JP2007255918A - 分光分析装置 - Google Patents

Abstract

【課題】分光分析において、試料を外乱光の影響を受けることなく簡便にかつ非侵襲で測定できる装置及び方法を提供することであり、更に、分光分析装置を超小型にして測定対象を拡大し、測定精度向上のためにエネルギー付与による測定方法も付加して提供する。
【解決手段】分光分析装置において、少なくとも発光ダイオードによる光源と、変調回路を有する投光部と、復調回路を有する受光部を備えたことを特徴とする分光分析装置を提供する。また、ファブリペローフィルタを用いた超小型分光分析装置、摂動付与による微細な成分差の分析も可能な分光分析装置を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は分光分析装置、特に屋外など開放空間における近赤外線分光分析技術に係る装置及びその方法に関するものである。

生体や鉱物などの情報を非侵襲で獲得する手段の１つとして観察対象から放出される光をスペクトル分解してその波長依存性を測定する方法がある。近赤外線等分光分析法はその代表的方法であり、高分子化学・工業分析、農業・食品分析、薬品分析、生体組織の分析等広範囲に利用されている。

近赤外線等を用いて物質の分析を行なう場合、太陽光や電灯等が試料に照射されると試料の分析のために受光する試料からの反射光又は透過光に測定用光以外光に基づくものが含まれていて正確な分光分析をすることができないこととなる。このため、分光分析を行なうには分光分析装置の周囲を遮蔽して暗環境を保ったり、測定用光以外の光が照射することを防止する必要があるが、そのような遮光操作を行なうことは不便であり、試料の状況を確認することも困難である。

かかる外乱光を防止するための方法として、遮光部により外乱光を遮断すると共に計測用光線の波長範囲外の可視光を通過させるフィルムを貼付することにより試料の状態を視認することができるように構成しているものがある（特許文献１）。
しかし、使い勝手が悪く、可視光での分析ができず、また試料を採取せずに非侵襲で分光分析することはできない。

別の方法として、測定用光を照射しない状態で受光情報を得て基準状態外乱光情報とし、測定用光を照射したときの情報から基準状態外乱光情報を差引いて測定光のみの情報を得る方法がある（特許文献２）。
同様に、光チョッパーにより測定光が試料に照射する条件と照射しない条件を作り、その差し引きにより外乱成分を排除する方法もある（特許文献３）。
しかし、いずれも設定が煩雑であり、計算や装置が複雑になるという問題がある。さらに、非侵襲で試料を分光分析することはできない。

特開平１１−１０８８２５ 特開２０００−２０６０３７ 登録３５７４８５１号

本発明が解決しようとする課題は、分光分析において、試料を外乱光の影響を受けることなく簡便にかつ非侵襲で測定できる装置及び方法を提供することである。さらに、分光分析装置を超小型にして測定対象を拡大し、測定精度向上のためにエネルギー付与による測定方法も付加して提供するものである。

上記目的を達成するため、分光分析装置において、少なくとも発光ダイオードによる光源と、変調回路を有する投光部と、復調回路を有する受光部を備えたことを特徴とする分光分析装置が提供される。投光波長に高周波を付与し、受光時に復調することにより外乱光の影響を削除することができる。従来は分光分析の光源としてハロゲンランプを使用していたが、ハロゲンランプのフィラメントは高周波を付与してもすぐに熱変化せず変調による効果がほとんど生じないため、変調による外乱光防止を行なうことができなかった。光源として発光ダイオードを用いることにより変調付与が可能となり、外乱光の防止及び測定精度の向上が可能となった。

また、前記変調方法が交流変調、パルス変調、周波数変調又は振幅変調のいずれかであることを特徴とする上記分光分析装置が提供される。変調方法はいずれの方法によっても行なうことができる。

また、光源がモジュール化された複数の発光ダイオードにより構成されることを特徴とする上記分光分析装置が提供される。発光ダイオードをコンパクト化することにより分光分析装置の小型化、測定対象範囲の拡大が可能となる。

また、モジュール化された複数の発光ダイオードが分析装置の先端部前面に配置されていることを特徴とする上記分光分析装置が提供される。例えば、装置先端の前面に環状に配置されていることにより試料に同条件で容易に投光することが可能であり、小型の試料に接近して投光することが可能となる。従来のハロゲンランプでは、ランプが大きいために狭い場所で測定することは困難であり、また導光パイプが必要であったため試料に接近して測定することが困難であった。モジュール化された複数の発光ダイオードは前面に配置していることが必要であるが環状の配置に限るものではない。

また、発光ダイオードが広帯域波長発光型発光ダイオードであることを特徴とする上記分光分析装置が提供される。モジュール化された複数の発光ダイオードに代わり、広帯域波長発光型発光ダイオードを採用することにより構造を単純化できさらに装置の小型化が可能になる。

