JP6426540B2

JP6426540B2 - 誘電分光装置

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Publication number: JP6426540B2
Application number: JP2015124420A
Authority: JP
Inventors: 卓郎田島; 克裕味戸; 昌人中村
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2015-06-22
Filing date: 2015-06-22
Publication date: 2018-11-21
Anticipated expiration: 2035-06-22
Also published as: JP2017009408A

Description

本発明は、人間や動物などの血液成分の濃度を非侵襲で測定する装置に関し、特に、光電変換を利用した誘電分光装置に関する。

高齢化が進み、成人病に対する対応が大きな課題になっている。特に血糖値などの血液検査は針による血液の採取が必要なために患者にとって大きな負担である。そのため、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。

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、電磁波の周波数に対する振幅及び位相を観測する。観測される電磁波の周波数に対する振幅及び位相から、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、媒質や溶媒の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に複素誘電率は相関があり、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。

従来の測定法としては、マイクロ波からミリ波以上の周波数帯では、光電気変換（フォトミキシング）を利用した誘電分光装置がある（特許文献１参照）。特許文献１の誘電分光装置は、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電磁波、例えば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。ホモダインミキシングする検出器には例えば、光伝導アンテナを用い、参照光の照射によりアンテナ間のコンダクタンスが参照光に含まれる２つの連続光波間の差周波数にて変調されることで実現される。従来の誘電分光装置においては、電磁波をホモダイン検波する際には、検出器でのミキシング時における２つの光路長差が一致していることが必要である。そのため、空間を伝搬するテラヘルツ波の伝搬長や光が伝搬するファイバの長さ等を調節する。

特開２０１３−３２９３３号公報

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.727-743 Jae-Young Kim, Ho-Jin Song, Katsuhiro Ajito, Makoto Yaita, and Naoya Kukutsu, "Continuous-Wave THz Homodyne Spectroscopy and Imaging System With Electro-Optical Phase Modulation for High Dynamic Range", IEEE Transactions on terahertz science and technology, March 2013, Vol. 3, No. 2, pp.158-164

しかしながら、温度等の環境変動によりファイバの屈折率が変動し、２つの光路長差が変動すると、信号の振幅・位相が不安定となり、測定再現性や測定精度が得られないという問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、環境変動によりファイバの屈折率が変化する場合でも、測定の再現性や測定精度を確保することを目的とする。

本発明に係る誘電分光装置は、第１の光信号を出力する第１の光源と、前記第１の光信号とは周波数の異なる第２の光信号を出力する第２の光源と、前記第１の光信号を分波する第１のスプリッタと、前記第２の光信号を分波する第２のスプリッタと、前記第１のスプリッタで分波された第１の光信号のそれぞれの位相を電気的に変調する第１、第２の位相変調器と、位相が変調された前記第１の光信号と前記第２のスプリッタで分波された前記第２の光信号とをそれぞれ合波して第３、第４の光信号を出力する第１、第２のカプラと、前記第３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発生させて被測定対象物に照射する放射器と、前記被測定対象物を透過又は反射した前記電磁波を受信し、前記電磁波と前記第４の光信号をホモダインミキシングする検出器と、を有し、前記第１、第２の位相変調器で生じる位相変調周波数が同じであり、前記第１のスプリッタから第１のカプラまでのファイバまたは導波路の長さと前記第１のスプリッタから第２のカプラまでのファイバまたは導波路の長さとを等しく、前記第２のスプリッタから第１のカプラまでのファイバまたは導波路の長さと前記第２のスプリッタから第２のカプラまでのファイバまたは導波路の長さとを等しくしたことを特徴とする。

上記誘電分光装置において、前記第１のスプリッタを第１の平面光回路上に形成し、前記第２のスプリッタ及び第１、第２のカプラを第２の平面光回路上に形成し、前記第１、第２の位相変調器として第１、第２の導波路と第１、第２の変調電極とを位相変調基板上に形成し、前記第１のスプリッタの分波先を前記第１、第２の導波路に接続し、前記第１、第２の導波路を前記第１、第２のカプラに接続したことを特徴とする。

上記誘電分光装置において、前記第１のスプリッタの入力と前記第２のスプリッタの入力を結ぶ線を中心として前記第１、第２のカプラ、前記第１、第２の導波路及び前記第１、第２の変調電極を対称に配置したことを特徴とする。

