JP7447433B2 - 光学部材、生体情報測定装置、及び測定装置 - Google Patents

Description

本願は、光学部材、生体情報測定装置、及び測定装置に関する。

近年、世界中で糖尿病患者が増加しており、採血を伴わない非侵襲的な血糖値測定が望まれている。 光を用いて血糖値等の生体情報を測定する方法としては、近赤外を用いたもの、中赤外を用いたもの、ラマン分光を用いたもの等、様々な方式が提案されている。このうち、中赤外領域はグルコースの吸収が大きい指紋領域であり、近赤外領域よりも測定の感度を高めることができる。

中赤外領域の光源として量子カスケードレーザ（ＱＣＬ：Quantum Cascade Laser）等の発光デバイスが利用可能であるが、使用する波長の数だけレーザ光源が必要になる。装置の小型化の観点からは、中赤外領域の波長を数波長に絞ることが望ましい。

中赤外領域等の特定波長領域で全反射減衰（ＡＴＲ：Attenuated Total Reflection）法によりグルコース濃度測定を精度良く行うために、グルコースの吸光ピークの波長（１０３５ｃｍ-1、１０８０ｃｍ-1、１１１０ｃｍ-1）を用いる方法が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。この特許文献１の装置では、ＡＴＲプリズム等の光学部材を被測定物に接触させた状態で、光学部材の内部を伝搬したプローブ光の全反射減衰に基づき生体情報を測定する。

しかしながら、特許文献１の装置では、光学部材が内部を伝搬するプローブ光を光吸収することで、光学部材から出射されたプローブ光の光強度が低下する場合があった。

本発明は、プローブ光の光吸収を抑制することを課題とする。

本発明の一態様に係る光学部材は、入射されるプローブ光を、被測定物である対象物に接触した状態で全反射させる全反射面を含む全反射部材と、前記全反射部材の内部に形成された中空部と、を含み、前記中空部には、前記全反射面に対して傾斜する傾斜面が設けられている。

本発明によれば、プローブ光の光吸収を抑制できる。

実施形態に係る血糖値測定装置の全体構成例を示す図である。 ＡＴＲプリズムの作用を示す図である。 ＡＴＲプリズムの構造を示す斜視図である。 中空ファイバの構造を示す斜視図である。 実施形態に係る処理部のハードウェア構成例のブロック図である。 実施形態に係る処理部の機能構成例を示すブロック図である。 プローブ光の切替動作例を示す図であり、（ａ）は第１プローブ光を使用する場合、（ｂ）は第２プローブ光を使用する場合、（ｃ）は第３プローブ光を使用する場合である。 実施形態に係る血糖値測定装置の動作例を示すフローチャートである。 ３つ以上の段階に変化させたプローブ光強度を示す図であり、（ａ）は比較例のプローブ光強度、（ｂ）は３つ以上の段階に変化させたプローブ光強度である。 プローブ光の位置ずれ補正例を示す図であり、（ａ）はプローブ光の断面光強度分布を示す図、（ｂ）は位置ずれ後の（ａ）の断面光強度分布を示す図、（ｃ）はスペックルを含むプローブ光の断面光強度分布を示す図、（ｄ）は位置ずれ後の（ｃ）の断面光強度分布を示す図である。 ＡＴＲプリズムにおける入射面の作用を示す図であり、（ａ）は入射面が平坦面の場合のプローブ光の全反射を示す図、（ｂ）は入射面が拡散面の場合のプローブ光の全反射を示す図、（ｃ）は拡散面の入射面、（ｄ）凹面の入射面、（ｅ）は凸面の入射面である。 第１，第２中空光ファイバとＡＴＲプリズムの相対位置ずれを示す図であり、（ａ）はＡＴＲプリズムが生体に接触していない場合、（ｂ）はＡＴＲプリズムの第１全反射面に生体が接触した場合、（ｃ）はＡＴＲプリズムの第２全反射面に生体が接触した場合である。 第１，第２中空光ファイバ、ＡＴＲプリズムの支持部材を示す図である。 光源駆動電流の一例を示す図であり、（ａ）は比較例の光源駆動電流、（ｂ）は高周波変調した光源駆動電流である。 第１実施形態に係る血糖値測定装置が備える光学部材の構成例を示す図であり、（ａ）は比較例に係るＡＴＲプリズムを示す図、（ｂ）は第１実施形態に係る光学部材を示す図である。 図１５（ｂ）の傾斜面周辺を示す拡大図である。 第１変形例に係る光学部材の構成を説明する図である。 第２変形例に係る光学部材の構成を説明する図である。 第３変形例に係る光学部材の構成を説明する図である。 光学部材の製法例を示す図であり、（ａ）は光学部材の構成を示す図、（ｂ）～（ｅ）は製作過程における光学部材を示す図である。 ブリュースター角でのプローブ光の入射例を示す図である。

以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。各図面において、同一の構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。

＜実施形態の用語の説明＞
（中赤外領域）
中赤外領域とは、２～１４μｍの波長領域をいい、特定波長領域の一例である。

（プローブ光）
プローブ光とは、吸光度測定及び生体情報測定のために用いられる光をいう。実施形態では、全反射部材で全反射され、生体により減衰された後、光強度検出部で検出される光に該当する。

（ＡＴＲ法）
ＡＴＲ（Attenuated Total Reflection；減衰全反射又は全反射吸収）法とは、被測定物に接触して配置されたＡＴＲプリズム等の全反射部材で全反射が起きる際に、全反射面からしみ出した界（エバネッセント波）を利用して被測定物の吸収スペクトルを取得する手法をいう。

（吸光度）
吸光度とは、物体を光が通過した際に光強度がどの程度低下するかを示す無次元量をいう。実施形態では、ＡＴＲ（Attenuated Total Reflection；減衰全反射又は全反射吸収）法により、全反射面からしみ出した界の生体による減衰が吸光度として測定される。

（血糖値）
血糖値とは、血液中に含まれるブドウ糖（グルコース）の濃度をいう。

（検出値）
実施形態では、光強度検出部による検出値を指すものとする。

（波数）
波長λ（μｍ）と波数ｋ（ｃｍ-1）の関係は、ｋ＝１００００／λである。

以下、ＡＴＲプリズム（全反射部材の一例）を用いて測定した吸光度に基づき、血糖値（生体情報の一例）を測定する血糖値測定装置（生体情報測定装置の一例）を例に、実施形態を説明する。

［実施形態］
まず、実施形態に係る血糖値測定装置１００について説明する。

実施形態では、生体に接触して設けられた全反射部材に、中赤外領域で波長の異なる複数のプローブ光を入射させ、ＡＴＲ法に基づいて、複数のプローブ光のそれぞれの吸光度を取得し、取得された吸光度に基づき血糖値を測定する。

＜血糖値測定装置１００の全体構成例＞
図１は、血糖値測定装置１００の全体構成の一例を示す図である。図１に示すように、血糖値測定装置１００は、測定部１と、処理部２とを備える。

測定部１は、ＡＴＲ法を行うための光学ヘッドであり、生体で減衰されたプローブ光の検出信号を処理部２に出力する。処理部２はこの検出信号に基づいて、吸光度データを取得し、また吸光度データに基づいて血糖値を取得して出力する処理装置である。

測定部１は、第１光源１１１と、第２光源１１２と、第３光源１１３と、第１シャッタ１２１と、第２シャッタ１２２と、第３シャッタ１２３とを備える。また、第１ハーフミラー１３１と、第２ハーフミラー１３２と、カップリングレンズ１４と、第１中空光ファイバ１５１と、ＡＴＲプリズム１６と、第２中空光ファイバ１５２と光検出器１７とを備える。

処理部２は、吸光度取得部２１と、血糖値取得部２２とを備える。吸光度測定装置１０１は、破線で囲って示したように、測定部１と、吸光度取得部２１とを含んで構成される。

測定部１における第１光源１１１、第２光源１１２及び第３光源１１３は、それぞれ処理部２に電気的に接続され、処理部２からの制御信号に応じて中赤外領域のレーザ光を射出する量子カスケードレーザである。

実施形態では、第１光源１１１は波数１０５０ｃｍ-1のレーザ光を第１プローブ光として射出し、第２光源１１２は波数１０７０ｃｍ-1のレーザ光を第２プローブ光として射出し、第３光源１１３は、波数１１００ｃｍ-1のレーザ光を第３プローブ光として射出する。

波数１０５０ｃｍ-1、１０７０ｃｍ-1及び１１００ｃｍ-1のレーザ光は、それぞれグルコースの吸光ピークの波数に対応し、これらの波数を利用して吸光度を測定することで、吸光度に基づくグルコース濃度の測定を精度よく行うことができる。

また、第１シャッタ１２１、第２シャッタ１２２及び第３シャッタ１２３は、それぞれ処理部２に電気的に接続され、処理部２からの制御信号に応じて開閉制御される電磁シャッタである。

第１シャッタ１２１が開放されると、第１光源１１１からの第１プローブ光は第１シャッタ１２１を通過して第１ハーフミラー１３１に到達する。一方、第１シャッタ１２１が閉鎖されると、第１プローブ光は第１シャッタ１２１に遮光されて、第１ハーフミラー１３１に到達しなくなる。

