DE69433106T2 - Photodetektorvorrichtung für ein streuendes Medium mit Phasendetektion - Google Patents

Photodetektorvorrichtung für ein streuendes Medium mit Phasendetektion Download PDF

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Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Photodetektiergerät, das beim Messen interner Informationen in bezug auf Licht in einem Streu- und Absorptionsmedium einsetzbar ist.
  • Stand der Technik
  • Techniken zur nichtinvasiven Messung eines Absorptionskoeffizienten oder eines Transportstreukoeffizienten in einem Streu- und Absorptionsmedium durch Bestrahlen des Streu- und Absorptionsmediums in der Art eines lebenden Körpers mit Licht in der Art gepulsten Lichts oder kontinuierlichen Lichts und durch Detektieren des während der Ausbreitung im Streu- und Absorptionsmedium diffundierten Lichts, das danach daraus austritt, haben Aufmerksamkeit erregt. Insbesondere ist unter diesen Techniken ein Verfahren zum Erhalten interner Informationen im Streu- und Absorptionsmedium durch Verwenden gepulsten Lichts oder intensitätsmodulierten Lichts als Bestrahlungslicht, Messen einer Zeitdifferenz oder einer Phasendifferenz zwischen dem Bestrahlungslicht und aus dem Streu- und Absorptionsmedium austretendem Licht, nachdem das Bestrahlungslicht während der Ausbreitung darin gestreut wurde, und Erhalten der internen Informationen im Streu- und Absorptionsmedium anhand der Information der Phasendifferenz am wirksamsten.
  • Ein Gerät, bei dem dieses Verfahren verwendet wird, ist beispielsweise in US-A-4 972 331 von b. Chance "PHASE MODULATION SPECTROPHOTOMETRY" offenbart. Dieses Gerät bestrahlt ein Streu- und Absorptionsmedium in der Art eines lebenden Körpers mit moduliertem Licht, das sich durch Modulieren der Intensität von Licht mit einer Anzahl vorbestimmter Wellenlängen durch eine vorbestimmte Modulationsfrequenz ergibt, wobei das daraus austretende Licht mit einem Photoelektronenvervielfacher-Rohr (PMT) detektiert wird, wodurch eine Phasendifferenz zwischen einer Phase einer Wechselspannungskomponente mit einer Modulationsfrequenz des modulierten Lichts bei der Bestrahlung und einer Phase einer Wechselspannungskomponente mit einer Modulationsfrequenz des detektierten Lichts bei der Detektion gemessen wird.
  • Es wird bei der vorstehend beschriebenen Photodetektion davon ausgegangen, daß das Signal-Rausch-Verhältnis des optisch detektierten Signals proportional zur Wurzel aus der Anzahl der detektierten Photonen ist. Dementsprechend muß beim vorstehend beschriebenen Gerät Licht mit einer Wellenlänge, bei der die Anzahl der zu detektierenden Photonen am kleinsten wird, also Licht mit einer Wellenlänge, bei der die Intensität des austretenden Lichts bei Bestrahlung mit der gleichen Lichtintensität am kleinsten wird, oder moduliertes Licht mit einer Intensität, bei der für beliebige Arten von Streumedien ein ausreichendes Signal-Rausch-Verhältnis erhalten werden kann, ein zu messendes Objekt bestrahlen. Bei dieser Strahlung kann ein Verfahren zum Einstellen einer Verstärkung des Photodetektiergeräts, so daß das optisch detektierte Signal verstärkt wird, um später leicht verarbeitet werden zu können, erwogen werden; in der Photodetektiereinheit ist die Zeit zwischen einer Eingabe von Licht und einer Ausgabe eines optisch detektierten Signals jedoch von der Verstärkung abhängig. Beispielsweise wird die Verstärkung des Photoelektronenvervielfacher-Rohrs durch Ändern einer angelegten Spannung eingestellt, die Änderung der angelegten Spannung bedeutet jedoch eine Änderung der Beschleunigungsspannung, wodurch die Zeit zwischen der Eingabe von Licht und der Ausgabe des optisch detektierten Signals geändert wird. Weiterhin wird die Verstärkung einer Lawinen-Photodiode (APD) durch Ändern einer Vorspannung eingestellt, die Zeit zwischen der Lichteingabe und der Ausgabe des optisch detektierten Signals ändert sich jedoch wegen der Änderung der Vorspannung. 1 ist eine Graphik, in der eine Beziehung zwischen einer Vorspannung und einer Phase bei einer Modulationsfrequenz dargestellt ist, wenn eine auf dem Markt erhältliche Lawinen-Photodiode verwendet wird und moduliertes Licht, dessen Intensität mit einer Frequenz von 40 MHz moduliert ist, die Lawinen-Photodiode bestrahlt. Wie in der Graphik dargestellt ist, ist die Phasendifferenz im Maximum, abhängig von der Vorspannung, höher als 60°.
  • Daher muß zur stabilen Messung der Zeitdifferenz oder der Phasendifferenz vor der Messung eine Funktion der Verstärkung der Photodetektiereinheit und der Zeit zwischen der Lichteingabe und der Ausgabe des optisch detektierten Signals genau gemessen werden und die Zeitdifferenz oder Phasendifferenz für jede Verstärkung bei Messungen kompensiert werden.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Photodetektiergerät bereitzustellen, das eine Phasendifferenz zwischen einem optischen Signal, dessen Intensität moduliert ist und das ein Streu- und Absorptionsmedium bestrahlt, und einem aus dem Streu- und Absorptionsmedium austretenden optischen Signal leicht und genau messen kann.
  • Ein Photodetektiergerät gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gewährleistet ein Signal-Rausch-Verhältnis eines optisch detektierten Signals durch Aufrechterhalten der Anzahl der auf eine Photodetektiereinheit fallenden Photonen und führt den Photodetektiervorgang bei festgelegter Verstärkung der Photodetektiereinheit aus.
  • Daher ist gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Photodetektiergerät mit einer intensitätsabstimmbaren Lichteinstrahlvorrichtung zum Erzeugen von Licht, um ein Streu- und Absorptionsmedium zu bestrahlen, wobei die Intensität des Lichts durch ein moduliertes Signal mit einer vorbestimmten Wechselstromfrequenz moduliert ist und die Intensität des erzeugten Lichts gemäß einer externen Anweisung justierbar ist, einer Photodetektiervorrichtung zum Detektieren des erzeugten Lichts, nachdem es von dem Medium abgegeben wird, als ein optisches Signal, und zum Konvertieren des optischen Signals in ein elektrisches Signal entsprechend der Intensität des von der Photodetektiervorrichtung detektierten optischen Signals, und einer Verarbeitungsvorrichtung zum Empfangen des modulierten und des elektrischen Signals und zum Erhalten entweder einer Zeit- oder einer Phasendifferenz zwischen dem modulierten Signal und dem elektrischen Signal vorgesehen, wobei eine Rückkopplungsvorrichtung zum Empfangen des elektrischen Signals, zum Senden eines Anweisungssignals an die Einstrahlvorrichtung, um die Intensität des erzeugten Lichts zu erhöhen, wenn die Intensität des von der Photodetektiervorrichtung detektierten optischen Signals kleiner ist als ein vorgegebener Wert, und zum Senden eines Anweisungssignals an die Einstrahlvorrichtung, um die Intensität des erzeugten Lichts zu erniedrigen, wenn die Intensität des von der Photodetektiervorrichtung detektierten optischen Signals größer ist als der vorgegebene Wert, vorgesehen ist.
  • Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Photodetektierverfahren vorgesehen, welches folgende Schritte aufweist: Erzeugen von Licht, um ein Streu- und Absorptionsmedium zu bestrahlen, wobei eine Intensität des Lichts durch ein moduliertes Signal mit einer vorgegebenen Wechselstromfrequenz moduliert ist, und die Intensität des erzeugten Lichts gemäß einer externen Anweisung justierbar ist, Detektieren des erzeugten Lichts, nachdem es von dem Medium abgegeben wird, und Konvertieren des optischen Signals in ein elektrisches Signal entsprechend der Intensität des detektierten optischen Signals, Empfangen des modulierten und des elektrischen Signals und Erhalten entweder einer Zeit- oder einer Phasendifferenz zwischen dem modulierten und dem elektrischen Signal, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Empfangen des elektrischen Signals, Senden eines Anweisungssignals, um die Intensität des erzeugten Lichts zu erhöhen, wenn die Intensität des detektierten optischen Signals kleiner als ein vorbestimmter Wert ist, und Senden eines Anweisungssignals, um die Intensität des erzeugten Lichts zu verringern, wenn die Intensität des detektierten optischen Signals größer als der vorgegebene Wert ist.
  • Eine erste Ausführungsform des Photodetektiergeräts gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt (a) eine intensitätsabstimmbare Lichteinstrahleinrichtung zum Erzeugen von Licht, um ein Streu- und Absorptionsmedium zu bestrahlen, wobei die Intensität des Lichts durch ein Modulationssignal mit einer Wechselspannungskomponente mit einer vorbestimmten Frequenz moduliert ist, wobei der Modulationsbetrag des erzeugten Lichts oder die erzeugte Lichtmenge gemäß einer externen Anweisung einstellbar ist, (b) eine Photodetektiereinrichtung zum Detektieren eines optischen Signals mit einer die vorbestimmte Frequenz aufweisenden Komponente, das aus dem Streu- und Absorptionsmedium austritt, nachdem das optische Signal von der intensitätsabstimmbaren Lichteinstrahleinrichtung erzeugt wurde, das Streu- und Absorptionsmedium bestrahlt und sich im Streu- und Absorptionsmedium ausbreitet, (c) eine Rückkopplungseinrichtung zum Empfangen eines optisch detektierten Signals entsprechend der Intensität des von der Photodetektiereinrichtung ausgesendeten optischen Signals, zum Senden einer Anweisung zur intensitätsabstimmbaren Lichteinstrahleinrichtung, die erzeugte Lichtmenge zu erhöhen oder den Modulationsbetrag des erzeugten Lichts zu erhöhen, wenn die Intensität einer Wechselspannungskomponente des von der Photodetektiereinrichtung detektierten optisch detektierten Signals kleiner als ein vorbestimmter Wert ist, und zum Senden einer Anweisung zur intensitätsabstimmbaren Lichteinstrahleinrichtung, die erzeugte Lichtmenge zu verringern oder den Modulationsbetrag des erzeugten Lichts zu verringern, wenn die Intensität der Wechselspannungskomponente des von der Photodetektiereinrichtung detektierten optisch detektierten Signals größer als der vorbestimmte Wert ist, und (d) eine Verarbeitungseinrichtung zum Empfangen des Modulationssignals und des optisch detektierten Signals und zum Erhalten von einer Zeitdifferenz zwischen dem Modulationssignal und dem optisch detektierten Signal oder einer Phasendifferenz zwischen dem Modulationssignal und dem optisch detektierten Signal.
  • Eine zweite Ausführungsform des Photodetektiergeräts gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt (a) eine intensitätsabstimmbare Lichteinstrahleinrichtung zum Erzeugen einer ersten Anzahl von Lichtstrahlen, die jeweils eine andere vorbestimmte Wellenlänge aufweisen, zum Bestrahlen eines Streu- und Absorptionsmediums, wobei die Intensität von jedem der Lichtstrahlen durch ein Modulationssignal mit einer Wechselspannungskomponente mit einer vorbestimmten Frequenz moduliert wird, wobei der Modulationsbetrag des erzeugten Lichts oder die erzeugte Lichtmenge gemäß einer externen Anweisung einstellbar ist, (b) eine Lichtverzweigungseinrichtung zum Empfangen optischer Signale, die jeweils die vorbestimmte Frequenzkomponente aufweisen und die aus dem Streu- und Absorptionsmedium austreten, nachdem die optischen Signale von der intensitätsabstimmbaren Lichteinstrahleinrichtung erzeugt wurden, das Streu- und Absorptionsmedium bestrahlen und sich im Streu- und Absorptionsmedium ausbreiten, und zum Verzweigen der optischen Signale in die erste Anzahl von Lichtstrahlen, die jeweils die vorbestimmte Wellenlänge aufweisen, (c) eine Photodetektiereinrichtung mit der ersten Anzahl von Photodetektiereinheiten, die für jeden der Lichtstrahlen mit der vorbestimmten Wellenlänge angeordnet sind, um von der Lichtverzweigungseinrichtung ausgesendetes Licht zu detektieren, (d) eine Rückkopplungseinrichtung zum Empfangen eines optisch detektierten Signals für jede der vorbestimmten Wellenlängen entsprechend der Intensität des optischen Signals für jede der von der Photodetektiereinrichtung ausgesendeten vorbestimmten Wellenlängen, zum Senden einer Anweisung zur intensitäts abstimmbaren Lichteinstrahleinrichtung, die erzeugte Lichtmenge mit der jeweiligen Wellenlänge zu erhöhen oder den Modulationsbetrag des erzeugten Lichts mit der jeweiligen Wellenlänge zu erhöhen, wenn die Intensität einer Wechselspannungskomponente des von der Photodetektiereinrichtung detektierten optisch detektierten Signals kleiner als ein vorbestimmter Wert ist, und zum Senden einer Anweisung zur intensitätsabstimmbaren Lichteinstrahleinrichtung, die erzeugte Lichtmenge mit der jeweiligen Wellenlänge zu verringern oder den Modulationsbetrag des erzeugten Lichts mit der jeweiligen Wellenlänge zu verringern, wenn die Intensität der Wechselspannungskomponente des von der Photodetektiereinrichtung detektierten optisch detektierten Signals größer als der vorbestimmte Wert ist, und (e) eine Verarbeitungseinrichtung zum Empfangen des Modulationssignals und der optisch detektierten Signale und zum Erhalten von einer Zeitdifferenz zwischen dem Modulationssignal und dem optisch detektierten Signal oder einer Phasendifferenz zwischen dem Modulationssignal und dem optisch detektierten Signal für jede vorbestimmte Wellenlänge.
  • Die abstimmbare Lichteinstrahleinrichtung kann gepulstes Licht erzeugen.
  • Die intensitätsabstimmbare Lichteinstrahleinrichtung kann umfassen: (1) eine Modulationssignal-Erzeugungseinheit zum Erzeugen des Modulationssignals, dem die Wechselspannungskomponente mit der vorbestimmten Frequenz überlagert wird, (2) eine Lichtquelleneinrichtung zum Empfangen des Modulationssignals und zum Erzeugen von Licht, dessen Intensität mit der vorbestimmten Frequenz moduliert ist, und (3) eine Lichtdurchlässigkeits-Änderungseinheit zum Ändern der Lichtdurchlässigkeit gemäß einem von der Rückkopplungseinrichtung gesendeten Signal zur Angabe der Bestrahlungslichtmenge. Alternativ kann die intensitätsabstimmbare Lichteinstrahleinrichtung umfassen: (1) eine Modulationssignal-Erzeugungseinheit zum Erzeugen des Modulationssignals, dem die Wechselspannungskomponente mit der vorbestimmten Frequenz überlagert wird und dessen Amplitude einem von der Rückkopplungseinrichtung gesendeten Signal zur Angabe der Bestrahlungslichtmenge entspricht, und (2) eine Lichtquelleneinrichtung zum Empfangen des Modulationssignals und zum Erzeugen von Licht, dessen Intensität mit der vorbestimmten Frequenz moduliert ist.
