(57)【要約】  光センサ装置（１）は、２波長の光を所定周波数（ｆ）で点滅発光して生体（Ｂ）に照射する発光器（２）と、生体（Ｂ）からの光を受光する受光器（７）とを備える。受光器（７）は、各波長に対応した第１，第２の検出信号（Ｓ1），（Ｓ2）を出力する。第１，第２の検出信号（Ｓ1），（Ｓ2）は、フィルタ回路（９）によって所定周波数（ｆ）の信号を振幅変調した変調信号（Ｓ1m），（Ｓ2m）を抽出する。変調信号（Ｓ1m），（Ｓ2m）は、後段増幅器（１０）で変調信号（Ｓ1M），（Ｓ2M）に増幅された後に、ＡＤコンバータ（１４）によってデジタル信号に変換され、演算処理部（１５）に取り込まれる。演算処理部（１５）は、デジタル信号化した変調信号（Ｓ1M），（Ｓ2M）を用いて、第１，第２の検出信号（Ｓ1），（Ｓ2）の直流成分（Ｓ1d），（Ｓ2d）と交流成分（Ｓ1a），（Ｓ2a）を演算する。
2012160856.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
予め決められた所定周波数で点滅発光し被測定物に向けて光を出力する発光器と、
該発光器からの光を前記被測定物が反射または透過した光を受光し、光電変換した電気信号を出力する受光器と、
該受光器から出力された電気信号のうち前記発光器の所定周波数を含む帯域を通過帯域とし、前記発光器の所定周波数で変調された変調信号を出力するフィルタ回路と、
該フィルタ回路から出力された前記変調信号を増幅する増幅器と、
該増幅器によって増幅したアナログ信号からなる前記変調信号をデジタル信号に変換するＡＤコンバータと、
該ＡＤコンバータから出力されるデジタル信号に基づいて、前記電気信号の直流成分と交流成分を演算する演算処理部とを備えた光センサ装置。
【請求項２】
前記発光器は、互いに異なる第１，第２の波長帯の光を出力する２個の発光素子からなり、
前記受光器は、前記第１，第２の波長帯の光に応じた第１，第２の電気信号を出力し、
前記演算処理部は、前記第１の電気信号に基づく第１の交流成分の振幅と第１の直流成分との第１の比と、前記第２の電気信号に基づく第２の交流成分の振幅と第２の直流成分との第２の比との比率に基づいて前記被測定物の吸光度比を演算する吸光度比演算手段を備える構成としてなる請求項１に記載の光センサ装置。
【請求項３】
前記演算処理部は、前記変調信号の時間平均によって前記電気信号の直流成分を演算する直流成分演算手段と、前記変調信号から該直流成分演算手段によって算出した直流成分を除去して前記電気信号の交流成分を演算する交流成分演算手段とを備える構成としてなる請求項１に記載の光センサ装置。
【請求項４】
前記直流成分演算手段は、前記変調信号のうち前記発光器の発光時の信号を用いて外来光ノイズと前記発光器からの光との両方に基づく全体の直流成分を演算する全体成分演算手段と、前記変調信号のうち前記発光器の非発光時の信号を用いて外来光ノイズに基づく直流成分を演算するノイズ成分演算手段と、前記全体成分演算手段による直流成分から該ノイズ成分演算手段による直流成分を除去して前記発光器からの光に基づく直流成分を演算するノイズ除去成分演算手段とによって構成してなる請求項３に記載の光センサ装置。
【請求項５】
前記フィルタ回路を含んで構成され、前記変調信号と前記電気信号の直流成分とを分離する分離回路を設け、
前記ＡＤコンバータは、前記変調信号に加えて該分離回路によって分離した前記電気信号の直流成分をデジタル信号に変換し、
前記演算処理部は、前記ＡＤコンバータから出力されるデジタル信号からなる変調信号と前記電気信号の直流成分との振幅の比率が前記増幅器による増幅前の状態となるように、前記変調信号と前記電気信号の直流成分とを前記増幅器の増幅率に基づいて変換し、前記デジタル信号の変調信号に基づいて前記電気信号の交流成分を演算する構成としてなる請求項１に記載の光センサ装置。
【請求項６】
前記演算処理部は、前記電気信号の直流成分のうち前記発光器の非発光時の信号に基づいて外来光ノイズに基づく直流成分を演算するノイズ成分演算手段を備える構成としてなる請求項５に記載の光センサ装置。
【請求項７】
被測定物に向けて光を出力する発光器と、該発光器からの光を前記被測定物が反射または透過した光を受光し、光電変換した電気信号を出力する受光器とを備えた光センサ装置において、
前記受光器から出力された電気信号を直流成分と交流成分とに分離する分離回路と、
該分離回路によって分離した直流成分と交流成分とを個別の増幅率で増幅する増幅回路と、
該増幅回路によって増幅したアナログ信号からなる前記直流成分と前記交流成分とをデジタル信号に変換するＡＤコンバータと、
該ＡＤコンバータから出力されるデジタル信号の直流成分と交流成分との振幅の比率が前記増幅回路による増幅前の状態となるように、前記デジタル信号の直流成分と交流成分とを前記増幅回路の個別の増幅率に基づいて変換し、前記電気信号の直流成分と交流成分とを再生する演算処理部とを備えたことを特徴とする光センサ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光器と受光器とを備えた光センサ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、光センサ装置として、被測定物に光を照射する発光器と、生体が反射または透過した光を受光する受光器とを備えたものが知られている（例えば、特許文献１，２参照）。特許文献１には、発光器によって生体の指や耳朶に光を照射すると共に、この光に基づく反射光や透過光を受光器によって受光し、受光器から出力される電気信号によって生体の脈拍に応じた光電脈波信号を検出する構成が記載されている。この構成では、受光器によって光電変換した電気信号を増幅するために、受光器に増幅器を接続すると共に、増幅された電気信号を演算器に入力し、各種の信号処理を行っている。【０００３】
また、特許文献２には、基準光源からの光を走査鏡によって反射し、この反射光を検知素子で受光する構成が記載されている。この構成では、検知素子からの信号を直流成分と交流成分とに分けてＡＤコンバータでデジタル信号に変換している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平６−２２９４３号公報
【特許文献２】特開平２−１３８１５号公報
【発明の概要】
【０００５】
ところで、特許文献１による光センサ装置では、受光器から出力される電気信号を増幅器によって増幅している。このとき、受光器には太陽光等の外来光が入射されることがあるから、電気信号には、外来光によるノイズ成分が重畳されることがある。このような外来光のノイズ成分が過大になると、増幅器を飽和させてしまい、光電脈波信号のような発光器からの光に基づく信号を正しく検出することができなくなる。また、増幅器の飽和を防止するために、増幅器の増幅度を小さくすると、検出した信号レベルが小さくなり、受光感度や光電脈波信号の検出精度が劣化するという問題がある。
【０００６】
また、演算器等で信号処理を行うためには、例えばＡＤコンバータによってデジタル信号に変換する必要がある。このとき、受光器からの電気信号に外来光ノイズ成分が重畳されると、このノイズ成分も含めて電気信号を符号化するため、ＡＤコンバータの分解能を検出信号に対して十分に高めておく必要がある。このため、ノイズ成分を含めたダイナミックレンジを確保する必要があり、製造コストが上昇するという問題もある。
【０００７】
一方、特許文献２には、検知素子からの信号を直流成分と交流成分とに分けてそれぞれ増幅した後にＡＤコンバータでデジタル信号に変換する構成が開示されている。しかし、この構成では、直流成分と交流成分とを別個に信号処理しており、直流成分と交流成分との振幅の比率を検知素子からの出力時の比率に戻す構成にはなっていない。このため、例えば直流成分を用いて交流成分を正規化する場合にはそのまま適用することができない。これに加え、特許文献２に記載された光センサ装置では、直流成分と交流成分とを同期して検出しているから、直流成分と交流成分とを別個のＡＤコンバータによってそれぞれデジタル信号に変換する必要があり、製造コストが上昇する傾向がある。
【０００８】
