(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象物に光を照射する光源装置と、その測定対象物による透過散乱光を測定光として受光し検出する光検出装置と、前記光源装置及び光検出装置の動作を制御する制御部とを備えた光学的測定装置において、
前記光源装置は、光源と、音響光学結晶に音響波トランスデューサを備えた分光素子としての音響光学素子と、前記音響波トランスデューサから音響光学結晶に与える音響波周波数を変化させて分光を行ない、前記音響波トランスデューサの駆動信号の強度変調により音響光学素子の出力光を変調させる音響光学素子駆動装置と、前記光源からの光を前記音響光学素子の窓口のサイズより小さい光束で、かつ前記音響光学素子の許容角度よりも小さい伝播角度をもった光線として前記音響光学素子に入射させる光源光学系と、前記音響光学素子から出射した＋１次回折光及び−１次回折光をそれぞれ互いに空間的に異なる位置に集光する集光光学系と、前記集光光学系により集光された＋１次回折光と−１次回折光のうちの少なくとも一方を測定対象物に照射する照射光学系とを備え、
前記光検出装置は、変調された測定光に応じた信号を出力する検出素子と、前記検出素子の出力を入力し、複数の異なる増幅度の信号を同時に出力する増幅器と、前記増幅器の増幅度の異なる複数の出力信号をそれぞれデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器と、前記Ａ／Ｄ変換器の複数の出力信号を入力し、それらの信号のうちで前記増幅器又は前記Ａ／Ｄ変換器の値が飽和せず、かつ増幅度の最も大きいものを選択するチャネル選択手段、その選択された信号を測定光を変調した変調周波数と同期した発振信号と重ね合わせる同期信号処理手段、及びその同期信号処理された信号の積分により測定値を求める積分手段を備えたデータ処理部とを備えたものであることを特徴とする光学的測定装置。
【請求項２】
前記光源光学系は前記光源の光軸上の前方に配置され光源からの光を前記音響光学素子方向に反射する前置ミラーと、前記前置ミラーの鏡面を前記音響光学素子の入射面と共役の関係にする光学系とを備えている請求項１に記載の光学的測定装置。
【請求項３】
前記光源光学系は前記光源の光軸上の後方に配置され光源からの光を前記前置ミラー方向に反射する後置ミラーをさらに備えている請求項２に記載の光学的測定装置。
【請求項４】
前記照射光学系は前記集光光学系により集光された＋１次回折光と−１次回折光を同一光軸上に合成して測定対象に照射する光学系である請求項１から３のいずれかに記載の光学的測定装置。
【請求項５】
前記照射光学系として一端部が少なくとも２つに分岐し、他端部が１つに合流した分岐光ファイバが使用され、
前記集光光学系により集光された＋１次回折光と−１次回折光が前記分岐光ファイバの分岐したそれぞれの端部に入射し、合流した他端部から出射した光が測定対象物に照射される請求項４に記載の光学的測定装置。
【請求項６】
前記照射光学系として一端部が３つに分岐し、他端部が１つに合流した分岐光ファイバが使用され、
前記集光光学系により集光された＋１次回折光と−１次回折光が前記分岐光ファイバの分岐した３つの端部のうちの２つの端部にそれぞれ入射され、合流した他端部からの出射光の測定対象物による透過散乱光が前記合流した他端部に再び入射し分岐した３つの端部のうちの残りの１つの端部により光検出器に導かれる請求項５に記載の分光光源装置。
【請求項７】
前記照射光学系で＋１次回折光又は−１次回折光が入射する端部は前記集光光学系の焦点面に設置されている請求項１から６のいずれかに記載の光学的測定装置。
【請求項８】
前記光源光学系の光路上に分光波長領域の異なる複数の音響光学素子が直列に配置され、いずれかの音響光学素子が選択して駆動される請求項１から７のいずれかに記載の光学的測定装置。
【請求項９】
前記増幅器は、前記検出素子の変調出力を入力する入力バッファ回路と、
前記入力バッファ回路の出力電圧変動を抵抗素子によって電流変動に変換する電圧−電流変換回路と、
前記電圧−電流変換回路による電流変動を抵抗素子により所定の倍率に増幅した電圧変動に変換する電流−電圧変換回路と、
前記電流−電圧変換回路の電圧変動出力を出力バッファ回路を経由して入力し、複数の異なる倍率の信号を出力する増幅回路とを備えている請求項１に記載の光学的測定装置。
【請求項１０】
前記データ処理部は、前記チャネル選択手段と前記同期信号処理手段との間に、前記チャネル選択手段で選択された信号から同期信号処理に不要な高周波成分を除去するローパスフィルタ手段と、そのローパスフィルタ手段を経た信号列から単位数ごとに一定間隔で抽出した値を信号値とするデータ間引き手段とをさらに備えた請求項１又は９に記載の光学的測定装置。
【請求項１１】
前記同期信号処理手段はその前段に前記変調周波数を通過させるバンドパスフィルタ手段をさらに備えている請求項１，９又は１０に記載の光学的測定装置。
【請求項１２】
前記同期信号処理手段に入力する信号の周波数と前記変調周波数とのずれを測定し、その結果に基づいて前記同期信号処理手段の同期周波数を補正する周波数ずれ補正手段をさらに備えている請求項１，９，１０又は１１に記載の光学的測定装置。
【請求項１３】
前記同期信号処理手段と前記積分手段との間に積分処理に不要な高周波成分を除去するローパスフィルタ手段をさらに備えている請求項１，９，１０，１１又は１２に記載の光学的測定装置。
【請求項１４】
前記積分手段は適当な積分時定数で適当な時間の積分処理を行なってその結果を初期値とし、その積分時定数より大きな積分時定数で再度積分処理を行なうものである請求項１，９，１０，１１，１２又は１３に記載の光学的測定装置。
【請求項１５】
前記増幅器に一定振幅の信号を入力したときのその増幅器の増幅度の異なる複数の出力を比較し、その結果を増幅度の異なる出力間の機差として保存する機差保存手段と、その機差保存手段に保存された機差により前記増幅器の出力を補正する増幅器出力補正手段をさらに備えている請求項１，９，１０，１１，１２，１３又は１４に記載の光学的測定装置。
【請求項１６】
前記増幅器の電源電圧を測定し、予め設定した基準電圧との比によって測定結果を補正する測定結果補正手段をさらに備えている請求項１，９，１０，１１，１２，１３，１４又は１５に記載の光学的測定装置。
【請求項１７】
前記検出素子及び増幅器が測定光検出用と参照光検出用にそれぞれ設けられ、前記Ａ／Ｄ変換器は測定光検出信号と参照光検出信号をともにデジタル信号に変換するものであり、前記データ処理部は参照光検出信号についても同様のデータ処理を行ない、測定光検出信号のデータ処理結果を参照光検出信号のデータ処理結果で割算して補正するものである請求項１，９，１０，１１，１２，１３，１４，１５又は１６のいずれかに記載の光学的測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は液体や食品、人体等の散乱性物質中の特定物質を光学的に測定する測定装置に関するものであり、例えば、血液や尿中のグルコ−ス、ヘモグロビン、果物中の糖分などの測定に適する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、測定対象物に光を照射し、その光の測定対象物による透過散乱光を用いた様々な光学測定が行なわれている。本明細書では、「透過散乱光」の語は、光散乱性の測定対象物中に入ってからその測定対象物から出てきた光を全て含む意味で使用されており、光の入射方向に出ていく所謂透過光も、入射方向とは反対方向に出ていく所謂反射光も全て含んだ意味で使用されている。
