CN111213037B - 光学测量装置、光学测量方法、计算机程序和记录介质 - Google Patents

Abstract

光学测量装置(100，200)被设置有：光源(11)，该光源(11)利用光照射具有在其内侧流动的流体的测量对象；光接收单元(21)，该光接收单元(21)在接收来自利用光照射的测量对象的散射光时输出与散射光的强度相对应的光接收信号；干扰生成单元(31)，该干扰生成单元(31)生成用于使供应给光源的驱动电流波动的干扰信号；以及调节单元(32，33，35，36)，该调节单元(32，33，35，36)基于在干扰信号和以光接收信号为基础生成的信号之间的比较结果来调节驱动电流。

Description

光学测量装置、光学测量方法、计算机程序和记录介质

技术领域

本发明涉及一种用于通过使用光来测量例如测量目标的状态的光学测量装置和光学测量方法、计算机程序以及记录介质。

背景技术

例如，设计这种类型的装置以防止从光源发射的光的特性变化。例如，专利文献1公开一种工艺/技术，其通过利用作为波长辨别设备的标准器检测激光二极管(LD)的振荡波长并且控制LD驱动电流和LD温度来稳定的LD振荡波长。可替选地，专利文献2公开通过采用使用分子或原子的吸收光谱的分光镜检测LD的振荡波长并且控制LD驱动电流和LD温度来稳定LD的振荡波长的工艺/技术。此外，专利文献3公开一种通过将交流电叠加在供应给激光二极管的直流电上来去除振荡波长的随机模式跳变的工艺/技术。

引文列表

专利文献

专利文献1：日本专利申请特开No.H08-018145

专利文献2：日本专利申请特开No.S63-064380

专利文献3：日本专利申请特开No.2001-120509

发明内容

技术问题

在专利文献1和2中描述的工艺/技术中，复杂的光学***可能会增加装置的尺寸，或者使用相对昂贵的构件，例如，使用分子或原子的吸收光谱的分光镜可能会增加制造成本。在专利文献3中描述的工艺/技术中，可以去除模式跳变，但是仍然存在改进的空间。

鉴于上述问题，因此，本发明的目的是提供一种能够相对简单地防止从光源发射的光的特性变化的光学测量装置和光学测量方法、计算机程序和记录介质。

技术解决方案

本发明的上述目的可以通过一种光学测量装置实现，该光学测量装置被设置有：光源，该光源被配置成利用光照射流体在其中流动的测量目标；光接收器，该光接收器被配置成接收来自测量目标的照射光的散射光并且被配置成输出与散射光的强度相对应的光接收信号；干扰生成器，该干扰生成器被配置成生成用于使被供应给光源的驱动电流波动的干扰信号；以及调节器，该调节器被配置成基于在基于光接收信号生成的信号和干扰信号之间的比较结果来调节驱动电流。

本发明的上述目的还可以通过一种光学测量装置中的光学测量方法来实现，该光学测量装置包括：光源，该光源被配置成利用光照射流体在其中流动的测量目标；光接收器，该光接收器被配置成接收来自测量目标的照射光的散射光并且被配置成输出与散射光的强度相对应的光接收信号，该光学测量方法被设置有：生成用于使被供应给光源的驱动电流波动的干扰信号的过程；和基于在基于光接收信号生成的信号和干扰信号之间的比较结果来调节驱动电流的过程。

本发明的上述目的还可以通过一种用于使计算机用作下述的计算机程序来实现，该计算机程序被设置在光学测量装置中，该光学测量装置包括：光源，其被配置成通过光照射流体在其中流动的测量目标；和光接收器，其被配置成接收来自测量目标的照射光的散射光，并且被配置成输出与散射光的强度相对应的光接收信号：干扰生成器，其被配置成生成用于使被供应给光源的驱动电流波动的干扰信号；和调节器，其被配置成基于在基于光接收信号生成的信号和干扰信号之间的比较结果来调节驱动电流。

本发明的上述目的也可以通过在其上记录本发明的计算机程序的记录介质来实现。

根据以下实施例的描述，本发明的效果和其他益处将变得显而易见。

附图说明

图1是图示根据第一实施例的光学测量装置的配置的框图。

图2是图示根据第一实施例的光接收元件和I-V转换器的示例的电路图。

图3是图示根据第一实施例的频率分析器和平均频率计算器的示例的概念图。

图4是图示流速与平均频率之间的关系的示例的示意图。

图5是图示根据第一实施例的LD温度控制器的配置的框图。

图6是图示根据第一实施例的LD温度控制器中的构件的位置与温度之间的关系的示例的示意图。

图7的(a)和(b)是示出功率频谱的示例的示意图。

图8是图示热敏电阻器的检测到的温度与平均频率之间的关系的示例的示意图。

图9是图示根据第一实施例的同步检测器的示例的概念图。

图10是图示干扰信号、LD电流命令、平均频率、乘法器输出和检测到的信号中的每一个的示例的示意图。

图11的(a)和(b)是图示根据第一实施例的在驱动光学测量装置时的驱动电流和平均频率中的每一个的示例的示意图。

图12是图示根据第一实施例的第二修改示例的同步检测器的示例的概念图。

图13是图示根据第一实施例的第二修改例的同步检测器中包括的HPF的滤波器特性的示例的特性图。

图14是图示根据第二实施例的光学测量装置的配置的框图。

具体实施方式

将解释根据本发明的实施例的光学测量装置、光学测量方法、计算机程序和记录介质。

(光学测量装置)

根据实施例的光学测量装置被设置有：光源，其被配置成用光照射流体在其中流动的测量目标；光接收器，其被配置成接收来自测量目标的照射光的散射光并被配置成输出与散射光的强度相对应的光接收信号；干扰生成器，其被配置成生成用于使供应给光源的驱动电流波动的干扰信号；以及调节器，其被配置成基于在基于光接收信号生成的信号和干扰信号之间的比较结果来调节驱动电流。

