JPH09206283A - 光反射測定のための装置 - Google Patents

光反射測定のための装置

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JPH09206283A
JPH09206283A JP8318238A JP31823896A JPH09206283A JP H09206283 A JPH09206283 A JP H09206283A JP 8318238 A JP8318238 A JP 8318238A JP 31823896 A JP31823896 A JP 31823896A JP H09206283 A JPH09206283 A JP H09206283A
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optical
plate
optical waveguide
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JP8318238A
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Hans-Peter Dr Haar
ハール ハンス−ペータ
Matthias Dr Essenpreis
エッセンプライス マチアス
Rainer Dr Fritsche
フリッシェ ライネル
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 測定の安定性と長期間信頼性を有する、光輸
送測定のための装置を提供する。 【解決手段】 本発明の光輸送測定のための装置は、試
験対象物の界面に接して置くためのコンタクト面からな
る測定ヘッドと、前記コンタクト面および界面を通って
前記試験対象物中へと光を照射するための光伝送器を備
えてなる光照射手段と、前記界面および前記コンタクト
面を通って前記試験対象物から生ずる光を検出するため
の光受信器を備えてなる検出手段とを備えてなる。前記
コンタクト面は光通過サイトが多数の剛性の光導波素子
からなり、該光導波素子を用いて、前記光透過サイトに
わりあてられる光伝送器または光受信器との光学的接続
が全体としてなされてなる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、試験対象物の界面
に対置するコンタクト面からなる測定ヘッドを有する光
輸送測定（light transport measurements）のための装
置に関する。
【０００２】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】とく
に重要な利用分野は、光を強く散乱する試験対象物、と
りわけ生物学的組織（biological tissue）、なかんず
くヒトまたは動物の皮膚に関する、光輸送測定である。
皮膚についての光反射測定（light reflection measure
ments）は、主として医学的分析的研究において行われ
る。大多数の方法が提案されており、該方法においては
さまざまな波長の光（約２００ｎｍの紫外光から約２５
００ｎｍの赤外光まで）が用いられる。組織中に含まれ
る物体（分析物）の濃度の分析的決定のために、この種
の方法が用いられるばあいには、それらは一般には分光
学の原理に基づく。かかる方法の例は欧州特許出願公開
第０ １０４ ７７２号明細書およびそこに記載された
刊行物中に記載されている。
【０００３】これらの方法の共通の特徴は、光伝送器か
らでてくる光（「一次光」）が測定ヘッドのコンタクト
面および試験対象物の界面（その表面を介している皮膚
のばあいに）を通って試験対象物中へと照射され、試験
対象物との相互作用ののち界面を通って試験対象物から
生ずる光（「二次光」）が検出されるということであ
る。この試験対象物（たとえば、耳たぶ）は光によって
透写（transilluminated）されうるのであり、すなわ
ち、照射界面に対向して位置する界面で二次光の検出が
行われる（「輸送測定」）。好適な光輸送測定装置は、
試験対象物の対向する２つの界面に接して置かれる２つ
のコンタクト面を有している（たとえば米国特許第２，
７０６，９２７号明細書）。本発明は１つのコンタクト
面上でまたは両方のコンタクト面上で実現されうる。
【０００４】本発明は、一次光の照射と二次光の検出が
同じ界面で行なわれる光輸送測定にとくに好適である。
このことは、皮膚表面上では厳密な意味での反射はない
けれども、「反射における」測定と普通呼ばれる。むし
ろ、このばあい、光はまた試験対象物の内側へと照射さ
れており、試験対象物中では光は照射サイトから検出サ
イトへと伝わり、光輸送は対象物中での吸収および散乱
によって決定されている。かかる装置は、接触反射測定
器（contact reflectometer）として示されうる。
【０００５】最近、分光学的原理（spectroscopic prin
ciples）にしたがって作動するのではない方法のため
に、接触反射測定器もまた用いられてきた。たとえば、
国際公開第９４／１０９０１号明細書には方法および相
