(57)【要約】      （修正有）【課題】様々な測定の要求にかなった、多種多様な測定波を作り出すことができる分光器を提供する。【解決手段】分光器１００は、複数の光源１１１、１１２と、スリット１５０と、複数の光源１１１、１１２からの光を入射し、出射側に設けられたスリット１５０を通過する光の波長を回転角度に応じて変化させることができる回転回折格子１３０と、複数の光源１１１、１１２の点灯を制御する点灯制御部１２０と、回転回折格子１３０の回転を制御する回転制御部１４０と、を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の光源と、
スリットと、
前記複数の光源からの光を入射し、出射側に設けられた前記スリットを通過する光の波長を回転角度に応じて変化させることができる回転回折格子と、
前記複数の光源の点灯を制御する点灯制御部と、
前記回転回折格子の回転を制御する回転制御部と、
を具備する分光器。
【請求項２】
前記回転回折格子を連続的に回転させることによって連続スペクトルを得るモードと、
前記回転回折格子を所定の回転角度で停止させ、前記複数の光源のうち２つ以上の光源を交互に点灯させることによって、前記点灯させた光源の数に応じた２つ以上の波長の光を得るモードと、
を有する請求項１に記載の分光器。
【請求項３】
前記複数の光源は、前記回転回折格子への入射角が互いに異なるような位置に配置されている、
請求項１または請求項２に記載の分光器。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の分光器と、
測定対象の生体を保持し、前記分光器によって分光された光、或いは、前記分光器による分光前の前記複数の光源からの光を透過して出射する位置に配置された測定対象配置部と、
前記測定対象配置部を透過または反射し、かつ分光された光を受光する受光素子と、
を具備する生体情報測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、分光器および生体情報測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、分光器として、例えば特許文献１に開示されたものがある。この種の分光器の基本原理は、光源光を回転回折格子を介してスリットに入射させることで、スリットから回転回折格子の回転角度に応じた波長の光を出射させることである。これにより、スリットからの出射光の波長は、回転回折格子の回転角度に応じたものとなり、分光が実現される。このスリットからの出射光は、例えば血液成分や尿中成分などの生体情報を測定するための測定光として用いられる。
【０００３】
このように回転回折格子を用いることにより、回転回折格子の回転角度に応じた連続したスペクトルの測定光を得ることができ、測定対象を所望の波長の測定光によって分析できるようになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−１０６８４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上述したような分光器は、ヘマトクリット、血糖、酸素飽和度、血圧、脈拍、ＨｂＡ１ｃ、グルコアルブミン、血中アルコール、ＡＧＥｓ、血中コレステロール、血中中性脂肪、顔色、尿成分、血液などの体液、その他溶液(蛍光体など)、固体サンプルなど、多種多様なものが測定対象になる可能性がある。
【０００６】
そして、測定の方法によっては、連続スペクトルを用いる場合や、ある決まった複数の波長を用いる場合などがある。したがって、分光器は、測定方法に応じた多種多様な測定波を形成できることが好ましい。上述した回転回折格子を用いた分光器は、回転回折格子の回転角度を変化させることによって様々な波長の測定光を作り出すことができるので、この要求をある程度満たしている。しかしながら、回転回折格子を用いて異なる波長の測定光を作り出すためには、回転格子を回転させなければならないので、測定時間が回転速度に依存することになる。この結果、回転回折格子の回転性能が低いと、測定時間が長くなるなどの問題が生じる。
【０００７】
本発明は、以上の点を考慮してなされたものであり、様々な測定の要求にかなった、多種多様な測定光を作り出すことができる分光器を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の分光器の一つの態様は、
複数の光源と、
スリットと、
前記複数の光源からの光を入射し、出射側に設けられた前記スリットを通過する光の波長を回転角度に応じて変化させることができる回転回折格子と、
前記複数の光源の点灯を制御する点灯制御部と、
前記回転回折格子の回転を制御する回転制御部と、
を具備する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、回転回折格子に加えて、複数の光源を設け、回転回折格子の回転を制御するとともに複数の光源の点灯を制御するようにしたことにより、様々な測定の要求にかなった、多種多様な測定光作り出すことができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施の形態に係る分光器の全体構成を示す略線図
