JP6401694B2 - Dielectric spectrometer - Google Patents

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Description

本発明は、誘電分光法を用いて成分濃度を測定する技術に関する。   The present invention relates to a technique for measuring a component concentration using dielectric spectroscopy.

高齢化が進み、成人病に対する対応が大きな課題になりつつある。血糖値などの検査においては血液の採取が必要なために患者にとって大きな負担となる。そこで、血液を採取しない非侵襲な成分濃度測定装置が注目されている。   With the aging of society, dealing with adult diseases is becoming a major issue. In the examination of blood glucose level and the like, blood collection is necessary, which is a heavy burden on the patient. Therefore, a non-invasive component concentration measuring apparatus that does not collect blood has attracted attention.

非侵襲な成分濃度測定装置として誘電分光法を用いた装置が提案されている。誘電分光法は、皮膚内に電磁波を照射し、測定対象の血液成分、例えば、グルコース分子と水の相互作用に従い、電磁波を吸収させ、電磁波の振幅及び位相を観測する。しかし、グルコースと電磁波の相互作用は小さく、また生体に安全に照射しうる電磁波の強度には制限があり、生体の血糖値測定においては、十分な効果をあげるにいたっていない。   An apparatus using dielectric spectroscopy has been proposed as a noninvasive component concentration measuring apparatus. Dielectric spectroscopy irradiates the skin with electromagnetic waves, absorbs the electromagnetic waves according to the interaction between blood components to be measured, for example, glucose molecules and water, and observes the amplitude and phase of the electromagnetic waves. However, the interaction between glucose and electromagnetic waves is small, and there is a limit to the intensity of electromagnetic waves that can be safely irradiated to a living body.

従来の測定法としては、THz帯において光電気変換を利用した誘電分光システムがある(特許文献1参照)。特許文献1に記載のシステムは、連続発振した光源を用いたホモダイン検波方式の電磁波分光測定システムであり、周波数の異なる2つの連続光波が合成された光信号を光電変換してテラヘルツ波を発生し、発生したテラヘルツ波を被測定対象物に照射し、被測定対象物を透過したテラヘルツ波を受信するとともに、2つの連続光波のうちの一方の位相を変調して合成した参照光を入力してホモダインミキシングする構成である。   As a conventional measurement method, there is a dielectric spectroscopy system using photoelectric conversion in the THz band (see Patent Document 1). The system described in Patent Document 1 is a homodyne detection electromagnetic spectrum measurement system using a continuously oscillating light source, and generates a terahertz wave by photoelectrically converting an optical signal in which two continuous light waves having different frequencies are combined. Irradiating the object to be measured with the generated terahertz wave, receiving the terahertz wave transmitted through the object to be measured, and inputting the reference light synthesized by modulating the phase of one of the two continuous light waves This is a configuration for homodyne mixing.

THz帯ではレンズを用いた擬似光学系によるフリースペース法により測定対象の複素誘電率を計測することが一般的である。なおフリースペース法は非特許文献1にも記載されるようにミリ波帯でも用いられる。   In the THz band, it is common to measure a complex dielectric constant of a measurement object by a free space method using a pseudo optical system using a lens. The free space method is also used in the millimeter wave band as described in Non-Patent Document 1.

以上のように、観測される電磁波の周波数に対応する信号の振幅や位相から誘電緩和スペクトルを算定する。一般的には、Cole−Cole式に基づき緩和カーブの線形結合として表現し、複素誘電率を算定する。生体成分の計測では、例えば血液中に含まれるグルコースやコレステロール等の血液成分の量と複素誘電率とは相関があり、その変化に対応した電気信号(振幅、位相)として測定される。複素誘電率変化と成分濃度との相関を予め測定することによって検量モデルを構築し、計測した誘電緩和スペクトルの変化から成分濃度の検量を行う。   As described above, the dielectric relaxation spectrum is calculated from the amplitude and phase of the signal corresponding to the observed electromagnetic wave frequency. In general, the complex dielectric constant is calculated by expressing as a linear combination of relaxation curves based on the Cole-Cole equation. In the measurement of biological components, for example, the amount of blood components such as glucose and cholesterol contained in blood and the complex dielectric constant have a correlation, and are measured as electrical signals (amplitude, phase) corresponding to the change. A calibration model is constructed by measuring the correlation between the complex dielectric constant change and the component concentration in advance, and the component concentration is calibrated from the measured change in the dielectric relaxation spectrum.

