JP2018054449A - 反射スペクトルの測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】反射光の強度が被検体の凹凸の状態に依存しにくい、反射スペクトルの測定方法を提供すること。【解決手段】角度θとモデル被検体平面Ｓの反射スペクトルとの関係を求める。波長λ１での吸光度Ａ１と角度θとの関係の検量線Ａ１＝ｆ１（θ）を求めるとともに、波長λ２での吸光度Ａ２と角度θとの関係の検量線Ａ２＝ｆ２（θ）を求める。被検体１１の反射スペクトルを二次元的に取得する。反射スペクトルにおける座標（ｘ，ｙ）での波長λ１における吸光度Ａ１を求める。検量線Ａ１＝ｆ１（θ）及び吸光度Ａ１に基づき、座標（ｘ，ｙ）における角度θを求める。座標（ｘ，ｙ）における角度θと検量線Ａ２＝ｆ２（θ）とに基づき、反射スペクトルにおける座標（ｘ，ｙ）での波長λ２における吸光度Ａ２を補正する。【選択図】図９

Description

本発明は、光の反射スペクトルの測定方法に関する。

美容カウンセリングを行う場合、被験者の顔をカメラで撮影し、その画像を元に顔の輪郭、凹凸、肌の色等を評価することがしばしば行われている。このような顔の撮影においては、鼻や顔の側面や正面等の顔面の凹凸によって照明の当たり方にむらが生じ、画像に陰影が写り、皮膚表面のシミやソバカス等の正確な評価が妨げられることがある。そこで、被写体の顔等に最適な照明環境を提供するために、顔全体や体全体を筐体やエンクロージャー等によって覆い、その内部において光源を照射する装置が提案されている（特許文献１参照）。

特許文献２にも、被験者の顔を撮影するために用いられる顔撮影装置が記載されている。この装置は、被写体の顔全体の部分を収容し略球状の空間が形成された筐体と、筐体の空間内に光を照射する少なくとも２つの光源と、光源による光が照射された顔全体の部分を撮影する撮像手段とを有するものである。光源は、球状の面において被写体の左右対称の位置にそれぞれ１又は複数配置されている。

特開２００４−２５１７５０号公報 特開２００９−２４５３９３号公報

特許文献１及び２に記載の技術は、光源からの光を被験者の顔に均一に照射することを目的としている。しかし照射された光は、顔の凹凸の状態に応じて様々な方向に反射するので、反射光の強度に凹凸の状態に応じた角度依存性が生じてしまう。その結果、反射光の強度に基づく評価を正確に行うことが容易でない場合がある。

したがって本発明の課題は、反射光の強度が被検体の凹凸の状態に依存しにくい、反射スペクトルの測定方法を提供することにある。

前記の課題を解決すべく本発明者が鋭意検討した結果、被検体の凹凸の状態に応じた反射光の強度の角度依存性を予め測定しておくことが有効であることを知見した。

本発明は前記の知見に基づきなされたものであり、
光源から発せられた多波長の光の照射下に、検量線作成用のモデル被検体の平面が配置され、且つ検出器が配置された測定系を用い、該モデル被検体平面の平面上を通る仮想軸線まわりに該モデル被検体を回転させて、検出器と該モデル被検体を結ぶ光軸を通る平面に垂直な面と該モデル被検体平面とがなす角度θと、該モデル被検体の反射スペクトルとの関係を求める第１ステップと、
第１ステップで求められた関係に基づき、照射光における第１の波長λ_１での吸光度Ａ_１と角度θとの関係の検量線Ａ_１＝ｆ_１（θ）を求めるとともに、照射光における第２の波長λ_２での吸光度Ａ_２と角度θとの関係の検量線Ａ_２＝ｆ_２（θ）を求める第２ステップと、
光源から発せられた多波長の光を被検体に照射し、反射スペクトルを二次元的に取得する第３ステップと、
第３ステップで取得された反射スペクトルにおける座標（ｘ，ｙ）での第１の波長λ_１における吸光度Ａ_１（ｘ，ｙ）を求める第４ステップと、
第２ステップで求められた検量線Ａ_１＝ｆ_１（θ）及び第４ステップで求められた吸光度Ａ_１（ｘ，ｙ）に基づき、座標（ｘ，ｙ）における角度θ（ｘ，ｙ）を求める第５ステップと、
第５ステップで求められた座標（ｘ，ｙ）における角度θ（ｘ，ｙ）と、第２ステップで求められた検量線Ａ_２＝ｆ_２（θ）とに基づき、第３ステップで取得された反射スペクトルにおける座標（ｘ，ｙ）での第２の波長λ_２における吸光度Ａ_２（ｘ，ｙ）を補正する第６ステップと、
を備える、反射スペクトルの測定方法を提供することにより前記の課題を解決したものである。

本発明によれば、反射光の強度が被検体の凹凸の状態に依存しにくい、反射スペクトルの測定方法が提供される。

図１は、本発明の測定方法の第１ステップにおいて反射スペクトルを測定するための測定系を示す模式図である。 図２は、本発明の測定方法の第１ステップにおいて取得された反射スペクトルと角度θとの関係を示すグラフである。 図３（ａ）及び（ｂ）はそれぞれ本発明の測定方法の第２ステップにおいて取得された、波長と角度θとの関係を示す検量線である。 図４（ａ）及び（ｂ）はそれぞれ、本発明で用いられる分光システムの概略的なシステム構成図である。 図５は、固定ミラー部及び可動ミラー部の反射面における物体光の照射分布を示す図である。 図６（ａ）は、インターフェログラムを示す図であり、図６（ｂ）は図６（ａ）に示すインターフェログラムをフーリエ変換したスペクトルの波形図である。 図７（ａ）ないし（ｃ）はそれぞれ、インターフェログラムの生成原理を説明するための図である。 図８（ａ）ないし（ｃ）はそれぞれ、位相シフターの動作を示す説明図である。 図９（ａ）は、実施例１で得られた、角度補正なし及びベースライン補正なしでの水の吸光度（１４５０ｎｍ）の強度分布を示す画像、（ｂ）は角度補正あり及びベースライン補正なしでの水の吸光度の強度分布を示す画像、（ｃ）は角度補正あり及びベースライン補正ありでの水の吸光度の強度分布を示す画像である。

