CN111213049A - 光感测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的一实施方式的光感测装置具备激光装置、光检测器和控制电路。上述激光装置包括：光源，射出激光；扩散部件，具有与上述激光的光路交叉的扩散面，降低包括与上述光路交叉的上述激光的截面的中心的第1部分中的上述激光的强度，提高在上述截面中包围上述第1部分的上述激光的第2部分中的上述激光的强度，并且扩大上述激光的束径；以及屏幕；用透射了上述屏幕的上述激光或被上述屏幕反射的上述激光照射对象物。上述控制电路使上述激光装置用上述激光的至少1个光脉冲照射上述对象物，使上述光检测器进行从上述对象物返回来的上述激光的至少1个反射光脉冲的时间分解计测。

Description

光感测装置
技术领域
本发明涉及光感测装置。
背景技术
近年来，为了非接触地得到生物体或食品等对象物的内部的有用的信息而使用光感测装置。光感测装置具备激光装置和光检测器。激光装置用激光照射对象物。光检测器检测在对象物的内部被多重散射并从表面出来的反射散射光。
在对象物是生物体的情况下，从激光装置射出的光经过皮肤向生物体内部侵入。然后，从皮肤出来的反射散射光通过透射血管等而包含血液的状态等的生物体信息。通过检测反射散射光，能够得到脉搏、血压、血流及氧饱和度等的信息。这些信息能够用于健康诊断等。
例如700到950nm的近红外光波长的激光具有以比较高的透射率透射肌肉，脂肪及骨骼等生物体组织的性质。另一方面，近红外的波段的激光还具有容易被血液中的氧化血红蛋白(HbO2)及脱氧化血红蛋白(Hb)吸收的性质。因而，在生物体信息计测中，通常使用用近红外的波段的激光照射对象物的激光装置。
通过使用这样的激光装置用激光照射额头并检测反射散射光，能够取得关于脑内的血流的信息。例如，能够计测脑内的血流的变化量、以及血液中的氧化血红蛋白浓度及脱氧化血红蛋白浓度各自的变化量。基于血流的变化量或血红蛋白的氧状态等，能够推测脑的活动状态。
此外，通过用激光照射食品并检测来自食品内部的反射散射光，能够非破坏地得到食品的新鲜度及糖度等的信息。
专利文献1公开了一种非接触地计测脑功能的光脑功能计测装置。专利文献2公开了一种改善从生物体组织的深处返回来的信号光的S/N比的进行时间分解计测的摄像系统。
此外，专利文献3及4公开了一种用激光照射散射体并使用扩散的散射光，从而将观感上的光源(apparent light source)尺寸扩大的激光装置。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2003－337102号公报
专利文献2：日本特开2007－260123号公报
专利文献3：WO2003－077389号公报
专利文献4：日本特开2012－169375号公报
发明内容
发明要解决的课题
本发明提供一种能够使激光产品的安全性提高、改善S/N比的光感测装置。
用来解决课题的手段
有关本发明的一技术方案的光感测装置具备激光装置、光检测器和控制电路。上述激光装置包括：光源，射出激光；扩散部件，具有与上述激光的光路交叉的扩散面，通过使上述激光折射或衍射，降低包括与上述光路交叉的上述激光的截面的中心的第1部分中的上述激光的强度，提高在上述截面中包围上述第1部分的上述激光的第2部分中的上述激光的强度，并且扩大上述激光的束径；以及屏幕，与透射上述扩散部件后的上述激光的光路交叉；上述激光装置用透射了上述屏幕的上述激光或被上述屏幕反射的上述激光照射对象物。上述控制电路使上述激光装置用上述激光的至少1个光脉冲照射上述对象物；上述控制电路使上述光检测器进行从上述对象物返回来的上述激光的至少1个反射光脉冲的时间分解计测。
发明效果
根据本发明的一技术方案，能够提供一种能够使激光产品的安全性提高、改善S/N比的光感测装置。
附图说明
图1是用来说明激光装置的结构和用从激光装置射出的光照射了对象物的情况下的状况的概略图。
图2A是示意地表示激光装置的扩散部件的构造的平面图。
图2B是示意地表示激光装置的扩散部件的构造的剖视图。
图3A是示意地表示激光装置的扩散面上的光的形状的图。
图3B是示意地表示激光装置的扩散面上的光的光强度分布的图。
图3C是示意地表示激光装置的屏幕上的光的形状的图。
图3D是示意地表示激光装置的屏幕上的光的光强度分布的图。
图3E是示意地表示对象物的表面上的光的形状的图。
图3F是示意地表示对象物的表面上的光的光强度分布的图。
图3G是表示扩散面上的光强度分布的图的一例。
图3H是表示屏幕上的光强度分布的图的一例。
图4是用来说明光感测装置的结构和生物体计测的状况的概略图。
图5是示意地表示光感测装置的控制电路及光检测器的内部的结构和信号的流动的图。
图6A是表示作为射出光的单一光脉冲的时间分布的例子的图。
图6B是表示在稳定状态下检测到的全光功率(实线)、与脑血流的变化量对应的光功率的变化量(虚线)及调制度(单点划线)的时间分布的图。
图7是示意地表示从激光装置射出的光脉冲的时间分布、光感测装置的光检测器检测的光功率的时间分布和电子快门的定时及电荷积蓄的图。
图8A是表示存在于对象物的内部的血流的变化的主视图。
图8B是表示存在于对象物的内部的血流的变化的从侧面观察的剖视图。
图9A是示意地表示对象物的内部的血流的变化的图。
图9B是示意地表示通过图像运算进行了图像修正的对象物的内部的血流的变化的图。
图10是用来说明激光装置的结构和用从激光装置射出的光照射了对象物的情况下的状况的概略图。
图11是用来说明激光装置的结构和用从激光装置射出的光照射了对象物的情况下的状况的概略图。
图12是用来说明激光装置的结构和用从激光装置射出的光照射了对象物的情况下的状况的概略图。
图13是用来说明激光装置的结构和用从激光装置射出的光照射了对象物的情况下的状况的概略图。
图14是示意地表示光感测装置的控制电路及光检测器的内部的结构和信号的流动的图。
图15是示意地表示从激光装置射出的光脉冲的时间分布、光感测装置的光检测器检测的光功率的时间分布和电子快门的定时及电荷积蓄的图。
图16是用来说明以往的激光装置的结构和用从激光装置射出的光照射了对象物的情况下的状况的概略图。
图17A是示意地表示在以往的激光装置中从光源射出的光的光脉冲的光功率的时间分布的图。
图17B是示意地表示在以往的激光装置中向对象物照射的光的光功率的时间分布的图。
具体实施方式
在对本发明的实施方式进行说明之前，首先，对达到有关本发明的光感测装置的过程进行说明。
专利文献1公开了一种用激光照射被检者的额头并非接触地计测脑功能的光脑功能计测装置。在专利文献1中，当用激光照射被检者的额头时，被检者为了保护眼睛而佩戴眼罩等的遮光部件。
专利文献2公开了一种进行改善从生物体组织的深处返回来的信号光的S/N比的时间分解计测的摄像系统。在专利文献2中，照明光中使用光脉冲，通过使摄像定时延迟，在时间上较早地返回来的较强的噪声光不被摄像。由此，上述的信号光的S/N比得到改善。在专利文献2中，在内视镜装置中，观察埋设在被内脏脂肪覆盖的生物体组织中的血管的血流信息。
专利文献3公开了一种将半导体激光器的射出端用散射体覆盖，使用通过在散射体内发生的多重反射而扩散出来的散射光，从而将观感上的光源尺寸扩大的激光装置。
专利文献4公开了一种汽车用的头灯单元。在专利文献4中，将包含TiO2微粒子及荧光体的散射部被激光照射。通过在散射部内被多重反射而扩散的散射光激励荧光体，由此产生被波长变换的荧光。该荧光及扩散出来的散射光通过反射镜成为平行光。通过该平行光透射扩散部件而得到的光从汽车用的头灯单元射出。
