JP4812141B2 - 分析装置 - Google Patents

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Description

本発明は、対象物に含まれる成分を光学的に分析する分析装置に関する。
従来から、対象物に含まれる成分の分析を非破壊によって行うため、光学的分析方法が提案されている。光学的分析方法では、先ず、対象物に光が照射される。次に、対象物を透過した透過光又は対象物で反射した反射光から、ターゲット成分に対応する波長の光が、分光フィルタによって取り出され、取り出された光が、受光素子によって受光される。そして、受光素子からの出力信号に基づいて、吸光度が求められ、更に、吸光度からターゲット成分の割合が算出される（例えば、特許文献１及び２参照。）。
具体的には、特許文献１は、青果物に含まれるグルコースをターゲット成分として、光学的分析を行う分析装置を開示している。特許文献１に開示の分析装置では、ターゲット成分がグルコースであるため、光源からは、近赤外領域の波長を含む光が照射される。また、分光フィルタとしては、回折格子を用いた反射型の分光フィルタが用いられている。この分光フィルタは、波長が７００ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲の光のみが受光素子へと導かれるように形成されている。
また、特許文献２も、青果物に含まれるグルコースをターゲット成分とする分析装置を開示している。但し、特許文献２に開示の分析装置では、特許文献１に開示の分析装置と異なり、設定波長の光のみを透過させる透過型の分光フィルタが複数個用いられている。各分光フィルタは、同一面上において、ビームの照射範囲内に配置されている。この構成により、被計測物からの光のうち、いずれかの分光フィルタの設定波長に適合する光のみが、分光フィルタを透過して、受光素子によって受光される。
ところで、上述した光学的分析方法において、ターゲット成分が異なる場合は、分光フィルタによって取り出すべき光の波長（選択波長）も異なってしまう。従って、特許文献１及び特許文献２に開示の分析装置において、グルコース以外の成分をターゲットとする場合は、分光フィルタを取りかえる必要があり、実質的には、グルコース以外の成分をターゲットとすることは不可能である。
一方、特許文献３は、選択波長を変更可能な反射型の分光フィルタを開示している。特許文献３に開示の分光フィルタは、共鳴格子と、それとの間に隙間が形成されるように配置された基板と、両者の間に電圧を印加する構成とを備えている。そして、この分光フィルタにおいて、共鳴格子と基板との間に印加される電圧の大きさを変化させると、これらの間の距離が変化し、結果、入射光に対する反射率も変化する。このため、特許文献３に開示の分光フィルタを用いれば、選択波長を変更することができ、多種類のターゲット成分に対応可能な分析装置を得ることができると考えられる。
特開平０６−２１３８０４号公報 特開２０００−３５６５９１号公報 特開２００５−３３１５８１号公報
しかしながら、特許文献３に開示の分光フィルタは、反射型であるため、これを用いて分析装置を構成した場合は、光路が複雑化してしまう。また、特許文献３に開示の分光フィルタの設置に必要なスペースは、他の分光フィルタのそれよりも大きくなってしまう。これらの理由から、分析装置に、特許文献３に開示の分光フィルタを用いた場合は、分析装置が大型化するという問題が発生してしまう。
本発明の目的は、上記問題を解消し、装置の大型化を抑制しつつ、多種類の成分の分析に対応可能な分析装置を提供することにある。
上記目的を達成するため、本発明における分析装置は、対象物に含まれる成分を分析する分析装置であって、前記対象物に光を照射する発光部と、透過型の分光フィルタと、複数の受光素子を有する光検出器と、分析部とを備え、前記分光フィルタは、前記対象物で反射された前記光又は前記対象物を透過した前記光の光路上に配置され、且つ、光透過性を有し、且つ形成材料が酸化シリコンを含む基板と、前記基板の一方の面上に金（Ａｕ）を含む金属材料で形成された複数の凸部と、前記金属材料よりも屈折率が高く、且つ酸化チタンを含む酸化金属材料によって、前記複数の凸部と共に前記基板の前記一方の面を覆うように形成された金属酸化膜とを備え、前記複数の凸部は、前記複数の凸部それぞれの底面が前記基板の一方の面と接触し、且つ、隣り合う凸部間に存在する前記金属膜が回折格子となるように配置され、前記回折格子の格子周期、前記凸部の高さ、及び前記金属膜の厚みの少なくとも一つは、前記分光フィルタを透過する光の波長が部分毎に変化するように、前記部分毎に異なる値に設定され、前記光検出器は、前記複数の受光素子それぞれが、前記分光フィルタを透過する光を受光するように配置され、前記分析部は、前記複数の受光素子それぞれの出力信号から、前記対象物のスペクトルを取得する、ことを特徴とする。
