るカラー・フィルタは、温度に感応し、ある温度範囲でのみ信頼性高く動作する場合がある。ある種の実施形態では、温度が使用可能範囲内にある場合に、マイクロプロセッサ１０は、カラー・フィルタの温度のばらつきを補償することができる。かかる実施形態では、カラー・フィルタは、フィルタの製造者によって提供されるデータによって、または温度の関数としての測定を通じて、フィルタ処理特性に関しては温度の関数として特性付けされる。かかるフィルタ温度補償データは、メモリ内にルックアップ（参照）テーブルの形態で格納しておくことができ、あるいは多項式係数集合として格納し、これからフィルタの温度特性をマイクロプロセッサ１０が計算するようにしてもよい。
通常、（例えば、キー・パッド・スイッチ１２またはスイッチ１７を通じて）オペレータによる作動に応答するものとすることができる、マイクロプロセッサ１０の制御の下で、光は光源１１から送出され、光源光ファイバ５を通じて（更に、光ファイバ・ケーブル３、プローブ本体２およびプローブ・チップ１を通じて、またはその他の適切な光源エレメントのいずれかを通じて）コールド・ミラー６から反射され、物体２０に向けられる。物体２０から反射された光は、プローブ・チップ１内の受光部光ファイバ／エレメントを通過し、（プローブ本体２、光ファイバ・ケーブル３、およびファイバ７を通じて）光センサ８に到達する。光センサ８が生成した情報に基づいて、マイクロプロセッサ１０は、色／光学測定結果またはその他の情報を、オペレータに提供する。マイクロプロセッサ１０が生成した色測定値またはその他のデータは、ディスプレイ１４上に表示され、ＵＡＲＴ１３を介してコンピュータ１３Ａに渡され、あるいはスピーカ１６に供給されるオーディオ情報を発生するために用いることができる。図１に示す好適な実施形態の他の動作上の特徴については、以下で説明する。
図２を参照し、プローブ・チップ１の先端にある光ファイバ構成の実施形態について、これより説明する。これは、本発明の好適な実施形態の理解を深めるのに役立つことができる。図２に示すように、この実施形態は、光源光ファイバＳとして示されている、単一の中央光源光ファイバ、および受光部Ｒ１，Ｒ２およびＲ３として示されている、複数の周囲受光部光ファイバ(perimeter light receiver fiber optics)を用いる。図示のように、この実施形態は、３本の周囲光ファイバを用いるが、他の実施形態では、２本、４本またはその他のいずれかの数の受光部光ファイバが用いられる。更に詳しく説明するが、周囲受光部光ファイバは、色／光学測定を行う目的のために反射光を与えるだけでなく、かかる周囲ファイバは、測定対象の物体の表面に対する、プローブ・チップ１の角度および高さに関する情報を提供する機能も果たし、更に、測定対象の物体の表面特性に関する情報を提供することも可能である。
図示した実施形態では、受光部光ファイバＲ１ないしＲ３は、光源光ファイバＳ周囲に対称的に配置され、互いに約１２０度の間隔がある。尚、間隔ｔが受光部光ファイバＲ１ないしＲ３および光源光ファイバＳの間に設けられていることを注記しておく。ファイバ束の周囲に沿った受光部光ファイバの正確な角度配置は、通常さほど重要ではないが、１２０度ずつ離して配置された３本の受光部光ファイバは概ね容認可能な結果を与え得ると判断されている。前述したように、ある種の実施形態では、受光部光ファイバＲ１ないしＲ３は、各々、単一のファイバから成り、これをスライス・コネクタ４（再度図１を参照）において分割するか、あるいは代替実施形態では、受光部光ファイバＲ１ないしＲ３は、各々、ファイバの束から成り、例えば、少なくとも１束当たり５本のファイバを数える。均一サイズの入手可能なファイバを用いる場合、例えば、７本のファイバの束が容易に作成可能であると判断されている（しかしながら、当業者には明白であろうが、ファイバの正確な数は、受光部光ファイバの所望数、製造上の考慮点等に鑑みて決定することができる）。色／光学測定値を生成するための受光部光ファイバＲ１ないしＲ３の使用については、更に説明するが、受光部光ファイバＲ１ないしＲ３は、例えば、測定対象物体の表面に対するプローブ・チップ１の角度が９０度であるか否かについての検出、あるいは測定対象物体の表面に、表面組織および／またはスペクトル上の不規則性が含まれていないか否かについての検出を行うように機能することができることを、ここで注記しておく。プローブ・チップ１が測定対象物体の表面に垂直であり、測定対象物体の表面が拡散反射面（即ち、「ホット・スポット」を有する場合がある光沢、鏡面、または光輝反射面と比較して、艶消し反射面）である場合、周囲ファイバに入力される光強度はほぼ等しくなければならない。また、間隔ｔは、色／光学測定を行うべき（以下で更に詳しく説明する）最適な高さを調整するように作用することも注記すべきであろう。以下で説明する好適な実施形態は、測定対象物体の光沢または鏡面反射度の定量化を可能にすることができる。
本発明の実施形態と用いられる特定の態様の１つでは、プローブ・チップ１上の光ファイバ間の領域は、非反射性物質および／または面（黒いマット（mat）、輪郭付き面(contoured)、またはその他の非反射面とするとよい）で、完全にまたは部分的に充填される。このようにプローブ・チップ１の非反射性領域を露出させることが、望ましくない反射を減らすことに役立ち、これによって精度および信頼性を向上させることができる。
図３を参照し、本発明の好適な実施形態において用いることができる受光部光ファイバおよびセンサの部分的な構成について説明する。ファイバ７は、受光部光ファイバを表し、測定対象物体から反射した光を光センサ８に伝達する。実施形態の一例では、１６個のセンサ（８つから成る組が２つ）を用いるが、説明を容易にするために、図３には８個のみを示す（この好適な実施形態では、例えば、図３の回路を２系統備え、結果的に１６個のセンサを備える）。他の実施形態では、本発明にしたがって、その他の数のセンサを用いる。
ファイバ７からの光はセンサ８に与えられ、好適な実施形態では、フィルタ２２を通過して、検知（感知）エレメント２４に到達する。この好適な実施形態では、検知エレメント２４は、Texas Instrumentsが製造し、部品番号TSL230の下で販売されている、光−周波数変換器を含む。かかる変換器は、通常、フォト・ダイオード・アレイ状に構成され、ファイバ７から受光した光を積分し、入射光の強度（周波数ではない）に比例する周波数のＡＣ信号を出力する。理論的な裏付けはしないが、かかるデバイスの基本原理は、強度が増大するに連れて、積分器の出力電圧は一層早く上昇し、積分器の上昇時間が短い程、出力周波数は高くなるというものである。TSL230センサの出力は、ＴＴＬ互換（コンパチブル）デジタル信号であり、種々のデジタル論理デバイスに結合することができる。
検知エレメント２４の出力は、本実施形態では、特定の検知エレメントに供給される光強度によって異なる周波数の非同期信号であり、これらをプロセッサ２６に供給する。好適な実施形態では、プロセッサ２６は、Microchip PIC16C55またはPIC16C57マイクロプロセッサであり、以下で更に詳しく説明するが、検知エレメント２４によって出力される信号の周波数を測定するアルゴリズムを実装している。他の実施形態では、HitachiのSH RISCマイクロコントローラのような、集積度を高めたマイクロプロセッサ／マイクロコントローラを用いて、システム・インテグレーション等を更に高める。
前述のように、プロセッサ２６は、検知エレメント２４から出力される信号の周波数を測定する。好適な実施形態では、プロセッサ２６は、ソフトウエア・タイミング・ループを実装し、周期的な間隔で、プロセッサ２６は、検知エレメント２４の出力の状態を読み込む。ソフトウエア・タイミング・ループを１回通過する毎に、内部カウンタを増分する。タイミング・ループの精度は、通常、プロセッサ２６に結合された水晶発振器タイム・ベース（図３には示されていない）によって決定される（通常このような発振器は非常に安定である）。検出エレメント２４の出力を読み込んだ後、プロセッサ２６は最後に読み込んだデータ（好適な実施形態では、かかるデータは、バイト長単位で読み込まれる）と排他的ＯＲ（「ＸＯＲ」）演算を実行する。いずれかのビットが変化した場合、ＸＯＲ演算は１を生成し、ビットが変化しなかった場合、ＸＯＲ演算は０を生成する。結果が非ゼロの場合、入力バイトを、内部カウンタ（ソフトウエア・タイミング・ループを通過する毎に増分される）の値と共にセーブする。結果がゼロの場合、システムは、データがセーブされる場合に必要な同じ時間量だけ待ち（例えば、無動作命令を実行する）、ループ動作を継続する。８つの入力全てが少なくとも２回変化し、各入力の全１／２周期の測定が可能になるまで、この処理は継続する。ループ・プロセスの完了時に、プロセッサ２６は、格納されている入力バイトおよび内部カウンタの状態を分析する。２ないし１６個のセーブされた入力（図３の８つのセンサ全てに対して）およびカウンタ状態（２つ以上の入力が同時に変化した場合、これらは同時にセーブされる）があるはずである。当業者には理解されようが、内部カウンタの格納値は、検知エレメント２４から受け取った信号の期間（周期）を決定する情報を含む。入力ビットが変化した時点において内部カウンタの値を適正に減算することによって、この周期を計算することができる。このように、検知エレメントの各出力について計算された周期は、プロセッサ２６によってマイクロプロセッサ１０（例えば、図１を参照）に供給される。このように計算された周期から、受光光強度の測定値を計算することができる。代替実施形態では、前述と同様のソフトウエア・ループによってＴＳＬ２３０センサの出力の周波数を直接測定する。出力は、ソフトウエア・タイミング・ループにおいてＲＩＳＣプロセッサによって監視し、前述のような直前の入力でＸＯＲを取る。特定のＴＳＬ２３０入力に対して遷移が発生した場合、この特定のＴＳＬ２３０入力のカウンタ・レジスタを増分する。ソフトウエア・ループを所定の時間期間実行し、遷移の回数を所定の時間で除算し、その結果を調整することによって入力の周波数を計算する。また、一層精巧化した測定方式を実施することにより、Hitachi SHファミリのような高速ＲＩＳＣプロセッサによって周波数および周期を同時に測定可能であることも、当業者には明白であろう。
図３に示す検知回路および方法論は、検知エレメント２４が受光した光の強度を測定するための実用的かつ便利な方法を提供するように決定されたものであることを注記しておく。別の実施形態では、他の回路および方法論が用いられる（このような他の検出方式の例は、後述する）。
図１を参照しながら前述したように、１本以上のファイバ７は光源１１を測定する。これは中性濃度フィルタを通り、受けた光の強度を減少するように機能し、他に受けた光の強度の範囲内に強度を大まかに維持する。多数のファイバ７も、周囲受光部光ファイバＲ１ないしＲ３（例えば、図２参照）からのものであり、これらも中性濃度フィルタを通してもよい。かかる受光ファイバ７は、角度／高さ情報および／または表面特性を決定し得るデータを提供するように機能する。
ファイバ７の残りの１２本のファイバ（図示の実施形態の合計１６本のファイバの内）は、カラー・フィルタを通過し、色の測定値を生成するために用いられる。一実施形態では、カラー・フィルタは、Kodak Sharp Cutting Wratten Gelatin Filtersであり、当該フィルタのカットオフ値よりも大きな波長（即ち、赤み値(redish values)）を有する光を通過させ、フィルタのカットオフ値よりも小さな波長（即ち、青み値(bluish values)）を有する光を吸収する。”Sharp Cutting”フィルタは、様々なカットオフ周波数／波長において入手可能であり、カットオフ値は、所望のカットオフ・フィルタの適正な選択によって、概ね選択することができる。一実施形態では、フィルタのカットオフ値は、可視スペクトル全体をカバーするように選択され、通常、受光部／フィルタの数で可視帯範囲（またはその他の所望の範囲）を除算した値程度の帯域間隔を有するように選択する。一例として、７００ナノメートルから４００ナノメートルを減算し、１１帯域（１２の色受光部／センサによって生成される）で除算し、概ね３０ナノメートルの帯域間隔が得られる。
理論またはここに記載する特定の実施形態にはとらわれずに、上述のようなカットオフ・フィルタのアレイを用いて、「隣接する」カラー受光部の光強度を減算することによって、受光した光スペクトルの測定／計算を行うことができる。例えば、帯域１（４００ｎｍないし４３０ｎｍ）＝（受光部１２の強度）−（受光部１１の強度）となり、残りの帯域についても同様である。かかるカットオフ・フィルタのアレイ、およびかかるアレイを用いたフィルタ処理から得られる強度値については、図１３Ａないし図１４Ｂとの関連において更に詳しく説明することにする。
ここで、代替実施形態では、他のカラー・フィルタ構成を用いることを注記しておくべきであろう。例えば、Schottガラス型フィルタ（別個のロングパス／ショートパス・フィルタによって構築されたもの、またはそれ以外のもの）、またはCorionが製造するようなノッチ干渉フィルタ等を用いて製作(develop)可能な、「ノッチ」フィルタ即ちバンドパス・フィルタを用いることができる。
本発明の好適な実施形態では、光源、フィルタ、センサおよび光ファイバ等の具体的な特性は、公知の色標準にプローブを向け、これを測定することによって、正規化／較正する。かかる正規化／較正は、プローブを適切な固定具に配置し、プローブを所定の位置（即ち高さおよび角度）から方向付けることによって、公知の色標準から行うことができる。このようにして測定した正規化／較正データは、例えば、参照テーブルに格納し、マイクロプロセッサ１０が用いて、測定色データまたはその他のデータの正規化または補正を行うことができる。かかる手順は、起動時に実行したり、規則的な周期間隔で実行したり、オペレータのコマンド等で実行することができる。特定の実施形態では、メモリ（参照テーブル、多項式またはその他の係数等）に格納されているかかる測定値を表わすデータまたはかかる測定値から導出したデータを用いて、特定の特性を有する物質に対して多数回の測定を行い、処理し、および／または統計的な分析等を行なうことができる。その後、本発明にしたがって行なった物体の計測に基づいて、格納されているデータとの比較を行い、測定物体の評価を行なうかあるいは予測する。例示的な一例では、評価または予測は、本発明による測定に基づいて、物体が湿っているかあるいは乾燥しているか（その表面に水またはその他の液体、乾いていないペンキ等を有する）について行なうことも可能である。更に別の例示的な一例では、歯、皮膚またはその他の材質における表面組織のような、基礎をなす物質の特性の評価または予測を行なう。このような機能は、１回以上前の時点で測定した物体のデータのように、以前の時点に得た物体の測定値との比較によって、更に高めることができる。このような履歴データおよび／または格納されているデータに基づくこのような比較によって、歯、表面組織、またはその他の物体等の現在または予定された状態またはステータスの非常に有用な評価または予測が可能となる。このような表面または表面下(subsurface)の評価／予測機能は、多くの他の工業的な使用も可能である。
これまでの説明から気付くべきことは、図３における受光部光ファイバおよび検知光ファイバならびに回路は、測定対象物体の表面から反射する光の強度を測定することによって、色およびその他の光学的またはそれ以外の特性を判定する実用的かつ便利な方法を提供するということである。
また、かかるシステムは、物体からの反射光のスペクトル帯を測定し、一旦かかるスペクトル・データを測定したなら、種々の方法で利用可能であることにも気付くべきであろう。例えば、かかるスペクトル・データは、直接、強度―波長帯域値として表示することができる。加えて、三刺激型の値は、容易に計算可能であり（例えば、従来のマトリクス解析）、他のいずれの所望の色値も同様である。歯科の用途（義歯のような）において有用な特定の実施形態では、色データは、歯科シェード・ガイド値（複数の値）に最も近い一致、または複数の一致の形態で出力される。好適な実施形態では、種々の既存のシェード・ガイド（Vita Zahnfabrikが生産するシェード・ガイドのような）を特徴化し参照テーブルに格納する。あるいは、グラフィック・アート業界では、Pantone色基準、および色測定データを用いて、最も近いシェード・ガイド値または複数の最も近いシェード・ガイド値を選択する。これは、信頼度、あるいは、一致または複数の一致の接近度を示す他の適切な係数によって達成することができる。このような係数には、例えば、ΔＥ値またはΔＥ値の範囲として知られているもの、または標準偏差最小化(standard deviation minimization)のような標準偏差に基づく基準が含まれる。更に他の実施形態では、色測定データを用いて（参照テーブルによる等）、義歯等のための塗料またはセラミクスの調合のための材料を選択する。本発明にしたがって測定されたかかるスペクトル・データには、他にも多くの使用法がある。
人の歯のようなある種の物体は、蛍光を発する可能性があることが知られており、かかる光学特性も、本発明にしたがって測定可能である。紫外線成分を有する光源を用いて、かかる物体に対して一層精度を高めた色／光学データを生成することができる。かかるデータは、層、被膜、復元材またはプロテーゼ等における蛍光材の量または割合あるいは種別を調節するために利用可能である。ある種の実施形態では、タングステン／ハロゲン光源（好適な実施形態において用いられているような）を、ＵＶ光源（水銀蒸気、キセノンまたはその他の蛍光光源等のような）と組み合わせ、物体に蛍光を発生させることができる光出力を生成可能である。あるいは、別個のＵＶ光源を、可視光遮断フィルタと組み合わせて使用し、物体を照明してもよい。かかるＵＶ光源は、赤色ＬＥＤ（例えば）からの光と組み合わせ、ＵＶ光がオンのときを視覚的に示したり、かかる光源と共に操作するプローブの方向上の位置決めの補助として機能することができる。先に説明したのと類似した方法で、ＵＶ光源を用いて、第２の測定を行うことができる。赤色ＬＥＤまたはそのほかの補助光源の帯域は無視する。このように、第２の測定を用いて、測定対象物体の蛍光の示度を得ることができる。かかるＵＶ光源を用いる場合、光を物体に伝達するためには、シリカの光ファイバ（またはその他の適切な材料）が、典型的に必要となる（ガラスやプラスチックのような標準的な光ファイバ材料は、一般的に、望むようにはＵＶ光を伝搬させない）。
先に述べたように、ある種の好適な実施形態では、本発明は、中央の光源光ファイバから離間し、この周囲に配した複数の周囲受光部光ファイバを用いて、測定対象物体の表面の色を測定し、更に当該表面に対するプローブの高さおよび角度に関する情報を判定する。この情報は、他の表面特性情報等も含むことができる。理論的な裏付けはしないが、本発明のある態様の基礎となるある種の原理について、図４Ａないし図４Ｃを参照しながら、これより説明する。
図４Ａは、コアおよびクラッディング（cladding）から成り、屈折率が段階的に変化する典型的な光ファイバ(step index fiber optic)を示す。この検討のために、コアの屈折率をｎ0とし、クラッディングの屈折率をｎ1とする。以下の検討は「屈折率が段階的に変化する」光ファイバを対象とするが、かかる検討は、一般的に、屈折率が徐々に変化するファイバ(gradient index fiber)にも同様に適用可能であることは、当業者には認められよう。
損失なく光を伝搬するためには、光は、臨界角度よりも大きな角度で、光ファイバのコアに入射しなければならない。臨界角は、Ｓｉｎ-1｛ｎ1／ｎ0｝で表すことができ、ここでｎ0はコアの屈折率、およびｎ1はクラッディングの屈折率である。したがって、全ての光は、ｐｈｉ（ファイ）以下の受入角度(acceptance angle)でファイバに入射しなければならず、ｐｈｉ＝２ｘＳｉｎ-1｛√（ｎ0 2―ｎ1 2）｝で表される。さもなければ、光は所望通りには伝搬されない。
光ファイバに入射する光について、これは受入角度ｐｈｉの範囲内で入射しなければならない。同様に、光が光ファイバから射出する場合、図４のＡに示すような角度ｐｈｉの円錐の範囲内で、光ファイバから射出する。値√（ｎ0 2―ｎ1 2）を、光ファイバのアパーチャと呼ぶ。例えば、典型的な光ファイバは、０．５のアパーチャ、および６０°の受入角度を有する。
光ファイバを光源として使用する場合を考える。一端を光源（図１の光源１１のような）で照明し、他端を表面近くに保持する。光ファイバは、図４のＡに示すような円錐状の光を放出する。光ファイバが表面に対して垂直に保持されている場合、表面上に円形の光パターンを形成する。光ファイバを持ち上げるに連れて、円の半径ｒは大きくなる。光ファイバを下げるに連れて、光パターンの半径は小さくなる。したがって、照明される円形領域における光強度（単位面積当たりの光エネルギ）は、光ファイバを下げる程大きくなり、光ファイバを持ち上げるに連れて小さくなる。
