(57)【要約】【課題】偏光面を回転させる方法として、偏光子を機械的に回転させたり、ファラデーローテータにより回転させる必要があり、装置が複雑になり、高価格化、大型化するという欠点がある。【解決手段】光源と、前記光源からの光束の偏光面を回転させる液晶素子からなる旋光素子と、試料透過後に配置した偏光子と前記偏光子を透過した光束を電気信号に変換する光電変換素子を備える旋光度測定装置であって、前記旋光素子において、旋光角度をあるオフセット量を中心に振動させることを特徴とする旋光度測定装置。【選択図】　　　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、該光源からの光束の偏光面を回転させる液晶素子からなる旋光素子と、光束が試料を透過した後に透過されるように配置される偏光子と、該偏光子を透過した光束を電気信号に変換する光電変換素子とを備える旋光度測定装置であって、前記旋光素子において、旋光角度をあるオフセット量を中心に振動させる旋光度測定装置。
【請求項２】
前記旋光素子がツイストネマチック型の液晶素子であることを特徴とする請求項１に記載の旋光度測定装置。
【請求項３】
前記旋光素子がホモジニアス型液晶素子と４分の１波長板とで構成されることを特徴とする請求項１に記載の旋光度測定装置。
【請求項４】
前記旋光素子が強誘電性液晶素子と４分の１波長板とで構成されることを特徴とする請求項１に記載の旋光度測定装置。
【請求項５】
前記旋光素子がホモジニアス型液晶素子と強誘電性液晶素子と４分の１波長板とで構成されることを特徴とする請求項１に記載の旋光度測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、試料中の旋光性物質、例えば糖類、アミノ酸、ビタミン等の濃度を非接触で測定することができる旋光度測定装置に関するものであり、被検試料として生体を含む散乱体の測定が可能であり、特に生体の血糖値を非侵襲で測定することができる高感度な旋光度測定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、試料による偏光面の回転角度、すなわち旋光度は、直線偏光を試料に入射させ、試料を透過した光束を検光子へ入射させ、フォトダイオードにより光電変換し、得られた信号から求めている。偏光子の透過軸に対する検光子の透過軸の傾きをθとし、試料による旋光度をαとすると、フォトダイオードで受光する光強度Ｉは、Ｉ＝Ｔ×Ｉ０ｃｏｓ（θ−α）２（式１）となる。ここで、Ｔは試料、偏光子及び検光子の反射や吸収による減衰全てを考慮した透過率、Ｉ０は入射光の強度を表す。式１より分かる様に、検光子の回転に伴い、回転角度π（ｒａｄ）毎に極小点が得られる。この極小点における検光子の角度より旋光度を求める事ができる。高精度・高感度化のために、偏光面振動方式が一般的に用いられており、以下、図５を用いて説明する。光源１２１から出射した単色光は、偏光子駆動回路１２９により周波数ｆ、角振幅θで振動している偏光子１２２に入射し、偏光面が回転振動する直線偏光になる。この光束を試料１２５に入射させ、検光子１２３を透過させると周波数ｆの信号がフォトダイオード１５より得られる。このとき試料１２５の旋光度により、偏光面がαだけ回転しているとすると、偏光子１２２と検光子１２３を直交配置しておけば、試料１２５が右旋光か左旋光かにより位相の反転した信号が得られる。フォトダイオード１５より得られる信号を増幅回路１２６で増幅し、濾波・整流回路１２７で濾波・整流し、位相を求め、その位相に応じて、検光子駆動回路１２８を介して検光子１２３を正逆いずれかに回転させ、透過光量が最小となるように光学的零位法により検光子角度を決定する。平衡点における検光子角度が試料の旋光角に対応する。
【０００３】
上記方式により、ノイズ成分の多い光強度出力より信号を効率良く抽出でき、散乱性試料内の旋光物質濃度を測定することもできる。
【０００４】
偏光面を振動・回転させる方法として、機械的に偏光子を回転させる方法の他、ファラデーローテータも利用されている。
【０００５】
ファラデーローテータは、磁界の強さとともに偏光面が回転するファラデー効果を利用する旋光素子であり、ファラデー回転角θｆは試料の厚さｌ、磁界の強さＨに比例し、θｆ＝ＶｌＨ（式２）で表され、Ｖはヴェルデ定数と呼ばれる。ヴェルデ定数は、物質固有の係数であり、クラウンガラスにおいてはＶ＝２．４×１０−２（分／ｍ）となる。ファラデーローテータは要求される旋光角度の大きさと分解能により、心材を選択し、それにコイルを巻いた構成となり、コイルに流す電流で磁界の強さをコントロールし、旋光角度を変調する。
【０００６】
