JPH08304272A - 光学的測定方法および光学的測定装置 - Google Patents

光学的測定方法および光学的測定装置

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JPH08304272A
JPH08304272A JP7113020A JP11302095A JPH08304272A JP H08304272 A JPH08304272 A JP H08304272A JP 7113020 A JP7113020 A JP 7113020A JP 11302095 A JP11302095 A JP 11302095A JP H08304272 A JPH08304272 A JP H08304272A
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豊 山崎
Seizo Uenoyama
晴三 上野山
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 光学的測定において無情報光スペクトルおよ
びドリフトを除去することである。 【構成】 分光光学系手段4から測定対象10が有して
いる物性値に対応する吸光度を有する測定波長域の測定
光成分と測定対象10にてほぼ完全に吸収される補正波
長域の補正光成分とを含む測定光を出射し、光束7と光
束8とに分岐する。光束7に対して標準試料を挿入した
ときに積分球11に入射する光を測光手段12により測
光し、その測光値を記憶手段19に記憶する。演算手段
17は、上記標準試料に代えて測定対象10を挿入した
ときの積分球11に入射する光を測光し、その補正光成
分と記憶手段19に記憶されている補正光成分との強度
比を演算し、該強度比を上記記憶手段19に記憶された
測光値に乗じ、測定時のバックグラウンド強度を推定す
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、測定対象に光を投射
し、該測定対象を透過もしくは測定対象から反射した光
のスペクトルを測定するとともにその測定値に基づいて
測定対象が有している成分率、濃度および厚み等の物性
値を測定する光学的測定方法および光学的測定装置に関
する。
【0002】
【従来の技術】一般に、測定対象に光を投射し、測定対
象物における透過光あるいは反射光のスペクトルを測定
し、そのスペクトルに基づいて測定対象物による特性吸
収波長の光の吸収の度合いを検出して、測定対象の厚み
や成分濃度あるいは含水率などの定性や定量を行うこと
は周知である。
【0003】従来、この種の測定を行う光学的測定装置
では、光源の劣化、周囲温度の変化や装置自体の発熱に
よる温度変動に基づく装置のドリフトが生じるため、従
来、基準となる光量が変動する。かかる問題を解決する
ため、光源から出射される光の光量を基準測定し、補正
するようにしていた。かかる装置としては、(1)測定
対象を測定光学系から取り除いて基準測定を行うもの、
(2)装置自体を測定対象のない位置まで移動させて基
準測定を行うもの、(3)装置内部の光学系を2分岐
し、時分割で光路を切り替えることにより基準測定を行
うもの、(4)装置内部で光学系を2分岐し、検出器を
2つ用いて一方の検出器で基準測定を行うもの、等が一
般に知られている。
【0004】たとえば、米国特許第4,097,743
号には、装置のドリフトを除くための提案として、測定
対象に投光しない光源からの光強度をモニタすることに
より、装置の安定性の向上を図った上記(3)のものが
開示されている。しかしながら、産業用途に用いられる
装置では、構造が複雑になるので、上記(3)および
(4)の構成を採用したものは少ない。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】上記(1)のように、
測定対象を測定光学系から取り除いて基準測定を行うも
のでは、基準測定の際に測定対象を取り除く機構が必要
となり、付帯装置が大規模化する、連続した測定ができ
ない、頻繁に基準測定を行う必要があるといった問題が
あった。また、上記(2)のように、装置自体を測定対
象のない位置まで移動させて基準測定を行うものでは、
装置を移動させる機構が必要で付帯装置が大規模にな
る、連続した測定が行えない、頻繁に装置の移動を実施
しなければならないといった問題があった。さらに、上
記(3)のように、装置内部の光学系を2分岐し、時分
割で光路を切り替えることにより基準測定を行うもので
は、光路を切り替える機構が必要となり、装置内部が複
雑で大型になるばかりでなく、故障の頻度が高くなると
いった問題がある。また、時分割により光路を切り替え
ているので、完全な連続測定ができず、基準測定と測定
が同時に行えないので装置のドリフトを完全に取り除く
ことができないといった問題があった。さらにまた、上
記(4)のように、装置内部で光学系を2分岐し、検出
器を2つ用いて一方の検出器で基準測定を行うもので
は、連続測定は可能であるが検出器相互の差が存在す
る、相互の光学系の調整が微妙であるといった問題があ
った。
【0006】さらにまた、上記(1)ないし(4)の構
成を有する装置に共通して、測定対象による吸収スペク
トル測定を行なう際に、透過測定時の迷光やサンプル量
の不足による光漏れによる光、反射測定時の試料の表面
状態や粒度によって変化する鏡面反射光などの測定対象
に関連する情報を持たない無情報光による光スペクトル
が含まれていると、吸光度に変換したときに、大きな誤
差が生じるという問題もあった。
【0007】本発明の目的は、測定対象に関連する情報
を持たない無情報光スペクトルを除去し、スペクトル測
定誤差の低減をはかった光学的測定方法を提供すること
である。
【0008】本発明のいま一つの目的は、測定対象物か
らの透過光、反射光について、無情報光スペクトル、個
々の光検出器が有している特性の差およびドリフトの影
響を受けることなく、正確な情報を得ることができる光
学的測定方法を提供することである。
