JP6253761B2 - 測定装置及び測定方法 - Google Patents

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Description

本発明は、レーザー光を照射することで被計測対象に関する測定を行う測定装置及び測定方法の技術分野に関する。
この種の装置として、例えばレーザー光のドップラーシフト(所謂、レーザードップラー)を利用して流体の速度を検出する装置が知られている。例えば特許文献1では、レーザー光源の光束をビームスプリッターで分離して、その一部を参照光として利用する装置が提案されている。
特開2013−96918号公報
上述したような測定において、被計測対象に照射された光は散乱によって拡散される。その一方で、参照光は拡散されないため光束の径は小さいままである。このような散乱光と参照光との干渉光を検出しようとする場合、互いの光束の径に大きく違いがあるため、検出器の検出面において効率よく干渉が生じない。この結果、検出結果のS/N比(信号対雑音比)が悪化し、正確な測定が行えなくなってしまうという技術的問題点が生ずる。
本発明が解決しようとする課題には、上記のようなものが一例として挙げられる。本発明は、参照光を拡散することで、被計測対象に関する測定を好適に実行可能な測定装置及び測定方法を提供することを課題とする。
上記課題を解決するための測定装置は、レーザー光を第1光束及び第2光束に分離し、前記第1光束を被計測対象に照射する分離照射手段と、前記第2光束を拡散させる拡散手段と、前記被計測対象で散乱された前記第1光束と、前記拡散手段で拡散された前記第2光束とを受光する受光手段とを備える。
上記課題を解決するための測定方法は、レーザー光を第1光束及び第2光束に分離し、前記第1光束を被計測対象に照射する分離照射工程と、前記第2光束を拡散させる拡散工程と、前記被計測対象で散乱された前記第1光束と、前記拡散工程で拡散された前記第2光束とを受光する受光工程とを備える。
第1実施例に係る測定装置の全体構成を示す側面図である。 第1実施例に係る測定装置の全体構成を示す断面図である。 第1変形例に係る測定装置の全体構成を示す側面図である。 第1変形例に係る測定装置の全体構成を示す断面図である。 第2変形例に係る測定装置の全体構成を示す側面図である。 第1比較例に係る測定装置の全体構成を示す側面図である。 第2比較例に係る測定装置の全体構成を示す断面図である。 第2実施例に係る測定装置の全体構成を示す断面図である。 第3実施例に係る測定装置の全体構成を示す断面図である。 第4実施例に係る測定装置の全体構成を示す断面図である。
<1>
本実施形態に係る測定装置は、レーザー光を第1光束及び第2光束に分離し、前記第1光束を被計測対象に照射する分離照射手段と、前記第2光束を拡散させる拡散手段と、前記被計測対象で散乱された前記第1光束と、前記拡散手段で拡散された前記第2光束とを受光する受光手段とを備える。
本実施形態に係る測定装置によれば、その動作時には、移動する被計測対象(例えば、透明チューブの内部を流れる血液等の流体、或いはコンベヤ上を流れる板状部材等の個体など)に対して、レーザー光が照射される。本実施形態に係るレーザー光は特に、被計測対象に照射される前に、分離照射手段によって第1光束及び第2光束に分離される。分離照射手段は、例えばグレーティング(回折格子)やハーフミラー等を含んで構成される。なお、分離照射手段は、レーザー光を3以上の光束に分離して照射してもよい(即ち、第3光束や第4光束等が存在してもよい)。
分離された光束のうち、第1光束は被計測対象に照射される。被計測対象に照射された第1光束は、被計測対象で散乱(具体的には、透過や反射)され散乱光となる。他方で、第2光束は、被計測対象に照射されることなく、拡散手段で拡散される。拡散手段は、例えば拡散板やレンズ等を含んで構成される。
散乱された第1光束及び拡散された第2光束は、共通の受光手段によって受光される。受光手段は、例えばフォトダイオード等として構成されている。受光手段では、例えば受光された光の強度が信号化され、測定結果の演算に用いられる。より具体的には、例えばドップラーシフトを利用した被計測対象の速度算出が実行される。
