(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
目的物に含まれた成分の濃度を測定する目的物の成分濃度測定装置において、
数ｋＷのピーク電力を有する単一波長の入射光を照射するポンピング光源と、
前記入射光を少なくとも二つの離散的な波長を有する光に変換して出力する第１波長変換部と、
前記第１波長変換部から出力される光を分割し、分割された光のうち一つを前記目的物に照射する第１ビーム分割部と、
前記第１ビーム分割部で分割された光のうち他の一つを平行光に変換し、平行光に変換された光を波長別に分離させ、分離された結果を基準光として出力する基準光発生部と、
前記目的物を通った光を平行光に変換して出力する第１コリメータ部と、
前記第１コリメータ部から出力される光の波長別光度、及び前記基準光の波長別光度を測定する光度測定部と、
前記光度測定部で測定された前記波長別光度から前記成分の濃度を測定する濃度測定部とを備え、
前記第１波長変換部は、
互いに直列に接続された第１〜第Ｙ（ここで、Ｙは２以上の正の整数）波長変換器を備え、
前記第ｙ（１≦ｙ≦Ｙ）波長変換器は入力した光を集束して少なくとも一つの波長を有する光に変換し、変換された光を平行光に変換して出力し、
前記第ｙ波長変換器は、
入力した光を集束させ、集束された光を出力する光集束部と、
前記光集束部で集束された光を受けて前記少なくとも一つの波長を有する光を出力する光ファイバと、
前記光ファイバからの前記光を平行光に変換して出力する第２コリメータ部とを備え、前記第１波長変換部は別の外部手段を備えず、各波長変換器を構成する光ファイバのコアを相異なる成分でドーピングすることにより、非線形ラマン効果によって前記離散的な波長を発生させることを特徴とする目的物の成分濃度測定装置。
【請求項２】
目的物に含まれた成分の濃度を測定する目的物の成分濃度測定装置において、
数ｋＷのピーク電力を有する単一波長の入射光を照射するポンピング光源と、
第２〜第２Ｖ（ここで、Ｖは２以上の正の整数）ビーム分割部と、
第２〜第Ｖ＋１波長変換部と、
全反射部と、
前記第Ｖ＋１〜第２Ｖビーム分割部の各々で分割された光のうち一つを平行光に変換し、平行光に変換された光を波長別に分離させ、分離された結果を基準光として出力する基準光発生部と、
前記目的物を通った光を平行光に変換して出力する第１コリメータ部と、
前記第１コリメータ部から出力される光の波長別光度、及び前記基準光の波長別光度を測定する光度測定部と、
前記光度測定部で測定された前記波長別光度から前記成分の濃度を測定する濃度測定部とを備え、
前記第２ビーム分割部は前記入射光を分割し、分割された光のうち一つを第２波長変換部に出力し、
第ｖ（ここで、３≦ｖ≦Ｖ）ビーム分割部は第ｖ−１ビーム分割部で分割された光のうち他の一つを入力して分割し、分割された光のうち一つを第ｖ波長変換部に出力し、
前記全反射部は前記第Ｖビーム分割部で分割された光のうち他の一つを全反射して前記第Ｖ＋１波長変換部に出力し、
第ｗ（ここで、２≦ｗ≦Ｖ＋１）波長変換部は入力した光を少なくとも二つの離散的な波長を有する光に変換して出力し、
第Ｖ＋ｗ−１ビーム分割部は第ｗ波長変換部から出力される光を分割し、分割された光のうち一つを前記目的物に照射し、
前記第２〜第Ｖ＋１波長変換部の内の少なくとも一つについては、
互いに直列に接続された第１〜第Ｙ（ここで、Ｙは２以上の正の整数）波長変換器を備え、
前記第ｙ（１≦ｙ≦Ｙ）波長変換器は入力した光を集束して少なくとも一つの波長を有する光に変換し、変換された光を平行光に変換して出力し、
前記第ｙ波長変換器は、
入力した光を集束させ、集束された光を出力する光集束部と、
前記光集束部で集束された光を受けて前記少なくとも一つの波長を有する光を出力する光ファイバと、
前記光ファイバからの前記光を平行光に変換して出力する第２コリメータ部とを備え、前記第２〜第Ｖ＋１波長変換部のそれぞれは別の外部手段を備えず、各波長変換器を構成する光ファイバのコアを相異なる成分でドーピングすることにより、非線形ラマン効果によって前記離散的な波長を発生させることを特徴とする目的物の成分濃度測定装置。
【請求項３】
前記濃度測定部は、
前記光度測定部で測定された前記波長別光度を増幅し、増幅された結果を出力する増幅器と、
前記増幅器で増幅された結果をデジタル信号に変換し、変換されたデジタル信号を出力するアナログ／デジタル変換部と、
前記デジタル信号を分析して前記目的物に含まれた前記成分の濃度を測定する信号処理部とを備えることを特徴とする請求項１に記載の目的物の成分濃度測定装置。
【請求項４】
前記濃度測定部は、
前記光度測定部で測定された前記波長別光度を増幅し、増幅された結果を出力する増幅器と、
前記増幅器で増幅された結果をデジタル信号に変換し、変換されたデジタル信号を出力するアナログ／デジタル変換部と、
前記デジタル信号を分析して前記目的物に含まれた前記成分の濃度を測定する信号処理部とを備えることを特徴とする請求項２に記載の目的物の成分濃度測定装置。
【請求項５】
前記目的物の成分濃度測定装置は、
前記第１ビーム分割部で分割された光のうち前記一つを集束させ、集束された結果を前記目的物に照射する第１集光レンズをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の目的物の成分濃度測定装置。
【請求項６】
前記目的物の成分濃度測定装置は、
第ｘ（ここで、ｘはＶ＋１，．．．または２Ｖ）ビーム分割部で分割された光のうち前記一つを集束させ、集束された結果を前記目的物に照射する第１集光レンズをさらに備えることを特徴とする請求項２に記載の目的物の成分濃度測定装置。
【請求項７】
前記目的物の成分濃度測定装置は、
前記第１ビーム分割部で分割された光のうち前記一つを前記目的物に照射する屈折率整合部材をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の目的物の成分濃度測定装置。
【請求項８】
前記目的物の成分濃度測定装置は、
前記第ｘ（ここで、ｘはＶ＋１，．．．または２Ｖ）ビーム分割部で分割された光のうち前記一つを前記目的物に照射する屈折率整合部材をさらに備えることを特徴とする請求項２に記載の目的物の成分濃度測定装置。
【請求項９】
前記目的物の成分濃度測定装置は、
前記第１コリメータ部から出力される光を前記波長別に分離させて前記光度測定部に出力する波長分離部をさらに備え、
前記光度測定部は、前記波長分離部から出力される前記光の波長別光度、及び前記基準光の波長別光度を測定することを特徴とする請求項１に記載の目的物の成分濃度測定装置。
【請求項１０】
前記目的物の成分濃度測定装置は、
前記第１コリメータ部から出力される光を前記波長別に分離させて前記光度測定部に出力する波長分離部をさらに備え、
前記光度測定部は、前記波長分離部から出力される前記光の波長別光度、及び前記基準光の波長別光度を測定することを特徴とする請求項２に記載の目的物の成分濃度測定装置。
【請求項１１】
前記光集束部は、
入力した光を集束させ、集束された光を前記光ファイバのコアの入射面に出力する第２集光レンズを備えることを特徴とする請求項１に記載の目的物の成分濃度測定装置。
【請求項１２】
前記光集束部は、
入力した光を集束させ、集束された光を前記光ファイバのコアの入射面に出力する先細りのファイバを備えることを特徴とする請求項１に記載の目的物の成分濃度測定装置。
【請求項１３】
前記先細りのファイバ及び前記光ファイバは、溶融接着されることを特徴とする請求項１２に記載の目的物の成分濃度測定装置。