以下本発明を、その好ましい実施形態に基づき図面を参照しながら説明する。本発明は、多波長の光を被検体に照射し、反射光のスペクトルを測定する方法に関するものである。多波長の光とは紫外光から赤外光の範囲（波長が１００ｎｍ〜１ｍｍ）の光を複数含む光である。好ましくは、多波長の近赤外光を用いる。多波長の近赤外光とは波長が約８００ｎｍから約２５００ｎｍまでの範囲の近赤外光を複数含む光のことである。本発明の測定の対象となる被検体の種類に特に制限はなく、生体及び非生体の双方を包含する。生体を測定の対象とする場合、該生体としては、ヒト及びヒト以外の生物が挙げられる。ヒトを測定の対象とする場合には、当該測定は非医療目的で行われる。非医療目的の具体例としては、美容カウンセリング、ユーザーの化粧品の選択、化粧品の開発、おむつや生理用品の開発、衣料の開発、皮膚用洗浄料の開発、及び顧客とのコミュニケーション用の情報交換手段の開発などが挙げられるが、これらに限られない。

被検体は、保形性を有するものであることが好ましい。保形性とは、長期間にわたり外形を自身で一定に保つことができる性質を言う。尤も、保形性を有する限り、被検体は剛体であってもよく、非剛体、例えばゲルやゴムなどの弾性体であってもよい。生体の皮膚等は保形性を有する非剛体の範疇に属する。

被検体は、その測定対象面となる外面が平面（すなわち二次元形状）であってもよく、あるいは凹凸を有する三次元形状をしていてもよい。本発明の測定方法は、三次元形状を有する測定対象面からの反射スペクトルを精度よく測定することに特に適したものであるが、二次元形状を有する測定対象面からの反射スペクトルの測定に本発明の方法を用いることに何ら差し支えはない。

本発明の測定方法は、被検体に照射された光の反射スペクトルを測定して、被検体における測定対象面における反射スペクトルを二次元的に取得することに係る。反射スペクトルを二次元的に取得するとは、例えば測定対象面（この面は完全な平面の二次元的な面でもよく、あるいは凹凸を有する三次元的な面でもよい。）の任意の位置での座標を（ｘ_ｉ、ｙ_ｉ）とし（ｉは測定対象面における座標の数を示し、１からｎまでの数をとる。）、その座標（ｘ_ｉ、ｙ_ｉ）での近赤外光の波長領域での反射スペクトルをＰ_ｉとしたとき、（ｘ_１、ｙ_１）から（ｘ_ｎ、ｙ_ｎ）までのすべての座標での反射スペクトルＰ_１からＰ_ｎまでを取得することを言う。したがって、単位面積に含まれる座標（ｘ_ｉ、ｙ_ｉ）の数が多いほど、解像度の高い測定が可能となる。

本発明の測定方法は、以下のステップを備えている。以下、それぞれのステップについて説明する。
＜第１ステップ＞
光源から発せられた多波長の光の照射下に、検量線作成用のモデル被検体平面が配置され、且つ検出器が配置された測定系を用い、該モデル被検体平面の平面上を通る仮想軸線まわりに該モデル被検体を回転させて、検出器と該モデル被検体を結ぶ光軸を通る平面に垂直な面と該モデル被検体平面とがなす角度θと、該モデル被検体の反射スペクトルとの関係を求める。
＜第２ステップ＞
第１ステップで求められた関係に基づき、照射光における第１の波長λ_１での吸光度Ａ_１と角度θとの関係の検量線Ａ_１＝ｆ_１（θ）を求めるとともに、照射光における第２の波長λ_２での吸光度Ａ_２と角度θとの関係の検量線Ａ_２＝ｆ_２（θ）を求める。
＜第３ステップ＞
光源から発せられた多波長の光を被検体に照射し、反射スペクトルを二次元的に取得する。
＜第４ステップ＞
第３ステップで取得された反射スペクトルにおける座標（ｘ，ｙ）での第１の波長λ_１における吸光度Ａ_１（ｘ，ｙ）を求める。
＜第５ステップ＞
第２ステップで求められた検量線Ａ_１＝ｆ_１（θ）及び第４ステップで求められた吸光度Ａ_１（ｘ，ｙ）に基づき、座標（ｘ，ｙ）における角度θ（ｘ，ｙ）を求める。
＜第６ステップ＞
第５ステップで求められた座標（ｘ，ｙ）における角度θ（ｘ，ｙ）と、第２ステップで求められた検量線Ａ_２＝ｆ_２（θ）とに基づき、第３ステップで取得された反射スペクトルにおける座標（ｘ，ｙ）での第２の波長λ_２における吸光度Ａ_２（ｘ，ｙ）を補正する。

＜第１ステップ＞
本ステップにおいては、実際の被検体を対象とした反射スペクトルの測定に先立ち、モデル被検体を対象とした反射スペクトルの測定を行い、検量線を作成する。モデル被検体としては、光の反射スペクトルが被検体と同じであるか、又は類似するものを用いる。反射スペクトルが類似するとは、照射光の波長領域において、吸収が認められない少なくとも一つの同一の波長領域を被検体の反射スペクトル及びモデル被検体の反射スペクトルの双方が有し、且つ吸収が認められる少なくとも一つの同一の波長領域を被検体の反射スペクトル及びモデル被検体の反射スペクトルの双方が有することを言う。

