JP2007259915A - 成分濃度測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】被検体からの超音波を精度よく検出するために、従来の血液成分濃度測定装置は音響センサを被検体に直接接触させていた。しかし、超音波検出器を被検体に接触させれば、接触部分に圧力が印加されるため、血液量が変化して血液成分濃度の測定結果に影響を与えてしまうという課題があった。さらに、接触部に傷があるような場合には超音波検出器を被検体に接触させることができず、血液成分濃度の測定ができないという課題もあった。そこで、本発明は被検体と非接触で被検体の血液成分濃度の測定ができる成分濃度測定装置を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明に係る成分濃度測定装置は、被検体に照射した光の反射光から超音波を検出する検出手段を備えることとした。
【選択図】図１

Description

本発明は、人間又は動物の被検体の非侵襲な成分濃度測定装置に関する。

高齢化が進み、成人病に対する対応が大きな課題になりつつある。血糖値などの検査においては血液の採取が必要なために患者にとって大きな負担となるので、血液を採取しない非侵襲な成分濃度測定装置が注目されている。現在までに開発された非侵襲な成分濃度測定装置としては、皮膚内に電磁波を照射し、測定対象とする血液成分、例えば、血糖値の場合はグルコース分子に吸収され、局所的に加熱して熱膨張を起こして生体内から発生する音波を観測する光音響分光法（以下、「光音響分光法」を「ＰＡＳ」と略記する。）が注目されている。

図１５は光パルスを電磁波として用いたＰＡＳによる従来の血液成分濃度測定装置の構成例を示す図である（例えば、非特許文献１参照。）。本例では血液成分として血糖、すなわちグルコースを測定対象としている。図１５において、駆動回路６０４はパルス状の励起電流をパルス光源６１６に供給し、パルス光源６１６はサブマイクロ秒の持続時間を有する光パルスを発生し、発生した光パルスは被検体６１０に照射される。被検体６１０の内部の各成分はそれぞれ光音響効果を生ずる固有の光の波長を有しており、照射した光パルスの光の波長で光音響効果を生ずる被検体６１０の内部の成分の濃度に応じた強度の超音波が発生する。図１５の血液成分濃度測定装置はグルコースの濃度を測定するため、パルス光源６１６はグルコースが光音響効果を発生させる光の波長の光パルスを照射する。発生した超音波は被検体６１０の表面に伝達して超音波検出器６１３で検出される。超音波検出器６１３は検出した超音波を強度に比例した振幅の電気信号に変換する。

前記電気信号の波形は波形観測器６２０で観測される。波形観測器６２０は上記励起電流に同期した信号でトリガされ、前記電気信号は画面上の一定位置に表示し、前記電気信号を積算・平均して測定することができる。このようにして得られた電気信号の振幅を解析して、被検体６１０の内部のグルコースの濃度が測定される。
オウル大学（Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｏｕｌｕ、Ｆｉｎｌａｎｄ）学位論文「Ｐｕｌｓｅ ｐｈｏｔｏａｃｏｕｓｔｉｃ ｔｅｃｈｎｉｑｕｓ ａｎｄ ｇｌｕｃｏｓｅ ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ ｉｎ ｈｕｍａｎ ｂｌｏｏｄ ａｎｄ ｔｉｓｓｕｅ」（ＩＢＳ ９５１−４２−６６９０−０、ｈｔｔｐ：／／ｈｅｒｋｕｌｅｓ．ｏｕｌｕ．ｆｉ／ｉｓｂｎ９５１４２６６９００／、２００２年）

しかし、人体で発生した光音響信号である音波を音波検出器で効率よく検出するため、音波の波面を球面波ではなく平面波にする必要がある。そのため、光の照射面積が大きいほど検出距離を遠くしなければならず、音波検出器と音波の発生源との距離や照射面積に制約が生じる。例えば、生体の指先を被検体とした場合には、検出距離も短いため、照射面積を小さくする必要がある。

一方、生体の皮膚上に照射可能なレーザ出力の限界値がＪＩＳ規格で定められているため、照射点で生じさせることができる光音響信号の大きさにも限界がある。ここで、ＪＩＳＣ６８０２によると、皮膚に対して非可視赤外光（波長が０．８μｍ以上）を連続照射する場合、１ｍｍ^２当たり１ｍＷが最大許容量となる。そのため、生体の光の被照射部位によっては、発生させた光音響信号が微弱となり、雑音の影響を受け易くなる。

被検体からの超音波を精度よく検出するために、図１５のような従来の血液成分濃度測定装置では、超音波検出器６１３のように音響センサを被検体６１０に直接接触させていた。しかし、超音波検出器６１３を被検体６１０に接触させることで、接触部分に圧力が印加され、血液量が変化して血液成分濃度の測定結果に影響を与えてしまうという課題があった。さらに、接触部に傷があるような場合には超音波検出器６１３を被検体６１０に接触させることができず、血液成分濃度の測定ができないという課題もあった。

本発明は上記課題を解決するためになされたもので、被検体と非接触で被検体の血液成分濃度の測定ができる成分濃度測定装置を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明に係る成分濃度測定装置は、被検体に照射した光の反射光から超音波を検出する検出手段を備えることとした。ここで、被検体とは測定対象の人間や動物である。

本発明による課題を解決するための具体的手段について説明する。本発明は、レーザ光を一定周波数の変調信号により電気的に強度変調した変調レーザ光を被検体に向けて照射する光照射手段と、照射された前記変調レーザ光により発生する前記被検体内の超音波を前記被検体の表面の振動として検出する振動検出手段と、を備える成分濃度測定装置であって、前記振動検出手段は、前記被検体の表面に計測用ビームを照射する計測用ビーム照射手段と、前記被検体の表面で反射した前記計測用ビームの反射光の光軸位置を測定する光位置検出手段と、を有することを特徴とする成分濃度測定装置である。

前記光照射手段は、前記被検体から離れた位置から前記変調レーザ光を照射し、前記被検体内に光音響効果を発生させることができる。

前記計測用ビーム照射手段は前記被検体から離れた位置から前記計測用ビームを前記被検体の表面に照射し、前記光位置検出手段は前記被検体から離れた位置で前記被検体の表面で反射した前記計測用ビームの反射光を受光することができる。前記光位置検出手段は前記反射光が受光面に照射した位置を測定することができる。

前記被検体の表面は前記光音響効果で振動しているため、前記被検体の表面の振動で前記反射光の前記被検体の表面での反射角度は振動する。さらに、前記反射光の前記反射角度は前記被検体の表面の振動の大きさに応じて変化する。すなわち、前記光位置検出手段は前記反射光の反射角度の振動の大きさを前記反射光の受光位置の振動の振幅として測定する。

被検体の測定対象成分の濃度が高ければ前記被検体の表面の振動が大きくなるため、前記反射光の反射角度の変動は大きくなり、前記光位置検出手段における前記反射光の受光位置の振動の振幅が大きくなる。逆に、被検体の測定対象成分の濃度が低ければ前記被検体の表面の振動が小さくなるため、前記反射光の反射角度の変動は小さくなり、前記光位置検出手段における前記反射光の受光位置の振動の振幅が小さくなる。

予め、前記被検体の測定対象成分に光音響効果を生じさせる変調レーザ光の波長及び前記被検体の測定対象成分の濃度に対する前記反射光の前記光位置検出手段における受光位置の振幅データを取得しておくことで、前記成分濃度測定装置は前記反射光の受光位置の振動の振幅から被検体の測定対象成分の濃度を測定することができる。

従って、本発明は、前記被検体から離れた位置に前記光照射手段及び前記振動検出手段を備えることで、被検体と非接触で被検体の血液成分濃度の測定ができる成分濃度測定装置を提供することができる。

前記振動検出手段は、前記光位置検出手段の代替として積算光量測定手段を有してもよい。

具体的には、本発明は、レーザ光を一定周波数の変調信号により電気的に強度変調した変調レーザ光を被検体に向けて照射する光照射手段と、照射された前記変調レーザ光により発生する前記被検体内の超音波を前記被検体の表面の振動として検出する振動検出手段と、を備える成分濃度測定装置であって、前記振動検出手段は、前記被検体の表面に計測用ビームを照射する計測用ビーム照射手段と、前記被検体の表面で反射した前記計測用ビームの反射光のピンホールを通じて受光する積算光量を測定する積算光量測定手段と、を有することを特徴とする成分濃度測定装置である。

前記積算光量測定手段は受光面にピンホールを有しており、前記ピンホールを通過した光の光量を積算する。前記被検体の表面の振動により前記計測用ビームが反射した反射光の反射角度は振動しており、前記反射光は前記ピンホール上で振動することになる。前記反射光の前記ピンホール上における振動の振幅が大きければ前記ピンホールを通過する光の積算光量は少なくなり、逆に、前記反射光の前記ピンホール上における振動の振幅が小さければ前記ピンホールを通過する光の積算光量は多くなる。

