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分光特性测量装置以及分光特性测量方法.pdf

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分光 特性 测量 装置 以及 测量方法
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摘要
申请专利号:

CN201380011702.3

申请日:

2013.02.27

公开号:

CN104145177A

公开日:

2014.11.12

当前法律状态:

授权

有效性:

有权

法?#19978;?#24773;: 授权|||实质审查的生效IPC(主分类):G01J 3/453申请日:20130227|||公开
IPC分类号: G01J3/453; G01N21/45; G01N21/49; A61B5/145; A61B5/1455 主分类号: G01J3/453
申请人: 国立大学法人香川大学
发明人: 石丸伊知郎
地址: 日本香川县
优?#28909;ǎ?/td> 2012.02.29 JP 2012-044272
专利代理机构: ?#26412;?#26519;达刘知识产权代理事务所(普通合伙) 11277 代理人: 刘新宇
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法律状态
申请(专利)号:

CN201380011702.3

授权公告号:

||||||

法律状态公告日:

2016.07.06|||2014.12.10|||2014.11.12

法律状态类型:

授权|||实质审查的生效|||公开

摘要

本发明使从测量对象发出的测量光入射到固定反射镜部和可动反射镜部,形成被上述固定反射镜部反射的测量光与被上述可动反射镜部反射的测量光的干渉光。此时,通过使上述可动反射镜部进行移动来获得测量光的干渉光强度变化,基于该变化求出测量光的干涉图。另外,同时使作为测量光的波长频带的一部分的窄频带的波长的参考光入射到上述固定反射镜部和上述可动反射镜部,形成被该固定反射镜部反射的参考光与被该可动反射镜部反射的参考光的干涉光。此时,使上述可动反射镜部进行移动,由此基于参考光的干渉光强度变化的振幅以及上述测量光?#26800;?#21516;上述参考光相同波长的测量光与上述参考光的相位差来校正上述测量光的干涉图,基于校正后的干涉图来求出上述测量光的光谱。

权利要求书

权利要求书
1.  一种分光特性测量装置,其特征在于,具备:
a)固定反射部和可动反射部;
b)入射光学系统,其使从测量对象发出的测量光入射到上述固定反射部和上述可动反射部;
c)?#19978;?#20809;学系统,其形成被上述固定反射部反射的测量光与被上述可动反射部反射的测量光的干渉光;
d)测量光检测部,其检测上述测量光的干渉光强度;
e)处理部,其基于通过使上述可动反射部进行移动而获得的上述测量光的干渉光强度变化来求出上述测量光的干涉图;
f)参考光入射单元,其使作为上述测量光的波长频带的一部分的窄频带的波长的参考光通过上述入射光学系统入射到上述固定反射部和上述可动反射部;
g)参考光检测部,其检测被上述固定反射部反射的参考光与被上述可动反射部反射的参考光的由上述?#19978;?#20809;学系统形成的干渉光强度;以及
h)运算处理部,其基于通过使上述可动反射部进行移动而由上述参考光检测部检测出的上述参考光的干渉光强度变化的振幅、以及上述测量光?#26800;?#21516;上述参考光相同波长的测量光与上述参考光的相位差,来校正上述测量光的干涉图,基于校正后的干涉图来求出上述测量光的光谱。

2.  根据权利要求1所述的分光特性测量装置,其特征在于,上述参考光入射单元包括:
光源;以及
反射型的衍射光栅,其使从该光源射出的光的一级衍射光作为参考光入射到上述入射光学系统。

3.  根据权利要求2所述的分光特性测量装置,其特征在于,
还具备由透光性构件构成的板状的窗部,该窗部的两个面?#26800;?#19968;面是用于载置上述测量对象的载置面,另一面是光照射面,
上述衍射光栅被设置在上述光照射面的一部分区域,
上述光源对整个上述光照射面照射光,并且以使对该光照射面照射光时产生的镜面反射光入射不到上述入射光学系统的角度来对该光照射面照射光。

4.  根据权利要求1所述的分光特性测量装置,其特征在于,上述参考光入射单元包括:
光源,其射出作为上述测量光的波长频带的一部分的窄频带的光;以及
反射膜,其反射从上述光源射出的光并使该光入射到上述入射光学系统。

