JP2017156245A5

JP2017156245A5 -

Info

Publication number: JP2017156245A5
Application number: JP2016040357A
Authority: JP
Filing date: 2016-03-02
Publication date: 2019-02-14
Anticipated expiration: 2036-03-02

Description

血液中に含まれるグルコース（血糖）やコレステロール等の生体成分を測定する方法の一つに、身体の被検部位に光を照射したときに、該被検部位の内部の生体成分から発せられる光の分光特性から生体成分を定性的、定量的に測定する方法がある（特許文献１）。この方法では、血液を採取する必要がなく、非侵襲的に血液中の生体成分を測定することができる。

これに対して、物体面の像を共役結像光学系により一旦、物体面と光学的に共役な像面上に形成し、この共役像面上に設置した振幅型回折格子により物体光束に空間的な周期変化を付与する方法が提案されている（特許文献２、非特許文献１）。この方法によれば、被検部位のテクスチャーの違いが、結像面における内部散乱光の光量分布に及ぼす影響を排除することができる。ここで、振幅型回折格子とは、集光軸方向（結像ライン方向）に透光部と遮光部を交互に配列したもので、透光部の間隔（周期）や透光部の集光軸方向及び干渉軸方向（集光軸方向と直交する方向）の長さ（透光部の縦横の長さ）は数十μｍ〜数百μｍと非常に小さく、多重スリットとも呼ばれる。

特開2008-309707号公報国際公開WO2014/054708

上述した、血液中のグルコースやコレステロール等の生体成分を測定する場合、皮膚の透過性に優れた近赤外光を被検部位に照射する。このため、照射光の多くを被検部位の内部に入り込ませることができる。これに対して、海面や樹木の葉の表面に入射する太陽光の場合、その多くは海面や葉の表面で反射され、海中や樹木の葉の内部に進入する光の方が少ない。このため、本来、分光測定装置で受光すべき内部散乱光に、海面や葉の表面で反射した、高強度の光（表面反射光）が重畳してしまい、海中のプランクトンや葉の内部成分を正確に分光測定することができない。

被測定物の表面に入射する光が太陽光のような非偏光の光の場合、その入射角（＝反射角）が所定の角度範囲にあるとき、表面反射光にはＰ偏光成分がほとんど含まれず、Ｓ偏光成分が支配的になることが知られている。Ｓ偏光成分とは、電場の振動方向が入射面（入射光線と反射光線を含む面）に垂直な直線偏光成分をいい、Ｐ偏光成分とは、電場の振動方向が入射面と平行な直線偏光成分をいう。一方、被測定物の内部から放出される内部散乱光は、非偏光の状態がほぼ維持される。従って、被測定物に入射する光が非偏光の光の場合に、直線偏光板の透過軸が入射面と平行になり、且つ、入射角が所定の角度範囲となる表面反射光が入射するような向きに分光測定装置を設置すると、表面反射光に由来する偏光（すなわちＳ偏光成分）の多くは該直線偏光板から成る透光部を通過することができないため、該表面反射光を減衰することができる。この場合、透光部の全てを透過軸の方向が同じ直線偏光板から構成し、且つ、それら直線偏光板の透過軸が入射面と平行になるような向きに分光測定装置を設置すると、表面反射光に由来する偏光が透光部を通過することを阻止することができる。

本発明の第１実施形態に係る分光測定装置の全体構成を示す斜視図。分光測定装置の上面図。分光測定装置の側面図。多重スリットの正面図（ａ）、側面図（ｂ）。散乱表面反射光が分光測定装置に入射する条件で測定するときの測定原理を説明する模式図。Ｓ偏光及びＰ偏光の入射角度と反射率との関係を示す図。表面反射光と内部散乱光のＳ偏光成分とＰ偏光成分の関係を説明するための図。本実施形態に係る分光測定装置を用いて測定した結果を示す図。直接表面反射光が分光測定装置に入射する条件で測定するときの測定原理を説明する模式図。本発明の第２実施形態に係る分光測定装置の全体構成を示す斜視図。

