JP2017194361A - Dielectric spectroscopic device - Google Patents
Dielectric spectroscopic device Download PDFInfo
- Publication number
- JP2017194361A JP2017194361A JP2016084972A JP2016084972A JP2017194361A JP 2017194361 A JP2017194361 A JP 2017194361A JP 2016084972 A JP2016084972 A JP 2016084972A JP 2016084972 A JP2016084972 A JP 2016084972A JP 2017194361 A JP2017194361 A JP 2017194361A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- total reflection
- reflection prism
- attenuated total
- electromagnetic wave
- measurement
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/55—Specular reflectivity
- G01N21/552—Attenuated total reflection
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
- Spectrometry And Color Measurement (AREA)
Abstract
【課題】迷光の発生やスペクトル上の干渉リプルを低減し、測定再現性や測定精度を向上させる。【解決手段】断面形状が台形の減衰全反射プリズム30の平行な面上に測定試料100を配置し、配置面に対向する面に電波吸収材31を備え、傾斜面から電磁波を入射して別の傾斜面から電磁波を出射する。これにより、減衰全反射プリズム30内で生じる回析や多重反射の影響による迷光の発生やスペクトル上の干渉リプルを低減することができ、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。【選択図】図1[PROBLEMS] To reduce the generation of stray light and interference ripples on a spectrum to improve measurement reproducibility and measurement accuracy. A measurement sample 100 is arranged on a parallel surface of an attenuated total reflection prism 30 having a trapezoidal cross-sectional shape, a radio wave absorber 31 is provided on a surface facing the arrangement surface, and electromagnetic waves are incident from an inclined surface. Electromagnetic waves are emitted from the inclined surface. As a result, it is possible to reduce the generation of stray light and the interference ripples on the spectrum due to the effects of diffraction and multiple reflections that occur in the attenuated total reflection prism 30, and the effect of improving measurement reproducibility and measurement accuracy is achieved. [Selection] Figure 1
Description
本発明は、誘電分光法を用いた測定対象物の成分濃度を測定する技術に関する。 The present invention relates to a technique for measuring a component concentration of a measurement object using dielectric spectroscopy.
高齢化が進み、成人病に対する対応が大きな課題になっている。血糖値などの検査は血液の採取が必要なために患者にとって大きな負担である。そのため、血液を採取しない非侵襲な成分濃度測定装置が注目されている。 As aging progresses, the response to adult diseases has become a major issue. Tests such as blood glucose levels are a heavy burden on patients because they need to collect blood. Therefore, a non-invasive component concentration measuring apparatus that does not collect blood has attracted attention.
非侵襲な成分濃度測定装置として、誘電分光法を用いた装置が提案されている。誘電分光法は、皮膚内に電磁波を照射し、測定対象の血液成分、例えば、グルコース分子と水の相互作用に従い、電磁波を吸収させ、電磁波の周波数に対する振幅及び位相を観測する。観測される電磁波の周波数に対する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関があり、その変化に対応した電気信号(振幅、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関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を行う。 An apparatus using dielectric spectroscopy has been proposed as a noninvasive component concentration measuring apparatus. Dielectric spectroscopy irradiates the skin with electromagnetic waves, absorbs the electromagnetic waves according to the interaction of blood components to be measured, for example, glucose molecules and water, and observes the amplitude and phase with respect to the frequency of the electromagnetic waves. The dielectric relaxation spectrum is calculated from the amplitude and phase with respect to the frequency of the observed electromagnetic wave. In general, the complex dielectric constant is calculated by expressing as a linear combination of relaxation curves based on the Cole-Cole equation. In the measurement of biological components, for example, the complex dielectric constant has a correlation with the amount of blood components such as glucose and cholesterol contained in blood, and is measured as an electrical signal (amplitude, phase) corresponding to the change. A calibration model is constructed by measuring the correlation between the complex dielectric constant change and the component concentration in advance, and the component concentration is calibrated from the measured change in the dielectric relaxation spectrum.
マイクロ波などの電磁波を利用した材料分析では、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。THz帯のような高周波では、レンズや放物面鏡を用いた擬似光学系によるフリースペース法により測定対象の複素誘電率を計測することが一般的である。なおフリースペース法は非特許文献1にも記載されるようにミリ波帯でも用いられる。 In material analysis using electromagnetic waves such as microwaves, the complex dielectric constant of a material is evaluated using various methods such as resonance method and coaxial reflection method. At a high frequency such as the THz band, it is common to measure the complex dielectric constant of a measurement object by a free space method using a pseudo optical system using a lens or a parabolic mirror. The free space method is also used in the millimeter wave band as described in Non-Patent Document 1.
