JP2899651B2

JP2899651B2 - 光透過型分光計

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Publication number: JP2899651B2
Application number: JP1283171A
Authority: JP
Inventors: アンドレス・ジェイ・ドスマン
Original assignee: BAIERU CORP
Current assignee: BAIERU CORP
Priority date: 1988-11-04
Filing date: 1989-11-01
Publication date: 1999-06-02
Anticipated expiration: 2014-06-02
Also published as: DE68922181D1; CA1330494C; EP0367097A3; JPH02173719A; EP0367097B1; DE68922181T2; EP0367097A2; US4930865A

Description

【発明の詳細な説明】発明の背景 A.発明の分野本発明の装置は、一般に、光を散乱させ吸収する試料
の透過度測定用の新規で改良された光透過型分光計に関
し、より詳細には、光透過型分光計用の新規で改良され
た光束集合器ならびに光透過型分光計中の複数の光源か
らの光束を合わせる方法に関する。

B.先行技術の説明光透過型分光計は、血液試料などの試料中の成分の量
を測定するために、一般に使用されている。一般に、こ
の種の機器は、光を散乱させる試料媒質の透過度測定を
行なうために用いることはできない。光透過型分光計
は、互いに対して90゜に配置した二つの光源を含むこと
ができる。この二つの光源は、異なる波長を有する。測
定を行なうためには、二つの独立した光束を合わせるこ
とが要求される。

典型的な先行技術の光透過型分光計は、光束を合わせ
るために、光束分割器として公知である光学素子を備え
ている。この光学素子は、入射する二つの光束に対して
45゜で分光計内に取り付けられた半透明のプレートであ
る。この配置で、光束分割器は、第一及び第二の光束を
合わせて共通の光束とし、この共通光束を試験体を通し
て検出器へと向ける。光学素子は二つの光束に対して正
確に45゜で取り付けなければならないことから、分光計
の組み立てには留意が必要である。したがって、光源及
び該光源に対しての光学素子の正確な取り付けが要求さ
れる。これらの素子のいずれかの取り付けにわずかな狂
いがあると、結果的に作動不能又は不正確な分光計とな
る。光学素子は二つの光源しか合わせることができない
ため、分光計に制限を課すこととなり、このため、実施
することができる試験の数の点で分光計の用途を限定す
る。

異なる波長の複数の光源を使用することができ、単一
の試験体に対して複数の試験を実施することができる光
透過型分光計を提供することが望ましい。さらに、小型
であり、光源に対して、先行技術におけるように互いに
直角をなす光源軸ではなく、互いに並行である光軸を使
用する分光計を提供することも望ましい。

発明の概要本発明の目的は、試料中の成分を測定するための新規
で改良された光透過型分光計を提供することである。

本発明のもう一つの目的は、単一の試験体について複
数の試験を実施することができる新規で改良された光透
過型分光計を提供することである。

本発明のさらなる目的は、それぞれが異なる波長にお
いて光を放つ複数の光源のための複数の並行な光軸を含
む新規で改良された光透過型分光計を提供することであ
る。

さらに、本発明の目的は、複数の光源と、光源からの
光束を本来の光束の軸に並行である共通軸に沿って合わ
せるための光学素子とを含む新規で改良された光透過型
分光計を提供することである。

本発明のもう一つの目的は、光を散乱させ吸収する関
連の試料について透過度測定を実施することができる新
規で改良された光透過型分光計を提供することである。

要約すると、本発明は、試験体を透過する光の吸収及
び散乱を測定し、これにより一又は複数の試験を実施し
て該試験体中の成分を測定するための、一般に光透過型
分光計と称される新規で改良された機器に関する。

本発明の分光計は、互いに並行となるよう取り付けら
れた複数の光源を含む。光学素子、すなわち光束集合器
は、分光計内に光源に隣接して取り付けられる。この光
束集合器は、45゜の入射角で心合わせされた第一の屈折
面及び第一の屈折面に並行である第二の屈折面を含む。
第一の屈折面は、第一の光束を光学素子の共通軸、すな
わち中心軸に向かって屈折させる。第二の屈折面は、光
束を、共通軸沿いに、かつ本来の光路と並行に屈折させ
る。追加の光束を屈折させるために、第一及び第二の屈
折面に対して直角をなす追加の屈折面を光束集合器に含
めることもできる。