予め、前記被検体の測定対象成分に光音響効果を生じさせる変調レーザ光の波長及び前記被検体の測定対象成分の濃度に対する前記積算光量測定手段における積算光量データを取得しておくことで、前記成分濃度測定装置は前記反射光が前記ピンホールを通過した前記反射光の積算光量から被検体の測定対象成分の濃度を測定することができる。

従って、本発明は、前記被検体から離れた位置に前記光照射手段及び前記振動検出手段を備えることで、被検体と非接触で被検体の血液成分濃度の測定ができる成分濃度測定装置を提供することができる。

前記振動検出手段は、前記光位置検出手段の代替として計測用レーザ発振器及び干渉計を有してもよい。

具体的には、本発明は、レーザ光を一定周波数の変調信号により電気的に強度変調した変調レーザ光を被検体に向けて照射する光照射手段と、照射された前記変調レーザ光により発生する前記被検体内の超音波を前記被検体の表面の振動として検出する振動検出手段と、を備える成分濃度測定装置であって、前記振動検出手段は、計測用レーザ光を出射する計測用レーザ発振器と、前記計測用レーザ発振器からの前記計測用レーザ光を第一レーザ光と第二レーザ光とに２分岐し、前記第一レーザ光を前記被検体の表面に照射させ、前記第二レーザ光と前記被検体の表面で反射した前記第一レーザ光との位相差を測定する干渉計と、を有することを特徴とする成分濃度測定装置である。

前記干渉計は、前記計測用レーザ光を前記被検体から離れた位置から前記被検体の表面に照射する前記第一レーザ光と基準となる前記第二レーザ光とに２分岐し、前記被検体の表面で反射した前記第一レーザ光である反射光と前記第二レーザ光を干渉させて前記第一レーザ光と前記第二レーザ光との位相差を測定する。

前記被検体の表面は光音響効果により振動しており、前記反射光は前記被検体の表面の振動の大きさに基づき位相が変動する。前記被検体の表面の振動が大きければ、前記反射光と前記第二レーザ光との位相差は大きくなり、逆に、前記被検体の表面の振動が小さければ、前記反射光と前記第二レーザ光との位相差は小さくなる。

予め、前記被検体の測定対象成分に光音響効果を生じさせる変調レーザ光の波長及び前記被検体の測定対象成分の濃度に対する前記干渉計における前記反射光と前記第二レーザ光との位相差データを取得しておくことで、前記成分濃度測定装置は前記干渉計が測定した位相差から前記被検体の測定対象成分の濃度を測定することができる。

従って、本発明は、前記被検体から離れた位置に前記光照射手段及び前記振動検出手段を備えることで、被検体と非接触で被検体の血液成分濃度の測定ができる成分濃度測定装置を提供することができる。

前記振動検出手段が前記計測用ビーム照射手段又は計測用レーザ発振器を有する成分濃度測定装置は、振動する前記被検体の表面に超音波整合材料を介して光反射体をさらに備えることが好ましい。

前記計測用ビーム又は前記計測用レーザ光に対して反射率の高い前記光反射体を前記被検体の表面に配置することで前記反射光の光強度が高まり、成分濃度測定の精度を向上させることができる。さらに、前記被検体の表面と前記光反射体との間に超音波整合材料を介しても良い。前記超音波整合材料は前記被検体と前記光反射体との音響インピーダンスを整合するため、振動の減衰を防ぐことができる。前記超音波整合材料により前記被検体の表面の振動を効率的に前記光反射体に伝達することができ、成分濃度測定の精度を向上させることができる。

従って、本願発明は、被検体と非接触で精度よく被検体の血液成分濃度の測定ができる成分濃度測定装置を提供することができる。

前記振動検出手段は、前記計測用ビーム照射手段や計測用レーザ発振器を有さず、前記光照射手段からの前記変調レーザ光の一部が前記被検体の表面で反射した反射光を利用して、前記被検体表面の振動を測定してもよい。

具体的には、本発明は、レーザ光を一定周波数の変調信号により電気的に強度変調した変調レーザ光を被検体に向けて照射する光照射手段と、照射された前記変調レーザ光により発生する前記被検体内の超音波を前記被検体の表面の振動として検出する振動検出手段と、を備える成分濃度測定装置であって、前記振動検出手段は、前記変調レーザ光のうち前記被検体の表面で反射する反射光の光軸の位置を測定する光位置検出手段を有することを特徴とする成分濃度測定装置である。

前記被検体の表面は光音響効果により振動しており、前記変調レーザ光の前記反射光も前記計測用ビームの反射光と同様に前記被検体の表面の振動で反射角度が振動する。前記振動検出手段は前記光位置検出手段を有するため、前記成分濃度測定装置は振動検出手段における前記反射光の受光位置の振動の振幅から被検体の測定対象成分の濃度を測定することができる。

従って、本発明は、前記被検体から離れた位置に前記光照射手段及び前記振動検出手段を備えることで、被検体と非接触で被検体の血液成分濃度の測定ができる成分濃度測定装置を提供することができる。

また、前記光照射手段からの前記変調レーザ光の一部が前記被検体の表面で反射した反射光を前記積算光量測定手段で測定してもよい。

具体的には、本発明は、レーザ光を一定周波数の変調信号により電気的に強度変調した変調レーザ光を被検体に向けて照射する光照射手段と、照射された前記変調レーザ光により発生する前記被検体内の超音波を前記被検体の表面の振動として検出する振動検出手段と、を備える成分濃度測定装置であって、前記振動検出手段は、前記変調レーザ光のうち前記被検体の表面で反射する反射光のピンホールを通じて受光する積算光量を測定する積算光量測定手段を有することを特徴とする成分濃度測定装置である。

前記積算光量測定手段は前記反射光の反射角度の振動を前記ピンホールを通過した光の積算光量として測定することができる。すなわち、前記成分濃度測定装置は前記ピンホールを通過した前記反射光の積算光量から被検体の測定対象成分の濃度を測定することができる。

従って、本発明は、前記被検体から離れた位置に前記光照射手段及び前記振動検出手段を備えることで、被検体と非接触で被検体の血液成分濃度の測定ができる成分濃度測定装置を提供することができる。

前記変調レーザ光を２分岐し、一方を光音響効果用として利用、他方を被検体の表面の振動の計測用として利用しても良い。

具体的には、本発明は、レーザ光を一定周波数の変調信号により電気的に強度変調した変調レーザ光を第一変調レーザ光と第二変調レーザ光とに２分岐して前記第一変調レーザ光を被検体の表面に超音波整合材料を介して配置した光反射体に向けて照射し、前記第二変調レーザ光を前記光反射体と異なる位置の前記被検体の表面に照射する光照射手段と、照射された前記第二変調レーザ光により発生する前記被検体内の超音波を前記被検体の表面の振動として検出する振動検出手段と、を備える成分濃度測定装置であって、前記振動検出手段は、前記光反射体で反射する前記第一変調レーザ光の反射光の光軸位置を測定する光位置検出手段を有することを特徴とする成分濃度測定装置である。

前記被検体の表面は前記第二変調レーザ光による光音響効果で振動しており、前記第一変調レーザ光の前記反射光も前記計測用ビームの反射光と同様に前記被検体の表面の振動で反射角度が振動する。前記振動検出手段は前記光位置検出手段を有するため、前記成分濃度測定装置は振動検出手段における前記反射光の受光位置の振動の振幅から被検体の測定対象成分の濃度を測定することができる。

さらに、前記被検体の表面には前記第一変調レーザ光に対して反射率の高い前記光反射体が配置されているため、前記反射光の光強度が高まる。また、前記被検体の表面と前記光反射体との間に超音波整合材料を介しているため、前記被検体の表面の振動を効率的に前記光反射体に伝達することができ、成分濃度測定の精度を向上させることができる。

従って、本発明は、前記被検体から離れた位置に前記光照射手段及び前記振動検出手段を備えることで、被検体と非接触で被検体の血液成分濃度の測定ができる成分濃度測定装置を提供することができる。

また、前記被検体の表面に配置した光反射体で反射した前記第一変調レーザ光の反射光を前記積算光量測定手段で測定してもよい。

具体的には、本発明は、レーザ光を一定周波数の変調信号により電気的に強度変調した変調レーザ光を第一変調レーザ光と第二変調レーザ光とに２分岐して前記第一変調レーザ光を被検体の表面に超音波整合材料を介して配置した光反射体に向けて照射し、前記第二変調レーザ光を前記光反射体と異なる位置の前記被検体の表面に照射する光照射手段と、照射された前記第二変調レーザ光により発生する前記被検体内の超音波を前記被検体の表面の振動として検出する振動検出手段と、を備える成分濃度測定装置であって、前記振動検出手段は、前記光反射体で反射する前記第一変調レーザ光の反射光のピンホールを通じて受光する積算光量を測定する積算光量測定手段を有することを特徴とする成分濃度測定装置である。

