CN106999165B - 光学传感器、光学测试设备以及光学特性检测方法 - Google Patents

Abstract

提供一种光学传感器。所述光学传感器具有包含至少一个光发射装置的发射系统，所述至少一个光发射装置将光发射到对象上；以及检测系统，其检测已经由发射系统发射并且已经通过对象传播的光。所述光发射装置能够将具有不同波长的多个光束发射到对象的基本相同的位置上。

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

本发明涉及光学传感器、光学测试设备以及光学特征检测方法，并且特别地，所述光学传感器包含发射系统，其发射光到受测对象(对象)上，以及检测系统，其检测由所述发射系统发射并且已经公共所述受测对象传播的光；所述光学测试设备包含所述光学传感器；并且所述光学特性检测方法使用所述光学传感器。

背景技术

通常，已知用于活体的光学测量设备，其通过发射光至受测对象(活体)上并检测已经通过受测对象传播的光，来测量受测对象中的信息(例如，参照专利文件1)。

公开于专利文件1中的用于活体的光学测量设备不能够高精度地测量受测对象中的信息。

发明内容

本发明的实施例公开了包含发射系统和检测系统的光学传感器，其中所述发射系统包含发射光至受测对象上的至少一个光发射装置，并且其中所述检测系统检测由所述发射系统发射并且通过所述受测对象传播的光，所述光发射装置能够将具有不同波长的多个光束发射到所述受测对象的基本相同的位置上。

根据本发明的实施例，可以高精度地测量受测对象中的信息。

附图说明

图1为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为示出用于体模(phantom)的水箱的图。

图3为示出透明窗的布局的图。

图4为示出了根据示例1的光源模块的示意配置的第一图。

图5为示出了根据示例1的检测模块的示意配置的图。

图6为示出了根据示例1的光源模块的示意配置的第二图。

图7为示出体内传播角度的图。

图8为示出用于测量受测对象中的信息的方法的流程图。

图9为涉及逆向问题估计算法的流程图。

图10为示出光电二极管(PD)中的灵敏度分布的第一图。

图11为示出PD中的灵敏度分布的第二图。

图12为示出体内传播角度的图。

图13A为示出吸光体的实际位置的图。

图13B为示出吸光体的位置的估计结果的图。

图13C为示出在对照示例中的吸光体的位置的检测结果的图。

图14A为示出移动之后的吸光体的实际位置的图。

图14B为示出移动之后的吸光体的位置的估计结果的图。

图14C为示出在对照示例中的吸光体的位置的检测结果的图。

图15为示出了根据示例2的光学传感器中的多个光源模块和多个检测模块的布置的图。

图16为示出了根据示例2的光源模块LM(类型I)的图。

图17为示出了根据示例2的光源模块LM(类型I)的表面发射激光器阵列芯片的图。

图18A为示出了根据示例2的光源模块ML(类型II)的第一图。

图18B为示出了根据示例2的光源模块ML(类型II)的第二图。

图19为示出了根据示例2的光源模块LM(类型III)的图。

图20为示出了根据示例2的光源模块LM(类型III)中的透镜和表面发射激光器阵列芯片之间的位置关系的图。

图21为示出了根据示例2的光源模块LM(类型III)中的透镜、表面发射激光器阵列芯片以及棱镜之间的位置关系的图。

图22为示出了根据示例1和示例2的光源模块的附加配置的第一图。

图23为示出了根据示例1和示例2的光源模块的附加配置的第二图。

图24为示出了根据示例1和示例2的光源模块的附加配置的第三图。

图25为光学模拟器光学设计的光束图。

图26为示出了根据第一实施例的光学模拟的结果的图。

图27为示出了根据对照示例的光学模拟的结果的图。

图28A为示出了根据对照示例的光学传感器的操作的图。

图28B为示出了根据对照示例的光学传感器的操作的图。

图29为示出了由空气至活体的入射角度与体内传播角度之间的关系的曲线图。

图30为示出了由树脂至活体的入射角度与体内传播角度之间的关系的曲线图。

图31为示出了根据示例2的检测模块的示意配置的第一图。

图32为示出了根据示例2的检测模块的示意配置的第二图。

图33为示出了根据示例2的检测模块的示意配置的第三图。

图34为根据示例2示出光学特性检测方法(位置测量方法)的流程图。

图35为示出了根据示例2逆向问题估计的估计结果的图。

图36为示出了根据第一实施例的光学传感器的操作的图。

图37为示出了根据第二实施例的光学特征检测方法(位置测量方法)的流程图。

图38为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置的图。

图39为示出了根据对照示例的光学传感器中的光源模块的发射方向和检测模块的检测方向的图。

图40A为示出了根据第四实施例的四个表面发射激光器阵列芯片的发射方向的图。

图40B为示出了根据第四实施例的PD阵列的四个PD的检测方向的图。

图41为示出了根据第四实施例的光学传感器中的光源模块的发射方向和检测模块的检测方向的图。

图42为控制单元的框图。

图43为计算单元的框图。

具体实施方式

<第一实施例>

以下，将参照图1至图36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。

光学测试设备100例如用于扩散光学层析成像(DOT)。DOT是这样的技术，其中将光发射至诸如活体的受测对象(散射体)上，并且检测已经通过受测对象传播的光，从而估计受测对象中的光学特性。特别地，通过检测大脑中的血流量，其期望用于协助抑郁症的鉴别诊断，并且用作康复的辅助装备。在DOT中，当提高分辨率时，其变得可以详细地识别大脑功能。由于此原因，许多研究机构已经积极地进行提高分辨率的研究。

如图1中所示，光学测试装置100包含光学传感器10、控制单元、显示单元、计算单元等等。光学传感器10包含光源模块LM以及检测模块DM。光源模块LM包含多个光发射单元。控制单元具有如图42的框图所示出的配置。在控制单元中，切换单元由来自中央处理单元A-1的信息来控制，并且选择应该发射光的光源模块LM。此时，经由切换单元供应至光源模块LM的电流由电流控制单元控制为期望值。检测模块DM中的检测结果(数据)进行A/D转换，并且由操作单元(A-2)执行诸如平均处理的操作。操作单元(A-2)处的操作结果随后被记录于记录单元(A-3)中。

在本说明书中，术语“探针”可以用于光源模块LM和检测模块DM不能彼此区分的情况中。此外，在本说明书中，术语“伪活体(pseudo living body)”、“活体”、以及“受测对象”被恰当地使用，但是其应该注意到，“伪活体”和“活体”为“受测对象”的示例。

光学传感器10能够广泛地用作用于检测受测对象中的吸光体的传感器，但是具有最高实用价值的受测对象为活体。然而，通过使用光学传感器常常不能容易地检测活体中的血流量的位置(吸光体)。因此，当活体被用作受测对象时，难以检查光学传感器的效果(检测精度)。

因此，在本实施例中，伪活体(也称为“体模”)，其为包含在水箱中的浑浊(白色浑浊)液体，被使用作为受测对象，其能够确保通用性，并且容易检查检测精度。

以下，将根据本实施例详细描述示例1。

<示例1>

在示例1中，采用如下方法，其中由棱镜偏转来自光发射单元的光束，并且入射到受测对象上的光束的角度彼此不同。

这里，如图2中所示，由透明丙烯酸板制成的透明窗被布置在水箱的侧壁(+z侧壁)上的八个位置，所述水箱包含由黑色丙烯酸板制成的壁。水箱的内部填充有脂肪乳剂水溶液(10％浓度的脂肪乳剂用10倍的水稀释)。换句话说，用于示例1的伪活体为脂肪乳剂水溶液。

黑色墨水被滴入至脂肪乳剂水溶液中，其中水箱被其填充，黑色墨水大约为20ppm，并且吸收系数和散射系数基本上与活体的这些系数相同。此外，模拟血流量的具有黑颜色的吸光体被浸入浑浊脂肪乳剂水溶液中。此处，假设吸光体为诸如黑色聚缩醛的具有大约5mm直径的黑色球状对象。为了控制球状对象的位置，球状对象被固定至连接到自动化平台的具有1mm直径的薄金属棒。探针被附接至透明窗，并且探针的位置被精确地确定。

这里，水箱的体积(尺寸)为140mm x 140mm x 60mm。黑色丙烯酸板的厚度为4mm。八个透明窗包含彼此具有不同尺寸的两种类型的圆形透明窗A和B(参照图3)。有四个透明窗A和四个透明窗B。透明窗A的直径为9mm，并且透明窗B的直径为12mm。透明窗A的厚度和透明窗B的厚度两者都为1.5mm。

图3示出八个透明窗的布局。八个透明窗被布置为网格图案，从而透明窗A和B在X轴和Y轴方向中的相同距离处被布置为彼此相邻。这里，检测模块DM附接至透明窗A，且光源模块LM附接至透明窗B(B1至B4)。相邻透明窗的中心之间的距离为30mm。

如图4中所示，光源模块LM包含透镜、棱镜、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线路板(未示出)、连接至柔性线路板的引线和连接器单元(未示出)、包含上述元件的外壳、用于与受测对象接触的由透明树脂制成的窗构件等等。在光源模块LM中，电源供给单元(未示出)以光发射单元的光量能够被保持为常数的方式适当地控制电流值。光源模块LM被安装为以下状态，窗构件从+z侧与受测对象(透明窗B)接触。

如图5中所示，检测模块DM包含由黑色树脂制成的外壳、附接至外壳的头部(-z侧的端部)并由弹性体制成的接触构件、包含于外壳中并且具有3mm直径的半球状透镜(分裂透镜)、四分(four-split)PD阵列(四个光电二极管(PD)布置为阵列的形式)等等。孔径(开口)被形成在外壳的端部处并且在接触构件中。检测模块LM被安装为以下状态，接触元件从+z侧与受测对象(透明窗A)接触。应该注意到，在附图5中，仅示出四个PD(光接收单元)中的两个。

分裂透镜被布置邻近孔径的+z侧。这里，光(其从光源模块LM发射到受测对象上，且其已经通过受测对象传播)经由孔径入射至分裂透镜上，在根据分裂透镜上的入射位置和入射方向的方向上被反射和透射(参见图5)。

四分PD阵列被布置在分裂透镜的+z侧上。这里，穿过分裂透镜的光根据行进方向(从分裂透镜的发射方向)入射至四分PD阵列的四个光接收单元(PD)中的任意一个上。以这种方式，在检测模块DM中，变为可以将来自受测对象的光的入射角度分类为四个角度范围。

控制单元检测安装在透明窗A中的检测模块DM的四个PD(光接收单元)的光接收量(总共16个PD的光接收量)。以1ms的取样速率检测数据，并且使在20s期间测量的值被平均。在单次测量中，获得16个PD的数据。

接下来，将详细描述光源模块LM。使用40ch表面发射激光器阵列芯片作为光源模块LM的光源。表面发射激光器阵列芯片具有40个VCSEL(垂直腔表面发射激光器)作为光发射单元。