また、第２シャッタ１２２が開放されると、第２光源１１２からの第２プローブ光は第２シャッタ１２２を通過して第１ハーフミラー１３１に到達する。一方、第２シャッタ１２２が閉鎖されると、第２プローブ光は第２シャッタ１２２に遮光されて、第１ハーフミラー１３１に到達しなくなる。

同様に、第３シャッタ１２３が開放されると、第３光源１１３からの第３プローブ光は第３シャッタ１２３を通過して第２ハーフミラー１３２に到達する。一方、第３シャッタ１２３が閉鎖されると、第３プローブ光は第３シャッタ１２３に遮光されて、第２ハーフミラー１３２に到達しなくなる。

第１ハーフミラー１３１及び第２ハーフミラー１３２は、入射する光の一部を透過し、残りを反射させるための光学素子である。このような光学素子は入射光に対して透過性を有する基板に、入射光の一部を透過し、残りを反射させる光学薄膜を設けて構成できる。

但し、光学薄膜に限定されるものではなく、入射光に対して透過性を有する基板に、入射光の一部を透過し、残りを反射（回折）させる回折構造を形成して構成してもよい。回折構造を利用すると、光吸収を抑制できる点で好適である。

第１ハーフミラー１３１は、第１シャッタ１２１を通過した第１プローブ光を透過させ、第２シャッタ１２２を通過した第２プローブ光を反射させる。また、第２ハーフミラー１３２は、第１プローブ光と第２プローブ光のそれぞれを透過させ、第３シャッタ１２３を通過した第３プローブ光を反射させる。

第１ハーフミラー１３１及び第２ハーフミラー１３２のそれぞれにおける透過光と反射光の光強度比は略１対１になるように構成することが好ましいが、各光源の射出するプローブ光強度等に応じて、上記の光強度比を調整することもできる。

第１ハーフミラー１３１又は第２ハーフミラー１３２を経由した第１～第３プローブ光は、カップリングレンズ１４を介して第１中空光ファイバ１５１内に導かれ、第１中空光ファイバ１５１内を伝搬してＡＴＲプリズム１６の入射面１６１を介してＡＴＲプリズム１６内に導光される。

ＡＴＲプリズム１６は、入射面１６１から入射される第１～第３プローブ光を全反射させながら出射面１６４に向けて伝搬させ、出射面１６４から出射する光学プリズムである。図１に示すように、ＡＴＲプリズム１６は、第１全反射面１６２を生体Ｓ（対象物の一例、被測定物の一例）に接触させて配置される。

ＡＴＲプリズム１６内に導光された第１～第３プローブ光は、第１全反射面１６２と、第１全反射面１６２に対向する第２全反射面１６３のそれぞれで全反射を繰り返し、出射面１６４を介して第２中空光ファイバ１５２内に導かれる。

光検出器１７は第２中空光ファイバ１５２により導光された第１～第３プローブ光は光検出器１７に到達する。光検出器１７は、中赤外領域の波長の光を検出可能な検出器であり、受光した第１～第３プローブ光を光電変換して、光強度に応じた電気信号を検出信号として処理部２に出力する。光検出器１７は、赤外線用のＰＤ（Photo Diode）やＭＣＴ（Mercury Cadmium Telluride）検出素子、ボロメータ等により構成される。ここで、光検出器１７は光強度検出部の一例である。なお、以下では、第１～第３プローブ光を区別しない場合に、単にプローブ光という場合がある。

処理部２は、ＰＣ（Persdonal Computer）等の情報処理装置により構築されている。処理部２における吸光度取得部２１は、光検出器１７の検出信号に基づき、各プローブ光の吸光度データを取得して血糖値取得部２２に出力する。血糖値取得部２２は各プローブ光の吸光度データに基づき、生体の血糖値データを取得する。

なお、図１では、測定部１の構成と吸光度測定装置１０１に含まれる構成要素を分かりやすく示すために、測定部１を実線の枠で囲み、また吸光度測定装置１０１を破線の枠で囲ったが、これらは筐体を示すものではない。ＡＴＲプリズム１６は筐体内に収納されたものではなく、第１全反射面１６２、又は第２全反射面１６３の少なくとも一方を生体の任意の部位に接触させることが可能である。

＜ＡＴＲプリズム１６等の作用、構成＞
次に、図２を参照してＡＴＲプリズム１６の作用を説明する。図２に示すように、測定部１のＡＴＲプリズム１６は、生体Ｓに接触して配置される。ＡＴＲプリズム１６に入射したプローブ光は、それぞれ生体Ｓの赤外吸光スペクトルに対応する減衰を受ける。減衰を受けたプローブ光は光検出器１７で受光され、プローブ光毎に光強度が検出される。検出信号は処理部２に入力され、処理部２は検出信号に基づき、吸光度データ及び血糖値データを取得して出力する。

グルコースの吸収光強度が得られる中赤外領域で、分光による検出を行うには、赤外減衰全反射（ＡＴＲ）法が有効である。赤外ＡＴＲ法は、高屈折率のＡＴＲプリズム１６に赤外光であるプローブ光を入射させ、ＡＴＲプリズム１６と外界（例えば生体Ｓ）の境界面で全反射が起きる際に現れる界の「しみ出し」を利用したものである。ＡＴＲプリズム１６に被測定物である生体Ｓが接触した状態で測定を行えば、しみ出した界が生体Ｓによって吸収される。

プローブ光として２～１２μｍの広い波長域の赤外光を用いれば、生体Ｓの分子振動エネルギーに起因する波長の光が吸収され、ＡＴＲプリズム１６を透過したプローブ光の対応する波長で光吸収がディップとして現れる。この手法では、ＡＴＲプリズム１６を透過した検出光のエネルギーを大きく取れるため、微弱なパワーのプローブ光を用いた赤外分光法では特に有利である。

赤外光を用いた場合、ＡＴＲプリズム１６から生体Ｓへ光がしみ出す深さはわずか数ミクロン程度であり、深さ数百ミクロン程度に存在する毛細血管までは光が到達しない。しかし、皮膚や粘膜細胞中には血管中の血漿などの成分が組織液（間質液）としてにじみ出ていることが知られている。その組織液中に存在するグルコース成分を検出することで、血糖値の測定が可能となる。

組織液中のグルコース成分の濃度は、毛細血管に近くなるほど大きくなると考えられ、測定の際には常に一定の圧力でＡＴＲプリズムを押し付ける。このような押し付けに有利なように、実施形態では、台形の断面をもつ多重反射のＡＴＲプリズムを採用する。

ここで、図３は、実施形態に係るＡＴＲプリズムの構造を示す斜視図である。図３に示すように、ＡＴＲプリズム１６は台形型のプリズムである。ＡＴＲプリズム１６内での多重反射回数が増えるほど、グルコースの検出感度が増す。また、生体Ｓとの接触面積を大きくとれるため、ＡＴＲプリズム１６を押圧する圧力の変化による検出値の変動を小さく抑えることができる。ＡＴＲプリズム１６の底面の長さＬは、たとえば２４ｍｍである。厚さｔは、１．６ｍｍ、２．４ｍｍなど、多反射が生じるように薄く設定される。

ＡＴＲプリズム１６の材料としては、人体に対して毒性がなく、グルコースの吸収帯である波長１０μｍ付近で高い透過特性を示すものが候補となる。一例として、これらの条件を満たす材料の中から、光のしみ出しが大きく、より深部までの検出が可能で、屈折率が２．２のＺｎＳ（硫化亜鉛）のプリズムを用いることができる。ＺｎＳは、赤外材料として一般的に利用されているＺｎＳｅ（セレン化亜鉛）と異なり、発がん性が無いことが示されており、無毒な染料（リトポン）として歯科材料にも利用されている。

一般的なＡＴＲ測定装置では、ＡＴＲプリズムが比較的大型の装置に固定されているため、被測定物となる生体の部位は、指先や前腕部などの体表に制限される。しかし、これらの部位の皮膚は、厚さ２０μｍ程度の角質層で覆われているため、検出されるグルコース濃度が小さくなる。また、角質層は汗や皮脂の分泌状態の影響を受けるため、測定の再現性が制限される。そこで、血糖値測定装置１００では赤外光であるプローブ光を低損失で伝送可能な第１中空光ファイバ１５１及び第２中空光ファイバ１５２を用い、それぞれの一端をＡＴＲプリズム１６に当接させて用いる。

第１中空光ファイバ１５１は、一端がＡＴＲプリズム１６に当接されることで、ＡＴＲプリズム１６の入射面１６１に光学的に接続され、第１中空光ファイバ１５１からの出射光がＡＴＲプリズム１６の入射面１６１に入射されるようになっている。

また、第２中空光ファイバ１５２は、一端がＡＴＲプリズム１６に当接されることで、ＡＴＲプリズム１６の出射面１６４に光学的に接続され、ＡＴＲプリズム１６の出射面１６４からの出射光が第２中空光ファイバ１５２内に導光されるようになっている。

