(57)【要約】      （修正有）【課題】測定対象表面近傍（表皮層）の情報を含んだ反射スペクトルを検出することが可能な測定装置を提供する。【解決手段】励起光を導光する第１の光ファイバー１０３と、肌色測定光を導光する第２の光ファイバー１０６と、励起光および肌色測定光を照射して得られる蛍光及び反射光を導光する第３の光ファイバー１０８とを備え、測定対象物側端末部において第３の光ファイバー１０８を囲むように第１の光ファイバー１０３及び第２の光ファイバー１０６を配置して結束するので、同じ範囲の皮膚の蛍光と肌色スペクトルを測定することが出来る。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
物体の表面を光ファイバーを介して測定する測定装置であって、
前記装置は、第１の光源と、第１の光源が発した光を導光する第１の光ファイバーと、
第２の光源と、第２の光源が発した光を導光する第２の光ファイバーと、
第１の光源および第２の光源から光を照射された結果として物体が発した光を導光する第３の光ファイバーを有し、
物体表面に向けられる端部で、前記第３の光ファイバーの周囲に前記第１の光ファイバーと前記第２の光ファイバーとが近接して束ねられることを特徴とする測定装置。
【請求項２】
少なくとも前記第２の光ファイバーは多モードファイバーであることを特徴とする請求項１に記載の測定装置。
【請求項３】
前記第１の光ファイバーと前記第２の光ファイバーとが、
各々の光源に向けられる一端で独立していることを特徴とする請求項１または２に記載の測定装置。
【請求項４】
前記第１の光ファイバーと前記第２の光ファイバーとが、
各々の光源に向けられる一端で一体に形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の測定装置。
【請求項５】
前記第２の光源が発した光の光軸と、前記第２の光ファイバーの中心軸とが成す角が、
前記第２の光ファーバーが有する屈折率から決定される最大入射角度と同等または同等以上であることを特徴とする請求項１から４に記載の測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、肌の色や皮膚中の蛍光物質を測定するための測定用装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＡＧＥｓ（Ａｄｖａｎｃｅｄ  Ｇｌｙｃａｔｉｏｎ  Ｅｎｄ  ｐｒｏｄｕｃｔｓ；後期糖化反応生成物）と呼ばれる物質が注目されている。また、従来、抗糖化（抗加齢）化粧品として、皮膚中に蓄積したＡＧＥｓの低減を目的としたものが商品化されている。
【０００３】
このＡＧＥｓは、タンパク質と、糖質や脂質との非酵素的糖付加反応（メイラード反応）により形成される最終生成物であり、黄褐色を呈し、その一部は蛍光を発する物質である。また、ＡＧＥｓは、近くに存在する構造蛋白質と結合して架橋を形成する性質を有している。特に、ＡＧＥｓと真皮を構成しているコラーゲンとの架橋は、皮膚の弾力性を低下させるので、しわやくすみの原因としても問題となっている。
【０００４】
また、皮膚中にはＡＧＥｓ以外にも蛍光を示す物質があり、例えばヒドロキシプロリン、リボフラビン、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド（ＮＡＤＨ）、プロトポルフィリン、チロシン、トリプトファン、エラスチン等の蛍光物質がある。これらの物質を評価することはＡＧＥｓ以外の美容・健康に関する阻害要因を把握する目的や、その他美容・健康に影響する指針を得る為の情報を取得できるという観点から有用である。
【０００５】
また、皮膚中に存在するＡＧＥｓやその他の蛍光物質に関しては、皮膚における特定の深さ領域に応じて異なる種類のものが存在するし、存在する量も異なる。例えば、表皮領域（表面〜深さ約０．２ｍｍ）中や真皮領域（深さ約０．２〜２．２ｍｍ）中にあるＡＧＥｓは、上述のように、しわやくすみの原因となるので、美容上の観点から粗悪要因となっている。なお、この粗悪要因を解消する為の市販のクリーム等は、表皮や真皮中のＡＧＥｓを減少させる方向に働く。
【０００６】
さらに、血管領域（深さ約２．２ｍｍ以上）中にもＡＧＥｓは存在する。そして、糖尿病の場合、血糖の上昇に伴い、ＡＧＥｓも増加するので、ＡＧＥｓをモニタリングすることで、糖尿病の早期発見、あるいは進行状況を把握することができる。なお、血液中のＡＧＥｓを低減する手段としては、糖尿病治療薬や機能性食品があるが、これらは直接的に血液中のＡＧＥｓ量を制御するものである。
【０００７】
このように、皮膚中の特定の深さ領域（表皮領域、真皮領域、血管領域）におけるＡＧＥｓ量を把握することは極めて有用である。皮膚中のＡＧＥｓやその他の蛍光物質を測定することに適用可能な技術の一例として、下記の特許文献１が挙げられる。特許文献１には、１つ以上の光源からの励起光を皮膚に照射し、これにより皮膚中から放射される蛍光スペクトルを計測し、その結果に基づき皮膚の状態を測定する装置が開示されている。
【０００８】
