JP3662370B2 - 光学式測定装置および方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、測定光を干渉させることによって得られる光干渉信号と参照光を干渉させることによって得られる光干渉信号とを利用して、被測定物質に含まれる特定の生体成分量を測定する光学式測定装置および方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光干渉を利用して、物理量を測定する方法が知られている。そのような物理量としては、例えば、物体の変位や表面形状、複屈折性を有する物質の複屈折率、旋光特性を有する物質の水溶液濃度などが挙げられる。
【０００３】
その方法は、ヘテロダイン干渉光の位相と測定対象である特定成分の物理量との間に関係があることを利用する。その方法は、干渉光を電気信号に変換することと、その電気信号の位相を測定することにより特定成分の物理量を求めることとを含んでいる。通常、既知の参照光の位相と測定光の位相との間のずれ（すなわち、参照光と測定光との間の位相差）を測定することにより、物理量が測定される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
通常、参照光と測定光との間の位相差は、測定対象である物理量の変化に対して決定される。物理量の変化が大きいほど位相差も大きくなるが、位相差はきわめて小さいことが通常である。従って、物理量の変化を高分解能あるいは高精度で測定しようとすると、非常に高い精度を有する位相差計が要求される。
【０００５】
一般に、位相差計の分解能は電気的に０．１度ないし０．０１度が限度である。位相差計は、その限度未満の位相差を測定することができない。従って、従来の方法では、物理量の微量の変化を測定することができないという問題点があった。
【０００６】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされてものであり、特定の生体成分量の微量の変化を測定することが可能な、向上された測定精度を有する光学式測定装置および方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の光学式測定装置は、被測定物質を通過する測定光と所定の参照光とを利用して、該被測定物質に含まれる特定の生体成分量を測定する光学式測定装置であって、第１の光源から出射された第１の光と、第２の光源から前記第１の光と異なる周波数で出射された第２の光との干渉光が前記被測定物質を通過することによって得られる測定光から第１の光干渉信号を得る第１の干渉手段と、前記第１の光と、前記第２の光とを干渉させることによって得られる参照光から第２の光干渉信号を得る第２の干渉手段と、該第１の光干渉信号を第１の電気信号に変換する第１の光電変換部と、該第２の光干渉信号を第２の電気信号に変換する第２の光電変換部と、該第１の電気信号の位相を拡大する第１の位相拡大部と、該第２の電気信号の位相を拡大する第２の位相拡大部と、該第１の位相拡大部によって拡大された位相と該第２の位相拡大部によって拡大された位相との間の位相差を測定する位相差測定部と、該位相差測定部によって測定された該位相差に応じて、該被測定物質に含まれる該特定の生体成分量を決定する生体成分量決定部とを備えており、これにより上記目的が達成される。
【０００８】
前記参照光は、参照物質を通過してもよい。
【０００９】
前記第１の位相拡大部は、前記第１の電気信号を乗算する少なくとも１つの第１の乗算回路を備えており、前記第２の位相拡大部は、前記第２の電気信号を乗算する少なくとも１つの第２の乗算回路を備えていてもよい。
【００１０】
前記第１の乗算回路は、前記第１の電気信号の周波数と位相とを拡大する第１の乗算器と、該第１の乗算器の出力を増幅する第１の増幅器と、該第１の増幅器の出力から特定の周波数を有する信号を抽出し、ノイズを除去する第１の波形処理器とを含み、前記第２の乗算回路は、前記第２の電気信号の周波数と位相とを拡大する第２の乗算器と、該第２の乗算器の出力を増幅する第２の増幅器と、該第２の増幅器の出力から特定の周波数を有する信号を抽出し、ノイズを除去する第２の波形処理器とを含んでいてもよい。
【００１１】
本発明の光学式測定方法は、被測定物質を通過する測定光と所定の参照光とを利用して、該被測定物質に含まれる特定の生体成分量を測定する光学式測定方法であって、ａ）第１の光源から出射された第１の光と、第２の光源から前記第１の光と異なる周波数で出射された第２の光との干渉光が前記被測定物質を通過することによって得られる測定光から第１の光干渉信号を得るステップと、ｂ）前記第１の光と、前記第２の光とを干渉させることによって得られる参照光から第２の光干渉信号を得るステップと、ｃ）該第１の光干渉信号を第１の電気信号に変換するステップと、ｄ）該第２の光干渉信号を第２の電気信号に変換するステップと、ｅ）該第１の電気信号の位相を拡大するステップと、ｆ）該第２の電気信号の位相を拡大するステップと、ｇ）ステップｅ）において拡大された位相とステップｆ）において拡大された位相との間の位相差を測定するステップと、ｈ）ステップｇ）において測定された該位相差に応じて、該被測定物質に含まれる該特定の生体成分量を決定するステップとを包含し、これにより上記目的が達成される。
【００１２】
前記参照光は、参照物質を通過してもよい。
【００１３】
