JP2015194359A - 散乱体分光分析装置 - Google Patents

Abstract

【課題】単位面積当たりの光量を低く保ちながら、ＳＮ比良く高速に検出でき、光学素子の工夫と信号処理によって素子数を２倍有効活用でき、厚みのある試料・光源でも分光装置としてのビジビリティーを損なわず、測定対象に焦点を合わせる機能を必要としない分光分析装置を提供する。
【解決手段】試料から拡散反射または透過した光を大口径ファイバーに入射させ、その射出端から、シェアリング干渉を用いた分光光学系に導き、二次元センサから得られるインターフェログラムを信号処理することにより高速・高ＳＮ比・高精度で微弱光を分光分析するマルチチャンネル分光分析装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、生体計測・粉体計測・食品計測をはじめとする光学的散乱体に対する非破壊・非侵襲的な分光測定法とそれを効果的に実現する装置に関するものである。
本発明ではマルチチャンネル分光分析法を用いて吸光散乱計測を行い、光利用効率を向上させた高感度性を実現することで、装置性能の高速化や高い信号ノイズ比や低光量性において、装置性能を高めることを目的とする技術に関するものである。

生体計測では非侵襲性が重視されているものの、生体は強い光散乱体であることが多く、信号は極めて低くなり測定は困難である場合が多い。例えば、糖尿病患者においては日常的な血糖管理が求められることから、非侵襲計測技術への強い要求があるため研究は古くからなされているが、信頼性のある実用化には未だ至っていない。生活習慣病として、糖尿病やメタボリックシンドロームは世界的にも該当者が多く、合併症をもつ患者にとって定期的な血液成分計測は欠かせないものとなっている。
特に糖尿病は深刻な合併症を引き起こすため、穿刺採血を伴う自己血糖計測（Self-Monitoring Blood Glucose, 以後ＳＭＢＧと呼ぶ）が必須となっており、これにより患者は多大な負担を伴っている。

特開２０１０−６６２８０号 特開２００５−２５０１４４号

D.Malacara and O.Harris, Appl.Opt.,9, 1630-1633(1970). T.Okamoto,S.Kawata and S.Minami,Appl.Opt.,23,269(1984). M.Hashimoto and S.Kawata, Appl.Opt.,31, 6096-6101(1992).

赤外・近赤外分光分析は、分子内の結合状態による光の吸収・散乱を原理としているが、生活習慣病を左右する血液成分、例えば中性脂肪・コレステロール・糖化タンパクなどの含有量は血液量の０.０１％から１％程度と元々が微量であることに加えて、非侵襲測定では極めて強い皮膚の吸収・散乱を避けることはできないため、検出は極めて困難である。
一方、生体分光分析では、光に対する生体安全性の観点から光源光量も制約を受ける。人の皮膚に照射する光はできるかぎり低く抑えることが必要であり、単位面積あたりの照射量に規制がある。

このため、検出光量が十分でない場合でも、単位面積当たりの照射量を上げることは避けなければならず、照射する面積を増やすほうが望ましいが、一般的な分光法である分散分光やフーリエ分光では、光源位置にスリットが設けられており、単位面積当たりの光量を増加させない限り、検出光量は増加しない。また、偏光計測では偏光子の回転時間が必要となる。このため、通常は時間積算によって必要なＳＮ比を取得するが、高速性を犠牲にするため、生体などの動きのある計測は困難となる。
そこで、本発明が解決しようとする課題の１つ目は、単位面積当たりの光量を低く保ちながら、ＳＮ比良く高速に検出する手段を提供することにある。

また、マルチチャンネル分光分析で波長分解能を高くするためには、ラインセンサ・エリアセンサの素子数が多く必要となるが、素子数の多いセンサは高価である。
そこで、本発明の解決しようとする課題の２つ目は光学素子の工夫と信号処理によって素子数を２倍有効活用する手段を提供することにある。素子数が同じ場合、この技術により波数分解が２倍となり高精度化できる。また、波数分解が同じ場合、必要な素子数は半分となりコストダウンにつなげることが可能である。

さらに、ラインセンサを有するマルチチャンネル分光分析では、スペクトルまたはインターフェログラムの位置は光学系設計によってほぼ限定された位置に生成されるため、その位置に検出器が置かれる。その前後の位置ではビジビリティーが低下する。もし、厚みのある光源や、生体などの厚みのある試料から拡散反射または透過した光に対して、このマルチチャンネル分光分析を適用する場合には、奥行きのある光源あるいは試料内部のいたるところで散乱された光が仮想光源として作用するために、スペクトルまたはインターフェログラムの位置にも前後の乱れが生じて、信号のビジビリティーを損なうという問題が生じる。
そこで、本発明が解決しようとする課題の３つ目は、厚みのある試料・光源でも本来の分光装置のビジビリティーを損なわない手段を提供することにある。