如果干扰信号使驱动电流波动，则从光源发射的光的强度也会波动。结果，基于光接收信号生成的信号也波动。在此，本发明人的研究已经显示，如果作为从光源发射的光的特性的光的干涉由于环境温度的变化而改变，则基于光接收信号生成的信号和干扰信号之间的比较结果也改变。因此，如果基于比较结果来调节驱动电流，则能够防止从光源发射的光的干涉的变化。如上所述，根据光学测量装置，能够相对简单地防止光的特性变化。

在根据实施例的光学测量装置的一方面，基于光接收信号生成的信号是指示频率信息的信号，其通过对拍频信号执行频率分析而获得，所述拍频信号被包括在光接收信号中并且由照射光的多普勒频移引起。根据此方面，能够相对容易地将基于光接收信号生成的信号与干扰信号进行比较。

在这个方面，指示频率信息的信号可以在通过用于选择性地使包括与干扰信号相关联的频率的预定频带的频率分量通过的滤波器之后与干扰信号进行比较。借助于这样的构造，能够防止噪声的影响。

在根据实施例的光学测量装置的另一方面，通过泵传输流体，并且与干扰信号相关联的频率高于由泵引起的流体的脉动频率。根据这个方面，可以防止泵影响基于光接收信号生成的信号和干扰信号之间的比较结果。

在根据实施例的光学测量装置的另一方面中，光源是半导体激光器，并且调节器被配置成基于比较结果来调节驱动电流，使得半导体激光器以单模振荡。根据此方面，可以使半导体激光器的光功率保持较低，并且还能够将光接收信号的信噪比(SN)设置为相对较高。

在根据实施例的光学测量装置的另一方面，其被设置有：温度控制器，其被配置成控制光源的温度；和温度设置设备(i)，其被配置成，在控制温度控制器以改变光源的温度的同时，获得光源的温度与从光源发射的光的干扰之间的关系，并且(ii)被配置成，在对测量目标的测量之前，基于获得的关系来设置与温度控制器相关联的目标温度。根据此方面，可以相对容易地设定目标温度。

在根据本实施例的光学测量装置的另一方面，其被设置有：第一确定器，其被配置成基于光接收信号来确定流体是否包括散射体；以及第一光源控制器，其被配置成基于第一确定器的确定结果来控制从光源发射的光的功率。根据这个方面，可以防止由于不包括散射体的流体而导致驱动电流不适当地供应给光源。

在根据实施例的光学测量装置的另一方面，其被设置有：光量监视器，其被配置成检测从光源发射的光的功率；第二确定器，其被配置成确定检测到的功率是否在预定范围内；以及第二光源控制器，其被配置成基于第二确定器的确定结果来控制从光源发射的光的功率。根据这个方面，可以防止驱动电流被不适当地供应给光源。

在根据实施例的光学测量装置的另一方面中，其被设置有：增益选择器，其被配置成改变由干扰生成器生成的干扰信号的幅度。根据该方面，能够将针对基于在光接收信号上生成的信号与干扰信号之间的比较结果由调节器执行的对驱动电流的调节所要求的时间设置为相对较短。

(光学测量方法)

根据实施例的光学测量方法是光学测量装置中的光学测量方法，该光学测量装置包括：光源，其被配置成利用光照射流体在其中流动的测量目标；和光接收器，其被配置成接收来自测量目标的照射光的散射光，并且被配置成输出与该散射光的强度相对应的光接收信号，该光学测量方法被提供有：生成用于使被供应给光源的驱动电流波动的干扰信号的过程；和基于在基于光接收信号生成的信号和干扰信号之间的比较结果来调节驱动电流的过程。

根据本实施例中的光学测量方法，如上述实施例中的光学测量装置一样，能够相对简单地防止光的特性变化。即使根据本实施例的光学测量方法也可以采用与根据上述实施例的光学测量装置相同的各个方面。

(计算机程序)

根据实施例的计算机程序使在光学测量装置中设置的计算机用作干扰生成器和调节器，该光学测量装置包括：光源，其被配置成利用光照射流体在其中流动的测量目标；和光接收器，其被配置成接收来自测量目标的照射光的散射光并且被配置成输出与散射光的强度相对应的光接收信号，干扰生成器被配置成生成用于使被供应给光源的驱动电流波动的干扰信号，和调节器被配置成基于在基于光接收信号生成的信号和干扰信号之间的比较结果来调节驱动电流。

根据实施例中的计算机程序，可以通过使设置在光学测量装置中的计算机执行计算机程序而相对容易地实现根据上述实施例的光学测量装置。结果，根据该实施例中的计算机程序，如在根据上述实施例的光学测量装置中，能够相对简单地防止光的特性变化。

(记录介质)

在根据实施例的记录介质上，记录根据上述实施例的计算机程序。当设置在光学测量装置中的计算机读取并执行记录在作为根据该实施例的记录介质的示例的光盘只读存储器(CD-ROM)、DVD只读存储器(DVD-ROM)等等上的计算机程序时，可以相对容易地实现根据上述实施例的光学测量装置。结果，根据该实施例中的记录介质，如在根据上述实施例的光学测量装置中，可以相对简单地防止光的特性变化。

实施例

将参考附图解释根据本发明的实施例的光学测量装置。在下面的实施例中，血液作为流体为例。另外，组成人工透析装置的血液环路的导管作为测量目标为例。根据本发明的光学测量装置还可以应用于在活体的静脉中流动的血液或除了血液之外的任何流体(例如，墨水、油、废水或污水、调味料等)的测量。

<第一实施例>

将参考图1至图11的(b)解释根据本发明的第一实施例的光学测量装置。

(光学测量装置的配置)

将参考图1解释根据第一实施例的光学测量装置的配置。图1是图示根据第一实施例的光学测量装置的配置的框图。

在图1中，光学测量装置100被设置有半导体激光器11、激光驱动器12、光接收元件21、IV转换器22、带通滤波器(BPF)放大器23、模数(A/D)转换器24、频率分析器25、平均频率计算器26、流速估计器27、干扰生成器31、同步检测器32、相位补偿器33、参考电流单元34、减法器35和加法器36。

