KR101627444B1 - 분광 특성 측정 장치 및 분광 특성 측정 방법 - Google Patents

분광 특성 측정 장치 및 분광 특성 측정 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 측정 대상으로부터 발사된 측정광을 고정 미러부와 가동 미러부에 입사시켜, 상기 고정 미러부에 의해서 반사된 측정광과 상기 가동 미러부에 의해서 반사된 측정광의 간섭광을 형성한다. 이때, 상기 가동 미러부를 이동시킴으로써 측정광의 간섭광 강도 변화를 얻고, 이 변화에 기초하여 측정광의 인터페로그램을 구한다. 또, 동시에, 측정광의 파장 대역의 일부인 협대역 파장의 참조광을, 상기 고정 미러부와 상기 가동 미러부에 입사시켜, 그 고정 미러부에 의해서 반사된 참조광과 그 가동 미러부에 의해서 반사된 참조광의 간섭광을 형성한다. 이때, 상기 가동 미러부를 이동시킴으로써 참조광의 간섭광 강도 변화의 진폭, 및 상기 측정광 중 상기 참조광과 같은 파장의 측정광과 상기 참조광의 위상차에 기초하여 상기 측정광의 인터페로그램을 보정하고, 보정 후의 인터페로그램에 기초하여 상기 측정광의 스펙트럼을 구한다.

Description

분광 특성 측정 장치 및 분광 특성 측정 방법{SPECTRAL CHARACTERISTICS MEASUREMENT DEVICE AND METHOD FOR MEASURING SPECTRAL CHARACTERISTICS}
본 발명은 혈당이나 혈중 콜레스테롤 등의 인체 내의 생체(生體) 성분을 비침습(noninvasive)으로 측정하거나, 반도체의 결함 평가에 이용할 수 있는 분광 특성 측정 장치 및 분광 특성 측정 방법에 관한 것이다.
당뇨병이나 고지혈증 등, 다양한 질병에 있어서, 혈중 글루코오스(혈당)나 혈중 콜레스테롤과 같은 혈액 중의 생체 성분의 관리는 그 예방 및 치료를 위해서 중요하다. 그렇지만, 혈액 중의 생체 성분을 측정하기 위해서는, 통상, 미량이더라도 혈액을 채취하지 않으면 안 되어, 고통을 수반한다. 또, 채혈 부위의 소독이나 소모품의 처리 등의 번거로운 작업이 필요하기 때문에, 예를 들면 예방 목적으로 생체 성분을 측정하기 위한 채혈을 일상적으로 실시하는 것은 꺼리어 멀리하게 된다.
이것에 대하여, 혈액을 채취하지 않고 생체 성분을 측정하는 비침습의 측정 장치가 제안되어 있다. 그 하나로서 특허 문헌 1에는, 생체의 피검 부위에 광을 조사하여, 그 결과, 그 피검 부위의 내부의 생체 성분으로부터 발사되는 광(물체광(物體光))의 분광 특성으로부터 생체 성분을 구하는 수법이 기재되어 있다.
특허 문헌 1에 기재된 수법에서는, 생체 성분을 광학적으로 구성하는 각 휘점(輝點)으로부터 생기는 물체광속의 간섭 현상을 이용함으로써 생체 성분의 인터페로그램(interferogram)을 구하고, 이 인터페로그램을 푸리에 변환함으로써 물체광의 분광 특성(스펙트럼)을 취득한다. 구체적으로는, 각 휘점으로부터 생기는 투과광이나 확산·산란광 등의 물체광을, 대물 렌즈를 통해서 위상 시프터인 고정 미러부와 가동 미러부로 안내하고, 이들 2개의 미러부로부터 반사되는 물체광속을 결상면(結像面)에서 간섭시킨다. 가동 미러부는 피에조 소자 등에 의해 이동되도록 되어 있고, 그 가동 미러부의 이동량에 따른 위상차가 고정 미러부와 가동 미러부로부터 반사되는 물체광속에 부여되어, 그것에 따라 간섭광의 강도가 변화하여, 이른바 인터페로그램을 형성한다. 이 인터페로그램을 푸리에 변환함으로써 물체광의 분광 특성(스펙트럼)을 취득할 수 있다.
특허 문헌 1: 일본국 특개 2008-309707호 공보
질병의 예방이나 치료를 위해서는, 혈액에 포함된 혈당(글루코오스)이나 콜레스테롤 등의 생체 성분의 농도를 측정하는 것이 유효하다. 예방 시에는, 이들 특정 성분의 소정 모집단(母集團)의 평균 농도치에 대한 특정 개인의 농도치가 의미가 있고, 치료 시에는, 환자의 농도치의 변화를 계속적으로 측정하는 것이 유효하다. 어느 경우에 있어서도, 그들 차나 변화는 미소한 것이기 때문에, 농도치의 측정은 고정밀도로 행할 필요가 있다.
혈액 중의 혈당(글루코오스)이나 콜레스테롤 등의 생체 성분의 농도치는, 혈관에 광을 조사하여 그것을 투과한 광, 또는, 반사된 광 중의, 그들 특정 성분이 흡수 또는 반사하는 (1 또는 복수의) 특정 파장의 광의 강도를 측정함으로써 구할 수 있다. 그러나 종래의 방법에서는, 광원 광량의 변화나 온도·습도 등의 주위 환경의 변화, 가동 미러부의 이동 오차 등의 외란에 의해서 측정광의 강도가 변화되어 버려, 특정 성분의 농도를 고정밀도로 측정할 수 없다고 하는 문제가 있었다.
이러한 문제는, 반도체 기판에 광을 조사했을 때에 그 반도체 기판으로부터 발사되는 광의 분광 특성으로부터, 반도체 기판의 미소한 결함을 검출하는 경우 등에도 생긴다.
