JPH09184800A - 時間分解光計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 複数の波長又は測定ポイントでの測定を、時
間のずれがなく、しかも１個の検出器及び１個のＴＡＣ
で測定できるようにする。 【解決手段】 発振器４からの発振信号は発振波長の異
なる半導体レーザ２−１と２−２に同時に供給される
が、一方の同軸ケーブル５−２の方が長くなって遅延要
素３０を備えている。両半導体レーザ２−１，２−２か
ら発振されるレーザパルス光はそれぞれ光ファイバ３−
１，３−２により被検体８に導かれ、被検体８を散乱透
過したパルス光は検出器１０で検出され、ＴＡＣ１４で
検出器１０による光子検出までの時間が電圧として出力
され、積算される。得られた積算波形は（ａ）のよう
に、半導体レーザ２−１によるものと２−２によるもの
とが分離され、複数の光源に対する波形がほとんど時間
のずれなしに計測される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は高速で変化する光現
象の時間変化を測定する装置、例えば生体酸素モニタや
光ＣＴのほか、散乱体を対象とする光学定数測定装置に
関するものであり、特にＴＡＣ（Time-to-Amplitude Co
nverter；時間電圧変換器）を備えて時間相関単一光子
計数法により計測を行なう装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】時間相関単一光子計数法で、被検体に対
し複数の光源から入射した光の時間分解波形を１つの検
出器で検出しようとすると、光源の発振を切り換える
か、複数の光源から発振された光を光スイッチにより切
り換えることが必要である。図１（Ａ）は光源の発振を
切り換える方式を示したものである。波長の異なる２つ
の半導体レーザ２−１と２−２に対し、発振器４からの
信号を切換え器６で切り換えて与え、いずれかの半導体
レーザをパルス発振させて被検体８へ入射させる。被検
体を散乱透過したパルス光は検出器１０で検出される。
ＴＡＣ１４では、検出器１０による光子検出信号がＣＦ
Ｄ（Constant Fraction Discriminater）１２を経てＴ
ＡＣ１４にスタート信号として与えられ、発振器４から
の発振信号がＣＦＤ１６及び適当な遅延をもつ遅延回路
１５を経てＴＡＣ１４にストップ信号として与えられ、
検出器１０によるスタート信号とストップ信号との時間
差が電圧として出力される。ＴＡＣ１４の出力電圧はＡ
／Ｄ変換器１８でデジタル信号に変換され、ＭＣＡ（Ma
ltichannel Analyzer）２０によりいずれの半導体レー
ザからの信号であるかを指示してそれぞれのメモリ装置
２２−１，２２−２に記憶する。記憶された波形は、検
出信号と遅延された発振信号との時間差が計測されたも
のであるが、本来得るべき照射時間と検出時間との時間
差波形単に時間軸の方向が異なるのみである。この関係
を一般的に逆接続と呼ぶ。図１中のａ１，ａ２として示
された波形は時間軸を逆にして示している。

【０００３】ＴＡＣ１４の作動時間は、発振器４から発
振信号が出力されてから検出器１０による光子検出を完
了するまでの時間であり、例えば数ナノ秒というような
極めて短かい時間である。そのため、レーザの照射はで
きるだけ短かい時間間隔（例えば２００ナノ秒）のサイ
クルで行なわれるが、そのような短かい照射間隔内に切
換え器６により半導体レーザ２−１，２−２の発振を切
り換えることはできない。

【０００４】また、ＴＡＣ計測は１回の光子検出確率分
布を多数回積算することで強度分布を得ている。したが
って、一方の半導体レーザ、例えば２−１を発振させて
いるときは、その半導体レーザ２−１を繰返し発振させ
てＴＡＣ１４による作動を繰り返し、その出力を積算し
て、（ａ１）に示されるような半導体レーザ２−１によ
る波形を得る。この波形を得る時間は（半導体レーザの
発振間隔時間×積算回数）である。その後、切換え器６
によって半導体レーザの発振が他方の側、例えば２−２
側に切り換えられて同様の測定が行なわれる。