本発明は上述の問題に鑑みなされたものであり、本発明の目的は、低コスト化が可能で、直流成分を用いて交流成分を正規化することができる光センサ装置を提供することにある。
【０００９】
（１）．上記課題を解決するために、本発明による光センサ装置は、予め決められた所定周波数で点滅発光し被測定物に向けて光を出力する発光器と、該発光器からの光を前記被測定物が反射または透過した光を受光し、光電変換した電気信号を出力する受光器と、該受光器から出力された電気信号のうち前記発光器の所定周波数を含む帯域を通過帯域とし、前記発光器の所定周波数で変調された変調信号を出力するフィルタ回路と、該フィルタ回路から出力された前記変調信号を増幅する増幅器と、該増幅器によって増幅したアナログ信号からなる前記変調信号をデジタル信号に変換するＡＤコンバータと、該ＡＤコンバータから出力されるデジタル信号に基づいて、前記電気信号の直流成分と交流成分を演算する演算処理部とを備えている。
【００１０】
本発明では、発光器は予め決められた所定周波数で発光し、フィルタ回路は受光器から出力された電気信号のうち発光器の所定周波数で変調された変調信号を出力する構成とした。この変調信号には、被測定物が反射または透過した光による直流成分と、被測定物の吸光度の時間変化に応じた交流成分とが含まれる。この変調信号は、ＡＤコンバータによってデジタル信号に変換されるから、演算処理部は、デジタル信号からなる変調信号に基づいて、受光器から出力される電気信号の直流成分と交流成分を演算することができる。具体的には、演算処理部は、例えば変調信号の時間平均を演算することによって電気信号の直流成分を算出することができると共に、変調信号から直流成分を差し引くことによって電気信号の交流成分を算出することができる。このため、演算した直流成分を用いて、交流成分の正規化することができる。
【００１１】
また、フィルタ回路は所定周波数よりも低い周波数の信号を遮断することができるから、フィルタ回路のカットオフ周波数を発光器の所定周波数近くまで高くすることができる。このため、例えばフィルタ回路に用いるコンデンサの容量を小さくして、小型化、低コスト化を図ることができる。
【００１２】
また、増幅器によってフィルタ回路から出力された変調信号を増幅するから、発光器の所定周波数よりも低周波の信号に影響されることなく、変調信号をＡＤコンバータの振幅レンジに近い範囲に増幅することができ、Ｓ／Ｎ（Signal to Noise ratio）を安定して確保することができる。これに加え、ＡＤコンバータに入力される変調信号の振幅レンジが安定することから、ＡＤコンバータの１ビット当りの分解能が広くなる。このため、ＡＤコンバータのビット幅を低減することができ、低コスト化を図ることができる。
【００１３】
（２）．本発明は、前記発光器は、互いに異なる第１，第２の波長帯の光を出力する２個の発光素子からなり、前記受光器は、前記第１，第２の波長帯の光に応じた第１，第２の電気信号を出力し、前記演算処理部は、前記第１の電気信号に基づく第１の交流成分の振幅と第１の直流成分との第１の比と、前記第２の電気信号に基づく第２の交流成分の振幅と第２の直流成分との第２の比との比率に基づいて前記被測定物の吸光度比を演算する吸光度比演算手段を備える構成としている。
【００１４】
本発明では、発光器は第１，第２の波長帯の光を出力する２個の発光素子からなり、受光器は第１，第２の波長帯の光に応じた第１，第２の電気信号を出力する構成としたから、演算処理部の吸光度比演算手段は、第１の電気信号に基づく第１の交流成分の振幅と第１の直流成分との第１の比と、第２の電気信号に基づく第２の交流成分の振幅と第２の直流成分との第２の比との比率に基づいて被測定物の吸光度比を演算することができる。この結果、発光器の発光強度や受光器の受光感度が第１，第２の波長帯で異なる場合でも、このような影響を低減することができる。
【００１５】
（３）．本発明では、前記演算処理部は、前記変調信号の時間平均によって前記電気信号の直流成分を演算する直流成分演算手段と、前記変調信号から該直流成分演算手段によって算出した直流成分を除去して前記電気信号の交流成分を演算する交流成分演算手段とを備える構成としている。
【００１６】
本発明では、演算処理部の直流成分演算手段は、変調信号の時間平均を演算することによって、電気信号の直流成分を算出することができる。また、演算処理部の交流成分演算手段は、変調信号から直流成分演算手段によって算出した直流成分を除去することによって、電気信号の交流成分を算出することができる。
【００１７】
（４）．本発明では、前記直流成分演算手段は、前記変調信号のうち前記発光器の発光時の信号を用いて外来光ノイズと前記発光器からの光との両方に基づく全体の直流成分を演算する全体成分演算手段と、前記変調信号のうち前記発光器の非発光時の信号を用いて外来光ノイズに基づく直流成分を演算するノイズ成分演算手段と、前記全体成分演算手段による直流成分から該ノイズ成分演算手段による直流成分を除去して前記発光器からの光に基づく直流成分を演算するノイズ除去成分演算手段とによって構成している。
【００１８】
本発明によれば、直流成分演算手段の全体成分演算手段は、変調信号のうち発光器の発光時の信号を用いて、外来光ノイズと発光器からの光との両方に基づく全体の直流成分を算出することができる。また、直流成分演算手段のノイズ成分演算手段は、変調信号のうち発光器の非発光時の信号を用いて、外来光ノイズに基づく直流成分を算出することができる。さらに、直流成分演算手段のノイズ除去成分演算手段は、全体成分演算手段による直流成分からノイズ成分演算手段による直流成分を除去することによって、発光器からの光に基づく直流成分を算出することができる。この結果、演算処理部は、外来光ノイズの影響を省いた直流成分を用いて交流成分を正規化することができるから、吸光度比を高精度に求めることができる。
【００１９】
（５）．本発明では、前記フィルタ回路を含んで構成され、前記変調信号と前記電気信号の直流成分とを分離する分離回路を設け、前記ＡＤコンバータは、前記変調信号に加えて該分離回路によって分離した前記電気信号の直流成分をデジタル信号に変換し、前記演算処理部は、前記ＡＤコンバータから出力されるデジタル信号からなる変調信号と前記電気信号の直流成分との振幅の比率が前記増幅器による増幅前の状態となるように、前記変調信号と前記電気信号の直流成分とを前記増幅器の増幅率に基づいて変換し、前記デジタル信号の変調信号に基づいて前記電気信号の交流成分を演算する構成としている。
【００２０】
本発明では、分離回路によって受光器から出力された電気信号のうち交流成分を含む変調信号と直流成分とに分離するから、増幅器によって電気信号の直流成分とは別個に変調信号を増幅することができる。ここで、外来光ノイズは主に直流成分に重畳されるため、交流成分を含む変調信号には外来光ノイズが殆ど重畳されない。このため、変調信号に対する増幅度をデジタル処理部となるＡＤコンバータの信号レンジに対して十分に大きくとることができ、Ｓ／Ｎの改善や安定化を図ることができる。
【００２１】
また、演算処理部はデジタル信号からなる変調信号と電気信号の直流成分との振幅が増幅器による増幅前の比率となるように変換するから、受光器から出力された状態の電気信号の直流成分と変調信号の振幅の比率に再生することができる。さらに、デジタル信号の変調信号に基づいて電気信号の交流成分を演算するから、再生した直流成分と交流成分とを用いて、交流成分を正規化することができる。
【００２２】
（６）．本発明では、前記演算処理部は、前記電気信号の直流成分のうち前記発光器の非発光時の信号に基づいて外来光ノイズに基づく直流成分を演算するノイズ成分演算手段を備える構成としている。
【００２３】
ここで、分離回路によって分離した電気信号の直流成分には、外来光ノイズと発光器からの光との両方に基づく成分が含まれる。このとき、演算処理部は、ノイズ成分演算手段によって外来光ノイズに基づく直流成分を演算することができるから、分離回路から出力される直流成分から外来光ノイズに基づく直流成分を除去することができる。このため、外来光ノイズの影響を省いた直流成分を用いて交流成分を正規化することができるから、吸光度比を高精度に求めることができる。
【００２４】