본 발명이 해결하려고 하는 과제는, 외란의 영향을 억제하여 측정 대상의 분광 특성을 고정밀도로 측정할 수 있는 분광 특성 측정 장치 및 분광 특성 측정 방법을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위해서 이루어진 본 발명의 분광 특성 측정 장치는,
a) 고정 반사부 및 가동 반사부와,
b) 측정 대상으로부터 발사된 측정광을 상기 고정 반사부와 상기 가동 반사부에 입사시키는 입사 광학계와,
c) 상기 고정 반사부에 의해서 반사된 광과 상기 가동 반사부에 의해서 반사된 광의 간섭광을 형성하는 결상 광학계와,
d) 상기 결상 광학계에 의해 형성된 상기 측정광의 간섭광 강도를 검출하는 측정광 검출부와,
e) 상기 가동 반사부를 이동시킴으로써 얻어지는 상기 측정광의 간섭광 강도 변화에 기초하여 상기 측정광의 인터페로그램을 구하는 처리부와,
f) 상기 측정광의 파장 대역의 일부인 협대역(狹帶域) 파장의 참조광을, 상기 고정 반사부와 상기 가동 반사부에 입사시키는 참조광 입사 수단과,
g) 상기 결상 광학계에 의해서 형성된 상기 참조광의 간섭광 강도를 검출하는 참조광 검출부와,
h) 상기 가동 반사부를 이동시킴으로써 상기 참조광 검출부에서 검출되는 상기 참조광의 간섭광 강도 변화의 진폭, 및 상기 측정광 중 상기 참조광과 같은 파장인 협대역 파장의 측정광과 상기 참조광의 위상차에 기초하여, 상기 측정광의 인터페로그램을 보정하고, 보정 후의 상기 측정광의 인터페로그램에 기초하여 상기 측정광의 스펙트럼을 구하는 연산 처리부를 구비하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 「협대역 파장의 광」이란, 피크 파장을 중심으로 하는 ±30nm의 파장 범위, 혹은 이것보다도 좁은 파장 범위의 광을 말하고, 반도체 레이저 광원(레이저 다이오드)으로부터 출사되는 단일 파장 레이저광도 협대역 파장의 광에 해당한다.
상기 구성의 분광 특성 측정 장치에 있어서는,
상기 참조광 입사 수단을, 광원과, 그 광원으로부터 출사된 광의 1차 회절광을 참조광으로서 상기 입사 광학계에 입사시키는 반사형의 회절 격자로 구성할 수 있다.
추가로, 상기 분광 특성 측정 장치는 광투과성 부재로 이루어진 판(板) 모양의 창부(窓部)를 포함하여 바람직하게 구성될 수 있고, 그 양면 중 한쪽이 상기 측정 대상이 재치(載置)되는 재치면이고, 다른 쪽이 광조사면인 창부를 구비하고,
상기 회절 격자가, 상기 광조사면의 일부 영역에 마련되고,
상기 광원이, 상기 광조사면에 광이 조사되었을 때에 발생하는 정반사광이 상기 입사 광학계에 입사되지 않는 각도로, 상기 광조사면의 전체에 광을 조사하도록 구성하면 좋다.
이러한 구성이 있어서는, 창부의 광조사면 중 회절 격자를 제외한 영역에 조사된 광은, 창부를 통하여 측정 대상에 이른다. 그 결과, 측정 대상으로부터 산란광이나 형광 등의 측정광이 발사되고, 그 측정광은 창부를 통해 입사 광학계에 이른다. 반면, 창부의 광조사면 중 회절 격자에 조사된 광은, 그 파장 및 입사각, 및 회절 격자의 격자 주기 등에 의해서 정해지는 출사각의 1차 회절광이 참조광으로서 입사 광학계에 입사된다. 즉, 측정광과 참조광을 생성시키기 위한 광원을 공통화할 수 있기 때문에, 장치의 소형화를 도모할 수 있다.
또, 상기 구성에서는, 광원으로부터의 광을 창부의 광조사면에 조사시켰을 때에 생기는 정반사광(0차광)은 입사 광학계에 입사시키지 않고, 1차 회절광을 참조광으로서 입사 광학계에 입사시켰다. 정반사광에 비하면 1차 회절광의 광량은 매우 작지만, 그 1차 회절광과 마찬가지로 목적 성분으로부터 발사되는 광의 광량도 매우 작기 때문에, 측정광과 참조광의 밸런스를 유지할 수 있다.
또, 상기 구성의 분광 특성 측정 장치에 있어서는,
상기 참조광 입사 수단을, 상기 측정광의 파장 대역의 일부인 협대역의 광을 출사하는 광원과, 상기 광원으로부터 출사된 광을 반사하여 상기 입사 광학계에 입사시키는 반사막으로 구성할 수도 있다.
또, 본 발명의 분광 특성 측정 방법은,
a) 측정 대상으로부터 발사된 측정광을 입사 광학계에 의해서 고정 반사부와 가동 반사부에 입사시켜서,
b) 상기 고정 반사부에 의해서 반사된 광과 상기 가동 반사부에 의해서 반사된 광의 간섭광을 형성시키고,
c) 상기 가동 반사부를 이동시킴으로써 얻어지는 상기 측정광의 간섭광 강도 변화에 기초하여 상기 측정광의 인터페로그램을 구하며,
d) 상기 측정광의 파장 대역의 일부인 협대역 파장의 참조광을, 고정 반사부 및 가동 반사부에 입사시켜서,
e) 상기 고정 반사부에 의해서 반사된 참조광과 상기 가동 반사부에 의해서 반사된 참조광의 간섭광 강도를 검출하며,
f) 상기 가동 반사부를 이동시킴으로써 얻어지는 참조광의 간섭광 강도 변화의 진폭, 및 상기 측정광 중 상기 참조광과 같은 파장인 협대역 파장의 측정광과 상기 참조광의 위상차에 기초하여, 상기 측정광의 인터페로그램을 보정하고, 보정 후의 상기 측정광의 인터페로그램에 기초하여 상기 측정광의 스펙트럼을 구하는 것을 특징으로 한다.
상기 생체 성분 측정 방법에 있어서는,
광원으로부터 회절 격자에 조사함으로써 그 회절 격자에서 생기는 1차 회절광을 참조광으로서 상기 입사 광학계에 입사시키면 좋다.
