JP2011233779A - 半導体光源駆動回路 - Google Patents
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Abstract
【課題】高出力で高効率な生体安全性の高い半導体光源駆動回路を提供する。
【解決手段】半導体光源素子2と、半導体光源素子2を駆動するパルス幅変調駆動回路3と、を備えた半導体光源駆動回路において、半導体光源素子2から出力される光の光出力を一定時間幅で積分した時間積の値が、所定のしきい値を超えたときに、半導体光源素子2の発光を強制的に停止させる強制発光停止手段4を備えたものである。
【選択図】図1
【解決手段】半導体光源素子2と、半導体光源素子2を駆動するパルス幅変調駆動回路3と、を備えた半導体光源駆動回路において、半導体光源素子2から出力される光の光出力を一定時間幅で積分した時間積の値が、所定のしきい値を超えたときに、半導体光源素子2の発光を強制的に停止させる強制発光停止手段4を備えたものである。
【選択図】図1
Description
本発明は、生体計測装置などに用いる半導体光源駆動回路に係り、特に、回路故障時においても眼や皮膚に安全な半導体光源駆動回路に関するものである。
LD(Laser Diode)などの半導体光源素子は、極めて小型で高出力が可能であり、駆動する電流あるいは電圧により高速に光出力(光強度)の変調を行うことができるという特長から、近年、分光計測の原理を用いた小型の生体計測装置(例えばパルスオキシメータ)などで用いられるようになってきている。
また、半導体光源素子は高速に光出力(光強度)の変調を行うことができるため、光源をパルス的な電流あるいは電圧で駆動することができる。よって、光出力(光強度)の制御を、PWM(Pulse Width Modulation;パルス幅変調)方式を利用して行うことも可能である。PWM方式の半導体光源駆動回路では、短パルス幅かつ大電流・高電圧の駆動により、半導体光源素子を高い効率で駆動することが可能であり、また、高精度な時間基準(クロック等)を利用して時間精度の高いパルス幅を作ることができるため、比較的容易に光出力(光強度)制御の精度を確保できるという特長がある。
しかし、半導体光源素子は、点光源でかつ高出力の光を発することができることから、故障時などに意図しない高出力の光が発光された場合、眼や皮膚に障害を及ぼす危険性がある。特に、半導体光源素子を高出力で用いてSN比の高い計測を行う生体計測装置では、回路の故障などに起因して半導体光源素子の光出力(光強度)の制御が不可能となり高出力の光が発生してしまうと大変危険であり、半導体光源素子からの光が眼や皮膚に悪影響を及ぼさないよう生体安全性を確保することは、必須である。
従来の半導体光源駆動回路では、この問題を解決するため、単一故障に対して様々な保護回路(セーフティ回路)を用いている。
従来の半導体光源駆動回路で用いているセーフティ回路としては、抵抗あるいは電流・電圧制限素子などで、半導体光源素子の駆動電流・電圧の最大値を制限するもの(例えば、特許文献1参照)や、半導体光源素子に印加される電圧・電流を計測し、事前に設定された最大値を超えた場合に故障と判断して、半導体光源素子を駆動する駆動回路の電源を遮断、あるいは駆動回路と半導体光源素子の間の接続を遮断するものが知られている。また、半導体光源素子の光出力(光強度)を、駆動回路内に内蔵あるいは外付けされた受光素子で計測し、計測した光出力(光強度)が事前に設定された最大値を超えた場合に故障と判断して、駆動回路の電源を遮断、あるいは駆動回路と半導体光源素子の間の接続を遮断するものも知られている。
ところで、半導体光源素子を高効率で駆動し、かつ、生体計測装置などに適用した際にSN比の高い計測を実現するためには、できるだけ半導体光源素子を高出力で駆動することが望ましい。
しかしながら、従来の半導体光源駆動回路では、半導体光源素子に流れる電流(あるいは印加される電圧)の最大値を制限するか、あるいは半導体光源素子の発光状態をモニタして光出力(光強度)の最大値を制限しており、いずれの場合も、結果的に半導体光源素子からの光出力(PWM方式においては、利用できるパルス波高値)が大きく制限されてしまう。換言すれば、従来の半導体光源駆動回路では、半導体光源素子からの光出力(光強度)に上限を設けることで生体安全性を確保しており、当然ながら、設定した上限を超える高出力の光は得られない。
