JP2009036573A - フローセル中を流れるサンプルの光学的特性計測装置 - Google Patents

フローセル中を流れるサンプルの光学的特性計測装置 Download PDF

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Abstract

【課題】流路におけるサンプルの光学的特性を一定感度で測定することができる光学的特性計測装置を提供する。
【解決手段】光学的特性計測装置１は、光源部１０、第１光カプラ２１、第２光カプラ２２、レンズ３１、レンズ３２、位相変調部４０、駆動部４１、光路長差調整部５０、制御部５１、受光部６０、同期検出部７０および測定部８０を備える。位相変調部４０は、周波数ｆで光を位相変調する。同期検出部７０は、受光部６０から出力される電気信号に含まれる周波数ｆの成分の大きさに応じた値の第１信号を出力するとともに、該電気信号に含まれる周波数２ｆの成分の大きさに応じた値の第２信号を出力する。制御部５１は、同期検出部７０から出力される第１信号または第２信号に基づいて、光路長差調整部５０により調整される光路長差が所定値となるように制御をする。
【選択図】図１

Description

本発明は、光の干渉を利用して流路におけるサンプルの光学的特性を測定する光学的特性計測装置に関するものである。
光の干渉を利用する光学的特性計測装置は例えば特許文献１，２に開示されている。マッハツェンダ干渉計を利用する光学的特性計測装置は、流路におけるサンプルの光学的特性を測定することができる。すなわち、この種の光学的特性計測装置は、第１光カプラにより光を２分岐した後の一方の分岐光が流路を横断するようにし、この分岐光と他方の分岐光とを第２光カプラにより干渉させ、当該干渉光の強度を検出することで、流路におけるサンプルの光学的特性を測定することができる。
サンプルの光学的特性とは具体的には、光学的厚みや屈折率、吸収などである。それにより、細胞などのサンプルの大きさ（体積）や乾燥重量がわかる。測定部により位相差が計測される。位相差φのサンプル通過による変化量をΔφsとする。例えば、サンプルの光学的厚みを計測したい場合には、「Δφs(λ／２π)」により細胞の光学的厚みが算出できる。サンプルの屈折率が分かるのなら、サンプルの粒子径も計算できる。光学的厚みは、サンプル内部の屈折率分布が一様である場合は、体積と比例関係にあり、一様でない場合には、サンプルの乾燥重量と比例関係にある（非特許文献１）。また、サンプルの屈折率は、「Δφs(λ／２π)／Ｄ」により平均的な屈折率差（溶媒とサンプルの屈折差）が算出される。ここで、Ｄは粒子の直径をあらわす。また、測定部に入力される信号Ａsinφ，Ａcosφを自乗和すれば振幅Ａが得られ、その振幅強度の減衰の程度からサンプルの吸収を計測できる。λは光の波長を表す。
特公平７−１１９６１３号公報 米国特許出願公開第２００５−０１０５０９７号明細書 E. B.van Munster, Cytometry, Vol.47, pp.192-199 (2002).
上記のような光学的特性計測装置において、第１光カプラと第２光カプラとの間の２つの分岐光路それぞれは、その一部または全部が光ファイバにより構成される場合がある。この場合、温度等の環境の変動に因り、光ファイバが伸縮し、２つの分岐光路それぞれの光路長の差が変動して、干渉光の強度が変動することがある。この干渉光の強度変動は測定時のノイズとなる。
一般に、ガラスファイバの線膨張係数は１００×１０−７／Ｋであり、その伸縮の変動幅やその周波数は使用環境に拠るが、例えば、光ファイバの長さが２ｍであるとすると、温度変動が１℃である場合、その光ファイバの伸縮は２０μｍ程度で、光ファイバの伸縮の変動の周波数（すなわち、ノイズ周波数）は０.２Ｈｚ程度である。測定対象物に起因して生じる信号光の周波数がノイズ周波数より充分に大きく例えば１０ｋＨｚ以上であれば、周波数弁別の手法によりノイズ成分を除去して信号光を選択的に取り出すことができる。
また、温度等の環境の変動に因り、２つの分岐光路それぞれの光路長の差が変動して、測定感度の劣化が生じることがある。すなわち、光路長差が所定値であるときに測定感度が最大となるが、光路長差が所定値からずれると、測定感度が劣化して、ＳＮ比が劣化する。そこで、測定感度を一定に維持するため光路長差を一定に制御する機構が必要である。
流路におけるサンプルの光学的特性を測定する場合、サンプル粒子が１つ１つ移動しているので、サンプル粒子が分岐光を横切っているときに信号光が生じる一方、サンプル粒子が分岐光を横切っていないときには信号光が生じない。これは、フローサイトメーターのような従来技術では、サンプルが通過していないときは光が光検出器に到達しないような構成になっている。この構成にすることで、光強度を測る場合、サンプルが通過時のみ信号成分が検出されるために、測定感度を向上できる。サンプル粒子が分岐光を横切っていないときにも、光路長差が変動し測定感度が変動するので、位相差を計測する場合には光路長差を常に一定に制御することが必要である。
しかし、従来の技術では、サンプル粒子が分岐光を横切っていないときには、光が光検出器に到達しない構成になっているため、常時、光路長差を一定に制御することができず、それ故、１つ１つのサンプル粒子が分岐光を横切っているときにも、光路長差が所定値からずれていて、測定感度が一定ではない。
