专利名称：光检测设备和流体测量设备的制作方法
光检测设备和流体测量设备技术领域
本发明例如涉及一种光检测设备，其用于检测在由测试物体、样本、待检查的物体反射、散射等的光包括的信号光分量，以及一种设置有该光检测设备的流体测量设备，诸如激光多普勒血流计。
背景技术：
作为此类型的光检测设备，例如，存在一种作为用于在激光多普勒血流计上检测来自活体的光的光接收单元使用的设备(例如参照专利文献I和2)。激光多普勒血流计利用诸如激光的光照射活体，并且根据由于光反射或散射中的多普勒频移产生的波长变化， 计算活体的血流速度等。作为激光多普勒血流计的光接收单元使用的光检测设备通常设置有光电转换兀件，诸如光电二极管；和电流/电压转换电路，其包括用于放大光电转换兀件的输出电流并且将它转换成电压信号的运算放大器(即，“运算放大电路”)。
另一方面，例如，专利文献3公开了，在用于光通信等光接收电路上，偏置元件与光电二极管的两端连接并且该两端经由电容器与差分放大器(运算放大器)的输入端连接， 并且在该差分的正输出和负输入之间和在反相输出和正输入之间设置有电阻元件。
[现有技术文献]
[专利文献]
专利文献1:日本专利申请特开No. 2007-175415
专利文献2 :日本专利No. 3313841
专利文献3 :日本专利申请特开No.平6-224652发明内容
本发明要解决的技术问题
如果此类型的光检测设备作为上述的激光多普勒血流计的光接收单元使用，存在这样的技术问题，因为在由活体反射或散射的光中包括的信号光分量(即，多普勒频移调制分量)的强度小于在由活体反射或散射的光包括的固定光分量(即，不被由活体的反射或散射而改变的分量)的强度，所以很难精确地检测信号光分量。
考虑到前述的问题，因此本发明的目的是提供一种光检测设备，其能够精确地检测在由测试物体反射、散射等的光中包括的信号光分量，以及一种设置有该光检测设备的流体测量设备。
解决该问题的技术方案
通过一种用于检测输入光中包括的信号光分量的光检测设备，可以实现本发明的上述目的，该光检测设备设置有光电电流变换器单元，其包括第一和第二光电转换元件单兀，该第一和第二光电转换兀件单兀每一个将输入光转换成电流并且输出该电流，并且该光电电流变换器单兀输出在由第一光电转换兀件单兀输出的电流和由第二光电转换兀件单元输出的电流之间的差分电流作为检测电流；以及第一电流/电压转换单元，其放大从光电电流变换器单元输出的检测电流，将该检测电流转换成电压信号，并且输出该电压信号。
通过一种流体测量设备也可以实现本发明的上述目的，该流体测量设备设置有 照射单元，其用于利用光照射测试物体；上述的本发明的光检测设备，由于照射光引起的来自测试物体的光作为输入光被输入至所述光检测设备；和计算单元，其用于基于由第一电流/电压转换单元输出的电压信号计算关于测试物体中流体的流体信息。
根据下面解释的用于执行本发明的模式，本发明的操作和其他的优点将变得更加显而易见。
图1是概念性地示出了在第一示例中的光检测设备的整体配置的框图。
图2是示出了在第一示例中的光检测设备的配置的框图。
图3是示出了从第一示例中的光检测设备的光电电流变换器单元输出的检测电流Idt和为电流/电压转换单元提供的运算放大器的输出电压Vout中的每一个的一个示例的波形图。
图4是示出了在第二示例中的光检测设备的配置的框图。
图5是示出了在第三示例中的光检测设备的配置的框图。
图6是示出了为第三示例中的光检测设备提供的放大器的配置的电路图。
图7是示出了为第四示例中的光检测设备提供的放大器的配置的电路图。
图8是示出了在第五示例中的血流测量设备的配置的框图。
图9是示出了在第六示例中的血流测量设备的配置的框图。
图10是示出了在第七示例中的光检测设备的配置的电路图。
具体实施方式
在下文中，将解释本发明的实施例。
通过一种用于检测输入光中包括的信号光分量的光检测设备，可以实现根据第一实施例的上述目的，该光检测设备设置有光电电流变换器单元，其包括第一和第二光电转换元件单元，该第一和第二光电转换元件单元每一个将输入光转换成电流并且输出该电流，并且该光电电流变换器单兀输出在由第一光电转换兀件单兀输出的电流和由第二光电转换元件单元输出的电流之间的差分电流作为检测电流；以及第一电流/电压转换单元， 其放大从光电电流变换器单元输出的检测电流，将该检测电流转换成电压信号，并且输出该电压信号。
根据第一实施例中的光检测设备，在其操作中，例如，向光电电流变换器单元输入由测试物体、样本、待检查的物体反射、散射等的光作为输入光。通过光电电流变换器单元将输入到光电电流变换器单元的输入光变换成电流并且作为检测电流输出。通过包括例如运算放大器和负反馈电阻器的第一电流/电压转换单元以预定增益放大从光电电流变换器单元输出的检测电流，并且将该检测电流转换成电压信号。基于第一电流/电压转换单兀输出的电压信号，可以检测在输入光中包括的信号光分量(例如由测试物体中反射、散射等的调制分量)。
具体地在实施例中，每一个光电电流变换器单元包括将输入光转换成电流并且将其输出的第一和第二光电转换元件单元，并且该光电电流变换器单元输出在由第一光电转换元件单元输出的电流和由第二光电转换元件单元输出的电流之间的差分电流作为检测电流。
具体地，第一和第二光电转换元件单元中的每一个由一个或多个光电转换元件单兀(例如，光电二极管等)构成并且输出根据输入光的量的电流。光电电流变换器单兀输出在由第一光电转换元件单元输出的电流和由第二光电转换元件单元输出的电流之间的差分电流作为检测电流。例如，并联连接第一和第二光电转换元件单元使得第一光电转换元件单元的阴极和第二光电转换元件单元的阳极连接并且使得第一光电转换元件单元的阳极和第二光电转换元件单元的阴极连接。附带地，第一光电转换元件单元的阴极的意思是， 当输入光被输入到第一光电转换兀件单兀时电流从外部流入的电极，并且第一光电转换兀件单元的阳极的意思是，当输入光被输入到第一光电转换元件单元时电流从其流出至外部的电极。同样地，第二光电转换元件单元的阴极的意思是，当输入光被输入到第二光电转换元件单元时电流从外部流入的电极，并且第二光电转换元件单元的阳极的意思是，当输入光输入到第二光电转换元件单元时电流从其流出至外部的电极。替代地，例如，串联连接第一和第二光电转换元件单元，使得它们的阴极或它们的阳极互相连接。
