(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
赤外から近赤外の領域の光を発生する光源部と、赤外から近赤外の領域に感度をもつ光検出器を備えた光検出部と、前記光源部からの光を光散乱性の測定対象物表面に導いて照射し、その測定対象物表面の他の位置から発生した散乱反射光を受光し、前記光検出部に導く光ファイバ導光路と、前記光検出部の検出信号から前記測定対象物内の物性値を求める信号処理装置とを備えた光学測定装置において、
前記光ファイバ導光路は、一端面において中心に配置された投光用光ファイバ、その投光用光ファイバの周囲でその光ファイバを中心とする第１の円のほぼ円周上に配置された第１の受光用光ファイバ群、及び投光用光ファイバを中心とする同心円で、第１の円よりも半径の大きい第２の円のほぼ円周上に配置された第２の受光用光ファイバ群を含んで単位バンドルとしたものが、それらの端面が同一平面内にくるように複数個束ねられ、他端面側において各単位バンドルの投光用光ファイバが１つに束ねられて前記光源部に導かれ、各単位バンドルの第１の受光用光ファイバ群と第２の受光用光ファイバ群はそれぞれで束ねられて前記光検出部に導かれているものであり、
前記光検出部は、第１の受光用光ファイバ群と第２の受光用光ファイバ群により導かれたそれぞれの光を別々の信号として受光するものであることを特徴とする光散乱体の光学測定装置。
【請求項２】
第１の受光用光ファイバ群及び第２の受光用光ファイバ群はそれぞれ一重に配置されている請求項１に記載の光散乱体の光学測定装置。
【請求項３】
投光用光ファイバから第１の受光用光ファイバ群までの距離と、第１の受光用光ファイバ群から第２の受光用光ファイバ群までの距離とが異なっている請求項１又は２に記載の光散乱体の光学測定装置。
【請求項４】
投光用光ファイバ、第１の受光用光ファイバ群、及び第２の受光用光ファイバ群の間で光ファイバ径が均一ではない請求項１又は２に記載の光散乱体の光学測定装置。
【請求項５】
第１の受光用光ファイバ群よりも第２の受光用光ファイバ群の方が光ファイバの数が多くなっている請求項１又は２に記載の光散乱体の光学測定装置。
【請求項６】
前記信号処理装置は、前記光検出部において第１と第２の受光用光ファイバ群により導かれたそれぞれの光の一方の検出強度Ｅ１と他方の検出強度Ｅ２との比率Ｅ１／Ｅ２、又はその吸光度変換値  −ｌｏｇ（Ｅ２／Ｅ１）  もしくは  −ｌｏｇＥ２／ｌｏｇＥ１  を光学測定値として算出し、別途求めたそれらの光学測定値と物性値との回帰式から測定対象物の物性値を求めるものである請求項１から５のいずれかに記載の光散乱体の光学測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光を用いて散乱体中の物性値を測定する装置に関するものである。測定対象となる散乱体としては、粉体、牛乳や血液などの不透明溶液、果実などの食品、人体などがあり、粉体には製薬原料、コーンスターチや小麦粉などの加工食品原料、セラミック等の工業用加工原料などがある。測定しようとする物性値は水分量や、蛋白濃度などの成分濃度である。
【０００２】
【従来の技術】
散乱体中の物性値を測定する方法としては、被測定物質の表面から光を照射し、その被測定物質中で散乱し反射した光を測定対象物の表面上の別の点で受光し、その受光データに基づいて物性値を測定することが行なわれている。例えば、測定対象物に光を投光する投光端と、投光端の近くで散乱反射光を受光する第１の受光端と、測定対象物の深い部分での物性値を測定するために投光端から離れた位置で散乱反射光を受光する第２の受光端とを備えた装置が提案されている（特公昭６１−１１６１４号公報参照）。
【０００３】
測定精度を高めるために、透過体の場合には測定対象のないブランク状態での測定を行ない、散乱体の場合には基準となる散乱試料を用いて基準となるスペクトルを測定することが行なわれている。上に挙げた引用例の場合には、その図１４のファイバ２２７で得られた信号が基準となるスペクトルに該当するものである。
