JPH0721452B2

JPH0721452B2 - 不透明試料の分光吸収測定装置

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Publication number: JPH0721452B2
Application number: JP2133066A
Authority: JP
Inventors: 勉市村; 文男稲場
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1990-05-22
Filing date: 1990-05-22
Publication date: 1995-03-08
Anticipated expiration: 2010-03-08
Also published as: JPH0427845A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は懸濁液や粉体等の散乱体の分光吸収測定方法及
びそのための装置に関し、特に、試料に対して特定の方
向からビームを当てた時の特定の方向に散乱される光の
分光吸収特性を測定する装置に関する。

〔従来の技術〕

Ｘ線の発見以来、生体（人体）内部を外部より損傷を与
えずに観察する技術（悲観血的、あるいは無侵襲的計測
法）は、生物学、特に医学の分野で強く求められ発達し
てきた。この技術は電磁波として見ると最も波長の短い
ガンマ線やＸ線と、最も波長の長いラジオ波が使用され
ている。前者はＸ線CTとして、後者はNMR−CT（Magneti
c Resonance Imaging、MRI）として実用化されている。

一方、物理や化学の分野で広く用いられている紫外−可
視−近赤外−赤外の領域の分光学を“丸ごと”生体（in
vivo）へ応用する試みは比較的少ない。これは光を用
いた生体計測、特に吸収や発光の過程を利用するものに
おいて、もっとも基本的な“定量性”に関し多くの問題
が解決されずに残されているからである。現在、固体素
子を用いた反射スペクトルの測定装置や高感度TVカメラ
等による計測が試みられているが、再現性や得られた絶
対値に対し信頼性が少ないのはこの理由による。

生体組織のような散乱体に光を照射した際、180°向か
い合わせで受光すればある程度直進光を取り出すことが
できるが、今のところ、その空間分解能はあまり良いと
はいえない。

Ｘ線と光とでの空間分離能の差は今のところ埋めること
はできない。しかしながら光、特に近赤外光を用いる
と、血液中のヘモグロビンから組織酸素濃度のイメージ
ングができるはずである。これらは他のNMR−CTやＸ線C
Tと異なった情報を与えてくれるであろう。

３〜5cmの厚さの組織ならば、われわれは透過してきた
光を検出することができる。このことは“光−レントゲ
ン写真”を診断に使えることを意味する。女性の乳房は
組織が比較的均一であり光が透過しやすく、またその形
状から透過光の検出（厚さ：〜3cm程度）が容易であ
り、古くから乳ガンの診断に、Diaphanography（Lights
canning）という名で用いられてきた。

このような状況の下で、本発明者は、特願平１−62898
号、特願平１−250034号、特願平２−77690号等におい
て、散乱光に混入している平面波を分離して取り出し、
観察するには、平面波のフランフォーファ回折像（エア
リーディスク）の０次スペクトル（エアリーディスクの
第１暗輪内の部分が対応する。）のみを観察するように
すればよく、このようにすることによって散乱成分を殆
ど除くことができることを示した。そして、このような
観察を実現する高指向性光学系の１つとして、第15図の
ように相互に離れた２つのピンホールP₁、P₂からなる光
学系を提案した。この光学系は、ピンホールP₂を通して
０次光を検出器23で検出するものである。また、第16図
に示すように、直線状の細長い中空のガラス繊維35から
なっており、その内壁面には光吸収材、例えばカーボン
等の吸収材35が塗布されている高指向性光学系を提案し
た。さらに、第17図から第24図に示すような、対物レン
ズObとその焦点面に配置した対物レンズObによるフラン
フォーファ回折の０次の回折像のみを通過させるピンホ
ールＰとからなる高指向性光学系（第17図）、屈折率分
布レンズGLとその一端の焦点面に配置した同様なピンホ
ールＰとからなる高指向性光学系（第18図）、ピンホー
ルＰの代わりにそれと同様な作用をする光ファイバーSM
を配置した高指向性光学系（第19図、第20図）、これら
の高指向性光学系のピンホールＰ又は光ファイバーSMの
出射側に、入射側の対物レンズOb1と同様の対物レンズO
b2を配置した高指向性光学系（第21図、第23図））、入
射側の屈折率分布レンズGL1と同様の屈折率分布レンズG
L2を配置した高指向性光学系（第22図、第24図）等を提
案した。

