JPWO2016121540A1 - 分光測定装置および分光測定方法 - Google Patents
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Abstract
Description
a)固定反射部及び該固定反射部と並んで配置された、反射面に垂直な方向に移動可能な可動反射部と、
b)測定対象の表面に、電場の振動方向が入射面と平行な直線偏光であるP偏光をブリュースター角で入射させる光照射手段と、
c)前記P偏光が入射された前記測定対象から発せられた測定光を前記固定反射部および前記可動反射部に導入する導入光学系と、
d)前記固定反射部に導入され該固定反射部によって反射された測定光と前記可動反射部に導入され該可動反射部によって反射された測定光の干渉光を形成する干渉光学系と、
e)前記干渉光の強度を検出する干渉光検出部と、
f)前記可動反射部を移動させることにより前記干渉光検出部で検出される干渉光の強度の変化に基づき前記測定光のインターフェログラムを求める処理部と、
g)前記インターフェログラムをフーリエ変換することにより前記測定光のスペクトルを求める演算部と
を備えることを特徴とする。
a)測定対象の表面に、電場の振動方向が入射面と平行な直線偏光であるP偏光をブリュースター角で入射させる光照射手段と、
b)前記P偏光が入射された前記測定対象から発せられた測定光を第1測定光と第2測定光に分割する分割光学系と、
c)前記第1測定光と前記第2測定光の干渉光を形成する干渉光学系と、
d)第1測定光と第2測定光の間に連続的な光路長差を与える光路長差付与手段と、
e)前記連続的な光路長差に対応する前記干渉光の強度分布を検出するための複数の画素を有する干渉光検出部と、
f)前記干渉光検出部で検出される前記干渉光の強度分布から前記測定光のインターフェログラムを求める処理部と、
g)前記インターフェログラムをフーリエ変換することにより前記測定光のスペクトルを求める演算部と
を備えることを特徴とする。
tan θB = n2/n1
このような構成によれば、測定光に含まれる表面拡散反射光を除去することができる。
上記構成では、前記光透過性部材の載置面に指先等の測定対象を軽く押し当てることにより測定対象の表面を平坦面に近づけることができる。このため、光透過性部材を通して測定対象の表面にP偏光を入射させたときに該測定対象から発せられる表面拡散反射光を減らすことができる。この構成では、ブリュースター角は、光透過性部材の屈折率と測定対象の屈折率から求められる。
a)測定対象の表面に、電場の振動方向が入射面と平行な直線偏光であるP偏光をブリュースター角で入射させ、
b)前記P偏光が入射された前記測定対象から発せられた測定光を導入光学系によって固定反射部および該固定反射部と並んで配置された、反射面に垂直な方向に移動可能な可動反射部に導入し、
c)前記固定反射部に導入され該固定反射部によって反射された測定光と前記可動反射部に導入され該可動反射部によって反射された測定光の干渉光を干渉光学系を用いて形成し、
d)前記干渉光の強度を干渉光検出部により検出し、
e)前記可動反射部を移動させることにより前記干渉光検出部で検出される干渉光の強度の変化に基づき前記測定光のインターフェログラムを求め、
f)前記インターフェログラムをフーリエ変換することにより前記測定光のスペクトルを求めることを特徴とする。
a)測定対象の表面に、電場の振動方向が入射面と垂直な直線偏光であるP偏光をブリュースター角で入射させ、
b)前記P偏光が入射された前記測定対象から発せられた測定光を分割光学系によって第1測定光と第2測定光に分割し、
c)前記第1測定光と前記第2測定光の間に連続的な光路長差を与えた後、これら第1測定光と前記第2測定光の干渉光を干渉光学系により形成し、
d)前記連続的な光路長差に対応する前記干渉光の強度分布を、複数の画素を有する干渉光検出部により検出し、
e)前記干渉光検出部で検出される前記干渉光の強度分布から前記測定光のインターフェログラムを求め、
f)前記測定光のインターフェログラムをフーリエ変換することにより前記測定光のスペクトルを求めることを特徴とする。
前記測定対象の表面に前記P偏光がブリュースター角で入射するように前記光透過性部材の光照射面に該P偏光を照射するようにしても良い。
以上により測定光が2つに分割され、これら2つに分割された測定光の干渉光が形成される。可動反射部が移動されることにより、あるいは光路長差付与手段により2つの測定光の間に連続的な位相差が付与されるため、干渉光検出部により検出される干渉光の強度の変化から測定光のインターフェログラムが得られる。そして、このインターフェログラムをフーリエ変換することにより測定光のスペクトルを求めることで、測定対象に含まれる物質の分光特性を測定する。