【請求項１４】
前記光ファイバのコアは、純粋なシリカにより製造されることを特徴とする請求項１に記載の目的物の成分濃度測定装置。
【請求項１５】
前記光ファイバのコアは、Ｇｅ０2でドーピングされることを特徴とする請求項１に記載の目的物の成分濃度測定装置。
【請求項１６】
前記光ファイバのコアは、Ｐ2０5でドーピングされることを特徴とする請求項１に記載の目的物の成分濃度測定装置。
【請求項１７】
前記光ファイバは、単一モードであることを特徴とする請求項１に記載の目的物の成分濃度測定装置。
【請求項１８】
前記光ファイバは、多重モードであることを特徴とする請求項１に記載の目的物の成分濃度測定装置。
【請求項１９】
前記光ファイバは、階段屈折率の光ファイバであることを特徴とする請求項１に記載の目的物の成分濃度測定装置。
【請求項２０】
前記光ファイバは、傾斜屈折率の光ファイバであることを特徴とする請求項１に記載の目的物の成分濃度測定装置。
【請求項２１】
前記目的物は、生体であることを特徴とする請求項１に記載の目的物の成分濃度測定装置。
【請求項２２】
前記ポンピング光源は、パルスレーザまたは連続波レーザであることを特徴とする請求項１に記載の目的物の成分濃度測定装置。
【請求項２３】
前記パルスレーザは、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ、Ｈｏ：ＹＡＧレーザ、Ｔｍ：ＹＡＧレーザ、光パラメトリック発振レーザ、ソリッド−ステートレーザまたは光ファイバレーザであることを特徴とする請求項２２に記載の目的物の成分濃度測定装置。
【請求項２４】
前記光度測定部は、
前記第１コリメータ部から出力される光の波長別光度、及び前記基準光の波長別光度を測定する近赤外線光度測定器を備えることを特徴とする請求項１に記載の目的物の成分濃度測定装置。
【請求項２５】
前記光度測定部は、
前記第１コリメータ部から出力される光の波長別光度、及び前記基準光の波長別光度を測定するアレイ光度測定器を備えることを特徴とする請求項１に記載の目的物の成分濃度測定装置。
【請求項２６】
前記光集束部は、
入力した光を集束させ、集束された光を前記光ファイバのコアの入射面に出力する第２集光レンズを備えることを特徴とする請求項２に記載の目的物の成分濃度測定装置。
【請求項２７】
前記光集束部は、
入力した光を集束させ、集束された光を前記光ファイバのコアの入射面に出力する先細りのファイバを備えることを特徴とする請求項２に記載の目的物の成分濃度測定装置。
【請求項２８】
前記先細りのファイバ及び前記光ファイバは、溶融接着されることを特徴とする請求項２７に記載の目的物の成分濃度測定装置。
【請求項２９】
前記光ファイバのコアは、純粋なシリカにより製造されることを特徴とする請求項２に記載の目的物の成分濃度測定装置。
【請求項３０】
前記光ファイバのコアは、Ｇｅ０2でドーピングされることを特徴とする請求項２に記載の目的物の成分濃度測定装置。
【請求項３１】
前記光ファイバのコアは、Ｐ2０5でドーピングされることを特徴とする請求項２に記載の目的物の成分濃度測定装置。
【請求項３２】
前記光ファイバは、単一モードであることを特徴とする請求項２に記載の目的物の成分濃度測定装置。
【請求項３３】
前記光ファイバは、多重モードであることを特徴とする請求項２に記載の目的物の成分濃度測定装置。
【請求項３４】
前記光ファイバは、階段屈折率の光ファイバであることを特徴とする請求項２に記載の目的物の成分濃度測定装置。
【請求項３５】
前記光ファイバは、傾斜屈折率の光ファイバであることを特徴とする請求項２に記載の目的物の成分濃度測定装置。
【請求項３６】
前記目的物は、生体であることを特徴とする請求項２に記載の目的物の成分濃度測定装置。
【請求項３７】
前記ポンピング光源は、パルスレーザまたは連続波レーザであることを特徴とする請求項２に記載の目的物の成分濃度測定装置。
【請求項３８】
前記パルスレーザは、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ、Ｈｏ：ＹＡＧレーザ、Ｔｍ：ＹＡＧレーザ、光パラメトリック発振レーザ、ソリッド−ステートレーザまたは光ファイバレーザであることを特徴とする請求項３７に記載の目的物の成分濃度測定装置。
【請求項３９】
前記光度測定部は、
前記第１コリメータ部から出力される光の波長別光度、及び前記基準光の波長別光度を測定する近赤外線光度測定器を備えることを特徴とする請求項２に記載の目的物の成分濃度測定装置。
【請求項４０】
前記光度測定部は、
前記第１コリメータ部から出力される光の波長別光度、及び前記基準光の波長別光度を測定するアレイ光度測定器を備えることを特徴とする請求項２に記載の目的物の成分濃度測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光ファイバを用いることに係り、特に、光ファイバを用いて離散的に変換された波長を有する光を目的となる物体の内部に含まれた各成分の濃度を測定するのに用いる目的物の成分濃度測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
最近、人々の生活環境が大きく改善され、しかも、生活状態が良くなるにつれて、個人の健康に対する関心が高まりつつある。その結果、個人の健康状態を手軽に、かつ随時点検できる家庭用医療機器の研究開発が盛んになっている。
【０００３】
普通、正常人の場合、生体内に存在する体液は有機的に循環及び調節されて、一定の範囲でその量が調節され、一定の水準にその量が保たれる。体液には、血液、尿、間質液、汗及び唾液などがある。特に、血液、尿等の体液中に存在する糖、蛋白質等の各成分の濃度は、人の健康状態を知る上で極めて有用である。また、人の健康状態を検査するために、体液内に存在するグルコース、ヘモグロビン、ビリルビン、コレステロール、アルブミン、クレアチニン、蛋白質及び尿素などの濃度を測定することもある。
【０００４】
生体が病気になると、体液成分の組成及び／又は量に変化が生じるため、その成分の濃度を測定して健康状態を診断することができる。例えば、正常人の血中グルコースの濃度は食前で約８０ｍｇ／ｄｌ程度であり、食後で約１２０ｍｇ／ｄｌ程度となるが、生体は、このような血中グルコース濃度を保つために、食前または食後にすい臓から適正量のインシュリンを分泌して肝臓及び骨格筋細胞に吸収させる。しかし、病気その他の原因によりすい臓から正常な血中グルコース値の維持に必要な分だけのインシュリンが分泌されない場合、血液中のグルコースが増加して過多となり、これが原因となって心臓病、肝疾患、動脈硬化症、高血圧、白内障、網膜出血、神経損傷、聴力損失及び弱視などの現象があらわれ、さらには死亡に至る場合もある。したがって、このような結果を未然に防止するために、生体内の体液成分の変化を時間及び空間的に制約されずに測定することは極めて重要である。
【０００５】
代表的な体液成分の濃度測定方式としては、対象物質の一部を直接採取して測定する浸襲的な方式と、対象物質をサンプル採取せずに測定する非浸襲的な方式とがある。浸襲的に体液成分の濃度を測定する一般的な方式は、血液サンプルを採取した後、採取した血液と診断試薬との反応を臨床分析機器を使って分析して体液成分の濃度を測定する方式である。しかし、このような浸襲的な方式は、血液を採取するために糖尿患者に大きな苦痛を与え、血液採取中に糖尿患者に他の疾病を感染させる心配があるほか、患者を連続的にモニタリングし難いことから緊急状況が生じた時に対処が困難である。また、ストリップや試薬のような消耗品を多量に使用することから使用者に経済的な負担を強いるだけではなく、環境汚染を引き起こすという問題もある。したがって、糖尿患者の血糖値の調節や正常人の健康診断のために、血液を採取せずに血糖の濃度を非浸襲的に診断できる技術の開発が要請されている。このため、従来より、非浸襲的な血中グルコースの測定方法が種々提案されているが、まだ商業化の水準には至っていない。
