JPWO2016031267A1 - 光学的濃度測定方法 - Google Patents
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Abstract
Description
今日の様に、原子オーダーレベルからナノオーダーレベルでの成膜或いはエッチングの様な処理プロセスの実施機会が多い半導体製造プロセスにおいては、処理チャンバーへの導入直前の混合ガス中の各成分ガスの単位流量を微量領域まで正確且つ瞬時に計測することが必要である。
甘辛度を表す日本酒度に対して、「酸度(淡麗度ー芳醇度)」は、「コクや深み」を表す。日本酒は酸度が高いほど、より芳醇な味わいに近づき、低ければ淡麗な味わいになる。日本酒度が同一であれば酸度の高い酒が辛く感じ、低ければ甘く感じる。逆に酸度が低いと、酒の味にハリやキレが無くなり、ボヤけた味わいになってしまいがちである。
しかし、この酸度は「コク」だけでは無く実際の「甘い・辛い」の味覚にも影響する。一般的には酸度が高いほど辛く感じる傾向がある。逆に酸度が低いと糖度が高くなくても甘いように感じる。測定方法は清酒10ミリリットルを中和するのに要する、1/10規定水酸化ナトリウム溶液の滴定ミリリットル数のこと。この値が大きければ「さっぱり」、小さければ「こくがある」といった表現が使われる又、日本酒では、アミノ酸度(旨口度)も重要である。アミノ酸とは「旨味」の素になる要素で、アミノ酸度が高いと「旨味」の要素が多く、その日本酒の味が濃厚に感じる。しかしアミノ酸度は高ければ高いほど旨みが増すわけではなく、あまり高すぎる雑味につながる。
以上説明した通り、日本酒の製造においては、日本酒度、酸度、アミノ酸度の管理は、製造される日本酒の売れ行き価値(以後、「売れ価値」ということもある)を大きく左右する。日本酒度・酸度・アミノ酸度は、湿度・温度・衛生面において敏感に変動するので、日本酒の製造においては、湿度・温度・衛生面において厳重な管理がなされ、製造過程において、日本酒度・酸度・アミノ酸度は、頻繁に測定される。
特許文献7に記載の方法は、ヘモグロビンによる呈色と糖化ヘモグロビンによる呈色とさらにはグルコースによる呈色とを異なる波長の光の反射でそれぞれ検出するという同じ測定原理で測定するものであるので、装置の簡略化、小型化が図れるという利点があるとするが、ヘモグロビン用、糖化ヘモグロビン用、グルコース用、の3種の呈色のための試薬と呈色作業を要し、しかも、採血の負担がある。
又、別には、気体、液体、固体に拘らず、被測定物中の複数の化学成分の濃度を同一の測定系・同一条件で高精度にリアルタイムで測定できる濃度測定法もこれまで提供されてない。
更には、被測定対象中の化学成分の濃度を正確・迅速に且つナノオーダの極微量濃度域までリアルタイムで測定でき、様々な態様と形態において具現化され得る万能性を備える濃度測定方法もこれまで提供されてない。
又、更には、被測定対象中の複数の化学成分の濃度を簡単な構成で正確且つ迅速にリアルタイムで測定できる濃度測定方法もこれまで提供されてない。
その目的とするところの一つは、簡便な構成で化学成分の濃度を正確且つ迅速にリアルタイムで測定できる濃度測定方法を提供する事にある。
本発明の他の目的の一つは、簡便な構成で気体・液体・個体に拘らず、被測定対象中の化学成分の濃度を正確・迅速に且つナノオーダの極微量濃度域までリアルタイムで測定でき、様々な態様と形態において具現化され得る万能性を備える濃度測定方法を提供する事にある。
本発明の更に別な目的の一つは、非破壊・非接触で、化学成分の濃度を簡単な構成で且つ迅速・正確に極微量領域まで測定できる濃度測定方法を提供する事にある。
本発明のもう一つ別な目的の一つは、電気回路、電子素子等のシステムの構成要素の特性変動、環境変動に基づく測定誤差の排除が少なくとも実質的に可能な状態で化学成分の濃度を極微量領域まで測定できる濃度測定方法を提供する事にある。
本発明のもう一つの別な目的は、患者が緊張して測定患部に汗をかいたり、体温の上昇を招いたりして起こる測定誤差(検体/被測定対象の生理状況に基づく誤差:以後「生理誤差」と記載することもある)が少なくとも実質的にない状態で、血糖値を簡便な構成と方法で且つ非侵襲で測定出来る濃度測定方法を提供する事にある。
本発明の更に別な目的の一つは、被測定対象中の複数の化学成分の濃度を簡単な構成で正確且つ迅速にリアルタイムで測定できる濃度測定方法を提供する事にある。
本発明の更に別なもう一つの目的は、血糖値とヘモグロビンA1c値の両者を同一の構成と方法で簡便に測定できる濃度測定方法を提供する事にある。
又、別には、気体、液体、固体に拘らず、被測定物中の複数の化学成分の濃度を同一の測定系・同一条件で高精度にリアルタイムで測定できる。
更には、被測定対象中の化学成分の濃度を正確・迅速に且つナノオーダの極微量濃度域までリアルタイムで測定でき、様々な態様と形態において具現化され得る万能性を備えた濃度測定方法を提供できる。