一方、半導体光源素子からの光による眼や皮膚への障害は、照射された光により発生する熱に起因する。この照射された光により発生する熱は、光出力(光強度)と照射時間の積、および光の波長で決定されるため、短時間(短パルス幅)であれば高出力の光を生体に照射しても安全といえる。
したがって、特にPWM方式の半導体光源駆動回路では、パルス幅(照射時間)を短くすれば光出力(光強度)が大きくても生体安全性を確保できることとなり、従来のように単純に光出力(光強度)に上限を設けるのではなく、生体安全性を維持しつつも高出力を実現できる半導体光源駆動回路が望まれる。
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、PWM方式の半導体光源駆動回路において、高出力で高効率な生体安全性の高い半導体光源駆動回路を提供することにある。
本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、半導体光源素子と、該半導体光源素子を駆動するパルス幅変調駆動回路と、を備えた半導体光源駆動回路において、前記半導体光源素子から出力される光の光出力を一定時間幅で積分した時間積の値が、所定のしきい値を超えたときに、前記半導体光源素子の発光を強制的に停止させる強制発光停止手段を備えた半導体光源駆動回路である。
前記強制発光停止手段は、前記半導体光源素子からの光の一部を受光し、前記半導体光源素子から出力される光の光出力に応じた電圧の電気信号を出力する受光回路と、該受光回路からの電気信号を増幅して出力する増幅回路と、該増幅回路で増幅された電気信号を一定時間幅で積分した積分値を出力する積分回路と、該積分回路から出力された積分値が所定のしきい値以上であるとき、停止信号を出力する比較回路と、該比較回路から停止信号を受信した際に、前記半導体光源素子へ供給される電源を遮断する光源電源遮断回路と、を備えてもよい。
前記半導体光源素子を複数有し、前記パルス幅変調駆動回路は、複数の前記半導体光源素子を時分割で発光させるようにされ、前記受光回路は、1つの受光素子で複数の前記半導体光源素子からの光を受光するようにされ、前記増幅回路は、基準となる波長λrにおける利得G(λr)が1とされ、かつ、現在発光している半導体光源素子の波長がλであるとき、利得G(λ)が下式
G(λ)=1/{R(λ)・S(λ)}
但し、R(λ):波長λでの波長λrからの受光素子感度比
S(λ):波長λでの波長λrからの生体安全上許容される光出力比
に設定されてもよい。
G(λ)=1/{R(λ)・S(λ)}
但し、R(λ):波長λでの波長λrからの受光素子感度比
S(λ):波長λでの波長λrからの生体安全上許容される光出力比
に設定されてもよい。
本発明によれば、高出力で高効率な生体安全性の高い半導体光源駆動回路を提供できる。
以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面にしたがって説明する。
図1は、本実施の形態に係る半導体光源駆動回路の概略構成図である。
図1に示すように、半導体光源駆動回路1は、複数の半導体光源素子(光源素子)2と、半導体光源素子2を駆動するパルス幅変調駆動回路(以下、PWM駆動回路という)3と、半導体光源素子2から出力される光の光出力(光強度)を一定時間幅で積分した時間積の値が、所定のしきい値を超えたときに、半導体光源素子2の発光を強制的に停止させる強制発光停止手段4と、を主に備える。
半導体光源素子2は、例えばLDからなる。ここでは、発光する光の波長が異なるn個の半導体光源素子2(波長λ1〜λn)を備える場合を説明する。
