CN105578968B - 光学传感器、光学测试设备以及光学特性检测方法 - Google Patents

光学传感器、光学测试设备以及光学特性检测方法 Download PDF

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Abstract

一种光学传感器，包括：照射系统，包括至少一个光照射器以将光照射到测试的对象上；以及检测系统，检测从照射系统所照射的并且在测试的对象中所传播的光。此外，光照射器将非平行的多个光束照射到测试的对象的相同位置上。

Description

光学传感器、光学测试设备以及光学特性检测方法
技术领域
本发明涉及一种光学传感器、光学测试设备以及光学特性检测方法，并且更具体地，涉及一种包括用于将光照射到测试的对象的照射系统和检测从照射系统所照射的并且传播穿过测试的对象的光的检测系统的光学传感器、包括该光学传感器的光学测试设备以及使用该光学测试设备的光学特性检测方法。
背景技术
已知下述活体光学测量设备：该活体光学测量设备将光照射到测试的对象(活体)上，并且检测传播穿过测试的对象的光(参见例如专利文献1)。
在活体光学测量设备中，为了实现更高的分辨率，使得被附接至测试的对象的多个探头之间的间距很窄。
发明内容
本发明要解决的问题
然而，在专利文献1中所公开的活体光学测量设备中，多个探头的密度(每单位面积的探头数量)增加，使得探头到测试的对象的附接性能明显地受到妨碍。
解决问题的手段
根据本发明的一个方面，一种光学传感器包括：照射系统，包括至少一个光照射器以将光照射到测试的对象上；以及检测系统，检测从照射系统所照射的并且在测试的对象中所传播的光。此外，光照射器将非平行的多个光束照射到测试的对象的相同位置上。
本发明的效果
根据本发明的一个方面，可以变为能够获得更高的分辨率而不使得到测试的对象的附接执行退化。
附图说明
图1是示出了根据本发明的第一实施例的光学测试设备的示意配置的图；
图2是示出了用于模体(phantom)的水箱的图；
图3是示出了透明窗口的布局的图；
图4是示出了根据示例1的光源模块的示意配置的第一图；
图5是示出了根据示例1的检测模块的示意配置的图；
图6是示出了根据示例1的光源模块的示意配置的第二图；
图7是示出了活体中的传播角度的图；
图8是示出了测量测试的对象中的信息的方法的流程图；
图9是与逆问题(inverse problem)估计算法有关的流程图；
图10是指示光电二极管(PD)中的灵敏度分布的第一图；
图11是指示PD中的灵敏度分布的第二图；
图12是示出了活体中的传播角度的图；
图13A是示出了光吸收体的实际位置的图；
图13B是示出了光吸收体的位置的估计结果的图；
图13C是示出了对比例中光吸收体的位置的估计结果的图；
图14A是示出了移动之后光吸收体的实际位置的图；
图14B是示出了移动之后光吸收体的位置的估计结果的图；
图14C是示出了对比例中光吸收体的位置的估计结果的图；
图15是示出了根据第二实施例的光学传感器中的多个光源模块和多个检测模块的布局的图；
图16是示出了根据示例2的光源模块的示意配置的第一图；
图17是示出了表面发射激光器阵列芯片的图；
图18是示出了根据第一实施例的光源模块的示意配置的第二图；
图19是示出了根据第一实施例的光源模块的示意配置的第三图；
图20是示出了根据第一实施例的光源模块的示意配置的第四图；
图21是通过光学模拟器光学地设计的光线图；
图22是示出了根据第一实施例的光学模拟的结果的图；
图23是示出了根据对比例的光学模拟的结果的图；
图24A是示出了根据对比例的光学传感器的操作的图；
图24B是示出了根据第一实施例的光学传感器的操作的图；
图25是示出了从空气到活体的入射角度与活体传播角度之间的关系的图表；
图26是示出了从树脂到活体的入射角度与活体传播角度之间的关系的图表；
图27是示出了根据示例2的检测模块的示意配置的第一图；
图28是示出了根据示例2的检测模块的示意配置的第二图；
图29是示出了根据示例2的检测模块的示意配置的第三图；
图30是根据示例2的光学特性检测方法(位置测量方法)的流程图；
图31是示出了根据示例2的逆问题估计的估计结果的图；
图32是示出了根据第一实施例的光学传感器的操作的图；
图33是根据第二实施例的光学特性检测方法(位置测量方法)的流程图；
图34是示出了根据第三实施例的光学传感器中的多个光源模块和多个检测模块的布局的图；
图35是示出了根据对比例的光学传感器中的光源模块的照射方向和检测传感器的检测方向的图；
图36A是示出了四组根据第四实施例的表面发射激光器阵列芯片的照射方向的图；
图36B是示出了根据第四实施例的PD阵列的四个PD检测方向的图；
图37是示出了根据第四实施例的光学传感器中的光源模块的照射方向和检测传感器的检测方向的图；
图38是示出了控制部的配置的框图；以及
图39是示出了计算部的配置的框图。
具体实施方式
第一实施例
下面，参考图1至图32来描述本发明的第一实施例。图1示出了根据第一实施例的光学测试设备100的示意配置。
作为示例，光学测试设备100被用于扩散光学层析成像(Diffuse OpticalTomography，DOT)中。DOT指代下述技术：在该技术中，例如，光被照射到诸如活体的测试的对象(散射体)上，并且在测试的对象中所传播的光被检测，使得测试的对象的光学特性被估计。特别地，DOT被期望通过检测脑部中的血流来用于协助抑郁症的鉴别诊断(differential diagnosis)并且用作辅助组件。在DOT中，当分辨率提高时，其变为能够更详细地识别出脑部功能。由于这个原因，许多研究机构一直在积极地进行针对提高分辨率的研究。
如图1中所示，光学测试设备100包括光学传感器10、控制部、显示部、计算部等。光学传感器10包括具有多个发光部的光源模块LM以及检测模块DM。控制部具有如图38中所示的配置。在控制部中，开关部基于来自中央处理单元(A-1)的信息被控制，使得要照射的LM被选择。在这种情况下，经由开关部要被供给到光源模块LM的电流被电流控制部控制，以被设定为期望的值。检测模块DM中的检测结果(数据)被A/D转换，使得诸如平均处理的计算被算术部(A-2)执行。算术结果被顺序地记录在记录部(A-3)中。
在说明中，当光源模块LM与检测模块DM未被彼此区分时，可以使用术语“探头”。此外，在说明中，适当地使用术语“伪(pseudo)活体”、“活体”以及“测试的对象”。然而，注意，“伪活体”和“活体”是“测试的对象”的示例。
光学传感器10可以通常地被用作检测测试的对象中的光吸收体的传感器。然而，具有最高的实用价值的测试的对象为活体。然而，通过使用光学传感器不总是容易检测活体中的血流(光吸收体)的位置，使得当活体是测试的对象时，难以确保光学传感器10的效果(检测精度)。
关于这点，根据此实施例，作为水箱中所包含的混浊液体的伪活体(在下文中，还可以被称为“模体”)被用作测试的对象，对于其容易确保检测精度。
下面，描述此实施例中的示例1。
示例1
在示例1中，采用下述方法：在该方法中，通过棱镜对来自发光部的光束进行偏转，使得光束的入射角彼此不同。
这里，如图2中所示，在包括由黑色亚克力板制成的壁的水箱的一个侧表面(+Z方向上的壁)上提供由透明亚克力板制成的透明窗口。在水箱内部填充有脂肪乳剂水溶液(用水稀释的10％浓度的脂肪乳剂)。即，在示例1中所使用的伪活体是脂肪乳剂水溶液。
黑色墨水被滴入填充水箱的脂肪乳剂水溶液中，使得黑色墨水为近似20ppm以便获得与活体的吸收系数和散射系数基本上相同的吸收系数和散射系数。然后，模拟血流的、具有黑色颜色的光吸收体被浸入白色的脂肪乳剂水溶液。这里，假定光吸收体是具有近似5mm直径的黑色球形对象，诸如黑色聚醛树脂。为了控制球形对象的位置，球形对象被固定到连接到自动台(stage)的、具有1mm直径的薄金属棒(bar)。透明窗口上的探头的位置被精确地确定，使得探头被附接至透明窗口。
这里，水箱的体积(大小)为140mm×140mm×60mm。黑色亚克力板的厚度为4mm。八个透明窗口包括彼此具有不同大小的两个类型的圆形透明窗口A和B。透明窗口A和透明窗口B两者的数量为四。透明窗口A的直径为9mm，而透明窗口B的直径为12mm。透明窗口A和透明窗口B两者的厚度为1.5mm。