在来自表面发射激光器阵列芯片的光的光路上，具有3mm直径的透镜被布置为使得以光变为基本上平行的光的方式布置(参照图6)。

表面发射激光器阵列芯片的发射表面(光发射表面)和透镜的主点之间的距离被设定为与透镜的焦距f(例如，9mm)相等。换句话说，表面发射激光器阵列芯片布置为，使得发射表面被定位在透镜的焦点的位置处。应该注意到，“透镜的焦距”是透镜的焦点和主点之间的距离。

这里，VCSEL的40ch同时发射光，并且总共的输出为大约50mW。如图6所示，从VCSEL发射的平行光束被棱镜偏转。

作为棱镜，使用具有基本与丙烯酸水箱的折射系数相等的丙烯酸棱镜。根据棱镜的直径设计棱镜的反射表面，并且反射表面的角度以穿过透镜的光以大约50度的入射角度入射至塑胶水箱之上的方式被设置。

水箱和棱镜的丙烯酸与体模(即，浑浊水溶液)之间的折射系数的差异设定为，根据斯涅耳定律，体模中的传播角度为大约60度(图6中的θ1)。棱镜被安装在可旋转平台(未示出)，所述可旋转平台被布置在水箱的内壁上，并且围绕在Z轴方向上延伸的旋转轴可旋转。

通过将棱镜和可旋转平台一起旋转，可能改变棱镜上的光的入射角度以及入射光的取向。这里，如图7中所示，对四个方向(即，+X、-X、+Y和-Y取向)连续地执行测量。换句话说，执行包含光源模块LM的四个位置(从B1至B4的四个)乘以四个方向的16个测量。在棱镜和水箱之间，提供具有与棱镜和水箱的折射系数基本相等的凝胶树脂。通过具有上述凝胶树脂，能够在棱镜和水箱之间防止折射和反射。

接下来，将参照图8中所示的流程图详细描述用于测量受测对象中的信息的方法。

首先，设定探针(步骤T1)。探针意味着，如上所述，检测模块DM或者光源模块LM。这里设定的探针为四个检测模块DM和一个光源模块LM。如图3中所示，四个检测模块DM分别地附接至具有9mm直径的四个透明窗A。如图3中所示，一个光源模块LM附接至透明窗B1。

接下来，使得光源模块LM的40个通道(光发射单元)发射光(步骤T2)。电流值被确定为，使得总共发射强度为大约50mW。光发射持续时间大约为20s，在此期间读取四个检测模块DM的PD检测值(步骤T3)，并且使每1ms间隔检测的数据(检测值)的多个点被平均。此外，平均的检测值(即，检测值的平均值)被存储于记录单元中(步骤T4)。

接下来，切换发射光的波长，并且再次执行步骤T2至T4(步骤T5和T6)。这里，可以选择780nm和900nm的波长。具体地，通过提前准备具有不同振荡波长(780nm带宽和900nm带宽)的两种类型的光源模块LM并且通过切换光源模块LM，能够执行发射光的波长切换。

这里，执行对于包含+X方向、+Y方向、-X方向以及-Y方向的四个取向的测量(步骤T7和T8)。具体地，在棱镜被布置在+X方向的状态下，紧跟步骤T1执行步骤T2至T6。接下来，通过旋转棱镜，棱镜被布置在+Y方向上。当棱镜处在这个状态时，执行步骤T2至T6。接下来，通过旋转棱镜，棱镜被布置在-X方向上。当棱镜处在这个状态时，执行步骤T2至T6。接下来，通过旋转棱镜，棱镜被布置在-Y方向上。当棱镜处在这个状态时，执行步骤T2至T6。

接下来，光源模块LM的附接位置由透明窗B1到透明窗B2、B3和B4的顺序连续地改变，并且对于每个位置执行四个取向测量(步骤T9和T10)。在那之后，移动吸光体的位置，并且对于光源模块LM的四个附接位置中的每一个执行四个取向测量(步骤T11和T12)。

在存储的数据中，当存在吸光体时的数据以及当不存在吸光体时的数据给出为r(s,i,n)(i＝1,2,3,...,M,n＝1,2,3,...,K),r(0,i,n)(i＝1,2,3,...,M,n＝1,2,3,...,K)。这里，i表示分配给每个检测模块DM的数量，并且n表示分配给每个组的数量。接下来，计算各自的差异Δr(i,n)。

在下文中，将描述根据由基于图8的流程图的上述测量方法获得的测量结果来计算吸光体(伪活体的光学特性)的位置的方法。这里，使用逆向问题估计算法。为了解决逆向问题，首先，执行测量和模拟，并且通过解决正向问题生成灵敏度分布。此外，读取从下一个测量中获得的数据，并且使用数据的值，执行逆向问题评估(参照图9中的步骤S21至S25)。图43示出计算单元的框图。应该被用于蒙特卡罗(Monte Carlo)模拟、指示模块(探针)的位置、活体的折射系数和形状等等信息，被记录于记录单元(B-1)中。基于所述信息，执行解决正向问题。在计算中，使用能够并行计算的多图形处理单元(GPU)。通过使用GPU，计算速度比常规的计算速度快得多。通过计算获得的灵敏度分布再次被存储于记录单元(B-1)中。存储于记录单元(A-3)中的计算结果和测量结果被输入至中央处理单元(B-3)，并且中央处理单元(B-3)执行逆向问题估计。经由中央处理单元(A-1)估计结果被显示在显示单元上(参照图42)。

另一方面，通常，当计算正向问题时，一直认为在诸如活体的散射体中，光基本以各向同性的方式被散射。结果，已经使用这样的模拟，其中已经利用具有小计算量的扩散方程。然而，即使根据最近学术会议等等，据报道，在毫米量级的微观领域中，活体中的光传播是各向异性的。为了执行反映各向异性的模拟，需要使用传递方程(transfer equation)或执行蒙特卡罗模拟。

因为，在本实施例中，来自光源的发射光被偏转，并且入射至受测对象上，不可能使通常使用的扩散方程反映入射角的信息。因此，提出使用传递方程。但是众所周知的是，传递方程计算需要大量的时间。

因此，在本实施例中应用蒙特卡罗模拟。蒙特卡罗模拟是这样的方法，其中通过使用随机变量随机地表示散射在散射介质中的光子，并且其宏观行为由此可被观察到。具体地，行为被建模为，使得每次光子在介质中移动预定距离，光子彼此碰撞，并且其取向(方向)由此而改变。这里，预定距离的平均值为由散射系数限定的平均自由路径，并且由各向异性“g”限定方向的改变。记录碰撞如何重复以及光子在限定的区域中如何传播。通过计算如上所述的被建模的大量的光子，可以模拟散射介质中的光行为。通过使用蒙特卡罗模拟，单个光子所沿之散射的路径的类型被记录。

根据本实施例的蒙特卡罗算法，假设光子的数量为10⁹并且体素为1mm立方体，并执行对于120mm x120mm x60mm的三维区域的计算。这里，散射介质的散射系数、吸收系数、各向异性、以及折射系数被分别设定为7.8mm^-1、0.019mm^-1、0.89和1.37，其基本与人类头皮的这些系数相同。上述体模(即，脂肪乳剂水溶液)被制备为具有上述数值。在全部光源模型LM、传播角度、检测模型DM的位置以及等体模中的诸如此类的相同条件下执行模拟，并且计算灵敏度分布。

此时，穿过体素位置“r”的光子数量被定义为

特别地，当光源模块LM的位置被定义为“rs”时，穿过体素位置“r”的光子数量被定义为

接下来，光源模块LM被布置在检测模块DM被初始地布置的位置，并且再次计算光子的数量。在检测模块DM布置在“rd”处的情况下，穿过体素位置“r”的光子数量被定义为

因为光路是可逆的，因此其乘积正比于已经从光源模块LM发射的、已经穿过体素r的以及已经进入检测模块DM的光子的数量。由进入检测模块DM的全部数量的光子

的数量标准化的其乘积是下述灵敏度分布A(r)。

[公式1]

灵敏度分布A(r)表示位置r处的检测量上的影响程度。即，灵敏度分布A(r)表示在体素位置r处多少的检测量由吸光体的出现而改变。

图10示出如上所计算的灵敏度分布的示例。这里，光源模块LM和检测模块DM被分别布置在(X,Y,Z)＝(45,60,0)和(X,Y,Z)＝(75,60,0)处。体素为1mm立方体。因此，体素与值的单位(mm)相同。位置处的体素的灵敏度由以10为底的对数表示(即，常用对数)。

接下来，图11为绘制了在体素(x,y,z)中Y＝60，Z＝10处的线上位置x(水平轴)处的灵敏度(垂直轴)的结果的曲线图。此时，图12指示了，在Y轴被当作法线的平面上，相对于X轴的传播角度为+60度和-60度的情况下的结果。

如图11中所示，在+60度和-60度的角度之间存在灵敏度分布的差异。这个差异能够被使用作为是否可能提高分辨率的系数。换句话说，产生于灵敏度分布中的差异指示来自两个光源的光传播路径不相同。如果来自两个光源的光传播路径相同，即使当传播角度被改变时，也应该获得基本相同的灵敏度分布。由于来自两个光源的不同光传播路径，实际上来自两个光源中的一个的光收集的信息不同于来自两个光源中的另外一个的光收集的信息。

上述事实为下面描述的逆向问题估计创造了很大的价值。如上所述，光并不以简单的各向同性的方式散射，而是是指示在若干mm量级中的轻微各向异性。由于这样的若干mm量级中的差异，实现具有若干mm量级中的分辨率的逆向问题估计变为可能。在提供用于体模的光源模块LM和检测模块DM之间的全部组合的全部传播角度/检测角度条件下执行灵敏度分布。

接下来，通过使用灵敏度分布，执行逆向问题估计。

当假设由吸光体的存在而导致的吸光系数δμ_a(r)的变化为足够小时，基于雷托夫近似(Retov approximation)获得以下公式。

[公式2]

这里，符号v表示介质中的光速，S表示每单位时间从光源模块LM发射的光量，rs表示光源模块LM的位置，rd表示检测模块DM的位置，

表示发射自光源模块LM并传送到检测模块DM的光量，并且

表示不存在吸光体的状态下的光强度。这个公式教导了，当在不存在吸光体的状态下给出光强时，可通过线性关系将由吸光体的存在而导致的吸光系数δμ_a(r)的变化与观察值

相关联。

当简单地描述上述教导时，能够使用如下公式。

Y＝A(r)X

这里，Y表示由于吸光体的存在和不存在的观察值的变化，以及X表示在体素位置r处的吸收系数的改变。A(r)表示灵敏度分布。上述公式教导了，当由X表示的吸光体的位置和量被改变时，观察值如何改变。

