特開 2023-153925 合成光生成方法、光利用方法、光源部、イメージング方法および光学的検出方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023153925

(43)【公開日】2023-10-18

(54)【発明の名称】合成光生成方法、光利用方法、光源部、イメージング方法および光学的検出方法

(51)【国際特許分類】

   G01N 21/01 20060101AFI20231011BHJP

   G01N 21/17 20060101ALI20231011BHJP

   G02B 27/10 20060101ALI20231011BHJP

【ＦＩ】

G01N21/01 D

G01N21/17 A

G02B27/10

【審査請求】有

【請求項の数】17

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023125423

(22)【出願日】2023-08-01

(62)【分割の表示】P 2022100732の分割

【原出願日】2017-12-08

(31)【優先権主張番号】P 2017133512

(32)【優先日】2017-07-07

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(71)【出願人】

【識別番号】311012468

【氏名又は名称】安東 秀夫

(74)【代理人】

【識別番号】110001737

【氏名又は名称】弁理士法人スズエ国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】安東 秀夫

(72)【発明者】

【氏名】右近 寿一郎

(72)【発明者】

【氏名】岩井 俊昭

(72)【発明者】

【氏名】西舘 泉

(57)【要約】

【課題】
高い信頼性あるいは高い精度を有した光学的検出方法または光学的イメージング方法を提供する。あるいはその方法を活用した応用技術を提供する。
【解決手段】
発光源から出発する光路または光検出器に到達する光路の少なくとも一部が複数の光路から構成される。また前記光路途中の所定箇所で、前記複数の光路を通過した光が混合される。そしてこの混合光を、光学的検出または光学的イメージングに使用する。また上記複数の光路を通過する光間の光路長差は可干渉距離よりも長くても良い。さらに対象体の所定特性に基付いて光学的検出または光学的イメージングに使用される光の特性にフィードバックする手段を上記手段に併用しても良いし、上記手段とは別に単独で使用しても良い。また上記手段を活用した応用技術や応用物質、応用プログラムに発展させても良い。
【選択図】 図８Ａ

【特許請求の範囲】

【請求項1】

発光源の第１の発光領域が放出する第１の光を第１の光路に通過させ、
前記発光源の第２の発光領域が放出する第２の光を第２の光路に通過させ、
第１の光路通過光と第２の光路通過光を光合成部または対象体で強度加算する合成光生成方法であって、
前記第１の光の波長範囲の幅はΔλであり、
前記第１の光の波長範囲の中央波長はλ_０であり、
前記第２の光の波長範囲の幅はΔλであり、
前記第２の光の波長範囲の中央波長はλ_０であり、
前記第１の発光領域と前記第２の発光領域は互いに異なり、
前記第１の光路と前記第２の光路の間の光路長差はλ_０ ^２／Δλより長く、
前記第１の光路通過光から第１の光学雑音が発生し、前記第２の光路通過光から第２の光学雑音が発生する場合、前記強度加算が前記光学雑音を平滑化する合成光生成方法。

【請求項2】

前記光路長差は前記第１の光路通過光と前記第２の光路通過光との間の部分的可干渉性を低下させる請求項１記載の合成光生成方法。

【請求項3】

前記発光源と前記光合成部との間または前記発光源と前記対象体との間に光路変換素子が配置され、
前記光路変換素子は前記光路長差をλ_０ ^２／Δλより長くする請求項１または請求項２記載の合成光生成方法。

【請求項4】

前記発光源内の発光領域の最も広い幅はλ_０ ^２／Δλ以上である請求項１、請求項２、または請求項３記載の合成光生成方法。

【請求項5】

前記第１の光と前記第２の光は０．５μｍから２．５μｍまでの範囲のいずれかの波長を有し、
λ_０ ^２／Δλは３０μｍ以上である請求項１、請求項３、または請求項４記載の合成光生成方法。

【請求項6】

発光源の第１の発光領域が放出する第１の光を第１の光路に通過させ、
前記発光源の第２の発光領域が放出する第２の光を第２の光路に通過させ、
第１の光路通過光と第２の光路通過光を光合成部または対象体で強度加算し、
強度加算された第１の光路通過光と第２の光路通過光の前記対象体への光照射を利用する光利用方法であって、
前記第１の光の波長範囲の幅はΔλであり、
前記第１の光の波長範囲の中央波長はλ_０であり、
前記第２の光の波長範囲の幅はΔλであり、
前記第２の光の波長範囲の中央波長はλ_０であり、
前記第１の発光領域と前記第２の発光領域は互いに異なり、
前記第１の光路と前記第２の光路の間の光路長差はλ_０ ^２／Δλより長く、
前記第１の光路通過光から第１の光学雑音が発生し、前記第２の光路通過光から第２の光学雑音が発生する場合、前記強度加算が前記光学雑音を平滑化する光利用方法。

【請求項7】

光照射された前記対象体への操作に関する利用と、
光照射時に前記対象体から得られる光に基づく利用と、の少なくともいずれかを行う請求項６記載の光利用方法。

【請求項8】

前記光路長差は前記第１の光路通過光と前記第２の光路通過光との間の部分的可干渉性を低下させる請求項６記載の光利用方法。

【請求項9】

前記発光源と前記光合成部との間または前記発光源と前記対象体との間に光路変換素子が配置される請求項７または請求項８記載の光利用方法。

【請求項10】

前記発光源内の発光領域の最も広い幅はλ_０ ^２／Δλ以上である請求項７、請求項８、または請求項９記載の光利用方法。

【請求項11】

発光源と光路変更素子と光合成部とを具備し、
前記発光源の第１の発光領域が放出する第１の光は第１の光路に通過され、
前記発光源の第２の発光領域が放出する第２の光は第２の光路に通過され、
前記第１の光の波長範囲の幅はΔλであり、
前記第１の光の波長範囲の中央波長はλ_０であり、
前記第２の光の波長範囲の幅はΔλであり、
前記第２の光の波長範囲の中央波長はλ_０であり、
前記第１の発光領域と前記第２の発光領域は互いに異なり、
前記光路変更素子は前記第１の光路と前記第２の光路の間の光路長差をλ_０ ^２／Δλより長くし、
前記光合成部は第１の光路通過光と第２の光路通過光を強度加算し、
前記第１の光路通過光から第１の光学雑音が発生し、前記第２の光路通過光から第２の光学雑音が発生する場合、前記強度加算が前記光学雑音を平滑化する光源部。

【請求項12】

第１の光を対象体に照射し、前記対象体から得られる第２の光を利用してイメージングするイメージング方法であって、
発光源の第１の発光領域が放出する第１の所定光が第１の光路を通過し、
前記発光源の第２の発光領域が放出する第２の所定光が第２の光路を通過し、
前記第１の光の波長範囲の幅はΔλであり、
前記第１の光の波長範囲の中央波長はλ_０であり、
前記第２の光の波長範囲の幅はΔλであり、
前記第２の光の波長範囲の中央波長はλ_０であり、
前記第１の発光領域と前記第２の発光領域は互いに異なり、
前記第１の光路と前記第２の光路の間の光路長差はλ_０ ^２／Δλより長く、
第１の光路通過光と第２の光路通過光を光合成部または対象体で強度加算して前記第１の光を生成し、
前記第１の光路通過光から第１の光学雑音が発生し、前記第２の光路通過光から第２の光学雑音が発生する場合、前記強度加算が前記光学雑音を平滑化するイメージング方法。

【請求項13】

第１の光を対象体に照射し、前記対象体から得られる第２の光を検出する光学的検出方法であって、
前記検出される波長範囲の幅はΔλであり、
前記波長範囲の中央波長λ_０の光を前記第２の光が含み、
発光源の第１の発光領域が放出する第１の所定光が第１の光路を通過し、
前記発光源の第２の発光領域が放出する第２の所定光が第２の光路を通過し、
前記第１の発光領域と前記第２の発光領域は互いに異なり、
前記第１の光路と前記第２の光路の間の光路長差はλ_０ ^２／Δλより長く、
第１の光路通過光と第２の光路通過光を光合成部または前記対象体で強度加算して前記第１の光を生成し、
前記第１の光路通過光から第１の光学雑音が発生し、前記第２の光路通過光から第２の光学雑音が発生する場合、前記強度加算が前記光学雑音を平滑化する光学的検出方法。

【請求項14】

前記光路長差は前記第１の光路通過光と前記第２の光路通過光との間の部分的可干渉性を低下させる請求項１３記載の光学的検出方法。

【請求項15】

前記発光源と前記光合成部との間または前記発光源と前記対象体との間に光路変換素子が配置される請求項１３または請求項１４記載の光学的検出方法。

【請求項16】

前記発光源内の発光領域の最も広い幅はλ_０ ^２／Δλ以上である請求項１３、請求項１４、または請求項１５記載の光学的検出方法。

【請求項17】

前記第２の光は０．５μｍから２．５μｍまでの範囲のいずれかの波長を有し、
λ_０ ^２／Δλは３０μｍ以上である請求項１３、請求項１５、または請求項１６記載の光学的検出方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、光を用いて検出対象体からの信号を得る（または所定の光学特性を検出する）合成光生成方法、光利用方法、光源部、イメージング方法および光学的検出方法に関する。

【0002】

また更に、上記の光学的検出またはイメージングを利用した応用分野まで適用しても良い。この応用範囲には、光を用いて内部構造や内部活動状態の検出が可能な物質（の生成）や、光を用いた所定状態の管理方法や製造方法も含まれる。

【0003】

そして上記に限らず、上記検出対象体の光学特性を予想する計算方法まで含んでも良い。

【背景技術】

【0004】

光学的検出方法や光学的イメージング方法は非接触／非侵襲な方法（noncontact and noninvasive method）なため、検出時の検出対象体への負担が大幅に低減される。その結果として光を用いた上記検出方法やイメージング方法は、検出対象体の自然な状態観測や微小な変化測定などに適している。そのため前記方法は、非常に広い分野で多用される。

【0005】

それに対応し、これら光学的検出技術や光学的イメージング技術の応用（利用）分野も広がっている。またこの応用分野の一部には、光を用いて内部構造や内部活動状態の検出が可能な物質（の生成）や、光を利用した所定状態の管理分野や製造分野も含まれる。

【0006】

このようにこれらの技術が広範囲で適用されるに従い、光を用いた検出結果や測定結果に対して、より高い精度あるいは高い信頼性が求められて来た。また光を用いた検出／測定結果の信頼性や信憑性の確認手段として、理論的裏付けとの間の高い精度での照合確認も必要となる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特開平６－１６７６４０号公報

【特許文献2】特開平２－２４０５４５号公報

【特許文献3】特開２０１３－１２２４４３号公報

【特許文献4】特開２００３－５００２５５号公報

【特許文献5】特許第５０９８０２８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

光学的検出技術やイメージング技術での検出精度向上や信頼性を高める手段の一つとして、検出信号や光学イメージ内に混入される光学雑音（Optical Noise）（光学的原因で発生するノイズ成分）の低減化が上げられる。

【0009】

その具体的手段の一例として特許文献１では、光の干渉性（Coherence）を低減させ、検出／測定系内の光学雑音量を低下させる方法で検出精度を向上させている。しかしながら特許文献１の開示範囲ではスペックルノイズの低減（Speckle Reduction）に限界が有り、一層の高精度または信頼性の確保が要求されている。

【0010】

上記の理由から、より高い信頼性あるいはより高い精度を実現できる光学的検出方法や光学的イメージング方法の提供、またはその方法を活用した応用（利用）展開技術の提供（光を用いて内部構造や内部活動状態の検出／測定／評価が可能な物質（の生成）、あるいは製造効率向上や制御精度の向上を可能にする製造方法や所定状態の管理方法の提供も含む）が求められる。さらに上記方法を具現化するための測定装置や光源部の提供への要請も有る。

【0011】

上記に関連した他の話として、上記の光学的検出やイメージングの結果の信頼性や信憑性を裏付ける手段として、各種の量子化学計算ソフトを用いた計算機シミュレーション方法が存在する。しかし既存の量子化学計算ソフトでは、高分子の第ｎ倍音振動（n-th Overtone）の計算には膨大な計算時間が掛かる。従って高分子内の特定官能基（Atomic Group）に限定した第ｎ倍音や結合音（Combination）の特性を簡易的に短時間で行える計算方法の提供が求められる。

【課題を解決するための手段】

【0012】

互いに光路長（Optical Length）の異なる光が合成（combined）（または混合（mixed））された光を、光学的検出または光学的イメージングに使用する。また上記の光路長差（Difference Value of Optical Length）は可干渉距離（Cohetence Length）よりも長くても良い。さらに上記合成（または混合）して得られた光内は、進行方向または電場振動方向が一致または類似しても良い。

【0013】

そして光学的検出方法または光学的イメージング方法を利用した応用展開技術にも、上記手段を適用させても良い。すなわち上記の光を用いた状態管理を行っても良い。さらに光を用いた検出あるいは計測、管理が可能な化学的状態やその変化あるいは物理化学的（または物理的）状態やその変化または構造やその変化、形態やその変化が（製造工程の過程で）生じる所定物質の製造や製造物の評価に適用しても良い。またそれに限らず、上記方法で製造または評価された機能性物質そのものに適用しても良い。

【0014】

上記手段とは切り離して単独で下記手段を実行しても良いし、上記手段と組み合わせて下記手段を併用しても良い。その下記手段とは、
１）光学的検出または光学的イメージングの対象となる対象体の所定特性を測定し、
２）その測定結果に基付き、光学的検出または光学的イメージングに使用する光の特性をフィードバックする。ここで上記所定特性とは、光学的検出または光学的イメージングに使用する光の波面特性あるいは前記光内の一部の進行方向に及ぼす影響に関係する。また上記の“光の特性”とは、波面特性あるいは前記光内の一部の進行方向を変化させる特性を意味する。

【0015】

一方それに限らず、光学的検出結果や光学的イメージング結果得られた対象体の光学特性が意味する現象を理論的に予測するため、下記の計算方法を行っても良い。α］この対象体内に含まれる所定領域内のグループ振動（Group Vibration）に関与するポテンシャル特性を算出する。β］その結果を利用して光の吸収波長もしくは吸収波数（振動数）を予想する。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1A】本実施形態を示す測定装置の基本構成説明図（発散光照射）。

【図1B】本実施形態を示す測定装置の基本構成説明図（平行光照射）。

【図1C】本実施形態を示す測定装置の基本構成説明図（収束光照射）。

【図2A】光源から出射される光の振動数と時間間の不確定性関係説明図。

【図2B】検出波長範囲が制限された光の部分的可干渉性の説明図。

【図3】部分的可干渉光のイメージングに及ぼす影響。

【図4】微小な光散乱体からの散乱光内に発生する光学雑音に関する説明図。

【図5】部分的可干渉光の分光測定に及ぼす影響説明図。

【図6】タングステン・ハロゲンランプ管球の厚みムラの影響説明図。

【図7】光学雑音低減化素子を組み込んだ近赤外顕微装置構造の一例説明図。

【図8A】本実施形態における光学雑音低減方法の基本原理説明図（Ａ）。

【図8B】本実施形態における光学雑音低減方法の基本原理説明図（Ｂ）。

【図9】本実施形態における光合成／光混合方法の場合分け一覧の説明図。

【図10】本実施形態での光学雑音低減方法に関する他の解説方法を用いた説明図。

【図11】異なる方向に放出される光間の合成／混合方法に関する実施例説明図。

【図12A】波面分割光を利用した光路長変化方法に関する実施例説明図。

【図12B】波面分割光を利用した光学特性変更部材一例の説明図。

【図12C】波面分割光を利用した光学特性変更部材に関する詳細な一例説明図。

【図13A】波面分割光を利用した光学特性変更部材の他の実施例説明図。

【図13B】波面分割光を利用した光学特性変更部材の応用例説明図。

【図13C】波面分割光を利用した光学特性変更部材の他の応用例説明図。

【図14A】本実施形態の光学雑音低減方法を利用した光源部構造の応用例説明図。

【図14B】波面分割光間の他の合成／混合方法説明図。

【図14C】波面分割光間の合成／混合方法に関する応用例の説明図。

【図14D】結像特性を利用した波面分割光間の合成／混合方法の説明図。

【図14E】結像／集光位置の光学的処理を利用した波面分割光間の合成／混合方法。

【図15】波面分割光間で光路長を変化させる方法に関する留意点の説明図。

【図16A】波面分割光間で光路長を変化させる方法での対応実施例の内容説明図。

【図16B】波面分割光間で光路長を変化させる方法での他の対応実施例説明図。

【図17】比較検討用の従来公知技術内容説明図。

【図18】光ガイド用ファイバ長を利用した光学的雑音低減方法の説明図。

【図19A】異なる発光領域から発した光間合成／混合の基本的な方法説明図（Ａ）。

【図19B】異なる発光領域から発した光間合成／混合の基本的な方法説明図（Ｂ）。

【図20】異なる発光領域で発した光の対象体内特定領域での合成／混合方法説明図。

【図21A】異なる発光領域の発生光を位相変換素子で合成／混合する方法例（Ａ）。

【図21B】異なる発光領域の発生光を位相変換素子で合成／混合する方法例（Ｂ）。

【図21C】異なる発光領域の発生光を位相変換素子で合成／混合する方法例（Ｃ）。

【図22】位相変換素子の光合成／混合への効果実験に使用した光学系の説明図。

【図23A】位相変換素子による光合成／混合の効果を示す説明図（Ａ）。

【図23B】位相変換素子による光合成／混合の効果を示す説明図（Ｂ）。

【図24A】異なる発光領域から発した光を導波素子で合成／混合する方法例（Ａ）。

【図24B】異なる発光領域から発した光を導波素子で合成／混合する方法例（Ｂ）。

【図24C】異なる発光領域から発した光を導波素子で合成／混合する方法例（Ｃ）。

【図25】可干渉光と部分的非可干渉光の両方を用いた測定装置内説明図。

【図26】対象体内部の多重散乱光が及ぼす影響説明図。

【図27】対象体内部の光散乱体のイメージ図。

【図28】対象体（透明な平行平板）内部で波面収差が発生する原理説明図。

【図29A】波面収差粗動補正部内部の構造説明図。

【図29B】波面収差微動補正部内部の構造説明図。

【図30】参照光生成原理の説明図。

【図31】対象体内発生の不要散乱光除去原理の説明図（説明用に一部改変）。

【図32A】部分的非可干渉光を用いた波面収差特性検出方法の光学原理説明図。

【図32B】部分的非可干渉光を用いた波面収差特性検出の電気的処理方法説明図。

【図33】可干渉光を用いた波面収差特性検出方法の説明図。

【図34】外部電場方向とその中を移動する荷電粒子の移動方向との間の関係説明図。

【図35】特定官能基を構成する水素原子核の位置ベクトルを示す説明図。

【図36】量子化学計算ソフト上での特定官能基内グループ振動の計算方法説明図。

【図37】本実施形態における機能性バイオ物質の機能発揮方法からの分類分け説明図。

【図38】フィブロイン内分子構造の概略説明図。

【図39A】フィブロインを改良した機能性バイオ物質の実施形態例説明図（Ａ）。

【図39B】フィブロインを改良した機能性バイオ物質の実施形態例説明図（Ｂ）。

【図40A】内部に導電領域を持った機能性バイオ物質の実施形態例説明図。

【図40B】電力増幅機能またはスイッチング機能を持った機能性バイオ物質例説明図。

【図41】近赤外波長領域に蛍光波長を有した蛍光蛋白質の発光団内構造例説明図。

【図42】ＤＮＡの障害に関係した患部（不具合箇所）に対する対処方法例の説明図。

【図43】２重包装構造を持つ細胞核内搬送用キャリアに関する実施形態例説明図。

【図44】細胞核膜表面への選択的接合部の具体的構造例とその機能例の説明図。

【図45】機能性バイオ物質の量産方法と工程管理方法に関する一実施形態説明図。

【図46】毛母関連細胞を利用した機能性バイオ物質の生成過程例の説明図。

【図47】機能性バイオ物質の量産方法と工程管理方法に関する応用形態説明図。

【図48】地域分散形を利用した機能性バイオ物質の生産方法例の説明図。

【図49】改良版βシート形結晶部を組み合わせた構造体形成の実施例説明図。

【図50A】結晶部集合（多量体）ブロックの生成手順例の説明図。

【図50B】図４９の構造体成形の手順を示す本実施形態例の説明図。

【図50C】図４９の構造体成形の手順を示す本応用形態例の説明図。

【図51】発光源に対する結像光学系間の光路長差の比較説明図。

【図52】光合成（混合）部の他の実施例説明図。

【図53】光ガイド（光パイプ）を利用した他の応用例説明図。

【図54】光ガイド（光パイプ）内での光合成（混合）の原理説明図。

【図55】指向性が高く部分的可干渉性の低い電磁波の生成方法説明図。

【図56】本実施形態における水源／金属鉱床探索装置内の構造説明図。

【図57】地球外地域での水源／金属鉱床探索方法例の説明図。

【図58】地球外地域での水源／金属鉱床探索手順例の説明図。

【図59】本実施形態における光の部分的可干渉性の違いを簡易的に解説する説明図。

【図60】本実施形態における光の部分的可干渉性の制御方法を簡易的に解説する説明図。

【図61】測定光の部分的可干渉性の違いに依る絹シート透過光特性の測定結果比較例。

【図62】絹シートの吸光度特性の測定結果例。

【図63】測定光の部分的可干渉性の違いに依るポリエチレンシート吸光度の比較例。

【図64】吸光度曲線内のベースライン特性と測定対象分子構造との関係の検討例説明図。

【図65】本実施形態の非可干渉性近赤外光を用いた機能性バイオ物質の同定方法説明図。

【図66】本実施形態における機能性バイオ物質内２次構造と構成アミノ酸との関係説明図。

【図67A】本実施形態における機能性バイオ物質に関する他の製造手順説明図。

【図67B】本実施形態における機能性バイオ物質製造手順内の生成と成形工程の説明図。

【図67C】本実施形態における機能性バイオ物質材料の製造における精製工程の説明図。

【発明を実施するための形態】

【0017】

本実施形態における光源部および測定装置、近赤外顕微装置、光学的検出方法、イメージング方法、計算方法、状態管理方法、製造方法に関して、以下に図面を参照して説明する。まず説明の全容を把握し易いように、本実施形態内容に関する目次を示す。
第１章 本実施形態を示す測定装置の基本構成
第２章 部分的可干渉性の光学雑音に及ぼす影響
２．１節 光学雑音低減化へ向けた本実施形態の説明手順概説
２．２節 白色光が部分的可干渉性を持つ状況説明と用語の定義
２．３節 部分的可干渉性の光が光学的イメージングに及ぼす影響
２．４節 部分的可干渉性の光が分光特性の測定に及ぼす影響
２．５節 部分的可干渉性の光が分光特性に及ぼす影響例の数式的表現
２．６節 近赤外光を利用した検出／イメージングに関する影響とその波長範囲
第３章 部分的干渉性に関係した本実施形態における光学雑音低減方法
３．１節 光学雑音低減に向けた基本原理
３．２節 異なる方向への放出光の利用
３．３節 波面分割機能を有する光学特性変更部材
３．４節 分割波面間の合成（混合）
３．５節 部分的非可干渉光使用時の光強度の数式表現（光学雑音低減効果）
３．６節 光学特性変更部材構造上の工夫
３．７節 波面分割を利用した従来技術との比較
３．８節 光導波路機能を有する光学特性変更部材
３．９節 異なる領域からの放出光の合成（混合）
３．１０節 異なる領域からの放出光の合成（混合）に関する応用例
３．１１節 赤外光より波長の長い電磁波に関する部分的可干渉性の低減方法と応用例
３．１２節 光の部分的可干渉性の制御方法に関する簡易的説明
第４章 可干渉光と部分的非可干渉光の混合／分離方法
４．１節 可干渉光と部分的非可干渉光の両方を用いた測定装置内の構造例
４．２節 可干渉光と部分的非可干渉光の混合と分離方法
第５章 測定対象体内部での光との相互作用
５．１節 対象体内部で発生する光散乱と光吸収および多重散乱の影響
５．２節 散乱／吸収の要因と散乱断面積との関係
５．３節 散乱断面積と光散乱の特徴
５．４節 後方散乱光（反射光）を用いた検出特性
５．５節 測定対象体内部での電磁波との相互作用に関する定式化
５．６節 照射光の部分的可干渉性の違いに依る測定結果への効果とその考察
第６章 光路途中で発生する波面収差のフィードバック方法
６．１節 対象体（透明な平行平板）内部で波面収差が発生する原理
６．２節 波面収差の補正方法
６．３節 波面収差特性検出方法の共通部分
６．４節 部分的非可干渉光を用いた波面収差特性検出方法
６．５節 可干渉光を用いた波面収差特性検出方法
第７章 高分子内の特定官能基に限定した第ｎ倍音特性の計算方法
７．１節 光学雑音低減化方法と特定官能基でのグループ振動に帰属した吸収帯波長予測
７．２節 官能基内のグループ振動に関する数式的表現
７．３節 官能基内のグループ振動解析の意義
７．４節 グループ振動に帰属する吸収帯波長のシミュレーション方法
第８章 機能性バイオ物質
８．１節 機能性バイオ物質とは
８．２節 機能性バイオ物質の独自機能発揮方法から見た分類分け
８．３節 アミノ酸配列や立体構造で機能を発揮する機能性バイオ物質の実施例
８．４節 活性領域内構造や酵素として機能を発揮する機能性バイオ物質の実施例
８．５節 生成処理に関係した部分で機能を発揮する機能性バイオ物質の実施例
第９章 機能性バイオ物質を用いたゲノム編集処理
９．１節 ＤＮＡ障害に関係した患部への対処例と現状の問題点
９．２節 細胞核内搬送用キャリアの構造と動作原理
９．３節 細胞核内搬送用キャリアの製造方法（量産化適合）
第１０章 機能性バイオ物質の製造方法と工程管理
１０．１節 製造方法と工程管理の基本手順
１０．２節 地域分散形量産化工程
１０．３節 非可干渉性近赤外光を用いた機能性バイオ物質の推定
１０．４節 本実施形態における機能性バイオ物質の光学特性
１０．５節 細胞外環境で製造する機能性バイオ物質の製造方法
第１章 本実施形態を示す測定装置の基本構成
本実施形態における光学的検出方法やイメージング方法を利用した測定装置の基本構成に付いて、図１Ａ～図１Ｃを用いて説明する。この測定装置の基本構成は、いずれも光源部２と検出部４、６から構成される。光源部２が第１の光に当たる照射光１２を放射し、この照射光１２を測定または検出の対象となる対象体１０（検出対象体）に照射する。

【0018】

ここで上記対象体１０は、動物や植物、微生物（細菌やウィルスも含む）などの生体に限らず、ヌクレオチド（Nucleotides）やアミノ酸／蛋白質、脂質（Lipids）（燐脂質（Phospholipids）も含む）、炭水化物などの生体構成物質単独でも良い。またそれ以外として、プラスチックなどの有機物、あるいは少なくとも光の一部を透過する無機物でも構わない。また検出対象体１０の形態は固体に限らず、液体や気体の状態でも良い。そして検出対象体１０単体のサイズは最大メートルオーダー（人間や象の大きさ）から最小は原子や分子のサイズまで任意に選べる。

【0019】

この対象体１０から得られる第２の光（すなわち照射光１２が対象体１０の内部または表面で反射／透過／吸収／散乱された後の光）は検出光１６として検出部４、６に投影される。この結果として、上記対象体１０（検出対象体）の光学特性が検出または測定される。

【0020】

ここで得られる対象体１０の光学特性としては、対象体１０の反射／透過／吸収／散乱後の光量特性やその時間変化、光学的位相特性、分光特性（波長スペクトル）、イメージング（抽出された映像／画像）、画像解析結果（空間的周波数特性解析結果など）に限らず、あらゆる光学特性が検出対象に含まれても良い。

【0021】

また検出部４、６で得られた結果に基付き、フィードバック部８を介して光源部２からの照射光１２の発光特性に制御を行っても良い。その具体例として、照射光１２の定常的な発光量制御や発光量の時間的変化制御に限らず、対象体１０に照射直前の照射光１２の位相分布や光量分布を制御しても良い。またそれ以外の任意の制御を行っても良い。

【0022】

この対象体１０に照射される照射光（第１の光）１２が発散時、平行時、集束時での測定装置の特徴を、それぞれ図１Ａ、図１Ｂ、図１Ｃに示す。また図１Ａ、図１Ｂ、図１Ｃのいずれも、（ａ）が透過光検出時（前方散乱光検出を含む）、
（ｂ）が反射光／散乱光検出時、
（ｃ）が光源部２と検出部６が一体となって測定装置３０内に収納されている時の構造を示している。

【0023】

図１Ａ（ｃ）と図１Ｂ（ｃ）、図１Ｃ（ｃ）では、ビームスプリッタ２０を用いて照射光（第１の光）１２と検出光（第２の光）１６間の光路を一部共通化している。それにより測定装置３０の小形化を容易にする効果が生まれる。

【0024】

一方で図１Ａ（ｂ）と図１Ｂ（ｂ）、図１Ｃ（ｂ）のビームスプリッタ２０を使わない構造では、測定装置３０内の光源部２と検出部６間の相対位置を任意に設定可能となる。その結果として、測定環境の柔軟性が増す効果が有る。

【0025】

光源部２内で照射光１２を発光する発光源７０（図１０Ａを用いて具体的一例を後述）は、多くの場合には発散光を放出する。そのため平行光や集束光を対象体１０に照射する図１Ｂや図１Ｃの構造では、光源部２内にコリメートレンズ２６や集光レンズ９８を搭載する必要が有る。それに比べて図１Ａのように発散光を直接利用する構造では上記の搭載が不要なため、測定装置３０全体の低価格化と小形化が図れる効果が有る。

【0026】

図１Ｂのように平行な照射光１２を用いると、照射光１２進行方向に対する対象体１０の設置位置の自由度が上がる。従って対象体１０が気体状態の場合や、液体状態の溶媒内に分散されている場合の光学特性測定に向く。従って製造方法や状態管理方法に対する本実施形態では、図１Ｂのように平行な照射光１２を用いても良い。

【0027】

この場合には、透明硝子容器３６内の測定試料用カラム３４内に気体状態または液体媒質内に分散された対象体１０が封入される。ここでこの測定試料用カラム３４には蓋４６付き注入口４２と蓋４６付き注出口４４が設けられ、対象体１０の交換が容易となっている。

【0028】

さらに透明硝子容器３６内部では、壁９に仕切られた参照試料用カラム３２も設置されている。この参照試料用カラム３２の注入口４２と注出口４４にも同様に蓋４６が付いており、参照試料用カラム３２内を真空に出来る。またそれに限らず、参照試料用カラム３２内を対象体１０分散前の液体溶媒単体で満たしても良い。

【0029】

透明硝子容器３６は、測定装置３０に対して移動可能となっている。特にこの硝子容器の移動方向３８は照射光１２の進行方向と非平行な関係（直交しても良い）となっている。そのため最初に参照試料用カラム３２内の光学特性を測定した後、測定試料用カラム３４内の光学特性を測定し、両者の結果を比較しても良い。このように両者の比較により、測定／検出の結果得られた光学特性の検出精度が高まる効果が有る。両者の比較方法として演算処理（規格化を含めても良い）後の測定データ間の差分を取っても良いし、両者間の割り算処理（対数上での差分処理）を行っても良い。測定装置３０には固有の光学的伝達特性（関数）を所有しており、測定試料用カラム３４から得られる光学特性内には前記の光学的伝達特性が含まれる。それに対して測定試料用カラム３４と参照試料用カラム３２の光学特性間の割り算処理（対数上での差分処理）を行うと、測定装置３０内の光学的伝達特性が除去され、対象体１０単独の光学特性が得られる効果が有る。

【0030】

気化して（または液体媒体内に分散された）分子状態の検出対象体１０により、照射光（第１の光）１２は散乱／吸収される。図１Ｂ（ｂ）では、この時の側方散乱光を検出光（第２の光）１６として検出する。一方図１Ｂ（ａ）では、全方散乱と吸収による透過光量ロスが検出される。また図１Ｂ（ｃ）のように透明硝子容器３６の底面にミラー面４８が形成されている場合には、図１Ｂ（ａ）と同様に透過光量ロスが検出される。一方でミラー面４８が形成されて無い場合には、後方報散乱光を検出光（第２の光）１６として検出する事になる。このように平行な照射光１２を利用すると、前方／後方／側方の各種散乱光検出が可能となり、検出精度が向上する効果が有る。

【0031】

図１Ｃのように対象体１０に向けて収束状態の照射光１２を照射すると、対象体１０内部のα、β、γ各点で集光する（集光方法は第７章で後述）。その結果、対象体１０内部の特定場所に限定した光学特性の測定／検出が行える効果が有る。図１Ｃ（ａ）では前方散乱光を、そして図１Ｃ（ｂ）では側方散乱光、図１Ｃ（ｃ）では後方散乱光を測定／検出できる。

【0032】

第２章 部分的可干渉性の光学雑音に及ぼす影響
（Chapter 2] Partial Coherence affecting Optical Noise）
白色光でも部分的可干渉性の特性を有し、光学的雑音を発生し得る事を以下の第２章で説明する。

【0033】

２．１節 光学雑音低減化へ向けた本実施形態の説明手順概説
図１Ａ～図１Ｃに示す測定装置３０内に混入される光学雑音を低減させて、光学的検出または光学的イメージングの検出精度向上や信頼性を高める。その光学雑音を低減させる方法として本実施形態では、少なくとも照射光（第１の光）１２と検出光（第２の光）１６のいずれかの光学特性を変化させる。この変化させる光学特性として、
（１）（光学特性変更部材を使用して）部分的可干渉性に関係した光学雑音を低減
（２）対象体１０に起因する波面収差あるいは部分的な進行方向変化のフィードバックのいずれか一方のみの実施、あるいは両方の併用実施を行う。

【0034】

上記（２）に関し、検出部４または６内の少なくとも一部で照射光１２または検出光１６に及ぼす影響を測定し、フィードバック部８を介して照射光１２の光学特性を変化させる。同様に検出部４、６内部を制御して、検出光１６の光学特性を変化させても良い（詳細は第６章で後述）。

【0035】

上記（１）に関して具体的な実施形態例を第３章で説明するに先立ち、部分的可干渉性の光（Partially Cohetent Light）が光学雑音を発生させる原理を第２章で説明する。

【0036】

また光学的検出または光学的イメージングで得られた知見の信頼性や信憑性を検証するため本実施形態では、量子化学計算ソフトを用いた計算機シミュレーションを併用しても良い。そして高分子内の特定官能基に限定した第ｎ倍音や結合音の特性を理論的に計算する本実施形態方法を第７章で後述する。

【0037】

２．２節 白色光が部分的可干渉性を持つ状況説明と用語の定義
（Section 2.2) Occasion of Partially Coherent White Light and Definition of Technical Terms）
半導体レーザー素子（Laser Diode Tip）などから発生した単色のレーザー光が干渉性（Cohetency）を持つ事は知られている。それに対応して例えばタングステン・ハロゲンランプ（Tungsten Halogen Lamp）など小さな発光源７０から放出された白色光も、部分的干渉性を持つ。

【0038】

例えば図２Ａに示すように、タングステン・フィラメント５０表面上のα点から放出された光（白色光）とβ点から放出された光（白色光）をγ点で同時に観察した場合を例に取る。両者間で“振幅の相関（Amplitude Correlation）”が非常に強い場合、あるいは両者間の“位相差（Phase Shift Value）が時間的に一定”する場合には、両者の光は可干渉的な光（Coherent Light）と呼ぶ。そしてこの場合には、γ点では両者の光間で“干渉”が起きる。

【0039】

反対に両者間で“振幅の相関”が全くない場合、あるいは両者間で“位相差が全く無関係に変化”する場合を非可干渉的な光（Incoherent Light）と呼ぶ。そしてこの場合には、γ点では両者の光間で“干渉”は起き無い。そしてγ点で観察される光強度は、α点から単独で得られる光強度とβ点から単独で得られる光強度との単純加算で得られる。

【0040】

ところで定常的に発光するレーザー光以外の多くの光は、上記の可干渉状態（Coherence）と非可干渉状態（Incoherence）の中間状態になっている。この完全な可干渉でも無く完全な非可干渉でも無い状態は、一般的に部分的可干渉（Partial Coherence）と呼ばれている。またそのような状態の光を部分的可干渉な光（Partial Coherent Light）と呼ばれる。

【0041】

この部分的可干渉性の光が検出対象体で散乱または反射や透過されると、その後の光路で部分的な“干渉”が生じ、スペックルノイズ（Speckle Noise）の原因となる。従って光を用いて検出対象体から信号を得る（この検出対象体内特定部位での所定の光学特性を検出する）またはこの検出対象体からのイメージ情報を取得する時には、“光の干渉現象”に起因するスペックルノイズの影響で、検出信号やイメージの品質や特性が劣化する。

【0042】

本実施形態の中では後述するように、“（Ａ）光の異なる放出方向間や異なる発光領域間、異なる分割された波面間、異なる分割された振幅間を互いに非可干渉化”し、“（Ｂ）非可干渉化後の複数光を合成（混合）”する独自の手法を提案する。従って後述する本実施形態の説明文内では、信号検出やイメージングに使用する光を“部分的に非可干渉化する（完全な非可干渉化状態では無いが、有る程度は非可干渉化された状態も含む）”と言う意味で、部分的非可干渉（Partial Incoherence）と言う用語を特別に使用する。それにより、本実施形態と従来技術との違いを明確化する。

【0043】

上記の（Ｂ）に対応した光学的操作において、互いに部分的非干渉化された光（Partial Incoherent Light）同士を組み合わせる操作を“混合する（mix）”と本実施例説明文中では表現する。また上記混合して得られた光を“混合光（mixed light）”と呼ぶ。

【0044】

一方で干渉性状態に拠らず異なる光路を経た光間を組み合わせる操作を“合成する（combine）” と本実施例説明文中では表現する。つまり合成される光間は干渉性（部分的可干渉性を含む）を持っていても良く、また非可干渉（部分的非可干渉を含む）の状態でも良い。

【0045】

異なる複数光路を経た広波長域光間を組み合わせる光学的操作方法に依っては、“短い波長成分では部分的非可干渉性”を持ち、“長い波長成分では部分的可干渉性”を持つような混在特性を示す場合が有る。この場合も、組み合わせ操作を“合成する”と呼び、組み合わせた結果得られる光を“合成光（combined light）”と本実施例説明文中では表現する。

【0046】

また上述した合成（または混合）されて得られた光は、進行方向または電場振動方向が一致または類似しても良い。そしてその結果として、互いに異なる光路を通過する合成（または混合）前の光は、合成後（または混合後）には少なくとも一部で同一の光路を通過する。

【0047】

今まで説明した“光の干渉性”が生じる根本原理を、まず始めに説明する。ここでは説明の容易性から便宜的に、“周波数幅Δν内の光の発光時刻に関する不定性（時間幅Δｔ内では一意的な規定不能）”の考え方を利用する。しかし光の干渉性を説明する一般的な方法として、本節（２．２節）内後半での説明内容が多い。

【0048】

図２Ａのタングステン・フィラメント５０表面上のα点から放出された白色光が、波長範囲としてλ_０－Δλ／２からλ_０＋Δλ／２内の光のみを通過する光学的な狭帯域バンドパスフィルタ（波長選択フィルタ）５２を通過後、距離Ｒ離れたγ点に到着した場合を考える。この時に狭帯域バンドパスフィルタ（波長選択フィルタ）５２を通過できる光の周波数（振動数）範囲はν０＋Δν／２からν０－Δν／２となる。

【0049】

またこのγ点からタングステン・フィラメント５０表面上のβ点までの距離をＲ＋δとする。真空中での光の伝搬速度をＣで表す。γ点に同時に到着する光がβ点を出発した時刻は、α点を出発した時刻よりも
Δｔ＝δ／Ｃ …(B・1)
だけ早いと考えるのが自然である。

【0050】

しかし光に関しても、下記の不確定性原理（Uncertainty Principle）が存在する。
１ ≧ Δｔ・Δν …(B・2)
すなわち上記の（Ｂ・２）式で規定された時間範囲Δｔ内で生じた複数の光学現象間（例えば複数の異なる位置でのフォトンの放出など）は、詳細な時間的前後関係の識別が困難と解釈される。すなわち上記の時間範囲Δｔ内で生じた複数の異なる位置からの発光は、“ほぼ同時に光を放出した”と見なされる。

【0051】

ところで光学的な狭帯域バンドパスフィルタ（波長選択フィルタ）５２を通過できる光の中心波長λ_０、波長範囲Δλと中心周波数（振動数）ν_０およびその範囲Δνとの間には、
（λ_０－Δλ／２）×（ν_０＋Δν／２）＝ λ_０×ν_０＝Ｃ …(B・3)
の関係が成り立つので、（Ｂ・３）式においてΔλ×Δν／４≒０と見なすと
Δν ≒ Δλ × Ｃ ／λ_０ ^２ …(B・4)
の関係が導かれる。そして（Ｂ・１）式と（Ｂ・４）式を（Ｂ・２）式に代入すると
δ ≦ λ_０ ^２ ／ Δλ …(B・5)
が得られる。すなわち図２Ａにおいて光路長の差δが（Ｂ・５）式を満足する範囲内では、タングステン・フィラメント５０表面上の異なる位置（α点やβ点）から放出された光は全て“ほぼ同時に放出された”と解釈される。特に（Ｂ・５）式の右辺を満足する長さを可干渉距離（Coherence Length）と呼ぶ。すなわち可干渉距離ｌ_ＣＬは、
ｌ_ＣＬ ≡ λ_０ ^２／ Δλ …(B・6)
の関係式で表現される。

【0052】

従って上記（Ｂ・５）式を満足する範囲内の光間は、互いに部分的可干渉性の光の関係を持つ。また（Ｂ・５）式は満足しないが、（Ｂ・５）式に近い関係を持つ光間の関係を低可干渉性（Low Coherence）と呼ばれる。特に本実施形態の説明文中では（一般的な用語として使われて無いが独自性を際だたせるため）、上記（Ｂ・５）式を離脱した状況に制御（操作）された光を、前述した部分的非干渉化された光と特に呼ぶ。

【0053】

図２Ａに示す例では、光学的な狭帯域バンドパスフィルタ（波長選択フィルタ）５２を利用して（Ｂ・６）式内の波長範囲Δλが設定された。しかしそれに限らず、本実施形態での検出部６（図１Ａ～図１Ｃ）内で分離検出可能な波長範囲Δλ（波長分解能）を上記（Ｂ・６）式に適用しても良い。

【0054】

例えば図１４Ｅの分光器２２内に設置された１次元ラインセンサ１３２内の１個の検出セルで検出可能な波長範囲をΔλとして上記（Ｂ・６）式を使用できる。

【0055】

また一方では、図１４Ｅの分光器２２自体の波長分解能（半値幅）の値を、上記の波長範囲Δλとして上記（Ｂ・６）式に適用しても良い。ここで図１４Ｅに例として示した分光器２２の波長分解能（半値幅）は、スリット１３０の幅（またはピンホール幅）Ｗの影響を大きく受ける。

【0056】

中心波長λ_０近傍の波長λの光がブレーズ形回折格子１２６に入射時の回折角θは、
θ ≒ χ・λ …(B・7)
と近似される。ここでχは、回折格子の入射波長に対する回折角係数を表す。この（Ｂ・７）式においてλをΔλに置き換えると、下記の式となる。
Δθ ≒χ・Δλ …(B・8)
さらにコンデンサレンズ１３４－２と１次元ラインセンサ１３２間距離をＳＬで表すと、Δθに対応した１次元ラインセンサ１３２上での位置ずれ量ΔＹは
ΔＹ ＝ ＳＬ・Δθ ≒ ＳＬ・χ・Δλ …(B・9)
が得られる。

【0057】

一方でコンデンサレンズ１３４－２の結像倍率（横倍率）をＭとすると、スリット１３０の幅（またはピンホール幅）Ｗとは
ΔＹ ＝ Ｍ・Ｗ ／ ２ …(B・10)
の関係が有るので、（Ｂ・９）式と（Ｂ・１０）式から、
Δλ ≒ Ｍ・Ｗ ／ (２ＳＬ・χ) …(B・11)
の関係が成立する。この（Ｂ・１１）式を上記の（Ｂ・６）式に代入すると
ｌ_ＣＬ ＝ ２ＳＬ・χ・λ_０ ^２／ (Ｍ・Ｗ) …(B・12)
の特性式が得られる。

【0058】

従って本実施例では、測定装置や近赤外顕微装置内のスリット１３０の幅Ｗやそれ以外の各パラメータＭ、ＳＬ、χに依存する各種光検出素子（あるいは図２Ａ、図２Ｂまたは図４の光学的な狭帯域バンドパスフィルタ１０（波長選択フィルタ）などの光学素子）の特性に合わせて、照射光（第１の光）１２または検出光（第２の光）１６のスペックルノイズなどの光学雑音成分を低減させる（δ＞ｌ_ＣＬとなる）ように光源部２または検出部６内の光学系構造を工夫しても良い。

【0059】

上記では分光器２２内のスリット１３０の幅（またはピンホール幅）Ｗが影響を及ぼす特性（光学素子（図２Ａ、図２Ｂまたは図４）の光学特性）に合わせて光源部２内光学系または検出部６内光学系を工夫してスペックルノイズなどの光学雑音成分を低減させる（δ＞ｌ_ＣＬとなる）具体的実施例を説明した。しかしそれに限らず本実施形態では、図７に示すモニタカメラ２４の特性（波長分離性能／解像度など）、あるいは図示して無いが各種光検出器などの検出特性（波長分離性能／解像度など）や光学素子の光学特性に合わせてスペックルノイズなどの光学雑音成分を低減させる（δ＞ｌ_ＣＬ）工夫を行っても良い。

【0060】

ここまでは比較的狭い波長範囲Δλを例に取って説明した。しかしそれに限らず例えば“白色光”のように波長範囲Δλが非常に広い場合でも、（Ｂ・５）式や（Ｂ・６））、（Ｂ・１２）式は適用可能である。

【0061】

例えとしてタングステン・ハロゲンランプから放出された白色光の波長範囲Δλを２μｍ（０．５μｍ～２．５μｍ）程度、中央波長λ_０を１．２μｍ程度と粗く見積もった場合には、（Ｂ・６）式から可干渉距離ｌ_ＣＬは０．７２μｍとなる。すなわち複数の異なる発光点から放出された白色光でも、測定点（γ点）までの光路長の差δが０．７２μｍ以下の白色光間では干渉が生じる（部分的可干渉の状態となる。）
そして発光源として上記のタングステン・フィラメント５０に限らず、あらゆる発光源から放出された白色光に関しても同様に上記現象が発生する。例えば広域の位置から同時に白色光を放出する発光源に関しても（すなわち発光源の発光領域が非常に広い場合でも）、（Ｂ・５）式を満足する微小な発光領域から放出された白色光の間では同じ現象（干渉）が生じる。

【0062】

上記のように“時間範囲Δｔ内での発生（発光）時刻の不確定性”の概念を用いて可干渉距離を説明する代わりに多くの場合、下記のように異なる波連（Wave Train）間で干渉し得る距離として説明される場合が多い。

【0063】

例えば発光点から放出された白色光が空間内の同一方向（例えばｚ軸方向）に伝搬する場合を考える。仮にｔ＝０、ｚ＝０の所で白色光に含まれる全ての波長光の位相（電場振幅値が“最大値”となるｚ軸方向の位置）が一致する場合を仮定する。この近傍で可干渉距離の範囲内に局在する全波長での電場振幅分布領域を“波連”と定義する。

【0064】

上述した可干渉距離の計算例を引用すると、白色光内に含まれる波長範囲が０．５μｍ～２．５μｍの場合に１個の波連が定義される範囲は－０．３６μｍ≦ｚ≦０．３６μｍ（＝０．７２μｍ÷２）となる。この０．３６μｍは最短波長の０．５μｍより短いため、同一波連内では全波長の位相がほぼ揃う。

【0065】

従ってｚ軸方向で隣接する２個の波連間の一部が重なる場合には、重なり領域内では全波長光で干渉が起きる。

【0066】

２．３節 部分的可干渉性の光が光学的イメージングに及ぼす影響
（Ｂ・５）式を満足する範囲内では、図２Ａのタングステン・フィラメント５０（発光源）表面上の異なる位置（α点やβ点）から放出された光は全て“ほぼ同時に放出された”と解釈される。従って光学的な狭帯域バンドパスフィルタ１０を通過後の光は図２Ｂのように、電場振幅５４の位相（光進行方向での山谷の位置）は全て一致していると見なされる。

【0067】

この特性を持った部分的可干渉光が“片面に微細な凹凸構造を有する光透過物体５６”を通過した時に発生する干渉現象例を図３に示す。図３（ａ）では光透過物体５６表面に凹凸構造が無いため、隣接する部分的可干渉光６０間での（位相ずれで発生する干渉に基付く）相殺効果は無い。

【0068】

一方の図３（ｂ）では、光透過物体５６表面に段差ｄの凹凸構造を持つ。ここで光透過物体５６の屈折率をｎとすると、この内部を機械的距離ｄだけ通過後の光路長は“ｎｄ”となる。一方で真空中の距離ｄだけ通過後の光路長はｄとなる。従って図３（ｂ）の上側経路（厚みｄの真空中）を通過した光と図３（ｂ）の下側経路（厚みｄの光透過物体５６）を通過した光との間の光路長の差δは
δ ＝ （ｎ－１）ｄ …(B・13)
となる。ここでδ＝λ_０／２の場合には、図３（ｂ）の上側経路と下側経路を通過した部分的可干渉光間で干渉（相殺）して直進光強度が“０”となる。そしてこの透過光量を検出部６で検出した場合、図３（ａ）と（ｂ）の差（干渉の影響）が光学雑音として現れる。

【0069】

図３では光路途中での光透過時における微細な凹凸構造の光学的イメージングに及ぼす影響例を示したがそれに限らず、光路途中での光反射や光散乱でも同様な現象（反射光や散乱光間の干渉）が起きる。

【0070】

図２Ａを用いた説明では、“光源から出射（放出）される照射光１２”（図１Ａ～図１Ｃ）間で干渉が起きる範囲として可干渉距離を説明した。しかしそれに限らず、観察や測定、検出の対象となる“対象体１０（図１Ａ～図１Ｃ）内の微小領域内で反射または散乱（透過も含む）された光（部分的可干渉光）”間でも同様な干渉の影響が発生する。

【0071】

図４は照射光１２が右から左の方向に進行し、対象体１０内の微小な光散乱体６６の一部で後方散乱した光を検出光１６（図１Ａ～図１Ｃ参照）として利用する一例を示す。ここで微小な光散乱体６６内のα点とβ点での後方散乱光がγ点で検出（測定）された場合を考える。β点からγ点までの光路長とα点からγ点までの光路長との差δに（Ｂ・５）式の関係を満足すると、γ点においてα点とβ点からの光干渉（Optical Interference）が生じる。

【0072】

更に対象体１０の表面形状として微細な凹凸構造が有ると、図３の説明内容と同様に干渉現象が生じ、検出方向での検出光量の濃淡が発生する。その結果として、光学的イメージングに大きな悪影響を及ぼす。またそれに限らず、対象体１０内部の屈折率が不均一な（屈折率分布を持つ）場合でも、同様に干渉現象（検出方向での検出光量の不必要な濃淡）が発生し、光学的イメージングに大きな悪影響を及ぼす。

【0073】

２．４節 部分的可干渉性の光が分光特性の測定に及ぼす影響
照射光１２または検出光１６（図１Ａ～Ｃ）が部分的可干渉光の場合には、干渉（スペックルノイズ）の影響で光学的イメージングが劣化する理由を２．３節で説明した。またそれに限らず、光電変換後に得られた検出信号や対象体１０自体の分光特性（吸光特性など）の測定結果にも大きな悪影響を及ぼす理由を説明する。

【0074】

図１Ａ／Ｂ／Ｃ（ａ）の対象体１０の構造例として、片面に微細な凹凸構造（高さｄの段差）を有する光透過物体５８を図５に示す。そしてここを通過する部分的可干渉性を有する入射光として、図５（ａ）は長波長光６８の場合、図５（ｂ）は短波長光６２の場合を考える。

【0075】

段差ｄの上部通過光と下部通過光との間では、（Ｂ・１３）式に対応した光路長の差δが発生する。この光路長の差δと入射光の真空中での波長λに対して“δ≒λ”の関係を満足する図５（ｂ）の状態では、段差ｄの上部通過光と下部通過光との間の位相が一致する。従ってこの状態では、透過光の光量低下は少ない。

【0076】

他方で図５（ａ）の状態で“δ≒λ／２”の関係になると、段差ｄの上部通過光と下部通過光との間で“干渉に拠る直進光量の相殺現象”が生じる。その結果として、直進光量の低下が生じる。

【0077】

このように“入射光の波長によって直進光量が変化”すると、測定すべき対象体１０自体の分光特性（吸光特性など）の測定結果に大きな誤差が生じる。

【0078】

図５の光透過物体５８の特性として、一方の表面に微細な凹凸構造のみを有する例を用いて説明した。しかしそれに限らず、光透過物体５８内部でも光干渉現象が発生する。すなわち所定厚みで光が透過可能な物体である無機誘電体、有機物（ポリ化された高分子）や生命体内部では、微小領域毎の光散乱が発生する。そして物体から出射後の進行方向が異なる多重散乱光間で一致した場合には、図５と同様な光干渉が発生する。

【0079】

図２３Ａは、厚み３０μｍで両表面が平坦なポリエチレンシートに対する透過光率の波長変化を測定した実験結果を示している（詳細な実験条件は後述）。図２３Ａ（ａ）では部分的可干渉性が高い近赤外光で測定し、図２３Ａ（ｃ）に移るに従って部分的非可干渉性が高い近赤外光になっている。図２３Ａ（ａ）から図２３Ａ（ｃ）に移るに従って、波長１．３６０μｍでの透過率が８５．３とから８５．８０％、８７．２％と逐次増加している。同一試料（対象体１０）と同一波長での前記変化は、測定に使用した近赤外光の部分的非可干渉性の違いに起因すると考えられる。

【0080】

すなわちポリエチレンシート内を光が通過すると、ポリエチレンシート内部で発生した多重散乱光もポリエチレンシートの後方に通過する。このポリエチレンシート通過後の検出光１６の部分的可干渉性が高いと、同一方向に進行する検出光１６間で干渉して直進光強度を低下させる。一方でこの検出光１６の部分的非干渉性が高いと、同一方向に進行する検出光１６間での干渉による直進光強度の低下が少ないと考えられる。

【0081】

説明容易性から、対象体１０を平行光が通過する図５の例を用いて分光特性測定結果に及ぼす影響を説明した。しかしそれに限らず本実施例の測定装置として、図１Ａ～図１Ｃに示す全ての構造に関しても２．４節あるいは２．３節の現象は発生する。

【0082】

さらに図４を用いて２．３節で説明したように、微小な光散乱体６６からの反射光を用いて分光特性や吸光特性を測定した場合にも、上記の現象は起きる。従って微小な光散乱体６６を測定する近赤外顕微装置でも本実施例では図７に示すように、光学雑音低減化素子または部分的可干渉性低減化素子６４を用いて光学雑音の低減化を行っても良い。

【0083】

図７に示す本実施形態における顕微装置では、発光源７０から照射された照射光（第１の光）１２がコリメートレンズ２６で平行光に変換された後、対物レンズ２５で対象体１０内部の特定場所に集光される。この特定場所で反射された光は検出光（第２の光）１６として分光器２２上とモニタカメラ２４上に結像される。

【0084】

具体的な光路としては、対象体１０内部から得られた検出光（第２の光）１６は対物レンズ２５で平行光になり、ビームスプリッタ２０で照射光（第１の光）１２の光路から分離される。そして検出部６内でビームスプリッタ１８により互いに異なる進行方向に分離される。分離された検出光（第２の光）１６は、それぞれ検出レンズ２８－１と２でモニタカメラ２４上と分光器２２上（詳細には図１４Ｅに示すピンホールまたはスリット１３０上）に集光される。この顕微装置で検出または測定する対象体１０内部の特定場所と分光器２２およびモニタカメラ２４の検出位置（撮像面やピンホールまたはスリット１３０）との間は、対物レンズ２５と検出レンズ２８－１／２の組み合わせで結像光学系を形成する。それにより対象体１０内部の深さ方向での所定位置の特性信号のみ抽出可能となっている。

【0085】

本実施例の顕微装置では、光学雑音低減化素子または部分的可干渉性低減化素子６４（詳細な構造と働きは第３章で後述）を光路途中に挿入しても良い。それにより照射光（第１の光）と検出光（第２の光）１６の部分的非可干渉性が向上し、光干渉に基付く光学雑音が低減する。

【0086】

また上記顕微装置に使用する光として、２．５節で規定する波長範囲に含まれる近赤外光を用いても良い。前記の近赤外光を利用した顕微装置を、本実施例では特に“近赤外顕微装置”と呼ぶ。

【0087】

２．５節 部分的可干渉性の光が分光特性に及ぼす影響例の数式的表現
測定の対象体内の分光特性（吸光特性など）測定に部分的可干渉性の光を使用すると、光干渉に起因するスペックルノイズの影響で検出信号特性が劣化する事を、２．４節で定性的に説明した。本２．５節では特定のモデル例を用いて、定量的（数式的）に説明する。

【0088】

可視域から近赤外域までのパンクロマティックな（panchromatic広い波長範囲で多くの異なる波長光を同時に発光する）光源として、タングステン・ハロゲンランプやキセノンランプが知られる。これらの構造は、タングステン・フィラメントの周辺にハロゲン系ガス（沃素あるいは臭素化合物）やキセノンガスが封入されている。そして光学的視点からすると（光の波長オーダーの精度では）、これらのガスを封入する石英ガラス製管球（vessel）の厚みに均一性は無く、場所による厚みムラが存在する。従って管球内部で発生したパンクロマティックな光が管球を通過する過程で、管球の厚みムラに起因した光干渉が発生する。

【0089】

この状況モデルを図６に示す。発光源７０のタングステン・フィラメント５０近傍から発生した発散光が、管球６７を通過後に焦点距離Ｆのコリメートレンズ２６で平行光になる場合を想定する。ここではコリメートレンズ２６開口部（Pupil Area）の半径を“１”に規格化する。そしてこのコリメートレンズ２６の光軸を基準とし、タングステン・フィラメント５０近傍のα点から発生して管球表面のβ点を通過する光の進行方向との間の角度をηとし、この光がコリメートレンズ２６開口部を通過する位置の半径をｒで表す。次にタングステン・ハロゲンランプの管球（石英ガラス）６７内部の屈折率をｎ、その厚みをＴと表記する。

【0090】

角度ηが充分小さい時には、タングステン・ハロゲンランプの管球（石英ガラス）６７内部での光進行方向の角度ρとの間の関係は、スネル（Snell）の法則から
ρ ≒ η ／ ｎ …(B・14)
と近似できるので、タングステン・ハロゲンランプの管球（石英ガラス）６７内を通過する時の機械的距離τは、角度ηが充分小さい時には便宜的に下記のように近似する。
τ ＝ Ｔ ／ cosρ ≒ Ｔ …(B・15)
管球表面のγ点でのタングステン・ハロゲンランプの管球（石英ガラス）６７の厚みが、周辺よりｄだけ薄い場合を考える。またα点から発生してγ点を通過後に管球６７を出てコリメートレンズ２６に向かう角度がηになる場合を仮定する。β点とγ点を通過した光は同一方向へ進行するため、部分的可干渉性の特性から干渉が生じる。

【0091】

β点とγ点を通過した光間の光路長の差δは、（Ｂ・１５）式の近似を用いると（Ｂ・１３）式と同じになる。するとβ点またはγ点を経てタングステン・ハロゲンランプの管球（石英ガラス）６７通過後の合成波ψは、波数をｋ、光の進行方向をｚとした時
ψ(ｒ)
＝ ｅ^ｉｋｚ ＋ Ａｅ^{ｉｋ［ｚ＋(ｎ－１)ｄ］}
＝ ｅ^{ｉｋ［ｚ＋(ｎ－１)ｄ／２］}｛ (１－Ａ)ｅ^{－ｉｋ(ｎ－１)ｄ／２} ＋ ２Ａcos[ｋ(ｎ－１)ｄ／２] ｝
＝ ｅ^{ｉｋ［ｚ＋(ｎ－１)ｄ／２］}
×｛ (１＋Ａ) cos[ｋ(ｎ－１)ｄ／２］－ ｉ(１－Ａ)sin[ｋ(ｎ－１)ｄ／２) ｝…(B・16)
となる。ここでγ点通過光の振幅を“１”、β点通過光の振幅を“Ａ”とした。

【0092】

タングステン・ハロゲンランプの管球（石英ガラス）６７の厚みムラ（thickness deviation）の分布は不均一だが、計算モデルを簡素化して“管球の厚みムラｄが均一に分布する”と見なして計算を進める。コリメートレンズ２６の開口面上での半径ｒ、幅ｄｒの面積は２πｒｄｒから、コリメートレンズ２６の開口を通過する全ての合成波Ψは

【0093】

【数1】

【0094】

となる。従ってこの合成波Ψの光強度Ｉｃは、最大値で規格化するとｋ＝２π／λから

【0095】

【数2】

【0096】

が得られる。（Ｂ・１８）式の第２項は、“部分的可干渉な光を用いた分光特性の測定時に一部で光干渉が発生すると、測定波長に依存して検出光量が余弦波的に変化する”事を示す。

【0097】

タングステン・ハロゲンランプの管球（石英ガラス）６７の厚みムラに限らず、あらゆる原因で部分的可干渉光間の干渉が生じた場合に、上記と類似した現象が発生する。光源部２または検出部６内（図１Ａ～図１Ｃ）の何らかの原因で光路長差δが発生し、同一方向に進行する異なる可干渉光（振動方向も一致する場合）の合成波ψは（Ｂ・１６）式と同様に
ψ ＝ ｅ^ｉｋｚ ＋ Ａｅ^{ｉｋ(ｚ＋δ)}
＝ ｅ^{ｉｋ［ｚ＋δ／２］}｛ (１＋Ａ) cos(ｋδ／２) － ｉ(１－Ａ)sin(ｋδ／２) ｝…(B・19)
となるが、ここで
｜ψ｜^２ ≡｛ (１＋Ａ)^２cos２(ｋδ／２) ＋ (１－Ａ)^２sin２(ｋδ／２) }^１／２ …(B・20)
そして

【0098】

【数3】

【0099】

と置くと、（Ｂ・１９）式は
ψ ＝ ｜ψ｜ｅ^{ｉｋ(ｚ＋δ／２＋σ）} …(B・22)
と変形できる。そして“互いに位相の異なる２個の平面波を合成した合成波ψはδ／２＋σの位相を持った１個の平面波になる”事を（Ｂ・２２）式は意味している。さらに同様の理由から、部分的可干渉性を持つ３以上の複数の平面波を合成すると１個の平面波が得られる。

【0100】

（例えば管球６７が存在しない場合など）光干渉を起こす要因が全くない時のコリメートレンズ２６を通過する全ての光に対する合成波をΨ０とし、光干渉を起こす要因により生じた新たな合成波をΨ１とする。それぞれの合成波Ψ０とΨ１が部分的可干渉性を持つ場合には、両者をさらに合成したΨ０＋Ψ１からは、（Ｂ・１８）式に類似した“検出波長方向での検出光量変化”が発生する。

【0101】

次に上記と異なる計算モデルとして、『タングステン・ハロゲンランプの管球６７の壁面を平坦な平行平板と見なし、ここをコリメートレンズ２６に向かう発散光が通過する』場合の特性を考える。ここで計算の簡素化のため、『コリメートレンズ２６通過光の振幅分布は至る所で一定』と見なす。

【0102】

コリメートレンズ２６のＮＡ（Numerical Apperture）値をＮＡで表す。すると図６から、
ｒ ＝ η ／ ＮＡ …(B・23)
となる。ここではスネル（Snell）の法則を近似した（Ｂ・１４）式は利用するが、（Ｂ・１５）式に関しては少し精度を上げた下記の近似式を使用する。

【0103】

【数4】

【0104】

この（Ｂ・２４）式右辺第２項が、（Ｂ・１３）式（または（Ｂ・１６）式）の“ｄ”に対応する。

【0105】

前回の計算モデルと同様にコリメートレンズ２６の開口面上での半径ｒ、幅ｄｒの面積は２πｒｄｒなので、コリメートレンズ２６の開口を通過する全ての合成波Ψは

【0106】

【数5】

【0107】

で与えられる。ここでｖ≡ｒ^２と置くとｒｄｒ＝(１／２)ｄｖから、（Ｂ・２５）式の積分結果は下記の式となる。

【0108】

【数6】

【0109】

ここで（Ｂ・１６）式のψをΨに置き換え、“Ａ＝－１”とし、
ｄ ＝ －Ｔ・ＮＡ^２／(２ｎ^２) …(B・27)
と置き換えると、（Ｂ・２６）式に比例する。従って合成波Ψに関する規格化後の光強度Ｉｃは、（Ｂ・１８）式に上記の置き換えを施す事で

【0110】

【数7】

【0111】

が得られる。（Ｂ・２８）式の右辺第２項に拠ると、検出強度が測定波長λの変化に応じて周期的に変化する。また測定波長λに応じた検出強度変化の周期は、平行平板（管球６７）の厚み、あるいはコリメートレンズ２６のＮＡ値で変化する。

【0112】

図６のコリメートレンズ２６通過後の平行光は、例えば図１Ｂ（ａ）のように対象体１０を通過して検出部６内に入る。検出部６内では例えば図１４Ｅのように、検出レンズ２８－２で集光後に分光器２２を用いて（Ｂ・２８）式の特性を含んだ信号が検出または測定される。しかしそれに限らず図１Ａ～図１Ｃに示すいずれの光学系を用いても、（Ｂ・２８）式の特性を含んだ信号が検出または測定され得る。すなわち『発光源７０から光検出器８０（図８Ｂ）に至る光路途中で、部分的可干渉性の光の発散光路または収束光路に透明な平行平板（管球の壁など）を配置すると光の干渉の影響で原理的に、波長λ変化に応じて周期的に強度が変化する光学雑音が発生し得る』事を（Ｂ・２８）式が示している。

【0113】

（Ｂ・２８）式では、上記の周期的に発生する光学雑音の変化量が非常に大きくなる。（Ｂ・２７）式を（Ｂ・１３）式に代入すると、光路長の差の最大値δmaxは
δmax ＝ －(ｎ－１)Ｔ・ＮＡ^２／(２ｎ^２) …(B・29)
で与えられる。（Ｂ・２９）式において平行平板（管球の壁など）の厚みＴが大きくなると、δmax ＞ ｌ_ＣＬとなってしまう（実際の可干渉距離ｌ_ＣＬの計算値は、２．７節で後述する）。この状態になると、コリメートレンズ２６開口部の中心と周辺部をそれぞれ通過する光との間での光干渉が、分光器２２内部で発生しない。

【0114】

（Ｂ・２４）式の近似は、ρの値が充分小さい範囲でしか成立しない。さらに石英ガラス製タングステン・ハロゲンランプの管球６７厚みの均一性は、それほど高くなく、大きな厚みムラが予想される。またコリメートレンズ２６の開口部の振幅分布も均一性から大きく外れる。それらの結果として実際には、（Ｂ・２８）式より遙かに小さな光学雑音量が観測される。

【0115】

タングステン・ハロゲンランプやキセノンランプなどパンクロマティックな光源では、タングステン・フィラメント周辺に配置された管球内で光路長の違いが発生し得る。その結果として、（上記管球も含めた）発光源から放出されたパンクロマティック光に（Ｂ・２８）式のような光学雑音成分が含まれる場合が多い。

【0116】

上記パンクロマティックな光源からの放出光内の光学雑音成分の量を実際に測定すると、（Ｂ・２８）式で与えられる程大きく無い。上記の色々な要因から、光学雑音成分の量が（Ｂ・２８）式より減少すると考えられる。

【0117】

複数種類で複数個のタングステン・ハロゲンランプ光源（管球含む）からの放出光を実際に調べたところ、直流成分（（Ｂ・２８）式右辺第１項の係数）を“１”とした時の光学雑音成分（（Ｂ・２８）式右辺第２項の係数）は、０．１～１．０％程度だった。

【0118】

上記と比較し得て、パンクロマティックな光源として許容される光学雑音成分量に付いて説明する。厚み３０μｍのポリエチレンフィルム内を直進平行光が通過すると図２３Ａが示すように、メチレン基（－ＣＨ_２）のグループ伸縮振動第２倍音に帰属する吸収帯の光吸収量は約０．５％変化する（詳細は５章などで後述）。

【0119】

従ってパンクロマティックな光源として許容される光学雑音成分量は最悪でも平均０．５％以下（望ましくは平均０．１％以下）が必要となる。図２３Ａの実験条件に限らず、３０μｍより薄い試料（フィルム）で測定するニーズも有る。従って光学雑音成分量は平均０．０５％以下あるいは００２％以下の必要が有る。ここで上記の光学雑音成分量とは、直流成分（（Ｂ・２８）式右辺第１項の係数）を“１”とした時の光学雑音成分（（Ｂ・２８）式右辺第２項の係数値に相当）の比率と定義する。

【0120】

（管球などの影響で）パンクロマティック（非モノクロマティック）な光源光に元々含まれる０．１～１．０％程度の光学雑音成分に対し、第３章で説明する本実施形態例に拠り平均０．５％以下（あるいは平均０．１％以下、望ましくは平均０．０５％以下または０．０２％以下）に低減できる。一方で“発明が解決しようとする課題”で説明したように、特許文献１などの従来技術では光学雑音低減化に限界が有り、平均０．５％以下（あるいは平均０．１％以下、望ましくは平均０．０５％以下または平均０．０２％以下）に光学雑音を低減するのが難しかった。そして図９が示すように、第３章で後述する実施形態例は光干渉の影響で発生する光学雑音を有効に低下させるあらゆる方法を網羅的に提示している。

【0121】

従って光源内部に管球などを含む非モノクロマティックな光源から得られる照射光１２（あるいは検出光１６）に対して何らかの光学雑音低減処理を施した結果、照射光１２（あるいは検出光１６）内の光学雑音成分量が平均０．５％以下（あるいは平均０．１％以下、望ましくは平均０．０５％以下または平均０．０２％以下）を達成した場合には、全て（第３章で説明する）本実施形態のいずれかまたはその組み合わせを実施したと見なせる。

