| 【発明の名称】 |
光ヘテロダイン法分光分析装置 |
| 【発明者】 |
【氏名】三井 隆久
【氏名】中島 浩二
【氏名】亀井 智成
【氏名】内藤 建
【氏名】内藤 義英
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| 【要約】 |
【課題】被測定体の光吸収特性を正確に分析し被測定体中の被測定物の濃度を測定することができる光ヘテロダイン法分光分析装置を提供することを課題とする。
【解決手段】光ヘテロダイン法分光分析装置は、第１、第２の光源から発光された光を被測定体を通過させる信号光と被測定体を通過させない参照光とに分割する手段と、第１の波長と第２の波長の信号光及び参照光を所要の周波数で変調し変調信号光及び変調参照光を生成する手段と、各波長の変調信号光及び変調参照光を合波したうえ所定の比で分割送光する手段と、分割送光された各波長の変調信号光及び変調参照光を光電変換することにより各波長の変調信号光及び変調参照光の変調周波数の差に対応した光ヘテロダインビ−ト電気信号を得る手段と、前記光ヘテロダインビ−ト電気信号を差動演算する手段と、差動演算された光ヘテロダインビ−ト電気信号に基づいて被測定体の光吸収特性を分析し、被測定体中の被測定物の濃度を測定する手段とを備えることである。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 被測定体中の被測定物により吸収され易い第１の波長の光を発光させる第１の光源と、前記被測定体中の被測定物により吸収され難い第２の波長の光を発光させる第２の光源と、前記第１の光源及び第２の光源から発光されたそれぞれの光を前記被測定体を通過させる信号光と前記被測定体を通過させない参照光とに分割する手段と、前記第１の波長と前記第２の波長それぞれの信号光及び参照光を所要の周波数で変調し第１の波長と第２の波長の変調信号光及び変調参照光を生成する手段と、前記第１の波長と第２の波長の変調信号光及び変調参照光を合波したうえ所定の比で分割送光する手段と、前記分割送光された前記第１の波長と第２の波長の変調信号光及び変調参照光を光電変換することにより前記各波長の変調信号光及び変調参照光の変調周波数の差に対応した光ヘテロダインビ−ト電気信号を得る手段と、前記光ヘテロダインビ−ト電気信号を差動演算する手段と、差動演算された光ヘテロダインビ−ト電気信号に基づいて前記被測定体の光吸収特性を分析し前記被測定物の濃度を測定する手段とを備えた光ヘテロダイン法分光分析装置。
【請求項２】 前記第１の光源から波長の異なる複数の光を発光させ、それぞれの波長の光を信号光と参照光とに分割して変調することにより各波長の光ヘテロダインビ−ト電気信号を得る請求項１に記載の光ヘテロダイン法分光分析装置。
【請求項３】 前記変調信号光及び変調参照光を生成する手段は、超音波発振器で変調駆動される音響光学変調器を用いた請求項１又は２に記載の光ヘテロダイン法分光分析装置。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、光ヘテロダイン法により被測定体、例えば生体の多重散乱体の光吸収特性を分析し被測定体中の被測定物の濃度を測定するための装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、生体等の多重散乱体から成る被測定体の光吸収特性等を測定する手段として、例えば特開平５−１７６９１７号公報に記載された「光学的血糖値非破壊測定方法および装置」がある。この発明は、波長０．７８〜１．３２μｍから選択される近赤外光を人体に入射させ、その透過光の強度を検出し、その検出結果に基づいて人体内のグルコ−ス濃度等を求めるものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】上記特開平５−１７６９１７号公報に記載された「光学的血糖値非破壊測定方法および装置」によれば、波長０．７８〜１．３２μｍから選択される近赤外光を人体に入射させ、その透過光の強度を検出し、その検出結果に基づいて人体内のグルコ−ス濃度等を求めるものであるが、光源から照射される近赤外光には時間的に変化する振幅変動成分が含まれているためグルコ−ス濃度を正確に測定することができないという問題がある。また、その透過光の強度は、人体内のグルコ−スによる吸収のみでなく、遠方を迂回して戻ってくる散乱光も含まれるため被測定体の形状に大きく依存するという問題がある。