一方、皮膚の表皮層にはメラニンが分布している。これは表皮層最下層の基底層にあるメラノサイトにて生成されるものであり、皮膚に紫外線が当たるとメラノサイト中にあるチロシンというアミノ酸が、活性化したチロシナーゼという酵素と共に作り出していくものであり、表皮細胞のターンオーバーと共に皮膚表面へ押し上げられていくものである。この表皮層中に分布するメラニンが、皮膚中や血管領域中に存在するＡＧＥｓその他の蛍光物質による蛍光を吸収するため、蛍光スペクトル形状を押し下げる方向に働き、皮膚表面での計測精度を低下させる要因となる。
【０００９】
そこでこれを改善する方法として、肌の反射スペクトルを測定し、これにより皮膚中のメラニン量を計測し、前記皮膚中のＡＧＥｓその他蛍光物質の蛍光スペクトルデータを補正するという手法がある。特許文献２には、励起光源と肌色測定光源と受光部と、励起光源導光ファイバーと、肌色測定光導光ファイバーと、蛍光導光ファイバーと、これらを一端で束ねた導光ファイバーで構成された測定装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００７／０００４９７２号公報
【特許文献２】特開２００４−２９０２３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
特許文献２に開示された測定装置を本発明者らが作成し、皮膚に対して評価したところ、反射スペクトルは得られたものの皮膚の部位によらずほぼ同様の形状であり、市販の測色計（例えばコニカミノルタ（株）社製ＣＭ−７００Ｄ）を用いて測定したスペクトルと全く一致が見られなかった。
【００１２】
さらに調査をした結果、当該測定装置においては、導光ファイバー先端から照射された光の大半は皮膚の深部である真皮層に到達し、得られる反射光の大半は真皮層からの反射光であり、皮膚表面近傍の表皮層からの反射光は殆ど含まれていないことが判明した。
【００１３】
このため、表皮層中に含まれるメラニン含有量の情報が反射スペクトルに含まれておらず、この測定装置で得られる反射スペクトルデータでは、蛍光スペクトルデータの補正に適さないことが判明した。
【００１４】
本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、測定対象表面近傍（表皮層）の情報を含んだ反射スペクトルを検出することが可能な測定装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明においては、励起光源と、励起光導光手段として第１の光ファイバーと、肌色測定光源と、肌色測定光導光手段としての第２の光ファイバーと、励起光および肌色測定光を照射して得られる蛍光及び反射光を導光する第３の光ファイバーとを備え、導光手段の測定対象物側端末部において、第３の光ファイバーを取り囲むように第１の光ファイバー及び第２の光ファイバーを配置して結束するものとする。
【００１６】
また、本発明においては、少なくとも第２の光ファイバーを多モードファイバーとする。
【００１７】
また、本発明においては、励起光を導光する第１の光ファイバーと、肌色測定光を導光する第２の光ファイバーとが、各々の光源側において独立している。
【００１８】
また、本発明においては、励起光を導光する第１の光ファイバーと肌色測定光を導光する第２の光ファイバーとが、光源側端末部において一体に結束される。
【００１９】
また、本発明においては、少なくとも肌色測定光源から発せられた光の入射光軸が第２の光ファーバーの軸線となす角度を第２の光ファイバーが有する屈折率から決定される最大入射角と同等以上の角度とする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明においては、励起光を導光する第１の光ファイバーと、肌色測定光を導光する第２の光ファイバーと、励起光および肌色測定光を照射して得られる蛍光及び反射光を導光する第３の光ファイバーとを備え、測定対象物側端末部において第３の光ファイバーを囲むように第１の光ファイバー及び第２の光ファイバーを配置して結束するので、同じ範囲の皮膚の蛍光と肌色スペクトルを測定することが出来る。
【００２１】
また、本発明においては、少なくとも肌色測定光を導光する第２の光ファイバーとして多モードファイバーを使用するので、肌色測定光の皮膚への入射角度を大きくとることが出来、肌への光侵入が浅く肌表皮領域の反射光を正確に得ることが出来る。
【００２２】
また、本発明においては、励起光を導光する第１の光ファイバーと肌色測定光を導光する第２の光ファイバーとが、各々の光源側において独立しているので、励起光または肌色測定光の各々の光軸と各々の導光ファイバーが成す各々の入射角度を変更することが出来る。
【００２３】
また、本発明においては、励起光を導光する第１の光ファイバーと肌色測定光を導光する第２の光ファイバーとが、各々の光源側において一体に結束されているので、励起光及び肌色測定光の各々の光軸と導光ファイバーが成す各々の入射角度を変更することが出来るとともに、接続配線が減少するので装置が扱い易くなる。
【００２４】
また、本発明においては、少なくとも肌色測定光の光軸を第２の光ファイバーが有する屈折率から決定される最大入射角と同等以上の角度として入射させるので、高次導波モードで伝達される光量が増加し、皮膚表面近傍の反射光が増加し正確な測定結果を得ることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
図１  本発明の実施形態１に関わる測定装置の構成を示す模式図である。