【0122】

２．６節 近赤外光を利用した検出／イメージングに関する影響とその波長範囲
可視域や赤外域（主に中赤外光や遠赤外光の波長域）で検出される分光特性（吸光特性）や光散乱特性は、比較的大きな変化として現れる。従って可視域や中／遠赤外域で得る信号に関しては、光学雑音の影響は余り問題とならない。しかし自然界では可視光に対して透明な物質は少なく、表面より深い内部まで可視光で測定可能な測定対象体の種類は限られる。また水分子は中赤外光や遠赤外光を良く吸収するため、少しでも湿った測定対象体や表面が濡れた測定対象体の内部特性測定に中赤外光や遠赤外光を使用するのは難しい。

【0123】

それに比べて波長域が０．７～２．５μｍ範囲内の近赤外光は、誘電体や有機物質、生命体に対する透過特性が優れている。従ってこれらの物質で構成される測定対象体１０内部の特性測定には、近赤外光利用に適正が有る。特に生体内の光透過性に優れているため、近赤外光は“生命の窓”と呼ばれている。

【0124】

生体内部の活動状態の可視化（イメージング）には、ｆ－ＭＲＩ（Functional Magnetic Resonance Imaging）が使われる場合が多い。特にイメージングを扱う場合には、処理速度の高速化を目指して、パルス・フーリエ変換分光法（Pulse Fourier Transform Spectroscope）が多用されている。しかしこの方法での励起用パルス幅（Pulse Width of Magnetical Excitation）がマイクロ秒オーダーなため、それよりも高速な変化を検出できない欠点が有る。

【0125】

一方で生体内部での活動（生体反応や生化学反応あるいは触媒反応）では、マイクロ秒以下の高速で反応が完了する場合が多い。従って上記のｆ－ＭＲＩ（あるいはＮＲＩ）では、高速に起きる生体内部の活動を検出できない。一方で高速な光検出器（や撮像装置）を使用すれば、近赤外光を用いて生体内部での高速変化を検出できる。従って生体内部での（マイクロ秒以下の）高速変化（活動）の検出には、近赤外光が向く。

【0126】

しかし誘電体や有機物質、生命体に対する近赤外光の透過特性が良いだけ、逆にこれらの物質内での近赤外光の吸収や散乱が少ない。従って測定対象体１０内部の特定領域から近赤外光で得られる信号変化量は非常に小さい。

【0127】

その具体適例として図２３Ａの実験データが示すように、波長１．２１３μｍにおける実測最小値とその周辺を結ぶ包絡線から推定される（同一波長位置での）補間値との間の光透過率の差は“０．５％”程度と非常に小さい。

【0128】

このように近赤外光を利用した信号変化量が非常に微小なため、光学雑音を低減させて充分なＳ／Ｎ比（Signal to Noise Ratio）を獲得する必要が有る。従って近赤外光を用いて対象体１０内部の特定領域における特性状態またはその変化を検出または測定する場合には、本実施形態を用いた光学雑音の低減方法が特に重要となる。

【0129】

そして近赤外光を利用した場合は特に、２．３節で説明したイメージングや、２．４節で説明した（光電変換後の）信号検出や分光特性（例えば吸光特性や光散乱特性の波長依存性）の測定での光学雑音の低減化技術が重要となる。

【0130】

但し本実施形態で説明する光学雑音の低減化方法は可視域や中／遠赤外域を用いて得る検出信号に不向きな訳ではない。可視域や中／遠赤外域を用いて得る検出信号に対しても第３章以降で後述する光学雑音の低減化方法を適用するとノイズ量が低減し、Ｓ／Ｎ比が一層向上する。

【0131】

また第３章以降で具体的に説明する光学雑音低減化に向けた本実施形態手法に加えて、下記の使用波長域の限定を併用しても良い。その結果として充分なＳ／Ｎ比が獲得でき、信号検出や測定の精度や信頼性が高まる。

【0132】

上記の併用は特に、近赤外光を用いて生体内部の組成や構造あるいは活動状態やその変化を検出または測定する場合に大きな効果が生まれる。なぜなら０．７～２．５μｍ範囲内で規定される近赤外光に対して、特定波長範囲の光を吸収する物質が生体内に多数含まれている。そのため上記物質が吸収する特定波長範囲内の近赤外光は生体内で多量に吸収され、検出信号量が大幅に低下する。従って上記特定波長範囲を避けた波長光を検出や測定に利用すると、検出信号量の不必要な低下を防止できる。

【0133】

近赤外域内での特定波長範囲光を吸収する物質例として、ヘモグロビンやミオグロビン、チトクロムオキシダーゼ、ビリジンヌクレオチドなどの酸素濃度指示物質が上げられる（それらの吸光特性は、特許文献２に詳細に記載されている）。（特に脱酸化状態の）ヘモグロビンやミオグロビンは、８５０ｎｍ以下の波長域で吸光度が急上昇する。従って本実施形態で限定する使用波長域として、多少マージンを含めた８７５ｎｍから２５００ｎｍの範囲が望ましい。

【0134】

一方酸素化チトクロムオキシダーゼは、９４０ｎｍ以下になると吸光度が若干上昇する。従って上記の酸素化チトクロムオキシダーゼの吸光度特性まで考慮すると、多少マージンを含めて９５０ｎｍから２５００ｎｍの範囲がさらに望ましい。

【0135】

近赤外光を大きく吸収する生体内物質として、水分子が存在する。特許文献３の記載内容から、この水分子が関係する特定波長範囲の中で最も吸収の大きい領域は中心波長が１．９１μｍ、吸光度の半値範囲が１．８９４～２．０６１μｍとなっている。従って生体内の酸素濃度指示物質と水分子の吸収を避けた８７５ｎｍ以上で１８９０ｎｍ以下の範囲内、あるいは９５０ｎｍ以上で１８９０ｎｍ以下の範囲内に限定した光を用いて生体内部の組成や構造あるいは活動状態やその変化を検出または測定しても良い。

【0136】

さらに中心波長が１．４３μｍ、吸光度の半値範囲が１．３９４～１．５２３μｍの領域でも水分子の吸収が有る。従ってその領域も避けた８７５ｎｍ以上で１３９０ｎｍ以下（あるいは９５０ｎｍ以上で１３９０ｎｍ以下）の範囲内と１５３０ｎｍ以上で１８９０ｎｍ以下の範囲内の光を用いて生体内部の組成や構造あるいは活動状態やその変化を検出または測定しても良い。

【0137】

そしてさらに水分子の吸収は（比較的吸光度は低いが）、中心波長が０．９７μｍ、吸光度の半値範囲が０．９４３～１．０２８μｍの領域にも存在する。そのため上記水分子の吸収範囲を避けた１０２８ｎｍ以上で１８９０ｎｍ以下あるいは１０２８ｎｍ以上で１３９０ｎｍ以下の範囲内の光を用いて生体内部の組成や構造あるいは活動状態やその変化を検出または測定しても良い。

【0138】

上記波長範囲を（Ｂ・６）式に代入して、可干渉距離ｌ_ＣＬの値を見積もる。本実施形態では検出部６内の検出特性に関係して（適合させて）可干渉距離ｌ_ＣＬの値を設定しても良いと、２．２節で説明した。図１４Ｅに示した分光器２２例の波長分解能（半値幅）は、高性能で５ｎｍ、比較的性能の低い場合に５０ｎｍの場合を考える。

【0139】

従ってΔλ＝５ｎｍの場合にはλ_０＝９５０ｎｍで可干渉距離ｌ_ＣＬ≒０．１８ｍｍ、λ_０＝１０２８ｎｍで可干渉距離ｌ_ＣＬ≒０．２１ｍｍ、またλ_０＝１８９０ｎｍで可干渉距離ｌ_ＣＬ≒０．７１ｍｍとなる。

【0140】

一方でΔλ＝３０ｎｍの場合にはλ_０＝９５０ｎｍで可干渉距離ｌ_ＣＬ≒３０μｍ、λ_０＝１０２８ｎｍで可干渉距離ｌ_ＣＬ≒３５μｍ、またλ_０＝１８９０ｎｍで可干渉距離ｌ_ＣＬ≒０．１２ｍｍとなる。

【0141】

上記見積もった可干渉距離の中で最大値が“０．７１ｍｍ”なので、多少マージンを取って『可干渉距離ｌ_ＣＬがおよそ１ｍｍ以上』になるように光学雑音低減に向けた工夫を行っても良い。

【0142】

第３章 部分的干渉性に関係した本実施形態における光学雑音低減方法
(Chapter 3] Optical Noise Reduction Method of Exemplary Eembodiment regarding Partial Coherence)
タングステン・ハロゲンランプやキセノンランプなどのパンクロマティックな光源から発生した部分的干渉性の光には、フィラメントを囲む管球の影響で光学的雑音が混在し得る状況を第２章で説明した。その光干渉に基付く光学的雑音を低減させる本実施形態の方法を第３章で説明する。

【0143】

３．１節 光学雑音低減に向けた基本原理
(Section 3.1) Basic Principle to Reduce Optical Noise)
本実施形態における光学的雑音を低減させる基本原理を、図８Ａと図８Ｂを用いて説明する。図１Ａ～図１Ｃのいずれかの構成を有する測定装置の内部において、発光部２内の発光源７０から対象体１０（検出または測定の対象）を経て検出部４、６内の光検出器８０に到達する光路（あるいは発光源７０から出発する光路の少なくとも一部または光検出器８０に到達する光路の少なくとも一部）が、複数の光路から構成される。そして前記複数の光路は、光路途中の所定箇所で合成または混合される。

【0144】

ここでは２．２節内での用語の定義に従い、“混合”直後に生成される混合光は部分的非可干渉性を持ち（Partial Incoherent）、混合前の部分的可干渉性（Partial Coherence）が大幅に減少している。一方で“合成”直後に生成される合成光は、“部分的可干渉性”と“部分的非可干渉性”のいずれの状態も許容される。また合成光では両者の中間状態でも良く、例えば合成光内の短波長成分では部分的非可干渉性を持ち、長波長成分では部分的可干渉性を持つ場合も有る。

【0145】

ここで複数の光路が合成または混合される上記所定箇所は図８Ａまたは図８Ｂが示すように、光路途中の光合成（混合）部１０２または対象体１０内特定領域（光合成／混合場所）２００、光検出器８０内部の少なくともいずれかでも良い。

【0146】

特に光路途中に所定箇所（光路途中の光合成（混合）部１０２）が存在する場合には、合成光（混合光）７８の光軸方向での局所的な領域内に上記所定箇所が存在する（すなわち上記所定箇所は光軸方向での特定位置に局在する）。

【0147】

一方で光軸方向に垂直な面（光断面）方向では、この所定箇所は必ずしも局在する必要は無い。従って各光路を通過する光２０１、２０２、２０３の光断面全体で同時に合成または混合されても良い。またそれに限らず、光軸方向に垂直な面（光断面）方向での局所的な領域内に上記所定箇所（光路途中の光合成（混合）部１０２）が配置されても良い。

【0148】

また複数の光路が合成または混合される上記所定箇所では、異なる光路を通過した光の進行方向あるいは電場の振動面方向の少なくともいずれかがほぼ一致する方が良い（必ずしも厳密に一致する必要は無い）。

【0149】

特に光路途中に所定箇所（光路途中の光合成（混合）部１０２）が存在すると、図８Ａ（ａ）や図８Ｂ（ａ）のように合成光（混合光）７８の状態で光路内を通過する。この所定箇所（光合成（混合）部１０２）で異なる光路を通過した光２０１、２０２、２０３間の進行方向が一致しないと、合成光（混合光）７８の光路が長くなるに従って互いの光２０１、２０２、２０３が再度分離して部分的な非可干渉性が減少する。

【0150】

また合成光（混合光）７８の光路が短い場合でも、図７の対物レンズ２５や検出レンズ２８－１、２等が作用して、対象体１０内や分光器２２、モニタカメラ２４上で互いの光２０１、２０２、２０３が再度分離する危険性が有る。従って上記所定箇所（光路途中の光合成（混合）部１０２）で異なる光路を通過した光２０１、２０２、２０３間の進行方向が一致すると、検出信号精度やイメージ画像の鮮明性が向上する。

【0151】

同様に検出光１６の偏光特性を測定するために検出部４、６内に検光子や偏光ビームスプリッタを配置する場合に、所定箇所（光路途中の光合成（混合）部１０２）で異なる光路を通過した光２０１、２０２、２０３間の電場の振動面方向を一致させる事で、検出信号特性が向上する。

【0152】

そして上記の複数の光路内では、互いの光路長の差δが可干渉距離ｌ_ＣＬより大きくなるように光学的に配置をしても良い。すると異なる光路を通過した光間の上記所定箇所での光干渉が阻害され、光学的雑音を低減できる。このような光学的配置を行うと、上記所定箇所で複数光路を通過した光の特性が変更される（すなわち部分的可干渉性が低下し、部分的非可干渉性が増加する）。その結果として、異なる光路を通過した光は、上記所定箇所で“混合”される。

【0153】

互いに異なる光路を通過して部分的非可干渉光となった光間では光干渉が起きないため、光学雑音を低減できる。３．５章でこの効果を数式的に詳細に後述するが概念的には、異なる光路で発生する光学雑音成分（（Ｂ・２８）式または（Ｂ・１８）式右辺の第２項に対応）の互いに異なる振動周期と互いに異なる位相を強度加算して光学雑音特性を平均化（平滑化）させている。そのため、加算数が多い方が平均化＝平滑化効果が向上する。従ってこの複数の光路に分割する分割数Ｎ（上記加算数に対応）が大きい方が光学雑音の低減効果が増す。

【0154】

このようにして光干渉に基付く光学雑音を低減させる事で、２．３節で説明した光学的イメージングに及ぼす悪影響を低減できる。またそれだけでなく、２．４節で説明した分光特性の測定や一般的な検出光１６を用いた光検出に及ぼす悪影響も低減できる。

【0155】

上記のように本実施形態では複数光路内の光路長間の差δを可干渉距離ｌ_ＣＬより大きくなるように光学的に配置して、上記所定箇所あるいは合成後の光路内で光学特性が変更される（互いの部分的可干渉性が低下し、部分的非可干渉性が増加する）。ところで異なる２光路内を通過する部分的可干渉性の光を上記所定箇所で合成した場合、上記所定箇所での両者の進行方向や電場の振動面方向が大きく異なると元々光干渉が発生し辛い。その場合には本実施形態方法を実施しても光学的雑音低減効果が薄れる。従って本実施形態による光学的雑音低減効果を発揮するには、上記所定箇所での両者の進行方向や電場の振動面方向が有る程度一致する事が望ましい。

【0156】

本実施形態では図８Ａまたは図８Ｂに示すように、上記複数の光路数（光路の分割数）Ｎの値として“３以上”（望ましくは４以上（図１３Ａなどの実施例））に設定している。しかしそれに限らず、図１３Ｂ（ａ）や図１２Ｃ（ｃ）のように８以上または９以上でも良い。

【0157】

ところで前述した検出器８０とは、光電変換機能を内蔵したあらゆる光検出機能部を含む。この光検出機能部の具体的な例として、光電変換機能を有する単一の光検出部から構成される半導体形光検出器に限らず、アバランシェ形（内部信号増倍形）検出器や光電子増倍管なども含まれる。また複数の光検出部（光検出セル）から構成される光検出器として複数の検出セルが１次元方向に配列されたラインセンサ、複数の検出素子が２次元方向に配列された面センサ、所定面領域内に照射される光スポット位置を検出するポジションセンサ（位置検出センサ）なども含まれる。さらにこれらの光電変換素子を内蔵した撮像機（図１４Ｄのモニタカメラ２４）や図１４Ｅの分光器２２も、前述した検出器８０に含める。

【0158】

さらに前述した発光源７０には、２．５節で説明したタングステン・ハロゲンランプやキセノンランプ、あるいは白熱電球や蛍光灯などのパンクロマティックな光源を使用する事が望ましい。

【0159】

２．５節では（Ｂ・２８）式を用いて、発光源７０から放出された発散光の光路途中に透明な平行平板を配置すると、その透過光の強度分布は測定波長λの変化に応じて周期的に変化し得る事を説明した。そしてこの現象は、パンクロマティックな光源とモノクロマティック（monochromatic単一波長あるいは狭波長域）な光源のいずれを用いた場合でも
発生する。

【0160】

この光を分光器に利用して高精度の分光特性（または吸光特性）を得る他の方法として、『同一時刻には対象体１０に対して狭波長帯域のみの光を選択して照射し、照射する波長を時系列的に掃引』しても良い。この方法を採用する場合、同一時刻に照射する狭波長帯域光の強度を同時にモニターし、その結果を検出光量にフィードバックして測定波長λ毎の照射光量変化成分を除去できる。しかし上記方法では分光特性（または吸光特性）測定のための“波長掃引時間”が必要なため、対象体１０内の“高速変化”の検出や測定は難しい。

【0161】

それに比べて発光源７０にパンクロマティックな光源を用いて（本実施形態に従って）部分的非可干渉性の光を対象体１０に照射し、例えば図１４Ｅの分光器２２で複数波長の検出光強度を同時に検出／測定すると、『高速検出／測定』が可能となる。その結果として、対象体１０内部での“高速変化”を精度良く検出や測定できる効果が有る。

【0162】

しかしそれに限らず発光源７０として、ＬＤ（Laser Diode）やＬＥＤ（Light-emittind Diode）などのモノクロマティックな光源を使用しても良い。

【0163】

図８Ａは、発光源７０から対象体１０内の特定領域αに至る光源部２内の光路が３光路で構成される本実施形態例を示す。本実施形態では３光路に限定する必要は無く、上述したようにそれ以上（４光路以上あるいは８光路以上、９光路以上）に設定（分割）されて
も良い。
また必ずしも発光源７０直後の光路を複数の光路で構成する必要は無く、発光源７０以降の光路の途中から複数光路に分割しても良い。

【0164】

図８Ａに示す光源部２では、互いに光路長の異なる複数の光路が形成されている（図８Ｂ）。さらにこの複数の光路を通過した光を合成（または混合）する光合成（混合）部１０２が上記光源部２内に配置されても良い。

【0165】

図８Ａ（ａ）の実施形態では、光源部２内に光合成（混合）部１０２が設置されている。そしてこの光合成（混合）部１０２が、上述した光源部２内光路途中の“所定箇所”に対応する。またこの状態での“所定箇所”（光合成（混合）部１０２）は、後述する図９内の合成／混合場所として“（照射光１２の）光路途中”に相当する。

【0166】

すなわち図８Ａ（ａ）の実施形態では発光源７０から光合成（混合）部１０２までの光路は、第１／第２／第３の３光路から構成され、各光路を通過した光２０１、２０２、２０３は光合成（混合）部１０２で合成（混合）される。その後は各光２０１、２０２、２０３が合成光（混合光）７８に纏められて、対象体１０内部の特定領域α内に照射される。

【0167】

図８Ａ（ｂ）の実施形態では、光源部２内の全光路が第１／第２／第３の３光路から構成され、対象体１０内の特定領域（光合成／混合場所）２００で合成（混合）される。従ってこの場合には、対象体１０内の特定領域（光合成／混合場所）２００が、光路途中の“所定箇所”に対応する。

【0168】

この状態での“所定箇所”（対象体１０内の特定領域（光合成／混合場所）２００）は、後述する図９内の合成／混合場所として“対象体１０内特定領域（検出面８６等への結像含む）”に相当する。

【0169】

図８Ａ（ａ）と（ｂ）いずれも本実施形態では、第１／第２／第３の光路間の光路長差δに関してδ＞ｌ_ＣＬを満足する。従って第１／第２／第３の光路を通過する光２０１、２０２および２０３の間では部分的可干渉性が低下し、互いに部分的非可干渉性の光となる。

【0170】

従って図８Ａ（ａ）または（ｂ）のように光源部２内で照射光（第１の光）１２（図１Ａ～図１Ｃ）に対して部分的可干渉性を低下させる（部分的非可干渉性の光に変更する）と、対象体１０内の特定領域α（２００）に対するイメージングや（光電変換後の）信号検出、分光計測（例えば吸光特性や光散乱特性の波長依存性などの計測）の検出／測定の精度が向上し、かつ信頼性の高い結果が得られる。

【0171】

すなわち図２３Ａを用いて５．３節で後述するように、対象体１０の内部では多重散乱が生じている。従って対象体１０に照射する照射光（第１の光）１２に部分的可干渉光を用いると多重散乱光間での光干渉が発生し、イメージングや信号検出、分光測定に悪影響を与える（大きな光学雑音成分が混入する）。それだけで無く２．３節で説明したように対象体１０表面での微細な凹凸構造や対象体１０内部での屈折率分布の不均一性によって生じる光干渉の悪影響も有る。

【0172】

図８Ａ（ａ）または（ｂ）のように照射光（第１の光）１２の部分的可干渉性を低下させる（部分的非可干渉性の光への変更）と、上記の対象体１０の内部または表面に起因して発生し得る光干渉が低減する。

【0173】

図８Ｂは、対象体１０内の特定領域βから検出部４、６内の光検出器８０に至る検出部４、６内の光路が３光路で構成される本実施形態例を示す。本実施形態では３光路に限定する必要は無く、上述したようにそれ以上（４光路以上あるいは８光路以上、９光路以上）に設定（分割）されても良い。また必ずしも対象体１０内のβ領域直後の光路を複数の光路で構成する必要は無く、対象体１０以降の光路の途中から複数光路に分割しても良い。

【0174】

図８Ｂ（ａ）の実施形態では、検出部４、６内に光合成（混合）部１０２が設置されている。そしてこの光合成（混合）部１０２が、上述した検出部４、６内光路途中の“所定箇所”に対応する。またこの状態での“所定箇所”（光合成（混合）部１０２）は、後述する図９内の合成／混合場所として“（検出光１６の）光路途中”に相当する。

【0175】

すなわち図８Ｂ（ａ）の実施形態では対象体１０内のβ領域から光合成（混合）部１０２までの光路は、第１／第２／第３の３光路から構成され、各光路を通過した光２０１、２０２、２０３は光合成（混合）部１０２で合成（混合）される。その後は各光２０１、２０２、２０３が合成光（混合光）７８に纏められて、光検出器８０に到達する。

【0176】

図８Ｂ（ｂ）の実施形態では、検出部４、６内の全光路が第１／第２／第３の３光路から構成され、光検出器上で合成（混合）される。従ってこの場合には、光検出器８０が、光路途中の“所定箇所”に対応する。

【0177】

この状態での“所定箇所”（光検出器８０）は、後述する図９内の合成／混合場所として“検出器８０内の検出面８６”に相当する。

【0178】

図８Ｂ（ａ）と（ｂ）いずれも本実施形態では、第１／第２／第３の光路間の光路長差δに関してδ＞ｌ_ＣＬを満足する。従って第１／第２／第３の光路を通過する光２０１、２０２および２０３の間では部分的可干渉性が低下し、互いに部分的非可干渉性の光となる。

【0179】

図８Ａと図８Ｂで示した本実施形態の基本概念（基本原理）の具体化方法に関する場合分け一覧を、図９に示す。

【0180】

図８Ａと図８Ｂを用いて、光源部２内か検出部４、６内の光路（の少なくとも一部）を複数光路で構成した後、各光路を通過した光を合成／混合する構造／構成を示している。しかしそれに限らず本実施例では、『複数光路化⇒合成／混合』を光源部２と検出部４、６で跨って行っても良いし、『複数光路化⇒合成／混合』を光源部２内と検出部４、６内の両方で行っても良い。

【0181】

またそれだけで無く例えば図７に示した近赤外顕微装置のように、『複数光路化⇒合成／混合』を実施する光学雑音低減化素子または部分的可干渉性低減化素子６４を光源部２内と検出部６内に兼用配置しても良い。このように兼用配置すると光干渉に起因する光学雑音量の大幅低下が可能となり、検出信号の高精度化と高信頼性確保が可能となる。

【0182】

図８Ａの発光源７０直後で複数の光路を構成させる方法の選択肢を表す欄が、図９の“合成／混合前の光路状態”の欄に相当する。すなわち本実施形態例では、発光源７０から放出された照射光（第１の光）１２に対して“光放出状態の多様性”を利用して複数光路を構成させる方法と、照射光（第１の光）１２に対して“光路分割操作”を施して複数光路を構成させる方法（光路状態／操作の欄内に記載）の２通りのいずれか、あるいは両者の組み合わせを採用できる。

【0183】

また前記の“光放出状態の多様性”を利用して複数光路を構成させる場合には、（詳細内容の欄に記載された）異なる“発光領域”と“光放出方法”のいずれか、あるいは両方の組み合わせを利用しても良い。

【0184】

例えば１点からのみの発光では無く“発光領域に広がり”が有る場合には、異なる発光領域から発光した別々の光を合成して照射光（第１の光）１２として利用できる。一方で発光源７０からの放出光の放出方向に広がりが有る場合には、（異なる光放出方向を複数光路と見なして）異なる方向に放出される光を合成して照射光（第１の光）１２として利用しても良い。

【0185】

図８Ｂに示す検出や測定を行う対象体１０内のβ領域から得られる検出光（第２の光）に対しては、（光路状態／操作欄内の）“光放出状態の多様性”に含まれる（詳細内容欄内の）“異なる発光領域”と（光路状態／操作欄内の）“光路分割操作”が、本実施形態の選択肢として存在する。すなわち本実施形態では、上記２通りのいずれか、あるいは両者の組み合わせを行っても良い。

【0186】

例えば検出や測定を行う対象体１０が図４の微小構造を有した（微小な光散乱体６６の）場合でも、α点から得られる光とβ点から得られる光間の光路長の差δが可干渉距離ｌ_ＣＬより大きくなる（δ＞ｌ_ＣＬ）ように光学配置（図８Ｂ）する（“異なる発光領域”に適合させる）と、両者間の部分的可干渉性が低下して光学雑音量を低減できる。

【0187】

図８Ａの照射光（第１の光）１２と図１８Ｂの検出光（第２の光）１６のいずれに対しても、（光路状態／操作欄内の）“光路分割操作”に含まれる具体的な“詳細内容”として“波面分割（Wave Front Dividing）”する方法と、“振幅分割（Amplitude Dividing）”する方法のいずれか又は両者の組み合わせが選択できる。

【0188】

“波面分割”とは、光の進行方向に沿った光軸に垂直な切断面上で光断面を空間的に分割する方法を意味する。そして波面分割後は、個々の分割光の光断面形状が（波面分割前と比べて）変形する場合が多い。また透明な平行平板を用いて波面分割した場合は、個々の分割光の進行方向は互いに一致する。仮に各分割光の進行方向が互いに一致した場合でも、本実施形態では“波面分割後の個々の分割光は、異なる光路を通過する”と見なす。

【0189】

一方で“振幅分割”では、光断面形状を保持したまま互いに進行方向が異なる複数光路に分割される。そしてビームスプリッタや偏光ビームスプリッタなどの光学素子で振幅分割される場合が多い。

【0190】

複数光路を“光合成または光混合する方法”は具体的には、この複数光路毎に光進行方向を変化または制御させる。しかしそれに限らず“光合成／混合方法”として、あらゆる方法を用いても良い。

【0191】

始めに“詳細内容”欄内のすべての状態／操作に適用できる“光合成／混合方法”に付いて説明する。光学的雑音を低減させる基本原理を説明する図８Ａと図８Ｂでは、互いに光路長の異なる第１／第２／第３の光路を通過する光２０１、２０２、２０３が所定箇所に向かって集まる。この所定箇所が、光合成（混合）部１０２または光検出器や対象体１０内の特定領域（光合成／混合場所）２００（α点）に相当する。

【0192】

従ってこの光路全般を含めて、図９では“光合成／混合方法”と記載した。またその“光合成／混合方法”の意味の補足説明として、〔光路毎の進路を変化／制御〕に関係する方法と明記した。そして本実施形態の説明文内では、異なる複数の光路毎の進路を変化または制御させる光学部材の総称を“光学特性変更部材”と呼ぶ。従って図９の“光合成／混合方法”の欄に記載した（光路毎の進路を変化／制御を行う）全ての光学素子単体またはそれら光学素子の組み合わせが、“光学特性変更部材”に該当する。

【0193】

この光学特性変更部材が持ち得る機能には、（Ａ）複数の光路毎に光路長を変化／制御する機能（後述する図１０の“光路長変化７６”の機能に該当）と（Ｂ）複数の光路を所定箇所に合成（または混合）させる機能が含まれる。本実施例の説明文内では、少なくとも上記のいずれか一方の機能を発揮する（同時に両方の機能を発揮しても良い）光学部材を光学特性変更部材と呼ぶ。

【0194】

またこの光学特性変更部材の物理的構造として、一体で光路途中の一箇所に配置されても良い。またそれに限らず、光路中に分散配置された複数の部材も組み合わせとして配置されても良い。このように分散配置された場合には、光学特性変更部材の一部が上記（Ｂ）の機能を担い、それとは別位置に配置された残りの一部が上記（Ａ）の機能を担うように機能分離させても良い。“異なる発光領域”および“異なる光放出方法”、“波面分割”、“振幅分割”のいずれの方法で構成された複数光路に対しても光進行方向を変化／制御させる一例として、レンズなどの屈折素子を用いても良い。また本実施形態では、前記の“屈折素子”には、球面レンズだけで無く、非球面レンズやフレネルレンズ、プリズム、透明な平行平板などが含まれても良い。

【0195】

またそれに限らず、回折関連素子や光反射素子、光位相変換素子を用いても良い。ここで前記の回折関連素子とは、回折格子やホログラム素子などが含まれ、微小平面が傾斜化されたブレーズ化が施されてもよい。

【0196】

また光位相変換素子とは、この素子を通過後または反射後の光（照射光１２または検出光１６）の位相を局所的あるいは全体的に変化させる光学素子を意味する。その機能を実現させるため、光位相変換素子の内部に微細な屈折率分布あるいは表面の微細凹凸構造を有する。また本実施例では前記光位相変換素子に、表面が特定周期あるいはランダムな微細凹凸構造を有したランダムフェーズシフター（Random Phase Shifter）やデフューザ（Defuser）、砂摺り面または砂掛け面（Sand Treatment Plate）も含める。

【0197】

また複数光路毎の進路変化／制御（光合成／混合方法）に光ファイバや所定板上に光誘導路を形成または集積して光の進行方向を誘導する導波素子を用いても良い。

【0198】

それ以外の方法として“所定箇所”へ光進行方向を変化／制御する変わりに、複数の進行方向を持った光に対して“所定箇所”に集まった光のみを抽出しても良い。この方法が図９の“検出部６で合成／混合光抽出”に対応する。例えば図８Ｂの検出部４、６内の光検出器８０は『特定の局在箇所のみの光検出（光電変換）』を行う。そして検出部４、６内で光検出器８０上の『特定の局在箇所』と対象体１０内の“所定箇所β”との間で結像関係（共焦関係（Confocal Relation））を形成する事で、実質的に“所定箇所β”のみの情報を検出／測定可能となる（詳細は図２０を用いて３．９節で後述）。

【0199】

また“異なる発光領域”から放出された光の光路途中にプリズムや特殊レンズを追加使用し、広い発光領域から放出された光を集めても良い。図２Ａを用いて２．２節で説明したように、α点からγ点に到達する光とβ点からγ点に到達する光間の光路長の差δが可干渉距離ｌ_ＣＬより広がると、互いの部分的可干渉性が低下し（部分的非可干渉性が増加し）、光学的雑音量が低下する。それには、α点とβ点間の距離が離れる事が望ましい。そのため、光路途中にプリズムや特殊レンズを使用して広い発光領域から放出される光を集めても良い（詳細は図２４Ａと図２４Ｂを用いて３．９節で後述）。

【0200】

なお前記特殊レンズとは、非球面状態のレンズを意味する。具体的にはレンチキュラーレンズやシリンドリカルレンズ、フレネルレンズなどが含まれても良い。

【0201】

そして“振幅分割”で複数光路に分割された光を“光合成／混合する方法”として、さらに偏光性の反射素子や偏光性の透過素子（例えば偏光ビームスプリッタなど）や非偏光性のビームスプリッタを使用しても良い。さらに互いに異なる光路を通過した光間の電場振動面方向を合わせる手段として、位相板や検光子、あるいは偏光ビームスプリッタを付加的に使用しても良い。

【0202】

図８Ａと図８Ｂを用いた上記の説明内容と図１０を用いて後述するように、図９の“合成／混合前の光路状態”に対して“合成／混合場所”で複数の光路を経た光を合成／混合する。その過程で光路長変化７６を発生させて合成光（混合光）７８の光学特性を変更（部分的可干渉性を減少させて部分的非可干渉性を増加）する。

【0203】

図９の“合成／混合場所”や“空間的同一領域”、そして図８Ａや図８Ｂ内の“光合成（混合）部１０２”は、上述した“所定箇所”に対応する。この所定箇所が照射光１２や検出光１６の光路途中に配置された場合の本実施形態内の具体的一例として、光ファイバ１００内部のコア領域１４２を適合させても良い（詳細は図１４Ａを用いて３．４節で後述）。またそれに限らず本実施形態では、光位相変換素子の通過後の場所を適合させても良い（詳細は図１４Ｂを用いて３．４節で後述）。

【0204】

３．１節の冒頭で説明した“複数の光路を通過した光が合成または混合される所定領域”を“対象体１０内特定領域２００”にした場合には上述した理由から、“検出面８６等への結像を含む”（詳細は図２０を用いて３．９節で後述）。従ってこの場合には、“光合成／混合方法”欄内の“検出器６で合成／混合光抽出”の方法が使用される。

【0205】

一方で３．１節の冒頭で説明した“複数の光路を通過した光が合成または混合される所定領域”を“光検出器８０内部”にした場合が、図９“合成／混合場所”欄内の“検出器８０内の検出面８６”に対応する。本実施形態における“光検出器８０”とは上述したように、単一の光検出セルのみで構成される光検出器だけに限らず、光電変換機能を内蔵したあらゆる光検出機能部を含む。従って撮像機を対応させた場合には、図１４Ｄに示すモニタカメラ２４内の撮像面（検出面）８６が上記“所定箇所”に対応する。

【0206】

また“光検出器８０”の一種として図１４Ｅに示す分光器２２では、ピンホールまたはスリット１３０が上記“所定箇所”に対応する。そしてこの実施形態例が、図９の“合成／混合場所”欄内の“ピンホールまたはスリット１３０”に対応する。

【0207】

図１０を用いて、本実施形態における光学雑音低減方法に関する基本原理を、別観点からの解説を行う。図１０（ａ）に示すように本実施形態では基本的に、発光源７０から放出された光の一部７２とは異なる別の光の一部７４に対して光路長変化７６させる。ここで光路長変化７６の量δは、（Ｂ・６）式（または（Ｂ・１２）式）で定義される可干渉距離ｌ_ＣＬよりも大きくなる事が望ましい。その後、両者を混合して混合光７８（合成光でも良い）を生成する。従ってこの方法により混合光７８の光学的特性が変更され、部分的可干渉性が減少して部分的非可干渉性が増加する。従って図１０に示す本実施形態の基本原理では発光源７０から進む光路に沿って見た場合、光路長変化７６を行った後に合成光（混合光）７８の生成を行う。

【0208】

ところで光路長変化７６の量δは、必ずしも全ての波長で可干渉距離ｌ_ＣＬよりも大きくする必要は無い。と言うのは、（Ｂ・６）式（または（Ｂ・１２）式）で定義される可干渉距離ｌ_ＣＬは２．７節内後半で説明したように、対象とする中心波長λ０に応じて大きく異なる。従って発光源７０からパンクロマティックな光が発生する場合には、使用する最短波長で上記可干渉距離ｌ_ＣＬよりも大きくなれば良い。この場合には、合成光７８内の長波長側で部分的可干渉性が残る。

【0209】

図１０（ａ）の光学的操作を光源部２内で行う実施形態例を図１０（ｂ）に示す。この場合には、合成光（混合光）７８が照射光（第１の光）１２として対象体１０に照射される。

【0210】

一方で図１０（ａ）光学的操作を検出部４、６内で行う実施形態例を図１０（ｃ）に示す。すなわち対象体１０から得られる検出光（第２の光）１６の一部７４を光路長変化７６させた後、残りの光の一部７２と合成（混合）させる。そして得られた合成光（混合光）７８は、光検出器８０に到達する。

【0211】

図８Ａは図１０（ｂ）に対応し、図８Ｂは図１０（ｃ）に対応する。図８Ａと図８Ｂで発生する光路長変化７６を、図１０では明示している。

【0212】

また本３．１節の最初の部分で説明したように図１０の合成光（混合光）７８の光路の内部（すくなくとも合成光（混合光）７８の光路の出発位置）では、元々光の一部７２に属していた光の進行方向（あるいは電場の振動面方向）と光の一部７４に属していた光の進行方向（あるいは電場の振動面方向）が一致する事が望ましい。それにより対象体１０の内部や光検出器８０上での再分離が抑えられ、良好なイメージ画像や精度の高い検出信号が得られる。

【0213】

前述した光学特性変更部材に使用する材料あるいは光学特性変更部材の基材（Substrate）に使用される材料に付いて説明する。特に２．６節で説明した近赤外光を照射光１２あるいは検出光１６に使用する場合の、材料選定への留意点を下記に説明する。ここでの光学特性変更部材とは、図９における“光合成／混合方法〔光路毎の進路を変化／制御〕”の欄（列）内に記載された各種光学部材を前提とする。しかしそれに限らず、任意の光学素子材料に適用しても良い。

【0214】

上記光学特性変更部材全体あるいはその基材全体の中で、照射光１２や検出光１６が通過する部分には、光透過性の高い材料を選択するのが望ましい。比較的安価に入手可能な透明プラスチック樹脂として、アクリル樹脂ＰＭＭＡ（Poly-Methyl-Metacrylate）やポリカーボネート樹脂ＰＣ（Polycarbonate）が知られている。しかしこれらプラスチック樹脂内には、炭素原子と水素原子のみから構成される官能基（メチル基やメチレン基など）が多量に含まれる。

【0215】

上記の官能基は、２．６節で説明した近赤外光を吸収する特性を持つ。そして上記官能基内で発生する伸縮振動の第１倍音に帰属する吸収帯の中心波長光は、特に大きく吸収される。この吸収帯の中心波長は、およそ１７１０ｎｍから１７９５ｎｍの範囲内に含まれる。例えば厚み１ｍｍの透明アクリル樹脂ＰＭＭＡ（Poly-Methyl-Metacrylate）の板内を前記中心波長光が通過した場合、透過光量がおよそ半減するほど光吸収量が大きい。従って照射光１２や検出光１６に近赤外光を使用する場合には、光学特性変更部材あるいはその基材の材料として透明プラスチック樹脂の使用は避けた方が良い。そして近赤外光に対する光透過性の高い材料として有機材料を使わず、無機材料を使用するのが望ましい。

【0216】

光透過性の高い無機材料として、光学ガラス（Optical Glass）やＣａＦ_２、ＭｇＦ_２、あるいはＬｉＦやＫＢｒなどが知られている。したがってこれらの無機材料が、光学特性変更部材（あるいは光学特性変更部材の基材）への適合性を持つ。

【0217】

ところで製造上の都合から、一般的な光学ガラス内には多量にヒドロキシル基（－ＯＨ基Hydroxyl Group）が混入する。そしてそのヒドロキシル基の伸縮振動の第１倍音に帰属する吸収帯の中心波長は、１３９５ｎｍから１５９５ｎｍまでの範囲内またはその近傍にある。従ってヒドロキシル基が多量に混入した光学ガラスを通過する光は、上記の波長域で光吸収を受ける。

【0218】

そのため２．６節で説明した波長域の近赤外光を照射光１２あるいは検出光１６に使用する場合には、光学特性変更部材（あるいは光学特性変更部材の基材）の材料として『ヒドロキシル基の混入量の少ない材料』の選定が望まれる。実験から得られた結果として、具体的に許容されるヒドロキシル基の混入量は“１００ｐｐｍ以下”が必要条件となる。特に高精度の近赤外スペクトル測定を行う場合には、“１ｐｐｍ以下”が望ましい。このようにヒドロキシル基の混入量が上記許容範囲内の材料を選定する事で、１３９５ｎｍから１５９５ｎｍまでの波長範囲内での光吸収が回避でき、近赤外光の全波長域での精度の高い分光特性測定が可能となる効果が生まれる。

【0219】

上記許容範囲内の光透過性材料の具体的な入手方法として材料発注時に、『ヒドロキシル基混入が少なく製造管理された硝子材料』や『無水石英硝子』、『無水石英』を指定しても良い。これらはいずれも、クリーン度の低い環境下（クリーンルーム内）で低湿度を確保しつつ温度制御しながら素材製造を行う。低湿度に設定されたクリーンルーム内で素材製造を行うことで、空気中の水蒸気混入を阻止し、ヒドロキシル基の混入量を上記許容範囲内に抑えている。このような製造方法を採る事で、材料劣化の原因となる不純物混入が防止でき、生産された材料の純度が高くなる。その結果として光透過性材料の長期保存安定性が保証されるため、それを用いて作成した光学特性変更部材の特性（性能）が長期間持続する効果が有る。

【0220】

３．２節 異なる方向への放出光の利用
３．１節では図９の場合分け一連表を用いて、本実施形態における詳細な光学雑音低減方法の一覧を概説した。そしてその個々の詳細な具体例に付いて、３．２節以降で説明する。３．２節以降で説明する本実施形態例は一例に過ぎず、図９内でのあらゆる組み合わせが本実施形態に含まれる。

【0221】

図９の“合成／混合前の光路状態”欄内の“異なる光放出方向”を利用し、“特定光路の進路を変化”させる手段として“光反射素子”を用い、“照射光１２の光路途中”で異なる光路間を“合成／混合”させる方法の例を図１１に示す。

【0222】

光源部２内の発光源７０の一種であるタングステン・フィラメント５０から全方位方向に放出光が放射される。多くの場合は図１１（ａ）のように、前方放出光８４（第１の光路に相当）のみを利用する。

【0223】

それに対して本実施形態では、背面側に光反射素子の背面鏡８２を配置し、後方放出光８８（第２の光路に相当）をタングステン・フィラメント５０の内部に戻す。タングステン・フィラメント５０から背面鏡８２を往復する距離が、光路長変化７６をもたらす。２．７節後半の計算例と比較すると、ここで発生する光路長の差δは可干渉距離ｌ_ＣＬより遙かに大きい。

【0224】

タングステン・フィラメント５０の内部を通過した後方放出光８８（第２の光路）は、前方放出光８４（第１の光路）と同じ光路を通る。これにより、前方放出光８４（第１の光路）と後方放出光８８（第２の光路）が混合される。

【0225】

図１１に示す本実施形態例では混合光の部分的可干渉性が大幅に低下するため、仮にこの発散光路途中に透明な平行平板を配置しても光学雑音量は比較的小さく抑えられる。またそれだけでなく図１１の実施形態例ではタングステン・フィラメント５０からの放出光を有効利用できる効果も生まれる。

【0226】

３．３節 波面分割機能を有する光学特性変更部材
図９の“光路分割操作”の中で“波面分割”を実施する場合の、具体的な本実施形態例を３．３節で説明する。この“波面分割”を行うために使用する光学素子としてここでは、屈折素子または回折関連素子を使用した例を説明する。しかしそれに限らず、光反射素子や光位相変換素子、導波素子を使用しても良い。例えば後述する図１２Ｃ～図１３Ｃのように領域毎に異なる段差を持った光反射面を構成し、光断面９２内での反射場所に応じて（反射後の）光路長を変化させても良い。

【0227】

また本３．３節で説明する本実施形態例では図９の“合成／混合場所”の欄内の内容として、“照射光１２や検出光１６の光路途中”を設定している。

【0228】

図９の“光合成／混合方法”として“回折関連素子”または“屈折素子”を使用した本実施形態例を図１２Ａに示す。照射光１２や検出光１６の光路途中での光断面の一部領域（透過光１１０－１が通過する領域）にブレーズ形回折格子またはプリズム１２８を配置し、透過光１１０－１の進行方向を変更する。

【0229】

その後で透過形回折格子１２０で前記の透過光１１０－１と透過光１１０－２を合成または混合する。この時に透過光１１０－１の回折１次光と透過光１１０－２の０次光の進行方向を一致させる。

【0230】

ブレーズ形回折格子またはプリズム１２８と透過形回折格子１２０間の光路長が透過光１１０－１と透過光１１０－２で異なる。このように図１２Ａの本実施形態例では、光の進行経路の違いにより発生する光路長変化を利用して合成光（混合光）７９の光学特性を変更（部分的可干渉性を減少させて部分的非可干渉性を増加）する。

【0231】

図９の“波面分割”の実現に使用する屈折素子として透過性を有する平行平板を使用した本実施形態例を、図１２Ｂから図１３Ｃに示す。透過性平行平板内の屈折率をｎとし、その厚みをｄとした時、透過性平行平板内を直進する第１の光路と長さｄの真空中（空気中）を直進する第２の光路を通過する光間では（Ｂ・１３）式に示す光路長の差δが発生する。

【0232】

そして図１２Ｂから図１３Ｃに示す本実施形態例では、屈折率の違いにより発生する通過光の光路長変化δを利用して合成光（混合光）７８の光学特性を変更（部分的可干渉性を減少させて部分的非可干渉性を増加）する。従って図１２Ｂから図１３Ｃに示す透明な平行平板９４、１１４、１１６を組み合わせた光学素子は、光学特性変更部材（または分割波間光路長変換素子９０）の一種に含まれる。

【0233】

図１２Ｂが示すように、平行平板の切断面９５は透過光の光軸に対して高い精度で平行となっている。従って光学特性変更部材（分割波間光路長変換素子９０）を透過する光は、透過光断面９２内の（平行平板の）切断面の境界線９７で波面分割される。この波面分割された透過光毎に光路長が異なるため、異なる光路を通過する事になる。

【0234】

図１２Ｂに示した光学特性変更部材（分割波間光路長変換素子９０）に関する他の実施形態例を図１２Ｃに示す。まず厚みｔの透明な平行平板１１４－２の長辺方向をＸ軸方向に配置する。そして図１２Ｃ（ａ）のように、厚み５ｔの透明な平行平板１１４－１の長辺方向をＸ軸方向にして、厚みｔの透明な平行平板１１４－２上に重ねる（接着する）。その結果としてＹ軸方向に沿って、厚み０ｔと１ｔ、６ｔの３領域が形成される。

【0235】

次に厚み２ｔの透明な平行平板１１４－３の長辺方向をＹ軸方向に配置する。そして厚み２ｔの透明な平行平板１１４－４の長辺方向をＹ軸方向にして、図１２Ｃ（ｂ）のように厚み２ｔの透明な平行平板１１４－３の下に重ねる（接着する）。その結果としてＸ軸方向に沿って、厚み４ｔと２ｔ、０ｔの３領域が形成される。

【0236】

その次に図１２（ｃ）のように、図１２（ｂ）と図１２（ａ）を重ねる（接着する）。そして部分的可干渉性の光の透過方向９６を下から上に向かうＺ軸方向に一致させる。その結果として、光通過方向９６に対して垂直な方向で切断する光の断面方向で見ると、光路が９領域に分割される。そして各光路で平行平板１１４を通過する厚みは、左上から順に１０ｔおよび８ｔ、６ｔ、５ｔ、３ｔ、ｔ、４ｔ、２ｔ、０ｔとなる。それぞれの領域を通過する光路毎の光路長の差δは、（Ｂ・１３）式で与えられる。

【0237】

３．１節の前半部で、光路に分割する分割数Ｎ（上記加算数に対応）が大きい方が光学雑音の低減効果が増す説明をした。従って図９の“合成／混合前の光路状態”の欄の中の“詳細内容”の欄内に記載された全ての項目の少なくともいずれか（例えば図１１Ｃの実施形態例が含まれる波面分割に限らず、振幅分割や異なる光放出方向）に対応した光学特性変更部材に依って光がＮ個の異なる光路に分割された場合、全ての光路通過時に発生する光路長の差δが互いに異なるように設定しても良い。図１２Ｃの実施例では、上記条件が満足されている。すなわち光断面上で分割された９領域を通過する（異なる９光路を通る）全ての光内で発生する光路長の差δが異なっている。

【0238】

上記内容を別の表現方法で説明すると、下記のようになる。すなわち光学特性変更部材として、厚みの異なる屈折素子（平行平板に限らず、プリズムやレンズも含む）を組み合わせで複数の光路に分割させる。各光路での屈折素子の厚みをｍｔ（ｍは整数）とした時、分割される全ての光路では、全て異なるｍの値を取る。なおこの光学特性変更部材としての特性は図１２Ｃの構造に限らず、図１３Ａ～図１３Ｃの構造でも当てはまる。さらに上記の特性は図９の“合成／混合前の光路状態”欄内の“波面分布”だけで無く、“振幅分布”や“異なる光放出方向”に該当させても良い。

【0239】

さらに図９の“合成／混合前の光路状態”の欄の中の“詳細内容”の欄内に記載された全ての項目の少なくともいずれか（例えば図１１Ｃの実施形態例が含まれる波面分割に限らず、振幅分割や異なる光放出方向）に関して本実施形態では、互いに異なる光路を通過する光間の光路長の差δは、（Ｂ・６）式（または（Ｂ・１２）式）で与えられる可干渉距離ｌ_ＣＬよりも大きくなるように光学配置される事が望ましい。図９（ｃ）の実施形態例では、異なる領域間の厚みの差の最小値がｔとなっている。従って上記の理由から（Ｂ・１３）式を考慮して、
（ｎ－１）ｔ ＞ ｌ_ＣＬ ＝ λ_０ ^２／ Δλ …(B・29)
の条件を満足するように光学配置を設定しても良い。例えば屈折素子の屈折率が１．５の場合、２．７節後半のマージンを見越した計算例からｔの値を２ｍｍ以上に設定しても良い。一方で使用波長の上限値を１．８９μｍより小さくすると共に光学系全体の小形化を目指してｔの値を１ｍｍ以上に設定しても良い。さらにΔλの値が５ｎｍより大きな検出部４、６（または光検出器）を使用した場合には、ｔの値を０．５ｍｍ以上、望ましくは０．３ｍｍ以上に設定しても良い。

【0240】

この内容に付いても別の表現方法をすると、下記のようにも説明できる。すなわち厚みの異なる屈折素子（平行平板に限らず、プリズムやレンズも含む）を組み合わせで複数の光路に分割させる光学特性変更部材において、各光路での屈折素子の厚みをｍｔ（ｍは整数）とした時、ｔは（Ｂ・２９）式の条件を満足する。なおこの光学特性変更部材としての特性も図１２Ｃの構造に限らず、図１３Ａ～図１３Ｃの構造でも当てはまる。さらに上記の特性は図９の“合成／混合前の光路状態”欄内の“波面分布”だけで無く、“振幅分布”や“異なる光放出方向”に該当させても良い。

【0241】

さらに本実施形態の応用例として上記の両方を組み合わせると、光学特性変更部材の特性を次のように表現できる。すなわちＮ個の光路に分割可能な光学特性変更部材において、各光路での屈折素子の厚みをｍｔ（または各光路通過時に発生する光路長がをｍδ）（ｍは整数）とすると、Ｎ個全ての光路で異なるｍの値を取り、かつ（Ｂ・２９）式（またはδ＞ｌ_ＣＬ）を満足する。

【0242】

図１１Ｃに示す光学特性変更部材では、Ｙ軸方向に沿った３分割と、Ｘ軸方向に沿った３分割を組み合わせて（接着して）９領域に分割している。このような分割方法を本実施形態の説明文中では“ＸＹ分割”と呼ぶ。このＸＹ分割は図１１Ｃに限らず、１軸方向での分割数は２以上（例えばＹ軸方向で２分割×Ｘ軸方向で２分割の計４分割）なら任意の分割数を選択しても良い。

【0243】

また図１１ＣではＸ軸とＹ軸が互いに直交しているがそれに限らず、例えばＸ軸とＹ軸が斜交（Ｘ軸とＹ軸が９０度以外の角度で交わる）しても良い。さらに他の波面分割方法として、１軸（Ｘ軸）方向に沿ってのみ分割する“Ｘ軸分割”を行っても良い。また他の例として光学特性変更部材をＸ軸分割する部分とＹ軸分割する部分に分離し、光路上の異なる位置に分散配置させても良い。

【0244】

他の波面分割方法である“角度分割”方法に付いて、図１３Ａ～図１３Ｂを用いて説明する。この方法では、（円形な）透過光断面９２に対し、円の中心を基準とした光路間の分割境界線９７を角度方向に分割する。光路途中で角度分割を行っても、結像部でのＭＴＦ（Modulation Transfer Function）特性劣化が起きないので良好なイメージング特性が得られる効果が有る。

【0245】

例えば図１３Ａ（ａ）のように厚みＴａが例えば２ｔの透明な平行平板９４－１の切断面９５を横方向に配置する。次にその下に切断面９５を縦方向に配置した厚みＴｂが例えば３ｔの透明な平行平板９４－２（図１３Ａ（ｂ））を重ねて（接着して）図１３Ａ（ｃ）の構造をした光学特性変更部材を構成する。そして切断面９５と平行になるように光透過方向９６を設定する。その結果として切断面の境界部９７が互いに直交する４象限に、透過光断面９２が角度分割される。

【0246】

図１３Ａ（ｃ）の光学特性変更部材では、光透過方向９６から見た各光路が通過する場所（各領域）の厚みは、第１象限から順にＴａ（例えば２ｔ）、Ｔａ＋Ｔｂ（例えば５ｔ）、Ｔｂ（例えば３ｔ）、厚み“０”となる。このように厚みｍｔにおいて、各光路が通過する場所（各領域）毎にｍの値が異なり（第１象限から順にｍの値が２、５、３、０）、ｔとして（Ｂ・２９）式を満足する（例えば０．３ｍｍ以上）。

【0247】

図１３Ａ（ｃ）では、透明な半円平行平板９４－１と２を接着して一体化された光学特性変更部材となっている。しかしそれに限らず、光路途中に複数個を分散配置されても良い。この場合には互いに分割された領域間が重ならないように、所定の角度ずつ（例えば２個分散配置される場合には４５度ずつ）傾けて配置しても良い。

【0248】

図１３Ａ（ｃ）の応用例を図１３Ｂに示す。図１３Ａ（ｃ）の構造を有する光学特性変更部材２組を互いに４５度ずらして重ねた構造が図１３Ｂ（ａ）の右側に示す。この光学特性変更部材の厚みは、光路（分割領域）毎に１０ｔ、７ｔ、４ｔ、２ｔ、０、３ｔ、６ｔ、８ｔとなる。

【0249】

図１３Ａ（ｃ）の構造を有する光学特性変更部材２組を重ねる（接着する）時のずらし
角度を４５度では無く、３０度にした例を図１３Ｂ（ｂ）の左端に示す。一方で厚み１ｔの透明な半円平行平板９４－５と厚み３ｔの透明な半円平行平板９４－６を９０度ずらして重ね（接着し）（図１３Ｂ（ｂ）の中央の図）、その上に左端の組を重ねて（接着して）形成した光学特性変更部材を図１３Ｂ（ｂ）の右端に示す。この構造では透過光断面９２を１２等分に領域分割されている（分割された光路数Ｎ＝１２）。

【0250】

図１３Ｂの右端図では、透明な半円平行平板９４－１と２を接着して一体化された光学特性変更部材となっている。しかしそれに限らず、光路途中に複数個を分散配置しても良い。この場合には互いに分割された領域間が重ならないように、所定の角度ずつ（例えば図１３Ｂ右端の素子を２個分散配置される場合には２２．５度ずつ）傾けて配置しても良い。

【0251】

円形に透過光断面９２に対して半径方向に領域分割（光路分割）する方法を本実施形態例では“半径分割”と呼ぶ。この半径分割で透過光断面９２を波面分割する例と、角度分割との組み合わせ例を図１３Ｃに示す。

【0252】

厚みが９ｔの透明な円柱形平行平板１１６－１と１１６－２を２枚重ね、図１８Ｂ（ａ）右端構造の上に重ねて（接着して）構成した光学特性変更部材を図１３Ｃの右側に示す。

【0253】

図１３Ｃ右側の構造では、透過光断面９２が２４（３×８）分割され、同時に異なる２４個の光路（光路数Ｎ＝２４）が形成される。また光路（分割領域）毎の厚みをｍｔとすると、ｍの値として１、５、１４、２３、２７を除いた０から２８までに含まれる全ての正の整数値が、各光路（分割領域）に割り振られている。

【0254】

図１３Ｃの右図では、一体化された光学特性変更部材内で同時に角度分割と半径分割が行われている。しかしそれに限らず、同一機能を発揮する光学特性変更部材を光路途中に複数個分散配置しても良い。その一例として光学特性変更部材内で角度分割する一部と半径分割する一部を互いに分離し、光路上に分散配置しても良い。

【0255】

図１２Ｃから図１３Ｃまでに示した実施形態例では、Ｘ／Ｙ方向や角度方向、半径方向に等分割されている。しかしそれに限らず本実施形態では分割光路毎（分割領域毎）に非等分割されても良い。また光学特性変更部材で生成される光路数Ｎ（または分割数）は、２以上の任意の値に設定しても良い。さらに本実施形態では、他の任意の方法で透過光断面９２を波面分割しても良い。

【0256】

３．１節で概略説明し３．５節で数式を使って詳細に説明するように、光学特性変更部材で生成される光路数Ｎ（または分割数）は大きい方が光学雑音低減効果は上がる。そして透過光に対する屈折素子の厚みや反射光に対する段差量を変化させる波面分割方法では図１３Ｃ右図の２４分割（Ｎ＝２４）の例でも分かるように、光学特性変更部材で生成される光路数Ｎ（または分割領域数）が多くなるように任意に設定できる。さらにＮ分割された各光路を通過する光量を全てほぼ等しいような光学配置が容易となる。

【0257】

それに比べると図９に示した振幅分割では、同一強度を確保しながら多くの光路に分割するのが難しい。仮に振幅分割可能な複数の振幅分割平面を形成しても、最大強度に近い分割光は２光路だけに止まる。そして他に分割された光路の強度は大幅に減少する傾向がある。

【0258】

波面分割機能を持った光学特性変更部材として、光入射面と光出射面間で傾斜を持ったプリズムを使用しても良いし、一方の面が非平面にしても良い。しかしこの場合、透過後の光路毎に光軸ずれが生じ易い。

【0259】

これに比べて図１２Ｂ～図１３Ｃに示すように光学特性変更部材の構成素子として透明な平行平板を用い、その平面に垂直方向に光透過方向９６を設定すると、“透過後の光軸ずれ”が無く、“透過後（出射後）の全ての光路間が平行に保たれる”効果が有る。それにより異なる光路間の合成（混合）操作が容易になる。さらに例えば図７のように合成（混合）操作後に対物レンズ２５や検出レンズ２８－１、２を配置しても集光点近傍での位置ずれが生じ辛いため、鮮明なイメージ像や精度の高い検出信号が得られる。

【0260】

照射光（第１の光）１２や検出光（第２の光）１６の光学特性変更に波面分割機能を用いる場合、変更後の光学特性が互いに異なる境界線（波面分割境界線）が光進行方向に直交する断面内に現れる。この波面分割境界線の具体例として、図１２Ｂや図１３Ａに示した切断面の境界線９７が対応する。

【0261】

ところで例えばタングステン・フィラメント５０などを用いた発光源７０（図１１や図１４Ａ、Ｂ）では、発光時に発熱が起きる。そしてこの発光源７０の冷却用に、機械式ファンを使用する場合が多い。この機械式ファンが回転すると微小な機械的振動が発生し、この機械的振動が“波面分割機能を有する光学特性変更部材”に伝搬する場合が有る。するとその影響で、上記波面分割境界線が微小に機械振動する事が有る。

【0262】

３．１節の最後で行った光学特性変更部材（あるいはその基材）に使用する材料の説明内で、近赤外領域に大きな吸収帯を持つ材料の存在を説明した。従って近赤外領域に大きな吸収帯を持つ材料を使用して“波面分割機能を有する光学特性変更部材”を作成した場合、検出部４、６（図１Ａ、Ｂ、Ｃ）から得られる上記吸収帯内波長光の検出信号内にノイズ成分が混入し得る。このノイズ成分は、上記波面分割境界線の機械振動に同期して発生する。このノイズ成分を除去するため、３．１節最後の記載内容と同様に“波面分割機能を有する光学特性変更部材”の材料選定を配慮すると良い。

【0263】

すなわち“波面分割機能を有する光学特性変更部材（あるいはその基材）”の材料には有機材料を使わず、無機材料を使用するのが望ましい。その無機材料例として、光学ガラスやＣａＦ_２、ＭｇＦ_２、あるいはＬｉＦやＫＢｒなどが上げられる。

【0264】

とくに“波面分割機能を有する光学特性変更部材（あるいはその基材）”の材料内に含まれるヒドロキシル基の混入量は“１００ｐｐｍ以下”（望ましくは“１ｐｐｍ以下”）の条件を満たす低ＯＨ材料が適している。具体例としては、『ヒドロキシル基混入が少なく製造管理された硝子材料』や『無水石英硝子』、『無水石英』などが上げられる。

【0265】

このように“波面分割機能を有する光学特性変更部材（あるいはその基材）”の材料選択を配慮すると、機械的振動の混入の影響が少ない高精度な分光特性が得られる効果が生まれる。

【0266】

３．４節 分割波面間の合成（混合）
３．３節で説明した光学特性変更部材を使用した後の光の合成／混合方法を本３．４節で説明する。図１０を用いて３．１節で説明したように、光学特性変更部材を用いて複数光路に分割した後に、異なる光路を通過した光の合成または混合を行う。ここで説明する合成／混合前の光路状態は波面分割のみに限らず、図９の“合成／混合前の光路状態”欄内の任意の状態（項目）を適合させても良い。また各項目の組み合わせ状態でも良く、図１４Ａと図１４Ｂでは“異なる光放出方向”と“波面分割”の組み合わせ例を示している。

【0267】

すなわち図１４Ａと図１４Ｂの実施形態例では、発光源７０（タングステンフィラメント５０）から直接コリメートレンズ２６に向かう放出方向と背面鏡８２へ向かう放出方向の異なる光放出方向の状態（項目）を利用している。またそれと同時に、厚みＴｂの透明な平行平板９４－１と厚みＴａの透明な平行平板９４－２を組み合わせて波面分割する光学特性変更部材を光路途中に配置している。

【0268】

また図９の“合成／混合場所”欄内に該当する項目として本３．４節の前半では、“（照射光１２や検出光１６の）光路途中”に対応した内容を説明する。そして本３．４節の後半では、“検出器８０内の検出面８６”と“ピンホールまたはスリット１３０”に対応した内容を説明する。そして始めに、“（照射光１２や検出光１６の）光路途中”に対応した内容から説明を始める。

【0269】

図８Ａ（ａ）の光合成（混合）部に相当する光学系は図１４Ａでは、集光レンズ９８と光ファイバ１００を組み合わせから構成されている。この波面分割機能を有する光学特性変更部材を通過後の全光路通過光は全て平行状態となっている。この光を集光レンズ９８で集光させると、全ての光の等位相面が集光面上で光軸に対して垂直な平面となっている。そしてこの状態は３．１節の前半で説明した『異なる光路を通過した光の進行方向が一致』した状態となっている。

【0270】

そしてこの集光面が、３．１節の前半で説明した『光軸方向で局所的な領域内に存在する所定箇所』に対応する。そしてこの所定箇所に光ファイバ１００の入射面を一致させる。そしてこの光ファイバ１００内を通過する過程で、光学特性変更部材で波面分割された各光路を通過した光が混ざり合う。その結果として、光ファイバ１００の出射面（合成光の出口１０８）から合成光（混合光）７８が放出される。

【0271】

図１４Ａ内の背面鏡８２から光ファイバ１００の左側入り口までを、図１Ａ～図１Ｃあるいは図７、図８Ａ、図１０（ｂ）の光源部２の内部に収納させても良い。そして光ファイバ１００右側の合成光の出口１０８を、対象体１０の近くに配置しても良い。

【0272】

光ファイバ１００は非常に高い柔軟性を持ち、光ファイバ１００の長さを任意の長さ（例えば５０ｍ以下）に設定できる。それにより発光源７０（タングステン・フィラメント５０）近傍で発生する熱や振動の影響から対象体１０を遮断できる（isolate）効果がある。

【0273】

図９の“光合成／混合方法”欄内に、表面に微細な凹凸構造を有して透過光や反射光の位相を局所的に変化させる“光位相変換素子”（ランダムフェーズシフターやデフューザ、砂摺り面などを含む）が記載されている。この方法を用いた具体的な実施形態例を図１４Ｂに示す。

【0274】

図１４Ａと同様に異なる光路として、異なる光放出方向（前方と後方）の光を利用している。また透明な半円平行平板９４－１、２を組み合わせた光学特性変更部材としては図１２Ｃから図１３Ｃに示した構造に限らず、波面分割を可能とする任意な構造でも良い。

【0275】

図９の“光合成／混合方法”欄内に記載された“光位相変換素子”には、片面がランダムな微細凹凸構造を有する透明平板（光合成部１０２－２）１０４が相当する。そしていずれの光路を経た光もこの微細凹凸面で同時に拡散されて、広い範囲の方向へ進む。この特徴から、この微細凹凸面上のあらゆる位置から拡散した光の一部は、一致した特定の方向にも進む。ところで３．３節で説明したように“波面分割”では、透過光断面９２（図１２Ｂまたは図１３Ａ）上の異なる位置で通過する（または反射する）光の光路は互いに異なる。従って“光位相変換素子”通過後（または反射後）に特定進行方向で抽出された光は、『異なる光路を通過した光の進行方向が一致した状態』（３．１節前半の説明内容と一致）となる。

【0276】

“光位相変換素子”通過後（または反射後）の特定方向に進行する光を抽出する具体的方法として、例えば図１４Ｅのように検出レンズ２８－２の集光面上でピンホールまたはスリット１３０を通過した光のみ抽出しても良い。あるいは図１４Ｄのように検出レンズ２８－２の集光面上にモニタカメラ２４の撮像面（検出面）８６を配置し、その中の特定画素のみに照射される光を検出しても良い。

【0277】

上記のように“光位相変換素子”通過後（または反射後）の特定方向への進行光を敢えて抽出しなくても、片面がランダムな微細凹凸構造を有する透明平板（光合成部１０２－２）１０４から所定距離以上離れた通過光の波面１０６内では光の混合（または合成）が生じる。このように光の回折現象を利用して光の混合（または合成）を行っても良い。

【0278】

このように“光位相変換素子”を用いて光を混合（または合成）すると、ある程度以上離れた所では光の進行方向に依らずに混合（または合成）が起きる。従って合成光（混合光）７８の生成に高精度な光学配置や光軸合わせ（alignment）が不要なため、多量に安価な測定装置を作り易い効果が有る。

【0279】

さらに図１４Ｂのように（透明な半円平行平板９４－１、２から構成される）光学特性変更部材の一部（光出口）に光位相変換素子を直接接着して、光学特性変更部材と光位相変換素子を一体化しても良い。それにより一体の光学素子で光路分離（分割）機能と光合成／混合機能の両方が備わるため、既存の測定装置（や顕微装置）からの改造が容易となる。

【0280】

なお図１４Ｂでは光位相変換素子（片面がランダムな微細凹凸構造を有する透明平板（光合成部１０２－２）１０４）あるいは光学特性変更部材との一体化素子は光源部２内に配置されている。しかしそれに限らず検出部６内に配置されても良いし、図７のように光源部２と検出部６の両方に兼用して配置されても良い。（この場合には光位相変換素子あるいは光学特性変更部材との一体化素子が、光学雑音低減化素子または部分的可干渉性低減化素子６４に相当する。）
図９の“光合成／混合方法”欄内の“回折関連素子”を用いた方法の例を、図１４Ｃに示す。図１４Ｃでは回折関連素子としてブレーズ形回折格子１２４を使用しているがそれに限らず、回折を利用して光を合成（混合）する機能を有したあらゆる光学素子を使用しても良い。一般に回折関連素子は、透過光または反射光の分割に使用される場合が多い。しかし光が分割される光路を逆から見ると、光が合成（または混合）される形態を取る。この特徴を利用して、合成光（混合光）７８の生成を行う。

【0281】

透明な平行平板１１４－１と２を組み合わせて波面分割を利用した光学特性変更部材を構成する。そしてこの光学特性変更部材の少なくとも一部の出口に、フレネルプリズム（ブレーズ形ホログラム）１２２などの光進行方向変更用光学素子を配置する。なおこの光進行方向変更用光学素子と光学特性変更部材を接着して一体化しても良い。

【0282】

そして進行方向が変更された通過光１１０－１はブレーズ形回折格子１２４のところで、透明な平行平板１１４－１のみを通過した通過光１１０－２と合成される。従ってフレネルプリズム（ブレーズ形ホログラム）１２２とブレーズ形回折格子１２４の組み合わせ部が光合成（混合）部１０２－３となり、図８Ａ（ａ）または図８Ｂ（ａ）の光合成（混合）部１０２に相当する。

【0283】

なお図１４Ｃの本実施形態例では、透過光１１０－１、２を使用している。しかしそれに限らず、反射光を利用して合成光（混合光）７８を生成しても良い。

【0284】

図９“合成／混合場所”欄内の“検出器８０内の検出面８６”に対応した実施形態例を、図１４Ｄに示す。この実施形態例を利用すると、微小な光散乱体６６の拡大像を鮮明にイメージングできる。

【0285】

対物レンズ２５と検出レンズ２８－２の組み合わせで、モニタカメラ２４内の撮像面（検出面）８６は微小な光散乱体６６に対する結像面となる。この結像光学系（または共焦光学系（Confocal Optical System））の一部を光の合成／混合に利用する。結像光学系（または共焦光学系）では、１点から出発した光は光路に依らず結像面上で１点に集光する。そしてこの結像面上の集光点位置では、全ての光路を通過した光が合成／混合される。

【0286】

従って互いに光路長が異なる複数光路に分割（分離）する光学特性変更部材を結像光学系の光路途中に配置すると、図８Ｂ（ｂ）および図１０（ｃ）に示す光学配置が構成される。また別の見方として、図１４Ｄの検出レンズ２８－２とモニタカメラ２４内の撮像面（検出面）８６を組み合わせた光合成（混合）部１０２－４を、図８Ｂ（ａ）の光合成（混合）部１０２に対応させても良い。