また、上記分光分析装置において、相対する片面に透光性を有する反射層を形成した対向する２枚の基板を有し、アクチュエータの作動により一方の基板を移動させて基板間のギャップを変化させることにより透過若しくは反射スペクトル特性を変化させるフィルタであって、可動基板を固定基板に対し平行を保持したまま斜め横方向に移動させることにより、両基板間の間隔距離（ギャップ長）を制御するファブリペロー波長可変フィルタを有することを特徴とする分光分析装置が提供される。多重干渉を用いて透過できる光の波長を選択するファブリペロー分光分析法があるが、ファブリペロー波長可変フィルタの、可動鏡を固定鏡との平行度を精度良く維持したまま、ギャップを細密に制御することにより、分光分析装置の小型化が可能になる。従来は可動鏡を上下させて固定鏡とのギャップを制御していたが、移動距離の微細制御は困難であり、また両鏡の平行度を維持したまま可動鏡を上下させるために容電電極から容電検出に基づくフィードバックを行なう等の複雑な仕組みが必要であったが、可動鏡を固定鏡との平行度を維持したまま、斜め上方に移動させることによって、平行度を維持したまま微小制御することが可能となった。ＭＥＭＳを用いて係るフィルタを製作すれば、装置全体の小型化を図りつつ、０．１ｎｍ単位の波長選択をすることも可能になる。

また、前記フィルタにおいて、可動基板を懸架する下面に傾斜部を有する上部支持体と固定基板を保持する上面に傾斜部を有する下部支持体を有し、上部支持体の傾斜部の角度と下部支持体の傾斜部の角度が適合するように形成され、上部支持体が横移動することにより上部支持体に懸架された可動基板が固定基板に対し平行を保持したまま斜め横に移動するファブリペロー波長可変フィルタを有することを特徴とする分光分析装置が提供される。上部構造体の下面傾斜角度と下部支持体の上面傾斜角度を一致させることによって、可動基板と固定基板との平行度が担保される。また、傾斜角度を緩傾斜にすることによって横移動距離の単位当り上下間の移動距離を極小化できる。すなわち、上下間の移動を微小化することが可能となる。

また、前記フィルタにおいて、ピエゾ素子を有し、前記上部支持体の一端がピエゾ素子と結合していることを特徴とする上記分光分析装置が提供される。ピエゾ素子に印加することによって得られる直線運動を用いて基板間のギャップを調整することができる。

また、前記フィルタにおいて、モータ部を有し、モータ部が前記上部支持体と連接していることを特徴とする上記分光分析装置が提供される。

また、前記フィルタにおいて、前記上部支持体の両側面に下面の傾斜と同角度に傾斜した凸部を有し、前記下部支持体の内側両側面に前記凸部と嵌合する凹部を有し、前記凹部がガイドとなって前記上部支持体を移動することを特徴とする上記分光分析装置が提供される。
かかる構造を採用することによって、上部及び下部支持体が一体化し、可動基板と固定基板の平行度はより正確に維持できることとなる。

また、分光分析装置において、試料検体を面上に載置するプリズムを有し、かつ受光部がプリズムの光屈折作用により分光された波長を波長毎に受光する構造であることを特徴とする分光分析装置を提供する。プリズムを用いた簡素な構成によって分光を行なうものである。
プリズムと空気の屈折率の相違により分光された波長をライン型ＣＣＤなどで受光するもので、分光の広がりによって、1枚又は複数の反射鏡を用いることができる。

また、レーザ又は短波長発光型発光ダイオードを有し、前記受光部がレーザ又は短波長発光型ダイオードの基準光線に基づく位置ずれ検知手段及び位置補正手段を備えたものであることを特徴とする上記分光分析装置が提供される。かかる構成により光軸の位置ずれを補正し、ライン型ＣＣＤの正確な波長分析が可能になる。

また、演算処理部を有し、前記受光部が演算処理に基づく位置ずれ検知手段及び位置補正手段を備えたものであることを特徴とする上記分光分析装置が提供される。

また、所定のエネルギーを試料検体に複数回付与し、試料検体中及び/又は周囲に存在する水の活性化（摂動）をもたらす摂動付与手段を備えたことを特徴とする上記記載の分光分析装置が提供される。「摂動」とは、一般に力学系において、主要な力の作用による運動が副次的な力の影響で乱されることをいうが、本発明においては、試料検体中及び/又は周囲に存在する水分子に対して外部からエネルギーを付与すると、そのエネルギーの影響で水分子のふるまいにわずかな変化が発生することをいう。従来ノイズとして扱われてきた受光量の微細な差を摂動による変位分という新たな情報源として把握し、その変位に対して多変量解析を加えることによってより正確な分光分析を行なうものである。

また、前記投光部が、通常の分光分析のための投光以外に摂動付与のための投光をも行う投光部であることを特徴とする上記記載の分光分析装置が提供される・

また、別の光源をさらに備えた装置であり、前記光源及び/又は該別の光源の投光部が、摂動付与を行う投光部であることを特徴とする上記記載の分光分析装置が提供される。前記摂動を生じさせるためには複数回のエネルギーを付与する必要があるが、光照射によってエネルギーを付与する場合、本来の分光分析のための光源のみでは不足となる場合が生じる。その場合は、別の光源を単体で、又は本来の光源と併用してエネルギーの付与、すなわち摂動を付与することができる。

また、温度変更、圧力変更、電流付与、希釈、超音波付与、電磁波付与の少なくともいずれか１つ以上の手段を含み、前記投光部による投光及び/又はこれらのいずれかの手段が摂動付与手段であることを特徴とする上記記載の分光分析装置が提供される。摂動を生じさせるためには光照射以外にこれらの手段を用いることもできる。

また、多変量解析を行なうデータ処理手段と分析結果の表示手段を有し、該データ処理手段が、摂動付与による微細な受光量の変化（摂動付与による変位）を多変量解析する処理手段であることを特徴とする上記いずれかに記載の分光分析装置が提供される。