ここで本実施形態では特に、上述したように、被計測対象に照射される第1光束と、被計測対象に照射されない第2光束とを利用して測定が実行されるため、例えば第1光束及び第2光束の両方を被計測対象に照射して散乱光を検出する場合と比べて、被計測対象での散乱によるエネルギーロスを低減することができる。よって、検出結果のS/N比を改善することができる。また、第1光束及び第2光束を被計測対象の一点に照射する場合と比べて、光学系のアライメントを容易に行える。加えて、レーザー光を照射することによる被計測対象へのダメージを低減することができる。
本実施形態では更に、上述したように、第2光束が拡散されてから検出される。これにより、被計測対象で散乱された第1光束が比較的広い面積で検出されるのに対し、第2光束が極めて狭い面積でしか検出されないという状況を防止できる。このようにすれば、検出手段の検出面において第1光束及び第2光束の各々を効率的に検出でき、検出感度を向上させることができる。また、第2光束に高精度のアライメントが要求されるのを回避できる。加えて、拡散によるエネルギーの分散により、被計測対象で散乱される第1光束とのエネルギーバランスをとることができる。
以上説明したように、本実施形態に係る測定装置によれば、散乱された第1光束及び拡散された第2光束を検出することで、被計測対象に関する測定を好適に実行可能である。
<2>
本実施形態に係る測定装置の一態様では、前記分離照射手段は、グレーティングを含む。
この態様によれば、レーザー光は、グレーティング(回折格子)に入射されることで、第1光束及び第2光束に分離される。このため、例えば複数のミラーを利用してレーザー光を分離する場合と比較して、光路の調整に精度が要求されない。従って、容易に且つ精度良く測定が実行できる。
また、部品点数も削減することができるため、コストの増大や装置構成の複雑化を防止することができる。
<3>
本実施形態に係る測定装置の他の態様では、前記分離照射手段は、前記レーザー光の一部を反射する一部反射手段を含む。
この態様によれば、レーザー光は、例えばハーフミラーとして構成される一部反射手段により、一部が反射され、他の一部が透過される。よって、レーザー光を確実に第1光束及び第2光束に分離することができる。
<4>
上述した一部反射手段を含む態様では、前記分離照射手段は、前記一部反射手段との相対的な位置が固定された反射手段を更に含んでいてもよい。
この場合、一部反射手段で分離された第1光束及び第2光束の一方が反射手段により反射され、適切な方向に導かれる。本態様では特に、反射手段は、一部反射手段との相対的な位置が固定されている(言い換えれば、2面鏡として構成されている)ため、一部反射手段と反射手段の角度調整を別々に行わずに済む。従って、レーザー光の照射角度の調整が容易に行える。
<5>
本実施形態に係る測定装置の他の態様では、前記拡散手段は、前記第2光束の光路内に配置された散乱板である。
この態様によれば、散乱板によって第2光束を確実に拡散させることができる。なお、拡散板は反射型のものとして構成されてもよいし、透過型のものとして構成されてもよい。
<6>
本実施形態に係る測定装置の他の態様では、前記拡散手段は、前記第2光束の光路内に配置されたレンズである。
この態様によれば、レンズによって第2光束を確実に拡散させることができる。なお、レンズは複数設けられてもよい。
<7>
上述したレンズを備える態様では、レンズは、前記第1光束を前記検出手段に対して集光する。
この場合、第2光束を拡散させるレンズを利用して、第1光束を集光することもできる。このため、第1光束を効率的に検出手段で検出することが可能となり、結果としてS/N比を向上させることが可能となる。
<8>
上述したレンズで第1光束を集光する態様では、前記レンズは、前記検出手段の検出面における前記第1光束及び前記第2光束の径が揃うように、前記第1光束を集光し、前記第2光束を拡散する。
この場合、検出手段で第1光束及び第2光束を極めて効率的に検出できる。従って、検出結果のS/N比を向上させることが可能である。
なお、本態様に係る「揃うように」とは、第1光束の径と第2光束の径とが完全に一致する場合に限定されるものではなく、上述した効果を得られる程度に近い値とされていることを意味する。
<9>
