JPH0427845A

JPH0427845A - 不透明試料の分光吸収測定装置

Info

Publication number: JPH0427845A
Application number: JP13306690A
Authority: JP
Inventors: Tsutomu Ichimura; 市村　勉; Fumio Inaba; 稲場　文男
Original assignee: Research Development Corp of Japan
Current assignee: Japan Science and Technology Agency
Priority date: 1990-05-22
Filing date: 1990-05-22
Publication date: 1992-01-30
Anticipated expiration: 2010-03-08
Also published as: JPH0721452B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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方法及び装置に関する。

〔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（非観血的、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　
（Ｍａｇｎｅｔｉｃ　　Ｒｅ５ｏｎａｎｃｅ　　Ｉｍａ
ｇｉｎｇ、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
視一近赤外一赤外の領域の分光学を“丸ごと”生体（ｉ
ｎ　　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
１ｌＣＴと異なった情報を与えてくれるであろう。

３〜５工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（厚さ二〜３叩程度）が容易であり
、古くから乳ガンの診断に、［］ｉａｐｈａｎｏｇｒａ
ｐｈｙ　（Ｌｉｇｈｔｓｃａｎｎ　ｉｎｇ）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１−６２８
９８号、特願平１−２５００３４号、特願平２−７７６
９０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−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Ｐ、　、Ｐ、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Ｓ
Ｍ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Ｏｂｌと同様の
対物レンズＯｂ２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ＧＬＩと同
様の屈折率分布レンズＧＬ２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■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補足率で検出すれば、
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−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、前
王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方法及
び装置を提供することてある。

〔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
方法は、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
度を高指向性検出系を用いて検出することにより、散乱
性試料の分光吸収特性を測定することを特徴とする方法
である。

この場合、前記高指向性検出系により強度を検出する特
定の方向が、試料による透過散乱光を検出する方向であ
る場合と、試料による反射散乱光を検出する方向である
場合とがある。

また、このような方法を実施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。

第３の不透明試料の分光吸収測定装置は、波長変更可能
な単色光源から出る光の光路中に散乱性試料を配置し、
散乱性試料から特定方向に出る光を抽出する高指向性光
学系を配置し、高指向性光学系により抽出された光の強
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３の装置の場合、波長変更可能な単色光源から出る光
の光路中に２光路切替え手段を設け、方の光路と他方の
光路が同軸でかつ光の進行方向が反対になるように構成
し、同軸になった光路中に高指向性光学系を配置し、高
指向性光学系の一方の側に散乱性試料を配置し、高指向
性光学系の他方の側から試料を特定方向に透過した光又
は試料により特定方向に反射散乱された光を取り出すよ
うに構成することにより、１つの装置で試料による透過
散乱光と反射散乱光の両分光吸収特性を測定することが
できる。

これらのいずれの装置も、試料を透過した光強度又は特
定方向に反射される光強度を信号光強度とし、照射光束
の全部又はその一部を取り出して参照光強度として透過
積分減光度を求することができる。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参照光強度とし
、高指向性検出系を用いて検出した光強度を信号強度と
して透過積分減光度を求めるようにする。ヘテロダイン
受光系又はマイケルソン受光系を用いる場合、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窩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。

〔作用〕

本発明の不透明試料の分光吸収測定方法及び装置によれ
ば、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、高指向性光
学系等の高指向性検出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方法及び装置である。

〔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−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−Ｈ
Ｍ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ω２にする超音
波光学変調器等の周波数シフターＡ○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−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−ＨＭにより合成する。ビームスプ
リッタ−ＢＳを透過した直進光（以下、参照光とも言う
。

）は、ハーフミラ−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−ＨＭにより試料を透過した光と合成され
、その合成光、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、位相は試料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ｔ、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、上記へテロダイン受光系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■。

、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Ｖｌとし、それぞれ次
のように表現する。

Ｖｌ　＝Ａ＋　ｅｘｐｃ−ｉ（ａ＋、ｔ−φ１）１、Ｖ
２　＝Ａ２　ｅＸＩ］［−１（ａ＋３ｔ−φ２）］これ
らの２つの光波Ｖ、　、Ｖ、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　＝　：　Ｖ　１＋　Ｖ　２＝Ｖよ　・Ｖｌ”　十Ｖ２ＨＶ− ＋Ｖ＋　　ＨＶ２　”　＋Ｖ＋　”　　・Ｖ２ところで
、Ｖｌ　’　Ｖｌ”　＝Ａ＋　　、Ｖ２　　・Ｖ２”＝Ａ
２であり、Ｖｌ　　・Ｖ２　”　＝Ａ＋　Ａ２ｅｘｐニーｉ（ａ＋
、−ω２）ｔ＝１（φニーφ２）〕　、Ｖ＋　　”　　・Ｖａ　　＝Ａ＋　　Ａ２　ｅｘｐ［＋
＋（ωｔ−ω２）ｔ＋１（φ１−φ２）］ ■１　・Ｖ２　”　　＋ｖ、”　　・Ｖ２＝　２　Ａ　
ＩＡｚｃｏｓ［（ω１−ω２）ｔ＋（φ１−φ２）１で
あるので、Ｓ＝Ａ＋　２十Ａ２＋　２　Ａ　＋　Ａ　２ＣＯ５［（ω１−ω２）ｔ”（
φ１−φ２）１となる。