以上の特徴により、本発明における分析装置によれば、装置の大型化を抑制しつつ、多種類の成分の分析に対応することができる。
図１は、本発明の実施の形態１における分析装置の概略構成を示す構成図である。 図２は、図１に示した分光フィルタの構成を部分的に拡大して示す断面図である。 図３は、本発明の実施の形態１における分析装置の動作を示すフロー図である。 図４は、本発明の実施の形態１における分析装置で実行される処理を説明する説明図である。 図５は、本発明の実施の形態１で用いられる検量線の一例を示す図であり、図５（ａ）〜図５（ｃ）それぞれは異なる検量線を示している。 図６は、本発明の実施の形態２における分析装置の概略構成を示す構成図である。 図７は、本発明の実施の形態２における分析装置の動作を示すフロー図である。 図８は、本発明の実施の形態３における分析装置の概略構成を示す構成図である。
（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態１における分析装置について、図１〜図５を参照しながら説明する。最初に、図１及び図２を用いて、本実施の形態１における分析装置１の構成について説明する。図１は、本発明の実施の形態１における分析装置の概略構成を示す構成図である。図２は、図１に示した分光フィルタの構成を部分的に拡大して示す断面図である。
図１に示すように、分析装置１は、対象物４０に含まれる成分を分析する装置である。分析装置１は、対象物４０に光を照射する発光部１０と、透過型の分光フィルタ２２と、複数の受光素子２４を有する光検出器２３と、分析部３１とを備えている。
分光フィルタ２２は、対象物４０で反射された光の光路上に配置されており、分光フィルタ２２を透過する光の波長が部分毎に変化するように構成されている。また、分光フィルタ２２は、図１の例と異なり、対象物４０を透過した光の光路上に配置されていても良い。
本実施の形態１では、分光フィルタ２２は、光検出器２３と共に、対象物４０からの光を検出するセンサユニット２０を構成している。また、センサユニット２０には、レンズ２１が備えられている。レンズ２１は、対象物４０で反射された光を集光し、この光を効率良く分光フィルタ２２に導くために用いられている。
ここで、図２に基づいて、分光フィルタ２２の構成及び機能について説明する。図２に示すように、分光フィルタ２２は、光透過性を有する基板２２ａと、基板２２ａの一方の面上に形成された複数の凸部２２ｂと、複数の凸部２２ｂと共に基板２２ａの一方の面を覆う金属酸化膜２２ｃとを備えている。このうち、凸部２２ｂは、金属材料で形成され、金属酸化膜２２ｃは、金属材料よりも屈折率の高い酸化金属材料によって形成されている。
また、複数の凸部２２ｂは、隣り合う凸部間に存在する金属酸化膜２２ｃが回折格子となるように配置されている。具体的には、各凸部２２ｂは、角柱状に形成されており、更に、マトリクス状に配置されている。また、金属酸化膜２２ｃが回折格子として機能するようにするため、回折格子の格子周期ｐは、透過光の波長が異なる部分毎に、当該部分において透過することが求められている光の波長よりも短くなるように設定されている。
このような構成により、凸部２２ｂはサブ波長格子となり、導波路として機能するので、金属酸化膜２２ｃ側から、凸部２２ｂに入射した光は、凸部２２ｂの中をエバネセント波として伝搬する。そして、凸部２２ｂに入射した光は、その波長に応じて、凸部２２ｂ及び基板２２ａを透過するか、凸部２２ｂを透過した後に基板２２ａで反射される。具体的には、凸部２２ｂの高さｈを高くすれば、透過光の波長は、長波長側へとシフトする傾向にある。同様に、回折格子の格子周期ｐを広くした場合、基板２２ａの屈折率を大きくした場合も、透過光の波長は、長波長側へとシフトする傾向にある。なお、実際には、部分毎に、各部材の屈折率を変えることは困難である。
従って、分光フィルタ２２においては、分光フィルタ２２を透過する光の波長を部分毎に変化させるため、回折格子の格子周期ｐ、凸部２２ｂの高さｈ、及び金属酸化膜２２ｃの厚みｔの少なくとも一つが、部分毎に異なる値に設定されている。言い換えると、分光フィルタ２２は、その部分毎に、透過光の波長が異なるように形成されている。なお、透過光は、実際には狭帯域の波長を持っており、透過光の波長の設定は、狭帯域における中心波長について行われる。また、回折格子の格子周期ｐは、実質的には、図２に示すように、隣り合う凸部２２ｂ間における一の凸部２２ｂの一方側の側面から他の凸部２２ｂの同じく一方側の側面までの距離である。
