JP5239545B2 - グルコース濃度測定装置・光学装置・リング状光束形成装置およびグルコース濃度測定方法 - Google Patents
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特許文献1のグルコース濃度測定方式で前眼房材質の屈折率を求める場合、集光光束を角膜と前眼房との境界面、前眼房と水晶体との境界面上に順次に集光させて、前眼房の光学的厚さを検出するが「集光光束が集光している境界面」以外の面(角膜表面や水晶体と硝子体との境界面等)からの反射光が測定ノイズとして作用しやすい。
「演算手段」は、光学装置により検出される前記光学的厚さに基づき前眼房内媒質の屈折率を演算し、演算された屈折率に対応する前記前眼房内媒質のグルコース濃度を演算する機能を有する。
照明用光源としては公知の各種のレーザ光源を用いることができるが、小型で低コストであることから「半導体レーザ」は好適なものの一つである。他のレーザ光源として面発光型レーザ(VCSEL)も好適である。
照明用光源がレーザ光源であることから、放射されるレーザ光は実質的な「直線偏光状態」である。
照明用光束は、その全てが照明に用いられるのではなく、後述のように「少なくとも光束中心部を除かれた残り」が照明に用いられる。
「光検出器」は、照明用光束を照射された眼球から集光レンズを介して戻る測定光束を受光して電気信号に変換する。「測定光束」は、眼球の角膜表面や内部の境界面で反射されて集光レンズを逆向きに透過した光である。
「ピンホール板」は、光検出器の受光面近傍の所定位置に(固定的に)配置される。
「リング状光束形成手段」は、コリメートレンズと集光レンズとの間の光路上に配置され、コリメートレンズにより平行光束化された照明用光束の断面形状を「リング状に整形してリング状照明光束とする」手段である。
n=1.33322+1.6×10−6×G (n:前眼房内媒質の、G:グルコース濃度(mg/dl)。)
を用いることができる。
「前眼房の後側境界面(以下、単に「後側境界面」と言う。)」は、前眼房と水晶体との境界面を言う。
また、角膜の空気との境界面は前述の如く「角膜表面」と呼び、水晶体と硝子体との境界面は「水晶体後側境界面」と呼ぶことにする。
前側境界面からの反射光は、ピンホールの位置に集光する。角膜表面、後側境界面、水晶体後側境界面の「リング状の照射部分からの反射光」は、やはり、ピンホール板上に若干ぼけた「リング状」部分を照射する。
後側境界面からの反射光はピンホールの位置に集光する。角膜表面、前側境界面、水晶体後側境界面の「リング状の照射部分からの反射光」は、やはり、ピンホール板を若干ぼけた「リング状」に照射する。
集光位置変位手段としてはまた、上記光学装置の「照明用光源、コリメートレンズ、集光レンズ、光検出器、光路分離手段、検出レンズ、ピンホール板、リング状光束形成手段」を一体的に構成し、これらを一体として集光レンズの光軸方向へ変位させる変位手段として構成しても良い。
請求項2記載のグルコース濃度測定装置では、リング状光束形成手段は「コリメートレンズにより平行光束化された照明用光束の少なくとも光束中心部を回折させて照明用光束から除去し、眼球から集光レンズと1/4波長板とを介して戻る測定光束をそのまま光路分離位置側へ透過させる偏光選択型の回折素子」である。
「バンドパスフィルタ」は、測定に対して外乱となる外部光を有効に除去できるものであればよく、照明用光束の光を含む波長帯域の光を適宜に通過させるものであればよい。
図1はグルコース濃度測定装置と測定を説明するための図である。
図1(a)において、符号11は照明用光源、符号12はコリメータレンズ、符号13は遮光板、符号14は偏光ビームスプリッタ、符号15は1/4波長板、符号16は集光レンズ、符号17は眼球、符号18は検出レンズ、符号19はピンホール板、符号20は光検出器、符号21は外光カットフィルタ、符号22は変位手段、符号23は制御・演算表示手段を示す。
照明用光源11から放射されるレーザ光は「実質的な直線偏光状態」にあり、偏光ビームスプリッタ14は、リング状照明光束LBをP偏光として透過させるように態位を調整されている。
測定光束LCが平行光束であれば、検出レンズ18による「測定光束LCの集光位置」は検出レンズ18の焦点位置であり、この焦点を含む焦点面に合致させてピンホール板19が配置され、ピンホール19aの位置は上記「焦点」に合致している。