ＡＴＲプリズム１６を用いることで、皮膚表面に比較的近いところに毛細血管が存在し、汗や皮脂の影響が少ない耳たぶや、角質が存在しない口腔粘膜での測定が可能になる。

図４は、血糖値測定装置１００で用いられる中空光ファイバの構造の一例を示す斜視図である。グルコース測定に用いる比較的波長の長い中赤外光は、石英ガラス光ファイバではガラスに光が吸収されてしまい伝送できない。これまで、特殊な材料を用いた各種の赤外伝送用光ファイバが開発されてきたが、材料に毒性、吸湿性・化学的耐久性などの問題があり、医療分野に利用することは難しかった。

一方、第１中空光ファイバ１５１及び第２中空光ファイバ１５２は、ガラス、プラスチック等の無害の材料で形成されたチューブ２４３の内面に、金属薄膜２４２と誘電体薄膜２４１がこの順で配置されている。金属薄膜２４２は、銀などの毒性の低い材料で形成され、誘電体薄膜２４１で被覆することで、化学的、機械的耐久性が付与されている。また、中赤外光を吸収しない空気をコア２４５としているため、広い波長域で中赤外光の低損失伝送が可能となっている。

＜処理部２の構成＞
次に、処理部２の構成について、図５及び図６を参照して説明する。

図５は、実施形態に係る処理部２のハードウェア構成の一例を示すブロック図である。図５に示すように、処理部２は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）５０１と、ＲＯＭ（Read Only Memory）５０２と、ＲＡＭ（Random Access Memory）５０３と、ＨＤ（Hard Disk）５０４と、ＨＤＤ(Hard Disk Drive)コントローラ５０５と、ディスプレイ５０６とを備えている。また、外部機器接続Ｉ／Ｆ(Interface)５０８と、ネットワークＩ／Ｆ５０９と、データバス５１０と、キーボード５１１と、ポインティングデバイス５１２と、ＤＶＤ－ＲＷ(Digital Versatile Disk Rewritable)ドライブ５１４と、メディアＩ／Ｆ５１６と、光源駆動回路５１７と、シャッタ駆動回路５１８と、検出Ｉ／Ｆ５１９とを備えている。

これらのうち、ＣＰＵ５０１は、処理部２全体の動作を制御する。ＲＯＭ５０２は、ＩＰＬ（Initial Program Loader）等のＣＰＵ５０１の駆動に用いられるプログラムを記憶する。ＲＡＭ５０３は、ＣＰＵ５０１のワークエリアとして使用される。

ＨＤ５０４は、プログラム等の各種データを記憶する。ＨＤＤコントローラ５０５は、ＣＰＵ５０１の制御にしたがってＨＤ５０４に対する各種データの読み出し又は書き込みを制御する。ディスプレイ５０６は、カーソル、メニュー、ウィンドウ、文字、又は画像などの各種情報を表示する。

外部機器接続Ｉ／Ｆ５０８は、各種の外部機器を接続するためのインターフェースである。この場合の外部機器は、例えば、ＵＳＢ(Universal Serial Bus)メモリやプリンタ等である。ネットワークＩ／Ｆ５０９は、通信ネットワークを利用してデータ通信をするためのインターフェースである。バスライン５１０は、図５に示されているＣＰＵ５０１等の各構成要素を電気的に接続するためのアドレスバスやデータバス等である。

また、キーボード５１１は、文字、数値、各種指示などの入力のための複数のキーを備えた入力手段の一種である。ポインティングデバイス５１２は、各種指示の選択や実行、処理対象の選択、カーソルの移動などを行う入力手段の一種である。ＤＶＤ－ＲＷドライブ５１４は、着脱可能な記録媒体の一例としてのＤＶＤ－ＲＷ５１３に対する各種データの読み出し又は書き込みを制御する。なお、ＤＶＤ－ＲＷに限らず、ＤＶＤ－Ｒ等であってもよい。メディアＩ／Ｆ５１６は、フラッシュメモリ等の記録メディア５１５に対するデータの読み出し又は書き込み（記憶）を制御する。

光源駆動回路５１７は、第１光源１１１、第２光源１１２及び第３光源１１３のそれぞれと電気的に接続され、制御信号に応じて、これらに赤外光を射出させるための駆動電圧を出力する電気回路である。シャッタ駆動回路５１８は、第１シャッタ１２１、第２シャッタ１２２及び第３シャッタ１２３のそれぞれと電気的に接続され、制御信号に応じて、これらを開閉駆動させる駆動電圧を出力する電気回路である。

検出Ｉ／Ｆ５１９は、光検出器１７の検出信号を取得するためのインターフェースとなるＡ／Ｄ（Analog／Digital）変換回路等の電気回路である。なお、検出Ｉ／Ｆ５１９は、光検出器１７だけでなく、図５では図示を省略する圧力センサや温度センサ等の各種センサによる検出信号を取得すためのインターフェースとしての機能も有する。

次に、図６は実施形態に係る処理部２の機能構成の一例を示すブロック図である。図６に示すように、処理部２は、吸光度取得部２１と、血糖値取得部２２とを備える。

また吸光度取得部２１は、光源駆動部２１１と、光源制御部２１２と、シャッタ駆動部２１３と、シャッタ制御部２１４と、データ取得部２１５と、データ収録部２１６と、吸光度出力部２１７とを備える。

これらのうち、光源駆動部２１１の機能は光源駆動回路５１７等により、シャッタ駆動部２１３の機能はシャッタ駆動回路５１８等により、データ取得部２１５の機能は検出Ｉ／Ｆ５１９等により、データ収録部２１６の機能はＨＤ５０４等により、それぞれ実現される。また、光源制御部２１２、シャッタ制御部２１４及び吸光度出力部２１７の各機能は、ＣＰＵ５０１が所定のプログラムを実行すること等により実現される。

光源駆動部２１１は、光源制御部２１２から入力される制御信号に基づき駆動電圧を出力して、第１光源１１１、第２光源１１２及び第３光源１１３のそれぞれに赤外光を射出させる。光源制御部２１２は、制御信号により赤外光の射出タイミングや光強度を制御する。

シャッタ駆動部２１３は、シャッタ制御部２１４から入力される制御信号に基づき駆動電圧を出力して、第１シャッタ１２１、第２シャッタ１２２及び第３シャッタ１２３のそれぞれを開閉駆動させる。シャッタ制御部２１４は、制御信号によりシャッタを開放させるタイミングや期間を制御する。ここで、シャッタ制御部は入射制御部の一例である。

データ取得部２１５は、光検出器１７が連続して出力する検出信号を所定周期でサンプリングして取得した光強度の検出値を、データ収録部２１６に出力する。データ収録部２１６は、データ取得部２１５から入力した検出値を収録する。

吸光度出力部２１７は、データ収録部２１６から読み出した検出値に基づき所定の演算処理を実行して吸光度データを取得し、取得した吸光度データを血糖値取得部２２に出力する。

但し、吸光度出力部２１７は、取得した吸光度データを、外部機器接続Ｉ／Ｆ５０８を介してＰＣ等の外部装置に出力してもよいし、ネットワークＩ／Ｆ５０９及びネットワークを通じて外部サーバ等に出力してもよい。また、ディスプレイ５０６（図５参照）に出力して表示させてもよい。

また、血糖値取得部２２は生体情報出力部２２１を備える。生体情報出力部２２１は、吸光度取得部２１から入力した吸光度データに基づき所定の演算処理を実行して血糖値データを取得し、取得した血糖値データをディスプレイ５０６等に出力して表示させる。

但し、生体情報出力部２２１は外部機器接続Ｉ／Ｆ５０８を介して血糖値データをＰＣ等の外部装置に出力してもよいし、ネットワークＩ／Ｆ５０９及びネットワークを通じて血糖値データを外部サーバ等に出力してもよい。また、血糖値測定の信頼度を併せて出力するように、生体情報出力部２２１を構成してもよい。

吸光度データから血糖値データを取得するための処理には、特開２０１９－０３７７５２号公報等に開示された技術を適用できるため、ここではさらに詳細な説明を省略する。

＜血糖値測定装置１００の動作例＞
次に、血糖値測定装置１００の動作について、図７～図８を参照して説明する。

（プローブ光の切替動作例）
図７は、プローブ光の切替動作の一例を説明するための図である。（ａ）は第１プローブ光を使用する場合、（ｂ）は第２プローブ光を使用する場合、（ｃ）は第３プローブ光を使用する場合のそれぞれにおける測定部１の状態を示している。

実施形態では、各光源によるプローブ光のＡＴＲプリズム１６への入射を各シャッタの開閉で制御するため、吸光度及び血糖値の測定時には、第１光源１１１、第２光源１１２及び第３光源１１３は常時赤外光を射出している。

図７（ａ）では、第１シャッタ１２１は制御信号に応答して開放されている。第１光源１１１が射出した第１プローブ光は、第１シャッタ１２１を通過し、第１ハーフミラー１３１及び第２ハーフミラー１３２のそれぞれを透過して、カップリングレンズ１４を介して第１中空光ファイバ１５１に導光される。その後、第１中空光ファイバ１５１を伝搬した後に、ＡＴＲプリズム１６内に入射する。

一方、第２シャッタ１２２及び第３シャッタ１２３は、それぞれ閉鎖されているため、第２プローブ光及び第３プローブ光は、ＡＴＲプリズム１６には入射しない。従って、この状態では、ＡＴＲプリズム１６での減衰による第１プローブ光の吸光度が測定される。

