偏光状態測定装置及び偏光状態測定方法
【課題】被検体を透過した透過光の偏光状態を測定する新たな手法の提案。
【解決手段】光学装置３は、光源３００から出射し、第２偏光部３０８によって変換された直線偏光が被検体Ｓを透過した透過光を検光して出射する検光部３１４を有する。また、光学装置３は、検光部３１４からの出射光を直交分離する直交分離部３１６と、直交分離部３１６によって直交分離された光を受光する受光部３２０とを有する。演算装置は、回転装置３３０に回転制御信号を出力し、回転面が透過光の光路に対して直交するよう検光部３１４を回転制御する。そして、演算装置は、検光部３１４の回転中に直交分離部３１６によって直交分離された光を受光部３２０で受光した強度を用いて、被検体Ｓを透過した透過光の偏光状態を測定する。
【解決手段】光学装置３は、光源３００から出射し、第２偏光部３０８によって変換された直線偏光が被検体Ｓを透過した透過光を検光して出射する検光部３１４を有する。また、光学装置３は、検光部３１４からの出射光を直交分離する直交分離部３１６と、直交分離部３１６によって直交分離された光を受光する受光部３２０とを有する。演算装置は、回転装置３３０に回転制御信号を出力し、回転面が透過光の光路に対して直交するよう検光部３１４を回転制御する。そして、演算装置は、検光部３１４の回転中に直交分離部３１６によって直交分離された光を受光部３２０で受光した強度を用いて、被検体Ｓを透過した透過光の偏光状態を測定する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直線偏光が被検体を透過した透過光の偏光状態を測定する装置等に関する。
【背景技術】
【０００２】
物質を透過した光を測定することで、その物質に直接触れることなく、物質の状態を知ることができる。例えば、グルコースのような光学活性物質を直線偏光が通過するとき、その偏光面が回転する旋光性と呼ばれる性質が知られている。直線偏光は左右円偏光の重ね合わせである。左右円偏光それぞれに対する屈折率が異なるため、物質内を進行する左右円偏光の速度に差が生じる。そのため、被検体を通過した左右円偏光に位相差が生じ、この左右円偏光を合成した光は偏光面が回転している。
【０００３】
また、直線偏光が、左右円偏光に対する吸収率が異なる物質（キラルな物質）に入射すると、円偏光二色性（円二色性）と呼ばれる特性により、左右円偏光の光の振幅（光の大きさ）が変化する。この旋光性や円偏光二色性により、物質を透過した透過光は、入射時から偏光面が回転した楕円偏光となる。円偏光二色性や旋光性に着目した偏光状態の測定技術が、例えば特許文献１〜３に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開第２００７／０２９６５２号公報明細書
【特許文献２】特開２００７−９３２８９号公報
【特許文献３】特開２００４−３４０８３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
例えば、特許文献２に開示されている技術では、液晶素子を通った光を被検体に入射し、当該液晶素子に対する印加電圧を制御することで、種々の位相差を持つ光を被検体に入射させる。そして、被検体を透過した各位相差の光の強度を検出することで、被検体の偏光状態を測定する。しかし、位相差を作り出す液晶素子は温度依存性が高いため、恒温を保った状態で測定を行わないと、偏光状態の測定精度が低下するという問題がある。
【０００６】
また、特許文献３に開示されている技術では、被検体に左右の円偏光成分を等量含む光を照射する。そして、被検体を透過した透過光を左右円偏光に直交分離し、直交分離した偏光の光強度を検出して被検体の円偏光二色性を評価している。しかし、特許文献３の方法は、光学系を構成する偏光子やプリズムの精度、組立誤差といった光学系に係る誤差（以下、包括的に「光学系誤差」と称す。）が全く無い理想的な状態を前提としている。光学系誤差が全く無い状態は、実用面ではあり得ない。また、偏光状態の測定には、被検体を透過した透過光の微小な光強度の変化を捉えることが必要となり、僅かな光学系誤差が測定誤差につながるため、光学系誤差を無視することはできない。
【０００７】
本発明は上述した課題に鑑みて為されたものであり、その目的とするところは、被検体を透過した透過光の偏光状態を測定する新たな手法を提案することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
以上の課題を解決するための第１の形態は、直線偏光が被検体を透過した透過光を検光して出射する検光部と、前記検光部からの出射光を直交分離する直交分離部と、前記直交分離部によって直交分離された光を受光する受光部と、回転面が前記透過光の光路に対して直交するよう前記検光部を回転させる回転制御部と、前記検光部の回転中に前記直交分離された光を前記受光部で受光した強度を用いて前記透過光の偏光状態を測定する偏光状態測定部と、を備えた偏光状態測定装置である。
【０００９】
また、他の形態として、直線偏光が被検体を透過した透過光を検光して出射する検光部と、前記検光部からの出射光を直交分離する直交分離部と、前記直交分離部によって直交分離された光を受光する受光部と、を備えた光学装置を制御して前記透過光の偏光状態を測定する方法であって、回転面が前記透過光の光路に対して直交するよう前記検光部を回転させることと、前記検光部の回転中に前記直交分離された光を前記受光部で受光した強度を用いて前記透過光の偏光状態を測定することと、を含む偏光状態測定方法を構成することとしてもよい。
【００１０】
この第１の形態等によれば、回転面が透過光の光路に対して直交するよう検光部を回転させる。そして、検光部の回転中に直交分離された光を受光部で受光した強度を用いて、被検体を透過した透過光の偏光状態を測定する。被検体が有する円偏光二色性及び旋光性により、直線偏光が被検体を透過した透過光は、偏光面が回転した楕円偏光となる。検光部の回転中に直交分離された光を受光部で受光した強度が描く軌跡を観測することで、被検体を透過した透過光の偏光状態を測定することができる。また、この構成では、光学系を構成する偏光子やプリズムの精度、組立誤差等に起因する光学系誤差を、受光部で受光した光の強度が描く軌跡という形で捉えることができるため、光学系誤差も併せて補償することが可能となる。
【００１１】
また、第２の形態として、第１の形態の偏光状態測定装置における前記回転制御部が、所定の角度範囲で前記検光部を回転させる、偏光状態測定装置を構成することとしてもよい。
【００１２】
この第２の形態によれば、回転制御部が、所定の角度範囲で検光部を回転させる。所定の角度範囲は、例えば、受光部で受光した光の強度が描く軌跡の長軸方向の頂点と短軸方向の頂点とを確定可能な角度範囲とすればよい。この角度範囲で検光部を回転させることで、被検体を透過した透過光の偏光状態を測定することができる。
【００１３】
また、第３の形態として、第１又は第２の形態の偏光状態測定装置における前記偏光状態測定部が、前記受光した光の強度を用いて、前記透過光の振動軌跡を判定する振動軌跡判定部を有し、この振動軌跡判定部によって判定された振動軌跡を用いて前記透過光の偏光状態を測定する、偏光状態測定装置を構成することとしてもよい。
【００１４】
この第３の形態によれば、受光した光の強度を用いて、透過光の振動軌跡を判定する。透過光の振動軌跡は、楕円偏光である透過光の振動方向を表す軌跡である。この透過光の振動軌跡を、検光部の回転中に直交分離された光を受光部で受光した強度を用いて判定する。そして、判定した振動軌跡を用いることで、透過光の偏光状態の測定を的確に行うことができる。
【００１５】
また、第４の形態として、第１〜第３の何れかの形態の偏光状態測定装置における前記偏光状態測定部が、前記透過光を楕円偏光とみなし、楕円の特徴値を測定することで前記偏光状態を測定する、偏光状態測定装置を構成することとしてもよい。
【００１６】
この第４の形態によれば、透過光を楕円偏光とみなし、楕円の特徴値を測定する。楕円の特徴値は、例えば楕円の長軸や短軸の長さが挙げられる。これらの特徴値を測定することで、楕円偏光の形状を正しく把握することができる。
【００１７】
また、第５の形態として、第１〜第４の何れかの形態の偏光状態測定装置における前記直線偏光は、偏角が４５°でなる、偏光状態測定装置を構成することとしてもよい。
【００１８】
この第５の形態によれば、被検体に入射させる直線偏光の偏角を４５°とすることで、直交分離部によって直交分離された光を受光部で受光した強度の微小な変化を捉え、高い正確性で偏光状態を測定することが可能となる。
【００１９】
また、第６の形態として、第１〜第５の何れかの形態の偏光状態測定装置における前記検光部が、グラントムソンプリズムを有してなる、偏光状態測定装置を構成することとしてもよい。
【００２０】
この第６の形態によれば、検光部がグラントムソンプリズムを有してなるため、高い偏光純度（この場合は検光の純度と言える。）が得られる。
【００２１】
また、第７の形態として、第１〜第６の何れかの形態の偏光状態測定装置における前記直交分離部が、ウォラストンプリズムを有してなる、偏光状態測定装置を構成することとしてもよい。
【００２２】
この第７の形態によれば、直交分離部がウォラストンプリズムを有してなるため、検光部から出射した直線偏光を簡易且つ適切に直交分離することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】偏光状態測定装置の機能構成を示すブロック図。
【図２】光学装置を構成する光学系の構成図。
【図３】偏光状態測定の原理の説明図。
【図４】偏光状態測定の原理の説明図。
【図５】偏光状態測定の原理の説明図。
【図６】光強度データのデータ構成図。
【図７】偏光状態測定処理の流れを示すフローチャート。
【図８】第２偏光状態測定処理の流れを示すフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下図面を参照して、光学装置を用いて被検体の透過光の偏光状態を測定する偏光状態測定装置に本発明を適用した実施形態を説明する。但し、本発明を適用可能な実施形態が以下説明する実施形態に限定されるわけではないことは勿論である。
【００２５】
図１は、本実施形態における偏光状態測定装置１の機能構成の一例を示すブロック図である。偏光状態測定装置１は、主要な構成として、光学装置３と、演算装置５とを備えて構成される。偏光状態測定装置１は、例えば、果物の糖分を測定する糖分測定装置や、人間の血糖値を測定する血糖値測定装置といった測定用機器に組み込まれて利用される。
【００２６】
１．光学装置３の構成
図２は、光学装置３の光学的な構成の概略を示す図である。光学装置３は、例えば、光源３００と、減光部３０２と、第１偏光部３０４と、位相差調整部３０６と、第２偏光部３０８と、第１集光部３１０と、第２集光部３１２と、検光部３１４と、直交分離部３１６と、第３集光部３１８と、受光部３２０と、回転装置３３０とを有して構成される。
【００２７】
