CN102650595B - 光学成分测定装置 - Google Patents
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Abstract
一种即使少量的样本，也能够实现高分辨率和稳定的测量精度，紧凑的光学成分测定装置。具有圆偏振光入射部(21)，其具有：把在光纤环(2)中向一个方向传播的直线偏振光变换为右旋圆偏振光，然后使其入射到作为测定对象的样本(22)的第一光变换部(23)；以及将在光纤环中向另一方向传播的直线偏振光变换为左旋圆偏振光，然后使其入射到样本的第二光变换部(24)，两个光变换部并列地配置在样本一侧，向同一方向出射圆偏振光，圆偏振光入射部还具有反射从一个光变换部出射的圆偏振光，使其至少往复一次透过样本后入射到另一光变换部的反射单元(25)，反射单元由使入射的圆偏振光反射偶数次后出射到样本的偶数个反射镜(25a)构成。
Description
技术领域
本发明涉及以光学方式测定葡萄糖等具有旋光性的物质的浓度的光学成分测定装置，特别是涉及应用了萨格纳克(Sagnac)干涉系统的光学成分测定装置。
背景技术
在葡萄糖等具有旋光性的物质中，已知其旋光度取决于物质的浓度，测定旋光度，根据该测定到的旋光度检测物质的浓度。
作为测定物质的旋光度(或者复折射率)的方法，已知塞纳蒙(Senarmont)的方法、正交偏振波差动法、缪勒(Mueller)矩阵计算法、正交偏振波外差方式、调制相位位移法、偏振度的波长扫描法、偏振度(最小值)测定法等现有的各种方法。
但是，在这些方法中，因为是直接或者通过偏振度测定旋光导致的偏振面的旋转角度，所以存在角度分辨率低、测定误差大的课题。此外，还存在装置巨大，使用的元件价格高，光轴调制需要时间，装置价格高的课题。
因此，在专利文献1中提出了应用在光纤陀螺仪等中使用的萨格纳克干涉系统的光学成分测定装置。
但是，在专利文献1中，因为成为在传感器环中间插入成为测定对象的样本的结构，所以仅得到1个传播方向的相位差，例如为了测定血液中的葡萄糖浓度，存在无法得到足够的灵敏度的问题。
此外，在专利文献1中，因为以包夹样本的方式设置了收发光的部分，所以存在测量部变长，难以进行紧凑设计的问题。
为了解决这样的问题，在专利文献2中提出了使用反射镜使光相对于样本往复的结构，但是认为通过该装置实际上无法测定旋光度。
具体地说，在专利文献2的图2那样的结构中，入射光通过四分之一波长板13成为圆偏振光，并且经由法拉第旋转光学元件62入射到被测定试样8，但是，此时，当使右旋圆偏振光入射到被测定试样8时，通过了被测定试样8的右旋圆偏振光在反射镜12被反射，变换为左旋圆偏振光，再次入射到被测定试样8。在此，当被测定试样8如D-葡萄糖那样是使偏振面向右旋转的物质时，因为在去程中使右旋圆偏振光向右旋转，所以传播速度加快，并且因为在回程中使左旋圆偏振光向右旋转所以转播速度减慢，相对于入射光的相位差不成为2倍而成为零。因此，认为在专利文献2的图2那样的结构中无法测定旋光度。
【专利文献1】日本特开2005-274380号公报
【专利文献2】日本特开2008-122082号公报
发明内容
本发明是鉴于以上情况而提出的，其目的在于提供一种即使少量的样本，也能够实现高分辨率和稳定的测量精度，价格便宜的紧凑的光学成分测定装置。
