JPH07243965A - 光散乱媒体の吸光情報検出方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 光散乱媒体の吸光情報を検出する方法におい
て、光散乱媒体に入射させる光量を増大させることな
く、Ｓ／Ｎを向上させる。 【構成】 １つの光源10より出射され、２つの光路Ａ，
Ｂに分けられ、光路Ａを通過し光散乱媒体１を透過した
直進透過光Ｌ_sig と、光路Ｂを通過し周波数が僅かにシ
フトされた局発光Ｌ_loc とを、ビームスプリッタ24上で
重ね合わせて２つの光の干渉光を検出するのに先だっ
て、光路Ｂ上の光遮蔽手段62を閉じて局発光Ｌ_loc の通
過を阻止し、このとき光検出器40によって光強度を検出
し、局発光Ｌ_loc の強度をこの検出された光強度以上に
設定したうえで、光遮蔽手段62を開いて干渉光を検出す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光散乱媒体の吸光情報
を光ヘテロダイン検出方式により検出する方法に関し、
詳細には光ヘテロダイン検出方式における局発参照光の
強度の設定に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】生体等の光散乱性の媒体（以下、光散乱
媒体という）の透過吸光情報を検出する方法の１つとし
て光ヘテロダイン検出方式が知られている（特開平2-11
0345号、同2-110345号公報等参照）。この光ヘテロダイ
ン検出方式は、波長または周波数のわずかに異なる２つ
の光を、それらの進行方向が一致するように重ね合せ、
２つの光の波長（または周波数）の差によって生じる光
の干渉現象を利用するものであって、重ね合わされる２
つの光の進行方向が完全に一致しないとその光の進行方
向に垂直な面内において波長（または周波数）の差に応
じて時間的に強弱を繰り返すビート信号が発生しないた
め、極めて高精度な、光の進行方向の弁別性能を有した
検出方式ということができる。

【０００３】光散乱媒体に光を入射すると、その光は光
散乱媒体の表面や内部で反射、散乱、回折、透過などに
よってあらゆる方向に出射するが、光ヘテロダイン検出
方式によれば、これら種々の方向に出射する光のうち所
望の方向に出射する光だけを容易に検出することがで
き、例えばその光散乱媒体より光の入射方向と同一方向
に出射する直進透過光だけを弁別してその光強度を計測
することにより、この媒体の吸光情報を検出することが
でき、媒体内部の形態情報や定量性を備えた生理・生化
学情報を得るうえで非常に有用性が高い。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところでビート信号の
検出の際には、光検出器に所望のビート信号の他に直進
透過光の進行方向とは異なる方向に進む散乱光や光検出
器の配置されている周囲からの外光（これらを総称して
迷光という）も同時に入射するため、これらもビート信
号と共に検出される。ビート信号は前述のとうり所定の
周波数で時間的に強弱を繰り返す交流成分であるため、
直流成分である迷光と弁別するのは容易であるが、生体
などの光散乱媒体を直進透過して出射する直進透過光は
迷光に対して非常に微弱であり、この迷光によってフォ
トンノイズが増大し、ビート信号のＳ／Ｎを向上させる
ことができないという問題がある。

【０００５】外光については、周囲の光から遮光された
暗室環境下で上記検出を行えばある程度低減させること
ができるが、暗室環境下での作業は手間が掛かるという
難点がある。

【０００６】またこの外光の影響を低減させる方法の一
つとして、光散乱媒体に入射せしめる光量を増大させる
ことによって、このＳ／Ｎを向上させることが考えられ
る。すなわち光散乱媒体に入射させる光量が増大すれば
直進透過光もその光量に応じて増大するため信号光を増
大させることができ、Ｓ／Ｎを向上させることができ
る。

【０００７】しかし直進透過光は上述したように入射す
る光量に比して非常に微弱であるため、信号光である直
進透過光を僅かに増大させるために入射光量を大幅に増
大させる必要がある。通常、光ヘテロダイン検出方法で
は、１つの光源より出射されたコヒーレント光を、光散
乱媒体に入射する光路を進む光と、局部発振光（局発光
または参照光ともいう）と称される他方の光路を進む光
とに分割しているが、信号光（直進透過光）が微弱であ
ることは知られているため、光散乱媒体に入射する光路
を進む光の光量が局部発振光の光量に対して非常に大き
くなるように設定されている。このため光散乱媒体に入
射する光路を進む光の光量を大幅に増大させるには、光
源の出力を増大させる必要が有り設備やコストの点で難
点がある。さらに光散乱媒体に入射させる光量を増大さ
せると、その増大された光のエネルギによって光散乱媒
体を侵害する虞がある。特にこの光ヘテロダイン検出方
式を医学や生化学の分野において利用する際には生体を
対象とすることから、無侵襲を確保する必要が有る。通
常、生体に対する最高許容量はレーザ光の場合10ｍＷ／
mm² 程度である。したがってＳ／Ｎを向上させるために
光散乱媒体に入射する光路を進む光の光量を大幅に増大
させることは困難である。