当する接触反射測定器が記載されており、該接触反射測
定器は、組織中での散乱特性に基づいてグルコースの分
析を可能にする。
【０００６】本発明は、限定されるものではないが、こ
れらおよび類似の方法に好適である。概して、光輸送測
定が、試験対象物と直接接触してとくに高い正確さで行
われなければならないばあいはいつも具合よく用いられ
うる。本発明が適している、生物学的のものではない試
験対象物はたとえば試験片の表面であり、その色は、あ
る特定の分析物の濃度に対して特徴をなすものである。
【０００７】光の通過を許容するために、コンタクト面
の少なくとも一部分領域が光学的に透明である。かかる
透明部分は、本明細書においては光通過サイト（light
passage site）という。一般に、個々の光通過サイト
は、一次光の照射のために、および二次光の検出のため
に、コンタクト面中に設けられる。
【０００８】前述した医学的分析的利用のための好適な
測定装置についての正確さの要求事項は極めて高度であ
る。医学的に適切な濃度範囲全体中での分析物の濃度の
関数として二次光の全変化はしばしば数％しかない。こ
れらの小さな変化から充分な正確さをもって分析物の濃
度を決定するために、約０．１％のオーダーの反射測定
器の測定の正確さが必要である。主要な関心事は、測定
の安定性と長期的信頼性である。したがって、試験対象
物から出てくる二次光の特定の光束が、最大の長期的正
確さで（少なくとも数時間以上、もし可能なら数日以
上）同じ電気信号をもたらすということが最も重要であ
る。多くのばあいに、このような装置は、重要な分析物
（とくにグルコース）についての個人個人でのモニタリ
ングのため患者に提供されるのである。したがって、高
度の要求にもかかわらず、それらは低コストで製造され
なければならない。
【０００９】したがって、本発明は、前述で説明した特
徴を有する装置のばあいに、とくに、二次光の光束と、
測定された信号とのリンクの信頼性に関して測定の正確
さを改善すべき問題にとくに関心が向けられている。
【００１０】コンタクト面中の少なくとも１つの光通過
サイトが、多数の剛性の光導波素子からなり、光通過サ
イトの光導波素子全体が、特定の光伝送器または、光通
過サイトにわりあてられた光受信器と光学的な接続をな
しているという事実によって、前記問題はかかる測定装
置でもって解決される。
【００１１】
【課題を解決するための手段】本発明の光輸送測定のた
めの装置は、試験対象物の界面５に接して置くためのコ
ンタクト面３からなる測定ヘッド１と、前記コンタクト
面３および前記界面５を通って前記試験対象物６中へと
光を照射するための光伝送器２０を備えてなる光照射手
段７と、前記界面５および前記コンタクト面３を通って
前記試験対象物６から生ずる光を検出するための光受信
器２１を備えてなる検出手段８とを備えてなり、前記コ
ンタクト面３が、少なくとも１つの光学的に透明な、前
記光のための光通過サイト１３、１４からなり、該光通
過サイトによって、わりあてられる光受信器２１または
前記光伝送器２０との光学的接続が与えられる、前記試
験対象物６に関する光輸送測定のための装置であって、
前記コンタクト面中の前記光通過サイト１３、１４が多
数の剛性の光導波素子１５からなり、該光導波素子を用
いて、わりあてられる前記光伝送器２０または前記光受
信器２１との光学的接続が全体としてなされてなること
を特徴とする。
【００１２】前記光通過サイト１４が少なくとも１００
個の光導波素子からなりうる。
【００１３】前記光通過サイト１４が少なくとも１００
０個の光導波素子からなりうる。
【００１４】前記光導波素子１５が０．０１ｍｍ2をこ
えない断面積を有しうる。
【００１５】前記光導波素子１５が０．００２ｍｍ2を
こえない断面積を有しうる。
【００１６】前記光導波素子１５が０．５よりも大きい
開口数を有しうる。
【００１７】複数の光通過サイト１３、１４が前記コン
タクト面３中に設けられ、少なくともその１つが光受信
器２１に、少なくとも他の１つが光伝送器２０にわりあ
てられうる。
【００１８】前記光導波素子１５の長さが５ｍｍを超え
ない。
【００１９】前記光導波素子１５の長さが２ｍｍを超え
ない。
【００２０】前記光導波素子１５が互いに平行に密接し
て充填された光ファイバ片であり、プレート１６に接続
されうる。
【００２１】複数の光通過サイト１３、１４ａ、１４ｂ
および１４ｃが前記プレート１６中に設けられ、該プレ
ート１６の少なくとも一方の側に適用されるマスク２
２、４０、４１によって互いに分離されうる。
【００２２】前記プレート１６中の少なくとも２つの光
通過サイト１３が表面光障壁によって分離されうる。
【００２３】前記プレート１６中の少なくとも１つの光
通過サイト１３が光学的に吸収性の物質からなる被覆６
８によって完全にとり囲まれうる。
【００２４】少なくとも１つの光受信器２１が前記プレ
ート１６の検出器側表面１６ａに堅く接続されうる。
【００２５】複数の光受信器２１ａ、２１ｂおよび２１
ｃが、同一の半導体基板上に配置され、かつ、前記プレ
ート１６の検出器側表面１６ｂに堅く接続されうる。
【００２６】前記半導体基板が少なくとも１つの光通過
