計測装置
【課題】半導体レーザの自己結合効果を利用し、被測定物の状態の変化を容易にかつ正確に計測することができる計測装置を提供する。
【解決手段】血流センサーは、被測定物にレーザ光を照射する半導体レーザ素子と、半導体レーザ素子を変調駆動するための駆動信号を半導体レーザ素子に供給する駆動部１２０と、駆動信号の第１の半周期において、自己結合効果により変調されたレーザ光の強度に対応する第１の電気信号を検出し、駆動信号の第１の半周期と逆位相の第２の半周期において、自己結合効果により変調された第２のレーザ光の強度に対応する第２の電気信号を検出するビート信号検出部１３２と、第１の電気信号と第２の電気信号の差分を算出する差分算出回路１３６と、算出された差分に基づき被測定物の状態変化を計測する計測回路１３８とを有する。
【解決手段】血流センサーは、被測定物にレーザ光を照射する半導体レーザ素子と、半導体レーザ素子を変調駆動するための駆動信号を半導体レーザ素子に供給する駆動部１２０と、駆動信号の第１の半周期において、自己結合効果により変調されたレーザ光の強度に対応する第１の電気信号を検出し、駆動信号の第１の半周期と逆位相の第２の半周期において、自己結合効果により変調された第２のレーザ光の強度に対応する第２の電気信号を検出するビート信号検出部１３２と、第１の電気信号と第２の電気信号の差分を算出する差分算出回路１３６と、算出された差分に基づき被測定物の状態変化を計測する計測回路１３８とを有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体レーザを用いた被測定物の振動、距離、速度などの計測が知られている。例えば、特許文献１は、レーザドップラーによる速度計測を開示している。特許文献２は、振動計測に関する技術を開示されている。
【０００３】
上記特許文献１および２のいずれも、レーザの自己結合効果を利用している。レーザの自己結合効果とは、レーザの戻り光または反射光がレーザ媒体中で増幅され、結果的にレーザ発振状態が変調を受けることである。利得の高い半導体レーザでは、出射されたレーザ光の百万分の一以下の強度の戻り光でも、高いSNR(Signal to Noise Ratio)で、戻り光の状態を観測することができる。
【０００４】
戻り光がドップラー効果により周波数シフトを受ける、あるいは、被測定物の反射の位置が変わり位相変調を受けた場合は、その変化に対応して自己結合効果によるレーザの発振状態が変化する。この変化を解析することにより、物体の速度や変位を計測することができる。
【０００５】
図９は、従来の一般的な振動計測装置の例を示している。同図に示すように、レーザ装置３００は、その内部にレーザ素子ＬＤとレーザ出力状態をモニターするレーザ受光素子（フォトディテクタ）ＰＤとを含み、レーザ素子ＬＤからのレーザ光Ｌは、レンズ３１０を介して超音波ホーン３２０によって振動されるキャピラリ３３０を照射する。レーザ素子ＬＤの発振状態は、キャピラリ３３０で反射または散乱された戻り光による自己結合効果によって変調される。変調されたレーザ素子ＬＤの発振状態は、受光素子ＰＤによってモニターすることができる。
【０００６】
受光素子ＰＤの出力信号をオシロスコープ３４０に接続したときの観測波形を図１０に示す。縦軸に受光素子の出力電圧（Ｖ）、横軸に時間（μｓ）を示している。図からも明らかなように、受光素子ＰＤの出力信号には、約０．２Ｖの範囲内に周期の短い複数のピークが表れている。これは、キャピラリ３３０からの戻り光によってレーザ発振状態が変調され、レーザ光の光強度にビート信号が生じていることを示している。
【０００７】
被測定物に向けて照射されるレーザ強度をＩin、被測定物の反射率をｒ、レーザの自己結合効率をαとすると、自己結合効果によって変調された強度は、式（４）に示すＩoutとなる。ここで、Δωは測定時にレーザ光周波数を変調したときの発振周波数と戻り光の周波数差であり、Ωは物体反射時にドップラー効果による位相シフト量、Δｄは被測定物体の変位量、ｋは入射光の波数ベクトルである。
【０００８】
【数３】
【０００９】
式（４）により、被測定物体がドップラー効果を受ける、あるいは、変位しているときには、光強度は、cosの関数で振動する。この周波数から被測定物の変位量や速度を算出することができる。
【００１０】
【特許文献１】特開平１−２３３３７１号公報
【特許文献２】特開平１０−９９４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、半導体レーザの自己結合効果または干渉縞を利用し、被測定物の状態の変化を容易にかつ正確に計測することができる計測装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
請求項１に係る計測装置は、被測定物にレーザ光を照射する半導体レーザ素子と、半導体レーザ素子を変調駆動するための駆動信号を半導体レーザ素子に供給する駆動手段と、前記駆動信号の第１の半周期において、自己結合効果により変調されたレーザ光の強度に対応する第１の電気信号を検出する第１の検出手段と、前記駆動信号の第１の半周期と逆位相の第２の半周期において、自己結合効果により変調された第２のレーザ光の強度に対応する第２の電気信号を検出する第２の検出手段と、第１の電気信号と第２の電気信号の差分を算出する算出手段と、算出された差分に基づき被測定物の状態変化を計測する計測手段とを有する。
請求項２において、第１の検出手段は、第１の時刻と第２の時刻の光強度の第１の変化量に対応する前記第１の電気信号を検出し、第２の検出手段は、第３の時刻と第４の時刻の光強度の第２の変化量に対応する前記第２の電気信号を検出する。
請求項３において、第１の変化量および第２の変化量は、それぞれ式（１）および（２）によって表される。ここで、Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４はそれぞれ第１、第２、第３、第４の時刻である。また、被測定物に照射されるレーザ光の強度をＩ（＝Ｉ０＋ΔＩ）としたとき、Ｉ０は、レーザ光の基準発振強度、ΔＩは、基準発振強度Ｉ０からの変調量、ｒは、被測定物の反射率、αは、レーザ光の自己結合効率、Δωは、半導体レーザ素子から放出されたレーザ光の発振周波数と反射光の周波数差、Ωは、被測定物の反射時のドップラー効果による位相シフト量、Δｄは、被測定物の変位量、ｋは、反射光の波数ベクトルである。
【００１３】
【数４】
【００１４】
請求項４において、前記算出手段による差分は、式（３）によって表される、請求項３に記載の計測装置。ここで、基準発振強度Ｉ０＞＞変調量ΔＩ、Ｑ２−Ｑ１≒Ｑ４−Ｑ３＜＜１である。
