(57)【要約】【課題】セット作業を簡単化および光学安定性を良好にすると共に、必要最小限の測定領域でキャビティリングダウン分光法による測定を行う。【解決手段】光ファイバプローブ１は、キャビティリングダウン分光法に用いる。光ファイバプローブ１は、コア２１とクラッド２２とを備え、一端側から光が導入される光ファイバ２３と、光ファイバ２３の他端を含み、他端から測定対象物４に挿入されるプローブ部２４と、プローブ部２４に形成され、光の強度を測定対象物４の光吸収物質により減衰させる減衰部２５と、プローブ部２４における減衰部２５を挟んだ両側に形成され、光の一部を反射する反射部２６・２７とを有している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
キャビティリングダウン分光法に用いる光ファイバプローブであって、
コアとクラッドとを備え、一端側から光が導入される光ファイバと、
前記光ファイバの他端を含み、該他端から測定対象物に挿入されるプローブ部と、
前記プローブ部に形成され、前記光の強度を前記測定対象物の光吸収物質により減衰させる減衰部と、
前記プローブ部における前記減衰部を挟んだ両側に形成され、前記光の一部を反射する反射部と
を有することを特徴とする光ファイバプローブ。
【請求項２】
前記反射部は、ファイバグレーティングであることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバプローブ。
【請求項３】
前記光の中心波長に対して、前記他端側の前記ファイバグレーティングの反射率が９９．９９％以上であり、前記一端側の前記ファイバグレーティングの反射率が７０％以上、９８．９％以下であることを特徴とする請求項２に記載の光ファイバプローブ。
【請求項４】
前記減衰部は、少なくとも前記クラッドの一部を除去することにより除去面が外部に露出状態にされていることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の光ファイバプローブ。
【請求項５】
前記光ファイバの他端の先端が先細り形状に形成されていることを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の光ファイバプローブ。
【請求項６】
さらに、前記プローブ部を挿通自在に支持する鞘部材を有することを特徴とする請求項１乃至５の何れかに記載の光ファイバプローブ。
【請求項７】
請求項１乃至６の何れかに記載の光ファイバプローブと、
前記光ファイバプローブの一端側に接続され、前記プローブ部に前記光を出力する発光装置と、
前記光ファイバプローブの一端側に接続され、前記プローブ部からの反射光をキャビティリングダウン分光法により処理する測定装置と
を備えたことを特徴とする吸光分析装置。
【請求項８】
前記測定対象物を植物とした請求項７に記載の吸光分析装置と、
前記吸光分析装置における前記キャビティリングダウン分光法による処理結果を前記測定対象物の状態データとして情報処理する情報処理装置と、
を備えたことを特徴とする植物センシング装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物質の成分濃度の測定や物質の同定などをキャビティリングダウン分光法（Cavity Ring-Down Spectroscopy、CRDS）により行うための光ファイバプローブ及びそれを用いた吸光分析装置ならびに植物センシング装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、物質の成分濃度の測定や物質の同定などをキャビティリングダウン分光法により行うことができるように構成された光ファイバプローブが公知である。例えば、特許文献１には、グレーティングを二つ有する光導波路を用いた共振器が開示されている。特許文献２には、クラッドの一部を湾曲状に削除し、一方端から光を入射して他方端から光を出射させる構成の光ファイバプローブが開示されている。また、特許文献３には、光の入射経路と出射経路とを並列配置し、両経路の一端部にミラーとプリズムを配置することで共振器を形成し、入射側から出射側に光を進行させることによって、他方端側において光の入射と出射とを行う構成の光ファイバプローブが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許公報７１２０３３４Ｂ１号
【特許文献２】公表特許公報２００５−５２７８３８号
【特許文献３】再公表特許Ｗ０２００７／０１０９５１号
【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２の構成では、プローブ両端に入出力のファイバが配置されているため、プローブに測定対象物を導入することが前提となっており、測定対象物にプローブを導入することは測定対象物の体積が大きい場合は可能であるが測定対象物の体積が小さい微小領域への導入は困難である。また、特許文献３の構成では、片端側に入出力のファイバが配置されている（反射型）であるため、測定対象物にプローブを導入することは可能であるが、ミラーやプリズムを組み合わせるため、光軸調整がシビアで組立が難しく、また温度変化等の環境変化で光軸がずれ、プローブとしての光学安定性を確保するのが困難である。従って、従来の構成では、測定対象物や測定箇所が制限され易いと共に、光ファイバプローブの光学安定性が乏しいという問題がある。
【０００５】
本発明の目的は、必要最小限の測定領域でキャビティリングダウン分光法による測定を行うことができる光学安定性の良好な光ファイバプローブ及びそれを用いた吸光分析装置ならびに植物センシング装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の光ファイバプローブは、キャビティリングダウン分光法に用いるものであって、コアとクラッドとを備え、一端側から光が導入される光ファイバと、前記光ファイバの他端を含み、該他端から測定対象物に挿入されるプローブ部と、前記プローブ部に形成され、前記光の強度を前記測定対象物の光吸収物質により減衰させる減衰部と、前記プローブ部における前記減衰部を挟んだ両側に形成され、前記光の一部を反射する反射部とを有する。
【０００７】
