光学成分計
【課題】被測定部の表面に顕在しない物質の成分分布を高精細に検出可能な光学成分計を提供する。
【解決手段】サンプル２に対向する検出端側で、第１の光ファイバー１３ａと第２のファイバー１３ｂとが開口端どうしが隣接してアレイ状に形成されている。
【解決手段】サンプル２に対向する検出端側で、第１の光ファイバー１３ａと第２のファイバー１３ｂとが開口端どうしが隣接してアレイ状に形成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被測定部の表面に顕在しない物質（表面皮下の物質）の分光特性に応じて波長の異なる光を照射して得られる反射光より当該物質の成分分布を検出する光学成分計に関する。
【背景技術】
【０００２】
被測定部に含有される物質の分光特性に応じた光を照射して得られる反射光より当該物質の重量成分を検出する光学成分計としては、様々な装置や方法が提案されている。たとえば、被測定部の水分率を測定する水分測定装置としては、波長が異なる２種類の単色光を光源からガラスファイバーを通じてプローブに導いて被測定部に照射し、該被測定部からの反射光がガラスファイバーを通じて測定部へ導かれて電気信号に変換され、反射光の強度変化より吸光度を算出してサンプルデータと比較することにより水分率を検出できるようになっている（特許文献１）。
【０００３】
また、被測定部に水分測定赤外線と参照赤外線を照射し、被測定部からの水分測定赤外線の反射光量と参照赤外線の反射光量から吸光度を求め、該吸光度に基づいて水分値を求める赤外線水分測定装置も提案されている（特許文献２）。
【特許文献１】特開２０００−１４６８３４号
【特許文献２】特開平８−１５９９６０号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述した特許文献１にかかる水分測定装置は、照射用光ファイバーと反射用光ファイバーを組み合わせた微細な照射面積の水分量を検出するのに有効であるが、単に照射用光ファイバーと反射用光ファイバーを組み合わせたスポット的な測定のみならず、被測定部の表面に顕在しない物質（表面皮下の物質）の成分分布を解析したいとのニーズがある。また、光ファイバーの開口端から直接光照射した場合に、被測定部からの反射光が散乱して反射用光ファイバーの開口端へ効率良く導光できるか不明である。
また、特許文献２のように、レンズ系を経て参照光及び吸収光を照射して反射光を受光する場合には装置が大型化し、光の透過面積が大きくなり被測定部の計測部位に制約が生ずる。
更には、手が入らない微小空間に挿入して特定の物質の成分分布を検出したいという場合や、生体内外の部位において特定の物質の成分分布を検出したいというニーズもある。
【０００５】
本発明は上述した課題を解決すべくなされたものであり、その目的とするところは、被測定部の表面に顕在しない物質の成分分布を高精細に検出可能な光学成分計を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は上記目的を達成するため、次の構成を備える。
物質の分光特性に応じて波長の異なる吸収光と参照光とを各々発光する複数の光源と、吸収光と参照光とを第１の光ファイバーを通じて被測定部へ直接照射する発光部と、被測定部からの反射光を第２の光ファイバーを通じて受光素子で直接受光する受光部と、受光素子で光電変換された電気信号より被測定部からの吸収光及び参照光に対応する反射光レベルの比を算出して予め記憶したサンプルデータと比較することにより物質の成分データを特定し成分分布を解析する制御部を具備した光学成分計であって、被測定部に対向する検出端側で、第１の光ファイバーと第２のファイバーとが開口端どうしが隣接してアレイ状に形成されていることを特徴とする。
また、第２の光ファイバーの両側に第１の光ファイバーが隣接してアレイ状に形成されることを特徴とする。
また、第１の光ファイバーと第２の光ファイバーとが一対で交互に配列されて複数対アレイ状に形成されることを特徴とする。
或いは、被測定部に対向する検出端側で第１の光ファイバーと第２の光ファイバーとが隣接してフレキシブルな金属細管内に挿入されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
上述した光学成分計を用いれば、被測定部に対向する検出端側で、第１の光ファイバーと第２のファイバーとが開口端どうしが隣接してアレイ状に形成されているので、被測定部に非接触で第１の光ファイバーより吸収光及び参照光を照射し、当該被測定部からの反射光を第２の光ファイバーを通じて受光素子で受光することで、制御部が被測定部の微細な面積の表面に顕在しない物質の成分分布を検出できる。特に、被検出部が凹凸面などであっても口径が数十μｍ〜数百μｍ程度の光ファイバーの微細な開口面積で被測定部の表面に顕在しない物質の成分分布を高精細に検出することができる。
また、第２の光ファイバーの両側に第１の光ファイバーが隣接してアレイ状に形成されるか、第１の光ファイバーと第２の光ファイバーとが一対で交互に配列されて複数対アレイ状に形成されることにより、被測定部からの反射光を効率良く取り込んで物質の成分分布を高精度に測定できる。
また、第１の光ファイバーと第２の光ファイバーとが隣接してフレキシブルな金属細管内に挿入されることにより、狭い空間部や生体内に進入させて被測定部の物質の成分分布を検出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明に係る光学成分計の最良の実施形態について添付図面とともに詳細に説明する。本実施形態は、被測定部の表面に顕在しない物質の成分分布の検出に好適に用いられ、被測定部表面に蓄積或いは滞留する物質成分については反射光の拡散が生じ易いため検出対象外とする。以下では、一例として被測定部の表面皮下の水分量を検出する光学成分計について説明する。
【０００９】
先ず、図１及び図２を参照して光学成分計の概略構成について説明する。