【０００３】
これらの測定では、測定対象物に照射して得られた透過散乱光を波長ごとにその強度を測定して測定対象物内の情報を得ている。そのため、測定対象物に照射する光を分光（前分光）するか、透過散乱光を分光（後分光）する必要がある。分光手段としては種々の方式が用いられている。現在一般に用いられているＦＴＩＲ（フーリエ変換型赤外分光光度計）又は光学格子のような部品の移動により連続波長の光を分光する方式は、測定時間が長くなり、その間に光量のドリフトなども起こりやすく、精度に影響する問題がある。分光素子としてフィルターを用いたり、光源としてＬＤ（レーザダイオード）やＬＥＤ（発光ダイオード）を用いる分立波長での分光は、波長数を多くすれば分光に時間がかかり、コストも高くなるだけではなく、波長を変換するためにはフィルターや光源自体といったハード面での部品の交換が必要になり、部品数も多くなるという問題がある。
【０００４】
一方、連続光源と分光装置との組合わせとして、分光装置に音響光学素子（ＡＯＴＦ）を用いたものがある。音響光学素子は、音響光学結晶に音響波トランスデューサが貼り付られたものであり、トランスデューサから音響光学結晶に与えられる音響波（ＲＦ）周波数によってその結晶を透過する波長が選択される。音響光学素子では機械的可動部がなく、また高速で波長走査することもできる。音響光学素子を用いた分光光度計は市販されている。
音響光学素子を分光素子とする測定方法については、例えば二波長の差吸収を測定する方法（ＥＰ４０１４５３Ａ１）や、測定対象物の組織の血液の容量の異なる状態での差スペクトルを測定する方法（ＵＳＰ５,３７２,１３５号）がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、二波長測定のような相対的な測定方法は、単成分のみを含む水溶液系のような単純系であればその成分を高精度に測定することができるが、食品や人体のような多成分を有する複雑な系に対しては、各成分を高精度に測定することは非常に難しい。なぜなら、測定対象物が異なる場合、仮に１つの成分の変化は同じであっても他の成分の変化の割合は異なるから、二波長での測定値の差だけでは高い精度で注目成分の変化を抽出することは困難である。さらに、非常に弱い信号を抽出する必要がある上に、測定対象部位の血液容量などの条件（例えば、圧力、表面反射率、パス長等）の変化による誤差が発生するので、これらの変動誤差が含まれた信号の中から、注目成分の信号だけを抽出することも困難である。
【０００６】
測定試料からの透過散乱光を測定する場合、その測定光が非常に微弱で、検出信号と雑音強度が同等になってくると、通常の増幅器では高いＳ／Ｎ比の出力信号を得ることができない。例えば、図１は水の吸収スペクトルを表わしたものであるが、そのスペクトルに示されるように、分光波長によって吸光度が大きく変化する。一般に、試料の透過散乱光も波長によって検出強度が大きく変化する。このように、検出器からの測定信号が大きな範囲で変化する場合、増幅度を一定に保った増幅器では、測定信号が微弱な波長領域で、その信号がＡ／Ｄ変換器を経てコンピュータに取り込む際の分解能に満たないことが生じ、測定分解能が低下する原因となる。
【０００７】
音響光学素子での分光波長の純度を向上させるためには、音響光学素子に入射する光は一定の光学条件を満足する必要がある。しかし、従来の分光光度計では、光源から音響光学素子に入射する光束の調整が十分ではなく、＋１次回折光又は−１次回折光に含まれる０次光の割合が大きく、分光波長の純度が十分に大きいとはいえない。
また、音響光学素子から出射する＋１次回折光と−１次回折光は０次光とは方向が異なっているが、接近しているため、取り出した＋１次回折光又は−１次回折光中に０次光が混入しやすい。
【０００８】
大きな範囲で強度が変化する測定信号を分解能を維持して測定しようとすると、増幅度の切換えを行なわなければならない。例えば、図１に示すようなダイナミックレンジの大きいスペクトルを測定する場合、マルチプレクサなどの半導体リレー回路を用いて、強度の小さい信号は増幅度を上げ、逆に強度の大きい信号は測定値が飽和しないように増幅度を下げるように、増幅度切換えを行なう必要がある。測定を行なう際、そのような切換え動作によりパルスノイズが発生して測定値に影響を及ぼし、測定誤差の原因となる。
【０００９】
非常に微弱な信号、例えば回路素子の熱雑音よりわずかに大きい程度のノイズレベルの測定信号電圧を増幅する場合、トランジスタ回路を用いた帰還増幅回路やオペアンプ（演算増幅器）を用いた差動増幅回路による増幅方法では、雑音も同時に増幅されるため、測定信号と雑音との区別ができなくなる。そのため、回路自身から生じる雑音を測定信号のレベル以下に抑えるとともに、機器外部の外乱からの影響を測定信号レベル以下に抑える回路構成が必要になる。
【００１０】
Ｓ／Ｎ比では１００,０００以上を必要としている。従来の機器では、ＦＴＩＲにおけるＳ／Ｎ比は１０,０００を越えない程度である。
周波数帯域が一様に分布している雑音（ランダムノイズ）の影響を除去するためには、測定波長帯域で繰り返し測定し積算処理を行なうことによって、測定値の平均化処理を行なう必要がある。
また、測定波長が多波長にわたっていても、短時間に測定を行なわなければ測定信号の長周期変動（ドリフト）の影響を受ける。
【００１１】
そこで、本発明は、散乱性物質中の特定物質を高精度に非侵襲的に測定できるようにするために、分光素子として音響光学素子を用いて高速波長走査を可能にし、音響光学素子での分光波長の純度を高め、また微弱な信号を測定する際の測定精度を向上させることのできる光学的測定装置を提供することを目的とするものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の光学的測定装置は、測定対象物に光を照射する光源装置と、その測定対象物による透過散乱光を測定光として受光し検出する光検出装置と、光源装置及び光検出装置の動作を制御する制御部とを備えている。
光源装置は、光源と、音響光学結晶に音響波トランスデューサを備えた分光素子としての音響光学素子と、音響波トランスデューサから音響光学結晶に与える音響波周波数を変化させて分光を行ない、音響波トランスデューサの駆動信号の強度変調により音響光学素子の出力光を変調させる音響光学素子駆動装置と、光源からの光を音響光学素子の窓口のサイズより小さい光束で、かつ音響光学素子の許容角度よりも小さい伝播角度をもった光線として音響光学素子に入射させる光源光学系と、音響光学素子から出射した＋１次回折光及び−１次回折光をそれぞれ互いに空間的に異なる位置に集光する集光光学系と、集光光学系により集光された＋１次回折光と−１次回折光のうちの少なくとも一方を測定対象物に照射する照射光学系とを備えている。
【００１３】