[第1実施形態]
図5は本発明の第1実施形態に係る分光測定装置の概略構成図である。分光測定装置は、分光測定部10と、該分光測定部10で得られた測定結果を処理する制御装置20とから構成されている。
tan θB = n2/n1
検出部107は例えば16×16画素の二次元CCD(Charge Coupled Device)カメラから構成されており、結像レンズ106の結像面に検出部107の受光面が位置するように配置されている。
図6は本発明の第2実施形態に係る分光測定装置の概略構成図である。本実施形態では窓部を介して光源からの光が測定対象に照射される点が第1実施形態と異なる。なお、図示しないが、第2実施形態に係る分光測定装置においても、検出部107の検出信号は制御装置20に入力される。
図7は本発明の第3実施形態に係る分光測定装置の概略構成図である。本実施形態では第2偏光板を設けていない点が第1実施形態と異なる。その他の構成は第1実施形態と同じであるため、同一符号を付して説明を省略する。なお、図示しないが、第3実施形態に係る分光測定装置においても、検出部107の検出信号は制御装置20に入力される。
図8は本発明の第4実施形態に係る分光測定装置の概略構成図である。第4実施形態と第2実施形態とは位相シフタの構成及び干渉光学系が異なる。その他の構成は第2実施形態と同じであるため、第2実施形態と同一符号を付して説明を省略する。なお、図示しないが、第4実施形態に係る分光測定装置においても検出部107の検出信号は制御装置20に入力される。
図9は本発明の第5実施形態に係る分光測定装置の概略構成図である。第5実施形態では第2偏光板を設けておらず、この点が第4実施形態とは異なる。その他の構成は第4実施形態と同じであるため、同一符号を付して説明を省略する。
次に、本発明に係る分光測定装置の動作説明を第1実施形態に係る分光測定装置(図5参照)を例に挙げて説明する。ここでは、被検者の手の指先の内部の分光特性を測定する動作について説明するが、表面が平坦な測定対象の場合もほぼ同じである。
まず、指先をケーシングの開口部の位置に合わせ、この状態で光源101からの光(近赤外光)を第1偏光板102を通して指先の表面に照射する。すると、近赤外光のうちP偏光成分のみが第1偏光板102を通過して指先に入射する。このとき、光源101からの近赤外光はブリュースター角で指先の表面に入射するため、ほとんどのP偏光は指先の皮膚を透過して指先の内部に侵入する。そして、指先の表層近傍に含まれる血管内の生体成分等によって拡散され、その拡散光(内部拡散光)は再び指先の皮膚を透過し、開口を経てケーシング内に至り、対物レンズ103に入射する。指先の内部に侵入して拡散された光は偏光特性が解消されるため、内部拡散光はP偏光成分とS偏光成分の両方を含む。
続いて、測定対象に照射する光の偏光特性について検証した実験結果を図10〜図15を用いて説明する。図10は実験に用いた光学系を示す。図11A、図11Bは、それぞれP偏光、S偏光を測定対象である指先にブリュースター角で照射したときに得られた画像を示す。これらの画像から、S偏光を照射したときの方が明るい画像が観察されることが分かる。これは、P偏光の方がS偏光よりも指先の表面における拡散反射光が抑えられたためであると考えられる。また、図11Cは、測定対象と導入光学系の間に第1偏光板とクロスニコルの状態となる第2偏光板を配置してP偏光を測定対象に照射したときに得られた画像を示す、図11Cの画像は図11Aよりも更に暗いことから、表面拡散光がさらに抑えられたことが分かる。以上より、P偏光をブリュースター角で測定対象に照射するとともに測定対象と導入光学系の間にクロスニコルとなる偏光板を配置することが、測定対象の表面拡散反射光の低減に有効であることが実証された。
101…光源
102…第1偏光板
103…対物レンズ
104…第2偏光板
105…位相シフタ
106…結像レンズ
107…検出部
11…窓部
20…制御装置
201…処理部
202…演算部
203…出力装置
30…シリンドリカルレンズ
40…位相シフタ
401…第1透過部
402…第2透過部
51…固定ミラー部
52…可動ミラー部
53…駆動機構
60…位相シフタ
601…基準ミラー部
602…傾斜ミラー部
[0012]
[0013]
上記課題を解決するために成された本発明に係る分光測定装置は、