第１集光部３１０と第２集光部３１２との間には、被検体Ｓが配置されている。被検体Ｓは、光学活性物質を含有する固体や液体等の任意の試料とすることが可能である。本実施形態では、被検体Ｓを、グルコースを主成分とする試薬とする。被検体Ｓの円偏光二色性や旋光性を評価するために、被検体Ｓを透過した透過光の偏光状態を測定する実施形態である。
【００２８】
光源３００は、光を生成して出射する装置であり、例えば半導体レーザー（レーザーダイオード）を有して構成される。光源３００は、所定波長（例えば６５０ナノメートル［ｎｍ］）の位相の揃った光であるレーザー光を、ハーフミラーである端面から放射する。
【００２９】
減光部３０２は、光源３００から放射された光の量を減少させる素子であり、例えばＮＤ（Neutral Density）フィルター等の光学フィルターを有して構成される。
【００３０】
第１偏光部３０４は、減光部３０２によって減光された光を直線偏光に変換する素子（偏光子）であり、例えば偏光プリズム等の偏光用光学素子を有して構成される。
【００３１】
位相差調整部３０６は、第１偏光部３０４の出射光の位相差を調整する素子（位相子）であり、例えば波長板等のリタデーションプレートを有して構成される。本実施形態では、位相差調整部３０６は、１／２波長板を有してなる。
【００３２】
第２偏光部３０８は、位相差調整部３０６によって位相差が調整された偏光を直線偏光に変換する素子（偏光子）であり、例えば偏光プリズム等の偏光用光学素子を有して構成される。本実施形態では、第２偏光部３０８は、グランタイプの偏光子の一種であるグラントムソンプリズムを有してなる。
【００３３】
第１集光部３１０は、第２偏光部３０８から入射した直線偏光を集光する素子であり、例えば集光レンズを有して構成される。第１集光部３１０で集光された光は、被検体Ｓに入射する。
【００３４】
第２集光部３１２は、被検体Ｓを透過した透過光を集光するレンズであり、第２集光部３１２で集光された光は検光部３１４に入射する。
【００３５】
検光部３１４は、第２集光部３１２で集光された透過光を検光する素子（検光子）であり、例えば偏光プリズム等の偏光用光学素子を有して構成される。本実施形態では、検光部３１４は、第２偏光部３０８と同様に、グラントムソンプリズムを有してなる。
【００３６】
また、検光部３１４は、回転装置３３０の回転駆動に従って、光の入射方向に対する垂直方向（検光子の周方向）に沿って回転する。つまり、回転装置３３０は、回転面が被検体Ｓを透過した透過光の光路に対して直交するよう検光部３１４を回転させる。回転装置３３０は、例えば、パルス電力を印加する度に一定の角度だけ回転するステッピングモーター等の回転機構を有する装置であり、演算装置５から出力される回転制御信号に従って検光部３１４を回転駆動する。
【００３７】
直交分離部３１６は、検光部３１４から入射した直線偏光を、所定の開き角を成す直交成分に分離する素子である。本実施形態では、直交分離部３１６は、偏光用光学素子の一種であるウォラストンプリズムを有してなる。
【００３８】
第３集光部３１８は、直交分離部３１６で直交分離された直線偏光を集光する集光レンズである。第３集光部３１８で集光された直線偏光は、受光部３２０に入射する。
【００３９】
受光部３２０は、直交分離部３１６によって直交分離され、第３集光部３１８で集光された直線偏光を受光する素子であり、フォトダイオード等の光検出器を有して構成される。受光部３２０は、第１受光部３２０Ａ及び第２受光部３２０Ｂを有し、直交分離部３１６によって直交分離された互いに垂直な偏光成分（Ｐ成分及びＳ成分）を検出し、その光強度に応じた電圧値を検出電圧（Ｅｘ，Ｅｙ）として、演算装置５に出力する。
【００４０】
２．原理
図２の下部には、光学装置３が有する各構成部から出射した光の偏光状態を模式的に描いている。本実施形態では、光源３００からの出射光の進行方向をｚ軸とし、図２の下部では、紙面向かって手前方向を正とする前後方向をｚ軸方向として図示している。また、光の進行方向及び磁場を含む面をｚｙ平面、光の進行方向及び電場を含む面をｚｘ平面とし、それらに直交するｘｙ平面を上下左右方向の平面として図示している。また、ｘｙ平面において、楕円偏光を楕円形状で示し、直線偏光を直線状のベクトルで示している。
【００４１】
光源３００から出射し、減光部３０２によって減光された光は、例えば偏角を「α０」とする直線偏光に近い楕円偏光、言うなれば擬似的な直線偏光である。但し、図２では、偏光の電場ベクトルがｘ軸と成す角度を偏角「α」として定義している。この偏角「α０」の楕円偏光は、第１偏光部３０４によって、より直線偏光に近い楕円偏光に変換される。つまり、図２に示すように、偏角「α０」はそのまま変化せず、楕円の短軸の長さがやや縮まった楕円偏光が第１偏光部３０４から出射する。
【００４２】
第１偏光部３０４からの出射光は、位相差調整部３０６によって位相差が調整される。本実施形態では、位相差調整部３０６は１／２波長板を有する。そのため、位相差調整部３０６に入射した偏光は、その偏光面が回転する。つまり、入射光の偏光方向と１／２波長板の光学軸との成す角度を「γ」とした場合、位相差調整部３０６からの出射光は、入射光の偏光方向から「２γ」の回転を受ける。これにより、位相差調整部３０６からの出射光は、例えば偏角を「α１（＜α０）」とする楕円偏光となる。
【００４３】
位相差調整部３０６からの出射光は、第２偏光部３０８によって、ほぼ完全な直線偏光に変換される。本実施形態では、第２偏光部３０８はグラントムソンプリズムを有して構成される。そのため、入射光に対する光路は変化せず、常光線成分及び異常光線成分のうちの異常光線成分が直線偏光として出射する。これにより、第２偏光部３０８からの出射光は、偏角を“α１”とする直線偏光となる。
【００４４】
被検体Ｓが有する旋光性により、被検体Ｓに入射した直線偏光の偏光面が回転する。本実施形態では、被検体Ｓは、グルコースを主成分とする水溶液である。グルコースは光学活性を有するため、左右円偏光それぞれに対する屈折率が異なる。そのため、直線偏光を被検体Ｓに入射すると、被検体Ｓ内を進行する左右円偏光の速度に差が生じる。その結果、被検体Ｓを通過した左右円偏光には位相差が生じ、被検体Ｓを透過した透過光は、入射時の直線偏光から偏光面が回転している。
【００４５】
また、グルコースは、その内部構造がキラルであるため、円偏光を吸収する際に左右円偏光に対して吸光度に差が生ずる。そのため、直線偏光が被検体Ｓに入射すると、円偏光二色性により、左右円偏光の光の振幅（光の大きさ）が変化する。その結果、被検体Ｓを透過した透過光は、左右で異なる振幅を有する光となる。
【００４６】
上記の旋光性及び円偏光二色性により、被検体Ｓから出射する光は、入射時と位相及び振幅が異なっている。そのため、直線偏光であった入射光は、被検体Ｓを透過することで楕円偏光に変化する。つまり、図２に示すように、被検体Ｓの入射時には偏角「α１」であった直線偏光が、被検体Ｓを透過することで偏角「φ」の楕円偏光となる。楕円偏光であることに鑑み、以下では偏角「φ」のことを楕円方位角「φ」として説明する。
【００４７】
本実施形態では、被検体Ｓを透過した透過光を楕円偏光とみなし、楕円の特徴値を測定することで透過光の偏光状態を測定する。具体的には、検光部３１４を回転させながら、受光部３２０によって検出される光強度の検出電圧（Ｅｘ，Ｅｙ）のデータを取得する。そして、楕円の長軸の長さに対応する受光光の強度が最大となる検出電圧（Ｅｘmax，Ｅｙmax）と、楕円の短軸の長さに対応する受光光の強度が最小となる検出電圧（Ｅｘmin，Ｅｙmin）とを特徴値として測定する。そして、これらの特徴値を用いて、透過光の偏光状態を示す偏光パラメーター値を算出する。
【００４８】
つまり、検光部３１４を固定した状態において、受光部３２０によって検出される光強度は、一組の検出電圧（Ｅｘ，Ｅｙ）のデータとなる。検光部３１４の回転状態を様々に変化させながら、光強度を検出した検出電圧（Ｅｘ，Ｅｙ）のデータ組を取得し、Ｅｘ−Ｅｙ平面に描かれる受光光の強度の軌跡を観測する。
【００４９】
また、本実施形態では、被検体Ｓに入射する直線偏光の偏角が「４５°」となるように初期校正を行う（α１＝４５°）。具体的には、被検体Ｓを光学装置３に配置していない状態で「Ｅｘ＝Ｅｙ」となるように第１偏光部３０４を位置決めする。直線偏光の偏角を「４５°」とする理由は、次の通りである。
【００５０】
透過光の偏光状態を正しく測定するためには、直交分離部３１６によって直交分離された光（Ｐ波及びＳ波）の強度を、受光部３２０で正しく検出することが必要となる。しかし、フォトダイオード等の光検出器で生ずる電圧は微小値であり、ノイズに埋もれ得るレベルである。従って、僅かな光強度の変化でも、大きな電圧値の変化として捉えることが必要となる。
【００５１】
検出電圧「Ｅｘ」と「Ｅｙ」との比「Ｙ＝Ｅｙ／Ｅｘ」を考える。「Ｅｙ＝１」として「Ｙ＝１／Ｅｘ」の双曲線を考えた場合、この双曲線は「Ｅｘ」の値の増加に伴い減衰する。「Ｅｘ」の値が大きい範囲では、「Ｅｘ」の値が変化しても「Ｙ」の値はほとんど変化しない。しかし、「Ｅｘ」の値が小さい範囲では、「Ｅｘ」の値が少し変化しただけで「Ｙ」の値は大きく変化する。
【００５２】
従って、「Ｅｙ」と「Ｅｘ」との比を「１：１」とすることで、「Ｅｘ」の僅かな変化に対して「Ｙ＝Ｅｙ／Ｅｘ」を大きく変化させることができる。つまり、「Ｅｘ＝Ｅｙ」となるように初期校正を行っておくことで、被検体Ｓを配置した場合に、「Ｅｘ」に対する「Ｅｙ」の相対的な変化（「Ｅｙ」に対する「Ｅｘ」の相対的な変化）が明確となり、偏光状態の測定精度を向上させることができる。
【００５３】
図３は、偏光パラメーター値の算出方法の説明図である。ここでは、検光部３１４を「０°〜３６０°」の角度範囲で回転させる場合を図示している。図３において、横軸は検出電圧「Ｅｘ」であり、縦軸は検出電圧「Ｅｙ」である。検光部３１４を回転させながらサンプリングした検出電圧（Ｅｘ，Ｅｙ）の軌跡を実線で描いている。
【００５４】
回転の開始位置Ｓ及び終了位置Ｇは、被検体Ｓに入射する直線偏光の偏角が「４５°」となる位置である。この開始位置Ｓを基準として検光部３１４を一回転させる。すると、図３に示すように、例えばピーナッツ形状（瓢箪形状）の軌跡が得られる。完全な楕円軌跡として図示していないのは、被検体Ｓにはグルコース以外の成分が含まれているため、これらの成分の屈折率や透過率の影響を受けることを想定したためである。
【００５５】
検出電圧（Ｅｘ，Ｅｙ）のデータ組のうち、光強度の絶対値が最大となるデータと、光強度の絶対値が最小となるデータとを、楕円の特徴値として測定する。つまり、「（Ｅｘ2＋Ｅｙ2）1/2」が最大となる検出電圧（Ｅｘmax，Ｅｙmax）と、「（Ｅｘ2＋Ｅｙ2）1/2」が最小となる検出電圧（Ｅｘmin，Ｅｙmin）とを特徴値として測定する。
【００５６】
図３では、（Ｅｘmax，Ｅｙmax）に相当する座標上の点を白丸の点Ａで、（Ｅｘmin，Ｅｙmin）に相当する座標上の点を白丸の点Ｂでそれぞれ図示している。Ｅｘ−Ｅｙ平面において、原点Ｏを始点とし、点Ａを終点とするベクトルＯＡが、最大の光強度に相当するベクトルとなる。また、原点Ｏを始点とし、点Ｂを終点とするベクトルＯＢが、最小の光強度に相当するベクトルとなる。