图3示出了八个透明窗口的布局。这个八个窗口按照点阵方式布置，使得透明窗口A和透明窗口B被布置为在Y轴和Y轴方向上以相同的距离彼此紧邻。这里，透明窗口A配备有相应的检测模块DM，而透明窗口B(B1至B4)配备有相应的光源模块LM。相邻透明窗口的中心之间的距离为30mm。
如图4中所示，光源模块LM包括：透镜、棱镜、在其中安装有表面发射激光器阵列芯片的陶瓷封装(未示出)、在其中安装有陶瓷封装和模拟电子电路的柔性印刷电路板(未示出)、连接到柔性印刷电路板的接线和连接器部(未示出)、包含这些元件的壳体、由透明树脂制成的要与测试的对象接触的窗口构件，等等。在光源模块LM中，电源部(未示出)控制电流值使得发光部的光量可以被维持为恒定。在窗口构件从+Z侧与测试的对象(透明窗口B)接触的同时，光源模块LM被安装。
如图5中所示，检测模块DM包括由黑色树脂制成的壳体、附接在壳体的上端(在-Z侧的边缘处)的并且由弹性体制成的接触构件、在壳体中所包含的并且具有3mm的直径的半球形透镜(对切透镜(split lens)、四分(four divided)光电二极管(按照阵列方式布置的四个光电二极管(PD))，等等。孔径(aperture)(开口)形成在壳体的边缘处并且形成在接触构件中。在接触构件从+Z侧与测试的对象(透明窗口A)接触的同时，检测模块DM被安装。在图5中，仅示出了四个PD(光接收部)中的两个。
对切透镜被布置在孔径的+Z侧，使得从光源模块LM所照射的并且在测试的对象中所传播的光经由孔径入射在对切透镜上，在与入射位置和入射角度相对应的方向上被折射并且被发射(透射)进入对切透镜(参见图5)。
四分光电二极管被布置在对切透镜的+Z侧。通过对切透镜的光根据行进方向(从对切透镜起的发射(透射)方向)入射在四个光接收部(PD)中的任一个上。通过这样做，在检测模块DM中，变为能够将从测试的对象入射的光分类为四个角度范围。
控制部检测被安装在透明窗口A上的检测模块DM的四个光接收部(PD)的光接收量(即，16个PD的总计光接收量)，通过使用运算放大器将光接收量转换为相应的电压值，以及将电压值存储在记录部中。以1ms的采样速率来检测数据，并且对20s的测量值进行平均。在单个的测量中，16个PD的数据被获取。
接下来，描述光源模块LM的详情。光源模块LM的光源采用40通道的表面发射激光器阵列芯片，即，具有40个垂直腔表面发射激光器(VCSEL)的表面发射激光器阵列芯片。
在从表面发射激光器阵列芯片起的光路上，布置有具有3mm的直径的透镜，使得光基本上对应于来自透镜的平行光(参见图6)。表面发射激光器阵列芯片的发射表面(发光表面)与透镜的主点(透镜的光心)之间的距离被设定为等于焦距(距离)“f”(例如，9mm)。即，表面发射激光器阵列芯片被布置为使得发射表面被定位在透镜的焦点的位置处。这里，“透镜的焦距”指代透镜的主点与焦点之间的距离。
这里，VCSEL的40个通道同时地发射光并且该时刻的总输出为近似50W。从VCSEL所发射的平行光束被棱镜折射，如图6中所示。
作为棱镜，采用(使用)具有与亚克力水箱的折射率基本上相等的折射率的亚克力棱镜。棱镜的反射表面被设计为与棱镜的直径匹配(fit)，并且反射表面的角度被设定为使得通过透镜的光入以近似50度的入射角入射在亚克力水箱上。
水箱和棱镜的亚克力与模体(即，脂肪乳剂水溶液)的折射率之间的差异被设定为使得根据斯涅耳(Snell)定律在模体中的传播角度为近似60度(图1中的“θ1”)。棱镜被安装在旋转台(未示出)上，该旋转台被提供在水箱的内壁上并且围绕在Z轴方向上延伸的旋转轴可旋转。
通过将旋转台与棱镜一起旋转，变为能够改变到棱镜的光的入射角和朝向。这里，如图7中所示，顺序地测量四个朝向(即，+X、-X、+Y以及-Y朝向)。即，在四个光源模块(B1至B4)的每个位置处执行这四个方向测量，使得执行了16(＝4×4)个测量。在棱镜与水箱之间，填充(供给)有具有与棱镜和水箱的折射率基本上相等的折射率的凝胶树脂(未示出)。通过具有凝胶树脂，可以防止折射和反射。
接下来，参考图8中的流程图来描述测量测试的对象中的信息的方法。
首先，设置探头(步骤T1)。这里，如上所述，“探头”整体地指代检测模块DM和光源模块LM。这里要被设置的探头是四个检测模块DM和一个光源模块LM。这四个检测模块DM分别地被安装在具有9mm的直径四个透明窗口A中，如图3中所示。一个光源模块LM被安装在透明窗口B1中，如图3中所示。
接下来，光源模块LM的40个通道(发光部)同时地发射光(步骤T2)。电流值被确定为使得总发射强度为近似50mW。发光时间为近似20s。在发光时间期间，四个检测模块DM的PD检测值被读取(步骤T3)。对每1ms间隔所检测到的数据的若干点(检测值)进行平均。然后，平均检测值(即，检测值的平均值)被存储在记录部中(步骤T4)。
这里，在四个朝向(即，+X方向、+Y方向、-X方向以及-Y方向)上执行测量(四方向测量)(步骤T5和T6)。具体地，在紧接步骤T1之后的步骤T2至T4中，在棱镜被布置在+X方向上的同时执行测量。接下来，棱镜被旋转为被布置在+Y方向上(步骤T6)。在这种状态下，执行步骤T2至T4。接下来，棱镜被旋转为被布置在-X方向上(步骤T6)。在这种状态下，执行步骤T2至T4。接下来，棱镜被旋转为被布置在-Y方向上(步骤T6)。在这种状态下，执行步骤T2至T4。
接下来，光源模块LM的安装位置从透明窗口B1到透明窗口B2、B3以及B4按照此次序被顺序地改变，使得在每个位置中执行四方向测量(步骤T7和T8)。之后，光吸收体的位置被移动并且在四个光源模块LM的四个安装位置的每个中执行四方向测量(步骤T9和T10)。
在所存储的数据中，存在光吸收体时的数据和不存在光吸收体时的数据被分别地给出为：
“r(s，i，n)(i＝1，2，3，……，M，n＝1，2，3，……，K)”以及“r(0，i，n)(i＝1，2，3，……，M，n＝1，2，3，……，K)”。这里，“i”指示被分配给相应的检测模块DM的编号。“n”指示被分配给相应的组的编号。接下来，计算相应的差异Δr(i，n)。
下面，基于图8的流程图描述下述方法：基于通过以上所述的测量方法所获取的测量结果来计算光吸收体的位置(伪活体的光学特性)的方法。这里，使用逆问题估计算法。为了求解逆问题，首先执行测量和模拟(蒙特卡洛模拟)使得在正问题(direct problem)中形成灵敏度分布(参见图9中的步骤S21至S25)。图39示出了计算部的框图。在蒙特卡洛模拟中要被使用的，指示模块(探头)的位置、活体的折射率和形状等的信息被记录在记录部(B-1)中。基于该信息，执行正问题。在计算中，使用能够进行并行计算的多个图形处理单元(GPU)。通过使用多个图形处理单元(GPU)，计算速度大大高于在传统方法中所实现的计算速度。通过计算所获取的灵敏度分布再次被存储在记录部(B-1)中。在记录部(A-3)中所存储的计算结果和测量结果被输入到中央处理单元(B-3)，使得中央处理单元(B-3)执行逆问题估计。估计结果经由中央处理单元(A-1)被显示在显示部上(参见图38)。
另一方面，通常思考过，在诸如活体的散射体中，光基本上按照各向同性的方式被散射。然而，即使根据最近的科学会议等，报道过在毫米量级的微观领域中，光传播是各向异性的。为了执行反映各向异性的模拟，需要使用输运方程或执行蒙特卡洛模拟。
在此实施例中，来自光源的发射光被偏转并且入射进入测试的对象。因此，如果使用一般的扩散方程，则不能够反映入射角度的信息。关于这点，提议了使用输运方程的方法。然而，还已知使用输运方程进行计算需要极大量的时间。
因此，根据此实施例，采用蒙特卡洛模拟。蒙特卡洛模拟指代下述方法：在该方法中，通过使用随机变量来随机地表达在散射介质中光子被散射的条件，并且观测其宏观行为。具体地，按照下述方式对行为进行建模：每当介质中的光子移动预先确定的距离时，光子彼此碰撞并且其朝向(方向)被改变。“预先确定的距离”的平均值是由散射系数所定义的平均自由程，并且方向的改变由各向异性“g”所定义。在所定义的区域内碰撞如何重复和光子如何传播被记录。通过计算如上所述地被建模的极大数量的光子，变为能够模拟散射介质中的光行为。通过蒙特卡洛模拟，记录单个光子沿何种路径散射。