5.  一种分光特性测量方法,其特征在于,包括以下步骤:
a)通过入射光学系统使从测量对象发出的测量光入射到固定反射部和可动反射部;
b)形成被上述固定反射部反射的测量光与被上述可动反射部反射的测量光的干渉光;
c)基于通过使上述可动反射部进行移动而获得的上述测量光的干渉光强度变化来求出上述测量光的干涉图;
d)使作为上述测量光的波长频带的一部分的窄频带的波长的参考光通过上述入射光学系统入射到固定反射部和可动反射部;
e)对被上述固定反射部反射的参考光与被上述可动反射部反射的参考光的干渉光强度进行检测;
f)基于通过使上述可动反射部进行移动而获得的参考光的干渉光强度变化的振幅、以及上述测量光?#26800;?#21516;上述参考光相同波长的测量光与上述参考光的相位差,来校正上述测量点的干涉图,基于校正后的干涉图来求出上述测量光的光谱。

6.  根据权利要求5所述的分光特性测量方法,其特征在于,
使通过对衍射光栅照射来自光源的光而在该衍射光栅产生的一级衍射光作为参考光入射到上述入射光学系统。

7.  根据权利要求6所述的分光特性测量方法,其特征在于,
在窗部的光照射面的一部分区域设置上述衍射光栅,该窗部是由透光性构件构成的板状的窗部,其两个面?#26800;?#19968;面是用于载置上述测量对象的载置面,另一面是光照射面,
上述光源对整个上述光照射面照射光,并且以使对该光照射面照射光时产生的镜面反射光入射不到上述入射光学系统的角度来对该光照射面照射光。

8.  根据权利要求5所述的分光特性测量方法,其特征在于,
从光源对反射膜照射作为上述测量光的波长频带的一部分的窄频带的光,使被该反射膜反射的光作为参考光入射到上述入射光学系统。