また、上記のいずれかに記載の分光分析装置であって、片手で操作可能な操作部と片手で把持可能な筐体を有し、人間、動物、植物、鉱物又は水質の診断管理について反射光を用いた分析を行なう超小型の構成としたことを特徴とする分光分析装置が提供される。モジュール型発光ダイオード、ファブリペロー型フィルタ等上記技術を組合せて超小型の分光分析装置を実現することができるが、かかる超小型分光分析装置によって、ポータブルな装置でのみ可能な用途が開かれる。たとえば、従来乳房炎診断を行なうために、獣医等は乳牛の乳汁を採取して持ち帰り、検査室等で感染の有無を判断していた。超小型分光分析装置であれば、携帯して必要な場所で感染の有無を確認することができる。

また、上記のいずれかに記載の分光分析装置２台と２台間の双方向の通信手段により構成されたシステム分光分析装置であって、一の装置から投光を行い、他の装置で受光及び分光分析することにより透過光を用いた分光分析を行い、人間、動物、植物、鉱物又は水質の診断管理を行なうように構成したことを特徴とするシステム分光分析装置が提供される。

また、上記のいずれかに記載の分光分析装置２台と２台間の双方向の通信手段により構成されたシステム分光分析装置であって、一の装置から投光を行い、当該一の装置及び他の装置で受光及び分光分析することにより透過光を用いた分光分析と反射光を用いた分光分析を行い、人間、動物、植物、鉱物又は水質の診断管理を行なうように構成したことを特徴とするシステム分光分析装置が提供される。

また、搾乳用ミルカーのクロー又はティートカップと連接したことを特徴とする上記いずれかに記載の分光分析装置が提供される。「ミルカー」とは、ポンプで作られた真空圧を利用して乳牛の乳汁を搾乳する装置をいい、「ティートカップ」とは、ミルカーの一部を構成する乳牛の４分房各々に装着する搾乳用部材をいい、「クロー」とは、４つのティートカップから合乳する搾乳用部材をいう。分光分析装置はクロー又はティートカップと固着結合していても、取り外し可能としていても構わない。又、「乳房炎」とは乳頭の先から雑菌が入ることで罹患する感染症をいうが、乳房炎は乳牛が罹患する最大の病気であり、乳房炎感染による経済的損失は我が国で年間１８０億円に達するとされる。乳房炎罹患の有無は通常体細胞数で判断され、乳汁中の体細胞が３０万個/ｍｌが判定基準とされることが多い。乳房炎診断にはＥＬＩＳＡ法等が用いられるが、いずれも乳汁の採取が必要で、判定に長時間を要するものであった。本発明による装置によって、乳房炎の診断が非侵襲でリアルタイムに行なうことが可能となる。従来の分光分析装置ではハロゲンランプを用いているので、太陽光などの外乱光を排除できず乳牛飼育現場において乳房炎診断を行なうことができなかったが、本発明による装置によって実現可能となった。

また、前記搾乳用ミルカーのクロー又はティートカップについて、少なくとも一部が透明な材質により形成されていることを特徴とする上記に記載の分光分析装置が提供される。透明部を介して容易に乳房炎診断を行なうことができる。

また、人間、動物、植物又は鉱物に装着する手段をさらに備えたことを特徴とする上記いずれかに記載の分光分析装置が提供される。たとえば、観測用の固定治具や腕バンド等と当該分光分析装置を結合させて、リアルタイムあるいは継続して体内の情報を獲得できる。

また、人間、動物、植物又は鉱物に装着する手段と、前記検体にエネルギーを付与する手段を備えたプローブを、取付け可能としたことを特徴とする上記のいずれかに記載の分光分析装置が提供される。

また、駆動型ロボットをさらに有し、該駆動型ロボットの先端部あるいは側面あるいは後部に組み込むことにより駆動ロボット前方あるいは側面あるいは後方のリアルタイムモニターを可能としたことを特徴とする請求項１乃至１８のいずれかに記載の分光分析装置が提供される。災害救助等の目的で障害物の中に進入するロボットが開発されているが、全面のカメラは泥で汚染される等のために使用できない場合が多い。本発明による装置によって前方のリアルタイムモニターが可能となる。

また、人間装着ロボットをさらに有し、該人間装着ロボットに組み込むことにより体組織のリアルタイムモニターを可能としたことを特徴とする上記のいずれかに記載の分光分析装置が提供される。生活補助ロボット等に組み込むことによって、人体のさまざまな情報を獲得することができる。

また、少なくとも一部が透明な液体容器をさらに有し、該液体容器に組み込むことにより液体のリアルタイムモニターを可能としたことを特徴とする上記のいずれかに記載の分光分析装置が提供される。

また、上記に記載の分光分析装置を備えた人間、ロボット、機械、動物、植物、鉱物、液体、水又は水溶液、に対して判定値に基づく判断や検知や検出を行なう判断処理部及び信号出力手段を有するセンサが提供される。

又、上記に記載の分光分析装置を備え、当該装置に係る光源以外の光を光源として利用する、人間、ロボット、機械、動物、植物、鉱物、液体、水又は水溶液、に対して判定値に基づく判断や検知や検出を行なう判断処理部及び信号出力手段を有するセンサが提供される。

