JP2014515298A - 素子内を移動可能な物体の流れ特性の決定 - Google Patents

Abstract

素子（３４２）内を移動可能な物体（３４１）の流れ特性を決定するセンサ装置（３４０）は、素子（３４２）に向かって光を放射するよう構成される発光ユニット（３４４）と、素子（３４２）から後方散乱させられる光を検出するよう構成される光検出ユニット（３４４）とを含む。センサ装置（３４０）は、素子（３４２）の光入射素子部分（３４８）及び素子（３４２）の光検出素子部分（３５０）を互いに空間的に分離させるよう構成される光ユニット（３４６）を含み、光入射素子部分（３４８）は、素子（３４２）の上に入射する放射光と関連付けられ、光検出素子部分（３５０）は、検出のために素子（３４２）から後方散乱させられる後方散乱光と関連付けられる。センサ装置（３４０）は、検出される後方散乱光及び放射光を示す光に基づき、素子内を移動可能な物体の流れ特性を決定するよう構成される決定ユニット（３５８）を含む。センサ装置（３４０）は物体（３４１）の流れ特性の正確で容易な決定を可能にする。

Description

本発明は素子内を移動可能な物体の流れ特性を決定するセンサ装置及び方法に関する。

レーザドップラー速風学（ＬＤＶ）とも呼ばれるレーザドップラー速度測定（ＬＤＶ）は、ドップラー効果を使用して移動可能な物体の流れ特性を決定する測定技法を提示する。具体的には、レーザドップラー速度測定は、例えば、微小血管血液の流れ特性又は人の組織灌流特性を決定するために、医療診断用途と共に使用可能である。医療領域において、ＬＤＶはレーザドップラー流量測定（ＬＤＦ）とも呼ばれる。代替的に、材料粒子ストリームの流れ特性を決定するために、その技法を材料一致の領域において使用し得る。以下、普遍性を失わずに、医療領域を参照する。

人の血液の流れ特性を決定するための１つのＬＤＦに基づく技法を図１を参照して説明する。レーザユニットから放射されるコヒーレントなレーザ光１０２が、人の皮膚１０６の皮膚部分１０４に入射させられる。図表１０８に例示するように、光１０２は周波数ω０を含み、図表１０８の縦軸は（ヘルツで測定される）周波数を示し、図表１０８の横軸は（任意の単位で測定される）放射光１０２の強さを示している。光１０２は皮膚部分１０４より下の皮膚１０６の表面層に進入し、とりわけ、皮膚１０６内を移動する血球１０８ａ−ｅで散乱させられる。例示の目的のために、異なる血球１０８ａ−ｃ，ｅでの光１０２の多数の散乱事象、並びに１つの血球１０８ｄでの光１０２の単一の散乱事象を、図１に例示している。散乱事象に続いて、それぞれの後方散乱光１１０ａ−ｃは検出器１１２まで伝搬する。また、光１０２が入射する皮膚部分１０４での光１０２の反射は、反射光１１０ｄを検出器１１２まで伝搬させ得る。検出器１１２は、全ての入って来る光１１０ａ−ｄを検出し、検出される光は、図表１１４に例示するように、光１０２の周波数ω０の周りに中心化される周波数分布を含む。図表１１４の縦軸は（ヘルツで測定される）周波数を示し、図表１１４の横軸は（任意の単位で測定される）検出される光の強さを示している。

理想的には、ドップラー効果によれば、後方散乱光１１０ａ−ｃの各々は、周波数ω０＋Δωを含み、Δωは光１０２の初期周波数ω０に比較される周波数シフト（周波数偏移）を示している。周波数シフトは、それぞれの血球１０８ａ−ｅのベクトル速度及び入射散乱光の方向性変化によって決定される。一次元の場合、移動する血球とレーザユニットとの間の距離の減少は、正符号の周波数シフトΔωをもたらすのに対し、移動する血球とレーザ源との間の距離の増大は、負符号の周波数シフトΔωをもたらす。反射光１１０ｄは、光１０２の周波数ω０を含むのが理想的である。

図表１１４に例示する検出される光の周波数分布は、幾つかの効果によって引き起こされる。更に、血球の無作為な速度値の故に、明らかな周波数シフトは観察されないかもしれない。血球１０８ａ−ｅは全ての方向に移動し、異なる速度値を含み、それによって、異なる値の後方散乱光１１０ａ−ｃの周波数シフトΔωをもたらし得る。

次に、取得される周波数スペクトルに基づき、血液の流れ特性を決定する。

主として後方散乱光が図１に例示されているが、検出される光は、高い割合の反射光を含み得る。よって、上述の測定技法は低い深さの感度を含む場合があり、小さいドップラー周波数シフトを考えるとき、血液の流れ特性の決定の精度が低い場合がある。

