JPH1144637A

JPH1144637A - 光透過検出方法

Info

Publication number: JPH1144637A
Application number: JP16217297A
Authority: JP
Inventors: Yuji Sawakuri; 裕二澤栗; Takahiro Ichikawa; 孝博市川
Original assignee: CHUNITI DENSHI KK
Current assignee: CHUNITI DENSHI KK
Priority date: 1997-05-29
Filing date: 1997-06-19
Publication date: 1999-02-16

Abstract

(57)【要約】【課題】光分子振動波長λ₁ については光透過度が含
有成分濃度に応じて変動し、ベース波長λ₂ については
含有成分濃度によらず光透過度がほとんど変動しないと
いう現象を基盤とした含有成分濃度測定方法を実施可能
にする。【解決手段】光分子振動波長λ₁ を有する光を試料１
に照射したときの受光出力レベルと、ベース波長λ₂ を
有する光を試料１に照射したときの受光出力レベルとの
間で任意のレベル差が生じるよう、各々の光の発光レベ
ルを設定し、光分子振動波長λ₁ を有する光を試料１に
照射したときの受光出力に含まれる、試料１の含有成分
濃度に応じた変動分、を増大させた測定出力ｉを得る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、試料例えば水溶液
中又は生体血液中（以下、単に水溶液中という。）に含
まれる糖分又はアルコールなど含有成分の濃度を非接触
で測定するための光透過検出方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】周知のように、試料例えば水溶液中の含
有成分の濃度を非接触で測定する方法として、試料の光
透過度もしくは光吸収度（以下、単に光透過度とい
う。）を測定し、この測定された光透過度に基づいて試
料中の含有成分の濃度を測定する光透過検出方法があ
る。

【０００３】本発明者らは、このような光透過検出方法
を用いて水溶液中の糖分濃度を測定したところ、次のよ
うな現象、すなわち、図５に示すように、ある特定の波
長例えば９５８ｎｍ、１０５３ｎｍ、１１５４ｎｍ、１
２２４ｎｍ、…（以下、光分子振動波長λ₁ という。）
については光透過度が糖分濃度に応じて変動し、他の波
長（以下、ベース波長λ₂ という。）については糖分濃
度によらず光透過度がほとんど変動しないという現象を
発見するに至った。また、水溶液中のアルコール濃度を
測定した場合にも、上述したような糖分濃度を測定した
場合と同様、光分子振動波長λ₁ について光透過度がア
ルコール濃度に応じて変動し、ベース波長λ₂ について
はアルコール濃度によらず光透過度がほとんど変動しな
いという現象を発見できた。

【０００４】そこで、このような現象を基盤とした、試
料の含有成分濃度測定方法として、光分子振動波長λ₁
についての光透過度を測定し、この測定された光透過度
に基づいて含有成分濃度を測定するという方法が考えら
れる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、含有成
分濃度が微少濃度（例えば数十ｍｇ／ｌ）である場合、
試料に光を照射する発光源として、ノイズ成分及びドリ
フト成分（以下、ゆらぎという。）が１０^-8〜１０^-10
程度と極めて小さなものが要求されることが判明した。
ところが、現実の発光源としては、１０^-5〜１０^-6程度
の比較的大きなゆらぎを有する発光源が製作上の限界で
あり、このため、上記現象を基盤とした含有成分濃度測
定方法の実施は困難であった。

【０００６】そこで、本発明者は、上記問題点を解決す
べく鋭意検討した結果、次に述べるような原理に基づ
き、試料の含有成分濃度が微少濃度であっても、上述し
たような現象を基盤とした含有成分濃度測定方法を実施
可能にする光透過検出方法を案出するに至った。

【０００７】グルコースなど水溶液においては、図４に
示すように、光分子振動波長λ₁ の光分子振動振幅ｘ
（光分子振動振幅変化率ｘ／ｅ₁ ）は、水溶液の含有成
分濃度に比例する。

【０００８】そして、図３において、光分子振動波長λ
₁ に対するＰＤ電流増幅出力を、試料に含有成分が無い
ときはｅ₁ 、試料に含有成分が有るときはｅ₁ に変動分
をｘを加算した（ｅ₁ ＋ｘ）とし、また、ベース波長λ
₂ に対するＰＤ電流増幅出力をｅ₂ とすると、試料に含
有成分が無いときの差動出力ｙ₀ 、及び、試料に含有成
分が有るときの差動出力ｙは、それぞれ、ｙ₀ ＝ｅ₁ −ｅ₂ (1) ｙ＝ｅ₁ −ｅ₂ ＋ｘ (2) で表され、差動出力ｙと差動出力ｙ₀ との比ｙ／ｙ₀
は、ｙ／ｙ₀ ＝１＋（ｘ／ｅ₁ ）／｛１−（ｅ₂ ／ｅ₁ ）｝ (3) で表される。