激光驱动器12被配置成生成用于驱动半导体激光器11的电流(具体地，大于或等于半导体激光器11的阈值电流的指定驱动电流)。半导体激光器11被配置成根据由激光器驱动器12生成的驱动电流来执行激光振荡。经由诸如透镜元件的光学***(未被图示)，利用从半导体激光器11发射的激光来照射作为待测量的目标的体外循环血液环路(即，血液在其中流动的透明导管)。所照射的激光可能会被组成体外循环血液环路的导管以及在该导管中流动的血液散射和吸收。

体外循环血液环路半固定至安装并固定有半导体激光器11和光接收元件21的壳体(未被图示)，使得照射位置不会由于振动等而移位。

光接收元件21被配置成接收待测量的目标被照射的激光的散射光(其在本文中为反射光)。由光接收元件21接收的散射光可以包括由在组成体外循环血液环路的导管中流动的血液(特别地，由血液中包括的作为移动散射体的红细胞)散射的散射光和由静止不动的诸如导管的结构散射的散射光。

光接收元件21被配置成输出检测到的电流，该检测到的电流对应于接收到的散射光的强度。I-V转换器22被配置成将从光接收元件21输出的检测到的电流转换为电压信号(参考图1中的“检测到的电压”)。

这里，进入光接收元件21的散射光可以包括由静止不动的结构(例如，组成体外循环血液环路的导管等)散射的散射光和由血液中包括的作为移动物体的红细胞散射的散射光。在由红细胞散射的散射光中，多普勒频移根据红细胞的移动速度而发生。

因此，由静止不动的结构散射的散射光和由红细胞散射的散射光由于激光的相干性而干涉。从光接收元件21输出的检测到的电流可以包括由该干扰引起的光学拍频信号。

现在，将参考图2解释光接收元件21和I-V转换器22的示例。图2是图示根据第一实施例的光接收元件21和I-V转换器22的示例的电路图。

在图2中，光接收元件21设置有光电探测器PD，其例如是PIN型半导体。I-V转换器22设置有放大器Amp1和反馈电阻器Rf。在此，放大器Amp1组成所谓的跨阻抗放大器。

光电检测器PD的阳极连接到参考电势，例如接地电势。光电检测器PD的阴极连接到放大器Amp1的反相输入端子。放大器Amp1的同相输入端子连接到参考电势，例如接地电势。

从光电检测器PD输出的检测到的电流通过反馈电阻器Rf转换为电压，并从放大器Amp1输出作为检测到的电压(即，电压信号)。

再次返回到图1，BPF放大器23被配置成切除从IV转换器22输出的电压信号中包括的高频分量和低频分量(即，除了预定频带之外的信号分量)，并且被配置成扩大其余部分。从I-V转换器22输出的电压信号可以包括高频信号，该高频信号是噪声分量，例如，开关电源噪声。从I-V转换器22输出的电压信号被输入到BPF放大器23，由此可以在减小噪声分量的同时放大该信号。

A/D转换器24被配置成对AC信号执行A/D转换处理(即，量化处理)，该AC信号是从BPF放大器23输出的信号。结果，光学拍频信号从A/D转换器24输出。

频率分析器25被配置成例如通过数字信号处理(DSP)对光学拍频信号执行频率分析，例如快速傅里叶变换(FFT)，并输出功率频谱P(f)。

平均频率计算器26被配置成基于功率频谱P(f)来计算平均频率fm。

现在，将参考图3解释频率分析器25和平均频率计算器26的每一个的具体示例。图3是图示根据第一实施例的频率分析器25和平均频率计算器26的示例的概念图。

在图3中，关于从A/D转换器24输出的光学拍频信号，与n个点的光学拍频信号相关联的累积数据行被预处理，例如，通过汉宁窗在频率分析器25的缓冲器和窗口处理器上执行FFT。然后，在FFT单元上，对由汉宁窗的窗口函数限制的数据执行n个点的FFT计算。FFT单元的FFT计算结果通过平方计算器被经历复共轭处理，并且然后，将n/2个点的数据作为功率频谱P(f)输出。

平均频率计算器26的一阶矩积分器被配置成将功率频谱P(f)和频率矢量f相乘并且在指定频带(在此为f0至f1)中对其进行积分，从而输出1stMΣ{f·P(f)}为一阶矩。平均频率计算器26的幂积分器被配置成在指定频带(在此为f0至f1)中对功率频谱P(f)进行积分，从而输出Ps＝Σ{P(f)}。平均频率计算器26的除法器被配置成将一阶矩1stM除以作为幂积分器的输出的Ps，并且输出所获得的值作为平均频率fm。

在待测量的目标内部流动的血液的流速与平均频率fm之间的关系例如如图4中所图示。具体地，流速与平均频率fm之间的关系可以指示流速随着平均频率fm的增加而增加。如图4中所图示，在流速相对较高的区域和流速相对较低的区域中，线性降低。结果，可测量的流速范围自然受到限制。在流速相对较低的区域，由于平均频率fm的信噪比降低，线性降低。另一方面，在流速相对较高的区域中，由于A/D转换器24的采样频率和BPF放大器23的带宽的限制，线性降低。

再次返回到图1，流速估计器27被配置成例如使用与在图4中图示的流速和平均频率fm之间的关系相关联的表，根据从平均频率计算器26输出的平均频率fm来估计流速。换而言之，光学测量装置100组成一种通过所谓的激光流量计来估计散射流体的流速的装置。

光学测量装置100进一步设置有激光二极管(LD)温度控制器40。现在，将参考图5解释LD温度控制器40。图5是图示根据第一实施例的LD温度控制器的配置的框图。

在图5中，LD温度控制器40被设置有珀耳帖元件41、热敏电阻器42、目标温度生成器43、电压检测器44、减法器45、相位补偿器46和驱动电路47。半导体激光器11经由热交换器板被放置在珀耳帖元件41的一侧上。半导体激光器11中生成的热量经由热交换器板、珀耳帖元件41和散热板被释放到外部环境。