ドップラー効果に基づく血液の流れ特性の決定のための更なる選択肢は、自己混合干渉法（ＳＭＩ）を追加的に利用する。図２を参照して、それぞれのＳＭＩ−ＬＤＦに基づく測定原理を説明する。レーザユニット２２０は、人の皮膚の皮膚部分に向かって光２２２を放射する。レーザユニット２２０の前方側と皮膚部分２２４との間の距離が図２中にｓによって示されている。皮膚部分２２４から反射させられる或いは後方散乱させられる光２２６は、再びレーザユニット２２０に入る。放射されるべき（よって、放射光２２２に対応する）レーザユニット内の光と検出される後方散乱させられ且つ反射される光２２６とがレーザユニット２２０内で混合するという点で、混合させられる光２２８がレーザユニット２２０内で生成される。混合させられた光２２８は、レーザユニット２２０によって出力され、レーザユニット２２０の外部に配置される光ダイオード２３０によって検出される。光ダイオード２３０によって得られる電力スペクトルが、それぞれの鏡を示す前方表面２３２、レーザユニット２２０の後方表面２３４、及び皮膚部分２２４の表面２３６を備える、所謂３つの鏡のファブリーペロ空洞モデル(three-mirror Fabry-Perot Cavity Model)を使用して分析される。分析の結果は、皮膚部分２２４内の血液の流速についての情報をもたらす。

上述のように、ＳＭＩに基づく血液の流れ特性の決定は、不十分な精度も被る。

ＷＯ２００９／０２７８９６は、人の皮膚特性、例えば、皮膚の脱水レベルを測定するためのＳＭＩに基づく方法及び装置を記載している。装置は、調査されるべき皮膚部分に向かってレーザ光を送るよう構成され且つ皮膚部分から反射されるレーザ光を受け取るよう構成されるレーザセンサを含む。時間の経過に亘るレーザ光の出力変動の変化に基づき皮膚部分の反動速度を決定するために、レーザセンサは、レーザセンサのレーザ光の出力変動を測定するよう構成される光ダイオードを含む。自己混合効果の故に、後方散乱光は、レーザの出力変動を生じさせる。放射光と比べて異なる偏光を含む反射光の部分を抑制するために、装置の偏光器がレーザセンサと皮膚部分との間に配置される。皮膚特性は出力変動に基づき決定される。

素子内を移動可能な物体の流れ特性を正確に且つ容易に決定する方法を提供することが本発明の目的である。更に、素子内を移動可能な物体の流れ特性を正確に且つ容易に決定することを可能にするセンサ装置を提供することが本発明の目的である。

上記に定める目的は、独立項に従った素子内を移動可能な物体の流れ特性を決定するセンサ装置及び方法によって解決される。

本発明の例示的な特徴によれば、素子内を移動可能な物体の流れ特性を決定するセンサ装置が提供され、当該センサ装置は、素子に向かって光を放射するよう構成される発光ユニットと、素子から後方散乱させられる光を検出するよう構成される光検出ユニットと、素子の光入射素子部分及び素子の光検出素子部分を互いに空間的に分離させるよう構成される光ユニットと、検出される後方散乱光及び放射光を示す光に基づき、素子内を移動可能な物体の流れ特性を決定するよう構成される決定ユニットとを含み、光入射素子部分は、素子上に入射する放射光と関連付けられ、光検出素子部分は、検出のために素子から後方散乱させられる後方散乱光と関連付けられる。

本発明の他の例示的な特徴によれば、素子内を移動可能な物体の流れ特性を決定する方法が提供され、当該方法は、発光ユニットによって前記素子に向かって光を放射すること、光検出ユニットによって素子から後方散乱させられる光を検出すること、及び、検出される後方散乱光及び放射光を示す光に基づき、検出ユニットによって、素子内を移動可能な物体の流れ特性を決定することを含み、素子の光入射素子部分及び素子の光検出素子部分は、光ユニットによって互いに空間的に離間させられ、光入射素子部分は、素子に対して入射する放射光と関連付けられ、光検出素子部分は、検出のために素子から後方散乱させられる後方散乱光と関連付けられる。

本出願の脈絡において、「素子から後方散乱させられる後方散乱光」という用語は、素子での或いは素子内での光散乱入射に引き続き受け取り得る光又は光信号を特に示し得る。具体的には、散乱事象は、素子の素子表面での光反射、及び／又は素子表面での及び／又は素子表面より下の素子内での光散乱若しくは複数の光散乱を含み得る。

「素子部分」という用語は、素子の地点又は規則的若しくは不足な形状の素子の領域を特に示し得る。具体的には、素子部分は、素子の素子表面の素子表面部分を含み得る。

「放射光を示す光」という用語は、発光ユニットによって放射される放射光（の一部）、及び／又は発光ユニットによって放射されるべき光を特に示し得る。

「ユニット」及び／又は「素子」という用語は、１つの部材又は１つよりも多い部材を特に示し得る。

本発明の例示的な特徴によれば、センサ装置及び方法は、素子内を移動可能な物体の流れ特性を決定するために、移動可能な物体で散乱する光のドップラー効果によって得られる情報を利用し得る。素子の上に入射する放射光と関連付けられる光入射素子部分及び検出目的のために素子から後方散乱させられる光と関連付けられる光検出素子部分は、互いに空間的に離間し得る。従って、光検出素子部分から光検出ユニットに向かって後方散乱させられる光は、素子を通じて伝搬し且つ素子内で移動可能な物体で散乱させられる高い割合の光を含み得るが、光入射素子部分から後方散乱させられる光を含み得ない。

