(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
周波数の異なる２つの連続光波が合波された第１の光信号を光電変換してミリ波又はテラヘルツ波の電磁波を放射する第１のフォトミキサと、
前記電磁波を分岐するハーフミラーと、
前記２つの連続光波のうちの少なくとも一方の連続光波の位相が変調されて合波された第２の光信号を分岐するスプリッタと、
前記ハーフミラーで分岐された一方の前記電磁波を受信し、前記スプリッタで分岐された一方の前記第２の光信号を入力してホモダインミキシングする第２のフォトミキサと、
前記ハーフミラーで分岐されて被測定対象物を透過又は反射した他方の前記電磁波を受信し、前記スプリッタで分岐された他方の前記第２の光信号を入力してホモダインミキシングする第３のフォトミキサと、
を備えることを特徴とする誘電分光装置。
【請求項２】
前記第１のフォトミキサと前記第２のフォトミキサとの間の光路長と前記第１のフォトミキサと前記第３のフォトミキサとの間の光路長とを同一とすることを特徴とする請求項１記載の誘電分光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、誘電分光法を用いて成分濃度を測定する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
高齢化が進み、成人病に対する対応が大きな課題になりつつある。血糖値などの検査においては血液の採取が必要なために患者にとって大きな負担となる。そこで、血液を採取しない非侵襲な成分濃度測定装置が注目されている。
【０００３】
非侵襲な成分濃度測定装置として誘電分光法を用いた装置が提案されている。誘電分光法は、皮膚内に電磁波を照射し、測定対象の血液成分、例えば、グルコース分子と水の相互作用に従い、電磁波を吸収させ、電磁波の振幅及び位相を観測する。しかし、グルコースと電磁波の相互作用は小さく、また生体に安全に照射しうる電磁波の強度には制限があり、生体の血糖値測定においては、十分な効果をあげるにいたっていない。
【０００４】
従来の測定法としては、ＴＨｚ帯において光電気変換を利用した誘電分光システムがある（特許文献１参照）。特許文献１に記載のシステムは、連続発振した光源を用いたホモダイン検波方式の電磁波分光測定システムであり、周波数の異なる２つの連続光波が合成された光信号を光電変換してテラヘルツ波を発生し、発生したテラヘルツ波を被測定対象物に照射し、被測定対象物を透過したテラヘルツ波を受信するとともに、２つの連続光波のうちの一方の位相を変調して合成した参照光を入力してホモダインミキシングする構成である。
【０００５】
ＴＨｚ帯ではレンズを用いた擬似光学系によるフリースペース法により測定対象の複素誘電率を計測することが一般的である。なおフリースペース法は非特許文献１にも記載されるようにミリ波帯でも用いられる。
【０００６】
以上のように、観測される電磁波の周波数に対応する信号の振幅や位相から誘電緩和スペクトルを算定する。一般的には、Ｃｏｌｅ−Ｃｏｌｅ式に基づき緩和カーブの線形結合として表現し、複素誘電率を算定する。生体成分の計測では、例えば血液中に含まれるグルコースやコレステロール等の血液成分の量と複素誘電率とは相関があり、その変化に対応した電気信号（振幅、位相）として測定される。複素誘電率変化と成分濃度との相関を予め測定することによって検量モデルを構築し、計測した誘電緩和スペクトルの変化から成分濃度の検量を行う。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１３−３２９３３号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Andrew P. Gregory, and Robert N. Clarke, “A Review of RF and Microwave Techniques for Dielectric Measurements on Polar Liquids”, IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, August 2006, Vol. 13, No. 4, pp.727-743