本发明是为了达成上述目的而提出的，提供一种光学成分测定装置，其以光学方式测定作为测定对象的样本中的具有旋光性的物质的浓度，其中，具有：光纤环；传感器本体，其将来自光源的光变换为直线偏振光并且进行分支，然后入射到所述光纤环的两端，检测在所述光纤环中以相互相反的方向传播而从所述光纤环的两端出射的光的相位差；圆偏振光入射部，其被插入到所述光纤环的途中，具有把在所述光纤环中向一个方向传播的直线偏振光变换为右旋圆偏振光后使其入射到所述样本的第一光变换部、以及把在所述光纤环中向另一方向传播的直线偏振光变换为左旋圆偏振光后使其入射到所述样本的第二光变换部，向所述样本入射圆偏振光；以及浓度检测部，其被安装在所述传感器本体上，根据检测到的所述相位差求出所述样本中的具有旋光性的物质的浓度，所述两个光变换部被并列地配置在所述样本一侧，向同一方向出射圆偏振光，所述圆偏振光入射部还具有反射单元，其反射从一个所述光变换部出射的圆偏振光，使其至少往复一次透过所述样本后入射到另一所述光变换部，所述反射单元由使入射的圆偏振光反射偶数次后出射到所述样本的偶数个反射镜构成。
在所述光纤环的两端的端部部分，分别设置了卷绕构成该光纤环的光纤而形成的延迟光纤，在向一个旋转方向卷绕预定长度的所述光纤后，向另一旋转方向卷绕与所述预定长度相同长度的所述光纤而形成所述延迟光纤。
在所述光纤环的两端的端部部分，分别设置了卷绕构成该光纤环的光纤而形成的延迟光纤，一方的所述延迟光纤，通过顺时针卷绕预定长度的所述光纤而形成，另一方的所述延迟光纤，通过逆时针卷绕与所述预定长度相同长度的所述光纤而形成。
所述两个光变换部分别具有使偏振面旋转45度的偏振旋转元件和将直线偏振光变换为圆偏振光的λ/4元件，以如下方式构成所述两个光变换部：通过光纤型元件构成所述偏振旋转元件和所述λ/4元件，并且将圆偏振光保持光纤与所述λ/4元件耦合，把从该圆偏振光保持光纤出射的圆偏振光入射到所述样本。
根据本发明，能够提供即使是少量的样本，也可以实现高分辨率和稳定的测量精度，价格便宜的紧凑的光学的成分测定装置。
附图说明
图1是本发明的一个实施方式的光学成分测定装置的概要结构图。
图2是表示使用图1的光学成分测定装置测定了葡萄糖的浓度时的左右旋转光的相位差与葡萄糖的浓度的关系的曲线图。
图3是表示本发明的其他实施方式的光学成分测定装置的概要结构图。
符号说明
1光学成分测定装置；2光纤环；3传感器本体；11光源；12受光器；13第一耦合器；14偏振器；15第二耦合器；16相位调制器；18信号处理单元；18a相位差检测部；18b浓度检测部；20延迟光纤；21圆偏振光入射部；22样本；23第一光变换部；24第二光变换部；25反射单元；25a反射镜
具体实施方式
以下，按照附图说明本发明的实施方式。
图1是本发明的光学成分测定装置的概要结构图。
如图1所示，光学成分测定装置1是以光学方式测定葡萄糖等具有旋光性的物质的浓度的装置，主要具备光纤环2、传感器本体3、圆偏振光入射部21。
传感器本体3把来自光源11的光变换为直线偏振光并且进行分支，然后使其入射到光纤环2的两端，检测在光纤环2中相互逆向传播后从光纤环2的两端出射的光的相位差。
更具体地说，传感器本体3具备光源11、光电二极管等受光器12、具有用于输入输出光的三个端口17a～17c的第一光耦合器13、偏振器14、具有用于输入输出光的三个端口17d～17f的第二光耦合器15、相位调制器16，以及信号处理单元18和收容它们的外壳19。
作为光源11，例如可以使用SLD(超辐射发光二极管)。由此，可以降低来自光纤环2的返回光与瑞利(Rayleigh)散射光干涉所产生的干涉噪音。例如，在测定血液中的葡萄糖浓度时，作为光源11，选择出射避开水或血红蛋白的吸收波长带的近红外波长的光的光源即可。
作为光耦合器13、15，使用图1所示的具有1×2输出输出端口的光纤耦合器。作为光耦合器13、15，还可以使用具有2×2输入输出端口的光纤耦合器。
第一光耦合器13的第一端口17a与光源11光学连接，第一光耦合器13的第二端口17b与受光器12光学连接，第一光耦合器13的第三端口17c与偏振器14的一端光学连接。
第二光耦合器15的第一端口17d与偏振器14的另一端光学连接，第二光耦合器15的第二端口17e与光纤环2的一端光学连接，第二光耦合器15的第三端口17f与光纤环2的另一端光学连接。
