JP6804061B2

JP6804061B2 - 誘電分光装置

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Publication number: JP6804061B2
Application number: JP2017111416A
Authority: JP
Inventors: 卓郎田島; 昌人中村; 克裕味戸; 小川　雄一; 雄一小川; 慧一郎白神
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp; Kyoto University NUC; NTT Inc USA
Current assignee: Kyoto University NUC; NTT Inc; NTT Inc USA
Priority date: 2017-06-06
Filing date: 2017-06-06
Publication date: 2020-12-23
Anticipated expiration: 2037-06-06
Also published as: JP2018205156A

Description

本発明は、誘電分光法を用いた生体の非侵襲な成分濃度測定技術に関する。特に、成分濃度測定を行うために生体に照射した電磁波の振幅及び位相を観測する技術に関する。

高齢化が進み、成人病に対する対応が課題になりつつある。成人病であるか否かは患者から採取した血糖値等の血液成分を検査して判断するが、採血行為自体が患者に過度の心的負担を与えるので、非侵襲な血液の成分濃度測定技術が注目されている。

現在、非侵襲な成分濃度測定方法として誘電分光法がある。誘電分光法は、患者の皮膚内に電磁波を照射し、血糖値を示すグルコース分子等と体内の水分との親和性による相互作用により電磁波を体内に吸収させ、患者の体内を通過した電磁波の振幅及び位相を観測することにより、患者の血液成分濃度を測定する手法である。

しかし、血液内の対象成分に対する電磁波の相互作用は小さく、また、人体への影響を考慮すると照射可能な電磁波の強度には限度があるため、適切な測定結果が得られず、生体の血糖値測定においては十分な効果を得ることができない。

一方、マイクロ波等の電磁波を利用した材料分析の分野では、共振法、同軸反射法等の様々な手法を利用して材料の複素誘電率を評価することが行われている。テラヘルツ帯のような高周波では、レンズや放物面鏡を用いた疑似光学系によるフリースペース法により試料の複素誘電率が計測される。上述したグルコース分子等は複素誘電率に相関があるので、その複素誘電率の変化に対応した電気信号の振幅及び位相を測定することにより、試料である人体の血液成分濃度を測定することが可能である。

従来の誘電分光装置として、マイクロ波からミリ波以上の周波数帯では、光電気変換技術を利用した誘電分光装置がある。特許文献１に開示された誘電分光装置の構成を図５に示す。この図５は、特許文献１の図４に対応する。

図５に示す誘電分光装置は、２つの連続波光の差周波に対応する周波数のＴＨｚビームを第１フォトミキサ６ａから測定試料１００へ照射し、その測定試料１００を透過・反射したＴＨｚプローブビームを第２フォトミキサ６ｂでホモダイン検波して、電気信号の振幅及び位相を測定する方式が採られている。

また、電磁波をホモダイン検波する際には、第２フォトミキサ６ｂでのミキシング時における２つの光路・空間伝搬長が一致している必要があるため、空間を伝搬する電磁波の伝搬長や光が伝搬する光ファイバ長が調整されている。具体的には、第１カプラ３ａから第１フォトミキサ６ａを介する第２フォトミキサ６ｂまでの光ファイバ長及び空間伝搬長と、第２カプラ３ｂから第２フォトミキサ６ｂまでの光ファイバ長とを一致させている。

次に、測定試料について説明する。生体内部には水分等が含まれており、疑似的に水溶液や油等の液体試料を評価する際には、溶液セルに液体試料を封入又はフロー供給して測定することが一般的である。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×数ミリ角以上であり、サンプルを固定する窓材料としては、高抵抗Ｓｉ、Ｚカット水晶、高密度ポリエチレン、ポリメチルペンテン等、測定周波数に応じて透過率の高い材料が用いられる。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される場合もある。

また、誘電率測定用セルの場合、テラヘルツ波を透過する窓材が設けられているが、図５に示した連続波電磁波分光測定法では、窓材の厚さに依存するテラヘルツ波の多重反射が生ずることが知られている。２つの窓材の厚さ、セル厚、及び誘電率から多重反射の影響を排除することは容易ではないので、例えば、移動平均をとることによりスペクトル上の干渉リプルを低減する方法が採られている。