说明书

说明书分光特性测量装置以及分光特性测量方法
?#38469;?#39046;域
本发明涉及能够非侵入地测量血糖、血?#26800;?#22266;醇等生物体成分或者用于半导体的缺陷评价的分光特性测量装置以及分光特性测量方法。
背景?#38469;?
在糖尿病、高脂血症等各种疾病中,血中葡萄糖(血糖)、血?#26800;?#22266;醇之类的血液?#26800;?#29983;物体成分的管理对于疾病的预防和治疗是重要的。然而,为了测量血液?#26800;?#29983;物体成分,通常尽管是微量的也必须抽取血液,给患者带来痛苦。另外,需要进行抽血部位的消?#23613;?#28040;耗品的处理等繁杂的作业,因此例如有意回避日常性地进行用于以预防为目的而测量生物体成分的采血。
与此相对地,提出了一种不抽取血液地测量生物体成分的非侵入的测量装置。作为其中一种测量装置,在专利文献1中记载了如下一种方法:对生物体的被检部位照射光,其结果,根据从该被检部位的内部的生物体成分发出的光(物体光)的分光特性来求出生物体成分。
在专利文献1所记载的方法中,通过利用由以光学方式构成生物体成分的各亮点所产生的物体光束的干渉现象,来求出生物体成分的干涉图,通过对该干涉图进行傅立叶变换来获取物体光的分光特性(光谱)。具体地说,将由各亮点所产生的透射光、漫射和散射光等物体光经由物镜引导到作为移相器的固定反射镜部和可动反射镜部,使从这两个反射镜部反射的物体光束在?#19978;?#38754;上发生干渉。利用压电元件等使可动反射镜部进行移动,与该可动反射镜部的移动量相应的相位差被施加于从固定反射镜部和可动反射镜部反射的物体光束,干渉光的强度随之发生变化,形成所谓的干涉图。通过对该干涉图进行傅立叶变换能够获取物体光的分光特性(光谱)。
专利文献1:日本特开2008-309707号公报
发明内容
发明要解决的问题
为了预防、治疗疾病,测量血液中含有的血糖(葡萄糖)、胆固醇等生物体成分的浓度是有效的。在预防时,这些特定成分的相对于规定群体的平均浓度值的特定个人的浓度值是有意义的,在治疗时,持续地测量患者的浓度值的变化是有效的。不论在哪一种情况下,它们的差、变化?#38469;?#32454;微的,因此需要高精度地进行浓度值的测量。
对血管照射光并对透过血管的光或者反射的光?#26800;?#30001;这些特定成分所吸收或者反射的(一个或者多个)特定波长的光的强度进行测量,由此能够求出血液?#26800;?#34880;糖(葡萄糖)、胆固醇等生物体成分的浓度值。但是,在以往的方法中,存在以下问题:由于光源光量的变化、温度和湿度等周围环境的变化、可动反射镜部的移动误差等外部干扰导致测量光的强度发生变化,不能高精度地测量特定成分的浓度。
在根据对半导体基板照射光时从该半导体基板发出的光的分光特性来检测半导体基板的细微的缺陷的情况下等也产生这种问题。
本发明所要解决的问题在于,提供能够抑制外部干扰的影响来高精度地对测量对象的分光特性进行测量的分光特性测量装置以及分光特性测量方法。
用于解决问题的方案
为?#31169;?#20915;上述问题而完成的本发明的分光特性测量装置的特征在于,具备:
a)固定反射部和可动反射部;
b)入射光学系统,其使从测量对象发出的测量光入射到上述固定反射部和上述可动反射部;
c)?#19978;?#20809;学系统,其形成被上述固定反射部反射的测量光与被上述可动反射部反射的测量光的干渉光;
d)测量光检测部,其检测上述测量光的干渉光强度;
e)处理部,其基于通过使上述可动反射部进行移动而获得的上述测量光的干渉光强度变化来求出上述测量光的干涉图;
f)参考光入射单元,其使作为上述测量光的波长频带的一部分的窄频带的波长的参考光通过上述入射光学系统入射到上述固定反射部和上述可动反射部;
g)参考光检测部,其检测被上述固定反射部反射的参考光与被上述可动反射部反射的参考光的由上述?#19978;?#20809;学系统形成的干渉光强度;以及
h)运算处理部,其基于通过使上述可动反射部进行移动而由上述参考光检测部检测出的上述参考光的干渉光强度变化的振幅、以及上述测量光?#26800;?#21516;上述参考光相同波长的测量光与上述参考光的相位差,来校正上述测量光的干涉图,基于校正后的干涉图来求出上述测量光的光谱。
在此,所谓“窄频带的波长的光”是指以峰值波长为?#34892;?#30340;±30nm的波长?#27573;?#25110;者比该波长?#27573;?#31364;的波长?#27573;?#30340;光,从半导体激光光源(激光二极管)射出的单一波长激光也符合窄频带的波长的光。
在上述结构的分光特性测量装置中,
能够使上述参考光入射单元包括:光源;以及反射型的衍射光栅,其使从该光源射出的光的一级衍射光作为参考光入射到上述入射光学系统。
