光学的成分測定装置
【課題】少量のサンプルであっても、高い分解能と安定した計測精度が実現でき、安価でコンパクトな光学的成分測定装置を提供する。
【解決手段】光ファイバループ２を一の方向に伝搬する直線偏光を右円偏光に変換して測定対象のサンプル２２に入射する第１光変換部２３と、光ファイバループ２を他の方向に伝搬する直線偏光を左円偏光に変換してサンプル２２に入射する第２光変換部２４と、を有する円偏光入射部２１を備え、両光変換部２３，２４は、サンプル２２の一側に並列して配置され、円偏光を同一方向に出射するように構成され、円偏光入射部２１は、一の光変換部２３から出射された円偏光を反射し、サンプル２２に少なくとも１往復透過させた後、他の光変換部２４に入射させる反射手段２５をさらに備え、反射手段２５は、入射してきた円偏光を偶数回反射させて、サンプル２２に出射する偶数個の反射ミラー２５ａからなる。
【解決手段】光ファイバループ２を一の方向に伝搬する直線偏光を右円偏光に変換して測定対象のサンプル２２に入射する第１光変換部２３と、光ファイバループ２を他の方向に伝搬する直線偏光を左円偏光に変換してサンプル２２に入射する第２光変換部２４と、を有する円偏光入射部２１を備え、両光変換部２３，２４は、サンプル２２の一側に並列して配置され、円偏光を同一方向に出射するように構成され、円偏光入射部２１は、一の光変換部２３から出射された円偏光を反射し、サンプル２２に少なくとも１往復透過させた後、他の光変換部２４に入射させる反射手段２５をさらに備え、反射手段２５は、入射してきた円偏光を偶数回反射させて、サンプル２２に出射する偶数個の反射ミラー２５ａからなる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、グルコースなどの旋光性を有する物質の濃度を光学的に測定する光学的成分測定装置に係り、特に、サニャック干渉系を応用した光学的成分測定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
グルコースなどの旋光性を有する物質では、その旋光度が物質の濃度に依存することが知られており、旋光度を測定し、その測定した旋光度から物質の濃度を検出することが行われている。
【０００３】
物質の旋光度（または複屈折率）を測定する方法としては、セナルモンの方法、直交偏波差動法、ミューラー行列計算法、直交偏波ヘテロダイン方式、変調位相シフト法、偏光度の波長掃引法、偏光度（最小値）測定法など、従来より種々の方法が知られている。
【０００４】
しかし、これらの方法では、旋光による偏波面の回転角度を直接または偏光度で測定する方式であるため、角度分解能が低く、測定誤差が大きいという課題があった。また、装置が大掛かりとなったり、使用する素子が高価であったり、光軸調整に時間を要したりし、装置が高価となってしまうという課題もあった。
【０００５】
そこで、特許文献１では、光ファイバジャイロ等で用いられているサニャック干渉系を応用した光学的成分測定装置が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−２７４３８０号公報
【特許文献２】特開２００８−１２２０８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１では、測定対象となるサンプルをセンサループの間に挿入した構成となっているため、１伝搬方向の位相差しか得られず、例えば血中のグルコース濃度を測定するためには、十分な感度が得られないという問題がある。
【０００８】
また、特許文献１では、サンプルを挟み込むように光を送受信する部分を設けているため、計測部が長くなりコンパクトな設計が難しいという問題もある。
【０００９】
このような問題を解決するため、特許文献２では、反射ミラーを用いてサンプルに対して光を往復させる構成が提案されているが、この装置では、実際には旋光度を測定することはできないと考えられる。
【００１０】
具体的には、特許文献２の図２のような構成では、入射光は、４分の１波長板１３で円偏光とされ、ファラデー回転光学素子６２を介して被測定試料８に入射することになるが、このとき、被測定試料８に右円偏光が入射されるとすると、被測定試料８を通過した右円偏光はミラー１２で反射され、左円偏光に変換されて再び被測定試料８に入射されることになる。ここで、被測定試料８がＤ−グルコースのように偏波面を右に回転させる物質であるとすると、往路では右円偏光を右に回転させるので伝搬速度が速くなり、復路では左円偏光を右に回転させるので伝搬速度が遅くなり、入射光に対する位相差は２倍とならずにゼロとなる。よって、特許文献２の図２のような構成では、旋光度を測定することはできないと考えられる。
【００１１】
本発明は上記事情に鑑み為されたものであり、少量のサンプルであっても、高い分解能と安定した計測精度が実現でき、安価でコンパクトな光学的成分測定装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、測定対象であるサンプル中の旋光性を有する物質の濃度を光学的に測定する光学的成分測定装置であって、光ファイバループと、光源からの光を直線偏光に変換すると共に分岐して前記光ファイバループの両端に入射し、前記光ファイバループを互いに逆方向に伝搬して前記光ファイバループの両端から出射された光の位相差を検出するセンサ本体と、前記光ファイバループの途中に挿入され、前記光ファイバループを一の方向に伝搬する直線偏光を右円偏光に変換して前記サンプルに入射する第１光変換部と、前記光ファイバループを他の方向に伝搬する直線偏光を左円偏光に変換して前記サンプルに入射する第２光変換部と、を有する前記サンプルに円偏光を入射する円偏光入射部と、前記センサ本体に搭載され、検出した前記位相差に基づき、前記サンプル中の旋光性を有する物質の濃度を求める濃度検出部と、を備え、前記両光変換部は、前記サンプルの一側に並列して配置され、円偏光を同一方向に出射するように構成され、前記円偏光入射部は、一の前記光変換部から出射された円偏光を反射し、前記サンプルに少なくとも１往復透過させた後、他の前記光変換部に入射させる反射手段をさらに備え、前記反射手段は、入射してきた円偏光を偶数回反射させて、前記サンプルに出射するよう構成された偶数個の反射ミラーからなる光学的成分測定装置である。
【００１３】
前記光ファイバループの両端の端部部分に、該光ファイバループを構成する光ファイバを巻回して形成された遅延光ファイバをそれぞれ設けてなり、前記遅延光ファイバは、所定長さの前記光ファイバを一の回転方向に巻回した後、それと同じ長さの前記光ファイバを他の回転方向に巻回して形成されてもよい。
【００１４】
前記光ファイバループの両端の端部部分に、該光ファイバループを構成する光ファイバを巻回して形成された遅延光ファイバをそれぞれ設けてなり、一方の前記遅延光ファイバは、所定長さの前記光ファイバを時計回りに巻回して形成され、他方の前記遅延光ファイバは、それと同じ長さの前記光ファイバを反時計回りに巻回して形成されてもよい。
【００１５】