a)光入射面と光出射面が平行な第1透過型光学素子及び該第1透過型光学素子と並んで配置された、光入射面及び光出射面の一方が前記第1透過型光学素子の前記光入射面又は前記光出射面と同一面上にあり、入射面及び出射面のうちの一方に対して他方が傾斜する第2透過型光学素子を備え、前記第1透過型光学素子の光入射面に入射して光出射面から出射した光と前記第2透過型光学素子の光入射面に入射して光出射面から出射した光との間に連続的な光路長差を与える分割光学系と、
b)測定対象の表面に、電場の振動方向が入射面と平行な直線偏光であるP偏光をブリュースター角で入射させる光照射手段と、
c)前記P偏光が入射された前記測定対象から発せられた測定光を前記第1透過型光学素子の光入射面及び前記第2透過型光学素子の光入射面に導入する導入光学系と、
d)前記測定対象の表面と前記導入光学系の間、又は前記導入光学系と前記分割光学系の間に配置された、前記測定光のうち、電場の振動方向が前記P偏光の電場の振動方向と垂直な直線偏光であるS偏光を通過させ、前記P偏光を通過させない偏光板と、
e)前記第1透過型光学素子の光出射面から出射した測定光である第1測定光と前記第2透過型光学素子の光出射面から出射した測定光である第2測定光の干渉光を形成する干渉光学系と、
f)前記第1測定光と前記第2測定光の連続的な光路長差に対応する前記干渉光の強度分布を検出するための複数の画素を有する干渉光検出部と、
g)前記干渉光検出部で検出される前記干渉光の強度分布から前記測定光のインターフェログラムを求める処理部と、
h)前記インターフェログラムをフーリエ変換することにより前記測定光のスペクトルを求める演算部と
を備えることを特徴とする。
[0014]
ブリュースター角とは、屈折率が異なる2つの物質の界面に一方の物質(入射側媒質)側から他方の物質(透過側媒質)側に向けて光を入射させたとき、電場の振動方向が入射面(入射光線と反射光線を含む面)に平行な直線偏光成分(P偏光)は物質の内部に入射し、電場の振動方向が入射面に垂直な直線偏光成分(S偏光)だけが反射する角度をいう。ブリュースター角をθB、入射側媒質の屈折率をn1、透過側媒質の屈折率をn2とすると、角度θBは次の式で表される。
tan θB=n2/n1
[0015]
例えば図3は皮膚の主成分である水(屈折率1.33)と空気(屈折率1.00)の界面におけるP偏光とS偏光の入射角度ごとの反射率を示すグラフである。各偏光の反射率はフレネル反射則による式から求めた。図3から、水と空気の界面におけるブリュースター角は53[deg.]であることが分かる。
[0016]
従って、測定対象とその周りの媒質(通常は空気)の界面である表面にP偏光だけをブリュースター角で入射させるとP偏光の反射率は0となり、測定対象から発せられた測定光の多くは、測定対象の表層付近の比較的浅い部分に侵入したP偏光が該浅い部分に含まれる物質によって拡散された拡散光となる。ここで、空気中から測定対象にP偏光を入射させる場合の入射角は、空気の屈折率(=1)と測定対象の屈折率から求めることができる。
[0017]
測定対象から発せられた測定光は、
導入光学系によって分割光学系に導入されて第1測定光および第2測定光に分割され、両者の間に連続的な光路長差が与えられる。そして、干渉光学系によって2つに分割された測定光の干渉光が形成され、この干渉光の強度分布からインターフェログラムが得られる。そして、インターフェログラムをフーリエ変換することにより測定光のスペクトル(分光特性)、すなわち、測定対象の表層付近に含まれる物質の分光特性が求められるため、この分光特性から該物質の定性分析あるいは定量分析を行うことができる。
[0018]
測定対象の表面が平坦面である場合、該表面にブリュースター角で入射したP偏光の反射率は0になる。しかし、指先のように表面に多数の微小な凹凸がある測定対象の場合、該表面に入射したP偏光の全ての入射角がブリュースター角になるわけではなく、P偏光の一部は測定対象の表面で拡散反射する。このような表面拡散反射光は全てP偏光となる。一方、内部拡散光はP偏光とS偏光を含むランダム偏光となる。
[0019]
上記の分光測定装置においては、測定対象の表面と導入光学系の間、又は導入光学系と分割光学系の間に、前記測定光のうち電場が前記P偏光の電場と垂直な直線偏光であるS偏光を通過させ、前記P偏光を通過させない偏光板を配置している。
このため、本発明では、測定光に含まれる表面拡散反射光を除去することができる。
[0020]
また、上記の分光測定装置においては、前記測定対象が載置される載置面と、該載置面と反対側の面である光照射面を有する板状の光透過性部材を備えることも良い構成である。
