JP2019049537A - 分光器用集光光学系、及びそれを含むラマン分光システム - Google Patents

Abstract

【課題】分光器用集光光学系、及びそれを含むラマン分光システムを提供する。【解決手段】対象物体５０から放出される散乱光からラマン信号Ｓ１を選択的に収集する分光器用集光光学系、及びそれを含むラマン分光システム１００に係り、分光器用集光光学系は、ラマン信号Ｓ１を収集して放出するものであり、散乱光が入射される入射面１２０ａと、ラマン信号が放出される出射面１２０ｂと、を含む非結像集光ユニット１２０と、非結像集光ユニット１２０の入射面１２０ａの一部領域に設けられ、蛍光信号を含む散乱光を遮断するラマンフィルタ１３０と、を含み、それにより、散乱光のうち、蛍光信号の受信は、抑制され、ラマン信号Ｓ１を選択的に収集することができる。【選択図】図９

Description

本発明は、分光器に係り、詳細には、分光器用集光光学系、及びそれを含むラマン分光システムに関する。

最近、モバイルヘルス（mobile health）型診断センサの一環として、生体内の血糖のような成分を分析する小型化されたラマン分光システムに対する開発が進められている。

かような小型ラマン分光システムを活用し、皮膚のような生体試料を測定する技術は、既存の特定位置や領域でしか測定が可能ではなかった測定範囲や回数などを、飛躍的に向上させることができる。ただし、生体から出る高い蛍光信号のために、血糖のように、生体内にある極少量の成分から、ラマン信号だけを選択的に検出して分析する技術が必要である。

米国特許出願公開第２０１７／０１０００６４号明細書

本発明が解決しようとする課題は、分光器用集光光学系、及びそれを含むラマン分光システムを提供することである。

本発明の一側面において、対象物体から放出される散乱光からラマン信号を選択的に収集する分光器用集光光学系（collection optics system）において、前記ラマン信号を収集して放出するものであり、前記散乱光が入射される入射面、前記ラマン信号が放出される出射面を含む非結像集光ユニット（non-imaging collection unit）と、前記非結像集光ユニットの入射面の一部領域に設けられ、蛍光信号を含む前記散乱光を遮断するラマンフィルタと、を含み、前記散乱光のうち、前記蛍光信号の受信は抑制し、前記ラマン信号を選択的に収集する分光器用集光光学系が提供される。

前記対象物体は、濁度（turbidity）を有する物質を含み、光源から放出される入射光の照射により、前記蛍光信号及び前記ラマン信号を含む散乱光を放出することができる。例えば、前記対象物体は、皮膚を含み、前記ラマン信号は、血糖ラマン信号を含む。

前記ラマンフィルタは、前記蛍光信号のほとんどが入射される前記入射面の中心領域に設けられる。

前記非結像集光ユニットの入射面は、大体１ｃｍ以下の大きさを有することができる。前記ラマンフィルタは、大体１ｍｍ以下の大きさを有することができる。

前記ラマンフィルタは、前記対象物体に照射される入射光の波長帯域は、透過させ、前記対象物体から放出される散乱光の波長帯域は、遮断することができる。

前記ラマンフィルタは、前記入射光の１つの特定波長帯域のみを透過させることができる。前記ラマンフィルタは、前記入射光の複数特定波長帯域を透過させる複数の波長フィルタを含んでもよい。その場合、前記複数の波長フィルタは、例えば、格子（grid）状または同心円（concentric ring）状にも配置される。

前記ラマンフィルタの周囲の前記入射面には、前記ラマン信号を含む前記散乱光を透過させる透明部材が設けられるか、あるいは特定ラマン波長のみを透過させる帯域フィルタ（band filter）が設けられる。

前記非結像集光ユニットは、例えば、楕円双曲面集光器（elliptical hyperboloid concentrator）、円形双曲面集光器（circular hyperboloid concentrator）、円錐集光器（circular cone concentrator）、楕円錐集光器（elliptical cone concentrator）または複合放物型集光器（compound parabolic concentrator）を含んでもよい。

前記非結像集光ユニットの入射面は、前記出射面より小面積を有することができる。また、前記非結像集光ユニットの入射面は、前記出射面より大面積を有することができる。

他の側面において、対象物体に入射光を照射する光源と、前記入射光により、前記対象物体から放出される散乱光からラマン信号を選択的に収集する集光光学系と、前記集光光学系から出る前記ラマン信号を受信する分光器と、を含み、前記集光光学系は、前記ラマン信号を収集して放出するものであり、前記散乱光が入射される入射面と、前記ラマン信号が出射される出射面とを含む非結像集光ユニット、及び前記非結像集光ユニットの入射面の一部領域に設けられ、蛍光信号を含む前記散乱光を遮断するラマンフィルタを含み、前記散乱光のうち、前記蛍光信号の受信は抑制し、前記ラマン信号を選択的に収集するラマン分光システムが提供される。

前記ラマンフィルタは、前記蛍光信号のほとんどが入射される前記入射面の中心領域に設けられる。

前記ラマンフィルタは、前記対象物体に照射される入射光の波長帯域は、透過させ、前記対象物体から放出される散乱光の波長帯域は、遮断することができる。

前記ラマンフィルタの周囲の前記入射面には、前記ラマン信号を含む前記散乱光を透過させる透明部材が設けられるか、あるいは特定ラマン波長のみを透過させる帯域フィルタが設けられる。

前記非結像集光ユニットは、例えば、楕円双曲面集光器、円形双曲面集光器、円錐集光器、楕円錐集光器または複合放物型集光器を含んでもよい。

前記光源から出射される入射光は、前記対象物体の表面に垂直に照射されるか、あるいは前記対象物体の表面に対して傾くようにも照射される。

前記分光器は、オンチップ（on-chip）型分光器を含んでもよい。前記分光器は、前記ラマン信号が入射されるスリット（slit）が形成された分散型（dispersive type）分光器を含み、前記スリットには前記非結像集光ユニットの出射面が挿入される。