（７）．また、本発明は、被測定物に向けて光を出力する発光器と、該発光器からの光を前記被測定物が反射または透過した光を受光し、光電変換した電気信号を出力する受光器とを備えた光センサ装置において、前記受光器から出力された電気信号を直流成分と交流成分とに分離する分離回路と、該分離回路によって分離した直流成分と交流成分とを個別の増幅率で増幅する増幅回路と、該増幅回路によって増幅したアナログ信号からなる前記直流成分と前記交流成分とをデジタル信号に変換するＡＤコンバータと、該ＡＤコンバータから出力されるデジタル信号の直流成分と交流成分との振幅の比率が前記増幅回路による増幅前の状態となるように、前記デジタル信号の直流成分と交流成分とを前記増幅回路の個別の増幅率に基づいて変換し、前記電気信号の直流成分と交流成分とを再生する演算処理部とを備えたことを特徴としている。
【００２５】
本発明では、分離回路によって受光器から出力された電気信号を直流成分と交流成分とに分離すると共に、増幅回路によって分離した直流成分と交流成分とを個別の増幅率で増幅する構成とした。このため、直流成分の増幅率を小さくして、外来光ノイズによる増幅回路の飽和を抑えることができる。一方、外来光ノイズは主に直流成分に重畳されるため、交流成分には外来光ノイズが殆ど重畳されない。このため、交流成分に対する増幅度をデジタル処理部となるＡＤコンバータの信号レンジに対して十分に大きくとることができ、Ｓ／Ｎの改善や安定化を図ることができる。
【００２６】
また、直流成分および交流成分のいずれもＡＤコンバータの振幅レンジに近い範囲に増幅することができるから、直流成分と交流成分のＳ／Ｎを安定して確保することができる。さらに、ＡＤコンバータに入力される信号の振幅レンジが安定することから、ＡＤコンバータの１ビット当りの分解能が広くなる。このため、ＡＤコンバータのビット幅を低減することができ、低コスト化を図ることができる。
【００２７】
また、演算処理部はデジタル信号の直流成分と交流成分の振幅が増幅回路による増幅前の比率となるように変換するから、受光器から出力された状態の電気信号の直流成分と交流成分の振幅の比率に再生することができる。このため、例えば再生した直流成分と交流成分とを用いて、交流成分を正規化することができる。
【００２８】
本発明では、前記発光器は、予め決められた所定周波数で点滅発光する構成とし、前記分離回路は、前記発光器の所定周波数を含む帯域を通過帯域とし、前記発光器の所定周波数で変調された前記交流成分を出力する構成としてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】第１の実施の形態による光センサ装置を示す全体構成図である。
【図２】図１中の演算処理部によって実行される処理プログラムを示す流れ図である。
【図３】図１中の光センサ装置による第１，第２の検出信号と変調信号を示す説明図である。
【図４】第２の実施の形態による光センサ装置を示す全体構成図である。
【図５】図４中の演算処理部によって実行される処理プログラムを示す流れ図である。
【図６】図４中の光センサ装置によって第１，第２の検出信号から直流成分と交流成分を分離して増幅した状態を示す説明図である。
【図７】比較例による光センサ装置を示す全体構成図である。
【図８】第３の実施の形態による光センサ装置を示す全体構成図である。
【図９】図８中の演算処理部によって実行される処理プログラムを示す流れ図である。
【図１０】図８中の光センサ装置によって第１，第２の検出信号から直流成分と交流成分を分離して増幅した状態を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下、本発明の実施の形態による光センサ装置について添付図面を参照しつつ詳細に説明する。
【００３１】
図１は第１の実施の形態による光センサ装置１を示している。この光センサ装置１は、例えば被測定物としての生体Ｂから脈拍に応じた光電脈波信号（脈波信号）を検出する。
【００３２】
発光器２は、互いに異なる第１，第２の波長帯の光を出力する第１，第２の発光素子３，４によって構成されている。これらの第１，第２の発光素子３，４は、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）等によって形成されている。ここで、第１の発光素子３は例えば７００ｎｍ帯の赤色光を発光し、第２の発光素子４は例えば９００ｎｍ帯の赤外光を発光する。
【００３３】
また、第１，第２の発光素子３，４には、第１，第２の駆動回路５，６がそれぞれ接続されている。第１，第２の発光素子３，４は、第１，第２の駆動回路５，６から供給される駆動電流に応じて、点滅発光するものである。
【００３４】
ここで、第１の駆動回路５は、予め決められた所定周波数ｆでパルス変調した駆動電流を供給する。この所定周波数ｆは、光電脈波信号の信号周波数（例えば数Ｈｚ程度）よりも高い周波数に設定され、好ましくは処理回路１２によって処理可能な範囲で、光電脈波信号の信号周波数よりも１０倍以上高い値（例えば数百Ｈｚ程度）に設定されている。
【００３５】
なお、所定周波数ｆは、ＡＤコンバータ１４によってデジタル信号の変換が可能となるように、ＡＤコンバータ１４の切替サイクル（例えば４００Ｈｚ）よりも十分に低い値（例えばｆ＝１００Ｈｚ）に設定されている。
【００３６】
第２の駆動回路６も、第１の駆動回路５とほぼ同様に構成されている。このため、第２の駆動回路６は、第２の発光素子４に向けて第１の駆動回路５と同じ所定周波数ｆでパルス変調した駆動電流を供給し、第２の発光素子４を点滅発光させる。このとき、第１，第２の発光素子３，４は、例えば互いに異なるタイミングで交互に発光する。
【００３７】
但し、受光器７が第１，第２の波長帯の光を分離して受光可能であれば、第１，第２の発光素子３，４は、互いに同期して一緒に発光する構成としてもよい。なお、第１，第２の発光素子３，４は、面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）またはレーザダイオード（ＬＤ）を用いて形成してもよい。
【００３８】
受光器７は、例えばフォトダイオード（ＰＤ）等の受光素子によって形成され、受光した光信号を例えば電流信号、電圧信号のような電気信号に光電変換して出力する。具体的には、受光器７は、発光素子３，４から照射されて生体Ｂで反射または透過した光を受光し、この受光した光を電気信号からなる第１，第２の検出信号Ｓ1，Ｓ2に変換し、これらの検出信号Ｓ1，Ｓ2を前段増幅器８に向けて出力する。このとき、第１の検出信号Ｓ1は第１の波長帯の光に応じた信号であり、第２の検出信号Ｓ2は第２の波長帯の光に応じた信号である。
【００３９】
なお、受光器７は、受光素子として例えばフォトトランジスタを用いて形成してもよい。また、受光器７は、単一の受光素子を用いて構成してもよく、例えば光学フィルタ等を用いることによって、互いに異なる波長帯の光を受光する複数の受光素子を用いて構成してもよい。
【００４０】
前段増幅器８は、例えば演算増幅器を用いて構成され、その入力端子が受光器７に接続されている。この前段増幅器８は、受光器７から出力される検出信号Ｓ1，Ｓ2を増幅率Ｇxで増幅し、フィルタ回路９に向けて出力する。
【００４１】
フィルタ回路９は、前段増幅器８と後段増幅器１０との間に接続されたカップリングコンデンサとしてのコンデンサ９Ａによって構成されている。このフィルタ回路９は、発光素子３，４が点滅発光する所定周波数ｆの信号を含めて、この信号よりも高い周波数の信号が通過可能な高域通過フィルタとして機能する。そして、フィルタ回路９のカットオフ周波数は、所定周波数ｆの信号が通過可能な範囲で、できるだけ高い値に設定されている。
【００４２】
ここで、発光器２は所定周波数ｆで点滅発光するから、第１，第２の検出信号Ｓ1，Ｓ2は、所定周波数ｆの信号を振幅変調したものになる。このとき、コンデンサ９Ａは所定周波数ｆよりも低周波の信号を遮断するから、フィルタ回路９は、第１，第２の検出信号Ｓ1，Ｓ2が所定周波数ｆで振幅変調された変調信号Ｓ1m，Ｓ2mを出力する。
【００４３】