また、２，３波長で測定を行ない、波長の異なる測定データの比をとることにより測定精度を向上させることも行なわれている。
【０００４】
上記の引用例の装置は、次のような問題をもっている。
そこでは、脳内の測定のために深部の測定が必要であり、投光端と受光端の距離が４．２５ｃｍ以上必要であるとされている。しかし、投光端と受光端が離れていると実質光路長が長くなり、測定対象物内での吸収や散乱により受光端に到達する光量が微弱になり、測定精度が低下する。
【０００５】
ファイバのバンドル構造がその図１５に示されているが、第２の受光端であるファイバ２４０が投光端から離れているため、第１及び第２の受光端を投光端とともに同一のバンドル構造にすることができない。
投光端のファイバ２２５と第２の受光端のファイバ２４０は、測定対象物の表面に対して傾斜して取りつけるようになっているため、測定対象の深さによって光量がかわる。
さらに、投光光は測定対象物内で３６０度に広がるが、第２の受光端のファイバ２４０はそのうちの一部の領域の光しか受光できないため集光効率がよくない。
【０００６】
本発明は、測定対象物の表面から浅い領域での物性値を測定するためのものである。その際、測定対象物に投光された光を受光端で効率よく集光するには、投光端の周りに多数の受光端を配置することが考えられる。図１はそのような光ファイババンドルの端面を表わしたものである。中央に数本の投光用光ファイバ２を配置し、その周囲に第１と第２の受光用光ファイバ３，４がそれぞれ多重に配置される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
図１のように、投光端の回りに受光端を多数配置すれば、受光量が多くなって光学的に明るい測定を行なうことができる。しかし、第１の受光用光ファイバ３においても、第２の受光用光ファイバ４においても、投光端２からの距離の異なる受光端が存在することになり、深さの異なる部位からの複数の情報が混在して測定精度の低下は免れない。
本発明は、受光量を多くし、しかも深さの異なる部位からの複数の情報が混在するのを抑えて、測定精度を高めることを目的とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明では、光源部からの光を光散乱性の測定対象物表面に導いて照射し、その測定対象物表面の他の位置から発生した散乱反射光を受光して光検出部に導く光ファイバ導光路として、一端面において中心に配置された投光用光ファイバ、その投光用光ファイバの周囲でその光ファイバを中心とする第１の円のほぼ円周上に配置された第１の受光用光ファイバ群、及び投光用光ファイバを中心とする同心円で、第１の円よりも半径の大きい第２の円のほぼ円周上に配置された第２の受光用光ファイバ群を含んで単位バンドルとしたものが、それらの端面が同一平面内にくるように複数個束ねられ、他端面側において各単位バンドルの投光用光ファイバが１つに束ねられて光源部に導かれ、各単位バンドルの第１の受光用光ファイバ群と第２の受光用光ファイバ群はそれぞれで束ねられて光検出部に導かれているものを使用し、光検出部として第１の受光用光ファイバ群と第２の受光用光ファイバ群により導かれたそれぞれの光を別の信号として受光するようにする。
【０００９】
単位バンドルを複数個束ねるので、図１のような単一の光ファイババンドルで多数の光ファイバを束ねるのに比べると、単位バンドルにおける第１、第２の受光用光ファイバ群での光ファイバの数を少なくすることができる。最も好ましいのは第１、第２の受光用光ファイバ群にそれぞれ光ファイバを一重に配置することであり、深さの異なる部位からの複数の情報が混在するのを抑えるうえで最も有効である。単位バンドルにおける第１、第２の受光用光ファイバ群が二重、三重と厚くなるにつれて深さの異なる部位からの情報が混在してくるが、それでも図１のような単一の光ファイババンドルの場合ほど多重に配置する必要がないので、測定精度の低下を抑えることができる。
【００１０】
