【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[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an optical measurement device that measures optical characteristics using laser light.
[0002]
[Prior art]
In recent years, as an irradiation light source of an optical measurement device that measures the optical characteristics of a subject by detecting light transmitted through or reflected from the subject by detecting light transmitted through the subject, a near-infrared wavelength region with good directivity and small chromatic dispersion is used. Laser light is often used. With the laser light, it is possible to easily measure the functional activity of the living body with high accuracy and non-contact. For this reason, various biological optical measurement devices using near-infrared lasers have been developed and are being widely used in medical sites. For example, Patent Literature 1 and Patent Literature 2 describe examples of devices that can easily measure brain function.
[0003]
In such a living body optical measurement device, it is necessary to accurately measure a minute change in the amount of light absorption of a tissue in a patient in order to accurately detect an abnormality caused by a disease. Therefore, high stability is required for the intensity and emission wavelength of the irradiation light source.
[0004]
When a laser is used as the irradiation light source, a dedicated control circuit for supplying a highly stabilized laser injection current, and furthermore, to suppress the temperature change of the laser light source that causes fluctuations in laser light intensity, wavelength, etc. It is necessary to add a high-precision temperature control device.
[0005]
[Patent Document 1]
JP-A-57-115232 [Patent Document 2]
JP-A-63-275323 [0006]
FIG. 5 shows a conventional light source device for an optical measurement device. In the figure, 31 is an oscillator, 321 is a laser driving current circuit, 322 is a current temperature control section, 323 is a half mirror, 324 is a monitor detector, 325 is an integration circuit, 326 is a differential circuit, 326 is a temperature control device, 33 Indicates a laser element.
[0007]
The laser drive current circuit 321 applies a DC injection bias current to the laser element 33 and applies the frequency f (a) or f (b) generated by the oscillator 31. As a result, the laser beam emitted from the laser element 33 is modulated. A part of the laser irradiation light is guided to the monitor detector 324 by the half mirror 323 that reflects a part of the light. The monitor detector 324 measures the irradiation light. The measurement signal is time-integrated by the integration circuit 325, compared with a predetermined voltage by the differential circuit 326, and fed back to the current temperature control unit 322. As a result, the time average value of the time-integrated monitor signal is controlled to be constant, and as a result, the laser oscillation is stabilized. In order to monitor the irradiation light, the current from a monitor photodiode built in a commercially available laser may be measured without using the above-described dedicated optical system and monitor detector.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, since the intensity and wavelength of the laser light are sensitive to changes in the temperature of the laser light source, a special temperature control device for maintaining the temperature of the light source unit constant in a biological light measurement device using a laser as the light source. For example, a Peltier device is used. However, a high-precision temperature control device including a Peltier device has a problem that it is expensive and consumes large power.
[0009]
In the laser light source, a specific mode among a plurality of resonance modes that determine the emission wavelength is selectively excited. Which mode is complicatedly depends on the injection current, temperature, and the like of the laser light source. Further, it is known that a transition between modes whose occurrence is unpredictable (hereinafter referred to as a mode hop) occurs instantaneously at a specific temperature. Therefore, it has been difficult to continuously select a desired mode in order to control the emission wavelength to be constant.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In the present invention, in order to solve the above problems, the mode hop phenomenon of the laser is observed, and based on the observation result, the injection current into the laser light source and the laser light source are controlled by a method that controls the mode hopping time. A feedback system for controlling at least one of the temperatures of This makes it possible to set the wavelength of the laser light to a desired value and control it stably.
[0011]
According to a first aspect of the present invention, a light source unit having a laser element that oscillates and irradiates a modulated laser beam and guides the irradiation laser beam to the subject by an optical fiber cable or the like, for example, the object through an optical fiber cable or the like A light detection unit that measures the optical characteristics of the light, a light measurement device that includes a display unit that displays the measured optical characteristics, wherein the light source unit includes a laser element that oscillates the laser light; A detector for detecting at least one of a change in emission wavelength and a change in emission intensity of the laser element due to a mode hop between the injection current to the laser element based on a detection result from the detector; Means for controlling at least one of the temperatures of the laser element to set at least one of the emission wavelength and the emission intensity to a desired value. Therefore, it is possible to continuously select a desired mode without increasing power consumption at low cost, and thereby it is possible to set the wavelength of the laser beam to a desired value and control it stably.