図７（ｂ）では、第２シャッタ１２２は制御信号に応答して開放されている。第２光源１１２が射出した第２プローブ光は、第２シャッタ１２２を通過し、第１ハーフミラー１３１で反射され、第２ハーフミラー１３２を透過して、カップリングレンズ１４を介して第１中空光ファイバ１５１に導光される。その後、第１中空光ファイバ１５１を伝搬した後に、ＡＴＲプリズム１６内に入射する。

一方、第１シャッタ１２１及び第３シャッタ１２３は、それぞれ閉鎖されているため、第１プローブ光及び第３プローブ光は、ＡＴＲプリズム１６には入射しない。従って、この状態では、ＡＴＲプリズム１６での減衰による第２プローブ光の吸光度が測定される。

図７（ｃ）では、第３シャッタ１２３は制御信号に応答して開放されている。第３光源１１３が射出した第３プローブ光は、第３シャッタ１２３を通過し、第２ハーフミラー１３２で反射され、カップリングレンズ１４を介して第１中空光ファイバ１５１に導光される。その後、第１中空光ファイバ１５１を伝搬した後に、ＡＴＲプリズム１６内に入射する。

一方、第１シャッタ１２１及び第２シャッタ１２２は、それぞれ閉鎖されているため、第１プローブ光及び第２プローブ光は、ＡＴＲプリズム１６には入射しない。従って、この状態では、ＡＴＲプリズム１６での減衰による第３プローブ光の吸光度が測定される。

第１シャッタ１２１、第２シャッタ１２２、第３シャッタ１２３の全てが閉鎖された場合は、第１プローブ光、第２プローブ光及び第３プローブ光は、何れもＡＴＲプリズム１６に入射せず、光検出器１７に到達しなくなる。

このようにして、入射制御部としてのシャッタ制御部２１４（図６参照）は、各シャッタの開閉を制御して、第１～第３プローブ光が順次ＡＴＲプリズム１６に入射する状態と、第１～第３プローブ光の全てがＡＴＲプリズム１６に入射しない状態を切り替えることができる。

（血糖値測定装置１００の動作例）
図８は、血糖値測定装置１００の動作の一例を示すフローチャートである。

まず、ステップＳ８１において、光源制御部２１２の制御信号に応答して、第１光源１１１、第２光源１１２及び第３光源１１３の全てが赤外光を射出する。但し、この初期の状態では、第１シャッタ１２１、第２シャッタ１２２及び第３シャッタ１２３は、何れも閉鎖している。

続いて、ステップＳ８２において、シャッタ制御部２１４は、第１シャッタ１２１を開放させ、第２シャッタ１２２及び第３シャッタ１２３を閉鎖させる。

続いて、ステップＳ８３において、データ収録部２１６は、データ取得部２１５が取得した光検出器１７による検出値（第１検出値）を収録する。

続いて、ステップＳ８４において、シャッタ制御部２１４は、第２シャッタ１２２を開放させ、第１シャッタ１２１及び第３シャッタ１２３を閉鎖させる。

続いて、ステップＳ８５において、データ収録部２１６は、データ取得部２１５が取得した光検出器１７による検出値（第２検出値）を収録する。

続いて、ステップＳ８６において、シャッタ制御部２１４は、第３シャッタ１２３を開放させ、第１シャッタ１２１及び第２シャッタ１２２を閉鎖させる。

続いて、ステップＳ８７において、データ収録部２１６は、データ取得部２１５が取得した光検出器１７による検出値（第３検出値）を収録する。

続いて、ステップＳ８８において、吸光度出力部２１７は、第１～第３検出値に基づき、第１～第３プローブ光の吸光度データを取得して、生体情報出力部２２１に出力する。

続いて、ステップＳ８９において、生体情報出力部２２１は、第１～第３プローブ光の吸光度データに基づき所定の演算処理を実行して血糖値データを取得し、取得した血糖値データをディスプレイ５０６（図５参照）に出力して表示させる。

このようにして、血糖値測定装置１００は、血糖値データを取得して出力することができる。

なお、実施形態では、電磁シャッタである第１シャッタ１２１、第２シャッタ１２２及び第３シャッタ１２３を制御して、ＡＴＲプリズム１６へのプローブ光の入射を切り替える例を示したが、これに限定されるものではない。複数の光源のオン（射出）とオフ（不射出）を切り替える制御により、ＡＴＲプリズム１６へのプローブ光の入射を切り替えてもよい。また、複数の波長の光を射出する１つの光源を用い、波長毎で光源のオンとオフとを切り替えてもよい。

また、実施形態では、プローブ光の一部を透過し、残りを反射させる素子として第１ハーフミラー及び第２ハーフミラーを用いる例を示したが、これに限定されるものではなく、ビームスプリッタや偏光ビームスプリッタ等を用いてもよい。

また、プローブ光を透過する高屈折率材料、たとえばゲルマニウム等は、材料特性上表面反射率が高い。例えば基板の面方向に対し、垂直方向に偏光した光(s偏光)は、基板に対して４５度の入射角で入射すると、透過と反射の比がほぼ１：１となる。このことを利用して、ゲルマニウム板を４５度の入射角になるよう設置して、ハーフミラーの代わりとすることが出来る。なお裏面でも同様に５０％の反射成分があるため、裏面には無反射防止膜を施しておく。

＜実施形態に係る各種変形例＞
ここで、実施形態における各構成部は、各種の変形が可能であるため、以下において、各種変形例を説明する。

（光検出器１７の線形性誤差の影響抑制）
血糖値測定装置１００で用いられる光検出器１７は、線形性誤差を含む場合があり、光検出器１７の線形性誤差は血糖値の測定誤差を生じさせる。そのため、プローブ光強度を予め定めた３つ以上の段階に変化させ、プローブ光強度と光検出器１７による検出値とを比較することで線形性誤差の影響を低減させることもできる。

図９は、このように３つ以上の段階に変化させたプローブ光強度の一例を説明する示す図であり、（ａ）は比較例に係るプローブ光強度を示す図、（ｂ）は３つ以上の段階に変化させたプローブ光強度を示す図である。図９において、斜線ハッチングで示した部分は第１プローブ光強度、格子ハッチングで示した部分は第２プローブ光強度、ハッチングなしで示した部分は第３プローブ光強度を表している。

図９（ａ）では各プローブ光強度が一定であるのに対し、図９（ｂ）では各プローブ光強度が３つ以上の段階で、段階的に徐々に小さくなっている。光源の駆動電圧又は駆動電流を予め定めた３つ以上の段階（図９（ｂ）では６段階）に変化させることで、射出されるプローブ光強度を３つ以上の段階に変化させることができる。なお、この場合のプローブ光は、シャッタ制御部２１４によるプローブ光の切替制御周期（例えば、図８のステップＳ８２～Ｓ８４までの周期）より短い周期で光強度が変化している。

光検出器１７が線形性誤差を含まない場合は、プローブ光強度の変化に対して光検出器１７による検出値は線形に変化する。一方、光検出器１７が線形性誤差を含む場合は、プローブ光強度の変化に対して光検出器１７による検出値が非線形に変化する。

従って、３つ以上の段階に光強度を変化させながらプローブ光を射出し、各段階での光検出器１７による検出値を取得して、射出したプローブ光強度データと光検出器１７による検出値とを比較して、線形性が確保される光強度範囲を特定する。そして、３つ以上の段階に変化するプローブ光強度のうち、線形性が確保される部分のみを用いて、吸光度及び血糖値を測定する。これにより、光検出器１７の線形性誤差の影響を低減させて吸光度及び血糖値を測定できる。

線形性が確保される光強度範囲を特定する動作は、血糖値測定に先立って行ってもよいし、血糖値測定中にリアルタイムで行ってもよい。

また、プローブ光が複数あるのに対して光検出器１７は１つであるため、光検出器１７の線形性誤差の影響の低減処理は、複数のプローブ光の全てを用いて行わなくてもよく、複数のプローブ光のうちの少なくとも１つを用いて実行すればよい。

（イメージセンサによるプローブ光の検出）
光検出器１７は、１つの画素（受光素子）を用いるものに限定されるものではなく、画素がライン状に配列されたライン状のイメージセンサや、画素が２次元に配列されたエリア状のイメージセンサを用いることもできる。

ここで、光検出器１７の検出信号は、受光したプローブ光強度の積分値であるため、ＡＴＲプリズム１６に生体Ｓが接触した際にＡＴＲプリズム１６における入射光や出射光の光路が変化すると、変化前後のプローブ光強度が積分されて検出誤差が生じ、正確な吸光度データが得られなくなる場合がある。

図１０（ａ）、（ｂ）は、このようなプローブ光の位置ずれを示しており、領域１７１は、光検出器１７によるプローブ光の受光領域である。プローブ光が図１０（ｂ）の白抜き矢印方向にずれると、領域１７１におけるプローブ光強度分布が変化して、光検出器１７による検出信号が変化する。

これに対し、光検出器１７にイメージセンサを用いると、イメージセンサで撮像したプローブ光画像からプローブ光の位置ずれ量が分かるため、位置ずれ後のプローブ光の光強度分布の積分値を検出信号とすることで、プローブ光の位置ずれの影響を補正できる。図１０（ｂ）の領域１７２は、位置ずれ後のプローブ光で光強度分布の積分値を取得する領域を示している。

