JP5333676B2 - 光源装置 - Google Patents

Description

本発明は、出射光の波長を切り替えることができ、かつ各波長の出射光を同一の光軸から出射することができる光源装置に関する。

近年、２波長以上のレーザー光を用いた分光分析が実用化されつつある。例えば、ある成分の濃度を検出する際に、その成分に吸収される波長と吸収されない波長の透過光の強度差を検出する方法がある。このような２波長以上のレーザー分光計測は、被検出成分による吸収だけでなく、散乱、反射などの光学特性を利用して実施されることもある。

上述したレーザー光を用いた分光分析において、赤外領域での計測には一般にレーザーダイオードを用いることが多い。赤外領域では、ＤＦＢ構造などにより、任意の波長のレーザーダイオードを作製することが比較的容易である。

一方、たとえば、生体内の成分の分光分析などで、可視光の波長により分光分析をおこないたいという要求がある。しかし、可視光には適当な光源が存在しないため、これらの領域（特に４９０ｎｍ−６３０ｎｍ）では、上記した分光分析を実施することが難しかった。

４９０ｎｍ−６３０ｎｍの可視光の光源を得る方法は、一般に波長変換によって行われる。たとえば特許文献１では、レーザーダイオードにより固体レーザー媒質を励起し、異なる２種の基本波を発生させ、しかる後に非線形結晶で波長変換し、２波長の可視光を得る方法である。この文献では、光軸を同一にするために、ハーフミラーによる空間光結合を用いている。

また、特許文献２では、複数のファイバーアンプをレーザー媒質に用い、複数の基本波を発生させ、これら基本波を非線形結晶で波長変換することにより、互いに異なる波長を有する複数の可視光を得ている。この文献では、光軸を同一にするために、ファイバーより構成させる光スイッチを用いている。

特開２００４−１７２３１４号公報 特開２００７−９７６２９号公報

特許文献１及び２に記載の技術では、レーザー媒質を励起して複数の基本波を発生させ、これら基本波を波長変換するものである。このようにレーザー媒質を用いる場合、レーザー媒質からの誘導放出に時間がかかるため、変調速度が低下してしまう。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、複数の波長の出射光を同一の光軸から出射することができ、かつ出射光を高速に変調することができる光源装置を提供することにある。

本発明に係る光源装置は、光出射部、複数の光源ユニット、光カプラ、及び制御部を有している。光出射部からは、光が出射される。複数の光源ユニットは、互いに異なる波長の出射光を出力する。カプラは、光出射部と複数の光源ユニットとを接続する。制御部は、複数の光源ユニットを制御する。そして複数の光源ユニットは、それぞれ、発光素子と、発光素子から出力された光を波長変換して出射光を生成する波長変換部と、を備えている。

この光源装置において、複数の光源ユニットが出力する前記出射光の波長は、例えば４９０ｎｍ以上６３０ｎｍ以下である。また、制御部は、少なくとも２つの光源ユニットを同時に動作させ、光出射部から少なくとも２種類の出射光を同時に出射させてもよい。

光出射部から出射された光は、例えば血液の飽和酸素濃度測定用の光源として用いられる。この場合、光源装置は、さらに検出部を備えていてもよい。この検出部は、光出射部から出射された光が被測定部で反射されることにより生成した反射光の強度を検出する。そして制御部は、発光素子の出力を徐々に増加させていき、検出部で検出された反射光の強度が閾値以上になったときに、発光素子の出力の増加を停止する。

また波長変換部は、例えば擬似位相整合素子を有している。

本発明によれば、複数の波長の出射光を同一の光軸から出射することができ、かつ出射光を高速に変調することができる光源装置を提供することができる。

上述した目的、およびその他の目的、特徴および利点は、以下に述べる好適な実施の形態、およびそれに付随する以下の図面によってさらに明らかになる。

第１の実施形態に係る光源装置の構成を示す図である。 波長変換部としてバルク型の擬似位相整合素子を用いた場合の、波長変換部の周囲の構成を示す図である。 波長変換部として導波路型の擬似位相整合素子を用いた場合の、波長変換部の周囲の構成を示す図である。 第２の実施形態に係る光源装置の構成を示す図である。 血液の可視域における吸収スペクトルの一例を示す図である。 制御部による制御の一例を説明する図である。 ２つの光源ユニットを同時に駆動させた場合において、光出射部からの出射光を分光計により測定したスペクトルの一例を示す図である。 光出射部からの出射光に含まれる２つの光のプロファイルをそれぞれ測定した結果を示す図である。 図６に示した制御の効果を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る光源装置の構成を示す図である。この光源装置は、光が出射される一つの光出射部３００、複数の光源ユニット１００、光カプラ２００、及び制御部４２０を備えている。複数の光源ユニット１００は、互いに異なる波長の出射光を出力する。光カプラ２００は、光出射部３００と複数の光源ユニット１００とを接続する。制御部４２０は、ドライバ４１０を介して複数の光源ユニット１００を制御している。そして複数の光源ユニット１００は、それぞれ、発光素子１１０及び波長変換部１４０を備えている。波長変換部１４０は、発光素子から出力された光を波長変換して出射光を生成する。以下、詳細に説明する。