ところで、従来、散乱を伴う試料の直進成分と透過散乱
成分をオパールグラスで均等に散乱させて試料の透過積
分減光度を測定するオパールグラス法等の不透明試料の
吸収測定法は知られている（例えば、柴田和雄著「光生
物学シーズ分光測定入門」第62〜82頁（昭51.6.20.,共
立出版（株）発行）参照）。細胞、顆粒、固体粉末など
の粒子懸濁液のような不均一系は、一般に光を吸収かつ
散乱する。したがって、吸収波長特性だけを求めること
は困難となる。そこで、吸収波長特性と近似できる量を
求めて、近似している。すなわち、透過積分減光度を求
めて吸収に置き換えている。この透過積分減光度とは、
吸収と散乱の両者により減衰した光束の入射光束に対す
る比の逆数の対数であり、一般には吸収特性とは一致し
ない。そこで、できるだけ吸収特性に近似できるように
するために、平行透過光束と散乱透過光束を検出器で同
一捕足率で検出すれば、それらの比は散乱の影響が少な
くなる。この方法としてオパールグラス法が実用化され
ている。また、別の方法として、平行透過光束と散乱透
過光束よりなる全透過光束を全部補足することにより散
乱の影響を少なくする方法として、透過型積分球法や光
電面密着法等が実用されている。同一補足率検出と全補
足検出の中間的な方法として、密着散乱併用法も用いら
れる。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、上記した従来のオパールグラス法は光
散乱能が波長によって変化してしまう欠点がある。透
過積分球は、積分球内の白色反射材料は最良のものとし
て知られるMgOの粉末の場合でも、短波長特に紫外領域
に近くなると反射率が大きく減少し、信頼し得るデータ
が得られない欠点がある。光電面密着法は２つの検出
器を用いるものは、同一の波長感度特性を得ることが難
しい。１つの検出器の場合、試料と対照とを限られた空
間に設置するのが困難になる。密着散乱併用法は、第
三者に比して優れているものの、試料の大きさと検出器
の距離と大きさを適切に選ばれなければならない問題点
がある。

しかも、従来法の４つの方法に共通した欠点は、透過積
分減光度を測定しても、それが懸濁粒子の吸収波長と近
似できないときがある。すなわち、反射光束が大きくな
ると近似できない。また、試料による散乱空間パターン
が波長により異なる場合、散乱透過光束の波長変化と散
乱反射光束の波長変化が同じでなくなり、近似できなく
なる。

本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、
その目的は、懸濁液、生体組織等の散乱物体の特定方向
の透過ないし反射成分の分光吸収特性を測定する装置を
提供することである。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成する本発明の不透明試料の分光吸収測定
装置の第１のものは、波長変更可能な単色光源からの光
を２分して、一方の光路中に入射光の周波数をシフトさ
せる周波数シフト手段を設け、他方の光路中に散乱性試
料を配置し、周波数シフト手段から射出する指向性の高
い光と散乱性試料から特定方向に出る光とを合成して同
方向に射出させるビーム合成手段を設け、ビーム合成手
段によって合成された光を電気信号に変換してシフト周
波数に等しい交流成分のみの強度を検出する検出手段を
設けたことを特徴とするものである。

第２の不透明試料の分光吸収測定装置は、波長変更可能
な単色光源からの光を２分して、一方の光路中に光路長
を所定速度で変更する光路長変更手段を設け、他方の光
路中に散乱性試料を配置し、光路長変更手段から射出す
る指向性の高い光と散乱性試料から特定方向に出る光と
を合成して同方向に射出させるビーム合成手段を設け、
ビーム合成手段によって合成された光を電気信号に変換
して光路長変更速度に応じた周波数の交流成分のみの強
度を検出する検出手段を設けたことを特徴とするもので
ある。