【0287】

図１４Ｅに示す分光器２２は、入り口に配置されたピンホールまたはスリット１３０の通過光のみの分光特性を測定する構造となっている。すなわちピンホールまたはスリット１３０の通過光をコンデンサレンズ１３４－１で平行光に戻し、ブレーズ形回折格子１２６での回折を使用して波長分離する。そして分離された各波長光は、コンデンサレンズ１３４－２によって１次元ラインセンサ１３２上にそれぞれ集光される。この１次元ラインセンサ１３２上に照射される光量分布を検出して、分光特性が測定される。

【0288】

そして図１４Ｅに示す他の応用実施形態例でも結像光学系（または共焦光学系）を用いて、光路長の異なる複数光路を通過した光を合成（混合）する。この場合には微小な光散乱体６６内の対物レンズ２５の光軸上から得られた光のみが、結像位置（または共焦点位置（Confocal Position））に配置されたピンホールまたはスリット１３０を通過する。

【0289】

微小な光散乱体６６内の局所領域のみの分光特性を測定するための工夫として、その局所領域の結像位置（または共焦点位置）に分光器２２の入り口のピンホールまたはスリット１３０の位置に一致させている。しかしそれに限らず、単独に存在するピンホールまたはスリット１３０を光路途中の所定位置（微小な光散乱体６６内局所領域に対応した結像位置（または共焦点位置））に配置しても良い。

【0290】

結像光学系内の発散光路途中または集束光路途中に平行平板９４－１、２を配置すると、２．５節内の（Ｂ・２８）式が示すように不必要な光干渉が発生する。それだけでなく第６章で後述するように、球面収差の影響で結像イメージが悪化する。従って図１４Ｄや図１４Ｅの本実施形態例では、透明な半円平行平板９４－１、２などで構成される光学特性変更部材を平行状態にある光路途中に配置している。この具体的な実施形態例として図２２が示すように、コリメートレンズ２６と集光レンズ９８の間で照射光１２を平行状態にする。そしてこの平行状態にある光路途中に、光学特性変更部材である透明な半円平行平板９４－１、２を配置している。しかし上記の例に限らず平行状態にある光路（平行光束）途中に、図９の“光合成／混合方法”欄に記載されたあらゆる形態の光学特性変更部材を配置しても良い。その結果として、不必要な光干渉を除去して光学雑音を除去し、結像イメージの鮮明化が可能となる効果が生まれる。

【0291】

なお平行な光路途中に配置する光学特性変更部材は図１４Ｄや図１４Ｅに限らず、図９内の“波面分割”もしくは“振幅分割”の機能を有するあらゆる部材を利用しても良い。

【0292】

３．４節内の今までは、主に“波面分割”で分割された複数光路を通過した光を混合あるいは合成させる方法を中心に説明した。しかし図９の“詳細内容”欄に記載されているように、“振幅分割”で分割された複数光路を通過した光を混合あるいは合成させても良い。

【0293】

“振幅分割”で分割された複数光路を通過した光を混合させる場合に本実施形態例では、混合光内の（電場の）振動面の方向を一致させても良い。例えば“振幅分割”で分割された２光路内を通過する光間で（電場の）振動面が互いに傾いた（完全に一致しない）場合、混合処理（または合成処理）の段階で両者の振動面の方向を一致させても良い。この具体的方法の一例として、図３３に示す検光子４９６や偏光ビームスプリッタ４９２を用いて所定の振動面を有する光成分のみを抽出し（透過させ）ても良い。

【0294】

上記の検光子４９６や偏光ビームスプリッタ４９２を用いて混合光内の振動面方向を逸しさせると、混合光は直線偏光（Linearly Polarized Light）となる。しかしそれに限らず本実施形態例では混合光内の偏光特性が一致していれば良く、円偏光（Circularly Polarized Light）や楕円偏光（Elliptically Polarized Light）でも良い。また上記の操作は“振幅分割”で分割された複数光路を通過した光を混合あるいは合成させる場合に限らず、図９の“詳細内容”欄に記載されるあらゆる方法に対しても適用しても良い。

【0295】

上記の混合光を用いて検出部６（図１Ａ～図１Ｃ）内で信号検出／測定（分光特性検出も含む）やイメージングあるいは波面収差特性検出／測定を行う場合、例えば図３３のような“偏光面操作”（特定な電場の振動面に関する光学的操作）を行う場合が有る。もし混合光内での偏光特性が（混合前の異なる光路間で）異なる場合、検出部６内部での“偏光面操作”で部分的可干渉性が向上して光学雑音が増加する恐れが有る。従って混合光内の偏光特性（あるいは振動面方向など）が一致すると、検出部６内部での“偏光面操作”を行っても光学雑音増加が抑えられて安定な信号検出／測定（分光特性検出も含む）やイメージングあるいは波面収差特性検出／測定が行える効果が生じる。

【0296】

３．５節 部分的非可干渉光使用時の光強度数式表現（光雑音低減効果）
(Section 3.5) Light Intensity Formula of Partially Incoherent Light indicating
Optical Noise Reduction Effect)
３．１節では定性的に、本実施形態の方法で光学雑音が低減する状況を説明した。本３．５節では数式を用いて定量的に実施効果を説明する。

【0297】

図１３Ａ～図１３Ｂの例で示した角度分割によって透過光断面９２を均等にＮ分割（Ｎ領域に等分割）する場合を考える。２．５節内で既に説明したように、例えば図６のタングステン・ハロゲンランプの管球（石英ガラス）６７の厚みＴの均一性は低い。そのためＮ分割された領域毎の平均厚みをＴｍとすると、異なる領域ｍ毎に平均厚みＴｍは異なる値を示す。

【0298】

図１３Ａ～図１３Ｂの光学特性変更部材の働きにより、異なる光路を通過した光間は互いに部分的非可干渉性を示す。その結果としてそれらを混合する場所では、（Ｂ・１９）式で表記される振幅特性上の合成（合算）は生じない。その代わりに混合場所では、異なる光路の通過光強度（光量）が単純に加算される。

【0299】

上記状況から、部分的非可干渉光を混合した後の光強度特性は（Ｂ・２８）式に対して

【0300】

【数8】

【0301】

と変形される。

【0302】

（Ｂ・３０）式右辺の第２項は光干渉に拠って生じる光学雑音量を示す。この第２項の分子において異なる光路毎に異なる平均厚みＴｍを持つため、測定波長λに応じた変化の周期が異なる。この異なる周期を持った余弦波間で平均化されて、右辺第２項の変動振幅最大値が減少すると考えられる。

【0303】

部分的可干渉光の検出強度分布を示す（Ｂ・２８）式と部分的非可干渉光の検出強度分布を示す（Ｂ・３０）式を比べると、本実施形態の方法を採用する事で光学雑音量が大幅に低減すると分かる。ここでは図１３Ａ～図１３Ｂの角度分割を例に取って説明したがそれに限らず、図９の全ての“合成／混合前の光路状態”に関して上記と類似した結果が得られる。

【0304】

２．６節内の最後で説明したように光源内部の管球などの影響で、パンクロマティック（非モノクロマティック）な光源から得られた照射光１２（あるいは検出光１６）内の多くには平均０．１～１．０％程度の光学雑音成分が含まれる。本実施形態例では（Ｂ・３０）式の効果により、光学雑音成分量は平均０．５％以下（あるいは平均０．１％以下、望ましくは平均０．０５％以下または平均０．０２％以下）に減少する。ここで光学雑音成分量とは、直流成分（（Ｂ・３０）式右辺第１項の係数）を“１”とした時の光学雑音成分（（Ｂ・３０）式右辺第２項の平均振幅値）の比率と定義する。なお第５章などで引用する図２３Ａ（ｃ）の実験データは、光学雑音成分が大幅に低減する（上記数値を満足する）事を示している。

【0305】

異なる光路毎の平均厚みＴｍが全て一致する場合には（Ｂ・３０）式は（Ｂ・２８）式と完全に一致するため、測定波長λの変化に応じた周期的な光量変動（光学雑音）の低減効果は現れない。ところで（Ｂ・３０）式は、異なる光路を経た光間では部分的可干渉性が減少して部分的非可干渉性が増加する状態を表している。しかし光学雑音を低下させる本実施形態の方法は絶対的に万能な方法ではなく、光学系内で強い光干渉が発生する（例えば全てのＴｍが一致するなど）状況では光学雑音の低減効果は薄れる。

【0306】

また異なる光路毎の平均厚みＴｍが全て一致しない場合でも、分割された光路数Ｎの値が小さいと（Ｂ・３０）式右辺の第２項にビート（beat）が発生する。説明の簡素化のため、Ｎ＝２の場合で説明する。Ｔ_１≠Ｔ_２の状況でも、（Ｂ・３０）式右辺の第２項の値が１／２となる波長λと－１／２となる波長λの値が存在する。両者間の間隔（波長差）は（Ｂ・２８）式の周期より遙かに広いので、検出／測定波長範囲をそれよりも狭い範囲に設定すれば光学雑音の低減効果は現れる。しかし上記のビートが発生し辛い光学系の構成が好まれる。

【0307】

そのため本実施形態では、分割された光路数Ｎの値は“３以上”、さらに４以上や８以上、９以上が望ましい。この分割された光路数Ｎの値を増加させるために本実施形態例では、図９の“詳細内容”欄に記載された複数項目を組み合わせて使用しても良い。

【0308】

３．６節 光学特性変更部材構造上の工夫
３．３節で説明した波面分割機能を有する光学特性変更部材使用時の留意点と技術的工夫内容を本３．６節で説明する。例として厚みＴの透明な半円平行平板９４－１と厚み２Ｔの透明な半円平行平板９４－２を組み合わせて（接着して）光学特性変更部材を構成する。

【0309】

図１５（ａ）のように接着層１１２と透明な半円平行平板９４－１または２との界面で光反射が起きると、その反射光と直進光との間で光干渉が発生して光学雑音が増加する。また図１５（ａ）のように透明な半円平行平板９４－１または２と空気中との界面で光反射が生じ、不必要な光干渉が発生する危険性も有る。

【0310】

さらに図１５（ｃ）のように透明な半円平行平板９４－２の切断面９５が透過光１１０－２の光軸に対して傾いた場合や、切断面の境界線９７が広がる場合には、その部分が影となって不必要な透過光量のロスが発生する。またさらに透明な半円平行平板９４－２の平行面間の平行度が低下すると、透明な半円平行平板９４－２通過後の透過光１１０－１の進行角ζ（透過光１１０－２の進行方向との間のなす角）が大きくなり、混合後で進行方向が互いに不一致になり易い（３．１節前半の説明内容参照）。

【0311】

透明な平行平板１１４－１、２と接着層１１２との間の界面での光反射を防止するため、図１６Ａ（ａ）のように両者の界面を透過光１１０－１、２の光軸に略平行に配置しても良い。また他の方法として本実施形態例では、接着層１１２の屈折率を接着相手の材質（すなわち透明な平行平板１１４－１、２を構成するガラス材質）の屈折率に合わせても良い。

【0312】

また図１５（ｂ）の透明な半円平行平板９４－１、２表裏面での光反射（とそれによって発生する光干渉）を防止するため、透明な半円平行平板９４－１、２表裏に反射防止コート層１１８－１～３を設けても良い。すなわち図９の“詳細内容”の“波面分割”に限らず全ての項目においても、光学特性変更部材と空気（真空）との界面に反射防止コート層１１８－１～３を形成して光反射を防止させる。その結果として不必要な光干渉を防ぎ、光学雑音の増加を防止できる効果が有る。

【0313】

図１５（ｃ）を用いて説明した切断面の境界線９７や切断面９５による透過光の光量ロスを防止するため、光学特性変更部材の製造精度を高める。すなわち光学特性変更部材内の切断面の境界線９７の幅を１ｍｍ以下（０．５ｍｍ以下または０．２ｍｍ以下が望ましい）に設定する。また光学特性変更部材の最大厚みをＴとし、透過光１１０－２の光軸に対する切断面９５の傾き角をηとした時、Ｔｔａｎηの値が１ｍｍ以下（望ましくは０．５ｍｍ以下または０．２ｍｍ以下）となるように製造精度を規定する。

【0314】

３．１節の冒頭で、『複数光路の通過光は所定箇所で合成または混合される』と説明した。それが実施可能なように、光学特性変更部材の製造精度（例えば光学特性変更部材内の平行精度など）の許容範囲を規定する。

【0315】

例えば図１４Ｅの実施例では、ピンホールまたはスリット１３０部で合成または混合される。従って透明な半円平行平板９４－１のみの通過光と透明な半円平行平板９４－２も通過した光が同時にピンホールまたはスリット１３０内を通過する必要が有る。

【0316】

屈折率ｎの透明な半円平行平板９４－２を構成する両平面間の傾き角をθとする。そして透明な平行平板通過後の光の進行方向傾き角をζとすると、近似的に
ζ ≒（ ｎ － １）θ …(B・31)
の関係が成り立つ。そして検出レンズ２８－２の焦点距離を“Ｆ”と置く。そしてピンホール半径／スリット幅Ｗの１／２の値を“ａ”とする。透明な半円平行平板９４－１のみを通過してピンホールまたはスリット１３０表面に集光する位置を基準とし、ピンホールまたはスリット１３０表面上での透明な半円平行平板９４－２も通過した光が集光する位置のずれ量をＤとすると、Ｄ≒Ｆζと近似できる。そしてこの光がピンホールまたはスリット１３０内を通過できる条件はＤ＜ａとなるので、以上を纏めると

【0317】

【数9】

【0318】

の関係が成立する。従って上記の条件を満足するように、光学特性変更部材の製造精度（例えば光学特性変更部材内の平行精度）を規定する。

【0319】

３．７節 波面分割を利用した従来技術との比較
[先行技術文献]の中で明示した[特許文献１]内に記載された従来技術と、本実施形態との違いをここで説明する。

【0320】

[特許文献１]では図１７に示すように光ファイバ１００－１と光ファイバ１００－２で光路長を変え、コリメートレンズ１３６で混合している。しかしこの先行技術では、混合後の光の進行方向が一致しない。すなわちコリメートレンズ１３６の前側焦点面に光ファイバ１００－１、２の出口が配置されているため、コリメートレンズ１３６で平行になった光の進行方向がα、βと互いに異なる。その結果コリメートレンズ１３６通過後の光進行方向αとβとでは等位相面（波面）が互いに傾き、精度の高い光合成または光混合が行えない。そのため部分的可干渉性の低減効果が不充分となる。

【0321】

さらに図８Ａまたは図１０（ｂ）が示すように本実施形態では、合成光（混合光）７８の光進行方向を（合成／混合前の光路に拠らず）全て一致させた後に対象体１０に照射している。それに拠って図１Ｃや図７のように集束光を対象体１０に照射した場合には、全ての光が対象体内の特定領域α内に効率良く照射できる。すると例えば図１４Ｄや図１４Ｅのように微小な光散乱体６６内の局所的な特定領域に対する測定や観測に関しては特に、高い信号検出精度やイメージングの高精度、分光特性測定精度が確保できる効果が有る。

【0322】

３．８節 光導波路機能を有する光学特性変更部材
図９の“光合成／混合方法”欄内で使用する光学素子として記載されている“導波素子（光ファイバ／光導波路）”を使用した本実施形態例を説明する。本実施形態例では導波素子の長さを所定距離よりも長くする事で導波素子内を通過する光の光路毎に光路長を変えて部分的可干渉性を低下させる。なお導波素子内を通過する光の光路毎の光路長は、（Ｂ・６）式または（Ｂ・１２）式で与えられる可干渉距離より長くしても良い。すなわち上記の所定距離は可干渉距離に相当しても良い。

【0323】

光ファイバ１００－２の入り口から内部に入れる最大入射角εの範囲を、ＮＡ（厳密には真空中（空気中）ではＮＡ＝ｓｉｎεで表される）で規定する。εの値が充分小さい時には、ＮＡ≒εとなる。またこの時の光ファイバ１００－２のコア領域１４２内の入射角をξで表す。光ファイバ１００－２のコア領域１４２内の屈折率をｎで表すと、スネルの法則からε≒ｎ×ξの近似が成り立つ。

【0324】

光ファイバ１００－２のコア領域１４２内の中心部を直進する光路を通過する光と、コア領域１４２とクラッド層１４４の界面近傍も通過する光路を通る光との間で発生する光路差δの値を概算する。

【0325】

コア領域１４２とクラッド層１４４の界面近傍も通過する光路は図１８（ａ）に示すように、曲線を描く。計算の簡素化のため、この曲線を直線近似する。すなわちコア領域１４２の光路は直進し、コア領域１４２とクラッド層１４４の界面近傍で全反射するものと見なす。

【0326】

この光路とコア領域１４２内の中心部を直進する光路との間の、光ファイバ１００－２の単位長さ当たりの光路長差δ^＊は
δ^＊≒｛ （ １ ／ ｃｏｓξ ）－１ ｝ｎ …(B・33)
となるので、光ファイバ１００－２の全長をＬとした時に光ファイバ１００－２通過後の光路長差の合計値δ＝Ｌδ^＊が（Ｂ・６）式または（Ｂ・１２）式で与えられる可干渉距離ｌ_ＣＬより長くなる条件は、図１８から

【0327】

【数10】

【0328】

で与えられる。この（Ｂ・３４）式を満足する長さより光ファイバ１００－２の全長Ｌを長くすれば、光ファイバ１００－２内通過光の部分的可干渉性は低下する。

【0329】

上記の（Ｂ・３４）式は光ファイバ１００－２に限定して成立する条件式では無く、あらゆる導波素子（例えば基板上に形成（集積配置）された光導波路など）にも適用される。

【0330】

３．９節 異なる領域からの放出光の合成／混合方法
図９内の“異なる発光領域”を用いた本実施形態例の説明を行う。この場合も基本的には、３．１節で説明した基本原理を踏襲している。すなわち本実施形態例では、対象体１０内の特定領域（あるいは測定点）γまでの互いの光路長の差δが（Ｂ・６）式または（Ｂ・１２）式で与えられる可干渉距離ｌ_ＣＬより長くなる複数の発光領域（例えば図２Ａのタングステン・フィラメント５０近傍のα領域とβ領域）から発生した光を混合して対象体１０に照射する。あるいは対象体１０を経た後の検出光１６（図８Ｂまたは図１０の光検出器８０で検出される光）には、前記α領域とβ領域から発生した光の合成光または混合光が含まれても良い。

【0331】

本３．９節では図８Ａで既に説明した内容を“異なる発光領域”（図９）に適用した基本的な実施形態方法を図１９Ａと図１９Ｂを用いて概説する。その後、その具体的な実施形態例について、図２０～図２１Ｃおよび図２４Ａと図２４Ｂを用いて説明する。

【0332】

なお３．９節では異なる発光領域例として、タングステン・フィラメント５０を用いた発光源７０で説明する。しかしそれに限らず、比較的広い領域から同時に発光する特性を有する全ての発光源７０を説明内容に適合させても良い。またここでは異なる発光領域を有する“同一発光源７０”の例を用いて説明している。しかしそれに限らず、異なる発光領域は異なる発光源に跨って分散配置されても良い。すなわち本実施形態例では異なる複数の発光源から放出された光を混合して照射光（第１の光）１２（図１Ａ～図１Ｃ）として使用しても良い。そしてこの場合には図１Ａ～図１Ｃの光源部２の内部に、複数の異なる発光源が内蔵されている。またこの場合にも光合成（混合）部１０２（図８Ａ（ａ））では３．１節で説明したように、異なる複数の発光領域から放出された光の進行方向（あるいは電場の振動面方向）がほぼ一致する事が望ましい。

【0333】

図１９Ａは、図８Ａ（ｂ）で既に説明した内容を“異なる発光領域”（図９）に適用した基本的な実施形態方法を示す。図１９Ａ（ａ）では発光源７０（タングステン・フィラメント５０）と対象体１０の間に光学特性変更部材の一種に相当する光路変更素子２１０が配置される。一方で図１９Ａ（ａ）ではそれが無く、発光源７０（タングステン・フィラメント５０）から放出された光が直接対象体１０に照射される。

【0334】

図１９Ａ（ａ）と（ｂ）いずれも、対象体内特定領域２００に相当するα領域が光合成／混合場所となっている。ここで発光源７０（タングステン・フィラメント５０）から放出された全ての光が対象体１０内のα領域を通過する訳では無い。発光源７０（タングステン・フィラメント５０）から放出された光の一部のみがα領域を通過するが、このα領域を通過した光のみを検出部６で選択的に抽出する。そしてこのα領域は図９の“合成／混合場所”欄内の“対象体１０内特定領域２００”あるいは“（検出面８６等への結像含む）”に対応するが、詳細は図２０を用いて後述する。

【0335】

同一発光源７０内の複数の発光領域から対象体内特定領域２００に相当するα点に至る光路長間の差δ１、δ２は、（Ｂ・６）式または（Ｂ・１２）式で与えられる可干渉距離ｌ_ＣＬより長いと、各発光領域から放出された光間の部分的可干渉性が低下する。

【0336】

図１９Ａ（ａ）での幾何学的配置の理由から、発光源７０（タングステン・フィラメント５０）と対象体１０間の距離が離れる程、それぞれの光路長差δ_１、δ_２の値は小さくなる。逆に発光源７０（タングステン・フィラメント５０）と対象体１０間の距離が縮まると、それぞれの光路長差δ_１、δ_２の値は発光源７０（タングステン・フィラメント５０）上での発光領域間の距離まで縮まる。

【0337】

従って同一発光源７０上の発光領域間の距離が（Ｂ・６）式または（Ｂ・１２）式で与えられる可干渉距離ｌ_ＣＬより長い場合には、発光源７０（タングステン・フィラメント５０）と対象体１０間の距離に依らずに常に部分的可干渉性が低下する。従って本実施形態例では、発光源７０における広域な発光領域の幅（長さ）を（Ｂ・６）式または（Ｂ・１２）式で与えられる可干渉距離ｌ_ＣＬより長く設定しても良い。

【0338】

特に発光源７０としてタングステン・フィラメント５０を用いた場合、縦方向と横方向で発光領域の幅が異なる。この場合（発光源７０の方向で広域な発光領域の幅（長さ）が異なる場合）には発光源７０内の発光領域の幅が最も広い部分での長さを、可干渉距離ｌ_ＣＬより長くしても良い。

【0339】

ところで発光源７０と対象体１０間の距離が充分短く、発光源７０内の発光領域の最も広い幅が可干渉距離ｌ_ＣＬと同じ場合には、発光源７０内両端部の発光領域から放出された光間しか部分的非可干渉性が得られない。この場合には発光源７０内中央部近傍の発光領域から放出された光間では、部分的可干渉性が保たれる。

【0340】

互いの光路長差δが可干渉距離ｌ_ＣＬより長くなる光路数Ｎの値が大きい程望ましいと、３．１節内の前半部（あるいは３．５節）で説明した。従って光学雑音低減効果の観点では、発光源７０内の発光領域の幅は一層広い方が良い。従って発光源７０と対象体１０間の距離に依らず常に光学雑音低減効果が発揮できる条件としては、発光源７０内の発光領域の幅が最も広い部分での長さがＮ×ｌ_ＣＬより広い事が望ましい。ここで前記のＮの値は、“２以上”、さらに３以上や４以上、８以上が望ましい。

【0341】

また別の言い方をすると、発光源７０内のＮ×ｌ_ＣＬより広い広域発光領域から放出された光が対象体１０に照射されるように光学系を配置しても良い。またそれのみに限らず、発光源７０内のＮ×ｌ_ＣＬより広い広域発光領域から放出された光が対象体１０を経て検出部４、６内の光検出器８０（図８Ｂまたは図１０（ｃ））に到達するように光学系を配置しても良い。

【0342】

３．１節内で光学特性変更部材が発揮し得る２種類の機能の説明を行った。図１９Ａ（ｂ）で使用する光路変更素子（光学特性変更部材）２１０は、発光源７０から放出された光の光路（主に進行方向）を変更させて“（Ａ）光路毎の光路長を変化／制御”を行う。

【0343】

すなわち発光源７０（タングステン・フィラメント５０）上の複数の異なる発光領域から放出された光に対して、光路変更素子（光学特性変更部材）２１０で進行方向（光路）を変更させる。

【0344】

上記光路変更素子（光学特性変更部材）２１０として、図９の“光合成／混合方法”欄内に記載された光位相変換素子や回折関連素子を使用しても良い。それにより上記光路変更素子（光学特性変更部材）２１０の通過光が拡散される。そしてその拡散された光の一部が、対象体内特定領域（光合成／混合場所）２００の対象体１０内α領域に到達する。

【0345】

同一発光源７０内の複数の発光領域から対象体１０内α点に至る光路長間の差δ_１、δ_２は、発光源７０と対象体１０間の距離が縮まるに従って大きくなると上述した。しかし発光源７０（タングステン・フィラメント５０）は多量の熱や振動（放熱用ファンの回転振動など）を発生するので、発光源７０と対象体１０間の距離は短く配置し辛い。その対策として光路変更素子（光学特性変更部材）２１０を発光源７０（タングステン・フィラメント５０）と対象体１０との間に配置する。そして対象体１０に近付ける事で、発光源７０内の複数の発光領域からの光路長間の差δ_１、δ_２を大きくして部分的可干渉性を減少し易くする効果が生まれる。

【0346】

実際には発光源７０内の各発光領域からは、発散光が放出されている。しかし後述するように対象体１０内の特定領域２００が光合成／混合場所に一致する光の光路として、発光源７０内の各発光領域からの概平行光が光路変更素子（光学特性変更部材）２１０に到達する場合を考える。この場合には図１９Ａ（ａ）の説明と同様に、発光源７０における広域な発光領域の幅（長さ）が可干渉距離ｌ_ＣＬより長いと合成光の部分的可干渉性が低下し易い。

【0347】

また図１９Ａ（ａ）と同様、図１９Ａ（ｂ）でも発光源７０内の発光領域の幅が最も広い部分での長さがＮ×ｌ_ＣＬより広い事が望ましい（Ｎの値は、“２以上”、３以上や８以上でも良い）。そして図１９Ａ（ｂ）の方法でも発光源７０内のＮ×ｌ_ＣＬより広い広域発光領域から放出された光が対象体１０に照射されるように光学系を配置しても良い。さらに発光源７０内のＮ×ｌ_ＣＬより広い広域発光領域から放出された光が対象体１０を経て検出部４、６内の光検出器８０（図８Ｂまたは図１０（ｃ））に到達するように光学系を配置しても良い。ここでこれらの条件は図１９Ａに限らず、図１９Ｂ（ａ）および図１９Ｂ（ｂ）でも適用されても良い。

【0348】

図１９Ａ（ａ）と（ｂ）に示す方法は、対象体１０内のα領域を通過した光のみを検出部４、６内で選択的に抽出する事で、対象体内特定領域２００を光合成／混合場所に設定した。それに比べて図１９Ｂ（ａ）と（ｂ）の方法は、光源部２内部に光合成（混合）部１０２を設置して合成光（混合光）７８を生成する。この場合は発光源７０内での複数の異なる発光領域から光合成（混合）部１０２に到達するまでの光路長間の差δ１、δ２を可干渉距離ｌ_ＣＬより長くして、互いの部分的可干渉性を減少させる。

【0349】

そして図１９Ｂは、図８Ａ（ａ）で既に説明した内容を“異なる発光領域”（図９）に適用した基本的な実施形態方法を示している。

【0350】

図１９Ｂ（ａ）では発光源７０内での複数の異なる発光領域から放出された光が直接光合成（混合）部１０２に到達する。一方で図１９Ｂ（ｂ）では図１９Ａ（ｂ）と同様な光路変換素子（光学特性変更部材）２１０を、発光源７０と光合成（混合）部１０２との間に配置する。

【0351】

図１９Ａ（ａ）と（ｂ）での対象体内特定領域２００のα領域を光合成／混合場所に設定する具体的な実施形態例を、図２０に示す。ここで図２０（ａ）は図１９Ａ（ａ）に対応し、図２０（ｂ）は図１９Ａ（ｂ）に対応する。そして図２０（ａ）と（ｂ）いずれも対象体１０内のα領域が、図９の“合成／混合場所”欄内の“対象体１０内特定領域２００”に相当する。

【0352】

検出部６内には分光器２２とモニタカメラ２４が設置されており、これらで対象体１０から得られる検出光（第２の光）１６を検出し、対象体１０の内部を測定する。ここでモニタカメラ２４内の撮像面（検出面）８６（図１４Ｄ参照）の位置と分光器２２内のピンホールまたはスリット１３０（図１４Ｅ参照）位置は、対象体１０内のα領域（α点）と結像（共焦点）の関係にある。従ってモニタカメラ２４と分光器２２は、対象体１０内のα領域（α点）から得られる信号を選択的に抽出する。このように検出面を配置する事が、図９の“合成／混合場所”欄内の“（検出面８６等への結像含む）”に対応する。

【0353】

一方では発光源７０内での複数の異なる発光領域から放出された光（図２０（ａ））または光路変換素子（光学特性変換部材）２１０通過後の光は、拡散光として広がる。そして発光源７０内での複数の異なる全ての発光領域から放出された光の一部は、対象体１０内のα領域を通過する。従って検出部６内の結像光学系を利用して、発光源７０内での複数の異なる発光領域から放出された光が実質的に対象体１０内のα領域（α点）内で合成／混合される。

【0354】

図２０では信号検出にモニタカメラ２４と分光器２２を使用している。しかしそれに限らず、本実施形態では任意の信号検出手段（広義の光検出器８０）を結像位置（共焦位置）に配置しても良い。

【0355】

図１９Ｂ（ａ）と（ｂ）に関する具体的な実施形態例を、図２１Ａに示す。ここで図２１Ａ（ａ）は図１９Ｂ（ａ）に対応し、図２１Ａ（ｂ）は図１９Ｂ（ｂ）に対応する。光検出器８０の一例として図２１Ａでは、分光器２２を使っている。しかしそれに限らず対象体１０から得られる信号を検出する手段として、任意機能を持った光検出器８０を使って良い。

【0356】

図２１Ａ（ａ）では、コリメートレンズ２６は図１９Ｂ（ａ）の光合成（混合）部１０２の機能の一部を果たす。すなわち発光源７０内の複数の発光領域（α、β、γの各領域）から放出された発散光は、コリメートレンズ２６上で部分的に合成（混合）される。

【0357】

しかしコリメートレンズ２６通過後の等位相面（波面）は、発光領域がα、β、γ毎に互いに傾いた関係に有る（光の進行方向が一致してない）。そのためこの状態では図１７と同様に、完全に合成（混合）された状態では無い。

【0358】

上記コリメートレンズ２６通過後の光は対象体１０内部で多重散乱を起こして拡散される。検出部６では検出レンズ２８とピンホールまたはスリット１３０の組み合わせで、対象体１０を経た検出光１６の中で“互いに進行方向が一致”する平行光のみを抽出して検出する。従って図２１Ａ（ａ）に示す実施形態例では、コリメートレンズ２６と対象体１０（内部での多重散乱）の組み合わせ（厳密には検出部６を含めた組み合わせ）で、光合成（混合）部１０２が構成される。

【0359】

図１９Ｂ（ｂ）の光特性変更部材の一種である光路変更素子２１０として、図２１Ａ（ｂ）では位相変換素子２１２（具体的にはデフューザやランダムフェーズシフター、砂摺り面など）を使用し、発光源７０内のα、β、γの各発光領域から放出された光の進行方向をさらに拡散（さらに広がる方向に光の進行方向を変更）させる。その結果として、コリメートレンズ２６通過後の平行光の中にα、β、γの各発光領域から放出された光が含まれる（平行校光内では、α、β、γの各発光領域から放出された異なる光路を通過した光の進行方向が一致する）。

【0360】

そして図２１Ａ（ａ）と同様に図２１Ａ（ｂ）でも、検出部６内の検出レンズ２８とピンホールまたはスリット１３０の組み合わせで、対象体１０を経た光の平行光成分のみが選択的に検出される。

【0361】

従って図２１Ａ（ｂ）では、コリメートレンズ（厳密には検出部６を含めた組み合わせ）が、図１９Ｂ（ｂ）の光合成（混合）部１０２に相当する。

【0362】

図２１Ａ（ｂ）ではコリメートレンズ２６通過後の照射光１２内には、非平行な成分も多量に含まれる。対象体１０に照射する合成光（混合光）７８の進行方向を一致させて部分的非可干渉性を一層向上させる具体的方法として、コリメートレンズ２６と対象体１０の間にビームエキスパンダーを配置し、その途中の集光部にピンホールを配置しても良い。

【0363】

光学特性変更部材の機能の内の“（Ａ）複数の光路毎に光路長を変化／制御”する機能を実現する光路変更素子２１０の実現手段として位相変換素子２１２を用いる他の実施形態例を図２１Ｂに示す。タングステン・ハロゲンランプやキセノンランプなどのパンクロマティックナ光源では、管球内にハロゲン系ガス（沃素あるいは臭素化合物）やキセノンガスが封入されている。そしてこの管球２１４の内壁または外壁に微細な凹凸形状を形成して位相変換特性を持たせる。その結果として、発光源７０（例えばタングステン・フィラメント５０）上の複数の異なる発光領域から放出される光路が変更され、複数の光路毎の光路長が変更／制御される。

【0364】

さらに背面鏡８２を用いて異なる光路を通過した光を合成（混合）する。図２１Ｂのように内壁または外壁に位相変換特性を有する管球（と背面鏡８２）を用いると、非常に安価に部分的可干渉性を減少させた光が生成できる効果が有る。またそれに限らず、図９の“光合成／混合方法”欄内に記載された光位相変換素子や回折関連素子を管球２１４の近傍に配置しても良い。

【0365】

また背面鏡８２で反射した光は平行光となるので、図示してないが平行光の光路途中に合う１２Ａ～図１３Ｃのような波面分割機能を有する光学特性変更部材を配置しても良い。またそれに限らず、この光学特性変更部材の後ろに、図１４Ａで示す集光レンズ９８と光ファイバ１００から構成される光合成（混合）部１０２－１を配置して良い。さらにこの時に使用する光ファイバ１００として、図２１Ｃで使われるバンドル形光ファイバ３００を使用しても良い。

【0366】

図１９Ｂ（ｂ）の光路変更素子（光学特性変更部材）２１０に関する他の実施形態例を、図２１Ｃを用いて説明する。この光路変更素子（光学特性変更部材）２１０には、結像レンズ２１５とコリメートレンズ２６、およびバンドル形光ファイバ群３００（光ファイバ１００）の組み合わせが対応する。

【0367】

特にバンドル形光ファイバ群３００（光ファイバ１００）が、発光源７０上の非常に広い範囲に及ぶ発光領域（α、β、γの各領域（各点））からの放出光を集めて対象体１０へ照射できる機能を持つ。さらに発光源７０のタングステン・フィラメント５０から発生する熱と冷却用ファンからの振動の影響をバンドル形光ファイバ群３００（光ファイバ１００）の出入り口間で遮断する効果も発揮する。

【0368】

発光源７０上の異なる発光領域（α、β、γの各領域（各点））から放出された拡散光は結像レンズ２１６で、バンドル形光ファイバ群３００（光ファイバ１００）の入射面上に結像させる。ここでバンドル形光ファイバ群３００（光ファイバ１００）の光入射領域の幅を“Ｄ”、結像レンズ２１６の結像倍率を“Ｍ”で表すと、発光源７０上の広域発光領域の幅としてＤ／Ｍの範囲内で発光した光がバンドル形光ファイバ群３００（光ファイバ１００）内を通過できる。ここで
Ｄ ／ Ｍ ＞ Ｎ・ｌ_ＣＬ …(B・35)
（ｌ_ＣＬは（Ｂ・６）式または（Ｂ・１２）式で与えられ、Ｎは１以上の正数（但しＮは２以上または４以上、８以上が望ましい））を満足する事が望ましい。特にバンドル形光ファイバ群３００（光ファイバ１００）を使用すると“Ｄ”の値を大きくできるので、Ｎを大きく取れる。その結果としてバンドル形光ファイバ群３００（光ファイバ１００）通過光間の部分的可干渉性を大きく減少できる（部分的非可干渉性が大幅に増加する）。

【0369】

発光源７０上のα、β、γの各領域（各点）から放出された光は、バンドル形光ファイバ群３００（光ファイバ１００）の光入射領域内のε、ζ、ηの各点に結像される。バンドル形光ファイバ群３００（光ファイバ１００）は入射された光をそのまま運ぶので、それぞれの光は光出射領域内のε、ζ、ηの各点から放出される。

【0370】

バンドル形光ファイバ群３００（光ファイバ１００）の光出射領域内のε、ζ、ηの各点から放出されたそれぞれの光はコリメートレンズ２６通過後に平行光となるが、この平行光の進行方向は互いにずれる（平行光の等位相面（波面）は、互いに傾く）。

【0371】

バンドル形光ファイバ群３００（光ファイバ１００）の光出射領域内のε、ζ、ηの各点から放出された光の進行方向を一致させるため、光学特性変更部材として位相変換素子２１２を使用する。ここで使用する光学特性変更部材としては、３．１節内で説明した中で“（Ｂ）複数の光路を合成（混合）”に該当する機能を発揮する。またこの位相変換素子（光学特性変更部材）２１２は、図１９Ｂ（ｂ）の光合成（混合）部１０２に対応する。

【0372】

この位相変換素子（光学特性変更部材）２１２は透過光を拡散させる（平行光を透過させた場合に拡散光に変換される）ので、対象体１０に照射される照射光１２内には多量に非平行光成分が含まれる。それに対して検出レンズ２８とピンホールまたはスリット１３０との組み合わせで、対象体１０を経た後の平行光成分のみと選択的に抽出して信号検出している。従って図２１Ｃでは厳密には、位相変換素子（光学特性変更部材）２１２および検出レンズ２８とピンホールまたはスリット１３０との組み合わせで光合成（混合）部１０２を構成している。

【0373】

図１９Ａと図１９Ｂの具体的な実施形態例の一部を図２０から図２０Ｃで示した。しかし前記の具体的な実施形態例に限らず、図１９Ａまたは図１９Ｂを実現する他のあらゆる具体的な方法を使用しても良い。すなわち３．１節で光学特性変更部材の持ち得る機能として
（Ａ）複数の光路毎に光路長を変化／制御する機能（後述する図１０の“光路長変化７６”の機能に該当）と
（Ｂ）複数の光路を所定箇所に合成（または混合）させる機能が含まれる事を説明した。この“（Ｂ）複数光路の合成（または混合）”を実現するあらゆる光学特性変更部材の形態を図１９Ｂの光合成（混合）部１０２として使用しても良い。また上記“（Ａ）複数光路毎の光路長を変化／制御”を実現するあらゆる光学特性変更部材の形態を図１９Ａ（ｂ）または図１９Ｂ（ｂ）の光路変更素子（光学特性変更部材）２１０として使用しても良い。さらにこの光学特性変更部材として、図９の“光合成／混合方法”欄内に記載されたあらゆる光学素子あるいはそれらの組み合わせを用いても良い。

【0374】

図２０（ｂ）や図２１Ａ（ｂ）あるいは図２１Ｂ／Ｃでは光の光路（進行方向）を変更するために位相変換素子２１２、２１４を使用している。しかし任意の特性を有する光位相変換素子２１２、２１４で、常に効率良く部分的可干渉性を減少できる訳では無い。光位相変換素子２１２の特性と部分的可干渉性の低減効果を測定するために用いた実験系を図２２に示す。また図２２の光学系は、本実施形態の他の応用例にも相当する。

【0375】

実験では、図９の“合成／混合前の光路状態”として、“異なる発光領域”と“異なる光放出方向”、“波面分割”の３種類の項目を組み合わせている。

【0376】

ここで背面鏡８２の曲率半径１９ｍｍ，コリメートレンズ２６と集光レンズ９８の焦点距離は共に２５．４ｍｍとした（結像倍率Ｍ＝１となる）。またコリメートレンズ２６と集光レンズ９８、エキスパンドレンズ２１８、検出レンズ２８の開口部の平行光束径は２５ｍｍと全て一致させた。

【0377】

またバンドル形光ファイバ群３００（光ファイバ１００）の光入射領域の幅Ｄは５ｍｍとした。その結果、（Ｂ・３５）式の左辺の値は５ｍｍとなる。ここで使用した螺旋状タングステン・フィラメント５０の長さは５ｍｍ程度有り、発光源７０の広い発光領域のほぼ全域からの放出光を対象体１０に照射できている。またバンドル形光ファイバ群３００（光ファイバ１００）の長さを２ｍにして、発光源７０のタングステン・フィラメント５０から発生する熱と冷却用ファンからの振動の影響をバンドル形光ファイバ群３００（光ファイバ１００）の出入り口間で遮断した。

【0378】

透明な半円平行平板９４－１、２の組み合わせおよび透明な半円平行平板９４－３、４の組み合わせには、図１３Ｂ（ａ）に示した４５度ずつ角度分割する光学特性変更部材を２組み使用した。なお分割された光路数を増やすため、両者間では互いに２２．５度だけ回転させた角度で設置した。ここで図１３Ｂ（ａ）に示した“ｔ”の値は１ｍｍとし、通常ＢＫ－７と呼ばれる光学ガラスを使用した。また透明な半円平行平板９４－１と２間の接着および透明な半円平行平板９４－３と４間の接着には、ＢＫ－７と同じ屈折率の接着剤を使用した。

【0379】

またエキスパンドレンズ２１８と検出レンズ２８の焦点距離は、５０ｍｍと２５０ｍｍに設定した。また光位相変換素子（光学特性変更部材）２１２通過後に光は拡散される（拡散光となる）。しかし検出レンズ２８とピンホールまたはスリット１３０との組み合わせを利用し、対象体１０を透過した後の平行光成分のみを抽出して検出した。

【0380】

なお対象体１０としては、可視域では透明に見える厚み３０μｍのポリエチレンフィルムを使用した。対象体１０のポリエチレンフィルムは近赤外光に対しても混濁状態では無い。従って検出レンズ２８とピンホールまたはスリット１３０との組み合わせを利用して実質的には、対象体１０に入射される平行光（α領域およびβ領域、γ領域から放出され、進行方向が一致した形で対象体に入射された光）の成分のみが選択的に抽出されて検出されたと考えられる。

【0381】

そして位相変換素子（光学特性変更部材）２１２の片面は、砂粒粒径の異なる砂摺り面（Sand Treatment Plate）とした。また位相変換素子（光学特性変更部材）２１２の他方の平面部には、反射防止コートを施した。

【0382】

図２３Ａは対象体１０挿入前の検出光量を１００％均一に規格化した時の、対象体１０挿入前の検出光量比（透過率）の測定波長依存性を示している。また位相変換素子（光学特性変更部材）２１２の砂摺り面生成に使用した砂粒粒径を変えた時の測定結果の変化を調べている。図２３Ａ（ａ）は＃１２００の砂粒（平均の面粗さＲａ（Average Value of Roughness）は０．３５μｍ）を使用している。また図２３Ａ（ｂ）は＃８００の砂粒を使用し（平均の面粗さＲａは０．４８μｍ）、図２３Ａ（ｃ）は＃４００の砂粒を使用している（平均の面粗さＲａは１．２μｍ）。

【0383】

波長１．２１３μｍでの透過率と波長１．３６０μｍでの透過率の差分値が、図２３Ａ（ａ）から図２３Ａ（ｃ）に移動するに従って大きくなる。しかし図２３Ａ（ａ）と図２３Ａ（ｂ）とでの変化は比較的少ない（図２３Ａ（ｃ）になると、大きな効果が現れる）。

【0384】

一方で、波長１．２１３μｍにおける実測最小値とその周辺を結ぶ包絡線から推定される（同一波長位置での）補間値との間の光透過率の差は、図２３Ａの（ａ）、（ｂ）、（ｃ）ともにほぼ“０．５％”の同程度となっている。

【0385】

図２３Ａでは相対的な透過率の変化で表したが、これを吸光度変化で表したのが、図２３Ｂで有る。ここで吸光度とは、上記透過率の逆数を常用対数で表した値を示す。波長１．２１３μｍにおける吸光最大値とその周辺との差は、砂粒粒径に拠らずほぼ類似した値を示す事が図２３Ｂから分かる。一方で図２３Ｂの全体のベースラインの高さが砂粒粒径で大きく変化している。上記の波長１．２１３μｍにおける吸光最大値と全体のベースラインの発生原因は第５章で詳細に後述する。

【0386】

図２３Ｂの吸光度特性において、ベースラインの高さが低い方が分光特性（吸光特性）の測定精度が向上する。従って＃４００（平均の面粗さＲａは１．２μｍ）で最も測定精度が高い。一方で＃８００（平均の面粗さＲａは０．４８μｍ）と＃１２００（平均の面粗さＲａは０．３５μｍ）間での測定精度は、少し変化する。

【0387】

上記の平均の面粗さＲａは、砂摺り面上の微細な機械的凹凸の平均量を表している。従って砂摺り面透過後に生じる位相差の平均量δは、（Ｂ・１３）式の“ｄ”の所に“Ｒａ”の値を代入して求まる。波長１．２１３μｍにおけるＢＫ－７の屈折率ｎをおよそ１．５とすると、Ｒａ＝１．２μｍ時にはδ＝０．６μｍとなる。この値は波長１．２１３μｍのおよそ半分の値となる。同様にＲａ＝０．４８μｍに対応した位相差の平均値は１／５、Ｒａ＝０．３５μｍに対応した位相差の平均値は１／７となる。

【0388】

したがって本実施形態例で位相変換素子（光学特性変更部材）２１２を使った場合には、それにより発生する位相差の平均値が使用波長の１／６以上（望ましくは１／５以上、または１／４以上）になると効果が発生すると言える。

【特許文献1】にも光学雑音を低減させるために回折格子や拡散板を使用する例が記載されている。しかし

【特許文献1】では、実際に効果を発揮するために必要な光位相変換素子や回折関連素子の性能に関して一切開示されてない。また検出部６内の光学特性／光学配置との関連性も開示されてない。

【0389】

発光源７０内の離れた広い発光領域（発光点）から放出される光の光路間の光路長差は大きくなるので、『発光源７０内の広い発光領域（発光点）から放出される光を、対象体１０に照射するあるいは光検出器８０で検出する』のが望ましいと、本３．９節の前半部で説明した。その方法を実現する実施形態の応用例を図２４Ａと図２４Ｂに示す。

【0390】

図２４Ａは発光源７０内の（発光点βからγに至る）広い発光領域から放出される照射光１２を、結像倍率Ｍの結像レンズで発光領域を縮小させて光ファイバ１００の入射領域内に通過させる。そして光ファイバ１００の出射領域を通過した照射光１２はコリメートレンズ２６で平行光に変換されて、対象体１０に照射される。

【0391】

しかしそれに限らずコリメートレンズ２６で対象体１０内の局所領域に集光（光ファイバ１００の出射領域に対して結像）させても良い。また図２４Ａでは１本のみの光ファイバ１００のように描かれているがそれに限らず、バンドル形光ファイバ群でも良い。

【0392】

さらに図２４Ａでは１枚の結像レンズ２１６のみで結像系を構成しているがそれに限らず、複数枚のレンズで結像系を構成しても良い。その具体的な一例として図２２に示すように、コリメートレンズ２６と集光レンズ９８で結像系を構成しても良い。さらに３．４節内の最後の箇所で説明したように、コリメートレンズ２６と集光レンズ９８で形成する平行状態（平行光束）の照射光に対して波面分割機能（またはそれ以外の機能）を持った光学特性変更部材を配置しても良い。この光学特性変更部材の一例として図２２では、透明な半円平行平板９４－１と２の組み合わせの例を示している。

【0393】

図２４Ａの結像レンズ２１６は、光学特性変更部材としての“（Ａ）複数光路毎の光路長を変化／制御”の機能を果たしている。従ってこの結像レンズ２１６は、図１９Ｂ（ｂ）で説明した光路変換素子２１０の一種に含まれる。

【0394】

一方で図２４Ａの光ファイバ１００は、光学特性変更部材としての“（Ｂ）複数の光路を合成（または混合）”する機能を果たしている。また図２４Ｂでも、光ファイバ１００は同じ機能を発揮している。従ってこの光ファイバ１００は、図１９Ｂ（ｂ）で説明した光合成（混合）部１０２に対応する。

【0395】

図２４Ａに記載したように、光ファイバ１００の入射領域におけるコア径を“ΔＤ”で表す。また結像レンズ２１６の結像倍率（横倍率）を“Ｍ”とする。この場合にも、（Ｂ・３５）式内のＤをΔＤに置き換えた条件を満たすと、光ファイバ１００内の合成光（混合光）７８（図１０（ｂ））は部分的非可干渉性を示す。

【0396】

さらに別の観点から、光ファイバ１００内に入る光間の光路長差δを検討する。まず結像レンズ２１６の光軸上に発光源７０上のα点（α領域）を配置する。次に発光源７０上のβ点（β領域）から放出された後に結像レンズ２１６の中心点を通過し、光ファイバ１００の入射領域内端部（コア領域とクラッド層の境界位置）に到達する光路を考える。この光路と結像レンズ２１６の光軸との角度をηで表す。また発光源７０から光ファイバ１００の入射領域までの距離を“ＳＦ”とする。

【0397】

発光源７０上でのα点（α領域）とβ点（β領域）間の距離は、ΔＤ／(２Ｍ) となる
ので、ηが充分小さい時には、

【0398】

【数11】

【0399】

と近似される。一方でα点（α領域）から光ファイバ１００の入射領域までと、β点（β領域）から光ファイバ１００の入射領域までの光路長差δは、

【0400】

【数12】

【0401】

で与えられる。従って光ファイバ１００内で混合されて部分的可干渉性が減少する（部分的非可干渉性が増加する）条件は、

【0402】

【数13】

【0403】

となる（Ｎは１以上の正数）。また上記の可干渉距離ｌ_ＣＬは、（Ｂ・６）式または（Ｂ・１２）式で与えられる。ここで（Ｂ・３８）式の左辺に対して、（Ｂ・２４）式と同様な近似式を適用すると

【0404】

【数14】

【0405】

と変形される。（Ｂ・３９）の近似式を見ると、結像レンズ２１６の結像倍率（横倍率）Ｍに対する光ファイバ１００の入射領域におけるコア径ΔＤの比が重要な要因となるのが分かる。すなわち結像レンズ２１６の結像倍率（横倍率）Ｍを極力小さくし、かつ光ファイバ１００の入射領域におけるコア径ΔＤを極力大きくするのが望ましい。さらに発光源７０から光ファイバ１００の入射領域までの距離ＳＦは、短い方が良い。

【0406】

すなわち図２４Ａの光学配置において、（Ｂ・３８）式または（Ｂ・３９）式を満足するように設定すると、（例えば発光源７０内部の管球などの影響で発生する）光学雑音を低減できる。なお上記の結像倍率Ｍは１個の結像レンズ２１６を使用した場合に限らず、任意の結像光学系（共焦点光学系）形成時の結像倍率（横倍率）が上記の式に適用されても良い。

【0407】

光学特性変更部材が担う“（Ｂ）複数光路の合成（または混合）”の機能を実現する手段として、図２１Ａ（ｂ）あるいは図２１Ｃや図２２では位相変換素子２１２を使用した。しかしこの方法では、検出部４、６内で信号検出に利用される光の効率が低い。それに比べて図２４Ａ（あるいは図２４Ｂ）の結像光学系（共焦点光学系）と光ファイバ１００の組み合わせを使用する事で、部分的非可干渉性の光を効率良く対象体１０に照射できるばかりでなく、効率良く検出部４、６内の光検出器８０に導く事が（光検出器８０で信号検出）できる効果が有る。

【0408】

上記光ファイバ１００の入射領域から光ファイバ１００内に入射できる光の入射角度範囲は、ＮＡ値で表される。市販されている多くの光ファイバ１００のＮＡ値は、例えば０．２２などと比較的小さな値となっている。そのために（Ｂ・３８）式または（Ｂ・３９）式を満足させると、発光源７０から放出された中での一部の照射光１２しか結像レンズ２１６を通過しない。これを改良して照射光１２に利用効率を高めると共に、（Ｂ・３８）式または（Ｂ・３９）式内のＳＦの値を小さくする方法を図２４Ｂに示す。

【0409】

図２４Ｂに示す本実施形態応用例では光ファイバ１００の入射領域（またはその近傍）に光路変換素子２１０を配置し、光ファイバ１００内に入射できる光の実質的なＮＡ値を上げる。その光路変換素子２１０の具体的一例としてマイクロ凹レンズ２３０を使用しても良い。しかしそれに限らず光路変換素子２１０としては、光ファイバ１００内に入射できる光の入射角度範囲を広げる機能を有するあらゆる光学素子を使用しても良い。

【0410】

また発光源７０に近い位置に凹レンズまたはシリンドリカル凹レンズ２４０を配置し、発光源７０からマイクロ凹レンズ２３０（光路変換素子２１０）に至る結像系の結像倍率Ｍを低減させる機能と両者間の機械的距離ＳＦの値を小さくする機能を同時に達成している。

【0411】

図２４Ｂでは発光源７０と光ファイバ１００との間にコリメートレンズ２６と集光レンズ９８を配置し、両者の間で照射光１２を平行な状態としている。しかしそれに限らず、発光源７０と光ファイバ１００との間に１枚の結像レンズ２１６のみを配置し、光路途中に凹レンズまたはシリンドリカル凹レンズ２４０を配置しても良い。

【0412】

タングステン・フィラメント５０など長手方向と短手方向での発光領域の幅が大きく異なる発光源７０を使用した場合、シリンドリカル凹レンズ２４０などを配置し、発光領域の長手方向と短手方向での結像倍率Ｍを変化させても良い。

【0413】

図２４Ｂの光学配置では、光ファイバ１００の入射領域近傍で非点収差が発生する。ここで発光源７０上のα点から放出された光の光ファイバ１００の入射領域近傍では、発光領域の長手方向と短手方向に対する集光位置が光軸上でずれる現象をこの非点収差と呼ぶ。しかし結像倍率Ｍを“１”より小さく設定すると、このずれ量を小さく設定できる。その結果として、光ファイバ１００の入射領域近傍で非点収差に拠らず多くの光を光ファイバ１００内のコア領域１４２内に誘導できる。

【0414】

発光領域の長手方向と短手方向で結像倍率Ｍを変化させる他の方法として発光源７０とコリメートレンズ２６の間にシリンドリカル凹レンズ２４０を配置する代わりに、コリメートレンズ２６と集光レンズ９８との間で照射光１２が平行状態になった場所に２枚のシリンドリカル凹レンズを配置してビームエキスパンダーを形成しても良い。

【0415】

また図２４Ｂでは波面分割機能を有した光学特性変更部材である透明な半円平行平板９４－１、２を平行状態となった照射光１２の光路途中に配置し、照射光１２の部分的可干渉性を減少（部分的非可干渉性を増加）させている。しかしそれに限らず、図９の“光合成／混合方法”欄内に記載されるあらゆる光学特性変更部材（とその組み合わせ）を光路途中に配置しても良い。

【0416】

図１Ａ（または図１Ｂや図１Ｃ）の光源部２内構造として、図２４Ｂ（あるいは図２４Ａや図２４Ｃ）で構成させてもよい。発光源７０では発熱し、その冷却用にファンを使用して震動源となる場合が有る。上記のように対象体１０と発光源７０の間に光ファイバ１００を配置すると、熱や振動の影響から対象体１０を守る効果が有る。

【0417】

図２４Ｂで示した結像（共焦点）光学系におけるタングステン・フィラメント５０の長手方向と短手方向で結像倍率Ｍを変化させる他の方法として、図２４Ａの球面レンズを使う代わりに、非球面レンズを使っても良いし、プリズム２２０やレンチキュラーレンズ２２２を光路途中に配置しても良い。

【0418】

すなわち図２４Ｃでは（ａ）と（ｂ）共に、光合成（混合）部１０２に光ファイバ１００を使用する。そして光路変換素子２１０として図２４Ｃ（ａ）では、結像レンズ２１６とプリズム２２０を組み合わせている。また他の実施形態応用例として図２４Ｃ（ｂ）では、光路変換素子２１０に結像レンズ２１６とレンチキュラーレンズ２２２の組み合わせを使用している。

【0419】

３．１０節 異なる領域からの放出光の合成／混合に関する応用例
同一発光源７０内の異なる領域から放出された光を混合（または合成）する場合に、異なる光路間の光路長を変化させる方法を、３．９節で説明した。それに拠り混合（合成）後の光の部分的可干渉性を低減（部分的非可干渉性を増加）できる。本節ではその技術を発展させ、『異なる光路間の光路長差を拡大』する方法と、より『効率的な混合（合成）』の方法を説明する。

【0420】

図２１Ｃと図２２はいずれも、ハンドル形光ファイバ群３００（光ファイバ１００）の入り口が、発光源７０（タングステン・フィラメント５０）に対する結像位置に対応する。この結像光学系の形成方法として、図２１Ｃでは１個の光路変更素子２１０（結像レンズ２１６）のみを使用している。それに比べて図２２では、空間的に異なる位置に配置された複数の光路変更素子（コリメートレンズ２６と集光レンズ９８）の組み合わせを使用して結像光学系を形成している。単一の光路変更素子２１０（図２１Ｃの結像レンズ２１６）で結像光学系を構成するより、空間的に異なる位置に配置された複数の光路変更素子（図２２のコリメートレンズ２６と集光レンズ９８）の組み合わせを使用した方が“異なる光路間の光路長差”を拡大できる。その結果として、空間的に異なる位置に配置された複数の光路変更素子を組み合わせて結像光学系を構成して“部分的可干渉性を一層低減”する効果が有る。その基本的原理を下記に説明する。

【0421】

図５１は発光源７０（タングステンフィラメント５０）の発光像を光ファイバ１００（光合成（混合）部１０２）の入り口に結像させる結像光学系を表している。ここで図５１（ａ）は、１個の結像レンズ２１６（光路変換素子２１０）のみで結像光学系を構成する。一方で図５１（ｂ）は、空間的に異なる位置に配置された複数の光路変更素子（コリメートレンズ２６と集光レンズ９８）の組み合わせで結像光学系を構成する。

【0422】

複数の光路変更素子（コリメートレンズ２６と集光レンズ９８）の間を通過する照射光１２の状態は、基本的に発散光状態でも集束光状態でも良い。例えば図２２や図２４Ｂに示すように、照射光１２（の光断面）を波面分割して分割された光路毎に光路長を変化させる光学特性変更部材を複数の光路変更素子（コリメートレンズ２６と集光レンズ９８）間に挿入する光学系を考える。そしてこの光学特性変更部材が透明な平行平板９４－１～４の組み合わせで構成される、図２２や図２４Ｂの例に付いて検討する。結像光学系内の発散光の光路途中または集束光の光路途中に平行平板９４－１～４を配置すると、結像光学系内に収差（aberration）が発生する事が一般的に知られている。従って複数の光路変更素子（コリメートレンズ２６と集光レンズ９８）の間を通過する照射光１２は、平行光状態が望ましい。このように平行光状態を利用すると、発光源７０（タングステンフィラメント５０）に対する収差の少ない正確な結像パターンが光ファイバ１００（光合成（混合）部１０２）の入り口に形成できる効果が生じる。

【0423】

一般的に入手可能な無機材料製（例えば無水石英ガラス製など）の光ファイバ１００のコア径ΔＤは、１．０ｍｍ以下がほとんどである。一方でタングステン・ハロゲンランプ内に使われるタングステン・フィラメント５０の長手方向の標準的な長さ（α点とβ点間の距離ιの２倍）は４ｃｍと、コア径ΔＤの４０倍以上ある。従ってタングステン・フィラメント５０の発光像を１／４０以下に縮小して光ファイバ１００の入り口に結像させる必要がある。そのため図５１（ａ）のように１個の結像レンズ２１６のみで１／４０以下に縮小して結像させるには、結像レンズ２１６を光ファイバ１００の入り口近くに配置させる必要がある。

【0424】

タングステン・フィラメント５０から光ファイバ１００の入り口までの距離を、ＳＦで表す。そして結像レンズ２１６の光軸延長上での発光源７０（タングステン・フィラメント５０）上の発光点をα点と定める。そしてこのα点がタングステン・フィラメント５０の長手方向の中点に一致するように設定する。タングステン・フィラメント５０の長手方向の端面に位置するβ点から放出された照射光１２が、結像レンズ２１６の光軸中心を通過する場合を考える。この照射光１２と結像レンズ２１６の光軸との間の角度をηで表現する。またα点とβ点間の距離を、ιで表す。

【0425】

上記のように結像レンズ２１６を光ファイバ１００の入り口近くに配置させた場合には、
η ≒ tan^－１(ι／ＳＦ) …(B・42)
と近似できる。

【0426】

そしてβ点から放出された照射光１２が結像レンズ２１６を通過して光ファイバ１００の入り口に到達するまでの光路長と、α点からの放出光が光ファイバ１００入り口に至るまでの光路長との差分値δは、η値が充分小さい時には
δ ＝ ＳＦ{( cosη)^－１－ １ } ≒ ＳＦ・η^２／２ …(B・43)
の近似式で表せる。（Ｂ・４３）式が示すように、光路長差δは角度ηの二乗で変化する。しかし１個の結像レンズ２１６（光路変更素子２１０）のみで結像光学系を構成した場合には、角度ηの値を大きく設定できない。

【0427】

（Ｂ・６）式あるいは（Ｂ・１２）式で与えられる可干渉距離ｌ_ＣＬおよび自然数Ｎ（“１”以上が必須であるが、“２”以上または“４”以上のなるべく大きな値が望ましい）と上記の光路長差δとの間に
δ ≧ Ｎ・ｌ_ＣＬ …(B・44)
の関係が成り立つ時に、光合成（混合）部１０２（光ファイバ１００）を経た光の部分的可干渉性が減少（部分的非可干渉性が増加）する。

【0428】

しかし１個の結像レンズ２１６（光路変更素子２１０）のみで構成される結像光学系では角度ηの値が小さいため、充分大きなＮに対して（Ｂ・４４）式を満足できない。その結果として、部分的可干渉性の減少効果（部分的非可干渉性の増加効果）が充分に得難い。

【0429】

次に、空間的に異なる位置に配置された複数の光路変更素子（コリメートレンズ２６と集光レンズ９８）の組み合わせで結像光学系を構成する場合（図５１（ｂ））の特性を説明する。この場合には前側に配置された光路変換素子（コリメートレンズ２６）の焦点距離Ｆｃを、ＳＦより遙かに小さな値（Ｆｃ<<ＳＦ）に設定できる。この時の角度ηに関する関係式は
η ≒ tan^－１(ι／Ｆｃ) …(B・45)
となる。（Ｂ・４５）式においてＦｃを充分小さく（Ｆｃ<<ＳＦ）設定できるため、角度ηが大きくなる。従って（Ｂ・４３）式内に大きな角度ηの値を代入できるため、大きな光路長差δが得られる。そのため空間的に異なる位置に配置された複数の光路変更素子を組み合わせると、充分大きなＮに対して（Ｂ・４４）式が成立するため、大きな部分的可干渉性の減少効果（部分的非可干渉性の増加効果）が得られる。

【0430】

複数の光路変更素子（コリメートレンズ２６と集光レンズ９８など）を組み合わせて形成した結像光学系の光軸を、図５１（ｂ）では一点鎖線（Alternate Long and Short Dash Line）で示す。この光軸の延長線と発光源７０（例えばタングステン・フィラメント７０）との交点をα点で表す。このα点から最も離れた位置に存在する、発光源７０内の発光点をβ点とする。またα点とβ点間の距離をιで示す。

【0431】

上記β点とα点からそれぞれ放出された後、前側に配置された光路変換素子（コリメートレンズ２６）内の光軸上を通過する照射光１２間の光路長差δｃは
δｃ ＝ Ｆｃ{( cosη)^－１ － １ } ≒ Ｆｃ・η^２／２ …(B・46)
となる。ここで角度ηは、（Ｂ・４５）式を満たす。

【0432】

次に上記β点から放出され、後側に配置された光路変換素子（集光レンズ９８）内の光軸上を通過する照射光１２を考える。ここで後側に配置された光路変換素子（集光レンズ９８）の焦点距離をＦｏで表す。そして図５１（ｂ）が示すように、この光の進行方向の光軸からの傾き角度をκとする。この光が光路変換素子（集光レンズ９８）内の光軸上を通過後に、光ファイバ１００の入り口に到達するまでの光路と、光軸上を通過する光路との間の光路長δｏは
δｏ ＝ Ｆｏ{( cosκ)^－１ － １ } ≒ Ｆｏ・κ^２／２ …(B・47)
となる。

【0433】

従ってα点とβ点からそれぞれ放出され、光ファイバ１００の入り口に到達するまでの光路長差の合計が
δｃ ＋ δｏ ≧ Ｎ・ｌ_ＣＬ …(B・48)
を満足するように光学設計をすると、部分的可干渉性の減少効果（部分的非可干渉性の増加効果）が発揮させる。なお（Ｂ・４８）式において可干渉距離ｌ_ＣＬは、（Ｂ・６）式あるいは（Ｂ・１２）式で与えられる。また自然数Ｎの値は“１”以上が必須であるが、“２”以上または“４”以上のなるべく大きな値が望ましい。

【0434】

図５１に示した実施例では、光合成部（または光混合部）１０２として光ファイバ１００を使用している。しかし上述したように、一般的に入手可能な無機材料製（例えば無水石英ガラズ製など）の光ファイバ１００のコア径ΔＤは大部分が１．０ｍｍ以下なため、発光源７０からの発光パターンを縮小して結像させる必要が有る。

【0435】

また結像倍率を小さくすると、照射光１２の光ファイバ１００の入り口への入射角ηが大きな光路が発生する。光ファイバ１００内のコア領域１４２内に侵入可能な最大入射角ηは、ＮＡ値（ＮＡ＝ｓｉｎη）で定義される。そして標準的な光ファイバ１００のＮＡ値は０．２２と比較的小さい。従って光ファイバ１００の入り口への結像倍率を小さくすると、入射角ηが大きな光路を経た照射光１２の一部がコア領域１４２内に侵入できず、光利用効率が大幅に減少する問題が生じる。

【0436】

上記の課題を解決するため図５２～図５４に示すように、光合成部（または光混合部）１０２として光ガイドまたは光パイプ（Light Guide / Light Pipe）２５０を使用しても良い。光ガイド（光パイプ）２５０とは図９に記載した導波素子の一種で、内部を光が通過可能な透明な光学素子を示す。すなわち光ガイド（パイプ）の前端面（Front-end Boundary）２５２から光（例えば照射光１２）が入射し、側面（Side Surface）２５４で内部反射（全反射（Total Internal Reflection））しながら内部を通過し、光ガイド（パイプ）の後端面（Back-end Boundary）２５６から出射する。

【0437】

光ガイド（光パイプ）２５０の入射前に異なる経路を経た光どうし（例えば発光源７０内の異なる発光点α、βから放出された光間）は、光ガイド（光パイプ）２５０の内部を通過して、互いに混ざり合う（混合または合成される）。この光ガイド（光パイプ）２５０内部の通過光（照射光１２）が側面２５４から漏れない（全反射が阻止されない）構造で有れば、光ガイド（光パイプ）２５０は任意の形状を取れる。この光ガイド（光パイプ）２５０の具体的な形状例として、角柱形状や円柱形状（あるいは角錐形や円錐形に近い形状）を取っても良い。

【0438】

光ガイド（光パイプ）２５０内部の屈折率ｎは空気中（真空中）の屈折率より常に大きい。従って光ガイド（光パイプ）の前端面２５２での照射光１２の入射角κ（η）は、０度≦κ≦９０度の範囲内の任意の値が許容される（図５４（ａ）参照）。そのため、光ガイド（光パイプ）２５０への光入射面（光ガイド（光パイプ）の前端面２５２）通過時の光損失が少ない効果がある。

【0439】

例えば屈折率ｎが１．５の平面ガラスに垂直入射する光は、入射表面で４％程度の反射が起きる。従って光ガイド（パイプ）の前端部２５２と後端部２５６の両方に反射防止コート（ＡＲコート（Antireflection Coatings））を施して（反射率を１％以下、望ましくは０．５％以下に制御して）、前端部２５２と後端部２５６通過時の光損失を低減させても良い。

【0440】

さらに光の合成あるいは混合に光ガイド（光パイプ）２５０を使用すると、（発光源７０と光ガイド（光パイプ）の前端面２５２間の）結像倍率への制約が少なくなる。なぜなら例えば透明な無機材料製（無水石英ガラス製など）で例えば直方体形状の光ガイド（光パイプ）２５０を使用する場合、任意の寸法で容易に光ガイド（光パイプ）２５０を作成できる（光ガイド（光パイプ）２５０の寸法任意性が高い）からである。そのため、途中の（光路変換素子２１０を用いた）結像光学系設計の自由度が向上する効果も生まれる。

【0441】

上記光ガイド（光パイプ）２５０の具体的形状の一例として、図５４では四角柱を示している。また図５２と図５３では四角柱の形状と“四角錐の先端部を切断して除去した形状”との中間の形状となっている。しかしそれに限らず、例えば六角柱や六角錐（の一部）、あるいは三角柱や三角錐（の一部）でも良い。

【0442】

また３．１節の最後に説明した理由から、この光ガイド（光パイプ）２５０の材料には有機材料を使わず、無機材料を使用するのが望ましい。その無機材料例として、光学ガラスやＣａＦ_２、ＭｇＦ_２、あるいはＬｉＦやＫＢｒなどが上げられる。

【0443】

とくにこの光ガイド（光パイプ）２５０の材料内に含まれるヒドロキシル基の混入量は“１００ｐｐｍ以下”（望ましくは“１ｐｐｍ以下”）の条件を満たす低ＯＨ材料が適している。具体例としては、『ヒドロキシル基混入が少なく製造管理された硝子材料』や『無水石英硝子』、『無水石英』などが上げられる。