また、遠方測定などの接触測定ではない場合には、信号のビジビリティーを損なわないために、測定対象に焦点を合わせる機能が自動・手動を問わずに必要となっていた、そこで、本発明が解決しようとする課題の４つ目は非駆動かつ簡便にこの手段を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明は、シェアリング干渉光学系に偏光素子を組み合わせることにより同位相干渉と逆位相干渉の位相が逆転した干渉縞を同時に生成・取得し、信号処理手段は、同位相干渉のインターフェログラムと逆位相干渉のインターフェログラムの差分信号処理を行なうことよりセンサの検出信号を二倍に高めかつバイアスノイズを除去することを特徴とするマルチチャンネル分光分析装置であって、前記マルチチャンネル分光分析装置に大口径光ファイバーを組み合わせることにより、大口径光ファイバーの射出端からの光をシェアリング干渉光学系に入射することを特徴とする。
また、本発明は、前記マルチチャンネル分光分析装置において、前記シェアリング干渉光学系と偏光素子の組み合わせは、偏光子・サバール板・複合検光子・フーリエ変換レンズ・二次元エリアセンサまたは複数段アレイセンサを備え、前記複合検光子は上半分と下半分とで互いに直交する偏光板からなり、前記二次元エリアセンサまたは複数段アレイセンサの上半分と下半分に位相が逆転した干渉縞を同時に出現させ、上半分の二次元エリアセンサまたは複数段アレイセンサの水平方向のラインのセンサで生成された干渉縞を垂直方向に積算したインターフェログラムと、下半分の二次元エリアセンサまたは複数段アレイセンサの水平方向のラインのセンサで生成された干渉縞を垂直方向に積算したインターフェログラムとの間で前記差分信号処理を行なうことを特徴とする。
また、本発明は、前記マルチチャンネル分光分析装置において、前記シェアリング干渉光学系と偏光素子の組み合わせは、ウォラストンプリズム・サバール板・偏光板からなる検光子・フーリエ変換レンズ・二次元エリアセンサまたは複数段アレイセンサを備え、前記二次元エリアセンサまたは複数段アレイセンサの上半分と下半分に位相が逆転した干渉縞を出現させ、上半分の二次元エリアセンサまたは複数段アレイセンサの水平方向のラインのセンサで生成された干渉縞を垂直方向に積算したインターフェログラムと、下半分の二次元エリアセンサまたは複数段アレイセンサの水平方向のラインのセンサで生成された干渉縞を垂直方向に積算したインターフェログラムとの間で前記差分信号処理を行なうこと特徴とする。
また、本発明は、前記マルチチャンネル分光分析装置において、前記ウォラストンプリズムに代えて、偏光状態に応じてビーム位置・方向にずれを生じるさせる偏光素子を用いたこと特徴とする。
また、本発明は、前記マルチチャンネル分光分析装置において、前記シェアリング干渉光学系と偏光素子の組み合わせは、偏光子・サバール板・偏光ビームスプリッターと、前記偏光ビームスプリッターの透過方向および反射方向にそれぞれ設けたフーリエ変換レンズ・二次元エリアセンサを備え、前記透過方向に設けた二次元エリアセンサと前記反射方向に設けた二次元エリアセンサに位相が逆転した干渉縞を出現させ、前記透過方向に設けた二次元エリアセンサの水平方向のラインのセンサで生成された干渉縞を垂直方向に積算したインターフェログラムと、前記反射方向に設けた二次元エリアセンサの水平方向のラインのセンサで生成された干渉縞を垂直方向に積算したインターフェログラムとの間で前記差分信号処理を行なうことを特徴とする。
また、本発明は、試料に光を照射する光源と、試料から拡散反射または透過した光を入射端から入射する大口径光ファイバーと、大口径光ファイバーの射出端からの光をシェアリング干渉光学系に入射することにより干渉縞をアレイ検出器上に出現させ、アレイ検出器で生成されたインターフェログラムを処理する信号処理手段を備えたマルチチャンネル分光分析装置であって、前記シェアリング干渉光学系に光学素子を組み合わせることにより片側インターフェログラムを生成して当該片側インターフェログラムを前記信号処理手段で解析し、前記信号処理手段によるインターフェログラムの解析を両側インターフェログラム生成よりも高精度で行えるようにしたことを特徴とする。
また、本発明は、前記マルチチャンネル分光分析装置において、前記シェアリング干渉光学系と光学素子の組み合わせは、偏光子・サバール板・複屈折板・検光子・フーリエ変換レンズ・二次元エリアセンサを備え、前記二次元エリアセンサ上にセンターバーストが片側に寄った干渉縞を出現させ、二次元エリアセンサの水平方向のラインのセンサで生成された干渉縞を垂直方向に積算した片側インターフェログラムを生成し、当該片側インターフェログラムを信号処理手段で解析することを特徴とする。
また、本発明は、前記マルチチャンネル分光分析装置において、前記複屈折板に代えて、２光束に位相差を生じさせる光学素子または２光束に位相差を生じさせる光学配置のいずれかをとることを特徴とする。