【0009】本発明のいま一つの目的は、測定対象物か
らの透過光、反射光について、無情報光スペクトル、個
々の光検出器が有している特性の差およびドリフトの影
響を受けることなく、正確な情報を得ることができる光
学的測定装置を提供することである。
【0010】
【課題を解決するための手段】本発明は以下の考察に基
づいてなされたものである。一般に、スペクトル測定に
おいては、干渉光の入らない暗所での測定が行われてい
るが、測定対象の形状によっては、干渉光を完全に除去
することは困難である。また、反射測定では、45度検
出方式などにより干渉光を分離検出する方法や、吸収の
ない中立波長によるノーマライズいわゆる二波長ないし
は三波長補正方法や微分スペクトル法などによる補正法
が行われているが、やはり干渉光を完全に除去するのは
困難であり、これらの手法による補正もデータ自体の変
質を起こす可能性を有している。
【0011】ところで、測定対象である試料がある特定
の波長で強い吸収があり、測定試料の量が十分で、干渉
光のない条件下ではその波長で光がほとんど検出されな
い場合、干渉光を含むスペクトルではこの波長での光は
全て干渉光によるものである。干渉光は試料の情報を持
たない無情報光であり、ある割合の光源スペクトルであ
るといえる。そこで、光源スペクトルのこの波長でのエ
ネルギー値が測定スペクトルに一致するように係数を掛
け、干渉(無情報)光スペクトルを算出する。測定スペ
クトルから干渉光スペクトルを除いたものが真の透過ま
たは反射光スペクトルである。また、光源スペクトルか
ら干渉光スペクトルを除くことで、真の入射光スペクト
ルを求めることもできる。
【0012】一方、測定対象として例えば人体中の血液
内酸素飽和度,体脂肪率等の成分濃度を測定する要求が
ある。人体の主構成成分は水(60ないし70%)であ
り、かつ、人体は散乱体であるので透過光に限らず反射
光を測定する場合には、いずれも光路長が長いため、図
11に示す吸収スペクトルからも分かるように、1.4
μmないし1.9μmよりも長波長のO−Hの特性吸収
波長では全く光を透過しない。上記図11にはまた、み
かんの吸収スペクトルが示されており、みかん,りん
ご,桃等の果実中の糖度や熟度測定の場合にも同様に、
1.4μmないし1.9μmよりも長波長のO−Hの特
性吸収波長では全く光を透過しない。C−Hの特性吸収
波長についても同様に全く光を透過しない。このよう
に、測定対象での特性吸収が強く、入射する光を殆ど全
て吸収する特性吸収波長とこの特性吸収波長の両裾の波
長も含めて、以下に説明するように、補正用波長として
用いて吸収スペクトルを測定する。
【0013】すなわち、光源からの全光束を測定光学系
と参照光学系とに一定の割合で分岐させ、予め、参照光
学系のみの光束を測光し、上記補正用波長と測定用波長
の信号強度を記憶しておく(基準光の登録)。上記測定
光学系に測定対象を配置した状態で、測定光学系の光束
と参照光学系の光束との測光を行なうと、補正用波長で
は、測定対象からの透過もしくは反射光が全く検出され
ないため、全て参照光学系の光量となる。この光量と上
記参照光学系のみあるいは標準物質での上記測定データ
の補正用波長の信号強度との光強度比を、記憶データの
全ての波長の信号強度に乗ずることにより、測定時点で
の参照光学系の光量が推定できる。
【0014】すなわち、(測定光強度)=(測定光学系
の光強度)+(参照光学系の光強度)の関係から、ある
時点t0における基準光の登録に対しては次の数1が成
立する。
【0015】
【数1】Im = βI0
【0016】また、ある時点t1,t2の吸光度の測定に
対しては次の数2,数3が成立する。
【0017】
【数2】Im´ = α10´ + βI0´
【0018】
【数3】 Im´´ = α20´´ + βI0´´
【0019】ここで、Im,Im´,Im´´は時点t0
1,t2における測定光強度、上記α1,α2は測定対象
の透過ないしは反射係数であって波長依存性を有する。
また、上記βは全光量I0,I0´,I0´´に対する参
照光路の強度比係数で、波長依存性はない。
【0020】λ=C(=補正用波長)では、α1=α2
0であるから、上記数1,数2および数3よりそれぞ
れ、次の数4ないし数6が得られる。
【0021】
【数4】Imλ=C = βI0λ=C
【0022】
【数5】Imλ=C´ = βI0λ=C´
【0023】
【数6】Imλ=C´´ = βI0λ=C´´
【0024】上記数4と数5,数4と数6から次の数7
および数8が得られる。
【0025】
【数7】Imλ=C´/Imλ=C = I0λ=C´/I
0λ=C
【0026】
【数8】 Imλ=C´´/Imλ=C = I0λ=C´´/I0λ=C
【0027】上記数7,数8をそれぞれn´およびn´
´と置いて、次の数9,数10を得る。
【0028】
【数9】 Imλ=C´/Imλ=C = I0λ=C´/I0λ=C=n´
【0029】
【数10】Imλ=C´´/Imλ=C = I0λ=C´´/
0λ=C=n´´
【0030】波長依存性はないから、数9および数10
を全波長域に拡張すると、数11,数12を得る。
【0031】
【数11】 I0´/I0 = n´(=Imλ=C´/Imλ=C
【0032】
【数12】 I0´´/I0 = n´´(=Imλ=C´´/Imλ=C
【0033】上記数11および数12を変形して次の数
13および数14を得る。
【0034】
【数13】I0´ = n´×I0=n´Im/β
【0035】
【数14】I0´´ = n´´×I0=n´´Im/β
【0036】上記数13,数14と数2,数3とから、
吸光度を求めると次の数15,数16を得る。
【0037】
【数15】 abs´=−log(α1) =−log{(Im´−n´Im)/n´Im} − logβ
【0038】
【数16】 abs´´=−log(α2) =−log{(Im´´−n´´Im)/n´´Im} − logβ
【0039】ここで、−logβは定数項であるから一
定値であり、未知定数であっても、検量線を作成する場