次いで、第一の波長の光(Lλ1)を発する光源1からの光を受光センサで受光して、出力S30と出力S40の差としての差分出力信号(GΔ1)を読みだす(背景光と光源1の光の和として出力される)。
次に、第二の波長の光(Lλ2)を発する光源2からの光を同じ受光センサで受光して、出力S50と出力S60の差としての差分出力信号(GΔ2)を読みだす(背景光と光源2光の和として出力される)。
絶対値出力Xを利用して、温度変化等による被測定対象の吸光度の変化、光源の光量変化などが生じても測定データを校正することが出来る。
光源1,2による受光信号を差分出力信号として出力することで、回路系のノイズを除去することが出来るので、微弱な濃度であっても高精度で検出することができる。
光学的濃度測定システム100は、光源部101、集光光学部102、受光センサ部106、差動信号形成部108、信号格納/処理部110、表示部112、制御部113、操作部114で構成されている。
図2に示す光学的濃度測定システム100は、光学的ガス濃度測定サブシステム100−1と制御・操作サブシステム100−2から構成されている。
光学的ガス濃度測定サブシステム100−1は、光学的ガス濃度測定装置100−3備えている。
光学的濃度測定サブシステム100−1は、光源部101、集光光学部102、受光センサ部106、差動信号形成部108、信号格納/処理部110、表示部112を備える。
制御・操作サブシステム100−2は、制御部113、操作部114で構成されている。
所望の化学成分の濃度を測定される被測定対象104は、集光光学部102と受光センサ部106の間の所定の位置に配される。
図2に示す光源部101は、第一の波長の光(Lλ1)を発する光源101aと、第二の波長の光(Lλ2)を発する光源101bとの2つの光源で構成されているが、本発明においては、これに限定される訳ではなく、第一の波長の光(Lλ1)と第二の波長の光(Lλ2)を発する単一光源であっても良い。
上述したような2種以上の異なる波長の光を照射可能な発光部は、1種の波長の光を照射可能な発光素子を2個以上有することができる。さらに、前記発光部は2種以上の異なる波長の光を照射可能な発光素子(多波長発光素子)を少なくとも1個有することが好ましい。これにより、装置内部に設置する発光素子の数を減らせるので、装置の小型化が可能になる
単一光源で2つの波長の光(Lλ1、Lλ2)を照射する場合は、単一光源を採用する場合は、光(Lλ1)と光(Lλ2)とは、被測定対象104に照射される前に波長選択光学フィルター等の手段で選択的に分離される。
単一光源で2つの波長の光(Lλ1、Lλ2)を照射する場合は、分光フィルター等の光学的波長選択フィルターを使用して、照射タイミングに合わせて該当の波長の光が照射さるように装置の設計がなされる。
本発明においては、光(Lλ2)としては、当該化学成分に対する吸収性がないか、光(Lλ1)の吸収性との差が大きい程、測定精度が向上するので、このような光(Lλ2)を採用することが好ましい。
同一の被測定対象で複数の化学成分の濃度を測定する場合は、光(Lλ1)は、測定される化学成分の数だけ用意される。即ち、N個の化学成分である場合は、光(Lλ1)は、n個の光(Lλ1n:nは正整数)が用意される。
光(Lλ1n:nは正整数)の中の該当の1つの光は、該当の一つの化学成分のみに対して吸収性を示し、他の化学成分のいずれに対しては吸収性を示さないか実質的に示さない波長もしくは波長域の光が選択される。例えば、グルコースとヘモグロビンを同一の被測定対象で測定する場合は、グルコースに吸収性を示すがヘモグロビンには吸収性を示さない光(Lλ11数)と、グルコースには吸収性を示さないがヘモグロビンには吸収性を示す光(Lλ12)が選択される。
光(Lλ2)は、何れの化学成分に対しても吸収性を示さないか実質的に吸収性を示さない光が選択される。
光源部の光源は、この条件の光を発光するものが選択されて使用されるのは言うまでもない。
光(Lλ1)と光(Lλ2)は、被測定対象104に照射される際には、同一光軸若しくは実質的に同一な光軸上で照射されるのが好ましい。即ち、仮に、被測定対象104中に於いて、濃度測定の対象である化学成分が空間的・時間的に不均一分布であったり、斑分布であったりする場合でも、光(Lλ1)と光(Lλ2)の被測定対象104中を透過する位置が同一若しくは実質的に同一であると同時に測定時間が極めて短時間であるため、測定誤差の影響が極めて少なく高い精度で測定できる利点がある。
光(Lλ1)若しくは光(Lλ2)からなる照射光103は、被測定対象104に照射され、その結果、透過光105が被測定対象104の正反対側から出射する。
受光センサ部106は、この受光に応答して電気信号107を出力する。
信号107は、光(Lλ1)に基づく信号107aと、光(Lλ2)基づく信号107bの何れかの信号である。
信号107aと信号107b とは、設定された時間差で順次或いは同時に差動信号形成部108に入力される。