并且,分光特性测量装置优选构成为还具备由透光性构件构成的板状的窗部,该窗部的两个面?#26800;?#19968;面是用于载置上述测量对象的载置面,另一面是光照射面,
上述衍射光栅被设置在上述光照射面的一部分区域,
上述光源对整个上述光照射面照射光,并且以使对该光照射面照射光时产生的镜面反射光入射不到上述入射光学系统的角度来对该光照射面照射光。
在这?#32440;?#26500;中,?#28304;?#37096;的光照射面?#26800;?#38500;衍射光栅以外的区域照射的光通过窗部到达测量对象。其结果,从测量对象发出散射光、荧光等测量光,该测量光通过窗部到达入射光学系统。另一方面,关于照射到窗部的光照射 面?#26800;?#34893;射光栅的光,由其波长、入射角以及衍射光栅的光栅周期等决定的射出角的一级衍射光作为参考光入射到入射光学系统。也就是说,能够将用于产生测量光和参考光的光源共用化,因此能够实现装置的小型化。
另外,在上述结构中,使来自光源的光照射到窗部的光照射面时产生的镜面反射光(零级光)不入射到入射光学系统,使一级衍射光作为参考光入射到入射光学系统。与镜面反射光相比一级衍射光成分的光量非常小,但与该一级衍射光同样地,从目标成分发出的散射光成分的光量也非常小,因此能够取得测量光与参考光的平衡。
另外,在上述结构的分光特性测量装置中,
还能够使上述参考光入射单元包括:光源,其射出作为上述测量光的波长频带的一部分的窄频带的光;以及
反射膜,其反射从上述光源射出的光并使该光入射到上述入射光学系统。
另外,本发明的分光特性测量方法包括以下步骤:
a)通过入射光学系统使从测量对象发出的测量光入射到固定反射部和可动反射部;
b)形成被上述固定反射部反射的测量光与被上述可动反射部反射的测量光的干渉光;
c)基于通过使上述可动反射部进行移动而获得的上述测量光的干渉光强度变化来求出上述测量光的干涉图;
d)使作为上述测量光的波长频带的一部分的窄频带的波长的参考光通过上述入射光学系统入射到固定反射部和可动反射部;
e)对被上述固定反射部反射的参考光与被上述可动反射部反射的参考光的干渉光强度进行检测;
f)基于通过使上述可动反射部进行移动而获得的参考光的干渉光强度变化的振幅、以及上述测量光?#26800;?#21516;上述参考光相同波长的测量光与上述参考光的相位差,来校正上述测量点的干涉图,基于校正后的干涉图来求出上述 测量光的光谱。
在上述生物体成分测量方法中,
?#37096;?#20197;使通过对衍射光栅照射来自光源而在该衍射光栅产生的一级衍射光作为参考光入射到上述入射光学系统。
并且,?#37096;?#20197;在窗部的光照射面的一部分区域设置上述衍射光栅,该窗部是由透光性构件构成的板状的窗部,其两个面?#26800;?#19968;面是用于载置上述测量对象的载置面,另一面是光照射面,
上述光源对整个上述光照射面照射光,并且以使对上述光照射面照射光时产生的镜面反射光入射不到上述入射光学系统的角度来对该光照射面照射光。
另外,在上述结构的分光特性测量装置中,?#37096;?#20197;从光源对反射膜照射作为上述测量光的波长频带的一部分的窄频带的光,使被该反射膜反射的光作为参考光入射到上述入射光学系统。
发明的效果
在本发明中,将从测量对象发出的散射光、荧光等测量光分割为两种光,并且对这两种测量光施加相位差,利用这两种测量光的干渉现象来求出测量光的干涉图,通过对该干涉图进行傅立叶变换来获取测量光光谱(分光特性)。例如在测量血?#20405;?#30340;情况下,测量通过对血糖(葡萄糖)照射光而产生的散射光的分光特性,由此能够非侵入地测量血液?#26800;?#34880;?#20405;?#30340;量。此时,从血糖发出的散射光非常微弱,由于可动反射部的移动误差、光源光量的变动等外部干扰导致血糖的分光特性发生变化。因此,在本发明中,与测量光同样地,通过入射光学系统使参考光入射到固定反射部和可动反射部,通过这些反射部分割为两?#22336;?#23556;光后形成干渉光,基于该干渉光强度变化的振幅和相位差来校正测量光的干涉图,因此能够高精度地求出测量光的分光特性。
附图说明
图1是表示本发明的第一实施例所涉及的血?#20405;?#20256;感器的整体结构的概 要图。
图2是表示检测部的受光面的图。
图3是干渉光强度变化以及干涉图、分光特性的说明图。
图4是从衍射光栅入射到物镜的一级衍射光的波长、衍射角的说明图。
图5是表示来自衍射光栅的一级衍射光的主视图(a)、侧视图(b)以及立体地表示一级衍射光的图(c)。
图6是表示测量光的干涉图(a)与一级衍射光的干渉光强度变化(b)的关系的图。
图7是表示测量结果的图。
图8是表示本发明的第二实施例所涉及的血?#20405;?#20256;感器所使用的窗部的立体图(a)?#36879;?#35270;图(b)。