測定サンプルにレーザ光を照射し、測定サンプルから放出される散乱光を測定する様子を図示した図面である。 図１に図示されたファイバの断面を図示した図面である。 図１において、第１シリコン基板から放出された散乱光から、ファイバに収集されたラマンスペクトルを図示した図面である。 第２シリコン基板から放出された散乱光から、ファイバに収集されたラマンスペクトルを図示した図面である。 図示されたラマンスペクトルを拡大して図示した図面である。 図１において、第３シリコン基板から放出された散乱光から、ファイバに収集されたラマンスペクトルを図示した図面である。 図５Ａに図示されたラマンスペクトルを拡大して図示した図面である。 図４Ａないし図５Ｂにおいて、ファイバの位置によるラマン信号、ノイズ及びラマン信号対ノイズ比（ＳＮＲ）を計算して図示した図面である。 皮膚の濁度を有する測定サンプルから放出される散乱光から、ファイバに収集されたラマンスペクトルを図示した図面である。 図７Ａに図示されたラマンスペクトルで計算された蛍光信号の強度を図示した図面である。 実際の皮膚から放出される散乱光から、ファイバに収集されたファイバに収集されたラマンスペクトルを図示した図面である。 図８Ａに図示されたラマンスペクトルにおいて、蛍光信号の強度を図示した図面である。 図８Ａに図示されたラマンスペクトルにおいて、ラマン信号の強度を図示した図面である。 例示的な実施形態によるラマン分光システムを図示した図面である。 図９に図示された非結像集光ユニットを拡大して図示した斜視図である。 図１０に図示された非結像集光ユニットの入射面を図示した図面である。 図９に図示されたラマン分光システムにおいて、対象物体から出る散乱光が進む経路を図示した図面である。 図９に図示されたラマン分光システムに採用される非結像集光ユニットの変形例を図示した図面である。 図９に図示されたラマン分光システムに採用される非結像集光ユニットの変形例を図示した図面である。 図９に図示されたラマン分光システムに採用される非結像集光ユニットの変形例を図示した図面である。 図９に図示されたラマン分光システムに採用される非結像集光ユニットの変形例を図示した図面である。 図９に図示されたラマン分光システムに採用されるラマンフィルタの変形例を図示した図面である。 図９に図示されたラマン分光システムに採用されるラマンフィルタの変形例を図示した図面である。 図９に図示されたラマン分光システムに採用されるラマンフィルタの他の変形例を図示した図面である。 図９に図示されたラマン分光システムに採用されるラマンフィルタの他の変形例を図示した図面である。 他の例示的な実施形態によるラマン分光システムを図示した図面である。 さらに他の例示的な実施形態によるラマン分光システムを図示した図面である。 さらに他の例示的な実施形態によるラマン分光システムを図示した図面である。

以下、添付された図面を参照し、実施形態について詳細に説明する。図面において、同一参照符号は、同一構成要素を指し、各構成要素の大きさや厚みは、説明の明瞭性のために誇張されてもいる。また、所定物質層が基板上や他の層上に存在すると説明されるとき、その物質層は、基板や他層に直接接しながら存在することもでき、その間に、他の第３層が存在することもできる。そして、以下の実施形態において、各層をなす物質は、例示的なものであるので、それ以外に他の物質が使用されもする。

皮膚（skin）は、一般的な反射媒質（reflective media）とは異なり、濁度（turbidity）を有する媒質である。該濁度は、散乱係数（scattering coefficient）と、皮膚の特徴中の一つである非等方性係数（anisotropic factor）を考慮した換算散乱係数（reduced scattering coefficient）とによっても表現される。皮膚の換算散乱係数は、大体１〜３ｍｍ^−１にもなる。濁度を有する媒質において、ラマン信号が広がる範囲は、一般的な反射媒質に比べて非常に広い。また、皮膚の表面において、大体１００〜４００μｍほどの深さに存在する表皮（epidermis）から出る蛍光信号のために真皮（dermis）に集中的に存在する血糖（glucose）ラマン信号やその他信号の検出に困難が伴う。

図１は、濁度を有する測定サンプルに入射光を照射し、該測定サンプルから放出される散乱光を、ファイバ（fiber）を介して測定する様子を図示したものである。図２には、図１に図示されたファイバの断面が図示されている。ここで、測定サンプル１０としては、一般的な皮膚の散乱係数範囲を有する媒質が使用された。具体的には、測定サンプル１０の散乱係数及び換算散乱係数は、それぞれ７５５ｎｍ波長において、大体２．４ｍｍ^−１及び１．１３ｍｍ^−１である。そして、測定サンプル１０に照射する入射光Ｌとしては、７８５ｎｍ波長のレーザビームが使用された。

図１を参照すれば、測定サンプル１０の表面から深さ方向に、第１シリコン基板２１、第２シリコン基板２２及び第３シリコン基板２３が設けられている。ここで、第１シリコン基板２１は、測定サンプル１０の表面に設けられている。そして、第２シリコン基板２２は、測定サンプル１０の表面から、０．５ｍｍの深さｄに設けられており、第３シリコン基板２３は、測定サンプル１０の表面から１．０ｍｍの深さに設けられている。すなわち、第１シリコン基板２１上には、濁度を有する媒質が存在せず、第２シリコン基板２２及び第３シリコン基板２３の上には、濁度を有する媒質が存在する。

光源（図示せず）から放出されたレーザビームの入射光Ｌは、測定サンプル１０に照射され、測定サンプル１０から放出される散乱光Ｓは、測定サンプル１０の上部に設けられたファイババンドル（fiber bundle）によって収集される。

