WO2019039421A1 - 分光スペクトルの測定方法、測定装置および測定プログラム - Google Patents

分光スペクトルの測定方法、測定装置および測定プログラム Download PDF

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WO2019039421A1
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phase
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background
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貴春 浅野
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興和株式会社
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/02—Details
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/28—Investigating the spectrum
    • G01J3/45—Interferometric spectrometry

Definitions

  • the present invention relates to a method of measuring a spectrum, a measuring device and a measuring program.
  • Measurement methods of reflected light, scattered light, transmitted light, fluorescence or light emission spectrum of various samples including living organisms and food are known as methods capable of nondestructively and noninvasively measuring chemical properties of samples .
  • the spectral system is selected and used according to the application from various spectral systems, but in order to measure the spectral spectrum of weak light at short time intervals, the spectral spectrum is acquired instantaneously
  • a multi-channel Fourier transform-type spectroscopic method that does not require slits is suitable.
  • an interferogram In this spectroscopic method, light incident on a spectroscope is branched through a lens, a Savart plate, a polarizer, and the like, and the branched lights interfere with each other to generate interference fringes called an interferogram. If a line sensor is arranged on this interference fringe, an interferogram can be acquired as a value (hereinafter referred to as a pixel value) proportional to the amount of light incident on each pixel of the line sensor. . Also, not all the incident light interferes, and some light reaches the line sensor without interference. Therefore, the observed interferogram has a shape in which the background light (background) derived from the light not interfered with is superimposed on the interference fringes, so that it is possible to obtain a correct spectrum even by Fourier-transforming this Can not.
  • background background
  • Patent Document 1 a method has been proposed in which the background is calculated by applying a moving average to the observed interferogram to smooth it and subtracting this from the original interferogram.
  • Patent Document 1 a method has been proposed in which the background is calculated by applying a moving average to the observed interferogram to smooth it and subtracting this from the original interferogram.
  • the background calculated by this method has a smooth shape, the high frequency component of the true background can not be reproduced, and this can be subtracted from the original interferogram to obtain a correct spectrum. It is not possible.
  • Patent Document 2 There is also proposed a method of separately measuring an interferogram in a state where the polarizer is rotated by 90 degrees (Patent Document 2). With this method, it is possible to obtain an interferogram (anti-phase interferogram) in which the background is unchanged and the contrast (phase) of the interference fringes is reversed. By calculating the difference with the order phase interferogram, a phase difference interferogram from which the background is removed is generated, and by performing Fourier transform, a correct spectrum can be obtained.
  • this method requires an automatic rotation mechanism such as a motor for driving the polarizer to rotate the polarizer each time measurement, which complicates the apparatus, and the rotation angle of the polarizer is strictly limited. The problem is that the measurement repeatability is lowered because it is different each time, and the spectrum of a moving sample such as a living biological sample can not be measured in real time due to the time required for the rotation of the polarizer. is there.
  • a so-called composite polarizer (a polarizer whose polarization direction is orthogonal in the upper half and the lower half) is used to generate an interferogram of the order phase and the antiphase, and an area as a sensor
  • a method has also been proposed in which a sensor is used to simultaneously obtain an order phase interferogram with a sensor corresponding to the upper half of an area sensor and an antiphase interferogram with a sensor corresponding to the lower half (Patent Document 3).
  • the area sensor used in this method a relatively inexpensive area sensor using a charged coupled device (CCD) or a complementary metal-oxide semiconductor (CMOS) as an imaging element can be used for measurement in the visible light region.
  • CCD charged coupled device
  • CMOS complementary metal-oxide semiconductor
  • an area sensor using InGaAs as an imaging device is required. InGaAs area sensors are more expensive than InGaAs line sensors.
  • this method also requires special optical elements such as composite polarizers. Therefore, if this method is applied to the measurement in the near infrared region, there is a concern that the manufacturing cost of the measuring apparatus will be high.
  • the technique of the present disclosure is a method, apparatus and program for measuring a spectral spectrum with high accuracy in the measurement of a spectral spectrum that generates an interferogram of order phase and antiphase by a polarizer. I will provide a.
  • the inventor of the present invention has conducted intensive studies, and the shape of the background contained in the interferogram is constant regardless of the spectrum of light incident on the spectrometer, and the magnitude of the background is , It was found to be proportional to the amount of light incident on the spectrometer. That is, once the background is acquired, only the interferogram of the ranking phase may be measured thereafter, and the background of the interferogram of the ranking phase can be calculated based on the acquired background.
  • the inventors have invented a measuring method, a measuring apparatus and a measuring program which can calculate a spectral spectrum with high accuracy only by measuring the interferogram of the order phase without rotating the polarizer by utilizing this.
  • an interferogram of a first phase and an interferogram of a second phase which is antiphase to the first phase of light transmitted through the sample are used as polarizers.
  • the calculation device An interferogram as a background is calculated from the first phase interferogram of the first phase and the second phase interferogram, and the first phase interferogram of the measurement sample and the second phase interferometry. As a background calculated from one of the interferograms of the Based on the interferogram obtained by subtracting the interferogram to calculate the spectrum of the measurement sample.
  • the polarization axis of the polarizer is changed, but the polarization axis of the polarizer is changed unless the configuration of the optical system of the measuring apparatus is changed.
  • the spectral spectrum of the measurement sample can be calculated without.
  • the calculation device is configured such that, from at least one of the interferograms, at least a part of the calculated background is overlapped with the one interferogram as the background.
  • An interferogram obtained by multiplying the pixel value by a predetermined coefficient may be subtracted.
  • the interferogram as the background may be an average of the interferogram of the first phase of the decoy sample and the interferogram of the second phase.
  • the wavelength range of the spectrum of the measurement sample may be 400 nm to 2500 nm.
  • an interferogram of a first phase and an interferogram of a second phase that is antiphase to the first phase of light transmitted through the sample are obtained.
  • a spectrum measuring apparatus having a polarizer for generating, a light receiving element for receiving an interferogram of a first phase and an interferogram of a second phase, and a calculation apparatus for calculating a spectrum
  • the calculation apparatus An interferogram as a background is calculated from the interferogram of the first phase of the simulated sample and the interferogram of the second phase, and the interferogram of the first phase of the measurement sample and the second Calculated as the background from one of the interferograms of the phase interferogram Based on the interferogram obtained by subtracting the over ferrogram calculates the spectrum of the measurement sample.
  • the calculation apparatus is configured to use the interferogram as the background such that at least a part of the background calculated from any one interferogram overlaps with the one interferogram.
  • An interferogram obtained by multiplying the pixel value by a predetermined coefficient may be subtracted.
  • the interferogram as the background may be an average of the interferogram of the first phase of the decoy sample and the interferogram of the second phase.
  • the wavelength range of the spectrum of the measurement sample may be 400 nm to 2500 nm.
  • an interferogram of the first phase and an interferogram of the second phase that is antiphase to the first phase of the sample are obtained.
  • the computer simulates An interferogram as a background is calculated from the interferogram of the first phase of the sample and the interferogram of the second phase, and the interferogram as the calculated background is stored in a storage device and measured.
  • the first phase interferogram of the sample and the second phase From either interferogram centers ferrogram, based on the interferogram obtained by subtracting the interferogram as a calculated background, to calculate the spectrum of the measurement sample. Further, in the above-described measurement program, a pixel of the interferogram as a background is generated on the computer so that at least a part of the background calculated from any one interferogram overlaps with the one interferogram. An interferogram obtained by multiplying the value by a predetermined coefficient may be subtracted. Also, the interferogram as the background may be an average of the interferogram of the first phase of the decoy sample and the interferogram of the second phase. Further, the wavelength range of the spectrum of the measurement sample may be 400 nm to 2500 nm.
  • a method, apparatus and program for measuring a spectral spectrum that accurately calculates the spectral spectrum in the measurement of a spectral spectrum that generates an interferogram of order phase and antiphase by a polarizer.
  • the spectroscopic method that can be applied to this embodiment is a multi-channel Fourier transform-type spectroscopic method that generates interferograms of order phase and antiphase by rotation of a polarizer.
  • the order phase interferogram is an example of the first phase interferogram
  • the antiphase interferogram is an example of the second phase interferogram.
  • a line sensor or an area sensor can be adopted as a light receiving element for light from the object to be measured, but by employing the line sensor, the measuring apparatus according to the present embodiment can be manufactured more inexpensively. it can.
  • an automatic rotation mechanism using a stepping motor, a servomotor or the like or a manual rotation mechanism can be adopted as a rotation mechanism of a polarizer used in the measurement apparatus, but this embodiment can be implemented by adopting a manual rotation mechanism.
  • the measuring device according to the form can be manufactured more inexpensively.