【０００６】
生体内の体液成分の濃度を測定するために用いられる分光学的方法のほとんどは、生体組織の一部に可視光線または近赤外線（NIR: Near Infrared ray）波長範囲の光を照射し、生体から反射または透過されてくる光を検出して体液成分の濃度を推定する。この時、特定成分の濃度を推定するために、測定しようとする成分に最もよく感応する波長を有する光だけではなく、干渉物質が与える影響を効率よく相殺できる帯域に存在する波長を有する基準光も必要である。
【０００７】
従来の成分濃度測定装置は、連続波（CW: Continuous Wave）光源を使ってスペクトルを測定し、測定されたスペクトルから濃度を算出したり、いくつかの発光ダイオード（LED）またはレーザダイオード（LD）を光源として使って濃度を算出したりする。しかし、測定しようとする成分の濃度が極めて低く、しかも、生体組織及び血液において光の散乱効果が光の吸収の影響よりもはるかに大きいため、検出される信号が微弱になってしまう。従って、微弱な信号の強さを増やすための方法が要求される一方、人体に照射される平均エネルギーが人体組織に損傷を与える範囲外になるようにしなければならない。特に、７００〜２，５００ｎｍの近赤外領域においてグルコースに対する吸収帯域が広く分布しており、水に対する広い背景スペクトルに比べてグルコース吸収ピーク値が相対的に小さいために信号対雑音比が小さい。従って、正確な濃度測定が極めて困難である。
【０００８】
以下、従来の成分濃度測定方法について説明する。
【０００９】
従来の成分濃度測定方法のうち一つが、発明の名称を「生理的化学品、特にグルコースの非浸襲的測定の方法及び装置（Method and Apparatus for Non-Invasive Determination of Physiological Chemicals, Particularly Glucose）」という米国特許第６，０６１，５８２号公報に開示されている。ここに開示された従来の方法によれば、赤外線を使ってグルコースのような生理化学品を非浸襲的に測定する。そのため、この方法は、３００Ｗのタングステン−ハロゲンランプを使ってグルコースの吸収波長帯域である２，０００〜２，５００ｎｍ及び１，５３８〜１，７２４ｎｍの範囲の波長を有する光を生成し、生体組織から反射または透過された光から得られる透過スペクトル、反射スペクトルまたはこのインタフェログラムを分析する。しかし、この方法は、前述した波長で生体に照射される光の強度（光度）が弱すぎるという問題点を有する。
【００１０】
従来の他の成分濃度測定方法が、発明の名称を「血中グルコースの非浸襲的測定（Non-Invasive Measurement of Blood Glucose）」という米国特許第５，０８６，２２９号公報に開示されている。ここに開示された従来の方法によれば、非浸襲的に血液のグルコース成分を測定するために、６００〜１，１００ｎｍの範囲の波長を有する光を、様々な異なる波長を有するＬＥＤを使って生成し、生体組織を透過、あるいは反射した光のエネルギー差を比較分析する。しかし、この方法は、実際に提示したグルコース吸収波長範囲において十分な信号を得るために多数のＬＥＤを組み合わせて使わなければならないため、相異なる波長を有する光を生じるＬＥＤ間の配列を困難にするという問題点を有する。また、ＬＥＤを組み合わせて使うことから、生体組織に光を照射する時に波長別に同一の位置を光が通れなくなって、グルコースの濃度を正確に測定できないという問題点も有する。また、ＬＥＤが有するスペクトル帯域がレーザ光に比べて広いため、濃度を測定する際に、あまり近接した吸収波長帯域を選定することができないという限界もある。
【００１１】
従来のさらに他の成分濃度測定方法が、発明の名称を「二つの近接した波長を利用する近赤外線吸収測定法による非浸襲的血液分析（Non-Invasive Blood Analysis by Near Infrared Absorption Measurements Using Two Closely Spaced Wavelengths）」という米国特許第５，２２２，４９５号公報に開示されている。ここに開示された従来の方法によれば、生体内における様々な散乱効果を低減するために近接波長を用いる。すなわち、信号波長として１，６００ｎｍのものを用い、信号波長よりも長いものの波長間の差が小さい１，６３０〜１，６６０ｎｍの範囲のものを基準波長として用いる。しかし、この方法は、サンプルを製作してスペクトルを測定した例はあるが、まだ生体には適用されたことがない。
【００１２】
従来のさらに他の成分濃度測定方法が、発明の名称を「光学的インターフェースを改善した非浸襲的血液分析測定法（Method for Non-Invasive Blood Analysis Measurement with Improved Optical Interface）」という米国特許第６，１５２，８７６号に開示されている。ここに開示された従来の方法によれば、血液を含む生体組織の皮膚表面または組織表面とセンサプローブとの間に屈折率整合媒体を挿入して血中成分の濃度を測定し、スペクトル分析器を使って測定されたデータを分析する。そのため、この方法は、１００Ｗの石英タングステン−ハロゲンランプを光源として用いるが、それによって、実際に製品を開発するに際し、信号対雑音比を高めなければならなくなる点に問題がある。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明が解決しようとする技術的課題は、目的物に含まれる成分の濃度を測定するために離散的な多数の波長を有する光を生成して目的物に照射することが容易な目的物の成分濃度測定装置を提供するところにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、本発明による一実施態様としての、目的物に含まれた成分の濃度を測定するための目的物の成分濃度測定装置は、数ｋＷのピーク電力を有する単一波長の入射光を照射するポンピング光源と、前記入射光を少なくとも二つの離散的な波長を有する光に変換して出力する第１波長変換部と、前記第１波長変換部から出力される光を分割し、分割された光のうち一つを前記目的物に照射する第１ビーム分割部と、前記第１ビーム分割部で分割された光のうち他の一つを平行光に変換し、平行光に変換された光を波長別に分離させ、分離された結果を基準光として出力する基準光発生部と、前記目的物を通った光を平行光に変換して出力する第１コリメータ部と、前記第１コリメータ部から出力される光の波長別光度、及び前記基準光の波長別光度を測定する光度測定部と、前記光度測定部で測定された前記波長別光度から前記成分の濃度を測定する濃度測定部とを備え、前記第１波長変換部は、互いに直列に接続された第１〜第Ｙ（ここで、Ｙは２以上の正の整数）波長変換器を備え、前記第ｙ（１≦ｙ≦Ｙ）波長変換器は入力した光を集束して少なくとも一つの波長を有する光に変換し、変換された光を平行光に変換して出力し、前記第ｙ波長変換器は、入力した光を集束させ、集束された光を出力する光集束部と、前記光集束部で集束された光を受けて前記少なくとも一つの波長を有する光を出力する光ファイバと、前記光ファイバからの前記光を平行光に変換して出力する第２コリメータ部とを備え、前記第１波長変換部は別の外部手段を備えず、各波長変換器を構成する光ファイバのコアを相異なる成分でドーピングすることにより、非線形ラマン効果によって前記離散的な波長を発生させることを特徴とする。