本実施の形態１において、基板２２ａ、凸部２２ｂ、及び金属酸化膜２２ｃの形成材料は、目的の波長の光が透過し易いように適宜設定すれば良い。例えば、透過光が赤外領域にある光の場合を例に挙げると、基板２２ａの形成材料としては、酸化シリコン（ＳｉＯ２）が挙げられる。この場合、基板２２ａは、いわゆる石英基板である。また、凸部２２ｂを形成する金属材料としては、金（Ａｕ）又は金（Ａｕ）を含む合金が挙げられる。更に、金属酸化膜２２ｃの形成材料としては、酸化チタン（ＴｉＯ２）が挙げられる。
ここで、透過光が赤外領域にある光の場合において、例えば、透過光の中心波長を１．４８μｍに設定する例について説明する。金属酸化膜２２ｃを形成する酸化チタンの屈折率は「１．９０４」、基板２２ａを形成する酸化シリコンの屈折率は「１．４６５」、金の反射率は「０．９４４」である。また、凸部２２ｂの高さｈを「６２μｍ」に設定するとする。そして、金の屈折率と消衰係数としては、無数の値が存在するが、上記の例では、金の屈折率が「０．５０」、消衰計数が「７．１」であるとする。このような例では、回折格子の格子周期ｐを「１０６４．７μｍ」、及び金属酸化膜２２ｃの厚みｔを「１３４μｍ」に設定すれば良い。
また、図１に示すように、光検出器２３は、各受光素子２４が、分光フィルタ２２を透過する光を受光するように配置されている。よって、分光フィルタ２２を透過した光は、フィルタ部材１の部分毎に、異なる受光素子２４によって受光されるので、上述した分光フィルタ２２の機能により、各受光素子２４の出力信号は、対応する部分の設定波長の光の強度を示すこととなる。従って、分析部３１は、各受光素子２４の出力信号から、対象物４０のスペクトルを取得することができる。
図１の例では、光検出器２３としては、複数のフォトダイオードがマトリクス状に形成された半導体基板を有する固体撮像装置が用いられている。また、図１においては、説明のため、光検出器２３は、断面によって示されている。なお、断面においてハッチングは省略されている。
このように、本実施の形態１における分析装置１では、特許文献３に開示された分光フィルタのような反射型の分光フィルタは用いられないため、図１に示すように光路を単純化でき、装置の大型化が抑制される。また、対象物４０の種類に限定されることなく、そのスペクトルを取得できるため、一台で他種類の成分の分析に対応することができる。
また、本実施の形態１においては、分析部３１は、取得したスペクトルから、対象物４０に含まれる成分を同定することができる。更に、分析部３１は、予め用意されている複数の検量線の中から、同定された成分に対応する検量線を選択し、選択した検量線を用いて、分析対象となる成分の含有量を算出することができる。具体的には、分析部３１は、取得したスペクトルから吸光度を求め、求めた吸光度を、選択した検量線に当てはめることによって、分析対象となる成分の含有量を算出する。
また、本実施の形態１では、複数の検量線は、記憶部３２に格納されている。そして、記憶部３２は、分析部３１と共に、制御装置３０を構成している。制御装置３０は、更に、駆動部３３も備えている。駆動部３３は、分析部３１の指示に応じて、発光部１０を駆動し、光源１１の点灯及び消灯を制御する。制御装置３０の具体例としては、マイクロコンピュータ（マイコン）が挙げられる。
また、本実施の形態１において、光源は、求められる範囲の波長の光を照射可能なものであれば良く、特に限定されるものではない。例えば、光源１１としては、ＬＥＤ、ハロゲンランプ等が挙げられる。図１の例では、光源１１は、赤外領域の光を照射可能なＬＥＤである。また、光源１１に求められる出射光の波長の範囲は、想定される対象物の種類に応じて適宜設定される。
次に、本実施の形態１における分析装置１の動作について図３〜図５を用いて説明する。図３は、本発明の実施の形態１における分析装置の動作を示すフロー図である。図４は、本発明の実施の形態１における分析装置で実行される処理を説明する説明図である。図５は、本発明の実施の形態１で用いられる検量線の一例を示す図であり、図５（ａ）〜図５（ｃ）それぞれは異なる検量線を示している。また、以下の説明においては、適宜図１及び図２を参酌する。
図３に示すように、最初に、分析部３１は、光検出器２３の各受光素子２４が出力する暗電流を測定する（ステップＳ１）。具体的には、分析部３１は、駆動部３３に光源１１を消灯させた状態で、光検出器２３の各受光素子２４が出力した出力信号の出力値を測定する。なお、この場合の出力値とは、暗電流発生時に出力された信号の電圧値である。
ここで、暗電流発生時の各受光素子２４の出力信号の出力値（電圧）をＤ１１〜Ｄ１ｎとする。ｎは、受光素子の個数を示している。また、分析部３１は、暗電流発生時の出力信号の出力値Ｄ１１〜Ｄ１ｎの平均値Ｄｍ１を求め、以降の計算において、平均値Ｄｍ１を用いることもできる。