従って、集光レンズ16と検出レンズ18とは「共焦点光学系」を構成する。
そして、測定光束LCのうち「ピンホール19aを通過した部分」のみが光検出器20の受光面に入射する。
ピンホール19aの開口径は、検出レンズ18に平行光束状態の測定光束LCが入射するときに、検出レンズ18によって集光される集光径(ビームウエスト径)に略等しく設定されている。
図1(b)において、符号17aで示す部分は「角膜」、符号17cで示す部分は「水晶体」、符号17dで示す部分は「硝子体」である。
前眼房17bについて言えば「上記直線上における面R2と面R3の間の部分」であり、以下「面R2とR3との間隔」を前眼房17bの厚さ:dとする。前眼房17bの厚さ:dは「個人に固有の量」であるが、環境や経時で実質的に変化せず、従って、光学的厚さの算出に当たっては「定数」として扱うことができる。
決定されたグルコース濃度は制御・演算表示装置23の「表示部(ディスプレイ 図示されず)」に表示される。なお、表示部を「外部装置」としてグルコース濃度測定装置と別体にしてもよい。
図1(a)において、変位手段22により集光レンズ16を光軸上で眼球17に向けて変位させていくと、先ず、集光レンズ16による集光光束は角膜17aの表面である面R1上に集光する。図1(a)はこの状態を示している。
そして、前眼房基礎データにおける「前眼房17bの厚さ:d」は、環境や経時で実質的に変化せず、光学的厚さの算出に当たっては「定数」として扱うことができるので、既知の量:d、n0と、上記変位量:DSとして特定された「測定された光学的厚さ:n・d」とから、測定時における前眼房媒質の屈折率:nを算出できる。
ΔD=Δn・d
となって、屈折率の変化量:Δnは、
Δn=ΔD/d
となり、これから、測定により特定される前眼房媒質の屈折率:nは、
n=n0+ΔD/d
として算出できる。
この発明においては、上記「測定光束に含まれるノイズ成分」の影響を以下のようにして除去もしくは有効に軽減させる。
これは、リング状照明光束LBの「円環状の光束断面の内径」を、リング状光束形成手段13により規制することにより可能である。
ピンホール19aの直径(開口径):φPは、正規の測定光束(面Riに集光して反射された測定光束)が検出レンズ18によって集光されたときのビームウエスト径に対応し、下記の式(1)によって計算される。
φP=K×λ/NA=K×λ/{φC/(2×fC)} (1)
(1)において、Kは「レーザ光の光強度分布により設定される係数」、NAは「検出レンズ18の開口数」であり「{φC/(2×fC)}」により近似する。
距離:Lは、以下の近次式(2)により算出される。
「(fC/fO)2」は、集光レンズ16と検出レンズ18とによる「共焦点光学系」の縦倍率であり、ΔTは、面Ri(集光レンズ16による集光光束が集光している)と面Rjとの間隔である。
遮光板13の遮光部13bの直径:φSを計算する。
集光点Pを介してピンホール板19上に形成される面Rjからのノイズ光による照射リングの内径をピンホール径:φPと同一とし、この場合における「検出レンズ18に入射するノイズ光における「光束中央部の遮光された部分」の直径、即ち、遮光部13bの直径をφSFとすると式(3)が成立する。
これは式(4)のように変形できる。
この場合、遮光部13bの直径:φSFは遮光部13bの「最低の大きさ」を表すものであるから、遮光部13bの直径:φSFを下記の式(5)によって規定できる。
φSF≧fC×φP/L−φP (5)
「他の面Rjによるノイズ光の「検出レンズ18による集光点P」の位置が図2(b)のようにピンホール19aの後側にある場合の遮光部13bの直径:φSR」
この場合、検出レンズ18によって集光される他の面Rjからのノイズ光の一部、具体的には、同ノイズ光がピンホール板19のピンホール19aの周辺部を照射する照射リングにおける「ピンホール19aより内側の部分」は、ピンホール19aを通過してピンホール板19の後方で集光する。
(φP/2)/L=(φSR/2)/(fC+L) (6)
φSR≧fC×φP/L+φP (7)
式(5)と(7)によって規定される、遮光部13bの直径:φSFと直径:φSRの大小を比較すると、直径:φSFよりも直径:φSRの方が常に大きい。
