屈折率測定装置および糖分濃度測定装置並びにその方法
【課題】容易か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】入射させた照明光を内面反射させて端面まで導く導光ロッド１０と、導光ロッド１０の端面から所定位置における導光ロッド１０からの光の光束径を測定するラインセンサー２０と、ラインセンサー２０により測定された光束径から導光ロッド１０からの光の拡がり角を算出し、該拡がり角に基づいて導光ロッド１０の側面に接触する試料Ｓの屈折率を算出するＣＰＵ３０とを備える屈折率測定装置１を採用する。
【解決手段】入射させた照明光を内面反射させて端面まで導く導光ロッド１０と、導光ロッド１０の端面から所定位置における導光ロッド１０からの光の光束径を測定するラインセンサー２０と、ラインセンサー２０により測定された光束径から導光ロッド１０からの光の拡がり角を算出し、該拡がり角に基づいて導光ロッド１０の側面に接触する試料Ｓの屈折率を算出する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糖分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、屈折率が既知の物質と測定対象物とを光学的に接触させ、その境界面において全反射が起こる光の入射角（臨界角）を測定することで、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２００９−１６２５６１号公報
【特許文献２】特開２００５−２５７３１９号公報
【特許文献３】特開２００３−３２２６１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１から３に開示されている屈折率測定装置によれば、視野内において屈折率の境目を示す像を見つけ出し、鏡筒を動かしてこの境目を基準に合わせ、そのときの角度を基に屈折率を算出していた。このため、測定対象物の屈折率の測定に手間がかかっていた。また、その測定精度の誤差が大きいという不都合があった。
【０００５】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、容易か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糖分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】
【０００６】
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、入射させた照明光を内面反射させて端面まで導く導光ロッドと、前記導光ロッドの端面から所定位置における前記導光ロッドからの光の光束径を測定する測定部と、前記測定部により測定された光束径から前記導光ロッドからの光の拡がり角を算出し、該拡がり角に基づいて前記導光ロッドの側面に接触する試料の屈折率を算出する算出部とを備える屈折率測定装置である。
【０００７】
本発明の第１の態様によれば、屈折率を測定する試料を導光ロッドの側面に接触させた状態で、導光ロッドに入射させた照明光が、導光ロッドの内側面を反射して端面まで導かれる。そして、導光ロッドの端面から光が射出され、該端面から所定位置における光の光束径が測定部により測定される。そして、算出部により、このように測定された光束径から導光ロッドからの光の拡がり角が算出され、該拡がり角に基づいて導光ロッドの側面に接触する試料の屈折率が算出される。
【０００８】
この場合において、導光ロッドの端面から射出された光は、導光ロッドと試料との界面において複数回全反射されている。これにより、導光ロッドからの光の拡がり角の角度分布を急峻なものとすることができ、該拡がり角に基づいて算出される試料の屈折率の精度を向上させることができる。また、従来の屈折率測定装置のように、屈折率の境目を示す像を肉眼で見つけ出したり、鏡筒を動かす必要がない。すなわち、本発明の第１の態様によれば、容易かつ高精度に試料の屈折率を測定することができる。
【０００９】
上記態様において、前記算出部が、前記所定位置における光の光束半径をｈ、前記導光ロッドの端面と前記所定位置との距離をｆ１、光の拡がり角をθとした場合に、以下の式に基づいて光の拡がり角を算出することとしてもよい。
ｈ＝ｆ１×tanθ
【００１０】
このようにすることで、光の拡がり角（光の光軸となす角）を容易に算出することができ、該拡がり角に基づいて導光ロッドの側面に接触する試料の屈折率を算出することができる。
【００１１】
上記態様において、前記導光ロッドの端面に焦点位置が配置され、前記導光ロッドからの光を平行光にして前記所定位置に射出する光学系を備え、前記算出部が、前記所定位置における光の光束半径をｈ、前記光学系の焦点距離をｆ２、光の拡がり角をθとした場合に、以下の式に基づいて光の拡がり角を算出することとしてもよい。
ｈ＝ｆ２×tanθ
【００１２】
このようにすることで、光の拡がり角（光の光軸となす角）を容易に算出することができ、該拡がり角に基づいて導光ロッドの側面に接触する試料の屈折率が算出することができる。また、光学系により導光ロッドからの光を平行光にすることができるため、光束径を測定する位置（所定位置）を光軸方向において任意の位置にすることができるとともに、光束径を不要に拡げてしまうことを防止して、測定部による測定範囲を制限することができる。
【００１３】
上記態様において、前記算出部が、前記導光ロッドからの光の拡がり角から前記導光ロッド内において全反射を起こす前記試料への入射角を算出し、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：前記導光ロッド内において全反射を起こす前記試料への入射角
ｎ１：前記導光ロッドの屈折率
ｎ２：前記試料の屈折率
【００１４】
このようにすることで、導光ロッドからの光の拡がり角から、導光ロッド内において全反射を起こす試料への入射角を算出し、試料の屈折率を容易に算出することができる。
【００１５】
上記態様において、前記導光ロッドが、照明光を入射させる第１端面と、該第１端面とは他端側に配置され、内面反射して導かれてきた光を反射する第２端面とを有することとしてもよい。
【００１６】
このように構成することで、第１端面から入射した照明光を、導光ロッドの内側面により反射を繰り返して第２端面まで導くとともに、第２端面により反射して再び第１端面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る。これにより、導光ロッドからの光の拡がり角の角度分布を急峻なものとすることができ、該拡がり角に基づいて算出される試料の屈折率の精度を向上させることができる。また、導光ロッドの構造を簡易なものとすることができる。
【００１７】
上記態様において、前記導光ロッド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、導光ロッド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を算出することができ、試料の屈折率の精度を向上させることができる。
【００１８】
本発明の第２の態様は、上記の屈折率測定装置と、前記導光ロッドからの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から、前記試料の糖分濃度を多変量解析により演算する演算部とを備える糖分濃度測定装置である。
【００１９】
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を算出するとともに、スペクトル測定部により導光ロッドからの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から、演算部により試料の糖分濃度を多変量解析により演算することができる。このように試料の糖分濃度を演算することで、単純に試料の屈折率から糖分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。
【００２０】
