(57)【要約】      （修正有）【課題】環境変動によりファイバの屈折率が変化する場合でも、測定の再現性や測定精度を確保する成分濃度測定装置を提供する。【解決手段】カプラ１３Ａから放射器１６までのファイバと、カプラ１３Ｂから検出器１７までのファイバとを同等の遅延長とし、カプラ１３Ｂと検出器１７の間に、放射器１６から検出器１７に出射されるテラヘルツ波の空間伝搬長と同等の長さ（遅延長）を有する遅延線２０を備える。これにより、光路長の屈折率変動を同等にでき、環境変動に伴う位相変化を抑制し、高精度にデータを取得することが可能となる。【選択図】図１
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【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第１の電磁波を発生させる放射器と、
前記２つの連続光波のうちの一方の連続光波の位相を電気的に変調する光位相変調器と、
前記光位相変調器で位相変調された連続光波と位相変調されていない他方の連続光波とが合波された第２の光信号を照射されるとともに、被測定対象物を透過又は反射した前記第１の電磁波を受信し、前記第１の電磁波と前記第２の光信号をホモダインミキシングする検出器と、を有し、
前記第１の光信号及び第２の光信号が通るファイバの遅延長を同じにし、前記第２の光信号が通る前記ファイバに前記第１の電磁波の空間伝搬長と等しい空間遅延線を挿入したことを特徴とする成分濃度測定装置。
【請求項２】
前記検出器が検出する位相が一定となるように、前記空間遅延線の間隔を調整する間隔調整手段を有することを特徴とする請求項１記載の成分濃度測定装置。
【請求項３】
前記放射器と前記検出器との間に前記第１の電磁波を反射する放物面鏡を備え、前記間隔調整手段は当該放物面鏡の間隔を調整することを特徴とする請求項２記載の成分濃度測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、誘電分光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っている。血糖値などの検査は血液の採取が必要なために患者にとって大きな負担である。そのため、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、電磁波の周波数に対する振幅及び位相を観測する。観測される電磁波の周波数に対する振幅及び位相から、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。
【０００４】
従来の測定法としては、マイクロ波からミリ波以上の周波数帯では、光電気変換（フォトミキシング）を利用した誘電分光装置がある（特許文献１参照）。特許文献１の誘電分光装置は、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電磁波、例えば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。ホモダインミキシングする検出器には例えば、光伝導アンテナを用い、参照光の照射によりアンテナ間のコンダクタンスが参照光に含まれる２つの連続光波間の差周波数にて変調されることで実現される。従来の誘電分光装置においては、電磁波をホモダイン検波する際には、検出器で被測定対象物を透過した光信号と参照光をミキシングするときにおける２つの光路長差が一致していることが必要である。そのため、空間を伝搬するテラヘルツ波の伝搬長や光が伝搬するファイルの長さ等を調節する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１３−３２９３３号公報
【非特許文献】
【０００６】
【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】Jae-Young Kim, Ho-Jin Song, Katsuhiro Ajito, Makoto Yaita, and Naoya Kukutsu, “Continuous-Wave THz Homodyne Spectroscopy and Imaging System With Electro-Optical Phase Modulation for High Dynamic Range”, IEEE Transactions on terahertz science and technology, March 2013, Vol. 3, No. 2, pp.158-164