【０００９】したがって、上記式(3) より、図４に示す
ように含有成分濃度に比例する光分子振動振幅変化率ｘ
／ｅ₁ に対し、差動出力ｙは１／｛１−ｅ₂ ／ｅ₁ ｝倍
されて出力されることになる。

【００１０】このため、ＰＤ電流増幅出力ｅ₁ 、ｅ₂ が
発光源による１０^-5程度のゆらぎを含んでいるものとす
ると、上記式(1) の差動出力ｙ₀ をゆらぎに対して１桁
大きな１０^-4程度にまで設定可能であり、上記式(3) の
第２項から、変動分ｘに対して１０⁴ に感度が増倍した
ｙ／ｙ₀ を測定出力として得ることができる。そして、
測定出力ｙ／ｙ₀ は試料の透過度に比例している。

【００１１】さらに、本発明者らは、上記光分子振動波
長λ₁ 例えば９５８ｎｍ、１０５３ｎｍ、１１５４ｎ
ｍ、１２２４ｎｍ、…においては、図５に示すように山
と谷が交互に現れることを発見した。したがって、これ
らの光分子振動波長λ₁ のうち山と谷の関係にある、換
言すると、透過度が増減逆方向に変動する、二つの光分
子振動波長λ₁ （仮に、一方をλ₁₁、他方をλ₁₂とす
る。）を有する二つの光を試料に照射する場合、上述し
たような光分子振動波長λ₁ とベース波長λ₂ の二つの
光を試料に照射する場合と比べ、光分子振動波長λ₁ が
限定されていることから二つの光分子振動波長λ₁₁、λ
₁₂の選定に厳密さが要求されるという問題はあるが、一
方では、透過度の変動分を二倍程度に増倍させることが
できるという利点がある。

【００１２】本発明は、このような発見に基づき、透過
度の変動分をさらに増大させることができる光透過検出
方法を提供することも目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明による光透過検出
方法は、請求項１に記載されるように、試料の含有成分
濃度に応じて光透過度が変動する光分子振動波長を有す
る光と、前記試料の含有成分濃度によらず光透過度がほ
とんど変動しないベース波長を有する光とからなる二つ
の光を、前記試料に対する照射光として用い、前記光分
子振動波長を有する光を前記試料に照射したときの受光
出力レベルと、前記ベース波長を有する光を前記試料に
照射したときの受光出力レベルとの間で任意のレベル差
が生じるよう、前記各々の光の発光レベルを設定し、前
記光分子振動波長を有する光を前記試料に照射したとき
の受光出力に含まれる、前記試料の含有成分濃度に応じ
た変動分、を増大させた測定出力を得ることを特徴とす
る。

【００１４】本発明による光透過検出方法は、請求項２
に記載されるように、試料の含有成分濃度に応じて光透
過度が増減逆方向に変動する光分子振動波長を有する二
つの光を、前記試料に対する照射光として用い、前記二
つの光のうち一方の光を前記試料に照射したときの受光
出力レベルと、前記二つの光のうち他方の光を前記試料
に照射したときの受光出力レベルとの間で任意のレベル
差が生じるよう、前記各々の光の発光レベルを設定し、
前記二つの光を前記試料に照射したときの受光出力に含
まれる、前記試料の含有成分濃度に応じた変動分、を増
大させた測定出力を得ることを特徴とする。

【００１５】本発明による光透過検出方法は、請求項３
に記載されるように、請求項１又は請求項２において、
ドリフト成分及びノイズ成分を除去した測定出力を得る
ことを特徴とする。

【００１６】

【発明の作用効果】請求項１に記載の本発明によると、
光分子振動波長を有する光を試料に照射したときの受光
出力レベルと、ベース波長を有する光を試料に照射した
ときの受光出力レベルとの間で任意のレベル差が生じる
よう、各々の光の発光レベルを設定し、光分子振動波長
を有する光を試料に照射したときの受光出力に含まれ
る、試料の含有成分濃度に応じた変動分、を増大させた
測定出力を得るようにしたため、測定出力の感度を増倍
させることができ、製作上の限界とされる１０^-5〜１０
^-6程度の比較的大きなゆらぎを有する発光源を用いて、
上述した現象を基盤とした含有成分濃度測定方法の実施
を可能にすることができる。