热敏电阻器42被热耦合到热交换器板。热敏电阻器42与参考电阻器(未被图示)一起组成桥接电路，并且该桥接电路的中点连接到电压检测器44。热敏电阻器42可以是NTC热敏电阻器。在NTC热敏电阻器中，其电阻随着温度的升高而减小。因此，中点电压根据温度而变化。

由电压检测器44检测到的热敏电阻器电压(参考图5中的“温度检测电压”)被输入到减法器45的输入端子。由目标温度生成器43生成的目标温度电压被输入到减法器45的另一输入端子。例如，目标温度生成器43被设置有中央处理单元(CPU)和内置在CPU中的D/A转换器等(未被图示)。

减法器45被配置成通过从目标温度电压减去温度检测电压来生成温度误差。相位补偿器46被配置成对减法器45生成的温度误差执行适合于温度的负反馈控制的移相器补偿(例如，比例、积分和差分(PID))控制，并且被配置成向驱动电路47输出驱动命令。驱动电路47被配置成根据驱动命令生成珀耳帖电流。

热敏电阻器42、电压检测器44、减法器45、移相器补偿器46、驱动电路47和珀耳帖元件41形成LD温度控制环路。

当外部环境温度高时，珀耳帖元件41利用与珀耳帖电流相对应的热流经由热交换器板将在半导体激光器11中生成的热传输到散热板。散热板将热量释放到外部环境。在这种情况下，珀耳帖元件41冷却半导体激光器11。另一方面，当外部环境温度低时，向珀耳帖元件41施加反向珀耳帖电流，热流的极性被反转，并且半导体激光器11经由热交换器板被加热。在这种情况下，珀耳帖元件41加热半导体激光器11。借助于这种操作，即使当外部环境温度变化时，通过温度控制环路的负反馈的作用，将热敏电阻器42的检测到的电压保持在目标电压(或目标温度)处。

(温度控制的问题)

在法布里-珀罗(Fabry-Perot)半导体激光器中，即使驱动电流恒定，由于元件的温度变化，发射的光功率和振荡波长也会变化。具体地，激光振荡的阈值电流随着温度升高而呈指数增加，并且发射的光功率降低。此外，由于折射率等的温度依赖性，温度的轻微升高会改变纵向模式的谐振器的有效长度，并且振荡波长也会增加。如果温度进一步升高，则与相邻模式的增益差会被反转，这可能会导致突然过渡到相邻模式的波长跃变，或者所谓的模式跳变。在发生模式跳变的温度条件下，不存在与相邻模式的增益差，并且发生了所谓的模式竞争。可替选地，其可以处于存在多个振荡波长的所谓的多模的状态。

在使用激光多普勒效应的光学测量装置中，如在光学测量装置100中一样，光的干涉很重要。为了提高测量精度，必须将激光振荡保持在光的干扰较高的单模下。本发明人的研究已经显示，在估计通过激光流量计测量散射流体的流量中，当激光的振荡状态从单模转换为多模时，光学拍频信号的幅度由于减少光的干扰而减小，并且因此，测量到的信噪比降低。为了解决这样的问题，通过图5中图示的LD温度控制器40的作用，执行用于维持半导体激光器11的恒定温度的温度的负反馈控制。

但是，如果外部环境温度变化，则即使通过温度的负反馈控制的效果使热敏电阻器42的检测到的温度保持恒定，也不必将作为温度控制的目标的半导体激光器11的温度保持恒定。

将参考图5和图6解释原因。图6是图示根据第一实施例的LD温度控制器中的构件的位置与温度之间的关系的示例的示意图。

关于热敏电阻器42与外部环境之间的热流，如图5中所图示，存在通过热交换器板进行的热传导、通过珀尔帖元件41进行的热传导、以及从散热板向外部环境的热传导，并且各个构件具有热阻。另外，在构件之间的接触表面上也存在热接触电阻。特别是在自然冷却的情况下，从散热板到外部环境的热传导中的热阻相对较高。

此外，如图5中所图示，在热敏电阻器42与半导体激光器11之间的热传导过程中，存在热敏电阻器42与热交换器板之间的接触热阻、在半导体激光器11的封装与元件之间的热阻等。

在图6中，当外部环境温度是相对较高的“T2H”时，并且当驱动半导体激光器11时(即，当加热半导体激光器11时)，如果珀耳帖电流为零(即，其中不存在通过珀耳帖元件41的强制传热)，则外部环境与半导体激光器11之间的温度由虚线(i)表示。

此时，如果将与LD温度控制器40相关的目标温度设置为“T1”，如果半导体激光器11被珀耳帖元件41冷却，并且如果热敏电阻器42的检测到的温度变为“T1”，则外部环境与热敏电阻器42之间的温度由实线(ii)表示。这里，如上所述，在热敏电阻器42和半导体激光器11之间存在热阻，并且因此，热敏电阻器42的温度与半导体激光器11的温度不匹配。

以相同的方式，当外部环境温度是相对较低的“T2L”时，并且当驱动半导体激光器11时，如果珀耳帖电流为零，则外部环境与半导体激光器11之间的温度用虚线(iv)表示。

此时，如果与LD温度控制器40相关联的目标温度设置为“T1”，如果半导体激光器11被珀耳帖元件41加热，并且如果热敏电阻器42的检测到的温度变为“T1”，则外部环境和热敏电阻器42之间的温度由实线(iii)表示。即使在这种情况下，热敏电阻器42的温度也与半导体激光器11的温度不匹配。

这里，特别地，尽管在通过珀耳帖元件41冷却半导体激光器11并且通过珀耳帖元件41加热半导体激光器11的两种情况下热敏电阻器42的检测到的温度均为“T1”，则在半导体激光器11的温度中引起误差ΔT(即，在半导体激光器11的位置上的实线(ii)和实线(iii)之间的差)。除非热敏电阻器42和半导体激光器11之间的热阻为零，否则误差ΔT将不会为零。换句话说，实际上，几乎不可能将误差ΔT设置为零。

即使目标温度(即，热敏电阻器42的检测到的温度)可以通过与LD温度控制器40相关联的温度控制环路的负反馈的影响而保持在预定值(在此为“T1”)，如果外部环境温度相对显著地改变，则半导体激光器11的温度略有变化。