例えば、ヴェルデ定数１．６×１０−２（分／ｍ）のフリントガラスを用いた場合、１度の旋光角度を得るために式２より、Ｈ＝３．６×１０５（Ａ／ｍ）（ｌ＝１０ｍｍ）となり、巻線数にもよるが、数Ａの電流が必要となる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
測定に必要な旋光子を実現するためには、偏光子を機械的に回転させたり、ファラデーローテータを用いる必要があり、装置の大型化、高価格化を招いている、また、一般に分解能を重視すると、変調範囲が狭くなり、変調範囲を重視すると、分解能が低くなるというトレードオフの関係にあり、両者を兼用できる旋光素子が無く、複数の旋光素子を組み合わせる等の工夫が必要となり、さらに大型化、高価格化するという欠点がある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前述した目的を達成するために、本発明の旋光度測定装置は、光源と、前記光源からの光束の偏光面を回転させる液晶素子からなる旋光素子と、試料透過後に配置した偏光子と前記偏光子を透過した光束を電気信号に変換する光電変換素子を備える旋光度測定装置であって、前記旋光素子において、旋光角度をあるオフセット量を中心として振動させることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明の旋光度測定装置は、前記旋光素子としてツイストネマチック型の液晶素子を用いることが好ましい。
【００１０】
また、本発明の旋光度測定装置は、前記旋光素子としてホモジニアス型液晶素子と４分の１波長板により構成することが好ましい。
【００１１】
また、本発明の旋光度測定装置は、前記旋光素子として強誘電性液晶素子と４分の１波長板により構成することが好ましい。
【００１２】
また、本発明の旋光度測定装置は、前記旋光素子としてホモジニアス型液晶素子と強誘電液晶素子と４分の１波長板により構成することが好ましい。
【００１３】
（作用）
測定光学系の動作を、図を用いて説明する。図６は横軸に旋光角度をとり、縦軸に光出力強度をとったグラフである。光源から出射した直線偏光を旋光素子により偏光面を±θだけ周波数ｆで振動させる。このとき、光源からの直線偏光と直交する偏光子を透過して光電変換素子に入射する光束の強度は、光路中に配置した試料による旋光が無い場合、周波数２ｆの周期信号が得られる。
【００１４】
また、試料による旋光角度をθｓとすると、出力光強度は、周波数ｆの周期信号にＤＣ成分が重畳された信号が得られる。
【００１５】
散乱性を持った試料の場合、得られる出力は、周期信号に対して、ノイズ成分がＤＣ成分として重畳される。これをロックインアンプ等により同期検波し、信号処理することにより、信号成分のみを取り出し、グラフの極小値を高精度に求めることができる。
【００１６】
旋光素子として使う液晶素子について説明する。ツイストネマチック型液晶素子は、ディスプレイとして一般的に利用されている液晶であり、液晶分子の長軸が上下を挟むガラス間でねじれた構成になっており、ツイスト角度は、上下基板の配向方向により決まる。ディスプレイにおいては、一般的にツイスト角度は９０度であるが、本発明の測定装置の場合、測定に最適なツイスト角度を選択することができる。
【００１７】
液晶分子長軸に平行な直線偏光が入射すると、液晶分子の長軸に沿って偏光面が回転する。すなわち、電圧を印加していない場合、ツイスト角度分だけ旋光する。上下基板間に電圧を印加すると、液晶分子が電気力線に沿って立つようになり、旋光が解消される方向になる。従って、印加電圧により、旋光角度を制御することができる。
【００１８】
次に、ホモジニアス型液晶素子と４分の１波長板を組み合わせた旋光素子について説明する。ホモジニアス型液晶は、断面方向で見たとき、液晶分子長軸が上下を挟む透明基板と平行になっており、また、ねじれ構造は持っておらず、上下基板で平行に配向されている。すなわち、液晶分子長軸と短軸の屈折率差Δｎによって、位相差板として機能する。
【００１９】
ホモジニアス型液晶素子に液晶分子長軸と４５度傾斜した直線偏光を入射させると、液晶分子長軸と平行な電界成分と垂直な電界成分で、位相差２πΔｎ・ｄ／λ（ｄ：液晶層の厚さ、λ：波長）が生じ、偏光状態が変化し、直線偏光が楕円偏光になる。このとき、楕円偏光の方位角は入射直線偏光に平行（もしくは直交）となっている。従って、入射直線偏光の偏光軸と光軸を合わせた４分の１波長板を透過させることにより、直線偏光となる。このときの偏光軸の変化が、液晶素子で受けた位相差に比例する。すなわち、液晶素子に印加する電圧により、位相変調量を制御し、ひいては旋光角度を制御することができる。
【００２０】