従来の測定装置としては、マイクロ波からミリ波以上の周波数帯では、光電気変換(フォトミキシング)を利用した誘電分光装置がある(特許文献1参照)。特許文献1の誘電分光装置は、周波数の異なる2つの連続光波が合成された光信号を光電変換して電磁波、例えばテラヘルツ波を発生し、発生したテラヘルツ波を被測定対象物に照射し、被測定対象物を透過したテラヘルツ波を受信するとともに、2つの連続光波のうちの一方の位相を変調して合成した参照光を入力してホモダインミキシングする構成である。ホモダインミキシングする検出器には例えば、光伝導アンテナを用い、参照光の照射によりアンテナ間のコンダクタンスが参照光に含まれる2つの連続光波間の差周波数にて変調されることで実現される。従来の誘電分光装置においては、電磁波をホモダイン検波する際には、検出器でのミキシング時における2つの光路長差が一致していることが必要である。そのため、空間を伝搬するテラヘルツ波の伝搬長や光が伝搬するファイバの長さ等を調節する。 As a conventional measuring apparatus, there is a dielectric spectroscopic apparatus using photoelectric conversion (photo mixing) in a frequency band from microwave to millimeter wave or more (see Patent Document 1). The dielectric spectroscopic device of Patent Document 1 photoelectrically converts an optical signal in which two continuous light waves having different frequencies are combined to generate an electromagnetic wave, for example, a terahertz wave, irradiates the object to be measured with the generated terahertz wave, The configuration is such that the terahertz wave transmitted through the measurement object is received and the reference light synthesized by modulating the phase of one of the two continuous light waves is input to perform homodyne mixing. For example, a detector that performs homodyne mixing uses a photoconductive antenna, and the conductance between the antennas is modulated by the difference frequency between two continuous light waves included in the reference light by irradiation with the reference light. In a conventional dielectric spectroscopic device, when homodyne detection of electromagnetic waves, it is necessary that the two optical path length differences coincide with each other when mixing with a detector. Therefore, the propagation length of the terahertz wave propagating in space, the length of the fiber through which light propagates, and the like are adjusted.
水溶液や油等の液体試料を評価する際には、サンプルセルに液体試料を封入する、もしくは液体試料をフローにより供給して測定することが一般的である。誘電測定用セルでは、テラヘルツ波を透過する窓材をテラヘルツ波の入射面と出射面に設ける。連続波電磁波分光測定では、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つの窓材の厚さと試料厚、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く、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とられる。 When evaluating a liquid sample such as an aqueous solution or oil, the measurement is generally performed by sealing the liquid sample in a sample cell or supplying the liquid sample by a flow. In the dielectric measurement cell, window materials that transmit the terahertz wave are provided on the incident surface and the exit surface of the terahertz wave. In continuous wave electromagnetic wave spectroscopy measurement, it is known that multiple reflection of terahertz waves depending on the thickness of the window material occurs. It is not easy to eliminate the influence of multiple reflections from the thickness of two window materials, the sample thickness, and the dielectric constant. For example, a method of reducing interference ripples on a spectrum by taking a moving average is taken.
また、水は赤外領域で非常に強い吸収を呈するため、高抵抗シリコン製の減衰全反射プリズム(ATRプリズム)上に液体試料を配置し、プリズム内に電磁波を透過して液体試料を評価することが知られている(非特許文献3)。 Since water exhibits very strong absorption in the infrared region, a liquid sample is placed on an attenuated total reflection prism (ATR prism) made of high-resistance silicon, and the liquid sample is evaluated by transmitting electromagnetic waves into the prism. It is known (Non-Patent Document 3).
しかしながら、広帯域電磁波において、波長収差によるビーム径や集光位置の違いに伴う、減衰全反射プリズムで生じる回析や多重反射の影響により、迷光の発生やスペクトル上の干渉リプルが生ずる。これらの雑音は、温度等の環境変動によるプリズムの屈折率変動の影響により、信号の振幅・位相の変動をもたらすため、測定再現性や測定精度が得られないという課題があった。 However, in wideband electromagnetic waves, stray light is generated and interference ripples occur in the spectrum due to the effects of diffraction and multiple reflection that occur in the attenuated total reflection prism due to differences in beam diameter and focusing position due to wavelength aberration. Since these noises cause fluctuations in the amplitude and phase of the signal due to the influence of the refractive index fluctuation of the prism due to environmental fluctuations such as temperature, there is a problem that measurement reproducibility and measurement accuracy cannot be obtained.
本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、迷光の発生やスペクトル上の干渉リプルを低減し、測定再現性や測定精度を向上させることを目的とする。 The present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is to reduce the generation of stray light and interference ripples on the spectrum, and improve measurement reproducibility and measurement accuracy.