【０００８】また散乱媒体内部で散乱して検出される迷
光については、入射光量が増大するのに応じてその迷光
の光量も比例して増大するので、結果的にＳ／Ｎを向上
させることができないという問題がある。

【０００９】本発明は上記事情に鑑みなされたものであ
って、光散乱媒体に入射させる光量を増大させることな
く、Ｓ／Ｎを向上させる光散乱媒体の吸光情報検出方法
を提供することを目的とするものである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の光散乱媒体の吸
光情報検出方法は、光ヘテロダイン方式によって生体な
どに代表される光散乱媒体の前方散乱光の直進光成分
（直進透過光）や後方散乱光の直進光成分を検出する際
に、局発光の強度を、光検出器に同時に入射する散乱光
や検出系の外界からの外光などの迷光（ノイズ成分）の
強度以上に設定して信号光（シグナル成分）を向上させ
ることを特徴とするものである。

【００１１】すなわち本発明の光散乱媒体の吸光情報検
出方法は、コヒーレントな光をそれぞれ互いに異なる２
つの光路を進む２つの光に分割し、分割された２つの光
のうち少なくとも一方の光の周波数をわずかにシフトさ
せてこれら２つの光にわずかな周波数差を与え、この周
波数差を有する２つの光の進む光路のうち一方の光路上
に光散乱媒体を配し、光散乱媒体を直進透過した光の進
行方向と、他方の光路を通過した光の進行方向とが一致
するように該２つの光路を通過した光を重ね合せ、重ね
合せて得られた光に生ずるビート信号の光強度を光検出
器によって検出することにより、光散乱媒体を透過した
光の中から直進透過光のみを検出して光散乱媒体の吸光
情報を得る光散乱媒体の吸光情報検出方法において、ビ
ート信号の検出に先立って、ビート信号とともに光検出
器に入射される光散乱媒体からの散乱光および外界より
入射する外光等の迷光の強度を予め検出し、他方の光路
を通過する光の強度を少なくとも検出された迷光の強度
以上に設定することを特徴とするものである。

【００１２】以下、上記迷光の強度の求め方を具体的に
説明する。

【００１３】上述のビート信号検出系において、まず上
記光散乱媒体の無い状態で前記周波数差で強弱を繰り返
すビート信号（第１のビート信号という）の強度を検出
する。この第１のビート信号の強度はこのとき上記検出
系に入射している局発光（第１の局発光という）の強度
と、信号光（直進透過光；第１の信号光という）の強度
と、所定の比例定数によって一義的に決まる。

【００１４】ここで各光路を各別に遮断して第１の局発
光の強度と、第１の信号光の強度とを各別に検出する。

【００１５】次いでこの光検出器の配置位置などの検出
条件を変えないように、上記光散乱媒体を上記一方の光
路上に配置して上記光散乱媒体の無い状態と同様に、周
波数差で強弱を繰り返すビート信号（第２のビート信号
という）の強度を検出する。この第２のビート信号の強
度はこのとき上記検出系に入射している局発光（第２の
局発光という）の強度と、信号光（直進透過光；第２の
信号光という）の強度と、所定の比例定数によって一義
的に決まる。なお上記第１のビート信号を検出する際の
検出条件と第２のビート信号を検出する際の検出条件と
が同一であるため、この比例定数は両検出時において一
致する。

【００１６】ここで第２の信号光を遮断して第２の局発
光の強度を検出する。

【００１７】このようにして検出された第１のビート信
号、第１の局発光、第１の信号光、第２のビート信号、
第２の局発光の各強度に基づいて第２の信号光の強度を
計算により求める。

【００１８】続いて、光検出器と光散乱媒体との相対位
置などの検出条件を変えないように第２の局発光を遮断
して光散乱媒体を通過する側の光路を通過した光の強度
を検出する。この光散乱媒体を通過する側の光路を通過
した光は、第２の信号光と迷光との総和であるから、こ
の光強度から上記計算により求められた第２の信号光の
強度を差し引くことによって、迷光の強度を求めること
ができる。

【００１９】ところで実際の光散乱媒体においては第２
の信号光は迷光に対して極めて微弱であるから、第２の
局発光を遮断して光散乱媒体を通過する側の光路を通過
した光と、迷光とは略等しいと考えることができる。