【０００４】そこで本発明では、複数の光源からの時間的に変化する振幅変動成分を除去するとともに被測定体の形状に依存せずに非散乱光（直進光、弾道光子）のみを選択的に検出し、被測定体の光吸収特性を正確に分析し、被測定体中の被測定物の濃度を測定することが可能な光ヘテロダイン法分光分析装置を提供することを課題とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、被測定体中の被測定物により吸収され易い第１の波長の光を発光させる第１の光源と、前記被測定体中の被測定物により吸収され難い第２の波長の光を発光させる第２の光源と、前記第１の光源及び第２の光源から発光されたそれぞれの光を前記被測定体を通過させる信号光と前記被測定体を通過させない参照光とに分割する手段と、前記第１の波長と前記第２の波長それぞれの信号光及び参照光を所要の周波数で変調し第１の波長と第２の波長の変調信号光及び変調参照光を生成する手段と、前記第１の波長と第２の波長の変調信号光及び変調参照光を合波したうえ所定の比で分割送光する手段と、前記分割送光された前記第１の波長と第２の波長の変調信号光及び変調参照光を光電変換することにより前記各波長の変調信号光及び変調参照光の変調周波数の差に対応した光ヘテロダインビ−ト電気信号を得る手段と、前記各波長の光ヘテロダインビ−ト電気信号を差動演算する手段と、差動演算された光ヘテロダインビ−ト電気信号に基づいて前記被測定体の光吸収特性を分析し前記被測定物の濃度を測定する手段とを備えることである。
【０００６】請求項２の発明は、請求項１の光ヘテロダイン法分光分析装置において、前記第１の光源から波長の異なる複数の光を発光させ、それぞれの波長の光を信号光と参照光とに分割して変調することにより各波長の光ヘテロダインビ−ト電気信号を得ることである。
【０００７】請求項３の発明は、請求項１又は２の光ヘテロダイン法分光分析装置において、前記変調信号光及び変調参照光を生成する手段は、超音波発振器で変調駆動される音響光学変調器を用いることである。
【０００８】請求項１の発明によれば、第１の光源及び第２の光源から発光された第１の波長及び第２の波長それぞれの光が分割された信号光及び参照光を所要の周波数で変調し、第１の波長と第２の波長それぞれの変調信号光及び変調参照光を生成するとともに、第１の波長と第２の波長の変調信号光及び変調参照光を合波したうえ所定の比で分割送光された各波長の変調信号光及び変調参照光を光電変換することにより得られた光ヘテロダインビ−ト電気信号を差動演算することにより第１の光源及び第２の光源からの時間的に変化する振幅変動成分を除去できる。そのため、第１の光源及び第２の光源からの光の振幅が時間的に変動しても光ヘテロダインビ−ト電気信号の差に基づいて被測定体の光吸収特性を正確に分析し被測定物の濃度を測定することができる。また、非散乱光による測定のため被測定体の形状に依存せずに被測定体の光吸収特性を正確に分析し被測定物の濃度を測定することができる。
【０００９】請求項２の発明によれば、第１の光源から発光された複数波長それぞれの変調信号光及び変調参照光の変調周波数の差に対応した光ヘテロダインビ−ト電気信号から被測定物と吸収波長が近い他の成分の吸収特性を区別して測定できるため被測定体のより正確な光吸収特性の測定ができる。
【００１０】請求項３の発明によれば、変調信号光及び変調参照光を生成するため音響光学変調器を用いるため、光ヘテロダインビ−ト電気信号を得るために必要な光の変調が容易にできる。
【００１１】
【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態について説明する。図１は、実施の形態の光ヘテロダイン法分光分析装置の全体的な構成を示したブロック図である。以下、この光ヘテロダイン法分光分析装置の構成を作用とともに説明する。図１に示すように、レ−ザダイオ−ドから成る第１の光源１から発せられた光ＰＡは、１／２波長板２を介してノンポラライゼ−ションタイプのビ−ムスプリッタ４に入射される。尚、上記光ＰＡは、後述する被測定体Ｓを透過する際、被測定体Ｓ中の被測定物、例えばグルコ−スによる吸収率の高い波長、７８０ｎｍの波長を有するものである。