モデル被検体の具体例としては、被検体が例えばヒトの皮膚である場合には、ヒトやヒト以外の哺乳動物の皮膚、及び人工皮膚などが挙げられる。ヒト以外の哺乳動物としては、例えば豚、牛及びマウスなどが挙げられる。人工皮膚としては、例えば培養皮膚、バイオスキン、並びにポリプロピレン及びシリコーン等の基板などが挙げられるが、これらに限られない。モデル被検体としてヒトやヒト以外の哺乳動物の皮膚を用いる場合には、生体の皮膚の平面であっても、生体から分離した平面状の皮膚であってもよい。被検体がヒトであり、且つモデル被検体としてヒトの皮膚を用いる場合には、被検体のヒトの皮膚と、モデル被検体としてのヒトの皮膚は、同一人のものであってもよく、あるいは異なる人のものであってもよい。また、モデル被検体としての皮膚の部位は、被検体のヒトの皮膚の部位とは異なる。

モデル被検体は平面状の部分を有するものであればよい。平面状とは、二次元の平坦な面、すなわち凹凸を有さない面の状態のことを言う。モデル被検体が凹凸と平面を有する場合は、該平面を測定に供する。平面の面積は、測定に十分な程度であれば足り、一般に１ｍｍ×１ｍｍ以上１０ｍｍ×１０ｍｍ以下の面積を確保できれば十分である。モデル被検体が例えば薄手の膜状の形態である場合には、該モデル被検体の周縁域を把持手段によって把持して平面状とすればよい。尤も、モデル被検体を平面状にする手段はこれに限られない。

モデル被検体平面は、光源から発せられた多波長の光照射下に配置される。光源としては、多波長の紫外光から赤外光の範囲の光を含む光、特に多波長の近赤外光の照射が可能なものであれば、その種類に特に制限はない。そのような光源の例としては、重水素光源、ＬＥＤ光源、重水素ハロゲン光源、タングステンハロゲン光源、クリプトン光源、キセノン光源、窒化ケイ素エミッタ光源、ハロゲン光源等が挙げられる。近赤外光の光源としては、ハロゲン光源及び窒化ケイ素エミッタ光源などが挙げられる。

光源は、モデル被検体平面における主面と対向する位置に配置されることが好ましい。主面とは、モデル被検体における平面領域をなす面のことである。モデル被検体の形状が平面状の場合は２つの主面を有するところ、これら２つの主面のうちのいずれか一方の主面と対向する位置に光源を配置することができる。

第１ステップにおいては、光源とともに検出器が配置され、これらとモデル被検体平面とで測定系が構成される。測定系の一例を図１に示す。同図においてはモデル被検体としてヒトの手の甲を用いる状態が示されているが、手の平等の皮膚上の平面部を用いることができる。同図に示すとおり、検出器Ｄの配置位置は、光源Ｌからモデル被検体の平面Ｓに照射された光の反射光を検出可能な位置であれば特に制限はない。一般的には、モデル被検体の平面Ｓにおける主面に対して、検出器を正面の位置、すなわち主面に対して直交する位置に配置することが、正確な反射スペクトルの測定の点から好ましい。検出器Ｄとしては、反射光の検出が可能な装置として、当該技術分野において知られているものを特に制限なく用いることができ、その例としてはＩｎＧａＡｓやＰｂＳｅなどが挙げられ、ＩｎＧａＡｓ/ＧａＡｓＳｂ type-II量子井戸受光素子が好ましい。

以上の構成を有する測定系を用い検量線を作成する。この検量線は、図１に示すとおり、検出器Ｄとモデル被検体の平面Ｓを結ぶ光軸Ｘを通る平面に垂直な平面Ｎと、モデル被検体の平面Ｓとのなす角度θと、モデル被検体の平面Ｓでの反射スペクトルとの関係を示すものである。検量線を作成するには、モデル被検体の平面Ｓ上を通る仮想軸線Ａまわりにモデル被検体の平面Ｓを回転させて角度θを変化させ、θ＝０度から９０度までの角度範囲においてモデル被検体の平面Ｓの反射スペクトルを測定する。モデル被検体の平面Ｓを回転させるときの角度θの刻みは、１度以上２０度以下、好ましくは１度以上１０度以下に設定することが、精密な検量線の作成の観点から好ましい。

検量線作成のための反射スペクトルの測定方法に特に制限はない。例えば、分散型の分光光度計を用いた測定を行うことができる。あるいはフーリエ変換型の分光光度計を用いた測定、すなわち干渉分光法を行うことができる。しかし、これらの測定方法に制限されない。これらの測定方法のうち、フーリエ変換型の分光光度計を用いた測定を行うことが、多波長を同時に検出できる点や波数分解能が高い点から好ましい。

このようにして、第１ステップによって、任意の角度θごとに、モデル被検体における光の反射スペクトルが取得される。本ステップで得られた角度θと反射スペクトルとの関係の一例を図２に示す。同図に示す反射スペクトルは、後述する実施例１で得られた結果である。