多重スリット１３は、図４に示すように、所定方向に周期的に配列された複数の透光部１３１を有する。透光部１３１と透光部１３１の間の部分は遮光部１３２となる。多重スリット１３の透光部１３１が並ぶ方向が本発明の第１軸方向に相当する。透光部１３１の幅は、後述する２次元受光アレイデバイス２１の第１軸方向の画素ピッチ（画素サイズ）とほぼ同じに設定されている。複数の透光部１３１には被測定物の表面反射光を減衰させつつ内部散乱光を通過させる光学素子１３１Ａが嵌め込まれている。光学素子１３１Ａとしては、透過軸の方向が第１軸方向と一致する第１直線偏光板、透過軸の方向が第２軸方向と一致する第２直線偏光板、及び透過軸の方向が第１軸及び第２軸とは異なる方向の第３直線偏光板の中から選択される１種又は複数種の直線偏光板が用いられる。いずれの直線偏光板を用いるかは、被測定物に入射する光の種類（偏光光であるか非偏光光であるか）、被測定物の表面に対してどのような角度で分光測定装置１００を設置するか、等によって決める。

結像型１次元フーリエ分光光学系は、対物レンズ１５と結像レンズ１７による無限遠補正結像光学系であり、光学的なフーリエ変換面の近傍に位相シフタ１９を、結像レンズ１７の結像面に２次元受光アレイデバイス２１をそれぞれ設置している。結像レンズ１７が本発明の結像光学系に相当し、２次元受光アレイデバイス２１が本発明の干渉光検出部に相当する。

具体的には、図５に示すように、太陽に背を向けた状態で、且つ、分光測定装置１００の受光軸Ｌ１（第１軸及び第２軸と直交する方向に延びる軸）と水平面のなす角度（俯角）がθ[deg.]になるように該分光測定装置１００を設置する。また、第１軸方向及び第２軸方向のいずれかが水平方向となるように分光測定装置１００を設置する。これにより、分光測定装置１００のレンズ１１には、入射面（入射光と反射光を含む面）が海面に垂直で、且つ、反射角がθ１（＝90-θ[deg.]）の表面反射光が入射する。同時に、分光測定装置１００のレンズ１１には、前記表面反射光と同じ方向で海中から放出される内部散乱光が入射する。これら表面反射光及び内部散乱光は、レンズ１１によって分割光学系と共通の共役面に集光される。

そこで、俯角θが37[deg.]（＝90-53[deg.]）となるように分光測定装置１００を設置すると、分光測定装置１００のレンズ１１に入射する表面反射光はＳ偏光成分のみとなる。このため、表面反射光（のＳ偏光成分）は内部散乱光のＳ偏光成分とともに一方の直線偏光板を通過するが、他方の直線偏光板を通過する光は内部散乱光のＰ偏光成分のみとなる。

また、各反射率r₁(λ)、r₂(λ)は、次に示すように、それぞれＳ偏光成分、Ｐ偏光成分の反射率の和で表される。
r₁(λ)＝r_1p(λ)＋r_1s(λ) …(3)
r₂(λ)＝r_2p(λ)＋r _2s(λ) …(4)
そうすると、２次元受光アレイデバイス２１で検出される波長λの光のＰ偏光成分及びＳ偏光成分の光量Ｉp(λ)、Ｉs(λ)は、式(1)〜(4)から次の式で表される。
Ｉp(λ)＝r_1p(λ)・Ｉ₀(λ)＋r_2p(λ)・(1−r_1p(λ)−r_1s(λ))・Ｉ₀(λ) …(5)
Ｉs(λ)＝r_1s(λ)・Ｉ₀(λ)＋r_2s(λ)・(1−r_1p(λ)−r_1s(λ))・Ｉ₀(λ) …(6)

ただし、上述したように、分光測定装置１００は俯角θが37[deg.]となるように設置されており、ブリュースター角（53[deg.]）付近の角度の表面反射光が分光測定装置１００のレンズ１１に入射するため、表面反射光にはＰ偏光成分がほとんど含まれない。一方、内部散乱光は入射光の非偏光状態を維持している。このため、
Ｐ偏光成分の反射率：r_1p(λ)＝0 …(7)
r_2p(λ)＝r _2s(λ)＝1/2・r₂(λ) …(8)
と仮定することができる。

