JPS63308596A - 時定数に関連する値の測定装置及びその方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は、測定に関するものであシ、とシわけ、指数関
数減衰時定数及びそれから導き出されるパラメータを測
定するための測定方式に関するものである。本発明には
多くの用途があるが、特に、例えば、叶い光の消光（ｑ
ｕｅｎｃｈｉｎｇ　）に基づく血液中の酸素濃度測定に
用いられる。

〔従来技術およびその問題点〕

例えば血液のような各種溶液中の酸素濃度は、叶い光減
衰時定数を求めることによって測定することが可能であ
る。適当に保護されたけい光染料は、試料溶液の中に溶
かすことができる。適当な波長の光を用いて溶けた色素
を刺激する（　ｓｔｉｍｕｌａｔｅ　）と、叶い光を発
生し始める。刺激を急に中止しても、叶い光のほうは、
すぐには終結せず、減衰指数関数に従って減衰していく
。

こうした色素を加えた試料溶液中では、叶い光は、酸素
の存在によシ、叶い光の強度と持続時間が酸素濃度の関
数として減少していくように弱まる。理論的には、酸素
濃度は、強度と持続時間のいずれの関数としても測定す
ることができる。しかし、強度は、温度、刺激の強度、
光−機械的結合、ファイバーの曲げ損失といった系の多
数の変数によって変動するため、取扱いが困難である。

けい光減衰は、指数関数的に特徴付けることができるの
で、こうしたゆい光減衰の指数関数時定数τは、振幅に
無関係な酸素濃度の尺度として用いることができる。試
料についての時定数は、色素を加えた試料を刺激発光さ
せ、次に、急に刺激を停止し、それから、強度が１　／
　ｅ、約６３％減少するのに要した時間間隔を求めるこ
とによって、直接求めることができる。同様に、固定時
間間隔における変化率を用いて時定数を求めることもで
きる。至る所に存在するノイズのため、こうした直接的
方法では、多数の測定について平均化を行なわない限り
、あまり精密な結果は得られない。

従りて、通常、ワンショットではなく、周期的な刺激を
用いるのが望ましい。

例えば、パルス法の場合、試料はパルス列で刺激されて
周期的に応答信号を発生する。刺激に関する応答の平均
遅延は、酸素濃度の尺度として用いられる。パルス法の
主たる欠点の１つは、シャープな形状の刺激パルスを発
生するのが困難という点である。一般に利用できる光源
は、持続時間が数ナノ秒のパルスを発生するが、これで
も、しばしば、叶い光の寿命のかなりの部分を占めるこ
とになる。

反復たたみこみ（１ｔｅｒａｔｉｖｅ　ｃｏｎｖｏｌｕ
ｔｉｏｎ　）を利用して、指数関数減衰からパルス持続
時間が長いための影響を区分けすることができるが、こ
れには、パルス形状を極めて慎重に制御する必要がある
。反復たたみ込みに関する計算は、高い周波数で刺激信
号を繰返すことによシ減衰同志がオーバーラツプする場
合には、さらに複雑さが増す。

他の解決策は、パルス幅がピコ秒単位のレーザを用いる
ことであるが、こうしたレーザは、コストや技術的問題
から広く用いることはできない。

パルス法の欠点のいくつかをまねかれるのに、位相シフ
ト法を用いることも可能である。位相シフト法の一般的
な適用例では、正弦波変調が施された光を使って試料の
刺激が行なわれる。この場合の出力は、勅欺正弦波と系
の指数関数のたたみこみであり、やはシ正弦波ではある
が、位相がシフトされている。従って、時定数は、やは
シ、刺激信号に対する応答信号の位相から間接的に求め
ることができる。位相は各種の位相検出器を利用すれば
簡単に求めることができる。

位相シフト法には、いくつかの長所がある。サブナノ秒
もの短い時定数でさえ容易に測定可能である。またデー
タ収集が比較的迅速であるが、このことは一般に好都合
であり、求めたりパラメータが急激に変化し得る場合に
は欠くことができな〜１゜ 位相シフト法のもう１つの重要な長所は、多重時定数が
互いに重畳する可能性のあるさらに複雑な試料解析にも
容易念適合するということである。