  • measurement is performed using a multichannel Fourier transform spectrometer that measures an interferogram of order phase and antiphase to calculate a spectrum by rotating a polarizer.
  • a multichannel Fourier transform spectrometer that measures an interferogram of order phase and antiphase to calculate a spectrum by rotating a polarizer.
  • the spectrum of the transmitted light of the measurement sample can be measured correctly, that is, the spectrum can be measured with the same accuracy as calculation of the spectrum by rotating the polarizer during measurement, without rotating the sample at the time of measurement of the sample .
  • the measuring device 1 includes a halogen lamp 10, an optical fiber 20, a sample holder 30, a spectroscope 40, and a calculating device 50.
  • the spectroscope 40 further includes a polarizer 41, a lens 42, a Savart plate 43, a polarizer 44 provided with a rotation mechanism, a Fourier lens 45, and a line sensor 46.
  • light emitted from the halogen lamp 10 which is a light source is guided to the sample holder 30 by the optical fiber 20.
  • a sample to be measured of a spectral spectrum is disposed.
  • the light guided to the sample holder 30 by the optical fiber 20 is irradiated to the sample.
  • the light transmitted through the sample is guided to the spectroscope 40 by the optical fiber 20.
  • the spectroscope 40 is a so-called multi-channel Fourier spectroscope, and an interferogram of light incident on the spectroscope 40 (that is, transmitted light of a sample) is acquired by the line sensor 46.
  • the rotation angle of the polarizer 44 is set to the angle at which the interferogram of the order phase is observed, and it is reversed when the polarizer is rotated +90 degrees around the traveling direction of the incident light.
  • the phase interferogram is observed, and the original order phase interferogram is observed by rotating -90 degrees about the axis.
  • the rotation mechanism which rotates a polarizer is realizable using a well-known technique.
  • the interferogram is acquired by the line sensor 46, and the data of the interferogram acquired by the line sensor 46 is sent to the calculation device 50.
  • the calculation device 50 converts the spectrum into a spectrum using the information acquired by the line sensor 46.
  • the line sensor 46 is an example of a light receiving element.
  • a value proportional to the light quantity which injected into each pixel of the line sensor is a pixel value.
  • the calculation device 50 includes a central processing unit (CPU) 51, a random access memory (RAM) 52, a hard disk drive (HDD) 53, a graphics processing unit (GPU) 54, an input interface 55, and a communication interface 56.
  • the GPU 54, the input interface 55, and the communication interface 56 are connected to the monitor 58, the input device 59, and the spectroscope 40, respectively.
  • the CPU 51, the RAM 52, the HDD 53, the GPU 54, the input interface 55, and the communication interface 56 are connected to one another via a bus 57.
  • the user of the calculation device 50 gives various instructions to the calculation device 50 using the input device 59, and confirms the processing result of the calculation device 50 on the monitor 58.
  • the CPU 51 develops the various programs stored in the HDD 53 on the RAM 52 and executes the programs, thereby executing the process related to the calculation of the spectral spectrum described below.
  • the interferogram of the sample obtained by the spectrometer 40 is converted into a spectrum by the calculation device 50.
  • the CPU 51 calculates a background serving as a reference using a simulated sample.
  • the sample holding unit 30 is provided with a simulated sample for acquiring a background serving as a reference of the spectrum.
  • water is used as an example of a simulated sample for acquiring a background serving as a reference of a spectral spectrum.
  • a 1 cm square cuvette in which 3 mL of water of a simulated sample is sealed is placed in the sample holder 30.
  • the light emitted from the halogen lamp 10 is irradiated to the simulated sample via the optical fiber 20, and the light transmitted through the simulated sample is sent to the spectrometer 40.
  • the data acquired by the line sensor 46 of the spectroscope 40 is sent to the calculation device 50.
  • the user rotates the polarizer 44 by +90 degrees to measure the interferogram.
  • an interferogram measured before rotating the polarizer 44 by +90 degrees is referred to as “interferogram of the order phase”, and an interferogram measured by rotating the polarizer 44 by +90 degrees.
  • interphases of antiphase are referred to as "interphases of antiphase”.
  • the user rotates the polarizer 44 by -90 degrees back to the original state.
  • the rotation angle of the polarizer is 90 degrees in this embodiment, an error of an angle to such an extent that it is within the range of an error permitted for measurement is naturally allowed.
  • the CPU 51 calculates each interferogram based on the data acquired by the line sensor 46 in each measurement of the measurement of the phase interferogram and the measurement of the antiphase interferogram. Further, the CPU 51 adds the interferograms of the order phase and the antiphase and divides the sum by 2 (that is, on the average) to calculate a background as a reference. The CPU 51 stores the calculated background information in the HDD 53 as an example. Next, the CPU 51 advances the processing to OP102.
  • the background subtracted from the interferogram of the measurement sample is calculated in advance by the processing of OP101.
  • the simulated sample is removed from the sample holder 30, and the measurement sample is placed on the sample holder 30.
  • Intralipos dilution liquid 0.2%) which diluted Intralipos stock solution (Intralipos infusion 20%, Otsuka Pharmaceutical Co., Ltd. make) 100 times with ultrapure water is used.
  • a 1 cm square cuvette in which 3 mL of the intralipos diluted solution of the measurement sample is sealed is placed in the sample holder 30.
  • the sample is irradiated with light, and the light transmitted through the sample reaches the line sensor 46 of the spectroscope 40.
  • the CPU 51 uses the data acquired by the line sensor 46 to measure the interferogram of the leading phase.
  • the CPU 51 multiplies the reference background obtained using the above-mentioned simulated sample by a factor to obtain the interferogram of the order phase of the measurement sample. To overlap.
  • the coefficient by which the reference background is multiplied is calculated by the CPU 51 according to the following equation (1) derived from the least squares method.
  • k is a coefficient by which the reference background is multiplied
  • i is the pixel number of the line sensor 46
  • N is the number of pixels of the line sensor 46
  • BG i is a pixel value corresponding to the reference background pixel number i
  • IF i indicates a pixel value corresponding to the pixel number i of the interferogram of the rank phase.
  • the value of k calculated for the above-mentioned measurement sample is 0.214.
  • the CPU 51 calculates the background by multiplying each pixel value of the background serving as a reference by the value of k, and subtracts the background calculated from the interferogram of the order phase of the measurement sample (hereinafter referred to as an interferogram
  • an interferogram In the description of (1), “a phase difference interferogram” is calculated, and the phase difference interferogram is subjected to Fourier transform to calculate a spectrum.
  • the CPU 51 stores the data of the spectrum of the calculated phase difference interferogram in the HDD 53, displays the spectrum on the monitor 58 (OP103), and ends the processing of the flowchart of FIG.
  • FIG. 5 shows an example of an interferogram of the order phase and the antiphase measured by the measuring device 1 and the background as a reference, of the above-described pseudo sample of water.
  • the horizontal axis of the graph of FIG. 5 represents the pixel number of the line sensor 46, and the vertical axis represents the pixel value.
  • the shape of the interferogram of the order phase (“order phase” in the figure) is bright and dark in the background (“reference BG” in FIG. It has a shape in which interference fringes that repeat are superimposed.
  • the shape of the antiphase interferogram (“antiphase” in the figure) has a common background to the order phase interferogram, while the interference fringes in which the contrast of the order phase interferogram is reversed are It has a shape that has been added. That is, the reference background is a background common to both the order phase and the antiphase interferogram.
  • FIG. 6 shows an interferogram (“order phase” in the figure) and a background (“BG” in the figure) of the order phase measured by the measuring device 1 of the intralipos diluted solution which is the measurement sample described above An example is shown.
  • the horizontal axis of the graph of FIG. 6 represents the pixel number of the line sensor 46, and the vertical axis represents the pixel value. Since the Intralipos dilution liquid is a cloudy liquid, the transmitted light quantity of the light emitted from the halogen lamp 10 is small, and as shown in FIG. 6, the interferogram of the order phase is overall compared to the case of the simulated sample. And the interferogram of the order phase of water, which is an artificial sample, is different.
  • the background calculated using the coefficient calculated above (“0.214” as an example) with respect to the background used as a reference overlaps the interferogram of the rank phase, and an interfero of the rank phase It can be seen that it has a shape that properly reflects the background of the gram.
  • the ratio of the pixel value of each pixel of the line sensor 46 can be used as an index of the degree of overlap between the background and the interferogram of the order phase calculated using the coefficient.
  • the ratio of the pixel value of the first pixel of the line sensor 46 in the measurement of the background to the pixel value of the first pixel of the line sensor 46 in the measurement of the interferogram of the first phase is 1.022 is there.