在根据此实施例的蒙特卡洛模拟中，假定光子的数量为109并且体元为1mm的立方体，以及针对120mm×120mm×60mm的三维区域执行计算。这里，散射介质的散射系数、吸收系数、各向异性以及折射率谨慎地(respectfully)被设定为7.8mm-1、0.019mm-1、0.89以及1.37，其基本上与人类的头皮的散射系数、吸收系数、各向异性以及折射率相同。具有这些值的模体(即，脂肪乳剂水溶液)被制备，并且在光源模块LM、传播角度、检测模块DM的位置等全部与模体中的这些相同的条件下，执行模拟以计算灵敏度分布。
在这种情况下，通过体元位置“r”的光子的数量被定义为特别地，当光源模块LM的位置被给定为“rs”时，在体元位置“r”处的光子通过数量被定义为接下来，光源模块LM被布置在检测模块DM之前被布置的位置处，并且然后，再次计算光子的数量。当检测模块被设置在位置“rd”处时，通过体元位置“r”的光子的数量被定义为
光路是可逆的。由于这点，乘积与已经通过体元位置“r”的、从光源模块LM所发射的以及已经进入检测模块DM的光子的数量成比例。通过进入检测模块DM的所有光子的数量被标准化的乘积为下面的灵敏度分布“A(r)”
灵敏度分布“A(r)”指示对在位置“r”处的检测量的影响率。即，灵敏度分布“A(r)”指示检测量被在体元位置“r”处出现的光吸收体改变了多少。
图10示出了如上所述地计算的灵敏度分布的示例。在示例中，光源模块LM和检测模块DM分别地被布置在位置(X，Y，X)＝(45，60，0)和(X，Y，X)＝(75，60，0)处。体元为1mm的立方体。因此，体元等价于单位(mm)值。在这些位置处的体元的灵敏度被表达为以10为底的对数(即，常用对数)。
接下来，图11是在体元(x，y，z)中、在Y＝60并且Z＝10的线上、绘出在位置“x”(横轴)处的灵敏度(纵轴)的结果的图表。在这种情况下，在图12中指示了下述情况的结果：在该情况中，当Y轴被当作法线时，作为在平面上的传播角度的相对于X轴的角度为+60度和-60度。
如图11中所示，在角度为+60度与-60度之间存在灵敏度分布的差异。该差异可以被用作是否能够提高分辨率的指标。即，在灵敏度分布中出现的差异指示从两个光源起的光传播路径不同。这是因为，如果从两个光源起的光传播路径相同，则即使当传播角度改变时，应当获得基本上相同的灵敏度分布。由于从两个光源起的不同的光传播路径，来自两个光源中的一个的光收集与由来自两个光源中的另一个的光所收集的信息不同的信息。
这针对以下所述的逆问题估计创造了很大的价值。如上所述，在几mm量级上，光不按照简单的各向同性方式散射而确实示出轻微的各向异性。由于在这样的几mm量级上的差异，变为能够实现具有几mm量级的分辨率的逆问题估计。相对于在模体中所执行的光源模块和检测模块DM之间的所有组合，在所有传播角度/检测角度条件中实现灵敏度分布。
接下来，通过使用灵敏度分布来执行逆问题估计。
当假定由光吸收体的存在所导致的吸收系数“σμa(r)”的改变足够小时，基于Retov(Rytov)近似获得下面的公式。
这里，符号“v”指示介质中的光速，符号“S”指示每单位时间从光源模块所发射的光的量，符号“rs”指示光源模块LM的位置、符号“rd”指示检测模块DM的位置，符号指示从光源模块LM所发射的并且被递送到检测模块DM的光的量，以及符号指示在不存在光吸收体的状态下的光强度。该公式教导了当在不存在光吸收体的状态下给定光强时，能够将由光吸收体的存在所导致的吸收系数“σμa(r)”的改变与观测值log通过线性关系相关。
当简单地描述时，可以使用下面的公式。
Y＝A(r)X
这里，符号“Y”指示依赖于是否存在光吸收体的观测值的改变，并且符号“X”指示在体元位置“r”处吸收系数的改变。符号“A(r)”指示灵敏度分布。基于以上公式，变为能够理解当被表达为“X”的光吸收体的位置和量改变时，观测值如何改变。
在逆问题估计中，执行反向处理。即，通过使用观测值“Y”来估计光吸收体的位置“X”。如在以上位置测量方法中所描述地，通过假定依赖于是否存在光吸收体的改变被表达为Δr(i，n)来执行测量。此Δr(i，n)与观测值“Y”相对应，使得基于观测值“Y”来计算位置“X”。
通常，使用被称为“L2-规范的规范化”的逆问题的估计方法。在此方法中，使得下面的成本函数C最小化的“X”被计算。
C＝|Y-AX|2+λ|X2|
这里，符号“Y”指示观测值，符号“A”指示灵敏度分布，以及符号“λ”指示规范化系数。在逆问题中，通常使用这样的方法。然而，在此实施例中，作为逆问题估计，使用其中能够进行深度方向上的检测的贝叶斯(Bayesian)估计。在下面的非专利文献中描述了使用贝叶斯估计的逆问题估计的详情：T.Shimokawa、T.Kosaka、O.Yamashita、N.Hiroe、T.Amita、Y.Inoue以及M.Sato，“Hierarchical Bayesian estimation improves depth accuracyand spatial resolution of diffuse optical tomography”,Opt.Express*20*,20427-20446(2012)。
作为结果，变为能够获取估计结果，如图13B中所示。图13A示出了光吸收体的位置。图13A示出了光吸收体的位置。图13B的网格为3mm，使得理解到在3mm的精度下估计结果与实际位置相对应。
作为对比例，图13C示出了当四个方向之中的仅一个方向被用于检测时的结果。在此对比例中的配置与传统的NIRS(DOT)设备中的配置基本上相同。在此对比例中，在深度方向上的检测是不可能的，并且检测结果是极为扩展的(expanded)。在示例1中，由于贝叶斯估计，变为能够检测光吸收体的位置和深度。
此外，在光吸收体的位置被改变之后(参见图14A)，执行估计。在图14B中示出了估计结果。也是在这种情况下，理解到可以精确地估计光吸收体的实际位置。通过采用示例1的方法，变为能够以更高的分辨率检测光吸收体的位置。另一方面，在对比例中，如图14C中所示，光吸收体的检测结果被扩展，并且不能够精确地检测光吸收体的位置。
下面，描述此实施例中的示例2。在示例2的说明中，也还描述了与示例1有关的部件。
示例2
首先，黑色墨水被滴入填充亚克力水箱的脂肪乳剂水溶液(用水稀释的10％浓度的脂肪乳剂)，使得黑色墨水为近似200ppm以便获得与活体的吸收系数和散射系数基本上相同的吸收系数和散射系数。然后，模拟血流的、具有黑色颜色的光吸收体被浸入白色的脂肪乳剂水溶液。这里，假定光吸收体是由聚醛树脂制成的并且具有近似5mm直径的黑色球形对象。为了控制球形对象的位置，球形对象被固定到连接到自动台的、具有1mm直径的薄金属棒。探头在透明窗口上的位置被精确地确定，使得探头被附接至透明窗口。例如，亚克力水箱具有立方体的图形(figure)，使得亚克力水箱的体积(大小)为140mm×140mm×60mm，并且亚克力水箱的壁的厚度为1mm。
光学传感器10包括具有多个(例如，八个)光源模块LM的照射系统，以及具有多个(例如，八个)检测模块DM的检测系统。多个光源模块LM和多个检测模块DM经由电接线连接到控制部。
控制部控制光源模块LM的发光定时和检测模块DM的检测定时，并且将所获取的检测结果传送到记录部。此外，控制部执行控制以便读取在记录部中所记录的数据，使用数据中的值来执行计算，以及将计算结果显示在显示部上。
如图15中所示，例如，八个光源模块LM和八个检测模块DM按照矩阵方式(二维点阵方式)被布置，使得光源模块LM和检测模块DM被布置为相对于伪活体(未示出)在彼此正交的X方向和Y方向两者上以恒定的间距“a”彼此紧邻。在图15中，通过使用正方形标记来表达光源模块LM，而通过使用圆形标记来表达检测模块DM。
如图16中所示，八个光源模块LM包括：例如，诸如透镜和棱镜的光学元件、在其上安装有表面发射激光器阵列芯片的陶瓷封装(未示出)、在其上安装有陶瓷封装和模拟电子电路的柔性印刷电路板(未示出)、连接到柔性印刷电路板的接线和连接器部(未示出)、包含这些元件的壳体、由透明树脂制成的要与测试的对象接触的窗口构件，等等。
表面发射激光器阵列的垂直腔表面发射激光器(VCSEL)的振荡波长为例如780nm或900nm。选择这些波长是因为吸收系数随血液中的氧浓度极大地改变。如图16中所示，在光源模块LM中，具有900nm的振荡波长的表面发射激光器阵列芯片1以及具有780nm的振荡波长的表面发射激光器阵列芯片2被并排布置，并且透镜1被布置为接近表面发射激光器阵列芯片1的发射端而透镜2被布置为接近表面发射激光器阵列芯片2的发射端。表面发射激光器阵列还可以被称为“ch(通道)”。