また、プローブ光にレーザ光等の可干渉性（コヒーレント）の光を用いると、プローブ光にスペックルと呼ばれる斑状の細かい光強度分布が重畳される場合がある。図１０（ｃ）はスペックルを含むプローブ光の断面光強度分布の一例を示している。１７４は、スペックル画像に含まれる場合がある光強度の特異点を示し、特異点１７４は領域１７３に含まれている。

図１０（ｄ）は、図１０（ｃ）のプローブ光が白抜き矢印方向に位置ずれした場合を示している。この状態では、特異点１７４が領域１７３に含まれなくなり、位置ずれ前後での検出信号の変化が顕著になる。これに対し、プローブ光画像から検出したプローブ光の位置ずれ量に応じて、領域１７５でのる光強度分布の積分値を検出信号とすることで、より好適にプローブ光の位置ずれの影響を補正できる。

また、イメージセンサ上でのプローブ光強度分布に基づき、生体ＳとＡＴＲプリズム１６との接触領域を推定し、測定開始前に予め取得して記憶しておいたＡＴＲプリズム１６面内の感度分布から、イメージセンサの検出信号に基づく検出値を補正することで、測定のばらつき誤差を低減することも可能になる。

（全反射部材への入射面）
上述した実施形態では、ＡＴＲプリズム１６の入射面１６１が平坦面である例を示したが、これに限定されるものではなく、入射面１６１を拡散面や曲率を有する面等のさまざまな形状にしてもよい。

図１１（a）に示すように、入射面１６１が平坦面であると、ＡＴＲプリズム１６内でのプローブ光の進行方向は、入射面１６１への入射角度に従って一様な状態となる。そのため、生体Ｓが接触するＡＴＲプリズム１６の全反射面において、領域毎で測定感度が異なる領域依存性が生じる場合がある。

光検出器１７の検出信号は、ＡＴＲプリズム１６に対する生体Ｓの接触面積の大きさ等、接触状態に依存する。特に、唇や指等の生体Ｓが被測定物である場合には、接触状態の再現性は低くなりやすいため、測定感度の領域依存性により測定ばらつきが増大する場合がある。

これに対し、 入射面１６１を拡散面とすることでＡＴＲプリズム１６内でのプローブ光の進行方向をランダムに異ならせることで、図１１（ｂ）に示すように、測定感度の領域依存性を緩和させ、測定ばらつきを低減させることができる。

また入射面１６１は、図１１（ｃ）に示す拡散面のほかにも、図１１（ｄ）に示す凹面や、図１１（ｅ）に示す凸面にすることもできる。図１１（ｄ）の凹面や図１１（ｅ）の凸面は曲率を有する入射面の一例である。この場合にも、拡散面と同様にプローブ光の光路を異ならせることができ、測定感度の領域依存性を緩和させて、測定ばらつきを低減させることができる。

なお、ＡＴＲプリズム１６にプローブ光が入射する前の光路上に拡散板やレンズ等を配置する構成にしても同様の効果が得られるが、この場合、装置の構成部品点数が増えることで組付け誤差による装置間での測定値の差（機差）やコスト高を招く場合がある。ＡＴＲプリズム１６の入射面１６１を拡散面や曲面にすると、このような機差やコスト高を押させることができるため、より好適である。

（導光部と全反射部材の支持部）
ＡＴＲプリズム１６に生体Ｓが接触する際に、第１中空光ファイバ１５１及び第２中空光ファイバ１５２とＡＴＲプリズム１６との相対位置がずれると、ＡＴＲプリズム１６に対するプローブ光の入射効率や出射効率が変動し、測定ばらつきが増大する場合がある。

図１２は、このような第１中空光ファイバ１５１及び第２中空光ファイバ１５２と、ＡＴＲプリズム１６との相対位置ずれを説明する図である。（ａ）はＡＴＲプリズム１６が生体Ｓに接触していない場合、（ｂ）はＡＴＲプリズム１６の第１全反射面１６２に生体Ｓが接触した場合、（ｃ）はＡＴＲプリズム１６の第２全反射面１６３に生体Ｓが接触した場合をそれぞれ示している。

図１２（ｂ）に示すように、生体ＳがＡＴＲプリズム１６の第１全反射面１６２に接触すると、白抜き矢印で示す下方に押圧力が加わり、ＡＴＲプリズム１６が下方にずれる。その結果、ＡＴＲプリズム１６'に示した状態になって、第１中空光ファイバ１５１及び第２中空光ファイバ１５２とＡＴＲプリズム１６'との相対位置が変化する。

また、図１２（ｃ）に示すように、生体ＳがＡＴＲプリズム１６の第２全反射面１６３に接触すると、白抜き矢印で示す上方に押圧力が加わり、ＡＴＲプリズム１６が上方にずれる。その結果、ＡＴＲプリズム１６"に示した状態になって、第１中空光ファイバ１５１及び第２中空光ファイバ１５２とＡＴＲプリズム１６"との相対位置が変化する。

このような相対位置ずれにより、ＡＴＲプリズム１６に対するプローブ光の入射効率や出射効率が変動する。特に、被測定物が生体である場合は、接触圧を一定に保つことは容易ではないため、相対位置ずれによる測定ばらつきが特に増大しやすくなる。

従って、相対位置ずれを抑制するために、第１中空光ファイバ１５１及び第２中空光ファイバ１５２とＡＴＲプリズム１６は、同一の支持部材により支持することが好ましい。

図１３は、第１中空光ファイバ１５１、第２中空光ファイバ１５２及びＡＴＲプリズム１６を支持する部材の構成の一例を説明する図である。図１３における導光支持部材１５３は、第１中空光ファイバ１５１とＡＴＲプリズム１６とを一体に支持する部材である。また、出射支持部材１５４は、第２中空光ファイバ１５２とＡＴＲプリズム１６とを一体に支持する部材である。

第１中空光ファイバ１５１とＡＴＲプリズム１６とを一体に支持することで、生体ＳをＡＴＲプリズム１６に接触させた場合にも、両者は一体に動くため、相対位置ずれは生じない。また、第２中空光ファイバ１５２とＡＴＲプリズム１６とを一体に支持することで、生体ＳをＡＴＲプリズム１６に接触させた場合にも、両者は一体に動くため、相対位置ずれは生じない。これにより、生体ＳのＡＴＲプリズム１６への接触に伴うプローブ光の入射効率及び出射効率の変動を抑制でき、測定ばらつきを低減させることができる。

なお、上述した例では、導光支持部材１５３と出射支持部材１５４を別々の部材にするものを示したが、第１中空光ファイバ１５１、第２中空光ファイバ１５２及びＡＴＲプリズム１６を、１つの支持部材で支持する構成にしてもよい。

また、導光部として第１中空光ファイバ１５１を用いずに、ミラーやレンズ等の光学素子で導光部を構成する場合においても、光学素子とＡＴＲプリズム１６とを一体に支持することで、上述したものと同様の効果が得られる。

また、導光部だけでなく、第１光源１１１、第２光源１１２、第３光源１１３、光検出器１７も、同一の支持部材で一体に支持することで、測定ばらつきを低減できる効果が得られる。

（光源駆動電流の高周波変調）
プローブ光にスペックルが含まれると、スペックルのパターンに応じて光検出器１７による検出値が変動して測定ばらつきを増大させる場合がある。このスペックルは、プローブ光の散乱光等が干渉して発生するものであるため、プローブ光の可干渉性を低下させることでスペックルの発生を抑制できる。そのため、実施形態では、光源を駆動する電流に高周波変調成分を重畳させることで、血糖値測定装置に含まれる光源の可干渉性を低下させ、プローブ光のスペックルに起因する吸光度の測定ばらつきを低減させることもできる。

図１４は、光源駆動電流の一例を説明する図であり、（ａ）は比較例に係る光源駆動電流を示し、（ｂ）は高周波変調した光源駆動電流を示している。

光源制御部２１２（図６参照）は、第１光源１１１、第２光源１１２、及び第３光源１１３のそれぞれに、図１４（ａ）に示すようなパルス状の駆動電流を周期的に出力することで、これらにパルス状のプローブ光を射出させる。

実施形態では、図１４（ａ）のパルス状の駆動電流に高周波変調成分を重畳させて第１光源１１１、第２光源１１２、及び第３光源１１３に出力する。高周波変調成分の波形は、正弦波状であっても矩形状であってもよい。変調周波数には１ＭＨｚ（メガヘルツ）から数ＧＨｚ（ギガヘルツ）までの任意のものを選択可能である。

高周波変調成分を重畳させることで、第１光源１１１、第２光源１１２、及び第３光源１１３はそれぞれ擬似的にマルチモードのレーザ光をプローブ光として射出させ、プローブ光の可干渉性を低下させることができる。これにより、可干渉性の低下でプローブ光のスペックルが低減され、スペックルに起因する測定ばらつきが低減される。

［第１実施形態］
次に、第１実施形態に係る血糖値測定装置について説明する。

本実施形態では、対象物に対応する生体Ｓに接触した状態で、入射されるプローブ光を全反射させる全反射面を含む全反射部材と、全反射部材の内部に形成された中空部とを含む光学部材を全反射部材として用いる。