図１において、１は光学成分計である。光学成分計１は被測定部（サンプル）２の表面に顕在しない（表面皮下の）水分量を検出する。計測器本体３には、サンプル２の表面皮下の物質の分光特性に応じて波長の異なる光を照射する発光部４及びサンプル２からの反射光を受光する受光部５が設けられている。
【００１０】
図２において、発光部４の構成について説明する。光合波器６には、検出対象となる物質（水分）の分光特性に応じた波長の異なる複数の光源が設けられている。即ち、本実施例では、検出対象となる水の吸光度を有する吸収光（波長λ１＝１４５０ｎｍ）を発光する吸収光源７（例えばＬＤ光源又はＬＥＤ光源）、検出対象となる水の吸光度に無関係な参照光（波長λ２＝１３００ｎｍ）を発光する参照光源８及びハーフミラー９が設けられている。吸収光源７と参照光源８とは、ハーフミラー９に対し入光角度が９０度異なる位置に設けられている。ハーフミラー９には誘電体膜が形成されており、吸収光源７から照射された吸収光を透過させ、参照光源８から照射された参照光を全反射させて、光合波を形成するようになっている。このように波長の異なる吸収光と参照光と入光インターフェース１２を通じて一の第１の光ファイバー１３ａによって伝搬される。入光インターフェース１２は、ハーフミラー９を通じて吸収光及び参照光を効率よく第１の光ファイバー１３ａに導くために用いられる。
【００１１】
図１において、吸収光源７及び参照光源８は発振回路１０より方形波駆動信号が出力され光源駆動回路１１を駆動して各光源７、８が点灯するようになっている。具体的には、発振回路１０より出力される方形波信号の前半周期は吸収光源７の駆動信号となり、後半周期は参照光源８の駆動信号となる。光源駆動回路１１は方形波出力信号の前半周期で吸収光源７を点灯させ、後半周期で参照光源８を交互に点灯させる。第１の光ファイバー１３ａは、一の導光路を通じて参照光と吸収光とをサンプル２に光照射する。尚、第１の光ファイバー１３ａを複数本設けて吸収光及び参照光を第１の光ファイバー１３ａから各々照射する場合には光合波器６を省略することができ、部品点数を省略して装置コストを削減することができる。
【００１２】
図１において、受光部５は、サンプル２からの反射光を第２の光ファイバー１３ｂを通じて受光インターフェース１４を通じて受光素子１５で受光して光電変換する。受光インターフェース１４は、第２の光ファイバー１３ｂを経由する反射光を効率よく受光素子１５に導くために用いられる。第１、第２の光ファイバー１３ａ、１３ｂのサンプル２に対向する検出側端部は並設されている。即ち、サンプル２に対向する検出側端部において口径がφ２００μｍ以下の第１、第２の光ファイバー１３ａ、１３ｂどうしが隣接（外接）して設けられる。第１、第２の光ファイバー１３ａ、１３ｂとしては、例えばコア径５０μｍ、クラッド径１２５μｍの石英光ファイバーの場合、サンプル２とファイバー開口端との距離が約１ｍｍで、サンプル２の測定面積は約０．５ｍｍ2〜０．７ｍｍ2程度の微小エリアの測定が可能になる。
【００１３】
図１において、受光素子１５の出力（電気信号）は、受光素子増幅回路１６において所定の増幅度で増幅される。この受光素子増幅回路１６で増幅された出力信号には、サンプル２の吸光度の差異に対応した電気信号（吸収光に対応した反射光成分と参照光に対応した反射光成分）が含まれる。この電気信号を二つのアナログスイッチからなる分離回路１７において吸収光に対応する反射光成分と参照光に対応した反射光成分とに分離する。分離回路１７には、光源駆動回路１１の吸収光源７の点灯周期と参照光源８の点灯周期に応じて信号を分離する。
【００１４】
分離回路１７により分離された吸収光に対応した電気信号と参照光に対応した電気信号は、成分出力回路１８にて各々平滑増幅（直流化）された後、制御部を構成するマイクロコンピュータ１９に供給される。マイクロコンピュータ１９は、成分出力回路１８から出力された二つの直流化信号の比を演算し、その比に基づいてサンプル２の重量成分を演算する。このマイクロコンピュータ１９における演算処理の結果（成分データ）は、解析ソフトを用いて成分分布が解析され表示部２０に表示される。更にはマイクロコンピュータ１９の成分データは計測信号としてアナログ出力され、ペンレコーダ等にリアルタイムで記録できるようにしても良い。或いはマイクロコンピュータ１９による演算処理結果は、外部パーソナルコンピュータ２１に転送して解析表示することも可能である。
【００１５】
次に、発光部４と受光部５に各々接続する光ファイバー線路の構成例について説明する。
サンプル２に対向する検出端側で第１の光ファイバー１３ａと第２のファイバー１３ｂとが開口端どうしが隣接してアレイ状に形成されている。具体的には、図３において、第１の光ファイバー１３ａ及び第２の光ファイバー１３ｂが複数本ずつアレイ状に束ねられて設けられる場合を例示している。第１の光ファイバー１３ａは検出端部で複数本まとめて第１の光ファイバーアレイ１３ｃが形成されている。該第１の光ファイバーアレイ１３ｃは入光インターフェース１２に接続され、該入光インターフェース１２は光合波器６に接続されている。また、第２の光ファイバー１３ｂは検出端部で複数本まとめて第２の光ファイバーアレイ１３ｄが形成されている。第２の光ファイバーアレイ１３ｄは受光インターフェース１４ａ、１４ｂ、…１４ｎを介して受光素子１５ａ、１５ｂ、…１５ｎに接続されている。受光素子１５ａ、１５ｂ、…１５ｎで光電変換された電気信号は、マルチプレクサ２２を経て受光素子増幅回路１６に順次出力されて増幅された後、図１と同様に分離回路１７により吸収光に対応した電気信号と参照光に対応した電気信号とに分離されて、成分出力回路１８にて各々平滑増幅（直流化）された後、マイクロコンピュータ１９に入力される。
【００１６】