来自表面发射激光器阵列芯片的光束被相应的透镜折射并且被棱镜偏转到期望的角度(被反射到期望的方向)，作为反射构件的该棱镜被形成在窗口构件中。
如图17中所示，表面发射激光器阵列芯片具有为近似1mm的边的正方形形状，并且包括多个(例如，20个)表面发射激光器。
更详细地，每个表面发射激光器阵列芯片具有五个组(ch组)，每个组具有四个表面发射激光器。这里，五个组中的四个组的中心被布置在正方形的相应的拐角(corner)处，并且剩余一个组的中心被布置在正方形的中心处。
每个组中的四个通道被安装在陶瓷封装中，并且经由焊线(金属线)连接到相同的电极焊盘(电极焊盘1至4之一)。
陶瓷封装通过焊接被安装在柔性印刷电路板的接线图案上。用于开关的半导体电路和用于稳流的半导体电路在柔性印刷电路板上。用于开关的半导体电路控制表面发射激光器阵列芯片的哪个通道发射光。用于开关的半导体电路基于外部串行信号使得所选择的通道发射光。用于串行信号的信号线的一端和电源线的一端连接到柔性印刷电路板，并且用于串行信号的信号线的另一端和电源线的另一端连接到控制部。
每个通道所发射的光的量通过校准被周期性地设定为恒定。在通常的使用方法中，五个组使用短脉冲顺序地发射。在这样的脉冲光发射中，能够防止由于发热引起的温度增加，并且因此适于稳定所发射的光的量。每当基于短脉冲发射光时由检测模块所获取的检测值被累积并且被平均。通过这样做，可以降低噪声的影响。
下面，描述为何表面发射激光器阵列芯片被用作光学传感器10。在表面发射激光器阵列芯片中，能够按照二维的方式在彼此接近的位置处布置多个通道，并且还能够独立地控制这些通道的光发射。此外，能够通过在通道附近布置透镜来改变所发射的光束的行进方向。
此外，在被用于DOT的光学传感器中，期望尽可能精确地控制到测试的对象的入射角。通用发光二极管(LED)的发射角度很大。由于这点，为了获取精确的平行光，透镜需要具有非球形的表面。此外，通用发光二极管(LED)的发射角度是非对称的。由于这点，为了使用透镜获取精确的平行光，需要将在垂直方向上的曲率与在横向方向上的曲率不同的透镜与柱透镜进行组合。即，配置变为复杂并且需要高精度的安装技术。
另一方面，表面发射激光器具有基本上精确的圆形形状的远场图案。由于这点，通过布置一个球形透镜可以获取平行光。当使用从LD所发射的相干光时，在其中散射光束彼此干涉的光斑出现在测试的对象(散射体)中。光斑图案作为噪声负面地影响测量。
当通过诸如DOT来观测脑部中的血流时，散射数量极其大。因此，负面的影响是有限的。然而，存在返回光(returned light)的影响，其中，通过皮肤表面所反射的光直接地返回到光源。返回的光使得LD中的振荡状态不稳定，从而使得不可以执行稳定的操作。在光盘的情况下，为了稳定地使用相干光，波片(wave plate)被用于防止通常地反射的光变为返回光。然而，难以去除与散射体有关的返回光。
在表面发射激光器阵列芯片的情况下，能够同时地将多个光束照射到精细的区域。另外，能够降低由返回的光所导致的干涉(例如参见日本早期公开专利公告第2012-127937号)。
在此实施例(示例1和示例2)中，存在被布置在来自表面发射激光器阵列芯片的光的光学路径上的凸透镜(在下文中被简单地称为“透镜”)(参见图18)。
凸透镜的直径为1mm，并且凸透镜的有效直径“ε”为600μm。凸透镜的焦距为600μm。表面发射激光器阵列芯片为1mm×1mm的芯片。在表面发射激光器阵列芯片中分离最远的两个通道的中心之间的距离“dmax”为600μm。通过将有效直径“ε”和距离“dmax”设定为彼此相等，变为能够使得凸透镜的直径最小化。
这里，按照下述方式来确定凸透镜和表面发射激光器阵列芯片的位置：在凸透镜的光轴方向上，凸透镜的主点(光心)与表面发射激光器阵列芯片的发光表面(发射表面)之间的距离“L”为例如300μm(即，f≠L)。
在这种情况下，从表面发射激光器阵列芯片所发射的并且已经通过凸透镜的光通常被棱镜等反射，使得变为能够避免下述现象的发生：通过凸透镜，光在表面发射激光器阵列芯片上被收集(返回光现象)。如上所述，返回光不发生。因此，变为能够稳定由表面发射激光器阵列芯片中的每个通道所发射的光的量。
然而，当不考虑返回光的影响时(当在NIRS中不需要更高的分辨率时)，能够设定f＝L。
此外，如图19中所示，透明树脂可以填充在凸透镜与表面发射激光器阵列芯片之间，使得在其间不形成空气层。作为透明树脂，使用折射率与凸透镜的折射率相似的树脂(例如，热固环氧基树脂)。即，在凸透镜与表面发射激光器阵列芯片的边界面处折射率不改变。透明树脂可以通过在固定凸透镜之前金属铸模来形成，或可以在固定凸透镜之后被注入。
如上所述，通过供给透明树脂以填充在凸透镜与表面发射激光器阵列芯片之间，变为能够防止从表面发射激光器阵列芯片所发射的光被凸透镜的在表面发射激光器阵列芯片上的表面反射。即，变为能够防止返回光的发生。因为未发生返回光，所以变为能够稳定从每个通道所发射的光的量。当稳定了来自每个通道的光的量时，变为能够增加测量系统的信噪(S/N)比，使得可以实现高精度的NIRS测量和更高的分辨率。
如图20中所示，凸透镜经由底座被固定到在其上安装有表面发射激光器阵列芯片的封装上。表面发射激光器阵列芯片的电极(芯片电极)经由接线电连接到PKG电极。接线的高度为数十μm，因此，接线被设计为不与底座干涉。凸透镜的固定位置“L”(表面发射激光器阵列芯片的发光表面与凸透镜的主点之间的距离)受接线的高度限制。即，当使用接线时，需要避开底座并且将接线的高度设定为大于或等于100μm。换言之，优选的是满足关系-100μm<f-L<0。然而，注意在图20中省略了图19中的透明树脂。
从表面发射激光器的发射表面所发射的光具有基本上为圆形的形状，并且发散角的半值宽为5度。通常，LD的光束具有椭圆形状。因此，需要考虑旋转方向上的设定误差。然而，表面发射激光器不需要考虑设定误差。因此，表面发射激光器具有优点。此外，由于圆形形状，当使用光学模拟求解了逆问题时，变为更容易使用基于对称属性的近似，这是另一个优点。
从表面发射激光器所发射的光束被布置在表面发射激光器附近的凸透镜折射。基于表面发射激光器与透镜中心(透镜的光轴)之间的相对位置来确定折射角。关于这点，通过将表面发射激光器阵列芯片的通道和透镜设定在相应的适当的位置处，变为能够获取期望的折射角。
在示例2中，通道与凸透镜的光轴之间的相对位置被确定为使得折射角为近似20度。在表面发射激光器阵列芯片中，能够独立地控制通道的发射。因此，通过选择用于发射的通道，变为能够改变从光源模块LM所发射的光的方向。
图21示出了通过光学模拟器光学地设计的光束图的示例。这里，布置有模拟表面发射激光器阵列芯片的三个通道(光源)，和在通道附近的透镜(直径1mm并且f＝600μm)。三个通道之一被布置在透镜的光轴上。其他两个通道之一被布置在透镜的光轴的一侧上，并且其他两个通道中的另一个被布置在透镜的光轴的另一侧上。来自在光轴上的通道之外的通道的光被折射，使得传播方向(路径)弯折。即，从在光轴上的通道之外的通道所发射的两个光束在彼此相反的方向上并且以相对于透镜的光轴近似20度的角度被发射。
这里，光源模块LM被设计为使得光在测试的对象上的入射角为近似55度。具体地，如图16中所示，光源模块LM被设计为使得，通过经由多个棱镜来将在相对于凸透镜的光轴以近似20度倾斜的方向上、从凸透镜所发射的多个光束，从相对于凸透镜的光轴近似20度倾斜的方向上各自地偏转到近似55度倾斜的方向上，以近似55度倾斜的偏转光束可以入射在测试的对象的表面上。
这里，关于棱镜，其需要反射光。关于这点，例如，在其上形成有金属薄膜的玻璃基底可以被用作棱镜。另外，例如，可以采用使用折射率之间的差异所导致的全反射现象的棱镜。作为棱镜的一个示例，图22示出了光学模拟的结果。从VCSEL所发射的光束被凸透镜折射并且入射在棱镜上。