ここで、中空部とは、上記の全反射部材の内部に設けられた空隙をいう。中空部内には、全反射部材を構成する材料と比較して、プローブ光に対する光吸収が小さい媒質が介在している。この媒質の具体例として空気が挙げられるが、空気以外にも、全反射部材の材料より光吸収が小さい気体や液体、固体を媒質として介在させてもよい。

＜光学部材２６の構成例＞
図１５は本実施形態に係る血糖値測定装置が備える光学部材２６の構成の一例を説明する図である。（ａ）は比較例に係るＡＴＲプリズム１６を示し、（ｂ）は光学部材２６の構成を示している。

図１５（ａ）において、ＡＴＲプリズム１６は、入射面１６１と、第１全反射面１６２と、第２全反射面１６３と、出射面１６４とを含んで構成されている。光源から射出され、入射面１６１を介してＡＴＲプリズム１６に入射したプローブ光Ｐ（破線）は、ＡＴＲプリズム１６の内部を伝搬して第１全反射面１６２に到達し、第１全反射面１６２で全反射する。全反射したプローブ光Ｐは、その後、ＡＴＲプリズム１６の内部を伝搬して第２全反射面１６３に到達して第２全反射面１６３で全反射する。その後、プローブ光ＰはＡＴＲプリズム１６の内部を伝搬して、第１全反射面１６２に到達し、第１全反射面１６２で再度全反射した後、出射面１６４から出射する。ＡＴＲプリズム１６から出射したプローブ光Ｐは、光検出器１７（図１参照）により光強度が検出され、検出された光強度に基づき吸光度が取得される。この吸光度に基づき血糖値が取得される。

これに対し、本実施形態に係る光学部材２６は、図１５（ｂ）に示すように、全反射部材２６０と、中空部２７０とを備えている。また、全反射部材２６０は、第１光学ブロック２６０ａと、第２光学ブロック２６０ｂとを含んで構成されている。中空部２７０は、第１光学ブロック２６０ａと第２光学ブロック２６０ｂとの間に設けられた空隙である。ここで、図１５（ｂ）における太い実線で挟まれた空隙部分が中空部２７０に該当する。また、第１光学ブロック２６０ａは第１板状部材の一例であり、第２光学ブロック２６０ｂは第２板状部材の一例である。

第１光学ブロック２６０ａは、入射面２６１と、第１全反射面２６２と、出射面２６４と、傾斜面２７１及び２７２とを含んで構成され、第２光学ブロック２６０ｂは第２全反射面２６３と、傾斜面２７３及び２７４とを含んで構成されている。第１光学ブロック２６０ａ及び第２光学ブロック２６０ｂは、それぞれプローブ光Ｐに対して透過性を有するシリコン材料により構成されている。

この光学部材２６は、図１におけるＡＴＲプリズム１６の位置にＡＴＲプリズム１６に代えて配置され、入射されるプローブ光を生体Ｓに接触した状態で全反射させる全反射部材として機能するものである。

図１５（ｂ）において、プローブ光Ｐは、入射面２６１を介して第１光学ブロック２６０ａに入射し、第１光学ブロック２６０ａ内を伝搬して第１全反射面２６２に到達する。そして第１全反射面２６２で全反射した後、第２全反射面２６３に向けて伝搬し、傾斜面２７１を介して中空部２７０に入射する。そして中空部２７０を通過した後、傾斜面２７３を介して第２光学ブロック２６０ｂに入射する。

第２光学ブロック２６０ｂに入射したプローブ光Ｐは、第２光学ブロック２６０ｂ内を伝搬して第２全反射面２６３に到達し、第２全反射面２６３で全反射する。そして第１全反射面２６２に向けて伝搬し、傾斜面２７４を介して中空部２７０に入射し、中空部２７０を通過した後、傾斜面２７２を介して再度第１光学ブロック２６０ａに入射する。その後、第１光学ブロック２６０ａ内を伝搬して第１全反射面２６２に到達し、第１全反射面２６２で全反射する。そして、第１光学ブロック２６０ａ内を伝搬した後、出射面２６４を介して出射する。

ＡＴＲプリズム１６から出射したプローブ光Ｐは、光検出器１７により光強度が検出され、検出された光強度に基づき吸光度が取得される。この吸光度に基づき血糖値が取得される。

ここで、図１６は、光学部材２６をより詳細に説明するために、図１５（ｂ）における傾斜面２７１～２７４の周辺を拡大して示した図である。

図１６に示すように、第１光学ブロック２６０ａには突出部２８１及び２８２が形成され、また第２光学ブロック２６０ｂには突出部２８３が形成されている。突出部２８１～２８３は、第１全反射面２６２及び第２全反射面２６３のそれぞれに沿う方向である白抜き矢印Ｕに沿って、交互に突出するように形成された部分である。傾斜面２７１は突出部２８１に形成され、傾斜面２７２は突出部２８２に形成されている。また傾斜面２７３及び２７４は、それぞれ突出部２８３に形成されている。

プローブ光Ｐが、第１全反射面２６２及び第２全反射面２６３のそれぞれに臨界角θ_Ｃ以上の角度で入射すると、プローブ光Ｐは第１全反射面２６２及び第２全反射面２６３のそれぞれで全反射する。シリコンの屈折率は３．４であるため、臨界角θ_Ｃは３９．６度である。従って、プローブ光Ｐは、第１全反射面２６２及び第２全反射面２６３のそれぞれに３９．６度以上の角度で入射した場合に全反射する。

本実施形態では、プローブ光Ｐの拡がり角を鑑みて、臨界角θ_Ｃに対して余裕を持たせて４５度の角度で第１全反射面２６２及び第２全反射面２６３のそれぞれに入射するようにプローブ光Ｐの入射角度θ_０を決定している。ここで、第１全反射面２６２へのプローブ光Ｐの入射角度は、第１全反射面２６２の法線に対するプローブ光Ｐの角度を意味し、第２全反射面２６３へのプローブ光Ｐの入射角度は、第２全反射面２６３の法線に対するプローブ光Ｐの角度を意味する。

また、本実施形態では、傾斜面２７１の第１全反射面２６２に対する傾斜角度θ_１が入射角度θ_０と同じになるようにし、傾斜面２７２の第１全反射面２６２に対する傾斜角度θ_２が入射角度θ_０と同じになるようにしている。また、傾斜面２７３の第２全反射面２６３に対する傾斜角度θ_３が入射角度θ_０と同じになるようにし、傾斜面２７４の第２全反射面２６３に対する傾斜角度θ_４が入射角度θ_０と同じになるようにしている。

ここで、プローブ光Ｐは、第１全反射面２６２及び第２全反射面２６３のそれぞれに対し、臨界角θ_Ｃ以上の角度で入射するため、換言すると、傾斜面２７１は第１全反射面２６２に対して臨界角θ_Ｃ以上の角度で傾斜し、傾斜面２７２は第２全反射面２６３に対して臨界角θ_Ｃ以上の角度で傾斜している。

＜光学部材２６の作用効果＞
次に、光学部材２６の作用効果について説明する。

ＡＴＲプリズム１６の材料には、人体に対して安全で、また中赤外領域のプローブ光の透過率が高いことを理由に硫化亜鉛（ＺｎＳ）が用いられることがある。しかし、硫化亜鉛は、化学気相成長（ＣＶＤ；Chemical Vapor Deposition）法や溶融凝集法等のプロセスにより製造されるために量産性が高いとは言えず、その結果、装置コストが増大する場合がある。

また、硫化亜鉛の製造プロセスではＡＴＲプリズム１６の内部に結晶格子欠陥が生じる場合がある。このような結晶格子欠陥は、ＡＴＲプリズム１６内を伝搬するプローブ光Ｐを散乱させて光強度を低下させる。これにより、血糖値測定のための生体Ｓによるプローブ光Ｐの減衰を正確に取得できなくなり、血糖値の測定精度が低下する場合がある。

一方、硫化亜鉛以外の材料として、シリコン（Ｓｉ）やゲルマニウム（Ｇｅ）が考えられるが、これらは中赤外領域のプローブ光に対する透過率が低い。そのため、これらの材料で構成されたＡＴＲプリズム１６の内部をプローブ光Ｐが伝搬すると、光吸収による減衰が大きくなる場合がある。例えば、シリコンの内部で１０ｍｍ伝搬すると、プローブ光は入射光量１０～２０％まで減衰する。

また、シリコンの屈折率は３．４で生体の屈折率１．４に対して大きいため、血糖値測定において全反射の際にしみ出す界をより深くしみ出させるには、臨界角θ_Ｃに近い角度でプローブ光Ｐを全反射面に入射させることが好ましい。この場合、ＡＴＲプリズム１６にプローブ光Ｐが入射して出射するまでの全反射回数が増えるため、ＡＴＲプリズム１６内でのプローブ光Ｐの伝搬距離が長くなり、伝搬距離の長さに応じてプローブ光Ｐが大きく減衰する。その結果、生体Ｓによるプローブ光の減衰を正確に取得できずに、血糖値の測定精度が低下する場合がある。