また、水は赤外領域で非常に強い吸収を呈するため、図６に示す高抵抗シリコン製のＡＴＲプリズム９を用いて液体試料の評価を行うことが知られている。従来では、２つのレンズ３０間におけるテラヘルツ波ビームは平行光であるため、その２つのレンズ３０間の中央にＡＴＲプリズム９を配置して支持台５０で固定している。ＡＴＲプリズム９は、その断面形状が台形であり、テラヘルツ波のビームサイズに応じて幅及び高さが調整されている。このＡＴＲプリズム９の上に誘電率測定用セルを載置し、その誘電率測定用セルで反射したＡＴＲプリズム９の透過信号を受信して振幅及び位相を測定する。

以上のように観測される電波の周波数に対応する電気信号の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、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間があるので、その変化に対応した電気信号の振幅及び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間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が行われる。

特開２０１３−３２９３３号公報

Jae-Young Kim、外４名、"Continuous-Wave THz Homodyne Spectroscopy and Imaging System With Electro-Optical Phase Modulation for High Dynamic Range,"、IEEE TRANSACTIONS ON TERAHERTZ SCIENCE AND TECHNOLOGY、VOL.3、NO.2、2013年3月、p.158-p.164 Benjamin S.-Y.Ung、外５名、"Low-cost ultra-thin broadband terahertz beam-splitter"、OPTICS EXPRESS、Vol.20、No.5、2012年2月27日、p.4968-p.4978

しかしながら、テラヘルツ帯等の高帯域電磁波において、図５に示した従来の誘電分光装置では、光源の位相雑音に伴うフォトミキサで生じる雑音の影響によりＳＮ比の低下が生ずる。これらの雑音は観測する電気信号の振幅及び位相の変動をもたらすため、測定再現性や妥当な測定精度が得られないという課題があった。

本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであり、環境変動による不安定性を低減し、テラヘルツ帯等の高周波帯での誘電分光測定を高精度に行うことを目的とする。

以上の課題を解決するため、請求項１に係る誘電分光装置は、第１のフォトミキサから第２のフォトミキサへ放射される２つの光の差周波に対応する周波数の電磁波が伝搬する伝搬路に配置され、測定試料が設置されたＡＴＲプリズムと、前記第１のフォトミキサと前記ＡＴＲプリズムとの間を伝搬する前記電磁波の伝搬路に配置されたハーフミラーと、前記ハーフミラーで反射した前記電磁波を受信する第３のフォトミキサと、前記第２のフォトミキサへ入力されるホモダイン検波用の光を分岐して前記第３のフォトミキサへ入力するスプリッタと、前記第２のフォトミキサでホモダイン検波された第１の電気信号の値を前記第３のフォトミキサでホモダイン検波された第２の電気信号の値で補正する補正部と、を備え、前記補正部は、前記第１の電気信号と前記第２の電気信号とをそれぞれ検波して振幅及び位相をそれぞれ検出し、前記第１の電気信号の振幅及び位相の値から前記第２の電気信号の振幅及び位相の値を除去し、除去後の振幅及び位相を用いて複素誘電率を計測し、前記複素誘電率から前記測定試料に含まれる成分濃度を測定することを特徴とする。

本発明によれば、環境変動による不安定性を低減し、テラヘルツ帯等の高周波帯での誘電分光測定を高精度に行うことができる。

本実施の形態に係る誘電分光装置の構成を示す図である。ＡＴＲプリズムでのテラヘルツ波の屈折及び反射のイメージを示す図である。ＡＴＲプリズム未使用時の振幅と位相の時間推移を示すグラフである。ＡＴＲプリズム使用時の振幅と位相の時間推移を示すグラフである。従来の誘電分光装置の構成を示す図である。従来の誘電分光装置の構成を示す図である。

＜概要＞
本発明では、図５に示した従来の誘電分光装置に対して、第１フォトミキサ６ａからの電磁波の一部を反射させるハーフミラー、ハーフミラーで反射した電磁波を受信する第３フォトミキサ、第２カプラ３ｂからのホモダイン検波用の光を分岐して第２フォトミキサ６ｂと第３フォトミキサへそれぞれ入力する第３スプリッタ、及び第２フォトミキサ６ｂでホモダイン検波された電気信号の値を第３のフォトミキサでホモダイン検波された電気信号の値で補正するロックインアンプを更に備え、テラヘルツ分光をＡＴＲプリズムで行うことを特徴とする。