特開2013−32933号公報JP 2013-32933 A

Andrew P. Gregory, and Robert N. Clarke, “A Review of RF and Microwave Techniques for Dielectric Measurements on Polar Liquids”, IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, August 2006, Vol. 13, No. 4, pp.727-743Andrew P. Gregory, and Robert N. Clarke, “A Review of RF and Microwave Techniques for Dielectric Measurements on Polar Liquids”, IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, August 2006, Vol. 13, No. 4, pp.727- 743 Benjamin S.-Y. Ung, Christophe Fumeaux, Hungyen Lin, Bernd M. Fischer, Brian W.-H. Ng, and Derek Abbott, “Low-cost ultra-thin broadband terahertz beam-splitter”, Optics Express, February 2012, Vol. 20, No. 5, pp.4968-4978Benjamin S.-Y. Ung, Christophe Fumeaux, Hungyen Lin, Bernd M. Fischer, Brian W.-H. Ng, and Derek Abbott, “Low-cost ultra-thin broadband terahertz beam-splitter”, Optics Express, February 2012 , Vol. 20, No. 5, pp.4968-4978

しかしながら、テラヘルツ波を用いる誘電分光システムは、THz波生成部の出力信号の変動により測定安定性が制限される。長時間測定の際には信号がドリフトし、濃度の変化が僅かな試料の複素誘電率の変化を測定することが困難であった。そのため、低濃度な試料に対して高精度な検量モデルが得られないという課題があった。   However, the measurement stability of the dielectric spectroscopy system using the terahertz wave is limited by the fluctuation of the output signal of the THz wave generation unit. During long-time measurement, the signal drifted, and it was difficult to measure the change in the complex dielectric constant of the sample with a slight change in concentration. Therefore, there is a problem that a highly accurate calibration model cannot be obtained for a low concentration sample.

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、長時間にわたり高安定な誘電分光を可能とし、低濃度な試料に対しても高精度な測定をすることを目的とする。   The present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is to enable highly stable dielectric spectroscopy over a long period of time and to perform highly accurate measurement even for a low-concentration sample.

本発明に係る誘電分光装置は、周波数の異なる2つの連続光波が合波された第1の光信号を光電変換してミリ波又はテラヘルツ波の電磁波を放射する第1のフォトミキサと、前記電磁波を分岐するハーフミラーと、前記2つの連続光波のうちの少なくとも一方の連続光波の位相が変調されて合波された第2の光信号を分岐するスプリッタと、前記ハーフミラーで分岐された一方の前記電磁波を受信し、前記スプリッタで分岐された一方の前記第2の光信号を入力してホモダインミキシングする第2のフォトミキサと、前記ハーフミラーで分岐されて被測定対象物を透過又は反射した他方の前記電磁波を受信し、前記スプリッタで分岐された他方の前記第2の光信号を入力してホモダインミキシングする第3のフォトミキサと、を備えることを特徴とする。   The dielectric spectroscopic device according to the present invention includes a first photomixer that photoelectrically converts a first optical signal obtained by combining two continuous light waves having different frequencies to emit a millimeter wave or terahertz wave electromagnetic wave, and the electromagnetic wave. A half mirror for branching, a splitter for branching a second optical signal that is combined by modulating the phase of at least one of the two continuous light waves, and one of the two branched by the half mirror The second photomixer that receives the electromagnetic wave, inputs one of the second optical signals branched by the splitter and performs homodyne mixing, and is branched by the half mirror and transmits or reflects the object to be measured. A third photomixer that receives the other electromagnetic wave and inputs the other second optical signal branched by the splitter and performs homodyne mixing. And butterflies.

本発明によれば、長時間にわたり高安定な誘電分光を可能とし、低濃度な試料に対しても高精度な測定をすることができる。   According to the present invention, highly stable dielectric spectroscopy can be performed over a long period of time, and highly accurate measurement can be performed even for a low-concentration sample.

本実施の形態における誘電分光システムの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the dielectric spectroscopy system in this Embodiment. 本実施の形態における別の誘電分光システムの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of another dielectric spectroscopy system in this Embodiment. 本実施の形態における誘電分光システムと従来の誘電分光システムの測定結果を比較したグラフであり、図3(a)は振幅の変動を示すグラフであり、図3(b)は位相の変動を示すグラフである。FIG. 3A is a graph comparing measurement results of the dielectric spectroscopy system according to the present embodiment and a conventional dielectric spectroscopy system, FIG. 3A is a graph showing variation in amplitude, and FIG. 3B is a graph showing variation in phase. It is a graph. 異なる濃度のグルコース水溶液の誘電損失の測定結果を示すグラフである。It is a graph which shows the measurement result of the dielectric loss of the glucose solution of different density | concentration.