【０００５】発振信号の切換えに代えて、（Ｂ）に示さ
れるように、発振器４により半導体レーザ２−１と２−
２を同時に発振させ、被検体８に導くレーザパルス光を
光スイッチ２４で切り換えるようにすることもできる。
この場合も光スイッチ２４による切換えは、（半導体レ
ーザの発振間隔時間×積算回数）単位で行なわれる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】図１に示されるよう
に、発振信号の切換え又は発振したパルス光の切換えに
よる方法では、ＴＡＣの積算時間分のタイムラグ（時間
ずれ）を生じる。特に、生体計測ではある波長又はある
測定ポイントでの波形を基準として他の波形又は他の測
定ポイントでの波形を比較することにより光学定数を算
出するので、こうしたタイムラグは被検体の経時変化の
影響を受けて測定精度の低下を招く。こうした時間ずれ
を少なくするには、積分時間を短かくすること、すなわ
ち、１回の照射光量を減らすことなく照射サイクルを多
くすることであるが、それには半導体レーザの出力パワ
ーを上げる必要があり、技術的には限界がある。

【０００７】時間相関単一計数法における計測では、検
出される光が単一光子状態（１回の照射に対して検出さ
れる光子が必ず１個以下）であることが絶対条件であ
る。そこで、照射する光のサイクルに対して、光子が検
出される確率が１／２０（又は１／５０や１／１００）
以下にして計測する必要がある。

【０００８】通常、光生体計測では、照射する光源の限
界から被検体を散乱透過してくる光は非常に微弱で、こ
の単一光子条件を大きく下回ることも少なくない。すな
わち、検出器の側から見れば待ち時間ばかり多く、積算
時間中の稼動率は極めて低い状態となっている。

【０００９】そこで、本発明はこの時間的な隙間に他の
光源（波長又は他の測定ポイント）による測定を行なお
うとするものである。ただし、２以上の波長や測定ポイ
ントで同時に照射や検出を行なうと、検出器側では波長
ごとに又は測定ポイントごとに選別ができないので、観
測される波形は重なり合ってしまう。こうした問題を避
けるために、波長やポイントごとに照射時間又は検出時
間をずらし、積算された波形が重なり合わないようにし
なければならない。

【００１０】本発明の目的は、複数の波長又は測定ポイ
ントでの測定を従来のような積算時間という長い時間の
ずれがなく、しかも１個の検出器及び１個のＴＡＣで測
定できるようにすることである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明では、被検体への
光入射側と被検体からの光出射側の少なくとも一方を複
数のチャネルとするとともに、光検出器による各チャネ
ルの光子検出までの時間が互いに重ならず、かつすべて
のチャネルの光検出器による光子検出がＴＡＣの１回の
作動時間領域内に完了するように遅延要素を設けた。

【００１２】遅延要素としては次のものを挙げることが
できる。 （１）光源の点灯を行なう光源トリガー信号（＝発振信
号）を光源まで導く同軸ケーブルなどを長くしたもので
あり、これにより電気的に遅延させる。 （２）点灯した光を被検体に導く光ファイバなどの導光
路を長くしたものであり、これにより光源から被検体ま
での光路で光学的に遅延する。 （３）被検体から出射する散乱透過光を検出器に導く受
光側光ファイバなどの導光路を長くしたものであり、こ
れにより被検体から検出器までの光路で光学的に遅延す
る。遅延要素が同軸ケーブルや光ファイバの場合、約２
０ｃｍの長さで１ナノ秒程度の遅延量が得られる。

【００１３】

【実施例】図２（Ａ）は第１の実施例を表す。図１の実
施例と同一部分には同一の符号を付す。発振器４からの
発振信号は発振波長の異なる半導体レーザ２−１と２−
２にそれぞれ同軸ケーブル５−１，５−２を経て同時に
供給されるが、同軸ケーブル５−２の方が同軸ケーブル
５−１より長くなっており、その長くなった部分の同軸
ケーブルが遅延要素３０となっている。両半導体レーザ
２−１，２−２から発振されるレーザパルス光はそれぞ
れ光ファイバ３−１，３−２により被検体８の同じ位置
又は異なる位置に導かれる。被検体８を散乱透過したパ
ルス光は検出器１０で検出される。ＴＡＣ１４では、検
出器１０による光子検出信号がＣＦＤ１２を経てＴＡＣ
１４にスタート信号として与えられ、発振器４からの発
振信号がＣＦＤ１６及び適当な遅延をもつ遅延回路１５
を経てＴＡＣ１４にストップ信号として与えられ、スタ
ート信号とストップ信号との時間差が電圧として出力さ
れる。ＴＡＣ１４の出力電圧はＡ／Ｄ変換器１８でデジ
タル信号に変換され、ＭＣＡ２０を経てメモリ装置２２
に記憶され、積算される。