また、上記に記載の分光分析装置を備え、人間、機械、動物が発する赤外線（熱線）の分光分析を行い、判定値に基づく判断や検知や検出を行なう判断処理部及び信号出力手段を有するセンサが提供される。

また、少なくともモジュール化された複数の発光ダイオード又は広帯域波長発光ダイオードによる光源と、変調回路を有する投光部と復調回路を有する受光部を備えた分光分析装置において、投光波長に変調を加え、受光波長を復調することにより外乱光の影響を排除して検出精度を向上させることを特徴とする分光分析方法が提供される。かかる方法により従来困難であった野外における分光分析方法の実施が可能となった。

また、前記分光分析方法において、相対する片面に透光性を有する反射層を形成した対向する２枚の基板を有し、アクチュエータの作動により一方の基板を移動させて基板間のギャップを変化させることにより透過若しくは反射スペクトル特性を変化させるフィルタであって、可動基板を固定基板に対し平行を保持したまま斜め横方向に移動させることにより、両基板間の間隔距離（ギャップ長）を制御するファブリペロー波長可変フィルタを有する分光分析装置を用いて分光分析することを特徴とする上記分光分析方法が提供される。

また、前記分光分析方法において、試料検体を面上に載置するプリズムを有し、かつ受光部がプリズムの光屈折作用により分光された波長を波長毎に受光する構造である分光分析装置を用いて分光分析することを特徴とする上記分光分析方法が提供される。

また、前記分光分析方法において、所定のエネルギーを複数回付与することにより試料検体中及び／又は周囲に存在する水を活性化する摂動による受光量の変化を分光分析することを特徴とする上記のいずれかに記載の分光分析方法が提供される。所定のエネルギーを付与することによるスペクトルパターンの変化をデータとして、係るデータを多変量解析することで試料成分に基づく変化を検出できる。この変化から試料の成分を判定できることとなる。前記分光分析方法において、所定のエネルギーを複数回付与することにより試料検体中及び／又は周囲に存在する水を活性化する摂動による受光量の変化を分光分析することを特徴とする請求項２８乃至３０のいずれかに記載の分光分析方法が提供される。

また、前記分光分析方法において、所定のエネルギーを複数回付与することにより試料検体中及び/又は周囲に存在する水を活性化する摂動付与を用いて分光分析することを特徴とする上記のいずれかに記載の分光分析方法が提供される。

また、前記分析方法において、搾乳用ミルカーのクロー又はティートカップの透明部分を介して乳汁情報をリアルタイムでモニターをすることを特徴とする上記のいずれかに記載の分光分析方法が提供される。

また、前記分析方法において、乳房炎の診断をすることを特徴とする上記に記載の分光分析方法が提供される。本発明に係る分光分析装置で得られた非侵襲、リアルタイムの乳汁中のデータを分析、表示することによりリアルタイムで乳房炎感染の有無を判定することができる。

また、本発明に係る超小型分光分析装置を駆動ロボット、人間装着ロボット、又は少なくとも一部が透明な液体容器に組み込むことにより、ロボット前方、体組織、液体をリアルタイムモニターすることを特徴とする上記記載の分光分析方法が提供される。

従来のハロゲンランプ使用の分光分析装置と比較して、外乱光の影響のない検出精度が高い分析データを得ることができる。また、玉切れなく長寿命でメンテナンスフリーかつ低発熱、低消費電力の高効率な分光分析装置が実現できる。
またファブリペローフィルタやプリズムを用いた超小型分光分析装置が実現でき、ポータブルな分光分析装置として透過光、反射光、又はその両方を用いた分析により人間、動物、植物、鉱物、水質等の諸データを分析することができる。また、摂動付与による変位を多変量解析することによって、より正確な分析をすることができる。

本装置は外乱光の影響を排除できるので、野外においても格別の太陽光等の遮蔽をすることなく分光分析をすることができる。したがって、乳牛飼育現場などにおいて、その場でリアルタイムに乳房炎の診断等を行うことができる。
同様に駆動ロボットや人間装着ロボット、すくなくとも一部が透明な液体容器等に組み込むことによって、様々な情報をリアルタイムで獲得できる。

また今まで述べた分光分析装置または分光分析法を利用して、人間やロボット、機械、動物、植物、鉱物、液体、水又は水溶液、に対して判定値に基づく判断や検知や検出を行なう判断処理部、並びに信号出力手段を有するセンサが実現出来る。存在の有無、量、距離、材質、表面精度、色などの固有情報に基づいた識別や分別、警報や機器制御などが可能となる。

また外乱光として扱う周囲光を積極的に光源として利用することも可能である。例えば薬の自動生産ラインのテストで、テスト用の赤外光源を当該分光分析装置の反対側から照射して、その光を元に薬の成分を分光分析する方法などが考えられる。必要に応じて交流変調も付与可能である。