合にこの定数を含めて検量線は求められるため、定量演
算上無視することができる。また、βを求める必要があ
るときは、透過の場合は測定光路に測定対象を配置せ
ず、反射の場合には標準物を配置することにより、測定
光路と参照光路とを切り替えて測光し、得られた測光値
の比を求めればよい。
【0040】以上のことから、測定データは測定光学系
と参照光学系の二つの光量の加算データであるため、推
定した参照光学系のデータを減算することにより、測定
光学系のみの光量が求められる。また参照光学系の光量
は全光量の一定割合であるため、参照光学系の光量は全
光量に比例し、参照光学系の光量とみなしても定量には
差し支えない。また、この割合は測定することは容易で
ある。これにより上記全光量をモニタすることが可能に
なり、ドリフトが除去される。
【0041】本発明は、かかる考察に基づいてなされた
もので、請求項1にかかる発明は、光源から測定対象に
光を投射し、該測定対象を透過もしくは反射した光のス
ペクトルを測定する光学的測定方法であって、上記測定
対象にてほぼ完全に吸収される補正波長域を含む測定光
を発生する光源を用意し、予め上記光源が発生する光の
スペクトルを測定しておき、上記光源から測定対象に光
を投射して該測定対象を透過もしくは反射した光のスペ
クトルを測定し、上記光源が発生する光のスペクトルと
上記測定対象を透過もしくは反射した光の上記スペクト
ルとの上記補正波長域における光強度比を求め、該光強
度比を光源が発生する光のスペクトルに乗じて無情報光
スペクトルを演算し、上記測定対象を透過もしくは反射
した光の測定スペクトルと該無情報光スペクトルとの差
スペクトルを補正測定スペクトルとすることを特徴とす
る。
【0042】また、請求項2にかかる発明は、請求項1
にかかる光学的測定方法において、上記光源が発生する
光のスペクトルと上記無情報光スペクトルとの差スペク
トルを求め、該差スペクトルを測定対象に入射した入射
光のみの補正光源スペクトルとし、該補正光源スペクト
ルをバックグラウンドとして上記補正測定スペクトルか
ら吸光度スペクトルを求め、該吸光度スペクトルに基づ
いて上記測定対象が有している物性値を測定することを
特徴とする。
【0043】さらに、請求項3にかかる発明は、請求項
1にかかる光学的測定方法において、上記光源が発生す
る光のスペクトルをバックグラウンドとして上記補正測
定スペクトルから仮の吸光度スペクトルを求め、該仮の
吸光度スペクトルの加算的誤差をベースライン補正また
は微分により補正して、吸光度スペクトルを求め、該吸
光度スペクトルに基づいて上記測定対象が有している物
性値を測定することを特徴とする。
【0044】さらにまた、請求項4にかかる発明は、請
求項1から3のいずれか一にかかる光学的測定方法にお
いて、測定対象に上記補正波長域における透過率が略零
となる基準物質を加えて吸光度スペクトルを測定するこ
とを特徴とする。
【0045】さらにまた、請求項5にかかる発明は、請
求項4にかかる光学的測定方法において、上記基準物質
が水であることを特徴とする。
【0046】さらにまた、請求項6にかかる発明は、請
求項1から5のいずれか一にかかる光学的測定方法にお
いて、上記補正波長域がO−Hの吸収波長域であること
を特徴とする。
【0047】さらにまた、請求項7にかかる発明は、請
求項1から4のいずれか一にかかる光学的測定方法にお
いて、上記補正波長域がC−Hの吸収波長域であること
を特徴とする。
【0048】さらにまた、請求項8にかかる発明は、測
定対象に光を投射し、該測定対象を透過もしくは反射し
た光を測光してその測光値に基づいて上記測定対象が有
する物性値を測定する光学的測定装置であって、上記測
定対象が有している物性値を求めるための測定波長域と
上記測定対象にてほぼ完全に吸収される補正波長域とを
含む測定光を発生する光源と、上記測定光を上記測定波
長域と上記補正波長域とに分光する分光光学系手段と、
上記光源から出射する測定光を第1分岐光路と第2分岐
光路とに分岐し、該第2分岐光路に対して測定対象を配
置するとともに、上記第1分岐光路および第2分岐光路
からの光を再び合体させる光路光学系手段と、上記光路
光学系手段から出射する光を測光して上記分光光学系手
段により分光された上記測定波長域および補正波長域の
光強度を検出する一つの測光手段と、上記第2分岐光路
に対して遮光物を配置もしくは測定対象を除去して上記
測光手段の出力を検出する基準光測定時に上記測光手段
から出力する上記測定波長域および補正波長域の光強度
を記憶する記憶手段と、上記第2分岐光路に対して測定
対象を配置する通常測定時に上記測光手段によって検出
された上記補正波長域における光強度と上記記憶手段に
記憶されている上記補正波長域における光強度との光強
度比を演算し、該光強度比と記憶手段に記憶されている
上記光強度と上記通常測定時における上記測光手段の出
力とを演算処理して吸光度を求め、測定対象の上記物性
値を検出する演算手段とを備えたことを特徴とする。
【0049】さらにまた、請求項9にかかる発明は、請
求項8にかかる光学的測定装置において、上記演算手段
が、上記光強度比n,上記記憶手段に記憶されている光
強度の記憶値I0,上記通常測定時の測光手段の出力Im
に対して、−log{(Im−n×I0)/(n×
0)}の演算処理を実行することを特徴とする。
【0050】さらにまた、請求項10にかかる発明は、
請求項8または9にかかる光学的測定装置において、上
記光路光学系手段が光ファイバからなり、該光ファイバ
が上記第1分岐光路を構成する第1分岐部と上記第2分
岐光路を構成する第2分岐部とを有し、該第2分岐部が
その途中に測定対象が配置される測定部を備えたことを
特徴とする。
【0051】さらにまた、請求項11にかかる発明は、
請求項8から10のいずれか一にかかる光学的測定装置
において、上記光路光学系手段が積分球を備え、該積分
球に上記測光手段が配置されていることを特徴とする。
【0052】さらにまた、請求項12にかかる発明は、
請求項8または9にかかる光学的測定装置において、上