  • Die Lichtquelleneinrichtung kann eine Lichtaussendeeinheit zum Erzeugen von Licht mit einer veränderlichen Wellenlänge aufweisen. Alternativ kann die Lichtquelleneinrichtung umfassen: (1) mehrere Lichtaussendeeinheiten, die jeweils Licht mit einer anderen Wellenlänge erzeugen, und (2) eine Lichtauswahleinheit zum Auswählen und Entnehmen von einem der von den mehreren Lichtaussendeeinheiten erzeugten Lichtstrahlen.
  • Die Verarbeitungseinrichtung kann umfassen: (1) eine Referenzsignalerzeugungseinheit zum Erzeugen eines Referenzsignals mit einer von der vorgegebenen Wechselstromfrequenz verschiedenen Referenzfrequenz, (2) einen ersten Signalwandler zum Empfangen des Referenzsignals und des modulierten Signals, zum Berechnen eines Produkts beider Signale, und danach zum Erzeugen eines Signals mit einem Frequenzunterschied zwischen der Referenzfrequenz und der vorgegebenen Wechselstromfrequenz, das eine Phaseninformation des modulierten Signals gegenüber dem Referenzsignal aufweist, (3) einen zweiten Signalwandler zum Empfangen des Referenzsignals und des optisch detektierten Signals, zum Berechnen eines Produkts beider Signale, und danach zum Erzeugen eines Signals mit einem Frequenzunterschied zwischen der Referenzfrequenz und der vorgegebenen Wechselstromfrequenz, das eine Phaseninformation des modulierten Signals gegenüber dem Referenzsignal umfaßt, wobei die Verarbeitungseinrichtung auf der Grundlage einer Wellenform des Ausgangssignals des ersten Signalwandlers und einer Wellenform des Ausgangssignals des zweiten Signalwandlers die Zeitdifferenz zwischen dem Modulationssignal und dem optisch detektierten Signal oder die Phasendifferenz zwischen dem Modulationssignal und dem optisch detektierten Signal erhält.
  • Gemäß der ersten Ausführungsform des Photodetektiergeräts gemäß der vorliegenden Erfindung wird vor der Messung die Verstärkung der Photodetektiereinrichtung bestimmt. Daraufhin wird bei dieser Verstärkung die Zeit zwischen dem Lichteinfall und der Ausgabe des optisch detektierten Signals in der Photodetektiereinrichtung gemessen und in der Verarbeitungseinrichtung gespeichert. Gleichzeitig wird ein Einstellwert für die Intensität der Wechselspannungskomponente des optisch detektierten Signals bestimmt und in der Rückkopplungseinrichtung festgelegt. Nach dieser Vorbereitung wird der Photodetektiervorgang zum Erhalten der Zeitdifferenz oder der Phasendifferenz eingeleitet.
  • Zuerst bestrahlt Licht, dessen Intensität durch ein Modulationssignal mit einer Wechselspannungskomponente mit einer vorbestimmten Frequenz, das von der intensitätsabstimmbaren Lichteinstrahleinrichtung stammt, zu der anfänglichen Intensität moduliert ist, das Streu- und Absorptionsmedium, das ein zu messendes Objekt ist. Die Wechselspannungskomponente des Modulationssignals wird auch der Verarbeitungseinrichtung zugeführt. Das auf das Streu- und Absorptionsmedium fallende modulierte Licht breitet sich im Streu- und Absorptionsmedium aus, tritt aus diesem aus und fällt auf die Photodetektiereinrichtung. Die Photodetektiereinrichtung wandelt das einfallende Licht, entsprechend der Intensität des einfallenden Lichts, in ein elektrisches Signal um (ein Spannungssignal oder ein Stromsignal) und gibt das elektrische Signal danach als ein optisch detektiertes Signal aus. Das von der Photodetektiereinrichtung ausgegebene optisch detektierte Signal wird zur Rückkopplungseinrichtung und zur Verarbeitungseinrichtung gesendet.
  • Die Rückkopplungseinrichtung entnimmt die Wechselspannungskomponente aus dem eingegebenen optisch detektierten Signal. Falls die Intensität des elektrischen Wechselspannungssignals kleiner ist als der Einstellwert, sendet die Rückkopplungseinrichtung eine Anweisung zur intensitätsabstimmbaren Lichteinstrahleinrichtung, die erzeugte Lichtmenge zu erhöhen, und falls die Intensität des elektrischen Wechselspannungssignals größer ist als der Einstellwert, sendet sie eine Anweisung zur intensitätsabstimmbaren Lichteinstrahleinrichtung, die erzeugte Lichtmenge zu verringern. Die Intensität des aus der intensitätsabstimmbaren Lichteinstrahleinrichtung austretenden Lichts wird mit Operationen in der Rückkopplungsschleife aus der intensitätsabstimmbaren Lichteinstrahleinrichtung, der Photodetektiereinrichtung, der Rückkopplungseinrichtung und wieder der intensitätsabstimmbaren Lichteinstrahleinrichtung gesteuert. Wenn dann die Verstärkung der Photodetektiereinrichtung festgelegt ist, wird die Intensität der Wechselspannungskomponente mit einer Modulationsfrequenz, die von der Photodetektiereinrichtung ausgesendet wird, so aufrechterhalten, daß sie im wesentlichen mit dem vorgegebenen Einstellwert übereinstimmt.
  • Nachdem die Intensität der Wechselspannungskomponente des von der Photodetektiereinrichtung ausgesendeten optisch detektierten Signals im wesentlichen mit dem Einstellwert übereinstimmt, verarbeitet die Verarbeitungseinrichtung die Wechselspannungskomponente des Modulationssignals und die Wechselspannungskomponente des optisch detektierten Signals, um die Zeitdifferenz zwischen dem Modulationssignal und dem optisch detektierten Signal oder die Phasendifferenz zwischen dem Modulationssignal und dem optisch detektierten Signal zu erhalten. Falls in der Verarbeitungseinrichtung das Produkt des Oszillationssignals mit der Referenzfrequenz und dem Modulationssignal und das Produkt aus dem Oszillationssignal und dem optisch detektierten Signal berechnet werden und das Signal eine Differenz zwischen der Frequenz des Modulationssignals und der Frequenz des optisch detektierten Signals aufweist und das Signal mit einer Differenz zwischen der Frequenz des optisch detektierten Signals und der Referenzfrequenz verarbeitet werden, wird die Betriebs frequenz verringert, so daß eine sehr genaue Messung leicht möglich ist.
  • Gemäß der zweiten Ausführungsform des Photodetektiergeräts gemäß der vorliegenden Erfindung wird ebenso wie beim ersten Photodetektiergerät gemäß der vorliegenden Erfindung vor der Messung die Verstärkung der für jede vorbestimmte Wellenlänge in der Photodetektiereinrichtung angeordneten Photodetektiereinheiten bestimmt und bei dieser Verstärkung die Zeit zwischen dem Lichteinfall und der Ausgabe des optisch detektierten Signals in der Photodetektiereinrichtung für jede vorbestimmte Wellenlänge gemessen und in der Verarbeitungseinrichtung gespeichert. Gleichzeitig wird ein Einstellwert für die Intensität der Wechselspannungskomponente des optisch detektierten Signals bestimmt und in der Rückkopplungseinrichtung gespeichert. Nach dieser Vorbereitung wird der Photodetektiervorgang zum Erhalten der Zeitdifferenz oder der Phasendifferenz eingeleitet.
  • Zuerst bestrahlen Lichtstrahlen, deren Intensität durch ein jeweiliges Modulationssignal mit einer Wechselspannungskomponente mit einer jeweiligen vorbestimmten Frequenz zur anfänglichen Intensität moduliert ist, welche von der intensitätsabstimmbaren Lichteinstrahleinrichtung stammt, das Streu- und Absorptionsmedium, das ein zu messendes Objekt ist. Die Wechselspannungskomponente des Modulationssignals für jede Wellenlänge wird auch der Verarbeitungseinrichtung zugeführt. Die modulierten Lichtstrahlen fallen auf das Streu- und Absorptionsmedium, breiten sich im Streu- und Absorptionsmedium aus, treten aus diesem aus und fallen auf die Lichtverzweigungseinrichtung. Die Lichtverzweigungseinrichtung verzweigt einfallende Lichtstrahlen in Lichtstrahlen, die jeweils eine jeweilige vorbestimmte Wellenlänge aufweisen, und gibt die Lichtstrahlen aus. Die Photodetektiereinrichtung wandelt die Lichtstrahlen entsprechend der Intensität des einfallenden Lichts für jede Wellenlänge in elektrische Signale (Spannungssignale oder Stromsignale) um und gibt die elektrischen Signale danach als ein optisch detektiertes Signal für jede Wellenlänge aus. Das von der Photodetektiereinrichtung ausgegebene optisch detektierte Signal wird für jedes vorbestimmte Signal zur Rückkopplungseinrichtung und zur Verarbeitungseinrichtung gesendet.
  • Die Rückkopplungseinrichtung entnimmt die Wechselspannungskomponente aus dem optisch detektierten Eingangssignal für jede vorbestimmte Wellenlänge. Falls die Intensität des elektrischen Wechselspannungssignals für jede vorbestimmte Wellenlänge kleiner als der jeweilige Einstellwert ist, sendet die Rückkopplungseinrichtung eine Anweisung zur intensitätsabstimmbaren Lichteinstrahleinrichtung, die Menge des erzeugten Lichts mit der jeweiligen vorbestimmten Wellenlänge zu erhöhen, und falls die Intensität des elektrischen Wechselspannungssignals größer als der jeweilige Einstellwert ist, sendet sie eine Anweisung zur intensitätsabstimmbaren Lichteinstrahleinrichtung, die Menge des erzeugten Lichts mit der jeweiligen vorbestimmten Wellenlänge zu verringern. Für jede vorbestimmte Wellenlänge wird die Intensität des ausgegebenen Lichts von der intensitätsabstimmbaren Lichteinstrahleinrichtung mit Operationen in der Rückkopplungsschleife aus der intensitätsabstimmbaren Lichteinstrahleinxichtung, der Photodetektiereinrichtung, der Rückkopplungseinrichtung und wieder der intensitätsabstimmbaren Lichteinstrahleinrichtung gesteuert. Wenn dann die Verstärkung der Photodetektiereinrichtung für jede vorbestimmte Wellenlänge festgelegt ist, wird für jede vorbestimmte Wellenlänge die Intensität der Wechselspannungskomponente mit einer Modulationsfrequenz, die von der Photodetektiereinrichtung ausgesendet wird, aufrechterhalten, so daß sie im wesentlichen mit dem vorgegebenen Einstellwert übereinstimmt.
  • Nachdem die Intensität der Wechselspannungskomponente des von der Photodetektiereinrichtung emittierten optisch detektierten Signals für jede vorbestimmte Wellenlänge im wesentlichen mit dem Einstellwert übereinstimmt, verarbeitet die Verarbeitungseinrichtung für jede vorbestimmte Wellenlänge die Wechselspannungskomponente des Modulationssignals und die Wechselspannungskomponente des optisch detektierten Signals, um die Zeitdifferenz zwischen dem Modulationssignal und dem optisch detektierten Signal oder die Phasendifferenz zwischen dem Modulationssignal und dem optisch detektierten Signal für alle vorbestimmten Wellenlängen gleichzeitig zu erhalten. Falls in der Verarbeitungseinrichtung das Produkt aus dem Oszillationssignal mit der Referenzfrequenz und dem Modulationssignal und das Produkt aus dem Oszillationssignal und dem optisch detektierten Signal für jede Wellenlänge berechnet werden und das Signal mit einer Differenz. zwischen der Frequenz des Modulationssignals und der Referenzfrequenz und das Signal mit einer Differenz zwischen der Frequenz des optisch detektierten Signals und der Referenzfrequenz verarbeitet werden, wird die Betriebsfrequenz verringert, so daß eine sehr genaue Messung leicht möglich ist.
  • Die vorliegende Erfindung wird anhand der nachstehenden detaillierten Beschreibung und der anliegenden Zeichnung, die nur der Veranschaulichung dienen und die vorliegende Erfindung nicht einschränken sollen, besser verständlich werden.
  • Der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung wird beim Lesen der nachstehenden detaillierten Beschreibung besser verständlich werden. Es ist jedoch zu verstehen, daß die detaillierte Beschreibung und spezifische Beispiele, wenngleich sie bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung angeben, nur der Erläuterung dienen, weil verschiedene Änderungen und Modifikationen, die innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung liegen, Fachleuten beim Lesen dieser detaillierten Beschreibung verständlich werden.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
  • 1 ist eine Graphik von Meßergebnissen einer Verzögerungseigenschaft einer Lawinen-Photodiode.
  • 2 ist ein Blockdiagramm eines Photodetektiergeräts gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 3 ist ein Schaltplan eines Stromaddierers.
  • Die 4–6 sind Ansichten der Konfiguration einer Lichtintensitäts-Steuereinheit.
  • 7 ist ein Schaltplan einer Rückkopplungseinheit.
  • 8 ist ein Blockdiagramm eines Photodetektiergeräts gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 9 ist ein Blockdiagramm eines Photodetektiergeräts gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 10 ist ein Blockdiagramm eines Photodetektiergeräts gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 11 ist ein Blockdiagramm eines Photodetektiergeräts gemäß der fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 12 ist ein Blockdiagramm eines Photodetektiergeräts gemäß der sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 13 ist ein Blockdiagramm eines Photodetektiergeräts gemäß der siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 14 ist ein Blockdiagramm eines Photodetektiergeräts gemäß der achten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Die Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung werden mit Bezug auf die anliegende Zeichnung beschrieben. In der Beschreibung der Zeichnung sind die gleichen Bestandteile mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet, und es wird auf die wiederholte Beschreibung derselben Bestandteile verzichtet.
  • (Erste Ausführungsform)
  • 2 ist ein Blockdiagramm eines Photodetektiergeräts gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • Wie in 2 dargestellt ist, umfaßt das Photodetektiergerät gemäß der vorliegenden Ausführungsform (a) eine intensitätsabstimmbare Lichteinstrahleinheit 100 zum Erzeugen von Licht, dessen Intensität durch ein Modulationssignal mit einer Wechselspannungskomponente mit einer vorbestimmten Frequenz moduliert wird und das ein Streu- und Absorptionsmedium 900 bestrahlt, wobei die erzeugte Lichtmenge durch eine externe Anweisung einstellbar ist, (b) eine Photodetektiereinheit 300 mit einer Lawinen-Photodiode zum Detektieren eines optischen Signals mit einer vorbestimmten Frequenz, das von dem Streu- und Absorptionsmedium 900 ausgeht, nachdem das optische Signal von der intensitätsabstimmbaren Lichteinstrahleinheit 100 erzeugt wurde, das Streu- und Absorptionsmedium 900 bestrahlt und sich darin ausbreitet, (c) eine Rückkoppeleinheit mit einer Rückkopplungs-Recheneinheit 400 zum Empfangen eines optisch detektierten Signals entsprechend einer Intensität eines von der Photodetektiereinheit 300 emittierten optischen Signals, zum Senden einer Anweisung an die intensitätsabstimmbare Lichteinstrahleinheit 100, die erzeugte Lichtmenge zu erhöhen, wenn die Intensität der Wechselspannungskomponente des von der Photodetektiereinheit 300 detektierten optischen Signals kleiner als ein vorbestimmter Wert ist, und zum Senden einer Anweisung zur intensitätsabstimmbaren Lichteinstrahleinheit 100, die erzeugte Lichtmenge zu verringern, wenn die Intensität des von der Photodetektiereinheit 300 detektierten optischen Signals größer als ein vorbestimmter Wert ist, und (d) eine Verarbeitungsvorrichtung 500 zum Empfangen des Modulationssignals und des optisch detektierten Signals und zum Erhalten einer Phasendifferenz zwischen dem Modulationssignal und dem optisch detektierten Signal.