【数５】
【００１５】
請求項５において、前記駆動信号は、鋸波状の駆動電流である。
請求項６において、前記第１および第２の検出手段は、前記駆動手段の前記駆動信号のインピーダンス変化に基づき前記第１および第２の電気信号を検出する。
請求項７において、計測装置はさらに、半導体レーザ素子から放出されたレーザ光の一部を受光する受光素子を含み、前記第１および第２の検出手段は、前記受光素子から出力された受光信号に基づき前記第１および第２の電気信号を検出する。
請求項８に係る計測装置は、被測定物にレーザ光を照射する半導体レーザ素子と、半導体レーザ素子を変調駆動するための駆動信号を半導体レーザ素子に供給する駆動手段と、半導体レーザ素子と被測定物との間に配置され、レーザ光を透過しかつレーザ光の一部を反射する光学部材と、前記駆動信号の第１の周期において、前記光学部材で反射された反射光と被測定物で反射されたレーザ光との干渉縞を検出し、当該干渉縞に対応する第１の電気信号を出力する第１の検出手段と、前記駆動信号の第１の周期と逆位相の第２の周期において、前記光学部材で反射された反射光と被測定物で反射されたレーザ光との干渉縞を検出し、当該干渉縞に対応する第２の電気信号を出力する第２の検出手段と、第１の電気信号と第２の電気信号との差分を算出する算出手段と、算出された差分に基づき被測定物の状態変化を計測する計測手段とを有する。
請求項９において、計測装置はさらに、半導体レーザ素子と被測定物との間にレンズを含む。
請求項１０において、前記計測手段は、血液中のヘモグロビンの速度を計測する。
【発明の効果】
【００１６】
請求項１によれば、従来の計測装置と比較して、自己結合効果を利用して被測定物の状態変化を精度良く計測することができる。
請求項２によれば、時間的に逆位相の電気信号を利用して被測定物の状態変化を精度良く計測することができる。
請求項３によれば、自己結合効果による光強度に対応する電気信号を容易に求めることができる。
請求項４によれば、被測定物の反射率の変化の影響を受けることなく被測定物の状態変化を計測を行うことができる。
請求項５によれば、被測定物の計測を精度良く行うことができる。
請求項６によれば、駆動手段から第１および第２の電気信号を容易に検出することができる。
請求項７によれば、受光素子から第１および第２の電気信号を検出することができる。
請求項８によれば、従来の計測装置と比較して、被測定物の状態変化を精度良く計測することができる。
請求項９によれば、精度良く被測定物の計測を行うことができる。
請求項１０によれば、従来の計測装置と比較して、精度良く血液中のヘモグロビンの速度を計測することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
従来の血流センサー等の計測装置は、上記の式（４）を用いて被測定物の速度や振動などの状態変化を計測することが可能である。しかしながら、もし被測定物の反射率ｒが変化したならば、自己結合効果によって検出された光強度Ｉoutが変調され、もはや速度や変位量の計測が不可能になるか、ノイズを含む精度の悪い計測となる。例えば、血管中のヘモグロビンの速度を測る血流センサーなどの応用では、容易に反射率が変化するため実用上の困難性がある。
【００１８】
本発明の最良の実施の形態では、異なる時間の自己結合効果によるレーザの変調を検出する。このときレーザ光の周波数変調を行うが、時間的に逆位相時の変調信号を検出する。そして、２つの逆位相の信号の差分を取ることにより、被測定物の反射率の変化によるノイズ要因を除去し、精度よく被測定物体の速度あるいは変位等を計測する。また、本発明の構成では、自己結合による信号のSNR(ノイズレベル) が不十分であれば、レンズでレーザ光を被測定物体に結像させることが好ましい。一方、十分なSNRを確保することができる場合には、必ずしもレンズは不要である。
【００１９】
以下の実施例は、血液中のヘモグロビンの速度を測る血流センサーを例に説明し、ヘモグロビンのように照射面の反射率が容易に変わりやすい被測定物の速度を精度良く計測する。
【実施例】
【００２０】
図１は、本発明の実施例に係る血流センサーの構成を示すブロック図である。本実施例の血流センサー１００は、コヒーレントなレーザ光を出射する半導体レーザ素子を備えたレーザ装置１１０と、半導体レーザ素子を駆動する駆動部１２０と、自己結合効果を利用して得られた信号から被測定物の状態変化を計測する計測部１３０とを含んで構成される。
【００２１】
本実施例のレーザ装置１００は、好ましくは半導体レーザ素子としてＶＣＳＥＬを用いることができる。図２は、ＶＣＳＥＬが形成された半導体チップの平面図、図３は、図２のＡ−Ａ線断面図である。図２に示すように、半導体チップ２００の表面には、レーザ光の発光部となる円筒状のポスト（またはメサ）Ｐが形成され、かつポストＰの頂部には、環状のｐ側電極２４０が形成されている。ｐ側電極２４０は、配線２４４により円形の電極パッド２１０に接続される。電極パッド２１０は、ボンディングワイヤ等の図示しない接続手段によって駆動部１２０に電気的に接続される。
【００２２】
半導体チップ２００は、図３に示すように、ｎ型のＧａＡｓ半導体基板２２０上に、Ａｌ組成の異なる複数のＡｌＧａＡｓ層を積層したｎ型の下部ＤＢＲ２２２、活性領域２２４、ｐ型のＡｌＡｓからなり酸化領域に囲まれた導電領域を有する電流狭窄層２２６、Ａｌ組成の異なる複数のＡｌＧａＡｓ層を積層したｐ型の上部ＤＢＲ２２８、ｐ型のＧａＡｓコンタクト層２３０を積層している。基板２２０上の半導体層をエッチングすることで環状の溝２３２が形成され、円筒状のポストＰが形成される。ポストＰの底部、側壁および頂部の一部を覆うように層間絶縁膜２３４が形成され、ポストＰの頂部には、層間絶縁膜２３４のコンタクトホールを介してコンタクト層２３０と電気的に接続されるｐ側電極２４０が形成される。ｐ側電極２４０の中央には、レーザ光を出射するための出射窓２４２が形成される。配線２４４は、ｐ側電極２４０から溝２３２を通りパッド形成領域２３６まで延在し、そこで電極パッドに接続されている。また、基板２２０の裏面にはｎ側電極２５０が形成されている。ポストＰは、下部ＤＢＲ２２２と上部ＤＢＲ２２８により垂直共振器を構成する。ｐ側電極２４０とｎ側電極２５０に順方向の駆動電流が印加されると、ポストＰの出射窓２４２から約８５０ｎｍの波長のレーザ光が基板と垂直方向に出射される。
【００２３】
図４は、駆動部および計測部の内部構成を示すブロック図である。駆動部１２０は、ＶＣＳＥＬを変調駆動するための駆動信号Ｓを電極パッド２１０に供給する。
【００２４】