これらの構成要素を追加したことにより、光源の位相雑音に伴う第１フォトミキサ６ａ及び第２フォトミキサ６ｂで生じる雑音の影響を排除することができる。その結果、環境変動による不安定性を低減し、テラヘルツ帯等の高周波帯での誘電分光測定を高精度に行うことができる。

また、本発明では、第２フォトミキサ６ｂと第３フォトミキサでのそれぞれのミキシング時における２つの光路・空間伝搬長が一致しなければならないという条件を、遅延線を用いて調整することを特徴とする。これにより、簡易かつ簡便にホモダイン検波を行うことができる。

以下、本発明を実施する一実施の形態について図面を用いて説明する。

＜構成＞
図１は、本実施の形態に係る誘電分光装置の構成を示す図である。本実施の形態では、疑似光学系によるフリースペース法を用いる。

この誘電分光装置は、第１連続波光源１ａ、第２連続波光源１ｂ、第１スプリッタ２ａ、第２スプリッタ２ｂ、第３スプリッタ２ｃ、第１カプラ３ａ、第２カプラ３ｂ、第１位相変調器４ａ、第２位相変調器４ｂ、発振器５、第１フォトミキサ６ａ、第２フォトミキサ６ｂ、第３フォトミキサ６ｃ、第１放物面鏡７ａ、第２放物面鏡７ｂ、第３放物面鏡７ｃ、ハーフミラー８、ＡＴＲプリズム９、遅延線１０、ロックインアンプ１１、及びモニタ１２、を備えて構成される。これら全ての構成要素は、図１に示す通りに接続されている。なお、図１に示された実線は光ファイバ線であり、一点鎖線は電気線であり、破線は電磁波の伝搬路である。

第１連続波光源１ａは、第１周波数ω_１の第１連続光波を出力する機能を備える。第２連続波光源１ｂは、第２周波数ω_２（≠ω_１）の第２連続光波を出力する機能を備える。なお、連続波光源からの光の連続波に代えて、レーザ光源からのパルス波を用いてもよい。

第１スプリッタ２ａは、第１連続光波の光パワーを等分に２つに分岐し、一方の第１連続光波を第１カプラ３ａへ入力し、他方の第１連続光波を第１位相変調器４ａへ入力する機能を備える。第２スプリッタ２ｂは、第２連続光波の光パワーを等分に２つに分岐し、一方の第２連続光波を第１カプラ３ａへ入力し、他方の第２連続光波を第２位相変調器４ｂへ入力する機能を備える。

第１位相変調器４ａは、発振器５からの信号に基づき第１連続光波の位相を変調して第２カプラ３ｂへ入力する機能を備える。第２位相変調器４ｂは、発振器５からの信号に基づき第２連続光波の位相を変調して第２カプラ３ｂへ入力する機能を備える。

第１カプラ３ａは、第１連続光波と第２連続光波を合波して第１フォトミキサ６ａへ入力する機能を備える。第２カプラ３ｂは、それぞれ位相変調された第１連続光波と第２連続光波を合波し、遅延線１０及び第３スプリッタ２ｃを介して第２フォトミキサ６ｂと第３フォトミキサ６ｃへそれぞれ入力する機能を備える。

なお、第１位相変調器４ａ、第２位相変調器４ｂ、及び第２カプラ３ｂは、第２フォトミキサ６ｂと第３フォトミキサ６ｃがそれぞれホモダイン検波を行う際に用いる参照信号（ホモダイン検波用の光）の発振源を構成している。

第１フォトミキサ６ａは、第１連続光波と第２連続光波の差周波（｜ω_１−ω_２｜）に対応する周波数のテラヘルツ波を空間へ放射する機能を備える。この第１フォトミキサ６ａは、例えば、単一走行キャリア・フォトダイオード（UTC-PD：Uni-Travelling-Carrier Photodiode）で実現可能である。

第２フォトミキサ６ｂは、ＡＴＲプリズム９と測定試料１００を介して空間内を伝搬してきた第１フォトミキサ６ａからのテラヘルツ波を受信し、第２カプラ３ｂからの参照信号（ホモダイン検波用の光）を用いてホモダイン検波を行い、その電気信号をロックインアンプ１１へ出力する機能を備える。

第３フォトミキサ６ｃは、ハーフミラー８で反射した第１フォトミキサ６ａからのテラヘルツ波を受信し、第２カプラ３ｂからの参照信号（ホモダイン検波用の光）を用いてホモダイン検波を行い、その電気信号をロックインアンプ１１へ出力する機能を備える。

