JP2746852B2 - 透過光測定装置 - Google Patents

透過光測定装置

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JP2746852B2
JP2746852B2 JP6622895A JP6622895A JP2746852B2 JP 2746852 B2 JP2746852 B2 JP 2746852B2 JP 6622895 A JP6622895 A JP 6622895A JP 6622895 A JP6622895 A JP 6622895A JP 2746852 B2 JP2746852 B2 JP 2746852B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、例えば高散乱媒質(高
濃度溶液、懸濁液、霧中等の内部の物体構造、含有物質
濃度や、生体等を被検体とし、その被検体を透過した光
を測定する透過光測定装置に関する。
【0002】
【従来の技術】上記のような高散乱物質や生体等を被検
体とし、その被検体の光透過率分布を計測する場合、そ
の被検体を透過した光のうち、被検体内で散乱されずに
被検体内を直進した直進透過光を、被検体内で散乱され
て被検体から射出された散乱光から高精度に分離するこ
とが重要である。
【0003】このような、直進透過光を散乱光から分離
して計測する手法として、従来、以下のような手法が提
案されている。図5は、従来提案されている、直進透過
光を散乱光から分離して計測する手法の説明図である。
被検体1に、例えばpsec(ピコ秒)程度の極めて短
い時間幅のパルス光2を照射する。
【0004】このパルス光2は被検体1内部を直進し、
あるいは種々に散乱されて被検体1から射出される。散
乱光は、直進透過光と比べ、被検体1内部で長い距離進
んでから射出されるため、被検体1から射出されたパル
ス光3は、図示のようにパルス幅の広がったパルス光と
なる。このパルス光3のうちの時間的に先頭に射出され
た部分3aは、被検体1の内部を直進した光と考えられ
るため、このパルス光3の先頭の一部分のみを検出する
ことにより、直進透過光を散乱光から分離することがで
きる。
【0005】図6は、従来提案されている、直進透過光
を散乱光から分離して計測するもう1つの手法の説明図
である。レーザ光源4から射出されたレーザ光5を被検
体1に照射する。このレーザ光5は、パルス光であって
もよいが連続光であってもよい。被検体1の内部に入射
したレーザ光5は、図5の場合と同様に、被検体1の内
部を直進し、あるいは種々に散乱された後、被検体1か
ら射出される。
【0006】ここでは、直流透過光5aを受光する位置
に、受光光学系6aと光センサ6bとからなる受光系6
を備えるとともに、被検体1内部で散乱されて入射レー
ザ光5の光軸に対し斜め方向に射出された散乱光5bを
受光する位置に、受光光学系7aと光センサ7bとから
なる、もう1つの受光器7を備え、差分器8で、これら
2つの受光器6,7で得られた光強度信号どうしの差分
を演算する。これは、散乱光は、かなり広範な方向に射
出されることを利用し、受光系6で得られた、直進透過
光+散乱光の光強度から受光系7で得られた散乱光強度
を差し引くことにより、直進透過光のみの光強度を、散
乱光強度から分離して計測しようとするものである。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】ところが、図5に示す
手法では、出力パルス光3のうちの、直進透過光成分と
考えられる先端の一部分3aの時間幅をどのように定め
るかが問題となる。この時間幅は、被検体1の特性(散
乱係数、濃度、厚さ等)に依存するため、直進透過光を
散乱光から有効に分離するためには、測定試料(被検体
1)毎に、時間幅が最適となるように調整する必要があ
る。出力パルス光3の波形は、被検体1の散乱係数と吸
収係数との双方に依存して変化するために、出力パルス
光3の波形からは時間幅は一義的には定まらず、その都
度、例えば被検体1を走査しながら被検体1の多数の点
について求めた透過光強度分布からなるモニタ画像を観
察しながら、感覚的な調整が行なわれる。
【0008】また、図6に示す手法では、受光系6で直
進透過光とともに検出された前方への散乱光の強度と受
光系7で検出された斜め方向の散乱光とでは光強度が異
なるため、差分演算を行なうにあたっては、重みづけを
行なう必要があるが、前方への散乱光と斜め方向への散
乱光との比率は一定ではなく、やはり被検体1の特性に
依存し、測定の都度、最適な重み付けとなるように調整
されている。
【0009】このように、従来の手法では、時間幅や重
み付けを定めるにあたって理論上の根拠がないために、
単に最もよく見える画像を得る目的ならばこれでもよい
が、被検体の濃度ないし濃度分布を測定する場合に定量
性が保証されないという問題がある。本発明は、上記事
情に鑑み、被検体の濃度ないし濃度分布の定量性が保証