PWM駆動回路3は、n個の半導体光源素子2を時分割で発光させるようにされ、複数の半導体光源素子2を同時に発光させないようにされる。このPWM駆動回路3は、外部の制御装置から、発光させる半導体光源素子2と光出力(光強度)の指示を受けて、半導体光源素子2のいずれかにピーク電流値(電流パルスの波高値)が一定の駆動電流を流すようにされる。PWM駆動回路3における変調周波数は、計測の用途に応じて事前に定められ、PWM駆動回路3は、変調周波数で定まる発光周期内での発光と非発光のデューティ比(発光時間/(発光時間+非発光時間))を可変して光出力(光強度)を制御するようにされる。また、PWM駆動回路3は、故障を検知した際に、半導体光源素子2の駆動を停止するようにされる。
強制発光停止手段4は、半導体光源素子2からの光の一部を受光し、半導体光源素子2から出力される光の光出力(光強度)に応じた電圧の電気信号を出力する受光回路5と、受光回路5からの電気信号を増幅して出力する増幅回路6と、増幅回路6で増幅された電気信号を一定時間幅で積分した積分値を出力する積分回路7と、積分回路7から出力された積分値が所定のしきい値以上であるとき、停止信号(カットオフ信号)を出力する比較回路8と、比較回路8から停止信号を受信した際に、半導体光源素子2へ供給される電源を遮断する光源電源遮断回路(遮断回路)9と、を備える。
つまり、強制発光停止手段4は、半導体光源素子2から出力される光の光出力(光強度)を電圧に換算し、その電圧換算値を一定時間幅で積分した積分値(光出力(光強度)を一定時間幅で積分した上述の時間積に相当)を求め、その積分値が所定のしきい値を超えたときに、半導体光源素子2の発光を強制的に停止させるものである。
受光回路5は、各半導体光源素子2と光学的に結合し、各半導体光源素子2から発光された光の一部を受光して、各々の半導体光源素子2から出力される光出力(光強度)に応じた電気信号を出力する1つの受光素子(図示せず)と、受光素子からの電気信号を電圧に変換する電圧変換用抵抗(図示せず)とからなる。受光素子は、例えばPD(Photo Diode)からなり、受光する光の波長により感度が異なる受光感度特性(分光感度特性)を有する。
受光回路5から出力された電気信号は、増幅回路6とPWM駆動回路3に出力される。PWM駆動回路3は、受光回路5から出力された電気信号を用いて、半導体光源素子2の光出力(光強度)をモニタするようにされる。つまり、半導体光源駆動回路1は、複数の半導体光源素子2の光出力(光強度)を一括して1つの受光素子でモニタする構成となっている。なお、各半導体光源素子2ごとに、対応する受光素子を設けることも考えられるが、この場合、各受光素子が対応する半導体光源素子2以外の半導体光源素子2からの光を受光しないように構成する必要が生じ、構造が複雑となり、コストも高くなる。よって、本実施の形態では、複数の半導体光源素子2の光出力(光強度)を一括して1つの受光素子で受光することとする。
増幅回路6は、受光回路5から出力された電気信号を、現在発光している半導体光源素子2の波長における受光素子の受光感度特性と生体安全性とに応じた利得で、増幅(あるいは減衰)するものである。増幅回路6は、PWM駆動回路3より利得の指示を受け、その指示に従った利得で受光回路5からの電気信号を増幅(あるいは減衰)するようにされる。
本実施の形態では、増幅回路6で受光回路5からの電気信号を増幅する際の利得は、基準となる波長λrにおける利得G(λr)が1とされ、かつ、現在発光している半導体光源素子の波長(発光波長)がλであるとき、利得G(λ)が下式
G(λ)=1/{R(λ)・S(λ)}
但し、R(λ):波長λでの波長λrからの受光素子感度比
S(λ):波長λでの波長λrからの生体安全上許容される光出力比
に設定される。R(λ)、S(λ)は、現在発光している半導体光源素子2の波長λによって定まる定数である。なお、基準となる波長λrについては、計測の用途に応じて適宜設定してよく、例えば、n個の半導体光源素子2のうちの1つの半導体光源素子2の波長を、基準となる波長λrとして用いてもよい。
G(λ)=1/{R(λ)・S(λ)}
但し、R(λ):波長λでの波長λrからの受光素子感度比
S(λ):波長λでの波長λrからの生体安全上許容される光出力比
に設定される。R(λ)、S(λ)は、現在発光している半導体光源素子2の波長λによって定まる定数である。なお、基準となる波長λrについては、計測の用途に応じて適宜設定してよく、例えば、n個の半導体光源素子2のうちの1つの半導体光源素子2の波長を、基準となる波長λrとして用いてもよい。
