JP4559650B2 - 旋光度測定装置及び旋光度測定方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、試料中の旋光性物質、例えば糖類、アミノ酸、ビタミン等の濃度を非接触で測定する旋光度測定装置に関するものであり、被検試料として生体を含む散乱体の測定が可能であり、特に生体の血糖値を非浸襲で測定する高感度旋光度測定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、試料による偏光面の回転角度、すなわち旋光度は、直線偏光を試料に入射させ、試料を透過した光束を検光子へ入射させ、フォトダイオードにより光電変換し、得られた信号から旋光度を求めている。偏光子の透過軸に対する検光子の透過軸の傾きをθとし、試料による旋光度をαとすると、フォトダイオードで受光する光強度Iは、I=T×I0cos(θ-α)2（式１）となる。ここで、Tは試料、偏光子及び検光子の反射や吸収による減衰全てを考慮した透過率、I0は入射光の強度を現す。式１より分かる様に、検光子の回転に伴い、回転角度π(rad)毎に極小点が得られる。この極小点における検光子の角度より旋光度を求める事ができる。高精度・高感度化のために、偏光面振動方式が一般的に用いられており、以下、図５を用いて説明する。光源１２１から出射した単色光は、偏光子駆動回路１２９により周波数ｆ、角振幅θで振動している偏光子１２２に入射し、偏光面が回転振動する直線偏光になる。この光束を試料１２５に入射させ、検光子を透過させると周波数ｆの信号がフォトダイオード１２４より得られる。このとき試料１２５の旋光度により、偏光面がαだけ回転しているとすると、偏光子１２２と検光子１２３を直交配置しておけば、試料１２５が右旋光か左旋光かにより位相の反転した信号が得られる。フォトダイオード１２４より得られる信号を増幅回路１２６で増幅し、濾波・整流回路１２７で濾波・整流し、位相を求め、その位相に応じて、検光子駆動回路１２８を介して検光子１２３を正逆いずれかに回転させ、透過光量が最小となるように光学的零位法により検光子角度を決定する。平衡点においては２ｆの信号が得られるが、同期検波し２ｆ成分を除去している。平衡点における検光子角度が試料の旋光角に対応する。偏光面を回転させる方法として、機械的に偏光子を回転させる方法の他、ファラデーローテータも利用されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記方式では試料透過によりある程度偏光状態が保存される必要があり、試料として透明体かそれに準ずるものしか測定できず、散乱体試料の様に偏光状態をランダム偏光に変換してしまう試料では、SN比が低下し、旋光度を測定できないという欠点がある。また、偏光面を回転させる方法として、偏光子を機械的に回転させたり、ファラデーローテータにより回転させる必要があり、装置が複雑になり、高価格化、大型化するという欠点もある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
前述した目的を達成するために、本発明のうちで請求項１に記載の発明は、旋光度測定装置において、可干渉性の光源と、前記光源からの光束を物体光束と参照光束の２光束に分岐する光束分岐手段と、前記２光束の間に僅かな周波数差を与える周波数変調手段と、前記物体光束の光路中に配置し前記試料を透過後に前記試料の旋光度を直交する直線偏光間の位相差に変換する４分の１波長板と、前記物体光束と前記参照光束を合成する光束合成手段と、前記物体光束と前記参照光束による干渉光を偏光方向により２相の干渉信号に分離する偏光分離手段と、前記干渉信号を電気信号に変換する光電変換手段からなることを特徴とする旋光度測定装置である。
【０００５】
また、請求項２に記載の発明は、旋光度測定装置において、可干渉性の光源と、前記光源からの光束を直線偏光に変換する偏光子と、前記直線偏光を試料へ透過させ、前記試料の旋光度を直交する偏光成分間の位相差に変換する４分の１波長板と、前記偏光成分の一方を周波数変調する手段と、前記直交する偏光成分間の干渉信号を得る偏光子と、前記干渉信号を電気信号に変換する光電変換手段とからなることを特徴とする旋光度測定装置である。
【０００６】
また、請求項３に記載の発明は、光源からの光束を２光束に分岐する光束分岐手段と、前記分岐した２光束間に僅かな周波数差を与える周波数変調手段を、前記光束の波長程度のピッチを持った回折格子で兼用させることを特徴とする請求項１に記載の旋光度測定装置である。
【０００７】
また、請求項４に記載の発明は、可干渉性の光源と、前記光源からの光束のある一方向の偏光成分を周波数変調する手段と、前記光束を２光束に分岐する光束分岐手段と、前記２光束の一方をその偏光成分によって右回りの円偏光と左回りの円偏光に変換する４分の１波長板と、前記試料を透過後に前記試料の旋光度を直交する直線偏光間の位相差に変換する４分の１波長板と、前記直交する直線偏光間の干渉信号を得る第１の偏光子と、前記干渉信号を電気信号に変換する第１の光電変換部材と、前記分岐した他方の光束の偏光成分間の干渉信号を得る第２の偏光子と、前記干渉信号を電気信号に変換する第２の光電変換部材からなることを特徴とする旋光度測定装置である。
【０００８】
また、請求項５に記載の発明は、前記周波数変調手段は、液晶素子による位相変調手段を用いることを特徴とする請求項１、請求項２または請求項４に記載の旋光度測定装置である。
【０００９】
また、請求項６に記載の発明は、試料の旋光度に比例する位相差を持ったビート信号を得る干渉する２光束の一方を位相補正する位相補正素子を備え、前記ビート信号を位相検波した出力が極大または極小となるように位相補正量にフィードバックをかけ、前記位相補正量により、旋光度を検出することを特徴とする請求項１、または請求項３に記載の旋光度測定装置である。
【００１０】
また、請求項７に記載の発明は、試料の旋光度に比例する位相を持ったビート信号を得る干渉する２つの偏光成分の一方を位相補正する位相補正素子を備え、前記ビート信号を位相検波した出力が極大または極小となるように位相補正量にフィードバックをかけ、前記位相補正量により、旋光度を検出することを特徴とする請求項２、または請求項４に記載の旋光度測定装置である。
【００１１】
また、請求項８に記載の発明は、前記位相補正素子が、液晶素子であることを特徴とする請求項６、または請求項７に記載の旋光度測定装置である。
【００１２】
また、請求項９に記載の発明は、可干渉性の光束を物体光と参照光の２光束に分岐し、前記試料を透過した前記物体光を４分の１波長板により、前記試料の旋光度に比例する位相差を持った直交する偏光成分に変換し、前記物体光と僅かな周波数差を持った前記参照光と干渉させ、得られる２つのビート信号間の位相差により、前記試料の旋光度を測定することを特徴とする旋光度測定方法である。
【００１３】