在逆向问题估计中，执行逆向过程。换句话说，通过使用观察值Y来估计吸光体的位置X。在如上所述的位置测量方法中，通过假设由于吸光体的存在和不存在的变化被表示为Δr(i,n)来执行测量。该Δr(i,n)对应于观察值Y，并且基于观察值Y计算位置X。

通常地，使用被称作L2-范数(norm)归一化的逆向问题的估计方法。在这个方法中，计算使以下成本函数C最小化的X。

[公式3]

C＝|Y-AX|²+λ|X|²

这里，Y表示观察值，A表示灵敏度分布，并且λ表示归一化系数。在逆向问题估计中，通常地使用这些方法，但是在本实施例中，可以通过使用其中在深度方向上的贝叶斯估计(Bayesian estimation)执行逆向问题估计。在如下非专利文件中详细地描述了使用贝叶斯估计的逆向问题估计：T.Shimokawa、T.Kosaka、O.Yamashihta、N.Hiroe、T.Amitta、Y.Inoue和M.Sato，“Hierarchical Bayesian estimation improves depth accuracy andspatial resolution of diffuse optical tomography”(“阶层式贝叶斯估计提高路径精确度以及扩散光学成像的空间分辨率”)Opt.Express*20*，20427-20446(2012)。

结果，可以获得如图13B所示的估计结果。图13A示出吸光体的位置。图13B中的网格为3mm，并且可以理解，估计结果对应于3mm精度的实际位置。

作为对照示例，图13C示出当四个方向中仅有一个方向用于检测时的结果。这个对照示例中的配置基本与常规NIRS(DOT)装置中的相同。在此对照示例中，深度方向上的检测是不可能的，并且检测结果被极端地扩大。在示例1中，由于贝叶斯估计，检测吸光体的位置和深度变为可能。

进一步地，图14B示出在吸光体的位置被改变之后(参照图14A)的估计的结果(估计结果)。同时，在这种情况下，可以理解，吸光体的实际位置能够被精确地估计，通过使用示例1的方法，可以以高分辨率检测吸光体的位置。另一方面，在对照示例中，如图14C所示，吸光体的检测结果被极大地扩大，并且不可能精确地检测吸光体的位置。

在下文中，将描述根据本实施例的示例2。应该注意到，在示例1的描述中，相应地描述同样涉及示例1的事项。

<<示例2>>

黑色墨水被滴入至脂肪乳剂水溶液中(10％浓度的脂肪乳剂用10倍的水稀释)，其中水箱被其填充，使得黑色墨水大约为200ppm，并且吸收系数和散射系数基本与活体的这些系数相同。模拟血流量的具有黑颜色的吸光体被浸入浑浊脂肪乳剂水溶液。此处，假设吸光体为诸如黑色聚缩醛的具有大约5mm直径的黑色球状对象。为了控制球状对象的位置，球状对象被固定至连接到自动化平台的具有1mm直径的薄金属棒。将会在下文中描述的探针被布置在(附接至)水箱的一侧上。处于水箱的侧面上的探针的位置被精确地确定。这里，丙烯酸水箱具有长方体外形。丙烯酸水箱的体积(尺寸)为140mm x140mm x60mm，并且丙烯酸水箱的壁的厚度为1mm。

光学传感器10包含具有多个(例如，八个)光源模块LM的发射系统和具有多个(例如，八个)检测模块DM的检测系统。光源模块LM和检测模块DM分别经由电线被连接到控制单元。

控制单元控制光源模块LM中的光源的发射光定时和检测模块DM中的检测定时，并且将获得的检测结果传送至记录介质。进一步地，控制单元读取记录于记录单元中的数据，使用数据中的值执行计算，并且在显示单元上显示计算结果。

如图15中所示，八个光源模块LM和八个检测模块DM被布置为例如矩阵形式(二维网格形式)，其中光源模块LM和检测模块DM在X方向和Y方向上以恒定节距(pitch)“a”彼此相邻布置，X方向和Y方向相对于伪活体(未示出)彼此正交。在图15中，通过使用方形标记指示光源模块LM，并且通过使用圆形标识指示检测模块DM。

如图16中所示，光源模块LM(类型I)包含诸如透镜、棱镜、或诸如此类的光学元件、在其上安装有多个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以及模拟电子电路的柔性电路板(未示出)、连接至柔性电路板的引线和连接器单元(未示出)、包含上述元件的外壳、用于与受测对象接触的由透明树脂制成的窗构件、等等。

来自表面发射激光器阵列芯片的光束由各自的透镜折射，并且通过棱镜偏转至期望的角度(反射至期望的方向)，作为反射元件，棱镜在窗构件内部形成，并且光束被发射至外壳的外部。

如图17中所示，表面发射激光器阵列芯片具有大约1mm边长的正方形形状，并且包含被二维布置的多个(例如，20个)表面发射激光器。

更具体地，每个表面发射激光器阵列芯片具有五个组(通道组)，每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各自的角落处，并且剩余一组的中心被布置在正方形的中心处。

每组中的四个通道如上所述地安装在陶瓷封装上，并且经由键合引线(引线线路)连接到相同的电极焊盘(pad)(电极焊盘1至4中的一个)。

陶瓷封装通过焊接被安装在柔性电路板的布线图案上。在柔性电路板上，用于切换的半导体电路和用于稳定电流的半导体电路被布置。用于切换的半导体电路控制发射光的通道的表面发射激光器阵列芯片。根据外部串行信号，用于切换的半导体电路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供给线的一端被连接至柔性电路板，并且用于串行信号的信号线的另一端和电源供给线的另一端被连接至控制单元。

每个通道的发射的光量通过校准被周期性地设定为常数。在经常使用的方法中，使用短脉冲顺序地使五组发射光。在这样的脉冲光发射中，可以防止由于发热引起的温度增加，并且因此适合于稳定发射的光量。检测值(当每次基于短脉冲发射光时由检测模块获得)被累积和平均，并且因此，噪声的影响能够被减少。

每个表面发射激光器阵列芯片的表面发射激光器(VCSEL)的振荡波长为例如780nm或者900nm。通过使用具有彼此不同的振荡波长的多个表面发射激光器，可以获得具有不同波长的多个发射的光束。进一步，通过将具有不同波长的光束发射至与受测对象(例如，活体)的位置基本相同的位置上，可以识别例如血红蛋白的状态(缺氧状态或有氧状态)。选择这些波长，是由于其吸收系数根据血液中的氧气浓度显著地改变。

在图18A中所示的根据示例2的光源模块LM(类型II)中，具有900nm的振荡波长的表面发射激光器阵列芯片1和具有780nm的振荡波长的表面发射激光器阵列芯片2被布置，透镜1(单独的光学元件)被布置为邻近表面发射激光器阵列芯片1的发射端，透镜2(单独的光学元件)被布置为邻近表面发射激光器阵列芯片2的发射端，并且棱镜(公共光学元件)被布置在经过透镜1和透镜2光束的光路上。表面发射激光器阵列芯片1和2(其光发射方向为Z轴方向)被为布置在X-Y平面上的Y方向上彼此平行。除了振荡波长彼此不同，表面发射激光器阵列芯片1和2具有基本相同的配置(包含光发射单元的数量和布置)。透镜1和2为基本相同的透镜。

在下文中，表面发射激光器阵列芯片1和2也被称作“ch1”和“ch2”，并且在它们不区分彼此的情况下也被称作“ch”。

在光源模块LM(类型II)中，在两个通道之间，光发射单元与对应的透镜的光轴之间的位置关系是相同的。具体地，每个通道的中心(阵列中心)在对应的透镜的光轴上。

这里，请注意在Y方向上以规则的间隔排列的每个通道的三个光发射单元。在Y方向上以规则的间隔“M”排列的通道1的三个光发射单元从+Y侧至-Y侧的顺序被称作光发射单元“1a”、光发射单元“1b”、以及光发射单元“1c”，并且在Y方向上以规则的间隔M排列的通道2的三个光发射单元从+Y侧至-Y侧的顺序被称作光发射单元“2a”、光发射单元“2b”、以及光发射单元“2c”。假设光发射单元1b和光发射单元2b分别被布置在对应的透镜1和2的光轴上。

如图18A中所示，棱镜关于中心轴具有对称的形状(轴对称形状)，并且包含正交于中心轴的入射表面“IS”、相对于中心轴的倾斜的“R1”和“R2”的全反射表面、以及正交于中心轴的发射(输出)表面“OS”。

入射表面“IS”被定位在来自通道1的三个光发射单元1a、1b和1c的光束的光路上，以及来自通道2的三个光发射单元2a、2b和2c的光束的光路上。

全反射表面R1被定位在从发射单元1a发射并穿过透镜1和入射表面IS的光束(光束1)的光路上，以及从光发射单元2a发射并穿过透镜2和入射表面IS的光束(光束2)的光路上。在全反射表面R1上的光束1和2的入射角度等于或大于临界角。

全反射表面R2被定位在从发射单元1c发射并穿过透镜1和入射表面IS的光束(光束3)的光路上，以及从光发射单元2c发射并穿过透镜2和入射表面IS的光束(光束4)的光路上。在全反射表面R2上的光束3和4的入射角度等于或大于临界角。

发射表面OS被定位在由全反射表面R1反射的光束(光束1和2)的光路上、由全反射表面R2反射的光束(光束3和4)的光路上、从通道1的光发射单元1b发射并且穿过(直)透镜1和入射表面IS的光束(光束5)的光路上以及从通道2的光发射单元2b发射并且(直)穿过透镜2和入射表面IS的光束(光束6)的光路上，并且光束1至6从OS被发射(穿过OS)。这里，发射表面OS是被用于与受测对象的表面接触的接触表面。因此，优选地在发射表面OS和受测对象的表面之间插入透明凝胶。

在此情况下，具有不同波长的光束(其从两个光发射单元1a和1b基本平行地发射，并且分别入射至透镜1和2上)分别由透镜1和2折射，基本平行地入射至入射表面IS上，由入射表面IS折射，并且入射至全反射表面R1上。由全反射表面R1反射的具有不同波长的两个光束基本平行地入射至受测对象的基本相同的位置上。在这种情况下，在受测对象上的具有不同波长的两个光束的入射位置稍微地(大约为光发射单元1a和光发射单元2a之间的间隔)不同。

类似地，具有不同波长的光束(其从两个光发射单元1c和2c基本平行地发射，并且分别入射至透镜1和2上)分别由透镜1和2折射，基本平行地入射至入射表面IS上，由入射表面IS折射，并且入射至全反射表面R2上。由全反射表面R2反射的具有不同波长的两个光束基本平行地入射至受测对象的基本相同的位置上。在这种情况下，在受测对象上的具有不同波长的两个光束的入射位置稍微地(大约为光发射单元1c和光发射单元2c之间的间隔)不同。

为了进一步提高检测精度，期望使得在受测对象上的具有不同波长的两个光束的入射位置相同(越近越好)。作为用于上述目的方法，提供以下思路，其中使得由棱镜的全发射表面反射的具有不同波长的两个光束的光路基本相同。