従って、センサ装置は、素子のより深い層に関する高い感度、よって、改良された深さ感度を含み得るので、センサ装置の信号対雑音比は高くあり得る。

次に、素子内を移動可能な物体の流れ特性を決定するセンサ装置の更なる例示的な実施態様を説明する。しかしながら、これらの実施態様は、素子内を移動可能な物体の流れ特性を決定する方法にも当て嵌まる。

具体的には、発光ユニットをレーザ（光）ユニットとして構成し得る。レーザ（光）ユニットは、赤外線波長、具体的には、≧約７８０ナノメートル（ｎｍ）〜≦約９８０ｎｍの間の波長、更に具体的には、８５０ｎｍの波長でレーザ光を放射するよう構成される。具体的には、後者の波長範囲は、皮膚の血液の流れ特性を決定することに関連して好ましくあり得る。何故ならば、皮膚は、これらの光波長で透過的であり、それによって、センサ装置の深さ感度を強化するからである。具体的には、後者の効果は、約８５０ｎｍの波長の光に関してより顕著である。

発光ユニット及び光検出ユニットを一体的に形成し得る。具体的には、発光ユニット及び光検出ユニットをレーザ（光）ユニットとして形成し得る。具体的には、（自己）混合光振動を生成するために、レーザユニットは放射光及び検出される後方散乱光が干渉するのを可能にし得る。よって、センサ装置及び方法は、物体の流れ特性を決定するために、自己混合干渉法を利用し得る。具体的には、流れ特性の評価中に自己混合干渉法と関連付けられる既知の数学的アルゴリズムを使用し得る点で、方法の決定ステップを容易化し得る。更に、センサは少数の構成部品を含み得る点で、センサ装置の構造的な設計を有意に促進し得る。更に、センサ装置の製造コストは低くあり得る。

光ユニットは、光入射素子部分に向かう放射光の光路を光検出素子部分から後方散乱させられる後方散乱光の光路から分離させるよう構成される光路分離素子を含み得る。従って、光入射素子部分及び光検出素子部分の空間的な分離を達成し得る。更に、光入射素子部分から後方散乱させられる光と光検出素子部分から後方散乱させられる光との間の干渉を減少可能であり、或いは解消可能でさえあり、それによって、流れ特性の決定の精度を増大し得る。

具体的には、光路分離素子はビームスプリッタを含み、或いは光路分離素子をビームスプリッタとして構成し得る。

光路分離素子を偏光ビームスプリッタとして構成し得る。そして、発光ユニットによって放射される放射光の偏光方向を偏光ビームスプリッタの偏光軸に対して４５度の角度の下に向け得る。よって、ビームスプリッタは放射光全体を反射し得るので、後方散乱光の信号強度は高くあり得る。更に、偏光ビームスプリッタは透過的でなく、ビームスプリッタによって反射されない場合がある放射光の一部を吸収してもよい。

光ユニットは、光路分離素子から受け取る放射光を光入射素子部分に向かって方向変更するよう構成される光方向変更素子を含み得る。よって、光入射素子部分及び光検出素子部分を互いに空間的に分離させる追加的な自由度を達成し得る。光方向変更素子の使用は、ビームスプリッタを含む光路分離素子との関係で特に好しくあり得る。何故ならば、光方向変更素子は、ビームスプリッタによって約９０度の角度の下で反射させられる放射光を素子に向かって方向変更するのを可能にし得る。

具体的には、光方向変更素子はミラー（鏡）及び／又はプリズムを含み得るし、或いは、光方向変更素子をミラー（鏡）及び／又はプリズムとして構成し得る。この手段は、光方向変更素子の構造的に容易な実施態様を可能にし得る。

光路分離素子及び光方向変更素子の相対的な配置によって光入射素子部分と光検出素子部分との間の距離を調節可能であり得る。よって、放射光は素子を通じて特定の距離に亘って伝搬し、この距離に沿って移動可能な物体で放射光を散乱させ得るので、光ユニットは流れ特性の決定のために使用される後方散乱光の深さ情報を選択するための手段をもたらし得る。具体的には、光入射素子部分及び光検出素子部分を互いに近接して配置し得る場合には、散乱光は、物体の表面層から顕著に散乱させられる。光入射素子部分及び光検出素子部分をより長い距離だけ空間的に分離し得る場合には、散乱光は物体のより深い層を通過する。光入射素子部分及び光検出素子部分を互いに遠く離れて配置し得る場合には、光入射素子部分と光検出素子部分との合い段お距離に沿う多数の散乱事象の故に、素子を通じて伝搬する低い割合の放射光のみを光検出ユニットに向かって後方散乱させ得るので、後方散乱光の信号強度は低くあり得る。従って、センサ装置は、調節可能な深さ感度を含み得る。

光学素子の製造コスト、よって、センサ装置の製造コストが低くあり得るよう、光路分離素子及び光方向変更素子を一体的に形成し得る。更に、光路分離素子及び光方向変更素子を一体的に形成することによって、光ユニットの小型化及び大量生産を達成し得る。更に、光ユニットは、コンパクトで、小さく、且つ構造的に容易な設計を含み得る。更に、適時に誘発される光路分離素子と光方向変更素子との間の光学的な不整列を回避し得るので、決定精度を向上させ得る。

