JP6771676B2 - 光計測装置及び方法、コンピュータプログラム並びに記録媒体 - Google Patents
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Description
実施形態に係る光計測装置は、内部に流体が流れている測定対象に光を照射する光源と、該照射された光の測定対象からの散乱光を受光して、該散乱光の強度に応じた受光信号を出力する受光部と、光源に供給される駆動電流を揺動させる外乱信号を生成する外乱生成部と、受光信号に基づいて生成された信号と外乱信号との比較結果に基づいて駆動電流を調整する調整部と、を備える。
実施形態に係る光計測方法は、内部に流体が流れている測定対象に光を照射する光源と、該照射された光の測定対象からの散乱光を受光して、散乱光の強度に応じた受光信号を出力する受光部と、を備える光計測装置における光計測方法であって、光源に供給される駆動電流を揺動させる外乱信号を生成する工程と、受光信号に基づいて生成された信号と外乱信号との比較結果に基づいて駆動電流を調整する工程と、を備える。
実施形態に係るコンピュータプログラムは、内部に流体が流れている測定対象に光を照射する光源と、該照射された光の測定対象からの散乱光を受光して、散乱光の強度に応じた受光信号を出力する受光部と、を備える光計測装置が備えるコンピュータを、光源に供給される駆動電流を揺動させる外乱信号を生成する外乱生成部と、受光信号に基づいて生成された信号と外乱信号との比較結果に基づいて駆動電流を調整する調整部と、として機能させる。
実施形態に係る記録媒体は、上述した実施形態に係るコンピュータプログラムが記録されている。実施形態に係る記録媒体の一例としての、コンピュータプログラムが記録されたCD−ROM(Compact Disc Read Only Memory)、DVD−ROM(DVD Read Only Memory)等を、光計測装置に搭載されたコンピュータに読み込ませて、記録されたコンピュータプログラムを実行させれば、上述した実施形態に係る光計測装置を比較的容易に実現することができる。この結果、実施形態に係る記録媒体によれば、上述した実施形態に係る光計測装置と同様に、光の特性変化を比較的簡便に抑制することができる。
本発明の光計測装置に係る第1実施例について図1乃至図11を参照して説明する。
第1実施例に係る光計測装置の構成について図1を参照して説明する。図1は、第1実施例に係る光計測装置の構成を示すブロック図である。
ファブリペロー型の半導体レーザは、駆動電流が一定であっても、素子の温度変化により、出射光パワーと発振波長が変動する。具体的には、温度が上昇するとレーザ発振の閾値電流が指数関数的に上昇し、出射光パワーは低下する。また、屈折率の温度依存性等により、縦モードの実効的な共振器長が、温度のわずかな上昇で変化し発振波長が長くなる。温度がさらに上昇すると隣接モードとの利得差が反転し、隣接モードに突然移行する波長飛び、所謂モードホップが生じる。モードホップが生じる温度条件下では、隣接モードとの利得差がなくなり、所謂モード競合が生じる。或いは、複数の発振波長が存在する所謂マルチモード状態となる。
次に、平均周波数fmについて図7を参照して説明を加える。図7は、パワースペクトルの一例を示す図である。
サーミスタ42の検出温度(≒半導体レーザ11の温度)と平均周波数との関係の一例を図8に示す。図8に示すように、サーミスタ42の検出温度が変化すると、半導体レーザ11の発振モードも変化し、シングルモードとマルチモードとを交互に繰り返す。半導体レーザ11の発振モードがシングルモードの場合、流速が変わらなければ平均周波数も変化しない(具体的には、流速が比較的低い場合平均周波数は“f1”であり、流速が比較的高い場合平均周波数は“f2”である)。他方、半導体レーザ11の発振モードがマルチモードの場合、流速が変わらなくとも平均周波数が不規則に変化してしまう。
光計測装置1は、更に、外乱生成部31、同期検出部32、位相補償部33、基準電流部34、減算部35及び加算部36を備えて構成されている(図1参照)。
平均周波数演算部26により演算された平均周波数fmの微小振動は、外乱信号と逆相となる(図10の平均周波数fmの“逆相(区間B)”参照)。従って、同期検出部32の乗算器の出力は負出力となる。このため、検波信号は減少する。
LD温度制御部40(図5参照)による温度制御ループの周波数は1Hz以下の帯域で設計せざるをえない。なぜなら、温度制御ループを構成する部材の熱容量により、サーミスタ42により検出される温度は瞬間的には変化しないからである(即ち、時間応答性が遅いからである)。
当該光計測装置100によれば、半導体レーザ11の発振モードが、被測定対象の内部を流れる血液の流速の計測に不適切なマルチモードになったとしても、上述の駆動電流探索ループにより、発振モードを流速の計測に好適なシングルモードに移行することができる。このため、当該光計測装置100によれば、半導体レーザ11から出射されるレーザ光の特性変化を抑制して、流速を適切に計測することができる。
当該光計測装置100による計測前、或いは製品出荷前の調整として、LD温度制御部40により半導体レーザ11の温度を変更しつつ、規定の速度で流れる規定の散乱流体を光計測装置100で計測して、例えば図8に示すような、サーミスタ42の検出温度と平均周波数との関係が求められてよい。そして、光計測装置100は、該求められた関係に基づいて、半導体レーザ11の発振モードがシングルモードとなるように、LD温度制御部40に係る目標温度の初期値が設定されてよい。
同期検出部32の具体的な構成は、図9に示す構成に限らず、例えば図12に示す構成であってもよい。