図２  本発明の実施形態１の導光ファイバーの構造を示す模式図である。（ａ）測定対象物側端末部、（ｂ）受光部側端末部、（ｃ）励起光源側端末部、（ｄ）肌色測定光源側端末部。
図３  本発明の実施形態１に関わる肌色測定光源モジュールの構造を表す模式図。
図４  光ファイバーへの入射角度と導光モードについて説明する図。
図５  光ファイバーの入射角度の違いによる出射側端末部での出射強度と出射角度との積係について説明する図。（ａ）入射角度が光ファイバーの最大入射角よりも小さいとき、（ｂ）入射角度が光ファイバーの最大入射角と同等のとき、（ｃ）入射角度光ファイバーの最大入射角よりも大きいとき、（ｄ）（ａ）に対応する観測例、（ｅ）（ｂ）に対応する観測例、（ｆ）（ｃ）に対応する観測例。
図６  測定対象物側端末部における肌色測定導光モードと測定範囲との関係を説明する図。（ａ）入射角度が光ファイバーの最大入射角と同等又は大きいとき、（ｂ）入射角度が光ファイバーの最大入射角よりも小さいとき。
図７  励起光とそれによる蛍光の強度の関係を測定する装置の原理模式図。
図８  本発明による測定結果と市販の装置による測定結果の相関を表す図。（ａ）入射角度が光ファイバーの最大入射角と同等又は大きいとき、（ｂ）入射角度が光ファイバーの最大入射角よりも小さいとき、（ｃ）入射角度光ファイバーの最大入射角よりも大きいとき、（ｄ）〜（ｆ）は市販の測色計を用いて測定したスペクトルと、本発明の測定装置により測定した反射スペクトルとの比較。
図９  本発明による測定結果と市販の装置による測定結果の相関検量線の傾きの関係を説明する図。
図１０  本発明の実施形態２による測定装置の構成を示す模式図。
図１１  本発明の実施形態２の導光ファイバーの構造を示す模式図である。（ａ）測定対象物側端末部、（ｂ）励起光源側端末部、（ｃ）受光部側端末部。
図１２  本発明の実施形態３による測定装置の構成を示す模式図。
図１３  本発明の実施形態４による測定装置の構成を示す模式図。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、図面を参照しつつ、本発明に係る測定システムについて説明する。なお、本発明においては、「測定」は単に対象物を「観察」することも含む概念とする。
〔実施形態１〕
図１は、本発明の実施形態１の構成を説明するための図である。励起光源モジュール１１２は、励起光源１０１として４００ｎｍ（ナノメートル）以下に中心波長を持つ紫外線ＬＥＤと集光レンズ１０２と励起光導光ファイバー１０３を備えており、励起光源１０１から出射した励起光は、集光レンズ１０２を通して励起光導光ファイバー１０３の端面に垂直な方向から入射するよう配置されている。
【００２７】
肌色測定光源モジュール１１３は、肌色測定光源１０４としての白色ＬＥＤと集光レンズ１０５と肌色測定光導光ファイバー１０６を備えており、肌色測定光源１０４から出射した肌色測定光は、集光レンズ１０５を通して肌色測定光導光ファイバー１０６の端面に垂直な方向からαだけ傾斜した角度で入射するよう配置されている。
【００２８】
励起光導光ファイバー１０３及び肌色測定光導光ファイバー１０６は、蛍光導光ファイバー１０７と共に束ねられた導光ファイバー１０８となり、皮膚表面等測定対象物１１０にまで導かれている。
【００２９】
蛍光スペクトル測定時は、励起光源１０１を点灯状態、肌色測定光源１０４を消灯状態で行われるので、導光ファイバー先端１０９から励起光が出射される。出射した光は、測定対象物１１０である皮膚中の蛍光物質を励起し、蛍光が発生するので、これが導光ファイバー先端１０９の蛍光導光ファイバー１０７に入射し、受光部１１１に導かれる。
【００３０】
また肌色測定時は、肌色測定光源１０４を点灯状態、励起光源１０１を消灯状態で行われるので、導光ファイバー先端１０９から肌色測定光が出射される。出射した光は、測定対象物１１０中にて拡散され、反射光として発生するので、これが導光ファイバー先端１０９の蛍光導光ファイバー１０７に入射し、受光部１１１に導かれる。
【００３１】
受光部１１１は、分光器、フォトダイオード、フォトトランジスタ、光電子増倍管等の部品を備える。また蛍光に重畳される励起光や室内光といった迷光を除去する目的で、前記部品と蛍光導光ファイバー１０７の間に光学フィルターを挿入してもよい。皮膚中のＡＧＥｓ量を測定する場合は、例えば、これと比例関係にある中心波長４６０ｎｍの蛍光強度を測定すれば良い。
【００３２】
図２は、導光ファイバー１０８の端面模式図であり、図２（ａ）は測定対象物１１０に接触される側１０９の端面、図２（ｂ）は受光部１１１に接続される側の端面、図２（ｃ）は励起光源モジュール１１２に接続される側の端面、図２（ｄ）は肌色測手光源モジュール１１３に接続される側の端面である。
【００３３】
図２（ａ）を見ると、中心部に蛍光導光ファイバー１０７が配置されている。そして、蛍光導光ファイバー１０７の周囲に複数の励起光導光ファイバー芯線１０３ｅと肌色測定光導光ファイバー芯線１０６ｅが交互に配置されている。複数の励起光導光ファイバー芯線１０３ｅは、好ましくは、蛍光導光ファイバー１０７を中心として互いに回転対称となる位置に配置されている。
【００３４】
励起光導光ファイバー芯線１０３ｅと肌色測定光導光ファイバー芯線１０６ｅは、各々単一の光ファイバーであっても良く、複数本の光ファイバーの集合体であっても良い。