本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、流路においてサンプル粒子が１つ１つ移動しているような場合であっても該サンプルの光学的特性を一定感度で測定することができる光学的特性計測装置を提供することを目的とする。
第１の発明に係る光学的特性計測装置は、光の干渉を利用して流路におけるサンプルの光学的特性を測定する光学的特性計測装置であって、(1) 光を出力する光源部と、(2) 光源部から出力される光を２分岐して第１分岐光および第２分岐光として出力する第１光カプラと、(3) 第１光カプラから出力されて第１分岐光路を経た第１分岐光を入力し、第１光カプラから出力されて第２分岐光路を経るとともに該第２分岐光路上の流路を通過した第２分岐光を入力して、これら入力した第１分岐光と第２分岐光とを干渉させて当該干渉光を出力する第２光カプラと、(4)第１光カプラと第２光カプラとの間の第１分岐光路および第２分岐光路の何れかの光路上に設けられ、当該光路上を伝搬する光に対して周波数ｆで位相変調をする位相変調部と、(5)第１光カプラと第２光カプラとの間の第１分岐光路および第２分岐光路それぞれの光路長の差を調整する光路長差調整部と、を備えることを特徴とする。
さらに、第１の発明に係る光学的特性計測装置は、(6) 第２光カプラから出力される干渉光を受光して当該受光強度に応じた値の電気信号を出力する受光部と、(7) 受光部から出力される電気信号を入力し、該電気信号に含まれる周波数ｆの成分の大きさに応じた値の第１信号を出力するとともに、該電気信号に含まれる周波数２ｆの成分の大きさに応じた値の第２信号を出力する同期検出部と、(8)同期検出部から出力される第１信号または第２信号に基づいて、光路長差調整部により調整される光路長差が所定値となるように制御をする制御部と、(9) 同期検出部から出力される第１信号および第２信号に基づいて、流路におけるサンプルの光学的特性を測定する測定部と、を備えることを特徴とする。
この第１の発明に係る光学的特性計測装置では、光源部から出力される光は、第１光カプラにより２分岐されて第１分岐光および第２分岐光として出力される。第１光カプラから出力されて第１分岐光路を経た第１分岐光は、第２光カプラに入力される。第１光カプラから出力されて第２分岐光路を経るとともに該第２分岐光路上の流路を通過した第２分岐光も、第２光カプラに入力される。第２光カプラに入力された第１分岐光と第２分岐光とは干渉して、当該干渉光が第２光カプラから出力される。第１光カプラ、第２光カプラ、第１分岐光路および第２分岐光路は、マッハツェンダ干渉計を構成している。第１光カプラと第２光カプラとの間の第１分岐光路および第２分岐光路の何れかの光路上に設けられた位相変調部により、当該光路上を伝搬する光は周波数ｆで位相変調される。第１光カプラと第２光カプラとの間の第１分岐光路および第２分岐光路それぞれの光路長の差は、光路長差調整部により調整される。
第２光カプラから出力される干渉光は受光部により受光されて、当該受光強度に応じた値の電気信号が受光部から出力される。受光部から出力される電気信号は同期検出部に入力され、該電気信号に含まれる周波数ｆの成分の大きさに応じた値の第１信号が同期検出部から出力されるとともに、該電気信号に含まれる周波数２ｆの成分の大きさに応じた値の第２信号が同期検出部から出力される。そして、制御部により、同期検出部から出力される第１信号または第２信号に基づいて、光路長差調整部により調整される光路長差が所定値となるように制御される。また、測定部により、同期検出部から出力される第１信号および第２信号に基づいて、流路におけるサンプルの光学的特性が測定される。
また、第２の発明に係る光学的特性計測装置は、光の干渉を利用して流路におけるサンプルの光学的特性を測定する光学的特性計測装置であって、(1) 光を出力する光源部と、(2) 光源部から出力される光を２分岐して第１分岐光および第２分岐光として出力する第１光カプラと、(3) 第１光カプラから出力されて第１分岐光路を経た第１分岐光を入力し、第１光カプラから出力されて第２分岐光路を経るとともに該第２分岐光路上の流路を通過した第２分岐光を入力して、これら入力した第１分岐光と第２分岐光とを干渉させて当該干渉光を出力する第２光カプラと、(4)第１光カプラと第２光カプラとの間の第１分岐光路および第２分岐光路の何れかの光路上に設けられ、当該光路上を伝搬する光に対して周波数ｆで位相変調をする位相変調部と、(5)第１光カプラと第２光カプラとの間の第１分岐光路および第２分岐光路それぞれの光路長の差を調整する光路長差調整部と、を備えることを特徴とする。
さらに、第２の発明に係る光学的特性計測装置は、(6a) 第２光カプラから出力される干渉光のうち０次光を選択的に受光して当該受光強度に応じた値の第１電気信号を出力する第１受光部と、(6b)第２光カプラから出力される干渉光のうち高次光を選択的に受光して当該受光強度に応じた値の第２電気信号を出力する第２受光部と、(7a) 第１受光部から出力される第１電気信号を入力し、該第１電気信号に含まれる周波数ｆの成分の大きさに応じた値の第１信号、または、該第１電気信号に含まれる周波数２ｆの成分の大きさに応じた値の第２信号を出力する第１同期検出部と、(7b)第２受光部から出力される第２電気信号を入力し、該第２電気信号に含まれる周波数ｆの成分の大きさに応じた値の第３信号を出力するとともに、該第２電気信号に含まれる周波数２ｆの成分の大きさに応じた値の第４信号を出力する第２同期検出部と、(8)第１同期検出部から出力される第１信号または第２信号に基づいて、光路長差調整部により調整される光路長差が所定値となるように制御をする制御部と、(9) 第２同期検出部から出力される第３信号および第４信号に基づいて、流路におけるサンプルの光学的特性を測定する測定部と、を備えることを特徴とする。