図４においてグラフ５２は、ステップＳ１における暗電流発生時の出力信号の一例を示している。受光素子２４毎に受光する光の波長が異なるため、ステップＳ１で得られた出力信号の出力値Ｄ１１〜Ｄ１ｎをプロットすると、図４に示すように、横軸を波長、縦軸を電圧とするグラフ５２が得られる。
次に、分析部３１は、駆動部３３に光源１１を点灯させ、全反射スペクトルを取得する（ステップＳ２）。具体的には、分析部３１は、対象物４０の代わりに、全反射ミラーが配置されていることを条件として、駆動部３３に光源１１を点灯させ、そのときに各受光素子２４が出力する出力信号の出力値を測定する。また、このときの各出力信号の出力値をＤ２１〜Ｄ２ｎとする。
そして、分析部３１は、得られた各受光素子２４の出力信号の出力値Ｄ２１〜Ｄ２ｎそれぞれから、ステップＳ１で得られた暗電流発生時の出力信号の出力値Ｄ１１〜Ｄ１ｎを減算し、得られた出力値から全反射スペクトルを求める。全反射スペクトルを構成する出力値をＤ３１〜Ｄ３ｎとすると、下記の（数１）が成立する。また、数１において、分析部３１は、出力値Ｄ１ｋの代わりに、出力値Ｄ１１〜Ｄ１ｎの平均値Ｄｍ１を減算しても良い。
（数１）
Ｄ３ｋ＝Ｄ２ｋ−Ｄ１ｋ
また、「ｋ」は、ｋ番目の受光素子から得られた値であることを示しており、ｋについては、１≦ｋ≦ｎが成立する。図４においてグラフ５４は、全反射スペクトルを構成する各出力値Ｄ３１〜Ｄ３ｎをプロットすることによって得られており、ステップＳ２で得られた全反射スペクトルの一例を示している。
なお、本実施の形態１では、ステップＳ２における出力値の測定後に、ステップＳ１が実行され、その後に、全反射スペクトルを構成する出力値の算出が実行されても良い。また、ステップＳ１及びステップＳ２は、以降に説明するステップＳ３と連続して実行されていなくても良い。更に、一度、ステップＳ１及びＳ２が実行された後は、ステップＳ３以降が繰り返し実行されても良い。つまり、ステップＳ１及びＳ２は、ステップＳ３の実行前に一度実行されていれば良い。また、ステップＳ１及びＳ２の実行時と、ステップＳ３以降の実行時との間に、時間的な隔たりが存在していても良い。
次に、ステップＳ２の終了後、分析部３１は、駆動部３３に光源１１を点灯させる（ステップＳ３）。ステップＳ１２により、光源１１から出射された光は、対象物４０に入射し、そこで反射された後、センサユニット２０に入射する。その後、分析部３１は、各受光素子２４が出力した出力信号の出力値を測定する（ステップＳ４）。
ここで、ステップＳ４の実行時の各受光素子２４の出力信号の出力値（電圧）をＶ１１〜Ｖ１ｎとする。また、図４においてグラフ５１は、ステップＳ４で測定された出力信号の出力値Ｖ１１〜Ｖ１ｎをプロットすることによって得られており、ステップＳ４において受光素子２４が出力した出力信号の一例を示している。
また、本実施の形態１では、ステップＳ２及びＳ３における光源１１の点灯は、間欠的に行われていても良い。即ち、駆動部３３は、光源１１をパルス発光させることができる。これは、光源１１を連続発光させると、時間の経過と共に光量が徐々に低下し、後述するステップＳ５における吸光度の算出に誤差が生じる場合があるからである。
また、光源１１がパルス発光すると、分析部３１は、点灯の回数だけ、各受光素子２４から出力信号の出力値を測定する。この場合は、分析部３１は、受光素子毎に出力値の平均値を算出し、算出した平均値をステップＳ４以降の処理で用いることができる。
例えば、ステップＳ２において、パルス発光により、出力値Ｄ２１〜Ｄ２ｎが複数回得られた場合は、分析部３１は、出力値毎に平均値Ｄｍ２１〜Ｄｎ２ｎを算出し、その値を用いることができる。また、ステップＳ３でのパルス発光により、ステップＳ４において、出力値Ｖ１１〜Ｖ１ｎが複数回得られた場合は、分析部３１は、出力値毎に平均値Ｖｍ１１〜Ｖｍ１ｎを算出し、その値を用いることができる。
次に、分析部３１は、ステップＳ４で得られた出力信号に対して暗電流の補正を行う（ステップＳ５）。具体的には、ステップＳ５では、分析部３１は、下記の（数２）を用いて、ステップＳ４で得られた出力信号（図４のグラフ５１参照）の出力値Ｖ１１〜Ｖ１ｎから、暗電流（図４のグラフ５２参照）の出力値Ｄ１１〜Ｄ１ｎを減算し、ベースライン補正を行う。下記の（数２）において、Ｖ２ｋは補正後の出力値を示している。また、下記の（数２）においても、分析部３１は、出力値Ｄ１ｋの代わりに、出力値Ｄ１１〜Ｄ１ｎの平均値Ｄｍ１を減算しても良い。
（数２）
Ｖ２ｋ＝Ｖ１ｋ−Ｄ１ｋ
また、図４においてグラフ５３は、補正後の出力値Ｖ２１〜Ｖ２ｎをプロットすることによって得られており、ステップＳ５で得られたベースライン補正済の出力信号の一例を示している。