＜第２ステップ＞
本ステップでは、第１ステップで求められた関係、すなわち図２に示す関係に基づき、照射光における第１の波長λ_１での吸光度Ａ_１と角度θとの関係の検量線Ａ_１＝ｆ_１（θ）を求める。これとともに、照射光における第２の波長λ_２での吸光度Ａ_２と角度θとの関係の検量線Ａ_２＝ｆ_２（θ）を求める。第１の波長λ_１及び第２の波長λ_２の選定は、両者が異なる値である限り特に制限はない。２つの波長のうちの一方は、検出を目的とする成分が有する何らかの原子団（官能基）に起因する吸収が観察されない波長領域に含まれる波長を選定し、他方は、該原子団（官能基）に起因する吸収が観察される波長領域に含まれる波長を選定することが、角度補正を精密に行い得る点から好ましい。例えば被検体における水の存在の有無ないし存在量を測定する場合には、第１の波長λ_１が、水に起因する吸収が観察されない波長であり、第２の波長λ_２が、水に起因する吸収が観察される波長であることが好ましい。この場合には、第１の波長λ_１として、１０００ｎｍ以上１３００ｎｍ以下の波長領域に含まれる波長を選択することが好ましい。また第２の波長λ_２として、１４００ｎｍ以上１６００ｎｍ以下又は１８００ｎｍ以上２０００ｎｍ以下の波長領域に含まれる波長を選択することが好ましい。第１及び第２の波長λ_１及びλ_２として上述の波長を選択し、後述する第３ステップないし第６ステップを行い、水に起因する吸収スペクトルを測定すれば、該吸収スペクトルの強度に基づき被検体における水の二次元的な分布を定量的に求めることができる。特に第１の波長λ_１としては、如何なる原子団（官能基）に起因する吸収も観察されない波長領域に含まれる波長を選定することが好ましい。

以上のとおりにして求められた検量線Ａ_１＝ｆ_１（θ）を図３（ａ）に示し、検量線Ａ_２＝ｆ_２（θ）を図３（ｂ）に示す。これらの図に示す検量線は、後述する実施例１で得られた結果である。これらの図の対比から明らかなとおり、水に起因する吸収が観察されない波長であるλ_１＝１０００ｎｍにおける検量線Ａ_１＝ｆ_１（θ）においては、θが増加するに連れて吸光度Ａ_１は単調に増加する。これとは対照的に、水に起因する吸収が観察される波長であるλ_２＝１４５０ｎｍにおける検量線Ａ_２＝ｆ_２（θ）においては、θが増加するに連れて吸光度Ａ_２は単調に増加し、その後、最大値を経て減少に転じる。つまり吸光度Ａ_２にピークが観察される。λ_１＝１０００ｎｍにおいては、水だけでなく、水以外の原子団（官能基）に起因する吸収も観察されていない。

＜第３ステップ＞
これまで説明してきた第１ステップ及び第２ステップは、モデル被検体の平面Ｓを測定対象とするものであったが、本ステップでは、実際の測定の対象である被検体を用いて、光の反射スペクトルを測定する。反射スペクトルの測定には、光源から発せられた多波長の光が用いられる。そのような光源としては、第１ステップで用いられた光源と同様のものが用いられる。

第３ステップにおいては、光源から発せられた多波長の光を被検体に照射し、被検体からの反射スペクトルを二次元的に取得する。反射スペクトルの二次元的な取得には、例えば図４（ａ）及び（ｂ）に示す分光システム１０を用いることができる。同図に示す分光システム１０を用いた反射スペクトルの二次元的な取得方法は以下のとおりである。

光源Ｌから被検体１１に対して光が照射されることにより該被検体１１の一輝点から多様な方向に向かって放射状に生じる散乱光や蛍光発光等の光線群（「物体光」ともいう）は、分光システム１０を構成する一部材である対物レンズ１２に入射し、平行光束へ変換される。対物レンズ１２は、レンズ駆動機構１３によって光軸方向に移動可能に構成されている。レンズ駆動機構１３は、対物レンズ１２の合焦位置を走査するためのもので、例えばピエゾ素子により構成することができる。光源Ｌとしては、例えばリング状光源を用いることができる。この場合、被検体１１はリング状光源Ｌの内部に位置するように、両者の位置関係を調整する。

対物レンズ１２を透過した後の光束は完全な平行光束である必要はない。対物レンズ１２を透過した後の光束は、一つの輝点から生じた光線群を二分割又はそれ以上に分割できる程度に広げることができればよい。尤も、より高い分光計測精度を得るためにはできるだけ平行光束とすることが望ましい。

対物レンズ１２を透過してきた平行光束は位相シフター１４に到達する。位相シフター１４は光路長差伸縮手段として機能するものである。位相シフター１４は、矩形板状の固定ミラー部１５と、その中央の開口部（図示せず）に挿入された円柱状の可動ミラー部１６とを備えている。固定ミラー部１５及び可動ミラー部１６の表面は光学的に平坦であり、且つ分光システム１０が計測対象とする光の波長帯域を反射可能な光学鏡面となっている。

以下の説明では、位相シフター１４に到達した光束のうち固定ミラー部１５の反射面に到達して反射される光束を固定光線群、可動ミラー部１６の反射面に到達して反射される光束を可動光線群ともいう。

固定ミラー部１５及び可動ミラー部１６は、駆動ステージ（図示せず）上に設置されている。駆動ステージは、例えば静電容量センサーを具備する圧電素子から構成されており、制御部１７からの制御信号を受けて矢印Ａ方向に沿って進退可能になっている。これにより、可動ミラー部１６は光の波長に応じた精度で矢印Ａ方向に沿って移動する。

位相シフター１４は、対物レンズ１２からの平行光束の光軸に対して固定ミラー部１５及び可動ミラー部１６の反射面が４５度傾くように配置されている。駆動ステージ（図示せず）は、可動ミラー部１６の反射面の光軸に対する傾きを４５度に維持した状態で可動ミラー部１６を移動させる。このような構成により、可動ミラー部１６の光軸方向の移動量は、駆動ステージの移動量の１／√２となる。また、固定光線群と可動光線群の二光束間の相対的な位相変化を与える光路長差は、可動ミラー部１６の光軸方向の移動量の２倍となる。