また、請求項１０に記載の発明は、可干渉性の光束を試料に入射させ、前記試料を透過した光束を４分の１波長板により、前記試料の旋光度に比例する位相差を持った直交する偏光成分に変換し、前記偏光成分間に僅かな周波数差を与え、偏光子により前記直交する偏光成分同士を干渉させ、得られるビート信号の位相により試料の旋光度を測定することを特徴とする旋光度測定方法である。
【００１４】
（作用）
前述の旋光度測定方法は、旋光現象が右回りの円偏光と左回りの円偏光の屈折率差によって生じることを利用し、２つの円偏光間の屈折率差で生じた位相差を、２つの光束をそれぞれ別の参照光束と干渉させる、もしくは、２つの円偏光光束同士を干渉させることにより、光強度に変換して検出している。
【００１５】
例えば、試料に直線偏光が入射した場合、直線偏光を右回り及び左回り円偏光の合成と考えれば、右回り及び左回り円偏光の電界成分は、それぞれ
Ey=Acos(ωt+δ0) Ey=Acos(ωt+δ0)
Ex=Acos(ωt+δ0-π/2)（式２） Ex=Acos(ωt+δ0+π/2)（式３）
と表される。試料透過時に、試料の旋光度により２つの円偏光間に±θの位相差が加わるとすると、
Ey=Acos(ωt+δ0+θ) Ey=Acos(ωt+δ0-θ)、
Ex=Acos(ωt+δ0-π/2+θ)（式４） Ex=Acos(ωt+δ0+π/2-θ)（式５）
から、合成光は、Ey=2Acos(ωt+δ0)cos(θ)、Ex=2Acos(ωt+δ0)sin(θ)となり、Ey=1/tan(θ)Exと表され、傾きθの直線偏光となる。すなわち、円偏光間の位相差２θにより角度θの旋光が生じる。従って、２光束干渉により、旋光度による位相θを光強度に変換し検出することができる。
【００１６】
さらに干渉する２光束に僅かな周波数差Δω（数ｋHz〜数MHｚ）を与えておけば、２光束の電界をE1,E2とすると、E1=Acos((ω+Δω)t+δ0)、E2=Acos(ωt+δ1)より、干渉光強度Iは、I=|E1+E2|2
=A2cos2((ω+Δω)t+δ0)+A2cos2(ωt+δ1)+2A2cos((ω+Δω)t+δ0)cos(ωt+δ1)、光の周波数に、光電変換部材は応答できないため、光強度は、
I=I0+A2cos(Δωt+δ)（式６）となり、直流成分とビート信号の和となる。
【００１７】
光周波数を僅かにシフトさせる方法の１つに音響光学変調器(Acousto-Optic Modulator:AOM)を用いる方法があり、シフトさせる周波数はＡＯＭに供給される超音波周波数で決まる。例えば、２光束をそれぞれ１００MHｚと１０１MHzで周波数変調すると、１MHｚのビート信号が得られ、電気信号処理が可能となる。
【００１８】
ここで、２光束とも周波数変調したのは、光源の周波数変動をキャンセルするためで、一方の光束のみ周波数変調し、ビート信号を得ることも可能である。
【００１９】
干渉する２光束のビーム径と光電変換部材の受光サイズをほぼ同じとすると、試料により屈折、回折及び散乱により偏向した光束は、光電変換部材上で参照光と重ならず干渉に寄与しない、また、多重散乱し、光電変換部材に入射する光束は、波面、偏光面ともランダムとなり、コヒーレンスが保存されておらず干渉に寄与しない。従って、試料を直進透過した光束成分のみが干渉しビート信号が得られる。既知のビート周波数の信号をフィルタリングして取得する事により、散乱体の旋光度の測定も可能となる。
【００２０】
例えば、Y軸と４５°傾斜した直線偏光を試料に入射させた場合、右回り円偏光と左回り円偏光成分は、試料の旋光度により±θの位相差が加わり式４，５と同様に、
Ey=Acos(ωt+δ0+θ) Ey=Acos(ωt+δ0-θ)、
Ex=Acos(ωt+δ0-π/2+θ) Ex=Acos(ωt+δ0+π/2-θ)
と表され、これが、進相軸がX軸と一致した４分の１波長板を透過することにより、Y軸に対してX軸の位相がπ/2進み、
Ey=Acos(ωt+δ0+θ) Ey=Acos(ωt+δ0-θ)
Ex=Acos(ωt+δ0+θ) Ex=-Acos(ωt+δ0-θ)
と表され、それぞれX軸及びY軸と４５°傾斜した直交する直線偏光に変換される。偏光ビームスプリッターやビームスプリッターと偏光子の組み合わせを用いて、偏光方向により２光束を分離し、別の光路を通り周波数変調された参照光と干渉させると、それぞれのビート信号は、式６と同様に、Acos(Δωt+δ0+θ)、Acos(Δωt+δ0-θ)が得られ、試料の旋光度により位相変調されたビート信号が得られる。
【００２１】
ここで、ビート信号の周波数は既知なので、同期検波することによりビート信号の位相を感度よく検出することができる。すなわち、ビート信号、Acos(Δωt+δ0+θ)に同一周波数の正弦波信号sin(Δωt+δ0)を乗算すると、A(sin(2Δωt+2δ0+θ)+sin(θ))/2が得られ、ローパスフィルタにより直流成分のみを取り出すと、Asin(θ)/2が得られ、位相θを求めることができる。これは、同一周波数の信号を乗算することによりビート信号周波数Δωを直流と２Δω（2倍周波数）へ周波数変換していることになり、信号周波数を中心とするバンドパスフィルタをローパスフィルタによる直流成分の取り出しに置きかえられる事を意味し、結果的に、帯域幅の狭いバンドパスフィルターが達成でき、SN比を改善できる。このようにして、散乱体の様な被検試料においても感度よく旋光度を求めることができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に関して、好適な実施形態を挙げ、図を用いて説明する。
【００２３】
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態の光学系を示している。レーザダイオード１１から出射した光束は、レンズ１２でコリメートされ、平行光となり、偏光子１３Aにより、鉛直方向に振動する直線偏光になる。次に、ハーフミラー１４Aにより２光束に分岐され、透過光は、被検試料１５に入射し、試料の旋光度に伴い、右回り円偏光と左回り円偏光間で±θの位相差が与えられる。次に水平もしくは垂直軸に進相軸が一致した４分の１波長板１６Aを透過し、左右回りの円偏光が、それぞれ垂直軸から４５°傾斜した直交する直線偏光に変換される。
【００２４】
一方、ハーフミラー１４Aにより反射した光束は、別のハーフミラー１４Bによりミラー１７A方向に反射される。ミラー１７AはPZTなどの電歪素子１８により支持されており、電歪素子に周期信号を印加し、光軸方向に周期的な振動を与える。例えば、振幅が波長のｎ倍（n＝１，２，３，…）ののこぎり波状の信号を印加し、ミラー１７が速度ｖで動いたとすると、Δf/f＝v/(c+v)の周波数変調が得られ、２光束の干渉によりビート信号が得られる。
【００２５】
周波数変調方法として、音響光学変調器（AOM）による周波数変調や、レーザダイオードの駆動電流制御による周波数変調等、他の手段を採用することも可能である。
【００２６】