増幅回路6より出力される電気信号は、受光素子の受光感度特性による影響が補正され、かつ、基準となる波長λrに対する生体安全性の比を考慮した利得で増幅されたものである。よって、例えば、異なる波長の半導体光源素子2について増幅回路6より出力される電気信号の電圧値が同じとなった場合、各半導体光源素子2は瞬時的には同一の生体安全性を有していることになる。
積分回路7は、例えば抵抗と容量から構成されるものであり、増幅回路6からの電気信号を一定時間幅で積分した積分値(事前に定められた一定時間の範囲内での積分値)を出力する。増幅回路6より出力される電気信号は、上述のように、受光素子の受光感度特性による影響が補正され、かつ、基準となる波長λrに対する生体安全性の比を考慮した利得で増幅されたものであるから、積分回路7で得られる積分値は、波長による生体安全性への影響を考慮した時間積に相当するといえる。
比較回路8は、必要とする安全基準に応じて事前に定めた所定のしきい値(上限値)以上の入力が積分回路7からなされたときに、異常事態で安全上の問題があるとして、停止信号を出力するものである。比較回路8には、積分回路7からの積分値の信号と、上述の所定のしきい値に相当する一定電圧の信号とが入力され、積分値の信号と一定電圧の信号とを比較し、積分値の信号として入力される電圧値が、一定電圧の信号として入力される電圧値以上であれば、停止信号を出力するようにされる。
光源電源遮断回路9は、比較回路8から停止信号を受信した際に、半導体光源素子2へ供給される電源を強制的に遮断する(半導体光源素子2への電源供給を強制的に遮断する)ものである。電源10は、光源電源遮断回路9を介して各半導体光源素子2に電源供給するようにされる。また、電源10は、光源電源遮断回路9を介さずに、受光回路5の受光素子に電源供給するようにされる。
また、比較回路8から出力された停止信号は、PWM駆動回路3にも入力されるよう構成される。PWM駆動回路3は、停止信号を受信した際に、半導体光源素子2の駆動を停止すると共に、何らかの異常があったことを外部の制御装置や回路に通知するようにされる。なお、PWM駆動回路3自体が故障した場合は、半導体光源素子2の駆動を停止できないことも考えられるが、光源電源遮断回路9で半導体光源素子2に供給される電源を強制的に遮断するので、結果的に半導体光源素子2からの光出力は停止される。
ここで、一例として、半導体光源素子2を2つ用いた場合の半導体光源駆動回路1の具体的な回路構成について、図2を用いて説明する。
図2に示す半導体光源駆動回路1では、電源(VCC)10は、光源電源遮断回路9を構成する光源電源遮断用トランジスタ21を介して、半導体光源素子2であるLD22a,22bのアノードに接続される。LD22a,22bのカソードは、光源素子駆動用トランジスタ23a,23bを介してグランドに接続される。
光源素子駆動用トランジスタ23a,23bは、LD22a,22bに流れる電流を制御するトランジスタであり、PWM駆動回路3からの電圧信号(駆動信号)を受けてLD22a,22bに流れる電流を制御するものである。PWM駆動回路3は、図示しない外部の制御装置から光出力(光強度)と駆動の指示を受けて、要求された光出力(光強度)に応じてLD22a,22bと対応する光源素子駆動用トランジスタ23a,23bに、デューティ比を変えたパルス的な駆動信号を出力するようにされる。
電源(VCC)10と光源電源遮断用トランジスタ21間の接点aには、受光回路5の受光素子であるPD24のカソードが接続され、PD24のアノードは、電圧変換用抵抗25を介してグランドに接続される。PD24は、LD22a,22bと光学的に結合されており、LD22a,22bからの光の一部を受光するようにされる。