  • the pixel value of the first pixel of the line sensor 46 in the background measurement calculated using the coefficient is 3 for the pixel value of the first pixel of the line sensor 46 in the measurement of the interferogram of the order phase. It means that it overlaps within%.
  • FIG. 7 shows an example of a phase difference interferogram (“phase difference (order phase -BG)” in the figure) obtained by subtracting the background from the interferogram (“order phase” in the figure) of the order phase of the measurement sample described above
  • phase difference order phase
  • FIG. 8 shows a spectrum obtained by subjecting the phase difference interferogram to Fourier transform ("the present embodiment” in the figure) and a spectrum obtained by subjecting the order phase interferogram to Fourier transform (in the figure An example of “order phase” is shown.
  • the horizontal axis of the graph of FIG. 8 represents the wavelength (nm), and the vertical axis represents the light amount.
  • the interferograms of the order phase and the antiphase of the measurement sample are measured.
  • An example of the spectrum calculated by Fourier-transforming the phase difference interferogram obtained by calculating the difference of the interferogram of a precedence phase and the interferogram of antiphase is shown.
  • the horizontal axis of the graph of FIG. 9 represents the wavelength (nm), and the vertical axis represents the light amount.
  • the graph shape of the spectrum (“preceding phase” in the figure) obtained by subjecting the interferogram of the order phase of the measurement sample to the Fourier transform as it is is uneven because noise is included.
  • the spectral spectrum (“the present embodiment” in the figure) calculated by Fourier-transforming the phase difference interferogram according to the above description of the present embodiment is the same as the shape but the interferogram of the order phase is used as it is. Compared to the case of Fourier transform, it has a smoother shape with less noise. Further, the spectrum calculated by the present embodiment is in good agreement with the spectrum illustrated in FIG. 9, that is, the spectrum measured while rotating the polarizer. From this, according to the present embodiment, while making the optical configuration of the measuring device 1 cheaper than the optical configuration of the conventional measuring device, it is possible to perform the measurement without concern that the measurement accuracy is lowered.
  • the present embodiment by appropriately multiplying the background, which is a reference obtained in the measurement of the spectrum for the false sample, by an appropriate factor, it is included in the interferogram of the order phase obtained in the measurement of the spectrum for the measurement sample. Background can be accurately estimated. Therefore, according to the present embodiment, when measuring the measurement sample, it is possible to correctly calculate the spectrum of the transmitted light of the measurement sample without rotating the polarizer.
  • filter paper is used as a simulated sample in order to acquire a spectrum of a background serving as a reference.
  • a filter paper is placed on the sample holder 30, and after measuring the interferogram of the order phase, the polarizer 44 is rotated by +90 degrees as in the first embodiment to measure the interferogram of antiphase. Thereafter, as in the first embodiment, the polarizer 44 is rotated by ⁇ 90 degrees to return to the original state.
  • the CPU 51 adds the interferograms of each of the order phase and the antiphase, and divides the sum by 2 (that is, on the average) to calculate a reference background.
  • the CPU 51 stores the calculated background information in the HDD 53 as an example.
  • the filter paper is removed from the sample holding unit 30, and the finger of the subject is fixed to the sample holding unit 30.
  • the interferogram of the ranking phase is measured for 10 seconds (for example, 200 times at intervals of 50 msec).
  • the CPU 51 multiplies the reference background with a coefficient by which the reference background is multiplied for the interferogram of the ranking phase in each measurement. It determines according to said Formula (1).
  • the value of k calculated is, for example, 1.021 to 1.081, but the range of possible values of k is not limited to this.
  • the CPU 51 multiplies the reference background by the coefficient of each time calculated as described above, and uses it as the background of the interferogram of the ranking phase in each measurement. Furthermore, the CPU 51 subtracts the background from the interferogram of the order phase of the measurement sample to calculate a phase difference interferogram, and Fourier-transforms the calculated phase difference interferogram to calculate a spectrum.
  • the CPU 51 stores the data of the calculated spectral spectrum in the HDD 53, displays the spectral spectrum on the monitor 58, and ends the processing of the flowchart of FIG.
  • FIG. 10 shows an example of the interferogram of the order phase and the antiphase of the filter paper which is a false sample, and the background serving as a reference.
  • the horizontal axis of the graph of FIG. 10 represents the pixel number of the line sensor 46, and the vertical axis represents the pixel value.
  • the shape of the interferogram of the order of the order of the filter paper has interference fringes that repeat light and dark in the background that becomes a loose convex shape near the center (pixel number 250) of the horizontal axis of the graph illustrated in FIG. It has a shape that has been added.
  • the antiphase interferogram has a common background with the order phase interferogram, and has a shape in which interference fringes in which the contrast of the order phase interferogram is reversed are added. That is, the reference background is a background common to both the order phase and the antiphase interferogram.
  • FIG. 11 shows an example of an interferogram of the precedence phase in each measurement in the case of measuring the spectrum of the human finger at the above-mentioned measurement intervals.
  • the horizontal axis of the graph of FIG. 11 represents the pixel number of the line sensor 46, and the vertical axis represents the pixel value.
  • interferograms of the order phase in each measurement are shown superimposed on each other. Since the amount of transmitted light fluctuates due to the pulsation of the finger, as shown in FIG. 11, the interferograms of the order phases in each measurement are vertically shifted and overlapped. Further, FIG.
  • FIG. 12 shows an example of an interferogram of the precedence phase and a background measured after the first 50 msec from the start of measurement in the measurement of the interferogram shown in FIG.
  • the horizontal axis of the graph of FIG. 12 represents the pixel number of the line sensor 46, and the vertical axis represents the pixel value.
  • the background calculated using a coefficient (for example, 1.058) with respect to the reference background overlaps the interferogram of the order phase. That is, it can be seen that the shape is appropriately reflecting the background of the interferogram of the ranking phase.
  • the ratio of the pixel value of the first pixel of the line sensor 46 in the measurement of the background to the pixel value of the first pixel of the line sensor 46 in the measurement of the interferogram of the order phase is 1.036.
  • the ratio is in the range of 1.025 to 1.045, including in the case of other measurements. However, the range of the ratio is not limited to this.
  • FIG. 13 shows an example of a spectrum calculated by Fourier transforming the interferogram of the order phase shown in FIG. 11 as it is.
  • the horizontal axis of the graph of FIG. 13 represents the wavelength (nm), and the vertical axis represents the light amount.
  • the graph shape of the spectrum in this case is a shape having irregularities because noise is included.
  • FIG. 14 shows an example of the phase difference interferogram obtained by performing the measurement according to the above description of the present embodiment, and subtracting the corresponding background from the interferogram of the order phase in each measurement.
  • the horizontal axis of the graph of FIG. 14 represents a pixel number
  • the vertical axis represents a pixel value.
  • FIG. 15 illustrates an example of a spectrum calculated by Fourier-transforming the phase difference interferogram illustrated in the graph of FIG.
  • the horizontal axis of the graph of FIG. 15 represents the wavelength (nm), and the vertical axis represents the light amount. Further, in FIG.
  • a spectrum measured by a conventional measurement method using a human finger as a measurement sample that is, an order phase and an inverse phase of transmitted light of light irradiated to the finger while rotating the polarizer
  • An example of the spectrum calculated by Fourier-transforming the interferogram obtained by measuring the time average of a pherogram and further differentiating both interferograms is shown.
  • the horizontal axis of the graph of FIG. 16 represents the wavelength (nm), and the vertical axis represents the light amount.
  • the shape of the spectrum (FIG. 15) obtained according to the above description of this embodiment has a smooth shape without noise, and the spectrum obtained by the conventional measurement method It can be seen that they are in good agreement with the shape of the spectrum (FIG. 16). From this, even in the case of measuring the spectrum for the measurement sample having motion as in the present embodiment, the measurement accuracy is made while making the optical configuration of the measuring device 1 cheaper than the optical configuration of the conventional measuring device. The measurement can be done without concern of decline.
  • the interferogram of the order phase is measured a plurality of times at predetermined time intervals without rotating the polarizer, but the order in each measurement is still
  • the background corresponding to the interferogram of the phase can be accurately estimated and subtracted, and as a result, the spectrum in each measurement can be accurately calculated. That is, according to the measuring apparatus 1 of the present embodiment, it can be seen that it is also possible to accurately measure how the spectrum of the transmitted light of the light irradiated to the human finger changes with time due to pulsation.
  • any sample can be selected as a simulated sample to be used for acquiring a background serving as a reference, but a sample whose spectral shape and scattering characteristics are similar to the measurement sample can be selected. It is preferable to select the same sample as the measurement sample.
  • the spectrum measured in the above embodiment may be any of the reflected light, transmitted light, scattered light, fluorescence, light emission and the like of the measurement sample.
