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Description
【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[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a measuring apparatus for optically measuring a specific substance in a scattering substance such as a liquid, food, or human body, for example, measuring glucose, hemoglobin, sugar in a fruit, etc. in blood or urine. Suitable for.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art In recent years, various optical measurements have been performed by irradiating a measurement object with light and using transmitted and scattered light of the light from the measurement object. In this specification, the term “transmitted scattered light” is used to include all the light that has entered a light scattering measurement object and then exited from the measurement object. The so-called transmitted light that exits is also used to include all the so-called reflected light that exits in the direction opposite to the incident direction.
[0003]
In these measurements, the intensity of the transmitted scattered light obtained by irradiating the measurement object is measured for each wavelength to obtain information in the measurement object. For this reason, it is necessary to spectrally divide the light irradiated on the measurement object (pre-spectral) or to spectrally disperse the transmitted scattered light (post-spectral). Various types of spectroscopic means are used. Currently used in general, FTIR (Fourier Transform Infrared Spectrometer) or a method of spectroscopically separating light of continuous wavelength by moving parts such as an optical grating increases the measurement time, and the amount of light drifts during that time. There are problems that are likely to occur and affect accuracy. Spectroscopy at a separate wavelength using a filter as a spectroscopic element or using an LD (laser diode) or LED (light emitting diode) as a light source not only increases the cost, but also increases the time required for spectroscopy. In order to convert the wavelength, it is necessary to replace hardware components such as a filter and a light source, and there is a problem that the number of components increases.
[0004]
On the other hand, as a combination of a continuous light source and a spectroscopic device, there is a spectroscopic device using an acousto-optic element (AOTF). The acoustooptic device is obtained by attaching an acoustic wave transducer to an acoustooptic crystal, and a wavelength that passes through the crystal is selected according to an acoustic wave (RF) frequency applied from the transducer to the acoustooptic crystal. The acoustooptic device does not have a mechanically movable part and can perform wavelength scanning at high speed. Spectrophotometers using acousto-optic elements are commercially available.
As a measuring method using an acousto-optic element as a spectroscopic element, for example, a method of measuring differential absorption of two wavelengths (EP401453A1) or a method of measuring a difference spectrum in a state where the blood volume of the tissue of the measurement object is different (USP5 372,135).
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, a relative measurement method such as two-wavelength measurement can measure a component with high accuracy if it is a simple system such as an aqueous solution system containing only a single component, but it can be used in many cases such as food and human bodies. For a complex system having components, it is very difficult to measure each component with high accuracy. Because if the measurement object is different, even if the change of one component is the same, the rate of change of the other component is different. It is difficult to extract. Furthermore, since it is necessary to extract a very weak signal, errors due to changes in conditions such as blood volume at the measurement site (for example, pressure, surface reflectance, path length, etc.) occur. It is also difficult to extract only the signal of the component of interest from among the signals including the.
[0006]
When measuring transmitted scattered light from a measurement sample, if the measurement light is very weak and the detection signal and the noise intensity are equal, an ordinary amplifier can obtain an output signal with a high S / N ratio. Can not. For example, FIG. 1 shows an absorption spectrum of water. As shown in the spectrum, the absorbance varies greatly depending on the spectral wavelength. In general, the detected intensity of the transmitted scattered light of a sample also varies greatly depending on the wavelength. As described above, when the measurement signal from the detector changes in a large range, in an amplifier whose amplification is kept constant, the measurement signal is taken into a computer through an A / D converter in a weak wavelength region. This may cause the measurement resolution to be lowered.
[0007]
In order to improve the purity of the spectral wavelength in the acoustooptic device, the light incident on the acoustooptic device needs to satisfy certain optical conditions. However, in the conventional spectrophotometer, the adjustment of the light beam incident on the acoustooptic device from the light source is not sufficient, the ratio of the 0th order light included in the + 1st order diffracted light or the −1st order diffracted light is large, and the purity of the spectral wavelength is sufficient. It is not very big.
In addition, the + 1st order diffracted light and the −1st order diffracted light emitted from the acoustooptic device are different in direction from the 0th order light, but are close to each other, so that the 0th order light is included in the extracted + 1st order diffracted light or −1st order diffracted light. It is easy to mix.
[0008]
In order to measure a measurement signal whose intensity changes in a large range while maintaining the resolution, the amplification degree must be switched. For example, when measuring a spectrum with a large dynamic range as shown in FIG. 1, a semiconductor relay circuit such as a multiplexer is used to increase the amplification degree of a signal having a low intensity, and the measurement value of a signal having a high intensity is not saturated. Thus, it is necessary to switch the amplification degree so as to lower the amplification degree. When performing measurement, pulse noise is generated by such a switching operation and affects the measured value, causing a measurement error.