图9是从衍射光栅的第二突条部入射到物镜的一级衍射光的波长、衍射角的说明图。
图10是表示来自衍射光栅的一级衍射光的主视图(a)和侧视图(b)。
图11是表示本发明的第三实施例所涉及的血?#20405;?#20256;感器的整体结构的概要图。
具体实施方式
下面,参照附图对将本发明应用于血?#20405;?#20256;感器的具体的实施例进行说明。
实施例1
图1示出了本实施例所涉及的血?#20405;?#20256;感器10的整体结构。血?#20405;?#20256;感器10包括:矩形箱状的外壳12;矩形板状的窗部14,其固定于该外壳12的外周侧面的一个侧面、例如上表面;以及分光测量部16,其收容在外壳12内。
外壳12例如由塑料、金属等不会使光透过的材料制成。窗部14由具有透光性的材料制成,如后所述,在其上表面载置作为测量对象的例如手的指尖。因而,窗部14的上表面成为载置面。另一方面,在位于外壳12内的窗部14的 下表面、即光照射面的局部形成有衍射光栅。在该实施例中,形成?#25628;?#30528;窗部14的相向的两条边?#30001;?#30340;两个衍射光栅20、21。在以下的说明中,将窗部14的光照射面?#26800;?#24418;成有两个衍射光栅20、21的区域也称为参考光区域,将除此以外的区域也称为测量光区域。各衍射光栅20、21均包括与两条边平?#26800;?#22810;根突条部。在本实施例中,这些突条部的间隔被设定为1.1μm。
分光测量部16由光源161、物镜162、移相器163、?#19978;?#36879;镜164、检测部165构成。在本实施例中,物镜162和?#19978;?#36879;镜164分别相当于入射光学系统和?#19978;?#20809;学系统。物镜162与窗部14的光照射面相向配置。另一方面,?#19978;?#36879;镜164被配置为使光轴与物镜162的光轴正交的朝向。
关于光源161,使用射出皮肤的透过性良好且波长为1μm左?#19994;?#36817;红外光的光源,该光源161被配置为如下朝向:当?#28304;?#37096;14的光照射面照射其射出光时,镜面反射光不会入射到物镜162,并且对上述衍射光栅20、21照射其射出光时生成的一级衍射光入射到物镜162。将来自衍射光栅20、21的一级衍射光用作参考光,因而,在本实施例中,由光源161和衍射光栅20、21构成参考光入射单元。
检测部165例如由16×16像素的二维CCD(Charge Coupled Device:电荷耦合装置)摄像机构成,被配置为使检测部165的受光面165a位于?#19978;?#36879;镜164的?#19978;?#38754;。
图2是概要地表示检测部165的受光面165a的图。此外,在?#23435;?#20102;方便,将像素数设为10×10来进行说明。如该图2所示,在检测部165的受光面165a配置有多个像素,由衍射光栅20和衍射光栅21生成的一级衍射光(参考光)分别在受光面165a?#26800;?#19978;端的20个(2×10)和下端的20个像素中?#19978;瘛?#22240;而,这些像素成为参考光检测部。此外,关于参考光检测部,?#37096;?#20197;设为除位于上端和下端的左?#20234;?#20391;的每两个像素、?#24067;?个像素以外的每16个像素。另一方面,测量光在受光面165a?#26800;?#38500;参考光检测部以外的像素中?#19978;瘛?#22240;而,这些像素成为本发明的测量光检测部。此外,实际上,测量光在位于指尖的图像F所?#38236;?#37096;分的像素中?#19978;瘢?#35813;指尖被载置在窗部14的载置面上。
另外,如后面详细地说明那样,检测部165的检测信号被输入到处理部42。处理部42根据来自检测部165的检测信号求出干涉图。利用运算处理部43在数学上对该干涉图进行傅立叶变换,其结果,获得测量光的每个波长的相对强度、即分光特性(光谱)。
移相器163配置在物镜162与?#19978;?#36879;镜164之间。移相器163由固定反射镜部31、可动反射镜部32以及使可动反射镜部32移动的驱动机构33构成。固定反射镜部31和可动反射镜部32分别相当于本发明的固定反射部和可动反射部。固定反射镜部31和可动反射镜部32均具有相对于物镜162的光轴和?#19978;?#36879;镜164的光轴倾斜45°角的矩形的反射面。两反射镜部的反射面隔开非常细小的间隙并排地配置。
驱动机构33例如由具备静电容量传感器的压电元件构成,接收来自控制部40的信号,在使反射面相对于光轴的倾斜角度维持为45°的状态下使可动反射镜部32沿箭头A方向移动。根据这样的结构,可动反射镜部32相对于固定反射镜部31的相对位置发生变化,对被固定反射镜部31反射的光束和被可动反射镜部32反射的光束之间赋予相位差。
