(57)【要約】【課題】物質内部が不均一な領域に分かれている不均一物質であっても、その各領域を理論的に正確に分析することが可能な不均一物質の光分析方法を提供する。【解決手段】複数の構成物質の混合体である被検物質体に波長を選択して測定光を照射し得る光源装置と、入射光とこれらの透過光及びまたは反射光を測定できる検出器とを備え、前記検出器で測定された測定光量に基づいて、ｔを空気と界面との界面を通過するときの実効透過率としたときに、所定の式によって媒介変数ρとλを求める手順１と、必要に応じ複数の波長で測定してそれぞれの測定値から前記式によりρとλを求めると共に、構成物質のそれぞれの吸収係数と散乱係数からなる光学特性係数を決定して成分を同定し、前記各構成物質の成分濃度を求める手順２とを備えることを特徴とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の構成物質の混合体である被検物質体に波長を選択して測定光を照射し得る光源装置と、入射光とこれらの透過光及びまたは反射光を測定できる検出器とを備え、
前記検出器で測定された測定光量に基づいて、ｔを空気と界面との界面を通過するときの実効透過率としたときに、数１によって媒介変数ρとλを求める手順１と、
必要に応じ複数の波長で測定してそれぞれの測定値から前記数１によりρとλを求めると共に、構成物質のそれぞれの吸収係数と散乱係数からなる光学特性係数を決定して成分を同定し、前記各構成物質の成分濃度を求める手順２と、
を備えることを特徴とする不均一物質の光分析方法。
【数１】
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【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物質内部が不均一な領域に分かれていて、それぞれ異なる成分構成を持つ領域からなる不均一物質の、各領域の成分構成を定量的または定性的に分析可能な不均一物質の光分析方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば生体物質について考えてみると、複雑な組織器官を含み、決して光学的に一様な物質ではない。従来、このように不均一領域が混在している不均一物質を分析（解析）する場合、単一で均一組成の物質と同様な式を用いて分析している。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、単一で均一組成の物質と同様な式を用いて不均一物質を分析した場合、不均一物質の内部の散乱により各領域間の光のやり取りが異なっていると、内部を通過する光は、一様な減衰ないし散乱を受けるような単純な光分布を示さない。そのため、現実に内部の各領域間の相互散乱による特別な光分布を考慮することが必要である。しかし、あまりにも状況が複雑なので、取り扱うことができず、このような困難な事情は無視されてきた。結果として、誤った分析結果に甘んじているのが実情である。しかも、不均一物質を光学的に分析するための分析方法に関する文献は存在しないのである。
【０００４】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、その目的は、物質内部が不均一な領域に分かれている不均一物質であっても、その各領域を理論的に正確に分析することが可能な不均一物質の光分析方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
かかる課題を解決すべく、本発明のうち請求項１に記載の発明は、複数の構成物質の混合体である被検物質体に波長を選択して測定光を照射し得る光源装置と、入射光とこれらの透過光及びまたは反射光を測定できる検出器とを備え、前記検出器で測定された測定光量に基づいて、ｔを外界媒質例えば空気と界面との界面を通過するときの実効透過率としたときに、下記数１によって媒介変数ρとλを求める手順１と、必要に応じ複数の波長で測定してそれぞれの測定値から前記数１によりρとλを求めると共に、構成物質のそれぞれの吸収係数と散乱係数からなる光学特性係数を決定して成分を同定し、前記各構成物質の成分濃度を求める手順２と、を備えることを特徴とする。
【０００６】
【数１】
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【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、手順１で数１により媒介係数ρとλを求め、さらに手順２により決定した光学系係数で複数の構成物質の各物質の成分濃度を求めるため、物質内部が不均一な領域に分かれている不均一物質であっても、その各領域を理論的に正確に分析することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】物質の第１領域ｘと第２領域ｙの関係を模式的に示す図