このように固定ミラー部１５及び可動ミラー部１６を斜めに配置すれば、光線を分岐するためのビームスプリッタが不要となるため、物体光の利用効率を高くすることができる。また、可動ミラー部１６を傾けたことにより、駆動ステージの移動量に対する可動ミラー部１６の光軸方向の移動量が小さくなるため、ステージ移動誤差の分光計測精度への劣化の影響を小さくできる。

位相シフター１４に到達し、固定ミラー部１５及び可動ミラー部１６の反射面で反射された固定光線群及び可動光線群は、それぞれ結像レンズ２２により収束されて検出部１８の結像面に入る。検出部１８は例えば複数の画素からなる受光素子を備えた二次元ＣＣＤカメラから構成されている。固定ミラー部１５の反射面と可動ミラー部１６の反射面は、検出部１８の結像面で２つの光線群の集光位置がずれない程度の精度で平行に構成されている。

前記構成を有する分光システム１０の光学的作用について説明する。まず、蛍光や散乱光など初期位相が必ずしも揃っていない光線群が、対物レンズ１２と結像レンズ２２を経て検出部１８の結像面で位相が揃った波として一つの点に集光し、輝点像（干渉像）を形成する光学モデルに基づいて説明する。

前述したように、被検体１１の一輝点から発せられた光線群は、対物レンズ１２を経て位相シフター１４の固定ミラー部１５及び可動ミラー部１６の表面に到達する。このとき、図５に示すとおり、固定ミラー部１５の表面及び可動ミラー部１６の表面に光線群が二分割されて到達する。なお、固定ミラー部１５の表面に到達した光線群、すなわち固定光線群と、可動ミラー部１６の表面に到達した光線群、すなわち可動光線群の光量がほぼ等しくなるように、可動ミラー部１６の表面の面積は設定されているが、固定光線群及び可動光線群の一方あるいは両方の光路に減光フィルタを設置して相対的な光量差を調整し、光量の均等化を行うことも可能である。

固定ミラー部１５及び可動ミラー部１６の表面で反射された光線群は、それぞれ固定光線群及び可動光線群として結像レンズ２２に入射し、検出部１８の結像面において干渉像を形成する。このとき、被検体１１から発せられる光線群には様々な波長の光が含まれる（且つ各波長の光の初期位相が必ずしも揃っていない）ことから、可動ミラー部１６を移動させて固定光線群と可動光線群との光路長差を変化させることにより、図６（ａ）に示すようなインターフェログラムと呼ばれる結像強度変化（干渉光強度変化）の波形が得られる。つまり、干渉分光法によるインターフェログラムが、検出部１８に備えられた画素毎に取得される。図６（ａ）は検出部１８の一つの画素におけるインターフェログラムである。なお、図６（ａ）において、横軸は可動ミラー部１６の移動に伴う固定光線群と可動光線群間の光路長差を示し、縦軸は結像面上の一点における結像強度を示す。

取得された各インターフェログラムをフーリエ変換することにより、被検体１１の一輝点から発せられた光の波長毎の相対強度である分光特性を画素毎に取得することができる（図６（ｂ）参照）。そして検出部１８のすべての画素において分光特性を得ることで、被検体１１の反射スペクトルの二次元分光計測が行われる。

ここで、インターフェログラムの生成原理について説明する。まず、測定波長が単一波長の光の場合の光路長差と干渉光強度との関係について図７（ａ）ないし（ｃ）を参照しながら説明する。図７（ａ）ないし（ｃ）において、横軸は可動ミラー部の移動に伴う固定光線群と可動光線群間の相対的な光路長差を示し、縦軸は検出部の一つの画素における結像強度を示している。

図７（ａ）ないし（ｃ）は波長の長さが異なる３種類の単色光（λａ＞λｂ＞λｃ）の光路長差と干渉光強度との関係を示している。図７の中央付近に示す位相シフト原点（図中、一点鎖線で示す）は、図８（ｂ）に示す可動ミラー部１６の反射面が固定ミラー部１５の反射面と一致している状態をいう。可動ミラー部１６と固定ミラー部１５の反射面が一致しているときは、固定光線群と可動光線群に相対的な位相差が生じていない。つまり、これら二光線群の光線は結像面において位相が揃って到達するため、互いに強め合う。このため、結像面には明るい輝点が形成され、結像強度が大きくなる。

これに対して、可動ミラー部１６を図８（ｂ）に示す位置から移動して固定光線群と可動光線群との間に相対的な光路長差を生じさせると、この光路長差が半波長（λ／２）の奇数倍になった時点で弱め合う干渉条件となるため結像強度は小さくなる。また、光路長差が１波長の整数倍になると、二光束間の干渉条件が強め合う状態となり、結像強度が大きくなる。したがって、可動ミラー部１６を図８（ａ）から（ｂ）を経て（ｃ）の状態へと移動させて光路長差を順次変化させていくと、二光束間の干渉現象による結像強度は周期的に変化することになる。この結像強度変化の周期は、図７（ａ）ないし（ｃ）に示すように、波長が長い光の場合は長く、波長が短い光の場合は短くなる。