この第２の発明に係る光学的特性計測装置では、光源部から出力される光は、第１光カプラにより２分岐されて第１分岐光および第２分岐光として出力される。第１光カプラから出力されて第１分岐光路を経た第１分岐光は、第２光カプラに入力される。第１光カプラから出力されて第２分岐光路を経るとともに該第２分岐光路上の流路を通過した第２分岐光も、第２光カプラに入力される。第２光カプラに入力された第１分岐光と第２分岐光とは干渉して、当該干渉光が第２光カプラから出力される。第１光カプラ、第２光カプラ、第１分岐光路および第２分岐光路は、マッハツェンダ干渉計を構成している。第１光カプラと第２光カプラとの間の第１分岐光路および第２分岐光路の何れかの光路上に設けられた位相変調部により、当該光路上を伝搬する光は周波数ｆで位相変調される。第１光カプラと第２光カプラとの間の第１分岐光路および第２分岐光路それぞれの光路長の差は、光路長差調整部により調整される。
第２光カプラから出力される干渉光のうち０次光は第１受光部により選択的に受光されて、当該受光強度に応じた値の第１電気信号が第１受光部から出力される。第２光カプラから出力される干渉光のうち高次光は第２受光部により選択的に受光されて、当該受光強度に応じた値の第２電気信号が第２受光部から出力される。第１受光部から出力される第１電気信号は第１同期検出部に入力され、該第１電気信号に含まれる周波数ｆの成分の大きさに応じた値の第１信号、または、該第１電気信号に含まれる周波数２ｆの成分の大きさに応じた値の第２信号が、第１同期検出部から出力される。第２受光部から出力される第２電気信号は第２同期検出部に入力され、該第２電気信号に含まれる周波数ｆの成分の大きさに応じた値の第３信号が第２同期検出部から出力されるとともに、該第２電気信号に含まれる周波数２ｆの成分の大きさに応じた値の第４信号が第２同期検出部から出力される。そして、制御部により、第１同期検出部から出力される第１信号または第２信号に基づいて、光路長差調整部により調整される光路長差が所定値となるように制御される。また、測定部により、第２同期検出部から出力される第３信号および第４信号に基づいて、流路におけるサンプルの光学的特性が測定される。
なお、本発明に係る光学的特性計測装置による測定の好適な対象は、流路においてサンプル粒子が１つ１つ移動しているような場合における該サンプルである、流路は、ガラス管からなるフローセルやキャピラリであってもよいし、生体の血管であってもよい。
本発明によれば、流路においてサンプル粒子が１つ１つ移動しているような場合であっても、該サンプルの光学的特性を一定感度で測定することができる。
以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
（第１実施形態）
先ず、本発明に係る光学的特性計測装置の第１実施形態について説明する。図１は、第１実施形態に係る光学的特性計測装置１の構成を示す図である。この図に示される第１実施形態に係る光学的特性計測装置１は、光源部１０、第１光カプラ２１、第２光カプラ２２、レンズ３１、レンズ３２、位相変調部４０、駆動部４１、光路長差調整部５０、制御部５１、受光部６０、同期検出部７０および測定部８０を備える。
光源部１０は、コヒーレントな光を出力するものであり、好適にはレーザ光源であり、更に好適には半導体レーザ光源やスーパールミネッセンスダイオードである。
第１光カプラ２１は、光源部１０から出力される光を２分岐して第１分岐光および第２分岐光として出力する。第１光カプラ２１は、第１分岐光を第１分岐光路Ｐ１へ出力し、第２分岐光を第２分岐光路Ｐ２へ出力する。第２光カプラ２２は、第１光カプラ２１から出力されて第１分岐光路Ｐ１を経た第１分岐光を入力し、第１光カプラ２１から出力されて第２分岐光路Ｐ２を経るとともに該第２分岐光路Ｐ２上の流路９０を通過した第２分岐光をも入力して、これら入力した第１分岐光と第２分岐光とを干渉させて当該干渉光を受光部６０へ出力する。第１光カプラ２１および第２光カプラ２２それぞれは、ビームスプリッタであってもよいし、光ファイバカプラであってもよい。第１光カプラ２１、第２光カプラ２２、第１分岐光路Ｐ１および第２分岐光路Ｐ２は、マッハツェンダ干渉計を構成している。
レンズ３１およびレンズ３２は、第１光カプラ２１と第２光カプラ２２との間の第２分岐光路Ｐ２の途中に、流路９０を挟んで対向して設けられている。レンズ３１は、第１光カプラ２１から出力されて光ファイバにより導波されて到達した第２分岐光を、コリメートまたは集光して外部へ出力する。レンズ３２は、レンズ３１から出力された第２分岐光を入力して、その第２分岐光を第２光カプラ２２へ向けて光ファイバにより導波させる。
位相変調部４０および光路長差調整部５０それぞれは、第１光カプラ２１と第２光カプラ２２との間の第１分岐光路Ｐ１の途中に設けられている。位相変調部４０は、駆動部４１から出力される周波数ｆの変調信号により駆動されて、第１分岐光路Ｐ１上を伝搬する第１分岐光に対して周波数ｆで正弦波状に位相変調をする。位相変調部４０は、例えば、ＬｉＮｂＯ３結晶を用いたものであり、変調速度が２.５Gbit/sであり、位相をπだけ変化させるのに必要な駆動電圧が５Ｖ以下であり、第１分岐光に対して５ＭＨｚで正弦波状に位相変調する。
