屈折率測定装置および濃度測定装置並びにその方法
【課題】装置の小型化を図りつつ、高精度に測定対象物の屈折率を測定することができる屈折率測定装置を提供する。
【解決手段】所定の間隔をあけて近接して配置され、入射端面１１から入射させた照明光を内面反射させて反射端面１２まで導く導光ロッド１０および導光ロッド２０と、導光ロッド１０に照明光を入射させることで、導光ロッド２０内に入射するエバネッセント光の強度を検出する光検出器２７と、光検出器２７により検出されたエバネッセント光の強度の変化から、導光ロッド１０と導光ロッド２０との間に配置された試料Ｓの屈折率の変化を算出するＣＰＵ３０とを備える屈折率測定装置１を採用する。
【解決手段】所定の間隔をあけて近接して配置され、入射端面１１から入射させた照明光を内面反射させて反射端面１２まで導く導光ロッド１０および導光ロッド２０と、導光ロッド１０に照明光を入射させることで、導光ロッド２０内に入射するエバネッセント光の強度を検出する光検出器２７と、光検出器２７により検出されたエバネッセント光の強度の変化から、導光ロッド１０と導光ロッド２０との間に配置された試料Ｓの屈折率の変化を算出するＣＰＵ３０とを備える屈折率測定装置１を採用する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、屈折率測定装置およびこれを備える濃度測定装置並びにその方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば液体等の測定対象物の屈折率を測定する屈折率測定装置が知られている（例えば、特許文献１から３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−５１８６３号公報
【特許文献２】特表２００５−５３３２４２号公報
【特許文献３】特開２０００−１４６８３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に開示されている屈折率測定装置では、全反射プリズムの上におかれた試料側から、プリズムと試料との境界面近傍にセンサーを置き、エバネッセント波の強度を測定することで試料の屈折率を測定する。
しかしながら、この屈折率測定装置は、試料台の上に置かれた試料側からセンサーを近づける構成になっているため、装置が大型になり、小型の測定装置を実現できないという不都合がある。
【０００５】
特許文献２に開示されている屈折率測定装置では、全反射プリズムの上におかれた試料側の標準サンプルとの屈折率差を測定する。
しかしながら、この屈折率測定装置は、試料台の上に置かれた試料の屈折率を測定する構成であるため、装置が大型になり、小型の測定装置を実現できないという不都合がある。
【０００６】
特許文献３に開示されている屈折率測定装置では、既知の物質Ａの上にエバネッセント波が伝わる深さ以下の薄膜Ｂをつけ、反射光強度の変化量から物質Ｃ側にもれ出る強度を検出し、物質Ｂの屈折率を求めている。
しかしながら、この屈折率測定装置は、反射光強度の変化量が小さいため、屈折率測定精度が低いという不都合がある。
【０００７】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、装置の小型化を図りつつ、高精度に測定対象物の屈折率を測定することができる屈折率測定装置およびこれを備える濃度測定装置並びにその方法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】
【０００８】
上記目的を達成するため、本発明は以下の手段を提供する。
本発明の第１の態様は、所定の間隔をあけて近接して配置され、一端面から入射させた照明光を内面反射させて他端面まで導く第１の導光部材および第２の導光部材と、前記第１の導光部材に照明光を入射させることで、前記第２の導光部材内に入射するエバネッセント光の強度を検出する光検出器と、前記光検出器により検出されたエバネッセント光の強度の変化量から、前記第１の導光部材と前記第２の導光部材との間に配置された試料の屈折率の変化量を算出する算出部とを備える屈折率測定装置である。
【０００９】
本発明の第１の態様によれば、第１の導光部材に入射させた照明光が、第１の導光部材の内側面を反射して端面まで導かれる。この場合において、第１の導光部材と第２の導光部材との間においてエバネッセント場が発生し、該エバネッセント場により第１の導光部材と第２の導光部材との間に配置された試料内にエバネッセント光が発生する。このエバネッセント光は、第２の導光部材に入射して、第２の導光部材の内側面を反射して端面まで導かれ、該端面から射出されて光検出器により検出される。
【００１０】
この場合において、エバネッセント光の強度は、第１の導光部材と第２の導光部材との間に配置された試料の屈折率によって変化するため、光検出器により検出されたエバネッセント光の強度の変化量から、算出部により試料の屈折率の変化量を算出することができる。
【００１１】
上記のように、本発明の第１の態様によれば、２つの導光部材、１つの光検出器、および算出部により試料の屈折率の変化量を算出することができ、装置の小型化を図ることができる。また、エバネッセント光を用いて試料の屈折率の変化量を算出することにより、従来のアッべ式屈折率計に比べて高精度に試料の屈折率の変化量を測定することができる。
【００１２】
上記態様において、前記算出部が、前記光検出器により検出されたエバネッセント光の強度の変化量から、以下の式に基づいて前記試料の屈折率の変化量を算出することとしてもよい。
【数１】
ここで、
Ｅ：エバネッセント光の強度
θ１：前記第１の導光部材内における照明光の試料への入射角
ｎ１：前記第１の導光部材および前記第２の導光部材の屈折率
ｎ２：前記試料の屈折率
λ０：照明光の波長
ｚ：前記第１の導光部材と前記試料との界面からの距離
ω：角振動数
ｔ：時間
Ａ，σ：所定の定数
【００１３】
このようにすることで、第１の導光部材内における照明光の試料への入射角θ１、第１の導光部材および第２の導光部材の屈折率ｎ１、および照明光の波長λ０が既知の場合に、エバネッセント光の強度Ｅの変化量を測定することで、試料の屈折率ｎ２の変化量を算出することができる。
【００１４】
上記態様において、前記算出部が、予め設定された前記試料の屈折率の基準値および前記光検出器により検出されたエバネッセント光の強度の変化量から、前記試料の屈折率を算出することとしてもよい。
このようにすることで、予め設定された試料の屈折率の基準値に、光検出器により検出されたエバネッセント光の強度の変化量から算出される試料の屈折率の変化量を加減算することにより、試料の屈折率を算出することができる。
【００１５】
上記態様において、前記第１の導光部材への照明光の入射角度を調節する入射角度調節部を備え、前記入射角度調節部が、前記第１の導光部材内において全反射を起こすように前記第１の導光部材への照明光の入射角度を調節し、前記算出部が、以下の式に基づいて前記試料の屈折率を算出することとしてもよい。
θｃ＝arcsin（ｎ２／ｎ１）
ここで、
θｃ：前記第１の導光部材内において全反射を起こす前記試料への入射角
ｎ１：前記第１の導光部材および前記第２の導光部材の屈折率
ｎ２：前記試料の屈折率
【００１６】
このようにすることで、第１の導光部材内において全反射を起こすように第１の導光部材への照明光の入射角を調節し、その際の第１の導光部材内における試料への入射角と第１の導光部材および第２の導光部材の屈折率とから、試料の屈折率を容易に算出することができる。
【００１７】
上記態様において、前記他端面が、前記一端面から入射させた照明光を全反射することとしてもよい。
このように構成することで、一端面から入射した照明光を、第１の導光部材の内側面により反射を繰り返して他端面まで導くとともに、他端面により反射して再び一端面まで導くことができる。このようにすることで、第１の導光部材と試料との界面における全反射の回数を増加させることができ、第１の導光部材と第２の導光部材との間において発生するエバネッセント場の強度を大きくすることができる。これにより、光検出器により検出されるエバネッセント光の強度を大きくすることができ、試料の屈折率の変化量の測定精度を向上することができる。
【００１８】
上記態様において、前記一端面に入射させる照明光の波長を調節する波長調節部を備えることとしてもよい。
このように構成することで、第１の導光部材に入射させる照明光の波長を波長調節部により調節しながら、波長毎の試料の屈折率の変化量を算出することができ、試料の屈折率の変化量の測定精度を向上することができる。
【００１９】
本発明の第２の態様は、上記の屈折率測定装置と、前記第１の導光部材からの照明光の波長スペクトルを測定するスペクトル測定部と、前記スペクトル測定部により測定された波長スペクトルおよび前記算出部により算出された前記試料の屈折率の変化量から、前記試料の濃度の変化量を多変量解析により演算する演算部とを備える濃度測定装置である。
【００２０】
本発明の第２の態様によれば、屈折率測定装置により試料の屈折率の変化量を算出するとともに、スペクトル測定部により第１の導光部材からの照明光の波長スペクトルを測定することができる。そして、このように算出された波長スペクトルおよび試料の屈折率の変化量から、演算部により試料の濃度の変化量を多変量解析により演算することができる。このように試料の濃度の変化量を演算することで、単純に試料の屈折率から濃度を演算する場合に比べて、その測定精度を向上することができる。