前記ステップｅ）は、ｉ）前記第１の電気信号を少なくとも１回乗算するステップを包含しており、前記ステップｆ）は、ｊ）前記第２の電気信号を少なくとも１回乗算するステップを包含していてもよい。
【００１４】
前記ステップｉ）は、前記第１の電気信号の周波数と位相とを第１の乗算器を用いて拡大するステップと、該第１の乗算器の出力を第１の増幅器を用いて増幅するステップと、該第１の増幅器の出力から特定の周波数を有する信号を抽出し、ノイズを除去するステップとを包含し、前記ステップｊ）は、前記第２の電気信号の周波数と位相とを第２の乗算器を用いて拡大するステップと、該第２の乗算器の出力を第２の増幅器を用いて増幅するステップと、該第２の増幅器の出力から特定の周波数を有する信号を抽出し、ノイズを除去するステップとを包含していてもよい。
【００１５】
以下、作用を説明する。
【００１６】
本発明による光学式測定装置および方法によれば、測定光に対応する第１の電気信号の位相と、参照光に対応する第２の電気信号の位相とが拡大される。これにより、第１の電気信号と第２の電気信号との間の位相差が拡大される。位相差を拡大することによって位相差の測定精度が向上する。その結果、生体成分量の測定精度も向上する。位相差と生体成分量とは、一定の関係にあるからである。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。
【００１８】
図１は、本発明による光学式測定装置１００の構成を示す。光学式測定装置１００は、光源１、２と、ビームスプリッタ３と、ミラー４と、サンプルセル６ｍ、６ｒと、偏光板７ｍ、７ｒと、フォトダイオード８ｍ、８ｒと、アンプ９ｍ、９ｒと、ミキサ１０ｍ、１０ｒと、電気信号発振器１１と、位相拡大部１２ｍ、１２ｒと、位相差計１３と、生体成分量決定部１４とを含んでいる。
【００１９】
光源１、２は光を出射する。光源１から出射された光と光源２から出射された光とは、互いに異なる周波数を有しており、かつ、互いに９０度偏光している。例えば、光源１は、水平方向に偏光した周波数ｆ0の光を出射し、光源２は、垂直方向に偏光した周波数ｆ0＋Δｆの光を出射する。光源１、２から出射された光は、ビームスプリッタ３に入射される。
【００２０】
ビームスプリッタ３は、光源１、２からの光を測定光と参照光とに分解する。ビームスプリッタ３によって分解された測定光と参照光は、いずれも、周波数ｆ0の水平方向の直線偏光と周波数ｆ0＋Δｆの垂直方向の直線偏光とを有する。これらの直線偏光のそれぞれは、可干渉性の成分である。
【００２１】
ビームスプリッタ３から出射された測定光の光路上には、サンプルセル６ｍと、偏光板７ｍと、フォトダイオード８ｍとが配置されている。
【００２２】
測定光は、サンプルセル６ｍを通過する。サンプルセル６ｍには被測定物質が収納されている。
【００２３】
その後、測定光は、偏光板７ｍを通過する。これにより、測定光に含まれる水平方向の直線偏光と垂直方向の直線偏光とが互いに重なり合って干渉する。その結果、偏光板７ｍの出力として、周波数Δｆ、位相Φmを有する光干渉信号Ｉmが得られる。ここで、位相Φmは、水平方向の直線偏光と垂直方向の直線偏光との間の位相差と被測定物質の性質によって生じた位相差とに依存する。
【００２４】
光干渉信号Ｉmは、（数１）によって表される。
【００２５】
【数１】
Ｉm ＝ Ａm・Ｓｉｎ［ωｔ＋Φm］
ここで、Ａmは光干渉信号Ｉmの振幅を示し、ωは干渉ビートの周波数を示し、Φmは光干渉信号Ｉmの位相を示す。
【００２６】
被測定物質が旋光性を有している場合には、図１に示されるように、測定光の光路上に四分の一波長板５Ａと四分の一波長板５Ｂとがさらに配置される。
【００２７】
一般に、直線偏光が四分の一波長板のような複屈折板を通過すると、偏光状態が変化する。直線偏光の振動面に対して軸の方向が４５°となるように四分の一波長板を配置した場合には、直線偏光は四分の一波長板を通過することによって円偏光に変換される。その円偏光は四分の一波長板を通過することによって直線偏光に変換される。
【００２８】
ビームスプリッタ３から出射された測定光に含まれる水平方向の直線偏光と垂直方向の直線偏光とは、四分の一波長板５Ａを通過することによって、それぞれ、右回りの円偏光と左回りの円偏光とに変換される。測定光は、サンプルセル６ｍを通過する。その被測定物質が旋光性を有する場合には、右回りの円偏光と左回りの円偏光との間には位相のズレが生じる。右回りの円偏光と左回りの円偏光とは、四分の一波長板５Ｂを通過することによって、それぞれ、水平方向の直線偏光と垂直方向の直線偏光とに変換される。その後、測定光は、偏光板７ｍを通過する。
【００２９】
ビームスプリッタ３から出射された参照光は、ミラー４によって反射される。その結果、参照光の進行方向が９０°変えられる。ミラー４によって反射された参照光の光路上には、サンプルセル６ｒと、偏光板７ｒと、フォトダイオード８ｒとが配置されている。
【００３０】
ビームスプリッタ３から出射された参照光は、サンプルセル６ｒを通過する。サンプルセル６ｒには、被測定物質は収納されていない。その後、参照光は、偏光板７ｒを通過する。これにより、水平方向の直線偏光と垂直方向の直線偏光とが互いに重なり合って干渉する。その結果、偏光板７ｒの出力として、周波数Δｆ、位相Φrを有する光干渉信号Ｉrが得られる。ここで、位相Φrは、水平方向の直線偏光と垂直方向の直線偏光との間の位相差に依存する。
【００３１】
光干渉信号Ｉrは、（数２）によって表される。
【００３２】
【数２】
Ｉr ＝ Ａr・Ｓｉｎ［ωｔ＋Φr］
