(57)【要約】  【課題】  コストダウンを図りつつ、短時間で精度よく糖度を計測する。  【解決手段】  リング状に巻かれた光ファイバ５に導線７をトロイダル状に巻き付けてファラデー回転子６を構成し、信号発生器１３にて発生された変調信号を導線７に印加し、ファラデー回転子６にて偏光面の変調を行いながら、試料９の施光度を測定することにより、試料９に含まれる糖度を算出する。  【選択図】      図１
2005098860.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
偏波面が変調された光の施光度に基づいて糖度を計測する糖度計測装置において、
前記光の偏波面の変調に用いられるファラデー回転子は、光ファイバに導線が巻き付けられていることを特徴とする糖度計測装置。
【請求項２】
前記光ファイバに巻き付けられている導線は、
前記偏波面を変調させるための導線を備えることを特徴とする請求項１記載の糖度計測装置。
【請求項３】
前記光ファイバに巻き付けられている導線は、
前記偏波面を変調させるための第１の導線と、
試料による偏光回転を補償するための第２の導線とを備えることを特徴とする請求項１記載の糖度計測装置。
【請求項４】
光を出射させる光源と、
前記出射された光から特定の偏光成分を抽出する偏光子と、
前記偏光子から出射された光を導波させる光ファイバと、
光ファイバに導線が巻き付けられたファラデー回転子と、
前記ファラデー回転子に入射した光の偏波面の変調信号を前記導線に印加する変調信号印加手段と、
前記ファラデー回転子から出射された光を試料に入射させる入射手段と、
前記試料から出射された光の特定の偏光成分を抽出する検光子と、
前記検光子から出射された光を検出する光検出器とを備えることを特徴とする糖度計測装置。
【請求項５】
前記変調信号を参照信号として前記光検出器の出力から変調周波数成分を抽出する変調周波数成分抽出手段をさらに備えることを特徴とする請求項４記載の糖度計測装置。
【請求項６】
光を出射させる光源と、
前記出射された光から特定の偏光成分を抽出する偏光子と、
前記偏光子から出射された光を導波させる光ファイバと、
光ファイバに第１および第２の導線が巻き付けられたファラデー回転子と、
前記ファラデー回転子に入射した光の偏波面の変調信号を前記第１の導線に印加する変調信号印加手段と、
前記ファラデー回転子から出射された光を試料に入射させる入射手段と、
前記試料から出射された光の特定の偏光成分を抽出する検光子と、
前記検光子から出射された光を検出する光検出器と、
前記変調信号を参照信号として前記光検出器の出力から変調周波数成分を抽出する変調周波数成分抽出手段と、
前記変調周波数成分抽出手段により抽出された変調周波数成分に基づいて帰還信号を生成する帰還信号生成手段と、
前記帰還信号を前記第２の導線に印加する帰還信号印加手段とを備えることを特徴とする糖度計測装置。
【請求項７】
前記光ファイバは鉛ガラスファイバであることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項記載の糖度計測装置。
【請求項８】
光ファイバに光の偏光成分を導波させるステップと、
前記光ファイバに巻き付けられている導線に変調信号を印加するステップと、
前記光ファイバから出射された光を試料に入射させるステップと、
前記試料から出射された光の特定の偏光成分を抽出するステップと、
前記抽出された偏光成分に基づいて前記試料の糖度を算出するステップとを備えることを特徴とする糖度計測方法。
【請求項９】
光ファイバに光の偏光成分を導波させるステップと、
前記光ファイバに巻き付けられている導線に変調信号を印加するステップと、
前記光ファイバから出射された光を試料に入射させるステップと、
前記試料から出射された光の特定の偏光成分を抽出するステップと、
前記抽出された光の偏光成分を電気信号に変換するステップと、
前記変調信号を参照信号として前記変換された電気信号から変調周波数成分を抽出するステップと、
前記抽出された変調周波数成分に基づいて前記試料の糖度を算出するステップとを備えることを特徴とする糖度計測方法。
【請求項１０】
前記抽出された変調周波数成分に基づいて前記試料の糖度を算出するステップは、前記抽出された変調周波数成分と直流成分との比に基づいて前記試料の糖度を算出することを特徴とする請求項９記載の糖度計測方法。
【請求項１１】
光ファイバに光の偏光成分を導波させるステップと、
前記光ファイバに巻き付けられている第１の導線に変調信号を印加するステップと、
前記光ファイバから出射された光を試料に入射させるステップと、
前記試料から出射された光の特定の偏光成分を抽出するステップと、
前記抽出された光の偏光成分を電気信号に変換するステップと、
前記変調信号を参照信号として前記変換された電気信号から変調周波数成分を抽出するステップと、
前記抽出された変調周波数成分に基づいて帰還信号を生成するステップと、
前記光ファイバに巻き付けられている第２の導線に前記帰還信号を印加するステップと、
前記帰還信号に基づいて前記試料の糖度を算出するステップとを備えることを特徴とする糖度計測方法。
【請求項１２】