本発明に係る誘電分光装置は、周波数の異なる2つの連続光波が合成された光信号を光電変換して電磁波を発生する放射器と、断面形状が台形であって、平行な面の一方に測定対象物を配置し、一方の傾斜面から前記電磁波を入射し、他方の傾斜面から前記電磁波を出射する減衰全反射プリズムと、前記減衰全反射プリズムの他方の平行な面に配置された、前記減衰全反射プリズムと同等の誘電率を有する電波吸収材と、前記2つの連続光波のうちの少なくとも一方の位相を変調して合成した参照光を入力し、前記電磁波を受信してホモダイン検波する検波器と、を有することを特徴とする。 The dielectric spectroscopic device according to the present invention includes a radiator that photoelectrically converts an optical signal composed of two continuous light waves having different frequencies to generate an electromagnetic wave, and a trapezoidal cross-sectional shape that is measured on one of parallel planes. An object is arranged, the electromagnetic wave is incident from one inclined surface, the attenuated total reflection prism that emits the electromagnetic wave from the other inclined surface, and the other parallel surface of the attenuated total reflection prism, Detection using a radio wave absorber having a dielectric constant equivalent to that of an attenuated total reflection prism and reference light synthesized by modulating the phase of at least one of the two continuous light waves, and receiving the electromagnetic wave and performing homodyne detection And a container.
本発明によれば、迷光の発生やスペクトル上の干渉リプルを低減し、測定再現性や測定精度を向上させることができる。 According to the present invention, generation of stray light and interference ripples on a spectrum can be reduced, and measurement reproducibility and measurement accuracy can be improved.
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、本実施の形態における誘電分光装置の構成を示すブロック図である。 FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a dielectric spectroscopic apparatus according to the present embodiment.
図1に示す誘電分光装置は、連続波光源11A,11B、スプリッタ12A,12B、カプラ13A,13B、位相変調器14A,14B、第1フォトミキサ16、第2フォトミキサ17、ロックインアンプ18、モニタ19、及び遅延線20を備える。測定試料100は、電磁波の経路上の放物面鏡41A,41Bの間の減衰全反射プリズム30上に配置される。減衰全反射プリズム30の底部には、プリズムの材料と同等の誘電率を有する電波吸収材31を備える。
1 includes a continuous
連続波光源11A,11Bは、周波数が互いに異なる連続波光信号を出力する。以下の説明では、連続波光源11Aから出力された連続波光信号を第1光信号、連続波光源11Bから出力された連続波光信号を第2光信号とする。
The continuous
スプリッタ12Aは、第1光信号を分波する。スプリッタ12Bは、第2光信号を分波する。 The splitter 12A demultiplexes the first optical signal. The splitter 12B demultiplexes the second optical signal.
カプラ13Aは、スプリッタ12Aで分波された第1光信号とスプリッタ12Bで分波された第2光信号とを合波する。カプラ13Aで合波された光信号はファイバを通って第1フォトミキサ16に入力される。 The coupler 13A combines the first optical signal demultiplexed by the splitter 12A and the second optical signal demultiplexed by the splitter 12B. The optical signal combined by the coupler 13A is input to the first photomixer 16 through the fiber.
第1フォトミキサ16は、カプラ13Aで合波された光信号を光電変換し、第1光信号と第2光信号の周波数差に一致する周波数の電磁波(ミリ波又はテラヘルツ波)を発生する。第1フォトミキサ16としては、例えば単一走行キャリア・フォトダイオード(UTC−PD:Uni−Traveling−Carrier Photodiode)を利用できる。第1フォトミキサは電磁波を発生する放射器として機能する。 The first photomixer 16 photoelectrically converts the optical signal combined by the coupler 13A, and generates an electromagnetic wave (millimeter wave or terahertz wave) having a frequency that matches the frequency difference between the first optical signal and the second optical signal. As the first photomixer 16, for example, a single traveling carrier photodiode (UTC-PD) can be used. The first photomixer functions as a radiator that generates electromagnetic waves.
位相変調器14A,14Bは、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位相変調器である。位相変調器14Aはスプリッタ12Aとカプラ13Bの間に配置される。位相変調器14Bはスプリッタ12Bとカプラ13Bの間に配置される。位相変調器14A,14Bに、発振器15からの単一周波数fmのノコギリ波状の制御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光信号に生じさせる。位相変調器14Aは、スプリッタ12Aで分波した第1光信号のいずれか一方の位相を変調する位置に配置する。位相変調器14Aをスプリッタ12Aとカプラ13Aの間に配置してもよい。位相変調器14Bは、スプリッタ12Bで分波した第2光信号のいずれか一方の位相を変調する位置に配置する。位相変調器14Bをスプリッタ12Bとカプラ13Aの間に配置してもよい。位相変調器14A,14Bは互いに制御信号を反転して、プッシュ・プル制御による位相変調を行う。なお、位相変調器14A,14Bのいずれか一方を備える構成でもよい。 The phase modulators 14A and 14B are phase modulators using an electro-optic crystal that can be electrically phase-modulated by a control signal. The phase modulator 14A is disposed between the splitter 12A and the coupler 13B. The phase modulator 14B is disposed between the splitter 12B and the coupler 13B. A sawtooth phase modulation is performed by applying a sawtooth control signal having a single frequency fm from the oscillator 15 to the phase modulators 14A and 14B, and a frequency shift equivalent to the modulation frequency fm is generated in the optical signal. The phase modulator 14A is disposed at a position for modulating one of the phases of the first optical signal demultiplexed by the splitter 12A. The phase modulator 14A may be disposed between the splitter 12A and the coupler 13A. The phase modulator 14B is arranged at a position where one of the phases of the second optical signal demultiplexed by the splitter 12B is modulated. The phase modulator 14B may be disposed between the splitter 12B and the coupler 13A. The phase modulators 14A and 14B invert the control signals and perform phase modulation by push-pull control. In addition, the structure provided with either one of phase modulator 14A, 14B may be sufficient.