ここで、Ａrは光干渉信号Ｉrの振幅を示し、ωは干渉ビートの周波数を示し、Φrは光干渉信号Ｉrの位相を示す。
【００３３】
フォトダイオード８ｍは、光干渉信号Ｉmを電気信号Ｖmに光電変換する。フォトダイオード８ｒは、光干渉信号Ｉrを電気信号Ｖrに光電変換する。
【００３４】
電気信号Ｖm、Ｖrは、（数３）、（数４）によって表される。
【００３５】
【数３】
Ｖm ＝ Ｂm・Ｓｉｎ［ωｔ＋Φm］
【００３６】
【数４】
Ｖr ＝ Ｂr・Ｓｉｎ［ωｔ＋Φr］
従って、電気信号Ｖmと電気信号Ｖrとの間の位相差ΔΦは、（数５）によって表される。
【００３７】
【数５】
ΔΦ ＝ Φm − Φr
電気信号Ｖmは、アンプ９ｍによって増幅され、位相差計１３によって測定可能な周波数領域となるようにミキサ１０ｍによって電気信号発振器１１から出力される発振した電気信号と掛け合わせられる。ミキサ１０ｍの出力は、位相拡大部１２ｍに供給される。
【００３８】
同様にして、電気信号Ｖrは、アンプ９ｒおよびミキサ１０ｒを介して位相拡大部１２ｒに供給される。
【００３９】
図２は、位相拡大部１２ｍおよび位相拡大部１２ｒの構成を示す。位相拡大部１２ｍは、Ｎ個の乗算回路１２０ｍ−１〜１２０ｍ−Ｎを含んでおり、それらは互いに直列に接続されている。位相拡大部１２ｒは、Ｎ個の乗算回路１２０ｒ−１〜１２０ｒ−Ｎを含んでおり、それらは互いに直列に接続されている。
【００４０】
図３は、乗算回路１２０ｍ−１および乗算回路１２０ｒ−１の構成を示す。乗算回路１２０ｍ−１は、乗算器１２１ｍ−１と、増幅器１２２ｍ−１と、波形処理器１２３ｍ−１とを含んでいる。乗算回路１２０ｒ−１は、乗算器１２１ｒ−１と、増幅器１２２ｒ−１と、波形処理器１２３ｒ−１とを含んでいる。
【００４１】
乗算器１２１ｍ−１は、ミキサ１０ｍから出力された電気信号Ｖmを２乗する乗算処理を行う。これにより、電気信号Ｖmの周波数と位相とが拡大される。その結果、電気信号Ｖm1’が得られる。
【００４２】
電気信号Ｖm1’は、（数６）によって表される。
【００４３】
【数６】
ここで、Ｄmは電気信号Ｖm1’の振幅を示し、Ψmは電気信号Ｖm1’の位相を示す。
【００４４】
同様にして、乗算器１２１ｒ−１は、ミキサ１０ｒから出力された電気信号Ｖrを２乗する乗算処理を行う。これにより、電気信号Ｖrの周波数と位相とが拡大される。その結果、電気信号Ｖr1’が得られる。
【００４５】
電気信号Ｖr1’は、（数７）によって表される。
【００４６】
【数７】
ここで、Ｄrは電気信号Ｖr1’の振幅を示し、Ψrは電気信号Ｖr1’の位相を示す。
【００４７】
従って、電気信号Ｖm1’と電気信号Ｖr1’との間の位相差ΔΨは、（数８）によって表される。
【００４８】
【数８】
ΔΨ ＝ Ψm− Ψr ＝ ２ΔΦ
増幅器１２２ｍ−１は、乗算器１２１ｍ−１によって減衰された信号の振幅を元の振幅に戻すよう乗算器１２１ｍ−１から出力される電気信号を増幅する。周波数拡大処理によって減衰された振幅を補償するためである。
【００４９】
波形処理器１２３ｍ−１は、電気信号から必要な周波数を抽出し、ノイズを除去する。
【００５０】
このようにして、波形処理器１２３ｍ−１から出力される電気信号Ｖm1”は、（数９）によって表される。
【００５１】
【数９】
Ｖm1”＝ Ｄm1・Ｃｏｓ（２ωｔ＋２Φm）
（数３）および（数９）から電気信号Ｖm1”の位相は電気信号Ｖmの位相の２倍に拡大されることがわかる。
【００５２】
電気信号Ｖm1”は、乗算回路１２０ｍ−１から出力される。乗算回路１２０ｍ−２〜１２０ｍ−Ｎの構成は、乗算回路１２０−１の構成と同一である。従って、乗算回路１２０ｍ−Ｎから出力される電気信号ＶmN”は、（数１０）によって表される。
【００５３】
【数１０】
ＶmN”＝ ＤmN・Ｃｏｓ（２Nωｔ＋２NΦm）
（数３）および（数１０）から電気信号ＶmN”の位相は電気信号Ｖmの位相の２N倍に拡大されることがわかる。
【００５４】
同様にして、乗算回路１２０ｒ−Ｎから出力される電気信号ＶrN”は、（数１１）によって表される。
【００５５】
【数１１】
ＶrN”＝ ＤrN・Ｃｏｓ（２Nωｔ＋２NΦr）
（数４）および（数１１）から電気信号ＶrN”の位相は電気信号Ｖrの位相の２N倍に拡大されることがわかる。
【００５６】
従って、位相拡大部１２ｍから出力される電気信号ＶmN”と位相拡大部１２ｒから出力される電気信号ＶrN”との間の位相差ΔΨNは、（数１２）によって表される。
【００５７】
【数１２】
ΔΨN ＝ ２NΦm−２NΦr ＝ ２NΔΦ
位相差ΔΨNは、位相差計１３によって測定される。位相差ΔΨNと被測定物質に含まれる特定の生体成分量とは一定の関係を有する。例えば、特定の生体成分量は、位相差ΔΨNの関数Ｆとして定義される。関数Ｆは与えられる。
【００５８】
生体成分量決定部１４は、位相差ΔΨNに基づいて生体成分量を決定する。
【００５９】
このように、位相拡大部１２ｍ、１２ｒにおいてそれぞれＮ回乗算処理を行うことにより、生体成分量と直接的に関連する位相差ΔΦに比べて２N倍に拡大された位相差（ΔΨN＝２NΔΦ）を有する電気信号が得られる。このため、従来と同一の精度の位相差計を用いて、被測定物質の特定の生体成分量をより高精度で測定することが可能となる。
【００６０】
２チャンネルの光ヘテロダイン干渉から得られる交流電気信号の周波数を１ＭＨｚに落として、図３に示される乗算回路１２０ｍ−１による位相の拡大効果を確認した。
【００６１】