【００１６】
また、本発明のよる他の実施態様としての、目的物に含まれた成分の濃度を測定する目的物の成分濃度測定装置は、数ｋＷのピーク電力を有する単一波長の入射光を照射するポンピング光源と、第２〜第２Ｖ（ここで、Ｖは２以上の正の整数）ビーム分割部と、第２〜第Ｖ＋１波長変換部と、全反射部と、前記第Ｖ＋１〜第２Ｖビーム分割部の各々で分割された光のうち一つを平行光に変換し、平行光に変換された光を波長別に分離させ、分離された結果を基準光として出力する基準光発生部と、前記目的物を通った光を平行光に変換して出力する第１コリメータ部と、前記第１コリメータ部から出力される光の波長別光度、及び前記基準光の波長別光度を測定する光度測定部と、前記光度測定部で測定された前記波長別光度から前記成分の濃度を測定する濃度測定部とを備え、前記第２ビーム分割部は前記入射光を分割し、分割された光のうち一つを第２波長変換部に出力し、第ｖ（ここで、３≦ｖ≦Ｖ）ビーム分割部は第ｖ−１ビーム分割部で分割された光のうち他の一つを入力して分割し、分割された光のうち一つを第ｖ波長変換部に出力し、前記全反射部は前記第Ｖビーム分割部で分割された光のうち他の一つを全反射して前記第Ｖ＋１波長変換部に出力し、第ｗ（ここで、２≦ｗ≦Ｖ＋１）波長変換部は入力した光を少なくとも二つの離散的な波長を有する光に変換して出力し、第Ｖ＋ｗ−１ビーム分割部は第ｗ波長変換部から出力される光を分割し、分割された光のうち一つを前記目的物に照射し、前記第２〜第Ｖ＋１波長変換部の内の少なくとも一つについては、互いに直列に接続された第１〜第Ｙ（ここで、Ｙは２以上の正の整数）波長変換器を備え、前記第ｙ（１≦ｙ≦Ｙ）波長変換器は入力した光を集束して少なくとも一つの波長を有する光に変換し、変換された光を平行光に変換して出力し、前記第ｙ波長変換器は、入力した光を集束させ、集束された光を出力する光集束部と、前記光集束部で集束された光を受けて前記少なくとも一つの波長を有する光を出力する光ファイバと、前記光ファイバからの前記光を平行光に変換して出力する第２コリメータ部とを備え、前記第２〜第Ｖ＋１波長変換部のそれぞれは別の外部手段を備えず、各波長変換器を構成する光ファイバのコアを相異なる成分でドーピングすることにより、非線形ラマン効果によって前記離散的な波長を発生させることを特徴とする。
【００１７】
好ましくは、前記濃度測定部は、前記光度測定部で測定された前記波長別光度を増幅し、増幅された結果を出力する増幅器と、前記増幅器で増幅された結果をデジタル信号に変換し、変換されたデジタル信号を出力するアナログ／デジタル変換部と、前記デジタル信号を分析して前記目的物に含まれた前記成分の濃度を測定する信号処理部とを備えるよう構成することができる。また、前記目的物の成分濃度測定装置は、好ましくは、前記第１コリメータ部から出力される光を前記波長別に分離させて前記光度測定部に出力する波長分離部をさらに備え、前記光度測定部は、前記波長分離部から出力される前記光及び前記基準光の波長別光度を測定する。また、好ましくは、前記第ｙ波長変換器は、入力した光を集束させ、集束された光を出力する光集束部と、前記光集束部で集束された光を受けて前記少なくとも一つの波長を有する光を出力する光ファイバと、前記光ファイバからの前記光を平行光に変換して出力する第２コリメータ部とを備える。また、好ましくは、前記光集束部は、入力した光を集束させ、集束された光を前記光ファイバのコアの入射面に出力する第２集光レンズを備える。また、好ましくは、前記光集束部は、入力した光を集束させ、集束された光を前記光ファイバのコアの入射面に出力する先細りのファイバを備える。ここで、前記先細りのファイバ及び前記光ファイバは、溶融接着することができる。また、前記光ファイバのコアは、純粋なシリカにより製造されることができ、Ｇｅ０2またはＰ2０5でドーピングされるよう構成してもよい。また、前記光ファイバは、単一モードであってもよく、多重モードであってもよい。前記光ファイバは、好ましくは、階段屈折率の光ファイバである。あるいは、前記光ファイバは、傾斜屈折率の光ファイバである。前記目的物としては、生体を対象とすることができる。また、前記ポンピング光源は、好ましくは、パルスレーザまたは連続波レーザである。このパルスレーザには、好ましくは、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ、Ｈｏ：ＹＡＧレーザ、Ｔｍ：ＹＡＧレーザ、光パラメトリック発振レーザ、ソリッド−ステートレーザまたは光ファイバレーザを用いることができる。また、前記光度測定部は、好ましくは、前記第１コリメータ部から出力される光及び前記基準光の波長別光度を測定する近赤外線光度測定器を備えることができる。また、前記光度測定部は、好ましくは、前記第１コリメータ部から出力される光及び前記基準光の波長別光度を測定するアレイ光度測定器を備えるよう構成してもよい。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、添付した図面を参照し、本発明による目的物の成分濃度測定装置の実施形態ごとの構成及び作用と、本発明による装置において行われる成分濃度測定方法について説明する。
【００２１】
図１は、本発明の第一の実施形態による目的物の成分濃度測定装置を示したブロック図である。本発明の第一の実施形態による目的物の成分濃度測定装置は、ポンピング光源１０と、第１波長変換部１２と、第１ビーム分割部１４と、基準光発生部１６と、目的物２２と、第１コリメータ部２４と、光度測定部２８及び濃度測定部３０を含む。また、本発明の第一の実施形態による目的物の成分濃度測定装置は、第１集光レンズ１８と、屈折率整合部材２０及び波長分離部２６をさらに含みうる。
【００２２】
図２は、図１に示された装置において行われる本発明による目的物の成分濃度測定方法を説明するためのフローチャートである。図を参照すれば、本発明による目的物の成分濃度測定方法は、単一波長を有する入射光から少なくとも一つの離散的な波長を有する光を生成する段階（ステップ６０及びステップ６２）と、生成された光を目的物２２に照射した後、目的物２２を透過する光及び基準光の波長別光度を測定する段階（ステップ６４〜ステップ６８）及び測定された光度を用いて目的物２２に含まれる成分の濃度を測定する段階（ステップ７０）を含む。
【００２３】
本発明の第一の実施形態によれば、図１に示された成分濃度測定装置のポンピング光源１０は、所定値以上のピーク電力を有する単一波長の入射光を第１波長変換部１２に照射する（ステップ６０）。したがって、ポンピング光源１０はパルスレーザ（図示せず）またはＣＷレーザで実現できる。この時、パルスレーザは、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ、Ｈｏ：ＹＡＧレーザ、Ｔｍ：ＹＡＧレーザ、光パラメトリック発振（ＯＰＯ：Optical Parametric Oscillation）レーザ、ソリッド−ステートレーザまたは光ファイバレーザを使用できる。ここで、パルスレーザは１，０６４ｎｍのパルスレーザ、１，３００ｎｍのパルスレーザ、２μｍ波長のビームを照射するＨｏ：ＹＡＧまたは約２μｍ波長のビームを照射するＴｍ：ＹＡＧレーザで実現でき、ＣＷレーザは１，４８０ｎｍの波長を有する入射光を生成するレーザダイオードで実現できる。