次に、分析部３１は、ベースライン補正済の出力値と、全反射スペクトル（図４のグラフ５４参照）の出力値とを用いて、対象物４０のスペクトルを取得する（ステップＳ６）。具体的には、分析部３１は、下記の（数３）を用いて、ベースライン補正済の出力値と、全反射スペクトル（図４のグラフ５４参照）の出力値との差分を算出する。算出された差分が、対象物４０のスペクトルに相当する。下記の（数３）において、Ｖｋは差分値を示している。
（数３）
Ｖｋ＝Ｄ３ｋ−Ｖ２ｋ
図４においてグラフ５５は、算出された差分値Ｖ１〜Ｖｎをプロットすることによって得られており、対象物４０のスペクトル（差分）の一例を示している。また、本実施の形態１では、上述したように、光源１１は、赤外領域の光を照射することから、赤外領域におけるスペクトルが得られている。
次に、分析部３１は、ステップＳ４で得られたスペクトルに基づき、例えば、そこに現れているピーク波長を特定することにより、対象物４０に含まれる成分を同定し、更に、ピーク波長の値から吸光度を算出する（ステップＳ７）。
具体的には、本実施の形態１では、記憶部３２には、予め、想定される成分毎に、ピークの発生パターンが格納されている。ステップＳ７において、分析部３１は、特定したピーク波長を、格納されている発生パターンに当てはめ、その結果から、対象物４０に含まれる成分を同定する。また、上述したように、本実施の形態１において得られるスペクトルは、赤外領域のスペクトルであることから、同定される成分としては、グルコース、スクロース、フラクトース、クエン酸、水等が挙げられる。
また、ステップＳ７において、分析部３１は、下記の（数４）から吸光度Αλを算出する。なお、下記の（数４）において、ｊは、ピーク値を出力している受光素子を表している。また、１≦ｊ≦ｎが成立する。
（数４）
Αλ＝−ｌｏｇ１０（Ｖ２ｊ／Ｄ３ｊ）
次に、分析部３１は、記憶部３２にアクセスし、ステップＳ７での同定結果に基づき、対象物４０に対応する検量線（図５（ａ）〜（ｃ）参照）を選出する（ステップＳ８）。例えば、対象物４０が血液であり、同定された成分がグルコース（血糖）であるならば、分析部３１は、図５（ａ）に示す検量線を選出する。また、対象物４０が、ミカン、イチゴ等の果実であり、同定された成分がグルコース、スクロース、及びフラクトースであるならば、分析部３１は、図５（ａ）〜（ｃ）に示す検量線を選出する。
その後、分析部３１は、ステップＳ８で選出された検量線に、ステップＳ７で算出された吸光度Αλを当てはめて、対象物４０に含まれる成分の含有量（濃度）を算出する（ステップＳ９）。例えば、対象物４０が血液である場合は、分析部４０は、グルコース濃度（血糖値）を算出する。また、例えば、対象物４０が、ミカン、イチゴ等の果実である場合は、分析部３１は、グルコース濃度、スクロース濃度、及びフラクトース濃度を算出する。ステップＳ７の終了後、分析部３１は、結果を外部に出力し、処理を終了する。
以上のように、本実施の形態１における分析装置１によれば、対象物４０に含まれる成分の特定と、適切な検量線の特定とを行うことができ、様々な対象物の成分分析を行うことができる。また、成分分析を行うために必要な光学系は単純であるため、装置の大型化が抑制される。
なお、本実施の形態１では、分光フィルタ２２は、受光素子毎に入射する光の波長が異なるように構成されているため、分析部３１は、受光素子毎に出力値の演算を行っているが、この例に限定されるものではない。例えば、分光フィルタ２２は、２以上の受光素子で構成されたグループ毎に、入射する光の波長が異なるように構成されていても良い。そして、この場合は、分析部３１は、グループ毎に出力値の平均値を算出し、得られた平均値を用いて、上述の演算を実行する。
また、本実施の形態１において、対象物４０の種類は、特に限定されず、具体的には、上述した血液及び果物に加え、野菜、食品、化学物質、生物から採取した種々の体液等が挙げられる。
（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２における分析装置について、図６及び図７を参照しながら説明する。最初に、図６を用いて、本実施の形態２における分析装置２の構成について説明する。図６は、本発明の実施の形態２における分析装置の概略構成を示す構成図である。
図６に示すように、本実施の形態２において、分析装置２は、図１に示した実施の形態１における分析装置１と異なり、センサユニット（以下「メインセンサユニット」とする）２０に加えて、リファレンスセンサユニット５０を備えている。
また、分析装置２は、分析装置１と異なり、発光部１０から照射された光を分割するビームスプリッタ６０、及び減光（ＮＤ：Neutral Density）フィルタ６１も備えている。更に、このような構成の相違により、分析部３４は、分析装置１における分析部３１では実行されない処理も実行する。なお、上述の相違点以外については、分析装置２は、図１に示した実施の形態１における分析装置１と同様である。以下、主に、実施の形態１との相違点を中心に説明する。