【００２１】
本発明の第３の態様は、所定の間隔をあけて近接して配置された第１の導光部材および第２の導光部材のうち、前記第１の導光部材の一端面に照明光を入射させて他端面まで導く導光ステップと、前記導光ステップにより前記第２の導光部材内に発生するエバネッセント光の強度を検出する光検出ステップと、前記光検出ステップにより検出されたエバネッセント光の強度の変化量から、前記第１の導光部材と前記第２の導光部材との間に配置された試料の屈折率の変化量を算出する算出ステップとを含む屈折率測定方法である。
【００２２】
本発明の第４の態様は、上記の屈折率測定方法と、前記第１の導光部材からの照明光の波長スペクトルを測定するスペクトル測定ステップと、前記スペクトル測定ステップにより測定された波長スペクトルおよび前記算出ステップにより算出された前記試料の屈折率の変化量から、前記試料の濃度の変化量を多変量解析により演算する演算ステップとを含む濃度測定方法である。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、装置の小型化を図りつつ、高精度に測定対象物の屈折率を測定することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る屈折率測定装置の全体構成図である。
【図２】図１の導光ロッドの斜視図である。
【図３】図１の導光ロッドにおける照明光およびエバネッセント光の伝播状態を説明する図である。
【図４】屈折率の測定原理を説明する図である。
【図５】エバネッセント光の発生原理を説明する図である。
【図６】具体例における各パラメータおよび測定値の一覧図表である。
【図７】本発明の第２の実施形態に係る濃度測定装置の全体構成図である。
【図８】図７のＣＰＵにより実行される処理を示すブロック図である。
【図９】第１の変形例に係る濃度測定装置の導光ロッドの斜視図である。
【図１０】第２の変形例に係る濃度測定装置の導光ロッドの斜視図である。
【図１１】第３の変形例に係る屈折率測定装置の要部の部分拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
［第１の実施形態］
以下に、本発明の第１の実施形態に係る屈折率測定装置１について、図１から図６を参照して以下に説明する。
本実施形態に係る屈折率測定装置１は、図１に示されるように、光源２５と、波長調節装置（波長調節部）３５と、レンズＬ１と、ミラー１５と、導光ロッド（第１の導光部材）１０と、導光ロッド（第２の導光部材）２０と、レンズＬ２と、光検出器２７と、ＣＰＵ（算出部）３０と、モニタ３１と、制御装置３８を備えている。
【００２６】
光源２５は、広帯域な波長成分を有する照明光をミラー１５に向けて射出するようになっている。光源２５の射出光軸上には、後述する波長調節装置３５と、波長調節装置３５からの照明光を集光するレンズＬ１と、レンズＬ１により集光された照明光のうち一部を通過させる絞り１６とが配置されている。
【００２７】
波長調節装置３５は、光源２５の射出光軸上に配置されたフィルタホイール３６と、フィルタホイール３６を光源２５の射出光軸に沿う回転軸回りに回転させる回転部３７とを備えている。フィルタホイール３６は、互いに異なる波長帯域の光を透過させる複数のバンドパスフィルタ（図示略）が周方向に搭載されている。
【００２８】
このような構成を有することで、波長調節装置３５は、後述する制御装置３８からの指令に基づいて回転部３７によりフィルタホイール３６を回転させることによって、光源２５からの照明光のうち所定の波長帯域の光をミラー１５に向けて射出するようになっている。
【００２９】
絞り１６は、レンズＬ１により集光された照明光のうち、導光ロッド１０の入射端面１１に所定の入射角以下で入射する照明光のみを通過させるようになっている。より具体的には、絞り１６は、レンズＬ１により集光された照明光のうち、導光ロッド１０の内側面において全反射する照明光（すなわち、導光ロッド１０内において臨界角以上で導光ロッド１０の内側面に入射する照明光）のみを、導光ロッド１０の入射端面１１に入射させるようになっている。
【００３０】
ミラー１５は、絞り１６を通過してきた照明光を導光ロッド１０の入射端面（一端面）１１に向けて反射するようになっている。
導光ロッド１０と導光ロッド２０とは、図２に示すように、所定の間隔ｄをあけて近接して並行に配置されている。
【００３１】
導光ロッド１０は、例えばガラス等で形成された棒状のロッドであり、入射端面１１から入射させた照明光を、内側面により内面反射させて入射端面１１とは他端側に配置された反射端面（他端面）１２まで導くようになっている。反射端面１２は、導光ロッド１０内を導かれてきた照明光を全反射するようになっている。
【００３２】
このような構成を有することで、導光ロッド１０は、入射端面１１から入射した照明光を、導光ロッド１０の内側面により反射を繰り返して反射端面１２まで導くとともに、反射端面１２により全反射して再び入射端面１１まで導くようになっている。
【００３３】
導光ロッド２０は、例えばガラス等で形成された棒状のロッドであり、後述するように、エバネッセント場により発生したエバネッセント光を、内側面により内面反射させて反射端面２２まで導くようになっている。反射端面２２は、導光ロッド２０内を導かれてきたエバネッセント光を全反射するようになっている。なお、エバネッセント光の発生原理については後述する。
【００３４】
このような構成を有することで、導光ロッド２０は、図３に示すように、エバネッセント場により発生したエバネッセント光を、導光ロッド２０の内側面により反射を繰り返して反射端面２２まで導くとともに、反射端面２２により全反射して出射端面２１まで導くようになっている。
【００３５】
また、導光ロッド１０と導光ロッド２０との間には、屈折率の測定対象である試料Ｓが配置されている。具体的には、例えば試料Ｓとして生体試料を採用した場合には、導光ロッド１０と導光ロッド２０とを所定の間隔をあけた状態で、導光ロッド１０および導光ロッド２０を生体内に挿入し、導光ロッド１０の入射端面１１および導光ロッド２０の出射端面２１を生体外に露出させる。
【００３６】
光検出器２７は、導光ロッド２０の射出光軸上に配置されており、導光ロッド２０の出射端面２１からのエバネッセント光の強度を検出するようになっている。
また、導光ロッド２０と光検出器２７との間には、導光ロッド２０からのエバネッセント光を集光するレンズＬ２が設けられている。
【００３７】
ＣＰＵ３０は、光検出器２７により検出されたエバネッセント光の強度の変化量から、導光ロッド１０と導光ロッド２０との間に配置された試料Ｓの屈折率の変化量を算出するようになっている。
【００３８】
モニタ３１は、ＣＰＵ３０より算出された試料Ｓの屈折率の変化量や、波長調節装置３５により選択的に透過される照明光の波長等の情報を表示するようになっている。
制御装置３８は、ＣＰＵ３０からの指令に基づいて回転部３７を動作させて、波長調節装置３５から射出する照明光の波長を制御するようになっている。
【００３９】
ここで、本実施形態に係る屈折率測定装置１による屈折率の測定原理について以下に説明する。
図４に示すように、屈折率が異なる物質が接している界面では反射が起こる。物質Ａ，物質Ｂの屈折率をそれぞれｎ１，ｎ２としたとき、ｎ１＞ｎ２のとき、ある角度以上の入射角θｃで全反射が起こることが知られている。この全反射角は次式で与えられる。
θｃ＝arcsin（ｎ２／ｎ１）
【００４０】
入射角θｃがこの角度以上であれば、物質Ａと物質Ｂとの界面での反射は全反射であり、反射率は１となる。この状態では物質Ａから物質Ｂへのエネルギーの流れは生じないが、図５に示すように、物質Ｂ側にはエバネッセント場といわれる電場Ｅが発生する。この電場Ｅは、物質Ａと物質Ｂとの界面からの距離ｚに対して指数関数的に減衰する。この電場Ｅは以下の式で与えられる（例えば、光工学ハンドブック ｐ３３ 朝倉書店 小瀬ら 参照）。
【００４１】
【数２】
【００４２】
ここで、上記の式における各文字は以下を表わしている。
Ｅ：エバネッセント光の強度
θ１：物質Ａ（導光ロッド１０）内における照明光の物質Ｂ（試料Ｓ）への入射角
ｎ１：物質Ａ（導光ロッド１０）および物質Ｃ（導光ロッド２０）の屈折率
ｎ２：物質Ｂ（試料Ｓ）の屈折率
λ０：照明光の波長
ｚ：物質Ａ（導光ロッド１０）と物質Ｂ（試料Ｓ）との界面からの距離
ω：角振動数
ｔ：時間
ｘ：測定点の図４のｘ座標の値
Ａ，σ0：所定の定数
【００４３】
上記の式においてexpの項が電場の振幅の減衰を表す項であり、界面での強度を１としたとき、ｚ方向で概ね光の波長程度で１／ｅに減衰する。
巨視的にはエネルギーの流れはないが、このエバネッセント場中に例えば蛍光物質があれば、その蛍光物質が励起されて蛍光が発生する。また、エバネッセント場中に屈折率の高い物質Ｃを置いた場合には、入射角が物質Ａと物質Ｂで決まる全反射角以上、物質Ａと物質Ｃで決まる全反射角以下の条件において、物質Ｃ中には再びエネルギーの流れが生じる。