这里，提供以下思路，其中两个反射表面被分别地布置在来自两个通道具有不同波长的两个光束的光路上(参考图16)，然而使得具有不同波长的两个光束的光路基本相同仍然是困难的。

特别地，当可以使得来自两个通道的具有不同波长的两个光束的发射方向相同时，不可能使得两个通道的发射点(光发射单元的位置)相同。

在下文中，将描述图19中所示的根据示例2的光源模块LM(类型III)。光源模块LM(类型III)不同于图18中所示的光源模块LM(类型III)，在于光发射单元与对应的透镜的光轴之间的位置关系是不同的，并且与光源模型LM(类型II)的其它配置相同。

在光源模型LM(类型III)中，假设两个通道之间的中心至中心间隔(阵列中心之间的间隔)为大约1.4mm。两个通道之间的这个位置关系为以下的结果，当执行引线接合时，考虑到垫料(padding)部分，将两个通道尽可能靠近地布置。

进一步的，每个通道的形状为具有边长为1mm的正方形，并且两个通道安装地非常近，两个通道之间的空间为若干100μm。这里，由裸芯接合机装置的夹头的良好使用来实现这种相邻的安装。

进一步，通过使用相同的掩模的半导体工艺来产生两个通道的光发射单元(表面发射激光器)，并且光发射单元的位置能够以0.5μm或更小的精确度被控制。

在相同的精度下，光源模块(类型III)与光源模块(类型II)具有表面发射激光器阵列芯片1(900nm)和表面发射激光器阵列芯片2(780nm)的相同的布局。

从两个通道(其中心大约分隔开1.4mm)发射的具有不同波长的两个光束，穿过对应的透镜，由棱镜的相同全反射表面反射，并且入射至受测对象(例如，活体)上。

此时，在光源模块LM(类型II)的配置下，由于来自通道1和通道2的相应光束是在保持基本上恒定的间隔(约1.4mm)并保持为彼此平行的状态的同时被入射到受测对象(例如，活体)上，其入射位置也是分开约1.4mm。当入射位置之间的空间为如上所述很大时，通过使用逆向问题估计来检测脑血流量的fNIRS中的分辨率降低。

此处，通过研究在不增加安装成本的情况下使得具有不同波长的两个光束的光路基本相同且使得入射位置相同的方法，本发明者构想出以下想法，相对于对应的透镜的光轴以若干μm至若干100μm(优选若干10μm)来偏移通道的中心，并且已经将想法应用至光源模块LM(类型III)。

在下文中，将参考图20详细描述实施该想法的细节。这里，从对应的透镜的光轴以大约20μm来偏移通道的中心。偏移量并不限制于20μm，而是可以适当地改变。

这里，在不改变两个通道之间的中心至中心间隔的情况下，相对于对应的通道偏移透镜。透镜相对于相应的通道的偏移方向可以相对于作为公共光学元件的棱镜的中心轴线轴向地对称(旋转对称)(参考图21)。

换句话说，只要两个通道1和2以及两个透镜1和2关于棱镜(公共光学元件)的中心轴线轴向对称地布置，布置就并不限制于如图21所示的一个。

这里，作为示例，两个通道被布置为，使得其中心相对于棱镜的中心轴线对称(点对称)，同时中心轴线通过两个通道夹在Y方向上。每个通道包含五个光发射单元(VCSEL)，并且五个光发射单元被布置在正方形的中心(阵列中心)处，其中一个的对角线平行于Y方向，并且分别处在正方形的四个顶点处。

作为示例，两个通道之间的中心至中心间隔为1.4mm，透镜的有效直径为0.8mm，并且透镜的焦距为f＝600μm。如图21中所示，这里，其中相对于两个通道1和2偏移透镜1和2的方向为透镜1和2彼此更加靠近的方向。这里，透镜1在-Y方向上从透镜1的光轴在通道1的中心的所处的位置偏移大约20μm，并且透镜2在+Y方向上从透镜2的光轴在通道2的中心所处的位置偏移大约20μm。结果，通道1的中心从透镜1的光轴偏移大约20μm，并且通道2的中心从透镜2的光轴偏移大约20μm。

在这种情况下，光束(光束1’)的从透镜1至全发射表面R1的光路(所述光束(光束1’)从通道1的光发射单元1a发射，并且经过透镜1和入射表面IS入射至全反射表面R1上)并不平行于光束(光束2’)的从透镜2至全反射表面R1的光路(所述光束(光束2’)从通道2的光发射单元2a发射，并且经过透镜2和入射表面IS入射至全反射表面R1上)。因此，当它们变得接近全反射表面R1时，两个光路变得彼此接近(参考图19)。应该注意到，在关于透镜的入射角相同的情况下，入射位置与透镜的光轴分隔的越远，光的折射角变得越大。

同样，光束(光束3’)的从透镜1至全发射表面R2的光路(所述光束(光束3’)从通道1的光发射单元1c发射，并且经过透镜1和入射表面IS入射至全反射表面R2上)并不平行于光束(光束4’)的从透镜2至全反射表面R2的光路(所述光束(光束4’)从通道2的光发射单元2c发射，并且经过透镜2和入射表面IS入射至全反射表面R2上)。因此，当它们变得接近全反射表面R2时，两个光路变得彼此接近(参考图19)。

同样，对于光束(光束5’)的从透镜1至发射表面OS的光路(所述光束(光束5’)从通道1的光发射单元1b发射，并且经过透镜1和入射表面IS入射至全反射表面R2上)和光束(光束6’)的从透镜2至发射表面OS的光路(所述光束(光束6’)从通道2的光发射单元2b发射，并且经过透镜2和入射表面IS入射至发射表面OS上)，当两个光束变得靠近发射表面OS时，光束5’和光束6’变得彼此接近(参考图19)。

进一步，由全反射表面R1反射的具有不同波长并且彼此之间不平行的两个光束(光束1’和2’)的光路在与受测对象接触的发射表面OS附近相交。进一步，由全反射表面R2反射的具有不同波长并且彼此之间不平行的两个光束(光束3’和4’)的光路在与受测对象接触的发射表面OS附近相交(参考图19)。

结果，如图19中所示，由全反射表面R1反射的具有不同波长的两个光束(光束1’和2’)的光路变为基本相同，并且在受测对象上的两个光束的入射位置变为相同。进一步，由全反射表面R2反射的具有不同波长的两个光束(光束3’和4’)的光路变为基本相同，并且在受测对象上的两个光束的入射位置变为相同。进一步，具有不同波长的两个光束(光束5’和6’)在受测对象上的入射位置(其由入射表面IS指向发射表面OS，而不需要涉及全反射表面)变为基本相同。

进一步，包含光束1’和2’的光通量、包含光束3’和4’的光通量、以及包含光束5’和6’的光通量彼此之间不平行，并且在基本相同的位置处入射至受测对象上。

应该注意到，如同上述光通量，来自除了如图21所示的通道1的光发射单元1a、1b和1c的光发射单元的光束，以及来自除了通道2的光发射单元2a、2b和2c的光反射单元的光束穿过入射表面IS，并且从发射表面OS发射，并且入射到受测对象的基本相同的位置上。

在上述光源模块LM(类型III)中，通过使用其中相对于通道位移(偏移)透镜的简单方法，可以使得具有不同波长的光束的光路基本相同，并且使得两个光束的入射位置相同。通过使得具有不同波长的两个光束的入射位置相同，可以使得执行逆向问题估计来测量大脑血流量位置的NIRS装置具有更高的精度。

另一方面，为了获得与光源模块LM(类型III)类似的效果，如果使用诸如半反射镜(half mirror)的构件来替代透镜位移，则由于增加的光学部分需要具有高度的额外的位置确定，安装成本将会增加。

应当注意，在光源模块LM(类型III)中，从与对应的通道1和2的中心成直线的位置偏移(位移)透镜1和2的光轴，但是布置并不限制于此。

例如，透镜1和2中的一个的光轴可以从与相应的通道的中心成直线的位置偏移，且透镜1和2中的另一个的光轴可以定位在与相应的通道的中心成直线的位置。

同样，作为相对于对应的通道位移透镜的替代或附加，通道可相对于对应的透镜被位移。

同样，相对于对应的通道1和2位移透镜的方向可以被适当的改变。例如，透镜1和2可以在相同方向上或相反方向上(其中透镜变得彼此靠近的方向，或透镜变得彼此分隔的方向)位移。

同样，透镜1和透镜2相对于对应的通道1和2的位移量(偏移量)可以相同或可以不同。

综上所述，底线为，仅需要，为了使得具有不同波长的光束的光路相同，使得光发射单元与对应的透镜的光轴之间的位置关系在通道之间不同。

详细地，期望使得光发射单元与对应的透镜的光轴之间的位置关系在通道之间不同，以使得从通道1和2发射经过透镜1和2的具有不同波长的光束的光路变得靠近彼此，并且两个光束的光路在光源模块LM(类型III)的与受测对象接触的接触表面的附近相交(即，在光源模块LM(类型III)的发射端附近)。

在下文中，将描述表面发射激光器阵列芯片被使用作为光源传感器10的光源的原因。在表面发射激光器阵列芯片中，多个通道能够布置在彼此接近的位置成为二维形式，并且每个通道能够被独立地控制。进一步，通过在通道附近布置微小透镜，发射的光束的行进方向能够被改变。

进一步，在用于DOT的光学传感器中，需要尽量精确地控制在受测对象上的入射角度。LED(发光二极管)具有宽发射角度。结果，为了以高精度提供平行光，需要使得透镜具有非球面。进一步，由于LD(激光二极管，边缘发射激光器)的发射角度为非对称的，为了使用透镜以高精度提供平行光，需要将在垂直方向上和水平方向上具有不同曲率的透镜与圆柱透镜组合。结果，配置变得复杂并且需要高精度安装技术。

另一方面，表面发射激光器具有基本精确的圆形的远场图案，并且能够通过布置一个球面透镜获得平行光。进一步，在使用从LD发射的相干光的情况下，散斑图案(其中散射光束彼此干涉)发生于受测对象(散射体)中。散斑图作为噪声消极地影响测量。

在大脑中的血流量被在DOT中观测的情况下，散射数量非常巨大。结果，受限于消极影响。然而，存在返回光的影响，其中由皮肤表面反射的光直接返回到光源。返回光使得LD中的振荡状态不稳定，并且不能够执行稳定操作。在光盘(optical disk)的情况下，为了稳定地使用相干光，使用波片防止规则的反射光变为返回光。然而，移除与散射体相关的返回光是困难的。

在表面发射激光器阵列芯片的情况下，可以同时地发射多个光束至精细区域(fine area)上，并且同样可以减少由返回光导致的干涉(参考，例如，日本特开专利公开No.2012-127937)。