在如专利文献1那样被检者的眼睛上佩戴了遮光部件的情况下，当进行脑计测时实施的任务限制于声音。因此，计测的自由度较低。在眼睛上没有佩戴遮光部件而计测的情况下，使用满足眼睛的安全基准的激光产品。激光装置被课以了关于由激光产品的安全基准(JISC6802等)规定的等级1的最大容许曝光量(Maximum Permissible Exposure：MPE)及辐射释放极限(Accessible Emission Limit：AEL)的限制。因此，激光的功率被设定得较低，以满足等级1的MPE及AEL。专利文献1那样的平行光特别容易对眼睛造成影响。在激光射出例如波长850nm的连续光的情况下，AEL的最大值是0.78mW，非常小。在使用这样的激光的情况下，脑计测的S/N比变得非常差。
在专利文献3及4中，用激光照射散射体，使用扩散出来的散射光及荧光，从而将观感上的光源尺寸扩大。这里，“观感上的光源尺寸”，是由被检者视觉辨识出的发光的区域的尺寸。作为扩散出来的发散光的放射源的散射体可以考虑为分散光源。通常，发散光与平行光相比使安全性提高。等级1的AEL及MPE在发散光的情况下比平行光的情况大。在来自分散光源的发散光的情况下，在能够调整眼睛的焦点的距离范围中的、作为最危险的条件的眼睛的焦点对准的最小距离，决定等级1的AEL及MPE。
例如，在观感上的光源尺寸比10mm大的情况下，眼睛的焦点对准于距光源为100mm以上的距离。因而，在100mm的距离的情况下，将眼睛的开口直径设为7mm，通过开口直径7mm的范围内的光功率来决定AEL及MPE。在观感上的光源尺寸小于10mm的情况下，光源的尺寸越小，则眼睛的焦点对准的距光源的距离越小。例如，在光源尺寸为1.5mm的情况下，眼睛的焦点对准的最小距离是39.3mm。在光源尺寸为3mm的情况下，眼睛的焦点对准的最小距离是55.2mm。因而，在光源尺寸小于10mm的情况下，光源尺寸越小，则眼睛的焦点对准的最小距离越小。因而，如果由该最小距离下的开口直径7mm的范围内的光功率决定AEL及MPE的值，则AEL及MPE的该值从结果上看变小。
在观感上的光源尺寸小于10mm时，能够使等级1的AEL及MPE与观感上的光源尺寸的平方成比例地增加。结果，能够在维持安全性的同时，使向对象物的照射功率增加。
为了使光感测装置的S/N比提高，设想由专利文献3或4的激光装置(以下设为“以往的激光装置”)用激光照射对象物、由专利文献2的光感测装置(以下称作“以往的光感测装置”)进行时间分解计测的情况。本发明者们发现，在以往的光感测装置中，有将激光扩散的效果的散射体内的多重散射使时间分解计测的S/N比下降。以下，说明详细情况。
图16是用来说明以往的激光装置106的结构和用从激光装置106射出的光照射了对象物的情况下的状况的概略图。
以往的激光装置106具备光源101和厚度ds的散射体136。以往的光感测装置具备激光装置106和未图示的光检测器。
在图16所示的例子中，从光源101射出的射出光131向散射体136入射。散射体136的入射面上的光138具有光束径fs1。入射的光138在其内部被反复多重散射。散射光137从散射体136扩散而被射出。散射体136的射出面上的光139具有光束径fs2。光束径fs2比光束径fs1大。
观感上的光源尺寸通过散射体136而从fs1扩大至fs2。结果，能够使等级1的AEL及MPE以扩大率(fs2/fs1)的平方的大小增加。由于使用较厚的散射体136能够使扩大率变大，所以能够使等级1的AEL及MPE变大。但是通过较厚的散射体136，从散射体136射出的散射光的强度下降。
在图16所示的例子中，作为散射光的照射光108进一步扩散。如果由扩散的光126照射对象物105，则光126成为内部散射光109。内部散射光109作为包含对象物的内部信息的未图示的反射散射光被射出至外部，被未图示的光检测器检测。
图17A是示意地表示在以往的激光装置中从光源射出的光脉冲的光功率的时间分布的图。在从光源101射出了例如1至20ns左右的较短的光脉冲的情况下，从光源101射出的光的光功率的时间分布例如成为图17A所示的形状。在从时间ts到tbe的期间，从光源101射出具有最大光功率PS的梯形的光脉冲。将光功率下降的从时间tbs到tbe的期间设为该光脉冲的下降期间，将tf(＝tbe－tbs)设为下降时间。
图17B是示意地表示在以往的激光装置中光脉冲透射了较薄的散射体或较厚的散射体的情况下的、被照射在对象物上的光的光功率的时间分布的图。
在图16所示的例子中，将由单点划线表示的光路与散射体136的射出面的交点设为散射体136的射出面的中央部。散射体136的射出面的中央部处的光139的光功率的时间分布例如成为图17B所示的形状。从散射体136射出的光139成为照射光108。设想厚度ds不同的两种散射体。将较厚的散射体的情况下的光功率的时间分布用虚线表示，将较薄的散射体的情况下的光功率的时间分布用实线表示。
在较厚的散射体的情况下，照射光108在从时间ts1到tbe2的期间中存在，具有最大光功率PS2。照射光108在下降期间的后半部分的后端区域中，作为下摆拖尾那样的梯形的光脉冲C2被射出。另一方面，在较薄的散射体的情况下，照射光108在从时间ts1到tbe1的期间中存在，具有最大光功率PS1。照射光108在下降期间的后半部分的后端区域中，还是作为下摆拖尾那样的梯形的光脉冲C1被射出。较厚的散射体的情况与较薄的散射体的情况相比，下降期间的长度较长，光功率较小。较厚的散射体的情况下的下降时间是tf2，较薄的散射体的情况下的下降时间是tf1。较厚的散射体的情况下的下降时间tf2比较薄的散射体的情况下的下降时间tf1长。
“散射光”，是指通过由散射体136内包含的微粒子改变光的传输方向而扩散的光。如图16所示，散射光137一边将光路各种各样地改变为锯齿状的光路、从后方向前方或从前方向后方等，一边被反复多重散射来扩散。
在图16所示的例子中，散射体136的射出面上的光139全部是散射光。因而，在从光源101射出了较短的光脉冲的情况下，散射光到达散射体136的射出面的到达时间不相同而离散。散射体136越厚，则多重散射的程度越大。结果，光139的时间上的偏差越大，下降时间也越大。因此，如图17B所示，在较厚的散射体的情况下，照射光的下降时间变得更长。
本发明者们研究了使用以往的光感测装置，用透射了散射体的下降时间较大的光对对象物进行照明，检测来自对象物的反射散射光而进行时间分解计测。研究的结果本发明者们发现，散射体越厚，则因光的较大的损失而照射功率越下降，而且下降时间越长，并且下降时间越长则检测信号的S/N比越下降。
本发明者们基于以上的认识，想到了新的激光装置及使用它的光感测装置。
本发明包括以下的项目所记载的光感测装置。
[第1项目]
有关本发明的第1项目的光感测装置具备激光装置、光检测器和对上述激光装置及上述光检测器进行控制的控制电路；上述激光装置包括：光源，射出激光；扩散部件，具有与上述激光的光路交叉的扩散面，通过使上述激光折射或衍射，降低包括与上述光路交叉的上述激光的截面的中心的第1部分中的上述激光的强度，提高在上述截面中将上述第1部分包围的上述激光的第2部分中的上述激光的强度，并且扩大上述激光的束径；以及屏幕，与透射上述扩散部件后的上述激光的光路交叉；上述激光装置用透射了上述屏幕的上述激光或被上述屏幕反射的上述激光照射对象物；上述光检测器检测从上述对象物返回来的上述激光的至少一部分，输出电信号。
上述控制电路使上述激光装置用上述激光的至少1个光脉冲照射上述对象物；上述控制电路使上述光检测器进行从上述对象物返回来的上述激光的至少1个反射光脉冲的时间分解计测。
在该光感测装置的激光装置中，屏幕上的光的束径比扩散部件上的光的束径大。此外，屏幕上的光强度比扩散部件上的光强度低。由此，能够在维持安全性的同时使照射功率增加。进而，例如从光源射出的光脉冲的下降时间与屏幕上的光脉冲的下降时间大致相同。由此，能够改善时间分解计测的S/N比。