【００１４】検出器１０はＴＡＣ１４の作動時間内に半
導体レーザ２−１と２−２によるパルス光の光子をとも
に検出するが、遅延要素３０により半導体レーザ２−２
のパルス光が半導体レーザ２−１のパルス光よりも遅れ
て被検体８に供給されるので、検出器１０は両半導体レ
ーザ２−１，２−２からのパルス光による光子を時間が
ずれた状態で検出する。こうして得られた積算波形は
（ａ）のようになり、データ処理において半導体レーザ
２−１によるものと２−２によるものとが分離され、複
数の光源に対する波形がほとんど時間のずれなしに計測
することができるようになる。

【００１５】なお、散乱透過してくる光が比較的強く、
完全な単一光子状態から外れた場合には波形の歪を生ず
るが、この場合は照射光のパワーを弱めるなどすればよ
い。その場合でも時間のずれがなく、切換え器などの複
雑な要素を必要としないなどの利点があり、また積分時
間が長くなるような問題も生じない。

【００１６】図２（Ｂ）は発振器４によって２つの半導
体レーザ２−１，２−２を同時に発振させ、両半導体レ
ーザ２−１，２−２から被検体８までレーザパルスを導
く光ファイバ３−１と３−２の長さを異ならせることに
より、遅延させるようにした実施例を示したものであ
る。ここでは、光ファイバ３−１よりも光ファイバ３−
２の方を長くし、その長くした部分３２が遅延要素とな
るようにしている。他の構成及び動作は（Ａ）のものと
同じである。

【００１７】図３はさらに他の実施例を表わしたもので
ある。（Ａ）は発振器４によって１個の半導体レーザ２
をパルス発振させ、そのパルス光を光分波器３４により
２つの光路に分波し、それぞれの光路のパルス光を光フ
ァイバ３６−１と３６−２を経て被検体８の異なる位置
に入射させるものである。この場合、一方の光ファイバ
３６−２の長さを他方の光ファイバ３６−１の長さより
も長くし、その長くなった部分３８が遅延要素となって
いる。他の構成は図２（Ａ）の実施例と同じである。

【００１８】図３（Ｂ）はさらに他の実施例を表わした
ものであり、被検体８に対しては１個の半導体レーザ２
から光ファイバ３６を経てパルス光を被検体８に照射
し、被検体８を散乱透過してきたパルス光を異なる位置
で受光し、それぞれの受光パルス光を光ファイバ４０−
１，４０−２から光合波器４４へ導き、光合波器４４で
２つの光ファイバから導かれたパルス光を１つの光路に
まとめて検出器１０へ導いている。ここでは、被検体８
から光合波器４４までの光ファイバ４０−１，４０−２
の長さが互いに異なっており、光ファイバ４０−１より
光ファイバ４０−２の長さの方が長くなっており、その
長くなった部分４２が遅延要素となっている。この場合
には、被検体８の２つの位置での情報が同時に得られ
る。

【００１９】光分波器３４や光合波器４４の代わりに、
図３（Ｃ）に示されるような分岐した光ファイバ４８を
用いてもよい。この場合、分岐した２つの光路５０−１
と５０−２うち、一方の光路５０−２の方が長くなり、
その長くなった部分５２が遅延要素となっている。

【００２０】図４はさらに他の実施例を表わしたもので
あり、４つの現象を１つのＴＡＣに重畳させるようにし
たものである。光源として２波長７６０ｎｍと８００ｎ
ｍと半導体レーザ２−１，２−２を備え、また被検体８
に対しては２ヵ所の位置で光ファイバ５６−１，５６−
２によりパルス光を入射させ、被検体８の１ヵ所の位置
から光ファイバ６０により受光して検出器１０の光電子
増倍管へ導く。両半導体レーザ２−１，２−２からのパ
ルス光は光ファイバ５４によって混合されて光路が１つ
になった後、光ファイバ５６−１，５６−２により２つ
の光路に分岐して異なった位置で被検体に照射される。
一方の光ファイバ５６−１による光入射点と光ファイバ
６０による受光点との距離は２５ｍｍ、他方の光ファイ
バ５６−２による光入射点と光ファイバ６０による受光
点との距離は４０ｍｍとする。