多波長の光を測定する分光システムでは、多様な長さの波長の干渉光強度変化が足し合わされた輝度値変化として検出されることになる。これが図６（ａ）に示すインターフェログラムである。固定光線群と可動光線群の相対的な光路長差がない位相シフト原点では、波長に依存せずに２光束は強め合うため、多波長の強度変化を足し合わせた測定値においても高い結像強度となる。しかし、光路長差が大きくなると、各波長の強度変化の周期が合わないため、多波長の強度変化を足し合わせても結像強度は大きくならない。このため、インターフェログラムは、光路長差が大きくなるに従い徐々に輝度値が小さくなっていく結像強度変化が観察される。このようにインターフェログラムは、単一波長の単周期結像強度変化が足し合わされた波形であることから、この波形データをフーリエ変換することにより波長毎の相対強度である分光特性を取得することができる。より具体的には、特開２００８−３０９７０７号公報等を参考とすることができる。

＜第４ステップ＞
本ステップにおいては、被検体における任意の二次元座標（ｘ_ｉ，ｙ_ｉ）での反射スペクトルＰ_ｉにおける第１の波長λ_１での吸光度Ａ_１（ｘ_ｉ，ｙ_ｉ）を求める。反射スペクトルＰ_ｉは、第３ステップにおいて既に取得されている。第１の波長λ_１は、第２ステップの項において説明した波長である。この操作を被検体におけるすべての二次元座標、すなわち（ｘ_１、ｙ_１）から（ｘ_ｎ、ｙ_ｎ）の位置での反射スペクトルＰ_１からＰ_ｎについて行うことが好ましい。なお、ｎは、第２ステップの項において説明したとおり、被検体における二次元座標の数を示す。この操作は、例えば図４（ｂ）に示す分光システム１０に備えられた制御部１７において行われるか、又は制御部１７に接続された演算部（図示せず）において行われる。

＜第５ステップ＞
本ステップにおいては、第２ステップで求められた検量線Ａ_１＝ｆ_１（θ）（図３（ａ）参照）と、第４ステップで求められた吸光度Ａ_１（ｘ_ｉ，ｙ_ｉ）に基づき、座標（ｘ_ｉ，ｙ_ｉ）における角度θ_ｉを求める。この操作によって、被検体における二次元座標（ｘ_ｉ，ｙ_ｉ）の位置での法線が、検出部１８（図４（ｂ）参照）からどの程度傾いているかが求められる。角度θ_ｉがゼロの場合には、二次元座標（ｘ_ｉ，ｙ_ｉ）の位置での法線が、検出部１８（図４（ｂ）参照）に対して傾いていないこと、すなわち正面に位置していることを意味する。

第５ステップにおける以上の操作は、被検体におけるすべての二次元座標、すなわち（ｘ_１、ｙ_１）から（ｘ_ｎ、ｙ_ｎ）までのすべての位置において行い、それぞれの位置での角度θ_１からθ_ｎまでを求めることが好ましい。なお、第５ステップでの操作は、例えば図４（ｂ）に示す分光システム１０に備えられた制御部１７において行われるか、又は制御部１７に接続された演算部（図示せず）において行われる。

＜第６ステップ＞
本ステップにおいては、第５ステップで求められた二次元座標（ｘ_ｉ，ｙ_ｉ）における角度θ_ｉと、第２ステップで求められた検量線Ａ_２＝ｆ_２（θ）とに基づき、第３ステップで取得された反射スペクトルＰ_ｉにおける座標（ｘ_ｉ，ｙ_ｉ）での第２の波長λ_２における吸光度Ａ_２（ｘ_ｉ，ｙ_ｉ）を補正する。この補正は、座標（ｘ_ｉ，ｙ_ｉ）における角度補正である。角度補正の一例としては、吸光度Ａ_２（ｘ_ｉ，ｙ_ｉ）を、Ａ_２（ｘ_ｉ，ｙ_ｉ）×〔ｆ_２（θ（ｘ_ｉ，ｙ_ｉ））／ｆ_２（０）〕の計算式に従い補正する方法が挙げられる。この方法は、検量線Ａ_２＝ｆ_２（θ）において、θ＝０度のときの吸光度Ａ_２（０）と、θ＝θ_ｉのときの吸光度Ａ_２（θ_ｉ）との比率を補正係数として用い、この補正係数を、吸光度Ａ_２（ｘ_ｉ，ｙ_ｉ）に乗ずる操作である。したがって、角度補正後の吸光度Ａ’_２（ｘ_ｉ，ｙ_ｉ）は、Ａ’_２（ｘ_ｉ，ｙ_ｉ）＝Ａ_２（ｘ_ｉ，ｙ_ｉ）×〔ｆ_２（θ_ｉ）／ｆ_２（０）〕で定義される。この角度補正を行うことによって、二次元座標（ｘ_ｉ，ｙ_ｉ）の位置における法線が、検出部１８（図４（ｂ）参照）に対して傾いている場合であっても、該二次元座標（ｘ_ｉ，ｙ_ｉ）での吸光度Ａ_２を正しく取得することができる。

第６ステップにおける角度補正の操作は、被検体におけるすべての二次元座標、すなわち（ｘ_１、ｙ_１）から（ｘ_ｎ、ｙ_ｎ）までのすべての位置において行い、それぞれの位置で、角度補正された吸光度Ａ’_２（ｘ_１、ｙ_１）からＡ’_２（ｘ_ｎ、ｙ_ｎ）までを求めることが好ましい。なお、第６ステップでの操作は、例えば図４（ｂ）に示す分光システム１０に備えられた制御部１７において行われるか、又は制御部１７に接続された演算部（図示せず）において行われる。

以上の第１ステップから第６ステップまでの操作を行うことで、被検体における任意の二次元座標（ｘ_ｉ，ｙ_ｉ）での吸光度Ａ’_２（ｘ_ｉ，ｙ_ｉ）を正確に求めることができる。また、好ましくは、被検体におけるすべての二次元座標（ｘ_１、ｙ_１）から（ｘ_ｎ、ｙ_ｎ）での吸光度Ａ’_２（ｘ_１、ｙ_１）からＡ’_２（ｘ_ｎ、ｙ_ｎ）を正確に求めることができる。