【0444】

図５２が示すように、光路変更素子２１０（結像レンズ２１６、あるいはコリメートレンズ２６と集光レンズ９８の組み合わせなど）の働きで、結像光学系が形成されている。なお図５２（ｂ）のように複数の光路変更素子（コリメートレンズ２６と集光レンズ９８）が異なる位置に配置された場合には、両者の間に光学特性変更部材（図９）を配置しても良い。その光学特性変更部材の機能例として、“波面分割を利用した更なる光路長差生成”を行っても良い。具体的には、３．３節で既に説明した任意の方法を利用できる。なおその一例として図５２（ｂ）では、コリメートレンズ２６と集光レンズ９８の間の平行光束部に透明な半円平行平板９４－１、２を配置している。

【0445】

上記結像光学系の働きで、発光源７０（例えばタングステン・フィラメント５０）上の発光パターンに対する結像パターンが、光ガイド（パイプ）の前端面２５２上に投影される。この投影像（結像パターン）を形成した光が、そのまま光ガイド（光パイプ）２５０（光合成（混合）部１０２）内に入り込み、光ガイド（パイプ）の後端面２５６から放出される。

【0446】

図５２では縮小された結像パターンが投影された（結像倍率が１より小さい）例が記載されている。しかしそれに限らず、任意の結像倍率のパターンが光ガイド（パイプ）の前端面２５２上に投影されてもよい。この場合には光ガイド（パイプ）の前端面２５２の領域サイズが、投影された結像パターンより大きい方が望ましい。それにより、光ガイド（パイプ）の前端面２５２内に侵入する照射光１２の利用効率が高まる。

【0447】

図５２に示した実施例では、光ガイド（光パイプ）２５０（光合成（混合）部１０２）の側面２５４－１、２が、光軸に対してわずかな傾き（テーパー）を持つ。その結果、光ガイド（パイプ）の後端面２５６の領域サイズが前端面２５２の領域サイズより小さくなる。そして光ガイド（光パイプ）２５０（光合成（混合）部１０２）内を通過する光（照射光１２）の光密度が、前端面２５２よりも後端面２５６の方が高くなる。

【0448】

前述したように、一般的な光ファイバ１００内のコア領域１４２の直径ΔＤは０．６ｍｍ前後が多い。上記のように側面２５４－１、２を傾かせて、光ガイド（パイプ）の後端面２５６の領域サイズをそれより小さく設定しても良い。例えば光ガイド（パイプ）の後端面２５６を出射した光を光ファイバ１００内に通過させる場合を考える。傾斜した側面２５４－１、２を使用して後端面２５６の領域サイズを適正に変化させると、“光ガイド（光パイプ）２５０と光ファイバ１００間の光学的結合時の光利用効率向上”（光接合部での大幅な光損失の防止）が実現できる。

【0449】

なお図５２に示した光ガイド（光パイプ）２５０の例では、側面２５４－１と２５４－２それぞれがわずかな傾き（テーパー）を持つ平面となっている。しかしそれに限らず、光ガイド（光パイプ）２５０を構成する４側面２５４の中でいずれか１側面のみが勾配を有してもよい。さらにそれだけで無く、側面２５４－１、２の一部が曲面形状を持ち、部分的に傾きを持っても良い。但しこの場合には後述するように、光ガイド（光パイプ）２５０内部を通過する光が側面２５４－１、２で反射（全反射）する形状を保つ、あるいは側面２５４－１、２で反射する構造（たとえば光が内部反射するように側面２５４－１、２に光反射層を形成するなど）を持たせる必要がある。

【0450】

また図５２の実施例では、光ガイド（光パイプ）２５０（光合成（混合）部１０２）の断面形状を四角形にしている。しかしそれに限らず（例えば光ファイバ１００との光接合効率を考えて）、断面形状を円形または楕円形にしても良い。

【0451】

このように傾斜した側面２５４－１、２を使用して前端面２５２と後端面２５６間の領域サイズを適正に変化させる事で、“発光源７０の発光部サイズ”と“光合成（混合）後に配置する光学系から要求される後端面２５６の領域サイズ”との整合性を取り易くなる効果が生まれる。

【0452】

なお上記に限らず、側面２５４－１、２を光軸と平行にして（前端面２５２と後端面２５６間の領域サイズを一致させ）も良い。

【0453】

図５２～図５４では、光ガイド（パイプ）の後端部２５６を通過後の光路の記載が省略されている。上述したように光ガイド（パイプ）の後端面２５６の領域サイズを小さくした場合、光ガイド（パイプ）の後端部２５６を通過後の光は“擬似的な点光源からの発散光”として取り扱える。そして光ガイド（パイプ）の後端部２５６から放出された光を、“図１Ａの光源部２から放出された照射光（第１の光）１２”のように取り扱える。

【0454】

また図２４Ａのように光ガイド（パイプ）の後端部２５６の直後にコリメートレンズ２６を配置して略平行光状態とし、図１Ｂ（あるいは図２１Ａ）のように対象体１０に対して平行光照射を行っても良い。

【0455】

さらに図１Ｃのように略平行光の光路途中に対物レンズ２５を配置し、略集束光の状態で対象体１０に照射しても良い。この略集束光照射の例として他に、図７や図１４Ｅ、図２０の光学系の一部を使用しても良い。

【0456】

すなわち図１Ａ～図１Ｃに示す光源部２内に、光合成（混合）部１０２として上記の光ガイド（光パイプ）２５０を配置しても良い。またさらに上記光源部２内に光学特性変更部材の一種である光路変更素子２１０を（上記光合成（混合）部１０２の手前に）配置し、一部の光路に対して光路長変化７６（図１０）を発生させても良い。またそれに限らず図１Ａ～図１Ｃに示す光源部２内に図９に示す任意の光学特性変更部材を配置し、図８Ａや図１０（ａ）（ｂ）を用いて３．１節で説明した機能を持たせても良い。

【0457】

それだけでなく、光ガイド（パイプ）の後端部２５６を光ファイバ１００に光学的に接合し、光ファイバ１００の出口に図２４のような光学系を配置してもよい。またさらに光ガイド（パイプ）の後端部２５６をバンドル形光ファイバ群３００と光学的に接合し、バンドル形光ファイバ群３００の出口に図２１Ｃや図２２のような光学系を配置しても良い。

【0458】

本実施形態システムでは図１４Ａや図１４Ｅ、図１６Ｂ、図１８、図２１Ａ、図２１Ｃ、図２２、図２４Ａ、図２４Ｂ、図２４Ｃの例で示すように、光路途中に光ファイバ１００やピンホールまたはスリット１３０を設置する場合がある。またそれに限らず、光ガイド（光パイプ）２５０（光合成（混合）部１０２）で後端面２５６の領域サイズを狭めると、実質出来にピンホールまたはスリット１３０を設置したのと同等の光学的効果が生まれる。そしてこれらの光学素子を“部分的可干渉な光”の光路途中に設置すると、空間的可干渉性（Spatial Coherency）が増加すると言われている。その結果として照射光（第１の光）１２または検出光（第２の光）１６の部分的可干渉性が増加し、光学雑音が増加し易くなる傾向がある。

【0459】

それに比べて本実施形態システムのように発光源７０に近い位置（光源部２の内部あるいは光源部２からの出射位置近傍）で照射光１２を光ガイド（光パイプ）２５０内を通過させると、発光源７０内の異なる発光点から放出された光間が光ガイド（光パイプ）２５０内部で合成または混合される。このように発光源７０に近い位置（光源部２の内部あるいは光源部２からの出射位置近傍）で予め、照射光１２の部分的可干渉性を低下（部分的非可干渉性を増加）させる。するとその後の光路途中で光ファイバ１００やピンホールまたはスリット１３０を設置しても、照射光１２の部分的可干渉性が増加しない（部分的非可干渉性が低下しない）。このように光源部２の内部あるいは光源部２からの出射位置近傍に光ガイド（光パイプ）２５０を配置することで、光学雑音が低減する効果がある。

【0460】

図５２に示すように発光源７０の結像位置に光ガイドの前端面２５２を配置すると、発光源７０からの放出光に対する高い光利用効率が得られる。しかしそれに限らず、発光源７０の非結像位置に光ガイドの前端面２５２を配置しても良い。その具体例として図５２（ａ）において、発光源７０と光ガイド（光パイプ）２５０の間に結像レンズ２１６以外の別の光学素子（図９に記載した他の光学特性変更部材など）を配置しても良いし、発光源７０と光ガイド（光パイプ）２５０の間に一切の光学素子を配置しなくても良い。またそれに限らず、非結像光学系を形成しても良い。

【0461】

本実施形態システムにおける他の応用例を図５３に示す。図１７に示した従来技術との違いを、３．７節で説明した。図１７ではコリメートレンズ１３６通過後の光進行方向がα、βと互いに一致しないため、このままでは部分的可干渉性は低下（部分的非可干渉性は増加）しない。

【0462】

それに対して本応用例では、光ファイバ１００－１と１００－２を出た両方の光を光ガイド（光パイプ）２５０内を通過させる。両方の光は光ガイド（光パイプ）２５０内で互いに合成または混合されて、互いの光進行方向が一致する。従って図５３に示す応用例でも、光ガイド（光パイプ）２５０内は、光合成（混合）部１０２の働きをする。

【0463】

ここまでの説明では、光ガイド（光パイプ）２５０が持つ光合成（混合）部１０２の働きを利用していた。ここでは図５４を使い、光合成（混合）部１０２の機能を持つ基本原理を説明する。大きな入射角ηを持った入射光は、光ファイバ１００のコア領域１４２内に侵入できないと既に説明した。そのため（例えば照射光１２）の光路途中に光ファイバ１００を配置すると、その入り口での光量ロスが大きな問題となる。それに対して、光ガイド（光パイプ）の前端面２５２では光量低下が生じない理由を図５４（ａ）に示す。

【0464】

空気中（または真空中）を入射角（Incident Angle）κで入射する光は、屈折率ｎの透明媒体内では屈折角（Angle of Refraction）ξで屈折する。入射角κと屈折角ξとの関係を示す近似式は、既に（Ｂ・１４）式で説明している。ところで近似を使わずに正確なスネル（Snell）の法則を書き表すと、
sinκ ＝ ｎsinξ …(B・49)
となる。

【0465】

（Ｂ・４９）式において、常に“sinκ ≦ １”が成り立つ必要がある。そして“sinκ＝ １”となる屈折角ξの最大値が全反射角（Angle of Total Internal Reflection）と呼ばれる。例えば“ｎ＝１．５”の時には、（Ｂ・４９）式から全反射角は“４１．８度”となる。

【0466】

図５４（ａ）では空気中（または真空中）を進行した照射光１２が、光ガイド（パイプ）の前端面２５２を通過して光ガイド（光パイプ）２５０の内部に侵入する。この光路を逆から見る。光ガイド（光パイプ）２５０内部を通過する光が光ガイド（パイプ）の前端面２５２に対して角度ξで到達すると、屈折して角度κとなって空気中（または真空中）を進行する。ここで光ガイド（パイプ）の前端面２５２に到達する角度が“４１．８度”より大きくなると、この光は光ガイド（パイプ）の前端面２５２で全反射して、空気中（または真空中）には出られない。

【0467】

このように屈折体内での界面への到達角度に制約がある反面、空気中（または真空中）の入射光（照射光１２）に関しては、到達角度（入射角κ）への制約が無い。従って“０度≦κ≦９０度”の範囲内では、任意の入射角κを持つ照射光１２が光ガイド（光パイプ）の前端面２５２を通過できる。厳密な光学計算の結果から、光ガイド（パイプ）の前端面２５２通過時に微小な光反射に起因する光量ロスがわずかに生じる。しかし光ガイド（光パイプ）の前端面２５２に反射防止コート（ＡＲコート（Antireflection Coatings））を施す事で、ここでの光量ロスを大幅に低減できる。従って光合成（混合）部１０２（図８Ａ、図８Ｂ参照）に光ガイド（光パイプ）２５０を使用すると、光ガイド（光パイプ）２５０通過光（照射光１２）の高い光利用効率を得られる効果が生じる。

【0468】

そして光ガイド（光パイプ）２５０内を通過する照射光１２は、光ガイド（光パイプ）２５０内部の側面２５４－１で反射（全反射）する。この時の反射角（全反射角）をφで表す。図５４（ａ）が示すように、光ガイド（光パイプ）２５０の側面２５４－１と光ガイド（パイプ）の前端面２５２間が直交する場合には、上記屈折角ξと反射角（全反射角）φとの間の関係は
ξ ＋ φ ＝ ９０度 …(B・50)
で与えられる。

【0469】

光ガイド（パイプ）の前端面２５２に対して任意の入射角κで光ガイド（光パイプ）２５０内に入る照射光１２の屈折角ξは、上述したように常に“４１．８度以下”となる。従って（Ｂ・５０）式から、角度φは常に“４８．２度以上”となる。そして“φ≧４８．２度”の現象は上述した理由から、『光ガイド（光パイプ）２５０内を通過する照射光１２は、光ガイド（光パイプ）２５０内部の側面２５４－１、２で全反射し、しかも反射時の光損失が起きない』事を意味する。つまり合成光（混合光）７８の生成（図１０参照）に光ガイド（光パイプ）２５０を使用すると、光合成（混合）時の光損失が非常に少なくできる効果が生まれる。

【0470】

合成光（混合光）７８の生成に使用する光学特性変更部材の例として、回折格子１２０、１２４（図１２Ａ、図１４Ｃ）や光ファイバ１００（図１４Ａ、図２４Ａ、図２４Ｂ、図２４Ｃ）、位相変換素子１０２－２、２１２（図１４Ｂ、図２１Ａ（ｂ）、図２１Ｃ、図２２）などの使用例を説明した。ところで上記の光学特性変更部材内を光が通過する時には、いずれの光学特性変更部材でも多少の透過光量ロスが発生する。これらの光学特性変更部材と比べると、（同様に光学特性変更部材に属する）光ガイド（光パイプ）２５０は使用時の光損失量が格段に少ない。

【0471】

図５４で例示した光ガイド（光パイプ）２５０は、直方体の形状を取る。それとは異なり、図５２や図５３に例示した光ガイド（光パイプ）２５０の構造では、側面２５４－１、２の少なくとも一部が勾配を持つ。さらに側面２５４－１、２の一部が曲面形状を持ち、勾配量が部分的に変化する構造も許容される。そしてこの場合には、光ガイド（パイプ）の前端面２５２または後端面２５６と側面２５４－１、２との間の角度が、９０度とは異なる（場所が少なくとも局所的には存在し得る）。

【0472】

（少なくとも局所的な）側面２５４－１、２内の勾配角（Slope Angle）をμとすると
、（Ｂ・５０）式に対して
ξ ＋ φ ＋ μ ＝ ９０度 …(B・51)
の関係が成り立つ。

【0473】

屈折角ξが取り得る最大値（屈折率ｎが“１．５”の時の“４１．８度”）と、側面２５４－１、２で全反射が起きる臨界角（Critical Angle）としての“φ＝４１．８度”を（Ｂ・５０）式に代入すると、“μ＝６．４度”を得る。つまり側面２５４－１、２で全反射が起こるためには、側面２５４－１、２での勾配角μを“６．４度以下”にする必要がある。

【0474】

光ガイド（光パイプ）２５０の製造時の前端面２５２や後端面２５６の角度誤差や照射光１２の波長変化に拠る屈折率ｎの変化も考慮に入れると、光ガイド（パイプ）の側面２５４－１、２での勾配角μは“６度以下”（望ましくは“５度以下”）に設定するのが望ましい。

【0475】

上記計算の前提として、“光ガイド（パイプ）の側面２５４－１、２の表面は空気中（真空中）に露出した状態”を想定した。しかし本実施形態例では上記条件に限らず、光ガイド（パイプ）の側面２５４－１、２での勾配角μを例えば“５度以上”に設定しても良い。この場合には“側面２５４－１、２での全反射条件”が崩れるので、代わりに光ガイド（パイプ）の側面２５４－１、２の表面に光反射層のコーティングを行っても良い。

【0476】

このように光ガイド（光パイプ）２５０内部で全反射を繰り返しながら進む照射光１２間で光合成（混合）される状況を図５４（ｂ）に示す。光ガイドの前端面２５２上のε点は、図５２での発光源７０（タングステン・フィラメント５０）上の発光点αの結像点あるいは、図５３での光ファイバ１００－２の出射口に対応する。同様にζ点は発光源７０（タングステン・フィラメント５０）上の発光点βの結像点あるいは、光ファイバ１００－１の出射口に対応する。図５４（ｂ）が示すようにε点とζ点の近傍では、両者の光は別光路を通過する。

【0477】

しかし光ガイド（光パイプ）２５０内を少し進行した所で、ε点通過光の光路２６０とζ点通過光の光路２７０が互いに重なり合う。そして両光路２６０、２７０が重なり合った領域が、光の混合領域２８０となり、互いの光が合成（混合）される。さらに光ガイド（光パイプ）２５０内部の側面２５４－１、２で全反射を繰り返しながら、両者の光の合成（混合）が一層進行する。そして光ガイド（パイプ）の後端面２５６の通過（出射）の時点で、（図８Ａあるいは図８Ｂ、図１０が示す）合成光（混合光）７８となる。

【0478】

合成光（混合光）７８の生成に使用する光学特性変更部材の例である図１２Ａや図１４Ｃで示した回折格子１２０、１２４あるいは、図１４Ｂまたは図２１Ａ（ｂ）、図２１Ｃ、図２２に記載した位相変換素子１０２－２、２１２では基本的に、１回のみの光合成（光混合）操作が行われる。

【0479】

それに比べて光ガイド（光パイプ）２５０では、側面２５４－１、２での全反射の繰り返し毎に複数回の光路の重ね合わせ（すなわち光合成／光混合）処理が実施される。従って発光源７０から放出されて異なる光路を通過した光間の混合（合成）度合いが向上し、部分的可干渉性の低下効率（部分的非可干渉性の増加効率）が向上する効果がある。

【0480】

３．１１節 赤外光より波長の長い電磁波に対する部分的可干渉性の低減方法と応用例
図１Ａ～図１Ｃに記載された本実施形態システムでは、照射光（第１の光）１２を対象体１０内に照射し、そこから得られる検出光（第２の光）１６を用いて対象体１０内部の特性や状態を測定する。この対象体１０内部では、照射光（第１の光）１２（および検出光（第２の光）１６）は多重の光散乱を繰り返す。そして照射光１２または検出光１６が部分的可干渉な光の場合には、第５章で後述するように検出光１６に光学雑音が発生すると共に照射光１２の対象体１０内部への侵入距離（Penetration Length）が低下する。

【0481】

この現象は近赤外光や赤外光に限らず、それより波長の長い電磁波でも発生する。ところでレーダー（Radar：Radio Detection and Ranging）などで電磁波の指向性を高めるには、一般的に電磁波の波面（Wave Front）を平坦化する手法が用いられる。しかしこの手法では電磁波の可干渉性が増加するので、対象体１０内部への侵入距離が低下する。（レーダーで単一周波数の電磁波使用時には、部分的可干渉性では無く可干渉性となる。）第５章で示す近赤外光を用いた実験データは、それより波長の長い電磁波でも同様な現象が発生する事を示唆している。一方で電磁波の部分的可干渉性（あるいは可干渉性）を低下させるようとして電磁波の波面を乱すと、指向性が大幅に低下する問題が発生する。

【0482】

本実施形態の応用例として、充分な指向性を確保しながら（部分的）可干渉性が低い電磁波を生成する方法を説明する。図５５（ａ）の各電磁波発生源／受信部２９２は、（図示して無いが）電磁波の送受信用に共通なアンテナと電磁波発生用送信回路、電磁波の受信回路（検出回路）から構成されている。そして互いに異なる電磁波発生源／受信部２９２－１～－ｎ（内のアンテナ）から出射した指向性を持つ電磁波２９０－１～－ｎ（すなわち異なる進路を経由した電磁波）間を空間的に互いに重ねて、電磁波の混合を行う。そのために単独で指向性を持つ電磁波２９０を放射する独立した複数の電磁波発生源／受信部２９２を、互いに近接して配置し、放射方向を一致させる。すると電磁波発生源／受信部２９２－１～－ｎから充分離れた位置で、指向性を持つ混合電磁波２９４が作られる。

【0483】

上記指向性を持つ混合電磁波２９４の生成メカニズムを、以下に詳細に説明する。各電磁波発生源／受信部２９２－１～－ｎから放射された電磁波２９０－１～－ｎは、それぞれ指向性を持つ。しかし電磁波発生源／受信部２９２－１～－ｎから充分離れた位置では、電磁波２９０－１～－ｎはそれぞれ（進行方向に垂直な平面内で）空間的な広がりを持つ。従って複数の電磁波発生源／受信部２９２－１～－ｎを１次元方向または２次元方向に密集させて配列すると、充分遠方（図５５（ａ）の右側）では広がりを持った各電磁波２９０－１～－ｎ間で空間的に重なる。そしてこの重なり部分で電磁波２９０－１～－ｎ間が混合されて、指向性を持つ混合電磁波２９４が生成される。ここで各電磁波２９０－１～－ｎは指向性を持つため、混合後でも指向性特性は変化しない。

【0484】

図１０を用いて３．１節で説明したように、同一発光源７０から放出された光の一部７４に対して（Ｂ・４４）式を満足するように光路長変化７６させると、他の光の一部７２との間に光干渉が発生しない。この光干渉の発生原因に付いて２．２節では、不確定性原理（Uncertainty Principle）を使って説明した。

【0485】

上記で説明した光（電磁波間の）干渉原因に基付くと、異なる電磁波発生源／受信部２９２－１～－ｎから放射された電磁波２９０－１～－ｎ間では干渉が起きない。従って上記方法で生成された指向性を持つ混合電磁波２９４は、高い指向性を保つにも関わらず（部分的）可干渉性が低い（（部分的）非可干渉性が高い）。この指向性を持つ混合電磁波２９４を使用すると第５章で後述するように、対象体１０への侵入距離が増加する。そのため、対象体１０内の特性や状態に関して深い領域まで測定可能となる効果が有る。さらに対象体１０内での多重散乱光３７０間の干渉雑音が低下するので、精度の高い特性検出も可能となる。

【0486】

ところで上記応用例に限らず本３．１１節内で説明する周波数領域の電磁波に関しても、３．１節から３．１０節で説明した方法（異なる進路（光路）を経由した電磁波間を合成（混合）する、あるいは電磁波内の一部の光路長を変化させた後に合成（混合）する）を使用しても良い。

【0487】

電磁波発生源／受信部２９２－１～－ｎの内部は個別に、少なくとも１個のレーダーアンテナが設置されている。このレーダーアンテナ構造として例えば、八木アンテナ（Yagi Antenna）構造や１点から球状に放出される電磁波を半球状または楕円状、放物線形状の反射ミラーを用いて平行化する（パラボラアンテナ（Parabola Antenna））構造など任意の構造を使用しても良い。上記アンテナ構造に適した本実施形態で使用する電波の周波数帯は、低周波帯から中周波帯が含まれる。具体的には３０ｋＨｚ～３００ｋＨｚ範囲のＬＦ波（Low Frequency Wave：長波）だけでなく、３００ｋＨｚ～３ＭＨｚ範囲のＭＦ波（Middle Frequency Wave：中波）、３ＭＨｚ～３０ＭＨｚ範囲のＨＦ波（High Frequency Wave：短波）３０ＭＨｚ～３００ＭＨｚ範囲のＶＨＦ波（Very High Frequency Wave：長波）を対象にしても良い。

【0488】

１本の導線に交流電流を流すと、周辺に電磁波が放出される。また電磁波がこの導線通過時に誘導電流が流れ、電磁波の検出ができる。従って電磁波発生用送信回路と電磁波の受信回路（検出回路）を接続すると、同一のレーダーアンテナが電磁波の発生源になると共に電磁波の受信部としても利用できる。

【0489】

次に電子レンジやレーダーに使用されるマイクロ波の放射が可能な電磁波（定在波）発生源２９２を使用した本実施形態の応用例を図５５（ｂ）に示す。電子レンジに使用される周波数は、国際規格で２．４５ＧＨｚ（波長は１２．２ｃｍ）に統一されている。但しアメリカ合衆国内に限り、９１５ＭＨｚ（波長は３２．８ｃｍ）での使用が認められている。

【0490】

マグネトロン電磁波発生源２９６－１～－ｎから放出されたマイクロ波の指向性を高めるため、マイクロ波の出口に導波管形アンテナ２９８－１～－ｎが設置されている。この導波管形アンテナ２９８－１～－ｎの具体的な形状例は、直方体形または円柱形（あるいは角錐形や円錐形）の内部が空洞の筒で、この空洞内の内壁で反射を繰り返しながら指向性を高めたマイクロ波が外部に放射される。

【0491】

そしてこの導波管形アンテナ２９８－１～－ｎはマイクロ波の放射口になると共に、外部から侵入するマイクロ波に対する受信機（マイクロ波検出器）の一部としても使用できる。このように導波管形アンテナ２９８－１～－ｎをマイクロ波受信機として使用する場合には、（図示して無いが）導波管形アンテナ２９８－１～－ｎ個々の一端にプリアンプ回路と信号処理用回路を接続しても良い。

【0492】

マグネトロン電磁波発生源２９６の内部は、強力な直流磁場中に設置された熱電子管構造をしても良い。管球（Vessel）の空洞中央に設置された陰極（Cathode）は、ヒーターで加熱される。そしてこの陰極から放出された熱電子（Thermoelectron）は、印可された電界（Electrical Field）の働きで陽極（Anode）に向かって真空中を移動する。この時に熱電子は、外部の直流磁場の影響でサイクロイド曲線（Cycloid Curve）を描きながら
マイクロ波を放出する。

【0493】

このマグネトロン電磁波発生源２９６の実用周波数範囲は、１００ＭＨｚから２００ＧＨｚと言われている。従って本実施形態例で呼ぶ“マイクロ波”とは、電波の範疇では高周波数帯側を示す広義的概念で使用する。すなわち狭義なマイクロ波で定義されている３ＧＨｚ～３０ＧＨｚ範囲のＳＨＦ波（Super High Frequency Wave：狭義のマイクロ波））に限らず、さらに広い周波数範囲も含める。すなわち３０ＭＨｚ～３００ＭＨｚ範囲のＶＨＦ波や３００ＭＨｚ～３ＧＨｚ範囲のＵＨＦ波（Ultra High Frequency Wave）、３０ＧＨｚ～３００ＧＨｚ範囲のＥＨＦ波（Extremely High Frequency Wave：ミリ波）も、“広義のマイクロ波周波数領域”に含める。

【0494】

導波管形アンテナ２９８－１～－ｎの外部に放射されたマイクロ波は、それぞれ指向性を持つ電磁波２９０－１～－ｎとなる。高い指向性を持つ電磁波２９０－１～－ｎでも図５５（ｂ）のように、導波管形アンテナ２９８－１～－ｎより遠方では進行方向に垂直面内で広がりを持つ。また図５５（ｂ）が示すようにマグネトロン電磁波発生源２９６と導波管形アンテナ２９８でそれぞれ構成される複数の組が、一方向または面方向に密に配置される。すると導波管形アンテナ２９８－１～－ｎより遠方では、指向性を持つ電磁波２９０－１～－ｎ間で空間的に重なり合って互いに合成（混合）される。そのように合成（混合）されて生成された指向性を持つ混合電磁波２９４は、（部分的）可干渉性の低い電磁波となる。

【0495】

ところで空洞部の断面形状が長方形（または正方形）の導波管形アンテナ２９８－１～－ｎを２次元方向に配列したフェーズドアレイアンテナ（Phased Array Antenna）が知られている。これはマイクロ波の指向性を高めるため、全ての導波管形アンテナ２９８－１～－ｎから放射されたマイクロ波の波面を適正化する構造を持つ。このアンテナ使用時には、唯一のマグネトロン電磁波発生部２９６のみが使用される。そのためこのアンテナから放射されたマイクロ波の可干渉性は非常に高い。

【0496】

導波管形アンテナ２９８－１～－ｎの配置例は互いに類似しているが、フェーズドアレイアンテナと図５５（ｂ）に示す本実施形態の応用例では可干渉性を抑える効果が基本的に異なる。すなわち唯一のマグネトロン電磁波発生部２９６を使用して可干渉性の高いマイクロ波を生成する従来のフェーズドアレイアンテナでは、対象体１０への侵入距離が短く検出信号へ混入する電磁波雑音が大きい。それに比べて互いに独立した複数のマグネトロン電磁波発生源２９６－１～－ｎを使用する本実施形態の応用例を使用すると、対象体１０への侵入距離が長くなり、検出信号に混入する電磁波雑音を大幅に低減できる効果が有る。

【0497】

図５５（ａ）あるいは（ｂ）の方法で生成した“高い指向性を持ちながら低い（部分的）干渉性（高い（部分的）非可干渉性）を持つ混合電磁波２９４”の発生源を、今後は指向性電磁波発生／受信部３６２と呼ぶ。そしてこの指向性電磁波発生／受信部３６２の内部は、電磁波発生源／受信部２９２－１～－ｎあるいはマグネトロン電磁波発生部２９６－１～－ｎと導波管形アンテナ２９８－１～－ｎの組みが複数配列されている。またこの指向性電磁波発生／受信部３６２内には、外部からの電磁波（またはマイクロ波）の受信（検出）機能も備わっている。

【0498】

電子レンジで食物を暖めるのは、食物内の“水分”がマイクロ波のエネルギーを吸収して発熱する原理を利用している。電磁波のエネルギーを吸収するメカニズムは、使用する電磁波の波長帯により異なる。図２７を用いて５．２節で後述するように可視光照射時には、分子を構成する“電子軌道の偏り”がエネルギーを吸収する。また近赤外光を照射すると、水素原子を含む官能基（Atomic Group）内の“グループ振動”でエネルギーを吸収する。さらに波長を長くした赤外光を照射すると、分子内の構成原子間が振動する。

【0499】

それよりも照射する電磁波の波長を長くすると、分子内の構成原子間振動では電磁波を吸収できず、“分子全体の回転や並進運動”でエネルギーを吸収する。ところでこの“分子全体の回転や並進運動”が起き易いのは“固体”では無く、“液体”である点が重要となる。つまりここで説明する周波数範囲内（３０ｋＨｚから３００ＧＨｚまでの範囲、あるいは３０ＭＨｚから３００ＧＨｚまでの範囲）の電磁波を最も吸収するのは、（固体より）“液体”状態の水分子と言える。すなわち上記の周波数の電磁波のエネルギーは、固体よりも水分子の方が遙かに吸収する。

【0500】

水自体の誘電損失（Dielectric Loss）により電磁波エネルギーの吸収が最も大きくなる周波数は、２０ＧＨｚから８０ＧＨｚの範囲（最大周波数は温度により変化する）と言われている。しかし電磁波の周波数を大きく変えても“水の電磁波エネルギー吸収効率”は余り変わらない。そのため電子レンジで使われる電磁波の周波数を２．４５ＧＨｚ（または９１５ＭＨｚ）にしても、充分な水分子の吸収が起こり、（食品の）加熱が可能となる。さらに周波数が３０ＭＨｚ（あるいは３ＭＨｚ）から３００ＧＨｚまでの範囲の電磁波でも、同様の理由から水分子のエネルギー吸収と発熱が可能となる。

【0501】

本実施形態での応用例では、上記現象を『水源や金属鉱床（Metalliferous Deposit）３８６の探索』に利用しても良い。具体的には指向性を持つ混合電磁波２９４を探索場所に照射する。そして測定領域毎の混合電磁波２９４との相互作用の度合いを比較する。

【0502】

もし探索場所に水源３８６が有れば、その水源３８６が混合電磁波２９４のエネルギーを吸収する。水源３８６では電磁波（マイクロ波）の吸収が大きいため、水源３８６内での電磁波の反射量（後方散乱量）が相対的に減少する。指向性電磁波発生／受信部３６２で電磁波の反射量（後方散乱量）変化を調べると、水源３８６内での電磁波反射量（後方散乱量）低下が分かる。また電磁波（マイクロ波）のエネルギーを吸収すると、水源３８６内の温度が上昇する。この温度上昇を調べても、水源３８６位置の探索が行える。

【0503】

また金属鉱床３８６での電磁波の反射（散乱）量は、他の領域より大きくなる。従って他の領域と比べて電磁波の反射（散乱）量が多い領域は、金属鉱床３８６が存在する可能性を示唆する。

【0504】

近年、月面に水が存在する事が分かって来た。太陽電池パネル３８４で太陽光から得た電気で月面の水を電気分解し、酸素分子と水素分子が得られる。その酸素分子と水素分子からロケット燃料が作れる。さらに酸素分子を利用すれば、月面で生物が生息可能となる。また月面内部に埋蔵されている金属鉱床から各種金属を抽出できれば、月面上の建造物や移動体、他惑星へ向かうロケットなどの製造物の材料として使える。

【0505】

以下では応用例適応の一例として、月面内の資源探索方法を説明する。しかしそれに限らず下記の方法を利用して、地球内部の資源探索や地球外地域（例えば小惑星や惑星、衛星）での資源探索を行っても良い。

【0506】

この月面上の水源または金属鉱床３８６の位置探索（あるいは月以外の地球外地域での資源探索）に使用できる水源／金属鉱床探索装置の構造例を、図５６に示す。戦車と同様のキャタピラ（Caterpillar Tread）３７２が、月面表面と直接接触する。そして移動用車輪３７４が回転してキャタピラを動かして、水源／金属鉱床探索装置が月面表面上を移動する。

【0507】

図５６の中央部は、水源／金属鉱床探索装置の内部配置を示している。図５５で示した内部構造を持った指向性電磁波発生／受信部３６２は、下方（すなわち月面の地下内部あるいは月以外の地球外地域の中心部）に向かって指向性を持つ混合電磁波２９４を放射し、下方（すなわち月面の地下内部あるいは月以外の地球外地域の中心部）で反射（後方散乱）されて戻って来る混合電磁波を受信（検出）するように配置されている。

【0508】

またこの指向性電磁波発生／受信部３６２は、電磁波発生／受信部の回転機構３６４内に収納されて任意の方向に傾斜できる構造となっている。そして電磁波発生／受信部の回転駆動部３６６の回転に合わせて、電磁波発生／受信部の回転機構３６４全体が任意方向にわずかに回転する。この機構を利用して、指向性を持つ混合電磁波２９４を月面の地下内部の任意方向に放射できる。また同様に、月面の地下内部の任意方向から散乱または反射されて戻って来る混合電磁波２９４を受信（検出）できる。

【0509】

なお図５６が示すように、水源／金属鉱床探索装置の内部には、遠赤外線分光器３７６と赤外線分光器３７６も搭載されている。ここで遠赤外線分光器３７６自体は光源を持たず、月面の地下から放射される遠赤外光の分光特性（分光スペクトル）が測定できる構造となっている。一方で赤外線分光器３７８内には、独自の赤外線発光源が存在する。この発光源から放射された赤外光は、月面表面または月面表面近傍の空中に向けて照射される。そして月面表面または月面表面近傍の空中での反射光または散乱光の分光特性（分光スペクトル）を調べる。

【0510】

水源／金属鉱床探索装置の上面に設置された太陽電池パネル３８４内で発生される電力はバッテリ３８８内に蓄えられ、夜間の活動を可能にしている。また通信制御部３９４はアンテナ３９６を経由した外部機器との無線通信の制御を行う。そして探索装置内制御系３９８は、これら各部の動作を統合的に制御・管理する。

【0511】

図５７は、この水源／金属鉱床探索装置を用いた月面内部の水源や金属鉱床の位置探索（あるいは月以外の地球外地域での資源探索）方法例を示す。ここで１台のみの水源／金属鉱床探索装置を用いた水源位置探索方法例を、図５７（ａ）に示す。そして複数台の水源／金属鉱床探索装置を用いた水源位置探索方法例は、図５７（ｂ）で記載する。本実施形態の応用例では、最初に図５７（ａ）の簡易的な方法を用いて水源または金属鉱床３８６の埋蔵可能性を探り、次に可能性の有る領域に対して図５７（ｂ）の方法で詳細に調査しても良い。

【0512】

図５７（ａ）の簡易的な探索では指向性電磁波発生／受信部３６２から、水源／金属鉱床探索装置の直下に向けて指向性を持つ混合電磁波２９４を放射する。放射された指向性を持つ混合電磁波２９４は地表３９２の内部の至る所で反射（後方散乱）して、指向性電磁波発生／受信部３６２に戻ってくる。ここで混合電磁波２９４の反射（後方散乱）位置に応じて、混合電磁波２９４の放射直後から指向性電磁波発生／受信部３６２に戻るまでの時間が異なる。従って短期間にパルス状に指向性を持つ混合電磁波２９４を放射し、指向性電磁波発生／受信部３６２に戻る混合電磁波２９４に対する放射直後からの検出強度変化を測定する。このように放射直後からの時間変化を測定すると、地表３９２以下の深さ方向の情報が有る程度予想できる。

【0513】

図２６（ｂ）を用いて５．１節で説明するように、実際には多重散乱された電磁波２９４の影響を受けて深さ方向の検出精度が大幅に低下する。さらにこの多重散乱光３８０（電磁波）と測定対象とする後方散乱光３９０（電磁波）間で干渉が発生すると、さらに検出精度が落ちる。しかし本実施形態の応用例では指向性を持つ混合電磁波２９４の可干渉性を大幅に低下させている（非可干渉性を飛躍的に向上させている）ので、多重散乱光３８０（電磁波）と後方散乱光３９０（電磁波）間の干渉が発生しない。そのため探索精度が向上する効果が生まれる。

【0514】

このようにして探索した場合、金属鉱床３８６が存在する領域からの混合電磁波２９４の反射量（後方散乱量）は大きい。従って混合電磁波２９４の放射直後からの検出強度が大幅に増加する領域には、金属鉱床３８６が存在する可能性がある。

【0515】

片や水源３８６が存在する領域では大きな混合電磁波２９４の吸収が起きる。そのため、その領域からの混合電磁波２９４の反射量（後方散乱量）が大幅に低下される。

【0516】

ところで水源３８６だけで無く、空洞が存在する領域からも混合電磁波２９４の反射量（後方散乱量）が大幅に低下する。この場合の水源３８６と空洞領域間の見分け方は、それより深い位置からの反射量（後方散乱量）を比較すれば分かる。すなわち水源３８６で多量に混合電磁波２９４のエネルギーが吸収された場合は、それより深い位置からの混合電磁波２９４の反射量（後方散乱量）は小さい。一方で空洞領域内では混合電磁波２９４のエネルギー吸収が無いので、それより深い位置からの混合電磁波２９４の反射量（後方散乱量）は大きい。

【0517】

混合電磁波２９４の反射量（後方散乱量）変化検出だけでなく、他の物理パラメータも併用すると探索精度が向上する。混合電磁波２９４を水源または金属鉱床３８６内部に照射すると、水源または金属鉱床３８６の表面部でエネルギーを吸収して局所的に温度が上昇する。この温度上昇を検出して、水源または金属鉱床３８６位置の検出精度を上げても良い。

【0518】

あらゆる物質からは、その温度に応じた波長光を輻射する。黒体輻射光の最大強度位置での波長と温度の関係例として、０℃では１０．３μｍで５０℃では８．０５μｍ、１００℃では７．７５μｍとなっている。従って水源または金属鉱床３８６あるいはこの周辺から放出される黒体輻射光の分光特性を、遠赤外線分光器３７６で測定しても良い。

【0519】

また遠赤外光３８２を直接観測する変わりに、水源または金属鉱床３８６で発生した熱３８２の伝導を利用して地表３９２付近での温度変化を測定しても良い。

【0520】

月面地表３９２の温度は、昼は１００℃以上、夜は零下１５０℃以下になる。従って夜間（零下１５０℃以下）に温度変化測定を行うと、高い測定精度が得られる。

【0521】

図５５（ｂ）を使って説明したように、マグネトロン電磁波発生源２９６内の陰極がヒーターで加熱されて熱電子が放出される。従って指向性電磁波発生／受信部３６２作動時の発熱が、上記の温度変化に悪影響を及ぼす。その悪影響を除去するためにも、図５７（ｂ）のように複数台の水源／金属鉱床探索装置を組み合わせても良い。

【0522】

すなわち上記温度変化を測定する場合には、１台の水源／金属鉱床探索装置内の指向性電磁波発生／受信部３６２を作動させて水源または金属鉱床３８６に指向性を持つ混合電磁波２９４を照射し、もう一方の発熱の無い水源／金属鉱床探索装置で温度変化を測定する。

【0523】

またそれに限らず図５７（ｂ）に示すように、複数の指向性電磁波発生／受信部３６２－１、－２から同時に指向性を持つ複合電磁波２９４－１、－２を照射してもよい。そして複数の指向性電磁波発生／受信部３６２－１、－２で複合電磁波２９４の検出（受信）を行う。これにより、内部で多重散乱された電磁波２９４の影響を低減できる効果が有る。

【0524】

また異なる位置に配置された複数の指向性電磁波発生／受信部３６２－１、－２から同時に指向性を持つ複合電磁波２９４－１、－２を照射すると、所定箇所のみに複合電磁波２９４－１、－２のエネルギーが集中する。この集中エネルギーを利用して、水源３８６内の一部の温度を１００℃以上に上昇させても良い。１００℃以上に上昇した水源３８６内の一部は沸騰して拡散を開始する。月面の昼間（１００℃以上）に拡散した水蒸気３６８の一部は、地表３９２の外に放出される。この放出された水蒸気３６８を赤外線分光器３７８（図５６）で観測できれば、上記のエネルギー集中領域に水源３８６が存在すると、確証できる。

【0525】

ところで水分子は、中心波長が２．７３μｍと２．６６μｍ、６．２７μｍの近傍で赤外光を強く吸収する。従って赤外線分光器３７８得られた吸光特性内で、上記波長帯で共通に光吸収が発生した場合には、水蒸気３６８が地表３９２に放出されたと推定できる。

【0526】

今まで説明した一連の探索手順を、図５８に示す。水源または金属鉱床３８６の存在場所探索を開始（Ｓ１０１）すると、Ｓ１０２に示すように水源／金属鉱床探索装置が探索対象地域（例えば月面の地表３９２や地球外地域（衛生、小惑星、惑星など））内の移動を開始する。最初の探索位置では図５７（ａ）のように、地表３９２から地下（月面や衛星、小惑、惑星などの中心部）へ向けて指向性を持つ混合電磁波２９４を放射する。放射した指向性を持つ混合電磁波２９４を利用した水源または金属鉱床３８６の探索方法として、内部で反射（後方散乱）されて戻ってくる混合電磁波２９４を検出しても良い。それと同時に遠赤外分光器３７６を用いて、水源または金属鉱床３８６内部（またはその表面近傍）で発生する熱（遠赤外光）３８２の特性変化を検出しても良い。

【0527】

その結果として、最初の探索位置での水源または金属鉱床３８６存在の可能性が有るか？を判定する（Ｓ１０４）。仮にその可能性が無い場合（Ｓ１０４のＮｏ）には、別の探索位置に移動する（Ｓ１０２）。

【0528】

このようにして最初のステップでは、水源または金属鉱床３８６が存在する可能性のある領域のマッピングを行う。そして次のステップで、可能性のある領域（Ｓ１０４のＹｅｓ）に対して探索精度を高める。

【0529】

次のステップでは図５７（ｂ）のように、複数の水源／金属鉱床探索装置を動員して多角的調査を開始する。その一例としてＳ１０５が示すように、水源または金属鉱床３８６の候補場所に対して多方向から同時に指向性を持つ混合電磁波２９４を照射する。そしてそこから得られる混合電磁波２９４を検出（受信）する。またそれと平行して、遠赤外線分光器３７６を使用して対象領域から発生する熱（や遠赤外光）３８２の測定を行っても良い。

【0530】

この精度の高い調査結果、対象となる水源または金属鉱床３８６の候補が誤りだった場合（Ｓ１０６のＮｏ）には、別のマッピング場所に移動する（Ｓ１０５）。

【0531】

一方で水源または金属鉱床３８６の可能性が高くなった領域（Ｓ１０６のＹｅｓ）では、Ｓ１０７のさらなる確証調査を行っても良い。ここでは多方向から一箇所に指向性を持つ混合電磁波２９４－１、－２を集中させて、水源または金属鉱床３８６の温度をさらに上昇させる。そして地表３９２付近を拡散して地表３９２表面上に放出された水蒸気３６８を、赤外線分光器３７８を用いて検出しても良い。

【0532】

このように探索終了（Ｓ１０８のＹｅｓ）まで、水源／金属鉱床探索装置が地表３９２上を移動し続ける。

【0533】

部分的可干渉性を低下させた電磁波（指向性を持つ混合電磁波２９４）の生成方法を図５５で示した。この電磁波２９４の応用分野例として、図５６～図５８を用いた資源探索方法を説明した。ここで図５６の水源／金属鉱床探索装置は、地表３９２を走行する形態を取っている。

【0534】

しかしこれに限らず、地表３９２の上空から指向性を持つ混合電磁波２９４を放射しても良い。この地表３９２の上空からの放射方法として例えば、ヘリコプターや飛行機、人工衛星などに指向性電磁波発生／受信部３６２を搭載しても良い。あるいは地表３９２より下部の地下に指向性電磁波発生／受信部３６２を配置し、定期的な変化の測定に利用しても良い。

【0535】

さらに図５７と図５８に示した方法（の一部）を、地球の資源探索に使用しても良い。特に地球の資源探索に本実施形態の応用例を使用する場合には、金属鉱床探索に特化しても良い。

【0536】

３．１２節 光の部分的可干渉性の制御方法に関する簡易的説明
３．１１節（前節）までは光の部分的可干渉性の制御方法に関して、数式を多用した定量的説明に注力した。その結果として有る程度の理論的厳密性を確保できた反面、内容が難解となった傾向がある。上記弊害を解消するため本３．１２節では、本実施形態における“光の部分的可干渉性の制御方法”を簡易的かつ直感的に解説する。従って本３．１２節での理論的厳密性は、若干緩くなる。

【0537】

図５９（ａ）を用いて、従来の部分的可干渉性を持つ光での干渉現象を定性的に示す。発光源７０（例えばタングステン・フィラメント５０）から放射された光は、比較的平坦な波面（等位相面）１０６を持って直進する。この光が“片面が微細凹凸構造を有する透明平板”１０４を透過すると、連続して広がる波面（Cotinually Extended Wave Front）１０６内の歪みが生じる。

【0538】

光は波面１０６に垂直な方向に進行するため、上記の波面１０６の歪みに対応して光の進行方向が曲がる。その結果として、直進光の光量が低下する。図５９（ａ）の中抜け太矢印は、放射光の進行方向を示す。この“片面が微細凹凸構造を有する透明平板”１０４の影響で光が“干渉”する結果、１）図５９（ａ）の右側に示すように、中抜け太矢印方向に進む光の強度が増加し、２）直進光の光量が低下する。

【0539】

本実施形態での技術的工夫の結果得られた、部分的干渉性が低下した非可干渉性の光を、図５９（ｂ）に示す。図５９（ａ）と同様に発光源７０（例えばタングステン・フィラメント５０）から放射された直後の光は、比較的平坦な連続して広がる波面（Cotinually Extended Wave Front）１０６を持って直進する。

【0540】

この光は図８Ａや図８ｂと同様に、複数光路生成用光学特性変更部材１０１と光合成（混合）部１０２を通過する。すると連続して広がる波面１０６が、『細かく分断』される。しかし複数光路生成用光学特性変更部材１０１と光合成（混合）部１０２を通過しても、波長は変化しない。そのため光の進行方向に沿った等位相面間隔（波面間隔（Wave Front Interval））は、不変に保たれる。

【0541】

この光の波面１０６は細かく分断されているので、“片面が微細凹凸構造を有する透明平板”１０４を通過しても、連続して広がる波面１０６特有の歪みは生じない。従って細かく分断された波面１０６毎の傾きが生じないので、干渉を受けずにそのまま直進する。

【0542】

ここで説明した『連続して広がる波面１０６を細かく分断』する方法に、本実施形態における大きな技術的新規性と技術的進歩性が含まれる。なぜなら『連続して広がる波面１０６の一部を単に空間的に分離』しても、部分的可干渉性の低減にはならない。

【0543】

すなわち２．５節内の（Ｂ・２２）式の導入時に説明したように、“波面１０６の一部を空間的に分離”した位置より少し離れた後方位置で『分離された波面を基にした光の合成』が起きる。ここで生成された合成光は、当初の部分的可干渉性が引き継がれる。

【0544】

図６０を用いて、本実施形態における光の部分的可干渉性の制御方法の簡易的解説をする。発光源７０（例えばタングステン・フィラメント５０）から放射された直後の光は、比較的平坦な連続して広がる波面１０６を持って直進する。この連続して広がる波面１０６は、発光源７０から『同時』に放射された光が集まって生成する。

【0545】

複数光路生成用光学特性変更部材１０１と光合成（混合）部１０２内部の機能に関する分かり易いイメージを、図６０で示す。図６０はあくまで、分かり易いイメージを明示しているに過ぎない。具体的な技術内容は、３．１１節以前に説明している。

【0546】

連続して広がる波面１０６が通過する光路の一部に、透明な平行平板１１４を配置する。透明な平行平板１１４内の屈折率をｎとすると、その内部を通過する光の速度は“１／ｎ”だけ遅くなる。その結果として周辺とは『放射時刻の異なる』光１０７が、透明な平行平板１１４の外に出る。その後、この『放射時刻の異なる』光１０７が、連続して広がる波面１０６内の残りの部分と混合される。

【0547】

図６０のイメージ図と図８Ａや図８Ｂとの対応を説明する。光路の一部に透明な平行平板１１４を配置すると、透明な平行平板１１４内外を通過する光間で光路２０１～２０８の違いが発生する。透明な平行平板１１４通過後の光の進行方向は不変に保たれるので、透明な平行平板１１４の後方で混合光７８が生成される。

【0548】

また図１０との対応を考えた時には、透明な平行平板１１４内を通過する光（光の一部７４）と外を通過する光（光の一部７２）間で光路長変化７６が発生している。

【0549】

なお図６０のイメージ図として、連続して広がる波面１０６の一部を分割する“波面分割方法”の例を記載している。しかし波面分割に限らず、任意の方法で異なる光路２０１～２０８の生成または光路長変化７６の生成を行っても良い。

【0550】

『連続して広がる波面１０６を細かく分断』するには、発光源７０から『同時』に放射する時刻と『異なる放射時刻』の光１０７を放射した時刻との間の放射時刻差が重要となる。すなわちこの両者の時刻差Δｔが（Ｂ・２）式（２．２節）から外れた条件を満たす時に、『分断』が行える。また（Ｂ・２）式に関連して、可干渉距離の条件式（（Ｂ・６）式または（Ｂ・１２）式）が与えられる。

【0551】

（Ｂ・２）式に拠ると、周波数幅Δνが短いとΔｔが極端に長くなる。例えば照射光１２の光量を極端に下げ、１個ずつの光子（Photon）を時系列的に対象体１０に照射するフォトンカウンティング（Photon Counting）の実験手法がある。１個ずつの光子を放射する時刻は互いに異なるが、全光子の到達場所を積算したパターン内に干渉縞が観測される。

【0552】

この実験に使用する１個ずつの光子のエネルギー幅（周波数幅Δν）が非常に狭いため、１個ずつの光子を放射する時刻間のずれΔｔが（Ｂ・２）式を満足する。従ってこの場合には、『波面１０６の分断』には当てはまらない。

【0553】

生体内部の３次元パターン観測技術として、ＯＣＴ（Optical Computerized Tomograpy）の技術が知られている。これは可干渉性の光の光路を振幅２分割し、１方の光のみを対象体１０に照射させる。また他方の光は参照光として利用する。検出部６内部で、対象体１０から得られた検出光１６と参照光を干渉させる。対象体１０から得られた検出光１６と参照光との間の光路長差が可干渉距離を越えた時の非干渉性を利用して、測定対象位置以外からの信号ノイズ成分を除去している。

【0554】

上記のＯＣＴ技術と本実施形態との違いと本実施形態の効果を下記に纏める。
Ａ〕ＯＣＴでは、可干渉光を対象体１０内部に照射する
… 図２６（ｂ）を用いて５．１節で後述するように、対象体１０内部では可干渉光の後方散乱光３９０と多重散乱光３８０間で干渉する。この干渉の影響で光学雑音の多い検出イメージしか得られない。それと比べて本実施形態では、部分的可干渉性の低い“混合光７８”を対象体１０に照射する。その結果として図６１や図６３を用いて第５章で後述するように、精度の高い検出信号が得られる。
Ｂ〕ＯＣＴでは、光路長差を持った検出光１６と参照光との合成を検出部６で行う
… 図２６（ａ）と図６１を用いて第５章で後述するように、可干渉光の直進光３６０と対象体１０内部で発生する多重散乱光３７０との間で干渉する。そのため対象体１０内部に侵入する可干渉光の侵入距離（Penetration Length）が短くなる。一方で本実施形態では、部分的可干渉性の低い“混合光７８”を対象体１０に照射する。そのため図６１に示すように、侵入距離が増加する。
Ｃ〕ＯＣＴでは、対象体１０表面の凹凸形状変化に対する補正をしない
… 一方で波面が平坦なままの参照光を利用する。従って対象体１０表面の凹凸形状変化に応じて、検出イメージを得る場所の深さ方向の位置ずれが発生する。それに対して本実施形態例では第６章で後述するように、対象体１０表面の凹凸形状変化や内部の屈折率変化を補正する機能を有している。そのため対象体１０内部での正確な深さ方向設定が可能である。

【0555】

第４章 可干渉光と部分的非可干渉光の混合／分離方法
(Chapter 4] Mixture and Separation between Normal and Partially Incoherent Light)
第３章では、対象体１０の特性／検出測定に用いる照射光１２または検出光１６の部分的可干渉性を減少させて部分的非可干渉性を増加させる方法を説明した。しかし例えばＯＣＴ（Optical Computerized Tomography）の測定には、可干渉光が必須となる。また第６章で後述する波面収差の測定も、可干渉光を用いると検出精度が上がる。第４章では可干渉光と部分的非可干渉光の両方を用いた測定装置を説明する。

【0556】

４．１節 可干渉光と部分的非可干渉光の両方を用いた測定装置内の構造例
レーザー光源などの可干渉光の光源部３２２と、部分的非可干渉光の光源部３０２の両方を持つ測定装置の実施形態例を図２５に示す。なお図２５内の矢印は、光の光路と進行方向を示す。

【0557】

ここで対象体１０より上側の光学配置は、図１Ｃ（ｃ）の光学配置に類似する。そして図１Ｃ（ｃ）の光源部２が、図２５の最上部の右側の部分的非可干渉光の光源部３０２、可干渉光の光源部３２２、および光混合部（Light Combiner Section）３４０から構成される領域に対応する。ここで部分的非可干渉光の光源部３０２の具体的構造は、第１章と第３章で説明した光源部２内の構造に相当する。この部分的非可干渉光の光源部３０２と可干渉光の光源部３２２から放出された光は、光混合部３４０（具体的な混合方法は、４．２節で後述する）で混合される。

【0558】

上記光混合部３４０で混合された可干渉光と部分的非可干渉光は共に、参照光生成部３２０内で参照光を抽出される。この参照光は可干渉光部分と部分的非可干渉光部分が別々に、部分的非可干渉性の反射光に対する波面収差特性検出部３０６、および部分的非可干渉性の透過光に対する波面収差特性検出部３１６、可干渉性の反射光に対する波面収差特性検出部３２６、可干渉性の透過光に対する波面収差特性検出部３３６内での波面収差特性検出に利用される。そして参照光生成部３２０内で非参照光となった残りの光は、照射光と検出光間の光路分離部３１０に送られる。

【0559】

対象体１０より上部左側の光分離部３１２以降の全光路が、図１Ｃ（ｃ）の検出部６に対応する。また図２５の対象体１０より下側の全ての光学系が、図１Ｃ（ａ）の検出部４に対応する。

【0560】

また照射光と検出光間の光路分離部（Optical Path Separation Section）３１０では、照射光１２と対象体１０で反射して得られる検出光１６との間の光路を分離する。この光路分離方法の一例として、図１Ｃ（ｃ）のビームスプリッタ２０を使用しても良い。さらに対象体１０より下側が、図１Ｃ（ａ）の検出部４に対応する。

【0561】

図２５では、対物レンズ３０８で照射光１２を対象体１０内で集光させ、この集光点を通過した光を対物レンズ３１８で集めての良い。従って例えば図１Ｃ（ａ）または（ｃ）のように、照射光１２を対象体１０内のα点（またはα領域）やγ点（γ領域）に集光させる場合を考える。６．１節で後述するように、照射光１２が対象体１０内のα点（またはα領域）やγ点（γ領域）に到達する光路途中で波面収差（Wave Front Aberration）
が発生する。その結果として、α点（またはα領域）やγ点（γ領域）では検出光１２が集光されず、集光点がぼやける。このα点（またはα領域）やγ点（γ領域）に到達するまでの波面収差量を事前に予測し、前記とは反対の波面収差を対象体１０に入る前の照射光１２に加えておく。それにより対象体１０内部で発生する波面収差特性が相殺され、対象体１０内のα点（またはα領域）やγ点（γ領域）に照射光１２が集光できる。

【0562】

また対象体１０内のα領域を出発して対象体１０の外に出た検出光１６の中に発生する波面収差特性に対しても、検出部６内の光路途中で反対の波面収差特性を検出光１６に加える。それにより、光検出器８０（図８Ｂ）の検出面上に良好な結像パターンが得られる。

【0563】

上記のように光源部２内部で補正すべき波面収差特性を照射光１２に事前に与える処理と、対象体１０から得られる検出光１６内の波面収差特性を補正する処理を波面収差補正（Compensation of Wave Front Aberration）と呼ぶ。

【0564】

図２５の実施形態例では、対象体１０に対する反射光と透過光別々に波面収差特性を測定し、照射光１２と検出光１６それぞれに波面収差補正を行っている。また波面収差補正の精度を上げるため、粗動（Course）と微動（Fine）の２段階に分けて波面収差補正を行う。ここで照射光の波面収差粗動補正部３５２と透過光の波面収差補正粗動補正部３５８で、粗動の波面収差補正を行う。また照射光の波面収差微動補正部３５４と透過光の波面収差補正微動補正部３５６で、微動の波面収差補正を行う。

【0565】

すなわち照射光の波面収差補正には、照射光の波面収差粗動補正部３５２を利用しておおよその波面収差補正を行う。そしてそこで残った波面収差残量に対して、照射光の波面収差微動補正部３５４で細かな波面収差を補正する。

【0566】

また対象体１０の透過後に得られる検出光１６の波面収差補正には、検出光の波面収差粗動補正部３５６を利用しておおよその波面収差補正を行う。そしてそこで残った波面収差残量に対して、検出光の波面収差微動補正部３５８で細かな波面収差を補正する。

【0567】

対象体１０からの透過光（対象体１０から下側の光路）に対しては、独自に波面収差補正を行う。そのため対物レンズ３１８通過直後の検出光１６に対して、透過光の波面収差補正粗動補正部３５８と透過光の波面収差補正微動補正部３５６をこの順で配置する。

【0568】

一方で対象体１０からの反射光（対象体１０から上側の光路）に関しては、照射光１２の光路と検出光１６の光路が一致する。従って対象体１０内部を通過する時に照射光１２内に発生する波面収差特性と、対象体１０内部のγ点（γ領域）から反射して戻って来る検出光１６内に発生する波面収差特性は一致する。

【0569】

従って反射光を用いる対象体１０から上側の光路では、光源部２に対する波面収差補正と検出部４、６に対する波面収差補正を共通化する。図２５の実施形態例では、照射光と検出光間の光路分離部３１０と対物レンズ３０８との間に、照射光の波面収差粗動補正部３５２と照射光の波面収差微動補正部３５４をこの順に配置している。

【0570】

上記の波面収差補正を実行するためには、対象体１０内で実際に発生する波面収差特性を検出する必要が有る。この特性を、各波面収差特性検出部３０６、３１６、３２６、３３６内で検出／測定する。

【0571】

これらの検出部では波面収差が発生する前の理想状態の光と波面収差が含まれた光との間の特性を比較し、その差分特性を波面収差特性として検出する。すなわち光混合部３４０で得た混合光を用い、参照光生成部３２０内で波面収差発生前の思想状態の波面特性を生成する。そして各波面収差特性検出部３０６、３１６、３２６、３３６内では、そこに入力する波面収差が含まれた検出光と参照光生成部３２０で得られる参照光との間を比較し、両者の差分特性を検出すべき波面収差特性と見なす。

【0572】

特に本実施形態例では、部分的非可干渉光で得られる波面収差特性を利用して上記粗動補正部３５２，３５６での波面収差補正を行う。そしてさらに可干渉光で得られる波面収差特性を利用して、上記微動補正部３５４，３５８での波面収差補正を行う。

【0573】

すなわち部分的非可干渉性の反射光に対する波面収差特性検出器３０６の検出／測定結果を、照射光の波面収差粗動補正部３５２にフィードバックする。また部分的非可干渉性の透過光に対する波面収差特性検出器３１６の検出／測定結果を、透過光の波面収差粗動補正部３５６にフィードバックする。

【0574】

それと同時に並行して、可干渉性の反射光に対する波面収差特性検出器３２６の検出／測定結果を、照射光の波面収差微動補正部３５４にフィードバックする。そして可干渉性の透過光に対する波面収差特性検出器３２６の検出／測定結果を、透過光の波面収差微動補正部３５８にフィードバックする。

【0575】

第６章で説明するように、部分的非可干渉光を用いて波面収差特性を検出した場合には、検出精度は低い代わりに検出範囲（ダイナミックレンジ）が非常に広い。一方で可干渉光を用いて波面収差特性を検出した場合には、検出精度は高いが検出範囲（ダイナミックレンジ）が非常に狭い。図２５に示す測定装置例では両者を併用して両者の利点を効率良く引き出している。

【0576】

前述した光混合部３４０で混合した可干渉光と部分的非可干渉光は、光分離部（Light Separator Section）３１２、３３２で互いに分離される。ここで分離されたそれぞれの光は、おのおの光分離部（Light Divider Section）３４２、３４４、３４６、３６８で分割される。

【0577】

ここで分割された光は別々に信号検出と波面収差特性の検出に利用される。つまり部分的非可干渉性の反射光に対する信号検出部３０４、部分的非可干渉性の透過光に対する信号検出部３１４、可干渉性の反射光に対する信号検出部３２４、と可干渉性の透過光に対する信号検出部３３４で信号検出が行われる。

【0578】

また部分的非可干渉性の反射光に対する波面収差特性検出部３０６、部分的非可干渉性の透過光に対する波面収差特性検出部３１６、可干渉性の反射光に対する波面収差特性検出部３２６、と可干渉性の透過光に対する波面収差特性検出部３３６で波面収差特性の検出がなされる。

【0579】

４．２節 可干渉光と部分的非可干渉光の混合と分離方法
図２５の可干渉光の光源部３２２から放出された可干渉光と部分的非可干渉光の光源部３０２から出た部分的非可干渉光との間の、混合と分離方法を本４．２節で説明する。

【0580】

本実施形態例では、
Ａ〕（電場の）振動面の直交性を利用（偏光ビームスプリッタ使用）と
Ｂ〕使用波長範囲の分離を利用（反射／透過に波長依存性を持つ光学素子使用）の少なくともいずれかを採用するが、両者を併用しても良い。

【0581】

“Ａ〕振動面の直交性”を利用する方法に付いて、最初に説明する。図示してないが、図２５の可干渉光の光源部３２２の光出口と部分的非可干渉光の光源部３０２の光出口に検光子（特定の振動面を持つ光のみを透過／反射させる特性を持った光学素子）を配置する。そして可干渉光と部分的非可干渉光間の（電場の）振動面が直交するように設定する。

【0582】

この場合には光混合部３４０内に偏光ビームスプリッタを配置し、可干渉光と部分的非可干渉光を混合しても良い。また光分離部３１２、３３２内にも同様に偏光ビームスプリッタを配置し、可干渉光と部分的非可干渉光の振動面の直交性を利用して両者を分離する。

【0583】

次に“Ｂ〕波長特性の違いで分離”する方法を説明する。この場合には光混合部３４０と光分離部３１２、３３２内に“特定波長範囲内の光のみを透過（または反射）”し、“他の波長光を反射（または透過）”する特性を持った光学素子（バンドパスフィルタ）を配置する。そして可干渉光と部分的非可干渉光で使用波長を変化させて、両者の混合と分離を行う。

【0584】

特許文献３に記載される“中心に炭素原子または窒素原子が配置された官能基の吸収波長変化”を検出する場合、部分的非可干渉光を用いて第１倍音もしくは第２倍音、第３倍音の伸縮振動（Stretching）に帰属した吸収波長の変化（吸収帯の中心波長変化）を検出するのが望ましい。この場合には、上記の波長域を外した波長を持った可干渉光を利用すると良い。

【0585】

２．６節で説明した近赤外光の波長範囲内には、上記伸縮振動の第ｎ倍音に帰属する吸収帯の他に結合音に帰属する吸収帯が存在する。これら吸収帯の帰属を同定する場合、比較的容易に伸縮振動の第ｎ倍音に帰属する吸収帯の同定は行える。それに比べて複雑な要因の組み合わせで結合音が構成される。そのため構成要因まで含めた結合音の帰属推定は難しい。従って本実施形態の光学的検出方法やイメージング方法には、主に伸縮振動の第ｎ倍音に帰属する吸収帯波長を検出／測定対象に選択している。

【0586】

この場合の第１倍音に対応した吸収帯の下限波長値は１４４０ｎｍであり、第２倍音に対応した上限波長値は１２１０ｎｍ、下限波長値は９７０ｎｍとなる。また第３倍音に対応した上限波長値は９２０ｎｍとなる。従って可干渉光の波長としては、９３０ｎｍ～９６０ｎｍの範囲内または１２６０ｎｍ～１３９０ｎｍの範囲内が望ましい。

【0587】

上記数値に関する実験的根拠を図２３Ｂに示す。波長１．２１３μｍ周辺の吸収帯は、中心に炭素原子が配置されたメチレン基（Methylene Group）に拠る逆対称伸縮振動（Asymmetric Stretching）の第２倍音に帰属すると予想される。そして中心に窒素原子が配置された官能基に関する第２倍音の吸収帯波長は、もう少し小さな値を取る。

【0588】

図２３Ｂの１．３５μｍ～１．５０μｍ波長域内の吸収帯は、メチレン基の結合音に帰属すると予想される。可干渉光が使用可能な波長域１２６０ｎｍ～１３９０ｎｍ内の一部に、上記の結合音に帰属する吸収帯が含まれる。本実施形態の光学的検出方法またはイメージング方法には、結合音に帰属する吸収帯の波長変化を対象から外しても良い事を意味している。

【0589】

第５章 測定対象体内部での光との相互作用
対象体１０（図１Ａ～図１Ｃ）内部で生じる、光との相互作用に付いて説明する。

【0590】

５．１節 対象体内部で発生する光散乱と光吸収および多重散乱の影響
対象体１０が無機化合物あるいは生体を含む高分子化合物を含む場合には、対象体１０の内部で光散乱と光吸収が発生する。

【0591】

量子力学的解釈に沿って、対象体１０内部での光散乱と光吸収の発生原因を説明する。対象体１０の内部の局所的な電気双極子モーメント（Electric Dipole Moment）箇所を光（電磁波）が通過すると、光吸収により電気双極子モーメントの振動モードが基底状態（Ground State）から励起状態（Excited State）へ遷移する（transit）。

【0592】

量子力学的誘導放出（Induced Emission described in Quantum Mechanics）の原理に従い、励起状態の一部は基底状態に戻る。この時に発生する光が、散乱光（Scattered Light）となる。一方で励起状態のエネルギーが内部の格子振動（原子間振動）（Lattice Vibration（Atomic Vibration））に変換されると、光吸収（Light Absorption）なる。

【0593】

入射方向に近い方向に散乱光が散乱される場合を前方散乱（Forward Scattering）と呼ばれる。また入射方向とは反対側に散乱される場合を後方散乱（Back Scattering）、側方への散乱を側方散乱（Side Scattering）とそれぞれ呼ばれる。そして対象体１０内部で複数回散乱される光を多重散乱光（Multi-Scattered Light）と言う。

【0594】

対象体１０内部で発生する多重散乱光が、信号検出特性（分光特性検出も含む）やイメージング特性に悪影響を及ぼす。この状況を、図２６（ａ）を用いて説明する。ここでは照射光１２として、部分的可干渉光を使用した場合を考える。

【0595】

図２６（ａ）で示す対象体１０の透過光には、直進光３６０が含まれる。またそれだけでなく、対象体１０内で複数回散乱を受けた多重散乱光３７０も存在する。この中で直進光３６０と同じ方向に進む多重散乱光３７０は、直進光３６０と干渉を起こす。この干渉の結果として、直進する光量の合計値が減少する場合も有る。

【0596】

上記の現象を図２３Ｂが現していると考えられる。＃１２００が最も部分的可干渉性が高く（部分的非可干渉性が低く）、＃４００が最も部分的可干渉性が低い（部分的非可干渉性が高い）。１．２５μｍから１．３５μｍの波長域で代表されるベースラインの吸光度を比較すると、＃１２００が最も吸光度が高い（直進透過光の光量合計値が小さくなる）。この直進透過光の光量合計値低下の原因に、部分的可干渉性の多重散乱光の影響が有ると考えている。

【0597】

上記多重散乱光の影響が反射方向でも発生する状況を、図２６（ｂ）に示す。対象体１０内部で１回だけ後方散乱を受け、反射方向に戻る後方散乱光３９０が存在する。また同時に、対象体１０内で複数回散乱を受けて反射方向に戻る多重散乱光３８９も存在する。この多重散乱光３８９が上記の後方散乱光３９０と同じ方向に戻ると、両者間で光干渉を起こす。従って後方散乱光３９０を用いた信号検出（分光特性検出も含む）精度やイメージング精度向上には、本実施形態例で示す部分的非可干渉光を使用する事が望ましい。

【0598】

５．２節 散乱／吸収の要因と散乱断面積との関係
局所的な電気双極子モーメントが存在する場所で、光吸収や光散乱が発生すると５．１節で説明した。２．７節で説明した近赤外光に感受性を持つ電気双極子モーメントの具体的形態として主に、
１〕高分子化合物内の電子軌道（電子雲分布の偏り）と
２〕水素原子を含む官能基（を構成する原子間のグループ振動（Group Vibration））の
２種類が存在する。

