特許 6771676 光計測装置及び方法、コンピュータプログラム並びに記録媒体

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6771676

(24)【登録日】2020年10月1日

(45)【発行日】2020年10月21日

(54)【発明の名称】光計測装置及び方法、コンピュータプログラム並びに記録媒体

(51)【国際特許分類】

   G01F 1/66 20060101AFI20201012BHJP

   G01P 5/26 20060101ALI20201012BHJP

   A61B 5/0285 20060101ALI20201012BHJP

   A61M 1/36 20060101ALI20201012BHJP

【ＦＩ】

   G01F1/66 103

   G01P5/26 A

   A61B5/0285 H

   A61M1/36 107

【請求項の数】12

【全頁数】20

(21)【出願番号】特願2019-542891(P2019-542891)

(86)(22)【出願日】2017年9月21日

(86)【国際出願番号】JP2017034095

(87)【国際公開番号】WO2019058482

(87)【国際公開日】20190328

【審査請求日】2020年3月4日

(73)【特許権者】

【識別番号】000005016

【氏名又は名称】パイオニア株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】000226242

【氏名又は名称】日機装株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100104765

【弁理士】

【氏名又は名称】江上 達夫

(74)【代理人】

【識別番号】100107331

【弁理士】

【氏名又は名称】中村 聡延

(72)【発明者】

【氏名】立石 潔

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 充

(72)【発明者】

【氏名】近藤 正

(72)【発明者】

【氏名】小野寺 渉

(72)【発明者】

【氏名】村上 智也

(72)【発明者】

【氏名】縣 麻華里

(72)【発明者】

【氏名】安達 玄紀

【審査官】 森 雅之

(56)【参考文献】

【文献】 特許第６４３３０００（ＪＰ，Ｂ２）

【文献】 特許第５８０６３９０（ＪＰ，Ｂ２）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｆ １／６６

Ａ６１Ｂ ５／０２８５

Ａ６１Ｍ １／３６

Ｇ０１Ｐ ５／２６

本件特許出願に対応する国際特許出願ＰＣＴ／ＪＰ２０１７／０３４０９５の調査結果が利用された。

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

内部に流体が流れている測定対象に光を照射する光源と、
前記照射された光の前記測定対象からの散乱光を受光して、前記散乱光の強度に応じた受光信号を出力する受光部と、
前記光源に供給される駆動電流を揺動させる外乱信号を生成する外乱生成部と、
前記受光信号に基づいて生成された信号と前記外乱信号との比較結果に基づいて前記駆動電流を調整する調整部と、
を備えることを特徴とする光計測装置。

【請求項2】

前記受光信号に基づいて生成された信号は、前記受光信号に含まれる、前記照射された光のドップラーシフトに起因するビート信号に周波数解析が施されることにより得られる周波数情報を示す信号であることを特徴とする請求項１に記載の光計測装置。

【請求項3】

前記周波数情報を示す信号は、前記外乱信号に係る周波数を含む所定周波数帯域の周波数成分を選択的に通過させるフィルタに通された後に、前記外乱信号と比較されることを特徴とする請求項２に記載の光計測装置。

【請求項4】

前記流体はポンプにより移送されており、
前記外乱信号に係る周波数は、前記ポンプに起因する前記流体の脈動周波数よりも高い
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の光計測装置。

【請求項5】

前記光源は半導体レーザであり、
前記調整部は、前記半導体レーザがシングルモードで発振するように、前記比較結果に基づいて前記駆動電流を調整する
ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の光計測装置。

【請求項6】

前記光源の温度を制御する温度制御部と、
前記測定対象の測定に先立ち、（ｉ）前記光源の温度を変化させるように前記温度制御部を制御しつつ、前記光源の温度と前記光源から出射される光の干渉性との関係を取得し、（ｉｉ）前記取得された関係に基づいて、前記温度制御部に係る目標温度を設定する温度設定部と、
を備えることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の光計測装置。

【請求項7】

前記受光信号に基づいて前記流体が散乱体を含むか否かを判定する第１判定手段と、
前記判定手段による判定結果に基づいて、前記光源から出射される光のパワーを制御する第１光源制御部と、
を備えることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の光計測装置。

【請求項8】

前記光源から出射された光のパワーを検出する光量モニタ部と、
前記検出されたパワーが所定範囲内であるか否かを判定する第２判定手段と、
前記第２判定手段による判定結果に基づいて、前記光源から出射される光のパワーを制御する第２光源制御部と、
を備えることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の光計測装置。

【請求項9】

前記外乱生成部により生成された外乱信号の振幅量を変更するゲイン選択部を備えることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載の光計測装置。

【請求項10】

内部に流体が流れている測定対象に光を照射する光源と、前記照射された光の前記測定対象からの散乱光を受光して、前記散乱光の強度に応じた受光信号を出力する受光部と、を備える光計測装置における光計測方法であって、
前記光源に供給される駆動電流を揺動させる外乱信号を生成する工程と、
前記受光信号に基づいて生成された信号と前記外乱信号との比較結果に基づいて前記駆動電流を調整する工程と、
を備えることを特徴とする光計測方法。

【請求項11】

内部に流体が流れている測定対象に光を照射する光源と、前記照射された光の前記測定対象からの散乱光を受光して、前記散乱光の強度に応じた受光信号を出力する受光部と、を備える光計測装置が備えるコンピュータを、
前記光源に供給される駆動電流を揺動させる外乱信号を生成する外乱生成部と、
前記受光信号に基づいて生成された信号と前記外乱信号との比較結果に基づいて前記駆動電流を調整する調整部と、
として機能させることを特徴とするコンピュータプログラム。

【請求項12】

請求項１１に記載のコンピュータプログラムが記録されていることを特徴とする記録媒体。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、例えば測定対象の状態を、光を用いて計測する光計測装置及び方法、コンピュータプログラム並びに記録媒体の技術分野に関する。

【背景技術】

【0002】

この種の装置では、例えば光源から出射される光の特性の変化の抑制が図られる。例えば特許文献１には、波長弁別手段としてのエタロンによりＬＤ（Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ）の発振波長を検出して、ＬＤ駆動電流及びＬＤ温度を制御することにより、ＬＤの発振波長を安定化する技術が開示されている。或いは、特許文献２には、分子又は原子の吸収スペクトルを利用した分光器により、ＬＤの発振波長を検出して、ＬＤ駆動電流及びＬＤ温度を制御することにより、ＬＤの発振波長を安定化する技術が開示されている。また、特許文献３には、レーザダイオードに供給される直流電流に交流電流を重畳させることにより、発振波長のランダムなモードホップを除去する技術が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開平０８−０１８１４５号公報

【特許文献2】特開昭６３−０６４３８０号公報

【特許文献3】特開２００１−１２０５０９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１及び２に記載の技術では、光学系が複雑であるため装置が大型化したり、例えば分子又は原子の吸収スペクトルを利用した分光器等の比較的高価な部材が用いられることにより製造コストが増大したりする。特許文献３に記載の技術では、モードホップを除去することは可能であるが、改良の余地がある。