【００４４】
図５は上記の状態を表したものである。物質Ａと物質Ｂとの界面に対して、微小間隔ｄだけ離れた位置に物質Ｂと物質Ｃとの界面が配置されている。物質Ｃ内の矢印は単にエネルギーの流れる方向を示しているものである。
【００４５】
入射光のエネルギー量に対して物質Ｃに流れ込むエネルギー量の比を透過率Ｔとすると、透過率Ｔは、物質Ａ，Ｂ，Ｃの屈折率ｎ１，ｎ２，ｎ３と、物質Ａと物質Ｃとの間隔ｄと、入射角θ１の関数となる。すなわち、物資Ａ，物質Ｃの屈折率ｎ１，ｎ３と、間隔ｄと、入射角θ１が既知であれば、透過率Ｔはｎ２のみの関数となる。
【００４６】
上記の原理を本実施形態に係る屈折率測定装置１に適用すると、屈折率が未知の媒質中（試料Ｓ）に屈折率のわかっている導光ロッド１０と導光ロッド２０を波長以下の所定の間隔ｄだけ離し、所定の角度で導光ロッド１０に光を入射させると、上記の説明のように導光ロッド２０に漏れ出す光（エバネッセント光）が出現する。このエバネッセント光の強度の変化量を検出することで、試料Ｓの屈折率の変化量を知ることができる。なお、本実施形態においてはｘ軸方向の光強度変化は考慮する必要が無いため、δ＝−（２πｎ１ｘ／λ０）sinθ１＋δ０としてよく、検出されるエバネッセント光の強度は以下で表すことができる。
【数３】
ただし、δは所定の定数である。
【００４７】
また、本実施形態に係る屈折率測定装置１によれば、試料Ｓの屈折率の変化量を極めて高い感度で検出できる。その理由について以下に説明する。
透過率Ｔは、屈折率ｎ１，ｎ２，ｎ３と、間隔ｄと、入射角θ１の関数となることは既に述べたが、屈折率ｎ２の値が既知であり、変動範囲も想定できる場合には、屈折率ｎ２の微小な変動によって透過率Ｔが大きく変動するような各パラメータｎ１，ｎ３，ｄ，θ１を測定条件として設定することにより、屈折率測定の感度を高くすることができる。なお、この場合には、ｎ１＜ｎ２＋０．１、ｄ＜λとすることが必要である。
【００４８】
上記の理由について具体例を挙げて以下に説明する。
数値計算によれば、使用波長１ミクロン、試料Ｓの屈折率ｎ２＝１．３３３２２、屈折率の変動幅Δｎ２＝０．００００１のとき、図６に示すような結果が得られている。なお、ｎ２＝１．３３３２２は間質液（試料Ｓ）の屈折率であり、Δｎ２＝０．００００１はグルコース濃度６ｍｇ／ｄＬの変化に対応する屈折率の変動幅である。
【００４９】
光量変化率ΔＴ/Ｔでは、それぞれ０．１９％，０．０４％であり、高精度な光検出器によって検出可能な値である。エバネッセント光の総光量に関しては、各物質の境界部分の面積や、入射光の強度などを変えることで、変化させることが可能である。
この原理を本発明に適用する場合には、導光ロッド間隔の誤差、入射光束の広がりなどを勘案して、屈折率の絶対値を測定するのではなく、屈折率の変化の程度を測定する装置として利用する。
【００５０】
市販の汎用屈折率測定器であるアッベ式屈折率計の測定精度が０．０００２程度であるので、本実施形態に係る屈折率測定装置１の感度が非常に高いことがわかる。
なお、ｎ１＝１．３８はフッ化マグネシウム（ＭｇＦ２）の屈折率であり、また具体例として挙げた屈折率１．３〜１．４の光デバイス用低屈折率素材の開発は各所で行われている。
【００５１】
以上のように、本実施形態に係る屈折率測定装置１によれば、導光ロッド１０に入射させた照明光が、導光ロッド１０の内側面を反射して端面まで導かれる。この場合において、導光ロッド１０と導光ロッド２０との間においてエバネッセント場が発生し、エバネッセント場により導光ロッド１０と導光ロッド２０との間に配置された試料Ｓからエバネッセント光が発生する。このエバネッセント光は、導光ロッド２０に入射して、導光ロッド２０の内側面を反射して端面まで導かれ、光検出器２７により検出される。
【００５２】
この場合において、エバネッセント光の強度は、導光ロッド１０と導光ロッド２０との間に配置された試料Ｓの屈折率によって変化するため、光検出器２７により検出されたエバネッセント光の強度の変化量から、ＣＰＵ３０により試料Ｓの屈折率の変化量を算出することができる。
【００５３】
上記のように、本実施形態に係る屈折率測定装置１によれば、２つの導光部材、１つの光検出器２７、およびＣＰＵ３０により試料Ｓの屈折率の変化量を算出することができ、装置の小型化を図ることができる。また、エバネッセント光を用いて試料Ｓの屈折率の変化量を算出することにより、従来のアッべ式屈折率計に比べて高精度に試料Ｓの屈折率の変化量を測定することができる。
【００５４】
また、導光ロッド１０が反射端面１２を備えることで、入射端面１１から入射した照明光を、導光ロッド１０の内側面により反射を繰り返して反射端面１２まで導くとともに、反射端面１２により反射して再び入射端面１１まで導くことができる。このようにすることで、導光ロッド１０と試料Ｓとの界面における全反射の回数を増加させることができ、導光ロッド１０と導光ロッド２０との間において発生するエバネッセント場の強度を大きくすることができる。これにより、光検出器２７により検出されるエバネッセント光の強度を大きくすることができ、試料Ｓの屈折率の変化量の測定精度を向上することができる。
【００５５】
また、入射端面１１に入射させる照明光の波長を調節する波長調節装置３５を備えることで、導光ロッド１０に入射させる照明光の波長を波長調節装置３５により調節しながら、波長毎の試料Ｓの屈折率の変化量を算出することができ、試料Ｓの屈折率の変化量の測定精度を向上することができる。
【００５６】
なお、本実施形態に係る屈折率測定装置１において、図示しないメモリを設け、ＣＰＵ３０が、前記メモリに予め設定された試料Ｓの屈折率の基準値と、光検出器２７により検出されたエバネッセント光の強度の変化量とから、試料Ｓの屈折率を算出することとしてもよい。
【００５７】
このようにすることで、予め設定された試料Ｓの屈折率の基準値に、光検出器２７により検出されたエバネッセント光の強度の変化量から算出される試料Ｓの屈折率の変化量を加減算することにより、試料Ｓの屈折率を算出することができる。
【００５８】
また、本実施形態に係る屈折率測定装置１において、導光ロッド１０への照明光の入射角度を調節する入射角度調節部（図示略）を備え、該入射角度調節部が、導光ロッド１０内において全反射を起こすように導光ロッド１０への照明光の入射角度を調節し、ＣＰＵ３０が、以下の式に基づいて試料Ｓの屈折率を算出することとしてもよい。
θｃ＝arcsin（ｎ２／ｎ１）
ここで、
θｃ：導光ロッド１０内において全反射を起こす試料Ｓへの入射角
ｎ１：導光ロッド１０および導光ロッド２０の屈折率
ｎ２：試料Ｓの屈折率
【００５９】
このようにすることで、入射角度調節部により、導光ロッド１０内において全反射を起こすように導光ロッド１０への照明光の入射角度を調節し、その際の導光ロッド１０内における試料Ｓへの入射角と導光ロッド１０および導光ロッド２０の屈折率とから、試料Ｓの屈折率を容易に算出することができる。
【００６０】
［第２の実施形態］
次に、本発明の第２の実施形態について、図７および図８を参照して説明する。本実施形態においては、前述の第１の実施形態に係る屈折率測定装置１を、例えば血糖値等を測定する濃度測定装置に適用した例について説明する。以下、本実施形態の濃度測定装置２について、第１の実施形態に係る屈折率測定装置１と共通する点については説明を省略し、異なる点について主に説明する。
【００６１】
本実施形態に係る濃度測定装置２は、図７に示すように、第１の実施形態に係る屈折率測定装置１におけるミラー１５（図１参照）に代えて、導光ロッド１０からの照明光の一部を透過させるハーフミラー１８を備えている。また、本実施形態に係る濃度測定装置２は、第１の実施形態に係る屈折率測定装置１の構成（図１参照）に加えて、ハーフミラー１８を透過してきた導光ロッド１０からの照明光を集光するレンズＬ３と、レンズＬ３により集光された照明光を検出する光検出器（スペクトル測定部）１７とを備えている。
【００６２】
光検出器１７は、波長調節装置３５により選択的に透過された照明光の波長毎に、導光ロッド１０からの光の強度を検出するようになっている。これにより、光検出器１７は、導光ロッド１０内を内面反射して入射端面１１から射出された光の波長スペクトルを測定するようになっている。
【００６３】
ここで、導光ロッド１０内における全反射の現象では、全反射光は外側媒質側に少しだけ潜り込んで反射されるので、外側媒質に吸収があるとこの影響を受けて反射光のエネルギーが減少する。したがって、照明光の波長を種々変えることにより、あるいは反射光を分光することにより、外側媒質のスペクトルが得られる。これは減衰全反射法（ＡＴＲ：attenuated total reflection）と呼ばれるスペクトル測定法である。
【００６４】
本実施形態に係る濃度測定装置２において、ＣＰＵ（算出部、演算部）３０は、光検出器１７により測定された波長スペクトルと、光検出器２７により測定されたエバネッセント光の強度から算出された試料Ｓの屈折率の変化量とから、試料Ｓの濃度の変化量を多変量解析により演算するようになっている。
【００６５】