【００５７】
このとき、検出電圧（Ｅｘmax，Ｅｙmax）及び（Ｅｘmin，Ｅｙmin）を用いて、例えば次式（１）及び（２）に従って楕円率角“θ”及び楕円方位角“φ”をそれぞれ算出する。
【数１】
【数２】
【００５８】
なお、図３では、検光部３１４を「０°〜３６０°」の角度範囲で回転させる場合を例示したが、検光部３１４を回転させる角度範囲はこれに限られるわけではない。検光部３１４を回転させることで得られる楕円の軌跡は「±１８０°」の方向で対称となる。そのため、検光部３１４を少なくとも「１８０°」回転させれば、その対称性から全体的な軌跡を再現することができる。
【００５９】
そこで、図４に示すように、例えば角度「δ」分の余裕を持たせて「０°〜１８０°＋δ」の角度範囲で検光部３１４を回転させることとしてもよい。つまり、偏角「４５°」の位置を開始位置Ｓとし、「２２５°＋δ」の位置を終了位置Ｇとして、検光部３１４を回転制御する。なお、「δ」の値は適宜選択することが可能であるが、例えば「０°〜１０°」の範囲で選択した値とすればよい。
【００６０】
また、検光部３１４を一回転させるのではなく、複数回回転させることとしてもよい。具体的には、例えば図５に示すように、検光部３１４を「０°〜７２０°」の角度範囲で回転制御してもよい。つまり、偏角「４５°」の位置を開始位置Ｓ及び終了位置Ｇとして、検光部３１４を二回転させて楕円の軌跡を描く。勿論、回転の角度範囲を更に広げて、検光部３１４を三回転以上させることとしてもよい。
【００６１】
さらに、上記の場合において、検光部３１４を回転させる方向は、一定の方向としてもよいし、途中で反転させることとしてもよい。
【００６２】
例えば、図４において「０°〜１８０°＋δ」の角度範囲で検光部３１４を回転制御する場合において、「０°〜１８０°＋δ」までは第１回転方向（正方向）に検光部３１４を回転制御した後、「１８０°＋δ〜０°」までは第２回転方向（負方向）に検光部３１４を回転制御することとしてもよい。
【００６３】
また、図５において「０°〜７２０°」の角度範囲で検光部３１４を二回転させる場合において、一回転目は検光部３１４を第１回転方向（正方向）に回転制御し、二回転目は第２回転方向（負方向）に検光部３１４を回転制御することとしてもよい。
【００６４】
３．演算装置５の構成
演算装置５は、光学装置３の制御を行う制御装置であるとともに、光学装置３の受光部３２０から取得した検出電圧（Ｅｘ，Ｅｙ）に基づいて、被検体Ｓを透過した透過光の偏光状態を演算する演算装置である。
【００６５】
図１に示すように、演算装置５は、処理部５１０と、入力部５２０と、表示部５３０と、音出力部５４０と、通信部５５０と、記憶部５６０とを備えて構成され、各部がバス５８０を介して接続されるコンピューターシステムである。
【００６６】
処理部５１０は、記憶部５６０に記憶されているシステムプログラム等の各種プログラムに従って、演算装置５の各部や光学装置３を統括的に制御する制御装置及び演算装置であり、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やＤＳＰ（Digital Signal Processor）等のプロセッサーを有して構成される。処理部５１０は、主要な機能部として、回転制御部５１１と、偏光状態測定部５１３とを有する。
【００６７】
回転制御部５１１は、回転装置３３０による検光部３１４の回転を制御する。具体的には、予め定められた回転状態で、或いは、検査員によって指示入力された回転状態で検光部３１４を回転制御する回転制御信号を回転装置３３０に出力する。
【００６８】
偏光状態測定部５１３は、光学装置３の受光部３２０から取得した検出電圧（Ｅｘ，Ｅｙ）に基づいて、被検体Ｓを透過した透過光の偏光状態を演算して測定する。つまり、式（１）及び（２）に従って偏光パラメーター値を算出する。
【００６９】
入力部５２０は、例えばキーボードやボタンスイッチ等を有して構成される入力装置であり、押下されたキーやボタンの信号を処理部５１０に出力する。この入力部５２０の操作により、各種データの入力や、偏光状態の測定開始指示といった各種指示入力がなされる。
【００７０】
表示部５３０は、処理部５１０から出力される表示信号に基づいた各種表示を行う表示装置であり、例えばＬＣＤ（Liquid Crystal Display）等を有して構成される。表示部５３０には、偏光状態測定部５１３によって測定された偏光状態（偏光パラメーター値）等の情報が表示される。
【００７１】
音出力部５４０は、処理部５１０から出力される音出力信号に基づく音出力を行う音出力装置であり、例えばスピーカー等を有して構成される。音出力部５４０からは、初期校正や偏光状態測定に係る音声ガイダンスやアラーム音等が音出力される。
【００７２】
通信部５５０は、演算装置５が外部の情報処理装置との間で有線通信又は無線通信を行うための通信装置である。通信部５５０は、例えば、有線ケーブルを介して通信を行う有線通信モジュールや、無線ＬＡＮやスペクトラム拡散通信等を行う無線通信モジュール等を有して構成される。
【００７３】
記憶部５６０は、ＲＯＭ（Read Only Memory）やフラッシュＲＯＭ、ＲＡＭ（Random Access Memory）等の記憶装置（メモリー）を有して構成され、演算装置５のシステムプログラムや、回転制御機能、偏光状態測定機能等の各種機能を実現するための各種プログラム、各種データ等を記憶している。また、各種処理の処理中データ、処理結果などを一時的に記憶するワークエリアを有する。
【００７４】
記憶部５６０には、プログラムとして、処理部５１０によって読み出され、偏光状態測定処理（図７参照）として実行される偏光状態測定プログラム５６１が記憶されている。偏光状態測定プログラム５６１は、偏光パラメーター値算出処理として実行される偏光パラメーター値算出プログラム５６１Ａをサブルーチンとして含む。これらの処理については、フローチャートを用いて詳細に後述する。
【００７５】
また、記憶部５６０には、データとして、例えば、光強度データ５６３と、偏光状態測定データ５６５とが記憶される。
【００７６】
図６は、光強度データ５６３のデータ構成例を示す図である。光強度データ５６３には、回転角５６３Ａと、検出電圧５６３Ｂとが対応付けて記憶される。回転角５６３Ａは、回転装置３３０が検光部３１４を回転させる際の回転角であり、所定の角度範囲の回転角が記憶される。また、検出電圧５６３Ｂは、各回転角５６３Ａについて受光部３２０（第１受光部３２０Ａ及び第２受光部３２０Ｂ）から取得した検出電圧（Ｅｘ，Ｅｙ）のデータが記憶される。
【００７７】
偏光状態測定データ５６５は、偏光状態測定処理において測定された透過光の偏光状態を示す測定データである。例えば、偏光パラメーター値算出処理によって算出された楕円率角５６５Ａや楕円方位角５６５Ｂがこれに含まれる。
【００７８】
４．処理の流れ
図７は、記憶部５６０に記憶されている偏光状態測定プログラム５６１が処理部５１０によって読み出されることで、偏光状態測定装置１において実行される偏光状態測定処理の流れを示すフローチャートである。
【００７９】
最初に、処理部５１０は、初期校正処理を行う（ステップＡ１）。具体的には、被検体Ｓの検査を行う検査員に第１偏光部３０４を位置決めするように指示する。この指示に従って、検査員は第１偏光部３０４を位置決めして、被検体Ｓに入射する直線偏光の偏角を調整する。この偏角の調整の一手法としては、例えば、回転面が光路に対して直交するよう第１偏光部３０４を回転させるよう検査員に指示する。検査員は、この指示に従って、回転角を少しずつ変化させながら第１偏光部３０４を回転させる。
【００８０】
このとき、処理部５１０は、第１偏光部３０４の各回転角について受光部３２０から出力される検出電圧（Ｅｘ，Ｅｙ）をサンプリングする。そして、「Ｅｘ＝Ｅｙ」となったことを検知すると、その旨を検査員に報知するアナウンスやアラーム音を音出力部５４０から音出力させたり、その旨を報知するメッセージを表示部５３０に表示させるなどして、偏角の調整に成功したことを検査員に報知する。これにより、初期校正は完了となる。
【００８１】
次いで、回転制御部５１１が、検光部３１４の回転制御を開始する（ステップＡ３）。そして、処理部５１０は、受光部３２０から検出電圧（Ｅｘ，Ｅｙ）を取得し、光強度データ５６３として記憶部５６０に記憶させる（ステップＡ５）。
【００８２】
その後、回転制御部５１１は、検光部３１４の回転を終了するか否かを判定し（ステップＡ７）、回転を継続すると判定した場合は（ステップＡ７；Ｎｏ）、回転制御を継続し、ステップＡ５に戻る。また、回転を終了すると判定した場合は（ステップＡ７；Ｙｅｓ）、検光部３１４の回転制御を終了する（ステップＡ９）。
【００８３】
次いで、処理部５１０は、記憶部５６０に記憶されている偏光パラメーター値算出プログラム５６１Ａに従って、偏光パラメーター値算出処理を行う（ステップＡ１１〜Ａ１５）。
【００８４】
偏光状態測定部５１３は、楕円軌跡の特徴値を抽出する（ステップＡ１１）。具体的には、記憶部５６０の光強度データ５６３を参照し、最大光強度及び最小光強度に相当する検出電圧（Ｅｘ，Ｅｙ）のデータを楕円軌跡の特徴値として抽出する。これは、被検体Ｓを透過した透過光を楕円偏光とみなし、楕円の特徴値を測定することに相当する。
【００８５】
そして、偏光状態測定部５１３は、抽出した特徴値を用いて、式（１）に従って楕円率角５６５Ａを算出し、偏光状態測定データ５６５として記憶部５６０に記憶させる（ステップＡ１３）。また、偏光状態測定部５１３は、抽出した特徴値を用いて、式（２）に従って楕円方位角５６５Ｂを算出し、偏光状態測定データ５６５として記憶部５６０に記憶させる（ステップＡ１５）。そして、偏光状態測定部５１３は、偏光パラメーター値算出処理を終了する。
【００８６】
次いで、処理部５１０は、偏光状態の測定を終了するか否かを判定し（ステップＡ１７）、測定を継続すると判定した場合は（ステップＡ１７；Ｎｏ）、ステップＡ３に戻る。また、測定を終了すると判定した場合は（ステップＡ１７；Ｙｅｓ）、偏光状態測定処理を終了する。
【００８７】
５．作用効果
偏光状態測定装置１において、光学装置３は、光源３００から出射し、第２偏光部３０８によって変換された直線偏光が被検体Ｓを透過した透過光を検光して出射する検光部３１４を有する。また、光学装置３は、検光部３１４からの出射光を直交分離する直交分離部３１６と、直交分離部３１６によって直交分離された光を受光する受光部３２０とを有する。演算装置５は、回転装置３３０に回転制御信号を出力し、回転面が透過光の光路に対して直交するよう検光部３１４を回転制御する。そして、演算装置５は、検光部３１４の回転中に直交分離部３１６によって直交分離された光を受光部３２０で受光した強度を用いて、被検体Ｓを透過した透過光の偏光状態を測定する。
【００８８】
被検体Ｓが有する円偏光二色性及び旋光性により、直線偏光が被検体Ｓを透過した透過光は楕円偏光に変換される。そこで、直線偏光が被検体Ｓを透過した透過光を楕円偏光とみなし、楕円の特徴値を測定することで偏光状態を測定する。受光部３２０で受光した光の強度が最大となる電圧値と、受光部３２０で受光した光の強度が最小となる電圧値とを特徴値として測定することで、楕円形状を定める楕円率角や楕円方位角といった偏光パラメーター値を算出することができる。