カプラ13Bは、位相変調器14A,14Bのそれぞれで位相変調された第1光信号と第2光信号とを合波する。 The coupler 13B combines the first optical signal and the second optical signal that have been phase-modulated by the phase modulators 14A and 14B, respectively.
遅延線20は、カプラ13Bと第2フォトミキサ17とを結ぶファイバ上に配置され、カプラ13Bで合波された光信号は遅延線20を通って第2フォトミキサ17に入力される。遅延線20は、ファイバ端にレンズコリメータを接続し、2つのレンズを対向させ、平行光を伝搬させることで低損失で実現できる。誘電分光装置においては、電磁波をホモダイン検波する際に、検波器でのミキシング時における2つの光路長差が一致するように光が伝搬するファイバの長さ等を予め調整する。本実施の形態では、カプラ13Aから第1フォトミキサ16までのファイバと、カプラ13Bから第2フォトミキサ17までのファイバとを同等の遅延長とし、さらにカプラ13Bと第2フォトミキサ17の間に、第1フォトミキサ16から第2フォトミキサ17に出射される電磁波の空間伝搬長と同等の長さ(遅延長)を有する遅延線20を備えた。もしくは、カプラ13Aと第1フォトミキサ16との間に遅延線20を配置してもよいし、遅延線20を備えない構成としてもよい。 The delay line 20 is disposed on a fiber connecting the coupler 13B and the second photomixer 17, and the optical signal combined by the coupler 13B is input to the second photomixer 17 through the delay line 20. The delay line 20 can be realized with low loss by connecting a lens collimator to the fiber end, making two lenses face each other, and propagating parallel light. In the dielectric spectroscopic device, when homodyne detection of electromagnetic waves, the length of the fiber through which light propagates is adjusted in advance so that the two optical path length differences at the time of mixing by the detector coincide. In the present embodiment, the fibers from the coupler 13A to the first photomixer 16 and the fibers from the coupler 13B to the second photomixer 17 have the same delay length, and further, between the coupler 13B and the second photomixer 17. The delay line 20 has a length (delay length) equivalent to the spatial propagation length of the electromagnetic wave emitted from the first photomixer 16 to the second photomixer 17. Alternatively, the delay line 20 may be disposed between the coupler 13A and the first photomixer 16, or the delay line 20 may not be provided.
第2フォトミキサ17は、カプラ13Bで合波された光信号を照射されるとともに、第1フォトミキサ16が放射し、減衰全反射プリズム30を透過して測定試料100で反射した電磁波を受信し、ホモダインミキシングして周波数fmの電気信号を出力する。第2フォトミキサ17は、アンテナ付きUTC−PDと光ファイバとを同一パッケージに実装することで実現できる。第2フォトミキサ17には、光伝導アンテナ(PCA:Photo−Conductive Antenna)を用いてもよい。第2フォトミキサは電磁波をホモダイン検波する検波器として機能する。 The second photomixer 17 is irradiated with the optical signal combined by the coupler 13B, and receives the electromagnetic wave radiated from the first photomixer 16, transmitted through the attenuated total reflection prism 30, and reflected by the measurement sample 100. Then, homodyne mixing is performed to output an electric signal having a frequency fm. The second photomixer 17 can be realized by mounting the UTC-PD with an antenna and the optical fiber in the same package. The second photomixer 17 may be a photoconductive antenna (PCA: Photo-Conductive Antenna). The second photomixer functions as a detector that detects homodyne electromagnetic waves.