記光路光学系手段が積分球と、該積分球の内部に配置さ
れ、該積分球の内部に開口する光学的開口部を有するラ
イトコーンからなることを特徴とする。
【0053】さらにまた、請求項13にかかる発明は、
請求項8から12のいずれか一にかかる光学的測定装置
において、上記分光光学系手段がフーリエ変換型干渉光
学系であることを特徴とする。
【0054】さらにまた、請求項14にかかる発明は、
請求項8から12のいずれか一にかかる光学的測定装置
において、上記分光光学系手段が測定波長域の光と上記
測定対象にてほぼ完全に吸収される補正波長域の補正光
とを透過するフィルタを備えた回転ディスクからなるこ
とを特徴とする。
【0055】さらにまた、請求項15にかかる発明は、
請求項8から12のいずれか一にかかる光学的測定装置
において、上記分光光学系手段が回折格子型モノクロメ
ータであることを特徴とする。
【0056】さらにまた、請求項16にかかる発明は、
請求項8から12のいずれか一にかかる光学的測定装置
において、上記分光光学系手段がプリズム型モノクロメ
ータであることを特徴とする。
【0057】
【作用】測定対象に入射した補正波長域の光は測定対象
によりほぼ完全に吸収される。したがって、光源のスペ
クトルと測定対象からの光の補正波長域における強度比
を求め、該強度比を光源のスペクトルに掛けると干渉
(無情報)光スペクトルが求まる。
【0058】光源のスペクトルと干渉(無情報)光スペ
クトルとの差スペクトルが測定対象に入射した入射光の
みの補正光源スペクトルとなる。該補正光源スペクトル
をバックグラウンドとして吸光度スペクトルが求まる。
【0059】また、補正波長域を有しない測定対象の場
合にも、光がほぼ完全に吸収される波長域を持つ基準物
質を加えることにより、上記の方法で測定スペクトルか
ら干渉(無情報)光成分を除去することができる。
【0060】測定対象に水が充分に含まれる場合には、
水の吸収波長域を補正波長域として、上記の方法で測定
スペクトルから干渉(無情報)光成分を除去することが
できる。
【0061】演算手段は、第2分岐光路に測定対象を配
置したときの合体された第1分岐光路と第2分岐光路の
光の補正光の測光値と記憶手段に記憶されている補正光
の測光値との光強度比を演算し、該光強度比と記憶手段
に記憶されている測光値と第2分岐光路に測定対象を配
置したときの合体された第1分岐光路と第2分岐光路の
光の測光値とを演算処理して測定対象の物性値を検出す
る。
【0062】演算手段は、−log{(Im−n×I0
/(n×I0)}の演算処理を実行する。
【0063】測光手段は積分球により合体された第1分
岐光路と第2分岐光路の光を測光する。
【0064】フーリエ変換型干渉光学系が光源の光を測
定光成分と補正光成分とに分光する。
【0065】回転ディスクが測定光成分と補正光成分と
に分光する。
【0066】光ファイバが光を第1分岐部と第2分岐部
とに分岐し、該第2分岐部の測定部に測定対象が配置さ
れる。
【0067】回折格子型モノクロメータが光源の光を測
定光と補正光とに分光する。
【0068】プリズム型モノクロメータが光源の光を測
定光と補正光とに分光する。
【0069】積分球には、ライトコーンの光学的開口か
ら積分球に直接出射する光と測定対象から反射した光と
が入射する。
【0070】
【発明の効果】本発明によれば、無情報光は光源のスペ
クトルと同じ情報しか有しないので、光源のスペクトル
と相似形を有し、光源のスペクトルと測定対象からの光
の補正波長域の光強度比を光源のスペクトルに掛けると
無情報光スペクトル成分が求まるので、該無情報光スペ
クトルを測定スペクトルから差し引くことにより、測定
スペクトルから無情報光成分を除去することができる。
【0071】また、本発明によれば、無情報光スペクト
ルが光源スペクトルに比例した補正光源スペクトルにな
るので、該補正光源スペクトルをバックグラウンドとし
て吸光度スペクトルを求めることにより、測定対象が有
している物性値を求めることができる。
【0072】さらに、本発明によれば、光がほぼ完全に
吸収される波長域を持つ基準物質を測定対象に加えるこ
とにより、補正波長域を有しない測定対象の場合にも測
定スペクトルから無情報光成分を除去することができ
る。
【0073】さらにまた、本発明によれば、測定対象に
水に加えることにより、食品等の吸光度スペクトルを測
定することができる。
【0074】さらにまた、本発明によれば、第2分岐光
路に測定対象を挿入したときの合体された第1分岐光路
と第2分岐光路の光の補正光の測光値と記憶手段に記憶
されている補正光の測光値との光強度比を演算し、該光
強度比と記憶手段に記憶されている測光値と第2分岐光
路に測定対象を挿入したときの合体された第1分岐光路
と第2分岐光路の光の測光値とを演算処理して測定対象
の物性値を検出しているので、記憶手段に記憶させる補
正光の測定は、装置の組立調整後と光源や検出器などの
波長依存性のある部品の交換後に一度行うだけで、装置
のドリフトが連続的に補正され、測定対象の連続測定が
可能となる。
【0075】さらにまた、本発明によれば、−log
{(Im−n×I0)/(n×I0)}の演算処理によ
り、測定対象の物性値の測定値からドリフトを連続的に
除去することができる。
【0076】さらにまた、本発明によれば、積分球によ
り第1分岐光路と第2分岐光路の光を合体させて検出器
により測光することができる。
【0077】さらにまた、本発明によれば、フーリエ変
換型干渉光学系を用いて高い精度で光を測定光成分と補
正光成分とに分光することができる。
【0078】さらにまた、本発明によれば、回転ディス
クを用いて比較的簡単で低コストで光を測定光成分と補
正光成分とに分光することができる。
【0079】さらにまた、本発明によれば、光ファイバ
により第1分岐光路および第2分岐光路を簡単に構成す
ることができるばかりでなく、光ファイバは屈曲させる
ことができるので、第1分岐光路および第2分岐光路の
装置内への配置も柔軟性を持たせることができる。
【0080】さらにまた、本発明によれば、分散型モノ