本実施形態に係る測定装置の他の態様では、前記分離手段は、前記第2光束の光量が前記第1光束の光量より小さくなるように前記レーザー光を分離する。
この態様によれば、検出時点での第1光束及び第2光束の光量(エネルギー)を揃えることができる。具体的には、被計測対象に照射されることで大きなエネルギーロスを生じる第1光束と、被計測対象に照射されないため殆どエネルギーロスを生じない第2光束との検出時点でのエネルギーが近い値となる。よって、第1光束及び第2光束を効率よく検出でき、S/N比を向上させることが可能である。
<10>
本実施形態に係る測定装置の他の態様では、前記受光手段で受光された前記第1光束のドップラーシフトから、前記被計測対象の速度を検出する速度検出手段を更に備える。
この態様によれば、分離された第1光束の散乱光に発生するドップラーシフトを利用して、被計測対象の速度を検出できる。具体的には、ドップラーシフトが発生している第1光束と、ドップラーシフトが発生していない第2光束との干渉光から得られるビート信号を利用して、被計測対象の速度を検出できる。
<11>
本実施形態に係る測定方法は、レーザー光を第1光束及び第2光束に分離し、前記第1光束を被計測対象に照射する分離照射工程と、前記第2光束を拡散させる拡散工程と、前記被計測対象で散乱された前記第1光束と、前記拡散工程で拡散された前記第2光束とを受光する受光工程とを備える。
本実施形態に係る測定方法によれば、上述した本実施形態に係る測定装置と同様に、散乱された第1光束及び拡散された第2光束を検出して、好適に測定を行うことが可能である。
なお、本実施形態に係る測定方法においても、上述した本実施形態に係る測定装置における各種態様と同様の各種態様を採ることが可能である。
本実施形態に係る測定装置及び測定方法の作用及び他の利得については、以下に示す実施例において、より詳細に説明する。
以下では、図面を参照して測定装置及び測定方法の実施例について詳細に説明する。なお、以下の実施例では、本発明に係る測定装置が、例えば血液等の流体の速度を測定する装置として適用される場合について説明する。
<第1実施例>
第1実施例に係る測定装置について、図1から図7を参照して説明する。
<全体構成>
先ず、第1実施例に係る測定装置の全体構成について、図1及び図2を参照して説明する。ここに図1は、第1実施例に係る測定装置の全体構成を示す側面図である。また図2は、第1実施例に係る測定装置の全体構成を示す断面図である。
図1及び図2において、第1実施例に係る測定装置1は、主な構成要素として、光源100と、グレーティング200と、検出器500と、拡散板600とを備えて構成されている。
光源100は、照射光Liを出力可能に構成されたレーザー光源である。光源100は、レーザー光の出力強度を調整可能とされている。
グレーティング200は、本発明の「分離照射手段」の一例であり、ブレーズ型のグレーティングとして構成されている。なお、グレーティン200は、バイナリ型のグレーティングとして構成されてもよい。また、集光効果(即ち、レンズ効果)を有するものとして構成されてもよい。グレーティング200は、光源100から照射された照射光Liを分離光Ld1及びLd2に分離して、透明チューブ300内を図1の右方向(図2の手前方向)に向かって流れる流体400に照射する。
分離光Ld1は、被計測対象である流体400に対して入射される。これにより、分離光Ld1は、流体400内の散乱体401において散乱(透過)される。この結果、散乱体401から散乱光Lsが放射される。一方、分離光Ld2は、流体400には入射されず、拡散板600に入射される。
拡散板600は、本発明の「拡散手段」の一例であり、反射型の拡散板として構成されている。拡散板600は、入射された分離光Ld2を拡散し、参照光Lrとして検出器500に照射する。
検出器500は、本発明の「受光手段」の一例であり、例えばフォトディテクターとして構成されている。検出器500は、流体400から見て光源100とは反対側に配置されており、その検出面において、流体400を透過した散乱光Ls及び拡散板600で拡散された参照光Lrを夫々検出可能とされている。即ち、検出器500は、散乱光Ls及び参照光Lrの干渉光を検出可能に構成されている。