[第2项目]
在有关第1项目的光感测装置中，上述扩散面上的上述激光的束径也可以小于10mm。
在该光感测装置中，在上述扩散部件与上述屏幕之间，能够使等级1的AEL及MPE与观感上的光源尺寸的平方成比例地增加。
[第3项目]
在有关第1或第2项目的光感测装置中，上述屏幕上的上述激光的束径也可以是10mm以上。
在该光感测装置中，屏幕上的观感上的光源的最大光强度变低。由此，确保被检者的眼睛的安全性。
[第4项目]
在有关第1至第3项目的任一项的光感测装置中，上述对象物的表面上的上述激光的束径也可以比上述屏幕上的上述激光的束径大。
在该光感测装置中，对象物的表面上的光强度比屏幕上的光强度低。由此，在对象物的表面上，安全性进一步提高。
[第5项目]
在有关第1至第3项目的任一项的光感测装置中，上述扩散部件也可以在上述扩散面中还包括透镜阵列。
在该光感测装置中，来自激光源的具有高斯分布的光强度的射出光被具备透镜阵列的扩散部件变换为整体上具有平坦的分布的光强度的光。
[第6项目]
在有关第1至第5项目的任一项的光感测装置中，也可以是，上述扩散部件构成为，当上述激光透射上述扩散部件时，上述激光以第1扩散角扩散；上述屏幕构成为，当上述激光透射上述屏幕或被上述屏幕反射时，上述激光以第2扩散角扩散；上述第1扩散角比上述第2扩散角大。
在该光感测装置中，能够减小扩散部件与屏幕之间的距离。
[第7项目]
在有关第1至第6项目的任一项的光感测装置中，也可以是，上述屏幕包括在上述屏幕的表面上二维地交替配置的多个凹部及多个凸部；上述多个凹部各自的深度及上述多个凸部各自的高度分别是2μm至30μm。
[第8项目]
在有关第1至第6项目的任一项的光感测装置中，也可以是，上述屏幕包括第1层及第2层；上述第1层的折射率与上述第2层的折射率不同。
[第9项目]
在有关第1至第6项目的任一项的光感测装置中，也可以是，上述屏幕包括在上述屏幕的表面上二维地交替配置的多个第1部及多个第2部；上述多个第1部各自的折射率与上述多个第2部各自的折射率不同。
在该光感测装置中，屏幕使光折射或衍射。由此，能够降低光的中央部的强度，提高光的周边部的强度且使光的束径扩大。
[第10项目]
在有关第1至第9项目的任一项的光感测装置中，也可以是，如果设上述屏幕的厚度为d，设上述屏幕的等价散射系数为μs’，设上述屏幕的散射系数为μs，则满足1/μs≤d≤1/μs’。
在该光感测装置中，在屏幕上不易发生多重散射。结果，可以认为从激光源射出的光脉冲的下降时间与屏幕上的光脉冲的下降时间大致相同。由此，能够进行较高的S/N比的时间分解计测。
[第11项目]
在有关第1至第10项目的任一项的光感测装置中，也可以是，从上述扩散部件到上述屏幕的距离比从上述光源到上述扩散部件的距离长。
在该光感测装置中，能够在将上述的两个距离的和保持为一定的同时，使观感上的光源尺寸的扩大率变大。
[第12项目]
有关第1至第11项目的任一项的光感测装置也可以还具备光学部件，该光学部件配置在上述扩散部件与上述屏幕之间，具有第1表面及与上述第1表面相反侧的第2表面；上述扩散部件配置在上述第1表面上；上述屏幕配置在上述第2表面上。
在该光感测装置中，扩散部件及屏幕被一体地形成。通过将扩散部件及屏幕以对置的方式形成，能得到构造稳定的效果。
[第13项目]
有关第1至第11项目的任一项的光感测装置也可以还具备：第1光学部件，具有第1表面及与上述第1表面相反侧的第2表面；以及第2光学部件，具有第3表面及与上述第3表面相反侧的第4表面；上述第1光学部件及上述第2光学部件都配置在上述扩散部件与上述屏幕之间；上述扩散部件配置在上述第1表面上；上述屏幕配置在上述第4表面上；上述第2表面与上述第3表面相对。
在该光感测装置中，通过在较大的光学部件上以与其相同的尺寸形成扩散部件，并以希望的尺寸切割出，能够制造扩散部件及第1光学部件成为一体的扩散构造体。扩散构造体的尺寸与屏幕及第2光学部件成为一体的屏幕构造体相比尺寸较小。因而，能够降低扩散构造体的成本。
[第14项目]
有关第1至第11项目的任一项的光感测装置也可以还具备：第1光学部件，具有第1表面及与上述第1表面相反侧的第2表面；以及第2光学部件，具有第3表面及与上述第3表面相反侧的第4表面；上述第1光学部件配置在上述扩散部件与上述屏幕之间；上述扩散部件配置在上述第1表面上；上述屏幕配置在上述第3表面上；上述第2表面与上述屏幕的表面相对；上述第2表面相对于上述屏幕的表面倾斜；上述激光装置用被上述屏幕的表面反射的上述激光照射上述对象物。
在该光感测装置中，从光源到对象物的光路不是直线性的，而被折回。由此，能够使激光装置的尺寸在被屏幕反射的光传输的方向上变小。
[第15项目]
有关第1至第12项目的任一项的光感测装置也可以还具备位于上述光源与上述扩散部件之间的准直透镜。
在该光感测装置中，从光源射出的光被准直透镜变换为平行光。扩散部件匹配于平行光而设计。因而，不需要与作为来自光源的射出光的发散光匹配地设计，使扩散部件的设计简洁化。
[第16项目]
在有关第1至第15项目的光感测装置中，也可以是，上述控制电路使上述光检测器检测上述至少1个反射光脉冲的下降期间中包含的光的成分，输出表示上述成分的量的电信号；上述下降期间是从上述至少1个反射光脉冲的强度开始下降到结束下降为止的期间。
[第17项目]
在有关第16项目的光感测装置中，上述电信号也可以包含上述对象物内部的状态的信息。
[第18项目]
在有关第17项目的光感测装置中，也可以是，上述对象物是生物体；上述电信号包含上述生物体内部的血流的信息。
[第19项目]
在有关第17项目的光感测装置中，也可以是，上述对象物是人的额头；上述电信号包含脑血流的信息。
[第20项目]
在有关第1至第19项目的任一项的光感测装置中，上述电信号也可以包含从上述对象物到上述光检测器的距离的信息。
[第21项目]
在有关第20项目的光感测装置中，上述光检测器也可以是飞行时间(Time OfFlight，TOF)相机。
在本发明中，电路、单元、装置、部件或部的全部或一部分，或框图的功能块的全部或一部分，也可以由包括半导体装置、半导体集成电路(IC)，或LSI(1arge scaleintegration)的一个或多个电子电路执行。LSI或IC既可以集成到一个芯片上，也可以将多个芯片组合而构成。例如，存储元件以外的功能块也可以集成到一个芯片上。这里，称作LSI或IC，但根据集成的程度而叫法变化，也可以被称作系统LSI、VLSI(very large sealeintegration)或ULSI(ultra large scale integration)。也可以以相同的目的使用在LSI的制造后能够编程的现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，FPGA)，或能够进行LSI内部的接合关系的再结构或LSI内部的电路划分的设置的可重构逻辑器件(reconfigurable logic device)。
进而，电路、单元、装置、部件或部的全部或一部分的功能或操作也可以通过软件处理来执行。在此情况下，将软件记录到一个或多个ROM、光盘、硬盘驱动器等的非暂时性的记录介质中，当软件被处理装置(processor)执行时，由该软件确定的功能由处理装置(processor)及周边装置执行。系统或装置也可以具备记录有软件的一个或多个非暂时性的记录介质、处理装置(processor)及需要的硬件器件例如接口。