クロメータにより高い精度で光を測定光と補正光とに分
光することができる。
【0081】さらにまた、本発明によれば、プリズム型
モノクロメータにより高い精度で光を測定光と補正光と
に分光することができる。
【0082】さらにまた、本発明によれば、積分球内に
ライトコーンの光学的開口から積分球に直接出射する光
と測定対象から反射した光とが入射するので、第1分岐
光路および第2分岐光路がコンパクトになり、装置を小
型化することができる。
【0083】さらにまた、本発明によれば、常に一つの
検出器を用いるため同時補正ができ、時間的遅れも生じ
ないし、検出器間の感度誤差も生じない。また切換機構
などが固定のため、故障の発生も少ない。
【0084】
【実施例】以下に、添付の図面を参照して本発明の実施
例を説明する。
【0085】実施例1 セル中の水の量を変化させて水の近赤外透過エネルギー
スペクトルを測定した結果を図1に示す。図1におい
て、Aは光源スペクトル、Bはセルに水を完全に入れた
ときのスペクトルである。また、Cは水がセルに部分的
に入っているときのスペクトルである。水の吸収は、5
200cm-1で特に大きく、透過率はほぼ零となる。し
かしCでは、5200cm-1でも透過光が検出されてい
る。これは、全て水を透過していない光、つまりセルの
みを透過した光であり、水の吸光情報を持たない干渉
(無情報)光である。この干渉光は光源スペクトルAと
同じ情報しか持たないから、光源スペクトルAと相似形
をなす。そこで、5200cm-1におけるエネルギー値
を上記スペクトルCと等しくなるように係数を光源スペ
クトルAに乗算したものを干渉光スペクトルDとする。
スペクトルCとスペクトルDとの差が水を透過した光の
みの補正測定スペクトルEである。また、AとDの差は
試料に対し入射した光のみの補正光源スペクトルであ
る。
【0086】図2に、セルに試料を完全に入れたときの
吸光度スペクトルF,光源スペクトルをバックグラウン
ドとした補正測定吸光度スペクトルG,該補正測定吸光
度スペクトルGをベースライン補正したスペクトルH,
補正光源スペクトルをバックグラウンドとした補正測定
吸光度スペクトルIを示す。
【0087】図3に、試料(ヒトの皮膚)の近赤外拡散
反射エネルギースペクトルを示す。図3において、Jは
光源スペクトル、Kは試料のスペクトルである。水の吸
収は5200cm-1で特に大きく、透過率はほぼ零とな
る。生体中には水分が多いが、Kでは5200cm-1
も光が検出されている。これは、全て試料を透過してい
ない光、つまり正反射光であり、試料の吸光情報を持た
ない干渉光である。この干渉光は、光源スペクトルJと
同じ情報しか持たないから、光源スペクトルJと相似形
をなすはずである。そこで、5200cm-1におけるエ
ネルギー値をスペクトルKと等しくなるように係数を光
源スペクトルJに乗じたものを干渉スペクトルLとす
る。スペクトルKと干渉スペクトルLとの差から、試料
を拡散反射した光のみの補正測定スペクトルMを求め
る。これにより、補正測定スペクトルMからは干渉スペ
クトルLの影響は除去されることが分かる。また、光源
スペクトルJと干渉スペクトルLとの差は、試料に対し
入射した光のみの補正光源スペクトルである。
【0088】実施例2 本発明にかかる光学的測定装置の一実施例の構成を図4
に示す。上記光学的測定装置はヒトの手指に赤外光を投
射して人体体液成分を測定する装置で、赤外光を発生す
るニクロムランプ1,該ニクロムランプ1から出射する
赤外光を平行光束にするレンズ2,フーリエ変換型干渉
光学系4,該フーリエ変換型干渉光学系4から出射する
光束5の一部を分岐するミラー6を備える。上記フーリ
エ変換型干渉光学系4には、上記ニクロムランプ1から
赤外光が入射し、該赤外光を分光して人体体液成分に対
応する吸光度を有する測定波長域の測定光成分と上記測
定対象にてほぼ完全に吸収される補正波長域の補正光成
分とを含む測定光を出射する。上記ミラー6は、フーリ
エ変換型干渉光学系4から出射する光束5を光束7と光
束8に分岐する。
【0089】上記光学的測定装置はさらに、上記光束7
を収束するレンズ9,該レンズ9で収束された上記光束
7が測定対象としてのヒトの指10を透過した後に入射
する積分球11,PbS型赤外検出器12,上記ヒトの
指10を迂回して上記光束8を積分球11に導くための
ミラー13,14およびレンズ15,増幅回路16,A
/D変換回路17,マイクロコンピュータ18,該マイ
クロコンピュータ18のメモリ19,表示器21を備え
る。上記A/D変換回路17は、増幅回路16により増
幅されたPbS型赤外検出器12の出力をディジタル信
号に変換し、上記マイクロコンピュータ18に出力す
る。
【0090】上記マイクロコンピュータ18は、基準信
号測定モードと通常測定モードとを有する。これら基準
信号測定モードと通常測定モードとは、図示しないモー
ド切替スイッチにより切り替えられる。
【0091】上記基準信号測定モードでは、積分球11
の開口部を塞いで測定用の光束7を遮断した状態で、参
照用の光束8のみが上記PbS型赤外検出器18により
測光される(基準光測定)。上記マイクロコンピュータ
18は、上記A/D変換回路17でディジタル信号に変
換された上記参照用の光束8のみの測光値をメモリ19
に記憶させる。なお、上記基準信号測定モードでは、上
記参照用の光束8のみの測光値に代えて、積分球11の
開口部を塞ぐことなく、測定用の上記光束7を通過させ
た状態のPbS赤外検出器12の出力をメモリ19に記
憶させるようにしてもよい。
【0092】他方、上記通常測定モードでは、積分球1
1の上記開口部に測定対象としてのヒトの指10が配置
される。この状態では、ヒトの指10を透過した測定用
の光束7の透過光と上記参照用の光束8とが上記PbS
赤外検出器12により測光される(通常測定)。上記マ
イクロコンピュータ18は、この測光値とメモリ19に
記憶された参照用の光束8のみの上記測光値に基づい
て、既に説明した数9ないし数16に基づく演算を実行
する。すなわち、上記マイクロコンピュータ18は、数