液晶素子と４分の１波長板を組み合わせた旋光素子において、液晶素子に強誘電液晶素子を用いた場合について説明する。強誘電性液晶は自発分極を持っており、電圧印加により非常に早い応答性（〜１ＭＨｚ）を示す。液晶分子は、断面方向から見たとき、上下基板と平行になっている。また、平面方向から見た場合、図７の様に、２つの安定状態があり、上下基板間に印加する電圧の極性を反転することにより、上下基板と同一平面内で配向方向が角度θだけ変わり、図７の状態１、状態２を行き来する。
【００２１】
配向角度の変化θ（コーン角）を４５度とし、初期状態で分子長軸に平行な直線偏光を入射し、電界の極性を反転する場合について考える。初期状態においては、入射する直線偏光を、偏光面と４５度傾斜し、互いに直交する２つの電界成分Ｅｘ、Ｅｙに分けて考えると、初期状態においては、屈折率は等しく、偏光状態は変化しない。一方で、電界の極性を反転した状態においては、Ｅｘ、Ｅｙ成分において、液晶のΔｎだけの屈折率差が生じ、２πΔｎ・ｄ／λの位相差が生じる。従って、４分の１波長板と組み合わせることにより、旋光素子として機能する。
【００２２】
特に、中間調表現のできるＭＦＬＣ（Ｍｏｎｏ　Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｌｉｑｕｉｄ　Ｃｒｙｓｔａｌ）を用いれば、変調量の電圧制御が可能となり、非常に応答速度が早く、コントロール容易な可変旋光素子として用いることが可能である。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に関して、好適な実施形態を挙げ、図を用いて説明する。
【００２４】
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態の構成図を示している。光源１１から出射した光束は、偏光子１２Ａにより、直線偏光になる。次に、液晶素子１３に入射し、偏光面が僅かに回転する。液晶素子１３は９０度ツイストネマチック型液晶であり、液晶駆動装置１６により駆動されている。液晶駆動信号は初期状態では、僅かな電圧が印加された状態で、旋光角は９０度から僅かに減少した角度に調整されている。液晶素子１３により僅かに旋光した透過光は、試料１４に入射し、偏光子１２Ｂを透過し、フォトダイオード１５で光強度に応じた電気信号に変換される。
【００２５】
偏光子１２Ａと１２Ｂの透過軸の関係は、試料１４による旋光が無いときに、透過光量が最も少なくなるように調整されている。これにより、試料１４が旋光度を持つときに透過光量が増加し、これを打ち消すように液晶素子１３の駆動電圧を調整し、試料の旋光度を求めることができる。
【００２６】
ここで、液晶素子１３に印加される駆動信号は、図２に示すように、可変のオフセット量を中心に周波数ｆ、振幅Ｖｐｐで振動する信号である。これにより得られる光出力は、作用の項において記載したとおり、極小値付近で２ｆの周期信号が得られる以外は、液晶駆動信号に同期した同一周波数の信号が得られる。
【００２７】
散乱性試料の場合、偏光方向が保存されていない散乱光はＤＣ成分として出力に出るため、出力を周波数ｆの液晶駆動信号で同期検波することにより、信号のみを取り出すことができる。信号出力が極小となる様に液晶駆動電圧にフィードバックをかけると、収束点において、液晶素子１３と試料１４による旋光度が平衡に達しており、あらかじめ、液晶素子の旋光度−電圧特性を測定しておけば、このときの駆動電圧から試料１４の旋光度を求めることができる。
【００２８】
また、試料１４と液晶素子１３に印加する駆動信号の２倍の周波数２ｆによりロックインアンプ等で同期検波する場合、信号出力が最大となる点において、試料１４と液晶素子１３の旋光度が平衡しており、周波数ｆで同期検波した場合と同様に試料１４の旋光度を求めることができる。
【００２９】
（第２の実施形態）
図３は、第２の実施形態の構成図を示している。光源１１から出射した光束は、偏光子１２Ａにより、図４に示すように鉛直方向から４５度傾いた直線偏光になる。次に、液晶素子１３Ａ、１３Ｂに入射し、直交する偏光成分間で位相差が生じ、楕円偏光になる。さらに、楕円偏光の方位角と光軸方向の一致した４分の１波長板２１を透過し、液晶素子により加えられた位相差に比例する角度だけ旋光した直線偏光が得られる。
【００３０】
ここで、液晶素子１３Ａは強誘電性液晶素子であり、図４に示すように２つの安定状態間で４５度液晶分子が傾いている。図４の強誘電性液晶素子の上半分に示したように、液晶分子が４５度傾斜している場合、入射する直線偏光の振動面と一致するため、強誘電性液晶素子を透過することによる偏光状態の変化は無い。これに対して、下半分のように液晶分子が垂直に立っている場合、液晶のΔｎとセルギャップｄにより、位相変調２πΔｎ・ｄ／λを受け、一般的に楕円偏光になる。