  • the wavelength range of the spectrum measured in the above embodiment is preferably 400 to 2500 nm, and particularly preferably 900 to 1700 nm from the viewpoint of cost reduction compared to the optical configuration of the conventional measuring apparatus.
  • the ratio of the pixel value in a specific pixel (number) of the line sensor 46 in the measurement of the reference phase and the interferogram of the order phase may be used.
  • a ratio of average values of pixel values of a plurality of pixels in the periphery of a specific pixel may be used, or a ratio of average values of pixel values of all pixels of the line sensor 46 may be used. It may be determined by the least squares method which minimizes the residual sum of squares of the later reference background and the interferogram of the order phase. It is more preferable to use the least squares method, in particular, in view of the fact that it is possible to determine the coefficients to be multiplied by the background background so that the background overlaps with the interphase of the rank phase.
  • the background to be measured is measured using a simulated sample, and then the interferogram of the order phase of the measurement sample is measured.
  • a gram may be measured followed by measurement of a reference background using a simulated sample.
  • measure the interferogram of antiphase instead of the interferogram of the order phase of the measurement sample, determine the factor by which to multiply the reference background using the interferogram of antiphase, and
  • the phase difference interferogram may be calculated by subtracting the background from the interferogram of
  • the measurement method of the present invention can be implemented as long as a manual rotation mechanism is provided, and therefore, a mechanism such as a motor may not be used.
  • a mechanism such as a motor may not be used.
  • the spectrum can be measured in real time even on a moving sample without using expensive composite polarizers or area sensors.
  • the present invention It is also useful for non-invasive measurement of blood components such as fat, cholesterol, blood sugar level and HbA1c.

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Abstract

偏光子によって順位相および逆位相のインターフェログラムを生成する分光スペクトルの測定において分光スペクトルを精度よく算出する分光スペクトルの測定方法、測定装置および測定プログラムを提供する。算出装置によって、模擬試料の第１の位相と逆位相である第２の位相のインターフェログラムからバックグラウンドを算出し、測定試料の第１と第２の位相の一方のインターフェログラムから、算出されたバックグラウンドが該一方のインターフェログラムと重なるようにバックグラウンドとしてのインターフェログラムを係数倍したインターフェログラムを差し引いたインターフェログラムに基づいて、測定試料の分光スペクトルを算出する分光スペクトルの測定方法を提供する。

Description

分光スペクトルの測定方法、測定装置および測定プログラム
　本発明は、分光スペクトルの測定方法、測定装置および測定プログラムに関する。
　生体や食品を含むさまざまな試料の反射光、散乱光、透過光、蛍光あるいは発光などの分光スペクトルの測定方法は、試料の化学的性質を非破壊かつ非侵襲で測定できる方法として知られている。分光スペクトルを測定するにあたっては、さまざまな分光方式の中から用途に応じて分光方式を選択して用いるが、微弱な光の分光スペクトルを短い時間間隔で測定するには、分光スペクトルを瞬時に取得でき、スリットを必要としないマルチチャンネルフーリエ変換型の分光方式が適している。
　この分光方式では、分光器に入射した光が、レンズ、サバール板、偏光子などを介して分岐され、分岐された各光が互いに干渉することでインターフェログラムと呼ばれる干渉縞が生成される。この干渉縞上にラインセンサを配置すると、ラインセンサの各画素に入射した光量に比例した値（以下、画素値）としてインターフェログラムを取得でき、コンピュータでフーリエ変換すれば、分光スペクトルが得られる。また、入射した光がすべて干渉するわけではなく、一部の光は干渉することなくラインセンサに到達する。そのため、観測されるインターフェログラムは、干渉しなかった光に由来する背景光（バックグラウンド）が干渉縞に上乗せされた形状となるため、これをフーリエ変換しても正しい分光スペクトルを得ることはできない。
　そこで、観測されたインターフェログラムに移動平均を適用して平滑化することでバックグラウンドを算出し、これを元のインターフェログラムから差し引く方法が提案されている（特許文献１）。しかしながら、この方法で算出したバックグラウンドは滑らかな形状となるため、真のバックグラウンドが有する高周波成分を再現できず、これを元のインターフェログラムから差し引いてフーリエ変換しても正しい分光スペクトルを得ることはできない。
　また、偏光子を９０度回転させた状態でのインターフェログラムを別途測定する方法も提案されている（特許文献２）。この方法であれば、バックグラウンドはそのままで、干渉縞の明暗（位相）が反転したインターフェログラム（逆位相インターフェログラム）を得ることができるため、偏光子を回転させる前のインターフェログラム（順位相インターフェログラム）との差分を求めることでバックグラウンドを除去した位相差インターフェログラムを生成し、これをフーリエ変換すれば正しい分光スペクトルを得ることができる。しかしながら、この方法は、測定の度に偏光子を回転させるため、偏光子を駆動するモーターなどの自動回転機構が必要となって装置が複雑化することや、偏光子の回転角度が厳密には毎回異なるために測定の繰り返し精度が低下することや、偏光子の回転に要する時間が原因で例えば生きた生体試料などの動きのある試料の分光スペクトルをリアルタイムで測定できないこと、などの問題点がある。
　また、上記の偏光子に代えて、いわゆる複合偏光子（上半分と下半分で偏光方向が直交している偏光子）を用いて順位相および逆位相のインターフェログラムを生成し、センサとしてエリアセンサを用いてエリアセンサの上半分に相当するセンサで順位相インターフェログラムを、下半分に相当するセンサで逆位相インターフェログラムをそれぞれ同時に取得する方法も提案されている（特許文献３）。
　この方法であれば、偏光子を回転させる必要がなく、順位相および逆位相の両方のインターフェログラムを同時に取得できるため、位相差インターフェログラムもまた同時に取得することができ、動きのある試料の分光スペクトルをリアルタイムで測定することができる。この方法で使用されるエリアセンサとして、可視光領域の測定であればCharged Coupled Device（ＣＣＤ）やComplementary Metal-Oxide Semiconductor（ＣＭＯＳ）を撮像素子とする比較的安価なエリアセンサを用いることができる。しかしながら、近赤外領域の測定を行うにはInGaAsを撮像素子とするエリアセンサが必要になる。InGaAsエリアセンサは、InGaAsラインセンサと比べて高価である。さらに、この方法は複合偏光子といった特殊な光学素子も必要とする。そのため、この方法を近赤外領域の測定に適用しようとすると、測定装置の製造コストが高くなる懸念がある。