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

図1は、本実施の形態における誘電分光システムの構成を示す図である。   FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a dielectric spectroscopy system in the present embodiment.

図1に示す誘電分光システムは、第1、第2連続波光源1a,1b、スプリッタ2a,2b,2c、カプラ3a,3b、光位相変調器4、第1〜第3フォトミキサ5a,5b,5c、及びTHz帯ハーフミラー6を備える。   The dielectric spectroscopic system shown in FIG. 1 includes first and second continuous wave light sources 1a and 1b, splitters 2a, 2b and 2c, couplers 3a and 3b, an optical phase modulator 4, first to third photomixers 5a and 5b, 5c and a THz band half mirror 6 are provided.

第1連続波光源1aは、周波数ωの連続光波(以下、「第1光信号」と称する)を出力する。第2連続波光源1bは、周波数ωの連続光波(以下、「第2光信号」と称する)を出力する。第1、第2連続波光源1a,1bを用いる代わりに、光コム発生源と通過帯域がω,ωとなる狭帯域な光バンドパスフィルタを用いてもよい。 The first continuous wave light source 1a outputs a continuous light wave having a frequency ω 1 (hereinafter referred to as “first optical signal”). The second continuous wave light source 1 b outputs a continuous light wave having a frequency ω 2 (hereinafter referred to as “second optical signal”). Instead of using the first and second continuous wave light sources 1a and 1b, an optical comb generation source and a narrow band optical bandpass filter whose passbands are ω 1 and ω 2 may be used.

スプリッタ2aは第1光信号を2つに分波する。スプリッタ2bは第2光信号を2つに分波する。   The splitter 2a demultiplexes the first optical signal into two. The splitter 2b demultiplexes the second optical signal into two.

カプラ3aは、スプリッタ2aで分波された一方の第1光信号とスプリッタ2bで分波された一方の第2光信号とを合波し、周波数ω−ωのビート信号(以下、「THz光信号」と称する)を出力する。カプラ3bは、スプリッタ2aで分波された他方の第1光信号と、スプリッタ2bで分波されて光位相変調器4で位相変調された他方の第2光信号とを合波して光信号(以下、「THz光励起信号」と称する)を出力する。 Coupler 3a, the second an optical signal multiplexes in while in one of the first optical signal and the splitter 2b demultiplexed by the splitter 2a demultiplexed, frequency omega 1 - [omega] 2 of the beat signal (hereinafter, ""THz optical signal") is output. The coupler 3b combines the other first optical signal demultiplexed by the splitter 2a and the other second optical signal demultiplexed by the splitter 2b and phase-modulated by the optical phase modulator 4, and thereby the optical signal. (Hereinafter referred to as “THz optical excitation signal”).

スプリッタ2cは、カプラ3bから出力されるTHz光励起信号を分波する。   The splitter 2c demultiplexes the THz optical excitation signal output from the coupler 3b.

光位相変調器4は、スプリッタ2bとカプラ3bの間に配置され、鋸波状の制御信号を入力して第2光信号の位相を変調する。光位相変調器4は、制御信号により電気的に位相変調が可能な電気光学結晶を用いた位相変調器であり、電界の印加により強い電気光学効果を生ずるニオブ酸リチウムなどが用いられる。スプリッタ2aとカプラ3bの間にさらに別の光位相変調器4を備えてもよい。   The optical phase modulator 4 is disposed between the splitter 2b and the coupler 3b, and receives a sawtooth control signal to modulate the phase of the second optical signal. The optical phase modulator 4 is a phase modulator using an electro-optic crystal that can be electrically phase-modulated by a control signal, and lithium niobate that produces a strong electro-optic effect when an electric field is applied is used. Another optical phase modulator 4 may be provided between the splitter 2a and the coupler 3b.