理論的には、位相シフト法を用いると、混合物内にある
各ゆい光源の個々の時定数を直接記録することが可能で
ある。

位相シフトの手法には、まだ２つの重大な欠点が残って
いる。第１に、位相測定を極めて高い精度で行なうのが
困難な場合がある。位相検出器は振幅の影響に鋭敏な場
合があるので、読取シ値のひずみを防ぐのが困難である
。

第２に、位相シフト法を行なうシステムの感度が、一般
に、位相シフト量の関数として変動する。

すなわち、狭い位相範囲からはずれると、８Ｎ比は達成
できる最良値よりも悪化する。

システムによっては、刺激信号用の多重周波数のための
構成を設けているものもある。これによって、最適位相
範囲を用いて検出できる試料特性の範囲が増すことにな
る。しかし、代替周波数の選択は、ユーザにとって不便
であり、おそらく、所望の測定が可能になるまで無用な
一連の測定が行なわれるに違いない。そのようなことを
行なっているうちに試料パラメータが変化するかもしれ
ないので、その妥当性がそこなわれる。さらに、この手
法でも、やはり最適感度が連続して得られない。

この感度の制限は、刺激強度または試料の応答性があま
り強くないことにより所望の信号がノイズに近い大きさ
であるシステムにとっては、極めて重大になシ得る。こ
うした場合、測定器の最大感度範囲をはずれると、有効
な測定を行なうことができなくなることがある。従って
、位相シフト・システムでは、連続した広い範囲にわた
って有効な測定を行なうことはできないであろう。

酸素測定に加え、指数関数減衰を含む広範囲の応用対象
に適用される利用可能な方法にこうした欠点があるから
には、必要なのは指数関数減衰時定数を求めるための改
良された測定方式である。

〔発明の目的〕

本発明は、使い勝手がよく、広い、連続した測定範囲に
わたって最適感度が得られる測定方式を与えることを目
的とする。また、これは使いやすくかつ、正確な読みを
与えることが可能になっていることが望ましい。

〔発明の概妥〕

本発明の一実施例によれば、指数関数減衰時定数は、オ
フセント位相ロック・ループ（ｏｆｆｓｅｔ−ｐｈａｓ
ｅ　１ｏｃｋｅｄ　１ｏｏｐ　）で、はぼ最適な感度が
得られる刺激一応答位相角を強制的に生じさせる刺激信
号の周波数の関数として求められる。これを実現する測
定システムには、試料インタフェース、オフセット位相
ロック・ループ、周波数カウンタ、周波数カウンタの出
力から求めたいパラメータ値を導き出すための計算器を
組み込むことができる。

オフセット位相ロック・ループには、位相検出器、可変
周波数発生器、及び位相シフタを組み込むことができる
。これらのコンポーネントは、さまざまな方法で設計し
、構成し、組み合わせることができる。オフセット位相
角の大きさは４０°〜６０°（両端の値を含む）になる
のが望ましい。刺激信号が正弦波の場合、約４９．３°
のオフセクト位相を用いて、感度を最適化することがで
きる。しかし、よシ発生しやすい４５°の角度で、はぼ
最適な感度を得ることも可能である。

あらかじめ決められた位相を選択することによって、は
ぼ最高の感度を維持しながら、広範囲の時定数を測定す
ることが可能になる。周波数カウンタを用いることによ
って、位相検出器がさらされる振幅の影響による妨害を
受けずに、周波数を容易かつ精密に測定することが可能
になる。本発明は、位相検出器を用いているけれども、
その出力が入力信号の振幅に関係なくゼロになる９０’
の位相差で動作する。従って、この位相検出器しま振幅
エラーを最も受けにくいポイントで動作する。

上述したことによって、改良を加えた指数関数減衰時定
数を測定する方式により、容易かつ精密な読取シと、広
範囲の時定数に対する最適感度が可能となる。本発明の
他の特徴及び長所につ℃・では、図面を参照しながら行
なわれる以下の説明の中で明らかになる。