光路長差調整部５０は、制御部５１により制御されて、第１分岐光路Ｐ１の光路長を調整することで、第１光カプラ２１と第２光カプラ２２との間の第１分岐光路Ｐ１および第２分岐光路Ｐ２それぞれの光路長の差を調整する。光路長差調整部５０としては、種々の態様のものを採用することが可能で、例えば、後に図２〜図８を用いて説明するように、円筒型圧電振動子に光ファイバを巻いて該光ファイバの光路長を可変とするものや、対向する２つのミラーの間隔を圧電素子により可変とするものが、採用可能である。
なお、第１光カプラ２１と位相変調部４０との間の光路、位相変調部４０と光路長差調整部５０との間の光路、光路長差調整部５０と第２光カプラ２２との間の光路、第１光カプラ２１とレンズ３１との間の光路、レンズ３２と第２光カプラ２２との間の光路それぞれは、光ファイバにより構成されているのが好適である。
受光部６０は、第２光カプラ２２から出力される干渉光を受光して、当該受光強度に応じた値の電気信号を同期検出部７０へ出力する。受光部６０は例えばフォトダイオードを含む。同期検出部７０は、受光部６０から出力される電気信号を入力するとともに、駆動部４１から周波数ｆの変調信号および周波数２ｆの変調信号を入力する。そして、同期検出部７０は、受光部６０から出力される電気信号に含まれる周波数ｆの成分の大きさに応じた値の第１信号を出力するとともに、該電気信号に含まれる周波数２ｆの成分の大きさに応じた値の第２信号を出力する。同期検出部７０は例えばロックインアンプを含む。
測定部８０は、同期検出部７０から出力される第１信号および第２信号に基づいて、流路９０におけるサンプルの光学的特性を測定する。また、制御部５１は、同期検出部７０から出力される第１信号または第２信号に基づいて、光路長差調整部５０により調整される光路長差が所定値となるように制御をする。なお、この制御部５１による制御は、温度等の環境の変動に因る光路長差の変動周波数を透過させ，かつサンプル通過に伴う信号が含む周波数を遮断するローパスフィルタを介して行われるのが好ましい。
次に、第１実施形態に係る光学的特性計測装置１に含まれる光路長差調整部５０の構成例について、図２〜図８を用いて説明する。
図２は、光路長差調整部５０の一例としての光路長差調整部５０Ａの構成を示す図である。この図に示される光路長差調整部５０Ａは、ミラー１０１、ミラー１０２、圧電素子１０３、コリメータ１０４およびコリメータ１０５を含む。ミラー１０１およびミラー１０２それぞれは、平坦な反射面が対向するように配置されていて、一方のミラー１０１が反射面に垂直な方向に圧電素子１０３により移動されることで、両者間の間隔が変更可能である。コリメータ１０４は、位相変調部４０から出力される光を導く光ファイバの出力端に設けられている。コリメータ１０５は、第２光カプラ２２へ光を導く光ファイバの入力端に設けられている。
コリメータ１０４からコリメータされて出力された光は、最初にミラー１０１により反射され、その後、ミラー１０１およびミラー１０２により繰り返し反射され、最後にミラー１０２により反射されてコリメータ１０５に入力される。この光路長差調整部５０Ａにおいて、圧電素子１０３によりミラー１０１が移動されることで、ミラー１０１とミラー１０２との間の間隔が変更され、コリメータ１０４からコリメータ１０５までの光路長が変更される。
例えば、ミラー１０１とミラー１０２との間隔は１０ｍｍであり、圧電素子１０３のストロークは６μｍであり、ミラー１０１およびミラー１０２による繰り返し反射の回数は１２回（一方のミラーについて６回）である。
ここで、圧電素子１０３によるミラー１０１の移動距離をδｄとし、ミラー１０１への光の入射角をθとすると、最後にミラー１０２により反射されてコリメータ１０５に入力される光は、そのコリメータ１０５への入射方向に垂直な方向に距離(２δｄ・sinθ)だけ移動する。したがって、図３に示されるように、圧電素子１０３への印加電圧が大きくなってミラー１０１の移動距離δｄが大きくなると、コリメータ１０５に結合される光の強度が小さくなる。このように光強度が変化するが、位相差φを検出する上では影響ない。
図４は、光路長差調整部５０の一例としての光路長差調整部５０Ｂの構成を示す図である。この図に示される光路長差調整部５０Ｂは、光路長差調整部５０Ａと同様に、ミラー１０１、ミラー１０２、圧電素子１０３、コリメータ１０４およびコリメータ１０５を含み、コリメータ１０４の位置を可変とする機構１０６をも含むものである。このように、圧電素子１０３によるミラー１０１の移動距離δｄに応じて、コリメータ１０４を距離(２δｄ・sinθ)だけ移動させることで、コリメータ１０５に結合される光の強度は一定に維持され得る。
図５は、光路長差調整部５０の一例としての光路長差調整部５０Ｃの構成を示す図である。この図に示される光路長差調整部５０Ｃは、光路長差調整部５０Ａと同様に、ミラー１０１、ミラー１０２、圧電素子１０３、コリメータ１０４およびコリメータ１０５を含むものであるが、ミラー１０１およびミラー１０２による反射の回数は２回（一方のミラーについて１回）である。
図６は、光路長差調整部５０の一例としての光路長差調整部５０Ｄの構成を示す図である。この図に示される光路長差調整部５０Ｄは、光サーキュレータ１１１、コリメータ１１２、圧電素子１１３およびミラー１１４を含む。光サーキュレータ１１１は、位相変調部４０から到達した光を入力して該光をコリメータ１１２へ出力し、コリメータ１１２から到達した光を入力して該光を第２光カプラ２２へ出力する。コリメータ１１２は、光サーキュレータ１１１から到達した光をコリメートしてミラー１１４へ出力し、また、ミラー１１４により反射されて到達した光を入力する。ミラー１１４は、反射面に垂直な方向に圧電素子１１３により移動される。この光路長差調整部５０Ｄでは、圧電素子１１３によりミラー１１４が移動されることで、ミラー１１４とコリメータ１１２との間の間隔が変更され、光サーキュレータ１１１の入射端から出射端までの光路長が変更される。