【0005】

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、光源から出射される光の特性変化を比較的簡便に抑制することができる光計測装置及び方法、コンピュータプログラム並びに記録媒体を提供することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の光計測装置は、上記課題を解決するために、内部に流体が流れている測定対象に光を照射する光源と、前記照射された光の前記測定対象からの散乱光を受光して、前記散乱光の強度に応じた受光信号を出力する受光部と、前記光源に供給される駆動電流を揺動させる外乱信号を生成する外乱生成部と、前記受光信号に基づいて生成された信号と前記外乱信号との比較結果に基づいて前記駆動電流を調整する調整部と、を備える。

【0007】

本発明の光計測方法は、上記課題を解決するために、内部に流体が流れている測定対象に光を照射する光源と、前記照射された光の前記測定対象からの散乱光を受光して、前記散乱光の強度に応じた受光信号を出力する受光部と、を備える光計測装置における光計測方法であって、前記光源に供給される駆動電流を揺動させる外乱信号を生成する工程と、前記受光信号に基づいて生成された信号と前記外乱信号との比較結果に基づいて前記駆動電流を調整する工程と、を備える。

【0008】

本発明のコンピュータプログラムは、上記課題を解決するために、内部に流体が流れている測定対象に光を照射する光源と、前記照射された光の前記測定対象からの散乱光を受光して、前記散乱光の強度に応じた受光信号を出力する受光部と、を備える光計測装置が備えるコンピュータを、前記光源に供給される駆動電流を揺動させる外乱信号を生成する外乱生成部と、前記受光信号に基づいて生成された信号と前記外乱信号との比較結果に基づいて前記駆動電流を調整する調整部と、として機能させる。

【0009】

本発明の記録媒体は、上記課題を解決するために、本発明に係るコンピュータプログラムが記録されている。

【0010】

本発明の作用及び他の利得は次に説明する実施するための形態から明らかにされる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】第１実施例に係る光計測装置の構成を示すブロック図である。

【図2】第１実施例に係る受光素子及びＩ−Ｖ変換部の一例を示す回路図である。

【図3】第１実施例に係る周波数解析部及び平均周波数演算部の一例を示す概念図である。

【図4】流速と平均周波数との関係の一例を示す図である。

【図5】第１実施例に係るＬＤ温度制御部の構成を示すブロック図である。

【図6】第１実施例に係るＬＤ温度制御部における部材の位置と温度との関係との一例を示す図である。

【図7】パワースペクトルの一例を示す図である。

【図8】サーミスタの検出温度と平均周波数との関係の一例を示す図である。

【図9】第１実施例に係る同期検出部の一例を示す概念図である。

【図10】外乱信号、ＬＤ電流指令、平均周波数、乗算器出力及び検波信号各々の一例を示す図である。

【図11】第１実施例に係る光計測装置の駆動時における駆動電流及び平均周波数各々の一例を示す図である。

【図12】第１実施例の第２変形例に係る同期検出部の一例を示す概念図である。

【図13】第１実施例の第２変形例に係る同期検出部に含まれるＨＰＦのフィルタ特性の一例を示す特性図である。

【図14】第２実施例に係る光計測装置の構成を示すブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

本発明の光計測装置及び方法、コンピュータプログラム並びに記録媒体各々に係る実施形態について説明する。

【0013】

（光計測装置）
実施形態に係る光計測装置は、内部に流体が流れている測定対象に光を照射する光源と、該照射された光の測定対象からの散乱光を受光して、該散乱光の強度に応じた受光信号を出力する受光部と、光源に供給される駆動電流を揺動させる外乱信号を生成する外乱生成部と、受光信号に基づいて生成された信号と外乱信号との比較結果に基づいて駆動電流を調整する調整部と、を備える。

【0014】

外乱信号により駆動電流が揺動すると光源から出射される光の強度も揺らぐ。この結果、受光信号に基づいて生成された信号も揺らぐこととなる。ここで、環境温度の変化に起因して、光源から出射される光の特性としての光干渉性が変化すると、受光信号に基づいて生成された信号と外乱信号との比較結果も変化することが、本願発明者の研究により判明している。このため、上記比較結果に基づいて駆動電流が調整されれば、光源から出射される光の光干渉性の変化を抑制することができる。このように、当該光計測装置によれば、光の特性変化を比較的簡便に抑制することができる。

【0015】

実施形態に係る光計測装置の一態様では、受光信号に基づいて生成された信号は、受光信号に含まれる、照射された光のドップラーシフトに起因するビート信号に周波数解析が施されることにより得られる周波数情報を示す信号である。この態様によれば、受光信号に基づいて生成された信号と外乱信号とを比較的容易に比較することができる。

【0016】

この態様では、周波数情報を示す信号は、外乱信号に係る周波数を含む所定周波数帯域の周波数成分を選択的に通過させるフィルタに通された後に、外乱信号と比較されてよい。このように構成すれば、ノイズの影響を好適に抑制することができる。

【0017】

実施形態に係る光計測装置の他の態様では、流体はポンプにより移送されており、外乱信号に係る周波数は、ポンプに起因する流体の脈動周波数よりも高い。この態様によれば、受光信号に基づいて生成された信号と外乱信号との比較結果が、ポンプに起因する影響を受けることを抑制することができる。

【0018】

実施形態に係る光計測装置の他の態様では、光源は半導体レーザであり、調整部は、半導体レーザがシングルモードで発振するように、比較結果に基づいて駆動電流を調整する。この態様によれば、半導体レーザの光パワーを比較的低く抑えることができるとともに、受光信号のＳＮ（Ｓｉｇｎａｌ ｔｏ Ｎｏｉｓｅ）比を比較的高くすることができる。

【0019】

実施形態に係る光計測装置の他の態様では、光源の温度を制御する温度制御部と、測定対象の測定に先立ち、（ｉ）光源の温度を変化させるように温度制御部を制御しつつ、光源の温度と光源から出射される光の干渉性との関係を取得し、（ｉｉ）該取得された関係に基づいて、温度制御部に係る目標温度を設定する温度設定部と、を備える。この態様によれば、比較的容易にして目標温度を設定することができる。

【0020】

実施形態に係る光計測装置の他の態様では、受光信号に基づいて流体が散乱体を含むか否かを判定する第１判定手段と、判定手段による判定結果に基づいて、光源から出射される光のパワーを制御する第１光源制御部と、を備える。この態様によれば、散乱体を含まない流体に起因して、光源に不適切な駆動電流が供給されることを防止することができる。

【0021】

実施形態に係る光計測装置の他の態様では、光源から出射された光のパワーを検出する光量モニタ部と、検出されたパワーが所定範囲内であるか否かを判定する第２判定手段と、第２判定手段による判定結果に基づいて、光源から出射される光のパワーを制御する第２光源制御部と、を備える。この態様によれば、光源に不適切な駆動電流が供給されることを防止することができる。

【0022】

実施形態に係る光計測装置の他の態様では、外乱生成部により生成された外乱信号の振幅量を変更するゲイン選択部を備える。この態様によれば、調整部により行われる受光信号に基づいて生成された信号と外乱信号との比較結果に基づく駆動電流の調整に要する時間を比較的短くすることができる。