PD24と電圧変換用抵抗25間の接点bには、増幅回路6が接続される。増幅回路6は、電子ボリューム(電子VR)26の抵抗値に応じて、受光回路5からの電気信号(PD24で受光した結果の電圧出力)の増幅あるいは減衰を行うアンプ27を有する。電子ボリューム26の抵抗値は、PWM駆動回路3からの指示を受けて変化するようにされる。PWM駆動回路3は駆動し発光させているLD22a,22bの波長に応じて、電子ボリューム26の抵抗値を変更させてアンプ27の利得G(λ)を変化させる。なお、接点bと増幅回路6のアンプ27間の接点cには、受光回路5からの出力をPWM駆動回路3でモニタするために、PWM駆動回路3が接続されている。
増幅回路6には、積分回路7が接続される。積分回路7は、抵抗28とコンデンサ29とから構成され、増幅回路6から出力された電気信号を一定時間区間で積分した積分値を出力するようにされる。
積分回路7には、比較回路8が接続される。比較回路8は、DA変換器(DAC)30と比較器31とを有しており、比較器31には、積分回路7からの出力と、DA変換器30からの出力とが入力されるよう構成される。DA変換器30には、図示しない外部の制御装置が接続されており、その外部の制御装置が指示する電圧値の一定電圧の信号を比較器31に入力するようにされる。比較器31は、積分回路7から入力される積分値の信号の電圧値が、DA変換器30から入力される一定電圧の信号の電圧値以上となったときに、停止信号(カットオフ信号)を出力するようにされる。
比較回路8には、光源電源遮断回路9である光源電源遮断用トランジスタ21が接続される。また、比較回路8と光源電源遮断用トランジスタ21間の接点dには、PWM駆動回路3が接続され、比較回路8から出力された停止信号がPWM駆動回路3にも入力されるよう構成される。
次に、図2の半導体光源駆動回路1における動作を具体的に説明する。
ここでは、LD22a,22bとして波長の異なるもの(LD22aが発光する光の波長をλa、LD22bが発光する光の波長をλbとする)を用い、PWM駆動回路3にて、10ms周期で2つのLD22a,22bの駆動を交互に繰り返すようにし、最初の5msはLD22aを駆動し、後半5msはLD22bを駆動することとする。また、両LD22a,22bの駆動時間の5msをさらに2つの時間区間に分け、最初の2.5msは変調周波数1kHz(1ms周期)で、LD22aはデューティ比40%、LD22bはデューティ比20%で駆動するものとし、その後の2.5msは両LD22a,22bの駆動を休止し無発光期間とする。
このとき、LD22a,22bに流れる電流(LD22a,22bの駆動電流、すなわち図2における接点eを流れる電流)の一例を図3に示す。図3における縦軸は電流、横軸は時間である。図3では、0秒にて発光を開始したときに、0〜20msまでの間にLD22a,22bに流れる電流を示しており、LD22a,22bには、ピーク値(パルス波高値)が100mAで等しく、デューティ比の異なる電流が流れる。ここでは簡単のため、駆動電流が同じ場合、両LD22a,22bからの光出力(光強度)も同じであるとする。
LD22a,22bで発光した光をPD24で受光し、電圧変換用抵抗25で電圧に変換した結果の電圧換算値(受光回路5から出力される電気信号)の一例を図4に示す。
図4において、2つのLD22a,22bからの光出力(光強度)が同じであるにもかかわらず電圧換算値のピーク値に差が出るのは、PD24の受光効率が波長により異なるためである。図4の例では、LD22aの発光時には電圧換算値(ピーク値)が500mV、LD22bの発光時には電圧換算値(ピーク値)が750mVとなり、LD22bが発光する光の波長λbでは、LD22aが発光する光の波長λaと比べて受光効率が1.5倍になっている。LD22aが発光する光の波長λaを基準とすると、LD22bが発光する光の波長λbにおける受光素子感度比R(λb)は、R(λb)=1.5となる。
ここで、LD22bが発光する光の波長λbでは、LD22aが発光する光の波長λaと比較して、同じ生体安全性を確保するためには88.9%の光出力(光強度)しか許容できないものとする。この場合、LD22aが発光する光の波長λaを基準とすると、LD22bが発光する光の波長λbにおける生体安全上許容される光出力比(光強度比)S(λb)は、S(λb)=0.889となる。
