(57)【要約】【課題】光ファイバーを用いた蛍光計測における伝送路損失の変動を補償できるようにする。【解決手段】伝送路の光ファイバーは基端面から入射した励起光を先端面から測定対象物に照射し、測定対象物が発した蛍光を先端面で受光し励起光の反射光とともに基端面に導いて出射させる。光ファイバーの基端面に励起光を入射させる励起光学系、光ファイバーの基端面から出射する光のうち蛍光を選択的に検出する蛍光検出光学系、及び光ファイバーの基端面から出射する光のうち先端面での励起光の反射光を選択的に検出する反射光検出光学系を備えている。蛍光強度測定値を得る演算部は、蛍光検出光学系により検出された蛍光強度を反射光検出光学系により検出された反射光強度により補正する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
励起光により励起されて蛍光を発する測定対象物の蛍光を測定する装置であって、
基端面と先端面をもつ光ファイバーを備え、前記基端面から入射した励起光を前記先端面から測定対象物に照射し、測定対象物が発した蛍光を前記先端面で受光し励起光の反射光とともに前記基端面に導いて出射させる伝送路と、
前記光ファイバーの前記基端面に励起光を入射させる励起光学系と、
前記光ファイバーの前記基端面から出射する光のうち蛍光を選択的に検出する蛍光検出光学系と、
前記光ファイバーの前記基端面から出射する光のうち前記先端面での励起光の反射光を選択的に検出する反射光検出光学系と、
前記蛍光検出光学系により検出された蛍光強度を前記反射光検出光学系により検出された反射光強度により補正して補正された蛍光強度測定値を得る演算部と、
を備えた蛍光測定装置。
【請求項２】
前記演算部は、前記補正をするために前記蛍光強度を前記反射光強度で割り算をする割り算部を備えている請求項１に記載の蛍光測定装置。
【請求項３】
前記演算部は、さらに、
前記光ファイバーの通常の伝送路損失の大きさを示すしきい値を保持するしきい値保持部と、
前記反射光強度の変動を監視し、その変動幅を前記しきい値保持部に保持されたしきい値と比較してそのしきい値を超えたことにより前記光ファイバーでの異常を検出する伝送路異常検出部と、
を備えている請求項１又は２に記載の蛍光測定装置。
【請求項４】
前記光ファイバーの前記基端面は光ファイバーの光軸に直交する方向から傾斜した端面として形成されており、
前記励起光学系は励起光を集光して前記光ファイバーの前記基端面に導入する集光レンズと励起光を集光レンズに導く導光光学系を備え、前記集光レンズはその光軸が前記光ファイバーの光軸上にくるように配置されており、前記導光光学系は励起光が前記集光レンズの光軸位置から外れた領域を経て前記光ファイバーの光軸に対して９０度よりも小さい角度で入射するように配置されており、
前記反射光検出光学系は前記集光レンズを経て戻ってきた励起光の反射光を検出する位置に配置された光検出器を備えている請求項１から３のいずれか一項に記載の蛍光測定装置。
【請求項５】
前記光ファイバーの前記基端面は光ファイバーの光軸に直交する方向から傾斜した端面として形成されており、
前記励起光学系は励起光を集光して前記光ファイバーの前記基端面に導入する集光レンズと励起光を集光レンズに導く導光光学系を備え、前記集光レンズはその光軸が前記光ファイバーの光軸から傾き、その傾き方向が前記光ファイバーの前記基端面が前記光ファイバーの光軸に対して鋭角をなす方向となるように配置されており、
前記反射光検出光学系は前記集光レンズを経て戻ってきた励起光の反射光を検出する位置に配置された光検出器を備えている請求項１から３のいずれか一項に記載の蛍光測定装置。
【請求項６】
前記反射光検出光学系は前記光ファイバーの前記基端面からの反射光の光学系伝播を防ぐ絞りを備えている請求項４又は５に記載の蛍光測定装置。
【請求項７】
前記反射光検出光学系の前記光検出器は前記光ファイバーの前記基端面からの反射光が入射しない大きさである請求項４又は５に記載の蛍光測定装置。
【請求項８】
前記励起光学系は前記励起光として可干渉光を発生する励起光源を備え、
前記反射光検出光学系は、前記励起光源からの励起光を２つの光束に分割して一方を前記光ファイバーに入射させ、他方を光路長調整機構を備えた他方の光路に入射させ、前記光ファイバーを戻ってきた励起光の反射光と前記他方の光路を戻ってきた励起光の反射光とを合流させるマイケルソン干渉計を備え、該干渉計により前記先端面での励起光の反射光を選択的に検出するように構成されている請求項１から３のいずれか一項に記載の蛍光測定装置。
【請求項９】
前記演算部は、前記他方の光路の光路長調整機構を作動させたときに前記先端面以外の位置からの励起光の反射光も検出して前記光ファイバーにおける異常点を検出する異常点検出部をさらに備えている請求項８に記載の蛍光測定装置。
【請求項１０】
前記励起光学系は前記励起光としてパルス光を発生するパルス駆動装置を備え、
前記反射光検出光学系は前記先端面での励起光の反射光が戻ってくるまでの時間に相当する時間遅れのパルス光を計測するように構成されている請求項１から３のいずれか一項に記載の蛍光測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は蛍光測定技術に関し、例えば遠隔計測の分野で使用される蛍光測定技術に関する。遠隔計測とは広大な場所での計測のみならず、測定器類が持ち込めない場所、例えば生体内や狭小な空間、又は高温もしくは高湿の環境、などにおける物理量・化学量の測定をも意味する。
【背景技術】
【０００２】