【００２０】したがって上述の検出系において局発光の
強度を、上述の第２の局発光を遮断したときに検出され
る光散乱媒体を通過する側の光路を通過した光の強度以
上、すなわち直進透過光と迷光とが加算された光の強度
以上に設定すれば、上述のような複数回の計測や複雑な
計算を必要としない点でより実用性が高い。

【００２１】なお本発明の光散乱媒体の吸光情報検出方
法は、上述のように光散乱媒体を直進透過した直進透過
光を検出する検出方法に限らず、光散乱媒体の反射光
（後方散乱光）を検出する検出方法に適用することもで
きる。

【００２２】すなわち、コヒーレントな光をそれぞれ互
いに異なる２つの光路を進む２つの光に分割し、分割さ
れた２つの光のうち少なくとも一方の光の周波数をわず
かにシフトさせてこれら２つの光にわずかな周波数差を
与え、この周波数差を有する２つの光の進む光路のうち
一方の光路上に光散乱媒体を配し、光散乱媒体の後方散
乱光成分と、他方の光路を通過した光とを進行方向が一
致するように重ね合せ、重ね合せて得られた光に生ずる
ビート信号の光強度を光検出器によって検出することに
より、光散乱媒体を反射した後方散乱光の中から所望の
方向に散乱する後方散乱光のみを検出して光散乱媒体の
散乱光情報を得る光散乱媒体の反射光（後方散乱光）を
検出する検出方法において、ビート信号の検出に先立っ
て、ビート信号とともに光検出器に入射される、上記所
望の方向以外の方向に散乱する散乱光および外界より入
射する外光等の迷光の強度を予め検出し、他方の光路を
通過する光の強度を少なくとも検出された迷光の強度以
上に設定する構成を採ることもできる。

【００２３】また光検出器としてはダイナミックレンジ
の広いものが望ましく、例えば７〜８桁のダイナミック
レンジを有するシリコンフォトダイオードなどが好まし
い。このように幅広いダイナミックレンジを有する光検
出器を用いることによって、局発光の強度を増大させて
も感度よく微弱なビート信号を検出することができる。

【００２４】

【作用】本発明の光散乱媒体の吸光情報検出方法は、光
ヘテロダイン方式における局発光の強度を予め検出され
た迷光の強度以上に設定することによって、光散乱媒体
を直進透過した光（あるいは後方散乱光）とこの局発光
とが重ね合わされて得られるビート信号を、一定強度あ
るいは直進透過光（あるいは後方散乱光）の増大に伴っ
て強度の増大する迷光に対して増大させる。これによっ
て上記直進透過光（あるいは後方散乱光）を信号光とす
るＳ／Ｎを向上させることができる。

【００２５】なお迷光が外光のみ（すなわち迷光は直進
透過光の強度に依存せず一定）であり、局発光の強度を
迷光の強度と一致させたときのＳ／Ｎは、迷光の全く無
い理想的な検出状態（暗室内における検出状態）に対し
て−３dBまで向上し、Ｓ／Ｎの改良においては許容レベ
ル（上記理想的な検出状態に対して−３dB以下）に達す
る。さらに迷光の強度に対する局発光の強度を増大する
のに応じて、Ｓ／Ｎは上記理想的な検出状態のＳ／Ｎに
限りなく近づけることができる。

【００２６】

【実施例】以下、本発明の光散乱媒体の吸光情報検出方
法について図面を用いて説明する。

【００２７】図１は光ヘテロダイン検出方式を用いた光
散乱媒体の吸光情報検出方法を実施する装置の構成を示
す概略構成図、図２は図１に示した吸光情報を検出する
装置に本発明の光散乱媒体の吸光情報検出方法を適用し
たステップを説明するための概略構成図である。図１に
示した光散乱媒体の吸光情報検出装置は、コヒーレント
光である所定の周波数ωのレーザ光Ｌ₀ を出射するレー
ザ光源10と、この光源10より出射された光Ｌ₀ を２つの
光路Ａ，Ｂに沿ってそれぞれ進行する２つの光Ｌ₁ ，Ｌ
₂ に分割し、その後重ね合わせるビームスプリッタ21，
24およびミラー22，23を有し、光路Ａ上には吸光情報を
検出しようとする光散乱媒体１（以下、媒体１という）
が配置される。さらに吸光情報検出装置は、各光路Ａ，
Ｂ上にそれぞれ設けられた光量調整用のＮＤフィルタ2
7，28と、ＮＤフィルタ27，28によって光量の調整され
た各光Ｌ₁ ′，Ｌ₂ ′をそれぞれ同一のビーム径の平行
な光束に拡大させるビームエクスパンダ25，26と、２つ
の光路Ａ，Ｂのうち一方の光路Ｂを進む光Ｌ₂ ′を入力
し、その光Ｌ₂ ′の周波数ωをわずかな周波数Δωだけ
シフトさせたうえで周波数ω＋Δωの局発光Ｌ_loc とし
て出力する周波数シフタ30と、ビームスプリッタ24によ
り重ね合わされた光および外光からなる光Ｌ₃の光強度
を検出し光電変換して電気信号を出力する光検出器40
と、該光検出器40により検出された光強度を示す信号を
光ヘテロダイン検波し、光ヘテロダイン検波された光強
度信号に基づいて媒体１の吸光情報を算出するデータ処
理装置50を備えてなる構成である。