【００１２】ビ−ムスプリッタ４に入射された光ＰＡは、直進する光ＰＡ１と、反射される光ＰＡ２とに５０対５０に分割される。尚、上記光ＰＡ１は後述の被測定体Ｓを通過する信号光となる一方、光ＰＡ２は被測定体Ｓを通過しない参照光となる。信号光ＰＡ１は音響光学変調器（ＡＯＭ１）５に入射され、参照光ＰＡ２は音響光学変調器（ＡＯＭ２）７に入射される。音響光学変調器５に入射された参照光ＰＡ１は、音響光学変調器５において超音波発振器６から発振された８０．０００ＭＨｚの超音波で変調される。従って音響光学変調器５を通過した光は、８０．０００ＭＨｚの周波数で変調された変調信号光ＰＡ３となる。
【００１３】一方、音響光学変調器７に入射された参照光ＰＡ２は音響光学変調器７において超音波発振器８の出力信号により８０．４５５ＭＨｚの超音波で変調される。従って音響光学変調器７を通過した光は、８０．４５５ＭＨｚの超音波で変調された変調参照光ＰＡ４となる。そして、音響光学変調器５を通過した変調信号光ＰＡ３はミラ−９で９０度反射されたあと、合波器１１に入射される。
【００１４】レ−ザ光を発する第２の光源１２から発せられた光ＰＢは、ノンポラライゼ−ションタイプのビ−ムスプリッタ１４に入射され、直進する光ＰＢ１と、反射される光ＰＢ２とに５０対５０に分割される。尚、上記光ＰＢ１は被測定体Ｓを通過する信号光となる一方、光ＰＢ２は被測定体Ｓを通過しない参照光となる。信号光ＰＢ１は音響光学変調器（ＡＯＭ）１５に入射され、参照光ＰＢ２は音響光学変調器（ＡＯＭ）１６に入射される。尚、光ＰＢは、被測定体Ｓを透過する際、被測定体Ｓ中の被測定物、例えばグルコ−スによる吸収率の低い波長、８５０ｎｍの波長を有するものである。
【００１５】音響光学変調器１５に入射された信号光ＰＢ１は、音響光学変調器１５において超音波発振器１７から発振された７９．８００ＭＨｚの超音波で変調される。従って音響光学変調器１５を通過した光は、７９．８００ＭＨｚの周波数で変調された変調信号光ＰＢ３となる。そして、音響光学変調器１５を通過した変調信号光ＰＢ３はミラ−１９で９０度反射されたあと前記合波器１１に入射される。
【００１６】一方、音響光学変調器１６に入射された参照光ＰＢ２は音響光学変調器１６において超音波発振器１８から発振された８０．５５０ＭＨｚの超音波で変調される。従って音響光学変調器１６を通過した光は、８０．５５０ＭＨｚの超音波で変調された参照光ＰＢ４となる。
【００１７】合波器１１で合波された変調信号光ＰＡ３及び変調信号光ＰＢ３は、被測定体Ｓ（例えば人の指）を透過し、合波信号光Ｐ１となってノンポラライゼ−ションタイプのビ−ムスプリッタ２１に入射される。
【００１８】前記音響光学変調器７を通過した前記変調参照光ＰＡ４はミラ−２２で９０度反射されたあと前記合波器２４に入射される。また、前記音響光学変調器１６を通過した前記変調参照光ＰＢ４はミラ−２５で９０度反射されたあと前記合波器２４に入射される。上記合波器２４は、変調参照光ＰＡ４と変調参照光ＰＢ４とを合波したうえ、合波参照光Ｐ２として前記ビ−ムスプリッタ２１に入射する。
【００１９】ビ−ムスプリッタ２１は、被測定体Ｓを透過した合波信号光Ｐ１と上記合波参照光Ｐ２とを合波したうえ、５０対５０に分割して光電変換器３１，３２に入射させる。フォトダイオ−ドから成る光電変換器３１，３２から出力される光電変換信号は光ヘテロダイン検波されたものである。即ち、第１の光源１から発光された波長７８０ｎｍのレ−ザ光は信号光が音響光学変調器５で８０．０００ＭＨｚで変調されるとともに参照光が音響光学変調器７で８０．４５５ＭＨｚで変調されるため、光電変換器３１，３２から出力される光電変換信号は信号光と参照光の変調周波数の差４５５ＫＨｚの光ヘテロダインビ−ト電気信号となり、第２の光源１２から発光された波長が８５０ｎｍのレ−ザ光は信号光が音響光学変調器１５で７９．８００ＭＨｚで変調されるとともに参照光が音響光学変調器１６で８０．５５０ＭＨｚで変調されるため、光電変換器３１，３２から出力される光電変換信号はその変調周波数の差７５０ＫＨｚの光ヘテロダインビ−ト電気信号となる。
【００２０】光電変換器３１，３２から出力された４５５ＫＨｚの光ヘテロダインビ−ト電気信号と７５０ＫＨｚの光ヘテロダインビ−ト電気信号は差動演算回路３３で差動演算される。そのため、前記第１の光源１、第２の光源１２からの時間的に変化する振幅変動成分に対しても、差動演算回路３３から出力される４５５ＫＨｚの光ヘテロダインビ−ト電気信号と７５０ＫＨｚの光ヘテロダインビ−ト電気信号の振幅変動成分は除去される。