検出器500で検出された干渉光の強度は信号化され、図示せぬ演算回路等において各種演算に用いられる。具体的には、本発明の「速度検出手段」の一例である速度演算部において演算され、流体400の速度が算出される。
<変形例>
次に、第1実施例に係る測定装置の変形例について、図3から図5を参照して説明する。ここに図3は、第1変形例に係る測定装置の全体構成を示す側面図であり、図4は、第1変形例に係る測定装置の全体構成を示す断面図である。また図5は、第2変形例に係る測定装置の全体構成を示す側面図である。
図3及び図4において、第1変形例に係る測定装置1bでは、グレーティング200に代えて、2面鏡250が用いられている。2面鏡250は、光源100からの照射光Liを分離するハーフミラー251と、ハーフミラー251で反射された分離光Ld2を反射するミラー252を備えている。このような2面鏡250によれば、ハーフミラー251及びミラー252の相対的な位置が固定されているため、グレーティング200と同様に調整作業が容易である。
図5において、第2変形例に係る測定装置1cでは、検出器500が、流体400から見て光源100と同じ側に配置されており、その検出面において、流体400で反射された散乱光Lsb及びLrbを夫々検出可能とされている。
このように、検出器500は、流体400を透過した散乱光Ls及び透明チューブ300を迂回するように反射及び拡散された参照光Lr(図2参照)に代えて、流体400で反射された散乱光Lsb及び流体400とは反対側に反射及び拡散されたLrbを検出可能に構成されてもよい。この場合でも、透過した散乱光Lsを検出する場合と同様に測定が行える。
<測定時の効果>
次に、第1実施例に係る測定装置によって得られる技術的効果について、図6及び図7に示す比較例を参照しながら詳細に説明する。ここに図6は、第1比較例に係る測定装置の全体構成を示す側面図である。また図7は、第2比較例に係る測定装置の全体構成を示す断面図である。
図6において、第1比較例に係る測定装置1dでは、光源から照射された照射光Liは、ハーフミラー210によって分離される。即ち、ハーフミラー210を透過した光が分離光Ld1とされ、ハーフミラー210で反射された光が分離光Ld2とされる。なお、分離光Ld2は、ミラー220で反射されることにより被計測対象である流体400に向かう。
また、比較例に係る測定装置1dでは特に、分離光Ld1及びLd2は、流体400の互いに同じ位置に照射される。即ち、分離光Ld1及びLd2は、同じ散乱体401に照射される。散乱体401に照射された分離光Ld1及びLd2は、夫々散乱光Ls1及びLs2となり、検出器500において検出される。
上述した比較例では、分離光Ld1及びLd2が流体400の同じ一点に照射されるため、照射位置における光強度が比較的高くなり易く、被計測対象である流体400に対して照射によるダメージを与える可能性が高くなる。例えば、被計測対象が血液である場合、強度の高いレーザー光が照射されることで血液の一部が破壊され、生体に対して悪影響を与えてしまうおそれがある。一方で、ダメージの低減を図るために光強度を低くすると、検出器500で検出される光強度が小さくなり、S/N比が悪化する。この結果、正確な測定が実行できないおそれが生ずる。
更に、上述した比較例では、分離光Ld1及びLd2を流体400の同じ一点に照射しなければならないため、ハーフミラー210及びミラー220に対して高精度のアライメントが要求されると共に、信頼性を確保することも容易ではない。
一方、図1から図4に示した第1実施例に係る測定装置1によれば、グレーティング200で分離された分離光Ld1が流体400に照射されるのに対し、分離光Ld2は流体400に照射されず参照光Lrとして利用される。このため、第1比較例に係る測定装置1dと比べて、流体に対するダメージを低減できる。また、流体で散乱された散乱光Ld及び参照光Lrは共に検出器500で検出されるため、第1比較例に係る測定装置1dと比べてもS/N比は悪化しない。即ち、第1実施例に係る測定装置1によれば、検出感度を悪化させることなく、被計測対象へのダメージを低減できる。
また、2つの分離光Ld1及びLd2を一点に照射することが要求されないことで、光学系のアライメントに高い精度が要求されずに済む。よって、例えば被計測対象を変更するために透明チューブ300の交換を行うような場合であっても、交換後の微調整が要求されない。