【００８９】
受光部３２０で受光される光の強度には、光学装置３を構成する偏光子やプリズムの精度、光学系の組立誤差等に依存する光学系誤差が内在している。従って、検光部３１４を固定した状態で受光光の強度を測定したとしても、それが必ずしも楕円の長軸方向の頂点と一致している保証はない。しかし、本実施形態では、検光部３１４を回転させながら受光部３２０で受光される光の強度の軌跡を描くことで、楕円の長軸方向及び短軸方向の頂点をきちんと確定できる。
【００９０】
通常、光学系の組立誤差は、それぞれの光学素子の位置合わせに依存する。位置合わせで最も影響が大きいのは、偏光プリズムや集光レンズの光軸が一直線上に並んでいるかどうかである。光軸がずれている場合、被検体Ｓを透過した透過光が受光部３２０（フォトダイオード）上にきちんと焦点を結ばず、受光部３２０で本来生ずべき電圧が検出されなくなるため、いわゆる光軸調整を行うことが必要となる。
【００９１】
光軸調整は、例えば、光学系を構成する光学素子の位置や向きを変えながら、その焦点位置の変化を捉えることで実現可能であるが、これには機械的限界がある。本実施形態では、従来の光軸調整方法では追い込めなかった光学系誤差を、受光光の強度が描く軌跡という形で捉えることができる。つまり、検光部３１４を様々な回転状態（回転角度、回転方向、回転回数）で回転させながら受光部３２０で受光した光の強度の軌跡を描くことで、光学系誤差を含めた形で、被検体Ｓを透過した透過光の偏光状態を正しく測定することができる。
【００９２】
本実施形態の偏光状態測定装置１は、例えば、果物の糖分を測定する糖分測定装置や、人間の血糖値を測定する血糖値測定装置といった測定用機器に組み込んで利用することが可能である。糖分測定装置に適用する場合は、果物を被検体Ｓとして光学装置３に設定して実験を行う。また、血糖値測定装置に適用する場合は、人間の耳たぶや指先、指の表皮部等を測定用部位とし、当該測定用部位に直線偏光を照射して、その透過光の偏光状態を測定する。そして、偏光状態として測定した楕円率角や楕円方位角といった偏光パラメーター値に基づいて、被検体Ｓである人間の血糖値（グルコース濃度）を測定する。
【００９３】
６．変形例
本発明を適用可能な実施例は、上記の実施例に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能であることは勿論である。以下、変形例について説明する。
【００９４】
６−１．透過光の振動軌跡判定
上記の実施形態では、検光部３１４を回転させた場合に受光部３２０によって受光される受光光の光強度の検出電圧が描く軌跡に基づいて、透過光の振動軌跡を判定した。しかし、振動軌跡の判定方法はこれに限られるわけではない。
【００９５】
例えば、（１）パターンマッチングを用いた振動軌跡判定方法を適用することとしてもよい。具体的には、楕円の長軸の長さ、短軸の長さ、楕円率、楕円方位角といった楕円形状を定める各種のパラメーター値に基づいて、複数の楕円パターンのデータ（以下、「楕円パターンデータ」と称す。）を記憶部５６０に予めデータベース化しておく。楕円パターンデータは、例えば、その楕円形状に応じた光強度のデータ組として定めておくことができる。
【００９６】
この場合、検光部３１４を回転させた場合に受光部３２０によって取得される受光光の光強度のデータ組と、データベース化された複数種類の楕円パターンデータとのパターンマッチング処理を行う。そして、パターンマッチング処理により適合度が高いと判定された楕円パターンデータにより定まる楕円軌跡を、被検体Ｓを透過した透過光の振動軌跡と判定する。
【００９７】
また、他の方法として、（２）平均処理を用いた振動軌跡判定方法を適用することとしてもよい。具体的には、回転方向を一定にして、或いは、回転方向を逆転させて、検光部３１４を複数回回転させる。検光部３１４をＮ回回転させることで、Ｎ回転分の光強度のデータ組が得られる。そして、このＮ回転分の光強度のデータ組を平均処理（例えば加算平均）し、その平均処理の結果として得られた光強度のデータ組により定まる軌跡を、被検体Ｓを透過した透過光の振動軌跡と判定する。
【００９８】
図８は、本変形例において、演算装置５の処理部５１０が、図７の偏光状態測定処理に代えて実行する第２偏光状態測定処理の流れを示すフローチャートである。なお、偏光状態測定処理と同一のステップについては同一の符号を付して、説明を省略する。図示は省略するが、本変形例では、処理部５１０は、受光部３２０の受光光の強度を用いて、透過光の振動軌跡を判定する振動軌跡判定部を機能部として有する。
【００９９】
ステップＡ９において検光部３１４の回転制御を終了した後、振動軌跡判定部は、振動軌跡判定処理を行う（ステップＢ１０）。この振動軌跡判定処理は、上述した（１）パターンマッチングを用いた振動軌跡判定方法や、（２）平均処理を用いた振動軌跡判定方法、を適用した処理として実現することができる。
【０１００】
その後、偏光状態測定部５１３は、ステップＢ１０の振動軌跡判定処理で判定した振動軌跡の特徴値を抽出する（ステップＢ１１）。具体的には、振動軌跡判定処理で判定された振動軌跡を示す光強度のデータ組のうち、最大光強度及び最小光強度に対応するデータを楕円の特徴値として抽出する。そして、抽出した特徴値を用いて、楕円率角“θ”及び楕円方位角“φ”を算出する。
【０１０１】
６−２．楕円の特徴値の測定
上記の実施形態では、受光部３２０の検出電圧（Ｅｘ，Ｅｙ）のうち、最大光強度に対応する検出電圧（Ｅｘmax，Ｅｙmax）及び最小光強度に対応する検出電圧（Ｅｘmin，Ｅｙmin）を特徴値として測定した。これ以外にも、次のようにして特徴値を測定することとしてもよい。
【０１０２】
検出電圧（Ｅｘ，Ｅｙ）の座標平面において、原点Ｏを始点とし、楕円軌跡上の点Ａを終点とする第１特徴値ベクトルＯＡと、原点Ｏを始点とし、楕円軌跡上の点Ｂを終点とする第２特徴値ベクトルＯＢとの２本のベクトルを考える。このとき、第１特徴値ベクトルＯＡと第２特徴値ベクトルＯＢとの成す角度が「９０°」となるように第１特徴値Ａ及び第２特徴値Ｂを選択する。
【０１０３】
具体的には、例えば、第１特徴値ベクトルＯＡと第２特徴値ベクトルＯＢとの成す角度が「９０°」となる特徴値Ａ及びＢの組合せのうち、２本のベクトルの大きさの差が最大となる組合せを判定する。つまり、｜ＯＡ｜−｜ＯＢ｜が最大となる特徴値の組合せを判定し、当該組合せに含まれる特徴値Ａ及びＢを用いて偏光状態を測定する。
【０１０４】
なお、この楕円の特徴値の測定方法は、上記の振動軌跡判定方法を適用した場合も実質的に同一に適用可能である。具体的には、図８の第２偏光状態測定処理において、ステップＢ１０において振動軌跡判定処理を行った後、偏光状態測定部５１３が、振動軌跡判定処理で判定された振動軌跡の中から、上記の条件を満たす特徴値Ａ及びＢの組合せを特徴値として抽出する（ステップＢ１１）。
【０１０５】
６−３．偏光パラメーター値の算出方法
上記の実施形態では、式（１）及び式（２）に従って偏光パラメーター値を算出したが、偏光パラメーター値の算出方法はこれに限られない。例えば、次式（３）及び（４）に従って偏光パラメーター値を算出することも可能である。
【数３】
【数４】
【０１０６】
６−４．直線偏光の偏角
上記の実施形態では、被検体Ｓに入射する直線偏光の偏角を「４５°」としたが、これは偏光状態の測定精度を向上させるための工夫の１つであり、必ずしも偏角を「４５°」としなければならないわけではない。
【０１０７】
また、上記の実施形態では、被検体Ｓの前段に配置された第１偏光部３０４を位置決めすることで初期校正を行ったが、被検体Ｓの後段に配置された検光部３１４を位置決めすることで初期校正を行ってもよい。この場合は、例えば、回転面が光路に対して直交するよう検光部３１４を回転させる。そして、「Ｅｘ＝Ｅｙ」を満たす検光部３１４の設置角度を基準として、検光部３１４を回転制御すればよい。
【０１０８】
６−５．偏光用光学素子
上記の実施形態では、第２偏光部３０８や検光部３１４が、グラントムソンプリズムを有して構成されるものとして説明したが、これ以外の偏光用光学素子を有する構成としてもよいことは勿論である。例えば、第２偏光部３０８や検光部３１４が、同じグランタイプの偏光用光学素子であるグランテーラープリズムを有する構成としてもよい。
【０１０９】
また、上記の実施形態では、直交分離部３１６が、ウォラストンプリズムを有して構成されるものとして説明したが、直交分離部３１６を構成する偏光用光学素子も適宜変更可能である。例えば、グランレーザープリズムやローションプリズムといった直交分離機能を有する偏光用光学素子を有する構成としてもよい。
【符号の説明】
【０１１０】
１ 偏光状態測定装置、 ３ 光学装置、 ５ 演算装置、
３００ 光源、 ３０２ 減光部、 ３０４ 第１偏光部、 ３０６ 位相差調整部、
３０８ 第２偏光部、 ３１０ 第１集光部、 ３１２ 第２集光部、
３１４ 検光部、 ３１６ 直交分離部、 ３１８ 第３集光部、 ３２０ 受光部、
３３０ 回転装置、 ５１０ 処理部、５２０ 入力部、 ５３０ 表示部、
５４０ 音出力部、 ５５０ 通信部、 ５６０ 記憶部、 ５８０ バス
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直線偏光が被検体を透過した透過光の偏光状態を測定する装置等に関する。
【背景技術】
【０００２】
物質を透過した光を測定することで、その物質に直接触れることなく、物質の状態を知ることができる。例えば、グルコースのような光学活性物質を直線偏光が通過するとき、その偏光面が回転する旋光性と呼ばれる性質が知られている。直線偏光は左右円偏光の重ね合わせである。左右円偏光それぞれに対する屈折率が異なるため、物質内を進行する左右円偏光の速度に差が生じる。そのため、被検体を通過した左右円偏光に位相差が生じ、この左右円偏光を合成した光は偏光面が回転している。
【０００３】
また、直線偏光が、左右円偏光に対する吸収率が異なる物質（キラルな物質）に入射すると、円偏光二色性（円二色性）と呼ばれる特性により、左右円偏光の光の振幅（光の大きさ）が変化する。この旋光性や円偏光二色性により、物質を透過した透過光は、入射時から偏光面が回転した楕円偏光となる。円偏光二色性や旋光性に着目した偏光状態の測定技術が、例えば特許文献１〜３に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開第２００７／０２９６５２号公報明細書
【特許文献２】特開２００７−９３２８９号公報
【特許文献３】特開２００４−３４０８３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
例えば、特許文献２に開示されている技術では、液晶素子を通った光を被検体に入射し、当該液晶素子に対する印加電圧を制御することで、種々の位相差を持つ光を被検体に入射させる。そして、被検体を透過した各位相差の光の強度を検出することで、被検体の偏光状態を測定する。しかし、位相差を作り出す液晶素子は温度依存性が高いため、恒温を保った状態で測定を行わないと、偏光状態の測定精度が低下するという問題がある。