偏振器14是增大核心(core)的复折射率，形成为线圈状的光纤型的偏振器，用于把来自光源11的光变换为直线偏振光。
在光纤环2的另一端的附近设置相位调制器16。相位调制器16对于在光纤环2中相互反向地传播的光相对地施加具有时间延迟的相位调制。由受光器12检测的光的强度，与光纤环2中相互反向传播的光的相位差的余弦成比例，所以针对零附近的相位差、即针对微小振动的灵敏度低。因此，通过相位调制器16进行相位调制使其与相位差的正弦成比例，由此可以提高针对微小振动的灵敏度。
作为相位调制器16，使用作为振动器的圆筒状的PZT(压电陶瓷)，对其卷绕了构成光纤环2的光纤的一部分。在该相位调制器16中，通过向PZT施加的电压，使在PZT上卷绕的光纤伸缩，由此可以调制光的相位。
信号处理单元18用于进行光源11的驱动、由受光器12检测到的光信号进行光电变换后的电信号的处理、相位调制器16的调制等级的控制、处理结果(振动波形、振动的强度等)的输出等。信号处理单元18与光源11、受光器12以及相位调制器16电连接。在信号处理单元18中装配了根据来自受光器12的电信号，检测在光纤环2中相互逆向传播并从光纤环2的两端出射的光的相位差的相位差检测部18a和后述的浓度检测部18b。
光纤环2由保偏光纤(PMF：polarization maintaining fiber)形成。例如，在作为光纤环2使用单模光纤(SMF：Single Mode Fiber)时，因为在SMF中相互正交的传播常数稍微不同的两个固有偏振模式进行传播，由于振动或温度变化等干扰而产生模式变换，产生由于该模式变换所导致的干涉噪音。为了避免这样的干涉噪音，作为构成光纤环2的光纤，使用保偏光纤(直线偏振光保持光纤)。
在光纤环2的两端的附近(靠近第二光耦合器15的部分)分别设置有卷绕构成光纤环2的光纤(保偏光纤)所形成的延迟光纤20。将延迟光纤20收容在传感器本体3的外壳19内。以下，把光纤环2中、在图1中右旋传播的光称为右旋光CW，把左旋传播的光称为左旋光CCW。
延迟光纤20在一个旋转方向上卷绕了预定长度的光纤后，在另一旋转方向上卷绕与其相同长度的光纤而形成。该延迟光纤20兼具：相对于左旋光CCW到达相位调制器16的时间，使右旋光CW到达相位调制器16的时间延迟，提高相位调制的效果的作用；以及消除光纤环2的旋转的影响导致的相位差的作用。
在光纤环2的途中插入了使圆偏振光入射到样本22的圆偏振光入射部21。优选在光纤环2的长度方向的中央插入圆偏振光入射部21。
圆偏振光入射部21具有：把在光纤环2中在一个方向上传播的直线偏振光(右旋光CW)变换为右旋圆偏振光，然后使其入射到作为测定对象的样本22的第一光变换部23；以及把在光纤环2中在另一方向上传播的直线偏振光(左旋光CCW)变换为左旋圆偏振光，然后使其入射到样本22的第二光变换部24。
第一光变换部23具有：使从光纤环2出射的直线偏振光(右旋光CW)成为平行光的透镜23a；入射通过透镜23a成为平行光的直线偏振光(右旋光CW)，使偏振面旋转45度的偏振旋转元件23b；以及把来自偏振旋转元件23b的直线偏振光变换为圆偏振光的λ/4元件23c。
第二光变换部24与第一光变换部23相同，具有：使从光纤环2出射的直线偏振光(左旋光CCW)成为平行光的透镜24a；入射通过透镜24a成为平行光的直线偏振光(左旋光CCW)，使偏振面旋转45度的偏振旋转元件24b；以及把来自偏振旋转元件24b的直线偏振光变换为圆偏振光的λ/4元件24c。
在此，作为偏振旋转元件23b、24b，使用法拉第旋转元件，作为λ/4元件23c、24c，使用四分之一波长板。
在本实施方式中，两个光变换部23、24在样本22一侧并列地配置，向同一方向(图1的右方向)出射圆偏振光。