上記の構成によれば、プローブ部は、光ファイバの他端を含むと共に、減衰部と、この減衰部を挟んだ両側に形成された反射部とを有した共振器構造を持つため、光ファイバの一端側において、光を導入すると、プローブ部の反射部で反射を繰り返し、光強度を減衰部で減衰させながら漏出した光を受け取ることができる。これにより、光ファイバの他端をプローブ部の先端として測定対象物に挿入しながら、反射した光を測定することができるため、光ファイバの直径に近似した必要最小限の測定領域を測定対象物に確保することができれば、キャビティリングダウン分光法により物質の成分濃度を測定できたり、物質を同定することができる。また、反射型のプローブであるため、光ファイバの他端から測定対象物に導入させることにより、容易に光ファイバプローブのセットを完了することができる。さらに、減衰部を挟んだ反射部が光ファイバの軸線上に配置されているため、光軸調整が不要であると共に、温度変化等の環境変化で光軸がずれることもないため、良好な光学安定性を得ることができる。
【０００８】
また、本発明の光ファイバプローブにおける前記反射部は、ファイバグレーティングであってもよい。上記の構成によれば、反射部において測定対象物の光吸収波長に合わせた波長を選択することができる。光ファイバプローブ内に共振器を構成することができるため、光ファイバプローブを小型化することができると共に光学安定性が良好である。
【０００９】
また、本発明の光ファイバプローブは、前記光の中心波長に対して、前記他端側の前記ファイバグレーティングの反射率が９９．９９％以上であり、前記一端側の前記ファイバグレーティングの反射率が７０％以上、９８．９％以下に設定されていてもよい。上記の構成によれば、ファイバグレーティングを採用した反射型の光ファイバプローブにおいて、リングダウン波形を効率的に取得することができる。
【００１０】
また、本発明の光ファイバプローブにおける前記減衰部は、少なくとも前記クラッドの一部を除去することにより除去面が外部に露出状態にされていてもよい。
【００１１】
上記の構成によれば、光ファイバを切削したり、穴空け加工することにより、穴や窪みを形成することによって、少なくとも前記クラッドの一部を除去、即ち、クラッドの一部だけを除去したり、クラッドとコアとの一部、クラッドの一部とコアの全部（光ファイバの軸方向から見た場合の全部）とを除去することができる。これにより、容易に、小さな減衰部を形成することができることから、微小領域に挿入される用途に好適な光ファイバプローブとすることができる。
【００１２】
また、本発明の光ファイバプローブは、さらに、前記プローブ部を挿通自在に支持する鞘部材を有していてもよい。
【００１３】
上記の構成によれば、プローブ部が鞘部材により支持されているため、外力を付与しながらプローブ部を測定対象物に挿入する際に、プローブ部が破損し難いものとすることができる。さらに、プローブ部を測定対象物に挿入する際に、鞘部材とプローブ部との隙間に測定対象物が流入し、減衰部に到達するため、減衰部への測定対象物の導入が容易となる。
【００１４】
また、本発明の光ファイバプローブにおける前記光ファイバの他端の先端が先細り形状に形成されていてもよい。この場合には、測定対象物に対してプローブ部を容易に差し込むことができる。
【００１５】
また、本発明の吸光分析装置は、上述の構成を備えた光ファイバプローブと、前記光ファイバプローブの一端側に接続され、前記プローブ部に前記光を出力する発光装置と、前記光ファイバプローブの一端側に接続され、前記プローブ部からの反射光をキャビティリングダウン分光法により処理する測定装置とを備えている。
【００１６】
上記の構成によれば、キャビティリングダウン方式により検出成分の濃度が低い場合にも精度良く検出でき、吸光分析装置の信号経路全体を光ファイバで構成することができるため、信頼性及び安定性に優れた吸光分析装置とすることができる。
【００１７】
また、本発明の植物センシング装置は、前記測定対象物を植物とした上述の構成を備えた吸光分析装置と、前記吸光分析装置における前記キャビティリングダウン分光法による処理結果を前記測定対象物の状態データとして情報処理する情報処理装置とを備えている。
【００１８】
上記の構成によれば、測定対象物である植物の内部、例えば葉脈に光ファイバプローブを挿入してキャビティリングダウン分光法による処理を行いながら、処理結果である植物の状態データの情報処理を行うことができるため、植物の表面のみを観察するよりも、高精度な植物の観察をリアルタイムで行うことができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明は、必要最小限の測定領域でキャビティリングダウン分光法による測定を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】光ファイバプローブのセット状態を示す説明図である。
【図２】光ファイバプローブの斜視図である。
【図３】光ファイバプローブの断面図である。
【図４】加工光学装置による光ファイバプローブの加工状態を示す説明図である。
【図５】光ファイバプローブをセットする過程を示す説明図である。
【図６】植物センシング装置のブロック図である。
【図７】植物センシング装置の制御ルーチンのフローチャートである。
【図８】光ファイバプローブの断面図である。
【図９】光ファイバプローブの断面図である。
【図１０】プローブ本体の断面図である。
【図１１】プローブ本体の断面図である。
【図１２】吸光分析装置の概略構成を示すブロック図である。
【図１３】光パルス強度と時間との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本発明の一実施形態を図１乃至図１３に基づいて説明する。
（光ファイバプローブ）
本実施形態に係る光ファイバプローブは、図１に示すように、キャビティリングダウン分光法に用いるものであり、測定対象物４に挿入されるプローブ本体２と、プローブ本体２を幅方向に支持する鞘部材３とを有している。ここで、『測定対象物４』とは、トマトや芋、西瓜、蜜柑、リンゴ、イチゴ等の植物、貝や鳥等の動物、樹木、水耕栽培の苗床、養殖池、生簀、ビニールハウスであってもよい。即ち、『測定対象物４』は、液体やガスが経時変化する全ての種類の物を含む。
【００２２】
（光ファイバプローブ：プローブ本体２）