【０００６】
また、特許文献３に開示されている技術では、被検体に左右の円偏光成分を等量含む光を照射する。そして、被検体を透過した透過光を左右円偏光に直交分離し、直交分離した偏光の光強度を検出して被検体の円偏光二色性を評価している。しかし、特許文献３の方法は、光学系を構成する偏光子やプリズムの精度、組立誤差といった光学系に係る誤差（以下、包括的に「光学系誤差」と称す。）が全く無い理想的な状態を前提としている。光学系誤差が全く無い状態は、実用面ではあり得ない。また、偏光状態の測定には、被検体を透過した透過光の微小な光強度の変化を捉えることが必要となり、僅かな光学系誤差が測定誤差につながるため、光学系誤差を無視することはできない。
【０００７】
本発明は上述した課題に鑑みて為されたものであり、その目的とするところは、被検体を透過した透過光の偏光状態を測定する新たな手法を提案することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
以上の課題を解決するための第１の形態は、直線偏光が被検体を透過した透過光を検光して出射する検光部と、前記検光部からの出射光を直交分離する直交分離部と、前記直交分離部によって直交分離された光を受光する受光部と、回転面が前記透過光の光路に対して直交するよう前記検光部を回転させる回転制御部と、前記検光部の回転中に前記直交分離された光を前記受光部で受光した強度を用いて前記透過光の偏光状態を測定する偏光状態測定部と、を備えた偏光状態測定装置である。
【０００９】
また、他の形態として、直線偏光が被検体を透過した透過光を検光して出射する検光部と、前記検光部からの出射光を直交分離する直交分離部と、前記直交分離部によって直交分離された光を受光する受光部と、を備えた光学装置を制御して前記透過光の偏光状態を測定する方法であって、回転面が前記透過光の光路に対して直交するよう前記検光部を回転させることと、前記検光部の回転中に前記直交分離された光を前記受光部で受光した強度を用いて前記透過光の偏光状態を測定することと、を含む偏光状態測定方法を構成することとしてもよい。
【００１０】
この第１の形態等によれば、回転面が透過光の光路に対して直交するよう検光部を回転させる。そして、検光部の回転中に直交分離された光を受光部で受光した強度を用いて、被検体を透過した透過光の偏光状態を測定する。被検体が有する円偏光二色性及び旋光性により、直線偏光が被検体を透過した透過光は、偏光面が回転した楕円偏光となる。検光部の回転中に直交分離された光を受光部で受光した強度が描く軌跡を観測することで、被検体を透過した透過光の偏光状態を測定することができる。また、この構成では、光学系を構成する偏光子やプリズムの精度、組立誤差等に起因する光学系誤差を、受光部で受光した光の強度が描く軌跡という形で捉えることができるため、光学系誤差も併せて補償することが可能となる。
【００１１】
また、第２の形態として、第１の形態の偏光状態測定装置における前記回転制御部が、所定の角度範囲で前記検光部を回転させる、偏光状態測定装置を構成することとしてもよい。
【００１２】
この第２の形態によれば、回転制御部が、所定の角度範囲で検光部を回転させる。所定の角度範囲は、例えば、受光部で受光した光の強度が描く軌跡の長軸方向の頂点と短軸方向の頂点とを確定可能な角度範囲とすればよい。この角度範囲で検光部を回転させることで、被検体を透過した透過光の偏光状態を測定することができる。
【００１３】
また、第３の形態として、第１又は第２の形態の偏光状態測定装置における前記偏光状態測定部が、前記受光した光の強度を用いて、前記透過光の振動軌跡を判定する振動軌跡判定部を有し、この振動軌跡判定部によって判定された振動軌跡を用いて前記透過光の偏光状態を測定する、偏光状態測定装置を構成することとしてもよい。
【００１４】
この第３の形態によれば、受光した光の強度を用いて、透過光の振動軌跡を判定する。透過光の振動軌跡は、楕円偏光である透過光の振動方向を表す軌跡である。この透過光の振動軌跡を、検光部の回転中に直交分離された光を受光部で受光した強度を用いて判定する。そして、判定した振動軌跡を用いることで、透過光の偏光状態の測定を的確に行うことができる。
【００１５】
また、第４の形態として、第１〜第３の何れかの形態の偏光状態測定装置における前記偏光状態測定部が、前記透過光を楕円偏光とみなし、楕円の特徴値を測定することで前記偏光状態を測定する、偏光状態測定装置を構成することとしてもよい。
【００１６】
この第４の形態によれば、透過光を楕円偏光とみなし、楕円の特徴値を測定する。楕円の特徴値は、例えば楕円の長軸や短軸の長さが挙げられる。これらの特徴値を測定することで、楕円偏光の形状を正しく把握することができる。
【００１７】
また、第５の形態として、第１〜第４の何れかの形態の偏光状態測定装置における前記直線偏光は、偏角が４５°でなる、偏光状態測定装置を構成することとしてもよい。
【００１８】
この第５の形態によれば、被検体に入射させる直線偏光の偏角を４５°とすることで、直交分離部によって直交分離された光を受光部で受光した強度の微小な変化を捉え、高い正確性で偏光状態を測定することが可能となる。
【００１９】
また、第６の形態として、第１〜第５の何れかの形態の偏光状態測定装置における前記検光部が、グラントムソンプリズムを有してなる、偏光状態測定装置を構成することとしてもよい。
【００２０】
この第６の形態によれば、検光部がグラントムソンプリズムを有してなるため、高い偏光純度（この場合は検光の純度と言える。）が得られる。
【００２１】
また、第７の形態として、第１〜第６の何れかの形態の偏光状態測定装置における前記直交分離部が、ウォラストンプリズムを有してなる、偏光状態測定装置を構成することとしてもよい。
【００２２】
この第７の形態によれば、直交分離部がウォラストンプリズムを有してなるため、検光部から出射した直線偏光を簡易且つ適切に直交分離することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】偏光状態測定装置の機能構成を示すブロック図。
【図２】光学装置を構成する光学系の構成図。
【図３】偏光状態測定の原理の説明図。
【図４】偏光状態測定の原理の説明図。
【図５】偏光状態測定の原理の説明図。
【図６】光強度データのデータ構成図。
【図７】偏光状態測定処理の流れを示すフローチャート。
【図８】第２偏光状態測定処理の流れを示すフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下図面を参照して、光学装置を用いて被検体の透過光の偏光状態を測定する偏光状態測定装置に本発明を適用した実施形態を説明する。但し、本発明を適用可能な実施形態が以下説明する実施形態に限定されるわけではないことは勿論である。
【００２５】
図１は、本実施形態における偏光状態測定装置１の機能構成の一例を示すブロック図である。偏光状態測定装置１は、主要な構成として、光学装置３と、演算装置５とを備えて構成される。偏光状態測定装置１は、例えば、果物の糖分を測定する糖分測定装置や、人間の血糖値を測定する血糖値測定装置といった測定用機器に組み込まれて利用される。
【００２６】
１．光学装置３の構成
図２は、光学装置３の光学的な構成の概略を示す図である。光学装置３は、例えば、光源３００と、減光部３０２と、第１偏光部３０４と、位相差調整部３０６と、第２偏光部３０８と、第１集光部３１０と、第２集光部３１２と、検光部３１４と、直交分離部３１６と、第３集光部３１８と、受光部３２０と、回転装置３３０とを有して構成される。
【００２７】
第１集光部３１０と第２集光部３１２との間には、被検体Ｓが配置されている。被検体Ｓは、光学活性物質を含有する固体や液体等の任意の試料とすることが可能である。本実施形態では、被検体Ｓを、グルコースを主成分とする試薬とする。被検体Ｓの円偏光二色性や旋光性を評価するために、被検体Ｓを透過した透過光の偏光状態を測定する実施形態である。
【００２８】
光源３００は、光を生成して出射する装置であり、例えば半導体レーザー（レーザーダイオード）を有して構成される。光源３００は、所定波長（例えば６５０ナノメートル［ｎｍ］）の位相の揃った光であるレーザー光を、ハーフミラーである端面から放射する。
【００２９】
減光部３０２は、光源３００から放射された光の量を減少させる素子であり、例えばＮＤ（Neutral Density）フィルター等の光学フィルターを有して構成される。
【００３０】
第１偏光部３０４は、減光部３０２によって減光された光を直線偏光に変換する素子（偏光子）であり、例えば偏光プリズム等の偏光用光学素子を有して構成される。
【００３１】
位相差調整部３０６は、第１偏光部３０４の出射光の位相差を調整する素子（位相子）であり、例えば波長板等のリタデーションプレートを有して構成される。本実施形態では、位相差調整部３０６は、１／２波長板を有してなる。
【００３２】
第２偏光部３０８は、位相差調整部３０６によって位相差が調整された偏光を直線偏光に変換する素子（偏光子）であり、例えば偏光プリズム等の偏光用光学素子を有して構成される。本実施形態では、第２偏光部３０８は、グランタイプの偏光子の一種であるグラントムソンプリズムを有してなる。
【００３３】
第１集光部３１０は、第２偏光部３０８から入射した直線偏光を集光する素子であり、例えば集光レンズを有して構成される。第１集光部３１０で集光された光は、被検体Ｓに入射する。
【００３４】
第２集光部３１２は、被検体Ｓを透過した透過光を集光するレンズであり、第２集光部３１２で集光された光は検光部３１４に入射する。
【００３５】
検光部３１４は、第２集光部３１２で集光された透過光を検光する素子（検光子）であり、例えば偏光プリズム等の偏光用光学素子を有して構成される。本実施形態では、検光部３１４は、第２偏光部３０８と同様に、グラントムソンプリズムを有してなる。
【００３６】
また、検光部３１４は、回転装置３３０の回転駆動に従って、光の入射方向に対する垂直方向（検光子の周方向）に沿って回転する。つまり、回転装置３３０は、回転面が被検体Ｓを透過した透過光の光路に対して直交するよう検光部３１４を回転させる。回転装置３３０は、例えば、パルス電力を印加する度に一定の角度だけ回転するステッピングモーター等の回転機構を有する装置であり、演算装置５から出力される回転制御信号に従って検光部３１４を回転駆動する。
【００３７】
直交分離部３１６は、検光部３１４から入射した直線偏光を、所定の開き角を成す直交成分に分離する素子である。本実施形態では、直交分離部３１６は、偏光用光学素子の一種であるウォラストンプリズムを有してなる。
【００３８】
第３集光部３１８は、直交分離部３１６で直交分離された直線偏光を集光する集光レンズである。第３集光部３１８で集光された直線偏光は、受光部３２０に入射する。
【００３９】