  • Hierbei umfaßt die intensitätsabstimmbare Lichteinstrahleinheit 100 (1) eine Gleichstromquelle 110 zum Zuführen eines Gleichstroms, (2) einen Oszillator 120 zum Erzeugen eines Wechselspannungssignals mit einer Modulationsfrequenz, (3) eine Überlagerungseinheit 130 zum Überlagern des von der Gleichstromquelle 110 erzeugten Gleichstroms mit dem vom Oszillator 120 erzeugten Wechselspannungssignal, (4) eine Laserdiode 140 zum Empfangen eines von der Überlagerungseinheit 130 erzeugten Modulationssignals und zum Emittieren von intensitätsmoduliertem Licht, (5) eine Lichtintensitäts-Steuereinheit 150 zum Empfangen des intensitätsmodulierten Lichts und zum Durchlassen von Licht mit einer von außen angegebenen Durchlässigkeit und (6) ein Lichtleitfaserkabel 160 zum Führen von der Lichtintensitäts-Steuereinheit 150 emittierten Bestrahlungslichts zur Oberfläche des Streu- und Absorptionsmediums 900. 3 ist ein Schaltplan der Überlagerungseinheit 130. Die Überlagerungseinheit 130 enthält eine Spule 131 und einen Kondensator 132, wobei jeweils ein Anschluß von diesen zusammengeschaltet ist, und das Gleichspannungssignal ist an den anderen Anschluß der Spule 131 angelegt, und das Wechselspannungssignal ist an den anderen Anschluß des Kondensators 132 angelegt. Von dem Knoten wird dann ein überlagertes Stromsignal erzeugt. Es gibt eine Schaltung mit einer Konfiguration, die mit derjenigen dieser Schaltung äquivalent ist, nämlich die Vorspannungsschaltung T. Die 4–6 zeigen Konfigurationen der Lichtintensitäts-Steuereinheit, welche gemäß der vorliegenden Erfindung verwendbar sind. 4 zeigt eine Konfiguration der Lichtintensitäts-Steuereinheit 150 gemäß der vorliegenden Ausführungsform. Die Lichtintensitäts-Steuereinheit 150 enthält ein ND-Filter 151, in dem die Durchlässigkeit Punkt für Punkt fortlaufend geändert wird, und eine Filterbewegungseinheit 152 zum Bewegen des Orts des ND-Filters 151 entsprechend der externen Anweisung. 5 zeigt eine Konfiguration der ersten Modifikation der Lichtintensitäts-Steuereinheit. Diese Lichtintensitäts-Steuereinheit umfaßt zwei Polarisatoren 153 und 154 und eine Polarisationsebenen-Drehungseinheit 155 für den Polarisator 154, um den Winkel der Durchlaß-Polarisationsrichtung entsprechend der externen Anweisung zu steuern. 6 zeigt eine Konfiguration der zweiten Modifikation der Lichtintensitäts-Steuereinheit. Diese Lichtintensitäts-Steuereinheit umfaßt zwei Polarisatoren 153 und 154 und eine Polarisationsebenen-Drehungseinheit 156, die zwischen den zwei Polarisatoren bereitgestellt ist und die einen EO-Modulator aufweist, um den Betrag der Drehung der Polarisationsebene entsprechend der externen Anweisung zu ändern. Es sei bemerkt, daß falls mehrere Filter, die jeweils einen anderen Brechungsindex oder eine andere Dicke aufweisen, zum Steuern der Lichtintensität verwendet werden, die Phase geändert werden kann. Daher muß eine Lichtintensitäts-Steuereinheit ausgewählt werden, die keine Änderung einer Ausgangsphase hervorruft, wodurch die Meßgenauigkeit beeinträchtigt wird.
  • Die Photodetektiereinheit 300 umfaßt ein Lichtleitfaserkabel 310 zum Empfangen eines aus dem Streu- und Absorptionsmedium 900 austretenden optischen Signals und eine Lawinen-Photodiode 320 zum Empfangen eines aus dem Lichtleitfaserkabel 310 austretenden aptischen Signals und zum Umwandeln des optischen Signals in ein elektrisches Signal.
  • 7 ist ein Schaltplan der Rückkopplungs-Recheneinheit 400. Ein optisch detektiertes Signal (ein durch die Lawinen-Photadiode fließendes Stromsignal), das an die Rückkopplungs-Recheneinheit 400 angelegt wird, wird durch einen Widerstand 410 in ein Spannungssignal umgewandelt. Eine Wechselkomponente des Spannungssignals wird über einen Kondensator 420 an einen Hochfrequenzverstärker 430 angelegt. Das vom Hochfrequenzverstärker 430 ausgegebene verstärkte Signal wird durch eine Diode 440 Halbwellen-gleichgerichtet. Ein gleichgerichteter Strom wird einem Kondensator 450 zugeführt, um diesen aufzuladen, und die angesammelten Ladungen entsprechende Spannung wird zu einem (+)-Eingangsanschluß eines Operationsverstärkers 460 übertragen. Andererseits wird eine von einer veränderlichen Gleichspannungsquelle 470 zugeführte Spannung einem (-)-Eingangsanschluß des Operations-Prozeßverstärkers 460 zugeführt. Der Ausgangsanschluß und der (+)-Eingangsanschluß des Operations verstärkers sind über einen Widerstand 480 verbunden. Wenn die von der veränderlichen Gleichspannungsquelle 470 zugeführte Spannung als eine Referenzspannung bereitgestellt wird, wird vom Operationsverstärker 460 eine Spannung erzeugt, die zur Differenz zwischen der Referenzspannung und der zum (+)-Eingangsanschluß übertragenen Spannung proportional ist. Es sei bemerkt, daß zur Schaltung ein Entladungsschalter oder eine Sample-and-Hold-Schaltung innerhalb der Klammern in 7 hinzugefügt werden kann, wodurch die Meßgenauigkeit weiter verbessert wird.
  • Die Messung der Phasendifferenz mit dem Photodetektiergerät gemäß der vorliegenden Ausführungsform läuft folgendermaßen ab:
    Vor der Messung wird die Verstärkung der Photodetektiereinheit 300 bestimmt, und die Vorspannung für diese Verstärkung wird an die Lawinen-Photodiode 320 angelegt. Daraufhin wird bei dieser Verstärkung die Zeit zwischen der Lichteingabe und der Ausgabe des in der Photodetektiereinheit 300 optisch detektierten Signals gemessen und in der Verarbeitungsvorrichtung 500 gespeichert. Gleichzeitig wird ein Einstellwert für die Intensität der Wechselspannungskomponente des optisch detektierten Signals bestimmt, und die Referenzspannung wird durch Einstellen der veränderlichen Gleichspannungsquelle 470 in der Rückkopplungs-Recheneinheit 400 festgelegt. Nach dieser Vorbereitung wird der Photodetektiervorgang zum Erhalten der Phasendifferenz eingeleitet.
  • Zuerst bestrahlt Licht, dessen Intensität durch ein Modulationssignal mit einer Wechselspannungskomponente einer vorbestimmten Frequenz von der intensitätsabstimmbaren Lichteinstrahleinrichtung 100 zu der Anfangsintensität moduliert ist, das Streu- und Absorptionsmedium 900, das ein zu messendes Objekt ist. Die Wechselspannungskomponente des Modulationssignals wird auch der Verarbeitungsvorrichtung 500 zugeführt. Das in das Streu- und Absorptionsmedium 900 einfallende Licht breitet sich im Streu- und Absorptions medium 900 aus, tritt aus diesem aus und fällt auf die Photodetektiereinheit 300. Die Photodetektiereinheit 300 wandelt das einfallende Licht in ein der Intensität des einfallenden Lichts entsprechendes elektrisches Signal (Stromsignal) um und gibt das elektrische Signal danach als ein optisch detektiertes Signal aus. Das von der Photodetektiereinheit 300 ausgegebene optisch detektierte Signal wird zur Rückkopplungs-Recheneinheit 400 und zur Verarbeitungsvorrichtung 500 übertragen.
  • Die Rückkopplungs-Recheneinheit 400 extrahiert die Wechselspannungskomponente aus dem eingegebenen optisch detektierten Signal. Falls die Intensität des elektrischen Wechselspannungssignals kleiner ist als der Einstellwert, sendet die Rückkopplungs-Recheneinheit 400 eine Anweisung zur Lichtintensitäts-Steuereinheit 150 in der intensitätsabstimmbaren Lichteinstrahleinheit 100, die Menge des durchgelassenen Lichts zu erhöhen, und falls die Intensität des elektrischen Wechselspannungssignals größer als der Einstellwert ist, sendet sie eine Anweisung zur Lichtmengen-Steuereinheit 150, die Menge des durchgelassenen Lichts zu verringern. Die Intensität des aus der intensitätsabstimmbaren Lichteinstrahleinheit 100 austretenden Lichts wird mit Operationen in der Rückkopplungsschleife aus der intensitätsabstimmbaren Lichteinstrahleinheit 100, der Photodetektiereinheit 300, der Rückkopplungs-Recheneinheit 400 und wieder der intensitätsabstimmbaren Lichteinstrahleinheit 100 gesteuert. Wenn dann die Verstärkung der Lawinen-Photodiode 320 in der Photodetektiereinheit 300 festgelegt ist, wird die Intensität der Wechselspannungskomponente mit einer von der Photodetektiereinheit 300 ausgegebenen Modulationsfrequenz so beibehalten, daß sie im wesentlichen mit dem vorgegebenen Einstellwert übereinstimmt.
  • Nachdem die Intensität der Wechselspannungskomponente des von der Photodetektiereinheit 300 ausgegebenen optisch detektierten Signals im wesentlichen mit dem Einstellwert übereinstimmt, verarbeitet die Verarbeitungsvorrichtung 500 die Wechselspannungskomponente des Modulationssignals und die Wechselspannungskomponente des optisch detektierten Signals, um die Phasendifferenz zwischen dem Modulationssignal und dem optisch detektierten Signal zu erhalten. Die Zeitdifferenz zwischen dem Modulationssignal und dem optisch detektierten Signal kann auch anhand der Ergebnisse der Phasendifferenzmessung berechnet werden.
  • (Zweite Ausführungsform)
  • 8 ist ein Blockdiagramm eines Photodetektiergeräts gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Photodetektiergerät gemäß der vorliegenden Ausführungsform hat die gleiche Konfiguration wie das Gerät gemäß der ersten Ausführungsform, wobei jedoch die intensitätsabstimmbare Lichteinstrahleinheit 200 von der intensitätsabstimmbaren Lichteinstrahleinheit 100 gemäß der ersten Ausführungsform verschieden ist.
  • Die intensitätsabstimmbare Lichteinstrahleinheit 200 des Photodetektiergeräts gemäß der vorliegenden Ausführungsform umfaßt (1) eine Gleichstromquelle 110 zum Zuführen von Gleichstrom, (2) einen Oszillator 221 zum Erzeugen eines Wechselspannungssignals mit einer Modulationsfrequenz und einer gemäß einer externen Anweisung gesteuerten Amplitude, (3) einen Phasenschieber 222 zum Empfangen eines Wechselspannungssignals vom Oszillator 221 und zum Kompensieren der Phasenänderung infolge der Amplitude des vom Oszillator 221 erzeugten Signals durch Steuern des Betrags der Phasenänderung gemäß der externen Anweisung, (4) eine Überlagerungseinheit 130 zum Überlagern der Gleichstromausgabe von der Gleichstromquelle 110 mit dem vom Phasenschieber 222 ausgegebenen Wechselspannungssignal, (5) eine Laserdiode 140 zum Empfangen eines von der Überlagerungseinheit 130 ausgegebenen Modulationssignals und zum Aussenden von intensitätsmoduliertem Licht und (6) ein Lichtleitfaserkabel 160 zum Leiten von der Diode 140 emittierten Bestrahlungslichts zur Oberfläche des Streu- und Absorptionsmediums 900.
  • Die Messung der Phasendifferenz mit dem Photodetektiergerät gemäß der vorliegenden Ausführungsform erfolgt folgendermaßen:
    Ebenso wie gemäß der ersten Ausführungsform wird vor der Messung die Verstärkung der Photodetektiereinheit 300 bestimmt und die Vorspannung für diese Verstärkung an die Lawinen-Photodiode 320 angelegt. Daraufhin wird bei dieser Verstärkung die Zeit zwischen der Lichteingabe und der Ausgabe des in der Photodetektiereinheit 300 optisch detektierten Signals gemessen und in der Verarbeitungsvorrichtung 500 gespeichert. Gleichzeitig wird ein Einstellwert für die Intensität der Wechselspannungskomponente des optisch detektierten Signals bestimmt, und die Referenzspannung wird durch Einstellen der veränderlichen Gleichspannungsquelle 470 in der Rückkopplungs-Recheneinheit 400 festgelegt. Nach dieser Vorbereitung wird der Photodetektiervorgang zum Erhalten der Phasendifferenz eingeleitet.
  • Zuerst bestrahlt Licht, dessen Intensität durch ein Modulationssignal mit einer Wechselspannungskomponente mit einer vorbestimmten Frequenz von der intensitätsabstimmbaren Lichteinstrahleinrichtung 200 zu der Anfangsintensität moduliert ist, das Streu- und Absorptionsmedium 900, das ein zu messendes Objekt ist. Die Wechselspannungskomponente des Modulationssignals wird auch an die Verarbeitungsvorrichtung 500 angelegt. Das auf das Streu- und Absorptionsmedium 900 fallende Licht breitet sich darin aus, tritt aus diesem aus und fällt auf die Photodetektiereinheit 300. Die Photodetektiereinheit 300 wandelt das einfallende Licht in ein der Intensität des einfallenden Lichts entsprechendes elektrisches Signal (Stromsignal) um und gibt das elektrische Signal als ein optisch detektiertes Signal aus. Das von der Photodetektiereinheit 300 ausgegebene optisch detektierte Signal wird zur Rückkopplungs-Recheneinheit 400 und zur Verarbeitungsvorrichtung 500 übertragen.