光検出装置は、変調された測定光の変動に応じた信号を出力する検出素子と、検出素子の出力を入力し、複数の異なる増幅度の信号を同時に出力する増幅器と、増幅器の増幅度の異なる複数の出力信号をそれぞれデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器と、Ａ／Ｄ変換器の複数の出力信号を入力し、それらの信号のうちで増幅器又はＡ／Ｄ変換器の値が飽和せず、かつ増幅度の最も大きいものを選択するチャネル選択手段、その選択された信号を測定光を変調した変調周波数と同期した発振信号と重ね合わせる同期信号処理手段、及びその同期信号処理された信号の積分により測定値を求める積分手段を備えたデータ処理部とを備えたものである。
【００１４】
「伝播角度」は、光束の光軸と、その光束中の光線が空間を伝播する方向とのなす角度であり、光束の光軸を音響光学素子に垂直に入射させたとき、伝播角度が音響光学素子の許容角度より小さい光線のみが１次回折光に寄与する。したがって、音響光学素子に垂直に入射する光束中で伝播角度が音響光学素子の許容角度より小さい光線が多いほど１次回折光の強度が大きくなる。好ましくは、音響光学素子に入射する全ての光線の伝播角度が音響光学素子の許容角度より小さくなっていることである。
【００１５】
音響光学素子に入射する光束の光軸は音響光学素子の入射面に対し垂直であることが望ましいが、その光束に含まれる光線が音響光学素子の入射面に対する垂直方向となす角度が音響光学素子の許容角度より小さくなっている条件が満たされるならば、音響光学素子に入射する光束の光軸の方向は、音響光学素子の入射面に対し厳密に垂直であることは要求されない。
【００１６】
光源光学系が光源からの光を音響光学素子の窓口のサイズより小さい光束で、かつ音響光学素子の許容角度よりも小さい伝播角度をもった光線として音響光学素子に入射させるように調整されていることにより、１次回折光の純度が高まり、強度も大きくなる。また、音響光学素子から出射した０次光、＋１次回折光及び−１次回折光をそれぞれ互いに空間的に異なる位置に集光させることにより、１次回折光への０次光の混入を抑えることができる。その結果、この光源から所望の波長の光を精度よく取り出すことができる。
【００１７】
音響波トランスデューサから音響光学結晶に与える音響波周波数を変化させて分光を行なうことにより、波長走査を高速で行なうことができるようになる。その結果、測定時間を短かくすることができ、測定時間内での光量のドリフトなどを抑えることができる。
【００１８】
音響波トランスデューサの駆動信号の強度変調により音響光学素子からの出力光を変調させることができる。強度変調することにより光信号の検出に変調同期検知（検波）が可能となる。そこで、ランダムノイズを除去するために、音響光学素子からの出力光を変調させて測定信号を変調し、その変調周波数においてロックイン処理に相当する同期信号処理をほどこすことにより変調周波数成分のみを精度よく抽出する。
【００１９】
信号の強度に応じて増幅度を操作することによって測定精度を向上させる。その際、検出素子からの信号値を増幅器により異なる複数の増幅度で同時に増幅し、その出力をＡ／Ｄ変換し、その信号のうち飽和することなく、最大に増幅された信号を選択することによって、リレー回路やマルチプレクサ等の切換え装置を用いた場合には生じたであろうパルスノイズの発生を抑える。
【００２０】
【発明の実施の形態】
光源からの光を音響光学素子の窓口のサイズより小さい光束で、かつ音響光学素子の許容角度よりも小さい伝播角度をもった光線として音響光学素子に入射させるように調整する光学系の一例は、光源の光軸上の前方に配置され光源からの光を音響光学素子方向に反射する前置ミラーと、前置ミラーの鏡面を音響光学素子の入射面と共役の関係にする光学系である。音響光学素子の窓口のサイズが小さい場合は、マスクを設けて光束を小さくする。
【００２１】
光源の光軸上の後方に配置され光源からの光を前置ミラー方向に反射する後置ミラーをさらに設けることができる。これにより、光源から音響光学素子に入射するまでの光源エネルギ−の利用効率が高まる。
照射光学系の好ましい一例は、集光光学系により集光された＋１次回折光と−１次回折光を同一光軸上に合成して測定対象物に照射する光学系である。このように、＋１次回折光と−１次回折光をともに利用することにより、光源エネルギ−の利用効率が高まる。
【００２２】
＋１次回折光と−１次回折光を同一光軸上に合成させる照射光学系の好ましい例は、一端部が少なくとも２つに分岐し、他端部が１つに合流した分岐光ファイバであり、集光光学系により集光された＋１次回折光と−１次回折光を分岐光ファイバの分岐したそれぞれの端部に入射させ、合流した他端部から出射した光を測定対象物に照射させるものである。このとき、照射光学系で＋１次回折光又は−１次回折光が入射する端部は集光光学系の焦点面に設置されていることが好ましい。
【００２３】
＋１次回折光と−１次回折光を同一光軸上に合成させる照射光学系のさらに好ましい例は、一端部が３つに分岐し、他端部が１つに合流した分岐光ファイバであり、集光光学系により集光された＋１次回折光と−１次回折光を分岐光ファイバの分岐した３つの端部のうちの２つの端部にそれぞれ入射させ、合流した他端部からの出射光の測定対象物による透過散乱光を出射光の出射した端部に再び入射させ、分岐した３つの端部のうちの残りの１つの端部により光検出器に導くものである。
このような分岐光ファイバを使用することにより、構成が簡単になる。
【００２４】
光源光学系の光路上に分光波長領域の異なる複数の音響光学素子を直列に配置し、いずれかの音響光学素子を選択して駆動するようにしてもよい。これにより、利用できる波長域が広がる。
より安定した出力結果を得るために、音響光学素子からの出力光のうちの０次光又はランプ光源からの光源光を受光し、光源強度の変動を補正するのが好ましい。
【００２５】
複数の異なる増幅度の信号を同時に出力する増幅器の好ましい一例は、検出素子の変調出力を入力する入力バッファ回路と、その入力バッファ回路の出力電圧変動を抵抗素子によって電流変動に変換する電圧−電流変換回路と、その電圧−電流変換回路による電流変動を抵抗素子により所定の倍率に増幅した電圧変動に変換する電流−電圧変換回路と、その電流−電圧変換回路の電圧変動出力を出力バッファ回路を経由して入力し、複数の異なる倍率の信号を出力する増幅回路とを備えたものである。電圧−電流変換回路と電流−電圧変換回路はプリアンプを構成し、複数の異なる倍率の信号を出力する増幅回路はサブアンプを構成している。プリアンプでの電圧−電流変換時に信号を増幅し、その信号を電流−電圧変換する際にさらに増幅するという組合わせにより、増幅度の決定を行なう。そして、サブアンプにてプリアンプの信号を異なる増幅度で同時に出力する。
【００２６】
データ処理部は、チャネル選択手段と同期信号処理手段との間に、チャネル選択手段で選択された信号から同期信号処理に不要な高周波成分を除去するローパスフィルタ手段と、そのローパスフィルタ手段を経た信号列から単位数ごとに一定間隔で抽出した値を信号値とするデータ間引き手段とをさらに備えていることが好ましい。高いサンプル周波数で測定したデータは、ナイキスト帯域幅が大きいためエイリアシング・ノイズを防ぐためのローパスフィルタの特性が緩やかにできる。少ないデータ量で処理できるよう間引き処理を行なうと、間引き処理によって見かけのサンプリング周波数が小さくなるため、測定値の周波数スペクトルに重なりを生じる。間引き処理を行なう前にローパスフィルターによる処理を行ない、ノイズの影響を除去する。