以下，更具体地说明本发明的实施方式。但是，有将所需以上详细的说明省略的情况。例如，有将已经周知的事项的详细说明及对实质上相同的结构的重复的说明省略的情况。这是为了避免以下的说明不必要地变得冗长，使本领域技术人员的理解变得容易。另外，发明者们是为了本领域技术人员充分地理解本发明而提供了附图及以下的说明，并不是要由它们限定权利要求书所记载的主题。在以下的说明中，对于相同或类似的构成要素赋予相同的标号。
以下，参照附图对实施方式进行说明。
(实施方式1)
首先，参照图1至图3C详细地说明本发明的实施方式1的激光装置。在图1至图3C所示的XYZ坐标中，X、Y及Z方向相互正交。
图1是用来说明本发明的实施方式1的激光装置6的结构、和用从激光装置6射出的光8照射了对象物5的情况下的状况的概略图。
实施方式1的激光装置6具备激光源1、扩散部件20和屏幕21。
激光源1例如可以是反复射出光脉冲的半导体激光器等。激光源1射出例如650nm以上且950nm以下的激光。该波长范围包含在从红色到近红外线的波长范围中。上述的波长范围被称作生物窗，已周知体内的吸收率较低。假设本实施方式的激光源1射出上述的波长范围的光而进行说明，但也可以使用其他波长范围的光。在本说明书中，不仅针对可视光，针对红外线也使用“光”这一用语。
在小于650nm的可视光区域中，基于血液中的血红蛋白的吸收较大，在超过950nm的波段中，基于水的吸收较大。另一方面，在650nm以上且950nm以下的波长范围内，血红蛋白及水的吸收系数比较低，血红蛋白及水的散射系数比较大。因而，该波长范围内的光在向体内侵入后，受到较强的散射而返回到体表面。因此，能够有效地取得体内的信息。所以，在本实施方式中，主要使用该波长范围内的光。
扩散部件20具有与从激光源1射出的光31的光路交叉的扩散面20s。扩散部件20通过使光折射或衍射，降低包括与光路交叉的激光的截面的中心的第1部分即中央部中的光31的强度，提高在该截面中将第1部分包围的作为激光的第2部分的周边部中的光31的强度。例如，在具有高斯分布的强度的光入射到扩散部件20中的情况下，该光被变换为近似地具有平坦的分布的强度的光，从扩散部件20射出。对于扩散部件20的结构的具体例在后面叙述。
屏幕21与透射了扩散部件20的光23的光路27交叉。在屏幕21的表面，通过光散射，能看到透射了屏幕21的光或被屏幕21反射的光的斑点。在本实施方式中，能够解释为该光的斑点是观感上的光源。在本说明书中，不具有将光的强度分布较大地变换的功能，将映照观感上的光源的部件称作“屏幕”。屏幕21使观感上的光源尺寸扩大。在没有屏幕21的情况下，观感上的光源尺寸是扩散面20s上的光24的束径f1。在有屏幕21的情况下，观感上的光源尺寸是屏幕21上的光25的束径f2。屏幕21上的光25的束径f2比扩散面20s上的光24的束径f1大。在本说明书中，有将屏幕21上的观感上的光源尺寸称作“激光装置6的光源尺寸”的情况。关于屏幕21的结构的具体例在后面叙述。
在图1所示的例子中，将从激光源1到扩散部件20的距离设为d1，将从扩散部件20到屏幕21的距离设为d2，将从屏幕21到对象物5的距离设为WD。作为射出光的光31、作为从扩散部件20射出的折射光或衍射光的光23以及作为照射光的光8都是光路上的朝向为Z方向的发散光。扩散部件20及屏幕21分别与光路27正交而与Y方向平行地配置。另外，图示了从扩散部件20射出的光23的光路与Z方向平行的例子。并不限于这样的结构，也可以从Z方向斜着设定光23的光路。在此情况下，也可以从Y方向倾斜而配置屏幕21，以使屏幕21与该光路垂直。
由透射了屏幕21的光8或由被屏幕21反射的光8照射对象物5。对象物的表面5s上的光26的束径f3比扩散面20s上的光的束径f1及屏幕21上的光的束径f2的哪个都大。即使不使距离WD那么大，也能够将对象物5以广角照明。光8进入对象物5内。光8中的一部分光成为被表面5s反射的未图示的直接反射光，其他光成为内部散射光9。
激光装置6还具备具有对置的第1表面及第2表面的光学部件28。在图1所示的例子中，扩散部件20及屏幕21一体地形成于光学部件28。这里，光学部件28具有透光性。光学部件28例如是玻璃或树脂的平面基板。扩散部件20配置在第1表面上，屏幕21配置在第2表面上。配置有扩散部件20及屏幕21的光学部件28以扩散部件20朝向激光源1侧的方式配置。通过在光学部件28将扩散部件20及屏幕21以对置的方式配置，能得到构造稳定的效果。此外，也可以通过由树脂的注射成形而将光学部件28、扩散部件20和屏幕21一体成形，用作一个光学零件。该一体成形在成本及对位方面是有利的。
本发明者们发现了以下的情况。作为发散光的从激光源1射出的光31向扩散部件20入射，成为作为从扩散部件20扩散而被射出的折射光或衍射光的光23。光23不被多重散射而向特定的方向直线前进。因此，不论在屏幕21的哪个位置观测光功率的时间分布，在光功率的时间分布中都没有时间上的偏差。此外，光功率的时间分布的形状与光31的光功率的时间分布的形状相同。即，在从激光源1射出了例如1至20ns左右的较短的光脉冲的情况下，可以认为激光源1的光脉冲的下降时间与屏幕21上的光脉冲25的下降时间相同。
屏幕21例如包括在屏幕21的表面上二维地交替配置的多个凹部及多个凸部，多个凹部各自的深度及多个凸部各自的高度也可以分别是2μm至30μm。此外，屏幕21也可以包括第1层及第2层，第1层的折射率与第2层的折射率不同。例如，也可以通过在第1层的表面上涂敷涂料而形成第2层。此外，屏幕21也可以包括在屏幕21的表面上二维地交替配置的多个第1部及多个第2部，多个第1部各自的折射率与多个第2部各自的折射率不同。在屏幕21中，优选的是不发生多重散射。例示的构造是不易发生多重散射的构造。在如上所述的具有被涂敷了涂料的表面的屏幕21、或根据位置而折射率不同的屏幕21中，本发明者们发现，在设部件的厚度为d，部件的等价散射系数为μs’，部件的散射系数为μs时，当满足1/μs≤d≤1/μs’时，不易发生多重散射。在用透射了这样的屏幕21的光8照射对象物5的情况下，可以认为对象物5的表面5s上的光脉冲的下降时间与激光源1的光脉冲的下降时间大致相同，多重散射的影响较小。因而，激光装置6能够应用于高S/N比的时间分解计测。
此外，观感上的光源尺寸从f1扩大至f2。由此，能够使等级1的AEL及MPE以扩大率(f2/f1)的平方的大小增加。
图2A及图2B分别是示意地表示本发明的实施方式1的激光装置6的扩散部件20的构造的平面图及剖视图。图2B所示的例子中的截面相当于图2A所示的例子中的IIB－IIB的截面。
扩散部件20配置在光学部件28的两个表面中的一方。扩散部件20具有将来自激光源1的作为射出光的光31进一步扩散的功能。如图1所示，扩散部件20将光31变换为作为折射光或衍射光的光23。光31具有最大射出角θ。从扩散部件20射出的光23具有比在没有扩散部件20的情况下入射到折射率n的光学部件28中的情况下的角度sin－1(sinθ/n)大的扩散角θ1。因此，θ1>sin－1(sinθ/n)成立。为了抑制光的损失而进行时间分解计测，优选的是扩散部件20中不使用混入微粒子的散射体。
在本实施方式的激光装置6中，扩散部件20在扩散面20s上具备透镜阵列32。透镜阵列32通过折射或衍射而使光扩散。透镜阵列32例如由未混入微粒子的透明的树脂形成。在图2A及图2B所示的例子中，表示了在X方向及Y方向的两方向上配置了4个透镜的4×4的折射型的透镜阵列32，但也可以是衍射型的透镜阵列。透镜的数量也可以匹配于规格而设定。也可以减小各透镜的尺寸，而增多透镜的数量。此外，作为透镜形状而表示了凸透镜，但也可以是凹透镜。也可以将凹透镜及凸透镜随机地配置而做成透镜阵列。
在透镜阵列32中，通过使各个透镜的中心34、各个透镜的膜厚分布及各个透镜边界35在XY平面内随机地离散，能得到使光8的衍射噪声减小的效果。在图2A所示的例子中，用某高度的等高线33表示膜厚分布。