チャネル６３を有し、該光通過チャネルを介して光伝送
器２０の光が前記試験対象物中へと照射されうる。
【００２７】複数の光伝送器２０がビームコンビナー・
エレメント４４、５１、６３上に、それらが前記プレー
ト１６の側上の同じサイトを照らすように配置され、前
記光伝送器は異なる波長で光を照射し、前記プレートは
前記コンタクト面３からはなれて面しうる。
【００２８】生物学的組織に関する光輸送測定のための
前記装置が信号処理ユニット２を組み込んでおり、前記
信号処理ユニットを用いて検出手段の試験信号が処理さ
れて、前記生物学的組織中に含まれる物質の濃度に対応
する分析結果とされうる。
【００２９】前記生物学的組織が皮膚組織でありうる。
【００３０】したがって、試験対象物と光受信器（検出
器）のあいだおよび／または試験対象物と光伝送器のあ
いだの光学的接続がそれぞれのばあいにおいて光通過サ
イトによって関係づけられており、光通過サイトは個々
の光伝送器／光受信器にわりあてられている。複数の光
伝送器は以下に説明されるように、１つの光通過サイト
にわりあてられうる。ある状況によっては複数の受信器
もまた１つの光通過サイトにわりあてられうる。このこ
とは、たとえば、２種類の異なるタイプの検出器がスペ
クトルの異なる部分のために用いられなければならない
（「タンデム検出器」）という波長範囲がもし用いられ
るばあいに、好都合である。
【００３１】本発明によれば、特定の光伝送器から出て
くる一次光および／または、光通過サイトで特定の光受
信器（検出器）を通った二次光は、コンタクト面中の密
封されていない開口部を通過せず、光導波素子、たとえ
ば光導波ロッド（light-conducting rod）によっても伝
送されないが、多数の光導波素子によって伝送される。
好ましくは少なくとも１００個、とくに好ましくは少な
くとも１０００個の光導波素子が光通過サイト、とくに
光受信器がわりあてられているサイトに設けられてい
る。今日大いに用いられているように、光導波素子が、
剛性の、すなわち変形自在でない光導波ファイバがかか
わるべきであることがさらに重要である。
【００３２】既知の方法において、光通過サイトは、し
ばしば大変小さい寸法を有している。点形状の直径０．
５ｍｍの光通過サイトは、それにもかかわらず、本発明
のばあいには１０００を超える、多分、約１００００す
ら超える光導波素子からなりうる。この素子は好ましく
は０．０１ｍｍ2、とくに好ましくは０．００２ｍｍ2よ
りも小さい、大変小さい断面積を有している。
【００３３】好適な光導波素子がいわゆるファイバ光学
プレート（fiber optic plates）として製造されてお
り、前記光導波素子は互いに平行に密に充填されてお
り、したがって、極端に小さい断面積であるにもかかわ
らず剛性を有している。
【００３４】発明者らは、従来技術にしたがって光導波
素子が光−電気変換器（光伝送器および光受信器）と試
験対象物とのあいだに配置されるとき、センサシステム
中での、または試験対象物（とくに皮膚表面）の界面と
の接触点での、多くのばあい極端に小さな機械的変化で
すらが、約０．１％の所望の測定の正確さよりもずっと
大きい信号変化を生じることを見い出した。したがっ
て、媒質中で、充分な正確さで、または長期の安定性を
もって所望の分析結果を決定することがしばしば可能で
はない。
【００３５】伝送器から出ていくフォトンの、つねに同
じ一部分は実際には試験対象物中へと通過し、−試験対
象物は変化しないまま−同様に一部分は界面を通って試
験対象物から出たのち検出器へ向かって通過するという
ことを本発明はずっとよりよく保証している。光学的安
定性が、とくに試験対象物の表面（皮膚表面）での、よ
り小さい不規則によって生じる干渉に関して改善されて
いる。同時に、コンタクト面が密接しており、その結
果、測定ヘッドの内側が保護されている。最後に、本発
明は照射および検出の双方が、皮膚表面の特定の部分に
大変精密に限定されることを許容している。（国際公開
第９４／１０９０１号明細書に定義される「照射サイ
ト」と「検出サイト」）
【００３６】
【発明の実施の形態】本発明は添付図中に示される実施
の形態によって詳細に説明される。
【００３７】図１に高度に図式化して示される接触反射
測定器は、基本的には測定ヘッド１ならびに信号処理お
よび評価ユニット２からなる。
【００３８】測定ヘッドは、試料コンタクトプレート４
の、コンタクト面３を介して試験対象物６の界面５に接
している。全体に７として符号が付された光照射手段
と、検出手段８は測定ヘッド１中に配置されている。光
照射手段と受信器としての光検出手段は、光伝送器２０
（好ましくは半導体光伝送器、とくに好ましくは発光ダ
イオード）および光受信器２１としての光検出器（以
下、光検出器または検出器という。好ましくは半導体検
出器、とくに好ましくはフォトダイオード、フォトトラ
ンジスタまたはアバランシェ型フォトダイオード）を含
んでおり、それらは電気的リード９および１０ならびに
ケーブル１１を介して信号処理および評価ユニット２に
接続されている。
【００３９】光の通過のために、コンタクト面３（およ