これらの分光吸収測定装置においては、散乱性試料から
の光を遮断して、周波数シフト手段又は光路長変更手段
から射出する指向性の高い光の光束強度を検出して参照
光強度とし、ビーム合成手段によって合成された光を電
気信号に変換してシフト周波数に等しい交流成分又は光
路長変更速度に応じた周波数の交流成分を試料からの信
号強度とし、これらの強度を用いて透過積分減光度を求
めるようにすることが望ましい。

〔作用〕

本発明の不透明試料の分光吸収測定装置によれば、散乱
性試料に特定方向からの指向性の高い可変波長の光を照
射して、特定の方向に散乱された光のみの強度ヘテロダ
イン受光系、マイケルソン受光系を用いて検出するの
で、余分な方向の散乱光、その他のノイズ光を拾うこと
なく高精度で散乱性試料の分光吸収特性を測定すること
ができる。しかも、対照についての測定が従来法に比べ
て非常に簡単になり、測定が極めて容易であり、懸濁
液、生体組織等の散乱物体の特定方向の透過ないし反射
成分の分光吸収を測定するのに適した装置である。

〔実施例〕

従来、高感度でコヒーレント光を検出する手段としてヘ
テロダイン受光系が知られている。この受光系３は、例
えば第１図に簡単に示したように、レーザ１から出た特
定の周波数ω₁の光をビームスプリッターBSにより２分
し、一方の直進光中に試料Ｓを挿入し、他方の反射光は
ミラーM1、M2を経て上記直進光とハーフミラーHMにより
合成し、その合成光を検出器２により光電変換する。反
射光中に周波数をシフトさせてω₁にする超音波光学変
調器等の周波数シフターAOを挿入すると、検出器２から
は周波数ω₁とω₂の差の観測可能な周波数のビート信号
が表れ、その交流の成分の強さは試料Ｓの透過率に比例
する。したがって、試料Ｓを透過した微弱な信号を検知
することができることになる。ところで、このようなヘ
テロダイン受光系３は、上記のような微弱な信号を検知
できるだけでなく、試料Ｓによって上記反射光（周波数
ω₂の光。以下、参照光とも言う。）の方向と異なる方
向へ散乱された成分は、検出器２の検出面上で上記参照
光と重なり合わないので、ビート信号を発生させず、単
に直流成分として検出されるため、このような散乱成分
を容易に取り除き、参照光と同じ方向に進む光成分のみ
を検出することができる高指向性検出系としての性質を
有する。したがって、本発明においては、第１図に示し
たようなヘテロダイン受光系３の上記高指向性検出系と
しての性質を利用する。

また、微少な屈折率変化等を検出できる手段としてマイ
ケルソン受光系が良く知られている。この受光系４は、
第２図に示すように、レーザ１から出た光をビームスプ
リッターBSにより２分し、一方のミラーM1、M2を経た反
射光中に試料Ｓを挿入し、その透過光を後記する直進光
とハーフミラーHMにより合成する。ビームスプリッター
BSを透過した直進光（以下、参照光とも言う。）は、ハ
ーフミラーHMを透過して図示両矢符で示したように移動
される移動鏡Ｍに当たり、逆方向に反射され、ハーフミ
ラーHMにより試料を透過した光と合成され、その合成光
は検出器２により光電変換される。検出器２からは移動
鏡Ｍの速度に応じた周波数の干渉信号が重畳した信号が
得られる。その交流成分の強さは試料Ｓの透過率に比例
し、位相や試料Ｓの厚さ又は屈折率に依存する。このマ
イケルソン受光系４も、上記したヘテロダイン受光系３
と同様、微少な屈折率変化等を検出できるだけでなく、
試料Ｓによって上記参照光と異なる方向へ散乱された成
分は、検出器２の検出面上で上記参照光と重なり合わな
いので、干渉信号を発生させず、単に直流成分として検
出されるため、このような散乱成分を容易に取り除きこ
とができ、参照光と同じ方向に進む光成分のみを検出す
ることができる高指向性検出系としての性質を有するた
め、本発明においては、第２図に示したようなマイケル
ソン受光系４のこの高指向性検出系としての性質を利用
する。