本発明の第３の態様は、入射させた照明光を内面反射させて導光ロッドの端面まで導く導光ステップと、前記導光ロッドの端面から所定位置における前記導光ロッドからの光の光束径を測定する測定ステップと、前記測定ステップにより測定された光束径から前記導光ロッドからの光の拡がり角を算出し、該拡がり角に基づいて前記導光ロッドの側面に接触する試料の屈折率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。
【００２１】
本発明の第４の態様は、上記の屈折率測定方法と、前記導光ロッドからの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から、前記試料の糖分濃度を多変量解析により演算する演算ステップとを含む糖分濃度測定方法である。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、容易か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】
【００２３】
【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】屈折率の測定原理を説明する図である。
【図３】図１の屈折率測定装置の部分拡大図である。
【図４】導光ロッドから射出される光の角度特性についてのシミュレーション結果を示すグラフである。
【図５】導光ロッド内における全反射角を説明する図である。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る糖分濃度測定装置の全体構成図である。
【図７】図６のＣＰＵにより実行される処理を示すブロック図である。
【図８】本発明の第１の変形例に係る糖分濃度測定装置の全体構成図である。
【図９】本発明の第３の実施形態に係る糖分濃度測定装置の全体構成図である。
【図１０】本発明の第２の変形例に係る糖分濃度測定装置の全体構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
［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５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、ハーフミラー１５と、導光ロッド１０と、レンズＬ２と、ラインセンサー（測定部）２０と、ＣＰＵ（算出部）３０と、モニタ３１と、制御装置３８を備えている。
【００２５】
光源２５は、広帯域な波長成分を有する照明光をハーフミラー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とが配置されている。
【００２６】
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が搭載されている。
【００２７】
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によりフィルタホール３６を回転させることにより、光源２５からの照明光のうち所定の波長帯域の光をハーフミラー１５に向けて射出するようになっている。
【００２８】
ハーフミラー１５は、光源２５（波長調節装置３５）からの照明光の一部を導光ロッド１０の入射端面（第１端面）１１に向けて反射するとともに、導光ロッド１０からの光の一部をラインセンサー２０に向けて透過させるようになっている。
【００２９】
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（第２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内を導かれてきた光を反射するようになっている。
【００３０】
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により反射して再び入射端面１１まで導くようになっている。
【００３１】
また、導光ロッド１０は、その外側面が、屈折率の測定対象である試料Ｓに接触して配置されている。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、入射端面１１を生体外に露出させた状態で、導光ロッド１０全体を生体内に挿入する。
【００３２】
ラインセンサー２０は、導光ロッド１０の入射端面１１から所定の間隔をあけて配置されており、導光ロッド１０の入射端面１１から所定位置における導光ロッド１０からの光の光束径を測定するようになっている。
また、ハーフミラー１５とラインセンサー２０との間には、導光ロッド１０からの光を集光するレンズＬ２が設けられている。
【００３３】
ＣＰＵ３０は、ラインセンサー２０により測定された光束径から導光ロッド１０からの光の拡がり角を算出し、該拡がり角に基づいて導光ロッド１０の外側面に接触する試料Ｓの屈折率を算出するようになっている。
【００３４】
モニタ３１は、ＣＰＵ３０より算出された試料Ｓの屈折率や、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。
【００３５】
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２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）
【００３６】
上式に基づき、物質Ａの屈折率ｎ１が既知であれば、全反射角θｃを測定することにより物質Ｂの屈折率ｎ２を測定することができる。これがアッベ屈折率計の基本的な原理となっている。
【００３７】
本実施形態に係る屈折率測定装置１では、図３に示すように、導光ロッド１０に光を伝播させる場合には全反射を利用している。伝播できる光束の角度は、導光ロッド１０の屈折率ｎ１と、導光ロッド１０の外側に配置された外側媒質の屈折率ｎ２で決まる。
すなわち、導光ロッド１０の屈折率ｎ１が既知であれば、導光ロッド１０を伝播できる光束の角度を測定することにより、外側媒質の屈折率ｎ２を測定することができる。これが本実施形態に係る屈折率測定装置１による屈折率測定法の原理である。
【００３８】
上記構成を有する本実施形態に係る屈折率測定装置１によれば、光束は導光ロッド１０の内側面を何度も反射し、このことにより、光束強度の角度分布はより急峻となるため、全反射角の測定精度を向上することができる。
【００３９】
上記の効果について、シミュレーション結果を用いて以下に説明する。
図４は外側媒質の屈折率ｎ２＝１．３３，導光ロッド１０の屈折率ｎ１＝１．３８とした場合における反射率の角度特性を示したものである。横軸はラジアン（ｒａｄ）表記の角度、縦軸は反射率を示す。反射率が１になる角度が全反射角（臨界角）である。
【００４０】
図４において、ラインＧ１は一回反射のもの、ラインＧ２は１０回反射のものである。１０回反射を示すラインＧ２では、臨界角付近の傾きは急峻であり、臨界角の決定が容易になり、屈折率の測定精度が向上する。
【００４１】
以上のことより、図５に示すように、導光ロッド１０の屈折率ｎ１と外側媒質（試料Ｓ）の屈折率ｎ２で決まる全反射角θｃ以下の入射角の光束が含まれるように、導光ロッド１０への入射光束の最大角度を決める。このように入射光束の最大角を決めると、導光ロッド１０と外側媒質との界面へは全反射角以下の光と全反射角以上の光が含まれる。このうち、全反射角以上の角度で界面に入射した光が反射され、この反射光のみが導光ロッド１０内を伝播することができる。
【００４２】
ここで、導光ロッド１０の入射端面１１とは反対側の端面に反射端面１２を設けておくと、導光ロッド１０内を伝播した光は再び入射端面１１に戻ってくる。この戻り光は、導光ロッド１０と外側媒質の界面で全反射角以上の角度で入射した成分のみである。したがって、この戻り光の角度分布を測定すれば、外側媒質の屈折率を測定することができる。
【００４３】
上記構成を有する本実施形態に係る屈折率測定装置１の作用について以下に説明する。
光源２５から発せられた照明光は、波長調節装置３５で分光され、レンズＬ１でハーフミラー１５上に集光されて、入射端面１１から導光ロッド１０に導入される。導光ロッド１０のもう一方の端面は反射端面１２となっているため、導光ロッド１０内を伝播する光束は入射端面１１へ戻される。
