JP2009047429A - Light measuring device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光測定装置に関する。 The present invention relates to an optical measurement device.
例えば、生体透過性の高い800nm近傍の近赤外光を被計測物である頭部に照射し、頭部の約20mm程度の深部に位置する大脳皮質等の灰白質や白質などで散乱された光を、照射位置から頭部表面に沿って位置をずらして受光し、その得られた光の強度により、血液量(ヘモグロビン濃度)に関する情報を取得する光トポグラフィ法が知られている(例えば、特許文献1参照)。この光トポグラフィ法では、頭部内の血流量の変化を示すマップを作成することができる。 For example, near-infrared light near 800 nm with high biological permeability was irradiated to the head to be measured, and was scattered by gray matter or white matter such as cerebral cortex located about 20 mm deep in the head. An optical topography method is known in which light is received by shifting the position from the irradiation position along the head surface, and information on the blood volume (hemoglobin concentration) is obtained from the intensity of the obtained light (for example, Patent Document 1). In this optical topography method, a map showing a change in blood flow in the head can be created.
しかし、一般的な光トポグラフィ法を採用した測定装置では、検出された散乱光が伝搬した距離や、被計測物内の散乱光の光路の深度が不明確である。 However, in a measuring apparatus employing a general optical topography method, the distance that the detected scattered light has propagated and the depth of the optical path of the scattered light in the measurement object are unclear.
また、例えば、ピコ秒パルスレーザー装置から出射された短パルスレーザーを被計測物に照射し、その被計測物からの散乱光を高速光検出器などで受光して、時間分解計測を行うことにより光路長を特定する測定装置が知られている(例えば、非特許文献1)。
しかし、上記時間分解計測を行うことにより光路長を特定する測定装置では、比較的高価なピコ秒パルスレーザー装置や高速光検出器を要し、それらを比較的高精度に構成することを要する。 However, the measurement apparatus that specifies the optical path length by performing the time-resolved measurement requires a relatively expensive picosecond pulse laser apparatus and a high-speed photodetector, and it is necessary to configure them with relatively high accuracy.
本発明は、このような問題に対処することを課題の一例とするものである。すなわち、比較的簡単な構成で、比較的高精度に光路長や被計測物内の散乱光の光路の深度を特定した光計測を行うことができる光測定装置を提供すること、比較的安価な光測定装置を提供すること、等が本発明の目的である。 This invention makes it an example of a subject to cope with such a problem. In other words, it is possible to provide a light measurement device capable of performing optical measurement with a relatively simple configuration and with relatively high accuracy specifying the optical path length and the optical path depth of the scattered light in the object to be measured. It is an object of the present invention to provide a light measuring device and the like.
このような目的を達成するために、本発明は、以下の各独立請求項に係る構成を少なくとも具備するものである。
本発明に係る光測定装置は、低コヒーレンス光を出射する低コヒーレンス光源と、前記低コヒーレンス光源から出射された低コヒーレンス光を参照光と照射光に分離する分波部と、前記参照光の光路長を可変する光制御部と、前記照射光を被計測物に照射する第1の光学系と、前記被計測物の深部からの散乱光を、前記第1の光学系による前記被計測物への前記照射光の照射位置と異なる位置から集光して導波する第2の光学系と、前記第2の光学系により導波された光と前記参照光とを合波する合波部と、前記合波部により合波された光の強度を検出する光検出部とを有することを特徴とする。
In order to achieve such an object, the present invention comprises at least the configurations according to the following independent claims.
An optical measurement device according to the present invention includes a low-coherence light source that emits low-coherence light, a demultiplexing unit that separates the low-coherence light emitted from the low-coherence light source into reference light and irradiation light, and an optical path of the reference light A light control unit that varies the length, a first optical system that irradiates the object to be measured with the irradiation light, and scattered light from a deep part of the object to be measured to the object to be measured by the first optical system. A second optical system that collects and guides light from a position different from the irradiation position of the irradiation light, and a combining unit that combines the light guided by the second optical system and the reference light And a light detection unit for detecting the intensity of the light combined by the multiplexing unit.
好適には、前記光測定装置は、前記参照光の光路長と、前記光検出部により検出された光の強度とに基づいて、前記被計測物の深部に関する情報を取得する情報処理部を有する。 Preferably, the light measurement device includes an information processing unit that acquires information on a deep portion of the measurement object based on the optical path length of the reference light and the intensity of light detected by the light detection unit. .
上記構成の光測定装置では、第1の光学系により被計測物に照射光が照射され、第2の光学系により被計測物の深部からの散乱光を、第1の光学系による被計測物への照射光の照射位置と異なる位置から導波する。そして、光測定装置の合波部が、第2の光学系により導波された光と参照光とを合波し、光検出部により合波部により合波された光の強度を検出する。そして、情報処理部が、参照光の光路長と、光検出部により検出された光の強度とに基づいて、被計測物の深部に関する情報を取得する。 In the light measurement device having the above configuration, the object to be measured is irradiated by the first optical system, and the scattered light from the deep part of the object to be measured is converted to the object to be measured by the first optical system by the second optical system. The light is guided from a position different from the irradiation position of the irradiation light. Then, the multiplexing unit of the light measurement device combines the light guided by the second optical system and the reference light, and detects the intensity of the light combined by the multiplexing unit by the light detection unit. Then, the information processing unit acquires information on the deep part of the measurement object based on the optical path length of the reference light and the intensity of the light detected by the light detection unit.