【非特許文献２】Benjamin S.-Y. Ung, Christophe Fumeaux, Hungyen Lin, Bernd M. Fischer, Brian W.-H. Ng, and Derek Abbott, “Low-cost ultra-thin broadband terahertz beam-splitter”, Optics Express, February 2012, Vol. 20, No. 5, pp.4968-4978
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、テラヘルツ波を用いる誘電分光システムは、ＴＨｚ波生成部の出力信号の変動により測定安定性が制限される。長時間測定の際には信号がドリフトし、濃度の変化が僅かな試料の複素誘電率の変化を測定することが困難であった。そのため、低濃度な試料に対して高精度な検量モデルが得られないという課題があった。
【００１０】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、長時間にわたり高安定な誘電分光を可能とし、低濃度な試料に対しても高精度な測定をすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係る誘電分光装置は、周波数の異なる２つの連続光波が合波された第１の光信号を光電変換してミリ波又はテラヘルツ波の電磁波を放射する第１のフォトミキサと、前記電磁波を分岐するハーフミラーと、前記２つの連続光波のうちの少なくとも一方の連続光波の位相が変調されて合波された第２の光信号を分岐するスプリッタと、前記ハーフミラーで分岐された一方の前記電磁波を受信し、前記スプリッタで分岐された一方の前記第２の光信号を入力してホモダインミキシングする第２のフォトミキサと、前記ハーフミラーで分岐されて被測定対象物を透過又は反射した他方の前記電磁波を受信し、前記スプリッタで分岐された他方の前記第２の光信号を入力してホモダインミキシングする第３のフォトミキサと、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、長時間にわたり高安定な誘電分光を可能とし、低濃度な試料に対しても高精度な測定をすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本実施の形態における誘電分光システムの構成を示す図である。
【図２】本実施の形態における別の誘電分光システムの構成を示す図である。
【図３】本実施の形態における誘電分光システムと従来の誘電分光システムの測定結果を比較したグラフであり、図３（ａ）は振幅の変動を示すグラフであり、図３（ｂ）は位相の変動を示すグラフである。
【図４】異なる濃度のグルコース水溶液の誘電損失の測定結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。
【００１５】
図１は、本実施の形態における誘電分光システムの構成を示す図である。
【００１６】
図１に示す誘電分光システムは、第１、第２連続波光源１ａ，１ｂ、スプリッタ２ａ，２ｂ，２ｃ、カプラ３ａ，３ｂ、光位相変調器４、第１〜第３フォトミキサ５ａ，５ｂ，５ｃ、及びＴＨｚ帯ハーフミラー６を備える。
【００１７】
第１連続波光源１ａは、周波数ω１の連続光波（以下、「第１光信号」と称する）を出力する。第２連続波光源１ｂは、周波数ω２の連続光波（以下、「第２光信号」と称する）を出力する。第１、第２連続波光源１ａ，１ｂを用いる代わりに、光コム発生源と通過帯域がω１，ω２となる狭帯域な光バンドパスフィルタを用いてもよい。