ビームスプリッタ６０は、発光部１０と対象物４０との間に配置され、対象物４０に入射する前の発光部１０が照射した光を二つに分割する。分割された光のうち、一方の光は、対象物４０に入射し、そこで反射されてメインセンサユニット２０で受光される。他方の光は、対象物４０に入射することなく、減光フィルタ６１を介してリファレンスセンサユニット５０で受光される。
リファレンスセンサユニット５０は、レンズ５１と、分光フィルタ５２と、複数の受光素子５４を有する光検出器５３とを備え、メインセンサユニット２０と同様に構成されている。つまり、分光フィルタ５２は、分光フィルタ２２と同一であり、光検出器５３は、検出器２３と同一である。また、レンズ５１は、レンズ２１と同一である。また、減光フィルタ６１は、それを通過した光の光量が、対象物４０で反射された後の光の光量と同一となるように構成されている。
このように、分析装置２においては、メインセンサユニット２０と、リファレンスセンサユニット５０との二つのセンサユニットが用いられる。よって、本実施の形態２では、実施の形態１と異なり、全反射スペクトルを取得する必要がない。また、リファレンスセンサユニットにより、光源１１を連続発光させた場合の光量の劣化度を検出できるので、本実施の形態２では、光源１１は連続発光される。
次に、本実施の形態２における分析装置２の動作について図７を用いて説明する。図７は、本発明の実施の形態２における分析装置の動作を示すフロー図である。また、以下の説明においては、適宜図６を参酌する。
図７に示すように、最初に、分析部３４は、メインセンサユニット２０における暗電流と、リファレンスセンサユニット５０における暗電流とを測定する（ステップＳ１１）。具体的には、分析部３４は、駆動部３３に光源１１を消灯させた状態で、光検出器２３が出力した出力信号の出力値Ｅ１１〜Ｅ１ｎと、光検出器５３が出力した出力信号の出力値Ｅ０１〜Ｅ０ｎとを測定する。また、分析部３１は、出力値Ｅ１１〜Ｅ１ｎの平均値Ｅｍ１と、出力値Ｅ０１〜Ｅ０ｎの平均値Ｅｍ０とを求め、以降の計算において、平均値Ｅｍ１と平均値Ｅｍ０とを用いることもできる。
また、ステップＳ１１は、以降に説明するステップ１２と連続して実行されていなくても良いし、一度、ステップＳ１１が実行された後は、ステップＳ１２以降が繰り返し実行されても良い。つまり、ステップＳ１１は、ステップＳ１２の実行前に一度実行されていれば良い。また、ステップＳ１１の実行時と、ステップＳ１２以降の実行時との間に、時間的な隔たりが存在していても良い。
次に、分析部３４は、駆動部３３に光源１１を点灯させる（ステップＳ１２）。このとき、本実施の形態２では、上述したように、駆動部３３は、光源１１を連続発光させる。ステップＳ１２により、光源１１から出射された光は、ビームスプリッタ６１によって分割され、一方の光は、対象物４０で反射された後、メインセンサユニット２０に入射する。また、他方の光は、減光フィルタ６１を介して、リファレンスセンサユニット５０に入射する。
次に、分析部３４は、メインセンサユニット２０からの出力信号と、リファレンスセンサユニット５０からの出力信号とを取得する（ステップＳ１３）。具体的には、分析部３４は、光検出器２３が出力した出力信号の出力値Ｂ１１〜Ｂ１ｎと、光検出器５３が出力した出力信号の出力値Ｂ０１〜Ｂ０ｎとを測定する。
次に、分析部３４は、ステップＳ１３で得られた、メインセンサユニット２０からの出力信号と、リファレンスセンサユニット５０からの出力信号とに対して、暗電流の補正を行う（ステップＳ１４）。
具体的には、ステップＳ１４では、分析部３１は、メインセンサユニット２０について、下記の（数５）を用いて、ステップＳ１３で測定した出力値Ｂ１１〜Ｂ１ｎから、暗電流の出力値Ｅ１１〜Ｅ１ｎを減算し、ベースライン補正を行う。下記の（数５）において、Ｂ２ｋは、メインセンサユニット２０における補正後の出力値を示している。「ｋ」は、実施の形態１と同様に、ｋ番目の受光素子から得られた値であることを示しており、ｋについては、１≦ｋ≦ｎが成立する。
（数５）
Ｂ２ｋ＝Ｂ１ｋ−Ｅ１ｋ
同様に、ステップＳ１４では、分析部３１は、リファレンスセンサユニット５０について、下記の（数６）を用いて、ステップＳ１３で測定した出力値Ｂ０１〜Ｂ０ｎから、暗電流の出力値Ｅ０１〜Ｅ０ｎを減算し、ベースライン補正を行う。下記の（数６）において、Ｂ３ｋは、リファレンスセンサユニット５０における補正後の出力値を示している。
（数６）
Ｂ３ｋ＝Ｂ０ｋ−Ｅ０ｋ
次に、分析部３４は、ベースライン補正済のメインセンサユニット２０の出力値Ｂ２１〜Ｂ２ｎと、ベースライン補正済のリファレンスセンサユニット５０の出力値Ｂ３１〜Ｂ３ｎとを用いて、対象物４０のスペクトルを取得する（ステップＳ１５）。具体的には、分析部３４は、下記の（数７）を用いて、受光素子５４毎（波長毎）に拡散強度Ｂ１〜Ｂｎを算出する。下記の（数７）においてＧは、光路等に応じて適宜設定される係数である。