プローブ本体２は、光に対して透過率が高い石英ガラスやプラスチック等により形成された光ファイバ２３を有している。光ファイバ２３は、内周側のコア２１と外周側のクラッド２２とを有している。尚、光ファイバ２３は、必要に応じてクラッド２２に被覆した図示しない被覆部材を、後述のプローブ部２４以外の部分に有していてもよい。
【００２３】
また、プローブ本体２は、光ファイバ２３の他端を含み、この他端から測定対象物４に挿入されるプローブ部２４を有している。プローブ部２４には、光の強度を測定対象物４の光吸収物質により減衰させる減衰部２５と、減衰部２５を挟んだ両側に形成され、光の一部を反射する反射部２６・２７とが形成されている。尚、『光吸収物質』は、光を吸収する性質を有した気体や液体、微粒子を含む気体や液体等である。
【００２４】
減衰部２５は、少なくともクラッド２２の一部を除去、即ち、クラッド２２の一部だけを除去したり、クラッド２２とコア２１との一部、クラッド２２の一部とコア２１の全部とを除去したりすることにより除去面が外部に露出状態にされている。具体的には、減衰部２５は、コア径が約１０μｍのコア２１と、コア２１を中心として両側に位置したクラッド径が１２５μｍのクラッド２２を直径５μｍの丸穴で貫通する貫通穴により形成されている。
【００２５】
尚、減衰部２５は、コア２１と、コア２１の一方側のクラッド２２を直径５μｍの丸穴で貫通し、コア２１の他方側のクラッド２２の途中を穴底とする凹状穴により形成されていてもよい。また、貫通穴や凹状穴は、複数個が光ファイバプローブ１の長手方向に沿って直線状や並列状に配置されていてもよい。また、クラッド２２の一部だけを除去する減衰部２５としては、図８に示すように、反射部２６・２７間に凹湾曲状等の溝や穴を形成する構成を例示することができる。
【００２６】
貫通穴や凹状穴等の減衰部２５は、光ファイバ２３を切削したり、穴空け加工することにより形成されている。貫通穴や凹状穴の形成方法としては、レーザー光により光ファイバ２３を掘穿する方法が例示される。この形成方法は、図４に示すように、加工光学装置１００により実施される。加工光学装置１００は、ＹＡＧレーザーをレーザー光として出力するＹＡＧレーザー発振器１０１と、レーザー光の光路上に配置され、レーザー光を所定の方向に反射するミラー１０２ａ・１０２ｂと、加工対象となる光ファイバ２３を保持するファイバホルダ１０５と、光ファイバ２３を３次元方向に位置決めするＸＹＺステージ１０６と、ＸＹＺステージ１０６の上方に配置された筐体１０９とを有している。
【００２７】
上記の筐体１０９の内部には、ミラー１０２ｂからのレーザー光を光ファイバ２３方向に反射するダイクロイックミラー１０３と、レーザー光を集光する対物レンズ１０４と、光ファイバ２３を撮像するＣＣＤカメラ１０７と、光ファイバ２３を照明する照明装置１０８とが設けられている。
【００２８】
これにより、加工光学装置１００は、ＹＡＧレーザー発振器１０１からレーザー光を出力させる処理と、レーザー光をミラー１０２ａ・１０２ｂにより筐体１０９内に導入させる処理と、レーザー光を筐体１０９内のダイクロイックミラー１０３により９０°の角度で対物レンズ１０４方向に反射させる処理と、レーザー光を対物レンズ１０４により集光させる処理と、レーザー光の集光点をファイバホルダ１０５に保持されるファイバ１の掘穿箇所に一致するように調整する処理とを実行することによって、光ファイバ２３に貫通穴や凹状穴等の減衰部２５を形成するようになっている。
【００２９】
さらに、図８に示す凹湾曲状等の減衰部２５は、光ファイバ２３をバーナー等の熱源を用いて溶融延伸することにより形成することができる。具体的には、例えば１２５μｍの径の光ファイバ２３においては、溶融延伸部分の最小径が１４μｍ、伸長が２０〜２５ｍｍとなるように、バーナー等の熱源を用いて溶融延伸することにより作製する。
【００３０】
上記のようにして形成された減衰部２５の両側には、反射部２６・２７が配置されている。反射部２６・２７は、光の反射波長を所望の波長に容易に設定することができるように、ファイバグレーティングにより形成されている。尚、反射部２６・２７は、光の一部を反射する構成であれば、ファイバグレーティングに限定されるものではない。但し、反射部２６・２７にファイバグレーティングを適用した場合には、測定対象物４の吸光波長に合った光源波長の選択と、シングルモード伝送する光ファイバ２３の選択と、二光束干渉露光による任意波長のファイバグレーティングの作製により、測定対象物４に応じた吸光分析装置の構成が可能である。
【００３１】
他端側の反射部２７のファイバグレーティングは、中心波長が１５５０ｎｍ、反射率が９９．９９％（４０ｄＢ）に設定されている。この理由は、光をできるだけ反射させればよいので、反射率が高いものが好ましいが、製造上作れる限界が９９．９９％であるからである。
【００３２】
一方、一端側の反射部２６のファイバグレーティングは、中心波長が１５５０ｎｍのときの反射率が７０〜９８．９％に設定されている。この理由は、リングダウン波形を得るために光をいくらかは漏らす必要がある一方、７０％未満や９８．９％より大きいとリングダウン本数が少なくなって測定ができなくなるからである。詳細には、一端側の反射部２６のファイバグレーティングは、反射率が７０％以上、好ましくは８８％以上、より好ましくは９４．５％以上であると共に、反射率が９８．９％以下、好ましくは９８．７％以下、より好ましくは９８．３％以下の範囲である。
【００３３】
反射率が７０〜９８．９％に設定された根拠は、表１に示すように、他端側（反射部２７のファイバグレーティング）の反射率を９９．９９％に固定し、一端側（反射部２６のファイバグレーティング）の反射率を５０〜９９％の間で振り分けて、反射出力が元の光が１％になるまでにどれだけのリングダウン本数があるかを求めたところ、７０％以下や９８．９％以上だとリングダウン本数が少なくなり、測定ができなったからである。
【００３４】
【表１】
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【００３５】