ロックインアンプ18は、第2フォトミキサ17が出力する電気信号を同期検波して振幅及び位相を検出する(非特許文献2参照)。モニタ19は、ロックインアンプ18が検出した振幅及び位相を処理する。
The lock-in
テラヘルツ波帯では、レンズや放物面鏡を用いた擬似光学系によるフリースペース法により、電磁波を減衰全反射プリズム30に入射して測定対象である測定試料100に照射し、減衰全反射プリズム30を透過した電磁波を検波して複素誘電率を計測する。放物面鏡41A,41Bを利用した場合は、レンズを利用するのに比べてレンズ内の多重反射が生じないので測定値が安定する。図2に示すように、放物面鏡41A,41Bの代わりにレンズ42A,42Bを用い、レンズ42A,42Bの中央に測定試料100を載せた減衰全反射プリズム30上を配置してもよい。支持台35上に減衰全反射プリズム30を配置し、電磁波の照射位置を調整する。
In the terahertz wave band, an electromagnetic wave is incident on the attenuated total reflection prism 30 to irradiate the measurement sample 100 to be measured by a free space method using a pseudo optical system using a lens or a parabolic mirror, and the attenuated total reflection prism 30 is irradiated. The complex permittivity is measured by detecting the electromagnetic wave transmitted through the. When the parabolic mirrors 41A and 41B are used, since the multiple reflection in the lens does not occur compared to the case where the lens is used, the measurement value is stabilized. As shown in FIG. 2, lenses 42A and 42B may be used instead of the parabolic mirrors 41A and 41B, and the attenuated total reflection prism 30 with the measurement sample 100 placed on the center of the lenses 42A and 42B may be disposed. The attenuated total reflection prism 30 is disposed on the
図3は、本実施の形態における減衰全反射プリズムを示す図である。 FIG. 3 is a diagram showing the attenuated total reflection prism in the present embodiment.
減衰全反射プリズム30は、断面形状が台形のDove型(ドーブ型)である。電磁波は、減衰全反射プリズム30の一方の傾斜面の所定位置に平面波で照射され、上面(平行な面のうちの幅の広い面)に配置された測定試料100で反射した後に、他方の傾斜面から出射する。照射される電磁波のビームサイズに応じて、減衰全反射プリズム30の幅及び高さを調整する。減衰全反射プリズム30の傾斜面の角度θは、入射した電磁波が測定試料100に45度で照射されるように設計する。 The attenuated total reflection prism 30 is a dove type having a trapezoidal cross section. The electromagnetic wave is irradiated with a plane wave on a predetermined position of one inclined surface of the attenuated total reflection prism 30 and reflected by the measurement sample 100 arranged on the upper surface (a wide surface of parallel surfaces), and then the other inclined surface. Emits from the surface. The width and height of the attenuated total reflection prism 30 are adjusted according to the beam size of the irradiated electromagnetic wave. The angle θ of the inclined surface of the attenuated total reflection prism 30 is designed so that the incident electromagnetic wave is irradiated to the measurement sample 100 at 45 degrees.
電磁波の入射時および出射時には、減衰全反射プリズム30の材料であるシリコンと空気の界面でおよそ30%の電磁波が反射される。入射面と出射面での多重反射が生じるなかで、ビーム径の変化や球面波となることで迷光成分が生成される。また、減衰全反射プリズム30の一方の傾斜面の所定位置から上面側に電磁波が入射した際にも、図中の矢印で示すように、減衰全反射プリズム30の上面と下面で反射した後に出射される。さらに、減衰全反射プリズム30のエッジに電磁波が入射することによる回折の影響により不要波が入る。これらの迷光成分や不要波が多重反射を介して出射側の光学系と結合することにより測定信号の誤差を生ずる。 When electromagnetic waves are incident and emitted, approximately 30% of the electromagnetic waves are reflected at the interface between silicon and air, which is the material of the attenuated total reflection prism 30. A stray light component is generated by a change in beam diameter or a spherical wave while multiple reflections occur on the entrance surface and the exit surface. Further, even when electromagnetic waves are incident on the upper surface side from a predetermined position on one inclined surface of the attenuated total reflection prism 30, it is emitted after being reflected by the upper and lower surfaces of the attenuated total reflection prism 30, as indicated by arrows in the figure. Is done. Furthermore, an unnecessary wave enters due to the influence of diffraction caused by electromagnetic waves entering the edge of the attenuated total reflection prism 30. These stray light components and unwanted waves are combined with the optical system on the emission side through multiple reflections, resulting in measurement signal errors.
本実施の形態では、減衰全反射プリズム30の底部に電波吸収材31を備えて、電波吸収材31が迷光などの電磁波を反射することなく吸収する。電波吸収材31は、1kΩ以下の低抵抗シリコンを用い、減衰全反射プリズム30との誘電率差を小さくする。p型もしくはn型の高濃度不純物ドープ(1015〜1016cm−3)を行った低抵抗シリコンの吸収係数nと屈折率αはDrudeモデルによって表すことができる(非特許文献4)。例えば、不純物濃度Nc=2×1016cm−3として、吸収係数nと屈折率αを計算した例を図4に示す。同図に示すように、0.1〜2THzで比較的平坦な吸収係数nと屈折率αを実現できている。電波吸収材31は、減衰全反射プリズム30の材料と同じ誘電率を有することが望ましい。電波吸収材31として磁性材料を分散させたゴムやセラミックスを用いてもよい。または、電波を良く透過する発泡スチロールやスポンジ等の多孔質材料中に分散させたカーボン等の導電性材料や波長と同程度のサイズを有する誘電体フィラーによる多重内部散乱によって、電磁波の減衰を生じさせてもよい。広帯域で電磁波を吸収するメタマテリアルを利用した金属パタンを形成してもよい。なお、減衰全反射プリズム30の底部に加えて側面(電磁波の入射面・出射面ではない側面)にも電波吸収材31を設置してもよい。
In the present embodiment, a
続いて、本実施の形態の電波吸収材の不要反射波除去の効果の数値解析例について説明する。 Next, a numerical analysis example of the effect of removing unnecessary reflected waves of the radio wave absorber according to the present embodiment will be described.