図４は、乗算回路１２０ｍ−１および乗算回路１２０ｒ−１によって位相が拡大される前の、測定光に対応する電気信号Ｖmの波形と参照光に対応する電気信号Ｖrの波形とを示す。これらの波形は、オシロスコープを用いて観察され得る。
【００６２】
図５は、乗算回路１２０ｍ−１および乗算回路１２０ｒ−１によって位相が拡大された後の、測定光に対応する電気信号Ｖm1”の波形と参照光に対応する電気信号Ｖr1”の波形とを示す。これらの波形は、オシロスコープを用いて観察され得る。
【００６３】
図４および図５から、乗算回路１２０ｍ−１および乗算回路１２０ｒ−１による処理によって電気信号の周波数が倍増したことがわかる。
【００６４】
また、図４では、測定光に対応する電気信号Ｖmと参照光に対応する電気信号Ｖrとの間の位相差は９０°であるのに対し、図５では、測定光に対応する電気信号Ｖm1”と参照光に対応する電気信号Ｖr1”との間の位相差は１８０°に拡大されている。これは、位相拡大部１２ｍ、１２ｒによる位相の拡大効果を表している。
【００６５】
図６は、位相拡大部１２ｍ、１２ｒに入力される信号の位相差と位相拡大部１２ｍ、１２ｒから出力される信号の位相差との関係を示す。図６から、位相拡大部１２ｍ、１２ｒによって位相差が拡大されていることがわかる。
【００６６】
なお、サンプルセル６ｒに参照物質を収納し、参照光がその参照物質を通過するようにしてもよい。参照物質は、例えば、空気であり得る。あるいは、サンプルセル６ｒの中を真空状態にしてもよい。
【００６７】
乗算器としては、例えば、ミキサを使用することができる。
【００６８】
波形処理器としては、例えば、バンドパスフィルタやハイパスフィルタのような濾過器を使用することができる。
【００６９】
乗算回路において、乗算器で電気信号の周波数を上げた後に周波数を下げるためのミキサを使用してもよい。これにより、位相差の測定を容易にすることができる。
【００７０】
【発明の効果】
本発明による光学式測定装置および方法によれば、測定光に対応する第１の電気信号の位相と、参照光に対応する第２の電気信号の位相とが拡大される。これにより、第１の電気信号と第２の電気信号との間の位相差が拡大される。位相差を拡大することによって位相差の測定精度が向上する。その結果、生体成分量の測定精度も向上する。位相差と生体成分量とは、一定の関係にあるからである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による光学式測定装置１００の構成を示す図である。
【図２】位相拡大部１２ｍおよび位相拡大部１２ｒの構成を示す図である。
【図３】乗算回路１２０ｍ−１および乗算回路１２０ｒ−１の構成を示す図である。
【図４】乗算回路１２０ｍ−１および乗算回路１２０ｒ−１への入力信号の波形を示す図である。
【図５】乗算回路１２０ｍ−１および乗算回路１２０ｒ−１からの出力信号の波形を示す図である。
【図６】位相拡大部１２ｍ、１２ｒに入力される信号の位相差と位相拡大部１２ｍ、１２ｒから出力される信号の位相差との関係を示す図である。
【符号の説明】
１ 光源
２ 光源
３ ビームスプリッタ
４ ミラー
５Ａ、５Ｂ 四分の一波長板
６ｍ、６ｒ サンプルセル
７ｍ、７ｒ 偏光板
８ｍ、８ｒ フォトダイオード
９ｍ、９ｒ アンプ
１０ｍ、１０ｒ ミキサ
１１ 電気信号発振器
１２ｍ、１２ｒ 位相拡大部
１３ 位相差計
１４ 生体成分量決定部
【発明の属する技術分野】
本発明は、測定光を干渉させることによって得られる光干渉信号と参照光を干渉させることによって得られる光干渉信号とを利用して、被測定物質に含まれる特定の生体成分量を測定する光学式測定装置および方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光干渉を利用して、物理量を測定する方法が知られている。そのような物理量としては、例えば、物体の変位や表面形状、複屈折性を有する物質の複屈折率、旋光特性を有する物質の水溶液濃度などが挙げられる。
【０００３】
その方法は、ヘテロダイン干渉光の位相と測定対象である特定成分の物理量との間に関係があることを利用する。その方法は、干渉光を電気信号に変換することと、その電気信号の位相を測定することにより特定成分の物理量を求めることとを含んでいる。通常、既知の参照光の位相と測定光の位相との間のずれ（すなわち、参照光と測定光との間の位相差）を測定することにより、物理量が測定される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
通常、参照光と測定光との間の位相差は、測定対象である物理量の変化に対して決定される。物理量の変化が大きいほど位相差も大きくなるが、位相差はきわめて小さいことが通常である。従って、物理量の変化を高分解能あるいは高精度で測定しようとすると、非常に高い精度を有する位相差計が要求される。
【０００５】
一般に、位相差計の分解能は電気的に０．１度ないし０．０１度が限度である。位相差計は、その限度未満の位相差を測定することができない。従って、従来の方法では、物理量の微量の変化を測定することができないという問題点があった。