상기 생체 성분 측정 방법에 있어서는, 회절 격자는 광투과성 부재로 이루어진 판 모양의 창부일 수 있으며, 그 양면 중 한쪽이 상기 측정 대상이 재치되는 재치면이고, 다른 쪽 면이 광조사면인 창부의, 그 광조사면의 일부 영역에 상기 회절 격자를 마련하며,
상기 광원이, 상기 광조사면에 광이 조사되었을 때에 발생하는 정반사광이 상기 입사 광학계에 입사되지 않는 각도로, 상기 광조사면의 전체에 광을 조사하면 좋다.
또, 상기 구성의 분광 특성 측정 방법에 있어서는, 상기 측정광의 파장 대역의 일부인 협대역의 광을 광원으로부터 반사막에 조사하고, 그 반사막에서 반사된 광을 참조광으로서 상기 입사 광학계에 입사시키도록 해도 좋다.
본 발명에서는, 측정 대상으로부터 발사되는 산란광이나 형광 등의 측정광을 2개의 광으로 분할함과 아울러 이들 2개의 측정광에 위상차를 주어, 그 2개의 측정광의 간섭 현상을 이용하여 측정광의 인터페로그램을 구하고, 이 인터페로그램을 푸리에 변환함으로써 측정광 스펙트럼(분광 특성)을 취득한다. 예를 들면 혈당치를 측정하는 경우는, 혈당(글루코오스)에 광이 조사됨으로써 발생하는 산란광의 분광 특성을 측정함으로써, 혈액 중의 혈당치의 양을 비침습적으로 측정할 수 있다. 이때, 혈당으로부터 발사되는 산란광은 매우 미약하고, 가동 반사부의 이동 오차나 광원 광량의 변동 등의 외란에 의해서 혈당의 분광 특성이 변화한다. 여기서, 본 발명에서는, 측정광과 마찬가지로 참조광을 입사 광학계에 의해서 고정 반사부와 가동 반사부에 입사시켜, 이들 반사부에 의해서 2개의 반사광으로 분할하여 간섭광을 형성시켜, 이 간섭광 강도 변화의 진폭과 위상차에 기초하여 측정광의 인터페로그램을 보정하도록 했기 때문에, 측정광의 분광 특성을 정밀도 좋게 구할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 혈당치 센서의 전체 구성을 나타내는 개략도이다.
도 2는 검출부의 수광면을 나타내는 도면이다.
도 3은 간섭광 강도 변화와 인터페로그램, 분광 특성의 설명도이다.
도 4는 회절 격자로부터 대물 렌즈에 입사되는 1차 회절광의 파장, 회절각의 설명도이다.
도 5는 회절 격자로부터의 1차 회절광을 나타내는 정면도 (a) 및 측면도 (b) 및 1차 회절광을 입체적으로 나타내는 도면 (c)이다.
도 6은 측정광의 인터페로그램 (a)과 1차 회절광의 간섭광 강도 변화 (b)의 관계를 나타내는 도면이다.
도 7은 측정 결과를 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 혈당치 센서에 이용되는 창부를 나타내는 사시도 (a) 및 상면도(b)이다.
도 9는 회절 격자의 제2 돌출부(projection)로부터 대물 렌즈에 입사되는 1차 회절광의 파장, 회절각의 설명도이다.
도 10은 회절 격자로부터의 1차 회절광을 나타내는 정면도 (a) 및 측면도 (b)이다.
도 11은 본 발명의 제3 실시예에 따른 혈당치 센서의 전체 구성을 나타내는 개략도이다.
이하, 본 발명을 혈당치 센서에 적용한 구체적인 실시예에 대해 도면을 참조하여 설명한다.
실시예 1
도 1은 본 실시예에 따른 혈당치 센서(10)의 전체 구성을 나타내고 있다. 혈당치 센서(10)는, 구형(矩形) 상자 모양의 케이싱(12)과, 이 케이싱(12)의 외주 측면 중 하나, 예를 들면 상면에 고정된 구형 판 모양의 창부(14)와, 케이싱(12) 내에 수용된 분광 측정부(16)로 구성되어 있다.
케이싱(12)은, 예를 들면 플라스틱이나 금속 등의 광을 투과시키지 않는 재료로 제작되어 있다. 창부(14)는 광투과성을 가지는 재료로 제작되어 있고, 후술하는 것처럼, 그 상면에 측정 대상인 예를 들면 손의 손가락 끝이 재치된다. 따라서 창부(14)의 상면이 재치면이 된다. 한편, 케이싱(12) 내에 위치하는 창부(14)의 하면인 광조사면의 일부에는 회절 격자가 형성되어 있다. 이 실시예에서는, 창부(14)의 대향하는 2변을 따라서 연장되는 2개의 회절 격자(20, 21)가 형성되어 있다. 이하의 설명에서는, 창부(14)의 광조사면 중 2개의 회절 격자(20, 21)가 형성된 영역을 참조광 영역, 그 이외의 영역을 측정광 영역이라고도 부른다. 각 회절 격자(20, 21)는, 모두 2변과 평행한 복수 라인의 돌출부로 이루어진다. 본 실시예에서는, 이들 돌출부의 간격은 1.1㎛로 설정되어 있다.
분광 측정부(16)는 광원(161), 대물 렌즈(162), 위상 시프터(163), 결상 렌즈(164), 검출부(165)로 구성되어 있다. 본 실시예에서는, 대물 렌즈(162) 및 결상 렌즈(164)가 각각 입사 광학계 및 결상 광학계에 상당한다. 대물 렌즈(162)는 창부(14)의 광조사면과 대향 배치되어 있다. 한편, 결상 렌즈(164)는 대물 렌즈(162)와 광축이 직교하는 방향으로 배치되어 있다.