蛍光測定を遠隔計測で行うものとして、光ファイバーを用いた方法が知られている。例えば、燃料電池分野における狭小な空間内の計測に光ファイバーが用いられている（特許文献１、２参照。）。特許文献１に記載の装置では、光伝送可能なプローブの先端に酸素感応性をもつ蛍光体試薬を設け、プローブの先端の蛍光体試薬をイオン透過膜（高分子電解質膜）に当接させる。光ファイバーを用いてプローブに励起光を導いて蛍光体試薬を励起し、蛍光体試薬からの蛍光量の変化を同じ光ファイバーを介して測定することにより、イオン透過膜の酸素濃度から運転状態を知るようにしている。
【０００３】
一般に蛍光測定では、励起光強度を一定にするか、その変動をモニターして補正をする必要がある。例えば、特許文献１に記載の装置では、酸素感応試薬は酸素存在下で蛍光が消光する特性をもつので、蛍光発光強度の減少から酸素分圧を測定する。その際、励起光強度が変動すると、蛍光発光強度もそれに伴って変動し、酸素分圧測定の誤差となる。
【０００４】
装置（機器）内に光源、光検出器及び試料が載せられた蛍光測定機のような場合は、光源光量の変動をモニターすることは容易であり、その変動補償も容易であるが、試料が光源や光検出器から離れている場合は光源光量の変動をモニターするにはモニター用の光学系を設けるのが一般的である。
【０００５】
一例は、試料を励起してそこから発する蛍光を導く光ファイバーとは別個に、光源光量の一部を光検出器に導く参照用の光ファイバーを準備し、両光ファイバーと光検出器の間の光路を交互に切り替えて光源光量の変動を補償するものである（特許文献３参照。）。
【０００６】
他の例は、蛍光の遅れ時間により物理量の計測をする例であるが、そこでも光源光量の一部を導く参照用の光路を設け、これをモニターすることにより、光源光量の変動補償を行っている（特許文献４参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００４−２６５６６７号公報
【特許文献２】特許第４６７７６０４号公報
【特許文献３】特開昭６１−１１６６４６号公報
【特許文献４】特開２００９−５１９４４１号公報
【特許文献５】特開２００７−１０１２５０号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】柳井久義編「光通信ハンドブック」（朝倉書店、1982年発行）pp.435-436、5.4.7障害点検出測定法
【非特許文献２】社団法人電子情報通信学会編「電子情報通信ハンドブック」（オーム社、昭和63年発行）p.2265、4.2.2後方散乱法による光損測定
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし光ファイバーを用いた遠隔計測の場合、光ファイバーは光源・光検出器とは別の環境に置かれる。そのため、環境温度や光ファイバーに加わる曲げや引張り力により、伝送路での光量の損失が変動する。また光ファイバーコネクタのような光の結合部位での光量の損失も変動する。以下、伝送路での光量の損失と結合部位での光量の損失を含めて伝送路損失という。
【００１０】
このような伝送路損失の変動によって試料に到達する励起光の光量が変化する。測定している蛍光の光量が変化した場合、それが測定したい物理量の変動に基づくのか、又は光ファイバーの伝送路損失の変動に基づくのかを判定することができない。
【００１１】
光ファイバーの伝送路損失の変動は従来の変動補償方法では補償されない。燃料電池動作環境（高温）に光ファイバーを導入して計測を行う場合、たとえ光ファイバー距離が短くとも、光ファイバーが置かれる環境は機器が設置される環境とは全く異なるため、伝送路変動の補償は必須となる。
【００１２】
本発明は光ファイバーを用いた蛍光計測における伝送路損失の変動を補償できる機能を備えた蛍光測定装置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】
【００１３】
本発明は、励起光により励起されて蛍光を発する測定対象物の蛍光を測定する装置である。光ファイバーを伝播している励起光のうち、測定対象側の端面で反射して戻ってくる成分があるので、本発明はそれを選択的に捉えて蛍光強度変動の補償に充てる。
【００１４】
そのための構成として、基端面と先端面をもつ光ファイバーを備えた伝送路を備えている。光ファイバーは基端面から入射した励起光を先端面から測定対象物に照射し、測定対象物が発した蛍光を先端面で受光し励起光の反射光とともに基端面に導いて出射させる。さらに、光ファイバーの基端面に励起光を入射させる励起光学系と、光ファイバーの基端面から出射する光のうち蛍光を選択的に検出する蛍光検出光学系と、光ファイバーの基端面から出射する光のうち先端面での励起光の反射光を選択的に検出する反射光検出光学系と、蛍光検出光学系により検出された蛍光強度を前記反射光検出光学系により検出された反射光強度により補正して補正された蛍光強度測定値を得る演算部とを備えている。
【００１５】
図１の概念図を参照して本発明の原理を説明するが、図１は本発明の対象となる蛍光測定系の一例であるので、本発明の原理に関する説明以外の部分は本発明を限定するものではない。
【００１６】
その蛍光測定系では、一例として、光ファイバー１０の先端面１１に蛍光試薬１２が塗布されたプローブを用いる。蛍光試薬１２が測定対象物の一例である。励起光源１４からの励起光１６は光学系１８により光ファイバー１０の基端面１９に入射され、光ファイバー１０を経て先端面１１に導かれ、先端面１１から蛍光試薬１２に照射される。蛍光試薬１２からの蛍光２０は、光ファイバー１０に導かれ、基端面１９から出射して光学系１８を透過し、フィルタ２２を経て光検出器２４に入射して検出される。
【００１７】
