(57)【要約】【課題】生体計測装置においてレーザーを光源として用いる場合、高度な出力の安定性が求められるが、レーザー光の強度および波長は温度に敏感に依存するため制御する事は困難であった。【解決手段】変調されたレーザー光のモード遷移までのモードホップ時間を検出手段を通じて検出し、該モードホップ時間を元にレーザーへの注入電流およびまたは温度を制御してモードを選択制御可能とするフィードバックシステムを有する光計測装置を提供する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
変調されたレーザー光を発振し照射するレーザー素子を有し上記照射レーザー光を被検体に導く光源部、上記被検体の光学特性を計測する光検出部、計測された上記光学特性を表示する表示部を備えた光計測装置において、前記光源部には該レーザー光を発振するレーザー素子と、該レーザー光の別モード間のモードホップに起因する該レーザー素子の発光波長の変化と発光強度の変化のうち少なくともひとつを検出する検出器と、該検出器からの検出結果をもとに該レーザー素子への注入電流と該レーザー素子の温度のうち少なくとも１つを制御して該発光波長と該発光強度のうち少なくともひとつを所望の値にする手段を備えた光計測装置。
【請求項２】
該レーザー光は所定の周波数で強度変調されていることを特徴とする請求項１記載の光計測装置。
【請求項３】
さらに該注入電流と該温度のうち少なくとも１つを変更可能な入力装置を有する請求項１記載の光計測装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザー光を用いて光学特性を計測する光計測装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、被検体に光を入射しその透過又は反射光を検出することにより被検体の光学特性を計測する光計測装置の照射光源としては、指向性が良く波長分散の少ない近赤外波長域のレーザー光が多く用いられている。レーザー光を持いれば、非接触・高精度で生体の機能活動を簡便に計測可能である。このため、近赤外レーザーを用いた各種の生体光計測装置が開発され医療現場に広く普及しつつある。例えば、［特許文献１］と［特許文献２］には、脳機能を簡便に計測できる装置の例が記載されている。
【０００３】
このような生体光計測装置では、疾患による異常を正確に検出するため患者体内組織の微小な光吸収量変化を精度良く計測する必要がある。このため照射光源の強度および発光波長には高い安定性が求められる。
【０００４】
レーザーを照射光源として用いる場合、高度に安定化されたレーザー注入電流を供給するための専用の制御回路、さらにはレーザー光強度や波長などの変動の要因となるレーザー光源の温度変化を抑えるために高精度な温度制御装置を付加する必要がある。
【０００５】
【特許文献１】
特開昭５７−１１５２３２号
【特許文献２】
特開昭６３−２７５３２３号
【０００６】
図５は従来の光計測装置用光源装置を示したものである。図中、３１は発振器、３２１はレーザー駆動電流回路、３２２は電流温度制御部、３２３はハーフミラー、３２４はモニター検出器、３２５は積分回路、３２６は差動回路、３２８は温度制御装置、３３はレーザー素子をそれぞれ示す。
【０００７】
レーザー駆動電流回路３２１は、レーザー素子３３に対して、直流の注入バイアス電流を印可すると共に、発振器３１により発生した周波数ｆ（ａ）またはｆ（ｂ）を印加する。これによりレーザー素子３３からは変調されたレーザー光が照射される。光の一部を反射するハーフミラー３２３によってレーザー照射光の一部がモニター検出器３２４に導かれる。モニター検出器３２４では、照射光を計測する。計測信号は積分回路３２５で時間積分され、差動回路３２６で所定の電圧と比較してから電流温度制御部３２２にフィードバックされる。これにより上記のように時間積分されたモニター信号の時間平均値が一定となるように制御され、結果的にレーザー発振の安定化を図っている。