上記演算における情報処理の流れは図８に示すようになる。本実施形態に係る濃度測定装置２によれば、アルコール類、糖類、脂肪酸、ポリマーなど広範囲な溶質の濃度測定が可能であるが、ここでは血糖値測定を例に説明する。減衰全反射法によるスペクトル測定値と屈折率測定値はＰＬＳ法などの回帰分析手法を含む演算処理を経て血糖値として最終的な値を得る。
【００６６】
以上のように、本実施形態に係る濃度測定装置２によれば、前述の実施形態に係る屈折率測定装置１により試料Ｓの屈折率の変化量を算出するとともに、光検出器１７により導光ロッド１０からの照明光の波長スペクトルを測定することができる。そして、このように算出された波長スペクトルおよび試料Ｓの屈折率の変化量から、ＣＰＵ３０により試料Ｓの濃度の変化量を多変量解析により演算することができる。このように試料Ｓの濃度を演算することで、単純に試料Ｓの屈折率から濃度を演算する場合に比べて、その測定精度を向上することができる。
【００６７】
また、本実施形態に係る濃度測定装置２には波長制御装置３５以外の可動部が無いため、安定した濃度測定が可能である。
また、導光ロッド１０および導光ロッド２０の径を細径化しても感度が落ちないため、径の細い導光ロッド１０および導光ロッド２０を生体内に設置して生体内の物質濃度を測定することが可能である。これにより、血糖値測定の際の侵襲を軽減することができる。
【００６８】
なお、本実施形態に係る濃度測定装置２では、波長スペクトルおよび試料Ｓの屈折率の変化量から試料Ｓの濃度の変化量を測定したが、試料Ｓの屈折率そのものを算出することで、波長スペクトルおよび試料Ｓの屈折率から試料Ｓの濃度を測定することもできる。
【００６９】
［第１の変形例］
なお、第２の実施形態に係る濃度測定装置２の第１の変形例として、図９に示すように、棒状の導光ロッド１０および導光ロッド２０に代えて、平板上の導光板１０’および導光板２０’を採用することとしてもよい。この場合には、平板上の導光板１０’と導光板２０’とは所定の間隔をあけて対向させて配置する。
【００７０】
上記の導光板１０’と導光板２０’を有する本変形例の濃度測定装置によれば、エバネッセント光の検出面積を増加させることができ、試料Ｓの屈折率および濃度の測定精度を向上することができる。
【００７１】
また、本変形例の濃度測定装置において、平板上の導光板１０’と導光板２０’の対向面の少なくとも一方に、間質液（試料Ｓ）の流通方向に延在する溝（図示略）を設けることとしてもよい。
このようにすることで、平板上の導光板１０’と導光板２０’との間における間質液（試料Ｓ）の閉塞を防止することができ、リアルタイムでの試料Ｓの屈折率および濃度の測定を確実に行うことができる。
【００７２】
［第２の変形例］
また、第２の実施形態に係る濃度測定装置２の第２の変形例として、図１０に示すように、棒状の導光ロッド１０および導光ロッド２０に代えて、半円柱状の導光ロッド１０’’および導光ロッド２０’’を採用することとしてもよい。
【００７３】
半円柱状の導光ロッド１０’’と導光ロッド２０’’とは所定の間隔をあけて対向させて配置されており、それぞれの対向面には互いに嵌合するように形成された凹凸部を有している。また、図１０において、符号１３は導光ロッド１０’’に照明光が入射する光入射スポットを示しており、符号２３は導光ロッド２０’’からエバネッセント光が出射する光出射スポットを示している。
【００７４】
上記の導光ロッド１０’’と導光ロッド２０’’を有する本変形例の濃度測定装置によれば、光入射スポット１３および光出射スポット２３の大きさを確保しつつ、エバネッセント光の検出面積を増加させることができ、試料Ｓの屈折率および濃度の測定精度を向上することができる。また、導光ロッド１０’’および導光ロッド２０’’の細径化を図ることができ、血糖値測定の際の侵襲を軽減することができる。
【００７５】
［第３の変形例］
また、第１の実施形態に係る屈折率測定装置１の第３の変形例として、図１１に示すように、導光ロッド１０と導光ロッド２０とを軸線方向にずらして配置するとともに、導光ロッド２０の射出光軸上に、導光ロッド２０からのエバネッセント光を集光するレンズＬ４と、レンズＬ４により集光されたエバネッセント光のみを通過させるピンホール２８とを備えることとしてもよい。
【００７６】
前述の実施形態に係る濃度測定装置２によれば、導光ロッド１０と導光ロッド２０とは近接して配置されているため、導光ロッド２０からのエバネッセント光と導光ロッド１０からの照明光（反射光）とを分離することが難しい。したがって、光検出器２７は、導光ロッド２０からのエバネッセント光だけでなく、導光ロッド１０からの照明光を検出してしまう場合がある。この場合、導光ロッド１０からの照明光はノイズであるため、試料Ｓの屈折率の測定精度を低下させてしまう恐れがある。
【００７７】
これに対して、本変形例に係る濃度測定装置によれば、ピンホール２８により導光ロッド１０からの照明光を遮断して、光検出器２７により導光ロッド２０からのエバネッセント光のみを検出することができるため、試料Ｓの屈折率の測定精度を向上することができる。
【００７８】
以上、本発明の各実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。例えば、本発明を上記の各実施形態および各変形例を適宜組み合わせた実施形態に適用してもよい。
【符号の説明】
【００７９】
Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４ レンズ
Ｓ 試料
１ 屈折率測定装置
２ 濃度測定装置
１０ 導光ロッド（第１の導光部材）
１１ 入射端面（一端面）
１２ 反射端面（他端面）
１５ ミラー
１６ 絞り
１７ 光検出器（スペクトル測定部）
１８ ハーフミラー
２０ 導光ロッド（第２の導光部材）
２１ 出射端面
２２ 反射端面
２５ 光源
２７ 光検出器
３０ ＣＰＵ（算出部、演算部）
３１ モニタ
３５ 波長調節装置（波長調節部）
３８ 制御装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、屈折率測定装置およびこれを備える濃度測定装置並びにその方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば液体等の測定対象物の屈折率を測定する屈折率測定装置が知られている（例えば、特許文献１から３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−５１８６３号公報
【特許文献２】特表２００５−５３３２４２号公報
【特許文献３】特開２０００−１４６８３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に開示されている屈折率測定装置では、全反射プリズムの上におかれた試料側から、プリズムと試料との境界面近傍にセンサーを置き、エバネッセント波の強度を測定することで試料の屈折率を測定する。
しかしながら、この屈折率測定装置は、試料台の上に置かれた試料側からセンサーを近づける構成になっているため、装置が大型になり、小型の測定装置を実現できないという不都合がある。
【０００５】
特許文献２に開示されている屈折率測定装置では、全反射プリズムの上におかれた試料側の標準サンプルとの屈折率差を測定する。
しかしながら、この屈折率測定装置は、試料台の上に置かれた試料の屈折率を測定する構成であるため、装置が大型になり、小型の測定装置を実現できないという不都合がある。
【０００６】
特許文献３に開示されている屈折率測定装置では、既知の物質Ａの上にエバネッセント波が伝わる深さ以下の薄膜Ｂをつけ、反射光強度の変化量から物質Ｃ側にもれ出る強度を検出し、物質Ｂの屈折率を求めている。
しかしながら、この屈折率測定装置は、反射光強度の変化量が小さいため、屈折率測定精度が低いという不都合がある。
【０００７】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、装置の小型化を図りつつ、高精度に測定対象物の屈折率を測定することができる屈折率測定装置およびこれを備える濃度測定装置並びにその方法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】
【０００８】
上記目的を達成するため、本発明は以下の手段を提供する。
本発明の第１の態様は、所定の間隔をあけて近接して配置され、一端面から入射させた照明光を内面反射させて他端面まで導く第１の導光部材および第２の導光部材と、前記第１の導光部材に照明光を入射させることで、前記第２の導光部材内に入射するエバネッセント光の強度を検出する光検出器と、前記光検出器により検出されたエバネッセント光の強度の変化量から、前記第１の導光部材と前記第２の導光部材との間に配置された試料の屈折率の変化量を算出する算出部とを備える屈折率測定装置である。
【０００９】
本発明の第１の態様によれば、第１の導光部材に入射させた照明光が、第１の導光部材の内側面を反射して端面まで導かれる。この場合において、第１の導光部材と第２の導光部材との間においてエバネッセント場が発生し、該エバネッセント場により第１の導光部材と第２の導光部材との間に配置された試料内にエバネッセント光が発生する。このエバネッセント光は、第２の導光部材に入射して、第２の導光部材の内側面を反射して端面まで導かれ、該端面から射出されて光検出器により検出される。