前記積算光量測定手段は前記反射光の反射角度の振動を前記ピンホールを通過した光の積算光量として測定することができる。すなわち、前記成分濃度測定装置は前記反射光が前記ピンホールを通過した前記反射光の積算光量から被検体の測定対象成分の濃度を測定することができる。

従って、本発明は、前記被検体から離れた位置に前記光照射手段及び前記振動検出手段を備えることで、被検体と非接触で被検体の血液成分濃度の測定ができる成分濃度測定装置を提供することができる。

前記光位置検出手段を有する振動検出手段を備える成分濃度測定装置は、前記振動検出手段において、前記光位置検出手段から出力される前記反射光の光軸位置の光軸位置測定信号を前記光照射手段の前記変調信号で同期検波することが好ましい。

前記光照射手段の前記変調信号を用いて、前記光位置検出手段から出力される前記光軸位置測定信号を同期検波することで、前記被検体の表面の振動を高精度に検出することができる。

従って、本発明は、被検体と非接触で精度よく被検体の血液成分濃度の測定ができる成分濃度測定装置を提供することができる。

本発明は、被検体と非接触で被検体の血液成分濃度の測定ができる成分濃度測定装置を提供することができる。

添付の図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。以下に説明する実施の形態は本発明の構成の例であり、本発明は、以下の実施の形態に制限されるものではない。

（実施の形態１）
本実施形態は、レーザ光を一定周波数の変調信号により電気的に強度変調した変調レーザ光を被検体に向けて照射する光照射手段と、照射された前記変調レーザ光により発生する前記被検体内の超音波を前記被検体の表面の振動として検出する振動検出手段と、を備える成分濃度測定装置であって、前記振動検出手段は、前記被検体の表面に計測用ビームを照射する計測用ビーム照射手段と、前記被検体の表面で反射した前記計測用ビームの反射光の光軸位置を測定する光位置検出手段と、を有することを特徴とする成分濃度測定装置である。

本実施形態に係る成分濃度測定装置２０１の概略図を図１に示す。図１の成分濃度測定装置２０１は光照射手段１１及び振動検出手段１２を備える。図１及び以下で説明する図４、５、７、１０、１１、１２、１３及び１４において被検体９００は人体の指先として記載しているが、血液などの体液の成分濃度分析をする箇所としては指先のみに限らず他の箇所、例えば目の角膜とすることもできる。

光照射手段１１は光源１３及び発振器１８から構成される。

発振器１８は一定の周波数の変調信号Ｅ１を出力する。例えば、前記周波数は１００ｋＨｚ以上１０ＭＨｚ以下が例示できる。

光源１３はレーザ光源と駆動回路を内蔵している。前記駆動回路は変調信号Ｅ１を基に前記レーザ光源を駆動して、前記レーザ光源から変調信号Ｅ１に基づいて強度変調した変調レーザ光Ｌ１を出力させる。前記レーザ光源は半導体レーザであることが例示できる。また、前記レーザ光源から出力されるレーザ光は、被検体９００の測定対象成分が吸収しやすい波長であることが望ましい。前記レーザ光源として半導体レーザを使用した場合、半導体レーザをヒーター又はペルチェ素子により加熱又は冷却することにより発生する光の波長を変化させることができる。例えば、測定対象とする成分がグルコースの場合、前記レーザ光の波長は１６０８ｎｍであることが例示される。

従って、光照射手段１１は、被検体９００から離れた位置から発振器１８の変調信号Ｅ１に基づく光源１３からの変調レーザ光Ｌ１を被検体９００の表面の変調レーザ照射点Ａに向けて照射することができる。

振動検出手段１２は計測用ビーム照射手段１４及び光位置検出手段１７から構成される。

計測用ビーム照射手段１４は、計測用ビーム光源及びコリメータを内蔵する。

前記計測用ビーム光源は被検体９００の表面において反射しやすい波長の光を発生させる光源である。被検体９００が人体であれば、５００ｎｍ以上６００ｎｍ以下の波長の光が皮膚上で反射しやすい。前記計測用ビーム光源として前記波長の光を発生させる可視光レーザや前記波長の光を透過させるフィルタ付のランプが例示できる。一方、前記コリメータは入射光を平行光に変換するレンズ等の光学部品を組み合わせた光学系をもつ。

計測用ビーム照射手段１４は前記計測用ビーム光源から出力された光を前記コリメータで平行光に変換して計測用ビームＢ１を照射する。

光位置検出手段１７は後述する素子のように受光面に入射する光の振動の振幅を測定することができる。さらに、光位置検出手段１７は計測点Ｐで反射した計測用ビームＢ１である反射光Ｂ２を受光できる位置に配置される。

従って、振動検出手段１２は、被検体９００から離れた位置から計測用ビーム照射手段１４からの計測用ビームＢ１を被検体９００の計測点Ｐに照射し、被検体９００から離れた位置で計測用ビームＢ１の反射光Ｂ２の光位置検出手段１７における受光面上の振幅を測定することができる。

光位置検出手段１７として下に説明する撮像素子（ＣＣＤイメージセンサ）及び位置検出素子（ＰＳＤ）が例示できる。

ＣＣＤイメージセンサは受光面としてフォトダイオード（ＰＤ）を二次元に配列したものである。図２にＣＣＤイメージセンサの構造の概念図を示す。ＰＤ２１は光電変換した電荷を各ＰＤに対応する垂直転送ＣＣＤ２３にトランスファーゲート２２を通じて一定のタイミングで転送する。垂直転送ＣＣＤ２３はＰＤ２１からの電荷を水平転送ＣＣＤ２４へ移動させる。続いて、受光位置特定回路２５は水平転送ＣＣＤ２４に転送パルスを与え電荷を順次読み出す。受光位置特定回路２５は読み出しした電荷から光が照射されたＰＤ２１を特定することができる。

なお、反射光Ｂ２の光軸位置は発振器１８からの変調信号Ｅ１の周波数で振動しているため、前記振動の周波数が高すぎる場合、ＣＣＤイメージセンサは瞬間の反射光Ｂ２の光軸位置を特定できないが、振動の振幅を測定することができる。

従って、ＣＣＤイメージセンサは、反射光Ｂ２の光軸位置の振動から振幅値を測定することができる。

ＰＳＤはＰＩＮフォトダイオードの原理を応用し、連続的に受光面に照射した光の位置を特定する半導体素子である。図３にＰＳＤの動作原理を表した図を示す。ｎ型シリコン基板３１の上に光の入射で電子及び正孔のキャリアを発生させる真性半導体層３２を形成し、さらに真性半導体層３２の上にｐ型半導体層３３を形成する。ｐ型半導体層３３の両端に電極３４ａ及び３４ｂを形成する。また、シリコン基板３１の裏面には接地用電極３５を形成する。電極３４ａと電極３４ｂとの間のｐ型半導体層３３が受光面となる。

図３のＰＳＤは以下の説明のように動作して受光位置を特定する。ＰＳＤの受光面に光Ｃが入射すると、入射位置の下の真性半導体層３２にキャリアが発生する。キャリアのうち正孔はｐ型半導体層３３へ吸収され、電極３４ａ及び電極３４ｂへ移動する。このとき、電極３４ａに到達する正孔の量Ｄ、電極３４ｂに到達する正孔の量Ｅ、光Ｃの入射位置から電極３４ａまでの距離Ｘａ及び光Ｃの入射位置から電極３４ｂまでの距離Ｘｂは数式（１）の関係があるため、電極３４ａ及び電極３４ｂから出力する電流比から光Ｃの受光位置を特定することができる。

なお、図３のＰＳＤは説明のために一次元ＰＳＤを示しているが、光位置検出手段１７としては二次元ＰＳＤを利用することが好ましい。

成分濃度測定装置２０１は以下のようにして被検体９００内の測定対象成分の濃度を測定する。光照射手段１１は被検体９００の変調レーザ照射点Ａに向けて変調レーザ光Ｌ１を照射する。変調レーザ光Ｌ１は被検体９００の内部まで到達するため、測定対象成分の光音響効果で被検体９００の内部が発振器１８から出力される電気信号の周波数で振動する。測定対象成分の濃度が高いほど光音響効果が大きいため、被検体９００の測定対象成分の濃度が高い場合、振動量は大きくなる。逆に、被検体９００の測定対象成分の濃度が低い場合、振動量は小さくなる。前記振動は伝達して被検体９００の表面を振動させる。

計測用ビーム照射手段１４は被検体９００から離れた位置から計測用ビームＢ１を計測点Ｐに照射する。図１において計測点Ｐは変調レーザ照射点Ａの反対側に記載しているが、被検体９００の表面はいずれも振動しているため、任意の場所を計測点Ｐとしてよい。