因而，可以降低或消除来自第一和第二光电转换元件单元中的每一个输出的电流的、与输入光中包括的固定光分量对应的电流分量(在下文中必要时称为直流(DC)分量)， 并且可以输出与输入光中包括的信号光分量对应的电流分量(在下文中必要时称为交流电流(AC)分量)作为检测电流。换句话说，将从第一光电转换元件单元输出的电流的DC分量和从第二光电转换元件单元输出的电流的DC分量互相抵消是可能的，并且输出主要包括与输入光中包括的信号光分量对应的AC分量的检测电流也是可能的。
因此，当通过第一电流/电压转换单元放大检测电流并且将它转换成电压信号时，增加增益是可能的。换句话说，根据实施例，如上所述，因为从第一光电转换元件单元输出的电流的DC分量和从第二光电转换元件单元输出的电流的DC分量抵消并且检测电流几乎不包括或者 根本不包括DC分量，因此增加通过第一电流/电压转换单元放大的增益，同时避免发生例如如果检测电流中包括的DC分量相对大则可能发生的第一电流/电压转换单元的饱和现象(例如第一电流/电压转换单元包括的运算放大器的饱和现象)是可能的。 附带地，第一电流/电压转换单元的饱和现象的意思是，如果输入到第一电流/电压转换单元的检测电流的电流值大于预定电流值，则由第一电流/电压转换单元输出的电压信号变成根据第一电流/电压转换单元的电源电压确定的恒定饱和电压，而与检测电流的电流值无关的现象。
而且，根据实施例，如上所述，因为主要包括与输入光中包括的信号光分量对应的 AC分量的电流可以被输出作为检测电流，提高由第一电流/电压转换单元输出的电压信号的信噪比(S/N)是可能的。换句话说，根据实施例，降低或者消除了从第一和第二光电转换元件单元中的每一个输出的电流的、与输入光中包括的作为固定光分量的噪声分量对应的 DC分量，并且输出主要包括与信号光分量对应的AC分量的检测电流。因而，提高由第一电流/电压转换单元输出的电压信号的S/N比是可能的。
结果，根据该实施例中的光检测设备，可以精确地检测输入光中包括的信号光分量。
在第一实施例中的光检测设备的一个方面中，并联连接第一和第二光电转换元件单元，使得第一光电转换元件单元的阴极和第二光电转换元件单元的阳极连接，并且使得第一光电转换元件单元的阳极和第二光电转换元件单元的阴极连接。
根据本方面，可以确定地输出在由第一光电转换兀件单兀输出的电流和由第二光电转换元件单元输出的电流之间的差分电流作为检测电流。
在第一实施例中的光检测设备的另一个方面中，串联连接第一和第二光电转换元件单元，使得它们的阴极或它们的阳极互相连接。
根据本方面，可以确定地输出在由第一光电转换兀件单兀输出的电流和由第二光电转换元件单元输出的电流之间的差分电流作为检测电流。
在串联连接第一和第二光电转换元件单元的方面中，光检测设备进一步地设置有偏置电压施加装置，其连接在串联连接的第一和第二光电转换元件单元之间并且可以向第一和第二光电转换元件单元中的每一个施加偏置电压，并且如果通过偏置电压施加装置向第一和第二光电转换兀件单兀中的每一个施加偏置电压，则该光电电流变换器单兀输出由第一光电转换元件单元输出的电流和第二光电转换元件单元输出的电流中的每一个。
在这种情况下，检测由第一光电转换元件单元输出的电流和由第二光电转换元件单元输出的电流中的每一个的DC分量是可能的。因而，计算输入光中包括的信号光分量与固定光分量的比是可能的。因此，可以更精确地检测输入光中包括的信号光分量。
在第一实施例中的光检测设备的另一个方面中，进一步地设置有第三光电转换元件单元，其用于将输入光转换成电流并且输出该电流；和第二电流/电压转换单元，其用于放大从第三光电转换元件单元输出的电流并且将该电流转换成电压信号。
根据本方面，基于从第二电流/电压转换单元输出的电压信号，可以检测由第三光电转换兀件单兀输出的电流的DC分量。因而，计算输入光中包括的信号光分量与固定光分量的比是可能的。因此，可以更精确地检测输入光中包括的信号光分量。
在第一实施例中的光检测设备的另一个方面中，光电电流变换器单元具有第一和第二端子，其分别地与第一和第二光电转换元件单元的两端连接，并且第一电流/电压转换单元具有全差分放大器，其具有与第一端子连接的正输入端子，与第二端子连接的负输入端子，用于将输入到正输入端子的信号反相、放大、并且输出的负输出端子，用于将输入到负输入端子的信号反相、放大、并且输出的正输出端子；第一负反馈电阻器，其连接在正输入端子和负输出端子之间；第二负反馈电阻器，其连接在负输入端子和正输出端子之间； 和放大器，其用于放大在从正输出端子输出的信号和从负输出端子输出的信号之间的差并且作为电压信号将其输出。
根据本方面，可以在几乎不施加或者根本不施加反向偏置电压的条件下，S卩，在所谓的发电模式下，操作诸如光电二极管的第一和第二光电转换元件单元。因而，降低或者消除在第一和第二光电转换元件单元中产生的暗电流(即，甚至在没有输入的输入光的情况下通过反向偏置电压产生的相反方向电流)是可能的。这使得降低由于暗电流波动造成的噪声电流并且提高在由第一电流/电压转换单元的放大器输出的电压信号中的S/N比成为可能。结果，可以更精确地检测输入光中包括的信号光分量。
通过一种流体测量设备也可以实现根据第一实施例的上述目的，该流体测量设备设置有照射单元，其用于利用光照射测试物体；根据前述实施例的光检测设备(包括它的各个方面)，由于照射光引起的来自测试物体的光作为输入光被输入到该光检测设备；和计算单元，其用于基于由所述第一电流/电压转换单元输出的电压信号计算关于测试物体中流体的流体信息。