前記帰還信号に基づいて前記試料の糖度を算出するステップは、前記抽出された変調周波数成分をゼロにする帰還量に基づいて前記試料の糖度を算出することを特徴とする請求項１１記載の糖度計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は糖度計測装置および糖度計測方法に関し、特に、光ファイバをファラデー回転子として用いた偏光グルコースセンサに適用して好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の血糖値（グルコース濃度）の計測方法では、血糖値を正確に測定するために、専門検査機関での化学的分析方法が一般的に用いられている。また、血糖値を簡易に計測する方法として、グルコースと酵素との発色反応を用いる方法がある。
一方、糖尿病患者の血糖値の測定において、無侵襲測定装置の開発が強く望まれている。無侵襲測定装置としては、現在までに、近赤外域における皮膚の散乱係数の変化や吸収スペクトルを検出する方式などとともに、施光度を検出する方式が提案されている。施光度を検出する方式では、例えば、非特許文献１、２に開示されているように、感度を向上させるために、偏光変調素子としてファラデー素子やポッケルスセルを使用したものがある。
【０００３】
また、例えば、特許文献１〜４には、磁場を印加すると、ファラデー効果によって光の偏光方向を回転させる溶媒である水、クロロホルムまたはアセトンと、その溶媒に溶解された溶質である果糖、ショ糖、グルコースまたは蛋白質とを含む被検試料に、偏光した光を透過させ、その結果生じる光の偏光方向の変化に基づいて溶質の施光度を検出する方法が開示されている。
【非特許文献１】Ｂ．Ｃａｍｅｒｏｎ  ａｎｄ  Ｇ．Ｃｏｔｅ：ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓ．ｏｎＢｉｏｍｅｄ．Ｅｎｇ．，４４，１２２１−１２２７（１９９７）
【非特許文献２】Ｔ．Ｋｉｎｇ，Ｇ．Ｃｏｔｅ，Ｒ．ＭｃＮｉｃｈｏｌｓ  ａｎｄＭ．Ｇｏｅｔｚ，Ｏｐｔ．Ｅｎｇ．，３３，２７４６−２７５３（１９９４）
【特許文献１】特開２０００−８１３８６号公報
【特許文献２】特開平１１−９４７３２号公報
【特許文献３】特開平１１−８３７２９号公報
【特許文献４】特開平９−１４５６０５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、化学的分析方法を用いて糖度を計測する方法では、結果が出るまでに時間がかかるとともに、高価な分析装置が必要になり、コストアップを招くという問題があった。
また、グルコースと酵素との発色反応を用いる方法では、専用の試験紙が必要になるとともに、正確な計測が難しいという問題があった。
また、従来のファラデー素子を用いて施光度を検出する方式では、グルコース濃度を高感度で計測するためには、高価なファラデー素子およびグラン・トムソン偏光子が必要となり、コストアップを招くという問題があった。
さらに、特許文献１〜４に開示されている方法では、光ファラデー効果によって光の偏光方向を回転させるために、被検試料に含まれる溶媒が用いられるため、感度が低いという問題があった。
そこで、本発明の目的は、コストダウンを図りつつ、短時間で精度よく糖度を計測することが可能な糖度計測装置および糖度計測方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上述した課題を解決するために、請求項１記載の糖度計測装置によれば、偏波面が変調された光の施光度に基づいて糖度を計測する糖度計測装置において、前記光の偏波面の変調に用いられるファラデー回転子は、光ファイバに導線が巻き付けられていることを特徴とする。
これにより、光ファイバを導波する光の光路に沿って磁界を効率よく印加することが可能となるとともに、ファラデー回転子の大型化を抑制しつつ、磁界を印加することが可能な光路長を容易に延ばすことが可能となる。このため、高価なファラデー素子を用いることなく、光ファイバを導波する光の偏波面を効率よく回転させることが可能となり、コストダウンを図りつつ、短時間で精度よく糖度を計測することが可能となる。
【０００６】
また、請求項２記載の糖度計測装置によれば、前記光ファイバに巻き付けられている導線は、前記偏波面を変調させるための導線を備えることを特徴とする。
これにより、導線に変調信号を印加することで、光ファイバを導波する光の偏波面を回転させることが可能となる。
また、請求項３記載の糖度計測装置によれば、前記光ファイバに巻き付けられている導線は、前記偏波面を変調させるための第１の導線と、試料による偏光回転を補償するための第２の導線とを備えることを特徴とする。
【０００７】
これにより、糖度に対する出力信号の線形性を向上させることが可能となるとともに、光量の変動の影響を低減することが可能となり、糖度の計測精度を向上させることが可能となる。
また、請求項４記載の糖度計測装置によれば、光を出射させる光源と、前記出射された光から特定の偏光成分を抽出する偏光子と、前記偏光子から出射された光を導波させる光ファイバと、光ファイバに導線が巻き付けられたファラデー回転子と、前記ファラデー回転子に入射した光の偏波面の変調信号を前記導線に印加する変調信号印加手段と、前記ファラデー回転子から出射された光を試料に入射させる入射手段と、前記試料から出射された光の特定の偏光成分を抽出する検光子と、前記検光子から出射された光を検出する光検出器とを備えることを特徴とする。
【０００８】