具体的には、光路分離素子のビームスプリッタは、光伝搬路に沿って見られるときに、直角に台形のように形成される断面を含み得る。光方向変更素子をビームスプリッタの側面の内表面の反射層として構成し得る。ここで、「直角の台形」という用語は、台形の隣接する辺の２つの辺の間の少なくとも１つの直交する角度を含む台形を特に示し得る。具体的には、ビームスプリッタの直交する台形断面は、台形の外周に沿って見られるときに、互いに隣合って配置される２つの直交する角度を含み得る。具体的には、光検出素子部分に隣接して台形の直角を配置し、反射層を含む側面を光入射素子部分に隣接して配置し得る。よって、光ユニットは、標準的な構成部品、即ち、特に互いに接着させられる第１及び第２のガラス部材を含み得るビームスプリッタを含み得る。従って、ビームスプリッタは、標準的な立方体のビームスプリッタと比べて僅かな変形を含み得る。それによって、低い製造コストをもたらす。

代替的に、光路分離素子及び光方向変更素子を二個構成のように構成し得る。具体的には、光路分離素子を立方体のビームスプリッタとして構成し、光方向変更素子をミラー（鏡）として構成し得る。

センサ装置は、光ユニットと素子との間に配置される偏光変更素子を更に含み得る。光ユニットから受け取られる放射光の偏光及び素子から後方散乱させられる後方散乱光の偏光を変更させるよう偏光変更素子を構成し得る。よって、素子内の物体の流れ特性の決定は、放射光及び後方散乱光の選択的な偏光に基づき、それによって、流れ特性決定から非関連情報を排除し、よって、決定の精度を増大させ得る。

具体的には、偏光変更素子を偏光器として、より具体的には、４分の１波長板及び／又は２分の１波長板として構成し得る。

具体的には、直線偏光を含む光を放射するよう発光ユニットを構成し得る。放射光の直線偏光を（右又は左）円形偏光に変更させるよう偏光変更素子を構成し得るし、偏光解除された後方散乱光の（右又は左）円形偏光を選択し且つこの円形偏光を直線偏光に変更させるよう偏光変更素子を構成し得る。

具体的には、（右又は左）円形変更を含む光を放射するよう発光ユニットを構成し得る。放射光の円形偏光を直線偏光に変更させるよう偏光変更素子を構成し、偏光解除された後方散乱光の直線偏光を選択し且つこの直線偏光を（右又は左）円形偏光に変更させるよう偏光変更素子を構成し得る。

光検出ユニットによって検出される後方散乱光の偏光（方向）及び放射光を示す光の偏光（方向）が互いに直交し合い得るように、光ユニット、具体的には、偏光ビームスプリッタ、及び偏光変更素子を構成し、且つ互いに配置し得る。「直交偏光」という用語は、それぞれの偏光方向を互いに約９０度の角度だけ回転させ得ることを特に意味する。よって、放射光を示す光及び／又は放射光は、直交偏光方向を含み得る。従って、分析のために選択し得る後方散乱光は素子のより深い層から生じるので、センサ装置の深さ感度を更に強化し得る。具体的には、この目的を達成するために、光入射素子部分と光検出素子部分との間に伝搬するときの素子における多数の散乱事象の故に、検出される後方散乱光の偏光を変更させ得る。更に、光入射素子部分で反射させられて光検出ユニットに向かう光は、放射光の偏光と殆ど同じ偏光を含み得、よって、光検出ユニットによって検出し得ない。

センサ装置は、光ユニット、具体的には偏光変更素子と光入射素子部分との間に配置される第１のレンズ、及び／又は光ユニット、具体的には偏光変更素子と光検出素子部分との間に配置される第２のレンズを更に含み、放射光を光入射素子部分に向かって集束させ得るよう第１のレンズを構成し、光検出素子部分から後方散乱させられる後方散乱光を特に光ユニットに向かって集束させるよう第２のレンズを構成し得る。従って、第１のレンズは、素子の上への発光の光堆積レベルを調節するために、光入射素子部分の空間の広がりを調節することを可能にし得る。第２のレンズは、光検出ユニットに向かう後方散乱光の信号強度を調節し或いは増大させることを可能にし得る。よって、決定の精度を更に増大させ得る。

センサ装置は、光ユニット、具体的には偏光変更素子と光入射素子部分との間に配置される第１の光ファイバ、及び／又は光ユニット、具体的には偏光変更素子と光検出素子部分との間に配置される第２の光ファイバを更に含み、光ユニットからの放射光を光入射素子部分に向かって方向付けるよう第１の光ファイバを構成し、光検出素子部分からの後方散乱光を光ユニット、具体的には偏光変更素子に向かって方向付けるよう第２の光ファイバを構成し得る。よって、後方散乱光の信号強度を増大させ得るように、光ユニット、具体的には偏光変更素子と、光入射素子部分及び光検出素子部分のそれぞれとの間の光拡散の故の信号損失を省き得る。従って、液体の流れ特性の決定の精度を有意に増大させ得る。

センサ装置は、光検出ユニットと光ユニット、具体的には、光ユニットのビームスプリッタの第１及び第２のガラス部材の干渉する側面との間に配置される第３のレンズを更に含み、後方散乱光を光検出ユニットに向かって集束させるよう第三のレンズを構成し得る。よって、光検出ユニットに到達する後方散乱光の信号強度を増大させ、それによって、物体の流れ特性の決定の精度を増大させ得る。