反射光Ｂ２は計測点Ｐの振動により反射する方向が計測点Ｐの振動の周波数、すなわち変調信号Ｅ１の周波数で振動する。被検体９００の測定対象成分の濃度が高い場合、反射光Ｂ２の光軸方向の振動の振幅は大きくなり、逆に測定対象成分の濃度が低い場合、反射光Ｂ２の光軸方向の振動の振幅は小さくなる。予め、測定対象成分の濃度と光位置検出手段１７で測定した反射光Ｂ２の振動の振幅との関係のデータを取得しておくことで、成分濃度測定装置２０１は前記振幅値から被検体９００の測定対象成分の濃度を算出することができる。

従って、成分濃度測定装置２０１は光を利用して振動を検出するため、振動検出手段１２を被検体９００に接触せずに被検体９００の測定対象成分の濃度を測定することができる。

なお、光源１３は２波長の変調レーザ光Ｌ１を出力できる構造としてもよい。具体的には、光源１３は、変調信号Ｅ１を２分岐して第一信号及び第二信号とする分岐回路と、前記分岐回路で分岐された前記第二信号を受信して位相を１８０°変換する移相回路と、互いに異なる波長のレーザ光を出力する二つのレーザ光源と、前記分岐回路からの前記第一信号及び前記移相回路からの前記第二信号に基づき前記レーザ光源をそれぞれ駆動する二つの駆動回路と、前記二つのレーザ光源からの強度変調されたレーザ光を合波して変調レーザ光Ｌ１を外部に出力する合波部と、を備える。

光源１３は異なる２波長の光をそれぞれ同一周波数で逆位相の電気信号で強度変調して合成するため、２波長の光が交互に現れる変調レーザ光Ｌ１を出力することができる。２波長の光が交互に現れる変調レーザ光Ｌ１で成分濃度を測定する基本原理を以下に説明する。

異なる２波長の光の中の、第一の光の波長を、例えば被検体の測定対象の成分による吸光度が被検体の大部分を占める水による吸光度と顕著に異なる波長に設定し、第二の光の波長を水が第一の光の波長におけるのと合い等しい吸光度を示す波長に設定する。上記の波長の設定方法を、血液中のグルコースの濃度を測定する場合を例として図１６により説明する。

図１６は常温における水とグルコース水溶液の吸光度特性を示す。図１６において、縦軸は吸光度を示し、横軸は光の波長を示している。また、図１６において、実線は水の吸光度特性を示し、破線はグルコース水溶液の吸光度特性を示している。図１６に示す波長λ_１はグルコースによる吸光度が水による吸光度と顕著に異なる波長であり、波長λ_２は、水がλ_１における吸光度と合い等しい吸光度を示す波長である。従って、例えば、第一の光の波長をλ_１と設定し、第二の光の波長をλ_２と設定することができる。

以下の説明においては、一例として、第一の光の波長を測定対象の成分による吸光度が水による吸光度と顕著に異なる波長λ_１に設定し、第二の光の波長を水が第一の光の波長λ_１におけるのと合い等しい吸光度を示す波長λ_２に設定した場合を説明する。

上記のように設定した異なる２波長の光の各々を、同一周波数で逆位相の信号により強度変調してパルス状の光として出射し、出射された異なる２波長の光が被検体の成分に吸収されて発生する超音波を検出して、検出した超音波の大きさから、被検体の測定対象の成分の濃度を測定する。上記のように強度変調された異なる２波長の光を出射した場合、第一の光を測定対象の成分と水の両方が吸収して被検体から発生する第一の超音波と、第二の光を被検体の大部分を占める水が吸収して被検体から発生する第二の超音波とは、周波数が等しくかつ逆位相である。従って、第一の超音波と第二の超音波は被検体内で重畳し、超音波の差として、第一の超音波の中の測定対象の成分が吸収して被検体から発生する超音波の大きさのみが残留する。そこで、残留した超音波により、第一の光を測定対象の成分が吸収して被検体から発生する超音波のみを測定することができる。上記の測定においては、測定対象の成分と水の両方が吸収して発生する超音波と水が吸収して発生する超音波を個別に測定して差を演算するよりも、測定対象の成分が吸収して被検体から発生する超音波を正確に測定することができる。

さらに、成分濃度測定の誤差の要因を除いて、高精度に測定する方法を以下に説明する。波長λ_１の光及び波長λ_２の光の各々に対する、被検体の大部分を占める水の吸収係数をα_１ ^（ｗ）及びα_２ ^（ｗ）として、被検体の測定対象の成分のモル吸収係数をα_１ ^（ｇ）及びα_２ ^（ｇ）とすれば、波長λ_１の光及び波長λ_２の光の各々により被検体から発生する超音波の大きさｓ_１及びｓ_２を含む連立方程式は数式（２）で表される。

上記の、数式（２）を解いて、被検体の測定対象の成分濃度Ｍを求めることができる。ここで、Ｃは制御あるいは予想困難な係数、すなわち、光照射手段、被検体及び振動検出手段の位置関係、振動検出手段の感度、被検体において光により超音波が発生される位置と振動検出手段との間の距離、被検体の比熱及び熱膨張係数、被検体の内部の超音波の速度、波長λ_１の光及び波長λ_２の光の変調周波数、水の吸収係数及び被検体の成分のモル吸収係数、などに依存する未知定数である。さらに数式（２）でＣを消去すると次の数式（３）が得られる。

ここで、波長λ_１の光及び波長λ_２の光の各々に対する、被検体の大部分を占める水の吸収係数α_１ ^（ｗ）及びα_２ ^（ｗ）が等しくなるように選択されているので、α_１ ^（ｗ）＝α_２ ^（ｗ）が成立し、さらに、ｓ_１≒ｓ_２であることを用いれば、成分濃度Ｍは数式（４）で表される。

上記の数式（４）に、既知の係数として、α_１ ^（ｗ）、α_１ ^（ｇ）及びα_２ ^（ｇ）を代入し、さらに、波長λ_１の光及び波長λ_２の光の各々により被検体から発生する超音波の大きさｓ_１及びｓ_２を測定して代入することにより、被検体の成分濃度Ｍを算出することができる。上記の数式（４）においては、２つの超音波の大きさｓ_１及びｓ_２を個別に測定するよりも、それらの差ｓ_１−ｓ_２を測定して、別に測定した超音波の大きさｓ_２で除する方が、被検体の成分濃度を高精度に測定することができる。

すなわち、まず、波長λ_１の光及び波長λ_２の光を、互いに逆位相の変調信号により強度変調して、１の光束に合波して出射することにより、被検体から発生する超音波の大きさｓ_１及び超音波の大きさｓ_２が相互に重畳して生じる超音波の差（ｓ_１−ｓ_２）を測定する。次に、波長λ_２の光を出射して、被検体から発生する超音波の大きさｓ_２を測定する。上記のように測定した（ｓ_１−ｓ_２）とｓ_２により、（ｓ_１−ｓ_２）÷ｓ_２を演算することにより、数式（４）により、被検体の測定対象の成分濃度を高精度に測定することができる。

例えば、測定対象とする成分がグルコースの場合には、波長λ_１をグルコースの特徴的な吸収を示す波長である１６０８ｎｍに設定する。波長が１６０８ｎｍの光を照射した場合、グルコースだけでなく水も光を吸収している。そこで、波長λ_２を波長λ_１時に水が吸収する光量と等しい光量を吸収する波長である１３８１ｎｍに設定する。

従って、変調レーザ光Ｌ１を２波長とすることで被検体９００の測定対象成分の濃度を高精度に測定することができる。

また、本実施形態は、前記振動検出手段において、前記光位置検出手段から出力される前記反射光の光軸位置の光軸位置測定信号を前記光照射手段の前記変調信号で同期検波してもよい。

図１の成分濃度測定装置２０１において、光位置検出手段１７は発振器１８からの変調信号Ｅ２を利用して反射光Ｂ２を同期検波してもよい。反射光Ｂ２の振動と発振器１８の変調信号Ｅ２とは周波数が等しいため、遅延回路を利用して変調信号Ｅ２を遅延させることで、光位置検出手段１７は反射光Ｂ２の振動を変調信号Ｅ２で同期検波することができる。光位置検出手段１７は反射光Ｂ２の振動を同期検波することで、Ｓ／Ｎ比が向上するため、反射光Ｂ２の振動の振幅値を精度良く測定できる。

従って、成分濃度測定装置２０１は発振器１８からの変調信号Ｅ２を利用して反射光Ｂ２を同期検波することで、被検体９００の測定対象成分の濃度を高精度に測定することができる。