リング状光束形成手段31は、コリメートレンズ12により平行光束化された照明用光束LAの少なくとも光束中心部を遮光し、眼球17から集光レンズ16と1/4波長板15とを介して戻る測定光束をそのまま、光路分離位置側へ透過させる「偏光選択型の遮光板」である。
照明用光源11から放射され、コリメートレンズ12により平行光束化された照明用光束LAは、偏光ビームスプリッタ14を透過し、光遮光部31b、31cは、この直線偏光状態の照明用光束LAを遮光してリング状照明光束LBとする。
このようにすると、部品点数の削減、軽量化に伴い、変位装置22の動作負荷を低減でき、より安定した「集光レンズ16の位置制御」が可能となる。
繁雑を避けるため、混同の虞がないと思われる部分に付いては、図1におけると同一の符号を付した。
回折素子32は図4(b)に示すように「同心円状の回折格子」を形成されている。
回折素子の断面の溝形状としては矩形状のようなものを用いればよく、溝深さは1次回折光が最も強くなる深さを選択すればよい。
繁雑を避けるため、混同の虞がないと思われる部分に付いては、図1、図3におけると同一の符号を付した。
図示の如く、この実施の形態においても、遮光板32Aと1/4波長板15と集光レンズ16とはハウジングHSにより一体化され、ハウジングHSごと変位手段22により、集光レンズ16の光軸方向へ変位可能となっている。
また、図5には図示されていないが、図3の実施の形態の場合と同様に、偏光選択性の回折素子32Aと、1/4波長板15とを、同一基板の表裏に形成し、これらを一体化することができ、このようにすることにより、部品点数の削減、軽量化が可能となり、変位手段22の動作負荷を低減でき、より安定した集光レンズ位置の制御が可能となる。
繁雑を避けるため、混同の虞がないと思われる部分に付いては、図1におけると同一の符号を付した。
外光カットフィルタ21は、照明用光源11から放射されるレーザ光の波長の光は透過させ、グルコース濃度測定装置外部からの光を反射するバンドパスフィルタである。
リング状照明光束LBは断面形状が円環状であるので、楕円状の光束断面からこのような光束断面形状を得るには、コリメートレンズ12のNAを大きくして大面積の楕円状光束断面を得、これからリング状光束形成手段で円環状の光束断面を切り出すようにすればよいが、光利用効率が悪く、コリメートレンズも大型化しやすい。
一般に「集光レンズは眼球内の特定の位置に平行光束を集光する」ように設計される。
そこで集光レンズのレンズ位置に応じ、集光スポット上で発生する球面収差を打ち消す球面収差を発生させる球面収差補正手段を具備することにより、集光する各面(前述の面R1〜R4)に良好な集光スポットを形成することが可能となる。
図11(a)において符号100を持って示す装置本体の前面に外光カットフィルタ21が配置されている。
コンタクトレンズの使用時には、角膜の表面とコンタクトレンズの裏面が接し、コンタクトレンズの表面が空気と接する。
12 コリメートレンズ
14 偏光ビームスプリッタ
15 1/4波長板
16 集光レンズ
17 眼球
18 検出レンズ
19 ピンホール板
20 光検出器
22 変位装置
Claims (9)
- 眼球における前眼房の光学的厚さを光学的方法により検出し、検出された前記光学的厚さに基づき前記前眼房内媒質の屈折率を演算し、演算された前記屈折率を用い、予め設定された前記屈折率とグルコース濃度の対応関係に基づき、前記前眼房内媒質のグルコース濃度を演算算出するグルコース濃度測定装置であって、
眼球の前眼房の光学的厚さを光学的に検出する光学装置および、この光学装置により検出される前記光学的厚さに基づき前眼房内媒質の屈折率を演算し、演算された屈折率に対応する前記前眼房内媒質のグルコース濃度を演算する演算手段とを有し、
前記光学装置は、
照明用光源と、この照明用光源から放射されるレーザ光束を平行光束化するコリメートレンズと、
このコリメートレンズにより平行光束化された照明用光束を、眼球に向って集光する集光光束に変換する集光レンズと、
前記眼球から前記集光レンズを介して戻る測定光束を受光して電気信号に変換する光検出器と、
前記測定光束を前記照明用光束の光路から前記光検出器側へ分離する光路分離手段と、
この光路分離手段により分離された測定光束を、前記光検出器の受光面近傍に向けて集光させる検出レンズと、