【００２７】
同期信号処理を行なう前に変調周波数近傍に通過帯域をもつバンドパスフィルタ処理を行なっておくのが好ましい。
また、同期信号処理を行なう前には信号の周波数が変調周波数からずれることがあるので、そのずれを補正することにより同期信号処理の精度を向上させることができる。そのため、同期信号処理手段に入力する信号の周波数とコンピュータのクロック信号を基準信号として発生させた変調周波数とのずれを測定し、その結果に基づいて同期信号処理手段の同期周波数を補正する周波数ずれ補正手段をさらに備えていることが好ましい。
【００２８】
同期信号処理により変調された信号は定数値（直流成分）となるため、ローパスフィルタによって高周波成分を除去しておくのが好ましい。そのため、同期信号処理手段と積分手段との間に同期信号処理に不要な高周波成分を除去するローパスフィルタ手段をさらに備えていることが好ましい。
デジタル積分処理は積分の時定数が大きいほど精度が高いが、時間がかかる。そのため、あらかじめ小さな時定数で真値に近い値で計算を収束させ、次に、その値を初期値として大きい時定数で収束させることによって、計算速度を向上させることができる。
【００２９】
増幅器から複数の異なる増幅度の出力を出させた場合、各増幅度をもたせたサブアンプ間で倍率に誤差が生じる。例えば、１００倍の増幅度の出力が２０倍の増幅度の出力に対して正確に５倍になっているとは限らない。その誤差を補正するため、一定の信号を入力して各増幅度の信号を出力させ、ある１つの出力信号を基準としてそれとの比をとって補正データとし、デジタル処理を行なう際にその補正データで各増幅度間の誤差の補正を行なうことにより、増幅度の異なる信号の間での機差をなくすことができる。そのため、増幅器に一定振幅の信号を入力したときのその増幅器の増幅度の異なる複数の出力を比較し、その結果を増幅度の異なる出力間の機差として保存する機差保存手段と、その機差保存手段に保存された機差により増幅器の出力を補正する増幅器出力補正手段をさらに備えていることが好ましい。
【００３０】
計測器で増幅器の電源電圧を実測し、あらかじめ設定した基準電圧との比をとって補正すれば、測定値の絶対値のずれを補正することができる。そのため、増幅器の電源電圧を測定し、予め設定した基準電圧との比によって測定結果を補正する測定結果補正手段をさらに備えていることが好ましい。
【００３１】
本発明を測定光と参照光（音響光学素子からの０次光又は光源光）を同時に測定する場合には、検出素子及び増幅器が測定光検出用と参照光検出用にそれぞれ設けられ、Ａ／Ｄ変換器は測定光検出信号と参照光検出信号をともにデジタル信号に変換するものであり、データ処理部は参照光検出信号についても同様のデータ処理を行ない、測定光検出信号のデータ処理結果を参照光検出信号のデータ処理結果で割算して補正するように構成するのが好ましい。
【００３２】
【実施例】
図２は一実施例の光学的測定装置を概略的に表わしたものであり、測定対象物２００に光を照射する光源装置２０２と、その測定対象物２００による透過散乱光を測定光として受光し検出する光検出装置２０４と、光源装置２０２及び光検出装置２０４の動作を制御する制御部２０６とを備えている。
【００３３】
光源装置２０２は分光光源装置であり、光源６と、音響光学結晶に音響波トランスデューサを備えた分光素子としての音響光学素子４と、音響波トランスデューサから音響光学結晶に与える音響波周波数を変化させて分光を行ない、音響波トランスデューサの駆動信号の強度変調により音響光学素子の出力光を変調させる音響光学素子駆動装置２１４と、光源６からの光を音響光学素子４の窓口のサイズより小さい光束で、かつ音響光学素子４の許容角度よりも小さい伝播角度をもった光線の光束として音響光学素子４に垂直に入射させる光源光学系２１６と、音響光学素子４から出射した０次光、＋１次回折光及び−１次回折光をそれぞれ互いに空間的に異なる位置に集光する集光光学系２０と、集光光学系２０により集光された＋１次回折光と−１次回折光のうちの少なくとも一方を測定対象物２００に照射する照射光学系２２０とを備えている。
【００３４】
光検出装置２０４は受光部２３０とデータ処理部１０７とを備えている。受光部２３０は、変調された測定光の変動に応じた信号を出力する検出素子と、検出素子の出力を入力し、複数の異なる増幅度の信号を同時に出力する増幅器と、増幅器の増幅度の異なる複数の出力信号をそれぞれデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器とを備えている。データ処理部１０７は、Ａ／Ｄ変換器の複数の出力信号を入力し、それらの信号のうちで増幅器又はＡ／Ｄ変換器の値が飽和せず、かつ増幅度の最も大きいものを選択するチャネル選択手段、その選択された信号を測定光を変調した変調周波数と同期した発振信号と重ね合わせる同期信号処理手段、及びその同期信号処理された信号の積分により測定値を求める積分手段を少なくとも備えている。
【００３５】
照射光学系２２０は、一端部が２つに分岐し他端部が１つに合流した分岐光ファイバであり、集光光学系２０により集光された＋１次回折光と−１次回折光が分岐光ファイバの分岐したそれぞれの端部に入射し、合流した他端部から出射した光が測定対象物２００に照射させるものである。測定対象物２００からの透過散乱光は光ファイバ２２２により受光部２３０に導かれている。
【００３６】
照射光学系２２０の光ファイバと透過散乱光受光用の光ファイバ２２２は、測定対象物２００に対向する端部が１つの光ファイバ束にまとめられ、他端部が３つに分岐した３分岐光ファイバであることが好ましい。その場合、３つに分岐した端部の２つに＋１次回折光と−１次回折光を入射させ、他の端部を受光部に導くようにすることができるので、構成が簡単になる。
【００３７】
また、音響光学素子４からの出力光のうちの０次光を受光し、光源強度の変動を補正して、より安定した出力結果を得るために、集光光学系２０により集光された０次光が光ファイバ２２４により受光部２３０に導かれている。
２４０はデータ処理部１０７で求められた測定値から測定対象物２００内の目的物質の濃度を算出する算出部、２４２は測定結果を出力するプリンタ、レコーダ、ＣＲＴなどの出力装置である。
【００３８】
音響光学素子４は二酸化テルル（ＴｅＯ2）結晶を音響光学結晶として用いたものであり、その一辺に音響波トランスデューサが貼り付けられている。音響波トランスデューサから結晶に与えられる周波数により、８００〜２４００ｎｍの範囲で波長を選択し、走査する。また、音響波トランスデューサの駆動信号の強度変調により音響光学素子４の出力光を変調させる。この波長走査と変調は制御部２０６から音響光学素子駆動装置２１４を制御することにより行なう。
【００３９】