そのような蛍光測定系において、光ファイバー１０から光学系１８に戻ってくる光には、励起光１６と同じ波長をもつものと励起光１６とは異なる波長をもつものとがある。励起光と同じ波長をもつものとしては、光ファイバー１０の基端面１９での反射光２５、光ファイバー１０によるレーリー散乱光２６、コネクタ等の端面２８からの反射光３０、及び光ファイバー先端面１１での反射光３２がある。また、励起光とは異なる波長をもつものとしては、蛍光試薬からの蛍光２０のほか、光ファイバー１０からの蛍光３４がある。レンズ等の光学素子がある場合には、そのような光学素子からの蛍光３６もある。
【００１８】
光学系１８とフィルタ２２は、ここでは概念として示されており、詳しくは後述するが、励起光源１４からの励起光１６を光ファイバー１０の基端に入射させ、光ファイバー１０を戻ってくる蛍光試薬からの蛍光２０と光ファイバー先端面１１での反射光３２のみを透過させて光検出器２４に導くように設計されている。
【００１９】
光ファイバーをプローブとして用いた蛍光測定系において、以下の前提を設けることができる。
（１）光ファイバー自体による蛍光３４は、ファイバーの種類を選べば小さくすることが可能であるため、無視できる。
（２）レンズ等の光学素子からの蛍光３６も小さいため無視できる。
（３）光ファイバーからのレーリー散乱光２６は、光ファイバー長さが数百メートルといった格別に長い距離であれば考慮する必要があるが、本発明が対象とする蛍光測定系では短く、例えばせいぜい数メートル、であるので無視できる。
（４）光コネクタとしては、通常はＰＣ(Physical Contact)またはＡＰＣ(Angled Physical Contact)と呼ばれる端面反射光を減らしたコネクタが用いられるので、光コネクタ端面からの反射光３０も無視できる。
【００２０】
これらのことから、光ファイバー１０から光学系１８に戻ってくる光のうちで、考慮すべきは、
（ａ）試薬からの蛍光２０、
（ｂ）試薬側の光ファイバー先端面１１での励起光の反射光３２、及び
（ｃ）光ファイバー基端面１９からの励起光の反射光２５
である。
【００２１】
このうち、（ａ）の蛍光２０は励起光とは異なる波長をもつので光学フィルタを用いて選択的に検出できる。また励起光成分を検出するときは蛍光２０は光学フィルタを用いて除去できる。そのため、励起光成分のうち、（ｂ）の反射光３２と（ｃ）の反射光２５を区別して又は選択的に検出することが本発明の鍵となる。そのための方法として次の３つの方法を挙げることができる。
（１）光ファイバー先端面１１での反射光３２は光検出器２４に入射させるが、光ファイバー基端面１９での反射光２５が光検出器２４に入射しないようにする。
（２）マイケルソン干渉計を用い、光ファイバー先端面１１までの光路長と一致する点の干渉振幅により反射光３２を他の反射点からの反射光と区別する。
（３）パルス型の励起光とし遅延時間から光ファイバー先端面１１での反射光３２を他の反射点からの反射光と区別する。
【００２２】
このうち（１）の方法は、光ファイバー基端面１９での反射光２５を光検出器２４に入射させない構成をとることである。
【００２３】
（２）と（３）の方法は、基端面１９での反射光２５だけでなく、前述した光ファイバーのレーリー散乱光２６やコネクタからの戻り反射光３０があったとしても、それらの反射光も除去できる。
【００２４】
本発明により、励起光の先端面１１での反射光強度が選択的に測られたとき、どのような原理で伝送線路の損失変動が補償されるかを図２を参照して説明する。図２も蛍光測定装置の一例にすぎず、本発明の蛍光測定装置を限定するものではない。その蛍光測定装置は、先端に蛍光試薬１２が塗布された光ファイバー１０をプローブとしている。機器内の励起光源１４から発せられた励起光１６（パワーＰ０）はレンズ等の光学素子１８Ａ〜１８Ｃにより集光され、光ファイバー１０に導入される。光ファイバー１０への光の結合効率をＴとする。この光は光ファイバー１０を伝送（損失Ｌ１）されて、蛍光試薬１２が塗布された先端面に到達し、先端面から蛍光試薬１２に照射されて蛍光試薬１２を励起するとともに、一部は先端面で反射（反射率Ｒ）して、もと来た光ファイバー１０の復路を帰る（損失Ｌ２）。これらのことから光検出器２４に到達する励起光パワー（測定される励起光パワー）は、
Ｐ０×Ｔ×（１−Ｌ１）×Ｒ×（１−Ｌ２）        （１）
となる。
【００２５】
一方、蛍光パワーは光ファイバー１０の先端面に到達する励起光パワーに比例（比例定数Ａ）し、光ファイバー１０の復路の伝送路損失（Ｌ２）だけ減少したものとなる。光検出器２４に到達する蛍光パワー（測定される蛍光パワー）は、
（Ｐ０×Ｔ×（１−Ｌ１））×Ａ×（１−Ｌ２）        （２）
となる。
変動補償された蛍光パワーは、（２）式を（１）式で割ったものであり、
Ａ／Ｒ                            （３）
となる。
【００２６】
変動補償された蛍光パワーを得る演算は演算部１２０の割り算部１２２でなされる。
【００２７】
このように、伝送路損失Ｌ１やＬ２には無関係になるので、たとえ光ファイバー１０の伝送路損失が変動したとしてもその影響を回避して変動補償された蛍光パワーの測定が可能である。
【００２８】
また励起光パワー（Ｐ０）や、光ファイバー１０への結合部における光ファイバー１０への励起光の結合効率（Ｔ）にも無関係になる。このことはレーザーパワー（Ｐ０）自身の変動や光ファイバー１０への結合効率（Ｔ）の変動も補償可能となることを意味する。光ファイバー１０への結合部において光ファイバーの基端面の径は数マイクロメータから数十マイクロメータと小さく、ミラーや結合レンズの位置が僅かに変動しても、光ファイバー上の集光位置が変わり、結合効率（Ｔ）の変動を引き起こす。この結合系も広義の伝送路と考えられ、その変動は当然、蛍光の測定にも影響がある。これも補償できることは本発明の利点の一つである。