【００１０】
この場合において、エバネッセント光の強度は、第１の導光部材と第２の導光部材との間に配置された試料の屈折率によって変化するため、光検出器により検出されたエバネッセント光の強度の変化量から、算出部により試料の屈折率の変化量を算出することができる。
【００１１】
上記のように、本発明の第１の態様によれば、２つの導光部材、１つの光検出器、および算出部により試料の屈折率の変化量を算出することができ、装置の小型化を図ることができる。また、エバネッセント光を用いて試料の屈折率の変化量を算出することにより、従来のアッべ式屈折率計に比べて高精度に試料の屈折率の変化量を測定することができる。
【００１２】
上記態様において、前記算出部が、前記光検出器により検出されたエバネッセント光の強度の変化量から、以下の式に基づいて前記試料の屈折率の変化量を算出することとしてもよい。
【数１】
ここで、
Ｅ：エバネッセント光の強度
θ１：前記第１の導光部材内における照明光の試料への入射角
ｎ１：前記第１の導光部材および前記第２の導光部材の屈折率
ｎ２：前記試料の屈折率
λ０：照明光の波長
ｚ：前記第１の導光部材と前記試料との界面からの距離
ω：角振動数
ｔ：時間
Ａ，σ：所定の定数
【００１３】
このようにすることで、第１の導光部材内における照明光の試料への入射角θ１、第１の導光部材および第２の導光部材の屈折率ｎ１、および照明光の波長λ０が既知の場合に、エバネッセント光の強度Ｅの変化量を測定することで、試料の屈折率ｎ２の変化量を算出することができる。
【００１４】
上記態様において、前記算出部が、予め設定された前記試料の屈折率の基準値および前記光検出器により検出されたエバネッセント光の強度の変化量から、前記試料の屈折率を算出することとしてもよい。
このようにすることで、予め設定された試料の屈折率の基準値に、光検出器により検出されたエバネッセント光の強度の変化量から算出される試料の屈折率の変化量を加減算することにより、試料の屈折率を算出することができる。
【００１５】
上記態様において、前記第１の導光部材への照明光の入射角度を調節する入射角度調節部を備え、前記入射角度調節部が、前記第１の導光部材内において全反射を起こすように前記第１の導光部材への照明光の入射角度を調節し、前記算出部が、以下の式に基づいて前記試料の屈折率を算出することとしてもよい。
θｃ＝arcsin（ｎ２／ｎ１）
ここで、
θｃ：前記第１の導光部材内において全反射を起こす前記試料への入射角
ｎ１：前記第１の導光部材および前記第２の導光部材の屈折率
ｎ２：前記試料の屈折率
【００１６】
このようにすることで、第１の導光部材内において全反射を起こすように第１の導光部材への照明光の入射角を調節し、その際の第１の導光部材内における試料への入射角と第１の導光部材および第２の導光部材の屈折率とから、試料の屈折率を容易に算出することができる。
【００１７】
上記態様において、前記他端面が、前記一端面から入射させた照明光を全反射することとしてもよい。
このように構成することで、一端面から入射した照明光を、第１の導光部材の内側面により反射を繰り返して他端面まで導くとともに、他端面により反射して再び一端面まで導くことができる。このようにすることで、第１の導光部材と試料との界面における全反射の回数を増加させることができ、第１の導光部材と第２の導光部材との間において発生するエバネッセント場の強度を大きくすることができる。これにより、光検出器により検出されるエバネッセント光の強度を大きくすることができ、試料の屈折率の変化量の測定精度を向上することができる。
【００１８】
上記態様において、前記一端面に入射させる照明光の波長を調節する波長調節部を備えることとしてもよい。
このように構成することで、第１の導光部材に入射させる照明光の波長を波長調節部により調節しながら、波長毎の試料の屈折率の変化量を算出することができ、試料の屈折率の変化量の測定精度を向上することができる。
【００１９】
本発明の第２の態様は、上記の屈折率測定装置と、前記第１の導光部材からの照明光の波長スペクトルを測定するスペクトル測定部と、前記スペクトル測定部により測定された波長スペクトルおよび前記算出部により算出された前記試料の屈折率の変化量から、前記試料の濃度の変化量を多変量解析により演算する演算部とを備える濃度測定装置である。
【００２０】
本発明の第２の態様によれば、屈折率測定装置により試料の屈折率の変化量を算出するとともに、スペクトル測定部により第１の導光部材からの照明光の波長スペクトルを測定することができる。そして、このように算出された波長スペクトルおよび試料の屈折率の変化量から、演算部により試料の濃度の変化量を多変量解析により演算することができる。このように試料の濃度の変化量を演算することで、単純に試料の屈折率から濃度を演算する場合に比べて、その測定精度を向上することができる。
【００２１】
本発明の第３の態様は、所定の間隔をあけて近接して配置された第１の導光部材および第２の導光部材のうち、前記第１の導光部材の一端面に照明光を入射させて他端面まで導く導光ステップと、前記導光ステップにより前記第２の導光部材内に発生するエバネッセント光の強度を検出する光検出ステップと、前記光検出ステップにより検出されたエバネッセント光の強度の変化量から、前記第１の導光部材と前記第２の導光部材との間に配置された試料の屈折率の変化量を算出する算出ステップとを含む屈折率測定方法である。
【００２２】
本発明の第４の態様は、上記の屈折率測定方法と、前記第１の導光部材からの照明光の波長スペクトルを測定するスペクトル測定ステップと、前記スペクトル測定ステップにより測定された波長スペクトルおよび前記算出ステップにより算出された前記試料の屈折率の変化量から、前記試料の濃度の変化量を多変量解析により演算する演算ステップとを含む濃度測定方法である。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、装置の小型化を図りつつ、高精度に測定対象物の屈折率を測定することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る屈折率測定装置の全体構成図である。
【図２】図１の導光ロッドの斜視図である。
【図３】図１の導光ロッドにおける照明光およびエバネッセント光の伝播状態を説明する図である。
【図４】屈折率の測定原理を説明する図である。
【図５】エバネッセント光の発生原理を説明する図である。
【図６】具体例における各パラメータおよび測定値の一覧図表である。
【図７】本発明の第２の実施形態に係る濃度測定装置の全体構成図である。
【図８】図７のＣＰＵにより実行される処理を示すブロック図である。
【図９】第１の変形例に係る濃度測定装置の導光ロッドの斜視図である。
【図１０】第２の変形例に係る濃度測定装置の導光ロッドの斜視図である。
【図１１】第３の変形例に係る屈折率測定装置の要部の部分拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
［第１の実施形態］
以下に、本発明の第１の実施形態に係る屈折率測定装置１について、図１から図６を参照して以下に説明する。
本実施形態に係る屈折率測定装置１は、図１に示されるように、光源２５と、波長調節装置（波長調節部）３５と、レンズＬ１と、ミラー１５と、導光ロッド（第１の導光部材）１０と、導光ロッド（第２の導光部材）２０と、レンズＬ２と、光検出器２７と、ＣＰＵ（算出部）３０と、モニタ３１と、制御装置３８を備えている。
【００２６】
光源２５は、広帯域な波長成分を有する照明光をミラー１５に向けて射出するようになっている。光源２５の射出光軸上には、後述する波長調節装置３５と、波長調節装置３５からの照明光を集光するレンズＬ１と、レンズＬ１により集光された照明光のうち一部を通過させる絞り１６とが配置されている。
【００２７】
波長調節装置３５は、光源２５の射出光軸上に配置されたフィルタホイール３６と、フィルタホイール３６を光源２５の射出光軸に沿う回転軸回りに回転させる回転部３７とを備えている。フィルタホイール３６は、互いに異なる波長帯域の光を透過させる複数のバンドパスフィルタ（図示略）が周方向に搭載されている。
【００２８】
このような構成を有することで、波長調節装置３５は、後述する制御装置３８からの指令に基づいて回転部３７によりフィルタホイール３６を回転させることによって、光源２５からの照明光のうち所定の波長帯域の光をミラー１５に向けて射出するようになっている。
【００２９】
絞り１６は、レンズＬ１により集光された照明光のうち、導光ロッド１０の入射端面１１に所定の入射角以下で入射する照明光のみを通過させるようになっている。より具体的には、絞り１６は、レンズＬ１により集光された照明光のうち、導光ロッド１０の内側面において全反射する照明光（すなわち、導光ロッド１０内において臨界角以上で導光ロッド１０の内側面に入射する照明光）のみを、導光ロッド１０の入射端面１１に入射させるようになっている。
【００３０】
ミラー１５は、絞り１６を通過してきた照明光を導光ロッド１０の入射端面（一端面）１１に向けて反射するようになっている。
導光ロッド１０と導光ロッド２０とは、図２に示すように、所定の間隔ｄをあけて近接して並行に配置されている。