（数７）
Ｂｋ＝（Ｂ２ｋ／Ｇ）／Ｂ３ｋ
そして、上記（数７）によって算出される拡散強度Ｂ１〜Ｂｎが、横軸を波長、縦軸を電圧とする座標系にプロットされると、この場合も図４に示したグラフ５５と同様のグラフが得られる。つまり、上記（数７）によって算出された拡散強度Ｂ１〜Ｂｎは、対象物４０のスペクトルを表している。また、本実施の形態２においても、上述したように、光源１１は、赤外領域の光を照射することから、赤外領域におけるスペクトルが得られる。
次に、分析部３４は、光源１１の光量の劣化度を算出する（ステップＳ１６）。具体的には、本実施の形態２では、分析部３４は、先ず、ステップＳ１３で測定した、リファレンスセンサユニット５０の出力値Ｂ０１〜Ｂ０ｎの平均値を求める。そして、分析部３４は、例えば、求めた平均値と、予め設定されている基準値Ｓとの比α（平均値／基準値）を劣化度として算出する。なお、基準値Ｓとしては、例えば、新品の光源１１を初めて点灯させたときに、リファレンスセンサユニット５０の各受光素子５４が出力した信号の出力値の平均値、最大値、又は最小値を用いることができる。
次に、分析部３４は、ステップＳ１５で得られたスペクトルに基づき、例えば、そこに現れているピーク波長を特定することにより、対象物４０に含まれる成分を同定し、更に、ピーク波長の値から吸光度Αλを算出する（ステップＳ１７）。ステップＳ１７において、対象物４０に含まれる成分の同定は、実施の形態１において図３に示したステップＳ７と同様に行われる。即ち、分析部３４は、特定したピーク波長を、記憶部３２に格納されている発生パターンに当てはめ、その結果から、対象物４０に含まれる成分を同定する。
また、ステップＳ１７において、分析部３４は、下記の（数８）から吸光度Αλを算出する。なお、下記の（数８）において、ｊは、ピーク値を出力している受光素子を表している。また、１≦ｊ≦ｎが成立する。
（数８）
Αλ＝−ｌｏｇ１０（Ｂｊ／α）
次に、分析部３４は、記憶部３２にアクセスし、ステップＳ１７での同定結果に基づき、対象物４０に対応する検量線（図５（ａ）〜（ｃ）参照）を選出する（ステップＳ１８）。ステップＳ１８は、実施の形態１において図３に示したステップＳ８と同様のステップである。
その後、分析部３４は、ステップＳ１８で選出された検量線に、ステップＳ１７で算出された吸光度Αλを当てはめて、対象物４０に含まれる成分の含有量（濃度）を算出する（ステップＳ１９）。ステップＳ１９は、実施の形態１において図３に示したステップＳ９と同様のステップである。
以上のように、本実施の形態２における分析装置２によれば、実施の形態１と異なり、全反射スペクトルの取得を行うことなく、対象物４０の成分含有量を算出できる。更に、光源１１を連続発光させた場合の誤差の発生も抑制できる。
また、本実施の形態２においても、実施の形態１と同様に、対象物４０に含まれる成分の特定と、適切な検量線の特定とを行うことができ、様々な対象物の成分分析を行うことができる。また、成分分析を行うために必要な光学系は単純であるため、装置の大型化は抑制される。
なお、本実施の形態２において、分光フィルタ２２及び分光フィルタ５２は、受光素子毎に入射する光の波長が異なるように構成されているため、分析部３４は、受光素子毎に出力値の演算を行っているが、この例に限定されるものではない。例えば、分光フィルタ２２及び分光フィルタ５２は、２以上の受光素子で構成されたグループ毎に、入射する光の波長が異なるように構成されていても良い。そして、この場合は、分析部３４は、グループ毎に出力値の平均値を算出し、得られた平均値を用いて、上述の演算を実行する。
（実施の形態３）
次に本発明の実施の形態２における分析装置について、図８を参照しながら説明する。図８は、本発明の実施の形態３における分析装置の概略構成を示す構成図である。図８に示すように、本実施の形態３において、分析装置３は、発光部１２及び駆動部３５を除き、図６に示した実施の形態２における分析装置２と同様に構成されている。以下においては、実施の形態２との相違点を中心に説明する。
図８に示すように、本実施の形態３では、発光部１２は、図１及び図６に示した発光部１０と異なり、複数個の光源１１を備えている。また、本実施の形態３では、制御装置３０の駆動部３５は、光源１１を点灯する際に、各光源１１を交互に点灯させ、発光部１２から連続して光を出射させる。