【0599】

生命体や有機化学材料内部は、多数の高分子化合物から構成される。その高分子化合物の内部では、各種原子核配列により骨格部が構成される。またこの骨格部周辺を図２７の電子雲（Electron Cloud）（電子軌道（Electronic Orbital））４０４が取り囲み、前記原子核間を結合している。

【0600】

照射光１２が対象体１０内に入り込むと、その電場に誘起されてこの電子雲分布に偏りが発生する。そしてこの電子雲分布の偏りが、電気双極子モーメントに対応する。図２７が示すように高分子化合物４０２の分子サイズは相対的に巨大なため、この散乱断面積（Scattering Cross-Section）も相対的に大きい。

【0601】

上記の官能基を構成する各原子核周辺の電子雲分布の状況で、構成原子毎の実行電荷（Actual Charge）が正負の値を持つ。そしてこの官能基４０６を照射光１２が通過すると、構成原子毎の実行電荷の正極性と負極性に応じて構成原子間で振動（グループ振動）する。従ってこの官能基４０６を構成する原子毎の実行電荷の違いが、電気双極子モーメントを構成する。

【0602】

この官能基４０６は、中心原子核とその周辺に配置された１～３個の水素原子核のみから構成されるため、官能基４０６自体のサイズは（上記の高分子化合物４０２と比べると）非常に小さい。そのため上記官能基４０６の散乱断面積は、（上記高分子化合物４０２と比べて）非常に小さい。

【0603】

５．３節 散乱断面積と光散乱の特徴
Emil Wolfらの教科書（Max Born and Emil Wolf:Principles of Optics (1975, PERGAMON PRESS LTD）Chapter 13）に拠ると、上記官能基４０６程度に散乱断面積の小さな光散乱体ではレーリ散乱（Rayleigh Scattering）が起き易い。

【0604】

一方で散乱断面積の大きな高分子化合物４０２では、異なるタイプの光散乱（ミー散乱（Mie Scattering））が発生すると上記教科書内に記載されている。またこのタイプの光散乱では、“同一高分子化合物４０２内の各点で発生するレーリ散乱光が互いに干渉”した形で現れる。

【0605】

すなわち２．７節で説明した近赤外光に感受性を持つ２種類の電気双極子モーメント（光散乱体）では散乱断面積が異なるため、光散乱状態が互いに異なる。

【0606】

図２３Ｂの吸光度を示す実験データを用いて、上述した２種類の光散乱体（電気双極子モーメント）との関係を考察する。波長１．２１３μｍ周辺の吸収帯は、中心に炭素原子が配置されたメチレン基に拠る逆対称伸縮振動の第２倍音に帰属し得る事を４．２節内で既に説明した。

【0607】

官能基４０６に属するメチレン基の散乱断面積は非常に小さいため、メチレン基からの散乱光間は干渉し辛い。そのため図２３Ｂ（あるいは図２３Ａ）での波長１．２１３μｍ周辺吸収帯のベースラインからの吸光度の差分値は、照射光１２の部分的可干渉性に依らずほぼ一定になると考えられる。

【0608】

１．２５μｍから１．３５μｍの波長域で代表されるベースラインの吸光度は、高分子化合物４０２（図２７）からの散乱光の影響が大きいと予想される。ミー散乱特性は“高分子化合物４０２内の各点でのレーリ散乱光が互いに干渉した特性”に類似するので、照射光１２の部分的可干渉性の違いでベースラインの吸光度が変化している可能性が有る。

【0609】

５．４節 後方散乱光（反射光）を用いた検出特性
上記教科書の記載内容に拠ると、レーリ散乱では前方散乱光の光強度と後方散乱光の光強度がほぼ等しい。一方でミー散乱では、前方散乱光の光強度に比べて後方散乱光の光強度が桁違いに小さくなる（場合に拠っては１／１００のオーダーから１／１０００のオーダーとなる）。

【0610】

この違いを図２７に模式的に示した。すなわち高分子化合物４０２から得られる後方散乱光強度は非常に少ない。それに比べて（散乱断面積は小さいが）官能基４０５で散乱を受ける全散乱光強度内での相対的な後方散乱光強度は高い。

【0611】

第３章で説明したように照射光１２の部分的可干渉性を減少させる（部分的非可干渉性を増加させる）と共に、図１Ａ～図１Ｃの（ｂ）と（ｃ）に示すように反射光（後方散乱光）を利用して光学的検出（分光特性も含む）やイメージングを行っても良い。そうする事で高分子化合物４０２からの散乱光の影響を低減させながら、官能基４０６からの信号やイメージを効率良く検出／測定できる効果が生まれる。

【0612】

特に対象体１０からの反射光（後方散乱光）を用いて対象体１０内部の構造や状態あるいはその変化を測定する場合、対象体１０内部へ深く入り込める照射光１２の侵入深さ（Penetration Depth）が問題となる。

【0613】

ランベルト・ベール（Lambert-Beer）の法則が成り立つ場合、対象体１０内に侵入する照射光１２の強度は侵入深さに応じて指数関数的に減少する。そしてこの時の減少係数が、図２３Ｂに示す吸光度に比例する。図２３Ｂで見る限り、＃４００の位相変換素子を用いた場合（部分的非可干渉性が増加した場合）、＃１２００（部分的可干渉性が相対的に高い場合）と比べて吸光度が６／７程度に減少している。

【0614】

従って図２３Ｂの実験データは、『照射光１２の部分的可干渉性を低下させる（部分的非可干渉性を増加させる）と、対象体１０内部への可能侵入距離が増加する』事を意味する。

【0615】

ここで＃１２００を使用した場合でも図２２が示すように、背面鏡８２を使用すると共に光路途中に透明な平行平板９４－１～４を配置して部分的可干渉性を低下させる処理をしている。従って全く部分的可干渉性を低下させない従来技術と比較すると、吸光度は６／７より遙かに小さな値になると予想させる。

【0616】

この対象体１０内部への照射光１２の侵入深さの違いは、図２６（ａ）に示す直進光３６０に対する多重散乱光３７０の光干渉の影響として説明ができる。すなわち図２６（ａ）に示す対象体（図２３Ｂの実験データではポリエチレンシート）１０内通過時の直進光３６０の侵入強度と深さの関係は、図２３Ｂの＃４００に近い特性を示すと予想される。しかし対象体１０の内部で多重散乱した後に直進する光３７０が、上記直進光３６０と光干渉を起こすと考えられる。その結果として、＃１２００よりも大きな吸光度となり、対象体１０内の可能侵入距離が減少すると説明できる。

【0617】

生体内の細胞膜（Cell Membrane）（脂質２重層（Lipid Bilayer））や細胞内膜（Internal Membrane）、脂肪成分（Fat）内の構成分子構造は、上記のポリエチレンに類似している。従って上記部位での吸光度特性は、図２３Ｂに類似している。従って上記現象からも、部分的可干渉性を減少させた（部分的非可干渉性を増加させた）光は、生体内のより深い領域まで入り込める（生体内のより深い領域での構造や活動状態あるいはその変化を観測できる）効果が有る。

【0618】

今までは対象体１０内部での多重散乱光３７０の影響のみを説明したが、それ以外として照射光１２内に混入する波面収差の影響も考慮する必要が有る。照射光１２内に混入する波面収差には、
１．対象体１０内部で発生する波面収差と
２．対象体１０入り口の界面（空気中と対象体１０との間の境界面）で発生する波面収差の２種類が存在する。

【0619】

いずれにしても図２６（ａ）に示す対象体１０内の直進光３６０に対して、波面収差の影響を受けた光の位相がずれる。その結果として両者間の光干渉で、対象体１０内部への照射光１２の可能侵入距離が減少する。

【0620】

以上の説明を纏めると、
（１）部分的可干渉性を低減（部分的非可干渉性を増加）させる（第３章実施例）、あるいは
（２）対象体１０に起因する波面収差特性を改善させる（第６章の実施例）と、対象体１０内部への照射光１２の可能侵入距離を伸ばせる（深い領域まで測定が可能となる）と言う効果が生まれる。

【0621】

上記に関連して、照射光１２の対象体１０内部への侵入深さと使用波長との関係を説明する。対象体１０内に照射光１２を直進させた時の、対象体１０内部の侵入深さと直進状態の照射光１２強度との関係を上記ランベルト・ベールの法則が示している。ここで直進光強度の減衰要因として、対象体１０内部での光吸収と光散乱が考えられる。ここでは光の反射は、光散乱の一部（後方散乱光）と考える。従って対象体１０内部で光散乱が頻繁に発生すると、直進光の減衰が大きく（侵入深さが短く）なる。

【0622】

可視域から近赤外域での光散乱形態は図２７を用いて５．３節で説明したように、散乱断面積が比較的小さな散乱（レーリ散乱）と散乱断面積が相対的に大きな散乱（ミー散乱など）の２タイプに分けて考えられる。

【0623】

いずれの場合も、光散乱確率（実質的な散乱断面積）は、使用波長が短くなるにつれて急激に大きくなる。具体的にはレーリ散乱では、散乱光強度（散乱確率／散乱断面積）は波長の４乗に反比例する。またミー散乱でも類似した傾向が有る。

【0624】

動物や植物、微生物などを含めたあらゆる生体内部は複雑な構造をしており、その個々の構造体で光散乱が発生する。従って可視域から近赤外域の光を生体内部に照射すると、使用波長が短くなると急激に侵入深さが短くなる。

【0625】

反対に使用波長が長い近赤外光を使用すると、生体内部での光散乱の確率（散乱断面積）が大幅に低下する。その結果として照射光１２に近赤外光を使用すると、生体内部の深い領域まで光が侵入できる。そのため生体内部の比較的深い領域での構造分析や組成分析、活動状態やその変化の分析に近赤外光が適している。

【0626】

従って照射光１２として２．６節で説明した波長範囲の光（近赤外光）を使用する方法と、第３章で説明した部分的可干渉性を低減（部分的非可干渉性を増加）させる方法を組み合わせる事で、生体内部での照射光１２の侵入距離を一層広げられる効果が生まれる。

【0627】

またそれに限らず照射光１２として２．６節で説明した波長範囲の光（近赤外光）を使用する方法と、第６章で説明した対象体１０で発生する波面収差を改善する方法を組み合わせても、生体内部での照射光１２の侵入距離を一層広げられる効果が生まれる。

【0628】

さらに２．６節で説明した波長範囲と第３章で説明した部分的可干渉性を低減（部分的非可干渉性を増加）させる方法、第６章で説明した波面収差を改善する方法の全てを組み合わせても良い。

【0629】

５．５節 測定対象体内部での電磁波との相互作用に関する定式化
５．１節から５．４節までは、対象体１０の内部での可視光や近赤外光との相互作用を定性的に説明した。これらの相互作用をより深く考察できるように、本５．５節では相互作用の定式化を行う。ここで導入する関係式の適用範囲は可視光や近赤外光に限らず、紫外光から３０ｋＨｚのＬＦ波（Low Frequency Wave：長波）に至る広範囲の電磁波一般に適用できる。

【0630】

マックスウェル（Maxwell）の方程式の一部として

【0631】

【数58】

【0632】

が存在する。上記（Ｂ・５２）式は、“電流Ｊが流れた時に周辺に発生する電磁場”を意味する。ここで外部電磁波を吸収して発生する誘導電流（Induced-current）Ｊaに関して、

【0633】

【数59】

【0634】

と書き直す。ここで上記εは、誘電体内の誘電率を表している。

【0635】

電荷（Charge）が存在しない時のマックスウェルの方程式は、他にも

【0636】

【数60】

【0637】

【数61】

【0638】

が存在する。

【0639】

ここで（Ｂ・５３）式から（Ｂ・５５）式の関係を利用すると、

【0640】

【数62】

【0641】

の関係式が導かれる。

【0642】

誘電体中の局所的な電気双極子モーメント（Electric Dipole Moment）または誘電分極（Dielectric Polarization）を、Ｐε(ｒ,ｔ,ω)と表記する。ここでωは、電磁波の角振動数を表す。そして真空中の誘電率ε０に関して
εＥ＝ε_０Ｅ＋Ｐε(ｒ,ｔ,ω) …（B・57）
の関係が成り立つ。

【0643】

また５．１節と５．２節で、局所的な電気双極子モーメントＰσ(ｒ,ｔ,ω)の振動で電磁波の吸収が発生すると説明した。そしてこの局所的な電気双極子モーメントＰσ(ｒ,ｔ,ω)と上記の誘導電流（Induced-Current）Ｊaとの間には

【0644】

【数63】

【0645】

の関係が有る。

【0646】

（Ｂ・５７）式と（Ｂ・５８）式を使用すると、（Ｂ・５６）式は

【0647】

【数64】

【0648】

の関係式が導かれる。（Ｂ・５９）式の左辺は、真空中（すなわち対象体１０の外部）での電磁波の波動特性（Wave Characteristic）を表している。つまり図１Ａから図１Ｃに示した照射光（第１の光）１２と検出光（第２の光）１６の挙動は、（Ｂ・５９）式で与えられる。そして“Ｐε＝Ｐσ＝０”とすると、（Ｂ・５９）式は真空中を通過する電磁波方程式を表す。

【0649】

ところで対象体１０の内部での光散乱と光吸収は、局所的な電気双極子モーメントの振動が関与すると５．１節と５．２節で説明した。そして（Ｂ・５９）式右辺のＰεが散乱光の生成に関与し、Ｐσが光吸収に関与する。

【0650】

また図２７や５．２節で説明したように、近赤外光との相互作用の要因として
１〕高分子化合物内の電子軌道（電子雲分布の偏り）と
２〕水素原子を含む官能基（を構成する原子間のグループ振動（Group Vibration））の
２種類が存在する。従って上記の電気双極子モーメントＰεとＰσそれぞれに、上記２種類の相互作用要因が関与する。

【0651】

ところで官能基内のグループ振動（の励起）エネルギーは散乱光として放出されるより、高分子化合物内の原子間振動エネルギーに拡散される場合が多い。従って官能基内のグループ振動は、ＰεよりＰσへの寄与率が高い（光吸収され易い）。従って電気双極子モーメントＰσの一部（一種）に、（Ｃ・７）式で示す“官能基内の電気双極子モーメントμｘ”（７．２節で後述）が含まれる。

【0652】

対象体１０の外部を通過する照射光（第１の光）１２と検出光（第２の光）１６の電磁波Ｅ(ｒ,ｔ) を

【0653】

【数65】

【0654】

で記述した場合、電気双極子モーメントＰεとＰσはそれぞれ

【0655】

【数66】

【0656】

【数67】

【0657】

と変数分離できる。この（Ｂ・６１）式と（Ｂ・６２）式を（Ｂ・５９）式に代入すると、

【0658】

【数68】

【0659】

が得られる。そして散乱光強度と光吸収の量は、照射する電磁波の角振動数（振動数）の二乗に比例する事を（Ｂ・６３）式は示している。また均一にｐ_εやｐ_σが分布する光散乱体や光吸収体では、散乱光強度と光吸収の量は（光干渉が起きない場合には）その体積に比例する事も分かる。これらの特性は、５．３節で説明したレーリ散乱（Rayleigh Scattering）に対応する。

【0660】

そして（Ｂ・６３）式の形の方程式の解は

【0661】

【数69】

【0662】

で与えられる事が知られている。なお（Ｂ・６４）式における“ｒ_ｓ”は、対象体１０内部の局所的な位置ベクトル（Position Vector of Scattering Source）を表す。そして“ｒ_ｄ”は、対象体１０の外部に配置された測定点（図１Ａから図１Ｃでの検出部６）の位置ベクトル（Position Vector of Detecting Destination）を表す。

【0663】

またｐ_εとｐ_σの分布を２次元配列に限定すると、（Ｂ・６４）式は一般の光学の教科書に記載されるフレネル－キルヒーホフの式（Fresnel-Kirchhoff' Formula）に対応する。ここで（Ｂ・６４）式内の“ｐ_ε(ｒｓ,ｔ)－ｐ_σ(ｒ_ｓ,ｔ)”が、フレネル－キルヒーホフの式の２次元の開口関数（Pupil Function）に対応する。しかし（Ｂ・６４）式内の“ｐ_ε(ｒ_ｓ,ｔ)－ｐ_σ(ｒ_ｓ,ｔ)”は、３次元分布を持つ所に独自性がある。

【0664】

（Ｂ・６４）式の被積分領域内で上記の開口関数に対応した部分を除いた残りの項は、“球面波（Spherical Wave）”を表している。また（Ｂ・６４）式の右辺は、対象体１０内部全領域での積分を示している。そのため（Ｂ・６４）式内では、“球面波間の干渉の影響”が現れる。従って（Ｂ・６４）式は、対象体１０内部での部分的可干渉性（あるいは可干渉性）を持つ電磁波との相互作用を表している。

【0665】

本実施形態で目指している部分的可干渉性を減少させた（あるいは非可干渉性の）電磁波との相互作用の定式化方法は、Emil Wolfらの教科書（Max Born and Emil Wolf:Principles of Optics (1975, PERGAMON PRESS LTD）Chapter 10）内で示唆されている。そこの記載内容を参考にすると、部分的可干渉性を減少させた（あるいは非可干渉性の）電磁波の定式化は、電場振幅では無く『検出される光強度』で表現するのが望ましい。

【0666】

（Ｂ・６４）式内の被積分項は、対象体１０内部の局所領域から散乱／吸収される電磁波の振幅（電磁場）を表している。そのため電磁波の振幅（電磁場）間を“合成”すると、電磁波間の干渉が現れる。それに対して部分的可干渉性を減少させた（あるいは非可干渉性の）電磁波では、対象体１０内部の局所領域から散乱／吸収される電磁波の強度（光量）を積分（混合）する。強度（光量）自体には位相の情報が削除されている。従って積分結果には、位相の違いで発生する“干渉効果”が現れない。

【0667】

（Ｂ・６４）式を参考にして上記内容を定式化すると、

【0668】

【数70】

【0669】

が対応する。ここで電磁波が真空中で運ぶ電磁波エネルギーＩ(ｒ_ｄ，ｔ)は

【0670】

【数71】

【0671】

となる事が知られている。また（Ｂ・６６）式において

【0672】

【数72】

【0673】

がなりたつ。従って（Ｂ・６６）式と（Ｂ・６７）式を考慮して、（Ｂ・６５）式の係数を設定した。

【0674】

（Ｂ・６５）式を利用すれば、対象体１０内部での局所的な散乱と吸収を加味した強度から検出部６（図１Ａ～図１Ｃ）で得られる検出強度Ｉ（ｒ_ｄ）が理論的に予想できる。またこのような光強度での表現方法は、３．５節内で記載した（Ｂ・３０）式とも整合性が良い。

【0675】

ここで対象体１０内での深さ方向での照射光１２の強度変化が理論的に予想できれば、理論計算精度がさらに向上する。巨視的観点から、対象体１０内での深さ方向での照射光１２の強度変化が指数関数的に減少するランベルト・ベール（Lambert-Beer）の法則を近似的に利用しても良い。

【0676】

このようにランベルト・ベール（Lambert-Beer）の法則と（Ｂ・６５）式に示した理論計算式を組み合わせると、部分的可干渉性の低い（あるいは非可干渉性の）電磁波を使用時の検出部６（図１Ａ～図１Ｃ）で得られる検出強度Ｉ（ｒ_ｄ）が理論的に予想できる。その結果、対象体１０内部での局所的な状態や属性を精度良く分析できる効果が生まれる。

【0677】

５．６節 照射光の部分的可干渉性の違いに依る測定結果への効果とその考察
３．９節内では図２３Ａと図２３Ｂを用い、照射光１２の部分的可干渉性の違いに依る測定結果の違いを既に説明した。本５．６節では更なる実験結果の提示と、その結果に関する考察を行う。

【0678】

本５．６節の実験でも、図２２と同じ実験系を使用した。位相変換素子（光学特性変更部材）２１２の砂摺り面作成に＃２４０の砂粒（平均の面粗さＲａは２．０８μｍ）を使い、“非可干渉性に近い近赤外光”の生成を行った。

【0679】

一方で“部分的可干渉性を持つ従来の近赤外光”を用いた実験では、位相変換素子（光学特性変更部材）２１２は削除した。また分光器２２での検出光量を合わせるため、上記の位置にＯＤ１．５（Optical Density）のＮＤ（Neutral-Density）フィルタを配置した。

【0680】

いずれも２５０回の繰り返し測定結果の平均値を算出している。

【0681】

図６１は、厚さ約１００μｍの絹シートを透過した光の分光特性を示す。波長０．９μｍの光で比較すると、“部分的可干渉性を持つ従来の近赤外光”での光透過率は２％強だった。それと比べて“非可干渉性に近い近赤外光”の光透過率は６％弱と、３倍弱の違いが有った。この実験データからも“部分的可干渉性を持つ従来の近赤外光”に比べて、“非可干渉性に近い近赤外光”は対象体１０への侵入距離が長くなる事が分かる。

【0682】

また“部分的可干渉性を持つ従来の近赤外光”での波長方向での透過光量変化は直線的（参考までに追記記載した破線直線（Broken Straight Line）と、ほぼ同じ）で、吸光特性上の変化は観察されない。

【0683】

一方で“非可干渉性に近い近赤外光” での波長方向での透過光量変化は、上記と大幅に異なる特性を示す。波長が１．３５μｍ以上になると、参考までに追記記載した破線直線より大幅に光量低下が見られる。

【0684】

この透過光量変化特性を吸光度変化に変換した結果を図６２に示す。図６２に示した絹シートの吸光度には、複数のピーク（極大点）が見られる。なお“－ｌｏｇ_１０(Ｉｔ／Ｉｉ)”を吸光度と定義する。ここでＩｉは、照射光（第１の光）１２の入射強度を表す。また絹シートを透過後に得られた検出光（第２の光）１６の透過強度をＩｔと表した。

【0685】

比較のため、厚み３０μｍポリエチレンシート透過光の吸光度特性を図６３に示す。ポリエチレンの分子構造は図６４（ａ）と（ｂ）に示す。主鎖（Principal Chain）を構成する炭素原子それぞれに、２個ずつの水素原子が結合した簡単な構造を持っている。またこのポリエチレンの“伸縮振動（Stretching）に帰属する吸収帯の中心波長”は、第１倍音（First-Order Overtone）が１．７μｍより長い位置、そして第２倍音が１．２１μｍ前後、第３倍音が０．９２μｍ前後に存在する事が知られている。また結合音（Combination）に帰属する吸収帯は１．３９μｍから１．４２μｍの範囲に存在する事も知られている。

【0686】

上記ポリエチレンと比べると、絹シートは複雑な分子構造を持つ。絹シートの材料はフィブロイン（Fibroin）と呼ばれる蛋白質から構成されている。そしてこのフィブロインは図６４（ｃ）に示すように、６個のアミノ酸（Hexapeptides）毎に周期的な構造を持つ。そして主にグリシン（Glycine）Ｇとアラニン（Alanine）Ａが、この周期的構造を形成する。所でグリシンのアミノ残基（Residue）は、１個の水素原子が炭素原子と結合している。またアラニンのアミノ残基には、メチル基（－ＣＨ３）が炭素原子と結合する。

【0687】

メチル基の“伸縮振動に帰属する吸収帯の中心波長”は、メチレン基（－ＣＨ２）の中心波長より若干短い事が知られている。一方でグリシン残基（－ＣＨ）の“伸縮振動に帰属する吸収帯の中心波長”は、メチレン基（－ＣＨ２）の中心波長とほぼ類似する事も知られている。

【0688】

従って図６２の吸光度特性内の“下向き矢印（Lower Direction Arrow）”で示したピーク（極大）位置は、アラニンのアミノ残基を構成するメチル基（－ＣＨ３）のグループ振動に起因している可能性が有る。そして図６３の吸収帯との対比から、これらのピークは波長が短い順にメチル基（－ＣＨ３）の伸縮振動の第２倍音、結合音、伸縮振動の第１倍音の可能性が有る。

【0689】

一方で図６２内の“上向き中抜け太矢印（White-Centerd Bold Arrow of Higher Direction）”で示したピーク（極大）位置はそれぞれ、蛋白質内のペプチド結合（Peptide Bond）部内の第２級アミド（Amide II）が関与している可能性が有る。

【0690】

図３８を用いて８．３節で後述するように、上記のフィブロイン内にβシート形結晶部６０２が存在する。このβシート形結晶部６０２内では、上記の第２級アミド間で水素結合している。従って“上向き中抜け太矢印”で示したピーク（極大）位置のいずれかは、この水素結合に関与している可能性が有る。

【0691】

図６１の下側に示すように、“部分的可干渉性を持つ従来の近赤外光”では、絹シート内の分子構造分析が不可能だった。しかし本実施形態で実現した“非可干渉性に近い近赤外光”を使用すると、絹シートのような複雑な分子構造を持つ集合体でも詳細な構造分析が可能となる。

【0692】

ポリエチレンシートの透過光から得られる吸光度特性に及ぼす、照射光１２の部分的可干渉性の違いを詳細に検討すると、相互作用を表す（Ｂ・６４）式と（Ｂ・６５）式との違いが見えてくる。図６３の下側が“非可干渉性に近い近赤外光”を使用した場合で、左側の縦軸に従っている。一方で図６３の上側が、“部分的可干渉性を持つ従来の近赤外光”を使用した場合で、右側の縦軸に従っている。ここで左右の縦軸のスケールは大幅に異なっている。

【0693】

まず（ａ）と（ｂ）および（ｃ）と（ｄ）を比べると、破線で示したベースライン勾配に対するピークの高さが大幅に異なる事が分かる。“非可干渉性に近い近赤外光”を使用した場合の方が、大幅に見かけのピーク高さが上がっている。図２３Ａおよび図２３Ｂと比較して分かるように、（ａ）と（ｂ）間および（ｃ）と（ｄ）間の絶対的なピーク高さは変わって無い。“部分的可干渉性を持つ従来の近赤外光”で測定した方が、ベースラインの勾配が高くなっている。しかし信号のＣ／Ｎ比（Carrier to Noise Ratio）は、明らかに“非可干渉性に近い近赤外光”で測定した方が良くなっている。

【0694】

次に（ｅ）と（ｆ）に示す吸収帯近傍波長での裾野特性に注目する。“非可干渉性に近い近赤外光”で測定すると、ここで大きな吸光度の低下が見られる。一方で“非可干渉性に近い近赤外光”を用いた場合には、吸収帯の裾野がなだらかになっている。すなわち吸収帯の端部（吸収帯のエッジ部）の鋭敏さ（Sharpness）が大きく異なる。

【0695】

伸縮振動の第２倍音に帰属する吸収帯の周辺（（ｇ）～（ｉ））では、上記の違いは見られない。しかしここには別の伸縮振動に由来する吸収帯が存在するため、上記の違いが見られない可能性が有る。中心波長が１．２１μｍの吸収帯は、メチレン基（－ＣＨ２）の対称伸縮振動（Symmetrical Stretching）の第２倍音に帰属すると言われている。中心波長が１．１９μｍ近傍に高さは小さいが、逆対称伸縮振動（Asymmetrical Stretching）の第２倍音に帰属する吸収帯が存在すると言われている。従って（ｇ）～（ｉ）の位置では吸収帯の裾野がなだらかなのでは無く、逆対称伸縮振動の第２倍音に帰属する吸収帯が検出されている可能性が有る。

【0696】

さらに“非可干渉性に近い近赤外光”で測定すると、結合音に関連する（ｊ）の位置で大きな振動が見られる。照射光１２の特性で測定結果が変化するので、（ｊ）位置での振動はフェルミ共鳴（Fermi Resonance）とは異なる。

【0697】

この（ｅ）と（ｆ）、（ｊ）の各波長領域で発生する変化は、吸収帯の端部（Edge）で発生する特殊な現象の可能性が有る。例えば（ｅ）と（ｆ）、（ｊ）の各領域に対応した波長の光を、ポリエチレン内のメチレン基（－ＣＨ２）に照射した場合を考える。この波長光を吸収して、メチレン基は振動励起状態に移ろうとする。しかし７．２節内の（Ａ・６０）式が示す量子効果（Quantum Effect）の影響で、メチレン基は振動励起状態に遷移できない。その代わりにメチレン基周辺の電子雲が上記波長光を吸収して帳尻を合わせた場合（“ｐσ(rσ,ω)”の値が局所的に僅かに変化する場合）を想定する。

【0698】

ポリエチレン内のメチレン基近傍での“ｐε(rε,ω)”の値が小さい場合には、（Ｂ・６５）式内では“ｐσ(rσ,ω)”の値が多少変化しても全体への影響はほとんど無い。しかし（Ｂ・６４）式では、メチレン基近傍での散乱光とメチレン基から大きく離れた場所（すなわち“ｐε(rε,ω)”の値が大きな場所）での散乱光との間で光干渉を起こす。その結果としてメチレン基近傍での“ｐε(rε,ω)”の微小な値変化が大きく増幅される。この増幅結果が、（ｅ）と（ｆ）、（ｊ）の各波長領域での違いとして現れている可能性は否定できない。

【0699】

図６３では、ベースラインのプロファイルを破線で記載した。このベースラインのプロファイルは、高分子の周辺に局在する電子軌道の偏りが関係すると考えられる。そしてこの破線は、波長が長くなるに従って吸光度の値が減少する。一方で図６２に示した絹シートの破線（ベースライン）は、波長が長くなるに従って吸光度の値が増加する。このベースライン特性の違いは、高分子構造と関係を持つ可能性が有る。

【0700】

例えばポリエチレンポリマーのように繊維状の構造を持つ場合、図６４（ａ）のように短波長光に対して多数の“電子軌道の偏り”が発生して多くのエネルギーを吸収する。一方で図６４（ｂ）にように長波長光では、赤外光のエネルギー吸収効率が低下する可能性がある。

【0701】

また図６４（ｃ）で示すように絹シートを構成するフィブロインは、６アミノ酸毎に周期的な構造を取る。このアミノ酸配列の周期構造に合わせて、周期構造を持つ電子軌道が現れる。そして周期構造を構成するブロックの端面で、この電子軌道は境界条件を受ける。そしてこの電子軌道の基底状態３９３から励起状態３９９への遷移に必要なエネルギーが、最大吸収量（吸光度の高い波長）に対応する（７．２節の（Ａ・６０）式参照）。その結果として、図６２の右肩上がりのベースライン（破線）が形成されると説明できる。

【0702】

このように（Ｂ・６５）式を利用すると、吸光度特性内のベースライン特性を高分子構造から説明する方法も有る。従って未知の高分子や生体を構成する高分子から得られる“非可干渉性に近い近赤外光”を用いた吸光特性から、
Ａ〕ベースライン特性から高分子構造の推定や、
Ｂ〕吸収帯の中心波長から高分子内の官能基の推定が行える効果がある。またそれだけで無く、
Ｃ〕吸収帯の中心波長の標準値からの波長シフト量から生体内のリアルタイムでの活動状況（またはその変化）も推定できる効果も有る。

【0703】

第６章 光路途中で発生する波面収差のフィードバック方法
測定装置３０内に混入する光学雑音低減方法として本実施形態例では、
（１）部分的可干渉性に関係した光学雑音の低減と
（２）対象体１０に起因する波面収差あるいは部分的な進行方向変化のフィードバックの
２通りの中で少なくともいずれかを行うと、２．１節で説明した。

【0704】

上記（１）の方法に付いては、第３章を中心に説明した。次の（２）の方法について本第６章で説明する。

【0705】

６．１節 対象体（透明な平行平板）内部で波面収差が発生する原理
まず始めに図２８を用いて、対象体１０内部で波面収差が発生する基本原理の説明をする。

【0706】

図２８（ａ）に示すように、真空中（空気中）で照射光１２がα点に集光する対物レンズ３０８を使用する。説明の簡素化のため、対象体１０として屈折率ｎの透明な平行平板を仮定する。対物レンズ３０８から集光点に至る光路途中に平行平板（対象体１０）を配置すると、真空（空気）と屈折率ｎの平行平板との界面で屈折が起きる。その結果として図２８（ｂ）のように、β点に集光せずに光路により集光位置がずれる。この現象を波面収差と言う。

【0707】

図２８（ｂ）では説明の簡素化のため、対象体１０表面を光学的に平面とした（上記のように表面が完全な平面でも波面収差は発生する）。しかし実際には対象体１０表面は凹凸形状を持つ。そしてこの凹凸形状に応じて、更なる波面収差が発生する。

【0708】

６．２節 波面収差の補正方法
６．２節で波面収差の補正方法を説明する前に、図２８（ｂ）でβ点上に集光しない理由の説明をする。

【0709】

図２８（ａ）では、対物レンズ３０８開口面（Pupil Plane）上で分割された各点からα点までの光路長が全て一致するため、α点で集光する。一方で図２８（ｂ）では、β点までの光路途中に屈折率ｎの対象体１０が挿入される。その結果として、（Ｂ・１３）式に従った光路長差δが発生する。またこの光路長差δの値は、対物レンズ３０８開口面上の半径位置で異なる。そしてこの光路長差δの違いで、β点での集光が阻害される。

【0710】

上記原理に基付き、上記の光路長差δと反対の光路長差を対物レンズ３０８開口面上で事前に挿入させて補正する。この補正方法が、波面収差補正方法に相当する。またこの光路長差δの補正は、対物レンズ３０８入射直前（または入射直後）の平行光で行うのが望ましい。

【0711】

上記波面収差補正の具体的方法として本実施形態では、対物レンズ３０８入射直前（または入射直後）の平行光状態にある照射光１２または検出光１６の光断面をメッシュ状に分割し、メッシュに分割したセル毎に光路長を変化させても良い。

【0712】

図２５の照射光の波面収差粗動補正部３５２と透過光の波面収差粗動補正部３５６内の具体的構造例を図２９Ａに示す。照射光１２または検出光１６の光断面が、縦横方向に２次元的に配列されたセル毎に分割される。

【0713】

各セルの表面は、それぞれ光反射面４１６－１～６が形成されている。またこの光反射面４１６－１～６の下層には個別電極部４１４－１～６が設置される。この個別電極部４１４－１～６と共通電極部４１０との間に圧電素子４１８－１～６が配置される。

【0714】

例えば共通電極部４１０に対する所定電圧を個別電極部４１４－３に印加すると、圧電素子４１８－３の厚みが変化する。そしてこの圧電素子４１８－３の厚み変化に応じて、光反射面４１６－３表面で反射した照射光１２または検出光１６の光路長が変化する。

【0715】

図２５の照射光の波面収差微動補正部３５４と透過光の波面収差微動補正部３５８内の具体的構造例を図２９Ｂに示す。図２９Ｂでも、照射光１２または検出光１６の光断面が縦横方向に２次元的に配列されたセル毎に分割される。

【0716】

図２９Ｂの構造では、光反射面と共通電極部４２０が共有される。そして照射光１２または検出光１６は、この光反射面を兼用する共通電極部４２０で反射する。またこの光反射面を兼用する共通電極部４２０の上部には液晶層４２８－１～３が形成され、液晶層４２８－１～３内部での液晶配向に応じて光路長が変化する。各液晶層４２８－１～３間は、仕切り板４２２で分離されている。また液晶配向を変化させるための透明電極部４２４－１～３が上部に形成されている。

【0717】

図２９Ｂでは照射光１２または検出光１６を反射させて光路長を変化させるがそれに限らず、照射光１２または検出光１６を透過させて光路長を変化させても良い。

【0718】

６．３節 波面収差特性検出方法の共通部分
本６．３節では最初に、図２５の参照光生成部３２０内部の説明から始める。

【0719】

図１Ｃで収束性の照射光１２を照射した時、対象体１０内部では１点（α／β／γ点）のみに集光する例を記載した。これはあくまで説明の簡素化のための記載に過ぎず、対象体１０内の異なる複数点に同時に集光しても良い。またそれに限らず本実施形態例では、対象体１０内部の局所領域で照射光１２が予め定められた３次元形状を形成しても良い。

【0720】

対象体１０内部で形成する照射光の３次元形状や複数集光点などの制御は、参照光生成部３２０内で行う。その基本的原理として本実施形態例は、『共焦関係間での結像パターンを光軸方向に沿って複数形成』する。

【0721】

参照光生成部３２０内部に配置された３次元透過パターン形成部４４０内部は、複数の２次元透過像形成層４４２、４４４、４４６が所定の距離を置いて積層された構造を持つ。この２次元透過像形成層４４２、４４４、４４６は検出光１６の断面部分での特定領域光のみを抽出する機能を有する。そしてこの２次元透過像形成層４４２、４４４、４４６を、例えば液晶シャッターで作成しても良い。

【0722】

しかしそれに限らず、光の光路途中に配置され、所定パターン内部のみが光透過（あるいは光反射）可能な機能を有したあらゆる光学素子を使っても良い。たとえば２次元状の所定パターン形状を有する機械的マスクやピンホール、スリットを使用し、パターン形状変更時に上記機械的マスクやピンホール、スリットを出し入れして交換しても良い。あるいは２次元状に配置され、電気信号に応じて局所的に光透過／反射特性が変化する２次元光スイッチアレイを使用しても良い。

【0723】

そして２次元透過像形成層４４２、４４４、４４６の各層は、対象体１０内の異なる深さ位置と結像（共焦）関係に有る。そして光混合部３４０（図２５）を出た平行光が各２次元透過像形成層４４２、４４４、４４６を通過する事で、対象体１０内で形成する結像パターンが生成される。

【0724】

例えば２次元透過像形成層４４２と４４６を透過する光は全て透過する（つまり２次元透過像形成層４４２と４４６を透過する光は一切遮光されない）ように設定し、２次元透過像形成層４４４のε領域のみ光を透過させるピンホール構造を形成した場合を想定する。この場合には、対象体１０内のα点のみに集光する。

【0725】

さらに２次元透過像形成層４４４内の複数点のみが通過可能な複数ピンホールパターンを形成すると、それに応じて対象体１０内部の対応平面（結像面）上の複数箇所に集光する。

【0726】

２次元透過像形成層４４４のε領域のみ光を透過させるピンホール構造を形成し、さらに２次元透過像形成層４４２のη領域を通過可能なピンホール構造を持たせると共にε領域とη領域を通過した光の光路を開く。すると対象体１０内部では、深さの異なるα点とγ点で集光する。

【0727】

このようにε領域とζ領域、η領域にピンホールを形成し、それらを通過する光の光路上は透過可能とする。それに拠り、α領域とβ領域、γ領域のみに集光する。

【0728】

図３０では複数の２次元透過像形成層４４２、４４４、４４６が同一の３次元透過パターン形成部４４０内にまとめて収納されている。しかしそれに限らず、互いに異なる位置に配置された２次元透過像形成層４４２、４４４、４４６を通過した光が、対象体１０に到達する光路途中で合成されても良い。

【0729】

図３０では透過パターンで結像パターンを形成する例を示した。しかしそれに限らず、反射光で結像パターンを形成しても良い。
上記の３次元透過パターン形成部４４０を通過した光の一部は、光路分割部４３０で振幅分割されて参照光４３６として抽出される。図３０での記載を省略したが、ここで抽出される参照光４３６は参照光生成部３２０内で、可干渉光と部分的非可干渉光に分離される。

【0730】

そして分離された部分的非可干渉光の参照光４３６が、図３２Ｂの参照光４３６として利用される。同様に分離後の可干渉光の参照光４３６が、図３３の参照光４３６として利用される。

【0731】

なお図２５の照射光の波面収差粗動補正部３５２と照射光の波面収差微動補正部３５４を纏め、図３０では波面収差補正部３５０と記載した。

【0732】

測定／検出の対象体１０内部で光の多重散乱が発生し、検出特性やイメージング特性に悪影響を及ぼす状況に付いて、図２６を用いて５．１節内で説明した。第３章で説明したように、光の部分的非可干渉性を高めると多重散乱光３７０との光干渉の影響は低減される。しかし第３章の方法では、対象体１０内部での光の多重散乱自体の発生は低減できない。

【0733】

例えば図３０に示すように対象体１０内の特定領域（αとβ、γの各領域）のみの特性やイメージを測定する場合には、その特徴を利用して多重散乱光３７０の影響を低減できる。

【0734】

すなわち図２６から明らかなように、多重散乱光３７０の大部分は対象体１０内のα領域／β領域／γ領域以外の場所で散乱を受ける。従って検出光路途中で結像光学系（または共焦光学系）を使い、α領域／β領域／γ領域以外の場所で散乱を受けた光を遮光して多重散乱光３７０の大部分を検出系から除去できる。

【0735】

図２５に示す測定装置の例では、この多重散乱光の影響軽減処理を光分離部３１２、３３２内で実施している。しかしそれに限らず、信号検出部３０４、３１４、３２４、３３４および波面収差特性検出部３０６、３１６、３２６、３３６の光路に入る前段階で多重散乱光の影響を軽減するあらゆる方法を採用しても良い。

【0736】

図２５の光分離部３１２、３３２内は図３１（説明用に一部本来の光学配置から改変）に示すように、結像レンズ２１６と３次元透過パターン像形成部４５０、コリメートレンズ２６、光路分離部４３０から構成される。

【0737】

この３次元透過パターン像形成部４５０の内部は図３０の３次元透過パターン像形成部４４０と同様に、複数の２次元透過像形成層４５２、４５４、４４６が所定の距離を置いて積層された構造を持つ。そしてこの２次元透過像形成層４５２、４５４、４５６は検出光１６の断面部分での特定領域光のみを抽出する機能を有する。またこの特定領域光のみの抽出方法として、特定領域のみの透過または反射を利用しても良い。すなわち図３１の実施例では局所的にシャッターが開放された部分の通過光（あるいはピンホールや特定パターン領域の通過光）のみが抽出される構造となっているが、例えば光学的反射膜を用いた反射光を利用して特定領域光のみを抽出しても良い。またこの２次元透過像形成層４５２、４５４、４５６の具体的構造は所定パターンを有した光学素子（光透過／反射素子）や機械的構造体（マスクやピンホール）、あるいは液晶シャッターの様な能動的シャッターやスイッチでも良い。

【0738】

説明の便宜上、現行の図３１では結像レンズ２１６が光分離部３１２、３３２の外部に配置されている。しかし実際には（説明用の改変前では）結像レンズ２１６は、光分離部３１２、３３２の内部に配置されている。図２５に示した光学配置では、対物レンズ３０８、３１８通過直後の検出光１６は平行光状態となっている。そしてこの平行光状態の検出光１６が光分離部３１２、３３２内に入ると、実際には光分離部３１２、３３２内の入り口に配置された結像レンズ２１６の働きで集束光となる。従って本来は対物レンズ３０８、３１８と結像レンズ２１６の組み合わせで、対象体１０内部の集光領域（αとβ、γの各領域）と３次元通過パターン形成部４５０内部での結像関係（共焦関係）が形成される。しかし説明利便性を重視し、図３１では光分離部３１２、３３２外に配置された結像レンズ２１６単体で両者間の結像関係（共焦関係）が構成されるように改変して示してある。

【0739】

図３１においてβ領域（β点）とζ領域（ζ点）間は、互いに結像関係（共焦関係）の場合を考える。すると対象体１０内のβ領域（β点）から得られた検出光１６は、光分離部３１２、３３２内のζ領域（ζ点）に集光する。

【0740】

そして２次元透過像形成層４５２では、ζ領域（ζ点）を通過する検出光１６のみを抽出（光透過）するようにシャッターが局所的に開けられる。その結果として、ζ領域（ζ点）からわずかに離れた部分を通過する検出光１６成分は遮光される。このように操作する事で、対象体１０内のβ領域（β点）からわずかに離れた位置で多重反射した光は光分離部３１２、３３２を通過できない。一方ζ領域（ζ点）を通過する検出光１６の光路に沿って、２次元透過像形成層４５４や４５６のシャッターが開く（光透過が可能となる）ように設定する。そしたζ領域（ζ点）を通過した検出光１６成分のみが３次元透過パターン形成部４５０で選択的に抽出（光透過）される。

【0741】

同様に対象体１０内のα領域（α点）やγ領域（γ点）に対する結像位置（共焦位置）であるε領域（ε点）やη領域（η点）を通過する検出光１６も抽出する（透過させる）。すると対象体１０内のα、β、γ領域（α、β、γ点）から離れた位置で散乱された多重散乱光が、３次元通過パターン形成部４５０内で遮光される。その結果として、対象体１０内の測定または検出対象領域以外で散乱された多重散乱光の悪影響を除去でき、精度の高い検出／測定やイメージング、あるいは波面収差特性の検出が可能となる。

【0742】

上記３次元透過パターン形成部４５０で抽出された（通過した）検出光１６は、コリメートレンズ２６でほぼ平行光となる。そしてこのほぼ平行光の状態で、光路分離部４３０で部分的非可干渉光と可干渉光に分離される。なおこの光路分離部４３０での分離方法は、既に４．２節で説明した方法を利用する。

【0743】

６．４節 部分的非可干渉光を用いた波面収差特性検出方法
図２５の部分的非可干渉性の反射光に対する波面収差特性検出部３０６と部分的非可干渉性の透過光に対する波面収差特性検出部３１６内部での、部分的非可干渉光を用いた波面収差特性検出方法を説明する。

【0744】

本実施形態例では、ＰＳＤ（Position Sensitive Detector）セル４７２内に照射される集光スポット４７６に対し、部分的非可干渉光を用いて光干渉の影響を低減させている。そして上記ＰＳＤセル４７２内に照射される集光スポット４７６の位置を検出して局所的な波面収差状況を検出する。

【0745】

図３２Ａに、上記の波面収差特性の検出原理を示す。６．３節で説明した光分離部３１２、３３２または参照光生成部３２０（図２５）を経てほぼ平行状態になった参照光４３６または検出光１６を平面（参照光４３６または検出光１６の進行方向に垂直な平面）で切断して得られる光断面上に、ミニレンズ４７４－１～４を２次元状に配列させる。またこのミニレンズ４７４－１～４の後ろ側焦点面上に２次元ＰＳＤセルアレイ４７０を配置する。そしてこの２次元ＰＳＤセルアレイ４７０表面にはＰＳＤセル４７２－１～４が２次元状に配列され、参照光４３６または検出光１６の一部で１個のミニレンズ４７４を通過した光はそれぞれ個々のＰＳＤセル４７２内で集光スポット４７６を形成する。

【0746】

図３２Ａ（ａ）の記載例では、ミニレンズ４７４－２～４を通過する参照光４３６または検出光１６の波面（等位相面）４８０は平面状となっており、光軸と平行な方向に直進する。従ってミニレンズ４７４－２～４を通過した光はそれぞれ、ＰＳＤセル４７２－２～４内の中央部に集光スポット４７６－２～４を形成する。

【0747】

一方でミニレンズ４７４－１を通過する参照光４３６または検出光１６の波面（等位相面）４８０は曲面を形成し、光軸に対して上方に向かう進行方向を持つ。従ってこの光がミニレンズ４７４－１を通過すると、ＰＳＤセル４７２－１内の上部に集光スポット４７６－１を形成する。

【0748】

このようにＰＳＤセル４７２内に形成される集光スポット４７６の位置を検出する事で、対応するミニレンズ４７４の通過光の波面（等位相面）４８０状態が分かる。そして各ＰＳＤセル４７２からの位置検出信号間をつなぎ合わせる事で、全体の波面（等位相面）４８０の特性を予想できる。

【0749】

この波面収差特性の検出に、可干渉光を用いた場合の問題点を下記に説明する。本来は図３１のα／β／γの各領域（各点）のみから同時に得られる検出光１６内に含まれる波面収差特性のみを検出したい。しかし図２６を用いて５．１節で説明したように、対象体１０内で発生する多重散乱光３７０、３８０が上記検出光１６と合成される。そして本来検出したい検出光１６と上記多重散乱光３７０、３８０との光干渉パターンが、図３２Ａ（ｂ）に示すようにＰＳＤセル４７２内に現れる。その結果として、ＰＳＤセル４７２－１～４内に照射される集光スポット４７６－１～４の位置が誤検知する。

【0750】

このように本実施形態例では部分的非可干渉光を波面収差特性検出に用いるため、ＰＳＤセル４７２－１～４に光干渉の少ない集光スポット４７６－１～４が形成される。その結果としてＰＳＤセル４７２－１～４内での集光スポット４７６－１～４の位置検出精度が向上し、精度の高い波面収差特性検出が行える効果が生まれる。

【0751】

本実施形態例では、対象体１０内部で波面収差が発生しない理想状態を示す参照光４３６と、対象体１０内部で発生した波面収差を含む検出光１６との間の比較から波面収差特性を検出する。これは検出光１６に部分的非可干渉光を用いた場合も、可干渉光を用いた場合でも共通する。

【0752】

本実施形態例では、対象体１０内の１点（１領域）からのみ得られる検出光１６内の波面収差特性を検出する方法に限定されない。例えば図３１に示すように対象体１０内のα／β／γの複数領域（複数点）から同時に得られる光内に含まれる波面収差特性も検出できる。またそれに限らず、対象体１０内の局在した任意の３次元パターンから得られる検出光１６からの信号検出／測定（分光特性検出／測定も含む）やイメージングと平行して波面収差特性を検出しても良い。

【0753】

この場合には図３０の３次元通過パターン形成部４４０で上記の局在した任意の３次元パターンを人工的に生成する。仮に対象体１０内部で波面収差が発生しない場合には、結像特性（共焦特性）を利用して対象体１０内部で上記の３次元パターンが形成できる。この対象体１０内部での３次元パターン形成の阻害要因となる照射光学系における波面収差特性を事前に検出／測定し、その反転特性を波面収差補正部３５０に与える事で、対象体１０内部で上記の３次元パターンが精度良く形成できる。

【0754】

またそれと平行して、３次元通過パターン形成部４４０で局在した３次元パターン生成時の理想の照射光１２特性を、参照光４３６として抽出する。図３０で抽出される参照光４３６は、部分的非可干渉光と可干渉光を混合させた混合光状態となっている。図示して無いが抽出された参照光４３６は、４．２節で説明した方法で分離される。従って図３２Ｂで使用される参照光４３６には、上記分離抽出された部分的非可干渉光成分のみが含まれる。

【0755】

上記参照光４３６と部分的非可干渉光を用いた波面収差特性検出の電気的処理方法を図３２Ｂに示す。上記参照光４３６と検出光１６は別々に、図３２Ａ（ａ）に示す検出光学系を使用する。

【0756】

参照光の集光スポット位置検出部４８２で、ＰＳＤセル４７２上における参照光４３６の集光スポット位置を検出する。それと平行して検出光の集光スポット位置検出部４８４で、ＰＳＤセル４７２上における検出光１６の集光スポット位置を検出する。

【0757】

次に集光スポット間の位置ずれ量算出部４８６では両者間の位置情報の差分を算出し、参照光４３６の集光スポット位置を基準にした時の検出光１６の集光スポット位置のずれ量を算出する。図３２Ａ（ａ）の例では、ミニレンズ４７４－１を通過する光の波面（等位相面）が上向きに傾いた曲面となっていた。この場合の集光スポット４７６－１は、ＰＳＤセル４７２－１内の上部に照射される。このように集光スポット４７６－１が照射される位置のずれ量から、ミニレンズ４７４－１内を通過する光の波面傾き量が予想できる。ここで説明した原理から、集光スポット間の位置ずれ量算出部４８６からは局所的な波面の傾き量４８８の情報が出力される。

【0758】

１個の集光スポット間の位置ずれ量算出部４８６からは、１個のミニレンズ４７４内を通過する光に対する波面の傾き量しか得られない。従って図３２Ａの全てのミニレンズ４７４－１～４内を通過する光に対する波面の傾き量を個々に検出する必要が有る。

【0759】

その具体的方法として、全てのミニレンズ４７４－１～４に対応した異なる集光スポット間の位置ずれ量算出部４８６を個々に設置しても良い。また他の方法として時間経過に応じた波面収差特性変化速度が非常に遅い場合には、局所的な波面の傾き量４８８の対象となるミニレンズ４７４を時系列的に切り替えても良い。すなわち各ＰＳＤセル４７２－１～４の近傍に個々に集光スポット位置検出器４８２、４８４が設置されている場合、図示して無いが集光スポット間の位置ずれ量算出部４８６への入力信号に対応するミニレンズ４７４－１～４を時系列に応じて切り替えても良い。

【0760】

上記の結果として、全てのミニレンズ４７４－１～４内を通過する光に関する波面の傾き量４８８とその傾き方向が、全体的な波面収差特性算出部４９０内に入力される。この波面収差特性算出部４９０内部でミニレンズ４７４－１～４毎の波面の傾き量４８８とその傾き方向に関する情報を統合して、全体の波面収差特性を予測する。

【0761】

６．５節 可干渉光を用いた波面収差特性検出方法
可干渉光を用いた波面収差特性の検出方法を、図３３に示す。図３０で抽出された参照光４３６の中で、４．２節で説明した方法で分離されて得られた可干渉光成分のみが図３３での参照光４３６として使用される。図２５を用いて４．１節内で説明したように可干渉光を用いて波面収差特性を検出する前段階として、照射光の波面収差粗動補正部３５２と透過光の波面収差粗動補正部３５６が作動して既に大きな波面収差は補正済みの状態を前提とする。従って本６．５節で検出する波面収差量は、検出に利用する波長λ以下程度の小さな範囲内を想定する。この検出範囲は非常に小さいが、代わりに検出精度は非常に高い。

【0762】

撮像カメラ５００－１～４内の撮像面からは、２次元状に配列された画素毎の検出光量の信号が得られる。特定画素に照射される参照光４３６の振幅値を基準に取り（振幅値を“１”とした時の）、検出光１６の振幅値を“Ａ”とする。この特定画素における波面収差量は、参照光４３６に対する検出光１６の位相ずれ量δに対応する。従ってこの特定画素から得られる検出光量は、（Ｂ・１８）式内に（Ｂ・１３）式を代入した下記の式で与えられる。

【0763】

【数15】

【0764】

（Ｂ・４０）式で問題となる所は、δが正負いずれの値を取っても（Ｂ・４０）式の計算結果が同じ値になる。従って単に参照光４３６と検出光１６を合成させて画素毎の照射光量を検出しただけでは、検出光１６に関する精度の良い波面収差特性が得られない。

【0765】

その問題を解決するため本実施形態例では、所定の位相ずれ量を参照光４３６と検出光１６間に加算した後に合成した光に対し、画素毎の検出光量を測定する。具体例として例えば参照光４３６と検出光１６の波長をλとした時、その波長λをＮ分割する。そしてそのｍ／Ｎ（ｍは正数）に相当する位相ずれを加算した後に、参照光４３６と検出光１６を合成する。この時の特定画素での検出光量は（Ｂ・４０）式に対して

【0766】

【数16】

【0767】

となる。

【0768】

（Ｂ・４１）式における変数は、“Ａ”と“δ”および“δの極性（正か負か？）”の３種類存在するので、最低でも３個の連立方程式が必要となる。従って本実施形態例では、Ｎ≧３が望ましい。

【0769】

一般的に良く知られている複屈折性光学素子では、常光線（Ordinary Ray）方向と異常光線（Extraordinary Ray）方向では屈折率ｎが異なる。従って（Ｂ・１３）式と類似した原理から、複屈折性光学素子の通過後では常光線と異常光線間に位相のずれが発生する。（Ｂ・４１）式で加算する位相ずれ量ｍ／Ｎは、上記複屈折性光学素子を利用して生成する。

【0770】

具体的な光学系の配置例を図３３に示す。参照光４３６と検出光１６は、偏光ビームスプリッタ４９２で混合させる（“混合”の用語定義は、３．１節を参照）。この偏光ビームスプリッタ４９２では、参照光４３６内のＳ波（Senkrecht Wave）成分のみを反射し、検出光１６内のＰ波（Parallel Wave）成分のみを透過する。そしてこの偏光ビームスプリッタ４９２で混合された光内では、参照光４３６の（電場の）振動面方向（Ｓ波方向）と検出光１６の方向（Ｐ波方向）間では互いに直交している。従って上記混合光内では、参照光４３６と検出光１６間での光干渉は発生しない。

【0771】

無偏光ビームスプリッタ４９８－１では、Ｓ波成分とＰ波成分ともに光反射率と光透過率がほぼ一致する。従って無偏光ビームスプリッタ４９８－１の反射光内には、同一比率で参照光４３６と検出光１６が含まれる。

【0772】

無偏光ビームスプリッタ４９８－１の反射光路途中に配置された検光子４９６－１は、上記偏光ビームスプリッタ４９２のＳ波方向とＰ波方向に対して４５度傾いた（電場の）振動方向の成分のみを抽出（透過）する。すると検光子４９６－１で抽出した光内に含まれる参照光４３６と検出光１６の（電場の）振動面方向が一致するため、両者間の光干渉が発生する。その結果として撮像カメラ５００－１の撮像面内１個の画素で得られる検出光量信号は、（Ｂ・４１）式における“ｍ＝０”の特性が得られる。

【0773】

図３３では上述した複屈折性光学素子の中で標準的なλ／４板（Quarter Wave Plate）４９４を使用する。しかしそれに限らず本実施形態では任意の複屈折性光学素子を使用しても良い。そして上記λ／４板４９４の常光線方向もしくは異常光線方向を、上記偏光ビームスプリッタ４９２のＳ波方向またはＰ波方向に一致させる。

【0774】

するとλ／４板４９４－１を一個通過後には、参照光４３６と検出光１６間の位相が１／４波長だけずれて加算される。さらにλ／４板４９４－２を通過すると、参照光４３６と検出光１６間の位相が１／２波長ずれて加算された事になる。そしてその後でλ／４板４９４－３を通過すると、参照光４３６と検出光１６間の位相が合計で３／４波長ずれて加算される。

【0775】

参照光４３６と検出光１６間の位相が所定値加算される毎に、無偏光ビームスプリッタ４９８－２、３で光を抽出し、検光子４９６－２～４を通過させて参照光４３６成分と検出光１６成分を光干渉させる。

【0776】

その結果として、撮像カメラ５００－２～４の撮像面内１個の画素で得られる検出光量信号は、（Ｂ・４１）式における“ｍ＝１”から“ｍ＝３”の特性が得られる。このようにして得られた連立方程式を解法して、画素毎の“検出光１６の相対振幅Ａ”と“波面収差量δ”が算出できる。

【0777】

図３２Ｂの全体的な波面収差特性算出部４９０と同様に、撮像カメラ５００内画素毎の波面収差量δを組み合わせる事で全体的な波面収差特性が算出できる。

【0778】

第７章 高分子内の特定官能基に限定した第ｎ倍音特性の計算方法
７．１節 光学雑音低減化方法と特定官能基でのグループ振動に帰属した吸収帯波長予測
本実施形態システムでは、検出／測定の対象体１０内の組成や構造あるいは活動状態を精度良く把握する方法を提供する所に主眼を置いている。従って対象体１０から得られる検出信号や分光特性の精度向上やイメージングの鮮明度向上を単に目指すだけに限らず、そこから得られた情報を使って行われる対象体１０内の組成や構造あるいは活動状態の把握精度を向上させる技術的手段の提供まで可能とする。

【0779】

２．１節で説明したように本実施形態では、下記の２種類の方法で光学雑音を低減させる。（１）部分的可干渉性に関係して発生する光学雑音の低減化方法を第３章で説明した。また（２）対象体１０内部で発生する波面収差の影響で生じる光学雑音を低減させる方法に関しては、第６章で説明した。

【0780】

ところで第３章と第６章で説明した実施形態方法では、対象体１０から得られる検出信号や分光特性の精度向上やイメージングの鮮明度向上は実現できる。しかしそこから得られた情報を使って対象体１０内の組成や構造あるいは活動状態の把握を行うには、対象体１０内部のミクロな構成体と光との間の相互作用原理を理解する必要が有る。そのため対象体１０内部で生じる光吸収体や光散乱体と光との間の相互作用の概説を第５章で行った。

【0781】

すなわち所定官能基内のグループ振動は散乱断面積が小さいので、そこからの散乱光間の光干渉の発生頻度は相対的に低い。従って照射光１２に部分的非可干渉光を使用すると、所定官能基内のグループ振動に帰属する吸収帯を比較的精度良く検出／測定できる。

【0782】

さらに対象体１０内で発生する波面収差の低減技術（第６章）を組み合わせる事で、官能基内のグループ振動に帰属する吸収帯を一層精度良く検出できる。

【0783】

このように対象体１０内部の特定領域が持つ吸収帯特性を精度良く検出しても、その吸収帯が帰属する振動モードの同定は難しい。もし吸収帯毎に帰属する振動モードが精度良く予想できれば、検出／測定結果と組み合わせて対象体１０内部の組成や構造、あるいは活動状態の正確な把握が可能となる。

【0784】

基準音（Fundamental Vibration）に対応した吸収帯の波長に関しては現在、量子化学計算ソフトを用いた理論的予測が可能となっている。しかしグループ振動の第ｎ倍音に相当する吸収帯の波長を簡易的に予想できる方法は、現在まで存在しない。

【0785】

特定官能基内で発生するグループ振動の第ｎ倍音に帰属する吸収帯の波長を理論的に予測する簡易的手法が存在しない上記問題点に対し、その解決方法を第７章で説明する。

【0786】

７．２節 官能基内のグループ振動に関する数式的表現
特定官能基内で発生するグループ振動の第ｎ倍音に対応した吸収帯波長値を理論的に予想する数式を導入するに当たり、特許文献３内で既に記載した数式の一部を転用する。本明細書で新たに記載する数式と上記の転用数式との違いを明確化するため、特許文献３内で記載した数式番号（Ａ・＆＆）をそのまま利用する。一方で本明細書内に新たに記載する数式に関しては、数式番号に（Ｃ・＄＄）を設定する。

【0787】

図３４で示すように、電荷量Ｑを持つ荷電粒子がＺ軸上に配置された場合を考える。ここでＺ軸上の単位ベクトルをｅＺとする。外部電場Ｅｅ^{－ｉ２πνｔ}に逆らって荷電粒子をＺ軸方向にＺだけ移動させた時の仕事量は（Ａ・１）式となる。

【0788】

【数17】

【0789】

ここで（Ｅ・Ｚ）は、ベクトルＥとＺとの内積を表わす。ところで（Ａ・１）式には外部電磁波内の磁場との相互作用項が含まれてないが、その項は充分に無視できる。

【0790】

特定官能基が含まれる高分子が外部電磁波中に置かれた時のＳｃｈｒｏｄｉｎｇｅｒ方程式は（Ａ・１）式を利用して（Ａ・２）～（Ａ・５）式で与えられる。

【0791】

【数18】

【0792】

【数19】

【0793】

【数20】

【0794】

【数21】

【0795】

但し、バー付きのｈは[プランク定数]／２π（ディラック定数）を意味し、ｅ_０は電気素量、ｍ_ｅは電子の質量を表わす。また、Ｎ：高分子中に含まれる原子核数、ｎ：高分子中に含まれる電子数、ｔ：時間、Ｍa：ａ番目の原子核の質量、Ｒa：ａ番目の原子核の３次元座標、Ｑa：ａ番目の原子核の実効電荷（原子核周辺電子によるシールド効果も加味したＭｕｌｌｉｋｅｎの電子数解析結果に基づく電荷量）、ｒj：ｊ番目の電子の３次元座標、σj：ｊ番目の電子のスピン座標 をそれぞれ表している。

【0796】

次に、Ｂｏｒｎ－Ｏｐｐｅｎｈｅｉｍｅｒ近似を用いた原子核間の関係のみを示す方程式の抽出を行なう。まずＢｏｒｎ－Ｏｐｐｅｎｈｅｉｍｅｒ近似を適応させて、（Ａ・２）式を満足する波動関数が（Ａ・６）式のように近似できると仮定する。

【0797】

【数22】

【0798】

この（Ａ・６）式を（Ａ・２）式に代入して式の変形を行なうと、（Ａ・７）式のようにΨnuclのみの式とΨelのみの式に分離できる。

【0799】

【数23】

【0800】

両者の等号で結ばれた値を（Ａ・７）式に示されているようにＷ（Ｒ_１,・・,Ｒ_Ｎ,ｔ）で表わすと、（Ａ・７）式からΨnuclのみが含まれる式として原子核間の関係を示す方程式（Ａ・８）が得られる。

【0801】

【数24】

【0802】

（Ａ・８）式において、最適化された電子軌道の影響はＷ（Ｒ_１,・・,Ｒ_Ｎ,ｔ）に集約される。

【0803】

その次に、（Ａ・８）式から外部電磁波と相互作用を行なう特定官能基の基準振動（Normal Vibration）に対応する関係式部分の抽出を行なう。これに先立ち、量子化学計算ソフトを用いた計算機シミュレーションによる振動解析結果から特定の基準振動部分の抽出を事前に行なう。その結果として特定官能基内の中心原子核Ｃと周辺の水素原子核Ｈとの結合方向に振動する伸縮振動が、上記基準振動の一種に対応する事が判明した。従って（Ａ・８）式から、この特定官能基内で発生するグループ振動に関係する方程式を抽出する。以下にグループ振動の計算例として、伸縮振動に関する第ｎ倍音に帰属する吸収帯の波長値を算出する関係式の導出を行う。しかしそれに限らず例えば変角振動（Deformation）や結合音に関する関係式の導出も、下記に説明する内容と同様または類似の方法で行える。

【0804】

以降の説明では、特定官能基内の中心原子に対して“Ｃ”の記号を使用する。この“Ｃ”は“Central Atom”を意味している。従って特定官能基内の中心原子Ｃは炭素原子に限らず、窒素原子や酸素原子でも良い。またこの特定官能基の構造として、中心原子Ｃとその周辺に配置されたｎ個の水素原子が個々に共有結合（Covalent Bond）している構造を前提とする。またそれに限らず、このｎ個の水素原子の中で１個以上の水素原子が対象官能基外の所定原子（またはイオン）と水素結合（Hydrogen Bond）しても良い。また水素結合をしない状態で、対象官能基外の所定原子（またはイオン）が１個またはそれ以上の水素原子に近接しても良い。

【0805】

上記特定官能基－ＣＨｎ内での各構成原子の位置ベクトル（Position Vector）を図３５に示す。ここで中心原子Ｃの原子核位置に対する位置ベクトルをＲcで示し、ａ番目の水素原子の原子核位置に対する位置ベクトルをＲaで示す。また中心原子Ｃの質量をＭ_Ｃ、水素原子１個の質量をＭ_Ｈで表す。ここで図３５が示すように、中心原子Ｃの原子核位置からｉ番目の水素原子の原子核位置へ向かうベクトルを
ｖ_ａ ≡ Ｒa － Ｒc …(C・1)
で表現すると、（Ｃ・１）式から

【0806】

【数25】

【0807】

を得る。一方この特定官能基の重心位置（Center Position of Gravity）を示す位置ベクトルＲcは、

【0808】

【数26】

【0809】

と表現されるので、（Ｃ・３）式に（Ｃ・２）式を代入すると

【0810】

【数27】

【0811】

の関係が導かれる。

【0812】

次に特定官能基全体のトータルエネルギーが最小時の中心原子Ｃの原子核位置からａ番目の水素原子の原子核位置へ向かうベクトルを、“ｘ_ａｅ_ａ”（ｅ_ａは単位ベクトル）と定義する。そして図３５から、下記の関係を定義する。
ｖ_１ ≡ （ ｘ_１ ＋ ｘ ）ｅ_１＋ｓ_１ …(C・5)
ｖ_ａ≡ （ ｘ_ａ ± ｘ ）ｅ_ａ＋ｓ_ａ （２≦ａ≦ｎ） …(C・6)
（Ｃ・５）式と（Ｃ・６）式内の“ｘ”は、中心原子Ｃの原子核位置からａ番目の水素原子の原子核位置までの距離の、特定官能基全体のトータルエネルギーが最小の時からのずれ量（Deviation）を表している。

【0813】

特定官能基内でのグループ振動では、この特定官能基に属する全ての水素原子が連動して振動する。本実施形態例では、この連動状態を同一パラメータ“ｘ”で近似する。古典力学（Classical Mechanics）的に考えると、グループ振動時の構成水素原子のずれ量は必ずしも全て一致している訳では無い。この場合の構成水素原子毎の“ｘ”からの不一致成分を（Ｃ・５）式と（Ｃ・６）式では、“ｓ_ｉ”内に繰り込む（internalize）。

【0814】

グループ振動の計算例として今回の説明では、伸縮振動に関する第ｎ倍音に帰属する吸収帯の波長値を算出する計算式の導入を行っている。したがって（Ｃ・６）式内の記号“±”が“＋”の時は、対称伸縮振動（Symmetrical Stretching）を表す。また“－”の時は、逆対称伸縮振動（Asymmetrical Stretching）または縮重伸縮振動（Degenerate Stretching）を表す。

【0815】

対象体１０内部に局在する電気双極子モーメントが振動（あるいは励起状態に遷移）して光散乱や光吸収が発生すると、５．１節と５．２節で説明した。上記特定官能基全体のトータルエネルギーが最小となる位置に各原子核が配置している状態から、全水素原子が連動して“ｘ”だけ移動した時（すなわち全てのｉに対して“ｓ_ａ＝０”の時）の上記官能基内での電気双極子モーメントは、官能基内の重心位置ＲＧを基準として

【0816】

【数28】

【0817】

で表現される。この（Ｃ・７）式を変形した（“ｓ_ａ＝０”における）

【0818】

【数29】

【0819】

を（Ａ・３）式右辺の第３項に代入すると、官能基と外部電磁場との相互作用項は

【0820】

【数30】

【0821】

と記述できる。ここで（Ｃ・９）式は、“ｓ_ａ＝０”の条件下での近似式を示す。近似精度向上を目指し、（Ｃ・５）式と（Ｃ・６）式に記載したベクトル“ｓ_ａ”を含んだ項を（Ｃ・９）式へ追加しても良い。しかしそれを行っても後述する変数分離で、その影響はポテンシャル関数Ｖ(ｘ)内に繰り込まれ、最終的に導出される関係式は同じになる。従って説明の簡素化のため今後は、（Ｃ・９）の近似式を使った式の変形を進める。

【0822】

古典力学的には、上記特定官能基内での運動エネルギーの総和は

【0823】

【数31】

【0824】

となる。この（Ｃ・１０）式に（Ｃ・１）式と（Ｃ・４）～（Ｃ・６）の各式を代入して変形すると

【0825】

【数32】

【0826】

となる。

【0827】

（Ｃ・１１）式の右辺第２項内において

【0828】

【数33】

【0829】

の関係を利用し、さらに

【0830】

【数34】

【0831】

と近似すると（Ｃ・１１）式は

【0832】

【数35】

【0833】

と近似できる。

【0834】

ところで（Ｃ・５）式と（Ｃ・６）式から（Ｃ・１４）式の右辺第２項内は

【0835】

【数36】

【0836】

となる。量子化学計算ソフトを用いた計算機シミュレーションによる振動解析結果によると、基準振動に対応するグループ振動では、“ｅ_ａ・ｄｓ_ａ／ｄｔ≒０”の場合が多い。従ってこの近似を（Ｃ・１５）式に代入すると、（Ｃ・１４）式は