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明を実施するための最良の形態について詳細に説明する。
本発明に係わる光分析方法を実施可能な分析装置は、必要により適切な波長を選択して被検物質体に照射可能な光源装置と、該光源装置から照射された光の入射光、これらの透過光及び又は散乱光を測定できる検出器を備えている。なお、前記反射光の投光及び受光については、光源装置（投光器）要素と受光器（検出器）要素とを複数個隣接させて束ねて使用することが好ましい。
【００１０】
光を用いて物質の成分を分析することは、対象物に損傷を与えることなく物質内部を検査できるので、有用な検査方法である。この光分析方法には、種々の方法があるが、本件特許は、前記光源装置から光を照射し、その反射光、透過光を前記検出器で測定し、これらの数値から後述する全く新規な数式１を使用して内部の成分濃度を定性的、及び定量的に決定するものである。
【００１１】
そして、この目的のためには、物質の特性的な吸収係数と散乱係数とが、使用する波長範囲の各スペクトルデータとして判っていれば、測定値と比較することで内部の物質の濃度を決定ないし同定又は定量分析が可能となる。
【００１２】
しかし、一般の物質は必ずしも単一の組成成分から成り立っているわけではなく、複数の異なる成分ないし領域や部分から成り立っていることが多い。特に、媒質中では光は散乱されて他の不均質領域部分にも入り込み、それぞれの領域において異なる吸収係数、散乱係数に支配される。すなわち、不均一物質では、散乱によって光は流れの方向を変えて他の成分領域に散乱され、またそこから散乱されて元に戻るものもあるため、被検物質体の中での光分布は決して一様に流れているわけではない。それぞれの成分の物質特性に応じて散乱されたり吸収されたりするので、結果として光分布は対象物質内部で再分布を起こし、不均一な流れになる。
【００１３】
また、出力光は複雑な相互多重散乱の影響を混成したものとなるため、物質内部での光分布は、それぞれ特殊な再分布の形をとる。それにもかかわらず、従来は単一成分と同様に考え、単純な単一物質の吸収と散乱の式だけに当てはめようとすると、何を測っているのか判らなくなり、分析は不可能となる。
【００１４】
前記不均一状態とは、複数の異物質が被検物質体中で別々の領域を占め、それらが混合した状態をさす。いわゆる混合物で一様でない組成や組織を持っている物質は全てこの範疇に入る。粉体、粒状物などは、その物質粒と空気の混合物であり、食品は、種々の組織物質と水分との混合物である。植物や動物の生態内には、種々の組織器官があるので不均一物質である。
【００１５】
例えば、大気中の雲や霞は、波長の短い光に対しては混合物として挙動するが、波長の長い電波に対しては一様物質と考えて良い。これから判るように、光の平均自由行程が当該領域の大きさと比べて十分に長ければ、平均された一様物質とみなしても良いが、そうでなければ、複数物質の領域のそれぞれのサイズが無視できず、不均一物質というべきである。光の平均自由行程に比べて各領域の大きさが小さくない場合は、すべて本発明の適用範囲ではあるが、この大きさとは、吸収散乱係数によって異なり一定でなく、またそれらに反比例するので、場合によっては異なり複雑である。
【００１６】
従来、こう言う場合に対処できる測定方法は存在しなかった。この分析についての過去の基本的な理論は、全て媒質が均一であることを前提としたものであり、媒質が不均一の場合はその理論の困難性のゆえに全く試みられたことがない。散乱効果の研究はあっても、複数成分領域が不均一に混在しているときに、各成分を分離して算出できる理論を建てることは困難で、公知文献的には全く前例がなかった。ただ数値計算的には、具体的な構造や物質を配置して一々シュミレーションするような、いわゆるモンテカルロ法と言われるような数値解しかできなかったのである。これは内部の物質領域構造が判っていなければできないことであって、自己矛盾であり一般的な分析にはならない。
【００１７】
不均一物質では、光散乱による再分配が起こり、各構成部分の内部の光分布が乱されてしまっているため、外部から出射光を測定するだけでは、平均的な量が判るだけで、各構成成分の光量が実質的には変化し、各成分の性質が他の部分によって影響を受け、光は単一物質の場合とは違った挙動をするので、内部物質成分が何であるのか決定できなくなる。本発明は、不均一媒質でも、それぞれの各個の内部構成成分の性質を分離して定量的に求める画期的な手法を提供するものである。
【００１８】
ここで、本発明にかかわる光分析方法の具体例について説明する。被検物質体（試片）は、好ましくは、その上下を平行平面で囲まれた板状であるとする。ただし、後述するように外形形状には厳密な要求はない。以下では被検物質体中の各物質の不均一混合領域における分布状態は、ランダムであり、特に場所によってムラなどなく、その意味では「一様」に不均一であると考える。