被検体における任意の二次元座標（ｘ_ｉ，ｙ_ｉ）での吸光度Ａ_２（ｘ_ｉ，ｙ_ｉ）は、以下に説明する第７ステップを更に行うことで一層正確に補正することができる。
＜第７ステップ＞
第６ステップにおいて吸光度Ａ_２（ｘ，ｙ）を補正して求められた補正後の吸光度Ａ’_２（ｘ_ｉ，ｙ_ｉ）と、第４ステップで求められた吸光度Ａ_１（ｘ_ｉ，ｙ_ｉ）との差分である〔Ａ’_２（ｘ_ｉ，ｙ_ｉ）−Ａ_１（ｘ_ｉ，ｙ_ｉ）〕を求める。この操作は、被検体における任意の二次元座標（ｘ_ｉ，ｙ_ｉ）で取得された反射スペクトルＰ_ｉに対してベースラインを補正する操作である。ベースライン補正された吸光度Ａ”_２（ｘ_ｉ，ｙ_ｉ）は、Ａ”_２（ｘ_ｉ，ｙ_ｉ）＝〔Ａ’_２（ｘ_ｉ，ｙ_ｉ）−Ａ_１（ｘ_ｉ，ｙ_ｉ）〕で定義される。先に述べた図２に示すように、反射スペクトルのベースラインが、波長の変化とともに変化している場合に、第７ステップによるベースライン補正を行うと、任意の二次元座標（ｘ_ｉ，ｙ_ｉ）での吸光度Ａ_２（ｘ_ｉ，ｙ_ｉ）を一層正確に補正することができるので有利である。

第７ステップでの操作は、先に述べた第４ステップないし第６ステップと同様に、被検体におけるすべての二次元座標、すなわち（ｘ_１、ｙ_１）から（ｘ_ｎ、ｙ_ｎ）までのすべての位置において行い、それぞれの位置で、ベースライン補正された吸光度Ａ”_２（ｘ_１、ｙ_１）からＡ”_２（ｘ_ｎ、ｙ_ｎ）までを求めることが好ましい。なお、第７ステップでの操作は、例えば図４（ｂ）に示す分光システム１０に備えられた制御部１７において行われるか、又は制御部１７に接続された演算部（図示せず）において行われる。

以上のステップを経ることで、被検体の二次元座標における任意の位置での角度補正された吸光度を求めることができる。したがって本発明の測定方法は、凹凸を有する表面を有する被検体の特定波長における吸光度を測定する場合に特に有用なものとなる。例えば、ヒト皮膚又はヒト皮膚表面付着物を被検体として、非医療の目的で二次元的な分布を取得する際に、ヒトの身体の部位に由来する形状の影響を排除し、反射スペクトルを評価するために、本発明の測定方法を適用することができる。ヒト皮膚表面付着物としては、例えばヒトの皮膚の表面に施された化粧料などが挙げられるが、これに限られない。

本発明は前記実施形態に制限されない。例えば前記実施形態における第１ステップや第３ステップでは、光源としてリング状の光源を用いたが、光源の形状はこれに限られない。また、照射は直接的な照射であっても、間接的な照射であってもよい。例えば、先に述べた特許文献１及び２に記載の光源を用いることができる。

また本発明の測定方法では、被検体の二次元座標における任意の位置での角度補正された吸光度を求めればよく、二次元座標におけるすべての位置での角度補正された吸光度を求めなくてもよい。

以下、実施例により本発明を更に詳細に説明する。しかしながら本発明の範囲は、かかる実施例に制限されない。

〔実施例１〕
図１並びに図４（ａ）及び（ｂ）に示す装置を用いて、ヒトの顔面の皮膚の水分率を測定した。測定は、波長１４５０ｎｍでの水の吸光度を二次元的に測定し、測定結果を画像化することで行った。測定装置は以下のとおりである。
・装置：結像型二次元フーリエ分光システム（アオイ電子株式会社製）
・光源：リング照明（ハロゲン電球×２０）
・対物レンズ：固定焦点レンズ（Ｆ１．４、１６ｍｍ、エドモンドオプティクス）
・分光系：
共役面格子：開口幅３０μｍ、遮光幅３０μｍ
分光ユニット内のレンズ：φ２５ｍｍ、焦点距離：１００ｍｍ
光路長差：７０．７μｍ
サンプリング間隔：１０８．２５ｎｍ
・検出系：
カメラ：ＣＶ−Ｎ８００（住友電気工業（株）、受光素子；InGaAs/GaAsSb type-II量子井戸型、画素数；３２０×２５６ｐｉｘｅｌ）
露光時間：２．５ｍｓｅｃ、フレームレート：３２０Ｈｚ
積算回数：１回
計測時間：２秒

＜第１ステップ＞及び＜第２ステップ＞
分光システム、光源、モデル被検体としてのヒトの手の甲を図１のように設置した。図１のように、手の甲の皮膚を分光システムに対して、０−９０°の間で１０°ずつ回転させ、撮影を行った。各角度に対する、吸収スペクトルを図２に示した。水の吸収のない１０００ｎｍ、吸収のある１４５０ｎｍにおける角度に対する吸光度を図３に示した。図３に示す結果から、１０００ｎｍでは角度に対して、単調に吸光度が増大することが判った。一方、１４５０ｎｍでは６０°付近に極大を有した。また、どちらも三次の多項式でフィッティング可能であった。１０００ｎｍでの多項式及び1０００ｎｍでの吸光度に基づき、皮膚の角度の推定が可能である。更に、そのようにして得られた角度と、１４５０ｎｍでの多項式の関係から、角度に起因する吸光度の変化を補正することが可能となる。