設定された時間差で入力される場合は、先に入力された方の信号は、場合によっては、差動信号を形成するためのタイミングに合わせて差動信号形成部108内の所定回路に所定時間ホールドされることもある。
信号107の入力に応じて差動信号形成部108から出力される差動出力信号109は、信号格納/処理部110に転送されて出力信号111を出力すべく格納/処理が施される。
出力信号111は表示部112に転送される。出力信号111を受信した表示部112は、測定した化学成分の濃度表示を表示部112の表示画面に出力信号111応じた値として表示する。
受光センサ部106を構成する受光センサは、フォトダイオードの様な単一素子でも良いし、所定数の受光画素が一次元配列したラインセンサ、二次元配列したエリアセンサでも良い。
測定すべき化学成分が被測定対象体104中で不均一である場合は、測定の位置依存性による誤差が測定精度を下げる可能性があるので、ラインセンサやエリアセンサを採用するのが好ましい。特に、被測定対象体104の光軸に垂直で透過光105が出射する出射面を覆う大きさの受光面を揺するエリアセンサの採用は、測定精度を一段と高める事が出来るので好ましい。
光(Lλ1)と光(Lλ2)とは、これまで単一波長の光で説明したが、本発明においては、これに必ずしも限定されることはなく、波長にバンド幅(波長域)を持たせても良い。即ち、本発明では、所定の波長域の光束を使用することも出来る。
ステップ202において、所定の位置に被測定対象である検体104が適切に設置されているかも含めて検体104の有無が判断される。検体104が適切に設置されていることが判断されると、ステップ202で、検体104中の測定すべき化学成分の濃度を測定するのに必要且つ適切な第一の光(Lλ1)と第二の光(Lλ2)が選択される。
第一の光(Lλ1)と第二の光(Lλ2)の選択は、第一の光(Lλ1)用の光源101aと第二の光(Lλ2)用の光源101bを光学的濃度測定システム100の所定位置に設置、或いは分光器で分光することで成される。
光源の設置による場合は、検体104中の測定すべき化学成分の吸収スペクトルから第一の光(Lλ1)と第二の光(Lλ2)の選択が予め出来るので、ステップ201の前に、ステップ203を配することが出来る。
検量線の取得には、光学的濃度測定システム100の記憶部に予め記憶されている検量線のデータを読み出すことで実行される他、図5で説明される様に、改めて検量線を作成することに依っても実行できる。
検量線の取得が完了したら、ステップ206で示されるように検体104の測定が開始される。
測定が開始されると、検体104には、所定の間隔のタイムシェアリングで、第一の光(Lλ1)と第二の光(Lλ2)が所定の時間、照射される。
検体104を透過してきた第一の光(Lλ1)と第二の光(Lλ2)は、受光センサ部106にセットされている受光センサで受光される(ステップ207)。
受光センサが、第一の光(Lλ1)と第二の光(Lλ2)の各透過光をタイムシェアリングで受光すると、受光の度に受光量に応じた大きさの出力信号が夫々出力される。この出力信号に応じて、「−log(1-ΔT)」が算出される(ステップ208)。
「−log(1-ΔT)」が検量線の範囲であれば、検量線データを基に検体104中の目的とする化学成分の濃度が導出される(ステップ210)。
「−log(1-ΔT)」が検量線の範囲であれば、検量線データを基に検体104中の目的とする化学成分の濃度が導出される(ステップ210)。
ここで、光源の出力とは、点灯時間に放射される光量で、指向性の高い光の場合は、受光センサで受光される光の光量に実質的に相当する。
本発明においては、図7乃至図9に記載される様に集光光学部102によって、光源101a、101bからの光を集光し、あるいは図10に示す様に分岐型光ファイバ801を採用することが出来るので、光源101a、101bの放射面を集光光学部102の入射面に、或は分岐型光ファイバ801の入射面に近接若しくは接触させて、光源101a,101bを配設すれば、光源101a、101bの点灯時間に放射される光量は、受光センサで受光される光の光量に近似若しくは実質的に相当させることが出来る。
ガス濃度GCは、例えば、図4に示す、T1乃至T4のタイミングで出力信号(差動信号出力OUT4)を検出し、該検出した出力信号値と予め取得されている検量線とから導出される、目的のガスの濃度の変化として測定できる。
図4には、時間と共に段階的に増加するガス濃度GCの様子が示されている。
第一の光源の出力OUT1と第二の光源の出力OUT2が、図4に示す様なタイムミングで相互間の所定間隔と繰り返し間隔で同一軸上に出力されると、タイミングT1以前では、測定目的のガスが存在しないので、受光センサの出力OUT3は、同じ大きさのパルスS11、パルスS21として出力される。