本実施形態において、光源ユニット１００の発光素子１１０は、例えばポンプレーザーダイオードなどの半導体レーザーである。発光素子１１０が出力する光の波長は、例えば９８０ｎｍ以上１２６０ｎｍ以下である。そして発光素子１１０から出力された光は、光ファイバーを用いて光学系１３０まで導かれる。この光ファイバーの途中にはアイソレータ１２０が設けられている。アイソレータ１２０は、光学系１３０や光ファイバーの端部で反射した光が発光素子１１０に戻ることを抑制している。これにより、発光素子１１０の動作は安定する。光学系１３０から出力された光は、波長変換部１４０に入射する。

波長変換部１４０は、例えば擬似位相整合素子、複屈折位相整合素子、非線形結晶、フォトニック結晶、非線形光ファイバー、フォトニック結晶光ファイバーなどの波長変換素子を有しており、発光素子１１０が出力した光を、波長を短くする方向に変換することにより、光源ユニット１００の出射光を生成する。この出射光は、光源ユニット１００ごとに波長が異なっている。本実施形態において、各光源ユニット１００の出射光波長は、いずれも４９０ｎｍ以上６３０ｎｍ以下になっている。波長変換部１４０から出力される光は、光学系１５０を介して光ファイバーに導入される。光ファイバーに導入された光は、光カプラ２００に導かれる。

光カプラ２００は、各光源ユニット１００からの出射光を一つの光軸にまとめ、一つの光ファイバーに導入する。この光ファイバーに導入された光は、光出射部３００から外部に出射する。光カプラ２００は、マルチモード光ファイバーにより構成されていてもよいし、シングルモード光ファイバーにより構成されていてもよい。後者の場合、短波長の光の高次モードをカットすることができる。

上記した各光源ユニット１００の発光素子１１０は、ドライバ４１０から電力が入力されることにより発光する。ドライバ４１０がどのタイミングでいずれの発光素子１１０を発光させるかは、制御部４２０によって制御されている。ドライバ４１０は、例えば発光素子１１０に入力する電流を制御することにより、発光素子１１０の基本波の出力（オン、オフを含む）を制御する。また発光素子１１０に入力する電流に変調をかけることにより、発光素子１１０から出力される光の強度に変調を与えることができる。これにより、光出射部３００から出射される光に強度変調を加えることができる。

次に、本実施形態に係る発光素子の動作について説明する。光出射部３００から単一の光を出射させたい場合、制御部４２０は、ドライバ４１０に所望の波長を出力する光源ユニット１００を選択させ、選択させた光源ユニット１００の発光素子１１０に電力を供給させる。これにより、電力が供給された発光素子１１０は発光する。そして発光素子１１０が発光した光は波長変換部１４０によって波長が変換され、光カプラ２００を介して光出射部３００から出射する。

そして光出射部３００からの出射光の波長を変えたいとき、制御部４２０は、ドライバ４１０に、選択している光源ユニット１００を変更させ、変更後の光源ユニット１００の発光素子１１０に電力を供給させる。これにより、光出射部３００からの出射光の波長は高速に切り替えられる。

また、光出射部３００から同時に複数の出射光を出射させたいとき、制御部４２０は、ドライバ４１０に、複数の光源ユニット１００を選択させ、選択させた光源ユニット１００それぞれの発光素子１１０に電力を供給させる。

図２は、波長変換部１４０としてバルク型の擬似位相整合素子を用いた場合の、波長変換部１４０の周囲の構成を示す図である。アイソレータ１２０を経由してきた光は、光ファイバー１３２の端部から放射される。放射された光は、光学系１３０によってフォーカスされ、波長変換部１４０としての擬似位相整合素子に入射する。そして擬似位相整合素子から放射された光は、光学系１５０によってフォーカスされ、光ファイバー１５２に入射する。

なお、図３に示すように、波長変換部１４０として導波路型の擬似位相整合素子を用いる場合、光ファイバー１３２，１５２は、光学系を介さずに直接擬似位相整合素子の導波路に接続されてもよい。

次に、本実施形態の作用及び効果について説明する。

例えば分光分析における光源特性として重要なことは、互いに異なる波長のレーザー光が同一の光軸から出射すること、変調の速度が速いこと、波長の切替速度が速いこと、などが挙げられる。また、構成が簡素で小型で安価であることも、産業上の観点から重要である。