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、温度等の環境変動によりファイバの屈折率が変動し、２つの光路長差が変動すると、信号の振幅・位相が不安定となり、測定再現性や測定精度が得られないという問題があった。
【０００８】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、環境変動によりファイバの屈折率が変化する場合でも、測定の再現性や測定精度を確保することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る成分濃度測定装置は、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第１の電磁波を発生させる放射器と、前記２つの連続光波のうちの一方の連続光波の位相を電気的に変調する光位相変調器と、前記光位相変調器で位相変調された連続光波と位相変調されていない他方の連続光波とが合波された第２の光信号を照射されるとともに、被測定対象物を透過又は反射した前記第１の電磁波を受信し、前記第１の電磁波と前記第２の光信号をホモダインミキシングする検出器と、を有し、前記第１の光信号及び第２の光信号が通るファイバの遅延長を同じにし、前記第２の光信号が通る前記ファイバに前記第１の電磁波の空間伝搬長と等しい空間遅延線を挿入したことを特徴とする。
【００１０】
上記成分濃度測定装置において、前記検出器が検出する位相が一定となるように、前記空間遅延線の間隔を調整する間隔調整手段を有することを特徴とする。
【００１１】
上記成分濃度測定装置において、前記放射器と前記検出器との間に前記第１の電磁波を反射する放物面鏡を備え、前記間隔調整手段は当該放物面鏡の間隔を調整することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、環境変動によりファイバの屈折率が変化する場合でも、測定の再現性や測定精度を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本実施の形態における成分濃度測定装置の構成を示すブロック図である。
【図２】本実施の形態における別の成分濃度測定装置の構成を示すブロック図である。
【図３】誘電分光センサの測定系を示す図である。
【図４】別の誘電分光センサの測定系を示す図である。
【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成分濃度測定装置の構成を示すブロック図である。
【００１６】
図１に示す成分濃度測定装置は、連続波光源１１Ａ，１１Ｂ、スプリッタ１２Ａ，１２Ｂ、カプラ１３Ａ，１３Ｂ、位相変調器１４、発振器１５、放射器１６、検出器１７、ロックインアンプ１８、モニタ１９、および遅延線２０を備える。
【００１７】
連続波光源１１Ａ，１１Ｂは、周波数が互いに異なる連続光波を出力する。以下の説明では、連続波光源１１Ａから出力された連続光波を第１光信号、連続波光源１１Ｂから出力された連続光波を第２光信号とする。
【００１８】
スプリッタ１２Ａは、第１光信号を２つに分波し、スプリッタ１２Ｂは、第２光信号を２つに分波する。
【００１９】
カプラ１３Ａは、スプリッタ１２Ａで分波された第１光信号とスプリッタ１２Ｂで分波された第２光信号とを合波する。カプラ１３Ａで合波された光信号はファイバを通って放射器１６に入力される。
【００２０】
位相変調器１４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、スプリッタ１２Ｂとカプラ１３Ｂの間に配置される。位相変調器１４に、発振器１５からの単一周波数ｆの制御信号を印加してセロダイン位相変調を行い、変調周波数ｆと同等の周波数シフトをスプリッタ１２Ｂで分波された第２光信号に生じさせる。
【００２１】
カプラ１３Ｂは、スプリッタ１２Ａで分波された第１光信号と位相変調器１４で位相変調された第２光信号とを合波する。カプラ１３Ｂで合波された参照光は遅延線２０を通って検出器１７に入力される。
【００２２】