具体地说,可动反射镜部32在物镜162或者?#19978;?#36879;镜164的光轴方向上的移动量为可动反射镜部32在箭头A方向上的移动量的另外,对固定光束与可动光束之间施加相对的相位变化的光程差为可动反射镜部32在光轴方向上的移动量的2倍。
接着,对使用上述结构的血?#20405;?#20256;感器10测量被检者的手的指尖的血液?#26800;?#34880;糖(葡萄糖)时的动作进行说明。
首先,将被检者的手的指尖载置在窗部14的载置面上。在此,不仅将指尖载置在窗部14的载置面上,而且将指尖使劲压紧到载置面上。这样,通过使劲压紧,能够在测量中将物镜162的对焦位置维持为指尖的内部的规定的位置(深度)。此外,指尖未必一定要使劲压紧,例如在对接近指尖的表面的区域的血管?#26800;?#25104;分等进行检测的情况下,?#37096;?#20197;为使指尖轻轻地搭在载置面上的程度。
在将指尖压紧于窗部14的载置面的状态下?#28304;?#37096;14的光照射面照射来自光源161的近红外光。于是,照射到窗部14的测量光区域的近红外光穿过窗部14到达指尖,透过指尖的皮肤后由于指尖内部的各种生物体成分而发生散射。由于生物体成分而发生散射的光再次经由指尖的皮肤从窗部14到达外壳12内,并入射到物镜162。
作为从指尖内部发出的测量光的散射光一边向各个方向扩散一边到达物镜162,成为平行光束并到达移相器163的固定反射镜部31和可动反射镜部32的整个表面。也就是说,散射光的一部分在固定反射镜部31的反射面上发生反射,剩余的散射光在可动反射镜部32的反射面上发生反射,并分别入射到?#19978;?#36879;镜164。此外,在以下的说明中,在固定反射镜部31处反射的散射光也称为固定散射光束,在可动反射镜部32处反射的散射光也称为可动散射光束。
入射到?#19978;?#36879;镜164的固定散射光束和可动散射光束在检测部165的受光面165a上?#19978;瘢?#24182;形成干涉图像。此时,从手的指尖的内部发出的散射光中含有各种波长的光,因此通过使可动反射镜部32移动而使可动散射光束与固定散射光束的光程差发生变化,由此获得被称为干涉图的?#19978;?#24378;度变化(干渉光强度变化)的波形,通过在数学上对该干涉图进行傅立叶变换能够获得分光特性。在图3中示出各波长的光的干渉强度变化(a)、干涉图(b)以及分光特性(c)。
另外,在本实施例的血?#20405;?#20256;感器10中,只有从指尖内部?#26800;?#20301;于物镜162的特定深度的对焦面发出的散射光在检测部165的受光面165a上?#19978;瘢?#20174;对焦面以外的位置生成的光不在检测部165的受光面165a上?#19978;瘛?#22240;而,能够获得深度仅被限定为对焦面的指尖内部的分光特性。
另一方面,照射到窗部14的参考光区域的近红外光在衍射光栅20、21处发生反射。在本实施例中,从光源161照射到窗部14的光照射面的光的镜面反射光(在图1?#24418;?#29992;附图标记“L0?#21271;硎镜?#20809;)不会入射到物镜162。与此相对地,由物镜162的数值孔径、衍射光栅20、21的光栅周期(突条部的间隔)、入 射角θin以及出射角θout决定的特定波长λ的一级衍射光入射到物镜162。
在本实施例中,如图4所示,构成为来自光源161的近红外光以入射角45deg.入射到光栅周期(突条部的间隔)d=1.1μm的衍射光栅。另外,使用了数值孔径N.A.=0.24(张角=14deg.)、焦距=20mm、透镜口径的物镜162。此时,入射到物镜162的短波长侧的最小衍射角θmin为31deg.,其波长λmin为0.566μm,长波长侧的最大衍射角θmax为59deg.,其波长λmax为0.943μm。另外,在本实施例中,作为检测部165,使用了检测波长区域为0.9μm~1.7μm的InGaAs摄像机。因而,入射到物镜162的一级衍射光?#26800;?#30001;检测部165检测的波长区域为非常狭窄的波长区域(0.9μm~0.943μm)。
另外,如图5所示,来自衍射光栅20、21的一级衍射光在衍射光栅20、21的宽度方向上扩散并到达物镜162(参照图5的(a)的主视图),在衍射光栅20、21的?#30001;?#26041;向上作为平行光束到达物镜162(参照图5的(b)的侧视图)。也就是说,如图5的(c)所示那样的四棱?#30701;?#24418;状的一级衍射光到达物镜162。其结果,入射到物镜162的一级衍射光作为具有与光源161的大小相等的宽度的带状的光而到达固定反射镜部31与可动反射镜部32的边界附近,以一部分光在固定反射镜部31的反射面上发生反射而剩余的光在可动反射镜部32的反射面上发生反射的方式入射到?#19978;?#36879;镜164。此外,在以下的说明中,将在固定反射镜部31处反射的一级衍射光也称为固定衍射光,将在可动反射镜部32处反射的一级衍射光也称为可动衍射光。