周波数変調された光束は、その光軸向きが４分の１波長板１６Aと同一の４分の１波長板１６Bを透過し、ハーフミラー１４Cで合成され、垂直軸から４５°傾斜し直交する透過軸を持つ偏光子１３B，１３Cにより、試料を透過した光束と参照光束の同一方向偏光成分が干渉する。これにより、試料の旋光度に比例する位相差を持った２相の正弦波信号が得られ、フォトダイオード１９A,１９Bにより光電変換される。
【００２７】
例えば、砂糖溶液を被検試料として考えると、砂糖の比旋光度は６６．５°であり、光路長を１０ｍｍとすると、試料透過による旋光角度αはα=l[dm]×C[g/dl]×66.5／100（l：光路長、C：濃度）より、α=0.1×10×66.5/100=0.665°となり、2相信号間の位相差θは、θ=2α=2×0.665×π/180=0.023[rad]が得られる。
【００２８】
原理的には、上述した同期検波の手法を用い、フォトダイオード１９A，１９Bから得られる２相信号を乗算し、ローパスフィルターを透過させ、直流成分を取り出す事により、位相差を求める事ができる。また、２相信号をA／D変換後、精度の高い正弦波をディジタル的に乗算する等、ディジタル信号処理の工夫により、より高精度の位相計測が可能となり、旋光性物質の濃度を高精度に求める事ができる。
【００２９】
（第２の実施形態）
図２は、第２の実施形態の光学系を示している。レーザダイオード１１から出射した光束は、レンズ１２でコリメートされ、平行光となり、偏光子１３Aによって、鉛直方向に振動する直線偏光になる。次に、回折格子２１により回折光と直進光の２光束に分岐される。回折格子２１はPZTなどの電歪素子１８により支持されており、電歪素子に周期信号を印加し、格子と垂直方向に周期的な振動を与える。
【００３０】
回折格子２１を直進した光束は、被検試料１５に入射し、試料の旋光度に伴い、右回り円偏光と左回り円偏光間で±θの位相差が与えられる。次に水平もしくは垂直軸に進相軸が一致した４分の１波長板１６Aを透過し、左右回りの円偏光が、それぞれ垂直軸から４５°傾斜した直交する直線偏光に変換される。
【００３１】
一方、回折格子２１により回折した１次回折光には、回折格子２１の位置により位相項２πｘ／Ｄ（ｘ：回折格子の変位、Ｄ：回折格子ピッチ）が重畳され、回折方向の違いにより正負逆の位相項が重畳される。従って、それぞれの回折光は簡単に、E1=A cos(ωt+2πx/D)、E2=A cos(ωt-2πx/D)と表される。
【００３２】
＋１次回折光E=A cos(ωt+2πx/D)の瞬時角周波数ω1を考えると、ω1=ｄ/dt（ωt+2π/D∫v(t)dt）=ω+2πv(t)/D (v(t):回折格子の移動速度)となり、回折格子の速度に比例した周波数変調を行う事ができ、０次光との角周波数の違いは、2πv(t)/Dとなる。すなわち、位相変調は、周波数変調と本質的な違いは無い。速度ｖが一定のとき、0次回折光と１次回折光の干渉光強度は、正弦波状に変化し、一定周期のビート信号が得られる。
【００３３】
これにより、第１の実施形態で分離していた光束分岐機能と周波数変調機能を回折格子２１で兼用でき、光学系が単純化され、サイズの小型化、コストの低減が達成できる。
【００３４】
回折格子２１により周波数変調された光束は、その光軸向きが１６Aと同一の４分の１波長板１６Bを透過し、ハーフミラー１４で合成され、偏光子１３B，１３Cにより同一の偏光成分が干渉する。このため、試料の旋光度に比例する位相差を持つ２相の正弦波信号が得られ、第１の実施形態と同様に旋光度を求める事ができる。
【００３５】
（第３の実施形態）
図３は、第３の実施形態の光学系を表している。レーザダイオード１１から出射した光束は、レンズ１２でコリメートされ、平行光となり、偏光子１３Aにより、垂直方向から４５°傾斜した方向に振動する直線偏光になる。次に、液晶素子３１により水平方向もしくは垂直方向の偏光成分が位相変調される。液晶素子３１は、水平方向もしくは垂直方向に液晶分子長軸が揃ったホモジニアス配向の液晶素子であり、電圧印加により液晶分子が立ち、分子長軸方向の屈折率が変化し、位相変調を行う事ができる。
【００３６】
第２の実施形態で示した様に、位相変調と周波数変調には、本質的な違いは無く、上述のように一方の偏光成分のみに、液晶素子による位相変調を加えると、直交する偏光成分同士で干渉させる事により、ビート信号が得られる。
【００３７】
次に、ハーフミラー１４により反射光と直進光に分岐され、直進光は、水平軸と進相軸が４５°傾斜した４分の１波長板１６Aに入射し、水平・垂直方向の振動成分をそれぞれ反対方向に回転する円偏光成分に変換する事ができる。次に、被検試料１５に入射し、試料の旋光度に伴い、右回り円偏光と左回り円偏光間で±θの位相差が与えられる。さらに、前記４分の１波長板１６Aと光軸が一致もしくは直交する４分の１波長板１６Bを透過し、左右回りの円偏光が、それぞれ水平もしくは垂直方向に振動する直交する偏光成分に変換される。
【００３８】
水平もしくは垂直方向から４５°傾斜した偏光子１３Bを透過する事により、上述の直交する偏光成分間の干渉信号が得られ、一方の光速が位相変調されているためビート信号が得られ、フォトダイオード１９Aにより電気信号に変換される。
【００３９】
ここで、干渉する２光速は、１つの光速の直交する偏光成分であり、完全なコモンパスの干渉計となるため、２光速干渉のような高精度の光軸のアライメントが不要で、干渉計の安定度も非常に高い。
【００４０】
一方、ハーフミラー１４で反射された光束も、偏光子１３Bと同様に配置した偏光子１３Cにより、直交する偏光成分間の干渉信号が得られ、一方を位相変調しているため、フォトダイオード１９Bにより光電変換し、ビート信号がえられる。
【００４１】
フォトダイオード１９Bより得られるビート信号は、試料の旋光度の影響は受けておらず、フォトダイオード１９A、１９Bの信号間の位相差により、試料の旋光度を求める事ができる。また、試料の旋光度以外の影響、例えば、光源の強度の揺らぎや、液晶素子の応答のばらつきなどがキャンセルされるため、資料の旋光度を感度よく検出する事ができる。
【００４２】
（第４の実施形態）
図４は、第４の実施形態の光学系を表している。液晶素子３１Bによる位相補正を加える事に特徴があり、他の光学系は第３の実施形態と同一である。ここでは、第３の実施形態に液晶素子１３Bを追加して説明するが、第１、第２の実施形態に液晶素子１３Bによる位相補正を加えても同等の効果が得られる。
【００４３】
レーザダイオード１１から出射した光束は、レンズ１２でコリメートされ、平行光となり、偏光子１３Aによって、垂直方向から４５°傾斜した方向に振動する直線偏光になる。次に、液晶素子３１Aにより水平方向もしくは垂直方向の偏光成分が位相変調される。液晶素子３１Aは、水平方向もしくは垂直方向に液晶分子長軸が揃ったホモジニアス配向の液晶素子であり、電圧印加により液晶分子が立ち、分子長軸方向の屈折率が変化し、位相変調を行う事ができる。
【００４４】