【００４４】
レンズＬ２は、図３に示すように、その前側焦点が導光ロッド１０の入射端面１１に位置し、後ろ側焦点にラインセンサー２０が配置されている。レンズＬ２をこのような配置とすることで、導光ロッド１０からの光を平行光にしてラインセンサー２０の配置された面２１に射出することができる。これにより、ラインセンサー２０の配置された面２１上に、導光ロッド１０からの光の角度情報が現れる。
【００４５】
具体的には、図３に示すように、面２１上において光の光軸中心からの距離をｈ、レンズＬ２の焦点距離をｆ２、光の光軸となす角度（光の拡がり角）をθとすると、以下の式に表わす関係が成り立つ。
ｈ＝ｆ２×tanθ
【００４６】
ラインセンサー２０により光軸中心からの距離ｈを測定し、上記の式に代入することで、光の拡がり角θを算出することができる。このようにラインセンサー１０で戻り光の最大角度を測定することにより、導光ロッド１０内での全反射角を知ることができ、外側媒質（試料Ｓ）の屈折率を測定することができる。
【００４７】
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、屈折率を測定する試料Ｓを導光ロッド１０の側面に接触させた状態で、導光ロッド１０の入射端面１１に入射させた照明光が、導光ロッド１０の内側面および反射端面１２により反射されて入射端面１１まで再び導かれる。そして、導光ロッド１０の入射端面１１から光が射出され、入射端面１１から所定位置における光の光束径が、ラインセンサー２０により測定される。そして、ＣＰＵ３０により、このように測定された光束径から、導光ロッド１０からの光の拡がり角が算出され、該拡がり角に基づいて導光ロッド１０の側面に接触する試料Ｓの屈折率が算出される。
【００４８】
この場合において、導光ロッド１０の端面から射出された光は、導光ロッド１０と試料Ｓとの界面において複数回全反射されている。これにより、導光ロッド１０からの光の拡がり角の角度分布を急峻なものとすることができ、拡がり角に基づいて算出される試料Ｓの屈折率の精度を向上させることができる。また、従来の屈折率測定装置のように、屈折率の境目を示す像を肉眼で見つけ出したり、鏡筒を動かす必要がない。すなわち、本実施形態に係る屈折率測定装置１によれば、容易かつ高精度に試料Ｓの屈折率を測定することができる。
【００４９】
また、レンズＬ２により導光ロッド１０からの光を平行光にすることができるため、光束径を測定する位置（所定位置）を光軸方向において任意の位置にすることができる。また、光束径を不要に拡げてしまうことを防止して、ラインセンサー２０の測定範囲を制限することができる。
【００５０】
また、導光ロッド１０が入射端面１１の他端側に反射端面１２とを有することで、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る。これにより、導光ロッド１０からの光の拡がり角の角度分布を急峻なものとすることができ、拡がり角に基づいて算出される試料Ｓの屈折率の精度を向上させることができる。また、導光ロッド１０の構造を簡易なものとすることができる。
【００５１】
また、導光ロッド１０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調節しながら、波長毎の試料Ｓの屈折率を算出することができ、試料Ｓの屈折率の精度を向上させることができる。
【００５２】
なお、本実施形態に係る屈折率測定装置１において、レンズＬ２を設けずに、以下の式に基づいて光の拡がり角（光の光軸となす角）を算出することとしてもよい。
ｈ＝ｆ１×tanθ
ここで、ｈは所定位置（図３の面２１）における光の光束半径、ｆ１は導光ロッド１０の入射端面１１と所定位置（図３の面２１）との距離、θは光の拡がり角である。
【００５３】
このようにすることで、レンズＬ２を設けることなく、光の拡がり角を容易に算出することができ、該拡がり角に基づいて導光ロッド１０の側面に接触する試料Ｓの屈折率が算出することができる。
【００５４】
なお、外側媒質の屈折率の範囲が既知の場合、その範囲の測定ができるだけの小さなラインセンサー２０を用いることができる。これにより、装置の小型化を図ることができる。
また、導光ロッド１０はその一部が試料Ｓに接していれば良く、大気中に突出している部分があってもよい。
【００５５】
〔第２の実施形態〕
次に、本発明の第２の実施形態について、図面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糖分測定装置に適用した例について説明する。以下、本実施形態の糖分測定装置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。
【００５６】
本実施形態に係る糖分測定装置２は、図６に示すように、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、一部がラインセンサー２０を通過してきた導光ロッド１０からの光を集光するレンズＬ３と、レンズＬ３により集光された光を検出する光検出器（スペクトル測定部）４０とを備えている。
【００５７】
光検出器４０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内を内面反射して入射端面１１から射出された光の強度を検出するようになっている。これにより、試料Ｓの吸収スペクトルを測定するようになっている。
【００５８】
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。
【００５９】
上記構成を有する本実施形態に係る糖分測定装置２によれば、単一の導光ロッド１０で外側媒質の屈折率とスペクトルの両方を測定することができる。
なお、ラインセンサー２０は導光ロッド１０からの光の一部を遮蔽するが、大部分の光はラインセンサー２０以外の部分を透過するため、スペクトル測定への影響は少ない。
【００６０】
本実施形態に係る糖分測定装置２において、ＣＰＵ（算出部、演算部）３０は、光検出器４０により測定された吸収スペクトルおよびラインセンサー２０により測定された光束径から算出された試料Ｓの屈折率から、試料Ｓの糖分濃度を多変量解析により演算するようになっている。
【００６１】
上記演算における情報処理の流れは図７に示すようになる。本実施形態に係る糖分測定装置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。
【００６２】
以上のように、本実施形態に係る糖分測定装置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の屈折率を算出するとともに、光検出器４０により導光ロッド１０からの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の屈折率から、ＣＰＵ３０により試料Ｓの糖分濃度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の糖分濃度を演算することで、単純に試料Ｓの屈折率から糖分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。
【００６３】
また、本実施形態に係る糖分測定装置２には可動部が無いため、安定した糖分測定が可能である。
また、測定対象の溶媒及び溶質の屈折率と濃度の変動幅が限定されている場合、導光ロッド１０の屈折率を最適化してラインセンサー２０上の光束径の変化を最大化することにより、屈折率の測定精度を高めることができる。
【００６４】
また、導光ロッド１０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。
【００６５】
［第１の変形例］
なお、本実施形態に係る糖分測定装置２の変形例として、図８に示すように、Ｕ字型の導光ロッド１０を用いるとともに、図６のハーフミラー１５に代えて、全反射ミラー１６を採用することとしてもよい。
本変形例に係る糖分測定装置３によれば、ハーフミラーで生じる光の減衰を回避することができ、試料Ｓの屈折率および糖分濃度の測定精度を向上することができる。
【００６６】
〔第３の実施形態〕