図７は、光路長差調整部５０の一例としての光路長差調整部５０Ｅの構成を示す図である。この図に示される光路長差調整部５０Ｅは、光サーキュレータ１２１、コリメータ１２２、圧電素子１２４およびミラー１２５〜１２７を含む。光サーキュレータ１２１は、位相変調部４０から到達した光を入力して該光をコリメータ１２２へ出力し、コリメータ１２２から到達した光を入力して該光を第２光カプラ２２へ出力する。コリメータ１２２は、光サーキュレータ１２１から到達した光をコリメートしてミラー１２５へ出力し、また、ミラー１２５により反射されて到達した光を入力する。ミラー１２５は、コリメータ１２２から到達した光をミラー１２６へ反射させ、ミラー１２６から到達した光をコリメータ１２２へ反射させ、また、反射面に垂直な方向に圧電素子１２４により移動される。ミラー１２６は、ミラー１２５から到達した光を入射してミラー１２７へ進ませ、ミラー１２７から到達した光をミラー１２５へ出力する。この光路長差調整部５０Ｅでは、圧電素子１２４によりミラー１２５が移動されることで、ミラー１２７とコリメータ１２２との間の間隔が変更され、光サーキュレータ１２１の入射端から出射端までの光路長が変更される。
図８は、光路長差調整部５０の一例としての光路長差調整部５０Ｆの構成を示す図である。この図に示される光路長差調整部５０Ｆは、円筒型圧電振動子１３１に光ファイバ１３２が巻かれたものであり、円筒型圧電振動子１３１の径の伸縮により光ファイバ１３２の光路長を可変とするものである。
次に、第１実施形態に係る光学的特性計測装置１の動作について説明する。光源部１０から出力された光は、第１光カプラ２１により２分岐されて第１分岐光および第２分岐光として出力される。第１光カプラ２１から第１分岐光路Ｐ１へ出力された第１分岐光は、駆動部４１により駆動された位相変調部４０により周波数ｆで正弦波状に位相変調をされ、制御部５１により制御された光路長差調整部５０を経て、第２光カプラ２２に入力される。第１光カプラ２１から第２分岐光路Ｐ２へ出力された第２分岐光は、レンズ３１によりコリメートまたは集光されて出力され、流路９０を通過した後にレンズ３２に入力され、第２光カプラ２２に入力される。
第２光カプラ２２に入力された第１分岐光および第２分岐光は第２光カプラ２２において干渉し、その干渉光が第２カプラ２２から出力される。第２カプラ２２から出力された干渉光は受光部６０により受光され、その受光強度に応じた値の電気信号が受光部６０から出力される。同期検出部７０には、受光部６０から出力された電気信号が入力されるとともに、駆動部４１から周波数ｆの変調信号および周波数２ｆの変調信号が入力される。そして、同期検出部７０から、受光部６０から出力される電気信号に含まれる周波数ｆの成分の大きさに応じた値の第１信号が出力されるとともに、該電気信号に含まれる周波数２ｆの成分の大きさに応じた値の第２信号が出力される。
同期検出部７０から出力される第１信号および第２信号は測定部８０に入力され、これら第１信号および第２信号に基づいて流路９０におけるサンプルの光学的特性が測定される。また、制御部５１により、同期検出部７０から出力される第１信号または第２信号に基づいて、光路長差調整部５０により調整される光路長差が所定値となるように制御をされる。
ここで、光源部１０から出力される光の波長をλとする。また、第１光カプラ２１と第２光カプラ２２との間の第１分岐光路Ｐ１および第２分岐光路Ｐ２それぞれの光路長の差Ｌは、下記（１）式で表されるように、光路長差調整部５０により或る中心値Ｌ０に設定されるとともに、位相変調部４０により中心値Ｌ０の周りに振幅ΔＬおよび周波数ｆで正弦波状に微小変動しているとする。なお、ｔは時間変数である。
Ｌ＝Ｌ０＋ΔＬ・sin(２πｆｔ) …（１）
このとき、受光部６０により受光される干渉光の強度Ｉ(t)は、下記の（２）式で表される。下記（２）式は、２πと比べてΔφが充分に小さいことを利用して近似すると、周波数ｆの成分および周波数２ｆの成分を主に含む。そのうち、周波数ｆの成分はＡsinφなる式で表され、周波数２ｆの成分はＡcosφなる式で表される。なお、Ａは定数である。したがって、両成分の比はtanφ（または、その逆数のcotφ）で表される。
Ｉ(t)＝cos{φ＋Δφ・sin(２πｆｔ)} …（２）
φ＝２π・Ｌ０／λ
Δφ＝２π・ΔＬ／λ
すなわち、同期検出部７０から出力される第１信号は、受光部６０から出力される電気信号に含まれる周波数ｆの成分の大きさに応じた値であるから、Ａsinφなる式で表される。また、同期検出部７０から出力される第２信号は、受光部６０から出力される電気信号に含まれる周波数２ｆの成分の大きさに応じた値であるから、Ａcosφなる式で表される。さらに、測定部８０において、第１信号（Ａsinφ）および第２信号（Ａcosφ）それぞれの値の比tanφまたはcotφが求められ、このtanφまたはcotφの値に基づいて、第１分岐光路Ｐ１と第２分岐光路Ｐ２との位相差φ（すなわち、光路長差Ｌ０）が得られる。そして、位相差φに基づいて、流路９０においてサンプルの位相差が測定される。