音響光学素子４のトランスデューサから所定の音響波周波数が与えられたとき、その周波数に応じた回折光が＋１次回折光と−１次回折光として分かれて出射し、それ以外の波長光が０次光として透過する。＋１次回折光と−１次回折光は照射光学系により同一光軸上に合成されて測定対象物に照射される。０次光は測定対称には照射されず、光源強度を表わすものとして測定光強度の補正に利用される。
【００４０】
図３から図８により、一実施例における光源装置２０２の具体的な例を示す。図３は光源室２とその光源室２からの連続波長光を分光する音響光学素子４を示したものである。光源室２には光源６としてハロゲンランプが設けられ、光源６からの光を集め、かつ音響光学素子４に対しほぼ平行光として入射させる光源光学系が設けられている。光源６の光軸８の前方には前置ミラー１０、後方には後置ミラ−１２が配置されている。ミラー１０，１２で集められた光源６からの光を平行光とするために、ミラー１０と音響光学素子４の間の光路上にレンズ１４、ミラ−１６，１８が配置され、これらの光学系を経て光源光が音響光学素子４に入射させられる。
【００４１】
図４は光源室２内の光学系を詳細に表わしたものである。前置ミラー１０と後置ミラ−１２は、同じ焦点距離を持つ球面ミラーであり、光源６のフィラメントから後置ミラー１２までの距離が焦点距離のほぼ２倍になるように設定されており、さらに、後置ミラー１２で形成される光源のフィラメント像がフィラメント自身からわずかにずれるように後置ミラー１２の光軸方向が設定されている。このような設計は、光源エネルギ−の利用効率を高めるためのものである。
【００４２】
光源６からの光は前置ミラー１０と凸レンズ１４により、凸レンズ１４の後ろに一次結像される。その位置には必要に応じて、光束を制限するマスク１５が配置される。その一次結像された光の像は球面ミラー１８により音響光学素子４の入射面に二次結像する。ミラー１６は光路を曲げるだけの平面鏡である。ミラー１０，１２、レンズ１４、ミラ−１６，１８を含む光学系により、光源光が音響光学素子４の入射面に対し平行光となって垂直に入射する。音響光学素子４へ二次結像して入射する光束の伝播角度とそのスポット径の許容値は、音響光学素子４の音響光学結晶で決まる。例えば、伝播角度の許容度は約６°であり、スポット径は１０ｍｍ以下である。音響光学素子４に入射する光束の伝播角度とそのスポット径が音響光学素子４により決まる許容度の範囲内に収まるように、各ミラー１０，１２，１８の曲率、レンズ１４の焦点距離、それらの大きさ、位置や角度が設定されている。
【００４３】
例えば、伝播角度の許容度が６°であれば、光軸が音響光学素子４の入射面に垂直入射する光束中の全ての光線の伝播角度が０〜±６°の範囲に入るように、光学系が調整されている。
また、音響光学素子４へに入射光のスポット径が許容値より大きくなる場合には、マスク１５を設けてスポット径を制限する。
前置ミラー１０と後置ミラ−１２は、球面ミラ−に限られるものではなく、例えば放物面鏡であってもよい。ミラー１０，１２は音響光学素子４への入射光の平行度やスポット径の許容幅に応じて設計することができる。
【００４４】
図５は照射光学系の一例を示したものである。光源室２及び音響光学素子４は図３に示されたものである。音響光学素子４からの０次光２６、＋１次回折光２２及び−１次回折光２４は集光光学系としてのレンズ２０によりそれぞれが集光される。＋１次回折光２２と−１次回折光２４及び０次光２６はそれぞれの光軸が異なっており、＋１次回折光２２と−１次回折光２４の光路上にはそれぞれプリズム２８，３０が配置されて光路の方向が変えられ、それぞれの光路上には分岐光ファイバの分岐した端部３２，３４が入射端としてそれぞれ配置されている。音響光学素子４から発生する０次光２６、＋１次回折光２２及び−１次回折光２４は、それぞれがほぼ平行光であるため、レンズ２０の焦点面上に集光する。分岐光ファイバの分岐した端部３２，３４は、それぞれレンズ２０の焦点面上に配置されている。＋１次回折光２２と−１次回折光２４の光路は、空間的な位置を互いに離すためにそれぞれプリズム２８，３０により曲げられており、照射光学系２２０の分岐光ファイバの分岐した端部３２，３４はそれぞれの曲げられた光路上に配置されている。分岐光ファイバの端部３２，３４に入射した＋１次回折光２２と−１次回折光２４は、その分岐光ファイバの他端で同一光軸上に合成された後に測定対象物に照射される。
【００４５】
＋１次回折光２２、−１次回折光２４、及び０次光２６は、互いに光軸が異なっているとはいえ、空間的に接近しているため、＋１次回折光２２と−１次回折光２４の光路を変えるのにプリズム２８，３０を用い、０次光がそれぞれの光路に混入するのを抑えている。＋１次回折光２２と−１次回折光２４の光路を変えるのにプリズムに代えてミラーを用いてもよい。
【００４６】
図６（Ａ）に照射光学系２２０で用いられる分岐光ファイバの一例を示す。（Ｂ）はその分岐光ファイバの分岐した端部の端面図、（Ｃ）は合流した端部の端面図である。この例は一端側が３つの端部３２，３４，３６に分岐し、他端部３８が１つに合流した３分岐光ファイバである。ここで用いている光ファイバは、そのコア材料がＧｅＯ2含有ＳｉＯ2、コア直径が１２７±７μｍ、クラッド材料がフッ素含有ＳｉＯ2、クラッド直径が１４０±５μｍである。各単芯光ファイバの一次被覆材料はシリコーン樹脂で、一次被覆体の直径は１６５±５μｍ、開口数ＮＡ値は０.３５である。分岐した端部３２，３４，３６ではその光ファイバが束ねられてバンドルファイバとなっており、それぞれのバンドルファイバの直径は５ｍｍ、それらのバンドルファイバの被覆材の外径は１２ｍｍである。バンドルファイバにおける光ファイバの充填率は約９０％である。
合流した他端部３８でのバンドルファイバ径は８.７ｍｍであり、被覆材の外径は１９ｍｍである。
【００４７】
図６（Ｄ）はその模式図であり、集合端３８では３分岐した光ファイバがランダムに集合させられている。分岐した端部３２，３４からそれぞれ入射した＋１次回折光２２と−１次回折光２４は、集合端３８で集合する。３分岐した他の１つの端部３６は測定対象物からの透過散乱光が検出器へ導かれるのに使用される。
【００４８】
図７は音響光学素子の他の例を示したものである。
光源光学系の光路上には分光波長領域の２つの音響光学素子４ａ，４ｂが直列に配置され、いずれかの音響光学素子が選択して駆動されるようになっている。音響光学素子４ａと４ｂでは、互いに異なる波長領域に回折する特性をもつ音響光学結晶が選択されて使用されている。例えば、音響光学素子４ａは近赤外領域の回折光を出射し、音響光学素子４ｂは可視領域の回折光を出射するものであるとすれば、音響光学素子４ａと４ｂの一方を作動させることにより赤外領域と可視領域を選択することができる。そして、それぞれの波長領域でトランスデューサからの音響波周波数を選択することによって、赤外から可視にわたる広い波長域での波長を選択することができるようになる。
【００４９】
音響光学素子４ａ，４ｂから発生する回折光の０次光、＋１次回折光及び−１次回折光はそれぞれがほぼ平行光であるため、音響光学素子４ａ，４ｂからの回折光上に共通の集光レンズを配置することにより、音響光学素子４ａからの回折光と音響光学素子４ｂからの回折光を共通の集光レンズの焦点面上に集光させることができる。その集光面上に、図５のような分岐光ファイバの分岐した端部を配置することにより、音響光学素子４ａからの回折光も音響光学素子４ｂからの回折光もともに同じ分岐光ファイバに入射させることができるようになる。