これらの第２フォトミキサ６ｂと第３フォトミキサ６ｃは、例えば、アンテナ付きUTC-PDと光ファイバを同一パッケージに実装することで実現可能である。その他、光伝導アンテナ（PCA：Photo-Conductive Antenna）を用いてもよい。

第１放物面鏡７ａは、第１フォトミキサ６ａから放射されたテラヘルツ波をおよそ９０°の角度で反射させて、平行光に変換して、テラヘルツ波の伝搬方向を変更する機能を備える。

第２放物面鏡７ｂは、第１放物面鏡７ａで変更されたテラヘルツ波の伝搬方向をおよそ９０°の角度で反射させてテラヘルツ波の伝搬方向を第２フォトミキサ６ｂへ向ける機能を備える。

第３放物面鏡７ｃは、ハーフミラー８で反射したテラヘルツ波の伝搬方向をおよそ９０°の角度で反射させて第３フォトミキサ６ｃへ向ける機能を備える。

ハーフミラー８は、第１フォトミキサ６ａとＡＴＲプリズム９との間を伝搬するテラヘルツ波の伝搬路に配置され、テラヘルツ波をＡＴＲプリズム９へ透過するとともに、そのテラヘルツ波を反射させる機能を備える。

ＡＴＲプリズム９は、断面形状が台形であり、テラヘルツ波のビームサイズに応じて幅及び高さが調整された減衰全反射プリズム又は全反射プリズムであって、第１フォトミキサ６ａから放射されるテラヘルツ波の伝搬路に配置されており、テラヘルツ分光を行う機能を備える。

第３スプリッタ２ｃは、第２カプラ３ｂからの参照信号（ホモダイン検波用の光）の光パワーを等分に２つに分岐し、一方の参照信号を第２フォトミキサ６ｂへ入力し、他方の参照信号を第３フォトミキサ６ｃへ入力する機能を備える。

遅延線１０は、第２カプラ３ｂと第３スプリッタ２ｃとの間に挿入して接続され、第２フォトミキサ６ｂと第３フォトミキサ６ｃへ入力される参照信号（ホモダイン検波用の光）を遅延させる機能を備える。

ロックインアンプ１１は、第２フォトミキサ６ｂでホモダイン検波された電気信号の値を第３フォトミキサ６ｃでホモダイン検波された電気信号の値で補正（除去）する機能（補正部）、発振器５の発振周波数を制御する機能を備える。このロックインアンプ１１は、例えば、アナログで信号処理を行う構成で実現してもよいし、Ａ／Ｄ変換後にデジタル信号処理を行う集積回路（例えば、FPGA（field-programmable gate array）、ASIC（application specific integrated circuit））で構成してもよい。

モニタ１２は、ロックインアンプ１１で行われた電気信号の処理結果（電気信号の振幅、位相等）を画面に表示する機能を備える。

ここまで、誘電分光装置を構成する個々の構成要素の機能について説明した。生体等の測定試料１００は、ＡＴＲプリズム９の表面（ＡＴＲプリズム９の斜面から入射したテラヘルツ波が屈折する側の表面）に載置又は接触配置される。

＜動作＞
次に、誘電分光装置の動作について説明する。

（従来の動作）
まず、図５に示した従来の誘電分光装置の動作を説明する（非特許文献１）。

２つの連続光波（又はパルス波）の差周波に対応した周波数のテラヘルツ波を第１フォトミキサ６ａから放射し、測定試料１００を透過・反射したテラヘルツ波を第２フォトミキサ６ｂで受信する。

それとともに、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光位相変調器４に単一周波数ｆｍの信号を印加してセロダイン位相変調を行い、変調周波数ｆｍと同等の周波数シフトを第２連続光波に生じさせ、周波数シフト後の第２連続光波と第１連続光波の合波（参照信号（ホモダイン検波用の光））を第２フォトミキサ６ｂに入力する。

その後、その参照信号を用いて、受信したテラヘルツ波とのホモダイン検波を第２フォトミキサ６ｂで行う。第２フォトミキサ６ｂからホモダイン検波による周波数ｆｍの電気信号が出力されるので、その電気信号を同期検波して振幅及び位相を検出する。