【００２９】
さらに、光ファイバーでの異常を検出することもできる。すなわち、一般に、光ファイバーは温度、曲げ又は引っ張り等により伝送路損失が変動するが、その変動範囲は２０〜３０％に収まる。励起光の先端面での反射光量を監視することにより、温度、曲げ又は引っ張り等による通常の範囲の変動か、又は系に異常が発生したかの判定を行うことができる。
【００３０】
そのような異常検出のために、一実施形態では、図２に示されるように、演算部１２０は、さらに、光ファイバーの通常の伝送路損失の大きさを示すしきい値を保持するしきい値保持部１２４と、反射光強度の変動を監視し、その変動幅をしきい値保持部１２４に保持されたしきいと比較してそのしきい値を超えたことにより光ファイバーでの異常を検出する伝送路異常検出部１２６を備えている。
【００３１】
さらに、本発明の他の実施形態では、後述するように異常点の場所を同定することもできるので、遠隔計測に有用である。
【発明の効果】
【００３２】
本発明では、伝送路損失の変動が補償されることにより遠隔測定であっても被測定対象物理量、例えば酸素分圧、温度など、の精度や分解能が向上する。
【００３３】
さらに、測定系の障害を監視することもできる。例えば、蛍光試薬をもつプローブのその蛍光試薬からの発光が著しく小さくなったことが観測された場合、（１）測定点の周囲環境が著しく変化した（真の情報）、（２）光ファイバーが途中で断線または光コネクタ等が緩んだ等、測定系が障害を起こした（見掛けの情報）、の二つが考えられるが、本発明を用いれば、これが区別可能となる。励起光源や光検出器の安定化ではこの区別をすることができない。これにより伝送線路の維持・管理も同時に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の原理を説明する概念図である。
【図２】本発明により伝送線路の損失変動が補償される原理を説明するブロック図である。
【図３】一実施形態における光ファイバーの光結合部を示す概略断面図である。
【図４】同実施形態における第１の実施例を示す概略断面図である。
【図５】同実施形態における第２の実施例を示す概略断面図である。
【図６Ａ】反射光検出光学系にマイケルソン干渉計を用いた第２の実施形態を示すブロック図である。
【図６Ｂ】同実施形態における検出信号を示す波形図である。
【図７Ａ】反射光検出光学系にパルス駆動装置を用いた第３の実施形態を示すブロック図である。
【図７Ｂ】同実施形態における検出信号の１つを示す波形図である。
【図７Ｃ】同実施形態において光ファイバーに障害点があった場合の検出信号の１つを示す波形図である。
【図８】第３の実施形態でみられる波形を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
（第１の実施形態）
測定対象側の先端面からの励起光反射を選択的に捉える第１の実施形態は、測定対象側の先端面１１からの反射光３２は検出するが、基端面１９での反射光２５が光検出器２４に入射しないようにするものである。この実施形態は、第２の実施形態における干渉計や、第３の実施形態におけるパルス測定技術を用いなくても実現できる。
【００３６】
この実施形態の構成の要点は次の通りである。
【００３７】
（Ａ）伝送路として光検出器に反射光を戻す反射部のないものを用いる。これは、仮に伝送路中に反射部があっても反射光を光検出器側に戻さないものならあってもよいことを意味する。
【００３８】
（Ｂ）励起光を光ファイバーに結合させる部位に次の（Ｂ−１）と（Ｂ−２）の手段を講じる。
（Ｂ−１）光ファイバーの基端面、すなわち励起光入射側の端面、をその光ファイバーの光軸に直交する面ではなく、その面から斜め方向に傾斜した面となるように形成する。
（Ｂ−２）光ファイバーの光軸を、光ファイバーの基端面に励起光を集光するレンズの光軸からずらすか、又は同レンズの光軸に対して傾斜させる。
【００３９】
さらに、光ファイバーの基端面での反射光が光検出器に入らないような構成、例えば絞りを設ける構成、又は光検出器の大きさを制限する構成をとってもよい。
【００４０】
以上の構成により、光ファイバーの基端面での反射成分が光検出器に入射するのを防止することができる。
【００４１】
この実施形態を図３〜図５を参照して説明する。
【００４２】
図３は光ファイバー１０の励起光入射側の光結合部を示している。図３はまた、光結合部での光ファイバーの基端面１９での反射成分が光検出器に入射するのを防止するための構成、例えば集光レンズ４２を含む励起光学系と光ファイバー１０の配置、ビーム径Ｄｄ、集光レンズ４２の焦点距離Ｆ等の設計方法も示している。
【００４３】
光ファイバー１０の基端面１９が光ファイバー１０の光軸に対して斜めにカットされている。すなわち、基端面１９は光ファイバー１０の光軸に直交する平面ではなく、その平面から傾斜した面となるように形成されている。その斜めに形成された基端面１９に励起光１６Ａが入射する。基端面１９を斜めにカットするのは、基端面１９へ入射する励起光１６Ａが基端面１９で反射した際の励起光の反射成分１６Ｂの反射角が基端面１９への励起光の入射角とは異なった角度となるようにするためである。そのため、基端面１９を斜めにカットする角度αは、基端面１９からの反射成分１６Ｂを基端面１９から出射される先端面１１からの反射光３２（図１参照。）から分離できる角度であればよい。角度αが大きくなると光ファイバー１０の基端面１９に入射する励起光１６の割合が低下する。その角度αは６〜１５度が適当である。
【００４４】