具体的には、発光ユニット及び光検出ユニットを一体的に形成し得る場合には、発光ユニットから放射される放射光を光ユニットに向かって集束させるよう第３のレンズを構成し得る。従って、第３のレンズは、それぞれの成形された表面を含み得る。

具体的には、決定ユニットは光検出ユニットによって放射される（レーザ）光を検出するよう構成される光ダイオードを含み得るし、或いは決定ユニットを光検出ユニットによって放射される（レーザ）光を検出するよう構成される光ダイオードを含む光ダイオードとして構成し得る。この手段は従来的な電子素子を使用して自己混合光信号を含む（レーザ）光を容易に検出するのを可能にする。

具体的には、レーザユニットは自己混合光信号を検出するよう構成される光ダイオードを含み得るし、それぞれの（電子）信号を決定ユニットに出力するようレーザユニットを構成し得る。

物体の流れ特性は、物体の流速及び物体の流れ方向のうちの少なくとも１つを含み得、且つ／或いは、物体は１つの血球又はより多くの血球を含み得、素子は皮膚を含み得る。従って、皮膚の血液の血球で散乱させられる光の周波数のドップラーシフトを使用して血液の流速及び／又は流れ方向を決定するようセンサ装置を構成し得る。具体的には、センサ装置は医療診断に有用であり得るし、センサ装置を血流センサ装置として構成し得る。

本発明のこれらの及び他の特徴は、以下に記載する実施態様から明らかであり、以下に記載する実施態様を参照して解明される。

ＬＤＦを使用して血液の流れ特性を決定するための構成を示す概略図である。 ＳＭＩを使用して血液の流れ特性を決定するための他の構成を示す概略図である。 本発明の第１の例示的な実施態様に従った素子内を移動可能な物体の流れ特性を決定するためのセンサ装置を示す概略図である。 本発明の第２の例示的な実施態様に従った素子内を移動可能な物体の流れ特性を決定するためのセンサ装置を示す概略図である。

図面中の本発明は概略的である。異なる図面において、類似の又は同一の素子は同じ参照符号を備え、或いは第１桁の数字内だけで夫々の参照符号と異なる参照符号を備える。

図３を参照すると、本発明の第１の例示的な実施態様に従った素子内を移動可能な物体の流れ特性を決定するためのＳＭＩに基づくセンサ装置３４０が例示されている。センサ装置３４０は、人の皮膚３４２内の血球３４１の流速を決定することによって人の血液灌流を監視するために、医療領域において使用される。例示の目的のために、単一の血球３４１が図３に例示されている。センサ装置３４０は、調査されるべき皮膚３４２のより深い層に対して感応的であるので、センサ装置３４０は、改良された深さ感度、よって、改良された信号対雑音比を含む。

センサ装置３４０は、直線偏光のコヒーレントなレーザ光を放射するよう構成され且つ入って来る（レーザ）光を同時に検出するよう構成される、レーザユニットの形態の光放射及び検出ユニット３４４を含む。レーザユニット３４０は、赤外波長で、特に７８０〜９８０ｎｍの間で、例えば、８５０ナノメートル（ｎｍ）で動作する。

センサ装置３４０は、互いからの検出のために、皮膚３４２のに入射する放射光と関連する皮膚３４２の光入射皮膚部分３４８と、皮膚３４２後方散乱させられる光と関連する皮膚３４２の光検出皮膚部分３５０とを空間的に分離させるよう構成される光ユニット３４６を更に含む。光入射皮膚部分３４８及び光検出皮膚部分３５０の各々は、点として図３に例示されているが、光入射皮膚部分３４８及び／又は光検出皮膚部分３５０を、不規則な形状を有する表面領域として構成し得る。

光ユニット３４６は、偏光ビームスプリッタの形態の光路分離素子３５２と、光反射素子の形態の光方向変更素子３５３とを含む。ビームスプリッタ３５２は、４５度の角度の下で直線偏光された放射光の偏光方向に整列させられる偏光軸を含む。ビームスプリッタ３５２及び反射素子３５４は、一体的に形成される。ビームスプリッタ３５２は、ビームスプリッタ３５２を通じる放射光の伝搬方向に沿って見るときに、直角に台形のような断面を含み、第１及び第２のガラス部材３５６ａ，ｂで作製される。第１のガラス部材３５６ａは、第１のガラス部材３５６ａを通じる放射光の光伝搬方向に沿って見られるときの三角形のような断面と、ピラミッドのような三次元形状とを含み、第２のガラス部材３５６ｂは、第２のガラス部材３５６ｂを通じる光伝搬方向に沿って見られるときに、台形のような断面を含む。反射素子３５４は、互いにインターフェース接続し合う第１及び第２のガラス部材３５６ａ，ｂの側面に対向して配置される、ビームスプリッタ３５２の第２のガラス部材３５６ｂの側面の内表面に対応する。光入射皮膚部分３４８は、反射素子３５４に近接して配置され、光検出皮膚部分３５０は、偏光ビームスプリッタ３５２の第１のガラス部材３５６ａに近接して配置される。