【００５０】
図８は実施例と従来の分光光度計との光源としての特性を比較するための測定装置を示したものである。
図８（Ａ）は一実施例の配置を示したものであり、音響光学素子４からの＋１次、−１次回折光はそれぞれ３分岐光ファイバのそれぞれの入射端３２，３４に入射し、集合端３８からＦＴＩＲ４０に入射して分光される。ＦＴＩＲ４０で分光された光はＦＴＩＲ４０に内蔵（既存）された検出器（インジウムアンチモン：ＩｎＳｂ）にて検出される。また０次光は他の光ファイバの一端４２に入射し、その光ファイバの他端４４から他のＰｂＳ素子４８に入射して光源強度の変動をモニタするモニタ光として検出される。
音響光学素子４からの＋１次と−１次回折光のうちの一方のみを使用し、他方を遮光するようにしてもよい。
【００５１】
一方、図８（Ｂ）に示される従来の分光光度計はその内部に光検出器を備えている。分光部（本体）５０からの出射光は２分岐光ファイバの分岐した一端５２に入射して集合端５６からＦＴＩＲ４０に入射し、分光される。ＦＴＩＲ４０で分光された光はＦＴＩＲ４０に内蔵された検出器にて検出され、その光強度が検出される。
【００５２】
図９は一実施例による第１のスペクトルであり、図８（Ａ）の測定系を用い、＋１次回折光と−１次回折光のうち、入射端３４に−１次回折光を入射させ、他方の入射端３２には回折光は入射しないように遮光した状態で、音響光学素子４の音響周波数を変化させて波長走査を行なって得たスペクトルである。スペクトルの図の縦軸はエネルギーを表わしており、Ｅ-01，Ｅ+00，Ｅ+01はそれぞれ１０-1，１０0，１０1を表わしている。
【００５３】
図１０は図９のスペクトルの縦軸の感度を上げたものであり、下部に連続スペクトルとして現われているのは０次光成分である。
【００５４】
図１１は一実施例による第２のスペクトルであり、図８（Ａ）の測定系において、＋１次回折光と−１次回折光をともに入射させ、合成して測定したときのスペクトルである。図９のスペクトルと比較すると、エネルギー強度が大きくなっていることがわかる。原則として、図１１のスペクトル強度は図９のスペクトル強度の約２倍となる。
【００５５】
図１２は比較例によるスペクトルであり、図８（Ｂ）に示された市販の分光光度計の１次回折光スペクトルを表わしたものである。縦軸の目盛を図９や図１１の実施例ものと比較すれば明らかなように、エネルギー強度が小さい。
【００５６】
図１３は図１２のスペクトルの縦軸の感度を図１０の実施例のものと同じ大きさに上げて測定したものである。実施例に比べて０次光の混入が多いこともわかる。
【００５７】
図１４は実施例における＋１次回折光と±１次回折光のピークエネルギー（ピーク高さ）を比較したものであり、＋１次回折光と−１次回折光を合成した±１次回折光のピークエネルギーは＋１次回折光のピークエネルギーの約２倍になっていることがわかる。
【００５８】
図１５は実施例における＋１次回折光と比較例の従来の装置の１次回折光のピークエネルギーを比較したものであり、ピークエネルギーは実施例の方が比較例よりはるかに大きいことがわかる。
【００５９】
図１６は実施例における±１次回折光と比較例の従来の装置の１次回折光のピークエネルギーを比較したものであり、ピークエネルギーは実施例の方が比較例よりさらに大きいことがわかる。
【００６０】
図１７は実施例における各波長での＋１次回折光と±１次回折光の、出力光に対する１次回折光のピーク面積比を示したものである。１次回折光のピーク面積比とは、＋１次回折光や±１次回折光のエネルギーが出力光エネルギー（音響光学素子から出力される全ての光エネルギーで、±１次回折光や混入する０次光も含む）に対してどれだけの割合を占めているかを、それぞれ面積比を用いて示したものである。「１次回折光のピーク面積比」の意味は、図１８、図１９でも同じである。＋１次回折光と−１次回折光の一方のみを用いるよりも両方を合成して用いる方が１次回折光の純度が高まっている。
【００６１】
図１８は実施例における各波長での＋１次回折光と比較例の従来の装置の１次回折光で、出力光に対する１次回折光のピーク面積比（純度）を比較して示したものである。実施例の方が１次回折光の純度が高いことがわかる。
【００６２】
図１９は実施例における各波長での±１次回折光と比較例の従来の装置の１次回折光の出力光に対する１次回折光のピーク面積比を示したものである。１次回折光の純度は実施例の方が比較例よりさらに高まっていることがわかる。
【００６３】
図２０は光検出装置２０４の一例を概略的に表わしたものである。音響光学素子４により変調された１次回折光の測定光Ａと、同様に変調された０次光の参照光Ｂが、それぞれの検出素子１０１，１０２で受光される。検出素子１０１，１０２は例えばＰｂＳ素子である。検出素子１０１，１０２の検出出力は、複数の異なる増幅度の信号を出力する増幅器１０３，１０４にそれぞれ入力されて増幅される。増幅器１０３，１０４それぞれからの増幅度の異なる複数の出力信号がＡ／Ｄ変換器１０６を経てデータ処理部１０７に取り込まれる。１０５は増幅器１０３，１０４の電源装置である。
【００６４】
データ処理部１０７はＡ／Ｄ変換器１０６の複数の出力信号を入力し、それらの信号のうちで増幅器１０３，１０４又はＡ／Ｄ変換器１０６の値が飽和せず、かつ増幅度の最も大きいものを選択するチャネル選択手段、その選択された信号を測定光を変調した変調周波数で同期信号処理する同期信号処理手段、及びその同期信号処理された信号を積分する積分手段を少なくとも備えている。
【００６５】
図２１は図２０における検出素子１０１又は１０２で検出された信号がデータ処理部１０７で処理されるまでの信号処理の流れを詳細に示した図である。検出素子１０１、増幅器１０３及び電源１０５による回路構成と、検出素子１０２、増幅器１０４及び電源１０５による回路構成は同一であり、図２１のＰｂＳ素子１１１は図２０の検出素子１０１又は１０２に対応し、図２１のＰｂＳ素子バイアス回路１１０及び入力バッファ回路１１２からオペアンプ１２２までの構成部分は図２０の増幅器３又は４に対応する。ＰｂＳ素子バイアス回路１１０はＰｂＳ素子１１１に定電流を供給するために設けられている。変調光を受けたＰｂＳ素子１１１の出力電圧変動は入力バッファ回路１１２に入力される。電圧−電流変換回路１１４は入力バッファ回路１１２の出力電圧変動を抵抗素子によって電流変動に変換する。電流−電圧変換回路１１８は電圧−電流変換回路１１４による電流変動をカレントミラー回路１１６を経て入力し、抵抗素子により所定の倍率に増幅した電圧変動に変換するものである。オペアンプ１２２は電流−電圧変換回路１１８の電圧変動出力を出力バッファ回路１２０を経由して入力し、複数の異なる倍率の信号をＡ／Ｄ変換器１０６に出力し、データ処理部１０７により測定値が算出される。
【００６６】
この増幅器の各部をさらに詳細に説明する。バイアス回路１１０は定電流源として動作し、ＰｂＳ素子１１１に最大１４Ｖのバイアス電圧を供給する。バイアス回路１１０の一例は、図２２に示されるように、電流設定抵抗１３０により電流が設定されるカレントミラー定電流回路１３２であり、ＰｂＳ素子１１１に一定のバイアス電流を供給する。ＰｂＳ素子１１１に流れるバイアス電流は、例えば次の式のように電流設定抵抗Ｒｓにより設定される。