よって、LD22aが発光する光の波長λaを基準とした場合、増幅回路6における利得G(λ)は、LD22aの発光時にはG(λa)=1となり、LD22bの発光時には、前述の式より、G(λb)=1/(1.5×0.889)≒0.75となる。よって、この場合、PWM駆動回路3は、LD22aの発光時には利得が1倍、LD22bの発光時には利得が0.75倍となるように、電子ボリューム26の抵抗値を制御する。
増幅回路6から出力される電気信号の波形の一例を図5に示す。図5と図4とを比較すると、図4ではLD22bの発光時の電圧換算値(ピーク値)が750mVであるのに対して、図5では、LD22bの発光時の電圧換算値が0.75倍されてピーク値が560mVになっている。
積分回路7では、増幅回路6から出力された電気信号を一定時間区間(ここでは50msとする)で積分した積分値を出力している。積分回路7から出力される電気信号の波形の一例を図6に示す。
図6に示すように、時間が0秒の時点でLD22a,22bの駆動を開始しているため、積分回路7から出力される電気信号の電圧値(積分値)は、時間の経過に従い徐々に増大していき、事前に定めた積分回路の時定数(この場合50ms)とLD22a,22bのデューティ比によって決まる値に収束する。
比較回路8では、比較器31にて、積分回路7から入力された電気信号の電圧値(積分値)と、DA変換器30から入力された電圧値とを比較する。
DA変換器30は、必要とする生体安全性の基準を満たせる範囲の電圧値を出力するように設定される。ここでは、基準としているLD22aを連続発光させ、その光をPD24で受光し電圧変換用抵抗25で電圧に変換し、その電圧変換値を50msの時間区間で積分した積分値が100mVとなるまでが、生体に安全な範囲であったとする。この場合、DA変換器30は電圧値100mVを出力するように設定される。
比較器31は、積分値が100mV以上となった場合(安全性に問題がある状態となった場合)、光源電源遮断回路9である光源電源遮断用トランジスタ21をカットオフする停止信号を出力し、LD22a,22bへの電源供給を遮断、すなわち光出力を遮断する。これと同時に、比較器31は、PWM駆動回路3にも停止信号を出力し、PWM駆動回路3に光出力を遮断したことを通知する。停止信号を受信したPWM駆動回路3は、何らかの異常があったものと判断してLD22a,22bの駆動を停止し、必要に応じて外部の制御装置等に異常が発生したことを伝達する。
ここで、異常発生時の動作を図7,8を用いて説明する。図7はLD22a,22bに流れる電流(駆動電流)を示したものであり、図8は増幅回路6が出力する電気信号の波形と、積分回路7が出力する電気信号(積分値)の波形とを重ねて示したものである。
図7に示すように、発光開始から約47ms経った時点で、何らかの異常により、LD22bの発光が停止できなくなっている。LD22bの発光が停止できなくなると、図8に示すように、積分回路7が出力する積分値が増加し、約48msの時点でしきい値である100mV以上となる。積分値が100mV以上となると、比較回路8が停止信号を出力し、LD22a,22bへの電源供給が遮断される。その結果、図7に示すように、積分値が100mV以上となった約48msの時点で、LD22a,22bに流れる駆動電流が途絶えており、その後もPWM駆動回路3に異常が通知されたことにより、LD22a,22bの駆動が停止され、光出力が継続して遮断される。
以上説明したように、本実施の形態に係る半導体光源駆動回路1では、半導体光源素子2から出力される光の光出力(光強度)を一定時間幅で積分した時間積の値が、所定のしきい値を超えたときに、半導体光源素子2の発光を強制的に停止させる強制発光停止手段4を備えている。
従来の光出力(光強度)に上限を設けるセーフティ回路では、設定した上限を超える高出力の光は得られなかったが、半導体光源駆動回路1によれば、光出力(光強度)に上限を設けるのではなく、実際の生体安全性を考慮した時間積の値に制限を設けているため、従来よりも高出力な半導体光源駆動回路1を実現でき、かつ、熱に起因する眼や皮膚への障害に対する高い生体安全性を確保することが可能になる。