根据实施例中的流体测量设备，因为它设置有根据前述的实施例的光检测设备， 精确地计算关于测试物体中流体的流体信息是可能的。
示例
在下文中，将参考附图解释本发明的示例。
<第一示例>
将参考图1至图3解释第一示例中的光检测设备。
首先，将参考图1和图2解释第一示例中的光检测设备的配置。
图1是概念性地示出了在第一示例中的光检测设备的整体配置的框图。图2是示出了在第一示例中的光检测设备的配置的框图。
在图1和图2中，第一示例中的光检测设备I是用于检测从外部输入的输入光中包括的信号光分量的光检测设备，其设置有光电电流变换器单元100 ;和电流/电压转换单元200。例如，输入光是通过测试物体、样本、待检查的物体(例如人的手指等)对激光进行反射、散射等所获得的光并且包括指示关于测试物体的信息的信号光分量(例如由测试物体中反射、散射等的调制分量)。
在图2中，光电电流变换器单元100具有光接收元件110和120和端子Pdl和Pd2。 附带地，光接收元件110是本发明的“第一光电转换元件单元”的一个示例，并且光接收元件120是本发明的“第二光电转换元件单元”的一个示例。
光接收元件110和120中的每一个是诸如PIN光电二极管的光电二极管，接收输入光，并且根据接收的输入 光的量输出电流。并联连接光接收元件Iio和120，使得光接收元件110的阴极(换句话说，光接收元件110的N-型半导体)和光接收元件120的阳极(换句话说，光接收元件110的P-型半导体)互相连接并且使得光接收元件110的阳极(换句话说，光接收元件110的P-型半导体)和光接收元件120的阴极(换句话说，光接收元件120 的N-型半导体)互相连接。光接收元件110的阳极和光接收元件120的阴极连接到端子 Pdl，并且光接收元件110的阴极和光接收元件120的阳极连接到端子Pd2。因为以该方式并联连接光接收元件110和120，光电电流变换器单元100可以输出在由光接收元件110从端子Pdl输出的电流Idtl和由光接收元件120输出的电流Idt2之间的差分电流作为检测电流Idt。
端子Pdl和Pd2分别地连接到随后描述的电流/电压转换单元200的输入端子 Inl 和 In2。
电流/电压转换单元200具有输入端子Inl和In2 ;运算放大器210 ;反馈电阻器Rf ;和输出端子Out。将电流/电压转换单元200配置为跨阻抗放大器(电流-电压转换放大器)，其用于将输入到输入端子Inl的电流转换成电压信号并且将其输出。电流/电压转换单元200将从光电电流变换器单元100输入到输入端子Inl的检测电流Idt转换成电压信号并且从输出端子Out将其输出作为光检测信号。
输入端子Inl连接到运算放大器210的反相输入端子(_)。输入端子In2连接到运算放大器210的非反相输入端子(+ )。输入端子In2和运算放大器210的非反相输入端子接地(即，连接到基准电势，诸如地(GND)电势)。
反馈电阻器Rf连接在运算放大器210的输出端子和运算放大器210的反相输入端子之间，执行负反馈，并且将电流转换成电压。因为通过反馈电阻器Rf执行负反馈，运算放大器210的反相输入端子和非反相输入端子之间的电势差几乎是零(即，实现所谓的“虚短路”)。
输出端子Out连接到运算放大器210的输出端子。输出端子Out输出从运算放大器210输出的电压信号作为光检测信号。
接下来，将参考图2解释示例中的光检测设备的操作。
在图2中，在光检测设备I的操作中，如果通过光接收元件110和120中的每一个接收输入光，从光接收兀件Iio和120中的每一个输出根据输入光的量的电流。换句话说， 光接收元件110根据接收的输入光的量输出电流Idtl，并且光接收元件120根据接收的输入光的量输出电流Idt2。然后，如上所述，因为并联连接光接收元件110和120，使得光接收元件110的阴极和光接收元件120的阳极互相连接并且使得光接收元件110的阳极和光接收元件120的阴极互相连接，从端子Pdl输出在从光接收元件110输出的电流Idtl和从光接收元件120输出的电流Idt2之间的差分电流作为检测电流Idt。
这里，输入光包括信号光分量(例如，由测试物体中反射、散射等的调制分量)和固定光分量(例如，噪声分量和根据对测试物体应用或照射的激光量的分量)。因而，由光接收元件110输出的电流Idtl和由光接收元件120输出的电流Idt2中的每一个包括AC分量和 DC分量,该AC分量是与输入光中包括的信号光分量对应的电流分量,该DC分量是与输入光中包括的固定光分量对应的电流分量。因为放置光接收元件110的位置和放置光接收元件120的位置是互相不同的,输入到光接收兀件110的输入光的信号光分量和输入到光接 收兀件120的输入光的信号光分量具有互相不同的光学路径。因而，与信号光分量对应的电流分量是互相具有低关联性的信号。因而，由光接收元件110输出的电流Idtl的AC分量(即，与信号光分量对应的电流分量)和由光接收兀件120输出的电流Idt2的AC分量互相具有低关联性。换句话说，电流Idtl和Idt2的AC分量包括许多具有互相不同的相位、 振幅和频率的异相分量(换句话说，互相具有低关联性的非相关分量)。另一方面，如果光接收面积被设定为相同，则由光接收元件110输出的电流Idtl的DC分量(即，与固定光分量对应的电流分量)和由光接收元件120输出的电流Idt2的DC分量具有基本上相同的振幅。 换句话说，电流Idtl和Idt2的DC分量具有同相分量(换句话说，互相具有高关联性的相关分量)。