【００２８】さらに、各光路Ａ，Ｂ上の重合わせ用ビー
ムスプリッタ24の直前には、各光路Ａ，Ｂをそれぞれ通
過した光束Ｌ₁ ′，Ｌ_loc がビームスプリッタ24に入射
するのを遮る閉位置と許容する開位置とを選択的に採り
得る光遮蔽手段61，62が設けられている。

【００２９】なお本来媒体１の表面形状は曲面によって
形成されており、そのため図３（Ａ）に示すように光束
Ｌ₁ ′が媒体１に入出射する際、その界面において屈折
して光束Ｌ₁ ′の進行方向が変わり、アーチファクトの
原因となる。そこで図１に示すように、媒体１の光束Ｌ
₁ ′の入出射面は光束の進行方向に垂直に形成すること
が望ましい。しかし生体などそのように形成できないも
のについては、図３（Ｂ）に示すように、媒体１とほぼ
同一の屈折率を有する光透過性のマッチング媒体２を媒
体１に密着させて、光束Ｌ₁ ′の進行方向が屈折の影響
を受けないようにする。なお、このマッチング媒体２へ
の光の入出射面は光束Ｌ₁ ′の進行方向に対してほぼ垂
直に仕上げられている。このマッチング媒体２は例えば
図３（Ｃ）に示すように、媒体１と同一屈折率の液状媒
体４が充填されたポリエチレン等の極薄の可撓性袋体３
を、平行平板ガラス５に密着させたものによって構成す
ることができ、これを媒体１に光束Ｌ₁ ′の入出射方向
よりそれぞれ押し付けてサンドイッチ構造を構成するこ
とによって実現することができる。

【００３０】次の本実施例の作用について説明する。

【００３１】光源10より所定の強度、所定の周波数ωで
出射されたレーザ光Ｌ₀ は、ビームスプリッタ21によっ
て２つの光路Ａ，Ｂをそれぞれ進む２つの光Ｌ₁ ，Ｌ₂
に分割される。光路Ａを進む光Ｌ₁ はビームスプリッタ
21によって反射された光であり、ＮＤフィルタ27に入射
し、このＮＤフィルタ27によってその光量が調整され
る。

【００３２】一般に光散乱媒体を直進透過する直進透過
光は散乱光に対してその強度（光量）は微弱であるた
め、媒体１を通過する光路Ａを進む光Ｌ₁ は、ＮＤフィ
ルタ27によって光量を極端に絞ることはしないで光量の
わずかな調整がなされて出射される。ＮＤフィルタ27に
より光量を調整されて出射されたＬ₁ ′はミラー22によ
って反射され、次いでビームエクスパンダ25によってビ
ーム径が拡大され平行な光束Ｌ₁ ′に変換されて媒体１
に入射する。

【００３３】光束Ｌ₁ ′が入射した媒体１からは、媒体
１内部の光散乱媒質により種々の方向に散乱されて出射
する散乱光Ｌと、この媒体１に特徴的に吸光されてこの
媒体１の吸光情報を担持し入射方向と同一方向に出射さ
れる直進透過光Ｌ_sig とが出射し、散乱光Ｌの一部Ｌ_s
と直進透過光Ｌ_sig はビームスプリッタ24に入射する。

【００３４】一方、光路Ｂを進む光Ｌ₂ はビームスプリ
ッタ21を透過した光であり、光路Ａを進む光Ｌ₁ と同様
にＮＤフィルタ28に入射し、このＮＤフィルタ28によっ
て光量が調整される。光路Ｂ上のＮＤフィルタ28は、光
路Ａ上の媒体１より出射される直進透過光Ｌ_sig の光量
に応じて、光路Ｂを進む光Ｌ₂ の光量を調整するもので
ある。ＮＤフィルタ28により光量を調整された後の光Ｌ
₂ ′は、周波数シフタ30により元の周波数ωに対してわ
ずかな周波数Δωだけシフトされ、周波数ω＋Δωの局
発光Ｌ_loc として出力される。

【００３５】この局発光Ｌ_loc はミラー23によって反射
され、次いでビームエクスパンダ26によって光路Ａを進
む光束Ｌ₁ ′のビーム径と略同一のビーム径に拡大され
てビームスプリッタ24に入射する。