【００１７】また、請求項２に記載の本発明によると、
透過度の変動分をさらに増大させることができるため、
試料の含有成分がより微少濃度であっても高精度に含有
成分濃度を測定することが可能になる。

【００１８】また、周期性の矩形波駆動による発光源で
は、そのドリフト成分及びノイズ成分の他、光空間伝送
途中で混入するノイズ光（例えば、ハム、外来光）を除
去することにより、Ｓ／Ｎの大きな測定出力を得ること
ができる。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づいて説明する。

【００２０】図１は、第一実施例による光透過検出方法
を実施する際に使用されるシステムの構成を示してい
る。

【００２１】図１に示すシステムは、糖分又はアルコー
ルなどからなる成分を含有する水溶液など試料１の含有
成分濃度を測定するためのシステムである。

【００２２】このシステムは、大別して、試料１に対し
光を照射する部分２（以下、発光系という。）と、試料
１を透過してきた光をその受光量に応じたレベルの電気
信号に変換し、最終的に測定出力を得る部分３（以下、
測定系という。）とから構成されている。

【００２３】(1) 発光系２発光系２は、光分子振動波長λ₁ を有する光を発し試料
１に照射する第１の発光体２１例えば発光ダイオード
と、ベース波長λ₂ を有する光を発し試料１に照射する
第２の発光体２２例えば発光ダイオードとを備える。

【００２４】第１の発光ダイオード２１は第１の駆動回
路２３によって駆動され、第２の発光ダイオード２２は
第２の駆動回路２４によって駆動される。

【００２５】第１の駆動回路２３は、第１のスイッチン
グ素子２３ａ例えばトランジスタと、第１の電流調整素
子２３ｂ例えば可変抵抗とを備え、第２の駆動回路２４
は、第２のスイッチング素子２４ａ例えばトランジスタ
と、第２の電流調整素子２４ｂ例えば可変抵抗とを備え
る。

【００２６】第１のトランジスタ２３ａ及び第２のトラ
ンジスタ２４ａは、制御回路２５例えば矩形波発生回路
の矩形波信号（図１図示波形（ａ）参照）例えば周波数
１ｋＨｚの矩形波信号によってスイッチング制御され、
矩形波信号ａに同期して第１の発光ダイオード２１及び
第２の発光ダイオード２２に対し交互に駆動電流を流し
発光させる。

【００２７】第１の可変抵抗２３ｂ及び第２の可変抵抗
２４ｂは、それぞれ、第１の発光ダイオード２１の駆動
電流及び第２の発光ダイオード２２の駆動電流を調整す
る（図１図示波形（ｂ）参照）、換言すると、第１の発
光ダイオード２１の発光レベル及び第２の発光ダイオー
ド２２の発光レベルを調整するものであり、第１の発光
ダイオード２１の発光レベルと第２の発光ダイオード２
２の発光レベルとが異なるよう、第１、第２の可変抵抗
２４ａ、２４ｂは調整される。

【００２８】(2) 測定系３測定系３は、試料１を透過してきた光をその受光量に応
じたレベルの電気信号に変換する光電変換素子３１例え
ばフォトダイオードを備える。

【００２９】フォトダイオード３１には、このフォトダ
イオード３１に流れる電流（図１図示波形（ｃ）参照）
を増幅する電流増幅回路３２が接続されている。

【００３０】電流増幅回路３２の出力側には、演算回路
３３例えば割算回路が接続されている。演算回路３３
は、電流増幅回路３２の出力（図１図示波形（ｄ）参
照）を正規化するものであり、電流増幅回路３２からの
入力ｄを矩形波発生回路２５の出力側に接続された絶対
値生成回路３４からの入力（図１図示波形（ｅ）参照）
で割算し、電流増幅回路３２の出力ｄに含まれる発光系
２のドリフト成分を除去するためのものである。なお、
絶対値生成回路３４からの入力ｅは、電流増幅回路３２
の出力ｄと演算回路３３の出力（図１図示波形（ｆ）参
照）の両波形が揃うよう第３の可変抵抗３５及び第４の
可変抵抗３６により調整されている。

【００３１】演算回路３３の出力側には、帯域フィルタ
３７が接続されている。帯域フィルタ３７は、演算回路
３３の出力ｆから矩形波信号ａの周波数（１ｋＨｚ）以
外のノイズ成分を除去するためのものである。

【００３２】帯域フィルタ３７の出力側には、帯域フィ
ルタ３７の出力（図１図示波形（ｇ）参照）を増幅する
増幅回路３８が接続されている。

【００３３】増幅回路３８の出力側には、同期整流回路
３９が接続されている。同期整流回路３９は、帯域フィ
ルタ３７と同様、増幅回路３８の出力（図１図示波形
（ｈ）参照）から矩形波信号ａの周波数（１ｋＨｚ）以
外のノイズ成分を除去するためのものであり、この同期
整流回路３９の出力（図１図示波形（ｉ）参照）が測定
出力となる。