び全体として試料コンタクトプレート４）は光通過サイ
トからなり、図示されたばあいには１つの光通過サイト
１３は、試験対象物６中へと照射される一次光のために
設けられており、２つの光通過サイト１４ａ、１４ｂ
は、試験対象物６から出てくる二次光の検出のために設
けられている。個々の一次光通過サイト１３（一次光通
過位置）および二次光通過サイト１４（二次光通過位
置）の位置と寸法は界面上のサイトを決定しており、該
サイトで光が試験対象物中へと照射され（「照射サイ
ト」）、またはそこから生じる光が検出される（「検出
サイト」）。
【００４０】信号処理および評価ユニット２は、光照射
手段７を起動し、検出手段８によって生じる電気的信号
（試験信号）から、試験対象物６の内部に関する所望の
情報をうるための電気的手段を含んでいる。すでに説明
されたように、本発明は、大多数のこのような方法に適
しており、信号処理および評価ユニット２は、この目的
のために個々に必要な手段を含んでおり、たとえば、前
述の刊行物中に説明されている。このような手段は一般
に、検出手段の試験信号をアナログ処理する電気的増幅
回路（たとえばロックイン増幅器）と、そこに結合され
るマイクロコンピュータに基づくデジタル信号処理ユニ
ットをともに、含んでいる。
【００４１】図２は、本発明の独特の特徴を高度に抽象
化した形で示している。コンタクト・プレート４は、請
求項にいうプレート（plate）としての光ファイバプレ
ート（optical fiber plate）１６を含んでおり、光フ
ァイバプレートは大多数の密に充填された比較的短い剛
性の光導波素子１５からなっており、光導波素子は光フ
ァイバの形でコンタクト面３に垂直になっている。ファ
イバの長さと、したがって、光ファイバプレート１６の
厚さは好ましくは５ｍｍをこえておらず、とくに好まし
くは２ｍｍをこえない。約１ｍｍという厚さはとくに好
適であることがわかった。
【００４２】図示された実施の形態において、光ファイ
バプレート１６は、それが試験対象物６から完全にハウ
ジング（housing）１７を密封するような方法で測定ヘ
ッド１のハウジング１７の壁のあいだに直接はめこまれ
ている。それは、ヒトの皮膚の屈折率に適合または少な
くとも近似の屈折率を有する（以下、単に屈折率適合と
いう）接着剤１８を用いて半導体層１９に直接接合され
ており、前記層は好適な場所に位置する、シリコンから
なる光検出器（光受信器）２１（フォトダイオード）の
形式の光検知領域からなる。光ファイバプレートは図３
において頭上に見ることができる。図示されたばあいに
おいて３つの検出器（光受信器）２１ａ、２１ｂおよび
２１ｃが設けられている。これらの検出器と位置合せし
て、すなわち、光ファイバプレート（以下、単にファイ
バプレートともいう）１６の、検出器側表面１６ａ上ま
たは試料側表面１６ｂ上に、選択的に配置されうるマス
ク２２中にくぼみが設けられている。図示された実施態
様において、カバー層２３が試料側表面１６ｂ上に設け
られており、この層はマスク２２をなしており光通過サ
イト１４ａ、１４ｂおよび１４ｃにおいて、非反射コー
ティングの透明の部分領域２３ａ、２３ｂ、２３ｃから
なる一方、残りの表面は黒塗料（black paint）からな
る。マスクはさらに透明の部分領域２４からなり、部分
領域は光照射のための光通過サイト１３を定義してい
る。
【００４３】光照射手段７および検出手段８は、ハウジ
ング１７の壁のあいだに位置する印刷回路基板２５によ
ってになわれる。くぼみ２６はファイバプレート１６中
に設けられ、接続用ワイヤ２７がそれを通ってガイドさ
れており、接続用ワイヤはシリコン層１９の検出器接点
を印刷回路基板２５の導線と接続している。
【００４４】本発明に関連して、光学的ユニットの、機
械的に安定な構造は所望の測定の正確さのために極めて
重要であることがわかった。したがって、設計のコンパ
クトな型はとくに好ましく、コンパクトな型においては
図２に示される以下の構成要素が個々にまたは互いの組
み合せにおいて実現される。
【００４５】−少なくとも検出サイト、好ましくはのみ
ならずまた照射サイトも単独かつ共通のファイバプレー
ト１６中に設けられる。
【００４６】−マスク２２はファイバプレートにしっか
りと堅く（firmly）接続される。前述のコーティングの
代案として、選択的に黒色にされたガラス板もまたマス
クとして、かつ試験対象物側のファイバプレート１６の
シールとして好適であり、前記ガラス板は、しっくい
（mastic）によって、またはホットメルト処理によって
光ファイバプレート１６に接合されている。
【００４７】−検出器がとくに、ボンディングまたは類
似の永久的な固着方法によってファイバプレートの検出
器側表面１６ａに、堅く、そして動かないように接続さ
れる。
【００４８】−検出器（光受信器）２１は共通の半導体
基板１９上に配列されている。これによって、検出感度
の同一の特性曲線がえられる。半導体の板の、ファイバ
プレートへの接合は、さらに機械的、光学的安定性を改
善する。
【００４９】３個の光導波素子１５は、大変大きく拡大
され、かつ、一定の比率どおりではない見方でかかれた