（実施の形態２）
本実施形態は、振動する前記被検体の表面に超音波整合材料を介して光反射体をさらに備えてもよい。

本実施形態に係る成分濃度測定装置２０２の概略図を図４に示す。図４の成分濃度測定装置２０２は光照射手段１１、振動検出手段１２、光反射体４１及び超音波整合材料４２を備える。図４において図１で使用した符号と同じ符号は同一手段、部品、信号又は光を示す。成分濃度測定装置２０２は図１の成分濃度測定装置２０１で説明したように発振器１８からの変調信号Ｅ２を利用して反射光Ｂ２を同期検波している。成分濃度測定装置２０２と図１の成分濃度測定装置２０１との違いは光反射体４１及び超音波整合材料４２をさらに備えていることである。

光反射体４１は被検体９００の表面より計測用ビームＢ１を反射しやすい素材で構成される。例えば、光反射体４１として鏡や鏡面状態の金属板等が例示できる。光反射体４１は計測用ビームＢ１を反射しやすいため、計測用ビームＢ１の光強度を低くすることができ、計測用ビーム照射手段１４を小型化、すなわち成分濃度測定装置２０２を小型化することができる。

さらに、光反射体４１を備えることで被検体９００の表面での反射率を考慮した波長の計測用ビームＢ１を使用しなくてもよいため、計測用ビーム照射手段１４として汎用の小型ライトを使用することができ、成分濃度測定装置２０２の製造コストを低減することができる。

超音波整合材料４２は被検体９００と光反射体４１との音響インピーダンスを整合することができる。被検体９００の表面の振動は光反射体４１へ減衰せずに伝導するため、被検体９００の測定対象成分の濃度を高精度に測定することができる。

従って、成分濃度測定装置２０２は図１の成分濃度測定装置２０１と同様に動作し、同様の効果を得ることができる。

（実施の形態３）
本実施形態は、レーザ光を一定周波数の変調信号により電気的に強度変調した変調レーザ光を被検体に向けて照射する光照射手段と、照射された前記変調レーザ光により発生する前記被検体内の超音波を前記被検体の表面の振動として検出する振動検出手段と、を備える成分濃度測定装置であって、前記振動検出手段は、前記被検体の表面に計測用ビームを照射する計測用ビーム照射手段と、前記被検体の表面で反射した前記計測用ビームの反射光のピンホールを通じて受光する積算光量を測定する積算光量測定手段と、を有することを特徴とする成分濃度測定装置である。

本実施形態に係る成分濃度測定装置２０３の概略図を図５に示す。図５の成分濃度測定装置２０３は光照射手段１１及び振動検出手段５２を備える。図５において図１で使用した符号と同じ符号は同一手段、部品、信号又は光を示す。成分濃度測定装置２０３と図１の成分濃度測定装置２０１との違いは振動検出手段１２の代替として振動検出手段５２を備えていることである。

振動検出手段５２は計測用ビーム照射手段１４、光検出器５５及びピンホール５７から構成される。

光検出器５５は光電変換素子と周辺回路とで構成される。例えば、前記光電変換素子としてＰＤが例示できる。前記周辺回路としてＰＤが光を受光した時間を計測する回路又は受光した光の積算光量を計測する回路が例示できる。

ピンホール５７は遮光板の中央に反射光Ｂ２の径に略等しい直径０．１μｍ以上１μｍ以下の孔を有する。

成分濃度測定装置２０３は、図１の成分濃度測定装置２０１で説明したように光源１３及び計測用ビーム照射手段１４を配置する。ピンホール５７は変調レーザ光Ｌ１を照射しない場合、すなわち被検体９００の表面が振動していない場合に反射光Ｂ２の光軸とピンホール５７の孔の中心とが一致する位置に配置される。光検出器５５はピンホール５７の孔を通過した光を受光できる位置に配置される。

従って、振動検出手段５２は、被検体９００から離れた位置から計測用ビーム照射手段１４からの計測用ビームＢ１を被検体９００の計測点Ｐに照射し、被検体９００から離れた位置で計測用ビームＢ１の反射光Ｂ２がピンホール５７を通過した光の積算光量又は受光時間を測定することができる。

成分濃度測定装置２０３は以下のようにして被検体９００内の測定対象成分の濃度を測定する。図１の成分濃度測定装置２０１で説明したように変調レーザ光Ｌ１により被検体９００の表面は振動し、反射光Ｂ２は計測点Ｐの振動により反射する方向が変調信号Ｅ１の周波数で振動する。

反射光Ｂ２の振動量と光検出器５５が受光する光強度との関係を図６に示す。反射光Ｂ２の振動が無い場合、反射光Ｂ２は常時ピンホール５７の孔を通過するため、光検出器５５が受光する光の照度は、図６（１）のように一定の値となる。反射光Ｂ２の振動がある場合、反射光Ｂ２の光軸Ｂ３はピンホール５７の孔の中心と一致しない時間が生ずる。光軸Ｂ３とピンホール５７の孔の中心とが一致しない時間はピンホール５７の孔を通過できる反射光Ｂ２の照度が下がる。すなわち、光検出器５５が受光する光の照度は、図６（２）のように反射光Ｂ２の振動の周波数で変動する。反射光Ｂ２の振動の振幅が大きいほど反射光Ｂ２の光軸はピンホール５７の孔の中心から離れ、光検出器５５の受光できる光量は下がることになる。反射光Ｂ２の振動の振幅が一定以上大きい場合、ピンホール５７の孔を反射光Ｂ２が通過できない時間があるため、図６（３）のように反射光Ｂ２の振動の周波数で光検出器５５には受光できない時間が生ずる。

具体的には、前記周辺回路が積算光量を測定する回路であって、被検体９００の測定対象成分の濃度が高い場合、光検出器５５が受光する積算光量は減少する。逆に測定対象成分の濃度が低い場合、光検出器５５が受光する積算光量は増加する。

また、前記周辺回路が光を受光した時間を計測する回路であって、被検体９００の測定対象成分の濃度が高い場合、光検出器５５が受光する時間は減少する。逆に測定対象成分の濃度が低い場合、光検出器５５が受光する時間は増加する。なお、この場合、反射光Ｂ２の振動の振幅は、反射光Ｂ２がピンホール５７の孔を通過できないほど大きいことが必要である。

予め、測定対象成分の濃度と光検出器５５で測定したピンホール５７を通過した光の積算光量又は受光時間との関係のデータを取得しておくことで、成分濃度測定装置２０３は前記積算光量又は前記受光時間から被検体９００の測定対象成分の濃度を算出することができる。

従って、成分濃度測定装置２０３は光を利用して振動を検出するため、振動検出手段５２を被検体９００に接触せずに被検体９００の測定対象成分の濃度を測定することができる。

また、図１の成分濃度測定装置２０１で説明したように変調レーザ光Ｌ１に２波長の光を利用することで成分濃度測定装置２０３は被検体９００の測定対象成分の濃度を高精度に測定することができる。

さらに、計測用ビームＢ１の反射率を高めるため、図４の成分濃度測定装置２０２で説明したように被検体９００の表面に超音波整合材料４２を介して光反射体４１を配置しても良い。

なお、光検出器５５は図５に示すように発振器１８からの変調信号Ｅ２を利用してピンホール５７を通過した光を同期検波してもよい。成分濃度測定装置２０３は反射光Ｂ２を同期検波することで、被検体９００の測定対象成分の濃度を高精度に測定することができる。

（実施の形態４）
本実施形態は、レーザ光を一定周波数の変調信号により電気的に強度変調した変調レーザ光を被検体に向けて照射する光照射手段と、照射された前記変調レーザ光により発生する前記被検体内の超音波を前記被検体の表面の振動として検出する振動検出手段と、を備える成分濃度測定装置であって、前記振動検出手段は、計測用レーザ光を出射する計測用レーザ発振器と、前記計測用レーザ発振器からの前記計測用レーザ光を第一レーザ光と第二レーザ光とに２分岐し、前記第一レーザ光を前記被検体の表面に照射させ、前記第二レーザ光と前記被検体の表面で反射した前記第一レーザ光との位相差を測定する干渉計と、を有することを特徴とする成分濃度測定装置である。

本実施形態に係る成分濃度測定装置２０４の概略図を図７に示す。図７の成分濃度測定装置２０４は光照射手段１１及び振動検出手段７２を備える。図７において図１で使用した符号と同じ符号は同一手段、部品、信号又は光を示す。成分濃度測定装置２０４と図１の成分濃度測定装置２０１との違いは振動検出手段１２の代替として振動検出手段７２を備えていることである。

振動検出手段７２は計測用レーザ発振器７４、干渉計７５から構成される。

計測用レーザ発振器７４は被検体９００の表面において反射しやすい波長の光を発生させる。被検体９００が人体であれば、５００ｎｍ以上６００ｎｍ以下の波長の光が皮膚上で反射しやすいため、前記波長の光を発生させるレーザ光源が例示できる。計測用レーザ発振器７４は干渉計７５に計測用レーザ光Ｌ７を結合する。計測用レーザ光Ｌ７を干渉計７５に結合する手段として光ファイバが例示できる。