从激光源1射出的光31具有高斯分布的光强度。具有高斯分布的光强度的光31透射透镜阵列32的各凸透镜，由此来自各凸透镜的多个光重合，形成整体上平坦的分布的光强度。
图3A是示意地表示本发明的实施方式1的激光装置6的扩散面20s上的光的形状的图，图3B是示意地表示激光装置6的扩散面20s上的光的光强度分布的图。图3C是示意地表示本发明的实施方式1的激光装置6的屏幕21上的光的形状的图，图3D是示意地表示激光装置6的屏幕21上的光的光强度分布的图。图3E是示意地表示本发明的实施方式1的对象物5的表面5s上的光的形状的图，图3F是示意地表示对象物5的表面5s上的光的光强度分布的图。
在作为激光源1而使用通常的半导体激光源的情况下，从激光源1射出的光31其射出角在X方向及Y方向上具有不同的高斯分布。因而，如图3A所示，扩散部件20上的光24的形状例如为在X方向上具有长轴的椭圆形状。C1表示椭圆形状的中心。如图3B所示，光24的最大光强度是P1。X方向及Y方向上的光24的1/e2的束径分别是f1x、f1y，例如，当d1＝4mm时，是f1x＝2mm，f1y＝1mm。将扩散部件20上的观感上的光源尺寸设为X方向及Y方向上的1/e2的束径的平均值。该观感上的光源尺寸为1.5mm。在本说明书中，有将该束径的平均值简单称作“束径”的情况。
通过作为扩散部件20而使用透镜阵列32，能够将高斯分布的光强度在屏幕21上变换为大致平坦的分布的光强度。X方向及Y方向的1/e2的束径几乎成为相同的f2x、f2y，例如f2x＝f2y＝10mm。如图3C所示，可以使屏幕21上的光25的形状与形成一个透镜的透镜边界35的形状相同。C2表示矩形形状的中心。
如图3D所示，最大光强度为P2，相比P1能够大幅地减小。观感上的光源的最大光强度较低时，在眼睛的安全性这一点上是优选的。这基于以下的理由。在激光入射到眼睛中的情况下，由于激光具有的相干性，所以在视网膜上发生光斑。由此，在视网膜上的一部分部位，光强度成为最大。如果该最大光强度过高，则视网膜有可能损伤。
因而，扩散部件20通过使从激光源1射出的光31折射或衍射，使光31的中央部的强度变低，使光31的周边部的强度变高。对于激光装置6希望的特性是，在作为观感上的光源的屏幕21上，能够使各个位置处的光强度成为最低，使总的光功率成为最大。屏幕21上的光25的光强度分布也可以是如图3D所示的平坦的分布。
为了减小激光装置6的Z方向上的尺寸，d1+d2优选的是较小。另一方面，作为观感上的光源尺寸的屏幕21上的光25的束径也可以是10mm以上。此外，也可以减小d1，扩散面20s上的光24的束径小于10mm。这是因为，如上述那样，当观感上的光源尺寸小于10mm时，能够使等级1的AEL及MPE与观感上的光源尺寸的平方成比例增加。为了使d2最小，屏幕21上的光的束径f也可以是10mm。
也可以使由扩散部件20得到的实质上的扩散角θ1－sin－1(sinθ/n)比由屏幕21得到的实质上的光的扩散角θ2－sin－1(nsinθ1)大。由此，能得到减小d2的效果。另外，由扩散部件20得到的实质上的扩散角，是指由扩散部件20将斜入射光以怎样的角度扩散的尺度。该实质上的扩散角相当于没有扩散部件20的情况与有扩散部件20的情况下的光线的角度的差分。由屏幕21得到的实质上的光的扩散角，是指由屏幕21将斜入射光以怎样的角度扩散的尺度。该实质上的扩散角相当于没有扩散部件20的情况与有扩散部件20的情况下的光线的角度的差分。
在本实施方式的激光装置6中，观感上的光源尺寸例如从f1＝1.5mm扩大至f2＝10mm。扩大率是f2/f1＝6.7倍。此时，能够使等级1的AEL及MPE增加到作为扩大率的平方的大小的44倍。
对象物5的表面5s上的光26是屏幕21上的光25被扩大后的光。因此，如图3E所示，X方向及Y方向上的1/e2的束径几乎成为相同的f3x、f3y，例如f3x＝f3y＝60mm。如图3F所示，光26的最大光强度P3比P2小，光26具有大致平坦的光强度分布。
也可以使从扩散部件20到屏幕21的距离d2比从激光源1的射出面到扩散部件20的距离d1大。由此，能够在将d1+d2保持为一定的同时，使观感上的光源尺寸的扩大率变大。
图3G是表示实际用红色的激光照射了具有凹凸的扩散部件20的情况下的扩散面20s上的光强度分布的图，图3H是表示实际用红色的激光照射了具有凹凸的扩散部件20的情况下的屏幕21上的光强度分布的图的一例。在图3G所示的例子中在扩散面20s呈现出束径较小、光强度较高的高斯分布。白色表示光强度较高。另一方面，在图3H所示的例子中，在屏幕21呈现出束径较大、光强度较低的平坦的分布。黑色表示光强度较低。如图3G及图3H所示，可知穿过了扩散部件20的光的束径被大幅地扩大，其强度分布也较低，成为大致平坦的分布。
在没有屏幕21的情况下，被检者直接视觉辨识到如图3G所示具有较高的光强度分布的光作为观感上的光源。因此，被检者可能感到晃眼，感觉到不适感。此外，从眼睛的安全性这一点上，并不希望直接视觉辨识到具有较高的光强度分布的光。另一方面，在有屏幕21的情况下，被检者能够安全地直接视觉辨识到如图3H所示具有较低的光强度分布的光作为观感上的光源。
接着，说明本发明的实施方式1的光感测装置。
图4是用来说明本发明的实施方式1的光感测装置17的结构和生物体计测的状况的概略图。图5是示意地表示本发明的实施方式1的光感测装置17的控制电路7及光检测器2的内部的结构和信号的流动的图。
实施方式1的光感测装置17具备上述的激光装置6、光检测器2和控制电路7。
控制电路7对激光装置6及光检测器2进行控制。激光源1根据来自控制电路7的指示，进行发光的开始及停止、以及发光功率的变更，大致能够产生任意的光脉冲。此外，控制电路7包括对从光检测器2输出的电信号15(以下，单称作“信号”)进行处理的信号处理电路36。电信号15包含内部状态的信息。信号处理电路36通过进行使用从光检测器2输出的多个信号的运算，生成对象物5的内部信息。
控制电路7可以是具有例如中央运算处理装置(CPU)等的处理器和存储器的集成电路。控制电路7通过执行例如记录在存储器中的程序，使激光装置6射出光，与其同步地使光检测器2检测光。本实施方式的光感测装置17具备控制电路7，但控制电路7也可以是光感测装置17的外部的要素。
光检测器2检测由与激光装置6分离的对象物5反射及/或散射的反射散射光11，输出电信号15。光检测器2具备产生与受光量对应的信号电荷的光电变换部3、积蓄信号电荷的积蓄部4和排出信号电荷的漏极12。光电变换部3例如可以包括光电二极管。由光电变换部3产生的信号电荷被积蓄到积蓄部4中，或经由漏极12被排出。该信号积蓄及排出的定时由控制电路7及光检测器2内的电路控制。在本说明书中，有将与该控制有关的光检测器2内的电路称作“电子快门”的情况。
本实施方式的对象物5是人的额头。通过向额头照射光并检测其散射光，能够取得脑血流的信息。“散射光”包括反射散射光和透射散射光。在以下的说明中，有将反射散射光简单称作“反射光”的情况。
在作为对象物5的额头的内部，从表面起依次存在头皮(厚度：约3至6mm)、头盖骨(厚度：约5至10mm)、脑脊髄液层(厚度：约2mm)及脑组织。括弧内的厚度的范围表示有个人差异。血管存在于头皮内及脑组织内。因而，将头皮内的血流称作头皮血流，将脑组织内的血流称作脑血流。在脑功能计测中，脑血流存在的部位是计测对象。
生物体是散射体。朝向对象物5射出的光8中的一部分光作为直接反射光10向光感测装置17返回。其他的光入射到对象物5的内部而被扩散，一部分被吸收。侵入到对象物5的内部的光成为包含有距表面的深度为10至18mm左右的范围中存在的血流即脑血流的信息的内部散射光9等。内部散射光9作为来自内部的反射散射光11而向光感测装置17返回。直接反射光10及反射散射光11被光检测器2检测到。