図５は、駆動信号Ｓの電流波形を説明する図である。縦軸は、レーザ光の強度、横軸は時間である。駆動信号Ｓは、レーザの基準発振強度をＩ０としたとき、その基準発振強度を中心に＋ΔＩと−ΔＩの強度変化が繰り返されるような駆動周波数を有する三角波の駆動電流である。図５の例では、時刻ｔ１〜ｔ４が１周期ｄであり、時刻ｔ０のとき、基準発振強度Ｉ０、時刻ｔ１のとき、＋ΔＩの強度、時刻ｔ２のとき、基準発振強度Ｉ０、時刻ｔ３のとき、−ΔＩの強度となるように駆動信号Ｓが駆動変調される。ＶＣＳＥＬでは、駆動電流と発振波長がほぼ線形の関係にあり、駆動電流が大きくなると、それに従い発振波長が大きくなる。従って、ポストＰからは、時間的に波長が変化したレーザ光が出射される。なお、駆動信号Ｓの電流波形は、図５に示すような形状に限らず、これとは波形の異なる鋸波状であってもよい。
【００２５】
計測部１２０は、図４に示すように、ポストＰから出射されたレーザ光と被測定物からの戻り光により光強度が変調されたビート信号を検出するビート信号検出部１３２、ビート信号検出部１３２によって検出された値を記憶する記憶回路１３４、時間的に逆位相となるビート信号の差分を算出する差分算出回路１３６と、差分算出回路１３６の算出結果に基づき被測定物の状態を計測する計測回路１３８とを有している。
【００２６】
半導体レーザの光強度を変調することで、発振周波数を変化させることができる。これにより発振周波数と戻り光の周波数が異なるためレーザ媒質内で変調が起こり光強度にビート信号が発生する。戻り光の周波数と発振周波数との差が大きければ大きいほど被測定物体の距離が遠いことを意味する。したがって、ビート信号の周波数を解析することで、レーザと被測定物体の距離を測ることができる。
【００２７】
図４に示すビート信号検出部１３２は、駆動回路１２２の駆動信号Ｓのインピーダンス変化に基づきビート信号を検出する。すなわち、ポストＰからのレーザ光を被測定物に放射したとき、被測定物で反射または散乱された戻り光がポストＰのレーザ媒質内に戻り、レーザ発振状態が変調され、レーザ光と戻り光の周波数の差により光強度にビート信号が生じ、このビート信号が駆動信号のインピーダンス変化となって表れる。
【００２８】
図４に示すように駆動信号Ｓの変調周波数が時刻ｔ０からｔ４までを１周期としたとき、ビート信号検出部１３２は、時刻ｔ０からｔ２までの第１の半周期の期間にビート信号の第１の変化量を検出し、第１の半周期とは逆位相となる時刻ｔ２からｔ４までの第２の半周期の期間にビート信号の第２の変化量を検出する。
【００２９】
図４の例では、ビート信号検出部１３２は、時刻Ｑ１、時刻Ｑ２のときのぞれぞれのビート信号を検出し、検出されたビート信号の値を記憶回路１３４に格納する。また、時刻Ｑ１から半位相ずれた時刻Ｑ３においてビート信号を検出し、時刻Ｑ２から半位相ずれた時刻Ｑ４においてビート信号を検出し、それぞれのビート信号の値を記憶回路１３４に格納する。さらにビート信号検出部１３６は、記憶回路１３４に格納された時刻Ｑ１、Ｑ２のビート信号の値から第１の変化量を算出し、時刻Ｑ３、Ｑ４のビート信号から第２の変化量を算出する。
【００３０】
ビート信号検出部１３２によって検出された第１および第２の変化量は、次の数式（１）および（２）によって表される。
【００３１】
【数６】
【００３２】
ここで、被測定物に照射されるレーザ光の強度をＩ（＝Ｉ０＋ΔＩ）としたとき、Ｉ０は、レーザ光の基準発振強度、ΔＩは、基準発振強度Ｉ０からの変調量、ｒは、披特定物の反射率、αは、レーザ光の自己結合効率、Δωは、半導体レーザ素子から放出されたレーザ光の発振周波数と反射光の周波数差、Ωは、被測定物反射時のドップラー効果による位相シフト量、Δｄは、被測定物の変位量、ｋは、反射光の波数ベクトルである。
【００３３】
差分算出回路１３６は、上記のようにして検出された第１および第２の変化量の差分｜Ｉ１−Ｉ２｜を算出する。算出された差分は、次の式（３）によって表される。ここで、基準発振強度Ｉ０＞＞変調量ΔＩ、Ｑ２−Ｑ１≒Ｑ４−Ｑ３＜＜１である。
【００３４】
【数７】
【００３５】
図６に、ビート信号の変化量の波形と、ビート信号の第１および第２の変化量の差分の波形を示す。数式（１）および（２）で表されるビート信号の第１および第２の変化量は、波形Ｈ１のように短い周期でビートを打つ信号である。そして、第１および第２の変化量の差分である数式（３）で表される信号は、波形Ｈ２のような正弦波（sin）の信号となる。
【００３６】
計測回路１３８は、算出部１３６によって算出された式（３）から被測定物であるヘモグロビンの速度や血流量を計測することができる。つまり、レーザの変調周波数Δωでの振動に対して被測定物の変化分がsin(Ωt-kΔd)のビート振動として検出することができる。また、式（３）からは、被測定物の反射率ｒが除去されることに留意すべきである。これにより、駆動信号Ｓの１周期内に被測定物の反射率、すなわちヘモグロビンの反射率が変化しても、その反射率の影響を受けることなく、被測定物の状態を高いSNRで計測することができる。
【００３７】
なお、上記実施例では、駆動信号Ｓの１周期内に２つのビート信号の変化量を検出する例を示したが、これに限らず、より多くのビート信号の変化量を検出し、これらの差分を算出しても良い。但し、差分は、互いに逆位相の関係にあるビート信号の必要がある。例えば、複数の計測結果を平均化することで精度の高い計測結果を得ることができる。
【００３８】
図７は、本実施例の血流センサーの使用例を示している。血流センサーのレーザ装置１１０を人体の腕２６０の近くに位置させ、レーザ装置１１０の発光部からレーザ光Ｌを腕に照射する。波長が８５０ｎｍのレーザ光は、人体の皮膚を透過し、毛細血管中のヘモグロビンを照射する。ヘモグロビンの表面で反射または散乱された光の一部が戻り光として自己結合効果に寄与し、ヘモグロビンの速度が計測される。ヘモグロビンは、血液中を不規則に移動しその反射面が容易に変化するが、計測された式（３）のヘモグロビンの反射率ｒがキャンセルされているため、従来の血流センサーでは、反射率の変化がノイズとして含まれていたが、本実施例では、そのようなノイズが除去され、ヘモグロビンの速度や血流を精度良く計測することができる。
【００３９】
また、計測対象となる信号のSNRが十分でない場合には、レーザ装置１１０と腕２６０の間にレンズ２７０を介在させ、レーザ光Ｌの集光および戻り光の集光効率を改善するようにしてもよい。さらに上記実施例は、レーザ発振中の駆動信号Ｓ２のインピーダンス変動からビート信号を検出したが、これ以外にも、ＶＣＳＥＬのレーザ発振状態をモニターする受光素子（フォトディテクタ）の出力信号からビート信号を検出するようにしてもよい（図９および図１０を参照）。さらに、血流センサーによる計測結果は、ディスプレイやスピーカなどから出力できるようにしてもよい。