【００３５】
図３は、肌色測定光源モジュール１１３内における、肌色測定光源１０４と集光レンズ１０５と肌色測定光導光ファイバー１０６の位置関係を説明するための図である。
【００３６】
肌色測定光源１０４の大きさをＡ、集光レンズ１０５の直径をＤ、肌色測定光導光ファイバー１０６のコア径をＳ、肌色測定光源１０４から集光レンズ１０５の肉厚中心までの距離をＬ１、肌色測定光導光ファイバー１０６の端面中心から集光レンズ１０５の肉厚中心までの距離をＬ２、肌色測定光源１０４の発光面中心と集光レンズ１０５中心を結ぶ直線と、肌色測定光導光ファイバー１０６の端面法線が成す角をαとすると、肌色測定光が肌色測定光導光ファイバー１０６に高効率に結合されるためには次式が成立する必要がある。
【００３７】
Ｓ×ｃｏｓα≧（Ｌ２／Ｌ１）×Ａ                  ・・・（１）
これは、肌色測定光源１０４の集光レンズ１０５による実像が肌色測定光導光ファイバー１０６の端面に結像させたとき、実像の大きさがコア径Ｓ以下であれば、集光レンズ１０５からの光を高効率で結合させることができるためである。
【００３８】
（１）式を満たすためには、Ｌ１を十分大きくとればよいことになるが、Ｌ１が大きすぎると図中のθ１（＝Ｔａｎ−１(Ｄ／２Ｌ１)）で表される角度が小さくなることになる。これは、肌色測定光源１０４から発生した光の内、集光レンズ１０５に入射する光が減少し、集光レンズ１０５を通過しない光が増加することになる為、望ましくない。
【００３９】
結局、肌色測定光が肌色測定光導光ファイバー１０６に高効率に結合される為の条件は、Ｌ１を最大に取る為、（１）で不等号を等号に置き換えた下式となる。
【００４０】
Ｓ×ｃｏｓα＝（Ｌ２／Ｌ１）×Ａ                  ・・・（２）
一方、ｆをレンズ１０５の焦点距離とした場合、Ｌ１とＬ２は下記レンズ公式の関係があり、互いに独立ではない。
【００４１】
（１／Ｌ１）＋（１／Ｌ２）＝１／ｆ                ・・・（３）
（２）、（３）式を連立させると、Ｌ１及びＬ２は部品のパラメータ（Ａ，ｆ、Ｓ）から下式の通り一意に決定される。
【００４２】
Ｌ１＝（Ａ／Ｓ’＋１）×ｆ                        ・・・（４−１）
Ｌ２＝（Ｓ’／Ａ＋１）×ｆ                        ・・・（４−２）
但しＳ’＝Ｓ×ｃｏｓα                            ・・・（５）
ここで肌色測定光源１０４がＬＥＤの場合は、ＬＥＤチップの発光面大きさをＡととり、また複数のＬＥＤチップから構成されている場合はＬＥＤチップの発光面を全て含む領域の大きさをＡととる。また肌色測定光導光ファイバー１０６が複数のコアを含む場合は、全てのコアを含む領域の大きさをＳと取ることとする。
【００４３】
肌色測定光源１０４から発せられた励起光の内、集光レンズ１０５に入射する割合を増加させる為には、θ１が大きい程望ましい。θ１は次式を満たす。
【００４４】
ｔａｎ（θ１）＝Ｄ／２Ｌ１
＝（Ｄ×Ｓ’）／（２ｆ×（Ａ＋Ｓ’））・・・（６）
（６）式によると、レンズ径Ｄは大きく、また集光レンズ１０５の焦点距離ｆは小さく、また肌色測定光源１０４の発光面大きさＡが小さく、また肌色測定光導光ファイバー１０６のコア径Ｓが大きいことが望ましいことが判る。
【００４５】
さらに本発明の測定装置においては、αが肌色測定光導光ファイバー１０６のＮＡ（開口数）から計算される最大入射角度θ３と概略同じ値になるように、肌色測定光導光ファイバー１０６及び集光レンズ１０５が選択されている。
【００４６】
ｓｉｎ（θ３）＝（肌色測定光導光ファイバーのＮＡ）・・・（７）
α≒θ３                                          ・・・（８）
このように選択することによる効果を以下に述べる。図４は、光ファイバー４００の導波モードを説明するための図であり、一般的な光ファイバーの長さ方向を含む面における模式断面図である。
【００４７】
光ファイバーには導波モードが存在し、本発明に用いる光ファイバーは多モードファイバーとなっており、即ち複数の導波モードが存在している。低次導波モード４０１は、光ファイバーのコアとクラッドの境界面で比較的大きな入射角θＬ´（ダッシュ）で全反射を繰り返しており、高次導波モード４０２は光ファイバーのコアとクラッドの境界面で比較的小さな入射角θＨ´（ダッシュ）で全反射を繰り返している。
【００４８】
この導波モードが伝搬できる角度は、一般には連続量でなく離散的な値であり、光ファイバーを構成しているコア及びクラッドの材料屈折率及びコア径から、良く知られた導波理論で各離散的な値を求めることができる。
【００４９】
しかし現在の発明分野においては、前述のように励起光導光ファイバーのコア径が大きい程効率が良いことから、波長の数百倍のコア径をもつ励起光導光ファイバーを使用することになり、この状況下では非常に多くの導波モードが存在しており、ほぼ連続量であると見なすことができる。
【００５０】
導波モードとして伝搬できる入射角には上限があり、（８）式で定義される最大入射角度θ３がそれである。光ファイバーのＮＡは、コアとクラッドの各屈折率ｎ１，ｎ２を用いて次式で表される。
【００５１】
光ファイバーのＮＡ＝√（ｎ１２−ｎ２２）            ・・・（９）