[0009]
When amplifying a very weak signal, for example, a measurement signal voltage having a noise level slightly larger than the thermal noise of a circuit element, a feedback amplifier circuit using a transistor circuit or a differential amplifier circuit using an operational amplifier (operational amplifier) In the amplification method according to, noise is also amplified at the same time, so that it is impossible to distinguish between the measurement signal and noise. Therefore, it is necessary to have a circuit configuration that suppresses the noise generated from the circuit itself below the level of the measurement signal, and suppresses the influence from disturbance outside the device below the measurement signal level.
[0010]
The S / N ratio requires 100,000 or more. In conventional equipment, the S / N ratio in FTIR is not more than 10,000.
In order to eliminate the influence of noise (random noise) in which the frequency band is uniformly distributed, it is necessary to perform measurement value averaging processing by repeatedly performing measurement in the measurement wavelength band and performing integration processing.
Even if the measurement wavelength spans multiple wavelengths, if measurement is not performed in a short time, the measurement signal is affected by long-period fluctuation (drift).
[0011]
Accordingly, the present invention enables high-speed wavelength scanning using an acoustooptic element as a spectroscopic element in order to enable noninvasive measurement of a specific substance in a scattering substance with high accuracy. It is an object of the present invention to provide an optical measuring device that can increase the purity of a spectral wavelength and improve the measurement accuracy when measuring a weak signal.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
The optical measurement device of the present invention includes a light source device that irradiates light to a measurement object, a light detection device that receives and detects transmitted scattered light from the measurement object as measurement light, and operations of the light source device and the light detection device. And a control unit for controlling.
The light source device includes a light source, an acoustooptic element as a spectroscopic element having an acoustooptic crystal in an acoustooptic crystal, and performs spectroscopic analysis by changing an acoustic wave frequency applied to the acoustooptic crystal from the acoustooptic transducer. Acoustooptic device driving device that modulates output light of acoustooptic device by intensity modulation of drive signal, and propagation of light from light source with light flux smaller than window size of acoustooptic device and smaller than allowable angle of acoustooptic device A light source optical system that enters the acoustooptic device as a light beam having an angle, a condensing optical system that condenses the + 1st order diffracted light and the −1st order diffracted light emitted from the acoustooptic device, respectively, at spatially different positions, An irradiation optical system for irradiating the measurement object with at least one of the + 1st order diffracted light and the −1st order diffracted light collected by the optical optical system; To have.
[0013]
The photodetection device includes a detection element that outputs a signal corresponding to a change in the modulated measurement light, an amplifier that receives the output of the detection element, and outputs a plurality of signals having different amplification levels at the same time, and an amplification level of the amplifier. A / D converter that converts each of a plurality of different output signals into a digital signal and a plurality of output signals of A / D converter are input, and the value of amplifier or A / D converter is saturated among these signals Channel selection means for selecting the one having the highest amplification degree, synchronization signal processing means for superimposing the selected signal on an oscillation signal synchronized with the modulation frequency obtained by modulating the measurement light, and processing the synchronization signal And a data processing unit including an integration unit for obtaining a measurement value by signal integration.
[0014]
“Propagation angle” is the angle between the optical axis of the light beam and the direction in which the light beam in the light beam propagates through space. When the optical axis of the light beam is perpendicularly incident on the acousto-optic device, the propagation angle is acoustic. Only light rays smaller than the allowable angle of the optical element contribute to the first-order diffracted light. Therefore, the intensity of the first-order diffracted light increases as the number of light beams having a propagation angle smaller than the allowable angle of the acoustooptic element in the light beam perpendicularly incident on the acoustooptic element. Preferably, the propagation angle of all light rays incident on the acoustooptic device is smaller than the allowable angle of the acoustooptic device.
[0015]
The optical axis of the light beam incident on the acoustooptic element is preferably perpendicular to the incident surface of the acoustooptic element, but the angle formed by the light beam included in the light beam and the direction perpendicular to the incident surface of the acoustooptic element is If the condition of being smaller than the allowable angle is satisfied, the direction of the optical axis of the light beam incident on the acoustooptic element is not required to be strictly perpendicular to the incident surface of the acoustooptic element.