本発明によれば、環境変動によりファイバの屈折率が変化する場合でも、測定の再現性や測定精度を確保することができる。

本実施の形態における誘電分光装置の構成を示すブロック図である。上記誘電分光装置で用いる位相変調光回路の構成を示す平面図である。誘電分光センサの測定系を示す図である。別の誘電分光センサの測定系を示す図である。

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。

図１は、本実施の形態における誘電分光装置の構成を示すブロック図である。

図１に示す誘電分光装置は、連続波光源１１Ａ，１１Ｂ、スプリッタ１２Ａ，１２Ｂ、カプラ１３Ａ，１３Ｂ、位相変調器１４Ａ，１４Ｂ、発振器１５、放射器１６、検出器１７、ロックインアンプ１８、モニタ１９、および遅延線２０を備える。

連続波光源１１Ａ，１１Ｂは、周波数が互いに異なる連続波光信号を出力する。以下の説明では、連続波光源１１Ａから出力された連続波光信号を第１光信号、連続波光源１１Ｂから出力された連続波光信号を第２光信号とする。

スプリッタ１２Ａは、第１光信号を２つに分波し、スプリッタ１２Ｂは、第２光信号を２つに分波する。

位相変調器１４Ａ，１４Ｂ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、スプリッタ１２Ａの後段、つまり、スプリッタ１２Ａとカプラ１３Ａ，１３Ｂとの間にそれぞれ配置される。位相変調器１４Ａ，１４Ｂに、発振器１５からの単一周波数ｗの制御信号を印加してセロダイン位相変調を行い、変調周波数ｗと同等の周波数シフトを第１光信号に生じさせる。なお、位相変調器１４Ａ，１４Ｂを、スプリッタ１２Ｂの後段に配置し、変調周波数ｗと同等の周波数シフトを第２光信号に生じさせてもよい。

カプラ１３Ａ，１３Ｂのそれぞれは、位相変調器１４Ａ，１４Ｂのそれぞれで位相変調された第１光信号とスプリッタ１２Ｂで分波された第２光信号とを合波する。カプラ１３Ａで合波された光信号はファイバを通って放射器１６に入力される。カプラ１３Ｂで合波された参照光は遅延線２０が配置されたファイバを通って検出器１７に入力される。

遅延線２０は、カプラ１３Ｂと検出器１７とを結ぶファイバ上に配置される。カプラ１３Ｂで合波された参照光は遅延線２０を通って検出器１７に入力される。遅延線２０は、通常の光ファイバでも良いが、ファイバ端にレンズコリメータを接続し、２つのレンズを対向させ、平行光を伝搬させることで低損失で実現できる。

放射器１６は、カプラ１３Ａで合波された光信号を光電変換し、第１光信号と第２光信号の周波数差に一致する周波数の電磁波（ミリ波又はテラヘルツ波）を発生する。放射器１６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−Ｔｒａｖｅｌｉｎｇ−ＣａｒｒｉｅｒＰｈｏｔｏｄｉｏｄｅ）を利用できる。

検出器１７は、カプラ１３Ｂで合波された参照光を照射されるとともに、放射器１６から放射されてサンプル１００を透過した電磁波を受信し、電磁波と参照光をホモダインミキシングして周波数ｗの電気信号を出力する。検出器１７は、アンテナ付きＳＢＤ（ショットキー・バリア・ダイオード）で構成されるＴＨｚミキサと、アンテナ付きＵＴＣ−ＰＤで構成されるフォトミキサと、光ファイバとを同一パッケージに実装することで実現できる。検出器１７には、光伝導アンテナ（ＰＣＡ：Ｐｈｏｔｏ−ＣｏｎｄｕｃｔｉｖｅＡｎｔｅｎｎａ）を用いてもよい。光伝導アンテナでは、参照光の照射によりアンテナ間のコンダクタンスが参照光に含まれる２つの連続波光信号間の差周波数にて変調されることで実現される。

ロックインアンプ１８は、検出器１７が出力する電気信号を同期検波して振幅及び位相を検出し、モニタ１９は、ロックインアンプ１８が検出した振幅及び位相を処理する。

テラヘルツ波帯では、放物面鏡３１Ａ，３１Ｂを用いた擬似光学系によるフリースペース法により、テラヘルツ波を測定対象であるサンプル１００に照射し、透過信号から複素誘電率を計測する。放物面鏡３１Ａ，３１Ｂを利用した場合は、レンズを利用するのに比べてレンズ内の多重反射が生じないので測定値が安定する。