【0837】

【数37】

【0838】

で表せる。（この近似が成り立つ条件に付いて、７．３節内で詳細に検討する。）ここで

【0839】

【数38】

【0840】

は、官能基内のグループ振動に関する換算質量（Reduced Mass）を意味する。

【0841】

そして（Ｃ・１６）式右辺の第１項は、重心系（Center-of-mass Sustem）Ｒcの運動エネルギーを表す。また第２項は、近似されたグループ振動に対応した運動エネルギーを表す。そして最後の第３項はそれ以外の移動に対応した運動エネルギーに対応する。すなわち特定官能基の構成原子核の運動エネルギーの総和は、重心系とグループ振動、その他の運動エネルギーに分割できる事を（Ｃ・１６）式は示している。

【0842】

（Ｃ・１６）式で記述されるグループ振動に対応した運動エネルギーを量子化する（quantize）と、（Ａ・３）式の右辺第１項内の一部を

【0843】

【数39】

【0844】

と書き替えられる（上記量子化の根拠は、特許文献３内で記載）。

【0845】

次に（Ｃ・５）式と（Ｃ・６）式において、ｘａ>>｜ｓａ｜^２≒０と近似すると、（Ａ・３）式の右辺第２項内の一部は

【0846】

【数40】

【0847】

と変形／近似できる。さらに（Ａ・７）式の最右辺において
Ｗ（Ｒ_１,…,Ｒ_Ｎ,ｔ） ≒ Ｗｘ(ｘ)＋Ｗ_{ＯＴＨＥＲ}（Ｒ_１,…,Ｒ_Ｎ-n-1,Ｒ_Ｇ,ｓ_１, …,ｓ_ｎ,ｔ)…(C・20)
と近似する。

【0848】

（Ａ・８）式の右辺において
Ｈ_ｎｕｃｌ ＋ Ｗ ≒ Ｈｘ ＋ Ｈ_{ＯＴＨＥＲ} …(C・21)
と変形すると、（Ｃ・９）と（Ｃ・１８）、（Ｃ・１９）の各式から

【0849】

【数41】

」

【0850】

と置ける。また同様にＨ_{ＯＴＨＥＲ}の詳細は、下記の式で与えられる。

【0851】

【数42】

【0852】

（Ａ・６）式内に記載された波動関数に関して

【0853】

【数43】

【0854】

と仮定すると、

【0855】

【数44】

【0856】

と変数分離できる。そして（Ｃ・２２）式と（Ｃ・２５）式において

【0857】

【数45】

【0858】

と近似すると、（Ｃ・２２）と（Ｃ・２４）～（Ｃ・２６）の各式からグループ振動状態を記述するＳｃｈｒｏｄｉｎｇｅｒ方程式として、

【0859】

【数46】

【0860】

が導かれる。

【0861】

特定官能基内のグループ振動状態が（Ａ・２７）式で与えられた時の、方程式解を以下で導き出す。そしてそれに対応した吸収帯の波長値を示す数式も示す。

【0862】

まず始めに“κ３＝κ４＝Ｅ＝０”の時の波動関数ψＸを、下記のように定義する。

【0863】

【数47】

【0864】

この（Ａ・２８）式と“κ３＝κ４＝Ｅ＝０”の条件を（Ａ２７）式に代入すると、調和振動の方程式

【0865】

【数48】

【0866】

に変形される。ここで

【0867】

【数49】

【0868】

を定義すると、（Ａ２９）式の解は特許文献３で記載したように

【0869】

【数50】

【0870】

【数51】

【0871】

となる。

【0872】

特許文献３ではグループ振動の方程式は導かれてない。都合の良い事に特許文献３で定義した換算質量Ｍｘを（Ｃ・１７）式に変更するだけで、特許文献３内に記述した計算式（数式）をそのまま転用できる。従ってグループ振動状態を記述するＳｃｈｒｏｄｉｎｇｅｒ方程式である（Ａ・２７）式の解に付いては、特許文献３の記述内容を下記に転記する。

【0873】

（Ａ・３０）式と（Ａ・３１）式を用いて非調和振動を示す（Ａ２７）式の最終解を導出する前に、まず（Ａ２７）式におけるＥ＝０時の波動関数の解を求める。具体的には（Ａ２７）式における“κ_３ｘ^３＋κ_４ｘ^４”項が充分小さな摂動項と見なす。そして調和振動方程式の解を示す（Ａ３０）式を基にして、摂動解を導く。

【0874】

特許文献３で説明したように、この非調和振動時のエネルギー固有値ε_ｍは（Ａ３８）式で与えられる。

【0875】

【数52】

【0876】

非調和振動時のエネルギー固有値（Energetic Eigen Value）εｍは、（Ａ２７）式内でのκ_４ｘ_４の項のみの影響を受けるがκ_３ｘ^３の項の影響を受けないことが（Ａ３８）式から分かる。またこの時の波動関数｜ｍ > は

【0877】

【数53】

【0878】

で与えられる。ここで

【0879】

【数54】

【0880】

の関係が有る（（Ａ・３９）式内の詳細式は特許文献３を参照）。

【0881】

エネルギー準位ε_０からε_ｍへ遷移する時に必要なエネルギー量をｈν_ｍで表わすと、

【0882】

【数55】

【0883】

で与えられる。したがって（Ａ・６０）式から、基準音と第１倍音、第２倍音の振動数をν_１、ν_２およびν_３とした時、

【0884】

【数56】

【0885】

【数57】

【0886】

の関係が成り立つ。そしてここで導かれた（Ａ・６０）～（Ａ・６２）式を用いると、非調和振動に基づく基準音と第１倍音、第２倍音の振動数ν_１、ν_２およびν_３から第ｍ－１倍音の波長λ_ｍ（振動数ν_ｍ）の値が予想できる。

【0887】

上記理論式を用いた計算結果と実際の測定値を比較すると、理論計算結果の方が（波長値として１～３割の範囲内で）若干小さくなる傾向が有る。従って上記特定官能基内のグループ振動に帰属する吸収帯の波長値に関して理論予測値と実験値を比較する場合には、上記算出した理論値に所定の補正係数を掛けた後の値で実験値と照合しても良い。

【0888】

７．３節 官能基内グループ振動解析の意義
２原子分子（２体系）内での非調和振動解析法は、従来から知られている。その具体的な一例では、２原子分子内の運動を重心運動（Central Motion of Gravity）または並進運動（Translation Motion）と相対運動（Relative Motion）とに分離する。そしてこの相対運動に関しては、２原子間の距離のずれ量を“ｘ”と設定すると（Ａ・２７）式に類似した方程式が導ける。

【0889】

それに比べてグループ振動では解析する対象（とする原子核）の数が３以上の多体系なので、自由度（解析に必要な変数の数）が大幅に増加し、解析が非常に複雑となる問題が有った。そのため、グループ振動特性を簡易的に解析する手法が今まで存在しなかった。

【0890】

有機高分子や生体内部を構成する生体系分子内では５．２節で説明したように、構成原子として水素原子を含む官能基（炭素原子や酸素原子、窒素原子などの中心原子と周辺に配置された水素原子間で共有結合された構造）が多く含まれている。

【0891】

特許文献３内で説明したように、生体内での活動（生体反応や触媒作用など）では水素結合が介在する場合が非常に多い。そして特定官能基内の水素原子と別原子や別イオンとの間で一時的に水素結合反応が起こると、対応する吸収帯の波長値が一時的に変化する事が理論的に予測されている。

【0892】

従って官能基内のグループ振動への簡易的な理論解析手法の提案は、上記吸収帯の波長変化に対する理論的予測精度を上げ、実験値との整合性を高める効果が有る。

【0893】

量子化学計算ソフトを用いて官能基内の基準振動（Normal Vibration）を解析した結果、官能基を構成する複数の水素原子間で互いに連動する事が分かる。例えば変角振動や対称伸縮振動、逆対称伸縮振動、縮重伸縮振動などは全て、官能基を構成する全水素原子が互いに連動している。

【0894】

（Ｃ・６）式内の“±”記号が示すように、上記振動モードで各水素原子の移動方向は異なる。しかしトータルエネルギーが最小時の位置からのずれ量（の絶対値）“ｘ”は全ての水素原子で同じと近似し、実際に発生する水素原子毎の近似からの誤差量を“ｓ_ａ”で表記した。すなわち安易な近似仮定は行わず、水素原子個々の独立した移動状態も考慮した。

【0895】

若干の近似も含めて関係式を変形（展開）した結果（Ｃ・１６）に示すように、官能基内全構成原子の運動が、“重心運動”と“共通ずれ量ｘのみの運動”、“誤差成分ｓ_ａの運動”とに独立分離（各変数を含む項が互いに線形結合（Linear Addition）した形で表現）できる事を初めて発見した。このように共通なずれ量ｘと水素原子個々の移動の誤差量ｓ_ａが関係式内で分離できると、（Ｃ・２５）式のように変数分離（Separation of Variables）が可能となる。その結果として（Ａ・２７）式に示す官能基内のグループ振動を記述する簡単な方程式が導出できる。

【0896】

またそれだけで無く本来多体系の運動解析が必要な計算対象（多原子分子）に対して、（Ａ・２７）式の“１次元方程式に集約”して解析する事で、大幅に解析労力が軽減できる効果も有る。その１次元解析への集約を可能にするため、（Ｃ・１７）式に示す換算質量の関係式などの効果は非常に大きい。すなわち多体系における個々の運動状態の情報は、１〕（Ｃ・１７）式内の“特定官能基に含まれる水素原子数ｎ”と２〕各種振動モードを明示する（Ｃ・６）式内の“±”の符号（正負の極性）３〕（Ａ・２７）式内ポテンシャル部の２次～４次係数κ_２～κ_４の値の中に集約されている。

【0897】

上記の“１次元方程式に集約”できる理論的根拠として、（Ｃ・１６）式の近似が成り立つ必要がある。またその前提として、“ｅ_ａ・ｄｓ_ａ／ｄｔ≒０”の条件の適用可否が重要となる。その条件が成り立つ範囲を下記に明示する。この条件に関しては
ａ］水中で官能基の構造が不安定な状態と
ｂ］官能基構造が安定でかつ何らかの反応（活動）が関与しない静的な状態および
ｃ］反応や生体活動など時系列的に状態変化を伴い得る動的な状態
に分けて説明する。

【0898】

始めに［ａ］に関して検討を行う。筆者（発明者）の実験経験から酸素原子が中心原子Ｃの官能基は、水中で比較的不安定との認識を持っている。そして実験的経験上は、“酸素原子－水素原子”結合内の水素原子は水中の水素原子と置換される確率が高い。７．４節の方法で理論的な予測値は得られるが、中心原子Ｃに酸素原子を持つ官能基のシミュレーション結果の信頼性は若干低下する認識が必要と考える。

【0899】

同様に実験の経験上では、－ＮＨ_３ ^＋（Ｎは窒素原子）の構造を有する官能基内の１個の水素原子Ｈが遊離する可能性も高い。従って上記構造に対するシミュレーション結果の信頼性もそれ程高くは無い。

【0900】

次に１≦ｎ≦２における－ＮＨ_ｎ構造を有する官能基に関する検討を行う。過去の文献を調べると、上記構造内の水素原子を重水素（Deuterium）に置換する実験が多数報告されている。しかし上記置換を完了させるのに１～２日の放置が必要と記載されている。従って短期間で終了する実験では、－ＮＨ_ｎ構造（１≦ｎ≦２）は水中で多少は安定と考えられる。

【0901】

一方で中心原子Ｃに炭素原子を持つ官能基の構造は、非常に安定と考えられる。

【0902】

以上の結論として［ａ］に関しては、官能基の中心原子Ｃの種類でシミュレーション結果の信頼性が変化する。

【0903】

次に［ｂ］に関して検討する。量子化学計算ソフトを用いた計算機シミュレーションによる振動解析結果を詳細に調べると、高分子内部での基準振動の一種に対応するグループ振動では、特定官能基に属する全ての水素原子が連動して振動する。また特定官能基に属する全ての水素原子間での振動振幅値も、ほぼ類似する場合が多い。－ＣＨｎ（中心原子Ｃは炭素原子または窒素原子、酸素原子に対応）の構造を持つ官能基内の水素原子Ｈ配置は、比較的対象構造をしている事がその理由と考えられる。

【0904】

非常に特殊な例として特別な配列をした１個の官能基内では、特定の水素原子の振動振幅だけが他の水素原子のそれと異なる場合は有り得る。その例として１個の水素原子Ｈと中心原子Ｃ間の結合方向が、振動を誘起する外部電場の振動面方向Ｅ（（Ａ・３）式）と一致する場合が考えられる。しかし一般に対象体１０内での官能基－ＣＨｎの配向性に規則性は無く、ランダム方向に配置される。従って全体を平均化して見た場合には、特定官能基に属する全ての水素原子間での振動振幅値が類似すると考えるのが自然である。

【0905】

従って［ａ］で安定構造を有する官能基に対する［ｂ］の静的状態では、“ｅ_ａ・ｄｓ_ａ／ｄｔ≒０”の条件に帰結するシミュレーション結果の信頼性は有る程度保たれると考える。

【0906】

次に［ｃ］に関して検討する。７．３節で後述するように生体内部での活動時（生体反応や生化学反応、触媒反応など）には、一時的な水素結合が発生する場合が有る。この場合には特定官能基内の１個の水素原子の近傍に、他原子や他イオンが配置された状態が発生する。

【0907】

上記［ａ］で説明した水中で比較的安定構造を持つ官能基内では、中心原子Ｃとその周辺の各水素原子Ｈ間は共有結合をしており、原子間距離（結合長）は比較的短い。それに比べると近傍に配置された他原子や他イオンとの間の水素結合距離は、相対的に長い。従って水素結合した水素原子Ｈの原子振動（Atomic Vibration）への影響は、摂動効果（Perturbative Effect）に止まる。

【0908】

従って［ｃ］の動的状態で特定官能基近傍に他原子や他イオンが接近した場合、その官能基内の水素原子毎の振動振幅値は（上記の摂動効果で）若干変化する。しかしこの場合でも“ｅ_ａ・ｄｓ_ａ／ｄｔ≒０”の条件はおおむね満足する。

【0909】

以上の検討結果を纏める。非常に複雑で巨大な高分子系や生体系内での特定領域で発生する特定の基準振動（例えば特定官能基内のグループ振動）を理論的に解析する場合、その基準振動を起こす構造体内に含まれる原子の種類（すなわち“酸素原子－水素原子間結合”や“窒素原子－水素原子間結合”が有るか？）で理論的解析結果の信頼性が変化する。一方この理論的解析結果の信頼性は、解析対象が“静的状態”か“動的状態”かの影響は余り受けない。この結果から７．４節で後述するシミュレーションで得られる簡易的な理論解析結果は、時間と共に変化する生体内の活動状態やその変化にも適応できる。

【0910】

特に本実施形態例で重要な事は、複雑な構造をした巨大分子または巨大な複数分子の複合体内の解析も可能な効果を持つ所に有る。すなわち（Ａ・３）式または（Ａ・８）式内で記述されるハミルトニアン（Hamiltonian）Ｈnucl内には、膨大な数の構成原子を許容する。その巨大な分子または巨大な複数分子の複合体の中から、解析したい官能基を任意に選択できる。そこで選択された官能基に対し、７．４節で説明する手法を用いて（Ａ・２７）式内の２次係数κ_２と４次係数κ_４の値を算出すれば良い。それだけで（Ａ・３２）式と（Ａ・３８）式を用いて、関連する吸収帯の波長値が予測できる（必要に応じてさらに（Ａ・６１）式と（Ａ・６２）式を使用しても良い）。

【0911】

生体活動時（生体反応や触媒作用などの発生時）に特定官能基に他原子や他イオンが近接する状況を上述した。このように特定官能基に他原子や他イオンが近接すると摂動効果として、（Ａ・２７）式内の２次係数κ_２と４次係数κ_４の値が変化して対応吸収帯の波長値が変化する。従ってこの場合でも７．４節で説明する手法を用いて、対応する吸収帯の波長変化を理論的に予測できる。従ってこの吸収帯の波長変化から生体活動状態が予想できる。

【0912】

またそれに限らず、第８章で説明する機能性バイオ・エンジニアリング生成物内の構造確認や、製造工程管理が可能となる効果が有る。

【0913】

本実施形態例の説明として７．２節内での数式の展開（特に（Ｃ・５）式と（Ｃ・６）式）では、原子核間の結合長（Bond Length）の変化を中心に説明した。しかしそれに限らず本実施形態では、分子内構成原子間の任意の構造または形状変化に対する解析の簡素化を行っても良い。この場合には（Ａ・２７）式を導入する代わりに７．２節と類似した関係式展開（変形）を行い、他の変化（他の変数）に対応して簡素化された方程式を導いても良い。例えばグループ振動内の基準振動を形成する変角振動に関係して、分子内構成原子間の結合角（Torsional Angle）を変化させた１次元の（変数が１個の）方程式を導いて解析の簡素化を図っても良い。

【0914】

また７．２節では最終的に、時間変数ｔ以外では１個の変数ｘのみが含まれる方程式（Ａ・２７）式を導出して解析の簡素化を図った。しかしそれに限らず（Ｃ・２５）式に示す変数分離法を多用し、時間変数ｔ以外ではそれぞれ１個ずつの変数のみが含まれる独立方程式を同時に複数導いても良い。

【0915】

そして異なる変数が含まれる複数の独立方程式が同時に成り立つ場合は、複数の異なる振動モード間で同時遷移（Transition）が発生する。この状態が結合音に対応する。１個の変数ｘのみが含まれる方程式（Ａ・２７）式のエネルギー固有値は、（Ａ・３８）式で与えられる。この結合音の場合は、各振動モードに対応した上記エネルギー固有値の線形結合の形でエネルギー準位（Energy Level）が定まる。そして（Ａ・６０）式と類似の形で、結合音に対応した吸収帯の中心波長値が理論的に予想できる。

【0916】

本実施形態の一例として７．２節では、伸縮振動に対応した解析の簡素化方法に関して説明を行った。しかしそれに限らず上記の説明のように７．２節で説明した式の展開（変形）方法の修正（例えば選択すべき変数を原子核間の“結合長”の代わりに“結合角”にして変角振動に対する解析方程式を導くなど）、あるいは式の展開（変形）の拡張（例えば変数分離を多用して異なる独立変数を含む独立方程式を複数導いて結合音の解析を可能とするなど）を行っても良い。

【0917】

７．４節 グループ振動に帰属する吸収帯波長のシミュレーション方法
量子化学計算ソフトと（Ｃ・１７）式や（Ａ・２７）式、（Ａ・６０）式を組み合わせてグループ振動状態を簡易的に解析できる本実施形態例に付いて、図３６を用いて説明する。

【0918】

Ｓ１で解析を開始すると、量子化学計算ソフトを用いて高分子構造（高分子を構成する各原子配置）の設定（Ｓ２）を行う。そして一般的な量子化学計算ソフトに組み込まれている構造最適化（Ｓ３）ルーチンを実行させる。

【0919】

７．３節で説明したように本実施形態では、巨大な高分子構造や複雑なそれらの複合体（構造体）を構成しても、その中の局所領域（特定の官能基周辺）での構造や反応（活動状態やその変化）の解析が可能となっている。従ってＳ４に示すように、局所的構造や反応（活動状態やその変化）を解析すべき領域を指定する。その一例として、グループ振動特性の解析対象となる官能基を設定しても良い。

【0920】

この方法として、ユーザが直接対象領域を指定しても良い。またそれに限らず、自動的に領域選択（領域設定）を行っても良い。この場合には予めユーザが事前に領域設定の条件を指定し、その条件に合致する領域を量子化学計算ソフトが自動的に判別しても良い。

【0921】

具体的には例えばユーザが予め、『特定の触媒反応や生体反応の活性領域（Active Area）』を量子化学計算ソフトに指定しても良い。その場合に量子化学計算ソフトが自動的に特定の水素原子を自動抽出し、その水素原子が含まれる官能基を選択しても良い。ここでその特定の水素原子は、上記触媒反応時や生体反応時に他原子や他のイオンと水素結合をしても良い。

【0922】

なおここで設定する振動特性解析対象領域としてＳ４では、所定の官能基を設定した。しかしそれに限らず本実施形態では、Ｓ２で設定された高分子内における任意の基準振動に関与する局所領域を設定しても良い。例えば特許文献３内では高分子内の基準振動に関与する２原子を指定し、その２原子間の基準振動を示す方程式として（Ａ・２７）式を導いた（但しこの場合はグループ振動の解析まで至って無いため、換算質量を表す関係式は（Ｃ・１７）式とは異なる）。

【0923】

Ｓ４で設定された官能基内の構造は、Ｓ３で既に最適化されている。すなわち高分子のトータルエネルギーが最小になるように、この官能基内の中心原子核と周辺の水素原子核までの距離（結合長）が最適化されている。したがって中心原子核とａ番目の水素原子核までの距離（結合長）は、（Ｃ・５）式と（Ｃ・６）式内の“ｘ_ａ”（１≦ａ≦ｎ）に対応する。

【0924】

なお図３６では高分子構造の最適化（Ｓ３）を実施した後に振動特性解析対象となる局所領域（官能基など）の設定（Ｓ４）を行っている。しかし本実施形態例ではそれに限らず、両者間の順序（Ｓ３とＳ４の順序）が逆になっても良い。

【0925】

次のステップとして、Ｓ４で指定された官能基内（あるいは任意の基準振動に関与する局所領域内）の振動特性の解析を開始する。ここでは７．２節内の（Ａ・２７）式に合わせて２原子（核）間の結合長を変化させる方法の説明を行う。しかしそれに限らず本実施形態例では、中心原子（核）を挟んだ２原子（核）間の結合角を変化させても良い。

【0926】

すなわち（Ｃ・５）式と（Ｃ・６）式の計算モデルに従い、Ｓ４で設定された官能基を構成する全ての水素原子核と中心原子核との結合長を均等に“ｘ”だけ変化させる（すらす）。そしてこの時の高分子全体のトータルエネルギーを、量子化学計算ソフトを用いて計算する（Ｓ５）。ここでａ番目（２≦ａ≦ｎ）の水素原子に対する結合長を“ｘ”だけ加算するか減算するか（（Ｃ・６）内の符号“±”の中で“＋”側を採用するか、“－”側を採用するか）は、解析対象の振動モードの選択内容（例えば対称伸縮振動か？または逆対称伸縮振動や縮重伸縮振動か？）に拠って変化する。

【0927】

ここでずらし量ｘの絶対値は、（Ｃ・５）式または（Ｃ・６）式内の“ｘ_ａ”（１≦ａ≦ｎ）より小さいのが望ましい。従ってＳ５で設定するずらし量ｘは±０．１Å～±１．５Å範囲（望ましくは±０．１Å～±１．０Åの範囲）に設定するのが良い。

【0928】

この結合長の変化量ｘに対するトータルエネルギーの変化特性から、７．２節内（Ａ・２７）式の２次係数κ_２と４次係数κ_４の値を推定する。そしてこの２個の係数値を決定するには、ずらし量ｘとして一点のみのトータルエネルギーのみの計算結果では不足する。そのため本実施形態ではＳ６に示すように、ずらし量“ｘ”の値を変化させて再度トータルエネルギーを計算する必要が有る。

【0929】

この計算仮定で、ずらし量の絶対値｜ｘ｜の値が同じで正負の極性を変化させた２点でトータルエネルギー値を計算しても良い。さらに異なる別のずらし量の絶対値｜ｘ｜に対して正負の極性を変化させた追加の２点でトータルエネルギー値を計算しても良い。

【0930】

このトータルエネルギー値を計算するずらし量ｘのサンプル数（すなわちずらし量ｘを変えてトータルエネルギーを算出する繰り返し計算回数）は多い方が、Ｓ７で行うフィッティングの精度が向上する。

【0931】

そしてＳ５とＳ６で算出したずらし量ｘに対するトータルエネルギーの変化量特性から、（Ａ・２７）式内の２次係数κ_２と４次係数κ_４の値を算出／適合（フィッティング）させる（Ｓ７）。このフィッティング方法として最小二乗法を用いた適合化を行っても良いし、他の任意方法での適合化を行っても良い。

【0932】

Ｓ７で得られた２次係数κ_２と４次係数κ_４の値を利用し、（Ａ・６１）式や（Ａ・６２）式に示した関係式を利用して対応する吸収帯の波長を理論的に算出する（Ｓ８）。また７．２節の最後に記載したように、理論予測結果と実験値間で一定比率のずれが生じる傾向に有る。それを補正するため必要に応じて、Ｓ８内に記載したように所定の補正係数を乗じ（掛け）ても良い。

【0933】

最終的にその計算結果をディスプレー上への表示、あるいは記憶媒体に保存する等の出力処理（Ｓ９）を行った後、一連の理論的振動解析を終了させる（Ｓ１０）。

【0934】

特定の水素結合が生じている官能基内の水素原子を移動させた時のエネルギー変化とそれに基付く吸収波長変化に関する計算例を、第８章内の８．４節で簡単に後述する。

【0935】

第８章 機能性バイオ物質
図１Ａ～図１Ｃに示した本実施形態における対象体１０に関する応用実施例内容を、本８章で説明する。

【0936】

８．１節 機能性バイオ物質とは
２．４節内の説明において、図１Ａ～図１Ｃで記載した対象体１０として無機誘電体、有機物（ポリ化された高分子）や生命体を例として記載している。本第８章以前では、対象体１０の具体例として“既存物”を中心に説明した。しかし“既存物”の範疇に限らず本実施形態では、新規な物質が対象体１０の具体例（応用例）に含まれても良い。本第８章ではそのような視点から、対象体１０に関する他の応用実施例に関する説明を行う。

【0937】

第３章と第６章で説明した光（波面収差特性が少なく、部分的可干渉性の低い／部分的非可干渉性の高い光）は、内部に－ＣＨｎ形の官能基が含まれる対象体１０の検出や測定に向く状況を、第５章と第７章で説明した。従って対象体１０の応用例として説明する新規な物質内にも、上記－ＣＨｎ形の官能基が含まれる事が望ましい。

【0938】

また生体内部の活動（生体反応や生化学反応、触媒反応など）時に一時的に特定官能基内の水素原子の近傍に他原子や他イオンが近接し、対応する吸収帯の波長変化が起こり得る状況を７．３節内で説明した。従って第３章と第６章で説明した光を用いた検出／測定対象として、生体構造や生体活動の検出／測定も適正が有ると考えられる。このような状況から対象体１０の応用例として、機能性バイオ関連物質（Functional Bio-material）を提案する。

【0939】

本実施形態応用例における機能性バイオ関連物質が持つ代表的な属性は、“自然との親和性”に有る。その具体的な属性として、下記内容を列記できる。
１〕個々の機能性バイオ関連物質毎に多種多様な独自機能を有する
２〕既存の自然界では単体で存在しなかった
３〕既存生物の生体活動システムやメカニズムの一部を類似利用して生成（製造）する
４〕既存生態系や自然界に及ぼす影響が少ない（物質単体及びその派生物／生成物共に）
５〕単体及びその派生物／生成物はいずれも既存の自然環境下では自立的増殖力を持たない（他の生体への寄生形態での増殖力も持たない）
６〕既存生物が摂取しても体内では栄養補給以外の目立った独自機能を発揮しないまた上記属性に加えて、下記に記載した属性内の少なくとも１個が含まれても良い。
７〕廃却後の分解容易性を有する（微生物の分解作用に対応するなど）
８〕生成（製造）時に二酸化炭素などの分解難易性を持つ廃棄物生成を伴わない
上記属性を有する機能性バイオ関連物質の具体的な形態例として、既存の自然界では存在して無い（上記〔２〕の属性に対応）新規の工業用材料（または素材）や独自の食材、あるいは独自機能を有する部品などに利用しても良い。

【0940】

既に遺伝子操作を施した農作物が存在する。しかしこれら農作物から生成される種子は自然環境下で自立的増殖力を持つため、上記〔５〕の属性に合致しない。従って本実施形態における機能性バイオ関連物質その物あるいはその生成物（遺伝子操作を施した農作物の種子に対応）が誤って自然環境下に流出しても既存の生態系を乱す恐れが無い（上記〔４〕の属性にも合致）。

【0941】

また一方でバイオ技術を利用した医薬品の開発が進められている。これら医薬品の体内摂取目的に“治療（治癒）効果”と言う独自機能を有するため、上記〔６〕の属性には該当しない。

【0942】

既存の工業用プラスチック材では、主鎖部（Principal Chain Part）に互いに共有結合で繋がれた炭素原子やシリコン原子が繰り返し連結された構造を有する場合が多い。この炭素原子間あるいはシリコン原子間の共有結合部は結合力が強いため、構造的に分解され難い。

【0943】

一方で蛋白質内のペプチド結合部（Peptide Bonding Part）の結合力は共有結合部よりも弱いため、微生物の作用などで容易に分解され易い。そのため蛋白質構造体は廃却後の分解容易性が高い（上記〔７〕の属性に合致）。

【0944】

この機能性バイオ関連物質の生成方法（あるいは製造方法）の詳細に付いては、第９章で詳細に説明する。ここでは上記〔３〕に記載した属性に関連して、簡単に効果を説明する。

【0945】

例えば多量な羊毛収得には、羊の飼育に多大な労力と費用が必要となる。それと比べて特定部位のみの培養や微生物を利用したアミノ酸生成など、生体活動の一部の（類似）システムや（類似）メカニズムを利用すると、機能性バイオ関連物質の製造効率が大幅に向上する。

【0946】

このように生体活動の一部の（類似）システムや（類似）メカニズムを利用して機能性バイオ関連物質の開発または生成を行う技術を、本実施形態システム内では“バイオ・エンジニアリング”と呼ぶ。

【0947】

ところで多種多様な蛋白質はその立体構造（Conformation）に応じて多様な独自機能を発揮する（上記〔１〕の属性に合致）事が知られている。。従って本実施の応用形態における機能性バイオ関連物質内の一部にアミノ酸（Amino Acid）が含まれても良い。従って本応用実施形態の機能性バイオ関連物質とは、少なくとも一部にアミノ酸が含まれ、独自な機能を有する物質（素材または食材、機能部品）と定義し直しても良い。

【0948】

そして上記定義に限定せず、他の見方で上記機能性バイオ関連物質を定義しても良い。機能性バイオ関連物質内の一部にアミノ酸が含まれても良いと、説明した。その見方をさらに進めた形で機能性バイオ関連物質の範疇を捉え、あらゆる人工蛋白質を機能性バイオ関連物質に含めても良い。この場合には、人工蛋白質内に含まれるアミノ酸選別やアミノ酸配列（Amino Acid Sequence）、または立体構造（Conformation）を制御して、各種独自の機能を発揮する。

【0949】

本実施形態では、自然に存在する各種蛋白質に対してアミノ酸配列が０．１％以上（望ましくは１．０％以上）異なる場合に、人工蛋白質と呼ぶ。多くの蛋白質はそれぞれ独自の立体構造（Conformation）を有し、この立体構造が独自機能発揮に大きく影響する。そして蛋白質を構成するアミノ酸配列が０．１％（すくなくとも１．０％）でも変化すると、この立体構造が大幅に変化する。従って８．２節または８．３節で後述するように本実施形態では、自然に存在する蛋白質のアミノ酸配列を０．１％（すくなくとも１．０％）以上変えて立体構造を大きく変化させて、人工蛋白質として独自の機能を発揮させても良い。

【0950】

上記で説明した“内部の少なくとも一部にアミノ酸が含まれる機能性バイオ関連物質”や、人工蛋白質で構成された機能性バイオ関連物質は、必ずしも上述した〔１〕～〔６〕の属性を全て持たなくても良い。しかし自然との親和性を持つ事が望ましい。

【0951】

ところで本実施形態では工業用材料／素材や食材または機能部品などの単なる最終的生成物に限らず、その生成物に対する生成元物質も機能性バイオ関連物質に含めても良い。機能性バイオ関連物質に含まれる生成元物質の具体的な一例には、上記人工蛋白質の生成情報が組み込まれたゲノムを細胞核に保有する細胞が含まれても良い。そしてこの細胞は、ゲノム編集（Genome Editing）技術として知られる例えばＣＲＩＳＰＲ（Clustered Regularity Interspaced Short Palindromic Repeats）／Ｃａｓ９（CRISPR-Associated Protein 9）あるいはＺＦＮ（Zinc Finger Nuclease）、ＴＡＬＥＮ（Transcription Activator-Like Effector Nuclease）などの技術を利用してゲノム編集されている。

【0952】

このゲノム編集後の遺伝子情報は上述した〔３〕に関連して、ｍＲＮＡ（Messenger Ribonucleic Acid）に一度転送された後、ｔＲＮＡ（Transfer Ribonucleic Acid）で蛋白質合成（Protein Synthesis）される。従って上記細胞のゲノム内が各種の独自機能を有する人工蛋白質の“生成に必要な情報の記憶機能”を持つと言う意味で、本実施形態における機能性バイオ関連物質に含まれても良い。また上記細胞はゲノム内への“情報記憶機能”を持つばかりでなく、細胞内での人工蛋白質の“生成（製造）機能”も有している。

【0953】

上記人工蛋白質の生成情報が記録されたゲノムを細胞核内に保有する細胞は、必ずしも上述した〔１〕～〔６〕の属性を全て持たなくても良い。しかし“〔５〕自然環境下で単体や寄生形態として自立的増殖力を持たない”属性を満足するため、上記細胞形態として種子形態や受精卵、ウィルス形態を取らない事が望ましい。

【0954】

８．２節 機能性バイオ物質の独自機能発揮方法から見た分類分け
本実施形態における機能性バイオ物質を独自機能発揮方法で分類分けした内容を、図３７に示す。いずれの機能性バイオ物質またはそれを生成するバイオ・エンジニアリングにおいても、第３章または第６章で説明した照射光１２または検出光１６との間で独自な相互作用が存在する。個々の具体的な相互作用部位（やその内容）は、図３７内の“光学的検出対象部位”欄に記載した。従って上記の照射光１２または検出光１６を用いて、機能性バイオ物質内部の構造分析や（検出特性の変化を用いた）製造管理が行える。

【0955】

図３７に示した機能性バイオ物質としては８．１節の説明内容に沿って、特定機能を発揮する素材や部品、あるいは食材、酵素、細胞などの例を記載した。しかしそれに限らず本実施形態では、〔２〕自然界で既に存在せず、〔３〕既存生物生体活動一部の（に類似した）システムやメカニズムを利用して生成（製造）するあらゆる物質を含めても良い。

【0956】

図３７と８．３節では説明のし易さから、繊維状の形状をし、また毛髪内に含まれるフィブロイン（Fibroin）構造の改良を中心に具体例を示した。しかしそれに限らず本実施形態では、既存に存在するあらゆる蛋白質の改良や多糖類（Polysaccharide）の改良でも良い。

【0957】

本実施形態において機能性バイオ物質が独自機能を発揮する方法として図３７に示すように、・アミノ酸配列の変化を含めた立体構造的特徴を利用した物や・多量体（Polymer）を構成する一種類の単量体（Monomer）を別単量体に置換した構造、・所定アミノ酸配列内に特定アミノ酸の挿入や置換させた物、・蛋白質内の所定の活性領域（Active Area）の構造を変化させた物、・基質（Substrate）を加水分解（Hydrolysis）や脱水縮合（Dehydrating Condensation）させて新たな活性領域を生成させる酵素あるいは既存酵素の高速／高性能化（分解酵素など）、・アミノ酸配列を記録するゲノムを細胞核内に有する細胞・ゲノム編集を多量に効率良く行うためのゲノム編集モジュールとそのキャリア構造や・繊維状蛋白質の生成細胞などが上げられる。

【0958】

８．３節 アミノ酸配列や立体構造で機能を発揮する機能性バイオ物質の実施例
図３７の一覧表内容に対応した具体的な一例を以下に説明する。、本８．３節では、図３７“機能発揮方法”の欄内での“立体構造的違い”や“アミノ酸配列”で独自機能を発揮する方法に付いて説明する。８．３節内での説明内容はほんの一例に過ぎず、機能性バイオ物質として“立体構造的違い”や“アミノ酸配列”で独自機能を発揮する他のあらゆる方法も含まれても良い。

【0959】

始めに既存の蛋白質に対してアミノ酸配列を一部変化させる事で立体構造に特徴を持たせて独自機能を発揮する機能性バイオ物質の説明を行う。

【0960】

巨大蛋白質の立体構造内の一部が、αヘリックス（α-Helix）構造やβシート（β-Sheet）構造を有する場合が多い。このαヘリックス内部ではアミノ酸の主鎖（Principal Chain）が螺旋構造を描きながら円柱構造を形成する。そしてこの円柱の側面壁表面近傍で柱方向に沿った水素結合に拠って一定の強度が保たれる。

【0961】

またβシートでは屏風のように折れ曲がった紙が何重にも重なった構造を持ち、紙の重なり方向に発生した水素結合で一定の強度が保たれる。

【0962】

これらの水素結合領域での水素原子を中心とした伸縮振動の基準音や第１／第２倍音に対応した吸収帯が発生する。この吸収帯の波長と光吸収量から、立体構造が有る程度予想できる。具体的な水素結合部で発生する吸収帯の波長域は、第１倍音では１．５～１．７μｍの範囲内に含まれ、第２倍音では１．０～１．２μｍの範囲内に含まれる。ここでαヘリックス内の水素結合距離（長）がβシートよりも若干長いため、対応する吸収帯の波長がαヘリックスとβシートでは若干異なる。

【0963】

外部から加わる圧力や機械的振動の影響でαヘリックスやβシート内の一部の水素結合が切断されると、全体の立体構造が変化する。この変化を利用して圧力センサや振動センサに利用される。この内容が、図３７内の１行目“力学的立体構造変化”に対応する。またこの時の吸収帯内の光吸収量変化が生じる波長から、どこの水素結合が切断されたか予想できる。

【0964】

また温度による立体構造変化が起き易い機能性バイオ物質は、感熱センサになる。これは、図３７内の２行目“熱的立体構造変化”に対応する。また温度変化によっても上記と同じ理由から吸光特性の変化が現れる。

【0965】

フィブロインは蚕の絹糸や蜘蛛の繭糸の主要成分として知られる。アミノ残基（Residue）の小さなアミノ酸の組成比が９０％に達する特殊な蛋白質で、組成の約３５％をグリシン（Glycine）、約２７％をアラニン（Alanine）が占める。

【0966】

自然に存在するフィブロインの構造は図３８に示すようにβシート構造を持つβシート形結晶部６０２と非結晶部６０４から構成される。そして自然界に存在するフィブロイン内でこのβシート形結晶部６０２が全体に占める割合（結晶化度）は、約４０％～５０％と言われている。なお図３８内非結晶部６０４内の曲線は、ペプチド結合されたアミノ酸の主鎖を表している。

【0967】

なお天然のフィブロインに関する情報は、https://ja.wikipedia.org/w/index.php?title=フィブロイン&oldid=57333210に記載されている。

【0968】

このβシート形結晶部６０２内部での（βシートを構成する）水素結合部に照射光１２を照射した場合、そこから得られる検出光１６からはβシートの水素結合（伸縮振動の基準音や第１倍音、第２倍音、結合音）に対応した吸収帯が特定波長で検出される。この吸収帯の波長測定に、図１Ａ～図１Ｃの測定装置を用いても良い。

【0969】

またその吸収帯内での光吸収量は、上記の結晶化度に応じて変化する。例えば結晶化度が４０％より低いと、上記吸収帯内での光吸収量は減少する。一方で結晶化度が５０％より高いと、光吸収量は増加する。従ってフィブロインから得られる検出光１６から測定される対応吸収帯の光吸収量から、フィブロインの結晶化度が定量的に予測できる。

【0970】

特に照射光１２に２．６節で説明した近赤外光を用いた場合、βシート内水素結合部での伸縮振動の第１倍音に帰属する吸収帯と伸縮振動の第２倍音に帰属する吸収帯の両方を同時に検出できる。そしてこの両方の吸収帯内での光吸収量は共に、上記結晶化度が増加すると増加する（結晶化度が減少すると光吸収量も減少する）。

【0971】

１個の波長域のみでの光吸収量の増減検出では、何らかの外乱ノイズの影響で誤検出する危険性が有る。しかし異なる複数の波長域（第１倍音より第２倍音に帰属する吸収帯の波長値が小さい）での吸収帯内の光吸収量を同時測定できるため、結晶化度の測定精度が向上する効果が有る。

【0972】

上記天然のフィブロインを改良して生成した機能性バイオ物質の実施形態例を図３９Ａと図３９Ｂに示す。いずれの生成方法も８．１節の最後に簡単に記述した方法を利用している。すなわち人工蛋白質内のアミノ酸配列をゲノム編集技術で一部変更し、ｍＲＮＡ転写を経てｔＲＮＡを用いた蛋白質合成で生成される（詳細は８．５節で後述）。

【0973】

図３９Ａ（ａ）は改良形フィブロイン内の結晶化度を４０％以下（望ましくは３５％以下）に設定した構造で、図３７内の３行目“良触感柔軟材：βシート形結晶化度を減少”に対応する。βシートを形成する水素結合の比率も低いので、対応する吸収帯内での光吸収量は（第１倍音と第２倍音共に）相対的に低い。

【0974】

強度の有る（比較的硬い）βシート形結晶部６０２の比率が少なく、非結晶部６０４の比率が高いので、触感（肌触り）が良く、柔らかい素材となっている。

【0975】

図３９Ａ（ｂ）は改良形フィブロイン内の結晶化度を５０％以上（望ましくは５５％以上）に設定した構造で、図３７内の４行目“剛性材・補強材：βシート形結晶化度を増加”に対応する。βシートを形成する水素結合の比率が高いので、対応する吸収帯内での光吸収量は（第１倍音と第２倍音共に）相対的に高い。

【0976】

強度の有る（比較的硬い）βシート形結晶部６０２の比率が高く、非結晶部６０４の比率が低いので、強度や剛性が高い素材となっており、補強材用の材質に適正が有る。

【0977】

αヘリックス内あるいはβシート内の水素結合部から得られる吸収帯を用いた方法は図３９Ａ（ａ）や（ｂ）の構造を有した機能性バイオ物質に限らず、内部にαヘリックスあるいはβシート構造を有するあらゆる機能性バイオ物質内の構造検査やその変化の検出／測定に使用しても良い。

【0978】

図３９Ａ（ｃ）は改良形フィブロイン内の非結晶部６０４内に酸性残基（Acid Residue）を持ったアミノ酸を添加した構造で、図３７内の５行目“酸性残基含有”に対応する。ところで酸性残基を持ったアミノ酸は一般に負電荷を持っており、他物質と反応し易い。電荷量を中和して他物質との反応性を下げて構造を安定化させるため、本実施例では図３９Ａ（ｃ）に示すように、カルボキシル基（Carboxyl Group）６１６に正電荷を持ったカチオン（Cation）を添加（エステル化（Esterification））している。このカチオンとしてナトリウムイオンに限らず、あらゆるカチオンを添加しても良い。

【0979】

酸性残基性アミノ酸の中に含まれるカルボキシル基６１６は、親水性が非常に高い。従って非結晶部６０４内にカチオンを添加した酸性残基性アミノ酸を配置する事で、非常に吸水性の高い機能性バイオ物質となる。

【0980】

非結晶部６０４内にカチオンを添加した酸性残基性アミノ酸が含まれるか否かは、カルボキシル基６１６（の伸縮振動の第２倍音あるいは第１倍音）に対応した波長値に吸収帯が存在するか否かで判定できる。エステル化されたカルボキシル基の第２倍音に対応する吸収帯は、１．８～２．０μｍの波長域内に存在する。従って例えば図３９Ａ（ｃ）の構造を目指して作成した人工蛋白質から得られる検出光１６を調べ、上記波長域内に固有の吸収帯が観測されるか否かを判定する。もし上記波長域に吸収帯が存在しない場合には、エステル化された酸性残基性アミノ酸が含まれて無い（目的の人工蛋白質が生成されなかった）と判断する。

【0981】

この酸性残基を持ったアミノ酸として図３９Ａ（ｃ）内では、アスパラギン酸（Aspartic Acid）＋カチオン６１２を組み込んだ例を示している。しかしそれに限らず、例えばエステル化した（カチオンが添加された）グルタミン酸（Glutamic Acid）を組み込んで
も良い。

【0982】

また図３９Ａ（ｃ）の構造に限らず、内部にカルボキシル基を含むあらゆる機能性バイオ物質内の構造分析やその変化に上記波長範囲の光を使用しても良い。

【0983】

フィブロインが１０数種類のアミノ酸で構成された蛋白質なので、フィブロインの栄養補給食品への応用が開発されている。しかしフィブロインの分子量が３５万から３７万と非常に大きいため、消化吸収性に課題が有る。現在は酵素分解法を利用してオリゴペプチド（Oligopeptide）への低分子化が可能では有るが、パウダー状になる事で噛み心地が失われるなど食感が損なわれる問題が有る。

【0984】

その課題を解決する本実施形態例を図３９Ｂに示す。またこの内容は図３７内の６行目“オリゴペプチド結合”の内容に相当する。すなわち低分子化されたオリゴペプチドに起こり易いパウダー状態を組み合わせて食肉に近い噛み心地を提供し、摂取するユーザの満足度を高める効果を発揮している。

【0985】

アクチン・フィラメント（Actin Filament）やミオシン・フィラメント（Myosin Filament）は、食肉の主成分の一部を構成する。このアクチン・フィラメントは、アクチン２量体がＡＤＰで結合され、トロポミオシン（Tropomyosin）で外側が補強された構造となっている。ここでアクチン２量体自体は非常に小さく、単離されたアクチン２量体はパウダー状となっている。

【0986】

このアクチン・フィラメント構造を参考にして、低分子化されたフィブロイン改良品に食肉のような食感（噛み心地）を提供する機能性バイオ物質構造例を図３９Ｂに示す。すなわち低分子化されたフィブロインを改良した分子単量体６２０内におけるアミノ酸配列端部にＡＤＰ（Adenosine Diphosphate）固定部６２６とＡＴＰアーゼ活性部（Active Area of Adenosine Triphosphate Ase）６２２を形成する。

【0987】

図３９Ｂに示す低分子化されたフィブロインを改良した分子単量体６２０はＫＣｌなどの塩水溶液中で、ＡＴＰの加水分解（Hydrolysis）を経てポリマー化される。最初にＡＤＰ固定部６２６に固定されたＡＴＰが、マグネシウム・イオンと共にＡＴＰアーゼ活性部６２２に接触する。するとＡＴＰアーゼ活性部６２２の触媒効果で、ＡＴＰが加水分解される。その時にγ－燐酸基（γ-Phosphate Group）を放出するが、ＡＰＴから分解されたＡＤＰ６２４が残ってポリマー（多量体）を形成する。

【0988】

このＡＤＰ６２４で結合されたポリマー（多量体）を入れた水溶液中からＫＣｌなどの塩成分を除去すると、モノマー化（単量体化）し易い特性を持つ。このように図３９Ｂに示す多量体（ポリマー）構造の非堅牢性が、人体内での消化／吸収を促進する効果が有る。

【0989】

このＡＰＴアーゼ活性部６２２を構成するアルギニン（Arginine）やリシン（Lysine）などの塩基性残基（Basic Residue）を持ったアミノ酸がＡＴＰやマグネシウム・イオンと結合する。この時に上記塩基性残基と燐酸基との間で水素結合が発生する。この水素結合の伸縮振動に帰属する吸収帯は、第１倍音に関しては１．４～１．６μｍ範囲の波長域内、第２倍音に関しては０．９５～１．１μｍ範囲の波長域内に現れる。特にこの吸収帯は非常に特殊で、吸収帯の波長から水素結合相手の塩基性残基の種別（アルギニンか？リシンか？ヒスチジン（Histidine）か？）まで判別できる。

【0990】

またポリマー（多量体）状態からモノマー（単量体）状態に戻った時には、上記塩基性残基と燐酸基間の水素結合が切れる。従って図３９Ｂのように塩基性残基と燐酸基間の水素結合が関与する場合には、そこから得られる検出光１６の吸光特性から詳細な結合状態をモニターできる。

【0991】

近赤外光を用いた構造あるいは結合状態およびその変化の測定に関しては図３９Ｂの実施例に限らず、塩基性残基と燐酸基間の水素結合が関与するあらゆる機能性バイオ物質（およびその内部での変化）に適用しても良い。

【0992】

図３７内の６行目に記載した電位センサ機能例に付いて説明する。電位依存性イオン・チャネル（Voltage-gated Ion Channel）は、細胞膜を貫通する長さを持った複数のα－ヘリックス構造から構成される事を特許文献３で記載されている。その中の少なくとも１個の細胞膜貫通形α－ヘリックスの一部が、荷電極性残基（塩基性残基または酸性残基）を持つアミノ酸を含む。外部から直流電場（電位差）が与えられると、この荷電極性残基に静電気力が働く。その結果として電位依存性イオン・チャネルの立体構造が一部変化し、ゲートが開く構造となっている。

【0993】

上記原理を応用して図３７の７行目“荷電極性残基含有”に記載した実施例では、比較的立体構造変化が容易に起き易い既存の蛋白質の一部に、荷電極性残基（塩基性残基または酸性残基）を持つアミノ酸を組み込む。そしてこの荷電極性残基に静電気力が働いて立体構造を変化させる事で、電圧センサの機能を発揮させる。

【0994】

上記電圧センサの機能を発揮させるには、荷電極性残基を持つアミノ酸の周辺に逆極性のイオンが局在して電荷的に中性化して無い必要が有る。生体内の水分（水溶液）中にはナトリウムイオンや塩素イオンが多量に含まれている。アスパラギン酸やグルタミン酸などの酸性残基を持つアミノ酸では図３９（ｃ）のようにエステル化されて（ナトリウムイオンなどの）カチオンと結合し易い。前述したように、エステル化前後で吸収帯の波長が変化する。従って電圧センサとしての機能性バイオ物質から得られる検出光１６の吸光スペクトル内に現れる吸収帯の波長から、電圧感受部がエステル化されて電荷的に中性化して無いか否かが判定できる。

【0995】

同様にアルギニンやリシン、ヒスチジンなどの塩基性残基を持つアミノ酸の場合、塩基性残基周辺に塩素イオンなどのアニオン（Anion）が付着して電荷的に中和させる危険性が有る。このように塩基性残基周辺にアニオンが付着した場合も水素結合が生じた場合と同様に、吸収帯の波長が変化する（所定量波長が長くなる）。特にこの場合には、伸縮振動の第１倍音あるいは第２倍音に帰属する吸収帯の波長値で、塩基性残基を持つアミノ酸の種別と付着したアニオンの予想が可能となる。

【0996】

このように電圧センサの機能を持った機能性バイオ物質での機能安定性や不具合時の原因を、検出光１６の吸収スペクトル内に現れる吸収帯の波長から予想できる。また上記方法は電圧センサに限定されず、塩基性残基を持つアミノ酸を含むあらゆる機能性バイオ物質に適用しても良い。すなわち塩基性残基を持つアミノ酸を含むあらゆる機能性バイオ物質から得られる検出光１６の吸収スペクトル内に現れる吸収帯の波長から、塩基性残基とアニオン間の付着に関係した機能安定性の確認や機能不全の原因追及が行える。

【0997】

本８．３節内の前半で、『改良形フィブロイン内の結晶化度を５０％以上（望ましくは５５％以上）に設定すると、機械的強度が向上して剛性材・補強材に適する（図３７内の４行目）』と説明した。

【0998】

このように改良形フィブロイン内の結晶化度を（５０％以上）に高めて所定形状の構造体を作る事が可能となる。本実施形態の応用例として、成形性に優れた構造体の作成方法に付いて以下に説明する。なお以下では実施形態の一例として、フィブロインをベースとしたβシートを組み合わせて構造体を構成する方法の説明を行う。しかしそれに限らず、例えばαヘリックス構造を組み合わせて構造体をしても良い。さらにαヘリックスとβシートを組み合わせて構造体を構成しても良い。

【0999】

βシート構造を取る結晶部を基本ユニット（単量体（Monomer）ブロック）とし、それを集めた集合体（多量体（Polymer））でブロックを構成する。そしてそのブロック間を組み合わせて構造体を形成する。構造体の作成時に、比較的サイズの大きな（人間が扱い易いサイズの）ブロックを単位として扱うため、作成の利便性が向上する効果が有る。

【1000】

また静電気力などの所定の凝集力を用いて集合体内部での基本ユニット間を結合するため、集合体が壊れ難くなる効果も有る。下記では基本ユニット間の結合力に静電気力を利用した例を示す。すなわち上記基本ユニットの外壁（近傍）の一部に“電荷領域”を持つ構造を持たせる。そしてこの電荷領域には“正電荷を持った領域”と“負電荷を持った領域”を混在させても良い。さらに少なくとも２個の基本ユニット間で、正電荷あるいは負電荷を持った領域の位置を一致させても良い。

【1001】

しかし静電気力を使用するだけに限らず、ファン・デル・ワールス力や水素結合力、イオン結合力、共有結合力などを基本ユニット間の結合力に利用しても良い。

【1002】

また図４９で後述するように基本ユニット（改良版βシート形結晶部（単量体ブロック）１６０２）のみで凝集する代わりに、何らかの凝集させる媒介物を使用しても良い。その凝集を助ける媒介物として例えば、図３９ＢのようにＡＤＰ６２４を用いても良い。

【1003】

また単量体を集めて多量体化する場合、あるいは多量体のブロックを集めて構造体に成形する場合に、静電気力などの凝集力を引き出すために上記を混入させた水溶液の水質を変化させる。本実施例では水溶液中のアニオン（塩素イオンなど）やカチオン（ナトリウムイオンなど）の濃度を下げるために純水に置換する。しかし本実施形態例はそれに限らず、例えば水溶液中のｐＨ値や水溶液の温度を変化させても良い。

【1004】

なお説明の便宜上、下記に説明する構造体は全て蛋白質から構成される例を上げている。しかしそれに限らず、蛋白質と既存のエンジニアリング・プラスチックの混合材、あるいは他の材質を混ぜても良い。

【1005】

下記に説明する基本ユニット（単量体ブロック）として図４９（ａ）が示すように、フィブロイン内のβシート形結晶部を出発点とする。この既存のフィブロイン内のβシート形結晶部に対して８．５節または９．２節で後述するゲノム編集を行い、改良版βシート形結晶部（単量体ブロック）１６０２を生成する。

【1006】

２０種類存在するアミノ酸の中で、電荷（Charge）も極性(Polarity)も持たないアラニン、およびバリン、ロイシン、イソロイシン、プロリン、フェニルアラニン、メチオニン、トリプトファン、グリシン、システインを“非極性残基（Non-Polar Residue）を持ったアミノ酸”と呼ぶ。この非極性残基を持ったアミノ酸のみで構成された蛋白質は、疎水性が高い。

【1007】

従って本実施形態例において水に溶け難い構造体を構成したい場合には、蛋白質を構成するアミノ酸の中で５０％以上（望ましくは７０％以上または８０％以上）が上記非極性残基を持ったアミノ酸で構成させても良い。上記疎水性の影響で結晶部集合（多量体）ブロック１６０４（図４９（ｂ））内の改訂版βシート形結晶部（単量体ブロック）１６０２間の隙間に水分が侵入し辛く、水に溶け難くする効果が生まれる。さらに上記の組成条件を満足すると、水分の吸収に拠る膨潤が生じ辛くなり、構造体の構造（寸法）安定性も向上する。

【1008】

一方で例えば薬のカプセルなど水溶性の高い構造体を生成したい場合には、構造体を構成する蛋白質内での非極性残基を持ったアミノ酸の含有量を５０％以下（望ましくは４０％以下または３０％以下）にしても良い。このように組成比を選択すると、改良版β形結晶部（単量体ブロック）１６０２間の隙間（図４９（ｂ））、あるいは結晶部集合（多量体）ブロック１６０４間の隙間に水分が混入して凝集力を低下させ、水中で構造分解を起こし易くなる。

【1009】

本８．３節内の中央部で、「既存のフィブロインを食料への応用を試みた場合、分子量が大きいので消化／吸収が難しい」と説明した。しかし本実施形態での基本ユニット（単量体ブロック）は、比較的分子量が小さな１個の結晶部のみを取り扱う（図４９（ａ））。さらに蛋白質内での非極性残基を持ったアミノ酸の含有量を５０％以下（望ましくは４０％以下または３０％以下）にして、改良版βシート形結晶部（単量体ブロック）１６０２自体の水溶性を向上させると、体内での消化／吸収効果がより一層向上する。その結果として、食品や化粧品などへの適正が大幅に向上する効果が生まれる。

【1010】

図４９（ａ）では線状の蛋白質が折れ曲がり、βシートを生成している状況を示している。この蛋白質を構成するアミノ酸の中で、リシンおよびアルギニン、ヒスチジンはいずれも“塩基性残基（Basic Residue）を持ったアミノ酸”と呼ばれている。そして蛋白質内のこの塩基性残基を持ったアミノ酸が配列された場所が“＋”の記号で示した“結晶部内の正電荷領域”の場所を形成する。

【1011】

すなわち図４９（ａ）に示す改良版βシート形結晶部（単量体ブロック）１６０２を構成するアミノ酸内に、塩基性残基を持ったアミノ酸を配置する。その結果として基本ユニットに相当する改良版βシート形結晶部（単量体ブロック）１６０２の外壁（近傍）の一部に正電荷領域が形成される。

【1012】

一方で２０種類のアミノ酸に含まれるアスパラギン酸とグルタミン酸は“酸性残基（Acidic Residue）” を持ったアミノ酸”と呼ばれている。そして蛋白質内のこの酸性残基を持ったアミノ酸が配列された場所が“－”の記号で示した“結晶部内の負電荷領域”の場所を形成する。

【1013】

すなわち図４９（ａ）に示す改良版βシート形結晶部（単量体ブロック）１６０２を構成するアミノ酸内に、酸性残基を持ったアミノ酸を配置する。その結果として基本ユニットに相当する改良版βシート形結晶部（単量体ブロック）１６０２の外壁（近傍）の一部に負電荷領域が形成される。

【1014】

本実施形態例では基本ユニットに相当する改良版βシート形結晶部（単量体ブロック）１６０２の外壁（近傍）の一部に電荷領域を持つ構造にする事で、構造体を構成する改良版βシート形結晶部（単量体ブロック）１６０２間の静電気力を利用した凝集力を高める効果が生まれる。そのため単量体間の結合力が高まり、構造体全体の機械的強度が上がる。

【1015】

図５０Ａを用いて詳細に後述するように、体内で蛋白合成をする分泌性微生物が生息する水溶液中には、塩素イオンとナトリウムイオンが多量に含まれている。いずれのイオンも水溶液中の電離度（Degree of Ionization）が高いため、上記の電荷領域とイオン結合して“塩（Salt）”を構成する比率は低い。従って多量の改良版βシート形結晶部（単量体ブロック）１６０２をこの水溶液中に滴下しても、凝集作用は起きない。

【1016】

しかし多量の改良版βシート形結晶部（単量体ブロック）１６０２が混入している水溶液中の塩素イオンとナトリウムイオンの濃度を下げて純水に置換した上で乾燥させると、改良版βシート形結晶部（単量体ブロック）１６０２の外壁（近傍）に配置された電荷領域間で静電気力が働いて凝集する。

【1017】

この凝集した結果として、図４９（ｂ）に示す結晶部集合（多量体）ブロック１６０４が生成される。ここで結晶部集合（多量体）ブロック１６０４の外壁部では、電荷量を中性化させるため、塩素あるいはナトリウム間の“塩”が生成される。

【1018】

さらにこの結晶部集合（多量体）ブロック１６０４を多量に含んだ水溶液中で純水に置換して塩素イオンとナトリウムイオンを除去した後に乾燥させると、図４９（ｃ）に示す最終的な構造体が形成される。ここで図４９（ｃ）が示すように、成形された構造体表面に表面コート層１６１０が塗布されている。この表面コート層１６１０の働きで、構造体表面近傍に残った電荷領域の悪影響が除去される。

【1019】

図４９（ｂ）の構造をした結晶部集合（多量体）ブロック１６０４の成形手順例を、図５０Ａに示す。最初（Ｓ７１）に、８．５節または９．２節で後述するゲノム編集を行うためのアミノ酸配列設計（アミノ酸への転写の基になるＤＮＡの塩基配列設計）を行う（Ｓ７２）。

【1020】

体内で蛋白質合成をして体外に分泌する（secrete）微生物として麹菌を使用しても良いし、グルタミン酸生産菌のCorymebacterium Glutamicumを使用しても良い。またそれに限らず、破砕して菌体内の蛋白質の抽出に適した大腸菌を使用しても良い。

【1021】

合成した蛋白質を分泌する細菌（微生物）を使用して単量体ブロック（改良版βシート形結晶部）１６０２を生成（Ｓ７４）する場合、図４６（詳細は第１０章内で後述）に示す光学的管理装置（測定装置）１０２０を用いて単量体ブロック（改良版βシート形結晶部）１６０２の分泌量を光学的モニター（Ｓ７５）しても良い。

【1022】

Ｓ７８で、この分泌された改良版βシート形結晶部（単量体ブロック）１６０２の抽出と精製を行う。この抽出と精製を行う水溶液中には、塩素イオンとナトリウムイオンが多量に含まれている（食塩水に近い状態）。

【1023】

次にこの水溶液を純水に置換して塩素イオンとナトリウムイオンの濃度を下げた後、乾燥させて単量体ブロック（改良版βシート形結晶部）１６０２間を凝集させる（Ｓ７８）。その凝集した結果として、結晶部集合（多量体）ブロック１６０４が得られる。

【1024】

ここで最終の構造体に成形するには図４９（ｃ）に示すように、結晶部集合（多量体）ブロック１６０４のサイズが均一に揃っている事が望ましい。この所定範囲内のサイズを持った結晶部集合（多量体）ブロック１６０４の抽出（Ｓ７９）には、濾過処理を利用しても良い。すなわち結晶部集合（多量体）ブロック１６０４を一時的に純水中に分散させた形で濾紙を複数回通過させる。そしてこの濾紙の網目サイズを変化させる事で、所定範囲内の結晶部集合（多量体）ブロック１６０４のみを選択できる。

【1025】

なお結晶部集合（多量体）ブロック１６０４の長期安定性を保持するため、選択抽出した結晶部集合（多量体）ブロック１６０４は乾燥雰囲気中で長期保存する（Ｓ８０）。

【1026】

乾燥雰囲気中での長期保存を持って、結晶部集合（多量体）ブロック１６０４自体の生成が終了する（Ｓ８１）。ここで生成された結晶部集合（多量体）ブロック１６０４は、粉末状または顆粒状となっている。一時的にこのような形状で管理する事で、最終構造体への成型容易性を向上させる効果が有る。

【1027】

この粉末状または顆粒状の結晶部集合（多量体）ブロック１６０４を用いた構造体への成形には、３Ｄプリンタ方式や注型（Casting）方式を利用しても良い。ここで図５０Ｂは、注型方式を用いた構造体成形への手順の一例を示している。また図５０Ｃは、３Ｄプリンタ方式を用いた構造体成形への手順の一例を示している。図４９（ｂ）に示すように、結晶部集合（多量体）ブロック１６０４の外壁ではナトリウム原子や塩素原子が結合した“塩”の状態となっている。いずれの成型方法でも、粉末状または顆粒状の結晶部集合（多量体）ブロック１６０４を一度水中に分散させて（Ｓ８３及びＳ８６）外壁に結合したナトリウム原子や塩素原子を除去し、結晶部集合（多量体）ブロック１６０４間の凝集
力を高めるのが望ましい。

【1028】

すなわち図４９（ｂ）において結晶部集合（多量体）ブロック１６０４の外壁を覆うナトリウム原子や塩素原子を除去すると、“外壁（近傍）の電荷領域”が露出する。この露出した電荷領域間の静電力の働きで、構造体内での結晶部集合（多量体）ブロック１６０４間の凝集力として働く。

【1029】

さらに結晶部集合（多量体）ブロック１６０４を水中に分散させると、成形時の取り扱い容易性が大幅に向上する。すなわちこの状態にすると、３Ｄプリンタ／インクジェットプリンタに使用されるインクとして使用できる。また水中分散状態で注型方式を利用した場合、どんな微細な型形状に対しても適合した形状を持つ構造体が作れる効果が生まれる。

【1030】

例えば注型方式でアクリル板を成形する場合、温度制御による架橋完了に一晩分の時間が掛かる。それに比べて本実施形態では早期乾燥を促進させる事で、非常な短時間での凝集（Ｓ８４）が可能となる。

【1031】

３Ｄプリンタ方式で構造体に成形する場合には、逐次３次元的に積層される上部に風を吹き付けて（空気噴射して）乾燥を早め（Ｓ８８）ても良い。乾燥が早まる程、凝集の高速化が実現できる。

【1032】

いずれの成形方式でも構造体として完成した後に完全乾燥させて（Ｓ８５、Ｓ８９）、結晶部集合（多量体）ブロック１６０４間の凝集を強固にさせる。

【1033】

その後で、成形された構造体の表面に表面コート層を塗布し（Ｓ９１）、乾燥させて（Ｓ９２）、構造体の成形が終了する（Ｓ９３）。

【1034】

なお上記では成形の一例として、注型と３Ｄプリンタを例にして説明した。しかし本実施形態ではそれに限らず、他のいかなる成形方式を採用しても良い。

【1035】

８．４節 活性領域内構造や酵素として機能を発揮する機能性バイオ物質の実施例
図３７“機能発揮方法”の欄内での“活性領域（Active Area）内構造”や新規な“酵素として働く”方法で独自機能を発揮する方法の例に付いて、本８．４節内で説明する。８．４節内での説明内容はほんの一例に過ぎず、機能性バイオ物質として“活性領域内構造”や“酵素”として独自機能を発揮する他のあらゆる方法も含まれても良い。

【1036】

図４０Ａは、人工蛋白質を用いて導電性機能（Conductive Function）を発揮する実施形態例を示す。この実施形態例は、図３７内の９行目“水中対応導電線”に相当する。ここで外側に蛋白質内主鎖領域６３２、６３４が複数存在し、その内側に活性領域が配置された構造となっている。そして内側の活性領域６３０内が導電構造（Conducting Structure）を有する。

【1037】

図４０Ａで説明の便宜上、平面配置の形で記載した。しかしそれに限らずＤＮＡ（Deoxyribpnucleic Acid）の２重螺旋構造のように、蛋白質内主鎖領域６３２、６３４が２重
螺旋の構造をしても良い。またそれに応じて活性領域６３０が平面状ではなく、ねじれた構造（Helical Structure）となっても良い。

【1038】

水中に平面構造の活性領域６３０を晒すと、純水中でも若干の導電性を持つため電気的漏れが発生する。特に生体内部の水溶液中はナトリウムイオンや塩素イオンが多量に含まれているため、平面構造の活性領域６３０では電気的リークが多量となる。

【1039】

蛋白質内主鎖領域６３２、６３４が２重螺旋の構造を取る事で外部に対する皮膜の働きをし、活性領域６３０から外部への電流の漏れを防止する絶縁効果が発生する。

【1040】

図４０Ａに示す本実施形態例では、ねじれを有した活性領域６３０内がπ電子局在領域（Localized Molecular Orbital Area of π-Electron）となっている。トリプトファンＴｒｐ残基内の６因環部（6-Atoms Cyclic Compound Part）と５因環部にはπ軌道（Localized Molecular Orbital of π-Electron）の電子が存在する。そしてこのπ軌道が連続する領域内では、π電子（π-Electron）が局所範囲内での移動が可能となる。従って活性領域６３０内で局所的なπ軌道を連結させて、活性領域６３０内の導電機能を持たせている。

【1041】

π電子局在領域（活性領域）６３０内でπ軌道を連結させるため図４０ＡではチロシンＴｙｒ残基の６因環部内のπ軌道を連結させている。またそれだけでなく、アスパラギン酸Ａｓｐ残基のカルボキシル基内のπ電子も連結させて、導電特性を向上させても良い。

【1042】

特にアスパラギン酸Ａｓｐ内のカルボキシル基とトリプトファンＴｒｐとで“Ｃ－Ｃ＝Ｏ…Ｈ－Ｎ＜”形の水素結合（“…”が水素結合部に該当）を形成させている。それにより、１．カルボキシル基内π電子の連結により、活性領域６３０内の導電特性が向上する、２．蛋白質内主鎖領域６３２、６３４間の２重螺旋結合強度が向上する、３．水素結合原子間距離の柔軟性を利用した２重螺旋全体の弾力性を確保すると言う数々の効果が生まれる。

【1043】

図４０Ａに示す導電機能を持った機能性バイオ物質が安定に動作するには、π電子局在領域（活性領域）６３０が正確に形成されている必要が有る。このπ電子局在領域（活性領域）６３０生成の正否に対する指標の一つとして、上記“Ｃ－Ｃ＝Ｏ…Ｈ－Ｎ＜”形水素結合状態に関して近赤外光を用いた吸光スペクトル観察を行っても良い。

【1044】

単なる“Ｃ＝Ｏ…Ｈ－Ｎ”形水素結合自体は、一般的な生体系内では多く観察される。しかし図４０Ａのようにπ電子局在領域（活性領域）６３０内での水素結合に帰属する吸収帯の波長値は、一般的生体内で得られる吸収帯波長値から若干変化する。この吸収帯波長値変化を測定して、π電子局在領域（活性領域）６３０形成の正否をモニターしても良い。ここで図１Ａ～図１Ｃの測定装置を用いて、上記吸収帯の波長値変化を測定しても良い。

【1045】

ポーリング（Pauling）の電気陰性度（Electronegativity）で比較すると、水素原子は炭素原子や窒素原子、酸素原子と比べて小さな値を持つ。従って分子内での水素原子の実行電荷（Actual Charge）は、正値を取る。