同一光軸からの出射が必要になる理由は、計測の位置精度を高める必要があるためである。計測位置により検出成分にムラがある場合、ビーム光路に位置ずれがあると、正確な測定を行うことはできない。

高速な変調が必要になる理由は、これらのレーザー分光計測は、微弱光の高感度計測になるため、光源の高速変調を利用した高感度検出方法を用いることが必要になるためである。

高速な波長切り替えが必要になる理由は、被計測物の時間的安定性を損なわない程度の短い間隔で、複数波長での計測を実施する必要があるためである。

これらの要求に対して本実施形態によれば、複数の波長の出射光を同一の光軸から出射することができる。また、発光素子１１０を発光源として用いているため、出射光の変調を高速に行うことができる。さらに、ドライバ４１０が電力を供給する発光素子１１０を切り替えることにより、光出射部３００から出射される出射光の波長を切り替えることができるため、波長の切替速度は速い。また、発光素子１１０及び波長変換部１４０が光学系の主要部を占めているため、光源装置の構成を簡素で小型で安価にすることができる。

（第２の実施形態）
図４は、第２の実施形態に係る光源装置の構成を示す図である。この光源装置は、血液の飽和酸素濃度を非侵襲で測定する装置として使用され、検出部４３０を備えている点を除いて第１の実施形態に係る光学装置と同様の構成である。光源装置の光出射部３００から出射される出射光は、被測定部５００（例えば人体の眼底など）に照射される。照射された出射光は、被測定部５００において拡散反射され、その後、被測定部５００から放射される。この際、出射光は被測定部５００内を一定距離進むため、被測定部５００内の血液によって光の一部が吸収される。そして検出部４３０は、被測定部５００から放射される拡散反射光の強度を測定し、制御部４２０に出力する。

血液の可視域における吸収スペクトルは、酸素飽和度によって異なることが知られている。例えば図５に示すように、波長が５００ｎｍ〜６００ｎｍの範囲において、酸素飽和度が０％の場合は吸収のピークが１つであるのに対し、酸素飽和度が１００％の場合は吸収のピークが２つある。このため、酸素飽和度別にある特定波長における吸収度を予め調べておき、その特徴波長における検査対象の血液の吸収度を調べることにより、検査対象の血液の酸素飽和度を測定することができる。この演算処理は、制御部４２０で行われる。

ここで、上記した特定波長は、検出精度を高めることを目的として、複数用いられる場合が多い。例えば特定波長としては、５４０ｎｍと５６０ｎｍの２つが用いられることがあるし、５６０ｎｍと５８０ｎｍの２つが用いられることもある。また、５４０ｎｍ、５６０ｎｍ、及び５８０ｎｍの３つが特定波長として使用されてもよい。なお、特定波長として選択される波長は、上記した例に限られない。

また、酸素飽和度の検出を行う場合、毛細血管の多い部位で測定を行うが重要となる。その理由は、人体に重度な障害をもたらす血管破損は、多くは毛細血管の多い部位で生じるためであること、及び、血管破損と血中酸素飽和度との関連が近年指摘されているためである。一方、毛細血管の多い部分では、場所分解能と時間分解能の双方を高める必要もある。互いに異なる部位で測定を行う場合、測定結果の精度は落ちてしまう。また、生体は常に微動しており、血液の流れは停止することはないため、複数の特定波長を用いる場合、各特定波長を用いた測定を同―タイミングで行うことが必要となる。

これに対して本実施形態にかかる光源装置では、複数の光源ユニット１００を同時に駆動させることにより、一つの光出射部３００から同一の光軸で複数の特定波長を出射させる。また検出部４３０は、同時に複数の波長の光強度を測定することができる。これにより、同一タイミングかつ同一の被測定部５００において、複数の特定波長の吸収スペクトルを測定することができる。

なお、酸素飽和度により吸光度は大きく変化するため、測定に適する出射光の強度を酸素飽和度により調整することが好ましい。一般に、被測定物への入射光量を増加すれば測定の精度は向上するが、生体測定の場合、非侵襲という観点から、測定光の入射光量はより低いことが望ましいためである。

これに対して本実施形態では、図６に示すように、制御部４２０は、ドライバ４１０を介して光源ユニットの発光素子１１０を以下のように制御する。制御部４２０には、あらかじめ測定精度の確保できる拡散反射光の強度を閾値として入力されている。そして制御部４２０は、発光素子１１０の出力を、ある程度低い値から徐々に高めつつ、検出部４３０で検出される拡散反射光の強度をモニタリングする。そして制御部４２０は、拡散反射光の強度が閾値を越えた時点で発光素子１１０の出力の増加を停止し、そのまま一定時間、所定の周波数で、測定を実施する。このような制御を行うことにより、より高感度で血液中の飽和酸素濃度を検出できる。ここで検出部４３０で変調周波数を参照としたロックイン検出などを行うと、より高感度な測定を行うことができる。