尚、両反射部２６・２７におけるファイバグレーティングは、反射率が同一に設定されていてもよく、この場合には、同一の加工条件で反射部２６・２７を形成することが可能となる。但し、この場合には、同じ特性のファイバグレーティングを作製した後、一端側に熱や張力を加えることでファイバグレーティングの中心波長をシフトさせることにより反射率を低下させて光ファイバプローブ１に用いることになる。また、光ファイバプローブ１は、光の中心波長に対して、反射部２７のファイバグレーティングの反射率が９９．９９％以上であり、反射部２６のファイバグレーティングの反射率が反射部２７のファイバグレーティングの反射率より小さく設定されていていることが好ましい。より具体的には、一端側の反射部２６のファイバグレーティングの反射率が７０％以上、９８．９％以下の範囲に設定されていることが好ましい。この理由は、ファイバグレーティングを採用した反射型の光ファイバプローブ１において、リングダウン波形を効率的に取得することができるからである。
【００３６】
上記のファイバグレーティングは、光ファイバ２３に紫外線を照射すると屈折率が上昇する光誘起屈折率変化という現象を利用したものであり、その周期に対応した特定の波長のみを反射（遮断）する回折格子である。ファイバグレーティングの形成は、側面から照射された紫外線による干渉縞を石英などからなる光ファイバ２３に形成し、その干渉縞のパターンを光誘起屈折率変化により光ファイバ２３中に書き込むことで行われる。
【００３７】
ファイバグレーティングの形成方法には、二光束干渉法及びフェーズマスク法によるものが例示される。二光束干渉法は、紫外線などの所定波長の照射光をビームスプリッタで二方向に分け、それぞれをミラーで反射させ光ファイバ２３のコア２１に照射し、光の干渉により干渉縞を形成し、周期的な屈折率変化を与える方法である。光源にはコヒーレンスの高いレーザー光などの照射光が必要であるが、照射光の入射角を変えることで任意の反射波長のファイバグレーティングを作製できるため、フェーズマスク法に比べ作製の自由度は高い。
【００３８】
フェーズマスク法は、干渉縞の２倍の周期で溝からなる回折格子を形成したフェーズマスク（位相マスク）を介して、紫外線などの所定波長の照射光を光ファイバ２３のコア２１に照射することによって、干渉光を発生させ、干渉パターンを形成する方法である。尚、この方法では、グレーティングの周期に応じた複数のフェーズマスクが必要となり、二光束干渉法と比べるとコスト的に不利ではあるが、安定した特性が得られ、量産性に優れていることから、利用されることが多い。
【００３９】
また、光ファイバ２３は、他端の先端が先細り形状、例えば、鉛筆の先や注射針、先端が丸、先端が台形状などを含む形状に形成されていてもよい。換言すれば、側面壁を延長して交差する頂点の角度が鋭角になるように形成されていてもよい。即ち、光ファイバ２３は、プローブ部２４の他端側を尖らせることによって、尖った先端が頂点と一致する形状にされていてもよいし、先端方向に進むにつれて徐々に細くなり先端が鋭角でなく丸みのある形状に形成されていてもよい。具体的には、図１０に示すように、プローブ部２４の端面が光ファイバ２３の軸芯に対して４５度等の傾斜した角度で形成された形状にされていてもよいし、図１１に示すように、プローブ部２４の端面の中心点を頂点とした円錐形状に形成されていてもよい。この場合には、測定対象物４に対して光ファイバ２３の直径よりも小さな当接面積でプローブ部２４の先端部（他端側）を押し当てることができるため、プローブ部２４を容易に測定対象物４に差し込むことができる。尚、尖らせた形状は、研磨や切削、レーザー加工、化学的エッチング等の加工方法により形成することができる。
【００４０】
（光ファイバプローブ：鞘部材３）
上記のように構成されたプローブ本体２は、図２及び図３にも示すように、鞘部材３に移動自在に貫挿されている。鞘部材３は、管状に形成されている。鞘部材３は、光ファイバ２３と同じ材質で形成されていたり、金属や合成樹脂により形成されている。鞘部材３は、プローブ本体２のプローブ部２４を完全に覆うように軸方向の長さが設定されている。尚、鞘部材３は、先端が差し込み易くなっている形状に形成されていることが好ましい。即ち、鞘部材３は、先端が最小の管径となるように、先端に近づくのにつれて管径が徐々に減少された側面壁の形状に形成されていることが好ましい。
【００４１】
鞘部材３は、長手方向の両端面を貫通した挿通穴３１ｂを有している。挿通穴３１ｂは、プローブ部２４を軸方向に移動自在であって径方向に支持するように、穴径がプローブ部２４の直径よりも僅かに大きく設定されている。これにより、鞘部材３は、プローブ部２４を測定対象物４に挿入する際に、鞘部材３とプローブ部２４との隙間に測定対象物４を流入させ、減衰部２５に到達させることによって、減衰部２５への測定対象物４の導入を容易としている。さらに、鞘部材３は、光ファイバプローブ１が先端側から測定対象物４に押圧力をかけて強制的に挿入されるときに、光ファイバプローブ１の径方向に応力が発生した場合でも、鞘部材３の支持により、プローブ本体２の座屈等の破損の発生を防止している。
【００４２】
鞘部材３の周面壁には、複数の流通穴３１ａが形成されている。尚、流通穴３１ａは、上述の加工光学装置１００により形成されていてもよい。各流通穴３１ａは、外周面から挿通穴３１ｂにかけて貫通されている。これにより、挿通穴３１ｂは、鞘部材３がプローブ本体２と共に測定対象物４に挿入されたときに、測定対象物４に含まれる液体や気体を減衰部２５に対して流動自在にしている。この結果、鞘部材３は、プローブ本体２と共に測定対象物４内に放置されていた場合でも、測定対象物４の状態を測定可能にしている。尚、流通穴３１ａは、図９に示すように、外周側から内周側にかけて開口径が減少するように形成されていてもよい。
【００４３】
さらに、各挿通穴３１ｂは、穴方向が鞘部材３の径方向に対して軸方向に傾斜されている。これにより、図５に示すように、挿通穴３１ｂは、光ファイバ２３が鞘部材３と共に測定対象物４に対して光ファイバ２３の軸方向に挿入されるときや、鞘部材３が測定対象物４から抜脱されるときに、測定対象物４に含まれる液体や気体を減衰部２５方向に強制的に流動させるようになっている。これにより、鞘部材３は、測定対象物４の測定開始を短時間で実現するようになっている。
【００４４】
上記の鞘部材３は、さらに、周面壁に複数のマーカー３１ｃを有している。マーカー３１ｃは、一定間隔で配置され、外部から視認可能にされている。マーカー３１ｃは、鞘部材３の一方側から他方側にかけて周方向のサイズが変更されている。これにより、マーカー３１ｃは、光ファイバプローブ１が測定対象物４に挿入されるときに、挿入深さを作業者に容易に把握させることを可能にしている。尚、マーカー３１ｃは、挿入深さを示す数値を備えていてもよい。
【００４５】
（植物センシング装置２００）