[0016]
The light source optical system is adjusted so that the light from the light source is incident on the acoustooptic element as a light beam having a light beam smaller than the size of the window of the acoustooptic element and having a propagation angle smaller than the allowable angle of the acoustooptic element. This increases the purity of the first-order diffracted light and increases the intensity. Further, the 0th-order light, the + 1st-order diffracted light, and the −1st-order diffracted light emitted from the acoustooptic device are condensed at spatially different positions, so that the mixing of the 0th-order light into the first-order diffracted light can be suppressed. . As a result, light having a desired wavelength can be accurately extracted from the light source.
[0017]
Wavelength scanning can be performed at high speed by performing spectroscopy by changing the acoustic wave frequency applied from the acoustic wave transducer to the acousto-optic crystal. As a result, the measurement time can be shortened, and a light amount drift within the measurement time can be suppressed.
[0018]
The output light from the acoustooptic device can be modulated by intensity modulation of the drive signal of the acoustic wave transducer. By modulating the intensity, modulation synchronization detection (detection) is possible for the detection of the optical signal. Therefore, in order to remove random noise, the output light from the acoustooptic device is modulated to modulate the measurement signal, and only the modulation frequency component is obtained by applying a synchronization signal process corresponding to the lock-in process at the modulation frequency. Extract accurately.
[0019]
The measurement accuracy is improved by manipulating the amplification degree according to the signal intensity. At that time, the signal value from the detection element is simultaneously amplified at a plurality of different amplification levels by an amplifier, the output is A / D converted, and the signal amplified to the maximum is selected without being saturated among the signals. This suppresses the generation of pulse noise that would have occurred when a switching device such as a relay circuit or a multiplexer was used.
[0020]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
An example of an optical system that adjusts the light from the light source to be incident on the acoustooptic device as a light beam having a smaller beam size than the window size of the acoustooptic device and a propagation angle smaller than the allowable angle of the acoustooptic device. A front mirror disposed in front of the optical axis of the light source and reflecting light from the light source in the direction of the acoustooptic device, and an optical system in which the mirror surface of the front mirror is in a conjugate relationship with the incident surface of the acoustooptic device. When the window size of the acousto-optic device is small, a mask is provided to reduce the luminous flux.
[0021]
A rear mirror disposed behind the light source on the optical axis and reflecting light from the light source toward the front mirror can be further provided. Thereby, the utilization efficiency of the light source energy from the light source to the acoustooptic device is increased.
A preferred example of the irradiation optical system is an optical system that synthesizes the + 1st order diffracted light and the −1st order diffracted light collected by the condensing optical system on the same optical axis and irradiates the measurement object. Thus, by using both the + 1st order diffracted light and the −1st order diffracted light, the utilization efficiency of the light source energy is increased.
[0022]
A preferable example of the irradiation optical system that combines the + 1st order diffracted light and the −1st order diffracted light on the same optical axis is a branched optical fiber having one end branched into at least two and the other end joined into one. The + 1st order diffracted light and the −1st order diffracted light collected by the optical optical system are incident on the branched ends of the branched optical fiber, and the measurement object is irradiated with the light emitted from the joined other end. . At this time, it is preferable that the end portion where the + 1st order diffracted light or the −1st order diffracted light is incident on the focal plane of the condensing optical system.
[0023]
A more preferable example of the irradiation optical system that combines the + 1st order diffracted light and the −1st order diffracted light on the same optical axis is a branched optical fiber having one end branched into three and the other end joined into one. Measurement of emitted light from the joined other end by making + 1st order diffracted light and −1st order diffracted light collected by the optical optical system incident on two of the branched ends of the branched optical fiber, respectively. The transmitted scattered light from the object is incident again on the end from which the emitted light is emitted, and is guided to the photodetector by the remaining one of the three branched ends.
Use of such a branched optical fiber simplifies the configuration.
[0024]
A plurality of acoustooptic elements having different spectral wavelength regions may be arranged in series on the optical path of the light source optical system, and one of the acoustooptic elements may be selected and driven. Thereby, the wavelength range which can be utilized spreads.
In order to obtain a more stable output result, it is preferable to receive the 0th-order light out of the output light from the acoustooptic device or the light source light from the lamp light source and correct the fluctuation of the light source intensity.
[0025]
A preferred example of an amplifier that simultaneously outputs a plurality of signals having different amplification degrees includes an input buffer circuit that inputs a modulation output of a detection element, and a voltage-current that converts an output voltage variation of the input buffer circuit into a current variation by a resistance element. A conversion circuit, a current-voltage conversion circuit that converts a current fluctuation caused by the voltage-current conversion circuit to a voltage fluctuation amplified by a predetermined factor using a resistance element, and an output buffer circuit that outputs the voltage fluctuation output of the current-voltage conversion circuit And an amplifying circuit for inputting a plurality of signals with different magnifications. The voltage-current conversion circuit and the current-voltage conversion circuit constitute a preamplifier, and the amplification circuit that outputs a plurality of signals having different magnifications constitutes a subamplifier. Amplification is determined by a combination of amplifying a signal at the time of voltage-current conversion by the preamplifier and further amplifying the signal at the time of current-voltage conversion. Then, the sub-amplifier simultaneously outputs the preamplifier signals with different amplification degrees.