本発明によれば、シェアリング干渉を用いて広い光源面積からの光を利用し、これまでは光量不足、低いＳＮ比などで長時間積算しなければならなかった試料・測定装置に対して、短時間かつ高ＳＮ比での計測が可能となる。これは、生体のように動きのあるものや非侵襲血液検査のように脈動する対象であっても、変動に追随できる偏光計測が可能となる。
また、本発明によれば、厚みのある光源や、生体などの厚みのある試料から拡散反射または透過した光を断面積の大きいバンドルファイバーに入射させ、その射出端を分光光学系に導くので、厚みのある生体試料や厚みのある光源を用いた場合においても、信号を劣化させることがなく光量増加に寄与させることができる。通常、シフトインバリアント性は光軸に対して垂直１次元方向のみであるが、本発明では垂直２次元方向および光軸方向への３次元広がりに対しても対応できることになり、短時間かつ高ＳＮ比での計測を実現できる。
また、分光装置は非侵襲血液測定をはじめとして様々な応用が考えられるが、駆動による安定性の低下や高価な検出器が必要であることが普及の障壁となっており、特に近赤外・赤外領域において用いられる冷却型エリアセンサを用いた高価な構成では限られた医療施設にしか設置することはできなかったが、本発明によれば、十分な光量が得られるため高価な冷却型センサ用をいることなく安価な検出センサでも検出でき、光学素子の工夫と信号処理によって素子数を２倍有効活用できるため安価な装置が実現できる。

本発明のシェアリング干渉を用いたマルチチャンネル分光分析装置の一実施例を示した図であって、２段目の偏光素子として上下に互いに直交する偏光板を利用して、上下の位相が逆転したインターフェログラムを同時形成する光学系による例。 本発明のシェアリング干渉を用いたマルチチャンネル分光分析装置の一実施例を示した図であって、１段目の偏光素子としてウォラストンプリズムを用いて、上下の位相が逆転したインターフェログラムを同時形成する光学系による例。 本発明のシェアリング干渉を用いたマルチチャンネル分光分析装置の一実施例を示した図であって、２段目の偏光素子として偏光ビームスプリッターを用いて、位相が逆転したインターフェログラムを同時に形成する光学系による例。 本発明のシェアリング干渉を用いたマルチチャンネル分光分析装置の一実施例を示した図であって、一軸性結晶からなる平行平板を挿入することで、片側インターフェログラムの形成を可能とする光学系を用いた例。

本発明では、シェアリング干渉を用いた多次元のマルチチャンネル分光法を利用することで、広い光源面積からの光を利用できる分光装置とする。本発明で用いるマルチチャンネル分光法は原理的に光源面積には制限を受けず、光量損失も最低限となる。このため広い範囲の光を検出可能であり、偏光計測に伴う光の損失も少ないものとなり、スループットが極めて高い手法を実現できる。なお、光源面積に制限を受けないためには、光束のシェアリング方向は平行である必要がある。平行なシェアリングを行う干渉計として代表的なものは、平行平板による波面分割（非特許文献１参照）、三角光路による波面分割（非特許文献２参照）、サバール板（非特許文献３参照）による波面分割などを用いた干渉計が挙げられる。

マルチチャンネル分光法では、原理的には水平１次元アレイセンサつまりラインセンサが有れば良いが、２次元センサ、つまりエリアセンサを用いることも可能である。垂直ラインに対してビニング動作（line binning）を行うカメラに見られるように２次元エリアセンサの垂直１次元を積算に用いることで感度および信号対雑音比（以下、ＳＮ比）を高めることが可能となる。ラインセンサにおいても、シリンドリカルレンズによって光学的に垂直１次元方向の光量を圧縮することで、同様に感度を高めることが可能であり、２次元エリアセンサを用いるよりも安価に実現されることが多い。これは２次元エリアセンサが高価である赤外・近赤外領域において特に有効である。