後段増幅器１０は、変調信号Ｓ1m，Ｓ2mを増幅する増幅器である。後段増幅器１０は、例えば演算増幅器を用いて構成され、前段増幅器８と一緒に増幅回路１１を構成している。この後段増幅器１０は、フィルタ回路９の出力側に接続され、第１，第２の変調信号Ｓ1m，Ｓ2mを増幅率Ｇyで増幅し、増幅した第１，第２の変調信号Ｓ1M，Ｓ2Mを出力する。ここで、第１，第２の変調信号Ｓ1M，Ｓ2Mの増幅率Ｇmは、前段増幅器８と後段増幅器１０によって設定され、増幅率Ｇmは増幅率Ｇxと増幅率Ｇyの積に一致する（Ｇm＝Ｇx×Ｇy）。このため、第１，第２の変調信号Ｓ1M，Ｓ2Mの振幅レンジがＡＤコンバータ１４の入力レンジと同程度の値となるように、前段増幅器８および後段増幅器１０の増幅率Ｇx，Ｇyが設定されている。
【００４４】
処理回路１２は、マルチプレクサ１３、ＡＤコンバータ１４および演算処理部１５によって大略構成されている。
【００４５】
マルチプレクサ１３は、後段増幅器１０をＡＤコンバータ１４に接続している。これにより、後段増幅器１０から出力された第１，第２の変調信号Ｓ1M，Ｓ2Mは、マルチプレクサ１３を介してＡＤコンバータ１４に入力される。なお、例えば第１，第２の発光素子３，４を交互に発光させたときには、第１，第２の変調信号Ｓ1M，Ｓ2Mも時分割された１系統の信号として単一のＡＤコンバータ１４に入力することができる。この場合には、マルチプレクサ１３を省いて、後段増幅器１０をＡＤコンバータ１４に直接接続する構成としてもよい。
【００４６】
ＡＤコンバータ１４は、第１，第２の変調信号Ｓ1M，Ｓ2Mをアナログ信号からデジタル信号に変換する。このとき、ＡＤコンバータ１４は、第１，第２の変調信号Ｓ1M，Ｓ2Mのうち例えばプラス側の値だけをデジタル信号に変換する。また、第１，第２の変調信号Ｓ1M，Ｓ2Mは、前段増幅器８と後段増幅器１０によってＡＤコンバータ１４の入力レンジと同程度の値に設定されている。このため、ＡＤコンバータ１４は、入力レンジ全体を使って、第１，第２の変調信号Ｓ1M，Ｓ2Mをデジタル信号に変換することができる。
【００４７】
演算処理部１５は、例えばマイクロコンピュータ等によって構成され、図２に示す処理プログラムを実行し、ＡＤコンバータ１４から出力される第１，第２の変調信号Ｓ1M，Ｓ2Mに基づいて、第１，第２の検出信号Ｓ1，Ｓ2の直流成分Ｓ1d，Ｓ2dと交流成分Ｓ1a，Ｓ2aを演算すると共に、生体Ｂの吸光度比Ｒ12を求める。なお、図２に示す処理プログラムは、例えばＡＤコンバータ１４によって第１，第２の変調信号Ｓ1M，Ｓ2Mが更新される毎に実行される。
【００４８】
具体的には、図２中のステップ１ないし３に示す直流成分演算処理を実行し、第１，第２の変調信号Ｓ1M，Ｓ2Mに基づいて、第１，第２の検出信号Ｓ1，Ｓ2の直流成分Ｓ1d，Ｓ2dを演算する。
【００４９】
ここで、第１，第２の変調信号Ｓ1M，Ｓ2Mには、発光素子３，４からの光を生体Ｂが反射または透過したときの直流成分に加えて、外来光ノイズによる直流成分が含まれる。このため、ステップ１に示す全体成分演算処理では、第１，第２の変調信号Ｓ1M，Ｓ2Mのうち発光素子３，４の発光時における信号を抽出し、この抽出した信号の時間平均を演算することによって、外来光ノイズと発光素子３，４からの光との両方に基づく直流成分Ｓ1don，Ｓ2donを算出する。このとき、少なくとも光電脈波信号の１周期分（例えば１秒程度）、好ましくは２周期分以上であってできるだけ短時間の時間平均を演算する。
【００５０】
次に、ステップ２に示すノイズ成分演算処理では、第１，第２の変調信号Ｓ1M，Ｓ2Mのうち発光素子３，４の非発光時における信号を抽出し、この抽出した信号の時間平均を演算することによって、外来光ノイズに基づく直流成分Ｓ1doff，Ｓ2doffを算出する。
【００５１】
次に、ステップ３に示すノイズ除去成分演算処理では、ステップ１で算出した直流成分Ｓ1don，Ｓ2donからステップ２で算出した直流成分Ｓ1doff，Ｓ2doffを除去して発光器２からの光に基づく直流成分Ｓ1d，Ｓ2dを演算する。
【００５２】
次に、ステップ４に示す交流成分演算処理では、第１，第２の変調信号Ｓ1M，Ｓ2Mのうち発光素子３，４の発光時における信号を抽出し、この抽出した信号からステップ１で算出した直流成分Ｓ1don，Ｓ2donを減算することによって、交流成分Ｓ1a，Ｓ2aを算出する。
【００５３】
次に、ステップ５では、正規化信号演算処理を実行し、直流成分Ｓ1d，Ｓ2dを用いて交流成分Ｓ1a，Ｓ2aの振幅ΔＳ1a，ΔＳ2aを正規化する。具体的には、以下の数１の式に基づいて、振幅ΔＳ1a，ΔＳ2aを直流成分Ｓ1d，Ｓ2dで除算することによって、第１，第２の比としての正規化信号Ｓ10，Ｓ20を算出する。
【００５４】
【数１】
2012160856.tif 000003
【００５５】
次に、ステップ６では、吸光度比演算処理を実行し、正規化信号Ｓ10，Ｓ20を用いて吸光度比Ｒ12を演算する。具体的には、以下の数２の式に基づいて、第１の波長による正規化信号Ｓ10を第２の波長による正規化信号Ｓ20で除算することによって、吸光度比Ｒ12を算出する。
【００５６】
【数２】
2012160856.tif 000004
【００５７】
また、演算処理部１５は、吸光度比Ｒ12に加えて、第１，第２の検出信号Ｓ1，Ｓ2に基づいて、酸素飽和度、加速度脈波、脈拍ゆらぎ等の生体情報を生成することもできる。さらに、演算処理部１５は、第１，第２の駆動回路５，６に接続され、これらを用いて第１，第２の発光素子３，４の発光と受光器７の受光とを同期させている。
【００５８】
本発明の第１の実施の形態による光センサ装置１は以上のような構成を有するものであり、次にその動作を説明する。
【００５９】
まず、発光器２と受光器７を生体Ｂの近傍に配置した状態で光センサ装置１のスイッチ（図示せず）をオンに切り換える。このとき、発光器２の第１，第２の発光素子３，４は第１，第２の波長帯の光を出力し、受光器７はこれらの光に基づく生体Ｂからの反射光または透過光を受光し、各波長帯に応じた第１，第２の検出信号Ｓ1，Ｓ2を出力する。これらの第１，第２の検出信号Ｓ1，Ｓ2は、図３に示すように、フィルタ回路９によって変調信号Ｓ1m，Ｓ2mが抽出されて処理回路１２に入力される。処理回路１２は、ＡＤコンバータ１４によって変調信号Ｓ1M，Ｓ2Mをデジタル信号に変換し、演算処理部１５によって直流成分Ｓ1d，Ｓ2dと交流成分Ｓ1a，Ｓ2aが演算されると共に、各種の処理を行う。
【００６０】
ここで、発光器２は所定周波数ｆで発光し、フィルタ回路９は発光器２の所定周波数ｆで変調された変調信号Ｓ1m，Ｓ2mを出力する構成としたから、フィルタ回路９のカットオフ周波数を高くすることができ、コンデンサ９Ａの容量を小さくすることができる。
【００６１】
具体的に説明すると、光電脈波信号は生体の脈拍に応じた数Ｈｚ程度の低周波の信号となる。このため、光電脈波信号を分離するためには、カットオフ周波数が数Ｈｚ程度まで低くなり、例えば数百μＦ程度のような大きな容量のコンデンサが必要となる。これに対し、本実施の形態では、発光器２の所定周波数ｆで変調された変調信号Ｓ1m，Ｓ2mを分離するためには、光電脈波信号よりも高周波となる所定周波数ｆの信号が通過可能であればよい。このため、フィルタ回路９のカットオフ周波数を高くすることができるから、コンデンサ９Ａの容量を例えば１μＦよりも小さくすることができ、小型化、低コスト化を図ることができる。
【００６２】
また、変調信号Ｓ1m，Ｓ2mを増幅した変調信号Ｓ1M，Ｓ2Mには、発光素子３，４からの光に基づく直流成分Ｓ1d，Ｓ2dと光電脈波信号による交流成分Ｓ1a，Ｓ2aの両方が含まれる。これに対し、変調信号Ｓ1M，Ｓ2Mの時間平均によって直流成分Ｓ1d，Ｓ2dを求めることができる。このとき、変調信号Ｓ1M，Ｓ2Mのうち発光素子３，４の発光時の信号を時間平均したときには、発光素子３，４からの光に加えて外来光ノイズに基づく成分が含まれる。このため、本実施の形態では、変調信号Ｓ1M，Ｓ2Mのうち発光素子３，４の発光時の信号を時間平均した直流成分Ｓ1don，Ｓ2donから発光素子３，４の非発光時の信号を時間平均した直流成分Ｓ1doff，Ｓ2doffを減算している。これにより、外来光ノイズに基づく成分を除去して、発光素子３，４からの光に基づく直流成分Ｓ1d，Ｓ2dを算出することができる。
【００６３】