具体的には、レーザビームの入射光Ｌは、フォーカシングレンズ４０によって集束され、測定サンプル１０にある第１シリコン基板２１、第２シリコン基板２２及び第３シリコン基板２３にそれぞれ照射される。ここで、フォーカシングレンズ４０と、測定サンプル１０の表面との距離ｆは、４．５ｍｍである。かような入射光Ｌの照射により、第１シリコン基板２１、第２シリコン基板２２及び第３シリコン基板２３のそれぞれから、ラマン信号を含む散乱光Ｓが放出され、かような散乱光Ｓは、測定サンプル１０の上部に、一列に配列された９個のファイバＦ１〜Ｆ９によって収集される。かようなファイバＦ１〜Ｆ９のうち、真ん中に位置する５番目ファイバＦ５が散乱光の中心に対応するように位置することができる。かようなファイバＦ１〜Ｆ９それぞれは、コア３１と、該コア３１を取り囲むクラッド層３２とを含んでもよい。図２に図示された９個のファイバＦ１〜Ｆ９において、例えば、コア３１の直径は、２００μｍであり、隣接したファイバＦ１〜Ｆ９間の間隔は、２５０μｍである。

図３は、図１において、第１シリコン基板から放出された散乱光から、ファイバに収集されたラマンスペクトルを図示したものである。図３には、レーザビームの入射光Ｌが、第１シリコン基板２１に照射された後、第１シリコン基板２１から放出される散乱光Ｓのうち、９個のファイバＦ１〜Ｆ９に収集されたスペクトル図示されている。

図３を参照すれば、測定サンプル１０の表面に設けられており、その上に濁度を有する媒質が存在しない第１シリコン基板２１から放出される散乱光のラマン信号は、ファイバＦ１〜Ｆ９の真ん中に位置した５番目ファイバＦ５に集中的に収集されるということが分かる。

図４Ａは、図１において、第２シリコン基板から放出された散乱光から、ファイバに収集されたラマンスペクトルを図示したものである。そして、図４Ｂは、図４Ａに図示されたラマンスペクトルを拡大して図示したものである。図４Ａ及び図４Ｂには、皮膚に類似した濁度を有する測定サンプル１０の表面から、０．５ｍｍの深さｄに設けられている第２シリコン基板２２に、レーザビームの入射光Ｌが照射された後、第２シリコン基板２２から放出される散乱光Ｓのうち、９個のファイバＦ１〜Ｆ９に収集されたスペクトルが図示されている。

図５Ａは、図１において、第３シリコン基板から放出された散乱光から、ファイバに収集されたラマンスペクトルを図示したものである。そして、図５Ｂは、図５Ａに図示されたラマンスペクトルを拡大して図示したものである。図５Ａ及び図５Ｂには、測定サンプル１０の表面から１．０ｍｍの深さｄに設けられている第３シリコン基板２３に、レーザビームの入射光Ｌが照射された後、第３シリコン基板２３から放出される散乱光Ｓのうち、９個のファイバに収集されたスペクトルが図示されている。

図４Ａ及び図４Ｂ、並びに図５Ａ及び図５Ｂを参照すれば、第２シリコン基板２２や第３シリコン基板２３のように、その上に濁度を有する媒質が存在する場合には、第２シリコン基板２２や第３シリコン基板２３から放出される散乱光の信号は、広く分散され、９個のファイバＦ１〜Ｆ９に収集されるということが分かる。また、ファイバＦ１〜Ｆ９の真ん中に位置した５番目ファイバＦ５から遠くなるほど、蛍光信号の強度は弱くなり、ラマン信号が観察されるということが分かる。

図６は、図４Ａないし図５Ｂに図示されたラマンスペクトルにおいて、ファイバの位置によるラマン信号、ノイズ及びラマン信号対ノイズ比（ＳＮＲ）を計算して図示したものである。

図６を参照すれば、ノイズは、読み取りノイズ（readout noise）、ショットノイズ（shot noise）及びシステムノイズ（systematic noise）から構成されるが、蛍光信号が大きい場合には、ショットノイズがノイズのほとんどを占める。従って、蛍光信号を選択的に減らせば、ショットノイズが低減し、ラマン信号対ノイズ比を向上させることができる。一方、ファイバＦ１〜Ｆ９の真ん中に位置した５番目ファイバＦ５においては、ラマン信号が低減するが、蛍光信号も減ってノイズが低減するために、５番目ファイバＦ５において、大体０．５ｍｍ離れた位置において、ラマン信号対ノイズ比が高くなるということを確認することができる。

図７Ａは、皮膚の濁度を有する測定サンプルから放出される散乱光から、ファイバに収集されたラマンスペクトルを図示したものである。図７Ｂは、図７Ａに図示されたラマンスペクトルから計算された蛍光信号の強度を図示したものである。図７Ｂにおいて、蛍光信号の強度は、図７Ａに図示されているように、関心ピークの下部分の大きさと定義される。図７Ａ及び図７Ｂを参照すれば、ファイバＦ１〜Ｆ９のうち真ん中に位置した５番目ファイバＦ５から最も外側に位置したファイバ（１番目ファイバＦ１または９番目ファイバＦ９）に行くほど蛍光信号が急激に低減するということが分かる。

図８Ａは、実際の皮膚から放出される散乱光により、ファイバに収集されたラマンスペクトルを図示したものである。図８Ｂは、図８Ａに図示されたラマンスペクトルにおいて、蛍光信号の強度を図示したものである。図８Ｃは、図８Ａに図示されたラマンスペクトルにおいて、ラマン信号の強度を図示したものである。図８ＣにおいてＡは、ファイバＦ１〜Ｆ９のうち真ん中に位置した５番目ファイバＦ５で収集されたラマン信号を示し、Ｂは、最も外側に位置したファイバ（１番目ファイバＦ１または９番目ファイバＦ９）で収集されたラマン信号を示す。そして、Ｃは、Ｂのラマン信号を１０倍拡大して表示したものである。