バイアス電流＝１４.０／Ｒｓ［Ａ］
ただし、Ｒｓ＞ＰｂＳ素子暗抵抗である。
【００６７】
図２１に戻って説明する。ＰｂＳ素子１１１に光が入射すると、その抵抗値が変化し、ＰｂＳ素子１１１の両端には素子の抵抗値に比例した電圧降下が起きる。
入力バッファ回路１１２はＰｂＳ素子１１１の電圧降下を入力信号とするものである。入力バッファ回路１１２の入力部はＮチャネルＦＥＴによるソースフォロワ回路、出力部はバイポーラトランジスタによるエミッタフォロワ回路となっており、増幅度＝１倍、高入力インピーダンス、低出力インピーダンス回路となっている。
【００６８】
電圧−電流変換回路１１４は固定抵抗のみで構成される。入力バッファ回路１１２の出力電圧をＶo、入力バッファ回路１１２の出力抵抗をＲio、カレントミラー回路１１６の入力抵抗をＲci、電圧−電流変換回路１１４の抵抗をＲviとすると、カレントミラー回路１１６への入力電流は以下のようになる。
カレントミラー回路入力電流＝Ｖo／(Ｒio＋Ｒvi＋Ｒci）
カレントミラー回路１１６は低入力インピーダンス、高出力インピーダンス、電流増幅度＝１倍の電流バッファとして動作する。
【００６９】
電流−電圧変換回路１１８は固定抵抗のみで構成され、カレントミラー回路１１６の出力電流をIo、出力バッファ回路１２０の入力抵抗をＲoi、電流−電圧変換回路１１８の抵抗をＲivとすると、出力バッファ回路１２０の入力電圧は以下のようになる。
出力バッファ入力電圧＝Ｉo・Ｒiv・Ｒoi／(Ｒiv＋Ｒoi）
出力バッファ回路１２０はバイポーラトランジスタによるエミッタフォロワ回路となっており、増幅度＝１倍、高入力インピーダンス、低出力インピーダンス回路となっている。
【００７０】
出力バッファからの出力を分岐して４つのオペアンプ１２２に入力する。オペアンプ１２２は非反転増幅器として用い、４つの増幅率（１，５，２５，１００倍）で出力する増幅回路を構成する。
ＤＣサーボ回路１２４は出力バッファ回路１２０に過大なＤＣオフセット及びドリフトが生じた場合に回路を構成する素子の破損を防止するために、ＤＣ領域の負帰還をかけるものである。
【００７１】
図２１に示される増幅器で、オペアンプ１２２からの出力電圧（アンプ出力電圧）は、ＰｂＳ素子１１１の抵抗Ｒdに対して以下の式で表わされる。
アンプ出力電圧
＝(Vb・Rd/Rs)×[{Riv・Roi/(Riv+Roi)}/(Rio+Rvi+Rci)]×(オペアンプ増幅度)
Ｖb：バイアス回路電圧（バイアス電流設定抵抗両端の電圧）
Ｒd：ＰｂＳ素子抵抗（Ω）
Ｒs：バイアス電流設定抵抗（Ω）
Ｒio：入力バッファ出力抵抗（Ω）
Ｒvi：電圧−電流変換抵抗（Ω）
Ｒci：カレントミラー回路入力抵抗（Ω）
Ｒiv：電流−電圧変換抵抗（Ω）
Ｒoi：出力バッファ入力抵抗（Ω）
【００７２】
通常、Ｒvi≫(Ｒio＋Ｒci)、Ｒiv≪Ｒoiであるため、アンプ出力電圧は次のようになる。
アンプ出力電圧
≒(Vb・Rd/Rs)×(Riv／Rvi)×(オペアンプ増幅度)
【００７３】
図２３にデータ処理部１０７の機能をブロック図として示す。データ処理部１０７はデータファイルに格納したＰｂＳ素子出力データに、同期信号処理を行ない、その結果をデータファイルに格納する。図２０では検出素子１０１，１０２の２系統で同様のデータ処理がなされる。
【００７４】
チャネル選択手段１４０は、測定信号と参照信号についてのそれぞれの系統で、複数のアナログ入力チャネルから、信号が飽和せず、かつ図２０に示す増幅器１０３又は１０４からの最大のアナログ入力チャネルのデータを選択し、実数に変換して指定されたバッファに格納する。チャネル選択は、１６ビット分解能のＡ／Ｄデータが”８０００Ｈ”又は”７ＦＦＦＨ”の場合にＡ／Ｄデータが飽和していると判定する。Ａ／Ｄデータの整数型から実数型への変換は以下に示す式で行なう。
実数データ
＝(整数データ)×(10.0/32768)×(補正増幅度)×(キャリブレーションデータ)
【００７５】
図２１に示すオペアンプ１２２からＡ／Ｄ変換器１０６へのアナログ入力チャネルが測定信号と参照信号の各系統でそれぞれ４チャネルずつあり、各系統でのアンプ増幅度がチャネル０で１０００００倍、チャネル１で２５０００倍、チャネル２で５０００倍、チャネル３で１０００倍とすれば、補正増幅度はそれぞれ０.０１，０.０４，０.２，１.０となる。
【００７６】
キャリブレーションデータは各入力間の増幅度の誤差を補正するものである。アンプに一定振幅の信号を入力したときのアンプの増幅度の異なる複数の出力を比較し、その結果を増幅度の異なる出力間の機差をキャリブレーションデータとして保存する機差保存手段を備えている。その機差保存手段に保存された機差によりアンプの出力を補正する増幅器出力補正手段をさらに備えている。
【００７７】
高いサンプル周波数で測定したデータはサンプリング周波数が高いため、単位時間当りのデータ量が多くなる。そこで、チャネル選択手段１４０で選択された信号から高周波成分を除去するローパスフィルタ手段１４２と、ローパスフィルタ手段１４２を経た信号列から単位数ごとに抽出した値を信号値とするデータ間引き手段１４４とを備えている。間引き処理により少ないデータ量で処理できるようになる。
【００７８】
間引き処理によって見かけのサンプリング周波数が小さくなるため、測定値の周波数スペクトルにサンプリング周波数に対応したエイリアシング・ノイズのスペクトルが重なる。Ａ／Ｄ変換直後の周波数スペクトルはサンプリング周波数Ｆsの周期でＦsの整数倍の周波数を中心として周期的に分布している。この信号に対して、例えば１／２間引きを行なうと、サンプリング周波数Ｆｓを中心としたスペクトルが、Ｆｓ／２を中心としたスペクトルに変化する。その結果、Ｆｓ／２を中心とするエイリアシング・ノイズがノイズ成分として信号帯域に現われ、Ｓ／Ｎ比を下げてしまう。間引き処理の前にローパスフィルター処理を行なうのはそれを防ぐためである。
【００７９】
間引きされたデータから信号の変調周波数成分のみを抽出するため、同期信号処理手段１４８による同期信号処理を行ない、変調周波数成分のみを精度よく抽出する。同期信号処理を行なう前に、変調周波数に通過帯域をもつバンドパスフィルタを用いることによって同期信号処理のＳ／Ｎ比の向上を図っている。
【００８０】
また、同期信号処理を行なう前には信号の周波数が変調周波数からずれることがあるので、そのずれを補正することにより同期信号処理の精度を向上させることができる。周波数ずれ補正手段１５０は、同期信号処理手段１４８に入力する信号の周波数と変調周波数とのずれを測定し、その結果に基づいて同期信号処理手段１４８の同期周波数を補正する。この補正では、入力信号が正から負、又は負から正に変化する点（ゼロクロス点）を求め、そのゼロクロス点の間隔から入力信号の周波数を求める。その周波数を局部発信周波数と決定することによって同期精度のよい同期信号処理が実現される。
同期信号処理により変調された信号から定数値（直流成分）を必要とするため、ローパスフィルタ手段１５２によって高周波成分を除去しておく。