図４（ａ）（ｂ）において、第２の光ファイバー１３ｂの両側に第１の光ファイバー１３ａが隣接してアレイ状に形成されている。即ち、２本の第１の光ファイバー１３ａのうち一方を吸収光源７からの吸収光（波長λ１）の導光路として用い、他方を参照光源８からの参照光（波長λ２）の導光路として用いている（λ１＞λ２）。第１の光ファイバー１３ａ及び第２の光ファイバー１３ｂは、開口端側で光ファイバーアレイ挿入ホルダ２３ａと光ファイバーアレイ押さえホルダ２３ｂに挟み込まれて密接して並設される。光ファイバーアレイ挿入ホルダ２３ａには、第１、第２の光ファイバー１３ａ、１３ｂを収容する凹部２３ｃ（若しくは凹溝）が形成されており、該凹部２３ｃに第２の光ファイバー１３ｂの両側に第１の光ファイバー１３ａが隣接して収容される。光ファイバーアレイ挿入ホルダ２３ａと光ファイバーアレイ押さえホルダ２３ｂとは、溶着、接着、凹凸嵌合など様々な構造で一体に組み合わされる。発光部４に光合波器６が不要であるので部品点数が減り装置コストを低減できるうえに、サンプル２からの反射光を効率良く取り込んで物質の成分分布が高精度に測定できる。尚、第２の光ファイバー１３ｂの両側に第１の光ファイバー１３ａが隣接したアレイが、凹部２３ｃに複数セット連続して設けられてもよいし、これらが複数列設けられていても良い。
【００１７】
また、図５（ａ）（ｂ）において、発光部４に接続する第１の光ファイバー１３ａと、受光部５に接続する第２の光ファイバー１３ｂとが一対で交互に配列され、複数対アレイ状に形成されている。この場合、複数対設けられる第１、第２の光ファイバー１３ａ、１３ｂは、開口端側で光ファイバーアレイ挿入ホルダ２３ａと光ファイバーアレイ押さえホルダ２３ｂに挟み込まれて隣接して並設される。光ファイバーアレイ挿入ホルダ２３ａには、光ファイバーを収容する凹部２３ｃ（若しくは凹溝）が形成されており、該凹部２３ｃに第１、第２の光ファイバー１３ａ、１３ｂが交互に並んで複数対収容される。光ファイバーアレイ挿入ホルダ２３ａと光ファイバーアレイ押さえホルダ２３ｂとは、溶着、接着、凹凸嵌合など様々な構造で一体に組み合わされる。尚、複数対の第１、第２の光ファイバー１３ａ、１３ｂは凹部２３ｃに一列配置されていても良いが、複数列設けられていても良い。
【００１８】
この場合、第１の光ファイバー１３ａは１本で吸収光（波長λ１）及び参照光（波長λ２）を光合波して導光するため、図１のように、第１の光ファイバー１３ａは入光用インターフェース１２を介して光合波器６へ接続される。第１の光ファイバー１３ａは、光合波器６の吸収光源７及び参照光源８より各々照射される吸収光及び参照光を導光して直接サンプル２に照射する。また、第２の光ファイバー１３ｂは、図１のように受光用インターフェース１４を介して受光素子１５に接続される。第２の光ファイバー１３ｂは、サンプル２からの反射光を直接導光して受光素子１５で受光するようになっている。
【００１９】
また、図６において、サンプル２に対向する検出端側で第１の光ファイバー１３ａと第２の光ファイバー１３ｂとが隣接して、例えばフレキシブルな金属細管２４内に挿入されている。金属細管２４は、例えば電鋳めっきにより形成される内径φ１６０μｍ程度のニッケル細管などが好適に用いられる。この場合第１、第２の光ファイバー１３ａ、１３ｂは外径φ８０μｍの金属細管２４内で互いに外接するように挿入される。このように、第１、第２の光ファイバー１３ａ、１３ｂをカテーテル型に形成することで、微小空間に挿入して物質の成分分布を検出することや、生体内に挿入して被測定部からの特定物質を検出することもできる。尚、生体整合をとるため、金属細管２４の表面には、抗菌材料、例えば金、白金などの金属めっきが施されているのが好ましい。
【００２０】
また、検出する物質に応じて吸収光を照射する吸収光源７は脱着可能に設けられていると、検出物質（たとえば、水や油など）の吸光特性に応じた波長の光源と交換することで、一の物質のみならず他の物質の成分分布の検出を行うことができる。
【００２１】
第１の光ファイバー１３ａより照射した吸収光及び参照光を照射して第２の光ファイバー１３ｂで受光する場合、被測定部における凹凸や、光ファイバーアレイの開口端の姿勢によって、受光部５で受光する受光量が低下するおそれがある。一般に、図７（ｂ）において、発光部４の検出端と被測定部までの距離をｄ、受光部５の受光量をＬとすると、距離ｄと受光量Ｌとの間にはＬ∝１／ｄ2の関係がある。このため、図７（ａ）において、サンプル２から第２の光ファイバー１３ｂの端部までの距離ｄが長くなると、受光量が減少して検出精度に影響する。よって、第２の光ファイバー１３ｂの開口端を第１の光ファイバー１３ａの開口端より下方に突出した状態でアレイ状に配置して反射光のみかけの光路長を短縮することで、光結合効率を向上させ、サンプル２の凹凸や受光部５における受光量の減少を補うことができ、安定した測定が行なえる。尚、第２の光ファイバー１３ｂの突出量は任意であるが、突出量を大きくすると計測エリアを狭めるおそれもあるが、計測エリアが微小エリアであるため、測定に影響することはない。
【００２２】
図８において、第１、第２の光ファイバー１３ａ、１３ｂよりなる光ファイバーアレイを収納する筒体（或いは図４（ｂ）、図５（ｂ）に示す凹溝状のホルダ）２４を設け、該筒体２４の第１の光ファイバー１３ａを囲む開口部内周面に鏡面部２５を設けても良い。これにより、第１の光ファイバー１３ａよりサンプル２に向けて効率良く照射光（吸収光及び参照光）が各々照射され、サンプル２から反射光が拡散するのを鏡面部２５により防ぎ、第２の受光ファイバー１３ｂにおいて光結合効率を高めて受光することができる。具体的には、例えばニッケル製の金属筒体２４に第１、第２の光ファイバー１３ａ、１３ｂよりなる光ファイバーアレイを収納する場合、開口端の内壁面に金めっきを施して鏡面部２５が形成される。
【００２３】