タイミングT1とT2の期間、タイミングT2とT3との期間、タイミングT3とT4との期間では、パルスS12、S22,S13、S23,S14、S24が出力される。パスルS12,S13,S14の大きさはパルスS11と同じ大きさであるのに対して、パスルS22,S23,S24の大きさは、測定目的のガスの吸光の程度に応じて段階的に低くなっている。
即ち、第二の光源からの光が測定目的のガスに吸収され受光センサに受光される光量がガス濃度に応じて段階的に減少するため、パスルS22,S23,S24の大きさは、測定目的のガスの濃度の程度に応じて段階的に低くなる。
検量線を得るには、検量線取得装置を利用する。
検量線の取得が開始される(ステップST1)と、ステップST2において、光学測定セルの準備ができたか否かが判断される。
光学測定セルの準備ができたら、ステップST3に移行する。ステップST3において、所定のキャリアガスが所定単位量でセル内に導入されているかが判断される。
所定のキャリアガスが所定単位量でセル内に導入されていると判断されると、ステップST4に移行する。
このキャリアガスについては省略し、セル内が所定の真空度になっているかの判断のステップに変えても良い。このセル内が所定の真空度になっているかの判断も省略することが出来る。
いずれにしても、ステップST4に移行する前までに、セル内をクリーニングしておくことがより正確な検量線を得るのに必要である。
ステップST4では、複数の濃度の測定対象のガスを順次セルに導入し、各濃度のガスの吸光度を測定する。
測定が完了したら、ステップST5に移行する。
ステップST5では、吸光度の測定データを基に検量線を作成する。
こうして作成された検量線の一例が図6に示される。
図6は、ガス濃度GCと「−log(1-ΔT)」との関係の示したグラフである。
検量線が作成されたら、検体の濃度測定に移ることが出来る。
図7は、本発明の濃度測定方法を具現化する光学的濃度測定システムの好適な実施形態例の一つの主要部100aを説明するための模式的構成説明図である。図7は、透過光による濃度測定の例である。
主要部500においては、光源部は、第一の光(Lλ1)を発する第一の光源101aと第二の光(Lλ2)を発する第二の光源101bとから構成されている。
第一の光源101aから発せられた第一の光(Lλ1)は、集光光学部102で光軸上に集光されて照射光103aとして光軸上を通って被測定対象体104に照射される。照射光103aの中、被測定対象体104中で吸収し切れなかった量の光が透過光105aとして被測定対象体104から出射される。
透過光105aは、受光センサ部106の受光面に入射される。
透過光105aが、受光センサ部106で受光されると、透過光105aの光量に応じて光電変換された電気信号107が受光センサ部106から出力される。
受光センサ部106から出力された信号107は、差動信号形成回路で構成された差動信号形成部108に入力する。
第二の光源101bから発せられた第二の光(Lλ2)も第一の光(Lλ1)と同様に照射光103bとして光軸上を通って被測定対象体104に照射され、其れに応じて透過光105bが被測定対象体104から出射する。
第二の光(Lλ2)の場合は、被測定対象体104中に於いて吸収されないか、吸収されるとしても第一の光(Lλ1)に比べ吸収性が低いので、照射光103bと透過光105bに関しては、その光量は、同じか実質同じであるか、若しくは、その光量差が照射光103aと透過光105aとの光量差より少ない。
図7の例の場合が透過光による測定であるのに対して、図9の場合は、散乱光による測定である以外は、図7の例と同じであるので詳述は省略する。
差動信号形成部900は、(電荷)積分アンプ902、サンプル/ホールド回路903、差動アンプ904で構成されている。
青果物等の濃度測定する対象である被測定対象体104に濃度測定用の所定の波長の光が照射されて生じる透過光、反射光或いは散乱光が、受光用のフォトダイオード901で受光されると、その受光量に応じた電気信号P1がフォトダイオード901から出力される。電気信号P1は積分アンプ902に入力される。
積分アンプ902は、検体107のガス濃度の微小な変化まで測定できるように高感度化するために設けてある。
積分アンプ902の出力信号は、サンプル/ホールド回路903に入力される。
サンプル/ホールドされたアナログ信号は差動アンプ904へ入力される。
次に、本発明を具現化した例をガス濃度の測定例で説明する。
複数の異波長光を用い、該複数の光をタイムシェアリングで照射することで濃度を測定する濃度測定方法の好適な実施様態の一つを記述する。
以下では、主に、測定に透過光を用いるガス濃度測定例の好適な実施様態の一つを説明する。
測定に透過光を用いる代わりに、反射光を用いる場合や、散乱光を用いる場合でも本発明の範疇に入ることは、断るまでもなく当該技術分野においては当然のことである。
また、以下に説明する態様例が、ガス濃度の代わりに溶液の濃度や青果物の糖度などを測定する場合にも容易に展開できることも断るまでもない。
検体(被測定対象)は、例えば、ガス配管を流れるガスである。