放射器１６は、カプラ１３Ａで合波された光信号を光電変換し、第１光信号と第２光信号の周波数差に一致する周波数の電磁波（ミリ波又はテラヘルツ波）を発生する。放射器１６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−Ｔｒａｖｅｌｉｎｇ−Ｃａｒｒｉｅｒ  Ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ）を利用できる。
【００２３】
検出器１７は、カプラ１３Ｂで合波された参照光を光電変換して電磁波を発生するとともに、放射器１６から放射されてサンプル１００を透過した電磁波を受信してホモダインミキシングして周波数ｆの電気信号を出力する。検出器１７は、アンテナ付きＳＢＤ（ショットキー・バリア・ダイオード）で構成されるＴＨｚミキサと、アンテナ付きＵＴＣ−ＰＤで構成されるフォトミキサと、光ファイバとを同一パッケージに実装することで実現できる。検出器１７には、光伝導アンテナ（ＰＣＡ：Ｐｈｏｔｏ−Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ  Ａｎｔｅｎｎａ）を用いてもよい。光伝導アンテナでは、参照光の照射によりアンテナ間のコンダクタンスが参照光に含まれる２つの連続光波間の差周波数にて変調されることで実現される。
【００２４】
ロックインアンプ１８は、検出器１７が出力する電気信号を同期検波して振幅及び位相を検出し、モニタ１９は、ロックインアンプ１８が検出した振幅及び位相を処理する。
【００２５】
テラヘルツ波帯では、放物面鏡３１Ａ，３１Ｂを用いた擬似光学系によるフリースペース法により、テラヘルツ波を測定対象であるサンプル１００に照射し、透過信号から複素誘電率を計測する。放物面鏡３１Ａ，３１Ｂを利用した場合は、レンズを利用するのに比べてレンズ内の多重反射が生じないので測定値が安定する。
【００２６】
従来の誘電分光装置においては、電磁波をホモダイン検波する際に、検出器でのミキシング時における２つの光路長差が一致するように光が伝搬するファイバの長さ等を予め調整する。本実施の形態では、カプラ１３Ａから放射器１６までのファイバと、カプラ１３Ｂから検出器１７までのファイバとを同等の遅延長とし、さらにカプラ１３Ｂと検出器１７の間に、放射器１６から検出器１７に出射されるテラヘルツ波の空間伝搬長と同等の長さ（遅延長）を有する遅延線２０を備える。遅延線２０は、ファイバ端にレンズコリメータを接続し、２つのレンズを対向させ、平行光を伝搬させることで低損失で実現できる。
【００２７】
ここで遅延線２０の作用効果について説明する。
【００２８】
ファイバの屈折率温度係数ｄｎｓ／ｄＴは、６．６×１０−６／℃であり、空気の屈折率温度係数ｄｎａ／ｄＴは、−１．４×１０−７／℃である。カプラ１３Ａから放射器１６まで、カプラ１３Ｂから検出器１７までのファイバの長さをＬ１，Ｌ２とする。テラヘルツ波の空間伝搬長をＬ３とする。ホモダイン検波の条件として２つの光路長差を合わせると、それぞれの長さは以下となる。
【００２９】
ｎｓＬ１＋Ｌ３＝ｎｓＬ２
ここで、ｎｓはファイバコアの屈折率１．４である。空気の屈折率は１である。
【００３０】
温度変化をΔＴとすると、遅延差ΔＬは以下の式で表すことができる。
【００３１】
ΔＬ＝（Ｌ１−Ｌ２）（ｄｎｓ／ｄＴ）ΔＴ＋Ｌ３（ｄｎａ／ｄＴ）ΔＴ
【００３２】
遅延差Δτは以下となる。
【００３３】
Δτ＝２πΔＬ／λ
ここで、λはテラヘルツ波の波長である。例えば、Ｌ１−Ｌ２＝２０ｃｍ、Ｌ３＝２８ｃｍとし、ΔＴ＝１℃の変化が生じた場合、テラヘルツ波の波長λは、１ＴＨｚのときにλ＝０．３ｍｍであるので、遅延差Δτ＝０．０３ｒａｄ＝１．８度の温度に付随する位相信号の変動が生じる。
【００３４】
本実施の形態では、遅延線２０の長さをＬ４として、２つの光路長差を合わせて、それぞれの長さを以下とする。
【００３５】
ｎｓＬ１＋Ｌ３＝ｎｓＬ２＋Ｌ４
【００３６】
つまり、Ｌ１≒Ｌ２、Ｌ３≒Ｌ４とすることで、ΔＬ≒０とすることができ、Δτ≒０となり、温度変動に対して位相信号の変動を低減することができる。また、湿度によって空気の屈折率変化がある場合も同様にその変動をキャンセルすることができる。
【００３７】
なお、カプラ１３Ａと放射器１６との間に、上記の式を満たすように遅延線２０を配置してもよい。
【００３８】