对从由激光装置6射出到到达光检测器2为止的时间而言，在直接反射光10的情况下相对较短，在来自内部的反射散射光11的情况下相对较长。其中，被要求以较高的S/N比检测的成分是具有脑血流的信息的来自内部的反射散射光11。
另外，在进行脑血流以外的生物体计测的情况下，也有不仅使用反射散射光、还使用透射散射光的情况。在取得脑血流以外的血液的信息的情况下，也可以将例如臂或腿等的额头以外的部位作为被检部。在以下的说明中，只要没有特别否定，就假设对象物5是额头。假设被检者是人，但也可以是人以外的具有皮肤、具有未生长毛的部分的动物。本说明书中的被检者的用语意味着这样的包括动物的普遍的被检体。
本发明者们为了将由光检测器2检测的直接反射光10及反射散射光11的光量进行定量化，作为对象物5而设想模拟了典型的日本人的头的模型，进行光脉冲响应的模拟。具体而言，在从激光装置6向例如距离15cm的对象物5射出光脉冲8的情况下，通过蒙特卡洛解析，计算由光检测器2检测出的光功率的时间分布即光脉冲响应。
图6A是表示作为射出光的单一光脉冲的时间分布的例子的图。该例中的光脉冲的波长λ是850nm，半值全宽是11ns。该单一光脉冲的形状是上升及下降时间为1ns的典型的梯形。在本说明书中，“上升时间”是指光功率从峰值的0％增加到100％为止的时间，将该期间称作“上升期间”。“下降时间”是指光功率从峰值(100％)减小到零(0％)为止的时间，将该期间称作“下降期间”。在图6A所示的例子中，假设在时间t＝0开始该单一光脉冲的射出，在t＝12ns完全停止。
光速c是30万km/s，由于从激光装置6到对象物5的距离是15cm，所以作为照射光的光8到达对象物5表面的时间为0.5ns。光8在对象物5表面上直接被反射，成为直接反射光10，到达光检测器2上的时间成为1ns。因而，在光检测器2上检测光的时间为1ns以后。
光感测装置17基于脑血流中包含的氧化血红蛋白浓度及脱氧化血红蛋白浓度的变化，计测来自对象物5的内部的反射散射光11的光量的变化量。在脑组织内，存在对应于脑血流的变化而吸收系数及散射系数变化的吸收体。在稳定状态下，能够将脑内模型化为均匀的脑组织，执行蒙特卡洛解析。在本说明书中，血流的变化是指血流的时间变化。
图6B是表示在稳定状态下检测到的全光功率(实线)、与脑血流的变化量对应的光功率的变化量(虚线)、以及调制度(单点划线)的时间分布的图。调制度是指将与脑血流的变化量对应的光功率的变化量除以在稳定状态下检测到的全光功率而得到的值。各图的纵轴在图6A中用线性显示来表示，在图6B中用对数显示来表示。
在光检测器2中检测到的全光功率中的与脑血流的变化量对应的光功率的变化量仅为2×10－5左右。
在光检测器2上，设光功率开始减少的时间为tbs，设光功率完全下降到噪声电平的时间为tbe。如图6B所示，可知在时间t是tbs以上tbe以下的光的下降期间13中，表示脑血流的变化的信号的比例变高。越是光的下降期间13的后半部分，光功率越减小，相应地噪声越增加。但是，调制度变大。tbs≤t≤tbe的下降期间13中的例如t＝13.5ns以后的光的功率是作为光脉冲的光8被检测到的全光功率的约1/100。在将到达下降期间13的光使用光检测器2的电子快门的功能进行时间分解计测的情况下，与脑血流的变化量对应的光功率的比例在t＝13.5ns以后增加到被检测的全光功率的7％。由此，能够充分地取得表示脑血流的变化的信号。如果不使用电子快门，则脑血流的变化量的比例是2×10－5左右。
因而，如果射出作为光脉冲的光8，由光检测器2接受来自对象物5的光脉冲的下降期间13中包含的反射散射光11的成分，并检测其光功率变化，则能够检测出表示脑血流的变化的信号。
使用上述脑血流的变化的计测原理，说明本实施方式的光感测装置17的光脉冲的射出及光检测。
在如本实施方式那样对象物5是人的情况下，为了眼睛的安全性而需要满足等级1的AEL及MPE。如上述说明，本实施方式的激光装置6能够使AEL及MPE增加。但是，在脑功能计测中，即便这样信号光的S/N比也不足的情况较多。因而，通常通过反复进行光脉冲射出和信号检测，实现S/N比的提高。
图7是示意地表示本发明的实施方式1的从激光装置6射出的光脉冲38的时间分布(上段)、光感测装置17的光检测器2检测到的光功率的时间分布(中段)和电子快门的定时及电荷积蓄(下段)的图。
在实施方式1的光感测装置17中，控制电路7使激光装置6以至少1个光脉冲38照射对象物5。控制电路7使光检测器2检测从对象物5返回来的至少1个反射光脉冲19的下降期间中包含的光的成分，输出表示检测到的光的量的电信号15。
如图7的上段所示，激光源1例如以周期Λ1依次射出光脉冲38。光脉冲38具有脉冲宽度T1及最大光功率值P1。设不存在光脉冲38的时间宽度为Tn(＝Λ1－T1)。
如图7的中段所示，与光脉冲38对应而由光检测器2检测到的反射光脉冲19的分布具有在下摆稍稍扩展的脉冲形状。这起因于因对象物5内的内部散射的影响而发生时间延迟。脉冲宽度Td1比T1稍宽。
光检测器2在反射光脉冲19中将下降期间13中包含的光的成分用光检测器2中的光电变换部3进行光电变换，由积蓄部4积蓄信号电荷18。
在本实施方式中，光脉冲38的脉冲宽度T1是11至22ns。光脉冲38能够以从55ns到110ns左右的时间周期Λ1，例如反复射出1000次至100万次左右。由此，构成1帧。通过将帧排列，能够构成运动图像。
在本实施方式的光感测装置17中，光检测器2具有切换是否积蓄信号电荷的电子快门和积蓄部4。电子快门是控制由光电变换部3生成的信号电荷的积蓄和排出的电路。
反射光脉冲19的下降期间13中包含的光的成分被光电变换部3进行光电变换。然后，通过来自控制电路7的控制信号16a，选择积蓄部4，即，将电子快门设为开(open)，以例如11至22ns的时间TS积蓄信号电荷18。在经过时间TS后，通过来自控制电路7的控制信号16c，选择漏极12，即，将电子快门设为闭(close)，将来自光电变换部3的电荷释放。
因而，在积蓄部4中，将与光脉冲38的反复脉冲序列对应地在反射光脉冲19的下降期间13中包含的光的成分的反复序列通过光电变换作为1帧的信号电荷18积蓄。在1帧结束后，将信号电荷18作为电信号15向控制电路7输出。电信号15包含脑血流的信息。
也可以在光脉冲38的射出后，在没有光射出的状态下，以相同的时间及相同的次数将电子快门设为open及close，来测定环境噪声。通过将环境噪声的值从信号值中分别减去，能够使信号的S/N比提高。
图5所示的光检测器2的结构相当于1个像素。由此，能够取得与对象物5内的平均化的血流有关的生物体信息。
此外，作为光检测器2，也可以使用按照每个像素具备光电变换部3、积蓄部4和切换在积蓄部4中是否积蓄信号电荷的电子快门的图像传感器。在此情况下，光检测器2是具有二维地排列的多个光检测单元的图像传感器。各个光检测单元将反射光脉冲19的下降期间中包含的光的成分作为信号电荷18积蓄。进而，各个光检测单元输出表示所积蓄的信号电荷的总量的电信号15。由此，能够取得与对象物5的血流有关的生物体信息作为包括多个帧的运动图像。
接着，参照图8A及图8B，说明脑血流的信息叠加于电信号15的情况。
图8A是表示存在于对象物5的内部的血流的变化的主视图。图8B是表示存在于对象物5的内部的血流的变化的从侧面看的剖视图。在图8A及图8B所示的例子中，示出了表示距表面为10至18mm左右的内部的血流的区域14a、14b。这里，内部的血流是脑血流。着眼于作为照射光的光8向对象物5入射、作为来自内部的内部散射光9而被光检测器2检测的光路。虽然也取决于血流分布，但内部散射光9被散射或吸收而经过区域14a、14b，再反复散射或吸收，作为来自内部的反射散射光11而从对象物5出来。