なお、照射光をモニターするために、上記のような専用の光学系及びモニター検出器を用いず、市販のレーザーに内蔵されたモニター用フォトダイオードからの電流を計測することもある。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記の通り、レーザー光の強度および波長はレーザー光源の温度変化に敏感に反応するため、レーザーを光源とする生体光計測装置では、光源部の温度を一定に保持するための特別な温度制御装置、例えばペルチェ装置等が用いられる。しかし、ペルチェ装置を含む高精度な温度制御装置には、高価でかつ消費電力が大きいという問題点がある。
【０００９】
レーザー光源では、その発光波長を決定する複数の共振モードのうち特定のモードが選択的に励起されるが、どのモードとなるかは、レーザー光源の注入電流や温度等に複雑に依存する。さらに特定の温度下では、その発生が予測不能なモード間の遷移（以下モードホップと称する）が瞬時におこることが知られている。このため発光波長を一定に制御するために所望のモードを継続的に選択しつづける事は困難であった。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明では上記の問題点を解決するために、レーザーのモードホップ現象を観察し、この観察結果を元に、モードホップの発生時間を制御するような方法でレーザー光源への注入電流とレーザー光源の温度のうち少なくとも一つを制御するフィードバックシステムを提供する。これにより、レーザー光の波長を所望の値に設定し安定に制御することが可能となる。
【００１１】
本発明の第一の特徴によれば、変調されたレーザー光を発振し照射するレーザー素子を有し上記照射レーザー光を光ファイバーケーブル等によって被検体に導く光源部、例えば光ファイバーケーブル等を通して上記被検体の光学特性を計測する光検出部、計測された上記光学特性を表示する表示部を備えた光計測装置において、前記光源部には該レーザー光を発振するレーザー素子と、該レーザー光の別モード間のモードホップに起因する該レーザー素子の発光波長の変化と発光強度の変化のうち少なくともひとつを検出する検出器と、該検出器からの検出結果をもとに該レーザー素子への注入電流と該レーザー素子の温度のうち少なくとも１つを制御して該発光波長と該発光強度のうち少なくともひとつを所望の値にする手段を備えている。したがって、安価に消費電力を増加させずに、所望のモードを継続的に選択しつづけることを可能とし、これによりレーザー光の波長を所望の値に設定し安定に制御することが可能となる。
【００１２】
本発明の第二の特徴によれば、上記レーザー光は所定の周波数で強度変調されている。これによってモニター検出器からの強度変調信号を印加周波数に同期させて観察可能となる。したがって、モードホップ時間を正確に把握可能となる。
【００１３】
本発明の第三の特徴によれば、さらに注入電流と温度のうち少なくとも１つを変更可能な入力装置を有する。これによりモードホップ時間をモニターしながら、この位置を順次ずらすように入力装置経由で注入電流または温度を徐々に変更をしていけば、所望のモード位置にレーザー発振を設定する事が可能になる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。
［実施例１］
図１と図２は、本発明の実施例による光計測装置を示す構成図である。
図中、１は光源装置、２は光検出装置、３は光源装置内に複数設けられたレーザー部、３１は発振器、３２は制御回路、３２１はレーザー駆動電流回路、３２２は電流温度制御部、３２３はハーフミラー、３２４はモニター検出器、３２５は積分回路、３２６は差動回路、３２７はモードロック制御部、３３はレーザー素子、４と５はそれぞれ被検体６に対してレーザー光を照射するための光ファイバーケーブルと被検体６からの透過光を検出するための光ファイバーケーブル、６は被検体、７は検出器、８は処理部、９は光検出装置２からの出力を表示する表示部をそれぞれ示す。
【００１５】