そして、演算処理部１５は、第１の交流成分Ｓ1aの振幅ΔＳ1aと第１の直流成分Ｓ1dとの第１の比としての正規化信号Ｓ10と、第２の交流成分Ｓ2aの振幅ΔＳ2aと第２の直流成分Ｓ2dとの第２の比としての正規化信号Ｓ20との比率に基づいて、吸光度比Ｒ12を演算することができる。これにより、発光器２の発光強度や受光器７の受光感度が第１，第２の波長帯で異なる場合でも、このような影響を低減することができる。これに加え、外来光ノイズの影響を省いた直流成分Ｓ1d，Ｓ2dを用いて交流成分Ｓ1a，Ｓ2aの振幅ΔＳ1a，ΔＳ2aを正規化するから、生体Ｂの吸光度比Ｒ12を高精度に求めることができる。
【００６４】
また、変調信号Ｓ1M，Ｓ2Mは、前段増幅器８と後段増幅器１０によって増幅率Ｇmで増幅される。このとき、変調信号Ｓ1M，Ｓ2Mは、フィルタ回路９によって直流のノイズ成分等が除去されるから、第１，第２の検出信号Ｓ1，Ｓ2に比べて、外来光ノイズの影響が小さい。このため、外来光ノイズによる増幅器８，１０の飽和を抑えることができる。これに加えて、変調信号Ｓ1m，Ｓ2mの振幅レンジが安定するから、増幅した変調信号Ｓ1M，Ｓ2Mの振幅レンジをＡＤコンバータ１４の入力レンジと同程度の値に設定することができる。このため、Ｓ／Ｎを安定して確保することができる。これに加えて、ＡＤコンバータ１４の最下位ビット当りの分解能である最小分解能が向上するから、ＡＤコンバータ１４のビット幅を低減することができ、低コスト化を図ることができる。
【００６５】
なお、前記第１の実施の形態では、図２中のステップ１ないし３が直流成分演算手段の具体例を示している。また、図２中のステップ１が全体成分演算手段の具体例を示し、図２中のステップ２がノイズ成分演算手段の具体例を示し、図２中のステップ３がノイズ除去成分演算手段の具体例を示している。また、図２中のステップ４が交流成分演算手段の具体例を示し、図２中のステップ６が吸光度比演算手段の具体例を示している。
【００６６】
次に、図４は第２の実施の形態による光センサ装置２１を示している。この光センサ装置２１は、例えば被測定物としての生体Ｂから脈拍に応じた光電脈波信号（脈波信号）を検出する。
【００６７】
発光器２２は、互いに異なる第１，第２の波長帯の光を出力する第１，第２の発光素子２３，２４によって構成されている。これらの第１，第２の発光素子２３，２４は、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）等によって形成されている。ここで、第１の発光素子２３は例えば７００ｎｍ帯の赤色光を発光し、第２の発光素子２４は例えば９００ｎｍ帯の赤外光を発光する。
【００６８】
また、第１，第２の発光素子２３，２４には、第１，第２の駆動回路２５，２６がそれぞれ接続されている。第１，第２の発光素子２３，２４は、第１，第２の駆動回路２５，２６から供給される駆動電流に応じて、継続的な連続発光または間欠的な点滅発光するものである。
【００６９】
ここで、第１，第２の発光素子２３，２４は、例えば時分割的に交互に発光してもよい。また、受光器２７が第１，第２の波長帯の光を分離して受光可能であれば、第１，第２の発光素子２３，２４は、互いに同期して一緒に発光する構成としてもよい。なお、第１，第２の発光素子２３，２４は、面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）またはレーザダイオード（ＬＤ）を用いて形成してもよい。
【００７０】
受光器２７は、例えばフォトダイオード（ＰＤ）等の受光素子によって形成され、受光した光信号を例えば電流信号、電圧信号のような電気信号に光電変換して出力する。具体的には、受光器２７は、発光素子２３，２４から照射されて生体Ｂで反射または透過した光を受光し、この受光した光を電気信号からなる第１，第２の検出信号Ｓ1，Ｓ2に変換し、これらの検出信号Ｓ1，Ｓ2を前段増幅器2８に向けて出力する。このとき、第１の検出信号Ｓ1は第１の波長帯の光に応じた信号であり、第２の検出信号Ｓ2は第２の波長帯の光に応じた信号である。
【００７１】
なお、受光器２７は、受光素子として例えばフォトトランジスタを用いて形成してもよい。また、受光器２７は、単一の受光素子を用いて構成してもよく、例えば光学フィルタ等を用いることによって、互いに異なる波長帯の光を受光する複数の受光素子を用いて構成してもよい。
【００７２】
前段増幅器２８は、例えば演算増幅器を用いて構成され、その入力端子が受光器２７に接続されている。この前段増幅器２８は、受光器２７から出力される検出信号Ｓ1，Ｓ2を増幅率Ｇxで増幅し、分離回路２９に向けて出力する。
【００７３】
分離回路２９は、前段増幅器２８の出力端子に並列に接続された第１，第２の分岐線路３０，３１と、第２の分岐線路３１の途中に接続された高域通過フィルタとして機能するフィルタ回路３２とによって構成されている。フィルタ回路３２は、前段増幅器２８と後段増幅器３３との間に接続されたカップリングコンデンサとしてのコンデンサ３２Ａによって構成されている。
【００７４】
このとき、第１の分岐線路３０は、直流成分Ｓ1d，Ｓ2dを含めて前段増幅器２８から出力された第１，第２の検出信号Ｓ1，Ｓ2をそのまま伝送する。このため、第１の分岐線路３０は、第１，第２の検出信号Ｓ1，Ｓ2の直流成分Ｓ1d，Ｓ2dを伝送する直流成分伝送路となっている。
【００７５】
一方、第２の分岐線路３１には、カップリングコンデンサとして機能するコンデンサ３２Ａが設けられている。このため、コンデンサ３２Ａによって第１，第２の検出信号Ｓ1，Ｓ2の直流成分Ｓ1d，Ｓ2dが遮断されるから、第２の分岐線路３１は、第１，第２の検出信号Ｓ1，Ｓ2の交流成分Ｓ1a，Ｓ2aを伝送する交流成分伝送路となっている。また、コンデンサ３２Ａの容量は、通過させる第１，第２の検出信号Ｓ1，Ｓ2の交流成分Ｓ1a，Ｓ2aの周波数に応じて設定される。
【００７６】
なお、第１，第２の交流成分Ｓ1a，Ｓ2aが第１，第２の直流成分Ｓ1d，Ｓ2dに比べて十分に小さい（例えば１／１０以下）ときには、第１，第２の検出信号Ｓ1，Ｓ2は直流成分Ｓ1d，Ｓ2dとほぼ同じ信号となるから、第１の分岐線路３０は、第１，第２の検出信号Ｓ1，Ｓ2をそのまま伝送する。逆に、第１，第２の交流成分Ｓ1a，Ｓ2aが第１，第２の直流成分Ｓ1d，Ｓ2dと同程度になるとき、または第１，第２の交流成分Ｓ1a，Ｓ2aが第１，第２の直流成分Ｓ1d，Ｓ2dよりも大きくなるときには、第１の分岐線路３０には、例えば積分器のような低域通過フィルタを接続する構成としてもよい。
【００７７】
後段増幅器３３は、第１，第２の交流成分Ｓ1a，Ｓ2aを増幅する増幅器である。後段増幅器３３は、第２の分岐線路３１のうちコンデンサ３２Ａの出力側に接続され、第１，第２の検出信号Ｓ1，Ｓ2の交流成分Ｓ1a，Ｓ2aを増幅率Ｇyで増幅し、増幅した第１，第２の交流成分Ｓ1A，Ｓ2Aを出力する。この後段増幅器３３は、例えば演算増幅器を用いて構成され、前段増幅器２８と共に増幅回路３４を構成している。このとき、第１，第２の検出信号Ｓ1，Ｓ2の直流成分Ｓ1d，Ｓ2dの増幅率Ｇdは前段増幅器２８によって設定され、増幅率Ｇdは増幅率Ｇxに一致する（Ｇd＝Ｇx）。一方、第１，第２の検出信号Ｓ1，Ｓ2の交流成分Ｓ1A，Ｓ2Aの増幅率Ｇaは前段増幅器２８と後段増幅器３３によって設定され、増幅率Ｇaは増幅率Ｇxと増幅率Ｇyの積に一致する（Ｇa＝Ｇx×Ｇy）。このため、増幅回路３４は、分離回路２９によって分離した第１，第２の検出信号Ｓ1，Ｓ2の直流成分Ｓ1d，Ｓ2dと交流成分Ｓ1a，Ｓ2aとを個別の増幅率Ｇd，Ｇaで増幅する。
【００７８】
ここで、例えば第１，第２の検出信号Ｓ1，Ｓ2の交流成分Ｓ1a，Ｓ2aが光電脈波信号である場合には、生体Ｂの血流に応じて変化する交流成分Ｓ1a，Ｓ2aは、生体Ｂからの直接的な反射光や透過光となる直流成分Ｓ1d，Ｓ2dに比べて小さい。このため、増幅回路３４は、直流成分Ｓ1d，Ｓ2dの増幅率Ｇdに比べて交流成分Ｓ1a，Ｓ2aの増幅率Ｇaを大きくし、これらの振幅を後述するＡＤコンバータ３７の振幅レンジと同程度の値に設定している。
【００７９】
処理回路３５は、マルチプレクサ３６、ＡＤコンバータ３７および演算処理部３８によって大略構成されている。
【００８０】