在法布里-珀罗(Fabry-Perot)半导体激光器中，用于模式之间的转变的温度在几摄氏度的范围内变化，并且为了保持单模，有必要将半导体激光器11的温度变化控制为小于或者等于一个摄氏度。因此，如果外部环境温度的变化相对较大，则仅通过与LD温度控制器40相关联的温度控制环路很难适当地执行半导体激光器11的温度控制。

(平均频率)

接下来，将参考图7的(a)和图7的(b)解释平均频率fm。图7的(a)和图7的(b)是图示功率频谱的示例的示意图。

如图7的(a)中所图示，当在待测量的目标内部流动的血液具有相对较低的流速时的功率频谱P1(f)被集中到相对较低的频率。因此，当流速相对较低时，平均频率为“f1”，其相对较低。另一方面，在待测量的目标内部流动的血液具有相对较高的流速时的功率频谱P2(f)被集中到相对较高的频率。因此，当流速相对较高时，平均频率为“f2”，其相对较高。

图7的(b)图示当在待测量的目标内部流动的血液具有恒定流速而半导体激光器11的振荡模式改变时的功率频谱的示例。当半导体激光器11以单模振荡时功率频谱P1(f)的平均频率为“f1”。

另一方面，当半导体激光器11以多模振荡时的功率频谱P1M(f)具有比功率频谱P1(f)更少的低频分量和更多的高频分量。这是因为光学拍频信号的幅度由于在多模下光的干扰的减小而减小。特别地，认为高频分量的增加与由模式跳变引起的脉冲噪声相关联。结果，功率频谱P1M(f)的平均频率为“f1M”。

如图7的(a)中所示，平均频率随着流速的增加而增加。因此，当半导体激光器11以多模振荡时，即使流速相同，与半导体激光器11以单模振荡时相比也会错误地估计更高的流速。

如果外部环境温度的变化相对较大，则仅由LD温度控制器40很难适当地执行半导体激光器11的温度控制，并且由于模式跳变而可能错误地估计流速。

(温度和平均频率之间的关系)

图8图示热敏电阻器42的检测到的温度(≒半导体激光器11的温度)与平均频率之间的关系的示例。如图8中所示，当热敏电阻器42的检测到的温度改变时，半导体激光器11的振荡模式也交替地且重复地在单模和多模之间改变。当半导体激光器11的振荡模式为单模时，流速不变并且平均频率也不变(具体地，当流速相对较低时，平均频率为“f1”，并且当流速相对较高，平均频率为“f2”)。另一方面，当半导体激光器11的振荡模式为多模时，即使流速不改变，平均频率也会不规则地改变。

除了与LD温度控制器40相关联的温度控制环路之外，半导体激光器11的温度还由于半导体激光器11中生成的热量而改变。这里，半导体激光器11的热量或数量根据供应给半导体激光器11的幅度或驱动电流而变化。

当半导体激光器11的振荡模式在图8的区间A中为多模时，如果通过减少供应给半导体激光器11的驱动电流来防止半导体激光器11的发热，则半导体激光器11的温度降低，并且振荡模式可以从多模改变为单模。以相同的方式，当半导体激光器11的振荡模式在图8的B区间中为多模时，如果通过增加供应给半导体激光器11的驱动电流来增加半导体激光器11中生成的热量，则半导体激光器11的温度升高，并且振荡模式可以从多模改变为单模。

考虑到这一点，本发明人已经适当地控制供应给半导体激光器11的驱动电流，从而将振荡模式从多模转换为单模，使得防止流速的错误检测。具体地，光学测量装置100被如下配置。

(驱动器电流搜索环路)

光学测量装置100还被设置有干扰生成器31、同步检测器32、相位补偿器33、基准电流单元34、减法器35和加法器36(参考图1)。

干扰生成器31被配置成生成干扰信号。干扰信号可以例如是，如图10中所图示，具有振幅为±1、重复周期为T以及脉冲占空比为50％的矩形波。干扰信号的重复周期T可以被设置为比能够获得频率分析器25上的FFT所需的n个点的数据的时间的两倍长的时间。原因是在光学测量装置100上执行调节设置，使得可以在干扰信号的半个周期中根据至少一个或者多个FFT结果来计算平均频率fm。

将参考图9解释同步检测器32的具体示例。图9是图示根据第一实施例的同步检测器32的示例的概念图。

在图9中，同步检测器32被设置有乘法器和低通滤波器(LPF)。由平均频率计算器26计算出的平均频率fm是乘法器的输入端子。由干扰生成器31生成的干扰信号被输入到乘法器的另一个输入端子。乘法器被配置成将平均频率fm和干扰信号相乘，从而计算两者之间的相位差。换句话说，乘法器可以用作相位比较器。通过LPF对乘法器的输出求平均，并且输出检测到的信号(参考图10)。

相位补偿器33被配置成对从同步检测器32输出的检测到的信号执行预定的相位补偿控制。相位补偿器33的输出被输入到减法器35的输入端子。从基准电流单元34将基准电流输入到减法器35的输出。减法器35被配置成输出通过将基于基准电流减去相位补偿器33的输出而获得的值作为误差信号。

误差信号被输入到加法器36的输入端子。干扰信号被输入到加法器36的另一个输入端子。加法器36被配置成通过将干扰信号与误差信号相加来生成LD电流命令。由于添加干扰信号，所以LD电流命令与干扰信号同步地进行微振动(摆动)(参考图10)。

接下来，将参考图10解释如在图8中的区间A和B(即，在多模下)中检测到的信号。图10是图示干扰信号、LD电流命令、平均频率、乘法器输出和检测到的信号中的每一个的示例的示意图。

在图8的A区间中，随着热敏电阻器42的检测到的温度(换言之，半导体激光器11的驱动电流)变得越高，平均频率也变得越高。换句话说，在区间A中，平均频率的斜率(即，导数)为“正”。另一方面，在区间B中，随着热敏电阻器42的检测到的温度变得越高，平均频率也变得越低。换句话说，在区间B中，平均频率的斜率是“负”。