在本实施例中(示例1和2)，凸透镜(在此之后，简称作“透镜”)被布置在来自表面发射激光器阵列芯片的光的光路上(参考图22)。

凸透镜的直径为1mm，凸透镜的有效直径“ε”为600μm。透镜的焦距“f”为600μm。表面发射激光器阵列芯片为1mm x1mm，并且在表面发射激光器阵列芯片中分开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，最小化透镜的直径变为可能。

这里，透镜和表面发射激光器阵列芯片的位置的位置确定为，使得凸透镜的主点(光学中心)与表面发射激光器阵列芯片的光发射面(发射面)之间的距离“L”在凸透镜的光轴方向上的距离例如为300μm。换句话说，f≠L。

在此情况下，从表面发射激光器阵列芯片发射的并且已经穿过凸透镜的光由棱镜等规则地反射，可以避免光通过凸透镜被聚集在表面发射激光器阵列芯片上的现象的发生(返回光现象)。如上所述，由于返回光现象没有发生，可以在表面发射激光器阵列芯片中稳定由每个通道发射的光量。

然而，在不考虑返回光的影响的情况下(在NIRS中不需要更高的分辨率)，可以设定f＝L。

进一步，如图23中所示，透明树脂填充在凸透镜和表面发射激光器阵列芯片之间，并且因此，没有空气层形成在其之间。作为透明树脂，使用具有与凸透镜相似的折射系数的树脂(例如，热固性环氧树脂)。换句话说，折射系数在凸透镜和表面发射激光器阵列芯片之间的边界表面处不改变。透明树脂可以在固定凸透镜之前由金属模制形成，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和表面发射激光器阵列芯片之间，可以防止从表面发射激光器阵列芯片的发射的光在表面发射激光器阵列芯片的侧面上被凸透镜的表面反射。换句话说，可以防止返回光的发生。由于返回光现象没有发生，可以在表面发射激光器阵列芯片中稳定由每个通道发出的光量。当稳定来自每个通道的光量时，可以增加测量系统的信号/噪音(S/N)比率，并且因此，能够实现高精度NIRS测量以及更高的分辨率。

如图24中所示，凸透镜经由子安装件(sub mount)被固定于封装，在封装上安装有表面发射激光器阵列芯片。表面发射激光器阵列芯片上的电极(芯片电极)经由电线被电连接至封装上的PKG电极。电线的高度为几十μm，因此，电线被设计为使得不被子安装件干涉。凸透镜的固定的位置“L”(表面发射激光器阵列芯片的光发射表面与透镜的主点之间的距离)由电线的高度限制。换句话说，在使用电线的情况下，需要避开子安装件，并且设定电线的高度等于或小于100μm。即，优选地满足关系-100μm<f-L<0。应当注意，图23中的透明树脂在图24中被省略。

从表面发射激光器的发射表面的发射光具有基本圆形的形状，并且发散角为5度乘以半值宽度。通常，由于LD的光束具有椭圆形形状，需要考虑旋转方向上的设定误差，但不需要考虑表面发射激光器中的设定误差，这是表面发射激光器的优点。进一步，由于圆形形状，当使用光学模拟解决逆向问题时，基于对称性使用近似变得更加容易，这是由另外一个优点。

从表面发射激光器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)之间的相对位置确定折射角度。因此，通过适当地设定表面发射激光器阵列芯片的通道组的位置以及透镜的位置，可以获得期望的折射角度。

在示例2中，以折射角度变为大约20度的方式确定通道与透镜的光轴之间的相对位置。在表面发射激光器阵列芯片中，可以独立地控制通道的发射。因此，通过选择用于发射的通道，可以改变从光源模块LM发射的光的方向。

图25示出由光学模拟器光学地设计的光束图的示例。这里，布置三个通道(光源)，其模拟表面发射激光器阵列芯片，以及邻近通道的透镜，透镜的直径为1mm并且焦距f＝600μm。三个通道中的一个被布置在透镜的光轴上，另外两个通道中的一个被布置在透镜的光轴的一端上，并且另外两个通道中的另外一个被布置在透镜的光轴的另一端上。来自除了在光轴上的通道之外的通道的光被折射，并且传播方向(路径)被弯曲。换句话说，两个光束，其从除了在光轴上的通道之外的通道发射，在彼此反向的方向上被发射，并且在相对于透镜的光轴大约20度的角度的方向上被发射。

这里，以光在受测对象上的入射角为大约55度的方式设计光源模块LM。具体地，如图16中所示，光源模块LM被设计为使得，从凸透镜在相对于凸透镜的光轴倾斜大约20度的方向上发射的光被单独地反射，且相对于透镜的光轴的光束的角度由大约20度转换为大约55度，且以大约55度倾斜的偏转光束能够入射至受测对象的表面上。

应当注意，棱镜可以是任意的，只要其可反射光，并且在其上形成金属膜的玻璃衬底可以被用作棱镜。进一步，例如，可以采用利用由不同折射率之间的差异导致的全反射现象的棱镜。作为棱镜的示例，图26示出光学模拟的结果。从VCSEL发射的光束被凸透镜折射，并且入射至棱镜上。

这里，假设棱镜的材料为BK7，但是可以使用通用的光学材料。入射至棱镜上的光束被棱镜侧面表面(反射表面)全反射，并且反射光束以大约55度的入射角度入射至受测对象上。换句话说，已经穿过凸透镜的光束被棱镜偏转，使得光束在受测对象上的入射角变为大约55度。在此情况下，为了防止光在棱镜和受测对象之间的边界表面中被散射，透明凝胶被插入到棱镜和受测对象之间。这里，来自表面发射激光器阵列芯片的光束还由凸透镜折射成为非平行光束，并且非平行光束由棱镜反射以入射至受测对象上。结果，非平行但是基本平行的光束入射至受测对象的相同位置上(参考图26)。

通过基于棱镜和受测对象的之间的折射率的差异的斯涅耳定律，受测对象中的光束的传播角度由大约55度改变为大约60度。

在包含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，可以设定受测对象中的光束的传播角度。这里，通过将通道(VCSEL)的中心偏离透镜的光轴大约200μm，可以在受测对象中将从通道发射的光束的传播角度设定为大约60度。在这种情况下，从不同的位置发射的光束再作为非平行但是基本平行的光从凸透镜的发射表面的不同位置发射。

作为对照示例，图27示出当焦距f＝600μm并且固定位置L＝1.6mm时的光学模拟结果。当f和L之间的差异等于或大于1mm时，光束广泛地如图27中所示地发散。当光束如此发散时，需要扩大受测对象的入射表面。然而，作为实际NIRS中的入射表面的实际尺寸，大约2mm的直径成为限制。此限制涉及相邻的人头发根部之间的距离为大约2mm的事实，并且如果入射表面的尺寸等于或大于2mm，则由于头发被成为光学障碍而不能够实现高分辨率NIRS。换句话说，期望f和L之间的差异小于1mm。

图16中的透镜1和2被直接地固定于其上安装有表面发射激光器阵列芯片的陶瓷封装，使得透镜1和2被精确地和稳固地布置在设计的位置处。

在图25中，描述了透镜的凸表面面向表面发射激光器侧面的情况，但是透镜的凸表面可面向相反于表面发射激光器侧面的侧面。如图25中所示，通过布置凸透镜，使得凸透镜的凸表面面向表面发射激光器侧面并且凸透镜的平面表面面向受测对象，表面发射激光器阵列芯片和凸透镜之间的距离能够更长。在安装芯片的过程中，为了避免在部件和用于拾取部件的臂之间的干涉，在某种程度上距离优选地更长。

关于透镜，可以使用任何光学部件只要其折射光，并且，使用光纤等的折射率分布的梯度系数(GRIN)透镜可被使用。通过使用GRIN透镜，对比于使用球面透镜，可以在较低的成本的情况下，选择具有大致上较小的球面像差和较小的f值的透镜。

在示例2中，为了允许光入射至透镜的端部部分而不是透镜的中心部分，其球面像差优选地更小。

从以上描述中能够理解，根据示例2(参考图16、图18以及图19)，彼此不平行的多个光通量从光源模块LM(类型I、类型II、类型III)中被发射。进一步，来自光源模块LM(类型I和类型II)，具有不同波长的两个光束以如下状态被发射，光束的光路基本平行并且彼此靠近(参考图16和图18)。进一步，来自光源模块LM(类型II)，具有不同波长的两个光束被以如下状态被发射，光束的光路彼此不平行但是基本相同(参考图19)。

进一步，其光路彼此不平行的来自光源模块LM(类型I、类型II以及类型III)的光通量入射至受测对象的基本相同的位置上(参考图16，图18以及图19)。进一步，来自光源模块LM(类型III)的光束(其具有不同波长并且它们的光路基本相同)入射至受测对象的相同位置上(参考图19)。

上述“基本相同位置”表示，例如，在光源模块LM被以大约60mm的间隔布置的情况下，位置为相对于60mm基本相同，并且以大约几mm彼此分隔的多个位置可以被称作“大约相同位置”。

进一步，虽然以上“相同位置”意味着相同的程度比“基本相同位置”更高，“相同位置”可以不仅包含位置为严格意义上相同的情况，同时也包含彼此之间的位置以1mm或更小的距离而分隔开来的情况。

进一步，以上“光路为基本相同”意味着两个非平行光束的光路之间的角度等于或小于10度。应当注意，当两个光路为基本相同时，两个非平行光束的光路之间的角度优选地等于或小于1度。

将会在以下描述用于解决逆向问题的算法。当解决逆向问题时，执行光学模拟设定光源模块LM的位置。当执行光学模拟时，通过精确地设定受测对象上入射位置的偏移，在逆向问题估计中不存在误差。

然而，例如专利文件1中所述，当探针的位置以10mm或更大的距离彼此分隔开时，为了以高密度方式布置探针，需要独立地布置光源模块。布置光源模块的操作是复杂的，并且需要在旁边一个接一个的放置头发的操作，并且随着光源模块的增加，操作的数量也随之增加。

在本实施例中，以下所述，通过仅布置一个光源模块LM，可以在不增加复杂操作的前提下，获得与当布置多个光源模块时相同的信息量，并且相比如上述专利文件1中实现的高密度探针，可以以更高的精度进行检测。

进一步，在根据如图28A中所示的其中彼此平行的多个光束入射至活体上的对照实施例的光源模块中，在活体的表面的附近存在变化部位的情况下，可能发生检测误差。“变化部位”指的是其光学特性为特别的部位，并且变化部位包含，例如，头发和人造有色皮肤。当存在这样的变化部位时，在对照示例中，来自光源1的光入射的位置与来自光源2的光入射的位置不同，并且结果，可存在如下情况，例如，只有来自光源2的光穿过变化部位。当计算光源1和光源2之间的差异时，变化部位成为噪声。