【００３１】
また、液晶素子１３Ｂはホモジニアス型液晶であり、電圧印加により、液晶分子が立ち上がり、図の垂直方向の屈折率が変化し、液晶素子１３Ａの場合と同様に位相変調が可能である。これらの液晶素子による位相変調は、出射光を楕円偏光に変換し、楕円の方位角と光軸を一致させた４分の１波長板を透過することにより、再び直線偏光になり、位相変調量をφとすると、偏光面がφ／２だけ回転する。印加電圧により位相変調量をコントロールすれば、旋光角度可変の旋光素子となる。
【００３２】
測定において、旋光角は中心角θｃを中心に、振幅θｗで振動させるので、上述の２つの液晶素子で役割を分担し、液晶素子１３Ｂで中心角度を変調し、液晶素子１３Ａで旋光角度を振動させる。液晶素子１３Ａは強誘電性液晶素子であり、応答速度が速く、数百ＫＨｚまでの高速変調が可能であり、フィードバックループの高速化、ひいては測定時間の短縮が可能となる。また、液晶素子１３Ｂは液晶素子１３Ａに比較して高速性の要求は低く、変調範囲を広くとることで、旋光度の違う各種試料の測定に対応できる。このように、特性の異なる２つの液晶素子を組み合わせて使用することにより、ダイナミックレンジが広く、高速・高精度な旋光度測定装置が提供できる。
【００３３】
偏光子１２Ａと１２Ｂの透過軸の関係は、試料１４による旋光が無いときに、透過光量が最も少なくなるように調整されている。これにより、試料１４が旋光度を持つときに透過光量が増加し、これを打ち消すように液晶素子１３Ａの駆動電圧を調整し、試料の旋光度を求めることができる。
【００３４】
散乱性の試料の場合、偏光方向が保存されていない散乱光はＤＣ成分として出力に出るため、出力を周波数ｆの液晶駆動信号で同期検波することにより、信号のみを取り出すことができる。信号出力が極小となる様に液晶駆動電圧にフィードバックをかけると、収束点においては、液晶素子１３Ａと試料１４による旋光度が平衡に達しており、このときの駆動電圧から試料１４の旋光度を求めることができる。
【００３５】
また、フィードバックループを形成せずに、液晶素子１３Ａを駆動する周期信号と、フォトダイオード１５からの出力信号から位相検波し、出力信号の位相を求め、試料の旋光度を直接計測することもできる。
【００３６】
例えば、砂糖溶液を被検試料として考えると、砂糖の比旋光度は６６．５°であり、光路長を１０ｍｍとすると、低濃度の試料（０．１重量％）を想定すると、透過による旋光角度αはα＝ｌ［ｄｍ］×Ｃ［ｇ／ｄｌ］×６６．５／１００（ｌ：光路長、Ｃ：濃度）より、α＝０．１×１０×６６．５／１００＝０．６６５°となる。
【００３７】
これに対して、ホモジニアス型液晶素子の旋光角度分解能は、例えば、Δｎ＝０．１の液晶を用いて、セルギャップ１μｍの液晶素子を考えると、位相変調幅は、３６０・Δｎ・ｄ／λ＝４６°（λ：波長７８０ｎｍ）となる。駆動電圧振幅が５Ｖから１０Ｖの範囲で、位相変調量がリニアに変化すると仮定すると、駆動電圧振幅１０ｍＶの変化が、旋光角０．０９°となり、十分な分解能が得られる。
【００３８】
【発明の効果】
本発明によれば、試料として透明体だけでなく、散乱体試料の様に偏光状態が保存されない試料においても、ＳＮ比を向上し、旋光度を測定することができる。また、旋光素子として、偏光子を機械的に回転させたり、ファラデーローテータを用いる必要がなく、小型・低電圧駆動の液晶素子を使うことにより、装置が簡単になり、小型化、低価格化させることができる。
【００３９】
さらに、応答速度の速い強誘電性液晶素子を用いることにより、高速な測定が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態における旋光度測定装置の構成図である。
【図２】本発明の実施形態において、液晶素子に印加する駆動信号を説明する図である。
【図３】本発明の第２の実施形態における旋光度測定装置の構成図である。
【図４】本発明の第２の実施形態において、各種光学素子の光軸を示す図である。
【図５】従来の旋光度測定装置の一例を示す構成図である。
【図６】本発明及び従来の旋光度測定装置において、出力信号波形を説明する図である。
【図７】本発明で用いる強誘電液晶素子について説明する図である。
【符号の説明】
１１　光源
１２Ａ，１２Ｂ　偏光子
１３　液晶素子
１５　フォトダイオード
【図１】
2004069452.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2004069452.tif 000007
【図６】
2004069452.tif 000008
【図７】
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