(57)【要約】      （修正有）【課題】差周波ビート信号を所望の周波数で発生し、高いＳＮ比のスペクトルを提供する。【解決手段】所定の周波数Ｆ１の光を発生するレーザ１１と、レーザ１１が発生した光を２つに分岐するスプリッタ１２と、スプリッタ１２で分岐した光の一方を位相変調して制御電圧の周波数ｗと同等の周波数シフトを生じさせる位相変調器１３Ａ，１３Ｂと、位相変調器１３Ａ，１３Ｂで位相変調した光とスプリッタ１２で分岐した他方の光とを合波するカプラ１５と、カプラ１５で合波された光の周波数差の電磁波を発生してサンプルに照射する放射器１６と、カプラ１５で合波された光を照射されるとともに、サンプルを透過または反射した電磁波を受信してホモダイン検波する検出器１７とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の周波数の光を出力する光源と、
前記光を２つに分岐するスプリッタと、
前記スプリッタで分岐した光の一方を位相変調して周波数を偏移させる位相変調手段と、
前記位相変調手段で位相変調した光と前記スプリッタで分岐した他方の光とを合波するカプラと、
前記カプラで合波された光を光電変換して電磁波を発生し、被測定対象物を透過又は反射した前記電磁波を受信して当該電磁波の振幅を測定する測定手段と、
を有することを特徴とする誘電分光装置。
【請求項２】
前記測定手段は、合波された光を照射されるとともに、前記被測定対象物を透過又は反射した前記電磁波を受信し、前記電磁波と前記合波された光とをホモダインミキシングして前記電磁波の振幅と位相を測定する検出器を有することを特徴とする請求項１記載の誘電分光装置。
【請求項３】
前記測定手段は、合波された光を所定の周波数で振幅変調する振幅変調器と、振幅変調された光を光電変換して電磁波を発生する放射器と、前記被測定対象物を透過又は反射した前記電磁波を受信し、包絡線検波により前記所定の周波数の電気信号を出力する検出器とを有することを特徴とする請求項１記載の誘電分光装置。
【請求項４】
前記位相変調手段は、複数の位相変調器を多段に接続したことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の誘電分光装置。
【請求項５】
前記スプリッタで分岐した光の他方を位相変調して周波数を逆方向に偏移させる第２の位相変調手段を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに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、測定対象の成分濃度を非侵襲で測定する技術に関し、特に誘電分光法を用いた技術に関する。
【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。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に複素誘電率が相関があり、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。
【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、光電気変換を利用した誘電分光装置がある（特許文献１、非特許文献１参照）。特許文献１の誘電分光装置は、２台の連続波光源から出力された周波数の異なる２つの連続光波を合成し、合成し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、発生した電磁波を被測定対象物に照射し、被測定対象物を透過した電磁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。
【０００５】
また、２台の連続波光源を、連続発振した音響光学素子を用いた１台のデュアルモード光源で実現した誘電分光装置も知られている（非特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１３−３２９３３号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】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
【非特許文献２】Steven Jones, JaeYoung Kim, Yoshiyuki Doi, Takashi Yamada, Nobutatsu Koshobu, and Hiroyoshi Togo,“Ultra-Wideband Tunable Dual-Mode Laser for Continuous Wave Teraherts Generation”, Journal of Lightwave Technology, 2014, Vol. 32, Issue 20, pp.3461-3467
【非特許文献３】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
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、２台の連続波光源を用いたホモダイン検波では、２台の連続波光源の位相雑音によりテラヘルツ波フォトミキシングの際に振幅雑音が発生するためＳＮ比が制限されるという課題があった。