これは、上式と（７）式で決まる角度θ３より大きな角度で入射すると、光ファイバー中でコアとクラッドの境界面にて光が全反射出来ないことを表している。
【００５２】
この最大入射角度θ３で入射した光は、最高次数に近い導波モードで光ファイバー中を伝搬することになる。従って、最大入射角度θ３で入射する光を増加させてやれば、高次導波モードの光の割合を増加させることができる。
【００５３】
入射した光の内、各導波モードへの光強度の分配割合は、光ファイバー端面における入射光の光強度分布と、各導波モードの光ファイバー端面における光強度分布の重なり積分を全導波モードに対して求め、その値の大きさで重みづけをすることにより求めることができるが、これを計算するのは困難であり、実際の状況と一致させるのはさらに困難である。しかし、入射光の光ファイバーへの入射角をコントロールすることで、低次導波モードと高次導波モードの割合を制御することができる。
【００５４】
集光レンズ１０５から肌色測定光導光ファイバー１０６に入射する角度が大きくなると、肌色測定光導光ファイバー１０６における高次導波モードが強く励振されるようになる。無損失の光ファイバーにおける導波モードは、互いにパワーの相互作用が無い為、大きな入射角で光が入射すると、出射角も大きくなる。
【００５５】
図中では、入射角度θＬで入射した光は低次導波モードで光ファイバー中を伝搬し、角度θＬを維持した状態で出射している。入射角度θＨで入射した光は高次導波モードで光ファイバー中を伝搬し、角度θＨを維持した状態で出射している。
【００５６】
図５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）はいずれも、肌色測定光導光ファイバー１０６の出射端面から出射した光の強度分布を表しており、図５（ａ）は励起光導光ファイバー１０６への光の入射角αが光ファイバーのＮＡ（開口数）を（７）式に代入して決定される最大入射角θ３に比べて小さい場合、図５（ｂ）は入射角αが最大入射角θ３と同等又は同等を少し上回る場合、図５（ｃ）は入射角αが最大入射角θ３に比べ十分大きい場合を表している。
【００５７】
入射角αが小さい場合は、強度分布が単峰形状であるのに対し、入射角αが大きくなると強度分布が双峰形状となり、光強度分布の半値全角が広くなっていることが図より明らかである。
【００５８】
これは入射角αが大きい程、励起光導光ファイバー１０６における高次導波モードの割合が増加したことによるものである。特に入射角αが最大入射角θ３を大きく上回るようになると、出射端面垂直方向の光強度がほぼゼロに近付くようになる。
【００５９】
図５（ｄ）には、図５（ａ）に対応する観測例、図５（ｅ）には図５（ｂ）に対応する観測例、図５（ｆ）には図５（ｃ）に対応する観測例を示す。このように出射端面からの光強度分布が双峰的となる条件は、ほぼ次式の通りであることが判った。
【００６０】
α＞θ３                                        ・・・（１０）
以上を鑑みると、肌色測定光導光ファイバー１０６へ入射する光の入射角αが、（７）式の最大入射角θ３を上回るように、集光レンズ１０５及び肌色測定光導光ファイバー１０６を選択することが望ましいことが判る。
【００６１】
尚、入射角αが大きすぎると、最大入射角θ３を上回って肌色測定光導光ファイバー１０６へ入射する光が増加することになり、この光は導波しない為、損失となる。従って入射角αには最適値が存在し、（７）式の最大入射角θ３と同等かそれを僅かに上回る入射角となるように、集光レンズ１０５及び肌色測定光導光ファイバー１０６を選択することが望ましい。本発明の測定装置においては、入射角αが上記条件を満たすことが請求範囲となっている。
【００６２】
本発明者らが作成した測定装置において、具体的数値を挙げる。肌色測定光源１０４であるＬＥＤの発光面大きさＡ＝１ｍｍ、肌色測定光導光ファイバー１０６のコアが分布している領域の大きさＳ＝２ｍｍ、集光レンズ１０５は直径Ｄ＝１２ｍｍ、焦点距離ｆ＝８．５ｍｍ、肌色測定光導光ファイバー１０６のＮＡ＝０．２２を使用し、肌色測定光導光ファイバー１０６の端面への入射角α＝１７．６°とした。このときＬ１及びＬ２は（４）、（５）式よりそれぞれＬ１＝１３．０ｍｍ、Ｌ２＝２４．７ｍｍであった。また（６）式よりθ１＝２４．８°、（７）式よりθ３＝１２．７°となっており、（１０）式を満たすことが判った。
【００６３】
上記数値例のように、肌色測定光導光ファイバー１０６への入射角αは、肌色測定光導光ファイバー１０６のＮＡから求まる最大入射角度θ３と同値よりも、高い値に設定するのが望ましい。これにより、肌色測定光導光ファイバー１０６に高次導波モードが励振される割合が増加するためである。
【００６４】
図６は、導光ファイバー１０８の測定対象物に接触される側１０９の端面が測定対象物１１０に接触した様子を表す断面模式図である。図６（ａ）は肌色測定光導光ファイバー１０６において高次導波モードが強く励振されたケースを、図６（ｂ）は肌色測定光導光ファイバー１０６において高次導波モードが弱く励振されたケースを表している。肌色測定光導光ファイバー１０６から発せられた出射光の出射角が、図６（ａ）は図６（ｂ）に比べ広くなっている。図中において、θ４＞θ５である。
【００６５】