这里，假定棱镜的材料为BK7。然而，可以使用通用光学材料。入射在棱镜上的光束被棱镜侧表面(反射表面)全反射，使得被反射的光束可以以近似55度的入射角入射到测试的对象上。换言之，已经通过凸透镜的光束被棱镜偏转，使得光束到测试的对象的入射角变为近似55度。在这种情况下，为了防止光在棱镜与测试的对象的边界面上被散射，透明凝胶被放置在棱镜与测试的对象之间。这里，来自表面发射激光器阵列芯片的多个光束通过凸透镜被折射为非平行光束，使得非平行光束被棱镜反射以入射到测试的对象上。作为结果，非平行的多个基本上平行的光束入射到测试的对象的相同位置上(参见图22)。
按照斯涅耳定律，基于棱镜与测试的对象之间的折射率的差异，在测试的对象中光束的传播角度从近似55度被改变为近似60度。
在包括凸透镜和棱镜的光学系统中，通过使用在表面发射激光器阵列芯片中的通道的位置彼此不同的事实，变为能够设定光束在测试的对象中的传播角度。这里，通过将通道(VCSEL)的中心与凸透镜的光轴分离近似200μm，变为能够将从通道所发射的光束在测试的对象中的传播角度设定为近似60度。在这种情况下，从多个通道所发射的多个光束从凸透镜的发射表面上的多个不同位置被发射，以作为非平行的多个基本上平行的光束。
作为对比例，图23示出了在凸透镜的焦距“f”和固定位置“L”分别为600μm和1.6mm的情况下的光学模拟结果。当“f”与“L”之间的差异大于或等于1mm时，光束较宽地扩展。当光束如这样地扩展时，变为需要增大测试的对象的入射表面。然而，作为实际NIRS中入射表面的实际大小，极限是近似2mm的直径。该极限与相邻的人类发根之间的距离为近似2mm的事实有关。即，如果面积大于此，则由于头发而不能够光学地实现具有更高的分辨率的NIRS。关于这点，期望“f”与“L”之间的差异小于1mm。
图16中的透镜1和2直接地被固定到在其上安装有表面发射激光器阵列芯片的陶瓷封装，以便被精确地并且稳定地布置在所设计的位置处。
在图21中，描述了透镜的凸表面面对表面发射激光器侧的情况。然而，透镜的凸表面可以面对与表面发射激光器侧相反的一侧。如图21中所示，通过以凸透镜的凸表面面对表面发光激光器侧并且凸透镜的平坦表面面对测试的对象的方式来布置凸透镜，表面发射激光器阵列芯片与凸透镜之间的距离可以更长。在安装芯片的过程中，为了避免部件与用于拾起部件的臂之间的干扰，优选的是距离在一定程度上较长。
作为透镜，可以使用折射光的光学部件。例如，可以使用利用光纤的折射率分布的梯度指数(GRIN)透镜等。通常，通过使用GRIN透镜，变为能够以较低的成本选择具有较小球形像差和f值的透镜。
在示例2中，优选的是球形像差较小使得光入射到透镜的端部而不是透镜的中心部。
如上所述，彼此非平行的多个光束从光源模块LM被发射(参见图16和图22)。
此外，来自光源模块LM的彼此非平行的多个光束入射到测试的对象的相同位置上(参见图16和图22)。
术语“相同位置”在这里指代相对于距离(例如，近似60mm)的相同位置，光源模块LM以该距离被布置(例如，近似60mm的间隔)。因此，彼此分离几mm的多个位置被包括在“相同位置”的含义中。关于这点，术语“相同位置”中的“相同”不严格地意味着“相同”。因此，术语“相同”可以被术语“基本上相同”或“大致上相同”替换。
以下描述用于求解逆问题的算算法。在算法中，执行设定光源模块LM的位置的光学模拟。在光学模拟中，通过精确地设定在测试的对象上的入射位置的位移，在逆问题估计中不发生误差。这还适用于包括具有不同振荡波长的多个通道的表面发射激光器阵列芯片，使得即使来自具有不同的振荡波长的多个通道的多个光束的入射位置分离几mm，也能够说多个光束的入射位置是相同位置。
然而，例如，如在专利文献1中所描述地，为了在探头的位置彼此分离10mm或更多的同时以高密度的方式布置探头，需要独立地布置多个光源模块。布置多个光源模块的操作是复杂的并且与将头发逐个地放在一边的操作相似，使得光源模块的数量增加地越多，则操作的数量增加地越多。
在此实施例中，如下所述，通过仅布置一个光源模块LM，变为能够获取与当布置多个光源时所获取的信息量相同的信息量，并且变为能够以与在专利文献1中所描述的高密度探头中所实现的分辨率相比更高的分辨率进行检测而不增加复杂的操作。
此外，在根据如图24A中所示的、彼此平行的多个光束入射到活体上的对比例的光源模块中，如果在活体的表面附近存在被更改的部分，则可能发生检测误差。术语“被更改的部分”在这里指代其光学特性是独特的部件。“被更改的部分”包括例如头发和人工染色的皮肤。如果存在这样被更改的部分，则在此对比例中，来自光源1的光入射在与来自光源2的光入射的位置不同的位置处，使得例如仅来自光源2的光通过被更改的部分。作为结果，当光源1与光源之间的差异被计算时，被更改的部分变为噪声。
另一方面，在此实施例中，如图24B中所示，来自光源1的光和来自光源2的光通过皮肤表面上的“相同位置”。因此，如果来自光源1和光源2中一个的光通过被更改的部分，则来自光源1和光源2中另一个的光也通过被更改的部分。相似地，如果来自光源1和光源2中一个的光不通过被更改的部分，则来自光源1和光源2中另一个的光也不通过被更改的部分。更具体地，来自光源1的光和来自光源2的光两者在皮肤表面附近采取相同的光路，并且在深度方向上采取不同的光路。即，其对于检测皮肤表面附近的差异不是非常灵敏但是对于检测在脑部组织附近的差异很灵敏。通过减少在皮肤表面附近的噪声，提高分辨率。如上所述，术语“相同位置”的含义允许几mm的位移。
此外，在示例2中，透明凝胶被滴在形成在壳体中的窗口构件上，使得透明凝胶被放置在窗口构件与测试的对象的表面之间，以防止在其间引入空气。
在传统的光源模块中，首先被照射进入空气的光经由皮肤表面入射并且在体内传播。在这种情况下，在具有1.0的折射率的空气与具有1.37的折射率的活体之间产生了折射率差异。由于所产生的折射率的差异，反射和散射发生。此外，光在其中传播的活体的折射率小于活体外部的空气的折射率。因此，活体中的传播角度(在下文中可以被称为“体内传播角度”)相对于入射角变为更小。当使用斯涅耳方程时可以理解在边界面处的光折射。可以通过仅使用折射率来表达斯涅耳方程。
图25是示出了在空气(入射侧：折射率为1.0)与活体(传播侧：折射率为1.37)之间的边界面处，入射角与体内传播角度之间的关系的图表。如根据图25所理解地，即使当光在活体上的入射角为60度时，光在活体中的传播角度变为40度，其小于入射角。由于这点，理解到，如果需要实现大于或等于60度的光在活体中的传播角度，则当光从空气入射时不能够实现这样的传播角度。换言之，如果光首先被发射到空气中，则不能实现光在活体中的大的传播角度。
为了解决该问题，在示例2中，作为光源模块LM的窗口构件的材料的透明树脂的折射率被设定为大于(例如，1.5或更大)活体的折射率(1.37)(参见图26)。在这种情况下，以60度的入射角从光源模块LM直接地入射在活体上的光在活体中的传播角度超过70度。在设计光源模块LM时，当角度减少时，变为能够获得诸如减小光源模块LM的大小的优点。
在具有如上所述的配置的示例2的光源模块LM中，如图16中所示，在与透镜的光轴平行的方向上从表面发射激光器所发射的光被透镜折射，并且在相对于透镜的光轴以近似20度倾斜的方向上行进，以入射在窗口构件上。这里，窗口构件的折射率为近似1.5。当光入射在窗口构件上时，已经穿过透镜的光被折射。然而，因为入射角不深，所以折射不大。入射在窗口构件上的光被棱镜的反射表面反射，并且在相对于透镜的光轴以近似55度倾斜的方向上行进。此55度的角度是具有1.5的折射率的窗口构件中的角度。然而，如图26中所示，活体(折射率：1.37)中的传播角度变为近似60度。
为了来自光源模块LM的光直接地入射以在伪活体中传播，需要去除在伪活体与光源模块LM之间的边界面中的空气层。这里所选择的透明凝胶是与伪活体相容的甘油溶液。由于易挥发的特性，透明凝胶被制备为在测试期间不易挥发(即，当光源模块被覆盖(cap)时)并且在测试或被吸入伪活体之后的适当的定时挥发。此外，透明凝胶的光学特性被制备为当波长为近似480nm时为透明的，并且使得透明凝胶的折射率与伪活体表面的折射率相似。这里，透明凝胶的折射率被制备为具有近似1.37的值。通过以这种方式进行制备，即使伪活体表面不均匀时，也不产生由于不均匀表面引起的折射率的差异，从而使得变为能够产生不发生反射的状态。因此，变为能够在伪活体表面处去除大部分反射。此外，即使与伪活体的边界面是物理上不均匀的，其也不是光学上不均匀的。因此，不发生散射。作为结果，变为能够根据来自光源模块LM的光的发射角度、在适当的传播方向上在伪活体中精确地传播光。通常，由于在伪活体中的传播，散射强烈地发生。然而，在皮肤表面处的散射不弱。由于这点，变为能够确保光的高的各向异性。因为可以获取高的各向异性，所以变为能够大大地改变从光源模块LM到伪活体的多个光束的入射角度，并且如下所述，变为能够大大地改变由检测模块DM所接收到的多个光束的入射角。