광원(161)은 피부의 투과성이 좋은, 파장이 1㎛ 부근인 근적외광을 출사하는 광원이 이용되고 있으며, 그 출사광이 창부(14)의 광조사면에 조사되었을 때에 정반사광이 대물 렌즈(162)에 입사되지 않고, 또한, 상기 회절 격자(20, 21)에 조사되었을 때에 생성되는 1차 회절광이 대물 렌즈(162)에 입사되도록 하는 방향으로 배치되어 있다. 회절 격자(20, 21)로부터의 1차 회절광은 참조광으로서 이용되는 것이며, 따라서 본 실시예에서는, 광원(161) 및 회절 격자(20, 21)로 참조광 입사 수단이 구성된다.
검출부(165)는 예를 들면 16×16 화소의 이차원 CCD(Charge Coupled Device) 카메라로 구성되어 있고, 결상 렌즈(164)의 결상면에 검출부(165)의 수광면(165a)이 위치하도록 배치되어 있다.
도 2는 검출부(165)의 수광면(165a)을 개략적으로 나타내는 도면이다. 또한, 여기에서는 편의상 화소수를 10×10으로 하여 설명한다. 이 도 2에 도시된 바와 같이, 검출부(165)의 수광면(165a)에는 다수의 화소가 배치되어 있고, 그 중 상단의 20개(2×10) 및 하단의 20개의 화소에 각각 회절 격자(20) 및 회절 격자(21)에 의해 생긴 1차 회절광(참조광)이 결상된다. 따라서 이들 화소가 참조광 검출부가 된다. 또한, 참조광 검출부는 상단 및 하단의 좌우 양측에 위치하는 2개씩의 화소, 합계 4개의 화소를 제외한 16개씩의 화소로 해도 좋다. 한편, 수광면(165a) 중 참조광 검출부를 제외한 화소에 측정광이 결상된다. 따라서 이들 화소가 본 발명의 측정광 검출부가 된다. 또한, 실제는 창부(14)의 재치면에 재치된 손가락 끝의 화상 F가 나타내는 부분에 위치하는 화소에 측정광이 결상되게 된다.
또, 자세한 것은 후술하는 것처럼, 검출부(165)의 검출 신호는 처리부(42)에 입력되도록 되어 있다. 처리부(42)는 검출부(165)로부터의 검출 신호로부터 인터페로그램을 구한다. 이 인터페로그램은 연산 처리부(43)에 의해서 수학적으로 푸리에 변환되고, 그 결과, 측정광의 파장 마다의 상대 강도인 분광 특성(스펙트럼)이 얻어진다.
위상 시프터(163)는 대물 렌즈(162)와 결상 렌즈(164)의 사이에 배치되어 있다. 위상 시프터(163)는 고정 미러부(31) 및 가동 미러부(32), 및 가동 미러부(32)를 이동시키는 구동 기구(33)로 구성되어 있다. 고정 미러부(31) 및 가동 미러부(32)가 각각 본 발명의 고정 반사부 및 가동 반사부에 상당한다. 고정 미러부(31) 및 가동 미러부(32)는, 모두 대물 렌즈(162)의 광축 및 결상 렌즈(164)의 광축에 대해서 45°의 각도로 경사진 구형 모양의 반사면을 가지고 있다. 양 미러부의 반사면은, 매우 좁은 극간(隙間)을 두고 나란하게 배치되어 있다.
구동 기구(33)는, 예를 들면 정전 용량 센서를 구비하는 압전 소자로 구성되어 있고, 제어부(40)로부터의 신호를 받아, 광축에 대한 반사면의 경사 각도를 45°로 유지한 상태로 가동 미러부(32)를 화살표 A방향으로 이동시킨다. 이러한 구성에 의해, 고정 미러부(31)에 대한 가동 미러부(32)의 상대 위치가 변화하여, 고정 미러부(31)에서 반사된 광속, 및 가동 미러부(32)에서 반사된 광속의 사이에 위상차가 부여된다.
구체적으로는, 가동 미러부(32)의 대물 렌즈(162) 혹은 결상 렌즈(164)의 광축 방향의 이동량은, 가동 미러부(32)의 화살표 A방향의 이동량의 1/√2가 된다. 또, 고정 광속과 가동 광속 간에 상대적인 위상 변화를 주는 광로 길이차는, 가동 미러부(32)의 광축 방향의 이동량의 2배가 된다.
다음으로, 상기 구성의 혈당치 센서(10)를 이용하여 피검사자 손의 손가락 끝의 혈액 중의 혈당(글루코오스)을 측정하는 경우의 동작에 대해 설명한다.
우선, 피검사자 손의 손가락 끝을 창부(14)의 재치면에 재치한다. 여기에서는, 손가락 끝을 창부(14)의 재치면에 재치할 뿐만 아니라, 재치면을 강하게 프레스하는 것으로 한다. 이와 같이, 강하게 프레스함으로써, 측정 중, 대물 렌즈(162)의 초점 위치(focal position)를, 손가락 끝의 내부의 소정의 위치(심도(深度))로 유지할 수 있다. 또한, 손가락 끝은 반드시 강하게 누르지 않으면 안 되는 것은 아니고, 예를 들면 손가락 끝의 표면에 가까운 영역의 혈관 중의 성분 등을 검출하는 경우에는 재치면상에 가볍게 올려놓는 정도로 해도 좋다.
손가락 끝을 창부(14)의 재치면을 프레스한 상태에서 광원(161)으로부터의 근적외광을 창부(14)의 광조사면에 조사한다. 그러면, 창부(14)의 측정광 영역에 조사된 근적외광은, 창부(14)를 통해 손가락 끝에 이르러, 손가락 끝의 피부를 투과하여 손가락 끝 내부의 여러가지 생체 성분에 의해서 산란된다. 생체 성분에 의해서 산란된 광은, 다시 손가락 끝의 피부를 거쳐 창부(14)로부터 케이싱(12) 내에 이르러, 대물 렌즈(162)에 입사된다.
손가락 끝 내부로부터 발사된 측정광으로서의 산란광은 다양한 방향으로 퍼지면서 대물 렌즈(162)에 도달하여, 평행 광속으로 되어 위상 시프터(163)의 고정 미러부(31) 및 가동 미러부(32)의 표면 전체에 이른다. 즉, 산란광의 일부는 고정 미러부(31)의 반사면에서 반사되고, 나머지의 산란광은 가동 미러부(32)의 반사면에서 반사되어, 각각, 결상 렌즈(164)에 입사된다. 또한, 이하의 설명에서는, 고정 미러부(31)에서 반사된 산란광을 고정 산란 광속, 가동 미러부(32)에서 반사된 산란광을 가동 산란 광속이라고도 부른다.