基端面１９に対し励起光の入射ビーム１６Ａを入射させる。入射ビーム１６Ａは、図３に示されているように、基端面１９に対し、より鋭角となるよう方向から入射させる。光ファイバー１０の基端面１９にほぼ１００％結合する入射ビーム１６Ａは、基端面１９からの反射成分１６Ｂを除いて、光ファイバー１０の基端面１９から出射する光１７と伝播方向が逆なだけで、全く同じ性状をもち、ビームスポット径Ｄも角度広がり２θも同じである。
【００４５】
基端面１９からの反射成分１６Ｂを除いて、入射ビーム１６Ａを光ファイバー１０の基端面１９にほぼ１００％結合させるために、Ｄ＝ｄ（ｄは光ファイバー１０のフィールド径）となるようにスポット径Ｄと集光レンズ４２を設定する。スポット径Ｄは入射ビーム１６Ａの基端面１９上でのビーム径である。これにより入射ビーム１６Ａは光ファイバー１０にほぼ１００％の効率で入射し、基端面１９での反射成分１６Ｂはごくわずかなものとなる。この場合、光ファイバー１０から戻った光１７は、入射ビーム１６Ａとは方向が逆の全く同じビーム形状をもったものとなる。光１７は、図１で説明した光ファイバー１０の先端側での反射光３２と蛍光２０を含む。
【００４６】
一方、基端面１９に入射する光ビーム１６Ａの基端面１９での反射成分１６Ｂは、入射ビーム１６Ａとは異なるビーム形状となり、入射ビーム１６Ａとは異なる方向に反射する。したがって、光ファイバー１０から戻った光１７を透過させ反射成分１６Ｂを遮蔽する適当な絞りを設けるか、光１７を受光し反射成分１６Ｂを受光しないように光検出器の大きさを制限することにより反射成分１６Ｂは除去できる。反射成分１６Ｂの反射方向は光ファイバー１０の基端面１９の傾斜角αに依存し、反射成分１６Ｂの反射方向によっては反射成分１６Ｂを除去する絞りは不要になる。この時の上記諸量の関係を記す。用いる励起光の波長をλ、集光レンズ４２の開口数（numerical Aperture）をＮＡとすると
ｄ＝ｋ・（λ／ＮＡ）
Ｄｄ＝２・Ｆ・ＮＡ
で与えられる。ここでＦは集光レンズ４２の焦点距離、ｋはファイバーの種類によって決まる係数で、シングルモードファイバーなら１付近、マルチモードファイバーなら５から１０といった値が用いられる。
【００４７】
この実施形態において、図２に示されている演算部１２０を備えている。ただし、この実施形態では、異常点検出部１２８を除いて、割り算部１２２、しきい値保持部１２４、及び伝送路異常検出部１２６を備えている。演算部１２０はこの蛍光検出装置に専用のコンピュータにより、又は汎用のパーソナルコンピュータにより実現することができる。
【００４８】
図４はこの実施形態に属する第１の実施例を示したものである。励起光を集光して光ファイバー１０の基端面１９に導入する集光レンズ４２は、その光軸５２が光ファイバー１０の光軸５０上にくるように配置されている。すなわち、光ファイバー１０の光軸５０と集光レンズ４２の光軸５２が同一直線上にくるように、光ファイバー１０の基端面１９に対して集光レンズ４２が配置されている。
【００４９】
励起光源１４からの励起光１６を集光レンズ４２に導くために反射鏡５４とハーフミラー５６が配置されている。励起光１６が集光レンズ４２の光軸位置（中心）から外れた位置に入射するように、すなわち励起光１６の光束の全てが集光レンズ４２の光軸位置を含まない領域に入射するように、反射鏡５４、ハーフミラー５６及び集光レンズ４２が配置されている。
【００５０】
集光レンズ４２により集光されて光ファイバー１０の基端面１９に入射する励起光の入射ビーム１６Ａが光ファイバー１０の光軸に対してより鋭角側から基端面１９に入射するように、集光レンズ４２への励起光１６の入射位置が設定されている。
【００５１】
集光レンズ４２により集光されて光ファイバー１０に入射した励起光は光ファイバー１０に沿って伝搬する。
【００５２】
光ファイバー１０の基端面１９で反射した反射光成分１６Ｂは、励起光入射方向とは異なる方向に反射され、集光レンズ４２の励起光１６入射領域とは異なる領域に入射する。集光レンズ４２に入射した反射光成分１６Ｂを受光する位置には端面反射光検出用の光検出器５８が配置されている。
【００５３】
光ファイバー１０から戻った光１７は、入射ビーム１６Ａとは方向が逆の全く同じビーム形状をもったものであり、集光レンズ４２からハーフミラー５６に進む。ハーフミラー５６を透過した光１７を受光するために、光検出器２４が配置されている。光１７は、図１で説明した光ファイバー１０の先端面での反射光３２と蛍光２０を含む。ハーフミラー５６と光検出器２４の間にはフィルタ６２が配置される。フィルタ６２としては、光検出器２４により蛍光を検出するときは励起光を除去する波長特性をもったフィルタが配置され、光ファイバー１０を戻ってきた励起光の反射光を検出するときは蛍光を除去する波長特性をもったフィルタが配置される。
【００５４】
図５はこの実施形態に属する第２の実施例を示したものである。励起光を集光して光ファイバー１０の基端面１９に導入する集光レンズ４２は、その光軸５２が光ファイバー１０の基端面１９において光ファイバー１０の光軸５０に対して角度βをもつように、光ファイバー１０と集光レンズ４２が相対的に傾斜して配置されている。その傾斜方向は、集光レンズ４２の光軸５２が基端面１９に対してより鋭角になる方向である。
【００５５】
反射鏡５４、ハーフミラー５６及び集光レンズ４２は、励起光１６の光軸が集光レンズ４２の光軸と一致するように配置されている。
【００５６】
集光レンズ４２により集光されて光ファイバー１０に入射した励起光は光ファイバー１０に沿って伝搬する。
【００５７】