ファイバ端を測定対象物にほぼ沿直に密着させることができる。投光用光ファイバからの光は測定対象物内で散乱反射を繰り返し、３６０度に広がる。しかし、第１と第２の受光用光ファイバ群は投光用光ファイバを中心として同心円上に取り囲んで配置されているため、各単位バンドルにおいて光を有効に集光できる。その際、ファイバ端が測定対象物にほぼ沿直に密着しており、かつ、第１と第２の受光用光ファイバ群はそれぞれほぼ同心円上に薄く配列することができるので、深さの異なる部位からの情報が混在するのを抑えることができる。
【００１１】
単位バンドルを複数個束ねていることにより受光光量を増やすことができる。単位バンドルを束ねているが、近接の光ファイバで受光する光の強度が最も強いため、異なる単位バンドルの投光用光ファイバからの光は相対的に弱く、影響は少ない。
投光用光ファイバから第１の受光用光ファイバ群までの距離と、第１の受光用光ファイバ群から第２の受光用光ファイバ群までの距離とを異ならせることにより、適切な光路長を得ることができる。
【００１２】
また、投光用光ファイバ、第１の受光用光ファイバ群、及び第２の受光用光ファイバ群の間で光ファイバ径が均一でないように構成することができる。例えば、投光用光ファイバを太くすることにより全体の光量を増やすことができ、また例えば、投光点からの実質光路長が長いために光量が少なくなる第２の受光用光ファイバ群の光ファイバの径を太くすることにより、第２の受光用光ファイバ群での受光光量を増やすことができる。第１の受光用光ファイバ群よりも第２の受光用光ファイバ群の方で光ファイバの数を多くすることによっても、第２の受光用光ファイバ群での受光光量を増やすことができる。このように、最適な光量を得るために、種々に変形することができる。
【００１３】
【実施例】
図２は一実施例における光ファイバ導光路で、測定対象物に密着させられる端面を表わしたものである。この光ファイバ導光路１０は、一端側において複数の単位バンドル１２がそれぞれの端面が同一平面内にくるように束ねられたものである。各単位バンドル１０は同じ構成をしており、中心には光源部から光を導いて測定対象物に投光する投光用光ファイバ１４が配置され、その周囲のほぼ同心円上に複数の第１の受光用光ファイバ１６が配列されて第１の受光用光ファイバ群を形成している。第１の受光用光ファイバ群より外側のほぼ同心円上には複数の第２の受光用光ファイバ１８が配列されて第２の受光用光ファイバ群を形成している。
【００１４】
図３（Ａ）は単位バンドル１２での光路を模式的に表わしたもの、同図（Ｂ）はその端面図である。各単位バンドル１２の端面が測定対象物２０に密着して押しつけられ、各光ファイバ１４，１６，１８は測定対象物２０に対しほぼ沿直方向に配置されることとなる。
投光用光ファイバ１４から導かれた光は測定対象物２０に入射し、測定対象物２０内で散乱反射して受光用光ファイバ１６，１８に入射し、検出部に導かれる。
この例では第１、第２の受光用光ファイバ１４，１６がそれぞれ一重に配置されており、深さの異なる部位からの複数の情報が混在するのを抑えるうえで最もこのましい。しかし、本発明は第１、第２の受光用光ファイバ１４，１６がそれぞれ一重に配置されたものに限定されない。
【００１５】
図４（Ａ），（Ｂ）はそれぞれ本発明で使用される単位バンドルの他の例を表わしたものである。図４（Ａ）の例では、投光用光ファイバ１４から第１の受光用光ファイバ１６までの距離Ｌ１と、第１の受光用光ファイバ１６から第２の受光用光ファイバ１８までの距離Ｌ２が異なるように配置されており、結果として投光用光ファイバ１４から第１，第２の受光用光ファイバ１６，１８までの距離が測定対象物や測定条件に応じて最適に設定されている。
【００１６】
図４（Ｂ）の例では、光ファイバ１４，１６，１８の径が異なるように設定されている。この例では投光用光ファイバ１４と第２の受光用光ファイバ１８の径が太く、第１の受光用光ファイバ１６の径が細くなっている。投光用光ファイバ１４を太くすることにより投光量を多くすることができ、また投光用光ファイバ１４から実効光路長が長いために受光量が少なくなる第２の光ファイバ１８を太くすることにより受光量を増やすことができて、Ｓ／Ｎ比を大きくすることができる。