あるいは人間、機械、動物が発する赤外線（熱線）に対して請求項１乃至１６記載の分光分析装置を利用または請求項２６乃至３３記載の分光分析法を行い、判定値に基づく判断や検知や検出を行なう判断処理部、並びに信号出力手段を有するセンサが考えられる。
例えば従来のセキュリティ用人体の熱線検知センサでは、夏に熱せられた壁や床などと人体が分別出来ず、センサの誤動作を招いていた。本考案の技術を用いると、測定対象に人体あるいは動物特有の波長を有するかどうかを利用した判断が可能になるので、著しくその誤動作を無くして安定動作するセンサが実現可能になる。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施するための最良の形態について説明する。
図１は、本発明の小型の分光分析装置のイメージ図を示している。本発明の分光分析装置は、その目的の１つとして、分光分析装置を超小型にして測定対象を拡大することである。実運用を加味して、ポータブルな装置で片手の操作により測定可能とすべく、図１に示されるようなペン型の分光分析装置１としている。
片手の操作・測定が可能なように、操作ボタン２９と測定結果の表示パネル８がペン型の側面部に配置されている。

ペン型の分光分析装置１の内部には、発光ダイオードによる光源と、変調回路を有する投光部と、復調回路を有する受光部とが設けられている（図１には図示していない）。
この発光ダイオードによる光源から出た特定波長の光は、変調回路を有する投光部を介して変調され、開口部３からペン型の分光分析装置１の外部へと出て行くことになる。そして、被測定対象物に光が照射され、反射光が再び開口部３を介して入光し、復調回路を有する受光部を介して復調され、被測定対象物の情報を取得するのである。
なお、開口部３は、アクリル板などの透明部品でカバーして、開口部３から分光分析装置１の内部にゴミなどが入らないようにしている。

被測定対象物を図１に示す被測定対象物との接触部１３で、接触して測定するのが理想的であるが、実際の測定においては、なかなか接触して測定するのが困難なケースもあり得る。
本発明の分光分析装置においては、後述するように、外乱ノイズを除去できるために、ある程度被測定対象物から離しても測定が可能である。本分光分析装置は外乱光を除去できることから、他の分光分析装置では不可能であった分光分析装置と被測定対象を離して測定・分析することが可能となるのである。
これによって、本発明の分光分析装置は、ペン型の小型分光分析装置による携帯性，汎用性，操作利便性のみならず、工業用ラインセンサとして使用時に、ビンやケースから離して使えたり、各種ロボット用のセンサとして、例えば数ｍ離れたところからの人体物体認識用センサとして使えたり、さらには、顕微鏡のようなイメージの測定装置として使えるといった用途展開の可能性がある。

本発明の分光分析装置においては、発光ダイオードによる光源と、変調回路を有する投光部と、復調回路を有する受光部とを設けており、前述したように外乱ノイズを除去できるという機能がある。これについて、図２−１〜図２−３の変調原理図を参照しながら以下に説明を行う。図２−１〜図２−３において、（１）はハロゲンランプが光源のケースを、（２）はＬＥＤが光源のケースを示している。
先ず、測定する環境としては、暗環境に検体を入れ、それに特定波長の光を照射するのが理想的である。ここで、ハロゲンランプの光源は、フィラメントの熱上昇に伴う光子の発生で点灯しているため、ゆっくり点灯してゆっくり消えるといった特性がある。また、交流変調は１０ＫＨｚから１ＭＨｚという周波数で変調をかけるため、ハロゲンランプの光源に対して、このような周波数をかけてもフィラメントの熱はすぐには変動しないためほとんど変化がなく、変調を加えることができない。
一方、ＬＥＤ光源の場合は、例えば１０ＫＨｚから１ＭＨｚという周波数で交流変調をかけた場合でも、発光ダイオードのスイッチ特性からＯＮ／ＯＦＦが追従するため、変調を加えることができる。

野外で測定する場合、図２−２のように、太陽光が存在するために、太陽光が外乱となる。しかし、この太陽光は直流光であるため、光源光を変調できれば、バンドパスフィルタなどで直流光のみをカットできる。
そのため、本発明の分光分析装置では、太陽光が直流光であることを利用して、光源をＬＥＤ光源とし、投光部に変調回路と、受光部に復調回路を設けて、外乱である太陽光を除去することとしたのである。
これによって、小型で操作性・過般性に優れたものと相俟って、野外でも検体の測定を可能としたのである。

次に、図３に、摂動付与フローとその分析法の説明図を示す。
本発明の分光分析装置は、上述したように、試料検体に所定のエネルギーを複数回付与することによって生じる試料検体中や周囲に存在する水の活性化に伴う微細な受光量の変動（摂動付与による変位）を多変量解析する機能を有している。これは一例として、図３に示されるように、ＬＥＤ光源からの１回目の照射と２回目の照射と３回目の照射によって得られた波長に伴う受光量の変動（摂動付与による変位）を多変量解析することである。

実施例１は、本発明の分光分析装置において、検体を面上に載置するプリズムを有し、かつ受光部がプリズムの光屈折作用により分光された波長を波長毎に受光する構造を有するものについて説明する。
先ず、図４にプリズムを用いた光学系図を示す。図４に示されるように、ＬＥＤ光源２から照射された光（１８ａ）は、プリズム１４で光屈折作用により分光され、被測定対象１５の表面で反射する（１８ｂ）。そして、反射光はプリズム１４で更に光屈折作用を受け（１８ｃ）、ミラー部１６を介して、受光部１７で波長毎に受光する（１８ｄ）。
プリズム１４と空気の屈折率の相違により、分光された波長を、ライン型ＣＣＤを備えた受光部１７で受光するのである。ミラー部１６は、分光の広がりによっては分光分析装置内に光を誘導するように、１枚又は複数の反射鏡を用いて構成する。