同じ原理は、概略的に、受光部として用いられる光ファイバにも当てはまる。光ファイバの一端に光センサを取り付け、他端を照明面付近に保持することを考える。この光ファイバに入射する光が、表面付近の光ファイバの端部に入射するときに、光ファイバが損失なく光を伝搬できるのは、光が受入角度ｐｈｉの範囲内で光ファイバに入射する場合のみである。表面付近において受光部として用いられる光ファイバは、表面上の半径ｒの円形領域からの光のみを受け入れ、伝搬する。光ファイバを表面から持ち上げるに連れて、この領域は大きくなる。光ファイバを下げるに連れて、この領域は小さくなる。
図４Ｂに示すように、互いに平行な２本の光ファイバを考える。説明の簡略化のために、図示の２本の光ファイバは、サイズおよびアパーチャが同一とする。しかしながら、以下の説明は、一般的に、サイズやアパーチャが異なる光ファイバにも適用可能である。一方の光ファイバを光源光ファイバとし、他方の光ファイバを受光部光ファイバとする。２本の光ファイバは表面に対して垂直に保持されているので、光源光ファイバは、半径ｒの円形領域を照明する円錐形の光を放出する。受光部光ファイバは、受入角度ｐｈｉの範囲内の光、即ち、角度ｐｈｉの円錐の範囲内で受光される光のみを受け入れる。得られる唯一の光が光源光ファイバによって放出されたものである場合、受光部光ファイバが受け入れ得る唯一の光は、図４Ｃに示すように、２つの円の交差部分において表面に当たる光である。２本の光ファイバが表面から持ち上げられるに連れて、光源光ファイバの円形領域に対する２つの円形領域の交差部分の割合は大きくなる。これらが表面に近づくに連れて、光源光ファイバの円形領域に対する２つの円形領域の交差部分の割合は小さくなる。光ファイバを表面に近づけ過ぎると（即ち、「臨界高さ」ｈc以下）、円形領域はもはや交差せず、光源光ファイバから放出される光は、受光部光ファイバによって受光されなくなる。
前述したように、光源ファイバによって照明される円形領域における光の強度は、ファイバを表面に向かって下げるに連れて増大する。しかしながら、２つの円錐の交差部分は、光ファイバ対を下げるに連れて狭くなる。したがって、光ファイバ対を表面に向かって下げるに連れて、受光部光ファイバによって受光される光の総強度は、最大値に増大し、次いで光ファイバ対を更に表面に向かって下げていくと、強度は急激に低下する。結果的に、臨界高さ」ｈc以下では強度はほぼゼロに低下し（測定対象物体は半透明でないと仮定する。以下で更に詳しく説明する）、光ファイバ対が表面に接するまで、ほぼゼロのままとなる。したがって、上述のような光ファイバの光源―受光部対を表面付近に配置し、それらの高さを変化させると、受光部光ファイバが受光する光の強度は、「ピーク高さ」ｈpにおいて、最大値に達する。
再び、理論的な裏付けはしないが、ピーク高さｈpの興味深い特性が観察されている。ピーク高さｈpは、主に、ファイバのアパーチャ、ファイバの直径およびファイバの間隔のような、固定パラメータの幾何学的形状の関数である。図示の構成における受光部光ファイバは、最大値のみを検出し、その値の量を判定しようとしないので、その最大値は一般的に表面の色とは無関係である。光源および受光部光ファイバの交差領域からの光を、表面が十分に反射し、受光部光ファイバの光センサの検出範囲内に達するようにすればよい。したがって、通常、赤または緑または青、あるいはいずれの色の表面でも、全て同じピーク高さｈpにおいて最大値を示す。
これまでの説明は、表面に対して垂直な２本の光ファイバに照準を当てたが、同様の分析は、他の角度をなす光ファイバ対にも適用可能である。光ファイバが表面に対して垂直でない場合、通常楕円領域を照明する。同様に、受光部光ファイバの受入領域も、通常楕円形となる。光ファイバ対を表面に近づくように移動させると、受光部光ファイバも、表面の色あるいは特性とは無関係に、ピーク高さにおいて最大値を検出する。しかしながら、光ファイバ対が表面に対して垂直でない場合に測定される最大強度値は、光ファイバ対が表面に対して垂直な場合に測定される最大強度値より小さくなる。
次に図５Ａおよび図５Ｂを参照し、光ファイバ光源―受光部対を表面に近づけるようにおよび遠ざけるように移動させた場合に受ける光の強度について説明する。図５Ａは、受けた光の強度を時間の関数として示す。対応する図５Ｂは、測定対象物体の表面からの光ファイバ対の高さを示す。図５Ａおよび図５Ｂは、（説明を容易にするために）測定対象物体の表面に対して光ファイバ対を近づける移動および遠ざける移動を、比較的均一な速度にした場合を示す（しかしながら、同様の図示および分析は、速度が均一でない場合にも同様に適用可能である）。
図５Ａは、光ファイバ対を表面に近づけ次いで表面から遠ざけるように移動させた場合に受けた光の強度を示す。図５Ａは、単一の受光部光ファイバについての強度関係を示すが、同様の強度関係は、例えば、図１および図２の多数の受光部光ファイバのような、他の受光部光ファイバについても観察されることが予測される。上述の好適な実施形態では、（ファイバ７の）１５本の光ファイバ受光部は、全体的に、図５Ａに示すものと同様の曲線を示すであろう。
図５Ａは、５箇所の領域を示す。領域１では、プローブを測定対象物体の表面に向かって移動させ、これによって、受光強度が増大する。領域２では、ピーク高さを超えてプローブを移動させ、受光強度はピークに達し、次いで急激に低下する。領域３では、プローブは測定対象物体の表面とほぼ接触状態にある。図示のように、領域３における受光強度は、測定対象物体の半透明性に応じて変動する。物体が不透明である場合、受光強度は非常に低いか、あるいは殆どゼロである（恐らく、検知回路の範囲外）。しかしながら、物体が半透明である場合、光強度は非常に高いが、通常ピーク値未満である。領域４では、プローブが持ち上げられ、光強度は急速に最大値に上昇する。領域５では、プローブを更に物体から遠ざけるように持ち上げ、光強度は再び低下する。
図示のように、光ファイバ対がピーク高さｈpにある物体に向かうようにおよびこれから離れるように移動すると、２つのピーク強度値（以下では、Ｐ１およびＰ２として論ずる）が検出されることになる。受光部光ファイバによって得られるピークＰ１およびＰ２が同一値である場合、これは、通常、プローブが、測定対象物体の表面に向かって、更にこれから離れるように、一貫的に移動したことを示す。ピークＰ１およびＰ２が異なる値である場合、これらは、プローブの移動が、測定対象物体の表面に向かって更にこれから離れるように、望んだようにはならなかったことを示す場合がある。あるいは、表面が湾曲しているか、あるいは表面に織り模様があることを示す。これについては、以下で更に詳しく説明する。かかる場合、データは疑わしいと考えられ、拒絶（破棄）することが可能である。加えて、周囲光ファイバ（例えば、図２を参照）の各々に対するピークＰ１およびＰ２は、同じピーク高さで発生するであろう（アパーチャ、直径、および光源光ファイバからの間隔等のような、周囲光ファイバの幾何学的属性を想定する）。したがって、測定対象物体の表面に向かって、更にこれから離れるように、一貫性を保って垂直に移動するプローブの周囲光ファイバは、同じ高さにおいて発生するピークＰ１およびＰ２を有するであろう。周囲受光部光ファイバから受光ファイバを監視し、同時の（またはほぼ同時の、例えば、所定の範囲内の）ピークＰ１およびＰ２を探すことによって、測定対象物体に対して所望の垂直角度に、プローブが保持されているか否かについて判定を行う機構が得られる。
加えて、領域３における相対的強度レベルは、測定対象物体の半透明性のレベルの示度として機能する。この場合も、かかる原理は概してプローブ（例えば、図１および図３のファイバ７を参照）内の受光部光ファイバ全てに適用可能である。かかる原理に基づいて、ここに開示する実施形態に関して適用可能な測定技法についてこれより説明する。
図６は、本発明のある種の実施形態にしたがって使用することができる、全体的な測定技法を示すフロー・チャートである。ステップ４９は、色／光学測定の開始即ち始まりを示す。ステップ４９の間、あらゆる機器の初期化、診断または設定手順を実行することができる。音響または視覚情報あるいはその他の指示をオペレータに与え、システムが使用可能であり、測定する準備ができていることをオペレータに知らせる。色／光学測定の起動は、オペレータがプローブを測定対象物体に向けて移動させることによって開始し、例えば、スイッチ１７（図１参照）の作動によって行われる。
ステップ５０において、システムは連続的に、受光部光ファイバ（例えば図１のファイバ７を参照）の強度レベルを監視する。強度が上昇している場合、ピークが検出されるまで、ステップ５０を繰り返す。ピークが検出されたなら、処理はステップ５２に進む。ステップ５２において、測定ピーク強度Ｐ１、およびかかるピークが発生した時刻を、（マイクロプロセッサ１０の一部として含まれるメモリのような）メモリに格納し、処理はステップ５４に進む。ステップ５４において、システムは、受光部光ファイバの強度レベルを監視し続ける。強度が低下している場合、ステップ５４を繰り返す。「谷」または平坦部(plateau)が検出された場合（即ち、強度がもはや低下しておらず、通常、物体との接触または殆ど接触していることを示す場合）、処理はステップ５６に進む。ステップ５６において、測定表面強度（ＩＳ）をメモリに格納し、処理はステップ５８に進む。ステップ５８において、システムは受信ファイバの強度レベルを監視し続ける。強度が上昇している場合、ピーク値を検出するまで、ステップ５８を繰り返す。ピークが検出された場合、処理はステップ６０に進む。ステップ６０において、測定ピーク強度Ｐ２、およびかかるピークが発生した時刻をメモリに格納し、処理はステップ６２に進む。ステップ６２において、システムは、受光部光ファイバの強度レベルを監視し続ける。一旦受光強度レベルがピークＰ２から低下し始めたなら、システムは、領域５に入った（例えば、図５のＡ参照）ことを認め、処理はステップ６４に進む。
ステップ６４において、システムは、マイクロプロセッサ１０の制御の下で、種々の受光部光ファイバについて、検知回路によって得た収集データを分析する。ステップ６４において、１本以上の様々な光ファイバのピークＰ１およびＰ２を比較してもよい。様々な光ファイバのいずれかに対するピークＰ１およびＰ２のいずれかが等しくないピーク値を有する場合、データを破棄し、色測定プロセス全体を繰り返せばよい。この場合も、ピークＰ１およびＰ２の値が等しくないことは、例えば、プローブを垂直に移動させなかったか、あるいは不安定に移動させた（即ち、角度のある移動または横方向の移動）ことを示す。例えば、ピークＰ１は物体上の第１点を表し、ピークＰ２は物体上の第２点を表すことができる。データが疑わしいので、本発明の好適な実施形態では、かかる状況において得たデータをステップ６４において破棄する。
ステップ６４においてデータを破棄しない場合、処理はステップ６６に進む。ステップ６６において、システムは、周囲光ファイバ（例えば、図２のＲ１ないしＲ３）の各々からの、中性濃度フィルタを介した受光部によって得られたデータを分析する。周囲光ファイバのピークが同じ時点において、あるいはほぼ同じ時点において発生しなかった場合、これは、例えば、プローブが測定対象物体の表面に垂直に保持されていなかったことを示す可能性がある。プローブを測定対象物体の表面に対して垂直に位置合わせしないと、疑わしい結果が得られるので、本発明の好適な実施形態では、かかる状況において得られたデータをステップ６６において破棄する。垂直な位置合わせは、通常、周囲光ファイバの同時またはほぼ同時のピークによって示されるので、好適な一実施形態では、同時またはほぼ同時のピーク発生（所定の時間範囲内のピーキング）は、データに対して容認可能な評価基準として機能する。他の実施形態では、ステップ６６は、周囲光ファイバのピーク値Ｐ１およびＰ２の分析を含む。かかる実施形態では、システムは、周囲光ファイバのピーク値（恐らく、いずれかの初期較正データで正規化されている）が、規定範囲内に等しいか否かについて判定しようとする。周囲光ファイバのピーク値が規定範囲内にある場合、データは容認可能であり、そうでない場合、データを破棄することができる。更に他の実施形態では、同時ピーキングおよび等しい値の検出の組み合わせを、データに対する容認／破棄評価基準として用い、および／またはオペレータが、（キー・パッド・スイッチ１２を通じてというように）１つ以上の容認評価基準範囲を制御できるようにしてもよい。かかる機能を備えると、システムの感度は、特定用途および動作環境等に応じて、オペレータによって制御可能に変化させることができるようになる。
ステップ６６においてデータを破棄しない場合、処理はステップ６８に進む。ステップ６８において、データを所望通りに処理し、色／光学測定データ出力を得ることができる。例えば、かかるデータは、いずれかの方法で正規化したり、温度補償、または半透明性データ、または光沢データ、または表面組織データまたは非垂直角データ、またはシステムによって検出される他のデータに基づいて調節してもよい。また、データは、データを使用する目的に応じて、異なる表示フォーマットまたはその他のフォーマットに変換してもよい。加えて、物体の半透明性および／または光沢を示すデータの評価および／または表示も、ステップ６８において行うことができる。ステップ６８の後、処理は開始ステップ４９に進むか、または処理は終了する等とすることができる。先に示したように、かかるデータも、現在または今後の状態またはステータスの評価または予測等を行なう目的のために、以前に格納したデータと比較することも可能である。
図６に示す処理にしたがって、受光部光ファイバ当たり３つの光強度値（Ｐ１，Ｐ２およびＩＳ）を格納し、色および半透明性などの測定を行う。格納ピーク値Ｐ１およびＰ２が等しくない場合（受光部のいくつかまたは全てについて）、これは、プローブが一領域全体にわたって固定保持されていなかったことの表示であり、データを破棄すればよい（他の実施形態では、データを破棄しなくてもよく、得られたデータは、測定データの平均を求めるために使用することができる）。加えて、３つの中性濃度周囲光ファイバに対するピーク値Ｐ１およびＰ２は、等しいかほぼ等しくなければならない。こうならない場合、これは、プローブが垂直に保持されていなかったこと、または湾曲面を測定していることの表示である。他の実施形態では、システムは曲面および／または非垂直角に対する補償を行おうとする。いずれの場合にしても、システムが色／光学測定を行うことができない場合、またはピーク値Ｐ１およびＰ２が容認可能な程度で等しくないため、またはその他の何らかの理由のためにデータを破棄する場合、オペレータに通知し、他の測定または（感度の調節のような）別の処置を取るようにすればよい。
上述のように構築され動作するシステムでは、受け入れられたデータは、高さおよび角度依存性が除去されており、物体の色／光学測定を行うことができる。ピーク高さで得たのではないデータ、または測定対象物体の表面に垂直なプローブを用いて得たのではないデータ等は、ある種の実施形態では破棄される。他の実施形態では、周囲光ファイバから受け取ったデータは、測定対象物体の表面に対する、プローブの角度を計算する際に用いることができ、かかる実施形態では、非垂直データまたは湾曲面データは、破棄される代わりに、補償することができる。また、中性濃度周囲光ファイバに対するピーク値Ｐ１およびＰ２は、測定対象物体の表面の輝度（グレー値）の測定値を与え、光学特性の評価に供し得ることも注記すべきであろう。
測定対象物体の半透明性は、例えば、（ＩＳ／Ｐ１）ｘ１００％のような比率または百分率として評価することができる。他の実施形態では、本発明にしたがって与えられる半透明性データを評価する他の方法が用いられ、ＩＳおよびＰ１またはＰ２等を用いる他の算術関数等がある。半透明性情報は、当業者にはわかるであろうが、出力色データ等の定量化および／または調節に用いることができる。
本発明の別の特定形態では、本発明にしたがって発生したデータは、自動化材料混成／発生機械(automated material mixing/generation machine)および／または方法を実施するために用いることができる。義歯または充填材のようなある種の物体／物質は、磁器(porcelain)または粉体／樹脂／材料または組織代用品から作られ、正確な比率で組み合わせて、あるいは添加物によって改質して、物体／義歯の所望の色を形成する。ある種の粉体はしばしば色素を含み、これは、通常、Beerの法則に従うか、および／またはKubelka-Munkの式および／または配合において混合された場合は、（必要であれば）Saundersonの式にしたがって作用する。本発明による測定から得られた色およびその他のデータは、配合に対する色素またはその他の材料の所望量を判定したり、あるいは推定するために用いることができる。磁器粉体およびその他の材料は、異なる色、不透明性等で得ることができる。義歯のようなある種の物体は、積層構造として、所望の物体の半透明性の度合いを模擬する場合がある（人の歯を模擬するというようなもの）。本発明によって発生されたデータは、磁器またはその他の材料の層の厚さおよび位置を判定し、所望の色、半透明性、表面特性等を、一層類似させて生産するために使用することができる。加えて、所望の物体に対する蛍光データに基づいて、材料の配合を調節し、所望量の蛍光発生材料を含ませることもできる。更に他の実施形態では、表面特性（織り模様のような）情報（以下で更に詳しく説明する）を用いて、配合に表面模様を付ける材料を加えることもでき、これらは全て、本発明にしたがって実施可能である。更に別の実施形態では、本発明によって得られた光沢データに基づいて、プロテーゼに対する表面研摩度を監視または調節することも可能である。
かかる染料配合型技術に関する更なる情報については、以下の文献を参照するとよい。HunterおよびHaroldによって編集された”The Measurement of Appearance”第２版、著作権１９８７年。BillmeyerおよびSaltzmanによる”Principles of Color Technology”、著作権１９８１年、およびLewisによって編集された”Pigment Handbook”、著作権１９８８年。これらは全て、NY, New YorkのJohn Wiley & Sons, Inc.によって出版されたと思われ、その全ては、この言及により、本願にも含まれるものとする。
ある種の動作環境においては、歯科学における用途のように、プローブの汚染が関心事となる。本発明のある種の実施形態では、かかる汚染の減少を図った実施を提供する。
図７Ａおよび図７Ｂは、プローブ・チップ１の端部に覆い被せるために使用可能な保護用キャップを示す。かかる保護用キャップは、本体８０から成り、その端部は光窓８２で覆われている。光窓８２は、好適な実施形態では、薄いサファイア窓を有する構造から成る。好適な実施形態では、本体８０はステンレス鋼で作られている。本体８０はプローブ・チップ１の端部に覆い被さり、例えば、本体８０内に形成された陥凹によって適所に配する。陥凹は、プローブ・チップ１上に形成されたリブ８４（スプリング・クリップまたはその他のリテイナとすればよい）と嵌合する。他の実施形態では、かかる保護用キャップをプローブ・チップ１に取りつける他の方法が用いられる。保護用キャップは、プローブ・チップ１から取り外し、典型的な圧力釜、高温スチーム、ケミクレーブ(chemiclave)またはその他の滅菌システムにおいて滅菌することができる。
サファイア窓の厚さは、プローブのピーク高さ未満とし、本発明によるピーク検出する機能を保存すべきであり、好ましくは、光源／受光円錐が重複する（図４Ｂおよび図４Ｃ参照）臨界高さ未満の厚さを有する。また、サファイア窓は、再生可能に製造し、こうしてキャップ毎のあらゆる光減衰を再現可能とすることも考えられる。加えて、サファイア窓によって生じる色／光学測定のあらゆる歪みも、マイクロプロセッサ１０によって較正することができる。
同様に、他の実施形態では、本体８０は、中央に孔のあるキャップ（サファイア窓とは異なり）を有し、この孔を光ファイバ光源／受光部上に配置する。孔のあるキャップは、プローブが表面に接触するのを防止するように作用し、これによって、汚染の危険性を低下させる。尚、かかる実施形態では、プローブ・チップの光源から受光エレメントへの光が、キャップによる悪影響を受けないように、孔を位置付けることを注記しておく。