光束集合器は、分光計に取り付ける前にあらかじめ組
み立てる。限界寸法及び光学素子上の臨界角を分光計の
組立に先立ち決定するので、分光計の組立の間、光束集
合器と光源との正確な心合わせの必要性が最小限にな
る。

光学素子を透過する光は散乱し、光源は本来迷光を発
することから、この迷光を遮蔽し、一次光束を試料領域
に透過させるために、第一のコリメーター管を共通軸沿
いで、かつ光束集合器に隣接させて分光計内に取り付け
る。試料の検出器観察領域を定め、試料により散乱させ
られた迷光を遮蔽し、一次光束を分光計に取り付けた検
出器へと透過させるために、第二のコリメーター管を試
料領域の第一のコリメーター管から反対側に取り付け
る。検出器は、一次光束の透過を測定し、分光計が使用
される特定の試験に応じて読取りを行なう。

好ましい実施態様の説明まず最初に第１図を参照すると、符合10で示される先
行技術の光束分割器が説明されている。先行技術の光束
分割器10は、第一の光源12及び第二の光源14からの独立
した互いに直角をなす二つの光源を合わせる又は分割す
る従来からの方法に用いられる。第一の光源12からの光
束16は、光学素子20により第二の光源14からの第二の光
束18と合わされ、合成された、すなわち単一の光束22と
成る。

光学素子20は、入射光束16及び入射光束18に対して正
確に45゜で心合わせされなければならない明澄な物質で
ある。光束16及び18と光源12及び14との間の角度を90゜
にすると、携帯用機器としては崇高で大きすぎる特殊な
ハウジングが必要となる。

光学素子20を光束16及び18に対して45゜に心合わせす
るときには、各機器を入念に組み立て、心合わせが適切
であるかを確認することが必要である。光学素子20は、
適切に心合わせされた後でさえ、使用中に心狂いが生
じ、工場又は製作段階において再較正が必要になること
がある。

光学素子20の心合わせならびに二つの面を有するもの
しか作成できないという事実により、光学素子20を用い
て合わせることができる光束の数は制限される。光束の
数を二に制限することにより、各機器が実施することが
できる試験の数もまた限定される。

第２図及び第３図を参照すると、光学素子100は複数
の光束を合わせ、共通の、すなわち一次光束にすること
ができ、光束の光源が互いに並行でかつ近接して心合わ
せされることを可能にする。この配設により、光学素子
100を含む機器がより小型でより携帯性となる。

光学素子100は、第一の屈折面、すなわち空気界面に
接する第一の面ともども、アクリル樹脂又はポリカーボ
ネートなどの半透明の材料から製造される。第一面102
は、中心の、すなわち共通軸104（第３図）に対して測
定すると45゜の入射角θを有している。第二の屈折面、
すなわち空気界面に対する第二の面106は、光学素子100
上に設けられ、第一の屈折面102と並行に配向される。
第二の屈折面106は、第一の屈折面102及び第二の屈折面
106に対して直角に測定した場合の光学素子100の厚さｔ
分だけの間隔を、第一の屈折面との間にとっている。

第一光源からの光束108が第一の屈折面102を射ると、
その第一光源からの光束108の一部が、第一の屈折面102
に向けて45゜の角度で反射され、第一の反射光束110を
定める。第一光源からの光束108の別の構成部が屈折さ
れ、光学素子100を透過して中心の、すなわち共通軸104
に向かって屈折される第一の屈折光束112を形成する。

第一の屈折光束112が第二の屈折面106を射ると、本来
の光源からの光束108と並行に屈折される。光学素子100
から射出する第一の屈折光源光束は、符合108Aにより示
される（第３図）。第一の屈折光源光束108Aは、光学素
子100により、本来の光源光束108から距離ｄ分だけ変位
される。

同様な方法で、第二の光源光束114は、光学素子100上
の第三の屈折面116を射て、光学素子100を透過して共通
軸104に向かって屈折される第二の屈折光束118を形成す
る。第三の屈折面116は、第一の屈折面102と直角をな
し、共通軸104に対して45゜の角度を有している。第二
の屈折光束118は、光学素子100を通過した後、第四の屈
折面120を射る。この第四の屈折面120は、第三の屈折面
116と並行であり、厚さｔに等しい距離だけ第三の屈折
面との間に間隔をとっている。第四の屈折面120は、第
二の屈折面106と直角をなしている。第二の屈折面光束1
18は、第四の屈折面120により共通軸104に沿って屈折さ
れ、第二の光源光束114と並行であり、第二の光源光束1
14から距離ｄ分だけ変位された第二の屈折光源光束114A
を形成する。第一の屈折光源光束108Aと第二の屈折光源
光束114Aとの間隔は、これら二つが実際には共通軸104
に沿って伸びる単一の、すなわち一次光束となるくら
い、小さな距離しか離れていない。この合わさった光束
は、符合122によって示されている（第３図及び第４
図）。