并且，在本实施方式中，圆偏振光入射部21还具备反射单元25，其反射从一个光变换部23(或24)出射的圆偏振光，使其至少往复一次透过样本22之后入射到另一光变换部24(或23)。在此，以通过反射单元25反射从一个光变换部23(或24)出射并透过样本22的圆偏振光，使其再次入射到样本22，并使透过该样本22的圆偏振光入射到另一光变换部24(或23)的方式构成了圆偏振光入射部21，即，以针对样本22使圆偏振光往复一次的方式构成，但不限于此，可以通过针对样本22使圆偏振光往复2次以上的方式构成，增加往复的次数可以提高灵敏度。
反射单元25由使入射的圆偏振光反射偶数次，将其出射到样本22的偶数个反射镜25a构成。在本实施方式中，使用两个反射镜25a，使入射的圆偏振光反射两次，使其出射到样本22。
此外，在光学成分测定装置1中，具备根据信号处理单元18的相位差检测部18a检测到的相位差，求出样本22中具有旋光性的物质的浓度(即成为测定对象的物质的浓度)的浓度检测部18b。浓度检测部18b装配在传感器本体3的信号处理单元18中。
浓度检测部18b根据相位差检测部18a检测到的相位差和预先生成的检量线，检测成为测定对象的物质的浓度。检量线表示成为测定对象的物质的浓度相对于相位差的关系，可以使用校正用浓度样本等进行预备实验来预先生成了检量线，将其作为表或函数存储在信号处理单元18的存储器中。此外，可以将仅有收容样本22的样本保存器的状态、即在样本保存器中不收容样本22的状态的相位差作为浓度零，来进行校对。
然后，说明光学成分测定装置1的动作。
首先，在样本保存器中收容样本22，然后放置在光学成分测定装置1中，在该状态下从光源11出射光。在此，说明样本22包含如D葡萄糖那样使偏振面向右旋转的物质，并检测该物质(旋光物质)的浓度的情况。
从光源11出射的光在第一光耦合器13中传播，通过偏振器14成为直线偏振光，入射到第二光耦合器15中。通过第二光耦合器15，入射的光分支为两路，分支后的光分别入射到光纤环2的不同的端部。
入射到光纤环2的一端的右旋光CW，通过延迟光纤20入射到第一光变换部23，通过透镜23a成为平行光，并且通过偏振旋转元件23b使偏振面旋转45度，然后通过λ/4元件23c变换为右旋圆偏振光，然后入射到样本22。在右旋圆偏振光透过样本22时，由于旋光物质使右旋圆偏振光向右旋转，传播速度变快。透过样本22的右旋圆偏振光被反射单元25的第一个反射镜25a反射，变换为左旋圆偏振光，进而被第二个反射镜25a反射，再次变换为右旋圆偏振光，然后入射到样本22，在透过样本22时传播速度再次变快。透过样本22的右旋圆偏振光入射到第二光变换部24，通过λ/4元件24c变换为直线偏振光，然后通过偏振旋转元件24b使偏振面旋转45度，然后通过透镜24a聚光后返回光纤环2。返回光纤环2的右旋光CW通过延迟光纤20，通过相位调制器16进行相位调制，然后入射到第二光耦合器15。
同样地，入射到光纤环2的另一端的左旋光CCW通过相位调制器16进行相位调制，通过延迟光纤20后入射到第二光变换部24，通过透镜24a成为平行光，并且通过偏振旋转元件24b使偏振面旋转45度，然后通过λ/4元件24c变换为左旋圆偏振光，然后入射到样本22。在左旋圆偏振光透过样本22时，由于旋光物质使左旋圆偏振光向右旋转，传播速度变慢。透过样本22的左旋圆偏振光被反射单元25的第一个反射镜25a反射变换为右旋圆偏振光，进而被第二个反射镜25a反射再次变换为左旋圆偏振光，然后入射到样本22，在透过样本22时传播速度再次变慢。透过样本22的左旋圆偏振光入射到第一光变换部23，通过λ/4元件23c变换为直线偏振光，然后通过偏振旋转元件23b使偏振面旋转45度，然后通过透镜23a聚光后返回光纤环2。返回光纤环2的左旋光CCW通过延迟光纤20，入射到第二光耦合器15。