これにより、光ファイバを導波する光に磁界を効率よく印加することが可能となり、偏波面を効率よく変調することが可能となるとともに、ファラデー回転子にて偏波面を変調しながら、偏波面の回転角を計測することが可能となる。このため、糖度計測装置のコンパクト化を図ることが可能となるとともに、光源強度、電源の揺らぎ、輻射などのノイズから変調周波数成分のみの信号を分離することが可能となり、コストダウンを図りつつ、短時間で精度よく糖度を計測することが可能となる。
【０００９】
また、請求項５記載の糖度計測装置によれば、前記変調信号を参照信号として前記光検出器の出力から変調周波数成分を抽出する変調周波数成分抽出手段をさらに備えることを特徴とする。
これにより、光源強度、電源の揺らぎ、輻射などのノイズから変調周波数成分のみの信号を分離して、選択的に取り出すことが可能となる。このため、糖度を計測するための出力信号のＳ／Ｎ比を向上させることが可能となり、精度よく糖度を計測することが可能となる。
【００１０】
また、請求項６記載の糖度計測装置によれば、光を出射させる光源と、前記出射された光から特定の偏光成分を抽出する偏光子と、前記偏光子から出射された光を導波させる光ファイバと、光ファイバに第１および第２の導線が巻き付けられたファラデー回転子と、前記ファラデー回転子に入射した光の偏波面の変調信号を前記第１の導線に印加する変調信号印加手段と、前記ファラデー回転子から出射された光を試料に入射させる入射手段と、前記試料から出射された光の特定の偏光成分を抽出する検光子と、前記検光子から出射された光を検出する光検出器と、前記変調信号を参照信号として前記光検出器の出力から変調周波数成分を抽出する変調周波数成分抽出手段と、前記変調周波数成分抽出手段により抽出された変調周波数成分に基づいて帰還信号を生成する帰還信号生成手段と、前記帰還信号を前記第２の導線に印加する帰還信号印加手段とを備えることを特徴とする。
【００１１】
これにより、可動部を設けることなく、糖度に対する出力信号の線形性を向上させることが可能となる。このため、糖度が高濃度の場合においても、短時間で精度よく糖度を計測することが可能となるとともに、糖度計測の信頼性を向上させることが可能となり、血糖値の無侵襲測定を短時間かつ精度よく行うことが可能となるとともに、果物などの糖度の無破壊計測に利用することが可能となる。
また、請求項７記載の糖度計測装置によれば、前記光ファイバは鉛ガラスファイバであることを特徴とする。
これにより、石英系ガラスファイバよりも光弾性定数を小さくすることが可能となるとともに、ベルデ定数を大きくすることが可能となる。このため、電流の作る磁界による偏波面の回転角を大きくすることが可能となり、高感度かつ高精度で糖度を計測することが可能となる。
【００１２】
また、請求項８記載の糖度計測方法によれば、光ファイバに光の偏光成分を導波させるステップと、前記光ファイバに巻き付けられている導線に変調信号を印加するステップと、前記光ファイバから出射された光を試料に入射させるステップと、前記試料から出射された光の特定の偏光成分を抽出するステップと、前記抽出された偏光成分に基づいて前記試料の糖度を算出するステップとを備えることを特徴とする。
【００１３】
これにより、偏波面を効率よく変調することを可能としつつ、偏波面の回転角を計測することが可能となり、コストダウンを図りつつ、短時間で精度よく糖度を計測することが可能となるととともに、糖度計測装置のコンパクト化を図ることが可能となる。
また、請求項９記載の糖度計測方法によれば、光ファイバに光の偏光成分を導波させるステップと、前記光ファイバに巻き付けられている導線に変調信号を印加するステップと、前記光ファイバから出射された光を試料に入射させるステップと、前記試料から出射された光の特定の偏光成分を抽出するステップと、前記抽出された光の偏光成分を電気信号に変換するステップと、前記変調信号を参照信号として前記変換された電気信号から変調周波数成分を抽出するステップと、前記抽出された変調周波数成分に基づいて前記試料の糖度を算出するステップとを備えることを特徴とする。
【００１４】
これにより、光源強度、電源の揺らぎ、輻射などのノイズから変調周波数成分のみの信号を分離して、選択的に取り出すことが可能となり、糖度計測の精度を向上させることが可能となる。
また、請求項１０記載の糖度計測方法によれば、前記抽出された変調周波数成分に基づいて前記試料の糖度を算出するステップは、前記抽出された変調周波数成分と直流成分との比に基づいて前記試料の糖度を算出することを特徴とする。
これにより、糖度計測時における光量の変動の影響を低減することが可能となり、糖度の計測精度を向上させることが可能となる。
【００１５】
また、請求項１１記載の糖度計測方法によれば、光ファイバに光の偏光成分を導波させるステップと、前記光ファイバに巻き付けられている第１の導線に変調信号を印加するステップと、前記光ファイバから出射された光を試料に入射させるステップと、前記試料から出射された光の特定の偏光成分を抽出するステップと、前記抽出された光の偏光成分を電気信号に変換するステップと、前記変調信号を参照信号として前記変換された電気信号から変調周波数成分を抽出するステップと、前記抽出された変調周波数成分に基づいて帰還信号を生成するステップと、前記光ファイバに巻き付けられている第２の導線に前記帰還信号を印加するステップと、前記帰還信号に基づいて前記試料の糖度を算出するステップとを備えることを特徴とする。
【００１６】
これにより、可動部を設けることなく、糖度に対する出力信号の線形性を向上させることが可能となり、短時間で精度よく糖度を計測することが可能となるとともに、糖度計測の信頼性を向上させることが可能となる。