[0026]
The data processing unit includes a low-pass filter unit that removes a high-frequency component unnecessary for the synchronization signal processing from the signal selected by the channel selection unit, and a signal that has passed through the low-pass filter unit, between the channel selection unit and the synchronization signal processing unit. It is preferable to further include data thinning means that uses a value extracted from the column for each unit number at regular intervals as a signal value. Since the data measured at a high sample frequency has a large Nyquist bandwidth, the characteristics of the low-pass filter for preventing aliasing noise can be moderated. When the thinning process is performed so that the data can be processed with a small amount of data, the apparent sampling frequency is reduced by the thinning process, and thus the frequency spectrum of the measurement value is overlapped. Before performing the thinning process, a low-pass filter is used to remove the influence of noise.
[0027]
It is preferable to perform band-pass filter processing having a pass band near the modulation frequency before performing synchronization signal processing.
In addition, since the frequency of the signal may deviate from the modulation frequency before the synchronization signal processing is performed, the accuracy of the synchronization signal processing can be improved by correcting the deviation. Therefore, the frequency deviation is measured by measuring the deviation between the frequency of the signal input to the synchronization signal processing means and the modulation frequency generated using the computer clock signal as a reference signal, and correcting the synchronization frequency of the synchronization signal processing means based on the result. It is preferable that correction means is further provided.
[0028]
Since the signal modulated by the synchronization signal processing has a constant value (DC component), it is preferable to remove the high frequency component by a low-pass filter. For this reason, it is preferable that a low-pass filter means for removing high-frequency components unnecessary for the synchronization signal processing is further provided between the synchronization signal processing means and the integration means.
The digital integration process is more accurate as the integration time constant is larger, but takes more time. Therefore, the calculation speed can be improved by converging the calculation with a value close to the true value with a small time constant in advance, and then converging with the large time constant as the initial value.
[0029]
When an amplifier outputs a plurality of different amplification degrees, an error occurs in the magnification between the sub-amplifiers having the respective amplification degrees. For example, an output with 100 times amplification is not necessarily exactly five times that with 20 times amplification. In order to correct the error, a fixed signal is input and a signal of each amplification degree is output. A certain output signal is used as a reference to obtain a correction data, and the correction data is used when digital processing is performed. Thus, by correcting the error between the amplification degrees, it is possible to eliminate the machine difference between the signals having different amplification degrees. Therefore, when a signal having a constant amplitude is input to the amplifier, a plurality of outputs having different amplification degrees of the amplifier are compared, and the difference storage means for storing the result as a difference between outputs having different amplification degrees, It is preferable to further include an amplifier output correcting means for correcting the output of the amplifier based on the machine difference stored in the difference storing means.
[0030]
If the power supply voltage of the amplifier is measured with a measuring instrument and corrected by taking a ratio with a preset reference voltage, the deviation of the absolute value of the measured value can be corrected. Therefore, it is preferable to further include a measurement result correction unit that measures the power supply voltage of the amplifier and corrects the measurement result based on a ratio to a preset reference voltage.
[0031]
In the present invention, when measuring light and reference light (zero-order light or light source light from an acousto-optic device) are measured simultaneously, a detecting element and an amplifier are provided for measuring light detection and reference light detection, respectively. The D converter converts both the measurement light detection signal and the reference light detection signal into digital signals, and the data processing unit performs similar data processing on the reference light detection signal, and the data processing result of the measurement light detection signal is obtained. It is preferable to divide and correct by the data processing result of the reference light detection signal.