また、図９において第１、第２の光ファイバー１３ａ、１３ｂよりなる光ファイバーアレイにおいて、補助光ファイバー１３ｅを設けて被測定部までの距離を測定するようにしてもよい。補助光ファイバー１３ｅの光源には例えば赤色ＬＥＤが用いられ、光ファイバーアレイが被測定部であるサンプル２のいずれを測定しているのかを照射光のスポット（可視光）により視認することができる。また、サンプル２からの反射光を受光することで、サンプル２からの距離ｄを測定することができ、該測定距離に基づいて予め測定されたデータをもとに光量の絶対値を補正するようにしてもよい。具体的には、光量が足りない場合には、光源の駆動回路の発振パルス幅を広げるように制御しても良いし、演算回路により光量を所定の距離で測定した光量に補正するようにしてもよい。
【００２４】
図１０（ａ）〜（ｄ）は、図７（ａ）から図９に示す第１、第２の光ファイバーの検出端部の構成を組み合わせた応用例を示すものである。図１０（ａ）は、図７（ａ）に示す第２の光ファイバー１３ｂの検出端を第１の光ファイバー１３ａの検出端より下方へ突出させて配置した構成と、図８に示す光ファイバーアレイを筒体２４に収納する構造を組み合わせたものである。図１０（ｂ）は、図７（ａ）の第２の光ファイバー１３ｂの検出端を第１の光ファイバー１３ａの検出端より下方へ突出させて配置した構成に、図９の補助光ファイバー１３ｅを加えた構成を組み合わせたものである。図１０（ｃ）は、図８に示す光ファイバーアレイを筒体２４に収納する構造と、図９の補助光ファイバー１３ｅを加えた構成を組み合わせたものである。図１０（ｄ）は、図７（ａ）の第２の光ファイバー１３ｂの検出端を吐出させ、図８の光ファイバーアレイを筒体２４に収納し、図９の補助光ファイバー１３ｅを加えた構成を示す。
いずれの態様も、サンプル２から反射する反射光の光結合効率を向上させることができ、補助光ファイバー１３ｅを用いた場合には、光ファイバーアレイの検出端からサンプル２までの距離がばらついても測定された光量の絶対値を補正できるので、安定した計測が可能となる。
【００２５】
更には、図１１において、光ファイバーアレイを構成する各光ファイバー１３ａ、１３ｂは、反射率の高いコア２６と反射率の低いクラッド２７の同軸構造が用いられており、クラッド２７の径方向の厚さを化学的方法（ケミカルエッチング等）或いは機械的方法（研磨等）により薄くすることで、サンプル２より反射する反射光の光結合効率を向上することができる。例えば、光ファイバー１本あたりのコア２６の直径をφｒ１とし、クラッド２７の直径をφｒ２とするとｒ１／（ｒ１＋ｒ２）を１に近づけるようにｒ１とｒ２の比率を変えることで反射光の光結合効率を高めて受光することができるため、スポット的な物質の成分分布を高精細に検出できる。尚、図１１は図７（ａ）の光ファイバーアレイについて適用した場合であるが、図８や図９の光ファイバーアレイについて適用することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】光学成分計のブロック構成図である。
【図２】光合波器の説明図である。
【図３】第１、第２の光ファイバーの検出端部の説明図である。
【図４】他例に係る第１、第２の光ファイバーの検出端部の説明図である。
【図５】他例に係る第１、第２の光ファイバーの検出端部の説明図である。
【図６】他例に係る第１、第２の光ファイバーの検出端部の説明図である。
【図７】他例に係る第１、第２の光ファイバーの検出端部の説明図及び受光量と検出距離との関係を示すグラフ図である。
【図８】他例に係る第１、第２の光ファイバーの検出端部の説明図である。
【図９】他例に係る第１、第２の光ファイバーの検出端部の説明図である。
【図１０】他例に係る第１、第２の光ファイバーの検出端部のバリエーションを示す説明図である。
【図１１】他例に係る第１、第２の光ファイバーの検出端部の説明図である。
【符号の説明】
【００２７】
１ 光学成分計
２ サンプル
３ 計測器本体
４ 発光部
５ 受光部
６ 光合波器
７ 吸収光源
８ 参照光源
９ ハーフミラー
１０ 発振回路
１１ 光源駆動回路
１２ 入光インターフェース
１３ａ 第１の光ファイバー
１３ｂ 第２の光ファイバー
１３ｃ 第１の光ファイバーアレイ
１３ｄ 第２の光ファイバーアレイ
１３ｅ 補助光ファイバー
１４ 受光インターフェース
１５ 受光素子
１６ 受光素子増幅回路
１７ 分離回路
１８ 成分出力回路
１９ マイクロコンピュータ
２０ 表示部
２１ 外部パーソナルコンピュータ
２２ マルチプレクサ
２３ａ 光ファイバーアレイ挿入ホルダ
２３ｂ 光ファイバーアレイ押さえホルダ
２３ｃ 凹部
２４ 筒体
２５ 鏡面部
２６ コア
２７ クラッド
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被測定部の表面に顕在しない物質（表面皮下の物質）の分光特性に応じて波長の異なる光を照射して得られる反射光より当該物質の成分分布を検出する光学成分計に関する。
【背景技術】
【０００２】
被測定部に含有される物質の分光特性に応じた光を照射して得られる反射光より当該物質の重量成分を検出する光学成分計としては、様々な装置や方法が提案されている。たとえば、被測定部の水分率を測定する水分測定装置としては、波長が異なる２種類の単色光を光源からガラスファイバーを通じてプローブに導いて被測定部に照射し、該被測定部からの反射光がガラスファイバーを通じて測定部へ導かれて電気信号に変換され、反射光の強度変化より吸光度を算出してサンプルデータと比較することにより水分率を検出できるようになっている（特許文献１）。
【０００３】
また、被測定部に水分測定赤外線と参照赤外線を照射し、被測定部からの水分測定赤外線の反射光量と参照赤外線の反射光量から吸光度を求め、該吸光度に基づいて水分値を求める赤外線水分測定装置も提案されている（特許文献２）。
【特許文献１】特開２０００−１４６８３４号
【特許文献２】特開平８−１５９９６０号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述した特許文献１にかかる水分測定装置は、照射用光ファイバーと反射用光ファイバーを組み合わせた微細な照射面積の水分量を検出するのに有効であるが、単に照射用光ファイバーと反射用光ファイバーを組み合わせたスポット的な測定のみならず、被測定部の表面に顕在しない物質（表面皮下の物質）の成分分布を解析したいとのニーズがある。また、光ファイバーの開口端から直接光照射した場合に、被測定部からの反射光が散乱して反射用光ファイバーの開口端へ効率良く導光できるか不明である。