上記構成では、前記光透過性部材の載置面に指先等の測定対象を軽く押し当てることにより測定対象の表面を平坦面に近づけることができる。このため、光透過性部材を通して測定対象の表面にP偏光を入射させたときに該測定対象から発せられる表面拡散反射光を減らすことができる。この構成では
、ブリュースター角は、光透過性部材の屈折率と測定対象の屈折率から求められる。
[0021]
[0022]
また、本発明に係る分光測定方法は、
a)測定対象の表面に、電場の振動方向が入射面と平行な直線偏光であるP偏光をブリュースター角で入射させ、
b)導入光学系により、前記P偏光が入射された前記測定対象から発せられた測定光を、光入射面と光出射面が平行な第1透過型光学素子及び該第1透過型光学素子と並んで配置された、光入射面及び光出射面の一方が前記第1透過型光学素子の前記光入射面又は前記光出射面と同一面上にあり、入射面及び出射面のうちの一方に対して他方が傾斜する第2透過型光学素子を備え、前記第1透過型光学素子の光入射面に入射して光出射面から出射した光と前記第2透過型光学素子の光入射面に入射して光出射面から出射した光との間に連続的な光路長差を与える分割光学系の前記第1透過型光学素子の入射面と前記第2透過型光学素子の入射面に導入し、
c)前記第1透過型光学素子の光出射面から出射した測定光である第1測定光と前記第2透過型光学素子の光出射面から出射した測定光である第2測定光の干渉光を干渉光学系により形成し、
d)前記第1測定光と前記第2測定光の連続的な光路長差に対応する前記干渉光の強度分布を、複数の画素を有する干渉光検出部により検出し、
e)前記干渉光検出部で検出される前記干渉光の強度分布から前記測定光のインターフェログラムを求め、
f)前記インターフェログラムをフーリエ変換することにより前記
測定光のスペクトルを求め、
前記測定対象の表面と前記導入光学系の間、又は前記導入光学系と前記分割光学系の間に配置された偏光板により、前記測定光のうち、前記電場が前記P偏光の電場と直交する直線偏光であるS偏光を通過させ、前記P偏光を通過させないことを特徴とする。
[0023]
[0024]
上記分光測定方法においては、前記測定対象が載置される載置面と、該載置面と反対側の面である光照射面を有する板状の光透過性部材を備え、
前記測定対象の表面に前記P偏光がブリュースター角で入射するように前記光透過性部材の光照射面に該P偏光を照射するようにしても良い。
発明の効果
[0025]
上記構成の本発明では、光源からの光が測定対象の表面に入射されることにより測定対象から発せられた測定光は、2つに分割されて両者の間に位相差が与えられる。そして、干渉光学系によって、2つに分割された測定光の干渉光が形成され、インターフェログラムが得られる。このインターフェログラムをフーリエ変換することにより測定光のスペクトル(分光特性)、すなわち、測定対象の表層付近に含まれる物質の分光特性が求められるため、この分光特性から該物質の定性分析あるいは定量分析を行うことができる。このとき、測定対象の表面にP偏光だけをブリュースター角で入射させるため、その反射率が0となり、測定対象から発せられた測定光の多くを、測定対象の表層付近の比較的浅い部分に侵入したP偏光が該浅い部分に含まれる物質によって拡散された拡散光にすることができる。このため、測定対象の表層付近にある物質の分光特性を精度良く求めることができる。
図面の簡単な説明
[0026]
[図1A]透過光を利用した従来の生体成分測定装置の分光光学系の主要な構成要素を示す概略図。
[図1B]光源からの光をヒトの人差し指に照射したときに得られたインターフ
Claims (10)
- a)固定反射部及び該固定反射部と並んで配置された、反射面に垂直な方向に移動可能な可動反射部と、
b)測定対象の表面に、電場の振動方向が入射面と平行な直線偏光であるP偏光をブリュースター角で入射させる光照射手段と、
c)前記P偏光が入射された前記測定対象から発せられた測定光を前記固定反射部及び前記可動反射部に導入する導入光学系と、
d)前記固定反射部に導入され該固定反射部によって反射された測定光と前記可動反射部に導入され該可動反射部によって反射された測定光の干渉光を形成する干渉光学系と、
e)前記干渉光の強度を検出する干渉光検出部と、
f)前記可動反射部を移動させることにより前記干渉光検出部で検出される干渉光の強度の変化に基づき前記測定光のインターフェログラムを求める処理部と、
g)前記インターフェログラムをフーリエ変換することにより前記測定光のスペクトルを求める演算部と