ところで、上記ヘテロダイン受光系３もマイケルソン受
光系４も同じ原理に基づいて試料Ｓを透過した光ないし
試料Ｓによって散乱された光の強度を検出するものであ
ると言うことができる。この点を簡単に説明する。合成
される参照光をV₂、試料Ｓを透過した光ないし試料Ｓに
よって散乱された光（以下、試料光とも言う。）をV₁と
し、それぞれ次のように表現する。

V₁＝A₁exp［−ｉ（ω_１ｔ＋φ_１）］、 V₂＝A₂exp［−ｉ（ω_２ｔ＋φ_２）］これらの２つの光波V₁、V₂を重ね合わせて観測（検出）
すると、その検出信号Ｓは次のようになる。

Ｓ＝｜V₁+V₂|² ＝V₁・V₁ ^*+V₂・V₂ ^*+V₁・V₂ ^*+V₁ ^*・V₂ ところで、 V₁・V₁ ^*=A₁ ²、V₂・V₂ ^*=A₂ ² であり、 V₁・V₂ ^*=A₁A₂exp［ｉ（ω_１−ω_２）ｔ−ｉ（φ_１−
φ_２）］、 V₁ ^*・V₂＝A₁A₂exp［＋ｉ（ω_１−ω_２）ｔ＋ｉ（φ_１−
φ_２）］ V₁・V₂ ^*+V₁ ^*・V₂＝2A₁A₂cos［ω_１−ω_２）ｔ＋（φ_１−
φ_２）］であるので、Ｓ＝A₁ ²+A₂ ²＋2A₁A₂cos［（ω_１−ω_２）ｔ＋（φ_１−
φ_２）］となる。

ところで、ヘテロダイン受光系３においては、 ω_２＝ω_１−Δω、φ_１＝φ_２と書けるので、Ｓ＝A₁ ²+A₂ ²+2A₁A₂cosΔωｔとなり、検出された信号の交流成分の大きさから、試料
光V₁の振幅A₁を知ることができる。

同様に、マイケルソン受光系４によると、ω_１＝ω_２、
φ_２＝φ_１＋ktと書けるので、検出信号Ｓは、Ｓ＝A₁ ²+A₂ ²+2A₁A₂coskt となり、ヘトロダイン受光系３の場合と同様の信号が得
られる。すなわち、ヘテロダイン受光系３もマイケルソ
ン受光系４も同様に、検出信号の交流成分の大きさか
ら、試料光V₁の振幅A₁を知ることができるものである。

本発明においては、高指向性検出系として上記したヘテ
ロダイン受光系３及びマイケルソン受光系４を用いる
が、これらの他に、第15図から第24図に例示した高指向
性光学系を用いる。さらに、本発明においては、高指向
性検出系として、このような高指向性光学系の同じもの
を多数本束ねて構成した多光束高指向性光学系も用いる
こともできる。これらの詳細については、前記した特願
平２−77690号参照。これらの高指向性光学系を代表す
るものとして、入射側の対物レンズOb1と、その焦点面
に配置され対物レンズOb1によるフランフォーファ回折
の０次の回折像のみを通過させるピンホールＰと、ピン
ホールＰに前側焦点が一致するように配置された同様の
対物レンズOb2からなる高指向性光学系５を第３図に示
す。（図の高指向性光学系５は第21図に示した光学系と
同様である。）。ただし、以下の説明において、高指向
性光学系５は第３図のものに限定されるものではない。