また、特許文献２のように、レンズ系を経て参照光及び吸収光を照射して反射光を受光する場合には装置が大型化し、光の透過面積が大きくなり被測定部の計測部位に制約が生ずる。
更には、手が入らない微小空間に挿入して特定の物質の成分分布を検出したいという場合や、生体内外の部位において特定の物質の成分分布を検出したいというニーズもある。
【０００５】
本発明は上述した課題を解決すべくなされたものであり、その目的とするところは、被測定部の表面に顕在しない物質の成分分布を高精細に検出可能な光学成分計を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は上記目的を達成するため、次の構成を備える。
物質の分光特性に応じて波長の異なる吸収光と参照光とを各々発光する複数の光源と、吸収光と参照光とを第１の光ファイバーを通じて被測定部へ直接照射する発光部と、被測定部からの反射光を第２の光ファイバーを通じて受光素子で直接受光する受光部と、受光素子で光電変換された電気信号より被測定部からの吸収光及び参照光に対応する反射光レベルの比を算出して予め記憶したサンプルデータと比較することにより物質の成分データを特定し成分分布を解析する制御部を具備した光学成分計であって、被測定部に対向する検出端側で、第１の光ファイバーと第２のファイバーとが開口端どうしが隣接してアレイ状に形成されていることを特徴とする。
また、第２の光ファイバーの両側に第１の光ファイバーが隣接してアレイ状に形成されることを特徴とする。
また、第１の光ファイバーと第２の光ファイバーとが一対で交互に配列されて複数対アレイ状に形成されることを特徴とする。
或いは、被測定部に対向する検出端側で第１の光ファイバーと第２の光ファイバーとが隣接してフレキシブルな金属細管内に挿入されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
上述した光学成分計を用いれば、被測定部に対向する検出端側で、第１の光ファイバーと第２のファイバーとが開口端どうしが隣接してアレイ状に形成されているので、被測定部に非接触で第１の光ファイバーより吸収光及び参照光を照射し、当該被測定部からの反射光を第２の光ファイバーを通じて受光素子で受光することで、制御部が被測定部の微細な面積の表面に顕在しない物質の成分分布を検出できる。特に、被検出部が凹凸面などであっても口径が数十μｍ〜数百μｍ程度の光ファイバーの微細な開口面積で被測定部の表面に顕在しない物質の成分分布を高精細に検出することができる。
また、第２の光ファイバーの両側に第１の光ファイバーが隣接してアレイ状に形成されるか、第１の光ファイバーと第２の光ファイバーとが一対で交互に配列されて複数対アレイ状に形成されることにより、被測定部からの反射光を効率良く取り込んで物質の成分分布を高精度に測定できる。
また、第１の光ファイバーと第２の光ファイバーとが隣接してフレキシブルな金属細管内に挿入されることにより、狭い空間部や生体内に進入させて被測定部の物質の成分分布を検出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明に係る光学成分計の最良の実施形態について添付図面とともに詳細に説明する。本実施形態は、被測定部の表面に顕在しない物質の成分分布の検出に好適に用いられ、被測定部表面に蓄積或いは滞留する物質成分については反射光の拡散が生じ易いため検出対象外とする。以下では、一例として被測定部の表面皮下の水分量を検出する光学成分計について説明する。
【０００９】
先ず、図１及び図２を参照して光学成分計の概略構成について説明する。
図１において、１は光学成分計である。光学成分計１は被測定部（サンプル）２の表面に顕在しない（表面皮下の）水分量を検出する。計測器本体３には、サンプル２の表面皮下の物質の分光特性に応じて波長の異なる光を照射する発光部４及びサンプル２からの反射光を受光する受光部５が設けられている。
【００１０】
図２において、発光部４の構成について説明する。光合波器６には、検出対象となる物質（水分）の分光特性に応じた波長の異なる複数の光源が設けられている。即ち、本実施例では、検出対象となる水の吸光度を有する吸収光（波長λ１＝１４５０ｎｍ）を発光する吸収光源７（例えばＬＤ光源又はＬＥＤ光源）、検出対象となる水の吸光度に無関係な参照光（波長λ２＝１３００ｎｍ）を発光する参照光源８及びハーフミラー９が設けられている。吸収光源７と参照光源８とは、ハーフミラー９に対し入光角度が９０度異なる位置に設けられている。ハーフミラー９には誘電体膜が形成されており、吸収光源７から照射された吸収光を透過させ、参照光源８から照射された参照光を全反射させて、光合波を形成するようになっている。このように波長の異なる吸収光と参照光と入光インターフェース１２を通じて一の第１の光ファイバー１３ａによって伝搬される。入光インターフェース１２は、ハーフミラー９を通じて吸収光及び参照光を効率よく第１の光ファイバー１３ａに導くために用いられる。
【００１１】
図１において、吸収光源７及び参照光源８は発振回路１０より方形波駆動信号が出力され光源駆動回路１１を駆動して各光源７、８が点灯するようになっている。具体的には、発振回路１０より出力される方形波信号の前半周期は吸収光源７の駆動信号となり、後半周期は参照光源８の駆動信号となる。光源駆動回路１１は方形波出力信号の前半周期で吸収光源７を点灯させ、後半周期で参照光源８を交互に点灯させる。第１の光ファイバー１３ａは、一の導光路を通じて参照光と吸収光とをサンプル２に光照射する。尚、第１の光ファイバー１３ａを複数本設けて吸収光及び参照光を第１の光ファイバー１３ａから各々照射する場合には光合波器６を省略することができ、部品点数を省略して装置コストを削減することができる。