前記光検出器の受光面近傍の所定位置に配置され、前記集光レンズによる照明用光束の集光位置を物点とするとき、前記集光レンズと検出レンズとによる前記物点に対する像点位置に所定開口径のピンホールを有するピンホール板と、
前記集光レンズによる照明用光束の集光位置を前記集光レンズの光軸方向に変位させる集光位置変位手段と、
前記コリメートレンズと前記集光レンズとの間の光路上に配置され、前記コリメートレンズにより平行光束化された照明用光束の断面形状をリング状に整形してリング状照明光束とするリング状光束形成手段と、を有し、
前記演算手段は、前眼房基礎データおよび、前眼房内媒質の屈折率と前記グルコース濃度との対応関係についてのデータを設定可能で、前記照明用光束が、前記前眼房の前側境界面および後側境界面に集光するときの前記集光位置の変位量として検出される前記前眼房の光学的厚さに基づき前眼房内媒質の屈折率を演算し、さらに、演算された屈折率に基づき前記前眼房内媒質のグルコース濃度を演算する機能を有し、
前記リング状光束形成手段は、前記測定用光束が眼球における1つの境界面に集光されるとき、他の境界面により反射された戻り光がピンホール板上に形成するリング像の内径が、前記ピンホールの開口径以上となるように、前記リング状照明光束の内径を規制する機能を有するものであり、
前記集光レンズと、前記光路分離手段の光路分離位置との間に1/4波長板を有し、
前記光路分離位置と1/4波長板との間に、リング状光束形成手段が配置され、
このリング状光束形成手段は、コリメートレンズにより平行光束化された照明用光束の少なくとも光束中心部を遮光し、眼球から前記集光レンズと前記1/4波長板とを介して戻る測定光束をそのまま前記光路分離位置側へ透過させる偏光選択型の遮光板であることを特徴とするグルコース濃度測定装置。 - 眼球における前眼房の光学的厚さを光学的方法により検出し、検出された前記光学的厚さに基づき前記前眼房内媒質の屈折率を演算し、演算された前記屈折率を用い、予め設定された前記屈折率とグルコース濃度の対応関係に基づき、前記前眼房内媒質のグルコース濃度を演算算出するグルコース濃度測定装置であって、
眼球の前眼房の光学的厚さを光学的に検出する光学装置および、この光学装置により検出される前記光学的厚さに基づき前眼房内媒質の屈折率を演算し、演算された屈折率に対応する前記前眼房内媒質のグルコース濃度を演算する演算手段とを有し、
前記光学装置は、
照明用光源と、この照明用光源から放射されるレーザ光束を平行光束化するコリメートレンズと、
このコリメートレンズにより平行光束化された照明用光束を、眼球に向って集光する集光光束に変換する集光レンズと、
前記眼球から前記集光レンズを介して戻る測定光束を受光して電気信号に変換する光検出器と、
前記測定光束を前記照明用光束の光路から前記光検出器側へ分離する光路分離手段と、
この光路分離手段により分離された測定光束を、前記光検出器の受光面近傍に向けて集光させる検出レンズと、
前記光検出器の受光面近傍の所定位置に配置され、前記集光レンズによる照明用光束の集光位置を物点とするとき、前記集光レンズと検出レンズとによる前記物点に対する像点位置に所定開口径のピンホールを有するピンホール板と、
前記集光レンズによる照明用光束の集光位置を前記集光レンズの光軸方向に変位させる集光位置変位手段と、
前記コリメートレンズと前記集光レンズとの間の光路上に配置され、前記コリメートレンズにより平行光束化された照明用光束の断面形状をリング状に整形してリング状照明光束とするリング状光束形成手段と、を有し、
前記演算手段は、前眼房基礎データおよび、前眼房内媒質の屈折率と前記グルコース濃度との対応関係についてのデータを設定可能で、前記照明用光束が、前記前眼房の前側境界面および後側境界面に集光するときの前記集光位置の変位量として検出される前記前眼房の光学的厚さに基づき前眼房内媒質の屈折率を演算し、さらに、演算された屈折率に基づき前記前眼房内媒質のグルコース濃度を演算する機能を有し、
前記リング状光束形成手段は、前記測定用光束が眼球における1つの境界面に集光されるとき、他の境界面により反射された戻り光がピンホール板上に形成するリング像の内径が、前記ピンホールの開口径以上となるように、前記リング状照明光束の内径を規制する機能を有するものであり、
前記集光レンズと、光路分離手段の光路分離位置との間に1/4波長板を有し、