【００３１】
導光ロッド１０は、例えばガラス等で形成された棒状のロッドであり、入射端面１１から入射させた照明光を、内側面により内面反射させて入射端面１１とは他端側に配置された反射端面（他端面）１２まで導くようになっている。反射端面１２は、導光ロッド１０内を導かれてきた照明光を全反射するようになっている。
【００３２】
このような構成を有することで、導光ロッド１０は、入射端面１１から入射した照明光を、導光ロッド１０の内側面により反射を繰り返して反射端面１２まで導くとともに、反射端面１２により全反射して再び入射端面１１まで導くようになっている。
【００３３】
導光ロッド２０は、例えばガラス等で形成された棒状のロッドであり、後述するように、エバネッセント場により発生したエバネッセント光を、内側面により内面反射させて反射端面２２まで導くようになっている。反射端面２２は、導光ロッド２０内を導かれてきたエバネッセント光を全反射するようになっている。なお、エバネッセント光の発生原理については後述する。
【００３４】
このような構成を有することで、導光ロッド２０は、図３に示すように、エバネッセント場により発生したエバネッセント光を、導光ロッド２０の内側面により反射を繰り返して反射端面２２まで導くとともに、反射端面２２により全反射して出射端面２１まで導くようになっている。
【００３５】
また、導光ロッド１０と導光ロッド２０との間には、屈折率の測定対象である試料Ｓが配置されている。具体的には、例えば試料Ｓとして生体試料を採用した場合には、導光ロッド１０と導光ロッド２０とを所定の間隔をあけた状態で、導光ロッド１０および導光ロッド２０を生体内に挿入し、導光ロッド１０の入射端面１１および導光ロッド２０の出射端面２１を生体外に露出させる。
【００３６】
光検出器２７は、導光ロッド２０の射出光軸上に配置されており、導光ロッド２０の出射端面２１からのエバネッセント光の強度を検出するようになっている。
また、導光ロッド２０と光検出器２７との間には、導光ロッド２０からのエバネッセント光を集光するレンズＬ２が設けられている。
【００３７】
ＣＰＵ３０は、光検出器２７により検出されたエバネッセント光の強度の変化量から、導光ロッド１０と導光ロッド２０との間に配置された試料Ｓの屈折率の変化量を算出するようになっている。
【００３８】
モニタ３１は、ＣＰＵ３０より算出された試料Ｓの屈折率の変化量や、波長調節装置３５により選択的に透過される照明光の波長等の情報を表示するようになっている。
制御装置３８は、ＣＰＵ３０からの指令に基づいて回転部３７を動作させて、波長調節装置３５から射出する照明光の波長を制御するようになっている。
【００３９】
ここで、本実施形態に係る屈折率測定装置１による屈折率の測定原理について以下に説明する。
図４に示すように、屈折率が異なる物質が接している界面では反射が起こる。物質Ａ，物質Ｂの屈折率をそれぞれｎ１，ｎ２としたとき、ｎ１＞ｎ２のとき、ある角度以上の入射角θｃで全反射が起こることが知られている。この全反射角は次式で与えられる。
θｃ＝arcsin（ｎ２／ｎ１）
【００４０】
入射角θｃがこの角度以上であれば、物質Ａと物質Ｂとの界面での反射は全反射であり、反射率は１となる。この状態では物質Ａから物質Ｂへのエネルギーの流れは生じないが、図５に示すように、物質Ｂ側にはエバネッセント場といわれる電場Ｅが発生する。この電場Ｅは、物質Ａと物質Ｂとの界面からの距離ｚに対して指数関数的に減衰する。この電場Ｅは以下の式で与えられる（例えば、光工学ハンドブック ｐ３３ 朝倉書店 小瀬ら 参照）。
【００４１】
【数２】
【００４２】
ここで、上記の式における各文字は以下を表わしている。
Ｅ：エバネッセント光の強度
θ１：物質Ａ（導光ロッド１０）内における照明光の物質Ｂ（試料Ｓ）への入射角
ｎ１：物質Ａ（導光ロッド１０）および物質Ｃ（導光ロッド２０）の屈折率
ｎ２：物質Ｂ（試料Ｓ）の屈折率
λ０：照明光の波長
ｚ：物質Ａ（導光ロッド１０）と物質Ｂ（試料Ｓ）との界面からの距離
ω：角振動数
ｔ：時間
ｘ：測定点の図４のｘ座標の値
Ａ，σ0：所定の定数
【００４３】
上記の式においてexpの項が電場の振幅の減衰を表す項であり、界面での強度を１としたとき、ｚ方向で概ね光の波長程度で１／ｅに減衰する。
巨視的にはエネルギーの流れはないが、このエバネッセント場中に例えば蛍光物質があれば、その蛍光物質が励起されて蛍光が発生する。また、エバネッセント場中に屈折率の高い物質Ｃを置いた場合には、入射角が物質Ａと物質Ｂで決まる全反射角以上、物質Ａと物質Ｃで決まる全反射角以下の条件において、物質Ｃ中には再びエネルギーの流れが生じる。
【００４４】
図５は上記の状態を表したものである。物質Ａと物質Ｂとの界面に対して、微小間隔ｄだけ離れた位置に物質Ｂと物質Ｃとの界面が配置されている。物質Ｃ内の矢印は単にエネルギーの流れる方向を示しているものである。
【００４５】
入射光のエネルギー量に対して物質Ｃに流れ込むエネルギー量の比を透過率Ｔとすると、透過率Ｔは、物質Ａ，Ｂ，Ｃの屈折率ｎ１，ｎ２，ｎ３と、物質Ａと物質Ｃとの間隔ｄと、入射角θ１の関数となる。すなわち、物資Ａ，物質Ｃの屈折率ｎ１，ｎ３と、間隔ｄと、入射角θ１が既知であれば、透過率Ｔはｎ２のみの関数となる。
【００４６】
上記の原理を本実施形態に係る屈折率測定装置１に適用すると、屈折率が未知の媒質中（試料Ｓ）に屈折率のわかっている導光ロッド１０と導光ロッド２０を波長以下の所定の間隔ｄだけ離し、所定の角度で導光ロッド１０に光を入射させると、上記の説明のように導光ロッド２０に漏れ出す光（エバネッセント光）が出現する。このエバネッセント光の強度の変化量を検出することで、試料Ｓの屈折率の変化量を知ることができる。なお、本実施形態においてはｘ軸方向の光強度変化は考慮する必要が無いため、δ＝−（２πｎ１ｘ／λ０）sinθ１＋δ０としてよく、検出されるエバネッセント光の強度は以下で表すことができる。
【数３】
ただし、δは所定の定数である。
【００４７】
また、本実施形態に係る屈折率測定装置１によれば、試料Ｓの屈折率の変化量を極めて高い感度で検出できる。その理由について以下に説明する。
透過率Ｔは、屈折率ｎ１，ｎ２，ｎ３と、間隔ｄと、入射角θ１の関数となることは既に述べたが、屈折率ｎ２の値が既知であり、変動範囲も想定できる場合には、屈折率ｎ２の微小な変動によって透過率Ｔが大きく変動するような各パラメータｎ１，ｎ３，ｄ，θ１を測定条件として設定することにより、屈折率測定の感度を高くすることができる。なお、この場合には、ｎ１＜ｎ２＋０．１、ｄ＜λとすることが必要である。
【００４８】
上記の理由について具体例を挙げて以下に説明する。
数値計算によれば、使用波長１ミクロン、試料Ｓの屈折率ｎ２＝１．３３３２２、屈折率の変動幅Δｎ２＝０．００００１のとき、図６に示すような結果が得られている。なお、ｎ２＝１．３３３２２は間質液（試料Ｓ）の屈折率であり、Δｎ２＝０．００００１はグルコース濃度６ｍｇ／ｄＬの変化に対応する屈折率の変動幅である。
【００４９】
光量変化率ΔＴ/Ｔでは、それぞれ０．１９％，０．０４％であり、高精度な光検出器によって検出可能な値である。エバネッセント光の総光量に関しては、各物質の境界部分の面積や、入射光の強度などを変えることで、変化させることが可能である。
この原理を本発明に適用する場合には、導光ロッド間隔の誤差、入射光束の広がりなどを勘案して、屈折率の絶対値を測定するのではなく、屈折率の変化の程度を測定する装置として利用する。
【００５０】
市販の汎用屈折率測定器であるアッベ式屈折率計の測定精度が０．０００２程度であるので、本実施形態に係る屈折率測定装置１の感度が非常に高いことがわかる。
なお、ｎ１＝１．３８はフッ化マグネシウム（ＭｇＦ２）の屈折率であり、また具体例として挙げた屈折率１．３〜１．４の光デバイス用低屈折率素材の開発は各所で行われている。
【００５１】
以上のように、本実施形態に係る屈折率測定装置１によれば、導光ロッド１０に入射させた照明光が、導光ロッド１０の内側面を反射して端面まで導かれる。この場合において、導光ロッド１０と導光ロッド２０との間においてエバネッセント場が発生し、エバネッセント場により導光ロッド１０と導光ロッド２０との間に配置された試料Ｓからエバネッセント光が発生する。このエバネッセント光は、導光ロッド２０に入射して、導光ロッド２０の内側面を反射して端面まで導かれ、光検出器２７により検出される。
【００５２】
この場合において、エバネッセント光の強度は、導光ロッド１０と導光ロッド２０との間に配置された試料Ｓの屈折率によって変化するため、光検出器２７により検出されたエバネッセント光の強度の変化量から、ＣＰＵ３０により試料Ｓの屈折率の変化量を算出することができる。
【００５３】
上記のように、本実施形態に係る屈折率測定装置１によれば、２つの導光部材、１つの光検出器２７、およびＣＰＵ３０により試料Ｓの屈折率の変化量を算出することができ、装置の小型化を図ることができる。また、エバネッセント光を用いて試料Ｓの屈折率の変化量を算出することにより、従来のアッべ式屈折率計に比べて高精度に試料Ｓの屈折率の変化量を測定することができる。
【００５４】
