JP2017003341A - Dielectric spectroscopic apparatus - Google Patents

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To secure reproducibility of measurement and measurement accuracy even when the refraction index of fiber changes due to environmental variations.SOLUTION: With a dielectric spectroscopic apparatus for performing photoelectric conversion of a light signal into which two continuous light waves having a different frequency are synthesized to generate a terahertz wave, a delay line 20 is disposed on fiber connecting a coupler 13B with a detector 17, a phase difference detection section 22 is provided before a radiator 16 and the detector 17 to detect a phase difference in a signal output from the radiator 16 and the detector 17, and the amount of delay in the delay line 20 is adjusted based on the detected phase difference. Thus, variations in the refraction index of an optical path length can be comparable, and it becomes possible to suppress phase changes due to environmental variations, and to obtain data precisely.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、人間や動物などの血液成分の濃度を非侵襲で測定する装置に関し、特に、光電変換を利用した誘電分光装置に関する。   The present invention relates to an apparatus for noninvasively measuring the concentration of blood components such as humans and animals, and more particularly to a dielectric spectroscopic apparatus using photoelectric conversion.

高齢化が進み、成人病に対する対応が大きな課題になっている。特に血糖値などの血液検査は針による血液の採取が必要なために患者にとって大きな負担である。そのため、血液を採取しない非侵襲な成分濃度測定装置が注目されている。   As aging progresses, the response to adult diseases has become a major issue. In particular, blood tests such as blood sugar levels are a heavy burden on patients because blood collection with a needle is necessary. Therefore, a non-invasive component concentration measuring apparatus that does not collect blood has attracted attention.

非侵襲な成分濃度測定装置として、誘電分光法を用いた装置が提案されている。誘電分光法は、皮膚内に電磁波を照射し、測定対象の血液成分、例えば、グルコース分子と水の相互作用に従い、電磁波を吸収させ、電磁波の周波数に対する振幅及び位相を観測する。観測される電磁波の周波数に対する振幅及び位相から、誘電緩和スペクトルを算定する。一般的には、Ｃｏｌｅ−Ｃｏｌｅ式に基づき緩和カーブの線形結合として表現し、媒質や溶媒の複素誘電率を算定する。生体成分の計測では、例えば血液中に含まれるグルコースやコレステロール等の血液成分の量に複素誘電率は相関があり、その変化に対応した電気信号（振幅、位相）として測定される。複素誘電率変化と成分濃度との相関を予め測定することによって検量モデルを構築し、計測した誘電緩和スペクトルの変化から成分濃度の検量を行う。   An apparatus using dielectric spectroscopy has been proposed as a noninvasive component concentration measuring apparatus. Dielectric spectroscopy irradiates the skin with electromagnetic waves, absorbs the electromagnetic waves according to the interaction of blood components to be measured, for example, glucose molecules and water, and observes the amplitude and phase with respect to the frequency of the electromagnetic waves. The dielectric relaxation spectrum is calculated from the amplitude and phase with respect to the frequency of the observed electromagnetic wave. Generally, it is expressed as a linear combination of relaxation curves based on the Cole-Cole equation, and the complex dielectric constant of the medium or solvent is calculated. In the measurement of biological components, for example, the complex dielectric constant has a correlation with the amount of blood components such as glucose and cholesterol contained in blood, and is measured as an electrical signal (amplitude, phase) corresponding to the change. A calibration model is constructed by measuring the correlation between the complex dielectric constant change and the component concentration in advance, and the component concentration is calibrated from the measured change in the dielectric relaxation spectrum.

従来の測定法としては、マイクロ波からミリ波以上の周波数帯では、光電気変換（フォトミキシング）を利用した誘電分光装置がある（特許文献１参照）。特許文献１の誘電分光装置は、周波数の異なる２つの連続光波が合成された光信号を光電変換して電磁波、例えばテラヘルツ波を発生し、発生したテラヘルツ波を被測定対象物に照射し、被測定対象物を透過したテラヘルツ波を受信するとともに、２つの連続光波のうちの一方の位相を変調して合成した参照光を入力してホモダインミキシングする構成である。ホモダインミキシングする検出器には例えば、光伝導アンテナを用い、参照光の照射によりアンテナ間のコンダクタンスが参照光に含まれる２つの連続光波間の差周波数にて変調されることで実現される。従来の誘電分光装置においては、電磁波をホモダイン検波する際には、検出器でのミキシング時における２つの光路長差が一致していることが必要である。そのため、空間を伝搬するテラヘルツ波の伝搬長や光が伝搬するファイバの長さ等を調節する。   As a conventional measurement method, there is a dielectric spectroscopic device using photoelectric conversion (photomixing) in a frequency band from microwave to millimeter wave or more (see Patent Document 1). The dielectric spectroscopic device of Patent Document 1 photoelectrically converts an optical signal in which two continuous light waves having different frequencies are combined to generate an electromagnetic wave, for example, a terahertz wave, irradiates the object to be measured with the generated terahertz wave, The configuration is such that the terahertz wave transmitted through the measurement object is received and the reference light synthesized by modulating the phase of one of the two continuous light waves is input to perform homodyne mixing. For example, a detector that performs homodyne mixing uses a photoconductive antenna, and the conductance between the antennas is modulated by the difference frequency between two continuous light waves included in the reference light by irradiation with the reference light. In a conventional dielectric spectroscopic device, when homodyne detection of electromagnetic waves, it is necessary that the two optical path length differences coincide with each other when mixing with a detector. Therefore, the propagation length of the terahertz wave propagating in space, the length of the fiber through which light propagates, and the like are adjusted.