上記のように構成された光ファイバプローブ１は、図６に示すように、植物センシング装置２００のセンサー部として用いられている。植物センシング装置２００は、測定対象物４を植物とし、この植物の状態をキャビティリングダウン分光法によりリアルタイムで高精度に求めるように構成されている。尚、測定対象物４が植物の測定以外の用途に使用される場合には、後述の記憶部２１１のデータテーブルにおける状態データの内容を変更することによって、吸光分析装置となる。
【００４６】
植物センシング装置２００は、測定対象物４である植物に挿入される一つ以上の光ファイバプローブ１と、各光ファイバプローブ１に対してレーザー光を入出力させ、各光ファイバプローブ１からの反射光に基づいて複数の測定対象物４の状態を監視可能な植物センシング装置本体２０１とを有している。光ファイバプローブ１は、最低一つあればよく、植物センシング装置本体２０１が光ファイバセレクタ２０３を備えることによって、複数の光ファイバプローブを使用することができる。
【００４７】
光ファイバプローブ１は、植物センシング装置本体２０１に接続されている。植物センシング装置本体２０１は、各光ファイバプローブ１の一端側に接続された光ファイバセレクタ２０３と、光ファイバセレクタ２０３の単数の共通端子２０３ｂに接続された光カプラ２０４とを有している。尚、光カプラ２０４は光サーキュレータであってもよい。光ファイバセレクタ２０３は、複数の入出力端子２０３ａと、単数の共通端子２０３ｂと、選択端子２０３ｃとを有していると共に、各入出力端子２０３ａ及び共通端子２０３ｂ間の接続状態（チャンネル）を選択端子２０３ｃに入力された選択データにより切り替える図示しない切替部とを有している。
【００４８】
光ファイバセレクタ２０３の共通端子２０３ｂには、光カプラ２０４の共通端子２０４ａが接続されている。光カプラ２０４は、共通端子２０４ａと、共通端子２０４ａに接続された出力端子２０４ｂおよび入力端子２０４ｃとを有している。光カプラ２０４の入力端子２０４ｃには、パルス状のレーザー光を出力可能なレーザー光出力装置２０５が接続されている。レーザー光出力装置２０５は、例えば、光源素子がＩｎＧａＡｓＰのファブリペロー型レーザーダイオードであり、中心波長が１５５０ｎｍ、スペクトル範囲が１５３０〜１５６０ｎｍ、平均出力が１００μＷ（パルス幅５００ｎｓ、繰返周波数５ｋＨｚ）、ピーク出力が４０ｍＷのものが使用される。一方、光カプラ２０４の出力端子２０４ｂには、光強度検出部２０９が接続されている。
【００４９】
また、光ファイバセレクタ２０３の選択端子２０３ｃには、選択データを出力する選択部２０６が接続されている。選択部２０６は、コントローラ２０７からの選択指令に基づいて定期的に測定対象を切り替えるように、各光ファイバプローブ１を特定する選択データを切替出力するようになっている。例えば、各光ファイバプローブ１に固有の識別番号が設定されていれば、この識別番号に対応した選択データを切替出力するようになっている。これにより、光ファイバセレクタ２０３は、光カプラ２０４を介して入力されたパルス状のレーザー光を各光ファイバプローブ１に順番に出力し、光ファイバプローブ１からの反射光を光カプラ２０４を介して光強度検出部２０９に順番に出力することが可能になっている。
【００５０】
光強度検出部２０９は、反射光の光強度を測定し、アナログ形態の光強度信号として出力するようになっている。光強度検出部２０９は、例えば、検出素子がＩｎＧａＡｓ  ＡＰＤ（アバランシェフォトダイオード）であり、検出波長が１０００〜１６００ｎｍのものが使用される。光強度検出部２０９は、吸収係数算出部２１０に接続されている。吸収係数算出部２１０は、アナログ形態の光強度信号をデジタル形態の光強度データに変換する機能と、光強度データを用いたキャビティリングダウン分光法による処理として吸収係数を算出する機能とを有している。これにより、光強度検出部２０９及び吸収係数算出部２１０は、反射光をキャビティリングダウン分光法により処理する測定装置としての機能を備えている。尚、光強度検出部２０９及び吸収係数算出部２１０は、オシロスコープにより少なくとも一部の機能を実現することができる。
【００５１】
ここで、キャビティリングダウン分光法について概略すると、２枚の高反射率ミラーで構成された光学キャビティの片側のミラー外部から、パルス化されたレーザー光を注入し、キャビティ内に進入した光を片側のミラーにおいて僅かに外部に漏洩させながら反射させる。反射光は、ミラー間で何度も反射及び漏洩が繰り返され、反射の回数を重ねる毎に、指数的に光強度を減少させる。そして、光学キャビティ内に光損失を起こす分子等の光吸収物質が存在すれば、光強度減衰率が増加することを利用し、レーザー光をキャビティ中で何度も往復させ、長い実効光路長を得ることによって、光強減衰率を高精度に算出することにより光吸収物質の状態を求める。
【００５２】
吸収係数算出部２１０は、キャビティリングダウン分光法による処理結果である光強減衰率を吸収係数データとして記憶部２１１に出力する。記憶部２１１は、ハードディスク等の大容量の記憶装置からなっており、管理テーブルと測定対象物同定テーブルとをデータテーブルとして有している。管理テーブルは、光ファイバプローブ１の識別番号と、各識別番号に対応付けられた光強度、吸収係数及び測定日時とを測定対象物４である植物の状態データとして有している。
【００５３】
これにより、管理テーブルは、測定日時に基づいた各光ファイバプローブ１がセットされた測定対象物４の光強度及び吸収係数などが保存され、経時変化を求めるデータベース等に用いることが可能になっている。また、測定対象物同定テーブルは、測定対象物４の状態と、各状態に応じた吸収係数とを測定対象物の種類毎に記憶している。これにより、測定対象物同定テーブルは、各種の測定対象物４である植物の状態を吸収係数に基づいて同定するデータベースとして用いることが可能になっている。
【００５４】
上記の記憶部２１１は、コントローラ２０７によりアクセス可能にされている。コントローラ２０７は、パーソナルコンピュータ等の情報処理装置からなり、キャビティリングダウン分光法による処理結果を測定対象物４の状態データとして情報処理する機能を有するように、少なくとも図７の監視制御ルーチンを実行可能にされている。尚、コントローラ２０７は、処理能力に余力があれば、吸収係数算出部２１０における吸収係数の算出処理に用いられてもよい。