前記両光変換部は、偏波面を４５度回転させる偏波回転素子と、直線偏光を円偏光に変換するλ／４素子と、をそれぞれ有しており、前記偏波回転素子と前記λ／４素子とを光ファイバ型の素子で構成すると共に、前記λ／４素子に円偏光保持光ファイバを結合し、該円偏光保持光ファイバから出射された円偏光を前記サンプルに入射するように前記両光変換部を構成してもよい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、少量のサンプルであっても、高い分解能と安定した計測精度が実現でき、安価でコンパクトな光学的成分測定装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施の形態に係る光学的成分測定装置の概略構成図である。
【図２】図１の光学的成分測定装置を用いてグルコースの濃度を測定した際の左右回り光の位相差とグルコースの濃度の関係を示すグラフ図である。
【図３】本発明の他の実施の形態に係る光学的成分測定装置の概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態を添付図面にしたがって説明する。
【００１９】
図１は、本実施の形態に係る光学的成分測定装置の概略構成図である。
【００２０】
図１に示すように、光学的成分測定装置１は、グルコースなどの旋光性を有する物質の濃度を光学的に測定する装置であり、光ファイバループ２と、センサ本体３と、円偏光入射部２１と、を主に備えている。
【００２１】
センサ本体３は、光源１１からの光を直線偏光に変換すると共に分岐して光ファイバループ２の両端に入射し、光ファイバループ２を互いに逆方向に伝搬して光ファイバループ２の両端から出射された光の位相差を検出するものである。
【００２２】
より具体的には、センサ本体３は、光源１１、フォトダイオードなどの受光器１２、光を入出力するための３つのポート１７ａ〜１７ｃを有する第１の光カプラ１３、偏光子１４、光を入出力するための３つのポート１７ｄ〜１７ｆを有する第２の光カプラ１５、位相変調器１６を備え、さらに、信号処理ユニット１８とこれらを収容する筐体１９とを備える。
【００２３】
光源１１としては、例えば、ＳＬＤ（スーパールミネッセントダイオード）を用いるとよい。これにより、光ファイバループ２からの戻り光とレイリー散乱光とが干渉して発生する干渉ノイズを低減することができる。例えば、血中のグルコース濃度を測定するような場合には、光源１１として、水やヘモグロビンの吸収波長帯を避けた近赤外波長の光を出射するものを選択すればよい。
【００２４】
光カプラ１３，１５としては、図１中に図示した１×２入出力ポートを有する光ファイバカプラを用いる。なお、光カプラ１３，１５として２×２入出力ポートを有する光ファイバカプラを用いることもできる。
【００２５】
第１の光カプラ１３の第１ポート１７ａは、光源１１に光学的に接続され、第１の光カプラ１３の第２ポート１７ｂは、受光器１２に光学的に接続され、第１の光カプラ１３の第３ポート１７ｃは、偏光子１４の一端に光学的に接続される。
【００２６】
第２の光カプラ１５の第１ポート１７ｄは、偏光子１４の他端に光学的に接続され、第２の光カプラ１５の第２ポート１７ｅは、光ファイバループ２の一端に光学的に接続され、第２の光カプラ１５の第３ポート１７ｆは、光ファイバループ２の他端に光学的に接続される。
【００２７】
偏光子１４は、コアの複屈折率を大きくし、コイル状に形成したファイバ型の偏光子であり、光源１１からの光を直線偏光に変換するためのものである。
【００２８】
光ファイバループ２の他端の近傍には、位相変調器１６が設けられる。位相変調器１６は、光ファイバループ２を互いに反対方向に伝搬する光に相対的に時間遅れのある位相変調をかけるためのものである。受光器１２で検出される光の強度は、光ファイバループ２を互いに反対方向に伝搬する光の位相差の余弦に比例するため、零付近の位相差、すなわち微少な振動に対する感度が低い。よって、位相変調器１６により位相変調を行って位相差の正弦に比例させることにより、微少な振動に対する感度を向上させることができる。
【００２９】
位相変調器１６としては、振動子とする円筒状のＰＺＴ（ピエゾセラミック）を用い、これに光ファイバループ２を構成する光ファイバの一部を巻き付けた。この位相変調器１６では、ＰＺＴへ印加する電圧により、ＰＺＴに巻き付けた光ファイバを伸縮させることで、光の位相を変調することができる。
【００３０】
信号処理ユニット１８は、光源１１の駆動、受光器１２で検出された光信号が光電変換された電気信号の処理、位相変調器１６の変調レベルの制御、処理結果（振動波形、振動の強度など）の出力などを行うためのものである。信号処理ユニット１８は、光源１１、受光器１２、および位相変調器１６と電気的に接続される。信号処理ユニット１８には、受光器１２からの電気信号を基に、光ファイバループ２を互いに逆方向に伝搬して光ファイバループ２の両端から出射された光の位相差を検出する位相差検出部１８ａと、後述する濃度検出部１８ｂとが搭載されている。
【００３１】
光ファイバループ２は、偏波面保存光ファイバ（ＰＭＦ：Polarization Maintaining Fiber）からなる。例えば、光ファイバループ２としてシングルモード光ファイバ（ＳＭＦ：Single Mode Fiber）を用いた場合、ＳＭＦでは互いに直交した伝搬定数のわずかに異なる２つの固有偏光モードが伝搬するために、振動や温度変化などの外乱によりモード変換が発生し、このモード変換による干渉雑音が発生してしまう。このような干渉雑音を避けるため、光ファイバループ２を構成する光ファイバとしては、偏波面保存光ファイバ（直線偏光保持光ファイバ）を用いる。
【００３２】
光ファイバループ２の両端の近傍（第２の光カプラ１５に近い部分）には、光ファイバループ２を構成する光ファイバ（偏波面保存光ファイバ）を巻回して形成された遅延光ファイバ２０がそれぞれ設けられる。遅延光ファイバ２０は、センサ本体３の筐体１９内に収容される。以下、光ファイバループ２を図１における右回りに伝搬する光を右回り光ＣＷ、左回りに伝搬する光を左回り光ＣＣＷという。
【００３３】
遅延光ファイバ２０は、所定長さの光ファイバを一の回転方向に巻回した後、それと同じ長さの光ファイバを他の回転方向に巻回して形成される。この遅延光ファイバ２０は、左回り光ＣＣＷが位相変調器１６に至る時間に対して、右回り光ＣＷが位相変調器１６に至る時間を遅延させ、位相変調の効果を高める役割と、光ファイバループ２の回転の影響による位相差を除く役割を兼ねている。
【００３４】
光ファイバループ２の途中には、サンプル２２に円偏光を入射する円偏光入射部２１が挿入される。円偏光入射部２１は、光ファイバループ２の長手方向中央に挿入されることが望ましい。
【００３５】
円偏光入射部２１は、光ファイバループ２を一の方向に伝搬する直線偏光（右回り光ＣＷ）を右円偏光に変換して測定対象のサンプル２２に入射する第１光変換部２３と、光ファイバループ２を他の方向に伝搬する直線偏光（左回り光ＣＣＷ）を左円偏光に変換してサンプル２２に入射する第２光変換部２４と、を有している。
【００３６】
第１光変換部２３は、光ファイバループ２から出射された直線偏光（右回り光ＣＷ）を平行光とするレンズ２３ａと、レンズ２３ａにより平行光となった直線偏光（右回り光ＣＷ）が入射され、偏波面を４５度回転させる偏波回転素子２３ｂと、偏波回転素子２３ｂからの直線偏光を円偏光に変換するλ／４素子２３ｃと、を有している。
【００３７】