ガス配管には、測定に使用する光(測定光hλ)が入射する入射面と前記ガス配管中を透過して外部へと出射する出射面が設けてある。
該入射面、該出射面は、測定光hλに対して透過率が「1」若しくはほぼ「1」である材料で構成される。
前記ガス配管中を流すガスは単一種のガスであっても複数の混合ガス種であっても目的のガス濃度は測定できる。
以下では、検体としてのガスの種類としては、単一種の場合、例えば、トリメチルガリウム(TMGa)である場合について記述する。
検体のガスの種類としては、その他、トリメチルインジウム(TMIn)や4四塩化チタン(TiCl4)等も挙げられる。
トリメチルガリウム(TMGa)のガス濃度測定では、例えば、第一の光源101aとしては、中心光波長が500nmの光(Lλ1)を発光するLEDが採用され、その光強度は、1.0mW/cm2/nmとされる。
第二の光源101bとしては、中心光波長が230nmの光(Lλ2)を発光するLEDが採用され、その光強度は1.0mW/cm2/nmとされる。
受光センサ部106の出力信号107は、差動信号形成回路108に入力され、それに応じて差動信号形成回路108から出力信号109が出力される。
第一の光源101aは、検体104のガスの濃度に依存して吸光度が変化する光を放射する光源が、第二の光源101bは、検体104のガスの濃度に依存して吸光度が変化しない若しくは実質的に変化しない光を放射する光源が、それぞれ採用される。
また、図7に示す構成では、第一の光源101aの光路と第二の光源101bの光路は、集光光学部102がなければ、被測定対象104において異なっているが、同一光路に出来るだけ近くなるように、第一の光源101aと第二の光源101bとをできるだけ近接しては配するのが好ましい。
或は、集光光学部102の代わりに図10に示すように分岐型光ファイバ801を採用すれば、実質的に同一光路とすることができるので好ましい。
図11に示す差動信号形成回路900には、検体107のガス濃度の微小な変化まで測定できるように高感度化するために(電荷)積分アンプ902が設けてある。
(電荷)積分アンプ902の出力信号は、サンプル/ホールド回路903に入力される。
サンプル/ホールドされたアナログ信号はADC1301へ入力される。
ADC1301からは第一の光源に基づく光信号と第二の光源に基づく光信号とそれらの差動信号が出力される。
ここで、光源の出力とは、点灯時間に放射される光量で、指向性の高い光の場合は、受光センサで受光される光の光量に実質的に相当する。
本発明においては、図7乃至図9に記載される様に集光光学部102によって、光源101a、101bからの光を集光し、或いは、図10に示す様に分岐型光ファイバ801を採用することが出来るので、光源101a、101bの放射面を集光光学部102の入射面に、或は分岐型光ファイバ801の入射面に近接若しくは接触させて、光源101a,101bを配設すれば、光源101a、101bの点灯時間に放射される光量は、受光センサで受光される光の光量に近似若しくは実質的に相当させることが出来る。
また、「ΔT」は吸光度差を示す。本実施様態では第一の光源101aに対してαが実質的に0となるとともに、第二の光源101bに対してαが2.18×10-4/ppmとなるように前記光路長を設定した。第一の光源101aから放射される光(Lλ1)の透過光の強度を「I1」とし、第二の光源101bから放射される光(Lλ2)の透過光の強度を「I2」とすると、I1は、第一の光源の光波長に対してガス濃度に係らず透過率差が実質的に0であることを用いると、式(1)は式(2)のように変形できる。
本方式では、ガス濃度によって吸収率が変化する第一の光源101aの出力OUT1と、吸収率がガス濃度に応じて変化しない第二の光源101bの出力OUT2とを用いて検体104の吸光度を高精度に計測することが出来る。
そのためにガス濃度が既知のリファレンスサンプルを用いて、その都度、検量線を作成するための測定をする必要が無い。
ガス濃度計として測定系やガスの温度などが変化したとしても安定に吸収率の変化を測定することが出来る。
ガス濃度が「0」の場合の第一の光源101aに基づく積分アンプ902における積分電荷量(1)と第二の光源101bに基づく積分アンプ902における積分電荷量(2)とが等しく、若しくは実質的に等しい様にセットアップする。
本実施様態での積分時間(1)と積分時間(2)は、それぞれ4.0msec、2.0msecとした。
この時、ガス濃度に対する測定された吸光度の値と、計測した信号に重畳するノイズの標準偏差の3倍の値との関係を図15に示す。
又、この電荷量を用いて測定を行った場合、ノイズの主成分はフォトンショットノイズであることが確認された。
更に、本発明の実施様態では、温度が変化したとしても光波長の異なる2つの光に基づく信号の差から出力を得ているため、温度によって変化する透過率の変動分をキャンセルすることが出来る。そのため、仮に、測定中に温度変動があったとしても安定した感度を高精度に得ることが出来る。