〔発明の実施例〕

測定システム１１には、刺激／応答アセンブ１ノ１３、
オフセット位相ロック・ループ１５、及び出力プロセッ
サ１７が含まれている。刺激／応答アセンブリ１３は、
測定対象の試料を保持し、受信した刺激信号に従って試
料への照射を行な（・、その結果化じるＢ℃・光を応答
信号に変換するように設計されている。オフセット位相
ロック−ル−プ１５は、刺激信号の周波数を制御して、
応答信号と刺激信号間における位相角がシステムの感度
を最適化するためあらかじめ選択された位相角になるよ
うにする設計が施されている。出力プロセッサ１７は、
刺激信号の周波数を求めて、その求めた周波数を求めら
れているパラメータの測定値に変換するように設計され
ている。

ここにおける刺激／応答アセンブリ１３の主な特性は、
周期的刺激信号に対する周期的応答信号を発生し、刺激
信号と応答信号の相対位相が周波数の関数になるように
する能力にある。図示した刺激／応答アセンブリ１３に
は、試料を照射するようになっている光源と、けい光染
料を混合した試料からのけい光を検出するようになワて
いるフォトダイオードが含まれている。さらに、信号を
強めるだめの増幅器と、刺激信号と応答信号を分離する
ためのフィルタも設けられている。

オフセント位相ロック・ループ１５には、位相検出器１
９と多重位相電圧制御発振器２Ｊが含まれている。位相
検出器１９には、ミクサ２３と低域フィルタ２５が含ま
れている。ミクサ２３には、２つの入力が設けられてお
シ、一方は応答信号を受け、もう一方は基準信号を受け
るようになっている。交流増幅器２７は、ミクシングの
前に応答信号を増幅するのに用いられＳ、低域フィルタ
２５は、ミクサ２３における位相差を反映した基本的に
は直流の電圧レベルを生じるものである。

直流増幅器２９は、オフセット位相ロック・ループ１５
の安定度と捕捉速度のバランスおよびその精度と範囲の
バランスを適正にとるような利得を与えるために用いら
れる。増幅された直流信号は、多重位相電圧制御発振器
２１によって発生される信号の周波数制御に用いられる
。

多重位相電圧制御発振器２１は、同一周波数だがあらか
じめ決められた量だけ位相が異なる多重信号を出力する
ように設計されている。図示の多重位相電圧制御発振器
２１は、刺激／応答アセンブリ１３に刺激信号を与え、
位相検出器のミクサ２３には基準信号を与えるようにな
っている。

ミクサ２３への基準信号は、位相検出器に対する一般的
な直角位相入力に必要な９００と、最適化オフセット位
相角を考慮した角度だけ、刺激信号から位相シフトされ
る。交流増幅器２７によって導入される位相シフトやシ
ステムによる他の偏移といった他のシステムの考慮すべ
き問題によって、刺激信号と基準信号との相対位相を与
える際に他の項が加わることがある。基本的には、基準
信号の位相は、オフセット位相ロック・ループ１５が所
望のオフセット位相角でロックするように選択される。

図示した実施例の場合、刺激信号は正弦波であシ、これ
に応じて、応答信号もほぼ正弦波であム正弦応答のＳ／
Ｎ比は、応答信号が刺激信号に対し約４９，３°遅れる
時、最適になる。図示した実施例の場合、フルサイクル
の整数分の１で動作させるほうが都合がよく、最適に近
い感度を得るため、−４５°のオフセット角が用いられ
る。オフセット角の負の符号は、以下では応答信号が、
刺激信号よシ遅れることを示す。

この測定システムの変型例では応答信号は正弦波以外の
ものになる。非正弦応答信号は、例えば方形波のような
非正弦波刺激信号の結果であることも、あるいは、試料
特性の結果であることも、あるいは、他の刺激／応答ア
センブリのコンポーネントのためであることも、あるい
は、その２つの要素の組合せによることもあシ得る。応
答信号が非正弦波の場合、最適角度が−４９゜３°から
少しずれることがある。従って、望ましいオフセット角
は、約−６０°〜−４０’の範囲で変動し得る。

測定システムの出力プロセッサ１７には、周波数カウン
タ３１と計算器３３が含まれている。周波数カウンタ３
１は、それに対して入力された刺激信号の周波数をデジ
タル表示する。計算器３３は、デジタル周波数カウント
を受ける構成になっておシ、酸素濃度や減衰時間それ自
体のような所望のシステム出力を計算し、読み取るよう
にプログラムされている。