第２光変換部２４は、第１光変換部２３と同様に、光ファイバループ２から出射された直線偏光（左回り光ＣＣＷ）を平行光とするレンズ２４ａと、レンズ２４ａにより平行光となった直線偏光（左回り光ＣＣＷ）が入射され、偏波面を４５度回転させる偏波回転素子２４ｂと、偏波回転素子２４ｂからの直線偏光を円偏光に変換するλ／４素子２４ｃと、を有している。
【００３８】
ここでは、偏波回転素子２３ｂ，２４ｂとしてファラデー回転素子を用い、λ／４素子２３ｃ，２４ｃとして４分の１波長板を用いた。
【００３９】
本実施の形態では、両光変換部２３，２４は、サンプル２２の一側に並列して配置され、円偏光を同一方向（図１における右方向）に出射するように構成される。
【００４０】
さらに、本実施の形態では、円偏光入射部２１は、一の光変換部２３（または２４）から出射された円偏光を反射し、サンプル２２を少なくとも１往復透過させた後、他の光変換部２４（または２３）に入射させる反射手段２５をさらに備えている。ここでは、一の光変換部２３（または２４）から出射されサンプル２２を透過した円偏光を反射手段２５で反射して再びサンプル２２に入射し、そのサンプル２２を透過した円偏光を他の光変換部２４（または２３）に入射させるように円偏光入射部２１を構成しており、つまり、円偏光をサンプル２２に対して１往復させるように構成しているが、これに限らず、円偏光をサンプル２２に対して２往復以上させるように構成してもよく、往復させる数を増やすほど感度を向上させることができる。
【００４１】
反射手段２５は、入射してきた円偏光を偶数回反射させて、サンプル２２に出射するよう構成された偶数個の反射ミラー２５ａからなる。本実施の形態では、２個の反射ミラー２５ａを用い、入射してきた円偏光を２回反射させて、サンプル２２に出射するよう構成した。
【００４２】
また、光学的成分測定装置１では、信号処理ユニット１８の位相差検出部１８ａが検出した位相差に基づき、サンプル２２中の旋光性を有する物質の濃度（つまり測定対象となる物質の濃度）を求める濃度検出部１８ｂを備えている。濃度検出部１８ｂは、センサ本体３の信号処理ユニット１８に搭載されている。
【００４３】
濃度検出部１８ｂは、位相差検出部１８ａが検出した位相差と、予め作成した検量線とに基づき、測定対象となる物質の濃度を検出するようにされる。検量線は、位相差に対する測定対象となる物質の濃度の関係を表すものであり、校正用の濃度サンプル等を用いて予備実験を行って予め検量線を作成しておき、信号処理ユニット１８のメモリにテーブルまたは関数として記憶させておくとよい。また、サンプル２２を収容するサンプルホルダーのみの状態、すなわちサンプルホルダーにサンプル２２を収容しない状態の位相差を濃度ゼロとして、校正を行うとよい。
【００４４】
次に、光学的成分測定装置１の動作を説明する。
【００４５】
まず、サンプルホルダーにサンプル２２を収容して光学的成分測定装置１にセットし、その状態で光源１１から光を出射する。ここでは、サンプル２２がＤ−グルコースのように偏波面を右に回転させる物質を含み、この物質（旋光物質という）の濃度を検出する場合を説明する。
【００４６】
光源１１から出射した光は、第１の光カプラ１３を伝搬し、偏光子１４で直線偏光にされ、第２の光カプラ１５に入射する。第２の光カプラ１５では、入射した光が２つに分岐され、分岐された光は光ファイバループ２の異なる端にそれぞれ入射する。
【００４７】
光ファイバループ２の一端に入射された右回り光ＣＷは、遅延光ファイバ２０を通過して第１光変換部２３に入射し、レンズ２３ａで平行光とされ、偏波回転素子２３ｂで偏波面が４５度回転され、λ／４素子２３ｃで右円偏光に変換されて、サンプル２２に入射する。右円偏光がサンプル２２を透過する際には、旋光物質により右円偏光が右に回転され伝搬速度が速くなる。サンプル２２を透過した右円偏光は、反射手段２５の１つ目の反射ミラー２５ａで反射されて左円偏光に変換され、さらに２つ目の反射ミラー２５ａで反射されて再び右円偏光に変換されて、サンプル２２に入射され、サンプル２２を透過する際には再び伝搬速度が速くなる。サンプル２２を透過した右円偏光は、第２光変換部２４に入射し、λ／４素子２４ｃで直線偏光に変換され、偏波回転素子２４ｂで偏波面が４５度回転され、レンズ２４ａで集光されて光ファイバループ２に戻る。光ファイバループ２に戻った右回り光ＣＷは、遅延光ファイバ２０を通過し、位相変調器１６で位相変調され、第２の光カプラ１５に入射する。
【００４８】
同様に、光ファイバループ２の他端に入射された左回り光ＣＣＷは、位相変調器１６で位相変調され、遅延光ファイバ２０を通過して第２光変換部２４に入射し、レンズ２４ａで平行光とされ、偏波回転素子２４ｂで偏波面が４５度回転され、λ／４素子２４ｃで左円偏光に変換されて、サンプル２２に入射する。左円偏光がサンプル２２を透過する際には、旋光物質により左円偏光が右に回転され伝搬速度が遅くなる。サンプル２２を透過した左円偏光は、反射手段２５の１つ目の反射ミラー２５ａで反射されて右円偏光に変換され、さらに２つ目の反射ミラー２５ａで反射されて再び左円偏光に変換されて、サンプル２２に入射され、サンプル２２を透過する際には再び伝搬速度が遅くなる。サンプル２２を透過した左円偏光は、第１光変換部２３に入射し、λ／４素子２３ｃで直線偏光に変換され、偏波回転素子２３ｂで偏波面が４５度回転され、レンズ２３ａで集光されて光ファイバループ２に戻る。光ファイバループ２に戻った左回り光ＣＣＷは、遅延光ファイバ２０を通過し、第２の光カプラ１５に入射する。
【００４９】
第２の光カプラ１５に入射した左右回り光ＣＷ，ＣＣＷは、第２の光カプラ１５で干渉して干渉光となる。この干渉光は、偏光子１４を伝搬し、第１の光カプラ１３で再び２つの光に分岐され、分岐された一方の光は受光器１２で受光される。
【００５０】
受光器１２で受光された光は電気信号に変換され、その電気信号は信号処理ユニット１８に入力される。位相差検出部１８ａは、入力された電気信号を基に左右回り光ＣＷ，ＣＣＷの位相差を検出し、濃度検出部１８ｂは、位相差検出部１８ａが検出した位相差に基づき、サンプル２２中の旋光物質の濃度を求める。得られた濃度は、図示しない表示器等に表示するようにしてもよいし、図示しないパーソナルコンピュータ等に出力するようにしてもよい。
【００５１】
本実施の形態の作用を説明する。
【００５２】
本実施の形態に係る光学的成分測定装置１では、光ファイバループ２の途中に、光ファイバループ２を一の方向に伝搬する直線偏光（右回り光ＣＷ）を右円偏光に変換して測定対象のサンプル２２に入射する第１光変換部２３と、光ファイバループ２を他の方向に伝搬する直線偏光（左回り光ＣＣＷ）を左円偏光に変換してサンプル２２に入射する第２光変換部２４と、を有する円偏光入射部２１を挿入し、両光変換部２３，２４を、サンプル２２の一側に並列して配置して円偏光を同一方向に出射するように構成すると共に、一の光変換部２３（または２４）から出射された円偏光を反射手段２５により反射し、サンプル２２を少なくとも１往復透過させた後で、他の光変換部２４（または２３）に入射させるようにしており、反射手段２５は、入射してきた円偏光を偶数回反射させて、サンプル２２に出射する偶数個の反射ミラー２５ａから構成されている。
【００５３】
このように構成することで、サンプル２２を往復させる際に円偏光の回転方向を同一とすることができ、例えば、サンプル２２がＤ−グルコースのように偏波面を右に回転させる物質であるとすると、右回り光ＣＷである右円偏光は往路でも復路でも伝搬速度が速くなり、左回り光ＣＣＷである左円偏光は往路でも復路でも伝搬速度が遅くなることとなり、センサ本体３にて検出する位相差を大きくして感度を向上させることが可能となる。その結果、たとえ少量のサンプル２２であっても、高い分解能と安定した計測精度を実現することが可能になる。