また、導光ロッド１０が反射端面１２を備えることで、入射端面１１から入射した照明光を、導光ロッド１０の内側面により反射を繰り返して反射端面１２まで導くとともに、反射端面１２により反射して再び入射端面１１まで導くことができる。このようにすることで、導光ロッド１０と試料Ｓとの界面における全反射の回数を増加させることができ、導光ロッド１０と導光ロッド２０との間において発生するエバネッセント場の強度を大きくすることができる。これにより、光検出器２７により検出されるエバネッセント光の強度を大きくすることができ、試料Ｓの屈折率の変化量の測定精度を向上することができる。
【００５５】
また、入射端面１１に入射させる照明光の波長を調節する波長調節装置３５を備えることで、導光ロッド１０に入射させる照明光の波長を波長調節装置３５により調節しながら、波長毎の試料Ｓの屈折率の変化量を算出することができ、試料Ｓの屈折率の変化量の測定精度を向上することができる。
【００５６】
なお、本実施形態に係る屈折率測定装置１において、図示しないメモリを設け、ＣＰＵ３０が、前記メモリに予め設定された試料Ｓの屈折率の基準値と、光検出器２７により検出されたエバネッセント光の強度の変化量とから、試料Ｓの屈折率を算出することとしてもよい。
【００５７】
このようにすることで、予め設定された試料Ｓの屈折率の基準値に、光検出器２７により検出されたエバネッセント光の強度の変化量から算出される試料Ｓの屈折率の変化量を加減算することにより、試料Ｓの屈折率を算出することができる。
【００５８】
また、本実施形態に係る屈折率測定装置１において、導光ロッド１０への照明光の入射角度を調節する入射角度調節部（図示略）を備え、該入射角度調節部が、導光ロッド１０内において全反射を起こすように導光ロッド１０への照明光の入射角度を調節し、ＣＰＵ３０が、以下の式に基づいて試料Ｓの屈折率を算出することとしてもよい。
θｃ＝arcsin（ｎ２／ｎ１）
ここで、
θｃ：導光ロッド１０内において全反射を起こす試料Ｓへの入射角
ｎ１：導光ロッド１０および導光ロッド２０の屈折率
ｎ２：試料Ｓの屈折率
【００５９】
このようにすることで、入射角度調節部により、導光ロッド１０内において全反射を起こすように導光ロッド１０への照明光の入射角度を調節し、その際の導光ロッド１０内における試料Ｓへの入射角と導光ロッド１０および導光ロッド２０の屈折率とから、試料Ｓの屈折率を容易に算出することができる。
【００６０】
［第２の実施形態］
次に、本発明の第２の実施形態について、図７および図８を参照して説明する。本実施形態においては、前述の第１の実施形態に係る屈折率測定装置１を、例えば血糖値等を測定する濃度測定装置に適用した例について説明する。以下、本実施形態の濃度測定装置２について、第１の実施形態に係る屈折率測定装置１と共通する点については説明を省略し、異なる点について主に説明する。
【００６１】
本実施形態に係る濃度測定装置２は、図７に示すように、第１の実施形態に係る屈折率測定装置１におけるミラー１５（図１参照）に代えて、導光ロッド１０からの照明光の一部を透過させるハーフミラー１８を備えている。また、本実施形態に係る濃度測定装置２は、第１の実施形態に係る屈折率測定装置１の構成（図１参照）に加えて、ハーフミラー１８を透過してきた導光ロッド１０からの照明光を集光するレンズＬ３と、レンズＬ３により集光された照明光を検出する光検出器（スペクトル測定部）１７とを備えている。
【００６２】
光検出器１７は、波長調節装置３５により選択的に透過された照明光の波長毎に、導光ロッド１０からの光の強度を検出するようになっている。これにより、光検出器１７は、導光ロッド１０内を内面反射して入射端面１１から射出された光の波長スペクトルを測定するようになっている。
【００６３】
ここで、導光ロッド１０内における全反射の現象では、全反射光は外側媒質側に少しだけ潜り込んで反射されるので、外側媒質に吸収があるとこの影響を受けて反射光のエネルギーが減少する。したがって、照明光の波長を種々変えることにより、あるいは反射光を分光することにより、外側媒質のスペクトルが得られる。これは減衰全反射法（ＡＴＲ：attenuated total reflection）と呼ばれるスペクトル測定法である。
【００６４】
本実施形態に係る濃度測定装置２において、ＣＰＵ（算出部、演算部）３０は、光検出器１７により測定された波長スペクトルと、光検出器２７により測定されたエバネッセント光の強度から算出された試料Ｓの屈折率の変化量とから、試料Ｓの濃度の変化量を多変量解析により演算するようになっている。
【００６５】
上記演算における情報処理の流れは図８に示すようになる。本実施形態に係る濃度測定装置２によれば、アルコール類、糖類、脂肪酸、ポリマーなど広範囲な溶質の濃度測定が可能であるが、ここでは血糖値測定を例に説明する。減衰全反射法によるスペクトル測定値と屈折率測定値はＰＬＳ法などの回帰分析手法を含む演算処理を経て血糖値として最終的な値を得る。
【００６６】
以上のように、本実施形態に係る濃度測定装置２によれば、前述の実施形態に係る屈折率測定装置１により試料Ｓの屈折率の変化量を算出するとともに、光検出器１７により導光ロッド１０からの照明光の波長スペクトルを測定することができる。そして、このように算出された波長スペクトルおよび試料Ｓの屈折率の変化量から、ＣＰＵ３０により試料Ｓの濃度の変化量を多変量解析により演算することができる。このように試料Ｓの濃度を演算することで、単純に試料Ｓの屈折率から濃度を演算する場合に比べて、その測定精度を向上することができる。
【００６７】
また、本実施形態に係る濃度測定装置２には波長制御装置３５以外の可動部が無いため、安定した濃度測定が可能である。
また、導光ロッド１０および導光ロッド２０の径を細径化しても感度が落ちないため、径の細い導光ロッド１０および導光ロッド２０を生体内に設置して生体内の物質濃度を測定することが可能である。これにより、血糖値測定の際の侵襲を軽減することができる。
【００６８】
なお、本実施形態に係る濃度測定装置２では、波長スペクトルおよび試料Ｓの屈折率の変化量から試料Ｓの濃度の変化量を測定したが、試料Ｓの屈折率そのものを算出することで、波長スペクトルおよび試料Ｓの屈折率から試料Ｓの濃度を測定することもできる。
【００６９】
［第１の変形例］
なお、第２の実施形態に係る濃度測定装置２の第１の変形例として、図９に示すように、棒状の導光ロッド１０および導光ロッド２０に代えて、平板上の導光板１０’および導光板２０’を採用することとしてもよい。この場合には、平板上の導光板１０’と導光板２０’とは所定の間隔をあけて対向させて配置する。
【００７０】
上記の導光板１０’と導光板２０’を有する本変形例の濃度測定装置によれば、エバネッセント光の検出面積を増加させることができ、試料Ｓの屈折率および濃度の測定精度を向上することができる。
【００７１】
また、本変形例の濃度測定装置において、平板上の導光板１０’と導光板２０’の対向面の少なくとも一方に、間質液（試料Ｓ）の流通方向に延在する溝（図示略）を設けることとしてもよい。
このようにすることで、平板上の導光板１０’と導光板２０’との間における間質液（試料Ｓ）の閉塞を防止することができ、リアルタイムでの試料Ｓの屈折率および濃度の測定を確実に行うことができる。
【００７２】
［第２の変形例］
また、第２の実施形態に係る濃度測定装置２の第２の変形例として、図１０に示すように、棒状の導光ロッド１０および導光ロッド２０に代えて、半円柱状の導光ロッド１０’’および導光ロッド２０’’を採用することとしてもよい。
【００７３】
半円柱状の導光ロッド１０’’と導光ロッド２０’’とは所定の間隔をあけて対向させて配置されており、それぞれの対向面には互いに嵌合するように形成された凹凸部を有している。また、図１０において、符号１３は導光ロッド１０’’に照明光が入射する光入射スポットを示しており、符号２３は導光ロッド２０’’からエバネッセント光が出射する光出射スポットを示している。
【００７４】
上記の導光ロッド１０’’と導光ロッド２０’’を有する本変形例の濃度測定装置によれば、光入射スポット１３および光出射スポット２３の大きさを確保しつつ、エバネッセント光の検出面積を増加させることができ、試料Ｓの屈折率および濃度の測定精度を向上することができる。また、導光ロッド１０’’および導光ロッド２０’’の細径化を図ることができ、血糖値測定の際の侵襲を軽減することができる。
【００７５】
［第３の変形例］
また、第１の実施形態に係る屈折率測定装置１の第３の変形例として、図１１に示すように、導光ロッド１０と導光ロッド２０とを軸線方向にずらして配置するとともに、導光ロッド２０の射出光軸上に、導光ロッド２０からのエバネッセント光を集光するレンズＬ４と、レンズＬ４により集光されたエバネッセント光のみを通過させるピンホール２８とを備えることとしてもよい。
【００７６】
前述の実施形態に係る濃度測定装置２によれば、導光ロッド１０と導光ロッド２０とは近接して配置されているため、導光ロッド２０からのエバネッセント光と導光ロッド１０からの照明光（反射光）とを分離することが難しい。したがって、光検出器２７は、導光ロッド２０からのエバネッセント光だけでなく、導光ロッド１０からの照明光を検出してしまう場合がある。この場合、導光ロッド１０からの照明光はノイズであるため、試料Ｓの屈折率の測定精度を低下させてしまう恐れがある。
【００７７】