【0023】

（光計測方法）
実施形態に係る光計測方法は、内部に流体が流れている測定対象に光を照射する光源と、該照射された光の測定対象からの散乱光を受光して、散乱光の強度に応じた受光信号を出力する受光部と、を備える光計測装置における光計測方法であって、光源に供給される駆動電流を揺動させる外乱信号を生成する工程と、受光信号に基づいて生成された信号と外乱信号との比較結果に基づいて駆動電流を調整する工程と、を備える。

【0024】

実施形態に係る光計測方法によれば、上述した実施形態に係る光計測装置と同様に、光の特性変化を比較的簡便に抑制することができる。尚、実施形態に係る光計測方法においても、上述した実施形態に係る光計測装置の各種態様と同様の各種態様を採ることができる。

【0025】

（コンピュータプログラム）
実施形態に係るコンピュータプログラムは、内部に流体が流れている測定対象に光を照射する光源と、該照射された光の測定対象からの散乱光を受光して、散乱光の強度に応じた受光信号を出力する受光部と、を備える光計測装置が備えるコンピュータを、光源に供給される駆動電流を揺動させる外乱信号を生成する外乱生成部と、受光信号に基づいて生成された信号と外乱信号との比較結果に基づいて駆動電流を調整する調整部と、として機能させる。

【0026】

実施形態に係るコンピュータプログラムによれば、当該コンピュータプログラムを光計測装置に搭載されたコンピュータに実行させれば、上述した実施形態に係る光計測装置を比較的容易に実現することができる。この結果、実施形態に係るコンピュータプログラムによれば、上述した実施形態に係る光計測装置と同様に、光の特性変化を比較的簡便に抑制することができる。

【0027】

（記録媒体）
実施形態に係る記録媒体は、上述した実施形態に係るコンピュータプログラムが記録されている。実施形態に係る記録媒体の一例としての、コンピュータプログラムが記録されたＣＤ−ＲＯＭ（Ｃｏｍｐａｃｔ Ｄｉｓｃ Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＤＶＤ−ＲＯＭ（ＤＶＤ Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）等を、光計測装置に搭載されたコンピュータに読み込ませて、記録されたコンピュータプログラムを実行させれば、上述した実施形態に係る光計測装置を比較的容易に実現することができる。この結果、実施形態に係る記録媒体によれば、上述した実施形態に係る光計測装置と同様に、光の特性変化を比較的簡便に抑制することができる。

【実施例】

【0028】

本発明の光計測装置に係る実施例を図面に基づいて説明する。以下の実施例では、流体として血液を挙げる。また、測定対象として、人工透析装置の血液回路を構成するチューブを挙げる。尚、本発明の光計測装置は、生体の血管内を流れる血液や、血液以外の任意の流体（例えば、インク、油、汚水、調味料等）の計測にも適用可能である。

【0029】

＜第１実施例＞
本発明の光計測装置に係る第１実施例について図１乃至図１１を参照して説明する。

【0030】

（光計測装置の構成）
第１実施例に係る光計測装置の構成について図１を参照して説明する。図１は、第１実施例に係る光計測装置の構成を示すブロック図である。

【0031】

図１において、光計測装置１００は、半導体レーザ１１、レーザ駆動部１２、受光素子２１、Ｉ−Ｖ変換部２２、ＢＰＦ（Ｂａｎｄ−ｐａｓｓ Ｆｉｌｔｅｒ）増幅器２３、Ａ／Ｄ変換部２４、周波数解析部２５、平均周波数演算部２６、流速推定部２７、外乱生成部３１、同期検出部３２、位相補償部３３、基準電流部３４、減算部３５及び加算部３６を備えて構成されている。

【0032】

レーザ駆動部１２は、半導体レーザ１１を駆動するための電流（具体的には、半導体レーザ１１の閾値電流以上の規定の駆動電流）を発生する。半導体レーザ１１は、レーザ駆動部１２により発生された駆動電流に従ってレーザ発振する。半導体レーザ１１から出射されたレーザ光は、例えばレンズ素子等の光学系（図示せず）を介して、被測定対象である体外循環血液回路（即ち、内部に血液が流れている透明なチューブ）に照射される。該照射されたレーザ光は、体外循環血液回路を構成するチューブや、その内部を流れる血液により散乱及び吸収される。

【0033】

尚、体外循環血液回路は、半導体レーザ１１並びに受光素子２１が設置・固定された筺体（図示せず）に、振動等により照射位置がずれないように半固定されている。

【0034】

受光素子２１は、被測定対象に照射されたレーザ光の散乱光（ここでは、反射光）を受光する。受光素子２１により受光される散乱光には、体外循環血液回路を構成するチューブ内を流れる血液（特に、当該血液に含まれる、移動している散乱体である赤血球）により散乱された散乱光や、チューブ等の静止している組織により散乱された散乱光が含まれる。

【0035】

受光素子２１は、受光した散乱光の強度に応じた検出電流を出力する。Ｉ−Ｖ変換部２２は、受光素子２１から出力された検出電流を電圧信号（図１における“検出電圧”参照）に変換する。

【0036】

ここで、受光素子２１に入射する散乱光には、静止している組織（例えば、体外循環血液回路を構成するチューブ等）により散乱された散乱光と、移動物体である血液に含まれる赤血球により散乱された散乱光と、が含まれる。赤血球により散乱された散乱光には、該赤血球の移動速度に応じたドップラーシフトが生じている。

【0037】

このため、静止している組織により散乱された散乱光と、赤血球により散乱された散乱光とは、レーザ光の可干渉性により干渉を起こす。受光素子２１から出力される検出電流には、この干渉の結果としての光ビート信号が含まれる。

【0038】

ここで、受光素子２１及びＩ−Ｖ変換部２２の一例について、図２を参照して説明を加える。図２は、第１実施例に係る受光素子２１及びＩ−Ｖ変換部２２の一例を示す回路図である。

【0039】

図２において、受光素子２１は、例えばＰＩＮ型半導体によるフォトディテクタＰＤにより構成されている。Ｉ−Ｖ変換部２２は、増幅器Ａｍｐ１及び帰還抵抗Ｒｆにより構成されている。ここで、増幅器Ａｍｐ１は、所謂トランスインピーダンスアンプを構成している。

【0040】

フォトディテクタＰＤのアノードは、例えばグランド電位等の基準電位に接続されている。フォトディテクタＰＤのカソードは、増幅器Ａｍｐ１の反転入力端子に接続されている。増幅器Ａｍｐ１の非反転入力端子は、例えばグランド電位等の基準電位に接続されている。

【0041】

フォトディテクタＰＤから出力される検出電流は、帰還抵抗Ｒｆにより電圧に変換され検出電圧（即ち、電圧信号）として、増幅器Ａｍｐ１から出力される。

【0042】

再び図１に戻り、ＢＰＦ増幅器２３は、Ｉ−Ｖ変換部２２から出力された電圧信号に含まれる高周波数成分及び低周波数成分（即ち、所定の周波数帯域以外の信号成分）をカットした上で増幅する。Ｉ−Ｖ変換部２２から出力された電圧信号には、例えばスイッチング電源ノイズ等のノイズ成分である高周波信号が含まれている。Ｉ−Ｖ変換部２２から出力された電圧信号がＢＰＦ増幅器２３に入力されることにより、ノイズ成分を抑制しつつ信号を増幅することができる。