受光部３２０は、直交分離部３１６によって直交分離され、第３集光部３１８で集光された直線偏光を受光する素子であり、フォトダイオード等の光検出器を有して構成される。受光部３２０は、第１受光部３２０Ａ及び第２受光部３２０Ｂを有し、直交分離部３１６によって直交分離された互いに垂直な偏光成分（Ｐ成分及びＳ成分）を検出し、その光強度に応じた電圧値を検出電圧（Ｅｘ，Ｅｙ）として、演算装置５に出力する。
【００４０】
２．原理
図２の下部には、光学装置３が有する各構成部から出射した光の偏光状態を模式的に描いている。本実施形態では、光源３００からの出射光の進行方向をｚ軸とし、図２の下部では、紙面向かって手前方向を正とする前後方向をｚ軸方向として図示している。また、光の進行方向及び磁場を含む面をｚｙ平面、光の進行方向及び電場を含む面をｚｘ平面とし、それらに直交するｘｙ平面を上下左右方向の平面として図示している。また、ｘｙ平面において、楕円偏光を楕円形状で示し、直線偏光を直線状のベクトルで示している。
【００４１】
光源３００から出射し、減光部３０２によって減光された光は、例えば偏角を「α０」とする直線偏光に近い楕円偏光、言うなれば擬似的な直線偏光である。但し、図２では、偏光の電場ベクトルがｘ軸と成す角度を偏角「α」として定義している。この偏角「α０」の楕円偏光は、第１偏光部３０４によって、より直線偏光に近い楕円偏光に変換される。つまり、図２に示すように、偏角「α０」はそのまま変化せず、楕円の短軸の長さがやや縮まった楕円偏光が第１偏光部３０４から出射する。
【００４２】
第１偏光部３０４からの出射光は、位相差調整部３０６によって位相差が調整される。本実施形態では、位相差調整部３０６は１／２波長板を有する。そのため、位相差調整部３０６に入射した偏光は、その偏光面が回転する。つまり、入射光の偏光方向と１／２波長板の光学軸との成す角度を「γ」とした場合、位相差調整部３０６からの出射光は、入射光の偏光方向から「２γ」の回転を受ける。これにより、位相差調整部３０６からの出射光は、例えば偏角を「α１（＜α０）」とする楕円偏光となる。
【００４３】
位相差調整部３０６からの出射光は、第２偏光部３０８によって、ほぼ完全な直線偏光に変換される。本実施形態では、第２偏光部３０８はグラントムソンプリズムを有して構成される。そのため、入射光に対する光路は変化せず、常光線成分及び異常光線成分のうちの異常光線成分が直線偏光として出射する。これにより、第２偏光部３０８からの出射光は、偏角を“α１”とする直線偏光となる。
【００４４】
被検体Ｓが有する旋光性により、被検体Ｓに入射した直線偏光の偏光面が回転する。本実施形態では、被検体Ｓは、グルコースを主成分とする水溶液である。グルコースは光学活性を有するため、左右円偏光それぞれに対する屈折率が異なる。そのため、直線偏光を被検体Ｓに入射すると、被検体Ｓ内を進行する左右円偏光の速度に差が生じる。その結果、被検体Ｓを通過した左右円偏光には位相差が生じ、被検体Ｓを透過した透過光は、入射時の直線偏光から偏光面が回転している。
【００４５】
また、グルコースは、その内部構造がキラルであるため、円偏光を吸収する際に左右円偏光に対して吸光度に差が生ずる。そのため、直線偏光が被検体Ｓに入射すると、円偏光二色性により、左右円偏光の光の振幅（光の大きさ）が変化する。その結果、被検体Ｓを透過した透過光は、左右で異なる振幅を有する光となる。
【００４６】
上記の旋光性及び円偏光二色性により、被検体Ｓから出射する光は、入射時と位相及び振幅が異なっている。そのため、直線偏光であった入射光は、被検体Ｓを透過することで楕円偏光に変化する。つまり、図２に示すように、被検体Ｓの入射時には偏角「α１」であった直線偏光が、被検体Ｓを透過することで偏角「φ」の楕円偏光となる。楕円偏光であることに鑑み、以下では偏角「φ」のことを楕円方位角「φ」として説明する。
【００４７】
本実施形態では、被検体Ｓを透過した透過光を楕円偏光とみなし、楕円の特徴値を測定することで透過光の偏光状態を測定する。具体的には、検光部３１４を回転させながら、受光部３２０によって検出される光強度の検出電圧（Ｅｘ，Ｅｙ）のデータを取得する。そして、楕円の長軸の長さに対応する受光光の強度が最大となる検出電圧（Ｅｘmax，Ｅｙmax）と、楕円の短軸の長さに対応する受光光の強度が最小となる検出電圧（Ｅｘmin，Ｅｙmin）とを特徴値として測定する。そして、これらの特徴値を用いて、透過光の偏光状態を示す偏光パラメーター値を算出する。
【００４８】
つまり、検光部３１４を固定した状態において、受光部３２０によって検出される光強度は、一組の検出電圧（Ｅｘ，Ｅｙ）のデータとなる。検光部３１４の回転状態を様々に変化させながら、光強度を検出した検出電圧（Ｅｘ，Ｅｙ）のデータ組を取得し、Ｅｘ−Ｅｙ平面に描かれる受光光の強度の軌跡を観測する。
【００４９】
また、本実施形態では、被検体Ｓに入射する直線偏光の偏角が「４５°」となるように初期校正を行う（α１＝４５°）。具体的には、被検体Ｓを光学装置３に配置していない状態で「Ｅｘ＝Ｅｙ」となるように第１偏光部３０４を位置決めする。直線偏光の偏角を「４５°」とする理由は、次の通りである。
【００５０】
透過光の偏光状態を正しく測定するためには、直交分離部３１６によって直交分離された光（Ｐ波及びＳ波）の強度を、受光部３２０で正しく検出することが必要となる。しかし、フォトダイオード等の光検出器で生ずる電圧は微小値であり、ノイズに埋もれ得るレベルである。従って、僅かな光強度の変化でも、大きな電圧値の変化として捉えることが必要となる。
【００５１】
検出電圧「Ｅｘ」と「Ｅｙ」との比「Ｙ＝Ｅｙ／Ｅｘ」を考える。「Ｅｙ＝１」として「Ｙ＝１／Ｅｘ」の双曲線を考えた場合、この双曲線は「Ｅｘ」の値の増加に伴い減衰する。「Ｅｘ」の値が大きい範囲では、「Ｅｘ」の値が変化しても「Ｙ」の値はほとんど変化しない。しかし、「Ｅｘ」の値が小さい範囲では、「Ｅｘ」の値が少し変化しただけで「Ｙ」の値は大きく変化する。
【００５２】
従って、「Ｅｙ」と「Ｅｘ」との比を「１：１」とすることで、「Ｅｘ」の僅かな変化に対して「Ｙ＝Ｅｙ／Ｅｘ」を大きく変化させることができる。つまり、「Ｅｘ＝Ｅｙ」となるように初期校正を行っておくことで、被検体Ｓを配置した場合に、「Ｅｘ」に対する「Ｅｙ」の相対的な変化（「Ｅｙ」に対する「Ｅｘ」の相対的な変化）が明確となり、偏光状態の測定精度を向上させることができる。
【００５３】
図３は、偏光パラメーター値の算出方法の説明図である。ここでは、検光部３１４を「０°〜３６０°」の角度範囲で回転させる場合を図示している。図３において、横軸は検出電圧「Ｅｘ」であり、縦軸は検出電圧「Ｅｙ」である。検光部３１４を回転させながらサンプリングした検出電圧（Ｅｘ，Ｅｙ）の軌跡を実線で描いている。
【００５４】
回転の開始位置Ｓ及び終了位置Ｇは、被検体Ｓに入射する直線偏光の偏角が「４５°」となる位置である。この開始位置Ｓを基準として検光部３１４を一回転させる。すると、図３に示すように、例えばピーナッツ形状（瓢箪形状）の軌跡が得られる。完全な楕円軌跡として図示していないのは、被検体Ｓにはグルコース以外の成分が含まれているため、これらの成分の屈折率や透過率の影響を受けることを想定したためである。
【００５５】
検出電圧（Ｅｘ，Ｅｙ）のデータ組のうち、光強度の絶対値が最大となるデータと、光強度の絶対値が最小となるデータとを、楕円の特徴値として測定する。つまり、「（Ｅｘ2＋Ｅｙ2）1/2」が最大となる検出電圧（Ｅｘmax，Ｅｙmax）と、「（Ｅｘ2＋Ｅｙ2）1/2」が最小となる検出電圧（Ｅｘmin，Ｅｙmin）とを特徴値として測定する。
【００５６】
図３では、（Ｅｘmax，Ｅｙmax）に相当する座標上の点を白丸の点Ａで、（Ｅｘmin，Ｅｙmin）に相当する座標上の点を白丸の点Ｂでそれぞれ図示している。Ｅｘ−Ｅｙ平面において、原点Ｏを始点とし、点Ａを終点とするベクトルＯＡが、最大の光強度に相当するベクトルとなる。また、原点Ｏを始点とし、点Ｂを終点とするベクトルＯＢが、最小の光強度に相当するベクトルとなる。
【００５７】
このとき、検出電圧（Ｅｘmax，Ｅｙmax）及び（Ｅｘmin，Ｅｙmin）を用いて、例えば次式（１）及び（２）に従って楕円率角“θ”及び楕円方位角“φ”をそれぞれ算出する。
【数１】
【数２】
【００５８】
なお、図３では、検光部３１４を「０°〜３６０°」の角度範囲で回転させる場合を例示したが、検光部３１４を回転させる角度範囲はこれに限られるわけではない。検光部３１４を回転させることで得られる楕円の軌跡は「±１８０°」の方向で対称となる。そのため、検光部３１４を少なくとも「１８０°」回転させれば、その対称性から全体的な軌跡を再現することができる。
【００５９】
そこで、図４に示すように、例えば角度「δ」分の余裕を持たせて「０°〜１８０°＋δ」の角度範囲で検光部３１４を回転させることとしてもよい。つまり、偏角「４５°」の位置を開始位置Ｓとし、「２２５°＋δ」の位置を終了位置Ｇとして、検光部３１４を回転制御する。なお、「δ」の値は適宜選択することが可能であるが、例えば「０°〜１０°」の範囲で選択した値とすればよい。
【００６０】
また、検光部３１４を一回転させるのではなく、複数回回転させることとしてもよい。具体的には、例えば図５に示すように、検光部３１４を「０°〜７２０°」の角度範囲で回転制御してもよい。つまり、偏角「４５°」の位置を開始位置Ｓ及び終了位置Ｇとして、検光部３１４を二回転させて楕円の軌跡を描く。勿論、回転の角度範囲を更に広げて、検光部３１４を三回転以上させることとしてもよい。
【００６１】
さらに、上記の場合において、検光部３１４を回転させる方向は、一定の方向としてもよいし、途中で反転させることとしてもよい。
【００６２】
例えば、図４において「０°〜１８０°＋δ」の角度範囲で検光部３１４を回転制御する場合において、「０°〜１８０°＋δ」までは第１回転方向（正方向）に検光部３１４を回転制御した後、「１８０°＋δ〜０°」までは第２回転方向（負方向）に検光部３１４を回転制御することとしてもよい。
【００６３】
また、図５において「０°〜７２０°」の角度範囲で検光部３１４を二回転させる場合において、一回転目は検光部３１４を第１回転方向（正方向）に回転制御し、二回転目は第２回転方向（負方向）に検光部３１４を回転制御することとしてもよい。
【００６４】
３．演算装置５の構成
演算装置５は、光学装置３の制御を行う制御装置であるとともに、光学装置３の受光部３２０から取得した検出電圧（Ｅｘ，Ｅｙ）に基づいて、被検体Ｓを透過した透過光の偏光状態を演算する演算装置である。
【００６５】
図１に示すように、演算装置５は、処理部５１０と、入力部５２０と、表示部５３０と、音出力部５４０と、通信部５５０と、記憶部５６０とを備えて構成され、各部がバス５８０を介して接続されるコンピューターシステムである。
【００６６】
処理部５１０は、記憶部５６０に記憶されているシステムプログラム等の各種プログラムに従って、演算装置５の各部や光学装置３を統括的に制御する制御装置及び演算装置であり、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やＤＳＰ（Digital Signal Processor）等のプロセッサーを有して構成される。処理部５１０は、主要な機能部として、回転制御部５１１と、偏光状態測定部５１３とを有する。
