JP5575355B2 - 紫外線防御効果の評価装置 - Google Patents
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Description
本発明は、紫外線検出装置及び紫外線防御効果の評価装置に関する。
人体の紫外線に対する反応としての紅斑や黒化は、紫外線のみの照射で起こる現象と考えられがちであるが、実際には、紫外線の他に、可視光線及び赤外線が同時に照射されることで、より複雑な免疫現象が引き起こされるものと考えられている。その意味で、人体を紫外線から守るサンケア商品の開発においては、紫外線の他に可視光及び赤外線も含む光照射下にて、紫外線のみを高感度で検出できる装置が不可欠である。
しかしながら、従来、可視光線及び赤外線の照射下においても、紫外線の影響のみを分離して評価する紫外線検出装置は、製品として存在していなかった。そのため、従来の紫外線検出装置は、キセノンランプなどの白色発光体から発する光線を、紫外線透過フィルタにかけることにより可視光を減衰させ、その可視光を減衰させた光線を測定試料に照射し、この測定試料を反射又は透過した光線を分光器により分光することにより、検出における可視光の影響を排除するという方法が採られている。
例えば、サンケア商品を透過した紫外線の強度を測定して、紫外線防御効果の指標として頻用されるｉｎ ｖｉｔｒｏ ＳＰＦ予測値を算出する装置がある。しかしながら、従来の装置は、波長分解能が悪いなどの理由により紫外線検出能が低く、微弱な紫外線を感度良く検出できていない（例えば、特許文献１参照）。
また、上述のような紫外線検出装置は、紫外線以外の光線にも感度のある、シリコンフォトダイオード検出器、光電子増倍管、及びＣＣＤカメラなどの光検出器が用いられている。そのため、紫外線の影響のみを評価するために、紫外線透過フィルタを各種組み合わせて用いて、紫外線のみを抽出する試みがなされている。
特許３３３７８３２号
しかしながら、紫外線領域のみを透過させて紫外線以外の波長光を透過しないような上述の紫外線透過フィルタは、厳密に実用となるものは少ないという問題があった。
また、紫外線の照射により、測定試料及びその周りの素材などが蛍光や燐光を発生するため、紫外線以外の光線にも感度のある従来の光検出器では、測定の数値の中にこれらの蛍光や燐光が入ってしまう可能性があるという問題があった。
本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、紫外線のみを高感度に検出することができる紫外線検出装置を提供することを目的とする。
上記の課題を達成するために本発明では、次に述べる各手段を講じたことを特徴とする。
本発明の紫外線防御効果の評価装置は、白色光源からの、紫外線を含む光線を、フィルターを透過させた後測定試料に照射し、前記測定試料を透過した紫外線を検出し、前記測定試料のｉｎ ｖｉｔｒｏ ＳＰＦ予測値を算出する紫外線防御効果の評価装置であって、前記フィルターは、前記紫外線および該紫外線よりも長波長の光線を透過するフィルターを含み、前記測定試料を透過した前記光線から紫外線を分光する、２００乃至４００ｎｍの範囲で回折格子の回折効率が０．５（相対値）以上である分光手段と、前記分光手段により分光された紫外線の光量を検出する、ＩｎＧａＮ光電面を有し、量子効率が２００乃至４００ｎｍの波長範囲で０．１％以上である、感度特性を紫外線に調整した光電子増倍管からなる光検出手段と、を有する。
本発明の紫外線防御効果の評価装置は、前記紫外線検出装置を用いることにより、測定試料のｉｎ ｖｉｔｒｏ ＳＰＦ予測値及びｉｎ ｖｉｖｏ ＳＰＦ値を算出する。
本発明によれば、紫外線のみを高感度に検出することができる紫外線検出装置を提供することが可能となる。