次に、図５にプリズム版の分光分析装置の構成図を示す。上述したプリズムを用いた光学系を実現するように、ペン型分光分析装置１の内部を構成している。ＬＥＤ光源２から照射された光（２１ａ）が、投光部２６の内部の変調回路により変調される。投光部２６から出た光（２１ｂ）は、プリズム１４で光屈折作用により分光され（２１ｃ）、被測定対象１５の表面で反射する。反射光（２１ｄ）はプリズム１４で更に光屈折作用を受け（２１ｅ）、ミラー部１６で反射され、受光部１７で波長毎に受光する（２１ｆ）。
ミラー部１６および受光部１７は、反射光の分光の広がりにも対応すべく可動式の構成としている。
受光部１７で受けた光は、復調回路２２で復調される。ＣＰＵ７では、ＬＥＤ光源２の投光部２６の波長スペクトルと受光部１７の波長スペクトルを対比解析し、また、受光量の変動（摂動付与による変位）を多変量解析している。

次に、実施例２について説明する。実施例２では、本発明の分光分析装置において、相対する片面に透光性を有する反射層を形成した対向する２枚の基板を有し、アクチュエータの作動により一方の基板を移動させて基板間のギャップを変化させることにより透過若しくは反射スペクトル特性を変化させるフィルタであって、可動基板を固定基板に対し平行を保持したまま斜め横方向に移動させることにより、両基板間の間隔距離（ギャップ長）を制御するファブリペロー波長可変フィルタを有するものを説明する。
本明細書では、この実施例２に示すものを光ＭＥＭＳ版の分光分析装置と称することとする。
図６に光ＭＥＭＳ型の分光分析装置の構成図を示す。概観形状は実施例１と同様なため、割愛している。ＬＥＤ光源２から照射された光は、被測定対象物２に照射され（１９ａ）、反射する（１９ｂ）。反射光は、ファブリペロー波長可変フィルタ４を介して受光部５に受光される。受光された光は、復調回路を備えた増幅部で、復調され信号増幅されて、Ａ／Ｄ変換部６を介してＣＰＵ７で処理される。ＣＰＵ７が、ＬＥＤ光源２の変調信号（２０ａ）やファブリペロー波長可変フィルタ４の制御信号（２０ｂ）を出力するのである。
実施例１のプリズム型を利用したものは、いわゆる軸を調整するか、またはコリメータを使用して軸に構成する必要がある。本実施例２の光ＭＥＭＳ型では、プリズム型と同様な軸にしてもよいが、軸にならなくても、被検体から帰還する光を光ＭＥＭＳのフィルタで遮光するだけでよいため、位置情報が重要ではないので、ＬＥＤ光源がバラバラに配置されても構わないという利点がある。
従来の分光分析法ではライン型ＣＣＤを並べて、波長分解などをしていまるので、光軸や素子の位置ズレは致命的になる。しかし、光ＭＥＭＳフィルタの場合は、ズレても光の帰還量に変動がある程度で、しかもその変動をオフセットとして扱えば、無いに等しい扱いになるのである。
ここで、プリズム型と光ＭＥＭＳ型のメリット／デメリットをまとめる。
（Ａ−１）プリズムのメリット
プリズムの一面を被測定対象の接眼部として使えるので、構成がシンプル
（Ａ−２）プリズムのデメリット
・装置と被測定対象を離すことが出来ない
・受光部のコストが高い
・交流変調復調の採用が少し難しい
（Ｂ−１）光ＭＥＭＳのメリット
・非常に小型で構成できる
・量産すると安価に
・装置と被測定対象を離すことが可能
・受光素子も１個で済む
・光軸を気にしなくてよい（投光を適当に配置可能）
（Ｂ−２）光ＭＥＭＳのデメリット
原理的に倍波長の除去が出来ない

次に実施例３について説明する。図７−１に乳房炎診断装置の使用イメージ図を、図７−２に乳房炎診断装置の構成図を示している。図７−２の構成図に基づいて説明する。光源２から照射された光は、乳牛の１つの分房からティートカップを介してクロー１１内に供給された乳汁１２にクロー１１の透明部（図示しない）を介して照射され、反射する。

反射光はファブリペロー波長可変フィルタ４を介して受光部５に受光される。受光された光は復調され信号増幅されて、Ａ/Ｄ変換部６を介してＣＰＵ７で処理される。乳汁中の体細胞の数値が多変量解析により分析され、その結果乳房炎感染の有無が判断されることとなる。

以上、本発明の好ましい実施形態を図示して説明してきたが、本発明の技術的範囲を逸脱することなく種々の変更が可能であることは理解されるであろう。なお、本発明の技術的範囲は上述した実施例に示した具体的な用途に限定されるものではない。

本発明は、生体や鉱物などの観察対象から放出される光をスペクトル分解してその波長依存性を測定する分光分析装置として有用である。高分子化学・工業分析、農業・食品分析、薬品分析、生体組織の分析等広範囲に利用できる可能性がある。

小型の分光分析装置のイメージ図 変調・復調の原理説明図（１） 変調・復調の原理説明図（２） 変調・復調の原理説明図（３） 摂動付与フローとその分析法の説明図 プリズムを用いた光学系図 プリズム型の分光分析装置の構成図 光ＭＥＭＳ型の分光分析装置の構成図 乳房炎診断装置の使用イメージ図 乳房炎診断装置の構成図 観測用の固定治具（１） 観測用の固定治具（２）