これらに対し、本実施形態では、全反射部材２６０の内部に中空部２７０を設けて光学部材２６を構成する。中空部２７０には、シリコン材料より光吸収が小さい空気等の媒質が介在している。そのため、シリコン材料で構成されたＡＴＲプリズム等の部材の内部をプローブ光Ｐが伝搬する場合と比較して、中空部２７０内を伝搬するプローブ光Ｐの減衰を抑制できる。これにより、全反射部材として光学部材２６を通過するプローブ光の減衰を抑制し、生体Ｓによるプローブ光の減衰を正確に取得することで血糖値の測定精度を確保することができる。

また、本実施形態では、全反射部材２６０を、シリコンを材料として構成している。これにより、ゲルマニウム等を材料として全反射部材２６０を構成した場合に比較して、光学部材２６のコストを低減させ、血糖値測定装置１００の装置コストを低減させることができる。但し、シリコン材料に限定されるものではなく、プローブ光Ｐに対して透過性を有する材料であれば、他の材料により全反射部材２６０を構成してもよい。

また、本実施形態では、中空部２７０における第１全反射面２６２と対向する部分に、第１全反射面２６２へのプローブ光Ｐの入射角度θ_０と同じ角度で第１全反射面２６２に対して傾斜する傾斜面２７１及び２７２を設けている。また第２全反射面２６３に対向する部分に、第２全反射面２６３へのプローブ光Ｐの入射角度θ_０と同じ角度で第２全反射面２６３に対して傾斜する傾斜面２７３及び２７４を設けている。換言すると、傾斜面２７１は第１全反射面２６２に対して臨界角θ_Ｃ以上の角度で傾斜し、傾斜面２７２は第２全反射面２６３に対して臨界角θ_Ｃ以上の角度で傾斜している。

このようにすることで、光学部材２６の内部を伝搬するプローブ光Ｐを傾斜面２７１～２７４のそれぞれに垂直に入射させることができる。これにより、傾斜面２７１～２７４でのプローブ光Ｐの反射が抑制され、光学部材２６の内部でプローブ光Ｐのうちの全反射される光以外のノイズ光が減少するため、プローブ光の利用効率を向上させることができる。そして、生体Ｓによるプローブ光の減衰を正確に取得して血糖値の測定精度を確保することができる。

傾斜面２７１～２７４のそれぞれには、プローブ光Ｐの反射を防止する反射防止膜を設けると、上記のノイズ光をより減少させることできるため、さらに好適である。

なお、本実施形態では、第１光学ブロック２６０ａと第２光学ブロック２６０ｂの２つの光学ブロックで挟まれた空隙部分により中空部２７０を形成する例を示したが、これに限定されるものではない。中空部２７０を形成する２つの光学ブロックの一部が繋がっていてもよいし、１つの光学ブロックの内部に形成した空隙部分により中空部２７０を構成してもよい。

＜光学部材２６の各種変形例＞
ここで、光学部材２６は、図１５に示したものに限定されるものではなく各種変形が可能である。

図１７は、第１変形例に係る光学部材３６の構成を説明する図である。図１７に示すように、光学部材３６は、全反射部材３６０と、中空部３７０とを備えている。また全反射部材３６０は第１光学ブロック３６０ａと、第２光学ブロック３６０ｂとを含んで構成されている。中空部３７０は、第１光学ブロック３６０ａと第２光学ブロック３６０ｂとの間に設けられた空隙である。図１７における太い実線で挟まれた空隙部分が中空部３７０に該当する。

また第１光学ブロック３６０ａは、入射面３６１と、第１全反射面３６２と、出射面３６４と、１０個の傾斜面とを含んで構成され、第２光学ブロック３６０ｂは第２全反射面３６３と、６個の傾斜面とを含んで構成されている。第１光学ブロック３６０ａ及び第２光学ブロック３６０ｂのそれぞれは、シリコン材料により構成されている。

このように任意の数の傾斜面を、第１光学ブロック３６０ａ及び第２光学ブロック３６０ｂに設けることもできる。

図１８は、第２変形例に係る光学部材４６の構成を説明する図である。図１８に示すように、光学部材４６は、全反射部材４６０と、中空部４７０とを備えている。また全反射部材４６０は光学ブロック４６０ａと、ミラー４６０ｂとを含んで構成されている。中空部４７０は光学ブロック４６０ａとミラー４６０ｂとの間に設けられた空隙である。図１８における太い実線で挟まれた空隙部分が中空部４７０に該当する。ここで、ミラー４６０ｂは反射部材の一例である。

また光学ブロック４６０ａは、入射面４６１と、全反射面４６２と、出射面４６３と、２個の傾斜面とを含んで構成されている。光学ブロック４６０ａは、シリコン材料により構成されている。

このように、２つの光学ブロックを対向させて配置するだけでなく、一方をミラーとした全反射部材４６０を用いて光学部材４６を構成することもできる。但しこの場合は、ミラー４６０ｂ側では全反射による界は形成されないため、血糖値測定は、光学ブロック４６０ａの全反射面４６２に接触された生体Ｓに対して行われる。

図１９は、第３変形例に係る光学部材５６の構成を説明する図である。図１９に示すように、光学部材５６は、全反射部材５６０と、中空部５７０とを備えている。また全反射部材５６０は、第１光学ブロック５６０ａと、第２光学ブロック５６０ｂと、第３光学ブロック５６０ｃとを含んで構成されている。中空部５７０は、第１光学ブロック５６０ａ、第２光学ブロック５６０ｂ及び第３光学ブロック５６０ｃの間に設けられた空隙である。図１９における太い実線で挟まれた空隙部分が中空部５７０に該当する。

また第１光学ブロック５６０ａは、入射面５６１と、第１全反射面５６２とを含み、第２光学ブロック５６０ｂは、第２全反射面５６３と、出射面５６４とを含み、第３光学ブロック５６０ｃは、第３全反射面５６５を含んで構成されている。第１光学ブロック５６０ａ、第２光学ブロック５６０ｂ及び第３光学ブロック５６０ｃのそれぞれは、シリコン材料により構成されている。ここで、第１光学ブロック５６０ａ、第２光学ブロック５６０ｂ及び第３光学ブロック５６０ｃは複数の板状部材の一例である。

このように、２つの光学ブロックを対向させて配置するだけでなく、３つ、或いはそれ以上の個数の光学ブロックを組み合わせた全反射部材５６０を用いて光学部材５６を構成することもできる。

以上に示した光学部材３６、４６及び５６のそれぞれは、図１におけるＡＴＲプリズム１６の位置にＡＴＲプリズム１６に代えて配置され、入射されるプローブ光を生体Ｓに接触した状態で全反射させる全反射部材として機能する。

＜本実施形態に係る光学部材の製法例＞
ここで、本実施形態に係る光学部材の製法について説明する。

図２０は、光学部材６６の製法の一例を説明する図であり、（ａ）は光学部材６６の構成を示す図である。また、図２０（ｂ）～（ｅ）は製作過程における光学部材６６を示す図であり、（ｂ）は第２光学ブロック６６０ｂを示す図、（ｃ）は接合前の第１光学ブロック６６０ａと第２光学ブロック６６０ｂを示す図、（ｄ）は接合後の第１光学ブロック６６０ａと第２光学ブロック６６０ｂを示す図、（ｅ）は光学部材６６におけるプローブ光Ｐの伝搬の様子を示す図である。

光学部材６６の製作では、まず、シリコンウエハに異方性エッチングで溝部を形成し、所定のサイズのブロックを切り出すことで、図２０（ｂ）に示すように第２光学ブロック６６０ｂを製作する。同様に、シリコンウエハに異方性エッチングで溝部を形成し、所定のサイズのブロックを切り出すことで、第１光学ブロック６６０ａを製作する。そして、図２０（ｃ）、（ｄ）に示すように、第１光学ブロック６６０ａと第２光学ブロック６６０ｂのそれぞれの端部を利用して位置合わせして、両者を貼り合わせる。このようにして、光学部材６６を製作できる。

但し、第１光学ブロック６６０ａ及び第２光学ブロック６６０ｂの製作は、異方性エッチングに限定されるものではなく、光または熱インプリントによる成型や射出成型、切削加工等の他の加工法を用いてもよい。第１光学ブロック６６０ａ及び第２光学ブロック６６０ｂを構成する材料に応じて加工法を選択すると好適である。

＜第２実施形態＞
第１実施形態では、光学部材２６に含まれる傾斜面の表面に反射防止膜を設ける例を示したが、このような構成に限定されるものではない。反射防止膜を設ける代わりに、或いは反射防止膜を設けることに加えて、プローブ光Ｐの偏光状態をＰ偏光にして、光学部材２６の入射面２６１、出射面２６４、及び傾斜面２７１～２７４のそれぞれに入射させてもよい。これにより、プローブ光Ｐに偏光状態がＳ偏光の成分が含まれる場合と比較して、入射面２６１、出射面２６４、及び傾斜面２７１～２７４のそれぞれでのプローブ光Ｐの反射を低減させることができる。