また、マルチチャンネル分光法では、波長分解能とラインセンサ・エリアセンサの素子数はトレードオフの関係となる。そこでフーリエ分光のインターフェログラムは光路差が０となる（ゼロ光路差と呼ぶ）位置から原理的には左右対称となることを利用して、片側インターフェログラムのみを取得する。これはシングルチャンネルのフーリエ分光法において行われている手法であり、マルチチャンネル分光法にも適用する。なお、片側インターフェログラムから両側インターフェログラムの推定はL.MertzやM.L.Formanらによる位相補正法（L.Mertz,Infrared Physics,7,17-23(1967).M.L.Forman et al.,J.Opt.Soc. Am.,56,59(1966).）を用いることが可能である。

しかしながら、マルチチャンネル分光法に用いられるシェアリング干渉では一般に光軸を中心として線対称の両側インターフェログラムが生成するため、片側インターフェログラムのみを生成させることは難しい。このため、簡便に素子数を減少させるには、半分の長さのラインセンサ・エリアセンサを光軸から片方のみに配置すると良い。ただし、この簡便な方法では光の利用効率が半分となることや、センサの長さに比べてレンズ等光学系が小さくならないという非効率性が残る。

そこで、インターフェログラムを生成する２光束について、干渉させる前に位相差を生じさせておく。このようにすることで、ゼロ光路差（インターフェログラムのセンターバースト部分）の位置が光軸中心から離れた位置に生じるため、ゼロ光路差位置をインターフェログラムの端面に調整することで、光の利用効率や光学系を最大限に活かした片側インターフェログラムを生成することが可能となる。２光束に位相差を生じさせる手段は、複数の光学配置が考えられるが、１軸性結晶平板（光学軸が平板面に並行となるもの）を用いるのが良い。

また、２光束に位相差を生じさせる手段として、マルチチャンネルフーリエ分光に元々用いられている複屈折プリズム（サバール板・ウォラストンプリズムなど）の光軸に対する角度を調整することでも簡便に可能となる。
さらには、複屈折プリズムを改良することで行っても良い。例えば、サバール板の場合であれば、２枚貼り合わされている複屈折結晶のうち片方の厚さを、他方より厚くまたは薄くすることで、２光束間の位相差を調整することが可能となる。これに伴い、わずかにインターフェログラムは光軸に対して回転方向にずれることになるが、その量は通常無視できるかあるいは複屈折プリズムか検出器を回転を打ち消すように配置すれば良い。

シェアリング干渉を用いた多次元のマルチチャンネル分光法は、スペクトルまたはインターフェログラムの位置は光学系によって、ほぼ限定された位置に出て、その前後ではビジビリティーが低下するため、これを厚みのある生体計測に適用する際は注意を要する。厚みのある光源や、生体などの厚みのある試料から拡散反射または透過した光に適用する場合には、奥行きのある光源あるいは試料内部のいたるところで散乱された光が仮想光源として作用するために、スペクトルまたはインターフェログラムの位置にも前後の乱れが生じて、信号のビジビリティーを損なうという問題が生じる。

そこで、厚みのある光源や、生体などの厚みのある試料から拡散反射または透過した光はバンドルファイバーに入射させ、その射出端を分光装置本体に導くことでこれを解決する。バンドルファイバーの射出端が分光装置本体の入射位置に決められるため、奥行きのある光源や試料の厚さにも関係すること無く、分光装置本体のビジビリティーを損なうことがない光学系を実現できる。なお、バンドルではない光ファイバーでも適用可能であるが、シェアリング干渉法が光源面積に制約を受けない特徴を活かせば、断面積の大きいバンドルファイバーが分光装置として効率的である。

バンドルファイバーと本件において実質的に等価となる、ウレキサイト（曹灰硼石、テレビ石）・イメージングファイバー・液体ファイバーなども利用可能である。

この光源面積拡大は遠方測定などの接触測定ではない場合にも有効となる。遠方測定などでは、信号のビジビリティーを損なわないために、測定対象に焦点を合わせる機能が自動・手動を問わずに必要となるが、バンドルファイバーを用いることで焦点近傍からずれてボケが生じた場合にも、集光点は大部分がバンドルファイバー外径に収まることになる。このため、焦点調整機構が不要または簡易なもので良く、簡便に分光測定器を実現できる。