【1046】

π電子局在領域（活性領域）６３０内では、比較的自由に移動できるπ電子が多量に存在している。従って上記“Ｃ－Ｃ＝Ｏ…Ｈ－Ｎ＜”形水素結合部位内で、π電子は水素原子核近傍より最隣接した窒素原子核周辺に偏在し易い。その結果として窒素原子の実行電荷量が大きく減少（絶対値の大きい負電荷）するので、水素原子と窒素原子間の静電気引力が増加する。そのためにπ電子が多量に存在しない場合と比べて、基底状態（分子全体の最もエネルギーが低い状態）での水素原子核と窒素原子核間距離が短くなる。

【1047】

７．４節で説明したように、図３６のＳ５とＳ６で水素原子核を移動させた時の分子全体のトータルエネルギーを計算する。基底状態（分子全体の最もエネルギーが低い状態）での水素原子核と窒素原子核間距離が（π電子が存在しない場合より）短いため、水素原子核と窒素原子核間距離を縮めた時のトータルエネルギーの増加量が大きくなる。

【1048】

上記の影響で、図３６のＳ７で計算する（Ａ・２７）式あるいは（Ａ・３８）内のκ_４の値が増加する。そしてπ電子が存在しない場合よりπ電子が多量に有る環境下での水素結合に帰属する伸縮振動の第１倍音や第２倍音の波長値が、若干短くなる事が（Ａ・６０）式から分かる。なお上記に類似したシミュレーション方法が特許文献３内に記載されている。但し特許文献３では特定官能基内のグループ振動の計算方法に付いては開示されていない。従って特定官能基内のグループ振動の計算方法を説明した第７章の内容に独自性が有る。

【1049】

導電機能を有した機能性バイオ物質内のπ電子局在領域（活性領域）６３０内を構成するアミノ酸残基に付いて説明する。図４０Ａの実施形態例では、トリプロファンＴｒｐとチロシンＴｙｒ、アスパラギン酸Ａｓｐそれぞれの残基から構成される例を示した。しかしそれに限らず本実施形態例として、他にヒスチジンあるいはグルタミン酸Ｇｌｕ、アスパラギン、グルタミン、フェニルアラニンの残基を使用しても良い。またπ電子局在領域（活性領域）６３０内を構成形態として図４０Ａに限らず、上述したアミノ酸残基の内のいずれか１種類のみで構成しても良い。また一方では、上述したアミノ酸残基内から任意の種類を抽出し、任意の構成で組み合わせても良い。

【1050】

図３７の“活性領域内構造”で独自機能を発生させる実施形態例として、ＦＥＴスイッチングと水中対応導電線、ＮＩＲＦＰに関する説明を行う。いずれの活性領域内の構造も、特定の酵素（Enzyme）による触媒機能（Cataltsis）に基付いて生成されても良い。ところで上記酵素は既存の自然界に存在しないので、上記酵素自体が機能性バイオ物質に含まれる（図３７の“機能発揮方法”欄内に記載）。また酵素の機能自体は既存の自然界に存在したとしても、既存酵素の高速化を実現する新規酵素も本実施形態例の機能性バイオ物質内に含まれる。

【1051】

以下では図４０Ａに示した導電機能を持った機能性バイオ物質の活性領域６３０の生成方法を例に取り、上記酵素の働きを含めて説明する。

【1052】

８．１節の最後に説明したようにゲノム編集技術でアミノ酸配列を決定し、ｍＲＮＡ転写を経てｔＲＮＡを用いた蛋白質合成で、それぞれのアミノ酸残基を有した蛋白質内主鎖領域６３２、６３４が予め生成される。

【1053】

脱水縮合反応を触媒する第１の酵素でトリプロファンＴｒｐ残基とチロシン残基間を結合させて、２本の蛋白質内主鎖領域６３２と蛋白質内主鎖領域６３４をつなぐ。次に脱水素酵素（Dehydrogenase）の機能を持つ第２の酵素で、主鎖方向（図４０Ａの横方向）での残基間の結合を行う。

【1054】

なお触媒作用の順番として、第２の酵素で脱水素縮合反応を促進させた後に第１の酵素で脱水縮合反応を促進させても良い。またそれに限らず、第１の酵素と第２の酵素の触媒作用を同時に行っても良い。

【1055】

特許文献３内に記載したように、上記酵素による触媒作用時（基質（Substrate）と酵素間の接触時）に一時的に基質の一部と酵素の一部で水素結合が生じる場合が多い。そして水素結合時の水素原子と結合する両側の原子（あるいはアニオンやカチオン）の種類に応じて吸収帯の波長値が異なる。吸光特性内に現れる上記吸収帯波長値の違いから本実施形態例では、上記触媒作用の状況をモニターしても良い。またこの吸光特性の測定に、図１Ａ～図１Ｃの測定装置を使用しても良い。

【1056】

図４０Ａに示した導電機能を持つ機能性バイオ物質の他の応用例を、図４０Ｂに示す。
この応用例は、図３７内の８行目“ＦＥＴスイッチング”に相当する。電子部品のＦＥＴ（Field-Effect Transistor）は、電力増幅機能やスイッチング機能を有する。この機能を機能性バイオ物質で実現させた例を示している。これは基本的に、図３７内の８行目“荷電極性残基含有／電位センサ：荷電極性残基部で立体構造変化”と図３７内の９行目“水中対応導電線”を組み合わせた実施形態となっている。

【1057】

基本的には水中や水溶液中でも使用可能なように、外側を螺旋状に取り巻く蛋白質内主鎖領域６３６、６３８で外側が被膜され、その内部にはπ電子局在領域（活性領域）６４０が配置される。図４０Ｂでは説明の便宜上平面上に記載されているが、図４０Ａと同様に長さ方向にねじれた構造になっても良い。

【1058】

またこのπ電子局在領域（活性領域）６４０は図４０Ｂに示すトリプロファンＴｒｐとチロシンＴｙｒ、アスパラギン酸Ａｓｐ、グルタミンＧｌｎそれぞれの残基に限らず、他にヒスチジンあるいはアスパラギン、グルタミン酸、フェニルアラニンの残基を使用しても良い。また以上の残基のいずれか一つのみから構成されても良いし、上記内の任意の組み合わせで構成されても良い。

【1059】

図４０Ｂ内での図４０Ａと共通する部分は（生成方法も含めて）、図４０Ａでの説明内容と一致する。従ってここでは、図４０Ａとは異なる部分のみの説明を行う。

【1060】

図４０Ａのπ電子局在領域（活性領域）６３０内では、トリプトファンＴｒｐ残基とチロシンＴｙｒ残基間が全て共有結合（Covalent bond）されている。そのためにπ電子局在領域（活性領域）６３０内は、有る程度の剛性を持つ。

【1061】

それに比べて図４０Ｂでは、１個のチロシンＴｙｒをグルタミンＧｌｎに置換している。グルタミンＧｌｎ残基内の炭素原子と酸素原子間の結合領域内にπ電子が含まれるため、グルタミンＧｌｎ残基周辺での導電特性は確保される。

【1062】

一方で図４０Ｂが示すように、グルタミンＧｌｎ残基内の酸素原子と隣接するトリプトファンＴｒｐ残基内の水素原子間で水素結合（図４０Ｂ内の“…”と記載された領域）される。この水素結合力は、（トリプトファンＴｒｐ残基とチロシンＴｙｒ残基間の）共有結合より結合力が弱い。従ってπ電子局在領域（活性領域６４０）内のこの部分で、弾力性を持った形状変形が許容される。

【1063】

また他方の蛋白質内主鎖領域６３８内では、荷電極性残基が外側にはみ出したアスパラギン酸Ａｓｐが結合されている。８．３節の後半での図３７の７行目“荷電極性残基含有”に対応した説明と同様に外部から電圧（電位差）が印加されると、外側にはみ出したアスパラギン酸Ａｓｐの荷電極性残基が静電力を受ける。

【1064】

このアスパラギン酸Ａｓｐが受けた外部からの静電力に応じて、π電子局在領域（活性領域）６４０内の結合力が最も弱い場所（すなわちグルタミンＧｌｎ残基の水素結合部）で変形が起きる。

【1065】

この変形が最も大きい場合には上記の水素結合が切断され、π電子局在領域（活性領域）６４０内の導電性が断線される。また変形が小さい場合でも水素結合領域での結合距離変化に応じてπ電子局在領域（活性領域）６４０内の電気抵抗値が変化する。

【1066】

アスパラギン酸Ａｓｐ残基が受ける外部電圧（電位差）に対応したπ電子局在領域（活性領域）６４０内の電気抵抗変化が急峻の場合には、スイッチング素子（部品）として働く。一方で外部電圧（電位差）に対する電気抵抗変化がなだらかな場合には、ＦＥＴ素子のような電力（電流）増幅素子（部品）として働く。この電気抵抗変化特性は、機能性バイオ物質を構成するアミノ酸や全体の立体構造などで変化する。

【1067】

なお図４０Ｂの電位センサ部としてアスパラギン酸Ａｓｐを例示したが、それに限らず荷電極性残基を有するアルギニンやリシン、ヒスチジン、グルタミン酸を使用しても良い。

【1068】

図４１を用いて、図３７の１０行目の“ＮＩＲＦＰ”の説明を行う。生体内部の状態の観測に使用される蛍光指示物質として、ＧＦＰ（Green Fluorescent Protein）が知られている。この発光団は波長３９７ｎｍの近紫外光を吸収し、波長５０９ｎｍの緑色可視光を放出する。また最近では蛍光時に赤色可視光を放出するＲＦＰ（Red Fluorescent Protein）が製品化されている。

【1069】

５．４節内の後半部で説明したように、赤色可視光でも生体内部への侵入距離が短い。従ってＲＦＰを使用しても、生体内部深い領域での観察には限界が有る。

【1070】

上記課題を解決するため、蛍光波長が２．６節で説明した波長域（近赤外光）特性を持つＮＩＲＦＰ（Near Infra-Red Fluorescent Protein）の提供が望まれている。これを利用すれば、生体内部の深い領域での観察が可能となる効果が生まれる。

【1071】

既存のＧＦＰの発光団（活性領域）は、セリンＳｅｒ６５とチロシンＴｙｒ６６、グリシンＧｌｙ６７の３アミノ酸残基が環化・酸化を起こして自発的に形成される。そして最終的に形成された発光団（活性領域）内の分子構造を、図４１の従来ＧＦＰ内の発光団領域６５０に示す。

【1072】

図４１内の２重結合（結合の２重線）領域が示唆するように、従来ＧＦＰ内の発光団領域６５０内でのπ軌道（Localized Molecular Orbital of π-Electron）の電子が蛍光特性に影響すると考えられる。そしてこのπ軌道の電子が局在する領域を広げて、蛍光波長を広げて（蛍光波長値を増加させて）も良い。

【1073】

図４１では図示してないが既存のＧＦＰでは、上記の従来ＧＦＰの発光団領域６５０の周辺をバレル構造（Barrel Structure）（βシートでできた筒状の構造）が取り囲んでいる。このバレル構造を形成するアミノ酸配列の一部に、バレルの内側に伸びるチロシンＴｙｒを挿入（必要に応じて前記チロシンＴｙｒ前後のアミノ酸配列も挿入）しても良い。

【1074】

そして図３７の１１行目“新規活性領域生成”用に開発した酵素を用いて脱水縮合反応を起こし、図４１のように挿入したチロシンＴｙｒを従来ＧＦＰ内の発光団領域６５０に結合させても良い。このようにして発光団領域内のπ軌道の電子が局在する領域を広げて、蛍光波長を広げて（蛍光波長値を増加させて）も良い。

【1075】

上記の脱水縮合反応時には、基質と酵素間の接触箇所で（構造を安定化させるために）水素結合が一時的に生じている場合がある（特許文献３内の記載内容参照）。従って上記の脱水縮合反応時の吸光特性変化内での対応する波長の吸収帯発生を観測する事で、確実に脱水縮合反応が起きているか否かが判定できる。それによりＮＩＲＦＰに対応した機能性バイオ物質の生成可否を管理できる。

【1076】

上記ＮＩＲＦＰの例として図４１では、チロシンＴｙｒ残基を追加結合させたがそれに限らず、π電子を持つヒスチジンやアスパラギン酸Ａｓｐ、グルタミン酸、アスパラギン、グルタミンＧｌｎ、フェニルアラニン、トリプロファンＴｒｐのいずれか、あるいはその組み合わせを追加結合させても良い。

【1077】

遺伝疾病（遺伝子特性に起因する病気）の治療（Medical Care of Hereditary Desease）に、患者や受精卵に対するＣＲＩＳＰＲ／Ｃａｓ９（やＺＦＮ、ＴＡＬＥＮなど）のゲノム編集を施す場合が有る。この時には、正確に所望のゲノム編集が行われたか否かを確認する必要が有る。

【1078】

このゲノム編集時に遺伝疾病内容のゲノム修復箇所に隣接させて、上記のＮＩＲＦＰ生成遺伝子も組み込んでも良い。そして上記ＮＩＲＦＰからの近赤外蛍光の放出可否で、ゲノム修正可否（遺伝疾病治療の正否）を予測できる効果が生まれる。上述したように近赤外光は生体内部の侵入距離が広いので、患者あるいは妊婦の体外からの非接触かつ非侵襲の観測が可能となる。その結果として、患者や妊婦に負担を掛けずに遺伝疾病治療の正否を確認できる。

【1079】

さらに上記近赤外光に第３章の部分的可干渉性を低下させる（部分的非可干渉性を増加させる）技術あるいは第６章の収差補正技術を組み合わせる事で、さらに生体内部の侵入距離が広がる。

【1080】

なお蛍光前の吸収光照射には、所定波長発光素子（発光ダイオードなど）が挿入されたカプセルの摂取や内視鏡やカテーテルを採用しても良い。

【1081】

図３７“機能発揮方法”欄内の“酵素機能”に関し、今までは新規な基質に対する酵素例の説明を行った。しかしそれに限らず既存の基質に対して従来と同様な酵素機能を発揮しても、従来品より触媒機能の高速化が図れる新規酵素も機能性バイオ物質に含めても良い。

【1082】

例えば図３７の１２行目“新規高速分解酵素”では、植物内のセルロースを高速で分解して澱粉を生成する酵素のセルラーゼの分解速度を高速にしても良い。

【1083】

上記セルラーゼの活性領域内では、セリンＳｅｒとヒスチジン、グルタミン酸で触媒のトライアッド（Triad）を形成する。このヒスチジン残基内でπ電子を持つ窒素原子と結合している水素原子間で、（伸縮振動の第１倍音と第２倍音に帰属する）独自波長を持った吸収帯が存在する。従って本実施形態において吸光特性内の上記吸収帯を観測して、セルロース分解速度のモニタリングを行っても良い。

【1084】

８．５節 生成処理に関係した部分で機能を発揮する機能性バイオ物質の実施例
多量体内構造や８．３節や８．４節で説明した機能性バイオ材料の生成過程に関わる機能性バイオ物質の説明を行う。

【1085】

８．３節内で図３９Ｂを用いた説明内で、アクチン・フィラメントの説明を簡単にした。食肉内の主成分であるアクチン・フィラメントは図３９Ｂと類似して、アクチン２量体がＡＤＰを介して繋がっている。８．３節内で説明したように、水溶液中のＫＣｌ等の塩成分を除去するとＡＤＰ６２４部分で容易に乖離が生じる。

【1086】

これに対してトロポミオシン（Tropomyosin）がアクチン・フィラメント周辺で螺旋状に絡み付いて、一定の強度を保っている。またそれ以外の分子の付着も上記アクチン・フィラメントの強度を上げている。一方でトロポミオシンなどの補強効果が強過ぎると、食肉として硬くなり過ぎる弊害が生じる。

【1087】

図３７の１３行目“人工食肉”の実施形態では多量体を構成する成分の一部を置換して、食材に適した適正な強度（歯ごたえ）と食感（柔らかさ）の両方を同時に達成しても良い。

【1088】

具体的にはアクチン・フィラメントの外周に絡み付いているトロポミオシンを、他のαヘリックス構造を持った蛋白質に置換する。

【1089】

８．１節内で説明したように、ＣＲＩＳＰＲ／Ｃａｓ９（やＴＡＬＥＮあるいはＺＦＮ）などを利用してゲノム編集を行い、図３７の中央から上部に記載した独自のアミノ酸配列を決定しても良い。このアミノ酸配列情報の記憶機能を有する機能性バイオ物質として、図３７の１４行目“人工蛋白質のアミノ酸配列情報を細胞内記憶”を行っても良い。具体的にはゲノム編集（Genom Editing）後のＤＮＡが収納された細胞核を持つ細胞自体を意味しても良い。

【1090】

ＤＮＡの２重螺旋内部では特定塩基間でペアを形成し、そのペア間で“＞Ｎ－Ｈ…Ｎ＜”形の水素結合が形成されている。このタイプの水素結合は他の細胞領域内では余り見掛けない、独自の水素結合となっている。したがって“＞Ｎ－Ｈ…Ｎ＜”形の水素結合内で発生する伸縮振動の第２倍音や第１倍音、基準音に帰属する独自波長を持った吸収帯が吸光特性内に現れる。

【1091】

７．４節で説明した方法で、ＤＮＡの２重螺旋内部での“＞Ｎ－Ｈ…Ｎ＜”形の水素結合領域で発生する伸縮振動に対応した吸収帯の波長値をシミュレーションによる理論的予測を行った。補正係数（７．４節）を乗じた後の値は、基準音で３４０８ｎｍ、第１倍音で１６９８ｎｍ、第２倍音で１１７２ｎｍだった。さらにシミュレーションの計算誤差範囲を±２０％と見積もると、実際の吸収帯の波長値は基準音で４０９０～２７２６ｎｍ、第１倍音で２０３８～１３５８ｎｍ、第２倍音で１４０６～９３８ｎｍの範囲内に存在すると予想される。

【1092】

一般の光学顕微鏡では、生きた細胞内の細胞核位置の観察は難しい。多くの場合は細胞核を染色（dye）して観察するが、この染色過程で細胞にダメージを与える。それに対して“＞Ｎ－Ｈ…Ｎ＜”形の水素結合内で発生する伸縮振動の第２倍音や第１倍音、基準音に帰属する独自波長位置に吸収帯が観察されるか否かで、生きた細胞内の細胞核位置が判定できる効果が有る。それにより“アミノ酸配列情報の細胞内記憶場所”を容易に発見できる。

【1093】

例えば図７の近赤外顕微装置を改良して分光器２２の位置に別のモニタカメラを併設し、各モニタカメラ２４直前に狭帯域のバンドパスフィルタ（色フィルタ）を設置しても良い。ここでこれらのバンドパスフィルタ（色フィルタ）の一方の透過波長を上記吸収帯の波長に合わせ、他方の透過波長を少しずらす。両者間での撮像パターン内強度分布が（わずかに）異なる場所を抽出する事で、細胞核の位置を検出しても良い。この方法を利用すると、細胞核に一切のダメージを与えずに細胞核位置が正確に判明する効果が生じる。

【1094】

上記アミノ酸配列情報に限らず、あらゆるゲノム内のＤＮＡ塩基配列編集を促進する機能“ゲノム編集機能”を有した機能性バイオ物質も本実施形態例に含まれる。このゲノム編集を同時に多量かつ効率良く行うためにベクターキャリア（Vector Carrier）構造を工夫した実施形態例について、第９章で詳細に後述する。

【1095】

またそれに限らず、本実施形態例に示す細胞核内搬送用キャリア（each Carrie into Cell Nucleuse）を用いて、遺伝子調節因子（Gene Regulator or Gene Regulation Factor）を細胞核内に搬送しても良い。その方法で、効率の良い“遺伝子調節機能”が実現できる。

【1096】

このキャリアによる細胞核内への搬送可否を評価する手段として、上記の近赤外顕微装置を使用しても良い。ここで内側包装領域内に、例えばＧＦＰなど光学的方法で位置モニター可能な物質を挿入しておく。そして上記の方法で細胞核位置を確認しながら、細胞核内搬送用キャリア内部の位置をリアルタイムでモニターする。その結果として、キャリア内部が細胞核内に搬送されたか否かの確認が可能となる。

【1097】

編集されたゲノム情報を細胞核内に収納した細胞は、“新しいアミノ酸配列情報を含めたゲノム情報を記憶”する固有機能を有しているのに対し、さらにそのゲノム情報を利用して機能性バイオ物質を生成する“生成機能”を有する細胞自体も、本実施形態例では機能性バイオ物質に含めても良い。これが図３７内の最下行“細胞内で生成／放出”に対応する。

【1098】

具体的には図３７内の上部から中央部に掛けて記載された各種の機能性バイオ物質の生成に関係したゲノム情報を細胞核内に持ち、その情報に基付いて機能性バイオ物質を細胞内で生成し、生成した機能性バイオ物質を細胞外に分泌（secrete放出）しても良い。

【1099】

グルタミン酸の発酵法が上記プロセス例に該当する。さとうきびからとった糖蜜などの原料を発酵タンクに入れ、グルタミン酸生産菌を適正条件下で培養すると、グルタミン酸が菌体外に排出される。このように微生物内で図３７内の上部から中央部に掛けて記載された各種の機能性バイオ物質を生成させても良い。

【1100】

上記の微生物に機能性バイオ物質を生成させる代わりに、編集されたゲノム情報を細胞核内に持つ毛母細胞を人工的に培養しても良い。この場合には毛母細胞から毛髪が伸びるプロセスとほぼ同様に、毛髪の代わりに機能性バイオ物質を生成して毛母細胞の外に出す。

【1101】

上記の毛母細胞内では頻繁にｔＲＮＡを用いた人工蛋白質の合成処理が行われている。この蛋白質合成（Protein Synthesis）過程で、一時的な水素結合が発生する。この一時的に発生する水素結合部位での伸縮振動の第２倍音や第１倍音、基準音に帰属する独自の吸収帯を吸光特性内から検出して、蛋白質合成過程の工程管理を行っても良い。なおこの吸光特性の測定に、図１Ａ～図１Ｃに示した測定装置を使用しても良い。

【1102】

本実施形態における既存の生物の生態活動システムやメカニズムの一部を類似利用して機能性バイオ物質を生成（製造）する方法の一例を示す。すなわち
１．（例えば羊など）動物の表皮から毛母細胞を採取する
２．上記採取した毛母細胞の細胞核に対してゲノム編集を行う（上記ゲノム編集には、８．１節で説明したＣＲＩＳＰＲ／Ｃａｓ９やＴＡＬＥＮ、ＺＦＮなどを使用しても良い。）
３．ゲノム編集を行った毛母細胞を培養する（この前に特許文献４や特許文献５内に記載された方法で細胞の初期化（Initialization）を行った後、特定環境下で毛母細胞に育てても良い）
４．毛母細胞内で生成され毛髪のようにそこから成長した機能性バイオ物質を収集する
このようにして生成されて収集された機能性バイオ物質の形態は、頭皮から抜いた毛髪のように機能性バイオ物質の端部に毛母細胞が付着している。この毛母細胞は培養環境から自然の空気中に放置されると、栄養補給が遮断されて死滅する。従って上記毛母細胞を単独で自然環境下に放置されても自己増殖機能を持たないため、自然環境に悪影響を及ぼす危険性が無い。

【1103】

既存の生物の生態活動システムやメカニズムの一部を類似利用して機能性バイオ物質を生成（製造）する製造工程において、雑菌の繁殖（コンタミの混入）が非常に大きな問題となる。上記毛母細胞自体は微生物に比べて有る程度の消毒耐性を持つ。従って培地内に有る程度の殺菌や消毒が行えるため、雑菌繁殖やコンタミ混入の対策が容易となる効果が有る。

【1104】

またゲノム編集（や細胞の初期化）には大規模な設備が必要なため、任意の場所での作業は難しい。それに対して培地内に梱包した機能性バイオ物質生成細胞（毛母細胞など）の輸送とこの機能性バイオ物質生成細胞（毛母細胞など）の育成は、どの場所でも比較的容易となる。

【1105】

従って特定場所で生成した機能性バイオ物質生成細胞（毛母細胞など）を配送する事で、世界中の各地で容易に機能性バイオ物質の生成（育成）が可能となる。そのため本実施形態例に示した機能性バイオ物質の生成（製造）を世界中に広め易い効果が有る。

【1106】

図３７の“機能発揮方法”欄内の“人工蛋白質合成”の具体例として上述した微生物内での生成と放出や機能性バイオ物質生成細胞（毛母細胞など）内での生成と細胞外設置に限らず、他のあらゆるプロセスを経由しても良い。例えば蜘蛛の体内の『蜘蛛の糸生成細胞』の利用、あるいは蚕の体内の『絹の生成細胞』を利用しても良い。この場合でも、生成細胞内での蛋白質合成時に一時的に発生する吸収帯を測定して、製造工程の管理を行っても良い。

【1107】

第９章 機能性バイオ物質を用いたゲノム編集処理図３７内の下から２行目に記載した“ゲノム編集”機能を持った機能性バイオ物質の具体的な構造例と実際の動作例に付いて説明する。図３７で示したあらゆる“機能”を持った機能性バイオ物質生成の出発点として、“ゲノム編集”機能を持った機能性バイオ物質を利用できる。そして第１０章で説明する機能性バイオ物質の製造方法にも“ゲノム編集”機能を持った機能性バイオ物質が必要となる。

【1108】

“ゲノム編集”機能を持った機能性バイオ物質の人体や動物への応用には、安全性確保と生態系維持を保証するため、多くの副次的機能が要求される。そのため第９章では遺伝的疾患や癌治療を例に取って説明する。但し“ゲノム編集”機能を持った機能性バイオ物質の用途はそれに限らず、図３７で記載したあらゆる機能性バイオ物質の生成に利用しても良い。また他の用途で使用する場合は、第９章で説明する副次的機能を適正に除外して使用しても良い。

【1109】

９．１節 ＤＮＡ障害に関係した患部への対処例と現状の問題点癌遺伝子依存性（Oncogene Addiction）を持つ癌の治療において、多数の分子標的治療薬（Molecular Target Medicine）が既に存在する。現状でのそれらの作用機序（Mechanism of Effectiveness）は、腫瘍細胞（Tumor Cell）に対する傷害（細胞膜破壊など）や貧食（Phagocytosis）、あるいは腫瘍細胞内信号伝達経路（Pathway of Signal Transduction）の阻害（チロシンキナーゼ活性の阻害（Inhibition of Tyrosine Kinase Activity）など）などに関係する。換言すると上記作用機序は全て腫瘍細胞活動への抑制作用（Negative Affection）として働くため、重大な副作用（Side Reaction）を併発させる危険性が高い。つまり上記の細胞活動への抑制作用が誤って正常細胞に働き、正常活動を阻害する副作用のリスクが高い所に主な原因が有る。

【1110】

それに比べて本実施形態例が目指すのは腫瘍細胞自体の“正常細胞化（Transformation into Normal Cell）”なので、副作用を小さくできる効果が有る（元々の正常細胞を正常化しても、問題は生じ辛い）。つまり悪性腫瘍（malignant Tumor）の半数以上で、ｐ５３と呼ばれる遺伝子の異常が見付かっている。従ってｐ５３遺伝子の働きを正常化できると、多くの癌が治癒できる可能性が有る。

【1111】

そして消化管間質腫瘍（Gastrointestinal Stromal Tumor）の発症にはｃ－ｋｉｔ遺伝子変異が関与し、ＫＩＴチロシンキナーゼ活性を阻害すると劇的な治療効果がもたらされる。

【1112】

また他の例として２番染色体（Chromosome）の逆位により生じたＥＭＬ４（Echinoderm Microtubule-Associated Protein-like 4）遺伝子とＡＬＫ（Anaplastic Lymphoma Kinase）遺伝子の融合遺伝子ＥＭＬ４－ＡＬＫも腫瘍化の原因と言われている。そしてここからの遺伝子発現が起こると、肺癌などの腫瘍化が報告されている。そしてその発症患者にＡＬＫ阻害薬（ALK Blocking Medicine）（チロシンキナーゼ阻害薬）投与時の高い有効性が示された。

【1113】

それ以外の融合遺伝子例としてＫＩＦ５Ｂ－ＲＥＴも報告されており、ここでの遺伝子発現により肺癌が発症している。それに対しては、ＲＥＴを阻害するバンデタニブ（Vandetanib）が有効と考えられている。

【1114】

前述したように、チロシンキナーゼ阻害薬の投与には、重大な副作用の発症が起こり易い。従って本実施例のようにベクターキャリアを用いてｃ－ｋｉｔ遺伝子変異場所やＡＬＫ融合遺伝子配置場所あるいは融合遺伝子ＫＩＦ５Ｂ－ＲＥＴ配置場所のみを直接的にゲノム編集して正常な遺伝子配列に戻す事で、少ない副作用での治癒が期待できる。

【1115】

図４２では本実施形態を利用した治療手順例を示している。この処方は医学分野のみに限定する必要は無く、より一般的な分野にも適用できる。従って一般的な広い分野に適用させた場合の処理手順を、図４２では括弧内に併記した。さらに不具合箇所の修正に限らず、例えば図３７の各種機能性バイオ物質の生成にも図４２の手順を適用できる。

【1116】

本実施形態に置ける不具合箇所（患部）に対する基本的な対処手順は、“原因分析⇒修正⇒結果評価（診断⇒治療⇒確認）”から構成される。

【1117】

診断（不具合原因分析）関連処理手順７０２内では、患部の切片摘出（不具合箇所の情報収集）Ｓ２２と摘出された切片の分析（不具合情報内容の分析）Ｓ２３が実施される。ここで切片摘出（Ｓ２２）には、ナイフを利用した外科的な部分切断が行われる。もし患部が体の内部の場合には、内視鏡（Endoscope）やカテーテル（Catheter）を使用しても良い。

【1118】

また摘出切片の分析（Ｓ２３）では、腫瘍が良性（benign）か悪性か（malignant）を判定し、悪性時には癌遺伝子依存性の有無を調べる。

【1119】

癌遺伝子依存性の場合にはＤＮＡ分析を行い、不具合原因の判定に相当する障害箇所のＤＮＡ塩基配列の決定（Ｓ２４）を行う。次にその結果を利用してＳ２５では、ＤＮＡ塩基配列の最適化設計（最適な修正方法の設計）を実施する。そしてこの最適化設計（Ｓ２５）の結果に基付き、図３７内下から２行目に記載された“ベクターキャリア”の製作（既に多数の標準品が有る場合には、最適なベクターキャリアの選択）を行う。ここで治療（不具合箇所の修正）のために患部（不具合箇所）内の染色体（Chromosome）に移行するＤＮＡ分子の事をベクター（Vector）と呼ぶ。

【1120】

治療（不具合箇所修正）関連処理手順７０４としては、まず上記のベクターキャリアを患部（不具合箇所）周辺に搬送（Ｓ２６）する必要が有る。患部（不具合箇所）が表面に露出している場合には、ベクターキャリアを含む薬剤塗布で済む。患部（不具合箇所）が体内の深部に局在している場合には、内視鏡やカテーテルを利用して近くに搬送しても良い。

【1121】

９．２節で詳細に説明する標的細胞内のゲノム編集処理（Ｓ２７）を実行する段階で、編集処理の進行状況をリアルタイムでモニター（Ｓ２８）する事が非常に重要となる。マクロ的視点で見ると、患部のサイズや到達深さに大きなばらつきが有るだけで無く、上記ベクターキャリアの搬送場所で患部内への侵入速度も大きく異なる。特に患部（不具合箇所）が体内の深部に局在する場合には、従来の既存技術ではベクターキャリアの患部内部への拡散状況の把握が非常に難しかった。

【1122】

この光学的モニター（Ｓ２８）に（第３章と第６章で説明した）光学雑音の少ない近赤外光を適用する効果が非常に大きい。２．６節で説明したように、波長域が０．７～２．５μｍ範囲内の近赤外光は生体内の光透過性に優れている。従って上記近赤外光を利用した測定装置（図１Ａ～図１Ｃ）を用いて、ゲノム編集の進行状況がリアルタイムでモニターできる。

【1123】

９．２節で後述するように、標的細胞内のゲノム編集処理（Ｓ２７）に対応して発生する
○ ゲノム編集モジュールの細胞核（Cell Nucleus）内侵入
○ ＤＮＡ塩基配列変更
○ 遺伝子発現（Gene Expression）などの様々な課程毎に、それぞれ独自形態の“水素結合”が（一時的に）発生する。そして特許文献３内で説明されるように、独自な水素結合形態毎に対応する吸収帯の波長変化が生じる。

【1124】

そして光学的モニター（Ｓ２８）においてゲノム編集処理中の患部（不具合箇所）から得られる近赤外光の吸光スペクトル変化をリアルタイムに測定する事で、ゲノム編集の進行状況を高精度で観察できる。しかし従来技術の範囲で近赤外光を測定に利用すると、第２章で説明した光学雑音の影響で充分な検出精度が得られない。そのため図１Ａ～図１Ｃで説明した測定装置（あるいは顕微装置）に少なくとも第３章と第６章の一方の技術を適用して初めて精度の高い観測が可能となる。

【1125】

治療（修正）結果の評価・確認関連処理手順７０６では、上記“遺伝子発現”の結果を利用する。この時に、図３７の下から２行目に記載したＮＩＲＦＰを利用しても良い。具体的方法として、図３７の１０行目（及び図４１）に記載され、８．４節内後半に説明したＮＩＲＦＰを発現させるＤＮＡ塩基配列も一緒にベクターキャリア内に配置しておく。そしてベクターキャリア内に含まれていた遺伝子を発現させた時に、細胞内でＮＩＲＦＰも一緒に生成されているか否かで、ゲノム編集効果を評価・確認しても良い。

【1126】

Ｓ２９の患部（修正箇所）周辺へのテスター挿入のステップで、内視鏡やカテーテルを利用して可視光をガイドし、患部（修正箇所）周辺（患者の体内）で可視光を放出させる。ゲノム編集処理が成功した細胞内ではＮＩＲＦＰが生成されているので、この可視光を吸収して（この可視光エネルギーで励起されて）近赤外光を放出（蛍光放出）する。近赤外光は生体内部での光透過性が高いので、一部は体外まで通過する。

【1127】

評価結果の分析（Ｓ３０）として、体外に放出された光の分光特性内にＮＩＲＦＰから放出された近赤外光成分が含まれるか否かを分析する。この測定装置（または近赤外顕微装置）内の検出光１６光路途中に少なくとも第３章と第６章の一方の技術を適用すると、検出精度が向上する。

【1128】

評価結果の判定（Ｓ３１）は、ＮＩＲＦＰから放出された近赤外光成分が所定量以上含まれるか否かで判定する。すなわち患者の体外に放出された光の分光特性内に上記近赤外光成分量が所定閾値以上含まれている場合には、評価結果の判定結果（Ｓ３１）が良好（Ｙｅｓ）と見なして、一連の対処を終了させる（Ｓ３２）。逆に上記近赤外光成分量が所定閾値に満たない（Ｎｏの）場合には、治療（不具合箇所の修正）効果が不十分と見なす。この場合には、治療（不具合箇所修正）関連処理手順７０４の最初からやり直す。

【1129】

既存のゲノム編集技術を治療や図３７の各種機能性バイオ物質の量産に利用した場合の現状での問題点は、主に下記のようになる。
１．複製ＤＮＡのスケーラビリティと編集対象の効率的な選択性
２．編集後細胞内の長期安全性
３．編集前後での塩基配列管理と人為的誤編集防止
最初に列記した問題点に付いて説明する。細胞核膜（Nuclear Membrane）の外部に分布する低分子やイオンは、核膜孔（Nuclear Pore）内を通過して容易に細胞核（Cell Nucleus）内に入り込める。一方で分子量が大きな分子が細胞核内に運ばれるには、キャリア蛋白質（Carrier Protein）の助けが必要となる。そのためベクターを構成する複製ＤＮＡ分子の分子量が増大するにつれて、キャリア蛋白質を利用した細胞核内への搬送が難しくなる。また上記キャリア蛋白質との相性性から、ゲノム編集モジュール（図３７下から２行目）形態の任意性が大きく損なわれる。

【1130】

次の問題点は、ゲノム編集後の細胞核内にヌクレアーゼ（Nuclease）が残留する所に有る。ゲノム編集には、既存のＤＮＡ２重螺旋構造（Double-Helix Structure of DNA）の一部を切断するために上記ヌクレアーゼが必須となる。しかしこのゲノム編集後も細胞核内にヌクレアーゼが残留するため、“外科手術後にメスを体内に残した”状態に近い。

【1131】

図４２の一連の治療が完了した元患者のウィルス感染（Viral Infection）などがきっかけで、宿主細胞（Host Cell）や後述するｃｒＲＮＡ（CRISPR RNA）内の塩基配列が変化すると、細胞内に残留したヌクレアーゼが作用して正常なゲノムが破壊されるリスクが有る。

【1132】

ゲノム編集技術の治療への適用やゲノム編集後の細胞培養などでは、上記２番目の問題が深刻となる。

【1133】

実験室レベルでのゲノム編集では、最後（３番目）の問題はそれ程重大では無い。しかしゲノム編集が多発する現場では、人為的誤編集防止策は重要となる。

【1134】

次の９．２節で説明する本実施形態例では、上記３点の問題点が解消される。

【1135】

９．２節 細胞核内搬送用キャリアの構造と動作原理
本実施形態の一例として示す細胞核内搬送用キャリアを使用すると、効率の良い“ゲノム編集機能”や“遺伝子調節機能”が実現できる。またゲノム編集機能を利用した応用例の一つとして、図４２を用いて９．１節内で説明した不具合箇所の対処例が有る。そしてその不具合箇所の対処例の一つとして、悪性腫瘍などの治療例を説明した。

【1136】

本９．２節では上記細胞核内搬送用キャリアの構造と動作原理の例に付いて説明する。この説明の一環として、９．１節の後半で説明した３点の問題点を解消する仕組みも説明する。ところでこの問題点を解消した特性の適用は、治療／不具合箇所の対処や各種機能性バイオ物質の量産に限らず、あらゆる用途に適用しても良い。

【1137】

本実施形態例における２重包装構造を有した細胞核内搬送用キャリア内にゲノム編集モジュールが入った場合を、ベクターキャリアと呼ぶ。また遺伝子調節因子が入った場合を、遺伝子調節キャリアと呼ぶ。両者に共通する内容は、
○ キャリア内部に内包部（Inner Pack）を持つ２重包装構造を有する
○ 上記内包部の周囲は内部と隔離する皮膜（キャリア内部の膜領域）で覆われる
○ この内包部内に内蔵物（ゲノム編集モジュールまたは遺伝子調節因子など）が収納される
○ 内蔵物（ゲノム編集モジュールまたは遺伝子調節因子）を直接に細胞核内へ届ける所
にあり、そのために
○ 内側の包装膜（キャリア内包部の外膜）表面に、細胞核膜表面への選択的接合部を持つ
すなわち上記の選択接合部の細胞核膜との接合をきっかけに、内包部内に収納されている内蔵物（ゲノム編集モジュールまたは遺伝子調節因子など）が細胞核内に搬送される（be delivered）。またそれだけで無く、
○ キャリア内包部の内部に核ラミナが存在しても良い、本実施形態における細胞核内搬送用キャリア８００の構造例を図４３（ａ）に示す。細胞核内搬送用キャリア８００の外側は、キャリア外包部の外被８４０で覆われている。このキャリア外包部の外被８４０の材質はポリペプチド鎖が多数集合した蛋白質でも良いし、脂質２重層（Lipid Bilayer）のエンベロープ（Envelope）でも良い。

【1138】

選択的に悪性腫瘍細胞（癌細胞）内に搬送されるベクターキャリアとして細胞核内搬送用キャリア８００を使用する場合には、キャリア外包部の外被８４０の一部に選択細胞への接合部８４６が設置されている。この選択細胞への接合部８４６として悪性腫瘍細胞（癌細胞）表面の細胞膜上に存在する特定受容体（Receptor）に結合するリガンド（Ligand）の一部を利用しても良いし、特定の癌細胞を特定する抗体（Antibody）を利用しても良い。

【1139】

上記具体的な特定受容体として、ＶＥＧＦＲ（Vascular Endothelial Growth Factor Receptor）やＥＧＦＲ（Epidermal Growth Factor Receptor）に直接結合させても良い。

【1140】

また特定の癌細胞を特定する抗体として例えば、上記ＶＥＧＦＲを特定するモノクローナル抗体を使用しても良い。またそれに限らず、上記特定受容体に結合するリガンド自体に識別結合する抗体を使用しても良い。この場合にはベクターキャリアが結合したリガンドが受容体に結合するタイミングを利用して、ベクターキャリア内の内包部を悪性腫瘍細胞（癌細胞）内に搬送する。

【1141】

細胞核内搬送用キャリア８００内のキャリア内包部の外膜８３８とキャリア内包部の内膜８３６は脂質２重層で構成され、両者の間には主に脂質から構成される内外膜間の疎水領域８３４が形成されている。

【1142】

またキャリア内包部の外膜８３８（とキャリア内包部の内膜８３６）の一部には、細胞核膜表面への選択的結合部８３０（詳細は後述）が設置されている。これにより内包部内に格納されているゲノム編集モジュール８０８や遺伝子調節因子８０６を細胞核内に安定に搬送できる。

【1143】

この細胞核膜表面への選択的結合部８３０を利用する事で、９．１節内で説明した最初の問題点“１．複製ＤＮＡのスケーラビリティと編集対象の効率的な選択性”が解消できる。細胞核の外膜は、小胞体（Endoplasmic Reticulum）の一部と直接繋がっている。従って小胞体近傍でゲノム編集モジュール８０８が放出されると、ゲノム編集が行えない。その対策として本実施形態例では、細胞核膜表面への選択的結合部８３０が細胞核膜（核ラミナを含む）とのみ結合する。その結果として効率良く細胞核内にゲノム編集モジュール８０８を搬送できる。

【1144】

そして細胞核膜表面への選択的結合部８３０と（核ラミナを含めた）細胞核膜との結合をきっかけとして、細胞核膜とキャリア内包部の内膜８３６／外膜８３８が融合してゲノム編集モジュール８０８を細胞核内に搬送する。従って任意サイズのゲノム編集モジュール８０８を細胞核内に搬送できるため、複製ＤＮＡのスケーラビリティに関する柔軟性が大幅に向上する効果が有る。

【1145】

なおキャリア内包部の内膜８３６内部には核ラミナ８３２が配置されても良い。この核ラミナ８３２の材質は細胞核膜内に存在する核ラミナと類似させても良い。それによりキャリア内包部と細胞核間の親和性を向上させ、両者間の融合性を向上させる効果が有る。またそれだけでなく、両者が融合してゲノム編集モジュール８０８または遺伝子調節因子８０６が細胞核内に侵入した時の、細胞核膜に及ぼすダメージを最小にする効果も有る。

【1146】

また後述するようにキャリア内包部の内膜８３６の内側に突出した細胞核膜表面への選択的結合部８３０は、キャリア内包部の内膜８３６と核ラミナ８３２間の結合性を高めている。それによりキャリア内包部の内膜８３６と外膜８３８の相対的強度を高め、搬送時の膜破壊を防止する効果も有る。

【1147】

キャリア内包部内部に遺伝子調節因子８０６を格納する場合には、キャリア内包部内部は細胞核内と同じ核液（Caryolymph）が満たされても良い。そしてその核液内に、後述する１種類以上の遺伝子調節因子８０６が分散されても良い。遺伝子調節因子８０６を格納したそれによりキャリア内包部と細胞核が融合して遺伝子調節因子８０６が細胞核内に侵入した時に予め核液が入っていると、細胞核内部に及ぼすダメージを最小にする効果が有る。

【1148】

それに比べてキャリア内包部内部にゲノム編集モジュール８０８を格納する場合には、ＡＴＰ（Adenosine Triphosphate）が完全に除去された特殊な核液を使用しても良い。生体高分子の燐酸化は多くの場合、ＡＴＰからＡＤＰ（Adenosine Diphosphate）への加水分解（Hydrolysis）を利用する。従ってＡＴＰが完全に除去された“ＡＴＰフリー”の環境下では、燐酸化が起きない。

【1149】

この“ＡＴＰフリー”の状態を利用し、ゲノム編集モジュール８０８が細胞核内への搬送直後の所定期間だけゲノム編集を有効化しても良い。そしてこの有効期間を過ぎた後は、ゲノム編集を不可能にする。このように有効期間後にゲノム編集を不可能にする事で、９．１節で説明した“外科手術後にメスを体内に残した状態”を回避（＝体内のメスの自動的破壊に相当）できる。その結果として９．１節で提示した２番目の問題点に相当する“２．編集後細胞内の長期安全性”を確保できる効果が生まれる。

【1150】

図４３（ａ）で示すゲノム編集モジュール８０８内に含まれるゲノム編集基本部８１０の詳細な内部構造例を図４３（ｂ）に示す。８．１節内で説明したＣＲＩＳＰＲ／Ｃａｓ９に対し、本実施形態ではＣａｓ９を一部改変したｍＣａｓ（modified CRISPR-associated System）８１２－１、２を使用する。ここでｍＣａｓ８１２－１、２内のｃｒＲＮＡ（CRISPR RNA）領域８１６－１、２は、既存のＣａｓ９と同等部品または類似部品を使用する。

【1151】

このｍＣａｓ８１２－１、２で改変した部分は、従来のＣａｓ９に“活性制御機構”を付加した所に有る。この活性化機構例として、“燐酸化による活性化”を利用する。しかしそれに限らず、他の任意の方法で活性化制御機構を付与しても良い。例えば他の例として、ベクターキャリア内に収納時には個々に分離されて分散（単量体状態（Monomer State））され、細胞核内に移った直後に重合して（polymerize）ｍＣａｓを構成しても良い
。

【1152】

すなわちベクターキャリア内に格納されたｍＣａｓ８１２－１、２は、ＡＴＰフリー環境下で不活性状態となっている。そしてこれが細胞核内に移動した時、細胞核内に存在するＡＴＰと反応してヌクレアーゼ領域８１４が活性化する。この活性化を引き起こす燐酸化に関し、ｍＣａｓ８１２－１、２に自己燐酸化機能を持たせても良い。

【1153】

またそれに限らず、キナーゼ（燐酸化）特性を持ったｍＣａｓ制御酵素Ａ＿８２２を利用しても良い。ベクターキャリア内のＡＴＰフリー環境下では、このｍＣａｓ制御酵素Ａ＿８２２は働かない。しかしこのｍＣａｓ制御酵素Ａ＿８２２が細胞核内に移動すると、細胞核内に存在するＡＴＰを利用してｍＣａｓ８１２－１、２を燐酸化して、ヌクレアーゼ領域８１４を活性化させる。もし上記ｍＣａｓ８１２－１、２が自己燐酸化に基付く自己活性化機能を持つ場合には、上記ｍＣａｓ制御酵素Ａ＿８２２は不要となる。

【1154】

次にｍＣａｓ８１２－１、２内のヌクレアーゼ領域８１４の機能を所定期間（有効期間）内のみ発揮させる方法に付いて説明する。それには、ｍＣａｓ８１２－１、２（あるいはその内部のヌクレアーゼ領域８１４）を不活性化させる手段あるいは自然に不活性化する属性を与える事が望ましい。

【1155】

ＡＴＰの加水分解でｍＣａｓ８１２－１、２が燐酸化された状態では、ｍＣａｓ８１２－１、２内の一部にＡＴＰ内のγ－燐酸基（γ-Phosphatic Group）が一時的に結合している。一般的にこの結合は永久には持続しない。このｍＣａｓ８１２－１、２が自己燐酸化機能を持たず、ｍＣａｓ制御酵素Ａ＿８２２が遠方に拡散された場合には、再燐酸化は不可能となり、非活性な状態に戻る。この場合の活性有効期間は、γ－燐酸基がｍＣａｓ８１２－１、２内の一部に結合している期間に相当する。従ってｍＣａｓ８１２－１、２に活性化させる活性制御機構（例えば燐酸化領域）を付けた事が、自然に不活性化する属性を持たせる事に対応する。

【1156】

他にヌクレアーゼ領域８１４を不活性にする応用例として、ｍＣａｓ制御酵素Ｂ＿８２４を使用しても良い。このｍＣａｓ制御酵素Ｂ＿８２４が蛋白質を分解するプロテアーゼ（Protease）で構成させると、活性化時に前記のｍＣａｓ８１２－１、２が分解される。

【1157】

またｍＣａｓ制御酵素Ｂ＿８２４を使用する代わりに、何らかの方法でゲノム編集基本部８１０内に容易に“異物と識別できるマーカー”を付与し、貧食作用（Phagocytosis）を用いて破壊させても良い。

【1158】

さらに他の応用例として、ｍＣａｓ制御酵素Ｂ＿８２４内に脱燐酸化（Dephosphorylation）機能を有するホスファターゼ（Phosphatase）を内蔵させてｍＣａｓ８１２－１、２内の一部に結合した燐酸基を除去すると共に、再結合を防止するために結合阻害物質（アニオン（Anion））を代わりに結合さても良い。

【1159】

そしてｍＣａｓ８１２－１、２内のヌクレアーゼ領域８１４を不活性にさせる（上記ｍＣａｓ制御酵素Ｂ＿８２４を活性化させる）までの期間（ゲノム編集の有効期間）を設定する手段を設けても良い。

【1160】

このゲノム編集の有効期間を示すタイマーとして本実施形態例では、細胞核内の信号伝達経路を利用しても良い。細胞核内の信号伝達経路として、カルモジュリンＣＡＬＭ（Calmodulin）⇒カムキナーゼＣａＭIV（CaM KinaseIV）⇒ＣＲＥＢ（cAMP Response Element Binding Protein）の燐酸化の経路や、ｐ３８ＭＡＰＫ（正式名称は後述）⇒ＭＳＫ１⇒ＣＲＥＢの順で順次燐酸化する経路などが知られている。そしてその経路間で信号伝達に要する時間をタイマー（有効期間設定）として使っても良い。

【1161】

従って細胞核内信号制御酵素８２６としてカルモジュリンＣＡＬＭまたはｐ３８ＭＡＰＫなど、細胞核内で信号伝達経路の出発点になる酵素を入れておく。そしてＣＲＥＢなど細胞核内で信号伝達経路の最終点近くの酵素の燐酸化に誘発されて活性化する酵素をｍＣａｓ制御酵素Ｂ＿８２４として選定しておく。そして上述したように活性化されたｍＣａｓ制御酵素Ｂ＿８２４が作用して、ｍＣａｓ８１２－１、２（内のヌクレアーゼ領域８１４）を不活性化させる。

【1162】

ゲノム編集には取り除くべきＤＮＡの先端部を検知するｃｒＲＮＡ８１６－１と終端部を検知するｃｒＲＮＡ８１６－２及び複製すべき（新たに入れ替える）ＤＮＡ（ベクター）８１８が必要となる。

【1163】

本実施形態例ではゲノム編集基本部８１０の具体的構造として図４３（ｂ）に示すように、複製ＤＮＡ（ベクター）８１８を保持する複製ＤＮＡの保持用蛋白質８１７およびｍＣａｓ８１２－２とｍＣａｓ８１２－１が連結された構造となっている。このように互いに連結された形で保存可能にすると、９．１節内で３番目に提起した問題点が解消される。それによりゲノム編集前後での塩基配列関係の管理が容易になるだけで無く、人為的な誤編集を防止できる効果も生まれる。

【1164】

図４３（ｂ）では複製ＤＮＡ（ベクター）８１８の形状として２重螺旋構造を取りながら全体として直線に近い形状の例を示している。しかしそれに限らず図４３（ｃ）のように、複製ＤＮＡ（ベクター）８１８が巻き付かれたヒストン（Histone）８１９がｍＣａｓ８１２－２に連結されても良い。

【1165】

ゲノム編集モジュール８０８内部ではＡＴＰフリーなため、自己燐酸化プロテアーゼ８２８が不活性の状態になっている。そしてこのゲノム編集モジュール８０８が細胞核内に移動すると、細胞核内のＡＴＰを利用して自己燐酸化プロテアーゼ８２８が燐酸化（活性化）する。その結果として活性化された自己燐酸化プロテアーゼ８２８が燐酸化活性特性を持つプロテアーゼの切断場所８２０を切断する。

【1166】

また複製ＤＮＡの保持用蛋白質８１７に自己燐酸化機能を持たせても良い。ＡＴＰフリーの内包部内部では、複製ＤＮＡの保持用蛋白質８１７が複製ＤＮＡ（ベクター）８１８を保持している。ゲノム編集モジュール８０８全体が特定の細胞核内に入ると、細胞核内に有るＡＴＰが上記の自己燐酸化機能部と結合し、複製ＤＮＡの保持用蛋白質８１７の立体構造（conformation）の変化が生じて複製ＤＮＡ（ベクター）８１８を放す。これにより複製ＤＮＡ（ベクター）８１８が編集対象ゲノムに取り込まれ易くなる。

【1167】

またそれに限らず複製ＤＮＡの保持用蛋白質８１７は燐酸化で立体構造変化は起きるが、自己燐酸化機能を持たせなくても良い。この場合には、ｍＣａｓ制御酵素Ａ＿８２２が自己燐酸化してｍＣａｓ８１２－１、２（内のヌクレアーゼ領域８１４）を活性化させると同時に、複製ＤＮＡの保持用蛋白質８１７を燐酸化させて立体構造変化を起こさせても良い。

【1168】

次に遺伝子調節キャリアで搬送する遺伝子調節因子８０６に関する説明を行う。前記の遺伝子調節因子８０６には、発現させる（express）遺伝子の選択や、遺伝子転写（Transcription）の制御などに関与する物質全般を含める。従って遺伝子を抑制する働きを持つリプレッサ蛋白（Repressor Protein）や遺伝子を活性化する働きを持つアクチベーター蛋白（Activator Protein）も、上記遺伝子調節因子８０６に含まれる。またそれに限らず、細胞核内部（細胞核膜の内部）での信号伝達経路（Pathway of Signal Transduction）に関与する物質も、上記の遺伝子調節因子８０６に含めても良い。

【1169】

１個の細胞内において、外から与えられた情報が細胞核内部に伝わるまでの間でも、非常に複雑な信号伝達経路が存在する。従って細胞核の外に遺伝子調節因子８０６を挿入した場合、想定外の信号伝達を誘発する恐れが大きい。本実施形態例で示すように遺伝子調節因子８０６を直接細胞核内に搬送する事で、効率良く確実に遺伝子調節が行える効果が有る。

【1170】

生体内の各部位（each part）を構成する個々の細胞は、成長過程で周囲との情報交換（主に化学的信号のやり取り）を通じて配置場所に適正な細胞に成長（細胞運命が決定）する。すなわち個々の細胞は、それが配置された生体内の構成部位に応じた遺伝子発現（Gene Expression）が起こる。

【1171】

例えば特許文献４または特許文献５に記載の方法で初期化した細胞（Initialized Cell）を培養して生体内の特定部位で作用する細胞に成長させるには、従来は時間を掛けて所定環境下で育てる（長期間培養の）必要が有った。

【1172】

それに対して本実施例では、上記の初期化した細胞を培養している培養液中に遺伝子調節キャリアを混入させるだけで短期間に効率良く所望の細胞に成長させられる効果が有る。ここでこの遺伝子調節キャリア内には、初期化した細胞を所望の細胞に成長させるために必要な遺伝子発現を促進させる遺伝子調節因子８０６が内蔵されている。

【1173】

また本実施形態例では、同一の細胞に対してベクターキャリアと遺伝子調節キャリアを投与（give）しても良いし、複数回ずつ投与しても良い。またそれに限らず、ゲノム編集モジュール８０８の中身が異なるベクターキャリアを複数回投与しても良いし、遺伝子調節因子８０６が異なる遺伝子調節キャリアを複数回投与しても良い。

【1174】

ベクターキャリアを投与してゲノム編集された細胞を多量に増殖培養したい場合、ベクターキャリア投与後に遺伝子調節キャリアを投与できる。この時に遺伝子調節キャリアの内蔵物（遺伝子調節因子８０６）として、分裂促進因子活性化プロテインキナーゼのＭＡＰＫ（Mitogen-activated Protein Kinase）を使用しても良い。

【1175】

現在までのところ、ＭＡＲＫとして細胞外信号制御キナーゼのＥＲＫ（Extracellular Signal-regulated Kinase）とＪＮＫ（c-Jun N-terminal Kinase）、ｐ３８ＭＡＲＫの３種類が同定されている。ここで上記のＥＲＫは“細胞外信号制御”の機能を有するが、細胞核内での動作は確認されている。

【1176】

活性化した（燐酸化された（phosphorylated））ＥＲＫは細胞核内で、ＣＲＥＢ（cAMP
Response Element Binding Protein）やＥｔｓ、Ｊｕｎ、Ｆｏｓ、Ｅｌｋ、ＨＩＦ１、ＳＴＡＴ３などを燐酸化して（活性化させて）遺伝子に作用させる。この遺伝子への作用により、増殖（Proliferation）に寄与するだけでなく、分化（Differentiation）や成長（Growth）にも寄与する。

【1177】

また活性化した（燐酸化された）ＪＮＫは細胞核内で、ｃ－ＪｕｎやＡＦＴ－２、ＥＬＫ－１、ｐ５３ＭＡＰＫ、ＮＦＡＴ、ＳＴＡＴ３などを燐酸化して（活性化させて）遺伝子に作用させる。この遺伝子への作用では、増殖に寄与するだけでなく、分化やアポトーシス（Apoptosis）などにも関与する。

【1178】

そして活性化した（燐酸化された）ｐ３８ＭＡＲＫは細胞核内で、Ｅｔｓ－１やＮＦＡＴ、Ｓａｐ１、Ｓｔａｔ１、Ｍａｘ、Ｍｙｃ、Ｅｌｋ１、ｐ５３ＭＡＰＫ、ＣＨＯＰ、ＭＥＦ２、ＡＴＦ－２、ＭＳＫ１、ＭＫ２／３などを燐酸化して（活性化させて）遺伝子に作用させる。この遺伝子への作用は、増殖以外にサイトカインの生成（Cytokine Prodiction）やアポトーシスなどにも関与する。

【1179】

なお遺伝子調節キャリア内に入れる遺伝子調節因子８０６として上記に限らず、その信号伝達経路に関係するＣＲＥＢやＥｔｓ、ｃ－Ｊｕｎ、Ｆｏｓ、Ｅｌｋ、ＨＩＦ１、ＳＴＡＴ１や３、ＮＦＡＴ、Ｓａｐ１、Ｍａｘ、Ｍｙｃ、ＣＨＯＰ、ＭＥＦ２、ＡＴＦ－２、ＭＳＫ１、ＭＫ２／３、ＨＭＧ－１４、Ｓｍａｄ、Ｃｏ－Ａｃｔ、ＴＦあるいはそれらの組み合わせを使用しても良い。

【1180】

また中心体（Centrosome）や紡錘体（Mitotic Spindle）、動原体（Kinetochore）の活性を調整して有糸分裂（Mitosis）を正常に進行させるオーロラＡ／Ｂ（Aurora A/B）を遺伝子調節因子８０６として使用しても良い。但し過剰摂取は癌化に繋がる危険性が有るので、投与量に配慮が必要となる。

【1181】

細胞核膜表面への選択的接合部８３０の一構造例を図４４（ａ）に示す。本実施形態例における細胞核膜表面への選択的接合部８３０内には、膜貫通部８７０と細胞核検出部８５０が含まれる。この膜貫通部８７０の働きで細胞核膜表面への選択的接合部８３０が、細胞核内運搬用キャリア８００内のキャリア内包部の内部８４２を覆う膜領域に局在する。ここでこの膜貫通部８７０内の少なくとも一部には、疎水領域８５２－１～６が存在する。そして細胞核検出部８５０が細胞内の細胞核の位置を検出または識別する。

【1182】

この細胞核検出部８５０が細胞核近傍に近付くと、細胞核膜表面への選択的接合部８３０内の膜貫通部８７０がキャリア内包部の内側８４２を覆う膜領域を引きずる形で、キャリア内包部を細胞膜近傍に近付ける。

【1183】

この細胞核検出部８５０の具体例として本実施形態例では“抗体（Antibody）”を使用しても良い。しかしそれに限らず本実施形態では、細胞核の位置を検出または識別する方法で有れば任意の方法を使用しても良い。

【1184】

また細胞核を識別（あるいは検出）する抗体の例として、細胞核内部に配置されている核ラミナ８３２に対する抗体を使用した例を説明する。従って細胞核検出部の一例として、核ラミナ識別抗体部８５０を利用した場合の説明を行う。しかしそれに限らず、細胞核表面あるいは細胞核内部に存在するあらゆる物質に対する抗体を使用しても良い。

【1185】

また図４４では説明の都合上、核ラミナ８８０を示す抗原（Antigen）と抗体間の反応（結合）を“連続する三角柱列の側面間のはめ込み／羽目合わせ関係”で図示した。しかし図４４の接合部形状は、実在しない。

【1186】

細胞核膜の外膜８９８は小胞体と連結しているので、細胞核検出部８５０が小胞体位置への誤検知しないように防止する必要が有る。小胞体は単層膜構造を取るのに対し、細胞核膜は内膜と外膜の２層膜構造を取り、細胞核膜の内膜８９６周辺には多量の核ラミナ８８０が局在している。つまりこの核ラミナ８８０は、細胞核内の比較的外側部に多く分布している。従ってこの特徴を利用すると、外部から細胞核位置を発見し易くする効果が有る。

【1187】

膜貫通部８７０は、キャリア内包部の内部８４２を外側で覆う膜領域（内の少なくとも外膜８３８と内膜８３６のいずれか）を１回以上貫通する。図４４（ａ）に示した例では、６回繰り返し貫通する。しかし本実施形態例ではそれに限らず、任意の回数（例えば２回や４回、７回、２４回）だけ繰り返し貫通しても良い。

【1188】

また膜貫通部８７０内では、αヘリックス構造を保持して（αヘリックス構造部８６０を形成した形で）膜貫通する例を示している。しかしそれに限らず、任意の形態で膜貫通しても良い。すなわちランダム構造を取った膜貫通形態や、βシート構造での膜貫通形態でも良い。

【1189】

図４４（ａ）の実施形態例では６本のαヘリックス構造部８６０の中で、２本のαヘリックス構造部８６０の長さが他の４本より長い。そして長い２本のαヘリックス構造部８６０の端部で、核ラミナ識別抗体部（細胞核検出部）８５０と接続している。αヘリックス構造体８６０として繋がったまま、膜貫通部８７０から細胞核検出部（核ラミナ識別抗体部）８５０に接続する構造を取ると、細胞核膜表面への選択的接合部８３０内部で強固に細胞核検出部（核ラミナ識別抗体部）８５０を保持できる効果が有る。

【1190】

しかしそれに限らず、任意の形態で膜貫通部８７０と細胞核検出部（核ラミナ識別抗体部）８５０間が接続されても良い。その一例として、膜貫通部８７０と細胞核検出部（核ラミナ識別抗体部）８５０の間にβシート（結晶）部が配置されても良い。

【1191】

αヘリックスを構成するαヘリックス構造部８６０内の親水領域８５６－１～８、８５８－１～６では、極性残基（Polar Residue）を持つアミノ酸のアスパラギンまたは、グルタミン、セリン、トレオニン、チロシンが多く含まれる。またこの親水領域８５６－１～８、８５８－１～６内に、電荷量を持った残基（Charged Residue）を含むアミノ酸のリシンまたは、アルギニン、ヒスチジン、アスパラギン酸、グルタミン酸も一部存在しても良い。

【1192】

一方で疎水領域８５２－１～６、８５４－１、２内では上記アミノ酸の配合比は比較的少なく、非極性残基（Non-Polar Residue）を持つアミノ酸のアラニンまたはバリン、ロイシン、イソロイシン、プロリン、フェニルアラニン、メチオニン、トリプトファン、グリシン、システインなどが含まれる。

【1193】

図４４（ａ）で説明した構造を有する細胞核膜表面への選択的接合部８３０の、細胞核内搬送用キャリア８００（図４３）内部での配置場所と機能例を図４４（ｂ）に示す。

【1194】

細胞核内搬送用キャリア８００の内包部を覆う膜領域は、ほ乳類の細胞膜と同様に、キャリア内包部の外膜８３８とキャリア外包部の内膜８３６から構成される脂質２重層構造を有する。そしてこのキャリア内包部の外膜８３８とキャリア外包部の内膜８３６の間は、主に脂質で構成される内外膜間の疎水領域８３４が存在する。

【1195】

脂質は主に炭素原子と水素原子から構成されるため、疎水性特性を有する。そして“水中で油滴が分離されて集合する”ように、水溶液中では疎水性物質が集まる（水分子分布領域の外に押し出される）特性が有る。この特性から、膜貫通部８７０内の疎水領域８５２－１～６が、内外膜間の疎水領域８３４内に入り込む。

【1196】

なお細胞核膜表面への選択的接合部８３０内では図４４（ａ）が示すように、疎水領域８５２－１～６の他に疎水領域８５４－１、２が存在する。ところで疎水領域８５２－１～６の表面積は、疎水領域８５４－１、２の表面積より広い。そのため疎水領域８５４－１、２では無く、疎水領域８５２－１～６が内外膜間の疎水領域８３４内に入り込む。

【1197】

細胞核膜も細胞核膜の内膜８９６と細胞核膜の外膜８９８からなる脂質２重膜で構成される。また細胞核膜の内膜８９６と細胞核膜の外膜８９８の間にも、主に脂質で構成される内外膜間の疎水領域８９４が存在する。そして細胞核膜の内膜８９６の内側に核ラミナ８８０が配置されている。

【1198】

従って細胞核膜表面への選択的接合部８３０内の核ラミナ識別抗体部（細胞核検出部）８５０は、細胞核膜の中に入り込んで核ラミナ８８０の存在を識別する必要が有る。その活動を促進させる手段として本実施形態例では、疎水領域８５４－１、２が設けられている。

【1199】

すなわち図４４（ｂ）が示すように、この疎水領域８５４－１、２が細胞核膜内の内外膜間の疎水領域内に入り込む。このように核ラミナ識別抗体部（細胞核検出部）８５０の細胞核内での地盤を確立させる事で、核ラミナ識別抗体部（細胞核検出部）８５０の核ラミナ８８０との接合を促進させる効果が有る。

【1200】

細胞内に注入後で細胞核内に吸収される前の細胞核内搬送用キャリア８００は、細胞内で自由に動き回る。この動き回る過程で、上記疎水領域８５４－１、２が例えば小胞体内に一時的に侵入する場合が有る。しかし小胞体などの膜は単層構造をしているため、細胞核膜とは厚みが異なる。さらに小胞体などの内部に核ラミナ８８０が存在しないため、核ラミナ識別抗体部（細胞核検出部）８５０による強固な固定は起きない。そのために短期間で細胞核内搬送用キャリア８００は小胞体などから離れ、細胞核の探索を始める。

【1201】

９．３節で細胞核内搬送用キャリア８００の製造方法を後述するように細胞核内搬送用キャリア８００の一部は、細胞核膜表面への選択的接合部８３０がキャリア内包部の内部８４２を向いて配置されても良い。

【1202】

キャリア内包部の内部８４２に配置された核ラミナ８３２も、比較的強固な構造を持つ。従ってこのキャリア内包部の内部８４２を向いた細胞核膜表面への選択的接合部８３０を核ラミナ８３２と接合させる事で、キャリア内包部の内膜８３６と外膜８３８の強度を向上させる効果として働く。

【1203】

細胞核膜表面への選択的接合部８３０で細胞核内搬送用キャリア８００と細胞核膜を接合させると図４４（ｃ）で示すように、ここを起点としてキャリア内包部の膜領域が細胞核膜の一部に取り込まれる。その結果として細胞核内搬送用キャリア８００の内蔵物（ゲノム編集モジュール８０８または遺伝子調節因子８０６）が、細胞核内部８９０内に取り込まれる。

【1204】

図４４（ｃ）での詳細描写を省いたが、キャリア内包部の内膜８３６が細胞核膜の内膜８９６の一部として取り込まれ、キャリア内包部の外膜８３８が細胞核膜の外側８９８の一部として取り込まれる。またそれと並行してキャリア内包部の内部８４２に配置された核ラミナ８３２も、細胞核内の核ラミナ８８０の一部として取り込まれる。

【1205】

従ってキャリア内包部の内部８４２に配置された核ラミナ８３２の材質と組成、構造、厚みの少なくともいずれかを細胞核内の核ラミナ８８０と一致または類似させると、細胞核内搬送用キャリア８００の内蔵物（ゲノム編集モジュール８０８または遺伝子調節因子８０６）を細胞核内に搬送した時の細胞核に与えるダメージを最小限に抑えられる効果が生まれる。

【1206】

同様にキャリア内包部の内膜８３６の材質と組成、構造、厚みの少なくともいずれかを細胞核膜の内膜８９６と一致または類似させると、細胞核に与えるダメージを最小限に抑えられる効果が生まれる。

【1207】

さらにキャリア内包部の外膜８３８の材質と組成、構造、厚みの少なくともいずれかを細胞核膜の外膜８９８と一致または類似させると、細胞核に与えるダメージを最小限に抑えられる効果が生まれる。

【1208】

９．３節 細胞核内搬送用キャリアの製造方法（量産化適合）
膜蛋白質（Membrane Protein）として知られるＧ蛋白質（G Protein）やイオンチンャネル（Ion Channel）内には、αヘリックス構造８６０をした膜貫通部８７０を持っている。従ってこれらのアミノ酸配列情報を参考にして、図４４（ａ）の構造を持った細胞核膜表面への選択的接合部８３０に対応したアミノ酸配列の設計を最初に行う。その情報を利用して、麹菌などに対するゲノム編集を行い、例えば図４５または図４７の方法で細胞核膜表面への選択的接合部８３０を作成する。

【1209】

参考文献３内で詳細に説明されているように、細胞核膜を構成する燐脂質分子は、親水性の頭部と炭化水素のいみで成り立つ疎水性の尾部から構成されている。従ってシャーレ内の純水中に上記の燐脂質分子を適量分注入すると、純水表面上一面に燐脂質分子が一様に並んだ単層膜が形成される。