＜第３ステップ＞ないし＜第７ステップ＞
分光システム、光源、被検体としてのヒトを図４のように配置し、ヒトの顔の撮影を行った（図９（ａ））。得られた各ピクセルの１０００ｎｍの吸光度から、前記１０００ｎｍの多項式に基づき、各ピクセルの角度を算出した。得られた各ピクセルの角度から、前記１４５０ｎｍの多項式に基づき、１４５０ｎｍの吸光度の補正を行った（図９（ｂ））。補正後の１４５０ｎｍの吸光度と１０００ｎｍの吸光度の差を算出し、強度画像を作成した（図９（ｃ））。図９（ａ）と（ｂ）を比較すると、角度補正によって、鼻などの凹凸のある場所での強度のむらが解消されたことが判る。また、図９（ｂ）と（ｃ）を比較すると、ベースライン補正により、より凹凸の影響が補正されていることが判る。

１０ 分光システム
１１ 被検体
１２ 対物レンズ
１３ レンズ駆動機構
１４ 位相シフター
１５ 固定ミラー部
１６ 可動ミラー部
１７ 制御部
１８ 検出部
Ａ 仮想軸線
Ｄ 検出器
Ｓ 平面
Ｘ 光軸

Claims (11)

1. 光源から発せられた多波長の光の照射下に、検量線作成用のモデル被検体の平面が配置され、且つ検出器が配置された測定系を用い、該モデル被検体平面の平面上を通る仮想軸線まわりに該モデル被検体を回転させて、検出器と該モデル被検体を結ぶ光軸を通る平面に垂直な面と該モデル被検体平面とがなす角度θと、該モデル被検体の反射スペクトルとの関係を求める第１ステップと、
   第１ステップで求められた関係に基づき、照射光における第１の波長λ_１での吸光度Ａ_１と角度θとの関係の検量線Ａ_１＝ｆ_１（θ）を求めるとともに、照射光における第２の波長λ_２での吸光度Ａ_２と角度θとの関係の検量線Ａ_２＝ｆ_２（θ）を求める第２ステップと、
   光源から発せられた多波長の光を被検体に照射し、反射スペクトルを二次元的に取得する第３ステップと、
   第３ステップで取得された反射スペクトルにおける座標（ｘ，ｙ）での第１の波長λ_１における吸光度Ａ_１（ｘ，ｙ）を求める第４ステップと、
   第２ステップで求められた検量線Ａ_１＝ｆ_１（θ）及び第４ステップで求められた吸光度Ａ_１（ｘ，ｙ）に基づき、座標（ｘ，ｙ）における角度θ（ｘ，ｙ）を求める第５ステップと、
   第５ステップで求められた座標（ｘ，ｙ）における角度θ（ｘ，ｙ）と、第２ステップで求められた検量線Ａ_２＝ｆ_２（θ）とに基づき、第３ステップで取得された反射スペクトルにおける座標（ｘ，ｙ）での第２の波長λ_２における吸光度Ａ_２（ｘ，ｙ）を補正する第６ステップと、
   を備える、反射スペクトルの測定方法。
2. 多波長の光が、多波長の近赤外光である請求項１に記載の測定方法
3. 第１の波長λ_１が、水に起因する吸収が観察されない波長であり、
   第２の波長λ_２が、水に起因する吸収が観察される波長である、請求項２に記載の測定方法。
4. λ_１が１０００ｎｍ以上１３００ｎｍ以下の波長領域に含まれる波長であり、λ_２が１４００ｎｍ以上１６００ｎｍ以下又は１８００ｎｍ以上２０００ｎｍ以下の波長領域に含まれる波長である、請求項３に記載の測定方法。
5. 水に起因する吸収スペクトルを測定し、該吸収スペクトルの強度に基づき被検体における水の二次元的な分布を定量的に求める請求項３又４に記載の測定方法。
6. 第６ステップにおいて、吸光度Ａ_２（ｘ，ｙ）を、Ａ_２（ｘ，ｙ）×〔ｆ_２（θ（ｘ，ｙ））／ｆ_２（０）〕の計算式に従い補正する、請求項１ないし５のいずれか一項に記載の測定方法。
7. 第３ステップで取得された吸収スペクトルにおけるすべての座標を対象として第４ステップから第６ステップまでを行う、請求項１ないし６のいずれか一項に記載の測定方法。
8. 第６ステップにおいて吸光度Ａ_２（ｘ，ｙ）を補正して求められた補正後の吸光度Ａ’_２（ｘ，ｙ）と、第４ステップで求められた吸光度Ａ_１（ｘ，ｙ）との差分である〔Ａ’_２（ｘ，ｙ）−Ａ_１（ｘ，ｙ）〕を求めることで、吸光度Ａ_２（ｘ，ｙ）を更に補正する第７ステップを更に備える、請求項１ないし７のいずれか一項に記載の測定方法。
9. 第３ステップにおいて、光源から発せられた多波長の光を被検体に照射し、
   複数の画素からなる受光素子を用い、干渉分光法によるインターフェログラムを画素毎に取得し、
   取得された各インターフェログラムをフーリエ変換することで、画素毎に反射スペクトルを得る、請求項１ないし８のいずれか一項に記載の測定方法。
10. ヒト皮膚又はヒト皮膚表面付着物を被検体として、非医療の目的で二次元的な分布を取得する際に、ヒトの身体の部位に由来する形状の影響を排除し、反射スペクトルを評価するための請求項１ないし９のいずれか一項に記載の測定方法。
11. モデル被検体が手の平又は手の甲である、請求項１ないし１０のいずれか一項に記載の測定方法。