【００２１】差動演算回路３３の出力端子には４５５ＫＨｚのバンドパスフィルタ３４と７５０ＫＨｚのバンドパスフィルタ３５とが接続されており、差動演算回路３３から出力された４５５ＫＨｚの光ヘテロダインビ−ト電気信号、７５０ＫＨｚの光ヘテロダインビ−ト電気信号は、バンドパスフィルタ３４，３５を通過することにより分離される。
【００２２】バンドパスフィルタ３４を通過した４５５ＫＨｚ信号は整流器３６で直流信号に変換され、バンドパスフィルタ３５を通過した７５０ＫＨｚ信号は整流器３７で直流信号に変換される。そして、整流器３６から出力された直流信号と整流器３７から出力された直流信号は比率演算回路３８で比率演算される。
【００２３】比率演算回路３８から出力される信号は、４５５ＫＨｚ信号に対応した直流信号の値と７５０ＫＨｚ信号に対応した直流信号の値の比となる。比率演算回路３８の出力端子に接続された分析装置３９は、上記直流信号の比に基づいて前記被測定体Ｓ中の被測定物（グルコ−ス）の光吸収率を測定する。即ち、４５５ＫＨｚ信号に対応した直流信号は被測定体Ｓ中のグルコ−スにより吸収される波長の光が被測定体Ｓを非散乱光として透過したあとの光強度に対応し、７５０ＫＨｚ信号に対応した直流信号は被測定体Ｓ中のグルコ−スにより吸収されない波長の光が被測定体Ｓを非散乱光として透過したあとの光強度に対応するため、分析装置３９は両直流信号の比に基づいて被測定体Ｓの光吸収率からグルコ−スの濃度を測定することができる。
【００２４】尚、上記のように分析装置３９が両直流信号の比に基づいて被測定体Ｓの光吸収率を分析し被測定体Ｓ中のグルコ−スの濃度を測定する際、初期調整として前記合波器１１で合波された変調信号光ＰＡ３及び変調信号光ＰＢ３を被測定体Ｓを透過させずに直接前記ビ−ムスプリッタ２１に入射させて比率演算回路３８から出力される信号が等しくなるように前記第１の光源からの発光強度と第２の光源からの発光強度を調整し、そのあと被測定体Ｓを光路にセットする。
【００２５】尚、上記実施の形態では、第１の光源１と第２の光源１２はそれぞれ１個の発光体を用いたが、第１の光源として被測定体Ｓ中の被測定物により吸収され易い波長の近傍の波長の光を複数光発光させるために複数の発光体を用いてもよい。この場合、それぞれの発光体から発光された光を信号光と参照光とに分割したうえ音響光学変調器で変調し、それぞれの波長の変調信号光と変調参照光の変調周波数の差に対応した複数の光ヘテロダインビ−ト電気信号が得られ、被測定体Ｓ中の被測定物とは別の成分の光吸収特性を区別して測定できることから被測定体Ｓ中の被測定物の濃度をより正確に測定することができる。
【００２６】
【発明の効果】請求項１の発明によれば、第１、第２の各光源の光の振幅が時間的に変動しても被測定体の光吸収特性を正確に分析し、被測定体中の被測定物の濃度を測定することができる。また、被測定体の形状に依存せずに被測定体中の被測定物の濃度を測定することができる。
【００２７】請求項２の発明によれば、第１の光源から発光された複数波長それぞれの変調信号光及び変調参照光の変調周波数の差に対応した光ヘテロダインビ−ト電気信号から被測定体中の被測定物とは別の成分の光吸収特性を区別して測定できるため、被測定体のより正確な光吸収特性の測定ができる。
【００２８】請求項３の発明によれば、光ヘテロダインビ−ト電気信号を得るために必要な光の変調が容易にできる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００１３２１９４
【氏名又は名称】株式会社スズケン
【識別番号】５９５０１６８９７
【氏名又は名称】三井 隆久
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| 【出願日】 |
平成９年（１９９７）７月１４日 |
| 【代理人】 |
【弁理士】
【氏名又は名称】岡田 英彦 （外６名）
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| 【公開番号】 |
特開平１１−３３０１７ |
| 【公開日】 |
平成１１年（１９９９）２月９日 |
| 【出願番号】 |
特願平９−１８８６０３ |
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