第２の実施形態で示した様に、位相変調と周波数変調には、本質的な違いは無く、上述のように一方の偏光成分のみに、液晶素子による位相変調を加えると、直交する偏光成分同士で干渉させる事により、ビート信号が得られる。
【００４５】
ハーフミラー１４により反射光と直進光に分岐され、直進光は、水平軸と遅相軸が４５°傾斜した４分の１波長板１６Aに入射し、水平・垂直方向の振動成分をそれぞれ反対方向に回転する円偏光成分に変換する事ができる。次に、被検試料１５に入射し、試料の旋光度に伴い、右回り円偏光と左回り円偏光間で±θの位相差が与えられる。さらに、前記４分の１波長板１６Aと光軸が一致もしくは直交する４分の１波長板１６Bを透過し、左右回りの円偏光が、それぞれ水平もしくは垂直方向に振動する直交する偏光成分に変換される。
【００４６】
水平もしくは垂直方向から４５°傾斜した偏光子１３Bを透過する事により、上述の直交する偏光成分間の干渉信号が得られ、一方を位相変調しているため、フォトダイオード１９Aによりビート信号４１Aが得られる。
【００４７】
また、この光束は、液晶素子３１Bにより位相補正が加えられる。ここで、液晶素子３１Bは、その液晶分子長軸が水平もしくは垂直方向と一致しているため、液晶駆動信号を変え、位相補正量を調整する事により、ビート信号４１Aの位相を任意に設定できる。
【００４８】
一方、ハーフミラー１４で反射された光束も、偏光子１３Bと同様に配置した偏光子１３Cにより、直交する偏光成分間の干渉信号が得られ、一方を位相変調しているため、フォトダイオード１９Bによりビート信号４１Bが得られる。
【００４９】
ここで、ビート信号４１A、４１Bは、EA=Acos(Δωt+2θ+φ+δ0)、EB=Acos(Δωt+δ0)（ここで、Δω：ビート信号角周波数、θ：旋光角度（rad）、φ：（液晶素子３１Bによる位相補正量、δ0：初期位相）と表され、増幅・位相検波回路４２により、お互いを乗算し、ローパスフィルターで直流成分を取り出し、位相検波信号Spがえられる。
EA×EB=A2cos(Δωt+2θ+φ+δ0)cos(Δωt+δ0)=A2/2[cos(2Δωt+2θ+φ+2δ0)+cos(2θ+φ)]
より、Sp=A'cos(2θ+φ)となり、旋光度と液晶素子３１Bによる位相項を持った正弦波となる。
【００５０】
ここで、Spを一定値Sp1となる様に、ディジタル信号処理回路４３により、液晶駆動電圧をコントロールし、液晶駆動回路４４を介して、液晶素子３１Bをクローズドループでコントロールする。
【００５１】
また、増幅・位相検波回路４２では、信号の増幅のみを担当し、位相検波信号Spは、液晶素子３１Aを駆動する信号と同期させ、ディジタル信号処理回路４３によりディジタル処理で求めることもできる。
【００５２】
液晶素子３１Bへの駆動電圧の変化は、試料１５の旋光度の変化に対応しており、旋光度の検出をする事ができる。
【００５３】
Sp1の値として、極大もしくは極小となるように液晶素子駆動信号へフィードバックすることで、光源の強度変動や試料の透過率の変動による影響をキャンセルする事ができ、試料の旋光度を高精度に検出する事ができる。
【００５４】
【発明の効果】
本発明によれば、試料として透明体だけでなく、散乱体試料の様に偏光状態を保存しない試料でも、SN比を向上し、旋光度を測定することができる。また、偏光子を機械的に回転させたり、ファラデーローテータにより回転させる等して、偏光面を回転させる必要がなく、装置が簡単になり、小型化、低価格化させることができる。
【００５５】
また、請求項２の発明によれば、干渉計が完全なコモンパスであるため、高精度な光軸のアライメントが不要であり、安定性も非常に高く、高感度な旋光度の測定が可能となる。
【００５６】
さらに、周波数変調手段として、液晶素子を用いると、ミラーの機械的振動や音響光学変調器による周波数変調などが不要となり、装置が簡単になり、小型化、低価格化させることができる。
【００５７】
さらに、液晶素子による位相補正を加え、位相検波信号を極大もしくは極小となるように液晶素子駆動信号へフィードバックすることで、光源の強度変動や試料の透過率の変動による影響をキャンセルする事ができ、試料の旋光度を高精度に検出する事ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態における旋光度測定装置の光学系を示す構成図である。
【図２】本発明の第２の実施形態における旋光度測定装置の光学系を示す構成図である。
【図３】本発明の第３の実施形態における旋光度測定装置の光学系を示す構成図である。
【図４】本発明の第４の実施形態における旋光度測定装置を示す構成図である。
【図５】従来の旋光度測定装置の一例を示す構成図である。
【符号の説明】
１１ レーザダイオード
１３ 偏光子
１６ ４分の１波長板
１９ フォトダイオード
２１ 回折格子
３１ 液晶素子
【発明の属する技術分野】
本発明は、試料中の旋光性物質、例えば糖類、アミノ酸、ビタミン等の濃度を非接触で測定する旋光度測定装置に関するものであり、被検試料として生体を含む散乱体の測定が可能であり、特に生体の血糖値を非浸襲で測定する高感度旋光度測定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、試料による偏光面の回転角度、すなわち旋光度は、直線偏光を試料に入射させ、試料を透過した光束を検光子へ入射させ、フォトダイオードにより光電変換し、得られた信号から旋光度を求めている。偏光子の透過軸に対する検光子の透過軸の傾きをθとし、試料による旋光度をαとすると、フォトダイオードで受光する光強度Iは、I=T×I0cos(θ-α)2（式１）となる。ここで、Tは試料、偏光子及び検光子の反射や吸収による減衰全てを考慮した透過率、I0は入射光の強度を現す。式１より分かる様に、検光子の回転に伴い、回転角度π(rad)毎に極小点が得られる。この極小点における検光子の角度より旋光度を求める事ができる。高精度・高感度化のために、偏光面振動方式が一般的に用いられており、以下、図５を用いて説明する。光源１２１から出射した単色光は、偏光子駆動回路１２９により周波数ｆ、角振幅θで振動している偏光子１２２に入射し、偏光面が回転振動する直線偏光になる。この光束を試料１２５に入射させ、検光子を透過させると周波数ｆの信号がフォトダイオード１２４より得られる。このとき試料１２５の旋光度により、偏光面がαだけ回転しているとすると、偏光子１２２と検光子１２３を直交配置しておけば、試料１２５が右旋光か左旋光かにより位相の反転した信号が得られる。フォトダイオード１２４より得られる信号を増幅回路１２６で増幅し、濾波・整流回路１２７で濾波・整流し、位相を求め、その位相に応じて、検光子駆動回路１２８を介して検光子１２３を正逆いずれかに回転させ、透過光量が最小となるように光学的零位法により検光子角度を決定する。平衡点においては２ｆの信号が得られるが、同期検波し２ｆ成分を除去している。平衡点における検光子角度が試料の旋光角に対応する。偏光面を回転させる方法として、機械的に偏光子を回転させる方法の他、ファラデーローテータも利用されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記方式では試料透過によりある程度偏光状態が保存される必要があり、試料として透明体かそれに準ずるものしか測定できず、散乱体試料の様に偏光状態をランダム偏光に変換してしまう試料では、SN比が低下し、旋光度を測定できないという欠点がある。また、偏光面を回転させる方法として、偏光子を機械的に回転させたり、ファラデーローテータにより回転させる必要があり、装置が複雑になり、高価格化、大型化するという欠点もある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