一方、蛍光導光ファイバー１０７は同じであるため、受光する領域は同じである。より正確に表現すると、蛍光導光ファイバー１０７を通って、受光部１１１で一定強度以上の蛍光が検出される測定対象物質１１０の蛍光導光ファイバー１０７端面から見た領域が同じである。この為、肌色光導光ファイバー１０６からの出射角が広い程、蛍光導光ファイバー１０７端面付近の肌色測定光強度が増加し、皮膚表面近傍、即ち表皮領域の反射光スペクトルを測定できるようになる。
【００６６】
これにより、表皮中に含まれるメラニン含有量の情報を含む表皮の反射スペクトルを測定できるようになり、皮膚の色と相関の強いデータを取得できるに至った。
【００６７】
図７は、図６における蛍光検出領域を調べる為の装置の光学系を説明するための模式図である。ＬＥＤ励起光源７０１から発せられた光はレンズ７０２を通して平行光となり、ミラー７０３を経てスリット７０４に照射される。スリット７０４を通過した光は蛍光体７０５に照射され、全方位に蛍光が発せられる。この光はＮＤ（減光）フィルター７０６を通して蛍光導光ファイバー７０７に入射し、受光部７０８にてその強度を電気信号に変換される構造となっている。
【００６８】
ここでＮＤフィルターは放出される蛍光の波長に対して皮膚と同等の吸収係数になっている。蛍光導光ファイバー７０７の先端を、ＮＤフィルター７０６の表面に平行な方向に走査することにより、皮膚内部の検出範囲を測定することが可能となる。さらにＮＤフィルターの厚みは０．１〜１０ｍｍの範囲で変化させたものを準備し、上記と同様の検出範囲測定を行うことにより、皮膚内部の深さ方向の検出範囲を測定することが可能となる。
【００６９】
本測定において、ＬＥＤ励起光源７０１は３６５ｎｍ（ナノメートル）を中心波長にもつ光源を使用した。また、スリット７０４は１ｍｍ径の円形状とした。蛍光体は皮膚中のＡＧＥｓに由来する蛍光（蛍光中心波長４６０ｎｍ）に近い中心波長を有するウラニン系蛍光物質（蛍光中心波長５１１ｎｍ）とした。またＮＤフィルターの吸収係数は１５〜２１ｃｍ−１のものを用いた。
【００７０】
図８（ａ）〜（ｃ）は、本発明の測定装置により測定した反射スペクトルの例であり、肌色測定光導光ファイバー１０６端面への入射角αがそれぞれ０°、１５．１°、３１．６°の場合を表している。各グラフにおいて太実線、太破線、細実線はそれぞれ手の平、前腕、手の甲を測定したものであり、αが異なる測定装置であっても同じ部位を測定している。
【００７１】
反射スペクトルは、予め本発明の測定装置で標準白色板にプローブ先端を接触させて反射スペクトルＡを測定し、次いで測定対象である皮膚にプローブ先端を接触させ、反射スペクトルＢを測定し、波長毎に反射スペクトルＡに対する反射スペクトルＢの割合を求めることにより求めている。
【００７２】
図８（ａ）のように入射角αが（７）式の最大入射角θ３（＝１２．７°）より小さい場合は、異なる測定部位に対し反射スペクトルの差異が殆ど見られない。これは図６の（ｂ）のケースに相当し、反射スペクトルが真皮領域の影響を強く受け、皮膚の色と相関の強い表皮の影響が小さい為と発明者らは考えている。
【００７３】
これに対し図８（ｂ）のように入射角αが最大入射角θ３と同等もしくは同等をわずかに上回る場合は、異なる測定部位に対する反射スペクトルの差異が明確に表れている。これは図６（ａ）のケースに相当し、反射スペクトルが皮膚の色と相関の強い表皮の影響を強く受けるようになる為と考えられる。
【００７４】
さらに図８（ｃ）のように入射角αが最大入射角θ３を大きく上回ると、再び反射スペクトルの差異が小さくなる。これは肌色測定光導光ファイバー１０６における高次導波モードが更に強く励振されるようになり、肌色測定光導光ファイバー１０６から発せられた出射光の出射角が更に広くなり、皮膚内部の影響を殆ど受けない反射スペクトルを拾うようになる為と考えている。
【００７５】
図８（ｄ）〜図８（ｆ）は市販の測色計（コニカミノルタ（株）社製ＣＭ−７００Ｄ）を用いて測定したスペクトルと、本発明の測定装置により測定した反射スペクトルを比較するものである。
【００７６】
各図において、横軸は市販の測色計により測定したスペクトルから計算したＩＴＡ値にとっている。これは皮膚の明るさを表す良く知られたパラメータであり、メラニン色素沈着に伴い減少する数値である。
【００７７】
ＩＴＡ°＝Ｔａｎ−１（（Ｌ＊−５０）／ｂ＊）（ｄｅｇｒｅｅ表示）・（１１）
ここで、Ｌは明度、ｂは黄色の色度を表す数値で  Ｌ＊ａ＊ｂ表色系基準に従う。縦軸は本発明の測定装置により測定した反射率スペクトルにおいて、５００ｎｍの値を取っている。５００ｎｍの波長は、図８（ｂ）において各部位毎の反射スペクトルの差異が最も大きな波長として選択している。
【００７８】
反射率スペクトルからＩＴＡ値を算出し、市販の測色計によるＩＴＡ値と比較する方法を取っていない理由は、同じ測定対象に対して光源自体・光源光の測定対象への照射方向・反射光の取得方法が異なると、得られる反射スペクトルが異なるためである。
【００７９】
図８（ｄ）は肌色測定光導光ファイバー１０６端面への入射角αが（７）式の最大入射角θ３より小さい場合、図８（ｅ）は入射角αが最大入射角θ３と同等もしくは僅かに上回る角度の場合、図８（ｆ）は入射角αが最大入射角θ３を大きく上回る場合の測定結果の一例であり、図８（ｄ）〜（ｆ）における縦軸の値は、それぞれ図８（ａ）〜（ｃ）のデータを読み取ったものである。