因而，如图3所示，检测电流Idt是与电流Idtl和Idt2的AC分量相比增加并且其中减少或去除了 DC分量的电流，该检测电流Idt是在从光接收元件110输出的电流Idtl 和从光接收元件120输出的电流Idt2之间的差分电流。包括许多非相关分量的信号的减法等价于随机信号的减法，并且在减法之后信号功率增加。附带地，图3是示出了运算放大器210的检测电流Idt和输出电压Vout中的每一个的一个示例的波形图。
换句话说，根据光电电流变换器单元100，抵消由光接收元件110输出的电流Idtl 的DC分量和由光接收元件120输出的电流Idt2的DC分量是可能的，并且输出主要包括与输入光中包括的信号光分量对应的AC分量的检测电流Idt是可能的。
因此，当通过电流/电压转换单元200放大检测电流Idt并且将它转换成电压信号时，增加增益是可能的。换句话说，根据示例，如上所述，因为由光接收元件110输出的电流Idtl的DC分量和由光接收元件120输出的电流Idt2的DC分量抵消并且检测电流Idt 几乎不包括或者根本不包括DC分量，因此增加通过电流/电压转换单元200放大的增益， 同时避免发生例如如果检测电流包括的DC分量相对大则可能发生的、电流/电压转换单元 200中包括的运算放大器210饱和现象是可能的。换句话说,在图3中，增加通过电流/电压转换单元200放大的增益，同时保持在运算放大器210的输出电压Vout的最大值和运算放大器210的饱和电压Vs的最大值之间相对大的差Λν 是可能的。
而且，根据示例，如上所述，因为光电电流变换器单元100可以输出主要包括与输入光中包括的信号光分量对应的AC分量的电流作为检测电流，提高由电流/电压转换单元 200输出的光检测信号中的信噪比(S/N)是可能的。换句话说，根据示例，从由光接收元件 110输出的电流Idtl和由光接收元件120输出的电流Idt2降低或消除与输入光中包括的作为固定光分量的噪声分量对应的DC分量(例如由于激光源波动产生的噪声分量)，并且输出主要包括与信号光分量对应的AC分量的检测电流Idt。因而，提高在由电流/电压转换单元200输出的光检测信号中的S/N比是可能的。
另外，根据示例，如上所述，实现虚短路，其中在运算放大器210的反相输入端子和非反相输入端子之间的电势差几乎是零。因而，在经由输入端子Inl连接到运算放大器 210的反相输入端子的端子Pdl和经由输入端子In2连接到运算放大器210的非反相输入端子的端子Pd2之间的电势差也几乎是零，并且可以在零偏置条件下(B卩，几乎不或根本不施加反向偏置电压)，即，所谓的发电模式下，操作光接收元件110和120中的每一个。因此， 降低或消除在光接收元件110和120中产生的暗电流是可能的。这使得降低由于暗电流波动造成的噪声电流并且提高在由电流/电压转换单元200输出的光检测信号中的S/N比成为可能。
根据示例，可以降低或消除在输入光中包括的作为固定光分量的DC分量，并且可以增加作为输出的输出电压Vout关于作为输入的检测电流Idt的比，S卩，转换增益，同时避免在电流/电压转换单元200上的饱和现象。因而，可以提高S/N比。
具体地，即使图2中的反馈电阻器Rf的电阻值设定为高，仍然可以避免运算放大器210的饱和现象。作为由电流/电压转换单元200产生的噪声的主要成分之一，反馈电阻器Rf的热噪声是完全已知的。该热噪声与反馈电阻器Rf的电阻值的平方根是成比例的。 另一方面，因为转换增益与反馈电阻器Rf的电阻值是成比例的，如果反馈电阻器Rf的电阻值设定为高，可以以反馈电阻器Rf的电阻值的平方根的倍数提高S/N比。然而，如果在现有简单光电二极管配置中的反馈电阻器Rf的电阻值设定为高，则DC分量使运算放大器210 饱和。如果运算放大器210饱和，没有输出信号光分量，这会引起致命的问题。另一方面， 根据示例，因为可以在检测电流Idt阶段降低或消除DC分量，即使反馈电阻器Rf的电阻值设定为高，运算放大器210仍不会饱和。因此，根据示例，避免运算放大器210的饱和并且同时通过高转换增益设定高S/N比是可能的。
如上所述，根据示例中的光检测设备I，提高由电流/电压转换单元200输出的光检测信号的S/N比是可能的。结果，可以精确地检测输入光中包括的信号光分量。
<第二示例>
将参考图4解释第二示例中的光检测设备。
图4是示出了第二示例中的光检测设备的配置的框图。附带地，在图4中，与图2 中示出的第一示例中的组成部分相同的组成部分将带有相同的附图标记，并且在必要时将省略它们的解释。
在图4中，第二示例中的光检测设备Ib和上述的第一示例中的光检测设备I不同之处在于，代替上述的第一示例中的光电电流变换器单元100，设置了光电电流变换器单元 IOOb ;然而，在其他点中，以与上述的第一示例中的光检测设备I基本上相同的方式配置光检测设备lb。
在图4中，光电电流变换器单元IOOb具有光接收元件IlOb和120b和端子Pdlb 和Pd2b。附带地，光接收元件IlOb是本发明的“第一光电转换元件单元”的一个示例，并且光接收元件120b是本发明的“第二光电转换元件单元”的一个示例。
光接收元件IlOb和120b中的每一个是诸如PIN光电二极管的光电二极管，接收输入光，并且根据接收的输入光的量输出电流。串联连接光接收元件IlOb和120b，使得它们的阴极互相连接。光接收元件IlOb的阳极连接到端子Pdlb，并且光接收元件120b的阳极连接到端子Pd2b。因为以该方式串联连接光接收元件I IOb和120b，光电电流变换器单元 IOOb可以从端子Pdlb输出在由光接收元件IlOb输出的电流Idtlb和由光接收元件120b 输出的电流Idt2b之间的差分电流作为检测电流Idtb。
端子Pdlb和Pd2b分别地连接到电流/电压 转换单元200的输入端子Inl和In2。