【0043】

Ａ／Ｄ変換部２４は、ＢＰＦ増幅器２３から出力された信号であるＡＣ信号に対して、Ａ／Ｄ変換処理（即ち、量子化処理）を行う。この結果、Ａ／Ｄ変換部２４から光ビート信号が出力される。

【0044】

周波数解析部２５は、光ビート信号に対して、例えばデジタル信号処理（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ：ＤＳＰ）により、ＦＦＴ（Ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ：高速フーリエ変換）等の周波数解析を行い、パワースペクトルＰ（ｆ）を出力する。

【0045】

平均周波数演算部２６は、パワースペクトルＰ（ｆ）に基づいて、平均周波数ｆｍを算出する。

【0046】

ここで、周波数解析部２５及び平均周波数演算部２６各々の一具体例を、図３を参照して説明する。図３は、第１実施例に係る周波数解析部２５及び平均周波数演算部２６の一例を示す概念図である。

【0047】

図３において、Ａ／Ｄ変換部２４から出力された光ビート信号は、周波数解析部２５のバッファ＆窓処理部において、蓄積されたｎポイントの光ビート信号に係るデータ列は、例えばハニング窓で、ＦＦＴを実行するための前処理が施される。その後、ハニング窓の窓関数により制限されたデータに対し、ＦＦＴ部においてｎポイントのＦＦＴ演算が行われる。ＦＦＴ部によるＦＦＴ演算の結果は、２乗演算部による複素共役処理の後、パワースペクトルＰ（ｆ）としてｎ／２ポイントのデータが出力される。

【0048】

平均周波数演算部２６の１次モーメント積算部は、パワースペクトルＰ（ｆ）と周波数ベクトルｆとを乗算し、規定帯域（ここでは、ｆ０〜ｆ１）で積算することにより、１次モーメントとして、１ｓｔＭ＝Σ｛ｆ・Ｐ（ｆ）｝を出力する。平均周波数演算部２６のパワー積算部は、パワースペクトルＰ（ｆ）を、規定帯域（ここでは、ｆ０〜ｆ１）で積算し、Ｐｓ＝Σ｛Ｐ（ｆ）｝を出力する。平均周波数演算部２６の除算部は、１次モーメント１ｓｔＭを、パワー積算部の出力であるＰｓで除算した値を、平均周波数ｆｍとして出力する。

【0049】

被測定対象の内部を流れる血液の流速と平均周波数ｆｍとの関係は、例えば図４に示すようである。具体的には、流速と平均周波数ｆｍとの関係は、流速が増加するほど平均周波数ｆｍも高くなるという関係である。図４に示すように、流速が比較的高い領域及び流速が比較的低い領域では、線形性が低下する。この結果、計測可能な流速範囲は自ずと限定される。尚、流速が比較的低い領域では、平均周波数ｆｍのＳＮ比が低下することに起因して線形性が低下する。他方、流速が比較的高い領域では、ＢＰＦ増幅器２３の帯域幅やＡ／Ｄ変換部２４のサンプリング周波数による制限に起因して線形性が低下する。

【0050】

再び図１に戻り、流速推定部２７は、例えば図４に示す流速と平均周波数ｆｍとの関係に係るテーブルを用いて、平均周波数演算部２６から出力された平均周波数ｆｍから流速を推定する。つまり、当該光計測装置１００は、所謂レーザフローメトリ法による散乱流体の流速推定装置を構成している。

【0051】

光計測装置１００は、更に、ＬＤ（Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ）温度制御部４０を備えて構成されている。ここで、ＬＤ温度制御部４０について、図５を参照して説明を加える。図５は、第１実施例に係るＬＤ温度制御部の構成を示すブロック図である。

【0052】

図５において、ＬＤ温度制御部４０は、ペルチェ素子４１、サーミスタ４２、目標温度生成部４３、電圧検出部４４、減算部４５、位相補償部４６及び駆動回路４７を備えて構成されている。半導体レーザ１１は、伝熱板を介してペルチェ素子４１の一方の面側に配置されている。半導体レーザ１１に発生した熱は、伝熱板、ペルチェ素子４１及び放熱板を介して外部環境に放熱される。

【0053】

伝熱板には、サーミスタ４２が熱結合されている。サーミスタ４２は、基準抵抗とブリッジ回路を構成しており（図示せず）、その中点が電圧検出部４４に接続される。サーミスタ４２は、ＮＴＣ型のサーミスタである。ＮＴＣ型のサーミスタは、温度が上昇するとサーミスタの電気抵抗が減少する。このため、中点電圧が温度により変化する。

【0054】

電圧検出部４４により検出されたサーミスタ電圧（図５における“温度検出電圧”参照）は、減算部４５の一方の入力端に入力される。減算部４５の他方の入力端には、目標温度生成部４３により生成された目標温度電圧が入力される。尚、目標温度電圧部４３は、例えばＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）及び、該ＣＰＵに内蔵されたＤ／Ａ変換器等（図示せず）により構成されている。

【0055】

減算部４５は、目標温度電圧から温度検出電圧を減算して温度誤差を生成する。位相補償部４６は、減算部４５により生成された温度誤差に対して、温度の負帰還制御に好適な位相補償（例えばＰＩＤ（比例積分微分））制御を実行し、駆動回路４７に駆動指令を出力する。駆動回路４７は、駆動指令に従いペルチェ電流を生成する。

【0056】

サーミスタ４２、電圧検出部４４、減算部４５、位相補償部４６、駆動回路４７及びペルチェ素子４１により、ＬＤ温度制御ループが形成される。

【0057】

外部環境温度が高い場合、ペルチェ素子４１は、ペルチェ電流に対応した熱流量にて、伝熱板を介して半導体レーザ１１に発生した熱を放熱板に移動させる。放熱板は、その熱を外部環境に放熱する。この場合、ペルチェ素子４１は、半導体レーザ１１を冷却することになる。他方、外部環境温度が低い場合、ペルチェ素子４１には逆向きのペルチェ電流が印加され、熱流量の極性は反転して、伝熱板を介して半導体レーザ１１は加熱される。この場合、ペルチェ素子４１は、半導体レーザ１１を加熱することになる。このような動作により。サーミスタ４２の検出電圧は、外部環境温度が変化しても、温度制御ループの負帰還作用により、目標電圧（目標温度）に維持される。

【0058】

（温度制御の問題点）
ファブリペロー型の半導体レーザは、駆動電流が一定であっても、素子の温度変化により、出射光パワーと発振波長が変動する。具体的には、温度が上昇するとレーザ発振の閾値電流が指数関数的に上昇し、出射光パワーは低下する。また、屈折率の温度依存性等により、縦モードの実効的な共振器長が、温度のわずかな上昇で変化し発振波長が長くなる。温度がさらに上昇すると隣接モードとの利得差が反転し、隣接モードに突然移行する波長飛び、所謂モードホップが生じる。モードホップが生じる温度条件下では、隣接モードとの利得差がなくなり、所謂モード競合が生じる。或いは、複数の発振波長が存在する所謂マルチモード状態となる。