図４中に見ることができる。２つの光ビームが概略的に
示されており、光ビーム２９は界面５を基準として実質
的に９０°の角度α1で生じるフォトンの経路を記号的
に表わしており、したがって鋭角β1で光導波素子１５
の壁３０上に突きあたっているが、光ビーム３１がもっ
と鋭い角α2で界面５からでており、壁３０上のフォト
ンの入射角β2はこのばあいもっと大きい。本発明にお
いては、光導波素子１５中の光伝送の光学的条件は、光
が、小さい出射角αの角度になるまで（すなわち、壁３
０上での光ビームの入射角βの最も高い可能性のある角
度にまで）光導波素子１５の壁で充分反射されるように
すべきである。この特性は開口数ＮＡすなわちＮＡ＝ｎ
・ｓｉｎβと名づけられる。技術用語の見地からいえ
ば、光学的開口は、−本発明にしたがって剛性の光導波
素子が用いられるばあい−素子の壁の反射特性によって
決定されており、素子の壁の反射特性は今度は壁と壁上
の付加的にありうる反射層とでの屈折率の比に依存して
いる。好ましくは、光導波素子は０．５よりも大きい光
学的開口数を有している。
【００５０】フォトンは、コンタクト面５を通って等方
的に（すなわち、広い角度の範囲にわたって一様に分布
される）強く散乱している試験対象物６から生じる。本
発明において支配的な光学的条件の結果として、これら
のすべてのフォトンまたは少なくともその一部は個々の
光検出器２１に到達するが、結果は長い期間において一
定である。
【００５１】光通過サイトの光導波素子は光を互いに独
立に導いており、したがって基本的には、光学的には互
いに分離されている。もし、光学的な分離が不完全な
ら、測定の正確さと信頼性は、影響を受けるが、２０％
よりも少ない光学的クロストーク（optical crosstal
k）をもって完全に良い結果が達成され、かたや１％よ
りも少ない光学的なクロストークが困難さを伴わずに光
ファイバプレート中の剛性の光導波素子の極端に密接な
配置をもってうることができる。
【００５２】光導波素子１５の光学的分離は、図４にお
いてすきま３２によって記号的に示されている。実際の
光ファイバプレート１６においては、光導波素子１５は
図４に示されたものよりもずっと高密度に充填されてお
り、したがってすきま３２はずっと小さい。
【００５３】コンタクト面・モジュールの一部をなし、
かつ、とくにヒトの皮膚の分析的研究にとくに適してい
る、図５に示された光学的ユニット３９において、光フ
ァイバプレート１６は２つのマスク４０、４１のあいだ
にはさまれており、両方のマスク４０、４１は、ファイ
バプレート１６の表面上の同じ点で（したがって互いに
整列されて）、検出器（光受信器）２１ａ、２１ｂおよ
び２１ｃのための透明の部分領域２３ａ、２３ｂおよび
２３ｃ、ならびに光の照射のための透明の部分領域２４
からなっている。マスク４０、４１はスクリーン印刷に
適用される黒インク（black ink）からなりうる。とく
に好ましくは、感光性の層がマスクに用いられ、マスク
には、光学的開口部が（半導体基板の製造に関するよう
に）露光プロセスによってつくられる。この方法は容易
に製造プロセスに組み入れられうる。マスク層の生成以
降では製造設備の変更は不必要である。したがって、精
密な組立が容易にされる。
【００５４】ファイバプレート１６の両側の２つのマス
クの使用は有利である。ファイバプレート１６の検出器
側表面１６ａ上のマスクは、とくに高い精密さで生成さ
れえて、この方法の工程は前述された製造プロセス中に
組みこまれうる。一方、ファイバプレート１６の試料側
表面１６ｂ上の透光性でないマスクもまた、照射サイト
と検出サイトとのあいだの試料表面からでてくる光成分
を吸収するためには、−光通過サイトの精密な位置には
関わらず−しばしば有利である。作成する精密さは少し
劣るがこのようなマスクをつくることができて、たとえ
ば印刷方法において適用される。
【００５５】図５において、検出器側のファイバプレー
ト４１は、検出器（光受信器）２１ａ、２１ｂ、２１ｃ
と測定電子装置とのあいだの接続のための電気配線を収
容するための付加的なくぼみ４２からなる。
【００５６】図５に示された実施の形態において、光照
射手段７は複数の異なる波長の光が試験対象物中の単一
の点で照射されうるように構成されており、前記単一の
点はマスク４０、４１中の透明の点２４によって定義さ
れている。この目的に対し、４つの発光ダイオード４６
から４８がウルブリッヒトシリンダ（Ulbricht cylinde
r）４４内部に配置され、該ウルブリッヒトシリンダは
下の方へ向かってその内部に銀被覆された（silvered）
層４５によって（ファイバプレート１６に向かって）密
閉されている。発光ダイオードは異なる波長の光を放射
しており、上方の方向でウルブリッヒトシリンダを閉じ
ているカバープレート（covering plate）５０に対して
保護されている。
【００５７】ウルブリッヒトシリンダ４４のかわりに、
別の光学的エレメントが用いられえて、それは、ファイ
バプレート１６の表面上の同じ点で種々の発光ダイオー
ド４６から４９からの光ができる限り等方的に影響をお
よぼさしめている。この種の光学的エレメントは「ビー