【００５４】
一例として、光学的成分測定装置１を用いてグルコースの濃度を測定した際の左右回り光ＣＷ，ＣＣＷの位相差Δθとグルコースの濃度の関係を図２に示す。図２では、一例として、グルコースの濃度０．１ｇ／ｄｌ、０．５ｇ／ｄｌの場合の位相差Δθを示しているが、このうち、健常者で血糖値がやや高いと判断される値であるグルコースの濃度０．１ｇ／ｄｌの場合であっても、顕著な位相差Δθが得られており、血中のグルコース濃度の測定に十分に対応し得る良好な感度が得られていることが分かる。
【００５５】
また、光学的成分測定装置１によれば、両光変換部２３，２４を、サンプル２２の一側に並列して配置して円偏光を同一方向に出射するように構成することで、計測部を短くすることが可能となり、コンパクトな設計が可能である。
【００５６】
さらに、光学的成分測定装置１は、光ファイバジャイロ等で用いられているサニャック干渉系を応用したものであるため、高い分解能、安定した計測精度を有し（例えば、位相差０．００１度は容易に計測できる）、安価でコンパクトな装置が実現できる。また、光学的成分測定装置１は、光計測系であるため起動が早く計測時間が短く、リアルタイムの計測が可能であるという利点もある。
【００５７】
また、光学的成分測定装置１では、光ファイバループ２の両端の近傍（端部部分）に、光ファイバループ２を構成する光ファイバを巻回して形成された遅延光ファイバ２０をそれぞれ設けており、遅延光ファイバ２０を、所定長さの光ファイバを一の回転方向に巻回した後、それと同じ長さの光ファイバを他の回転方向に巻回して形成している。なお、一方の遅延光ファイバ２０を、所定長さの光ファイバを時計回りに巻き回したものとし、他方の遅延光ファイバ２０を、それと同じ長さの光ファイバを反時計回りに巻き回したものとしても、サニャック効果の影響を排除することができる。
【００５８】
また、光学的成分測定装置１では、光ファイバループ２の中央部にサンプル２２を位置させることにより、右回り光ＣＷ及び左回り光ＣＣＷは同時刻にサンプルに到達・透過することになる。従って、サンプルの温度が変化して、その屈折率分布が変化したとしても、温度変化によって生じたサンプル内の屈折率分布に対して右回り光ＣＷ及び左回りＣＣＷは全く同じ屈折率の媒質を伝搬する（同時刻に伝搬する）ことになるので、時間差が発生せず、サンプルの温度変化の影響を受けることがない。
【００５９】
次に、本発明の他の実施の形態を説明する。
【００６０】
図３に示す光学的成分測定装置３１は、基本的に図１の光学的成分測定装置１と同じ構成であり、偏波回転素子２３ｂ、２４ｂとλ／４素子２３ｃ、２４ｃとを光ファイバ型の素子で構成すると共に、λ／４素子２３ｃ、２４ｃに円偏光保持光ファイバ２３ｄ，２４ｄを結合し、円偏光保持光ファイバ２３ｄ，２４ｄから出射された円偏光を、レンズ２３ａ，２４ａで平行光としてサンプル２２に入射するように両光変換部２３，２４を構成したものである。
【００６１】
光学的成分測定装置３１では、偏波回転素子２３ｂ、２４ｂとしては、電流が流れ周囲に磁界を発生させる導線の周囲に光ファイバを周回させた構造の光ファイバ型のファラデー回転素子を用いるとよい。また、λ／４素子２３ｃ、２４ｃとしては、偏波面保存光ファイバの出射端から結合長（波長）の約１／４の部位を溶融して４５度捻った構造のものを用いることができる。
【００６２】
光学的成分測定装置３１によれば、偏波回転素子２３ｂ、２４ｂとλ／４素子２３ｃ、２４ｃとを光ファイバ型の素子で構成しているため、損失や光の反射による影響を低減することができる。
【００６３】
また、光学的成分測定装置３１によれば、円偏光保持光ファイバ２３ｄ，２４ｄとサンプル２２との距離を短くできるので、空間伝搬する光の広がりの影響を小さくでき、両光変換部２３，２４の距離（円偏光保持光ファイバ２３ｄ，２４ｄの出射端同士の距離）を短くすることができ、よりコンパクトな装置を実現できる。
【００６４】
本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
【００６５】
例えば、上記実施の形態では、測定対象の物質としてグルコースを挙げたが、これに限らず、本発明の光学的成分測定装置１，３１は、旋光性を有する物質であればどのような物質の濃度であっても測定することが可能であり、例えば、果実などの糖度測定に用いることもできる。
【符号の説明】
【００６６】
１ 光学的成分測定装置
２ 光ファイバループ
３ センサ本体
１１ 光源
１２ 受光器
１３ 第１のカプラ
１４ 偏光子
１５ 第２のカプラ
１６ 位相変調器
１８ 信号処理ユニット
１８ａ 位相差検出部
１８ｂ 濃度検出部
２０ 遅延光ファイバ
２１ 円偏光入射部
２２ サンプル
２３ 第１光変換部
２４ 第２光変換部
２５ 反射手段
２５ａ 反射ミラー
【技術分野】
【０００１】
本発明は、グルコースなどの旋光性を有する物質の濃度を光学的に測定する光学的成分測定装置に係り、特に、サニャック干渉系を応用した光学的成分測定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
グルコースなどの旋光性を有する物質では、その旋光度が物質の濃度に依存することが知られており、旋光度を測定し、その測定した旋光度から物質の濃度を検出することが行われている。
【０００３】
物質の旋光度（または複屈折率）を測定する方法としては、セナルモンの方法、直交偏波差動法、ミューラー行列計算法、直交偏波ヘテロダイン方式、変調位相シフト法、偏光度の波長掃引法、偏光度（最小値）測定法など、従来より種々の方法が知られている。
【０００４】
しかし、これらの方法では、旋光による偏波面の回転角度を直接または偏光度で測定する方式であるため、角度分解能が低く、測定誤差が大きいという課題があった。また、装置が大掛かりとなったり、使用する素子が高価であったり、光軸調整に時間を要したりし、装置が高価となってしまうという課題もあった。
【０００５】
そこで、特許文献１では、光ファイバジャイロ等で用いられているサニャック干渉系を応用した光学的成分測定装置が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−２７４３８０号公報
【特許文献２】特開２００８−１２２０８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１では、測定対象となるサンプルをセンサループの間に挿入した構成となっているため、１伝搬方向の位相差しか得られず、例えば血中のグルコース濃度を測定するためには、十分な感度が得られないという問題がある。
【０００８】
また、特許文献１では、サンプルを挟み込むように光を送受信する部分を設けているため、計測部が長くなりコンパクトな設計が難しいという問題もある。
【０００９】
このような問題を解決するため、特許文献２では、反射ミラーを用いてサンプルに対して光を往復させる構成が提案されているが、この装置では、実際には旋光度を測定することはできないと考えられる。
【００１０】