図８Ａないし図８Ｃを参照すれば、ファイバＦ１〜Ｆ９のうち真ん中に位置した５番目ファイバＦ５から、最も外側に位置したファイバ（１番目ファイバＦ１または９番目ファイバＦ９）に行くほど蛍光信号が急激に低減するということが分かる。具体的には、最も外側に位置したファイバ（１番目ファイバＦ１または９番目ファイバＦ９）で収集された蛍光信号は、５番目ファイバＦ５で収集された蛍光信号の大体１／３ほどのレベルになることが分かる。また、図８Ｃに図示されているように、蛍光信号が低減することにより、ラマンピークの解像度（resolution）が向上するということを確認することができる。

以上のように、皮膚のような濁度を有する物質を含む測定サンプル１０に、レーザビームの入射光Ｌを照射すれば、測定サンプル１０は、入射光Ｌの照射により、散乱光Ｓを放出し、この散乱光Ｓには、ラマン信号だけではなく、ラマン信号の受信を妨害する蛍光信号も共に含まれていることが分かる。しかし、該蛍光信号は、測定サンプル１０で放出される散乱光Ｓの中心部に集中的に含まれているので、該蛍光信号のほとんどを含む散乱光Ｓの中心部を遮断することにより、ラマン信号のみを選択的に収集することができる。

図９は、例示的な実施形態によるラマン分光システムを図示したものである。

図９を参照すれば、ラマン分光システム１００は、対象物体５０に入射光Ｌを照射する光源１１０と、対象物体５０から放出される散乱光から、ラマン信号Ｓ１を選択的に収集する集光光学系と、集光光学系から出るラマン信号Ｓ１を受信する分光器１５０と、を含んでもよい。ここで、測定しようとする対象物体５０は、所定濁度を有する物質を含んでもよい。例えば、対象物体５０は、人体の皮膚を含んでもよいが、それに限定されるものではない。

光源１１０は、対象物体５０に照射される入射光Ｌを放出することができる。光源１１０から放出される入射光Ｌとしては、例えば、７８５ｎｍのような波長帯域を有するレーザビームが使用される。光源１１０から出射された入射光Ｌは、反射ミラー１１５によって反射された後、対象物体５０の所望する測定領域に照射される。ここで、入射光Ｌの光路上に集光レンズをさらに設けて、入射光Ｌを集光するようにしてもよい。該入射光Ｌは、後述するように、非結像集光ユニット１２０の入射面１２０ａに設けられているラマンフィルタ１３０を透過し、対象物体５０の測定領域に照射される。かような入射光Ｌは、対象物体５０の表面に対して垂直に入射される。

光源１１０から対象物体５０の測定領域に、入射光Ｌが照射されれば、対象物体５０の測定領域から散乱光が放出される。ここで、対象物体５０は、濁度を有しているために、対象物体５０から放出される散乱光には、ラマン信号Ｓ１だけではなく、ラマン信号Ｓ１の受信を妨害する蛍光信号Ｓ２も、共に含まれている。

該集光光学系は、対象物体５０から放出される散乱光から、ラマン信号Ｓ１を選択的に収集することができる。そのために、該集光光学系は、非結像集光ユニット（non-imaging collection unit）１２０及びラマンフィルタ（Raman filter）１３０を含んでもよい。

図１０は、図９に図示された非結像集光ユニットを拡大して図示した斜視図である。そして、図１１は、図１０に図示された非結像集光ユニットの入射面を図示したものである。

図１０及び図１１を参照すれば、対象物体５０から放出される散乱光を収集するために、非結像集光ユニット１２０が使用される。非結像集光ユニット１２０は、レンズを使用しない集光システムであり、光発生地点と最終目的地点の間を、最適化された方式で光を伝達させるシステムを意味する。かような非結像集光ユニット１２０の代表的な適用分野としては、太陽電池分野や照明分野などを挙げることができる。例えば、該太陽電池分野においては、太陽エネルギー集光器（solar energy concentrator）が太陽電池に伝達される太陽エネルギーを極大化させるために使用される。

図１０には、非結像集光ユニット１２０として、複合放物型集光器（ＣＰＣ：compound parabolic concentrator）が使用された場合が例示的に図示されている。非結像集光ユニット１２０は、対象物体５０から放出される散乱光が入射される入射面１２０ａと、該入射面１２０ａの反対側に位置するものであり、ラマン信号Ｓ１が放出される出射面１２０ｂと、を含んでもよい。

非結像集光ユニット１２０の入射面１２０ａは、出射面１２０ｂより小面積を有することができる。非結像集光ユニット１２０の入射面１２０ａが、対象物体５０の表面に接触して測定作業を遂行する場合、非結像集光ユニット１２０の入射面１２０ａは、例えば、大体１ｃｍ以下の直径Ｄ１を有することができるが、必ずしもそれに限定されるものではない。直径Ｄ１は形成可能な大きさであればよい。

非結像集光ユニット１２０の入射面１２０ａのうち一部領域には、蛍光信号Ｓ２遮断のためのラマンフィルタ１３０が設けられている。すなわち、ラマンフィルタ１３０は、対象物体５０から放出される散乱光のうち蛍光信号Ｓ２を遮断する役割を行うことができる。

前述のように、濁度を有する対象物体５０から放出される散乱光のうち蛍光信号Ｓ２は、散乱光Ｓの中心部にほとんど含まれている。従って、対象物体５０から出る蛍光信号Ｓ２の受信を抑制するために、ラマンフィルタ１３０は、非結像集光ユニット１２０の入射面１２０ａのうち、蛍光信号Ｓ２のほとんどが入射される領域、すなわち、入射面１２０ａの中心領域に設けられる。また、非結像集光ユニット１２０の入射面１２０ａには、ラマンフィルタ１３０の周囲を取り囲む透明部材１４０がさらに設けられる。該透明部材１４０は、対象物体５０から放出される散乱光を透過させることができ、ラマンフィルタ１３０を支持する役割を行うことができる。一方、ラマンフィルタ１３０の周囲を取り囲む非結像集光ユニット１２０の入射面１２０ａには、特定ラマン波長のみを透過させる帯域フィルタ（band filter）（図示せず）が設けられてもよい。