（本実施の形態の動作）
次に、図１を参照しながら、本実施の形態に係る誘電分光装置の動作を説明する。

２つの連続光波（又はパルス波）の差周波に対応した周波数のテラヘルツ波を第１フォトミキサ６ａから放射し、第１放物面鏡７ａ、ハーフミラー８、ＡＴＲプリズム９、測定試料１００、及び第２放物面鏡７ｂを介して伝搬したテラヘルツ波を第２フォトミキサ６ｂで受信する。

また、テラヘルツ波を第２フォトミキサ６ｂで受信するとともに、ＡＴＲプリズム９へ入射する前のテラヘルツ波、正確には、第１放物面鏡７ａ、ハーフミラー８、及び第３放物面鏡７ｃを介して伝搬したテラヘルツ波を第３フォトミキサ６ｃで受信する。

それらとともに、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第１位相変調器４ａと第２位相変調器４ｂに発振器５からの単一周波数ｆｍの信号を印加してセロダイン位相変調を行い、変調周波数ｆｍと同等の周波数シフトを第１連続光波と第２連続光波にそれぞれ生じさせ、周波数シフト後の第１連続光波と第２連続光波の合波（参照信号（ホモダイン検波用の光））を第２フォトミキサ６ｂと第３フォトミキサ６ｃにそれぞれ入力する。

その後、その参照信号を用いて、ＡＴＲプリズム９及び測定試料１００での変化量を含むテラヘルツ波とのホモダイン検波を第２フォトミキサ６ｂで行い、ＡＴＲプリズム９及び測定試料１００での変化量を含まないテラヘルツ波とのホモダイン検波を第３フォトミキサ６ｃで行う。

その後、第２フォトミキサ６ｂと第３フォトミキサ６ｃからホモダイン検波による周波数ｆｍの各電気信号がそれぞれ出力されるので、その各電気信号をそれぞれ同期検波してロックインアンプ１１で振幅及び位相を検出し、第２フォトミキサ６ｂの振幅及び位相の値から第３フォトミキサ６ｃの振幅及び位相の値を除去する。

最後に、ロックインアンプ１１又は図示しない専用装置で、除去後の振幅及び位相を用いて複素誘電率を計測し、その複素誘電率から測定試料１００に含まれる成分濃度を測定する。

本実施の形態によれば、第１フォトミキサ６ａとＡＴＲプリズム９との間にハーフミラー８を配置し、ハーフミラー８で反射したＡＴＲプリズム入射前のテラヘルツ波を用いて第３フォトミキサ６ｃでホモダイン検波を行い、第２フォトミキサ６ｂでホモダイン検波された電気信号の値から第３フォトミキサ６ｃでホモダイン検波された電気信号の値を除去するので、第１連続波光源１ａと第２連続波光源１ｂでの位相雑音に伴う第１フォトミキサ６ａ及び第２フォトミキサ６ｂで生じる雑音の影響を排除することができる。その結果、環境変動による不安定性を低減し、テラヘルツ帯での誘電分光測定を高精度に行うことができる。

＜カプラとフォトミキサ間の光路・空間伝搬長の調整方法＞
次に、カプラとフォトミキサ間の光路・空間伝搬長の調整方法について説明する。電磁波をホモダイン検波する際には、背景技術で説明した通り、第２フォトミキサ６ｂでのミキシング時における２つの光路・空間伝搬長が一致している必要がある。第３フォトミキサ６ｃでミキシングを行う場合も同様である。

この条件について、図５に示した従来の誘電分光装置では、第１カプラ３ａから第１フォトミキサ６ａを介する第２フォトミキサ６ｂまでの光ファイバ長及び空間伝搬長と、第２カプラ３ｂから第２フォトミキサ６ｂまでの光ファイバ長とを一致させていた。

同様の条件を満たすため、本実施の形態では、第１カプラ３ａから第１フォトミキサ６ａを介して第２フォトミキサ６ｂまでの第１光路長と、第２カプラ３ｂから第３スプリッタ２ｃを介して第２フォトミキサ６ｂまでの第２光路長と、第２カプラ３ｂから第３スプリッタ２ｃを介して第３フォトミキサ６ｃまでの第３光路長とを等しくする。つまり、第１光路長と第２光路長と第３光路長の遅延長を同等とする。