【００２４】
ステップ６０の後に、第１波長変換部１２は、ポンピング光源１０から照射された入射光を受光し、受光した入射光を少なくとも一つの離散的な波長を有する光に変換し、変換された光を第１ビーム分割部１４に出力する（ステップ６２）。
【００２５】
ステップ６２の後に、第１ビーム分割部１４は、第１波長変換部１２で変換された少なくとも一つの波長を有する二つの光に分割し、分割された光のうち一つを目的物２２に照射し、分割された光のうち他の一つを基準光発生部１６に出力する（ステップ６４）。この時、基準光発生部１６は、第１ビーム分割部１４で分割された光のうち他の一つを平行光に変換し、平行光に変換された光を波長別に分離させ、波長別に分離された結果を基準光として光度測定部２８に出力する。このために、基準光発生部１６は、第１ビーム分割部１４で分割された光のうち他の一つを平行光に変換するコリメータレンズ（図示せず）及びコリメータレンズ（図示せず）で平行光に変換された光を波長別に分離させて基準光として光度測定部２８に出力する回折格子（図示せず）をさらに含むことができる。
【００２６】
本発明によれば、図１に示された成分濃度測定装置は、第１集光レンズ１８及び／または屈折率整合部材２０をさらに含みうる。ここで、第１集光レンズ１８及び屈折率整合部材２０が同時に設けられる場合、屈折率整合部材２０は第１集光レンズ１８と目的物２２との間に設けられる。
【００２７】
第１集光レンズ１８は、目的物２２に高光度の光を照射するために、第１ビーム分割部１４で分割された光のうち一つを集束させ、集束された結果を屈折率整合部材２０または目的物２２に照射する。この時、屈折率整合部材２０は、第１ビーム分割部１４で分割された光のうち一つまたは第１集光レンズ１８で集束された結果を入力して目的物２２に照射する。すなわち、屈折率整合部材２０は、目的物２２の内部と目的物２２の外部との屈折率の差を整合させて、全体的な信号対雑音比（ＳＮＲ：Signal to Noise Ratio）を改善させる役割をする。
【００２８】
本発明によれば、図１に示された目的物２２は生体であってもよく、サンプルキュベットであってもよい。目的物２２が生体である場合、第１ビーム分割部１４から出力される光は第１集光レンズ１８及び／または屈折率整合部材２０を通って皮膚表面のような生体組織に照射される。もし、目的物２２が生体である場合、本発明による装置及び方法は非浸襲的に成分の濃度を測定する。これに対し、目的物２２がサンプルキュベットである場合、本発明による装置及び方法は浸襲的に成分の濃度を測定する。
【００２９】
ステップ６４の後で、第１コリメータ部２４は、目的物２２を通って分散される光を平行光に変換し、平行光に変換された光を出力する（ステップ６６）。このために、第１コリメータ部２４は、多数のレンズ（図示せず）を直列に接続して実現できる。
【００３０】
ステップ６６の後で、光度測定部２８は、第１コリメータ部２４から入力した平行光に変換された光及び基準光発生部１６から入力した基準光の波長別光度を測定し、測定された結果を濃度測定部３０に出力する（ステップ６８）。ここで、光度測定部２８が第１コリメータ部２４から入力した平行光に変換された光度を波長別に測定できるように、図１に示された装置は、第１コリメータ部２４から出力される光を波長別に分離させ、波長別に分離された光を光度測定部２８に出力する波長分離部２６をさらに含むことができる。また、波長分離部２６は光度測定部２８に組み込むこともできる。この時、光度測定部２８は、波長分離部２６から出力される光及び基準光発生部１６から入力した基準光の波長別光度を測定する。
【００３１】
本発明によれば、光度測定部２８は、第１コリメータ部２４または波長分離部２６から出力される光及び基準光の波長別光度を測定する近赤外線光度測定器（図示せず）やアレイ光度測定器（図示せず）で実現できる。ここで、近赤外線光度測定器またはアレイ光度測定器は、Ｓｉ、Ｇｅ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、ＩｎＳまたはＰｂＳなどにより製造できる。
【００３２】
ステップ６８の後で、濃度測定部３０は、光度測定部２８で測定された波長別光度を用いて目的物２２に含まれるいずれかの成分の濃度を測定し、測定された濃度を出力端子ＯＵＴ1を通じて出力する（ステップ７０）。このために、濃度測定部３０は、図１に示すように、増幅器４０と、アナログ／デジタル変換（ＡＤＣ：Analog-to-Digital Converter）４２及び信号処理部４４を含むことができる。
【００３３】
図３は、図２のステップ７０に対応する本発明による望ましい一実施形態を説明するためのフローチャートである。これを参照すれば、図２のステップ７０は、測定した光度を増幅した後にデジタル信号に変換するステップ（ステップ８０及びステップ８２）及びデジタル信号から成分の濃度を測定するステップ（ステップ８４）を含む。
【００３４】
図１の増幅器４０は、光度測定部２８で測定された光の波長別光度を増幅し、増幅された結果をＡＤＣ ４２に出力する（ステップ８０）。ステップ８０の後に、ＡＤＣ ４２は増幅器４０で増幅された結果をデジタルの形に変換し、変換された結果をデジタル信号として信号処理部４４に出力する（ステップ８２）。ステップ８２の後で、信号処理部４４は、ＡＤＣ ４２から入力したデジタル信号を信号処理して分析し、信号処理された結果から目的物２２に透過されたか、あるいはそこから反射された光の波長別光度またはスペクトル間の差を比較分析して目的物２２に含まれたいずれかの成分の濃度を予測し、予測された結果を測定された濃度として出力端子ＯＵＴ1を通じて出力する（ステップ８４）。このために、信号処理部４４は、目的物２２に照射された光の波長別吸光度と目的物２２の成分に対する濃度との間の関係を規定づける予測モデル式をあらかじめ作って貯蔵する。この時、信号処理部４４は、ＡＤＣ ４２から入力したデジタル信号から光の波長別吸光度を計算し、計算された吸光度を予測モデル式に代入して成分の濃度を予測できる。
【００３５】
一方、本発明による目的物の成分濃度測定装置は、ポンピング光源１０から生じる入射光の波長を、図１に示された装置とは異なって、下記のように変換できる。
【００３６】
図４は、本発明の他の望ましい実施形態による目的物の成分濃度測定装置を示したブロック図である。これを参照すれば、本発明の他の望ましい実施形態による目的物の成分濃度測定装置は、第２〜第２Ｖ（ここで、Ｖは２以上の正の整数）ビーム分割部１００，１０２，．．．，１０４，１０６，１０８，．．．，１１０及び１１２と、第２〜第Ｖ＋１波長変換部１２０，１２２，．．．，１２４及び１２６と、全反射部１３０及び基準光発生部１３２を含む。
【００３７】
図５は、図４に示された装置において行われる本発明による成分濃度測定方法を説明するためのフローチャートである。これを参照すれば、本発明による成分濃度測定方法は、図２のステップ６０の後に入射光を多数に分割し、分割された光の各々の波長を変換し、変換された波長を有する光を目的物に照射すると共に、基準光を生成してステップ６６に戻るステップ（ステップ１５０〜ステップ１５４）を含む。
【００３８】
本発明の他の望ましい実施形態によれば、図１に示された第１波長変換部１２、第１ビーム分割部１４及び基準光発生部１６は、図４に示された第２〜第２Ｖビーム分割部１００，１０２，．．．，１０４，１０６，１０８，．．．，１１０及び１１２と、第２〜第Ｖ＋１波長変換部１２０，１２２，．．．，１２４及び１２６と、全反射部１３０及び基準光発生部１３２に置き換えることができる。