【０００６】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされてものであり、特定の生体成分量の微量の変化を測定することが可能な、向上された測定精度を有する光学式測定装置および方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の光学式測定装置は、被測定物質を通過する測定光と所定の参照光とを利用して、該被測定物質に含まれる特定の生体成分量を測定する光学式測定装置であって、第１の光源から出射された第１の光と、第２の光源から前記第１の光と異なる周波数で出射された第２の光との干渉光が前記被測定物質を通過することによって得られる測定光から第１の光干渉信号を得る第１の干渉手段と、前記第１の光と、前記第２の光とを干渉させることによって得られる参照光から第２の光干渉信号を得る第２の干渉手段と、該第１の光干渉信号を第１の電気信号に変換する第１の光電変換部と、該第２の光干渉信号を第２の電気信号に変換する第２の光電変換部と、該第１の電気信号の位相を拡大する第１の位相拡大部と、該第２の電気信号の位相を拡大する第２の位相拡大部と、該第１の位相拡大部によって拡大された位相と該第２の位相拡大部によって拡大された位相との間の位相差を測定する位相差測定部と、該位相差測定部によって測定された該位相差に応じて、該被測定物質に含まれる該特定の生体成分量を決定する生体成分量決定部とを備えており、これにより上記目的が達成される。
【０００８】
前記参照光は、参照物質を通過してもよい。
【０００９】
前記第１の位相拡大部は、前記第１の電気信号を乗算する少なくとも１つの第１の乗算回路を備えており、前記第２の位相拡大部は、前記第２の電気信号を乗算する少なくとも１つの第２の乗算回路を備えていてもよい。
【００１０】
前記第１の乗算回路は、前記第１の電気信号の周波数と位相とを拡大する第１の乗算器と、該第１の乗算器の出力を増幅する第１の増幅器と、該第１の増幅器の出力から特定の周波数を有する信号を抽出し、ノイズを除去する第１の波形処理器とを含み、前記第２の乗算回路は、前記第２の電気信号の周波数と位相とを拡大する第２の乗算器と、該第２の乗算器の出力を増幅する第２の増幅器と、該第２の増幅器の出力から特定の周波数を有する信号を抽出し、ノイズを除去する第２の波形処理器とを含んでいてもよい。
【００１１】
本発明の光学式測定方法は、被測定物質を通過する測定光と所定の参照光とを利用して、該被測定物質に含まれる特定の生体成分量を測定する光学式測定方法であって、ａ）第１の光源から出射された第１の光と、第２の光源から前記第１の光と異なる周波数で出射された第２の光との干渉光が前記被測定物質を通過することによって得られる測定光から第１の光干渉信号を得るステップと、ｂ）前記第１の光と、前記第２の光とを干渉させることによって得られる参照光から第２の光干渉信号を得るステップと、ｃ）該第１の光干渉信号を第１の電気信号に変換するステップと、ｄ）該第２の光干渉信号を第２の電気信号に変換するステップと、ｅ）該第１の電気信号の位相を拡大するステップと、ｆ）該第２の電気信号の位相を拡大するステップと、ｇ）ステップｅ）において拡大された位相とステップｆ）において拡大された位相との間の位相差を測定するステップと、ｈ）ステップｇ）において測定された該位相差に応じて、該被測定物質に含まれる該特定の生体成分量を決定するステップとを包含し、これにより上記目的が達成される。
【００１２】
前記参照光は、参照物質を通過してもよい。
【００１３】
前記ステップｅ）は、ｉ）前記第１の電気信号を少なくとも１回乗算するステップを包含しており、前記ステップｆ）は、ｊ）前記第２の電気信号を少なくとも１回乗算するステップを包含していてもよい。
【００１４】
前記ステップｉ）は、前記第１の電気信号の周波数と位相とを第１の乗算器を用いて拡大するステップと、該第１の乗算器の出力を第１の増幅器を用いて増幅するステップと、該第１の増幅器の出力から特定の周波数を有する信号を抽出し、ノイズを除去するステップとを包含し、前記ステップｊ）は、前記第２の電気信号の周波数と位相とを第２の乗算器を用いて拡大するステップと、該第２の乗算器の出力を第２の増幅器を用いて増幅するステップと、該第２の増幅器の出力から特定の周波数を有する信号を抽出し、ノイズを除去するステップとを包含していてもよい。
【００１５】
以下、作用を説明する。
【００１６】
本発明による光学式測定装置および方法によれば、測定光に対応する第１の電気信号の位相と、参照光に対応する第２の電気信号の位相とが拡大される。これにより、第１の電気信号と第２の電気信号との間の位相差が拡大される。位相差を拡大することによって位相差の測定精度が向上する。その結果、生体成分量の測定精度も向上する。位相差と生体成分量とは、一定の関係にあるからである。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。
【００１８】
図１は、本発明による光学式測定装置１００の構成を示す。光学式測定装置１００は、光源１、２と、ビームスプリッタ３と、ミラー４と、サンプルセル６ｍ、６ｒと、偏光板７ｍ、７ｒと、フォトダイオード８ｍ、８ｒと、アンプ９ｍ、９ｒと、ミキサ１０ｍ、１０ｒと、電気信号発振器１１と、位相拡大部１２ｍ、１２ｒと、位相差計１３と、生体成分量決定部１４とを含んでいる。
【００１９】
光源１、２は光を出射する。光源１から出射された光と光源２から出射された光とは、互いに異なる周波数を有しており、かつ、互いに９０度偏光している。例えば、光源１は、水平方向に偏光した周波数ｆ0の光を出射し、光源２は、垂直方向に偏光した周波数ｆ0＋Δｆの光を出射する。光源１、２から出射された光は、ビームスプリッタ３に入射される。
【００２０】
ビームスプリッタ３は、光源１、２からの光を測定光と参照光とに分解する。ビームスプリッタ３によって分解された測定光と参照光は、いずれも、周波数ｆ0の水平方向の直線偏光と周波数ｆ0＋Δｆの垂直方向の直線偏光とを有する。これらの直線偏光のそれぞれは、可干渉性の成分である。