図１０及び図１１においては、ラマンフィルタ１３０が、非結像集光ユニット１２０の入射面１２０ａの中心領域に円形に設けられている場合が例示的に図示されている。非結像集光ユニット１２０の入射面１２０ａが、対象物体５０の表面に接触して測定作業を遂行する場合、ラマンフィルタ１３０は、大体１ｍｍ以下の直径Ｄ２を有することができるが、必ずしもそれに限定されるものではない。直径Ｄ２は形成可能な大きさであればよい。

ラマンフィルタ１３０は、光源１１０から放出され、対象物体５０に照射される入射光Ｌの波長帯域は、透過させ、対象物体５０から放出される散乱光の波長帯域は、遮断することができる。すなわち、入射光Ｌの照射により、対象物体５０の測定領域から散乱光Ｓが放出されるが、かような散乱光は、ラマンシフト（Raman shift）により、入射光Ｌとは異なる波長帯域を有することができる。それにより、ラマンフィルタ１３０は、入射光Ｌは、透過させることができるが、入射光Ｌと異なる波長帯域を有する散乱光は、遮断することができる。

ラマンフィルタ１３０は、例えば、特定帯域の波長のみを透過させるバンドパスフィルタ（band pass filter）、または特定波長以下の波長のみを透過させるショートパスフィルタ（short pass filter）を含んでもよい。例えば、ラマンフィルタ１３０として、バンドパスフィルタを使用する場合には、ストークスラマン（Stokes Raman）信号及びアンチ・ストークスラマン（anti-Stokes Raman）信号を測定することができる。そして、ラマンフィルタ１３０として、ショートパスフィルタを使用する場合には、ストークスラマン信号を測定することができる。

ラマンフィルタ１３０は、非結像集光ユニット１２０の入射面１２０ａの中心領域に設けられる。光源１１０の入射光Ｌは、図９に図示されているように、ラマンフィルタ１３０を透過し、対象物体５０の測定領域に照射される。そして、かような入射光Ｌの照射により、対象物体５０の測定領域から散乱光が放出される。ここで、該散乱光の中心部、すなわち、非結像集光ユニット１２０の入射面１２０ａの中心領域に向かる蛍光信号Ｓ２を含む散乱光は、ラマンフィルタ１３０によって遮断される。

図１２には、対象物体５０から放出される散乱光が進む経路が例示的に図示されている。図１２を参照すれば、対象物体５０から出る散乱光のうち、非結像集光ユニット１２０の入射面１２０ａ中心領域に向かう蛍光信号Ｓ２は、ラマンフィルタ１３０によって遮断され、非結像集光ユニット１２０の入射面１２０ａのエッジ領域に向かうラマン信号Ｓ１は、透明部材１４０を透過し、非結像集光ユニット１２０の内部に入る。そして、非結像集光ユニット１２０は、入射されたラマン信号Ｓ１を、出射面１２０ｂ側に伝達する。

対象物体５０から放出される散乱光は、濁度により、ラマン信号Ｓ１だけではなく、ラマン信号Ｓ１の受信を妨害する蛍光信号Ｓ２も、共に含まれている。かような蛍光信号Ｓ２は、対象物体５０から放出される散乱光の中心部に集中的に存在しているので、ラマンフィルタ１３０を、非結像集光ユニット１２０の入射面１２０ａ中心領域に設ければ、蛍光信号Ｓ２の受信を遮断することができ、それにより、非結像集光ユニット１２０の内部には、ラマン信号Ｓ１だけが収集される。

入射光Ｌ照射により、対象物体５０から放出される散乱光の角度は、ランダムであるために、散乱光がラマンフィルタ１３０に垂直ではない角度に入射されもする。シミュレーション実験結果によれば、７９０ｎｍ以下の波長のみを透過させるショートパスフィルタをラマンフィルタとして使用し、ラマンフィルタに、３０°及び６０°に傾くように入射される８００ｎｍ〜９００ｎｍの波長は、ほとんど透過されなかった。それにより、ラマンフィルタ１３０に傾くように入射される散乱光も、いずれも遮断することができるということが分かる。

このように、非結像集光ユニット１２０及びラマンフィルタ１３０を含む集光光学系は、対象物体５０から放出される散乱光のうちラマン信号Ｓ１のみを選択的に収集し、出射面１２０ｂを介して放出することができる。そして、かように収集されたラマン信号Ｓ１は、分光器１５０に受信されて分析される。それにより、対象物体５０から放出される散乱光のうち蛍光信号Ｓ２の受信は、抑制され、ラマン信号Ｓ１のみを含むラマンスペクトルを得ることができる。ここで、分光器１５０としては、基板上に共振器やフィルタが集積されて小型化されたチップ状に製作されたオンチップ（on-chip）型分光器が使用される。

以上で説明したように、本実施形態によるラマン分光システム１００によれば、非結像集光ユニット１２０及びラマンフィルタ１３０を利用し、対象物体５０から放出される散乱光のうち、蛍光信号Ｓ２の受信は、抑制し、ラマン信号Ｓ１のみを選択的に収集することができる。すなわち、皮膚のように濁度を有する対象物体５０に、レーザビームの入射光Ｌを照射すれば、対象物体５０から放出される散乱光には、ラマン信号Ｓ１だけではなく、蛍光信号Ｓ２も含まれており、かような蛍光信号Ｓ２は、放出される散乱光の中心部にほとんどに含まれている。従って、非結像集光ユニット１２０の入射面１２０ａにおいて、散乱光の中心部に該当する領域、すなわち、入射面１２０ａの中心領域に、蛍光信号Ｓ２の受信を遮断するラマンフィルタ１３０を設けることにより、非結像集光ユニット１２０は、ラマン信号Ｓ１のみを選択的に収集することができる。従って、かようなラマン分光システム１００を利用すれば、例えば、皮膚内に含まれている血糖に係わるラマン信号のみを効果的に検出することができる。また、分光器１５０として、オンチップ型分光器が使用される場合、ラマン分光システム１００をマイクロに具現することができる。