第1フォトミキサ5aは、THz波エミッタとして機能する。第1フォトミキサ5aは、カプラ3aから出力されるTHz光信号を入力してミリ波帯又はテラヘルツ波帯の電磁波(以下、「テラヘルツ波信号」と称する)を放射する。第1フォトミキサ5aに入力されたTHz光信号は光電変換され、集積されているアンテナを介し、自由空間中へ周波数ω−ωのテラヘルツ波信号として放射される。第1フォトミキサ5aとしては、例えば、単一走行キャリア・フォトダイオード(UTC−PD:Uni−Travelling−Carrier Photodiode)を利用することができる。 The first photomixer 5a functions as a THz wave emitter. The first photomixer 5a receives the THz optical signal output from the coupler 3a and radiates millimeter wave band or terahertz wave electromagnetic waves (hereinafter referred to as “terahertz wave signal”). The THz optical signal input to the first photomixer 5a is photoelectrically converted and radiated as a terahertz wave signal having a frequency ω 12 into free space through an integrated antenna. As the first photomixer 5a, for example, a single-running carrier photodiode (UTC-PD) can be used.

ハーフミラー6は、第1フォトミキサ5aから放射されたテラヘルツ波信号を2分岐する。第1フォトミキサ5aから放射されたテラヘルツ波信号は、コリメートレンズ8により平行光となり、ハーフミラー6により2分岐される。ハーフミラー6としては、非特許文献2に示されているように、プラスチック上に金属薄膜、例えば金やアルミニウム、あるいはそれらをフレーク化したものなどを積層した構造を用いることができる。   The half mirror 6 branches the terahertz wave signal radiated from the first photomixer 5a into two branches. The terahertz wave signal radiated from the first photomixer 5 a becomes parallel light by the collimating lens 8 and is branched into two by the half mirror 6. As the half mirror 6, as shown in Non-Patent Document 2, a structure in which a metal thin film, for example, gold or aluminum, or a flake of them is laminated on plastic can be used.

ハーフミラー6で反射したテラヘルツ波信号は集光レンズ8により集光され、第2フォトミキサ5bにより検出される。ハーフミラー6を透過したテラヘルツ波信号は別の集光レンズ8により集光され、測定試料100を透過又は反射した後、第3フォトミキサ5cにより検出される。   The terahertz wave signal reflected by the half mirror 6 is collected by the condenser lens 8 and detected by the second photomixer 5b. The terahertz wave signal transmitted through the half mirror 6 is collected by another condenser lens 8 and transmitted or reflected by the measurement sample 100, and then detected by the third photomixer 5c.

第2、第3フォトミキサ5b,5cは、THz波ディテクタとして機能する。第2、第3フォトミキサ5b,5cは、テラヘルツ波信号を受信し、THz光励起信号が入力されて、THz光励起信号とテラヘルツ波信号をホモダインミキシングして電気信号を出力する。第2、第3フォトミキサ5b,5cとしては、例えば、光伝導アンテナ(PCA:Photo−Conductive Antenna)を利用することができる。第2、3フォトミキサ5b,5cの出力信号をロックインアンプにより同期検波して振幅および位相が得られる。本実施の形態では、後述するように、リファレンス試料と測定試料100の振幅比は、第2,第3フォトミキサ5b,5cで検出される電流の比を用いて求め、位相差は、第2,第3フォトミキサ5b,5cで検出される位相の差を用いて求める。求めた振幅比と位相差から複素誘電率を導出する。図示していないが、第2,第3フォトミキサ5b,5cのそれぞれで検出される振幅、位相、および電流値等を入力して複素誘電率を導出する計算機を備えてもよい。   The second and third photomixers 5b and 5c function as THz wave detectors. The second and third photomixers 5b and 5c receive the terahertz wave signal, receive the THz optical excitation signal, homodyne mix the THz optical excitation signal and the terahertz wave signal, and output an electrical signal. As the second and third photomixers 5b and 5c, for example, a photo conductive antenna (PCA: Photo-Conductive Antenna) can be used. The output signals of the second and third photomixers 5b and 5c are synchronously detected by a lock-in amplifier to obtain the amplitude and phase. In the present embodiment, as will be described later, the amplitude ratio between the reference sample and the measurement sample 100 is obtained using the ratio of the currents detected by the second and third photomixers 5b and 5c, and the phase difference is the second difference. , Using the difference in phase detected by the third photomixers 5b and 5c. The complex dielectric constant is derived from the obtained amplitude ratio and phase difference. Although not shown, a computer that derives the complex permittivity by inputting the amplitude, phase, current value, and the like detected by each of the second and third photomixers 5b and 5c may be provided.