【００４０】
次に、本発明の第２の実施例について説明する。第２の実施例に係る血流センサー１００Ａは、図８に示すように、ハーフミラー２８０と干渉縞を検出する検出器２９０とを有する。レーザ装置１１０は、第１の実施例のときと同様に、駆動変調されたレーザ光Ｌを出射する。レンズ２７０と被測定物２６０との間にハーフミラー２８０が配置され、ハーフミラー２８０は、入射したレーザ光Ｌの一部を透過して被測定物２６０を照射させ、レーザ光Ｌの一部を検出器２９０へ反射する。これにより、ハーフミラー２８０からの反射光Ｒと被測定物２６０からの反射光Ｒａが干渉し、この干渉縞の変化を検出器２９０で検出する。これにより、第１の実施例の自己結合効果を利用した計測と同じような計測を行うことができる。第１の実施例の自己結合効果は、レーザ内で干渉してこれが増幅されて光強度変調として検出されるが、第２の実施例ではレーザの外の干渉計によって同じ信号を検出する。
【００４１】
以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は、特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【００４２】
上記実施例では、単一の半導体レーザ素子を用いる例を示したが、複数の半導体レーザ素子アレイにより被測定物の一定の面積の状態変化を検出するようにしてもよい。さらに上記実施例は、血流センサーを例示したが、これ以外の被測定物の振動、距離、変位の非接触の計測にも適用することができる。さらに上記実施例では、８５０ｎｍの波長のＶＣＳＥＬの例を示したが、これ以外の波長や構造の半導体レーザ素子を用いるものであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の実施例に係る血流センサーの構成を示すブロック図である。
【図２】本実施例の血流センサーに好適に用いられるＶＣＳＥＬ素子の平面図である。
【図３】図２のＡ−Ａ線断面図である。
【図４】駆動部および計測部の内部構成を示す図である。
【図５】駆動信号の波形図である。
【図６】ビート信号の変化量、ならびにその差分信号の波形を示す図である。
【図７】本実施例に係る血流センサーの使用例を示す図である。
【図８】本発明の第２の実施例に係る血流センサーの構成を示す図である。
【図９】従来の振動計測装置の構成例を示す図である。
【図１０】従来の振動計測装置の観測波形を示す図である。
【符号の説明】
【００４４】
２００：半導体チップ
２１０：電極パッド
２３２：溝
２３６：パッド形成領域
２４０：ｐ側電極
２４４：配線
２６０：被測定物
２７０：レンズ
２８０：ハーフミラー
２９０：検出器
Ｐ：ポスト（ＶＣＳＥＬの発光部）
Ｓ：駆動信号
Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４：時刻
Ｈ１：ビート信号の変化量
Ｈ２：差分信号
【技術分野】
【０００１】
本発明は、計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体レーザを用いた被測定物の振動、距離、速度などの計測が知られている。例えば、特許文献１は、レーザドップラーによる速度計測を開示している。特許文献２は、振動計測に関する技術を開示されている。
【０００３】
上記特許文献１および２のいずれも、レーザの自己結合効果を利用している。レーザの自己結合効果とは、レーザの戻り光または反射光がレーザ媒体中で増幅され、結果的にレーザ発振状態が変調を受けることである。利得の高い半導体レーザでは、出射されたレーザ光の百万分の一以下の強度の戻り光でも、高いSNR(Signal to Noise Ratio)で、戻り光の状態を観測することができる。
【０００４】
戻り光がドップラー効果により周波数シフトを受ける、あるいは、被測定物の反射の位置が変わり位相変調を受けた場合は、その変化に対応して自己結合効果によるレーザの発振状態が変化する。この変化を解析することにより、物体の速度や変位を計測することができる。
【０００５】
図９は、従来の一般的な振動計測装置の例を示している。同図に示すように、レーザ装置３００は、その内部にレーザ素子ＬＤとレーザ出力状態をモニターするレーザ受光素子（フォトディテクタ）ＰＤとを含み、レーザ素子ＬＤからのレーザ光Ｌは、レンズ３１０を介して超音波ホーン３２０によって振動されるキャピラリ３３０を照射する。レーザ素子ＬＤの発振状態は、キャピラリ３３０で反射または散乱された戻り光による自己結合効果によって変調される。変調されたレーザ素子ＬＤの発振状態は、受光素子ＰＤによってモニターすることができる。
【０００６】
受光素子ＰＤの出力信号をオシロスコープ３４０に接続したときの観測波形を図１０に示す。縦軸に受光素子の出力電圧（Ｖ）、横軸に時間（μｓ）を示している。図からも明らかなように、受光素子ＰＤの出力信号には、約０．２Ｖの範囲内に周期の短い複数のピークが表れている。これは、キャピラリ３３０からの戻り光によってレーザ発振状態が変調され、レーザ光の光強度にビート信号が生じていることを示している。
【０００７】
被測定物に向けて照射されるレーザ強度をＩin、被測定物の反射率をｒ、レーザの自己結合効率をαとすると、自己結合効果によって変調された強度は、式（４）に示すＩoutとなる。ここで、Δωは測定時にレーザ光周波数を変調したときの発振周波数と戻り光の周波数差であり、Ωは物体反射時にドップラー効果による位相シフト量、Δｄは被測定物体の変位量、ｋは入射光の波数ベクトルである。
【０００８】
【数３】
【０００９】
式（４）により、被測定物体がドップラー効果を受ける、あるいは、変位しているときには、光強度は、cosの関数で振動する。この周波数から被測定物の変位量や速度を算出することができる。
【００１０】
【特許文献１】特開平１−２３３３７１号公報
【特許文献２】特開平１０−９９４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、半導体レーザの自己結合効果または干渉縞を利用し、被測定物の状態の変化を容易にかつ正確に計測することができる計測装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