入射到第二光耦合器15的右旋光CW、左旋光CCW在第二光耦合器15中干涉成为干涉光。该干涉光在偏振器14中传播，通过第一光耦合器13再次分支为两束光，分支后的一束光由受光器12接收。
将受光器12接收的光变换为电信号，将该电信号输入到信号处理单元18中。相位差检测部18a根据输入的电信号检测右旋光CW、左旋光CCW的相位差，浓度检测部18b根据相位差检测部18a检测到的相位差，求出样本22中的旋光物质的浓度。可以在未图示的显示器等中显示得到的浓度，或者将其输出给未图示的个人计算机等。
说明本实施方式的作用。
在本实施方式的光学成分测定装置1中，在光纤环2的途中插入圆偏振光入射部21，该圆偏振光入射部21具有：把在光纤环2中向一个方向传播的直线偏振光(右旋光CW)变换为右旋圆偏振光，然后使其入射到作为测定对象的样本22的第一光变换部23；和将在光纤环22中向另一方向传播的直线偏振光(左旋光CCW)变换为左旋圆偏振光，然后使其入射到样本22的第二光变换部24。在样本22的一侧并列地配置两个光变换部23、24，以便向同一方向出射圆偏振光，并且，通过反射单元25反射从一个光变换部23(或24)出射的圆偏振光，在使其至少往复一次透过样本22后入射到另一光变换部24(或23)，反射单元25由使入射的圆偏振光反射偶数次后将其出射到样本22的偶数个反射镜25a构成。
通过如此构成，可以在样本22中往复时使圆偏振光的旋转方向成为同一方向，例如当假设样本22是像D-葡萄糖那样使偏振面向右旋转的物质时，作为右旋光CW的右旋圆偏振光无论在去程还是在回程传播速度都会加快，作为左旋光CCW的左旋圆偏振光无论在去程还是在回程传播速度都会变慢，能够增大传感器本体3检测的相位差，提高灵敏度。结果，即使是少量的样本22，也可以实现高分辨率和稳定的测量精度。
作为一例，图2中表示了使用光学成分测定装置1测定葡萄糖的浓度时的右旋光CW、左旋光CCW的相位差Δθ和葡萄糖的浓度的关系。在图2中，作为一个例子，表示了葡萄糖的浓度为0.1g/dl、0.5g/dl时的相位差Δθ，其中，可知即使在判断为健康者血糖值稍微高的值即葡萄糖的浓度为0.1g/dl的情况下，也可以得到显著的相位差Δθ，得到能够足够应对血液中的葡萄糖浓度的测定的良好的灵敏度。
此外，根据光学成分测定装置1，以在样本22的一侧并列地进行配置，以便向同一方面出射圆偏振光的方式构成两个光变换部23、24，由此能够缩短测量部，能够进行紧凑的设计。
并且，光学成分测定装置1应用了在光纤陀螺仪中使用的萨格纳克(Sagnac)干涉系统，所以能够实现具有高分辨率、稳定的测量精度(例如能够容易地测量相位差0.001度)，价格便宜并且紧凑的装置。此外，光学成分测定装置1因为是光测量系统，所以还具有启动快、测量时间短，能够实时测量的优点。
此外，在光学成分测定装置1中，在光纤环2的两端的附近(端部部分)分别设置了卷绕构成光纤环2的光纤而形成的延迟光纤20，在向一个旋转方向卷绕预定长度的光纤后，向另一旋转方向卷绕与所述预定长度相同长度的光纤来形成延迟光纤20。此外，即使将一方的延迟光纤20作为顺时针卷绕预定长度的光纤而形成的延迟光纤，将另一方的延迟光纤20作为逆时针卷绕与所述预定长度相同长度的光纤而形成的延迟光纤，也可以排除萨格纳克效应的影响。
此外，在光学成分测定装置1中，通过使样本22位于光纤环2的中央部，右旋光CW以及左旋光CCW同时刻到达、透过样本。因此，即使样本的温度变化而使其折射率分布变化，对于由于温度变化而产生的样本内的折射率分布，右旋光CW以及左旋光CCW在完全相同的折射率的介质中传播(同时刻传播)，所以不产生时间差，不会受到样本的温度变化的影响。
然后，说明本发明的其他的实施方式。