次に、本発明を実施するための最良の形態について、実施例として図面と共に説明する。
［実施例１］
図１は、本発明の実施例１における紫外線検出装置の構成図である。
図１は、本発明の実施例１における紫外線検出装置の構成図である。
図１を参照するに、紫外線検出装置１０は測定試料１５を試料としたときの装置であり、光源１１、フィルタ１２、第１光ファイバ１３、照射ポート１４、測定試料基板１６、積分球２９、検出ポート１７、第２光ファイバ１８、分光器１９、光検出器２０、並びに電気信号処理・解析装置（電算機２１）からなる。
光源１１は、実施例１においては紫外線、可視光線、及び赤外線を含む白色光源であるキセノンランプが好適に用いられるが、これに限定されるものではない。また、白色光源であるキセノンランプは、擬似的な太陽光線として用いることができる。
フィルタ１２は、光源１１からの光の進行方向近傍にあり、光源１１から発せられた光線の紫外線スペクトルを補正するフィルタである。
図２は、実施例１のフィルタの特性図である。
図２を参照するに、横軸は波長（ｎｍ）を示し、縦軸は光線の透過率（％）をそれぞれ示す。従来のフィルタ、例えば、ＳＣＨＯＴＴ社製ＵＧ１１などは、図中の黒丸で示すように紫外線のみを抽出する波長特性を有する。対して、実施例１のフィルタ１２、例えば、ＳＣＨＯＴＴ社製ＷＧ３２０などは、図中の白丸で示すように、紫外線よりも長波長の光線も透過するフィルタであることを特徴とする。
従来のフィルタは、図の黒丸に示すような波長特性を示すように、さまざまな素材を硝子母材に混ぜて得られるが、実施例１のフィルタは、単に組成を調整した透明硝子からなる構成である。そのため、実施例１のフィルタ１２を用いることにより、紫外線検出装置１０全体の製造コストを下げることができる。
再び、図１を参照するに、第1光ファイバ１３は、フィルタ１２からの光の進行方向近傍にある。フィルタ１２を透過した光線を照射ポート１４へ導く。
照射ポート１４から上述の光線が照射され、照射ポート１４と検出ポート１７は所定の間隔で固定され、測定試料１５が載せられた測定試料基板１６が、照射ポート１４から一定の距離の位置に固定される。光の進行する順序で示すと、照射ポート１４、測定試料１５、測定試料基板１６、及び積分球２９の順に配置されている。
測定試料基板１６は、測定試料１５が載せられる試料台であり、紫外線を吸収しない素材から構成されることが好ましい。
積分球２９は、測定試料１５及び測定試料基板１６を透過した光線を受光し、光線を集光し、空間的に積分して均一にする。積分球２９は、省略することが可能である。
検出ポート１７は、積分球２９により均一にされた光線を受光し、下述する第２光ファイバ１８に光線を導く。
第２光ファイバ１８は、検出ポート１７からの光の進行方向近傍にある。検出ポート１７により受光された光線を分光器１９に導く。
分光器１９は、第２光ファイバ１８からの光線を、紫外線領域である２００乃至４００ｎｍの範囲にて１ｎｍ間隔で分光する分光手段である。分光器１９によって分光された、上述の紫外線は、下述の光検出器２０に照射される。
実施例１の分光器１９は、紫外線に感度特性が調整されており、特に、２００乃至４００ｎｍの紫外線領域に感度特性のすぐれた回折格子を用いることにより高感度な分光性能を実現している。具体的には、島津製作所製凹面回折格子（型番１０−０１５）などが選ばれるが、これに限定されるものではない。
図３は、実施例１における分光器の回折格子の感度の特性図である。
図３を参照するに、横軸は波長（ｎｍ）を示し、縦軸は回折効率（相対値）をそれぞれ示す。
実施例１の分光器１９である凹面回折格子の感度特性は２００乃至４００ｎｍの紫外線領域に高い感度を有し、特に、２００乃至４００ｎｍの範囲の回折効率（相対値）は０．５以上である。この特性から、実施例１の分光器１９の回折格子として用いるのに非常に好適であることがわかる。