次に、本発明の第３の実施形態について、図面を参照して説明する。本実施形態においては、前述の変形例に係る糖分測定装置３において、ラインセンサー２０および光検出器４０に代えて、２次元センサーを採用した例について説明する。以下、本実施形態の糖分測定装置４について、前述の実施形態に係る糖分測定装置２，３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。
【００６７】
本実施形態に係る糖分測定装置３は、図９に示すように、光源２５と、レンズＬ４と、導光ロッド１０と、シリンドリカルレンズＬ５と、グレーティング４１と、２次元センサー（測定部、スペクトル測定部）４２と、ＣＰＵ（算出部）３０と、モニタ３１とを備えている。
【００６８】
光源２５は、例えば中赤外線ランプであり、広帯域な波長成分を有する照明光を導光ロッド１０の入射端面１１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、光源２５からの照明光を集光するレンズＬ４が配置されている。
【００６９】
導光ロッド１０は、例えばガラス等で形成されたＵ字型のロッドであり、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出射端面１３まで導くようになっている。
【００７０】
また、導光ロッド１０は、その外側面が、屈折率の測定対象である試料Ｓに接触して配置されている。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、入射端面１１および出射端面１３を生体外に露出させた状態で、導光ロッド１０全体を生体内に挿入する。
【００７１】
導光ロッド１０の射出光軸上には、シリンドリカルレンズＬ５と、グレーティング４１とが配置されている。
シリンドリカルレンズＬ５は、導光ロッド１０の出射端面１３から射出された光を、光軸に直交する２次元方向のうち１次元方向にのみ集光するようになっている。これにより、導光ロッド１０の出射端面１３から射出された断面円形の光は、シリンドリカルレンズＬ５により、その横断面が長円形状にグレーティング４１上に集光される。
【００７２】
なお、導光ロッド１０の出射端面１３から射出された光の光束径は、試料Ｓの屈折率情報を有している。したがって、シリンドリカルレンズＬ５により長円形に集光された光の長径についても試料Ｓの屈折率情報を保持している。
【００７３】
グレーティング４１は、シリンドリカルレンズＬ５により長円形に集光された光を、その短径方向に波長帯域毎に分光して、２次元センサー４２に向けて反射するようになっている。グレーティング４１では、図９に示すように、長円形状の横断面を有する光が短径方向に波長成分毎に分解される。このように分光された光は、長径方向に屈折率情報、短径方向に波長スペクトル情報を有している。
【００７４】
２次元センサー４２は、グレーティング４１からの分光された光について、その光束径および強度を検出するようになっている。より具体的には、２次元センサー４２は、グレーティング４１からの分光された光について、長径（屈折率情報）および波長毎の強度（波長スペクトル情報）を検出するようになっている。
【００７５】
ＣＰＵ３０は、２次元センサー４２により検出された光の光束径（長径）から試料Ｓの屈折率を算出し、該屈折率および２次元センサー４２により検出された波長スペクトルから、試料Ｓの糖分濃度を多変量解析により演算するようになっている。
【００７６】
モニタ３１は、ＣＰＵ３０より算出された試料Ｓの屈折率や、２次元センサー４２により検出された波長スペクトルや、これらより演算された試料Ｓの糖分濃度等の情報を表示するようになっている。
【００７７】
上記構成を有する本実施形態に係る糖分測定装置４によれば、前述の実施形態に係る糖分測定装置２，３と同様の効果に加えて、試料Ｓの屈折率と波長スペクトルを単一のセンサーで測定できるため、装置の小型化を図ることができる。
【００７８】
〔第２の変形例〕
なお、本実施形態に係る糖分測定装置４の変形例として、図１０に示すように、Ｕ字型の導光ロッドに代えて棒状の導光ロッド１０を用いるとともに、光源２５の射出光軸と導光ロッド１０からの射出光軸との交点にハーフミラー１５を配置することとしてもよい。
本変形例に係る糖分測定装置５によれば、導光ロッド１０を小さくすることができ、血糖値測定の際の侵襲を軽減することができる。
【００７９】
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】
【００８０】
Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４ レンズ（光学系）
Ｌ５ シリンドリカルレンズ
Ｓ 試料
１ 屈折率測定装置
２，３，４，５ 糖分測定装置
１０ 導光ロッド
１１ 入射端面（第１端面）
１２ 反射端面（第２端面）
１３ 出射端面（第２端面）
１５ ハーフミラー
２０ ラインセンサー（測定部）
２５ 光源
３５ 波長調節装置（波長調節部）
３０ ＣＰＵ（算出部）
３１ モニタ
３８ 制御装置
４０ 光検出器（スペクトル測定部）
４１ グレーティング
４２ ２次元センサー（測定部、スペクトル測定部）
【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糖分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、屈折率が既知の物質と測定対象物とを光学的に接触させ、その境界面において全反射が起こる光の入射角（臨界角）を測定することで、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２００９−１６２５６１号公報
【特許文献２】特開２００５−２５７３１９号公報
【特許文献３】特開２００３−３２２６１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１から３に開示されている屈折率測定装置によれば、視野内において屈折率の境目を示す像を見つけ出し、鏡筒を動かしてこの境目を基準に合わせ、そのときの角度を基に屈折率を算出していた。このため、測定対象物の屈折率の測定に手間がかかっていた。また、その測定精度の誤差が大きいという不都合があった。
【０００５】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、容易か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糖分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】
【０００６】
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、入射させた照明光を内面反射させて端面まで導く導光ロッドと、前記導光ロッドの端面から所定位置における前記導光ロッドからの光の光束径を測定する測定部と、前記測定部により測定された光束径から前記導光ロッドからの光の拡がり角を算出し、該拡がり角に基づいて前記導光ロッドの側面に接触する試料の屈折率を算出する算出部とを備える屈折率測定装置である。
【０００７】
本発明の第１の態様によれば、屈折率を測定する試料を導光ロッドの側面に接触させた状態で、導光ロッドに入射させた照明光が、導光ロッドの内側面を反射して端面まで導かれる。そして、導光ロッドの端面から光が射出され、該端面から所定位置における光の光束径が測定部により測定される。そして、算出部により、このように測定された光束径から導光ロッドからの光の拡がり角が算出され、該拡がり角に基づいて導光ロッドの側面に接触する試料の屈折率が算出される。
【０００８】
この場合において、導光ロッドの端面から射出された光は、導光ロッドと試料との界面において複数回全反射されている。これにより、導光ロッドからの光の拡がり角の角度分布を急峻なものとすることができ、該拡がり角に基づいて算出される試料の屈折率の精度を向上させることができる。また、従来の屈折率測定装置のように、屈折率の境目を示す像を肉眼で見つけ出したり、鏡筒を動かす必要がない。すなわち、本発明の第１の態様によれば、容易かつ高精度に試料の屈折率を測定することができる。