결상 렌즈(164)에 입사된 고정 산란 광속 및 가동 산란 광속은, 검출부(165)의 수광면(165a)에서 결상되어, 간섭상을 형성한다. 이때, 손가락 끝의 내부로부터 발사되는 산란광에는, 여러가지 파장의 광이 포함되어 있기 때문에, 가동 미러부(32)를 이동시켜 가동 산란 광속과 고정 산란 광속의 광로 길이차를 변화시킴으로써, 인터페로그램이라고 불리는 결상 강도 변화(간섭광 강도 변화)의 파형이 얻어지는, 이 인터페로그램을 수학적으로 푸리에 변환함으로써 분광 특성을 취득할 수 있다. 도 3에 각 파장의 광의 간섭 강도 변화(a), 인터페로그램(b), 분광 특성(c)을 나타낸다.
또, 본 실시예의 혈당치 센서(10)에서는, 손가락 끝 내부 중 대물 렌즈(162)의 특정 심도에 위치하는 초점면으로부터 발사된 산란광만이 검출부(165)의 수광면(165a)에서 결상되고, 초점면 이외에서 생긴 광은 검출부(165)의 수광면(165a)에서 결상되지 않는다. 따라서 초점면에만 심도를 한정한 손가락 끝 내부의 분광 특성이 얻어진다.
한편, 창부(14)의 참조광 영역에 조사된 근적외광은 회절 격자(20, 21)에서 반사된다. 본 실시예에서는, 광원(161)으로부터 창부(14)의 광조사면에 조사된 광의 정반사광(도 1에 있어서, 부호「L0」로 나타낸 광)은 대물 렌즈(162)에 입사되지 않는다. 이것에 대해서, 대물 렌즈(162)의 개구수, 회절 격자(20, 21)의 격자 주기(돌출부의 간격), 입사각 θin, 출사각 θout에 의해서 정해지는 특정 파장 λ의 1차 회절광이 대물 렌즈(162)에 입사된다.
본 실시예에서는, 도 4에 도시된 바와 같이, 격자 주기(돌출부의 간격) d=1.1㎛의 회절 격자에 대해서, 광원(161)으로부터의 근적외광이 입사각 45deg.로 입사하도록 구성되어 있다. 또, 개구수 N.A.=0.24(개구각=14deg.), 초점 거리=20mm, 렌즈 구경 g=φ10mm의 대물 렌즈(162)가 이용되고 있다. 이때, 대물 렌즈(162)에 입사되는 단파장측의 최소 회절각 θmin은 31deg., 그 파장 λmin은 0.566μm로 되고, 장파장측의 최대 회절각 θmax는 59deg., 그 파장 λmax는 0.943㎛로 된다. 또, 본 실시예에서는, 검출부(165)로서, 검출 파장 대역이 0.9㎛~1.7㎛인 InGaAs 카메라를 이용했다. 따라서 대물 렌즈(162)에 입사된 1차 회절광 중 검출부(165)에서 검출되는 파장 대역은 매우 좁은 파장 대역(0.9㎛~0.943㎛)이 된다.
또, 도 5에 도시된 바와 같이, 회절 격자(20, 21)로부터의 1차 회절광은, 회절 격자(20, 21)의 폭방향으로 퍼져 대물 렌즈(162)에 도달하고(도 5 (a)의 정면도 참조), 회절 격자(20, 21)가 연장되는 방향에서는 평행 광속으로서 대물 렌즈(162)에 도달한다(도 5 (b)의 측면도 참조). 즉, 도 5 (c)에 도시된 바와 같은 사각뿔 사다리꼴 형상의 1차 회절광이 대물 렌즈(162)에 도달한다. 이 결과, 대물 렌즈(162)에 입사된 1차 회절광은, 고정 미러부(31)와 가동 미러부(32)의 경계 부근에, 광원(161)의 크기와 동등한 폭을 가지는 띠모양의 광으로서 도달하여, 일부는 고정 미러부(31)의 반사면에서 반사되고, 나머지는 가동 미러부(32)의 반사면에서 반사되어 결상 렌즈(164)에 입사된다. 또한, 이하의 설명에서는, 고정 미러부(31)에서 반사된 1차 회절광을 고정 회절광, 가동 미러부(32)에서 반사된 1차 회절광을 가동 회절광이라고도 부른다.
결상 렌즈(164)에 입사된 고정 회절광 및 가동 회절광은, 검출부(165)의 수광면(165a)에서 결상되어, 간섭상을 형성한다. 이때, 가동 미러부(32)를 이동시켜 고정 회절광과 가동 회절광의 광로 길이차를 변화시킴으로써 간섭광 강도 변화가 얻어진다. 상술한 것처럼, 고정 회절광 및 가동 회절광은 파장 대역이 매우 좁고, 거의 단일 파장의 광이라고 할 수 있기 때문에, 여기서 얻어지는 간섭광 강도 변화의 형상은 단순한 여현파(余弦波)가 된다.
창부(14)를 통해 손가락 끝에 조사되는 광과, 회절 격자(20, 21)에서 1차 회절광을 발생시키는 광은 동일한 광원으로부터 출사되는 광이기 때문에, 광원(161)으로부터 발사되는 광 강도에 흔들림이 생겼을 경우는, 측정광(산란광)의 간섭광 강도 변화 및 1차 회절광의 간섭광 강도 변화의 양쪽 모두가 그 영향을 받는다. 또, 창부(14)로부터 검출부(165)에 이르기까지의 측정광과 1차 회절광의 광로가 공통이기 때문에, 이 공통 광로상에 외란이 발생했을 경우, 측정광의 간섭광 강도 변화 및 1차 회절광의 간섭광 강도 변화의 양쪽 모두가 외란의 영향을 받는다.