本発明の一実施形態に係る光測定装置は、低コヒーレンス光を出射する低コヒーレンス光源と、低コヒーレンス光源から出射された低コヒーレンス光を参照光と照射光に分離する分波部と、参照光の光路長を可変する光制御部と、照射光を被計測物に照射する第1の光学系と、被計測物の深部からの散乱光を、第1の光学系による被計測物への照射光の照射位置と異なる位置から集光して導波する第2の光学系と、第2の光学系により導波された光と参照光とを合波する合波部と、合波部により合波された光の強度を検出する光検出部と、参照光の光路長と、光検出部により検出された光の強度とに基づいて、被計測物の深部に関する情報を取得する情報処理部を有する。 An optical measurement device according to an embodiment of the present invention includes a low-coherence light source that emits low-coherence light, a demultiplexing unit that separates low-coherence light emitted from the low-coherence light source into reference light and irradiation light, and reference light A light control unit that varies the optical path length of the light source, a first optical system that irradiates the object to be measured with irradiation light, and irradiation of the scattered light from the deep part of the object to be measured to the object to be measured by the first optical system. A second optical system that condenses and guides light from a position different from the irradiation position of the light, a combining unit that combines the light guided by the second optical system and the reference light, and a combining unit A light detection unit that detects the intensity of the combined light, an information processing unit that acquires information about the depth of the object to be measured based on the optical path length of the reference light and the light intensity detected by the light detection unit Have
上記構成の光測定装置では、第1の光学系により被計測物に照射光が入射され、第2の光学系により、被計測物の深部からの散乱光を、第1の光学系による被計測物への照射光の入射位置と異なる位置から導波する。そして、光測定装置の合波部が、第2の光学系により導波された光と参照光とを合波し、光検出部により合波部により合波された光の強度を検出し、光制御部により参照光の光路長を変化させて、情報処理部が、参照光の光路長と、照射光の光路長と、光検出部により検出された光の強度とに基づいて、被計測物の深部に関する情報を取得する。
また、被計測物としては、例えば生体、水分が比較的多い物質、光散乱体を内在する物質などを挙げることができる。
In the light measuring apparatus having the above configuration, the irradiation light is incident on the object to be measured by the first optical system, and the scattered light from the deep part of the object to be measured is measured by the first optical system by the second optical system. The light is guided from a position different from the incident position of the irradiation light to the object. Then, the multiplexing unit of the light measurement device combines the light guided by the second optical system and the reference light, detects the intensity of the light combined by the multiplexing unit by the light detection unit, The light control unit changes the optical path length of the reference light, and the information processing unit measures based on the optical path length of the reference light, the optical path length of the irradiation light, and the light intensity detected by the light detection unit. Get information about the depth of an object.
Examples of the measurement object include a living body, a substance having a relatively high water content, a substance containing a light scatterer, and the like.
以下、本発明の一実施形態に係る光測定装置を、図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, an optical measurement device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
[第1実施形態]
図1は、本発明の第1実施形態に係る光測定装置1の構成図である。図2は、被計測物9の深部の散乱光の光路を説明するための図である。
[First Embodiment]
FIG. 1 is a configuration diagram of a
本発明の第1実施形態に係る光測定装置1は、低コヒーレンス光源2と干渉計を有する。本実施形態では、マイケルソン型干渉計を採用する。詳細には、図1に示すように、光測定装置1は、低コヒーレンス光源2、分波部3、光制御部4、第1の光学系51、第2の光学系52、合波部6、光検出部7、制御部8、および表示部85を有する。
The
低コヒーレンス光源2は、コヒーレンス長の比較的短い光、いわゆる低コヒーレンス光を出射する。本実施形態に係る低コヒーレンス光源2は、例えば、波長が1347nm、コヒーレンス長が16μm程度である。本実施形態では、低コヒーレンス光源2から出力された低コヒーレンス光は、例えば参照光と照射光に分波されたのち再び合波された場合、分波された位置から合波された位置までの参照光の光路と、分波された位置から合波された位置までの照射光の光路の差が、コヒーレンス長に相当する約16μm程度の短い距離範囲内のときに干渉した光として検出され、それより光路差が大きいときに干渉しない特性を有する。
低コヒーレンス光源2としては、例えば、LED(Light Emitting Diode)やSLD(Super Luminescent Diode)等の低コヒーレンス光を放射する発光装置を採用することができる。
The low coherence light source 2 emits light having a relatively short coherence length, that is, so-called low coherence light. The low coherence light source 2 according to the present embodiment has, for example, a wavelength of 1347 nm and a coherence length of about 16 μm. In the present embodiment, when the low coherence light output from the low coherence light source 2 is demultiplexed into, for example, reference light and irradiation light, and then recombined, the low coherence light from the demultiplexed position to the combined position is obtained. The difference between the optical path of the reference light and the optical path of the irradiation light from the demultiplexed position to the combined position is detected as interfering light when it is within a short distance range of about 16 μm corresponding to the coherence length, It has a characteristic that it does not interfere when the optical path difference is larger than that.