【００１７】
図５から図６に各実施例を概略的に示す。
図５は光源として多波長を発生するハロゲンランプ２２を用い、干渉フィルタ２４で特定の波長を選択して測定対象物２０に投光するようにしたものである。ハロゲンランプ２２からの光は集光レンズ２６で投光用光ファイバ群１４ａの各光ファイバに導入される。干渉フィルタ２４は集光レンズ２６と投光用光ファイバ群１４ａの入射端の間に配置されている。一端が測定対象物２０に密着させられる光ファイバ導光路１０の他端側は、投光用光ファイバ群１４ａ、第１、第２の受光用光ファイバ群１６ａ，１８ａの３つの光ファイバ群に分岐している。投光用光ファイバ群１４ａ、第１、第２の受光用光ファイバ群１６ａ，１８ａは、図２における各単位バンドル１２の投光用光ファイバ１４、第１、第２の受光用光ファイバ１６，１８をそれぞれ束ねたものである。第１、第２の受光用光ファイバ群１６ａ，１８ａの先端はそれぞれの赤外検出器３０，３２に導かれており、受光した光の検出がなされる。信号処理装置として、赤外検出器３０，３２の検出信号を取り込んで処理する信号処理用電気回路３４が設けられている。
【００１８】
図６は複数の波長で測定ができるようにするために、図５の干渉フィルタ２４に代えて回転式干渉フィルタ円盤３６を設け、その円盤３６をステッピングモータ３７により回転させて干渉フィルタの切換えをできるようにしたものである。干渉フィルタ円盤３６には透過域の異なる複数の干渉フィルタが円周に沿って配列されており、選択された干渉フィルタが、光源２２から投光用光ファイバ群１４ａの入射端に至る光路に配置される。集光光学系２６ａ，２６ｂは図５の集光レンズ２６に対応するものであり、必要な枚数のレンズを組み合わせて構成されている。
【００１９】
図５，図６の実施例において、波長の選択は測定対象物に投光される前に行なう、いわゆる前分光方式を示しているが、測定対象物からの散乱反射光を検出器３０，３２に受光するところで波長を選択する、いわゆる後分光方式であってもよい。
【００２０】
図７は光源として単一波長光を発生するレーザーダイオード（ＬＤ）３８を用いた例である。４０はレーザーダイオード３８の駆動回路である。この場合、レーザーダイオード３８から発生する光が単一波長光であるので、波長選択用のフィルタは不要である。
図７の実施例で、光源として発光ダイオード（ＬＥＤ）を用いてもよい。
赤外検出器３０，３２は各受光用光ファイバ群１６ａ，１８ａごとに設けられているが、両受光用光ファイバ群１６ａ，１８ａをシャッタを介して１つの共通の赤外検出器に導き、受光用光ファイバ群１６ａ，１８ａからの光をその赤外検出器で交互に検出するようにしてもよい。
【００２１】
ここで、実際に測定した結果を示す。赤外光源として３０Ｗハロゲンランプを用い、分光部としてＦＴＩＲ装置（パーキンエルマー社製のシステム２０００）を用い、光ファイバ導光路１０として３６１本の光ファイバ（コア径＝１８０μｍ、クラッド径＝２００μｍ）をバンドルとしたもの（住友電工社製の石英ファイバＧＳ−１８０）を用いた。この光ファイババンドルは、図２に示される単位バンドル１２として中心に投光用光ファイバ１４、その周囲の内側のほぼ同心円上に６本の第１の受光用光ファイバ１６、その外側のほぼ同心円上に１２本の第２の受光用光ファイバ１８が配置され、単位バンドルとして１９本の光ファイバを備えたものが、１９個束ねられて光ファイバ導光路１０となったものである。赤外検出器３０，３２としてＰｂＳ検出器（浜松ホトニクス社製のＰ２５３２）を用いた。
【００２２】