接着，说明表示对象物5的血流的变化的分布的取得方法。
首先，控制电路7使作为图像传感器的光检测器2输出以下的第1及第2图像信号。第1图像信号表示在第1期间积蓄在多个光检测单元中的信号电荷18的总量的二维分布。第2图像信号表示在比第1期间靠前的第2期间积蓄到多个光检测单元中的信号电荷18的总量的二维分布。
接着，信号处理电路36从光检测器2接受第1及第2电信号。然后，信号处理电路36生成表示第1图像信号所示的图像与第2图像信号所示的图像的差分的差分图像。
该差分图像相当于表示被检部60的脑血流的变化的分布。在本说明书中，差分图像为以第2图像信号为基准值，显示第1图像信号相对于该基准值的增减的图像。如果信号处理电路36仅接受1次第2图像信号，将第1图像信号按照每个1帧周期反复接受，则得到表示对象物5的血流的变化的分布的运动图像。
接着，说明将检测出的脑血流区域的尺寸改进为实际尺寸的方法。
图9A是示意地表示通过光脉冲的照射检测到的对象物的内部的血流的变化的图。图9B是示意地表示通过图像运算进行了图像修正的对象物5的内部的血流的变化的图。
信号处理电路36使用表示信号电荷18的量的电信号15，生成对象物5的内部的血流信息。电信号15包含对象物5的内部的血流信息。
在图9A所示的例子中，二维图像表示脑血流变化的区域14c的分布。脑血流变化的区域14c处于内部的脑血流散射而扩散的状态。所以，信号处理电路36通过扩散方程式或蒙特卡洛解析等，推测其散射状态并进行图像修正。由此，信号处理电路36生成如图9B所示的、表示脑血流变化的区域14d的分布的实际尺寸的二维图像。该二维图像是表示希望的脑血流的变化的图像。
接着，说明本发明的实施方式1的变形例的激光装置6。
图10是用来说明本发明的实施方式1的变形例的激光装置6的结构、和用从激光装置6射出的光8照射了对象物5的情况下的状况的概略图。
实施方式1的变形例的激光装置6中代替光学部件28而还具备具有对置的两个表面的光学部件28a和具有对置的两个表面的光学部件28b。在实施方式1的变形例的激光装置6中，扩散部件20及屏幕21不是配置在相同的光学部件上，而是分别配置在不同的光学部件28a、28b上。扩散部件20处于光学部件28a的两个表面中的一个表面上，屏幕21处于光学部件28b的两个表面中的一个表面上。光学部件28a的两个表面中的另一个表面与光学部件28b的两个表面中的另一个表面对置。在本说明书中，“两个表面对置”，也包括两个表面不平行的情况。这里，光学部件28a、28b具有透光性。光学部件28a、28b例如是玻璃或树脂的平面基板。
将扩散部件20及光学部件28a做成扩散构造体29，将屏幕21及光学部件28b做成屏幕构造体30。在较大的光学部件28a上，以与其相同的尺寸形成扩散部件20，以希望的尺寸切割出，由此能够制造扩散构造体29。扩散构造体29的尺寸与屏幕构造体30相比尺寸大幅地小。因而，能够降低扩散构造体29的成本。
此外，扩散部件20处于光学部件28a的两个表面中的激光源1侧的表面上，由此与处于其相反侧的表面上相比能够增大观感上的光源的扩大率。进而，屏幕21处于光学部件28b的两个表面中的与激光源1侧的表面相反侧的表面上，由此与处于激光源1侧的表面上相比能够增大观感上的光源的扩大率。
图11是用来说明本发明的实施方式1的其他变形例的激光装置6的结构和用从激光装置6射出的光8照射了对象物5的情况下的状况的概略图。
实施方式1的其他变形例的激光装置6还具备位于激光源1与扩散部件20之间的准直透镜22。在激光装置6中，来自激光源1的射出光31被准直透镜22变换为平行光后向扩散部件20入射。扩散部件20与平行光匹配而设计。因而，不需要匹配于作为从激光源1射出的光31的发散光而设计，使扩散部件20的设计简洁化。
图12是用来说明本发明的实施方式1的再另一变形例的激光装置6的结构、和用从激光装置6射出的光8照射了对象物5的情况下的状况的概略图。
在实施方式1的再另一变形例的激光装置6中，配置有屏幕21的屏幕构造体30相对于从扩散部件20射出的作为折射光或衍射光的光23的光路例如配置在斜45°的位置。扩散部件20处于光学部件28a的两个表面中的一个表面上，屏幕21处于光学部件28b的两个表面中的一个表面上。光学部件28a的两个表面中的另一个与屏幕21的表面对置。光学部件28a的两个表面中的另一个相对于屏幕21的表面倾斜。这里，光学部件28a具有透光性，光学部件28b具有反射性。光学部件28a例如是玻璃或树脂的平面基板。光学部件28b例如是金属的平面基板。作为金属，例如也可以使用铝。
向Y方向射出的光31被屏幕21反射，向Z方向弯折。对象物5被向Z方向弯折的光照射。通过这样的折回光学系统，能够使激光装置6的Z方向尺寸变小。
(实施方式2)
接着，参照图13至图15，以与上述实施方式1的光感测装置不同的点为中心说明本发明的实施方式2的光感测装置。
图13是用来说明本发明的实施方式2的激光装置6的结构、和用从激光装置6射出的光8照射了对象物5的情况下的状况的概略图。图14是示意地表示本发明的实施方式2的光感测装置17的控制电路7及光检测器2的内部的结构和信号的流动的图。图15是示意地表示本发明的实施方式2的从激光装置6射出的光脉冲的时间分布(上段)、光感测装置17的光检测器2检测出的光功率的时间分布(中段)、和电子快门的定时及电荷积蓄(下段)的图。
实施方式2的激光装置6与实施方式1的激光装置6不同的点是，激光源1是射出至少两个波长的光的多波长光源，按照每个波长依次射出光脉冲。实施方式2的光感测装置17与实施方式1的光感测装置17不同的点是，实施方式2的光感测装置17具备具有多波长光源的实施方式2的激光装置6。其他结构与实施方式1的光感测装置相同。
激光源1例如具备在Y方向上排列的多个发光元件1a、1b。发光元件1a射出第1波段的激光，发光元件1b射出与第1波段不同的第2波段的激光。发光元件1a、1b例如是激光芯片。
氧化血红蛋白及脱氧化血红蛋白的吸收率例如在λ1＝750nm及λ2＝850nm的波长中不同。因此，通过运算使用这两个波长分别得到的两个电信号，能够测定对象物5中的氧化血红蛋白及脱氧化血红蛋白的比例。
当对象物5是生物体的头部的额头区域时，能够测定前头叶的脑血流的变化量或氧化血红蛋白浓度及脱氧化血红蛋白浓度的变化量等。由此，能够进行感情等的信息的感测。例如，在集中状态下，发生脑血流量的增加及氧化血红蛋白量的增加等。
能够进行各种各样的波长的组合。在波长为805nm下，氧化血红蛋白及脱氧化血红蛋白的吸收量相等。因而，如果也考虑上述的生物窗，则例如也可以是650nm以上且小于805nm的波长与超过805nm且950nm以下的波长的组合。进而，也可以除了该两个波长以外，还使用805nm的波长的3个波长。在使用3个波长的光的情况下，需要3个激光芯片，但由于也能得到第3个波长的信息，所以通过利用该信息，运算能够变得容易。
本实施方式的光感测装置17的光检测器2具备切换是否积蓄信号电荷的电子快门和两个积蓄部4a、4b。从发光元件1a射出波长λ1的光脉冲38a。与光脉冲38a对应地、返回到光检测器2的反射光脉冲19a的下降期间13中包含的反射散射光11的成分被光电变换部3进行光电变换。然后，根据来自控制电路7的控制信号16a、16b、16c选择积蓄部4a，例如以11至22ns的时间TS1将第1信号电荷18a积蓄。在经过时间TS1后，通过来自控制电路7的控制信号16a、16b、16c，选择漏极12，将来自光电变换部3的电荷释放。