さて、本発明における分光吸収測定の対象となる不透明
試料は、まず第１に、完全には入射光を阻止して前方へ
透過させないような試料ではなく、例えば生体試料のよ
うに、試料によって何ら散乱を受けずに直接透過する光
は殆ど存在しないが、試料中の散乱微粒子によって多重
散乱を受け、前方へ散乱された光が試料より出てくるよ
うな試料である。もちろん、直接透過する光が存在する
ような試料についても、後記するように測定対象にでき
る。また、本発明の第２の測定対象は、例えば粉体のよ
うに、入射光を略完全に遮断して後方へのみ反射及び散
乱する試料である。前者の試料を透過試料、後者の試料
を反射試料と呼ぶことにする。

第４図から第９図は、透過試料20の分光吸収特性を測定
する装置の概要を示したものであり、第10図及び第11図
は、反射試料21の分光吸収特性を測定する装置の概要を
示したものである。

第４図に示した不透明試料分光吸収測定装置は、第１図
に示したヘテロダイン受光系３を高指向性検出系として
用いて、透過試料20によって前方の特定方向へ散乱され
る光のみを取り出し、試料20による分光吸収特性を測定
しようとするものである。このような測定のために、単
色光源として、広いスペクトル範囲の単色光を連続的に
掃引して出すことができる可変波長レーザ10を用いる。
このレーザ10から出た光束を適当な径の平行光束に変換
するために、ビーム変換器11をレーザ10の前に配置す
る。ビーム変換器11から出た光束は、ビームスプリッタ
ーBSにより２分され、直進光は透過試料20に当たり、そ
の中で多重散乱を受け、前方へ通常等方的に散乱され
る。その散乱光は、透過試料20中の微粒子等により、入
射波長に応じて選択吸収されるため、散乱光強度は試料
20特有の波長依存性を有する。この前方散乱光の中、特
定の方向、第４図の場合は入射光の方向と同一の方向の
光がハーフミラーHMにより参照光と合成される。ビーム
スプリッターBSにより反射された参照光は、上記の合成
前に超音波光学変調器等の周波数シフターAOにより周波
数が僅かに変えられており、試料光と合成して光電変換
すると、参照光と試料光の周波数差に相当する周波数の
交流信号を含む信号が検出器２より出力される。検出器
２より得られる信号の交流成分の大きさは、試料光の振
幅に比例するので、検出器２の出力の交流成分を分離
し、その大きさから、入射波長に応じた相対透過性ない
し吸収特性が得られる。参照光と合成する散乱光の方向
は、必ずしも試料20への入射光と同一方向のものである
必要はない。なお、以上のようにして、レーザ10の波長
を掃引して測定した吸収スペクトルは、レーザ10の波長
を掃引した場合、光強度が一般に変化する。そこで高指
向性検出系を用いる場合、照射光束の一部を取り出し
て、例えば第３図では、レーザ１と試料Ｓの中間にハー
フミラーを挿入して、出力レーザ光強度を検出する。ヘ
テロダイン検出系を用いる場合、第４図で、試料20の後
方に光遮断素子を挿入して、検出器２でレーザの出力強
度をモニターする。あるいは、第４図のハーフミラーHM
の後方に光強度モニター用検出器を設置して検出しても
よい。（図示していない。）。

さて、第５図は第４図のヘテロダイン受光系３を用いる
ものを変形して、散乱媒質中の内にある特定試料のある
特定方向の反射型分光装置を示したものである。この場
合、ビームスプリッターBSの直後には試料を配置せず、
ハーフミラーHMの向きを変え、ビームスプリッターBSを
透過した光がハーフミラーHMを透過した位置に散乱媒質
20を模式的に示し、散乱媒質20の背後に前方散乱光を逆
の方向に反射する特定試料Ｓを模式的に図示してあり、
反射光を再度逆方向から散乱媒質20を透過させ、その透
過散乱光をハーフミラーHMで参照光と合成されるように
したものである。散乱媒質20の厚さが薄く、直接透過成
分の割合が高い場合等に有効な構成である。