【００５５】
コントローラ２０７は、上述のレーザー光出力装置２０５と、選択部２０６と、吸収係数算出部２１０とに接続されていると共に、キーボードやマウス等の操作部２１２と、液晶表示装置等の表示部２１３とに接続されている。コントローラ２０７は、レーザー光出力装置２０５に対して出力開始や出力停止の出力指令信号を出力すると共に、レーザー光の出力状態（パルス幅や光強度等）を設定する設定指令信号を出力する機能と、選択部２０６に対して切替間隔や選択対象となる識別番号の設定指令信号を出力する機能と、吸収係数算出部２１０に対して測定対象物の種類に応じた演算情報を出力する機能とを有している。
【００５６】
さらに、コントローラ２０７は、操作部２１２からの操作データを受け付ける機能と、操作データに基づいて各種の処理を実行する機能と、表示部２１３に対して操作の内容を表示させる機能と、表示部２１３に対して記憶部２１１に記憶された各種のデータをグラフや数値により表示させる機能と、吸収係数に基づいて測定対象物の状態を画像や数値で表示する機能とを有している。
【００５７】
（光ファイバプローブ１の使用方法）
上記の構成において、光ファイバプローブ１を使用する場合には、図５（ａ）に示すように、先ず、プローブ本体２の先端と鞘部材３の先端とが一致された後、これらの先端が測定対象物４に対向する姿勢に保持されながら、測定対象物４方向に移動される。
【００５８】
この後、同図（ｂ）に示すように、プローブ本体２と鞘部材３との位置関係が維持されつつ、光ファイバプローブ１の先端から測定対象物４内に押し込まれながら挿入される。この際、鞘部材３がプローブ本体２を半径方向に支持しているため、挿入方向と押し込み方向とが一致せずに、プローブ本体２に曲げ応力が発生した場合でも、プローブ本体２を座屈等の損傷し難いものとすることができる。
【００５９】
光ファイバプローブ１を測定対象物４に挿入することによって、鞘部材３における所定のマーカー３１ｃが測定対象物４の外表面に到達したときに、光ファイバプローブ１が所定の挿入深さにセットされたと作業者に認識される。これにより、多くの光ファイバプローブ１を測定対象物４に挿入する作業を繰り返した場合でも、光ファイバプローブ１の挿入深さが簡単なマーカー３１ｃの確認作業で一定に維持されることになる。
【００６０】
次に、同図（ｃ）・（ｄ）に示すように、プローブ本体２が保持されながら、鞘部材３が測定対象物４から引き出される。尚、引き出し量は、同図（ｃ）に示すように、測定対象物４の途中に鞘部材３の先端部が残る状態であってもよいし、同図（ｄ）に示すように、鞘部材３が測定対象物４から完全に離反された状態であってもよい。同図（ｃ）の場合には、測定対象物４と外部との界面に蓋として機能させることができる。また、所定の期間が経過したときに、鞘部材３を測定対象物４に挿入して抜脱する操作を繰り返すことによって、光ファイバプローブ１の目詰まり等の清掃を行うことができる。
【００６１】
（植物センシング装置２００、光ファイバプローブ１の動作）
上記のようにして光ファイバプローブ１の測定対象物４へのセットが完了すると、図６に示すように、光ファイバプローブ１が植物センシング装置本体２０１に接続される。この後、植物センシング装置本体２０１に対して電力が供給されることによって、植物センシング装置本体２０１の作動が開始される。
【００６２】
具体的には、図７の監視制御ルーチンが実行され、先ず、操作部２１２のキー操作等による操作データの入力が受け付けられる（Ｓ１）。続いて、受け付けた操作データが測定感度の調整であるか否かが判定される（Ｓ２）。測定感度の調整である場合には（Ｓ２，ＹＥＳ）、調整内容に応じた測定感度調整処理が実行され、例えば、レーザー光出力装置２０５に対してレーザー光の出力状態（パルス幅や光強度等）が設定されたり、吸収係数算出部２１０に対して測定対象物４の種類に応じた演算情報が出力される（Ｓ３）。この後、Ｓ１から再実行される。
【００６３】
一方、測定感度の調整でない場合には（Ｓ２，ＮＯ）、続いて、操作データが表示の切り替えであるか否かが判定される（Ｓ４）。表示の切り替えである場合には（Ｓ４，ＹＥＳ）、表示切替処理が実行され、例えば、記憶部２１１に記憶された吸収係数の表示や測定対象物４の状態の表示等が行われる（Ｓ５）。この後、Ｓ１から再実行される。
【００６４】
一方、表示の切り替えでない場合には（Ｓ４，ＮＯ）、続いて、操作データが測定の開始であるか否かが判定される（Ｓ６）。測定の開始でない場合には（Ｓ６，ＮＯ）、Ｓ１から再実行される。測定の開始である場合には（Ｓ６，ＹＥＳ）、キャビティリングダウン分光法による測定が開始される。
【００６５】
具体的には、レーザー光出力装置２０５からパルス状のレーザー光が出力される（Ｓ７）。そして、所定の切り替えタイミングで光ファイバセレクタ２０３におけるチャンネルの切り替えが行われる。これにより、各光ファイバプローブ１に対して順番にレーザー光が出力されることになる（Ｓ８）。尚、チャンネルの切り替え後にレーザー光の出力が行われてもよい。
【００６６】
ここで、図１に示すように、光ファイバプローブ１にレーザー光が導入されると、レーザー光は、コア２１内をプローブ部２４方向に向かって進行する。そして、プローブ部２４に到達したレーザー光は、レーザー光の進行方向の上流側に配置された一方の反射部２６を透過した後、減衰部２５を通過して下流側に配置された他方の反射部２７で反射光として反射される。反射光は、減衰部２５を通過した後、一方の反射部２６に到達し、一部が漏洩し、残部が他方の反射部２７方向に反射する。レーザー光の反射光は、反射部２６・２７間の反射と漏洩とを繰り返しながら、減衰部２５に存在する測定対象物４の光吸収物質により光強度を減衰されることになる。
【００６７】
図６に示すように、一方の反射部２６から漏洩した反射光は、光ファイバセレクタ２０３および光カプラ２０４を介して光強度検出部２０９に出力され、光強度信号とされる。光強度信号は、吸収係数算出部２１０において、デジタル形態の光強度データに変換された後、キャビティリングダウン分光法により吸収係数が算出される。そして、この吸収係数が記憶部２１１の管理テーブルに測定日時等と共に記憶されることによって、測定データ（測定対象物４の状態データ）として取得されることになる（Ｓ９）。
【００６８】