  • Die Rückkopplungs-Recheneinheit 400 extrahiert die Wechselspannungskomponente aus dem eingegebenen optisch detektierten Signal. Falls die Intensität des elektrischen Wechselspannungssignals kleiner als der Einstellwert ist, sendet die Rückkopplungs-Recheneinheit 400 eine Anweisung an den Oszillator 221 in der intensitätsabstimmbaren Lichteinstrahleinheit 200, die Amplitude eines Erzeugungssignals zu erhöhen, und sendet eine Anweisung an den Phasenschieber 222, eine Phase zu kompensieren, und sie sendet, falls die Intensität des elektrischen Wechselspannungssignals größer als der Einstellwert ist, eine Anweisung an den Oszillator 221 in der intensitätsabstimmbaren Lichteinstrahleinheit 200, die Amplitude eines Erzeugungssignals zu verringern, und sie sendet eine Anweisung an den Phasenschieber 222, die Phase zu kompensieren. Die Intensität des von der intensitätsabstimmbaren Lichteinstrahleinheit 200 ausgegebenen Lichts wird mit Operationen in der Rückkopplungsschleife gesteuert, die aus der intensitätsabstimmbaren Lichteinstrahleinheit 200, der Photodetektiereinheit 300, der Rückkopplungs-Recheneinheit 400 und wieder der intensitätsabstimmbaren Lichteinstrahleinheit 200 besteht. Wenn die Verstärkung der Lawinen-Photodiode 320 in der Photodetektiereinheit 300 festgelegt ist, wird daraufhin die Intensität der Wechselspannungskomponente mit einer von der Photodetektiereinheit 300 ausgegebenen Modulationsfrequenz beibehalten, so daß sie im wesentlichen dem vorgegebenen Einstellwert entspricht.
  • Ebenso wie gemäß der ersten Ausführungsform verarbeitet die Verarbeitungsvorrichtung 500, nachdem die Intensität der Wechselspannungskomponente des von der Photodetektiereinheit 300 emittierten optisch detektierten Signals im wesentlichen mit dem Einstellwert übereinstimmt, die Wechselspannungskomponente des Modulationssignals und die Wechselspannungskomponente des optisch detektierten Signals, um die Phasendifferenz zwischen dem Modulationssignal und dem optisch detektierten Signal zu erhalten. Die Zeitdifferenz zwischen dem Modulationssignal und dem optisch detektierten Signal kann auch anhand der Ergebnisse der Phasendifferenzmessung berechnet werden.
  • (Dritte Ausführungsform)
  • 9 ist ein Blockdiagramm eines Photodetektiergeräts gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Photodetektiergerät gemäß der vorliegenden Ausführungsform hat die gleiche Konfiguration wie das Gerät gemäß der ersten Ausführungsform, wobei die Verarbeitungsvorrichtung 600 jedoch von der Verarbeitungsvorrichtung 500 gemäß der ersten Ausführungsform verschieden ist.
  • Die Verarbeitungsvorrichtung 600 gemäß der vorliegenden Ausführungsform umfaßt (1) einen Referenzsignalgenerator 610 zum Erzeugen eines Referenzsignals mit einer Referenzfrequenz (f0), die von einer Modulationsfrequenz (f1) verschieden ist, (2) einen Signalwandler 620 zum Empfangen des Referenzsignals und eines Modulationssignals, um ein Produkt beider Signale zu berechnen und danach ein Signal mit einer Frequenzdifferenz (Δf) zwischen der Referenzfrequenz und der Modulationsfrequenz zu erzeugen, (3) einen Signalwandler 630 zum Empfangen des Referenzsignals und eines optisch detektierten Signals, um ein Produkt beider Signale zu berechnen und danach ein Signal mit einer Frequenzdifferenz zwischen der Referenzfrequenz und der Modulationsfrequenz zu erzeugen, und (4) eine Signalverarbeitungseinheit 640 zum Erhalten einer Phasendifferenz zwischen dem Modulationssignal und dem optisch detektierten Signal auf der Grundlage einer Ausgangssignalwellenform des Signalwandlers 620 und einer Ausgangssignalwellenform des Signalwandlers 630.
  • Hier wird, um eine Ausgabe eines Oszillators 120 in einer intensitätsabstimmbaren Lichteinstrahleinheit 100 mit einer Ausgabe des Referenzsignalgenerators 610 in der Verarbeitungsvorrichtung 600 zu synchronisieren, ein Synchronisiersignal vom Oszillator 120 an den Referenzsignal generator 610 angelegt, um die Ausgabe des Referenzsignalgenerators 610 zu steuern. Dadurch werden eine Phasenschwankung des Oszillators 120 und eine Phasenschwankung des Referenzsignalgenerators 610, die voneinander unabhängig sind, eingestellt, wodurch die Synchronisation erhalten wird und die Meßgenauigkeit verbessert wird. Es sei bemerkt, daß ein Synchronisiersignal vom Referenzsignalgenerator 610 an den Oszillator 120 angelegt werden kann, um die Ausgabe des Oszillators 120 zu steuern.
  • Hier weisen die Signalwandler 620 und 630 eine im allgemeinen als doppelt abgestimmter Mischer bezeichnete Vorrichtung auf. Weiterhin wird bei der Messung der Phasendifferenz in der Signalverarbeitungseinheit 640 ein Lock-In-V.erstärker verwendet.
  • Die Messung der Phasendifferenz mit dem Photodetektiergerät gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird ebenso wie gemäß der ersten Ausführungsform ausgeführt, bis die Intensität der Wechselspannungskomponente des von der Photodetektiereinheit 300 erzeugten optisch detektierten Signals im wesentlichen mit dem Einstellwert übereinstimmt. Danach empfängt die Verarbeitungsvorrichtung 600 das Modulationssignal und das optisch detektierte Signal und berechnet ein Produkt aus jedem Signal und dem Referenzfrequenzsignal. Das Ergebnis jeder Berechnung enthält eine Signalkomponente mit einer Frequenz Δf, und die Signalkomponente enthält Informationen zur Phasendifferenz zwischen dem Modulationssignal und dem optisch detektierten Signal. Die Signalverarbeitungseinheit 640 empfängt zwei Signale, die jeweils eine Frequenz Δf aufweisen, und sie erhält die Phasendifferenz zwischen dem Modulationssignal und dem optisch detektierten Signal. Die zeitliche Differenz zwischen dem Modulationssignal und dem optisch detektierten Signal kann auch anhand der Ergebnisse der Phasendifferenzmessung berechnet werden.
  • (Vierte Ausführungsform)
  • Das Photodetektiergerät gemäß der vorliegenden Ausführungsform gehört zum ersten Photodetektiergerät gemäß der vorliegenden Erfindung und ist ein Gerät zum schrittweisen Ausführen der Messung mit einer Anzahl von Meß-Lichtstrahlen, die durch das Auswählen einer Meßwellenlänge jeweils eine andere Wellenlänge aufweisen. Es sei bemerkt, daß gemäß der vorliegenden Ausführungsform der Fall von zwei Meß-Lichtstrahlen, die jeweils eine andere Wellenlänge aufweisen, erklärt wird.
  • 10 ist ein Blockdiagramm eines Photodetektiergeräts gemäß der vorliegenden Ausführungsform. Wie in 10 dargestellt ist, umfaßt dieses Gerät (a) eine intensitätsabstimmbare Lichteinstrahleinheit 250 zum Auswählen und Aussenden von einer von zwei Lichtarten zum Bestrahlen eines Streu- und Absorptionsmediums 900, die jeweils eine verschiedene Wellenlänge aufweisen und deren Intensität durch ein Modulationssignal moduliert wird, das eine Wechselspannungskomponente mit einer einer externen Anweisung entsprechenden vorbestimmten Frequenz aufweist, wobei die erzeugte Lichtmenge durch eine externe Anweisung einstellbar ist, (b) eine Photodetektiereinheit 300 mit einer Lawinen-Photodiode zum Detektieren eines optischen Signals mit einer vorbestimmten Frequenz, das von dem Streu- und Absorptionsmedium 900 ausgegeben wird, nachdem das optische Signal von der intensitätsabstimmbaren Lichteinstrahleinheit 250 erzeugt wurde, das Streu- und Absorptionsmedium 900 bestrahlt und sich darin ausbreitet, (c) eine Rückkopplungs-Recheneinheit 400 zum Empfangen eines optisch detektierten Signals, dessen Intensität einem von der Photodetektiereinheit 300 emittierten optischen Signal entspricht, Senden einer Anweisung zur intensitätsabstimmbaren Lichteinstrahleinheit 250, die erzeugte Lichtmenge zu erhöhen, wenn die Intensität der Wechselspannungskomponente des von der Photodetektiereinheit 300 detektierten optischen Signals kleiner als ein vorbestimmter Wert ist, und Senden einer Anweisung zur intensitätsabstimmbaren Lichteinstrahleinheit 250, die erzeugte Lichtmenge zu verringern, wenn die Intensität des von der Photodetektiereinheit 300 detektierten optischen Signals größer als der vorbestimmte Wert ist, und (d) eine Verarbeitungsvorrichtung 510 zum Empfangen des Modulationssignals und des optisch detektierten Signals, Erhalten einer Phasendifferenz zwischen dem Modulationssignal und dem optisch detektierten Signal und Senden einer Anweisung zur intensitätsabstimmbaren Lichteinstrahleinheit 250, eine Wellenlänge auszuwählen.
  • Hier umfaßt die intensitätsabstimmbare Lichteinstrahleinheit 250 (1) eine Gleichstromquelle 110 zum Zuführen eines Gleichstroms, (2) einen Oszillator 120 zum Erzeugen eines Wechselspannungssignals mit einer Modulationsfrequenz und einen Leistungsteiler 121 zum Ausgeben des vom Oszillator 120 erzeugten Wechselspannungssignals als zwei Wechselspannungssignale, (3) eine Laserdiode 141 zum Empfangen eines von einer Überlagerungseinheit 1301 erzeugten Modulationssignals, um der Gleichstromausgabe der Gleichstromquelle 110 eines der vom Leistungsteiler 121 ausgegebenen Wechselspannungssignale zu überlagern, und zum Emittieren intensitätsmodulierten Lichts mit einer Wellenlänge λ1, (4) eine Laserdiode 142 zum Empfangen eines von einer Überlagerungseinheit 1302 zum Überlagern der Gleichstromausgabe von der Gleichstromquelle 110 mit einem der vom Leistungsteiler 121 ausgegebenen Wechselspannungssignale erzeugten Modulationssignals und zum Aussenden von intensitätsmoduliertem Licht mit einer Wellenlänge λ2, (5) einen Lichtwähler 170 zum Auswählen und Aussenden von einem von dem von der Laserdiode 141 ausgesendeten Licht und dem von der Laserdiode 142 ausgesendeten Licht, (6) eine Lichtintensitäts-Steuereinheit 150 zum Empfangen des vom Lichtwähler 170 ausgesendeten Lichts und zum Durchlassen von Licht mit einer von außen angegebenen Durchlässigkeit und (7) ein Lichtleitfaserkabel 160 zum Leiten von der Lichtintensitäts-Steuereinheit 150 ausgesendeten Bestrahlungslichts zur Oberfläche des Streu- und Absorptionsmediums 900. Es sei bemerkt, daß die Überlagerungseinheit 1301 und die Überlagerungseinheit 1302 die gleichen Konfigurationen aufweisen wie die Überlagerungseinheit 130 gemäß der ersten Ausführungsform.
  • Die Verarbeitungsvorrichtung 510 hat eine Funktion zum Ausgeben eines Wellenlängenauswahlsignals an den Lichtwähler 170, um eine auszuwählende Wellenlänge anzugeben, sowie die Funktionen der Verarbeitungsvorrichtung 500 gemäß der ersten Ausführungsform.
  • Die Messung der Phasendifferenz mit dem Photodetektiergerät gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird folgendermaßen ausgeführt:
    Zuerst gibt die Verarbeitungsvorrichtung 510 ein Wellenlängenauswahlsignal an den Lichtwähler 170 in der intensitätsabstimmbaren Lichteinstrahleinheit 250 aus, um eine Wellenlänge λ1 als eine Wellenlänge des Meßlichts auszuwählen. Danach bestrahlt Licht, dessen Intensität durch ein Modulationssignal mit einer Wechselspannungskomponente einer vorbestimmten Frequenz zur anfänglichen Intensität moduliert ist und das von der intensitätsabstimmbaren Lichteinstrahleinrichtung 250 stammt, das Streu- und Absorptionsmedium 900, das ein zu messendes Objekt ist. Die Wechselspannungskomponente des Modulationssignals wird auch der Verarbeitungsvorrichtung 510 zugeführt. Das auf das Streu- und Absorptionsmedium 900 fallende modulierte Licht breitet sich im Streu- und Absorptionsmedium 900 aus, tritt aus diesem aus und fällt auf die Photodetektiereinheit 300. Danach wird ebenso wie gemäß der ersten Ausführungsform die Phasendifferenz zwischen dem Modulationssignal und dem optisch detektierten Signal mit dem Meßlicht mit einer Wellenlänge λ1 erhalten. Die Zeitdifferenz zwischen dem Modulationssignal und dem optisch detektierten Signal kann auch anhand der Ergebnisse der Phasendifferenzmessung berechnet werden.
  • Als nächstes gibt die Verarbeitungsvorrichtung 510 ein Wellenlängenauswahlsignal an den Lichtwähler 170 in der intensitätsabstimmbaren Lichteinstrahleinheit 250 aus, um eine Wellenlänge λ2 als eine Wellenlänge des Meßlichts auszuwählen. Danach wird ebenso wie beim Meßlicht mit der Wellenlänge λ1 die Phasendifferenz zwischen dem Modulationssignal und dem optisch detektierten Signal mit dem Meßlicht mit der Wellenlänge λ2 erhalten.
  • Es sei bemerkt, daß gemäß der vorliegenden Ausführungsform der Fall von zwei Meßlichtwellenlängen dargestellt ist, wobei jedoch, falls die Anzahl der Ausgaben des Leistungsteilers und die Anzahl der Wellenlängen des Meßlichts mehr als drei betragen, die Anzahl der Paare der Überlagerungseinheit und der Laserdiode in bezug auf die Anzahl der Wellenlängen angepaßt wird, wodurch die gleiche Konfiguration wie gemäß der vorliegenden Ausführungsform erhalten wird.
  • (Fünfte Ausführungsform)
  • Das Photodetektiergerät gemäß der vorliegenden Ausführungsform gehört, ebenso wie die vierte Ausführungsform, zum ersten Photodetektiergerät gemäß der vorliegenden Erfindung, und es handelt sich dabei um ein Gerät zum aufeinanderfolgenden Ausführen der Messung mit einer Anzahl von Meß-Lichtstrahlen, die jeweils durch Auswählen einer Meßwellenlänge eine andere Wellenlänge aufweisen. Es sei bemerkt, daß gemäß der vorliegenden Ausführungsform der Fall von zwei Meß-Lichtstrahlen, die jeweils eine andere Wellenlänge aufweisen, erklärt wird.