前記光路分離位置と前記1/4波長板の間にリング状光束形成手段が配置され、
前記リング状光束形成手段は、コリメートレンズにより平行光束化された照明用光束の少なくとも光束中心部を回折させて照明用光束から除去し、眼球から前記集光レンズと前記1/4波長板とを介して戻る測定光束をそのまま前記光路分離位置側へ透過させる偏光選択型の回折素子であることを特徴とするグルコース濃度測定装置。 - 眼球における前眼房の光学的厚さを光学的方法により検出し、検出された前記光学的厚さに基づき前記前眼房内媒質の屈折率を演算し、演算された前記屈折率を用い、予め設定された前記屈折率とグルコース濃度の対応関係に基づき、前記前眼房内媒質のグルコース濃度を演算算出するグルコース濃度測定装置であって、
眼球の前眼房の光学的厚さを光学的に検出する光学装置および、この光学装置により検出される前記光学的厚さに基づき前眼房内媒質の屈折率を演算し、演算された屈折率に対応する前記前眼房内媒質のグルコース濃度を演算する演算手段とを有し、
前記光学装置は、
照明用光源と、この照明用光源から放射されるレーザ光束を平行光束化するコリメートレンズと、
このコリメートレンズにより平行光束化された照明用光束を、眼球に向って集光する集光光束に変換する集光レンズと、
前記眼球から前記集光レンズを介して戻る測定光束を受光して電気信号に変換する光検出器と、
前記測定光束を前記照明用光束の光路から前記光検出器側へ分離する光路分離手段と、
この光路分離手段により分離された測定光束を、前記光検出器の受光面近傍に向けて集光させる検出レンズと、
前記光検出器の受光面近傍の所定位置に配置され、前記集光レンズによる照明用光束の集光位置を物点とするとき、前記集光レンズと検出レンズとによる前記物点に対する像点位置に所定開口径のピンホールを有するピンホール板と、
前記集光レンズによる照明用光束の集光位置を前記集光レンズの光軸方向に変位させる集光位置変位手段と、
前記コリメートレンズと前記集光レンズとの間の光路上に配置され、前記コリメートレンズにより平行光束化された照明用光束の断面形状をリング状に整形してリング状照明光束とするリング状光束形成手段と、を有し、
前記演算手段は、前眼房基礎データおよび、前眼房内媒質の屈折率と前記グルコース濃度との対応関係についてのデータを設定可能で、前記照明用光束が、前記前眼房の前側境界面および後側境界面に集光するときの前記集光位置の変位量として検出される前記前眼房の光学的厚さに基づき前眼房内媒質の屈折率を演算し、さらに、演算された屈折率に基づき前記前眼房内媒質のグルコース濃度を演算する機能を有し、
前記リング状光束形成手段は、前記測定用光束が眼球における1つの境界面に集光されるとき、他の境界面により反射された戻り光がピンホール板上に形成するリング像の内径が、前記ピンホールの開口径以上となるように、前記リング状照明光束の内径を規制する機能を有するものであり、
前記リング状光束形成手段が、コリメートレンズにより平行光束化された照明用光束の光束断面形状をリング状の発散光に変換する第1の光学素子と、前記リング状の発散光に変換された光束をリング状の光束断面を持つ平行光束に変換する第2の光学素子とを有することを特徴とするグルコース濃度測定装置。 - 請求項1〜3の任意の1に記載のグルコース濃度測定装置において、
集光位置変位手段が、集光レンズをその光軸方向へ変位させるレンズ変位装置であることを特徴とするグルコース濃度測定装置。 - 請求項1〜4の任意の1に記載のグルコース濃度測定装置において、
集光レンズの眼球側に、照明用光束の波長の光は透過するバンドパスフィルタを有することを特徴とするグルコース濃度測定装置。 - 請求項5記載のグルコース濃度測定装置において、
照明用光源とバンドパスフィルタの何れかが、光路を偏向させる偏向ミラーを備えることを特徴とするグルコース濃度測定装置。 - 請求項1〜6の任意の1に記載のグルコース濃度測定装置に用いられる光学装置。
- 請求項1〜6の任意の1に記載のグルコース濃度測定装置にリング状光束形成手段として用いられるリング状光束形成装置。
- 請求項1〜6の任意の1に記載のグルコース濃度測定装置を用いるグルコース濃度測定方法。
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