光検出器２０は、分光器１９により分光された紫外線を、光センサーにより検出し、それぞれの波長の光線の強度を電流又は電圧による信号に変換する。この電流又は電圧による信号は、電気的な配線により接続されている電算機２１に送信される。
近年の微弱光検出技術の進展により、検出感度を高めた光電子増倍管が利用されることが多くなっている。従来のフォトダイオードアレー及びＣＣＤに比べて、検出感度が高いことは理論上からも明らかであるが、検出する光の波長領域によって、光電子増倍管の光電面の素材を選定する必要がある。
実施例１の光検出手段としての光検出器２０は、特に、２００乃至４００ｎｍの紫外線領域に感度特性のすぐれた光電子増倍管を用いることにより、高感度な紫外線検出装置を実現している。具体的には、Ｉｎ、Ｇａ、Ｎ、Ａｌ、Ｏ、及びＣｓなどの元素から選ばれる素材による光電面を持つ、光電子増倍管を用いる。
図４は、実施例１のＩｎＧａＮ光電面の分光感度の特性図である。
図４を参照するに、横軸は波長（ｎｍ）を示し、縦軸は量子効率（％）をそれぞれ示す。実施例１の光検出器２０である光電子増倍管のＩｎＧａＮ光電面の分光感度は、１６０乃至４００ｎｍの紫外線領域に高い感度を有し、特に、２００乃至４００ｎｍの範囲の量子効率は０．１以上である。また、紫外線領域における量子効率は、４００ｎｍ以上の長波長の光線に比べて、２乃至３桁以上の高い感度を示す。この特性から、実施例１の紫外線検出装置１０の光検出器２０として用いるのに非常に好適であることがわかる。
光検出器２０について、光電子増倍管を用いる場合について説明したが、Ｉｎ、Ｇａ、Ｎ、Ａｌ、及びＯなどからなる半導体光検出器も同様に光検出器２０として用いることができる。
再び、図１を参照するに、電算機２１は、光検出器２０からのデータを受信し、紫外線検出装置２０のユーザにわかりやすい形にするようにデータを処理し、結果を画面に表示したり、結果を記録紙に打ち出したり、結果を記憶媒体に保存したりできるようにする。
上述した、光源１１から光検出器２０に至る光学系は、従来は、上述したように紫外線によって蛍光や燐光を発生しないような石英系の素材を用いた高価な材料であったが、実施例１では、検出器が紫外線領域のみに感度を有することから、材料が可視光領域において蛍光や燐光を発したとしても、その影響が信号出力に現れない。そのため、安価な光学材料にて構成することができ、紫外線検出装置１０全体の製造コストを下げることができる。
実施例１によれば、紫外線にのみ感度を有する光検出器を用いることで、可視光のもとで試料の紫外線による影響を評価することが可能となる。
また、紫外線によって測定試料において誘起される現象の、可視光による増強などの可能性を探求するための装置構造とすることが可能である。
さらに、上述したとおり、装置の構成のために用いる光学素子として、紫外線励起に伴う蛍光や燐光があっても計測に影響しにくいことから、安価な装置構成とすることもまた可能となる。
［実施例２］
図５は、本発明の実施例２における紫外線検出装置の構成図である。
図５は、本発明の実施例２における紫外線検出装置の構成図である。
図５を参照するに、紫外線検出装置３０は測定試料３５を試料としたときの装置であり、光源３１、第１フィルタ３２、第２フィルタ４２、断続照射用シャッタ４３、第1光ファイバ３３、照射ポート３４、積分球４９、検出ポート３７、第２光ファイバ３８、分光器３９、光検出器４０、及び電気信号処理・解析装置（電算機４１）からなる。