【００３６】光路Ａを通過してビームスプリッタ24を透
過した光（散乱光Ｌの一部Ｌ_s と直進透過光Ｌ_sig ）と
光路Ｂを通過してビームスプリッタ24で反射された局発
光Ｌ_loc は、それぞれ光検出器40に入射し、光検出器40
は入射した光をその強度に応じた電気信号に光電変換し
てこの電気信号をデータ処理装置50に入力する。

【００３７】ここでビームスプリッタ24は、局発光Ｌ
_loc を、直進透過光Ｌ_sig の進行方向と同一方向に進む
ように反射せしめるため、直進透過光Ｌ_sig と局発光Ｌ
_loc とは重ね合わされる。散乱光Ｌの一部（以下、単に
散乱光という）Ｌ_s は直進透過光Ｌ_sig に対して進行方
向が異なるため局発光Ｌ_loc とは重ね合わされない。

【００３８】重ね合わされる局発光Ｌ_loc と直進透過光
Ｌ_sig との間には周波数差Δωがあるため、重ね合わさ
れた後の光Ｌ₃ にこの差の周波数Δωで強弱を繰り返す
信号（ビート信号）が生じる。したがってデータ処理装
置50は、光検出器40により検出された光強度Ｉ_D から、
この周波数Δωで強弱を繰り返す信号成分（交流成分）
を分離して直進透過光Ｌ_sig 成分を抽出し媒体１の吸光
情報を検出する処理を行う。

【００３９】なお光検出器40により検出された光強度Ｉ
_D は下記式（１）で表される。

【００４０】 Ｉ_D ＝Ｉ_sig ＋Ｉ_loc ＋２（Ｉ_sig ×Ｉ_loc ）^1/2 ・cos(Δω・ｔ） ＋Ｉ_α （１） 但し、Ｉ_sig ；直進透過光Ｌ_sig の強度 Ｉ_loc ；局発光Ｌ_loc の強度 Ｉ_α ＝Ｉ_e ＋Ｉ_s ；迷光Ｌ_α の強度 Ｉ_e ；外光Ｌ_e の強度 Ｉ_s ；散乱光Ｌ_s の強度 以上の作用により媒体１の吸光情報が得られるが、光検
出器40には上述の散乱光Ｌ_s ，直進透過光Ｌ_sig および
局発光Ｌ_loc の他、光検出器40の周囲の外光Ｌ_e も入射
する。したがって直進透過光Ｌ_sig と局発光Ｌ_loc とが
重ね合わされて得られる微弱なビート信号（式（１）に
おける２（Ｉ_sig ×Ｉ_loc ）^1/2 ・cos(Δω・ｔ））の
Ｓ／Ｎを向上させて、吸光情報の検出精度を高める必要
がある。

【００４１】ビート信号の信号成分は（Ｉ_sig ×
Ｉ_loc ）^1/2 に比例し、ノイズ成分は全体の光量の平方
根（Ｉ_sig ＋Ｉ_loc ＋Ｉ_α ）^1/2 に比例するため、Ｓ
／Ｎは下記式（２）で表される。

【００４２】 Ｓ／Ｎ＝ｋ（Ｉ_sig ×Ｉ_loc ）^1/2 ／（Ｉ_sig ＋Ｉ_loc ＋Ｉ_α ）^1/2 ＝ｋ・Ｉ_sig ^1/2 ／（１＋Ｉ_sig ／Ｉ_loc ＋Ｉ_α ／Ｉ_loc ）^1/2 但し、ｋは定数 （２） ここで局発光Ｌ_loc の強度Ｉ_loc は迷光Ｌ_α の強度Ｉ
_α に無関係に設定することができるため、この局発光
Ｌ_loc の強度Ｉ_loc を迷光Ｌ_α の強度Ｉ_α 以上に設定
することにより、ビート信号のＳ／Ｎを向上させること
ができる。

【００４３】以下、上述のＳ／Ｎを向上させる本発明の
光散乱媒体の吸光情報検出方法を説明する。

【００４４】まず図１に示した吸光情報検出方法を実施
する装置から媒体１を除去する（図２参照）。この媒体
１が除去された状態で上述の作用と同様に光源10より所
定の強度、所定の周波数のレーザ光Ｌ₀ を出射する。こ
のレーザ光Ｌ₀ は、ビームスプリッタ21によって２つの
光路Ａ，Ｂをそれぞれ進む２つの光Ｌ₁ ，Ｌ₂ に分割さ
れる。光路Ａを進む光Ｌ₁ は、ＮＤフィルタ27に入射し
その光量が調整され、光量を調整されて出射された
Ｌ₁ ′はミラー22によって反射され、ビームエクスパン
ダ25によってビーム径が拡大され平行な光束Ｌ₁ ′に変
換されてビームスプリッタ24に入射する。