図２に示されるように、制御回路３２には、レーザー駆動電流回路３２１、ここに対して注入電流を出力する電流温度制御部３２２、フィードバック系の制御機構を構成するハーフミラー３２３とモニター検出器３２４と積分回路３２５と差動回路３２６、及びモードロック制御部３２７が含まれる。
【００１６】
本実施例では、例えば、被検体６上に光源装置１から光を照射し、対向して配置された検出部２によって透過光を計測し、かつ、その時間変化も計測する。
【００１７】
例えば、このうち光源装置１は、赤外の波長領域中で複数の波長、例えば７８０ｎｍ及び８３０ｎｍ付近の二波長の光をそれぞれ放射する二個の半導体レーザー素子３３を含んでいる。なお、これらの二種類の波長の値は、７８０ｎｍと８３０ｎｍに限定されるものではなく、また、波長の種類の数も２波長に限定されるものではない。
以下、本実施例では二種類の波長をそれぞれ波長ａ及び波長ｂと呼称する。上記の光源装置１に含まれる２個の半導体レーザー素子３３は、それぞれ発振周波数の異なる発振器３１によりｆ（ａ）とｆ（ｂ）の周波数で強度変調される。
【００１８】
図２では、光源装置１内の２個のレーザー部３のうちの一方の内部構成を詳細に示す。レーザー部３中には、半導体レーザー素子３３及びこの半導体レーザー用の駆動３２１が敷設してある。レーザー駆動電流回路３２１は、半導体レーザー素子３３に対して、直流バイアス電流を印可すると共に、発振器３１により発生した周波数ｆ（ａ）またはｆ（ｂ）を印加する。この結果、２つの半導体レーザー素子３３には、それぞれ周波数ｆ（ａ）、ｆ（ｂ）の変調用信号と直流の注入バイアス電流が入力される。このように変調用信号と注入電流を受けた半導体レーザー素子３３から放射される光は強度変調されて出力される。上記の変調として、本実施例では矩形波によるデジタル変調を用いたものを開示しているが、これに限定されるものではなく、任意の形状の波形の繰り返し、例えば正弦波を用いてもよい。変調の方法には大きく分けて２通りある。一つは注入電流自体を例えば周波数ｆ（ａ）、ｆ（ｂ）の変調用信号で変調してからレーザー素子３３に入力する方法。もう一つは、注入電流のレーザー素子への回路線自体を例えば周波数ｆ（ａ）、ｆ（ｂ）の変調用信号のタイミングでオンオフする方法である。
【００１９】
上記強度変調を受けた照射光は被検体６に照射され、被検体６を透過した光は検出器７で検出されることとなる。
皮膚や頭蓋骨を通過して検出位置で検出された光には大脳の情報が含まれていることが、例えばピィー・ダブル・マコーミック（Ｐ．Ｗ．ＭｃＣｏｒｍｉｃ）他による「赤外光の大脳内部の浸透（Ｉｎｔｒａｃｅｒｅｂｒａｌ  ｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｉｎｆｒａｒｅｄ  ｌｉｇｈｔ）」，１９９２年，ジャーナルオブニューロサージェリ，第７６巻，第３１５〜３１８頁（Ｊ．Ｎｅｕｒｏｓｕｒｇ．，３３，３１５（１９９２））により報告されている。照射され検出された光を処理することによって被検者の大脳を分析することが可能となる。具体的には、被検体からの透過信号を検出器７で計測し、強度変調周波数に応じて２波長を分離して各々の検出光強度を計測し、この計測に基づき所望の物質の吸収係数を求め、被検体の計測部位の濃度変化を処理部８で計算し、表示部９で計測対象部位の変化を高精度で表示する事ができる。
【００２０】
さらに本発明の実施例による光源装置１には、光強度および波長を制御するための制御部３２が配備されている。この制御部３２内では、光の一部を反射するハーフミラー３２３によってレーザー照射光の一部がモニター検出器３２４に導かれる。モニター検出器３２４では、照射光の変動を計測する。
本実施例では、上記変動の計測結果を用いて、照射光の強度及び波長が所定の値になるようフィードバック制御する。なお、照射光をモニターする場合、上記のような専用の光学系及びモニター検出器を用いなくても、市販のレーザーに内蔵されたモニタ用フォトダイオードからの電流を計測しても良い。
【００２１】
以下に本レーザーをどのように制御するかを説明する。