【0059】

当該光計測装置１００のようなレーザドップラ作用を利用した光計測装置では、光の干渉性が重要である。計測精度を向上させるには、レーザ発振を光干渉性の高いシングルモードに維持する必要がある。レーザフローメトリ法による散乱流体の流量推定において、レーザの発振状態が、シングルモードからマルチモードに移行すると、光の干渉性の低下により、光ビート信号の振幅が低下し、結果的に計測ＳＮ比が低下することが、本願発明者の研究により判明している。このような問題に対応すべく、図５に示したＬＤ温度制御部４０の作用により、半導体レーザ１１の温度を一定にするための温度の負帰還制御が実行される。

【0060】

しかしながら、外部環境温度が変化すると、温度の負帰還制御の作用により、サーミスタ４２による検出温度が一定に維持されたとしても、温度制御の対象である半導体レーザ１１の温度は、必ずしも一定に維持されない。

【0061】

その理由を、図５及び図６を参照して説明する。図６は、第１実施例に係るＬＤ温度制御部における部材の位置と温度との関係との一例を示す図である。

【0062】

サーミスタ４２と外部環境との間の熱流量は、図５に示すように、伝熱板による熱伝導、ペルチェ素子４１による熱伝導、及び放熱板から外部環境への熱伝達があり、各部材が熱抵抗を有している。加えて、各部材間の接触面での接触熱抵抗も存在する。特に自然冷却とした場合、放熱板から外部環境への熱伝達における熱抵抗は比較的大きくなる。

【0063】

また、サーミスタ４２と半導体レーザ１１との間の熱伝導過程には、図５に示すように、サーミスタ４２と伝熱板との間の接触熱抵抗、半導体レーザ１１自身のパッケージと素子との間の熱抵抗等が存在する。

【0064】

図６において、外部環境温度が比較的高い“Ｔ２Ｈ”であり、半導体レーザ１１が駆動されている（即ち、半導体レーザ１１が発熱している）場合、ペルチェ電流がゼロであると（即ち、ペルチェ素子４１による強制的な熱移動がないとすると）、外部環境と半導体レーザ１１との間の温度は、破線（ｉ）で表される。

【0065】

このとき、ＬＤ温度制御部４０に係る目標温度が“Ｔ１”に設定され、ペルチェ素子４１により半導体レーザ１１が冷却され、サーミスタ４２の検出温度が“Ｔ１”になった場合、外部環境とサーミスタ４２との間の温度は、実線（ｉｉ）で表される。ここで、上述の如く、サーミスタ４２と半導体レーザ１１との間には熱抵抗が存在するので、サーミスタ４２の温度と半導体レーザ１１の温度とは一致しない。

【0066】

同様に、外部環境温度が比較的低い“Ｔ２Ｌ”であり、半導体レーザ１１が駆動されている場合、ペルチェ電流がゼロであると、外部環境と半導体レーザ１１との間の温度は、破線（ｉｖ）で表される。

【0067】

このとき、ＬＤ温度制御部４０に係る目標温度が“Ｔ１”に設定され、ペルチェ素子４１により半導体レーザ１１が加熱され、サーミスタ４２の検出温度が“Ｔ１”になった場合、外部環境とサーミスタ４２との間の温度は、実線（ｉｉｉ）で表される。この場合も、サーミスタ４２の温度と半導体レーザ１１の温度とは一致しない。

【0068】

ここで特に、ペルチェ素子４１により半導体レーザ１１が冷却された場合も、ペルチェ素子４１により半導体レーザ１１が加熱された場合も、サーミスタ４２の検出温度は“Ｔ１”であるが、半導体レーザ１１の温度にはΔＴの誤差が生じる（即ち、半導体レーザ１１の位置における実線（ｉｉ）と実線（ｉｉｉ）との差分）。この誤差ΔＴは、サーミスタ４２と半導体レーザ１１との間の熱抵抗がゼロにならない限りゼロにはならない。つまり、現実的には、誤差ΔＴをゼロにすることはできない。

【0069】

ＬＤ温度制御部４０に係る温度制御ループの負帰還作用により、目標温度（即ち、サーミスタ４２の検出温度）を所定値（ここでは、“Ｔ１”）に維持できたとしても、外部環境温度が比較的大きく変化すると、半導体レーザ１１の温度がわずかではあるが変化してしまう。

【0070】

ファブリペロー型の半導体レーザのモード間の遷移温度は数度以下であり、シングルモードを維持するには、半導体レーザ１１の温度変動を１度以下に制御する必要がある。このため、外部環境温度の変化が比較的大きい場合、ＬＤ温度制御部４０に係る温度制御ループのみでは、半導体レーザ１１の温度制御を適切に行うことは難しい。

【0071】

（平均周波数）
次に、平均周波数ｆｍについて図７を参照して説明を加える。図７は、パワースペクトルの一例を示す図である。

【0072】

図７（ａ）に示すように、被測定対象の内部を流れる血液の流速が比較的低い場合のパワースペクトルＰ１（ｆ）は比較的低い周波数に集中する。このため、流速が比較的低い場合、平均周波数は比較的低い“ｆ１”となる。他方、被測定対象の内部を流れる血液の流速が比較的高い場合のパワースペクトルＰ２（ｆ）は比較的高い周波数に集中する。このため、流速が比較的高い場合、平均周波数は比較的高い“ｆ２”となる。

【0073】

図７（ｂ）は、被測定対象の内部を流れる血液の流速は一定であるが、半導体レーザ１１の発振モードが異なる場合のパワースペクトルの一例を示している。半導体レーザ１１がシングルモードで発振している場合のパワースペクトルＰ１（ｆ）の平均周波数は“ｆ１”となる。

【0074】

他方、半導体レーザ１１がマルチモードで発振している場合のパワースペクトルＰ１Ｍ（ｆ）は、パワースペクトルＰ１（ｆ）に比べて、低周波数成分が少なく、高周波数成分が多い。これは、マルチモードの場合、光干渉性が低下することにより、光ビート信号の振幅が減少するためである。特に、高周波数成分の増加は、モードホップによるインパルス状のノイズが関連していると考えられる。この結果、パワースペクトルＰ１Ｍ（ｆ）の平均周波数は“ｆ１Ｍ”となる。

【0075】

図７（ａ）に示すように、流速が高いほど平均周波数が高くなる。このため、半導体レーザ１１がマルチモードで発振している場合、流速が同じであるにもかかわらず、半導体レーザ１１がシングルモードで発振している場合よりも高い流速が誤って推定されてしまう。

【0076】

外部環境温度の変化が比較的大きい場合、ＬＤ温度制御部４０だけでは半導体レーザ１１の温度制御を適切に行うことは難しく、モードホップに起因して流速が誤って推定される可能性がある。

【0077】

（温度と平均周波数との関係）
サーミスタ４２の検出温度（≒半導体レーザ１１の温度）と平均周波数との関係の一例を図８に示す。図８に示すように、サーミスタ４２の検出温度が変化すると、半導体レーザ１１の発振モードも変化し、シングルモードとマルチモードとを交互に繰り返す。半導体レーザ１１の発振モードがシングルモードの場合、流速が変わらなければ平均周波数も変化しない（具体的には、流速が比較的低い場合平均周波数は“ｆ１”であり、流速が比較的高い場合平均周波数は“ｆ２”である）。他方、半導体レーザ１１の発振モードがマルチモードの場合、流速が変わらなくとも平均周波数が不規則に変化してしまう。