特開平０１－１７６９２１号公報 特開３０９５１６７号公報 特開２０１５－１９４３５９号公報
　上記の実情に鑑み、本件開示の技術は、偏光子によって順位相および逆位相のインターフェログラムを生成する分光スペクトルの測定において分光スペクトルを精度よく算出する分光スペクトルの測定方法、測定装置および測定プログラムを提供する。
　本発明者は、上記の実情に鑑み、鋭意検討の結果、インターフェログラムに含まれるバックグラウンドの形状は、分光器に入射した光の分光スペクトルに関係なく一定であり、バックグラウンドの大きさは、分光器に入射した光の光量に比例することを見出した。すなわち、いったんバックグラウンドを取得すれば、その後は順位相のインターフェログラムだけを測定すればよく、その順位相のインターフェログラムのバックグラウンドは、取得したバックグラウンドに基づいて算出できる。これを利用して、偏光子を回転させることなく、順位相のインターフェログラムを測定するだけで、分光スペクトルを精度よく算出することができる測定方法、測定装置および測定プログラムを発明した。
　本件開示の分光スペクトルの測定方法は、試料を透過した光から試料について第１の位相のインターフェログラムと第１の位相に対して逆位相である第２の位相のインターフェログラムとを偏光子によって生成し、第１の位相のインターフェログラムと第２の位相のインターフェログラムとを受光素子によって受光し、分光スペクトルを算出装置によって算出する分光スペクトルの測定方法において、算出装置によって、模擬試料の第１の位相のインターフェログラムと第２の位相のインターフェログラムとからバックグラウンドとしてのインターフェログラムを算出し、測定試料の第１の位相のインターフェログラムと第２の位相のインターフェログラムのいずれか一方のインターフェログラムから、算出されたバックグラウンドとしてのインターフェログラムを差し引いて得られるインターフェログラムに基づいて、測定試料の分光スペクトルを算出する。これにより、模擬試料を用いてバックグラウンドとしてのインターフェログラムを取得する際には偏光子の偏光軸を変更するが、測定装置の光学系の構成が変更されない限り偏光子の偏光軸を変更することなく測定試料の分光スペクトルを算出することができる。なお、本発明における第１の位相と第２の位相との関係は順位相と逆位相の関係としているが、測定に許容される誤差の範囲となる程度の位相ずれは当然許容されるものである。
　また、上記の測定方法において、算出装置は、いずれか一方のインターフェログラムから、算出されたバックグラウンドの少なくとも一部がいずれか一方のインターフェログラムと重なるようにバックグラウンドとしてのインターフェログラムの画素値を所定の係数倍したインターフェログラムを差し引いてもよい。また、バックグラウンドとしてのインターフェログラムは、摸擬試料の第１の位相のインターフェログラムと第２の位相のインターフェログラムの平均としてもよい。また、測定試料の分光スペクトルの波長域は４００ｎｍ～２５００ｎｍとしてもよい。
　また、本件開示の分光スペクトルの測定装置は、試料を透過した光から試料について第１の位相のインターフェログラムと第１の位相に対して逆位相である第２の位相のインターフェログラムとを生成する偏光子と、第１の位相のインターフェログラムと第２の位相のインターフェログラムとを受光する受光素子と、分光スペクトルを算出する算出装置とを有する分光スペクトルの測定装置において、算出装置は、模擬試料の第１の位相のインターフェログラムと第２の位相のインターフェログラムとからバックグラウンドとしてのインターフェログラムを算出し、測定試料の第１の位相のインターフェログラムと第２の位相のインターフェログラムのいずれか一方のインターフェログラムから、算出されたバックグラウンドとしてのインターフェログラムを差し引いて得られるインターフェログラムに基づいて、測定試料の分光スペクトルを算出する。また、上記の測定装置において、算出装置は、いずれか一方のインターフェログラムから、算出されたバックグラウンドの少なくとも一部がいずれか一方のインターフェログラムと重なるようにバックグラウンドとしてのインターフェログラムの画素値を所定の係数倍したインターフェログラムを差し引いてもよい。また、バックグラウンドとしてのインターフェログラムは、摸擬試料の第１の位相のインターフェログラムと第２の位相のインターフェログラムの平均としてもよい。また、測定試料の分光スペクトルの波長域は４００ｎｍ～２５００ｎｍとしてもよい。
　また、本件開示の分光スペクトルの測定プログラムは、試料を透過した光から試料について第１の位相のインターフェログラムと第１の位相に対して逆位相である第２の位相のインターフェログラムとを偏光子によって生成し、第１の位相のインターフェログラムと第２の位相のインターフェログラムとを受光素子によって受光し、分光スペクトルを算出装置によって算出する分光スペクトルの測定プログラムにおいて、コンピュータに、模擬試料の第１の位相のインターフェログラムと第２の位相のインターフェログラムとからバックグラウンドとしてのインターフェログラムを算出させ、算出されたバックグラウンドとしてのインターフェログラムを記憶装置に記憶させ、測定試料の第１の位相のインターフェログラムと第２の位相のインターフェログラムのいずれか一方のインターフェログラムから、算出されたバックグラウンドとしてのインターフェログラムを差し引いて得られるインターフェログラムに基づいて、測定試料の分光スペクトルを算出させる。また、上記の測定プログラムにおいて、コンピュータに、いずれか一方のインターフェログラムから、算出されたバックグラウンドの少なくとも一部がいずれか一方のインターフェログラムと重なるようにバックグラウンドとしてのインターフェログラムの画素値を所定の係数倍したインターフェログラムを差し引かせてもよい。また、バックグラウンドとしてのインターフェログラムは、摸擬試料の第１の位相のインターフェログラムと第２の位相のインターフェログラムの平均としてもよい。また、測定試料の分光スペクトルの波長域は４００ｎｍ～２５００ｎｍとしてもよい。
　本件開示の技術によれば、偏光子によって順位相および逆位相のインターフェログラムを生成する分光スペクトルの測定において分光スペクトルを精度よく算出する分光スペクトルの測定方法、測定装置および測定プログラムを提供することができる。
一実施形態における測定装置の構成の一例を示す図である。 一実施形態における算出装置の構成の一例を示す図である。 一実施形態における測定装置によって算出される分光スペクトルを模式的に示す図である。 一実施形態における測定装置によって実行される処理のフローチャートの一例を示す図である。 一実施形態における模擬試料のインターフェログラムと基準となるバックグラウンドの一例を示す図である。 一実施形態における測定試料のインターフェログラムと差し引かれるバックグラウンドの一例を示す図である。 一実施形態における測定試料のインターフェログラムと位相差インターフェログラムの一例を示す図である。 測定試料の順位相のインターフェログラムから算出される分光スペクトルと一実施形態に係る測定方法により算出される測定試料の分光スペクトルの一例を示す図である。 従来の測定方法により算出される測定試料の分光スペクトルの一例を示す図である。 摸擬試料であるろ紙の順位相および逆位相のインターフェログラムと基準となるバックグラウンドの一例を示す図である。 測定試料であるヒトの指の分光スペクトルを測定する場合の、各回の測定における順位相のインターフェログラムの一例を示す図である。 図１１に示すインターフェログラムの測定における順位相のインターフェログラムとバックグラウンドの一例を示す図である。 図１１に示す順位相のインターフェログラムをフーリエ変換して算出した分光スペクトルの一例を示す図である。 ヒトの指が測定試料である場合の位相差インターフェログラムの一例を示す図である。 図１４のグラフに例示する位相差インターフェログラムをフーリエ変換して算出した分光スペクトルの一例を示す図である。 ヒトの指が測定試料である場合の従来の測定方法により測定される分光スペクトルの一例を示す図である。
　以下に、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、本実施形態に適用できる分光方式は、偏光子の回転によって順位相および逆位相のインターフェログラムを生成するマルチチャンネルフーリエ変換型の分光方式である。なお、順位相のインターフェログラムが第１の位相のインターフェログラムの一例であり、逆位相のインターフェログラムが第２の位相のインターフェログラムの一例である。本実施形態では、測定対象からの光の受光素子としてラインセンサまたはエリアセンサを採用することができるが、ラインセンサを採用することで、本実施形態にかかる測定装置をより安価に製造することができる。さらに、測定装置に用いる偏光子の回転機構として、ステッピングモーターやサーボモーターなどを用いた自動回転機構または手動の回転機構を採用することができるが、手動の回転機構を採用することで、本実施形態にかかる測定装置をより安価に製造することができる。
（第１実施形態）