次に、第６図に示した装置は、第２図に示したマイケル
ソン受光系４を適用して透過試料20の分光吸収特性を測
定するものであり、可変波長レーザ10から出た光をビー
ム変換器11により適当な径の平行光束に変換して、ビー
ムスプリッターBSにより２分し、一方のミラーM1、M2を
経た反射光中に透過試料20を挿入し、その散乱透過光を
参照光とハーフミラーHMにより合成する。ビームスプリ
ッターBSを透過した参照光は、ハーフミラーHMを透過し
て図示両矢符で示したように移動される移動鏡Ｍに当た
り、逆方向に反射され、ハーフミラーHMにより試料光と
合成され、その合成光は検出器２により光電変換され
る。検出器２からは移動鏡Ｍの速度に応じた周波数の干
渉信号が重畳した信号が得られる。その交流成分の強さ
は透過試料20の散乱光の強さに比例するので、可変波長
レーザ10の波長を掃引してこの交流成分の強度から分光
吸収特性を求めることができる。

第７図は、マイケルソン受光系４を反射型にしたもので
ある。散乱媒質中の内に特定試料の反射分光を模式的に
示した。この場合、ビームスプリッターBSを反射した位
置に試料を配置し、散乱媒質20の背後に前方散乱光を逆
の方向に反射する反射分光試料Ｓを模式的に示した。散
乱光を再度逆方向から散乱媒質20を透過させ、その透過
散乱光をビームスプリッターBSにより移動鏡Ｍから反射
してきた参照光と合成させるようにしたものである。こ
の場合も、第５図の場合と同様に、散乱媒質20の厚さが
薄く、直接透過成分の割合が高い場合等に有効な配置で
ある。

さて、第８図と第９図は透過型の散乱物体試料20の特定
方向の散乱成分の分光吸収特性を測定するのに、第３図
に代表される高指向性光学系５を用いて、特定方向の散
乱成分のみを抽出するようにしたものであり、第８図は
透過型に、第９図は反射型に構成したものである。ビー
ム変換器11からは適当は径の平行光束に変換されて出て
くる可変波長レーザ10からの光は、第８図の場合は直
接、また、第９図の場合はハーフミラーHMを介して、模
式的に示した散乱媒質20に当たり、多重散乱と吸収を受
けて前方へ透過し、試料Ｓからの反射分光特性で反射す
る。第８図の場合は、その中の特定方向に散乱された成
分のみが高指向性光学系５により抽出されて検出器２に
よりその強さが検出される。したがって、第８図の場
合、可変波長レーザ10の発振波長を掃引し、ビーム変換
器11と試料20の間にハーフミラーを配置し（図示してい
ない）、ハーフミラーからの反射光を検出することによ
り、レーザの出力をモニターして透過積分減光度を求め
る。また、第９図の場合は、ハーフミラーHMで反射され
るレーザ光を検出して（検出器は図示していない）、レ
ーザの出力をモニターして透過積分減光度を求める。な
お、第９図の場合は、第５図、第７図と同様に、模式的
に書いた散乱媒質20の背後に前方散乱光を逆の方向に反
射する反射分光試料Ｓを模式的に示した。散乱光を再度
逆方向から散乱媒質20を透過させ、その透過散乱光をハ
ーフミラーHMにより入射光の方向とは異なる方向に反射
させ、特定方向に散乱された成分のみを高指向性光学系
５により抽出するようにする。その他は、第４図から第
７図の場合と同様である。