[0012]
According to a second feature of the present invention, the laser light is intensity-modulated at a predetermined frequency. As a result, the intensity modulation signal from the monitor detector can be observed in synchronization with the applied frequency. Therefore, the mode hop time can be accurately grasped.
[0013]
According to a third aspect of the present invention, there is further provided an input device capable of changing at least one of the injection current and the temperature. By monitoring the mode hop time and gradually changing the injection current or temperature via the input device so as to sequentially shift this position, it becomes possible to set the laser oscillation to the desired mode position. .
[0014]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[Example 1]
1 and 2 are configuration diagrams illustrating an optical measurement device according to an embodiment of the present invention.
In the figure, 1 is a light source device, 2 is a light detection device, 3 is a plurality of laser units provided in the light source device, 31 is an oscillator, 32 is a control circuit, 321 is a laser drive current circuit, 322 is a current temperature control unit, 323 is a half mirror, 324 is a monitor detector, 325 is an integration circuit, 326 is a differential circuit, 327 is a mode lock control unit, 33 is a laser element, and 4 and 5 irradiate the subject 6 with laser light. And an optical fiber cable for detecting transmitted light from the subject 6, a subject 6, a detector 7, a processing unit 8, and a display unit 9 for displaying an output from the photodetector 2. Shown respectively.
[0015]
As shown in FIG. 2, the control circuit 32 includes a laser drive current circuit 321, a current temperature control unit 322 for outputting an injection current thereto, a half mirror 323 and a monitor detector constituting a feedback control mechanism. 324, an integration circuit 325, a differential circuit 326, and a mode lock control unit 327 are included.
[0016]
In the present embodiment, for example, light is emitted from the light source device 1 onto the subject 6, the transmitted light is measured by the detection unit 2 arranged opposite thereto, and its time change is also measured.
[0017]
For example, the light source device 1 includes two semiconductor laser elements 33 that respectively emit light of a plurality of wavelengths in the infrared wavelength region, for example, two wavelengths near 780 nm and 830 nm. The values of these two wavelengths are not limited to 780 nm and 830 nm, and the number of wavelength types is not limited to two wavelengths.
Hereinafter, in this embodiment, the two types of wavelengths are referred to as a wavelength a and a wavelength b, respectively. The two semiconductor laser elements 33 included in the light source device 1 are intensity-modulated at frequencies f (a) and f (b) by oscillators 31 having different oscillation frequencies.
[0018]
FIG. 2 shows the internal structure of one of the two laser units 3 in the light source device 1 in detail. In the laser section 3, a semiconductor laser element 33 and a drive 321 for the semiconductor laser are laid. The laser drive current circuit 321 applies a DC bias current to the semiconductor laser element 33 and applies the frequency f (a) or f (b) generated by the oscillator 31. As a result, the two semiconductor laser elements 33, each frequency f (a), injection bias current of the DC and the modulation signal f (b) is input. The light radiated from the semiconductor laser element 33 that has received the modulation signal and the injection current in this manner is intensity-modulated and output. As the above-described modulation, the present embodiment discloses a digital modulation using a rectangular wave.However, the present invention is not limited to this. A repetition of a waveform having an arbitrary shape, for example, a sine wave may be used. . There are roughly two types of modulation methods. One is a method in which the injection current itself is modulated by, for example, a modulation signal of a frequency f (a) or f (b) and then input to the laser element 33. The other is a method of turning on / off the circuit line of the injection current to the laser element at the timing of a modulation signal having a frequency of f (a) or f (b), for example.
[0019]
The irradiation light subjected to the intensity modulation is applied to the subject 6, and the light transmitted through the subject 6 is detected by the detector 7.