図８Ａおよび図８Ｂは、本発明にしたがって汚染の減少を図るために使用可能な、着脱可能（自在）プローブ・チップの別の実施形態を示す。図８Ａに示すように、プローブ・チップ８８は着脱自在であり、４つの（あるいは、用途に応じて異なる数の）光ファイバ・コネクタ９０を含み、これらを、コネクタ９４に結合された光防護物（ガード）９２内に配置する。光防護物９２は、隣接する光ファイバ間の「クロス・トーク」を防止するように作用する。図８のＢに示すように、この実施形態では、着脱自在のチップ８８は、スプリング・クリップ９６によって、プローブ・チップ・ハウジング９３内に固着される（他の実施形態では、他の着脱自在に保持する実施態様も用いられる）。プローブ・チップ・ハウジング９３は、螺子または他の従来からの取り付け具によって、ベース・コネクタ９５に固着することができる。この実施形態では、異なるサイズのチップを異なる用途のために用意したり、更にこの処理の初期段階では、特定用途のために適正なサイズのもの（即ち、嵌合チップ(fitted tip)）を実装してもよいことを注記しておく。また、着脱自在のチップ８８も、典型的な圧力釜、高温スチーム、ケミクレーブ(chemiclave)またはその他の滅菌システムにおいて滅菌するか、あるいは使い捨てとすればよい。加えて、プローブ・チップ構造体全体は、洗浄または修理のために容易に分解できるように構成する。ある種の実施形態では、着脱自在のチップの光源／受光エレメントは、ガラス、シリカまたは同様の材料で作成することによって、圧力釜または同様の高温／圧力洗浄方法に特に適したものとする。ある種の他の実施形態では、着脱自在のチップの光源／受光エレメントは、コストが低いプラスチックまたはその他の同様の材料で作成し、使い捨て型の着脱自在のチップ等に特に適したものとする。
更に他の実施形態では、プラスチック、紙またはその他の型のシールド（使い捨て、洗浄可能／再利用可能等とすることができる）を用い、特定の用途において存在し得る、あらゆる汚染問題に対処できるようにする。かかる実施形態では、その方法論は、色／光学測定を行う前に、かかるシールドをプローブ・チップ上方に位置付けることを含むとよく、更に、色／光学測定を行った後に、シールドを取り外し、廃棄／洗浄すること等も含むとよい。
代わりの着脱自在プローブ・チップを利用した本発明の更に別の実施形態について、これより図１９Ａないし図１９Ｃを参照しながら説明する。図１９Ａに示すように、この実施形態は、着脱自在のコヒーレント光導管３４０を、着脱自在チップとして利用する。光導管３４０は、光導管の短い区域であり、好ましくは、小さな光ファイバを溶融した束(fused bundle)とし、ファイバを互いにほぼ平行とし、その端部は高精度に研磨されている。光導管３４０の断面３５０を図１９のＢに示す。光導管３４０と同様の光導管が、ボアスコープ(borescope)として知られているものに既に利用されており、内視鏡のような医学的用途においても利用されている。
この実施形態における光導管３４０は、光源から測定対象物体の表面まで光を導き、更に表面からの反射光を受け、それをプローブ・ハンドル３４４内の受光部光ファイバ３４６まで導くように作用する。光導管３４０は、圧縮かみ合い部（ジョー：jaw）３４２またはその他の適切な取付金具によって、光ファイバ３４６に対して適切な位置に保持されるか、あるいは光導管３４０を確実に位置付けるように結合し、光ファイバ３４６へのまたそれからの光を効果的に結合する。光ファイバ３４６は、別個のファイバ／光導管３４８に分離させてもよく、前述の実施形態の場合のように、これらを適切な光センサ等に結合することができる。
概略的に、光導管３４０内に用いる光ファイバのアパーチャは、光源および受光部用光ファイバのアパーチャと一致するように選択するればよく、あるいは光導管のアパーチャは、最も大きな光源または受光部アパーチャよりも大きくまたはそれ以上とすることも可能である。したがって、光導管の中央部分は、光源からの光を導き、ファイバの束の中で単一のファイバを構成するかのように、表面を照明することができる。同様に、光導管の外側部分は、反射光を受け、単一のファイバを構成するかのように、受光部光ファイバにそれを導くことができる。光導管３４０は端部を有し、高精度に研磨し垂直に切断することが好ましく、特に光ファイバ３４６に光を結合する端部では好ましい。同様に、光導管３４０に接する光ファイバ３４６の端部も、高精度に研磨し、高い精度で垂直に切断し、光の反射や、光源光ファイバおよび受光部光ファイバ間、ならびに隣接する受光部光ファイバ間のクロス・トークを最少に抑える。光導管３４０は重要な利点を与え、それはかかる着脱自在のチップの製造および実装の場合を含む。例えば、プローブ・チップは、特にプローブ・チップ・ホルダと位置合わせする必要がなく、圧縮機構（圧縮かみ合い部３４２を用いる等）を用いる等によって、プローブ・チップ・ホルダに対して保持し、光を光ファイバ３４６へまたそれから効果的に結合するだけでよい。したがって、かかる着脱自在のチップ機構は、位置合わせ用タブなどがなくても実施することができるので、着脱自在のプローブ・チップの実装は容易に行われる。このように容易に実装可能なプローブ・チップは、したがって、実装前に取り外して清浄化することにより、歯科医、医療関係、または汚染が問題となり得る環境におけるその他の作業において、色／光学測定装置の使用が容易となる。また、光導管３４０は、例えば、光導管の小部分として実施することも可能であり、簡単で低価格の大量生産等を容易に行うことが可能となる。
かかる光導管プローブ・チップの別の実施形態を、図１９Ｃに光導管３５２として示す。光導管３５２は、一端（端部３５４）が他端（端部３５６）よりも狭い光導管である。光導管３５２のような輪郭付けられた／テーパ状光導管(contoured/tapered light conduit)は、溶融プロセスの一部として、１束の小さな光ファイバを加熱し、延伸することによって製造することができる。かかる光導管は、拡大または縮小という追加の興味深い特性を有する。かかる現象が発生するのは、両端部に同数のファイバがあるからである。したがって、狭い端部３５４に入射する光が広い端部３５６に導かれ、広い端部３５６の方が広い領域をカバーするので、拡大効果が得られる。
図１９Ｃの光導管３５２は、図１９Ａの光導管３４０（全体的に円筒形でよい）と同様に用いることができる。しかしながら、光導管３５２は、その端部３５４のサイズが縮小されているので、小さな領域を測定する。このように、比較的大きなプローブ本体を製造し、光源光ファイバを受光部光ファイバから広い空間を取って配することができるので、接合部における光の反射およびクロス・トークの減少という利点が得られ、しかも小さなプローブ測定領域を維持することができる。加えて、光導管３５２の狭い端部３５４の相対的なサイズは、変更することができる。これによって、オペレータは、特定用途における条件にしたがって、着脱自在のプローブ・チップのサイズ／特性を選択することが可能となる。このようにプローブ・チップのサイズが選択可能なために、種々の用途や動作環境において、光学特性を測定する際に更に別の利点を得ることができる。
本明細書の開示を検討すれば当業者には明白であろうが、図１９Ａおよび図１９Ｃの光導管３４０および３５６は、必ずしも図示のような円筒／テーパ状である必要はなく、曲線状のプローブ・チップが有効に用いることができるような特殊用途（狭い場所または到達が困難な場所におけるような用途）のため等には、湾曲させてもよい。また、図１９Ｃの光導管３５２を逆にして、より広い領域をカバーするように（狭い端部３５４が光を光ファイバ３４６等に結合し、広い端部３５６を測定を行うように配置する）してもよいことを注記しておく。
図９を参照して、ここに開示するある種の実施形態の理解に役立つことができ、あるいはかかる実施形態と共に用いることができる、三刺激の実施形態についてこれより説明する。総じて、図１に示し前述したシステム全体は、この実施形態でも使用可能である。図９は、この実施形態に用いられるプローブ・チップの光ファイバの断面図を示す。
プローブ・チップ１００は、３本の周囲受光部光ファイバ１０４および３本の色受光部光ファイバ１０２によって包囲された（そしてこれらから離間された）中央光源光ファイバ１０６を含む。３本の周囲受光部光ファイバ１０４は、光学的に、中性濃度フィルタに結合され、上述の実施例と同様に、高さ／角度センサとして機能する。３本の色受光部光ファイバは、光学的に、赤色、緑色および青色フィルタのような適切な三刺激フィルタに結合する。この実施形態では、測定は、物体の三刺激色値によって行い、図６を参照しながら説明した処理が、全体的にこの実施形態にも適用可能である。即ち、周囲光ファイバ１０４を用いて、同時ピークを検出するか、あるいはプローブが測定対象物体に対して垂直か否かの検出を行うことができる。
図１０Ａは、図９を参照しながら説明した実施形態に類似した、別のかかる実施形態を示す。プローブ・チップ１００は、３本の受光部光ファイバ１０４、および複数の色受光部光ファイバ１０２によって囲まれた（そしてこれらから離間された）中央光源光ファイバ１０６を含む。色受光部光ファイバ１０２の本数、およびかかる受光部光ファイバ１０２に関連するフィルタは、特定の用途に基づいて選択すればよい。図９の実施例におけると同様、図６を参照しながら説明した処理が、全体的にこの実施例に適用可能である。
図１０Ｂは、中央光源光ファイバ２４０を包囲する複数の受光部光ファイバがある、別のかかる実施形態を示す。受光部光ファイバは、環状に配列され、中央光源光ファイバを包囲している。図１０Ｂは、受光部光ファイバのリング３つ（それぞれ光ファイバ２４２，２４４および２４６によって構成される）を示し、リング当たり６本の受光部光ファイバがある。リングは、図示のように、連続的に大きな円として構成し、プローブの端部の領域全体を覆うようにすればよく、所与のリング内における各受光部光ファイバから中央光ファイバまでの距離は、等しくなっている（あるいはほぼ等しくなっている）。中央光ファイバ２４０は、光源光ファイバとして使用され、図１に示した光源光ファイバ５と同様に、光源に接続されている。
複数の受光部光ファイバは、各々が、スライス・コネクタ４について図１に示した構成と同様に、２本以上の光ファイバに結合されている。各受光部光ファイバに対する、かかるスライス・コネクタからの１本の光ファイバは、中性濃度フィルタを通過し、次いで、図３に示した光センサ回路と同様の光センサ回路に達する。受光部光ファイバ毎のスライス・コネクタからの第２の光ファイバは、Sharp Cutting Wrattan Gelatin Filter（または前述のようなノッチ・フィルタ）を通過し、次いで、前述した光センサ回路に達する。このように、プローブ・チップ内の受光部光ファイバの各々は、色測定エレメントおよび中性光測定即ち「周囲」エレメントの双方を含む。
図１０Ｄは、平坦な拡散面２７２上の領域を照明するプローブ２６０（上述のような）の幾何学的配置を示す。プローブ２６０は、光パターン２６２を形成し、これは表面２７２から均一な半球パターン２７０に拡散的に反射される。かかる反射パターンでは、この明細書で先に説明したように、プローブが表面に垂直であれば、プローブ内の受光エレメントに入射する反射光は、全てのエレメントに対して等しく（ほぼ等しく）なる。
図１０Ｃは、粗い面２６８、即ち、光を不規則に反射する面を照明するプローブを示す。反射光は、ホット・スポット、即ち、反射光の強度が、他の領域２６４よりもかなり高い領域を示す。反射光パターンは、図１０Ｄに示した平坦面と比較すると、斑がある。
図１０Ｂに示したプローブは、大きな表面領域全体に配列された複数の受光部光ファイバを有するので、プローブを用いて、表面の織り模様を判定するために使用したり、この明細書で先に説明したように、表面の色および半透明性等を測定することができる。受光部光ファイバが受けた光の強度が、受光部光ファイバの所与のリング内の全ての光ファイバについて等しい場合、概ね、その表面は滑らかである。しかしながら、あるリング内の受光ファイバの光強度が互いに対して異なる場合、その表面は概ね粗い。所与のリング内、およびリング毎の受光部光ファイバ内において測定した光強度を比較することにより、表面の織り模様やその他の特性を定量化することができる。
図１１は、光センサ８（およびフィルタ２２等）の代わりにリニア光センサおよび色傾斜（gradient）フィルタを用いた、本発明の実施形態を示す。受光部光ファイバ７は、図１の実施例の場合と同様にプローブ・チップ１に光学的に結合することができ、色傾斜フィルタ１１０を介して、リニア光センサ１１２に光学的に結合されている。この実施形態では、色傾斜フィルタ１１０は、透明なまたは開放基板(open substrate)上の一連の狭いストリップ状のカットオフ型フィルタから成るものとすることができ、リニア光センサ１１２のセンサ領域と位置的に対応するような構造とする。商業的に入手可能なリニア光センサ１１２の一例は、Texas Instrumentsの部品番号TSL213であり、これは６１個のフォト・ダイオードを直線アレイ状に有する。受光部光ファイバ７は、対応して、リニア光センサ１１２上に、直線上に配列されている。受光部光ファイバの本数は、色傾斜フィルタ１１０の全長をほぼ均一に覆うのに十分な本数が含まれている限りは、特定の用途毎に選択することができる。この実施形態では、光は、受光部光ファイバ７によって受光され出力され、リニア光センサ１１２によって受光された光は、（光強度、フィルタ特性および所望の精度によって決定される）短い時間期間にわたり積分される。直線アレイ・センサ１１２の出力は、ＡＤＣ１１４によってデジタル化され、マイクロプロセッサ１１６（マイクロプロセッサ１０と同じプロセッサまたはその他のプロセッサとすることができる）に出力される。
通常、図１１の実施形態では、周囲受光部光ファイバは、図１の実施形態と同様に使用すればよく、図６を参照しながら説明した処理が、全体的にこの実施形態に適用可能である。
図１２は、光センサ８（およびフィルタ２２等）の代わりに、マトリクス光センサおよび色フィルタ・グリッドを用いる、本発明の実施形態を示す。受光部光ファイバ７は、図１の実施例の場合と同様にプローブ・チップ１に光学的に結合することができ、フィルタ・グリッド１２０を介して、マトリクス光センサ１２２に光学的に結合されている。フィルタ・グリッド１２０は、狭い帯域の可視光を通過させる多数の小さな有色スポット・フィルタから成るフィルタ・アレイである。受光部光ファイバ７からの光は、対応するフィルタ・スポットを通過し、マトリクス光センサ１２２上の対応する点に達する。この実施形態では、マトリクス光センサ１２２は、ＣＣＤ型、またはビデオ・カメラにおいて使用されているその他のタイプの光センサ・エレメントのような、単色光センサ・アレイとすればよい。マトリクス光センサ１２２の出力は、ＡＤＣ１２４によってデジタル化され、マイクロプロセッサ１２６（マイクロプロセッサ１０と同じプロセッサまたはその他のプロセッサとすることができる）に出力される。マイクロプロセッサ１２６の制御のもとで、マトリクス光センサ１２２は、受光部光ファイバ７から色フィルタ・グリッド１２０を介してデータを収集する。
通常、図１２の実施形態では、周囲受光部光ファイバは、図１の実施形態と同様に使用すればよく、図６を参照しながら説明した処理が、全体的にこの実施形態に適用可能である。
通常、図１１および図１２の実施形態では、色フィルタ・グリッドは、前述のようなシャープ・カット・オフ・フィルタで構成することができ、またはノッチ・フィルタで構成することもできる。当業者には明白であろうが、これらは、従来のモノクロメータに利用されているような、回折格子および合焦ミラーで構成することも可能である。
前述の説明から明確となろうが、本発明を用いると、種々のタイプのスペクトル色／光学測光計（または三刺激型測色計）を構築し、周囲受光部光ファイバを用いて、高さおよび角度の偏差を本質的に解消した色／光学データを収集することができる。加えて、ある種の実施形態では、本発明は、測定対象物体の表面から、ピーク高さにおいて色／光学測定を行うことを可能にし、したがって、測定対象物体と物理的に接触することなく、色／光学データを得ることができる（かかる実施形態では、プローブを領域１を通過させて領域２まで進めることによってのみ色／光学データが得られるが、必ずしも図５Ａおよび図５Ｂの領域３に入らなくてもよい）。かかる実施形態は、特定用途において表面との接触が望ましくない場合に、使用することができる。先に説明した実施形態では、しかしながら、プローブの物体との物理的接触（またはほぼ物理的な接触）によって、図５Ａおよび図５Ｂの５つの領域全てが利用可能となり、これによって半透明性の情報も得ることが出きるような測定を行うことが可能となる。双方のタイプの実施例は、全体的に、ここに記載する本発明の範囲に含まれるものである。
次に、図１および図３の好適な実施形態（群）に関連して説明したタイプのカットオフ・フィルタ（図３のフィルタ２２のような）に関して、補足説明を行う。図１３Ａは、図３との関連において論じた、単一のKodak Sharp Cutting Wratten Gelatin Filterの特性を示す。かかるカットオフ・フィルタは、カットオフ周波数より低い（即ち、カットオフ波長より高い）光を通過させる。かかるフィルタは、広い範囲のカットオフ周波数／波長を有するように製造することができる。図１３Ｂは、多数のかかるフィルタ、好適な実施例では１２個を示す。カットオフ周波数／波長は、本質的に可視帯域全体が、カットオフ・フィルタの集合によってカバーされるように選択する。
図１４Ａおよび図１４Ｂは、図１３Ｂに示したようなカットオフ・フィルタ構成を用いた、強度測定の一例を示す。第１に、白い表面を測定した場合（図１４Ａ）、そして青い表面を測定した場合（図１４Ｂ）も示す。図１４のＡに示すように、白い表面の場合、中性フィルタを介した周囲光ファイバを、高さおよび角度などの検出に用いるが、概ね最高の強度が得られる（しかしながら、これは、少なくとも部分的には、中性濃度フィルタの特性に依存する）。図１３Ｂに示す特性を有するフィルタによって与えられる段階状カットオフ・フィルタ処理の結果として、残留する強度は、図１４Ａに示すように、徐々にその値が減少する。青い表面の場合、概ね図１４Ｂに示すように、強度は、その値が徐々に減少する。しかしながら、表面には無関係に、フィルタからの強度は、図示のように、常にその値が減少し、最も大きい強度値は、波長カットオフ値が最も小さい（即ち、青までの可視光を全て通過させる）フィルタの出力であり、最も低い強度値は、波長カットオフ値が最も高い（即ち、赤い可視光のみを通過させる）フィルタの出力である。前述の説明から理解されるように、図１４Ａおよび図１４Ｂの減少強度特性と一致しない検出色データはいずれも、異常として検出することができ、ある種の実施形態では、かかる状態の検出の結果、データの破棄、エラー・メッセージの発生、または診断ルーチンの開始等が行われることになる。
次に、図１および図３、ならびに関連する説明を参照し、かかるカットオフ・フィルタ構成を、どのようにして本発明にしたがって利用するのかについて詳細に説明する。
図１５は、本発明のある種の実施形態において使用可能なオーディオ・トーンを示すフロー・チャートである。オーディオ・トーン（これから述べるような、トーン、ビープ、音声等のような）は、ここに記載する形式の色測定システムの適正使用において、オペレータを誘導するのに特に有用でありかつ教育的な手段であることが発見されている。
オペレータは、ステップ１５０において、（図１のスイッチ１７のような）スイッチの作動により、色／光学測定を開始することができる。その後、システムの準備（設定、初期化、較正等）ができたなら、ステップ１５２において（図１のスピーカ１６を通じてというように）プローブ降下トーンを発する。システムは、ステップ１５４において、ピーク強度Ｐ１を検出しようとする。ピークが検出された場合、ステップ１５６において、測定ピークＰ１が適用可能な評価基準（図５Ａ、図５Ｂおよび図６に関連して前述したような）を満たすか否かについて判定を行う。測定ピークＰ１が受け入れられた場合、ステップ１６０において第１ピーク受け入れトーンを発生する。測定ピークＰ１が受け入れられなかった場合、ステップ１５８において失敗トーンを発生し、システムは、オペレータが別の色／光学測定を開始するのを待つ。第１のピークが受け入れられたと仮定すると、システムは、ステップ１６２において、ピーク強度Ｐ２を検出しようとする。第２ピークが検出された場合、ステップ１６４において、測定ピークＰ２が適用可能な評価基準を満たすか否かについて判定を行う。測定ピークＰ２が受け入れられた場合、プロセスは色計算ステップ１６６に進む（他の実施形態では、ステップ１６６において第２ピーク受け入れトーンを発生する）。測定ピークＰ２が受け入れられなかった場合、ステップ１５８において失敗トーンを発生し、システムは、オペレータが別の色／光学測定を開始するのを待つ。第２のピークが受け入れられたと仮定すると、ステップ１６６において色／光学計算を行う（例えば、図１のマイクロプロセッサ１０が、光センサ８等から出力されたデータを処理する等）。ステップ１６８において、色計算が適用可能な評価基準を満たすか否かについて判定を行う。色計算が受け入れられた場合、ステップ１７０において成功トーンを発生する。色計算が受け入れられなかった場合、ステップ１５８において失敗トーンを発生し、システムはオペレータが別の色／光学測定を開始するのを待つ。