干渉計７５は、計測用レーザ発振器７４からの計測用レーザ光Ｌ７を第一レーザ光と第二レーザ光とに２分岐し、前記第一レーザ光を照射レーザ光Ｓ７として被検体９００の表面の計測点Ｐに照射させ、前記第一レーザ光が被検体９００の計測点Ｐで反射した反射光Ｒ７と前記第二レーザ光との位相差を測定する。なお、図７において、照射レーザ光Ｓ７と反射光Ｒ７とを別の光軸で記載しているが、干渉計７５の種類によっては光軸が重なる場合もある。干渉計７５は、コリメータ、ビームスプリッタ等の複数の光学系及び光検出器から構成される。干渉計７５としてマイケルソン干渉計やマッハツェンダ干渉計が例示できる。

図８にマイケルソン干渉計を利用した干渉計７５を、図９にマッハツェンダ干渉計を利用した干渉計７５を示す。いずれの図も図７で使用した符号と同じ符号は同一手段、部品、信号又は光を示す。

図８のマイケルソン干渉計７５ｍはコリメータ８１、ビームスプリッタ８３、反射鏡８５、光検出器８７及びアパーチャ８９から構成される。

コリメータ８１は、結合された測定用レーザ光Ｌ７を平行光Ｌ８に変換する。

ビームスプリッタ８３は、ハーフミラーを有し、平行光Ｌ８を２分岐する。ビームスプリッタ８３は２分岐した平行光Ｌ８の一方を前記第二レーザ光である参照光Ｄ８として透過させ、他方を平行光Ｌ８の光軸に対して９０度屈折させる。参照光Ｄ８は反射鏡８５へ到達し、反射され再びビームスプリッタ８３へ到達する。

一方、ビームスプリッタ８３で屈折した光はアパーチャ８９で光径を定められ、照射レーザ光Ｓ７として被検体９００を照射する。照射レーザ光Ｓ７は被検体９００で反射して反射光Ｒ７として再びアパーチャ８９を通り、ビームスプリッタ８３に到達する。なお、図８において照射レーザ光Ｓ７と反射光Ｒ７とは光路が等しいため符号Ｈ８として表示している。

ビームスプリッタ８３に到達した参照光Ｄ８及び反射光Ｒ７は干渉光Ｇ８として光検出器８７に到達する。反射光Ｒ７は被検体９００の表面の振動で位相が変化するため反射光Ｒ７と参照光Ｄ８とは干渉する。具体的には、反射光Ｒ７の位相は被検体９００の表面の振動の周波数、すなわち超音波の周波数で時間的に変化するため、被検体９００の表面の振動の大きさに比例して反射光Ｒ７と参照光Ｄ８との位相差の変化の幅が広がる。光検出器８７は反射光Ｒ７と参照光Ｄ８との位相差を干渉光Ｇ８の光強度の変化として測定する。

なお、干渉計７５としてマイケルソン干渉計７５ｍを利用する場合、被検体９００の計測点Ｐに微小コーナーキューブ８０を図４で説明した超音波整合材料４２を介して配置することが望ましい。微小コーナーキューブ８０は図４で説明した光反射体４１の一つの例である。微小コーナーキューブ８０に入射した光の反射光は入射した光の方向へ出射する。従って、微小コーナーキューブ８０を配置することで照射レーザ光Ｓ７と被検体９００の表面との角度が変化しても反射光Ｒ７はアパーチャ８９の方向へ戻るため、安定して被検体９００の測定対象成分の濃度を高精度に測定することができる。

図９のマッハツェンダ干渉計７５ｎはコリメータ８１、ビームスプリッタ８３、ビームスプリッタ８４、アパーチャ８９、反射鏡８５及び光検出器８７から構成される。図９において図８で使用した符号と同じ符号は同一手段、部品、信号又は光を示す。図８のマイケルソン干渉計７５ｍと同様にマッハツェンダ干渉計７５ｎは照射レーザ光Ｓ７を被検体９００に照射する。被検体９００で反射した反射光Ｒ７はビームスプリッタ８４に到達し、反射鏡８５で反射した参照光Ｄ８とともに干渉光Ｇ８として光検出器８７に到達する。図８のマイケルソン干渉計７５ｍで説明したように反射光Ｒ７と参照光Ｄ８とは干渉している。光検出器８７は反射光Ｒ７と参照光Ｄ８との位相差を測定する。

従って、振動検出手段７２は、被検体９００から離れた位置の計測用レーザ発振器７４から計測用レーザ光Ｌ７を用いて、被検体９００から離れた位置の干渉計７５で被検体９００の計測点Ｐに照射する照射レーザ光Ｓ７の反射光Ｒ７と参照光Ｄ８との位相差を測定することができる。

成分濃度測定装置２０４は以下のようにして被検体９００内の測定対象成分の濃度を測定する。図１の成分濃度測定装置２０１で説明したように変調レーザ光Ｌ１により被検体９００の表面は振動しており、干渉計７５からの照射レーザ光Ｓ７の位相を変化させて反射光Ｒ７として反射させる。干渉計７５は反射光Ｒ７と参照光Ｄ８との位相差を測定する。

具体的には、マイケルソン干渉計又はマッハツェンダ干渉計の場合、被検体９００の測定対象成分の濃度が高い場合、前記位相差は大きくなる。逆に測定対象成分の濃度が低い場合、前記位相差は小さくなる。

予め、測定対象成分の濃度と干渉計７５が測定する前記位相差とのデータを取得しておくことで、成分濃度測定装置２０４は前記位相差から被検体９００の測定対象成分の濃度を算出することができる。

従って、成分濃度測定装置２０４は光を利用して振動を検出するため、振動検出手段７２を被検体９００に接触せずに被検体９００の測定対象成分の濃度を測定することができる。

また、図１の成分濃度測定装置２０１で説明したように変調レーザ光Ｌ１に２波長の光を利用することで成分濃度測定装置２０４は被検体９００の測定対象成分の濃度を高精度に測定することができる。

さらに、反射光Ｒ７の反射効率を高めるため、図４の成分濃度測定装置２０２で説明したように被検体９００の表面に超音波整合材料４２を介して光反射体４１を配置しても良い。

（実施の形態５）
本実施形態は、レーザ光を一定周波数の変調信号により電気的に強度変調した変調レーザ光を被検体に向けて照射する光照射手段と、照射された前記変調レーザ光により発生する前記被検体内の超音波を前記被検体の表面の振動として検出する振動検出手段と、を備える成分濃度測定装置であって、前記振動検出手段は、前記変調レーザ光のうち前記被検体の表面で反射する反射光の光軸の位置を測定する光位置検出手段を有することを特徴とする成分濃度測定装置である。

本実施形態に係る成分濃度測定装置２０５の概略図を図１０に示す。図１０の成分濃度測定装置２０５は光照射手段１０１及び振動検出手段として光位置検出手段１７を備える。図１０において図１で使用した符号と同じ符号は同一手段、部品、信号又は光を示す。成分濃度測定装置２０５と図１の成分濃度測定装置２０１との違いは成分濃度測定装置２０５には計測用ビーム照射手段１４を備えず、光源１３からの変調レーザ光Ｌ１が被検体９００で反射した反射光Ｂ４を光位置検出手段１７が受光していることである。なお、成分濃度測定装置２０５は図１の成分濃度測定装置２０１で説明したように発振器１８からの変調信号Ｅ２を利用して反射光Ｂ４を同期検波している。

成分濃度測定装置２０５は以下のようにして被検体９００内の測定対象成分の濃度を測定する。図１の成分濃度測定装置２０１で説明したように変調レーザ光Ｌ１の照射による光音響効果で被検体９００の表面は振動する。変調レーザ光Ｌ１の一部は被検体９００の表面で反射するため、反射光Ｂ４は反射光Ｂ２と同様に反射する方向が計測点Ｐの振動の周波数、すなわち変調信号Ｅ１の周波数で振動する。図１の成分濃度測定装置２０１で説明したように光位置検出手段１７は反射光Ｂ４を受光して光位置検出手段１７の受光面上における反射光Ｂ４の振動の振幅を測定する。予め、測定対象成分の濃度と反射光Ｂ４の振動の振幅との関係のデータを取得しておくことで、成分濃度測定装置２０５は前記振幅値から被検体９００の測定対象成分の濃度を算出することができる。

従って、成分濃度測定装置２０５は光を利用して振動を検出するため、振動検出手段を被検体９００に接触せずに被検体９００の測定対象成分の濃度を測定することができる。

また、図１の成分濃度測定装置２０１で説明したように変調レーザ光Ｌ１に２波長の光を利用することで成分濃度測定装置２０５は被検体９００の測定対象成分の濃度を高精度に測定することができる。