【００１２】
図１において、受光部５は、サンプル２からの反射光を第２の光ファイバー１３ｂを通じて受光インターフェース１４を通じて受光素子１５で受光して光電変換する。受光インターフェース１４は、第２の光ファイバー１３ｂを経由する反射光を効率よく受光素子１５に導くために用いられる。第１、第２の光ファイバー１３ａ、１３ｂのサンプル２に対向する検出側端部は並設されている。即ち、サンプル２に対向する検出側端部において口径がφ２００μｍ以下の第１、第２の光ファイバー１３ａ、１３ｂどうしが隣接（外接）して設けられる。第１、第２の光ファイバー１３ａ、１３ｂとしては、例えばコア径５０μｍ、クラッド径１２５μｍの石英光ファイバーの場合、サンプル２とファイバー開口端との距離が約１ｍｍで、サンプル２の測定面積は約０．５ｍｍ2〜０．７ｍｍ2程度の微小エリアの測定が可能になる。
【００１３】
図１において、受光素子１５の出力（電気信号）は、受光素子増幅回路１６において所定の増幅度で増幅される。この受光素子増幅回路１６で増幅された出力信号には、サンプル２の吸光度の差異に対応した電気信号（吸収光に対応した反射光成分と参照光に対応した反射光成分）が含まれる。この電気信号を二つのアナログスイッチからなる分離回路１７において吸収光に対応する反射光成分と参照光に対応した反射光成分とに分離する。分離回路１７には、光源駆動回路１１の吸収光源７の点灯周期と参照光源８の点灯周期に応じて信号を分離する。
【００１４】
分離回路１７により分離された吸収光に対応した電気信号と参照光に対応した電気信号は、成分出力回路１８にて各々平滑増幅（直流化）された後、制御部を構成するマイクロコンピュータ１９に供給される。マイクロコンピュータ１９は、成分出力回路１８から出力された二つの直流化信号の比を演算し、その比に基づいてサンプル２の重量成分を演算する。このマイクロコンピュータ１９における演算処理の結果（成分データ）は、解析ソフトを用いて成分分布が解析され表示部２０に表示される。更にはマイクロコンピュータ１９の成分データは計測信号としてアナログ出力され、ペンレコーダ等にリアルタイムで記録できるようにしても良い。或いはマイクロコンピュータ１９による演算処理結果は、外部パーソナルコンピュータ２１に転送して解析表示することも可能である。
【００１５】
次に、発光部４と受光部５に各々接続する光ファイバー線路の構成例について説明する。
サンプル２に対向する検出端側で第１の光ファイバー１３ａと第２のファイバー１３ｂとが開口端どうしが隣接してアレイ状に形成されている。具体的には、図３において、第１の光ファイバー１３ａ及び第２の光ファイバー１３ｂが複数本ずつアレイ状に束ねられて設けられる場合を例示している。第１の光ファイバー１３ａは検出端部で複数本まとめて第１の光ファイバーアレイ１３ｃが形成されている。該第１の光ファイバーアレイ１３ｃは入光インターフェース１２に接続され、該入光インターフェース１２は光合波器６に接続されている。また、第２の光ファイバー１３ｂは検出端部で複数本まとめて第２の光ファイバーアレイ１３ｄが形成されている。第２の光ファイバーアレイ１３ｄは受光インターフェース１４ａ、１４ｂ、…１４ｎを介して受光素子１５ａ、１５ｂ、…１５ｎに接続されている。受光素子１５ａ、１５ｂ、…１５ｎで光電変換された電気信号は、マルチプレクサ２２を経て受光素子増幅回路１６に順次出力されて増幅された後、図１と同様に分離回路１７により吸収光に対応した電気信号と参照光に対応した電気信号とに分離されて、成分出力回路１８にて各々平滑増幅（直流化）された後、マイクロコンピュータ１９に入力される。
【００１６】
図４（ａ）（ｂ）において、第２の光ファイバー１３ｂの両側に第１の光ファイバー１３ａが隣接してアレイ状に形成されている。即ち、２本の第１の光ファイバー１３ａのうち一方を吸収光源７からの吸収光（波長λ１）の導光路として用い、他方を参照光源８からの参照光（波長λ２）の導光路として用いている（λ１＞λ２）。第１の光ファイバー１３ａ及び第２の光ファイバー１３ｂは、開口端側で光ファイバーアレイ挿入ホルダ２３ａと光ファイバーアレイ押さえホルダ２３ｂに挟み込まれて密接して並設される。光ファイバーアレイ挿入ホルダ２３ａには、第１、第２の光ファイバー１３ａ、１３ｂを収容する凹部２３ｃ（若しくは凹溝）が形成されており、該凹部２３ｃに第２の光ファイバー１３ｂの両側に第１の光ファイバー１３ａが隣接して収容される。光ファイバーアレイ挿入ホルダ２３ａと光ファイバーアレイ押さえホルダ２３ｂとは、溶着、接着、凹凸嵌合など様々な構造で一体に組み合わされる。発光部４に光合波器６が不要であるので部品点数が減り装置コストを低減できるうえに、サンプル２からの反射光を効率良く取り込んで物質の成分分布が高精度に測定できる。尚、第２の光ファイバー１３ｂの両側に第１の光ファイバー１３ａが隣接したアレイが、凹部２３ｃに複数セット連続して設けられてもよいし、これらが複数列設けられていても良い。
【００１７】
また、図５（ａ）（ｂ）において、発光部４に接続する第１の光ファイバー１３ａと、受光部５に接続する第２の光ファイバー１３ｂとが一対で交互に配列され、複数対アレイ状に形成されている。この場合、複数対設けられる第１、第２の光ファイバー１３ａ、１３ｂは、開口端側で光ファイバーアレイ挿入ホルダ２３ａと光ファイバーアレイ押さえホルダ２３ｂに挟み込まれて隣接して並設される。光ファイバーアレイ挿入ホルダ２３ａには、光ファイバーを収容する凹部２３ｃ（若しくは凹溝）が形成されており、該凹部２３ｃに第１、第２の光ファイバー１３ａ、１３ｂが交互に並んで複数対収容される。光ファイバーアレイ挿入ホルダ２３ａと光ファイバーアレイ押さえホルダ２３ｂとは、溶着、接着、凹凸嵌合など様々な構造で一体に組み合わされる。尚、複数対の第１、第２の光ファイバー１３ａ、１３ｂは凹部２３ｃに一列配置されていても良いが、複数列設けられていても良い。
【００１８】