さらに、シェアリング干渉には偏光計測を組み合わせることが可能であり、ゼロ光路長位置で強め合う同位相成分の干渉と、弱め合う逆位相成分の干渉とを計測することにより、たとえ信号光となる微弱光がバイアスノイズに埋もれていた場合にでも、その差分を取ることでバイアスノイズを除去し、信号光を２倍に高める計測を行うことができる。

微弱光はエリアセンサの各素子が有する感度差や電気的な暗電流に影響を受けやすいが、前項の偏光計測により同じ影響を受ける２つの位相状態の差を求めることで雑音補正が掛けられるため、エリアセンサの各素子感度差や暗電流に影響を受けない極めてＳＮ比の良い測定を行える。

また同位相干渉と逆位相干渉とは偏光素子を９０度回転駆動あるいは液晶素子などで位相差を切り替えることで実現するため２回の測定を行う必要があるが、２次元エリアセンサの上半分と下半分とで偏光成分が異なるような２分割偏光子を配置することで、駆動操作を必要としない１回測定の形態を実現することもできる。この２分割偏光子は単なる偏光板によって実現されるだけでなく、半波長位相板や液晶素子などの位相差素子との組み合わせや、偏光感受性を有するエリアセンサによるものであっても良い。

一方で、同位相・逆位相を実現するための偏光素子は、互いに直交した２つの偏光成分を有する入射光のうち、一方の偏光のみ利用するため、光の利用効率を半減させるという問題も生じる。そこで、１段目の偏光素子として複屈折性プリズムによる偏光分離を行い、エリアセンサで検出することによって両偏光成分を用いることが可能となる。また、２段目の偏光素子として偏光ビームスプリッターによる偏光分離を行い、透過光と反射光をそれぞれ別のセンサで受光することにより、原理的には入射光を１００％利用する極めてＳＮ比の良い測定を実現できる。

１段目の偏光素子は典型的にはウォラストンプリズムやシェアリングプリズムなどを用いるのが便利であるが、偏光状態に応じてビーム位置・方向にずれが生じるような機能を有するものであればいずれでも良い。

２段目の偏光素子は典型的には偏光ビームスプリッターが便利であるが、ワイヤーグリッド偏光子を斜入射の形で用いるなどやウォラストンプリズム、シェアリングプリズムなどの偏光状態に応じてビーム位置・方向にずれが生じるような機能を有するものであればいずれでも良い。

脈波検出法および波長検出法では、通常時脈拍である５０−１００ｂｐｓよりも十分に高速にスペクトル計測を行う必要があるため、原理的に微弱・高速という厳しい条件でのスペクトル測定が求められ、高価な冷却型エリアセンサなどを用いる必要があると考えられるが、高感度・高ＳＮ比化によって安価な検出素子を用いることができる。

（実施例１）
これらを組み合わせて本発明を実現するための光学系を図にて例示する。基本形はサバール板を用いたマルチチャンネルフーリエ変換分光器とするが、シェアリング干渉系であればそれぞれに同様の工夫を施すことができ、この形態によるものではない。この分光器では１段目の偏光素子が偏光子として、２段目の偏光素子が検光子として働く。図１は、２段目の偏光素子として上下に互いに直交する偏光板を利用して、上下の位相が逆転したインターフェログラムを同時形成する光学系である。試料から透過または拡散反射されてきた光を干渉計に導く際にバンドルファイバーを用いており、広い面積、厚い試料など３次元散乱体からの光でも、効率よくインターフェログラムが形成することが可能となる。この光導入方法については、他の例においても同様である。
図１において、光源（図示せず）からの入射光が試料（散乱体試料）に入射し、試料を透過した光（拡散反射した光であっても可能）は大口径光ファイバー（図では断面積の大きいバンドルファイバー）の入射端に入射し、出射端から出射した光は、集光レンズ・偏光子・サバール板・複合検光子・フーリエ変換レンズからなるシェアリング干渉光学系に入力され、アレイ検出器（二次元エリアセンサ）上に干渉縞を出現させ、アレイ検出器で検出生成されたインターフェログラムを信号処理手段（図示せず）で処理する。ここで、フーリエ変換レンズの焦点距離をｆとすると、サバール板とフーリエ変換レンズの間隔、および、フーリエ変換レンズとアレイ検出器（二次元エリアセンサ）の間隔はいずれも焦点距離ｆに設定されており、２段目の偏光素子として上半分と下半分とで互いに直交する偏光板からなる複合検光子（図では上半分が０度偏光、下半分が９０度偏光）を用いる。そうすると、偏光子を通過しサバール板で波面分割された光は、上下で互いに直交する偏光板からなる複合検光子を経てフーリエ変換レンズを通過し、アレイ検出器の上半分と下半分とで位相が逆転した干渉縞を出現させるので、上半分のアレイ検出器の水平方向のラインのセンサで生成されたインターフェログラム（図では同位相インターフェログラム）と、下半分のアレイ検出器の水平方向のラインのセンサで生成されたインターフェログラム（図では逆位相インターフェログラム）との差を取る（図示しない信号処理手段で行う）ことで、検出信号を２倍に高めかつバイアスノイズを除去することができる。
なお、アレイ検出器として二次元エリアセンサまたは複数段アレイセンサを用いたときは、上半分の二次元エリアセンサまたは複数段アレイセンサの水平方向のラインのセンサで生成された干渉縞を垂直方向に積算したインターフェログラムと、下半分の二次元エリアセンサまたは複数段アレイセンサの水平方向のラインのセンサで生成された干渉縞を垂直方向に積算したインターフェログラムとの間で前記差分信号処理を行なうとよい。