また、請求項１２記載の糖度計測方法によれば、前記帰還信号に基づいて前記試料の糖度を算出するステップは、前記抽出された変調周波数成分をゼロにする帰還量に基づいて前記試料の糖度を算出することを特徴とする。
これにより、糖度計測時における光量の変動の影響を低減することが可能となり、糖度の計測精度を向上させることが可能となるとともに、糖度に対する出力信号の線形性を向上させることを可能として、糖度計測の信頼性を向上させることが可能となる。
【発明の効果】
【００１７】
以上説明したように、本発明によれば、偏波面を効率よく変調することを可能としつつ、偏波面の回転角を計測することが可能となり、コストダウンを図りつつ、短時間で精度よく糖度を計測することが可能となるととともに、糖度計測装置のコンパクト化を図ることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の実施形態に係る糖度計測装置および糖度計測方法について図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の第１実施形態に係る糖度計測装置の概略構成を示すブロック図である。
図１において、糖度計測装置には、光を出射させるレーザーダイオード１、光を集光させるレンズ２、４、８、レーザーダイオード１から出射された光から特定の偏光成分を抽出する偏光子３、光を導波させる光ファイバ５、光ファイバ５を導波する光の偏光面を回転させるファラデー回転子６、試料９から出射された光の特定の偏光成分を抽出する検光子１０、検光子１０から出射された光を電気信号に変換するフォトダイオード１１、フォトダイオード１１の出力信号を表示するオシロスコープ１２、変調信号を発生させる信号発生器１３、変調信号を増幅する増幅器１４および変調信号を計測する電流計１５が設けられている。
【００１９】
そして、ファラデー回転子６には、リング状に巻かれた光ファイバ５が設けられ、光ファイバ５のリング部分には、変調信号を印加する導線７がトロイダル状に巻き付けられている。
ここで、リング状に巻かれた光ファイバ５に導線７をトロイダル状に巻き付けてファラデー回転子６を構成することにより、光ファイバ５を導波する光の光路に沿って磁界を効率よく印加することを可能となるとともに、ファラデー回転子６の大型化を抑制しつつ、磁界を印加することが可能な光路長を容易に延ばすことが可能となる。このため、高価なファラデー素子を用いることなく、光ファイバ５を導波する光の偏波面を効率よく回転させることが可能となり、コストダウンを図りつつ、短時間で精度よく糖度を計測することが可能となる。
【００２０】
また、ファラデー回転子６に光ファイバ５を用いることで、ファラデー回転子６の遠隔設置が可能となり、様々の環境下においても短時間で精度よく糖度を計測することが可能となる。
なお、リング状に巻かれた光ファイバ５としては、例えば、石英系ガラスファイバの他、鉛ガラスファイバを用いることができる。ここで、リング状に巻かれた光ファイバ５として鉛ガラスファイバを用いることにより、石英系ガラスファイバよりも光弾性定数を小さくすることが可能となるとともに、ベルデ定数を大きくすることが可能となる。このため、電流の作る磁界による偏光面の回転角を大きくすることが可能となり、高感度かつ高精度で糖度を計測することが可能となる。
【００２１】
そして、試料９の糖度計測を行う場合、レンズ８と検光子１０との間に試料９を配置する。なお、糖度計測装置にて計測される糖としては、例えば、ぶどう糖（グルコース）や果糖などの単糖類、蔗糖、マルトース、ラクトースなどの二糖類、澱粉、グリコーゲン、セルロースなどの多糖類などを挙げることができる。
そして、レーザーダイオード１から出射されたレーザ光は、レンズ２にて平行光にされた後、偏光子３を透過して直線偏光に変換される。そして、偏光子３にて直線偏光に変換されたレーザ光は、レンズ４にて集光され光ファイバ５に入射される。そして、光ファイバ５に入射されたレーザ光は、光ファイバ５を導波しながらファラデー回転子６にて偏光面が変調される。
【００２２】
ここで、ファラデー回転子６にて偏光面の変調を行う場合、信号発生器１３にて発生された変調信号が増幅器１４を介して導線７に印加される。そして、信号発生器１３にて発生された変調信号が導線７に印加されると、導線７に流れる電流に起因してリング状に巻かれたファラデー回転子６の部分の光ファイバ５に磁界が誘起される。そして、光ファイバ５に磁界が誘起されると、ファラデー効果に基づいて光ファイバ５を導波する光の偏光面を回転させることが可能となる。
【００２３】
そして、ファラデー回転子６を介して光ファイバ５から出射されたレーザ光は、レンズ８にて平行光にされた後、試料９を透過する。ここで、光ファイバ５から出射されたレーザ光が試料９を透過すると、試料９に含まれる糖度に応じて光の偏光面が回転させられる。
そして、試料９を透過したレーザ光は検光子１０に入射し、検光子１０にて特定の偏光面が抽出された後、フォトダイオード１１に入射される。そして、検光子１０を透過したレーザ光がフォトダイオード１１に入射されると、フォトダイオード１１にて電気信号に変換される。そして、その電気信号をオシロスコープ１２にて観察することにより、施光度を測定することができる。そして、施光度が測定されると、その施光度に基づいて試料９に含まれる糖度を算出することができる。
【００２４】
図２は、本発明の第１実施形態に係る糖度計測装置の出力変調信号を示す図である。