【００２１】発振信号が半導体レーザ２−１，２−２に
それぞれ供給される同軸ケーブル５−１，５−２におい
て、同軸ケーブル５−２の方が長くなっており、その長
くなった部分３０が遅延要素となって半導体レーザ２−
２側の発振信号に約４ナノ秒の遅延を生じさせる。両半
導体レーザ２−１，２−２からの光パルスは光ファイバ
５４によって混合された後再び分割され、その分割され
た光パルスを導く光ファイバ５６−１，５６−２では光
ファイバ５６−２の方が長くなっていて、その長くなっ
た部分５８により約６ナノ秒の遅延が生じる。その結
果、光ファイバ５６−１と５６−２からはいずれも７６
０ｎｍと８００ｎｍの波長の光パルスが被検体８に入射
されるが、８００ｎｍのパルス光は発振時に約４ナノ秒
の遅延をもっており、かつ光ファイバ５６−２から被検
体８に入射する光パルスは光ファイバ５６−１から被検
体８に入射する光パルスに対し約６ナノ秒の遅延をも
つ。

【００２２】この実施例の動作を図５にまとめて示す。
もし遅延がないとすればその（Ａ）表の本来の時間分解
波形の欄に示されたように、送受光間距離に応じた波形
の変化は見られるものの、時間差は現われない。しか
し、遅延が設けられている結果、光ファイバ５６−１か
ら入射した７６０ｎｍの光パルスａが遅延をもたずに検
出され、次に光ファイバ５６−１から入射した８００ｎ
ｍの光パルスｂが約４ナノ秒の遅延をもって検出され
る。次に光ファイバ５６−２から入射した７６０ｎｍの
光パルスｃが約６ナノ秒の遅延をもって検出され、光フ
ァイバ５６−２から入射した８００ｎｍの光パルスｄが
約１０ナノ秒の遅延をもって検出される。このａ〜ｄの
４つの信号を重ねて１つのＴＡＣに入力し、積算するこ
とにより、（Ｂ）に示される波形が得られる。

【００２３】図６（Ａ）はさらに他の実施例を表わした
ものである。半導体レーザ２からのパルス光は光分波器
６２で２つの光路に分けられ、一方の光路は光ファイバ
６４−１及び単一光子状態になるように減光する減光器
６５を経て光合波器７０に入射し、他方の光路は光ファ
イバ６４−２を経て被検体８に入射し、被検体８を散乱
透過した光子は光ファイバ６８を経て光合波器７０に入
射する。光ファイバ６４−２には光ファイバを長くする
ことによって遅延要素６６が設けられている。光合波器
７０で単一の光路に合流した２つの光パルスは検出器１
０で検出され、ＣＦＤ１２を経てＴＡＣ１４へ導かれ
る。他の構成は図２（Ａ）に示されているものと同じで
ある。

【００２４】この実施例では、（Ｂ）に示されるよう
に、被検体８を透過しないパルス光が基準光としてまず
検出され、その後、被検体８を透過してきたパルス光が
遅延要素６６により設定された時間の遅れをもって検出
される。ＴＡＣ１４による検出結果を積算したものが
（Ｂ）に示されるものであり、それがデータとしてメモ
リに蓄えられる。

【００２５】図７（Ａ）はさらに他の実施例を表したも
のであり、波長の異なる２つの半導体レーザ２−１と２
−２がそれぞの光分波器６２−１と６２−２によって２
つの光路に分けられ、それぞれの一方の光路の光パルス
がそれぞれ減光器６５−１，６５−２を経て基準光とし
て光合波器７０に導かれ、それぞれの他方の光路の光パ
ルスが観測光として被検体８に照射される。観測光を被
検体８に導く光ファイバにはそれぞれ光ファイバを長く
した遅延要素６６−１と６６−２が設けられている。ま
た、半導体レーザ２−２に発振信号を導く同軸ケーブル
は半導体レーザ２−１に発振信号を導く同軸ケーブルよ
り長くされることによって、遅延要素６６−１より長い
遅延時間をもつ遅延要素３０が設けられている。