这里，如上所述，LD电流命令与干扰信号同步进行微振动。因此，供应给半导体激光器11的驱动电流也与干扰信号同步进行微振动。结果，由平均频率计算器26计算出的平均频率fm也与干扰信号同步进行微振动。

在图8的A区间中，因为平均频率的斜率是“正”，所以由平均频率计算器26计算出的平均频率fm的微振动与干扰信号同相(参考图10中的平均频率fm的“同相”(A区间))。因此，同步检测器32的乘法器的输出为正。因此，通过同步检测器32的LPF的积分的作用，检测到的信号增加。

另一方面，在区间B中，因为平均频率的斜率是“负”，所以由平均频率计算器26计算出的平均频率fm的微振动与干扰信号反相(参考图10中的平均频率fm的“反相(区间B))。因此，同步检测器32的乘法器的输出为负。因此，检测到的信号降低。

如上所述，在减法器35上，从参考电流中减去相位补偿器33的输出，并且输出误差信号。在区间A中，随着检测到的信号增加，反映检测到的信号的相位补偿器33的输出也增加。结果，误差信号降低。然后，LD电流命令也减小，并且供应给半导体激光器11的驱动电流也减小。如果半导体激光器11的温度由于驱动电流的减小而降低，则半导体激光器11的振荡模式从多模(区间A)转移到单模(在图8中的左侧上的与区间A相邻的区间)。

以相同的方式，在区间B中，因为检测到的信号减小，所以相位补偿器33的输出也减小。结果，误差信号增加。然后，LD电流命令也增加，并且供应给半导体激光器11的驱动电流也增加。如果半导体激光器11的温度由于驱动电流的增加而升高，则半导体激光器11的振荡模式从多模(区间B)转移到单模(在图8中的右侧上的与区间B相邻的区间)。

如上所述，在光学测量装置100上，干扰生成器31、同步检测器32、相位补偿器33、减法器35、加法器36和平均频率计算器26等形成驱动电流搜索环路。通过该驱动电流搜索环路，适当地设置供应给半导体激光器11的驱动电流。

这里，将参考图11的(a)和图11的(b)解释光学测量装置100的操作中的驱动电流和平均频率中的每一个的具体示例。

假设在图11的(a)的时间点t0处，供应给半导体激光器11的驱动电流为“i2-Δi”，并且平均频率为“f2+Δf”。在这种情况下，如图11的(b)中所示，半导体激光器11的振荡模式是多模。

在图11的(a)的时间点t1处，如果驱动电流搜索环路由用于整体控制光学测量装置100的CPU(未被图示)接通，则驱动电流与干扰信号(由于图11的(a)中的比例以粗线图示)同步地进行微振动。

如图11的(a)中所图示，在驱动电流搜索环路的负反馈的作用下，驱动电流从时间点t1开始逐渐增加，并且最终收敛于“i2”(其中被认为在时间点t2处于稳态)。此时，平均频率从时间点t1开始逐渐降低，并最终收敛于“f2”。

如图11的(b)中所图示，当驱动电流为“i2”时，半导体激光器11的振荡模式为单模。因此，可以说平均频率“f2”是适当的值。

(驱动电流搜索环路和温度控制环路之间的关系)

别无选择，只能由LD温度控制器40(参考图5)在等于或小于1Hz的频带中设计温度控制环路的频率。这是因为由热敏电阻器42检测到的温度由于组成温度控制环路的构件的热容量而不会瞬时改变(即，时间响应性低)。

另一方面，可以将驱动电流搜索环路中的干扰信号的频率设置为例如在等于或大于50Hz的频带中。这是因为由于驱动电流的变化，相对容易地局部改变半导体激光器11的温度(即，时间响应性高)。

因此，可以认为通过驱动电流搜索环路对半导体激光器11的温度的局部变化不影响温度控制环路。换句话说，认为驱动电流搜索环路不干扰温度控制环路。

(效果)

根据光学测量装置100，即使半导体激光器11的振荡模式是不适用于测量在待测量的目标内流动的血液的流速的多模，也可以通过上述驱动电流搜索环路而将振荡模式转换为对于测量流速是优选的单模。因此，根据光学测量装置100，可以防止从半导体激光器11发射的激光的特性变化，并且可以适当地测量流速。

注意，根据第一实施例的驱动电流搜索环路旨在将半导体激光器11的振荡模式维持在单模，而不旨在将从半导体激光器11发射的激光的波长维持在预定值处。

存在从半导体激光器11发射的激光的波长可能由于供应给半导体激光器11的驱动电流的改变而改变的可能性；但是，例如，如图11的(b)中所图示，只要维持单模，就可以获得合适的平均频率，并且因此可以适当地测量流速。

<第一修改示例>

作为在运送产品之前或在通过光学测量装置100进行测量之前的调节，可以在通过LD温度控制器40改变半导体11的温度的同时通过光学测量装置100测量以指定速度流动的指定散射流体，并且可以获得热敏电阻器42的检测到的温度和平均频率之间的关系，例如，如图8中所图示，然后，光学测量装置100可以被配置成基于所获得的关系来设置与LD温度控制器40相关联的目标温度的初始值，使得半导体11的振荡模式为单模。

借助于这种配置，例如，即使外部环境温度从设计光学测量装置100时的温度(例如，常温)移位，或者即使由于半导体激光器11的老化或长期变化等对温度的激光振荡特性变化，可以适当地设置与LD温度控制器40相关联的目标温度的初始值。

另外，如果适当地设定与LD温度控制器40相关联的目标温度的初始值，则可以防止驱动电流在驱动电流搜索环路中变得过高或过低。结果，可以防止由于过高的驱动电流而减小半导体激光器11的元件寿命，并且由于过低的驱动电流而减小信噪比并且测量结果的误差增大。