従来の誘電分光装置においては、電磁波をホモダイン検波する際に、検出器でのミキシング時における２つの光路長差が一致するように光が伝搬するファイバの長さ等を予め調整する。本実施の形態では、カプラ１３Ａから放射器１６までのファイバと、カプラ１３Ｂから検出器１７までのファイバとを同等の遅延長とし、さらにカプラ１３Ｂと検出器１７の間に、放射器１６から検出器１７に出射されるテラヘルツ波の空間伝搬長と同等の長さ（遅延長）を有する遅延線２０を備える。

ここで、遅延線の作用効果について説明する。

ファイバの屈折率温度係数ｄｎｓ／ｄＴは６．６×１０^−６／℃であり、空気の屈折率温度係数ｄｎａ／ｄＴは−１．４×１０^−７／℃である。カプラ１３Ａから放射器１６までのファイバの長さをＬ_１、カプラ１３Ｂから検出器１７までのファイバの長さをＬ_２とする。テラヘルツ波の空間伝搬長をＬ_３とする。ホモダイン検波の条件は以下となる。

ｎ_ｓＬ_１＋Ｌ_３＝ｎ_ｓＬ_２
ここで、ｎ_ｓはファイバコアの屈折率１．４である。空気の屈折率は１である。

温度変化をΔＴとすると、光路長差ΔＬは以下の式で表すことができる。

ΔＬ＝（Ｌ_１−Ｌ_２）（ｄｎｓ／ｄＴ）ΔＴ＋Ｌ_３（ｄｎａ／ｄＴ）ΔＴ

遅延差Δτは以下となる。

Δτ＝２πΔＬ／λ
ここで、λはテラヘルツ波の波長である。例えば、Ｌ_１−Ｌ_２＝２０ｃｍ、Ｌ_３＝２８ｃｍとし、ΔＴ＝１℃の変化が生じた場合、テラヘルツ波の波長λは、１ＴＨｚのときにλ＝０．３ｍｍであるので、遅延差Δτ＝０．０３ｒａｄ＝１．８度の温度に付随する位相信号の変動が生じる。

本実施の形態では、遅延線２０の長さをＬ_４として、２つの光路長差を合わせて、それぞれの長さを以下とする。

ｎ_ｓＬ_１＋Ｌ_３＝ｎ_ｓＬ_２＋Ｌ_４
つまり、Ｌ_１≒Ｌ_２、Ｌ_３≒Ｌ_４とすることで、ΔＬ≒０とすることができ、Δτ≒０となり、温度変動に対して位相信号の変動を低減することができる。また、湿度によって空気の屈折率変化がある場合も同様にその変動をキャンセルすることができる。なお、カプラ１３Ａと放射器１６との間に、上記の式を満たすよう遅延線２０を配置してもよいし、あるいは遅延線２０を備えなくてもよい。

以上、初期的なファイバ長の差によって、温度変動の影響をテラヘルツ波の位相信号が受けることを示した。このような影響は、スプリッタ１２Ａ，１２Ｂからカプラ１３Ａ，１３Ｂまでの光路においても顕著に生じうる。

スプリッタ１２Ａからカプラ１３Ａまで、スプリッタ１２Ａからカプラ１３Ｂまでのファイバの長さをＤ_１１，Ｄ_１２とする。スプリッタ１２Ｂからカプラ１３Ａまで、スプリッタ１２Ｂからカプラ１３Ｂまでのファイバの長さをＤ_２１，Ｄ_２２とする。また、位相変調器１４Ａ，１４ＢにおけるＬＮ結晶の長さを等しいものとする。

ΔＤ＝（Ｄ_１１−Ｄ_１２）（ｄｎｓ／ｄＴ）ΔＴ＋（Ｄ_２１−Ｄ_２２）（ｄｎｓ／ｄＴ）ΔＴ

遅延差Δτは以下となる。

Δτ＝２πΔＤ／λ
ここで、λは光波の波長である。例えば、Ｄ_１１−Ｄ_１２＝２ｍｍ、Ｄ_２１−Ｄ_２２＝２ｍｍとし、ΔＴ＝１℃の変化が生じた場合、光波の波長λが１．５５μｍのときに、遅延差Δτ＝０．１ｒａｄ≒１１度の温度に付随する位相信号の変動が生じる。なお、従来の構成では、ＬＮ結晶は対称に配置されていない。ＬＮ結晶の長さをＤ_ＬＮとすると、ＬＮ結晶の屈折率温度係数ｄｎｌ／ｄＴは、５〜５０×１０^−６／℃であり、Ｄ_ＬＮ（ｄｎｌ／ｄＴ）ΔＴの影響を受ける。Ｄ_ＬＮは、数ｃｍであることが一般的であり、さらに影響を受けることが推定される。したがって、本実施の形態では、Ｄ_１１＝Ｄ_１２及びＤ_２１＝Ｄ_２２となるように、位相変調器を配置し、光路長を揃える。