図２において、横軸は偏光子３と検光子１０との相対角度、縦軸は、フォトダイオード１１に到達する光の強度、すなわちフォトダイオード１１の出力信号を示す。
そして、ファラデー回転子６の導線７に正弦波の変調信号を印加することにより、偏光面の回転角の振幅をａとして、ファラデー回転子６を通る光の偏光面を回転させることができる。そして、試料９における施光度をδとすると、ファラデー回転子６にて変調された光の偏光面がさらにδだけ回転させられる。
【００２５】
ここで、試料９にて偏光面がδだけ回転させられた光が検光子１０を透過すると、周波数成分ωmおよび周波数成分ωmの２倍の周波数成分２ωmが生成され、被測定用の直流分は周波数成分ωmの振幅に比例する量として得ることができる。
なお、図２の実施形態では、導線７に印加する変調信号として正弦波を例にとって説明したが、正弦波以外にも矩形波、三角波またはパルス波などを用いるようにしてもよく、それに応じて周波数成分ωm、２ωmとして矩形波、三角波またはパルス波などを得ることができる。
【００２６】
図３は、本発明の第２実施形態に係る糖度計測装置の概略構成を示すブロック図である。
図３において、糖度計測装置には、光を出射させるレーザーダイオード２１、光を集光させるレンズ２２、２４、２８、レーザーダイオード２１から出射された光から特定の偏光成分を抽出する偏光子２３、光を導波させる光ファイバ２５、光ファイバ２５を導波する光の偏光面を回転させるファラデー回転子２６、試料２９から出射された光の特定の偏光成分を抽出する検光子３０、検光子３０から出射された光を電気信号に変換するフォトダイオード３１、フォトダイオード３１の出力信号を表示するオシロスコープ３２、変調信号を発生させる信号発生器３３、変調信号を増幅する増幅器３４および変調信号を計測する電流計３５が設けられるとともに、信号発生器３３で生成された変調信号を参照信号Ｒｅｆとして、フォトダイオード３１の出力Ｓｉｇから変調周波数成分を抽出するロックインアンプ３６が設けられている。
【００２７】
ここで、ファラデー回転子２６には、リング状に巻かれた光ファイバ２５が設けられ、光ファイバ２５のリング部分には、変調信号を印加する導線２７がトロイダル状に巻き付けられている。なお、リング状に巻かれた光ファイバ２５としては、例えば、石英系ガラスファイバの他、鉛ガラスファイバを用いることができる。
そして、試料２９の糖度計測を行う場合、レンズ２８と検光子３０との間に試料２９を配置する。そして、レーザーダイオード２１から出射されたレーザ光は、レンズ２２にて平行光にされた後、偏光子２３を透過して直線偏光に変換される。そして、偏光子２３にて直線偏光に変換されたレーザ光は、レンズ２４にて集光され光ファイバ２５に入射される。そして、光ファイバ２５に入射されたレーザ光は、光ファイバ２５を導波しながらファラデー回転子２６にて偏光面が変調される。
【００２８】
ここで、ファラデー回転子２６にて偏光面の変調を行う場合、信号発生器３３にて発生された変調信号が増幅器３４を介して導線２７に印加される。そして、信号発生器３３にて発生された変調信号が導線２７に印加されると、導線２７に流れる電流に起因してリング状に巻かれたファラデー回転子２６の部分の光ファイバ２５に磁界が誘起される。そして、光ファイバ２５に磁界が誘起されると、ファラデー効果に基づいて光ファイバ２５を導波する光の偏光面を回転させることが可能となる。
【００２９】
そして、ファラデー回転子２６を介して光ファイバ２５から出射されたレーザ光は、レンズ２８にて平行光にされた後、試料２９を透過する。ここで、光ファイバ２５から出射されたレーザ光が試料２９を透過すると、試料２９に含まれる糖度に応じて光の偏光面が回転させられる。
そして、試料２９を透過したレーザ光は検光子３０に入射し、検光子３０にて特定の偏光面が抽出された後、フォトダイオード３１に入射される。そして、検光子３０を透過したレーザ光がフォトダイオード３１に入射されると、フォトダイオード３１にて電気信号に変換される。
【００３０】
そして、フォトダイオード３１から出力された電気信号はロックインアンプ３６に入力され、信号発生器３３で生成された変調信号を参照信号Ｒｅｆとして、フォトダイオード３１の出力Ｓｉｇから変調周波数成分が抽出される。すなわち、図３において、ファラデー回転子２６にて偏光面がωmの周波数で変調されたものとすると、フォトダイオード３１から出力される周波数成分ωm、２ωm、３ωm、・・・の出力信号のうち、周波数成分ωmの出力信号のみを抽出することができる。
そして、ロックインアンプ３６から変調周波数成分ωmが出力されると、その変調周波数成分ωmに基づいて施光度を測定することができる。そして、施光度が測定されると、その施光度に基づいて試料２９に含まれる糖度を算出することができる。
【００３１】
これにより、光ファイバ２５を導波する光に磁界を効率よく印加することが可能となり、偏光面を効率よく変調することが可能となるとともに、光源強度、電源の揺らぎ、輻射などのノイズから変調周波数成分ωmのみの信号を分離して、選択的に取り出すことが可能となる。このため、糖度計測装置のコンパクト化を図ることを可能としつつ、糖度を計測するための出力信号のＳ／Ｎ比を向上させることが可能となり、コストダウンを図りつつ、短時間で精度よく糖度を計測することが可能となる。
また、ファラデー回転子２６に光ファイバ２５を用いることで、ファラデー回転子２６の遠隔設置が可能となり、様々の環境下においても短時間で精度よく糖度を計測することが可能となる。