される手法で直進透過光を散乱光から高精度に分離する
ことのできる透過光測定装置を提供することを目的とす
る。
【0010】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明の透過光測定装置は、 (1)被検体内を透過した光を所定の視野に制限する開
口を有する視野絞り (2)上記開口のフーリエ変換面に配置された、少なく
とも、該フーリエ変換面に形成される前記開口の回折パ
ターンの、中央の光強度と所定の光量極小点の光強度と
を検出する光センサ (3)これら双方の光強度に基づいて、被検体内を直進
した光の強度を求める演算手段を備えたことを特徴とす
る。
【0011】ここで、上記本発明の透過光測定装置にお
いて、上記光センサが、回折パターンの中央の光強度
と、その中央に隣接した光量極小点の光強度とを検出す
るものであることが好ましい。尚、上記「視野絞り」は
実質的に開口を規定するものであればよく、例えば、ピ
ンホール等を配置してもよく、あるいはフーリエ変換レ
ンズそのものを開口としてもよい。
【0012】
【作用】ここでは、本発明の測定原理について説明す
る。図1は、フーリエ変換面に形成される回折パターン
の一例を示した図である。レンズに単色平面波を入射す
ると、その焦点面(フーリエ変換面)に、エアリパター
ンと称される、そのレンズによる円形開口の回折パター
ンが生ずる。この回折パターンは、中心部のエアリデイ
スクと呼ばれる円盤とそれを取り囲み明暗環により形成
され、その位置関係は、単色平面波の波長λとレンズの
F値とによって理論的に決定される。
【0013】回折パターンの光強度Iは、λを光の波
長、FをレンズのF値、rを焦点面の半径方向の座標と
すると、下式で表される。
【0014】
【数1】
【0015】ここで、J1 は一次のベッセル関数を表わ
す。暗環位置は、J1 (πr/λF)=0となるrで与
えられ、第一暗環位置(最初のゼロ位置)は、r=1.
22λFである。散乱体を透過した光をレンズにより受
光すると、その焦点面の強度分布は、直進透過光によっ
て形成される回折パターンと、散乱光によって形成され
る、光軸上を最大強度としその光軸から半径r方向に離
れるに従って強度が緩やかに減少する背景光との重ね合
せとなる。
【0016】図2は、回折パターンに、散乱光による背
景光が重畳された状態の、レンズ焦点面上での光強度分
布を示した図である。ここで、IS は、直進透過光強
度、IN は前方散乱光強度を表わす。光軸中心の光強度
は、直進透過光と前方散乱光との和(IS +IN )で与
えられる。一方、暗環位置における強度I’N は、直進
透過光の成分はなく散乱光のみの強度である。散乱光の
強度は焦点面において光軸から離れるに従って緩やかに
減少するために、暗環位置での散乱光強度、特に光軸に
最も近接した第一暗環での散乱光強度は、光軸中心にお
ける散乱光強度と同一であると見なすことができる。従
って両者の差分をとることにより、正確な直進透過光強
度を得ることができる。
【0017】本発明の透過光測定装置は、上記の視野絞
りを配置し、その視野絞りのフーリエ変換面に形成され
た回折パターンの、中央の光強度と、光量極小点(円形
開口の場合の暗環上の点)、好ましくは中央に隣接した
光量極小点の光強度とを検出し、それら双方の光強度に
基づいて被検体内を直進した光の強度を求めるものであ
り、上記のように理論上の根拠をもって、直進透過光
を、散乱光から分離して正確に検出することができる。
【0018】
【実施例】以下、本発明の実施例について説明する。図
3は、本発明の透過光測定装置の一実施例を用いた実験
系を示す図である。He−Neレーザ光源12から射出
されたレーザ光12aはビームエキスパンダ13により
ビーム径が10倍に拡張されて、散乱体が封入されたセ
ル11に照射される。セル11を透過した光は、ピンホ
ール板18の、この例では1.5mmφのピンホール開
口18aを透過し、さらに焦点距離f=30mmのレン
ズ14、CCDカメラ15の対物レンズ15aを透過
し、CCDセンサ面(図示せず)上に、ピンホール開口
18aの回折パターンを形成する。この回折パターン
は、例えば図2に示すような強度分布を有している。C
CDカメラ15では、CCDセンサ面上の各点の光強度
が検出され、この検出された光強度を表わす信号は、モ
ニタディスプレイ16およびコンピュータ17に入力さ
れる。コンピュータ17のディスプレイ画面17aに
は、図2に示すような、回折パターンの光強度分布を表
示しておき、マウス17bを用いて画面上のカーソル
(図示せず)を動かして、光軸の位置と、第1暗環の位
置が指定される。そうすると、コンピュータ17内で、
それら光軸上の光強度および第1暗環上の光強度が抽出
され、そられの光強度どうしの差分が求められる。
【0019】ここで、セル11,ピンホール板18,レ
ンズ14,CCDカメラ15等の配置位置を確立させた
後、セル11内が、先ず水で充満され、回折パターンが
最も明瞭に見える状態で光軸上の位置および第1暗環の