As the low-coherence light source 2, for example, a light-emitting device that emits low-coherence light such as an LED (Light Emitting Diode) or an SLD (Super Luminescent Diode) can be used.
レンズ201は、低コヒーレンス光源2と分波部3の間に配置され、低コヒーレンス光源2から出力された光を平行光に変換して分波部3に出力する。
The
分波部3は、低コヒーレンス光源2からレンズ201を介して出力された低コヒーレンス光を、光制御部4に向かう参照光と、被計測物9に照射される照射光に分離する(パワー分岐)。本実施形態に係る分波部3は、ビームスプリッター301を有する。ビームスプリッター301は、図1に示すように、低コヒーレンス光源2から入射された低コヒーレンス光に対して直角方向に配置された光制御部4に向かう参照光と、照射光に分波する。ビームスプリッターとしては、例えばハーフミラーを採用することができる。
The
光制御部4は、参照光の光路長を可変する。詳細には、光制御部4は、参照光の光路長を規定する。
The
本実施形態では、図1に示すように、光制御部4は、分波部3からの参照光の光路長を変化させて、その参照光を合波部6に出力する。具体的には、光制御部4は、図1に示すように、可動ミラー(ミラー)41、および駆動部42を有する。
ミラー41は、分波部3からの参照光を反射して合波部6に入射させる。本実施形態に係るミラー41は、ビームスプリッター301からの参照光を反射して、ビームスプリッター301を介して、合波部6に出力する。
駆動部42は、例えば制御部8から出力された制御信号を受けて、その制御信号を基に、ミラー41を規定の速度で光軸に沿って移動させる。駆動部42は、例えば、駆動モータ、圧電素子、等の駆動装置により構成される。
駆動部42は、例えば、制御部8から出力された三角波、のこぎり波などの制御信号を受けて、その制御信号の信号レベルに応じてミラー41を光軸に沿って平行移動させる。
In the present embodiment, as shown in FIG. 1, the
The
For example, the
For example, the
上述した構成の光制御部4では、ミラー41がビームスプリッター301に対して規定速度で光軸に沿って移動するので、光のドップラー効果により、参照光の周波数がシフトする。この周波数がシフトした参照光と、照射光が被計測物に入射したのち散乱された光とを合波して、光検出部7で受光すると、光検出部7では、周波数の差に応じたビートを有する干渉信号が得られる。このように干渉信号を生成することにより、S/N比を上げて、被計測物9の深部での散乱光による信号の検出感度を上げている。
In the
また、光制御部4は、上述した実施形態に限られるものではない。例えば、光制御部4は、ピエゾ素子、光ファイバーなどを用いて、分波部3からの参照光の光路長を変化させて、その参照光を合波部6に出力してもよい。
The
第1の光学系51は、分波部3から出力された照射光を被計測物9に入射する。本実施形態に係る第1の光学系51は、図1に示すように、光学レンズ511を有する。光学レンズ511は、ビームスプリッター301と被計測物9の間に配置され、ビームスプリッター301から出力された照射光を、被計測物9の規定位置(入射位置)に照射する。
第1の光学系51は、上述した実施形態に限られるものではない。例えば、分波部3から出力された参照光を、例えば光ファイバー等の導光路を介して、被計測物9の規定位置に照射してもよい。
The first
The first
図2に示すように、第1の光学系51により照射光が被計測物9の照射位置(入射位置ともいう)9Aに照射されると、被計測物9の内部でその構造に応じて光の散乱または反射が生じる。被計測物9の深部にて散乱された光のうち、例えば入射光の光軸方向に沿って散乱された光は、光学レンズ511、およびビームスプリッター301を介して合波部6に入力される。
As shown in FIG. 2, when the irradiation light is irradiated onto the irradiation position (also referred to as an incident position) 9 </ b> A of the object 9 to be measured by the first
第2の光学系52は、被計測物9の深部からの散乱光を、第1の光学系による被計測物9への照射光の入射位置(位置9A)と異なる位置9Bからレンズ521を介して集光して導波し、合波部6に出力する。
詳細には、第2の光学系52は、図1,2に示すように、第1の光学系による被計測物9への照射光の入射位置(位置9A)に対して、被計測物9の表面に沿って規定距離(例えば30mm程度)だけ離れた位置9Bから集光して導波し、合波部6に出力する。
The second
Specifically, as shown in FIGS. 1 and 2, the second
合波部6は、第2の光学系52により導波された光と、光制御部4からの参照光とを合波して光検出部7に出力する。
本実施形態に係る合波部6は、図1に示すように、ビームスプリッター601を有する。詳細には、図1に示すように、ビームスプリッター601は、光制御部4からの参照光の光軸と、第2の光学系52の光の光軸の交差する位置に配置されている。ビームスプリッター601は、光制御部4からの参照光と、第2の光学系52からの光とを合波して光検出部7に出力する。
The combining
The
また、本実施形態に係るビームスプリッター601は、光制御部4からビームスプリッター301を介して入力された参照光と、第2の光学系52からの光とを合波して光検出部7に出力する。また、光測定装置1は、第1の光学系51により集光された散乱光が、ビームスプリッター301を介して、ビームスプリッター601に入力されたのち光検出部7に出力される構造を有する。上記構成により光測定装置1の設置スペースが比較的小さい。
In addition, the
光検出部7は、合波部6により合波された光の強度を検出する。詳細には、光検出部7は、入力された光の強度に応じたレベルの電気信号を出力する。光検出部7としては、例えば、フォトダイオード、光電子増倍管、等の光検出装置を採用することができる。また、光検出部7は、検出した信号を制御部8に出力する。
The light detection unit 7 detects the intensity of the light combined by the combining
制御部8は、光測定装置1の各構成要素を統括的に制御して、本発明に係る機能を実現する。制御部8は、一般的なコンピュータの構成要素を有し、例えば、CPU(Central Processing Unit)、記憶部、キーボードやマウス等の操作入力装置、表示部85等を備える。制御部8は、例えば、記憶部に記憶されているプログラムを実行することにより、本発明に係る機能を実現する。また、制御部8は、本発明に係る被計測物の深部に関する情報を示す画像を表示部85に表示する処理を行う。
The
図1に示すように、本実施形態に係る制御部8は、情報処理部81、および駆動系制御部82等を有する。
情報処理部81は、参照光の光路長と、光検出部7により検出された光の強度に基づいて、被計測物9の深部に関する情報を取得する。より具体的には、制御部8は、ミラー41の位置の情報と、光検出部7にて検出された光の強度に基づいて、被計測物9の深部に関する情報を取得する。
As shown in FIG. 1, the
The
次に、情報処理部81の機能の一具体例を説明する。
本実施形態に係る光測定装置1では、低コヒーレンス光により計測を行っているので、分波部3から合波部6までの参照光の光路長が規定されると、分波部3から合波部6までの照射光の光路長が規定される。分波部3から合波部6までの照射光の光路長は、図1,2に示すように、ビームスプリッター301から光測定装置1の被計測物9表面の入射位置9Aまでの光路長、被計測物9内部の散乱光の光路長、および被計測物9の表面の集光位置9Bからビームスプリッター601までの光路長を加算した距離である。
Next, a specific example of the function of the
In the
また、ビームスプリッター301から光測定装置1の被計測物9表面の入射位置9Aまでの光路長、および被計測物9の表面の位置9Bからビームスプリッター601までの光路長は、例えば光測定装置1の光学的な構成要素の位置により規定されているので、参照光の光路長から、これらの光路長を引算すると、被計測物9内の散乱光の光路長を算出することができる。
また、上述したように、被計測物9の内部の散乱光の光路を、図2に示すように、略半円弧状の光路と仮定すると、被計測物9内部の散乱光の光路の深度(深さ)を算出することができる。
Further, the optical path length from the
Further, as described above, assuming that the optical path of the scattered light inside the object to be measured 9 is a substantially semicircular arc optical path as shown in FIG. 2, the depth of the optical path of the scattered light inside the object to be measured 9 ( Depth) can be calculated.