光ファイバー１０の基端面１９で反射した反射光成分１６Ｂは、励起光入射方向とは異なる方向に反射され、集光レンズ４２の励起光１６入射領域とは異なる領域に入射するように、傾斜角βが設定されている。その角度βは概略（ｎ−１）・αで与えられる。ここでｎは光ファイバー材料の屈折率、αは光ファイバー端面の図３に示される光ファイバー端面の角度である。集光レンズ４２に入射した反射光成分１６Ｂを受光する位置には端面反射光検出用の光検出器５８が配置されている。
【００５８】
光ファイバー１０から戻った光１７は、入射ビーム１６Ａとは方向が逆の全く同じビーム形状をもったものであり、集光レンズ４２からハーフミラー５６に進む。図４の実施例と同じく、ハーフミラー５６を透過した光１７を受光するために光検出器２４が配置されており、ハーフミラー５６と光検出器２４の間にはフィルタ６２が配置される。
【００５９】
図４、図５の実施例において、反射成分１６Ｂが光検出器２４に入射するのを防止するために、光ファイバー１０から戻った光１７を透過させ反射成分１６Ｂを遮蔽する絞り５７を設けてもよい。又は、光１７を受光し反射成分１６Ｂを受光しないように光検出器２４の大きさを制限してもよい。
【００６０】
図３から図５に示した実施形態によれば、光検出器２４に到達する励起光と同じ波長の成分は、対象物側の先端面１１での反射光３２（図１参照。）のみであり、これにより伝送路の損失補償が可能となる。
【００６１】
この実施形態では、光ファイバー１０への励起光結合部で基端面１９での反射光１６Ｂが入射ビーム１６Ａとは別の方向に行くので、ここにフォトダイオード等の光検出器５８を置いて光量を監視することができる。光検出器５８による検出値と対象物側の先端面１１での反射光３２とを比較すると、結合損を含めた広義の伝送路損失が判る。図２を参照すると、対象物側の先端面で反射した励起光の反射光量は
Ｐ０×Ｔ×（１−Ｌ１）×Ｒ×（１−Ｌ２）    （４）
であり、蛍光量は
（Ｐ０×Ｔ×（１−Ｌ１））×Ａ×（１−Ｌ２）        （５）
であるから、蛍光測定は（５）式を（４）式で割って
Ａ／Ｒ
となる。これは前述の蛍光測定と同じである。
【００６２】
一方、基端面１９での反射のモニター出力は
Ｐ０×Ｑ                      （６）
である。Ｑは基端面１９での励起光の反射率である。伝送路監視をする場合、基端面１９での励起光の反射光検出値により正規化された励起光量、つまり（４）式を（６）式で割った次の（７）式の値を使うことができる。
（Ｔ×（１−Ｌ１）×Ｒ×（１−Ｌ２））／Ｑ        （７）
この量は広義の伝送路損失と端面反射率Ｑの比を表している。光ファイバーの端面はガラス面であり、反射率Ｑは屈折率で決まり、端面反射率Ｑは殆ど変化せず定数と考えられる。一方（７）式の分子はファイバーへの結合効率・伝送路損失によって決まる量である。従って（７）式の演算値が変動し基準値を超えるなら、光ファイバーへの結合や伝送路に異常があると推定可能である。
【００６３】
この実施形態は後の実施形態で使用される干渉計やパルス装置が不要であるので、構成が簡単で低コストに実現できる利点がある。一方、この実施形態では、光ファイバーにコネクタ等の接続部を設けないようにするか、光コネクタを使用する場合はＰＣやＡＰＣと呼ばれる反射光が小さいコネクタを用いることにより、対象物側の先端面からの反射光以外の反射光が生じない構成にすることが好ましい。例えば、光結合部に使用されるレンズやミラーに無反射コートを施したり、光結合部を若干傾けて光検出器側に反射光が戻らないようにすることが好ましい。また、光ファイバーでのレーリー散乱成分を小さくして無視できるようにするのが好ましいことから、この実施形態は、遠方の計測ではなく、近くではあるが容易に温度や空間的な理由で計測器本体を対象物の近くに接置できない空間での計測に適する。
【００６４】
図６Ａはマイケルソン干渉計を用いて光ファイバー１０の測定対象側の先端面での反射光を選択的に取得する第２の実施形態を表わす。
【００６５】
蛍光試薬１２が塗られた測定用の光ファイバー１０とは別個に光路７０を設けてマイケルソン干渉計を構成する。この別個に設けられた光路７０は光ファイバーを用いて構成してもよいし、空間でもよい。
【００６６】
励起光源１４Ａとしては可干渉光を発生するレーザー装置などを用いる。励起光源１４Ａからの励起光７２を光ファイバー１０に導くために、励起光７２をハーフミラー７４で反射させ、ハーフミラー７６で２つの光束に分割する。ハーフミラー７６で分割された２つの光束のうちの一方を集光レンズ４２により光ファイバー１０に導き、光ファイバー１０を戻ってきた励起光の反射光を集光レンズ４２を経てハーフミラー７６で反射させ、ハーフミラー７４を透過して光検出器２４Ｂに導く。一方、ハーフミラー７６で分割された２つの光束のうちの他方を集光レンズ７８を介して可動鏡８０に導き、可動鏡８０での反射光を再びレンズ７８を介してハーフミラー７６に戻し、ハーフミラー７６、７４を透過させて光検出器２４Ｂに導く。
【００６７】
ハーフミラー７６で合流する２つの光、すなわち光ファイバー１０を戻ってきた励起光の反射光と可動鏡８０で反射した励起光の反射光は、１つの光源１４Ａからの可干渉光をハーフミラー７６で分割したものであるので干渉を生じる。このような方法で特定の反射面からの光を検出する方法はＯＣＴ（オプチカルコヒーレンストモグラフィー）として知られた方法である（例えば特許文献５参照。）。
【００６８】
動作を説明する。一般に二つの光を干渉させたとき、干渉成分は次式で表せる。
Ｅ１×Ｅ２×ｃｏｓ（２ｋｄ）
