JP7422956B1 - 非侵襲成分分析装置 - Google Patents

Abstract

励起光源（１）は、サンプル載置面上に載置されるサンプル（５）に向けて光学媒質（３）中を進む励起光を放射する。プローブ光源（２）は、光学媒質（３）中を進むプローブ光を放射する。光位置検出器（４）は、光学媒質（３）から出射される出射プローブ光の水平方向の位置を表わす信号および高さ方向の位置を表わす信号を出力する。差動検出器（１０）は、水平方向の位置を表わす信号と高さ方向の位置を表わす信号との差動信号を出力する。演算器（１１）は、差動検出器（１０）から出力される信号に基づいて、サンプルの測定したい成分の量または濃度を算出する。

Description

本開示は、非侵襲成分分析装置に関する。

従来から、物質の非侵襲成分分析装置および非侵襲成分分析装置が知られている。たとえば、特表２０１７－５１９２１４号公報（特許文献１）に記載の方法は、光学媒質を物質の表面に配置し、光学媒質の表面の少なくとも一つの領域が物質表面と接触するようにするステップと、励起波長を有する励起光束を物質表面と接触する光学媒質の表面の領域を介して物質表面に照射するステップと、光学媒質を介して、物質表面と直接接触する光学媒質の表面領域上にプローブ光束を出射するステップであって、光学媒質と物質表面との境界面でプローブ光束と励起光束とが重複し、境界面でプローブ光束が反射されるようにプローブ光束を出射するステップと、励起光束の波長に応じた、反射されたプローブ光束の偏向を直接的又は間接的に検出するステップと、起光束の波長に依存した、反射されたプローブ光束の偏向に基づき物質を分析するステップを備える。

特表２０１７－５１９２１４公報

特許文献１に記載の方法では、反射されたプローブ光束の偏向を直接的又は間接的に検出するためにフォトダイオードが用いられる。

外気などの環境によって発生するフォトダイオードの振動が原因で分析精度が低下する問題がある。プローブ光束の偏向は、励起光の照射との位置関係により決定されるが、必ずしも水平方向もしくは高さ方向のいずれかの１次元方向になるとは限らず、２次元方向に対して変化する場合もある。フォトダイオードは、対応している次元方向の信号成分のみを検出するため、信号強度が小さくなることがある。その結果、分析精度が低下する。

それゆえに、本開示の目的は、高精度な非侵襲成分分析装置を提供することである。

本開示の非侵襲成分分析装置は、サンプル載置面を含む光学媒質と、サンプル載置面上に載置されるサンプルに向けて光学媒質中を進む励起光を放射する励起光源と、光学媒質中を進むプローブ光を放射するプローブ光源と、光学媒質から出射される出射プローブ光の水平方向の位置を表わす信号および高さ方向の位置を表わす信号を出力する光位置検出器と、水平方向の位置を表わす信号と高さ方向の位置を表わす信号との差動信号を出力する差動検出器と、差動検出器から出力される信号に基づいて、サンプルの測定したい成分の量または濃度を算出する演算器とを備える。

本開示の非侵襲成分分析装置は、光学媒質から出射される出射プローブ光の水平方向の位置を表わす信号および高さ方向の位置を表わす信号を出力する光位置検出器と、水平方向の位置を表わす信号と高さ方向の位置を表わす信号との差動信号を出力する差動検出器とを備えることによって、高精度な成分分析が可能となる。

実施の形態１に係る非侵襲成分分析装置の構成を表す図である。 （ａ）および（ｂ）は、プローブ光７の光路を表わす図である。 （ａ）は、入射プローブ光７が屈折率勾配領域８に対して水平方向において中央に入射される例を示す図である。（ｂ）は、入射プローブ光７が屈折率勾配領域８に対して水平方向において中央以外に入射される例を示す図である。 光位置検出器４の構造を表わす図である。 実施の形態２の非侵襲成分分析装置の構成を表わす図である。 実施の形態３の非侵襲成分分析装置の構成を表わす図である。 実施の形態４の非侵襲成分分析装置の構成を表わす図である。 実施の形態５の非侵襲成分分析装置の構成を表わす図である。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１の非侵襲成分分析装置の構成を表す図である。非侵襲成分分析装置は、励起光源１、プローブ光源２、光学媒質３、光位置検出器４、差動検出器１０、および演算器１１を備える。