上記モニター検出器３２４から出力される計測信号は、図４の（ｂ）に示されるように変調信号に同調した周期的な信号となる。従来の装置では、計測信号を積分回路３２５で時間積分し差動回路３２６で所定の電圧と比較してから電流温度制御部３２２にフィードバックする事で、上記のように時間積分されたモニター信号の時間平均値が一定となるように制御してレーザー発振の安定化を図っている。しかしレーザーの発光波長は、図３に示すように温度の上昇に伴い変化する。それゆえに、上記従来の装置を用いても、波長を所望の値に収束させ安定化することは大変困難である。
【００２２】
ところでレーザー光の出力光強度は、モードホップの発生に伴い階段状に高速に変化する事が知られている。レーザー発振波長の変化は、図３に示すように、温度の上昇に伴うなだらかな変化率を示す。しかし、特定の温度では、波長の変化率が激増し、グラフ上ではステップ状に表せる。モニター検出器３２４で検出できるのは光強度であるが、本出願の発明者は、光強度が激変するモードホップ位置では、レーザー発振波長も大きく変化していることを知見した。
【００２３】
モードホップは図３内の円で囲んだ部分で示される。モードホップはそれぞれのレーザー素子が個々に有する複数の温度において生ずるため、発振モードを変更して制御する事は困難であった。本実施例において、モードホップに伴うモニター検出器３２４からの信号変化は、上記のように強度変調されたレーザー光出力においては、強度変調周波数に同期して繰り返される事を利用している。この繰り返し周期を検出制御することで、モードホップの発生タイミングを変更したり、あるいはモードホップそのものを回避できる。
【００２４】
図４（ａ）にはモニター検出器３２４で得たレーザー光出力の経時変化を示す。ここでは強度変調を受けたレーザー光のモードホップによる検出信号変化を示している。
図４（ａ）は図４（ｂ）の波形中の２つのパルスを時間軸方向に拡大して表したものである。
図４（ａ）と（ｂ）に示される通り、出力強度変調周期に同期してモードホップが繰り返されている。このように、上記信号変化は強度変調周波数に同期して繰り返されているため、繰り返し生ずるモードホップ時間Ｔｍを計測することができる。このようにして計測されたモードホップ時間Ｔｍをモードロック制御部３２７にて検出し、制御信号を電流温度制御部３２２に出力することで注入電流等を制御してモードホップの発生前にモードホップのタイミングを変更させることが可能となる。
【００２５】
たとえばモードホップ時間Ｔｍを長くするには注入電流を増加させれば良い。実際にモードホップ時間Ｔｍを制御するには、モニター検出器３２４で光強度をモニターし、モードロック制御部に送る。モードロック制御部３２７には例えば微分回路が含まれており、モニター検出器からの光強度信号の大幅な変化点を検知する。図４に表される光強度信号は上述したように変調されて、例えばデューティー比５０％で運用されている場合、モードロック制御部３２７では、発振器３１の周波数の同期点を得てこれをモードホップ時間Ｔｍの開始点として認識する。さらに、この開始点から上記光強度信号の大幅な変化点までの経過時間をモードホップ時間Ｔｍとして計測する。こうして得られたモードホップ時間Ｔｍの長さと注入電流量の増加率を直接連動させて、モードホップ時間Ｔｍを長くするように制御したい場合には注入電流が増加するような回路構成を上記モードロック制御部に備えれば良い。モードホップ時間Ｔｍと注入電流増加量の関係や応答のタイミングの調整は、使用するレーザー素子３３の仕様や具体的な回路構成により異なるが、フィードバック系の時定数やループゲインを最適化すればよい。
【００２６】
なお、レーザー素子の温度を一定に保持するための特別な温度制御装置、例えばペルチェ装置等を用いていたが、本実施例ではこのような高価でかつ消費電力が大きいペルチェ装置を不要とする。
【００２７】
このように安価に消費電力を増加させずに、所望のモードを継続的に選択しつづけることを可能とし、これによりレーザー光の波長を所望の値に設定し安定に制御することが可能となる。