加えて、第1実施例に係る測定装置1では、グレーティング200のみの調整によって、分離光Ld1及びLd2の入射角を調整できる。従って、第1比較例のように2つのミラーを利用して調整する場合と比較すると、極めて容易に調整作業が行える。この結果、装置の信頼性も向上し、更には部品数の削減によるコストの低減及び装置構成の簡単化も実現できる。
図7において、第2比較例に係る測定装置1eでは、分離光Ld2が流体400に入射せず参照光として利用されるものの、ミラー700によって反射されるだけで、本実施例のように拡散板600による拡散は行われない。このため、第2比較例に係る参照光Lrcは、検出器500の比較的狭い面において検出されることになる。
この場合、検出器500の検出面において、散乱光Ls及び参照光Lrcが効率よく干渉しない。このため、検出結果のS/N比は悪化する。また、参照光Lrcが照射される位置が限定されるため、参照光Lrcのアライメントにも比較的高い精度が要求されることになる。
一方、図1から図4に示した第1実施例に係る測定装置1によれば、散乱光Ls及び参照光Lrcの各々が検出器500の検出面の広い面積で検出される。このため、光源からの照射光Liの強度を高くせずとも、検出感度を向上させることができる。また、拡散によって参照光Lrが広い面積に照射されるため、参照光Lrに高精度のアライメントが要求されるのを回避できる。加えて、拡散によるエネルギーの分散により、散乱光Lsとのエネルギーバランスをとることができる。
なお、検出器500で検出される散乱光Lsと参照光Lrは、同程度のエネルギーを有する光として検出されることが好ましい。ここで、散乱光Lsは、被計測対象である流体400で散乱されるため、流体400に入射しない参照光Lrと比べてエネルギーロスが大きい。よって、グレーティング200における分離の段階で、分離光Ld2の光量が分離光Ld1の光量より小さくなるように調整すれば(例えば、分離光Ld2の光量が分離光Ld1の光量の10分の1程度になるように調整すれば)、検出器500において適切な強度の散乱光Ls及び参照光Lrを検出できる。
以上説明したように、第1実施例に係る測定装置1によれば、参照光Lrを拡散することにより、好適に被計測対象の測定を行うことが可能である。
<第2実施例>
次に、第2実施例に係る測定装置について、図8を参照して説明する。ここに図8は、第2実施例に係る測定装置の全体構成を示す断面図である。なお、第2実施例は、上述した第1実施例と一部の構成が異なるのみであり、その他の構成や動作については概ね同様である。このため、以下では、既に説明した第1実施例と異なる部分について詳細に説明し、他の重複する部分については適宜説明を省略するものとする。
図8において、第2実施例に係る測定装置2では、第1実施例に係る反射型の拡散板600(図1及び図2参照)に代えて、透過型の拡散板600bが備えられている。拡散板600bは、ミラー700で反射された分離光Ld2の光路中に配置されており、入射した分離光Ld2を透過する際に拡散させて参照光Lrとする。
このように、透過型の拡散板600bを用いる場合でも、拡散された参照光Lrを検出器500に照射することができる。よって、第2実施例に係る測定装置2においても、第1実施例に係る測定装置1と同様の効果を得ることができる。
<第3実施例>
次に、第3実施例に係る測定装置について、図9を参照して説明する。ここに図9は、第3実施例に係る測定装置の全体構成を示す断面図である。なお、第3実施例は、上述した第1及び第2実施例と一部の構成が異なるのみであり、その他の構成や動作については概ね同様である。このため、以下では、既に説明した第1及び第2実施例と異なる部分について詳細に説明し、他の重複する部分については適宜説明を省略するものとする。
図9において、第3実施例に係る測定装置3では、第1実施例に係る反射型の拡散板600(図1及び図2参照)に代えて、レンズ650が備えられている。レンズ650は、ミラー700で反射された分離光Ld2の光路中に配置されており、入射した分離光Ld2を拡散させて参照光Lrとする。
このように、レンズ600を用いる場合でも、拡散された参照光Lrを検出器500に照射することができる。よって、第3実施例に係る測定装置3においても、第1実施例に係る測定装置1や第2実施例に係る測定装置2と同様の効果を得ることができる。