図5Aは減衰全反射プリズムの底部に金属を配置し、減衰全反射プリズムへの入射波をパルス状平面波として与えた際の出射パルス波形の信号強度の時間波形を数値解析した例である。図5Bは減衰全反射プリズムの底部に電波吸収材(低抵抗シリコン)を配置したときの数値解析例である。両者ともに、0.175nsecにおいて、入射したパルス状平面波が所望の伝播経路で減衰全反射プリズムの出射面に到達している。金属を配置した場合は、0.26nsecにおいて、不要反射波が出射面に到達していることがわかる。また、その他の迷光成分と考えられる0.2nsec以降の小さい不要反射波に関しても、電波吸収材を配置した場合には比較的低減できていることがわかる。 FIG. 5A is an example in which a metal is disposed at the bottom of the attenuated total reflection prism and the time waveform of the signal intensity of the output pulse waveform when the incident wave to the attenuated total reflection prism is applied as a pulsed plane wave is numerically analyzed. FIG. 5B is an example of numerical analysis when a radio wave absorber (low resistance silicon) is arranged at the bottom of the attenuated total reflection prism. In both cases, at 0.175 nsec, the incident pulse-like plane wave reaches the exit surface of the attenuated total reflection prism through a desired propagation path. When a metal is arranged, it can be seen that an unnecessary reflected wave reaches the emission surface at 0.26 nsec. It can also be seen that small unnecessary reflected waves after 0.2 nsec, which are considered to be other stray light components, can be relatively reduced when the radio wave absorber is arranged.
次に、減衰全反射プリズムの変形例について説明する。 Next, a modified example of the attenuated total reflection prism will be described.
図6は、本実施の形態における減衰全反射プリズムの変形例を示す図である。同図に示す減衰全反射プリズム30は、電磁波の入射面と出射面に反射防止構造32を設けた。電磁波が減衰全反射プリズム30に入射するとき及び出射するときに、反射が低減されるため、多重反射による干渉リプルや迷光の発生を低減できる。反射防止構造32として、光学的な反射防止構造と同様に、4分の1λ誘電体膜、あるいは表面に電磁波の波長の10分の1以下の凹凸を形成した構造を用いることが可能である。
FIG. 6 is a diagram showing a modification of the attenuated total reflection prism in the present embodiment. In the attenuated total reflection prism 30 shown in the figure, an
図7は、本実施の形態における減衰全反射プリズムの別の変形例を示す図である。同図に示す減衰全反射プリズム30は、図6の減衰全反射プリズム30の底部にさらに反射防止構造32を設けた。底部に設けた反射防止構造32の誘電率と厚さは、減衰全反射プリズム30の材料と電波吸収材31の誘電率に応じて適宜設計する。減衰全反射プリズム30の底部に反射防止構造32を設けたので、電波吸収材31は、減衰全反射プリズム30と同様の誘電率を有する必要はない。
FIG. 7 is a diagram showing another modified example of the attenuated total reflection prism in the present embodiment. In the attenuated total reflection prism 30 shown in the figure, an
図8は、本実施の形態における減衰全反射プリズムのさらに別の変形例を示す図である。同図に示す減衰全反射プリズム30は、図6の減衰全反射プリズム30の電波吸収材31の下に温度制御器33を設けた。温度制御器33は、例えばペルチェ素子とヒータを備えた金属板である。電波吸収材31に熱伝導率の高いシリコンを用いることで、効率的に測定試料100及び減衰全反射プリズム30の温度を制御し、減衰全反射プリズム30の屈折率変動を抑制することが可能である。
FIG. 8 is a diagram showing still another modification of the attenuated total reflection prism in the present embodiment. In the attenuated total reflection prism 30 shown in the figure, a
以上説明したように、本実施の形態によれば、断面形状が台形の減衰全反射プリズム30の平行な面上に測定試料100を配置し、配置面に対向する面に電波吸収材31を備え、傾斜面から電磁波を入射して別の傾斜面から電磁波を出射することにより、減衰全反射プリズム30内で生じる回析や多重反射の影響による迷光の発生やスペクトル上の干渉リプルを低減することができ、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。
As described above, according to the present embodiment, the measurement sample 100 is arranged on the parallel surface of the attenuated total reflection prism 30 having a trapezoidal cross section, and the
11A,11B…連続波光源
12A,12B…スプリッタ
13A,13B…カプラ
14A,14B…位相変調器
15…発振器
16,17…フォトミキサ
18…ロックインアンプ
19…モニタ
20…遅延線
30…減衰全反射プリズム
31…電波吸収材
32…反射防止構造
33…温度制御器
35…支持台
41A,41B…放物面鏡
42A,42B…レンズ
100…測定試料
DESCRIPTION OF
Claims (3)
断面形状が台形であって、平行な面の一方に測定対象物を配置し、一方の傾斜面から前記電磁波を入射し、他方の傾斜面から前記電磁波を出射する減衰全反射プリズムと、
前記減衰全反射プリズムの他方の平行な面に配置された、前記減衰全反射プリズムと同等の誘電率を有する電波吸収材と、
前記2つの連続光波のうちの少なくとも一方の位相を変調して合成した参照光を入力し、前記電磁波を受信してホモダイン検波する検波器と、
を有することを特徴とする誘電分光装置。 A radiator that generates an electromagnetic wave by photoelectrically converting an optical signal in which two continuous light waves having different frequencies are combined;
A cross-sectional shape is trapezoidal, an object to be measured is arranged on one of parallel surfaces, the electromagnetic wave is incident from one inclined surface, and the attenuated total reflection prism emits the electromagnetic wave from the other inclined surface;
A radio wave absorber having a dielectric constant equivalent to that of the attenuated total reflection prism, disposed on the other parallel surface of the attenuated total reflection prism;