特開２０１３−３２９３３号公報JP 2013-32933 A

Andrew P. Gregory, and Robert N. Clarke, “A Review of RF and Microwave Techniques for Dielectric Measurements on Polar Liquids”, IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, August 2006, Vol. 13, No. 4, pp.727-743Andrew P. Gregory, and Robert N. Clarke, “A Review of RF and Microwave Techniques for Dielectric Measurements on Polar Liquids”, IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, August 2006, Vol. 13, No. 4, pp.727- 743 Jae-Young Kim, Ho-Jin Song, Katsuhiro Ajito, Makoto Yaita, and Naoya Kukutsu, “Continuous-Wave THz Homodyne Spectroscopy and Imaging System With Electro-Optical Phase Modulation for High Dynamic Range”, IEEE Transactions on terahertz science and technology, March 2013, Vol. 3, No. 2, pp.158-164Jae-Young Kim, Ho-Jin Song, Katsuhiro Ajito, Makoto Yaita, and Naoya Kukutsu, “Continuous-Wave THz Homodyne Spectroscopy and Imaging System With Electro-Optical Phase Modulation for High Dynamic Range”, IEEE Transactions on terahertz science and technology, March 2013, Vol. 3, No. 2, pp.158-164

しかしながら、温度等の環境変動によりファイバの屈折率が変動し、２つの光路長差が変動すると、信号の振幅・位相が不安定となり、測定再現性や測定精度が得られないという問題があった。   However, if the refractive index of the fiber fluctuates due to environmental fluctuations such as temperature, and the difference between the two optical path lengths fluctuates, there is a problem that the amplitude and phase of the signal become unstable and measurement reproducibility and measurement accuracy cannot be obtained. .

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、環境変動によりファイバの屈折率が変化する場合でも、測定の再現性や測定精度を確保することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above, and an object thereof is to ensure measurement reproducibility and measurement accuracy even when the refractive index of a fiber changes due to environmental fluctuations.

本発明に係る誘電分光装置は、第１の光信号を出力する第１の光源と、前記第１の光信号とは周波数の異なる第２の光信号を出力する第２の光源と、前記第１の光信号を分波する第１のスプリッタと、前記第２の光信号を分波する第２のスプリッタと、前記第１のスプリッタが分波した前記第１の光信号の一方の位相を電気的に変調する第１の光位相変調器と、前記第２のスプリッタが分波した前記第２の光信号の一方の位相を電気的に変調する第２の光位相変調器と、前記第１、前記第１の光信号のうちの一方と前記第２の光信号のうちの一方とを合波して第３の光信号を出力する第１のカプラと、前記第１の光信号のうちの他方と前記第２の光信号のうちの他方とを合波して第４の光信号を出力する第２のカプラと、前記第３の光信号を光電変換してミリ波又はテラヘルツ波の電磁波を発生させて被測定対象物に照射する放射器と、前記被測定対象物を透過又は反射した前記電磁波を受信し、前記電磁波と前記第４の光信号をホモダインミキシングする検出器と、前記第３の光信号もしくは前記第４の光信号が通るファイバ上又は前記被測定対象物と前記放射器及び前記検出器との間に挿入された空間遅延線と、前記放射器及び前記検出器の前段における前記第３の光信号と前記第４の光信号の位相差を検出する位相差検出部と、前記位相差検出部の出力に基づいて前記空間遅延線における遅延量を制御する制御部と、を有することを特徴とする。   The dielectric spectroscopic device according to the present invention includes a first light source that outputs a first optical signal, a second light source that outputs a second optical signal having a frequency different from that of the first optical signal, and the first light signal. A first splitter for demultiplexing one optical signal, a second splitter for demultiplexing the second optical signal, and one phase of the first optical signal demultiplexed by the first splitter. A first optical phase modulator that modulates electrically; a second optical phase modulator that electrically modulates one phase of the second optical signal demultiplexed by the second splitter; 1. A first coupler that combines one of the first optical signals and one of the second optical signals to output a third optical signal; and A second coupler that combines the other of the second optical signals with the other of the second optical signals and outputs a fourth optical signal; and A radiator that generates electromagnetic waves of millimeter waves or terahertz waves by electrical conversion and irradiates the object to be measured; receives the electromagnetic waves that are transmitted or reflected by the object to be measured; and receives the electromagnetic waves and the fourth light. A detector for homodyne mixing of signals, and a spatial delay line inserted on a fiber through which the third optical signal or the fourth optical signal passes or between the object to be measured and the radiator and the detector A phase difference detection unit for detecting a phase difference between the third optical signal and the fourth optical signal in the previous stage of the radiator and the detector, and the spatial delay based on the output of the phase difference detection unit And a control unit for controlling a delay amount in the line.

上記誘電分光装置において、前記位相差検出部は、前記第３の光信号を分波する第３のスプリッタと、前記第４の光信号を分波する第４のスプリッタと、前記第３、第４のスプリッタから前記第３、第４の光信号を入力し、前記第１の光信号の成分を合波する第３のカプラと、前記第３、第４のスプリッタから前記第３、第４の光信号を入力し、前記第２の光信号の成分を合波する第４のカプラと、前記第３のカプラで合波された前記第１の光信号の成分の位相差を検出する第１の光検出部と、前記第４のカプラで合波された前記第２の光信号の成分の位相差を検出する第２の光検出部と、前記第１、第２の光検出部それぞれの出力を比較する演算部と、を有することを特徴する。   In the dielectric spectroscopic device, the phase difference detection unit includes a third splitter for demultiplexing the third optical signal, a fourth splitter for demultiplexing the fourth optical signal, and the third and second A third coupler that inputs the third and fourth optical signals from the four splitters and combines the components of the first optical signal; and the third and fourth splitters from the third and fourth splitters. And a fourth coupler that multiplexes the components of the second optical signal and a phase difference between the components of the first optical signal that are combined by the third coupler. 1 photodetection unit, a second photodetection unit that detects a phase difference between the components of the second optical signal multiplexed by the fourth coupler, and the first and second photodetection units, respectively. And an arithmetic unit for comparing the outputs of the two.