【0078】

半導体レーザ１１の温度は、ＬＤ温度制御部４０に係る温度制御ループの他に、半導体レーザ１１自身の発熱によっても変化する。ここで、半導体レーザ１１自身の発熱量は、該半導体レーザ１１に供給される駆動電流の大きさによって変化する。

【0079】

仮に、半導体レーザ１１の発振モードが、図８の区間Ａにおけるマルチモードである場合、半導体レーザ１１に供給される駆動電流を減らすことによって、半導体レーザ１１の発熱を抑制すれば、半導体レーザ１１の温度が低下し、発振モードをマルチモードからシングルモードへ変化させることができる。同様に、半導体レーザ１１の発振モードが、図８の区間Ｂにおけるマルチモードである場合、半導体レーザ１１に供給される駆動電流を増やすことによって、半導体レーザ１１の発熱を増やせば、半導体レーザ１１の温度が上昇し、発振モードをマルチモードからシングルモードへ変化させることができる。

【0080】

本願発明者は、この点に着目し、半導体レーザ１１に供給される駆動電流を適切に制御することによって、発振モードをマルチモードからシングルモードへ遷移させ、流速の誤検出を抑制することにした。具体的には、当該光計測装置１を次のように構成した。

【0081】

（駆動電流探索ループ）
光計測装置１は、更に、外乱生成部３１、同期検出部３２、位相補償部３３、基準電流部３４、減算部３５及び加算部３６を備えて構成されている（図１参照）。

【0082】

外乱生成部３１は、外乱信号を生成する。外乱信号は、例えば図１０に示すように、振幅が±１で、繰り返し周期がＴ、パルスデューティ比が５０％の矩形波である。外乱信号の繰り返し周期Ｔは、周波数解析部２５におけるＦＦＴに必要なｎポイントのデータが取得可能な時間の２倍よりも長い時間に設定される。その理由は、当該光計測装置１００が、外乱信号の半周期に少なくとも１以上のＦＦＴ結果から平均周波数ｆｍが演算できるように条件設定されているからである。

【0083】

同期検出部３２の一具体例を、図９を参照して説明する。図９は、第１実施例に係る同期検出部３２の一例を示す概念図である。

【0084】

図９において、同期検出部３２は、乗算器及びＬＰＦ（Ｌｏｗ−ｐａｓｓ Ｆｉｌｔｅｒ）を備えて構成されている。平均周波数演算部２６により演算された平均周波数ｆｍは、乗算器の一方に入力される。外乱生成部３１により生成された外乱信号は、乗算器の他方に入力される。乗算器は、平均周波数ｆｍと外乱信号とを乗算することにより、両者の位相差を算出する。つまり、乗算器は、位相比較器として動作する。乗算器の出力はＬＰＦにより平均化され検波信号が出力される（図１０参照）。

【0085】

位相補償部３３は、同期検出部３２から出力された検波信号に対して、所定の位相補償制御を実行する。減算部３５の一方の入力端には、位相補償部３３からの出力が入力される。また、減算部３５の他方の入力端には、基準電流部３４からの基準電流が入力される。減算部３５は、基準電流を基準として、位相補償部３３からの出力を減算した値を、誤差信号として出力する。

【0086】

加算部３６の一方の入力端には誤差信号が入力される。加算部３６の他方の入力端には外乱信号が入力される。加算部３６は、誤差信号に外乱信号を加算して、ＬＤ電流指令を生成する。外乱信号が加算されるので、ＬＤ電流指令は外乱信号に同期して微小振動（ウォブリング）することとなる（図１０参照）。

【0087】

次に、図８の区間Ａ及びＢ（即ち、マルチモード時）における検波信号等について、図１０を参照して説明する。図１０は、外乱信号、ＬＤ電流指令、平均周波数、乗算器出力及び検波信号各々の一例を示す図である。

【0088】

図８の区間Ａでは、サーミスタ４２の検出温度（言い換えれば、半導体レーザ１１の駆動電流）が高くなるほど平均周波数も高くなる。つまり、区間Ａでは平均周波数の傾き（即ち、微分値）は「正」となる。他方、区間Ｂでは、サーミスタ４２の検出温度が高くなるほど平均周波数は低くなる。つまり、区間Ｂでは平均周波数の傾きは「負」となる。

【0089】

ここで、ＬＤ電流指令は、上述の如く、外乱信号に同期して微小振動しているので、半導体レーザ１１に供給される駆動電流も外乱信号に同期して微小振動することとなる。この結果、平均周波数演算部２６により演算された平均周波数ｆｍも外乱信号に同期して微小振動する。

【0090】

図８の区間Ａでは、平均周波数の傾きが「正」であるので、平均周波数演算部２６により演算された平均周波数ｆｍの微小振動は、外乱信号と同相となる（図１０の平均周波数ｆｍの“同相（区間Ａ）”参照）。従って、同期検出部３２の乗算器の出力は正出力となる。このため、同期検出部３２のＬＰＦの積分作用により、検波信号は増加する。

【0091】

他方、区間Ｂでは、平均周波数の傾きが「負」であるので、
平均周波数演算部２６により演算された平均周波数ｆｍの微小振動は、外乱信号と逆相となる（図１０の平均周波数ｆｍの“逆相（区間Ｂ）”参照）。従って、同期検出部３２の乗算器の出力は負出力となる。このため、検波信号は減少する。

【0092】

上述の如く、減算部３５では、基準電流から位相補償部３３の出力が減算され、誤差信号が出力される。区間Ａでは、検波信号が増加するため、該検波信号を反映する位相補償部３３の出力も増加する。この結果、誤差信号は減少することとなる。すると、ＬＤ電流指令も減少し、半導体レーザ１１に供給される駆動電流も減少する。駆動電流の減少に起因して半導体レーザ１１の温度が低下すると、該半導体レーザ１１の発振モードは、マルチモード（区間Ａ）からシングルモード（図８において区間Ａの左側に隣接する区間）へ移行する。

【0093】

同様に、区間Ｂでは、検波信号が減少するため、位相補償部３３の出力も減少する。この結果、誤差信号は増加することとなる。すると、ＬＤ電流指令も増加し、半導体レーザ１１に供給される駆動電流も増加する。駆動電流の増加に起因して半導体レーザ１１の温度が上昇すると、該半導体レーザ１１の発振モードは、マルチモード（区間Ｂ）からシングルモード（図８において区間Ｂの右側に隣接する区間）へ移行する。

【0094】

このように、当該光計測装置１００では、外乱生成部３１、同期検出部３２、位相補償部３３、減算部３５及び加算部３６、並びに平均周波数演算部２６等により駆動電流探索ループが形成される。この駆動電流探索ループにより、半導体レーザ１１の供給される駆動電流が適切に設定される。

【0095】

ここで、当該光計測装置１００の動作時における駆動電流及び平均周波数各々の具体例について図１１を参照して説明する。

【0096】

図１１（ａ）の時刻ｔ０において、半導体レーザ１１に供給される駆動電流は“ｉ２−Δｉ”であり、平均周波数は“ｆ２＋Δｆ”であるとする。この場合、図１１（ｂ）に示すように、半導体レーザ１１の発振モードはマルチモードである。