여기서, 본 실시예의 연산 처리부(43)는 1차 회절광의 간섭광 강도 변화의 진폭, 및 그 1차 회절광과 그 1차 회절광과 같은 파장의 측정광의 위상차로부터 측정광의 인터페로그램을 보정하고, 보정 후의 인터페로그램을 푸리에 변환하여 분광 특성을 구한다. 예를 들면 도 6 (a)에 도시된 바와 같은 측정광의 인터페로그램과, 도 6 (b)에 도시된 바와 같은 회절광의 간섭광 강도 변화가 얻어졌다고 하면, 측정광의 인터페로그램의 간섭광 강도를 1차 회절광의 간섭광 강도 변화의 진폭에 대한 비(比)를 이용함으로써 그 인터페로그램을 보정한다. 또, 1차 회절광과 측정광의 위상 편차량만큼 측정광의 인터페로그램의 위상을 시프트함으로써, 그 인터페로그램을 보정한다. 이것에 의해, 광원(161)의 광 강도의 흔들림, 및 광로상에 발생한 외란의 영향을 억제할 수 있어, 측정광의 인터페로그램을 정밀도 좋게 구할 수 있다.
도 7에 본 실시예의 혈당치 센서(10)를 이용하여 시험관 내의 글루코오스 농도를 측정한 결과를 나타낸다. 도 7에 도시된 바와 같이, 이론치와 완전하게 일치하지 않기는 하지만, 농도에 의존하여 흡광도(absorbance)가 높아지는 경향을 나타내어, 글루코오스 농도와 흡광도의 양호한 상관이 얻어졌다. 또, 일반적인 사람의 혈액 중의 글루코오스 농도는 약 100mg/dl이지만, 이러한 저농도에 있어서도 글루코오스 농도를 검출 가능하다는 것을 알았다.
실시예 2
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 혈당치 센서(10)에 이용되는 창부(14)의 구성을 나타내고 있다. 이 제2 실시예에서는, 창부(14)의 광조사면에 마련한 회절 격자(20, 21)를, 그 창부(14)의 한 변과 평행한 제1 돌출부와, 그 돌출부와 직교하는 제2 돌출부로 구성한 점이 제1 실시예와 다르다.
본 실시예에서는, 제1 돌출부의 간격(격자 간격)은 상기 제1 실시예의 회절 격자와 같게 했다. 한편, 제2 돌출부의 간격(회절 주기)은 d=3.9㎛로 했다. 대물 렌즈(161)의 개구수, 초점 거리, 렌즈 구경, 및 광원(162)으로부터의 근적외광의 광조사면에 대한 입사 방향은 제1 실시예와 같다. 따라서 제1 돌출부로부터는 제1 실시예와 같은 1차 회절광이 발생한다.
한편, 제2 돌출부와 근적외광의 입사 방향이 평행이기 때문에, 도 9에 도시된 바와 같이, 이 근적외광은 제2 돌출부에 대해서 입사각 0deg.로 입사된다. 이 때문에, 회절 격자(20, 21)의 제2 돌출부에서는 입사광을 사이에 두고 좌우 대칭인 1차 회절광이 출사된다. 구체적으로는, 대물 렌즈(162)에 입사되는 단파장측의 최소 회절각 θmin은 ±8.3deg., 그 1차 회절광의 파장 λmin은 0.566㎛로 되고, 장파장측의 최대 회절각 θmax는 ±14deg., 그 1차 회절광의 파장 λmax는 0.943㎛로 된다. 따라서 제2 돌출부에 있어서의 1차 회절광에 대해서도, 검출 파장 대역이 0.9㎛~1.7㎛의 InGaAs 카메라로 이루어진 검출부(165)에서 검출되는 파장 범위는 0.9㎛~0.943㎛가 된다.
이러한 구성에 의해 본 실시예에서는, 도 10에 도시된 바와 같이, 회절 격자(20, 21)로부터의 1차 회절광은, 회절 격자(20, 21)의 제1 돌출부 및 제2 돌출부의 양쪽이 연장되는 방향으로 퍼져 대물 렌즈(162)에 도달한다. 이 결과, 대물 렌즈(162)에 입사된 1차 회절광은, 제1 실시예의 혈당치 센서(10)보다도 폭이 넓은 광이, 고정 미러부(31)와 가동 미러부(32)의 경계 부분에 이른다. 이 때문에, 1차 회절광을 2분할하기 쉬워진다. 또, 제1 실시예에 비하면, 1차 회절광의 광 강도를 강하게 할 수 있다.
또한, 참조광으로서 이용하는 1차 회절광의 광 강도와 측정 대상으로부터 발사되는 측정광(산란광)의 광 강도가 가까울수록, 측정광의 인터페로그램을 정밀도 좋게 보정할 수 있다. 따라서 측정광의 광 강도에 따라서, 회절 격자(20, 21)의 형성 영역의 크기나 회절 격자를 1조의 돌출부로 구성할지 2조의 돌출부로 구성할지 적당히 결정하면 된다.
실시예 3
도 11은 본 발명의 제3 실시예에 따른 혈당치 센서(50)를 나타내고 있다. 이 제3 실시예에서는, 1차 회절광을 대신하여 레이저광을 참조광에 이용한 점이 제1 실시예와 다르다. 구체적으로는, 이 혈당치 센서(50)에서는, 창부(14)의 광조사면에 회절 격자를 대신하여 반사막(52, 53)이 마련되어 있다. 또, 케이싱(12) 내에는 레이저 광원(54)이 광원(161)과 나란하게 배치되어 있고, 그 레이저 광원(54)으로부터의 광은 렌즈(55), 미러(56) 및 빔 분할기(57)를 통해서 창부(14)의 반사막(52)에 입사되도록 되어 있다. 레이저 광원(54)은, 광원(161)으로부터 출사되는 광의 파장 대역의 일부의 협대역의 레이저광(단일 파장 레이저광)을 출사한다.
반사막(52)에 입사된 레이저 광원(54)으로부터의 단일 파장 레이저광은 그 반사막(52)에 의해서 반사되어, 대물 렌즈(162)에 입사되어 참조광으로서 이용된다.