【００２８】
［実施例２］
本発明に係わる第２の実施例を、図１と図２を参照して説明する。第２の実施例の構成は第１の実施例とほぼ同様であるが、電流温度制御部３２２ではレーザー駆動電流回路３２１ではなく、ヒーター３２８を制御する点が異なる。
例えば電流による高速制御の困難なレーザー素子を任意のモード下に固定するには温度を変化させて制御することが有効である。
【００２９】
たとえばモードホップ時間Ｔｍを長くするにはレーザー素子毎に異なる図３のような発振スペクトルの温度依存性に従い温度制御すればよい。実際にモードホップ時間Ｔｍを制御するには、モニター検出器３２４で光強度をモニターし、モードロック制御部に送る。モードロック制御部３２７には、例えば微分回路が含まれており、モニター検出器からの光強度信号の大幅な変化点を検知する。図４に表される光強度信号は、上述したように変調されて、例えばデューティー比５０％で運用されている場合、モードロック制御部３２７認識する。さらに、この開始点から上記光強度信号の大幅な変化点までの経過時間をモードホップ時間Ｔｍとして計測する。こうして得られたモードホップ時間Ｔｍの長さと温度を直接連動させて図３の発振スペクトルの温度依存性にしたがってフィードバック系の時定数やループゲインを最適化すれば良い。
【００３０】
従来技術ではレーザー素子の温度を一定に保持するための特別な温度制御装置、例えばペルチェ装置等を用いていたが、本実施例ではこのような高価でかつ消費電力が大きいペルチェ装置までは必要ない。例えば単にヒーターへ通電するかしないかで温度を調整をしてもモードホップ時間Ｔｍの制御には十分である。
このように安価に消費電力を増加させずに、特に電流による高速制御の困難なレーザー素子所望のモードを継続的に選択しつづけることを可能とし、これによりレーザー光の波長を所望の値に設定し安定に制御することができる。
【００３１】
［実施例３］
本発明に係わる第３の実施例を、図１と図２を参照して説明する。第３の実施例の構成は第２の実施例とほぼ同様であるが、電流温度制御部３２２ではレーザー駆動電流回路３２１とヒーター３２８の双方を制御する点が異なる。
【００３２】
例えば電流による高速制御の困難なレーザー素子を任意のモード下に固定するには注入電流のみならず温度も変化させて制御することが有効である。
例えばモードホップ時間Ｔｍを長くするには注入電流を増加させ、さらにレーザー素子毎に異なる図３のような発振スペクトルの温度依存性に従った温度制御をすればよい。実際にモードホップ時間Ｔｍを制御するには、モニター検出器３２４で光強度をモニターし、モードロック制御部に送る。モードロック制御部３２７には、例えば微分回路が含まれており、モニター検出器からの光強度信号の大幅な変化点を検知する。図４に表される光強度信号は、上述したように変調されて、例えばデューティー比５０％で運用されている場合、モードロック制御部３２７では、発振器３１の周波数の同期点を得てこれをモードホップ時間Ｔｍの開始点として認識する。さらに、この開始点から上記光強度信号の大幅な変化点までの経過時間をモードホップ時間Ｔｍとして計測する。こうして得られたモードホップ時間Ｔｍの長さと注入電流量の増加率及び温度を直接連動させて図３の発振スペクトルの温度依存性にしたがってフィードバック系の時定数やループゲインを最適化すれば良い。この際電流量の増加率や温度という２つのパラメータを調整することでフィードバック系の時定数やループゲインを最適化がより容易となり、モードホップ時間Ｔｍをよりきめ細かに制御することも可能となる。
【００３３】
また第２の実施例中で述べたように、従来技術ではレーザー素子の温度を一定に保持するための特別な温度制御装置、例えばペルチェ装置等を用いていたが、本実施例ではこのような高価でかつ消費電力が大きいペルチェ装置までは必要ない。例えば単にヒーターへ通電するかしないかで温度を調整をしてもモードホップ時間Ｔｍの制御には十分である。
【００３４】