【0097】

図１１（ａ）の時刻ｔ１において、光計測装置１００を統括制御するＣＰＵ（図示せず）により上記駆動電流探索ループがＯＮされると、駆動電流が外乱信号に同期して微小振動する（尚、図１１（ａ）では、縮尺の関係から太線で表記している）。

【0098】

図１１（ａ）に示すように、駆動電流探索ループの負帰還作用により、時刻ｔ１から駆動電流は徐々に増加し最終的に“ｉ２”に収束する（尚、時刻ｔ２において整定状態となったものとする）。このとき、平均周波数は、時刻ｔ１から徐々に減少し最終的に“ｆ２”に収束する。

【0099】

図１１（ｂ）に示すように、駆動電流が“ｉ２”になると、半導体レーザ１１の発振モードはシングルモードになる。このため、平均周波数“ｆ２”は、適切な値であると言える。

【0100】

（駆動電流探索ループと温度制御ループとの関係）
ＬＤ温度制御部４０（図５参照）による温度制御ループの周波数は１Ｈｚ以下の帯域で設計せざるをえない。なぜなら、温度制御ループを構成する部材の熱容量により、サーミスタ４２により検出される温度は瞬間的には変化しないからである（即ち、時間応答性が遅いからである）。

【0101】

他方、駆動電流探索ループにおける外乱信号の周波数は、例えば５０Ｈｚ以上の帯域に設定可能である。なぜなら、駆動電流の変化により、半導体レーザ１１の温度を局所的に変化させることは比較的容易だからである（即ち、時間応答性が早いからである）。

【0102】

このため、駆動電流探索ループによる半導体レーザ１１の局所的な温度変化は、温度制御ループに影響を及ぼすことはないと考えられる。つまり、駆動電流探索ループと温度制御ループとが干渉することはないと考えられる。

【0103】

（効果）
当該光計測装置１００によれば、半導体レーザ１１の発振モードが、被測定対象の内部を流れる血液の流速の計測に不適切なマルチモードになったとしても、上述の駆動電流探索ループにより、発振モードを流速の計測に好適なシングルモードに移行することができる。このため、当該光計測装置１００によれば、半導体レーザ１１から出射されるレーザ光の特性変化を抑制して、流速を適切に計測することができる。

【0104】

尚、本実施例に係る駆動電流探索ループは、半導体レーザ１１の発振モードをシングルモードに維持することを目的としており、半導体レーザ１１から出射されるレーザ光の波長を所定値に維持することは目的とはしていないことに留意されたし。

【0105】

半導体レーザ１１に供給される駆動電流が変化することによって、半導体レーザ１１から出射されるレーザ光の波長は変化する可能性はあるが、例えば図１１（ｂ）に示すように、シングルモードが維持されてさえいれば、適切な平均周波数を求めることができ、もって、流速を適切に計測することができる。

【0106】

＜第１変形例＞
当該光計測装置１００による計測前、或いは製品出荷前の調整として、ＬＤ温度制御部４０により半導体レーザ１１の温度を変更しつつ、規定の速度で流れる規定の散乱流体を光計測装置１００で計測して、例えば図８に示すような、サーミスタ４２の検出温度と平均周波数との関係が求められてよい。そして、光計測装置１００は、該求められた関係に基づいて、半導体レーザ１１の発振モードがシングルモードとなるように、ＬＤ温度制御部４０に係る目標温度の初期値が設定されてよい。

【0107】

このように構成すれば、例えば外部環境温度が、当該光計測装置１００の設計時の温度（例えば常温）からずれている場合や、半導体レーザ１１の経年変化等により温度に対するレーザ発振特性が変化している場合であっても、ＬＤ温度制御部４０に係る目標温度の初期値を適切に設定することができる。

【0108】

加えて、ＬＤ温度制御部４０に係る目標温度の初期値を適切に設定されれば、駆動電流探索ループにおいて、駆動電流が過大になったり過小になったりすることを防止することができる。この結果、過大な駆動電流に起因して半導体レーザ１１の素子寿命が短縮されたり、過小な駆動電流に起因してＳＮ比が低下し、計測結果の誤差が増大したりすることを防止することができる。

【0109】

＜第２変形例＞
同期検出部３２の具体的な構成は、図９に示す構成に限らず、例えば図１２に示す構成であってもよい。

【0110】

測定対象である人工透析装置の血液回路を構成するチューブを流れる血液は、チューブがチューブポンプ（例えばチューブをローラでしごいて管内の血液を押し出す方式のポンプ）等により移送される。このため、流速には、チューブポンプのローラの回転数に応じた脈動成分が存在する。この脈動成分の周波数が、外乱信号の周波数に比べて低くなるべく、あらかじめ外乱信号の周波数を設定しておく。

【0111】

図１２に示すように、同期検出部３２の乗算器の前段に、例えば図１３に示す周波数特性を有するＨＰＦ（Ｈｉｇｈ−ｐａｓｓ Ｆｉｌｔｅｒ）を設けることにより、上記脈動成分に起因するノイズ成分を抑制することができる。この結果、検波信号のＳＮ比を向上させることができる。

【0112】

図１３に示すように、外乱信号の周波数ｆｗｂを、ＨＰＦのカットオフ周波数ｆｈｐに比べて高く設定することによって、外乱信号に同期して変化した信号成分を同期検出部３２において比較的効率良く検出することができる。

【0113】

＜第２実施例＞
本発明の光計測装置に係る第２実施例について図１４を参照して説明する。第２実施例では、構成の一部が異なる以外は、上述した第１実施例と同様である。よって、第２実施例について、第１実施例と重複する説明を省略するとともに、図面上における共通箇所には同一符号を付して示し、基本的に異なる点について、図１４を参照して説明する。

【0114】

（光計測装置の構成）
図１４において、光計測装置２００は、ＬＰＦ増幅器５１、戻り光量判定器５２、ゲイン選択部５３、ホールド部５４、ＢＰＦ５５、規定時間生成部５６、バックモニタＰＤ（Ｐｈｏｔｏ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ）６１、Ｉ−Ｖ変換部６２及び出射光判定器６３を備えて構成されている。

【0115】

平均周波数演算部２６から出力された平均周波数ｆｍは、ＢＰＦ５５に入力される。ＢＰＦ５５の低周波数側のカットオフ周波数は、例えば図１３に示す周波数ｆｈｐであってよい。また、ＢＰＦ５５の高周波数側のカットオフ周波数は、外乱信号の周波数よりも高い周波数に設定されている。

【0116】

ＬＰＦ増幅器５１は、Ｉ−Ｖ変換部２２から出力された電圧信号に含まれる高周波成分をカットした上で増幅する。ＬＰＦ増幅器５１から出力されたＤＣ信号は、戻り光量判定器５２に入力される。

【0117】

ここで、被測定対象の内部を流れる流体に散乱光が含まれていない又は殆ど含まれていない場合、後方散乱光である反射光を主に受光すべく配置された受光素子２１への戻り光のレベル（光量）は低下する。この結果、Ｉ−Ｖ変換部２２から出力される検出電圧が低下し、ＬＰＦ増幅器５１から出力されるＤＣ信号のレベルも低下する。