【００３４】次に、上記のように構成されたシステムの
動作を説明する。

【００３５】発光系２においては、矩形波発生回路２５
の矩形波信号ａに同期して第１のトランジスタ２３ａ及
び第２のトランジスタ２４ａが交互にオン、オフし、第
１の発光ダイオード２１及び第２の発光ダイオード２２
に交互に駆動電流ｂが流れ、第１の発光ダイオード２１
から光分子振動波長λ₁ を有する光が、第２の発光ダイ
オード２２からベース波長λ₂ を有する光が、試料１に
対し交互に照射される。

【００３６】ここで、第１の発光ダイオード２１の駆動
電流値及び第２の発光ダイオード２２の駆動電流値は、
それぞれ、第１の可変抵抗２３ｂ及び第２の可変抵抗２
４ｂによって調整され、第１の発光ダイオード２１の発
光レベルと第２の発光ダイオード２２の発光レベルは異
なるレベルに設定されている。

【００３７】一方、測定系３においては、フォトダイオ
ード３１に、試料１を透過してきた光の受光量に応じた
レベルの電流ｃが流れ、この電流ｃは電流増幅回路３２
によって増幅される。ここで、第１の発光ダイオード２
１の発光に対する受光量は、試料１が含有する成分濃度
に応じて変動し、この含有成分濃度は電流ｃにおいて、
第１の発光ダイオード２１に対応する電流部分のレベル
変化となって現れる（図１図示波形（ｃ）における破線
波形は、含有成分濃度が小さく光分子振動波長λ₁ の光
透過度が大きい場合の電流レベルを表している。）。

【００３８】電流増幅回路３２の出力ｄは、演算回路３
３において、その入出力波形ｄとｆがほぼ等しくなるよ
うに絶対値生成回路３４からの入力ｅで演算され正規化
される。この正規化により、電流増幅回路３２の出力ｄ
に含まれる発光系２のドリフト成分は低減又は除去され
る。

【００３９】演算回路３３の出力ｆは、帯域フィルタ３
７により、矩形波信号ａの周波数（１ｋＨｚ）以外のノ
イズ成分が除去される。ここで、帯域フィルタ３７の出
力ｇの振幅は、電流ｃにおける第１の発光ダイオード２
１に対応する電流部分のレベルと、第２の発光ダイオー
ド２２に対応する電流部分のレベルの差に比例する。

【００４０】帯域フィルタ３７の出力ｇは増幅回路３８
によって増幅される。

【００４１】増幅回路３８の出力ｈは、同期整流回路３
９により、矩形波信号ａの周波数（１ｋＨｚ）以外のノ
イズ成分が除去され、測定出力ｉとして同期整流回路３
９から出力される。

【００４２】したがって、測定出力ｉは、予め任意に設
定された値と試料１の含有成分濃度に応じた値とを加え
たレベルをもち、含有成分濃度が小さいため光分子振動
波長λ₁ の光透過度が大きい場合には、高いレベルとな
る（図１図示波形（ｃ），（ｄ），（ｆ），（ｇ），
（ｈ），（ｉ）の破線波形参照）。

【００４３】以上説明したように、本実施例による光透
過検出方法は、試料１の含有成分濃度に応じて光透過度
が変動する光分子振動波長λ₁ を有する光と、試料１の
含有成分濃度によらず光透過度がほとんど変動しないベ
ース波長λ₂ を有する光とからなる二つの光を、試料１
に対する照射光として用い、光分子振動波長λ₁ を有す
る光を試料１に照射したときの受光出力レベルと、ベー
ス波長λ₂ を有する光を試料１に照射したときの受光出
力レベルとの間で任意のレベル差が生じるよう、各々の
光の発光レベルを設定し、光分子振動波長λ₁ を有する
光を試料１に照射したときの受光出力に含まれる、試料
１の含有成分濃度に応じた変動分、を増大させた測定出
力を得るようにした。このため、測定出力の感度を増倍
させることができ、製作上の限界とされる１０^-5〜１０
^-6程度の比較的大きなゆらぎを有する発光源を用いて、
明細書冒頭に述べた現象を基盤とした含有成分濃度測定
方法の実施を可能にすることができる。

