JP2014008237A - 光学シミュレーション装置および方法並びにプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】光が皮膚内を伝播する様子を視覚的、直感的に把握でき、化粧品やスキンケア用品の設計、開発に必要な情報を容易に取得できるような光学シミュレーションを行う。
【解決手段】光学特性が互いに異なる複数の層を積層した多層構造であって、複数の層のうちの少なくとも１層が散乱体である多層構造のシミュレーションモデルが設定されるシミュレーションモデル設定部１１と、多層構造のシミュレーションモデルに対して光を入射した際における多層構造内での光強度の空間分布の時間変化をシミュレーションする光学シミュレーション部１２と、光学シミュレーション部においてシミュレーションされた多層構造内での光強度の空間分布の時間変化に基づいて生成された画像を表示部に表示させる表示制御部１３とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、皮膚などの散乱媒質を含む多層構造のシミュレーションモデルを用いて光学シミュレーションを行う光学シミュレーション装置および方法並びにプログラムに関するものである。

従来、化粧品や日焼け止めなどのスキンケア用品の設計、開発を行う際、これらを肌に塗布した場合における肌のテカリや日焼け抑制効果などを事前に把握することが重要である。

そして、上述したような肌のテカリや日焼け抑制効果などを事前に把握する方法の一つとして、肌を構成する角層、表皮および真皮などの光学特性が肌の光反射に対してどのような影響を及ぼすかを解析する方法がある。

ここで、たとえば特許文献１には、皮膚に光を照射して得られた反射スペクトルと、皮膚の多層構造モデルを用いたモンテカルロシミュレーションによって作成された仮想スペクトルとを皮膚の各層にある色素濃度や散乱係数などを変化させながらフィッティングし、これにより皮膚の各層の光学特性を推定する方法が提案されている。

特開２０１１−８７９０７号公報 特開２０１２−８５８７８号公報

しかしながら、特許文献１に記載のようなモンテカルロ法によるシミュレーションでは、皮膚の各層の光学特性を推定することはできても、光が皮膚内を伝播する様子を視覚的、直感的に把握することは困難である。

なお、特許文献２にも、皮膚を多層構造によってモデル化し、そのモデルに対して光を入射した際のシミュレーションを行うことが開示されているが、特許文献２においても、光が皮膚内を伝播する様子を視覚的、直感的に把握できるような方法は開示されていない。

本発明は、上記の問題に鑑み、光が皮膚内を伝播する様子を視覚的、直感的に把握することができ、これにより化粧品やスキンケア用品の設計、開発に必要な情報を容易に取得することができる光学シミュレーション装置および方法並びにプログラムを提供することを目的とする。

本発明の光学シミュレーション装置は、光学特性が互いに異なる複数の層を積層した多層構造であって、複数の層のうちの少なくとも１層が散乱体である多層構造のシミュレーションモデルが設定されるシミュレーションモデル設定部と、多層構造のシミュレーションモデルに対して光を入射した際における多層構造内での光強度の空間分布の時間変化をシミュレーションする光学シミュレーション部と、光学シミュレーション部においてシミュレーションされた多層構造内での光強度の空間分布の時間変化に基づいて生成された画像を表示部に表示させる表示制御部とを備えたことを特徴とする。