【００２１】
ビームスプリッタ３から出射された測定光の光路上には、サンプルセル６ｍと、偏光板７ｍと、フォトダイオード８ｍとが配置されている。
【００２２】
測定光は、サンプルセル６ｍを通過する。サンプルセル６ｍには被測定物質が収納されている。
【００２３】
その後、測定光は、偏光板７ｍを通過する。これにより、測定光に含まれる水平方向の直線偏光と垂直方向の直線偏光とが互いに重なり合って干渉する。その結果、偏光板７ｍの出力として、周波数Δｆ、位相Φmを有する光干渉信号Ｉmが得られる。ここで、位相Φmは、水平方向の直線偏光と垂直方向の直線偏光との間の位相差と被測定物質の性質によって生じた位相差とに依存する。
【００２４】
光干渉信号Ｉmは、（数１）によって表される。
【００２５】
【数１】
Ｉm ＝ Ａm・Ｓｉｎ［ωｔ＋Φm］
ここで、Ａmは光干渉信号Ｉmの振幅を示し、ωは干渉ビートの周波数を示し、Φmは光干渉信号Ｉmの位相を示す。
【００２６】
被測定物質が旋光性を有している場合には、図１に示されるように、測定光の光路上に四分の一波長板５Ａと四分の一波長板５Ｂとがさらに配置される。
【００２７】
一般に、直線偏光が四分の一波長板のような複屈折板を通過すると、偏光状態が変化する。直線偏光の振動面に対して軸の方向が４５°となるように四分の一波長板を配置した場合には、直線偏光は四分の一波長板を通過することによって円偏光に変換される。その円偏光は四分の一波長板を通過することによって直線偏光に変換される。
【００２８】
ビームスプリッタ３から出射された測定光に含まれる水平方向の直線偏光と垂直方向の直線偏光とは、四分の一波長板５Ａを通過することによって、それぞれ、右回りの円偏光と左回りの円偏光とに変換される。測定光は、サンプルセル６ｍを通過する。その被測定物質が旋光性を有する場合には、右回りの円偏光と左回りの円偏光との間には位相のズレが生じる。右回りの円偏光と左回りの円偏光とは、四分の一波長板５Ｂを通過することによって、それぞれ、水平方向の直線偏光と垂直方向の直線偏光とに変換される。その後、測定光は、偏光板７ｍを通過する。
【００２９】
ビームスプリッタ３から出射された参照光は、ミラー４によって反射される。その結果、参照光の進行方向が９０°変えられる。ミラー４によって反射された参照光の光路上には、サンプルセル６ｒと、偏光板７ｒと、フォトダイオード８ｒとが配置されている。
【００３０】
ビームスプリッタ３から出射された参照光は、サンプルセル６ｒを通過する。サンプルセル６ｒには、被測定物質は収納されていない。その後、参照光は、偏光板７ｒを通過する。これにより、水平方向の直線偏光と垂直方向の直線偏光とが互いに重なり合って干渉する。その結果、偏光板７ｒの出力として、周波数Δｆ、位相Φrを有する光干渉信号Ｉrが得られる。ここで、位相Φrは、水平方向の直線偏光と垂直方向の直線偏光との間の位相差に依存する。
【００３１】
光干渉信号Ｉrは、（数２）によって表される。
【００３２】
【数２】
Ｉr ＝ Ａr・Ｓｉｎ［ωｔ＋Φr］
ここで、Ａrは光干渉信号Ｉrの振幅を示し、ωは干渉ビートの周波数を示し、Φrは光干渉信号Ｉrの位相を示す。
【００３３】
フォトダイオード８ｍは、光干渉信号Ｉmを電気信号Ｖmに光電変換する。フォトダイオード８ｒは、光干渉信号Ｉrを電気信号Ｖrに光電変換する。
【００３４】
電気信号Ｖm、Ｖrは、（数３）、（数４）によって表される。
【００３５】
【数３】
Ｖm ＝ Ｂm・Ｓｉｎ［ωｔ＋Φm］
【００３６】
【数４】
Ｖr ＝ Ｂr・Ｓｉｎ［ωｔ＋Φr］
従って、電気信号Ｖmと電気信号Ｖrとの間の位相差ΔΦは、（数５）によって表される。
【００３７】
【数５】
ΔΦ ＝ Φm − Φr
電気信号Ｖmは、アンプ９ｍによって増幅され、位相差計１３によって測定可能な周波数領域となるようにミキサ１０ｍによって電気信号発振器１１から出力される発振した電気信号と掛け合わせられる。ミキサ１０ｍの出力は、位相拡大部１２ｍに供給される。
【００３８】
同様にして、電気信号Ｖrは、アンプ９ｒおよびミキサ１０ｒを介して位相拡大部１２ｒに供給される。
【００３９】
図２は、位相拡大部１２ｍおよび位相拡大部１２ｒの構成を示す。位相拡大部１２ｍは、Ｎ個の乗算回路１２０ｍ−１〜１２０ｍ−Ｎを含んでおり、それらは互いに直列に接続されている。位相拡大部１２ｒは、Ｎ個の乗算回路１２０ｒ−１〜１２０ｒ−Ｎを含んでおり、それらは互いに直列に接続されている。
【００４０】
図３は、乗算回路１２０ｍ−１および乗算回路１２０ｒ−１の構成を示す。乗算回路１２０ｍ−１は、乗算器１２１ｍ−１と、増幅器１２２ｍ−１と、波形処理器１２３ｍ−１とを含んでいる。乗算回路１２０ｒ−１は、乗算器１２１ｒ−１と、増幅器１２２ｒ−１と、波形処理器１２３ｒ−１とを含んでいる。
【００４１】
乗算器１２１ｍ−１は、ミキサ１０ｍから出力された電気信号Ｖmを２乗する乗算処理を行う。これにより、電気信号Ｖmの周波数と位相とが拡大される。その結果、電気信号Ｖm1’が得られる。
【００４２】
電気信号Ｖm1’は、（数６）によって表される。
【００４３】
【数６】
【００４４】
同様にして、乗算器１２１ｒ−１は、ミキサ１０ｒから出力された電気信号Ｖrを２乗する乗算処理を行う。これにより、電気信号Ｖrの周波数と位相とが拡大される。その結果、電気信号Ｖr1’が得られる。
【００４５】