また、従来の光出力(光強度)に上限を設ける方式では、設定した上限よりも小さい出力の光が長時間照射された場合については生体安全性を確保できなかったが、半導体光源駆動回路1によれば、時間積の値に制限を設けているため、小さい出力の光が長時間照射された場合についても、生体安全性を確保可能である。
よって、半導体光源駆動回路1によれば、半導体光源素子2からの光により眼や皮膚へ障害を及ぼしてしまうことを防止でき、かつ、半導体光源素子2を高効率で駆動し、生体計測装置などに適用した際にSN比の高い計測を実現できる。
さらに、半導体光源駆動回路1では、PWM方式を採用しているため、高精度の光出力安定性を有しており、短パルス幅かつ大電流・高電圧の駆動により、半導体光源素子2を高い効率で駆動することが可能である。なお、本発明は、パルス幅を制御することにより容易に照射時間を短くでき、かつ半導体光源素子2を高出力で駆動できるPWM方式の半導体光源駆動回路に特に好適であるが、これに限らず、PWM方式でない半導体光源駆動回路にも適用可能である。
また、半導体光源駆動回路1では、複数の半導体光源素子2を時分割で発光させるようにすると共に、1つの受光素子で複数の半導体光源素子2からの光を受光するようにし、かつ、増幅回路6での利得を、基準となる波長λrにおける利得G(λr)を1とし、かつ、現在発光している半導体光源素子2の波長がλであるとき、利得G(λ)を下式
G(λ)=1/{R(λ)・S(λ)}
但し、R(λ):波長λでの波長λrからの受光素子感度比
S(λ):波長λでの波長λrからの生体安全上許容される光出力比
に設定している。
G(λ)=1/{R(λ)・S(λ)}
但し、R(λ):波長λでの波長λrからの受光素子感度比
S(λ):波長λでの波長λrからの生体安全上許容される光出力比
に設定している。
従来の光出力(光強度)に上限を設ける方式では、波長の異なる複数の半導体光源素子を用いる場合には、波長による生体安全性の違いが考慮されず、一律に設定された上限により光出力(光強度)が制限される。よって、従来方式では、一番危険性の高い波長の光出力(光強度)に対して上限を設定するしかなく、危険性の低い他の波長の光出力(光強度)は、生体安全性と無関係に制限されることになり、過度に安全側となってしまう。特に、波長の異なる複数の半導体光源素子からの光を1つの受光素子でモニタして光出力(光強度)の最大値を制限する方式では、波長による受光素子の感度差も考慮されず、危険性の低い波長の光出力(光強度)が、生体安全性と無関係に大幅に制限されてしまうおそれがある。また、特に眼に対する生体安全性に関しては、可視波長の光であれば反射行動による防御が期待されるため、不可視波長の光より高い出力で照射しても相対的に安全な場合があり、可視光と不可視光を区別せずに一律の上限によって光出力(光強度)を制限する従来方式は、無駄が多いといえる。
これに対して、本実施の形態に係る半導体光源駆動回路1では、受光素子における受光感度特性を補正し、また、波長の違いによる生体安全性の違いを反映して増幅回路6での利得G(λ)を設定するようにしているため、波長の異なる複数の半導体光源素子2を用いる場合であっても、増幅回路6から出力される電気信号は、波長によらず生体安全性を適切に評価できる指標として用いることができ、これを一定時間幅で積分した積分値の値を監視することで、高い生体安全性を確保しつつ、各半導体光源素子2を高出力で駆動することが可能となる。
上記実施の形態では、比較回路8にて、一定電圧を出力する装置としてDA変換器30を用いたが、電圧を可変できない固定電圧源を用いるようにしてもよい。なお、固定電圧源の出力電圧値が、しきい値として設定する電圧値と異なる場合については、増幅回路6における増幅率(利得)を適宜調節し、固定電圧源の出力電圧値がしきい値となるよう調整すればよい。
本発明の半導体光源駆動回路1は、例えば、半導体光源素子2からの光を生体に照射して、特定波長における吸収から特定物質の濃度などを計測する生体計測機器などに適用される。生体計測機器の具体例としては、例えば、2つの波長(660nm、940nm)の光の吸収から酸化ヘモグロビンの割合を求めるパルスオキシメータなどが挙げられる。
1 半導体光源駆動回路
2 半導体光源素子
3 PWM駆動回路(パルス変調駆動回路)