また、制御部8は、ミラー41を移動駆動することにより、分波部3から合波部6までの参照光の光路長を、所定の光路長に規定することができるので、被計測物9内の散乱光の所望の光路を特定することができる。また、制御部8は、被計測物9中の所望の光路を通った散乱光の強度を検出することができる。
Further, since the
また、制御部8は、例えば、ミラー41の位置と、参照光の光路長、および被計測物9内の散乱光の光路長、被計測物9内の散乱光の光路の平均深度(深さ)などを関連付けたテーブルを予め記憶部に記憶しておき、制御部8は、計測時に、そのテーブルと、ミラー41の位置、駆動信号などにより、被計測物9内の散乱光の光路の光路長や、光路の平均深度などを特定するとともに、被計測物9中の所望の光路を通った散乱光の強度を検出してもよい。
Further, the
また、上述した実施形態では、被計測物9の散乱光の光路は、例えば図2に示すように略半円弧状としたが、この形態に限られるものではない。
例えば、被計測物9内部の散乱光の光路やその光路の深度などの情報は、モンテカルロ法などのコンピュータシミュレーションにより算出された結果を用いてもよいし、短パルスレーザー光を被計測物9に照射して、その被計測物からの散乱光を高速光検出器などで受光して時間分解計測を行うことにより得られた結果を用いてもよい。
In the embodiment described above, the optical path of the scattered light of the object 9 to be measured has a substantially semicircular arc shape as shown in FIG. 2, for example, but is not limited to this form.
For example, information such as the optical path of scattered light inside the object to be measured 9 and the depth of the optical path may be a result calculated by computer simulation such as the Monte Carlo method, or a short pulse laser beam may be applied to the object 9 to be measured. A result obtained by performing time-resolved measurement by irradiating and receiving scattered light from the object to be measured by a high-speed photodetector or the like may be used.
駆動系制御部82は、例えば、光制御部4の駆動部42に制御信号を出力して、ミラー41を移動制御する。本実施形態では、制御部8は、ミラー41を移動させて光路長を変化させながら、光計測を行う。
制御部8は、この制御信号によってミラー41の位置に関する情報を取得してもよいし、ミラー41の位置検出を行うセンサ(不図示)によりミラー41の位置に関する情報を取得してもよい。
For example, the drive
The
また、第2の光学系52に、被計測物9で反射又は散乱された光の集光位置を規定距離だけ移動させる移動手段525を設けておき、駆動系制御部82が、被計測物9で反射又は散乱された光の集光位置を規定距離だけ移動させる等の位置制御を行ってもよい。駆動系制御部82は、本発明に係る位置制御部の一実施形態に相当する。
The second
[光測定装置1の動作]
次に、上記構成の光測定装置1の動作を図面を参照しながら参照しながら説明する。
先ず、低コヒーレンス光源2から低コヒーレンス光を出射させる。
低コヒーレンス光源2から出射された光は、レンズ201で平行光に変換された後、分波部3のビームスプリッター301に入力され、参照光と照射光に分離される(パワー分岐)。一方の光(参照光)は、ミラー41で反射され、再びビームスプリッター301を介して、合波部6のビームスプリッター601に入力される。ビームスプリッター301で分岐されたもう一方の光(照射光)は、第1の光学系51の光学レンズ511により集光され、被計測物9に照射される。
[Operation of Light Measuring Device 1]
Next, the operation of the
First, low-coherence light is emitted from the low-coherence light source 2.
The light emitted from the low-coherence light source 2 is converted into parallel light by the
被計測物9に照射された光は、様々な方向に反射又は散乱されるが、その中で、入射方向に対して略逆方向に反射又は散乱された光は、光学レンズ511を経由してビームスプリッター301に入力され、参照光と合波されて、合波部6のビームスプリッター601に入力される。
The light irradiated on the measurement object 9 is reflected or scattered in various directions. Among them, the light reflected or scattered in a direction substantially opposite to the incident direction passes through the
また、図2に示すように、被計測物9で反射された光又は被計測物9の深部で散乱した光は、第1の光学系51による被計測物9への照射光の照射位置9Aと異なる位置9Bから光学レンズ521により集光されて、合波部6のビームスプリッター601に導波される。そして、合波部6のビームスプリッター601では、第2の光学系52により導波された光と、参照光とが合波される。
As shown in FIG. 2, the light reflected by the measurement object 9 or the light scattered in the deep part of the measurement object 9 is irradiated with the irradiation position 9 </ b> A of the irradiation light to the measurement object 9 by the first
この第2の光学系52の光学レンズ521には、被計測物9の深部で、例えば図2に示すような光路を伝播した散乱光が入力される。そして、ビームスプリッター601から光検出部7に散乱光が入力され、光検出部7では入力された光の強度に応じたレベルの電気信号が出力される。
The
また、制御部8の駆動系制御部82は、駆動部42に制御信号を出力してミラー41を走査する。ミラー41が走査すると、参照光の周波数がドップラーシフトするとともに、参照光の光路長が変化して、光検出部7にて干渉信号が検出される。そして、制御部8の情報処理部81は、干渉信号に、例えば包絡線検波などの所定の検波処理を施すことにより、散乱光の強度を取得する。この検波処理としては、一般的なOCT(Optical coherence tomography)の公知技術を用いてもよい。
Further, the drive
制御部8の情報処理部81は、上述したように、ミラー41の位置と、光検出部7により検出された干渉信号に基づいて、被計測物9で反射または散乱された光が伝播した光路長や、被計測物内の散乱光の光路の深度を特定した測定を行うことができる。
As described above, the
また、制御部8は、ミラー41を走査して光測定を行うことで、被計測物9内の規定深度の光の強度のマップを生成することができる。
また、制御部8は、第2の光学系52の集光位置をずらして上記光測定を行うことにより、被計測物9内の光の強度の3次元マップを生成することができる。また、制御部8は、その生成したマップを表示部85に表示することができる。
Further, the
Further, the
また、制御部8は、光学レンズ511を通る光路の光路長と、光学レンズ521を通る光路の光路長を調整する(例えば、これらの長さを異なるように調整する)ことで、第1の光学系51の光学レンズ511レンズ2で集光された反射/散乱光と参照光により生じる干渉信号と、第2の光学系52の光学レンズ521で集光された反射/散乱光と参照光により生じる干渉信号を、高精度に分離する。
In addition, the
また、制御部8は、被計測物内の屈折率を考慮して光路長を規定することで、より高精度な光測定を行うことができる。
Moreover, the
[第2実施形態]
図3は、本発明の第2実施形態に係る光測定装置1Aの構成図である。図4は、図3に示した光測定装置1Aによる照射光、被計測物9の深部の散乱光の光路を説明するための図である。第1実施形態と第2実施形態と同じ構成、作用効果等については、説明を省略する。
[Second Embodiment]
FIG. 3 is a configuration diagram of an
本発明に係る光測定装置は、被計測物9で反射又は散乱された光を異なる位置それぞれから集光して合波部6に導波する複数の光学系を有してもよい。
The light measurement apparatus according to the present invention may include a plurality of optical systems that collect light reflected or scattered by the measurement object 9 from different positions and guide the light to the