在另一方面，在本实施例中，如图28B所示，来自光源1的光和来自光源2的光穿过皮肤的表面上的“基本相同的位置”，并且当来自光源1和光源2中的一个的光穿过变化部位时，来自光源1和光源2中的另外一个的光同样穿过变化部位。进一步，当来自光源1和光源2中的一个的光没有穿过变化部位时，来自光源1和光源2中的另外一个的光也不穿过变化部位。更具体地，来自光源1的光和来自光源2的光两者采取皮肤表面附近相同的光路，并且在深度方向上采取不同光路。换句话说，检测皮肤表面附近的差异不是非常灵敏，但是检测脑组织附近的差异是灵敏的。通过减少皮肤表面附近的噪声，提高了分辨率。如上所述，术语“基本相同的位置”意味着允许几mm的偏移。

进一步，在示例2中，透明凝胶被滴入在形成外壳中的窗构件上，并且透明凝胶被插入在窗构件和受测对象的表面之间，以防止空气介入其之间。

在常规的光源模块中，光(其被首先射入至空气中)经过皮肤表面入射至体上并且在活体中传播。此时，在具有1.0的折射率的空气和在具有1.37的折射率的活体之间存在折射率中的差异。由于折射率中的差异，发生了反射和散射。进一步，因为光传播的活体的折射率比在活体外部的空气的折射率更低，相对于入射角度的传播角度(也称为体内传播角)变得更小。当使用斯涅耳公式时，边界表面处的光折射能够被理解。斯涅耳公式能够仅通过使用折射率被表示。

图29是示出空气(入射侧：折射率为1.0)与活体(传播侧：折射率为1.37)之间的边界表面处的入射角与体内传播角之间的关系(光的折射)的曲线图。从图29中可以理解，即使当入射至活体上的光的入射角度为60度时，活体中的光的传播角度变为40度，其小于入射角度。因此，可以理解，即使如果需要使得活体中的光的传播角度等于或大于60度，当光从空气入射时，不可能实现这样的传播角度。换句话说，如果光首先被入射至空气中，那么实现活体中的光的大的传播角度是困难的。

为了解决该问题，在示例2中，透明树脂(其为光源模块LM的窗构件的材料)的折射率被设定为(例如，1.5或更大)大于活体的折射率(1.37)(参照图30)。在此情况下，活体中的光的传播角度(光以60度的入射角直接地从光源模块LM中入射至活体上)超过了70度。在设计光源模块LM时，当角度被减少，可以获得诸如减少光源模块LM的尺寸的优点。

在示例2中的光源模块LM(类型I)中，如图16中所示，光(其在平行于透镜的光轴的方向上从表面发射激光器被发射)被透镜折射，并且在相对于透镜的光轴倾斜大约20度的方向上行进，以入射至窗构件上。这里，窗构件的折射率被设定为大约为1.5。当光入射至窗构件上时，穿过透镜的光已经被折射，但是因为入射角度很深，折射并不显著。光(其入射至窗构件上)由棱镜的反射表面偏转，并且相对于透镜的光轴倾斜大约55度行进。这个55度角为具有折射率为1.5的窗构件中的角度，并且，如图30中所示，活体(折射率：1.37)中的传播角度变为大约60度。

为了使来自光源模块LM的光将直接地入射以在伪活体中传播，需要移除伪活体和光源模块LM之间的边界表面中的空气层。这里，透明凝胶被用于移除空气层。此处使用的透明凝胶为与伪活体相容的甘油溶液。进一步，透明凝胶的挥发特性被调整为，使得在测试期间(即，当光源模块LM被加盖)透明凝胶不蒸发，并且在测试之后的适当时间内透明凝胶不蒸发或者被吸收至伪活体中。透明凝胶的光学特性被调整为，使得当波长为大约780nm并且透明凝胶的折射率与伪活体表面折射率相似时，透明凝胶为透明的。这里，透明凝胶的折射率被制备为具有大约1.37的值。通过以上准备，即使当伪活体表面不均匀时，不会由于不均匀表面产生折射率之间的差异，并且可以产生没有反射发生的状态。因此，可以移除在伪活体表面处的大多数反射。进一步，即使当具有伪活体的边界表面在物理上不均匀时，其在光学上并非不均匀的，并且没有散射发生。结果，可以根据来自光源模块LM的发射角度，使得光在适当的传播方向上在伪活体中准确地传播。通常，在伪活体中的传播期间强烈地产生散射，但是在皮肤表面处的散射同样不弱。结果，可以保证光的高各向异性。因为能够获得高各向异性，可以极大地改变从光源模块LM到伪活体上的光束的入射角度，并且，如下所述，可以极大地改变由检测模块DM接收的光束的入射角度。

如图31所示，检测模块DM包含外壳、光学元件、包含光接收单元以及模拟电子电路的柔性电路板(未示出)、连接至柔性电路板的引线以及连接器单元(未示出)，等等。

如图32所示，在光检测模块DM中，光(其从受测对象上的光源被发射，并在受测对象中传播)被分成将要被引导至多个光接收单元中的多个光束。

在相关技术领域中(参考日本特开专利公开No.2011-179903)，在使用荧光的DOT中，光接收单元被布置为对应于以多个角度从受测对象发射的光束。然而，当光接收单元以这种方式被布置时，发射至光接收单元上的光对应于来自受测对象的所有发射角度。

在另一方面，本实施例中的检测模块DM划分来自受测对象的“基本相同的位置”的光，并且单独地检测划分的光。这里，在如上所述的光源模块LM中，由于可以在光学模拟中设计“基本相同位置”的精度，当位置以几mm的量级而不同时并不要紧。

在下文中，将详细描述检测模块DM。如图33中所示，检测模块DM包含由黑色树脂制成的外壳、附接至外壳的顶端部并且由弹性构件制成的接触构件、以及包含于外壳内的透明的分割透镜和的四个光接收单元。孔径(开口)被形成在外壳的端部处和接触构件中。

作为接触元件，由黑色橡胶制成的构件被用于提高遮光效果。从接触构件的孔径，分割透镜的中心部分(具有大约1mm的直径)突出越过外壳外部几百μm。因为这个突出的部分与活体表面接触，光学上不存在空气，并且因此减少了菲涅尔折射、散射等。

进一步，同时在检测模块DM中，使用上述的透明凝胶并且能够进一步提高稳定性。分割透镜由透明树脂制成并且具有大约1.8的折射率。分割透镜固定到外壳。

孔径为具有大约1mm直径的圆形洞，并且穿过外壳的顶端部和接触构件，并且孔径具有限制已经在受测对象中传播的光从受测对象输出的位置的功能。来自孔径的光被指向不同方向。可以通过孔径限制光的入射位置。于是，入射光通过分割透镜被划分为多个光束，并且光束能够被单独地检测。

由孔径实现来自受测对象的光从受测对象的“基本相同的位置”入射至光接收单元上的上述特征。

由于已经穿过孔径的光由分割透镜折射至对应于光的传播方向的不同方向，光接收单元上的入射位置是不同的。

分割透镜为具有大约3mm直径和大约3mm的焦距f的球面透镜。

在示例2中，由分割透镜产生的光束的数量是四，并且使用以二维方式布置的具有四个光接收单元(光电二极管：PD)的光电二极管阵列(PD阵列)。在图33中，仅示出四个光接收单元(PD)中的两个光接收单元1和2。

这里，PD阵列具有边长为大约3mm的正方形形状，并且每个PD具有边长为1.4mm的正方形形状。如图33中所示定义角度θ2，并且PD阵列和孔径之间的距离为大约5mm。

透镜的一个表面为平面表面，并且其它表面为球状表面。透镜的平面表面端与伪活体接触。由于孔径的位置与透镜的聚焦位置偏离，孔径并不形成平行光。然而，孔径具有限制光入射至PD阵列上的功能。

根据在此光学系统上执行的光学模拟，发现具有在大约-10度至50度的范围之内的角度θ2的光入射至光接收单元2上，并且具有在大约-50度至10度的范围之内的角度θ2的光入射至光接收单元1上。换句话说，光(其在伪活体中传播，并且已经从孔径发射)根据发射角度被划分为多个光束，并且每个光束入射至四个光接收单元的中的一个。

在示例2中，球面透镜被用作分割透镜，但是可以使用非球面透镜并且可以检测到更大的角度。分割精度以及光束的数量与如下所述的逆向问题的估计精度相关联，并且基于期望的精度来确定需要的光学系统。在本实施例中，使用球面透镜和4个光束。

每个PD被电连线以连接至运算放大器。作为运算放大器，使用半导体运算放大器以提供5V电压。因为检测的光量非常小，运算放大器的增益很高，并且使用两级放大器配置。在第一级中，执行大约成百上千倍的放大，并且在第二级中，执行大约几千倍的放大。

在示例2中，将参照图34中的流程图描述测量伪活体中的吸光体的位置的位置测量方法(用于受测对象的光学特性的检测方法)。

首先，探针(光源模块LM和检测模块DM)被设定在(附接至)伪活体上(步骤S1)。此时，在丙烯酸水箱和探针之间放置透明凝胶，并将探针逐个地小心地设置在由固定构件确定的位置上，使得在透明凝胶中不产生气泡。

探针为八个光源模块LM和八个检测模块DM(总共16个探针)，并且光源模块LM和检测模块DM以相等的节距彼此相邻交替地布置为网格图案(参考图15)。网格节距(网格点之间)为30mm，并且光源模块LM和检测模块DM之间的距离为30mm。

在此状态下，光从任意选择地光源模块LM的通道被发射(步骤S2)。在组(四个通道)基础上执行发射，并且以发射强度为大约4mW的方式确定电流值。光发射持续时间为大约10ms，在此期间检测值由所有PD读取，并且每隔1ms间隔将检测的数据(检测值)的几个点平均(步骤S3)。于是，平均值被存储到记录单元中(步骤S4)。类似地，在下一个组中，10ms的发射、测量、以及数据存储被重复(步骤S5、S6、以及S2至S4)。应当注意，具有780nm的振荡波长的表面发射激光器阵列的四个通道的发射以及具有900nm的振荡波长的表面发射激光器阵列的四个通道的发射被连续地和类似地执行。

然而，可以说，在如下的数据处理中，两个波长被基本类似地处理，并且以相同方式在相同位置的测量被执行了两次。起初，为了检测血流量的改变，通过使用由使用这两个波长获得的差异，可以单独地检测氧络血红蛋白和还原血红蛋白，然而，在本实施例中，通过使用用于测量相应数据的具有不同振荡波长的两个表面发射激光器阵列，可以减少由芯片之间的差异导致的噪声。

在完成发射以及光源模块LM的所有组的测量之后，执行下一个光源模块LM的发射(步骤S7、S8、以及S2至S6)。与以上类似，在组(四个通道)基础上连续地执行发射。在完成发射和所有光源模块LM的测量之后，设定吸光体(步骤S9和S10)。通过使用光学阶段设定吸光体从而吸光体的设定能够被准确地以位置重复性的方式被执行。在吸光体被设定的状态下，重复通过PD值的记录的通道的发射(步骤S2至S9)。