【０００９】
デュアルモード光源を用いた誘電分光装置は、２台の連続波光源を用いた場合と比べて、位相雑音が低減でき、システムも簡素化できる。ところが、デュアルモード光源では、２つの周波数が１ＴＨｚ以下に近接すると、２つの周波数の中間の周波数において３つ目の発振ピークが発生し、２つの所望の周波数の組合せによる差周波ビート信号の他にも差周波ビート信号が発生してしまい、周波数帯で連続したスペクト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、差周波ビート信号を所望の周波数で発生し、高いＳＮ比のスペクトルを得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、所定の周波数の光を出力する光源と、前記光を２つに分岐するスプリッタと、前記スプリッタで分岐した光の一方を位相変調して周波数を偏移させる位相変調手段と、前記位相変調手段で位相変調した光と前記スプリッタで分岐した他方の光とを合波するカプラと、前記カプラで合波された光を光電変換して電磁波を発生し、被測定対象物を透過又は反射した前記電磁波を受信して当該電磁波の振幅を測定する測定手段と、を有することを特徴とする。
【００１２】
上記誘電分光装置において、前記測定手段は、合波された光を照射されるとともに、前記被測定対象物を透過又は反射した前記電磁波を受信し、前記電磁波と前記合波された光とをホモダインミキシングして前記電磁波の振幅と位相を測定する検出器を有することを特徴とする。
【００１３】
上記誘電分光装置において、前記測定手段は、合波された光を所定の周波数で振幅変調する振幅変調器と、振幅変調された光を光電変換して電磁波を発生する放射器と、前記被測定対象物を透過又は反射した前記電磁波を受信し、包絡線検波により前記所定の周波数の電気信号を出力する検出器とを有することを特徴とする。
【００１４】
上記誘電分光装置において、前記位相変調手段は、複数の位相変調器を多段に接続したことを特徴とする。
【００１５】
上記誘電分光装置において、前記スプリッタで分岐した光の他方を位相変調して周波数を逆方向に偏移させる第２の位相変調手段を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、差周波ビート信号を所望の周波数で発生し、高いＳＮ比のスペクトルを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】第１の実施の形態における誘電分光装置の構成を示す機能ブロック図である。
【図２】上記誘電分光装置の位相変調器の制御を説明するための図である。
【図３】第２の実施の形態における誘電分光装置の構成を示す機能ブロック図である。
【図４】第２の実施の形態における別の誘電分光装置の構成を示す機能ブロック図である。
【図５】第３の実施の形態における誘電分光装置の構成を示す機能ブロック図である。
【図６】レンズを用いた誘電分光センサの測定系を示す図である。
【図７】レンズを用いた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】
【００１８】
［第１の実施の形態］
図１は、第１の実施の形態における誘電分光装置の構成を示す機能ブロック図である。
【００１９】
図１に示す誘電分光装置は、レーザ１１、スプリッタ１２、位相変調器１３Ａ，１３Ｂ、発振器１４、カプラ１５、放射器１６、検出器１７、ロックインアンプ１８、およびモニタ１９を備える。
【００２０】
レーザ１１は、所定の周波数Ｆ１の連続光波を発生する連続波光源である。
【００２１】
スプリッタ１２は、入力光の光パワーを所定の比率で２つに分岐する機能を有する。例えば、動作帯域の中心周波数は１９３．１２５ＴＨｚで、光パワーの比率は５０：５０である。
【００２２】
スプリッタ１２で分岐された一方の光は、電気光学効果を用いた位相変調器１３Ａ，１３Ｂで位相変調される。位相変調器１３Ａ，１３Ｂに、発振器１４からの単一周波数ｗ（例えば１ＧＨｚ）の鋸状波形の信号を印加してセロダイン位相変調を行い、変調周波数ｗと同等の周波数シフトを光に生じさせて、周波数Ｆ２（＝Ｆ１＋２ｗ）の光を出力する。位相変調器１３Ａ，１３Ｂには、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る。位相変調器１３Ａ，１３Ｂの制御電圧は、整数Ｎと２Ｖπ（Ｖπは位相がπ変化する制御電圧）の積により、Ｖｍ（ｔ）＝Ｎ２Ｖπｗｔと表すことができる。
【００２３】
位相変調器が１つのときは、制御電圧の周波数ｗの２Ｎ倍の周波数遷移が生じ、検出器１７で検出される信号の周波数は、制御電圧の周波数の２Ｎ倍となる（非特許文献１参照）。位相変調器の変調帯域により掃引可能な周波数が律速される。そこで、本実施の形態では、位相変調器１３Ａ，１３Ｂを２段に構成することにより周波数偏移領域を２倍に増加させている。なお、位相変調器を３段以上の構成にしてもよい。多段の位相変調器による挿入損失を補償するために、適宜、光増幅器を挿入してもよい。
【００２４】
カプラ１５は、スプリッタ１２で分岐された周波数Ｆ１の光と位相変調器１３Ａ，１３Ｂで位相変調された周波数Ｆ２の光を合波した後に分岐し、２つの異なる周波数Ｆ１，Ｆ２を持つ光を放射器１６と検出器１７に入力する。