励起光源１は、少なくとも１つ以上の赤外光源を備える。励起光源１は、サンプル５の測定したい成分の励起波長（指紋スペクトルの波長）を含む全ての波長域、あるいは一部の波長域の赤外光を放出する広帯域の量子カスケードレーザを含む。測定したい成分が人体中の糖の場合に、測定に使用する波長を例えばλ１，λ２，λ３とする。波長λ１，λ２の光は、人体中の糖の励起波長であって、人体中の糖により吸収される。λ３の光は、人体中の糖による吸収されず、参照波長として使用される。測定に使用する波長は４個の波長以上としてもよい。

励起光源１から放出された赤外光は、励起光６として光学媒質３を透過し、サンプル５に入射する。例えば生体に含まれる成分を測定する場合は、生体の指、腕、耳などの皮膚から励起光６を入射し、生体の内部に含まれる物質による光の吸収、例えば間質液に含まれる物質の吸収などを測定する。

プローブ光源２は、プローブ光７を放射する。プローブ光７は、光学媒質３の第３面３３から光学媒質３に入射する。プローブ光７は、第３面３３で屈折されて、光学媒質３（第２面３２）とサンプル５との間の界面に向けて、光学媒質３中を進む。

図２（ａ）および（ｂ）は、プローブ光７の光路を表わす図である。
サンプル載置面（第２面３２）の平面視において、光学媒質３中におけるプローブ光７の光路は、サンプル載置面（第２面３２）のうち励起光６によって照射される部分と一部（図２（ａ））または全部（図２（ｂ））と重なっている。

プローブ光７は、光学媒質３（第２面３２）とサンプル５との間の界面で内部全反射される。プローブ光７が光学媒質３中を進む間、プローブ光７は、サンプル５の吸収熱により光学媒質３内に生じた屈折率勾配領域８中を進む。プローブ光７は、屈折率勾配領域８で屈折されて、プローブ光７の進行方向が変わる。プローブ光７は、光学媒質３の第４面３４から出射される。

プローブ光源２から出力される光の波長は、光学媒質３を透過する波長帯であればどの波長帯でもよい。例えば、多くの用途で量産されており安価な４００～９００ｎｍの可視光領域、もしくは光ファイバ通信で使用される波長帯１３００～１７００ｎｍの不可視領域などの波長帯を使用することができる。

光学媒質３は、励起光源１から出射された励起光６とプローブ光源２から出射された入射プローブ光７が透過する材料で構成される。例えば、光学媒質３は、一般的に可視光の波長領域～赤外光の波長領域において透過性が高い硫化亜鉛（ＺｎＳ）またはセレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）などの物質で構成される。測定対象が生体測定の場合、生物学的安定性を考慮して、硫化亜鉛（ＺｎＳ）が光学媒質３として用いることができる。サンプル５で発生した熱による光学媒質３の屈折率の変化が局所的になるよう、硫化亜鉛（ＺｎＳ）またはセレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）よりも熱伝導率の低いカルコゲナイドガラスを用いてもよい。

励起光源１の光出力がゼロ場合（基準状態）について説明する。基準状態では、光学媒質３の内部の状態は一様であるため、プローブ光源２から出力した光は、光学媒質３における入射時と出射時でのみ屈折する。基準状態において、出射プローブ光７ａが光位置検出器４に入射する位置を基準位置ＲＰとする。本実施の形態では、プローブ光７ａの経路として、光学媒質３とサンプル５の界面で１度全反射する経路が示されているが、光学媒質３中に発生する屈折率勾配領域８を通過する経路であればよく、光学媒質内を２回以上全反射する経路、またはサンプル５との接触面付近を接触面と平行に通過する経路であってもよい。