在存储的数据中，当存在吸光体时的数据以及当不存在吸光体时的数据被给出为r(s,i,n)(i＝1,2,3,...,M,n＝1,2,3,...,K),r(0,i,n)(i＝1,2,3,...,M,n＝1,2,3,...,K)。这里，“i”表示为分配给每个检测模块DM的数量，并且“n”表示为分配给每个组的数量。接下来，计算相应的不同Δr(i，n)。

由于基于由上述位置测量方法获取的测量结果的计算吸光体的位置(伪活体的光学特性)的方法与基于由基于图8的流程图的测量方法获取的测量结果的计算吸光体(伪活体的光学特性)的位置的方法类似，其重复性描述已经被省略。

结果，可以获得如图35中所示的估计结果。图35进一步示出了对照实施例的结果，其中光仅从表面发射激光器阵列芯片的中心处的一个组发射(参考图17)，并且仅使用PD阵列中的四个PD中的一个PD的检测值来执行检测。除了此限制，执行与本实施例中类似的数值处理。此对照示例中的配置与常规NIRS(DOT)装置中的配置基本相同。

在本实施例中，由于贝叶斯估计，可以检测吸光体的位置和深度。在如图35中所示的结果中，当吸光体的位置能够被检测到时，标记“O”(圆圈)被标记。在本实施例中，当在深度方向上(这里，图10中的Z轴方向)的距离变大时，自光源模块LM的距离增加，并且能够传播的光量减少。结果，吸光体的位置变得越深，则检测变得越难。在本实施例中，可以检测最深为16mm的深度。在对照示例中，其为常规NIRS(DOT)装置的示例，即使当使用贝叶斯估计时，也不可能在深度方向上检测。通常，为了高精度地检测包含深度方向的吸光体的三维位置，其需要使探针以高密度被布置，但是在本实施例中，这样的高精度检测能够通过以低密度布置探针而执行。

如上所述的根据本实施例(示例1和2)的光学传感器10包含具有用于发射光至受测对象(伪活体)上的多个光源模块LM(光发射装置)的发射系统，以及用于检测已经从发射系统发射的并且已经在受测对象中传播的光的检测系统。进一步，每个光源模块LM发射非平行光通量至受测对象的基本相同的位置上。

在此情况下，受测对象上的光通量的入射角度(所述光通量彼此之间不平行，并且发射至受测对象(散射体)的基本相同的位置上)彼此之间不同，并且光通量在不同传播路径中传播(参考图36)。

结果，增加了获得的与受测对象的内部相关的信息量，并且可以实现更高的分辨率。进一步，由于增加的分辨率，其可以实现具有与减少的探针密度(即，每单位面积的探针数量)相同的分辨率，其使得可以提高可安装性(可附接性)。

结果，其可以令光学传感器10实现更高的分辨率，而不降低至受测对象的可附接性。

应当注意，光通量(其入射至受测对象的基本相同的位置上)彼此不平行的事实意味着，光通量相对于彼此形成角度。换句话说，由于存在由光通量形成的角度，可以形成光通量的不同传播路径。在另一方面，如果假设入射至受测对象的基本相同位置上的光通量彼此平行(例如，如果光通量平行于受测对象的表面的法线方向)，受测对象中的光通量的传播路径必须相同。

进一步，根据本实施例的光源模块LM包含具有多个表面发射激光器(光发射单元)的表面发射激光器阵列，以及被布置在来自表面发射激光器的光束的光路上的凸透镜。凸透镜被用于使得光束彼此之间不平行，并且凸透镜的主点与表面发射激光器阵列之间的距离并不对应于凸透镜的焦距。

在这种情况下，可以防止表面发射激光器上的返回光束的聚集，并且可以防止表面发射激光器的输出变化。结果，可以稳定从表面发射激光器发射的光量，提高光学传感器10中的检测精度，并且因此提高NIRS的分辨率。

换句话说，在表面发射激光器阵列被布置在凸透镜的焦距点的位置处时的情况下，由外部反射表面反射的光束通过凸透镜聚集在表面发射激光器上，并且激光振荡变得不稳定。这个现象被称作返回光或者自混合现象。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，如果这个现象发生，发射的光量变得不稳定，其成为问题(更多详细信息，参考日本特开专利公开No.2011-114228以及No.2012-132740)。

进一步，具有与凸透镜的折射率基本相同的透明树脂填充在凸透镜和表面发射激光器阵列之间。

在这种情况下，因为折射率在凸透镜和表面发射激光器阵列之间的边界表面处不发生改变，返回光能够被减少。结果，可以稳定从表面发射激光器阵列发射的光量，并且因此提高NIRS的分辨率。

进一步，检测系统包含多个检测模块DM，每个检测模块DM具有多个光接收单元(PD)，其分别接收已经从光源模块LM发射到受测对象上级且已经在受测对象中传播的光束。

在此情况下，可以单独地获得对应于受测对象中的两个不同传播路径的两组信息。

进一步，检测模块DM包含接触构件和外壳，所述外壳具有布置在受测对象和光接收单元(PD)之间的孔径，以允许已经在受测对象中传播的每个光束的一部分通过。

在此情况下，可以使光通过受测对象的基本相同的位置进入外壳。换句话说，可以仅允许其入射角度在某种程度上被限制的光从受测对象中入射至外壳上，并且更容易地使光入射至光接收单元上。

进一步，检测模块DM包含单独地引导已经穿过孔径的光束的部分至光接收单元上的分割透镜(光接收透镜)。

在这种情况下，可以允许已经穿过孔径的光束的部分以稳定的光量单独地入射至光接收单元上。

进一步，因为光源模块LM包含窗构件，其由用于与受测对象接触，并且由具有比受测对象的折射率更大的材料(透明树脂)制成，可以将受测对象中的传播角度(折射角度)设定为相对于受测对象上的入射角度更大。结果，当与光从空气入射至受测对象上的情况相比较时，即使当入射角度相同时，传播角度变得更大。因此，当比较以不同入射角度的入射至受测对象的基本相同的位置上的两个光束之间的入射角度中的差异时，受测对象中的两个光束之间的传播角度中的差异变得更大，并且可能使得传播路径更加不同。结果，可以达到更高的分辨率。

进一步，光源模块LM包含以二维方式布置的表面发射激光器，以及布置在来自表面发射激光器的光束的光路上的发射透镜(透镜)。

在此情况下，可以将来自表面发射激光器的光束的行进方向改变为期望的方向(布置对应的棱镜的方向)。

进一步，光源模块LM被布置在经过发射透镜的光束的光路上，并且包含用于将光束反射至期望的方向的棱镜(反射构件)。

在此情况下，可以进一步将来自发射透镜的光束的行进方向改变至期望的方向。换句话说，可以将受测对象上的入射角度设定为期望的角度。

如上所述，光学传感器10能够以简单的配置通过有效地使用的光传播各向异性而实现更高的分辨率，且可期望光学传感器10将被使用在诸如DOT的各种领域中。

进一步，光学测试设备100包含光学传感器10，以及控制单元(光学特性计算单元)，其基于由光学传感器10获得的检测结果来计算受测对象的光学特性。

在此情况下，由于光学传感器10的更高检测精度，可以高精度地计算受测对象的光学特性。

进一步，根据本实施例(示例1和示例2)的光学传感器10包含具有发射光至受测对象(例如，活体)上的多个光源模块LM(光发射装置)的发射系统，以及检测已经从发射系统发射至受测对象上的并且已经在受测对象中传播的光的检测系统，其中光源模块LM能够将具有不同波长的光束发射至受测对象的基本相同位置上。

在此情况下，可以以高精度测量受测对象中的信息。

具体地，可以同样使执行逆向问题估计的NIRS装置以更高的精度来测量大脑血流量位置。

进一步，光源模块LM(类型III)包含能够发射具有不同波长的两个光束的两个通道(其发射的光束具有彼此不同的波长)，两个透镜1和2单独地布置在对应于从两个通道发射的具有不同波长的光束的光路上，以及棱镜公共地被布置在经过对应的两个透镜的具有不同波长的两个光束的光路上，并且经过棱镜的具有不同波长的光路基本相同。应当注意，“光路基本相同”表示从经过棱镜的具有不同波长的光束中任意选择的两个光束的光路形成的角度为等于或小于10度。

在此情况下，可以通过使用简单的配置将具有不同波长的光束发射至受测对象的相同位置上。

进一步，在光源模块LM(类型III)中，棱镜包含反射表面(全反射表面R1和R2)，分别反射经过棱镜1和2的具有不同波长的两个光束，并且具有不同波长的两个光束的光路从两个透镜1和2到反射表面不平行。

在这种情况下，与其中两个反射表面被用于单独地反射具有不同波长的两个光束配置相比较，可以在简化配置的同时减少成本。

进一步。在光源模块LM(类型III)中，在与使用多个光学元件而不是棱镜的情况相比较，可以减少应该被安装的部件的数量，并且因，减少了安装成本。

进一步，在光源模块LM(类型III)中，由于当光路变得靠近棱镜的反射表面时，从两个透镜1和2的至棱镜的反射表面的具有不同波长的两个光束的光路变得彼此靠近，可以在光路彼此接近的状态下，使得两个光束在反射面上被反射朝向受测对象的方向。

进一步，在光源模块LM(类型III)中。由于由棱镜的反射表面反射的具有不同波长的两个光束在光源模块LM(类型III)的发射端附近相交，可以使得两个光束精确地入射至受测对象的相同位置上。

进一步，在光源模块LM(类型III)中，由于两个通道的每一个包含以阵列方式布置的多个光发射单元，并且光发射单元和对应的透镜的光轴之间的位置关系在光源之间不同，可以以非平行状态从透镜1和2发射两个光束，其具有不同波长，并且从对应于两个通道的两个光发射单元被发射。

进一步，在光源模块LM(类型III)中，由于通道的中心(阵列中心)从对应的透镜的光轴偏移，当对应于两个通道的两个光发射单元被称作一对时，可以使得所有对相对于透镜的光轴的位置的关系彼此不同。

进一步，折射率与透镜1和2相等的透明树脂可填充在透镜1和2与两个通道之间(参考图23)。

进一步，透镜1和2可具有面向对应的通道侧面的凸表面的形状(参考图25)。

进一步，光源模块LM(类型II)和光源模块LM(类型III)的公共光学元件并不限制于棱镜，而是可为任何构件，只要所述构件包含反射具有不同波长的多个光束的至少一个反射表面。

<<第二实施例>>

接下来，将描述本发明的第二实施例。在本实施例中，将描述使第一实施例中描述的探针适用于至实际人身体的方法。这里，假设受测对象从体模(填充有白水的水箱)改变为人体的头部，并且吸光体为大脑血流量。