　第１実施形態に係る測定装置について説明する。以下の説明では、本実施形態において、偏光子を回転させることで順位相および逆位相のインターフェログラムを測定して分光スペクトルを算出するマルチチャンネルフーリエ変換型分光器を用いた測定装置において、測定試料の測定時には偏光子を回転させることなく、測定試料の透過光の分光スペクトルを正しく、すなわち測定時に偏光子を回転させて分光スペクトルを算出する場合と同等の精度で分光スペクトルを測定できることを示す。
　図１に、本実施形態における測定装置１の構成の一例を示す。図１に示すように、測定装置１は、ハロゲンランプ１０、光ファイバ２０、試料保持部３０、分光器４０、算出装置５０を有する。また、分光器４０は、偏光子４１、レンズ４２、サバール板４３、回転機構が設けられた偏光子４４、フーリエレンズ４５、ラインセンサ４６を有する。測定装置１では、光源であるハロゲンランプ１０から射出された光が、光ファイバ２０によって試料保持部３０に導かれる。試料保持部３０には分光スペクトルの測定対象である試料が配置されている。光ファイバ２０によって試料保持部３０に導かれた光は、試料に照射される。そして、試料を透過した光は、光ファイバ２０によって分光器４０に導かれる。
　分光器４０は、いわゆるマルチチャンネルフーリエ分光器であり、分光器４０に入射した光（すなわち、試料の透過光）のインターフェログラムがラインセンサ４６によって取得される。測定開始前の初期状態では、偏光子４４の回転角度は、順位相のインターフェログラムが観測される角度に設定されており、偏光子を入射光の進行方向を軸として＋９０度回転させると逆位相のインターフェログラムが観測され、当該軸を中心に－９０度回転させることで元の順位相のインターフェログラムが観測される。なお、偏光子を回転させる回転機構は周知の技術を用いて実現できる。また、インターフェログラムはラインセンサ４６によって取得され、ラインセンサ４６によって取得されたインターフェログラムのデータは算出装置５０に送られる。算出装置５０は、ラインセンサ４６によって取得された情報を用いて分光スペクトルに変換する。なお、ラインセンサ４６が受光素子の一例である。なお、ラインセンサの各画素に入射した光量に比例した値が画素値である。
　図２に、本実施形態における算出装置５０の構成の一例を示す。算出装置５０は、Central Processing Unit（ＣＰＵ）５１、Random Access Memory（ＲＡＭ）５２、Hard Disk Drive（ＨＤＤ）５３、Graphics Processing Unit（ＧＰＵ）５４、入力インタフェース５５、通信インタフェース５６を有する。また、ＧＰＵ５４、入力インタフェース５５、通信インタフェース５６は、モニタ５８、入力装置５９、分光器４０にそれぞれ接続されている。ＣＰＵ５１、ＲＡＭ５２、ＨＤＤ５３、ＧＰＵ５４、入力インタフェース５５、通信インタフェース５６は、バス５７を介して互いに接続されている。
　算出装置５０のユーザは、入力装置５９を用いて算出装置５０に種々の指示を行い、算出装置５０の処理結果をモニタ５８で確認する。本実施形態において、ＣＰＵ５１は、ＨＤＤ５３に記憶されている各種プログラムをＲＡＭ５２に展開して実行することで、以下に説明する分光スペクトルの算出に係る処理を実行する。本実施形態によれば、図３に模式的に示すように、分光器４０で得られる試料のインターフェログラムが、算出装置５０によって分光スペクトルに変換される。
　次に、本実施形態において、算出装置５０において実行される処理について、図４を参照しながら説明する。一例として、算出装置５０の電源がオンになると、ＣＰＵ５１が図４の処理を開始する。
　まず、ＯＰ１０１において、ＣＰＵ５１は、模擬試料を用いて基準となるバックグランドを算出する。試料保持部３０には、分光スペクトルの基準となるバックグラウンドを取得するための模擬試料が設置される。本実施形態では、分光スペクトルの基準となるバックグラウンドを取得するための模擬試料の一例として水を用いる。具体的には、模擬試料の水３ｍＬを封入した１ｃｍ角キュベットが試料保持部３０に設置される。ハロゲンランプ１０から射出された光が光ファイバ２０を経由して模擬試料に照射され、模擬試料を透過した光が分光器４０に送られる。そして、分光器４０のラインセンサ４６によって取得されたデータが算出装置５０に送られる。
　本実施形態では、一度インターフェログラムを測定した後、ユーザは偏光子４４を＋９０度回転させてインターフェログラムを測定する。なお、以下の説明において、偏光子４４を＋９０度回転させる前に測定されるインターフェログラムを「順位相のインターフェログラム」と称し、偏光子４４を＋９０度回転させて測定されるインターフェログラムを「逆位相のインターフェログラム」と称する。逆位相のインターフェログラムの測定後、ユーザは偏光子４４を－９０度回転させて元の状態に戻す。なお、本実施形態において偏光子の回転角度は９０度としたが、測定に許容される誤差の範囲となる程度の角度の誤差は当然許容されるものである。
　ＣＰＵ５１は、順位相のインターフェログラムの測定と逆位相のインターフェログラムの測定のそれぞれの測定において、ラインセンサ４６によって取得されたデータに基づいて各インターフェログラムを算出する。さらに、ＣＰＵ５１は、順位相と逆位相それぞれのインターフェログラムを足して２で割って（すなわち、平均して）基準となるバックグラウンドを算出する。ＣＰＵ５１は、算出したバックグラウンドの情報を、一例としてＨＤＤ５３に記憶する。次いで、ＣＰＵ５１は、処理をＯＰ１０２に進める。
　本実施形態では、ＯＰ１０１の処理によって、以下の測定試料の分光スペクトルを算出する際に測定試料のインターフェログラムから差し引かれるバックグラウンドをあらかじめ算出する。これによって、以下に説明する測定試料の分光スペクトルの算出時には、偏光子を回転させることなく当該分光スペクトルを精度よく算出することができる。
　ＯＰ１０２において、試料保持部３０から模擬試料が取り外され、測定試料が試料保持部３０に設置される。測定試料の一例として、イントラリポス原液（イントラリポス輸液２０％、大塚製薬製）を超純水で１００倍希釈したイントラリポス希釈液（０．２％）を用いる。測定試料のイントラリポス希釈液３ｍＬを封入した１ｃｍ角キュベットが試料保持部３０に設置される。そして、ＯＰ１０１と同様に試料に光が照射され、試料を透過した光が分光器４０のラインセンサ４６に到達する。ＣＰＵ５１は、ラインセンサ４６によって取得されたデータを用いて、順位相のインターフェログラムを測定する。さらに、ＣＰＵ５１は、測定試料の順位相のインターフェログラムのバックグラウンドを算出するため、上記の模擬試料を用いて取得した基準となるバックグラウンドを係数倍し、測定試料の順位相のインターフェログラムに重なるようにする。ここで、基準となるバックグラウンドに乗じる係数は、最小二乗法から導かれる下記の式（１）に従ってＣＰＵ５１によって算出される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　ここで、ｋは基準となるバックグラウンドに乗じる係数、ｉはラインセンサ４６の画素番号、Ｎはラインセンサ４６の画素数、ＢＧｉは基準となるバックグラウンドの画素番号ｉに対応する画素値、ＩＦｉは順位相のインターフェログラムの画素番号ｉに対応する画素値を示す。一例として、上記の測定試料について算出されるｋの値は０．２１４である。そして、ＣＰＵ５１は、このｋの値を基準となるバックグラウンドの各画素値に乗じてバックグラウンドを算出し、測定試料の順位相のインターフェログラムから算出したバックグラウンドを差し引いたインターフェログラム（以下の説明では「位相差インターフェログラム」と称する）を算出し、位相差インターフェログラムをフーリエ変換して分光スペクトルを算出する。そして、ＣＰＵ５１は、算出した位相差インターフェログラムの分光スペクトルのデータをＨＤＤ５３に記憶し、当該分光スペクトルをモニタ５８に表示し（ＯＰ１０３）、図４のフローチャートの処理を終了する。
　図５に、上記で説明した摸擬試料である水の、測定装置１により測定される順位相および逆位相のインターフェログラムと、基準となるバックグラウンドの一例を示す。図５のグラフの横軸はラインセンサ４６の画素番号を表し、縦軸は画素値を表す。図５に示すように、順位相のインターフェログラム（図中「順位相」）の形状は、中心部で緩やかな凸型を示す基準となるバックグラウンド（図中「基準ＢＧ」）に、明暗を繰り返す干渉縞が上乗せされた形状となっている。また、逆位相のインターフェログラム（図中「逆位相」）の形状は、順位相のインターフェログラムと共通のバックグラウンドを有しつつ、順位相のインターフェログラムの明暗が反転した干渉縞が上乗せされた形状となっている。すなわち、基準となるバックグラウンドは、順位相と逆位相のインターフェログラムの双方に共通するバックグラウンドとなっている。
　図６に、上記で説明した測定試料であるイントラリポス希釈液の、測定装置１により測定される順位相のインターフェログラム（図中「順位相」）とバックグラウンド（図中「ＢＧ」）の一例を示す。図６のグラフの横軸はラインセンサ４６の画素番号を表し、縦軸は画素値を表す。イントラリポス希釈液は、白濁した液体であるため、ハロゲンランプ１０から射出される光の透過光量が小さく、図６に示すように、順位相のインターフェログラムは模擬試料の場合と比べて全体的に小さい値となり、摸擬試料である水の順位相のインターフェログラムとは異なる。それでも、基準となるバックグラウンドに対して、上記で算出した係数（一例として「０．２１４」）を用いて算出したバックグラウンドは、順位相のインターフェログラムと重なっており、順位相のインターフェログラムのバックグラウンドを適切に反映した形状となっていることがわかる。