具体的には、特許文献２の図２のような構成では、入射光は、４分の１波長板１３で円偏光とされ、ファラデー回転光学素子６２を介して被測定試料８に入射することになるが、このとき、被測定試料８に右円偏光が入射されるとすると、被測定試料８を通過した右円偏光はミラー１２で反射され、左円偏光に変換されて再び被測定試料８に入射されることになる。ここで、被測定試料８がＤ−グルコースのように偏波面を右に回転させる物質であるとすると、往路では右円偏光を右に回転させるので伝搬速度が速くなり、復路では左円偏光を右に回転させるので伝搬速度が遅くなり、入射光に対する位相差は２倍とならずにゼロとなる。よって、特許文献２の図２のような構成では、旋光度を測定することはできないと考えられる。
【００１１】
本発明は上記事情に鑑み為されたものであり、少量のサンプルであっても、高い分解能と安定した計測精度が実現でき、安価でコンパクトな光学的成分測定装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、測定対象であるサンプル中の旋光性を有する物質の濃度を光学的に測定する光学的成分測定装置であって、光ファイバループと、光源からの光を直線偏光に変換すると共に分岐して前記光ファイバループの両端に入射し、前記光ファイバループを互いに逆方向に伝搬して前記光ファイバループの両端から出射された光の位相差を検出するセンサ本体と、前記光ファイバループの途中に挿入され、前記光ファイバループを一の方向に伝搬する直線偏光を右円偏光に変換して前記サンプルに入射する第１光変換部と、前記光ファイバループを他の方向に伝搬する直線偏光を左円偏光に変換して前記サンプルに入射する第２光変換部と、を有する前記サンプルに円偏光を入射する円偏光入射部と、前記センサ本体に搭載され、検出した前記位相差に基づき、前記サンプル中の旋光性を有する物質の濃度を求める濃度検出部と、を備え、前記両光変換部は、前記サンプルの一側に並列して配置され、円偏光を同一方向に出射するように構成され、前記円偏光入射部は、一の前記光変換部から出射された円偏光を反射し、前記サンプルに少なくとも１往復透過させた後、他の前記光変換部に入射させる反射手段をさらに備え、前記反射手段は、入射してきた円偏光を偶数回反射させて、前記サンプルに出射するよう構成された偶数個の反射ミラーからなる光学的成分測定装置である。
【００１３】
前記光ファイバループの両端の端部部分に、該光ファイバループを構成する光ファイバを巻回して形成された遅延光ファイバをそれぞれ設けてなり、前記遅延光ファイバは、所定長さの前記光ファイバを一の回転方向に巻回した後、それと同じ長さの前記光ファイバを他の回転方向に巻回して形成されてもよい。
【００１４】
前記光ファイバループの両端の端部部分に、該光ファイバループを構成する光ファイバを巻回して形成された遅延光ファイバをそれぞれ設けてなり、一方の前記遅延光ファイバは、所定長さの前記光ファイバを時計回りに巻回して形成され、他方の前記遅延光ファイバは、それと同じ長さの前記光ファイバを反時計回りに巻回して形成されてもよい。
【００１５】
前記両光変換部は、偏波面を４５度回転させる偏波回転素子と、直線偏光を円偏光に変換するλ／４素子と、をそれぞれ有しており、前記偏波回転素子と前記λ／４素子とを光ファイバ型の素子で構成すると共に、前記λ／４素子に円偏光保持光ファイバを結合し、該円偏光保持光ファイバから出射された円偏光を前記サンプルに入射するように前記両光変換部を構成してもよい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、少量のサンプルであっても、高い分解能と安定した計測精度が実現でき、安価でコンパクトな光学的成分測定装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施の形態に係る光学的成分測定装置の概略構成図である。
【図２】図１の光学的成分測定装置を用いてグルコースの濃度を測定した際の左右回り光の位相差とグルコースの濃度の関係を示すグラフ図である。
【図３】本発明の他の実施の形態に係る光学的成分測定装置の概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態を添付図面にしたがって説明する。
【００１９】
図１は、本実施の形態に係る光学的成分測定装置の概略構成図である。
【００２０】
図１に示すように、光学的成分測定装置１は、グルコースなどの旋光性を有する物質の濃度を光学的に測定する装置であり、光ファイバループ２と、センサ本体３と、円偏光入射部２１と、を主に備えている。
【００２１】
センサ本体３は、光源１１からの光を直線偏光に変換すると共に分岐して光ファイバループ２の両端に入射し、光ファイバループ２を互いに逆方向に伝搬して光ファイバループ２の両端から出射された光の位相差を検出するものである。
【００２２】
より具体的には、センサ本体３は、光源１１、フォトダイオードなどの受光器１２、光を入出力するための３つのポート１７ａ〜１７ｃを有する第１の光カプラ１３、偏光子１４、光を入出力するための３つのポート１７ｄ〜１７ｆを有する第２の光カプラ１５、位相変調器１６を備え、さらに、信号処理ユニット１８とこれらを収容する筐体１９とを備える。
【００２３】
光源１１としては、例えば、ＳＬＤ（スーパールミネッセントダイオード）を用いるとよい。これにより、光ファイバループ２からの戻り光とレイリー散乱光とが干渉して発生する干渉ノイズを低減することができる。例えば、血中のグルコース濃度を測定するような場合には、光源１１として、水やヘモグロビンの吸収波長帯を避けた近赤外波長の光を出射するものを選択すればよい。
【００２４】
光カプラ１３，１５としては、図１中に図示した１×２入出力ポートを有する光ファイバカプラを用いる。なお、光カプラ１３，１５として２×２入出力ポートを有する光ファイバカプラを用いることもできる。
【００２５】
第１の光カプラ１３の第１ポート１７ａは、光源１１に光学的に接続され、第１の光カプラ１３の第２ポート１７ｂは、受光器１２に光学的に接続され、第１の光カプラ１３の第３ポート１７ｃは、偏光子１４の一端に光学的に接続される。
【００２６】
第２の光カプラ１５の第１ポート１７ｄは、偏光子１４の他端に光学的に接続され、第２の光カプラ１５の第２ポート１７ｅは、光ファイバループ２の一端に光学的に接続され、第２の光カプラ１５の第３ポート１７ｆは、光ファイバループ２の他端に光学的に接続される。
【００２７】
偏光子１４は、コアの複屈折率を大きくし、コイル状に形成したファイバ型の偏光子であり、光源１１からの光を直線偏光に変換するためのものである。
【００２８】
光ファイバループ２の他端の近傍には、位相変調器１６が設けられる。位相変調器１６は、光ファイバループ２を互いに反対方向に伝搬する光に相対的に時間遅れのある位相変調をかけるためのものである。受光器１２で検出される光の強度は、光ファイバループ２を互いに反対方向に伝搬する光の位相差の余弦に比例するため、零付近の位相差、すなわち微少な振動に対する感度が低い。よって、位相変調器１６により位相変調を行って位相差の正弦に比例させることにより、微少な振動に対する感度を向上させることができる。
【００２９】
位相変調器１６としては、振動子とする円筒状のＰＺＴ（ピエゾセラミック）を用い、これに光ファイバループ２を構成する光ファイバの一部を巻き付けた。この位相変調器１６では、ＰＺＴへ印加する電圧により、ＰＺＴに巻き付けた光ファイバを伸縮させることで、光の位相を変調することができる。