[0032]
【Example】
FIG. 2 schematically shows an optical measuring apparatus according to an embodiment, and a
[0033]
The
[0034]
The
[0035]
The irradiation
[0036]
The optical fiber of the irradiation
[0037]
In addition, in order to receive 0th-order light out of the output light from the
[0038]
The
[0039]
When a predetermined acoustic wave frequency is given from the transducer of the
[0040]
3 to 8 show specific examples of the
[0041]
FIG. 4 shows the optical system in the
[0042]
The light from the
[0043]
For example, if the tolerance of the propagation angle is 6 °, the propagation angle of all the rays in the light beam whose optical axis is perpendicularly incident on the incident surface of the
Further, when the spot diameter of incident light on the
The
[0044]
FIG. 5 shows an example of the irradiation optical system. The
[0045]
Although the optical axes of the + 1st order diffracted light 22, the −1st order diffracted light 24, and the 0th order diffracted light 26 are spatially close to each other, the optical paths of the + 1st order diffracted light 22 and the −1st order diffracted light 24 The
[0046]
FIG. 6A shows an example of a branched optical fiber used in the irradiation
The bundle fiber diameter at the joined
[0047]
FIG. 6D is a schematic diagram thereof, and at the collecting
[0048]
FIG. 7 shows another example of an acoustooptic device.
Two
[0049]
Since the 0th-order light, the + 1st-order diffracted light, and the -1st-order diffracted light of the diffracted light generated from the
[0050]
FIG. 8 shows a measuring apparatus for comparing characteristics as light sources between the embodiment and a conventional spectrophotometer.
FIG. 8A shows the arrangement of one embodiment. The + 1st order and −1st order diffracted light from the
Only one of the + 1st order and −1st order diffracted light from the
[0051]
On the other hand, the conventional spectrophotometer shown in FIG. 8B has a photodetector inside thereof. The light emitted from the spectroscopic unit (main body) 50 enters the branched one
[0052]
FIG. 9 shows a first spectrum according to one embodiment. Using the measurement system of FIG. 8A, of the + 1st order diffracted light and the −1st order diffracted light, the −1st order diffracted light is incident on the
[0053]
FIG. 10 shows the sensitivity of the vertical axis of the spectrum of FIG. 9 increased, and it is the zero-order light component that appears as a continuous spectrum at the bottom.
[0054]
FIG. 11 shows a second spectrum according to one embodiment, which is a spectrum obtained when both the + 1st order diffracted light and the −1st order diffracted light are incident and synthesized in the measurement system of FIG. 8A. Compared with the spectrum of FIG. 9, it can be seen that the energy intensity is increased. In principle, the spectral intensity of FIG. 11 is about twice the spectral intensity of FIG.
[0055]
FIG. 12 is a spectrum according to a comparative example, and represents the first-order diffracted light spectrum of the commercially available spectrophotometer shown in FIG. 8B. As apparent from comparing the scale of the vertical axis with that of the examples of FIGS. 9 and 11, the energy intensity is small.
[0056]
FIG. 13 shows the sensitivity measured on the vertical axis of the spectrum of FIG. 12 with the same magnitude as that of the embodiment of FIG. It can also be seen that the 0th-order light is more mixed than in the example.
[0057]
FIG. 14 compares the peak energy (peak height) of the + 1st order diffracted light and the ± 1st order diffracted light in the example. The peak energy of the ± 1st order diffracted light synthesized from the + 1st order diffracted light and the −1st order diffracted light is + 1st order. It can be seen that it is about twice the peak energy of the origami.
[0058]
FIG. 15 compares the peak energy of the + 1st order diffracted light in the example and the first order diffracted light of the conventional device of the comparative example. It can be seen that the peak energy is much higher in the example than in the comparative example.
[0059]
FIG. 16 is a comparison of the ± 1st order diffracted light in the example and the peak energy of the 1st order diffracted light of the conventional device of the comparative example. It can be seen that the peak energy is higher in the example than in the comparative example.
[0060]
FIG. 17 shows the peak area ratio of the first-order diffracted light to the output light of the + 1st-order diffracted light and ± 1st-order diffracted light at each wavelength in the example. The peak area ratio of the first-order diffracted light means that the energy of the + 1st-order diffracted light and ± 1st-order diffracted light is the output light energy (all light energy output from the acoustooptic device, including ± 1st-order diffracted light and mixed 0th-order light )), The ratio of each area is shown using the area ratio. The meaning of “peak area ratio of first-order diffracted light” is the same in FIGS. 18 and 19. The purity of the first-order diffracted light is higher when both of the + 1st-order diffracted light and the −1st-order diffracted light are combined and used.
[0061]
FIG. 18 shows a comparison of the peak area ratio (purity) of the first-order diffracted light with respect to the output light, with the + 1st-order diffracted light at each wavelength in the example and the first-order diffracted light of the conventional device of the comparative example. It can be seen that the purity of the first-order diffracted light is higher in the example.
[0062]
FIG. 19 shows the peak area ratio of the first-order diffracted light to the output light of the ± first-order diffracted light at each wavelength in the example and the first-order diffracted light of the conventional device of the comparative example. It can be seen that the purity of the first-order diffracted light is higher in the example than in the comparative example.