次に、励起光源１からの出力がある場合について説明する。励起光源１がサンプル５に中の測定を行いたい成分の指紋スペクトル波長の赤外光を励起光６として出力する。励起光６は、光学媒質３を介して、サンプル５に入射する。励起光６は、サンプル５によって吸収される。吸収によって発生する吸収熱がサンプル５に発生する。発生した吸収熱は、光学媒質３に伝搬し、光学媒質３の内部に温度勾配が生じる。光学媒質の屈折率は一般的に温度依存性を有するため、温度勾配に応じて屈折率勾配領域８が形成される。この状態を変化状態とする。

変化状態において、プローブ光源２から出力される入射プローブ光７は、屈折率勾配領域８の中を通過する。入射プローブ光７は、屈折率勾配領域８の中の通過する位置における屈折率の傾斜に従って、屈折する。屈折した入射プローブ光７は、出射プローブ光７ｂとして光学媒質３から出射され、光位置検出器４に入射する。変化状態において、出射プローブ光７ｂが光位置検出器４に入射する位置を変化位置ＣＰとする。図１では、高さ方向のみの入射位置を示しているが、入射位置は、水平方向にも変位する。

サンプル５の測定したい成分（つまり、励起光源１から放出された光のある波長における吸収係数が高い成分）が多いと、サンプル５における光の吸収量が大きくなるので、発生する熱量が大きくなる。その結果、屈折率勾配が大きくなる。基準状態において出射プローブ光７ａが光位置検出器４に入射する基準位置ＲＰと変化状態において出射プローブ光７ｂが光位置検出器４に入射する変化位置ＣＰとの差と、サンプル５の測定したい成分量との関係は概ね比例に近い関係になる。

図３（ａ）は、入射プローブ光７が屈折率勾配領域８に対して水平方向において中央に入射される例を示す図である。入射プローブ光７の軸は、水平方向に変位しない。図３（ｂ）は、入射プローブ光７が屈折率勾配領域８に対して水平方向において中央以外に入射される例を示す図である。入射プローブ光の軸は、屈折率の高い方向に反れる。

光位置検出器４は、水平方向と高さ方向の２次元方向の位置を検出することができる。
図４は、光位置検出器４の構造を表わす図である。

光位置検出器４は、円形もしくは正方形の光受光素子を４分割した領域Ｒ１～Ｒ４を有する。領域Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４の光出力をＡ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４とする。

光位置検出器４は、式（１）に示す水平方向（Ｘ方向）の位置信号ＨＯと、式（２）に示す高さ方向（Ｙ方向）の位置信号ＶＯを差動検出器１０に出力する。

ＨＯ＝（Ａ１＋Ａ４）－（Ａ２＋Ａ３）…（１）
ＶＯ＝（Ａ１＋Ａ２）－（Ａ３＋Ａ４）…（２）
差動検出器１０は、高さ方向の位置信号ＶＯと水平方向の位置信号ＨＯとの差動信号ＤＦを演算器１１に出力する。

演算器１１は、励起光源１が励起光を放射していない基準状態において、光位置検出器４で検出された出射プローブ光７ａが入射する基準位置ＲＰに基づく差動信号ＤＦ（１）と、励起光源１が励起光を放射している変化状態において、光位置検出器４で検出された出射プローブ光７ｂが入射する変化位置ＣＰに基づく差動信号ＤＦ（２）との差に基づいて、サンプル５の測定したい成分の量または濃度を測定する。

実施の形態１では、出射プローブ光７ａ，７ｂの水平方向の位置と高さ方向の位置を出力可能な光位置検出器４と、光位置検出器４の出力の差動信号を出力する差動検出器１０を用いることによって、水平方向と高さ方向に共通で発生する振動等によるノイズ成分を除去することができる。さらにプローブ光の進行方向の変化により発生した信号の２次元成分全てで検出することによって、光位置検出器４の振動による影響を低減させ、かつ信号成分を大きくすることができるため、高精度な非侵襲成分分析装置が実現可能である。