  • 11 ist ein Blockdiagramm eines Photodetektiergeräts gemäß der vorliegenden Ausführungsform. Wie in 11 dargestellt ist, umfaßt dieses Gerät (a) eine intensitätsabstimmbare Lichteinstrahleinheit 260 zum Auswählen und Aussenden von einer von zwei Lichtarten zum Bestrahlen eines Streu- und Absorptionsmediums 900, die jeweils eine verschiedene Wellenlänge aufweisen und deren Intensität durch ein Modulationssignal moduliert wird, das eine Wechselspannungskomponente mit einer einer externen Anweisung entsprechenden vorbestimmten Frequenz aufweist, wobei die erzeugte Lichtmenge durch eine externe Anweisung einstellbar ist, (b) eine Photodetektiereinheit 300 mit einer Lawinen-Photodiode zum Detektieren eines optischen Signals mit einer vorbestimmten Frequenz, das von dem Streu- und Absorptionsmedium 900 ausgegeben wird, nachdem das optische Signal von der intensitätsabstimmbaren Lichteinstrahleinheit 260 erzeugt wurde, das Streu- und Absorptionsmedium 900 bestrahlt und sich darin ausbreitet, (c) eine Rückkopplungseinheit 420 zum Empfangen eines optisch detektierten Signals, dessen Intensität einem von der Photodetektiereinheit 300 ausgesendeten optischen Signal entspricht, Berechnen der Erhöhung der von der intensitätsabstimmbaren Lichteinstrahleinheit 260 erzeugten Lichtmenge, wenn die Intensität der Wechselspannungskomponente des von der Photodetektiereinheit 300 detektierten optischen Signals kleiner als ein vorbestimmter Wert ist, und Berechnen der Verringerung der von der intensitätsabstimmbaren Lichteinstrahleinheit 260 erzeugten Lichtmenge, wenn die Intensität des von der Photodetektiereinheit 300 detektierten optischen Signals größer als der vorbestimmte Wert ist, und Empfangen der Anweisung zu der an der intensitätsabstimmbaren Lichteinstrahleinheit 260 vorgenommenen Wellenlängenauswahl und Senden in bezug auf diese Anweisung einer Angabe der erzeugten Lichtmenge für die intensitätsabstimmbare Lichteinstrahleinheit 260 entsprechend der Anweisung zur Wellenlängenauswahl und (d) eine Verarbeitungsvorrichtung 510 zum Empfangen eines Modulationssignals und eines optisch detektierten Signals, Erhalten einer Phasendifferenz zwischen dem Modulationssignal und dem optisch detektierten Signal und Senden einer Anweisung zur Wellenlängenauswahl zur intensitätsabstimmbaren Lichteinstrahleinheit 260 und zur Rückkopplungseinheit 420.
  • Hier umfaßt die intensitätsabstimmbare Lichteinstrahleinheit 260 (1) eine Gleichstromquelle 110 zum Zuführen eines Gleichstroms, (2) einen Oszillator 120 zum Erzeugen eines Wechselspannungssignals mit einer Modulationsfrequenz und einen Leistungsteiler 121 zum Ausgeben des vom Oszillator 120 erzeugten Wechselspannungssignals als zwei Wechselspannungssignale, (3) eine Laserdiode 141 zum Empfangen eines von einer Überlagerungseinheit 1301 erzeugten Modulationssignals, um der Gleichstromausgabe der Gleichstromquelle 110 eines der vom Leistungsteiler 121 ausgegebenen Wechselspannungssignale zu überlagern, und zum Emittieren intensitätsmodulierten Lichts mit einer Wellenlänge λ1 und eine Lichtintensitäts-Steuereinheit 1501 zum Empfangen von der Laserdiode 141 ausgesendeten Lichts und zum Durchlassen des Lichts bei einer von außen angegebenen Durchlässigkeit, (4) eine Laserdiode 142 zum Empfangen eines von einer Überlagerungseinheit 1302 zum Überlagern der Gleichstromausgabe von der Gleichstromquelle 110 mit einem der vom Leistungsteiler 121 ausgegebenen Wechselspannungssignale erzeugten Modulationssignals und zum Aussenden von intensitätsmoduliertem Licht mit einer Wellenlänge λ2 und eine Lichtintensitäts-Steuereinheit 1502 zum Empfangen von der Laserdiode 142 ausgesendeten Lichts und zum Durchlassen des Lichts bei einer von außen angegebenen Durchlässigkeit, (5) einen Lichtwähler 170 zum Auswählen und Aussenden von der Lichtintensitäts-Steuereinheit 1501 ausgesendeten Lichts und von der Lichtintensitäts-Steuereinheit 1502 ausgesendeten Lichts und (6) ein Lichtleitfaserkabel 161 zum Leiten vom Lichtwähler 170 ausgesendeten Bestrahlungslichts zur Oberfläche des Streu- und Absorptionsmediums 900. Es sei bemerkt, daß die Lichtintensitäts-Steuereinheit 1501 und die Lichtintensitäts-Steuereinheit 1502 die gleichen Konfigurationen aufweisen wie die Lichtintensitäts-Steuereinheit 150 gemäß der ersten Ausführungsform.
  • Die Rückkopplungseinheit 420 umfaßt (1) eine Rückkopplungs-Recheneinheit 400 und (2) einen Durchgangswähler 410 zum Empfangen eines von der Verarbeitungsvorrichtung 510 ausgegebenen Wellenlängenauswahlsignals und zum Auswählen einer Einheit, zu der die von der Rückkopplungs-Recheneinheit 400 erzeugte Angabe der Lichtmenge in Übereinstimmung mit der ausgewählten Meßwellenlänge gesendet wird.
  • Die Messung der Phasendifferenz mit der Photodetektiervorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform erfolgt folgendermaßen:
    Zuerst gibt die Verarbeitungsvorrichtung 510 ein Wellenlängenauswahlsignal an den Lichtwähler 170 in der intensitätsabstimmbaren Lichteinstrahleinheit 260 und an einen Durchgangswähler in der Rückkopplungseinheit 420 aus, um eine Wellenlänge λ1 als eine Wellenlänge von Meßlicht auszuwählen. Danach bestrahlt Licht mit einer Wellenlänge λ1, dessen Intensität durch ein Modulationssignal mit einer Wechselspannungskomponente mit einer vorbestimmten Frequenz zur anfänglichen Intensität moduliert ist und das von der intensitätsabstimmbaren Lichteinstrahleinrichtung 260 stammt, das Streu- und Absorptionsmedium 900, das ein zu messendes Objekt ist. Die Wechselspannungskomponente des Modulationssignals wird auch der Verarbeitungsvorrichtung 510 zugeführt. Das auf das Streu- und Absorptionsmedium 900 fallende modulierte Licht breitet sich im Streu- und Absorptionsmedium 900 aus, tritt aus diesem aus und fällt auf die Photodetektiereinheit 300. Danach wird ebenso wie gemäß der vierten Ausführungsform die Phasendifferenz zwischen dem Modulationssignal und dem optisch detektierten Signal mit dem Meßlicht mit einer Wellenlänge λ1 erhalten.
  • Als nächstes gibt die Verarbeitungsvorrichtung 510 ein Wellenlängenauswahlsignal an den Lichtwähler 170 in der intensitätsabstimmbaren Lichteinstrahleinheit 260 aus, um eine Wellenlänge λ2 als eine Wellenlänge des Meßlichts auszuwählen. Danach wird ebenso wie beim Meßlicht mit der Wellenlänge λ1 die Phasendifferenz zwischen dem Modulationssignal und dem optisch detektierten Signal mit dem Meßlicht mit der Wellenlänge λ2 erhalten.
  • Es sei bemerkt, daß die Zeitdifferenz zwischen dem Modulationssignal und dem optisch detektierten Signal auch anhand der Ergebnisse der Phasendifferenzmessung berechnet werden kann.
  • Weiterhin wird ähnlich der vierten Ausführungsform, falls die Anzahl der Ausgaben des Leistungsteilers und die Anzahl der Wellenlängen des Meßlichts mehr als drei betragen, die Anzahl der Gruppen der Überlagerungseinheit, der Laserdiode und der Lichtintensitäts-Steuereinheit in bezug auf die Anzahl der Wellenlängen angepaßt, wodurch die gleiche Konfiguration wie gemäß der vorliegenden Ausführungsform erhalten wird.
  • (Sechste Ausführungsform)
  • Das Photodetektiergerät gemäß der vorliegenden Ausführungsform gehört, ebenso wie die fünfte Ausführungsform, zum ersten Photodetektiergerät gemäß der vorliegenden Erfindung, und es handelt sich dabei um ein Gerät zum aufeinanderfolgenden Ausführen der Messung mit einer Anzahl von Meß-Lichtstrahlen, die jeweils durch Auswählen einer Meßwellenlänge eine andere Wellenlänge aufweisen. Es sei bemerkt, daß gemäß der vorliegenden Ausführungsform der Fall von zwei Meß-Lichtstrahlen, die jeweils eine andere Wellenlänge aufweisen, erklärt wird.
  • 12 ist ein Blockdiagramm eines Photodetektiergeräts gemäß der vorliegenden Ausführungsform. Wie in 12 dargestellt ist, umfaßt dieses Gerät (a) eine intensitätsabstimmbare Lichteinstrahleinheit 270 zum Auswählen und Aussenden von einer von zwei Lichtarten zum Bestrahlen eines Streu- und Absorptionsmediums 900, die jeweils eine verschiedene Wellenlänge aufweisen und deren Intensität durch ein Modulationssignal moduliert wird, das eine Wechselspannungskomponente mit einer einer externen Anweisung entsprechenden vorbestimmten Frequenz aufweist, wobei die erzeugte Lichtmenge durch eine externe Anweisung einstellbar ist, (b) eine Photodetektiereinheit 350 mit einer Lawinen-Photodiode zum Detektieren eines optischen Signals mit einer vorbestimmten Frequenz, das von dem Streu- und Absorptionsmedium 900 ausgegeben wird, nachdem das optische Signal von der intensitätsabstimmbaren Lichteinstrahleinheit 270 erzeugt wurde, das Streu- und Absorptionsmedium 900 bestrahlt und sich darin ausbreitet, (c) eine Rückkopplungseinheit 420 zum Empfangen eines optisch detektierten Signals, dessen Intensität einem von der Photodetektiereinheit 320 ausgesendeten optischen Signal entspricht, Berechnen der Erhöhung der von der intensitätsabstimmbaren Lichteinstrahleinheit 270 erzeugten Lichtmenge, wenn die Intensität der Wechselspannungskomponente des von der Photodetektiereinheit 320 detektierten optischen Signals kleiner als ein vorbestimmter Wert ist, und Berechnen der Verringerung der von der intensitätsabstimmbaren Lichteinstrahleinheit 270 erzeugten Lichtmenge, wenn die Intensität des von der Photodetektiereinheit 320 detektierten optischen Signals größer als der vorbestimmte Wert ist, und Empfangen der Anweisung zu der an der intensitätsabstimmbaren Lichteinstrahleinheit 270 vorgenommenen Wellenlängenauswahl und Senden in bezug auf diese Anweisung einer Angabe der erzeugten Lichtmenge für die intensitätsabstimmbare Lichteinstrahleinheit 270 entsprechend der Anweisung zur Wellenlängenauswahl und (d) eine Verarbeitungsvorrichtung 510 zum Empfangen eines Modulationssignals und eines optisch detektierten Signals, Erhalten einer Phasendifferenz zwischen dem Modulationssignal und dem optisch detektierten Signal und Senden einer Anweisung zur Wellenlängenauswahl zur intensitätsabstimmbaren Lichteinstrahleinheit 270 und zur Rückkopplungseinheit 420.
  • Hier umfaßt die intensitätsabstimmbare Lichteinstrahleinheit 270 (1) eine Gleichstromquelle 110 zum Zuführen eines Gleichstroms, (2) einen Oszillator 120 zum Erzeugen eines Wechselspannungssignals mit einer Modulationsfrequenz und einen Leistungsteiler 121 zum Ausgeben des vom Oszillator 120 erzeugten Wechselspannungssignals als zwei Wechselspannungssignale, (3) eine Laserdiode 141 zum Empfangen eines von einer Überlagerungseinheit 1301 erzeugten Modulationssignals, um der Gleichstromausgabe der Gleichstromquelle 110 eines der vom Leistungsteiler 121 ausgegebenen Wechselspannungssignale zu überlagern, und zum Emittieren intensitätsmodulierten Lichts mit einer Wellenlänge λ1 und eine Lichtintensitäts-Steuereinheit 1501 zum Empfangen von der Laserdiode 141 ausgesendeten Lichts und zum Durchlassen des Lichts bei einer von außen angegebenen Durchlässigkeit, (4) eine Laserdiode 142 zum Empfangen eines von einer Überlagerungseinheit 1302 zum Überlagern der Gleichstromausgabe von der Gleichstromquelle 110 mit einem der vom Leistungsteiler 121 ausgegebenen Wechselspannungssignale erzeugten Modulationssignals und zum Aussenden von intensitätsmoduliertem Licht mit einer Wellenlänge λ2 und eine Lichtintensitäts-Steuereinheit 1502 zum Empfangen von der Laserdiode 142 ausgesendeten Lichts und zum Durchlassen des Lichts bei einer von außen angegebenen Durchlässigkeit, (5) einen optischen Multiplexer 180 zum Koppeln von der Lichtintensitäts-Steuereinheit 1501 ausgesendeten Lichts und von der Lichtintensitäts-Steuereinheit 1502 ausgesendeten Lichts und (6) ein Lichtleitfaserkabel 162 zum Leiten vom optischen Multiplexer 180 ausgesendeten Bestrahlungslichts zur Oberfläche des Streu- und Absorptionsmediums 900.
  • Die Photodetektiereinheit 350 umfaßt (1) ein Lichtleitfaserkabel 311 zum Empfangen eines aus dem Streu- und Absorptionsmedium 900 austretenden optischen Signals, (2) einen Wellenlängenwähler 330 zum Empfangen eines aus dem Lichtleitfaserkabel 311 austretenden optischen Signals und zum Aussenden von Licht mit einer von der Verarbeitungsvorrichtung 510 angegebenen Wellenlänge und (3) eine Lawinen-Photodiode 320 zum Empfangen vom Wellenlängenwähler 330 ausgesendeten Lichts und zum Umwandeln des Lichts in ein elektrisches Signal.
  • Die Messung der Phasendifferenz mit dem Photodetektiergerät gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird folgendermaßen ausgeführt:
    Zuerst gibt die Verarbeitungsvorrichtung 510 ein Wellenlängenauswahlsignal an den Wellenlängenwähler 330 in der Photodetektiereinheit 350 und an einen Durchgangswähler in der Rückkopplungseinheit 420 aus, um eine Wellenlänge λ1 als eine Wellenlänge von Meßlicht auszuwählen. Danach bestrahlt Licht mit Wellenlängen λ1 und λ2, deren Intensität durch ein Modulationssignal mit einer Wechselspannungskomponente mit einer vorbestimmten Frequenz zur anfänglichen Intensität moduliert ist und das von der intensitätsabstimmbaren Lichteinstrahleinrichtung 270 stammt, das Streu- und Absorptionsmedium 900, das ein zu messendes Objekt ist. Die Wechselspannungskomponente des Modulationssignals wird auch der Verarbeitungsvorrichtung 510 zugeführt. Das auf das Streu- und Absorptionsmedium 900 fallende modulierte Licht breitet sich im Streu- und Absorptionsmedium 900 aus, tritt aus diesem aus und fällt auf die Photodetektiereinheit 350. Die Photodetektiereinheit 350 wählt Licht mit einer Wellenlänge λ1 durch den Wellenlängenwähler 330 und detektiert danach Licht mit einer Wellenlänge λ2 durch die Lawinen-Photodiode 320 und gibt das optisch detektierte Signal aus. Danach wird ebenso wie gemäß der fünften Ausführungsform die Phasendifferenz zwischen dem Modulationssignal und dem optisch detektierten Signal mit dem Meßlicht mit einer Wellenlänge λ1 erhalten.