4 強制発光停止手段
5 受光回路
6 増幅回路
7 積分回路
8 比較回路
9 光源電源遮断回路
10 電源
2 半導体光源素子
3 PWM駆動回路(パルス変調駆動回路)
4 強制発光停止手段
5 受光回路
6 増幅回路
7 積分回路
8 比較回路
9 光源電源遮断回路
10 電源
Claims (3)
- 半導体光源素子と、該半導体光源素子を駆動するパルス幅変調駆動回路と、を備えた半導体光源駆動回路において、
前記半導体光源素子から出力される光の光出力を一定時間幅で積分した時間積の値が、所定のしきい値を超えたときに、前記半導体光源素子の発光を強制的に停止させる強制発光停止手段を備えたことを特徴とする半導体光源駆動回路。 - 前記強制発光停止手段は、
前記半導体光源素子からの光の一部を受光し、前記半導体光源素子から出力される光の光出力に応じた電圧の電気信号を出力する受光回路と、
該受光回路からの電気信号を増幅して出力する増幅回路と、
該増幅回路で増幅された電気信号を一定時間幅で積分した積分値を出力する積分回路と、
該積分回路から出力された積分値が所定のしきい値以上であるとき、停止信号を出力する比較回路と、
該比較回路から停止信号を受信した際に、前記半導体光源素子へ供給される電源を遮断する光源電源遮断回路と、を備える請求項1記載の半導体光源駆動回路。 - 前記半導体光源素子を複数有し、
前記パルス幅変調駆動回路は、複数の前記半導体光源素子を時分割で発光させるようにされ、
前記受光回路は、1つの受光素子で複数の前記半導体光源素子からの光を受光するようにされ、
前記増幅回路は、基準となる波長λrにおける利得G(λr)が1とされ、かつ、現在発光している半導体光源素子の波長がλであるとき、利得G(λ)が下式
G(λ)=1/{R(λ)・S(λ)}
但し、R(λ):波長λでの波長λrからの受光素子感度比
S(λ):波長λでの波長λrからの生体安全上許容される光出力比
に設定される請求項2記載の半導体光源駆動回路。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2010104053A JP2011233779A (ja) | 2010-04-28 | 2010-04-28 | 半導体光源駆動回路 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2010104053A JP2011233779A (ja) | 2010-04-28 | 2010-04-28 | 半導体光源駆動回路 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2011233779A true JP2011233779A (ja) | 2011-11-17 |
Family
ID=45322794
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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JP2010104053A Pending JP2011233779A (ja) | 2010-04-28 | 2010-04-28 | 半導体光源駆動回路 |
Country Status (1)
Country | Link |
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JP (1) | JP2011233779A (ja) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2019135765A (ja) * | 2017-12-15 | 2019-08-15 | クリスティ デジタル システムズ ユーエスエイ インコーポレイテッド | 光パルスシステム |
-
2010
- 2010-04-28 JP JP2010104053A patent/JP2011233779A/ja active Pending
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