9,数10の演算を実行し、PbS赤外検出器12によ
り測光された補正用波長の信号強度とメモリ19に上記
基準信号測定モードにおいて予め記憶された補正用波長
の信号強度の光強度比nを演算する。上記マイクロコン
ピュータ18はまた、数13,数14の演算を実行し、
既に演算した上記光強度比nをメモリ19に記憶された
補正用波長の信号強度に乗じ、測定時のバックグラウン
ド強度を推定する。上記マイクロコンピュータ18はさ
らに数15,数16の演算を実行し、推定したバックグ
ラウンド強度を通常測定モードで測定した測光値から減
算し、その結果を推定した上記バックグラウンド強度で
除し、その逆数の対数を演算することにより吸光度を演
算する。この演算により求められた吸光度に基づいて、
上記マイクロコンピュータ18はさらに多変量解析演算
を実行し、人体体液成分濃度を演算して、表示器21に
表示させる。
【0093】以上に説明した図4の光学的測定装置によ
り測定した結果と従来の装置により測定した比較例を図
5に示す。この図5において、直線h0は真値であり、
折れ線h1はいわゆるシングルビーム法を用いた従来の
装置のドリフトであり、折れ線h2はいわゆるダブルビ
ーム法を用いた米国特許第4,097,743号に開示
された装置を用いた従来の装置のドリフトである。ま
た、折れ線h3は図4において説明した本実施例にかか
る光学的測定装置のドリフトである。なお、上記図5に
示されるように、経過時間1分目が測定開始時で、この
時点で図4の光学的測定装置および上記従来の装置の測
定値と真値とは100%となるように調整している。ま
た、偏差値は真値との偏差として求めている。
【0094】図4において説明した本実施例にかかる光
学的測定装置装置によれば偏差が0.99であるのに対
し、シングルビーム法による装置では偏差が4.60で
あり、ダブルビーム法による装置では偏差が1.42で
あり、ドリフトが大幅に改善されていることが分かる。
【0095】実施例3 本発明にかかる光学的測定装置のいま一つの実施例の構
成を図6に示す。図6の光学的測定装置は、ハロゲンラ
ンプ22から出射した赤外光をレンズ23で集光して光
ファイバ24に入射し、入射した赤外光を該光ファイバ
24で測定光学系の光路25,28と参照光学系の光路
26とに分岐するようにしたものである。測定光学系の
上記光路25と28との間のギャップには、補正光の測
光時には遮光体が挿入されて光路25から光路28に入
射する赤外光を遮断する一方、測定時には測定対象とし
てのヒトの指27が挿入される。上記光路28は、参照
光学系の光路26と合流する。上記光ファイバ24から
出射した赤外光は、レンズ29,モータMにより回転駆
動される回転型ディスク31およびレンズ32を通し
て、Ge型フォトダイオード33に入射させるようにし
ている。上記回転型ディスク31は、図7に示すよう
に、その回転中心の回りに設けた窓に補正波長域の赤外
光を透過する干渉フィルタ31a,31cと測定波長域
の赤外光を透過する干渉フィルタ31b,31dを取り
付けたものである。上記回転型ディスク31により現在
選択されている干渉フィルタ31aないし31dは、た
とえば上記回転型ディスク31の周縁部にスリット(図
示せず。)を設け、このスリットを光センサ(図示せ
ず。)で検出することにより検出することができる。
【0096】上記Ge型フォトダイオード33の出力
は、実施例2において説明した図4の装置の増幅回路1
6,A/D変換回路17,マイクロコンピュータ18,
メモリ19および表示器21からなる電気回路系に入力
される。上記マイクロコンピュータ18には、現在、回
転型ディスク31の干渉フィルタ31aないし31dの
いずれのものが選択されているかのフィルタ選択信号が
上記Ge型フォトダイオード33から入力される。上記
マイクロコンピュータ18は、このフィルタ選択信号と
上記Ge型フォトダイオード33の出力から、図4と全
く同じ演算により吸光度を検出し、人体体液成分を検出
する。
【0097】この実施例3の構成では、光ファイバ24
の使用により、測定光学系と参照光学系の構成が簡単に
なり、コンパクトで低コストの装置を得ることができ
る。
【0098】実施例4 本発明にかかる光学的測定装置のさらにいま一つの実施
例の構成を図8に示す。図8の光学的測定装置は樹脂原
料の成分濃度を測定するためのもので、タングステンラ
ンプ34から出射した光をレンズ35を通して回折格子
型モノクロメータ36に入射し、該回折格子型モノクロ
メータ36により測定波長域の測定光と補正波長域の補
正光とに分光している。上記回折格子型モノクロメータ
36から出射する光束は、その一部が光学セル38に導
かれる。この光学セル38は、その内部を液状の樹脂原
料が流れており、参照光の登録時には遮光板により通過
する光が遮光される。上記回折格子型モノクロメータ3
6から出射する光束の一部は、上記樹脂原料を透過した
後、上記光学セル38に入射しない残りの光束とともに
レンズ39に入射して集光され、TGS赤外検出器37
に入射する。
【0099】上記TGS赤外検出器37の出力は、実施
例2において説明した図4の増幅回路16,A/D変換
回路17,マイクロコンピュータ18,メモリ19およ
び表示器21からなる電気回路系に入力される。上記マ
イクロコンピュータ18には、回折格子型モノクロメー
タ36から、測定波長と補正波長のうち、現在、どの波
長の光が選択されているかの信号が提供される。上記マ
イクロコンピュータ18は、図4と全く同じ演算により
吸光度を検出し、液状の樹脂原料の成分濃度を検出す
る。
【0100】この実施例4の構成では、光学セル38を
通過する液状の樹脂原料をリアルタイムで連続的に測定
することができる。
【0101】実施例5 本発明にかかる光学的測定装置のさらにいま一つの実施
例の構成を図9に示す。図9の光学的測定装置は果実4
5の糖度を測定するためのもので、ハロゲンランプ41
から出射した光をレンズ42を通してプリズム型モノク
ロメータ43に入射し、該プリズム型モノクロメータ4