然后，将发光元件1a改变为发光元件1b，同样射出波长λ2的光脉冲38b。与光脉冲38b对应地，返回到光检测器2的反射光脉冲19b的下降期间13中包含的反射散射光11的成分被光电变换部3进行光电变换。然后，根据来自控制电路7的控制信号16a、16b、16c选择积蓄部4b，例如以11至22ns的时间TS2将第2信号电荷18b积蓄。在经过时间TS2后，通过来自控制电路7的控制信号16a、16b、16c，选择漏极12，将来自光电变换部3的电荷释放。将这些光脉冲38a、38b依次反复照射，分别作为1帧量的第1信号电荷18a、第2信号电荷18b积蓄。在1帧结束后，将第1信号电荷18a作为第1电信号15a、将第2信号电荷18b作为第2电信号15b而向控制电路7输出。
根据所取得的两个图像信息，作为表示脑血流的变化的图像，能够生成氧化血红蛋白及脱氧化血红蛋白的两个二维浓度分布的图像。
在本实施方式中，也能够提供能够使等级1的MPE及AEL增加并且射出能够应用于时间分解计测的光的激光装置6、以及使用它的能够改善S/N比的光感测装置17。
在实施方式1、2的光感测装置17中，说明了对象物5的信息是脑血流的情况。对象物5的信息例如也可以是从对象物到光检测器的距离的信息。在此情况下，电信号15包含距离的信号。实施方式1、2的光感测装置17也可以构成为能够在确保安全性的同时使照射功率增加的TOF(Time Of Flight)相机。
以上，说明了实施方式1、2的激光装置6及使用它的光感测装置17，但本发明并不限定于这些实施方式。
实施方式1、2的激光装置、使用该激光装置的光感测装置及组合了该光感测装置的结构的激光装置也包含在本发明中，能够起到同样的效果。
产业上的可利用性
本发明能够用于非接触地计测生物体或食物的用途、例如生物体医疗感测或新鲜度感测。
标号说明
1 激光源
2 光检测器
3 光电变换部
4 积蓄部
5 对象物
5s 表面
6 激光装置
7 控制电路
8、23、24、25、26、31 光
9 内部散射光
10 直接反射光
11 反射散射光
12 漏极
13 下降期间
14a、14b、14c、14d 区域
15 电信号
16a、16b、16c 控制信号
17 光感测装置
18 信号电荷
19 反射光脉冲
20 扩散部件
20s 扩散面
21 屏幕
22 准直透镜
27 光路
28、28a、28b 光学部件
29 扩散构造体
30 屏幕构造体
32 透镜阵列
33 等高线
34 中心
35 透镜边界
36 信号处理电路

Claims (21)

1.一种光感测装置，其特征在于，
具备激光装置、光检测器和对上述激光装置及上述光检测器进行控制的控制电路；
上述激光装置包括：
光源，射出激光；
扩散部件，具有与上述激光的光路交叉的扩散面，通过使上述激光折射或衍射，降低包括与上述光路交叉的上述激光的截面的中心的第1部分中的上述激光的强度，提高在上述截面中包围上述第1部分的上述激光的第2部分中的上述激光的强度，并且扩大上述激光的束径；以及
屏幕，与透射上述扩散部件后的上述激光的光路交叉；
上述激光装置用透射了上述屏幕的上述激光或被上述屏幕反射的上述激光照射对象物；
上述光检测器检测从上述对象物返回来的上述激光的至少一部分，输出电信号；
上述控制电路使上述激光装置用上述激光的至少1个光脉冲照射上述对象物；
上述控制电路使上述光检测器进行从上述对象物返回来的上述激光的至少1个反射光脉冲的时间分解计测。
2.如权利要求1所述的光感测装置，其特征在于，
上述扩散面上的上述激光的束径小于10mm。
3.如权利要求1或2所述的光感测装置，其特征在于，
上述屏幕上的上述激光的束径是10mm以上。
4.如权利要求1～3中任一项所述的光感测装置，其特征在于，
上述对象物的表面上的上述激光的束径比上述屏幕上的上述激光的束径大。
5.如权利要求1～4中任一项所述的光感测装置，其特征在于，
上述扩散部件在上述扩散面还包括透镜阵列。
6.如权利要求1～5中任一项所述的光感测装置，其特征在于，
上述扩散部件构成为，当上述激光透射上述扩散部件时，上述激光以第1扩散角扩散；
上述屏幕构成为，当上述激光透射上述屏幕或被上述屏幕反射时，上述激光以第2扩散角扩散；
上述第1扩散角比上述第2扩散角大。
7.如权利要求1～6中任一项所述的光感测装置，其特征在于，
上述屏幕包括在上述屏幕的表面上二维地交替配置的多个凹部及多个凸部；
上述多个凹部各自的深度及上述多个凸部各自的高度分别是2μm至30μm。
8.如权利要求1～6中任一项所述的光感测装置，其特征在于，
上述屏幕包括第1层及第2层；
上述第1层的折射率与上述第2层的折射率不同。
9.如权利要求1～6中任一项所述的光感测装置，其特征在于，
上述屏幕包括在上述屏幕的表面上二维地交替配置的多个第1部及多个第2部；
上述多个第1部各自的折射率与上述多个第2部各自的折射率不同。
10.如权利要求1～9中任一项所述的光感测装置，其特征在于，
当设上述屏幕的厚度为d，
设上述屏幕的等价散射系数为μs’，
设上述屏幕的散射系数为μs时，
满足1/μs≤d≤1/μs’。
11.如权利要求1～10中任一项所述的光感测装置，其特征在于，
从上述扩散部件到上述屏幕的距离比从上述光源到上述扩散部件的距离长。
12.如权利要求1～11中任一项所述的光感测装置，其特征在于，
还具备光学部件，该光学部件配置在上述扩散部件与上述屏幕之间，具有第1表面及与上述第1表面相反侧的第2表面；
上述扩散部件配置在上述第1表面上；
上述屏幕配置在上述第2表面上。
13.如权利要求1～11中任一项所述的光感测装置，其特征在于，
还具备：
第1光学部件，具有第1表面及与上述第1表面相反侧的第2表面；以及
第2光学部件，具有第3表面及与上述第3表面相反侧的第4表面；
上述第1光学部件及上述第2光学部件都配置在上述扩散部件与上述屏幕之间；
上述扩散部件配置在上述第1表面上；
上述屏幕配置在上述第4表面上；
上述第2表面与上述第3表面相对。
14.如权利要求1～11中任一项所述的光感测装置，其特征在于，
还具备：
第1光学部件，具有第1表面及与上述第1表面相反侧的第2表面；以及
第2光学部件，具有第3表面及与上述第3表面相反侧的第4表面；
上述第1光学部件配置在上述扩散部件与上述屏幕之间；
上述扩散部件配置在上述第1表面上；
上述屏幕配置在上述第3表面上；
上述第2表面与上述屏幕的表面相对；
上述第2表面相对于上述屏幕的表面倾斜；
上述激光装置用被上述屏幕的表面反射的上述激光照射上述对象物。
15.如权利要求1～14中任一项所述的光感测装置，其特征在于，
还具备位于上述光源与上述扩散部件之间的准直透镜。
16.如权利要求1～15中任一项所述的光感测装置，其特征在于，
上述控制电路使上述光检测器检测上述至少1个反射光脉冲的下降期间中包含的光的成分，输出表示上述成分的量的电信号；
上述下降期间是从上述至少1个反射光脉冲的强度开始下降到结束下降为止的期间。
17.如权利要求16所述的光感测装置，其特征在于，
上述电信号包含上述对象物内部的状态的信息。
18.如权利要求17所述的光感测装置，其特征在于，
上述对象物是生物体；
上述电信号包含上述生物体内部的血流的信息。
19.如权利要求17所述的光感测装置，其特征在于，
上述对象物是人的额头；
上述电信号包含脑血流的信息。
20.如权利要求1～19中任一项所述的光感测装置，其特征在于，
上述电信号包含从上述对象物到上述光检测器的距离的信息。
21.如权利要求20所述的光感测装置，其特征在于，
上述光检测器是飞行时间相机。
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