【００６７】
回転制御部５１１は、回転装置３３０による検光部３１４の回転を制御する。具体的には、予め定められた回転状態で、或いは、検査員によって指示入力された回転状態で検光部３１４を回転制御する回転制御信号を回転装置３３０に出力する。
【００６８】
偏光状態測定部５１３は、光学装置３の受光部３２０から取得した検出電圧（Ｅｘ，Ｅｙ）に基づいて、被検体Ｓを透過した透過光の偏光状態を演算して測定する。つまり、式（１）及び（２）に従って偏光パラメーター値を算出する。
【００６９】
入力部５２０は、例えばキーボードやボタンスイッチ等を有して構成される入力装置であり、押下されたキーやボタンの信号を処理部５１０に出力する。この入力部５２０の操作により、各種データの入力や、偏光状態の測定開始指示といった各種指示入力がなされる。
【００７０】
表示部５３０は、処理部５１０から出力される表示信号に基づいた各種表示を行う表示装置であり、例えばＬＣＤ（Liquid Crystal Display）等を有して構成される。表示部５３０には、偏光状態測定部５１３によって測定された偏光状態（偏光パラメーター値）等の情報が表示される。
【００７１】
音出力部５４０は、処理部５１０から出力される音出力信号に基づく音出力を行う音出力装置であり、例えばスピーカー等を有して構成される。音出力部５４０からは、初期校正や偏光状態測定に係る音声ガイダンスやアラーム音等が音出力される。
【００７２】
通信部５５０は、演算装置５が外部の情報処理装置との間で有線通信又は無線通信を行うための通信装置である。通信部５５０は、例えば、有線ケーブルを介して通信を行う有線通信モジュールや、無線ＬＡＮやスペクトラム拡散通信等を行う無線通信モジュール等を有して構成される。
【００７３】
記憶部５６０は、ＲＯＭ（Read Only Memory）やフラッシュＲＯＭ、ＲＡＭ（Random Access Memory）等の記憶装置（メモリー）を有して構成され、演算装置５のシステムプログラムや、回転制御機能、偏光状態測定機能等の各種機能を実現するための各種プログラム、各種データ等を記憶している。また、各種処理の処理中データ、処理結果などを一時的に記憶するワークエリアを有する。
【００７４】
記憶部５６０には、プログラムとして、処理部５１０によって読み出され、偏光状態測定処理（図７参照）として実行される偏光状態測定プログラム５６１が記憶されている。偏光状態測定プログラム５６１は、偏光パラメーター値算出処理として実行される偏光パラメーター値算出プログラム５６１Ａをサブルーチンとして含む。これらの処理については、フローチャートを用いて詳細に後述する。
【００７５】
また、記憶部５６０には、データとして、例えば、光強度データ５６３と、偏光状態測定データ５６５とが記憶される。
【００７６】
図６は、光強度データ５６３のデータ構成例を示す図である。光強度データ５６３には、回転角５６３Ａと、検出電圧５６３Ｂとが対応付けて記憶される。回転角５６３Ａは、回転装置３３０が検光部３１４を回転させる際の回転角であり、所定の角度範囲の回転角が記憶される。また、検出電圧５６３Ｂは、各回転角５６３Ａについて受光部３２０（第１受光部３２０Ａ及び第２受光部３２０Ｂ）から取得した検出電圧（Ｅｘ，Ｅｙ）のデータが記憶される。
【００７７】
偏光状態測定データ５６５は、偏光状態測定処理において測定された透過光の偏光状態を示す測定データである。例えば、偏光パラメーター値算出処理によって算出された楕円率角５６５Ａや楕円方位角５６５Ｂがこれに含まれる。
【００７８】
４．処理の流れ
図７は、記憶部５６０に記憶されている偏光状態測定プログラム５６１が処理部５１０によって読み出されることで、偏光状態測定装置１において実行される偏光状態測定処理の流れを示すフローチャートである。
【００７９】
最初に、処理部５１０は、初期校正処理を行う（ステップＡ１）。具体的には、被検体Ｓの検査を行う検査員に第１偏光部３０４を位置決めするように指示する。この指示に従って、検査員は第１偏光部３０４を位置決めして、被検体Ｓに入射する直線偏光の偏角を調整する。この偏角の調整の一手法としては、例えば、回転面が光路に対して直交するよう第１偏光部３０４を回転させるよう検査員に指示する。検査員は、この指示に従って、回転角を少しずつ変化させながら第１偏光部３０４を回転させる。
【００８０】
このとき、処理部５１０は、第１偏光部３０４の各回転角について受光部３２０から出力される検出電圧（Ｅｘ，Ｅｙ）をサンプリングする。そして、「Ｅｘ＝Ｅｙ」となったことを検知すると、その旨を検査員に報知するアナウンスやアラーム音を音出力部５４０から音出力させたり、その旨を報知するメッセージを表示部５３０に表示させるなどして、偏角の調整に成功したことを検査員に報知する。これにより、初期校正は完了となる。
【００８１】
次いで、回転制御部５１１が、検光部３１４の回転制御を開始する（ステップＡ３）。そして、処理部５１０は、受光部３２０から検出電圧（Ｅｘ，Ｅｙ）を取得し、光強度データ５６３として記憶部５６０に記憶させる（ステップＡ５）。
【００８２】
その後、回転制御部５１１は、検光部３１４の回転を終了するか否かを判定し（ステップＡ７）、回転を継続すると判定した場合は（ステップＡ７；Ｎｏ）、回転制御を継続し、ステップＡ５に戻る。また、回転を終了すると判定した場合は（ステップＡ７；Ｙｅｓ）、検光部３１４の回転制御を終了する（ステップＡ９）。
【００８３】
次いで、処理部５１０は、記憶部５６０に記憶されている偏光パラメーター値算出プログラム５６１Ａに従って、偏光パラメーター値算出処理を行う（ステップＡ１１〜Ａ１５）。
【００８４】
偏光状態測定部５１３は、楕円軌跡の特徴値を抽出する（ステップＡ１１）。具体的には、記憶部５６０の光強度データ５６３を参照し、最大光強度及び最小光強度に相当する検出電圧（Ｅｘ，Ｅｙ）のデータを楕円軌跡の特徴値として抽出する。これは、被検体Ｓを透過した透過光を楕円偏光とみなし、楕円の特徴値を測定することに相当する。
【００８５】
そして、偏光状態測定部５１３は、抽出した特徴値を用いて、式（１）に従って楕円率角５６５Ａを算出し、偏光状態測定データ５６５として記憶部５６０に記憶させる（ステップＡ１３）。また、偏光状態測定部５１３は、抽出した特徴値を用いて、式（２）に従って楕円方位角５６５Ｂを算出し、偏光状態測定データ５６５として記憶部５６０に記憶させる（ステップＡ１５）。そして、偏光状態測定部５１３は、偏光パラメーター値算出処理を終了する。
【００８６】
次いで、処理部５１０は、偏光状態の測定を終了するか否かを判定し（ステップＡ１７）、測定を継続すると判定した場合は（ステップＡ１７；Ｎｏ）、ステップＡ３に戻る。また、測定を終了すると判定した場合は（ステップＡ１７；Ｙｅｓ）、偏光状態測定処理を終了する。
【００８７】
５．作用効果
偏光状態測定装置１において、光学装置３は、光源３００から出射し、第２偏光部３０８によって変換された直線偏光が被検体Ｓを透過した透過光を検光して出射する検光部３１４を有する。また、光学装置３は、検光部３１４からの出射光を直交分離する直交分離部３１６と、直交分離部３１６によって直交分離された光を受光する受光部３２０とを有する。演算装置５は、回転装置３３０に回転制御信号を出力し、回転面が透過光の光路に対して直交するよう検光部３１４を回転制御する。そして、演算装置５は、検光部３１４の回転中に直交分離部３１６によって直交分離された光を受光部３２０で受光した強度を用いて、被検体Ｓを透過した透過光の偏光状態を測定する。
【００８８】
被検体Ｓが有する円偏光二色性及び旋光性により、直線偏光が被検体Ｓを透過した透過光は楕円偏光に変換される。そこで、直線偏光が被検体Ｓを透過した透過光を楕円偏光とみなし、楕円の特徴値を測定することで偏光状態を測定する。受光部３２０で受光した光の強度が最大となる電圧値と、受光部３２０で受光した光の強度が最小となる電圧値とを特徴値として測定することで、楕円形状を定める楕円率角や楕円方位角といった偏光パラメーター値を算出することができる。
【００８９】
受光部３２０で受光される光の強度には、光学装置３を構成する偏光子やプリズムの精度、光学系の組立誤差等に依存する光学系誤差が内在している。従って、検光部３１４を固定した状態で受光光の強度を測定したとしても、それが必ずしも楕円の長軸方向の頂点と一致している保証はない。しかし、本実施形態では、検光部３１４を回転させながら受光部３２０で受光される光の強度の軌跡を描くことで、楕円の長軸方向及び短軸方向の頂点をきちんと確定できる。
【００９０】
通常、光学系の組立誤差は、それぞれの光学素子の位置合わせに依存する。位置合わせで最も影響が大きいのは、偏光プリズムや集光レンズの光軸が一直線上に並んでいるかどうかである。光軸がずれている場合、被検体Ｓを透過した透過光が受光部３２０（フォトダイオード）上にきちんと焦点を結ばず、受光部３２０で本来生ずべき電圧が検出されなくなるため、いわゆる光軸調整を行うことが必要となる。
【００９１】
光軸調整は、例えば、光学系を構成する光学素子の位置や向きを変えながら、その焦点位置の変化を捉えることで実現可能であるが、これには機械的限界がある。本実施形態では、従来の光軸調整方法では追い込めなかった光学系誤差を、受光光の強度が描く軌跡という形で捉えることができる。つまり、検光部３１４を様々な回転状態（回転角度、回転方向、回転回数）で回転させながら受光部３２０で受光した光の強度の軌跡を描くことで、光学系誤差を含めた形で、被検体Ｓを透過した透過光の偏光状態を正しく測定することができる。
【００９２】
本実施形態の偏光状態測定装置１は、例えば、果物の糖分を測定する糖分測定装置や、人間の血糖値を測定する血糖値測定装置といった測定用機器に組み込んで利用することが可能である。糖分測定装置に適用する場合は、果物を被検体Ｓとして光学装置３に設定して実験を行う。また、血糖値測定装置に適用する場合は、人間の耳たぶや指先、指の表皮部等を測定用部位とし、当該測定用部位に直線偏光を照射して、その透過光の偏光状態を測定する。そして、偏光状態として測定した楕円率角や楕円方位角といった偏光パラメーター値に基づいて、被検体Ｓである人間の血糖値（グルコース濃度）を測定する。
【００９３】
６．変形例
本発明を適用可能な実施例は、上記の実施例に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能であることは勿論である。以下、変形例について説明する。
【００９４】
６−１．透過光の振動軌跡判定
上記の実施形態では、検光部３１４を回転させた場合に受光部３２０によって受光される受光光の光強度の検出電圧が描く軌跡に基づいて、透過光の振動軌跡を判定した。しかし、振動軌跡の判定方法はこれに限られるわけではない。
【００９５】
例えば、（１）パターンマッチングを用いた振動軌跡判定方法を適用することとしてもよい。具体的には、楕円の長軸の長さ、短軸の長さ、楕円率、楕円方位角といった楕円形状を定める各種のパラメーター値に基づいて、複数の楕円パターンのデータ（以下、「楕円パターンデータ」と称す。）を記憶部５６０に予めデータベース化しておく。楕円パターンデータは、例えば、その楕円形状に応じた光強度のデータ組として定めておくことができる。