<第二修改示例>

同步检测器32的具体配置不限于图9中所图示的配置，但是也可以是例如图12中所图示的配置。

在组成作为测量目标的人工透析装置的血液环路的导管中流动的血液通过导管泵(例如，用滚轴牵引导管并且对导管中的血液进行加压的泵)等传输。因此，流速具有与导管泵的滚轴的转数相对应的脉动分量。为了使脉动分量的频率低于干扰信号的频率，预先设置干扰信号的频率。

如图12中所图示，通过在同步检测器32的乘法器之后提供具有例如图13中图示的频率特性的高通滤波器(HPF)，能够减少通过脉动分量引起的噪声分量。结果，能够改进检测到的信号的信噪比。

如图13中所图示，通过将干扰信号的频率fwb设置为高于HPF的截止频率fhp，可以在同步检测器32上相对有效地检测与干扰信号同步变化的信号分量。

<第二实施例>

将参考图14解释根据本发明的第二实施例的光学测量装置。除了配置的一部分不同之外，第二实施例与上述第一实施例相同。因此，在第二实施例中，将省略与第一实施例中相同的解释，并且在附图中相同的附图标记将携带相同的部分。参考图14，仅对基本不同的点进行解释。

(光学测量装置的配置)

在图14中，光学测量装置200被设置有LPF放大器51、返回光量确定器52、增益选择器53、保持器54、BPF 55、指定时间生成器56、后监视器光电检测器(PD)61、IV转换器62和发射光确定器63。

从平均频率计算器26输出的平均频率fm被输入到BPF 55。BPF 55的低频侧的截止频率可以是例如图13中所图示的频率hfp。将BPF 55的高频侧的截止频率设置为高于干扰信号的频率。

LPF放大器51被配置成切断包括在从I-V转换器22输出的电压信号中的高频分量，并且放大其余部分。从LPF放大器51输出的DC信号被输入到返回光量确定器52。

这里，当在待测量的目标内流动的流体不包括或几乎不包括散射光时，返回到光接收元件21的返回光的级别(或光量)降低，其中光接收元件21被放置以主要接收反射光，该反射光是反向散射光。结果，从I-V转换器22输出的检测电压降低，并且从LPF放大器51输出的DC信号的电平也降低。

返回光量确定器52被配置成确定流体不包括或几乎不包括散射体，并且被配置成当DC信号的电平相对较低时输出允许驱动电流搜索环路处于断开状态的环路断开/闭合信号。另一方面，返回光量确定器52被配置成确定流体包括散射体，并且被配置成在DC信号的电平相对高时输出允许驱动电流搜索环路处于闭合状态的环路断开/闭合信号。

环路断开/闭合信号被输入到保持器54。当允许闭合状态的环路断开/闭合信号被输入到保持器54时，根据检测到的信号的变化而改变的LD电流命令从保持器54输出，如在上述第一实施例中那样。另一方面，当允许断开状态的环路断开/关闭信号被输入到保持器54时，就在从闭合状态转变到断开状态之前的LD电流命令被保持在其中输入允许断开状态的环路断开/闭合信号的时段中。

后监视器PD 61被配置成检测从半导体激光器11发射的光的光量，并输出与该光量相对应的检测到的电流。I-V转换器62被配置成将从后监视器PD 61输出的检测到的电流转换为电压信号(参考图14中的“后监视器信号”)。从I-V转换器62输出的后监视器信号被输入到发射光确定器63。

当后监视器信号的电平相对较高时(即，当从半导体激光器11发射的光的功率相对较高时)，或当后监视器信号的电平显著低时(即，当由于驱动电流过低导致光的功率降低时，信噪比降低，并且测量结果的误差增大)，发射光确定器63被配置成输出指示限制状态的电流限制信号。另一方面，当后监视器信号的电平不是如上所述并且优选用于测量流速时(例如，当从半导体激光器11发射的光的功率优选用于流速的测量时)，发射光确定器63被配置成输出指示正常状态的电流限制信号。

电流限制信号被输入到保持器54。当指示正常状态的电流限制信号被输入到保持器54时，根据检测到的信号的变化而改变的LD电流命令从保持器4输出，如在上述第一实施例中那样。另一方面，当将指示限制状态的电流限制信号输入到保持器54时，就在从正常状态转变到限制状态之前的LD电流命令被保持在其中输入指示限制状态的电流限制信号的时段。

指定时间生成器56被配置成当从用于整体地控制光学测量装置200的CPU(未被图示)接收到当前搜索命令时将指示指定时间的信号发送到增益选择器53。已经接收到指示指定时间的信号的增益选择器53被配置成选择比正常情况下高了指定时间的增益。

(技术效果)

1.当流体不包括散射体时

当在待测量的目标内流动的流体不包括散射体或几乎不包括散射体时，不能获得光学拍频信号，并且因此，不能获得与流体的流量相对应的平均频率fm。此时，如果驱动电流搜索环路被接通，则平均频率fm改变，而不管半导体激光器11的振荡模式是单模或者多模。这可能会导致LD电流命令单方面增加或降低的现象。换句话说，可能会引起驱动电流单方面增加或降低的现象。

在第二实施例中，当从LPF放大器51输出的DC信号的电平相对较低时，返回光量确定器52可以输出允许驱动电流搜索环路处于断开状态的环路断开/闭合信号。结果，就在从闭合状态转变到断开状态之前的LD电流命令被保持在将允许断开状态的环路断开/闭合信号输入到保持器54的时间段中。

此外，当从I-V转换器62输出的后监视器信号的电平相对较高时，或者当后监视器信号的电平显著较低时，发射光确定器63可以输出指示限制状态的电流限制信号。从正常状态转变到限制状态之前的LD电流命令被保持在输入指示限制状态的电流限制信号的时间段中。

借助于这样的配置，可以防止LD电流命令和驱动电流单方面增大或降低的现象。因此，可以稳定地操作驱动电流搜索环路。另外，可以防止半导体激光器11的劣化。

2.减少驱动电流搜索所需的时间

例如，如果在图11的(a)的时间点t0处的驱动电流“i2-Δi”与在稳态下的驱动电流“i2”相对显著地分离，则达到稳态所需的时间相对较长。

当通过增益选择器53选择比正常情况下高出了指定时间的增益时，干扰信号的幅度相对较大。那么，输入到同步检测器32的平均频率fm的变化分量也相对较大。结果，检测到的信号的幅度也增加。该动作增加驱动电流搜索环路的环路增益。因此，改善瞬态特性(具体地说，减少设置时间)，并且减少达到稳态所需的时间。