【図２】光源から回折格子への入射角が８０°のときの光学効率を示す図
【図３】光源から回折格子への入射角が４０°のときの光学効率を示す図
【図４】動作例における各光源のスペクトルを示す図
【図５】動作例１において得られる光のスペクトルを示す図
【図６】動作例２において得られる光のスペクトルを示す図
【図７】前分光を行う測定装置の構成を示す略線図
【図８】後分光を行う測定装置の構成を示す略線図
【図９】前分光および後分光の両方を行う測定装置の構成を示す略線図
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００１２】
図１は本発明の実施の形態に係る分光器１００の全体構成を示す略線図である。本実施の形態の分光器１００は、複数の光源１１１、１１２と、スリット１５０と、光源１１１、１１２の点灯を制御する点灯制御部１２０と、複数の光源１１１、１１２からの光を入射し、出射側に設けられたスリット１５０を通過する光の波長を回転角度に応じて変化させることができる回転回折格子１３０と、回転回折格子１３０の回転を制御する回転制御部１４０と、を有する。
【００１３】
本実施の形態では、説明を簡単化するために２つの光源１１１、１１２を設けた場合について述べるが、３つ以上の光源を設けてもよい。本実施の形態の場合、光源１１１、１１２として、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）またはＬＤ（Laser Diode）が用いられている。これにより、光源を小型化、小電力化でき、発熱量も小さくできる。
【００１４】
光源１１１の光は、スリット１６１およびコリメートレンズ１７１を介して回転回折格子１３０に入射する。光源１１２の光は、スリット１６２およびコリメートレンズ１７２を介して回転回折格子１３０に入射する。
【００１５】
回転回折格子１３０は、回折格子１３１と、この回折格子１３１を回転駆動するアクチュエーター１３２と、から構成されている。回転回折格子１３０は、アクチュエーター１３２によって回折格子１３１を図の矢印Ｒの方向に回転させる。アクチュエーター１３２の回転駆動方式としては、電磁駆動方式や、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）方式、圧電方式、静電方式などの種々の方式を用いることができる。
【００１６】
回転回折格子１３０から出射した光は、集光レンズ１８０を介してスリット１５０に到達しスリット１５０を通過する。回転回折格子１３０およびスリット１５０を用いた分光は既知の技術なので、ここでは詳述しないが、要は、回転回折格子１３０の回転角度によってスリット１５０を通過する光の波長を変えることで分光を実現している。スリット１５０を通過した光は、例えば血液成分や尿中成分などの生体情報を測定するための測定光として用いられる。
【００１７】
ここで、光源が１つであれば、スリット１５０を通過する光の波長は回転回折格子１３０の回転角度によって一意に定まる。しかし、本実施の形態の場合には、複数の光源１１１、１１２を用いているので、回転回折格子１３０の回転角度が同じであっても、各光源１１１、１１２からの光の回転回折格子１３０への入射角が異なるように各光源１１１、１１２を配置したり、各光源１１１、１１２として光学特性が異なるものを用いることで、スリット１５０を通過する光の波長を変えることができる。加えて、点灯制御部１２０による光源１１１、１１２の点灯タイミング制御と、回転制御部１４０による回転回折格子１３０の回転制御とを、組み合わせることで、多種多様な測定光を作り出すことができる。
【００１８】
各光源１１１、１１２としては、異なるスペクトルを持つ光源を用いてもよいし、同一のスペクトルを持つ光源を用いてもよい。本実施の形態の場合には、異なるスペクトルを持つ２つの光源１１１、１１２を用い、各光源１１１、１１２からの光が回転回折格子１３０に異なる入射角α、βで入射するように各光源１１１、１１２が配置されている。
【００１９】
ところで、回折格子への入射角の違いによって、回折格子からの反射効率は異なる。これについて説明する。ここでは、説明を簡単にするために、光源１１１、１１２が同一のスペクトルを持つ光源であるとする。回折格子１３１のピッチ幅が１．５μｍ、ピッチ深さが０．２μｍであり、かつ光源１１１、１１２として、平坦なスペクトルを持つ同一の２つの光源１１１、１１２を用いた場合において、光源１１１から回折格子１３１への入射角αが８０°のときの光学効率（つまり反射効率）は図２に示すようになり、光源１１２から回折格子１３１への入射角βが４０°のときの光学効率（つまり反射効率）は図３に示すようになる。図２および図３から、各光源１１１、１１２から回折格子１３１への入射角が異なれば、回折格子１３１から異なる特性の光を出射させることができることが分かる。つまり、複数の光源１１１、１１２を用いれば、回転回折格子１３０の回転が停止していても、回折格子１３１から異なる特性の光を出射させることができるようになる。
【００２０】
加えて、異なるスペクトルを持つ複数の光源を用いたことにより、従来の分光器よりも広い波長範囲の測定光を得ることができる。その際、最適な入射角に設定することで、特定波長の光学効率を高めることが可能である。
【００２１】