前述した目的を達成するために、本発明のうちで請求項１に記載の発明は、旋光度測定装置において、可干渉性の光源と、前記光源からの光束を物体光束と参照光束の２光束に分岐する光束分岐手段と、前記２光束の間に僅かな周波数差を与える周波数変調手段と、前記物体光束の光路中に配置し前記試料を透過後に前記試料の旋光度を直交する直線偏光間の位相差に変換する４分の１波長板と、前記物体光束と前記参照光束を合成する光束合成手段と、前記物体光束と前記参照光束による干渉光を偏光方向により２相の干渉信号に分離する偏光分離手段と、前記干渉信号を電気信号に変換する光電変換手段からなることを特徴とする旋光度測定装置である。
【０００５】
また、請求項２に記載の発明は、旋光度測定装置において、可干渉性の光源と、前記光源からの光束を直線偏光に変換する偏光子と、前記直線偏光を試料へ透過させ、前記試料の旋光度を直交する偏光成分間の位相差に変換する４分の１波長板と、前記偏光成分の一方を周波数変調する手段と、前記直交する偏光成分間の干渉信号を得る偏光子と、前記干渉信号を電気信号に変換する光電変換手段とからなることを特徴とする旋光度測定装置である。
【０００６】
また、請求項３に記載の発明は、光源からの光束を２光束に分岐する光束分岐手段と、前記分岐した２光束間に僅かな周波数差を与える周波数変調手段を、前記光束の波長程度のピッチを持った回折格子で兼用させることを特徴とする請求項１に記載の旋光度測定装置である。
【０００７】
また、請求項４に記載の発明は、可干渉性の光源と、前記光源からの光束のある一方向の偏光成分を周波数変調する手段と、前記光束を２光束に分岐する光束分岐手段と、前記２光束の一方をその偏光成分によって右回りの円偏光と左回りの円偏光に変換する４分の１波長板と、前記試料を透過後に前記試料の旋光度を直交する直線偏光間の位相差に変換する４分の１波長板と、前記直交する直線偏光間の干渉信号を得る第１の偏光子と、前記干渉信号を電気信号に変換する第１の光電変換部材と、前記分岐した他方の光束の偏光成分間の干渉信号を得る第２の偏光子と、前記干渉信号を電気信号に変換する第２の光電変換部材からなることを特徴とする旋光度測定装置である。
【０００８】
また、請求項５に記載の発明は、前記周波数変調手段は、液晶素子による位相変調手段を用いることを特徴とする請求項１、請求項２または請求項４に記載の旋光度測定装置である。
【０００９】
また、請求項６に記載の発明は、試料の旋光度に比例する位相差を持ったビート信号を得る干渉する２光束の一方を位相補正する位相補正素子を備え、前記ビート信号を位相検波した出力が極大または極小となるように位相補正量にフィードバックをかけ、前記位相補正量により、旋光度を検出することを特徴とする請求項１、または請求項３に記載の旋光度測定装置である。
【００１０】
また、請求項７に記載の発明は、試料の旋光度に比例する位相を持ったビート信号を得る干渉する２つの偏光成分の一方を位相補正する位相補正素子を備え、前記ビート信号を位相検波した出力が極大または極小となるように位相補正量にフィードバックをかけ、前記位相補正量により、旋光度を検出することを特徴とする請求項２、または請求項４に記載の旋光度測定装置である。
【００１１】
また、請求項８に記載の発明は、前記位相補正素子が、液晶素子であることを特徴とする請求項６、または請求項７に記載の旋光度測定装置である。
【００１２】
また、請求項９に記載の発明は、可干渉性の光束を物体光と参照光の２光束に分岐し、前記試料を透過した前記物体光を４分の１波長板により、前記試料の旋光度に比例する位相差を持った直交する偏光成分に変換し、前記物体光と僅かな周波数差を持った前記参照光と干渉させ、得られる２つのビート信号間の位相差により、前記試料の旋光度を測定することを特徴とする旋光度測定方法である。
【００１３】
また、請求項１０に記載の発明は、可干渉性の光束を試料に入射させ、前記試料を透過した光束を４分の１波長板により、前記試料の旋光度に比例する位相差を持った直交する偏光成分に変換し、前記偏光成分間に僅かな周波数差を与え、偏光子により前記直交する偏光成分同士を干渉させ、得られるビート信号の位相により試料の旋光度を測定することを特徴とする旋光度測定方法である。
【００１４】
（作用）
前述の旋光度測定方法は、旋光現象が右回りの円偏光と左回りの円偏光の屈折率差によって生じることを利用し、２つの円偏光間の屈折率差で生じた位相差を、２つの光束をそれぞれ別の参照光束と干渉させる、もしくは、２つの円偏光光束同士を干渉させることにより、光強度に変換して検出している。
【００１５】
例えば、試料に直線偏光が入射した場合、直線偏光を右回り及び左回り円偏光の合成と考えれば、右回り及び左回り円偏光の電界成分は、それぞれ
Ey=Acos(ωt+δ0) Ey=Acos(ωt+δ0)
Ex=Acos(ωt+δ0-π/2)（式２） Ex=Acos(ωt+δ0+π/2)（式３）
と表される。試料透過時に、試料の旋光度により２つの円偏光間に±θの位相差が加わるとすると、
Ey=Acos(ωt+δ0+θ) Ey=Acos(ωt+δ0-θ)、
Ex=Acos(ωt+δ0-π/2+θ)（式４） Ex=Acos(ωt+δ0+π/2-θ)（式５）
から、合成光は、Ey=2Acos(ωt+δ0)cos(θ)、Ex=2Acos(ωt+δ0)sin(θ)となり、Ey=1/tan(θ)Exと表され、傾きθの直線偏光となる。すなわち、円偏光間の位相差２θにより角度θの旋光が生じる。従って、２光束干渉により、旋光度による位相θを光強度に変換し検出することができる。
【００１６】
さらに干渉する２光束に僅かな周波数差Δω（数ｋHz〜数MHｚ）を与えておけば、２光束の電界をE1,E2とすると、E1=Acos((ω+Δω)t+δ0)、E2=Acos(ωt+δ1)より、干渉光強度Iは、I=|E1+E2|2
=A2cos2((ω+Δω)t+δ0)+A2cos2(ωt+δ1)+2A2cos((ω+Δω)t+δ0)cos(ωt+δ1)、光の周波数に、光電変換部材は応答できないため、光強度は、
I=I0+A2cos(Δωt+δ)（式６）となり、直流成分とビート信号の和となる。
【００１７】