一方、以上では非結像集光ユニット１２０として、複合放物型集光器（ＣＰＣ）が使用された場合が説明された。しかし、それに限定されるものではなく、多様な形態の集光器が、非結像集光ユニット１２０としても使用される。

図１３Ａないし図１３Ｄは、図９に図示されたラマン分光システムに採用される非結像集光ユニットの変形例を図示したものである。図１３Ａには、楕円双曲面集光器（ＥＨＣ：elliptical hyperboloid concentrator）１２１が図示されており、図１３Ｂには、円形双曲面集光器（ＣＨＣ：circular hyperboloid concentrator）１２２が図示されている。そして、図１３Ｃには、円錐集光器（ＣＣＣ：circular cone concentrator）１２３が図示されており、図１３Ｄには、楕円錐集光器（ＥＣＣ：elliptical cone concentrator）１２４が図示されている。一方、以上で説明された集光器は、単に例示的なものに過ぎず、それら以外にも、多様な形態の集光器が、非結像集光ユニット１２０として使用される。

以上では、ラマンフィルタ１３０が、入射光の１つの波長帯域のみを透過させる場合が説明された。しかし、それに限定されるものではなく、光源１１０から放出される入射光は、複数の波長帯域を含み、ラマンフィルタが、かような複数の波長帯域を透過させるようにも設けられる。

図１４Ａ及び図１４Ｂは、図９に図示されたラマン分光システムに採用されるラマンフィルタの変形例を図示したものである。

図１４Ａを参照すれば、非結像集光ユニット１２０の入射面１２０ａ中心領域には、四角形のラマンフィルタ１３１が設けられる。ラマンフィルタ１３１は、少なくとも１つの第１波長フィルタ１３１ａ、及び少なくとも１つの第２波長フィルタ１３１ｂを含んでもよい。第１波長フィルタ１３１ａは、入射光Ｌの第１波長帯域を透過させることができ、第２波長フィルタ１３１ｂは、入射光Ｌの第２波長帯域を透過させることができる。第１波長フィルタ１３１ａ及び第２波長フィルタ１３１ｂは、それぞれ四角形状を有することができ、かような第１波長フィルタ１３１ａ及び第２波長フィルタ１３１ｂは、格子（grid）状にも配置される。

図１４Ｂを参照すれば、非結像集光ユニット１２０の入射面１２０ａ中心領域には、円形のラマンフィルタ１３２が設けられる。ラマンフィルタ１３２は、入射光Ｌの第１波長帯域を透過させる少なくとも１つの第１波長フィルタ１３２ａと、入射光Ｌの第２波長帯域を透過させる少なくとも１つの第２波長フィルタ１３２ｂを含んでもよい。ここで、第１波長フィルタ１３２ａ及び第２波長フィルタ１３２ｂは、同心円（concentric ring）形態にも配置される。

図１５Ａ及び図１５Ｂは、図９に図示されたラマン分光システムに採用されるラマンフィルタの他の変形例を図示したものである。

図１５Ａを参照すれば、四角形のラマンフィルタ１３３は、少なくとも１つの第１波長フィルタ１３３ａ、少なくとも１つの第２波長フィルタ１３３ｂ、及び少なくとも１つの第３波長フィルタ１３３ｃを含んでもよい。第１波長フィルタ１３３ａは、第１波長帯域を透過させることができ、第２波長フィルタ１３３ｂは、第２波長帯域を透過させることができ、第３波長フィルタ１３３ｃは、第３波長帯域を透過させることができる。ここで、第１波長フィルタ１３３ａ、第２波長フィルタ１３３ｂ及び第３波長フィルタ１３３ｃは、四角形状を有することができ、かような第１波長フィルタ１３３ａ、第２波長フィルタ１３３ｂ及び第３波長フィルタ１３３ｃは、格子状にも配置される。

図１５Ｂを参照すれば、円形のラマンフィルタ１３４は、第１波長帯域を透過させる少なくとも１つの第１波長フィルタ１３４ａと、第２波長帯域を透過させる少なくとも１つの第２波長フィルタ１３４ｂと、第３波長帯域を透過させる少なくとも１つの第３波長フィルタ１３４ｃと、を含んでもよい。ここで、第１波長フィルタ１３４ａ、第２波長フィルタ１３４ｂ及び第３波長フィルタ１３４ｃは、同心円状にも配置される。

以上では、ラマンフィルタ１３１，１３２，１３３，１３４が、２個波長帯域または３個の波長帯域を透過させる場合が例示的に説明されたが、それら以外にも、４個以上の波長帯域を透過させるラマンフィルタも、具現される。また、以上では、ラマンフィルタ１３１，１３２，１３３，１３４の形状が四角形または円形である場合が例示的に説明されたが、それら以外にも、ラマンフィルタの形状は、多様に変形される。

このように、複数の波長帯域を透過させるラマンフィルタ１３１，１３２，１３３，１３４は、ＳＥＲＤＳ（shifted excitation Raman difference spectroscopy）分野に使用され、背景抽出（background subtraction）のためにも使用される。また、入射光は、波長により、皮膚に侵透する深さが異なるために、複数の波長帯域を透過させるラマンフィルタ１３１，１３２，１３３，１３４を使用し、皮膚の深さによるラマン情報を得ることができる。

図１６は、他の例示的な実施形態によるラマン分光ステムを図示したものである。

図１６を参照すれば、ラマン分光システム２００は、対象物体５０に入射光Ｌを照射する光源２１０と、対象物体５０から放出される散乱光から、ラマン信号を選択的に収集する集光光学系と、集光光学系から出るラマン信号を受信する分光器２５０と、を含んでもよい。