【０００９】
上記態様において、前記算出部が、前記所定位置における光の光束半径をｈ、前記導光ロッドの端面と前記所定位置との距離をｆ１、光の拡がり角をθとした場合に、以下の式に基づいて光の拡がり角を算出することとしてもよい。
ｈ＝ｆ１×tanθ
【００１０】
このようにすることで、光の拡がり角（光の光軸となす角）を容易に算出することができ、該拡がり角に基づいて導光ロッドの側面に接触する試料の屈折率を算出することができる。
【００１１】
上記態様において、前記導光ロッドの端面に焦点位置が配置され、前記導光ロッドからの光を平行光にして前記所定位置に射出する光学系を備え、前記算出部が、前記所定位置における光の光束半径をｈ、前記光学系の焦点距離をｆ２、光の拡がり角をθとした場合に、以下の式に基づいて光の拡がり角を算出することとしてもよい。
ｈ＝ｆ２×tanθ
【００１２】
このようにすることで、光の拡がり角（光の光軸となす角）を容易に算出することができ、該拡がり角に基づいて導光ロッドの側面に接触する試料の屈折率が算出することができる。また、光学系により導光ロッドからの光を平行光にすることができるため、光束径を測定する位置（所定位置）を光軸方向において任意の位置にすることができるとともに、光束径を不要に拡げてしまうことを防止して、測定部による測定範囲を制限することができる。
【００１３】
上記態様において、前記算出部が、前記導光ロッドからの光の拡がり角から前記導光ロッド内において全反射を起こす前記試料への入射角を算出し、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：前記導光ロッド内において全反射を起こす前記試料への入射角
ｎ１：前記導光ロッドの屈折率
ｎ２：前記試料の屈折率
【００１４】
このようにすることで、導光ロッドからの光の拡がり角から、導光ロッド内において全反射を起こす試料への入射角を算出し、試料の屈折率を容易に算出することができる。
【００１５】
上記態様において、前記導光ロッドが、照明光を入射させる第１端面と、該第１端面とは他端側に配置され、内面反射して導かれてきた光を反射する第２端面とを有することとしてもよい。
【００１６】
このように構成することで、第１端面から入射した照明光を、導光ロッドの内側面により反射を繰り返して第２端面まで導くとともに、第２端面により反射して再び第１端面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る。これにより、導光ロッドからの光の拡がり角の角度分布を急峻なものとすることができ、該拡がり角に基づいて算出される試料の屈折率の精度を向上させることができる。また、導光ロッドの構造を簡易なものとすることができる。
【００１７】
上記態様において、前記導光ロッド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、導光ロッド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を算出することができ、試料の屈折率の精度を向上させることができる。
【００１８】
本発明の第２の態様は、上記の屈折率測定装置と、前記導光ロッドからの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から、前記試料の糖分濃度を多変量解析により演算する演算部とを備える糖分濃度測定装置である。
【００１９】
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を算出するとともに、スペクトル測定部により導光ロッドからの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から、演算部により試料の糖分濃度を多変量解析により演算することができる。このように試料の糖分濃度を演算することで、単純に試料の屈折率から糖分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。
【００２０】
本発明の第３の態様は、入射させた照明光を内面反射させて導光ロッドの端面まで導く導光ステップと、前記導光ロッドの端面から所定位置における前記導光ロッドからの光の光束径を測定する測定ステップと、前記測定ステップにより測定された光束径から前記導光ロッドからの光の拡がり角を算出し、該拡がり角に基づいて前記導光ロッドの側面に接触する試料の屈折率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。
【００２１】
本発明の第４の態様は、上記の屈折率測定方法と、前記導光ロッドからの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から、前記試料の糖分濃度を多変量解析により演算する演算ステップとを含む糖分濃度測定方法である。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、容易か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】
【００２３】
【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】屈折率の測定原理を説明する図である。
【図３】図１の屈折率測定装置の部分拡大図である。
【図４】導光ロッドから射出される光の角度特性についてのシミュレーション結果を示すグラフである。
【図５】導光ロッド内における全反射角を説明する図である。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る糖分濃度測定装置の全体構成図である。
【図７】図６のＣＰＵにより実行される処理を示すブロック図である。
【図８】本発明の第１の変形例に係る糖分濃度測定装置の全体構成図である。
【図９】本発明の第３の実施形態に係る糖分濃度測定装置の全体構成図である。
【図１０】本発明の第２の変形例に係る糖分濃度測定装置の全体構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
［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５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、ハーフミラー１５と、導光ロッド１０と、レンズＬ２と、ラインセンサー（測定部）２０と、ＣＰＵ（算出部）３０と、モニタ３１と、制御装置３８を備えている。
【００２５】
光源２５は、広帯域な波長成分を有する照明光をハーフミラー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とが配置されている。
【００２６】
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が搭載されている。
【００２７】
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によりフィルタホール３６を回転させることにより、光源２５からの照明光のうち所定の波長帯域の光をハーフミラー１５に向けて射出するようになっている。
【００２８】
ハーフミラー１５は、光源２５（波長調節装置３５）からの照明光の一部を導光ロッド１０の入射端面（第１端面）１１に向けて反射するとともに、導光ロッド１０からの光の一部をラインセンサー２０に向けて透過させるようになっている。
【００２９】
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（第２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内を導かれてきた光を反射するようになっている。
【００３０】
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により反射して再び入射端面１１まで導くようになっている。
【００３１】