本システムの特定の動作状態にしたがってオペレータに独特のオーディオ・トーンを提示することによって、オペレータのシステム使用を格段に簡単にすることができる。かかるオーディオ情報は、例えば、システムを思い通りに動作させた場合に、受け入れトーンは肯定的で励みになるフィードバックを与えるので、オペレータの満足度および熟練度を高めるのに役立つ。
次に、図１６ないし図１８を参照しながら、本発明の更に別の実施形態について説明する。これまでに説明した実施形態は、全体的に、測定対象物体に対するプローブの移動を基本とするものであった。かかる実施形態は多くの用途において大きな有用性を与えるが、ロボット、工業制御、自動製造等のようなある種の用途においては（物体および／またはプローブを互いに近接配置したり、物体の色／光学特性を検出したり、物体の進路を決めるため、例えば、検出された色／光学特性に基づいて分類し、更に工業的処理やパッケージ処理等を行うために）、測定対象物体の表面上に、保持したプローブ、即ち、ほぼ固定的に位置付けたプローブを用いて測定を行うことが望ましい場合がある（かかる実施形態の場合、位置決めされたプローブは、ある種の他の実施形態におけるようには扱うことができない）。
図１６は、このような更に別の実施形態を示す。この実施形態のプローブは、複数の周囲センサと、受光部３１２―３２０に結合された複数のカラー・センサとを含む。カラー・センサおよび関連する構成要素等は、前述の実施形態と同様に動作するように構築すればよい。例えば、光ファイバ・ケーブル等は、受光部３１２―３２０が受光する、光源３１０からの光をシャープ・カットオフ・フィルタまたはノッチ・フィルタに結合し、正確に規定された波長について、受けた光を測定する（例えば、図１、図３および図１１ないし図１４、ならびに関連する説明を参照のこと）。物体の色／光学特性は、複数のカラー・センサ測定値から判定することができ、これらには、三刺激計器の場合には、３つのかかるセンサ即ち８，１２，１５、あるいはより完全な帯域幅システムのためにはそれよりも多いカラー・センサを含むことができる（正確な数は、所望の色分解能などによって決定することができる）。
この実施形態では、比較的多数の周囲センサを用いる（例えば、本発明のある種の好適な実施形態において用いられる３つの周囲センサとは異なる）。図１６に示すように、周囲センサに結合された複数の受光部のトライアッド(triad)３１２―３２０を用い、好適な実施形態では、トライアッドとは、各々、光源３１０から等距離に配置した３本の光ファイバから成るもののことである。好適な実施形態では、光源３１０は、中央光源光ファイバである。周囲受光部／センサのトライアッドは、中央光源光ファイバ周囲の同心状センサ・リングとして構成することができる。図１６では、１０個のかかるトライアッド・リングが示されているが、他の実施形態では、所望の精度や動作範囲、およびコスト要因等に応じて、これよりも少ない数または多い数のトライアッド・リングを用いてもよい。
図１６に示すプローブは、ある範囲の高さ（即ち、測定対象物体からの距離）以内で動作することができる。前述の実施形態の場合と同様、かかる高さ特性は、主に、プローブの幾何学的形状および構成物質によって決定され、周囲センサの最小リングの間隔が最小高さを決定し、周囲センサの最大リンクの間隔が最大高さを決定する等となる。したがって、周囲センサ・リングの数や、中央光源光ファイバからのリング距離の範囲を変更することによって、種々の高さ範囲や精度等のプローブを構築することが可能となる。かかる実施形態は、同様の種類の物質を測定する場合等に特に適していることを注記しておく。
先に説明したように、複数の受光部／周囲センサのための受光エレメントは、Texas InstrumentsのTSL230光―周波数変換器のような個々のエレメントとすることができ、あるいはＣＣＤカメラにおいて見出される場合もあるもののような、矩形のアレイ・エレメントを用いて構築することもできる。他の実施形態では、他の広帯域光測定エレメントが使用される。かかる実施形態において用いられる周囲センサには（図１６の実施形態については３０のように）多数あるが、ＣＣＤカメラ型の検知エレメントのようなアレイが望ましい場合がある。尚、本発明のかかる実施形態には、周囲センサが測定する光の絶対強度レベルは、さほど重大でないことを注記しておく。かかる実施形態では、周囲光センサのトライアッド間の差は、光学測定を行うために利用すると有効である。
かかるプローブを用いる場合、測定対象物体の表面付近にこのプローブを保持／位置決めすることによって（即ち、特定のプローブの容認可能な高さの範囲内で）、光学測定を行うことができる。光源３１０に光を供給する光源をオンに切り替え、（周囲センサに結合された）受光部３１２―３２０によって受けられた反射光を測定する。トライアッド・センサのリングの光強度を比較する。通常、プローブが表面に対して垂直であり、表面が平面であれば、各トライアッドの３つのセンサの光強度はほぼ等しくなろう。プローブが表面に対して垂直でない場合、または表面が平面でない場合、１つのトライアッド内の３つのセンサの光強度は等しくない。したがって、プローブが測定対象表面等に対して垂直であるか否かについて判定することができる。また、周囲センサのトライアッドの測定値の分散（variance）を用いて、カラー・センサの光強度測定値を数学的に調節することによって、非垂直面を補償することも可能である。
センサのトライアッドを形成する３つのセンサは、中央光源３１０からの距離（半径）が異なるので、受光部３１２―３２０および周囲センサによって測定される光強度は変動することが予測される。いずれの所与のセンサのトライアッドについても、表面に近づくようにプローブを移動させると、受光強度は最大まで増大し、プローブを表面に近づくように移動させるに連れて、急激に低下する。既に説明した実施例の場合と同様に、強度は、プローブをピーク高さ未満に移動させると急激に低下し、不透明な物体に対しては、急激にゼロまたは殆どゼロに低下する。ピーク高さの値は、主に、光源３１０からの特定の受光部までの距離によって異なる。したがって、センサのトライアッドは、異なるピーク高さにおいてピークを得ることになる。センサのトライアッドが受ける光の値の変動を分析することによって、プローブの高さを決定することができる。この場合も、これは、同様の種類の物質を測定する場合に、特にあてはまる。先に論じたように、既に格納されているデータとの比較を利用して、かかる判定または評価等を行なうことも可能である。
本システムは、最初に中性的な背景（例えば、グレーの背景）に対して較正が行われ、較正値を不揮発性メモリ（例えば、図１のプロセッサ１０を参照）に格納する。いずれの所与の色または強度についても、受光部／周囲センサ（中央光源光ファイバからの距離には無関係）に対する強度は、通常、同様に変動するであろう。したがって、白い表面は周囲センサに対して最も高い強度を生じ、黒い壁は最も低い強度を生ずる。表面の色は、周囲センサの測定光強度に影響を与えるが、それらにほぼ同様に影響を与えるであろう。しかしながら、物体の表面からのプローブの高さは、センサのトライアッドに異なる影響を与える。プローブの最小高さ範囲では、最も小さいリング（光源光ファイバに最も近いもの）内のセンサのトライアッドは、それらの最大値またはその周囲にある。残りのトライアッドのリングは、それらの最大値よりも低い強度で、光を測定する。プローブを最小高さから上昇／位置決めするに連れて、最も小さいセンサ・リングの強度は低下し、次のセンサ・リングの強度が最大値まで増大し、次いで、プローブを更に上昇／位置決めすると、強度は低下する。第３のリング、第４のリング等についても同様である。したがって、トライアッドのリングによって測定される強度のパターンは、高さに依存する。かかる実施形態では、プローブのために、中性色表面を用い固定具内においてそれを較正することによって、このパターンの特性を測定し、不揮発性ＲＡＭの参照テーブル（等）に格納するとよい。ここでも、光の実際の強度は、かかる実施形態ではさほど重要ではないが、周囲センサのリング間の分散の度合いは重要である。
測定対象の表面からのプローブの高さの測定値(measure)を決定するために、周囲センサ（受光部３１２―３２０に結合されている）の強度を測定する。周囲センサの内側のリングから次のリングまでの光強度の分散等を分析し、参照テーブル内の値と比較することによって、プローブの高さを決定する。こうして表面に対して決定されたプローブの高さは、システム・プロセッサが用いて、カラー・センサによって測定された光強度を補償し、概ね高さとは無関係な、反射率の読み取り値を得る。前述の実施例の場合と同様、反射率の測定値は、測定対象物体の光学特性等を判定するために使用可能である。
先に述べたようなオーディオ・トーンは、かかる実施形態をハンドヘルド構成に用いる場合に、採用すると効果的であることを注記しておく。例えば、種々のパルス、周波数、および／または強度のオーディオ・トーンを用いて、計器が色測定のための容認可能範囲内に位置したとき、有効または無効の色測定が行われたとき等、計器の動作ステータスを示すことができる。通常、前述のようなオーディオ・トーンは、かかる別の実施形態との有効な使用ができるように適合化させることができる。
図１７は、本発明の更に別の実施形態を示す。この実施形態の好適な実施態様は、複数の受光部３２２（好適な実施形態では、３つの周囲受光部光ファイバから成る）によって包囲された、中央光源３１０（好適な実施態様では、中央光源光ファイバ）から成る。前述の実施形態と同様、３本の周囲受光部光ファイバは、各々、追加の光ファイバ内に接合し、光強度受光部／センサに到達させることができる。光強度受光部／センサは、前述の、Texas InstrumentsのTSL230光―周波数変換器によって実施すればよい。
各周囲受光部の１本のファイバをセンサに結合し、中性濃度フィルタを介する等として最大帯域幅（または実質的に同じ帯域幅）を測定し、周囲受光部のファイバの内他のものをセンサに結合し、光がシャープ・カット・オフまたはノッチ・フィルタを通過し、異なる周波数範囲におよぶ光（この場合も、先に記載した実施形態と同様）の光強度を測定する。このように、先に記載した実施形態と同様、色光センサおよび中性「周囲」センサがある。カラー・センサは、物体の色またはその他の光学特性を判定するために用い、周囲センサは、プローブが表面に対して垂直か否かを判定するために用い、および／または所定の角度範囲内で非垂直角度を補償するために用いる。
図１７の実施形態では、周囲センサ光ファイバの角度は、中央の光源光ファイバに対して機械的に変化させる。中央の光源光ファイバに対する周囲受光部／センサの角度を測定し、以下に述べるように利用する。機械的な機構の一例について、図１８を参照しながら説明する。その詳細は、光源に対して周囲受光部の所望の制御移動が得られる限り、重要ではない。
（特定の構成および構造等によって判定する）計器の有用な範囲内にプローブを保持し、色の測定を開始する。周囲受光部／センサの中央光源に対する角度は、中央の光源光ファイバに向かう点(pointing)に平行なところから変化させる。角度を変化させている間、周囲センサ（例えば、中性センサ）およびカラー・センサに対する光センサの強度を測定し、この光測定時におけるセンサの角度と共にセーブする。ある角度範囲にわたって、光強度を測定する。角度を大きくするに連れて、光強度は最大値まで増大し、角度を更に大きくすると減少に転じる。光値が最大となる角度を用いて、表面からのプローブの高さを判定する。ここに提供する教示に基づけば当業者には明白であろうが、適切な較正データにより、単純な幾何学的形状またはその他の解析(math)等を用いて、角度変化中に測定したデータに基づいて高さを計算することができる。次に、色／光学測定強度の補償、および／または色値の正規化等に、この高さの値を用いることができる。
図１８は、周囲センサの角度を調節し測定する機械的構成の実施形態の一例を示す。各周囲受光部／センサ３２２には、プローブ・フレーム３２８上に旋回アーム３２６が取り付けられている。旋回アーム３２６は、カム機構を形成するように、中央リング３３２に係合する。中央リング３３２は、旋回アーム３２６の一部を保持する溝を含み、カム機構を形成する。中央リング３３２は、直線アクチュエータ３２４および螺子切りスピンドル３３０によって、プローブ・フレーム３２８に対して垂直に移動することができる。直線アクチュエータ３２４に対する中央リング３３２の位置は、光源３１０に対する周囲受光部／センサ３２２の角度を決定する。直線アクチュエータ３２４の位置と１対１で対応するかかる角度位置データは、予め較正し、不揮発性メモリに格納しておき、後に、前述のような色／光学特性測定データを得る際に用いるとよい。
先に背景で述べたように、可変アパーチャ受光部を利用し、例えば、表面の光沢度を測定する種々の追加的な好適な実施形態について、図２０Ａないし図２２Ｂを参照しながらこれより説明する。前述の電子回路および分光光度計／反射計としての様々な実施態様が、かかる好適な実施形態に適用可能である。
図２０Ａを参照し、可変アパーチャ受光部を利用したプローブについてこれより説明する。図２０Ａにおいて、光源Ａ４５２は、小さい開口数ＮＡ、例えば、０．２５の光源光ファイバを表わす。受光部Ｂ４５４は、広い開口数、例えば、０．５の受光部光ファイバを表わす。受光部Ｃ４５６は、光源Ａと開口数は同じであるがコア径が小さい受光部光ファイバを表わす。受光部Ｄ４５８は、広い開口数、例えば、０．５の受光部光ファイバを表わす。
受光部（複数の受光部）Ｂ４５４の１つ以上（ある種の実施形態では、１つの受光部Ｂを利用する場合もあり、一方別の実施形態では複数の受光部Ｂを利用し、かかる受光部Ｂを６つまたは８つというように、光源Ａ周囲に円形に配列する）が分光計に達している（例えば、かかる好適な実施形態に適した構成の図１、図３、図１１、図１２を参照のこと）。受光部（複数の受光部）Ｂ４５４は、反射光のスペクトルを測定するために用いられる。受光部Ｃ４５６およびＤ４５８は、広帯域（波長）受光部に達し、受光部（複数の受光部）Ｂによって行なった測定を補正するために用いられる。受光部Ｃ４５６およびＤ４５８は、プローブが表面に対して垂直であるか否か補正しかつ検出すると共に、鏡面度対拡散反射（鏡面反射係数等）の測定／評価を行い、更に物質／物体の半透明度を測定する。
図２０Ｂは、図２０Ａの実施形態の改良を示す。ここでは、受光部Ｂ４５４を、密接に詰め込んだ細い光ファイバ４５４Ａの円筒状配列で置き換え、図示のように光源４５２を全体的に包囲する。受光部Ｂ４５４Ａの円筒状配列を形成するファイバは、小さなファイバ群に分割し、例えば、図１に示した光センサ８に至る。ファイバ群の数は、光センサの数で決定される。あるいは、受光部ファイバＢ４５４Ａの束全体を、従来の設計の回折格子分光計のような、分光計に対応させる。前述のように、受光部Ｃ４５６およびＤ４５８は、その周囲に配することもできる。ある種の実施形態では、受光部ＣおよびＤは、密接に詰め込んだ細い光ファイバの束で構成することも可能である。他の実施形態では、それらは単一の光ファイバから成る。
本発明の実施形態による半透明性の評価については既に説明した。しかしながら、好適な実施形態によれば、物質／物体の表面からの反射光（即ちピーク強度）、ならびにそれに関連するスペクトルおよび物質／物体の表面と接触しているときの光のスペクトルの双方を測定／評価可能であることを注記しておく。２つのスペクトルは、典型的に、振幅が異なり（典型的に、表面上の方が、表面に接触している場合よりも強度または輝度(intensity or luminance)が高い）、ある物質のスペクトルでは、クロミナンス（即ち、スペクトルの構造）も同様に異なる。
かかる実施形態によるプローブでピーク強度を測定すると、通常表面からの反射光の測定、および表面を貫通し、物質内部でばらばらに散乱し(bulk scatter)、再度物質から現れる（例えば、半透明性の結果）光の測定双方が行われる。プローブが表面に接触している場合（例えば、臨界高さ未満）、受光部光ファイバは表面からの反射光を検出することができず、したがって受光部によって検出される光は全て物質の半透明性の結果であり、そのスペクトルは物質のバルク内部における散乱の結果である。「反射スペクトル」および「バルク・スペクトル」は、通常、物質が異なれば異なり、かかる反射スペクトルおよびバルク・スペクトルの評価によって、材料、表面、物体、歯等を測定、評価、および／または特性付けするために追加のパラメータが得られ、その上半透明な物質およびその他の種類の物質を区別するための新たなメカニズムが得られる。
本発明の好適な実施形態によれば、光沢度（即ち、鏡面反射）の評価および測定を行なうことができる。その理解のために、図２１ないし図２２Ｂを参照する。
図２１を参照し、図示のように鏡面に対して垂直に配置した、２本の光ファイバ、即ち、光源光ファイバ４６０および受光部光ファイバ４６２について検討する。純粋な鏡面から反射する光は、円すい形で反射する。受光部光ファイバの開口数が光源光ファイバの開口数以上である限り、表面から反射し、受光部光ファイバに衝突する光は全て、受光部光ファイバの受容円錐内部にあり、検出される。一般に、受光部光ファイバの開口数は、光源光ファイバの開口数以上である限り、問題にならない。光ファイバ対が表面からかなり離れている場合、受光部光ファイバ４６２は完全に照明される。結論として、対が表面４６４に近づくに連れ、受光部光ファイバ４６２は部分的にしか照明されなくなる。究極的に、臨界高さｈc以下の高さでは、受光部光ファイバ４６２は照明されない。通常、純粋な鏡面のような場合、臨界高さは、光源光ファイバ４６０の開口数の関数であり、受光部の開口数の関数ではないことを注記しておく。
次に図２２Ａおよび図２２Ｂを参照し、図２２Ａに示すように、拡散面４６４Ａに垂直な２本の光ファイバ（光源４６０および受光部４６２）について検討する（図２２Ｂは、混成鏡面／拡散面４６４Ｂおよび交差領域４６６Ｂを示す）。光源光ファイバ４６０は、表面４６４Ａ上の円形領域４６６Ａを照明し、光は表面４６４Ａから反射される。この光は、しかしながら、光が円錐の形状でのみ反射する鏡面とは異なり、全ての角度で反射する。通常、受光部光ファイバ４６２は常に全ての高さで照明されるが、その受入角度以下の角度でその表面に衝突する光を伝搬し、検出することができるだけである。したがって、光ファイバ対が臨界高さより低い場合、受光部光ファイバ４６２は光を検出しない。高さが臨界高さより高くなると、受光部光ファイバ４６２は、図示のように光源および受光部円錐の交差領域から発する光を検出し始める。光は、照明円の他の領域からも受光部光ファイバ４６２に入射する可能性があるが、受光部ファイバの受入角度よりも大きいので、検出されない。
受光部光ファイバ４６２の開口数が大きくなるに連れて、受光部光ファイバ４６２によって検出される強度は、受光強度が受光部光ファイバの開口数の関数ではない鏡面とは異なり、拡散面に対して増大する。したがって、異なる開口数を有する複数の受光部光ファイバを用いて構成したプローブでは、本発明の好適な実施形態におけると同様、表面が高光沢面である場合、双方の受光部（例えば、図２０Ａの受光部４５６および４５８を参照のこと）は、同じ光強度を測定する。表面が拡散性になるに連れて、しかしながら、受光部Ｄ４５８の強度は受光部Ｃ４５６よりも大きくなる。受光部からの２つの強度の比率Ｃ／Ｄは、物質の鏡面反射度の尺度であり、即ち、これと相関があり、表面の「光沢度」を定量化するために直接または間接的に用いることができる。加えて、通常、受光部Ｃ４５６（好ましくは、光源光ファイバＡ４５２と同じ開口数を有する）は、主に鏡面反射成分を測定することを注記しておく。一方、受光部Ｄ４５８は、通常拡散および鏡面成分双方を測定する。当業者には認められようが、異なる開口数／可変開口数の受光部を利用するかかるプローブおよび方法は、この中のどこかに記載するような追加の光学特性判定を用いてもまたは用いなくても、歯やその他の物体のような材質を更に定量化するために利用することができるという利点がある。
これより図２３Ａを参照し、追加の好適な実施形態について説明する。図２３Ａの実施形態は、非常に狭い開口数の非平行光ファイバ受光部４７２、および非常に狭い開口数の光源光ファイバ４７０を利用するか、あるいは他の光学エレメントを利用してコリメートまたはほぼコリメートな光源および受光エレメントを作成する。中央の光源光ファイバ４７０は、狭い開口数の光ファイバであり、図示のように受光部光ファイバ４７２（好ましくは、かかる実施形態では、このような受光部を２つ以上利用する）も狭い光ファイバである。他の受光部光ファイバは、広い開口数の光ファイバでもよい（例えば、図２０Ａの受光部４５８のような受光部）。図示のように、かかる実施形態の受光部光ファイバ４７２は、光源光ファイバ４７０に対してある角度をなし、受光部光ファイバの開口数は、プローブを表面に向けて下降させて受光強度が最大となったときに、受光部光ファイバの受容円錐が、光源光ファイバによって照明される円形領域全体と交差するように、または少なくとも光源によって照明される領域の大部分と交差するように選択する。したがって、受光部は通常光源光ファイバによって照明される同じ中央スポットを測定する。