【0118】

戻り光量判定器５２は、ＤＣ信号のレベルが比較的低い場合、流体が散乱体を含まない又は殆ど含まないと判定し、上述の駆動電流探索ループを開状態とするループ開閉信号を出力する。他方、戻り光量判定器５２は、ＤＣ信号のレベルが比較的高い場合、流体に散乱体が含まれると判定し、駆動電流探索ループを閉状態とするループ開閉信号を出力する。

【0119】

ループ開閉信号は、ホールド部５４に入力される。ホールド部５４に、閉状態とするループ開閉信号が入力されると、上述の第１実施例と同様に、検波信号の変化に応じて変化するＬＤ電流指令が、ホールド部５４から出力される。他方、ホールド部５４に、開状態とするループ開閉信号が入力されると、開状態とするループ開閉信号が入力されている期間、閉状態から開状態へ移行する直前のＬＤ電流指令が維持される。

【0120】

バックモニタＰＤ６１は、半導体レーザ１１から出射された光の光量を検出して、光量に応じた検出電流を出力する。Ｉ−Ｖ変換部６２は、バックモニタＰＤ６１から出力された検出電流を電圧信号（図１４における“バックモニタ信号”参照）に変換する。Ｉ−Ｖ変換部６２から出力されたバックモニタ信号は、出射光判定器６３に入力される。

【0121】

出射光判定器６３は、バックモニタ信号のレベルが比較的高い場合（即ち、半導体レーザ１１から出射された光のパワーが比較的高い場合）、もしくは、バックモニタ信号のレベルが著しく低い（過小な駆動電流に起因し光のパワーが落ち、ＳＮ比が低下し、計測結果の誤差が増大するような）場合、制限状態を示す電流制限信号を出力する。他方、出射光判定器６３は、バックモニタ信号のレベルが上記以外で流速計測に好適な場合（即ち、半導体レーザ１１から出射された光のパワーが流速計測に好適な場合）、通常状態を示す電流制限信号を出力する。

【0122】

電流制限信号は、ホールド部５４に入力される。ホールド部５４に、通常状態を示す電流制限信号が入力されると、上述の第１実施例と同様に、検波信号の変化に応じて変化するＬＤ電流指令が、ホールド部５４から出力される。他方、ホールド部５４に、制限状態を示す電流制限信号が入力されると、制限状態を示す電流制限信号が入力されている期間、通常態から制限状態へ移行する直前のＬＤ電流指令が維持される。

【0123】

規定時間生成部５６は、光計測装置２００を統括制御するＣＰＵ（図示せず）からの電流探索指令を受信すると、規定時間を示す信号をゲイン選択部５３に送信する。規定時間を示す信号を受信したゲイン選択部５３は、規定時間だけ通常時よりも高いゲインを選択する。

【0124】

（技術的効果）
１．流体が散乱体を含まない場合
測定対象の内部に流れる流体が散乱体を含まない又は殆ど含まない場合、光ビート信号が得られないので、流体の流量に応じた平均周波数ｆｍは得られない。このとき、駆動電流探索ループがＯＮされると、半導体レーザ１１の発振モードがシングルモードであるかマルチモードであるかにかかわらず、平均周波数ｆｍが変化することとなる。この結果、ＬＤ電流指令が一方的に増加又は減少するという現象が起こる可能性がある。つまり、駆動電流が一方的に増加又は減少するという現象が起こる可能性がある。

【0125】

本実施例では、ＬＰＦ増幅器５１から出力されるＤＣ信号のレベルが比較的低い場合、戻り光量判定器５２は駆動電流探索ループを開状態とするループ開閉信号を出力する。この結果、開状態とするループ開閉信号がホールド部５４に入力されている期間、閉状態から開状態へ移行する直前のＬＤ電流指令が維持される。

【0126】

加えて、Ｉ−Ｖ変換部６２から出力されるバックモニタ信号のレベルが比較的高い場合、もしくは、バックモニタ信号のレベルが著しく低い場合、出射光判定器６３は制限状態を示す電流制限信号を出力する。制限状態を示す電流制限信号がホールド部５４に入力されている期間、通常態から制限状態へ移行する直前のＬＤ電流指令が維持される。

【0127】

このように構成することにより、ＬＤ電流指令及び駆動電流が、一方的に増加又は減少するという現象を防止することができる。このため、駆動電流探索ループを安定して動作させることができる。加えて、半導体レーザ１１の劣化を抑制することができる。

【0128】

２．駆動電流探索に要する時間の短縮
例えば図１１（ａ）における時刻ｔ０の駆動電流“ｉ２−Δｉ”が、整定状態の駆動電流“ｉ２”から比較的大きく乖離している場合、整定状態に至るまでに要する時間が比較的長くなる。

【0129】

ゲイン選択部５３により、規定時間だけ通常時よりも高いゲインが選択されると、外乱信号の振幅が比較的大きくなる。すると、同期検出部３２に入力される平均周波数ｆｍの変動成分も比較的大きくなる。この結果、検波信号の振幅も増加する。この作用により、駆動電流探索ループのループゲインが増加される。このため、トランジェント特性が改善し（具体的には、整定時間が短縮され）、整定状態に至るまでに要する時間が短縮される。

【0130】

従って、半導体レーザ１１の発振モードがマルチモードである期間を比較的短くすることができるとともに、比較的短期間で、発振モードをマルチモードからシングルモードへ移行させることができる。

【0131】

加えて、ゲインが高い状態を規定時間に限定することにより、駆動電流の振動状態が助長される可能性を抑制することができる。この結果、駆動電流探索ループを安定して動作させることができる。

【0132】

＜変形例＞
受光素子２１に加えて、戻り光量判定器５２に入力されるＤＣ信号を生成するための受光素子が設けられてもよい。該受光素子は、検出面積が比較的大きいことが望ましい。このように構成すれば、該受光素子から出力される検出電流が増加し、ＤＣ信号のＳＮ比を向上させることができる。

【0133】

加えて、受光素子２１の静電容量を比較的小さくするとともに、検出面積を比較的小さくすれば、光計測装置２００の検出可能な流速の上限を拡大させることができる。

【0134】

本発明は、上述した実施形態に限られるものではなく、特許請求の範囲及び明細書全体から読み取れる発明の要旨或いは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴う光計測装置及び方法、コンピュータプログラム並びに記録媒体もまた本発明の技術的範囲に含まれるものである。

【符号の説明】

【0135】

１１…半導体レーザ、１２…レーザ駆動部、２１…受光素子、２２、６２…Ｉ−Ｖ変換部、２３…ＢＰＦ増幅器、２４…Ａ／Ｄ変換部、２５…周波数解析部、２６…平均周波数演算部、２７…流速推定部、３１…外乱生成部、３２…同期検出部、３３、４６…位相補償部、３４…基準電流部、３５、４５…減算部、３６…加算部、４０…ＬＤ温度制御部、４１…ペルチェ素子、４２…サーミスタ、４３…目標温度生成部、４４…電圧検出部、４７…駆動回路、５１…ＬＰＦ増幅器、５２…戻り光量判定器、５３…ゲイン選択部、５４…ホールド部、５５…ＢＰＦ、６１…バックモニタＰＤ、６３…出射光判定器

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】