また、導光ロッド１０は、その外側面が、屈折率の測定対象である試料Ｓに接触して配置されている。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、入射端面１１を生体外に露出させた状態で、導光ロッド１０全体を生体内に挿入する。
【００３２】
ラインセンサー２０は、導光ロッド１０の入射端面１１から所定の間隔をあけて配置されており、導光ロッド１０の入射端面１１から所定位置における導光ロッド１０からの光の光束径を測定するようになっている。
また、ハーフミラー１５とラインセンサー２０との間には、導光ロッド１０からの光を集光するレンズＬ２が設けられている。
【００３３】
ＣＰＵ３０は、ラインセンサー２０により測定された光束径から導光ロッド１０からの光の拡がり角を算出し、該拡がり角に基づいて導光ロッド１０の外側面に接触する試料Ｓの屈折率を算出するようになっている。
【００３４】
モニタ３１は、ＣＰＵ３０より算出された試料Ｓの屈折率や、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。
【００３５】
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２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）
【００３６】
上式に基づき、物質Ａの屈折率ｎ１が既知であれば、全反射角θｃを測定することにより物質Ｂの屈折率ｎ２を測定することができる。これがアッベ屈折率計の基本的な原理となっている。
【００３７】
本実施形態に係る屈折率測定装置１では、図３に示すように、導光ロッド１０に光を伝播させる場合には全反射を利用している。伝播できる光束の角度は、導光ロッド１０の屈折率ｎ１と、導光ロッド１０の外側に配置された外側媒質の屈折率ｎ２で決まる。
すなわち、導光ロッド１０の屈折率ｎ１が既知であれば、導光ロッド１０を伝播できる光束の角度を測定することにより、外側媒質の屈折率ｎ２を測定することができる。これが本実施形態に係る屈折率測定装置１による屈折率測定法の原理である。
【００３８】
上記構成を有する本実施形態に係る屈折率測定装置１によれば、光束は導光ロッド１０の内側面を何度も反射し、このことにより、光束強度の角度分布はより急峻となるため、全反射角の測定精度を向上することができる。
【００３９】
上記の効果について、シミュレーション結果を用いて以下に説明する。
図４は外側媒質の屈折率ｎ２＝１．３３，導光ロッド１０の屈折率ｎ１＝１．３８とした場合における反射率の角度特性を示したものである。横軸はラジアン（ｒａｄ）表記の角度、縦軸は反射率を示す。反射率が１になる角度が全反射角（臨界角）である。
【００４０】
図４において、ラインＧ１は一回反射のもの、ラインＧ２は１０回反射のものである。１０回反射を示すラインＧ２では、臨界角付近の傾きは急峻であり、臨界角の決定が容易になり、屈折率の測定精度が向上する。
【００４１】
以上のことより、図５に示すように、導光ロッド１０の屈折率ｎ１と外側媒質（試料Ｓ）の屈折率ｎ２で決まる全反射角θｃ以下の入射角の光束が含まれるように、導光ロッド１０への入射光束の最大角度を決める。このように入射光束の最大角を決めると、導光ロッド１０と外側媒質との界面へは全反射角以下の光と全反射角以上の光が含まれる。このうち、全反射角以上の角度で界面に入射した光が反射され、この反射光のみが導光ロッド１０内を伝播することができる。
【００４２】
ここで、導光ロッド１０の入射端面１１とは反対側の端面に反射端面１２を設けておくと、導光ロッド１０内を伝播した光は再び入射端面１１に戻ってくる。この戻り光は、導光ロッド１０と外側媒質の界面で全反射角以上の角度で入射した成分のみである。したがって、この戻り光の角度分布を測定すれば、外側媒質の屈折率を測定することができる。
【００４３】
上記構成を有する本実施形態に係る屈折率測定装置１の作用について以下に説明する。
光源２５から発せられた照明光は、波長調節装置３５で分光され、レンズＬ１でハーフミラー１５上に集光されて、入射端面１１から導光ロッド１０に導入される。導光ロッド１０のもう一方の端面は反射端面１２となっているため、導光ロッド１０内を伝播する光束は入射端面１１へ戻される。
【００４４】
レンズＬ２は、図３に示すように、その前側焦点が導光ロッド１０の入射端面１１に位置し、後ろ側焦点にラインセンサー２０が配置されている。レンズＬ２をこのような配置とすることで、導光ロッド１０からの光を平行光にしてラインセンサー２０の配置された面２１に射出することができる。これにより、ラインセンサー２０の配置された面２１上に、導光ロッド１０からの光の角度情報が現れる。
【００４５】
具体的には、図３に示すように、面２１上において光の光軸中心からの距離をｈ、レンズＬ２の焦点距離をｆ２、光の光軸となす角度（光の拡がり角）をθとすると、以下の式に表わす関係が成り立つ。
ｈ＝ｆ２×tanθ
【００４６】
ラインセンサー２０により光軸中心からの距離ｈを測定し、上記の式に代入することで、光の拡がり角θを算出することができる。このようにラインセンサー１０で戻り光の最大角度を測定することにより、導光ロッド１０内での全反射角を知ることができ、外側媒質（試料Ｓ）の屈折率を測定することができる。
【００４７】
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、屈折率を測定する試料Ｓを導光ロッド１０の側面に接触させた状態で、導光ロッド１０の入射端面１１に入射させた照明光が、導光ロッド１０の内側面および反射端面１２により反射されて入射端面１１まで再び導かれる。そして、導光ロッド１０の入射端面１１から光が射出され、入射端面１１から所定位置における光の光束径が、ラインセンサー２０により測定される。そして、ＣＰＵ３０により、このように測定された光束径から、導光ロッド１０からの光の拡がり角が算出され、該拡がり角に基づいて導光ロッド１０の側面に接触する試料Ｓの屈折率が算出される。
【００４８】
この場合において、導光ロッド１０の端面から射出された光は、導光ロッド１０と試料Ｓとの界面において複数回全反射されている。これにより、導光ロッド１０からの光の拡がり角の角度分布を急峻なものとすることができ、拡がり角に基づいて算出される試料Ｓの屈折率の精度を向上させることができる。また、従来の屈折率測定装置のように、屈折率の境目を示す像を肉眼で見つけ出したり、鏡筒を動かす必要がない。すなわち、本実施形態に係る屈折率測定装置１によれば、容易かつ高精度に試料Ｓの屈折率を測定することができる。
【００４９】
また、レンズＬ２により導光ロッド１０からの光を平行光にすることができるため、光束径を測定する位置（所定位置）を光軸方向において任意の位置にすることができる。また、光束径を不要に拡げてしまうことを防止して、ラインセンサー２０の測定範囲を制限することができる。
【００５０】
また、導光ロッド１０が入射端面１１の他端側に反射端面１２とを有することで、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る。これにより、導光ロッド１０からの光の拡がり角の角度分布を急峻なものとすることができ、拡がり角に基づいて算出される試料Ｓの屈折率の精度を向上させることができる。また、導光ロッド１０の構造を簡易なものとすることができる。
【００５１】
また、導光ロッド１０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調節しながら、波長毎の試料Ｓの屈折率を算出することができ、試料Ｓの屈折率の精度を向上させることができる。
【００５２】
なお、本実施形態に係る屈折率測定装置１において、レンズＬ２を設けずに、以下の式に基づいて光の拡がり角（光の光軸となす角）を算出することとしてもよい。
ｈ＝ｆ１×tanθ
ここで、ｈは所定位置（図３の面２１）における光の光束半径、ｆ１は導光ロッド１０の入射端面１１と所定位置（図３の面２１）との距離、θは光の拡がり角である。
【００５３】
このようにすることで、レンズＬ２を設けることなく、光の拡がり角を容易に算出することができ、該拡がり角に基づいて導光ロッド１０の側面に接触する試料Ｓの屈折率が算出することができる。