[0063]
FIG. 20 schematically shows an example of the
[0064]
The
[0065]
FIG. 21 is a diagram showing in detail the flow of signal processing until the signal detected by the
[0066]
Each part of the amplifier will be described in more detail. The
Bias current = 14.0 / Rs [A]
However, Rs> PbS element dark resistance.
[0067]
Returning to FIG. When light enters the
The
[0068]
The voltage-current conversion circuit 114 is composed of only a fixed resistor. When the output voltage of the
Current mirror circuit input current = Vo / (Rio + Rvi + Rci)
The
[0069]
The current-
Output buffer input voltage = Io, Riv, Roi / (Riv + Roi)
The
[0070]
The output from the output buffer is branched and input to the four
The
[0071]
In the amplifier shown in FIG. 21, the output voltage (amplifier output voltage) from the
Amplifier output voltage
= (Vb ・ Rd / Rs) × [{Riv ・ Roi / (Riv + Roi)} / (Rio + Rvi + Rci)] × (op amp amplification)
Vb: bias circuit voltage (voltage across the bias current setting resistor)
Rd: PbS element resistance (Ω)
Rs: Bias current setting resistance (Ω)
Rio: Input buffer output resistance (Ω)
Rvi: Voltage-current conversion resistance (Ω)
Rci: Current mirror circuit input resistance (Ω)
Riv: Current-voltage conversion resistance (Ω)
Roi: Output buffer input resistance (Ω)
[0072]
Usually, since Rvi >> (Rio + Rci) and Riv << Roi, the amplifier output voltage is as follows.
Amplifier output voltage
≒ (Vb ・ Rd / Rs) x (Riv / Rvi) x (amplification of operational amplifier)
[0073]
FIG. 23 shows a function of the
[0074]
The
Real number data
= (Integer data) x (10.0 / 32768) x (correction gain) x (calibration data)
[0075]
There are four analog input channels from the
[0076]
The calibration data corrects an error in amplification between each input. Comparing multiple outputs with different amplifier amplification levels when a signal with a constant amplitude is input to the amplifier, equipped with machine difference storage means for storing the difference between the outputs with different amplification degrees as calibration data Yes. Amplifier output correcting means for correcting the output of the amplifier based on the machine difference stored in the machine difference storing means is further provided.
[0077]
Since data measured at a high sampling frequency has a high sampling frequency, the amount of data per unit time increases. Therefore, a low-pass filter unit 142 that removes high-frequency components from the signal selected by the
[0078]
Since the apparent sampling frequency is reduced by the thinning process, the spectrum of aliasing noise corresponding to the sampling frequency overlaps the frequency spectrum of the measurement value. The frequency spectrum immediately after the A / D conversion is periodically distributed around the frequency that is an integer multiple of Fs in the period of the sampling frequency Fs. For example, when 1/2 decimation is performed on this signal, the spectrum centered on the sampling frequency Fs changes to a spectrum centered on Fs / 2. As a result, aliasing noise centered at Fs / 2 appears in the signal band as a noise component, and the S / N ratio is lowered. The reason why low-pass filter processing is performed before thinning-out processing is to prevent this.
[0079]
In order to extract only the modulation frequency component of the signal from the thinned data, the synchronization signal processing by the synchronization signal processing means 148 is performed to extract only the modulation frequency component with high accuracy. Before the synchronization signal processing is performed, the S / N ratio of the synchronization signal processing is improved by using a bandpass filter having a pass band in the modulation frequency.
[0080]
In addition, since the frequency of the signal may deviate from the modulation frequency before the synchronization signal processing is performed, the accuracy of the synchronization signal processing can be improved by correcting the deviation. The frequency deviation correction means 150 measures the deviation between the frequency of the signal input to the synchronization signal processing means 148 and the modulation frequency, and corrects the synchronization frequency of the synchronization signal processing means 148 based on the result. In this correction, a point (zero cross point) at which the input signal changes from positive to negative or from negative to positive is obtained, and the frequency of the input signal is obtained from the interval between the zero cross points. By determining the frequency as the local transmission frequency, synchronization signal processing with high synchronization accuracy is realized.
Since a constant value (DC component) is required from the signal modulated by the synchronization signal processing, the high-frequency component is removed by the low-pass filter unit 152.
[0081]
Data that has passed through the low-pass filter unit 152 is integrated by the
[0082]
If the power supply voltage of the amplifier is measured with a measuring instrument and corrected by taking a ratio with a preset reference voltage, the deviation of the absolute value of the measured value can be corrected. Therefore, it further includes measurement result correction means for measuring the power supply voltage of the amplifier and correcting the measurement result by a ratio with a preset reference voltage.