次に、第2、第3フォトミキサ5b,5cの出力信号を用いてリファレンス試料と測定試料100の出力信号の振幅比ΔAと位相差ΔΦを算出する方法について説明する。   Next, a method for calculating the amplitude ratio ΔA and the phase difference ΔΦ between the output signals of the reference sample and the measurement sample 100 using the output signals of the second and third photomixers 5b and 5c will be described.

光伝導アンテナに照射されるTHz光励起信号のパルス幅およびキャリア寿命がTHz電界のパルス幅と比較して十分短いとき、出力電流は受信するテラヘルツ波信号の電界強度とキャリア励起に用いられるTHz光励起信号強度の積に比例する。ここで、テラヘルツ波信号の電界強度をETHz、カプラ3bから出力されるTHz光励起信号強度をPex、ハーフミラー6により分波され第2、第3フォトミキサ5b,5cに入力されるテラヘルツ波信号の強度比をr:1−r、スプリッタ2cにより分波され第2、第3フォトミキサ5b,5cに入力されるTHz光励起信号の強度比をr:1−rとする。時刻t0のときに測定試料100を設置せず、空気をリファレンスとする測定を行ったとすると、第2、第3フォトミキサ5b,5cで検出される電流IPCA2,IPCA3はそれぞれ以下の式(1),(2)となる。 When the pulse width and carrier lifetime of the THz optical excitation signal applied to the photoconductive antenna are sufficiently short compared to the pulse width of the THz electric field, the output current is the electric field intensity of the received terahertz wave signal and the THz optical excitation signal used for carrier excitation. It is proportional to the product of intensity. Here, the electric field intensity of the terahertz wave signal is E THz , the THz optical excitation signal intensity output from the coupler 3b is P ex , and the terahertz waves are demultiplexed by the half mirror 6 and input to the second and third photomixers 5b and 5c. the intensity ratio of the signal r t: 1-r t, the second demultiplexed by splitter 2c, third photo mixer 5b, the intensity ratio of the THz excitation signal input to 5c r o: a 1-r o. If the measurement sample 100 is not installed at time t0 and measurement is performed using air as a reference, the currents I PCA2 and I PCA3 detected by the second and third photomixers 5b and 5c are expressed by the following equations ( 1) and (2).

PCA2(f,t0)∝rTHzex ・・・(1)
PCA3(f,t0)∝(1−r)(1−r)ETHzex ・・・(2)
I PCA2 (f, t0) αr t r o E THz P ex ··· (1)
I PCA3 (f, t0) ∝ (1-r t ) (1-r o ) E THz P ex (2)

同様に、時刻t1のときに吸光度Aの測定試料100を設定して測定を行った場合には、第3フォトミキサ5cに入力されるテラヘルツ波信号は減衰して以下の式(3)となる。   Similarly, when the measurement is performed with the measurement sample 100 having the absorbance A set at time t1, the terahertz wave signal input to the third photomixer 5c is attenuated to become the following expression (3). .

PCA3(f,t1)∝(1−r)(1−r)AETHzex ・・・(3) I PCA3 (f, t1) ∝ (1-r t ) (1-r o ) AE THz P ex (3)

このとき、式(2),(3)の電流値の比をとると以下の式(4)となり、測定試料100による吸光度Aを算出することができる。   At this time, when the ratio of the current values of the expressions (2) and (3) is taken, the following expression (4) is obtained, and the absorbance A by the measurement sample 100 can be calculated.

ΔA=IPCA3(f,t1)/IPCA3(f,t0)=A ・・・(4) ΔA = I PCA3 (f, t1) / I PCA3 (f, t0) = A (4)

ここで、式(1),(2)における比例係数は時間経過や試料の交換等によって変化しないものとする。   Here, it is assumed that the proportionality coefficients in the equations (1) and (2) do not change with time or sample exchange.

しかし、時刻t0−t1の間にテラヘルツ波信号、THz光励起信号にそれぞれΔE(t1),ΔP(t1)倍のドリフトが起きたとすると、式(3),(4)は以下の式(5),(6)のように書き換えられる。   However, if drifts of ΔE (t1) and ΔP (t1) times occur in the terahertz wave signal and the THz optical excitation signal between times t0 and t1, equations (3) and (4) are expressed by the following equation (5): , (6).