한편, 광원(161)으로부터의 근적외광은, 반사막(53)과, 창부(14)의 광조사면 중 반사막(52, 53)을 제외한 영역에 각각 입사된다. 광조사면 중 반사막(52, 53)을 제외한 영역에 입사된 광원(161)으로부터의 근적외광은, 창부(14)를 통해 손가락 끝에 이르러, 손가락 끝 내부의 여러가지 생체 성분에 의해서 산란된다. 이 산란광은 측정광으로서 손가락 끝의 피부를 거쳐 창부(14)로부터 케이싱(12) 내에 이르러, 대물 렌즈(162)에 입사된다. 한편, 반사막(53)에 입사된 광원(161)으로부터의 근적외광은 그 반사막(53)에서 반사되어 대물 렌즈(162)에 입사되어, 참조광으로서 이용된다. 반사막(53)으로부터 대물 렌즈(162)에 입사되는 광은 정반사광이기 때문에, 손가락 끝 내로부터의 산란광에 비해 강도가 매우 크다. 그 때문에, 산란광 강도와의 밸런스를 맞추기 위해서, 반사막(53)에는 감광 필터(도시하지 않음)가 장착되어 있어, 대물 렌즈(162)에는 강도가 약한 반사광이 입사되도록 되어 있다. 또한, 레이저 광원(54)으로부터 출사되는 레이저광도, 산란광에 맞춰서 약한 강도로 설정되어 있다.
상기 구성이 있어서는, 반사막(52)에 의해서 반사되어 대물 렌즈(162)에 입사되는 레이저광, 및 반사막(53)에 의해서 반사되어 대물 렌즈(162)에 입사되는 근적외광은, 각각 위상 시프터(163)에 의해서 2개씩으로 분할된 후, 결상 렌즈(164)에 입사된다. 결상 렌즈(164)에 입사된 레이저광은 검출부(165)의 수광면(165a)에서 거의 같은 점에 집광되어, 간섭한다. 한편, 결상 렌즈(164)에 입사된 근적외광은 검출부(165)의 수광면(165a)에서 결상되어, 간섭상을 형성한다.
이때, 가동 미러부(32)를 이동시킴으로써, 참조광인 레이저광 및 근적외광의 각각에 대해 간섭광 강도 변화가 얻어진다. 레이저광은 단일 파장이기 때문에, 상술된 제1 실시예에서 설명한 1차 회절광과 마찬가지로, 간섭광 강도 변화는 단순한 여현파가 된다. 창부(14)로부터 검출부(165)에 이르기까지의 측정광(산란광)과 레이저광의 광로는 공통이기 때문에, 이 공통 광로상에 외란이 발생했을 경우, 측정광 및 레이저광의 간섭광 강도 변화의 양쪽 모두가 외란의 영향을 받는다. 따라서 본 실시예에서는, 레이저광의 간섭광 강도 변화의 진폭, 및 그 레이저광의 측정광의 위상차로부터 측정광의 인터페로그램을 보정한다. 이것에 의해, 광로상의 외란의 영향을 억제할 수 있다.
한편, 반사막(53)에 의한 근적외광의 반사광은 측정광(산란광)과 마찬가지로, 다파장이기 때문에, 그 간섭광 강도 변화는 인터페로그램이 된다. 측정광 및 반사막(53)으로부터의 반사광은, 함께 광원(161)의 광 강도의 흔들림의 영향을 받는다. 또, 측정광 및 반사막(53)으로부터의 반사광은 창부(14)로부터 검출부(165)에 이르기까지의 광로가 공통이기 때문에, 이 공통 광로상에 외란이 발생했을 경우, 측정광 및 반사막(53)으로부터의 반사광의 양쪽 모두가 외란의 영향을 받는다. 여기서, 본 실시예에서는, 반사광의 인터페로그램의 위상과 강도를 이용하여 산란광의 인터페로그램의 위상이나 강도를 보정한다. 이것에 의해, 광로상의 외란의 영향 및 광원(161)의 광의 흔들림의 영향을 억제할 수 있다.
이와 같이, 본 실시예에서는, 광원(161)으로부터의 광 및 레이저 광원(54)으로부터의 광의 양쪽 모두를 참조광으로서 이용했기 때문에, 측정광의 인터페로그램을 한층 정밀도 좋게 구할 수 있다.
또한, 본 발명은 상기한 실시예로 한정되는 것이 아니고, 적당한 변경이 가능하다. 예를 들면, 대물 렌즈를 광축 방향으로 이동시키는 구동 기구를 마련해도 좋다. 이와 같이 구성하면, 대물 렌즈의 초점 위치, 즉 측정 대상 내부의 측정점의 심도를 변경할 수 있다.
본 발명은 반도체 등의 기판에 광을 조사했을 때에 그 기판으로부터 발사되는 반사광(측정광)의 분광 특성으로부터, 기판상의 미소 결함이나 이물 등의 유무를 검출하는 장치에도 적용할 수 있다.
고정 미러부 및 가동 미러부에는, 스텐레스판의 표면을 경면(鏡面) 연마한 반사판이나, 유리 기판의 표면에 알루미늄 등의 금속막을 코팅한 반사판을 이용할 수 있다.
본 발명은 마이켈슨 간섭계를 이용하여 인터페로그램을 측정하고, 그것을 푸리에 변환함으로써 스펙트럼(분광 특성)을 구하는, 푸리에 변환 적외 분광 광도계(FT－IR)에도 적용 가능하다.
상기 실시예에서는 하나의 참조광을 이용하여 인터페로그램을 보정했지만, 복수의 참조광을 이용해도 좋다.