図２は、本実施の形態における別の成分濃度測定装置の構成を示すブロック図である。
【００３９】
図２に示す成分濃度測定装置は、図１の成分濃度測定装置に、さらに遅延線２０の長さを調節する機械移動ステージ２１と制御器２２を備えたものである。
【００４０】
制御器２２は、位相信号をモニタしながら、位相が一定となるように機械移動ステージ２１を制御して遅延線２０の長さを変化させる。これにより、ファイバの温度分布差による微小な変化を低減することができる。
【００４１】
また、図２の成分濃度測定装置は、図１の成分濃度測定装置に比べ、放物面鏡３１Ａ〜３１Ｄが２枚多く備えている。放射器からは所定の角度で放射したテラヘルツ波を放物面鏡３１Ａにより平行ビームにしており、放物面鏡３１Ａ、３１Ｂ間と放物面鏡３１Ｃ、３１Ｄ間はテラヘルツ波は平行であるため、この間の距離を調節して位相が一定となるようにしてもよい。具体的には、放物面鏡３１Ｂ，３１Ｃを機械移動ステージ２１に固定し、制御器２２が位相信号をモニタしながら、位相が一定となるように放物面鏡３１Ｂ，３１Ｃを移動させてテラヘルツ波の空間伝搬長を調節する。平行ビームとなる伝搬区間で伝搬長を調整することで低損失で位相制御を実現できる。なお、テラヘルツ波の空間伝搬長と遅延線２０の長さと同時に調整してもよい。
【００４２】
また、温度センサを制御器２２に接続し、測定された温度を元に、機械移動ステージ２１を制御してもよい。位相信号をモニタする図２の構成はフィードバック制御であるのに対し、温度により制御する構成はフィードフォワードの制御になるので、遅延線２０の制御を高速にできるという効果がある。
【００４３】
次に、レンズを用いた誘電分光センサの測定系について説明する。
【００４４】
図３は、本実施の形態の誘電分光センサの測定系を示す図である。図３の例では、誘電分光センサの測定系に透過型の配置をして水溶液や油等の液体を透過した透過信号の振幅、位相を測定する。放射器１６から放射されたテラヘルツ波は、レンズ５１を通過し、固定治具５４に保持された誘電率測定用セル５３のサンプルセルに入射する。サンプルセルのサイズは、例えば、ビームサイズ以上として数ミリ×数ミリ角以上である。サンプルを固定する窓板５２の材料は、高抵抗Ｓｉ，Ｚカット水晶、ＨＤＰＥ、ＴＰＸ、Ｔｓｕｒｕｐｉｃａ等を用いてもよく、測定周波数に応じて透過率の高い材料を選択する。サンプルセルを通過したテラヘルツ波は、レンズ５１を通過し、検出器１７で受信される。なお、サンプルセルは、インレットとアウトレットを備えるフローセル構成としてもよい。また、固体を測定してもよい。
【００４５】
図４は、本実施の形態の別の誘電分光センサの測定系を示す図である。図４の例では、シリコンを材料とするＡＴＲプリズム５５上にサンプルセルを配置し、サンプルセルで反射した反射信号の振幅、位相を測定する。放射器１６から放射されたテラヘルツ波は、レンズ５１、ＡＴＲプリズム５５を通過し、固定治具５４に保持された誘電率測定用セル５３のサンプルセルで反射する。サンプルセルは、窓板５２で誘電率測定用セル５３に封止される。サンプルセルで反射したテラヘルツ波は、ＡＴＲプリズム５５、レンズ５１を通過し、検出器１７で受信される。
【００４６】
以上説明したように、本実施の形態によれば、カプラ１３Ａから放射器１６までのファイバと、カプラ１３Ｂから検出器１７までのファイバとを同等の遅延長とし、カプラ１３Ｂと検出器１７の間に、放射器１６から検出器１７に出射されるテラヘルツ波の空間伝搬長と同等の長さ（遅延長）を有する遅延線２０を備えることにより、光路長の屈折率変動を同等にでき、環境変動に伴う位相変化を抑制し、高精度にデータを取得することが可能となる。
【符号の説明】
【００４７】
１１Ａ，１１Ｂ…連続波光源
１２Ａ，１２Ｂ…スプリッタ
１３Ａ，１３Ｂ…カプラ
１４…位相変調器
１５…発振器
１６…放射器
１７…検出器
１８…ロックインアンプ
１９…モニタ
２０…遅延線
２１…機械移動ステージ
２２…制御器
３１Ａ〜３１Ｄ…放物面鏡
５１…レンズ
５２…窓板
５３…誘電率測定用セル
５４…固定治具
５５…ＡＴＲプリズム
１００…サンプル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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