請求項１に係る計測装置は、被測定物にレーザ光を照射する半導体レーザ素子と、半導体レーザ素子を変調駆動するための駆動信号を半導体レーザ素子に供給する駆動手段と、前記駆動信号の第１の半周期において、自己結合効果により変調されたレーザ光の強度に対応する第１の電気信号を検出する第１の検出手段と、前記駆動信号の第１の半周期と逆位相の第２の半周期において、自己結合効果により変調された第２のレーザ光の強度に対応する第２の電気信号を検出する第２の検出手段と、第１の電気信号と第２の電気信号の差分を算出する算出手段と、算出された差分に基づき被測定物の状態変化を計測する計測手段とを有する。
請求項２において、第１の検出手段は、第１の時刻と第２の時刻の光強度の第１の変化量に対応する前記第１の電気信号を検出し、第２の検出手段は、第３の時刻と第４の時刻の光強度の第２の変化量に対応する前記第２の電気信号を検出する。
請求項３において、第１の変化量および第２の変化量は、それぞれ式（１）および（２）によって表される。ここで、Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４はそれぞれ第１、第２、第３、第４の時刻である。また、被測定物に照射されるレーザ光の強度をＩ（＝Ｉ０＋ΔＩ）としたとき、Ｉ０は、レーザ光の基準発振強度、ΔＩは、基準発振強度Ｉ０からの変調量、ｒは、被測定物の反射率、αは、レーザ光の自己結合効率、Δωは、半導体レーザ素子から放出されたレーザ光の発振周波数と反射光の周波数差、Ωは、被測定物の反射時のドップラー効果による位相シフト量、Δｄは、被測定物の変位量、ｋは、反射光の波数ベクトルである。
【００１３】
【数４】
【００１４】
請求項４において、前記算出手段による差分は、式（３）によって表される、請求項３に記載の計測装置。ここで、基準発振強度Ｉ０＞＞変調量ΔＩ、Ｑ２−Ｑ１≒Ｑ４−Ｑ３＜＜１である。
【数５】
【００１５】
請求項５において、前記駆動信号は、鋸波状の駆動電流である。
請求項６において、前記第１および第２の検出手段は、前記駆動手段の前記駆動信号のインピーダンス変化に基づき前記第１および第２の電気信号を検出する。
請求項７において、計測装置はさらに、半導体レーザ素子から放出されたレーザ光の一部を受光する受光素子を含み、前記第１および第２の検出手段は、前記受光素子から出力された受光信号に基づき前記第１および第２の電気信号を検出する。
請求項８に係る計測装置は、被測定物にレーザ光を照射する半導体レーザ素子と、半導体レーザ素子を変調駆動するための駆動信号を半導体レーザ素子に供給する駆動手段と、半導体レーザ素子と被測定物との間に配置され、レーザ光を透過しかつレーザ光の一部を反射する光学部材と、前記駆動信号の第１の周期において、前記光学部材で反射された反射光と被測定物で反射されたレーザ光との干渉縞を検出し、当該干渉縞に対応する第１の電気信号を出力する第１の検出手段と、前記駆動信号の第１の周期と逆位相の第２の周期において、前記光学部材で反射された反射光と被測定物で反射されたレーザ光との干渉縞を検出し、当該干渉縞に対応する第２の電気信号を出力する第２の検出手段と、第１の電気信号と第２の電気信号との差分を算出する算出手段と、算出された差分に基づき被測定物の状態変化を計測する計測手段とを有する。
請求項９において、計測装置はさらに、半導体レーザ素子と被測定物との間にレンズを含む。
請求項１０において、前記計測手段は、血液中のヘモグロビンの速度を計測する。
【発明の効果】
【００１６】
請求項１によれば、従来の計測装置と比較して、自己結合効果を利用して被測定物の状態変化を精度良く計測することができる。
請求項２によれば、時間的に逆位相の電気信号を利用して被測定物の状態変化を精度良く計測することができる。
請求項３によれば、自己結合効果による光強度に対応する電気信号を容易に求めることができる。
請求項４によれば、被測定物の反射率の変化の影響を受けることなく被測定物の状態変化を計測を行うことができる。
請求項５によれば、被測定物の計測を精度良く行うことができる。
請求項６によれば、駆動手段から第１および第２の電気信号を容易に検出することができる。
請求項７によれば、受光素子から第１および第２の電気信号を検出することができる。
請求項８によれば、従来の計測装置と比較して、被測定物の状態変化を精度良く計測することができる。
請求項９によれば、精度良く被測定物の計測を行うことができる。
請求項１０によれば、従来の計測装置と比較して、精度良く血液中のヘモグロビンの速度を計測することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
従来の血流センサー等の計測装置は、上記の式（４）を用いて被測定物の速度や振動などの状態変化を計測することが可能である。しかしながら、もし被測定物の反射率ｒが変化したならば、自己結合効果によって検出された光強度Ｉoutが変調され、もはや速度や変位量の計測が不可能になるか、ノイズを含む精度の悪い計測となる。例えば、血管中のヘモグロビンの速度を測る血流センサーなどの応用では、容易に反射率が変化するため実用上の困難性がある。
【００１８】
本発明の最良の実施の形態では、異なる時間の自己結合効果によるレーザの変調を検出する。このときレーザ光の周波数変調を行うが、時間的に逆位相時の変調信号を検出する。そして、２つの逆位相の信号の差分を取ることにより、被測定物の反射率の変化によるノイズ要因を除去し、精度よく被測定物体の速度あるいは変位等を計測する。また、本発明の構成では、自己結合による信号のSNR(ノイズレベル) が不十分であれば、レンズでレーザ光を被測定物体に結像させることが好ましい。一方、十分なSNRを確保することができる場合には、必ずしもレンズは不要である。
【００１９】
以下の実施例は、血液中のヘモグロビンの速度を測る血流センサーを例に説明し、ヘモグロビンのように照射面の反射率が容易に変わりやすい被測定物の速度を精度良く計測する。
【実施例】
【００２０】
図１は、本発明の実施例に係る血流センサーの構成を示すブロック図である。本実施例の血流センサー１００は、コヒーレントなレーザ光を出射する半導体レーザ素子を備えたレーザ装置１１０と、半導体レーザ素子を駆動する駆動部１２０と、自己結合効果を利用して得られた信号から被測定物の状態変化を計測する計測部１３０とを含んで構成される。
【００２１】
本実施例のレーザ装置１００は、好ましくは半導体レーザ素子としてＶＣＳＥＬを用いることができる。図２は、ＶＣＳＥＬが形成された半導体チップの平面図、図３は、図２のＡ−Ａ線断面図である。図２に示すように、半導体チップ２００の表面には、レーザ光の発光部となる円筒状のポスト（またはメサ）Ｐが形成され、かつポストＰの頂部には、環状のｐ側電極２４０が形成されている。ｐ側電極２４０は、配線２４４により円形の電極パッド２１０に接続される。電極パッド２１０は、ボンディングワイヤ等の図示しない接続手段によって駆動部１２０に電気的に接続される。