測定部８０においてtanφの値に基づいて位相差φを得る場合、第２信号（Ａcosφ）の値が０であるとき（または、０に近いとき）に、すなわち、位相差φがπ／２または３π／２であるとき（光路長差Ｌ０がλ／４または３λ／４であるとき）に、測定感度が最大となる。そこで、この場合には、制御部５１により、同期検出部７０から出力される第２信号（Ａcosφ）の絶対値が小さくなるように、光路長差調整部５０により調整される光路長差が制御される。
図９および図１０それぞれは、第１実施形態に係る光学的特性計測装置１に含まれる同期検出部７０から出力される第１信号（Ａsinφ）および第２信号（Ａcosφ）を示す図である。制御部５１および光路長差調整部５０によって光路長差が制御されていない場合、温度等の環境の変動に因り、同期検出部７０から出力される第１信号（Ａsinφ）および第２信号（Ａcosφ）は、図９および図１０（後半部分）に示されるように凡そ周期０．１〜０．５Ｈｚで変動している。これに対して、制御部５１および光路長差調整部５０によって光路長差が制御されている場合、同期検出部７０から出力される第１信号（Ａsinφ）は、図１０（前半部分）に示されるように安定している。
以上のように、第１実施形態に係る光学的特性計測装置１では、サンプル粒子が分岐光を横切っていないときにも光路長差を所定値に制御することができ、流路においてサンプル粒子が１つ１つ移動しているような場合であっても、該サンプルの光学的特性を一定感度で測定することができる。
（第２実施形態）
次に、本発明に係る光学的特性計測装置の第２実施形態について説明する。図１１は、第２実施形態に係る光学的特性計測装置２の構成を示す図である。図１に示された第１実施形態に係る光学的特性計測装置１の構成と比較すると、この図１１に示される第２実施形態に係る光学的特性計測装置２は、受光部６０に替えて第１受光部６１および第２受光部６２を備える点で相違し、同期検出部７０に替えて第１同期検出部７１および第２同期検出部７２を備える点で相違し、制御部５１が第１同期検出部７１から出力される信号に基づいて制御を行う点で相違し、また、測定部８０が第２同期検出部７２から出力される信号に基づいて測定を行う点で相違する。
第１受光部６１は、第２光カプラ２２から出力される干渉光のうち０次光を選択的に受光して、当該受光強度に応じた値の第１電気信号を同期検出部７１へ出力する。第２受光部６２は、第２光カプラ２２から出力される干渉光のうち高次光を選択的に受光して、当該受光強度に応じた値の第２電気信号を同期検出部７２へ出力する。第１受光部６１および第２受光部６２それぞれは例えばフォトダイオードを含む。
第１同期検出部７１は、第１受光部６１から出力される第１電気信号を入力し、該第１電気信号に含まれる周波数ｆの成分の大きさに応じた値の第１信号（Ａsinφ）、または、該第１電気信号に含まれる周波数２ｆの成分の大きさに応じた値の第２信号（Ａcosφ）を出力する。第２同期検出部７２は、第２受光部６２から出力される第２電気信号を入力し、該第２電気信号に含まれる周波数ｆの成分の大きさに応じた値の第３信号（Ａsinφ）を出力するとともに、該第２電気信号に含まれる周波数２ｆの成分の大きさに応じた値の第４信号（Ａcosφ）を出力する。第１同期検出部７１および第２同期検出部７２それぞれは例えばロックインアンプを含む。
制御部５１は、第１同期検出部７１から出力される第１信号（Ａsinφ）または第２信号（Ａcosφ）に基づいて、光路長差調整部５０により調整される光路長差が所定値となるように制御をする。この制御部５１による制御の内容は、第１実施形態の場合と同様である。測定部８０は、第２同期検出部７２から出力される第３信号（Ａsinφ）および第４信号（Ａcosφ）に基づいて、流路９０におけるサンプルの光学的特性を測定する。この測定部８０による処理の内容は、第１実施形態の場合と同様である。
次に、第２実施形態に係る光学的特性計測装置２に含まれる第２光カプラ２２，第１受光部６１および第２受光部６２の構成例について、図１２〜図１４を用いて説明する。
図１２に示される構成例では、流路９０は、レンズ３１の後焦点位置にあり、レンズ３２の前焦点位置にある。第２光カプラ２２は、ビームスプリッタであり、第１分岐光路Ｐ１を経てコリメータ３３によりコリメートされて出力される第１分岐光を入力するとともに、レンズ３２により集光されて出力される第２分岐光をも入力して、これら第１分岐光と第２分岐光とを干渉させて、当該干渉光を第１受光部６１および第２受光部６２それぞれへ出力する。
第２光カプラ２２と第１受光部６１との間に設けられたピンホール２０１は、レンズ３２の後焦点位置にあり、第２光カプラ２２から到達した干渉光のうち０次光を通過させ、第２光カプラ２２から到達した干渉光のうち高次光を遮断する。第１受光部６１は、このピンホール２０１を通過した０次光を受光する。第２光カプラ２２と第２受光部６２との間に設けられたストッパ２０２は、レンズ３２の後焦点位置にあり、第２光カプラ２２から到達した干渉光のうち０次光を遮断し、第２光カプラ２２から到達した干渉光のうち高次光を通過させる。第２受光部６２は、このストッパ２０２を通過した高次光を受光する。
図１３に示される構成例では、流路９０は、レンズ３１の後焦点位置にあり、レンズ３２の前焦点位置にある。第２光カプラ２２は、ビームスプリッタであり、第１分岐光路Ｐ１を経てコリメータ３３によりコリメートされて出力される第１分岐光を入力するとともに、レンズ３２によりコリメートされ、レンズ３２の後焦点位置に入射端面をもつ多芯光ファイバ２１０により導波され、多芯ファイバ２１０の出射端面の像は、リレーレンズ３４により、ピンホール２０１およびストッパ２０２に結像される。これらを経て出力される第２分岐光をも、第２光カプラ２２は入力して、これら第１分岐光と第２分岐光とを干渉させて、当該干渉光を第１受光部６１および第２受光部６２それぞれへ出力する。