【００８１】
ローパスフィルタ手段１５２を経たデータはデジタル積分手段１５４により積分される。積分により測定信号の振幅値が求められる。積分は、その時定数が大きいほど精度が高いが、時間がかかる。そのため、あらかじめ小さな時定数で真値に近い値で計算を収束させ、次に、その値を初期値として大きい時定数で収束させることによって、計算速度を向上させる。積分されたデータは記憶装置１５６に保存される。
【００８２】
計測器で増幅器の電源電圧を実測し、あらかじめ設定した基準電圧との比をとって補正すれば、測定値の絶対値のずれを補正することができる。そのため、アンプの電源電圧を測定し、予め設定した基準電圧との比によって測定結果を補正する測定結果補正手段をさらに備えている。
このデータ処理は、測定光と参照光についてそれぞれ独立して行われている。測定光検出信号のデータ処理結果を参照光検出信号のデータ処理結果で割算して補正することにより、測定値のドリフト成分を除去する。
【００８３】
図２４のフローチャート図により、データ処理部における動作をまとめて示す。アンプからの増幅度の異なる複数の出力をＡ／Ｄ変換し、そのうち信号が飽和せず、かつ増幅度が最大のものを選択する。その選択された信号にローパスフィルタ処理を施した後、単位数ごとに抽出した値を信号値とするデータ間引き処理を施す。間引きされたデータからランダムノイズを除去するために、バンドパスフィルタ処理を経て同期信号処理を施す。同期信号処理においては信号の周波数と変調周波数とのずれを測定して同期周波数を補正する。同期信号処理された信号からローパスフィルタ処理により高周波成分を除去した後、積分処理を施し、データを保存する。
【００８４】
【発明の効果】
本発明は、測定対象物へ光を照射する光源側では光源光学系を調整することにより音響光学素子から出射する＋１次回折光及び−１次回折光の純度を高め、音響波トランスデューサから音響光学結晶に与える音響波周波数を変化させて分光を行ない、音響波トランスデューサの駆動信号の強度変調により音響光学素子からの出力光を変調させる。その測定対象物による透過散乱光を測定光として受光し検出する検出側では測定光の変調周波数においてロックイン処理に相当する同期信号処理を施して変調周波数成分のみを精度よく抽出し、また検出信号を異なる複数の増幅度で同時に増幅し、その信号のうち飽和することなく、最大に増幅された信号を選択することによってパルスノイズの発生を抑えている。これにより、散乱性物質中の特定物質を高精度に非侵襲的に測定できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＦＴＩＲによる水の吸収スペクトルを示す図である。
【図２】一実施例を概略的に示すブロック図である。
【図３】一実施例における光源室と音響光学素子を示す概略平面図である。
【図４】光源室内の光学系を示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は正面図である。
【図５】一実施例における光源室、音響光学素子及び照射光学系を示す概略平面図である。
【図６】（Ａ）は照射光学系で用いられる分岐光ファイバの一例を示す概略正面図、（Ｂ）はその分岐した端部の端面図、（Ｃ）は合流した端部の端面図、（Ｄ）はその動作を示す略線図である。
【図７】他の実施例における音響光学素子を示す概略平面図である。
【図８】（Ａ）は一実施例における特性測定用の光学系を示す配置図、（Ｂ）は従来のＡＯＴＦ装置である分光光度計の特性測定用の光学系を示す配置図である。
【図９】図８（Ａ）の実施例の測定装置を用い、−１次回折光のみを入射させて測定したスペクトルを示す図である。
【図１０】図９のスペクトルの縦軸の感度を上げて示したものである。
【図１１】図８（Ａ）の実施例の測定装置を用い、−１次回折光と＋１次回折光の両方を入射させて測定したスペクトルを示す図である。
【図１２】図８（Ｂ）に示された従来の分光光度計の１次回折光スペクトルを示す図である。
【図１３】図１２のスペクトルの縦軸の感度を上げて示したものである。
【図１４】実施例における＋１次回折光と±１次回折光のピークエネルギーを比較して示す図である。
【図１５】実施例における＋１次回折光と比較例の１次回折光のピークエネルギーを比較して示す図である。
【図１６】実施例における±１次回折光と比較例の１次回折光のピークエネルギーを比較して示す図である。
【図１７】実施例における＋１次回折光と±１次回折光の出力光に対する１次回折光のピーク面積比を示す図である。
【図１８】実施例における＋１次回折光と比較例の１次回折光の出力光に対する１次回折光のピーク面積比を示す図である。
【図１９】実施例における±１次回折光と比較例の１次回折光の出力光に対する１次回折光のピーク面積比を示す図である。
【図２０】一実施例における光検出装置部分を概略的に示すブロック図である。
【図２１】アンプを示すブロック図である。
【図２２】ＰｂＳ素子のバイアス回路の一例を示すブロック図である。
【図２３】データ処理部の機能を示すブロック図である。
【図２４】データ処理部の動作を示すフローチャート図である。
【符号の説明】
４      音響光学素子
６      光源
８      光源の光軸
１０      前置ミラー
１２      後置ミラ−
１４      レンズ
１６，１８      ミラ−
２０      レンズ
２２，２４      １次回折光
２６      ０次光
２８，３０      プリズム
３２，３４，３６      分岐光ファイバの分岐した端部
３８      分岐光ファイバの集合端
１０１，１０２      検出素子
１０３，１０４      増幅器（アンプ）
１０５      電源
１０６      Ａ／Ｄ変換器
１０７      データ処理部（コンピュータ）
１１０      バイアス回路
１１１      ＰｂＳ素子
１１２      入力バッファ回路
１１４      電圧−電流変換回路
１１６      カレントミラー回路
１１８      電流−電圧変換回路
１２０      出力バッファ回路
１２２      オペアンプ
１２４      ＤＣサーボ回路
１３０      電流設定抵抗
１３２      カレントミラー定電流回路
１４０      チャネル選択手段
１４２      ローパスフィルタ手段
１４４      データ間引き手段
１４６      バンドパスフィルタ手段
１４８      同期信号処理手段
１５０      周波数ずれ補正手段
１５２      ローパスフィルタ手段
１５４      デジタル積分手段
１５６      記憶装置
２００      測定対象物
２０２      光源装置
２０４      光検出装置
２０６      制御部
２１４      音響光学素子駆動装置
２２０      照射光学系
２２２，２２４      光ファイバ
２３０      受光部
２４２      出力装置
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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