The light detected at the detection position after passing through the skin and the skull contains information on the cerebrum. For example, P. Double McCormick (PW. McCormic) et al. Intracerebral penetration of infrared light ", 1992, Journal of Neurosurgery, Vol. 76, pp. 315-318 (J. Neurosurg., 33, 315 (1992)). By processing the irradiated and detected light, it becomes possible to analyze the cerebrum of the subject. Specifically, the transmitted signal from the subject is measured by the detector 7, two wavelengths are separated according to the intensity modulation frequency, and the respective detected light intensities are measured. Based on this measurement, the absorption coefficient of the desired substance is determined. Is obtained, the change in the concentration of the measurement site of the subject is calculated by the processing unit 8, and the change in the measurement target site can be displayed on the display unit 9 with high accuracy.
[0020]
Further, the light source device 1 according to the embodiment of the present invention is provided with a control unit 32 for controlling the light intensity and the wavelength. In the control unit 32, a part of the laser irradiation light is guided to the monitor detector 324 by a half mirror 323 that reflects a part of the light. The monitor detector 324 measures the fluctuation of the irradiation light.
In this embodiment, feedback control is performed so that the intensity and wavelength of the irradiation light become predetermined values using the measurement result of the fluctuation. When monitoring the irradiation light, the current from the monitor photodiode built in the commercially available laser may be measured without using the dedicated optical system and monitor detector as described above.
[0021]
Hereinafter, how to control the present laser will be described.
The measurement signal output from the monitor detector 324 is a periodic signal synchronized with the modulation signal as shown in FIG. In the conventional device, the measurement signal is time-integrated by the integration circuit 325, compared with a predetermined voltage by the differential circuit 326, and then fed back to the current temperature control unit 322. Laser oscillation is stabilized by controlling the time average value to be constant. However, the emission wavelength of the laser changes as the temperature rises, as shown in FIG. Therefore, it is very difficult to stabilize the wavelength by converging it to a desired value even with the above-mentioned conventional apparatus.
[0022]
By the way, it is known that the output light intensity of the laser beam changes at high speed in a stepwise manner with the occurrence of mode hop. As shown in FIG. 3, the change in the laser oscillation wavelength shows a gradual change rate with a rise in temperature. However, at a specific temperature, the rate of change of the wavelength sharply increases, and can be represented in steps on the graph. Although the light intensity can be detected by the monitor detector 324, the inventor of the present application has found that the laser oscillation wavelength greatly changes at the mode hop position where the light intensity changes drastically.
[0023]
The mode hop is indicated by a circled portion in FIG. Since mode hops occur at a plurality of temperatures individually included in each laser element, it has been difficult to change and control the oscillation mode. In the present embodiment, the change in the signal from the monitor detector 324 due to the mode hop is repeated in synchronization with the intensity modulation frequency in the output of the intensity-modulated laser light as described above. By detecting and controlling this repetition period, the mode hop occurrence timing can be changed or the mode hop itself can be avoided.
[0024]
FIG. 4A shows a temporal change of the laser light output obtained by the monitor detector 324. Here, a detection signal change due to mode hop of the intensity-modulated laser light is shown.
FIG. 4A shows two pulses in the waveform of FIG. 4B in an enlarged manner in the time axis direction.
As shown in FIGS. 4A and 4B, the mode hop is repeated in synchronization with the output intensity modulation cycle. As described above, since the signal change is repeated in synchronization with the intensity modulation frequency, the mode hop time Tm that occurs repeatedly can be measured. The mode lock control unit 327 detects the mode hop time Tm measured in this way, and outputs a control signal to the current temperature control unit 322 to control the injection current and the like so that the mode hop is performed before the mode hop occurs. Can be changed.
[0025]
For example, the injection current may be increased to increase the mode hop time Tm. To actually control the mode hop time Tm, the light intensity is monitored by the monitor detector 324 and sent to the mode lock control unit. The mode lock control unit 327 includes, for example, a differentiating circuit, and detects a significant change point of the light intensity signal from the monitor detector. The light intensity signal shown in FIG. 4 is modulated as described above. For example, when the light intensity signal is operated at a duty ratio of 50%, the mode lock control unit 327 obtains a synchronization point of the frequency of the oscillator 31 and modulates the same. It is recognized as the starting point of the hop time Tm. Further, the elapsed time from the start point to the point where the light intensity signal changes significantly is measured as the mode hop time Tm. When the length of the mode hop time Tm and the increase rate of the injection current amount thus obtained are directly linked to control to increase the mode hop time Tm, a circuit configuration in which the injection current increases is used for the mode lock. What is necessary is just to prepare for a control part. Adjustment of the relationship between the mode hop time Tm and the amount of increase in the injection current and the adjustment of the response timing vary depending on the specifications of the laser element 33 used and the specific circuit configuration, but the time constant of the feedback system and the loop gain may be optimized. .