更には、例えば、自宅などで観察療養をしている糖尿病予備軍の人や血糖値が低い人や高かい人が、車の運転中に血糖値の異常事態が発生し意識が遠いて正常運転が出来ないか難しくなったりして事故を招く事態が起きる場合があるが、本発明に係る通信機能を有する非侵襲タイプの濃度測定器を着用して運転中測定動作させておけば、血糖値の異常を検知して即座に運転している自動車にその異常検知の信号を送信して、自動車を即時に自動停止させ、或いは道の脇にある安全地帯に自動誘導して停止せることもできる。その上で、持参のインシュリンを投与して正常を回復することもできる。
又、異常検知のデータを運転者の必要な個人データと共に掛かりつけか近くの病院に自動送信し、病院からの応急指示を仰ぐこともできる。
図12乃至図14において、図11に示す符番のものと同様の機能を果たすものには、図11に示す符番と同じ符番を付してある。
図12の場合は、差動信号出力905用の回路の加えて、差動前信号出力1001用の回路が付加されている他は、図11の場合と同じである。
図13の場合は、図12の場合に比べて、サンプル/ホールド回路(903a,903b)⇒差動アンプ(904a、904b)と信号が伝送される系統が2系統と、ADC1301が更に設けられている。
この構成により、図12に比べて、積分アンプのオフセットを除去できる点で利点がある。
積分アンプ902と同様の積分(蓄積)アンプ部1401と、1/10倍アンプ部1402が設けられ、各差動アンプ部(904a、904b)には、差動出力を有するためにそれぞれ2つの計装アンプが設けてある。
この様な構成とすることに依って、差動アンプのオフセットを除去できる点で利点がある。
図16,図17は、本発明を携帯形端末装置に適用した場合の一実施形態を示す概略構成図である。
図16は概略外観図、図17は、内分構成のブロック図である。
図16,図17に示される携帯端末装置1701は、GPS(Global Positioning System)測位部1703、演算処理部1704、記憶装置1705、表示部1706、とで構成されている。
GPS測位を要しない装置の場合は、GPS測位部1703は省略される。
又、GPS測位部1703を備えて、加速度センサ1708、角速度センサ1709を省略することも出来る。
携帯端末装置1701の例としては、ナビゲーション機能を有する携帯電話機器、PDA(Personal Digital Assistants)、タブレット、モバイルPC等のモバイル電子機器や腕時計、電子機器機能を備えたスカウター・ネックレス・指輪・腕輪等の着用品が挙げられる。
携帯端末装置1701の例としては、更に他に、登山用の携帯気圧計・高度計、ストップウオッチなど挙げられる。
携帯端末装置1701は、送受信基地、送受信衛星、自動車に搭載されているNAVIシステム、ハンディNAVI機器、構内ネットワークシステムにつながっている送受信器、他の携帯端末装置などの送受信機能具備装置と相互通信することが出来る。
以後の説明では、送受信機能具備装置の例として送受信衛星1702の例で説明する。
演算処理部1704は、歩数を検出する上下加速度センサ1708及び方位を検出する角速度センサ1709の検出信号が入力されて、これらに基づいて現在位置を自律測位すると共に、ナビゲーション処理を実行する。
演算処理部1704は、マイクロコンピュータ、CPU等で構成される。
記憶装置1705は、演算処理部1704で実行する処理プログラムを格納すると共に、演算処理で必要とする記憶テーブルを記憶するROM1705a、演算処理過程で必要とする演算結果等を記憶するRAM1705b及びナビゲーション処理終了時の現在位置情報を記憶する不揮発性メモリ1705cで構成される。
表示部1706は、演算処理部1704から出力されるナビゲーション画像情報を表示するもので、液晶表示器、有機EL表示器等で構成される。
時計部1707は、GPS測位部1703の作動時にこのGPS測位部1703から出力される年/月/日/時刻を表す現在時刻情報で補正される年/月/日/時刻を表示する。
演算処理部1704には、GPS測位部1703から出力される現在位置情報と、時計部1707から出力される年/月/日/時刻を表す現在時刻情報と、携帯端末装置701を保持するユーザーの腰位置に装着した加速度センサ1708から出力される加速度情報と、携帯端末装置1701に装着されたジャイロ等の角速度センサ1709から出力されるユーザーの歩行方向の方位に応じた角速度情報と、本発明に係る濃度測定部1701からの濃度測定情報と、が入力される。
濃度測定部1701は、図7乃至図10に示される光学的濃度測定システム或は該システムと同様の機能を備えた光学的濃度測定機器で構成され、携帯端末装置1701本体に着脱可能に装備されていても好いし、本体と一体的に構成されていても好い。