【００３０】
信号処理ユニット１８は、光源１１の駆動、受光器１２で検出された光信号が光電変換された電気信号の処理、位相変調器１６の変調レベルの制御、処理結果（振動波形、振動の強度など）の出力などを行うためのものである。信号処理ユニット１８は、光源１１、受光器１２、および位相変調器１６と電気的に接続される。信号処理ユニット１８には、受光器１２からの電気信号を基に、光ファイバループ２を互いに逆方向に伝搬して光ファイバループ２の両端から出射された光の位相差を検出する位相差検出部１８ａと、後述する濃度検出部１８ｂとが搭載されている。
【００３１】
光ファイバループ２は、偏波面保存光ファイバ（ＰＭＦ：Polarization Maintaining Fiber）からなる。例えば、光ファイバループ２としてシングルモード光ファイバ（ＳＭＦ：Single Mode Fiber）を用いた場合、ＳＭＦでは互いに直交した伝搬定数のわずかに異なる２つの固有偏光モードが伝搬するために、振動や温度変化などの外乱によりモード変換が発生し、このモード変換による干渉雑音が発生してしまう。このような干渉雑音を避けるため、光ファイバループ２を構成する光ファイバとしては、偏波面保存光ファイバ（直線偏光保持光ファイバ）を用いる。
【００３２】
光ファイバループ２の両端の近傍（第２の光カプラ１５に近い部分）には、光ファイバループ２を構成する光ファイバ（偏波面保存光ファイバ）を巻回して形成された遅延光ファイバ２０がそれぞれ設けられる。遅延光ファイバ２０は、センサ本体３の筐体１９内に収容される。以下、光ファイバループ２を図１における右回りに伝搬する光を右回り光ＣＷ、左回りに伝搬する光を左回り光ＣＣＷという。
【００３３】
遅延光ファイバ２０は、所定長さの光ファイバを一の回転方向に巻回した後、それと同じ長さの光ファイバを他の回転方向に巻回して形成される。この遅延光ファイバ２０は、左回り光ＣＣＷが位相変調器１６に至る時間に対して、右回り光ＣＷが位相変調器１６に至る時間を遅延させ、位相変調の効果を高める役割と、光ファイバループ２の回転の影響による位相差を除く役割を兼ねている。
【００３４】
光ファイバループ２の途中には、サンプル２２に円偏光を入射する円偏光入射部２１が挿入される。円偏光入射部２１は、光ファイバループ２の長手方向中央に挿入されることが望ましい。
【００３５】
円偏光入射部２１は、光ファイバループ２を一の方向に伝搬する直線偏光（右回り光ＣＷ）を右円偏光に変換して測定対象のサンプル２２に入射する第１光変換部２３と、光ファイバループ２を他の方向に伝搬する直線偏光（左回り光ＣＣＷ）を左円偏光に変換してサンプル２２に入射する第２光変換部２４と、を有している。
【００３６】
第１光変換部２３は、光ファイバループ２から出射された直線偏光（右回り光ＣＷ）を平行光とするレンズ２３ａと、レンズ２３ａにより平行光となった直線偏光（右回り光ＣＷ）が入射され、偏波面を４５度回転させる偏波回転素子２３ｂと、偏波回転素子２３ｂからの直線偏光を円偏光に変換するλ／４素子２３ｃと、を有している。
【００３７】
第２光変換部２４は、第１光変換部２３と同様に、光ファイバループ２から出射された直線偏光（左回り光ＣＣＷ）を平行光とするレンズ２４ａと、レンズ２４ａにより平行光となった直線偏光（左回り光ＣＣＷ）が入射され、偏波面を４５度回転させる偏波回転素子２４ｂと、偏波回転素子２４ｂからの直線偏光を円偏光に変換するλ／４素子２４ｃと、を有している。
【００３８】
ここでは、偏波回転素子２３ｂ，２４ｂとしてファラデー回転素子を用い、λ／４素子２３ｃ，２４ｃとして４分の１波長板を用いた。
【００３９】
本実施の形態では、両光変換部２３，２４は、サンプル２２の一側に並列して配置され、円偏光を同一方向（図１における右方向）に出射するように構成される。
【００４０】
さらに、本実施の形態では、円偏光入射部２１は、一の光変換部２３（または２４）から出射された円偏光を反射し、サンプル２２を少なくとも１往復透過させた後、他の光変換部２４（または２３）に入射させる反射手段２５をさらに備えている。ここでは、一の光変換部２３（または２４）から出射されサンプル２２を透過した円偏光を反射手段２５で反射して再びサンプル２２に入射し、そのサンプル２２を透過した円偏光を他の光変換部２４（または２３）に入射させるように円偏光入射部２１を構成しており、つまり、円偏光をサンプル２２に対して１往復させるように構成しているが、これに限らず、円偏光をサンプル２２に対して２往復以上させるように構成してもよく、往復させる数を増やすほど感度を向上させることができる。
【００４１】
反射手段２５は、入射してきた円偏光を偶数回反射させて、サンプル２２に出射するよう構成された偶数個の反射ミラー２５ａからなる。本実施の形態では、２個の反射ミラー２５ａを用い、入射してきた円偏光を２回反射させて、サンプル２２に出射するよう構成した。
【００４２】
また、光学的成分測定装置１では、信号処理ユニット１８の位相差検出部１８ａが検出した位相差に基づき、サンプル２２中の旋光性を有する物質の濃度（つまり測定対象となる物質の濃度）を求める濃度検出部１８ｂを備えている。濃度検出部１８ｂは、センサ本体３の信号処理ユニット１８に搭載されている。
【００４３】
濃度検出部１８ｂは、位相差検出部１８ａが検出した位相差と、予め作成した検量線とに基づき、測定対象となる物質の濃度を検出するようにされる。検量線は、位相差に対する測定対象となる物質の濃度の関係を表すものであり、校正用の濃度サンプル等を用いて予備実験を行って予め検量線を作成しておき、信号処理ユニット１８のメモリにテーブルまたは関数として記憶させておくとよい。また、サンプル２２を収容するサンプルホルダーのみの状態、すなわちサンプルホルダーにサンプル２２を収容しない状態の位相差を濃度ゼロとして、校正を行うとよい。
【００４４】
次に、光学的成分測定装置１の動作を説明する。
【００４５】
まず、サンプルホルダーにサンプル２２を収容して光学的成分測定装置１にセットし、その状態で光源１１から光を出射する。ここでは、サンプル２２がＤ−グルコースのように偏波面を右に回転させる物質を含み、この物質（旋光物質という）の濃度を検出する場合を説明する。
【００４６】
光源１１から出射した光は、第１の光カプラ１３を伝搬し、偏光子１４で直線偏光にされ、第２の光カプラ１５に入射する。第２の光カプラ１５では、入射した光が２つに分岐され、分岐された光は光ファイバループ２の異なる端にそれぞれ入射する。
【００４７】
光ファイバループ２の一端に入射された右回り光ＣＷは、遅延光ファイバ２０を通過して第１光変換部２３に入射し、レンズ２３ａで平行光とされ、偏波回転素子２３ｂで偏波面が４５度回転され、λ／４素子２３ｃで右円偏光に変換されて、サンプル２２に入射する。右円偏光がサンプル２２を透過する際には、旋光物質により右円偏光が右に回転され伝搬速度が速くなる。サンプル２２を透過した右円偏光は、反射手段２５の１つ目の反射ミラー２５ａで反射されて左円偏光に変換され、さらに２つ目の反射ミラー２５ａで反射されて再び右円偏光に変換されて、サンプル２２に入射され、サンプル２２を透過する際には再び伝搬速度が速くなる。サンプル２２を透過した右円偏光は、第２光変換部２４に入射し、λ／４素子２４ｃで直線偏光に変換され、偏波回転素子２４ｂで偏波面が４５度回転され、レンズ２４ａで集光されて光ファイバループ２に戻る。光ファイバループ２に戻った右回り光ＣＷは、遅延光ファイバ２０を通過し、位相変調器１６で位相変調され、第２の光カプラ１５に入射する。