かかる実施形態の特定の態様の１つに、鏡面除外プローブ／測定技法(specular excluded probe/measurement technique)が得られることがあげられる。通常、鏡面反射光は、受光部光ファイバには入射せず、したがって、プローブは拡散光にのみ感応する。かかる実施形態は、反射光を多帯域分光計(multi-band spectrometer)（前述のような）、または帯域が更に広いセンサに結合するために使用可能である。加えて、かかる実施形態は、鏡面を含むセンサおよび鏡面を除外するセンサ双方を利用するプローブ／測定技法の一部としても使用可能である。かかる構成を利用した例示の構成を図２３Ｂに示す。図２３Ｂにおいて、エレメント４７０は、光源光ファイバで構成することができ、あるいは代わりに図２０Ａまたは図２０Ｂに断面図で示したエレメントの全てまたは一部で構成することも可能である。更にその代わりとして、非平行受光部光ファイバ４７２は、その長さに沿って平行とするが、その端部に加工、研磨またはその他の仕上げあるいは屈曲を施した面を有し、鏡面反射光の全て、あるいは殆どの部分または大部分を除外することも可能である。他の実施形態では、受光部光ファイバ４７２は、鏡面反射光を除外する光学エレメントを含むことも可能である。本発明の実施形態の追加の態様として、これらのカメラとの一体化の完成度を高められることが挙げられる。これより図２４ないし図２６を参照し、かかる実施形態のいくつかを例示の目的で説明する。かかる実施形態では、前述のような光学特性測定の実施態様は、カメラと更に密接に一体化することができ、共通シャーシ４８０、共通コード即ちケーブル４８２、および共通プローブ４８４を含む。かかる好適な実施形態の代替案の１つでは、図２５に示すように、カメラの光学部品４８６を、プローブ４８４の端部付近にある分光計の光学部品４８８に隣接して配置する。分光計の光学部品４８８は、例えば、図１ないし３、図９ないし１０Ｂ、図１１〜１２、図１６〜１７、図２０Ａ、図２０Ｂならびに図２３Ａおよび図２３Ｂに示したような、この中のどこかで説明した色およびその他の光学特性測定実施形態のエレメントを内蔵することができる。他の実施形態では、カメラの光学部品およびランプ／光源４９０は、プローブ４８４端部付近に配置し、その回りに複数の受光部４９２を配置する。カメラの光学部品およびランプ／光源４９０は、カメラの検知エレメントに照明および光学部品を備え、この中のどこかに記載した技術にしたがって色／光学特性を作成するための光源を備える。受光部４９２は、例示の目的のために、単一のリングとして示すが、この中のどこかに記載しているような他の実施形態の受光部（多数のリングおよび群等を含む先に掲げた実施形態のけるように）では、アナログ的に利用することも可能である。かかるカメラの光学部品の原理は、総じてボアスコープまたは内視鏡分野では公知である。
かかる実施形態に関して、１つの計器が、カメラの使用および歯の光学的性質を定量化するための双方に利用することができる。カメラは、患者に１本の歯、複数の歯またはその他の歯の健康状態の概略的な状態を示すため、あるいはサイズや美観のような歯または歯の構造のある種の性質を測定するため、または前述のように色のポスチャライゼーション(postureization)のために利用することができる。したがって、光学特性測定のための実施態様は、ここで既に説明したような歯の光学的性質を測定することができる。図２５および図２６に示すようなある種の実施形態では、従来のように使用するために、カメラ上に保護シールドを被せ、保護シールドを取り外し、特殊化したチップを分光計の光学部品４８８内またはカメラの光学部品ならびにランプ／光源４９０および受光部４９２（かかるチップについては、適切な固着機構と共に、図２３Ａないし図２３Ｃと関連付けて論じたようなものとすることができる）上に挿入して汚染制御を行い、これによって光学的性質の測定および定量化を簡便化する。他の実施形態ではカメラ部分および分光計部分双方を覆う、共通の保護シールド（好ましくは、カメラ用として知られているような、薄く密着し、光透過性があるもの）を利用する。
半透明性および光沢を測定または評価することができる前述の実施形態に基づいて、本発明の更に別の態様について説明する。既に論じたように、光が物体に当たると、表面から反射する場合、物質のバルクによって吸収される場合、あるいはは物質内に貫入し、表面から射出されるかまたは物質を完全に通り抜ける（即ち、半透明性の結果）場合が考えられる。表面から反射する光は、鏡面的に反射する（即ち、反射角度が入射角度に等しい）か、または拡散的に反射する（即ち、光はあらゆる角度で反射し得る）場合がある。光が鏡面から反射する場合、反射光は集中する傾向がある。拡散面から反射する場合、光は中実の半円(solid hemisphere)全体に分散する傾向がある（表面は平面であると仮定する）（例えば、図２１ないし図２２Ｂを参照）。したがって、かかる実施形態の受光部が、拡散的に反射する光のみを測定する場合、光のスペクトル（統合スペクトル(integrated spectrum)またはグレー・スケール）は、鏡面反射光および拡散光双方を測定する計器より小さくなる。鏡面成分および拡散成分双方を測定する計器は、「鏡面含有」計器(specular included instrument)と呼ぶ場合もあり、一方拡散成分のみを測定する計器は、「鏡面除外」と呼ぶ場合もある。
前述の実施形態のように、光沢度または鏡面反射光の拡散反射光に対する比率を区別し定量化することができる計器は、本発明にしたがって利用し、測定色スペクトルを、純粋拡散面即ちランベルト面のような、同じ色の標準化面のそれに対して補正および／または正規化することができる。当業者には明らかであろうが、これを行なうには、例えば、光沢測定を利用して純粋拡散物質の輝度に対する色スペクトルの値即ち輝度（スペクトルの全体的な強度）を減少させればよい。
一方、半透明の物質は、当該物質の表面からの反射光の色スペクトル強度を低下させる傾向がある。したがって、半透明物質の色を測定する場合、測定したスペクトルは、不透明で同様の色を有する物質よりも暗く見える場合がある。前述のように半透明性を測定することにより、かかる半透明性測定値を用いて、測定した色スペクトルを、不透明で同様の色を有する物質のそれに対して調節することができる。本発明によれば、測定した色スペクトルは、かかる光沢および／または半透明性データに基づいて調節、補正または正規化することができ、その結果得られたデータは、例えば、この中のどこかで記載したように、プロテーゼの調合またはその他の工業的利用のために利用されることは理解されよう。
次に、プロテーゼ調合に対する光学的性質の出力に関する本発明の追加の態様について説明する。色を定量化する方法は多数あり、ＣＩＥＬａｂ表記(CIELab notation)、Ｍｕｎｓｅｌｌ表記(Munsell notation)、シェード・タブ値(shade tab value)等が含まれる。典型的に、歯の色は、シェード・タブ値の形態で歯科医によって研究所（実験室）に報告される。シェード・タブの評価法(nomenclature)またはその値は、特定の標準化したシェード・ガイドに割り当てられる任意の数値である。歯科医は、典型的に、シェード・タブ供給業者からシェード・タブを入手する。研究所は、このシェード・タブ値をポーセレンの配合に利用し、義歯の最終的な色を得る。
しかしながら、残念なことに、シェード・タブの色には分散があり、更に義歯のセラミックスまたはその他の物質のバッチ(batch)の色にも分散がある。したがって、歯の最終的な色を得るためのセラミックス／材料配合には分散があり、その結果隣接する歯とは一致しない義歯ができてしまう結果となる。
本発明によれば、かかる問題には以下のように対処することができる。歯科研究所は、新たな１回分のセラミック材料を受け取り、所望の色、半透明性および／または光沢範囲（複数の範囲）をカバーする試験用物質塊(batch)を生産する。次に、試験物質を測定し、値を試験物質に割り当てることができる。次いで、これらの値、ならびに関連する色、半透明性、光沢およびその他の光学的性質を、（モデムを介したダウンロードのように）研究所が用いる歯科用計器へのも含む、セーブおよび格納を行なうことができる。その後、歯科医が患者の歯の光学的性質を測定するとき、その光学的性質に対する出力値を、研究所がプロテーゼを調合するために利用する物質に直接関係付けた式、より望ましくは相関付けた式で、研究所に報告することができる。加えて、かかる機能性は、「仮想シェード・ガイド」、または特定用途のために計器をカスタム化即ち構成するために、歯のデータの使用を可能にすることができる。
本発明の更に別の態様について、本発明のコードレスの実施形態を示す図２７および図２８を参照しながら説明する。コードレス・ユニット５００は、筐体を含み、その上に、色／光学的性質データまたはステータスあるいはその他の情報を表示するためのディスプレイ５０２が取り付けられている。キーパッド５０４が、種々のコマンドおよび情報を入力するために備えられている。また、ユニット５００は、測定等を開始するための制御スイッチ５１０を、（前述のような）音声フィードバックのためのスピーカ５１２、インテリジェント充電スタンド（以下で説明する）および／またはホスト・コンピュータ等へのワイヤレス・データ送信のためのワイヤレス赤外線シリアル・トランシーバ、および／またはバッテリ再充電ポート５２０と共に備えることも可能である。ユニット５００は、プローブ５０６を含み、これは、好適な実施形態では、（前述のように）着脱自在のチップ５０８を含むことができる。勿論、ユニット５００は、ここで既に説明した種々の実施形態のエレメントを含むことも可能である。
充電スタンド５２６は、再充電している間ユニット５００を保持するためのソケット／ホルダ５３２を含むことが好ましく、更に有線シリアル・ポート５１８、ワイヤレスＩＲシリアル・トランシーバ５３０、ホスト・コンピュータ（前述のような）への接続のための有線シリアル・ポート５２４（ＲＳ２３２ポート等）、外部電力をシステムに供給するための電力ケーブル５２２、ならびにバッテリの充電状態および／またはその他のステータス情報等を示すランプ５２８を含むことが好ましい。
システム・バッテリは、従来のように充電スタンド５２６において充電することができる。充電インディケータ（ランプ５２８等）を用いて、内部バッテリの状態指示を与えることができる。ユニット５００は、スタンドから取り外すことができ、歯科医が光学測定を行なうことができる。歯科医が選択すれば、光学測定値をディスプレイ５０２から読み取ることができ、歯科医が処方箋を手書きで作ったり、その他の方法で準備することができる。あるいは、ワイヤレスＩＲトランシーバ５１４（またはＲＦのようなその他のコードレス・システム）によって、充電スタンド５２６のトランシーバ５３０のようなワイヤレス・トランシーバに、色／光学特性データを送信することも可能である。この場合、処方箋は、色／光学特性データに基づいて、電子的に作成することも可能である。電子処方箋は、シリアル・ポート５２４からコンピュータに、あるいはモデムまたはその他の通信チャネルを通じて、歯科医の研究所に送ることができる。
図２９を参照しながら、本発明の追加の態様について論ずることにする。
周知のように、内部が全体的に不透明な層、および外部が全体的に半透明な層からなるある種の物体がある。既に論じたように、ある物体に入射する光は、通常、物体によって３種類の影響を受ける。第１に、光は物体の外表面から、拡散的または鏡面的に反射する可能性がある。第２に、光は内部で散乱し、物体の構造によって吸収される可能性がある。第３に、光は内部で散乱し、物体の構造を透過し、物体の表面から再度現出する可能性がある。従来、物体の表面から反射する光が鏡面的であるか拡散的であるかを区別することは、物体に貫入し、内部で散乱し、物体から再度現出した光によってでは、不可能ではないにしても、困難であった。しかしながら、本発明によれば、物体の表面から反射する光と、内部で散乱し物体から再度現出する光との間で差別化を行なうことができる。
前述のように、１対の光ファイバが物体の表面を照明し、表面または物体からの反射光を受光するように作用する場合、臨界高さｈcが生ずる。物体の表面からのプローブの距離が臨界高さｈcよりも大きい場合、受光部光ファイバは、物体の表面からの反射光、および内部で散乱し物体から再度現出した光双方を受光する。プローブの距離が臨界高さｈc未満となると、物体の表面から反射する光は、もはや受光部光ファイバによって受光することはできない。通常、受光部光ファイバが受け入れることができる光は、外側層５４０を貫通し物体から再度現出する光のみである。
ある物体内部における内部光反射および吸収の殆どは、通常外側層５４０を内側層５４４から分離する接合部５４２で起こる。本発明によれば、接合部５４２の色のような、表面下構造(sub-surface structure)のような光学的性質を定量化する装置および方法を提供することができ、以前に取り込んだデータとの比較によりかかる構造の評価または予測を簡便化することも、しないことも可能である。
前述のような光ファイバ・プローブの臨界高さｈcは、ファイバの開口数およびファイバ間分離の関数である。したがって、プローブの臨界高さｈcは、特定の用途に基づいて最適化することができる。加えて、多数の受光部光ファイバ・リング、および／または多数の開口数受光部光ファイバを有するプローブを作成することにより、外側層の厚さ、表面光沢等の評価等を簡便化することも可能である。
多数の受光部光ファイバ・リングを利用することにより、外側層の厚さの近似測定を、物体表面上のピーク強度と物体表面に接触しての測定との比較に基づいて行なうことができる。多数の臨界高さを有するプローブは、物体表面と接触している場合、異なる強度レベルを与えるので、これによって、内部散乱の度合いおよび外層の厚さ、または接触点における物体の形態(morphology)を示すデータを生成することができる。
したがって、本発明によれば、物体の接合部５４２のような表面下構造の色またはその他の光学特性を、物体表面の光学特性とは総じて無関係に、評価または定量化することができ、しかも非破壊的にこれを行なうことができ、その上外側層５４０の厚さも評価できるようにこれを行なうことができる。
更に、ここに開示した多数の発明の概念および技法の広い利用可能性および多様性を強調するために、この中の好適な実施形態において用いた光ファイバに加えて、他の光学的合焦および集光エレメントを用いて、物体の光学特性を測定するために本装置および方法論が利用可能であることは、本明細書の開示を検討すれば当業者には明白であろう。例えば、レンズまたはミラーあるいはその他の光学エレメントを用いて、光源エレメントや受光エレメントを作成することも可能である。特定例として、本発明の大規模な実施形態では、フラッシュライトまたはその他の一般的に入手可能な光源を光源エレメントとして利用し、受光部を有する一般的な望遠鏡を、受光エレメントとして利用することができる。本明細書に提示した教示を利用するかかる改良は、明らかに本発明の範囲に入るものである。
当業者には明らかであろうが、本発明にしたがって、ある種の改良も行うことができる。例えば、ある種の好適な実施形態では中央光源光ファイバを用いたが、（複数の光源ファイバ等のような）他の光源構成を用いてもよい。加えて、本発明の種々の態様では参照テーブルを用いたが、多項式型の計算も同様に用いることができる。したがって、本発明の種々の好適な実施形態について例示の目的のために開示したが、請求の範囲に開示する本発明の範囲および精神から逸脱することなく、様々な変更、追加および／または交換が可能であることを当業者は認めよう。更に、種々の実施形態においては、主に可視光スペクトル内の光を利用しているが、本発明はそのような可視光スペクトルの全体又は一部に必ずしも限定されず、そのような可視光スペクトルに入らない放射エネルギを含むことが可能である。
図５Ａを参照すると、光源光ファイバおよび受光部光ファイバの対を移動させて物体に接触させ、更に物体から遠ざけるように移動した場合の、単一の受光ファイバによって測定した強度が、時間の関数として示されている。図５Ａは、強度を時間の関数として示すが、当業者には明白なように、受光ファイバによって検出される強度は、高さの関数として測定しプロットすることも可能である。表面に垂直な（または表面に対して少なくともある固定角度とした）、光源光ファイバおよび受光部光ファイバから成る所与の光ファイバ対は、ある強度対高さ関係を示す。この関係は、概略的に光沢、色および半透明性が同じ物質では一定である。ある種の光源および受光部光ファイバ対に対する数学的な強度対高さ関係を計算または測定し、参照テーブルの値としてまたは多項式としてあるいはその他の数学的関係として格納することができる。ここで注記すべき重要なことは、測定対象物体の光沢、半透明性および色の関数である強度ピークがあることである。同様の物質に対して、所与の高さにおける強度値は、色によって変化するが、形状対高さ曲線の形状は総じて色には無関係である。したがって、当業者には明白であろうが、本発明は強度測定値から高さを判定する近接センサとしても機能することができる。ピーク強度を検出するまで計器を物体に向かって移動させることによって、計器を較正する。計器が物体に向かって移動する間、光の強度を素早く測定し、図１に示すＲＡＭ１０のようなメモリにセーブする。測定したピーク強度（ファイバ対の強度対高さ関係を正規化するために利用する）の値から、近接センサを較正することができる。その後、本発明は、物体に接触することなく、光ファイバ対の物体の表面からの高さを測定するために利用することができる。
本発明は、広い範囲の産業活動において、用途を見出すことができる。本発明のある種の用途は、歯の光学的性質を測定すること、測定値を患者データベースの一部として利用すること、および測定値を義歯の調合に利用することを含み、なおもこれらに限定される訳ではない。
本発明の他の用途は、皮膚科において、皮膚の色やその他の表面組織を含む光学的性質を定量化し、測定値を患者のデータベースの一部としてセーブし、ある時間期間にわたって行なった測定を診断の目的に利用することにある。
本発明の更に別の用途は、食品製造業界にあり、製造プロセスにおいて変質したある種の食品の色およびその他の光学的性質を、開示した本発明によって測定および監視し、かかる食品がある種の容認基準を満たすか否かについて判定するために利用したり、測定値を制御およびフィードバック・プロセスの一部として利用することにより、受け入れられるかあるいは破棄されるまで、食品を更に処理する。同様に、野菜または果物等のための自動食品加工では、測定を行い、熟成度のような野菜または果物の状態の評価または予測を行なうことができる。
本発明の他の用途は、制御プロセスの一部として、新たに塗装した物体の色および光学的性質を測定することにある。例えば、物体にペンキを塗装し、次いで物体を測定し、恐らくは、適切な量または種類のペンキが塗布されたか否かについて判定したり、所望の表面状態に対応する測定値が得られるまで、プロセスを繰り返す等も可能である。
本発明の更に他の用途は、ある時間期間にわたって新たに塗装した物体の光学的性質を測定し、ペンキが硬化した即ち乾いたか否か確認することにある。同様に、かかる物体を測定し、一層最適な物体または望ましい物体を得るためには、追加の光沢被膜、表面組織係数(surface texture factor)または蛍光係数等を追加すべきか否か判定を行なうことも可能である。
本発明の更に他の用途は、工業的またはその他の制御システムにあり、品目をカラー・コード化するか、あるいは当該品目を特定する色または光沢または半透明性または光学的性質の組み合わせを有し、開示した発明を利用してその光学的性質を測定し、それらの光学的性質にしたがってソートする。概して、本発明は、工業プロセス・フローにおいて物体の光学的性質を測定し、かかる測定値を予め記憶されているデータと比較し、当該工業プロセスにおいて物体のソート、類別を行なったり、物体の移動方向を制御することができる。
本発明の更に他の用途は、カラー・コード化または光沢被膜または半透明タグまたはステッカを物体上に貼り付け、工業プロセスにおける在庫制御または送出制御(routing control)、あるいは物体のその他の種類の識別に供することにある。
本発明の更に他の用途は、印刷プロセスの一部において、素材に印刷するインキまたは染料の色あるいははその他の光学的性質を測定および制御することにある。かかる実施形態では、ここに記載したような実施態様を印刷機または印刷機器に一体化したり、あるいは別個の実施態様として用いることができる。