また、上記本発明の光学シミュレーション装置においては、表示制御部を、所定の時間間隔で取得された複数の光強度の空間分布を時系列に並べて表示させるものとできる。

また、表示制御部を、所定の時間間隔で取得された複数の光強度の空間分布を時系列に順次切り替えて動画として表示させるものとできる。

また、表示制御部を、光強度の空間分布に対して、多層構造のシミュレーションモデルの情報を重ねて表示させるものとできる。

また、表示制御部を、所定の入力部によって受け付けられた位置における多層構造のシミュレーションモデルの情報を表示させるものとできる。

また、表示制御部を、光強度の空間分布に対して、多層構造のシミュレーションモデルの層境界線を重ねて表示させるものとできる。

また、表示制御部を、光強度の空間分布に対して、多層構造のシミュレーションモデルの層境界に対応した反射光の強度変化部分を表す画像を重ねて表示させるものとできる。

また、表示制御部を、所定の入力部によって受け付けられた位置における光強度の情報を表示させるものとできる。

また、表示制御部を、光強度の空間分布によって表される上記光の反射光と上記光との干渉信号強度に基づく画像を表示させるものとできる。

また、多層構造の少なくとも一部を、生体の一部の構造とすることができる。

また、多層構造の少なくとも一部を、皮膚または粘膜とすることができる。

また、多層構造の少なくとも一部を、皮膚とその皮膚に塗布される塗布剤からなる層とすることができる。

また、多層構造の各層の境界を、凹凸面または曲面とすることができる。

また、多層構造の各層内または境界部分に、局所的に各層とは異なる光学特性を有する領域を設けることができる。

また、散乱体の層を、微粒子をランダムに分散させたものとし、微粒子の屈折率、サイズおよび濃度に基づく散乱係数を設定することによってモデル化されるものとできる。

また、上記光としてパルス光を用いることができる。

本発明の光学シミュレーション方法は、光学特性が互いに異なる複数の層を積層した多層構造であって、複数の層のうちの少なくとも１層が散乱体である多層構造のシミュレーションモデルを設定し、その多層構造のシミュレーションモデルに対して光を入射した際における多層構造内での光強度の空間分布の時間変化をシミュレーションし、そのシミュレーションした多層構造内での光強度の空間分布の時間変化に基づいて生成された画像を表示することを特徴とする。

本発明の光学シミュレーションプログラムは、コンピュータを、光学特性が互いに異なる複数の層を積層した多層構造であって、複数の層のうちの少なくとも１層が散乱体である多層構造のシミュレーションモデルが設定されるシミュレーションモデル設定部と、多層構造のシミュレーションモデルに対して光を入射した際における多層構造内での光強度の空間分布の時間変化をシミュレーションする光学シミュレーション部と、光学シミュレーション部においてシミュレーションされた多層構造内での光強度の空間分布の時間変化に基づいて生成された画像を表示部に表示させる表示制御部として機能させることを特徴とする。

本発明の光学シミュレーション装置および方法並びにプログラムによれば、光学特性が互いに異なる複数の層を積層した多層構造であって、複数の層のうちの少なくとも１層が散乱体である多層構造のシミュレーションモデルを設定し、その多層構造のシミュレーションモデルに対して光を入射した際における多層構造内での光強度の空間分布の時間変化をシミュレーションし、そのシミュレーションされた多層構造内での光強度の空間分布の時間変化に基づいて生成された画像を表示部に表示するようにしたので、たとえば多層構造のシミュレーションモデルとして皮膚のシミュレーションモデルを設定するようにすれば、光が皮膚内を伝播する様子を視覚的、直感的に把握することができ、これにより化粧品やスキンケア用品の設計、開発に必要な情報を容易に取得することができる。

また、上記本発明の光学シミュレーション装置において、所定の時間間隔で取得された複数の光強度の空間分布を時系列に並べて表示したり、複数の光強度の空間分布を時系列に順次切り替えて動画として表示したりした場合には、たとえば多層構造における層境界に対応した反射光強度の変化を視覚的に容易に把握することができる。

また、上記光強度の空間分布に対して、多層構造のシミュレーションモデルの層境界線を重ねて表示するようにした場合には、多層構造の層境界における光強度の変化を容易に把握することができる。

また、上記光強度の空間分布に対して、多層構造のシミュレーションモデルの層境界に対応した反射光の強度変化部分を表す画像を重ねて表示するようにした場合には、たとえば皮膚を構成する表皮と真皮との境界を反射した反射光の強度変化の様子を容易に把握することができる。

また、光強度の空間分布によって表される反射光と上記入射光との干渉信号強度に基づく画像を表示するようにした場合には、いわゆる光断層撮影によって取得される信号強度をシミュレーションによって取得することができ、これと実際に光断層撮影を行うことによって取得された信号強度とを比較することによって、皮膚の各層が光断層撮影の信号強度に及ぼす影響を解析することができる。

また、多層構造の少なくとも一部を、皮膚とその皮膚に塗布される塗布剤からなる層とした場合には、たとえば塗布剤からなる層を化粧品やスキンケア用品の層とすれば、化粧品やスキンケア用品が肌からの反射光に及ぼす影響を容易に把握することができる。

また、多層構造の各層の境界を、凹凸面または曲面とした場合には、たとえば皮膚内の組織の状態をより忠実にモデル化することができる。

また、多層構造の各層内または境界部分に、局所的に各層とは異なる光学特性を有する領域を設けるようにした場合には、たとえば上記領域として血管領域や毛穴領域を設けるようにすれば皮膚の構成をより忠実にモデル化することができる。