【００１８】
スプリッタ２ａは第１光信号を２つに分波する。スプリッタ２ｂは第２光信号を２つに分波する。
【００１９】
カプラ３ａは、スプリッタ２ａで分波された一方の第１光信号とスプリッタ２ｂで分波された一方の第２光信号とを合波し、周波数ω１−ω２のビート信号（以下、「ＴＨｚ光信号」と称する）を出力する。カプラ３ｂは、スプリッタ２ａで分波された他方の第１光信号と、スプリッタ２ｂで分波されて光位相変調器４で位相変調された他方の第２光信号とを合波して光信号（以下、「ＴＨｚ光励起信号」と称する）を出力する。
【００２０】
スプリッタ２ｃは、カプラ３ｂから出力されるＴＨｚ光励起信号を分波する。
【００２１】
光位相変調器４は、スプリッタ２ｂとカプラ３ｂの間に配置され、鋸波状の制御信号を入力して第２光信号の位相を変調する。光位相変調器４は、制御信号により電気的に位相変調が可能な電気光学結晶を用いた位相変調器であり、電界の印加により強い電気光学効果を生ずるニオブ酸リチウムなどが用いられる。スプリッタ２ａとカプラ３ｂの間にさらに別の光位相変調器４を備えてもよい。
【００２２】
第１フォトミキサ５ａは、ＴＨｚ波エミッタとして機能する。第１フォトミキサ５ａは、カプラ３ａから出力されるＴＨｚ光信号を入力してミリ波帯又はテラヘルツ波帯の電磁波（以下、「テラヘルツ波信号」と称する）を放射する。第１フォトミキサ５ａに入力されたＴＨｚ光信号は光電変換され、集積されているアンテナを介し、自由空間中へ周波数ω１−ω２のテラヘルツ波信号として放射される。第１フォトミキサ５ａとしては、例えば、単一走行キャリア・フォトダイオード（ＵＴＣ−ＰＤ：Ｕｎｉ−Ｔｒａｖｅｌｌｉｎｇ−Ｃａｒｒｉｅｒ  Ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ）を利用することができる。
【００２３】
ハーフミラー６は、第１フォトミキサ５ａから放射されたテラヘルツ波信号を２分岐する。第１フォトミキサ５ａから放射されたテラヘルツ波信号は、コリメートレンズ８により平行光となり、ハーフミラー６により２分岐される。ハーフミラー６としては、非特許文献２に示されているように、プラスチック上に金属薄膜、例えば金やアルミニウム、あるいはそれらをフレーク化したものなどを積層した構造を用いることができる。
【００２４】
ハーフミラー６で反射したテラヘルツ波信号は集光レンズ８により集光され、第２フォトミキサ５ｂにより検出される。ハーフミラー６を透過したテラヘルツ波信号は別の集光レンズ８により集光され、測定試料１００を透過又は反射した後、第３フォトミキサ５ｃにより検出される。
【００２５】
第２、第３フォトミキサ５ｂ，５ｃは、ＴＨｚ波ディテクタとして機能する。第２、第３フォトミキサ５ｂ，５ｃは、テラヘルツ波信号を受信し、ＴＨｚ光励起信号が入力されて、ＴＨｚ光励起信号とテラヘルツ波信号をホモダインミキシングして電気信号を出力する。第２、第３フォトミキサ５ｂ，５ｃとしては、例えば、光伝導アンテナ（ＰＣＡ：Ｐｈｏｔｏ−Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ  Ａｎｔｅｎｎａ）を利用することができる。第２、３フォトミキサ５ｂ，５ｃの出力信号をロックインアンプにより同期検波して振幅および位相が得られる。本実施の形態では、後述するように、リファレンス試料と測定試料１００の振幅比は、第２，第３フォトミキサ５ｂ，５ｃで検出される電流の比を用いて求め、位相差は、第２，第３フォトミキサ５ｂ，５ｃで検出される位相の差を用いて求める。求めた振幅比と位相差から複素誘電率を導出する。図示していないが、第２，第３フォトミキサ５ｂ，５ｃのそれぞれで検出される振幅、位相、および電流値等を入力して複素誘電率を導出する計算機を備えてもよい。
【００２６】
次に、第２、第３フォトミキサ５ｂ，５ｃの出力信号を用いてリファレンス試料と測定試料１００の出力信号の振幅比ΔＡと位相差ΔΦを算出する方法について説明する。