因此，可以将半导体激光器11的振荡模式为多模的时间段设置为相对较短，并且可以在较短的时间内将振荡模式从多模转换为单模。

另外，可以通过在指定时间内限制高增益状态来减小促进驱动电流的波动状态的可能性。结果，可以稳定地操作驱动电流搜索环路。

<修改示例>

除了光接收元件21之外，还可以提供用于生成输入到返回光量确定器52的DC信号的光接收元件。该光接收元件期望具有相对大的检测区域。借助于这种配置，从光接收元件输出的检测到的电流增加，并且可以改善DC信号的信噪比。

另外，如果将光接收元件21的静电电容设置为相对较小并且将检测区域设置为相对较小，则能够增加光学测量装置100的可检测流速上限。

本发明不限于前述实施例和示例，而是在不脱离可以从权利要求和整个说明书中理解的本发明的实质或精神的情况下可以根据需要做出各种改变。涉及这种改变的光学测量装置、光学测量方法、计算机程序和记录介质也意图在本发明的技术范围内。

参考数字和字母的描述

11 半导体激光器

12 激光驱动单元

21 光接收元件

22、62 I-V转换器

23 BPF放大器

24 A/D转换器

25 频率分析器

26 平均频率计算器

27 流速估计器

31 干扰生成器

32 同步检测器

33、46 相位补偿器

34 参考电流单元

35、45 减法器

36 加法器

40 LD温度控制器

41 珀耳帖元件

42 热敏电阻器

43 目标温度生成器

44 电压检测器

47 驱动电路

51 LPF放大器

52 返回光量测定器

53 增益选择器

54 保持器

55 BPF

61 后监视器PD

63 发射光确定器

Claims (11)

1.一种光学测量装置，包括：

光源，所述光源被配置成利用光照射流体在其中流动的测量目标，且所述光源是半导体激光器；

光接收器，所述光接收器被配置成接收来自所述测量目标的照射光的散射光，并且被配置成输出与所述散射光的强度相对应的光接收信号；

干扰生成器，所述干扰生成器被配置成生成用于使被供应给所述光源的驱动电流波动的干扰信号；以及

调节器，所述调节器被配置成基于在基于所述光接收信号生成的信号和所述干扰信号之间的比较结果来调节所述驱动电流。

2.根据权利要求1所述的光学测量装置，其中，基于所述光接收信号生成的所述信号是指示频率信息的信号，所述频率信息通过对拍频信号执行频率分析而获得，所述拍频信号被包括在所述光接收信号中并且由所述照射光的多普勒频移引起。

3.根据权利要求2所述的光学测量装置，其中，指示所述频率信息的所述信号在通过用于选择性地通过预定频带的频率分量的频率滤波器之后与所述干扰信号进行比较，所述预定频带包括与所述干扰信号相关联的频率。

4.根据权利要求1所述的光学测量装置，其中，

所述流体通过泵传输，并且

与所述干扰信号相关联的频率高于由所述泵引起的所述流体的脉动频率。

5.根据权利要求1所述的光学测量装置，其中，

所述调节器被配置成基于所述比较结果来调节所述驱动电流，使得所述半导体激光器以单模振荡。

6.根据权利要求1所述的光学测量装置，包括：

温度控制器，所述温度控制器被配置成控制所述光源的温度；和

温度设置设备，所述温度设置设备(i)被配置成在控制所述温度控制器以改变所述光源的所述温度的同时获得所述光源的所述温度与从所述光源发射的所述光的干扰之间的关系，并且(ii)被配置成在对所述测量目标的测量之前，基于获得的所述关系来设置与所述温度控制器相关联的目标温度。

7.根据权利要求1所述的光学测量装置，包括：

第一确定器，所述第一确定器被配置成基于所述光接收信号来确定所述流体是否包括散射体；和

第一光源控制器，所述第一光源控制器被配置成基于所述第一确定器的确定结果，来控制从所述光源发射的所述光的功率。

8.根据权利要求1所述的光学测量装置，包括：

光量监视器，所述光量监视器被配置成检测从所述光源发射的所述光的功率；

第二确定器，所述第二确定器被配置成确定检测到的所述功率是否在预定范围内；以及

第二光源控制器，所述第二光源控制器被配置成基于所述第二确定器的确定结果，来控制从所述光源发射的所述光的所述功率。

9.根据权利要求1所述的光学测量装置，包括：增益选择器，所述增益选择器被配置成改变由所述干扰生成器生成的所述干扰信号的幅度。

10.一种光学测量装置中的光学测量方法，所述光学测量装置包括：光源，所述光源被配置成利用光照射流体在其中流动的测量目标，且所述光源是半导体激光器；和光接收器，所述光接收器被配置成接收来自所述测量目标的照射光的散射光，并且被配置成输出与所述散射光的强度相对应的光接收信号，所述光学测量方法包括：

生成用于使被供应给所述光源的驱动电流波动的干扰信号的过程；和

基于在基于所述光接收信号生成的信号和所述干扰信号之间的比较结果，来调节所述驱动电流的过程。

11.一种非暂时性有形记录介质，在所述非暂时性有形记录介质上记录计算机程序，

其中，所述计算机程序用于使在光学测量装置中设置的计算机用作干扰生成器和调节器，所述光学测量装置包括：光源，所述光源被配置成利用光照射流体在其中流动的测量目标，且所述光源是半导体激光器；和光接收器，所述光接收器被配置成接收来自所述测量目标的照射光的散射光并且被配置成输出与所述散射光的强度相对应的光接收信号：

所述干扰生成器被配置成生成用于使被供应给所述光源的驱动电流波动的干扰信号；和

所述调节器被配置成基于在基于所述光接收信号生成的信号和所述干扰信号之间的比较结果来调节所述驱动电流。

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