この場合、第１の光ファイバー１３ａは１本で吸収光（波長λ１）及び参照光（波長λ２）を光合波して導光するため、図１のように、第１の光ファイバー１３ａは入光用インターフェース１２を介して光合波器６へ接続される。第１の光ファイバー１３ａは、光合波器６の吸収光源７及び参照光源８より各々照射される吸収光及び参照光を導光して直接サンプル２に照射する。また、第２の光ファイバー１３ｂは、図１のように受光用インターフェース１４を介して受光素子１５に接続される。第２の光ファイバー１３ｂは、サンプル２からの反射光を直接導光して受光素子１５で受光するようになっている。
【００１９】
また、図６において、サンプル２に対向する検出端側で第１の光ファイバー１３ａと第２の光ファイバー１３ｂとが隣接して、例えばフレキシブルな金属細管２４内に挿入されている。金属細管２４は、例えば電鋳めっきにより形成される内径φ１６０μｍ程度のニッケル細管などが好適に用いられる。この場合第１、第２の光ファイバー１３ａ、１３ｂは外径φ８０μｍの金属細管２４内で互いに外接するように挿入される。このように、第１、第２の光ファイバー１３ａ、１３ｂをカテーテル型に形成することで、微小空間に挿入して物質の成分分布を検出することや、生体内に挿入して被測定部からの特定物質を検出することもできる。尚、生体整合をとるため、金属細管２４の表面には、抗菌材料、例えば金、白金などの金属めっきが施されているのが好ましい。
【００２０】
また、検出する物質に応じて吸収光を照射する吸収光源７は脱着可能に設けられていると、検出物質（たとえば、水や油など）の吸光特性に応じた波長の光源と交換することで、一の物質のみならず他の物質の成分分布の検出を行うことができる。
【００２１】
第１の光ファイバー１３ａより照射した吸収光及び参照光を照射して第２の光ファイバー１３ｂで受光する場合、被測定部における凹凸や、光ファイバーアレイの開口端の姿勢によって、受光部５で受光する受光量が低下するおそれがある。一般に、図７（ｂ）において、発光部４の検出端と被測定部までの距離をｄ、受光部５の受光量をＬとすると、距離ｄと受光量Ｌとの間にはＬ∝１／ｄ2の関係がある。このため、図７（ａ）において、サンプル２から第２の光ファイバー１３ｂの端部までの距離ｄが長くなると、受光量が減少して検出精度に影響する。よって、第２の光ファイバー１３ｂの開口端を第１の光ファイバー１３ａの開口端より下方に突出した状態でアレイ状に配置して反射光のみかけの光路長を短縮することで、光結合効率を向上させ、サンプル２の凹凸や受光部５における受光量の減少を補うことができ、安定した測定が行なえる。尚、第２の光ファイバー１３ｂの突出量は任意であるが、突出量を大きくすると計測エリアを狭めるおそれもあるが、計測エリアが微小エリアであるため、測定に影響することはない。
【００２２】
図８において、第１、第２の光ファイバー１３ａ、１３ｂよりなる光ファイバーアレイを収納する筒体（或いは図４（ｂ）、図５（ｂ）に示す凹溝状のホルダ）２４を設け、該筒体２４の第１の光ファイバー１３ａを囲む開口部内周面に鏡面部２５を設けても良い。これにより、第１の光ファイバー１３ａよりサンプル２に向けて効率良く照射光（吸収光及び参照光）が各々照射され、サンプル２から反射光が拡散するのを鏡面部２５により防ぎ、第２の受光ファイバー１３ｂにおいて光結合効率を高めて受光することができる。具体的には、例えばニッケル製の金属筒体２４に第１、第２の光ファイバー１３ａ、１３ｂよりなる光ファイバーアレイを収納する場合、開口端の内壁面に金めっきを施して鏡面部２５が形成される。
【００２３】
また、図９において第１、第２の光ファイバー１３ａ、１３ｂよりなる光ファイバーアレイにおいて、補助光ファイバー１３ｅを設けて被測定部までの距離を測定するようにしてもよい。補助光ファイバー１３ｅの光源には例えば赤色ＬＥＤが用いられ、光ファイバーアレイが被測定部であるサンプル２のいずれを測定しているのかを照射光のスポット（可視光）により視認することができる。また、サンプル２からの反射光を受光することで、サンプル２からの距離ｄを測定することができ、該測定距離に基づいて予め測定されたデータをもとに光量の絶対値を補正するようにしてもよい。具体的には、光量が足りない場合には、光源の駆動回路の発振パルス幅を広げるように制御しても良いし、演算回路により光量を所定の距離で測定した光量に補正するようにしてもよい。
【００２４】
図１０（ａ）〜（ｄ）は、図７（ａ）から図９に示す第１、第２の光ファイバーの検出端部の構成を組み合わせた応用例を示すものである。図１０（ａ）は、図７（ａ）に示す第２の光ファイバー１３ｂの検出端を第１の光ファイバー１３ａの検出端より下方へ突出させて配置した構成と、図８に示す光ファイバーアレイを筒体２４に収納する構造を組み合わせたものである。図１０（ｂ）は、図７（ａ）の第２の光ファイバー１３ｂの検出端を第１の光ファイバー１３ａの検出端より下方へ突出させて配置した構成に、図９の補助光ファイバー１３ｅを加えた構成を組み合わせたものである。図１０（ｃ）は、図８に示す光ファイバーアレイを筒体２４に収納する構造と、図９の補助光ファイバー１３ｅを加えた構成を組み合わせたものである。図１０（ｄ）は、図７（ａ）の第２の光ファイバー１３ｂの検出端を吐出させ、図８の光ファイバーアレイを筒体２４に収納し、図９の補助光ファイバー１３ｅを加えた構成を示す。
いずれの態様も、サンプル２から反射する反射光の光結合効率を向上させることができ、補助光ファイバー１３ｅを用いた場合には、光ファイバーアレイの検出端からサンプル２までの距離がばらついても測定された光量の絶対値を補正できるので、安定した計測が可能となる。
【００２５】