濃度測定部1701が本体に着脱可能に装備されている場合は、測定の際に、濃度測定部1701を本体から外して例えば身体に接触させて、例えば血液の糖度を測定することが出来る。
濃度測定部1701は本体から外されていても、濃度測定部1701と本体との間で通信出来る様に、濃度測定部1701と本体の両者に、Wi-Fi,Bluetooth(登録商標),NFCなどの近距離通信用の通信モジュールが設けられている。
携帯端末装置1701によれば、濃度測定データ、位置情報データ、記憶装置1705に記憶されている個人特定データ、を送信先に送信できる。例えば、自動車を運転中に血液中の糖度値に異常を来した場合は、異常を示す信号を車に伝送して車を自動停止させると同時にホームドクターや掛かりつけの医者がいる病院に、濃度測定データ、位置情報データ、及び個人特定データを伝送して、送信先の医者から適切な処置の指示を仰ぐことが出来、場合によっては、救急車の速やかな配車も可能である。
ROM1705aには、地域別位置情報記憶テーブルが格納されている。
その他、ROM1705aには、自律測位演算を行う自律測位演算用プログラムと、GPS測位部1703で演算した現在位置情報及び自律測位用プログラムによる自律測位演算処理で演算した現在位置情報の何れかを選択する演算部選択処理プログラム、とが格納されている。
地域別位置情報記憶テーブルには、全国の都道府県名と、各都道府県の庁所在地名と、庁所在地の緯度(N)及び経度(E)とが記載されている。
演算処理部1704は、自律測位演算を行う自律測位演算用プログラムに従って自律測位演算処理を実行する。
即ち、先ず、角速度センサ9で検出した角速度θvを読込み、次いで、角速度θvを積分して方位θを算出してから次のステップに移行する。
移行したステップでは、加速度センサ1708で検出した上下加速度Gを読込んで、上下加速度Gの変化パターンから歩数Pを算出し、算出した歩数Pに予め設定した歩幅Wを乗算して移動距離Lを算出し、算出した方位θ及び移動距離Lに基づいて現在位置情報を更新し、更新した現在位置情報を地図情報に重ねて表示部1706に表示してからタイマ割込処理を終了して所定のメインプログラムに復帰する。
更に、演算処理部1704は、演算部選択処理プログラムに従ってGPS測位部1703で測位した現在位置情報及び自律測位演算処理で測位した現在位置情報の何れかを選択する演算部選択処理を実行する。
この演算部選択処理では、携帯端末装置1701に電源が投入されてナビゲーション処理が選択されたときに実行開始され、を選択する演算部選択処理を実行する。
携帯端末装置1701の例としては、ナビゲーション機能を有する携帯電話機器、PDAPersonal Digital Assistants)、タブレット、モバイルPC等のモバイル電子機器や腕時計、モバイル電子機器や腕時計、電子機器機能を備えたスカウター・ネックレス・指輪・腕輪・等の着用品が挙げられる。
好適な実施態様の一例について図18を用いて説明する。
図18に示す実施態様は、差動信号形成部1800、受光センサ部1801を備えている。
差動信号形成部1800は、積分回路部1802、アナログ−デジタル変換(A/D変換)部(ADC)1803、差動信号形成要素部1804を備えている。
受光センサ部1801には、測定用の受光センサとしてフォトダイオード1805が設けてある。積分回路部1802には、オペアンプ108、コンデンサC1、スイッチSW1が設けられてある。
図11の場合の差動信号形成部900の例は、アナログ信号を用いて差動信号905を形成するものであるが、図18の例では、差動信号1809は、積分回路部1802から出力される信号807をアナログ−デジタル変換(A/D変換)後にデジタル演算処理を施して形成される。
フォトダイオード1805の出力端子は、オペアンプ1809の反転入力ピンと電気的に接続されている。
オペアンプ1806の非反転ピンは、接地されている。
積分回路部1802とADC1803との間は、スイッチSW2が必要に応じて設けられえ信号伝達路が形成されている。該信号伝達経路は、積分回路部1802とADC1803との間を電気的に接続することで形成することができる。
波長または波長帯域が異なる2つの光(第一の光と第二の光)が、被測定対象(検体)にタイムシェアリングによって順次照射されると、その照射に応じて被測定対象を介して来る第一の光と第二の光がタイムシェアリングによって、順次、フォトダイオード1805で受光される。
フォトダイオード1805は受光すると光電荷を発生し、該光電荷は、コンデンサC1に蓄積される。積分回路部1802からは、この蓄積電荷量に応じた大きさの電圧の信号1807が、スイッチSW2がONの場合に出力される。信号1807は、アナログ・デジタル変換手段(ADC)1803に入力されてデジタル信号化されて、信号1808としてADC1803から出力される。デジタル化された信号1808は、差動信号形成要素部1804に入力される。
