JP2010236973A - 光学特性測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光学特性の測定において、人組織のように層構造を持つものや、散乱性が種類や形状によって大きく異なるものは、目的に応じて発光部と受光部の距離を変える必要がある。そこで、異なる測定部位からの情報を得るために、複数個の受光素子からなる測定装置を用いるか、機械的に受光素子の位置を移動させるかである。しかしながら、複数個所の受光位置での測定は、発光部の強度変動等の影響を測定値がうけるという問題がある。
【解決手段】被検体である光散乱体に接触可能な発光部と、発光部の中心からの距離が異なる少なくとも２つの受光部を備え、発光部と参照信号用受光部の距離は一定とし、測定信号用受光部における光強度を距離を変えて少なくとも２箇所で測定し、それぞれの位置における相対反射強度の比をとることで、発光部の変動の影響を受けずに、任意の位置での光学特性の測定を行うことができる。
【選択図】図１

Description

この発明は、被検体に光を照射し、被検体によって散乱、反射、あるいは吸収された光を受光して、食品、工業材料、生体等のように光を散乱する物体の光学的特性を表すパラメータを測定する技術に関するものである。この技術はプラスチック等の工業材料の検査、農作物、食品の検査、光による生体診断等に適用できるものである。

光による散乱体の計測の分野においては対象物に可視光から近赤外光の波長の光を照射し、生体内部で吸収あるいは散乱して反射してくる光を受光し、この散乱光の反射スペクトルを測定、解析することによって、対象物の成分、構造を推定する。

散乱特性としては散乱係数μs 、等価散乱係数μs ’、散乱の位相関数（角度分布）ｐ（θ）、非等方散乱パラメータｇがあり、吸収特性としては吸収係数μa がある。これらの光学特性のパラメータの簡便な算出法では、入射ビームを光ファイバーで導き、反射光の強度分布を測定するものがある。

特開2006-058310号公報 特開平08-010244号公報

OPTICS LETTERS / Vol. 31, No. 8 / April 15, 2006

発光部から照射された光は、被検体の中で散乱や吸収が行われながら進行して受光部に到達するが、一般に、発光部と受光部との距離が短い場合には、受光部は主に被検体の浅い部分を通過した光を受光し、発光部と受光部との距離が長い場合には、受光部は主に被検体の深い部分を通過した光を受光する。そのため、人組織のように層構造を持つものや、散乱性が種類や形状によって大きく異なるものは、目的に応じて発光部と受光部の距離を変える必要がある。

そこで、異なる測定部位からの情報を得るためには、複数個の配列した受光素子を有する測定装置を用いるか、機械的に受光素子の位置を移動させて測定を行う必要がある。しかしながら、複数個所の受光素子における測定では、各受光素子において同時に信号を取得することが困難であるため、発光部の強度変動等の影響を測定値がうけるという問題がある。

光散乱体に照射光を照射する発光部３と、発光部３の中心からの距離が異なる少なくとも２つの光検出器７a、７ｂからなる参照信号用受光部４a、測定信号用受光部４bと、これら２箇所の光検出器で検出された光強度の比である相対透過率を算出し、光散乱体の光学特性を求める演算処理部８を備える。発光部に近いほうの参照信号用受光部４aは一定の距離で固定し、測定信号用受光部４bは発光部中心からの距離を可変の構造とし、少なくとも２箇所の異なる位置で反射光強度を検出する。それぞれの位置における受光部４ａとの相対反射率を算出、演算することで、発光部の変動の影響を受けずに、任意の範囲における光学特性パラメータの算出を行うことができる。

一般に、均一な光散乱，吸収体の特性は吸収係数μａと等価散乱係数μｓ’（＝（１−ｇ）μｓ）の２つの光学定数により記述できる。μｓは散乱係数であり、ｇは非等方性パラメータである。このとき、Ｂ＝（３・μａ・μｓ’）1/2 とし、入射点と２つの受光点との距離をａ1 ，ａ2 （ａ1＜ａ2 ）とし、各受光点での受光強度をＩ1 ，Ｉ2 （Ｉ1 ＞Ｉ2 ）とすると、ｌｎ（Ｉ１／Ｉ２）とＢとは相関があることが知られており、Ｉ１とＩ２を同時に測定することで、光源の強度変動を補正できる。