This data processing is performed independently for the measurement light and the reference light. The drift component of the measurement value is removed by dividing and correcting the data processing result of the measurement light detection signal by the data processing result of the reference light detection signal.
[0083]
The flowchart in FIG. 24 collectively shows the operations in the data processing unit. A / D conversion is performed on a plurality of outputs having different amplification levels from the amplifier, and a signal that does not saturate and has the maximum amplification level is selected. The low-pass filter process is performed on the selected signal, and then a data thinning process is performed using the value extracted for each unit as the signal value. In order to remove random noise from the thinned data, a synchronization signal process is performed through a band pass filter process. In the synchronization signal processing, the difference between the signal frequency and the modulation frequency is measured to correct the synchronization frequency. After the high frequency component is removed from the signal subjected to the synchronization signal processing by the low-pass filter processing, the integration processing is performed and the data is stored.
[0084]
【The invention's effect】
The present invention increases the purity of the + 1st order diffracted light and the −1st order diffracted light emitted from the acoustooptic element by adjusting the light source optical system on the light source side that irradiates the measurement object with light, and the acoustic wave transducer changes to the acoustooptic crystal. Spectroscopy is performed by changing the applied acoustic wave frequency, and the output light from the acoustooptic device is modulated by intensity modulation of the drive signal of the acoustic wave transducer. On the detection side, which receives and detects transmitted scattered light from the measurement object as measurement light, it performs synchronous signal processing equivalent to lock-in processing at the modulation frequency of the measurement light to accurately extract only the modulation frequency component, and also detects the detection signal. Are simultaneously amplified at a plurality of different degrees of amplification, and generation of pulse noise is suppressed by selecting a signal amplified to the maximum without saturation. Thereby, the specific substance in the scattering substance can be measured non-invasively with high accuracy.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing an absorption spectrum of water by FTIR.
FIG. 2 is a block diagram schematically illustrating an embodiment.
FIG. 3 is a schematic plan view showing a light source chamber and an acoustooptic device in one embodiment.
4A and 4B are diagrams showing an optical system in a light source chamber, where FIG. 4A is a plan view and FIG. 4B is a front view.
FIG. 5 is a schematic plan view showing a light source chamber, an acoustooptic device, and an irradiation optical system in one embodiment.
6A is a schematic front view showing an example of a branched optical fiber used in the irradiation optical system, FIG. 6B is an end view of the branched end, and FIG. 6C is an end view of the joined end; (D) is an approximate line figure showing the operation.
FIG. 7 is a schematic plan view showing an acoustooptic device according to another embodiment.
8A is a layout diagram showing an optical system for measuring characteristics in one embodiment, and FIG. 8B is a layout chart showing an optical system for measuring characteristics of a spectrophotometer which is a conventional AOTF device.
FIG. 9 is a diagram showing a spectrum measured using the measuring apparatus of the example of FIG. 8 (A) and entering only −1st order diffracted light.
10 shows the sensitivity of the vertical axis of the spectrum in FIG. 9 increased.
FIG. 11 is a diagram showing a spectrum measured using the measuring apparatus of the example of FIG. 8A and making both −1st order diffracted light and + 1st order diffracted light incident.
FIG. 12 is a diagram showing a first-order diffracted light spectrum of the conventional spectrophotometer shown in FIG. 8 (B).
13 shows the sensitivity of the vertical axis of the spectrum of FIG. 12 increased.
FIG. 14 is a diagram comparing peak energy of + first order diffracted light and ± first order diffracted light in an example.
FIG. 15 is a diagram showing a comparison of the peak energies of the + 1st order diffracted light in the example and the 1st order diffracted light in the comparative example.
FIG. 16 is a graph showing comparison of peak energies of ± first-order diffracted light in an example and first-order diffracted light in a comparative example.
FIG. 17 is a diagram showing a peak area ratio of first-order diffracted light to output light of + 1st-order diffracted light and ± first-order diffracted light in Examples.
FIG. 18 is a diagram showing a peak area ratio of the first-order diffracted light to the output light of the + 1st-order diffracted light in the example and the first-order diffracted light in the comparative example.
FIG. 19 is a diagram showing a peak area ratio of the first-order diffracted light to the output light of the ± first-order diffracted light in the example and the first-order diffracted light in the comparative example.
FIG. 20 is a block diagram schematically showing a light detection device portion in one embodiment.
FIG. 21 is a block diagram illustrating an amplifier.