ムコンビナー（beam combiner）」と名づけられる。好
ましくは、本発明に適したビームコンビナー・エレメン
トは、その壁が反射（拡散して、または反射して）する
光学的空洞からなるべきであり、光伝送器から生じる光
が空洞中のさまざまな地点で等方的に分布しており、光
伝送器は空洞の壁上の種々の地点にとりつけられてい
る。
【００５８】光の伝送器の、最大の光出口距離（互いか
ら最も遠い光出口点のあいだの距離）に関する空洞の寸
法は充分等方的な光分布のために重要である。好ましく
は、ビームコンビナー・エレメントの光出口開口（すな
わち、わりあてられた光通過サイトの光入口開口から）
からの光伝送器の最小の距離は３倍の大きさであるべき
であり、空洞の最小の平均直径は最大光出口距離の少な
くとも２倍の大きさであるべきである。ビームコンビナ
ー・エレメントの光学的空洞は、必ずしも空である必要
はない。たとえば、先端が切りとられた円錐形状の透明
のプラスチック材料の部品が好適であり、この部品は、
拡散効果を達成するために、その生成された表面５２上
に銀塗布されている円錐形の光コンダクタ（light cond
uctor）５１をなしている。この種のビームコンビナー
が図６に示されている。
【００５９】図５に示された、一次光のための１個の光
通過サイトと、二次光のための複数個の光通過サイトを
有する実施の形態は、個々の一次光の照射サイトと個々
の二次光の検出サイトのあいだのいくつかの異なる試験
距離での試験対象物の反射特性を決定することを可能に
する。このことは、試験対象物の光学的吸収挙動（吸収
係数μａ）のみならず、試験対象物の散乱挙動（散乱係
数μｓ）が、研究されるべき研究に関してとくに有利で
ある。かかる方法は国際特許出願の国際公開第９４／１
０９０１号明細書、国際公開第９５／１２３４８号明細
書および国際公開第９５／３２４１６号明細書に記載さ
れている。複数の照射サイトとただ１個の検出サイト
で、またはいくつかの照射サイトといくつかの検出サイ
トとの組合せで作用することもまた代案として有利であ
りうる。
【００６０】図７に示されたコンタクト面・モジュール
において、光学ユニット３９は、たとえば光照射手段７
ａ、７ｂの一部として２つのビームコンビナーからな
る。したがって、２つの透明の領域２４ａ、２４ｂがフ
ァイバプレート１６の下側上で一次光のために設けられ
ており、この２つの透明の領域は皮膚表面上の２つの異
なる照射サイトを定義している。さらに５つの透明の領
域２３が、皮膚表面上の５つの異なる検出サイトに対応
して検出のために設けられている。
【００６１】図７は、さらに、ファイバプレート１６
が、皮膚コンタクトプレート（skin contact plate）５
５中の対応するくぼみ５４中に位置している好適な構造
上の配置を示しており、皮膚コンタクトプレートは好ま
しくは金属またはガラスでつくられている。皮膚コンタ
クトプレートの一部分のみが光ファイバプレートからな
る、このような配置は、コストに関して有利である。た
とえば、光学ユニット３９は、図示されるように支持プ
レート５６およびねじ５７の手段によってしっかり、か
つ安定したやり方で皮膚コンタクトプレート５４に接続
されうる。
【００６２】図７の実施の形態において、２つの光源
（光照射手段７ａおよび７ｂ）が、共通の光ファイバプ
レート１６に複数の検出器がともに組み立てられてい
る。本発明は、複数の照射サイトと複数の検出サイトと
ともにこの種の構成を許容しており、これらはとくにコ
ンパクトな設計がされており同時に優れた測定の正確さ
を有している。このようにして、多数の照射サイトと検
出チェス盤型の配置は比較的単純な設計で可能である。
【００６３】このような実施の形態が図８および図９に
示されており、図８および図９はまた、個々に、または
組合せて利用されうるさらに好ましい実施の形態を示し
ている。
【００６４】図８は、試料コンタクトプレート４の切り
抜き部分を示しており、試料コンタクトプレートは光フ
ァイバプレート１６およびシリコン半導体層（シリコン
層または半導体層）１９からなり、シリコン半導体層は
屈折率適合の前記接着剤の層１８によってファイバプレ
ート１６に接合されている。図９に示されるように、そ
して基本的には図２の検出器２１ａ、２１ｂおよび２１
ｃと同じ方法で検出器２１は半導体層１９中に集積化さ
れている。複数の検出器２１（このばあい６×６個の、
それぞれ０．２５×０．２５ｍｍの表面積を有する検出
器）が１０ｍｍの寸法を有するチェス盤タイプの配置の
層１９の下側１９ａ上に配置されている。
【００６５】この実施の形態においても、光伝送器２０
は半導体性の基板であるシリコン層１９に固着され、す
なわちその上側の表面１９ｂに接合することにより固着
されており、すなわち、それらは、ワイヤボンド法によ
って接触しており、薄い層のリード６０および信号処理
および評価ユニット２への接続部（contacts）６１を介
して接続されている。図５および図６の実施の形態にお
けるように類似の方法において、複数の異なる波長の光
伝送器−発光ダイオードとして具現される−が、一次光
の、各光通過サイト１３に設けられている。これらは基