図２は、本実施の形態における位相変調光回路の構成を示す平面図である。同図に示す位相変調光回路４は、図１の誘電分光装置における、スプリッタ１２Ａ，１２Ｂからカプラ１３Ａ，１３Ｂまでの部分の構成を備えた回路であり、第１入力及び第２入力を軸として対称に形成される。

位相変調光回路４は、平面光回路４１Ａ，４１Ｂと位相変調部４２で構成される。

平面光回路４１Ａには、第１入力、スプリッタ１２Ａ、および位相変調部４２との接続部が形成される。第１入力から入力された第１光信号は、スプリッタ１２Ａにより２分岐され、接続部から位相変調部４２に形成された導波路４４Ａ，４４Ｂに入力される。

位相変調部４２には、導波路４４Ａ，４４Ｂと導波路４４Ａ，４４Ｂに対する変調電極４３Ａ，４３Ｂが形成される。変調電極４３Ａ，４３Ｂに外部から変調電圧が供給されて、光波が通過する部分に電圧が印加され、通過する光波の位相を変調する。

平面光回路４１Ｂには、第２入力、スプリッタ１２Ｂ、位相変調部４２との接続部、カプラ１３Ａ，１３Ｂ、および第１、第２出力が形成される。第２入力から入力された第２光信号は、スプリッタ１２Ｂにより２分岐されてカプラ１３Ａ，１３Ｂに入力される。位相変調された第１光信号は、位相変調部４２の導波路４４Ａ，４４Ｂのそれぞれからカプラ１３Ａ，１３Ｂに入力される。カプラ１３Ａ，１３Ｂのそれぞれで、第２光信号と位相変調された第１光信号が合波されて、第１出力及び第２出力へ出力される。

位相変調部４２は、電気光学効果を用いたＬＮ結晶基板を用いることができる。位相変調部４２に、発振器１５からの単一周波数ｗ（例えば１ＧＨｚ）の鋸状波形の信号を印加してセロダイン位相変調を行い、変調周波数ｗと同等の周波数シフトを光信号に生じさせて、周波数Ｆ２（＝Ｆ１＋２ｗ）の光信号を出力する。位相変調部４２の制御電圧は、整数Ｎと２Ｖπ（Ｖπは位相がπ変化する制御電圧）の積により、Ｖｍ（ｔ）＝Ｎ２Ｖπｗｔと表すことができる。

位相変調器が１つのときは、制御電圧の周波数ｗの２Ｎ倍の周波数遷移が生じ、検出器で検出される信号の周波数は制御電圧の周波数の２Ｎ倍となる（非特許文献２参照）。

平面光回路４１Ａ，４１Ｂは、シリコン等の半導体基板上に形成した石英、ポリマー、シリコンや化合物半導体の導波路（平面光波回路ＰＬＣ：ＰｌａｎａｒＬｉｇｈｔｗａｖｅＣｉｒｃｕｉｔ）を用いることができる。位相変調部４２には、電気光学ポリマーを用いても良く、またシリコン基板上や化合物半導体基板上に形成したキャリア注入型のＰＩＮ位相変調器や熱光学効果による位相変調器を用いることができ、モノリシックに平面光波回路と形成してもよい。

位相変調光回路４を温度調節可能なボード上に実装することにより、さらに環境依存の温度の影響を低減できる。

次に、集束レンズを用いた誘電分光センサの測定系について説明する。

図３は、本実施の形態の誘電分光センサの測定系を示す図である。図３の例では、誘電分光センサの測定系に透過型の配置をして水溶液や油等の液体を透過した透過信号の振幅、位相を測定する。放射器１６から放射されたテラヘルツ波は、レンズ５１を通過し、固定治具５４に保持された誘電率測定用セル５３のサンプルセルに入射する。サンプルセルのサイズは、例えば、ビームサイズ以上として数ミリ×数ミリ角以上である。サンプルを固定する窓板５２の材料は、高抵抗Ｓｉ，Ｚカット水晶、ＨＤＰＥ、ＴＰＸ、Ｔｓｕｒｕｐｉｃａ等を用いてもよく、測定周波数に応じて透過率の高い材料を選択する。サンプルセルを通過したテラヘルツ波は、レンズ５１を通過し、検出器１７で受信される。なお、サンプルセルは、インレットとアウトレットを備えるフローセル構成としてもよい。また、固体を測定してもよい。