PCA3(f,t1)∝(1−r)(1−r)AΔE(t1)ETHzΔP(t1)Pex ・・・(5)
ΔA=IPCA3(f,t1)/IPCA3(f,t0)=AΔE(t1)ΔP(t1)・・・(6)
I PCA3 (f, t1) ∝ (1-r t ) (1-r o ) AΔE (t1) E THz ΔP (t1) P ex (5)
ΔA = I PCA3 (f, t1) / I PCA3 (f, t0) = AΔE (t1) ΔP (t1) (6)

このとき、振幅比ΔAには強度の変動成分が含まれ、吸光度Aによる信号変化とドリフトによる信号変動が同程度の場合には正確な試料の測定が困難となる。そこで、本実施の形態では、第2フォトミキサ5bの出力モニタ値を用い、リファレンスおよび測定試料100透過時の振幅Aref,Aを以下の式(7)〜(9)とする。 At this time, the amplitude ratio ΔA includes a fluctuation component of intensity. When the signal change due to the absorbance A and the signal fluctuation due to drift are approximately the same, it is difficult to accurately measure the sample. Therefore, in this embodiment, using the output monitor value of the second photo-mixer 5b, the amplitude A ref at the reference and sample 100 transmission, A s the following equation (7) to (9).

ref=IPCA3(f,t0)/IPCA2(f,t0)=α ・・・(7)
=IPCA3(f,t1)/IPCA2(f,t1)=αA ・・・(8)
α=(1−r)(1−r)/r ・・・(9)
A ref = I PCA3 (f, t0) / I PCA2 (f, t0) = α (7)
A s = I PCA3 (f, t1) / I PCA2 (f, t1) = αA (8)
α = (1-r t ) (1-r o ) / r t r o (9)

振幅比ΔA’を以下の式(10)とする。   The amplitude ratio ΔA ′ is defined as the following expression (10).

ΔA’=A/Aref=αA/α=A ・・・(10) ΔA ′ = A s / A ref = αA / α = A (10)

第2、第3フォトミキサ5b,5cには同時刻におけるテラヘルツ波信号、THz光励起信号が入力されるため、信号のドリフトを考慮する場合、式(8)のIPCA2,IPCA3の両方にドリフト成分ΔE(t1),ΔP(t1)が代入されて変動成分は打ち消される。その結果、測定試料100による吸収のみを精度よく測定することが可能となる。 Since the terahertz wave signal and the THz optical excitation signal at the same time are input to the second and third photomixers 5b and 5c, in consideration of signal drift, drift to both I PCA2 and I PCA3 in Expression (8). The components ΔE (t1) and ΔP (t1) are substituted to cancel the fluctuation component. As a result, only the absorption by the measurement sample 100 can be accurately measured.

位相に関しても同様に、リファレンスおよび測定試料100透過時の位相Φref,Φs及び位相差ΔΦ’を以下の式(11)〜(13)とすることにより、位相ドリフトを抑制した測定が可能となる。   Similarly, with respect to the phase, the phase Φref, Φs and the phase difference ΔΦ ′ when transmitted through the reference and measurement sample 100 are set to the following expressions (11) to (13), thereby enabling measurement with suppressed phase drift.

Φref=ΦPCA3(f,t0)−ΦPCA2(f,t0) ・・・(11)
Φ=ΦPCA3(f,t1)−ΦPCA2(f,t1) ・・・(12)
ΔΦ’=Φ−Φref ・・・(13)
Φ ref = Φ PCA3 (f, t0) -Φ PCA2 (f, t0) ··· (11)
Φ s = Φ PCA3 (f, t1) -Φ PCA2 (f, t1) ··· (12)
ΔΦ ′ = Φ s −Φ ref (13)

ここで、ΦPCA2,ΦPCA3は第2、第3フォトミキサ5b,5cにより検出される位相である。 Here, Φ PCA2 and Φ PCA3 are phases detected by the second and third photomixers 5b and 5c.

次に、本実施の形態における別の誘電分光システムについて説明する。   Next, another dielectric spectroscopy system in this embodiment will be described.

図2は、本実施の形態における別の誘電分光システムの構成を示す図である。   FIG. 2 is a diagram showing the configuration of another dielectric spectroscopy system in the present embodiment.