　ここで、係数を用いて算出されたバックグラウンドと順位相のインターフェログラムの重なりの程度の指標として、ラインセンサ４６の各画素の画素値の比を用いることができる。例えば、本実施形態においては、順位相のインターフェログラムの測定におけるラインセンサ４６の１画素目の画素値に対するバックグラウンドの測定におけるラインセンサ４６の１画素目の画素値の比は１．０２２である。この場合、係数を用いて算出されたバックグラウンドの測定におけるラインセンサ４６の１画素目の画素値は、順位相のインターフェログラムの測定におけるラインセンサ４６の１画素目の画素値に対して３％以内で重なっていることを意味する。
　図７に、上記の測定試料の順位相のインターフェログラム（図中「順位相」）からバックグラウンドを差し引いた位相差インターフェログラム（図中「位相差（順位相－ＢＧ）」）の一例を示す。図７のグラフの横軸はラインセンサ４６の画素番号を表し、縦軸は画素値を表す。また、図８には、位相差インターフェログラムをフーリエ変換して算出した分光スペクトル（図中「本実施形態」）と、順位相のインターフェログラムをフーリエ変換して算出した分光スペクトル（図中「順位相」）の一例を示す。図８のグラフの横軸は波長（ｎｍ）を表し、縦軸は光量を表す。
　また、図９に、従来の測定方法によって偏光子を回転させる場合、すなわち、試料の分光スペクトルの測定中に偏光子を回転させることで測定試料の順位相および逆位相のインターフェログラムを測定し、順位相のインターフェログラムと逆位相のインターフェログラムとの差分を算出して得られる位相差インターフェログラムをフーリエ変換して算出される分光スペクトルの一例を示す。図９のグラフの横軸は波長（ｎｍ）を表し、縦軸は光量を表す。
　図８に示すように、測定試料の順位相のインターフェログラムをそのままフーリエ変換して求めた分光スペクトル（図中「順位相」）のグラフ形状は、ノイズが含まれているために凹凸のある形状であったのに対し、本実施形態の上記の説明に従って位相差インターフェログラムをフーリエ変換して算出される分光スペクトル（図中「本実施形態」）は、順位相のインターフェログラムをそのままフーリエ変換する場合に比べて、ノイズが少なく、より平滑な形状である。また、本実施形態によって算出される分光スペクトルは、図９に例示する分光スペクトル、すなわち偏光子を回転させながら測定する分光スペクトルとよく一致している。このことから、本実施形態によれば、測定装置１の光学的構成を従来の測定装置の光学的構成よりも安価なものとしつつ測定精度が低下する懸念がなく測定を行うことができる。
　したがって、本実施形態では、摸擬試料に対する分光スペクトルの測定で得た基準となるバックグラウンドを適切に係数倍することで、測定試料に対する分光スペクトルの測定で得た順位相のインターフェログラムに含まれるバックグラウンドを精度よく推定できる。このため、本実施形態によれば、測定試料の測定に際しては、偏光子を回転させることなく、測定試料の透過光の分光スペクトルを正しく算出できる。
（第２実施形態）
　次に、第２実施形態について説明する。本実施形態でも第１実施形態と同様に測定装置１を用いて分光スペクトルの測定を行う。本実施形態におけるＣＰＵ５１の処理は、図４に示す処理と同じである。本実施形態では、動きのある測定試料の一例としてヒトの指を挙げ、ヒトの指の透過光の分光スペクトルを測定することを想定する。指の内部では、脈動により血管が周期的に収縮と拡張を繰り返すため、測定装置１において指に照射された光の透過光量も周期的に変動する。本実施形態では、ヒトの指を透過した光の分光スペクトルが脈動によって経時的に変化する様子を精度よく測定できることを示す。
　本実施形態では、基準となるバックグラウンドの分光スペクトルを取得するため、模擬試料としてろ紙を用いる。試料保持部３０にろ紙が設置され、順位相のインターフェログラムを測定した後、偏光子４４を第１実施形態と同様に＋９０度回転させて逆位相のインターフェログラムを測定する。その後、偏光子４４を第１実施形態と同様に－９０度回転させて元の状態に戻す。ＣＰＵ５１は、順位相と逆位相それぞれのインターフェログラムを足して２で割って（すなわち、平均して）基準となるバックグラウンドを算出する。ＣＰＵ５１は、算出したバックグラウンドの情報を、一例としてＨＤＤ５３に記憶する。
　次に、試料保持部３０からろ紙を取り外し、被験者の指が試料保持部３０に固定される。そして、順位相のインターフェログラムを１０秒間（例えば５０ｍｓｅｃ間隔で２００回）測定する。ＣＰＵ５１は、１０秒間の測定時間における各回の測定の順位相のインターフェログラムに対応するバックグラウンドを算出するため、各回の測定における順位相のインターフェログラムについて、基準となるバックグラウンドに乗じる係数を上記の式（１）に従って決定する。本実施形態では、算出されるｋの値は一例として１．０２１～１．０８１であるが、ｋの取り得る値の範囲はこれに限られない。
　本実施形態では、ＣＰＵ５１は、上記によって算出した各回の係数を、基準となるバックグラウンドに乗じ、各回の測定における順位相のインターフェログラムのバックグラウンドとする。さらに、ＣＰＵ５１は、測定試料の順位相のインターフェログラムから、上記のバックグラウンドを差し引いて位相差インターフェログラムを算出し、算出した位相差インターフェログラムをフーリエ変換して分光スペクトルを算出する。ＣＰＵ５１は、算出した分光スペクトルのデータをＨＤＤ５３に記憶し、当該分光スペクトルをモニタ５８に表示し、図４のフローチャートの処理を終了する。
　図１０に、摸擬試料であるろ紙の順位相および逆位相のインターフェログラムと基準となるバックグラウンドの一例を示す。図１０のグラフの横軸はラインセンサ４６の画素番号を表し、縦軸は画素値を表す。ろ紙の順位相のインターフェログラムの形状は、図１０に例示するグラフの横軸の中央（画素番号２５０）付近において、緩やかな凸型を示す基準となるバックグラウンドに、明暗を繰り返す干渉縞が上乗せされた形状となっている。また、逆位相のインターフェログラムは順位相のインターフェログラムと共通のバックグラウンドを有しつつ、順位相のインターフェログラムの明暗が反転した干渉縞が上乗せされた形状となっている。すなわち、基準となるバックグラウンドは、順位相と逆位相のインターフェログラムの双方に共通するバックグラウンドとなっている。
　図１１に、上記の測定間隔でヒトの指の分光スペクトルを測定する場合の、各回の測定における順位相のインターフェログラムの一例を示す。図１１のグラフの横軸はラインセンサ４６の画素番号を表し、縦軸は画素値を表す。図１１のグラフには、各回の測定における順位相のインターフェログラムが互いに重ねて示されている。指の脈動が原因で透過光量が変動するため、図１１に示すように、各回の測定における順位相のインターフェログラムが上下にずれて重なっている。また、図１２には、図１１に示すインターフェログラムの測定において、測定開始から最初の５０ｍｓｅｃ経過後に測定された順位相のインターフェログラムとバックグラウンドの一例を示す。図１２のグラフの横軸はラインセンサ４６の画素番号を表し、縦軸は画素値を表す。
　図１２に示す例では、基準となるバックグラウンドに対して、係数（一例として１．０５８とする）を用いて算出したバックグラウンドは、順位相のインターフェログラムと重なっている。すなわち、順位相のインターフェログラムのバックグラウンドを適切に反映した形状となっているのがわかる。図１２に示す例では、順位相のインターフェログラムの測定におけるラインセンサ４６の１画素目の画素値に対するバックグラウンドの測定におけるラインセンサ４６の１画素目の画素値の比は１．０３６であり、他の回の測定の場合を含めると、当該比は、１．０２５～１．０４５の範囲内である。ただし、当該比の範囲はこれに限られない。
　すなわち、図１２に示す例では、算出されたバックグラウンドの測定におけるラインセンサ４６の１画素目の画素値は、順位相のインターフェログラムの測定におけるラインセンサ４６の１画素目の画素値に対して５％以内で重なる。また、図１３に、図１１に示す順位相のインターフェログラムをそのままフーリエ変換して算出した分光スペクトルの一例を示す。図１３のグラフの横軸は波長（ｎｍ）を表し、縦軸は光量を表す。この場合の分光スペクトルのグラフ形状は、ノイズが含まれているために凹凸のある形状である。
　図１４に、本実施形態の上記の説明に従って測定を行い、各回の測定において、順位相のインターフェログラムから、対応するバックグラウンドを差し引いて得た位相差インターフェログラムの一例を示す。図１４のグラフの横軸は画素番号を表し、縦軸は画素値を表す。また、図１５には、図１４のグラフに例示する位相差インターフェログラムをフーリエ変換して算出した分光スペクトルの一例を示す。図１５のグラフの横軸は波長（ｎｍ）を表し、縦軸は光量を表す。また、図１６に、ヒトの指を測定試料として、従来の測定方法により測定される分光スペクトル、すなわち、偏光子を回転させつつ指に照射された光の透過光の順位相および逆位相のインターフェログラムの時間平均を測定し、さらに双方のインターフェログラムを差分して得られるインターフェログラムをフーリエ変換することで算出される分光スペクトルの一例を示す。図１６のグラフの横軸は波長（ｎｍ）を表し、縦軸は光量を表す。
　図１５のグラフと図１６のグラフからわかるように、本実施形態の上記の説明に従って得られる分光スペクトル（図１５）の形状は、ノイズのない滑らかな形状となり、従来の測定方法によって得た分光スペクトル（図１６）の形状とよく一致していることがわかる。このことから、本実施形態のように動きのある測定試料に対する分光スペクトルを測定する場合でも、測定装置１の光学的構成を従来の測定装置の光学的構成よりも安価なものとしつつ測定精度が低下する懸念なく測定を行うことができる。