【００４８】
同様に、光ファイバループ２の他端に入射された左回り光ＣＣＷは、位相変調器１６で位相変調され、遅延光ファイバ２０を通過して第２光変換部２４に入射し、レンズ２４ａで平行光とされ、偏波回転素子２４ｂで偏波面が４５度回転され、λ／４素子２４ｃで左円偏光に変換されて、サンプル２２に入射する。左円偏光がサンプル２２を透過する際には、旋光物質により左円偏光が右に回転され伝搬速度が遅くなる。サンプル２２を透過した左円偏光は、反射手段２５の１つ目の反射ミラー２５ａで反射されて右円偏光に変換され、さらに２つ目の反射ミラー２５ａで反射されて再び左円偏光に変換されて、サンプル２２に入射され、サンプル２２を透過する際には再び伝搬速度が遅くなる。サンプル２２を透過した左円偏光は、第１光変換部２３に入射し、λ／４素子２３ｃで直線偏光に変換され、偏波回転素子２３ｂで偏波面が４５度回転され、レンズ２３ａで集光されて光ファイバループ２に戻る。光ファイバループ２に戻った左回り光ＣＣＷは、遅延光ファイバ２０を通過し、第２の光カプラ１５に入射する。
【００４９】
第２の光カプラ１５に入射した左右回り光ＣＷ，ＣＣＷは、第２の光カプラ１５で干渉して干渉光となる。この干渉光は、偏光子１４を伝搬し、第１の光カプラ１３で再び２つの光に分岐され、分岐された一方の光は受光器１２で受光される。
【００５０】
受光器１２で受光された光は電気信号に変換され、その電気信号は信号処理ユニット１８に入力される。位相差検出部１８ａは、入力された電気信号を基に左右回り光ＣＷ，ＣＣＷの位相差を検出し、濃度検出部１８ｂは、位相差検出部１８ａが検出した位相差に基づき、サンプル２２中の旋光物質の濃度を求める。得られた濃度は、図示しない表示器等に表示するようにしてもよいし、図示しないパーソナルコンピュータ等に出力するようにしてもよい。
【００５１】
本実施の形態の作用を説明する。
【００５２】
本実施の形態に係る光学的成分測定装置１では、光ファイバループ２の途中に、光ファイバループ２を一の方向に伝搬する直線偏光（右回り光ＣＷ）を右円偏光に変換して測定対象のサンプル２２に入射する第１光変換部２３と、光ファイバループ２を他の方向に伝搬する直線偏光（左回り光ＣＣＷ）を左円偏光に変換してサンプル２２に入射する第２光変換部２４と、を有する円偏光入射部２１を挿入し、両光変換部２３，２４を、サンプル２２の一側に並列して配置して円偏光を同一方向に出射するように構成すると共に、一の光変換部２３（または２４）から出射された円偏光を反射手段２５により反射し、サンプル２２を少なくとも１往復透過させた後で、他の光変換部２４（または２３）に入射させるようにしており、反射手段２５は、入射してきた円偏光を偶数回反射させて、サンプル２２に出射する偶数個の反射ミラー２５ａから構成されている。
【００５３】
このように構成することで、サンプル２２を往復させる際に円偏光の回転方向を同一とすることができ、例えば、サンプル２２がＤ−グルコースのように偏波面を右に回転させる物質であるとすると、右回り光ＣＷである右円偏光は往路でも復路でも伝搬速度が速くなり、左回り光ＣＣＷである左円偏光は往路でも復路でも伝搬速度が遅くなることとなり、センサ本体３にて検出する位相差を大きくして感度を向上させることが可能となる。その結果、たとえ少量のサンプル２２であっても、高い分解能と安定した計測精度を実現することが可能になる。
【００５４】
一例として、光学的成分測定装置１を用いてグルコースの濃度を測定した際の左右回り光ＣＷ，ＣＣＷの位相差Δθとグルコースの濃度の関係を図２に示す。図２では、一例として、グルコースの濃度０．１ｇ／ｄｌ、０．５ｇ／ｄｌの場合の位相差Δθを示しているが、このうち、健常者で血糖値がやや高いと判断される値であるグルコースの濃度０．１ｇ／ｄｌの場合であっても、顕著な位相差Δθが得られており、血中のグルコース濃度の測定に十分に対応し得る良好な感度が得られていることが分かる。
【００５５】
また、光学的成分測定装置１によれば、両光変換部２３，２４を、サンプル２２の一側に並列して配置して円偏光を同一方向に出射するように構成することで、計測部を短くすることが可能となり、コンパクトな設計が可能である。
【００５６】
さらに、光学的成分測定装置１は、光ファイバジャイロ等で用いられているサニャック干渉系を応用したものであるため、高い分解能、安定した計測精度を有し（例えば、位相差０．００１度は容易に計測できる）、安価でコンパクトな装置が実現できる。また、光学的成分測定装置１は、光計測系であるため起動が早く計測時間が短く、リアルタイムの計測が可能であるという利点もある。
【００５７】
また、光学的成分測定装置１では、光ファイバループ２の両端の近傍（端部部分）に、光ファイバループ２を構成する光ファイバを巻回して形成された遅延光ファイバ２０をそれぞれ設けており、遅延光ファイバ２０を、所定長さの光ファイバを一の回転方向に巻回した後、それと同じ長さの光ファイバを他の回転方向に巻回して形成している。なお、一方の遅延光ファイバ２０を、所定長さの光ファイバを時計回りに巻き回したものとし、他方の遅延光ファイバ２０を、それと同じ長さの光ファイバを反時計回りに巻き回したものとしても、サニャック効果の影響を排除することができる。
【００５８】
また、光学的成分測定装置１では、光ファイバループ２の中央部にサンプル２２を位置させることにより、右回り光ＣＷ及び左回り光ＣＣＷは同時刻にサンプルに到達・透過することになる。従って、サンプルの温度が変化して、その屈折率分布が変化したとしても、温度変化によって生じたサンプル内の屈折率分布に対して右回り光ＣＷ及び左回りＣＣＷは全く同じ屈折率の媒質を伝搬する（同時刻に伝搬する）ことになるので、時間差が発生せず、サンプルの温度変化の影響を受けることがない。
【００５９】
次に、本発明の他の実施の形態を説明する。
【００６０】
図３に示す光学的成分測定装置３１は、基本的に図１の光学的成分測定装置１と同じ構成であり、偏波回転素子２３ｂ、２４ｂとλ／４素子２３ｃ、２４ｃとを光ファイバ型の素子で構成すると共に、λ／４素子２３ｃ、２４ｃに円偏光保持光ファイバ２３ｄ，２４ｄを結合し、円偏光保持光ファイバ２３ｄ，２４ｄから出射された円偏光を、レンズ２３ａ，２４ａで平行光としてサンプル２２に入射するように両光変換部２３，２４を構成したものである。
【００６１】
光学的成分測定装置３１では、偏波回転素子２３ｂ、２４ｂとしては、電流が流れ周囲に磁界を発生させる導線の周囲に光ファイバを周回させた構造の光ファイバ型のファラデー回転素子を用いるとよい。また、λ／４素子２３ｃ、２４ｃとしては、偏波面保存光ファイバの出射端から結合長（波長）の約１／４の部位を溶融して４５度捻った構造のものを用いることができる。
【００６２】
光学的成分測定装置３１によれば、偏波回転素子２３ｂ、２４ｂとλ／４素子２３ｃ、２４ｃとを光ファイバ型の素子で構成しているため、損失や光の反射による影響を低減することができる。
【００６３】