  • Als nächstes gibt die Verarbeitungsvorrichtung 510 ein Wellenlängenauswahlsignal an den Wellenlängenwähler 330 in der intensitätsabstimmbaren Lichteinstrahleinheit 350 und den Durchgangswähler in der Rückkopplungseinheit 420 aus, um eine Wellenlänge λ2 als eine Wellenlänge des Meßlichts auszuwählen. Danach wird ebenso wie beim Meßlicht mit der Wellenlänge λ1 die Phasendifferenz zwischen dem Modulationssignal und dem optisch detektierten Signal mit dem Meßlicht mit der Wellenlänge λ2 erhalten.
  • Es sei bemerkt, daß ähnlich der ersten Ausführungsform die Zeitdifferenz zwischen dem Modulationssignal und dem optisch detektierten Signal auch anhand der Ergebnisse der Phasendifferenzmessung berechnet werden kann.
  • Weiterhin wird ähnlich der vierten Ausführungsform, falls die Anzahl der Wellenlängen des Meßlichts größer als drei ist, die Anzahl der Gruppen der Zweige des Leistungsteilers, der Überlagerungseinheit, der Laserdiode und der Lichtintensitäts-Steuereinheit in bezug auf die Anzahl der Wellenlängen angepaßt, wodurch die gleiche Konfiguration wie gemäß der vorliegenden Ausführungsform erhalten wird.
  • (Siebte Ausführungsform)
  • Das Photodetektiergerät gemäß der vorliegenden Ausführungsform gehört, ebenso wie die fünfte Ausführungsform, zum ersten Photodetektiergerät gemäß der vorliegenden Erfindung, und es handelt sich dabei um ein Gerät zum aufeinanderfolgenden Ausführen der Messung mit einer Anzahl von Meß-Lichtstrahlen, die jeweils durch Auswählen einer Meßwellenlänge eine andere Wellenlänge aufweisen. Das Gerät gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird dadurch erhalten, daß die gemäß der zweiten Ausführungsform an der ersten Ausführungsform vorgenommene Modifikation an der fünften Ausführungsform oder der sechsten Ausführungsform vorgenommen wird. Es sei bemerkt, daß gemäß der vorliegenden Ausführungsform der Fall von zwei Meß-Lichtstrahlen, die jeweils eine andere Wellenlänge aufweisen, erklärt wird.
  • 13 ist ein Blockdiagramm eines Photodetektiergeräts gemäß der vorliegenden Ausführungsform. Wie in 13 dargestellt ist, umfaßt dieses Gerät (a) eine intensitätsabstimmbare Lichteinstrahleinheit 280 zum Auswählen und Aussenden von einer von zwei Lichtarten zum Bestrahlen eines Streu- und Absorptionsmediums 900, die jeweils eine verschiedene Wellenlänge aufweisen und deren Intensität durch ein Modulationssignal moduliert wird, das eine Wechselspannungskomponente mit einer einer externen Anweisung entsprechenden vorbestimmten Frequenz aufweist, wobei die erzeugte Lichtmenge durch eine externe Anweisung einstellbar ist, (b) eine Photodetektiereinheit 300 mit einer Lawinen-Photodiode zum Detektieren eines optischen Signals mit einer vorbestimmten Frequenz, das aus dem Streu- und Absorptionsmedium 900 austritt, nachdem das optische Signal von der intensitätsabstimmbaren Lichteinstrahleinheit 280 erzeugt wurde, das Streu- und Absorptionsmedium 900 bestrahlt und sich darin ausbreitet, (c) eine Rückkopplungseinheit 420 zum Empfangen eines optisch detektierten Signals, dessen Intensität einem von der Photodetektiereinheit 300 ausgesendeten optischen Signal entspricht, Berechnen der Erhöhung der von der intensitätsabstimmbaren Lichteinstrahleinheit 280 erzeugten Lichtmenge, wenn die Intensität der Wechselspannungskomponente des von der Photodetektiereinheit 300 detektierten optischen Signals kleiner als ein vorbestimmter Wert ist, und Berechnen der Verringerung der von der intensitätsabstimmbaren Lichteinstrahleinheit 280 erzeugten Lichtmenge, wenn die Intensität des von der Photodetektiereinheit 300 detektierten optischen Signals größer als der vorbestimmte Wert ist, und Empfangen der Anweisung zu der an der intensitätsabstimmbaren Lichteinstrahleinheit 280 vorgenommenen Wellenlängenauswahl und Senden in bezug auf diese Anweisung einer Angabe der erzeugten Lichtmenge für die intensitätsabstimmbare Lichteinstrahleinheit 280 entsprechend der Anweisung zur Wellenlängenauswahl und (d) eine Verarbeitungsvorrichtung 520 zum Empfangen eines Modulationssignals und eines optisch detektierten Signals, Erhalten einer Phasendifferenz zwischen dem Modulationssignal und dem optisch detektierten Signal und Senden einer Anweisung zur intensitätsabstimmbaren Lichteinstrahleinheit 280 und zur Rückkopplungseinheit 420, eine Wellenlänge auszuwählen.
  • Hier umfaßt die intensitätsabstimmbare Lichteinstrahleinheit 280 (1) eine Gleichstromquelle 110 zum Zuführen eines Gleichstroms, (2) einen Oszillator 2211 zum Erzeugen eines Wechselspannungssignals mit einer Modulationsfrequenz zum Modulieren von Licht mit einer Wellenlänge λ1 und einer gemäß der externen Anweisung gesteuerten Amplitude, einen Phasenschieber 2221 zum Empfangen eines vom Oszillator 2211 erzeugten Wechselspannungssignals und zum Kompensieren einer Phasenänderung infolge der Amplitude des vom Oszillator 2211 erzeugten Signals durch Steuern des Änderungsbetrags der Phase gemäß der externen Anweisung, eine Überlagerungseinheit 1301 zum Überlagern des von der Gleichstromquelle 110 erzeugten Gleichstroms mit dem vom Phasenschieber 2221 ausgesendeten Wechselspannungssignal und eine Laserdiode 141 zum Empfangen des von der Überlagerungseinheit 1301 ausgesendeten Modulationssignals und zum Aussenden intensitätsmodulierten Lichts mit einer Wellenlänge λ1, (3) einen Oszillator 2212 zum Erzeugen eines Wechselspannungssignals mit einer Modulationsfrequenz zum Modulieren von Licht mit einer Wellenlänge λ2 und einer gemäß der externen Anweisung gesteuerten Amplitude, einen Phasenschieber 2222 zum Empfangen eines vom Oszillator 2212 erzeugten Wechselspannungssignals und zum Kompensieren einer Phasenänderung infolge der Amplitude des vom Oszillatar 2212 erzeugten Signals durch Steuern des Änderungsbetrags der Phase gemäß der externen Anweisung, eine Überlagerungseinheit 1302 zum Überlagern des von der Gleichstromquelle 110 erzeugten Gleichstroms mit dem vom Phasenschieber 2222 ausgesendeten Wechselspannungssignal und eine Laserdiode 142 zum Empfangen des von der Überlagerungseinheit 1302 ausgesendeten Modulationssignals und zum Aussenden intensitätsmodulierten Lichts mit einer Wellenlänge λ2, (4) einen Lichtwähler 170 zum Auswählen und Aussenden von einem des von der Laserdiode 141 ausgesendeten Lichtstrahls und des von der Laserdiode 142 ausgesendeten Lichtstrahls und (5) ein Lichtleitfaserkabel 161 zum Leiten vom Lichtwähler 170 ausgesendeten Bestrahlungslichts zur Oberfläche des Streu- und Absorptionsmediums 900.
  • Die Verarbeitungsvorrichtung 520 umfaßt (1) eine Verarbeitungseinheit 521 mit der gleichen Funktion wie die Verarbeitungsvorrichtung 510 gemäß der fünften Ausführungsform und (2) einen Wähler 522 zum Empfangen eines von der Verarbeitungseinheit 521 ausgegebenen Wellenlängenauswahlsignals und zum Auswählen und Aussenden eines Modulationssignals in bezug auf Licht mit der ausgewählten Meßwellenlänge.
  • Die Messung der Phasendifferenz mit dem Photodetektiergerät gemäß der vorliegenden Ausführungsform erfolgt folgendermaßen:
    Zuerst gibt die Verarbeitungseinheit 521 ein Wellenlängenauswahlsignal an den Lichtwähler 170 in der intensitätsabstimmbaren Lichteinstrahleinheit 280 und an einen Durchgangswähler 410 in der Rückkopplungseinheit 420 aus, um eine Wellenlänge λ1 als eine Wellenlänge von Meßlicht auszuwählen und sendet dieses Signal. Danach bestrahlt Licht mit einer Wellenlänge λ1, dessen Intensität durch ein Modulationssignal mit einer Wechselspannungskomponente mit einer vorbestimmten Frequenz zur anfänglichen Intensität moduliert ist und das von der intensitätsabstimmbaren Lichteinstrahleinrichtung 280 stammt, das Streu- und Absorptionsmedium 900, das ein zu messendes Objekt ist. Die Wechselspannungskomponente der Modulationsfrequenz wird auch der Verarbeitungsvorrichtung 521 zugeführt. Das auf das Streu- und Absorptionsmedium 900 einfallende modulierte Licht breitet sich im Streu- und Absorptionsmedium 900 aus, tritt daraus aus und fällt auf die Photodetektiereinheit 300. Danach wird die Phasendifferenz zwischen dem Modulationssignal und dem optisch detektierten Signal ebenso wie gemäß der zweiten Ausführungsform mit dem Meßlicht mit einer Wellenlänge λ1 erhalten.
  • Als nächstes gibt die Verarbeitungsvorrichtung 521 ein Wellenlängenauswahlsignal an den Lichtwähler 170 in der intensitätsabstimmbaren Lichteinstrahleinheit 280 und an den Durchgangswähler 410 in der Rückkopplungseinheit 420 aus, um eine Wellenlänge λ2 als eine Wellenlänge des Meßlichts auszuwählen. Danach wird ebenso wie beim Meßlicht mit der Wellenlänge λ1 die Phasendifferenz zwischen dem Modulationssignal und dem optisch detektierten Signal mit dem Meßlicht mit der Wellenlänge λ2 erhalten.
  • Es sei bemerkt, daß ähnlich der ersten Ausführungsform die Zeitdifferenz zwischen dem Modulationssignal und dem optisch detektierten Signal auch anhand der Ergebnisse der Phasendifferenzmessung berechnet werden kann.
  • Weiterhin wird ähnlich der vierten Ausführungsform, falls die Anzahl der Wellenlängen des Meßlichts größer als drei ist, die Anzahl der Gruppen der Zweige des Leistungsteilers, der Überlagerungseinheit, der Laserdiode und der Lichtintensitäts-Steuereinheit in bezug auf die Anzahl der Wellenlängen angepaßt, wodurch die gleiche Konfiguration wie gemäß der vorliegenden Ausführungsform erhalten wird.
  • (Achte Ausführungsform)
  • Das Photodetektiergerät gemäß der vorliegenden Ausführungsform gehört zum zweiten Photodetektiergerät gemäß der vorliegenden Erfindung, und es ist ein Gerät zum gleichzeitigen Ausführen der Messung mit einer Anzahl von Meß-Lichtstrahlen, die jeweils eine andere Wellenlänge aufweisen.
  • 14 ist ein Blockdiagramm eines Photodetektiergeräts gemäß der vorliegenden Ausführungsform. Das Gerät gemäß der vorliegenden Ausführungsform führt die gleiche Voreinstellung und die eigentliche Messung entsprechend einer Wellenlänge aus wie die Vorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform, der Lichteinfall auf ein Streu- und Absorptionsmedium, das ein zu messendes Objekt ist, und das Detektieren des aus dem Streu- und Absorptionsmedium austretenden Lichts geschehen jedoch für alle Wellenlängen gleichzeitig.
  • Wie in 14 dargestellt ist, umfaßt dieses Gerät gemäß der vorliegenden Ausführungsform (a) eine intensitätsabstimmbare Lichteinstrahleinheit 270 zum Aussenden von zwei Lichtarten (Wellenlängen λ1 und λ2) zum Bestrahlen eines Streu- und Absorptionsmediums 900, die jeweils eine andere Wellenlänge aufweisen und deren Intensität durch ein Modulationssignal mit einer Wechselspannungskomponente mit einer vorbestimmten Frequenz moduliert wird, wobei die erzeugte Lichtmenge durch eine externe Anweisung einstellbar ist, (b) eine Wellenlängenverzweigungseinheit 360 zum Empfangen eines optischen Signals mit einer vorbestimmten Wellenlänge, das aus dem Streu- und Absorptionsmedium 900 austritt, nachdem das optische Signal von der intensitätsabstimmbaren Lichteinstrahleinheit 270 erzeugt wurde, das Streu- und Absorptionsmedium 900 bestrahlt und sich im Streu- und Absorptionsmedium 900 ausbreitet, und zum getrennten Auswählen und Aussenden von Licht mit einer Wellenlänge λ1 und von Licht mit einer Wellenlänge λ2, (c) eine Lawinen-Photodiode (APD) 3201 zum Detektieren von Licht mit einer Wellenlänge λ1, das aus der Wellenlängenverzweigungseinheit 360 austritt, (d) eine Rückkopplungs-Recheneinheit 4001 zum Senden einer Anweisung zur intensitätsabstimmbaren Lichteinstrahleinheit 270, die Menge erzeugten Lichts mit einer Wellenlänge λ1 zu erhöhen, wenn die Intensität der Wechselspannungskomponente des von der Photodetektiereinheit 3201 detektierten optischen Signals kleiner als ein vorbestimmter Wert ist, und zum Senden einer Anweisung zur intensitätsabstimmbaren Lichteinstrahleinheit 270, die Menge erzeugten Lichts mit einer Wellenlänge λ1 zu verringern, wenn die Intensität des von der Photodetektiereinheit 3201 detektierten optischen Signals größer als der vorbestimmte Wert ist, (e) eine Lawinen-Photodiode (APD) 3202 zum Detektieren von Licht mit einer Wellenlänge λ2, das von der Wellenlängenverzweigungseinheit 360 ausgesendet wird, (f) eine Rückkopplungs-Recheneinheit 4002 zum Senden einer Anweisung zur intensitätsabstimmbaren Lichteinstrahleinheit 270, die Menge erzeugten Lichts mit einer Wellenlänge λ2 zu erhöhen, wenn die Intensität der Wechselspannungskomponente des von der Photodetektiereinheit 3202 detektierten optischen Signals kleiner als der vorbestimmte Wert ist, und zum Senden einer Anweisung zur intensitätsabstimmbaren Lichteinstrahleinheit 270, die Menge erzeugten Lichts mit einer Wellenlänge λ2 zu verringern, wenn die Intensität des von der Photodetektiereinheit 3202 detektierten optischen Signals größer als der vorbestimmte Wert ist, und (g) eine Verarbeitungsvorrichtung 550 zum Empfangen eines Modulationssignals und eines optisch detektierten Signals für jede Wellenlänge von Meßlicht und zum Erhalten einer Phasendifferenz zwischen dem Modulationssignal und dem optisch detektierten Signal für jede Wellenlänge des Meßlichts.