ここで、Ｅ１は光ファイバー１０を戻ってきた励起光の反射光の振幅、Ｅ２は可動鏡８０で反射した励起光の反射光の振幅、ｋは波数（２π／λ）、λは励起光の波長、ｄは二つの光の光路差（図６Ａの場合Ｄ１−Ｄ２）である。Ｄ１はハーフミラー７６から測定対象物である蛍光試薬１２が塗布されている光ファイバー先端面までの光路長、Ｄ２はハーフミラー７６から可動鏡８０までの光路長である。光路長Ｄ２は可動鏡８０を光路長調整機構８１により移動させることにより調整することができる。
【００６９】
このような干渉が得られる光路差ｄの範囲に制限があることが知られている。類似の現象は白色光で干渉縞を発生させたとき、中心部ではコントラストの強い干渉縞が得られるが、周辺部に行くにしたがって干渉縞が消失していくことにも見られる。干渉縞が得られる距離はコヒーレンス長と呼ばれる。光源のスペクトル広がりを波数（１／λ：単位ｃｍ-1、λは波長）で表したときにΔであったとすると、コヒーレンス長は概略１／Δと評価される。
【００７０】
具体的計算例を述べる。可視光波長５００ｎｍで１０ｎｍのスペクトル広がりをもった光源の場合、波数に直すと２０，０００ｃｍ-1で４００ｃｍ-1のスペクトル広がりに相当する。したがって、コヒーレンス長は
１／４００＝０．００２５ｃｍ＝２５μｍとなる。
【００７１】
これは二つの光路差が１／Δ以上離れると干渉縞が消失することを示している。いま図６Ａにおいて機器内の干渉計の一方の光路差Ｄ２を変化させるとする、Ｄ１とＤ２の光路差が２５μｍ以内のときだけ干渉縞が現れる。このときの干渉振幅は（８）式のように測定対象側の先端面での反射光量（Ｅ１）に比例する。これにより測定対象側の先端面での反射光量を選択的に測定することができる。
【００７２】
機器内の干渉計の一方の光路差Ｄ２の範囲を広く取れば、設置された伝送路である光ファイバー１０の全域にわたって反射光量を測定できる。これによって伝送路の異常監視も可能となる。例えば、光ファイバー１０のＱ点に破断点があれば、そこから散乱光又は反射光が生ずるので、光路長調整機構８１により可動鏡８０を移動させて光路長Ｄ２を変化させると、図６Ｂに示されるように、初期には観測されなかった場所から散乱光又は反射光が出ていれば光ファイバー１０に異常が生じたと判断できる。しかも、その異常発生位置を可動鏡８０の移動距離から判断することもできる。
【００７３】
この実施形態においては、図２に示されている演算部１２０の全て、すなわち、割り算部１２２、しきい値保持部１２４、伝送路異常検出部１２６及び異常点検出部１２８を備えている。異常点検出部１２８は、光路長調整機構８１により可動鏡８０を移動させて光路長Ｄ２を変化させ、先端面の位置以外の場所から散乱光又は反射光が出ていることを検知することにより、光ファイバーにおける異常点を検出する。演算部１２０はこの蛍光検出装置に専用のコンピュータにより、又は汎用のパーソナルコンピュータにより実現することができる。
【００７４】
測定対象である蛍光試薬１２からの蛍光は、光ファイバー１０から集光レンズ４２、ハーフミラー７６を透過し、励起光除去用のフィルタ６２Ａを経て光検出器２４Ａに入射して検出される。
【００７５】
励起光をパルス光として発生する第３の実施形態を図７Ａに示す。この実施形態では、励起光をパルス状に変調し、戻ってくる光を時間的に分解し、光ファイバー１０での測定対象側の先端面での反射光成分を測定し、励起光強度の変動補償に利用する。この場合、測定対象側の先端面にある蛍光試薬からの蛍光も時間的に変化する波形が得られる。測定物理量に対応する蛍光の測定法としては、１）蛍光が減衰する時の時定数を測定、２）時間波形を平均化し励起パルス光の平均パワーに比例した直流成分を測定、の２種類の方法がある。
【００７６】
光源にパルスレーザーを用いてその帰ってくる時間差から反射点の位置と反射光量を測定する方法は光ファイバー伝送路の試験法として知られている方法である（非特許文献１、２参照。）。
【００７７】
レーザー等の励起光源９０をパルス駆動装置９２によりパルス駆動する。励起光源９０から発生するパルス光９３をミラー９４、ハーフミラー９６、集光用レンズ９８等の光学系を経て光ファイバー１０の基端面に入射させる。光ファイバー１０の先端面には測定対象物の一例として蛍光試薬１２が塗布されている。光ファイバー１０から戻ってきた光１００は集光用レンズ９８からハーフミラー９６を透過し、ダイクロイックミラー１０１で２光束に分割される。ダイクロイックミラー１０１で分割された２光束のうちの一方の光束は蛍光除去フィルタ１０２を介して励起光測定用の光検出器１０４で検出され、他方の光束は励起光除去フィルタ１０６を介して蛍光測定用の光検出器１０８で検出される。
【００７８】
動作の概要を説明する。レーザー光９３をナノ秒オーダーのパルス光として光ファイバー１０に導入する。この光は進行するに従い、１）光ファイバー媒質のレーリー散乱、２）始端・末端からの反射、３）クラックからの散乱、４）無反射処理されていないコネクタからの反射、の過程により逆方向に進行する光を生成する。この光１００の光検出器１０４の出力をパルスに同期したオシロスコープで観察すると図７Ｂのようになる。ただし説明簡単のため、３）、４）の過程はないものとする。図７Ｂの波形のピーク１１２Ａは光ファイバー始端Ａでの反射であり、ピーク１１２Ｂは末端Ｂでの反射である。なだらかに減衰する波形１１２Ｃは１）のレーリー散乱によるものである。光ファイバー中でパルス光が減衰するので、レーリー散乱光も減衰した波形となって表れる。実際に試薬を励起する光量は試薬が塗布された末端Ｂでの反射ピーク１１２Ｂに比例する。従ってこの量を測定すれば選択的に反射光を測定することになり励起光量の変動補正が可能である。
【００７９】