【００２７】
光伝導アンテナに照射されるＴＨｚ光励起信号のパルス幅およびキャリア寿命がＴＨｚ電界のパルス幅と比較して十分短いとき、出力電流は受信するテラヘルツ波信号の電界強度とキャリア励起に用いられるＴＨｚ光励起信号強度の積に比例する。ここで、テラヘルツ波信号の電界強度をＥＴＨｚ、カプラ３ｂから出力されるＴＨｚ光励起信号強度をＰｅｘ、ハーフミラー６により分波され第２、第３フォトミキサ５ｂ，５ｃに入力されるテラヘルツ波信号の強度比をｒｔ：１−ｒｔ、スプリッタ２ｃにより分波され第２、第３フォトミキサ５ｂ，５ｃに入力されるＴＨｚ光励起信号の強度比をｒｏ：１−ｒｏとする。時刻ｔ０のときに測定試料１００を設置せず、空気をリファレンスとする測定を行ったとすると、第２、第３フォトミキサ５ｂ，５ｃで検出される電流ＩＰＣＡ２，ＩＰＣＡ３はそれぞれ以下の式（１），（２）となる。
【００２８】
ＩＰＣＡ２（ｆ，ｔ０）∝ｒｔｒｏＥＴＨｚＰｅｘ    ・・・（１）
ＩＰＣＡ３（ｆ，ｔ０）∝（１−ｒｔ）（１−ｒｏ）ＥＴＨｚＰｅｘ    ・・・（２）
【００２９】
同様に、時刻ｔ１のときに吸光度Ａの測定試料１００を設定して測定を行った場合には、第３フォトミキサ５ｃに入力されるテラヘルツ波信号は減衰して以下の式（３）となる。
【００３０】
ＩＰＣＡ３（ｆ，ｔ１）∝（１−ｒｔ）（１−ｒｏ）ＡＥＴＨｚＰｅｘ    ・・・（３）
【００３１】
このとき、式（２），（３）の電流値の比をとると以下の式（４）となり、測定試料１００による吸光度Ａを算出することができる。
【００３２】
ΔＡ＝ＩＰＣＡ３（ｆ，ｔ１）／ＩＰＣＡ３（ｆ，ｔ０）＝Ａ  ・・・（４）
【００３３】
ここで、式（１），（２）における比例係数は時間経過や試料の交換等によって変化しないものとする。
【００３４】
しかし、時刻ｔ０−ｔ１の間にテラヘルツ波信号、ＴＨｚ光励起信号にそれぞれΔＥ（ｔ１），ΔＰ（ｔ１）倍のドリフトが起きたとすると、式（３），（４）は以下の式（５），（６）のように書き換えられる。
【００３５】
ＩＰＣＡ３（ｆ，ｔ１）∝（１−ｒｔ）（１−ｒｏ）ＡΔＥ（ｔ１）ＥＴＨｚΔＰ（ｔ１）Ｐｅｘ    ・・・（５）
ΔＡ＝ＩＰＣＡ３（ｆ，ｔ１）／ＩＰＣＡ３（ｆ，ｔ０）＝ＡΔＥ（ｔ１）ΔＰ（ｔ１）・・・（６）
【００３６】
このとき、振幅比ΔＡには強度の変動成分が含まれ、吸光度Ａによる信号変化とドリフトによる信号変動が同程度の場合には正確な試料の測定が困難となる。そこで、本実施の形態では、第２フォトミキサ５ｂの出力モニタ値を用い、リファレンスおよび測定試料１００透過時の振幅Ａｒｅｆ，Ａｓを以下の式（７）〜（９）とする。
【００３７】
Ａｒｅｆ＝ＩＰＣＡ３（ｆ，ｔ０）／ＩＰＣＡ２（ｆ，ｔ０）＝α  ・・・（７）
Ａｓ＝ＩＰＣＡ３（ｆ，ｔ１）／ＩＰＣＡ２（ｆ，ｔ１）＝αＡ  ・・・（８）
α＝（１−ｒｔ）（１−ｒｏ）／ｒｔｒｏ  ・・・（９）
【００３８】
振幅比ΔＡ’を以下の式（１０）とする。
【００３９】
ΔＡ’＝Ａｓ／Ａｒｅｆ＝αＡ／α＝Ａ  ・・・（１０）
【００４０】
第２、第３フォトミキサ５ｂ，５ｃには同時刻におけるテラヘルツ波信号、ＴＨｚ光励起信号が入力されるため、信号のドリフトを考慮する場合、式（８）のＩＰＣＡ２，ＩＰＣＡ３の両方にドリフト成分ΔＥ（ｔ１），ΔＰ（ｔ１）が代入されて変動成分は打ち消される。その結果、測定試料１００による吸収のみを精度よく測定することが可能となる。
【００４１】
位相に関しても同様に、リファレンスおよび測定試料１００透過時の位相Φｒｅｆ，Φｓ及び位相差ΔΦ’を以下の式（１１）〜（１３）とすることにより、位相ドリフトを抑制した測定が可能となる。
【００４２】
Φｒｅｆ＝ΦＰＣＡ３（ｆ，ｔ０）−ΦＰＣＡ２（ｆ，ｔ０）  ・・・（１１）
Φｓ＝ΦＰＣＡ３（ｆ，ｔ１）−ΦＰＣＡ２（ｆ，ｔ１）  ・・・（１２）
ΔΦ’＝Φｓ−Φｒｅｆ  ・・・（１３）
【００４３】