FIG. 22 is a block diagram illustrating an example of a bias circuit of a PbS element.
FIG. 23 is a block diagram illustrating functions of a data processing unit.
FIG. 24 is a flowchart showing the operation of the data processing unit.
[Explanation of symbols]
4 Acousto-optic elements
6 Light source
8 Optical axis of light source
10 Front mirror
12 Post mirror
14 Lens
16, 18 mirror
20 lenses
22, 24 1st order diffracted light
26 0th order light
28, 30 prism
32, 34, 36 Branched end of branch optical fiber
38 Collective end of branch optical fiber
101, 102 detection element
103,104 Amplifier
105 power supply
106 A / D converter
107 Data processing unit (computer)
110 Bias circuit
111 PbS element
112 Input buffer circuit
114 Voltage-current conversion circuit
116 Current mirror circuit
118 Current-voltage conversion circuit
120 output buffer circuit
122 operational amplifier
124 DC servo circuit
130 Current setting resistor
132 Current mirror constant current circuit
140 Channel selection means
142 Low-pass filter means
144 Data thinning means
146 Band pass filter means
148 Synchronization signal processing means
150 Frequency deviation correction means
152 Low-pass filter means
154 Digital integration means
156 storage device
200 Measurement object
202 Light source device
204 Photodetector
206 Control unit
214 Acousto-optic device driver
220 Irradiation optical system
222,224 optical fiber
230 Light receiver
242 output device
Claims (17)
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。A light source device that irradiates light to a measurement object, a light detection device that receives and detects transmitted scattered light from the measurement object as measurement light, and a control unit that controls operations of the light source device and the light detection device In an optical measuring device,
The light source device includes a light source, an acoustooptic element as a spectroscopic element including an acoustooptic crystal in an acoustooptic crystal, and performs spectroscopy by changing an acoustic wave frequency applied to the acoustooptic crystal from the acoustic wave transducer. An acoustooptic device driving apparatus that modulates the output light of the acoustooptic device by intensity modulation of the drive signal of the wave transducer, and the light from the light source is a light flux smaller than the window size of the acoustooptic device, and the acoustooptic device A light source optical system that is incident on the acoustooptic device as a light beam having a propagation angle smaller than an allowable angle, and the + 1st order diffracted light and the −1st order diffracted light emitted from the acoustooptic device are condensed at spatially different positions. And at least one of + 1st order diffracted light and −1st order diffracted light collected by the light collecting optical system. And an irradiation optical system for irradiating a constant object,
The light detection device includes a detection element that outputs a signal corresponding to a modulated measurement light, an amplifier that receives the output of the detection element, and outputs a plurality of signals having different amplification degrees at the same time, and the amplification degree of the amplifier A / D converter that converts a plurality of different output signals into digital signals respectively, and a plurality of output signals of the A / D converter are input, and among these signals, the amplifier or the A / D converter Channel selecting means for selecting the one having the highest amplification degree without saturation, the synchronizing signal processing means for superimposing the selected signal on the oscillation signal synchronized with the modulation frequency obtained by modulating the measuring light, and the synchronization thereof An optical measurement apparatus comprising: a data processing unit including an integration unit that obtains a measurement value by integrating a signal-processed signal.
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。As the irradiation optical system, a branched optical fiber having one end branched into at least two and the other end joined into one is used.
The + 1st order diffracted light and the −1st order diffracted light collected by the condensing optical system enter the respective branched ends of the branched optical fiber, and light emitted from the joined other end is irradiated onto the measurement object. The optical measuring device according to claim 4.
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。As the irradiation optical system, a branched optical fiber having one end branched into three and the other end joined into one is used.
The + 1st order diffracted light and the −1st order diffracted light collected by the condensing optical system are respectively incident on two of the branched three ends of the branched optical fiber, and output from the joined other end. 6. The spectral light source according to claim 5, wherein the transmitted scattered light from the object to be measured is incident on the other end portion where the light is merged and is guided to the photodetector by the remaining one of the three branched ends. apparatus.
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。The amplifier includes an input buffer circuit that inputs a modulation output of the detection element;
A voltage-current conversion circuit that converts the output voltage fluctuation of the input buffer circuit into a current fluctuation by a resistance element;
A current-voltage conversion circuit that converts a current fluctuation caused by the voltage-current conversion circuit into a voltage fluctuation amplified by a predetermined factor using a resistance element;
The optical measurement apparatus according to claim 1, further comprising: an amplification circuit that inputs a voltage fluctuation output of the current-voltage conversion circuit via an output buffer circuit and outputs a plurality of signals having different magnifications.
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