【００３９】
ステップ６０の後で、図４に示された第２〜第Ｖビーム分割部１００，１０２，．．．及び１０４は、図１に示されたポンピング光源１０から照射されて入力端子ＩＮ１を通じて入力される入射光を少なくとも２以上に分割する（ステップ１５０）。ここで、第２ビーム分割部１００は、ポンピング光源１０から入力端子ＩＮ１を通じて入力された入射光を分割し、分割された光のうち一つを第２波長変換部１２０に出力し、分割された光のうち他の一つを第３ビーム分割部１０２に出力する。この時、第３〜第Ｖビーム分割部１０２，．．．及び１０４のうち一つである第ｖ（３≦ｖ≦Ｖ）ビーム分割部は第ｖ−１ビーム分割部で分割された光のうち他の一つを入力して分割し、分割された光のうち一つを第ｖ波長変換部１２２，．．．または１２４に出力する。この時、ｖ及びＶが異なる場合、すなわち、ｖ≠Ｖの場合、第ｖビーム分割部は分割された光のうち他の一つを第ｖ＋１ビーム分割部に出力する。
【００４０】
ステップ１５０の後に、第２〜第Ｖ＋１波長変換部１２０，１２２，．．．，１２４及び１２６は該当するビーム分割部１００，１０２，．．．または１０４から入力した光を少なくとも一つの離散的な波長を有する光に変換し、変換された光を第Ｖ＋１〜第２Ｖビーム分割部１０６，１０８，．．．，１１０及び１１２に各々出力する（ステップ１５２）。例えば、第２〜第Ｖ＋１波長変換部１２０，１２２，．．．，１２４及び１２６のうち一つである第ｗ（２≦ｗ≦Ｖ＋１）波長変換部は入力した光を少なくとも一つの離散的な波長を有する光に変換し、変換された光を第Ｖ＋ｗ−１ビーム分割部１０６，１０８，．．．，１１０または１１２に出力する。ここで、図４に示された全反射部１３０は第Ｖビーム分割部１０４で分割された光のうち他の一つを入力して第Ｖ＋１波長変換部１２６に全反射させる。
【００４１】
ステップ１５２の後に、第Ｖ＋１〜第２Ｖビーム分割部１０６，１０８，．．．，１１０及び１１２は第２〜第Ｖ＋１波長変換部１２０，１２２，．，．，１２４及び１２６で変換された光を分割した後、分割された光のうち一つを出力端子ＯＵＴ2〜ＯＵＴV+1を通じて目的物２２に照射し、分割された光のうち他の一つを基準光発生部１３２に出力する（ステップ１５４）。例えば、第Ｖ＋１〜第２Ｖビーム分割部１０６，１０８，．．．，１１０及び１１２のうち一つである第Ｖ＋ｗ−１ビーム分割部は第ｗ波長変換部１２０，１２２，．．．，１２４または１２６から出力される光を分割し、分割された光のうち一つを出力端子ＯＵＴwを通じて目的物２２に照射し、分割された光のうち他の一つを基準光発生部１３２に出力する。この時、第Ｖ＋ｗ−１ビーム分割部と目的物２２との間には、図１に示された第１接続レンズ１８及び／または屈折率整合部材２０が設けられうる。もし、第１接続レンズ１８及び／または屈折率整合部材２０が第Ｖ＋ｗ−１ビーム分割部と目的物２２との間に設けられる場合、第１集光レンズ１８は第Ｖ＋ｗ−１ビーム分割部で分割された光のうち一つを集束させ、集束された結果を屈折率整合部材２０に照射し、屈折率整合部材２０は第１集光レンズ１８で集束された光を目的物２２に照射する。
【００４２】
また、ステップ１５４において、基準光発生部１３２は第Ｖ＋１〜第２Ｖビーム分割部１０６，１０８，．．．，１１０及び１１２の各々で分割された光のうち他の一つを平行光に変換し、平行光に変換された光を波長別に分離させ、波長別に分離された結果を基準光として出力端子ＯＵＴV+2を通じて光度測定部２８に出力する。このために、基準光発生部１３２は、図１に示された基準光発生部１６と同様に、コリメータレンズ（図示せず）及び回折格子（図示せず）を含むことができる。
【００４３】
図１及び図４に示された第１〜第Ｖ＋１波長変換部１２，１２０，１２２，．．．，１２４及び１２６の各々は入射した光を紫外線、可視光線または近赤外線域に存在する離散的な波長を有する光に所望のまま変換できる。例えば、第１〜第Ｖ＋１波長変換部１２，１２０，１２２，．．．，１２４及び１２６はグルコースのような吸収性を有する光の波長帯域に存在する波長であって、入射光の波長を変換できる。
【００４４】
以下、添付した図面を参照し、本発明の望ましい一実施形態による第１〜第Ｖ＋１波長変換部１２，１２０，１２２，．．．，１２４及び１２６の各々の構成及び動作について説明する。
【００４５】
図６は、本発明の望ましい一実施形態による図１及び図４の第１〜第Ｖ＋１波長変換部１２，１２０，１２２，．．．，１２４及び１２６を示したブロック図である。これを参照すれば、本発明の望ましい一実施形態による図１及び図４の第１〜第Ｖ＋１波長変換部１２，１２０，１２２，．．．，１２４及び１２６は、互いに直列に接続された第１〜第Ｙ（ここで、Ｙは１以上の正の整数）波長変換器１７０，１７２，．．．及び１７４を含む。
【００４６】
第１〜第Ｙ波長変換器１７０，１７２，．．．及び１７４のうち一つである第ｙ（１≦ｙ≦Ｙ）波長変換器１７０，１７２，．．．または１７４は、入力した光を集束して少なくとも一つの波長を有する光に変換し、変換された光を平行光に変換して出力する。例えば、第１波長変換１７０は入力端子ＩＮ２を通じて入力した光を集束して少なくとも一つの離散的な波長を有する光に変換し、変換された光を平行光に変換して第２波長変換１７２に出力する。また、第Ｙ波長変換器１７４は第Ｙ−１波長変換器から入力した光を集束して少なくとも一つの離散的な波長を有する光に変換し、変換された光を平行光に変換して出力端子ＯＵＴV+3を通じて出力する。
【００４７】
図７は、本発明の望ましい一実施形態による図６の第ｙ波長変換器を示したブロック図である。これを参照すれば、本発明の一実施形態による第ｙ波長変換器は、光集束部１９０と、コア１９４を有する光ファイバ１９２及び第２コリメータ部１９６を含む。
【００４８】
図７の第ｙ波長変換器において、光集束部１９０は、入力端子ＩＮ３を通じて入力した光を光ファイバ１９２のコア１９４の入射面に出力する。このために、光集束部１９０は入力端子ＩＮ３を通じて入力した光を集束させ、集束された光を光ファイバ１９２のコア１９４の入射面に効率良く出力する第２集光レンズ（図示せず）または先細りのファイバで実現できる。もし、光集束部１９０が先細りのファイバで実現される場合、先細りの光ファイバ及び光ファイバ１９２を溶融接着して光結合効率を高められる。
【００４９】
この時、光ファイバ１９２は、光集束部１９０で集束された光を受けて非線形ラマン効果により周波数的にシフトされた離散的な少なくとも一つの波長を有する光を第２コリメータ部１９６に出力する。ここで、光ファイバ１９２が非線形ラマン効果を生じるためには、入力端子ＩＮ３を通じて入力される光のピーク電力値が所定値以上にならなければならない。ここで、所定値は光ファイバ１９２の長さ及びコア直径によって設定される。
【００５０】
以下、図７の光ファイバ１９２で生じる非線形ラマン効果について調べてみれば、下記の通りである。
【００５１】
ラマン効果を用い、非線形媒質である光ファイバ１９２から離散的な多数の相異なる波長のスペクトルを効率良く得ることができる。光ファイバ１９２のコア１９４に所定値以上のピーク電力を有する入射光が入射する時、入射光は光ファイバ１９２の光フォノンと相互作用して散乱されるため、周波数変換されたストークス光に変わる。ここで、ストークス光とは、入射光の波長よりも長い波長を有する光を意味する。この時、ストークス光の周波数変化量はフォノン周波数によって決定され、シリケート、ゲルマナイトまたはリン酸塩ガラスに対するラマン自然放出スペクトルは酸化質ガラスの非晶質特性と関連して広い周波数バンドを有する。また、相異なる種類のガラスは各々相異なるスペクトル特性及びラマン散乱断面積を有する。