本発明によって得られる第２図に示した別の測定システ
ム４１の場合、刺激／応答アセンブリ４３、オフセット
位相ロック・ループ４５、及び出力プロセッサ４７から
構成されている。オフセット位相ロック・ループ４５か
ら与えられる刺激信号に応答して応答信号を送シ出す刺
激／応答アセンブリ４３と、周波数カウンタ４９及び計
算器５１を備えた出力プロセッサ４７は、第１図中の実
施例の対応するコンポーネントとほぼ同一のものである
。また、増幅器５５は位相検出器において発生した混変
調及び相互変調積によって生成されるノイズを軽減させ
るように狭帯域幅とすることができる。

第２図の測定システム４１の場合、オフセット位相ロッ
ク・ループ４５は、交流増幅器及び位相検出に先立って
応答信号を固定低周波信号へダウン・コンバージョンし
ている。このようなダウン・コンバージョンの長所は、
交流増幅によって導入される周波数に関連した位相シフ
トがあってもかまわないようにすることも、この位相シ
フト自体を処置することも、あるいは、これを回避する
ための別の設計をすることも必要でないという点である
。

ダウン・コンバージョンは、刺激／応答アセンブリ４３
から応答信号を受けるようになっている応答信号入力と
、ダウン・コンバージョンするための信号を受けるよう
になっている基準信号入力を備えた１変換”ミクサ５３
によって行なわれる。

ダウン・コンバージョンするための信号の周波数は、応
答信号の周波数に以下で説明するように与えられる固定
低周波数のオフセントを加えたものに等しい。この変換
ミクサ５３によって発生するダウン・コンバージョンさ
れた信号は、固定周波数の信号であシ、その位相には応
答信号の位相情報が保存されている。

ダウン・コンバージョンされた信号は交流増幅器５５で
増幅されて、増幅された応答信号が送り出される。この
交流増幅器５５の設計次第で、位相シフトが導入された
シされなかったシする。しかし、増幅信号は周波数が固
定のため、周波数変動で生じる位相シフトは問題にな□
らない。

このようにして出力された増幅ずみの位相検出対象信号
は、次に゛位相検出”ミクサ５７において位相シフト基
準信号と混合され、位相検出信号が発生する。位相シフ
ト基準信号の周波数は、増幅された上でここに与えられ
る信号の周波数と同じである。位相シフト基準信号の位
相は刺激信号と応答信号の間で所望のオフセット位相角
が得られると位相検出ミクサ５７の平均電圧出力がゼロ
ボルトになるように、交流増幅器５５から与えられる入
力信号から９０°移相するよう選択される。

直流増幅器を含んでいるかもしれない低域フィルタ５９
が位相検出信号をフィルタリングし、実質的に直流の出
力を発生する。図示の実施例の場合、低域フィルタ５９
の帯域幅は、オフセット位相ロック・ループ４５の高安
定性と、信号応答が微弱であシ従ってノイズが多い場合
にシステム精度を高くするため行なわれるかなシの回数
の平均化に備えて、約０．１　Ｈｚになっている。

低域フィルタ５９から出力される直流位相検出信号は、
電圧制御発振器６１の制御に用いられる。

この電圧制御発振器６１の出力は周期的刺激信号となり
、３つの目的に利用される。第１に、この刺激信号は、
刺激／応答アセンブリ４３の駆動を行なう。第２に、こ
の刺激信号は所望の測定値を求めるため用いられる周波
数カウンタ４９に加えられる。第３に、この刺激信号は
単側波帯発生器６３に入力される。

この単側波帯発生器６３には２つの入力が設けられてい
る。その一方は刺激信号を受信するよう罠なっており、
他方は多重位相固定周波数発振器６５から出力される゛
同相”基準信号を受信するようになっている。測定シス
テム４１の場合、固定周波数は１０Ｈｚである。従って
、単側波帯発生器６３の出力は刺激信号の周波数にこの
低い周波数１０Ｈｚをプラスした”同相”信号である。