10, 50: 혈당치 센서
12: 케이싱
14: 창부
16: 분광 측정부
161: 광원
162: 대물 렌즈
163: 위상 시프터
164: 결상 렌즈
165: 검출부
165a: 수광면
20, 21: 회절 격자
31: 고정 미러부
32: 가동 미러부
33: 구동 기구
40: 제어부
42: 처리부
43: 연산 처리부
52, 53: 반사막

Claims (8)

  1. a) 고정 반사부 및 가동 반사부와,
    b) 측정 대상으로부터 발사된 측정광을 상기 고정 반사부와 상기 가동 반사부에 입사시키는 입사 광학계와, 여기서, 상기 고정 반사부와 상기 가동 반사부가 인접 배치되어 있고, 상기 측정광이 상기 고정 반사부와 상기 가동 반사부에 의해 규정되는 영역으로 입사하는 것과 함께, 상기 측정광의 일부가 상기 고정 반사부에 의해 반사되고, 상기 측정광의 다른 부분이 상기 가동 반사부에 의해 반사되며,
    c) 상기 고정 반사부에 의해서 반사된 광과 상기 가동 반사부에 의해서 반사된 광의 간섭광을 형성하는 결상 광학계와,
    d) 상기 결상 광학계에 의해 형성된, 상기 측정광의 간섭광 강도를 검출하는 측정광 검출부와,
    e) 상기 가동 반사부를 이동시킴으로써 얻어지는 상기 측정광의 간섭광 강도 변화에 기초하여 상기 측정광의 인터페로그램(interferogram)을 구하는 처리부와,
    f) 상기 측정광의 파장 대역의 일부인 협대역 파장(narrow wavelength band)의 참조광을, 상기 고정 반사부와 상기 가동 반사부에 입사시키는 참조광 입사 수단과,
    g) 상기 결상 광학계에 의해서 형성된 상기 참조광의 간섭광 강도를 검출하는 참조광 검출부와,
    h) 상기 가동 반사부를 이동시킴으로써 상기 참조광 검출부에서 검출되는 상기 참조광의 간섭광 강도 변화의 진폭, 및 상기 측정광 중 상기 참조광과 같은 파장인 협대역 파장의 측정광과 상기 참조광의 위상차에 기초하여, 상기 측정광의 인터페로그램을 보정하고, 보정 후의 상기 측정광의 인터페로그램에 기초하여 상기 측정광의 스펙트럼을 구하는 연산 처리부를 구비하는 것을 특징으로 하는 분광 특성 측정 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 참조광 입사 수단이,
    광원과,
    그 광원으로부터 출사된 광의 1차 회절광을 참조광으로서 상기 입사 광학계에 입사시키는 반사형의 회절 격자로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 분광 특성 측정 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    광투과성 부재로 이루어진 판 모양의 창부(窓部)로서, 그 양면 중 한쪽이 상기 측정 대상이 재치되는 재치면이고, 다른 쪽이 광조사면인 창부를 구비하며,
    상기 회절 격자가 상기 광조사면의 일부 영역에 마련되고,
    상기 광원이, 상기 광조사면에 광이 조사되었을 때에 발생하는 정반사광이 상기 입사 광학계에 입사되지 않는 각도로, 상기 광조사면의 전체에 광을 조사하는 것을 특징으로 하는 분광 특성 측정 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 참조광 입사 수단이,
    상기 측정광의 파장 대역의 일부인 협대역 광을 출사하는 광원과,
    상기 광원으로부터 출사된 광을 반사하여 상기 입사 광학계에 입사시키는 반사막으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 분광 특성 측정 장치.
  5. a) 측정 대상으로부터 발사된 측정광을 입사 광학계에 의해서 고정 반사부와 가동 반사부에 입사시키며, 여기서, 상기 고정 반사부와 상기 가동 반사부가 인접 배치되어 있고, 상기 측정광이 상기 고정 반사부와 상기 가동 반사부에 의해 규정되는 영역으로 입사하는 것과 함께, 상기 측정광의 일부가 상기 고정 반사부에 의해 반사되고, 상기 측정광의 다른 부분이 상기 가동 반사부에 의해 반사되며,
    b) 상기 고정 반사부에 의해서 반사된 광과 상기 가동 반사부에 의해서 반사된 광의 간섭광을 형성시키고,
    c) 상기 가동 반사부를 이동시킴으로써 얻어지는 상기 측정광의 간섭광 강도 변화에 기초하여 상기 측정광의 인터페로그램을 구하고,
    d) 상기 측정광의 파장 대역의 일부인 협대역 파장의 참조광을, 고정 반사부 및 가동 반사부에 입사시키고,
    e) 상기 고정 반사부에 의해서 반사된 참조광과 상기 가동 반사부에 의해서 반사된 참조광의 간섭광 강도를 검출하여,
    f) 상기 가동 반사부를 이동시킴으로써 얻어지는 참조광의 간섭광 강도 변화의 진폭, 및 상기 측정광 중 상기 참조광과 같은 파장인 협대역 파장의 측정광과 상기 참조광의 위상차에 기초하여, 상기 측정광의 인터페로그램을 보정하고, 보정 후의 상기 측정광의 인터페로그램에 기초하여 상기 측정광의 스펙트럼을 구하는 것을 특징으로 하는 분광 특성 측정 방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    광원으로부터의 광을 회절 격자에 조사함으로써 그 회절 격자에서 생기는 1차 회절광을 참조광으로서 상기 입사 광학계에 입사시키는 것을 특징으로 하는 분광 특성 측정 방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    광투과성 부재로 이루어진 판 모양의 창부로서, 그 양면 중 한쪽이 상기 측정 대상이 재치되는 재치면이고, 다른 쪽 면이 광조사면인 창부의, 그 광조사면의 일부 영역에 상기 회절 격자를 마련하고,
    상기 광원이, 상기 광조사면에 광이 조사되었을 때에 발생하는 정반사광이 상기 입사 광학계에 입사되지 않는 각도로, 상기 광조사면의 전체에 광을 조사하는 것을 특징으로 하는 분광 특성 측정 방법.
  8. 청구항 5에 있어서,
    상기 측정광의 파장 대역의 일부인 협대역 광을 광원으로부터 반사막에 조사하고, 그 반사막에서 반사된 광을 참조광으로서 상기 입사 광학계에 입사시키는 것을 특징으로 하는 분광 특성 측정 방법.
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