符号の説明

１ 本実施例のペン型分光分析装置
２ ＬＥＤ光源
３ 開口部
４ ファブリペロー波長可変フィルタ
５ 受光部
６ Ａ／Ｄ変換部
７ 演算処理部（ＣＰＵ）
８ 表示パネル
９ 乳牛の乳房
１０ ティートカップ
１１ 搾乳用ミルカーのクロー
１２ 乳汁
１３ 被測定対象物との接触部
１４ プリズム部
１５ 被測定対象表面
１６ ミラー部
１７ 受光部
２２ 変換処理部
２３ バッテリー部
２６ 投光部
２７ 補助ＬＥＤ光源
２９ 操作ボタン

Claims (39)

1. 分光分析装置において、少なくとも発光ダイオードによる光源と、変調回路を有する投光部と、復調回路を有する受光部とを備えたことを特徴とする分光分析装置。
2. 前記変調方法が交流変調、パルス変調、周波数変調又は振幅変調のいずれかであることを特徴とする請求項１に記載の分光分析装置。
3. 前記光源がモジュール化された複数の発光ダイオードにより構成されることを特徴とする請求項１又は２に記載の分光分析装置。
4. 前記モジュール化された複数の発光ダイオードが分析装置の先端部前面に配置されていることを特徴とする請求項３に記載の分光分析装置。
5. 発光ダイオードが広帯域波長発光型発光ダイオードであることを特徴とする請求項１又は２に記載の分光分析装置。
6. 前記分光分析装置において、相対する片面に透光性を有する反射層を形成した対向する２枚の基板を有し、アクチュエータの作動により一方の基板を移動させて基板間のギャップを変化させることにより透過若しくは反射スペクトル特性を変化させるフィルタであって、可動基板を固定基板に対し平行を保持したまま斜め横方向に移動させることにより、両基板間の間隔距離（ギャップ長）を制御するファブリペロー波長可変フィルタを有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の分光分析装置。
7. 前記フィルタにおいて、可動基板を懸架する下面に傾斜部を有する上部支持体と固定基板を保持する上面に傾斜部を有する下部支持体を有し、上部支持体の傾斜部の角度と下部支持体の傾斜部の角度が適合するように形成され、上部支持体が横移動することにより上部支持体に懸架された可動基板が固定基板に対し平行を保持したまま斜め横に移動するファブリペロー波長可変フィルタを有することを特徴とする請求項６に記載の分光分析装置。
8. 前記フィルタにおいて、ピエゾ素子を有し、かつ前記上部支持体の一端がピエゾ素子と結合した構造であることを特徴とする請求項６又は７に記載の分光分析装置。
9. 前記フィルタにおいて、モータ部を有し、かつモータ部が前記上部支持体と連接している構造であることを特徴とする請求項６又は７に記載の分光分析装置。
10. 前記フィルタにおいて、前記上部支持体の両側面に下面の傾斜と同角度に傾斜した凸部を有し、かつ前記下部支持体の内側両側面に前記凸部と嵌合する凹部を有しており、前記凹部がガイドとなって前記上部支持体を移動する構成であることを特徴とする請求項７乃至９のいずれかに記載の分光分析装置。
11. 分光分析装置において、試料検体を面上に載置するプリズムを有し、かつ受光部がプリズムの光屈折作用により分光された波長を波長毎に受光する構造であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の分光分析装置。
12. レーザ又は短波長発光型発光ダイオードを有し、前記受光部がレーザ又は短波長発光型ダイオードの基準光線に基づく位置ずれ検知手段及び位置補正手段を備えたものであることを特徴とする請求項１１に記載の分光分析装置。
13. 演算処理部を有し、前記受光部が演算処理に基づく位置ずれ検知手段及び位置補正手段を備えたものであることを特徴とする請求項１１に記載の分光分析装置。
14. 所定のエネルギーを試料検体に複数回付与し、試料検体中及び/又は周囲に存在する水の活性化（摂動）をもたらす摂動付与手段を備えたことを特徴とする請求項１乃至１３に記載の分光分析装置
15. 前記投光部が、通常の分光分析のための投光以外に摂動付与のための投光をも行う投光部であることを特徴とする請求項１乃至１４のいずれかに記載の分光分析装置
16. 別の光源をさらに備えた装置であり、前記光源及び/又は該別の光源の投光部が、摂動付与を行う投光部であることを特徴とする請求項１乃至１４のいずれかに記載の分光分析装置。
17. 温度変更、圧力変更、電流付与、希釈、超音波付与、電磁波付与の少なくともいずれか１つ以上の手段を含み、前記投光部による投光及び/又はこれらのいずれか１つ以上の手段が摂動付与手段であることを特徴とする請求項１５又は１６に記載の分光分析装置。
18. 多変量解析を行なうデータ処理手段と分析結果の表示手段を有し、該データ処理手段が、摂動付与による微細な受光量の変化（摂動付与による変位）を多変量解析する処理手段であることを特徴とする請求項１４乃至１７のいずれかに記載の分光分析装置。
19. 請求項１乃至１８のいずれかに記載の分光分析装置であって、片手で操作可能な操作部と片手で把持可能な筐体を有し、人間、動物、植物、鉱物又は水質の診断管理について反射光を用いた分析を行なう超小型の構成としたことを特徴とする分光分析装置。