詳細には、図3,4に示すように、本実施形態に係る光測定装置1Aは、ビームスプリッター601およびビームスプリッター602を備える合波部6と、被計測物9で反射又は散乱された光を、第1の光学系51の入射位置9Aと異なる集光位置9Cから集光して合波部6に導波する第3の光学系53を有する。
Specifically, as shown in FIGS. 3 and 4, the
ビームスプリッター602は、光検出部7と、ビームスプリッター601の間に配置される。詳細には、ビームスプリッター602は、光検出部7と、ビームスプリッター601の光軸と、第3の光学系53の光軸の交差する位置に配置されている。
The
第3の光学系53は、被計測物9で反射又は散乱された光を、集光位置9Cから集光して、合波部6のビームスプリッター602に入射する光学レンズ531を有する。光学レンズ531の集光位置9Cは、第2の光学系52の集光位置9Bと異なる位置に配置されている。
本実施形態では、図3,4に示すように、光学レンズ531の集光位置9Cと、光学レンズ521の集光位置9Bと、光学レンズ511による照射光の照射位置9Aは、直線状に配置されている。
The third
In this embodiment, as shown in FIGS. 3 and 4, the condensing position 9C of the
上記構成の光測定装置1Aの動作を簡単に説明する。
図4に示すように、被計測物9で反射又は散乱されて被計測物9の表面から出てくる光には、様々な深さまで浸達した光が存在する。
The operation of the
As shown in FIG. 4, light that has been reflected or scattered by the measurement object 9 and emerges from the surface of the measurement object 9 includes light that has reached various depths.
図4に示すように、被計測物9に照射された光は、様々な方向に反射又は散乱されるが、その中で入射方向に対して略反対方向に反射又は散乱された光は、光学レンズ511を経由してビームスプリッター301に入力され、参照光と合波されて、合波部6のビームスプリッター601に入力される。
As shown in FIG. 4, the light irradiated on the measurement object 9 is reflected or scattered in various directions, and the light reflected or scattered in a direction substantially opposite to the incident direction is optical. It is input to the
また、図4に示すように、被計測物9で反射した光、又は被計測物9の深部で散乱した光は、第1の光学系51による被計測物9への照射光の照射位置9Aと異なる位置9Bから光学レンズ521により集光されて、合波部6のビームスプリッター601に導波される。そして、合波部6のビームスプリッター601では、第2の光学系52により導波された光と、参照光とが合波される。
As shown in FIG. 4, the light reflected by the measurement object 9 or the light scattered at the deep part of the measurement object 9 is irradiated with the irradiation position 9 </ b> A of the irradiation light to the measurement object 9 by the first
また、図4に示すように、被計測物9で反射した光、又は被計測物9の深部で散乱した光は、第1の光学系51による被計測物9への照射光の照射位置9Aと異なる位置9Cから光学レンズ531により集光されて、合波部6のビームスプリッター602に導波される。そして、合波部6のビームスプリッター602では、第3の光学系53により導波された光と、参照光とが合波される。
As shown in FIG. 4, the light reflected by the measurement object 9 or the light scattered at the deep part of the measurement object 9 is irradiated with the irradiation position 9 </ b> A of the irradiation light to the measurement object 9 by the first
そして、合波部6のビームスプリッター602からの光は、光検出部7に入力され、光検出部7では入力された光の強度に応じたレベルの電気信号が出力される。
Then, the light from the
この際、制御部8は、光制御部4を制御することにより参照光の光路長を規定して、被計測物9の表面の位置9A,9B,9Cそれぞれから、所望の光路を経由した散乱光を検出することができる。
At this time, the
また、上述したように第1実施形態に係る光測定装置1の第2の光学系52を走査する手段を設けることで、被計測物9の表面の所望の位置から散乱光を検出することができる。
Further, as described above, by providing means for scanning the second
[第3実施形態]
図5は、本発明の第3実施形態に係る光測定装置1Bの構成図である。第1〜第3実施形態で同じ構成、作用効果等については、説明を省略する。
例えば、被計測物9で反射又は散乱された光の偏光特性は、参照光の偏光特性から変化する場合がある。この参照光と照射光を合波部6にて合波して干渉させると、干渉信号の強度が低くなる場合がある。このため、本実施形態に係る光測定装置1Cは、散乱光の偏光状態を制御することで干渉信号のレベルを比較的大きくする。
[Third Embodiment]
FIG. 5 is a configuration diagram of an
For example, the polarization characteristics of the light reflected or scattered by the measurement object 9 may change from the polarization characteristics of the reference light. When this reference light and irradiation light are combined and interfered by the combining
詳細には、本実施形態に係る光測定装置1Bは、図5に示すように、被計測物9で反射又は散乱された光の偏光角度を制御する偏波コントローラー522を有する。
偏波コントローラー522は、図5に示すように、光学レンズ521と、合波部6のビームスプリッター601の間に配置され、例えば、制御部8の制御により、被計測物9で反射又は散乱した光の偏光状態を調整する。偏波コントローラー522としては、例えば1/2波長板や1/4波長板などを採用することができる。
制御部8は、例えば、光検出部7で検出される干渉信号の信号レベルが大きくなるように、偏波コントローラー522を制御して、散乱光の偏光状態を制御する。
Specifically, as shown in FIG. 5, the
As shown in FIG. 5, the
For example, the
上記構成の光測定装置1Bでは、制御部8が、例えば光検出部7で検出される干渉信号の信号レベルが大きくなるように、具体的には最大となるように、偏波コントローラー522を制御して、偏光状態を制御する。そして、光検出部7では比較的大きな信号レベルの干渉信号が検出される。
In the
以上、説明したように、光測定装置1Bは、被計測物9で反射又は散乱された光の偏光状態を制御する偏波コントローラーを有するので、第1及び第2実施形態に係る光測定装置と比べて、比較的大きな信号レベルの干渉信号を得ることができる。
As described above, since the
[第4実施形態]
図6は、本発明の第4実施形態に係る光測定装置1Cの構成図である。第1〜第4実施形態で同じ構成、作用効果等については、説明を省略する。
本実施形態に係る光測定装置1Cは、例えば、中心波長の異なる複数の低コヒーレンス光源を用いることにより、波長の違いによる反射又は散乱光の強度の変化を測定する。例えば、中心波長780nmの低コヒーレンス光源2Aと中心波長830nmの低コヒーレンス光源2Bを用いれば、酸素化ヘモグロビン濃度、還元ヘモグロビン濃度、総ヘモグロビン濃度の変化を測定することができる。
[Fourth Embodiment]
FIG. 6 is a configuration diagram of an optical measurement device 1C according to the fourth embodiment of the present invention. The description of the same configuration, effects, and the like in the first to fourth embodiments is omitted.