紫外線検出装置３０は、紫外線を常時照射しながら、可視光を断続的又は連続的に照射することで、生体試料を含む測定試料３５の紫外線反射特性を評価する装置である。実施例１の紫外線測定装置１０は、測定試料１５を透過した検査光線を検出する装置であったのに対し、実施例２の紫外線測定装置３０は、測定試料３５上を反射した検査光線を検出する装置である。この特性上、紫外線測定装置３０は、測定試料３５として実際の生体を用いるのに適した装置である。
光源３１は、実施例１の光源１１と同様の構成である。しかし、光源３１から発せられる光線は、下述する第１フィルタ３２及び第２フィルタ３３に照射される。
第１フィルタ３２は、光源３１からの光の進行方向近傍にあり、光源３１から発せられた光線の紫外線スペクトルを補正するフィルタであり、実施例１のフィルタ１２と同様の構成であるため詳細な説明は省略する。第１フィルタ３２を透過した光線は、下述する断続照射用シャッタ４３に照射される。
断続照射用シャッタ４３は、第１フィルタ３２を透過した光線を断続的に遮断するシャッタである。また、常にシャッタが開いている状態にして、継続的に上述の光線を通過させることも可能である。断続照射用シャッタ４３を通過した光線は、第１光ファイバ３３に照射される。
第２フィルタ４２は、光源１１からの光の進行方向近傍にあり、光源１１から発せられた光線を２９０乃至４００ｎｍの波長のＵＶＢ及びＵＶＡの紫外線にする。第２フィルタ４２としては、ＷＧ３２０フィルタ及びＵＧ１１フィルタ（いずれもＳＣＨＯＴＴ社製）が好適に用いられるが、これに限定されるものではない。第２フィルタ４２を通過した光線は、第１光ファイバ３３に照射される。
第１光ファイバ３３は、第１フィルタ３２及び第２フィルタ４２からの光の進行方向近傍にある。第１フィルタ３２及び第２フィルタ４２を透過した光線を照射ポート３４導く。
ここまでの構成をまとめると、断続照射用シャッタ４３が、開いている状態では、照射ポート３４から紫外線、可視光線、及び赤外線が照射される。対して、断続照射用シャッタ４３が断続的に下りる状態では、紫外線は常に照射されるが、可視光線及び赤外線は、断続照射用シャッタ４３が開いたときにのみ、断続的に照射される。
照射ポート３４から上述の光線が、測定試料３５に照射される。測定試料３５に照射される光線は図中のＡに示す。照射ポートＡから照射された光線Ａは、測定試料３５上に達すると、測定試料に３５に吸収されたり透過されたりするが、一部は測定試料３５上で反射される。この反射された光線の一部は、積分球４９によって受光される。
積分球４９、検出ポート３７、第２光ファイバ３８、分光器３９、光検出器４０、及び電算機４１については、実施例１の積分球２９、検出ポート１７、第２光ファイバ１８、分光器１９、光検出器２０、及び電算機２１と同様な構成であるので、詳しい説明は省略する。
実施例２によれば、実施例１の効果に加えて、測定試料上の反射光を検出する紫外線検出装置であるために、生体の皮膚、及び破壊できない物体の表面などを試料として測定することが可能となる。
また、断続照射用シャッタの働きにより、測定試料に対する紫外線の照射とは別に、可視光線及び赤外線の照射の有無を制御することができる。そのため、測定試料に対する、紫外線照射時の評価、並びに、紫外線、可視光線、及び赤外線照射時の評価を比較することが可能になる。
［実施例３］
図６は、本発明の実施例３における紫外線検出装置の構成図である。
図６は、本発明の実施例３における紫外線検出装置の構成図である。
図６を参照するに、紫外線検出装置５０は測定試料５５を試料としたときの装置であり、光源５１、フィルタ５２、光チョッパ６３、第１光ファイバ５３、照射ポート５４、測定試料基板５６、積分球６９、検出ポート５７、第２光ファイバ５８、分光器５９、光検出器６０、電気信号処理・解析装置（電算機６１）、及びロックインアンプ６２からなる。
光源５１は、実施例１の光源１１と同様な構成であるので、詳細な説明は省略する。