本発明の更に他の用途は、写真プロセスの一部として、当該写真プロセスの光学的性質を測定、監視および制御することにある。かかる実施形態では、ここに記載したような実施態様をカメラまたはその他の写真器材に一体化したり、あるいは別個の実施態様として用いることができる。
本発明の更に他の用途は、物体に接触することなく、物体の表面までの距離を測定することにある。
本発明は、被膜または物質を物体に追加または除去する工業プロセスにおいて用いることも可能である。物体を測定し、被膜または物質を追加または除去し、物体を再度測定し、所望の物体またはその他の容認基準を満たすまで、プロセスを繰り返す。かかるプロセスでは、予め記憶してあるデータとの比較を用いて、所望の物体が得られたか否か、または容認基準を満たしたか否か等を評価することができる。
更に他の用途では、美術作品、自動車またはその他の物体のように、その全てまたは一部を塗る必要がある塗装物(painting)またはその他の塗装物体(painted object)の復元において、塗布するペンキがある既存のペンキまたはその他の基準と一致するように、本発明を利用する。本発明は、塗布するペンキが既存のペンキと一致するか否か等の特徴化に用いることも可能である。かかるプロセスでは、予め記憶してあるデータとの比較を用いて、所望のペンキとの一致が得られたか等の評価を下すことができる。
概して言えば、本発明は、あらゆる工業プロセスにおいて、物体または物質の表面および／または下地表面の光学特性を測定し、恐らくは前述のように予め記憶してあるデータとの比較等を伴い、かかる測定に基づいてかかる物体または物質の状態またはステータスの評価または予測を行う場合に、用途を見出すことができる。加えて、そしてここに開示した多数の発明の概念および技法の広い利用可能性および多様性を強調するために、この中の好適な実施形態において用いた光ファイバに加えて、他の光学的合焦および集光エレメントを用いて、物体の光学特性を測定するために本装置および方法論が利用可能であることは、本明細書の開示を検討すれば、当業者には明白であろう。例えば、レンズまたはミラーあるいはそのほかの光学エレメントを用いて、光源エレメントや受光エレメントを作成することも可能である。特定例として、本発明の大規模な実施形態では、フラッシュライトまたはその他の一般的に入手可能な光源を光源エレメントとして利用し、受光部を有する一般的な望遠鏡を、受光エレメントとして利用することができる。この中に提示した教示を利用するかかる改良は、明らかに本発明の範囲に入るものである。
前述の実施形態、特徴、用途および使用に加えて、本発明によるその他の実施形態および改良についてこれより説明する。これまでの説明の場合と同様、以降の説明は、いずれの特定の理論にも拘束される訳ではなく、例示の目的のために行なう説明である。
光の強度を測定し定量化するためには、例えば、フォトダイオード、電荷結合素子、シリコン光検出器、光増倍管等を含む種々のデバイスが使用可能である。ある種の用途では、可視光帯域全体というような広い光周波数範囲にわたって光の強度を測定することが望ましい場合がある。他の用途では、分光分析の用途におけるように、狭い帯域での光の強度を測定することが望ましい場合もある。更に他の用途では、写真用露出計(photographic light meter)におけるように、高い光の強度を測定することが望ましい場合もある。更にまた別の用途では、抜粋分光計(abridged spectrometer)におけるように、低い光の強度を測定することが望ましい場合もある。典型的に、低い光の強度を測定する場合、１秒程度以上の長いサンプリング期間が要求される。
本発明の別の態様によれば、多数の光入力を迅速に測定するために使用可能な方法および装置を開示する。かかる実施形態は、Texas Instruments, Inc.（テキサス・インスツルメント社）が製造するＴＳＬ２３０のようなフォトダイオード・アレイや、Altera Corporation（アルテラ社）またはXilinx, Inc.（ザイリンクス社）が製造するゲート・アレイを利用することが好ましい。ある種の用途では、かかる実施形態を利用して広い帯域の可視光および赤外線光を測定することができる。他の用途では、かかる実施形態は、抜粋分光計として利用することができ、その場合各フォトダイオード・アレイは、光センサの上に配置された干渉フィルタのようなノッチ・フィルタを有する。
ＴＳＬ２３０は、１００個のシリコン・フォトダイオードから成り、正方形の１０ｘ１０アレイに配列されている。１００個のフォトダイオードは、積分器への入力として機能し、アレイに入射する光の強度に比例する周波数の出力信号を生成する。ＴＳＬ２３０は、スケール入力および感度入力を有し、感度およびスケールを各々１００倍、１０4の正味範囲で変化させることができる。出力周波数は、最大である約３００ｋＨｚ（センサが飽和する）からＨｚ未満までの範囲で変化することができる。したがって、このセンサは、当該センサの感度および／またはスケールを変えることによって、大きさが７桁の範囲に渡る光入力を検出することができ、所与の設定値に対して、５桁の大きさの範囲の光を検出することができる。
かかる実施形態の分光分析用途では、各センサには干渉フィルタのような光学フィルタが取り付けられる。当技術分野では周知であるが、干渉フィルタは、高い帯域外除去および高い帯域内透過特性を有し、非常に狭い帯域通過特性を有するように作成することができる。一例として、干渉フィルタは、２０ナノメートル以下の帯域通過範囲を有するように作成することができる。本発明のある種の態様によれば、ＴＳＬ２３０（または同様の）センサおよび干渉フィルタによって、物体の色の測定のような反射または透過分光写真の用途に適した抜粋型分光計を作成することができる。色判定用途では、「ライン」スペクトルを検出する必要はないが、高いグレー・スケール分解能を有すること、例えば、１対１０００以上に光強度を分解可能なことが望ましい場合が多い。
物質および物体の光学的性質を測定する計器および方法については既に述べた。かかる計器は、プローブおよび抜粋分光計で構成することができる。プローブは、物質または物体の表面に接触するまで、あるいはその付近まで移動させることができ（プローブまたは物質／物体の移動等によって）、プローブを表面に向かって移動させながら、プローブが受光する光のスペクトルを分析する。プローブは固定されていないので、連続的に多数回の測定を行なうことが好ましく、プローブを物体近くで移動させつつ、スペクトルを動的に捕獲し、および／または分析する。
ノッチ即ち干渉フィルタの帯域幅を狭めることに起因する１つの難題は、かかる減縮が各センサに入射する光の強度を低下させることである。したがって、低い光レベルを測定するためには、長いサンプリング時間が典型的に必要となる。ＴＳＬ２３０センサの場合、光レベルが低下するに連れて、デバイスの出力周波数が低下する。したがって、ノッチ・フィルタおよびＴＳＬ２３０を用いて作成した抜粋分光計によって毎秒２００回のサンプリングを行なうことが望ましい場合、ＴＳＬ２３０の出力を少なくとも２００Ｈｚのレートで発振させるのに十分な光が必要となる。センサの最大範囲が約３００ｋＨｚであるので、このセンサの最大ダイナミック・レンジは、（３００ｋＨｚ）／（２００Ｈｚ）即ち、おおよそ１．５ｘ１０3に減少する。光入力が低いと、ダイナミック・レンジは一層低下する。
図３０は、本発明の別の実施形態による、抜粋可視光範囲分光計を示す。この実施形態は、ＴＳＬ２３０センサ６１６、好ましくは７００ナノメートル以上の波長のＩＲ光を反射するホット・ミラーである（図３０にはわかるように示されていない）、光源即ちランプ６０４、１つ以上の光源（光路６０８によって示す）から成り光を物体６０６に与える光ファイバ・ケーブル・アセンブリ、および物体６０６から光を受光する１つ以上の受光部（光路６１８によって示す）、Altera FLEX 10K30TM(Altera Corporation（アルテラ社）の商標と考えられる）のようなゲート・アレイ６０２を利用し、コンピュータ６００に結合され、バス６２０を通じてセンサ６１６からの信号入力を受信する。好適な実施形態の１つでは、１５個までまたはそれ以上のＴＳＬ２３０センサを利用する。各ＴＳＬ２３０センサ６１６は、当該センサの上に干渉フィルタ６１４が配置され、各フィルタは２０ナノメートルの公称帯域幅（または個々の用途に適したその他の帯域幅）を有することが好ましい。また、センサ６１６は、光源６０４から直接、好ましくはＩＲフィルタ処理の後に、少量の制御された光（光路６１０）を受光することが好ましい。センサ６１６への光源入力は、センサ６１６をバイアスし、センサ６１６にフィルタ６１４から光が入力されない場合に、少なくとも２００Ｈｚの出力を生成するように機能する。したがって、センサ６１６は、システムのサンプリング周波数以上の出力信号周波数を常に生成することになる。入力光の強度が低い場合周波数変化は小さく、光入力が大きい場合周波数変化は大きくなる。センサ６１６のスケールおよび感度は、（コンピュータ６００の制御下に置くことができる制御バスを通じてゲート・アレイ６０２によって）、光入力値の全範囲を検出するように設定する。殆どの場合、特に物体の色判定では、センサ６１６のいすれへの光入力最大量も、光センサ６０４およびフィルタ６１４によって決定され、適切に制御することができる。
ゲート・アレイ６０２は、センサ６１６の各々の出力周波数および期間を独立して測定することができる。これは、出力が変化するときにはいつでも検出し、サンプリング期間毎の変化回数を計数し、最初に出力が変化した時に高速カウンタの値を第１レジスタに格納し、続く変化毎に第２レジスタに値を格納するという双方によって行なうことができる。したがって、第２レジスタは、タイマの最終値を保持する。高から低への遷移および低から高への遷移の双方を検出することが好ましい。各センサの出力周波数（ｆ）は、したがって次のように表わされる。
Ｐl＝初期タイマ・カウント、
Ｐh＝最終タイマ・カウント
である。
内部高速タイマは、各サンプリング期間の開始時にリセットし、条件Ｐh＞Ｐlが常に真であることを保証する。
かかる実施形態によるシステムの精度は、システムのタイマ・クロック周波数によって決定することができる。Ｐrを所望の精度、Ｓrをサンプリング・レートとすると、タイマ・クロックの周波数は、次のように表わされる。
２） ｆｔ＝Ｐr・Ｓr
例えば、サンプリング・レート２００，および精度２16では、タイマ・クロック周波数は、２００ｘ２16、即ち、１３ＭＨｚとなる。
入力光強度が高い場合、Ｎは大きな数値となる。入力光強度が低い場合、Ｎは小さくなる（しかし、適正な光バイアスにより、常に２よりは大きい）。しかしながら、いずれの場合でも、Ｐh−Ｐlは大きな数値となり、常にシステムの精度の約１／２となる。このように、かかる実施形態によれば、光強度を測定可能な理論的精度は、光入力強度には無関係に、全てのセンサに対して同一とすることができる。１つのセンサが２００ないし２０５Ｈｚ（非常に低い光入力）の出力範囲を有する場合、このセンサが受光する光の強度は、光入力が１０，０００倍大きなセンサ（２００ないし５０，２００Ｈｚの範囲）と同じ位の精度で測定することができる。かかる実施形態のこの態様は、ＡＤＣを利用するセンサ、アナログ・マルチプレクサおよびサンプル／ホールド増幅器のような、ある種の従来からの光センサとは全く異なり、システムの精度が入力範囲に対して使用可能なＡＤＣのビット数に限定される。ＡＤＣを用いるシステムにおいて広い入力範囲を設けるためには、典型的に可変利得サンプル／ホールド増幅器が必要となる。ＡＤＣを１６ビットに精度高くサンプルすることも困難である。
本発明のかかる実施形態では、絶対精度が通常ランプの安定性および電気的ノイズによって制限される。これらは双方とも減少させることができ、通常設計の簡素さおよび回路カード上に必要な部品が少ないことのために最小とする。ゲート・アレイは、現場でプログラム可能なもの等とするとよく、典型的に２０個以上のＴＳＬ２３０センサを収容し、更に光データを利用するコンピュータ、マイクロプロセッサまたはマイクロコントローラへのインターフェースを備えることもできる。また、ゲート・アレイの代わりに、かかる実施形態は、高速ＲＩＳＣプロセッサを用いることによって、あるいはＤＳＰまたはその他の処理エレメントによっても実施可能であることを注記しておく。
光バイアスの使用およびその他の態様もこの中のどこかに記載されていることを注記しておく。
前述の実施形態、特徴、用途および使用に加えて、本発明による更に別の実施形態および改良についてこれより説明する。
宝石や歯のようなある種の物体および物質が呈する反射光スペクトルは、入射光角度および反射光角度の関数である。かかる物体および物質は、乳光物質(opalescent material)と呼ばれることもある。本発明の他の実施形態によれば、色、光沢、半透明性および表面組織のような特性に加えて、物体および物質の乳光特性を特定して測定および／または定量化する計器および方法論を提供することができる。これまでに説明した実施形態も、スペクトル・データおよびその他のデータ（複数のスペクトルのような）を捕獲し、比較および／または処理を行いかかる乳光物質を定量化するために使用可能であることは理解されよう。
本発明のかかる更に別の実施形態を図３１に示す。この実施形態によれば、光源６３８が光を供給し、光ケーブル６３２を通じて、更に光路（好ましくは光源ファイバ６３６）を通じてプローブ６３０に結合されている。プローブによって受光された（即ち、評価対象の物体または物質から反射した）光は、適切な光路（好ましくは、光ケーブル６３２からの１本以上の受光ケーブル）を通じて、分光計／光センサ６４０に結合される。制御／データ・バス６４８を介して、コンピュータ６４２が分光計／光センサ６４０に結合されている。また、コンピュータ６４２は、制御ライン（複数のライン）６４６を介して光源６３８にも結合されており、好ましくは光源６３８のオン／オフ状態を制御し、光源６３８に選択した特定の光や、その特定の特性を最適に制御するため、および個々の用途に対して適宜、任意にその他の制御情報、アナログまたはディジタル信号レベル等を光源６３８に供給することも可能である。光源６３８からの光は、光バイアスを与えたる目的のため（選択した個々の分光計に必要であるかあるいは望ましい場合）、または光源６３８の特性（ドリフト、温度効果等）を監視するために、任意に光路６４４によって分光計／光センサ６４０に結合することができる。
コンピュータ６４２は、ＰＣのような従来のコンピュータ、またはマイクロコントローラ、あるいはその他の処理デバイスとすることができ、好ましくはユーザ・インターフェース（例えば、ディスプレイ、制御スイッチ、キーボード等）に結合されている。これは、図３１においてインターフェース６５２によって総括的に示されている。任意に、データ処理、操作、記憶、または別の表示に用いることができるような他の計算機器に、インターフェース６５０を介してコンピュータ６４２を結合する。コンピュータ６４２は、好ましくは、ＣＰＵ、ランダム・アクセスまたはその他のメモリ、プログラム・コードを格納するための不揮発性メモリ／ストレージのような（しかし、これらに限定される訳ではない）典型的な構成部品を含むことが好ましく、ディスプレイ、音声発生器、キーボードまたはキーパッドまたはタッチ・スクリーンまたはマウス、あるいはその他のユーザ入力デバイス（インターフェース６５２を経由すればよい）のようなユーザのためのインターフェースを含むことができ、更に任意に（インターフェース６５０を介することができる）パラレルまたはシリアル・インターフェースのようなその他のコンピュータへのインターフェースを含むこともできる。コンピュータ６４２は、分光計／光センサ６４０にインターフェースして分光計およびシステム全体の制御を行い、光強度および光スペクトル・データを分光計／光センサ６４０から受信する。好適な実施形態では、分光計／光センサ６４０にインターフェースするための制御／データ・バス６４８は、標準的な２５ピン双方向パラレル・バスである。ある種の実施形態では、コンピュータ６４２は、別個、単体、および／または分光計／光センサ６４０から取り外し可能とすることも可能であり、更に従来のラップトップ、ノートブック、あるいはその他の携帯またはハンドヘルド型パーソナル・コンピュータとすることも可能である。他の実施形態では、コンピュータ６４２は、１つ以上のエンクロージャ内に収容されたシステムの一体部分とすることも可能であり、更に埋込み型パーソナル・コンピュータ、またはその他の種類の一体コンピュータとすることも可能である。好ましくは、コンピュータ６４２の目的は、光源６３８および分光計／光センサ６４０を制御すること、分光計／光センサ６４０から光強度およびスペクトルまたはその他のデータ出力を受信すること、受信したデータおよびその他のデータを分析し物体または物質の光学的性質を判定すること、ならびにデータをユーザあるいはその他の計算機器またはデータ収集システムに表示または出力することを含む。
好適な実施形態では、プローブ６３０の出力は、図３２に示すように構成するとよい。この中のどこかで記載したようなプローブ構成を含む、多数のその他のプローブ構成も、かかる実施形態において使用可能である。かかる好適な実施形態によれば、測定パラメータ範囲の拡大を可能とし、ある種の用途では構成の簡便化が可能な光特性判定システム／方法を得ることができる。プローブの断面６５６は、中央光ファイバ６５８を含み、好ましくは、６本の周辺光ファイバ６６０および６６２によって包囲されている。中央光ファイバ６５８には、光源（光源６３８等）からの光が供給される。６本の周辺光ファイバ６６０および６６２は、受光部であり、分光計／光センサ６４０に達する。好適な実施形態の１つでは、７本の光ファイバは全て同じ開口数（ＮＡ）を有する。しかしながら、以下で開示するように、光源の開口数したがって光源光ファイバの開口数を変更可能とすることが好ましい場合もある。また、ある種の実施形態では、受光部光ファイバのあるものから受光した光の円錐も制御し変化させ、ある受光部のＮＡを効果的に変化させる。
図３２に示すように、中央光ファイバ６５８（Ｓ）は、光源として機能する。１，３，５で示す光ファイバ６６０は、好ましくは「広帯域」ファイバであり、全スペクトル範囲にわたって光強度を測定する光センサ（好ましくは、分光計／光センサ６４０内にある）に達する。２，４，６で示す他の３本の受光部６６２は、好ましくは、「二重」受光部であり、分光計および「広帯域」光センサ（同様に好ましくは分光計／光センサ６４０内部にある）に達する。前述のように、プローブは、分光計、コンピュータ、光源および「広帯域」受光部と共に用いて、歯やその他の材質の色、半透明性および表面特性を測定することができる。また、前述のように、プローブをＮＡ「広帯域」受光部光ファイバと組み合わせて、光沢または鏡面度および表面からの受光光の拡散の関係を測定するためにも利用することができる。
図３３Ａは、分光計／光センサ６４０の好適な実施形態の図である。この実施形態では、プローブからのある光ファイバを広帯域光センサ（かかるセンサは、ＴＳＬ２３０センサや光学部品および／またはこの中のどこかで記載したフィルタを含むことができ、図３３Ａにセンサ６７６として示されている）に結合し、光ファイバのその他のものは、プローブが受光する光をスペクトル的に測定するために分光計、そして広帯域光センサ双方に結合する。ファイバ６６０（１，３，５）は、好ましくは、３つの広帯域光センサ（図３３Ａの光路６８２）に結合する。好ましくは、受光／検知エレメントはTexas Instruments（テキサス・インスツルメント社）のＴＳＬ２３０であるが、これらは、フォト・ダイオード、ＣＣＤまたはその他の光センサとしてもよい。ファイバ６６０（１，３，５）は、好ましくは、絞り６９４で遮蔽することによって、図３４に示すファイバによって生成される光の円錐のサイズを縮小する。マスク即ち絞り６９４は、最大角度ａでの光線のみを受光部光センサによって受光させることによって、受光部のＮＡを制限するように作用する。
ｈ＝絞りに対するファイバ端部の高さ
ｒ＝絞りの開口の半径
ａ＝ファイバの半径
とすると、
再び図３３Ａを参照すると、光源６３８は、光路６７４を通じて、センサ６７６のあるものに結合することができる。前述のような光バイアスを、光源から、あるいは別個に設けたＬＥＤ６８０から得ることもできる。ＬＥＤ６８０は、光をセンサ６７６のあるものに結合し、光導管６７８を通じてセンサ６７６に制御可能な光バイアスを供給することができる。制御可能な光バイアスをセンサ６７６のあるものに供給する等のためのＬＥＤ６８０の制御については、この中のどこかで説明する。ファイバ６６２からの光は、好ましくは、（図３３Ａにおける光路６８４を通じて）１つ以上の拡散キャビティ６８６（この中のどこかで更に詳しく説明する）に結合する。拡散キャビティ６８６の出力は、図示のように、光路／導管６８８を通じてセンサ６７６のあるものに結合されている。センサ６７６および当該センサ６７６から出力されるデータの制御は、ゲート・アレイ６７０によって行なうことが好ましい。ゲート・アレイ６７０は、インターフェース６６８を介して、計算機器に接合することができる（ゲート・アレイまたは同様の処理エレメントの使用、ならびにかかる計算機器の使用については、この中のどこかに記載されている）。