光源２１０から出射される入射光Ｌは、反射ミラー２１５によって反射された後、後述するラマンフィルタ２３０を介して、対象物体５０の測定領域に照射される。該集光光学系は、対象物体５０から放出される散乱光から、ラマン信号を選択的に収集することができる。該集光光学系は、非結像集光ユニット２２０及びラマンフィルタ２３０を含んでもよい。非結像集光ユニット２２０は、例えば、複合放物型集光器（ＣＰＣ）、楕円双曲面集光器（ＥＨＣ）、円形双曲面集光器（ＣＨＣ）、円錐集光器（ＣＣＣ）または楕円錐集光器（ＥＣＣ）を含んでもよい。しかし、それらに限定されるものではない。

非結像集光ユニット２２０は、対象物体５０から放出される散乱光が入射される入射面２２０ａと、該入射面２２０ａの反対側に位置するものであり、ラマン信号が放出される出射面２２０ｂと、を含んでもよい。本実施形態においては、非結像集光ユニット２２０の入射面２２０ａが、出射面２２０ｂより大面積を有することができる。

非結像集光ユニット２２０の入射面２２０ａのうち一部領域には、蛍光信号遮断のためのラマンフィルタ２３０が設けられている。具体的には、ラマンフィルタ２３０は、非結像集光ユニット２２０の入射面２２０ａにおいて、蛍光信号のほとんどが入射される領域、すなわち、入射面２２０ａの中心領域に設けられる。該ラマンフィルタ２３０は、１つの波長帯域、または複数の波長帯域が透過するように設けられる。一方、非結像集光ユニット２２０の入射面２２０ａには、ラマンフィルタ２３０の周囲を取り囲む透明部材（図示せず）がさらに設けられる。また、ラマンフィルタ２３０の周囲を取り囲む非結像集光ユニット２２０の入射面２２０ａには、特定ラマン波長のみを透過させる帯域フィルタ（図示せず）が設けられてもよい。

非結像集光ユニット２２０及びラマンフィルタ２３０を含む集光光学系は、対象物体５０から放出される散乱光のうちラマン信号のみを選択的に収集することができる。そして、かように収集されたラマン信号は、例えば、オンチップ型分光器のような分光器２５０に受信されて分析される。

図１７は、さらに他の例示的な実施形態によるラマン分光システムを図示したものである。

図１７を参照すれば、ラマン分光システム３００は、光源（図示せず）と、対象物体５０から放出される散乱光から、ラマン信号を選択的に収集する集光光学系と、該集光光学系から出るラマン信号を受信する分光器３５０と、を含んでもよい。ここで、分光器３５０としては、スリット３５５が形成された一般的な分散型分光器が使用される。

該集光光学系は、非結像集光ユニット３２０及びラマンフィルタ３３０を含んでもよい。非結像集光ユニット３２０は、対象物体５０から放出される散乱光が入射される入射面３２０ａと、該入射面３２０ａの反対側に位置するものであり、ラマン信号が放出される出射面３２０ｂと、を含んでもよい。本実施形態においては、非結像集光ユニット３２０の出射面３２０ｂが分光器３５０のスリット３５５に挿入されるように設けられる。従って、非結像集光ユニット３２０の出射面３２０ｂは、分光器３５０のスリット３５５に対応する形状に形成される。

ラマンフィルタ３３０は、非結像集光ユニット３２０の入射面３２０ａにおいて、蛍光信号のほとんどが入射される領域、すなわち、入射面３２０ａの中心領域に設けられる。該ラマンフィルタ３３０は、１つの波長帯域、または複数の波長帯域が透過するように設けられる。非結像集光ユニット３２０及びラマンフィルタ３３０を含む集光光学系は、対象物体５０から放出される散乱光のうちラマン信号のみを選択的に収集することができ、収集されたラマン信号は、スリット３５５を介して、分光器３５０内部に受信されて分析される。

図１８は、さらに他の例示的な実施形態によるラマン分光システムを図示したものである。図１８を参照すれば、ラマン分光システム４００は、対象物体５０に、入射光Ｌを照射する光源４１０と、対象物体５０から放出される散乱光から、ラマン信号を選択的に収集する集光光学系と、該集光光学系から出るラマン信号を受信する分光器４５０と、を含んでもよい。

光源４１０から出射される入射光Ｌは、対象物体５０の表面に傾くように入射される。該集光光学系は、対象物体５０から放出される散乱光から、ラマン信号を選択的に収集することができる。該集光光学系は、非結像集光ユニット４２０及びラマンフィルタ４３０を含んでもよい。非結像集光ユニット４２０は、例えば、複合放物型集光器（ＣＰＣ）、楕円双曲面集光器（ＥＨＣ）、円形双曲面集光器（ＣＨＣ）、円錐集光器（ＣＣＣ）または楕円錐集光器（ＥＣＣ）を含んでもよい。しかし、それらに限定されるものではない。

非結像集光ユニット４２０は、対象物体５０から放出される散乱光が入射される入射面と、ラマン信号が放出される出射面と、を含んでもよい。ここで、非結像集光ユニット４２０の入射面は、出射面より小面積を有することができる。また、非結像集光ユニット４２０の入射面は、出射面より大面積を有することもできる。

ラマンフィルタ４３０は、非結像集光ユニット４２０の入射面において、蛍光信号のほとんどが入射される領域、すなわち、入射面の中心領域に設けられる。かようなラマンフィルタ４３０は、１つの波長帯域、または複数の波長帯域が透過するように設けられる。非結像集光ユニット４２０及びラマンフィルタ４３０を含む集光光学系は、対象物体５０から放出される散乱光のうちラマン信号のみを選択的に収集することができる。そして、かように収集されたラマン信号は、分光器４５０に受信されて分析される。

以上で説明したように、非結像集光ユニット及びラマンフィルタを利用し、対象物体から放出される散乱光のうち、蛍光信号の受信は、抑制し、ラマン信号のみを選択的に収集することができる。具体的には、皮膚のように濁度を有する対象物体に、レーザビームを照射すれば、対象物体から放出される散乱光には、ラマン信号だけではなく、ラマン信号の受信を妨害する蛍光信号も含まれており、かような蛍光信号は、散乱光の中心部にほとんどに含まれている。従って、非結像集光ユニットの入射面において、散乱光の中心部に対応する中心領域に、蛍光信号の受信を遮断するラマンフィルタを設けることにより、蛍光信号の受信は、抑制し、ラマン信号のみを選択的に収集することができる。かようなラマン分光システムを利用すれば、皮膚内に含まれている血糖に係わるラマン信号も、効果的に検出することができる。また、オンチップ型分光器が適用されれば、モバイルヘルス香診断センサとして使用されるマイクロラマン分光システムを具現することができる。