本発明によれば、環境変動によりファイバの屈折率が変化する場合でも、測定の再現性や測定精度を確保することができる。   According to the present invention, measurement reproducibility and measurement accuracy can be ensured even when the refractive index of the fiber changes due to environmental fluctuations.

本実施の形態における誘電分光装置の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the dielectric spectroscopy apparatus in this Embodiment. 位相差検出部の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of a phase difference detection part. 本実施の形態における別の誘電分光装置の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of another dielectric spectroscopy apparatus in this Embodiment. 誘電分光センサの測定系を示す図である。It is a figure which shows the measurement system of a dielectric spectroscopy sensor. 別の誘電分光センサの測定系を示す図である。It is a figure which shows the measurement system of another dielectric spectroscopy sensor.

図１は、本実施の形態における誘電分光装置の構成を示すブロック図である。   FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a dielectric spectroscopic apparatus according to the present embodiment.

図１に示す誘電分光装置は、連続波光源１１Ａ，１１Ｂ、スプリッタ１２Ａ，１２Ｂ、カプラ１３Ａ，１３Ｂ、位相変調器１４Ａ，１４Ｂ、発振器１５、放射器１６、検出器１７、ロックインアンプ１８、およびモニタ１９を備え、さらに遅延線２０、スプリッタ２１Ａ，２１Ｂ、位相差検出部２２、および制御部２３を備える。   The dielectric spectroscopic apparatus shown in FIG. 1 includes continuous wave light sources 11A and 11B, splitters 12A and 12B, couplers 13A and 13B, phase modulators 14A and 14B, an oscillator 15, a radiator 16, a detector 17, a lock-in amplifier 18, and A monitor 19 is provided, and further a delay line 20, splitters 21 </ b> A and 21 </ b> B, a phase difference detection unit 22, and a control unit 23 are provided.

連続波光源１１Ａ，１１Ｂは、周波数が互いに異なる連続波光信号を出力する。以下の説明では、連続波光源１１Ａから出力された周波数ｆ１の連続波光信号を第１光信号、連続波光源１１Ｂから出力された周波数ｆ２の連続波光信号を第２光信号とする。   The continuous wave light sources 11A and 11B output continuous wave optical signals having different frequencies. In the following description, the continuous wave optical signal with the frequency f1 output from the continuous wave light source 11A is the first optical signal, and the continuous wave optical signal with the frequency f2 output from the continuous wave light source 11B is the second optical signal.

スプリッタ１２Ａは、第１光信号を２つに分波し、スプリッタ１２Ｂは、第２光信号を２つに分波する。   The splitter 12A demultiplexes the first optical signal into two, and the splitter 12B demultiplexes the second optical signal into two.

カプラ１３Ａは、スプリッタ１２Ａで分波された第１光信号とスプリッタ１２Ｂで分波された第２光信号とを合波する。カプラ１３Ａで合波された光信号はファイバを通って放射器１６に入力される。   The coupler 13A combines the first optical signal demultiplexed by the splitter 12A and the second optical signal demultiplexed by the splitter 12B. The optical signal combined by the coupler 13A is input to the radiator 16 through the fiber.

放射器１６は、カプラ１３Ａで合波された光信号を光電変換し、第１光信号と第２光信号の周波数差に一致する周波数の電磁波（ミリ波又はテラヘルツ波）を発生する。放射器１６としては、例えば単一走行キャリア・フォトダイオード（ＵＴＣ−ＰＤ：Ｕｎｉ−Ｔｒａｖｅｌｉｎｇ−Ｃａｒｒｉｅｒ Ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ）を利用できる。   The radiator 16 photoelectrically converts the optical signal combined by the coupler 13A, and generates an electromagnetic wave (millimeter wave or terahertz wave) having a frequency matching the frequency difference between the first optical signal and the second optical signal. As the radiator 16, for example, a single traveling carrier photodiode (UTC-PD) can be used.

位相変調器１４Ａ，１４Ｂは、制御信号により電気的に位相変調が可能な電気光学結晶を用いた位相変調器である。位相変調器１４Ａはスプリッタ１２Ａとカプラ１３Ｂの間に配置され、位相変調器１４Ｂはスプリッタ１２Ｂとカプラ１３Ａの間に配置される。位相変調器１４Ａ，１４Ｂに、発振器１５からの単一周波数ｆの制御信号を印加してセロダイン位相変調を行い、変調周波数ｆと同等の周波数シフトを光信号に生じさせる。位相変調器１４Ａは、スプリッタ１２Ａで分波した第１光信号のいずれか一方の位相を変調する位置に配置する。スプリッタ１２Ａとカプラ１３Ａの間に配置してもよい。位相変調器１４Ｂは、スプリッタ１２Ｂで分波した第２光信号のいずれか一方の位相を変調する位置に配置する。スプリッタ１２Ｂとカプラ１３Ａの間に配置してもよい。   The phase modulators 14A and 14B are phase modulators using an electro-optic crystal that can be electrically phase-modulated by a control signal. The phase modulator 14A is disposed between the splitter 12A and the coupler 13B, and the phase modulator 14B is disposed between the splitter 12B and the coupler 13A. A control signal having a single frequency f from the oscillator 15 is applied to the phase modulators 14A and 14B to perform serodyne phase modulation, and a frequency shift equivalent to the modulation frequency f is generated in the optical signal. The phase modulator 14A is disposed at a position for modulating one of the phases of the first optical signal demultiplexed by the splitter 12A. You may arrange | position between the splitter 12A and the coupler 13A. The phase modulator 14B is arranged at a position where one of the phases of the second optical signal demultiplexed by the splitter 12B is modulated. You may arrange | position between the splitter 12B and the coupler 13A.