以上は、分光吸収特性を測定する試料が透過性である時
と反射性の場合の装置構成であるが、試料が反射性の場
合、表面反射光が強い場合、これらの構成をそのために
容易に変更することができる。ただし、反射試料におい
ては、入射光の正反射成分の強度が極めて高い場合、正
反射成分は反射試料表面近傍の吸収特性に関する情報を
殆ど含んでいないのが通常であるので、この正反射成分
を取り除く構成にしなければならない。第10図と第11図
にこのように構成した装置の例を示す。第10図の装置
は、高指向性光学系５を用いて反射試料21表面近傍から
特定方向に散乱される成分を抽出して分光吸収特性を測
定するものであるが、反射試料21表面にミラーM4を介し
て入射する可変波長レーザ10からの単色光は、試料面の
法線に対してある程度の角度をなすように設定されてお
り、その正反射成分はミラーM5を介してビームトラップ
BTにより取り除くようにしている。また、第11図の装置
は、ヘテロダイン受光系３を高指向性検出系として用い
て反射試料21表面近傍から特定方向に散乱される成分を
抽出して分光吸収特性を測定するものであるが、第11図
と同様な構成により、ビームトラップBTにより試料21表
面で反射された正反射成分を取り除くようにしている。

次に、具体的に試料のマクロサイズ領域の分光吸収特性
を測定する装置のいくつかの例について簡単に説明す
る。第12図は、試料台13上に配置した試料20の透過分光
吸収特性及び反射分光吸収特性を測定できる装置の概略
の構成を示すもので、可変波長レーザ10からの単色光は
切り換え鏡MSにより実線の透過光路と点線の反射光路に
切り換えられる。実線光路を選択すると、ミラーM7を経
た光は、共焦点に配置されたカセグレン反射光学系K3と
K4からなるビーム変換器11とにより所定の径の平行光束
に変換され、試料20に入射し、試料20を透過した特定方
向の散乱光は、共焦点に配置されたカセグレン反射光学
系K1とK2及びその焦点に配置されたピンホールＰからな
る高指向性光学系５により抽出されて、ミラーM10、M11
を経て検出器２により測定され、可変波長レーザ10の波
長を掃引することにより、試料20の透過成分の分光吸収
特性が求まる。切り換え鏡MSを点線の反射光路に切り換
えると、可変波長レーザ10からの単色光はミラーM9を経
てハーフミラーHMにより下方に反射され、ビーム変換器
11の作用をする高指向性光学系５によりビーム径が縮小
され、試料20に入射する。試料20から完全に後方に散乱
された光だけが高指向性光学系５により抽出され、ハー
フミラーHM、ミラーM10、M11を経て検出器２により測定
され、可変波長レーザ10の波長を掃引することにより、
試料20の反射成分の分光吸収特性が求まる。なお、試料
20の正反射成分以外の後方散乱成分を抽出する時には、
試料20を傾けて光を入射させるようにすればよい。

第13図、第14図の装置は、それぞれ第４図のヘテロダイ
ン受光系３を用いた装置、第６図のマイケルソン受光系
４を用いた装置を縦型に変形しただけのものであり、格
別の説明は必要なかろう。なお、第14図のものにおい
て、駆動径14は移動鏡Ｍを光軸方向に移動させるための
ものである。

なお、以上の説明においては、可変波長レーザ10は連続
的に発振するものを前提にしていたが、パルス動作をす
る可変波長レーザを用いてもよい。特に、レーザ光を連
続的に照射すると、その特性が急激に変化する試料の場
合、パルス動作をする可変波長レーザを用いることが好
ましい。また、検出器２については、格別説明しなかっ
たが、公知の何れの手段でも用いることができる。ま
た、検出信号の処理方式としても、例えば入射光をチョ
ッパ等によって強度変調し、検出信号を位相同期検出す
ることが考えられる。この場合、赤外光検出の時定数が
長いため、同期変調周波数を小さくする必要がある。ま
た、光子計数方式（可視光）、電荷累積方式（赤外光）
等の同期信号積分検出方式、ヘテロダインビート信号検
出方式等を用いてもよい。また、周波数シフターとして
は、超音波変調器等の超音波光回析を用いたものばかり
でなく、波長板の組合せ及び回転格子のほか、結晶の電
気光学効果を利用することもできる。また、反射鏡を一
定速度で移動させるか又は鋸歯状波で振動させてもよ
い。