かかる実施形態における拡散キャビティ６８６の使用について、これより更に説明する。図示のように、受光部６６２（２４６）のあるものは、光路６８４を通じて１つ以上の拡散キャビティ６８６に結合することができる。光路６８４は、図３５Ａ、図３５Ｂ、および図３５Ｃに示すような拡散キャビティによって、受光部を例えば６つ（あるいはそれ以上またはそれ以下）の光ファイバに分割するように作用することができる。受光部６６２の１つは、拡散キャビティ６８６における中央ファイバであり、光ファイバ束６９８の一部として、６本の光ファイバ７０２によって包囲されている。拡散キャビティ６８６は、受光部光ファイバ６６２内に存在し得るあらゆる半径方向または有角光分散パターンを除去するように作用し、更に周囲を取り巻く６本の光ファイバに一層均一に照明するように作用する。したがって、図３２に示す受光部６６２（２，４，６）は、各々６本（または異なる数）のファイバに分割することができ、その結果１８個の受光部が得られる。１８本のファイバの内３本、即ち、拡散キャビティ毎に１本は、絞り６８４（図３４参照）を有することができる広帯域センサに達することが好ましい。他の１５本のファイバは、分光計システム（前述のような複数のセンサで構成することができる分光計／光センサ６４０の一部のような）に達することが好ましい。可視光帯域では、１５本の光ファイバおよび干渉ノッチ・フィルタを用いて、次のスペクトル分解能を得ることが好ましい。
図３３Ｂおよび図３５Ｃにおいて、拡散キャビティ６８６の異なる配列を利用する本発明の代替実施形態についてこれより説明する。かかる実施形態では、３つの「二重帯域」受光部６６２が全て、共通の光ファイバ束６９８内に配置され、１つの拡散キャビティ６８６が利用されている。光ファイバ束６９８は、３本の受光部ファイバ６６２と、分光計システム用に１５本の追加のファイバ７０３を含むことが好ましいが、システムにおけるカラー・センサの数によっては、他の構成でそれ以上またはそれ以下のファイバを利用する場合もある。ある種の実施形態では、１５本の束状の光ファイバ７０３の直径を相違させると、拡散キャビティ６８６の効率を高め、光ファイバ束６９８内の光ファイバの断面充填配列を改良することが可能である。かかる実施形態によるかかる好適なファイバ束配列の一例として、可視光スペクトルの青色範囲におけるカラー・フィルタに直径の大きいファイバを利用すると、可視光スペクトルの赤色領域においてタングステン−ハロゲン・ランプの光源６３８からの光の強度を著しく低下させることができる。
この中のどこかで記載したように、分光計システムは、Texas InstrumentsのＴＳＬ２３０光センサ、干渉フィルタ、光バイアス・エレメント、光センサを制御するためのAltra FLEX 10K30のようなゲート・アレイ、パラレルまたはその他のインターフェースを介し、高速で同時に光センサの周波数および周期を測定し、光スペクトルおよび光強度を高精度かつ迅速に測定するためのコンピュータへのインターフェースで構成することができる。好適な実施形態ではかかる分光計システムを用いるが、例えばＣＣＤを回折格子と共に利用するようなその他の分光計も、他の実施形態では利用される。
図３６は、本発明による分光計型システムの態様の更なる改良を示す。前述の３つの拡散キャビティからの１５本のファイバの内の１本のような光ファイバが、干渉フィルタ７０８を介して、光センサ７１０（前述のように、ＴＳＬ２３０光センサとすることができる）に達することが好ましい。干渉フィルタ７０８のような干渉フィルタは、狭い帯域幅の光を通過させ、帯域外の光を除去するノッチ・フィルタとして機能する。しかしながら、フィルタを透過する光の帯域幅は、ファイバへの光の入射角度によって左右され、通常入射角度が大きくなる程広くなる。光ファイバは光の円錐を生成するので、円錐をコリメートしてかかる帯域幅の拡張を減少することが望ましいと判断した。図３６に示すように、例示の光ファイバ７０４によって生成される光の円錐（ライン７１２Ａで示す）は、干渉フィルタ７０８に入射する前に、第１非球面レンズ（またはフレネル・レンズ）７０６Ａによってコリメートすることが好ましい（ライン７１２Ｂで示す）。フィルタ７０８から射出される光（ライン７１２Ｃで示す）は、第２非球面レンズ（またはフレネル・レンズ）７０６Ｂによって「集光」され、光センサ７１０上でできるだけ多くの光を集中させる（ライン７１２Ｄで示す）。かかる実施形態によれば、フィルタ、特に干渉型フィルタは、かかる帯域幅の拡張やその他の望ましくない効果を低減するように一層最適に利用することができる。
再び図３３Ａを参照し（その説明は全体的に図３３Ｂにも適用可能である）、前述の光バイアスについて更に詳しく論ずる。前述のように、ＴＳＬ２３０型センサを迅速にサンプルするために、センサは光バイアスを必要とする場合がある。光バイアスをしないと、個々のセンサが受ける光の強度によっては、サンプリング期間の間に１対の遷移（例えば、高から低そして低から高への遷移、または低から高そして高から低への遷移）から成る状態変化を生成しないＴＳＬ２３０センサもあり、光強度測定がこのセンサでは不可能となる場合がある。好適な実施形態では、検知システムは、高から低および低から高双方の遷移を検出し、測定を行なうためには少なくとも２回の遷移を必要とする。言い換えると、かかるシステムは半周期を測定する。例えば、特定のＴＳＬ２３０上の光強度が減少しその出力周波数が２０１Ｈｚから１９９Ｈｚに低下したと仮定する。２０１Ｈｚでは、ＴＳＬ２３０の出力は１／２０１秒の周期で、即ち、４．９７５ｍｓ毎に遷移する。１９９Ｈｚでは、出力遷移周期は１／１９９秒即ち５．０２５ｍｓとなる。サンプリング・レートが毎秒２００サンプルの場合、サンプリング期間は５．００ｍｓとなる。したがって、ＴＳＬ２３０が４．９７５ｍｓ毎に遷移する場合、検知システムは常に２回または３回の遷移を検知し、常に強度測定を行なうことができる。しかしながら、１９９Ｈｚでは、検出回路は１回または２回の遷移を検出する。その結果、あるサンプリング間隔では測定が可能であるが、他の間隔では測定が不可能となり、例え光強度が変化していなくても、測定が不連続となってしまう。
非常に低い光強度も含め、高いレートで広い範囲の強度値にわたって光を測定することが望ましい。図３３Ａに示すようなＴＳＬ２３０センサの光バイアスを利用することにより、ＴＳＬ２３０の最小出力周波数を制御することができる。正規化または較正手順の一部として、以下のように、最小光値を測定することが好ましい。
１．光バイアスをオンに切り替え、安定させる。
２．黒いエンクロージャ内にプローブを入れる。好ましくは同時に、各センサ毎に「黒レベル」の強度測定値Ｉbを得て、記録する。
３．光源をオンに切り替え、安定させる。同様に好ましくは同時に、硫化バリウムのような「白」の標準またはLabsphere, Inc（ラブスフェア社）の製品の商標と考えられる”Spectralon”上で、各センサ毎に、「白レベル」の強度測定値Ｉwを得て記録する。全てのセンサによって測定した実際の強度は、標準値ＩSからはばらついている。典型的に、色の測定では、標準値ＩＳは公称上「１００％」である。
４．「黒レベル」強度を減算し、白レベル測定値からの利得を調節することによって、続いて得た光測定値を正規化し、以下のように各センサ毎に正規化強度ＩNを得る。
ある状況では、光源および光バイアス源が安定するのに長時間を要する場合もある。別の状況では、光源およびバイアス源がドリフトする場合もある。好適な実施形態では、光源は、Welch Allyn, Inc（ウェルチ・アリン社）が製造する１８Ｗ，３３００Ｋのハロゲン安定化タングステン・フィラメント・ランプである。光バイアスは、高い強度のＬＥＤ、およびセンサ６７６の各バイアスされるセンサに至る光ファイバ光誘導管即ち導管（図３３ＡのＬＥＤ６８０および光導管６７８を参照のこと）によって与えることが好ましい。ＬＥＤ６８０の強度は、好ましくは、高周波数パルス幅変調、またはアナログの定電流コントローラによって制御し変更することが好ましい。バイアスＬＥＤ６８０の強度を制御することによって、バイアス光レベルを様々に変化させ、センサのサンプリング・レートに最も良く一致させることが可能となる。
好ましくは、ＴＳＬ２３０センサのようなセンサを１つ設けて、ＬＥＤ６８０の強度を測定し、ＬＥＤ光バイアス・システムの強度変動を補正する。ＬＥＤ６８０はモノクロームであるので、ＬＥＤ強度のドリフトを追跡し補正するためには、典型的に１つのセンサで十分である。ＬＥＤバイアス強度は、「黒」レベルの測定を行うときに測定し記録することが好ましい。続いて行われる各光強度測定毎に、次のように、各センサ毎にＬＥＤドリフトに対して黒ラベルを補正する。
４）Ｉb（補正済み）＝Ｉb・Ｉ（バイアス・センサ）／Ｉb（バイアスセンサ）ここで、Ｉ（バイアス・センサ）は、バイアス・センサによって測定した強度、Ｉb（バイアス・センサ）は、バイアス・センサによって測定した「黒レベル」強度、Ｉbは、光センサ（バイアス・センサ以外）によって測定した「黒レベル」強度、そしてＩb（補正済み）は上記式４）に用いられる調節後のバイアスである。
光源のドリフトは、複数の光センサによって測定することが好ましい。光源は多色光であるので、そのスペクトルもドリフトする可能性がある。タングステン・フィラメント・ランプは、黒体放射体(black body radiator)のスペクトルによって非常に強く近似されるスペクトルを生成し、完全放射体に対するプランクの法則によって表現可能であることがわかる。
図３７は、本発明の好適な実施形態に用いられる光源の好適な実施形態を示す。かかる光源は、好ましくは、ハロゲン・タングステン・フィラメント・ランプ７２４から成り、ランプのエンヴェロープにレンズを鋳込んで、ランプ７２４の本体に平行な軸上に集中光パターンを生成する。ランプ７２４におけるかかるレンズの使用は、光出力を集中するため、および反射器を有するランプによって発生し得るランプ・フィラメントの影を小さくするためである。好ましくは「０°ホット・ミラー」であるホット・ミラー７２２は、システムに入力されるＩＲ光の強度を低下させる。ある種の実施形態では、ホット・ミラーは色補正特性も備える場合があり、例えば、短い方の波長（青）よりも長い方の波長（赤）の光強度を低下させる。ランプ７２４からの光出力は、ホット・ミラー７２２を通過し、好ましくは、テーパ状のガラス・ロッド７２０に達する。ガラス・ロッド７２０のランプ７２４に最も近い端部は、好ましくは、公称上ランプ７２４のエンベロープの直径である直径を有する。ガラス・ロッド７２０の他端は、公称上４ｍｍであり、即ち、光源光ファイバ７１４の直径の４倍以上である。
ガラス・ロッド７２０は、多数の目的に供するものである。第１に、ガラス・ロッド７２０は、光ファイバ７１４をランプ７２４から変位させることによって、光ファイバ７１４の熱シールドとして作用し、光ファイバは、ガラス・ロッド７２０の存在によって、ランプ７２４から熱的に絶縁される。第２に、ガラス・ロッド７２０は、光ファイバ７１４に近い小領域に光を集中させ、狭い端部から現出する光の角度分散を広げ、光源光ファイバ７１４のＮＡを均一に「埋める」ことができる分散光パターンを得るように作用する。テーパ状ガラス・ロッド７２０がないと、ランプ７２４から現出する光の角度分散パターンは、光源光ファイバ７１４の受容円錐を完全にまたは均一に埋めることができない場合がある。ガラス・ロッド７２０のような部材(implement)を用いずに光源光ファイバ７１４が所望通りに光で満たされることを保証するには、光源光ファイバ７１４をランプ７２４に非常に近づける必要があるので、光源光ファイバ７１４が過熱し溶融し得るという危険性が生ずる。
光源光ファイバ７１４とガラス・ロッド７２０との間には、絞り７１８があることが好ましい。絞り７１８は、光源光ファイバ７１４に入射する光線の角度範囲を制限するために利用することが好ましい。絞り７１８を完全に解放した場合、光源光ファイバ７１４の受容円錐全体を満たすことができる。絞り７１８を閉じるに連れて、光源光ファイバ７１４に入射する光の円錐は狭くなり、したがって光ファイバ７１４に入射する光の角度分布は減少する。絞り７１８を更に狭めると、光ファイバ７１４に入射する光をほぼコリメート・ビームとすることが可能となる。
光ファイバの端部を光ファイバの軸に垂直によく研磨すると、光ファイバの一端に入射する光の角度は、光ファイバの他端から射出する際にも保存されるという性質があることは周知である。当業者には周知のように、光ファイバ・ケーブルを研磨する技術は多数存在する。したがって、よく研磨した光ファイバを用いれば、絞り７１８の直径を変化させることにより、光源光ファイバ７１４に入射する光の円錐を制御することができ、したがって光源光ファイバ７１４から現出する光の円錐も制御することができる。
代替実施形態では、絞り７１８をディスク７３０と置換する。ディスク７３０は、図３８Ａおよび図３８Ｂに示すように、その周辺付近に配置された、あるパターンの孔を含むことが好ましい。好ましくは、ディスク７３０は、ギア７３６およびギア歯７３０Ａを介してステッピング・モータ７３８によって駆動し、ディスク７３０を所望の位置に素早く移動させ、安定な状態にそれを保持して光の測定を行なうようにする。ステッピング・モータ７３８は、コンピュータ（この中のどこかで記載したようなもの。例えば、図３０および図３１を参照のこと）で制御し、ディスク７３０を軸７３２中心に回転させ、所望の制御可能な位置で停止するように制御する。したがって、このようなコンピュータは実際には各測定に同期して、光源のＮＡを変化させることができる。好ましくは、この手順は次のように進む。
１．所望のアパーチャにディスクを回転させる。
２．一時停止し、ディスクを安定させる。
３．光サンプルを１回測定する。
４．ディスクを次の所望のアパーチャに回転させ、必要に応じて処理を繰り返す。
図３８Ｂに示すように、ディスク７３０上の孔のパターンは、円形またはその他のいずれの所望の形状でもよい。かかるアパーチャも、光源ファイバに入射する光の光パターンまたは光のスペクトルに影響を及ぼすように分散された、あるパターンの微視的な孔を構成することができる。加えて、ディスクは、フィルタまたは回折格子等を含み、光源ファイバに入射する光のスペクトルを変形することも可能である。かかる孔またはアパーチャも、光の円錐を生成するリングで構成することができ、ファイバに入射する光線は、狭い角度範囲またはその他の所望の角度範囲に分布する。図３８Ａおよび図３８Ｂのディスクの実施形態によって、広い角度範囲にわたって光源光ファイバ７１４の光パターンを効果的に制御することが可能となる。
再び図３７を参照すると、光導管７１６は、貫通光路６７４のように、光をセンサ６７６に通過させ（例えば、図３３Ａおよび図３３Ｂを参照のこと）、前述のようにランプのスペクトル的性質を測定する。光源光ファイバ７１４に入射する光の分布を制御する絞りまたはアパーチャ・ディスクが光源のスペクトル特性を変更すると、前述のように、その結果としてスペクトルを調節することができる。
ここに記載するように、１対の光ファイバを利用し、一方のファイバが光源として機能し、他方のファイバが受光部として機能する場合、受光部ファイバが受光する光の強度は、物体または物質の表面上の当該対の高さ、および物体または物質の表面に対する対の角度と共に変化する。前述のように、ある種の好適な実施形態では、表面に対するプローブの角度は、同じ受光部ＮＡを有する３本以上の光ファイバ受光部を利用することによって検出することができる。システムの正規化の後、（図３２におけるファイバ６６０（１，３，５）のような）３本の受光部ファイバの強度が同じである場合、これはプローブが表面に対して垂直であることを示す。強度が３つのセンサ間でばらつく場合、これはプローブが表面に対して垂直ではないことを示す。一般的に言えば、この現象はあらゆる高さにおいても生ずる。一般に、３本のファイバにおける強度のばらつきは、プローブ内の３本のファイバの幾何学的形状に左右され、物質の色には無関係である。したがって、例えばプローブをファイバ１に向かって傾斜させるに連れて、センサ３および５によって測定した強度は名目上同一となるが、ファイバ１によって測定した強度は、ファイバ３および５とは異なる。その結果、システムは、ファイバ１側への角度のずれを検出することができる。好適な実施形態では、ファイバ１の強度値をファイバ３および５の強度値と比較することによって、角度の測定を行なうことができ、更に補正または利得係数によってファイバ１，３および５の強度を補正し、その光測定値を「調節」し、プローブの角度ずれを補償することができる。このように、図３２に示すプローブ構成によって、角度変化を検出し測定することが可能となる。
また、角度変化も、他のファイバ６６２（２，４，６）によって測定した強度に影響を及ぼす。同様に、ファイバ６６２（２，４，６）における「広帯域」センサ間の差も、更にプローブの角度を定量化するために利用することができ、光強度測定値を調節するために利用することができる。しかしながら、プローブの角度による強度のずれは、ファイバに異なる影響を与えることを注記しておく。センサ６６２（２．４．６）を図３３Ａに示す分光計に利用する場合、各ファイバ毎、および図３５Ａに示す拡散キャビティ６８６から出現する１組６本のファイバについて別個に強度調節を行なわなければならない。しかしながら、図３３Ｂに示すように１つの拡散キャビティ６８６を利用する場合、角度補正は、光路７０３によって供給される全てのセンサに等しく適用される。図３３Ｂに示すような実施形態では、角度判定および／または補正は、用途毎により好ましい方法で行なうことも可能である。
プローブが物体または物質の表面に近づけつつ（プローブを物体に向かって移動させても、物体をプローブに向かって移動させてもよい）、光源ファイバは物体／物質を照明する。光の一部は物体／物質の表面から反射し、光の一部は物体／物質に貫入するものもあり（半透明であるか、その表面上に半透明層を有する場合）、物質から再度現出し、受光部光ファイバに衝突するものもある。この中のどこかに記載したように、受光部によって測定した強度はピーク現象を呈し、光強度は最大値まで変動し、次いでプローブが物体／物質に接触するまで下降し、接触時に最小値を示す。物体／物質が不透明の場合、最小値の光強度は本質的にゼロである。物体／物質の半透明性が高い場合、強度はピーク強度に近い場合がある。
かかる現象に基づいて、本発明の別の態様によれば、「広帯域」センサのピーク高さ強度を測定し、他の高さにおける強度値と比較し、測定した強度のピーク強度に対する比率だけ全てのセンサの利得を調節することによって、プローブの高さを定量化し、ピーク高さ付近のプローブの高さ変動を調節することが可能となる。Ｉpを広帯域受光部のピーク強度とし、Ｉmをプローブが物質と接触しているときに測定した強度とし、Ｉをピーク高さより低い高さで測定した強度とすると、
次に図３９Ａおよび図３９Ｂを参照する。光ファイバ対（例えば、光源光ファイバ７４２および受光部光ファイバ７４４）が物質または物体７４６に近づくと、物質または物体７４６は光源光ファイバ７４２（例えば、図３９Ａのライン７４５を参照のこと）によって照明される。光源光ファイバ７４２から放出される光は、この中のどこかで説明したように制御することができる。したがって、光源光ファイバ７４２は、ほぼコリメート化した光（小さな入射角度）で物質または物体７４６を照明するように制御することができ、あるいは光源光ファイバ７４２は、広い入射角度、またはあるパターンの角度、または異なるスペクトル的性質で物質または物体７４６を照明するように制御することができる。図３８Ｂに示すようなスリット・パターンを有するアパーチャ・ディスクを用いて光源光ファイバ７４２を照明すると、狭い単一の角度範囲で物質または物体７４６を照明するために、光源光ファイバ７４２を用いることも可能である。
図３９Ａおよび図３９Ｂに示すような、同じＮＡを有する光源光ファイバ７４２および受光部光ファイバ７４４について検討する。光源光ファイバ７４２によって供給される光の角度分布は、光源ファイバ（およびプローブの角度）のみに依存し、物質からのファイバの高さには無関係である。プローブを物質または物体７４６に対して実質的に垂直に保持すると、光の角度分布は高さとは無関係になる。しかしながら、光源ファイバ７４２によって照明される領域は高さに依存し、高くなる程広くなる。受光部光ファイバ７４４は、その受入角度以内の光だけを受光することができるので、図３９Ａおよび図３９Ｂに示す２つの円錐の重複する領域から反射する、表面からの反射光のみを検出することができる。