電気信号Ｖr1’は、（数７）によって表される。
【００４６】
【数７】
【００４７】
従って、電気信号Ｖm1’と電気信号Ｖr1’との間の位相差ΔΨは、（数８）によって表される。
【００４８】
【数８】
ΔΨ ＝ Ψm− Ψr ＝ ２ΔΦ
増幅器１２２ｍ−１は、乗算器１２１ｍ−１によって減衰された信号の振幅を元の振幅に戻すよう乗算器１２１ｍ−１から出力される電気信号を増幅する。周波数拡大処理によって減衰された振幅を補償するためである。
【００４９】
波形処理器１２３ｍ−１は、電気信号から必要な周波数を抽出し、ノイズを除去する。
【００５０】
このようにして、波形処理器１２３ｍ−１から出力される電気信号Ｖm1”は、（数９）によって表される。
【００５１】
【数９】
Ｖm1”＝ Ｄm1・Ｃｏｓ（２ωｔ＋２Φm）
（数３）および（数９）から電気信号Ｖm1”の位相は電気信号Ｖmの位相の２倍に拡大されることがわかる。
【００５２】
電気信号Ｖm1”は、乗算回路１２０ｍ−１から出力される。乗算回路１２０ｍ−２〜１２０ｍ−Ｎの構成は、乗算回路１２０−１の構成と同一である。従って、乗算回路１２０ｍ−Ｎから出力される電気信号ＶmN”は、（数１０）によって表される。
【００５３】
【数１０】
ＶmN”＝ ＤmN・Ｃｏｓ（２Nωｔ＋２NΦm）
（数３）および（数１０）から電気信号ＶmN”の位相は電気信号Ｖmの位相の２N倍に拡大されることがわかる。
【００５４】
同様にして、乗算回路１２０ｒ−Ｎから出力される電気信号ＶrN”は、（数１１）によって表される。
【００５５】
【数１１】
ＶrN”＝ ＤrN・Ｃｏｓ（２Nωｔ＋２NΦr）
（数４）および（数１１）から電気信号ＶrN”の位相は電気信号Ｖrの位相の２N倍に拡大されることがわかる。
【００５６】
従って、位相拡大部１２ｍから出力される電気信号ＶmN”と位相拡大部１２ｒから出力される電気信号ＶrN”との間の位相差ΔΨNは、（数１２）によって表される。
【００５７】
【数１２】
ΔΨN ＝ ２NΦm−２NΦr ＝ ２NΔΦ
位相差ΔΨNは、位相差計１３によって測定される。位相差ΔΨNと被測定物質に含まれる特定の生体成分量とは一定の関係を有する。例えば、特定の生体成分量は、位相差ΔΨNの関数Ｆとして定義される。関数Ｆは与えられる。
【００５８】
生体成分量決定部１４は、位相差ΔΨNに基づいて生体成分量を決定する。
【００５９】
このように、位相拡大部１２ｍ、１２ｒにおいてそれぞれＮ回乗算処理を行うことにより、生体成分量と直接的に関連する位相差ΔΦに比べて２N倍に拡大された位相差（ΔΨN＝２NΔΦ）を有する電気信号が得られる。このため、従来と同一の精度の位相差計を用いて、被測定物質の特定の生体成分量をより高精度で測定することが可能となる。
【００６０】
２チャンネルの光ヘテロダイン干渉から得られる交流電気信号の周波数を１ＭＨｚに落として、図３に示される乗算回路１２０ｍ−１による位相の拡大効果を確認した。
【００６１】
図４は、乗算回路１２０ｍ−１および乗算回路１２０ｒ−１によって位相が拡大される前の、測定光に対応する電気信号Ｖmの波形と参照光に対応する電気信号Ｖrの波形とを示す。これらの波形は、オシロスコープを用いて観察され得る。
【００６２】
図５は、乗算回路１２０ｍ−１および乗算回路１２０ｒ−１によって位相が拡大された後の、測定光に対応する電気信号Ｖm1”の波形と参照光に対応する電気信号Ｖr1”の波形とを示す。これらの波形は、オシロスコープを用いて観察され得る。
【００６３】
図４および図５から、乗算回路１２０ｍ−１および乗算回路１２０ｒ−１による処理によって電気信号の周波数が倍増したことがわかる。
【００６４】
また、図４では、測定光に対応する電気信号Ｖmと参照光に対応する電気信号Ｖrとの間の位相差は９０°であるのに対し、図５では、測定光に対応する電気信号Ｖm1”と参照光に対応する電気信号Ｖr1”との間の位相差は１８０°に拡大されている。これは、位相拡大部１２ｍ、１２ｒによる位相の拡大効果を表している。
【００６５】
図６は、位相拡大部１２ｍ、１２ｒに入力される信号の位相差と位相拡大部１２ｍ、１２ｒから出力される信号の位相差との関係を示す。図６から、位相拡大部１２ｍ、１２ｒによって位相差が拡大されていることがわかる。
【００６６】
なお、サンプルセル６ｒに参照物質を収納し、参照光がその参照物質を通過するようにしてもよい。参照物質は、例えば、空気であり得る。あるいは、サンプルセル６ｒの中を真空状態にしてもよい。
【００６７】
乗算器としては、例えば、ミキサを使用することができる。
【００６８】
波形処理器としては、例えば、バンドパスフィルタやハイパスフィルタのような濾過器を使用することができる。
【００６９】
乗算回路において、乗算器で電気信号の周波数を上げた後に周波数を下げるためのミキサを使用してもよい。これにより、位相差の測定を容易にすることができる。
【００７０】
【発明の効果】
本発明による光学式測定装置および方法によれば、測定光に対応する第１の電気信号の位相と、参照光に対応する第２の電気信号の位相とが拡大される。これにより、第１の電気信号と第２の電気信号との間の位相差が拡大される。位相差を拡大することによって位相差の測定精度が向上する。その結果、生体成分量の測定精度も向上する。位相差と生体成分量とは、一定の関係にあるからである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による光学式測定装置１００の構成を示す図である。