第２光カプラ２２と第１受光部６１との間に設けられたピンホール２０１は、リレーレンズ３４により結像された像面位置にあり、第２光カプラ２２から到達した干渉光のうち０次光を通過させ、第２光カプラ２２から到達した干渉光のうち高次光を遮断する。第１受光部６１は、このピンホール２０１を通過した０次光を受光する。第２光カプラ２２と第２受光部６２との間に設けられたストッパ２０２は、リレーレンズ３４により結像された像面位置にあり、第２光カプラ２２から到達した干渉光のうち０次光を遮断し、第２光カプラ２２から到達した干渉光のうち高次光を通過させる。第２受光部６２は、このストッパ２０２を通過した高次光を受光する。
図１４に示される構成例では、流路９０は、レンズ３１の後焦点位置にあり、レンズ３２の前焦点位置にある。第２光カプラ２２は、ビームスプリッタであり、第１分岐光路Ｐ１を経てコリメータ３３によりコリメートされて出力される第１分岐光を入力するとともに、レンズ３２によりコリメートされて出力される第２分岐光をも入力して、これら第１分岐光と第２分岐光とを干渉させて、当該干渉光を第１受光部６１および第２受光部６２へ出力する。
第１受光部６１および第２受光部６２は、同図（ｂ）に示されるように、レンズ３２の後焦点位置にあって、２つの受光領域を有する１つの素子から構成されている。すなわち、中心部分の受光領域は、第２光カプラ２２から到達した干渉光のうち０次光を選択的に受光するものであり、第１受光部６１として作用する。その周囲の環状の受光領域は、第２光カプラ２２から到達した干渉光のうち高次光を選択的に受光するものであり、第２受光部６２として作用する。
次に、第２実施形態に係る光学的特性計測装置２の動作について説明する。光源部１０から出力された光は、第１光カプラ２１により２分岐されて第１分岐光および第２分岐光として出力される。第１光カプラ２１から第１分岐光路Ｐ１へ出力された第１分岐光は、駆動部４１により駆動された位相変調部４０により周波数ｆで正弦波状に位相変調をされ、制御部５１により制御された光路長差調整部５０を経て、第２光カプラ２２に入力される。第１光カプラ２１から第２分岐光路Ｐ２へ出力された第２分岐光は、レンズ３１によりコリメートまたは集光されて出力され、流路９０を通過した後にレンズ３２に入力され、第２光カプラ２２に入力される。
第２光カプラ２２に入力された第１分岐光および第２分岐光は第２光カプラ２２において干渉し、その干渉光が第２カプラ２２から出力される。第２光カプラ２２から出力される干渉光のうち０次光は第１受光部６１により選択的に受光されて、当該受光強度に応じた値の第１電気信号が第１受光部６１から同期検出部７１へ出力される。第２光カプラ２２から出力される干渉光のうち高次光は第２受光部６２により選択的に受光されて、当該受光強度に応じた値の第２電気信号が第２受光部６２から同期検出部７２へ出力される。
第１同期検出部７１には、第１受光部６１から出力された第１電気信号が入力されるとともに、駆動部４１から周波数ｆの変調信号および周波数２ｆの変調信号が入力される。第１同期検出部７１から、第１受光部６１から出力される第１電気信号に含まれる周波数ｆの成分の大きさに応じた値の第１信号（Ａsinφ）が出力されるとともに、該第１電気信号に含まれる周波数２ｆの成分の大きさに応じた値の第２信号（Ａcosφ）が出力される。そして、制御部５１により、第１同期検出部７１から出力される第１信号（Ａsinφ）または第２信号（Ａcosφ）に基づいて、光路長差調整部５０により調整される光路長差が所定値となるように制御をされる。この制御部５１による制御の内容は、第１実施形態の場合と同様である。
第２同期検出部７２には、第２受光部６２から出力された第２電気信号が入力されるとともに、駆動部４１から周波数ｆの変調信号および周波数２ｆの変調信号が入力される。第２同期検出部７２から、第２受光部６２から出力された第２電気信号に含まれる周波数ｆの成分の大きさに応じた値の第３信号（Ａsinφ）が出力されるとともに、該第２電気信号に含まれる周波数２ｆの成分の大きさに応じた値の第４信号（Ａcosφ）が出力される。そして、測定部８０により、第２同期検出部７２から出力される第３信号（Ａsinφ）および第４信号（Ａcosφ）に基づいて、流路９０におけるサンプルの光学的特性が測定される。この測定部８０による処理の内容は、第１実施形態の場合と同様である。
以上のように、第２実施形態に係る光学的特性計測装置２でも、サンプル粒子が分岐光を横切っていないときにも光路長差を所定値に制御することができ、流路においてサンプル粒子が１つ１つ移動しているような場合であっても、該サンプルの光学的特性を一定感度で測定することができる。
特に、第２実施形態に係る光学的特性計測装置２では、第２光カプラ２２から出力される干渉光のうち０次光から第１受光部６１および第１同期検出部７１により得られる第１信号（Ａsinφ）または第２信号（Ａcosφ）に基づいて、光路長差調整部５０により調整される光路長差が所定値となるように制御をされる。また、第２光カプラ２２から出力される干渉光のうち高次光から第２受光部６２および第２同期検出部７２により得られる第３信号（Ａsinφ）および第４信号（Ａcosφ）に基づいて、流路９０におけるサンプルの光学的特性が測定部８０により測定される。したがって、０次光と比べて高次光の強度が弱い場合にも測定感度が高い。