実施の形態２．
図５は、実施の形態２の非侵襲成分分析装置の構成を表わす図である。実施の形態２の非侵襲成分分析装置が、実施の形態１の非侵襲成分分析装置と相違する点は、実施の形態２の非侵襲成分分析装置が、励起光源１と光学媒質３の間に光チョッパ２０を備え、差動検出器１０と演算器１１との間にロックインアンプ２１を備える点である。

光チョッパ２０は、励起光６の光路中に配置される。光チョッパ２０は、励起光源１から放射される励起光６（連続光）を任意の周波数でチョッピングする。励起光６は、光チョッパ２０のチョッピング周波数（光をオン／オフする周波数）に応じた周期でオンオフする断続的な光（パルス光）となり、光学媒質３に入射する。光チョッパ２０には、周知の構成を適用することができる。光チョッパ２０は、例えば、励起光６の通過を許容する開口部と励起光６を遮る遮光部とが円周方向に配置された回転円板と、当該回転円板を回転させるモータとを有している。モータによって回転円板を周期的に回転させることにより、励起光６をサンプル５に照射するか否かを切り替えることができる。すなわち、励起光６は、光チョッパ２０のチョッピング周波数で強度変調を受ける。励起光６のチョッピング周波数は、回転円板の回転速度によって決まる。

光チョッパ２０およびロックインアンプ２１は図示しない発振器に接続されている。発振器は、光チョッパ２０のチョッピング周波数（変調周波数）を設定する。発振器は、励起光６をチョッパ制御するための制御信号を生成し、生成した制御信号を光チョッパ２０およびロックインアンプ２１に与える。当該制御信号は、光チョッパ２０のチョッピング周波数を含む。

ロックインアンプ２１は、光位置検出器４から出力される、プローブ光７の位置に関する信号のうち、光チョッパ２０のチョッピング周波数（変調周波数）に同期する信号を選択的に増幅する。チョッピング周期のオン期間は、励起光６が照射されている期間に相当する。チョッピング周期のオフ期間は、励起光６が照射されていない期間に相当する。

実施の形態３．
図６は、実施の形態３の非侵襲成分分析装置の構成を表わす図である。実施の形態３の非侵襲成分分析装置が、実施の形態２の非侵襲成分分析装置と相違する点は、実施の形態３の非侵襲成分分析装置が、光位置検出器４と差動検出器１０との間にフィルタ３０ａおよびフィルタ３０ｂを備える点である。

フィルタ３０ａは、光位置検出器４の高さ方向の位置信号ＶＯの特定の周波数帯域を選択的に透過させる。フィルタ３０ｂは、光位置検出器４の水平方向の位置信号ＨＯの特定の周波数帯域を選択的に透過させる。フィルタ３０ａおよびフィルタ３０ｂによって、たとえば、励起光源１から出射される励起光６のＯＮ－ＯＦＦ周波数に対応した周波数帯域以外の振動成分が多く含まれている周波数帯域をフィルタで除去することができる。

光位置検出器４から出力される高さ方向の位置信号ＶＯと水平方向の位置信号ＨＯの後段にフィルタ３０ａとフィルタ３０ｂを備えることによって、信号成分に関わる周波数帯域以外のノイズ成分を除去することができるので、より高精度化が可能となる。

実施の形態４．
図７は、実施の形態４の非侵襲成分分析装置の構成を表わす図である。実施の形態４の非侵襲成分分析装置が、実施の形態２の非侵襲成分分析装置と相違する点は、実施の形態４の非侵襲成分分析装置が、光位置検出器４と差動検出器１０との間に利得調整器４０ａおよび利得調整器４０ｂを備える点である。

利得調整器４０ａは、光位置検出器４の高さ方向の位置信号ＶＯの出力利得を調整する。利得調整器４０ｂは、光位置検出器４の水平方向の位置信号ＨＯの出力利得を調整する。たとえば、光位置検出器４の高さ方向の位置信号ＶＯのノイズ成分の振幅と水平方向の位置信号ＨＯのノイズ成分の振幅とが相違する場合に、利得調整器４０ａおよび利得調整器４０ｂによって、差動検出を行った際にノイズ成分を除去できるように振幅を調整することができる。