式(11)及び式(12)から、内部散乱光の分光反射率r₂(λ)は次の式で表される。
r₂(λ)＝[2r_1s(λ)/(1−r_1s(λ))]・(Ｉp(λ)/(Ｉs(λ)−Ｉp(λ)) …(13)
分光測定装置１００に入射する表面反射光の入射角（90-θ[deg.]）から、表面散乱光のＳ偏光成分の反射率r_1s(λ)の値を推定することができる（図６参照）。また、Ｉp(λ)及びＩs(λ)の値は２次元受光アレイデバイス２１の検出結果から求められる。従って、これらの値を式(13)に代入することにより、内部散乱光の分光反射率r₂(λ)を求めることができ、この分光反射率r₂(λ)から内部成分の分光吸収率(１−r₂(λ)）を求めることができる。従って、この内部成分の分光吸収率を用いて内部成分の分光特性を求めることができる。

太陽光の直接表面反射光が分光測定装置１００に入射する条件で測定する場合も、分光測定装置１００は、その受光軸（第１軸及び第２軸と直交する方向に延びる軸）と水平面のなす角度（俯角）がθ[deg.]になるように設置する。第１軸方向及び第２軸方向のいずれかが水平方向となるように分光測定装置１００を設置する。そして、太陽光の高度φが90-53＝37[deg.]となる時間帯に測定を行う。これにより、分光測定装置１００のレンズ１１には、入射面（入射光と反射光を含む面）が海面に垂直で、且つ、反射角が53[deg.]の直接表面反射光が入射する。同時に、分光測定装置１００のレンズ１１には、前記表面反射光と同じ方向で海中から放出される内部散乱光が入射する。これら直接表面反射光及び内部散乱光は、レンズ１１によって分割光学系と共通の共役面に集光され、多重スリット１３、対物レンズ１５、位相シフタ１９、平凸面シリンドリカルレンズ１７を経て２次元受光アレイデバイス２１で干渉光の強度が検出された後、制御装置２５における所定の演算処理によってスペクトルが得られる。

なお、以上の説明では海面が水平な平坦面であることとしたが、実際は、波によって海面は様々な方向の傾斜面から構成される。そのため、太陽光の高度φが37[deg.]となる時間帯であっても、海面で反射される表面反射光の入射角（反射角）は様々である。従って、分光測定装置１００を上述した角度θ（37[deg.]）以外の俯角で設置した場合でも表面反射光と内部散乱光を分光測定装置１００に取り込むことができる。また、太陽光の高度φが37[deg.]以外の場合であっても、分光測定装置１００の俯角を適宜の値に設定することにより、表面反射光と内部散乱光を分光測定装置１００に取り込むことができる。このような場合、表面反射光はＰ偏光とＳ偏光を含むランダム偏光となるが、上述した計算式を用いることにより、内部成分の分光特性を求めることができる。

図１０に示すように、第２実施形態に係る分光測定装置２００は、分光光学系を結像型２次元フーリエ分光光学系から構成した点が第１実施形態と異なる。即ち、この分光測定装置２００は、共役面結像光学系と、多重スリット１１３と、結像型２次元フーリエ分光光学系から構成されている。結像型２次元フーリエ分光光学系は、対物レンズ１１５、反射型位相シフタ３０、結像レンズ１１７、検出部１２１、制御装置１２５から構成されている。検出部１２１は例えばＣＣＤカメラから構成されている。

なお、本発明は上記した実施形態に限定されない。
多重スリット１３の全ての透光部１３１を、被測定物の表面反射光に由来する偏光成分の通過を阻止し、内部散乱光に由来する偏光成分を透過させる光学素子から構成しても良い。例えば、ブリュースター角で表面反射光が分光測定装置に入射する条件で測定する場合は、全ての透光部を、Ｐ偏光成分を透過させ、Ｓ偏光成分を透過させない直線偏光板から構成する。この構成によれば、干渉光検出器が検出する干渉光から表面反射光を除くことができる。また、この構成においては、表面反射光の強度や分光特性に関する情報を分光光度計等を用いて予め取得しておくことにより、この情報を用いて内部散乱光のバックグラウンド補正を行うことができる。