[0026]
Although a special temperature control device, such as a Peltier device, for keeping the temperature of the laser element constant has been used, this embodiment eliminates the need for such an expensive and large power consumption Peltier device.
[0027]
As described above, it is possible to continuously select a desired mode without increasing power consumption at low cost, and thereby it is possible to set the wavelength of the laser beam to a desired value and control it stably. .
[0028]
[Example 2]
A second embodiment according to the present invention will be described with reference to FIGS. The configuration of the second embodiment is almost the same as that of the first embodiment, except that the current temperature controller 322 controls not the laser drive current circuit 321 but the heater 328.
For example, it is effective to control the temperature by changing the temperature in order to fix a laser element, which is difficult to control at a high speed by a current, in an arbitrary mode.
[0029]
For example, to increase the mode hop time Tm, the temperature may be controlled in accordance with the temperature dependence of the oscillation spectrum as shown in FIG. To actually control the mode hop time Tm, the light intensity is monitored by the monitor detector 324 and sent to the mode lock control unit. The mode lock control unit 327 includes, for example, a differentiating circuit, and detects a significant change point of the light intensity signal from the monitor detector. The light intensity signal shown in FIG. 4 is modulated as described above, and is recognized by the mode lock control unit 327 when operated at, for example, a duty ratio of 50%. Further, the elapsed time from the start point to the point where the light intensity signal changes significantly is measured as the mode hop time Tm. The time constant and loop gain of the feedback system may be optimized according to the temperature dependence of the oscillation spectrum in FIG. 3 by directly linking the length of the mode hop time Tm thus obtained and the temperature.
[0030]
In the prior art, a special temperature control device for keeping the temperature of the laser element constant, for example, a Peltier device or the like is used. However, in the present embodiment, such an expensive and power-consuming Peltier device is not necessary. . For example, even if the temperature is simply adjusted depending on whether the heater is energized or not, it is sufficient to control the mode hop time Tm.
In this way, it is possible to continuously select a desired mode of the laser element, in which high-speed control by current is difficult, without increasing power consumption inexpensively, thereby setting the wavelength of the laser beam to a desired value. And can be controlled stably.
[0031]
[Example 3]
Third Embodiment A third embodiment according to the present invention will be described with reference to FIGS. The configuration of the third embodiment is almost the same as that of the second embodiment, except that the current temperature controller 322 controls both the laser drive current circuit 321 and the heater 328.
[0032]
For example, it is effective to control not only the injection current but also the temperature in order to fix a laser element, which is difficult to control at high speed by current, in an arbitrary mode.
For example, in order to lengthen the mode hop time Tm, the injection current may be increased, and furthermore, the temperature may be controlled according to the temperature dependence of the oscillation spectrum as shown in FIG. To actually control the mode hop time Tm, the light intensity is monitored by the monitor detector 324 and sent to the mode lock control unit. The mode lock control unit 327 includes, for example, a differentiating circuit, and detects a significant change point of the light intensity signal from the monitor detector. The light intensity signal shown in FIG. 4 is modulated as described above and, for example, when operated at a duty ratio of 50%, the mode lock control unit 327 obtains a synchronization point of the frequency of the oscillator 31 and modulates it. It is recognized as the start point of the mode hop time Tm. Further, the elapsed time from the start point to the point where the light intensity signal changes significantly is measured as the mode hop time Tm. The time constant and loop gain of the feedback system may be optimized in accordance with the temperature dependence of the oscillation spectrum of FIG. 3 by directly linking the length of the mode hop time Tm thus obtained, the rate of increase of the injection current and the temperature. At this time, by adjusting two parameters such as the rate of increase of the current amount and the temperature, it is easier to optimize the time constant and the loop gain of the feedback system, and the mode hop time Tm can be more finely controlled.