光束108及び114の変位値ｄは、光学素子100の厚さｔ
の関数である。この変位値ｄは、以下の等式によって算
出することができる。

（式中、Ｎは屈折率であり、θは光学素子100に対する
光源の入射角である）。

例えば、光学素子100の厚さが約0.86cm（加工用アク
リルガラスの標準）であり、アクリルガラスの屈折率が
1.491であり、入射角が45゜である場合、上記の公式を
用いると、変位値ｄは、約0.29cmと算出される。

光学素子100は、透過型又は反射型機器において使用
することができる。透過型機器の例には、符合200によ
り示され、第４図において説明されている光透過型分光
計がある。分光計200は、光を吸収する試料及び散乱さ
せる試料の両方に使用することができ、単一の試験体に
ついて複数の試験を実施することを可能にする多重波長
能力を有している。

分光計200においては、光学素子100は、光学素子及び
光源用ハウジング202内に取り付けられている。ハウジ
ング202及び、当然ながら光学素子100は、正方形、長方
形又は管状など、いかなる形状であってもよい。本発明
の好ましい実施態様では、ハウジング202及び光学素子1
00は管状としている。光学素子100の形状とハウジング2
00の形状は実質的に同じであるので、分光計200の組立
は、単に、予め組み立てた光学素子100をハウジング内
にスライドさせ、光源束203に応じた定位置にまで回す
だけでよい。光源束203と光学素子100との間の位置関係
に心狂いがある場合、ハウジング202内に光源束203を取
り付けている光源ホールダー208を回転することで容易
に補正される。対照的に、先行技術の光束分割器10にお
いては、光源12及び14の正確な位置ならびに光学素子20
の角度が決定的であり、心狂いの後に心合わせし直すこ
とは容易でない。

心狂いが容易に補正されうることで、光学素子100を
分光計200と別々に作製することが可能になり、光学素
子100の心合わせが先行技術の光束分割器の場合ほど決
定的ではないので、オートメーション式の組立が可能に
なる。光源束203は、光学素子100に隣接したハウジング
202内に取り付けたいくつかの光源、例えば第一の光源2
04及び第二の光源206を含む。光源束203内の光源は、共
通の光軸を共有し、独立した検出器を不要としている。
理解を容易にするために二つの光源204及び206が例示さ
れているが、少なくとも八つの光源を光源束203に含め
ることができる。各光源につき、一対の並行な反射面が
光学素子100上に用意されている。

作動すると、第一の光源204は、第一の光源光束108を
発生及び伝達する。第二の光源206は、作動すると、第
二の光源光束114を発生及び伝達する。好ましくは、第
一の光源204及び第二の光源206は、高度に並行化した出
力を発する異なる波長の発光ダイオード（LED）である
ことが望ましい。並行度が高くなると、結果的に光学的
能力が高まり、迷光が減少する。このタイプのLEDは、
正確な機械的心合わせを可能にする平坦な基準面を有し
ている。好適な実施態様においては、Siemens PN−GL 5
00及びIRL 500 LEDが使用される。

第一光源204及び第二光源206を含む光源の束は、光学
素子及び光源用ハウジング202内に固定された光源ホー
ルダー208により保持される。

第一の光源204及び第二の光源206が作動すると、第一
光源の光束108及び第二光源の光束114は、光学素子100
により屈折される。その結果合わさった一次光束122
は、第一のコリメーター管210を透過する。第一のコリ
メーター管210は、内側面にネジ212の形状の邪魔板を有
している。ネジ状物、すなわち邪魔板212は、迷光又は
散乱光を遮蔽するよう作用し、一次光束のみがコリメー
ター管210に沿って透過することを可能にする。一次光
束122は、読取り、すなわち試料領域214へと透過され
る。