位置が確認され、その後、セル内が、水に代えて、被測
定対象としての散乱性溶液で充満される。こうすること
により、光軸の位置および第1暗環の位置を正確に見い
出すことできる。
【0020】また、図3に示す実験系には、光軸を横切
る方向に移動するナイフエッジ21がセル11内に挿入
されており、このナイフエッジ21は、コンピュータ1
7によって制御されるパルスステージ20により、図の
上下方向に移動される。図4は、ナイフエッジ21をセ
ル11内に徐々に深く挿入しながら、上記のようにして
測定した、光強度どうしの差分、および差分演算を行な
う前の光軸上の光強度をプロットしたグラフである。
【0021】横軸は、ナイフエッジ21の、セル11内
への挿入距離、縦軸は、規格化された光強度を示してい
る。差分を行なうと、差分を行なう前の光軸上の光強度
の変化と比べ、急峻に変化し、かつ、光強度の低いとこ
ろまで下がっている。これは、差分演算を行なうことに
より、散乱光成分が有効に除去されること、すなわち直
進透過光が有効に抽出されることを意味している。
【0022】尚、上記実施例は、セル11内部の散乱性
溶液の1点についての透過情報のみを得る実験系である
が、投光系および受光系に対し、セル11を、図3の上
下方向、及び図3の紙面に垂直な方向に移動させなが
ら、セル11内部の散乱体の二次元的な各点の直進透過
光成分を散乱光成分から分離して検出することもでき
る。あるいは、被検体(セル11)を移動されることが
できないときは、投光系および受光系の方を、一定の位
置関係を保持したまま移動させてもよい。
【0023】また、上述の説明では、光軸の位置および
第1暗環の位置をマニュアルで指定する旨説明したが、
光学系が定まれば光軸の位置および第1暗環の位置も定
まるので、いちいちマニュアルで指定することなく、光
軸上の光強度および第1暗環の位置の光強度を自動的に
取り込むようにしてもよい。さらに、上記実施例では、
CCDカメラ15を用いて、回折パターンを、多数の画
素にわたって二次元的に検出したが、上述の説明から明
らかなように、必要な情報は光軸上の光強度と第1暗環
上の光強度のみであり、しかも光学系が定まれば光軸の
位置および第1暗環の位置も定まるので、それら光軸上
の光を受光する位置と、第1暗環上の光を受光する位置
に、それぞれ光センサを1つずつ配置し、あるいはそれ
らの位置の間で移動自在な光センサを1つだけ備えるだ
けでもよい。
【0024】さらに、上述の説明は円形開口の回折パタ
ーンを例とした説明であるが、本発明は円形開口の場合
のみに適用されるものではなく、矩形開口であってもよ
く、あるいはスリット状の開口を有し、そのスリット状
の開口の延びる方向に直交する方向に形成される回折パ
ターンを利用してもよい。
【0025】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の透過光測
定装置によれば、直進透過光による情報を散乱光による
ノイズから高精度に分離することができ、しかもその定
量性が保証される。
【図面の簡単な説明】
【図1】フーリエ変換面に形成される回折パターンの一
例を示した図である。
【図2】回折パターンに、散乱光による背景光が重畳さ
れた状態の、レンズ焦点面上での光強度分布を示した図
である。
【図3】本発明の透過光測定装置の一実施例を用いた実
験系を示す図である。
【図4】ナイフエッジをセル内に徐々に深く挿入しなが
ら測定した、光強度どうしの差分、および差分演算を行
なう前の光軸上の光強度をプロットしたグラフである。
【図5】従来提案されている、直進透過光を散乱光から
分離して計測する手法の説明図である。
【図6】従来提案されている、直進透過光を散乱光から
分離して計測するもう1つの手法の説明図である。
【符号の説明】
11 散乱体で充たされたセル 12 He−Neレーザ光源 13 ビームエキスパンダ 14 レンズ 15 CCDカメラ 16 モニタディスプレイ 17 コンピュータ 18 ピンホール板 20 パルスステージ 21 ナイフエッジ

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 被検体内を透過した光を所定の視野に制
    限する開口を有する視野絞りと、 前記開口のフーリエ変換面に配置された、少なくとも、
    該フーリエ変換面に形成される前記開口の回折パターン
    の、中央の光強度と所定の光量極小点の光強度とを検出
    する光センサと、 これら双方の光強度に基づいて、前記被検体内を直進し
    た光の強度を求める演算手段とを備えたことを特徴とす
    る透過光測定装置。
  2. 【請求項2】 前記光センサが、前記回折パターンの中
    央の光強度と、該中央に隣接した光量極小点の光強度と
    を検出するものであることを特徴とする請求項1記載の
    透過光測定装置。
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