【００５２】
誘導ラマン散乱は、自然ラマン散乱とは異なって、コヒーレントであるため、散乱光が運動量保存法則を満足する方向だけに進む。
【００５３】
図８は、光ファイバ１９２のコア１９４を他の物質Ｓｉ０2、ＧｅＯ2及びＰ2Ｏ5でドーピングする時、ラマン周波数変移ΔμＲ及びラマン利得係数を比較するグラフであって、横軸はコアにより正規化した周波数変移を表わし、縦軸は光度を表わす。ここで、Ａ．Ｕ．とは臨時単位を表わす。
【００５４】
図８を参照すれば、純粋なＧｅＯ2の最大のラマン散乱断面積は純粋なシリカよりも約１０倍ほど広いので、低い光度を有する入射光から高いラマン利得が得られ易い。このように、シリカ及びＧｅの加わった光ファイバにおいて、ラマン利得のピーク値は４４０ｃｍ-1及び４９０ｃｍ-1の正規化した周波数変移幅で現れる。Ｐ2Ｏ5ガラスに対する正規化した周波数偏差１３３０ｃｍ-1において、付加的なピークラマン利得は一回にストロークス成分への大きな周波数変換を得る上で極めて有用である。一般に、ドーパントガラスがシリカガラスに比べて相対的に小さい分子百分率を有する高シリカ光ファイバにおけるラマンスペクトルは、主としてＳｉＯ2のスペクトルの影響を受ける。
【００５５】
光ファイバ内において誘導ラマン散乱により新しく生じるストロークス光の波長は、下記式１により計算される。
【００５６】
【数１】
ｗs＝ｗp−ｎｗv
【００５７】
ここで、ｗpは入射光の周波数であり、ｗsはストークス光の周波数であり、ｗvはガラスファイバの内部振動周波数であり、ｎ＝１，２，３，．．．である。
【００５８】
ラマン媒質としてシリカ光ファイバを用いる時に生じるストークス成分はラマン利得線幅の全体において増幅されるが、特に利得の最大値で最も速く増幅される。したがって、誘導ラマン散乱の利得最大値に当たる４４０ｃｍ-1だけ周波数遷移された連続的な高次のストロークス波が生じうる。例えば、光ファイバ１９２のコア１９４に入射する入射光の波長が１．０６４μｍである時、光ファイバ１９２から出力される光が有しうる波長は１．１２μｍ、１．１８μｍ、１．２３μｍ 、１．３１μｍ、１．３９μｍ、１．４８μｍ、１．５８μｍ及び１．７０μｍである。
【００５９】
一方、第２コリメータ部１９６は、光ファイバ１９２からの光を平行光に変換し、平行光に変換された光１９８を出力する。
【００６０】
本発明によれば、図７に示された光ファイバ１９２のコア１９４にドーピングされる成分が何かによって、すなわち、コア１９４が純粋なシリカにより製造されたか、あるいはＧｅ０2またはＰ2０5によりドーピングされたかによって第２コリメータ部１９６に入力される光の波長が変わりうる。すなわち、図８を参照すれば、光ファイバ１９２に入射する光の波長が同一であっても、コア１９４にドーピングされる成分が異なってくれば、相異なる離散的な波長を有する光が光ファイバ１９２から出力されることが分かる。したがって、図１または図４に示された波長変換部の各々の第１〜第Ｙ波長変換器１７０，１７２，．．．及び１７４の各々に含まれる光ファイバ１９２のコア１９４を他の成分でドーピングすれば、目的物２２には様々な離散的な波長を有する光が照射できることが分かる。
【００６１】
ここで、図７に示された光ファイバ１９２は単一モードまたは多重モードの階段屈折率の光ファイバまたは傾斜屈折率の光ファイバになりうる。
【００６２】
前述したように、本発明による成分の濃度測定装置及び方法は、目的物２２が体液である場合、体液成分に対して吸収スペクトルを有する離散的な波長を容易に生じて生体組織２２に照射することにより、体液成分の濃度を浸襲的または非浸襲的に測定できる。
【００６３】
以下、本発明の理解を一助するために、目的物２２は生体であり、濃度を測定しようとする体液の成分はグルコースであり、グルコースの濃度を測定するために要求される基準波長としてグルコースの濃度変化に対して吸収スペクトルの変化がほとんどない１，２００ｎｍ及び１，３００ｎｍの波長を選択し、Ｖ＝２であると仮定して、前述した本発明による目的物の成分濃度測定装置の構成及び動作について下記の通り説明する。
【００６４】
図９は、グルコース（Ｇｗ）水溶液の吸収スペクトルから水のスペクトルを除去した結果の波長別吸収スペクトルを表わすグラフであって、横軸は波長を表わし、縦軸は吸収度を表わす。
【００６５】
図９に示されたように、グルコースにおいて、吸収度が大きい波長域は１，５００〜１，７００ｎｍ及び２，０５０〜２，２００ｎｍである。このような範囲に存在する波長を有する光を生体２２に照射するために、図４に示されたように、本発明による成分濃度測定装置は、下記のように入射光の波長を変換する。
【００６６】
図１０は、１，２００ｎｍ、１，３００ｎｍ及び１，６００ｎｍの波長を有する光を生じる本発明による成分濃度測定装置のブロック図である。これを参照すれば、本発明による成分濃度測定装置は、ビーム分割部２００、２１０及び２１２と、全反射部２０２と、波長変換部２０４及び２５０、及び基準光発生部２１４を含む。
【００６７】
図１０のビーム分割部２００、２１０及び２１２、波長変換部２０４及び２５０、及び基準光発生部２１４は図４の第２、第３及び第４ビーム分割部１００、１０６及び１１２、第２及び第３波長変換部１２０及び１２６、及び基準光発生部１３２に各々当たり、同一の機能を行う。また、波長変換器２０４、２０６及び２０８に設けられる集光レンズ２２４、２３０及び２３６の各々は図７の光集束部１９０に当たり、コリメータレンズ２２８、２３４及び２４０の各々は第２コリメータ部１９６に当たる。ビーム分割部２００、２１０及び２１２は、光束分割器２２０、２４２及び２４４で実現される。
【００６８】
図１０のビーム分割部２００は、入力端子ＩＮ４を通じてポンピング光源１０から入力した１，０６４ｎｍの波長を有する入射光を分割し、すなわち、入射光のエネルギーを分離し、分割された光のうち一つである１，０６４ｎｍの波長を有する光を波長変換２０４に出力し、分割された光のうち他の一つである１，０６４ｎｍの波長を有する光を全反射部２０２に出力する。この時、全反射部２０２はビーム分割部２００で分割された光のうち他の一つを入力して波長変換２０６に全反射させる。このために、全反射部２０２は、全反射鏡２２２で実現できる。ここで、波長変換２０４の光ファイバ２２６のコア３００をシリカにより製造したりあるいはＧｅでドーピングし、波長変換部２５０に設けられる波長変換器２０６の光ファイバ２３２のコア３０２をＰでドーピングし、波長変換器２０８の光ファイバ２３８のコア３０４をＧｅでドーピングする時、波長変換器２０４、２０６及び２０８は下記のように動作する。
【００６９】
波長変換器２０６の集光レンズ２３０は全反射部２０２から全反射された１，０６４ｎｍの波長を有する光を集束させて光ファイバ２３２のコア３０２に照射する。光ファイバ２３２は集光レンズ２３０で集束された１，０６４ｎｍの波長を有する光をラマン効果により１，４８０ｎｍの波長を有する光に変換してコリメータレンズ２３４に出力する。コリメータレンズ２３４は光ファイバ２３２から出力される１，４８０ｎｍの波長を有する光を平行光に変換して波長変換器２０８に出力する。これと同様に、波長変換器２０８は、１，４８０ｎｍの波長を有する光を波長変換器２０６から入力して１，６００ｎｍの波長を有する光に変換し、変換された光をビーム分割部２１２に出力する。したがって、ビーム分割部２１２を実現する光束分割器２４４は１，６００ｎｍの波長を有する光を出力端子ＯＵＴV+5を通じて生体２２に照射すると共に、基準光発生部２１４に出力する。