なお、参照光Lrを拡散する部材は、上述した拡散板600及びレンズ650に限られるものではなく、入射した光を拡散できる部材であれば適宜利用することができる。即ち、参照光Lrが拡散された状態で検出器500に照射されるのであれば、拡散する手段は問わない。
<第4実施例>
次に、第4実施例に係る測定装置について、図10を参照して説明する。ここに図10は、第4実施例に係る測定装置の全体構成を示す断面図である。なお、第4実施例は、上述した第1から第3実施例と一部の構成が異なるのみであり、その他の構成や動作については概ね同様である。このため、以下では、既に説明した第1から第3実施例と異なる部分について詳細に説明し、他の重複する部分については適宜説明を省略するものとする。
図10において、第4実施例に係る測定装置4では、第3実施例に係る測定装置3と同様に、ミラー700で反射された分離光Ld2が、レンズ650bで拡散されて検出器500に照射される。また、第4実施例に係る測定装置4では更に、流体400で散乱された散乱光Lsが、レンズ650bで集光されて検出器500に照射される。即ち、第4実施例に係るレンズ650bは、分離光Ld2に対する拡散機能に加えて、散乱光Lsに対する集光機能を有している。
上述したレンズ650bによれば、分離光Ld2の拡散と同時に、散乱光Lsの集光が行えるため、散乱光Lsを効率的に検出器500に照射させることが可能である。よって、光源100からの照射光Liの強度を高くせずとも、S/N比を向上させることができる。
なお、検出器500の検出面における光束の径が互いに揃うように(より好ましくは、検出器500の検出面の面積に近い値で揃うように)、散乱光Lsが集光され、参照光Lrが拡散されることで、より効率的な検出が実現できる。
本発明は、上述した実施形態に限られるものではなく、特許請求の範囲及び明細書全体から読み取れる発明の要旨或いは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴う測定装置及び測定方法もまた本発明の技術的範囲に含まれるものである。
1,2,3,4 測定装置
100 光源
200 グレーティング
210 ハーフミラー
220 ミラー
250 2面鏡
300 透明チューブ
400 流体
401 散乱体
500 検出器
600 拡散板
650 レンズ
700 ミラー
Li 照射光
Ld1,Ld2 分離光
Ls 散乱光
Lr 参照光

Claims (7)

  1. レーザー光を第1光束及び第2光束に分離し、前記第1光束を被計測対象に照射する分離照射手段と、
    前記第2光束の光路内に配置され、前記第2光束を拡散させる拡散板と、
    前記被計測対象で散乱された前記第1光束と、前記拡散で拡散された前記第2光束とを受光する受光手段と
    を備えることを特徴とする測定装置。
  2. 前記分離照射手段は、グレーティングを含むことを特徴とする請求項1に記載の測定装置。
  3. 前記分離照射手段は、前記レーザー光の一部を反射する一部反射手段を含むことを特徴とする請求項1に記載の測定装置。
  4. 前記分離照射手段は、前記一部反射手段との相対的な位置が固定された反射手段を更に含むことを特徴とする請求項3に記載の測定装置。
  5. 前記分離手段は、前記第2光束の光量が前記第1光束の光量より小さくなるように前記レーザー光を分離することを特徴とする請求項1から4のいずれか一項に記載の測定装置。
  6. 前記受光手段で受光された前記第1光束のドップラーシフトから、前記被計測対象の速度を検出する速度検出手段を更に備えることを特徴とする請求項1から5のいずれか一項に記載の測定装置。
  7. レーザー光を第1光束及び第2光束に分離し、前記第1光束を被計測対象に照射する分離照射工程と、
    前記第2光束の光路内に配置された拡散板で、前記第2光束を拡散させる拡散工程と、
    前記被計測対象で散乱された前記第1光束と、前記拡散工程で拡散された前記第2光束とを受光する受光工程と
    を備えることを特徴とする測定方法。
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