20. 請求項１乃至１８のいずれかに記載の分光分析装置２台と２台間の双方向の通信手段により構成されたシステム分光分析装置であって、一の装置から投光を行い、他の装置で受光及び分光分析することにより透過光を用いた分光分析を行い、人間、動物、植物、鉱物又は水質の診断管理を行なうように構成したことを特徴とするシステム分光分析装置。
21. 請求項１乃至１８のいずれかに記載の分光分析装置２台と２台間の双方向の通信手段により構成されたシステム分光分析装置であって、一の装置から投光を行い、当該一の装置及び他の装置で受光及び分光分析することにより透過光を用いた分光分析と反射光を用いた分光分析を行い、人間、動物、植物、鉱物又は水質の診断管理を行なうように構成したことを特徴とするシステム分光分析装置。
22. 搾乳用ミルカーのクロー又はティートカップと連接したことを特徴とする請求項１乃至１８のいずれかに記載の分光分析装置。
23. 前記搾乳用ミルカーのクロー又はティートカップについて、少なくとも一部が透明な材質により形成されていることを特徴とする請求項２２に記載の分光分析装置。
24. 人間、動物、植物又は鉱物に装着する手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１乃至１８のいずれかに記載の分光分析装置。
25. 人間、動物、植物又は鉱物に装着する手段と、前記検体にエネルギーを付与する手段を備えた取り付け可能なプローブとを有することを特徴とする請求項１乃至１８のいずれかに記載の分光分析装置。
26. 駆動型ロボットをさらに有し、該駆動型ロボットの先端部あるいは側面あるいは後部に組み込むことにより駆動ロボット前方あるいは側面あるいは後方のリアルタイムモニターを可能としたことを特徴とする請求項１乃至１８のいずれかに記載の分光分析装置。
27. 人間装着ロボットをさらに有し、該人間装着ロボットに組み込むことにより体組織のリアルタイムモニターが可能な構成としたことを特徴とする請求項１乃至１８のいずれかに記載の分光分析装置。
28. 少なくとも一部が透明な液体容器をさらに有し、該液体容器に組み込むことにより液体のリアルタイムモニターが可能な構成としたことを特徴とする請求項１乃至１８のいずれかに記載の分光分析装置。
29. 請求項１乃至１８に記載の分光分析装置を備えた人間、ロボット、機械、動物、植物、鉱物、液体、水又は水溶液、に対して判定値に基づく判断や検知や検出を行なう判断処理部及び信号出力手段を有するセンサ。
30. 請求項１乃至１８に記載の分光分析装置を備え、当該装置に係る光源以外の光を光源として利用する、人間、ロボット、機械、動物、植物、鉱物、液体、水又は水溶液、に対して判定値に基づく判断や検知や検出を行なう判断処理部及び信号出力手段を有するセンサ。
31. 請求項１乃至１８記載の分光分析装置を備え、人間、機械、動物が発する赤外線（熱線）の分光分析を行い、判定値に基づく判断や検知や検出を行なう判断処理部及び信号出力手段を有するセンサ。
32. 少なくともモジュール化された複数の発光ダイオード又は広帯域波長発光ダイオードによる光源と、変調回路を有する投光部と復調回路を有する受光部を備えた分光分析装置において、投光波長に変調を加え、受光波長を復調することにより外乱光の影響を排除して検出精度を向上させることを特徴とする分光分析方法。
33. 前記分光分析方法において、相対する片面に透光性を有する反射層を形成した対向する２枚の基板を有し、アクチュエータの作動により一方の基板を移動させて基板間のギャップを変化させることにより透過若しくは反射スペクトル特性を変化させるフィルタであって、可動基板を固定基板に対し平行を保持したまま斜め横方向に移動させることにより、両基板間の間隔距離（ギャップ長）を制御するファブリペロー波長可変フィルタを有する分光分析装置を用いて分光分析することを特徴とする請求項３２に記載の分光分析方法。
34. 前記分光分析方法において、試料検体を面上に載置するプリズムを有し、かつ受光部がプリズムの光屈折作用により分光された波長を波長毎に受光する構造であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の分光分析装置を用いて分光分析することを特徴とする請求項３２に記載の分光分析方法。
35. 前記分光分析方法において、所定のエネルギーを複数回付与することにより試料検体中及び／又は周囲に存在する水を活性化する摂動による受光量の変化を分光分析することを特徴とする請求項３２乃至３４のいずれかに記載の分光分析方法。
36. 前記エネルギー付与が、測定用光源、摂動付与用専用光源の少なくとも１つを含む光源による光の照射であることを特徴とする請求項３５に記載の分光分析方法。
37. 前記分析方法において、搾乳用ミルカーのクロー又はティートカップの透明部分を介して乳汁情報をリアルタイムでモニターをすることを特徴とする請求項３２乃至３６のいずれかに記載の分光分析方法。
38. 前記分析方法において、乳房炎の診断をすることを特徴とする請求項３７に記載の分光分析方法。
39. 請求項１９に記載の超小型分光分析装置を駆動ロボット、人間装着ロボット、又は少なくとも一部が透明な液体容器に組み込むことにより、ロボット前方、体組織、液体をリアルタイムにモニターすることを特徴とする請求項３２乃至３６のいずれかに記載の分光分析方法。