【００２２】
半導体チップ２００は、図３に示すように、ｎ型のＧａＡｓ半導体基板２２０上に、Ａｌ組成の異なる複数のＡｌＧａＡｓ層を積層したｎ型の下部ＤＢＲ２２２、活性領域２２４、ｐ型のＡｌＡｓからなり酸化領域に囲まれた導電領域を有する電流狭窄層２２６、Ａｌ組成の異なる複数のＡｌＧａＡｓ層を積層したｐ型の上部ＤＢＲ２２８、ｐ型のＧａＡｓコンタクト層２３０を積層している。基板２２０上の半導体層をエッチングすることで環状の溝２３２が形成され、円筒状のポストＰが形成される。ポストＰの底部、側壁および頂部の一部を覆うように層間絶縁膜２３４が形成され、ポストＰの頂部には、層間絶縁膜２３４のコンタクトホールを介してコンタクト層２３０と電気的に接続されるｐ側電極２４０が形成される。ｐ側電極２４０の中央には、レーザ光を出射するための出射窓２４２が形成される。配線２４４は、ｐ側電極２４０から溝２３２を通りパッド形成領域２３６まで延在し、そこで電極パッドに接続されている。また、基板２２０の裏面にはｎ側電極２５０が形成されている。ポストＰは、下部ＤＢＲ２２２と上部ＤＢＲ２２８により垂直共振器を構成する。ｐ側電極２４０とｎ側電極２５０に順方向の駆動電流が印加されると、ポストＰの出射窓２４２から約８５０ｎｍの波長のレーザ光が基板と垂直方向に出射される。
【００２３】
図４は、駆動部および計測部の内部構成を示すブロック図である。駆動部１２０は、ＶＣＳＥＬを変調駆動するための駆動信号Ｓを電極パッド２１０に供給する。
【００２４】
図５は、駆動信号Ｓの電流波形を説明する図である。縦軸は、レーザ光の強度、横軸は時間である。駆動信号Ｓは、レーザの基準発振強度をＩ０としたとき、その基準発振強度を中心に＋ΔＩと−ΔＩの強度変化が繰り返されるような駆動周波数を有する三角波の駆動電流である。図５の例では、時刻ｔ１〜ｔ４が１周期ｄであり、時刻ｔ０のとき、基準発振強度Ｉ０、時刻ｔ１のとき、＋ΔＩの強度、時刻ｔ２のとき、基準発振強度Ｉ０、時刻ｔ３のとき、−ΔＩの強度となるように駆動信号Ｓが駆動変調される。ＶＣＳＥＬでは、駆動電流と発振波長がほぼ線形の関係にあり、駆動電流が大きくなると、それに従い発振波長が大きくなる。従って、ポストＰからは、時間的に波長が変化したレーザ光が出射される。なお、駆動信号Ｓの電流波形は、図５に示すような形状に限らず、これとは波形の異なる鋸波状であってもよい。
【００２５】
計測部１２０は、図４に示すように、ポストＰから出射されたレーザ光と被測定物からの戻り光により光強度が変調されたビート信号を検出するビート信号検出部１３２、ビート信号検出部１３２によって検出された値を記憶する記憶回路１３４、時間的に逆位相となるビート信号の差分を算出する差分算出回路１３６と、差分算出回路１３６の算出結果に基づき被測定物の状態を計測する計測回路１３８とを有している。
【００２６】
半導体レーザの光強度を変調することで、発振周波数を変化させることができる。これにより発振周波数と戻り光の周波数が異なるためレーザ媒質内で変調が起こり光強度にビート信号が発生する。戻り光の周波数と発振周波数との差が大きければ大きいほど被測定物体の距離が遠いことを意味する。したがって、ビート信号の周波数を解析することで、レーザと被測定物体の距離を測ることができる。
【００２７】
図４に示すビート信号検出部１３２は、駆動回路１２２の駆動信号Ｓのインピーダンス変化に基づきビート信号を検出する。すなわち、ポストＰからのレーザ光を被測定物に放射したとき、被測定物で反射または散乱された戻り光がポストＰのレーザ媒質内に戻り、レーザ発振状態が変調され、レーザ光と戻り光の周波数の差により光強度にビート信号が生じ、このビート信号が駆動信号のインピーダンス変化となって表れる。
【００２８】
図４に示すように駆動信号Ｓの変調周波数が時刻ｔ０からｔ４までを１周期としたとき、ビート信号検出部１３２は、時刻ｔ０からｔ２までの第１の半周期の期間にビート信号の第１の変化量を検出し、第１の半周期とは逆位相となる時刻ｔ２からｔ４までの第２の半周期の期間にビート信号の第２の変化量を検出する。
【００２９】
図４の例では、ビート信号検出部１３２は、時刻Ｑ１、時刻Ｑ２のときのぞれぞれのビート信号を検出し、検出されたビート信号の値を記憶回路１３４に格納する。また、時刻Ｑ１から半位相ずれた時刻Ｑ３においてビート信号を検出し、時刻Ｑ２から半位相ずれた時刻Ｑ４においてビート信号を検出し、それぞれのビート信号の値を記憶回路１３４に格納する。さらにビート信号検出部１３６は、記憶回路１３４に格納された時刻Ｑ１、Ｑ２のビート信号の値から第１の変化量を算出し、時刻Ｑ３、Ｑ４のビート信号から第２の変化量を算出する。
【００３０】
ビート信号検出部１３２によって検出された第１および第２の変化量は、次の数式（１）および（２）によって表される。
【００３１】
【数６】
【００３２】
ここで、被測定物に照射されるレーザ光の強度をＩ（＝Ｉ０＋ΔＩ）としたとき、Ｉ０は、レーザ光の基準発振強度、ΔＩは、基準発振強度Ｉ０からの変調量、ｒは、披特定物の反射率、αは、レーザ光の自己結合効率、Δωは、半導体レーザ素子から放出されたレーザ光の発振周波数と反射光の周波数差、Ωは、被測定物反射時のドップラー効果による位相シフト量、Δｄは、被測定物の変位量、ｋは、反射光の波数ベクトルである。
【００３３】
差分算出回路１３６は、上記のようにして検出された第１および第２の変化量の差分｜Ｉ１−Ｉ２｜を算出する。算出された差分は、次の式（３）によって表される。ここで、基準発振強度Ｉ０＞＞変調量ΔＩ、Ｑ２−Ｑ１≒Ｑ４−Ｑ３＜＜１である。
【００３４】
【数７】
【００３５】
図６に、ビート信号の変化量の波形と、ビート信号の第１および第２の変化量の差分の波形を示す。数式（１）および（２）で表されるビート信号の第１および第２の変化量は、波形Ｈ１のように短い周期でビートを打つ信号である。そして、第１および第２の変化量の差分である数式（３）で表される信号は、波形Ｈ２のような正弦波（sin）の信号となる。
【００３６】
計測回路１３８は、算出部１３６によって算出された式（３）から被測定物であるヘモグロビンの速度や血流量を計測することができる。つまり、レーザの変調周波数Δωでの振動に対して被測定物の変化分がsin(Ωt-kΔd)のビート振動として検出することができる。また、式（３）からは、被測定物の反射率ｒが除去されることに留意すべきである。これにより、駆動信号Ｓの１周期内に被測定物の反射率、すなわちヘモグロビンの反射率が変化しても、その反射率の影響を受けることなく、被測定物の状態を高いSNRで計測することができる。