なお上記した方法は、複数の光源ユニット１００を同時に駆動させて光出射部３００から同一の光軸で複数の特定波長の光を出射させる場合においても適用できる。また変調光の変調波形は矩形波であるが、正弦波、三角波形、鋸歯状波形などであってもよい。

（実施例１）
第１の実施形態に係る光源装置において、２つの光源ユニット１００を同時に駆動させた。第１の光源ユニット１００が有する発光素子１１０の出力光の波長λ１は１２４０ｎｍであり、第２の光源ユニット１００が有する発光素子１１０の出力光の波長λ２は１０６４ｎｍであった。そして波長変換部１４０としては、周期的に分極反転を施したニオブ酸リチウムの擬似位相整合素子を用い、各光源ユニット１００の出射光を第２次高調波とした。なお、擬似位相整合素子の端面は、基本波および第３次以上の高調波に対して有効な反射防止膜を施している。また光出射部３００となるファイバーにはシングルモードファイバーを使用した。

図７は、２つの光源ユニット１００を同時に駆動させた場合の、光出射部３００からの出射光を分光計により測定したスペクトルである。このスペクトルから、波長が６２０ｎｍ及び５３２ｎｍの光が出射されていることが分かった。

図８は光出射部３００からの出射光に含まれる２つの光のプロファイルをそれぞれ測定した結果を示している。２つの光のピーク位置が空間的に良く一致しているのがわかる。

また、波長および光強度の制御を、発光素子１１０の駆動電流制御により実施した。まず制御部４２０は、出射光の波長の切り替え（すなわちいずれの光源ユニット１００を動作させるか）を、外部より入力される切替信号に従って行った。その結果、出射光の波長の切替を高速で行えることが確認された。また発光素子１１０の駆動電流の大きさを変えることにより、各発光素子１１０の基本波の強度を変えることができ、これによって出射光の強度を高速に制御できることが確認された。

また、発光素子１１０の基本波の駆動電流に変調をかけることにより、光出射部３００の出射光に強度変調を与え、計測を実施した。基本波の駆動電流を参照信号とし、受光側の検出器の信号をロックイン検波することで、微少信号の計測が可能であることを確認した。さらに、λ１，λ２の２波長を同時に出力する場合でも、各波長の変調周波数を変えることで、受光側で周波数を分離検出することができること、すなわちλ１，λ２について独立に信号強度を測定することが可能であることも確認した。この構成では、光源の変調は１．８ＧＨｚで行うことができる。

（実施例２）
第２の実施形態に係る光源装置を用いて、光出射部３００からの出射光の強度を上げつつ、測定を複数回行った。図９に測定結果を示す。図９（ａ）は、図６を用いて説明した方法を用いた場合の結果を示しており、図９（ｂ）はこの方法を用いなかった場合の結果を示している。図９から、図６を用いて説明した方法を用いたほうが測定の再現性がよいことが示された。

以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。

この出願は、２０１０年９月３日に出願された日本出願特願２０１０−１９８０４４号を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

Claims (6)

1. 光が出射される一つの光出射部と、
   互いに異なる波長の出射光を出力する複数の光源ユニットと、
   前記光出射部と前記複数の光源ユニットとを接続する光カプラと、
   前記複数の光源ユニットを制御する制御部と、
   を備え、
   前記複数の光源ユニットは、それぞれ、
   発光素子と、
   前記発光素子から出力された光を波長変換して前記出射光を生成する波長変換素子と、
   を備え、
   前記複数の光源ユニットそれぞれの前記波長変換素子は、互いに集積化されておらず、
   前記制御部は、発光する前記発光素子及びその発光タイミングを選択する光源装置。
2. 請求項１に記載の光源装置において、
   前記制御部は、少なくとも２つの前記光源ユニットを同時に動作させ、前記光出射部から少なくとも２種類の前記出射光を同時に出射させる光源装置。
3. 請求項１又は２に記載の光源装置において、
   前記光出射部から出射された光は、血液の飽和酸素濃度測定用の光源として用いられる光源装置。
4. 請求項３に記載の光源装置において、
   前記光出射部から出射された光が被測定部で反射されることにより生成した反射光の強度を検出する検出部をさらに備え、
   前記制御部は、前記発光素子の出力を徐々に増加させていき、前記検出部で検出された前記反射光の強度が閾値以上になったときに、前記発光素子の出力の増加を停止する光源装置。
5. 請求項３又は４に記載の光源装置において、
   前記複数の光源ユニットが出力する前記出射光の波長は、４９０ｎｍ以上６３０ｎｍ以下である光源装置。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の光源装置において、
   前記波長変換部は擬似位相整合素子を有する光源装置。

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