実施の形態５．
図８は、実施の形態５の非侵襲成分分析装置の構成を表わす図である。実施の形態５の非侵襲成分分析装置が、実施の形態２の非侵襲成分分析装置と相違する点は、実施の形態５の非侵襲成分分析装置は、光位置検出器４に代えて光位置検出器４Ａを備え、さらにレーザ制御部５０を備える点である。

光位置検出器４Ａは、受光した出射プローブ光７ａ，７ｂの強度を検出する。具体的には、光位置検出器４Ａは、領域Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４の光出力Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４の総和ＡＯを出力する。

ＡＯ＝Ａ１＋Ａ２＋Ａ３＋Ａ４…（３）
レーザ制御部５０は、総和ＡＯの値に基づいて、プローブ光源２の出力を制御する。これによって、たとえば、光位置検出器４Ａへの入射出力強度を常に一定にすることが可能となる。これによって、非侵襲成分分析装置のさらなる高精度化が可能となる。

なお、上記の実施形態は、任意に組み合わせ可能である。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本開示の範囲は、上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 励起光源、２ プローブ光源、３ 光学媒質、４，４Ａ 光位置検出器、５ サンプル、６ 励起光、７，７ａ，７ｂ プローブ光、８ 屈折率勾配領域、１０ 差動検出器、１１ 演算器、２０ 光チョッパ、２１ ロックインアンプ、３０ａ，３０ｂ フィルタ、４０ａ，４０ｂ 利得調整器、５０ レーザ制御部。

Claims (5)

1. サンプル載置面を含む光学媒質と、
   前記サンプル載置面上に載置されるサンプルに向けて前記光学媒質中を進む励起光を放射する励起光源と、
   前記光学媒質中を進むプローブ光を放射するプローブ光源と、
   前記光学媒質から出射される出射プローブ光の水平方向の位置を表わす信号および高さ方向の位置を表わす信号を出力する光位置検出器と、
   前記水平方向の位置を表わす信号と前記高さ方向の位置を表わす信号との差動信号を出力する差動検出器と、
   前記差動検出器から出力される信号に基づいて、前記サンプルの測定したい成分の量または濃度を算出する演算器と、を備え、
   前記サンプル載置面の平面視において、前記光学媒質中における前記プローブ光の光路は、前記サンプル載置面のうち前記励起光によって照射される部分と重なっている、非侵襲成分分析装置。
2. 前記励起光源と前記光学媒質との間に配置された光チョッパと、
   前記差動検出器と前記演算器との間に配置され、前記光チョッパのチョッピング周波数に同期する信号を選択的に増幅するロックインアンプとをさらに備えた、請求項１記載の非侵襲成分分析装置。
3. 前記光位置検出器と前記差動検出器との間に配置され、前記水平方向の位置を表わす信号の特定の周波数帯域を選択的に透過させる第１のフィルタと、
   前記光位置検出器と前記差動検出器との間に配置され、前記高さ方向の位置を表わす信号の特定の周波数帯域を選択的に透過させる第２のフィルタと、をさらに備えた、請求項１に記載の非侵襲成分分析装置。
4. 前記光位置検出器と前記差動検出器との間に配置され、前記水平方向の位置を表わす信号の利得を調整可能な第１の利得調整器と、
   前記光位置検出器と前記差動検出器との間に配置され、前記高さ方向の位置を表わす信
   号の利得を調整可能な第２の利得調整器と、をさらに備えた、請求項１に記載の非侵襲成分分析装置。
5. 前記光位置検出器は、前記出射プローブ光の強度を出力し、
   前記出射プローブ光の強度に基づいて、前記プローブ光源の出力を制御するレーザ制御部をさらに備えた、請求項１～４のいずれか１項に記載の非侵襲成分分析装置。

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