（実施例２）
図２は、１段目の偏光素子にウォラストンプリズムを用いて、上下に互いに直交する偏光分割を行いながらも光量を損なうこと無く、上下の位相が逆転したインターフェログラムを同時形成する光学系である。
図２の光学系で上記図１の光学系と異なる点は、１段目の偏光素子にウォラストンプリズムを用い、２段目の偏光素子を偏光板からなる検光子とした点であり、その他の構成は図１と同様であって、サバール板とフーリエ変換レンズの距離およびフーリエ変換レンズと二次元エリアセンサの距離はフーリエ変換レンズの焦点距離ｆに等しい。そうすると、ウォラストンプリズムで上下に互いに直交する偏光分割（図では上が０度偏光、下が９０度偏光）が行われ、サバール板で波面分割され、検光子を経てフーリエ変換レンズを通過し、アレイ検出器の上半分と下半分とで位相が逆転した干渉縞を出現させるので、図１の場合と同様に、上半分のアレイ検出器の水平方向のラインのセンサで生成されたインターフェログラムと、下半分のアレイ検出器の水平方向のラインのセンサで生成されたインターフェログラムとの差を取る（図示しない信号処理手段で行う）ことで、検出信号を２倍に高めかつバイアスノイズを除去することができる。
なお、アレイ検出器として二次元エリアセンサまたは複数段アレイセンサを用いたときは、上半分の二次元エリアセンサまたは複数段アレイセンサの水平方向のラインのセンサで生成された干渉縞を垂直方向に積算したインターフェログラムと、下半分の二次元エリアセンサまたは複数段アレイセンサの水平方向のラインのセンサで生成された干渉縞を垂直方向に積算したインターフェログラムとの間で前記差分信号処理を行なうとよい。
また、図ではウォラストンプリズムを用いたがこれに限定されるものではなく、シェアリングプリズムなどの偏光状態に応じてビーム位置・方向にずれを生じさせる偏光素子であれば採用することができる。

（実施例３）
図３は、２段目の偏光素子に偏光ビームスプリッターを用いて、偏光分割を行いながらも光量を損なうこと無く、偏光ビームスプリッターでの透過方向および反射方向で位相が逆転したインターフェログラムを同時形成する光学系である。
図３の光学系で上記図１の光学系と異なる点は、２段目の偏光素子に偏光ビームスプリッターを用い、偏光ビームスプリッターで透過方向および反射方向で位相が逆転したインターフェログラムを同時形成するので、透過方向および反射方向にそれぞれフーリエ変換レンズ・アレイ検出器を備えている点が異なる。なお、図１、２では光学系を横から見た図で示していたが、図３では、説明をわかりやすくするため光学系を上から見た平面図として表している。また、サバール板とフーリエ変換レンズの光路長および前記フーリエ変換レンズと二次元エリアセンサの距離はフーリエ変換レンズの焦点距離ｆに等しい。図３の光学系では、偏光子を通過しサバール板で波面分割された光は、偏光ビームスプリッターで透過方向（図では９０度偏光）と反射方向（図では０度偏光）とに偏光分割され、分割された光はそれぞれフーリエ変換レンズを通過し、それぞれのアレイ検出器上に互いに位相が逆転した干渉縞を出現させる。そこで、透過方向に設けたアレイ検出器の水平方向のラインのセンサで生成されたインターフェログラムと、反射方向に設けたアレイ検出器の水平方向のラインのセンサで生成されたインターフェログラムとの差を取る（図示しない信号処理手段で行う）ことで、図１、２の場合と同様に、検出信号を２倍に高めかつバイアスノイズを除去することができる。
なお、アレイ検出器として二次元エリアセンサを用いたときは、透過方向に設けた二次元エリアセンサの水平方向のラインのセンサで生成された干渉縞を垂直方向に積算したインターフェログラムと、反射方向に設けた二次元エリアセンサ水平方向のラインのセンサで生成された干渉縞を垂直方向に積算したインターフェログラムとの間で前記差分信号処理を行なうとよい。