通常、試料ホールダー、又は分析試験を実施するため
の反応容器は、読取り領域214に配置される。一次光束1
22は、試料ホールダーの試料を透過する。一次光束122
の一部は、試料中の種々の物質及び試薬により吸収さ
れ、一次光束122の他の部分は、反射又は散乱して迷光
となる。

試料又は試験体（図中には記載なし）を透過した後、
一次光束122は、符合216により示される検出器アセンブ
リにより検出される。検出器アセンブリ216は、試験体
を透過した後の一次光束122を検出及び測定する検出器
増幅パッケージ218を含む。検出器増幅パッケージ218
は、検出器ホールダー224により保持され、検出器増幅
パッケージ218全体は、ハウジング226内に収納されてい
る。

一次光束122は、試料（図中には記載なし）を透過し
た後に、第二のコリメーター管220により検出器増幅ア
センブリ（パッケージ）218へと伝達される。第二のコ
リメーター管220は、一次光束122が測定対象の試料を透
過する際のその散乱の結果である迷光又は散乱光を遮蔽
する内部のネジ222の形状の邪魔板を含む。第二のコリ
メーター管220は、一次光束122を検出器増幅アセンブリ
（パッケージ）218に向けるか又は伝達する作用を有す
る。第二のコリメーター管220はまた、検出器増幅アセ
ンブリ（パッケージ）218内の検出器に対し、試料から
適当な距離だけ離れた位置に窓を有し、検出器観察領域
を一次光束122の領域に限っている。

光学素子100を用いる分光計200は、光の吸収及び散乱
を共に行なう媒質の試料を測定することができる。光を
吸収する試料の測定は、読取りヘッド214内の着色試料
などの着色液体により吸収される光を測定する。通常、
色は、試料の成分の指示である。例えば、血液試料中の
色は、ヘモグロビンの値を表わす。

分光計200はまた、光を散乱させる試料媒質を測定す
る。例えば、血液試料に混合させた試薬が散逸した後、
試料中には、ラテックスのビーズが残る。これらの残余
のビーズは、一次光束122における光を散乱させる傾向
にある。試料の条件がこのようなときに検出器増幅アセ
ンブリ（パッケージ）218により行なわれる読取りは、
散乱測定である。散乱の量は、血液試料中で発生した反
応の量及び試料中にどの程度のヘモグロビンA_1cが存在
するかの測定である。しかして、先行技術の分光計にお
いては通常得られない散乱測定を達成することができ
る。

本発明の光学素子100を用いた反射機器の実施例を第
５図に示す。この反射機器は、符合300により示されて
いる反射率読取りヘッドである。反射率読取りヘッド30
0は、該反射率読取りヘッドのハウジング304において定
められる試料領域開口部302に隣接して配置された試料
を対象に拡散反射率測定を実施するために標準的に使用
される。

標準的には、拡散反射率のための多重波長を有する共
通の読取りヘッドの幾何学的配置は、45゜/0゜である。
この形態においては、試料は、45゜の角度で照射を受
け、拡散光は０゜で検出される。各波長についての異な
る光源のために、いくつかの照射軸が、０゜軸の周囲に
放射状に配置されなければならない。本発明の光学素子
100を使用することにより、一つの光学照射軸があれば
充分となる。したがって、二つの光軸しか必要とされ
ず、すべての光源が同じ領域内に配置されるので、空間
及び費用の点で必要条件が緩和される。そのうえ、読取
り照射軸を０゜軸上に配置することもでき、その結果、
試料の表面に対し垂直に照射できることにより光学性能
が改良される。

発光ダイオードが、拡散反射率測定を実施する光学読
取りヘッドにおける光源として一般に使用される。測定
される各波長は、独立した光軸上における二つの発光ダ
イオードを必要とし、これらの軸上で、両発光ダイオー
ドからの光が測定されるべき試料に照射される。光学素
子100を使用することにより、異なる波長において二又
はそれ以上の発光ダイオードを有する一つの一次照射光
軸を反射率読取りヘッド300において使用することがで
きる。このことは、光学素子100がいくつかの光束を合
わせて一つの一次光軸にするため、達成することが可能
である。

例えば、第５図に示す反射率読取りヘッド300は、光
源ホールダー310により一束に保持される第一光源306及
び第二光源308を含む。分光計200に関して述べたとお
り、光源束310は、二つ以上の光源306及び308を含むこ
とができる。少なくとも八までの光源をハウジング302
内に環状に取り付けることができる。しかし、説明の簡
素化のため、二つの光源306及び308のみを例示した。