このように、本実施の形態３では、各光源１１を連続点灯させることなく、擬似的に、発光部１２から連続して光を出射させることができる。このため、分析装置３は、図７に示したステップＳ１６を除く、ステップＳ１１〜Ｓ１５、Ｓ１７〜Ｓ１９に沿って動作する。本実施の形態３では、各光源１１について劣化度を算出する必要がないため、分析部３４における負荷が軽減される。また、連続してメインセンサユニット２０及びリファレンスセンサユニット５０に光を入射させることができるので、パルス光を入射させる場合に比べて、算出精度の向上も図られる。
以上のように、本発明における分析装置によれば、装置の大型化を抑制しつつ、多種類の成分の分析に対応することができる。本発明の分析装置は、果物、野菜、その他の食品、化学物質、生物から採取された血液に代表される種々の体液等を対象とした、各種分析に有用である。
１ 分析装置（実施の形態１）
２ 分析装置（実施の形態２）
３ 分析装置（実施の形態３）
１０ 発光部
１１ 光源
１２ 発光部
２０ メインセンサユニット
２１ レンズ
２２ 分光フィルタ
２２ａ 基板
２２ｂ 凸部
２２ｃ 金属膜
２３ 光検出器
２４ 受光素子
３０ 制御装置
３１ 分析部
３２ 記憶部
３３ 駆動部
３４ 分析部
３５ 駆動部
４０ 対象物
５０ リファレンスセンサユニット
５１ レンズ
５２ 分光フィルタ
５３ 光検出器
５４ 受光素子
６０ ビームスプリッタ
６１ 減光フィルタ

Claims (8)

  1. 対象物に含まれる成分を分析する分析装置であって、
    前記対象物に光を照射する発光部と、透過型の分光フィルタと、複数の受光素子を有する光検出器と、分析部とを備え、
    前記分光フィルタは、前記対象物で反射された前記光又は前記対象物を透過した前記光の光路上に配置され、且つ、光透過性を有し、且つ形成材料が酸化シリコンを含む基板と、前記基板の一方の面上に金（Ａｕ）を含む金属材料で形成された複数の凸部と、前記金属材料よりも屈折率が高く、且つ酸化チタンを含む酸化金属材料によって、前記複数の凸部と共に前記基板の前記一方の面を覆うように形成された金属酸化膜とを備え、
    前記複数の凸部は、前記複数の凸部それぞれの底面が前記基板の一方の面と接触し、且つ、隣り合う凸部間に存在する前記金属膜が回折格子となるように配置され、
    前記回折格子の格子周期、前記凸部の高さ、及び前記金属膜の厚みの少なくとも一つは、前記分光フィルタを透過する光の波長が部分毎に変化するように、前記部分毎に異なる値に設定され、
    前記光検出器は、前記複数の受光素子それぞれが、前記分光フィルタを透過する光を受光するように配置され、
    前記分析部は、前記複数の受光素子それぞれの出力信号から、前記対象物のスペクトルを取得する、ことを特徴とする分析装置。
  2. 前記分析部が、取得した前記スペクトルから、前記対象物に含まれる成分を同定し、そして、予め用意されている複数の検量線の中から、同定された前記成分に対応する検量線を選択し、選択した前記検量線を用いて、前記成分の含有量を算出する、請求項１に記載の分析装置。
  3. 前記発光部が、前記対象物に対して、間欠的に光を照射する、請求項１または２に記載の分析装置。
  4. 前記発光部が、複数の発光素子を備え、且つ、１又は２以上の前記発光素子毎に交互に発光させて、前記対象物に対して、連続的に光を照射する、請求項１または２に記載の分析装置。
  5. 当該分析装置が、更に、前記発光部が照射した光を分割するビームスプリッタと、前記ビームスプリッタで分割された光を受光してリファレンス信号を出力するリファレンスセンサユニットとを備え、
    前記ビームスプリッタは、前記発光部と前記対象物との間に配置され、
    前記リファレンスセンサユニットは、減衰フィルタと、前記分光フィルタと同一の第２の分光フィルタと、前記光検出器と同一の第２の光検出器とを備え、
    前記減衰フィルタ、前記第２の分光フィルタ、及び前記第２の光検出器は、前記ビームスプリッタで分割された光が、前記減衰フィルタ、前記第２の分光フィルタ及び前記第２の光検出器に順に入射するように配置され、
    前記第２の光検出器の複数の受光素子は、入射した光に応じた信号を出力し、
    前記分析部が、前記第２の光検出器からの信号に基づいて、前記光検出器の前記複数の受光素子それぞれの出力信号を補正する、請求項１から４のいずれかに記載の分析装置。
  6. 前記回折格子の格子周期が、前記部分毎に、当該部分において透過することが求められている光の波長よりも短くなるように形成されている、請求項１から５のいずれかに記載の分析装置。
  7. 前記複数の凸部が、角柱状に形成され、且つ、マトリクス状に配置されている、請求項１から６のいずれかに記載の分析装置。
  8. 前記光検出器が、複数の受光素子がマトリクス状に形成された半導体基板を有する固体撮像装置である、請求項１〜７のいずれかに記載の分析装置。
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