光周波数を僅かにシフトさせる方法の１つに音響光学変調器(Acousto-Optic Modulator:AOM)を用いる方法があり、シフトさせる周波数はＡＯＭに供給される超音波周波数で決まる。例えば、２光束をそれぞれ１００MHｚと１０１MHzで周波数変調すると、１MHｚのビート信号が得られ、電気信号処理が可能となる。
【００１８】
ここで、２光束とも周波数変調したのは、光源の周波数変動をキャンセルするためで、一方の光束のみ周波数変調し、ビート信号を得ることも可能である。
【００１９】
干渉する２光束のビーム径と光電変換部材の受光サイズをほぼ同じとすると、試料により屈折、回折及び散乱により偏向した光束は、光電変換部材上で参照光と重ならず干渉に寄与しない、また、多重散乱し、光電変換部材に入射する光束は、波面、偏光面ともランダムとなり、コヒーレンスが保存されておらず干渉に寄与しない。従って、試料を直進透過した光束成分のみが干渉しビート信号が得られる。既知のビート周波数の信号をフィルタリングして取得する事により、散乱体の旋光度の測定も可能となる。
【００２０】
例えば、Y軸と４５°傾斜した直線偏光を試料に入射させた場合、右回り円偏光と左回り円偏光成分は、試料の旋光度により±θの位相差が加わり式４，５と同様に、
Ey=Acos(ωt+δ0+θ) Ey=Acos(ωt+δ0-θ)、
Ex=Acos(ωt+δ0-π/2+θ) Ex=Acos(ωt+δ0+π/2-θ)
と表され、これが、進相軸がX軸と一致した４分の１波長板を透過することにより、Y軸に対してX軸の位相がπ/2進み、
Ey=Acos(ωt+δ0+θ) Ey=Acos(ωt+δ0-θ)
Ex=Acos(ωt+δ0+θ) Ex=-Acos(ωt+δ0-θ)
と表され、それぞれX軸及びY軸と４５°傾斜した直交する直線偏光に変換される。偏光ビームスプリッターやビームスプリッターと偏光子の組み合わせを用いて、偏光方向により２光束を分離し、別の光路を通り周波数変調された参照光と干渉させると、それぞれのビート信号は、式６と同様に、Acos(Δωt+δ0+θ)、Acos(Δωt+δ0-θ)が得られ、試料の旋光度により位相変調されたビート信号が得られる。
【００２１】
ここで、ビート信号の周波数は既知なので、同期検波することによりビート信号の位相を感度よく検出することができる。すなわち、ビート信号、Acos(Δωt+δ0+θ)に同一周波数の正弦波信号sin(Δωt+δ0)を乗算すると、A(sin(2Δωt+2δ0+θ)+sin(θ))/2が得られ、ローパスフィルタにより直流成分のみを取り出すと、Asin(θ)/2が得られ、位相θを求めることができる。これは、同一周波数の信号を乗算することによりビート信号周波数Δωを直流と２Δω（2倍周波数）へ周波数変換していることになり、信号周波数を中心とするバンドパスフィルタをローパスフィルタによる直流成分の取り出しに置きかえられる事を意味し、結果的に、帯域幅の狭いバンドパスフィルターが達成でき、SN比を改善できる。このようにして、散乱体の様な被検試料においても感度よく旋光度を求めることができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に関して、好適な実施形態を挙げ、図を用いて説明する。
【００２３】
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態の光学系を示している。レーザダイオード１１から出射した光束は、レンズ１２でコリメートされ、平行光となり、偏光子１３Aにより、鉛直方向に振動する直線偏光になる。次に、ハーフミラー１４Aにより２光束に分岐され、透過光は、被検試料１５に入射し、試料の旋光度に伴い、右回り円偏光と左回り円偏光間で±θの位相差が与えられる。次に水平もしくは垂直軸に進相軸が一致した４分の１波長板１６Aを透過し、左右回りの円偏光が、それぞれ垂直軸から４５°傾斜した直交する直線偏光に変換される。
【００２４】
一方、ハーフミラー１４Aにより反射した光束は、別のハーフミラー１４Bによりミラー１７A方向に反射される。ミラー１７AはPZTなどの電歪素子１８により支持されており、電歪素子に周期信号を印加し、光軸方向に周期的な振動を与える。例えば、振幅が波長のｎ倍（n＝１，２，３，…）ののこぎり波状の信号を印加し、ミラー１７が速度ｖで動いたとすると、Δf/f＝v/(c+v)の周波数変調が得られ、２光束の干渉によりビート信号が得られる。
【００２５】
周波数変調方法として、音響光学変調器（AOM）による周波数変調や、レーザダイオードの駆動電流制御による周波数変調等、他の手段を採用することも可能である。
【００２６】
周波数変調された光束は、その光軸向きが４分の１波長板１６Aと同一の４分の１波長板１６Bを透過し、ハーフミラー１４Cで合成され、垂直軸から４５°傾斜し直交する透過軸を持つ偏光子１３B，１３Cにより、試料を透過した光束と参照光束の同一方向偏光成分が干渉する。これにより、試料の旋光度に比例する位相差を持った２相の正弦波信号が得られ、フォトダイオード１９A,１９Bにより光電変換される。
【００２７】
例えば、砂糖溶液を被検試料として考えると、砂糖の比旋光度は６６．５°であり、光路長を１０ｍｍとすると、試料透過による旋光角度αはα=l[dm]×C[g/dl]×66.5／100（l：光路長、C：濃度）より、α=0.1×10×66.5/100=0.665°となり、2相信号間の位相差θは、θ=2α=2×0.665×π/180=0.023[rad]が得られる。
【００２８】
原理的には、上述した同期検波の手法を用い、フォトダイオード１９A，１９Bから得られる２相信号を乗算し、ローパスフィルターを透過させ、直流成分を取り出す事により、位相差を求める事ができる。また、２相信号をA／D変換後、精度の高い正弦波をディジタル的に乗算する等、ディジタル信号処理の工夫により、より高精度の位相計測が可能となり、旋光性物質の濃度を高精度に求める事ができる。
【００２９】
（第２の実施形態）
図２は、第２の実施形態の光学系を示している。レーザダイオード１１から出射した光束は、レンズ１２でコリメートされ、平行光となり、偏光子１３Aによって、鉛直方向に振動する直線偏光になる。次に、回折格子２１により回折光と直進光の２光束に分岐される。回折格子２１はPZTなどの電歪素子１８により支持されており、電歪素子に周期信号を印加し、格子と垂直方向に周期的な振動を与える。
【００３０】
回折格子２１を直進した光束は、被検試料１５に入射し、試料の旋光度に伴い、右回り円偏光と左回り円偏光間で±θの位相差が与えられる。次に水平もしくは垂直軸に進相軸が一致した４分の１波長板１６Aを透過し、左右回りの円偏光が、それぞれ垂直軸から４５°傾斜した直交する直線偏光に変換される。
【００３１】
一方、回折格子２１により回折した１次回折光には、回折格子２１の位置により位相項２πｘ／Ｄ（ｘ：回折格子の変位、Ｄ：回折格子ピッチ）が重畳され、回折方向の違いにより正負逆の位相項が重畳される。従って、それぞれの回折光は簡単に、E1=A cos(ωt+2πx/D)、E2=A cos(ωt-2πx/D)と表される。