更に、センサ装置３４０は、検出される後方散乱光及び放射光を示す光によってレーザユニット３４４の空洞内に生成されるＳＭＩ信号に基づき皮膚３４２内の血球３４１の流速を決定するよう構成される決定ユニット３５８を含む。この目的を達成するために、レーザユニット３４４は、レーザユニット３４４の後方表面から決定ユニット３５８に向かうレーザ光を出力するよう構成される。決定ユニット３５８は、レーザ光を検出するよう構成される光ダイオード３６０を含む。

センサ装置３４０は、光ユニット３４６と皮膚３４２との間に配置される偏光変更素子３６２を更に含み、偏光変更素子３６２は、光ユニット３４６から受け取る放射光の偏光を変えるよう構成され、且つ皮膚３４２から後方散乱させられる後方散乱光の偏光を変えるよう構成される。偏光変更素子３６２は、４分の１波長板を通過する放射光の直線偏光を円形偏光に変えるよう構成され且つ４分の１波長板３６２を通過する後方散乱光の円形偏光を直線偏光に変えるよう構成される、４分の１波長板として構成される。

偏光ビームスプリッタ３５２及び４分の１波長板３６２は、検出される後方散乱光の直線偏光方向及び放射光の偏光方向が互いに９０度だけ回転させられるように互いに配置される。

第１及び第２のレンズ３６４，３６６が、４分の１波長板３６２と皮膚３４２の光入射皮膚部分３４８及び光検出皮膚部分３５０との間にそれぞれ配置される。第１のレンズ３６４は、放射光を光入射皮膚部分３４８の上に集束するよう構成され、第２のレンズ３４８は、後方散乱光の光ビームを平行に整列させることによって後方散乱光を光ユニット３４６に向かって集束するよう構成される。

センサ装置３４０の第３のレンズ３６８が光ユニット３４６とレーザユニット３４４との間に配置され、後方散乱光をレーザユニット３４４に集束し且つ放射光の光ビームを平行に整列させることによってレーザユニット３４４から放射される放射光を光ユニット３４６に向かって集束するよう構成される。

代替的に、センサ装置３４０は、第１、第２、及び第３のレンズ３６４，３６６，３６８を含まなくてもよい。特にセンサ装置３４０のそれぞれの構成部品と皮膚３４２との間の距離が小さくあり得るときには、これらの構成部品の不存在の故の信号品質損失は小さくあり得る。

センサ装置３４０の動作において、レーザユニット３４４は、直線偏光させられる光を第３のレンズ３６８に向かって放射し、次に、それは放射光を平行に整列させられるよう集束する。図３において、放射光の伝搬方向は矢印３７０ａ−ｃによって示され、放射光のビーム路は図３中に破線で示され、実線によって境界付けられている。次に、放射光は、偏光ビームスプリッタ３５２によって反射層３５４に向かって全体的に反射させられる。放射光の反射層３５４での反射に続き、放射光は、放射光の直線偏光が円形偏光に変えられるよう、４分の１波長板３６２を通過する。以下では、放射光は、４分の１波長板３６２の通過に続いて、右円形偏光を含むことが想定される。次に、放射光は、第１のレンズ３６４によって、光入射皮膚部分３４８に向かって集束される。

放射光は、光入射皮膚部分３４８の上に入射し、次に、皮膚３４２の表面層を通じて伝搬し、光入射皮膚部分３４８と光検出皮膚部分３５０との間の光伝搬路に沿って血球３７１で多数回散乱する。可能な光伝搬路は、図３に矢印３７２ａ−ｄによって示されている。従って、放射光の偏光は解消され、故に、全ての可能な偏光を含む。

放射光は、光入射皮膚部分３４８と光検出皮膚部分３５０との間の光伝搬路全体に沿って皮膚３４２の表面から出る。放射光の一部が光検出皮膚部分３５０から第２のレンズ３６６に向かって後方散乱光として散乱して戻る。第２のレンズ３６６は、後方散乱光の光ビームを平行に整列されることによって、後方散乱光を４分の１波長板３６２に向かってコリメート（平行化）する。後方散乱光の伝搬方向は、図３中に矢印３７２ａ，ｂによって示されている。後方散乱光のビーム路は、図３中に点線で示され、実線によって境界付けられている。４分の１波長板３６２は、左円形偏光された後方散乱光の一部を偏光解除された後方散乱光から選択し、左円形偏光された後方散乱光を直線偏光された後方散乱光に変更する。次に、後方散乱光は、如何なる偏向や偏光変化も伴わずに、ビームスプリッタ３５２を通過し、第３のレンズ３６８によってレーザユニット３４４に向かってコリメート（平行化）される。偏光解除された光の右円偏光の一部を、４分の１波長板３６２によって、放射光の偏向方向と平行に整列させられた偏向方向を備える直線偏光された光に変更させ得る。この光の部分は、偏向ビームスプリッタ３５２を通らない。

レーザユニット３４４のキャビティ（空洞）内で、放射光を示す放射されるべき光、及びビームスプリッタ３５２から受け取る検出された後方散乱光は、自己混合干渉が起こるよう互いに混じり合う。次に、レーザ光は、レーザユニット３４４の後方側によって検出ユニット３５８に向かって出力される。後側放射レーザ光の伝搬方向が、図３に矢印３７６によって示されている。決定ユニット３５８の光ダイオード３５８は、混合させられた光を検出する。人の皮膚３４２内の血の血球の流速は、光ダイオード３５８によって検出されるレーザ光に基づき決定される。