また、偏光状態がＰ偏光のプローブ光Ｐを、入射面２６１、出射面２６４、及び傾斜面２７１～２７４のそれぞれにブリュースター角に対応する角度で入射させるとさらに好適である。ここで、ブリュースター角とは、屈折率の異なる物質の界面においてＰ偏光の反射率が０となる入射角をいう。また、ブリュースター角に対応する角度とは、ブリュースター角に一致する角度、またはブリュースター角に対して一般に加工誤差や製造誤差として許容される程度の差異がある角度をいう。

図２１は、プローブ光Ｐが入射面２６１にブリュースター角φで入射する様子を説明する図である。入射面２６１にブリュースター角φで入射すると、プローブ光ＰのＰ偏光成分Ｐ_Ｐは反射せずに全て第１光学ブロック２６０ａ内に入射し、Ｓ偏光成分Ｐ_Ｓのみが反射される。従って偏光素子等を用いて偏光状態がＰ偏光のみのプローブ光Ｐを生成し、ブリュースター角に対応する角度で入射面２６１に入射させることで、反射を限りなくゼロにすることができる。

これにより、光学部材２６の内部でプローブ光Ｐのうちの全反射される光以外のノイズ光が減少するため、プローブ光の利用効率を向上させることができる。そして、生体Ｓによるプローブ光の減衰を正確に取得して血糖値の測定精度を確保することができる。

以上、実施形態について説明してきたが、本発明は、具体的に開示された上記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形や変更が可能である。

実施形態では、吸光度取得部２１、血糖値取得部２２、駆動制御部２３等の機能を１つの処理部２が実現する例を示したが、これに限定されるものではない。これらの機能を別々の処理部により実現してもよいし、吸光度取得部２１及び血糖値取得部２２の機能を複数の処理部に分散させて実現してもよい。また、処理部の機能や、データ収録部２１６等の記憶装置の機能をクラウドサーバ等の外部装置が実現する構成にすることも可能である。

また、実施形態では、複数の光源としての第１光源１１１、第２光源１１２及び第３光源１１３を備え、それぞれが中赤外領域で異なる波長の光を射出する例を示したが、これに限定されるものではない。１つの光源が複数の波長の光を射出してもよい。

また、光源として量子カスケードレーザの例を示したが、これに限定されるものではなく、赤外線ランプや、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）、ＳＬＤ（Super Luminescent Ddiode）等のレーザ以外の光源を用いることもできる。この場合には、適宜、所望の波長のみを取り出す波長フィルタを介してプローブ光をＡＴＲプリズム１６等の全反射部材に入射させると好適である。或いは、光検出器１７が波長フィルタを介してプローブ光を受光すると好適である。

また、実施形態では、生体情報として血糖値を測定する例を示したが、これに限定されるものではなく、ＡＴＲ法に基づいて測定できれば、他の生体情報の測定に実施形態を適用することもできる。

また、光源で射出された後や中空光ファイバから出射された後に、プローブ光の一部を分岐させるビームスプリッタ等の光学素子と、分岐された一部のプローブ光強度を検出する検出素子とを設け、プローブ光強度の変動を抑制するように、光源の駆動電圧又は駆動電流をフィードバック制御する構成にしてもよい。これにより、光源の出力変動を抑え、より正確な生体情報の測定が可能になる。

また、実施形態では、複数の光源を備える例を説明したが、これに限定されるものではない。血糖値測定装置が１つの光源を備え、１つの光源から波長の異なる第１～第３プローブ光を射出させて測定する場合にも実施形態を適用できる。その場合は、第１～第３プローブ光のＡＴＲプリズム１６への入射を切り替える必要はないため、血糖値測定装置は第１シャッタ１２１、第２シャッタ１２２、第３シャッタ１２３、第１ハーフミラー１３１及び第２ハーフミラー１３２を備えなくてもよい。

また、血糖値測定装置が１つの光源を備え、１つの光源から１つの波長のプローブ光を射出させて測定する場合にも実施形態を適用可能である。

また、上記で説明した実施形態の各機能は、一又は複数の処理回路によって実現することが可能である。ここで、本明細書における「処理回路」とは、電子回路により実装されるプロセッサのようにソフトウェアによって各機能を実行するようプログラミングされたプロセッサや、上記で説明した各機能を実行するよう設計されたASIC(Application Specific Integrated Circuit)、DSP（digital signal processor）、FPGA（field programmable gate array）や従来の回路モジュール等のデバイスを含むものとする。

１ 測定部
１００ 血糖値測定装置（生体情報測定装置の一例）
１０１ 吸光度測定装置
１１１ 第１光源（光源の一例）
１１２ 第２光源（光源の一例）
１１３ 第３光源（光源の一例）
１２１ 第１シャッタ
１２２ 第２シャッタ
１２３ 第３シャッタ
１３１ 第１ハーフミラー
１３２ 第２ハーフミラー
１４ カップリングレンズ
１５１ 第１中空光ファイバ
１５２ 第２中空光ファイバ
１５３ 導光支持部材
１５４ 出射支持部材
１６ ＡＴＲプリズム
１６１ 入射面
１６２ 第１全反射面
１６３ 第２全反射面
１６４ 出射面
１７ 光検出器（光強度検出部の一例）
２ 処理部
２１ 吸光度取得部
２１１ 光源駆動部
２１２ 光源制御部
２１３ シャッタ駆動部
２１４ シャッタ制御部
２１５ データ取得部
２１６ データ収録部
２１７ 吸光度出力部
２２ 血糖値取得部
２２１ 生体情報出力部
２６ 光学部材
２６０ 全反射部材
２６０ａ 第１光学ブロック（第１板状部材の一例）
２６０ｂ 第２光学ブロック（第２板状部材の一例）
２６１ 入射面
２６２ 第１全反射面
２６３ 第２全反射面
２６４ 出射面
２７０ 中空部
２７１～２７４ 傾斜面
２８１～２８３ 突出部
４６０ｂ ミラー（反射部材の一例）
５６０ａ 第１光学ブロック（複数の板状部材の一例）
５６０ｂ 第２光学ブロック（複数の板状部材の一例）
５６０ｃ 第３光学ブロック（複数の板状部材の一例）
５０１ ＣＰＵ
５０６ ディスプレイ
５１９ 検出Ｉ／Ｆ
Ｓ 生体（対象物の一例、被測定物の一例）
Ｐ プローブ光
θ_０ 入射角度
θ_１～θ_４ 傾斜角度
θ_Ｃ 臨界角
φ ブリュースター角

特許５３７６４３９号公報

Claims (13)

1. 入射されるプローブ光を、被測定物である対象物に接触した状態で全反射させる全反射面を含む全反射部材と、
   前記全反射部材の内部に形成された中空部と、を含み、
   前記中空部には、前記全反射面に対して傾斜する傾斜面が設けられている
   光学部材。
2. 前記全反射部材はシリコン材料で構成されている
   請求項１に記載の光学部材。
3. 前記傾斜面は、前記中空部における前記全反射面と対向する部分に設けられ、前記全反射面への前記プローブ光の入射角度と同じ角度で前記全反射面に対して傾斜する
   請求項１、又は２に記載の光学部材。
4. 前記傾斜面は、前記全反射面に対して臨界角以上の角度で傾斜している
   請求項１乃至３の何れか１項に記載の光学部材。
5. 前記傾斜面には、前記プローブ光の反射を防止する反射防止膜が設けられている
   請求項１乃至４の何れか１項に記載の光学部材。
6. 前記プローブ光は、偏光状態がＰ偏光であり、ブリュースター角に対応する角度で前記中空部から前記傾斜面に入射する
   請求項１乃至５の何れか１項に記載の光学部材。
7. 前記全反射部材は、複数の板状部材を備え、
   前記中空部は、前記複数の板状部材の間の空隙により形成されている
   請求項１乃至６の何れか１項に記載の光学部材。
8. 前記全反射部材は、
   第１板状部材と、
   前記第１板状部材に対向して設けられた第２板状部材と、を備え、
   前記中空部は、前記第１板状部材と前記第２板状部材との間の空隙により形成されている
   請求項１乃至６の何れか１項に記載の光学部材。
9. 前記全反射部材は、
   前記全反射面を含む第１板状部材と、
   反射面を含み、前記第１板状部材に対向して設けられた反射部材と、を備え、
   前記中空部は、前記第１板状部材と前記反射部材との間の空隙により形成されている
   請求項１乃至６の何れか１項に記載の光学部材。
10. 請求項１乃至９の何れか１項に記載の光学部材と、
    前記プローブ光を射出する光源と、
    前記光学部材から出射される前記プローブ光の光強度を検出する光強度検出部と、
    前記光強度に基づき取得される生体情報を出力する生体情報出力部と、を備える
    生体情報測定装置。
11. 前記生体情報は血糖値情報である
    請求項１０に記載の生体情報測定装置。
12. 前記プローブ光の波数は、１０５０ｃｍ-1、１０７０ｃｍ-1、又は１１００ｃｍ-1の少なくとも１つを含む
    請求項１１に記載の生体情報測定装置。
13. プローブ光を射出する光源と、
    内部に中空部が形成され、入射される前記プローブ光を、被測定物である対象物に接触した状態で全反射させる全反射面を含む全反射部材を含む光学部材と、
    前記光学部材から出射される前記プローブ光の光強度を検出する光強度検出部と、を備え、
    前記プローブ光が前記中空部を通過する
    測定装置。

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