カプラ１３Ｂは、位相変調器１４Ａ，１４Ｂのそれぞれで位相変調された第１光信号と第２光信号とを合波する。   The coupler 13B combines the first optical signal and the second optical signal that have been phase-modulated by the phase modulators 14A and 14B, respectively.

遅延線２０は、カプラ１３Ｂと検出器１７とを結ぶファイバ上に配置され、カプラ１３Ｂで合波された参照光は遅延線２０を通って検出器１７に入力される。遅延線２０は、ファイバ端にレンズコリメータを接続し、２つのレンズを対向させ、平行光を伝搬させることで低損失で実現できる。カプラ１３Ａと放射器１６との間に遅延線２０を配置してもよい。   The delay line 20 is arranged on a fiber connecting the coupler 13B and the detector 17, and the reference light combined by the coupler 13B is input to the detector 17 through the delay line 20. The delay line 20 can be realized with low loss by connecting a lens collimator to the fiber end, making two lenses face each other, and propagating parallel light. The delay line 20 may be disposed between the coupler 13A and the radiator 16.

検出器１７は、カプラ１３Ｂで合波された参照光を照射されるとともに、放射器１６から放射されてサンプル１００を透過した電磁波を受信し、電磁波と参照光をホモダインミキシングして周波数ｆの電気信号を出力する。検出器１７は、アンテナ付きＳＢＤ（ショットキー・バリア・ダイオード）で構成されるＴＨｚミキサと、アンテナ付きＵＴＣ−ＰＤで構成されるフォトミキサと、光ファイバとを同一パッケージに実装することで実現できる。検出器１７には、光伝導アンテナ（ＰＣＡ：Ｐｈｏｔｏ−Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ Ａｎｔｅｎｎａ）を用いてもよい。光伝導アンテナでは、参照光の照射によりアンテナ間のコンダクタンスが参照光に含まれる２つの連続波光信号間の差周波数にて変調されることで実現される。   The detector 17 is irradiated with the reference light combined by the coupler 13B, receives the electromagnetic wave radiated from the radiator 16 and transmitted through the sample 100, and performs homodyne mixing of the electromagnetic wave and the reference light to generate an electric frequency f. Output a signal. The detector 17 can be realized by mounting a THz mixer composed of an SBD (Schottky barrier diode) with an antenna, a photomixer composed of an UTC-PD with an antenna, and an optical fiber in the same package. . The detector 17 may be a photoconductive antenna (PCA: Photo-Conductive Antenna). In the photoconductive antenna, the conductance between the antennas is modulated by the difference frequency between two continuous wave optical signals included in the reference light by irradiation of the reference light.

ロックインアンプ１８は、検出器１７が出力する電気信号を同期検波して振幅及び位相を検出し、モニタ１９は、ロックインアンプ１８が検出した振幅及び位相を処理する。   The lock-in amplifier 18 detects the amplitude and phase by synchronously detecting the electrical signal output from the detector 17, and the monitor 19 processes the amplitude and phase detected by the lock-in amplifier 18.

位相差検出部２２は、放射器１６と検出器１７の直前に設けたスプリッタ２１Ａ，２１Ｂのそれぞれで分波された光信号を入力し、遅延線２０の長さを調節するための補正値を算出する。位相差検出部２２の詳細については後述する。   The phase difference detection unit 22 receives the optical signals demultiplexed by the splitters 21 </ b> A and 21 </ b> B provided immediately before the radiator 16 and the detector 17, and sets a correction value for adjusting the length of the delay line 20. calculate. Details of the phase difference detection unit 22 will be described later.

制御部２３は、位相差検出部２２の算出した補正値に基づいて遅延線２０の長さを調節する。   The control unit 23 adjusts the length of the delay line 20 based on the correction value calculated by the phase difference detection unit 22.

テラヘルツ波帯では、放物面鏡３１Ａ，３１Ｂを用いた擬似光学系によるフリースペース法により、テラヘルツ波を測定対象であるサンプル１００に照射し、透過信号から複素誘電率を計測する。放物面鏡３１Ａ，３１Ｂを利用した場合は、レンズを利用するのに比べてレンズ内の多重反射が生じないので測定値が安定する。   In the terahertz wave band, the complex dielectric constant is measured from the transmitted signal by irradiating the sample 100 as a measurement target with a terahertz wave by a free space method using a pseudo optical system using parabolic mirrors 31A and 31B. When the parabolic mirrors 31A and 31B are used, since the multiple reflection in the lens does not occur as compared with the case where the lens is used, the measurement value is stabilized.

ここで温度変化による影響について説明する。   Here, the effect of temperature change will be described.

従来の誘電分光装置においては、電磁波をホモダイン検波する際に、検出器でのミキシング時における２つの光路長差が一致するように光が伝搬するファイバの長さ等を予め調整する。本実施の形態では、カプラ１３Ａから放射器１６までのファイバと、カプラ１３Ｂから検出器１７までのファイバとを同等の遅延長とし、さらにカプラ１３Ｂと検出器１７の間に、放射器１６から検出器１７に出射されるテラヘルツ波の空間伝搬長と同等の長さ（遅延長）を有する遅延線２０を備える。   In the conventional dielectric spectroscopic apparatus, when homodyne detection of electromagnetic waves, the length of the fiber through which light propagates is adjusted in advance so that the two optical path length differences at the time of mixing at the detector coincide. In the present embodiment, the fiber from the coupler 13A to the radiator 16 and the fiber from the coupler 13B to the detector 17 have the same delay length, and further, the detection from the radiator 16 is performed between the coupler 13B and the detector 17. A delay line 20 having a length (delay length) equivalent to the spatial propagation length of the terahertz wave emitted to the device 17 is provided.