（実施例４）
図４は、複屈折板を挿入することにより、互いに直行した偏光を有する光束に位相差をつけて、センターバーストがセンサー（アレイ検出器）の片側に寄ったインターフェログラムを形成する光学系である。
上記図１〜図３の例は、互いに逆位相のインターフェログラムを生成し両者の差を取ることで検出信号を２倍に高めかつバイアスノイズを除去することが主な目的であった。それとは異なり、図４の例は、マルチチャンネル分光法に用いられるシェアリング干渉では一般に光軸を中心として線対称の両側インターフェログラムが生成されることに着目し、片側インターフェログラムのみを生成させることにより、光の利用効率や光学系を最大限に活かすためのものである。図４の光学系で上記図１の光学系と異なる点は、２段目の偏光素子に複屈折板と検光子（偏光板）を備える点である。なお、図４も、上記図３と同様に光学系を上から見た平面図で表しており、サバール板と前記フーリエ変換レンズの距離および前記フーリエ変換レンズと前記二次元エリアセンサの距離はフーリエ変換レンズの焦点距離ｆに等しい。図４の光学系では、偏光子を通過しサバール板で波面分割された光は、複屈折板で＋４５度偏光と−４５度偏光に偏光分割され、検光子を経た光はフーリエ変換レンズを通過し、アレイ検出器上にセンターバーストが片側によった干渉縞を出現させる。そこで、アレイ検出器の水平方向のラインのセンサで生成された片側インターフェログラムを信号処理手段（図示せず）で解析すれば、少ないセンサで高精度の信号検出が可能となる。なお、位相補正法を用いて片側インターフェログラムから両側インターフェログラムを推定することもできる。
なお、二次元エリアセンサの水平方向のラインのセンサで生成された干渉縞を垂直方向に積算した片側インターフェログラムを生成するとよい。
また、図では複屈折板を用いたがこれに限定されるものではなく、２光束に位相差を生じさせるような光学素子または２光束に位相差を生じさせるような光学配置であれば採用することができる。

分光分析装置として応用範囲は広く、生体計測・粉体計測・食品計測をはじめとする分野において高感度な分光測定装置として利用可能である。特にレーザー光源が利用できない場合や蛍光発光を行う場合、光学的散乱体を分析する場合においては、光源や試料からの散乱・発光がインコヒーレントであったり、実質的な発光領域が３次元的に広がるため、本手法の有効性は特に高いものとなる。

また、ラインセンサまたはエリアセンサというアレイセンサは性能・波長帯によってはシングルチャンネルのセンサに比べて高価となる。特に、近赤外・赤外・紫外などの可視光以外の領域においては素子数・感度・ＳＮ比が増加するほどセンサの価格が高くなるため、素子数・感度・ＳＮ比を最大限に利用できる本装置はコストパフォーマンスを高めるうえで有効となる。

このような利点を活かした利用分野としては、非侵襲血液検査装置が挙げられる。血糖値や中性脂肪、コレステロール、ヘマトクリット、血中酸素飽和度などは微量血液を体外に取り出すことで行われるが、非侵襲とすることで常時モニタリング、頻回測定、無痛測定が可能となるため、糖尿病・メタボリックシンドローム・新生児モニタリングなどそのメリットは大きい。

Claims (8)