依靠以这种方式配置的光检测设备lb，收到与上述的第一示例中的光检测设备I 获得的利益相同的利益是可能的。换句话说，将由光接收元件IlOb输出的电流Idtlb的DC 分量和由光接收元件120b输出的电流Idt2b的DC分量抵消是可能的，并且输出主要包括与输入光中包括的信号光分量对应的AC分量的检测电流也是可能的。结果，提高在由电流 /电压转换单元200输出的光检测信号中的S/N比是可能的。
<第三示例>
将参考图5和图6解释第三示例中的光检测设备。
图5是示出了在第三示例中的光检测设备的配置的框图。
在图5中，第三示例中的光检测设备Ic是用于检测在从外部输入的输入光中包括的信号光分量的光检测设备，其设置有光电电流变换器单元IOOc ;和电流/电压转换单元 200c。例如，输入光是通过测试物体、样本、或待检查的物体(例如人的手指等)对激光进行反射、散射等获得的光并且包括指示关于测试物体信息的信号光分量(例如由测试物体中反射、散射等的调制分量)。
在图5中，光电电流变换器单元IOOc具有光接收元件IlOc和120c和端子Pdlc 和Pd2c。附带地，光接收元件IlOc是本发明的“第一光电转换元件单元”的一个示例，并且光接收元件120c是本发明的“第二光电转换元件单元”的一个示例。
光接收元件IlOc和120c中的每一个是诸如PIN光电二极管的光电二极管，接收输入光，并且根据接收的输入光的量输出电流。串联连接光接收元件IlOc和120c，使得它们的阳极互相连接。光接收元件IlOc的阴极连接到端子Pdlc，并且光接收元件120c的阴极连接到端子Pd2c。因为以该方式串联连接光接收元件IlOc和120c，光电电流变换器单元 IOOc可以从端子Pdlc输出在由光接收元件IlOc输出的电流Idtlc和由光接收元件120c输出的电流1也2(3之间的差分电流(1也2(-1也1(3)作为检测电流Idtc。此外，光电电流变换器单元IOOc可以从端子Pd2c输出电流(-1dtc)，其中将从端子Pdlc输出的检测电流Idtc 的极性反相。
端子Pdlc和Pd2c分别地连接到电流/电压转换单元200c的输入端子Inlc和 In2c。
根据以这种方式配置的电流/电压变换器单元200c，抵消由光接收元件IIOc输出的电流Idtlc的DC分量和由光接收元件120c输出的电流Idt2c的DC分量是可能的，并且输出主要包括与输入光中包括的信号光分量对应的AC分量的检测电流Idtc是可能的。结果，提高在由电流/电压转换单元200c输出的光检测信号中的S/N比是可能的。
电流/电压转换单元200c具有输入端子Inlc和In2c ;作为本发明的“全差分放大器”的一个示例的全差分放大器230 ;反馈电阻器Rfl和Rf2 ;放大器240 ;和输出端子 Out。全差分放大器230将输入到输入端子Inlc的电流Idtc转换成电压信号-Rfl*Idtc 并且将其从输出端子Out-输出。同时，全差分放大器230将输入到输入端子In2c的电流-1dtc转换成电压信号Rf2*Idtc并且将其从输出端子Out+输出。换句话说，将全差分放大器230配置为跨阻抗放大器，其用于独立地电流/电压变换输入到输入端子Inlc和In2c 的电流并且差分地将其输出。
电流/电压转换单元200c将从光电电流变换器单元IOOc输入到输入端子Inlc 的检测电流Idtc转换成电压信号并且从输出端子Out将其输出作为光检测信号。
全差分放大器230是全差分放大器，其具有连接到输入端子Inlc的输入端子 In+ ;连接到输入端子In2c的输入端子In-;输出端子Out-;和输出端子Out+。经由基准电势端子Vref输入基准电势。输出端子Out-和Out+分别地连接到随后描述的放大器240 的输入端子In-和In+。
反馈电阻器RH连接在全差分放大器230的输入端子In+和全差分放大器230的输出端子Out-之间，执行负反馈并且将电流转换成电压。反馈电阻器Rf2连接在全差分放大器230的输入端子In-和全差分放大器230的输出端子Out+之间，执行负反馈并且将电流转换成电压。因为通过反馈电阻器Rfl和Rf2执行负反馈，在全差分放大器230的输入端子In+和基准电势端子Vref之间的电势差几乎为零。以相同的方式，在输入端子In-和基准电势端子Vref之间的电势差几乎为零。结果，输入端子In+和输入端子In-具有几乎相同的电势。因而，在经由输入端子Inlc连接到全差分放大器230的输入端子In+的端子 Pdlc和经由输入端子In2c连接到全差分放大器230的输入端子In-的端子Pd2c之间电势差也几乎是零，并且在零偏置条件下，即，所谓的发电模式下，可以操作光接收元件IlOc和 120c中的每一个。因此，降低或消除在光接收元件IlOc和120c中产生的暗电流是可能的。 这使得降低由于暗电流波动造成的噪声电流并且提高在由电流/电压转换单元200c输出的光检测信号中的S/N比成为可能。
放大器240是用于放大和输出在从输入端子In-输入的电压信号-Rf l*Idtc和从输入端子In+输入的电压信号Rf2*Idtc之间的电势差2*Rf*Idtc(选择为使得Rf l=Rf2=Rf) 的放大器。放大器240的输出端子连接到电流/电压转换单元200c的输出端子Out。
图6是示出了放大器240的配置的电路图。
在图6中，将放大器240配置为仪表放大 器，并且它设置有运算放大器OPl、0P2和0P3 ;反馈电阻器R2、R3和R6 ;公共输入电阻器Rl ;和输入电阻器R4、R5和R7。
放大器240的输入端子In-连接到运算放大器OPl的非反相输入端子(+ )。放大器240的输入端子In+连接到运算放大器0P2的非反相输入端子(+ )。运算放大器OPl和 0P2分别地通过反馈电阻器R2和R3经受负反馈。
反馈电阻器R2和R3设定为具有相同的电阻值。
公共输入电阻器Rl连接在运算放大器OPl的反相输入端子和运算放大器0P2的反相输入端子之间。附带地，公共输入电阻器Rl可以起用于改变增益的可变电阻器的作用。