〔発明の効果〕

本発明の不透明試料の分光吸収測定装置においては、散
乱性試料に特定方向から指向性の高い可変波長の光を照
射して、特定の方向に散乱された光のみの強度をヘテロ
ダイン受光系、マイケルソン受光系を用いて検出するの
で、余分な方向の散乱光、その他のノイズ光を拾うこと
なく高精度で散乱性試料の分光吸収特性を測定すること
ができる。しかも、対照についての測定が従来法に比べ
て非常に簡単になり、測定が極めて容易であり、懸濁
液、生体組織等の散乱が大きな散乱物体までもの特定方
向の透過ないし反射成分の分光吸収を測定するのに適し
た装置である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の不透明試料の分光吸収測定装置に用い
られる高指向性検出系の１つのヘテロダイン受光系の構
成と作用を説明するための図、第２図は他の高指向性検
出系であるマイケルソン受光系の構成と作用を説明する
ための図、第３図は他の高指向性検出系である高指向性
光学系の代表的なものの構成を示すための図、第４図、
第５図は透過試料に適用する本発明のヘテロダイン受光
系を用いた分光吸収測定装置の実施例の構成を示す図、
第６図、第７図は透過試料に適用する本発明のマイケル
ソン受光系を用いた分光吸収測定装置の実施例の構成を
示す図、第８図、第９図は透過試料に適用する本発明の
高指向性光学系を用いた分光吸収測定装置の実施例の構
成を示す図、第10図、第11図は反射試料に適用する本発
明の分光吸収測定装置の実施例の構成を示す図、第12図
から第14図は試料のマクロサイズ領域の分光吸収特性を
測定する装置のいくつかの具体例を示すための図、第15
図から第24図は先に提案した高指向性光学系の構成を示
す図である。１……レーザ、２……検出器、３……ヘテロダイン受光
系、４……マイケルソン受光系、５……高指向性光学
系、10……可変波長レーザ、11……ビーム変換器、13…
…試料台、20……散乱媒質、21……反射試料、Ｓ……試
料、BS……ビームスプリッター、HM……ハーフミラー、
M1〜M11……ミラー、AO……周波数シフター、Ｍ……移
動鏡、Ob1、Ob2……対物レンズ、Ｐ……ピンホール、M3
……鏡、BT……ビームトラップ、MS……切り換え鏡、K1
〜K4……カセグレン反射光学系

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭63−274848（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−243839（ＪＰ，Ａ)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】波長変更可能な単色光源からの光を２分し
て、一方の光路中に入射光の周波数をシフトさせる周波
数シフト手段を設け、他方の光路中に散乱性試料を配置
し、周波数シフト手段から射出する指向性の高い光と散
乱性試料から特定方向に出る光とを合成して同方向に射
出させるビーム合成手段を設け、ビーム合成手段によっ
て合成された光を電気信号に変換してシフト周波数に等
しい交流成分のみの強度を検出する検出手段を設けたこ
とを特徴とする不透明試料の分光吸収測定装置。
【請求項２】波長変更可能な単色光源からの光を２分し
て、一方の光路中に光路長を所定速度で変更する光路長
変更手段を設け、他方の光路中に散乱性試料を配置し、
光路長変更手段から射出する指向性の高い光と散乱性試
料から特定方向に出る光とを合成して同方向に射出させ
るビーム合成手段を設け、ビーム合成手段によって合成
された光を電気信号に変換して光路長変更速度に応じた
周波数の交流成分のみの強度を検出する検出手段を設け
たことを特徴とする不透明試料の分光吸収測定装置。
【請求項３】散乱性試料からの光を遮断して、周波数シ
フト手段又は光路長変更手段から射出する指向性の高い
光の光束強度を検出して参照光強度とし、ビーム合成手
段によって合成された光を電気信号に変換してシフト周
波数に等しい交流成分又は光路長変更速度に応じた周波
数の交流成分を試料からの信号強度とし、これらの強度
を用いて透過積分減光度を求めることを特徴する請求項
１又は２記載の不透明試料の分光吸収測定装置。