マルチプレクサ３６は、分離回路２９の第１の分岐線路３０に接続されると共に、後段増幅器３３よりも後段側に位置して第２の分岐線路３１に接続されている。このマルチプレクサ３６は、第１，第２の分岐線路３０，３１を例えば時分割的に交互にＡＤコンバータ３７に接続する。
【００８１】
ＡＤコンバータ３７は、マルチプレクサ３６が第１の分岐線路３０に接続されたときには、第１，第２の検出信号Ｓ1，Ｓ2の直流成分Ｓ1d，Ｓ2dをアナログ信号からデジタル信号に変換し、マルチプレクサ３６が第２の分岐線路３１に接続されたときには、第１，第２の検出信号Ｓ1，Ｓ2の交流成分Ｓ1A，Ｓ2Aをアナログ信号からデジタル信号に変換する。このとき、第１，第２の検出信号Ｓ1，Ｓ2の直流成分Ｓ1d，Ｓ2dと交流成分Ｓ1A，Ｓ2Aは、いずれの成分も増幅回路３４によってＡＤコンバータ３７の入力レンジと同程度の値に設定されている。このため、ＡＤコンバータ３７は、入力レンジ全体を使って、これらの直流成分Ｓ1d，Ｓ2dと交流成分Ｓ1A，Ｓ2Aをデジタル信号に変換することができる。
【００８２】
なお、ＡＤコンバータ３７には、直流成分Ｓ1d，Ｓ2dとして第１，第２の検出信号Ｓ1，Ｓ2をそのままＡＤコンバータ３７に入力している。しかし、直流成分Ｓ1d，Ｓ2dに対して交流成分Ｓ1a，Ｓ2aが十分に小さく（例えば１／１０以下等）、ＡＤコンバータ３７の分解能と同程度になる場合には、ＡＤコンバータ３７によって直流成分Ｓ1d，Ｓ2dをデジタル信号化したときに、交流成分Ｓ1a，Ｓ2aは除去される。一方、交流成分Ｓ1a，Ｓ2aが無視できない程度に大きい場合には、低域通過フィルタを用いて直流成分Ｓ1d，Ｓ2dに含まれる交流成分Ｓ1a，Ｓ2aを予め除去する、またはデジタル信号化した直流成分Ｓ1d，Ｓ2dの時間平均を求めるのが好ましい。
【００８３】
演算処理部３８は、例えばマイクロコンピュータ等によって構成され、図５に示す処理プログラムを実行し、ＡＤコンバータ３７から出力される直流成分Ｓ1d，Ｓ2dと交流成分Ｓ1A，Ｓ2Aに基づいて、増幅前の第１，第２の検出信号Ｓ1，Ｓ2を復元すると共に、生体Ｂの吸光度比Ｒ12を求める。なお、図５に示す処理プログラムは、例えばＡＤコンバータ３７によって直流成分Ｓ1d，Ｓ2dと交流成分Ｓ1A，Ｓ2Aのデジタル信号が更新される毎に実行される。
【００８４】
具体的には、図５中のステップ１１に示すように、比率再生処理を実行し、増幅率Ｇd，Ｇaに基づいて、第１，第２の検出信号Ｓ1，Ｓ2の直流成分Ｓ1d，Ｓ2dと交流成分Ｓ1A，Ｓ2Aを変換し、これらの振幅を増幅回路３４による増幅前の比率に再生する。このとき、増幅率Ｇd，Ｇaの相違部分は後段増幅器３３による増幅率Ｇyであり、演算処理部３８に入力された交流成分Ｓ1A，Ｓ2Aは、直流成分Ｓ1d，Ｓ2dに比べて後段増幅器３３の増幅率Ｇyだけ振幅が大きくなっている。このため、演算処理部３８は、以下の数３の式に示すように、交流成分Ｓ1A，Ｓ2Aを増幅率Ｇyで除算することによって、再生した交流成分Ｓ1ar，Ｓ2arを算出する。これにより、直流成分Ｓ1d，Ｓ2dと交流成分Ｓ1ar，Ｓ2arとが増幅前の振幅の比率（振幅比）に再生される。
【００８５】
【数３】
2012160856.tif 000005
【００８６】
次に、ステップ１２では、再生した交流成分Ｓ1ar，Ｓ2arを直流成分Ｓ1d，Ｓ2dに合成する合成処理を実行し、増幅前の第１，第２の検出信号Ｓ1，Ｓ2を復元した第１，第２の復元信号ＳＲ1，ＳＲ2を求める。具体的には、以下の数４の式に示すように、再生した交流成分Ｓ1ar，Ｓ2arを直流成分Ｓ1d，Ｓ2dに加算し、第１，第２の復元信号ＳＲ1，ＳＲ2を算出する。
【００８７】
【数４】
2012160856.tif 000006
【００８８】
次に、ステップ１３では、正規化信号演算処理を実行し、直流成分Ｓ1d，Ｓ2dを用いて交流成分Ｓ1ar，Ｓ2arの振幅ΔＳ1ar，ΔＳ2arを正規化する。このとき、振幅ΔＳ1ar，ΔＳ2arは、増幅後の交流成分Ｓ1A，Ｓ2Aの振幅ΔＳ1A，ΔＳ2Aを増幅前の状態に再生したもの、即ち振幅ΔＳ1A，ΔＳ2Aを増幅率Ｇyで除算したものである。この振幅ΔＳ1ar，ΔＳ2arを、以下の数５の式に基づいて直流成分Ｓ1d，Ｓ2dで除算することによって、第１，第２の比としての正規化信号Ｓ10，Ｓ20を算出する。
【００８９】
【数５】
2012160856.tif 000007
【００９０】
次に、ステップ１４では、吸光度比演算処理を実行し、正規化信号Ｓ10，Ｓ20を用いて吸光度比Ｒ12を演算する。具体的には、前述した数２の式に基づいて、第１の波長による正規化信号Ｓ10を第２の波長による正規化信号Ｓ20で除算することによって、吸光度比Ｒ12を算出する。
【００９１】
また、演算処理部３８は、吸光度比Ｒ12に加えて、第１，第２の検出信号Ｓ1，Ｓ2に基づいて、酸素飽和度、加速度脈波、脈拍ゆらぎ等の生体情報を生成することもできる。さらに、演算処理部３８は、第１，第２の駆動回路２５，２６に接続され、これらを用いて第１，第２の発光素子２３，２４の発光と受光器２７の受光とを同期させている。
【００９２】
本発明の第２の実施の形態による光センサ装置２１は以上のような構成を有するものであり、次にその動作を説明する。
【００９３】
まず、発光器２２と受光器２７を生体Ｂの近傍に配置した状態で光センサ装置２１のスイッチ（図示せず）をオンに切り換える。このとき、発光器２２の第１，第２の発光素子２３，２４は第１，第２の波長帯の光を出力し、受光器２７はこれらの光に基づく生体Ｂからの反射光または透過光を受光し、各波長帯に応じた第１，第２の検出信号Ｓ1，Ｓ2を出力する。これらの第１，第２の検出信号Ｓ1，Ｓ2は、図６に示すように、分離回路２９によって直流成分Ｓ1d，Ｓ2dと交流成分Ｓ1A，Ｓ2Aとに分離された状態で処理回路３５に入力される。処理回路３５は、ＡＤコンバータ３７によって直流成分Ｓ1d，Ｓ2dと交流成分Ｓ1A，Ｓ2Aをデジタル信号に変換し、演算処理部３８によって各種の処理を行う。
【００９４】
ここで、直流成分Ｓ1d，Ｓ2dと交流成分Ｓ1A，Ｓ2Aは、増幅回路３４によって個別の増幅率Ｇd，Ｇaで増幅されている。このため、直流成分Ｓ1d，Ｓ2dと交流成分Ｓ1A，Ｓ2Aの振幅を同程度に設定すると共に、これらの振幅をＡＤコンバータ３７に振幅レンジと同程度の値に設定することができる。このため、ＡＤコンバータ３７の最下位ビット当りの分解能である最小分解能が向上する。
【００９５】
以上の点について、図７に示す比較例を参照しつつ具体的に説明する。図７に示す比較例による光センサ装置４１は、発光器４２、駆動回路４３、受光器４４、増幅器４５、処理回路４６を備えると共に、処理回路４６はＡＤコンバータ４７および演算処理部４８によって構成されている。この光センサ装置４１では、例えば検出信号Ｓの直流成分Ｓdと交流成分Ｓaを増幅器４５によって一緒の増幅率Ｇで増幅している。
【００９６】
ここで、直流成分Ｓdは０．０１［Ｖ］とし、交流成分Ｓaは直流成分Ｓdの１／１０程度（０．００１［Ｖ］）とし、外来光ノイズによって直流成分Ｓdは１０倍程度（０．１［Ｖ］）まで増加するものと仮定する。この場合、ＡＤコンバータ４７の最大電圧レベルを１［Ｖ］としても、増幅器４５の増幅率Ｇは最大で１０程度である。
【００９７】
また、直流成分Ｓdに対する交流成分Ｓaの振幅比は増幅器４５の入力側と出力側で変化しないから、ＡＤコンバータ４７の分解能を高く設定しないと交流成分Ｓaを高精度に検出することができない。しかし、ＡＤコンバータ４７の最大電圧レベルは、外来光ノイズによる直流成分Ｓdの最大値によって決まってしまう。このため、ＡＤコンバータ４７の分解能を１０ビットとしたときには、直流成分Ｓdと交流成分Ｓaのいずれに対しても、最小分解能は例えば４８８［μＶ／ＬＳＢ］程度である。
【００９８】