图3所示的光学成分测定装置31的结构与图1的光学成分测定装置1基本相同，以如下方式构成两个光变换部23、24：通过光纤型的元件构成偏振旋转元件23b、24b和λ/4元件23c、24c，并且使圆偏振光保持光纤23d、24d与λ/4元件23c、24c耦合，使从圆偏振光保持光纤23d、24d出射的圆偏振光通过透镜23a、24a作为平行光入射到样本22。
在光学成分测定装置31中，作为偏振旋转元件23b、24b，可以使用在流过电流而在周围产生磁场的导线的周围围绕光纤的结构的光纤型法拉第旋转元件。此外，作为λ/4元件23c、24c，可以使用从保偏光纤的出射端熔融耦合长度(波长)的大约1/4的部位，然后弯曲45度的结构的λ/4元件。
根据光学成分测定装置31，由光纤型的元件构成了偏振旋转元件23b、24b和λ/4元件23c、24c，所以能够降低损失和光反射造成的影响。
此外，根据光学成分测定装置31，因为可以缩短圆偏振光保持光纤23d、24d与样本22的距离，所以可以减小在空间中传播的光的扩散的影响，可以缩短两个光变换部23、24的距离(圆偏振光保持光纤23d、24d的出射端彼此的距离)，能够实现更紧凑的装置。
本发明不限于上述实施方式，在不超出本发明的主旨的范围内可以进行各种变更。
例如，在上述实施方式中，作为测定对象的物质举出了葡萄糖，但不限于此，本发明的光学成分测定装置1、31能够测定任何具有旋光性的物质的浓度，例如，也可以用于果实等的糖度测定。
Claims (4)
1.一种光学成分测定装置，其以光学方式测定作为测定对象的样本中的具有旋光性的物质的浓度，其特征在于，具有：
光纤环；
传感器本体，其将来自光源的光变换为直线偏振光并且进行分支，然后入射到所述光纤环的两端，检测在所述光纤环中以相互相反的方向传播而从所述光纤环的两端出射的光的相位差；
圆偏振光入射部，其被插入到所述光纤环的途中，具有把在所述光纤环中向一个方向传播的直线偏振光变换为右旋圆偏振光后使其入射到所述样本的第一光变换部、以及把在所述光纤环中向另一方向传播的直线偏振光变换为左旋圆偏振光后使其入射到所述样本的第二光变换部，向所述样本入射圆偏振光；以及
浓度检测部，其被安装在所述传感器本体上，根据检测到的所述相位差求出所述样本中的具有旋光性的物质的浓度，
所述两个光变换部被并列地配置在所述样本一侧，向同一方向出射圆偏振光，
所述圆偏振光入射部还具有反射单元，其反射从一个所述光变换部出射的圆偏振光，使其至少往复一次透过所述样本后入射到另一所述光变换部，
所述反射单元由使入射的圆偏振光反射偶数次后出射到所述样本的偶数个反射镜构成。
2.根据权利要求1所述的光学成分测定装置，其特征在于，
在所述光纤环的两端的端部部分，分别设置了卷绕构成该光纤环的光纤而形成的延迟光纤，
在向一个旋转方向卷绕预定长度的所述光纤后，向另一旋转方向卷绕与所述预定长度相同长度的所述光纤而形成所述延迟光纤。
3.根据权利要求1所述的光学成分测定装置，其特征在于，
在所述光纤环的两端的端部部分，分别设置了卷绕构成该光纤环的光纤而形成的延迟光纤，
一方的所述延迟光纤，通过顺时针卷绕预定长度的所述光纤而形成，另一方的所述延迟光纤，通过逆时针卷绕与所述预定长度相同长度的所述光纤而形成。
4.根据权利要求1～3的任意一项所述的光学成分测定装置，其特征在于，
所述两个光变换部分别具有使偏振面旋转45度的偏振旋转元件和将直线偏振光变换为圆偏振光的λ/4元件，
以如下方式构成所述两个光变换部：
通过光纤型元件构成所述偏振旋转元件和所述λ/4元件，并且将圆偏振光保持光纤与所述λ/4元件耦合，把从该圆偏振光保持光纤出射的圆偏振光入射到所述样本。
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