（実施の形態６）
本実施形態は、レーザ光を一定周波数の変調信号により電気的に強度変調した変調レーザ光を被検体に向けて照射する光照射手段と、照射された前記変調レーザ光により発生する前記被検体内の超音波を前記被検体の表面の振動として検出する振動検出手段と、を備える成分濃度測定装置であって、前記振動検出手段は、前記変調レーザ光のうち前記被検体の表面で反射する反射光のピンホールを通じて受光する積算光量を測定する積算光量測定手段を有することを特徴とする成分濃度測定装置である。

本実施形態に係る成分濃度測定装置２０６の概略図を図１１に示す。図１１の成分濃度測定装置２０６は光照射手段１０１及び振動検出手段１１２を備える。振動検出手段１１２は光検出器５５及びピンホール５７から構成される。図１１において図１及び５で使用した符号と同じ符号は同一手段、部品、信号又は光を示す。成分濃度測定装置２０６と図５の成分濃度測定装置２０３との違いは成分濃度測定装置２０６には計測用ビーム照射手段１４を備えず、光源１３からの変調レーザ光Ｌ１が被検体９００で反射した反射光Ｂ４を振動検出手段１１２が受光していることである。なお、成分濃度測定装置２０６は図１の成分濃度測定装置２０１で説明したように発振器１８からの変調信号Ｅ２を利用してピンホール５７を通過した光を同期検波している。

成分濃度測定装置２０６は以下のようにして被検体９００内の測定対象成分の濃度を測定する。図１０の成分濃度測定装置２０５で説明したように変調レーザ光Ｌ１の一部は被検体９００の表面で反射して反射光Ｂ４となる。図５の成分濃度測定装置２０３の振動検出手段５２で説明したように振動検出手段１１２はピンホール５７を通過する反射光Ｂ４を受光し、積算光量又は受光時間を測定する。予め、測定対象成分の濃度と光検出器５５が受光する積算光量又は受光時間との関係のデータを取得しておくことで、成分濃度測定装置２０６は前記振幅値から被検体９００の測定対象成分の濃度を算出することができる。

従って、成分濃度測定装置２０６は光を利用して振動を検出するため、振動検出手段１１２を被検体９００に接触せずに被検体９００の測定対象成分の濃度を測定することができる。

（実施の形態７）
本実施形態は、レーザ光を一定周波数の変調信号により電気的に強度変調した変調レーザ光を第一変調レーザ光と第二変調レーザ光とに２分岐して前記第一変調レーザ光を被検体の表面に超音波整合材料を介して配置した光反射体に向けて照射し、前記第二変調レーザ光を前記光反射体と異なる位置の前記被検体の表面に照射する光照射手段と、照射された前記第二変調レーザ光により発生する前記被検体内の超音波を前記被検体の表面の振動として検出する振動検出手段と、を備える成分濃度測定装置であって、前記振動検出手段は、前記光反射体で反射する前記第一変調レーザ光の反射光の光軸位置を測定する光位置検出手段を有することを特徴とする成分濃度測定装置である。

本実施形態に係る成分濃度測定装置２０７の概略図を図１２に示す。図１２の成分濃度測定装置２０７は光照射手段１２１及び振動検出手段として光位置検出手段１７を備える。図１２において図１、図４及び図１０で使用した符号と同じ符号は同一手段、部品、信号又は光を示す。成分濃度測定装置２０７と図１０の成分濃度測定装置２０５との違いは、成分濃度測定装置２０７には光学素子１２３及び光反射体４１が配置されていることである。光学素子１２３としてプリズムやビームスプリッタが例示できる。

被検体９００の表面には図４の成分濃度測定装置２０２で説明した光反射体４１を超音波整合材料４２を介して配置する。なお、光反射体４１は被検体９００の表面より第一変調レーザ光Ｌ５を反射しやすい素材で構成される。

光学素子１２３は、光源１３からの変調レーザ光Ｌ１を第一変調レーザ光Ｌ５と第二変調レーザ光Ｌ６とに２分岐する。さらに、光学素子１２３は、第一変調レーザ光Ｌ５を光反射体４１へ照射し、第二変調レーザ光Ｌ６を光反射体４１が配置されている箇所以外の被検体９００の表面に照射する。

成分濃度測定装置２０７は以下のようにして被検体９００内の測定対象成分の濃度を測定する。図１の成分濃度測定装置２０１で説明したように第二変調レーザ光Ｌ６の照射による光音響効果で被検体９００の表面は振動する。被検体９００の表面の振動は超音波整合材料４２を介して光反射体４１を振動させる。第一変調レーザ光Ｌ５は光反射体４１で反射して反射光Ｂ６となる。反射光Ｂ６は反射光Ｂ２と同様に反射する方向が計測点Ｐの振動の周波数、すなわち変調信号Ｅ１の周波数で振動する。図１の成分濃度測定装置２０１で説明したように光位置検出手段１７は反射光Ｂ６を受光して光位置検出手段１７の受光面上における反射光Ｂ６の振動の振幅を測定する。ゆえに、成分濃度測定装置２０７は、図１の成分濃度測定装置２０１で説明したように反射光Ｂ６の振動の振幅から被検体９００の測定対象成分の濃度を算出することができる。なお、図１２の成分濃度測定装置２０７は図１の成分濃度測定装置２０１で説明したように発振器１８からの変調信号Ｅ２を利用して反射光Ｂ６を同期検波している。

従って、成分濃度測定装置２０７は光を利用して振動を検出するため、振動検出手段を被検体９００に接触せずに被検体９００の測定対象成分の濃度を測定することができる。

また、図１の成分濃度測定装置２０１で説明したように変調レーザ光Ｌ１に２波長の光を利用することで成分濃度測定装置２０７は被検体９００の測定対象成分の濃度を高精度に測定することができる。

（実施の形態８）
本実施形態は、レーザ光を一定周波数の変調信号により電気的に強度変調した変調レーザ光を第一変調レーザ光と第二変調レーザ光とに２分岐して前記第一変調レーザ光を被検体の表面に超音波整合材料を介して配置した光反射体に向けて照射し、前記第二変調レーザ光を前記光反射体と異なる位置の前記被検体の表面に照射する光照射手段と、照射された前記第二変調レーザ光により発生する前記被検体内の超音波を前記被検体の表面の振動として検出する振動検出手段と、を備える成分濃度測定装置であって、前記振動検出手段は、前記光反射体で反射する前記第一変調レーザ光の反射光のピンホールを通じて受光する積算光量を測定する積算光量測定手段を有することを特徴とする成分濃度測定装置である。

本実施形態に係る成分濃度測定装置２０８の概略図を図１３に示す。図１３の成分濃度測定装置２０８は光照射手段１２１及び振動検出手段１１２を備える。図１３において図１、図４、図５、図１１及び図１２で使用した符号と同じ符号は同一手段、部品、信号又は光を示す。成分濃度測定装置２０８と図１１の成分濃度測定装置２０６との違いは、成分濃度測定装置２０８には図１２の成分濃度測定装置２０７で説明したように光学素子１２３及び光反射体４１が配置されていることである。

成分濃度測定装置２０８は以下のようにして被検体９００内の測定対象成分の濃度を測定する。図１２の成分濃度測定装置２０７で説明したように反射光Ｂ６の光軸は振動する。図５の成分濃度測定装置２０３の振動検出手段５２で説明したように振動検出手段１１２はピンホール５７を通過する反射光Ｂ６を受光し、積算光量又は受光時間を測定する。ゆえに、成分濃度測定装置２０８は、図５の成分濃度測定装置２０３で説明したように前記積算光量又は受光時間から被検体９００の測定対象成分の濃度を算出することができる。なお、図１３の成分濃度測定装置２０８は図１の成分濃度測定装置２０１で説明したように発振器１８からの変調信号Ｅ２を利用して反射光Ｂ６を同期検波している。

従って、成分濃度測定装置２０８は光を利用して振動を検出するため、振動検出手段を被検体９００に接触せずに被検体９００の測定対象成分の濃度を測定することができる。

また、図１２の成分濃度測定装置２０７及び図１３の成分濃度測定装置２０８は図１の成分濃度測定装置２０１で説明したように変調レーザ光Ｌ１に２波長の光を利用してもよい。

（実施の形態９）
本実施形態に係る成分濃度測定装置２０９の概略図を図１４に示す。図１４の成分濃度測定装置２０９は光照射手段１２１及び振動検出手段として干渉計７５を備える。図１４において図１、図４、図７、図１１、図１２及び図１３で使用した符号と同じ符号は同一手段、部品、信号又は光を示す。成分濃度測定装置２０９と図１２の成分濃度測定装置２０７との違いは、成分濃度測定装置２０９には光位置検出手段１７の代替として図７の成分濃度測定装置２０４で説明した干渉計７５が配置されていることである。