次に、本実施の形態の動作例について説明する。
【００２２】
この動作例では、光源１１１、１１２として、図４に示すようなスペクトルを持つＬＥＤまたはＬＤ光源を用いる。図４において、スペクトル１１１Ｓは光源１１１のスペクトルを示し、スペクトル１１２Ｓは光源１１２のスペクトルを示す。ＬＥＤまたはＬＤを光源とする場合には、図４からも分かるように、光源光は、半値幅が狭く、急峻なスペクトルとなる。
【００２３】
＜動作例１＞
この動作例１では、回転回折格子１３０を回転させて測定する。
【００２４】
先ず手順１として、光源１１１を点灯させ、光源１１２を消灯して、回転回折格子１３０を回転させることにより、スリット１５０の出射側に図５のスペクトル１１１Ｔで示したような光を得る。
【００２５】
次に手順２として、光源１１２を点灯させ、光源１１１を消灯して、回転回折格子１３０を回転させることにより、スリット１５０の出射側に図５のスペクトル１１２Ｔで示したような光を得る。
【００２６】
このような動作により、スペクトル１１１Ｔ、１１２Ｔからなる連続的なスペクトルの光を得ることができ、分光器１００によって得られた光を用いて測定を行う測定装置では、この連続的なスペクトルの光を用いて測定を行うことができるようになる。
【００２７】
＜動作例２＞
この動作例２では、回転回折格子１３０の回転を停止させて測定する。
【００２８】
状態１として、光源１１１を点灯させ、光源１１２を消灯することにより、スリット１５０の出射側に図６のスペクトル１１１Ｔで示したような単色光を得ることができる。
【００２９】
状態２として、光源１１２を点灯させ、光源１１１を消灯することにより、スリット１５０の出射側に図６のスペクトル１１２Ｔで示したような単色光を得ることができる。
【００３０】
さらに、状態３として、状態１および状態２の状態から回転回折格子１３０を所定角度回転させて回転を停止し、光源１１１を点灯させ、光源１１２を消灯することにより、スリット１５０の出射側に図６のスペクトル１１１Ｔ２で示したような単色光を得ることができる。また、その回転角度で、光源１１２を点灯させ、光源１１１を消灯することにより、スリット１５０の出射側に図６のスペクトル１１２Ｔ２で示したような単色光を得ることができる。
【００３１】
このように、ある角度で回転回折格子１３０の回転を停止し、光源１１１、１１２を交互に点灯する処理を行うことにより、異なる波長の単色光を得ることができる。ここで、１つの光源を用い、この光源の光を回転回折格子を介してスリットに入射させる従来の分光器においては、異なる波長の単色光を得るためには回転回折格子を機械的に回転させなければならない。よって、その回転にある程度の時間を要する。これに対して、本実施の形態の分光器１００においては、回転回折格子１３０を停止させたまま、点灯制御部１２０によって光源１１１、１１２の点灯を切り替えるだけで、異なる波長の単色光を得ることができる。この結果、瞬時に異なる波長の光を作り出すことができる。
【００３２】
さらに、状態１〜３を組合せることで、無数の波長の光を作り出すことができ、任意の波長での測定が可能となる。
【００３３】
以上説明したように、本実施の形態によれば、複数の光源１１１、１１２と、スリット１５０と、複数の光源１１１、１１２からの光を入射し、出射側に設けられたスリット１５０を通過する光の波長を回転角度に応じて変化させることができる回転回折格子１３０と、複数の光源１１１、１１２の点灯を制御する点灯制御部１２０と、回転回折格子１３０の回転を制御する回転制御部１４０と、を有する構成としたことにより、様々な測定の要求にかなった、多種多様な測定光を作り出すことができる分光器１００を実現できる。例えば、回転回折格子１３０を連続的に回転させることによって連続スペクトルを得るモードと、回転回折格子１３０を所定の回転角度で停止させ、複数の光源１１１、１１２のうち２つ以上の光源を交互に点灯させることによって、点灯させた光源の数に応じた２つ以上の波長の光を得るモードと、を兼ね備える構成とすることで、様々な測定が可能となる。
【００３４】
例えば、回折格子１３１を所望の角度で保持したまま２光源１１１、１１２を交互に点灯させることで酸素飽和度を測定し（波長６５０ｎｍ、８１０ｎｍ）、測定後に回折格子１３１を回転させ、再度停止し保持することで脈拍を測定し（５５０ｎｍ）、その後回折格子１３１を回転させ広域のスペクトルの測定光によって多変量解析することでＨｂＡ１ｃを測定するなどが可能になる。
【００３５】
また例えば、回折格子１３１を所望の角度で停止し、励起波長を蛍光体に照射することで蛍光測定が可能となる。また、角度を回転させ、再度停止し保持することで、様々な蛍光体の測定に対応できる(励起波長を可変できるため)。また、同じ蛍光体でも様々な波長で測定できる。回折格子１３１を回転させることで溶液のスペクトル測定にも対応できる。
【００３６】