これに対し、第２の実施の形態による光センサ装置２１では、例えば検出信号Ｓ1，Ｓ2の直流成分Ｓ1d，Ｓ2dと交流成分Ｓ1A，Ｓ2Aは後段増幅器３３によって別個の増幅率Ｇd，Ｇaで増幅される。このため、増幅前の段階で直流成分Ｓ1d，Ｓ2dと交流成分Ｓ1a，Ｓ2aの振幅やこれらに対する外来光ノイズの影響が上述した比較例の場合と同じ場合であっても、直流成分Ｓ1d，Ｓ2dの増幅率Ｇdを１とし、交流成分Ｓ1a，Ｓ2aの増幅率Ｇaを１０とすれば、これらを同じ振幅である０．０１［Ｖ］に合わせてＡＤコンバータ３７に入力することができる。このため、外来光ノイズによって直流成分Ｓ1d，Ｓ2dが１０倍程度（０．１［Ｖ］）まで増加すると仮定しても、ＡＤコンバータ３７の最大電圧レベルを０．１［Ｖ］まで低下させることができる。
【００９９】
これに加えて、交流成分Ｓ1a，Ｓ2aの増幅率Ｇaを直流成分Ｓ1d，Ｓ2dの増幅率Ｇdよりも大きくして、増幅後の交流成分Ｓ1A，Ｓ2Aの振幅をＡＤコンバータ３７の振幅レンジに近付けたから、ＡＤコンバータ３７の分解能を８ビットに低下させても、交流成分Ｓ1A，Ｓ2Aの最小分解能は例えば１９．５３［μＶ／ＬＳＢ］程度に向上する。このとき、直流成分Ｓ1d，Ｓ2dの最小分解能は、外来光ノイズの影響がないときには例えば１９．５３［μＶ／ＬＳＢ］程度となり、外来光ノイズの影響があるときには例えば１９５．３１［μＶ／ＬＳＢ］程度となる。
【０１００】
このように、本実施の形態では、ＡＤコンバータ３７の最小分解能を向上させることができると共に、ＡＤコンバータ３７として低分解能のものを使用することができ、消費電力の低減や製造コストの低下を図ることができる。
【０１０１】
かくして、第２の実施の形態による光センサ装置２１によれば、分離回路２９によって受光器２７から出力された第１，第２の検出信号Ｓ1，Ｓ2を直流成分Ｓ1d，Ｓ2dと交流成分Ｓ1a，Ｓ2aとに分離すると共に、増幅回路３４によって分離した直流成分Ｓ1d，Ｓ2dと交流成分Ｓ1A，Ｓ2Aとは個別の増幅率Ｇd，Ｇaで増幅される構成とした。このため、直流成分Ｓ1d，Ｓ2dの増幅率Ｇdを小さくして、外来光ノイズによる増幅回路３４の飽和を抑えることができる。一方、交流成分Ｓ1a，Ｓ2aには光電脈波信号以外の重畳が殆どないため、交流成分Ｓ1A，Ｓ2Aに対する増幅率Ｇaをデジタル処理部となるＡＤコンバータ３７の信号レンジに対して十分に大きくとることができ、Ｓ／Ｎの改善や安定化を図ることができる。
【０１０２】
また、直流成分Ｓ1d，Ｓ2dと交流成分Ｓ1A，Ｓ2AのいずれもＡＤコンバータ３７の振幅レンジに近い範囲に増幅することができるから、Ｓ／Ｎを安定して確保することができる。さらに、ＡＤコンバータ３７に入力される信号の振幅レンジが安定することから、ＡＤコンバータ３７の１ビット当りの電圧分解能が広くなる。このため、ＡＤコンバータ３７のビット幅を低減することができ、低コスト化を図ることができる。
【０１０３】
また、演算処理部３８はデジタル信号の直流成分Ｓ1d，Ｓ2dと交流成分Ｓ1A，Ｓ2Aの振幅が増幅回路３４による増幅前の比率となるように変換するから、受光器２７から出力された振幅比で直流成分Ｓ1d，Ｓ2dと交流成分Ｓ1ar，Ｓ2arとを再生することができる。このため、例えば再生した直流成分Ｓ1d，Ｓ2dと交流成分Ｓ1ar，Ｓ2arとを用いて、交流成分Ｓ1ar，Ｓ2arの振幅ΔＳ1ar，ΔＳ2arを正規化することができる。
【０１０４】
従って、演算処理部３８は、第１の交流成分Ｓ1arの振幅ΔＳ1arと第１の直流成分Ｓ1dとの第１の比としての正規化信号Ｓ10と、第２の交流成分Ｓ2arの振幅ΔＳ2arと第２の直流成分Ｓ2dとの第２の比としての正規化信号Ｓ20との比率に基づいて、吸光度比Ｒ12を演算することができる。これにより、発光素子２３，２４の発光強度や受光器２７の受光感度が第１，第２の波長帯で異なる場合でも、このような影響を低減することができ、吸光度比Ｒ12の検出精度を高めることができる。
【０１０５】
次に、図８は本発明の第３の実施の形態を示している。そして、本実施の形態の特徴は、発光器は予め決められた所定周波数で発光すると共に、分離回路は、発光器の所定周波数を含む帯域を通過帯域とし、発光器の所定周波数で変調された交流成分を出力する構成としたことにある。なお、本実施の形態では、前記第２の実施の形態と同一の構成要素に同一の符号を付し、その説明を省略するものとする。
【０１０６】
光センサ装置５１は、第２の実施の形態による光センサ装置２１とほぼ同様に、発光器２２、第１，第２の駆動回路５２，５３、受光器２７、分離回路５４、増幅回路３４、処理回路５６を備えている。
【０１０７】
第１の駆動回路５２は、第２の実施の形態による第１の駆動回路２５とほぼ同様に、処理回路５６の演算処理部５７に接続され、第１の発光素子２３に駆動電流を供給し、第１の発光素子２３を点滅発光させる。但し、第１の駆動回路５２は、予め決められた所定周波数ｆでパルス変調した駆動電流を供給する。この所定周波数ｆは、光電脈波信号の信号周波数（例えば数Ｈｚ程度）よりも高い周波数に設定され、好ましくは処理回路５６によって処理可能な範囲で、光電脈波信号の信号周波数よりも１０倍以上高い値（例えば数百Ｈｚ程度）に設定されている。
【０１０８】
なお、所定周波数ｆは、ＡＤコンバータ３７によってデジタル信号の変換が可能となるように、ＡＤコンバータ３７の切替サイクル（例えば４００Ｈｚ）よりも十分に低い値（例えばｆ＝１００Ｈｚ）に設定されている。
【０１０９】
第２の駆動回路５３も、第１の駆動回路５２とほぼ同様に構成されている。このため、第２の駆動回路５３は、第２の発光素子２４に向けて第１の駆動回路５２と同じ所定周波数ｆでパルス変調した駆動電流を供給し、第２の発光素子２４を点滅発光させる。このとき、第１，第２の発光素子２３，２４は、同期して一緒に発光してもよく、互いに異なるタイミングで交互に発光する構成としてもよい。
【０１１０】
分離回路５４は、第２の実施の形態による分離回路２９とほぼ同様に構成されている。このため、分離回路５４は、前段増幅器２８の出力端子に並列に接続された第１，第２の分岐線路３０，３１と、第２の分岐線路３１の途中に接続された高域通過フィルタとして機能するフィルタ回路５５とによって構成されている。フィルタ回路５５は、前段増幅器２８と後段増幅器３３との間に接続されたカップリングコンデンサとしてのコンデンサ５５Ａによって構成されている。
【０１１１】
ここで、コンデンサ５５Ａの容量は、発光素子２３，２４の駆動周波数の信号を含めて、この信号よりも高周波の信号が通過可能となる値に設定されている。具体的には、コンデンサ５５Ａからなる高域通過フィルタのカットオフ周波数は、第１，第２の駆動回路５２，５３による所定周波数ｆの信号が通過可能な範囲で、できるだけ高い値に設定されている。
【０１１２】
ここで、発光器２２は所定周波数ｆで点滅発光するから、第１，第２の検出信号Ｓ1，Ｓ2は、所定周波数ｆの信号を振幅変調したものになる。このとき、コンデンサ５５Ａは所定周波数ｆよりも低周波の信号を遮断するから、フィルタ回路５５は、第１，第２の検出信号Ｓ1，Ｓ2のうち所定周波数ｆを用いて振幅変調された変調信号としての第１，第２の交流成分Ｓ1am，Ｓ2amを出力する。また、後段増幅器３３は、変調信号としての第１，第２の交流成分Ｓ1am，Ｓ2amを増幅する増幅器である。これにより、第２の分岐線路３１を伝送された第１，第２の交流成分Ｓ1am，Ｓ2amは、後段増幅器３３によって交流成分Ｓ1Am，Ｓ2Amに増幅された後に、処理回路５６に入力される。
【０１１３】
処理回路５６は、第２の実施の形態による処理回路３５とほぼ同様に、マルチプレクサ３６、ＡＤコンバータ３７および演算処理部５７によって大略構成されている。
【０１１４】
ここで、処理回路５６のＡＤコンバータ３７には、マルチプレクサ３６を介して第１，第２の直流成分Ｓ1d，Ｓ2dと第１，第２の交流成分Ｓ1Am，Ｓ2Amが入力されるから、ＡＤコンバータ３７は、これらの直流成分Ｓ1d，Ｓ2dと交流成分Ｓ1Am，Ｓ2Amをデジタル信号に変換する。このとき、ＡＤコンバータ３７は、交流成分Ｓ1Am，Ｓ2Amのうち例えばプラス側の値だけをデジタル信号に変換する。そして、デジタル信号に変換された直流成分Ｓ1d，Ｓ2dと交流成分Ｓ1Am，Ｓ2Amは、マイクロコンピュータ等によって構成された演算処理部５７に入力される。
【０１１５】