本的に横方向に、および上方に光を放射している。等方
的な照射はビームコンビナー・エレメント６２を用いて
達成される。ビームコンビナーの光学的空洞は、このば
あい、反射性のドーム形状のカバーによって閉じられ
る。
【００６６】一次光のための各光通過サイト１３で、シ
リコン層１９の表面のあいだの光通過チャネル６３が設
けられており、シリコン層を介して一次光は光通過サイ
ト１３へと進行する。チャネル６３の内側表面はメタラ
イゼーションの手段によって光反射している。かわっ
て、シリコン層の穴の中へ挿入される光ガイドロッド
（light-guiding rod）も用いうるだろう。このばあ
い、穴の内側は光吸収被覆（light-absorbing coatin
g）を有しているべきである。
【００６７】図示された実施の形態のさらなる独特の特
徴は、各光通過サイトで表面光障壁（surface-light ba
rrier）６５が設けられるという事実に関連している。
それは光学的ロッキング溝（optical locking ditch）
６６によって形成される。これはファイバプレート１６
上の表面に（たとえば、刻みこむこと（engraving）に
よって）設けられたリング形状の溝であり、そのくぼみ
は好ましくは光学的に吸収性の物質で満たされる。これ
によってファイバプレート１６の表面での一次光の光学
的クロストークが低減される。このような光学的な表面
光障壁６５があればファイバプレート１６上にマスク４
０が好ましくは存在すべきであるが、ファイバプレート
１６の上側の表面にはマスクは必要でない。
【００６８】ファイバプレート１６の内側の残っている
光学的クロストークを最小化するためのさらなる手段と
して光通過サイト１３を囲み、かつ、吸収性の物質から
なる被覆（jacket）６８が設けられており、被覆は好ま
しくは円筒形状を有している。たとえば、ファイバプレ
ート１６の製造のあいだ、黒色のガラスファイバが光通
過サイトを囲む被覆の表面を構成するために組み込まれ
る。
【００６９】
【発明の効果】本発明によれば、光の伝送器から出てい
くフォトンの、つねに同じ一部分は実際には試験対象物
中へと通過し、−試験対象物は変化しないまま−同様に
一部分は界面を通って試験対象物から出たのち検出器へ
向かって通過するということを本発明はずっとよりよく
保証している。光学的安定性が、とくに試験対象物の表
面（皮膚表面）での、より小さい不規則によって生じる
干渉に関して改善されている。同時に、コンタクト面が
密接しており、その結果、測定ヘッドの内側が保護され
ている。最後に、本発明は照射および検出の双方が、皮
膚表面の特定の部分に大変精密に限定されることを許容
している。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の装置の、部分的に断面で示すブロック
図である。
【図２】本発明に好適な測定ヘッドの主要部分の断面の
ブロック図である。
【図３】検出器の配置の説明図である。
【図４】本発明にとって極めて重要な光学的特徴を説明
する、高倍率で抽象的な表現の説明図である。
【図５】本発明に用いるコンタクト面・モジュールの光
学的ユニットの拡大説明図である。
【図６】代わりに使用可能な光照射手段の一部分の斜視
説明図である。
【図７】変更された光学的ユニットを用いるコンタクト
面の拡大説明図である。
【図８】コンタクト面・モジュールのさらなる実施の形
態の、部分的に断面、かつ、部分的に斜視に切断した説
明図である。
【図９】半導体層が、その底面が見えるようにした直立
位置で示されている図８のコンタクト面・モジュールの
斜視説明図である。
【符号の説明】
１ 測定ヘッド ２ 信号処理および評価ユニット ３ コンタクト面 ４ 試料コンタクトプレート ５ 界面 ６ 試験対象物 ７ 光照射手段 ８ 検出手段 １３、１４、１４ａ、１４ｂ、１４ｃ 光通過サイト １５ 光導波素子 １６ 光ファイバプレート １９ シリコン半導体層 ２０ 光伝送器 ２１、２１ａ、２１ｂ、２１ｃ 光受信器 ２２、４０、４１ マスク ６８ 被覆 ４４、５１、６３ ビームコンビナー・エレメント
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 マチアス エッセンプライス ドイツ連邦共和国、デー−82131 ガウチ ング、アム ビュルムファー ８ (72)発明者 ライネル フリッシェ ドイツ連邦共和国、デー−68782 ブリュ ール、レーマーシュトラーセ ６アー

Claims (19)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 試験対象物の界面（５）に接して置くた
    めのコンタクト面（３）からなる測定ヘッド（１）と、
    前記コンタクト面（３）および前記界面（５）を通って
    前記試験対象物（６）中へと光を照射するための光伝送
    器（２０）を備えてなる光照射手段（７）と、前記界面
    （５）および前記コンタクト面（３）を通って前記試験
    対象物（６）から生ずる光を検出するための光受信器
    （２１）を備えてなる検出手段（８）とを備えてなり、