ファイバの屈折率温度係数ｄｎｓ／ｄＴは６．６×１０^−６／℃であり、空気の屈折率温度係数ｄｎａ／ｄＴは−１．４×１０^−７／℃である。カプラ１３Ａから放射器１６までのファイバの長さをＬ_１、カプラ１３Ｂから検出器１７までのファイバの長さをＬ_２とする。テラヘルツ波の空間伝搬長をＬ_３とする。ホモダイン検波の条件として２つの光路長差を合わせると、それぞれの長さは以下となる。 The refractive index temperature coefficient dns / dT of the fiber is 6.6 × 10 ⁻⁶ / ° C., and the refractive index temperature coefficient dna / dT of air is −1.4 × 10 ⁻⁷ / ° C. The length of the fiber from coupler 13A to the radiator 16 _{L 1,} the length of the fiber from coupler 13B to the detector 17 and _{L 2.} The space propagation length of the terahertz wave and L _3. When the two optical path length differences are combined as the homodyne detection conditions, the respective lengths are as follows.

ｎ_ｓＬ_１＋Ｌ_３＝ｎ_ｓＬ_２
ここで、ｎ_ｓはファイバコアの屈折率１．４である。空気の屈折率は１である。 n _s L ₁ + L ₃ = n _s L ₂
Here, _ns is the refractive index of the fiber core 1.4. The refractive index of air is 1.

温度変化をΔＴとすると、光路長差ΔＬは以下の式で表すことができる。   If the temperature change is ΔT, the optical path length difference ΔL can be expressed by the following equation.

ΔＬ＝（Ｌ_１−Ｌ_２）（ｄｎｓ／ｄＴ）ΔＴ＋Ｌ_３（ｄｎａ／ｄＴ）ΔＴ ΔL = (L ₁ −L ₂ ) (dns / dT) ΔT + L ₃ (dna / dT) ΔT

遅延差Δτは以下となる。   The delay difference Δτ is as follows.

Δτ＝２πΔＬ／λ
ここで、λはテラヘルツ波の波長である。例えば、Ｌ_１−Ｌ_２＝２０ｃｍ、Ｌ_３＝２８ｃｍとし、ΔＴ＝１℃の変化が生じた場合、テラヘルツ波の波長λは、１ＴＨｚのときにλ＝０．３ｍｍであるので、遅延差Δτ＝０．０３ｒａｄ＝１．８度の温度に付随する位相信号の変動が生じる。 Δτ = 2πΔL / λ
Here, λ is the wavelength of the terahertz wave. For example, when L ₁ −L ₂ = 20 cm and L ₃ = 28 cm and a change of ΔT = 1 ° C. occurs, the wavelength λ of the terahertz wave is λ = 0.3 mm at 1 THz, so the delay difference Δτ = 0.03 rad = 1.8 degrees of phase signal variation associated with a temperature.

次に、位相差検出部について説明する。   Next, the phase difference detection unit will be described.

図２は、位相差検出部の構成を示すブロック図である。同図に示す位相差検出部２２は、スプリッタ２２１Ａ，２２１Ｂ、カプラ２２２Ａ，２２２Ｂ、光検出器２２３Ａ，２２３Ｂ、および演算器２２４を備える。   FIG. 2 is a block diagram illustrating a configuration of the phase difference detection unit. The phase difference detector 22 shown in the figure includes splitters 221A and 221B, couplers 222A and 222B, photodetectors 223A and 223B, and a calculator 224.

放射器１６から出力される信号の位相は、２つの連続波光信号（位相をΦ１、Φ２とする）の位相差により、遅延時間Φｂ１とすると、Φｂ１＝Φ１−Φ２である。同様に、検出器１７から出力される検出信号の位相は、２つの連続波光信号（位相をΦ１’、Φ２’とする）の位相差により、遅延時間Φｂ２とすると、Φｂ２＝Φ１’−Φ２’である。したがって、Φｂ２−Φｂ１＝Φ１’−Φ２’−（Φ１−Φ２）となる。   The phase of the signal output from the radiator 16 is Φb1 = Φ1−Φ2 when the delay time is Φb1 due to the phase difference between two continuous wave optical signals (phases are Φ1 and Φ2). Similarly, the phase of the detection signal output from the detector 17 is Φb2 = Φ1′−Φ2 ′, assuming that the delay time is Φb2 due to the phase difference between two continuous wave optical signals (the phases are Φ1 ′ and Φ2 ′). It is. Accordingly, Φb2−Φb1 = Φ1′−Φ2 ′ − (Φ1−Φ2).

連続波光源１１Ａが出力する連続波光信号の波長をλ１、連続波光源１１Ｂが出力する連続波光信号の波長をλ２、位相変調器１４Ａにより周波数変調した波長をλ１’、位相変調器１４Ｂにより周波数変調した波長をλ２’とする。放射器１６の直前に配置されたスプリッタ２１Ａからスプリッタ２２１Ａに到達する光信号は、波長λ１と波長λ２の連続波光信号であり、検出器１７の直前に配置されたスプリッタ２１Ｂからスプリッタ２２１Ｂに到達する光信号は、波長λ１’と波長λ２’の連続波光信号である。   The wavelength of the continuous wave optical signal output from the continuous wave light source 11A is λ1, the wavelength of the continuous wave optical signal output from the continuous wave light source 11B is λ2, the wavelength modulated by the phase modulator 14A is λ1 ′, and the frequency is modulated by the phase modulator 14B. The obtained wavelength is λ2 ′. The optical signal reaching the splitter 221A from the splitter 21A disposed immediately before the radiator 16 is a continuous wave optical signal having the wavelengths λ1 and λ2, and reaches the splitter 221B from the splitter 21B disposed immediately before the detector 17. The optical signal is a continuous wave optical signal having a wavelength λ1 ′ and a wavelength λ2 ′.