【1210】

この単層膜内では、親水性頭部が純水と接する面側に下向きとなる。一方で疎水性の尾部は上向きに一様に配列し、空気との接触面側に配置される。

【1211】

この状態で純水内に注射針を挿入して、細胞核膜表面への選択的接合部８３０を注入する。図４４（ａ）に示すように細胞核膜表面への選択的接合部８３０内に疎水領域８５２－１～６を持つため、水分子に押し出されて純水の表面上に移動する。そして細胞核膜表面への選択的接合部８３０内の核ラミナ識別抗体部（細胞核検出部）８５０が下を向いた形で、単層膜が形成された表面上に局在する。特に燐脂質分子の単層膜内の疎水性の尾部が多く分布する領域内に、上記の疎水領域８５２－１～６が入り込む。

【1212】

次に純水内に事前に配置したメッシュまたは細かい孔の開いた板をななめにして純水から上部の外へ移動させる。するとメッシュの隙間または板内の孔内に燐脂質分子層が入り込み、脂質２重層を形成する。

【1213】

この脂質２重層内部に細胞核膜表面への選択的接合部８３０が分散配置されている。ここで分散配置された細胞核膜表面への選択的接合部８３０内の核ラミナ識別抗体部（細胞核検出部）８５０の方向は全て一致しておらず、細胞核膜表面への選択的接合部８３０によって互いに正反対の方向を向く。

【1214】

キャリア内包部内にゲノム編集モジュール８０８を格納する場合には、図４３のようにＡＴＰフリー状態の核液内に核ラミナ８３２とゲノム編集基本部８１０を混入させた水溶液を事前に準備しておく。なおこの水溶液中には必要に応じて、ｍＣａｓ制御酵素Ａ＿８２２やｍＣａｓ制御酵素Ｂ＿８２４、細胞核内信号制御酵素８２６、自己燐酸化プロテアーゼ８２８を混入させても良い。

【1215】

一方でキャリア内包部内に遺伝子調節因子８０６を格納する場合には、核ラミナ８３２と所定の遺伝子調整因子８０６を混入させた核液を事前に準備する。

【1216】

この核液（水溶液）を脂質２重層で塞がったメッシュまたは板内の孔部に向けて噴霧する。するとシャボン玉作成原理と同じ原理で、キャリア内包部が生成される。噴霧先に細胞膜内搬送用キャリア８００内部と同じ成分を持つ水溶液を配置しておくと、膜領域で覆われたキャリア内包部が上記水溶液中に入る。

【1217】

上述したようにキャリア内包部の内膜３８６の内部側は核ラミナ８３２で裏打ちされているので、所定強度が保たれている。従ってキャリア内包部の内膜３８６に核ラミナ８３２で裏打ちされた構造を持たせる事で、キャリア内包部の取り扱いが容易になる効果が生まれる。

【1218】

次に上記キャリア内包部を作成した手順と類似した方法で、細胞核内搬送用キャリア８００を作成しても良い。

【1219】

上記方法を利用すると、比較的容易に細胞核内搬送用キャリア８００を作成できる。しかし本実施形態例では上記の作成方法に限らず、任意の方法で作成しても良い。

【1220】

第１０章 機能性バイオ物質の製造方法と工程管理
第１０章では、本実施形態例における機能性バイオ物質の量産方法と工程管理方法の説明を行う。

【1221】

１０．１節 製造方法と工程管理の基本手順
図３７に示す機能性バイオ物質の生成過程では、いずれも２．６節で説明した近赤外領域光での吸光特性の変化が生じる。すなわち機能性バイオ物質の生成過程では、何らかの形で特定酵素の触媒反応を利用している。そして特許文献３に拠ると、この触媒反応時に一時的な水素結合が生じ、この水素結合形態に応じた吸収帯の波長変化が生じる。したがってこの吸収帯の波長変化を測定して、機能性バイオ物質製造時の状態管理が行える。またこの時に少なくとも第３章と第６章で説明した方法を採用すると、吸収帯の波長変化測定の精度が大幅に向上する。

【1222】

近赤外光を用いて状態管理をしながら機能性バイオ物質を製造する方法を、図４５と図４６に示す。図４５で示した方法は、第９章内で説明したベクターキャリアを用いたゲノム編集処理（Ｓ４２）の後に、遺伝子調節キャリアを用いた細胞の増殖培養（Ｓ４７）を行う。一方で図４６の方法は、遺伝子調節キャリアを用いた細胞培養（Ｓ６４）を行った後に、ベクターキャリアを用いたゲノム編集（Ｓ６６）を行う。

【1223】

しかしそれに限らず、ゲノム編集のみか増殖培養のみを行っても良いし、両者を同時に行っても良い。さらに両者を順不同に組み合わせても良い。

【1224】

図４５を用いた量産方法と工程管理方法の説明に当たり具体的な一例として、トランスジェニック蚕（Transgenic Silkworm）を用いた機能性バイオ物質の製造例も一緒に説明する。

【1225】

図３７内３～４行目に記載した“フィブロイン変形”あるいは図３７内５行目に記載した“酸性残基含有フィブロイン”に関しては、図３８～図３９Ａを用いて８．３節で説明した。

【1226】

蚕が吐き出す繭（Cocoon）内には多量のフィブロインが含まれているので、トランスジェニック蚕を用いて上記の“フィブロイン変形”や“酸性残基含有フィブロイン”を製造できる。

【1227】

製造開始（Ｓ４１）の最初の工程で、９．２節で説明したベクターキャリアを用いて標的細胞内のゲノム編集処理（Ｓ４２）を行う。この時にはヌクレオチド（Nucleotide）内の塩基間水素結合が一時的に発生する。従ってこの時に８．５節で説明した吸収帯の波長変化が生じる。

【1228】

またそれだけでなくゲノム編集にＣＲＩＳＰＲ／Ｃａｓ９を使用する場合、ヌクレアーゼ領域８１４でのＤＮＡ切断が行われる。このＤＮＡ切断時にも固有の水素結合が発生するので、それに対応した吸収帯の波長変化を観測できる。

【1229】

Ｓ４３の光学的モニターとは、近赤外光を用いた上記吸収帯の波長変化観測に基付く工程管理（ゲノム編集状態の管理）を意味する。

【1230】

トランスジェニック蚕を用いた場合には、蚕の受精卵に対してＳ４２のゲノム編集を施す。

【1231】

上記のゲノム編集が的確に行われたか否かを評価（Ｓ４５）し、的確で無かった（Ｎｏの）場合には、再度ゲノム編集処理（Ｓ４２）に戻る。トランスジェニック蚕に対するこのゲノム編集後の遺伝子発現および生成された機能性バイオ物質の評価（Ｓ４４）とは、成長した蚕が吐き出す繭の成分分析や特性分析を行う事に対応する。

【1232】

評価結果（Ｓ４５）が良好な（Ｙｅｓの）場合には、次のＳ４６のステップに移行する。ゲノム編集後の受精卵が細胞分裂を始めた段階で、一部を分離抽出して冷凍保存しておく。残りの受精卵から蚕の幼虫への成長と蛹（Pupa）変身後の評価（Ｓ４４）結果が良好だった冷凍保存卵に対してＳ４６で初期化処理を施す。この初期化には、特許文献４あるいは特許文献５で開示された方法を利用する。

【1233】

初期化された細胞に対して遺伝子調節キャリアを与えて増殖培養（Ｓ４７）を行う。この時に使用する遺伝子調節因子としては、９．２節の後半で説明したＭＡＰＫファミリーを使用しても良い。

【1234】

ここで遺伝子調節因子がＤＮＡに作用する時に、遺伝子調節因子の一部とＤＮＡの一部との間で一時的な水素結合が発生する。この水素結合に固有な吸収帯の波長変化を観察してＤＮＡに対する遺伝子調節因子の作用効果を管理する処理が、光学的モニターＳ４８に対応する。

【1235】

次のＳ４９のステップで増殖培養後細胞を終末分化（Terminal Differentiation）させて機能性バイオ物質を収穫する（Ｓ５１）方法として、本実施形態例では２種類の方法が選択できる。最初の方法は受精卵から蚕の幼虫へ成長させて蛹に変身させた後、繭のみ抽出する方法である。

【1236】

また他の方法は、培養液中の細胞に対して終末分化を促す遺伝子調節因子を入れた遺伝子調節キャリアを投与する。その結果として培養液中で絹糸細胞（Silk Cell）に成長させた後に細胞膜を破壊してフィブロインを抽出（Ｓ５１の機能性バイオ物質の収穫に相当）する。

【1237】

ここで終末分化を促す遺伝子調節因子のＤＮＡへの作用時にも一時的な水素結合が発生する。従ってこの水素結合に固有な吸収帯の波長変化を観察してＤＮＡに対する遺伝子調節因子の作用効果を管理する処理が、光学的モニターＳ５０に対応する。

【1238】

なお図４６内のＳ６５とＳ６７の各ステップでも光学的モニターを実施するが、具体的内容は上記とほぼ一致するので、以降での説明を省略する。

【1239】

上記２種類のいずれの方法を採用した場合でも、フィブロインの抽出（機能性バイオ物質の収穫Ｓ５１）が完了した場合に製造終了（Ｓ５２）となる。しかしそれに限らず、Ｓ４６の細胞初期化あるいはＳ４７の増殖培養から始まるサイクルを繰り返しても良い。

【1240】

機能性バイオ物質の生産能を有する親細胞(元種)（図４８）として絹糸細胞のイメー
ジを例に取って、上記の説明を行った。本実施形態例における機能性バイオ物質を量産する方法として、
Ａ〕細胞を使用せず、所定容器内で生産する方法
Ｂ〕細胞の内部で生産し、細胞膜破砕により機能性バイオ物質を採取する方法
Ｃ〕細胞内部で生産した機能性バイオ物質を、細胞自体が外部に分泌（secrete）する方法
Ｄ〕細胞の内部で生産し、細胞と連結した形で機能性バイオ物質が細胞外に伸ばす方法などを利用しても良い。しかし本実施形態例ではそれに限らず、任意の方法で機能性バイオ物質を生産しても良い。

【1241】

上記〔Ｂ〕の方法はＥ．Ｃｏｌｉ法と呼ばれ、大腸菌（Escherichia Coil）内部で蛋白質を生成する。この方法では“破砕⇒精製”の工程が必要となるため、製造工程が複雑化して相対的な製造コストが上昇し易い。

【1242】

一方で麹菌（Aspergillus Oryzae）やグルタミン酸生産菌（Corynebacterium Glutamicum）は、菌内で生産した蛋白質を分泌する〔Ｃ〕の方法に適している。特にグルタミン酸生産菌はＴａｔＡＢＣと呼ばれるチャネルを利用する事で、高分子を立体構造保持のままで分泌できる特性を有している。しかしこの場合でも分泌可能な高分子の分子サイズ（分子量）には上限が有るため、サイズの大きな機能性バイオ物質の直接的な分泌は難しい。

【1243】

それに比べて〔Ａ〕の方法では任意サイズの生成蛋白質を容易に収集できる。具体的方法として、大腸菌抽出液が入った特殊形状試験管内にＤＮＡを滴下するだけで、蛋白合成まで自動的に行う。また上記特殊形状試験管内を特殊フィルタで仕切る事で、微量透析（Dialysis）法を用いた遺伝子発現も可能となっている。

【1244】

しかし大腸菌抽出液中では雑菌が繁殖し易いため、雑菌混入を避けた特殊環境下（クリーンルーム内）のみでの製造が望ましい。一般環境下での量産を目指して混入した雑菌の消毒／殺菌処理を行うと、ｍＲＮＡ転写系や蛋白質合成系が重大なダメージを受け易い。

【1245】

本実施形態における他の応用例として、上記〔Ｄ〕の方法を利用しても良い。毛母細胞は内部で生成した羊毛や毛髪を、毛母細胞と直接連携した形で外部に延長させる。また〔Ａ〕と比べると、毛母細胞は消毒／殺菌耐性が高い。そのため適正な消毒／殺菌の選択により、一般環境での生産容易性が高い。

【1246】

機能性バイオ物質の生産能を有する親細胞(元種)あるいはそこから増殖培養して得た娘細胞（Daughter Cell）（種子種）として毛母関連細胞１０００を用い、上記〔Ｄ〕の方法で機能性バイオ物質１００２を生成するイメージ図を図４６に示す。

【1247】

図４６に示すように所定容器１０１０内に攪拌機１００６と光学的状態管理装置（測定装置）１０２０が予め設置されている。この光学的状態管理装置（測定装置）１０２０は図１Ａ～図１Ｃに示した構造と同様に、光源部２と検出部６から構成される。

【1248】

なお図４６内へは図示してないが、培地１００４内のｐＨ値を調整するｐＨ調整機や、培地１００４内への酸素ガスを補給する酸素補給も設置されても良い。

【1249】

図４６（ａ）に示すように容器１０１０内に所定の培地１００４を満たして常に撹拌させた状態で、毛母関連細胞（親細胞／元種または娘細胞／種子種）１０００を入れる。この環境下で毛母関連細胞（親細胞／元種または娘細胞／種子種）１０００を所定期間だけ培養し続ける。

【1250】

すると図４６（ｂ）のように生成された機能性バイオ物質１００２が付いた毛母関連細胞（親細胞／元種または娘細胞／種子種）１０００となる。この状態は毛母細胞が付いた毛髪と類似した形態となる。

【1251】

培地１００４から取り出す非常に簡単な操作で生成された機能性バイオ物質１００２の収集が行えるため、量産工程の大幅な短縮化が可能になる効果が有る。

【1252】

ここで使用される親細胞（元種）１０００の量産化対応製造方法を、図４７に示す。製造開始（Ｓ６１）直後の最初のステップＳ６２として、既存生体から同一種類の細胞を多量に採取する。具体的には羊などの動物の表皮を採取しても良い。

【1253】

その直後に、特許文献４または特許文献５に記載された方法で、収集細胞の初期化処理を行う（Ｓ６３）。そしてＭＡＰＫファミリーなどの遺伝子調節因子を含んだ遺伝子調節キャリアを投入して初期化直後の細胞を増殖培養すると共に、所定の遺伝子調節因子を含んだ遺伝子調節キャリアを投入して終末分化を促進させる。なお光学的モニターＳ６５とＳ６７の内容は図４５内と同一または類似なので、ここでの説明を省く。

【1254】

そしてＳ６６のステップでは、ベクターキャリアを投与して所定のゲノム編集を行う。その後にスクリーニング（Screening）して（Ｓ６８）所望のゲノム編集が実施された細胞のみを抽出し、親細胞（元種）１０００として外部へ提供する（Ｓ６９）。そして製造が終了する（Ｓ６９）。

【1255】

上記〔Ａ〕から〔Ｄ〕で説明した機能性バイオ物質を量産する方法に付いて、補足説明する。上記〔Ｂ〕から〔Ｄ〕の各方法では、機能性バイオ物質の量産時に特定の細胞を使用する。ここで使用する細胞は、量産する機能性バイオ物質の種別に応じて適正に選択する必要がある。

【1256】

例えば遺伝子操作して細胞内で『高等生物由来の蛋白質（Protein obtained from Higher Organism）』の生成を試みる。この原始的生物に帰属する細胞（Cell belonging to Primitive Organism）から見ると、上記『高等生物由来の蛋白質』は異物の侵入に見える。またいずれの細胞も、蛋白質を分解するプロテアーゼ（Proteinase）を内部に所持している。そのため原始的生物に帰属する細胞内で『高等生物由来の蛋白質』の生成を試みると、異物の侵入と見なしてプロテアーゼの働きで合成された蛋白質の分解が行われる。

【1257】

具体的な一例として、（微生物由来の）麹菌内で（昆虫種由来の）フィブロインの生成を試みても、プロテアーゼが作用してフィブロインの分泌効率が大幅に低下する。フィブロインの分泌効率向上のためプロテアーゼの活動を停止すると、逆に別の不要な異物の生成量が増加する。

【1258】

上記の理由から『特定生物由来の機能性バイオ物質』（特定生物が直接生成するバイオ物質の一部改良物質も含む）の量産には、その特定生物と同等階層もしくはそれより高等な生物由来の細胞を使用するのが望ましい。

【1259】

具体例として人工食材として例えば野菜や米、小麦など（の構成物質）の量産には、植物由来細胞を使用するのが望ましい。また人工食肉（あるいはその構成物質のアクチン・フィラメント（Actin Filament）など）の量産時には（蚕の錦糸細胞など）昆虫由来の細胞は使わず、ほ乳類や鳥類、魚類由来の細胞を使用するのが望ましい。

【1260】

上記〔Ｄ〕の方法使用例として、毛母関連細胞１０００の利用を上述した。上記理由から、なるべく高等生物由来（例えば羊やヒトなどのほ乳類由来）の毛母関連細胞１０００を使用するのが望ましい。

【1261】

また上記〔Ｃ〕の方法でも、（例えばほ乳類などの）高等生物由来の細胞を量産に使用するのが望ましい。“内部で生産した機能性バイオ物質を外部に分泌する（高等生物由来の）細胞”の一例として、膵β細胞（Pancreas β Cell）（あるいはその改良細胞）の利用例に関する説明をする。

【1262】

この膵β細胞から分泌されるヒトインスリン（Human Insulin）は、２量体蛋白質構造（Protein Structure comprising Two Monomers）をしている。具体的にヒトインスリンは、２１個のアミノ酸のつながりで構成される“Ａ鎖（A Chain）”と、３０個のアミノ酸のつながりで構成される“Ｂ鎖（B Chain）”が２箇所のジスルフィド結合（DisulfideBonds）で接合されている。

【1263】

本実施形態例で使用するインスリンを分泌する膵β細胞は、必ずしも人間由来の必要は無く、他のほ乳類の体内に存在する膵β細胞を使用しても良い。この膵β細胞内のインスリン生成に関与する遺伝子に対し、第９章で説明したゲノム編集処理を行う。そして例えば筋肉細胞の一部などの食材、あるいは機能性素材などに適合した機能性蛋白質を生成／分泌する特殊な細胞に作り替える。

【1264】

図４６で示した実施例では、上記〔Ｄ〕の方法例に合わせた毛母関連細胞１０００の使用例を説明した。一方で上記〔Ｃ〕の方法では例えば改良形膵β細胞のように、細胞から機能性蛋白質を分泌させる。この場合の機能性蛋白質を生成／分泌させる環境は、図４６に示すような培地１００４と製造状態管理装置（測定装置）１０２０を使用しても良い。

【1265】

１０．２節 地域分散形量産化工程
図４５や図４７に示した方法では主に、同一箇所で機能性バイオ物質１００２を製造する方法の説明を行った。しかしそれに限らず本実施形態例では、製造工程毎に実施する場所を分けて広域に分散配置しても良い。

【1266】

生成された機能性バイオ物質１００２のトータル容量が増大すると、その運搬費用が非常に高価となる。一方で毛母関連細胞などのような機能性バイオ物質１００２を生産する元になる親細胞／元種やそれを増殖培養して得た娘細胞／種子種１０００は非常に小さいので、比較的安価に運送できる。

【1267】

したがって機能性バイオ物質１００２の消費地域までは親細胞／元種または娘細胞／種子種１０００の形で輸送し、消費地域で機能性バイオ物質１００２の生産をするとトータルコストを大幅に下げられる効果が得られる。

【1268】

一方で図４３および図４４、図３７を用いて９．２節内で説明したベクターキャリアや遺伝子調節キャリアを使用するとゲノム編集モジュールや遺伝子調節因子が直接細胞核内に侵入する。従って自然環境の保護や生態系維持の必要性から、ベクターキャリアや遺伝子調節キャリアを使用できるエリアを特定地域内に限定する事が望ましい。

【1269】

従って図４８に示す本実施形態例では、製造工程毎に生産拠点の階層化を行う。中核統括拠点１１３０を一箇所に集中させ、遺伝子調節キャリアとベクターキャリアの取り扱いをこの地域内に限定させる。そしてこの中核統括拠点１１３０内部での管理を強化させて、ベクターキャリアや遺伝子調節キャリアの外部への流出防止を徹底する。この方法を採用する事で、既存生態系や自然界に及ぼす悪影響を防止・制御できる効果が有る。

【1270】

すなわち上記中核統括拠点１１３０内のみでゲノム編集や細胞の初期化、遺伝子調節を行う。そして機能性バイオ物質の生産能を有する親細胞（元種）１０００の生成（量産）を行う。そして得られた親細胞（元種）１０００を、分散流通拠点１１２０へ提供する。

【1271】

各分散流通拠点１１２０ａ～１１２０ｃでは、提供された親細胞（元種）１０００を増殖させて娘細胞（種子種）の生成を行う。また増殖効果を上げるため、成長因子（Growth Factor）の投与を行う。

【1272】

ところで各分散流通拠点１１２０ａ～１１２０ｃ内で行う親細胞（元種）１０００からの有糸分裂（Mitosis）促進や娘細胞（種子種）の成長促進のために与える成長因子は、あくまでも細胞外からの投与に限定される。すなわちここでは、細胞核内に直接的に搬入させる遺伝子調節キャリアをしようしない。

【1273】

また一般環境下での培地１００４内での雑菌繁殖を防止し、娘細胞（種子種）へのダメージが少なく調整された殺菌／消毒剤（雑菌繁殖防止剤）を入れた培地１００４も製造する。そしてここで生産された娘細胞（種子種）と雑菌繁殖防止剤入り培地１００４を、機能性バイオ物質の最終的な生産場所１１００ａ～１１００ｊに提供する。

【1274】

最終生産地域１１１０は、上記分散生産の階層内の末端部に位置する。そして各機能性バイオ物質の最終的な生産場所１１００ａ～１１００ｊは、機能性バイオ物質の消費場所の近くに存在する。

【1275】

この各機能性バイオ物質の最終的な生産場所１１００ａ～１１００ｊでは図４６で説明した簡易的な設備を一般環境下で使用し、娘細胞（種子種）と雑菌繁殖防止剤入り培地１００４を分散流通拠点１１２０から購入する。購入方法として直接購入の他に、ネットワーク経由で購入しても良い。

【1276】

そして図４６に示した方法で機能性バイオ物質１００２を製造するため、一般者の一般的環境下で容易に生産が可能になる効果が有る。従って本実施形態例では、誰でもが内職する容易さで簡単に生産できる。

【1277】

以上いくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

【1278】

１０．３節 非可干渉性近赤外光を用いた機能性バイオ物質の推定
図６４（ａ）または（ｂ）で記載した分子構造４０８を持つポリエチレンは、図６３に示す吸光特性を持っている。また絹シート（フィブロイン）内の一部のアミノ酸配列４００は、図６４（ｃ）に示す特徴を持っている。そしてこれは、図６２に示す吸光特性を持っている。

【1279】

部分的可干渉性を持つ従来の直進光３６０は、絹シート内通過時に多重散乱光３７０との間で光学的干渉を起こす（図２６（ａ）参照）。その結果として図６１に示すように、部分的可干渉性を持つ従来の光では絹シート（フィブロイン）の吸光特性は得られなかった。すなわち第３章で説明した方法で部分的可干渉性を低減させた（非可干渉性の）近赤外光で、精度の高い吸光特性が得られる。

【1280】

１０．１節内で、“上記非可干渉性の光を用いて機能性バイオ物質の製造工程管理”する例を説明した。しかし上記の製造工程管理に限らず、製造された機能性バイオ物質の成分や分子構造などの推定（同定）にも、図６２と図６３で得た知見を活用しても良い。

【1281】

食材は（ビタミン、ミネラルなどを除き）、蛋白質系と糖質系、脂質系におおまかに分類できる。従って食材に使用する機能性バイオ物質に限らず、素材として利用する機能性バイオ物質なども含めて、機能性バイオ物質を蛋白質系（Protein Group）と糖質系（Glucide Group）、脂質系（Lipid Group）におおまかに分類しても良い。

【1282】

中心に窒素原子を含む官能基（－ＮＨｎ）は、糖質系と脂質系の機能性バイオ物質には含まれない（図６５）。一方で中心に炭素原子を含む官能基（－ＣＨｎ）が、脂質系の機能性バイオ物質内の大多数を占める。そして脂質系の機能性バイオ物質内での水酸基（Hydroxyl Group、－ＯＨ）の含有率は、それと比べると非常に少ない。また糖質系の機能性バイオ物質内では、メチル基（－ＣＨ３）の含有率が低い。

【1283】

蛋白質系の機能性バイオ物質内では、いずれの官能基を含有できる。また“－ＮＨ基”以外では、これらの官能基は“アミノ酸残基（Amino Acid Residue）”内に存在する。従って人工蛋白質が主成分の機能性バイオ物質から得られる吸光特性では、検出される官能基から“人工蛋白質の主成分を構成するアミノ酸の種類とおよその組成量”が推定できる。

【1284】

図６５の枠内の下部に括弧内で記載した数字は、図６２と図６３から直接読み取った値を示す。また枠内の中央部は、尾崎らの文献（尾崎幸洋・河田聡編：近赤外分光法（学会出版センター、１９９６年）ｐ．２１６．２１９）から転記した。

【1285】

一例としてフィブロイン内では、“－ＣＨ基”を持ったグリシン（Glycine）が全体の４６％を占め、“－ＣＨ３基”を持ったアラニン（Alanine）が全体の３０％を占める。従って図６２内の“下向き矢印（Lower Direction Arrow）”で示したピーク（極大）位置は、アラニンの含有量３０％を表すと考えられる。

【1286】

一方で“蜘蛛の糸”では、βシート形結晶部６０２（図３８）の大部分は、アラニンのみが占めると言われている。従って蜘蛛の糸の吸光特性を測定すると、“下向き矢印”位置でのピーク量（極大値）は大幅に増加すると予想される。

【1287】

また図６２と図６３を比較すると、伸縮振動の第１倍音に帰属する吸収帯の中心波長はメチル基（Methyl Group、－ＣＨ３）で１．７μｍを越える（１．８１μｍから１．７０μｍの範囲内）に対し、メチレン基（Methylene Group、－ＣＨ２）や“－ＣＨ基”は１．７μｍ以下となる。図６２内の下向き矢印で示した位置は、１．６８３μｍと１．１７７μｍだった。従って１．６８３μｍ近傍（１．８０μｍから１．６７μｍの範囲内）または１．１７７μｍ近傍（１．２３μｍから１．１２μｍの範囲内）に吸収帯の中心波長が観察されると、メチル基の存在が予想される。このように、機能性バイオ物質から得た吸光特性の吸収帯中心波長が１．７μｍを越えるか否かで、主成分となるアミノ酸の種別が分かる。

【1288】

図示して無いが、メチル基を持つＰＭＭＡ（Poly-Methyl-Metacrylate）やエポシキ樹脂（Epoxy Resin）でも共通に、１．７μｍ以下の所に吸収帯の中心波長が観測された。

【1289】

またそれだけでなく、１．２３μｍから１．１５μｍの範囲内または０．９４μｍから０．８６μｍの範囲内に吸収帯の中心波長が観測されると、メチル基またはメチレン基、“－ＣＨ基”が含まれている可能性が高い。

【1290】

さらに図６５から、測定対象の機能性バイオ物質内に蛋白質系材料が含まれるか否かが容易に予測できる。すなわち蛋白質系材料が含まれる場合には、１．６７μｍ～１．４６μｍの範囲内または１．１１μｍ～０．９７μｍの範囲内に吸収帯の中心波長が存在する。

【1291】

図６２の実測結果では、１．５７０μｍ近傍と１．５３８μｍ近傍、１．４９５μｍ近傍に、それぞれ吸収帯の中心が存在する。フィブロイン内にはβシート形結晶部６０２（図３８）が存在する。従って蛋白質がβシート構造（β Sheet Structure）を持つ場合、上記数値のいずれか（もしくはその近傍）に中心波長を持つ吸収帯が検出され得る。

【1292】

例えば食材や素材などに（将来）利用される機能性バイオ物質から得られる吸光特性（第３章で説明した部分的可干渉性を低減させた（または非可干渉性の）光を用いて測定した場合）から、その機能性バイオ物質の組成（構成材料）の推定方法を下記にまとめる。

【1293】

官能基内のグループ振動の中でまず始めに、伸縮振動の倍音に帰属する吸収帯の説明から始める。図６５に拠ると、測定波長として１．６７μｍと１．４６μｍ、１．３８μｍ、１．１１μｍ、０．９４μｍのそれぞれが境界値となる。

【1294】

すなわち吸光特性内で観察される吸収帯の中心波長が、１．６７μｍから１．４６μｍの範囲内あるいは１．１１μｍから０．９７μｍの範囲内に有る場合は、対象となる機能性バイオ物質は“蛋白質系”（少なくとも一部にアミノ酸が含まれる）と解釈しても良い。

【1295】

一方で吸収帯の中心波長が、１．４６μｍから１．３８μｍの範囲内あるいは０．９９μｍから０．９４μｍの範囲内に観察される場合は、機能性バイオ物質は“糖質系”（例えばオリゴ糖（Oligosaccharides）やセルロース（Cellulose）などの多糖（Polysaccharide）が、少なくとも一部に含まれる）あるいは“蛋白質系”（少なくとも一部にアミノ酸が含まれる）と解釈しても良い。

【1296】

ここで１．６７μｍから１．４６μｍの範囲内あるいは１．１１μｍから０．９７μｍの範囲内に吸収帯の中心波長が存在しない場合には、主に“糖質系”が中心組成を構成すると推定しても良い。

【1297】

一方で１．６７μｍから１．４６μｍの範囲内あるいは１．１１μｍから０．９７μｍの範囲内に吸収帯の中心波長が存在する場合には、１〕“蛋白質系”が中心組成を構成する場合と２〕“蛋白質系”と“糖質系”の混在系のいずれかの可能性が高い。

【1298】

図６５では“脂質系”材料の一部に、水酸基（－ＯＨ）が含まれる。しかし“脂質系”では、メチル基やメチレン基の存在比率が圧倒的に高い。従って“脂質系”で観測される水酸基（－ＯＨ）の量（すなわち吸収帯の強さ）は、測定誤差に埋もれる場合が多い。

【1299】

同様に“糖質系”内に存在するメチル基（－ＣＨ３）の存在確率は、非常に低い。従って（上述したように）１．７μｍ以上の位置に吸収帯の中心波長が有る場合は、“脂質系”か“蛋白質系”かのいずれかに含まれる。しかも吸収帯の中心波長が１．６７μｍから１．４６μｍの範囲内あるいは１．１１μｍから０．９７μｍの範囲内に存在しない場合には、“脂質系”が中心組成を構成すると推定できる。

【1300】

次に吸光特性内での伸縮振動の倍音に帰属する吸収帯と結合音に帰属する吸収帯との見分け方を説明する。図６３の（ａ）と（ｃ）が示すように伸縮振動の倍音に帰属する吸収帯は、比較的幅が狭く強度（ベースラインから中心部までの高さ）が大きい。それに比べて結合音に帰属する吸収帯は図６３（ｊ）周辺のように、比較的幅が広く強度も低い。

【1301】

また５．６節で図６３（ｊ）部分の説明をしたように、比較のために“部分的可干渉性の高い光”を使用し、“大きな振動”が発生する部分を“結合音”に帰属すると判定しても良い。

【1302】

第２章で解説し図６１の測定結果で示したように、従来の部分的可干渉性を持つ近赤外光では光学雑音内に検出信号が埋もれてしまう。従来技術ではその結果として、官能基内のグループ振動に帰属する吸収帯個々の特性分析は困難だった。それに対して本実施形態では、第３章で説明した手法で部分的可干渉性の低い（非可干渉性の）光を生成できる。従ってその光を使用して初めて、官能基内のグループ振動に帰属する吸収帯個々の特性が可能となる効果が生まれる。

【1303】

１０．４節 本実施形態における機能性バイオ物質の光学特性
本実施形態で作成した機能性バイオ物質の光学特性に付いて説明する。始めに“蛋白質系”材料を使用して構造体を形成した機能性バイオ物質の光学特性の説明を行う。そして次に、それ以外の独自機能を発揮する機能性バイオ物質の光学特性を説明する。

【1304】

本実施形態において、蛋白質系材料を用いた機能性バイオ物質の構造体ではＡ）αヘリックス（α-Helix）またはβシート（β-Sheet）、折り返し（Turned）構造を利用して構造体を形成するＢ）光学的に製造工程管理が容易な組成を適用するの２点を実施する。

【1305】

最初に上記（Ｂ）を説明する。自然界には２０種類のアミノ酸が存在する。したがって機能性バイオ物質の材料として、２０種類のアミノ酸の組成比を均等に使用する選択肢も有り得る。しかしこの場合には、その機能性バイオ物質から得られる吸光特性は非常に複雑となる。仮に非常に複雑な吸収特性を持つ機能性バイオ物質を製造する場合を想定する。元々複雑な特性を持っていると、製造の工程管理時に吸収特性がわずかに変化しても“何の不具合が発生したか？”の予測が難しい。

【1306】

本実施形態における機能性バイオ物質では、特徴を持ったアミノ酸の組成比を高くして構造体を形成する機能性バイオ物質を製造する。それにより、製造時に発生する不具合箇所の分析を容易にする効果が生まれる。また本実施形態では、特徴を持ったアミノ酸の組成比の数値限定をする代わりに、製造した機能性バイオ物質から得られる吸光特性に対して規定する（詳細は後述）。また図６６から分かるように、特徴を持ったアミノ酸の組成比を高くすると、上記の（Ａ）の条件も満足する。

【1307】

８．３節では図４９を用いて、改良版βシート形結晶部１６０２を組み合わせて構造体を形成する例の説明をした。図４９では複数の結晶部集合（多量体）ブロック１６０４から構造体を構成した。

【1308】

このようなブロックの組み合わせに限らず、例えば繊維状蛋白質（Fibriform Protein）を縒る／編む事で、例えば衣服などの構造体を構成しても良い。既にβシート構造を持つフィブロインを原料とした絹糸は、上記の繊維状蛋白質に該当する。一方で繊維状蛋白質に分類されるコラーゲン（Collagen）やトロポミオシン（Tropomyosin）の２次構造は、αヘリックス構造を取る。

【1309】

従って本実施形態における機能性バイオ物質では、αヘリックスまたはβシート、折り返しなどの構造を利用して構造体を形成する。本実施形態における機能性バイオ物質内部の少なくとも一部で上記構造を持たせる事で、機能性バイオ物質の巨視的構造／形状の成形を容易にするばかりで無く、長期保存時の成形品の形状安定性を確保できる効果が有る。

【1310】

それを実現する具体的な手段として本実施形態では、αヘリックスまたはβシート、折り返しなどの構造を取り易いアミノ酸の組成比を高くして機能性バイオ物質を形成する。

【1311】

上記αヘリックス構造を取り易いアミノ酸とβシード構造を取り易いアミノ酸を、図６６に示す。図６６では、アミノ酸残基（Amino Acid Residue）内の先端部に配置された官能基の中心原子の違いでアミノ酸を分類している。炭素系（Carbon Group）に分類されるアミノ酸が最も多く、窒素系（Nitrogen Group）に分類されるアミノ酸が最も少ない。

【1312】

図６６から分かる事は、αヘリックス構造またはβシート構造を取り易いアミノ酸は全て、メチル基かメチレン基が含まれている。従って図６５で説明した内容と組み合わせると、『本実施形態における機能性バイオ物質から得られる吸光度特性では、１．８１μｍから１．６７μｍの範囲内または１．２３μｍから１．１２μｍの範囲内、０．９４μｍから０．８４μｍの範囲内に吸収帯の中心波長が存在する』事になる。

【1313】

次にそれらのアミノ酸の組成比と検出特性の関係を説明する。図６２に示した厚みが約１００μｍの絹シートの吸光度特性では、下向き矢印位置にメチル基を持ったアラニンに関係する吸収帯が現れている。蜘蛛の糸ではアラニンの組成比が一層高い。従って蜘蛛の糸では、同じ下向き矢印位置の近傍に吸収強度の高い（吸光度特性上は高さの高い）吸収帯が現れると予想される。

【1314】

本実施形態ではアミノ酸毎の組成比を規定する代わりに、メチル基とメチレン基の伸縮振動の倍音に帰属する吸収帯の高さ（すなわち吸収帯の中心波長位置での吸光度の値と破線で示したベースラインとの差分値）で規定する。アミノ酸毎の組成比を規定するより吸収帯の高さで規定した方が、製造時あるいは完成品の品質管理時の対応が容易になる効果が有る。

【1315】

図６２と図６３内の非可干渉光測定結果におけるノイズ成分の大半は、分光器２２内の１次元ラインセンサ１３２（図２２）の電気的ノイズ（暗電流とショットノイズ）に起因している。測定直前にその都度、１次元ラインセンサ１３２の暗電流を測定して減算処理を行っている。しかし時間と共に変化する暗電流成分の除去は難しい。また２５０回繰り返し測定した平均値を取って、ショットノイズの影響を低減している。しかし低減には限界が有る。特に検出光１６の光量が低い場合には、相対的に電気的ノイズの影響が大きくなる。

【1316】

図６３内の非可干渉光測定結果での吸光度でのノイズ振幅は、最大“０．０００３ｐ-ｐ”程度と見積もれる。一方で長波長側での絹シートの透過率が５．３％程度と低いため、電気的ノイズの影響が大きい。そして図６２から、ノイズ振幅は最大“０．００３ｐ-ｐ”程度と見積もれる。

【1317】

したがって安定に信号検出できる条件として本実施形態例では、本実施形態における機能性バイオ物質の吸光度として、１．８１μｍから１．６７μｍの範囲内または１．２３μｍから１．１２μｍの範囲内、０．９４μｍから０．８４μｍの範囲内に観測される吸収帯の高さ（吸収帯の中心波長位置での吸光度の値と破線で示したベースラインとの差分値）が０．００３以上（望ましくは０．０００３以上）となる必要が有る。

【1318】

なおフィブロイン内のアラニンの組成比は３０％と言われている。図６２に拠ると、この時の伸縮振動の第１倍音に帰属する吸収帯の高さ（ベースラインとの差分値）は“０．００８”前後となっている。また第２倍音に帰属する吸収帯の高さ（ベースラインとの差分値）は“０．００２”前後と読み取れる。

【1319】

組成比１０％程度まで検出する場合には、“０．００８／３＝０．００２７”、“０．００２／３＝０．０００６７”となる。従って図６２のデータを使用した場合には、１．８１μｍから１．６７μｍの範囲内に観測される吸収帯の高さは０．００２７以上（望ましくは０．００８以上）となる必要がある。同様に１．２３μｍから１．１２μｍの範囲内に観測される吸収帯の高さは０．０００６７以上（望ましくは０．００２以上）となる必要がある。

【1320】

また本実施の応用例として、蜘蛛の糸で機能性バイオ物質を製造した場合を考える。蜘蛛の糸ではアラニンの組成比が４５％以上になると予想される。そして“０．００８×４５／３０＝０．０１２”、“０．００２×４５／３０＝０．００３”となる。従って例えば蜘蛛の糸を材料に用いて機能性バイオ物質を製造した場合、１．８１μｍから１．６７μｍの範囲内に観測される吸収帯の高さが０．０１２以上あるいは、１．２３μｍから１．１２μｍの範囲内に観測される吸収帯の高さが０．００３以上になるように工程管理する方法もある。

【1321】

次に観測され得るメチル基に帰属する吸収帯の高さ（ベースラインとの差分値）の予想最大値を検討する。もしアラニンの組成比が１００％の合成蛋白質を作成した場合には、“０．００８×１００／３０＝０．０２７”、“０．００２×１００／３＝０．００６７”となる。但し測定誤差やベースラインの取り方でも吸収帯の高さが変化するので、マージンを２倍取ると、第１倍音と第２倍音に帰属する吸収帯の高さは０．０５４と０．０１３４と見積もれる。

【1322】

この見積もり値は、アラニン１００％を仮定した場合である。図６６が示すようにバリン（Valine）やイソロイシン（Isoleucine）、ロイシン（Leucine）では、１個の残基内にそれぞれ２個ずつのメチル基が存在する。従ってこれらのアミノ酸の組成比が１００％の場合には上記の値が２倍となる。従ってこの場合には、第１倍音と第２倍音に帰属する吸収帯の高さ（吸収帯の中心波長位置での吸光度の値と破線で示したベースラインとの差分値）は０．１０８と０．０２６８となる。

【1323】

以上から（図６５も参照して）本実施形態の機能性バイオ物質から得られる吸光度特性をまとめる。波長域１．８０μｍから１．６７μｍ内で観測される吸収帯の中心波長位置での吸光度の値とベースラインとの差分値は、０．００２７から０．１０８までの範囲内となる。また波長域１．２３μｍから１．１２μｍ内で観測される差分値は、０．０００６７から０．０２６８の範囲内となる。

【1324】

次に観測され得るメチレン基に帰属する吸収帯の高さを検討する。ポリエチレン内のメチレン基の存在比率は、充分に高い。従って図６３内の（ａ）位置での読み取り値の０．００３が、組成比１００％の値に近い。これに測定誤差やベースラインの取り方精度誤差から来るマージンを２倍取ると、０．００６（＝０．００３×２）と見積もれる。また組成比１０％以上を想定すると、０．００３×１０／１００＝０．０００３となる。これに２倍のマージンを考慮すると、最小値は０．０００３／２＝０．０００１５と見積もれる。

【1325】

従って図６５の記載内容も考慮すると、波長域１．２３μｍから１．１５μｍ内で観測される吸収帯の中心波長位置での吸光度の値とベースラインとの差分値は、０．０００１５から０．００６までの範囲内となる。

【1326】

上述した“蛋白質系”を用いて構造体を成形する代わりに、独自機能を発揮する機能性バイオ物質の光学特性に付いて説明する。例えば８．３節で図３９Ａ（ｃ）を用いて説明したように、機能性バイオ物質内にカルボキシル基６１６が存在すると吸水性が向上する。図３９Ａ（ｃ）でカルボキシル基６１６にカチオン６１２を結合させる前は、図６５の水酸基（－ＯＨ基）が存在する。このように機能性バイオ物質が多量の水酸基（－ＯＨ基）やアミノ基（Amino Group、－ＮＨｎ）を持つと、親水性（Hydrophilic Characteristic）が向上する。

【1327】

従って例えば親水性を持つ機能性バイオ物質では図６５が示すように、波長域１．６７μｍから１．３８μｍの範囲内もしくは１．１１μｍから０．９４μｍの範囲内に、高さ（ベースラインとの差分値）が０．００３以上（望ましくは０．０００３以上）の吸収帯が観測されるように製造工程管理を行っても良い。

【1328】

１０．５節 細胞外環境で製造する機能性バイオ物質の製造方法
１０．１節と１０．２節で説明した機能性バイオ物質の製造方法は主に、少なくとも材料を所定の細胞内で生産させる方法を説明した。本実施形態の応用例として、機能性バイオ物質の材料を細胞外環境で製造する方法に付いて説明する。

【1329】

基本的な製造手順を図６７Ａで示す。すなわち機能性バイオ物質の材料生成とその抽出を行うステップＳ１１０と、材料の純度を向上させる機能性バイオ物質材料の精製ステップＳ１２０、機能性バイオ物質の成形ステップＳ１３０、そして最後に品質検査ステップＳ１４０から構成され、上記手順で進められる。

【1330】

この機能性バイオ物質の材料生成とその抽出を行うステップＳ１１０内では、Ｓ１１１で行う透析式連続交換法（Continuously Exchangeable Method with Dialysis）と遠心分離法（Centrifugal Separation Method）を用いた機能性バイオ物質の材料抽出（Ｓ１１２）が行われる。またこのいずれの工程でも、本実施形態（第３章）で示した非可干渉性近赤外光を用いたモニタリングＳ１１３が並列して実行される。ここでは１０．３節と１０．４節で説明した光学特性が継続的に得られるように管理される。

【1331】

また機能性バイオ物質の材料の精製（Ｓ１２０）では材料の純度を向上させるため、機能性バイオ物質に使用する材料のみの分離を各種の方法で実行する。その具体例として図６７Ａでは、１〕光ピンセットの原理を使用して、蛋白質系材料のみを分離抽出する方法（Ｓ１２１）２〕水溶液中に電界を与えて、電荷を持った材料のみを分離抽出する方法（Ｓ１２２）３〕材料サイズの違いを用いて、濾紙などのフィルタで分離する方法（Ｓ１２４）を適用している。しかしそれに限らず、上記以外の精製方法を採用しても良い。また上記内のいずれかを選択的に採用してもよい。

【1332】

上記各種の精製工程Ｓ１２１、Ｓ１２２で、精製の進行状況をモニターするために本実施形態（第３章）で示した非可干渉性近赤外光を使用（Ｓ１２３）しても良い。

【1333】

Ｓ１１３またはＳ１２３でモニタリングした結果、１０．３節と１０．４節で説明した範囲の特性が得られない場合の対処方法に付いて説明する。上記特性が得られない頻度が低い場合には、対象外の材料を選択して廃棄する。一方で頻度が高い場合には、一旦製造ラインを停止して問題点発生原因を調べて対処する。

【1334】

Ｓ１１０の機能性バイオ物質の材料生成／抽出工程とＳ１２０の機能性バイオ物質材料の精製工程では、生成した高分子状態をモニタリングＳ１１３、Ｓ１２３する必要もある。特に高分子内の結合状態に関する情報は、５．６節内で説明したようにＡ）ベースラインのプロファイル特性やＢ）波長域１．６７μｍから１．４６μｍの範囲（図６５）の吸収帯特性… 図６２内の“上向き中抜け太矢印（White-Centerd Bold Arrow of Higher Direction）”で示したピーク（極大）位置を参照に現れる。従ってこれらの特性も同時に評価して工程管理を行うのが望ましい。

【1335】

上記Ｓ１１１で行う透析式連続交換法を用いた機能性バイオ物質の材料生成方法の一例を、図６７Ｂ（ａ）に示す。透明容器１０１０内に入れる外液１０３４は、
○ 材料製造元になる各種アミノ酸
○ グルコース（Glucose）などの活動エネルギー源となる糖類
○ ヌクレオチド三燐酸（Nucleoside triphosphates）
○ ｔＲＮＡ（Transfer Ribonucleic Acid）
○ その他の転写および翻訳に関する各種基質（Substrates）
○ 転写／翻訳促進用成長因子（Growth Factor）などの混合物水溶液で構成される。

【1336】

また透析容器１０３６内に入れる内液１０３２には、
○ 無細胞蛋白質合成系ＣＦ（Cell-Free Protein Synthesis System）反応液
○ 蛋白質生産の鋳型用の直鎖状ＤＮＡ（Single Chaining Deoxyribonucleic Acid）断片
を入れる。

【1337】

上記のＣＦ反応液として従来は、大腸菌、ウサギ、および小麦胚芽細胞抽出液（Solution Extracted from Wheat Cell with Embryo Buds）を使用している。しかし最近は従来の系に加え、真核細胞抽出液（Solution Extracted from Eucaryote Cell）を使用するようになった。

【1338】

『高等生物由来の蛋白質（Protein obtained from Higher Organism）生成』には、同等階層もしくはそれより高等な階層に属する生物由来細胞の使用が望ましい事を１０．１節で説明した。従って蛋白質系の機能性バイオ物質製造時には、『対象となる蛋白質由来生物と同等もしくはより高等な生物由来細胞からの抽出液』を上記ＣＦ反応液に使用しても良い。それにより、機能性バイオ物質製造の生産性が向上する。さらに『対象となる蛋白質由来生物の細胞からの抽出液』を使用すると、生成対象の人工蛋白質とＣＦ反応液との親和性が一層高くなる。その場合には、機能性バイオ物質製造の生産性が更に向上する。

【1339】

例えば食材として鶏肉を人工的に製造する場合には、『鶏の細胞からの抽出液』または『別の鳥種の細胞抽出液』をＣＦ液に使用するのが望ましい。同様に牛肉や豚肉の人工的に製造する場合には、牛の細胞や豚の細胞あるいは他のほ乳類の細胞からの抽出液を上記ＣＦ反応液に使用しても良い。

【1340】

それ以外の応用例として筋萎縮症（Muscular Atrophy）の治療で、患者に正常な筋肉（Muscle）を移植する場合を考える。この筋肉を人工的に製造する場合には、ヒトの細胞からの抽出液を上記ＣＦ反応液に使用しても良い。

【1341】

また絹や蜘蛛の糸を利用した機能性バイオ物質を人工的に製造する場合には、その材料生成に蚕や蜘蛛、あるいはそれ以外の昆虫種の細胞からＣＦ液を抽出しても良い。またそれに限らずヒトやほ乳類由来の細胞抽出液をＣＦ反応液に使用すると、比較的汎用性の高い人工蛋白質材料の生成が可能となる。

【1342】

なお蛋白質生産の鋳型用の直鎖状ＤＮＡは、予め設計されたヌクレオチド配列（Nucleotide Sequence）に従って人工的に合成しても良い。またそれに限らず８．１節や８．５節で説明したゲノム編集技術（ＣＲＩＳＰＲ／Ｃａｓ９やＺＦＮ、ＴＡＬＥＮなど）を用い、既存のゲノム配列を編集した後、２重螺旋構造を開いて生成しても良い。

【1343】

この内液１０３２が入った透析容器１０３６を外液１０３４が入った容器１０１０内に入れて（図６７Ｂ（ａ））、インキュベーション（Incubation）を開始する。このインキュベーションでは、２８℃～４０℃で１時間以上３２時間以下保持する。

【1344】

なお透析容器１０３６には攪拌機１００６が配置されている。そして攪拌機回転誘導用の外部磁界発生／回転部１０３８が回転して攪拌機１００６を廻し、内液１０３６内を撹拌する。

【1345】

また図１Ｂ（ａ）に示すように、光源部２と透過して得られる検出光１６を検出する検出部６が容器１０１０内に配置され、機能性バイオ物質の材料生成状況（図６７ＡのＳ１１１）を逐次モニタリング（図６７ＡのＳ１１３）している。上記で説明した１～３２時間のインキュベーション時間に限らず、上記Ｓ１１３のモニタリングで材料生成が完了した時点で適宜インキュベーションを終了させても良い。

【1346】

そして透析容器１０３６を容器１０１０から抜き取り、内液１０３２を別容器内に回収する。そしてこの内液１０３２を低温下で放置して、インキュベーションを終了させる。この時の内液１０３２温度は、０℃から１０℃範囲内（望ましくは４℃前後）が望ましい。

【1347】

次の図６７ＡのＳ１１２で示した機能性バイオ物質材料の抽出では例えば、４℃前後で５分間１２０００ｒｐｍ前後に回転させて遠心分離させる。ここで得られた分離液内の上清層（Top Clear Layer）内に、生成した機能性バイオ物質の材料が混入している。

【1348】

また上記分離液内の上端からどの範囲まで生成した機能性バイオ物質の材料が混入しているかが、Ｓ１３３の非可干渉性光を利用したモニタリングで分かる。

【1349】

次に図６７ＡのＳ１３０に記載した機能性バイオ物質の成形方法の例を、図６７Ｂ（ｂ）に示す。図６７Ｂ（ｂ）では、例えば絹糸のような繊維状機能性バイオ物質の成形方法を示す。成形用型１０５０表面には成形用窪み１０５４が彫られている。ここに精製後の内液１０３２を滴下すると、成形用窪み１０５４内に集中する。

【1350】

そして乾燥環境下に放置すると、水分が蒸発して繊維状の機能性バイオ物質が得られる。例えばβシート形結晶部６０２（図３８）を含んだフィブロインやαヘリックス構造を持つコラーゲンやトロポミオシン単体では、比較的短い繊維構造を持っている。そして精製後の内液１０３２内の水分が蒸発すると、個々の繊維が互いに絡まって図６７Ｂ（ｃ）のようにまとまった大きな繊維構造が構成される。そして糸を織って布生地にする従来方法を使い、この繊維状の機能性バイオ物質から衣服や食品を作成しても良い。

【1351】

図６７Ａの成形工程（Ｓ１３０）では上記に限らず、図４９を用いて８．３節で説明した方法で成形しても良い。さらにそれら以外の任意の方法で成形しても良い。

【1352】

図６７Ａの精製工程（Ｓ１２０）で使用する装置例を、図６７Ｃに示す。図６７Ａの遠心分離（Ｓ１１２）で得た上清液１０９６を精製用容器１０９０内に入れる。そして重力を利用して、上記の上清液１０９６を右方向に移動させる。

【1353】

図６７ＡのＳ１２１に示す光圧力を利用した機能性バイオ物質の材料分離では、光ピンセットの原理（光圧力）を利用して分離させる。図６５に示すように、蛋白質系の機能性バイオ物質は、波長域が１．６７μｍからμ１．４６μｍの範囲と１．１１μｍから０．９９μｍの範囲の近赤外光を選択的に吸収する。従って図６７Ｃの精製用照射光１０６０として、上記波長域の近赤外光を使用する。

【1354】

この精製用照射光１０６０の強度が、低い方向（図６７Ｃでの紙面の上方向）から高い方向（紙面の下方向）に向かって力が発生する。この力を利用して、蛋白質系の機能性バイオ物質のみを下方に移動させる。

【1355】

図６７Ｃが示すように、光源部２から放射された照射光１２は光ファイバ１００を経由して、遠心分離後の上清液１０９６の通過位置に照射される。そしてこの上清液１０９６を通過して得られた検出光１６は、光ファイバ１００を経由して検出部６に到達する。この光学系で上清液１０９６の吸光度特性がリアルタイムでモニタリング（Ｓ１２３）される。この結果を用いて、上清液１０９６からの機能性バイオ物質の材料分離状況が管理される。

【1356】

図６７ＡのＳ１２２に示す水溶液中に印加する電界を利用して精製する方法を、次に説明する。アミノ酸の中でアルギニン（Arginine）とヒスチジン（Histidine）、リシン（Lysine）は、正電荷を持つ。そして生成されるアミノ酸配列（Amino Acid Sequence）内に上記の正電荷を持つアミノ酸が若干多く含まれるように、鋳型用ＤＮＡ内のヌクレオチド配列の設計を行う。その結果として機能性バイオ物質の材料となる高分子は、水溶液中で正電荷を持つ。

【1357】

そして精製用可変電圧電源１０７４から精製用電圧印加電極１０７０に電圧印加され、蛋白質系の機能性バイオ物質の材料分離（図６７ＡのＳ１２２）が行われる。この状況も電源部２と検出部６の組み合わせでモニタリング（Ｓ１２３）される。

【1358】

上記の実施形態では、機能性バイオ物質の材料となる高分子が水溶液中で正電荷を持つ。しかし上記精製された水溶液中に例えば塩素イオンなどのアニオンを混入させると、成形工程で塩（Salt）を生成して電気的に中性となる。

【1359】

このように精製された水溶液が図６７Ｃの（ａ）の方向に進み、下方向に集められる。またそれ以外の成分を含んだ水溶液は（ｂ）の方向に進んで廃却される。

【1360】

また例えば濾紙などを利用した機能性バイオ物質材料抽出用フィルタ１０８０を利用し、分子サイズの違いを利用して機能性バイオ物質の材料の精製を行う。

【1361】

ここでは蛋白質系の機能性バイオ物質を中心に製造方法の説明をした。しかしそれに限らず、糖質系や脂質系の機能性バイオ物質に関する製造に、図６７Ａの方法を用いても良い。

【1362】

例えばグルコース（Glucose）を重合（Polymerize）させて、食材に利用される澱粉（Starch）を作れる。この澱粉製造工程で、図６７Ａの一部を使用しても良い。

【1363】

以上いくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

【符号の説明】

【1364】

２ 光源部
４、６ 検出部
８ フィードバック部
９ 壁
１０ 対象体
１２ 照射光（第１の光）（Illuminating Light (First Light)）
１６ 検出光（第２の光）（Detection Light (Second Light)）
１８ ビームスプリッタ
２０ ビームスプリッタ
２２ 分光器
２４ モニタカメラ
２５ 対物レンズ
２６ コリメートレンズ
２８－１、２ 検出レンズ
３０ 測定装置
３２ 参照試料用カラム
３４ 測定試料用カラム
３６ 透明硝子容器
３８ 硝子容器の移動方向
４２ 注入口
４４ 注出口
４６ 蓋
４８ ミラー面
５０ タングステン・フィラメント
５２ 光学的な狭帯域バンドパスフィルタ（波長選択フィルタ）
５４ 波長選択された光の電場振幅
５６、５８ 片面に微細な凹凸構造を有する光透過物体
６０ 部分的可干渉性を有する入射光
６２ 部分的可干渉性を有する短波長光
６４ 光学雑音低減化素子または部分的可干渉性低減化素子
(Optical Noise Reduction Element or Partial Coherency Reduction Element)
６６ 微小な光散乱体
６７ タングステン・ハロゲンランプの管球（石英ガラス）
６８ 部分的可干渉性を有する長波長光
７０ 発光源
７２、７４ 光の一部
７６ 光路長変化
７８、７９ 合成光（混合光）
８０ 光検出器
８２ 背面鏡
８４ 前方放出光
８６ 撮像面（検出面）
８８ 後方放出光
９０ 光学特性変更部材
９２ 透過光断面
９４－１～６ 透明な半円平行平板
９５ 切断面
９６ 光透過方向
９７ 切断面の境界線
９８ 集光レンズ
１００、１００－１、２ 光ファイバ
１０１ 複数光路生成用光学特性変更部材
１０２、１０２－１～５ 光合成（混合）部
１０４ 片面がランダムな微細凹凸構造を有する透明平板
１０６ 透過光の波面
１０７ 放射時刻の異なる光
１０８ 合成光の出口
１１０－１、２ 透過光
１１２ 接着層
１１４－１～４ 透明な平行平板
１１６－１～２ 透明な円柱形平行平板
１１８－１～３ 反射防止コート層
１２０ 透過形回折格子
１２２ フレネルプリズム（ブレーズ形ホログラム）
（Fresnel Prism / Blazed Hologram）
１２４、１２６ ブレーズ形回折格子（Blazed Grating）
１２８ ブレーズ形回折格子またはプリズム
１３０ ピンホールまたはスリット
１３２ １次元ラインセンサ
１３４－１、２ コンデンサレンズ
１３６ コリメートレンズ
１４２ コア領域（Core Area）
１４４ クラッド層（Clad Layer）
２００ 対象体内特定領域（光合成（混合）場所）
２０１、２０６ 第１の光路を通過する光
２０２、２０７ 第２の光路を通過する光
２０３、２０８ 第３の光路を通過する光
２１０ 光路変更素子（光学特性変更部材）
２１２ 位相変換素子（光路変更素子／光学特性変更部材）
２１４ 内壁または外壁に位相変換特性(微細な凹凸)を有する管球
２１６ 結象レンズ
２１８ エキスパンドレンズ
２２０ プリズム
２２２ レンチキュラーレンズ
２３０ マイクロ凹レンズ
２４０ 凹レンズまたはシリンドリカル凹レンズ
２５０ 光ガイド（光パイプ）（Light Guide / Light Pipe）
２５２ 光ガイドの前端面（Front-end Boundary of Light Guide / Light Pipe）
２５４－１、－２ 側面（Side Surface）
２５６ 光ガイドの後端面（Back-end Boundary of Light Guide / Light Pipe）
２６０ ε点通過光の光路
２７０ ζ点通過光の光路
２８０ 光の混合領域
２９０－１～－ｎ 指向性を持つ電磁波
２９２－１～－ｎ 電磁波発生源／受信部／受信部
２９４－１、－２ 指向性を持つ混合電磁波
２９６－１～－ｎ マグネトロン電磁波発生源／受信部
２９８－１～－ｎ 導波管形アンテナ
３００ バンドル形光ファイバ群
３０２ 部分的非可干渉光の光源部
３０４ 部分的非可干渉性の反射光に対する信号検出部
３０６ 部分的非可干渉性の反射光に対する波面収差特性検出部
３０８ 対物レンズ
３１０ 照射光と検出光間の光路分離部
３１２ 光分離部
３１４ 部分的非可干渉性の透過光に対する信号検出部
３１６ 部分的非可干渉性の透過光に対する波面収差特性検出部
３１８ 対物レンズ
３２０ 参照光生成部
３２２ 可干渉光の光源部
３２４ 可干渉性の反射光に対する信号検出部
３２６ 可干渉性の反射光に対する波面収差特性検出部
３３２ 光分離部
３３４ 可干渉性の透過光に対する信号検出部
３３６ 可干渉性の透過光に対する波面収差特性検出部
３４０ 光混合部
３４２、３４４、３４６、３４８ 光分割部
３５０ 波面収差補正部
３５２ 照射光の波面収差粗動補正部
３５４ 照射光の波面収差微動補正部
３５６ 透過光の波面収差粗動補正部
３５８ 透過光の波面収差微動補正部
３６０ 直進光
３６２－１、－２ 指向性電磁波発生／受信部
３６４ 電磁波発生／受信部の回転機構
３６６ 電磁波発生／受信部の回転駆動部
３６８ 水蒸気
３７０、３８０ 多重散乱光
３７２ キャタピラ
３７４ 移動用車輪
３７６ 遠赤外線分光器
３７８ 赤外線分光器
３８２ 熱（遠赤外光）
３８４ 太陽電池パネル
３８６ 水源または金属鉱床
３８８ バッテリ
３９０ 後方散乱光
３９２ 地表
３９３ ６アミノ酸周期内での基底状態電子軌道
３９４ 通信制御部
３９６ アンテナ
３９８ 探索装置内制御系
３９９ ６アミノ酸周期内での励起状態電子軌道
４００ フィブロインのアミノ酸配列
４０２－１、２ 高分子化合物
４０４－１、２ 電子雲
４０６－１、２ 官能基
４０８ ポリエチレンの分子構造
４１０ 共通電極部
４１４－１～６ 個別電極部
４１６－１～６ 光反射面
４１８－１～６ 圧電素子
４２０ 光反射面を兼用する共通電極部
４２２ 仕切り板
４２４－１～３ 透明電極部
４２８－１～３ 液晶層
４３０ 光路分割部
４３６ 参照光
４４０、４５０ ３次元透過パターン形成部
４４２、４４４、４４６ ２次元透過像形成層
４５２、４５４、４５６ ２次元透過像形成層
４６０ 光路分離部
４７０ ２次元ＰＳＤ（Position Sensitive Detector）
セルアレイ
４７２－１～４ ＰＳＤ（Position Sensitive Detector）セル
４７４－１～４ ミニレンズ
４７６－１～４ 集光スポット（干渉が無い状態）
４７８－１～４ 集光スポット（干渉が生じる状態）
４８０ 波面（等位相面）
４８２ 参照光の集光スポット位置検出部
４８４ 検出光の集光スポット位置検出部
４８６ 集光スポット間の位置ずれ量算出部
４８８ 局所的な波面の傾き量
４９０ 全体的な波面収差特性算出部
４９２ 偏光ビームスプリッタ
４９４－１～３ λ／４板（１／４位相板）
４９６－１～４ 検光子
４９８－１～３ 無偏光ビームスプリッタ
５００－１～４ 撮像カメラ
６０２ βシート形結晶部
６０４ 非結晶部
６１２ アスパラギン酸＋カチオン
６１６ カルボキシル基
６２０ 低分子化されたフィブロイン改良分子単量体
６２２ ＡＴＰアーゼ活性部
６２４ ＡＤＰ
６２６ ＡＤＰ固定部
６３０、６４０ π電子局在領域（活性領域）
６３２、６３４、６３６、６３８ 蛋白質内主鎖領域
６５０ 従来ＧＦＰ内の発光団領域
７０２ 診断（不具合原因分析）関連処理手順
７０４ 治療（不具合箇所修正）関連処理手順
７０６ 治療（修正）結果の評価・確認関連処理手順
８００ 細胞核内搬送用キャリア
８０６ 遺伝子調節因子
８０８ ゲノム編集モジュール
８１０ ゲノム編集基本部
８１２－１、２ （燐酸化活性）ｍＣａｓ（modified CRISPR-Associated System）
８１４ ヌクレアーゼ領域
８１６－１、２ ｃｒＲＮＡ（CRISPR RNA）
８１７ 複製ＤＮＡの保持用蛋白質
８１８ 複製ＤＮＡ（ベクター）
８１９ ヒストン
８２０ 燐酸化活性特性を持つプロテアーゼの切断場所
８２２ ｍＣａｓ制御酵素Ａ（キナーゼ）
８２４ ｍＣａｓ制御酵素Ｂ（インヒビター／ホスファターゼ）
８２６ 細胞核内信号制御酵素
８２８ 自己燐酸化プロテアーゼ（キナーゼが内蔵されＡＴＰ付加による自己活性作用）８３０ 細胞核膜表面への選択的接合部
８３２ 核ラミナ
８３４ 内外膜間の疎水領域
８３６ キャリア内包部の内膜
８３８ キャリア内包部の外膜
８４０ キャリア外包部の外被
８４２ キャリア内包部の内部
８４６ 選択細胞への接合部
８５０ 核ラミナ識別抗体部（細胞核検出部）
８５２－１～６ 疎水領域
８５４－１、２ 疎水領域
８５６－１～８ 親水領域
８５８－１～６ 親水領域
８６０ αヘリックス構造部
８７０ 膜貫通部
８８０ 核ラミナ
８８８ 細胞核膜
８９０ 細胞核内部
８９４ 内外膜間の疎水領域
８９６ 細胞核膜の内膜
８９８ 細胞核膜の外膜
１０００ 毛母関連細胞（親細胞／元種または娘細胞／種子種）
１００２ 生成された機能性バイオ物質
１００４ 培地
１００６ 撹拌部
１０１０ 容器
１０２０ 光学的状態管理装置（測定装置）
１０３２ 内液
１０３４ 外液
１０３６ 透析容器
１０３８ 撹拌機回転誘導用の外部磁界発生／回転部
１０４０ 繊維状蛋白質
１０５０ 成形用型
１０５４ 成形用窪み
１０６０ 精製用照射光
１０７０ 精製用電圧印加電極
１０７４ 精製用可変電圧電源
１０８０ 機能性バイオ物質材料抽出用フィルタ
１０９０ 精製用容器
１０９６ 遠心分離後の上清液
１１００ａ～ 機能性バイオ物質の最終的な生産場所
１１３０ 中核統括拠点
１１２０ａ～１１２０ｃ 分散流通拠点
１６０２ 改良版βシート形結晶部（単量体ブロック）
１６０４ 結晶部集合（多量体）ブロック
１６０８ 最終成形された構造体
１６１０ 表面コート層
Ａ 部分的可干渉性光の一方側の振幅
ａ 光ファイバのコア半径またはピンホール半径／スリット幅の１／２
Ａｓｐ アスパラギン酸
Ｃ 光速
Ｃｌ－ 塩素イオン
ｄ 物理的な段差量
Ｄ バンドル形光ファイバ群（または１本の光ファイバ）内の光入射領域の幅または光学特性変更部材を経た光の集光面上でのずれ量
Ｆ コリメートレンズ２６／検出レンズ２８－２の焦点距離
Ｇ 特定官能基の重心位置
Ｇｌｎ グルタミン
Ｇｌｙ グリシン
ｋ 波数
Ｌ 光ファイバ全長
ｌ_ＣＬ 可干渉距離（Coherence Length）
Ｍ 結像倍率（ 横倍率 ）または部分的非干渉化対応の光分割数
ｍ 異なる光路の個々サフィックス／添え字記号（光路番号）
Ｎ 測定装置内での異なる光路数（複数の光路に分割する分割数）
ｎ 光が通過する透明媒体内の屈折率
ＮＡ ＮＡ（Numerical Apperture）値
Ｎａ＋ ナトリウムイオン
Ｒ 発光点／散乱点から測定点までの距離
Ｒa 位相変換素子内の平均表面粗さ
ｒ コリメートレンズ２６の瞳面上半径
Ｓｅｒ セリン
ＳＦ 発光源から光ファイバ入射領域までの距離
ＳＬ コンデンサレンズとラインセンサ間距離
Ｔ タングステン・ハロゲンランプの管球厚み
Ｔｒｐ トリプトファン
Ｔｙｒ チロシン
ｔ 時間または平行平板の厚み単位
ｖ ｒ２Ｗ スリット幅またはピンホールの直径
ｚ 光進行方向の距離
α、β タングステン・フィラメント上の発光点、対象体内の特定領域内の散乱点または
対象体内の擬似発光点
γ 測定点あるいはタングステン・フィラメント上の発光点、または対象体内の擬似発光点
ΔＤ 光ファイバ内コア径
Δｔ 時間幅
ΔＹ ラインセンサ上での位置ずれ量
Δλ 選択波長幅（波長範囲）
Δν 周波数幅
δ 光路長差
δmax 光路長差の最大値
ε 光ファイバへの入射光の入射角または結像点
ζ 透明な平行平板通過後の光の進行方向傾き角または結像点
η 光の進行角または切断面の傾き角または結像点
θ 透明な平行平板を構成する両平面間の傾き角または回折角
λ０ 中心波長
ν 振動数
ξ 光ファイバまたは光ガイド（光パイプ）内伝搬光の傾き角
ρ 石英ガラス中での出射角
σ 位相量または合成波の位相量
τ タングステン・ハロゲンランプの管球内光路の機械的距離
χ 回折格子の入射波長に対する回折角係数
ψ 部分的可干渉光間の合成波
Ψ コリメートレンズを通過する部分的可干渉光全体の合成波
＋ 結晶部内の正電荷領域（塩基性残基を持つアミノ酸）
－ 結晶部内の負電荷領域（酸性残基を持つアミノ酸）
ι タングステン・ハロゲンランプの長手方向に沿ったα点とβ点間の距離
κ 光ガイド（光パイプ）の前端面への入射角
μ 光ガイド（光パイプ）側面の傾き角
φ 光ガイド（光パイプ）内部の反射角

【図1A】

【図1B】

【図1C】

【図2A】

【図2B】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8A】

【図8B】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12A】

【図12B】

【図12C】

【図13A】

【図13B】

【図13C】

【図14A】

【図14B】

【図14C】

【図14D】

【図14E】

【図15】

【図16A】

【図16B】

【図17】

【図18】

【図19A】

【図19B】

【図20】

【図21A】

【図21B】

【図21C】

【図22】

【図23A】

【図23B】

【図24A】

【図24B】

【図24C】

【図25】

【図26】

【図27】

【図28】

【図29A】

【図29B】

【図30】

【図31】

【図32A】

【図32B】

【図33】

【図34】

【図35】

【図36】

【図37】

【図38】

【図39A】

【図39B】

【図40A】

【図40B】

【図41】

【図42】

【図43】

【図44】

【図45】

【図46】

【図47】

【図48】

【図49】

【図50A】

【図50B】

【図50C】

【図51】

【図52】

【図53】

【図54】

【図55】

【図56】

【図57】

【図58】

【図59】

【図60】

【図61】

【図62】

【図63】

【図64】

【図65】

【図66】

【図67A】

【図67B】

【図67C】