  • Hierbei haben die APDs 3201 und 3202 die gleiche Konfiguration wie die APD 320 gemäß der ersten Ausführungsform, und die Rückkopplungs-Recheneinheiten 4001 und 4002 haben die gleiche Konfiguration wie die Rückkopplungs-Recheneinheit 400 gemäß der ersten Ausführungsform.
  • Die Messung der Phasendifferenz mit dem Photodetektiergerät gemäß der vorliegenden Ausführungsform erfolgt folgendermaßen:
    Vor der Messung wird die Verstärkung der APD 3201 und der APD 3202 bestimmt und die Vorspannung für diese Verstärkung an die APDs 3201 und 3202 angelegt. Daraufhin wird bei dieser Verstärkung die Zeit zwischen dem Lichteintritt und dem Austritt des optisch detektierten Signals in den APDs 3201 und 3202 gemessen und in der Verarbeitungsvorrichtung 550 gespeichert. Gleichzeitig wird ein Einstellwert für die Intensität der Wechselspannungskomponente des optisch detektierten Signals bestimmt, und die Referenzspannung wird durch Einstellen der veränderlichen Gleichspannungsquelle in den Rückkopplungs-Recheneinheiten 4001 und 4002 festgelegt. Nach dieser Vorbereitung wird der Photodetektiervorgang zum Erhalten der Phasendifferenz eingeleitet.
  • Zuerst bestrahlt Licht mit den Wellenlängen λ1 und λ2, dessen Intensität durch ein Modulationssignal mit einer Wechselspannungskomponente mit einer vorbestimmten Frequenz zur anfänglichen Intensität moduliert ist und das von der intensitätsabstimmbaren Lichteinstrahleinrichtung 270 stammt, das Streu- und Absorptionsmedium 900, das ein zu messendes Objekt ist. Das Modulationssignal wird auch an die Verarbeitungsvorrichtung 550 angelegt. Das auf das Streu- und Absorptionsmedium 900 fallende modulierte Licht breitet sich im Streu- und Absorptionsmedium 900 aus, tritt daraus aus und fällt auf die Wellenlängenverzweigungseinheit 360. Daraufhin wird das modulierte Licht in Licht mit einer Wellenlänge λ1 und Licht mit einer Wellenlänge λ2 verzweigt.
  • Das Licht mit einer Wellenlänge λ1 fällt auf die APD 3201 und wird in ein elektrisches Signal (Stromsignal) umgewandelt, und es wird danach als ein optisch detektiertes Signal ausgesendet. Das von der RPD 3201 ausgesendete optisch detektierte Signal wird zur Rückkopplungs-Recheneinheit 4001 und zur Verarbeitungsvorrichtung 550 gesendet.
  • Die Rückkopplungs-Recheneinheit 4001 extrahiert die Wechselspannungskomponente aus dem eingegebenen optisch detektierten Signal. Falls die Intensität des elektrischen Wechselspannungssignals kleiner ist als der Einstellwert, sendet die Rückkopplungs-Recheneinheit 4001 eine Anweisung zur Lichtintensitäts-Steuereinheit 1501 in der intensitätsabstimmbaren Lichteinstrahleinheit 270, die durchgelassene Lichtmenge zu erhöhen, und falls die Intensität des elektrischen Wechselspannungssignals größer als der Einstellwert ist, sendet sie eine Anweisung zur Lichtintensitäts-Steuereinheit 1501 , die durchgelassene Lichtmenge zu verringern. Die Intensität des aus der intensitätsabstimmbaren Lichteinstrahleinheit 270 austretenden Lichts mit einer Wellenlänge λ1 wird durch Operationen in der Rückkopplungsschleife gesteuert, die aus der intensitätsabstimmbaren Lichteinstrahleinheit 270, der APD 3201 , der Rückkopplungs-Recheneinheit 4001 und wieder der intensitätsabstimmbaren Lichteinstrahleinheit 270 besteht. Wenn daraufhin die Verstärkung der APD 3201 festgelegt ist, wird die Intensität der Wechselspannungskomponente mit einer Modulationsfrequenz, die von der APD 3201 ausgesendet wird, aufrechterhalten, so daß sie im wesentlichen mit dem vorgegebenen Einstellwert übereinstimmt.
  • Nachdem die Intensität der Wechselspannungskomponente des von der APD 3201 ausgesendeten optisch detektierten Signals im wesentlichen mit dem Einstellwert übereinstimmt, verarbeitet die Verarbeitungsvorrichtung 550 die Wechselspannungskomponente des Modulationssignals und die Wechselspannungskomponente des optisch detektierten Signals, um die Phasendifferenz zwischen dem Modulationssignal und dem optisch detektierten Signal zu erhalten.
  • Zur gleichen Zeit wie die Messung mit Licht mit einer Wellenlänge λ1 wird die Messung mit Licht mit einer Wellenlänge λ2 in der gleichen Weise wie die Messung mit Licht mit einer Wellenlänge λ1 ausgeführt. Es sei bemerkt, daß die bei der Messung mit Licht mit einer Wellenlänge λ2 gebildete Rückkopplungsschleife eine Schleife ist, die aus der intensitätsabstimmbaren Lichteinstrahleinheit 270 (der Lichtintensitäts-Steuereinheit 1502 ), der APD 3202 , der Rückkopplungs-Recheneinheit 4002 und wieder der intensitätsabstimmbaren Lichteinstrahleinheit 270 (der Lichtintensitäts-Steuereinheit 1502 ) besteht.
  • Es sei bemerkt, daß ähnlich der ersten Ausführungsform die Zeitdifferenz zwischen dem Modulationssignal und dem optisch detektierten Signal auch anhand der Ergebnisse der Phasendifferenzmessung berechnet werden kann.
  • Falls weiterhin die Anzahl der Wellenlängen des Meßlichts größer als drei ist, werden die Anzahl der Gruppen der Überlagerungseinheit, der Laserdiode und der Lichtintensitäts-Steuereinheit, die Spezifikation des optischen Multiplexers, die Spezifikation der Wellenlängenverzweigungseinheit und die Anzahl der Paare aus der APD und der Rückkopplungs-Recheneinheit in bezug auf die Anzahl der Wellenlängen eingestellt, wodurch die gleiche Konfiguration wie gemäß der vorliegenden Ausführungsform erhalten wird.
  • Die in der zweiten Ausführungsform und der dritten Ausführungsform an der ersten Ausführungsform vorgenommene Modifikation kann auf die vorliegende Ausführungsform angewendet werden, welche auch die gleichen Wirkungen zeigt.
  • Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die vorstehende Ausführungsform beschränkt, sondern sie kann auf viele Arten modifiziert werden.
  • Beispielsweise kann ein Photoelektronenvervielfacher-Rohr, ein Photo-Rohr, eine Photodiode, eine Pin-Photodiode oder ein Photoelektronenvervielfacher-Rohr mit einer eingebauten Elektronenimplantations-APD als eine Photodetektiereinheit verwendet werden, wodurch auch die gleichen Wirkungen erhalten werden können.
  • Weiterhin kann für die Messung mit Licht, das eine Anzahl von Wellenlängen aufweist, mit dem Gerät gemäß der ersten bis dritten Ausführungsform eine abstimmbare Laservorrichtung eingesetzt werden, um eine gewünschte Wellenlänge zu verwenden. Weiterhin ist die Anzahl der in der Wechselspannungskomponente des Modulationssignals enthaltenen Frequenzkomponenten nicht auf eins beschränkt, sondern es können darin mehrere Frequenzkomponenten vorhanden sein. Im Fall einer Anzahl von Frequenzkomponenten muß eine Anzahl von Frequenzauswahlfiltern entsprechend jeder Frequenzkomponente beim Lichteinfall auf die Photodetektiereinheit vorbereitet werden, und das Frequenzauswahlfilter wird für jede Frequenz, die ein Meßobjekt ist, umgeschaltet, oder die Frequenzkomponenten müssen in der Verarbeitungsvorrichtung getrennt werden.
  • Weiterhin kann eine Bestrahlungs/Nichtbestrahlungs-Funktion in die intensitätsabstimmbare Lichteinstrahleinheit aufgenommen werden, und das Bestrahlungslicht wird dann impulsartig erzeugt.
  • Weil, wie vorstehend beschrieben wurde, beim Photodetektiergerät gemäß der vorliegenden Erfindung die Verstärkung der Photodetektiereinheit festgelegt ist und die Intensität des intensitätsmodulierten Lichts für die Bestrahlung des Streu- und Absorptionsmediums der Rückkopplungssteuerung unterzogen wird, um die Intensität der Wechselspannungskomponente des von der Photodetektiereinheit emittierten optisch detektierten Signals festzulegen, ist die Zeit zwischen dem Einfall von Licht auf die Photodetektiereinheit und der Ausgabe des optisch detektierten Signals demgemäß im wesentlichen konstant, und es kann ein Signal mit einem Niveau erhalten werden, das sich leicht handhaben läßt. Daraufhin kann die Phasendifferenz zwischen dem optischen Signal, dessen Intensität moduliert ist und das das Streu- und Absorptionsmedium bestrahlt, und dem aus dem Streu- und Absorptionsmedium austretenden optischen Signal leicht mit hoher Genauigkeit gemessen werden.
  • Es wird anhand der so beschriebenen Erfindung offensichtlich sein, daß die Erfindung auf zahlreiche Weisen geändert werden kann. Diese Änderungen sind nicht als eine Abweichung von dem durch die folgenden Ansprüche definierten Schutzumfang der Erfindung anzusehen.

Claims (30)

  1. Photodetektiergerät mit: einer intensitätsabstimmbaren Lichteinstrahlvorrichtung (100, 200, 250, 260, 270, 280) zum Erzeugen von Licht, um ein Streu- und Absorptions-Medium (900) zu bestrahlen, wobei die Intensität des Lichts durch ein moduliertes Signal mit einer vorbestimmten Wechsetstromfrequenz moduliert ist, und die Intensität des erzeugten Lichts gemäß einer externen Anweisung justierbar ist; einer Photodetektiervorrichtung (320) zum Detektieren des erzeugten Lichts, nachdem es von dem Medium (900) abgegeben wird, als ein optisches Signal, und zum Konvertieren des optischen Signals in ein elektrisches Signal entsprechend der Intensität des von der Photodetektiervorrichtung (320) detektierten optischen Signals; und einer Verarbeitungsvorrichtung (500) zum Empfangen des modulierten und des elektrischen Signals und zum Erhalten entweder einer Zeit- oder einer Phasendifferenz zwischen dem modulierten Signal und dem elektrischen Signal; gekennzeichnet durch: eine Rückkoppelvorrichtung (400) zum Empfangen des elektrischen Signals, zum Senden eines Anweisungssignals an die Einstralilvorrichtung (100), um die Intensität des erzeugten Lichts zu erhöhen, wenn die Intensität des von der Photodetektiervorrichtung (320) detektierten optischen Signals kleiner ist als ein vorgegebener Wert, und zum Senden eines Anweisungssignals an die Einstrahlvorrichtung (100), um die Intensität des erzeugten Lichts zu erniedrigen, wenn die Intensität des von der Photodetektiervorrichtung (320) detektierten optischen Signals größer ist als der vorgegebener Wert.
  2. Photodetektiergerät nach Anspruch 1, wobei die intensitätsabstimmbare Lichteinstrahlvorrichtung (100, 200, 250, 260, 270, 280) umfasst: eine Moduliertes-Signal-Erzeugungseinheit zum Erzeugen eines modulierten Signals mit: einer Gleichstromnuelle (110); einem Oszillator (120, 221) zum Erzeugen eines Wechselstromsignals mit einer Modulationsfrenuenz; und einer Überlagereinheit (130) zum Überlagern des von dem Oszillator (120) erzeugen Wechselstromsignals mit dem von der Gleichstromnuelle erzeugten Gleichstrom (110); und einer Lichtquellenvorrichtung (140) zum Empfangen des modulierten Signals und zum Erzeugen von Licht, dessen Intensität durch die vorgegebene Wechselstromfrequenz moduliert ist.
  3. Photodetektiergerät nach Anspruch 2, wobei die intensitätsabstimmbare Lichteinstrahlvorrichtung (100, 200, 250, 260, 270, 280) eine Lichtdurchlässigkeits-Variiereinheit (150–156) zum Variieren der Lichtdurchlässigkeit gemäß einem von der Rückkoppelvorrichtung (400) gesendeten Einstrahllichtintensitäts-Anzeige-Signal.
  4. Photodetektiergerät nach Anspruch 2, wobei das modulierte Signal eine dem von der Rückkoppelvorrichtung (400) gesendeten Einstrahllichtintensitäts-Anzeige-Signal entsprechende Amplitude aufweist.
  5. Photodetektiergerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verarbeitungsvorrichtung (600) umfasst: eine Referenzsignalerzeugungseinheit (610) zum Erzeugen eines Referenzsignals mit einer zur vorgegebenen Wechselstromfrequenz unterschiedlichen Referenzfrenuenz; einen ersten Signalkonverter (630) zum Empfangen des Referenzsignals und des modulierten Signals, zum Berechnen eines Produkts beider Signale, und danach zum Erzeugen eines Signals mit einem Frequenzunterschied zwischen der Referenzfrequenz und der vorgegebenen Wechselstromfrequenz, das eine Phaseninformation des modulierten Signals gegenüber den Referenzsignal umfasst; einen zweiten Signalkonverter (620) zum Empfangen des Referenzsignals und des elektrischen Signals, zum Berechnen eines Produkts beider Signale, und danach zum Erzeugen eines Signals mit einem Frequenzunterschied zwischen dem Referenzsignal und der vorgegebenen Wechselstromfrequenz, das eine Phaseninformation des modulierten Signals gegenüber dem Referenzsignal umfasst; und die Verarbeitungsvorrichtung (600), basierend auf einer Ausgangssignalwellenform des ersten (630) und einer Ausgangssignalwellenform des zweiten Signalkonverters (620) entweder eine Zeit- oder eine Phasendifferenz zwischen dem modulierten und dem elektrischen Signal erhält.