【００２５】
図２は、位相変調器１３Ａ，１３Ｂの制御を説明するための図である。本実施の形態では、制御電圧を制御し、位相変調器１３Ａ，１３Ｂに入力された光の周波数を線形に変化させて、放射器１６に入力されるＦ２−Ｆ１の差周波ビート信号の周波数を線形にスイープする。スプリッタ１２の動作帯域の中心周波数を１９３．１２５ＴＨｚとすると、例えば、０．６ＴＨｚの電磁波を発生するためには、Ｆ１＝１９３．１２５ＴＨｚ、Ｆ２＝１９３．７２５ＴＨｚとする。スプリッタ１２で分岐した一方の光の周波数を他方の光の周波数に対して線形に周波数偏移させることで、差周波ビート信号の周波数を変化させて連続したスペクトルを得ることができる。
【００２６】
放射器１６は、２つの異なる周波数の光が合波された光信号の周波数差の電磁波（ミリ波又はテラヘルツ波）を発生させる。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。
【００２７】
検出器１７は、放射器１６から出力されてサンプル１００を透過した透過信号を受信し、ホモダイン検波により、周波数２ｗの電気信号を出力する。検出器１７は、アンテナ付きＳＢＤ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を、光ファイバと同一パッケージに実装することで実現できる。また、検出器１７として、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。なお、電磁波をホモダイン検波する際に、検出器１７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。
【００２８】
検出器１７が出力した電気信号をロックインアンプ１８で同期検波して振幅及び位相を検出し、モニタ１９で処理する。放射器１６であるＵＴＣ−ＰＤのバイアスを変調して、テラヘルツ波を強度変調してもよい。
【００２９】
テラヘルツ波帯では、放物面鏡４１Ａ〜４１Ｄ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であるサンプル１００にテラヘルツ波を照射し、透過信号や反射信号の振幅・位相を計測し、サンプル１００の複素誘電率を算出する（非特許文献３参照）。
【００３０】
以上説明したように、本実施の形態によれば、所定の周波数Ｆ１の光を発生するレーザ１１と、レーザ１１が発生した光を２つに分岐するスプリッタ１２と、スプリッタ１２で分岐した光の一方を位相変調して制御電圧の周波数ｗと同等の周波数シフトを生じさせる位相変調器１３Ａ，１３Ｂと、位相変調器１３Ａ，１３Ｂで位相変調した光とスプリッタ１２で分岐した他方の光とを合波するカプラ１５と、カプラ１５で合波された光の周波数差の電磁波を発生してサンプル１００に照射する放射器１６と、カプラ１５で合波された光を照射されるとともに、サンプル１００を透過または反射した電磁波を受信してホモダイン検波する検出器１７とを備えることにより、１台の光源からの光でフォトミキシングして差周波ビート信号を発生するので、位相雑音によるＳＮ比の劣化の影響を受けないことから高いＳＮ比のスペクトルを取得することができる。また、１台の光源で実現するので低コストである。
【００３１】
［第２の実施の形態］
図３は、第２の実施の形態における誘電分光装置の構成を示す機能ブロック図である。
【００３２】
図３に示す誘電分光装置は、レーザ１１、スプリッタ１２、位相変調器１３Ａ，１３Ｂ、光アンプ２１、発振器１４、カプラ１５、振幅変調器２２、放射器１６、検出器１７、ロックインアンプ１８、およびモニタ１９を備える。
【００３３】
第１の実施の形態と同様に、スプリッタ１２は、レーザ１１から出力された周波数Ｆ１の光を分岐し、位相変調器１３Ａ，１３Ｂは、分岐した一方の光を、発振器１４からの単一周波数ｗ（例えば１ＧＨｚ）の鋸状波形の信号を印加してセロダイン位相変調を行い、カプラ１５は、スプリッタ１２で分岐された周波数Ｆ１の光と位相変調器１３Ａ，１３Ｂで位相変調された周波数Ｆ２の光を合波する。図３の誘電分光装置では、位相変調器１３Ａの後段に光アンプ２１を備えて挿入損失を補償している。
【００３４】
カプラ１５で合波された光は、電磁波をダイオード検波するため、電気光学効果を用いたマッハツェンダ型の振幅変調器２２で発振器１４からの周波数ｆ（例えば１００ｋＨｚ）で振幅変調される。
【００３５】
放射器１６は、振幅変調器２２で振幅変調された光を入力し、２つの異なる周波数の連続光波が合波された光の周波数差の電磁波（ミリ波又はテラヘルツ波）を発生させる。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。
【００３６】
検出器１７であるアンテナ付きＳＢＤ（ショットキー・バリア・ダイオード）でサンプル１００を透過した電磁波を受信する。ＳＢＤでは包絡線検波により周波数ｆの電気信号が出力される。この電気信号を同期検波してロックインアンプ１８で振幅を検出し、モニタ１９で処理する。
【００３７】
なお、放射器１６であるＵＴＣ−ＰＤのバイアスを変調してもよく、テラヘルツ波をチョッパー等で振幅変調してもよい。
【００３８】