【００４５】一方、光路Ｂを進む光Ｌ₂ はＮＤフィルタ
28により、後述のビームスプリッタ24上で重ね合わされ
る光路Ａを通過した光Ｌ₁ ′との干渉によりビート信号
が検出できるレベル以上となるようにその光量が調整さ
れる。

【００４６】光路Ａを通過してビームスプリッタ24を透
過した光Ｌ₁ ′と光路Ｂを通過してビームスプリッタ24
で反射された局発光Ｌ_loc とは、重ね合わされて上述の
ように周波数Δωで強弱を繰り返すビート信号Ｂ₁ を生
じる。そしてこのビート信号Ｂ₁ を含む光（光路Ａを通
過した光Ｌ₁ ′、光路Ｂを通過した局発光Ｌ_loc および
外光Ｌ_e ）が光検出器40に入射する。この光検出器40に
より検出される光の強度Ｉ_D ′は下記式（３）のように
表される。

【００４７】 Ｉ_D ′＝Ｉ₁ ′＋Ｉ_loc ＋２（Ｉ₁ ′×Ｉ_loc ）^1/2 ・cos(Δω・ｔ） ＋Ｉ_e （３） 但し、Ｉ₁ ′；光路Ａを通過した光Ｌ₁ ′の強度 Ｉ_loc ；局発光Ｌ_loc の強度 Ｉ_e ；外光Ｌ_e の強度 この検出された光の強度Ｉ_D ′はデータ処理装置50に入
力され、データ処理装置50はビート信号Ｂ₁ の成分の強
度を分離して検出する。このビート信号Ｂ₁ の成分の強
度Ｓ₁ は、検出条件によって変化する定数ｋ₁ によって
下記式（４）のように表される。

【００４８】 Ｓ₁ ＝ｋ₁ （Ｉ₁ ′×Ｉ_loc ）^1/2 （４） 次に光遮蔽手段61を閉位置に移動して光路Ａを進む光Ｌ
₁ ′がビームスプリッタ24に入射するのを阻止したうえ
で局発光Ｌ_loc の強度Ｉ_loc を光検出器40によって検出
し、次いで光遮蔽手段62を開位置に戻し、光遮蔽手段62
を閉位置に移動して光路Ｂを進む局発光Ｌ_loc がビーム
スプリッタ24に入射するのを阻止したうえで光路Ａを通
過した光Ｌ₁ ′の強度Ｉ₁ ′を検出する。

【００４９】次に、光遮蔽手段61，62を予め開位置に移
動し、この媒体１を除去した状態と検出条件が変わらな
いように光路Ａ上に計測しようとする媒体１を配し（図
１の状態）、光源10より所定の強度、所定の周波数でレ
ーザ光Ｌ₀ を出射して上述と同様に作用によるビート信
号Ｂ₂ の成分の強度を検出する。なお検出条件が変わら
ないようにとは、光検出器40と媒体１との配置位置が変
わらないようにすることを意味する。

【００５０】ここで光路Ａを進む光Ｌ₁ は、ＮＤフィル
タ27に入射しその光量が調整され、光量を調整されて出
射されたＬ₁ ′はミラー22によって反射され、ビームエ
クスパンダ25によってビーム径が拡大され平行な光束Ｌ
₁ ′に変換されて上述の作用と同様に媒体１に入射し、
媒体１からは直進透過光Ｌ_sig と散乱光Ｌ_s が出射し、
これらがビームスプリッタ24に入射する。

【００５１】一方、光路Ｂを進む光Ｌ₂ はＮＤフィルタ
28により、後述のビームスプリッタ24上で重ね合わされ
る光路Ａを通過した直進透過光Ｌ_sig との干渉によりビ
ート信号が検出できるレベル以上となるようにその光量
が設定される。

【００５２】光路Ａを通過してビームスプリッタ24を透
過した直進透過光Ｌ_sig と光路Ｂを通過してビームスプ
リッタ24で反射された局発光Ｌ_loc ′とは、重ね合わさ
れて上述のように周波数Δωで強弱を繰り返すビート信
号Ｂ₂ を生じる。そしてこのビート信号Ｂ₂ を含む光
（光路Ａを通過した直進透過光Ｌ_sig と散乱光Ｌ_s 、光
路Ｂを通過した局発光Ｌ_loc ′および外光Ｌ_e ）が光検
出器40に入射する。この光検出器40により検出される光
の強度Ｉ_D ″は下記式（５）のように表される。