次に、測定が終了したか否かが判定され（Ｓ１０）、測定が終了していない場合には（Ｓ１０，ＮＯ）、Ｓ７から再実行されることによって、キャビティリングダウン分光法による測定データの取得が繰り返される。一方、測定の終了である場合には（Ｓ１０，ＹＥＳ）、レーザー光の出力が停止され（Ｓ１１）、測定データの取得が停止された後（Ｓ１２）、Ｓ１から再実行される。
【００６９】
（光ファイバプローブ、吸光分析装置、植物センシング装置の概要）
以上のように、本実施形態の光ファイバプローブ１は、キャビティリングダウン分光法に用いるものであって、コア２１とクラッド２２とを備え、一端側から光が導入される光ファイバ２３と、光ファイバ２３の他端を含み、他端から測定対象物４に挿入されるプローブ部２４と、プローブ部２４に形成され、光の強度を測定対象物４の光吸収物質により減衰させる減衰部２５と、プローブ部２４における減衰部２５を挟んだ両側に形成され、光の一部を反射する反射部２６・２７とを有した構成にされている。
【００７０】
上記の構成によれば、プローブ部２４は、光ファイバ２３の他端を含むと共に、減衰部２５と、この減衰部２５を挟んだ両側に形成された反射部２６・２７とを有した共振器構造を持つため、光ファイバ２３の一端側において、光を導入すると、プローブ部２４の反射部２６・２７で反射を繰り返し、光強度を減衰部２５で減衰させながら漏出した光を受け取ることができる。これにより、光ファイバ２３の他端をプローブ部の先端として測定対象物４の内部に挿入しながら、反射した光を測定することができるため、光ファイバ２３の直径に近似した必要最小限の測定領域を測定対象物４に確保することができれば、キャビティリングダウン分光法により物質の成分濃度を測定できたり、物質を同定することができる。また、反射型のプローブであるため、光ファイバの他端から測定対象物に導入させることにより、容易に光ファイバプローブのセットを完了することができる。さらに、減衰部２５を挟んだ反射部２６・２７が光ファイバ２３の軸線上に配置されているため、光軸調整が不要であると共に、温度変化等の環境変化で光軸がずれることもないため、良好な光学安定性を得ることができる。
【００７１】
また、光ファイバプローブ１における反射部２６・２７は、ファイバグレーティングにより構成されている。
【００７２】
上記の構成によれば、測定対象物４の光吸収波長に合わせた波長を選択することができる。光ファイバプローブ１内に共振器を構成することができるため、光ファイバプローブ１を小型化することができる。
【００７３】
また、光ファイバプローブ１における減衰部２５は、少なくともクラッド２２の一部を除去することにより除去面が外部に露出状態にされている構成である。
【００７４】
上記の構成によれば、光ファイバ２３を切削したり、穴空け加工することにより、穴や窪みを形成することによって、少なくともクラッド２２の一部を除去、即ち、クラッド２２の一部だけを除去したり、クラッド２２とコア２１との一部、クラッド２２の一部とコア２１の全部（光ファイバの軸方向から見た場合の全部）とを除去することができる。これにより、容易に、小さな減衰部２５を形成することができることから、微小領域に挿入される用途に好適な光ファイバプローブ１とすることができる。
【００７５】
また、光ファイバプローブ１は、光の中心波長に対して、他端側のファイバグレーティングからなる反射部２７の反射率が９９．９９％以上であり、一端側のファイバグレーティングからなる反射部２６の反射率が他端側のファイバグレーティングの反射率より小さい、具体的には、反射率が７０％以上、９８．９％以下の範囲に設定されている構成である。これにより、ファイバグレーティングを採用した反射型の光ファイバプローブ１において、リングダウン波形を効率的に取得することができる。
【００７６】
光ファイバプローブ１は、さらに、プローブ部２４を挿通自在に支持する鞘部材３を有する構成である。この構成によれば、プローブ部２４が鞘部材３により支持されているため、外力を付与しながらプローブ部２４を測定対象物４に挿入する際に、プローブ部２４が破損し難いものとすることができる。さらに、プローブ部２４を測定対象物４に挿入する際に、鞘部材３とプローブ部２４との隙間に測定対象物４が流入し、減衰部２５に到達するため、減衰部２５への測定対象物４の導入が容易となる。
【００７７】
また、光ファイバプローブ１は、光ファイバ２３の他端の先端が先細り形状に形成されている。これにより、測定対象物４に対してプローブ部２４を容易に差し込むことができる。
【００７８】
また、本実施形態の吸光分析装置（植物センシング装置２００）は、上記の構成を有する光ファイバプローブ１と、光ファイバプローブ１の一端側に接続され、プローブ部２４に光を出力する発光装置（レーザー光出力装置２０５等）と、光ファイバプローブ１の一端側に接続され、プローブ部２４からの反射光をキャビティリングダウン分光法により処理する測定装置（光強度検出部２０９、吸収係数算出部２１０等）とを備えた構成にされている。
【００７９】
具体的には、図１２に示すように、吸光分析装置は、上記の構成を備えた光ファイバプローブ１と、光ファイバプローブ１の一端側に接続され、光をプローブ部２４に導入すると共にプローブ部２４からの反射光を取り出すカブラ部３０１（光ファイバセレクタ２０３、光カプラ２０４等）と、プローブ部２４に光を出力する光源３０２（レーザー光出力装置２０５等）と、プローブ部２４からの反射光を検出するＰＤ部３０３（フォトダイオード等の光強度検出部２０９等）と、光強度検出部２０９で検出された反射光の光強度をキャビティリングダウン分光法により処理する制御／データ処理部３０４（コントローラ２０７等）とを備えた構成にされている。
【００８０】
上記の構成によれば、吸光分析装置の信号経路全体を光ファイバで構成することができるため、信頼性及び安定性に優れた吸光分析装置とすることができる。
【００８１】
また、本実施形態の植物センシング装置は、測定対象物４を植物とした上記構成の吸光分析装置と、吸光分析装置におけるキャビティリングダウン分光法による処理結果を測定対象物４の状態データとして情報処理する情報処理装置（コントローラ２０７等）とを備えた構成にされている。
【００８２】
上記の構成によれば、測定対象物４である植物の内部、例えば葉脈に光ファイバプローブ１を挿入してキャビティリングダウン分光法による処理を行いながら、処理結果である植物の状態データの情報処理を行うことができるため、植物の表面のみを観察するよりも、高精度な植物の観察をリアルタイムで行うことができる。