【００８０】
図８（ａ）及び（ｃ）では、反射スペクトルから計算されたＩＴＡ値が測定部位や測定対象者に関わらずほぼ一定であるのに対し、図８（ｂ）では、両測定機による結果が互いに強い相関を示すことが示された。これは本発明の測定装置により、皮膚表面近傍からの反射光スペクトルを測定できるようになったためである。
【００８１】
図９は、図８（ｄ）〜図８（ｆ）のグラフにおいて、検量線を引いたときの傾きを、肌色測定光導光ファイバー１０６へ入射する光の入射角αを横軸に採りプロットした際のグラフを示している。
【００８２】
入射角α＝０の時は、検量線の傾きはほぼ０であるが、これは肌色測定光導光ファイバー１０６において低次導波モードが強く励振されており、肌色測定光導光ファイバー１０６から発せられた出射光の出射角が狭い為、皮膚表面から深い位置、即ち真皮層以下の反射スペクトルを拾っている為、肌色に強く影響を与える表皮層のメラニンの影響が小さく、肌の色に関わらずほぼ一定値を取る為である。
【００８３】
その後、入射角αの増加と共に検量線の傾きは増加し、（７）式の最大入射角θ３をやや上回った付近で極大値を取るが、これは肌色測定光導光ファイバーにおいて高次導波モードが強く励振されるようになり、肌色測定光導光ファイバー１０６から発せられた出射光の出射角が広くなる為、皮膚表面から浅い位置、即ち表皮層付近の反射スペクトルを拾うようになり、肌色に強く影響を与える表皮層のメラニンの影響を強く受け、肌の色と強い相関を示す為である。
【００８４】
さらに入射角αが増加すると検量線の傾きは減少していくという挙動を示しているが、これは肌色測定光導光ファイバー１０６における高次導波モードが更に強く励振されるようになり、肌色測定光導光ファイバー１０６から発せられた出射光の出射角が更に広くなり、皮膚内部の影響を殆ど受けない反射スペクトルを拾うようになる為と考えている。
【００８５】
本発明者らが実験的に調査した結果、入射角αから最大入射角θ３を引いた値が−１０°〜＋１０°の範囲に入っていれば、本発明の効果は発生するが、より望ましくは０°〜＋８°、さらに望ましくは０．５°〜＋２°が良い。
【００８６】
尚、本実施形態において、集光レンズ１０５は単レンズとして説明したが、集光手段であればこれに限定されるものではない。例えば複合レンズ、フレネルレンズ、グレーティングによる集光レンズ、ロッドレンズ等でも良い。
〔実施形態２〕
図１０は、本発明の実施形態２の構成を説明するための図である。本実施形態は、実施形態１と比べて、励起光導光ファイバーと肌色測定光導光ファイバーとが１本にまとめられている。励起光源モジュール２１２と肌色測定光源モジュール２１３が一体になった光源光導光ファイバー２０３を共用している。なお、実施形態１と同じ機能部材には同じ記号を付して、説明を省略する。
【００８７】
図１１は、導光ファイバー２０８の端面模式図であり、図１１（ａ）は測定対象物１１０に接触される側２０９の端面、図１１（ｂ）は蛍光受光部１１１に接続される側の端面、図１１（ｃ）は光源モジュール２１２及び２１３に接続される側の端面である。
【００８８】
図１１（ａ）を見ると、中心部に蛍光導光ファイバー１０７が配置されている。そして、蛍光導光ファイバー１０７の周囲に励起光と肌色測定光を導光する光源光導光ファイバー２０３が配置されている。光源光導光ファイバー２０３の内部には複数の光源光導光ファイバー素線２０３ｆが配置されている。複数の光源光導光ファイバー素線２０３ｆは、好ましくは、蛍光導光ファイバー１０７を中心として互いに回転対称となる位置に配置されている。
【００８９】
また図１１（ｃ）において、光源光導光ファイバー２０３の中心にダミーファイバー２０３ｄが配置されているが、これは製作工程上あると望ましいものであり、端面を光学研磨する際、複数の光源光導光ファイバー素線２０３ｆの位置ずれを防止する目的で介挿されているものである。光ファイバーとしては機能していない為、必須の要件ではない。
【００９０】
肌色測定光源２０５及び集光レンズ２０２で構成される肌色測定モジュール２１３は、光源光導光ファイバー２０３の端面に対し、垂直方向から角度αだけ傾斜して配置されるため、励起光源２０１及び集光レンズ２０２で構成される励起光源モジュール２１１と干渉しない。
【００９１】
このように一体の光源モジュールとすることにより、省スペース化という効果を奏する。また、本実施形態では実施形態１の励起光導光ファイバー１０３と肌色測定光導光ファイバー１０６を兼ねた光源光導光ファイバー２０３となることから、導光ファイバーの製作プロセスを簡素にすることができる。
【００９２】
また図示していないが、光源モジュールに光源光導光ファイバー２０３を固定するためのコネクタが、実施形態１では各モジュールにつき１個必要であったのに対し、本実施例においては１個に集約できるため、部品点数削減・コスト削減に繋がるという効果も奏する。
【００９３】
本実施例においては、肌色測定モジュール２１３の結合角度αが光源光導光ファイバー２０３のＮＡ（開口数）から（７）式で算出される最大入射角θ３と同等以上になっていれば、本発明の請求範囲に含まれる。
【００９４】
尚、図１０において、励起光源モジュール２１１は出射光の光軸が、光源光導光ファイバー２０３の軸線に対し一致するように配置されているかの如く記載しているが、これに限定されるものではなく、傾斜して配置しても良い。