第１実施形態に係る光学的特性計測装置１の構成を示す図である。 光路長差調整部５０の一例としての光路長差調整部５０Ａの構成を示す図である。 光路長差調整部５０Ａの特性を示す図である。 光路長差調整部５０の一例としての光路長差調整部５０Ｂの構成を示す図である。 光路長差調整部５０の一例としての光路長差調整部５０Ｃの構成を示す図である。 光路長差調整部５０の一例としての光路長差調整部５０Ｄの構成を示す図である。 光路長差調整部５０の一例としての光路長差調整部５０Ｅの構成を示す図である。 光路長差調整部５０の一例としての光路長差調整部５０Ｆの構成を示す図である。 光路長差の制御を行わない場合に同期検出部７０から出力される第１信号（Ａsinφ）および第２信号（Ａcosφ）を示す図である。 光路長差の制御を行う場合および行わない場合それぞれに同期検出部７０から出力される第１信号（Ａsinφ）を示す図である。 第２実施形態に係る光学的特性計測装置２の構成を示す図である。 第１受光部６１および第２受光部６２の一構成例を示す図である。 第１受光部６１および第２受光部６２の一構成例を示す図である。 第１受光部６１および第２受光部６２の一構成例を示す図である。
符号の説明
１，２…光学的特性計測装置、１０…光源部１０、２１，２２…光カプラ、３１〜３２…レンズ、４０…位相変調部、４１…駆動部、５０…光路長差調整部、５１…制御部、６０〜６２…受光部、７０〜７２…同期検出部、８０…測定部。

Claims (2)

  1. 光の干渉を利用して流路におけるサンプルの光学的特性を測定する光学的特性計測装置であって、
    光を出力する光源部と、
    前記光源部から出力される光を２分岐して第１分岐光および第２分岐光として出力する第１光カプラと、
    前記第１光カプラから出力されて第１分岐光路を経た第１分岐光を入力し、前記第１光カプラから出力されて第２分岐光路を経るとともに該第２分岐光路上の前記流路を通過した第２分岐光を入力して、これら入力した第１分岐光と第２分岐光とを干渉させて当該干渉光を出力する第２光カプラと、
    前記第１光カプラと前記第２光カプラとの間の前記第１分岐光路および前記第２分岐光路の何れかの光路上に設けられ、当該光路上を伝搬する光に対して周波数ｆで位相変調をする位相変調部と、
    前記第１光カプラと前記第２光カプラとの間の前記第１分岐光路および前記第２分岐光路それぞれの光路長の差を調整する光路長差調整部と、
    前記第２光カプラから出力される干渉光を受光して当該受光強度に応じた値の電気信号を出力する受光部と、
    前記受光部から出力される電気信号を入力し、該電気信号に含まれる周波数ｆの成分の大きさに応じた値の第１信号を出力するとともに、該電気信号に含まれる周波数２ｆの成分の大きさに応じた値の第２信号を出力する同期検出部と、
    前記同期検出部から出力される第１信号または第２信号に基づいて、前記光路長差調整部により調整される光路長差が所定値となるように制御をする制御部と、
    前記同期検出部から出力される第１信号および第２信号に基づいて、前記流路におけるサンプルの光学的特性を測定する測定部と、
    を備えることを特徴とする光学的特性計測装置。
  2. 光の干渉を利用して流路におけるサンプルの光学的特性を測定する光学的特性計測装置であって、
    光を出力する光源部と、
    前記光源部から出力される光を２分岐して第１分岐光および第２分岐光として出力する第１光カプラと、
    前記第１光カプラから出力されて第１分岐光路を経た第１分岐光を入力し、前記第１光カプラから出力されて第２分岐光路を経るとともに該第２分岐光路上の前記流路を通過した第２分岐光を入力して、これら入力した第１分岐光と第２分岐光とを干渉させて当該干渉光を出力する第２光カプラと、
    前記第１光カプラと前記第２光カプラとの間の前記第１分岐光路および前記第２分岐光路の何れかの光路上に設けられ、当該光路上を伝搬する光に対して周波数ｆで位相変調をする位相変調部と、
    前記第１光カプラと前記第２光カプラとの間の前記第１分岐光路および前記第２分岐光路それぞれの光路長の差を調整する光路長差調整部と、
    前記第２光カプラから出力される干渉光のうち０次光を選択的に受光して当該受光強度に応じた値の第１電気信号を出力する第１受光部と、
    前記第２光カプラから出力される干渉光のうち高次光を選択的に受光して当該受光強度に応じた値の第２電気信号を出力する第２受光部と、
    前記第１受光部から出力される第１電気信号を入力し、該第１電気信号に含まれる周波数ｆの成分の大きさに応じた値の第１信号、または、該第１電気信号に含まれる周波数２ｆの成分の大きさに応じた値の第２信号を出力する第１同期検出部と、
    前記第２受光部から出力される第２電気信号を入力し、該第２電気信号に含まれる周波数ｆの成分の大きさに応じた値の第３信号を出力するとともに、該第２電気信号に含まれる周波数２ｆの成分の大きさに応じた値の第４信号を出力する第２同期検出部と、
    前記第１同期検出部から出力される第１信号または第２信号に基づいて、前記光路長差調整部により調整される光路長差が所定値となるように制御をする制御部と、
    前記第２同期検出部から出力される第３信号および第４信号に基づいて、前記流路におけるサンプルの光学的特性を測定する測定部と、
    を備えることを特徴とする光学的特性計測装置。
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