本発明の光計測装置に係る第2実施例について図14を参照して説明する。第2実施例では、構成の一部が異なる以外は、上述した第1実施例と同様である。よって、第2実施例について、第1実施例と重複する説明を省略するとともに、図面上における共通箇所には同一符号を付して示し、基本的に異なる点について、図14を参照して説明する。
図14において、光計測装置200は、LPF増幅器51、戻り光量判定器52、ゲイン選択部53、ホールド部54、BPF55、規定時間生成部56、バックモニタPD(Photo Detector)61、I−V変換部62及び出射光判定器63を備えて構成されている。
1.流体が散乱体を含まない場合
測定対象の内部に流れる流体が散乱体を含まない又は殆ど含まない場合、光ビート信号が得られないので、流体の流量に応じた平均周波数fmは得られない。このとき、駆動電流探索ループがONされると、半導体レーザ11の発振モードがシングルモードであるかマルチモードであるかにかかわらず、平均周波数fmが変化することとなる。この結果、LD電流指令が一方的に増加又は減少するという現象が起こる可能性がある。つまり、駆動電流が一方的に増加又は減少するという現象が起こる可能性がある。
例えば図11(a)における時刻t0の駆動電流“i2−Δi”が、整定状態の駆動電流“i2”から比較的大きく乖離している場合、整定状態に至るまでに要する時間が比較的長くなる。
受光素子21に加えて、戻り光量判定器52に入力されるDC信号を生成するための受光素子が設けられてもよい。該受光素子は、検出面積が比較的大きいことが望ましい。このように構成すれば、該受光素子から出力される検出電流が増加し、DC信号のSN比を向上させることができる。
Claims (12)
- 内部に流体が流れている測定対象に光を照射する光源と、
前記照射された光の前記測定対象からの散乱光を受光して、前記散乱光の強度に応じた受光信号を出力する受光部と、
前記光源に供給される駆動電流を揺動させる外乱信号を生成する外乱生成部と、
前記受光信号に基づいて生成された信号と前記外乱信号との比較結果に基づいて前記駆動電流を調整する調整部と、
を備えることを特徴とする光計測装置。 - 前記受光信号に基づいて生成された信号は、前記受光信号に含まれる、前記照射された光のドップラーシフトに起因するビート信号に周波数解析が施されることにより得られる周波数情報を示す信号であることを特徴とする請求項1に記載の光計測装置。
- 前記周波数情報を示す信号は、前記外乱信号に係る周波数を含む所定周波数帯域の周波数成分を選択的に通過させるフィルタに通された後に、前記外乱信号と比較されることを特徴とする請求項2に記載の光計測装置。
- 前記流体はポンプにより移送されており、
前記外乱信号に係る周波数は、前記ポンプに起因する前記流体の脈動周波数よりも高い
ことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項に記載の光計測装置。 - 前記光源は半導体レーザであり、
前記調整部は、前記半導体レーザがシングルモードで発振するように、前記比較結果に基づいて前記駆動電流を調整する
ことを特徴とする請求項1乃至4のいずれか一項に記載の光計測装置。 - 前記光源の温度を制御する温度制御部と、
前記測定対象の測定に先立ち、(i)前記光源の温度を変化させるように前記温度制御部を制御しつつ、前記光源の温度と前記光源から出射される光の干渉性との関係を取得し、(ii)前記取得された関係に基づいて、前記温度制御部に係る目標温度を設定する温度設定部と、
を備えることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか一項に記載の光計測装置。 - 前記受光信号に基づいて前記流体が散乱体を含むか否かを判定する第1判定手段と、
前記判定手段による判定結果に基づいて、前記光源から出射される光のパワーを制御する第1光源制御部と、
を備えることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか一項に記載の光計測装置。 - 前記光源から出射された光のパワーを検出する光量モニタ部と、
前記検出されたパワーが所定範囲内であるか否かを判定する第2判定手段と、
前記第2判定手段による判定結果に基づいて、前記光源から出射される光のパワーを制御する第2光源制御部と、
を備えることを特徴とする請求項1乃至7のいずれか一項に記載の光計測装置。 - 前記外乱生成部により生成された外乱信号の振幅量を変更するゲイン選択部を備えることを特徴とする請求項1乃至8のいずれか一項に記載の光計測装置。
- 内部に流体が流れている測定対象に光を照射する光源と、前記照射された光の前記測定対象からの散乱光を受光して、前記散乱光の強度に応じた受光信号を出力する受光部と、を備える光計測装置における光計測方法であって、
前記光源に供給される駆動電流を揺動させる外乱信号を生成する工程と、
前記受光信号に基づいて生成された信号と前記外乱信号との比較結果に基づいて前記駆動電流を調整する工程と、
を備えることを特徴とする光計測方法。 - 内部に流体が流れている測定対象に光を照射する光源と、前記照射された光の前記測定対象からの散乱光を受光して、前記散乱光の強度に応じた受光信号を出力する受光部と、を備える光計測装置が備えるコンピュータを、
前記光源に供給される駆動電流を揺動させる外乱信号を生成する外乱生成部と、
前記受光信号に基づいて生成された信号と前記外乱信号との比較結果に基づいて前記駆動電流を調整する調整部と、
として機能させることを特徴とするコンピュータプログラム。 - 請求項11に記載のコンピュータプログラムが記録されていることを特徴とする記録媒体。
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