フィルタ５２もまた、実施例１のフィルタ１２と同様な構成であるので、詳細な説明は省略する。ただし、フィルタ５２を透過した光線は、光チョッパ６３に照射される。
光チョッパ６３は、フィルタ５２を透過した光線を断続的に透過させるシャッタであり、上述の光線をパルス照射する。このパルス照射された光線は、第１光ファイバ５３に照射される。
また、光チョッパ６３は、下述するロックインアンプ６２と電気的に配線されており、パルス光と同期信号を駆動回路６２から取得して、下述する光検出器６０からの信号を同期解析する。
第１光ファイバ５３、照射ポート５４、測定試料基板５６、積分球６９、検出ポート５７、第２光ファイバ５８、分光器５９、光検出器６０、及び電算機６１については、実施例１の第１光ファイバ１３、照射ポート１４、測定試料基板１６、積分球２９、検出ポート１７、第２光ファイバ１８、分光器１９、光検出器２０、及び電算機２１と同様な構成であるので、詳細な説明は省略する。
ただし、電算機６１は、ロックインアンプ６２と電気的に配線されており、光検出器６０からの信号をロックインアンプ６２にて検出処理した後の数値を受信する。
ロックインアンプ６２は、光検出器６０、電算機６１及び光チョッパ６３と電気的に配線されている。ロックインアンプ６２は、光チョッパ６３が発するパルス光、及び光検出器６０からの受信の信号を同期させるように制御する。この同期制御は、具体的には、ロックインアンプ６２中にある位相検波回路を用いて二つの信号を同期させる。
実施例３によれば、実施例１の効果に加えて、上述の制御により、検査光線に含まれる紫外線によって高速に劣化するような測定試料５５の評価を、光線の瞬時照射によって高速に性能を評価することができるようになる。この方法により、測定試料５５が劣化する前に、測定を完了することができる。
また、測定試料に対する光線の照射の総時間は同じであるが、パルス照射の時間幅とパルス照射間隔とを任意に変えることで、測定試料におけるパルス光線により起きた現象（紫外線による測定試料の光劣化など）が緩和する。１つのパルス照射から、次のパルス照射が到達するまでに、より紫外線の影響が少なくなるような試料においては、その緩和過程の評価することも可能である。
［実施例４］
実施例４としては、上述のサンケア商品における紫外線防御効果の評価する方法として、実施例１及び３の紫外線検出装置１０及び紫外線検出装置５０を使用する。具体的には、サンケア商品のｉｎ ｖｉｔｒｏ ＳＰＦ予測値を算出する。
実施例４としては、上述のサンケア商品における紫外線防御効果の評価する方法として、実施例１及び３の紫外線検出装置１０及び紫外線検出装置５０を使用する。具体的には、サンケア商品のｉｎ ｖｉｔｒｏ ＳＰＦ予測値を算出する。
実施例１及び３の紫外線検出装置１０、５０においては、サンケア商品を測定試料１５、５５として皮膚代替膜である測定試料基板１６、５６上に塗布し、検査光を測定試料１５、５５に照射し、測定試料１５、５５を透過した検査光を光検出器２０、６０により検出し、この透過光のスペクトルを解析することによりｉｎ ｖｉｔｒｏ ＳＰＦ予測値を算出することができる。具体的には、特許文献１に開示された方法を、実施例１及び３の紫外線検出装置１０、５０において用いることができる。
また、紫外線検出装置１０、５０は、上述の通り紫外線の検出感度が非常に高いため、高ＳＰＦ値を示す測定試料を透過する透過光中の弱い紫外線も確実に検出することが可能である。
［実施例５］
実施例５としては、上述のサンケア商品における紫外線防御効果の評価する方法として、実施例２の紫外線検出装置３０を使用する。具体的には、サンケア商品のｉｎ ｖｉｖｏｏ ＳＰＦ値を算出する。