図2に示す誘電分光システムは、図1に示した誘電分光システムのスプリッタ2cと第2、第3フォトミキサ5b,5cとの間に光パワーモニタ7b,7cを設置した構成である。光パワーモニタ7b,7cにより第2、第3フォトミキサ5b,5cに入力されるTHz光励起信号の強度比を補正することで、スプリッタ2cで分岐された後のTHz光励起信号のドリフトのバラつきを抑制し、さらに測定精度を向上することができる。第2、第3フォトミキサ5b,5cのテラヘルツ波信号の入力に対する入出力特性をあらかじめ参照テーブルとして控えておき、上記式(10),(13)の補正項として用いてもよい。   The dielectric spectroscopy system shown in FIG. 2 has a configuration in which optical power monitors 7b and 7c are installed between the splitter 2c and the second and third photomixers 5b and 5c of the dielectric spectroscopy system shown in FIG. By correcting the intensity ratio of the THz optical excitation signals input to the second and third photomixers 5b and 5c by the optical power monitors 7b and 7c, the variation in drift of the THz optical excitation signals after being branched by the splitter 2c is suppressed. In addition, the measurement accuracy can be further improved. The input / output characteristics of the second and third photomixers 5b and 5c with respect to the input of the terahertz wave signal may be recorded in advance as a reference table and used as correction terms in the above equations (10) and (13).

また、図1,2の誘電分光システムのいずれにおいても、第1フォトミキサ5aと第2、第3フォトミキサ5b,5cとの間のテラヘルツ波信号の光路長を同一にすることで、ビート信号に含まれる雑音成分も強度比あるいは位相差として打ち消されるため、より安定した信号が得られる。   1 and 2, by making the optical path length of the terahertz wave signal between the first photomixer 5a and the second and third photomixers 5b and 5c the same, a beat signal is obtained. Since the noise component contained in is canceled out as the intensity ratio or phase difference, a more stable signal can be obtained.

次に、本実施の形態における誘電分光システムと従来の誘電分光システムとの安定性について比較する。   Next, the stability of the dielectric spectroscopy system in the present embodiment and the conventional dielectric spectroscopy system will be compared.

図3は、図1の誘電分光システムを用いてテラヘルツ波信号の周波数を300GHzとして1時間の連続動作を行い、振幅及び位相の変動を測定した結果を示すグラフである。図3(a)は振幅の変動を示し、図3(b)は位相の変動を示している。図3において実線で示した第2フォトミキサ5bによる補正を用いた測定結果は、破線で示した第3フォトミキサ5cの出力のみを用いた測定結果よりも、振幅、位相ともに揺らぎが低減され長時間の安定性が向上していることがわかる。これにより、本実施の形態における誘電分光システムを用いることで、サンプル交換等により生じる時間変動の影響を抑制できるといえる。   FIG. 3 is a graph showing a result of measuring amplitude and phase fluctuations by performing continuous operation for 1 hour with the frequency of the terahertz wave signal as 300 GHz using the dielectric spectroscopy system of FIG. FIG. 3A shows amplitude fluctuations, and FIG. 3B shows phase fluctuations. The measurement result using the correction by the second photomixer 5b indicated by the solid line in FIG. 3 is longer than the measurement result using only the output of the third photomixer 5c indicated by the broken line because fluctuations in both amplitude and phase are reduced. It can be seen that the time stability is improved. Accordingly, it can be said that the use of the dielectric spectroscopy system according to the present embodiment can suppress the influence of time fluctuation caused by sample exchange or the like.

図4に示す異なる濃度のグルコース水溶液の誘電損失の測定結果のように、本誘電分光システムの第2連続波光源1bの周波数をスイープさせてテラヘルツ帯の複素誘電率測定を行い、多変量解析によりターゲット試料の検量モデルを作成する。   As shown in the measurement results of dielectric loss of aqueous glucose solutions with different concentrations shown in FIG. 4, the complex permittivity measurement in the terahertz band is performed by sweeping the frequency of the second continuous wave light source 1b of the present dielectric spectroscopy system, and the multivariate analysis is performed. Create a calibration model of the target sample.