A detector that receives a reference beam synthesized by modulating the phase of at least one of the two continuous light waves, receives the electromagnetic wave, and performs homodyne detection;
A dielectric spectroscopic apparatus comprising:
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2016084972A JP2017194361A (en) | 2016-04-21 | 2016-04-21 | Dielectric spectroscopic device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2016084972A JP2017194361A (en) | 2016-04-21 | 2016-04-21 | Dielectric spectroscopic device |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2017194361A true JP2017194361A (en) | 2017-10-26 |
Family
ID=60155969
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2016084972A Pending JP2017194361A (en) | 2016-04-21 | 2016-04-21 | Dielectric spectroscopic device |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2017194361A (en) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110220864A (en) * | 2019-06-14 | 2019-09-10 | 上海大学 | The method for improving time resolution tera-hertz spectra signal-to-noise ratio using double Phase Lock Techniques |
| CN110865043A (en) * | 2019-11-22 | 2020-03-06 | 天津大学 | Terahertz attenuated total reflection imaging device and method based on horizontal scanning mode |
| CN113711010A (en) * | 2019-04-15 | 2021-11-26 | 横河电机株式会社 | Measuring apparatus and measuring method |
| WO2025068402A1 (en) * | 2023-09-28 | 2025-04-03 | Bürkert Werke GmbH & Co. KG | Biomarker detection device and method for detecting molecular biomarkers |
Citations (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5665101A (en) * | 1979-10-31 | 1981-06-02 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Optical device |
| JPS57208514A (en) * | 1981-06-19 | 1982-12-21 | Toshiba Corp | Manufacture of diffraction grating |
| JP2000214331A (en) * | 1999-01-21 | 2000-08-04 | Victor Co Of Japan Ltd | Production of hologram filter |
| JP2005268463A (en) * | 2004-03-18 | 2005-09-29 | Murata Mfg Co Ltd | Method for manufacturing wave absorber |
| JP2006275912A (en) * | 2005-03-30 | 2006-10-12 | Fuji Photo Film Co Ltd | Measurement apparatus |
| JP2008261649A (en) * | 2007-04-10 | 2008-10-30 | Sony Corp | Dielectric constant measurement method based on attenuated total reflection spectroscopy |
| JP2012098303A (en) * | 2006-03-16 | 2012-05-24 | Kurabo Ind Ltd | Attenuated total reflection optical probe, and aqueous solution spectrometer using the same |
| JP2012203113A (en) * | 2011-03-24 | 2012-10-22 | Olympus Corp | Head-mounted display device |
| JP2013032933A (en) * | 2011-08-01 | 2013-02-14 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | Homodyne detection-type electromagnetic wave spectroscopic measurement system |
| US20140356520A1 (en) * | 2013-05-28 | 2014-12-04 | J.A. Woollam Co., Inc. | Method to enhance sensitivity to surface-normal optical functions of anisotropic films using attenuated total reflection |
| JP2016024081A (en) * | 2014-07-22 | 2016-02-08 | 日本電信電話株式会社 | measuring device |
-
2016
- 2016-04-21 JP JP2016084972A patent/JP2017194361A/en active Pending
Patent Citations (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5665101A (en) * | 1979-10-31 | 1981-06-02 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Optical device |
| JPS57208514A (en) * | 1981-06-19 | 1982-12-21 | Toshiba Corp | Manufacture of diffraction grating |
| JP2000214331A (en) * | 1999-01-21 | 2000-08-04 | Victor Co Of Japan Ltd | Production of hologram filter |
| JP2005268463A (en) * | 2004-03-18 | 2005-09-29 | Murata Mfg Co Ltd | Method for manufacturing wave absorber |
| JP2006275912A (en) * | 2005-03-30 | 2006-10-12 | Fuji Photo Film Co Ltd | Measurement apparatus |
| JP2012098303A (en) * | 2006-03-16 | 2012-05-24 | Kurabo Ind Ltd | Attenuated total reflection optical probe, and aqueous solution spectrometer using the same |
| JP2008261649A (en) * | 2007-04-10 | 2008-10-30 | Sony Corp | Dielectric constant measurement method based on attenuated total reflection spectroscopy |
| JP2012203113A (en) * | 2011-03-24 | 2012-10-22 | Olympus Corp | Head-mounted display device |
| JP2013032933A (en) * | 2011-08-01 | 2013-02-14 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | Homodyne detection-type electromagnetic wave spectroscopic measurement system |