カプラ２２２Ａにおいて、スプリッタ２２１Ａ，２２１Ｂで分波された連続波光源１１Ａから出力された連続波光信号（波長λ１と波長λ１’）を合波して光検出器２２３Ａに入射し、光検出器２２３Ａでフォトミキシングを行い、位相変調周波数ｆに相当する信号をロックインアンプ等により検出することで、２つの連続波光信号の位相差ΔΦ１＝Φ１’−Φ１を検出する。また、カプラ２２２Ｂにおいて、スプリッタ２２１Ａ，２２１Ｂで分波された連続波光源１１Ｂから出力された連続波光信号（波長λ２と波長λ２’）を合波して光検出器２２３Ｂに入射し、光検出器２２３Ｂでフォトミキシングを行い、同様に２つの連続波光信号の位相差ΔΦ２＝Φ２’−Φ２を検出する。位相差の検出には、連続波光源１１Ａ、１１Ｂが入力したスプリッタ１２Ａ，１２Ｂの後のいずれか一方のアームに少なくとも位相変調器を備える必要がある。   In the coupler 222A, the continuous wave optical signals (wavelength λ1 and wavelength λ1 ′) output from the continuous wave light source 11A demultiplexed by the splitters 221A and 221B are combined and incident on the photodetector 223A. By performing photomixing and detecting a signal corresponding to the phase modulation frequency f by a lock-in amplifier or the like, the phase difference ΔΦ1 = Φ1′−Φ1 between the two continuous wave optical signals is detected. In the coupler 222B, the continuous wave optical signals (wavelength λ2 and wavelength λ2 ′) output from the continuous wave light source 11B demultiplexed by the splitters 221A and 221B are combined and incident on the photodetector 223B. Photomixing is performed at 223B, and similarly the phase difference ΔΦ2 = Φ2′−Φ2 between the two continuous wave optical signals is detected. In order to detect the phase difference, it is necessary to provide at least a phase modulator in one of the arms after the splitters 12A and 12B input by the continuous wave light sources 11A and 11B.

演算器２２４は、光検出器２２３Ａ，２２３Ｂのそれぞれが出力する位相差ΔΦ１と位相差ΔΦ２を比較してΦｂ２−Φｂ１を求める。   The computing unit 224 compares the phase difference ΔΦ1 output from each of the photodetectors 223A and 223B with the phase difference ΔΦ2 to obtain Φb2-Φb1.

制御部２３は、ΔＬ＝λｂ×（Φｂ２−Φｂ１）／２πとして、遅延線２０の長さＬ_４を増減させる。ここで、波長λｂ＝ｃ／（ｆ２−ｆ１）は差周波信号の波長であり、ｃは光速である。 The controller 23 increases or decreases the length L ₄ of the delay line 20 as ΔL = λb × (Φb2−Φb1) / 2π. Here, the wavelength λb = c / (f2−f1) is the wavelength of the difference frequency signal, and c is the speed of light.

制御部２３が遅延線２０の長さＬ_４を調整することで、遅延差Δτ≒０とすることができ、ファイバの温度分布差による微小な変化を低減することができる。 By controlling unit 23 adjusts the length L ₄ of the delay line 20 may be a delay difference .DELTA..tau ≒ 0, it is possible to reduce a minute change due to difference in temperature distribution of the fiber.

次に、本実施の形態の別の誘電分光装置について説明する。   Next, another dielectric spectroscopic device of the present embodiment will be described.

図３は、本実施の形態における別の誘電分光装置の構成を示すブロック図である。   FIG. 3 is a block diagram showing the configuration of another dielectric spectroscopic apparatus according to the present embodiment.

同図に示す誘電分光装置は、図１に比べ、放物面鏡３１Ａ〜３１Ｄを２枚追加し、放射器１６、検出器１７、および放物面鏡３１Ａ，３１Ｄを固定したステージ２４を備え、制御部２３がステージ２４を制御して図上の左右に移動させる点で異なる。図３の誘電分光装置ではファイバに遅延線２０を備えていない。図３の構成においても、図１と同様に、遅延線２０を備えてもよい。また、図３の誘電分光装置では、位相変調器１４Ａをスプリッタ１２Ａとカプラ１３Ａの間に配置した。   Compared to FIG. 1, the dielectric spectroscopic apparatus shown in FIG. 2 includes two parabolic mirrors 31A to 31D, a radiator 16, a detector 17, and a stage 24 to which the parabolic mirrors 31A and 31D are fixed. The control unit 23 is different in that the stage 24 is controlled to move left and right in the drawing. The dielectric spectroscopic apparatus of FIG. 3 does not include the delay line 20 in the fiber. In the configuration of FIG. 3 as well, the delay line 20 may be provided as in FIG. In the dielectric spectroscopic apparatus of FIG. 3, the phase modulator 14A is disposed between the splitter 12A and the coupler 13A.

図３の誘電分光装置では、放物面鏡３１Ａ，３１Ｂ間と放物面鏡３１Ｃ，３１Ｄ間とでテラヘルツ波が平行に進む区間を遅延量が調整可能な空間遅延線とすることで、テラヘルツ波の振幅の低下を防ぐことができる。制御部２３が、放射器１６と検出器１７に入力される光信号の位相差を検出する位相差検出部２２の出力に基づいてステージ２４を制御し、放物面鏡３１Ａ，３１Ｂ間の距離及び放物面鏡３１Ｃ，３１Ｄ間の距離を調整することで、温度等の環境変動による光ファイバの屈折率変化をキャンセルすることができ、測定の再現性や測定精度を確保することが可能となる。例えば、テラヘルツ波の波長λは、１ＴＨｚのときにλ＝０．３ｍｍであるので、位相差１０°に対するステージの変化量は８ミクロンである。なお、放物面鏡３１Ｂ，３１Ｃとサンプル１００をステージ２４に固定して放物面鏡３１Ａ，３１Ｂ間と放物面鏡３１Ｃ，３１Ｄ間の距離を制御してもよい。   In the dielectric spectroscopic apparatus of FIG. 3, a section in which the terahertz wave travels in parallel between the parabolic mirrors 31 </ b> A and 31 </ b> B and between the parabolic mirrors 31 </ b> C and 31 </ b> D is a spatial delay line whose delay amount can be adjusted. A decrease in wave amplitude can be prevented. The control unit 23 controls the stage 24 based on the output of the phase difference detection unit 22 that detects the phase difference between the optical signals input to the radiator 16 and the detector 17, and the distance between the parabolic mirrors 31A and 31B. In addition, by adjusting the distance between the parabolic mirrors 31C and 31D, it is possible to cancel the change in the refractive index of the optical fiber due to environmental fluctuations such as temperature, and to ensure measurement reproducibility and measurement accuracy. Become. For example, since the wavelength λ of the terahertz wave is λ = 0.3 mm at 1 THz, the change amount of the stage with respect to the phase difference of 10 ° is 8 microns. In addition, the parabolic mirrors 31B and 31C and the sample 100 may be fixed to the stage 24, and the distance between the parabolic mirrors 31A and 31B and the parabolic mirrors 31C and 31D may be controlled.