このとき、例えば、第１カプラ３ａと第１フォトミキサ６ａとの間、第３スプリッタ２ｃと第２フォトミキサ６ｂとの間、第３スプリッタ２ｃと第３フォトミキサ６ｃとの間は、それぞれ光ファイバで接続されているが、各間の光ファイバの実長は異なることが多い。そこで、上記光路長を同等する条件を満たすために、遅延線１０を挿入する。例えば、第１カプラ３ａと第１フォトミキサ６ａとの間の光ファイバ長が、第３スプリッタ２ｃと第２フォトミキサ６ｂとの間の光ファイバ長又は第３スプリッタ２ｃと第３フォトミキサ６ｃとの間の光ファイバ長よりも長い場合、図１に示したように、第２カプラ３ｂと第３スプリッタ２ｃとの間の光ファイバ上に遅延線１０を挿入する。

このように、本実施の形態では、遅延線１０の遅延量を調整するのみで上記光路長を同等する条件を満たすことができるので、確実かつ簡易にホモダイン検波を行うことができる。なお、第２カプラ３ｂと第３スプリッタ２ｃとの間の光ファイバに遅延線１０を挿入するのに代えて、他の光ファイバに遅延線を挿入してもよい。例えば、第３スプリッタ２ｃと第２フォトミキサ６ｂとの間の光ファイバ長又は第３スプリッタ２ｃと第３フォトミキサ６ｃとの間の光ファイバ長が、第１カプラ３ａと第１フォトミキサ６ａとの間の光ファイバ長よりも長い場合、第１カプラ３ａと第１フォトミキサ６ａとの間の光ファイバに遅延線を挿入する。

＜ＡＴＲプリズムの特性＞
次に、ＡＴＲプリズム９の特性について説明する。ＡＴＲプリズム９は、シリコンで構成されており、屈折率の温度特性があるので、温度変動により光路長が変化し、測定する位相が変化してしまう。

そこで、図２に示すように、ＡＴＲプリズム９の底部に温調素子１３を設置する。ＡＴＲプリズム９の底部に加えて側面に設置してもよい。また、安定して測定を行うため、ＡＴＲプリズム９と温調素子１３を支持台５０の上に固定する。

本実施の形態では、ＡＴＲプリズム９に対して温調素子１３と支持台５０を用いるので、テラヘルツ帯での誘電分光測定を更に高精度に行うことができる。

＜ハーフミラー、放物面鏡の特性＞
次に、ハーフミラー８、第１放物面鏡７ａの特性について説明する。

図２の破線で示されたテラヘルツ波は、Ｄｏｖｅ型のＡＴＲプリズム９の一方の斜面の所定位置に平面波で照射され、上面の測定試料１００で反射した後に、他方の斜面から出射する。入射及び出射した際には、ＡＴＲプリズム９の材質であるシリコンと空気の界面でおよそ３０％反射されることになる。

また、図１に示したように、本実施の形態では、第１フォトミキサ６ａとＡＴＲプリズム９の間にハーフミラー８を設置し、また、テラヘルツ波の伝搬路をレンズで調整するのに代えて放物面鏡を用いている。第１放物面鏡７ａで平行光となったテラヘルツ波の一部は伝搬路のハーフミラー８でおよそ９０°の角度で反射され、第３放物面鏡７ｃに到達して第３フォトミキサ６ｃに入射する。他のテラヘルツ波はハーフミラー８を透過した後に、ＡＴＲプリズム９に入射し、測定試料１００を介して第２放物面鏡７ｂに到達し、第２フォトミキサ６ｂに入射する。このようなハーフミラー８は、金属層の薄層の厚みを調整することで実現可能である（非特許文献２）。なお、ハーフミラーの反射率は等分に分岐されるように調整してもよい。

本実施の形態では、レンズではなく放物面鏡を用いるので、レンズで生じていたテラヘルツ波の多重反射をなくすことができる。その結果、複素誘電率を安定して計測することができ、誘電分光測定を更に高精度に行うことができる。

＜ロックインアンプの動作＞
次に、ロックインアンプ１１の動作について説明する。ロックインアンプ１１は、既に説明した通り、第２フォトミキサ６ｂでホモダイン検波された電気信号の値から第３フォトミキサ６ｃでホモダイン検波された電気信号の値を除去する。

ここで、空間伝搬路における電磁波の大気吸収を無視すると、第２フォトミキサ６ｂと第３フォトミキサ６ｃにそれぞれ到達する各テラヘルツ波の受信パワーＳ_２，Ｓ_３（ｄＢ）は、それぞれ式（１）と式（２）のように記述できる。