４分の１波長板３６２は、偏光ビームスプリッタ３５２との組み合わせにおいて、放射光が光入射皮膚部分３４８でレーザユニット３４４に向かって直接的に反射され且つ／或いは光入射皮膚部分３４８から後方散乱させられることを制限する。４分の１波長板３６２を通じる直線偏光させられる光の通過によって引き起こされる、相応して直線偏光させられる光の反射が、ビームスプリッタ３５２で防止されるよう、この反射光及び／又は後方散乱光は、反射又は散乱事象にも拘わらず、その元の右円形偏向を含む。同様に、光入射皮膚部分３４８でレンズ３６６に向かって反射される光は、レーザユニット３４４に入らない。何故ならば、ビームスプリッタ３５２の偏向の故に、ビームスプリッタ３５２を通じる相応して偏向させられる光の進入が防止されるからである。

図４を参照して、本発明の第２の例示的な実施態様に従ったセンサ装置４４０を説明する。センサ装置４４０は干渉計構成を利用するが、自己混合干渉法に基づいて動作しない。センサ装置４４０は、図３に例示するセンサ装置３４０と比べて類似に構成されるが、センサ装置４４０は、別個のユニットとして構成される発光ユニット４８０及び光検出ユニット４８２を含む。発光ユニット４８０は、赤外波長（ここでは７７０ｎｍ）及び直線偏光のコヒーレントなレーザ光を放射するよう構成されるレーザダイオードとして構成され、光検出ユニット４８２は、光ダイオードとして構成される。更に、他の偏光ビームスプリッタ４８４が、レーザダイオード４８０と光ユニット３４６との間及び光ダイオード４８２と光ユニット３４６との間にそれぞれ配置される。他の偏光ビームスプリッタ４８４は、レーザダイオード４８０から受け取る放射光全体をビームスプリッタ３５２に向かって反射させるよう構成される。更に、偏光ビームスプリッタ３６２及び他の偏向ビームスプリッタ４８４は、ビームスプリッタ３５２から受け取る光が、如何なる偏向や偏光変化を伴わずにビームスプリッタ４８４を通るよう構成され、且つ互いに対して配置される。往復動する半反射板４８６がビームスプリッタ３５２とビームスプリッタ４８４との間に配置され、ビームスプリッタ４８４から受け取る入って来る放射光の一部を光ダイオード４８２に向かって反射させ且つ入って来る放射光の他の部分をビームスプリッタ３５２に向かって通させるよう構成される。第４のレンズ４８８がレーザダイオード４８０とビームスプリッタ４８４との間に配置され、放射光の光ビームを平行に整列させることによって、放射光をビームスプリッタ４８４に集束させるよう構成される。決定ユニット４５８は、流速評価に関して決定ユニット３５８と比べて同じ機能性を含むが、光ダイオードを含まない。

センサ装置４４０の動作において、レーザダイオード４８０は、第４のレンズ４８８を通過する光をビームスプリッタ４８４に向かって放射する。放射光の伝搬方向は、図４に矢印４７０ａ−ｆによって示されている。放射光のビーム路は、図４に点線で示されており、実線によって境界付けられている。ビームスプリッタ４８４は、放射光をビームスプリッタ３５２に向かって全体的に反射させる。放射光の一部が（矢印４７０ｃによって示すような）往復動する半反射板４８６を通過し、他の一部が（矢印４７０ｄによって示されるように）光ダイオード４８２内に直接的に散乱させられる。光ユニット３４６、４分の１波長板３６２、第１のレンズ３６４、及び第２のレンズ３６６の動作は、センサ装置３４０のそれぞれの構成部品と比べて同じである。ここでは、後方散乱光の伝搬方向は、図４に矢印４７４ａ，ｂによって示されている。後方散乱光のビーム路は、図４に点線で示されており、実線によって境界付けられている。後方散乱光は、往復動する反射波板４８６及びビームスプリッタ４８４を通過し、第３のレンズ３６８によって光ダイオード４８２に向かって集束させられる。混合させられる光が光ダイオード４８２によって偏向させられるように、後方散乱光及び放射光の反射部分は、ビームスプリッタ４８４と光ダイオード４８２との間の光路に沿って混同する。混合させられる光の光路は、図４に矢印４７６によって示されている。決定ユニット４５８は、混合させられる光信号３７６に基づき血管３７１の流速を決定する。この目的を達成するために、決定ユニット４５８は、光ダイオード４８２からそれぞれの電気信号を受け取る。

本発明を図面中に例示し且つ前述の記載中に詳細に記載したが、そのような例示及び記載は例証的又は例示的であると考えられるべきであり、制限的であると考えられるべきではない。本発明は開示の実施態様に限定されない。請求項の発明を実施する当業者は、図面、開示、及び付属の請求項の研究から、開示の実施態様に対する他の変形を理解し且つ行い得る。請求項において、「含む」という用語は、他の素子又はステップを排除せず、単数形は、複数を排除しない。特定の手段が相互に異なる独立項において引用されているという単なる事実は、これらの手段の組み合わせを有利に使用し得ないことを示さない。請求項中の如何なる参照符号も範囲を限定するものとして解釈されてはならない。