【００４４】本実施例による光透過検出方法は、演算回
路３３、帯域フィルタ３７、同期整流回路３９を設けた
ため、発光源などによるドリフト成分及びノイズ成分を
除去した測定出力を得ることができ、高分解能を達成で
きる。

【００４５】図２は、本実施例による光透過検出方法を
実施するための他のシステムの構成を示している。

【００４６】図２に示すシステムは、試料１の交換に際
して変動する光レベルを考慮し、絶対値生成回路３４の
出力レベルを基準として、演算回路３３例えば割算回路
の出力レベルをほぼ一定に保つよう構成されている。

【００４７】具体的には、電流増幅回路３２と演算回路
３３との間にＡＧＣ増幅回路４０を設ける。また、この
ＡＧＣ増幅回路４０の制御入力側に、演算回路３３の出
力のピーク値と、絶対値生成回路３４の出力のうちベー
ス波長λ₂ に対応する成分のピーク値を保持するピーク
ホールド回路４１を設ける。さらに、演算回路３３の出
力のピーク値と絶対値生成回路３４の出力の上記成分の
ピーク値との差を生成する差動増幅回路４２を設ける。
さらに、差動増幅回路４２の出力を平滑化しＡＧＣ増幅
回路４０に制御信号として入力させる積分回路４３を設
ける。

【００４８】このシステムによっても、図１のシステム
と同様、試料の含有成分濃度が微少濃度であっても、上
記現象を基盤とした含有成分濃度測定方法を実施可能に
することができる。

【００４９】図１及び図２においては、その入出力波形
ｄとｆがほぼ等しくなるようにできる演算回路３３を割
算回路として説明したが、演算回路３３は引算回路であ
ってもよく、動作上ｄとｆの条件が交流成分においてほ
ぼ等しくすればよい。引算回路は簡単に構成でき実用上
のメリットが大きい。いずれにしても、任意の設定値が
１０^-3〜１０^-4のように小さいと、割算であっても引算
であっても誤差も少なく、かつ、発光源ドリフトを除去
する効果が期待できる。

【００５０】なお、上述した実施例では、光分子振動波
長λ₁ を有する光とベース波長λ₂を有する光とを試料
１に照射するようにしているが、ベース波長λ₂ を有す
る光の代わりに、ある光分子振動波長λ₁₁に対し透過度
が増減逆方向の関係に立つ他の光分子振動波長λ₁₂（例
えば、９５８ｎｍのλ₁₁に対し１０５３ｎｍのλ₁₂）を
有する光を照射するようにしてもよい。

【００５１】この場合、透過度の変動分を上述した実施
例と比べ二倍程度に増倍させることができるため、試料
の含有成分がより微少濃度であっても高精度に含有成分
濃度を測定することが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】一実施例による光透過検出方法を実施するため
のシステムの構成図である。

【図２】他のシステムの構成図である。

【図３】本発明を説明するための説明図であり、波長と
ＰＤ電流増幅出力との関係を示すグラフである。

【図４】同じく説明図であり、含有成分濃度と光分子振
動振幅変化率又は光分子振動振幅との関係を示すグラフ
である。

【図５】波長と透過度の関係を示すグラフである。

【符号の説明】

１試料２発光系３測定系

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】試料の含有成分濃度に応じて光透過度が
変動する光分子振動波長を有する光と、前記試料の含有
成分濃度によらず光透過度がほとんど変動しないベース
波長を有する光とからなる二つの光を、前記試料に対す
る照射光として用い、前記光分子振動波長を有する光を前記試料に照射したと
きの受光出力レベルと、前記ベース波長を有する光を前
記試料に照射したときの受光出力レベルとの間で任意の
レベル差が生じるよう、前記各々の光の発光レベルを設
定し、前記光分子振動波長を有する光を前記試料に照射
したときの受光出力に含まれる、前記試料の含有成分濃
度に応じた変動分、を増大させた測定出力を得ることを
特徴とする光透過検出方法。
【請求項２】試料の含有成分濃度に応じて光透過度が
増減逆方向に変動する光分子振動波長を有する二つの光
を、前記試料に対する照射光として用い、前記二つの光のうち一方の光を前記試料に照射したとき
の受光出力レベルと、前記二つの光のうち他方の光を前
記試料に照射したときの受光出力レベルとの間で任意の
レベル差が生じるよう、前記各々の光の発光レベルを設
定し、前記二つの光を前記試料に照射したときの受光出
力に含まれる、前記試料の含有成分濃度に応じた変動
分、を増大させた測定出力を得ることを特徴とする光透
過検出方法。
【請求項３】ドリフト及びノイズを除去した測定出力
を得ることを特徴とする請求項１または請求項２に記載
の光透過検出方法。