このように安価に消費電力を増加させずに、特に電流による高速制御の困難なレーザー素子所望のモードを継続的に選択しつづけることを容易とし、これによりレーザー光の波長を所望の値に設定し安定に制御することができる。
【００３５】
［実施例４］
本発明に係わる第４の実施例を、図１と図２を参照して説明する。第４の実施例の構成は第１の実施例とほぼ同様であるが、さらに該注入電流と該温度のうち少なくとも１つを変更可能な入力装置３２９を備えた点が異なる。
モードホップ時間をモニターしながら、この位置を順次ずらすように入力装置３２９経由で注入電流または温度を徐々に変更をしていけば、所望のモード位置にレーザ発振を設定する事が可能になる。
【００３６】
具体的には、例えばモニター検出器３２４で光強度をモニターし、モードロック制御部に送る。モードロック制御部３２７には、例えば微分回路が含まれており、モニター検出器からの光強度信号の大幅な変化点を検知する。図４に表される光強度信号は、上述したように変調されて、例えばデューティー比５０％で運用されている場合、モードロック制御部３２７では、発振器３１の周波数の同期点を得てこれをモードホップ時間Ｔｍの開始点として認識する。さらに、この開始点から上記光強度信号の大幅な変化点までの経過時間をモードホップ時間Ｔｍとして計測する。こうして得られたモードホップ時間Ｔｍの長さを引き続きモニターしながら、上記の入力装置３２９経由で注入電流を増加していけば所望のモード位置にレーザー発振波長を設定可能である。入出力装置３２９は例えば図２のようにモードロック制御部３２７に付加することができる。具体的には入出力装置３２９はダイヤル、スライドバー、ボタンなどで操作者が操作できるようなものが望ましい。
【００３７】
また、この任意のモード位置を維持するには、最終的に決めた注入電流量を基準としてフィードバック制御の時定数やループゲインを最適化すれば良い。
【００３８】
また、上記第２や第３の実施例と同様に、温度制御を利用または併用しても任意のモード位置にレーザ発振を設定できる。また、任意のモード位置の維持についても上記第２や第３の実施例と同様に温度制御を利用または併用可能である。
【００３９】
【発明の効果】
本発明による光計測装置を使用する事により、任意の波長で一定強度のレーザー光を安定して照射することが可能である。これにより、計測の精度を向上することが可能である。
さらに、従来では困難であった生体内の微小な光学変化を計測する事が可能になる。
またさらに、ペルチェ装置のような高価で消費電力の大きな温度制御装置を使用せずに安価なヒーターで温度制御をして、任意の波長で一定強度のレーザ光を安定して照射することが可能である。
また、任意のモード位置にレーザー発振波長を設定可能することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例による光計測装置の概略構成を示す図。
【図２】本発明の一実施例によるレーザー部内の構成を示す図。
【図３】レーザの発振スペクトルの温度依存性の一例とモードホップの発生を示す図。
【図４】（ａ）本発明の一実施例によるモニター検出器から得られる光強度モニタ信号波形中の２つのパルスを選んで時間軸方向に拡大した図であり、（ｂ）は連続した光強度モニタ信号波形を示す図。
【図５】従来の技術によるレーザー部内の構成を示す図。
【符号の説明】
１  光源装置，２  光検出装置，３  レーザー部，３１  発振器，３２  制御回路，３２１  レーザー駆動電流回路，３２２  電流温度制御部，３２３  ハーフミラー，３２４  モニター検出器，３２５  積分回路，３２６  差動回路，３２７  モードロック制御部，３２８  ヒーター，３２９  入力装置，３３  レーザー素子，４  光ファイバーケーブル，５  光ファイバーケーブル，６  被検体，７  検出器，８  処理部，９  表示装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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