    前記コンタクト面（３）が、少なくとも１つの光学的に
    透明な、前記光のための光通過サイト（１３、１４）か
    らなり、該光通過サイトによって、わりあてられる光受
    信器（２１）または前記光伝送器（２０）との光学的接
    続が与えられる、前記試験対象物（６）に関する光輸送
    測定のための装置であって、前記コンタクト面中の、前
    記光通過サイト（１３、１４）が多数の剛性の光導波素
    子（１５）からなり、該光導波素子を用いて、わりあて
    られる前記光伝送器（２０）または前記光受信器（２
    １）との前記光学的接続が全体としてなされてなること
    を特徴とする装置。
  2. 【請求項２】 前記光通過サイト（１４）が少なくとも
    １００個の光導波素子からなる請求項１記載の装置。
  3. 【請求項３】 前記光通過サイト（１４）が少なくとも
    １０００個の光導波素子からなる請求項１記載の装置。
  4. 【請求項４】 前記光導波素子（１５）が０．０１ｍｍ
    2をこえない断面積を有する請求項１、２または３記載
    の装置。
  5. 【請求項５】 前記光導波素子（１５）が０．００２ｍ
    ｍ2をこえない断面積を有する請求項１、２または３記
    載の装置。
  6. 【請求項６】 前記光導波素子（１５）が０．５よりも
    大きい開口数を有する請求項１、２、３、４または５記
    載の装置。
  7. 【請求項７】 複数の光通過サイト（１３、１４）が前
    記コンタクト面（３）中に設けられ、少なくともその１
    つが光受信器（２１）に、少なくとも他の１つが光伝送
    器（２０）にわりあてられてなる請求項１、２、３、
    ４、５または６記載の装置。
  8. 【請求項８】 前記光導波素子（１５）の長さが５ｍｍ
    を超えない請求項１、２、３、４、５、６または７記載
    の装置。
  9. 【請求項９】 前記光導波素子（１５）の長さが２ｍｍ
    を超えない請求項１、２、３、４、５、６または７記載
    の装置。
  10. 【請求項１０】 前記光導波素子（１５）が互いに平行
    に密接して充填された光ファイバ片であり、プレート
    （１６）に接続されてなる請求項１、２、３、４、５、
    ６、７、８または９記載の装置。
  11. 【請求項１１】 複数の光通過サイト（１３、１４ａ、
    １４ｂおよび１４ｃ）が前記プレート（１６）中に設け
    られ、該プレート（１６）の少なくとも一方の側に適用
    されるマスク（２２、４０、４１）によって互いに分離
    されてなる請求項１０記載の記載の装置。
  12. 【請求項１２】 前記プレート（１６）中の少なくとも
    ２つの光通過サイト（１３）が表面光障壁によって分離
    されてなる請求項１０または１１記載の装置。
  13. 【請求項１３】 前記プレート（１６）中の少なくとも
    １つの光通過サイト（１３）が光学的に吸収性の物質か
    らなる被覆（６８）によって完全にとり囲まれてなる請
    求項１０、１１または１２記載の装置。
  14. 【請求項１４】 少なくとも１つの光受信器（２１）が
    前記プレート（１６）の検出器側表面（１６ａ）に堅く
    接続されてなる請求項１０または１１記載の装置。
  15. 【請求項１５】 複数の光受信器（２１ａ、２１ｂおよ
    び２１ｃ）が、同一の半導体基板上に配置され、かつ、
    前記プレート（１６）の検出器側表面（１６ｂ）に堅く
    接続されてなる請求項１４記載の装置。
  16. 【請求項１６】 前記半導体基板が少なくとも１つの光
    通過チャネル（６３）を有し、該光通過チャネルを介し
    て光伝送器（２０）の光が前記試験対象物中へと照射さ
    れてなる請求項１５記載の装置。
  17. 【請求項１７】 複数の光伝送器（２０）がビームコン
    ビナー・エレメント（４４、５１、６３）上に、それら
    が前記プレート（１６）の側上の同じサイトを照らすよ
    うに配置され、前記光伝送器は異なる波長で光を照射
    し、前記プレートは前記コンタクト面（３）からはなれ
    て面してなる請求項１０、１１、１２、１３、１４、１
    ５、１６または１７記載の装置。
  18. 【請求項１８】 生物学的組織に関する光輸送測定のた
    めの装置が信号処理ユニット（２）を組み込んでおり、
    前記信号処理ユニットを用いて検出手段の試験信号が処
    理されて、前記生物学的組織中に含まれる物質の濃度に
    対応する分析結果とされてなる請求項１、２、３、４、
    ５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４、
    １５、１６または１７記載の、生物学的組織に関する光
    輸送測定のための装置。
  19. 【請求項１９】 前記生物学的組織が皮膚組織である請
    求項１８記載の装置。
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