The light measurement apparatus 1C according to the present embodiment measures a change in the intensity of reflected or scattered light due to a difference in wavelength by using, for example, a plurality of low coherence light sources having different center wavelengths. For example, if a low
詳細には、例えば、人間の頭部は、外側から内側に向かって、頭皮(脂肪層を含む)、頭蓋骨、硬膜、脳脊髄液で満たされたクモ膜下腔、軟膜、大脳皮質(灰白質)、白質の順に層状構造を有する。
頭皮上から照射した近赤外光は、成人頭部で約20mm程度の深部にまで到達し、白質や灰白質(大脳皮質)で散乱したのち頭皮外に出射される。この散乱光を、例えば、照射位置9Aから所定距離、例えば30mm程度離れた表面位置9Bから集光し、検出された散乱光の強度変化から大脳皮質での脳活動に伴う血液量(ヘモグロビン濃度)変化を捉える。ヘモグロビンには、酸素化ヘモグロビンと還元ヘモグロビンがあり、酸素化ヘモグロビンと還元ヘモグロビンの吸収スペクトルが異なる。波長780nmの分子吸収係数は還元ヘモグロビンの方が大きく、波長830nmの分子吸収係数は酸素化ヘモグロビンの方が大きい。
In detail, for example, the human head, from the outside to the inside, the scalp (including the fat layer), the skull, the dura mater, the subarachnoid space filled with cerebrospinal fluid, the buffy coat, the cerebral cortex (gray white) Quality) and white matter.
Near-infrared light irradiated from above the scalp reaches a depth of about 20 mm in the adult head, and is scattered by white matter or gray matter (cerebral cortex) and then emitted outside the scalp. For example, the scattered light is collected from a
本実施形態に係る光測定装置1Cは、上述した吸収スペクトル特性を基に、酸素化ヘモグロビン濃度、還元ヘモグロビン濃度、総ヘモグロビン濃度の変化を測定する。 The optical measurement device 1C according to the present embodiment measures changes in the oxygenated hemoglobin concentration, the reduced hemoglobin concentration, and the total hemoglobin concentration based on the above-described absorption spectrum characteristics.
具体的には、図6に示すように、本実施形態に係る光測定装置1Cは、低コヒーレンス光源2と、それぞれ異なる中心波長の複数の低コヒーレンス光を出射する光源2A,2Bと、レンズ201,202を介して複数の光源2A,2Bから出力された光を波長の違いにより合波する波長合成部(ダイクロイックミラー203)と、光源2A,2Bからの光を分岐する分波部3(ビームスプリッター301)と、分波部3で分岐された参照光を反射する可動ミラー41と、ミラー41を可動させて光路長を変化させる駆動部42と、ビームスプリッター301で分岐された参照光を被計測物9に照射するとともに被計測物9で反射又は散乱された光を導波する第1の光学系51と、被計測物9で反射又は散乱された光のみを導波する第2の光学系52と、ミラー41で反射された参照光と第2の光学系52で導波された光を合波する合波部6(ビームスプリッター601)と、合波された光を波長に応じて分岐する波長分岐部(ダイクロイックミラー603)と、波長分岐された光を受光する複数の光検出器71,72と、光検出器71,72による検出結果に応じて干渉信号を検出する制御部8とを有する。
Specifically, as illustrated in FIG. 6, the
ダイクロイックミラー203,603は、特定の波長の光を反射し、それ以外の波長の光を透過する特性を有する。 The dichroic mirrors 203 and 603 have characteristics of reflecting light of a specific wavelength and transmitting light of other wavelengths.
上記構成の光測定装置1Cの動作を簡単に説明する。
例えば、低コヒーレンス光源2A,2Bから出射された光は、レンズ201,202を介してダイクロイックミラー203により合波されて分波部3に出力される。そして、合波された光は、分波部3のビームスプリッター301に入力されて参照光と照射光に分離される。参照光は、ミラー41で反射され、再びビームスプリッター301を介して、合波部6のビームスプリッター601に入力される。ビームスプリッター301で分岐されたもう一方の光(照射光)は、第1の光学系51の光学レンズ511により集光され、被計測物9に照射される。
The operation of the light measuring apparatus 1C having the above configuration will be briefly described.