本発明の光学シミュレーション装置の一実施形態の概略構成を示すブロック図 皮膚シミュレーションモデルの一例を示す図 図２に示す皮膚シミュレーションモデルにおける各層の情報を示す図 FDTD（Finite Difference Time Domain）法を説明するための図 本発明の光学シミュレーション装置の一実施形態の作用を説明するためのフローチャート 所定の時間間隔毎の光強度の空間分布を時系列に並べて表示した例を示す図 光強度の空間分布に対して、皮膚シミュレーションモデルの各層の境界線を重ねて表示した例を示す図 光強度の空間分布に対して、皮膚シミュレーションモデルにおける層境界に対応した反射光の強度変化部分を表す境界線を重ねて表示した例を示す図 各層の境界を凹凸面とした皮膚シミュレーションモデルの一例を示す図 各層の境界を凹凸面とした皮膚シミュレーションモデルの一例を示す図 皮膚シミュレーションモデルに血管領域と毛穴領域とを設けた例を示す図 皮膚シミュレーションモデルに塗布層を設けた例を示す図 皮膚シミュレーションモデルのその他の例を示す図 皮膚シミュレーションモデル内における各深さ位置に対応するＯＣＴ信号強度をシミュレーションした結果をプロットした画像（グラフ）を示す図 その他の皮膚シミュレーションモデル内における各深さ位置に対応するＯＣＴ信号強度をシミュレーションした結果をプロットした画像（グラフ）を示す図 その他の皮膚シミュレーションモデル内における各深さ位置に対応するＯＣＴ信号強度をシミュレーションした結果をプロットした画像（グラフ）を示す図 その他の皮膚シミュレーションモデル内における各深さ位置に対応するＯＣＴ信号強度をシミュレーションした結果をプロットした画像（グラフ）を示す図 その他の皮膚シミュレーションモデル内における各深さ位置に対応するＯＣＴ信号強度をシミュレーションした結果をプロットした画像（グラフ）を示す図

以下、本発明の光学シミュレーション装置および方法並びにプログラムの一実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本実施形態の光学シミュレーション装置の概略構成を示すブロック図である。なお、図１に示す光学シミュレーション装置の構成は、本発明の光学シミュレーションプログラムをコンピュータにインストールし、そのプログラムをコンピュータによって実行することにより実現されるものである。コンピュータにインストールされる光学シミュレーションプログラムは、ＣＤ−ＲＯＭ等の記録媒体に記憶されたものでもよいし、インターネット等のネットワークを介して配布されたものでもよい。

本実施形態の光学シミュレーション装置１０は、図１に示すように、シミュレーションモデル設定部１１、光学シミュレーション部１２および表示制御部１３を備えている。そして、光学シミュレーション装置１０には、光学シミュレーション部１２におけるシミュレーション結果や、シミュレーションモデルを設定する際に用いられる種々の情報の設定入力画面などを表示するモニタ２０と、シミュレーションモデルを設定する際に用いられる種々の情報の入力を受け付ける入力部３０とが接続されている。

シミュレーションモデル設定部１１は、光学シミュレーション部１２における光学シミュレーションの対象となるシミュレーションモデルが設定されるものである。本実施形態のシミュレーションモデル設定部１１は、光学特性が互いに異なる複数の層を積層した多層構造であって、その複数の層のうちの少なくとも１層が散乱体である多層構造のシミュレーションモデルが設定されるものである。

本実施形態では、上述したようなシミュレーションモデルとして生体（特に人体）の皮膚をモデル化したシミュレーションモデルが設定される。具体的には、図２に示すような、空気層４１、角層４２、表皮層４３および真皮層４４をこの順に積層した皮膚シミュレーションモデル４０が設定される。図３は、図２に示す皮膚シミュレーションモデル４０における各層の屈折率と、厚みと、散乱体の有無および特性と、吸収係数とを示すものである。図３に示す各層の情報は、ユーザによって入力部３０を用いて入力され、その入力された情報がシミュレーションモデル設定部１１によって取得され、シミュレーションモデル設定部１１は、その入力された情報に基づいて、図２に示すような皮膚シミュレーションモデルを設定するものである。なお、図３に示す各層の情報については、モニタ２０に設定入力画面を表示させ、その設定入力画面上においてユーザが入力部３０を用いて入力するようにしてもよいし、各層の情報を予め記述しておいたテキストファイルを入力するようにしてもよい。

また、本実施形態においては、図３に示されるように、皮膚シミュレーションモデル４０の各層のうち表皮層４３および真皮層４４が散乱体の層として設定される。本実施形態における散乱体の層は微粒子をランダムに分散したものであり、図３に示されるような微粒子の屈折率、サイズ、濃度に基づいて散乱係数を設定することによってモデル化される。

なお、図３における散乱体の屈折率とは、上記微粒子の屈折率であり、散乱体のサイズとは円形の微粒子の直径であり、散乱体の濃度とは散乱体における微粒子の面積比率である。また、上記情報の他に微粒子の周囲の屈折率を設定するようにしてもよく、また、微粒子としては円形に限らず、直方体や円柱や円錐などの形状としてもよい。散乱体のシミュレーションモデルの詳細な設定方法については、たとえば特開２００８−１９０９７９号公報に記載の方法を用いることができる。