【００３２】
＋１次回折光E=A cos(ωt+2πx/D)の瞬時角周波数ω1を考えると、ω1=ｄ/dt（ωt+2π/D∫v(t)dt）=ω+2πv(t)/D (v(t):回折格子の移動速度)となり、回折格子の速度に比例した周波数変調を行う事ができ、０次光との角周波数の違いは、2πv(t)/Dとなる。すなわち、位相変調は、周波数変調と本質的な違いは無い。速度ｖが一定のとき、0次回折光と１次回折光の干渉光強度は、正弦波状に変化し、一定周期のビート信号が得られる。
【００３３】
これにより、第１の実施形態で分離していた光束分岐機能と周波数変調機能を回折格子２１で兼用でき、光学系が単純化され、サイズの小型化、コストの低減が達成できる。
【００３４】
回折格子２１により周波数変調された光束は、その光軸向きが１６Aと同一の４分の１波長板１６Bを透過し、ハーフミラー１４で合成され、偏光子１３B，１３Cにより同一の偏光成分が干渉する。このため、試料の旋光度に比例する位相差を持つ２相の正弦波信号が得られ、第１の実施形態と同様に旋光度を求める事ができる。
【００３５】
（第３の実施形態）
図３は、第３の実施形態の光学系を表している。レーザダイオード１１から出射した光束は、レンズ１２でコリメートされ、平行光となり、偏光子１３Aにより、垂直方向から４５°傾斜した方向に振動する直線偏光になる。次に、液晶素子３１により水平方向もしくは垂直方向の偏光成分が位相変調される。液晶素子３１は、水平方向もしくは垂直方向に液晶分子長軸が揃ったホモジニアス配向の液晶素子であり、電圧印加により液晶分子が立ち、分子長軸方向の屈折率が変化し、位相変調を行う事ができる。
【００３６】
第２の実施形態で示した様に、位相変調と周波数変調には、本質的な違いは無く、上述のように一方の偏光成分のみに、液晶素子による位相変調を加えると、直交する偏光成分同士で干渉させる事により、ビート信号が得られる。
【００３７】
次に、ハーフミラー１４により反射光と直進光に分岐され、直進光は、水平軸と進相軸が４５°傾斜した４分の１波長板１６Aに入射し、水平・垂直方向の振動成分をそれぞれ反対方向に回転する円偏光成分に変換する事ができる。次に、被検試料１５に入射し、試料の旋光度に伴い、右回り円偏光と左回り円偏光間で±θの位相差が与えられる。さらに、前記４分の１波長板１６Aと光軸が一致もしくは直交する４分の１波長板１６Bを透過し、左右回りの円偏光が、それぞれ水平もしくは垂直方向に振動する直交する偏光成分に変換される。
【００３８】
水平もしくは垂直方向から４５°傾斜した偏光子１３Bを透過する事により、上述の直交する偏光成分間の干渉信号が得られ、一方の光速が位相変調されているためビート信号が得られ、フォトダイオード１９Aにより電気信号に変換される。
【００３９】
ここで、干渉する２光速は、１つの光速の直交する偏光成分であり、完全なコモンパスの干渉計となるため、２光速干渉のような高精度の光軸のアライメントが不要で、干渉計の安定度も非常に高い。
【００４０】
一方、ハーフミラー１４で反射された光束も、偏光子１３Bと同様に配置した偏光子１３Cにより、直交する偏光成分間の干渉信号が得られ、一方を位相変調しているため、フォトダイオード１９Bにより光電変換し、ビート信号がえられる。
【００４１】
フォトダイオード１９Bより得られるビート信号は、試料の旋光度の影響は受けておらず、フォトダイオード１９A、１９Bの信号間の位相差により、試料の旋光度を求める事ができる。また、試料の旋光度以外の影響、例えば、光源の強度の揺らぎや、液晶素子の応答のばらつきなどがキャンセルされるため、資料の旋光度を感度よく検出する事ができる。
【００４２】
（第４の実施形態）
図４は、第４の実施形態の光学系を表している。液晶素子３１Bによる位相補正を加える事に特徴があり、他の光学系は第３の実施形態と同一である。ここでは、第３の実施形態に液晶素子１３Bを追加して説明するが、第１、第２の実施形態に液晶素子１３Bによる位相補正を加えても同等の効果が得られる。
【００４３】
レーザダイオード１１から出射した光束は、レンズ１２でコリメートされ、平行光となり、偏光子１３Aによって、垂直方向から４５°傾斜した方向に振動する直線偏光になる。次に、液晶素子３１Aにより水平方向もしくは垂直方向の偏光成分が位相変調される。液晶素子３１Aは、水平方向もしくは垂直方向に液晶分子長軸が揃ったホモジニアス配向の液晶素子であり、電圧印加により液晶分子が立ち、分子長軸方向の屈折率が変化し、位相変調を行う事ができる。
【００４４】
第２の実施形態で示した様に、位相変調と周波数変調には、本質的な違いは無く、上述のように一方の偏光成分のみに、液晶素子による位相変調を加えると、直交する偏光成分同士で干渉させる事により、ビート信号が得られる。
【００４５】
ハーフミラー１４により反射光と直進光に分岐され、直進光は、水平軸と遅相軸が４５°傾斜した４分の１波長板１６Aに入射し、水平・垂直方向の振動成分をそれぞれ反対方向に回転する円偏光成分に変換する事ができる。次に、被検試料１５に入射し、試料の旋光度に伴い、右回り円偏光と左回り円偏光間で±θの位相差が与えられる。さらに、前記４分の１波長板１６Aと光軸が一致もしくは直交する４分の１波長板１６Bを透過し、左右回りの円偏光が、それぞれ水平もしくは垂直方向に振動する直交する偏光成分に変換される。
【００４６】
水平もしくは垂直方向から４５°傾斜した偏光子１３Bを透過する事により、上述の直交する偏光成分間の干渉信号が得られ、一方を位相変調しているため、フォトダイオード１９Aによりビート信号４１Aが得られる。
【００４７】
また、この光束は、液晶素子３１Bにより位相補正が加えられる。ここで、液晶素子３１Bは、その液晶分子長軸が水平もしくは垂直方向と一致しているため、液晶駆動信号を変え、位相補正量を調整する事により、ビート信号４１Aの位相を任意に設定できる。
【００４８】
一方、ハーフミラー１４で反射された光束も、偏光子１３Bと同様に配置した偏光子１３Cにより、直交する偏光成分間の干渉信号が得られ、一方を位相変調しているため、フォトダイオード１９Bによりビート信号４１Bが得られる。
【００４９】
ここで、ビート信号４１A、４１Bは、EA=Acos(Δωt+2θ+φ+δ0)、EB=Acos(Δωt+δ0)（ここで、Δω：ビート信号角周波数、θ：旋光角度（rad）、φ：（液晶素子３１Bによる位相補正量、δ0：初期位相）と表され、増幅・位相検波回路４２により、お互いを乗算し、ローパスフィルターで直流成分を取り出し、位相検波信号Spがえられる。
EA×EB=A2cos(Δωt+2θ+φ+δ0)cos(Δωt+δ0)=A2/2[cos(2Δωt+2θ+φ+2δ0)+cos(2θ+φ)]
より、Sp=A'cos(2θ+φ)となり、旋光度と液晶素子３１Bによる位相項を持った正弦波となる。
【００５０】
ここで、Spを一定値Sp1となる様に、ディジタル信号処理回路４３により、液晶駆動電圧をコントロールし、液晶駆動回路４４を介して、液晶素子３１Bをクローズドループでコントロールする。