| US20140356520A1 (en) * | 2013-05-28 | 2014-12-04 | J.A. Woollam Co., Inc. | Method to enhance sensitivity to surface-normal optical functions of anisotropic films using attenuated total reflection |
| JP2016024081A (en) * | 2014-07-22 | 2016-02-08 | 日本電信電話株式会社 | measuring device |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| H. NAITO ET AL.: "Inspection of Milk Components by Terahertz Attenuated Total Reflectance(THz-ATR) Spectrometer Equipp", 2011 IEEE/SICE INTERNATIONAL SYMPOSIUM ON SYSTEM INTEGRATION, JPN6019017459, 2011, pages 192 - 196, XP032112682, ISSN: 0004152444, DOI: 10.1109/SII.2011.6147444 * |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113711010A (en) * | 2019-04-15 | 2021-11-26 | 横河电机株式会社 | Measuring apparatus and measuring method |
| CN110220864A (en) * | 2019-06-14 | 2019-09-10 | 上海大学 | The method for improving time resolution tera-hertz spectra signal-to-noise ratio using double Phase Lock Techniques |
| CN110220864B (en) * | 2019-06-14 | 2022-07-08 | 上海大学 | A method for improving the signal-to-noise ratio of time-resolved terahertz spectroscopy using double phase-locking technology |
| CN110865043A (en) * | 2019-11-22 | 2020-03-06 | 天津大学 | Terahertz attenuated total reflection imaging device and method based on horizontal scanning mode |
| WO2025068402A1 (en) * | 2023-09-28 | 2025-04-03 | Bürkert Werke GmbH & Co. KG | Biomarker detection device and method for detecting molecular biomarkers |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Koch et al. | Terahertz time-domain spectroscopy | |
| US8207501B2 (en) | Apparatus and method for measuring terahertz wave | |
| JP6238058B2 (en) | Terahertz spectroscopy system | |
| JP5489906B2 (en) | Terahertz wave transceiver and tomographic image acquisition device | |
| US8378304B2 (en) | Continuous referencing for increasing measurement precision in time-domain spectroscopy | |
| JP6075822B2 (en) | Sensor device | |
| WO2016084322A1 (en) | Measuring apparatus and method for measuring terahertz pulses | |
| US20090134329A1 (en) | Detection apparatus for detecting electromagnetic wave passed through object | |
| JP5836683B2 (en) | Electromagnetic wave generating element, electromagnetic wave detecting element, time domain spectroscopic device | |
| JP2016188778A (en) | Component concentration analysis device and component concentration analysis method | |
| JP2017194361A (en) | Dielectric spectroscopic device | |
| JP6804061B2 (en) | Dielectric spectroscope | |
| KR101740020B1 (en) | Degradation assessment system of insulating oils using terahertz time-domain spectroscopy | |
| US20160377958A1 (en) | Terahertz wave generating apparatus and information obtaining apparatus | |
| US20150241348A1 (en) | Information acquiring apparatus and information acquiring method | |
| JP6219867B2 (en) | Component concentration measuring device | |
| CN118275384A (en) | Attenuated total reflection photoelectric terahertz frequency domain spectrometer and measurement method | |
| Yamamoto et al. | Millimeter-wave ellipsometry using low-coherence light source | |
| JP2017003341A (en) | Dielectric spectrometer | |
| JP6426540B2 (en) | Dielectric spectroscopy | |
| JP6367753B2 (en) | Dielectric spectroscopy sensor | |
| JP3922463B2 (en) | Infrared light emission device, infrared light detection device, and time-series conversion pulse spectroscopic measurement device | |
| CN209513617U (en) | The device of THz wave imaging signal to noise ratio is improved based on reflection windows | |
| JP2019020147A (en) | Spectroscopic element, measuring method, and measuring apparatus | |
| JP6278917B2 (en) | Component concentration measuring apparatus and component concentration measuring method |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20160427 |
|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20180719 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A821 Effective date: 20180719 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20190515 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20190521 |
|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20191119 |