図４は、本発明の第３実施形態に係る糖度計測装置の概略構成を示すブロック図である。
【００３２】
図４において、糖度計測装置には、光を出射させるレーザーダイオード４１、光を集光させるレンズ４２、４４、４８、レーザーダイオード４１から出射された光から特定の偏光成分を抽出する偏光子４３、光を導波させる光ファイバ４５、光ファイバ４５を導波する光の偏光面を回転させるファラデー回転子４６、試料４９から出射された光の特定の偏光成分を抽出する検光子５０、検光子５０から出射された光を電気信号に変換するフォトダイオード５１、フォトダイオード５１の出力信号を表示するオシロスコープ５２、変調信号を発生させる信号発生器５３、変調信号を増幅する増幅器５４および変調信号を計測する電流計５５が設けられている。
【００３３】
さらに、上記構成に加え、信号発生器５３で生成された変調信号を参照信号Ｒｅｆとして、フォトダイオード５１の出力Ｓｉｇから変調周波数成分を抽出するロックインアンプ５６、ロックインアンプ５６で抽出された変調周波数成分と基準信号ＶＲとの比較結果に基づいて帰還信号を生成するコンパレータ５７、コンパレータ５７から出力された帰還信号を増幅する増幅器５８、ファラデー回転子４６に流れる帰還信号を計測する電流計５９、帰還信号および変調周波数成分を計測するデジタルマルチメータ６０、デジタルマルチメータ６０による計測値などの処理を行うパーソナルコンピュータ６１が設けられている。なお、コンパレータ５７から出力される帰還信号は試料４９による偏光回転を補償するために用いることができる。
【００３４】
ここで、ファラデー回転子４６には、リング状に巻かれた光ファイバ４５が設けられ、光ファイバ４５のリング部分には、変調信号を印加する導線４７ａおよび帰還信号を印加する導線４７ｂがトロイダル状に巻き付けられている。なお、リング状に巻かれた光ファイバ４５としては、例えば、石英系ガラスファイバの他、鉛ガラスファイバを用いることができる。
【００３５】
図５は、図４のファラデー回転子４６の概略構成を示す側面図、図６は、図４のファラデー回転子４６に用いられるリングコアの概略構成を示す側面図である。
図５および図６において、リングコア７０には、光ファイバ４５をリング状に巻き付けるための溝７１が、リングコア７０の円周に沿って設けられている。なお、リングコア７０の材質としては、例えば、アクリルなどの樹脂を用いることができる。そして、溝７１に沿って光ファイバ４５が巻き付けられたリングコア７０には、変調信号を印加する導線４７ａおよび帰還信号を印加する導線４７ｂがトロイダル状に巻き付けられている。
【００３６】
なお、リングコア７０の外径ＲＯは、例えば、５０ｍｍ、リングコア７０の内径ＲＩは、例えば、３６ｍｍ、リングコア７０の太さＷは、例えば、６ｍｍ、溝７１の深さＤは、例えば、４ｍｍ、溝７１の幅Ｆは、例えば、４ｍｍとすることができる。また、リングコア７０には、例えば、長さ２ｍの光ファイバ４５を１３回だけ巻く付けることができ、導線４７ａの巻数は、例えば、１１８６巻、導線４７ｂの巻数は、例えば、２０巻とすることができる。
【００３７】
そして、試料４９の糖度計測を行う場合、レンズ４８と検光子５０との間に試料４９を配置する。
ここで、レーザ光が試料４９を透過した時の偏光面の回転量は以下の（１）式で与えることができる。
［α］Tλ,pH＝１００α／（ＬＣ）                                ・・・（１）
ただし、［α］Tλ,pHは特定回転角、αは測定回転角、Ｌはサンプル溶液を通過する光路長、Ｃはサンプル溶液濃度である。
（１）式から判るように、温度ＴおよびサンプルのｐＨ値が一定の場合、光路長Ｌおよび波長λが与えられると、偏光面の回転量を測定することにより、グルコース濃度を求めることが可能となる。例えば、波長λが６７０ｎｍ、グルコース濃度が１００ｍｇ／ｄｌの場合、光路長Ｌが１０ｍｍ当たり０．００４度の回転角を得ることができる。このため、実際の血糖値を測定するためには、０．００１°の感度が必要となる。
【００３８】
そして、レーザーダイオード４１から出射されたレーザ光は、レンズ４２にて平行光にされた後、偏光子４３を透過して直線偏光に変換される。そして、偏光子４３にて直線偏光に変換されたレーザ光は、レンズ４４にて集光され光ファイバ４５に入射される。そして、光ファイバ４５に入射されたレーザ光は、光ファイバ４５を導波しながらファラデー回転子４６にて偏光面が変調される。
【００３９】
ここで、ファラデー回転子４６にて偏光面の変調を行う場合、信号発生器５３にて発生された変調信号が増幅器５４を介して導線４７ａに印加される。そして、信号発生器５３にて発生された変調信号が導線４７ａに印加されると、導線４７ａに流れる電流に起因してリング状に巻かれたファラデー回転子４６の部分の光ファイバ４５に磁界が誘起される。そして、光ファイバ４５に磁界が誘起されると、ファラデー効果に基づいて光ファイバ４５を導波する光の偏光面を回転させることが可能となる。
【００４０】
そして、ファラデー回転子４６を介して光ファイバ４５から出射されたレーザ光は、レンズ４８にて平行光にされた後、試料４９を透過する。ここで、光ファイバ４５から出射されたレーザ光が試料４９を透過すると、試料４９に含まれる糖度に応じて光の偏光面が回転させられる。
そして、試料４９を透過したレーザ光は検光子５０に入射し、検光子５０にて特定の偏光面が抽出された後、フォトダイオード５１に入射される。そして、検光子５０を透過したレーザ光がフォトダイオード５１に入射されると、フォトダイオード５１にて電気信号に変換される。