[0033]
Further, as described in the second embodiment, in the prior art, a special temperature controller for keeping the temperature of the laser element constant, for example, a Peltier device or the like is used. There is no need for a Peltier device that is expensive and consumes large power. For example, even if the temperature is simply adjusted depending on whether the heater is energized or not, it is sufficient to control the mode hop time Tm.
[0034]
As described above, it is easy to continuously select a desired mode of the laser element, in which high-speed control by current is difficult, without increasing power consumption inexpensively, thereby setting the wavelength of the laser beam to a desired value. And can be controlled stably.
[0035]
[Example 4]
Fourth Embodiment A fourth embodiment according to the present invention will be described with reference to FIGS. The configuration of the fourth embodiment is almost the same as that of the first embodiment, except that an input device 329 capable of changing at least one of the injection current and the temperature is provided.
If the injection current or the temperature is gradually changed via the input device 329 so as to sequentially shift this position while monitoring the mode hop time, it becomes possible to set the laser oscillation to a desired mode position.
[0036]
Specifically, for example, the light intensity is monitored by the monitor detector 324 and sent to the mode lock control unit. The mode lock control unit 327 includes, for example, a differentiating circuit, and detects a significant change point of the light intensity signal from the monitor detector. The light intensity signal shown in FIG. 4 is modulated as described above and, for example, when operated at a duty ratio of 50%, the mode lock control unit 327 obtains a synchronization point of the frequency of the oscillator 31 and modulates it. It is recognized as the start point of the mode hop time Tm. Further, the elapsed time from the start point to the point where the light intensity signal changes significantly is measured as the mode hop time Tm. The laser oscillation wavelength can be set to a desired mode position by increasing the injection current via the input device 329 while continuously monitoring the length of the mode hop time Tm thus obtained. The input / output device 329 can be added to the mode lock control unit 327 as shown in FIG. 2, for example. Specifically, the input / output device 329 is desirably one that can be operated by an operator using a dial, a slide bar, a button, or the like.
[0037]
In order to maintain this arbitrary mode position, the time constant of feedback control and the loop gain may be optimized based on the finally determined injection current amount.
[0038]
Further, similarly to the second and third embodiments, laser oscillation can be set at an arbitrary mode position by using or using temperature control. Further, for maintaining an arbitrary mode position, the temperature control can be used or used in the same manner as in the second and third embodiments.
[0039]
【The invention's effect】
By using the optical measurement device according to the present invention, it is possible to stably irradiate a laser beam having a constant intensity at an arbitrary wavelength. Thereby, the accuracy of the measurement can be improved.
Further, it is possible to measure a minute optical change in a living body, which has been difficult in the past.
Furthermore, it is possible to control the temperature with an inexpensive heater without using an expensive and large power consumption temperature control device such as a Peltier device, and to stably irradiate laser light of a constant intensity at an arbitrary wavelength. It is.
In addition, it becomes possible to set the laser oscillation wavelength at an arbitrary mode position.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of an optical measurement device according to one embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a configuration inside a laser unit according to one embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a diagram showing an example of temperature dependence of an oscillation spectrum of a laser and occurrence of mode hops.
4A is a diagram in which two pulses in a light intensity monitor signal waveform obtained from a monitor detector according to an embodiment of the present invention are selected and enlarged in a time axis direction, and FIG. The figure which shows an intensity monitor signal waveform.
FIG. 5 is a diagram showing a configuration inside a laser unit according to a conventional technique.
[Explanation of symbols]
Reference Signs List 1 light source device, 2 light detection device, 3 laser section, 31 oscillator, 32 control circuit, 321 laser drive current circuit, 322 current temperature control section, 323 half mirror, 324 monitor detector, 325 integration circuit, 326 differential circuit, 327 Mode lock control unit, 328 heater, 329 input device, 33 laser element, 4 optical fiber cable, 5 optical fiber cable, 6 subject, 7 detector, 8 processing unit, 9 display device