この周波数加算した信号は、変換ミクサ５３で応答信号
をダウン・コンバージョンするのに用いられるダウン・
コンバージョン用の信号である。

多重位相固定周波数発振器６５もやはり位相検出ミクサ
５７に対し位相シフトされた基準信号を加える。位相シ
フトされた基準信号と同相基準信号間における位相シフ
トの程度には、３つの成分が関係する。第１の成分は位
相検出に普通用いられる９０°の直角位相の項である。

第２の項は所望の位相オフセットである。応答信号は刺
激信号よシも遅れるため、この項は一般には、−６０°
〜−４０゜になる。

第３の項は、位相検出に先立ちオフセット位相ロック・
ループ４５によって導入された位相シフトを補償する。

例えば交流増幅器５５によって付加される位相シフトは
、位相シフトされた基準信号の位相に反映されるべきで
ある。第１図の実施例の場合、この項は実験によって求
めることができる。代わυに、交流増幅器に、ダウン・
コンバージョン用の周波数において特定の位相シフトが
加えられるような設計を施すことも可能である。

図示の測定システムの場合、交流増幅器５５は１０Ｈｚ
ではさほどの位相シフトも付加しないの１この第３の項
は無視することが可能になる。

第２図の測定システム４１の場合、電圧制御発振器６１
の出力は方形波である。従って応答信号が正弦波になる
ことは期待できない。しかし、刺激／応答アセンブリ４
３の固有のフィルタ効果によって、刺激信号の比較的高
次の高調波成分の一部が失なわれることがあυ、これに
よって、理想のオフセット位相角を求める目的にはその
応答信号を正弦波信号で近似することができる。従って
発生しやすい一４５°のオフセット位相角によって、測
定システム４１の最適に近い性能が得られる。

一般に、理論上最適な位相のオフセットは、多くの変数
の関数になシ得る。これらの変数には、刺激波形、試料
または刺激／応答アセンブリの応答の非理想的性質、応
答波形自体に対する影響が含まれ得る。正弦波刺激信号
は、予想通シ、正弦波応答信号を与え、この応答信号は
単純に解析することができるので、正弦波刺激信号を利
用することができる。しかし、方形波刺激信号はもっと
簡単に発生させることができるし、また、もつとうまく
位相検出に用いることができる。

応答波形に対する影響は、意図的に与えることが可能で
ある。例えば、増幅と振幅制限を利用して、正弦波また
は他の波形から方形波を作ることができる。注意すべき
は、振幅制限によって、ある範囲のオフセット位相に対
して一貫した検出器感度を得ることができるが、これに
は、入力Ｓ／Ｎ比のしきい値未満に出力８７Ｎ比が低下
するという犠牲を払うことになる。ただし、結果的には
、Ｓ／Ｎ比を最大にするのに最適な位相オフセットは、
振幅制限によってあまシ影響を受けない。

望ましい位相オフセットは、位相オフセットを得る際の
便宜や、互いに競合する設計上の考慮事項を含めた多く
の理由から、理想のオフセントからずらすことがあシ得
る。さらに、各種コンポーネントが周波数関数として位
相シフトに影響する可能性があシ、従ってオフセット位
相角に設計上の妥協を反映させる必要がある。

さらに、本発明は、単純な指数関数減衰よりも複雑な応
答にも適用することが可能である。状況によっては、相
異なる時定数を持ついくつかの指数関数減衰が共存する
可能性もある。さらに、指数関数減衰が他の減衰関数に
重畳される可能性もある。こうした状況において、本発
明では、応答信号における１つまたは複数の指数関数の
項の識別ができる。例えば、基準位相角を順次変化させ
、その結果生じる発振器の周波数を順次解析することに
よって、２つ以上の指数関数時定数を求めることができ
る。

オフセット位相ロック・ループには、多様な設計が利用
できる。位相検出を行なう方法はさまざまであり、さま
ざまなタイプの信号発生器の利用が可能である。位相検
出と周波数発生を調整する手法は多種多様である。周波
数発生器は、電圧制御式に限定されるものではない。電
流を利用して電流制御デバイスの制御を行なうことも可
能である。デジタル位相読取９を利用して、デジタル制
御発振器を制御することも可能である。位相検出と刺激
信号発生機能の組合せはほぼ無限である。