【００５３】 Ｉ_D ″＝Ｉ_sig ＋Ｉ_loc ′＋２（Ｉ_sig ×Ｉ_loc ′）^1/2 ・cos(Δω・ｔ ）＋Ｉ_e ＋Ｉ_s （５） 但し、Ｉ_sig ；直進透過光Ｌ_sig の強度 Ｉ_loc ′；局発光Ｌ_loc の強度 Ｉ_e ；外光Ｌ_e の強度 Ｉ_s ；散乱光Ｌ_s の強度 ここでビート信号Ｂ₂ の成分の強度Ｓ₂ は、検出条件に
よって変化する定数ｋ₂ によって下記式（６）のように
表される。

【００５４】 Ｓ₂ ＝ｋ₂ （Ｉ_sig ×Ｉ_loc ′）^1/2 （６） 媒体１を除去した状態（図２）と加入した状態（図１）
とで検出条件を同一であるからｋ₁ ＝ｋ₂ であり、した
がって下記式（７）のように表される。

【００５５】 Ｓ₂ ＝ｋ₁ （Ｉ_sig ×Ｉ_loc ′）^1/2 （７） 式（４）と式（７）とから、 Ｓ₁ ／Ｓ₂ ＝（（Ｉ₁ ′×Ｉ_loc ）／（Ｉ_sig ×
Ｉ_loc ′））^1/2 と変形され、したがって、 Ｉ_sig ＝（Ｉ₁ ′×Ｉ_loc ／Ｉ_loc ′）・（Ｓ₂ ／Ｓ₁ ）² （８） となる。

【００５６】次に光遮蔽手段62を閉位置に移動して局発
光Ｌ_loc が光検出器40に入射するのを遮断したうえで上
記光検出器40による光路Ａを通過した光Ｌ_sig ，Ｌ_s の
検出を行う。このとき検出される光の強度Ｉは、下記式
（９）で表される。

【００５７】 Ｉ＝Ｉ_sig ＋Ｉ_e ＋Ｉ_s （９） したがって、散乱光Ｌ_s と外光Ｌ_e からなる迷光Ｌ_α
の強度Ｉ_α は、下記式（10）により求められる。

【００５８】 Ｉ_α ＝Ｉ_e ＋Ｉ_s ＝Ｉ−Ｉ_sig ＝Ｉ−（Ｉ₁ ′×Ｉ_loc ／Ｉ_loc ′）・（Ｓ₂ ／Ｓ₁ ）² （10） 以上の説明した方法により、局発光Ｌ_loc の強度Ｉ_loc
を迷光Ｌ_α の強度Ｉ_α以上に設定したうえで、前述の
光散乱媒体の吸光情報検出を行えば、散乱光や外光が全
く無いときに検出されるビート信号のＳ／Ｎに対して３
dB程度低下するだけの良好なＳ／Ｎでビート信号を検出
することができる。

【００５９】したがって、非情に微弱なレベルの信号光
量Ｉ_sig まで検出することができるため、２次元走査ま
たは並列検出を行って、媒体１の２次元の吸光情報を、
迷光に依存せずに高精度、高ダイナミックレンジで測定
することが可能となる。

【００６０】なお本実施例においては迷光Ｌ_α の強度
Ｉ_α を複数回の計測によって求めたが、本発明の光散
乱媒体の吸光情報検出方法は、局発光Ｌ_loc の強度Ｉ
_loc を迷光Ｌ_α の強度Ｉ_α 以上となるように設定しさ
えすればよいので、光検出器のダイナミックレンジ内で
あれば、図１において光遮蔽手段62を閉じて局発光Ｌ
_locがビームスプリッタ24に入射しないようにしたうえ
で、光散乱媒体１を通過する光路Ａを通過した光の強度
Ｉ（＝Ｉ_sig ＋Ｉ_e ＋Ｉ_s ）を検出し、局発光Ｌ_locの
強度Ｉ_loc をこの光路Ａを通過した光の強度Ｉ（〉Ｉ
_α ＝Ｉ_e ＋Ｉ_s ）以上とすれば、より簡単に局発光Ｌ
_loc の強度Ｉ_loc を設定することができる。

【００６１】図４は、直進透過光Ｌ_sig の強度Ｉ_sig に
対するＳ／Ｎを、局発光Ｌ_loc の強度Ｉ_loc ，迷光Ｌ
_α の強度Ｉ_α をパラメータとした式（１）に基づくグ
ラフである。図４に示した３つの曲線のうち１点鎖線で
示す曲線は、迷光Ｌ_α の強度Ｉ_α ＝０の理想的な検
出方法によるグラフ、破線で示す曲線は、迷光Ｌ_αの
強度Ｉ_α が所定の値Ｉ_k の１０倍（Ｉ_α ＝１０・
Ｉ_k ）である従来の検出方法によるグラフ、実線で示す
曲線は、局発光Ｌ_loc の強度Ｉ_loc が迷光Ｌ_αの強度
Ｉ_αと同一（Ｉ_α ＝Ｉ_loc ＝１０・Ｉ_k ）である本発
明の検出方法によるグラフである。図示のグラフによれ
ば、外光が光検出器に入射するような通常の環境下（曲
線）における従来の光散乱媒体の吸光情報検出方法と
比べて、本発明の検出方法ではビート信号のＳ／Ｎが、
散乱光や外光が全く無い（実際には不可能な）理想的な
検出方法（曲線）におけるＳ／Ｎより３dB程度低下す
るだけの良好な検出を実現することができる。