本発明では、測定信号用受光部の検出位置を可変にし、参照信号用受光部との相対反射率から、異なる深さ、範囲からの光学情報を得ることができる。参照信号用受光部の位置を固定し（入射点からの距離a1）、入射点からの距離a2（ａ1＜ａ2）の位置にある測定信号用受光部をａ２からａ２’（ａ２＜ａ２’）に移動させる。入射点からの距離ａ２における受光強度をＩ２、入射点からの距離ａ２’における受光強度をＩ２’とすると、それぞれの位置における相対反射率はＲ１＝ｌｎ（Ｉ２／Ｉ１）、Ｒ２＝ｌｎ（Ｉ２’／Ｉ１）となる。このとき、ｌｎ（Ｒ２）−ｌｎ(Ｒ１)は、参照信号用受光部が距離a２、測定信号用受光部が距離ａ２’の位置にあるときの相対反射率に等しい。つまり、測定信号用受光部の測定位置間の光学情報が得られることになり、ｎ箇所で測定した場合（ｎ−１）！箇所の領域の光学情報が得られることになり、測定受光部を可変させることで、任意の範囲の光学特性の測定が可能となる。

なお、発光部と測定信号用受光部の間の距離変更は、１つの測定プローブ内において、発光部側と受光部側の少なくともいずれか一方の側を移動させる構成により行うことができる。

受光用光ファイバーを移動させる代わりに、図２のようにフォトダイオードアレイのような検出器を横一列に並べた構造をとってもよい。その検出器中の一つの検出位置における受光強度を参照信号として、相対反射率を算出することができる。

また、変調した光をロックインアンプで分離することで、外乱の影響をうけずに正確な測定が可能となる。

光源の変動の影響を受けずに、任意の範囲における光学特性の情報を得ることができるため、出力の変動が大きい光源においても正確に光学特性の測定が可能となる。また、被検体の特性に合わせて光源の光強度を自由に変えることができる。

光散乱体の光学特性測定装置の構成説明図である。 検出器を複数配置した測定装置の構成説明図である。 相対反射率の測定図である。 ポリスチレン微粒子における光パラメータ（散乱係数）の測定図である。

以下では、本発明の実施の形態について添付図面を参照して説明する。すべての図面において、実施形態が異なる場合であっても、同一または相当する部材には同一の符号を付し、共通する説明は省略する。

図１に示すように光学特性測定装置１は、外部から入射された光を散乱して外部に出射する光散乱体からなる被検体５の内部の性状特性値を光学的に測定するものであり、その概略構成は、光源６ 、センサプローブ２ （ 固定保持部材） 、光検出器７ 、信号処理部８ 、中央制御ユニット９、入射光ファイバー３、受光光ファイバー４等からなる。

被検体２ は、測定対象の性状を有する光散乱体であれば、どのようなものでもよい。例えば、青果物、生体などの動植物、食品、飲料物、土壌サンプル、その他、各種定量分析用検体、固体状・粉体状・ゼリー状・液体状等の試料などの例が挙げられる。

光源６はレーザー、発光ダイオード等を用いることができる。受光用光ファイバー4bは可変の構造とするが、図２に示すように複数の光ファイバーを並べた構造でもよい。また、２箇所同時に測定することが可能であれば、フォトダイオードアレイ等の受光素子でもよい。

信号処理部８は、受光検出器７ａと７ｂで受光した受光強度比を演算し、被検体の光学的特性を求める信号処理を行う。

粒径ｄ＝０．５μｍのラテックス粒子浮遊液を対象物とし、ａ１＝２ｍｍ、ａ２＝１ｍｍ及び４ｍｍにおいて測定を行い、相対反射率を算出した。また、a１＝３ｍｍ、ａ２＝３ｍｍにおいても同様に測定し、相対反射率を算出した。図３に、ａ１＝２ｍｍ、ａ２＝１ｍｍ及び４ｍｍにおける相対反射率の差を算出した結果と、ａ１＝３ｍｍ、ａ２＝３ｍｍにおいて算出した相対反射率の測定値を示す。これらの相対反射率は一致しており、任意の二点間の光学パラメータの算出が可能であることがわかる。

図４に粒径ｄ＝０．５μｍのラテックス粒子浮遊液１％溶液の相対反射率を用いて算出した等価散乱係数の算出結果を示す。この結果はミー理論値とよく一致している。

１ 光学特性測定装置
２ プローブ
３ 光出射素子
４ 受光部
５ 対象物
６ 光源
７ 光出射素子
８ 演算部

Claims (3)

1. 被検体である光散乱体に接触可能な発光部と、発光部の中心からの距離が異なる少なくとも２つの受光部を備え、発光部と参照信号用受光部の距離は一定とし、測定信号用受光部における光強度を受光部からの距離を変えて少なくとも２箇所で測定し、それぞれの位置における相対反射強度から、光学特性を測定する装置。
2. 前記光出射素子および受光素子は光ファイバーであることを特徴とする請求項１記載の光散乱体の光学特性測定装置。
3. 受光素子は光センサーであることを特徴とする請求項１記載の光散乱体の光学特性測定装置。
   
   

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