　以上より、本実施形態では、ヒトの指の測定に際しては、偏光子の回転を行わずに、順位相のインターフェログラムを所定の時間間隔で複数回測定するが、それでも、各回の測定における順位相のインターフェログラムに対応するバックグラウンドを精度よく推定して差し引くことができ、結果として、各回の測定における分光スペクトルを精度よく算出することができる。すなわち、本実施形態の測定装置１によれば、ヒトの指に照射された光の透過光の分光スペクトルが脈動によって経時的に変化する様子も精度よく測定することができることがわかる。
　以上が本実施形態に関する説明であるが、上記の測定装置の構成や分光スペクトルの算出方法は、上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想と同一性を失わない範囲内において種々の変更が可能である。
　例えば、上記の実施形態において、基準となるバックグラウンドの取得に用いる模擬試料には任意の試料を選択することができるが、分光スペクトルの形状や散乱特性が測定試料と類似している試料を選択することが好ましく、測定試料と同じ試料を選択することがより好ましい。
　また、上記の実施形態で測定する分光スペクトルは、測定試料の反射光、透過光、散乱光、蛍光、発光などのいずれであってもよい。また、上記の実施形態で測定する分光スペクトルの波長範囲は、４００～２５００ｎｍが好ましく、従来の測定装置の光学的構成よりも安価なものにできる観点から、特に９００～１７００ｎｍがより好ましい。
　また、基準となるバックグラウンドに乗じる係数は、順位相のインターフェログラムと基準となるバックグラウンドの測定における、ラインセンサ４６の特定の画素（番号）における画素値の比を用いてもよいし、特定の画素の周辺にある複数の画素の画素値の平均値の比を用いてもよいし、ラインセンサ４６の全画素の画素値の平均値の比を用いてもよいし、係数を乗じた後の基準となるバックグラウンドと順位相のインターフェログラムとの残差平方和を最小にする最小二乗法によって決定してもよい。バックグラウンドが、順位相のインターフェログラムとより重なるように、基準となるバックグラウンドに乗ずべき係数を決定できるという観点から、特に最小二乗法を用いるのがより好ましい。
　さらに、上記の実施形態では、最初に模擬試料を用いて基準となるバックグラウンドを測定し、続いて測定試料の順位相のインターフェログラムを測定するが、最初に測定試料の順位相のインターフェログラムを測定し、続いて模擬試料を用いて基準となるバックグラウンドを測定してもよい。
　また、測定試料の順位相のインターフェログラムの代わりに逆位相のインターフェログラムを測定し、逆位相のインターフェログラムを用いて基準となるバックグラウンドに乗じる係数を決定し、測定試料の逆位相のインターフェログラムからバックグラウンドを差分して位相差インターフェログラムを算出してもよい。
　また、偏光子の偏光軸を回転により変更する場合、手動による回転機構を備えていれば本発明の測定方法を実施できるため、モーターなどの機構を用いなくてもよい。また、基準となるバックグラウンドを取得した後は偏光子を回転させずに分光スペクトルの測定を行うことができるため、偏光子を繰り返し回転することで測定精度が低下する懸念もない。さらには、高価な複合偏光子やエリアセンサを使用することなく、動きのある試料に対しても分光スペクトルをリアルタイムで測定できる。例えば、上記の通りヒトの指の透過光の分光スペクトルが脈動によって時間変化する様子を測定することもでき、その分光スペクトルの時間変化から血液の吸収スペクトルを算出できるため、本発明は、中性脂肪やコレステロール、血糖値、HbA1cといった血中成分を非侵襲で測定するのにも有用である。
４０　　分光器
４１、４４　　偏光子
４６　　ラインセンサ
５０　　算出装置

Claims (12)

  1. 　試料を透過した光から前記試料について第１の位相のインターフェログラムと前記第１の位相に対して逆位相である第２の位相のインターフェログラムとを偏光子によって生成し、前記第１の位相のインターフェログラムと前記第２の位相のインターフェログラムとを受光素子によって受光し、分光スペクトルを算出装置によって算出する分光スペクトルの測定方法において、
    　前記算出装置によって、
    　　模擬試料の前記第１の位相のインターフェログラムと前記第２の位相のインターフェログラムとからバックグラウンドとしてのインターフェログラムを算出し、
    　　測定試料の前記第１の位相のインターフェログラムと前記第２の位相のインターフェログラムのいずれか一方のインターフェログラムから、前記算出された前記バックグラウンドとしてのインターフェログラムを差し引いて得られるインターフェログラムに基づいて、前記測定試料の分光スペクトルを算出する
    ことを特徴とする分光スペクトルの測定方法。
  2. 　前記算出装置は、前記いずれか一方のインターフェログラムから、前記算出された前記バックグラウンドの少なくとも一部が前記いずれか一方のインターフェログラムと重なるように前記バックグラウンドとしてのインターフェログラムの画素値を係数倍したインターフェログラムを差し引く、ことを特徴とする請求項１に記載の分光スペクトルの測定方法。
  3. 　前記バックグラウンドとしてのインターフェログラムは、前記摸擬試料の前記第１の位相のインターフェログラムと前記第２の位相のインターフェログラムの平均である、ことを特徴とする請求項１または２に記載の分光スペクトルの測定方法。
  4. 　前記測定試料の分光スペクトルの波長域は４００ｎｍ～２５００ｎｍである、ことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の分光スペクトルの測定方法。
  5. 　試料を透過した光から前記試料について第１の位相のインターフェログラムと前記第１の位相に対して逆位相である第２の位相のインターフェログラムとを生成する偏光子と、前記第１の位相のインターフェログラムと前記第２の位相のインターフェログラムとを受光する受光素子と、分光スペクトルを算出する算出装置とを有する分光スペクトルの測定装置において、
    　前記算出装置は、
    　　模擬試料の前記第１の位相のインターフェログラムと前記第２の位相のインターフェログラムとからバックグラウンドとしてのインターフェログラムを算出し、
    　　測定試料の前記第１の位相のインターフェログラムと前記第２の位相のインターフェログラムのいずれか一方のインターフェログラムから、前記算出された前記バックグラウンドとしてのインターフェログラムを差し引いて得られるインターフェログラムに基づいて、前記測定試料の分光スペクトルを算出する
    ことを特徴とする分光スペクトルの測定装置。
  6. 　前記算出装置は、前記いずれか一方のインターフェログラムから、前記算出された前記バックグラウンドの少なくとも一部が前記いずれか一方のインターフェログラムと重なるように前記バックグラウンドとしてのインターフェログラムの画素値を係数倍したインターフェログラムを差し引く、ことを特徴とする請求項５に記載の分光スペクトルの測定装置。
  7. 　前記バックグラウンドとしてのインターフェログラムは、前記摸擬試料の前記第１の位相のインターフェログラムと前記第２の位相のインターフェログラムの平均である、ことを特徴とする請求項５または６に記載の分光スペクトルの測定装置。
  8. 　前記測定試料の分光スペクトルの波長域は４００ｎｍ～２５００ｎｍである、ことを特徴とする請求項５から７のいずれか一項に記載の分光スペクトルの測定装置。
  9. 　試料を透過した光から前記試料について第１の位相のインターフェログラムと前記第１の位相に対して逆位相である第２の位相のインターフェログラムとを偏光子によって生成し、前記第１の位相のインターフェログラムと前記第２の位相のインターフェログラムとを受光素子によって受光し、分光スペクトルを算出装置によって算出する分光スペクトルの測定プログラムにおいて、
    　コンピュータに、
    　　模擬試料の前記第１の位相のインターフェログラムと前記第２の位相のインターフェログラムとからバックグラウンドとしてのインターフェログラムを算出させ、
    　　前記算出された前記バックグラウンドとしてのインターフェログラムを記憶装置に記憶させ、
    　　測定試料の前記第１の位相のインターフェログラムと前記第２の位相のインターフェログラムのいずれか一方のインターフェログラムから、前記算出された前記バックグラウンドとしてのインターフェログラムを差し引いて得られるインターフェログラムに基づいて、前記測定試料の分光スペクトルを算出させる
    ための分光スペクトルの測定プログラム。
  10. 　前記コンピュータに、前記いずれか一方のインターフェログラムから、前記算出された前記バックグラウンドの少なくとも一部が前記いずれか一方のインターフェログラムと重なるように前記バックグラウンドとしてのインターフェログラムの画素値を係数倍したインターフェログラムを差し引かせる、ことを特徴とする請求項９に記載の分光スペクトルの測定プログラム。
  11. 　前記バックグラウンドとしてのインターフェログラムは、前記摸擬試料の前記第１の位相のインターフェログラムと前記第２の位相のインターフェログラムの平均である、ことを特徴とする請求項９または１０に記載の分光スペクトルの測定プログラム。
  12. 　前記測定試料の分光スペクトルの波長域は４００ｎｍ～２５００ｎｍである、ことを特徴とする請求項９から１１のいずれか一項に記載の分光スペクトルの測定プログラム。
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