JP3401376B2 - 散乱物体の光学定数決定法 - Google Patents

散乱物体の光学定数決定法

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    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/47Scattering, i.e. diffuse reflection
    • G01N21/49Scattering, i.e. diffuse reflection within a body or fluid

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は散乱物体の光学定
数を決定する方法に関するものである。この発明は材料
工業、発酵工業、生体材料工業、食品工業、化粧品工
業、医薬品工業、医用診断の分野において使用されるも
のである。
【0002】
【従来の技術】発酵工業における懸濁した発酵液、スラ
イム状物質、材料工業における不透明材料、食品、化粧
品、医薬品工業等における不透明な液状製品、クリ−
ム、練り製品等の半固形製品、および破砕、切り出し等
によるサンプリングが可能な固形製品、生体試料等の組
成などを知る上で、それらの散乱物体の光学的性質を測
定する必要がある場合がある。このような散乱物体の光
学的性質を測定する場合、従来は、光の伝播に関して半
無限あるいは無限平板と考えられる大きさの試料に対し
ては、時間分解測定結果と理論解析解を比較することに
よって光学定数すなわち試料の等価散乱係数μ′s と吸
収係数μa を決定する方法は知られている(網沢他「時
間分解法による生体の吸収、散乱係数の測定」第34回
日本エム・イ−学会(1995))。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかし上記の光学定数
決定方法は、前記のように試料の形態が光の伝播に関し
て半無限あるいは無限平板と考えられる大きさの試料に
対しては有効であるが、半無限あるいは無限平板と考え
られない小さな試料に対しては解析解がないために光学
定数の決定ができない。また光学定数に分布がある試料
に対しても決定ができない。
【0004】このような場合にはモンテカルロ法による
数値計算を行うことによって、光学定数を決定し得る
が、数値計算を行うには時間がかかるため、分析時にモ
ンテカルロ法を実施することは困難である。この問題
は、あらかじめ多くの条件下で一連のモンテカルロ法に
よる計算を行ってルックアップテーブルを作成してお
き、分析時にそれを参照することによって解決できる。
【0005】このようなことから、小さな試料に対して
も、また光学定数に分布がある試料に対しても、光学定
数の決定が容易にできる光学定数決定技術の開発が望ま
れている。この発明は上記の如き事情に鑑みてなされた
ものであって、光の伝播に関して半無限あるいは無限平
板と考えられない小さな試料に対しても、また光学定数
に分布がある試料に対しても、光学定数の決定ができる
光学定数決定法を提供することを目的とするものであ
る。
【0006】
【課題を解決するための手段】この目的に対応して、こ
の発明の散乱物体の光学定数決定法は、散乱物体の等価
散乱係数μ′s と吸収係数μa の組み合わせの多数につ
いてモンテカルロ法により出力光強度の時間変化を算出
しておき、次に試料にパルス光を入射して出力光強度の
時間変化を測定し、前記測定した出力光強度の時間変化
が前記算出した出力光強度の時間変化のいずれかに一致
または相似しているとき、前記算出した出力光強度の時
間変化における等価散乱係数μ′s と吸収係数μa を前
記試料の等価散乱係数μ′s と吸収係数μa であると決
定することを特徴としている。
【0007】またこの発明の他の散乱物体の光学定数決
定法は、散乱物体の等価散乱係数μ′s と吸収係数μa
=0の組み合わせの多数についてモンテカルロ法により
各時間の出力光強度を算出しておき、次に試料にパルス
光を入射して各時間の出力光強度を測定し、各時間にお
ける前記測定した出力光強度と前記算出した出力光強度
との比の対数をとって、その対数の時間変化が直線また
は直線に近いときに、前記算出した出力光強度の等価散
乱係数μ′s を前記試料の等価散乱係数μ′sと決定
し、かつ前記直線または直線に近い対数の時間変化の傾
きから前記試料の吸収係数μa を決定することを特徴と
している。
【0008】
【発明の実施の形態】以下、この発明の詳細を一実施の
形態を示す図面について説明する。 (第一の実施態様)まず、この発明の散乱物体の光学定
数決定法を実施する場合に使用する装置について説明す
る。図1において1は光学定数決定装置である。光学定
数決定装置1は光源装置2、光検出器3およびコンピュ
−タ4を備えている。光源装置2と光検出器3との間に
計測対象である試料5が配置される。
【0009】試料5としては発酵工業における懸濁した
発酵液、スライム状物質、材料工業における不透明材
料、食品、化粧品、医薬品工業等における不透明な液状
製品、クリ−ム、練り製品等の半固形製品、および破
砕、切り出し等によるサンプリングが可能な固形製品、
生体試料など光散乱性を持つものであって、特に試料の
形態が光の伝播に関して半無限あるいは無限平板と考え
られない小さな試料、例えば直径100mm〜1mmの
大きさのものまたは光学定数に分布がある試料である。
【0010】光源装置2は波長600〜2000nmの
近赤外光のピコ秒以下の極短パルスを発生して試料5に
入射することができるものである。このような光源装置
2としては、小出力のものとしてパルスダイオ−ドレ−
ザ、また大出力のものとしてチタンサファイアレ−ザが
ある。また可視光のパルスを発生することができるもの
でも試料によっては使用可能である。
【0011】光検出器3はピコ秒以上の時間分解能を持
つ超高速光検出器であることが必要であり、このような
光検出器3としては光電子増倍管超高速フォトダイオ−
ド、光オシロスコ−プ、ストリ−クカメラ等を使用する
ことができる。この発明の散乱物体の光学定数決定法は
以上の光学定数決定装置1を使用して次のように実施す
る。
【0012】まず試料5についてその条件と予想される
等価散乱係数μ′s と吸収係数μa、例えば生体試料の
場合であれば等価散乱係数μ′s =1.0mm-1、吸収
係数μa=0.03mm-1のように、組み合わせの多数
についてモンテカルロ法により出力光強度の時間変化を
コンピュ−タ4で算出し、予想される等価散乱係数μ′
s と吸収係数μa の組み合わせ毎の出力光強度の時間変
化7a,7b,7c…のルックアップテ−ブル8を作成
してコンピュ−タ4に格納しておく。次に実際に試料5
に光源装置2からパルス光を入射し、光検出器3で試料
5からの出力光強度の時間変化を測定する。そして測定
した出力光強度の時間変化7と算出した出力光強度の時
間変化7a,7b,7c…とをコンピュ−タ4で比較
し、測定した出力光強度の時間変化7が前記算出した出
力光強度の時間変化7a,7b,7c…のいずれかに一
致または相似しているときに、算出した出力光強度の時
間変化(図1図示の場合、出力光強度の時間変化7a)
における等価散乱係数μ′sと吸収係数μa を試料5の
等価散乱係数μ′s と吸収係数μa であると決定する。 (第二の実施態様)また、散乱物体の等価散乱係数μ′
s と吸収係数μa =0の組み合わせの多数についてモン
テカルロ法により各時間の出力光強度を算出しておき、
次に試料にパルス光を入射して各時間の出力光強度を測
定し、各時間における測定した出力光強度と算出した出
力光強度との比Pの対数をとって、その対数の時間変化
が図2に示すように直線または直線に近いときに、算出
した出力光強度の等価散乱係数μ′s を試料の等価散乱
係数μ′s と決定し、かつ直線または直線に近い対数の
時間変化の傾きmから前記試料の吸収係数μa を決定し
てもよい。すなわち各時間の測定した出力光強度と算出
した出力光強度sの比Pの自然対数、つまり、loge
(Pi )、loge (Pi+1 )、loge (Pi+2 )、
…のいずれかが時間に対して直線あるいは直線に近いと
き、その算出した出力光強度の等価等価散乱係数μ′s
を試料5の等価等価散乱係数μ′s と決定する。また、
その直線の傾きをmとすると、μa =m/c(cは媒体
中の光の速度で、例えば生体中ではc=0.23mm/
ps)を試料の吸収係数μa と決定する。この方法によ
れば、非常に多くの等価等価散乱係数μ′s と吸収係数
μa と組み合わせについて時間のかかるモンテカルロ法
の計算を少なくすることができる。
【0013】
【実施例】
(1)ヒト腰椎サンプル(n:nはサンプル数)のBM
D(骨密度g/cm3 )値と光学定数との関係を第二の
実施態様に示した決定方法で決定した。その結果を表1
に示す。実測値と良く一致していることを確認した。
【0014】
【表1】 (2)ウシ大腿骨サンプルのBMD(骨密度g/cm
3 )値と光学定数との関係を第一の実施態様に示した決
定方法で決定した。その結果を表2に示す。実測値と良
く一致していることを確認した。
【0015】
【表2】
【0016】
【発明の効果】以上の説明から明らかなようにこの発明
によれば、光の伝播に関して半無限あるいは無限平板と
考えられない小さな試料に対しても、また光学定数に分
布がある試料に対しても、光学定数の決定ができる光学
定数決定法を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】光学定数決定装置の構成説明図
【図2】対数の時間変化を示すグラフ
【符号の説明】
1 光学定数決定装置 2 光源装置 3 光検出器 4 コンピュ−タ 5 試料
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山下 豊 静岡県浜松市市野町1126番地の1 浜松 ホトニクス株式会社内 (56)参考文献 特開 平7−51005(JP,A) 特開 平7−323033(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01J 1/00 - 1/60 G01N 21/00 - 21/01 G01N 21/17 - 21/61 JICSTファイル(JOIS) 実用ファイル(PATOLIS) 特許ファイル(PATOLIS)