放大器OPl的输出端子经由输入电阻器R4连接到运算放大器0P3的反相输入端子。运算放大器0P2的输出端子经由输入电阻器R5连接到运算放大器0P3的非反相输入端子。输入电阻器R7的端子中的一个连接在运算放大器0P3的输入电阻器R5和非反相输入端子之间。输入电阻器R7的另一端子连接到基准电势Vref，其例如是GND电势。从运算放大器0P2输出的电压由输入电阻器R5和R7分开并且输入到运算放大器0P3的非反相输入端子。
输入电阻器R4和R5设定为具有相同的电阻值。
运算放大器0P3通过反馈电阻器R6经受负反馈。运算放大器0P3的输出端子连接到电流/电压转换单元200c的输出端子Out。
反馈电阻器R6和输入电阻器R7设定为具有相同的电阻值。
根据以这种方式配置的放大器240，从全差分放大器230的输出端子Out-和Out+ 分别地输出的两个电压信号中的同相分量(例如交流声)可以作为噪声去掉。而且，从全差分放大器230的输出端子Out-和Out+分别地输出的两个电压信号是两个差分信号，该两个电压信号根据检测电流Idtc而被差分输出并且该两个电压信号的极性是不同的。因而， 逆相地将检测光的信号光分量输入到放大器240的输入端子In+和In-。由此 ，诸如交流声的同相分量可以作为噪声从通过放大器240作为光检测信号输出的电压信号去掉。另外， 因为检测光的信号光分量是逆相的，所以它通过放大器240而被放大并且被作为光检测信号输出。结果，因为可以在光检测信号中降低噪声分量并且可以增加信号光分量，所以可以显著地提高S/N比。
〈第四示例〉
将参考图7解释第四示例中的光检测设备。
第四示例中的光检测设备和上述的第三示例中的光检测设备Ic不同之处在于， 代替以上参考图5和图6所述的第三示例中的放大器240，设置了放大器240d ;然而，在其他点中，以与在上述的第三示例中的光检测设备Ic基本上相同的方式配置第四示例中的光检测设备。
图7是示出了第四示例中的放大器的配置的电路图。附带地，在图7中，与图5和图6中示出的第三示例中的组成部分相同的组成部分将带有相同的附图标记，并且在必要时将省略它们的解释。
在图7中，放大器240d设置有运算放大器OPl和0P2 ;反馈电阻器R2和R3 ;公共输入电阻器Rl ;低通滤波器(即，低频通过滤波器)LPFl和LPF2，和模数(AD)转换器ADCl 和 ADC2。
以上参考图5和图6所述的第三示例中的放大器240可以作为单端信号并且作为模拟信号输出光检测信号。相反，如图7所示，示例中的放大器240d被配置为输出极性不同的两个差分信号，作为光检测信号DtOutl和Dt0ut2。另外，分别地经由低通滤波器LPFl 和LPF2和AD转换器ADCl和ADC2，作为数字信号输出光检测信号DtOutl和Dt0ut2。根据放大器240d，运算放大器OPl的输出信号经由作为反混叠滤波器(即，能够去掉通过AD转换器执行采样所产生的混叠噪声的滤波器)的低通滤波器LPFl输入到AD转换器ADC1，并且运算放大器0P2的输出信号经由作为反混叠滤波器的低通滤波器LPF2输入到AD转换器 ADC2。因而，可以提高光检测信号DtOutl和Dt0ut2中的每一个中的S/N比。关于作为AD 转换器ADCl和ADC2的输出信号并且被量化的光检测信号DtOutl和Dt0ut2，可以通过信号处理设备(未示出)，诸如类似数字信号处理器(DSP)的数字信号处理设备，来执行减法程序。
结果，根据该示例，因为光检测信号DtOutl和Dt0ut2被量化，所以它在经由通信网络执行传输的情形下耐受来自外部环境的噪声。因而，实现光检测信号的长距离传输是可能的。
〈第五示例〉
将参考图8解释第五示例中的血流测量设备。
图8是示出了第五示例中的血流测量设备的配置的框图。附带地，在图8中，与图1和图2中示出的第一示例中的组成部分相同的组成部分将带有相同的附图标记，并且在必要时将省略它们的解释。
在图8中，示例中的血流测量设备1001是本发明的“流体测量设备”的一个示例， 并且是用于测量是活体的测试物体900的血流量的设备。
血流测量设备1001设置有激光器驱动设备2 ;半导体激光器3 ;以上参考图1和图2所述的第一示例中的光检测设备I ;和信号处理单元5。附带地，激光器驱动设备2和半导体激光器3是本发明的“照射单元”的一个示例，并且信号处理单元5是本发明的“计算单元”的一 个示例。
在图8中，通过激光器驱动设备2驱动半导体激光器3，由此来自半导体激光器3 的光应用或照射到测试物体900。应用到测试物体900的光被测试物体900的毛细血管中的血色素反射或散射。在测试物体900中反射或散射的光进入光检测设备I的光电电流变换器单元100 (更具体地，参考图2上述的光接收元件110和120)。根据进入光，从光电电流变换器单元100输出检测电流Idt。检测电流Idt通过电流/电压转换单元200被转换成电压信号并且作为光检测信号被输入到信号处理单元5。基于输入的光检测信号，信号处理单元5计算血流量并且输出包括血流量的数字信号作为血流检测信号。
这里，特别地，因为血流测量设备1001设置有在上述的第一示例中的光检测设备 1，基于具有高S/N比的光检测信号可以通过信号处理单元5计算血流量。因而，可以精确地计算血流量。
附带地，血流测量设备可以进一步地设置有两个光检测设备，以与上述的第一示例中的光检测设备I基本上相同的方式配置该两个光检测设备中的每一个；和信号处理单元，其用于基于从光检测设备分别地输出的光检测信号之间的差计算血流量并且用于输出指示血流量的数字信号作为血流检测信号。依靠这样的配置，可以更确定地去掉例如交流声的同相分量，并且可以更精确地计算血流量。
〈第六示例〉
将参考图9解释第六示例中的血流测量设备。
图9是示出了在第六示例中的血流测量设备的配置的框图。附带地，在图9中，与图4中示出的第二示例中和图8中示出的第五示例中的组成部分相同的组成部分将带有相同的附图标记，并且在必要时将省略它们的解释。