【図２】位相拡大部１２ｍおよび位相拡大部１２ｒの構成を示す図である。
【図３】乗算回路１２０ｍ−１および乗算回路１２０ｒ−１の構成を示す図である。
【図４】乗算回路１２０ｍ−１および乗算回路１２０ｒ−１への入力信号の波形を示す図である。
【図５】乗算回路１２０ｍ−１および乗算回路１２０ｒ−１からの出力信号の波形を示す図である。
【図６】位相拡大部１２ｍ、１２ｒに入力される信号の位相差と位相拡大部１２ｍ、１２ｒから出力される信号の位相差との関係を示す図である。
【符号の説明】
１ 光源
２ 光源
３ ビームスプリッタ
４ ミラー
５Ａ、５Ｂ 四分の一波長板
６ｍ、６ｒ サンプルセル
７ｍ、７ｒ 偏光板
８ｍ、８ｒ フォトダイオード
９ｍ、９ｒ アンプ
１０ｍ、１０ｒ ミキサ
１１ 電気信号発振器
１２ｍ、１２ｒ 位相拡大部
１３ 位相差計
１４ 生体成分量決定部
Claims (8)
- 被測定物質を通過する測定光と所定の参照光とを利用して、該被測定物質に含まれる特定の生体成分量を測定する光学式測定装置であって、
第１の光源から出射された第１の光と、第２の光源から前記第１の光と異なる周波数で出射された第２の光との干渉光が前記被測定物質を通過することによって得られる測定光から第１の光干渉信号を得る第１の干渉手段と、
前記第１の光と、前記第２の光とを干渉させることによって得られる参照光から第２の光干渉信号を得る第２の干渉手段と、
該第１の光干渉信号を第１の電気信号に変換する第１の光電変換部と、
該第２の光干渉信号を第２の電気信号に変換する第２の光電変換部と、
該第１の電気信号の位相を拡大する第１の位相拡大部と、
該第２の電気信号の位相を拡大する第２の位相拡大部と、
該第１の位相拡大部によって拡大された位相と該第２の位相拡大部によって拡大された位相との間の位相差を測定する位相差測定部と、
該位相差測定部によって測定された該位相差に応じて、該被測定物質に含まれる該特定の生体成分量を決定する生体成分量決定部と
を備えた光学式測定装置。 - 前記参照光は、参照物質を通過する、請求項１に記載の光学式測定装置。
- 前記第１の位相拡大部は、前記第１の電気信号を乗算する少なくとも１つの第１の乗算回路を備えており、
前記第２の位相拡大部は、前記第２の電気信号を乗算する少なくとも１つの第２の乗算回路を備えている、請求項１に記載の光学式測定装置。 - 前記第１の乗算回路は、前記第１の電気信号の周波数と位相とを拡大する第１の乗算器と、該第１の乗算器の出力を増幅する第１の増幅器と、該第１の増幅器の出力から特定の周波数を有する信号を抽出し、ノイズを除去する第１の波形処理器とを含み、
前記第２の乗算回路は、前記第２の電気信号の周波数と位相とを拡大する第２の乗算器と、該第２の乗算器の出力を増幅する第２の増幅器と、該第２の増幅器の出力から特定の周波数を有する信号を抽出し、ノイズを除去する第２の波形処理器とを含む、請求項３に記載の光学式測定装置。 - 被測定物質を通過する測定光と所定の参照光とを利用して、該被測定物質に含まれる特定の生体成分量を測定する光学式測定方法であって、
ａ）第１の光源から出射された第１の光と、第２の光源から前記第１の光と異なる周波数で出射された第２の光との干渉光が前記被測定物質を通過することによって得られる測定光から第１の光干渉信号を得るステップと、
ｂ）前記第１の光と、前記第２の光とを干渉させることによって得られる参照光から第２の光干渉信号を得るステップと、
ｃ）該第１の光干渉信号を第１の電気信号に変換するステップと、
ｄ）該第２の光干渉信号を第２の電気信号に変換するステップと、
ｅ）該第１の電気信号の位相を拡大するステップと、
ｆ）該第２の電気信号の位相を拡大するステップと、
ｇ）ステップｅ）において拡大された位相とステップｆ）において拡大された位相との間の位相差を測定するステップと、
ｈ）ステップｇ）において測定された該位相差に応じて、該被測定物質に含まれる該特定の生体成分量を決定するステップと
を包含する光学式測定方法。 - 前記参照光は、参照物質を通過する、請求項５に記載の光学式測定方法。
- 前記ステップｅ）は、
ｉ）前記第１の電気信号を少なくとも１回乗算するステップを包含しており、
前記ステップｆ）は、
ｊ）前記第２の電気信号を少なくとも１回乗算するステップを包含している、
請求項５に記載の光学式測定方法。 - 前記ステップｉ）は、前記第１の電気信号の周波数と位相とを第１の乗算器を用いて拡大するステップと、該第１の乗算器の出力を第１の増幅器を用いて増幅するステップと、該第１の増幅器の出力から特定の周波数を有する信号を抽出し、ノイズを除去するステップとを包含し、
前記ステップｊ）は、前記第２の電気信号の周波数と位相とを第２の乗算器を用いて拡大するステップと、該第２の乗算器の出力を第２の増幅器を用いて増幅するステップと、該第２の増幅器の出力から特定の周波数を有する信号を抽出し、ノイズを除去するステップとを包含する、請求項７に記載の光学式測定方法。
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|---|---|---|---|---|
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- 1996-10-29 JP JP28717096A patent/JP3662370B2/ja not_active Expired - Fee Related
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