図４は、本実施の形態の別の誘電分光センサの測定系を示す図である。図４の例では、シリコンを材料とするＡＴＲプリズム５５上にサンプルセルを配置し、サンプルセルで反射した反射信号の振幅、位相を測定する。放射器１６から放射されたテラヘルツ波は、レンズ５１、ＡＴＲプリズム５５を通過し、固定治具５４に保持された誘電率測定用セル５３のサンプルセルとＡＴＲプリズム５５の界面で反射する。サンプルセルは、窓板５２で誘電率測定用セル５３に封止される。サンプルセルで反射したテラヘルツ波は、ＡＴＲプリズム５５、レンズ５１を通過し、検出器１７で受信される。

以上説明したように、本実施の形態によれば、カプラ１３Ａから放射器１６までのファイバとカプラ１３Ｂから検出器１７までのファイバとを同等の遅延長とし、カプラ１３Ｂと検出器１７の間に、放射器１６から検出器１７に出射されるテラヘルツ波の空間伝搬長と同等の遅延長の遅延線２０を備え、スプリッタ１２Ａ，１２Ｂ、カプラ１３Ａ，１３Ｂ及びスプリッタ１２Ａとカプラ１３Ａ，１３Ｂとの間に位相変調器１４Ａ，１４Ｂを備えた位相変調光回路４において、スプリッタ１２Ａから各カプラ１３Ａ，１３Ｂまでの光路及びスプリッタ１２Ｂから各カプラ１３Ａ，１３Ｂまでの光路をそれぞれ等長とすることにより、光路長の屈折率変動を同等にでき、環境変動に伴う位相変化を抑制し、高精度にデータを取得することが可能となる。

１１Ａ，１１Ｂ…連続波光源
１２Ａ，１２Ｂ…スプリッタ
１３Ａ，１３Ｂ…カプラ
１４Ａ，１４Ｂ…位相変調器
１５…発振器
１６…放射器
１７…検出器
１８…ロックインアンプ
１９…モニタ
２０…遅延線
３１Ａ，３１Ｂ…放物面鏡
４…位相変調光回路
４１Ａ，４１Ｂ…平面光回路
４２…位相変調部
４３Ａ，４３Ｂ…変調電極
４４Ａ，４４Ｂ…導波路
５１…レンズ
５２…窓板
５３…誘電率測定用セル
５４…固定治具
５５…ＡＴＲプリズム
１００…サンプル

Claims

第１の光信号を出力する第１の光源と、
前記第１の光信号とは周波数の異なる第２の光信号を出力する第２の光源と、
前記第１の光信号を分波する第１のスプリッタと、
前記第２の光信号を分波する第２のスプリッタと、
前記第１のスプリッタで分波された第１の光信号のそれぞれの位相を電気的に変調する第１、第２の位相変調器と、
位相が変調された前記第１の光信号と前記第２のスプリッタで分波された前記第２の光信号とをそれぞれ合波して第３、第４の光信号を出力する第１、第２のカプラと、
前記第３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発生させて被測定対象物に照射する放射器と、
前記被測定対象物を透過又は反射した前記電磁波を受信し、前記電磁波と前記第４の光信号をホモダインミキシングする検出器と、を有し、
前記第１、第２の位相変調器で生じる位相変調周波数が同じであり、
前記第１のスプリッタから第１のカプラまでのファイバまたは導波路の長さと前記第１のスプリッタから第２のカプラまでのファイバまたは導波路の長さとを等しく、前記第２のスプリッタから第１のカプラまでのファイバまたは導波路の長さと前記第２のスプリッタから第２のカプラまでのファイバまたは導波路の長さとを等しくしたことを特徴とする誘電分光装置。
前記第１のスプリッタを第１の平面光回路上に形成し、
前記第２のスプリッタ及び第１、第２のカプラを第２の平面光回路上に形成し、
前記第１、第２の位相変調器として第１、第２の導波路と第１、第２の変調電極とを位相変調基板上に形成し、
前記第１のスプリッタの分波先を前記第１、第２の導波路に接続し、前記第１、第２の導波路を前記第１、第２のカプラに接続したことを特徴とする請求項１記載の誘電分光装置。
前記第１のスプリッタの入力と前記第２のスプリッタの入力を結ぶ線を中心として前記第１、第２のカプラ、前記第１、第２の導波路及び前記第１、第２の変調電極を対称に配置したことを特徴とする請求項２記載の誘電分光装置。