入射到?#19978;?#36879;镜164的固定衍射光和可动衍射光在检测部165的受光面165a上?#19978;瘢?#24418;成干涉图像。此时,通过使可动反射镜部32移动而使固定衍射光与可动衍射光的光程差发生变化,由此获得干渉光强度变化。如上所述,固定衍射光和可动衍射光的波长区域非常窄,可以说大致为单一波长的光,因此在此获得的干渉光强度变化的形状为单纯的余弦波。
穿过窗部14而照射到指尖的光和在衍射光栅20、21处产生一级衍射光的光是从同一光源射出的光,因此在从光源161发出的光强度产生了波动的情况下,测量光(散射光)的干渉光强度变化和一级衍射光的干渉光强度变化二 者受其影响。另外,从窗部14至检测部165的测量光和一级衍射光的光路是共用的,因此在该共用光路上发生了外部干扰的情况下,测量光的干渉光强度变化和一级衍射光的干渉光强度变化二者受到外部干扰的影响。
因此,本实施例的运算处理部43根据一级衍射光的干渉光强度变化的振幅以及该一级衍射光与同该一级衍射光相同波长的测量光的相位差来校正测量光的干涉图,对校正后的干涉图进行傅立叶变换来求出分光特性。例如如果设为获得如图6的(a)所?#38236;?#27979;量光的干涉图和如图6的(b)所?#38236;?#34893;射光的干渉光强度变化,则通过使用测量光的干涉图的干渉光强度相对于一级衍射光的干渉光强度变化的振幅的比来校正该干涉图。另外,通过使测量光的干涉图的相位偏移一级衍射光与测量光之间的相位偏移量,来校正该干涉图。由此,能够抑制光源161的光强度的波动以及光路上发生的外部干扰的影响,能够高精度地求出测量光的干涉图。
图7中示出使用本实施例的血?#20405;?#20256;感器10测量试管内的葡萄糖浓度而得到的结果。如图7所示,示出了虽然与理论值不完全一致,但吸收率依赖于浓度而变高的趋势,得到了葡萄糖浓度与吸收率的良好的相关性。另外,可知普通人的血液?#26800;?#33889;萄糖浓度大?#38469;?00mg/dl,但即使在这种低浓度下也能够检测葡萄糖浓度。
实施例2
图8示出了本发明的第二实施例所涉及的血?#20405;?#20256;感器10所使用的窗部14的结构。在该第二实施例中,与第一实施例的不同点在于:设置于窗部14的光照射面的衍射光栅20、21由与该窗部14的一边相平?#26800;?#31532;一突条部和与该突条部正交的第二突条部构成。
在本实施例中,使第一突条部的间隔(衍射周期)与上述第一实施例的衍射光栅相同。另一方面,设为第二突条部的间隔(衍射周期)d=3.9μm。物镜161的数值孔径、焦距、透镜口径以及来自光源161的近红外光对于光照射面的入射方向与第一实施例相同。因而,从第一突条部产生与第一实施例相同的一级衍射光。
另一方面,第二突条部与近红外光的入射方向平行,因此如图9所示,该近红外光以入射角0deg.入射到第二突条部。因此,在衍射光栅20、21的第二突条部以隔着入射光的方式射出左右对称的一级衍射光。具体地说,入射到物镜162的短波长侧的最小衍射角θmin为±8.3deg.,其一级衍射光的波长λmin为0.566μm,长波长侧的最大衍射角θmax为±14deg.,其一级衍射光的波长λmax为0.943μm。因而,关于第二突条部?#26800;?#19968;级衍射光,利用由检测波长区域为0.9μm~1.7μm的InGaAs摄像机构成的检测部165检测的波长?#27573;?#20026;0.9μm~0.943μm。
根据这?#32440;?#26500;,在本实施例中,如图10所示,来自衍射光栅20、21的一级衍射光向衍射光栅20、21的第一突条部和第二突条部二者?#30001;?#30340;方向扩散而到达物镜162。其结果是,入射到物镜162的一级衍射光?#26800;?#27604;第一实施例的血?#20405;?#20256;感器10宽的光到达固定反射镜部31与可动反射镜部32的边界部分。因此,易于将一级衍射光一分为二。另外,与第一实施例相比,能够使一级衍射光的光强度变强。
此外,用作参考光的一级衍射光的光强度与从测量对象发出的测量光(散射光)的光强度越接近,则越能够高精度地校正测量光的干涉图。因而,可以根据测量光的光强度来?#23454;本?#23450;衍射光栅20、21的形成区域的大小、是用一组突条部构成衍射光栅还是用?#38454;?#31361;条部构成衍射光栅。
实施例3