如图27中所示，检测模块DM包括壳体、光学元件、包括光接收部和模拟电路的柔性印刷电路板(未示出)、连接到柔性印刷电路板的接线和连接器部(未示出)，等等。
如图28中所示，在光检测模块DM中，从光源照射到伪活体上的并且在伪活体中传播的光被分割为多个光束，以被引导进入多个光接收部。
在现有技术中(参见日本早期公开专利公告第2011-179903号)，在使用荧光灯的DOT中，光接收部被布置，以便与以多个角度从测试的对象所发射的多个光束相对应。然而，当光接收部以这种方式被布置时，入射在光接收部上的光与来自测试的对象的所有发射角度相对应。
另一方面，在此实施例中的检测模块DM对来自测试中对象的“相同位置”的光进行分割，并且单独地检测被分割的光。这里，如上所述，在光源模块LM中，因为能够在光学模拟中对其进行设计，所以“相同位置”的精度与位置是否相差几mm量级无关。
下面，描述检测模块DM的详情。如图29中所示，检测模块DM包括由黑色树脂制成的壳体、附接到壳体的顶端并且由弹性构件制成的接触构件、在壳体中所包含的透明的分割(division)透镜、以及四个光接收部。孔径(开口)形成在壳体的顶端处并且形成在接触构件中。
作为接触构件，由黑色橡胶制成的构件被用于增强光阻挡效果。分割透镜的中心部(具有近似1mm的直径)从接触构件的孔径起外出突出几百μm超过壳体。该突出部件与活体表面接触。因此，光学上不存在空气，并且例如降低了菲涅尔折射和散射。
此外，在检测模块DM中，透明凝胶也被使用，这是因为可以进一步提高稳定性。分割透镜由透明树脂制成，并且具有近似1.8的折射率。分割透镜被固定到壳体。
孔径是具有近似1mm的直径并且穿透通过壳体的顶端和接触构件的圆孔，使得孔径具有限制在测试的对象中传播的光从测试的对象被输出的位置的功能。从该位置所输出的光在不同的多个方向上被指引。因此，变为能够通过孔径限制光的入射位置，并且然后，采用分割透镜将入射光分割为多个光束，使得多个光束可以单独地被检测。
来自测试的对象的光从“相同位置”入射到光接收部的上述特征通过孔径来实现。
已经通过孔径的光被分割透镜折射到与光的传播方向相对应的不同方向。因此，在光接收部上的入射位置不同。
分割透镜是具有近似3mm的直径的并且具有近似3mm的焦距“f”的球形透镜。
在示例2中，由分割透镜进行的光的分割数量为4。响应于此，使用具有以二维方式布置的四个光接收部(光电二极管PD)的光电二极管阵列(PD阵列)。然而，在图29中，四个光接收部(PD)中的仅两个光接收部1和2被示出。
这里，PD阵列具有其一个边长为近似3mm的正方形形状，并且每个PD具有其一个边长为1.4mm的正方形形状。角度“θ2”被如图29中所示地定义，并且PD阵列与孔径之间的距离为近似5mm。
透镜的一个表面为平坦表面，并且仅另一个表面为球形表面。透镜的平坦表面侧与伪活体接触。孔径的位置从透镜的焦点位置被移位。因此，不能够创建平行光。然而，孔径具有将光限制为入射在PD阵列上的功能。
根据对此光学系统所执行的光学模拟，理解到，具有近似-10度到50度的范围中的角度“θ2”的光入射在光接收部2上，并且具有近似-50度到10度的范围中的角度“θ2”的光入射到光接收部1上。即，在伪活体中传播的并且从孔径所发射的光依赖于发射角度被分割为多个光束，并且多个光束中的每个入射在四个光接收部中的任何一个上。
在示例2中，描述球形透镜被用作分割透镜的情况。然而，例如，非球形的透镜可以被使用以便以更大的角度进行检测。分割精度和分割数量与以下描述的逆问题的估计精度相关。因此，基于期望的估计精度来确定需要的光学系统。在此实施例中，球形透镜和分割数量“4”被采用。
PD中的每个被电接线以连接到运算放大器。作为运算放大器，半导体运算放大器被使用以供给5V的电源电压。所检测到的光的量非常小。因此，运算放大器的增益高，并且采用两级放大器配置。在第一级中，执行数万倍的放大，并且在第二级中，执行数千倍的放大。
在示例2中，参考图30中的流程图描述测量伪活体中的光吸收体的位置(测试的对象的光学特性的检测方法)的方法(位置测量方法)。
首先，探头(光源模块LM和检测模块DM)被设定在(附接到)伪活体上(步骤S1)。在这种情况下，透明凝胶被放置在亚克力水箱与探头之间，并且探头被逐个地仔细地设定在由固定构件所确定的位置处，以便不在透明凝胶中生成气泡。
探头为八个光源模块LM和八个检测模块DM(总共16个探头)。光源模块LM和检测模块DM以点阵的方式被布置为以恒定的间距彼此紧邻(参见图15)。点阵间距(点阵点之间的距离)为30mm。光源模块LM与检测模块DM之间的距离为30mm。
在这种状态下，任意一个光源模块DM进行发射(步骤S2)。以组(4个通道)为基础执行发射，并且电流值被确定为使得发射强度为近似4mW。发射时间段近似为10ms。在该时间段期间，检测值由所有PD读取，并且每1ms所检测到的若干点的数据被平均(步骤S3)。然后，平均值被存储在记录部中(步骤S4)。相似地，在下一组中，重复10ms的发射、测量以及数据存储(步骤S5、S6以及S2至S4)。这里，具有780nm的振荡波长的表面发射激光器阵列芯片的四个通道的发射和具有900nm的振荡波长的表面发射激光器阵列芯片的四个通道的发射顺序地并且相似地被执行。
然而，在下面的数据处理中，对两个波长基本上相似地操作，使得在相同位置处的测量按照相同的方式被执行两次。最初，为了检测血流的改变，通过利用使用这两个波长所获得的差异，变为能够单独地检测氧化的血红蛋白和还原的血红蛋白。然而，在此实施例中，通过针对测量相应的数据使用具有不同的振荡波长的两个表面发射激光器阵列芯片，变为能够降低由芯片之间的差异所导致的噪声。
在完成光源模块LM的所有组的发射和测量之后，执行下一个光源模块LM的发射(步骤S7、S8以及步骤S2至S4)。与上述相似地，以组(4个通道)为基础来顺序地执行发射。在完成所有光源模块LM的发射和测量之后，设定光吸收体(步骤S9和S10)。通过使用光学台来设定光吸收体，使得可以以可再现的方式精确地执行光吸收体的设定。在光吸收体被设定的状态下，重复通过PD值记录的通道的发射(步骤S2至S9)。
在所存储的数据中，存在光吸收体时的数据和不存在光吸收体时的数据被分别地给出为：
“r(s，i，n)(i＝1，2，3，……，M，n＝1，2，3，……，K)”以及“r(0，i，n)(i＝1，2，3，……，M，n＝1，2，3，……，K)”。这里，“i”指示被分配给相应的检测模块DM的编号。“n”指示被分配给相应的组的编号。接下来，计算相应的差异Δr(i，n)。
基于通过位置测量方法所获取的测量结果来计算光吸收体的位置(伪活体的光学特性)的方法与基于根据图8的流程图的测量方法所获取的测量结果来计算光吸收体的位置(伪活体的光学特性)的方法相似。因此，在这里省略其重复的说明。
作为结果，变为能够获取估计结果，如图31中所示。图31进一步示出了对比例的结果，在对比例中，仅在表面发射激光器阵列芯片的中心处的一组(参见图17)进行发射，并且使用PD阵列中的四个PD之中的仅一个PD的检测值来执行检测。除了此限制之外，相似地执行与在第一实施例中的数值处理相似的数值处理。此对比例的配置与现有技术中的NIRS(DOT)中的配置相似。
在此实施例中，基于贝叶斯估计，变为能够检测光吸收体的位置和深度。在图31中所示的结果中，当可以检测到光吸收体的位置时，标记“o”(圆形)被标记。在此实施例中，当在深度方向上的距离变为更大时，与光源模块LM的距离增加并且可以传播的光量降低。由于这点，光吸收体的位置变为越深，则检测变为越难。在此实施例中，能够检测达到16mm。在对比例中，由于通用NIRS(DOT)设备，即使使用贝叶斯估计也不能够在深度方向上进行检测。通常，为了高度精确地检测包括深度方向的光吸收体的三维位置，探头需要以高密度被布置。然而，在此实施例中，可以采用低密度的探头来执行这样的高度精确的检测。