本実施の形態によれば、周波数の異なる2つの連続光波が合波されたTHz光信号を光電変換してテラヘルツ波信号を放射する第1フォトミキサ5aと、テラヘルツ波信号を2つに分岐するハーフミラー6と、一方の連続光波の位相が変調されて合波されたTHz光励起信号を2つに分岐するスプリッタ2cと、ハーフミラー6で分岐された一方のテラヘルツ波信号を受信し、THz光励起信号を入力してホモダインミキシングする第2フォトミキサ5bと、ハーフミラー6で分岐されて測定試料100を透過した他方のテラヘルツ波信号を受信し、THz光励起信号を入力してホモダインミキシングする第3フォトミキサ5cを備えて、第2,第3フォトミキサ5b,5cで検出された振幅、位相および電流値からリファレンス試料と測定試料100の出力信号の振幅比と位相差を算出し、複素誘電率を導出することで、長時間測定の際に第1フォトミキサ5aが放射するテラヘルツ波信号やTHz光励起信号が変動した場合でも、高安定な誘電分光が可能であり、誘電率の差が微小な測定試料100を精度良く測定でき、高精度な検量モデルを作成可能である。   According to the present embodiment, the first photomixer 5a that photoelectrically converts a THz optical signal obtained by combining two continuous light waves having different frequencies to emit a terahertz wave signal, and the terahertz wave signal are branched into two. The half mirror 6, the splitter 2 c that splits the THz optical pumping signal that has been combined by modulating the phase of one of the continuous light waves, and the terahertz wave signal that has been split by the half mirror 6 are received, and the THz optical pump is received. A second photomixer 5b that inputs a signal and performs homodyne mixing, and a third photo that receives the other terahertz wave signal that has been branched by the half mirror 6 and transmitted through the measurement sample 100, and that receives the THz optical excitation signal and performs homodyne mixing. A mixer 5c is provided to measure the reference sample from the amplitude, phase and current values detected by the second and third photomixers 5b and 5c. By calculating the amplitude ratio and phase difference of the output signal of the sample 100 and deriving the complex dielectric constant, even when the terahertz wave signal or THz optical excitation signal radiated by the first photomixer 5a changes during long-time measurement, Highly stable dielectric spectroscopy is possible, the measurement sample 100 having a small difference in dielectric constant can be measured with high accuracy, and a highly accurate calibration model can be created.

1a,1b…連続波光源
2a,2b,2c…スプリッタ
3a,3b…カプラ
4…光位相変調器
5a,5b,5c…フォトミキサ
6…ハーフミラー
7b,7c…光パワーモニタ
8…レンズ
100…測定試料
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1a, 1b ... Continuous wave light source 2a, 2b, 2c ... Splitter 3a, 3b ... Coupler 4 ... Optical phase modulator 5a, 5b, 5c ... Photomixer 6 ... Half mirror 7b, 7c ... Optical power monitor 8 ... Lens 100 ... Measurement sample

Claims (2)

周波数の異なる2つの連続光波が合波された第1の光信号を光電変換してミリ波又はテラヘルツ波の電磁波を放射する第1のフォトミキサと、
前記電磁波を分岐するハーフミラーと、
前記2つの連続光波のうちの少なくとも一方の連続光波の位相が変調されて合波された第2の光信号を分岐するスプリッタと、
前記ハーフミラーで分岐された一方の前記電磁波を受信し、前記スプリッタで分岐された一方の前記第2の光信号を入力してホモダインミキシングする第2のフォトミキサと、
前記ハーフミラーで分岐されて被測定対象物を透過又は反射した他方の前記電磁波を受信し、前記スプリッタで分岐された他方の前記第2の光信号を入力してホモダインミキシングする第3のフォトミキサと、
を備えることを特徴とする誘電分光装置。
A first photomixer that photoelectrically converts a first optical signal obtained by combining two continuous light waves having different frequencies to emit electromagnetic waves of millimeter waves or terahertz waves;
A half mirror for branching the electromagnetic wave;
A splitter for branching a second optical signal that is combined by modulating the phase of at least one of the two continuous light waves;
A second photomixer that receives one of the electromagnetic waves branched by the half mirror and inputs the second optical signal branched by the splitter and performs homodyne mixing;
A third photomixer that receives the other electromagnetic wave that has been branched by the half mirror and transmitted or reflected by the object to be measured, and that receives the other second optical signal branched by the splitter and performs homodyne mixing When,
A dielectric spectroscopic apparatus comprising:
前記第1のフォトミキサと前記第2のフォトミキサとの間の光路長と前記第1のフォトミキサと前記第3のフォトミキサとの間の光路長とを同一とすることを特徴とする請求項1記載の誘電分光装置。   The optical path length between the first photomixer and the second photomixer and the optical path length between the first photomixer and the third photomixer are the same. Item 2. The dielectric spectroscopy apparatus according to Item 1.
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