【００５１】
また、増幅・位相検波回路４２では、信号の増幅のみを担当し、位相検波信号Spは、液晶素子３１Aを駆動する信号と同期させ、ディジタル信号処理回路４３によりディジタル処理で求めることもできる。
【００５２】
液晶素子３１Bへの駆動電圧の変化は、試料１５の旋光度の変化に対応しており、旋光度の検出をする事ができる。
【００５３】
Sp1の値として、極大もしくは極小となるように液晶素子駆動信号へフィードバックすることで、光源の強度変動や試料の透過率の変動による影響をキャンセルする事ができ、試料の旋光度を高精度に検出する事ができる。
【００５４】
【発明の効果】
本発明によれば、試料として透明体だけでなく、散乱体試料の様に偏光状態を保存しない試料でも、SN比を向上し、旋光度を測定することができる。また、偏光子を機械的に回転させたり、ファラデーローテータにより回転させる等して、偏光面を回転させる必要がなく、装置が簡単になり、小型化、低価格化させることができる。
【００５５】
また、請求項２の発明によれば、干渉計が完全なコモンパスであるため、高精度な光軸のアライメントが不要であり、安定性も非常に高く、高感度な旋光度の測定が可能となる。
【００５６】
さらに、周波数変調手段として、液晶素子を用いると、ミラーの機械的振動や音響光学変調器による周波数変調などが不要となり、装置が簡単になり、小型化、低価格化させることができる。
【００５７】
さらに、液晶素子による位相補正を加え、位相検波信号を極大もしくは極小となるように液晶素子駆動信号へフィードバックすることで、光源の強度変動や試料の透過率の変動による影響をキャンセルする事ができ、試料の旋光度を高精度に検出する事ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態における旋光度測定装置の光学系を示す構成図である。
【図２】本発明の第２の実施形態における旋光度測定装置の光学系を示す構成図である。
【図３】本発明の第３の実施形態における旋光度測定装置の光学系を示す構成図である。
【図４】本発明の第４の実施形態における旋光度測定装置を示す構成図である。
【図５】従来の旋光度測定装置の一例を示す構成図である。
【符号の説明】
１１ レーザダイオード
１３ 偏光子
１６ ４分の１波長板
１９ フォトダイオード
２１ 回折格子
３１ 液晶素子
Claims (11)
- 可干渉性の光源と、前記光源からの光束を物体光束と参照光束の２光束に分岐する光束分岐手段と、前記２光束の間に僅かな周波数差を与える周波数変調手段と、前記物体光束の光路中に配置して試料を透過した後に前記試料の旋光度を直交する直線偏光間の位相差に変換する４分の１波長板と、前記物体光束と前記参照光束を合成する光束合成手段と、前記物体光束と前記参照光束による干渉光を偏光方向により２相の干渉信号に分離する偏光分離手段と、前記干渉信号を電気信号に変換する光電変換手段からなることを特徴とする旋光度測定装置。
- 前記光束分岐手段と前記周波数変調手段を、前記光束の波長程度のピッチを持った回折格子で構成することを特徴とする請求項１に記載の旋光度測定装置。
- 可干渉性の光源と、前記光源からの光束のある一方向の偏光成分を周波数変調する周波数変調手段と、前記光束を２光束に分岐する光束分岐手段と、前記２光束の一方をその偏光成分によって右回りの円偏光と左回りの円偏光に変換する４分の１波長板と、試料を透過後に前記試料の旋光度を直交する直線偏光間の位相差に変換する４分の１波長板と、前記直交する直線偏光間の干渉信号を得る第１の偏光子と、前記干渉信号を電気信号に変換する第１の光電変換部材と、前記分岐した他方の光束の偏光成分間の干渉信号を得る第２の偏光子と、前記干渉信号を電気信号に変換する第２の光電変換部材からなることを特徴とする旋光度測定装置。
- 前記周波数変調手段は、液晶素子による位相変調手段を用いることを特徴とする請求項１または請求項３に記載の旋光度測定装置。
- 試料の旋光度に比例する位相差を持ったビート信号を得るために干渉させている２光束の一方を位相補正する位相補正素子を備え、前記ビート信号を位相検波した出力が極大または極小となるように位相補正量にフィードバックをかけ、前記位相補正量により、旋光度を検出することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の旋光度測定装置。
- 試料の旋光度に比例する位相を持ったビート信号を得るために干渉させている２つの偏光成分のうちの一方を位相補正する位相補正素子を備え、前記ビート信号を位相検波した出力が極大または極小となるように位相補正量にフィードバックをかけ、前記位相補正量により、旋光度を検出することを特徴とする請求項３に記載の旋光度測定装置。
- 可干渉性の光源と、試料透過後、前記試料の旋光度を直交する旋光成分間の位相差に変換する４分の１波長板と、前記偏光成分の一方を周波数変調する周波数変調手段と、前記直交する旋光成分間の干渉信号を得る偏光子と、前記干渉信号を電気信号に変換する光電変換手段を備え、前記周波数変調手段は、液晶素子による位相変調手段を用
いることを特徴とする請求項３に記載の旋光度測定装置。 - 可干渉性の光源と、試料透過後、前記試料の旋光度を直交する旋光成分間の位相差に変換する４分の１波長板と、前記偏光成分の一方を周波数変調する周波数変調手段と、前記直交する旋光成分間の干渉信号を得る偏光子と、前記干渉信号を電気信号に変換する光電変換手段と、試料の旋光度に比例する位相を持ったビート信号を得るために干渉させている２つの偏光成分のうちの一方を位相補正する位相補正素子を備え、前記ビート信号を位相検波した出力が極大または極小となるように位相補正量にフィードバックをかけ、前記位相補正量により、旋光度を検出することを特徴とする請求項３に記載の旋光度測定装置。
- 前記位相補正素子は、液晶素子であることを特徴とする請求項５，６又は８に記載の旋光度測定装置。
- 可干渉性の光束を物体光と参照光の２光束に分岐し、試料を透過した前記物体光を４分の１波長板により、前記試料の旋光度に比例する位相差を持った直交する偏光成分に変換し、前記物体光と僅かな周波数差を持った前記参照光と干渉させ、得られる２つのビート信号間の位相差により、前記試料の旋光度を測定することを特徴とする旋光度測定方法。
- 可干渉性の光源からの光束のある一方向の偏光成分を周波数変調し、この周波数変調した光束を２光束に分岐し、前記２光束の一方の光束をその偏光成分によって右回りの円偏光と左回りの円偏光に変換して試料に入射し、試料を透過後に前記試料の旋光度を入射した光束の直交する直線偏光間の位相差に変換し、得られた偏光成分間の干渉信号を電気信号に変換し、さらに前記分岐した他方の光束の偏光成分間の干渉信号を電気信号に変換し、前記分岐した２光束の電気信号から前記試料の旋光度を測定することを特徴とする旋光度測定方法。
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