【００７０】
この時、波長変換器２０４の集光レンズ２２４はビーム分割部２００で分割された光のうち一つである１，０６４ｎｍの波長を有する光を集束させて光ファイバ２２６のコア３００に照射する。光ファイバ２２６は集光レンズ２２４で集束された１，０６４ｎｍの波長を有する光をラマン効果により１，２００ｎｍ及び１，３００ｎｍの波長を有する光に変換してコリメータレンズ２２８に出力する。コリメータレンズ２２８は光ファイバ２２６から出力される１，２００ｎｍ及び１，３００ｎｍの波長を有する光を平行光に変換してビーム分割部２１０に出力する。したがって、ビーム分割部２１０を実現する光束分割器２４２は、１，２００ｎｍ及び１，３００ｎｍの波長を有する光を出力端子ＯＵＴV+4を通じて生体２２に照射すると共に、基準光発生部２１４に出力する。
【００７１】
基準光発生部２１４は、１，２００ｎｍ、１，３００ｎｍ及び１，６００ｎｍの波長を有する光をビーム分割部２１０及び２１２から入力して平行光に変換し、波長別に分離して出力端子ＯＵＴV+6を通じて基準光として光度測定部２８に出力する。したがって、生体２２の組織表面に１，２００ｎｍ、１，３００ｎｍ及び１，６００ｎｍの離散的な波長を有する光が照射できる。
【００７２】
結局、本発明による成分濃度測定装置及び方法は、前述したように、生じる１，２００ｎｍ、１，３００ｎｍ、１，６００ｎｍ等の離散的な波長を有する光を生体２２に照射し、生体２２から反射されたり、あるいはそこから透過された光度を光度測定部２８で測定し、測定された光度から波長別光量の差を濃度測定部３０を使って分析して血中成分の濃度を測定する。
【００７３】
図１０に示された装置の動作を説明するために言及した波長１，０６４ｎｍ、１，２００ｎｍ、１，３００ｎｍ、１，４８０ｎｍ及び１，６００ｎｍは本発明の理解を一助するために例示したものに過ぎず、図１０に示された装置の構成及び作用はこれらの例示的な波長に限定されない。すなわち、図１０に示された装置は入力端子ＩＮ４を通じて前述した波長とは異なる波長を有する光を入力でき、出力端子ＯＵＴV+4〜ＯＵＴV+6を通じて前述した波長とは異なる少なくとも一つの離散的な波長を有する光を生じることもある。
【００７４】
一方、本発明によれば、２，１００ｎｍの波長を有する光を生じるために、図１に示された第１波長変換部１２を図７に示された波長変換器に取り替えられる。この時、ポンピング光源１０として２μｍで発振されるＨｏ：ＹＡＧまたはＴｍ：ＹＡＧレーザを用い、光ファイバ１９２をシリカにより製造したり、あるいはゲルマニウムでドーピングすれば、生体２２に２．１〜２．２μｍの波長を有する光が照射できる。
【００７５】
また、図１に示された装置において、第１波長変換部１２が図７に示された波長変換器に取り替えられる時、ポンピング光源１０としてＯＰＯレーザを使って１，４７０ｎｍの波長を有する入射光を生じ、光ファイバ１９２のコア１９４をシリカにより製造したり、あるいはゲルマニウムによりドーピングすれば、１，４７０ｎｍ、１，５７２ｎｍ及び１，６８９ｎｍの波長を有する光が目的物２２に照射できる。この場合、ポンピング光源１０から１５２０ｎｍの波長を有する入射光を生じれば、１，６２８ｎｍの波長を有する光が生体２２に照射できる。
【００７６】
前述したように、本発明による成分濃度測定装置及び方法は、従来の成分濃度測定方法に比べてＳＮＲを向上させられる。例えば、特定の成分で吸収される波長として、スペクトル帯域幅が１０ｎｍである１，６８９ｎｍの波長を用いると仮定する時、従来の方法により１００ＷのＣＷランプ光源を用いれば、１，６８９ｎｍにおいてピーク電力値は５〜１０ｍＷを超えない。しかし、本発明によるポンピング光源１０として、パルス幅が１０ｎｓであり、１０Ｈｚで動作するレーザを用いれば、１，６８９ｎｍの波長において数十μＪのエネルギーを生じ、ピーク電力値は数ｋＷになる。したがって、本発明は従来の方法に比べて生体に照射される光量を大きく増やし、これにより、ＳＮＲを向上させられる。
【００７７】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明による目的物の成分濃度測定装置及び方法は、下記のような効果を有する。
【００７８】
先ず、目的物に含まれた成分に対して吸収スペクトルを有する離散的な波長を有する光を光ファイバのコアを異にドーピングしたり波長変換器を組み合わせたりして容易に生じることができる。
【００７９】
第二に、ピーク電力値が大きい入射光を用い、目的物２２に光を照射して大きいレベルの光度を測定できることから、従来よりもＳＮＲを改善できる。
【００８０】
第三に、目的物２２に照射される光そのものが連続スペクトルではなく、離散的な波長だけ有することから、従来より要求されていた特定の波長を選定するための帯域通過フィルターが要らない。
【００８１】
第四に、成分の濃度を浸襲的または非浸襲的に測定できる。
【００８２】
第五に、濃度を測定する場合にも目的物２２、例えば、生体の組織境界面において消費される平均エネルギーを従来のＣＷ光源が有するｍＷ〜Ｗから数百μＷへと大幅に下げうることから、生体組織に熱的な特性の変化を引き起こさず、生体の組織に損傷を与える心配がない。
【００８３】
第六に、特定の波長において電力を増やすために多数のＬＤまたはＬＥＤを組み合わせて用いていた従来の方法に比べて、配列を容易にできる。
【００８４】
最後に，ポンピング光源１０として使用できるレーザ及び光ファイバが開発されることから、小型軽量化が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一の実施形態による目的物の成分濃度測定装置を示したブロック図である。
【図２】図１に示した装置において行われる本発明による目的物の成分濃度測定方法を説明するためのフローチャートである。
【図３】図２のステップ７０について本発明による望ましい一実施形態を説明するためのフローチャートである。
【図４】本発明の他の実施形態による目的物の成分濃度測定装置を示したブロック図である。
【図５】図４に示された装置において行われる本発明による成分濃度測定方法を説明するためのフローチャートである。
【図６】本発明の望ましい一実施形態による図１及び図４の第１〜第Ｖ＋１波長変換部の各々を示したブロック図である。
【図７】本発明の望ましい一実施形態による図６の第ｙ波長変換器を示したブロック図である。
【図８】光ファイバのコアを他の物質でドーピングする時、ラマン周波数変移及びラマン利得係数を比較したグラフである。
【図９】グルコース水溶液から水を除去した結果の波長別吸収スペクトルを示したグラフである。
【図１０】１，２００ｎｍ、１，３００ｎｍ及び１，６００ｎｍの波長を有する光を生じる本発明による成分濃度測定装置のブロック図である。
＜符号の説明＞
１０    ポンピング光源
１２    第１波長変換部
１４    第１ビーム分割部
１６    基準光発生部
１８    第１集光レンズ
２０    屈折率整合部材
２２    目的物
２４    第１コリメータ部
２６    波長分離器
２８    光度測定部
３０    濃度測定部
４０    増幅部
４２    ＡＤＣ
４４    信号処理部
ＯＵＴ1    出力端子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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