ところで、ヘテロダイン受光系３においては、ω２＝ω
１−Δω、φ１＝φ２と書けるので、Ｓ　＝／’＋　２
＋Ａ２２＋　２　Ａ＋　Ａ２ｃｏｓΔωｔ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
Ａ）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＝ω２、φ
２＝φ、＋ｋｔと書けるので、検出信号Ｓは、Ｓ　＝Ａ＋　”　＋　Ａｌ　”　＋　２　Ａ＋　Ａ２ｃ
ｏｓｋ　ｔとなり、ヘテロダイン受光系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Ｖｌ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。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Ｏｂｌと、その焦点
面に配置され対物レンズＯｂｌによるフランフオーファ
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３ｒｇＪ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
的に掃弓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−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２
０特有の波長依存件を有する。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−ＨＭにより参照光と合成される。ビー
ムスプリッタ−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ンフター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特
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−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
−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−ＢＳの直後には試料を配置せず
、ハーフミラ−ＨＭの向きを変え、ビームスプリッタ−
ＢＳを透過した光がハーフミラ−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−ＨＭで参照光と
合成させ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を効な構成
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−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−ＨＭにより合成す
る。ビームスプリッタ−ＢＳを透過した参照光は、ハー
フミラ−ＨＭを透過して図示側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−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−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−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２
０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−ＨＭを介して
、模式的に示した散乱媒体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−を配置しく
図示していない）、ハーフミラ−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−Ｈ
Ｍ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−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、表面反射光が強し１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である程度の角度を
なすように設定されており、その正反射成分はミラーＭ
５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
光学系に３とに４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に１とに２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ＭＩＯ１Ｍｌｌ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−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−ＨＭ、　ミラーＭＩＯ１Ｍｌｌ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
ゲイン受光系３を用し）だ装置、第６図のフイケルソン
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）、電荷蓄
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折を
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。

口発明の効果〕本発明の不透明試料の分光吸収測定方法及び装置におい
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、高指向性
光学系等の高指向性検出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方法及び装
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方法及び装
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２ｒＸＪ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
ロゲ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１　）だ分光吸収測定
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
体例を示すだめの図、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、ｌＯ・・・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−１ＨＭ・・・ノ１−フミラー、Ｍ１〜Ｍｌ
ｌ・・・ミラー、ＡＯ・・・周波数シフター、Ｍ・・・
移動鏡、Ｏｂｌ、Ｏｂ２・・・対物レンズ、Ｐ・・・ピ
ンホール、Ｍ３・・・鏡、ＢＴ・・・ビームトラップ、
ＭＳ・・・切り換え鏝、Ｋ１−に４・・・カセグレン反
射光学系出

Claims

【特許請求の範囲】

（１）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
を高指向性検出系を用いて検出することにより、散乱性
試料の分光吸収特性を測定することを特徴とする不透明
試料の分光吸収測定方法。
（２）前記高指向性検出系により強度を検出する特定の
方向が、試料による透過散乱光を検出する方向であるこ
とを特徴とする請求項１記載の不透明試料の分光吸収測
定方法。
（３）前記高指向性検出系により強度を検出する特定の
方向が、試料による反射散乱光を検出する方向であるこ
とを特徴とする請求項１記載の不透明試料の分光吸収測
定方法。
（４）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。
（５）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。
（６）波長変更可能な単色光源から出る光の光路中に散
乱性試料を配置し、散乱性試料から特定方向に出る光を
抽出する高指向性光学系を配置し、高指向性光学系によ
り抽出された光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。
（７）波長変更可能な単色光源から出る光の光路中に２
光路切替え手段を設け、一方の光路と他方の光路が同軸
でかつ光の進行方向が反対になるように構成し、同軸に
なった光路中に高指向性光学系を配置し、高指向性光学
系の一方の側に散乱性試料を配置し、高指向性光学系の
他方の側から試料を特定方向に透過した光又は試料によ
り特定方向に反射散乱された光を取り出すように構成し
たことを特徴とする請求項６記載の不透明試料の分光吸
収測定装置。
（８）照射光束の一部を取り出して、その光束強度を検
出して参照強度とし、高指向性検出系を用いて検出した
光強度を試料光の信号強度として、透過積分減光度を求
めることを特徴とする請求項第１から３、６、７の何れ
か１項記載の不透明試料の分光吸収測定装置。
（９）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４又は
５記載の不透明試料の分光吸収測定装置。