図４は、第２の実施の形態における別の誘電分光装置の構成を示す機能ブロック図である。
【００３９】
図４の誘電分光装置は、図３の誘電分光装置のスプリッタ１２の別の分岐先にさらに位相変調器１３Ｃ，１３Ｄを追加した構成である。
【００４０】
位相変調器１３Ｃ，１３Ｄは、分岐した他方の光を、発振器１４からの単一周波数ｗ（例えば１ＧＨｚ）の反転した鋸状波形の信号を印加してセロダイン位相変調を行い、位相変調器１３Ａ，１３Ｂとは逆の周波数方向に光の周波数を偏移させる。２段構成の位相変調器により周波数偏移量を２倍に増加させるのに加えて、スプリッタ１２の分岐先それぞれに位相変調器１３Ａ〜１３Ｄを備えて、互いに反転した鋸状波形の信号を印加する構成により、合計４倍の周波数偏移を発生することができる。
【００４１】
第１の実施の形態においても、スプリッタ１２の分岐先それぞれに位相変調器を備えて、互いに反転した鋸状波形の信号によりセロダイン位相変調することで、同様の効果を生じさせることができる。
【００４２】
［第３の実施の形態］
図５は、第３の実施の形態における誘電分光装置の構成を示す機能ブロック図である。
【００４３】
図５に示す誘電分光装置は、レーザ１１、スプリッタ１２、多段位相変調器３１、発振器１４、スプリッタ３２Ａ，３２Ｂ、カプラ３３Ａ，３３Ｂ、位相変調器３４、放射器１６、検出器１７、ロックインアンプ１８、およびモニタ１９を備える。図５の誘電分光装置は、特許文献１に記載された誘電分光装置の２台の連続波光源を、１台のレーザ１１とスプリッタ１２と多段位相変調器３１に置き換えた誘電分光装置である。
【００４４】
第１の実施の形態と同様に、スプリッタ１２は、レーザ１１から出力された周波数Ｆ１の光を分岐し、多段位相変調器３１は、分岐した一方の光を、発振器１４からの単一周波数ｗ（例えば１ＧＨｚ）の鋸状波形の信号を印加してセロダイン位相変調を行い、周波数Ｆ２（Ｆ１＋ｎｗ）の光を出力する。
【００４５】
スプリッタ３２Ａは、周波数Ｆ１の光を２つに分波し、スプリッタ３２Ｂは、周波数Ｆ２の光を２つに分波する。
【００４６】
カプラ３３Ａは、スプリッタ３２Ａで分波された周波数Ｆ１の光とスプリッタ３２Ｂで分波された周波数Ｆ２の光とを合波し、放射器１６に入力する。
【００４７】
位相変調器３４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３２Ｂとカプラ３３Ｂの間に配置される。位相変調器３４に、発振器１４からの単一周波数ｗ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ｗと同等の周波数シフトをスプリッタ３２Ｂで分波された周波数Ｆ２の光に生じさせる。
【００４８】
カプラ３３Ｂは、スプリッタ３２Ａで分波された周波数Ｆ１の光と位相変調器３４で位相変調された周波数Ｆ２＋ｗの光を合波し、検出器１７に入力する。
【００４９】
放射器１６は、カプラ３３Ａで合波された光を光電変換し、周波数Ｆ１，Ｆ２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。
【００５０】
検出器１７は、カプラ３３Ｂで合波された光を照射されるとともに、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、受信した電磁波と照射された光とをホモダインミキシングする。
【００５１】
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。
【００５２】
第３の実施の形態のホモダイン検波は、第２の実施の形態のダイオードによる包絡線検波に比べて、高ＳＮ比とすることができる。
【００５３】
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。
【００５４】
図６は、レンズを用いた誘電分光センサの測定系を示す図である。図６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。
【００５５】
図７は、レンズを用いた別の誘電分光センサの測定系を示す図である。図７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。
【符号の説明】
【００５６】
１１…レーザ
１２…スプリッタ
１３Ａ〜１３Ｄ…位相変調器
１４…発振器
１５…カプラ
１６…放射器
１７…検出器
１８…ロックインアンプ
１９…モニタ
２１…光アンプ
２２…振幅変調器
３１…多段位相変調器
３２Ａ，３２Ｂ…スプリッタ
３３Ａ，３３Ｂ…カプラ
３４…位相変調器
４１Ａ〜４１Ｄ…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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【図５】
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【図６】
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【図７】
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