  6. Photodetektiergerät nach Anspruch 1, wobei die Einstrahlvorrichtung (270) dazu ausgelegt ist, Licht als eine erste Anzahl von Lichtstrahlen mit jeweils unterschiedlichen vorgegebenen Wellenlängen zu erzeugen, um das Medium (900) zu bestrahlen, wobei eine Intensität jedes Lichtstrahls durch das Modulierte Signal mit der vorgegebenen Wechselstromfrequenz moduliert wird, und die Intensität jedes erzeugten Lichtstrahls gemäß einer externen Anweisung justierbar ist; eine Lichtteilvorrichtung (360) dazu ausgelegt ist, optische Signale mit jeweils einer vorgegebenen Wechselstromfrequenz zu empfangen, nachdem sie von dem Medium (900) ausgetreten sind, und die optischen Signale in eine erste Anzahl von Lichtstrahlen mit jeweils einer vorgegebene Wellenlänge zu teilen; die Photodetektiervorrichtung (3201, 3202) eine erste Anzahl von Photodetektiereinheiten umfasst, die jeweils dazu ausgelegt sind, einen der von der Lichtteilvorrichtung (360) emittierten Lichtstrahlen zu detektieren, und für jede vorgegebene Wellenlänge das optische Signal in ein elektrisches zu konvertieren; die Verarbeitungsvorrichtung (550) für jede vorgegebene Wellenlänge dazu ausgelegt ist, das modulierte und das elektrische Signal zu empfangen und entweder eine Zeit- oder eine Phasendifferenz zu erhalten; und die Rückkoppelvorrichtung (4001, 4002) für jede vorgegebene Wellenlänge dazu ausgelegt ist, das elektrische Signal zu empfangen und das Anweisungssignal an die Einstrahlvorrichtung (270) zu senden.
  7. Photodetektiergerät nach Anspruch 1 oder Anspruch 6, wobei das modulierte Signal durch Überlagerung einer oder mehrerer Frenuenzkomponenten mit einer Gleichstromkomponente gebildet ist.
  8. Photodetektiergerät nach Anspruch 1 oder Anspruch 6, wobei das von der intensitätsabstimmbaren Lichteinstrahlvorrichtung erzeugte Licht gepulstes Licht ist.
  9. Photodetektiergerät nach Anspruch 6, wobei die intensitätsabstimmbare Lichteinstrahlvomchtung (270) umfasst: eine Moduliertes-Signal-Erzeugungseinheit zum Erzeugen eines modulierten Signals mit: einer Gleichstromnuelle (110); einem Oszillator (120) zum Erzeugen eines Wechselstromsignals mit einer Modulationsfrenuenz; und einer Überlagerungseinheit (130) zum Überlagern des von dem Oszillator (120) erzeugten Wechselstromsignals mit dem von der Gleichstromnuelle erzeugten Gleichstrom; der ersten Anzahl der Lichtquellenvorrichtungen (141, 142) zum Empfangen des modulierten Signals und zum Erzeugen von Lichtstrahlen mit jeweils einer unterschiedlichen vorgegebenen Frequenz, wobei die Intensität jedes Lichtstrahls durch eine vorgegebene Wechselstromfrequenz moduliert ist; und der ersten Anzahl von Lichtdurchlässigkeits-Variiereinheiten (150–156), die für jede vorgegebene Wellenlänge dazu ausgelegt sind, die Lichtdurchlässigkeit gemäß einem von der Rückkoppelvorrichtung (3201–3202) für jede vorgegebene Wellenlänge gesendeten Einstrahltichtintensitäts-Anzeige-Signal zu variieren.
  10. Photodetektiergerät nach Anspruch 6, wobei die intensitätsabstimmbare Lichteinstrahlvorrichtung (270) umfasst: eine erste Anzahl von modulierten Signalerzeugungseinheiten zum Erzeugen eines modulierten Signals für jede vorgegebene Wellenlänge, mit: einer Gleichstromquelle (110); einem Oszillator (120) zum Erzeugen eines Wechselstromsignals mit einer Modulationsfrequenz; und einer Überlagerungseinheit (130) zum Überlagern des von dem Oszillator (120) erzeugten Wechselstromsignals mit dem von der Gleichstromquelle erzeugten Gleichstrom, wobei das modulierte Signal eine Amplitude aufweist, die einem von der Rückkoppelvorrichtung (4001, 4002) für jede vorgegebene Wellenlänge ausgesandten Einstrahllichtintensitäts-Anzeige-Signal entspricht; und der ersten Anzahl von Lichtquellenvorrichtungen (141, 142). zum Empfangen des modulierten Signals und zum Erzeugen von Licht mit einer bestimmten Wellenlänge, wobei die Intensität des Lichts durch eine vorgegebene Wechselstromfrequenz moduliert ist.
  11. Photodetektiergerät nach Anspruch 3 oder Anspruch 9, wobei die Lichtquellenvorrichtung eine Lichtemittiereinheit zum Erzeugen von Licht mit einer Vielzahl von Wellenlängen umfasst.
  12. Photodetektiergerät nach Anspruch 3 oder Anspruch 9, wobei die Lichtquellenvorrichtung umfasst: mehrere Lichtemittiereinheiten (141, 142), die jeweils Licht mit einer unterschiedlichen Wellenlänge erzeugen; und eine Lichtauswahleinheit (170) zum Auswählen einer der mehreren Lichtemittiereinheiten (141, 142) und zum Emittieren von Licht daraus.
  13. Photodetektiergerät nach Anspruch 3 oder Anspruch 9, wobei: die Lichtquellenvorrichtung mehrere Lichtemittiereinheiten (141, 142), die jeweils Licht mit einer unterschiedlichen Wellenlänge erzeugen, und eine Koppeleinheit (180) aufweist, zum Koppeln von Licht, das von den mehreren Lichtemittiereinheiten (141, 142) erzeugt ist; und die Photodetektiervorrichtung (350) eine Lichtauswahleinheit (330) aufweist, zum Empfangen von aus dem Medium (900) austretenden Licht, zum Auswählen und Emittieren von Licht mit einer vorgegebenen Wellenlänge, und eine Photodetektiereinheit (320) aufweist, zum Detektieren von aus der Lichtauswahleinheit (330) emittiertem Licht.
  14. Photodetektiergerät nach einem der Ansprüche 6 bis 13, wobei die Verarbeitungseinheit (600) umfasst: eine Referenzsignalerzeugungseinheit (610) zum Erzeugen eines Referenzsignals mit einer zur vorgegebenen Wechselstromfrequenzen unterschiedlichen Referenzfrequenz; die erste Anzahl von ersten Signalkonvertern (630), um – für jede vorgegebene Wellenlänge – das Referenzsignal und das modulierte Signal zu empfangen, ein Produkt beider zu berechnen, und danach ein Signal mit einem Frenuenzunterschied zwischen der Referenzfrequenz und der vorgegebenen Wechselstromfrequenz zu erzeugen; einen zweiter Signalkonverter (620), um – für jede vorgegebene Wellenlänge – das Referenzsignal und das elektrische Signal zu empfangen, ein Produkt beider zu berechnen, und danach ein Signal mit einem Frequenzunterschied zwischen der Referenzfrequenz und der vorgegebenen Wechselstromfrequenz zu erzeugen; und wobei die Verarbeitungsvorrichtung (600) für jede Wellenlänge, basierend auf einer Ausgangssignalwellenform des ersten Signalkonverters (630) und einer Ausgangssignalwellenform des zweiten Signalkonverters (620) entweder eine Zeit- oder eine Phasendifferenz erhält.
  15. Gerät zum Messen von Körpereigenschaften mit einem Photodetektiergerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
  16. Photodetektierverfahren folgende Schritte umfassend: Erzeugen von Licht, um ein Streu- und Absorptions-Medium zu bestrahlen, wobei eine Intensität des Lichts durch ein moduliertes Signal mit einer vorgegebenen Wechselstromfrequenz moduliert ist, und die Intensität des erzeugten Lichts gemäß einer externen Anweisung justierbar ist; Detektieren des erzeugten Lichts, nachdem es von dem Medium abgegeben wird, und Konvertieren des optischen Signals in ein elektrisches Signal entsprechend der Intensität des detektierten optischen Signals; Empfangen des modulierten und des elektrischen Signals und Erhalten entweder einer Zeit- oder einer Phasendifferenz zwischen dem modulierten und dem elektrischen Signal; gekennzeichnet durch einen Rückkoppelschritt zum Empfangen des elektrischen Signals und zum Senden eines Anweisungssignals, um die Intensität des erzeugten Lichts zu erhöhen, wenn die Intensität des detektierten optischen Signals kleiner ist als ein vorgegebener Wert, und zum Senden eines Anweisungssignals, um die Intensität des erzeugten Lichts zu erniedrigen, wenn die Intensität des detektierten optischen Signals größer ist als der vorgegebene Wert, so dass die Intensität des elektrischen Signals fest bleibt.
  17. Verfahren nach Anspruch 16, wobei das modulierte Signal erzeugt wird durch: Erzeugen eines Wechselstromsignals mit einer Modulationsfrequenz; Überlagern des erzeugten Wechselstromsignals mit einem Gleichstrom; und Erzeugen von Licht, dessen Intensität durch eine vorgegebene Wechselstromfrequenz moduliert ist.
  18. Verfahren nach Anspruch 17, wobei die Lichtdurchlässigkeit gemäß einem Einstrahllichtintensitätsanzeigsignal variiert wird.
  19. Verfahren nach Anspruch 17, wobei das modulierte Signal eine einem Einstrahllichtintensitäts-Anzeige-Signal entsprechende Amplitude aufweist.
  20. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, folgende Schritte umfassend: Erzeugen eines Referenzsignals mit einer zur vorgegebenen Wechselstromfrequenz unterschiedlichen Referenzfrequenz; Empfangen des Referenzsignals und des modulierten Signals durch einen ersten Signalkonverter, Berechnen eines Produkts beider Signale, und danach Erzeugen eines Signals mit einem Frequenzunterschied zwischen der Referenzfrenuenz und der vorgegebenen Wechselstromfrenuenz und einer Phaseninformation des modulierten Signals gegenüber dem Referenzsignal; Empfangen des Referenzsignals und des elektrischen Signals durch einen zweiten Signalkonverter, Berechnen eines Produkts aus beiden Signalen, und danach Erzeugen eines Signals mit einem Frequenzunterschied zwischen der Referenzfrequenz und der vorgegebenen Wechselstromfrenuenz und einer Phaseninformation des modulierten Signals gegenüber dem Referenzsignal; und Erhalten entweder einer Zeit- oder einer Phasendifferenz zwischen dem modulierten Signal und dem elektrischen Signal, basierend auf einer Ausgangssignalwellenform des ersten und einer des Ausgangssignalwellenform des zweiten Signalkonverters.
  21. Verfahren nach Anspruch 16, folgende Schritte umfassend: Erzeugen des Lichts als eine erste Anzahl von Lichtstrahlen mit jeweils unterschiedlichen vorgegebenen Wellenlängen, um das Medium zu bestrahlen, wobei die Intensität jedes Lichtstrahls durch das modulierte Signal mit der vorgegebenen Wechselstromfrequenz moduliert ist, und die Intensität jedes erzeugten Lichtstrahls gemäß einer externen Anweisung justierbar ist; Empfangen optischer Signale mit jeweils einer vorgegebene Wechselstromfrequenz, nachdem sie von dem Medium (900) abgegeben werden, und Teilen der optischen Signale in Lichtstrahlen mit der vorgegebenen Wellenlänge; diskretes Detektieren jeder der von der Lichtteilvorrichtung emittierten Lichtstrahlen, und für jede vorgegebene Wellenlänge Konvertieren des optischen Signals in ein elektrisches; für jede vorgegebene Wellenlänge, Empfangen des modulierten und des elektrischen Signals und Erhalten entweder einer Zeit- oder einer Phasendifferenz; und für jede vorgegebene Wellenlänge, Empfangen des elektrischen Signals und Senden eines Anweisungssignals für jede vorgegebene Wellenlänge.
  22. Verfahren nach Anspruch 16 oder Anspruch 21, wobei das modulierte Signal durch Überlagern einer oder mehrerer Frenuenzkomponenten mit einer Gleichstromkomponente gebildet wird.
  23. Verfahren nach Anspruch 16 oder Anspruch 21, wobei gepulstes Licht erzeugt wird.
  24. Verfahren nach Anspruch 21, wobei das modulierte Signal erzeugt wird durch: Erzeugen eines Wechselstromsignals mit einer Modulationsfrequenz; Überlagern des erzeugten Wechselstromsignals mit einem Gleichstrom; Erzeugen von Lichtstrahlen, die jeweils eine unterschiedliche vorgegebene Wellenlänge aufweisen, wobei die Intensität jedes Lichtstrahls durch eine vorgegebene Wechselstromfrequenz moduliert ist; und Variieren der Lichtdurchlässigkeit für jede vorgegebene Wellenlänge gemäß einem für jede vorgegebene Wellenlänge gesendeten Einstrahllichtintensitäts-Anzeige-Signals.
  25. Verfahren nach Anspruch 21, wobei das modulierte Signal für jede vorgegebene Wellenlänge erzeugt wird durch: Erzeugen eines Wechselstromsignals mit einer Modulationsfrequenz; Überlagern des erzeugten Wechselstromsignals mit einem Gleichstrom, wobei für jede vorgegebene Wellenlänge das modulierte Signal eine dem Einstrahllichtintensitäts-Anzeige-Signal entsprechende Amplitude aufweist; und Empfangen des modulierten Signals und Erzeugen von Licht für jede vorgegebene Wellenlänge, wobei die Intensität des Lichts durch die vorgegebene Wechselstromfrequenz moduliert ist.
  26. Verfahren nach Anspruch 18 oder Anspruch 24, wobei Licht mit mehreren Wellenlängen erzeugt wird.
  27. Verfahren nach Anspruch 18 oder Anspruch 24, umfassend: Erzeugen von Lichtstrahlen aus mehreren Lichtemittiereinheiten mit jeweils einer unterschiedlichen Wellenlänge; und Wählen eines der mehreren Lichtemittiereinheiten und eines daraus emittierten Lichts.
  28. Verfahren nach Anspruch 18 oder 24, weiterhin umfassend: Erzeugen von Lichtstrahlen von mehreren Lichtquellenvorrichtungen, die mehrere Lichtemittiereinheiten umfassen, und jeweils Licht mit einer unterschiedlichen Wellenlänge erzeugen, und Koppeln des von den mehreren Lichtemittiereinheiten erzeugten Lichts; und Empfangen von aus dem Medium abgegebenen Lichts, Wählen und Emittieren von Licht mit einer bestimmten Wellenlänge, und Detektieren des emittierten Lichts.
  29. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 28, folgende Schritte umfassend: Erzeugen eines Referenzsignals mit einer zur vorgegebenen Wechselstromfrenuenz unterschiedlichen Referenzfrenuenz; für jede der vorgegebenen Wellenlängen, Empfangen des Referenzsignals und des modulierten Signals, Berechnen eines Produkts beider, und danach Erzeugen eines Signals mit einem Frequenzunterschied zwischen der Referenzfrequenz und der vorgegebenen Wechselstromfrequenz; für jede vorgegebene Wellenlänge, Empfangen des Referenzsignals und des elektrischen Signals, Berechnen eines Produkts beider, und danach Erzeugen eines Signals mit einem Frequenzunterschied zwischen der Referenzfrequenz und der vorgegebenen Wechselstromfrequenz; und Erhalten für jede vorgegebene Wellenlänge, basierend auf einer Ausgangssignalwellenform des ersten Signalkonverters und einer Ausgangssignalwellenform des zweiten Signalkonverters, entweder einer Zeit- oder einer Phasendifferenz.
  30. Verfahren zum Messen von Körpereigenschaften mit einem Photodetektierverfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 29.
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