在图9中，示例中的血流测量设备1002是本发明的“流体测量设备”的一个示例， 并且是用于测量是活体的测试物体900的血流量的设备。
血流测量设备1002设置有激光器驱动设备2 ;半导体激光器3 ;光检测设备Ig ； 和信号处理单兀5g。
光检测设备Ig设置有光电电流变换器单元IOOb ;和电流/电压转换单元200g。
光电电流变换器单元IOOb具有光接收元件IlOb和120b，串联连接光接收元件 IlOb和120b，使得它们的阴极互相连接。光接收元件IlOb的阳极经由端子Pdlb连接到电流/电压转换单元200g的输入端子Inl，并且光接收元件120b的阳极经由端子Pd2b连接到电流/电压转换单元200g的输入端子In2。
在本示例中，特别地，偏置施加选择元件300的一端连接在光接收元件IlOb和 120b之间。基于来自控制器400的命令，偏置施加选择元件300选择是否向光接收元件 IlOb和120b施加偏置电压。偏置施加选择元件300设置有模拟开关SWl。模拟开关SWl的一端连接在光接收元件IlOb和120b之间(即，在光接收元件IlOb和120b之间的连接点)， 并且模拟开关SWl的另一端连接到偏置电势，诸如GND电势。根据来自控制器400的命令， 偏置施加选择元件300在模拟开关SWl的接通和断开之间转换，从而选择是否向光接收元件IlOb和120b施加偏置电压。附带地，偏置施加选择元件300和控制器400是本发明的 “偏置电压施加装置”的一个示例。
以与为以上参考图7所述的光检测设备提供的电流/电压转换单元基本上相同的方式配置电流/电压转换单元200g。换句话说，电流/电压转换单元200g设置有全差分放大器230 (参照图5);反馈电阻器Rfl和Rf2 (参照图5);和放大器240d (参照图7)。电流/电压转换单元200g从输出端子Outl和0ut2输出光检测信号DtOutl和Dt0ut2。
基于输入的光检测信号信号DtOutl和Dt0ut2，信号处理单元5g计算血流量并且输出指示血流量的数字信号作为血流检测信号。在基于来自控制器400的命令将偏置电压施加到光接收元件IlOb和120b的偏置施加时(当模拟开关SWl设定为接通时)，和在偏置电压没有施加到光接收元件IlOb和120b的开路时(当模拟开关SWl设定为断开时)之间， 信号处理单兀5g改变信号处理的内容。
具体地，在偏置施加时，信号处理单元5g将输入的光检测信号DtOutl和Dt0ut2 相加，从而计算DC光功率分量。另一方面，在开路时，信号处理单元5g将输入的光检测信号DtOutl和Dt0ut2相减，因此计算差拍信号等的信号光分量的功率频谱，并且基于该功率频谱计算测试物体900的血流量。此外，信号处理单元5g通过将在开路时计算的血流量除以在偏置施加时计算的DC光功率分量执行标准化。这使得即使从半导体激光器3发射的光发生功率波动,精确地测量测试物体900的血流量成为可能。
〈第七示例〉
将参考图10解释第七示例中的血流测量设备。
图10是示出了第七示例中的血流测量设备的配置的框图。附带地，在图10中，与图2中示出的第一示例中的组成部分相同的组成部分将带有相同的附图标记，并且在必要时将省略它们的解释。
在图10中，第七示例中的光检测设备Ih和上述的第一示例中的光检测设备I不同之处在于，光检测设备Ih进一步地设置有光接收元件130和用于将光接收元件130输出的电流转换成电压的电流/电压转换部203。然而，在其他点中，以与上述的第一示例中的光检测设备I基本上相同的方式配置光检测设备lh。附带地，光接收元件130是本发明的 “第三光电转换元件单元”的一个示例，并且电流/电压转换部203是本发明的“第二电流/ 电压转换单元”的一个示例。
在图10中，第七示例中的光检测设备设置有光电电流变换器单元IOOh ;和电流 /电压转换单元200h。
光电电流变换器单元IOOh具有并联连接的光接收元件110和120 ;和端子Pdl 和Pd2，如上述的第一示例中的光电电流变换器单元100中。此外，光电电流变换器单元 IOOh具有与光接收元件110和120分离地提供的光接收元件130 ;和端子Pdlh和Pd2h。 光接收兀件130是诸如PIN光电二极管的光电二极管,接收输入光,并且根据接收的输入光的量输出电流。光接收元件130的阴极连接到端子Pdlh，并且光接收元件130的阳极连接到端子Pd2h。
端子Pdlh和Pd2h分别地连接到随后描述的电流/电压转换单元200h的输入端子 Inlh 和 In2h。
以与上述的第一示例中的光电电流变换器单元200的输出端子基本上相同的方式，电流/电压转换单元200h具有输入端子Inl和In2 ;运算放大器210 ;反馈电阻器Rf ； 和输出端子OutA。附带地，输出端子OutA连接到运算放大器210的输出端子。输出端子 OutA输出从运算放大器210输出的电压信号作为光检测信号DtOutA。
此外，电流/电压转换单元200h具有用于将从光接收元件130输出的电流转换成电压的电流/电压转换部203。电流/电压转换部203具有输入端子Inlh和In2h ;运算放大器210h ;反馈电阻器Rfh ;和输出端子OutB。
输入端子Inlh连接到运算放大器210h的反相输入端子(_)。输入端子In2h连接到运算放大器210h的非反相输入端子(+ )。运算放大器210h的输入端子In2h和非反相端子被接地。
反馈电阻器Rfh连接在运算放大器210h的输出端子和运算放大器210h的反相输入端子之间，执行负反馈，并且将电流转换成电压。因为通过反馈电阻器Rfh执行负反馈， 运算放大器210h的反相输入端子和非反相输入端子之间的电势差几乎是零(S卩，实现所谓的“虚短路”)。