演算処理部５７は、図９に示す処理プログラムを実行し、ＡＤコンバータ３７から出力される直流成分Ｓ1d，Ｓ2dと交流成分Ｓ1Am，Ｓ2Amに基づいて、増幅前の第１，第２の検出信号Ｓ1，Ｓ2を復元すると共に、生体Ｂの吸光度比Ｒ12を求める。即ち、演算処理部５７は、直流成分Ｓ1d，Ｓ2dと交流成分Ｓ1Am，Ｓ2Amとの振幅の比率が後段増幅器３３による増幅前の状態となるように、直流成分Ｓ1d，Ｓ2dと交流成分Ｓ1Am，Ｓ2Amとを後段増幅器３３の増幅率Ｇyに基づいて変換する。
【０１１６】
具体的には、図９中のステップ２１に示すように、比率再生処理を実行する。このとき、演算処理部５７は、増幅率Ｇd，Ｇaに基づいて、第１，第２の検出信号Ｓ1，Ｓ2の直流成分Ｓ1d，Ｓ2dと交流成分Ｓ1Am，Ｓ2Amを変換し、これらを、増幅回路３４による増幅前の振幅比となるように再生する。具体的には、前述した数３の式と同様な演算を行い、交流成分Ｓ1Am，Ｓ2Amを増幅率Ｇyで除算することによって、再生した交流成分Ｓ1ar，Ｓ2arを算出する。
【０１１７】
次に、ステップ２２では、再生した交流成分Ｓ1ar，Ｓ2arを直流成分Ｓ1d，Ｓ2dに合成する合成処理を実行する。具体的には、前述した数４の式と同様な演算を行い、交流成分Ｓ1ar，Ｓ2arを直流成分Ｓ1d，Ｓ2dに加算することによって、増幅前の第１，第２の検出信号Ｓ1，Ｓ2を復元した第１，第２の復元信号ＳＲ1，ＳＲ2を求める。
【０１１８】
なお、図１０に示すように、交流成分Ｓ1Am，Ｓ2Amを倍率補正した交流成分Ｓ1ar，Ｓ2arには、生体Ｂからの直接的な反射光や透過光に基づく成分が含まれる。この成分が二重に重畳されるのを防止するために、第１，第２の復元信号ＳＲ1，ＳＲ2を演算するときに、直流成分Ｓ1d，Ｓ2dのうち発光素子２３，２４の非発光時の直流成分Ｓ1doff，Ｓ2doffを交流成分Ｓ1ar，Ｓ2arに加算する構成としてもよい。
【０１１９】
次に、ステップ２３では、ノイズ成分演算処理を実行し、発光器２２の非発光時の検出信号Ｓ1，Ｓ2を用いることによって、外来光ノイズに基づく直流成分Ｓ1doff，Ｓ2doffを求める。即ち、図１０に示すように、発光素子２３，２４が発光しないときには、発光素子２３，２４からの光に基づく直流成分Ｓ1d0，Ｓ2d0は検出されず、外来光ノイズに基づく直流成分Ｓ1doff，Ｓ2doffのみが検出される。このため、直流成分Ｓ1d，Ｓ2dのうち発光素子２３，２４の非発光時を抽出することによって、外来光ノイズに基づく直流成分Ｓ1doff，Ｓ2doffを求めることができる。
【０１２０】
次に、ステップ２４では、ノイズ除去成分演算処理を実行し、外来光ノイズを除いた直流成分Ｓ1d0，Ｓ2d0を求める。具体的には、発光器２２の発光時の検出信号Ｓ1，Ｓ2を抽出して外来光ノイズと発光素子２３，２４からの光との両方に基づく直流成分Ｓ1don，Ｓ2donを求め、この直流成分Ｓ1don，Ｓ2donから外来光ノイズに基づく直流成分Ｓ1doff，Ｓ2doffを減算する。これにより、外来光ノイズを除いた直流成分Ｓ1d0，Ｓ2d0を演算する。
【０１２１】
次に、ステップ２５では、正規化信号演算処理を実行し、直流成分Ｓ1d0，Ｓ2d0を用いて交流成分Ｓ1ar，Ｓ2arの振幅ΔＳ1ar，ΔＳ2arを正規化する。このとき、振幅ΔＳ1ar，ΔＳ2arは、増幅後の交流成分Ｓ1Am，Ｓ2Amの振幅ΔＳ1A，ΔＳ2Aを増幅前の状態に再生したものである。この振幅ΔＳ1ar，ΔＳ2arを、以下の数６の式に基づいて直流成分Ｓ1d0，Ｓ2d0で除算することによって、第１，第２の比としての正規化信号Ｓ10，Ｓ20を算出する。
【０１２２】
【数６】
2012160856.tif 000008
【０１２３】
なお、ステップ２６では、直流成分Ｓ1d0，Ｓ2d0を用いて正規化信号Ｓ10，Ｓ20を求める構成としたが、交流成分Ｓ1Am，Ｓ2Amのみに基づいて正規化信号Ｓ10，Ｓ20を求める構成としてよい。この場合、図１０に示すように、交流成分Ｓ1Am，Ｓ2Amのうち発光素子２３，２４の発光時の交流成分Ｓ1Aon，Ｓ2Aonの時間平均値から非発光時の交流成分Ｓ1Aoff，Ｓ2Aoffを減算することによって、外来光ノイズを除いた直流成分に相当する値Ｓ1A0，Ｓ2A0を算出することができる。このため、この値Ｓ1A0，Ｓ2A0で交流成分Ｓ1Am，Ｓ2Amの振幅ΔＳ1A，ΔＳ2Aを除算することによって、振幅ΔＳ1A，ΔＳ2Aを正規化し、正規化信号Ｓ10，Ｓ20を求めることができる。
【０１２４】
次に、ステップ２６では、吸光度比演算処理を実行し、正規化信号Ｓ10，Ｓ20を用いて吸光度比Ｒ12を演算する。具体的には、前述した数２の式に基づいて、第１の波長による正規化信号Ｓ10を第２の波長による正規化信号Ｓ20で除算することによって、吸光度比Ｒ12を算出する。
【０１２５】
かくして、第３の実施の形態でも第２の実施の形態と同様の作用効果を得ることができる。特に、第３の実施の形態では、発光器２２は所定周波数ｆで発光し、分離回路５４は発光器２２の所定周波数ｆで変調された交流成分Ｓ1am，Ｓ2amを出力する構成としたから、分離回路５４のカットオフ周波数を高くすることができ、コンデンサ５５Ａの容量を小さくすることができる。
【０１２６】
具体的に説明すると、光電脈波信号は生体の脈拍に応じた数Ｈｚ程度の低周波の信号となる。このため、光電脈波信号を分離するためには、カットオフ周波数が数Ｈｚ程度まで低くなり、例えば数百μＦ程度のような大きな容量のコンデンサが必要となる。これに対し、本実施の形態では、発光器２２の所定周波数ｆで変調された交流成分Ｓ1am，Ｓ2amを分離するためには、光電脈波信号よりも高周波となる所定周波数ｆの信号が通過可能であればよい。このため、分離回路５４のカットオフ周波数を高くすることができるから、コンデンサ５５Ａの容量を例えば１μＦよりも小さくすることができ、小型化、低コスト化を図ることができる。
【０１２７】
また、直流成分Ｓ1d，Ｓ2dのうち非発光時間帯のデジタル信号データを用いることによって、外来光ノイズのみに基づく直流成分Ｓ1doff，Ｓ2doffを抽出することができる。このため、検出された直流成分Ｓ1d，Ｓ2dから外来光ノイズによる直流成分Ｓ1doff，Ｓ2doffを除去することができるから、外来光の影響を省いて交流成分Ｓ1ar，Ｓ2arの振幅ΔＳ1ar，ΔＳ2arを正規化することができる。この結果、生体Ｂの吸光度比Ｒ12を高精度に求めることができる。
【０１２８】
なお、前記第２，第３の実施の形態では、図５中のステップ１１および図９中のステップ２１が比率再生手段の具体例を示し、図５中のステップ１４および図９中のステップ２６が吸光度比演算手段の具体例を示し、図９中のステップ２３がノイズ成分演算手段の具体例を示している。
【０１２９】
また、前記各実施の形態では、発光器２，２２は互いに異なる２波長の光を出力する構成としたが、１波長の光を出力する構成としてもよく、３波長以上の光を出力する構成としてもよい。
【０１３０】
また、前記各実施の形態では、生体Ｂの光電脈波信号を検出する光センサ装置１，２１，５１に適用した場合を例に挙げて説明した。しかし、本発明はこれに限らず、被測定物からの反射光や透過光を検出する各種の光センサ装置に適用することができる。
【符号の説明】
【０１３１】
１，２１，５１  光センサ装置
２，２２  発光器
３，４，２３，２４  発光素子
７，２７  受光器
９，３２，５５  フィルタ回路
１０，３３  後段増幅器（増幅器）
１１，３４  増幅回路
１４，３７  ＡＤコンバータ
１５，３８，５７  演算処理部
２９，５４  分離回路
【図１】
2012160856.tif 000009
【図２】
2012160856.tif 000010
【図３】
2012160856.tif 000011
【図４】
2012160856.tif 000012
【図５】
2012160856.tif 000013
【図６】
2012160856.tif 000014
【図７】
2012160856.tif 000015
【図８】
2012160856.tif 000016
【図９】
2012160856.tif 000017
【図１０】
2012160856.tif 000018
【国際調査報告】
2012160856.tif 000019
2012160856.tif 000020
2012160856.tif 000021
2012160856.tif 000022