For example, light emitted from the low-
被計測物9に照射された光は、照射光の波長に応じて、様々な方向に反射又は散乱されるが、その中で入射方向に対して略反対方向に反射又は散乱された光は、光学レンズ511を経由してビームスプリッター301に入力され、参照光と合波されて、合波部6のビームスプリッター601に入力される。
The light irradiated to the measurement object 9 is reflected or scattered in various directions according to the wavelength of the irradiated light, but the light reflected or scattered in the direction substantially opposite to the incident direction is The light is input to the
また、図2に示すように、被計測物9で反射した光、又は被計測物9の深部で散乱した光は、第1の光学系51による被計測物9への照射光の照射位置9Aと異なる位置9Bから光学レンズ521により集光されて、合波部6のビームスプリッター601に導波される。そして、合波部6のビームスプリッター601では、第2の光学系52により導波された光と、参照光とが合波される。
As shown in FIG. 2, the light reflected by the measurement object 9 or the light scattered in the deep part of the measurement object 9 is irradiated with the irradiation position 9 </ b> A of the irradiation light to the measurement object 9 by the first
ビームスプリッター601から出力された光は、ダイクロイックミラー603により、光の波長に応じて反射又は透過して光検出部71,72に出力される。詳細には、例えばダイクロイックミラー603により、波長780nm程度の光が反射して光検出器72に出力され、それ以外の波長の光(例えば波長830nm程度の光)が透過して光検出部71に出力される。
The light output from the
制御部8では、複数の光検出器71,72で検出された結果により干渉信号を検出する。そして制御部8は、上記光測定を、ミラー41を走査しながら行う。
The
以上、説明したように、本実施形態に係る光測定装置1Cは、例えば、中心波長の異なる複数の低コヒーレンス光源を用いることにより、波長の違いによる反射又は散乱光の強度の変化を測定することができる。例えば、中心波長780nmの低コヒーレンス光源2Aと中心波長830nmの低コヒーレンス光源2Bを用いれば、酸素化ヘモグロビン濃度、還元ヘモグロビン濃度、総ヘモグロビン濃度の変化を測定することができる。
As described above, the optical measurement device 1C according to the present embodiment measures changes in the intensity of reflected or scattered light due to wavelength differences by using, for example, a plurality of low-coherence light sources having different center wavelengths. Can do. For example, if a low
[第5実施形態]
図7は、本発明の第5実施形態に係る光測定装置1Dの構成図である。第1〜第4実施形態で同じ構成、作用効果等については、説明を省略する。本実施形態に係る光測定装置1Dは、被計測物9で反射又は散乱した光の偏光状態の変化を検出することができる。
[Fifth Embodiment]
FIG. 7 is a configuration diagram of an optical measurement device 1D according to the fifth embodiment of the present invention. The description of the same configuration, effects, and the like in the first to fourth embodiments is omitted. The light measurement device 1D according to the present embodiment can detect a change in the polarization state of the light reflected or scattered by the object 9 to be measured.
詳細には、図7に示すように、光測定装置1Dは、低コヒーレンス光源2と、低コヒーレンス光源2から出力される光を直線偏光に変換する直線偏光変換部(偏光子204)と、低コヒーレンス光を分岐する分波部3(ビームスプリッター301)と、分波部3で分岐された参照光を反射する可動ミラー41と、分波部3とミラー41の間に設置されるとともに、参照光の偏光状態を変化させる手段(例えば1/4波長板43)と、ミラー41を可動させて光路長を変化させる駆動部42と、ビームスプリッター301で分岐された参照光を被計測物9に照射するとともに被計測物9で反射又は散乱された光を導波する第1の光学系51と、被計測物9で反射又は散乱された光のみを導波する第2の光学系52と、ミラー41で反射された参照光と第2の光学系52で導波された光を合波する合波部6(ビームスプリッター601)と、合波部6により合波された光を、互いに直交する偏光成分を備える光に分離する光学素子(偏光ビームスプリッタ605)と、分離された光を受光する複数の光検出器71,72と、光検出器71,72による検出結果に応じて干渉信号を検出する制御部8とを有する。
Specifically, as illustrated in FIG. 7, the light measurement device 1D includes a low coherence light source 2, a linear polarization conversion unit (polarizer 204) that converts light output from the low coherence light source 2 into linear polarization, A demultiplexing unit 3 (beam splitter 301) that branches the coherence light, a
上記構成の光測定装置1Dの動作を簡単に説明する。
低コヒーレンス光源2から出力された光は、レンズ201、偏光子204を経由して直線偏光にされた後、ビームスプリッター301に入力される。ビームスプリッター301では、入力された光を参照光と照射光に分岐する。
一方の光(参照光)は、1/4波長板43、可動ミラー41を経由して、再びビームスプリッター301に入力される。
The operation of the optical measurement apparatus 1D having the above configuration will be briefly described.
The light output from the low coherence light source 2 is converted into linearly polarized light via the
One light (reference light) is input again to the
この際、1/4波長板43を直線偏光の偏光面に対する偏角を22.5°に配置する。こうすることにより、ミラー41から1/4波長板43を介して再びビームスプリッター301に入力される光の偏光面が、45°回転変換された直線偏光になる。
At this time, the ¼
また、他方の光(照射光)は、光学レンズ511を経由して被計測物9に照射される。被計測物9で反射又は散乱した光のうち、入射方向に対して略反対方向に反射又は散乱した光は、光学レンズ511により集光され、ビームスプリッター301で参照光と合波される。
The other light (irradiation light) is applied to the object 9 via the
また、被計測物9で反射又は散乱した光の一部は、光学レンズ521により集光され、ビームスプリッター601で参照光と合波される。
ビームスプリッター601から出力される光は、偏光ビームスプリッター605により、直交する二つの偏光成分に分離された後、それぞれ光検出器71,72に入力され、光検出部71,72それぞれで干渉信号が検出される。
また、制御部8は、光制御部4のミラー41の位置を走査して、上記計測処理を行う。
Further, part of the light reflected or scattered by the measurement object 9 is collected by the
The light output from the
The
以上、説明したように、本実施形態に係る光測定装置1Dでは、低コヒーレンス光源2と、低コヒーレンス光源2から出力される光を直線偏光に変換する直線偏光変換部(偏光子204)と、分波部3とミラー41の間に設置されるとともに、照射光に対する参照光の偏光角度をずらす偏光角度変換部(1/4波長板43)と、合波部6により合波された光を、互いに直交する偏光成分を備える光に分離する光学素子(偏光ビームスプリッタ605)と、分離された光を受光する複数の光検出器71,72と、光検出器71,72による検出結果に応じて干渉信号を検出する制御部8とを設けたので、被計測物9で反射又は散乱した光の偏光状態の変化を、比較的簡単に検出することができる。
また、直交する2つの直線偏光成分を検出しているため、被計測物9で反射又は散乱した光の偏光状態が変化しても、偏光状態の変化に対して無依存な干渉信号を得ることができる。
As described above, in the optical measurement device 1D according to the present embodiment, the low coherence light source 2, the linear polarization conversion unit (polarizer 204) that converts the light output from the low coherence light source 2 into linearly polarized light, The light that is installed between the
Moreover, since two orthogonal linearly polarized light components are detected, even if the polarization state of the light reflected or scattered by the measurement object 9 changes, an interference signal independent of the change in the polarization state can be obtained. Can do.