成分濃度測定装置２０９は以下のようにして被検体９００内の測定対象成分の濃度を測定する。干渉計７５は光学素子１２３から照射される第一変調レーザ光Ｌ５を計測用レーザ光として受け、光反射体４１へ向けて照射レーザ光Ｓ７を照射する。図１２の成分濃度測定装置２０７で説明したように光反射体４１は振動しており、図７の成分濃度測定装置２０４で説明したように干渉計７５は反射光Ｒ７と図示しない参照光との位相差を測定する。ゆえに、成分濃度測定装置２０９は干渉計７５が測定した前記位相差から被検体９００の測定対象成分の濃度を算出することができる。

従って、成分濃度測定装置２０９は光を利用して振動を検出するため、振動検出手段を被検体９００に接触せずに被検体９００の測定対象成分の濃度を測定することができる。

本発明の成分濃度測定装置は、日常の健康管理や美容上のチェックに利用することができる。また、人間ばかりでなく、動物についても健康管理に利用することができる。さらに、本発明の成分濃度測定装置は、液体中の成分濃度を測定することができるため、例えば果実の糖度測定にも適用することができる。

本発明の一の実施形態に係る成分濃度測定装置の概略図である。 ＣＣＤイメージセンサの構造の概念図である。 ＰＳＤの動作原理を表した図である。 本発明の他の実施形態に係る成分濃度測定装置の概略図である。 本発明の他の実施形態に係る成分濃度測定装置の概略図である。 反射光Ｂ２の振動量と光検出器５５が受光する光強度との関係を示す図である。 本発明の他の実施形態に係る成分濃度測定装置の概略図である。 マイケルソン干渉計の構造を示す概略図である。 マッハツェンダ干渉計の構造を示す概略図である。 本発明の他の実施形態に係る成分濃度測定装置の概略図である。 本発明の他の実施形態に係る成分濃度測定装置の概略図である。 本発明の他の実施形態に係る成分濃度測定装置の概略図である。 本発明の他の実施形態に係る成分濃度測定装置の概略図である。 本発明の他の実施形態に係る成分濃度測定装置の概略図である。 従来の血液成分濃度測定装置の構成例を示す図である。 常温における水とグルコース水溶液の吸光度特性を示した図である。

符号の説明

２０１〜２０９ 成分濃度測定装置
１１、１０１、１２１ 光照射手段
１２、５２、７２、１１２ 振動検出手段
１３ 光源
１４ 計測用ビーム照射手段
１７ 光位置検出手段
１８ 発振器
２１ ＰＤ
２２ トランスファーゲート
２３ 垂直転送ＣＣＤ
２４ 水平転送ＣＣＤ
２５ 受光位置特定回路
３１ ｎ型シリコン基板
３２ 真性半導体層
３３ ｐ型半導体層
３４ａ、３４ｂ 電極
３５ 接地用電極
４１ 光反射体
４２ 超音波整合材料
５５ 光検出器
５７ ピンホール
７４ 計測用レーザ発振器
７５ 干渉計
７５ｍ マイケルソン干渉計
７５ｎ マッハツェンダ干渉計
８０ 微小コーナーキューブ
８１ コリメータ
８３、８４ ビームスプリッタ
８５ 反射鏡
８７ 光検出器
８９ アパーチャ
１２３ 光学素子
６０４ 駆動回路
６１０ 被検体
６１３ 超音波検出器
６１６ パルス光源
６２０ 波形観測器
９００ 被検体
Ｌ１ 変調レーザ光
Ｌ５ 第一変調レーザ光
Ｌ６ 第二変調レーザ光
Ｌ７ 計測用レーザ光
Ｂ１ 計測用ビーム
Ｂ２、Ｂ４、Ｂ６ 反射光
Ｂ３ 反射光の光軸
Ｅ１、Ｅ２ 変調信号
Ｓ７ 照射レーザ光
Ｒ７ 反射光
Ｌ８ 平行光
Ｈ８ 照射レーザ光Ｓ７＋反射光Ｒ７
Ｄ８ 参照光
Ｇ８ 干渉光
Ａ 変調レーザ照射点
Ｃ 光
Ｄ、Ｅ 正孔の量
Ｐ 計測点
Ｘａ、Ｘｂ 距離

Claims (9)

1. レーザ光を一定周波数の変調信号により電気的に強度変調した変調レーザ光を被検体に向けて照射する光照射手段と、
   照射された前記変調レーザ光により発生する前記被検体内の超音波を前記被検体の表面の振動として検出する振動検出手段と、
   を備える成分濃度測定装置であって、
   前記振動検出手段は、前記被検体の表面に計測用ビームを照射する計測用ビーム照射手段と、
   前記被検体の表面で反射した前記計測用ビームの反射光の光軸位置を測定する光位置検出手段と、
   を有することを特徴とする成分濃度測定装置。
2. レーザ光を一定周波数の変調信号により電気的に強度変調した変調レーザ光を被検体に向けて照射する光照射手段と、
   照射された前記変調レーザ光により発生する前記被検体内の超音波を前記被検体の表面の振動として検出する振動検出手段と、
   を備える成分濃度測定装置であって、
   前記振動検出手段は、前記被検体の表面に計測用ビームを照射する計測用ビーム照射手段と、
   前記被検体の表面で反射した前記計測用ビームの反射光のピンホールを通じて受光する積算光量を測定する積算光量測定手段と、
   を有することを特徴とする成分濃度測定装置。
3. レーザ光を一定周波数の変調信号により電気的に強度変調した変調レーザ光を被検体に向けて照射する光照射手段と、
   照射された前記変調レーザ光により発生する前記被検体内の超音波を前記被検体の表面の振動として検出する振動検出手段と、
   を備える成分濃度測定装置であって、
   前記振動検出手段は、計測用レーザ光を出射する計測用レーザ発振器と、
   前記計測用レーザ発振器からの前記計測用レーザ光を第一レーザ光と第二レーザ光とに２分岐し、前記第一レーザ光を前記被検体の表面に照射させ、前記第二レーザ光と前記被検体の表面で反射した前記第一レーザ光との位相差を測定する干渉計と、
   を有することを特徴とする成分濃度測定装置。
4. 振動する前記被検体の表面に超音波整合材料を介して光反射体をさらに備えることを特徴とする請求項１から３のいずれかの成分濃度測定装置。
5. レーザ光を一定周波数の変調信号により電気的に強度変調した変調レーザ光を被検体に向けて照射する光照射手段と、
   照射された前記変調レーザ光により発生する前記被検体内の超音波を前記被検体の表面の振動として検出する振動検出手段と、
   を備える成分濃度測定装置であって、
   前記振動検出手段は、前記変調レーザ光のうち前記被検体の表面で反射する反射光の光軸位置を測定する光位置検出手段を有することを特徴とする成分濃度測定装置。
6. レーザ光を一定周波数の変調信号により電気的に強度変調した変調レーザ光を被検体に向けて照射する光照射手段と、
   照射された前記変調レーザ光により発生する前記被検体内の超音波を前記被検体の表面の振動として検出する振動検出手段と、
   を備える成分濃度測定装置であって、
   前記振動検出手段は、前記変調レーザ光のうち前記被検体の表面で反射する反射光のピンホールを通じて受光する積算光量を測定する積算光量測定手段を有することを特徴とする成分濃度測定装置。
7. レーザ光を一定周波数の変調信号により電気的に強度変調した変調レーザ光を第一変調レーザ光と第二変調レーザ光とに２分岐して前記第一変調レーザ光を被検体の表面に超音波整合材料を介して配置した光反射体に向けて照射し、前記第二変調レーザ光を前記光反射体と異なる位置の前記被検体の表面に照射する光照射手段と、
   照射された前記第二変調レーザ光により発生する前記被検体内の超音波を前記被検体の表面の振動として検出する振動検出手段と、
   を備える成分濃度測定装置であって、
   前記振動検出手段は、前記光反射体で反射する前記第一変調レーザ光の反射光の光軸位置を測定する光位置検出手段を有することを特徴とする成分濃度測定装置。
8. レーザ光を一定周波数の変調信号により電気的に強度変調した変調レーザ光を第一変調レーザ光と第二変調レーザ光とに２分岐して前記第一変調レーザ光を被検体の表面に超音波整合材料を介して配置した光反射体に向けて照射し、前記第二変調レーザ光を前記光反射体と異なる位置の前記被検体の表面に照射する光照射手段と、
   照射された前記第二変調レーザ光により発生する前記被検体内の超音波を前記被検体の表面の振動として検出する振動検出手段と、
   を備える成分濃度測定装置であって、
   前記振動検出手段は、前記光反射体で反射する前記第一変調レーザ光の反射光のピンホールを通じて受光する積算光量を測定する積算光量測定手段を有することを特徴とする成分濃度測定装置。
9. 前記振動検出手段において、前記光位置検出手段から出力される前記反射光の光軸位置の光軸位置測定信号を前記光照射手段の前記変調信号で同期検波することを特徴とする請求項１、５又は７に記載の成分濃度測定装置。
   
   
   

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