本実施の形態の分光器１００は、点灯制御部１２０および回転制御部１４０のプログラムを変更することで、様々な測定方法、測定対象に対応できる。例えばパルスオキシメータを例に説明する。従来のパルスオキシメータは、酸素飽和度を測定するための光を形成するＬＥＤとその光を受光するフォトディテクターのみで構成されているため、後から測定対象を追加することが困難である。それに対し、本実施の形態の分光器１００は、初め酸素飽和度を測定するようにプログラムを設定（例えば回転制御部１４０のプログラムを設定することにより測定波長を設定）しておいても、そのプログラムを追加変更することで、測定波長を変えることができ、これにより後から測定対象を追加変更することができる。また、同一測定対象でも、より適切な波長を再選択することもできる。本実施の形態の分光器１００は、点灯制御部１２０および回転制御部１４０のプログラムを変更するだけで、ユーザーが測定したい測定対象に合わせて容易に測定波長を設定できる。
【００３７】
図７、図８および図９に、上述した実施の形態の分光器１００を用いた測定装置の構成例を示す。図７は、分光器１００によって分光した光を測定対象に照射する、つまり前分光を行う測定装置１０を示す。図８は、測定対象を通過した光を分光器１００によって分光する、つまり後分光を行う測定装置２０を示す。図９は、前分光および後分光の両方を行う測定装置３０を示す。
【００３８】
図７の前分光を行う測定装置１０は、分光器１００によって形成した測定光を測定対象配置部２００に入射する。測定対象配置部２００は、例えば血液や尿などの測定対象を保持した容器からなる。測定対象配置部２００に入射した光は、測定対象配置部２００内の測定対象によって変調された後に測定対象配置部２００から出射する。この出射光は、検出器３００の受光素子３０１によって受光される。検出器３００は、受光素子３０１の受光結果に基づいて、各波長成分の変調の受け方を演算部（図示せず）で分析することで、測定対象の生体成分などを分析する。なお、図７の光学ユニット１１０には図１で説明したように複数の光源１１１、１１２が設けられている。また、図７では、図を簡単化するために、図１のスリット１６１、１６２およびコリメートレンズ１７１、１７２を、それぞれ１つのスリット１６０および１つのコリメートレンズ１７０として省略して示してある。これは、図８および図９でも同様である。
【００３９】
図８の後分光を行う測定装置２０は、複数の光源が設けられた光源ユニット１１０からの光を測定対象配置部２００に照射するようになっている。そして、測定対象配置部２００内の測定対象によって変調された光を、スリット１６０、コリメートレンズ１７０、回転回折格子１３０、集光レンズ１８０およびスリット１５０によって分光するようになっている。
【００４０】
図９の前分光および後分光の両方を行う測定装置３０は、分光器１００によって分光した光を測定対象配置部２００の測定対象に照射するとともに、測定対象配置部２００内の測定対象によって変調された光を、スリット１６０−１、コリメートレンズ１７０−１、回転回折格子１３０−１、集光レンズ１８０−１およびスリット１５０−１によって分光するようになっている。このように前分光および後分光の両方を行うことにより、分光の分解能を上げることができる。
【００４１】
なお上述の実施の形態では、回転回折格子１３０とスリット１５０との間に集光レンズ１８０を設けた場合について述べたが、例えば回折格子１３１の反射面を凹面形状のものとすることで、集光レンズ１８０を省略することもできる。
【００４２】
また、上述の実施の形態では、反射型の回折格子１３１を用いた場合について述べたが、透過型の回折格子１３１を用いてもよい。また、コリメート、集光光学素子はレンズ、ミラーどちらでもよい。
【００４３】
また、上述の実施の形態では、測定対象配置部２００が例えば血液や尿などの測定対象を保持した容器からなる場合について述べたが、測定対象配置部２００には測定対象として指や顔などの生体自体を配置してもよい。この場合、受光素子３０１では測定対象によって透過または反射された光が受光されることになる。さらに、実施の形態の分光器を測定装置として用いる場合について述べたが、実施の形態の分光器を光源として用いてもよい。これにより、様々な波長ピークを持つ、小型の光源を実現できる。
【００４４】
上述の実施の形態は、本発明を実施するにあたっての具体化の一例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその要旨、またはその主要な特徴から逸脱することの無い範囲で、様々な形で実施することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
本発明の分光器は、例えば血液成分や尿中成分を測定する生体情報測定装置に適用できる。
【符号の説明】
【００４６】
１０、２０、３０  測定装置
１００  分光器
１１０  光源ユニット
１１１、１１２  光源
１２０  点灯制御部
１３０、１３０−１  回転回折格子
１３１  回折格子
１３２  アクチュエーター
１４０  回転制御部
１５０、１５０−１、１６０、１６０−１、１６１、１６２  スリット
１７０、１７０−１、１７１、１７２  コリメートレンズ
１８０、１８０−１  集光レンズ
２００  測定対象配置部
３００  検出器
３０１  受光素子
【図１】
2016205889.tif 000003
【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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