【００３７】
なお、上記実施例では、駆動信号Ｓの１周期内に２つのビート信号の変化量を検出する例を示したが、これに限らず、より多くのビート信号の変化量を検出し、これらの差分を算出しても良い。但し、差分は、互いに逆位相の関係にあるビート信号の必要がある。例えば、複数の計測結果を平均化することで精度の高い計測結果を得ることができる。
【００３８】
図７は、本実施例の血流センサーの使用例を示している。血流センサーのレーザ装置１１０を人体の腕２６０の近くに位置させ、レーザ装置１１０の発光部からレーザ光Ｌを腕に照射する。波長が８５０ｎｍのレーザ光は、人体の皮膚を透過し、毛細血管中のヘモグロビンを照射する。ヘモグロビンの表面で反射または散乱された光の一部が戻り光として自己結合効果に寄与し、ヘモグロビンの速度が計測される。ヘモグロビンは、血液中を不規則に移動しその反射面が容易に変化するが、計測された式（３）のヘモグロビンの反射率ｒがキャンセルされているため、従来の血流センサーでは、反射率の変化がノイズとして含まれていたが、本実施例では、そのようなノイズが除去され、ヘモグロビンの速度や血流を精度良く計測することができる。
【００３９】
また、計測対象となる信号のSNRが十分でない場合には、レーザ装置１１０と腕２６０の間にレンズ２７０を介在させ、レーザ光Ｌの集光および戻り光の集光効率を改善するようにしてもよい。さらに上記実施例は、レーザ発振中の駆動信号Ｓ２のインピーダンス変動からビート信号を検出したが、これ以外にも、ＶＣＳＥＬのレーザ発振状態をモニターする受光素子（フォトディテクタ）の出力信号からビート信号を検出するようにしてもよい（図９および図１０を参照）。さらに、血流センサーによる計測結果は、ディスプレイやスピーカなどから出力できるようにしてもよい。
【００４０】
次に、本発明の第２の実施例について説明する。第２の実施例に係る血流センサー１００Ａは、図８に示すように、ハーフミラー２８０と干渉縞を検出する検出器２９０とを有する。レーザ装置１１０は、第１の実施例のときと同様に、駆動変調されたレーザ光Ｌを出射する。レンズ２７０と被測定物２６０との間にハーフミラー２８０が配置され、ハーフミラー２８０は、入射したレーザ光Ｌの一部を透過して被測定物２６０を照射させ、レーザ光Ｌの一部を検出器２９０へ反射する。これにより、ハーフミラー２８０からの反射光Ｒと被測定物２６０からの反射光Ｒａが干渉し、この干渉縞の変化を検出器２９０で検出する。これにより、第１の実施例の自己結合効果を利用した計測と同じような計測を行うことができる。第１の実施例の自己結合効果は、レーザ内で干渉してこれが増幅されて光強度変調として検出されるが、第２の実施例ではレーザの外の干渉計によって同じ信号を検出する。
【００４１】
以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は、特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【００４２】
上記実施例では、単一の半導体レーザ素子を用いる例を示したが、複数の半導体レーザ素子アレイにより被測定物の一定の面積の状態変化を検出するようにしてもよい。さらに上記実施例は、血流センサーを例示したが、これ以外の被測定物の振動、距離、変位の非接触の計測にも適用することができる。さらに上記実施例では、８５０ｎｍの波長のＶＣＳＥＬの例を示したが、これ以外の波長や構造の半導体レーザ素子を用いるものであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の実施例に係る血流センサーの構成を示すブロック図である。
【図２】本実施例の血流センサーに好適に用いられるＶＣＳＥＬ素子の平面図である。
【図３】図２のＡ−Ａ線断面図である。
【図４】駆動部および計測部の内部構成を示す図である。
【図５】駆動信号の波形図である。
【図６】ビート信号の変化量、ならびにその差分信号の波形を示す図である。
【図７】本実施例に係る血流センサーの使用例を示す図である。
【図８】本発明の第２の実施例に係る血流センサーの構成を示す図である。
【図９】従来の振動計測装置の構成例を示す図である。
【図１０】従来の振動計測装置の観測波形を示す図である。
【符号の説明】
【００４４】
２００：半導体チップ
２１０：電極パッド
２３２：溝
２３６：パッド形成領域
２４０：ｐ側電極
２４４：配線
２６０：被測定物
２７０：レンズ
２８０：ハーフミラー
２９０：検出器
Ｐ：ポスト（ＶＣＳＥＬの発光部）
Ｓ：駆動信号
Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４：時刻
Ｈ１：ビート信号の変化量
Ｈ２：差分信号
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定物にレーザ光を照射する半導体レーザ素子と、
半導体レーザ素子を変調駆動するための駆動信号を半導体レーザ素子に供給する駆動手段と、
前記駆動信号の第１の半周期において、自己結合効果により変調されたレーザ光の強度に対応する第１の電気信号を検出する第１の検出手段と、
前記駆動信号の第１の半周期と逆位相の第２の半周期において、自己結合効果により変調された第２のレーザ光の強度に対応する第２の電気信号を検出する第２の検出手段と、
第１の電気信号と第２の電気信号の差分を算出する算出手段と、
算出された差分に基づき被測定物の状態変化を計測する計測手段と、
を有する計測装置。
【請求項２】
第１の検出手段は、第１の時刻と第２の時刻の光強度の第１の変化量に対応する前記第１の電気信号を検出し、
第２の検出手段は、第３の時刻と第４の時刻の光強度の第２の変化量に対応する前記第２の電気信号を検出する、請求項１に記載の計測装置。
【請求項３】
第１の変化量および第２の変化量は、それぞれ式（１）および（２）によって表される、請求項２に記載の計測装置。
ここで、Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４はそれぞれ第１、第２、第３、第４の時刻である。また、被測定物に照射されるレーザ光の強度をＩ（＝Ｉ０＋ΔＩ）としたとき、Ｉ０は、レーザ光の基準発振強度、ΔＩは、基準発振強度Ｉ０からの変調量、ｒは、被測定物の反射率、αは、レーザ光の自己結合効率、Δωは、半導体レーザ素子から放出されたレーザ光の発振周波数と反射光の周波数差、Ωは、被測定物の反射時のドップラー効果による位相シフト量、Δｄは、被測定物の変位量、ｋは、反射光の波数ベクトルである。