【００１９】
照射光は、単一波長でインコヒーレントであるとする。これを被検物質体の平面に対して上方から垂直に照射することにより背面から透過光を受ける。また、被検物質体と同じ上面の垂直方向から反射光を受ける。被検物質体中の散乱は、簡単のために等方性散乱であるとする。つまり、被検物質体は特別な結晶異方性ないし偏光性を持たないとする。この仮定は、もし等方性散乱が強いならば、散乱によって偏光性が抑制されるので、必ずしも必要ではなくなるからである。
【００２０】
もし、被検物質体の厚さが大きくて透過光を得られない場合には、同一入射表面上で、光入射点より横方向にずれた点をおいて反射光を測定し、これを等価的な透過光とみすことができる。入射した光は、散乱によって逆行して元の入射表面に戻る成分が発生するが、そのとき、その軌跡はバナナ状（ないしヘアピン状）になるので、このバナナの沿長を等価的に透過光の軌跡長に換算すれば良い。この補正係数は、本発明の最も適切な適用例である人体においてのモンテカルロ・ショミレーションによれば、入射点と出射点との直線距離の１．０５倍程度と見なせば良いことか判っている。これらの軌跡は、入射点から出射（反射）点に直行する成分は、外部の損失のためほとんど存在せず、また内部では、長距離を走るほど光量が減るので、結果としてそれらの中間的な状況であるバナナ状の軌跡が優勢になるからである。本発明が適用されるような、平均自由行程と組織領域のサイズとが著しくかけ離れていない限り、通常の物質の場合ならこの補正係数は１．１５を超えることはない。
【００２１】
以下に、２種類の物質の混合状態を扱う。もし３種類以上あるときは、求めたい第１種と他の種類と２種類に分けて擬似的に２種とみなして次々に未知数を分離して扱えば良い。ただしこの場合は、纏められた第２番目の物質種の物性は未知の物質に相当するから、未知数が増える場合がある。したがって後述のように、測定すべき実験数を増やして、連立方程式の数を増やして解く必要がある。
【００２２】
光の流れのモデルとしては、図１に示すようにｚ方向から物質に照射する一様な光により被検物質体内部での定常的な光の流れを考える。ｘ、ｙを２種類の物質領域の名称およびそれぞれ内部に存在する光量とし、添字ｆ、ｂをそれぞれ順方向、逆方向への光とする。また、ａ、ｓをそれぞれ各物質の特性吸収係数、散乱係数とする。Ｘをｘ領域のから散乱された光が元の領域内ないし他のｘ領域に到達して終端する光とする。すなわちｙ領域に終端するものは１−Ｘとなる。Ｙについても同様に定義する。
【００２３】
したがって、Ｘ＋Ｙ＝１の関係が成立する。このｘ、ｙとＸ、Ｙの関係が図１に示されている。これらの定義を用い、ｚ方向に流れる定常的な流れについて、次式（数２）が得られる。
【００２４】
【数２】
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【００２５】
ここで、１／２の係数は、ｄｚ方向に対して垂直方向成分を持って散乱される部分を纏めて積分平均することから生じる。上式を解き、また、次式（数３）を定義する。
【００２６】
【数３】
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【００２７】
以上の式から若干の計算をすると、以下のような実用計算式が導かれる。
１．分析に使用されるべき測定光量は３種類であって、それぞれ照射光量をＩ、透過光量をＴ、反射光量をＲとする。しかし、計算で取り扱った量は物質内部における値なので、外部で測れる量すなわち入射光Ｉ０、透過光Ｔ０、反射光Ｒ０とは物質界面を通過する際の屈折率差に起因する損失分だけ異なる。これを考慮する際には、界面通過率をｔとすると、一方を空気、物質の平均屈折率をｎ（ただしｎ＞１）とし、次式（数４）が得られる。
【００２８】
【数４】
2010266377.tif 000006
【００２９】
このｔを含めて計算する場合には、測定値から次式（数５）の量を換算する。
【００３０】
【数５】
2010266377.tif 000007
【００３１】
また、ｔ＝１と仮定できるときには、上記と等価の次式（数６）の簡略式でも良い。
【００３２】
【数６】
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【００３３】
上記の式を解いてρとλとを決定することができる。ｔには想定される値を代入し、結果によって順次修正した値を使用すれば良い。以下では、こうして決定したρ及びλを使って、各成分のａ、ｘまた濃度ｃを求める手順について説明する。
【００３４】
２．分析せんとする対象が２成分系であるときの例として、ｘ、ｙをそれぞれの成分を表す添字とし、ｃをその中のそれぞれの成分濃度とする。さらに、これから次の方法でａとｓあるいは各成分濃度などを求めるには次のようにする。
【００３５】