输出端子OutB连接到运算放大器210h的输出端子。输出端子OutB输出从运算放大器21Oh输出的电压信号作为光检测信号DtOutB。
如上所述，在示例中具体地，因为光检测设备Ih设置有光接收元件130 ;和用于将从光接收元件130输出的电流转换成电压的电流/电压转换部203，所以基于由光接收兀件130输出的电流Idt3,与输入光的固定光分量对应的信号可以被输出作为光检测信号DtOutB。因而，通过将基于来自并联连接的光接收元件110和120的检测电流Idt的光检测信号DtOutA (与输入光的信号光分量对应的信号)除以光检测信号DtOutB (与输入光的固定光分量对应的信号)来执行信号标准化是可能的。因而，即使从光源发射的光发生功率波动，精确地检测输入光中包括的信号光分量也是可能的。
本发明不限于前述的实施例，但是如果需要，可以在不偏离的本发明的本质或精神的情况下进行各种改变，本发明的本质或精神可以从权利要求和整个说明书中读取。涉及这种改变的光检测设备和流体测量设备也意图包含在本发明的技术范围之内。0143]附图标记0144]I, lb, lc, lg, Ih光检测设备0145]2激光器驱动设备0146]3半导体激光器0147]5, 5g信号处理单兀0148]100，100b, 100c, 100g, IOOh光电电流变换器单元0149]110，120，110b, 120b, 110c, 120c 光接收元件0150]200，200c, 200g, 200h电流/电压转换单元 0151]210, 210h运算放大器0152]230全差分放大器0153]240，240d放大器0154]300偏置施加选择元件0155]400控制器0156]1001，1002血流测量设备0157]Rf, Rfh, Rfl, Rf2反馈电阻器0158]SWl模拟开关。
权利要求
1.一种光检测设备，其用于检测在输入光中包含的信号光分量，所述光检测设备包括 光电电流变换器单元，所述光电电流变换器单元包括第一和第二光电转换元件单元，每一个所述第一和第二光电转换兀件单兀将所述输入光转换成电流并且输出该电流，并且所述光电电流变换器单元将在由所述第一光电转换元件单元输出的电流和由所述第二光电转换元件单元输出的电流之间的差分电流输出作为检测电流；以及 第一电流/电压转换单元，所述第一电流/电压转换单元放大从所述光电电流变换器单元输出的所述检测电流，将所述检测电流转换成电压信号，并且输出该电压信号。
2.所述光检测设备，其中并联连接所述第一和第二光电转换元件单元，使得所述第一光电转换元件单元的阴极和所述第二光电转换元件单元的阳极连接，并且使得所述第一光电转换元件单元的阳极和所述第二光电转换元件单元的阴极连接。
3.所述光检测设备，其中串联连接所述第一和第二光电转换元件单元使得它们的阴极或它们的阳极互相连接。
4.根据权利要求3所述的光检测设备，其中 所述光检测设备进一步地包括偏置电压施加装置，所述偏置电压施加装置连接在串联连接的所述第一和第二光电转换元件单元之间，并且所述偏置电压施加装置能够向每一个所述第一和第二光电转换兀件单兀施加偏置电压，并且 如果通过所述偏置电压施加装置将所述偏置电压施加至每一个所述第一和第二光电转换元件单元，则所述光电电流变换器单元输出由所述第一光电转换元件单元输出的电流和由所述第二光电转换元件单元输出的电流中的每一个电流。
5.根据权利要求1至4中的任何一项所述的光检测设备，进一步地包括 第三光电转换元件单元，所述第三光电转换元件单元用于将所述输入光转换成电流并且输出该电流；以及 第二电流/电压转换单元，所述第二电流/电压转换单元用于放大从所述第三光电转换元件单元输出的所述电流并且将该电流转换成电压信号。
6.根据权利要求1至5中的任何一项所述的光检测设备，其中 所述光电电流变换器单元具有第一和第二端子，所述第一和第二端子分别与所述第一和第二光电转换元件单元的两端连接，并且 所述第一电流/电压转换单元具有 全差分放大器，所述全差分放大器具有正输入端子、负输入端子、负输出端子以及正输出端子，所述正输入端子连接至所述第一端子，所述负输入端子连接至所述第二端子，所述负输出电子用于将输入到所述正输入端子的信号反相、放大并且输出，所述正输出端子用于将输入到所述负输入端子的信号反相、放大并且输出； 第一负反馈电阻器，所述第一负反馈电阻器连接在所述正输入端子和所述负输出端子之间； 第二负反馈电阻器，所述第二负反馈电阻器连接在所述负输入端子和所述正输出端子之间；以及 放大器，所述放大器用于将在从所述正输出端子输出的信号和从所述负输出端子输出的信号之间的差进行放大并且将其输出作为电压信号。
7.一种流体测量设备，其包括 照射单元，所述照射单元用于利用光来照射测试物体； 根据权利要求1至6中的任何一项所述的光检测设备，由于所述照射光引起的来自所述测试物体的光作为输入光被输入到所述光检测设备；以及 计算单元，所述计算单元用于基于由所述第一电流/电压转换单元输出的电压信号来计算关于所述测试物体中的流体的流体信息。
全文摘要
公开的光检测设备包括第一光电转换元件单元(110)和第二光电转换元件单元(120)，每一个第一光电转换元件单元(110)和第二光电转换元件单元(120)将输入光转换成电流并且输出该电流，并且该光检测设备设置有光电电流变换器单元(100)，其用于输出在由第一光电转换元件单元输出的电流和由第二光电转换元件单元输出的电流之间的电流差作为检测电流；以及第一电流/电压转换单元(200)，其用于放大从光电电流变换器单元输出的检测电流，将其转换成电压信号，并且输出该电压信号。
文档编号A61B5/0245GK103002799SQ201080067519
公开日2013年3月27日 申请日期2010年6月24日 优先权日2010年6月24日
发明者立石洁, 伊藤敦也, 木村义则 申请人:日本先锋公司