また、複数の波長帯域を透過させることができるラマンフィルタを採用したラマン分光システムは、ＳＥＲＤＳ分野にも応用され、背景抽出（background subtraction）のためにも使用される。そして、光源から出射された入射光は、波長により、皮膚に侵透する深さが異なるために、複数の波長帯域を透過させるラマンフィルタを使用すれば、皮膚の深さによるラマン情報も得ることができる。

本発明の、分光器用集光光学系、及びそれを含むラマン分光システムは、例えば、医療検査関連の技術分野に効果的に適用可能である。

１０ 測定サンプル
２１ 第１シリコン基板
２２ 第２シリコン基板
２３ 第３シリコン基板
３１ コア
３２ クラッド層
４０ フォーカシングレンズ
５０ 対象物体
１００，２００，３００，４００ ラマン分光システム
１１０，２１０，４１０ 光源
１１５，２１５ 反射ミラー
１２０，２２０，３２０，４２０ 非結像集光ユニット
１２０ａ，２２０ａ，３２０ａ 入射面
１２０ｂ，２２０ｂ，３２０ｂ 出射面
１３０，１３１，１３２，１３３，１３４，２３０，３３０，４３０ ラマンフィルタ
１３１ａ，１３２ａ，１３３ａ，１３４ａ 第１波長フィルタ
１３１ｂ，１３２ｂ，１３３ｂ，１３４ｂ 第２波長フィルタ
１３３ｃ，１３４ｃ 第３波長フィルタ
１４０ 透明部材
１５０，２５０，３５０，４５０ 分光器
３５５ スリット
Ｆ１〜Ｆ９ ファイバ
Ｌ 入射光
Ｓ 散乱光
Ｓ’ ラマン信号を含む散乱光

Claims (18)

1. 対象物体から放出される散乱光からラマン信号を選択的に収集する分光器用集光光学系において、
   前記ラマン信号を収集して放出するものであり、前記散乱光が入射される入射面と前記ラマン信号が放出される出射面を含む非結像集光ユニットと、
   前記非結像集光ユニットの入射面の一部領域に設けられ、蛍光信号を含む前記散乱光を遮断するラマンフィルタと、を含み、
   前記散乱光のうち、前記蛍光信号の受信は、抑制し、前記ラマン信号を選択的に収集する分光器用集光光学系。
2. 前記対象物体は、濁度を有する物質を含み、光源から放出される入射光の照射により、前記蛍光信号及び前記ラマン信号を含む散乱光を放出することを特徴とする請求項１に記載の分光器用集光光学系。
3. 前記対象物体は、皮膚を含み、前記ラマン信号は、血糖ラマン信号を含むことを特徴とする請求項２に記載の分光器用集光光学系。
4. 前記ラマンフィルタは、前記蛍光信号のほとんどが入射される前記入射面の中心領域に設けられることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の分光器用集光光学系。
5. 前記非結像集光ユニットの入射面は、１ｃｍ以下の大きさを有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の分光器用集光光学系。
6. 前記ラマンフィルタは、１ｍｍ以下の大きさを有することを特徴とする請求項５に記載の分光器用集光光学系。
7. 前記ラマンフィルタは、前記対象物体に照射される入射光の波長帯域は、透過させ、前記対象物体から放出される散乱光の波長帯域は、遮断することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載の分光器用集光光学系。
8. 前記ラマンフィルタは、前記入射光の１つの特定波長帯域のみを透過させることを特徴とする請求項７に記載の分光器用集光光学系。
9. 前記ラマンフィルタは、前記入射光の複数特定波長帯域を透過させる複数の波長フィルタを含むことを特徴とする請求項７に記載の分光器用集光光学系。
10. 前記複数の波長フィルタは、格子状または同心円状に配置されることを特徴とする請求項９に記載の分光器用集光光学系。
11. 前記ラマンフィルタの周囲の前記入射面には、前記ラマン信号を含む前記散乱光を透過させる透明部材が設けられるか、あるいは特定ラマン波長のみを透過させる帯域フィルタが設けられることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１つに記載の分光器用集光光学系。
12. 前記非結像集光ユニットは、楕円双曲面集光器、円形双曲面集光器、円錐集光器、楕円錐集光器または複合放物型集光器を含むことを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１つに記載の分光器用集光光学系。
13. 前記非結像集光ユニットの入射面は、前記出射面より小面積を有することを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１つに記載の分光器用集光光学系。
14. 前記非結像集光ユニットの入射面は、前記出射面より大面積を有することを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１つに記載の分光器用集光光学系。
15. 対象物体に入射光を照射する光源と、
    前記入射光により、前記対象物体から放出される散乱光からラマン信号を選択的に収集する集光光学系と、
    前記集光光学系から出る前記ラマン信号を受信する分光器と、を含み、
    前記集光光学系は、請求項１〜１４のいずれか１つに記載の分光器用集光光学系である、ラマン分光システム。
16. 前記光源から出射される入射光は、前記対象物体の表面に垂直に照射されるか、あるいは前記対象物体の表面に対して傾くように照射されることを特徴とする請求項１５に記載のラマン分光システム。
17. 前記分光器は、オンチップ型分光器を含むことを特徴とする請求項１５または１６に記載のラマン分光システム。
18. 前記分光器は、前記ラマン信号が入射されるスリットが形成された分散型分光器を含み、前記スリットには、前記非結像集光ユニットの出射面が挿入されることを特徴とする請求項１５〜１７のいずれか１つに記載のラマン分光システム。