第一の光に対応する信号1808aと第二の光に対応する信号1808bは、先に入力された方の信号は、後で入力される信号が少なくとも入力されるまで差動信号形成要素部1804内部に一時的に保存される。
測定目的とする第一の光と第二の光のそれぞれに対応する信号1808a、1808bが、差動信号形成要素部1804に順次入力されると、これらの信号1808a、1808bを基に差動信号形成要素部1804において差動信号形成処理が実施されて差動信号1809が差動信号形成要素部1804から出力される。
100−1 光学的濃度測定サブシステム
100−2 制御・操作サブシステム
100−3 光学的濃度測定装置
101 光源部
101a、101b 光源
102 集光光学部
103、103a、103b 照射光
104 被測定対象
105、105a、105b 透過光
106 受光センサ部
107、107a、107b 電気信号
108 差動信号形成部
109 差動出力信号
110 信号格納/処理部
111 出力信号
112 表示部
113 制御部
114 操作部
201〜211 ステップ
500、600、700,800 光学的ガス濃度測定システム
801 分岐型光ファイバ
801a、801b 分岐光学路
802a、802b 照射光
900、1000、1300、1400 差動信号形成部(回路構成)
901 フォトダイオード
902 積分アンプ
903、903a、903b サンプル/ホールド回路
904、904a、904b 差動アンプ
905 差動信号出力
906 差動前信号出力
1101 差動信号形成要素部
1301 ADC
1302 信号出力
1401 積分アンプ部
1402 1/10倍積分アンプ部
1701 携帯端末装置
1703 GPS測位部
1704 演算処理部
1705 記憶装置
1706 表示部
1708 加速度センサ
1709 角速度センサ
1800 差動信号形成部
1801 受光センサ部
1802 積分回路部
1803 デジタル・アナログ変換部
1804 差動信号形成要素部
1805 フォトダイオード
1806 オペアンプ
1807、1808、信号
1809 差動信号
Lλ1 第一の波長の光
Lλ2 第二の波長の光
Claims (10)
- 被測定対象中の所定の化学成分の濃度を光学的に測定する濃度測定方法において、
前記化学成分に対して吸収性がある第一の波長の光と、前記化学成分に対し吸収性がないか実質的にないかもしくは前記第一の波長の光よりも吸収性が比較的低い第二の波長の光を一つの発光手段から前記被測定対象に向けてタイムシャリング法によって照射し、
該照射によって生じる前記被測定対象からの光を一つの受光手段で受光し、
該受光によって生じる前記第一の波長の光に基づく第一の受光信号と前記の波長の光に基づく第二の受光信号とを差動回路に入力し、
該入力に応じて前記差動回路から出力される出力信号に基づく測定値を予め記憶手段に記憶されているデータと照合して前記所定の化学成分の濃度を導出することを特徴とする濃度測定方法。 - 被測定対象に対しての光吸収率が異なる第一の波長の光と、第二の波長の光とを前記被測定対象にそれぞれタイムシェアリング法で照射し、
各波長の光の該照射によって前記被測定対象を光学的に介してくる前記各波長の光を共通の受光センサで受光し、
該受光に応じて前記受光センサから出力する前記第一の波長の光に関する信号と第二の波長の光に関する信号の差動信号を形成し、
該差動信号に基づいて前記前記被測定対象における化学成分の濃度を導出することを特徴とする濃度測定方法。 - 前記被測定対象体がガス状態にある請求項1又は2に記載の濃度測定方法。
- 前記被測定対象体が液体状態にある請求項1又は2に記載の濃度測定方法。
- 前記被測定対象体が青果物である請求項1又は2に記載の濃度測定方法。
- 前記発光手段は、前記第一の波長の光を発光する光源と、前記第二の波長の光を発光する光源と、を備えている請求項1又は2に記載の濃度測定方法。
- 前記発光手段は、前記第一の波長の光と前記第二の波長の光とを発光する光源を備えている請求項1又は2に記載の濃度測定方法
- 被測定対象に対しての光吸収率が異なる第一の光と第二の光とをそれぞれ前記被測定対象にタイムシェアリング法で照射し、
前記被測定対象へ各光を照射することで前記被測定対象を光学的に介してくる各光を共通の受光センサで受光し、
該受光に応じて前記受光センサから出力する前記第一の光に係わる信号と第二の光に係わる信号に基づいて差動信号を形成し、
該差動信号に基づいて前記前記被測定対象における所期の化学成分の濃度を導出することを特徴とする濃度測定方法。 - 前記タイムシェアリング法での照射は、発光と受光の光学軸が同じか若しくは実質的に同じである照射光路を伝搬させて行う請求項8に記載の濃度測定方法。
- 前記タイムシェアリング法での照射は、前記被測定対象において同じか若しくは実質的に同じである照射光路を伝搬させて行う請求項8に記載の濃度測定方法。
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