図8は、本発明の第5実施形態に係る光測定装置1Dの変形例を説明するための図である。第5実施形態と同じ構成、作用効果等については、説明を省略する。 FIG. 8 is a diagram for explaining a modification of the optical measurement device 1D according to the fifth embodiment of the present invention. The description of the same configuration, effects, and the like as in the fifth embodiment is omitted.
被計測物9に照射する光の偏光状態を変化させたい場合には、例えば図8に示すように、ビームスプリッター301と光学レンズ511の間に、光の偏光角度を変化させる波長板512を設け、さらに、ビームスプリッター601と光学レンズ521の間に、光の偏光角度を変化させる波長板521を設ける。
具体的には、例えば、照射する直線偏光の偏光面の角度を変えたい場合は、波長板512,521として1/2波長板を挿入すればよい。
また、照射する光を円偏光に設定する場合には、波長板512,521として1/4波長板を挿入すればよい。
When it is desired to change the polarization state of the light irradiated to the measurement object 9, for example, as shown in FIG. 8, a
Specifically, for example, in order to change the angle of the polarization plane of the linearly polarized light to be irradiated, half-wave plates may be inserted as the
In addition, when the light to be irradiated is set to circularly polarized light, quarter wave plates may be inserted as the
以上、説明したように、本発明に係る光測定装置1は、低コヒーレンス光を出射する低コヒーレンス光源2と、低コヒーレンス光源2から出射された低コヒーレンス光を参照光と照射光に分離する分波部3と、参照光の光路長を可変する光制御部4と、照射光を被計測物9に照射する第1の光学系51と、被計測物9の深部からの散乱光を、第1の光学系51による被計測物9への照射光の照射位置と異なる位置から集光して導波する第2の光学系52と、第2の光学系52により導波された光と参照光とを合波する合波部6と、合波部6により合波された光の強度を検出する光検出部7と、参照光の光路長と、光検出部により検出された光の強度とに基づいて、被計測物の深部に関する情報を取得する制御部8(情報処理部81)とを有するので、比較的簡単な構成で、比較的高精度に光路長や被計測物内の散乱光の光路の深度を特定した測定を行うことができる。
また、例えば、ピコ秒パルスレーザー装置や高速光検出器などの比較的高価な装置を用いていないので、本発明に係る光測定装置1は、比較的安価である。
As described above, the
In addition, since a relatively expensive device such as a picosecond pulse laser device or a high-speed photodetector is not used, the
本発明は、上述した実施形態に限られるものではない。例えば本発明を上述した実施形態を組み合わせて実現してもよい。 The present invention is not limited to the embodiment described above. For example, the present invention may be realized by combining the above-described embodiments.
また、上述した実施形態では、光制御部4は、ミラー41、駆動部42により構成したが、この形態に限られるものではない。例えば、光制御部4は、ピエゾ素子により、光路長を変化させてもよい。
また、上述した実施形態では、分波部3としてビームスプリッター301を採用したが、この形態に限られるものではない。例えば、分波部3は、光ファイバー、光カプラ等により構成してもよい
また、合波部は、光ファイバー、光カプラ等により構成してもよい。
In the above-described embodiment, the
In the above-described embodiment, the
1,1A,1B,1C,1D 光測定装置
2 低コヒーレンス光源
3 分波部
4 光制御部
6 合波部
7 光検出部
8 制御部
9 被計測物(試料)
31 ビームスプリッター
41 ミラー(可動ミラー)
42 駆動部
43 波長板
51 第1の光学系
52 第2の光学系
71 光検出器
81 情報処理部
82 駆動系制御部
85 表示部
201 レンズ
203 ダイクロイックミラー
204 偏光子
511 光学レンズ
521 光学レンズ
1, 1A, 1B, 1C, 1D Optical measurement device 2 Low coherence
31
42 driving
Claims (9)
前記低コヒーレンス光源から出射された低コヒーレンス光を参照光と照射光に分離する分波部と、
前記参照光の光路長を可変する光制御部と、
前記照射光を被計測物に照射する第1の光学系と、
前記被計測物の深部からの散乱光を、前記第1の光学系による前記被計測物への前記照射光の照射位置と異なる位置から集光して導波する第2の光学系と、
前記第2の光学系により導波された光と前記参照光とを合波する合波部と、
前記合波部により合波された光の強度を検出する光検出部と
を有する光測定装置。 A low coherence light source that emits low coherence light;
A demultiplexing unit that separates low-coherence light emitted from the low-coherence light source into reference light and irradiation light;
A light control unit that varies an optical path length of the reference light;
A first optical system for irradiating the object to be measured with the irradiation light;
A second optical system for collecting and guiding the scattered light from the deep part of the object to be measured from a position different from the irradiation position of the irradiation light to the object to be measured by the first optical system;
A multiplexing unit that combines the light guided by the second optical system and the reference light;
And a light detection unit that detects the intensity of the light combined by the multiplexing unit.
前記複数の光源から出力された中心波長の異なる低コヒーレンス光を合波して前記分波部に出力する波長合成部と、
前記合波部により合波された光を波長に応じて分岐する波長分岐部と、
前記波長分岐部により分岐された光それぞれを受光する複数の光検出部とをさらに有する
請求項1に記載の光測定装置。 The low-coherence light source includes a plurality of light sources that emit a plurality of low-coherence lights each having a different center wavelength,
A wavelength synthesizing unit that combines low-coherence lights having different center wavelengths output from the plurality of light sources and outputs the multiplexed light to the demultiplexing unit;
A wavelength branching unit that branches the light combined by the combining unit according to the wavelength;
The light measurement device according to claim 1, further comprising: a plurality of light detection units that receive each of the lights branched by the wavelength branching unit.
前記参照光の偏光状態を変化させる手段と、
前記合波部により合波された光を、互いに直交する偏光成分を備える光に分離する光学素子と、
前記光学素子により分離された光それぞれを受光する複数の光検出部とを有する
請求項1に記載の光測定装置。 A linear polarization converter that converts low coherence light emitted from the low coherence light source into linearly polarized light;
Means for changing the polarization state of the reference light;
An optical element that separates the light combined by the multiplexing unit into light having polarization components orthogonal to each other;
The light measurement device according to claim 1, further comprising: a plurality of light detection units that receive each of the lights separated by the optical element.
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