Ｓ_２＝Ｐ_１−Ｌ_ＡＴＲ−Ｌ_Ｓ−Ｌ_ＨＭ−２Ｌ_ＰＭ・・・（１）
Ｓ_３＝Ｐ_１−Ｌ_ＨＭ−２Ｌ_ＰＭ・・・（２）
Ｐ_１は第１フォトミキサ６ａから出射されたテラヘルツ波の送信パワー、Ｌ_ＡＴＲはＡＴＲプリズム９による信号損失、Ｌ_Ｓは測定試料１００による信号損失、Ｌ_ＨＭはハーフミラー８による信号損失、Ｌ_ＰＭは第１放物面鏡７ａ，第２放物面鏡７ｂ，又は第３放物面鏡７ｃによる信号損失である。２つの受信パワーＳ_２，Ｓ_３の差を求めると式（３）となる。

Ｌ_ＡＴＲ＋Ｌ_Ｓ＝Ｓ_３−Ｓ_２・・・（３）
式（３）より、第２フォトミキサ６ｂと第３フォトミキサ６ｃに到達する各テラヘルツ波の受信パワーＳ_２，Ｓ_３の差又は比をとることで、第１フォトミキサ６ａ等で生じる雑音が排除され、ＡＴＲプリズム９及び測定試料１００のみによる信号損失を求めることができる。ロックインアンプ１１は式（３）に対応する演算処理を行うので、誘電分光測定を高精度に行うことができる。

また、ロックインアンプ１１は、測定試料１００がない場合の受信パワーＳ_２１，Ｓ_３１と、測定試料１００がある場合の受信パワーＳ_２２，Ｓ_３２を用いて、Ｌ_ＡＴＲを更に除去する処理を行う。

具体的には、第２フォトミキサ６ｂの受信パワーＳ_２１，Ｓ_２２については、それぞれ式（４）と式（５）のように記述できる。

Ｓ_２１＝Ｐ_１−Ｌ_ＡＴＲ−Ｌ_ＨＭ−２Ｌ_ＰＭ・・・式（４）
Ｓ_２２＝Ｐ_１−Ｌ_ＡＴＲ−Ｌ_Ｓ−Ｌ_ＨＭ−２Ｌ_ＰＭ・・・式（５）
第３フォトミキサ６ｃの受信パワーＳ_３１，Ｓ_３２については、測定試料１００の有無に関わらず、式（２）の右辺と同じである。式（３）と同様に、測定試料１００がない場合の受信パワーＳ_２１，Ｓ_３１の差を求めると式（６）となり、測定試料１００がある場合の受信パワーＳ_２２，Ｓ_３２の差を求めると式（７）となる。

Ｌ_ＡＴＲ＝Ｓ_３１−Ｓ_２１・・・式（６）
Ｌ_ＡＴＲ＋Ｌ_Ｓ＝Ｓ_３２−Ｓ_２２・・・式（７）
式（６）と式（７）の差を求めると式（８）となる。

Ｌ_Ｓ＝（Ｓ_３２−Ｓ_２２）−（Ｓ_３１−Ｓ_２１）・・・式（８）
式（８）にはＬ_ＡＴＲが含まれていないので、測定試料１００のみによる信号損失を求めることができる。ロックインアンプ１１は式（８）に対応する演算処理も行うので、誘電分光測定を更に高精度に行うことができる。

図３は、大気中にＡＴＲプリズム９を設置していない場合の測定結果を示す図である。図３の（ａ）と（ｂ）には、それぞれ振幅と位相の時間推移が示されている。Ａｍｐ１とＰｈａ１は、それぞれ第２フォトミキサ６ｂからロックインアンプ１１へ出力された電気信号の振幅と位相を示し、Ａｍｐ２とＰｈａ２は、それぞれ第３フォトミキサ６ｃからロックインアンプ１１へ出力された電気信号の振幅と位相を示す。式（３）においてＬ_ＡＴＲとＬ_Ｓは無視できるので、大気吸収や第２フォトミキサ６ｂ，第３フォトミキサ６ｃでの受信特性等による残差をΔＡ（＝Ａｍｐ１−Ａｍｐ２），Δφ（＝Ｐｈａ１−Ｐｈａ２）として示す。