〔実施形態３〕
図１２は、本発明の実施形態３の構成を説明するための図である。本実施形態は、実施形態２と比べて、励起光源モジュールと肌色測定光源モジュールが一体になっている。なお、実施形態２と同じ機能部材には同じ記号を付して、説明を省略する。
【００９５】
光源２５１には、励起光源として紫外線ＬＥＤ、肌色測定光源として白色ＬＥＤが並設されている。光源２５１から照射された励起光または肌色測定光は、光源光導光ファイバー２０３の軸線に対して入射角αを持って入射させられる。
【００９６】
このように構成することによって、ＡＧＥｓ等を検出する励起光と皮膚表面近傍の観察を行う肌色測定光の両方を高次導波モードで伝搬させることが出来る。また、光源２５１内部での励起光源と肌色測定光源の間隔を調整することによって、励起光および肌色測定光の各々の光軸と光源光導光ファイバー２０３の軸線との角度を異ならせることが出来る。
〔実施形態４〕
図１３は本発明の実施形態４を説明する為の図である。本実施形態は、実施形態２と比べて、集光手段が凹面鏡３０２，３０４となっている。
【００９７】
このような構成であっても、光源光導光ファイバー２０３への肌色測定光源光３０３の入射角αが、光源光導光ファイバーのＮＡから（７）式より計算される最大入射角度θ３より大きくなっていれば、本発明の請求範囲であり、本発明の効果が発生する。
【００９８】
尚本実施例において、励起光源モジュール３１２及び肌色測定光源モジュール３１３は一体的とし同一の光源光導光ファイバー２０３で導光するものとしたが、実施形態１のように別に製作しても良い。
【００９９】
以上の実施形態において、励起光または肌色測定光のいずれも集光手段を介して導光ファイバーに入射させるものとしたが、光源がチップ状の光源であって出射光の指向性が非常に高い場合においては、集光手段を省略できる。
【産業上の利用可能性】
【０１００】
本発明によれば、光ファイバーを使用して物体の表面状態を観察または測定する場合広く応用することが出来る。
【符号の説明】
【０１０１】
１００，２００、２５０，３００    測定装置
１０１、２０１，３０１            励起光源
１０４，２０４，３０４            肌色測定光源
１０３，２０３                    励起光導光ファイバー
１０６                            肌色光導光ファイバー
１０７                            蛍光導光ファイバー
１１１                            受光部
【図１】
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【図２（ａ）】
2014226337.tif 000004
【図２（ｂ）】
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【図２（ｃ）】
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【図２（ｄ）】
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【図３】
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【図４】
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【図５（ａ）】
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【図５（ｂ）】
2014226337.tif 000011
【図５（ｃ）】
2014226337.tif 000012
【図５（ｄ）】
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【図５（ｅ）】
2014226337.tif 000014
【図５（ｆ）】
2014226337.tif 000015
【図６（ａ）】
2014226337.tif 000016
【図６（ｂ）】
2014226337.tif 000017
【図７】
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【図８（ａ）】
2014226337.tif 000019
【図８（ｂ）】
2014226337.tif 000020
【図８（ｃ）】
2014226337.tif 000021
【図８（ｄ）】
2014226337.tif 000022
【図８（ｅ）】
2014226337.tif 000023
【図８（ｆ）】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１（ａ）】
2014226337.tif 000027
【図１１（ｂ）】
2014226337.tif 000028
【図１１（ｃ）】
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【図１２】
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【図１３】
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