次に、集束レンズを用いた誘電分光センサの測定系について説明する。   Next, a measurement system of a dielectric spectroscopic sensor using a focusing lens will be described.

図４は、本実施の形態の誘電分光センサの測定系を示す図である。図４の例では、誘電分光センサの測定系に透過型の配置をして、グルコース等の水溶液や油等の液体を透過した透過信号の振幅、位相を測定する。放射器１６から放射されたテラヘルツ波は、レンズ５１を通過し、固定治具５４に保持された誘電率測定用セル５３のサンプルセルに入射する。サンプルセルのサイズは、例えば、ビームサイズ以上として数ミリ×数ミリ角以上である。サンプルを固定する窓板５２の材料は、高抵抗Ｓｉ，Ｚカット水晶、ＨＤＰＥ、ＴＰＸ、Ｔｓｕｒｕｐｉｃａ等を用いてもよく、測定周波数に応じて透過率の高い材料を選択する。サンプルセルを通過したテラヘルツ波は、レンズ５１を通過し、検出器１７で受信される。なお、サンプルセルは、インレットとアウトレットを備えるフローセル構成としてもよい。また、固体を測定してもよい。   FIG. 4 is a diagram showing a measurement system of the dielectric spectroscopic sensor of the present embodiment. In the example of FIG. 4, a transmission type is disposed in the measurement system of the dielectric spectroscopic sensor, and the amplitude and phase of a transmission signal that has passed through an aqueous solution such as glucose or a liquid such as oil are measured. The terahertz wave radiated from the radiator 16 passes through the lens 51 and enters the sample cell of the dielectric constant measurement cell 53 held by the fixing jig 54. The size of the sample cell is, for example, several millimeters × several millimeters or more as the beam size or more. The material of the window plate 52 for fixing the sample may be a high resistance Si, Z cut crystal, HDPE, TPX, Tsurupica, etc., and a material having a high transmittance is selected according to the measurement frequency. The terahertz wave that has passed through the sample cell passes through the lens 51 and is received by the detector 17. Note that the sample cell may have a flow cell configuration including an inlet and an outlet. Moreover, you may measure solid.

図５は、本実施の形態の別の誘電分光センサの測定系を示す図である。図５の例では、シリコンを材料とするＡＴＲプリズム５５上にサンプルセルを配置し、サンプルセルで反射した反射信号の振幅、位相を測定する。ＡＴＲプリズム５５は強い吸収を呈する試料の場合に用いられる。放射器１６から放射されたテラヘルツ波は、レンズ５１、ＡＴＲプリズム５５を通過し、固定治具５４に保持された誘電率測定用セル５３のサンプルセルとＡＴＲプリズム５５の界面で反射する。サンプルセルは、窓板５２で誘電率測定用セル５３に封止される。サンプルセルで反射したテラヘルツ波は、ＡＴＲプリズム５５、レンズ５１を通過し、検出器１７で受信される。   FIG. 5 is a diagram showing a measurement system of another dielectric spectroscopic sensor according to the present embodiment. In the example of FIG. 5, a sample cell is arranged on the ATR prism 55 made of silicon, and the amplitude and phase of the reflected signal reflected by the sample cell are measured. The ATR prism 55 is used in the case of a sample exhibiting strong absorption. The terahertz wave radiated from the radiator 16 passes through the lens 51 and the ATR prism 55 and is reflected at the interface between the sample cell of the dielectric constant measurement cell 53 held by the fixing jig 54 and the ATR prism 55. The sample cell is sealed in the dielectric constant measurement cell 53 by the window plate 52. The terahertz wave reflected by the sample cell passes through the ATR prism 55 and the lens 51 and is received by the detector 17.

以上説明したように、本実施の形態によれば、周波数の異なる２つの連続光波が合成された光信号を光電変換してテラヘルツ波を発生する誘電分光装置において、カプラ１３Ｂと検出器１７とを結ぶファイバ上に遅延線２０を配置し、放射器１６と検出器１７の前に位相差検出部２２を備えて放射器１６と検出器１７から出力される信号の位相差を検出し、検出した位相差に基づいて遅延線２０における遅延量を調整することにより、光路長の屈折率変動を同等にでき、環境変動に伴う位相変化を抑制し、高精度にデータを取得することが可能となる。   As described above, according to the present embodiment, in the dielectric spectroscopic device that generates a terahertz wave by photoelectrically converting an optical signal in which two continuous light waves having different frequencies are combined, the coupler 13B and the detector 17 are provided. A delay line 20 is disposed on the fiber to be connected, and a phase difference detection unit 22 is provided in front of the radiator 16 and the detector 17 to detect and detect a phase difference between signals output from the radiator 16 and the detector 17. By adjusting the amount of delay in the delay line 20 based on the phase difference, the refractive index fluctuation of the optical path length can be made equal, the phase change accompanying the environmental fluctuation can be suppressed, and data can be acquired with high accuracy. .