これに対して、本変形例に係る濃度測定装置によれば、ピンホール２８により導光ロッド１０からの照明光を遮断して、光検出器２７により導光ロッド２０からのエバネッセント光のみを検出することができるため、試料Ｓの屈折率の測定精度を向上することができる。
【００７８】
以上、本発明の各実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。例えば、本発明を上記の各実施形態および各変形例を適宜組み合わせた実施形態に適用してもよい。
【符号の説明】
【００７９】
Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４ レンズ
Ｓ 試料
１ 屈折率測定装置
２ 濃度測定装置
１０ 導光ロッド（第１の導光部材）
１１ 入射端面（一端面）
１２ 反射端面（他端面）
１５ ミラー
１６ 絞り
１７ 光検出器（スペクトル測定部）
１８ ハーフミラー
２０ 導光ロッド（第２の導光部材）
２１ 出射端面
２２ 反射端面
２５ 光源
２７ 光検出器
３０ ＣＰＵ（算出部、演算部）
３１ モニタ
３５ 波長調節装置（波長調節部）
３８ 制御装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の間隔をあけて近接して配置され、一端面から入射させた照明光を内面反射させて他端面まで導く第１の導光部材および第２の導光部材と、
前記第１の導光部材に照明光を入射させることで、前記第２の導光部材内に入射するエバネッセント光の強度を検出する光検出器と、
前記光検出器により検出されたエバネッセント光の強度の変化量から、前記第１の導光部材と前記第２の導光部材との間に配置された試料の屈折率の変化量を算出する算出部とを備える屈折率測定装置。
【請求項２】
前記算出部が、前記光検出器により検出されたエバネッセント光の強度の変化量から、以下の式に基づいて前記試料の屈折率の変化量を算出する請求項１に記載の屈折率測定装置。
【数１】
ここで、
Ｅ：エバネッセント光の強度
θ１：前記第１の導光部材内における照明光の試料への入射角
ｎ１：前記第１の導光部材および前記第２の導光部材の屈折率
ｎ２：前記試料の屈折率
λ０：照明光の波長
ｚ：前記第１の導光部材と前記試料との界面からの距離
ω：角振動数
ｔ：時間
Ａ，σ：所定の定数
【請求項３】
前記算出部が、予め設定された前記試料の屈折率の基準値および前記光検出器により検出されたエバネッセント光の強度の変化量から、前記試料の屈折率を算出する請求項１または請求項２に記載の屈折率測定装置。
【請求項４】
前記第１の導光部材への照明光の入射角度を調節する入射角度調節部を備え、
前記入射角度調節部が、前記第１の導光部材内において全反射を起こすように前記第１の導光部材への照明光の入射角度を調節し、
前記算出部が、以下の式に基づいて前記試料の屈折率を算出する請求項１または請求項２に記載の屈折率測定装置。
θｃ＝arcsin（ｎ２／ｎ１）
ここで、
θｃ：前記第１の導光部材内において全反射を起こす前記試料への入射角
ｎ１：前記第１の導光部材および前記第２の導光部材の屈折率
ｎ２：前記試料の屈折率
【請求項５】
前記他端面が、前記一端面から入射させた照明光を全反射する請求項１から請求項４のいずれかに記載の屈折率測定装置。
【請求項６】
前記一端面に入射させる照明光の波長を調節する波長調節部を備える請求項１から請求項５のいずれかに記載の屈折率測定装置。
【請求項７】
請求項６に記載の屈折率測定装置と、
前記第１の導光部材からの照明光の波長スペクトルを測定するスペクトル測定部と、
前記スペクトル測定部により測定された波長スペクトルおよび前記算出部により算出された前記試料の屈折率の変化量から、前記試料の濃度の変化量を多変量解析により演算する演算部とを備える濃度測定装置。
【請求項８】
所定の間隔をあけて近接して配置された第１の導光部材および第２の導光部材のうち、前記第１の導光部材の一端面に照明光を入射させて他端面まで導く導光ステップと、
前記導光ステップにより前記第２の導光部材内に発生するエバネッセント光の強度を検出する光検出ステップと、
前記光検出ステップにより検出されたエバネッセント光の強度の変化量から、前記第１の導光部材と前記第２の導光部材との間に配置された試料の屈折率の変化量を算出する算出ステップとを含む屈折率測定方法。
【請求項９】
請求項８に記載の屈折率測定方法と、
前記第１の導光部材からの照明光の波長スペクトルを測定するスペクトル測定ステップと、
前記スペクトル測定ステップにより測定された波長スペクトルおよび前記算出ステップにより算出された前記試料の屈折率の変化量から、前記試料の濃度の変化量を多変量解析により演算する演算ステップとを含む濃度測定方法。
【請求項１】
所定の間隔をあけて近接して配置され、一端面から入射させた照明光を内面反射させて他端面まで導く第１の導光部材および第２の導光部材と、
前記第１の導光部材に照明光を入射させることで、前記第２の導光部材内に入射するエバネッセント光の強度を検出する光検出器と、
前記光検出器により検出されたエバネッセント光の強度の変化量から、前記第１の導光部材と前記第２の導光部材との間に配置された試料の屈折率の変化量を算出する算出部とを備える屈折率測定装置。
【請求項２】
前記算出部が、前記光検出器により検出されたエバネッセント光の強度の変化量から、以下の式に基づいて前記試料の屈折率の変化量を算出する請求項１に記載の屈折率測定装置。
【数１】
ここで、
Ｅ：エバネッセント光の強度
θ１：前記第１の導光部材内における照明光の試料への入射角
ｎ１：前記第１の導光部材および前記第２の導光部材の屈折率
ｎ２：前記試料の屈折率
λ０：照明光の波長
ｚ：前記第１の導光部材と前記試料との界面からの距離
ω：角振動数
ｔ：時間
Ａ，σ：所定の定数
【請求項３】
前記算出部が、予め設定された前記試料の屈折率の基準値および前記光検出器により検出されたエバネッセント光の強度の変化量から、前記試料の屈折率を算出する請求項１または請求項２に記載の屈折率測定装置。
【請求項４】
前記第１の導光部材への照明光の入射角度を調節する入射角度調節部を備え、
前記入射角度調節部が、前記第１の導光部材内において全反射を起こすように前記第１の導光部材への照明光の入射角度を調節し、
前記算出部が、以下の式に基づいて前記試料の屈折率を算出する請求項１または請求項２に記載の屈折率測定装置。
θｃ＝arcsin（ｎ２／ｎ１）
ここで、
θｃ：前記第１の導光部材内において全反射を起こす前記試料への入射角
ｎ１：前記第１の導光部材および前記第２の導光部材の屈折率
ｎ２：前記試料の屈折率
【請求項５】
前記他端面が、前記一端面から入射させた照明光を全反射する請求項１から請求項４のいずれかに記載の屈折率測定装置。
【請求項６】
前記一端面に入射させる照明光の波長を調節する波長調節部を備える請求項１から請求項５のいずれかに記載の屈折率測定装置。
【請求項７】
請求項６に記載の屈折率測定装置と、
前記第１の導光部材からの照明光の波長スペクトルを測定するスペクトル測定部と、
前記スペクトル測定部により測定された波長スペクトルおよび前記算出部により算出された前記試料の屈折率の変化量から、前記試料の濃度の変化量を多変量解析により演算する演算部とを備える濃度測定装置。
【請求項８】
所定の間隔をあけて近接して配置された第１の導光部材および第２の導光部材のうち、前記第１の導光部材の一端面に照明光を入射させて他端面まで導く導光ステップと、
前記導光ステップにより前記第２の導光部材内に発生するエバネッセント光の強度を検出する光検出ステップと、
前記光検出ステップにより検出されたエバネッセント光の強度の変化量から、前記第１の導光部材と前記第２の導光部材との間に配置された試料の屈折率の変化量を算出する算出ステップとを含む屈折率測定方法。
【請求項９】
請求項８に記載の屈折率測定方法と、
前記第１の導光部材からの照明光の波長スペクトルを測定するスペクトル測定ステップと、
前記スペクトル測定ステップにより測定された波長スペクトルおよび前記算出ステップにより算出された前記試料の屈折率の変化量から、前記試料の濃度の変化量を多変量解析により演算する演算ステップとを含む濃度測定方法。
【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２０１３−８８１３８（Ｐ２０１３−８８１３８Ａ）
【公開日】平成２５年５月１３日（２０１３．５．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２２５９９８（Ｐ２０１１−２２５９９８）
【出願日】平成２３年１０月１３日（２０１１．１０．１３）
【出願人】（００００００３７６）オリンパス株式会社 (11,466)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月１３日（２０１３．５．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月１３日（２０１１．１０．１３）
【出願人】（００００００３７６）オリンパス株式会社 (11,466)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]