【００５４】
なお、外側媒質の屈折率の範囲が既知の場合、その範囲の測定ができるだけの小さなラインセンサー２０を用いることができる。これにより、装置の小型化を図ることができる。
また、導光ロッド１０はその一部が試料Ｓに接していれば良く、大気中に突出している部分があってもよい。
【００５５】
〔第２の実施形態〕
次に、本発明の第２の実施形態について、図面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糖分測定装置に適用した例について説明する。以下、本実施形態の糖分測定装置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。
【００５６】
本実施形態に係る糖分測定装置２は、図６に示すように、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、一部がラインセンサー２０を通過してきた導光ロッド１０からの光を集光するレンズＬ３と、レンズＬ３により集光された光を検出する光検出器（スペクトル測定部）４０とを備えている。
【００５７】
光検出器４０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内を内面反射して入射端面１１から射出された光の強度を検出するようになっている。これにより、試料Ｓの吸収スペクトルを測定するようになっている。
【００５８】
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。
【００５９】
上記構成を有する本実施形態に係る糖分測定装置２によれば、単一の導光ロッド１０で外側媒質の屈折率とスペクトルの両方を測定することができる。
なお、ラインセンサー２０は導光ロッド１０からの光の一部を遮蔽するが、大部分の光はラインセンサー２０以外の部分を透過するため、スペクトル測定への影響は少ない。
【００６０】
本実施形態に係る糖分測定装置２において、ＣＰＵ（算出部、演算部）３０は、光検出器４０により測定された吸収スペクトルおよびラインセンサー２０により測定された光束径から算出された試料Ｓの屈折率から、試料Ｓの糖分濃度を多変量解析により演算するようになっている。
【００６１】
上記演算における情報処理の流れは図７に示すようになる。本実施形態に係る糖分測定装置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。
【００６２】
以上のように、本実施形態に係る糖分測定装置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の屈折率を算出するとともに、光検出器４０により導光ロッド１０からの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の屈折率から、ＣＰＵ３０により試料Ｓの糖分濃度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の糖分濃度を演算することで、単純に試料Ｓの屈折率から糖分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。
【００６３】
また、本実施形態に係る糖分測定装置２には可動部が無いため、安定した糖分測定が可能である。
また、測定対象の溶媒及び溶質の屈折率と濃度の変動幅が限定されている場合、導光ロッド１０の屈折率を最適化してラインセンサー２０上の光束径の変化を最大化することにより、屈折率の測定精度を高めることができる。
【００６４】
また、導光ロッド１０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。
【００６５】
［第１の変形例］
なお、本実施形態に係る糖分測定装置２の変形例として、図８に示すように、Ｕ字型の導光ロッド１０を用いるとともに、図６のハーフミラー１５に代えて、全反射ミラー１６を採用することとしてもよい。
本変形例に係る糖分測定装置３によれば、ハーフミラーで生じる光の減衰を回避することができ、試料Ｓの屈折率および糖分濃度の測定精度を向上することができる。
【００６６】
〔第３の実施形態〕
次に、本発明の第３の実施形態について、図面を参照して説明する。本実施形態においては、前述の変形例に係る糖分測定装置３において、ラインセンサー２０および光検出器４０に代えて、２次元センサーを採用した例について説明する。以下、本実施形態の糖分測定装置４について、前述の実施形態に係る糖分測定装置２，３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。
【００６７】
本実施形態に係る糖分測定装置３は、図９に示すように、光源２５と、レンズＬ４と、導光ロッド１０と、シリンドリカルレンズＬ５と、グレーティング４１と、２次元センサー（測定部、スペクトル測定部）４２と、ＣＰＵ（算出部）３０と、モニタ３１とを備えている。
【００６８】
光源２５は、例えば中赤外線ランプであり、広帯域な波長成分を有する照明光を導光ロッド１０の入射端面１１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、光源２５からの照明光を集光するレンズＬ４が配置されている。
【００６９】
導光ロッド１０は、例えばガラス等で形成されたＵ字型のロッドであり、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出射端面１３まで導くようになっている。
【００７０】
また、導光ロッド１０は、その外側面が、屈折率の測定対象である試料Ｓに接触して配置されている。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、入射端面１１および出射端面１３を生体外に露出させた状態で、導光ロッド１０全体を生体内に挿入する。
【００７１】
導光ロッド１０の射出光軸上には、シリンドリカルレンズＬ５と、グレーティング４１とが配置されている。
シリンドリカルレンズＬ５は、導光ロッド１０の出射端面１３から射出された光を、光軸に直交する２次元方向のうち１次元方向にのみ集光するようになっている。これにより、導光ロッド１０の出射端面１３から射出された断面円形の光は、シリンドリカルレンズＬ５により、その横断面が長円形状にグレーティング４１上に集光される。
【００７２】
なお、導光ロッド１０の出射端面１３から射出された光の光束径は、試料Ｓの屈折率情報を有している。したがって、シリンドリカルレンズＬ５により長円形に集光された光の長径についても試料Ｓの屈折率情報を保持している。
【００７３】
グレーティング４１は、シリンドリカルレンズＬ５により長円形に集光された光を、その短径方向に波長帯域毎に分光して、２次元センサー４２に向けて反射するようになっている。グレーティング４１では、図９に示すように、長円形状の横断面を有する光が短径方向に波長成分毎に分解される。このように分光された光は、長径方向に屈折率情報、短径方向に波長スペクトル情報を有している。
【００７４】
２次元センサー４２は、グレーティング４１からの分光された光について、その光束径および強度を検出するようになっている。より具体的には、２次元センサー４２は、グレーティング４１からの分光された光について、長径（屈折率情報）および波長毎の強度（波長スペクトル情報）を検出するようになっている。
【００７５】
ＣＰＵ３０は、２次元センサー４２により検出された光の光束径（長径）から試料Ｓの屈折率を算出し、該屈折率および２次元センサー４２により検出された波長スペクトルから、試料Ｓの糖分濃度を多変量解析により演算するようになっている。
【００７６】
モニタ３１は、ＣＰＵ３０より算出された試料Ｓの屈折率や、２次元センサー４２により検出された波長スペクトルや、これらより演算された試料Ｓの糖分濃度等の情報を表示するようになっている。
【００７７】
上記構成を有する本実施形態に係る糖分測定装置４によれば、前述の実施形態に係る糖分測定装置２，３と同様の効果に加えて、試料Ｓの屈折率と波長スペクトルを単一のセンサーで測定できるため、装置の小型化を図ることができる。
【００７８】
〔第２の変形例〕