【００９６】
この場合、検光部３１４を回転させた場合に受光部３２０によって取得される受光光の光強度のデータ組と、データベース化された複数種類の楕円パターンデータとのパターンマッチング処理を行う。そして、パターンマッチング処理により適合度が高いと判定された楕円パターンデータにより定まる楕円軌跡を、被検体Ｓを透過した透過光の振動軌跡と判定する。
【００９７】
また、他の方法として、（２）平均処理を用いた振動軌跡判定方法を適用することとしてもよい。具体的には、回転方向を一定にして、或いは、回転方向を逆転させて、検光部３１４を複数回回転させる。検光部３１４をＮ回回転させることで、Ｎ回転分の光強度のデータ組が得られる。そして、このＮ回転分の光強度のデータ組を平均処理（例えば加算平均）し、その平均処理の結果として得られた光強度のデータ組により定まる軌跡を、被検体Ｓを透過した透過光の振動軌跡と判定する。
【００９８】
図８は、本変形例において、演算装置５の処理部５１０が、図７の偏光状態測定処理に代えて実行する第２偏光状態測定処理の流れを示すフローチャートである。なお、偏光状態測定処理と同一のステップについては同一の符号を付して、説明を省略する。図示は省略するが、本変形例では、処理部５１０は、受光部３２０の受光光の強度を用いて、透過光の振動軌跡を判定する振動軌跡判定部を機能部として有する。
【００９９】
ステップＡ９において検光部３１４の回転制御を終了した後、振動軌跡判定部は、振動軌跡判定処理を行う（ステップＢ１０）。この振動軌跡判定処理は、上述した（１）パターンマッチングを用いた振動軌跡判定方法や、（２）平均処理を用いた振動軌跡判定方法、を適用した処理として実現することができる。
【０１００】
その後、偏光状態測定部５１３は、ステップＢ１０の振動軌跡判定処理で判定した振動軌跡の特徴値を抽出する（ステップＢ１１）。具体的には、振動軌跡判定処理で判定された振動軌跡を示す光強度のデータ組のうち、最大光強度及び最小光強度に対応するデータを楕円の特徴値として抽出する。そして、抽出した特徴値を用いて、楕円率角“θ”及び楕円方位角“φ”を算出する。
【０１０１】
６−２．楕円の特徴値の測定
上記の実施形態では、受光部３２０の検出電圧（Ｅｘ，Ｅｙ）のうち、最大光強度に対応する検出電圧（Ｅｘmax，Ｅｙmax）及び最小光強度に対応する検出電圧（Ｅｘmin，Ｅｙmin）を特徴値として測定した。これ以外にも、次のようにして特徴値を測定することとしてもよい。
【０１０２】
検出電圧（Ｅｘ，Ｅｙ）の座標平面において、原点Ｏを始点とし、楕円軌跡上の点Ａを終点とする第１特徴値ベクトルＯＡと、原点Ｏを始点とし、楕円軌跡上の点Ｂを終点とする第２特徴値ベクトルＯＢとの２本のベクトルを考える。このとき、第１特徴値ベクトルＯＡと第２特徴値ベクトルＯＢとの成す角度が「９０°」となるように第１特徴値Ａ及び第２特徴値Ｂを選択する。
【０１０３】
具体的には、例えば、第１特徴値ベクトルＯＡと第２特徴値ベクトルＯＢとの成す角度が「９０°」となる特徴値Ａ及びＢの組合せのうち、２本のベクトルの大きさの差が最大となる組合せを判定する。つまり、｜ＯＡ｜−｜ＯＢ｜が最大となる特徴値の組合せを判定し、当該組合せに含まれる特徴値Ａ及びＢを用いて偏光状態を測定する。
【０１０４】
なお、この楕円の特徴値の測定方法は、上記の振動軌跡判定方法を適用した場合も実質的に同一に適用可能である。具体的には、図８の第２偏光状態測定処理において、ステップＢ１０において振動軌跡判定処理を行った後、偏光状態測定部５１３が、振動軌跡判定処理で判定された振動軌跡の中から、上記の条件を満たす特徴値Ａ及びＢの組合せを特徴値として抽出する（ステップＢ１１）。
【０１０５】
６−３．偏光パラメーター値の算出方法
上記の実施形態では、式（１）及び式（２）に従って偏光パラメーター値を算出したが、偏光パラメーター値の算出方法はこれに限られない。例えば、次式（３）及び（４）に従って偏光パラメーター値を算出することも可能である。
【数３】
【数４】
【０１０６】
６−４．直線偏光の偏角
上記の実施形態では、被検体Ｓに入射する直線偏光の偏角を「４５°」としたが、これは偏光状態の測定精度を向上させるための工夫の１つであり、必ずしも偏角を「４５°」としなければならないわけではない。
【０１０７】
また、上記の実施形態では、被検体Ｓの前段に配置された第１偏光部３０４を位置決めすることで初期校正を行ったが、被検体Ｓの後段に配置された検光部３１４を位置決めすることで初期校正を行ってもよい。この場合は、例えば、回転面が光路に対して直交するよう検光部３１４を回転させる。そして、「Ｅｘ＝Ｅｙ」を満たす検光部３１４の設置角度を基準として、検光部３１４を回転制御すればよい。
【０１０８】
６−５．偏光用光学素子
上記の実施形態では、第２偏光部３０８や検光部３１４が、グラントムソンプリズムを有して構成されるものとして説明したが、これ以外の偏光用光学素子を有する構成としてもよいことは勿論である。例えば、第２偏光部３０８や検光部３１４が、同じグランタイプの偏光用光学素子であるグランテーラープリズムを有する構成としてもよい。
【０１０９】
また、上記の実施形態では、直交分離部３１６が、ウォラストンプリズムを有して構成されるものとして説明したが、直交分離部３１６を構成する偏光用光学素子も適宜変更可能である。例えば、グランレーザープリズムやローションプリズムといった直交分離機能を有する偏光用光学素子を有する構成としてもよい。
【符号の説明】
【０１１０】
１ 偏光状態測定装置、 ３ 光学装置、 ５ 演算装置、
３００ 光源、 ３０２ 減光部、 ３０４ 第１偏光部、 ３０６ 位相差調整部、
３０８ 第２偏光部、 ３１０ 第１集光部、 ３１２ 第２集光部、
３１４ 検光部、 ３１６ 直交分離部、 ３１８ 第３集光部、 ３２０ 受光部、
３３０ 回転装置、 ５１０ 処理部、５２０ 入力部、 ５３０ 表示部、
５４０ 音出力部、 ５５０ 通信部、 ５６０ 記憶部、 ５８０ バス
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直線偏光が被検体を透過した透過光を検光して出射する検光部と、
前記検光部からの出射光を直交分離する直交分離部と、
前記直交分離部によって直交分離された光を受光する受光部と、
回転面が前記透過光の光路に対して直交するよう前記検光部を回転させる回転制御部と、
前記検光部の回転中に前記直交分離された光を前記受光部で受光した強度を用いて前記透過光の偏光状態を測定する偏光状態測定部と、
を備えた偏光状態測定装置。
【請求項２】
前記回転制御部は、所定の角度範囲で前記検光部を回転させる、
請求項１に記載の偏光状態測定装置。
【請求項３】
前記偏光状態測定部は、前記受光した光の強度を用いて、前記透過光の振動軌跡を判定する振動軌跡判定部を有し、この振動軌跡判定部によって判定された振動軌跡を用いて前記透過光の偏光状態を測定する、
請求項１又は２に記載の偏光状態測定装置。
【請求項４】
前記偏光状態測定部は、前記透過光を楕円偏光とみなし、楕円の特徴値を測定することで前記偏光状態を測定する、
請求項１〜３の何れか一項に記載の偏光状態測定装置。
【請求項５】
前記直線偏光は、偏角が４５°でなる、
請求項１〜４の何れか一項に記載の偏光状態測定装置。
【請求項６】
前記検光部は、グラントムソンプリズムを有してなる、
請求項１〜５の何れか一項に記載の偏光状態測定装置。
【請求項７】
前記直交分離部は、ウォラストンプリズムを有してなる、
請求項１〜６の何れか一項に記載の偏光状態測定装置。
【請求項８】
直線偏光が被検体を透過した透過光を検光して出射する検光部と、前記検光部からの出射光を直交分離する直交分離部と、前記直交分離部によって直交分離された光を受光する受光部と、を備えた光学装置を制御して前記透過光の偏光状態を測定する方法であって、
回転面が前記透過光の光路に対して直交するよう前記検光部を回転させることと、
前記検光部の回転中に前記直交分離された光を前記受光部で受光した強度を用いて前記透過光の偏光状態を測定することと、
を含む偏光状態測定方法。
【請求項１】
直線偏光が被検体を透過した透過光を検光して出射する検光部と、
前記検光部からの出射光を直交分離する直交分離部と、
前記直交分離部によって直交分離された光を受光する受光部と、
回転面が前記透過光の光路に対して直交するよう前記検光部を回転させる回転制御部と、
前記検光部の回転中に前記直交分離された光を前記受光部で受光した強度を用いて前記透過光の偏光状態を測定する偏光状態測定部と、
を備えた偏光状態測定装置。
【請求項２】
前記回転制御部は、所定の角度範囲で前記検光部を回転させる、
請求項１に記載の偏光状態測定装置。
【請求項３】
前記偏光状態測定部は、前記受光した光の強度を用いて、前記透過光の振動軌跡を判定する振動軌跡判定部を有し、この振動軌跡判定部によって判定された振動軌跡を用いて前記透過光の偏光状態を測定する、
請求項１又は２に記載の偏光状態測定装置。
【請求項４】
前記偏光状態測定部は、前記透過光を楕円偏光とみなし、楕円の特徴値を測定することで前記偏光状態を測定する、
請求項１〜３の何れか一項に記載の偏光状態測定装置。
【請求項５】
前記直線偏光は、偏角が４５°でなる、
請求項１〜４の何れか一項に記載の偏光状態測定装置。
【請求項６】
前記検光部は、グラントムソンプリズムを有してなる、
請求項１〜５の何れか一項に記載の偏光状態測定装置。
【請求項７】
前記直交分離部は、ウォラストンプリズムを有してなる、
請求項１〜６の何れか一項に記載の偏光状態測定装置。
【請求項８】
直線偏光が被検体を透過した透過光を検光して出射する検光部と、前記検光部からの出射光を直交分離する直交分離部と、前記直交分離部によって直交分離された光を受光する受光部と、を備えた光学装置を制御して前記透過光の偏光状態を測定する方法であって、
回転面が前記透過光の光路に対して直交するよう前記検光部を回転させることと、
前記検光部の回転中に前記直交分離された光を前記受光部で受光した強度を用いて前記透過光の偏光状態を測定することと、
を含む偏光状態測定方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１３−３６７９２（Ｐ２０１３−３６７９２Ａ）
【公開日】平成２５年２月２１日（２０１３．２．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１７１５３５（Ｐ２０１１−１７１５３５）
【出願日】平成２３年８月５日（２０１１．８．５）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年２月２１日（２０１３．２．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年８月５日（２０１１．８．５）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
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