Claims (14)

1. 素子内を移動可能な物体の流れ特性を決定するセンサ装置であって、
   − 前記素子に向かって光を放射するよう構成される発光ユニットと、
   − 前記素子から後方散乱させられる光を検出するよう構成される光検出ユニットと、
   − 前記素子の光入射素子部分及び前記素子の光検出素子部分を互いに空間的に分離させるよう構成される光ユニットと、
   − 前記検出される後方散乱光及び前記放射光を示す光に基づき、前記素子内を移動可能な前記物体の前記流れ特性を決定するよう構成される決定ユニットとを含み、
   前記光入射素子部分は、前記素子の上に入射する前記放射光と関連付けられ、前記光検出素子部分は、検出のために前記素子から後方散乱させられる前記後方散乱光と関連付けられる、
   センサ装置。
2. 前記発光ユニット及び前記光検出ユニットは、一体的に形成される、請求項１に記載のセンサ装置。
3. 前記光ユニットは、前記光入射素子部分に向かう前記放射光の光路を前記光検出素子部分から後方散乱させられる前記後方散乱光の光路から分離させるよう構成される光路分離素子を含む、請求項１又は２に記載のセンサ装置。
4. 前記光路分離素子は、偏光ビームスプリッタとして構成され、前記発光ユニットによって放射される前記放射光の偏光方向は、前記偏光ビームスプリッタの偏光軸に対して４５度の角度の下に向けられる、請求項３に記載のセンサ装置。
5. 前記光ユニットは、前記光路分離素子から受け取る前記放射光を前記光入射素子部分に向かって方向変更するよう構成される光方向変更素子を含む、請求項３又は４に記載のセンサ装置。
6. 前記光入射素子部分と前記光検出素子部分との間の距離は、前記光路分離素子及び前記光方向変更素子の相対的な配置によって調節可能である、請求項５に記載のセンサ装置。
7. 前記光路分離素子及び前記光方向変更素子は、一体的に形成される、請求項５又は６に記載のセンサ装置。
8. 当該センサ装置は、
   − 前記光ユニットと前記素子との間に配置される偏光変更素子を更に含み、
   該偏光変更素子は、前記光ユニットから受け取られる前記放射光の偏光及び前記素子から後方散乱させられる前記後方散乱光の偏光を変更させるよう構成される、
   請求項１乃至７のうちのいずれか１項に記載のセンサ装置。
9. 前記光ユニット及び前記偏光変更素子は、前記光検出ユニットによって検出される前記後方散乱光の偏光及び前記放射光を示す前記光の偏光が互いに直交するように構成され、且つ互いに対して配置される、請求項８に記載のセンサ装置。
10. 当該センサ装置は、
    − 前記光ユニットと前記光入射素子部分との間に配置される第１のレンズ、及び／又は
    − 前記光ユニットと前記光検出素子部分との間に配置される第２のレンズを更に含み、
    前記第１のレンズは、前記放射光を前記光入射素子部分に向かって集束させるよう構成され、
    前記第２のレンズは、前記光検出素子部分から後方散乱させられる前記後方散乱光を集束させるよう構成される、
    請求項１乃至９のうちのいずれか１項に記載のセンサ装置。
11. 当該センサ装置は、
    − 前記光ユニットと前記光入射素子部分との間に配置される第１の光ファイバ、及び／又は
    − 前記光ユニットと前記光検出素子部分との間に配置される第２の光ファイバを更に含み、
    前記第１の光ファイバは、前記光ユニットからの前記放射光を前記光入射素子部分に向かって方向付けるよう構成され、
    前記第２の光ファイバは、前記光検出素子部分からの前記後方散乱光を前記光ユニットに向かって方向付けるよう構成される、
    センサ装置。
    請求項１乃至１０のうちのいずれか１項に記載のセンサ装置。
12. 前記センサ装置は、
    − 前記光検出ユニットと前記光ユニットとの間に配置される第３のレンズを更に含み、
    該第三のレンズは、前記後方散乱光を前記光検出ユニットに向かって集束させるよう構成される、
    請求項１乃至１１のうちのいずれか１項に記載のセンサ装置。
13. 前記物体の前記流れ特性は、前記物体の流速及び前記物体の流れ方向のうちの少なくとも１つを含み、且つ／或いは、前記物体は血球を含み、前記素子は皮膚を含む、請求項１乃至１２のうちのいずれか１項に記載のセンサ装置。
14. 素子内を移動可能な物体の流れ特性を決定する方法であって、
    発光ユニットによって前記素子に向かって光を放射すること、
    光検出ユニットによって前記素子から後方散乱させられる光を検出すること、及び
    前記検出される後方散乱光及び前記放射光を示す光に基づき、検出ユニットによって、前記素子内を移動可能な前記物体の前記流れ特性を決定することを含み、
    前記素子の光入射素子部分及び前記素子の光検出素子部分は、光ユニットによって互いに空間的に離間させられ、前記光入射素子部分は、前記素子に対して入射する前記放射光と関連付けられ、前記光検出素子部分は、検出のために前記素子から後方散乱させられる前記後方散乱光と関連付けられる、
    方法。

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