【００６２】また各曲線が20 log（Ｓ／Ｎ）＝０となる
ときの logＩsig が示す最小検出感度Ａ₃ も、理想的な
検出方法（曲線）における最小検出感度Ａ₁ に近付け
ることができ検出感度を向上することができる。

【００６３】なお、上記光検出器40としてはダイナミッ
クレンジの広いものが望ましく、例えば７〜８桁のダイ
ナミックレンジを有するシリコンフォトダイオードなど
が好ましい。このように幅広いダイナミックレンジを有
する光検出器を用いることによって、局発光の強度を増
大させても感度よく微弱なビート信号を検出することが
できる。

【００６４】

【発明の効果】本発明の光散乱媒体の吸光情報検出方法
は、媒体へ入射させるレーザ光などのコヒーレントな光
の強度を増大させることがないため、このコヒーレント
光による媒体への侵害がないか、あるいは従来の方法と
同程度とすることができる。特にこの光散乱媒体として
生体を用いた場合には、コヒーレント光による媒体への
侵害を極力少なくする必要があり、本発明の方法はこれ
を実現することができる。そしてこのような媒体への侵
害を極力低減したうえで、光ヘテロダイン検出方式によ
る直進透過光や後方散乱光のＳ／Ｎを容易に向上させる
ことができ、実用上非常に有用である。

【００６５】また、従来のように検出系を外光から遮蔽
するために暗室環境下で検出作業を行なう必要がなく、
より簡便に光散乱媒体の吸光情報を検出することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】光ヘテロダイン検出方式を用いた光散乱媒体の
吸光情報検出方法を実施する装置の構成を示す概略構成
図

【図２】図１に示した吸光情報を検出する装置に本発明
の光散乱媒体の吸光情報検出方法を適用したステップを
説明するための概略構成図

【図３】（Ａ）媒体の表面形状によるアーチファクトの
原因について説明する図 （Ｂ）マッチング媒体によるアーチファクトの防止につ
いて説明する図 （Ｃ）マッチング媒体の構成を示す構成図

【図４】直進透過光Ｌ_sig の強度Ｉ_sig 変化に対するＳ
／Ｎの変化を示すグラフ

【符号の説明】

１ 光散乱媒体 ２ マッチング媒体 ３ 可撓性袋体 ４ 液状媒体 ５ 平行平板ガラス 10 レーザ光源 21，24 ビームスプリッタ 22，23 ミラー 25，26 ビームエクスパンダ 27，28 ＮＤフィルタ 30 周波数シフタ 40 光検出器 50 データ処理装置 61，62 光遮蔽手段

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 コヒーレントな光をそれぞれ互いに異な
   る２つの光路を進む２つの光に分割し、該分割された２
   つの光のうち少なくとも一方の光の周波数をわずかにシ
   フトさせて該２つの光にわずかな周波数差を与え、該周
   波数差を有する２つの光の進む光路のうち一方の光路上
   に光散乱媒体を配し、該光散乱媒体を直進透過した光の
   進行方向と、他方の光路を通過した光の進行方向とが一
   致するように該２つの光路を通過した光を重ね合せ、該
   重ね合せて得られた光に生ずるビート信号の光強度を光
   検出器によって検出することにより、前記光散乱媒体を
   透過した光の中から直進透過光のみを検出して該光散乱
   媒体の吸光情報を得る光散乱媒体の吸光情報検出方法に
   おいて、 前記ビート信号の検出に先立って、前記ビート信号とと
   もに前記光検出器に入射される前記光散乱媒体からの散
   乱光および外界より入射する外光等の迷光の強度を予め
   検出し、前記他方の光路を通過する光の強度を少なくと
   も該検出された迷光の強度以上に設定することを特徴と
   する光散乱媒体の吸光情報検出方法。
2. 【請求項２】 前記他方の光路を通過する光の強度を、
   前記光散乱媒体を直進透過した光と前記迷光とからなる
   前記一方の光の強度以上に設定することを特徴とする請
   求項１記載の光散乱媒体の吸光情報検出方法。