【００２６】この実施例では、（Ｂ）に示されるよう
に、まず半導体レーザ２−１からの光パルスによる基準
光が検出され、つづいて半導体レーザ２−１からの光パ
ルスによる観測光が遅延要素６６−１による遅延をもっ
て検出される。その後、遅延要素３０による遅延をもつ
半導体レーザ２−２からの光パルスによる基準光が検出
され、その後、さらに遅延要素６６−２の遅延をもって
半導体レーザ２−２からの光パルスによる観測光が検出
される。

【００２７】本発明は、特許請求の範囲に記載した発明
以外に次の態様を含んでる。 （１）各チャンネルは、光源からのパルス光の波長が異
なったものである。これにより、複数の波長の時間応答
波形を１つのＴＡＣで同時に又はほとんど同時に測定す
ることができる。 （２）各チャンネルは、被検体へのパルス光の入射位置
と被検体からの散乱透過光の受光位置との距離が異なっ
たものである。これにより、複数の測定ポイントでの時
間応答波形を１つのＴＡＣで同時に又はほとんど同時に
測定することができる。 （３）各チャンネルは、光源からのパルス光の波長が異
なったものと、被検体へのパルス光の入射位置と被検体
からの散乱透過光の受光位置との距離が異なったものと
を組み合わせたものである。これにより、例えば２波
長、２測定ポイントを組み合わせた４つの現象を１つの
ＴＡＣで同時に又はほとんど同時に測定することができ
る。 （４）少なくとも１つのチャンネルとして、光源からの
パルス光が被検体を透過せずに直接検出器により受光さ
れて基準光となるものがさらに設けられている。これに
より、光源の変動や検出器の感度変動など、測定装置の
変化を測定光との時間ずれなしに、また時間の無駄なし
に観測することができる。そして、その基準光による検
出信号のデータにより被検体を透過した測定光による検
出信号のデータを割算することにより、光源や検出器の
時間的な変動による誤差を消去することができ、安定し
た測定が可能になる。

【００２８】

【発明の効果】本発明では被検体への光入射側と被検体
からの光出射側の少なくとも一方を複数のチャンネルと
するとともに、光検出器による各チャンネルの光子検出
までの時間が互いに重ならず、かつすべてのチャンネル
の光検出器による光子検出がＴＡＣの１回の作動時間領
域内に完了するように遅延要素を設けたので、複数の波
長の時間応答波形や複数の測定ポイントでの時間応答波
形を１つのＴＡＣで同時に又はほとんど同時に測定する
ことができるようになる。そして、１つの検出器、１つ
のＴＡＣですむことから、装置構成が簡単になり、安価
に実現できるようになる。また、照射光のパワーを上げ
ることなしに効率的なデータ収集も可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（Ａ）及び（Ｂ）はそれぞれ従来の測定装置の
構成を示すブロック図である。

【図２】（Ａ）及び（Ｂ）はそれぞれ実施例の構成を示
すブロック図である。

【図３】（Ａ）及び（Ｂ）はそれぞれ他の実施例の構成
を示すブロック図であり、（Ｃ）はそれらの実施例にお
ける光分波器や光合成器に代わる分岐光ファイバを示す
斜視図である。

【図４】さらに他の実施例の構成を示す概略図である。

【図５】図４の実施例の動作を示す波形図である。

【図６】（Ａ）はさらに他の実施例の構成を示すブロッ
ク図であり、（Ｂ）はその動作を示す波形図である。

【図７】（Ａ）はさらに他の実施例の構成を示すブロッ
ク図であり、（Ｂ）はその動作を示す波形図である。

【符号の説明】

２，２−１，２−２ 半導体レーザ ４ 発振器 ８ 被検体 １０ 検出器 １４ ＴＡＣ ３０，３２，３８，４２，５８，６６，６６−１，６６
−２ 遅延要素

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被検体にパルス光を入射させる光源、被
   検体での透過散乱光を受光する1個の光検出器、及び光
   源でのパルス光発生時から前記光検出器による光子検出
   までの時間を電圧として出力する1個の時間電圧変換器
   を少なくとも備えて高速に変化する光現象の時間変化を
   測定する装置において、 被検体への光入射側と被検体からの光出射側の少なくと
   も一方を複数のチャネルとするとともに、前記光検出器
   による各チャネルの光子検出までの時間が互いに重なら
   ず、かつすべてのチャネルの前記光検出器による光子検
   出が前記時間電圧変換器の１回の作動時間領域内に完了
   するように遅延要素を設けたことを特徴とする時間分解
   光計測装置。