【００８３】
以上の詳細な説明では、本発明をより容易に理解できるように、特徴的部分を中心に説明したが、本発明は、以上の詳細な説明に記載する実施形態に限定されず、その他の実施形態にも適用することができ、その適用範囲は可能な限り広く解釈されるべきである。また、本明細書において用いた用語及び語法は、本発明を的確に説明するために用いたものであり、本発明の解釈を制限するために用いたものではない。また、当業者であれば、本明細書に記載された発明の概念から、本発明の概念に含まれる他の構成、システム、方法等を推考することは容易であると思われる。従って、請求の範囲の記載は、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲で均等な構成を含むものであるとみなされるべきである。また、要約書の目的は、特許庁及び一般的な公共機関や、特許、法律用語又は専門用語に精通していない本技術分野に属する技術者等が本出願の技術的な内容及びその本質を簡易な調査で速やかに判断し得るようにするものである。従って、要約書は、請求の範囲の記載により評価されるべき発明の範囲を限定することを意図したものではない。また、本発明の目的及び本発明の効果を充分に理解するために、すでに開示されている文献等を充分に参酌することが望まれる。
【実施例】
【００８４】
（リングダウンタイムの測定）
次に、図１２に示す吸光分析装置を用いて、図１の貫通穴の減衰部２５を備えた光ファイバプローブ１と、図８の凹湾曲部の減衰部２５を備えた光ファイバプローブ１とのリングダウンタイムを測定した。
【００８５】
ここで、リングダウンタイムとは、光強度の減衰寿命である。即ち、光が反射部２６・２７により反射される際、その漏れ光の強度が指数関数的に減衰する。そして、τ0 を減衰寿命とし、I(t)とI0とをはそれぞれ時刻t =t とt = 0とにおける漏れ光の強度であるとすると、光強度の減衰の程度がI(t) = I0 exp(-t/τ0)の関係式で表されることから、I(t)とI0 とをそれぞれ測定することによって、各種の光ファイバプローブ１について光強度の減衰寿命τ0 を求めることができる。
【００８６】
（測定条件）
吸光分析装置における光源３０２は、光源素子がＩｎＧａＡｓＰのファブリペロー型レーザーダイオードであり、中心波長が１５５０ｎｍ、スペクトル範囲が１５３０〜１５６０ｎｍ、平均出力が１００μＷ（パルス幅５００ｎｓ、繰返周波数５ｋＨｚ）、ピーク出力が４０ｍＷのものを使用した。ＰＤ部３０３は、検出素子がＩｎＧａＡｓ  ＡＰＤであり、検出波長が１０００〜１６００ｎｍのものを使用した。
【００８７】
光ファイバプローブ１は、反射部２６・２７をファイバグレーティングにより形成し、反射部２６のファイバグレーティングは、中心波長が１５５０ｎｍのときの反射率を８０〜９０％に設定し、反射部２７のファイバグレーティングは、中心波長が１５５０ｎｍ、反射率を９９．９９％（４０ｄＢ）に設定した。
【００８８】
（測定結果）
上記の測定条件の下、図１の貫通穴の減衰部２５を備えた光ファイバプローブ１と、図８の凹湾曲部の減衰部２５を備えた光ファイバプローブ１とを、測定対象物４として空気、アルコール、水の何れかとしたときのリングダウンタイムを測定した。測定結果を表２に示す。
【００８９】
【表２】
2011017665.tif 000004
【００９０】
（植物センシング）
次に、光ファイバプローブ１を用いて植物を測定対象物４とした植物センシングを行うことによって、キャビティリングダウン分光法による測定が植物に適用可能であることを確認した。
【００９１】
先ず、図１２に示すように、光ファイバプローブ１の一端を光サーキュレータに接続し、光出力部からのレーザー光を光ファイバプローブ１に導入し、反射光を制御／データ処理部３０４の一部の機能を実現する図示しないオシロスコープで測定する測定システムを構成した。尚、測定システムは、１５５０ｎｍ帯の波長を測定できるように調整した。
【００９２】
この後、エタノールと２０％ショ糖水溶液とを測定対象物４としてそれぞれ選定した。ここで、測定対象物４としてエタノールと２０％ショ糖水溶液とを用いた理由は、双方の屈折率がほぼ等しく、光ファイバプローブ１先端の貫通孔（減衰部２５）に充填される液体と光ファイバの屈折率との不整合条件を同一にするためである。
【００９３】
次に、エタノールと２０％ショ糖水溶液とに光ファイバプローブ１をそれぞれ挿入し、反射光の光強度（光パルス強度）と時間（ｎｓ）との関係を測定した。この結果、双方の屈折率がほぼ等しいにもかかわらず、図１３に示すように、２種類の液体の差、即ち、エタノールと２０％ショ糖水溶液との差を検出することができていることから、光ファイバプローブ１を植物センシングに適用でき、ひいては野菜や果物の糖分やビタミン類の含有量を測定できることが確認された。
【００９４】
尚、図１３のグラフにおける光パルス強度の減衰（傾き）は、ほぼ貫通孔での散乱損失で決定されており、その傾きの上に吸収の差による減衰効果が小さく現れている状況である。分光光度計による２種類の１５５２ｎｍにおける吸収係数は、２０％ショ糖水溶液の方が２倍大きい結果となっている。そして、本測定システムによれば、その差を図１３のグラフに示す傾きの差として検出可能であることが確認された。
【符号の説明】
【００９５】
１  光ファイバプローブ
２  プローブ本体
３  鞘部材
４  測定対象物
２１  コア
２２  クラッド
２３  光ファイバ
２４  プローブ部
２５  減衰部
２６  反射部
２７  反射部
【図１】
2011017665.tif 000005
【図２】
2011017665.tif 000006
【図３】
2011017665.tif 000007
【図４】
2011017665.tif 000008
【図５】
2011017665.tif 000009
【図６】
2011017665.tif 000010
【図７】
2011017665.tif 000011
【図８】
2011017665.tif 000012
【図９】
2011017665.tif 000013
【図１０】
2011017665.tif 000014
【図１１】
2011017665.tif 000015
【図１２】
2011017665.tif 000016
【図１３】
2011017665.tif 000017