さらに、増幅器やフィルタのような補助コンポーネント
の構成及び選択にも多様な可能性がある。

オフセット位相角の実現には、いくつかの方法でアプロ
ーチすることができる。必要な位相シフト機能は、多重
位相周波数発生器で実現するか、あるいは、位相検出器
に組込むか、あるいは、専用の位相シフタで実現するこ
とができる。

さらに、位相シフト量は、固定とすることもできるし、
あるいは、選択可能とすることもできも選択可能な位相
シフトを利用すれば、組み込まれる測定器の較正ができ
るし、またフレキシビリティを与えることにもなる。こ
れは、異なる波形の選択ができるようになっている場合
、あるいは他の変数のどれかによって理想または望まし
いオフセット位相角に影響がある場合には、特に重要で
ある。

出力プロセスは各種の方法で実施可能である。

たとえば、デジタルまたはアナログ装置のいずれかを含
むことができるし、両方を含むこともある。

周波数カウンタは周波数をデジタル表示またはアナログ
表示してよい。周波数カウンタの出力は、部分的には、
測定されている最終パラメータに基き、多種多様な方法
でプログラムすることができる。

多くの異なる刺激／応答アセンブリが使用できる。刺激
用の光源としては、発光ダイオード、半導体レーザ、ガ
スレーザまたは他のレーザ、フラッシュランプ等が可能
である。変調は光源の強さを変えるかあるいは光源から
放出されるビームにストローブ処理を施すことによって
かけることができる。

光源と試料、及び試料と検出器の結合には、直接接触、
または、真空、気体、液体、または光ファイバを含む固
体を介した光伝送を含むことができる。検出器は、シリ
コンフォトダイオード、あるいは他の多くの感光素子の
１つとすることができる。検出器の出力は、必要に応じ
て増幅可能である。

血液、有機溶剤、または、水様試料に溶は込んでいる酸
素の測定時には、各種叶い光染料を用いることができる
。こうした染料は、例えば、鉱山、他の産業上の危険域
、酸素テント等の気体相における酸素レベルを測定する
のにも利用可能である。

関係する変数が酸素濃度以外のものであれば、全く異な
る染料が使用され得る。本発明の方式屯けい光材料の識
別や、関係する試料中におけるけい光材料の濃度につい
ても適用可能である。

さらに一般的には、指数関数減衰や周波数による位相シ
フトを特徴とする他の関数に関連するプロセスによって
特徴付けられるいくつかの領域に渡って、多くのパラメ
ータの測定にも本発明を適用することができる。刺激／
応答アセンブリ、周波数発生器及びそれに組み込まれる
オフセット位相ロック・ループ、及び出力プロセッサの
性質は、全て用途の必要に応じて適合させることができ
る。

従９て、本発明は、前述の実施例も、またそれへの変更
、修正も可能とするものであシ、本発明の範囲は本願特
許請求の範囲によりてのみ制限を受ける。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば波形の遅延等の周
波数に依存した位相角変化として現れる量の測定を簡単
かつ正確に行なうことが可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は本発明に基いて構成された測定シ
ステムのブロック図である。 １３．４３　：刺激／応答アセンブリ １５．４５　：オフセット位相ロック・ループ１７．４
７：出力プロセッサ １９：位相検出器 ２１：多重位相電圧制御発振器 ２３：ミクサ ２５．５９：低域フィルタ ２７：交流増幅器 ２９：直流増幅器 ３１．４９：周波数カウンタ ３３．５１　：計算器 ５３：変換ミクサ ５５：交流増幅器 ５７二位相検出ミクサ ６１：電圧制御発振器 ６３：単側波帯発生器

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 被測定物の応答を特徴付ける指数関数的減衰の時定数に
   関連するパラメータを測定するための測定方式において
   、 前記被測定物に周期的刺激信号を与えて前記指数関数的
   減衰を周期的に生起せしめる手段と、前記周期的刺激信
   号の周波数を調整して前記周期的刺激信号と前記周期的
   な指数関数的減衰の位相差を所定値にせしめる手段と を設け、 前記所定値の位相差を与える前記周波数から前記パラメ
   ータを求めることを特徴とする測定方式。