如上所述根据此实施例(示例1和示例2)的光学传感器10包括具有多个光源模块LM以将光照射到测试的对象(伪活体)的照射系统和检测从照射系统所照射的并且在测试的对象中所传播的光的检测系统。此外，多个光源模块LM中的每个将非平行的多个光束照射到测试的对象的相同位置上。
在这种情况下，彼此非平行的并且照射到测试的对象(散射体)的相同位置上的多个光束在测试的对象中的入射角彼此不同，使得多个光束在不同的传播路径上传播(参见图32)。
作为结果，所获取的与测试的对象的内部有关的信息的量增加，使得可以实现更高的分辨率。此外，由于提高的分辨率，变为能够通过降低探头密度(即，每单位面积的探头的数量)来实现相同的分辨率，这使得能够提高可安装性(可操作性，可安置性)。
作为结果，对于光学传感器10变为能够实现更高的分辨率而不降低到测试的对象的可安装性。
此外，当入射到测试的对象的相同位置上的多个光束彼此非平行时，其意味着多个光束相对于彼此形成角度。即，由于多个光束的相对于彼此所形成的这些角度的存在，变为能够通过多个光束形成不同的传播路径。另一方面，如果假定入射到测试的对象的相同位置上的多个光束彼此平行(即，如果多个光束与测试的对象的表面的法线平行)，则在测试的对象中的多个光的传播路径彼此相同。
此外，根据此实施例的光源模块LM包括具有多个表面发射激光器(发光部)的表面发射激光器阵列以及被布置在来自多个表面发射激光器的多个光束的光路上的凸透镜，使得凸透镜的主点与表面发射激光器阵列之间的距离与凸透镜的焦距不对应。
在这种情况下，变为能够防止表面发射激光器上的返回光束的集中，使得变为能够防止表面发光激光器的输出改变。作为结果，变为能够稳定从表面发射激光器所发射的光量，提高光学传感器10的检测精度，以及因此提高NIRS的分辨率。
另一方面，当表面发射激光器阵列被布置在凸透镜的焦点的位置上时，由外部反射表面所反射的光束通过凸透镜被集中在表面发射激光器上，使得激光器振荡变为不稳定。这种现象被称为“返回光”或“自混合现象”。在表面发射激光器阵列被用作光学传感器的光源的情况下，如果此现象发生，则所发射的光的量变为不稳定(更详细地，参见日本早期公开专利公告第2011-114228号和第2012-132740号)。
此外，具有与凸透镜的折射率基本上相等的折射率的透明树脂填充在凸透镜与表面发射激光器阵列之间。
在这种情况下，在凸透镜与表面发射激光器阵列之间的边界面处折射率不改变。因此，返回光可以降低。作为结果，变为能够稳定从表面发射激光器阵列所发射的光的量，并且因此，提高了NIRS的分辨率。
此外，检测系统包括各自具有多个光接收部(PD)的多个检测模块DM，该多个光接收部(PD)分别地接收从光源模块LM照射到测试的对象上的并且在测试的对象中传播的多个光束。
在这种情况下，变为能够单独地获取与测试的对象中的两个不同的传播路径相对应的两个信息集合。
此外，检测模块DM被布置在测试的对象与多个光接收部(PD)之间，并且包括接触构件和壳体，该壳体具有相应的孔径以使得在测试的对象中所传播的多个光束中的每个的一部分通过。
在这种情况下，变为能够使得光通过测试中对象的相同位置进入壳体。即，变为能够仅将其入射角被限制为一定程度的光从测试的对象入射到壳体中。通过这样做，对于光变为更容易入射到多个光接收部上。
此外，检测模块DM包括分割透镜(光接收透镜)，其将已经通过孔径的多个光束的一部分单独地引导到多个光接收部上。
在这种情况下，变为能够将已经通过了孔径的相应多个光束的一部分的稳定量单独地入射到多个光接收部上。
光源模块LM包括要与测试的对象接触的并且由具有比测试的对象的折射率更大的折射率的材料(透明树脂)制成的窗口构件。因此，变为能够将测试的对象中的传播角度(折射角)设定为相对于在测试的对象上的入射角更大。作为结果，当与光从空气入射到测试的对象的情况相比时，即使入射角相同，传播角度也变为更大。由于这点，当与以不同的入射角入射在测试的对象的相同位置上的两个光束之间的入射角的差异相比时，在测试对象中两个光束之间的传播角度的差异变为更大，使得传播路径更大地不同。作为结果，变为能够获取更高的精确度。
此外，光源模块LM包括按照二维方式布置的多个表面发射激光器和被布置在来自多个表面发射激光器的光的光路上的(一个或多个)照射透镜。
在这种情况下，变为能够将来自多个表面发射激光器的光传播方向改变为期望的方向(所布置的相对应的棱镜的方向)。
此外，光源模块LM被布置在经由照射透镜的光的光路上，并且包括棱镜(反射构件)以将光反射到期望的方向上。
在这种情况下，能够进一步将来自照射透镜的光的传播方向改变为期望的方向。即，能够将在测试的对象上的入射角设定为期望的角度。
如上所述，通过使用光学传感器10，变为能够通过采用简单的配置有效地使用光传播各向异性来实现更高的分辨率，以便被用于各种领域，诸如DOT等。
此外，光学测试设备100包括光学传感器10和控制部(光学特性计算部)以基于由光学传感器10所获取的检测结果来计算测试的对象的光学特性。
在这种情况下，由于光学传感器10的更高的分辨率，变为能够高度精确地计算测试的对象的光学特性。
第二实施例
接下来，描述本发明的第二实施例。在此实施例中，描述了使在第一实施例中所描述的探头适用于实际人体的方法。关于这点，假定测试的对象从模体(填充有白色的水的水箱)改变为人体的头部，并且光吸收体为脑部血流。
在此实施例中，目的是精确地估计脑部中的血流分布。在此实施例中，对测试中的人(测试中的身体)进行测量，使得基于所测量的数据对图形进行建模，并且执行蒙特卡洛模拟。测试的人的头部的形状通过使用磁共振成像(MRI)方法被测量。基于该图像，计算四个部位的形状，即，头皮、颅骨、脑脊液以及大脑皮层。
三维数据对于高精度检测可能是必要的。然而，可替换地可以使用脑部建模的标准形状数据。这些部位具有相应的、通常已知的散射系数、各向异性以及吸收系数的值。因此，这些值被使用。探头通过固定工具被精确地固定到头部，并且设定位置也被精确地测量。探头等与第一实施例中的那些相同，并且在这里省略其重复的说明。这里，基于部位的精确形状、位置以及值来执行光学模拟。
下面，参考图33的流程图来描述测量脑部中的血流的方法。首先，测试的人放松(步骤S31)，并且探头(检测模块DM和光源模块LM)附接到头部(步骤S32)。在这种情况下，按照下述方式使用固定构件将探头逐个地仔细地设定(安装)在相应的预先确定的位置上：没有头发等被夹在探头与头皮之间。在所设定的条件下，发射通道(步骤S33)。以组为基础来执行发射(脉冲发射)，并且电流值被设定为使得强度为近似4mW。发射间隔为大约几ms。在间隔期间，所有PD的检测值被读取并且被平均(步骤S34)。平均值被存储在记录介质中(步骤S35)。
在下一组中，相似地重复几ms的发射、测量以及数据存储(步骤S36、S37以及S33至S35)。当完成所有光源模块LM的发射和测量时，测试的人被要求执行任务(步骤S38至41)。这里，执行一般的言语流畅性(verbal fluency)任务。言语流畅性任务的详情在日本早期公开专利公告第2012-080975号中被描述。
通过执行该任务，脑部被激活，使得脑部血流仅发生在被激活的部分处。血流包括氧化的血红蛋白和还原的血红蛋白，并且由于血流发生光吸收。根据贝叶斯估计进行的逆问题估计等与在以上第一实施例中描述的方法一致，并且因此，这里省略重复的说明。在此测量中所需获取的血流位置的精度可以通过功能磁共振成像(fMRI)来检查。“fMRI”指代使用MRI来使得与人类或动物的脑部和脊髓的活动有关的血液动力学响应可视化的方法。基于检查和测量，理解到，采用此实施例中的光学传感器进行的测量具有更高的分辨率。
第三实施例
接下来，描述本发明的第三实施例。在第三实施例中，光源模块LM和检测模块DM与第一实施例中的光源模块LM和检测模块DM相似，但是其布局具有独创性。这里，除了布局之外的说明与第一实施例中的那些相同，并且这里省略其说明。
在第一实施例的示例2中，光源模块LM和检测模块DM以下述方式被布置：两个光源模块LM和两个检测模块DM被布置在实质上正方形的相应的角上。然而，如果使用此布局，则与图15中的“x”标记所指示的点相对应的光源模块LM与检测模块DM之间的光路的长度延长。由于这点，变为难以通过检测模块DM获得足够的光量，使得在此点处的噪声可能变为更大，并且检测精度可能降低。