【００４１】
ここで、フォトダイオード５１にて検出された光信号を調べるために、正規化されたジョーンズ・ベクトルおよびマトリックスを用いることができる。そして、レーザーダイオード４１から出射されたレーザ光の強度Ｉは、以下のように与えることができる。
φgはサンプルセル内のグルコースによる偏光面の回転角、θmは変調深さで、ｆmは変調周波数であるとすると（ωm＝２πｆm）、
Ｉ∝ｓｉｎ2（θmｓｉｎωmｔ＋φg）
＝１−ｃｏｓ（２θmｓｉｎ２πｆmｔ）ｃｏｓ２φg
＋ｓｉｎ（２θmｓｉｎ２πｆmｔ）ｓｉｎ２φg
＝１−Ｊ0（２θm）ｃｏｓ２φg
−２Ｊ2（２θm）ｃｏｓ２φgｃｏｓ（２・２πｆmｔ）
＋２Ｊ1（２θm）ｓｉｎ２φgｓｉｎ２πｆmｔ
＋２Ｊ3（２θm）ｓｉｎ２φgｓｉｎ（３・２πｆmｔ）＋．．．
・・・（２）
【００４２】
（２）式から判るように、フォトダイオード５１にて検出された信号は、直流項、変調周波数項および変調周波数の整数倍の項から構成される。そして、周波数成分ωmの信号強度Ｉωは、
Ｉω＝Ｉ0Ｊ1（２θm）ｓｉｎ２φgｓｉｎ２πｆmｔ              ・・・（３）
で与えられる。そして、ｓｉｎ２φg≒２φgと近似できるため、周波数成分ωmの信号強度Ｉωは、グルコース濃度に比例する偏光面の回転角に比例することが判る。
【００４３】
そして、フォトダイオード５１から出力された電気信号はロックインアンプ５６に入力され、信号発生器５３で生成された変調信号を参照信号Ｒｅｆとして、フォトダイオード５１の出力Ｓｉｇから変調周波数成分が抽出される。そして、ロックインアンプ５６から抽出された変調周波数成分は、デジタルマルチメータ６０に送られるとともに、コンパレータ５７に送られる。そして、ロックインアンプ５６にて抽出された変調周波数成分がコンパレータ５７に送られると、その変調周波数成分が基準信号ＶＲと比較され、変調周波数成分と基準信号ＶＲとの差分がゼロになるように、帰還信号が生成される。そして、コンパレータ５７にて生成された帰還信号は、ファラデー回転子４６の導線４７ｂに印加され、レーザ光が試料４９を透過した時の偏光面の回転を補償することができる。
【００４４】
例えば、基準信号ＶＲ＝０とすると、ロックインアンプ５６にて抽出された変調周波数成分がゼロになるように、帰還信号を生成することができる。そして、その帰還信号をデジタルマルチメータ６０にて計測し、その帰還信号に基づいて施光度を測定することができる。そして、施光度が測定されると、その施光度に基づいて試料４９に含まれる糖度を算出することができる。
【００４５】
ここで、試料４９による偏光回転を補償するための帰還信号に基づいて施光度を測定することにより、糖度に対する出力信号の線形性を向上させることが可能となるとともに、光量の変動の影響を低減することが可能となり、糖度の計測精度を向上させることが可能となる。
また、ファラデー回転子４６に光ファイバ４５を用いることで、ファラデー回転子４６の遠隔設置が可能となり、様々の環境下においても短時間で精度よく糖度を計測することが可能となる。
【００４６】
図７は、図４のファラデー回転子のコイル電流とファラデー回転角との関係を示す図である。なお、図７の関係は、図４のファラデー回転子４６に巻き付けられた導線４７ａの巻数が１１８６巻の場合を示す。
図７において、信号発生器５３にて生成された周波数１５０Ｈｚの正弦波の電流を導線４７ａに印加した時のファラデー回転子４６の変調深さ（角）を調べた。この結果、０．５Ａの電流で約±５°の変調深さを得ることができ、４０ｍｍ小径のファラデー回転子４６を用いることにより、偏光面を効率よく変調することができた。
【００４７】
図８は、図４のファラデー回転子の周波数特性を示す図である。
図８において、信号発生器５３にて生成された振幅１．５Ｖの正弦波の電流を図４のファラデー回転子４６に巻き付けられた導線４７ａに印加した時の電流（Ａ）を調べた。この結果、図４のファラデー回転子４６の変調周波数は１００Ｈｚ以上あり、広い帯域を得ることができた。
【００４８】
図９は、図４の糖度計測装置のロックインアンプ５６の出力とグルコース濃度（低濃度）との関係を示す図である。
図９において、図４の信号発生器５３にて生成された周波数１５０Ｈｚの正弦波の電流を、ファラデー回転子４６の導線４７ａに印加することにより、試料４９に入射される光の偏波面の変調を行った。そして、グルコース濃度が０〜０．５ｇ／ｄｌの範囲において、導線４７ｂに印加する電流をゼロとして、ファラデー回転子４６に帰還を行わなかった時のロックインアンプ５６の出力を調べた。
この結果、ロックインアンプ５６の出力とグルコース濃度との間に良好な比例関係（相関係数＝０．９９９９１）が得られた。また、測定の最小分解能として、約０．０１ｗｔ％を得ることができ、実際の血糖値を精度よく測定することができることが判った。
【００４９】
図１０は、図４の糖度計測装置の帰還電流とグルコース濃度との関係を示す図である。
図１０において、図４の信号発生器５３にて生成された周波数１５０Ｈｚの正弦波の電流を、ファラデー回転子４６の導線４７ａに印加することにより、試料４９に入射される光の偏波面の変調を行った。そして、グルコース濃度が０〜０．５ｇ／ｄｌの範囲において、ファラデー回転子４６に帰還を行った時の導線４７ｂに流れる帰還電流を調べた。なお、帰還電流は、図４のコンパレータ５７から出力される帰還信号を導線４７ｂに印加した時の導線４７ｂに流れる電流を示す。