また、光学的成分測定装置３１によれば、円偏光保持光ファイバ２３ｄ，２４ｄとサンプル２２との距離を短くできるので、空間伝搬する光の広がりの影響を小さくでき、両光変換部２３，２４の距離（円偏光保持光ファイバ２３ｄ，２４ｄの出射端同士の距離）を短くすることができ、よりコンパクトな装置を実現できる。
【００６４】
本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
【００６５】
例えば、上記実施の形態では、測定対象の物質としてグルコースを挙げたが、これに限らず、本発明の光学的成分測定装置１，３１は、旋光性を有する物質であればどのような物質の濃度であっても測定することが可能であり、例えば、果実などの糖度測定に用いることもできる。
【符号の説明】
【００６６】
１ 光学的成分測定装置
２ 光ファイバループ
３ センサ本体
１１ 光源
１２ 受光器
１３ 第１のカプラ
１４ 偏光子
１５ 第２のカプラ
１６ 位相変調器
１８ 信号処理ユニット
１８ａ 位相差検出部
１８ｂ 濃度検出部
２０ 遅延光ファイバ
２１ 円偏光入射部
２２ サンプル
２３ 第１光変換部
２４ 第２光変換部
２５ 反射手段
２５ａ 反射ミラー
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象であるサンプル中の旋光性を有する物質の濃度を光学的に測定する光学的成分測定装置であって、
光ファイバループと、
光源からの光を直線偏光に変換すると共に分岐して前記光ファイバループの両端に入射し、前記光ファイバループを互いに逆方向に伝搬して前記光ファイバループの両端から出射された光の位相差を検出するセンサ本体と、
前記光ファイバループの途中に挿入され、前記光ファイバループを一の方向に伝搬する直線偏光を右円偏光に変換して前記サンプルに入射する第１光変換部と、前記光ファイバループを他の方向に伝搬する直線偏光を左円偏光に変換して前記サンプルに入射する第２光変換部と、を有する前記サンプルに円偏光を入射する円偏光入射部と、
前記センサ本体に搭載され、検出した前記位相差に基づき、前記サンプル中の旋光性を有する物質の濃度を求める濃度検出部と、
を備え、
前記両光変換部は、前記サンプルの一側に並列して配置され、円偏光を同一方向に出射するように構成され、
前記円偏光入射部は、一の前記光変換部から出射された円偏光を反射し、前記サンプルに少なくとも１往復透過させた後、他の前記光変換部に入射させる反射手段をさらに備え、
前記反射手段は、入射してきた円偏光を偶数回反射させて、前記サンプルに出射するよう構成された偶数個の反射ミラーからなる
ことを特徴とする光学的成分測定装置。
【請求項２】
前記光ファイバループの両端の端部部分に、該光ファイバループを構成する光ファイバを巻回して形成された遅延光ファイバをそれぞれ設けてなり、
前記遅延光ファイバは、所定長さの前記光ファイバを一の回転方向に巻回した後、それと同じ長さの前記光ファイバを他の回転方向に巻回して形成される
請求項１記載の光学的成分測定装置。
【請求項３】
前記光ファイバループの両端の端部部分に、該光ファイバループを構成する光ファイバを巻回して形成された遅延光ファイバをそれぞれ設けてなり、
一方の前記遅延光ファイバは、所定長さの前記光ファイバを時計回りに巻回して形成され、
他方の前記遅延光ファイバは、それと同じ長さの前記光ファイバを反時計回りに巻回して形成される
請求項１記載の光学的成分測定装置。
【請求項４】
前記両光変換部は、偏波面を４５度回転させる偏波回転素子と、直線偏光を円偏光に変換するλ／４素子と、をそれぞれ有しており、
前記偏波回転素子と前記λ／４素子とを光ファイバ型の素子で構成すると共に、前記λ／４素子に円偏光保持光ファイバを結合し、該円偏光保持光ファイバから出射された円偏光を前記サンプルに入射するように前記両光変換部を構成した
請求項１〜３いずれかに記載の光学的成分測定装置。
【請求項１】
測定対象であるサンプル中の旋光性を有する物質の濃度を光学的に測定する光学的成分測定装置であって、
光ファイバループと、
光源からの光を直線偏光に変換すると共に分岐して前記光ファイバループの両端に入射し、前記光ファイバループを互いに逆方向に伝搬して前記光ファイバループの両端から出射された光の位相差を検出するセンサ本体と、
前記光ファイバループの途中に挿入され、前記光ファイバループを一の方向に伝搬する直線偏光を右円偏光に変換して前記サンプルに入射する第１光変換部と、前記光ファイバループを他の方向に伝搬する直線偏光を左円偏光に変換して前記サンプルに入射する第２光変換部と、を有する前記サンプルに円偏光を入射する円偏光入射部と、
前記センサ本体に搭載され、検出した前記位相差に基づき、前記サンプル中の旋光性を有する物質の濃度を求める濃度検出部と、
を備え、
前記両光変換部は、前記サンプルの一側に並列して配置され、円偏光を同一方向に出射するように構成され、
前記円偏光入射部は、一の前記光変換部から出射された円偏光を反射し、前記サンプルに少なくとも１往復透過させた後、他の前記光変換部に入射させる反射手段をさらに備え、
前記反射手段は、入射してきた円偏光を偶数回反射させて、前記サンプルに出射するよう構成された偶数個の反射ミラーからなる
ことを特徴とする光学的成分測定装置。
【請求項２】
前記光ファイバループの両端の端部部分に、該光ファイバループを構成する光ファイバを巻回して形成された遅延光ファイバをそれぞれ設けてなり、
前記遅延光ファイバは、所定長さの前記光ファイバを一の回転方向に巻回した後、それと同じ長さの前記光ファイバを他の回転方向に巻回して形成される
請求項１記載の光学的成分測定装置。
【請求項３】
前記光ファイバループの両端の端部部分に、該光ファイバループを構成する光ファイバを巻回して形成された遅延光ファイバをそれぞれ設けてなり、
一方の前記遅延光ファイバは、所定長さの前記光ファイバを時計回りに巻回して形成され、
他方の前記遅延光ファイバは、それと同じ長さの前記光ファイバを反時計回りに巻回して形成される
請求項１記載の光学的成分測定装置。
【請求項４】
前記両光変換部は、偏波面を４５度回転させる偏波回転素子と、直線偏光を円偏光に変換するλ／４素子と、をそれぞれ有しており、
前記偏波回転素子と前記λ／４素子とを光ファイバ型の素子で構成すると共に、前記λ／４素子に円偏光保持光ファイバを結合し、該円偏光保持光ファイバから出射された円偏光を前記サンプルに入射するように前記両光変換部を構成した
請求項１〜３いずれかに記載の光学的成分測定装置。
【図２】
【図１】
【図３】
【図１】
【図３】
【公開番号】特開２０１２−１７３２６１（Ｐ２０１２−１７３２６１Ａ）
【公開日】平成２４年９月１０日（２０１２．９．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−３８４３２（Ｐ２０１１−３８４３２）
【出願日】平成２３年２月２４日（２０１１．２．２４）
【出願人】（０００００５１２０）日立電線株式会社 (3,358)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年９月１０日（２０１２．９．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年２月２４日（２０１１．２．２４）
【出願人】（０００００５１２０）日立電線株式会社 (3,358)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]