を備えることを特徴とする分光測定装置。 - a)測定対象の表面に、電場の振動方向が入射面と平行な直線偏光であるP偏光をブリュースター角で入射させる光照射手段と、
b)前記P偏光が入射された前記測定対象から発せられた測定光を第1測定光と第2測定光に分割する分割光学系と、
c)前記第1測定光と前記第2測定光の干渉光を形成する干渉光学系と、
d)第1測定光と第2測定光の間に連続的な光路長差を与える光路長差付与手段と、
e)前記連続的な光路長差に対応する前記干渉光の強度分布を検出するための複数のが祖を有する干渉光検出部と、
f)前記干渉光検出部で検出される前記干渉光の強度分布から前記測定光のインターフェログラムを求める処理部と、
g)前記インターフェログラムをフーリエ変換することにより前記測定光のスペクトルを求める演算部と
を備えることを特徴とする分光測定装置。 - 請求項1に記載の分光測定装置において、さらに、
前記測定対象の表面と前記導入光学系の間、又は前記導入光学系と前記固定反射部及び前記可動反射部の間に配置された、前記測定光のうち、電場の振動方向が前記P偏光の電場の振動方向と垂直な直線偏光であるS偏光を通過させ、前記P偏光を通過させない偏光板を備えることを特徴とする分光測定装置。 - 請求項2に記載の分光測定装置において、さらに、
前記測定対象の表面と前記分割光学系の間、又は前記分割光学系と前記光路長差付与手段の間に配置された、前記測定光のうち、電場の振動方向が前記P偏光の電場の振動方向と垂直な直線偏光であるS偏光を通過させ、前記P偏光を通過させない偏光板を備えることを特徴とする分光測定装置。 - 請求項1〜4のいずれかに記載の分光測定装置において、さらに、
前記測定対象が載置される載置面と、該載置面と反対側の面である光照射面を有する板状の光透過性部材を備えることを特徴とする分光測定装置。 - a)測定対象の表面に、電場の振動方向が入射面と平行な直線偏光であるP偏光をブリュースター角で入射させ、
b)前記P偏光が入射された前記測定対象から発せられた測定光を導入光学系によって固定反射部及び該固定反射部と並んで配置された、反射面に垂直な方向に移動可能な可動反射部に導入し、
c)前記固定反射部に導入され該固定反射部によって反射された測定光と前記可動反射部に導入され該可動反射部によって反射された測定光の干渉光を干渉光学系を用いて形成し、
d)前記干渉光の強度を干渉光検出部により検出し、
e)前記可動反射部を移動させることにより前記干渉光検出部で検出される干渉光の強度の変化に基づき前記測定光のインターフェログラムを求め、
f)前記インターフェログラムをフーリエ変換することにより前記測定光のスペクトルを求めることを特徴とする分光測定方法。 - a)測定対象の表面に、電場の振動方向が入射面と平行な直線偏光であるP偏光をブリュースター角で入射させ、
b)前記P偏光が入射された前記測定対象から発せられた測定光を分割光学系によって第1測定光と第2測定光に分割し、
c)前記第1測定光と前記第2測定光の間に連続的な光路長差を与えた後、これら第1測定光と前記第2測定光の干渉光を干渉光学系により形成し、
d)前記連続的な光路長差に対応する前記干渉光の強度分布を、複数の画素を有する干渉光検出部により検出し、
e)前記干渉光検出部で検出される前記干渉光の強度分布から前記測定光のインターフェログラムを求め、
f)前記インターフェログラムをフーリエ変換することにより前記測定光のスペクトルを求めることを特徴とする分光測定方法。 - 請求項6に記載の分光測定方法において、
前記測定対象の表面と前記導入光学系の間、又は前記導入光学系と前記固定反射部及び前記可動反射部の間に配置された偏光板により、前記測定光のうち、電場の振動方向が前記P偏光の電場の振動方向と垂直な直線偏光であるS偏光を通過させ、前記P偏光を通過させないことを特徴とする分光測定方法。 - 請求項7に記載の分光測定方法において、
前記測定対象の表面と前記分割光学系の間、又は前記分割光学系と前記光路長差付与手段の間に配置された偏光板により、前記測定光のうち、電場が前記P偏光の電場と直交する直線偏光であるS偏光を通過させ、前記P偏光を通過させないことを特徴とする分光測定方法。 - 請求項6〜9のいずれかに記載の分光測定方法において、
前記測定対象が載置される載置面と、該載置面と反対側の面である光照射面を有する板状の光透過性部材を備え、
前記測定対象の表面に前記P偏光がブリュースター角で入射するように前記光透過性部材の光照射面に該P偏光を照射することを特徴とする分光測定方法。
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