なお、本実施形態に係る糖分測定装置４の変形例として、図１０に示すように、Ｕ字型の導光ロッドに代えて棒状の導光ロッド１０を用いるとともに、光源２５の射出光軸と導光ロッド１０からの射出光軸との交点にハーフミラー１５を配置することとしてもよい。
本変形例に係る糖分測定装置５によれば、導光ロッド１０を小さくすることができ、血糖値測定の際の侵襲を軽減することができる。
【００７９】
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】
【００８０】
Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４ レンズ（光学系）
Ｌ５ シリンドリカルレンズ
Ｓ 試料
１ 屈折率測定装置
２，３，４，５ 糖分測定装置
１０ 導光ロッド
１１ 入射端面（第１端面）
１２ 反射端面（第２端面）
１３ 出射端面（第２端面）
１５ ハーフミラー
２０ ラインセンサー（測定部）
２５ 光源
３５ 波長調節装置（波長調節部）
３０ ＣＰＵ（算出部）
３１ モニタ
３８ 制御装置
４０ 光検出器（スペクトル測定部）
４１ グレーティング
４２ ２次元センサー（測定部、スペクトル測定部）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射させた照明光を内面反射させて端面まで導く導光ロッドと、
前記導光ロッドの端面から所定位置における前記導光ロッドからの光の光束径を測定する測定部と、
前記測定部により測定された光束径から前記導光ロッドからの光の拡がり角を算出し、該拡がり角に基づいて前記導光ロッドの側面に接触する試料の屈折率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、前記所定位置における光の光束半径をｈ、前記導光ロッドの端面と前記所定位置との距離をｆ１、光の拡がり角をθとした場合に、以下の式に基づいて光の拡がり角を算出する請求項１に記載の屈折率測定装置。
ｈ＝ｆ１×tanθ
【請求項３】
前記導光ロッドの端面に焦点位置が配置され、前記導光ロッドからの光を平行光にして前記所定位置に射出する光学系を備え、
前記算出部が、前記所定位置における光の光束半径をｈ、前記光学系の焦点距離をｆ２、光の拡がり角をθとした場合に、以下の式に基づいて光の拡がり角を算出する請求項１に記載の屈折率測定装置。
ｈ＝ｆ２×tanθ
【請求項４】
前記算出部が、前記導光ロッドからの光の拡がり角から前記導光ロッド内において全反射を起こす前記試料への入射角を算出し、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２または３に記載の屈折率測定装置。
θｃ＝arcsin（ｎ２／ｎ１）
ここで、
θｃ：前記導光ロッド内において全反射を起こす前記試料への入射角
ｎ１：前記導光ロッドの屈折率
ｎ２：前記試料の屈折率
【請求項５】
前記導光ロッドが、照明光を入射させる第１端面と、該第１端面とは他端側に配置され、内面反射して導かれてきた光を反射する第２端面とを有する請求項１に記載の屈折率測定装置。
【請求項６】
前記導光ロッド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、
前記導光ロッドからの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から、前記試料の糖分濃度を多変量解析により演算する演算部とを備える糖分濃度測定装置。
【請求項８】
入射させた照明光を内面反射させて導光ロッドの端面まで導く導光ステップと、
前記導光ロッドの端面から所定位置における前記導光ロッドからの光の光束径を測定する測定ステップと、
前記測定ステップにより測定された光束径から前記導光ロッドからの光の拡がり角を算出し、該拡がり角に基づいて前記導光ロッドの側面に接触する試料の屈折率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、
前記導光ロッドからの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から、前記試料の糖分濃度を多変量解析により演算する演算ステップとを含む糖分濃度測定方法。
【請求項１】
入射させた照明光を内面反射させて端面まで導く導光ロッドと、
前記導光ロッドの端面から所定位置における前記導光ロッドからの光の光束径を測定する測定部と、
前記測定部により測定された光束径から前記導光ロッドからの光の拡がり角を算出し、該拡がり角に基づいて前記導光ロッドの側面に接触する試料の屈折率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、前記所定位置における光の光束半径をｈ、前記導光ロッドの端面と前記所定位置との距離をｆ１、光の拡がり角をθとした場合に、以下の式に基づいて光の拡がり角を算出する請求項１に記載の屈折率測定装置。
ｈ＝ｆ１×tanθ
【請求項３】
前記導光ロッドの端面に焦点位置が配置され、前記導光ロッドからの光を平行光にして前記所定位置に射出する光学系を備え、
前記算出部が、前記所定位置における光の光束半径をｈ、前記光学系の焦点距離をｆ２、光の拡がり角をθとした場合に、以下の式に基づいて光の拡がり角を算出する請求項１に記載の屈折率測定装置。
ｈ＝ｆ２×tanθ
【請求項４】
前記算出部が、前記導光ロッドからの光の拡がり角から前記導光ロッド内において全反射を起こす前記試料への入射角を算出し、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２または３に記載の屈折率測定装置。
θｃ＝arcsin（ｎ２／ｎ１）
ここで、
θｃ：前記導光ロッド内において全反射を起こす前記試料への入射角
ｎ１：前記導光ロッドの屈折率
ｎ２：前記試料の屈折率
【請求項５】
前記導光ロッドが、照明光を入射させる第１端面と、該第１端面とは他端側に配置され、内面反射して導かれてきた光を反射する第２端面とを有する請求項１に記載の屈折率測定装置。
【請求項６】
前記導光ロッド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、
前記導光ロッドからの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から、前記試料の糖分濃度を多変量解析により演算する演算部とを備える糖分濃度測定装置。
【請求項８】
入射させた照明光を内面反射させて導光ロッドの端面まで導く導光ステップと、
前記導光ロッドの端面から所定位置における前記導光ロッドからの光の光束径を測定する測定ステップと、
前記測定ステップにより測定された光束径から前記導光ロッドからの光の拡がり角を算出し、該拡がり角に基づいて前記導光ロッドの側面に接触する試料の屈折率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、
前記導光ロッドからの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から、前記試料の糖分濃度を多変量解析により演算する演算ステップとを含む糖分濃度測定方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１３−６８４６１（Ｐ２０１３−６８４６１Ａ）
【公開日】平成２５年４月１８日（２０１３．４．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２０５９１３（Ｐ２０１１−２０５９１３）
【出願日】平成２３年９月２１日（２０１１．９．２１）
【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４月１８日（２０１３．４．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月２１日（２０１１．９．２１）
【出願人】（００００００３７６）オリンパス株式会社 (11,466)
【Ｆターム（参考）】
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