为了解决该问题，本发明的发明人积极地进行研究来确定适合的探头布局并且发现图34中所示的布局是最合适的。在图34的布局中，光源模块LM和检测模块DM按照下述方式被布置：光源模块LM和检测模块DM中的一个相对于测试的对象被单独地布置在正三角形的两个角上，并且光源模块LM和检测模块DM中的另一个被布置在正三角形的另一个角上。
这里，作为简单的示例，对到光源模块LM和检测模块DM的距离最长的位置进行比较。这里，假定在两种情况中光源模块LM与检测模块DM之间的距离(间距)为“a”。在图15中的位置“x”的情况下，虚线的距离被计算为√2a(大约1.414a)。另一方面，在图34中的位置“x”的情况下，虚线的距离被计算为(1+√)a/2(大约1.366a)，其小于√2a。即，当在图15与图34中的布局之间比较最长距离时，图34中的最长距离更短，使得理解到图34中的布局是优选的。
通过使用根据此实施例的探头布局，理解到，作为以与第一实施例中的方式相同的方式所执行的逆问题估计的结果，检测区域变为更宽。
第四实施例
接下来，描述本发明的第四实施例。在第四实施例中，当使用第一实施例中所示的多个光源模块LM和多个检测模块DM的布局时，光源模块LM的通道和检测模块DM的PD的布局是具有独创性的。除了通道和PD的布局之外的描述与第一实施例中的那些相同。因此，这里省略其重复的说明。
在第一实施例的示例2中，如图15中所示，多个光源模块LM和多个检测模块DM按照下述方式被布置：光源模块LM和检测模块DM相对于测试的对象在X方向和Y方向两者上彼此相邻。
然而，如上所述，与由“x”标记所指示的位置有关的光源模块LM与检测模块DM之间的光路延长。由于这点，变为难以通过检测模块DM获得足够的光量，使得在此点处的噪声可能变为更大，并且检测精度可能降低。
在图35的对比例中，多个光源模块LM和多个检测模块DM按照下述方式被布置：光源模块LM和检测模块DM相对于测试的对象在X方向和Y方向两者上彼此相邻。此外，发射方向和检测方向(光在光接收部上的入射方向)与X或Y方向平行。在表面发光激光器附近所安装的透镜具有点对称光学特性。由于这点，基于表面发射激光器的位置和组的位置来确定发射方向。相似地，由于透镜的点对称光学特性，基于PD阵列的分割的布局来确定检测方向。
关于这点，当表面发射激光器阵列芯片如图36A所示地布置时，在平面视图中(当从+Z方向查看时)发射方向相对于X方向和Y方向两者倾斜。这是因为组的中心位置相对于透镜中心倾斜。相似地，在检测模块DM中，通过将透镜的中心布置在四分PD阵列芯片(光电二极管阵列芯片)的芯片中心处，检测方向(光到光接收部上的入射方向)是图36B中所示的方向。图37示出了探头的布局以及检测和发射方向。如图37中所示，理解到，在平面视图中(当从+Z方向查看时)发射方向和检测方向相对于X方向和Y方向倾斜。
在这种情况下，与以上所述的灵敏度分布相似地，由于光的各向异性，期望在图37中的“x”标记的位置处可以获得更高的灵敏度。
作为使用图36A和图36B的布局、与第一实施例相似地执行的逆问题估计的结果，理解到，可检测区域变为更大(更宽)。
在以上实施例中，注意到照射系统中的光源模块LM的数量和检测系统中检测模块DM的数量可以适当地改变。简言之，照射系统可以包括至少一个光源模块LM并且检测系统可以包括至少一个检测模块DM。
此外，注意，光源模块LM(光照射器)的配置可以适当地改变。例如，光照射器的表面发射激光器阵列芯片的数量和布局可以改变。此外，透镜的类型、形状、大小、数量等可以适当地改变。
此外，在以上实施例中，作为光照射器的光源，表面发射激光器被使用。然而，例如，可替换地，边缘(edge)发射激光器(LD)、发光二极管(LED)、有机EL元件或半导体激光器之外的激光器可以被使用。
在以上实施例中，棱镜被用作光照射器的反射构件。然而，例如，可替换地，另一个反射镜(mirror)等可以被使用。
此外，可替换地，在示例2中的表面发射激光器阵列芯片中，组的数量和布局以及组的通道的数量和布局可以改变。
此外，可替换地，检测模块(DM)(光检测器)的配置可以改变。例如，孔径可以不被形成。此外，分割透镜可以不被使用。
此外，构件和部件的图形(形状)、大小、数量、维度、值当然可以可替换地改变。
尽管为了完整和清楚的公开关于具体的实施例描述了本发明，但是所附的权利要求书不因此被限制，而应被解释为使得对于本领域技术人员可能发生的、适当地落入这里所陈述的基本教导内的所有修改和替选结构具体化。
本申请基于2013年9月30日提交的日本专利申请第2013-203155号和2014年8月11日提交的日本专利申请第2014-163363号并且要求其优先权，上述日本专利申请的全部内容通过引用并入于此。
附图标记的说明
10：光学传感器
100：光学测试设备
LM：光源模块
DM：检测模块
现有技术文献
[专利文献]
[专利文献1]日本专利第3779134号

Claims (12)

1.一种光学传感器，包括：
照射系统，包括至少一个光照射器以将光照射到测试的对象上；以及
检测系统，被配置为检测从所述照射系统所照射的并且在所述测试的对象中所传播的光；
其中，所述光照射器将非平行的多个光束照射到所述测试的对象的相同位置上；
其中，所述光照射器包括表面发射激光器阵列和透镜，所述表面发射激光器阵列具有多个发光部，所述透镜被布置在来自所述多个发光部的多个光束的光路上并且将所述多个光束改变为所述非平行的多个光束，以及
所述透镜的主点与所述表面发射激光器阵列之间的距离不等于所述透镜的焦距，并且所述距离与所述焦距之间的差异小于1mm。
2.根据权利要求1所述的光学传感器，
其中，具有与所述透镜的折射率相等的折射率的透明树脂填充在所述透镜与所述表面发射激光器阵列之间。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的光学传感器，
其中，所述检测系统包括至少一个光检测器，所述至少一个光检测器具有接收从所述光照射器所照射的并且在所述测试的对象中所传播的多个光束的多个光接收部。
4.根据权利要求3所述的光学传感器，
其中，所述光检测器包括下述构件：所述构件被布置在所述测试的对象与所述多个光接收部之间，并且具有使得在所述测试的对象中所传播的多个光束中的每个的一部分通过的通过部。
5.根据权利要求4所述的光学传感器，
其中，所述光检测器包括光接收透镜，所述光接收透镜将已经通过所述通过部的所述多个光束的所述部分引导到所述多个光接收部上。
6.根据权利要求5所述的光学传感器，
其中，所述照射系统包括多个所述光照射器，并且所述检测系统包括多个所述光检测器，
所述光照射器和所述光检测器按照下述方式被布置：所述光照射器和所述光检测器相对于所述测试的对象、在彼此正交的两个方向上都彼此相邻，
来自相应的多个光照射器的多个光束的发射方向相对于所述两个方向倾斜，以及
在所述测试的对象中所传播的并且入射在所述光检测器上的所述多个光束的入射方向相对于所述两个方向倾斜。
7.根据权利要求5所述的光学传感器，
其中，所述照射系统包括多个所述光照射器，并且所述检测系统包括多个所述光检测器，以及
所述光照射器和所述光检测器按照下述方式被布置：所述光照射器和所述光检测器中的一个相对于所述测试的对象单独地被布置在正三角形的两个角上，并且所述光照射器和所述光检测器中的另一个被布置在所述正三角形的另一个角上。
8.根据权利要求7所述的光学传感器，
其中，所述光照射器包括窗口构件：所述窗口构件要与所述测试的对象接触，并且由具有比所述测试的对象的折射率更大的折射率的材料制成。
9.根据权利要求8所述的光学传感器，
其中，所述光照射器包括反射构件，所述反射构件被布置在所述光的经由所述透镜的光路上并且被配置为将所述光的方向改变为期望的方向。
10.根据权利要求9所述的光学传感器，
其中，所述透镜在所述表面发射激光器阵列上具有凸形状。
11.一种光学测试设备，包括：
根据权利要求1至权利要求10中任一项所述的光学传感器；
光学特性计算单元，被配置为基于所述光学传感器的检测结果来计算测试的对象的光学特性。
12.一种使用根据权利要求1至权利要求10中任一项所述的光学传感器来检测测试的对象的光学特性的光学特性检测方法，包括：
获取所述测试的对象相对于光的灵敏度分布的步骤；以及
通过基于所述灵敏度分布求解逆问题来计算所述测试的对象的光学特性的步骤。
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