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 散乱物体の等価散乱係数μ′s と吸収係
    数μa の組み合わせの多数についてモンテカルロ法によ
    り出力光強度の時間変化を算出しておき、次に試料にパ
    ルス光を入射して出力光強度の時間変化を測定し、前記
    測定した出力光強度の時間変化が前記算出した出力光強
    度の時間変化のいずれかに一致または相似していると
    き、前記算出した出力光強度の時間変化における等価散
    乱係数μ′s と吸収係数μa を前記試料の等価散乱係数
    μ′s と吸収係数μa であると決定することを特徴とす
    る散乱物体の光学定数決定法。
  2. 【請求項2】 散乱物体の等価散乱係数μ′s と吸収係
    数μa =0の組み合わせの多数についてモンテカルロ法
    により各時間の出力光強度を算出しておき、次に試料に
    パルス光を入射して各時間の出力光強度を測定し、各時
    間における前記測定した出力光強度と前記算出した出力
    光強度との比の対数をとって、その対数の時間変化が直
    線または直線に近いときに、前記算出した出力光強度の
    等価散乱係数μ′s を前記試料の等価散乱係数μ′s
    決定し、かつ前記直線または直線に近い対数の時間変化
    の傾きから前記試料の吸収係数μa を決定することを特
    徴とする散乱物体の光学定数決定法。
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