理想的には、長期的なドリフトが低減され、振幅１００％で一定又は位相０で一定となることが望ましい。Ａｍｐ１とΔＡのドリフト量を比較するとΔＡの方が理想値に近く、また、Ｐｈａ１とΔφのドリフト量を比較してもΔφの方が理想値に近いので、本発明による効果が認められる。例えば、測定開始から１時間後において、振幅は約１％のドリフトに抑えられ、位相は約３°のドリフトに抑えられていることを把握できる。標準偏差を求めると、式（３）による差分演算を行わなかった場合、振幅の標準偏差は０．２５％であるが、差分演算を行うことで０．０７％まで低減することができた。また、位相については標準偏差を０．８°から０．２°まで低減することができた。

図４は、大気中にＡＴＲプリズム９を設置している場合の測定結果を示す図である。図４の（ａ）と（ｂ）にも、それぞれ振幅と位相の時間推移が示されている。なお、測定試料１００は配置していない。式（３）においてＬ_Ｓによる信号損失は無視できるので、大気吸収や第２フォトミキサ６ｂ、第３フォトミキサ６ｃでの受信特性等による残差Δを示す。図４より、ＡＴＲプリズム９を設置しても同様の効果が得られることを把握できる。例えば、測定開始から１時間後において、振幅が±１％範囲内のドリフトに抑えられ、位相が±１．８°範囲内のドリフトに低減できていることを把握できる。

＜効果＞
以上より、本実施の形態によれば、第１フォトミキサ６ａとＡＴＲプリズム９との間にハーフミラー８を配置し、ハーフミラー８で反射したＡＴＲプリズム入射前のテラヘルツ波を用いて第３フォトミキサ６ｃでホモダイン検波を行い、第２フォトミキサ６ｂでホモダイン検波された電気信号の値から第３フォトミキサ６ｃでホモダイン検波された電気信号の値を除去するので、ＡＴＲプリズム９を介する信号の振幅及び位相を測定する際に、光源の位相雑音に伴う第１フォトミキサ６ａと第２フォトミキサ６ｂで生じるテラヘルツ波の送信パワーの雑音の影響によるＳＮ比の低下を抑制することができる。その結果、信号の振幅及び位相の変動を抑制し、測定再現性や測定精度を向上できるという効果を奏する。本実施の形態で説明した誘電分光装置は、人間又は動物を成す溶液成分の非侵襲な成分濃度測定技術に応用することができる。

１ａ…第１連続波光源
１ｂ…第２連続波光源
２ａ…第１スプリッタ
２ｂ…第２スプリッタ
２ｃ…第３スプリッタ
３ａ…第１カプラ
３ｂ…第２カプラ
４…光位相変調器
４ａ…第１位相変調器
４ｂ…第２位相変調器
５…発振器
６ａ…第１フォトミキサ
６ｂ…第２フォトミキサ
６ｃ…第３フォトミキサ
７ａ…第１放物面鏡
７ｂ…第２放物面鏡
７ｃ…第３放物面鏡
８…ハーフミラー
９…ＡＴＲプリズム
１０…遅延線
１１…ロックインアンプ
１２…モニタ
１３…温調素子
３０…レンズ
５０…支持台
１００…測定試料

Claims

第１のフォトミキサから第２のフォトミキサへ放射される２つの光の差周波に対応する周波数の電磁波が伝搬する伝搬路に配置され、測定試料が設置されたＡＴＲプリズムと、
前記第１のフォトミキサと前記ＡＴＲプリズムとの間を伝搬する前記電磁波の伝搬路に配置されたハーフミラーと、
前記ハーフミラーで反射した前記電磁波を受信する第３のフォトミキサと、
前記第２のフォトミキサへ入力されるホモダイン検波用の光を分岐して前記第３のフォトミキサへ入力するスプリッタと、
前記第２のフォトミキサでホモダイン検波された第１の電気信号の値を前記第３のフォトミキサでホモダイン検波された第２の電気信号の値で補正する補正部と、を備え、
前記補正部は、
前記第１の電気信号と前記第２の電気信号とをそれぞれ検波して振幅及び位相をそれぞれ検出し、前記第１の電気信号の振幅及び位相の値から前記第２の電気信号の振幅及び位相の値を除去し、除去後の振幅及び位相を用いて複素誘電率を計測し、前記複素誘電率から前記測定試料に含まれる成分濃度を測定することを特徴とする誘電分光装置。