更には、図１１において、光ファイバーアレイを構成する各光ファイバー１３ａ、１３ｂは、反射率の高いコア２６と反射率の低いクラッド２７の同軸構造が用いられており、クラッド２７の径方向の厚さを化学的方法（ケミカルエッチング等）或いは機械的方法（研磨等）により薄くすることで、サンプル２より反射する反射光の光結合効率を向上することができる。例えば、光ファイバー１本あたりのコア２６の直径をφｒ１とし、クラッド２７の直径をφｒ２とするとｒ１／（ｒ１＋ｒ２）を１に近づけるようにｒ１とｒ２の比率を変えることで反射光の光結合効率を高めて受光することができるため、スポット的な物質の成分分布を高精細に検出できる。尚、図１１は図７（ａ）の光ファイバーアレイについて適用した場合であるが、図８や図９の光ファイバーアレイについて適用することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】光学成分計のブロック構成図である。
【図２】光合波器の説明図である。
【図３】第１、第２の光ファイバーの検出端部の説明図である。
【図４】他例に係る第１、第２の光ファイバーの検出端部の説明図である。
【図５】他例に係る第１、第２の光ファイバーの検出端部の説明図である。
【図６】他例に係る第１、第２の光ファイバーの検出端部の説明図である。
【図７】他例に係る第１、第２の光ファイバーの検出端部の説明図及び受光量と検出距離との関係を示すグラフ図である。
【図８】他例に係る第１、第２の光ファイバーの検出端部の説明図である。
【図９】他例に係る第１、第２の光ファイバーの検出端部の説明図である。
【図１０】他例に係る第１、第２の光ファイバーの検出端部のバリエーションを示す説明図である。
【図１１】他例に係る第１、第２の光ファイバーの検出端部の説明図である。
【符号の説明】
【００２７】
１ 光学成分計
２ サンプル
３ 計測器本体
４ 発光部
５ 受光部
６ 光合波器
７ 吸収光源
８ 参照光源
９ ハーフミラー
１０ 発振回路
１１ 光源駆動回路
１２ 入光インターフェース
１３ａ 第１の光ファイバー
１３ｂ 第２の光ファイバー
１３ｃ 第１の光ファイバーアレイ
１３ｄ 第２の光ファイバーアレイ
１３ｅ 補助光ファイバー
１４ 受光インターフェース
１５ 受光素子
１６ 受光素子増幅回路
１７ 分離回路
１８ 成分出力回路
１９ マイクロコンピュータ
２０ 表示部
２１ 外部パーソナルコンピュータ
２２ マルチプレクサ
２３ａ 光ファイバーアレイ挿入ホルダ
２３ｂ 光ファイバーアレイ押さえホルダ
２３ｃ 凹部
２４ 筒体
２５ 鏡面部
２６ コア
２７ クラッド
【特許請求の範囲】
【請求項１】
物質の分光特性に応じて波長の異なる吸収光と参照光とを各々発光する複数の光源と、
吸収光と参照光とを第１の光ファイバーを通じて被測定部へ直接照射する発光部と、
被測定部からの反射光を第２の光ファイバーを通じて受光素子で直接受光する受光部と、
受光素子で光電変換された電気信号より被測定部からの吸収光及び参照光に対応する反射光レベルの比を算出して予め記憶したサンプルデータと比較することにより物質の成分データを特定し成分分布を解析する制御部を具備した光学成分計であって、
被測定部に対向する検出端側で、第１の光ファイバーと第２のファイバーとが開口端どうしが隣接してアレイ状に形成されていることを特徴とする光学成分計。
【請求項２】
第２の光ファイバーの両側に第１の光ファイバーが隣接してアレイ状に形成されることを特徴とする請求項１記載の光学成分計。
【請求項３】
第１の光ファイバーと第２の光ファイバーとが一対で交互に配列されて複数対アレイ状に形成されることを特徴とする請求項１記載の光学成分計。
【請求項４】
被測定部に対向する検出端側で第１の光ファイバーと第２の光ファイバーとが隣接して金属細管内に挿入されていることを特徴とする請求項１記載の光学成分計。
【請求項１】
物質の分光特性に応じて波長の異なる吸収光と参照光とを各々発光する複数の光源と、
吸収光と参照光とを第１の光ファイバーを通じて被測定部へ直接照射する発光部と、
被測定部からの反射光を第２の光ファイバーを通じて受光素子で直接受光する受光部と、
受光素子で光電変換された電気信号より被測定部からの吸収光及び参照光に対応する反射光レベルの比を算出して予め記憶したサンプルデータと比較することにより物質の成分データを特定し成分分布を解析する制御部を具備した光学成分計であって、
被測定部に対向する検出端側で、第１の光ファイバーと第２のファイバーとが開口端どうしが隣接してアレイ状に形成されていることを特徴とする光学成分計。
【請求項２】
第２の光ファイバーの両側に第１の光ファイバーが隣接してアレイ状に形成されることを特徴とする請求項１記載の光学成分計。
【請求項３】
第１の光ファイバーと第２の光ファイバーとが一対で交互に配列されて複数対アレイ状に形成されることを特徴とする請求項１記載の光学成分計。
【請求項４】
被測定部に対向する検出端側で第１の光ファイバーと第２の光ファイバーとが隣接して金属細管内に挿入されていることを特徴とする請求項１記載の光学成分計。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２００６−９１００８（Ｐ２００６−９１００８Ａ）
【公開日】平成１８年４月６日（２００６．４．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−２４４１５１（Ｐ２００５−２４４１５１）
【出願日】平成１７年８月２５日（２００５．８．２５）
【出願人】（３９１０２６４７２）セラテックジャパン株式会社 (2)
【出願人】（８０４００００１５）株式会社信州ＴＬＯ (30)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年４月６日（２００６．４．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年８月２５日（２００５．８．２５）
【出願人】（３９１０２６４７２）セラテックジャパン株式会社 (2)
【出願人】（８０４００００１５）株式会社信州ＴＬＯ (30)
【Ｆターム（参考）】
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