在本实施例中，目标是精确地估计大脑中血流量的分布。在本实施例中，测量受测者(受测体)，并且基于测试的数据对图形进行建模，并且执行蒙特卡罗模拟。通过使用磁共振成像(在下文中称作MRI)方法测量受测者的头部形状。基于图像，计算四个部位的形状，即头皮、头骨、脑脊液和大脑皮层。

对于高精度检测变得需要三维数据，但是大脑模型的标准形状数据可被替代地使用。由于这些部位具有已经被公知的散射系数、各向异性和吸收系数的相应的值，这些值被使用。利用固定工具将探针精确地固定至头部，并且设定位置也被精确地测量。探针等，与第一实施例中的那些相同，并且其对重复的描述在此处省略。这里，基于准确的形状、位置以及部位的值执行光学模拟。

在下文中，将参考图37中所示的流程图详细描述用于测量大脑中血流量的方法。首先，使受测者放松(步骤S31)，并且探针(检测模块DM和光源模块LM)被附接至头部(步骤S32)。此时，使用固定构件在相应的预定位置上一个接一个地仔细地设定(安装)探针，以使得探针和头皮之间不夹有头发等。在设定条件下，通道被发射(步骤33)。在组基础上执行发射(脉冲发射)，并且以发射强度为大约4mW的方式确定电流值。发射周期为大约几ms，在此期间读取并平均所有PD的检测值(步骤S34)。平均的值被存储在记录介质中(步骤S35)。

在接下来的组中，简单地重复几ms的发射、测量和数据存储(步骤S36、S37、以及S33至S35)。在完成全部光源模块LM的测量和发射之后，需要受测者执行任务(步骤S38至S41)。这里，执行一般的词语流畅性任务。词语流畅性任务的细节被描述在日本特开专利公开No.2012-080975中。

通过执行任务，激活大脑，并且大脑血流量仅发生在激活的部分。血流量包含氧络血红蛋白和还原血红蛋白，并且由于血流量而发生光吸收。通过贝叶斯估计的逆向问题估计等与上述第一实施例中描述的方法相同，并且省略重复的描述。在此测量中获得的血流量的精度能够通过功能性磁共振成像(fMRI)被检查。“fMRI”是使用MRI使人类或动物的大脑和脊髓的活动相关的血液动力学反应可视化的方法。基于检查和测量，可以理解，具有本实施例的光学传感器的测量具有更高的分辨率。

<<第三实施例>>

接下来，将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与在第一实施例中使用那些的相同，但是其布局包含本发明者的想法。除了布局之外的描述与第一实施例中的那些相同，并且其描述在这里被省略。

在第一实施例的示例2中，如图15中所示，两个检测模块DM和两个光源模块LM被布置在基本正方形的相应的角落。然而，在此布置中，在图15中由X标记指示的点处，光源模块LM和检测模块DM之间的光路被延长。结果，检测模块DM可能无法获得充足的光量，此点的噪声可能变得更大，并且检测精度可能被降低。

为了解决上述问题，本发明者积极地研究以确定适当的探针布局，并且已经发现如图38中的布局为最合适的。在图38中的布局中，光源模块LM和检测模块DM被布置为，使得光源模块LM或检测模块DM中的两个被布置在相对于受测对象的正三角形的两个相应角部处，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第三角部处。

这里，作为简单示例，研究了光源模块LM和检测模块DM之间的距离为最长处的位置。这里，在两种情况中，假设光源模块LM和检测模块DM之间的距离(节距)为“a”。在图15中位置X的情况下，虚线的距离被计算为(√2)a(大约1.414a)。另一方面，在图38中位置X的情况下，虚线的距离被计算为(1+√3)a/2(大约1.366a)<(√2)a。换句话说，当在图15和图38中的布局之间比较最长距离时，图38中的最长距离更短，并且可以理解，图38中的布局是更优选的。

通过使用图38中的探针布局，可以理解，作为与第一实施例中相同的方式执行的逆向问题估计的结果，检测区域变宽。

<<第四实施例>>

接下来，将描述本发明的第四实施例。在第四实施例中，虽然使用与第一实施例中的光源模块LM和检测模块DM的相同布局，光源模块LM的通道和检测模块DM的PD的布局包含本发明者的想法。除了通道和PD的布局之外的描述与在第一实施例中的那些描述相同，并且其描述在这里被省略。

在第一实施例的示例2中，如图15所示，光源模块LM和检测模块DM布置为，使得光源模块LM和检测模块DM在X和Y方向上彼此相邻，X和Y方向相对于受测对象彼此正交。

然而，如上所述，在此布局的情况下，在图15中由X标记指示的点处，光源模块LM和检测模块DM之间的光路被延长。结果，检测模块DM可能无法获得充足的光量，此点的噪声可能变得更大，并且检测精度可能被降低。

在如图39中所示的对照示例中，光源模块LM和检测模块DM布置为，使得光源模块LM和检测模块DM在X和Y方向上彼此相邻，X和Y方向相对于受测对象彼此正交，并且发射方向和检测方向(光接收单元上的光的入射方向)两者都平行于X方向或者Y方向。由于安装在表面发射激光器附近的透镜具有点对称光学特性，基于表面发射激光器的位置和组的位置来确定发射方向。类似地，由于透镜的点对称光学特性，基于PD阵列的划分布局来确定检测方向。

这里，当表面发射激光器阵列芯片以如图40A中所示地被布置时，在平面视角中(当从+Z方向来看时)，发射方向相对于X方向和Y方向两者倾斜。此倾斜由组的中心位置相对于透镜中心而倾斜的事实而导致。类似地，在检测模块DM中，通过将透镜的中心布置在四个分隔的PD阵列芯片(光电二极管阵列芯片)的芯片中心处，检测方向(光到光接收单元上的入射方向)为如图40B中所示的方向。上述检测方向和发射方向与探针的布局在图41中被一同示出。可以理解，在平面视角中(当从+Z方向来看)，发射方向和检测方向相对于X方向和Y方向而倾斜。

在此情况下，类似于如上所述的灵敏度分布，由于光的各向异性，可预期更多的灵敏度可以在图41中的X标记位置处被获得。

作为使用图40A和图40B的布局执行的类似于第一实施例的逆向问题估计的结果，可以理解，可检测区域变得变得更大(更宽)。

应当注意，在上述实施例中，发射系统中的光源模块LM的数量以及检测系统中的检测模块DM的数量可被适当的改变。要点是发射系统可以包含至少一个光源模块LM，并且检测系统可以包含至少一个检测模块DM。

进一步，在上述实施例中，光源模块LM(光发射装置)的配置可以被适当的改变。例如，光发射单元的表面发射激光器阵列芯片的数量和布局可以被改变。进一步，透镜的类型、形状、尺寸、数量、等等可以被适当的改变。

进一步，在上述实施例中，作为光发射装置的光源，使用表面发射激光器，但是，例如，边缘发射激光器(LD)、发光二极管(LED)、有机EL元件、以及除了半导体激光器之外的激光器可被使用。

进一步，在上述实施例中，棱镜被用作光发射装置的反射构件，但是其它反射镜等可以被使用。

进一步，在示例2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被适当的改变。

进一步，检测模块DM(光检测装置)的配置可以被适当的改变。例如，孔径可以不被布置。进一步，例如，分割透镜可以不被布置。

无需赘言，如上所述的图形(形状)、尺寸、材料、数量、规格、构件和部件的值仅为示例，并且可以被适当的改变。

应当注意，以上实施例中所述的光学传感器的至少一部分可在实施例和示例中交换地使用。

本申请基于并且要求在2014年11月13日提交的日本在先申请No.2014-230745的优先权的利益，其全部内容通过引用并入本文。

参考标记列表

10 光学传感器

100 光学测试设备

LM 光源模块(光发射装置)

DM 检测模块(光检测装置)

引用列表

专利文献

PTL 1:专利文档1：日本专利No.3779134

Claims (13)

1.一种光学传感器，包括：

发射系统，包含将光发射到对象上的至少一个光发射装置；以及

检测系统，检测已经由所述发射系统发射并且已经通过所述对象传播的光，

其中所述光发射装置能够将具有不同波长的多个光束发射到所述对象的基本相同的位置上，

其中，所述光发射装置包含各自发射具有不同波长的各个光束的多个光源、布置在所述光源发射的各个光束的光路上的多个单独的光学元件，并且所述多个单独的光学元件的焦点不重合，

其中所述多个光源的每个光源包含以阵列方式布置的多个光发射单元，以及

其中所述每个光源的多个光发射单元与对应于所述每个光源的单独的光学元件的光轴之间的位置关系在所述多个光源之间不同。

2.根据权利要求1所述的光学传感器，

其中，所述光发射装置还包含公共光学元件，所述公共光学元件公共布置在经过所述多个单独的光学元件的具有不同波长的所述光束的所述光路上，以及

其中经过所述公共光学元件的具有不同波长的所述多个光束的所述光路基本相同。

3.根据权利要求2所述的光学传感器，

其中所述公共光学元件包含反射表面，所述反射表面反射经过所述多个单独的光学元件的具有不同波长的所述多个光束，以及

其中具有不同波长的所述多个光束的所述光路从所述多个单独的光学元件至所述反射表面不平行。

4.根据权利要求3所述的光学传感器，

其中当所述光路变得与所述反射表面更接近时，从所述多个单独的光学元件至所述反射表面的具有不同波长的所述多个光束的所述光路变得更接近。

5.根据权利要求3或4所述的光学传感器，

其中由所述反射表面反射的具有不同波长的所述多个光束在所述光发射装置的发射端附近相交。

6.根据权利要求3或4所述的光学传感器，

其中从由所述反射表面反射的具有不同波长的所述多个光束中选择的任意两个光束的两个光路形成的角度等于或小于10度。

7.根据权利要求6所述的光学传感器，

其中所述角度等于或小于1度。

8.根据权利要求1所述的光学传感器，

其中所述多个光源中的至少一个的中心从所述对应的单独的光学元件的光轴上的位置移位。

9.根据权利要求1或8所述的光学传感器，

其中所述光源为表面发射激光器阵列。

10.根据权利要求2至4中任一项所述的光学传感器，

其中具有与所述单独的光学元件基本相同的折射率的透明树脂填充在所述单独的光学元件和所述光源之间。

11.根据权利要求2至4中任一项所述的光学传感器，

其中所述单独的光学元件的形状具有面向所述光源的凸表面。

12.一种光学测试装置，包括：

根据权利要求1至4中任一项所述的光学传感器；以及

光学特性计算单元，配置为基于所述光学传感器中的检测结果来计算所述对象的光学特性。

13.一种通过使用根据权利要求1至4中任一项所述的光学传感器来检测对象的光学特性的光学特性检测方法，所述方法包括：

计算所述对象对光的灵敏度分布的步骤；以及

通过解决基于所述灵敏度分布的逆向问题来计算所述对象的光学特性的步骤。

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