光源306及び308は、二つの異なる波長を提供し、かつ
並んで取り付けられている。光源306及び308のそれぞれ
については、相当する屈折面の対、例えば光学素子100
の面102及び106が用意されている。光源306及び308の出
力は、該出力を共通中心軸、すなわち光束302へと変位
させる光学素子100を透過する。合わさった光束312は、
試料領域開口部302に隣接して位置した試料に迷光が到
達できないよう作用する第一のコリメーター管314を透
過する。コリメーター管314はまた、適当な試料照射領
域の範囲を定める。

試料から反射された拡散光は、その後、符合316によ
り示されている検出器増幅装置により検出される。拡散
光318は、検出器観察領域を定め、かつ試料領域開口部3
02を包囲するハウジング304の壁部から反射する迷光が
検出器増幅装置316に到達することを妨げる第二のコリ
メーター部320を透過する。

光学素子100,分光計200及び反射率読取りヘッド300
は、それぞれ、共通の光軸を共有する二又はそれ以上の
異なる波長の光源を使用し、それにより、一以上の独立
した検出器を不必要とする。そのうえ、光学素子100、
分光計200及び反射率読取りヘッド300の光学的設計によ
り、光源及び関連の光学部品が原因で発生する迷光及び
非並行光を除去することができる。さらに、本発明の光
学的設計は、製作の間、光学上の心合わせを必要としな
い。

【図面の簡単な説明】

上記及びその他の目的ならびに本発明の利点及び新規な
特徴は、付随の図面において解説する本発明の好ましい
実施態様についての以下の詳細な説明から明白となるで
あろう。第１図は、互いに直角をなすよう配向された二光源のか
らの光束を合わせるための、先行技術の光束集合器、す
なわち光束分割器の略図であり；第２図は、本発明の原
理に従って構成された光束集合器の斜視図であり；第３
図は、本発明の光束集合器を透過する光束路の略図であ
り；第４図は、本発明の光束集合器を含む光透過型分光
計の縮小垂直断面図であり；第５図は、本発明の光束集
合器を含む反射率読取りヘッドの縮小水平断面図であ
る。 100……光学素子 122……一次光束 200……（光透過型）分光計 216……検出器アセンブリ 300……反射率読取りヘッド 316……検出器増幅装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G02B 27/10 G01J 3/08 ＥＰＡＴ（ＱＵＥＳＴＥＬ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】試料中の光の吸収が分光計により測定され
る光を発生させるための複数の光源；該複数の光源を互いに並行に取り付けるためのホールダ
ー；該光源からの互いに並行な光束を屈折により合わせて一
次光束とするための、平行な第一及び第二の屈折面並び
に平行な第三及び第四の屈折面（ここで、第一の屈折面
は、第三の屈折面と実質的に垂直である）を含む光束集
合器；光束集合器及び光源からの迷光を遮蔽するための、該光
束集合器に隣接した第一の並行化装置；該第一の並行化装置に隣接した光透過型分光計内に試料
を取り付けるための、取り付け用アセンブリ；取り付け用アセンブリ中の該試料を透過する光の吸収を
検出するための、検出アセンブリ；及び該試料を通過する迷光を遮蔽するための、検出アセンブ
リ中に配置された第二の並行化装置（ここで、試料の検
出器観察領域が一次光束のそれに限定されるように、第
二の並行化装置は、検出アセンブリに取り付けられた検
出パッケージに一次光束を向けるものである）を含むことを特徴とする、光を吸収し散乱させる試料の
読取りのための光透過型分光計。
【請求項２】第一の屈折面、第二の屈折面、第三の屈折
面及び第四の屈折面の各々が、45゜の入射角を含む、請
求項１記載の光透過型分光計。
【請求項３】光束集合器を通過して変位される光束の量
が、式：（式中、ｄは変位の量であり、ｔは光束集合器の厚さで
あり、Ｎは光束集合器の屈折率であり、θは入射角であ
る）を用いて計算される、請求項１記載の光透過型分光
計。
【請求項４】該複数の光源が異なる波長の二つの発光ダ
イオードである、請求項１記載の光透過型分光計。
【請求項５】第一の並行化装置は内側面がネジ状である
管であり、該管の内側面のネジ状物が迷光を遮断する、
請求項１記載の光透過型分光計。