【数１】
【請求項４】
前記算出手段による差分は、式（３）によって表される、請求項３に記載の計測装置。ここで、基準発振強度Ｉ０＞＞変調量ΔＩ、Ｑ２−Ｑ１≒Ｑ４−Ｑ３＜＜１である。
【数２】
【請求項５】
前記駆動信号は、鋸波状の駆動電流である、請求項１に記載の計測装置。
【請求項６】
前記第１および第２の検出手段は、前記駆動信号のインピーダンス変化に基づき前記第１および第２の電気信号を検出する、請求項１に記載の計測装置。
【請求項７】
計測装置はさらに、半導体レーザ素子から放出されたレーザ光の一部を受光する受光素子を含み、
前記第１および第２の検出手段は、前記受光素子から出力された受光信号に基づき前記第１および第２の電気信号を検出する、請求項１に記載の計測装置。
【請求項８】
被測定物にレーザ光を照射する半導体レーザ素子と、
半導体レーザ素子を変調駆動するための駆動信号を半導体レーザ素子に供給する駆動手段と、
半導体レーザ素子と被測定物との間に配置され、レーザ光を透過しかつレーザ光の一部を反射する光学部材と、
前記駆動信号の第１の半周期において、前記光学部材で反射された反射光と被測定物で反射されたレーザ光との干渉縞を検出し、当該干渉縞に対応する第１の電気信号を出力する第１の検出手段と、
前記駆動信号の第１の半周期と逆位相の第２の半周期において、前記光学部材で反射された反射光と被測定物で反射されたレーザ光との干渉縞を検出し、当該干渉縞に対応する第２の電気信号を出力する第２の検出手段と、
第１の電気信号と第２の電気信号との差分を算出する算出手段と、
算出された差分に基づき被測定物の状態変化を計測する計測手段と、
を有する計測装置。
【請求項９】
計測装置はさらに、半導体レーザ素子と被測定物との間にレンズを含む、請求項１または８に記載の計測装置。
【請求項１０】
前記計測手段は、血液中のヘモグロビンの速度を計測する、請求項１または８に記載の計測装置。
【請求項１】
被測定物にレーザ光を照射する半導体レーザ素子と、
半導体レーザ素子を変調駆動するための駆動信号を半導体レーザ素子に供給する駆動手段と、
前記駆動信号の第１の半周期において、自己結合効果により変調されたレーザ光の強度に対応する第１の電気信号を検出する第１の検出手段と、
前記駆動信号の第１の半周期と逆位相の第２の半周期において、自己結合効果により変調された第２のレーザ光の強度に対応する第２の電気信号を検出する第２の検出手段と、
第１の電気信号と第２の電気信号の差分を算出する算出手段と、
算出された差分に基づき被測定物の状態変化を計測する計測手段と、
を有する計測装置。
【請求項２】
第１の検出手段は、第１の時刻と第２の時刻の光強度の第１の変化量に対応する前記第１の電気信号を検出し、
第２の検出手段は、第３の時刻と第４の時刻の光強度の第２の変化量に対応する前記第２の電気信号を検出する、請求項１に記載の計測装置。
【請求項３】
第１の変化量および第２の変化量は、それぞれ式（１）および（２）によって表される、請求項２に記載の計測装置。
ここで、Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４はそれぞれ第１、第２、第３、第４の時刻である。また、被測定物に照射されるレーザ光の強度をＩ（＝Ｉ０＋ΔＩ）としたとき、Ｉ０は、レーザ光の基準発振強度、ΔＩは、基準発振強度Ｉ０からの変調量、ｒは、被測定物の反射率、αは、レーザ光の自己結合効率、Δωは、半導体レーザ素子から放出されたレーザ光の発振周波数と反射光の周波数差、Ωは、被測定物の反射時のドップラー効果による位相シフト量、Δｄは、被測定物の変位量、ｋは、反射光の波数ベクトルである。
【数１】
【請求項４】
前記算出手段による差分は、式（３）によって表される、請求項３に記載の計測装置。ここで、基準発振強度Ｉ０＞＞変調量ΔＩ、Ｑ２−Ｑ１≒Ｑ４−Ｑ３＜＜１である。
【数２】
【請求項５】
前記駆動信号は、鋸波状の駆動電流である、請求項１に記載の計測装置。
【請求項６】
前記第１および第２の検出手段は、前記駆動信号のインピーダンス変化に基づき前記第１および第２の電気信号を検出する、請求項１に記載の計測装置。
【請求項７】
計測装置はさらに、半導体レーザ素子から放出されたレーザ光の一部を受光する受光素子を含み、
前記第１および第２の検出手段は、前記受光素子から出力された受光信号に基づき前記第１および第２の電気信号を検出する、請求項１に記載の計測装置。
【請求項８】
被測定物にレーザ光を照射する半導体レーザ素子と、
半導体レーザ素子を変調駆動するための駆動信号を半導体レーザ素子に供給する駆動手段と、
半導体レーザ素子と被測定物との間に配置され、レーザ光を透過しかつレーザ光の一部を反射する光学部材と、
前記駆動信号の第１の半周期において、前記光学部材で反射された反射光と被測定物で反射されたレーザ光との干渉縞を検出し、当該干渉縞に対応する第１の電気信号を出力する第１の検出手段と、
前記駆動信号の第１の半周期と逆位相の第２の半周期において、前記光学部材で反射された反射光と被測定物で反射されたレーザ光との干渉縞を検出し、当該干渉縞に対応する第２の電気信号を出力する第２の検出手段と、
第１の電気信号と第２の電気信号との差分を算出する算出手段と、
算出された差分に基づき被測定物の状態変化を計測する計測手段と、
を有する計測装置。
【請求項９】
計測装置はさらに、半導体レーザ素子と被測定物との間にレンズを含む、請求項１または８に記載の計測装置。
【請求項１０】
前記計測手段は、血液中のヘモグロビンの速度を計測する、請求項１または８に記載の計測装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１０−６８９９９（Ｐ２０１０−６８９９９Ａ）
【公開日】平成２２年４月２日（２０１０．４．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２３９４４５（Ｐ２００８−２３９４４５）
【出願日】平成２０年９月１８日（２００８．９．１８）
【出願人】（０００００５４９６）富士ゼロックス株式会社 (21,908)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年４月２日（２０１０．４．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年９月１８日（２００８．９．１８）
【出願人】（０００００５４９６）富士ゼロックス株式会社 (21,908)
【Ｆターム（参考）】
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