その測定装置の光ファイバ導光路１０の基端部を人体上腕部に密着し、近傍部位を６回反復測定した場合のスペクトルの標準偏差を図８に示す。破線で示されているのが比吸光度  −ｌｏｇ（Ｅ１／Ｅ２）  （ここでは、Ｅ１，Ｅ２はそれぞれ第１，第２の受光用光ファイバ群からの光強度を表わしている）を測定したものであり、実線で示されているのは比較例として投光端から１種類の距離における吸光度  −ｌｏｇＥ１  による測定結果である。反復測定による分散は比吸光度を採ることにより全波長領域で１／２〜１／３に抑えられており、かつ波長依存性が少なくなっている。なお、図中で７０００〜６５００ｃｍ−１付近で分散が大きくなっているのは、人体の水分吸収により赤外線が殆ど吸収されているためである。
【００２３】
図９には１００００〜５４００ｃｍ−１を透過する広帯域フィルタとしてシリコン結晶板を用い、人体中の血糖値と光強度（比吸光度  −ｌｏｇ（Ｅ２／Ｅ１）  で表わしたもの）との相関を測定した例である。血糖値との間によい相関が見られ、比吸光度を用いることにより血糖値を光学的に測定できることが分かる。
【００２４】
【発明の効果】
本発明では、中心に配置された投光用光ファイバ、その投光用光ファイバの周囲でその光ファイバを中心とする第１の円のほぼ円周上に配置された第１の受光用光ファイバ群、及び投光用光ファイバを中心とする同心円で、第１の円よりも半径の大きい第２の円のほぼ円周上に配置された第２の受光用光ファイバ群を含んで単位バンドルとしたものを複数個束ね、各単位バンドルの投光用光ファイバから測定対象物に投光し、各単位バンドルの第１の受光用光ファイバ群と第２の受光用光ファイバ群をそれぞれ束ね光検出部に導いて検出するようにしたので、集光効率が向上する。また、同じ数の受光用光ファイバを単一バンドルで多重の同心円上に配列するのに比べると、深さの異なる部位からの情報が混在するのを抑えることができる。その結果、測定精度が向上する。
また、副次的に小型の光源が利用できるようになって装置自体の小型化や発熱の問題が解消できる。
第１の受光用光ファイバ群による受光信号と第２の受光用光ファイバ群による受光信号とから比吸光度を求めることにより、散乱体測定で問題となる基準光の測定が不要になり、基準光測定時の誤差がなくなり、精度が向上する。また、内部標準測定であるため、接触圧力や測定部位の違いといった外的な変動が相殺され、その点でも精度が向上する。
分光部として干渉フィルタ１枚としたり、光源として特定波長領域しか放射しないＬＥＤやＬＤを利用することにより、装置自体の小型化を図ることができる。また、集光光学系がほとんど不要であるため、その点でも装置自体の小型化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の光ファイババンドルを表わす端面図である。
【図２】一実施例における光ファイババンドルを表わす端面図である。
【図３】Ａ）は単位バンドルでの光路を模式的に表わした断面図、（Ｂ）はその端面図である。
【図４】（Ａ），（Ｂ）はそれぞれ本発明で使用される単位バンドルの他の例を表わした端面図である。
【図５】第１の実施例を示す概略構成図である。
【図６】第２の実施例を示す概略構成図である。
【図７】第３の実施例を示す概略構成図である。
【図８】人体上腕部を反復測定した場合のスペクトルの標準偏差を実施例と比較例で比較して示す図である。
【図９】人体中の血糖値と光強度との相関を示す図である。
【符号の説明】
１０      光ファイバ導光路
１２      単位バンドル
１４      投光用光ファイバ
１６      第１の受光用光ファイバ
１８      第２の受光用光ファイバ
２０      測定対象物
２２      ハロゲンランプ
３０，３２      赤外検出器
３４      信号処理用電気回路
３８      レーザダイオード
【図１】
0003617576.tif 000002
【図２】
0003617576.tif 000003
【図３】
0003617576.tif 000004
【図４】
0003617576.tif 000005
【図５】
0003617576.tif 000006
【図６】
0003617576.tif 000007
【図７】
0003617576.tif 000008
【図８】
0003617576.tif 000009
【図９】
0003617576.tif 000010