3により測定波長域の測定光と補正波長域の補正光とに
分光している。上記プリズム型モノクロメータ43から
出射する光束は、レンズ40で収束した後、厚さ1mm
の無水石英板44を通して測定対象の上記果実45に投
射する。そして、果実45で拡散反射した光は、積分球
46により集光し、検出器47で検出している。参照光
の登録時には、測定対象の上記果実45が取り除かれ
る。
【0102】上記検出器47の出力は、実施例2におい
て説明した図4の増幅回路16,A/D変換回路17,
マイクロコンピュータ18,メモリ19および表示器2
1からなる電気回路系に入力される。上記マイクロコン
ピュータ18には、プリズム型モノクロメータ43か
ら、測定波長と補正波長のうち、現在、どの波長の光が
選択されているかの信号が提供される。上記マイクロコ
ンピュータ18は、この信号と上記検出器47の出力と
から、図4と全く同じ演算により拡散反射係数を検出
し、果実45の糖度を検出する。
【0103】この実施例5の構成では、傷を付けたり破
壊することなく、果実45の糖度を測定することができ
る。
【0104】実施例6 本発明にかかる光学的測定装置のさらにいま一つの実施
例の構成を図10に示す。図10の光学的測定装置は人
体の体液成分を測定するためのもので、発光ダイオード
48から出射した光をレンズ49を通してフーリエ変換
型干渉光学系50に入射し、該フーリエ変換型干渉光学
系50により測定波長域の測定光と補正波長域の補正光
とに分光している。上記フーリエ変換型干渉光学系50
から出射する光束は、レンズ50aで収束した後、ライ
トコーン51に入射する。このライトコーン51の先端
の開口には、人体の体液成分の測定時にヒトの指52が
当てられて塞がれる。上記ライトコーン51は積分球5
3内に配置され、その側部に積分球53内に開口する光
学的開口部55を有する。上記ライトコーン51に入射
した光の一部はヒトの指52に投射されずに、上記光学
的開口部55から積分球53により集光され、検出器5
4により検出される。参照光の登録時には、ライトコー
ン51の先端の開口は遮光板で遮光される。
【0105】上記検出器52の出力は、実施例2におい
て説明した図4の増幅回路16,A/D変換回路17,
マイクロコンピュータ18,メモリ19および表示器2
1からなる電気回路系に入力される。上記マイクロコン
ピュータ18には、フーリエ変換型干渉光学系50か
ら、測定波長と補正波長のうち、現在、どの波長の光が
選択されているかの信号が供給される。上記マイクロコ
ンピュータ18は、この信号と上記検出器54の出力と
から、図1と全く同じ演算によりヒトの指52における
吸光度を検出し、人体の体液成分を検出する。
【0106】この実施例6の構成では、ライトコーン5
1が積分球53内に配置され、測定光学系と参照光学系
の構成を簡単でコンパクトなものとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 セル中の水の量を変化させたときの近赤外透
過エネルギースペクトルである。
【図2】 補正後の吸光度スペクトルである。
【図3】 ヒトの皮膚の近赤外拡散反射エネルギースペ
クトルである。
【図4】 本発明にかかる光学的測定装置の一実施例の
構成の説明図である。
【図5】 図4の光学的測定装置と従来の光学的測定装
置とのドリフトの測定データの比較例を示す説明図であ
る。
【図6】 本発明にかかる光学的測定装置のいま一つの
実施例の説明図である。
【図7】 図6の光学的測定装置に使用される回転型デ
ィスクの平面図である。
【図8】 本発明にかかる光学的測定装置のいま一つの
実施例の説明図である。
【図9】 本発明にかかる光学的測定装置のいま一つの
実施例の説明図である。
【図10】 本発明にかかる光学的測定装置のいま一つ
の実施例の説明図である。
【図11】 みかんとヒトの手の吸収スペクトルであ
る。
【符号の説明】
1 ニクロムランプ 4 フーリエ変換型干渉光学系 5 光束 6 ミラー 7 光束 8 光束 10 ヒトの指(測定対象) 11 積分球 12 PbS型赤外検出器 13 ミラー 14 ミラー 18 マイクロコンピュータ 19 メモリ 22 ハロゲンランプ 24 光ファイバ 25 光路 26 光路 27 ヒトの指(測定対象) 28 光路 31 回転ディスク 31a 干渉フィルタ 31b 干渉フィルタ 31c 干渉フィルタ 31d 干渉フィルタ 33 Ge型フォトダイオード 34 タングステンランプ 36 回折格子型モノクロメータ 37 TGS赤外検出器 38 光学セル 41 ハロゲンランプ 43 プリズム型モノクロメータ 44 無水石英板 45 果実 46 積分球 47 検出器 48 発光ダイオード 50 フーリエ変換型干渉光学系 51 ライトコーン 52 ヒトの指(測定対象) 53 積分球 54 検出器 55 光学的開口
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 塩見 元信 大阪府寝屋川市下木田町14番5号 倉敷紡 績株式会社技術研究所内 (72)発明者 芦辺 恵美 京都府京都市南区東九条西明田町57番地 株式会社京都第一科学内 (72)発明者 山崎 豊 京都府京都市南区東九条西明田町57番地 株式会社京都第一科学内 (72)発明者 上野山 晴三 京都府京都市南区東九条西明田町57番地 株式会社京都第一科学内

Claims (16)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 光源から測定対象に光を投射し、該測定
    対象を透過もしくは反射した光のスペクトルを測定する
    光学的測定方法であって、 上記測定対象にてほぼ完全に吸収される補正波長域を含
    む測定光を発生する光源を用意し、予め上記光源が発生
    する光のスペクトルを測定しておき、上記光源から測定
    対象に光を投射して該測定対象を透過もしくは反射した
    光のスペクトルを測定し、上記光源が発生する光のスペ
    クトルと上記測定対象を透過もしくは反射した光の上記