実施例５としては、上述のサンケア商品における紫外線防御効果の評価する方法として、実施例２の紫外線検出装置３０を使用する。具体的には、サンケア商品のｉｎ ｖｉｖｏｏ ＳＰＦ値を算出する。
実施例２の紫外線検出装置３０においては、サンケア商品を測定試料として測定生体３５上に塗布し、検査光を測定生体３５に照射し、測定試料を反射した検査光を光検出器４０により検出し、この反射光のスペクトルを解析することによりｉｎ ｖｉｖｏ ＳＰＦ値を算出することができる。
以上、本発明の好ましい実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形及び変更が可能である。装置構成内における配置の入れ替え、例えば、分光器や光チョッパの配置などは実施例に限定されるものではない。
また、サンケア商品の紫外線防御効果を評価する際などには、２９０乃至４００ｎｍの領域で用いられる場合があるが、本装置においては、２００乃至４００ｎｍの領域で幅広く応用出来るものである。
１０、３０、５０ 紫外線検出装置
１１、３１、５１ 光源
１２、５２ フィルタ
１３、３３、５３ 第１光ファイバ
１４、３４、５４ 照射ポート
１５、５５ 測定試料
１６、５６ 測定試料基板
１７、３７、５７ 検出ポート
１８、３８、５８ 第２光ファイバ
１９、３９、５９ 分光器
２０、４０、６０ 光検出器
２１、４１、６１ 電算機
２９、４９、６９ 積分球
３２ 第１フィルタ
３５ 測定試料及び／又は測定生体
４２ 第２フィルタ
４３ 断続照射用シャッタ
６２ ロックインアンプ
６３ 光チョッパ
１１、３１、５１ 光源
１２、５２ フィルタ
１３、３３、５３ 第１光ファイバ
１４、３４、５４ 照射ポート
１５、５５ 測定試料
１６、５６ 測定試料基板
１７、３７、５７ 検出ポート
１８、３８、５８ 第２光ファイバ
１９、３９、５９ 分光器
２０、４０、６０ 光検出器
２１、４１、６１ 電算機
２９、４９、６９ 積分球
３２ 第１フィルタ
３５ 測定試料及び／又は測定生体
４２ 第２フィルタ
４３ 断続照射用シャッタ
６２ ロックインアンプ
６３ 光チョッパ
Claims (5)
- 白色光源からの、紫外線を含む光線を、フィルターを透過させた後測定試料に照射し、前記測定試料を透過した紫外線を検出し、前記測定試料のｉｎ ｖｉｔｒｏ ＳＰＦ予測値を算出する紫外線防御効果の評価装置であって、
前記フィルターは、前記紫外線および該紫外線よりも長波長の光線を透過するフィルターを含み、
前記測定試料を透過した前記光線から紫外線を分光する、２００乃至４００ｎｍの範囲で回折格子の回折効率が０．５（相対値）以上である分光手段と、
前記分光手段により分光された紫外線の光量を検出する、ＩｎＧａＮ光電面を有し、量子効率が２００乃至４００ｎｍの波長範囲で０．１％以上である、感度特性を紫外線に調整した光電子増倍管からなる光検出手段と、
を有する、紫外線防御効果の評価装置。 - 前記分光手段は、紫外線に感度特性が調整され、且つ、波長分解能が１ｎｍ以下である請求項１に記載の紫外線防御効果の評価装置。
- 前記測定試料に対して前記光線をパルス照射する光チョッパと、
前記光チョッパ及び前記光検出手段の信号を同期させるロックインアンプとを有する請求項１叉は２のいずれかに記載の紫外線防御効果の評価装置。 - 前記光線の照射により紫外線の透過特性が変化する前記測定試料において、前記測定試料への前記光線の照射の総時間は同じであるが、前記光線の照射時間幅及び照射間隔が可変である請求項１乃至３のいずれか一項に記載の紫外線防御効果の評価装置。
- 前記光線を発する光源は、キセノンランプを用いる請求項１乃至４のいずれか一項に記載の紫外線防御効果の評価装置。
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