１１Ａ，１１Ｂ…連続波光源
１２Ａ，１２Ｂ…スプリッタ
１３Ａ，１３Ｂ…カプラ
１４Ａ，１４Ｂ…位相変調器
１５…発振器
１６…放射器
１７…検出器
１８…ロックインアンプ
１９…モニタ
２０…遅延線
２１Ａ，２１Ｂ…スプリッタ
２２…位相差検出部
２２１Ａ，２２１Ｂ…スプリッタ
２２２Ａ，２２２Ｂ…カプラ
２２３Ａ，２２３Ｂ…光検出器
２２４…演算器
２３…制御部
２４…ステージ
３１Ａ〜３１Ｄ…放物面鏡
５１…レンズ
５２…窓板
５３…誘電率測定用セル
５４…固定治具
５５…ＡＴＲプリズム
１００…サンプル
11A, 11B ... Continuous wave light source 12A, 12B ... Splitter 13A, 13B ... Coupler 14A, 14B ... Phase modulator 15 ... Oscillator 16 ... Radiator 17 ... Detector 18 ... Lock-in amplifier 19 ... Monitor 20 ... Delay line 21A, 21B ... splitter 22 ... phase difference detectors 221A and 221B ... splitters 222A and 222B ... couplers 223A and 223B ... photodetectors 224 ... calculator 23 ... controller 24 ... stage 31A to 31D ... parabolic mirror 51 ... lens 52 ... window Plate 53 ... Dielectric constant measuring cell 54 ... Fixing jig 55 ... ATR prism 100 ... Sample

Claims (2)

第１の光信号を出力する第１の光源と、
前記第１の光信号とは周波数の異なる第２の光信号を出力する第２の光源と、
前記第１の光信号を分波する第１のスプリッタと、
前記第２の光信号を分波する第２のスプリッタと、
前記第１のスプリッタが分波した前記第１の光信号の一方の位相を電気的に変調する第１の光位相変調器と、
前記第２のスプリッタが分波した前記第２の光信号の一方の位相を電気的に変調する第２の光位相変調器と、
前記第１の光信号のうちの一方と前記第２の光信号のうちの一方とを合波して第３の光信号を出力する第１のカプラと、
前記第１の光信号のうちの他方と前記第２の光信号のうちの他方とを合波して第４の光信号を出力する第２のカプラと、
前記第３の光信号を光電変換してミリ波又はテラヘルツ波の電磁波を発生させて被測定対象物に照射する放射器と、
前記被測定対象物を透過又は反射した前記電磁波を受信し、前記電磁波と前記第４の光信号をホモダインミキシングする検出器と、
前記第３の光信号もしくは前記第４の光信号が通るファイバ上又は前記被測定対象物と前記放射器及び前記検出器との間に挿入された空間遅延線と、
前記放射器及び前記検出器の前段における前記第３の光信号と前記第４の光信号の位相差を検出する位相差検出部と、
前記位相差検出部の出力に基づいて前記空間遅延線における遅延量を制御する制御部と、
を有することを特徴とする誘電分光装置。 A first light source that outputs a first optical signal;
A second light source that outputs a second optical signal having a frequency different from that of the first optical signal;
A first splitter for demultiplexing the first optical signal;
A second splitter for demultiplexing the second optical signal;
A first optical phase modulator that electrically modulates one phase of the first optical signal demultiplexed by the first splitter;
A second optical phase modulator that electrically modulates one phase of the second optical signal demultiplexed by the second splitter;
A first coupler that combines one of the first optical signals and one of the second optical signals to output a third optical signal;
A second coupler that combines the other of the first optical signals and the other of the second optical signals to output a fourth optical signal;
A radiator for photoelectrically converting the third optical signal to generate an electromagnetic wave of millimeter wave or terahertz wave and irradiating the object to be measured;
A detector that receives the electromagnetic wave transmitted or reflected from the object to be measured, and homodyne mixing the electromagnetic wave and the fourth optical signal;
A spatial delay line inserted on a fiber through which the third optical signal or the fourth optical signal passes or between the object to be measured and the radiator and the detector;
A phase difference detection unit that detects a phase difference between the third optical signal and the fourth optical signal in the previous stage of the radiator and the detector;
A control unit that controls a delay amount in the spatial delay line based on an output of the phase difference detection unit;
A dielectric spectroscopic apparatus comprising: 前記位相差検出部は、
前記第３の光信号を分波する第３のスプリッタと、
前記第４の光信号を分波する第４のスプリッタと、
前記第３、第４のスプリッタから前記第３、第４の光信号を入力し、前記第１の光信号の成分を合波する第３のカプラと、
前記第３、第４のスプリッタから前記第３、第４の光信号を入力し、前記第２の光信号の成分を合波する第４のカプラと、
前記第３のカプラで合波された前記第１の光信号の成分の位相差を検出する第１の光検出部と、
前記第４のカプラで合波された前記第２の光信号の成分の位相差を検出する第２の光検出部と、
前記第１、第２の光検出部それぞれの出力を比較する演算部と、
を有することを特徴する請求項１記載の誘電分光装置。 The phase difference detector is
A third splitter for demultiplexing the third optical signal;
A fourth splitter for demultiplexing the fourth optical signal;
A third coupler that inputs the third and fourth optical signals from the third and fourth splitters and combines the components of the first optical signal;
A fourth coupler that inputs the third and fourth optical signals from the third and fourth splitters and combines the components of the second optical signal;
A first photodetector for detecting a phase difference between components of the first optical signal combined by the third coupler;
A second photodetector for detecting a phase difference between the components of the second optical signal multiplexed by the fourth coupler;
An arithmetic unit for comparing outputs of the first and second light detection units;
The dielectric spectroscopic apparatus according to claim 1, comprising:

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