1. シェアリング干渉光学系に偏光素子を組み合わせることにより同位相干渉と逆位相干渉の位相が逆転した干渉縞を同時に生成し、信号処理手段は、同位相干渉のインターフェログラムと逆位相干渉のインターフェログラムの差分信号処理を行なうことよりセンサの検出信号を二倍に高めかつバイアスノイズを除去することを特徴とするマルチチャンネル分光分析装置であって、
   前記マルチチャンネル分光分析装置に大口径光ファイバーを組み合わせることにより、大口径光ファイバーの射出端からの光をシェアリング干渉光学系に入射することを特徴とする前記信号処理手段を備えたマルチチャンネル分光分析装置。
2. 前記シェアリング干渉光学系と偏光素子の組み合わせは、偏光子・サバール板・複合検光子・フーリエ変換レンズ・二次元エリアセンサまたは複数段アレイセンサを備え、前記複合検光子は上半分と下半分とで互いに直交する偏光板からなり、前記二次元エリアセンサまたは複数段アレイセンサの上半分と下半分に位相が逆転した干渉縞を同時に出現させ、上半分の二次元エリアセンサまたは複数段アレイセンサの水平方向のラインのセンサで生成された干渉縞を垂直方向に積算したインターフェログラムと、下半分の二次元エリアセンサまたは複数段アレイセンサの水平方向のラインのセンサで生成された干渉縞を垂直方向に積算したインターフェログラムとの間で前記差分信号処理を行なうことを特徴とする請求項１記載のマルチチャンネル分光分析装置。
3. 前記シェアリング干渉光学系と偏光素子の組み合わせは、ウォラストンプリズム・サバール板・偏光板からなる検光子・フーリエ変換レンズ・二次元エリアセンサまたは複数段アレイセンサを備え、前記二次元エリアセンサまたは複数段アレイセンサの上半分と下半分に位相が逆転した干渉縞を出現させ、上半分の二次元エリアセンサまたは複数段アレイセンサの水平方向のラインのセンサで生成された干渉縞を垂直方向に積算したインターフェログラムと、下半分の二次元エリアセンサまたは複数段アレイセンサの水平方向のラインのセンサで生成された干渉縞を垂直方向に積算したインターフェログラムとの間で前記差分信号処理を行なうこと特徴とする請求項１記載のマルチチャンネル分光分析装置。
4. 前記ウォラストンプリズムに代えて、偏光状態に応じてビーム位置・方向にずれを生じさせる偏光素子を用いることを特徴とする請求項３記載のマルチチャンネル分光分析装置。
5. 前記シェアリング干渉光学系と偏光素子の組み合わせは、偏光子・サバール板・偏光ビームスプリッターと、前記偏光ビームスプリッターの透過方向および反射方向にそれぞれ設けたフーリエ変換レンズ・二次元エリアセンサを備え、前記透過方向に設けた二次元エリアセンサと前記反射方向に設けた二次元エリアセンサに位相が逆転した干渉縞を出現させ、前記透過方向に設けた二次元エリアセンサの水平方向のラインのセンサで生成された干渉縞を垂直方向に積算したインターフェログラムと、前記反射方向に設けた二次元エリアセンサの水平方向のラインのセンサで生成された干渉縞を垂直方向に積算したインターフェログラムとの間で前記差分信号処理を行なうことを特徴とする請求項１記載のマルチチャンネル分光分析装置。
6. 試料に光を照射する光源と、試料から拡散反射または透過した光を入射端から入射する大口径光ファイバーと、大口径光ファイバーの射出端からの光をシェアリング干渉光学系に入射することにより干渉縞をアレイ検出器上に出現させ、アレイ検出器で生成されたインターフェログラムを処理する信号処理手段を備えたマルチチャンネル分光分析装置であって、
   前記シェアリング干渉光学系に光学素子を組み合わせることにより片側インターフェログラムを生成して当該片側インターフェログラムを前記信号処理手段で解析し、前記信号処理手段によるインターフェログラムの解析を両側インターフェログラム生成よりも高精度で行えるようにしたことを特徴とするマルチチャンネル分光分析装置。
7. 前記シェアリング干渉光学系と光学素子の組み合わせは、偏光子・サバール板・複屈折板・検光子・フーリエ変換レンズ・二次元エリアセンサを備え、前記二次元エリアセンサ上にセンターバーストが片側に寄った干渉縞を出現させ、二次元エリアセンサの水平方向のラインのセンサで生成された干渉縞を垂直方向に積算した片側インターフェログラムを生成し、当該片側インターフェログラムを信号処理手段で解析することを特徴とする請求項６記載のマルチチャンネル分光分析装置。
8. 前記複屈折板に代えて、２光束に位相差を生じさせる光学素子または２光束に位相差を生じさせる光学配置のいずれかをとることを特徴とする請求項７記載のマルチチャンネル分光分析装置。

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