图11示出了本发明的第三实施例所涉及的血?#20405;?#20256;感器50。在该第三实施例中,与第一实施例的不同点在于:代替一级衍射光而将激光用作参考光。具体地说,在该血?#20405;?#20256;感器50中,在窗部14的光照射面上设置有反射膜52、53来代替衍射光栅。另外,激光光源54与光源161并排地配置在外壳12内,来自该激光光源54的光经由透镜55、反射镜56以及分束器57入射到窗部14的反射膜52。激光光源54射出作为从光源161射出的光的波长频带的一部分的窄频带的激光(单一波长激光)。
入射到反射膜52的来自激光光源54的单一波长激光被该反射膜52反射, 并入射到物镜162而被用作参考光。
另一方面,来自光源161的近红外光分别入射到反射膜53和窗部14的光照射面?#26800;?#38500;反射膜52、53以外的区域。入射到光照射面?#26800;?#38500;反射膜52、53以外的区域的来自光源161的近红外光穿过窗部14到达指尖,由于指尖内部的各种生物体成分而发生散射。该散射光作为测量光而经由指尖的皮肤从窗部14到达外壳12内,并入射到物镜162。另一方面,入射到反射膜53的来自光源161的近红外光在该反射膜53上发生反射,并入射到物镜162,被用作参考光。从反射膜53入射到物镜162的光是镜面反射光,因此与来自指尖内的散射光相比强度非常大。因此,为了取得与散射光强度的平衡,在反射膜53上安装了减光滤波器(未图示),使得对物镜162入射强度弱的反射光。此外,从激光光源54射出的激光也与散射光相匹配地被设定为?#20808;?#30340;强度。
在上述结构中,被反射膜52反射并入射到物镜162的激光和被反射膜53反射并入射到物镜162的近红外光在分别被移相器163一分为二之后,入射到?#19978;?#36879;镜164。入射到?#19978;?#36879;镜164的激光在检测部165的受光面165a上大致会聚到同一点并发生干渉。另一方面,入射到?#19978;?#36879;镜164的近红外光在检测部165的受光面165a上?#19978;瘢?#24418;成干涉图像。
此时,通过使可动反射镜部32移动,来针对作为参考光的激光和近红外光分别获得干渉光强度变化。激光是单一波长,因此与在上述第一实施例中说明的一级衍射光同样地,干渉光强度变化为単纯的余弦波。从窗部14至检测部165的测量光(散射光)和激光的光路是共用的,因此在该共用光路上发生了外部干扰的情况下,测量光和激光的干渉光强度变化二者受到外部干扰的影响。因而,在本实施例中,根据激光的干渉光强度变化的振幅以及该激光与测量光的相位差来校正测量光的干涉图。由此,能够抑制光路上的外部干扰的影响。
另一方面,与测量光(散射光)同样地,由反射膜53产生的近红外光的反射光是多波长,因此其干渉光强度变化成为干涉图。测量光和来自反射膜53的反射光均受到光源161的光强度的波动的影响。另外,测量光和来自反射 膜53的反射光的从窗部14至检测部165的光路是共用的,因此在该共用光路上发生了外部干扰的情况下,测量光和来自反射膜53的反射光二者受到外部干扰的影响。因此,在本实施例中,使用反射光的干涉图的相位和强度来校正散射光的干涉图的相位、强度。由此,能够抑制光路上的外部干扰的影响以及光源161的光的波动的影响。
这样,在本实施例中,将来自光源161的光和来自激光光源54的光二者用作参考光,因此能够更加高精度地求出测量光的干涉图。
此外,本发明并不限定于上述实施例,能够进行?#23454;?#30340;变更。例如,?#37096;?#20197;设置使物镜在光轴方向上移动的驱动机构。如果以这种方式构成,则能够变更物镜的对焦位置、即测量对象内部的测量点的深度。
本发明还能够应用于根据对半导体等基板照射光时从该基板发出的反射光(测量光)的分光特性来检测基板上是否存在细微缺陷、异物等的装置。
对于固定反射镜部和可动反射镜部,能够使用对不锈钢板的表面进行镜面?#24515;?#32780;得到的反射板、对玻璃基板的表面涂敷铝等金属膜而得到的反射板。
本发明还能够应用于如下的傅立叶变换红外分光光度计(FT-IR):使用Michelson?#36879;?#28041;仪来测量干涉图,并对该干涉图进行傅立叶变换,由此求出光谱(分光特性)。
在上述实施例中使用一种参考光来校正了干涉图,但?#37096;?#20197;使用多种参考光。
附图标记说明
10、51:血?#20405;?#20256;感器;12?#21644;?#22771;;14:窗部;16:分光测量部;161:光源;162:物镜;163:移相器;164:?#19978;?#36879;镜;165:检测部;165a:受光面;20、21:衍射光栅;31:固定反射镜部;32:可动反射镜部;33:驱动机构;40:控制部;42:处理部;43:运算处理部;52:反射膜。

关于本文
本文标题:分光特性测量装置以及分光特性测量方法.pdf
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