図３９Ａは、ピーク高さにおけるファイバ対を示し、一方図３９Ｂは臨界高さにおけるファイバ対を示す。臨界高さでは、受光部ファイバ７４４が受光可能な表面からの反射光のみが光源光線７４５となり、反射角度に等しい入射角度を有する反射光線７４８、または「鏡面的に」反射した光のみを検出することができる。しかしながら、プローブがピーク高さにある場合、受光部ファイバによって受光可能な反射光線は、広い入射角度範囲および広い反射角度範囲双方において変動する。したがって、ピーク高さでは、受光部は広い範囲の入射角度の光線および反射角度の光線を検出している。前述のように高さのずれに対してスペクトルを調節することによって、更にプローブの角度を物質または物体の表面に対して検出することによって、広い入射角度範囲および反射角度範囲にわたって反射即ち戻りスペクトルを測定することができる。
一般に、不透明な表面では、拡散面であれ鏡面であれ、高さを調節したスペクトルは、プローブが物質または物体に近づいても一定に見える。一般に、乳光物質または物体、即ち、半透明な表面を有し、光線が物質に貫入し再度放出することができる物質では、プローブが物質または物体に近づくに連れて、高さを調節しても、スペクトルはずれる。一般に、歯や宝石のような半透明物質では、プローブが臨界高さよりも低い位置にあり、物質または物体に接触しているかほぼ接触する場合、スペクトルは更にずれる。
本発明のある種の態様に対する更なる改良として、図３７に示す絞りまたは図３８Ａおよび図３８Ｂに示すアパーチャ・ディスクを利用することができる。かかる実施形態の１つでは、プローブが物質または物体に近づく際に光源光ファイバ７１４のＮＡを一定に保持し、前述のように光強度およびスペクトルの測定を行い、データ・キューにセーブする。プローブが物質または物体に接触したときに、光源光ファイバ７１４のＮＡを変化させ（最初の１組の測定値の状態に応じて、狭いＮＡから広いＮＡへ、または広いＮＡから狭いＮＡへ）、光源ＮＡの関数としてスペクトルの測定を行なう。次いで、プローブを物質から遠ざけるように移動させ、プローブからの距離を広げながら、そしてプローブがピーク高さを通過する際に、光強度およびスペクトルの測定を行なう。光源ＮＡおよび高さの分散の結果生ずるスペクトルのずれを用いて、物質または物体の乳白性(opalescence)を定量化することが好ましい。
代替実施形態では、プローブを物質または物体に接近するようにあるいは物質または物体に接触するように移動させつつ、光およびスペクトル・データの測定と同期させて、図３８Ａおよび図３８Ｂに示すアパーチャ・ディスクをステッピング・モータ７３８によって回転させる。別の代替実施形態では、プローブを物質から固定の高さに配置するか、あるいは物質または物体と接触して配置し、光強度およびスペクトル・データを測定しながら、光源ファイバのＮＡを変化させる。更に別の代替実施形態では、前述のように光源および受光部のファイバのＮＡを変化させ、得られるスペクトルを利用して、物質の光学的性質を定量化する。
これより物質の光沢度を定量化する本発明の代替実施形態について、図４０Ａおよび図４０Ｂを参照しながら説明する。図４０Ａおよび図４０Ｂは、ミラー（図４０Ａ）のように非常に反射性の高い表面上、および拡散面（図４０Ｂ）上に配置した、光源（７４２）および受光部（７４４）ファイバ対を示す。光源光ファイバ７４２からの光の円錐は、円７４２Ａによって図示されており、受光部光ファイバ７４４の受容円錐は円７４４Ａによって図示されており、重複部分が区域７５０によって示されている。鏡面では、受光部光ファイバ７４４が受光する光のみが、入射角度に等しい反射角度を有する光線であり、したがって受光部７４４の表面に衝突する光線のみが、図４０Ａにおいて円７５２で示す光ファイバの直径のサイズの小さな円形区域に衝突する。受光部光ファイバ７４４が光源光ファイバ７４２よりも大きなＮＡを有する限り、受光部光ファイバ７４４に入射する光は全て受け入れられる。したがって、受光部光ファイバ７４４において受光される光線の角度分布は、非常に狭い範囲に限定され、光ファイバ対の表面からの高さに依存する。
光ファイバ対が拡散面上に位置する図４０Ｂについて検討する。２つの円錐の重複領域に入射するあらゆる光線は、受光部光ファイバ７４４が受光することができる（勿論、受光部ファイバに入射することが条件である）。したがって、拡散面でも、受光部光ファイバ７４４が受光する光線の角度分布は高さに依存するが、鏡面の角度分布よりは大きい。本発明のかかる実施形態によれば、かかる角度分布の変化を用いて、特定の物質または物体の光沢のような光学的性質を定量化することができる。
本発明の他の実施形態による検出器を図４１に示す。この場合、単一の受光部ファイバ７５８をセンサ（センサ７６０Ａおよび７６０Ｂで示す）の放射分布(radial distribution)上に配置する。２つ以上のセンサを一次元または二次元で利用することができるが、説明の目的上２つのセンサのみを図４１に示す。図示の実施形態では、一方のセンサ（センサ７６０Ｂ）はファイバ７５８の中心に対応して配置され、ゼロ付近の角度を測定する。他方のセンサ（センサ７６０Ａ）は、受光部ファイバ７５８の受入角度の約１／２の所に配置されている。代替実施形態では、センサは、ＣＣＤのような線形アレイに、あるいはビデオ・カメラのＣＣＤまたはＭＯＳセンサのように二次元センサに配列または構成することができる。本発明の態様によれば、センサの強度パターンを分析することにより、物質の光沢度を測定し定量化することができる。
図４２Ａおよび図４２Ｂに示すように、プローブを物質または物体に向けて移動させると、受光部ファイバ７５８が受光する光の角度分布が物質または物体の表面に応じて変化する。図４２Ａは、鏡面に対する２つのセンサの強度パターンを示し、図４２Ｂは拡散面に対する強度パターンを示す。通常、反射性物質はピーク・パターンを呈する傾向があり、センサ１のピーク強度は、センサ２のピーク強度よりも遥かに高い。拡散性物質では、センサ２（広い角度）のピーク強度はセンサ１のピーク強度に近い。ピーク密度の変動を定量化することにより、物質の光沢度も付加的に定量化することができる。加えて、代替実施形態では、一方または他方のセンサのピーク時における両センサの相対値を捕獲し、物質または物体の光学的性質を定量化するために用いる。
前述の種々の実施形態と共に、種々の光ファイバを利用することができ、小径のファイバは、評価対象の物体または物質上の小さいスポットの光学特性を評価するために用いられる。本発明のかかる態様およびここに記載する種々の実施形態によれば、直径約３００ミクロンのファイバ、および直径約１ミリメートルまでまたはこれ未満のファイバ、および約１ないし１．５ミリメートルまでのファイバを利用したが、他の直径のファイバも本発明の別の実施形態および用途では利用する。かかるファイバを用いる場合、約３００ミクロン、あるいは代わりに約１ミリメートル、または約１．５ミリメートル、または約０．３ないし１ミリメートル、または約１ないし１．５ミリメートルのスポット・サイズで、評価対象の物体または物質を判定することができる。かかる実施形態によれば、プローブを物体または物質に向かって移動させ、または接触させ、または接触する手前で複数のスペクトルを判定し、更にかかるスペクトルにおける可能な変化を判定することによる等を含め、スペクトル、半透明性、乳白性、光沢、表面組織、蛍光性、レイリー散乱等を含む、かかるスポット・サイズの光学的性質を定量化または判定することができる。これらは全て、計器を単に評価対象物体または物質の単一の表面に向けて移動させるだけである。
また、ここに記載した本発明の種々の実施形態の種々の原理によれば、本発明の範囲以内において改良も可能であることを注記しておく。本発明のある種の実施形態によれば、光源／受光部の組み合わせの変形を利用することができ、本発明によって得られる種々のスペクトルにしたがって、種々の光学的性質を判定することができる。種々のスペクトルには、物体または物質からの１つ以上の距離で捕獲したスペクトル（および鏡面反射光を含む）や、表面またはその付近で捕獲したスペクトル（例えば、臨界高さ以内、および実質的にまたは完全に鏡面反射光を除外して）を含むことができる。ある種の実施形態では、評価対象物体または物質のゴニオメータ測定または評価を時として検討するものを生成するように、測定することも可能である。他の実施形態では、構造によっては、ある構造と共に用いることもまたはそれなくして用いることも可能なこともある。例えば、本発明の態様のある用途では、高さ／角度判定または補正のために周辺ファイバを利用する場合もあり、一方別の用途では利用しない場合もある。かかる改良、代替、および具体例は、本発明の種々の実施形態の範囲内のことである。
本願と同日に出願した同時係属中の出願、Apparatus and Method for Measuring Optical Characteristics of Teeth（歯の光学特性測定装置および方法）およびMethod and Apparatus for Detecting and Preventing Counterfeiting（偽作検出および防止方法および装置）について言及しておく。双方とも本願と同一発明者によるものであり、その内容はこの言及により本願にも含まれるものとする。
加えて、実施形態および方法論は、多種多様の物体および物質に適用可能であり、その代表的な例について、この中のどこかおよび／または先に言及した同時継続中の出願の中に記載されていることを注記しておく。更に加えて、本発明の実施形態および態様は、宝石(gem)即ち宝石(precious stone)、ダイアモンド、真珠、ルビー、サファイア、エメラルド、オパール、アメジスト、サンゴのような物質またはその他の物体、およびその他の貴重な物質を特性付けするために適用することができる。かかる宝石は、物体または物質の表面および／または表面特性に関係する光学的性質（この中のどこかで記載したように）によって特性付けすることができる。代表例として、かかる宝石は、当該宝石が関与する購入、販売、またはその他の取引の一部として、あるいはかかる取引のためまたは保険の目的等のための価値評価の一部として特性付けすることも可能であり、更に、宝石の表面に汚染があるか否か、または何か変化しているか否か、あるいは宝石が以前に測定した宝石と同一か否か等を、後に示す場合のために測定することも可能である。本発明による宝石あるいはその他の物体または物質の測定は、当該宝石に一意の「指紋」または１組の特性または識別を与えるために用いることができ、これによって後に測定した宝石、物体または物質を特定したり、あるいはその同定(identity)または非同定(non-identity)を確認することが、後の測定によって可能となる。
また、先に引用した同時係属中の出願に記載されている実施態様および方法論も、ここに記載した本発明の実施形態および特徴に適用可能であり、例えば、物質の混合または調合、光学特性データの遠隔送信、それに基づく第２の物体または物質の遠隔地における作成または局地的な作成（第２の計器を用いて離れて測定すること等も可能である）、オペレータの使用を追加するための種々の形式の音声フィードバック、カメラまたはその他の器具との一体化、物体を多数回および／または多数の場所で測定することによる、測定対象物体の配置（ポスチュライゼーション：posturization)または区分化（セクタリング：sectoring)、データ捕獲、格納およびソフトウエア・データベース、コンピュータ等における操作を含むことも注記しておく。本発明のかかる改良、強化および更に別の使用は全て、本発明の範囲内に含まれるものとする。
Claims (41)
- 物体または材料の色または他の光学特性を判定する装置であって、
前記物体（２０，６０６）または材料からの光を受光し、受光した光に基づいて少なくとも１つの出力信号を生成する１つまたは複数のセンサ（８，６１６，６４０，６７６，７１０）と、
前記物体または材料から光を受光する前記センサ（８，６１６，６４０，６７６，７１０）の１つまたは複数にバイアス光を制御可能状態で供給し、前記バイアス光が前記物体（２０，６０６）または材料から受光したものではない光からなる、バイアス光源（６０４，６３８，６８０）と、
前記少なくとも１つの信号を受信するように結合され、該信号を用いて行われる第１測定および第２測定に基づいて色または他の光学特性を判定するプロセッサ（１０，２６，６００，６０２，６４２，６７０）と、を備え、
前記第１測定は、前記バイアス光源をオンにし、前記物体または材料からの光を受けない状態で、前記少なくとも１つの信号に基づいて行われ、前記第２測定は、前記バイアス光源をオンにし、前記物体または材料からの光を受ける状態で、前記少なくとも１つの信号に基づいて行われる、
装置 - 請求項１記載の装置において、前記少なくとも１つの信号がデジタル信号からなる装置。
- 請求項２記載の装置において、前記デジタル信号がＴＴＬコンパチブル・デジタル信号からなる装置。
- 請求項１記載の装置において、前記光は、前記センサ（８，６１６，６４０，６７６，７１０）の１つまたは複数に結合される前に、１つまたは複数のフィルタ（２２，６１４，６７６，７０８）を通過し、複数のセンサによって生成された複数のデジタル信号の周期の測定に基づいてスペクトル特性が判定される、装置。
- 請求項１記載の装置において、前記信号は、受光した光の強度に依存する周波数の非同期性信号からなる装置。
- 請求項１記載の装置において、前記１つまたは複数のセンサ（８，６１６，６４０，６７６，７１０）は、複数の光−周波数変換器検知エレメントからなる、装置。
- 請求項１記載の装置において、前記光は、前記センサ（８，６１６，６４０，６７６，７１０）の１つまたは複数に結合される前に、フィルタを通過し、該フィルタ（２２，６１４，６７６，７０８）は、波長依存光透過特性を有する複数のフィルタ部からなる、装置。
- 請求項１記載の装置において、前記特性は、前記物体または材料から受光した光に基づくスペクトル分析を含む、装置。
- 請求項１記載の装置において、前記光は、前記センサ（８，６１６，６４０，６７６，７１０）の１つまたは複数に結合される前に、フィルタ（２２，６１４，６７６，７０８）を通過し、該フィルタ（２２，６１４，６７６，７０８）は複数のカットオフ・フィルタ・エレメントからなる、装置。
- 請求項１記載の装置において、前記光は、前記センサ（８，６１６，６４０，６７６，７１０）の１つまたは複数に結合される前に、フィルタ（２２，６１４，６７６，７０８）を通過し、該フィルタは色傾斜フィルタからなる、装置。
- 請求項１記載の装置において、前記光は、前記センサ（８，６１６，６４０，６７６，７１０）の１つまたは複数に結合される前に、フィルタ（２２，６１４，６７６，７０８）を通過し、該フィルタはフィルタ・グリッドからなる、装置。
- 請求項１記載の装置において、前記光は、前記センサの１つまたは複数に結合される前に、１つまたは複数のフィルタ（２２，６１４，６７６，７０８）を通過し、受光した光は回折格子を用いないでスペクトル分析される、装置。
- 請求項１記載の装置において、前記光は、前記物体（２０，６０６）または材料に対するプローブの複数の距離おいて複数の測定を行うように適応されたプローブ（１，５０６，６３０）によって受光される、装置。
- 請求項１記載の装置において、１つまたは複数の光源（１０６，２４０，３１０，４５２，６５８）を有するプローブ（２０，６３０）が前記物体（６０６）または材料に光を供給し、前記１つまたは複数の光源からの光は、前記物体または材料から１つまたは複数の受光器（１０２，１０４，２４２，２４４，２４６，３１２，３１４，３１６，３１８，３２０，４５４，４５６，４５８，６６０，６６２）によって受光される、装置。
- 請求項１４記載の装置において、前記１つまたは複数のセンサ（８，６１６，６４０，６７６，７１０）は、前記物体（２０，６０６）または材料に対するプローブ（１，５０６，６３０）の距離を判定するように適応している、装置。
- 請求項１４記載の装置において、前記１つまたは複数のセンサ（８，６１６，６４０，６７６，７１０）は、前記物体（２０，６０６）または材料に対するプローブ（１，５０６，６３０）の角度を判定するように適応している、装置。
- 請求項１４記載の装置において、前記１つまたは複数のセンサ（８，６１６，６４０，６７６，７１０）は、前記物体（２０，６０６）または材料に対するプローブ（１，５０６，６３０）の距離および角度を判定するように適応している、装置。
- 請求項１記載の装置において、前記１つまたは複数のセンサ（８，６１６，６４０，６７６，７１０）によって受光される光に比例する周波数を有する少なくとも１つの信号は、前記１つまたは複数のセンサに結合される積分器によって生成される、装置。
- 請求項１記載の装置において、前記センサ（８，６１６，６４０，６７６，７１０）は光検出器からなる、装置。
- 請求項１９記載の装置において、前記光検出器はフォト・ダイオードからなる、装置。
- 請求項１９記載の装置において、前記光検出器はフォト・ダイオード・アレイからなる、装置。
- 請求項１９記載の装置において、前記光は、前記センサ（８，６１６，６４０，６７６，７１０）の１つまたは複数に結合される前に、１つまたは複数のフィルタ（２２，６１４，７０８）を通過する、装置。
- 請求項１記載の装置において、前記プロセッサ（１０，２６，６００，６４２，６７０）はマイクロプロセッサからなる、装置。
- 請求項１記載の装置において、前記プロセッサ（１０，２６，６００，６４２，６７０）はロジック（１０，２６，６００，６４２，６７０）からなる、装置。
- 請求項２４記載の装置において、前記ロジックはロジック・アレイ（６０２，６７０）からなる、装置。
- 請求項２４記載の装置において、前記プロセッサ（１０，２６，６００，６４２，６７０）はプログラム可能ロジック・アレイ（６０２，６７０）からなる、装置。
- 請求項１記載の装置において、前記物体（２０，６０６）または材料から受光する１つまたは複数の受光器（１０２，１０４，２４２，２４４，２４６，３１２，３１４，３１６，３１８，３２０，４５４，４５６，４５８，６６０，６６２）を更に含み、前記１つまたは複数のセンサ（８，６１６，６４０，６７６，７１０）が、前記１つまたは複数の受光器（１０２，１０４，２４２，２４４，２４６，３１２，３１４，３１６，３１８，３２０，４５４，４５６，４５８，６６０，６６２）から光を受ける、装置。
- 請求項１記載の装置において、前記物体（２０，６０６）または材料は、非気体材料、皮膚、非皮膚生体組織、塗料、繊維、写真、歯科用物体、印刷物、髪、または化粧品からなる、装置。
- 請求項１記載の装置において、前記１つまたは複数のセンサ（８，６１６，６４０，６７６，７１０）は、少なくとも所定の周波数からなる信号を出力する、装置。
- 請求項２９記載の装置において、前記バイアス光源（６０４，６３８，６８０）は、前記センサ（８，６１６，６４０，６７６，７１０）の１つまたは複数に、物体または材料から受光したものではない光をあるレベルで供給して、前記１つまたは複数のセンサが少なくとも前記所定の周波数からなる信号を生成することを確実にする、装置。
- 請求項３０記載の装置において、前記信号は所定の最小遷移数を有する信号を含む、装置。
- 請求項３１記載の装置において、前記所定の最小遷移数は少なくとも２つの遷移を含む、装置。
- 請求項２９記載の装置において、前記バイアス光源（６０４，６３８，６８０）は、前記少なくとも１つの信号がある周波数有し、それによって測定が所定のサンプリング周期で前記１つまたは複数のセンサ（８，６１６，６４０，６７６，７１０）によって行われるようにする、装置。
- 請求項３３記載の装置において、前記測定は、前記少なくとも１つの信号の少なくとも周波数および周期の測定を含む、装置。
- 請求項１記載の装置において、前記バイアス光源は前記物体または材料にも光を供給する光源（６０４）を備える、装置。
- 請求項１記載の装置において、前記バイアス光源は、前記物体（２０，６０６）または材料に光を供給する光源（６０４，６３８）とは異なる光源（６８０）を備える、装置。
- 請求項１記載の装置において、前記バイアス光源（６０４，６３８，６８０）は広帯域光源からなる、装置。
- 請求項１記載の装置において、前記バイアス光源は単色光源からなる、装置。
- 請求項３８記載の装置において、前記バイアス光源はＬＥＤを備える、装置。
- 請求項１記載の装置において、前記バイアス光源（６０４，６３８，６８０）からの光を受けるが、前記物体（２０，６０６）または材料から受光した光は受けないバイアス追跡センサを設けた、装置。
- 請求項４０記載の装置において、前記バイアス追跡センサは、前記バイアス光源（６８０）からの光出力の変動を補正するために使用される出力を供給する、装置。
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