【００５０】
この結果、導線４７ｂに流れる帰還電流とグルコース濃度との間に良好な比例関係（相関係数＝０．９９９９４）が得られた。ここで、帰還電流の変動量は図９のロックインアンプ出力の変動量よりも大きくなっており、測定の最小分解能は０．０２ｗｔ％よりも悪い。これは、ロックインアンプ５６の遅い応答性およびファラデー回転子４６の偏光状態の出力変動に伴って、フィードバックループの周波数応答性が低下するためと考えられる。このため、ロックインアンプ５６の高速化およびファラデー回転子４６の設計の最適化によって帰還電流の変動量を抑制することができる。
【００５１】
図１１は、図４の糖度計測装置のロックインアンプ５６の出力とグルコース濃度（高濃度）との関係を示す図である。
図１１において、図４の信号発生器５３にて生成された周波数１５０Ｈｚの正弦波の電流をファラデー回転子４６の導線４７ａに印加することにより、試料４９に入射される光の偏波面の変調を行った。そして、グルコース濃度が０〜２０ｇ／ｄｌの範囲において、導線４７ｂに印加する電流をゼロとして、ファラデー回転子４６に帰還を行わなかった時のロックインアンプ５６の出力を調べた。
【００５２】
この結果、グルコース濃度が０〜２０ｇ／ｄｌの範囲においても、ロックインアンプ５６の出力とグルコース濃度との間に良好な比例関係（相関係数＝０．９９８）が得られた。また、測定の最小分解能として、約０．０１ｗｔ％を得ることができ、実際の血糖値を精度よく測定することができることが判った。また、２０ｗｔ％に渡る広範な糖度の計測にも用いることができ、果物などの糖度の無破壊計測に利用することを可能として、果物などの選別に利用することができる。
【００５３】
なお、施光角φgが、ｓｉｎ２φg≒２φgと近似できない位大きな場合には、（２）式から判るように、変調周波数成分Ｉ（ωm）とその第２高調波成分Ｉ（２ωm）とを同時に検出し、それらの比Ｒ（（４）式）に関して、ｔａｎ-1演算を行うと、任意の大きさの施光角φgも正確に検出できる。
Ｒ＝Ｉ（ωm）／Ｉ（２ωm）
＝Ｊ1（２φm）ｓｉｎ２φg／Ｊ2（２φm）ｃｏｓ２φg
＝−Ｊ1（２φm）／Ｊ2（２φm）ｔａｎ２φg                  ・・・（４）
また、この演算を行うことによって、光量の変調の影響も同時に除去できる。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
本発明の糖度計測装置は、例えば、血液中のグルコース濃度（血糖値）や果物などの糖度の計測に利用することができ、専用試験紙などの消耗品を使用することなく、血糖値の無侵襲測定を短時間かつ精度よく行うことが可能となるとともに、果物などの糖度の無破壊計測に利用することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明の第１実施形態に係る糖度計測装置の概略構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る糖度計測装置の出力変調信号を示す図である。
【図３】本発明の第２実施形態に係る糖度計測装置の概略構成を示すブロック図である。
【図４】本発明の第３実施形態に係る糖度計測装置の概略構成を示すブロック図である。
【図５】図４のファラデー回転子の概略構成を示す側面図である。
【図６】図４のファラデー回転子に用いられるリングコアの概略構成を示す側面図である。
【図７】図４のファラデー回転子のコイル電流とファラデー回転角との関係を示す図である。
【図８】図４のファラデー回転子の周波数特性を示す図である。
【図９】図４の糖度計測装置のロックインアンプ出力とグルコース濃度（低濃度）との関係を示す図である。
【図１０】図４の糖度計測装置の帰還電流とグルコース濃度との関係を示す図である。
【図１１】図４の糖度計測装置のロックインアンプ出力とグルコース濃度（高濃度）との関係を示す図である。
【符号の説明】
【００５６】
１、２１、４１  レーザーダイオード
２、４、８、２２、２４、２８、４２、４４、４８  レンズ
３、２３、４３  偏光子
５、２５、４５  光ファイバ
６、２６、４６  ファラデー回転子
７、２７、４７ａ、４７ｂ  導線
９、２９、４９  試料
１０、３０、５０  検光子
１１、３１、５１  フォトダイオード
１２、３２、５２  オシロスコープ
１３、３３、５３  信号発生器
１４、３４、５４、５８  増幅器
１５、３５、５５、５９  電流計
３６、５６  ロックインアンプ
５７  コンパレータ
６０  デジタルマルチメータ
６１  パーソナルコンピュータ
７０  リングコア
７１  溝
【図１】
2005098860.tif 000003
【図２】
2005098860.tif 000004
【図３】
2005098860.tif 000005
【図４】
2005098860.tif 000006
【図５】
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【図６】
2005098860.tif 000008
【図７】
2005098860.tif 000009
【図８】
2005098860.tif 000010
【図９】
2005098860.tif 000011
【図１０】
2005098860.tif 000012
【図１１】
2005098860.tif 000013