    スペクトルとの上記補正波長域における光強度比を求
    め、該光強度比を光源が発生する光のスペクトルに乗じ
    て無情報光スペクトルを演算し、上記測定対象を透過も
    しくは反射した光の測定スペクトルと該無情報光スペク
    トルとの差スペクトルを補正測定スペクトルとすること
    を特徴とする光学的測定方法。
  2. 【請求項2】 上記光源が発生する光のスペクトルと上
    記無情報光スペクトルとの差スペクトルを求め、該差ス
    ペクトルを測定対象に入射した入射光のみの補正光源ス
    ペクトルとし、該補正光源スペクトルをバックグラウン
    ドとして上記補正測定スペクトルから吸光度スペクトル
    を求め、該吸光度スペクトルに基づいて上記測定対象が
    有している物性値を測定することを特徴とする請求項1
    に記載の光学的測定方法。
  3. 【請求項3】 上記光源が発生する光のスペクトルをバ
    ックグラウンドとして上記補正測定スペクトルから仮の
    吸光度スペクトルを求め、該仮の吸光度スペクトルの加
    算的誤差をベースライン補正または微分により補正し
    て、吸光度スペクトルを求め、該吸光度スペクトルに基
    づいて上記測定対象が有している物性値を測定すること
    を特徴とする請求項1に記載の光学的測定方法。
  4. 【請求項4】 測定対象に上記補正波長域における透過
    率が略零となる基準物質を加えて吸光度スペクトルを測
    定することを特徴とする請求項1から3のいずれか一に
    記載の光学的測定方法。
  5. 【請求項5】 上記基準物質が水であることを特徴とす
    る請求項4記載の光学的測定方法。
  6. 【請求項6】 上記補正波長域がO−Hの吸収波長域で
    あることを特徴とする請求項1から5のいずれか一に記
    載の光学的測定方法。
  7. 【請求項7】 上記補正波長域がC−Hの吸収波長域で
    あることを特徴とする請求項1から4のいずれか一に記
    載の光学的測定方法。
  8. 【請求項8】 測定対象に光を投射し、該測定対象を透
    過もしくは反射した光を測光してその測光値に基づいて
    上記測定対象が有する物性値を測定する光学的測定装置
    であって、 上記測定対象が有している物性値を求めるための測定波
    長域と上記測定対象にてほぼ完全に吸収される補正波長
    域とを含む測定光を発生する光源と、 上記測定光を上記測定波長域と上記補正波長域とに分光
    する分光光学系手段と、 上記光源から出射する測定光を第1分岐光路と第2分岐
    光路とに分岐し、該第2分岐光路に対して測定対象を配
    置するとともに、上記第1分岐光路および第2分岐光路
    からの光を再び合体させる光路光学系手段と、 上記光路光学系手段から出射する光を測光して上記分光
    光学系手段により分光された上記測定波長域および補正
    波長域の光強度を検出する一つの測光手段と、 上記第2分岐光路に対して遮光物を配置もしくは測定対
    象を除去して上記測光手段の出力を検出する基準光測定
    時に上記測光手段から出力する上記測定波長域および補
    正波長域の光強度を記憶する記憶手段と、 上記第2分岐光路に対して測定対象を配置する通常測定
    時に上記測光手段によって検出された上記補正波長域に
    おける光強度と上記記憶手段に記憶されている上記補正
    波長域における光強度との光強度比を演算し、該光強度
    比と記憶手段に記憶されている上記光強度と上記通常測
    定時における上記測光手段の出力とを演算処理して吸光
    度を求め、測定対象の上記物性値を検出する演算手段
    と、 を備えたことを特徴とする光学的測定装置。
  9. 【請求項9】 上記演算手段が、上記光強度比n,上記
    記憶手段に記憶されている光強度の記憶値I0,上記通
    常測定時の測光手段の出力Imに対して、−log
    {(Im−n×I0)/(n×I0)}の演算処理を実行
    することを特徴とする請求項8に記載の光学的測定装
    置。
  10. 【請求項10】 上記光路光学系手段が光ファイバから
    なり、該光ファイバが上記第1分岐光路を構成する第1
    分岐部と上記第2分岐光路を構成する第2分岐部とを有
    し、該第2分岐部がその途中に測定対象が配置される測
    定部を備えたことを特徴とする請求項8または9に記載
    の光学的測定装置。
  11. 【請求項11】 上記光路光学系手段が積分球を備え、
    該積分球に上記測光手段が配置されていることを特徴と
    する請求項8から10のいずれか一に記載の光学的測定
    装置。
  12. 【請求項12】 上記光路光学系手段が積分球と、該積
    分球の内部に配置され、該積分球の内部に開口する光学
    的開口部を有するライトコーンからなることを特徴とす
    る請求項8または9に記載の光学的測定装置。
  13. 【請求項13】 上記分光光学系手段がフーリエ変換型
    干渉光学系であることを特徴とする請求項8から12の
    いずれか一に記載の光学的測定装置。
  14. 【請求項14】 上記分光光学系手段が測定波長域の光
    と上記測定対象にてほぼ完全に吸収される補正波長域の
    補正光とを透過するフィルタを備えた回転ディスクから
    なることを特徴とする請求項8から12のいずれか一に
    記載の光学的測定装置。
  15. 【請求項15】 上記分光光学系手段が回折格子型モノ
    クロメータであることを特徴とする請求項8から12の
    いずれか一に記載の光学的測定装置。
  16. 【請求項16】 上記分光光学系手段がプリズム型モノ
    クロメータであることを特徴とする請求項8から12の
    いずれか一に記載の光学的測定装置。
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