ここで、ΦＰＣＡ２，ΦＰＣＡ３は第２、第３フォトミキサ５ｂ，５ｃにより検出される位相である。
【００４４】
次に、本実施の形態における別の誘電分光システムについて説明する。
【００４５】
図２は、本実施の形態における別の誘電分光システムの構成を示す図である。
【００４６】
図２に示す誘電分光システムは、図１に示した誘電分光システムのスプリッタ２ｃと第２、第３フォトミキサ５ｂ，５ｃとの間に光パワーモニタ７ｂ，７ｃを設置した構成である。光パワーモニタ７ｂ，７ｃにより第２、第３フォトミキサ５ｂ，５ｃに入力されるＴＨｚ光励起信号の強度比を補正することで、スプリッタ２ｃで分岐された後のＴＨｚ光励起信号のドリフトのバラつきを抑制し、さらに測定精度を向上することができる。第２、第３フォトミキサ５ｂ，５ｃのテラヘルツ波信号の入力に対する入出力特性をあらかじめ参照テーブルとして控えておき、上記式（１０），（１３）の補正項として用いてもよい。
【００４７】
また、図１，２の誘電分光システムのいずれにおいても、第１フォトミキサ５ａと第２、第３フォトミキサ５ｂ，５ｃとの間のテラヘルツ波信号の光路長を同一にすることで、ビート信号に含まれる雑音成分も強度比あるいは位相差として打ち消されるため、より安定した信号が得られる。
【００４８】
次に、本実施の形態における誘電分光システムと従来の誘電分光システムとの安定性について比較する。
【００４９】
図３は、図１の誘電分光システムを用いてテラヘルツ波信号の周波数を３００ＧＨｚとして１時間の連続動作を行い、振幅及び位相の変動を測定した結果を示すグラフである。図３（ａ）は振幅の変動を示し、図３（ｂ）は位相の変動を示している。図３において実線で示した第２フォトミキサ５ｂによる補正を用いた測定結果は、破線で示した第３フォトミキサ５ｃの出力のみを用いた測定結果よりも、振幅、位相ともに揺らぎが低減され長時間の安定性が向上していることがわかる。これにより、本実施の形態における誘電分光システムを用いることで、サンプル交換等により生じる時間変動の影響を抑制できるといえる。
【００５０】
図４に示す異なる濃度のグルコース水溶液の誘電損失の測定結果のように、本誘電分光システムの第２連続波光源１ｂの周波数をスイープさせてテラヘルツ帯の複素誘電率測定を行い、多変量解析によりターゲット試料の検量モデルを作成する。
【００５１】
本実施の形態によれば、周波数の異なる２つの連続光波が合波されたＴＨｚ光信号を光電変換してテラヘルツ波信号を放射する第１フォトミキサ５ａと、テラヘルツ波信号を２つに分岐するハーフミラー６と、一方の連続光波の位相が変調されて合波されたＴＨｚ光励起信号を２つに分岐するスプリッタ２ｃと、ハーフミラー６で分岐された一方のテラヘルツ波信号を受信し、ＴＨｚ光励起信号を入力してホモダインミキシングする第２フォトミキサ５ｂと、ハーフミラー６で分岐されて測定試料１００を透過した他方のテラヘルツ波信号を受信し、ＴＨｚ光励起信号を入力してホモダインミキシングする第３フォトミキサ５ｃを備えて、第２，第３フォトミキサ５ｂ，５ｃで検出された振幅、位相および電流値からリファレンス試料と測定試料１００の出力信号の振幅比と位相差を算出し、複素誘電率を導出することで、長時間測定の際に第１フォトミキサ５ａが放射するテラヘルツ波信号やＴＨｚ光励起信号が変動した場合でも、高安定な誘電分光が可能であり、誘電率の差が微小な測定試料１００を精度良く測定でき、高精度な検量モデルを作成可能である。
【符号の説明】
【００５２】
１ａ，１ｂ…連続波光源
２ａ，２ｂ，２ｃ…スプリッタ
３ａ，３ｂ…カプラ
４…光位相変調器
５ａ，５ｂ，５ｃ…フォトミキサ
６…ハーフミラー
７ｂ，７ｃ…光パワーモニタ
８…レンズ
１００…測定試料
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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