一般に、Ａ、Ｘを想定する成分要素物資の特性吸収係数、散乱係数とする。これらは単位濃度あたりの特性値として、また波長の関数として、データハンドブックなどの文献に記載されている特性物質係数である。すなわち測定される吸収係数と散乱係数とは、それぞれがＡ、Ｓと濃度ｃを介して比例関係にあり、次式で表される。以後の計算は代数計算なので、必要により適当に処理することができ、手段は公知である。以下に示すものはそのうちの若干の例示である。
ｃｘ＝ａｘ／Ａｘ＝ｓｘ／Ｓｘ
ｃｙ＝ａｙ／Ａｙ＝ｓｙ／Ｓy
【００３６】
さらに、次式に計算により求められたρとλを代入すれば、ｃｘ、ｃｙが求められる。
２ρ２＝ｃｘ２Ｘｘ２＋（ｃｘ２Ｘ）ＡｘＸ＋ｃｙ２Ａｙ２＋（ｃｙ２Ｙ）ＡｙＳｙ
未知数がｃｘ、ｃｙ、ｃｘ２Ｘ、ｃｙ２Ｙの４個と看做せば、４個の波長を選んでの測定を繰り返し、その結果から４個の方程式を決めることができる。また、
Ｉ／λ＝ｃｘＡｘ＋（ｃｘＸ）Ｓｘ＋ｃｙＡｙ＋（ｃｙＹ）Ｓｙ
ならば、未知数はｃｘ、ｃｙ、ｃｘＸ、ｘｙＹの４個である。
前述した測定波長としては、想定される物質の特性スペクトルがピークを示すような、特異点の波長を選ぶことが重要である。
【００３７】
前記の連立方程式は、線形なので容易に解くことができ、以下同様にして、それぞれ必要な量を組み合わせて解を求めることができる。簡単な例として、もし全てのＳが等しく、Ｓｘ＝Ｓｙ＝Ｓならば、必要な測定波長は３個となり、以下のように簡単になる。この場合、未知数は、（ｃｘ、ｃｙ、Ｘ）の３個であり、３個の波長について測定すれば、連立方程式が得られる。例えば、濃度は、次式（数７）で表現される。添字はそれぞれの波長で、添字１、２、３は、３種の波長を示す。
【００３８】
【数７】
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【００３９】
同様にして代数計算で他の量も求められる。この例のように、各物質の特徴や場合などによって適当に式を立てて解けば良い。それらの簡便方法が見つからなければ、未知数の数だけ波長を変えて測定を繰り返しデータを集めれば、それらの連立方程式は線形代数の範囲内で必ず解けることは自明である。
【００４０】
もちろん、Ｘ、Ｙの情報が既知ならばそれを使用しても良いし、上記の比例関係に限らず、必要な連立方程式の数が足りれば、任意の未知数を求めることができる。また、背景雑音ないし混入光があるときは、その背景量としては、予め測った実験値、または理論的に予測される量、あるいは既知法則に従う量を決め、測定信号から差し引くことは、計算上は未知数が増えた場合と等価として処理することができる。
【００４１】
また、生体物質においては、皮膚組織などの表面層が存在することがある。このようなときには上皮層の特性係数は一般的に既知なので、それらをあらかじめ計算により除外しておき、内部だけ取り扱うのがよい。さもないときには、該上皮層と求めた内部との中間の界面で連立方程式を接続すれば良い。要すれば最小二乗法を用いる。
【００４２】
このように本発明にかかわる光分析方法によれば、不均一物質であっても代数計算で分析を進めることが可能であるというすぐれた特徴がある。具体的には、数１により媒介係数ρとλを求める手順と、光学系係数と各物質の成分濃度を決定する手順とにより、物質内部が不均一な領域に分かれている不均一物質であっても、その各領域を理論的に正確に分離して抽出し分析することが可能となる。その結果、従来全く手段がなかった不均一複合混合物質、例えば生体物質の非侵襲的な分析のために、光学的に分析する手法を始めて提供することができ、産業技術応用上極めて有用な発明である。
【００４３】
なお、前記数１により誘導され得る（すなわち数１と数学的に等価な）数式は、もともと前記数２により直接に導かれるものなので、当然に数１と等しいことは明白である。このことは、数６から数７に至るすべての数式についても同様であって、おのおのから数学的に誘導される数式は、すべて数１と数３とから直接の演算される結果と同等であるから、それぞれもとの式とに数学的に等価である。そのような表現式を使用する方法も本発明に含まれるものとする。また、以上述べた代数計算は、十分に速く計算できるので、いったん目的の成分を示すスペクトルを決めれば、この光量を時間的に追跡することが可能である。例えば特定の生体物質などが時間的に変化してゆく様子を監視追跡してゆくこともできる。このような時間的な分析も当然に本発明に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明は、生体物質などに限らず、全ての不均一物質の光分析に利用できる。
【符号の説明】
【００４５】
ｘ・・・物質領域、Ｘ・・・ｘ領域からの散乱光がｘに終端する確率、ｙ・・・物質領域、Ｙ・・・ｙ領域からの散乱光がｙに終端する確率。
【図１】
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