励起光と反射光の測定手順について図８により説明する。励起光レーザー９３は図８（ａ）に示すようなパルス駆動波形により行う。次のパルスの反射光が前のものと重ならないように、パルス間隔を光ファイバー長により変える。光は１ナノ秒で光ファイバー中を約０.２メートル進むので、光ファイバー長がＬメートルの時、（２Ｌ／０.２）ナノ秒以上のパルス間隔を設定する。励起光の反射を時間的にみると、波形１００Ａに示されるように、レーダーのエコーのような波形が観測される。波形１００Ａは図７Ｂに示されたものと同じである。
【００８０】
蛍光試薬は励起光の照射波形に従って蛍光を発生するものではなく、図８（ｃ）の波形のようにある程度の遅れを持ち励起光照射終了後も時間的に減衰する波形を示す。物理量例えば酸素濃度に感応する試薬は、図８（ｃ）に示すように酸素濃度が高いときは減衰時間が早くなり（１１３Ｂ）、低いときは減衰時間が長くなる（１１３Ａ）。この結果、励起光平均パワーに対しての平均蛍光強度は、酸素濃度が高いときは小さく、低いときは大きくなる。このことから蛍光の測定法として、１）蛍光強度の減衰波形からその時定数を測定し酸素濃度に換算する、２）間歇的に発する蛍光の時間的平均強度を測定し酸素濃度に換算する、の２方法がある。
【００８１】
１）の減衰時定数を求める方法では、時定数が励起光の強度に依存しないので補正が不要になると考えられる。しかし実際には信号ノイズ比を上げるため多数回信号を積算する必要がある。この場合、励起光強度のパルス毎のばらつきや測定中の伝送路損失の変動があると誤差が大きくなるので、励起光の端面からの反射光成分を選択的に捉えて補正することは必要となってくる。図２も参照してその動作を説明する。励起光パルスのピーク高さをＫとおくと、観測される測定末端から戻る励起光のピークは
（Ｋ×Ｔ×（１−Ｌ１））×Ｒ×（１−Ｌ２）                      （８）
蛍光の波形は
（Ｋ×Ｔ×（１−Ｌ１））×Ａ×（１−Ｌ２）×  exp（−ｔ／τ）      （９）
ここでτは蛍光の減衰定数、ｔは時間、Ｔ、Ｌ１、Ｌ２は図２で説明したものと同じである。（９）式を（８）式で除して
（Ａ／Ｒ）×  exp（−ｔ／τ）                                    (１０）
となり、伝送路損失やピーク高さが補正されたものが得られる。
従って観測された蛍光の時間波形（９）を測定された戻り励起光のピーク高さ（８）で除してから積算し、信号ノイズ比を上げ、減衰時間τを測定する。予め酸素濃度とτの関係を求めておき、これと対比することにより、酸素濃度が測定可能である。
【００８２】
２）の蛍光の時間的平均を測定する方法では、得られた波形の直流成分を取り出す図８（ｄ）。入射励起光パルスの平均パワーＨは、パルス幅とパルス周期を一定とすればピーク高さＫと比例関係にある。この比例定数をηとすると、平均パワーＨは
Ｈ＝η×Ｋ
となる。観測される測定末端から戻る励起光の平均パワーは、（８）式にηを掛けて
η×（Ｋ×Ｔ×（１−Ｌ１））×Ｒ×（１−Ｌ２）        (１１）
となる。蛍光の量は、
η×（Ｋ×Ｔ×（１−Ｌ１））×Ａ×（１−Ｌ２）×Ｊ    （１２）
となる。ここでＪはexp（−ｔ／τ）の平均値（直流成分）であり、時定数τにより酸素濃度と関係している。（１２）式を（１１）式で除して
Ａ×Ｊ／Ｒ      （１３）
が得られる。この（１３）式の値を用いることにより、励起光強度や伝送路損失の変動に影響されない測定が可能となる。
【００８３】
この実施形態においても、図２に示されている演算部１２０の全て、すなわち、割り算部１２２、しきい値保持部１２４、伝送路異常検出部１２６及び異常点検出部１２８を備えている。
【００８４】
この実施形態において、異常点検出部１２８における異状点検出機能について説明する。仮に測定対象側の先端面以外の位置で光ファイバー１０にクラックが入ったとすると、図７Ｃの波形のように、励起光検出用の光検出器１０４の検出信号に障害点Ｃでの反射に基づくピーク１１２Ｄが現れる。図７Ｃの波形は１つの励起光パルスに対応して光ファイバー１０から戻ってきた励起光であり、初めに光ファイバー１０の基端面Ａでの反射光１１２Ａが検出され、続いて光ファイバー１０でのレーリー散乱光１１２Ｃが連続して検出され、そのレーリー散乱光の途中に障害点Ｃの位置に対応した時間遅れをもって、その障害点Ｃでの反射に基づくピーク１１２Ｄが検出される。その障害点Ｃからのピーク１１２Ｄの時間からその障害点の位置を判定することができる。
【符号の説明】
【００８５】
１０      光ファイバー
１１      先端面
１２      蛍光試薬
１４，１４Ａ，９０      励起光源
１６      励起光
１９      光ファイバーの基端面
２０      蛍光
２４      光検出器
３２      先端面からの反射光
４２      集光レンズ
８０      可動鏡
８１      光路長調整機構
９２      パルス駆動装置
１２０      演算部
１２２      割り算部
１２４      しきい値保持部
１２６      伝送路異常検出部
１２８      異常点検出部
【図１】
2015010990.tif 000003
【図２】
2015010990.tif 000004
【図３】
2015010990.tif 000005
【図４】
2015010990.tif 000006
【図５】
2015010990.tif 000007
【図６Ａ】
2015010990.tif 000008
【図６Ｂ】
2015010990.tif 000009
【図７Ａ】
2015010990.tif 000010
【図７Ｂ】
2015010990.tif 000011
【図７Ｃ】
2015010990.tif 000012
【図８】
2015010990.tif 000013