また、シミュレーションモデル設定部１１には、光学シミュレーションの対象となる解析範囲も設定され、本実施形態においては、１ｍｍ×１ｍｍの正方形の領域が解析範囲として設定されるものとする。

光学シミュレーション部１２は、シミュレーションモデル設定部１１において設定された多層構造のシミュレーションモデルに対してパルス光を入射した際における多層構造内での光強度の空間分布の時間変化をシミュレーションするものである。そして、本実施形態の光学シミュレーション部１２は、パルス光を電磁波として扱い、そのパルス光が皮膚シミュレーションモデル４０に入射された際における電磁場の時間的、空間的な変化を計算することによって、皮膚シミュレーションモデル４０内におけるパルス光の反射および散乱状態を表す光強度の空間分布の時間変化を計算するものである。なお、本実施形態においては、入射光としてパルス光を用いるようにしたが、連続光としてもよい。

具体的には、Maxwell方程式に基づいて、電磁場の時間的、空間的変化を数値的に解くFDTD（Finite Difference Time Domain）法の計算プログラムを用いることができる。FDTD法では、図４に示すように、連続的な空間中の物質特性の分布に対し、それを取り囲む解析空間を定め、その空間を格子でメッシュ状の微小直方体で分割する。それぞれの格子に対して電磁場のベクトルの各成分を図４に示すように配置する。この配置はYeeセルと呼ばれる。そして、この格子上の電磁場の時間変化をMaxwell方程式に基づいて計算する。なお、所定の屈折率分布を解析空間としたFDTD法によるシミュレーションについては公知な技術であり、微粒子を分散した散乱体モデルのFDTD法によるシミュレーションについても、たとえば特開２００８−１９０９７９号公報などにおいて公知であるため詳細な説明は省略する。

なお、本実施形態においては、光学シミュレーションとして、FDTD法を用いたシミュレーションを行うようにしたが、FDTD法に限らず、たとえば、有限要素法、境界要素法、その他一般的に知られている電磁場計算手法を用いることができる。

表示制御部１３は、光学シミュレーション部１２におけるシミュレーション結果に基づいて、多層構造内における光強度の空間分布をモニタ２０に表示させるものである。具体的には、本実施形態における表示制御部１３は、光学シミュレーション部１２におけるシミュレーション結果に基づいて、パルス光が皮膚シミュレーションモデル４０に入射された際における皮膚シミュレーションモデル４０内におけるパルス光の反射および散乱状態を表す光強度の空間分布をモニタ２０に表示するものである。具体的な表示方法については、後で詳述する。また、表示制御部１３は、上述した設定入力画面をモニタ２０に表示させるものである。

次に、本実施形態の光学シミュレーション装置１０の作用について、図５に示すフローチャートを参照しながら説明する。

まず、モニタ２０において、上述した皮膚シミュレーションモデル４０の各層の情報を受け付ける設定入力画面が表示制御部１３によって表示され、ユーザによって入力部３０を用いて皮膚シミュレーションモデル４０の各層の屈折率などの情報が入力される（Ｓ１０）。

次に、入力部３０において受け付けられた各層の情報は、シミュレーションモデル設定部１１に入力され、シミュレーションモデル設定部１１において、入力された各層の情報に基づいて皮膚シミュレーションモデル４０が設定される（Ｓ１２）。

シミュレーションモデル設定部１１において設定された皮膚シミュレーションモデル４０は、光学シミュレーション部１２に入力され、光学シミュレーション部１２において上述したような光学シミュレーションが行われ、これにより皮膚シミュレーションモデル４０に対してパルス光を入射した際における皮膚シミュレーションモデル４０内での光強度の空間分布の時間変化が計算され、所定の時間間隔毎の光強度の空間分布が取得される（Ｓ１４）。

そして、光学シミュレーション部１２において取得された所定の時間間隔毎の光強度の空間分布は表示制御部１３に入力され、表示制御部１３は、入力された光強度の空間分布をモニタ２０に表示させる（Ｓ１６）。

ここで、表示制御部１３によってモニタ２０に表示される光強度の空間分布の一例を図６に示す。図６に示すように、本実施形態の表示制御部１３は、所定の時間間隔毎に取得された光強度の空間分布を時系列に並べて表示する。なお、図６は、パルス光の波長を１３００ｎｍ、パルス幅を１４０ｆｓ、ビーム径を１７μｍとし、このパルス光を、図２および図３に示した皮膚シミュレーションモデル４０に入射した際における光強度の空間分布を表示したものであり、時間間隔２１７ｆｓ毎の光強度の空間分布を時系列に表示したものである。なお、図６に示す番号が時系列の順となっている。

上記実施形態の光学シミュレーション装置１０によれば、皮膚シミュレーションモデル４０を設定し、その皮膚シミュレーションモデル４０に対して光を入射した際における皮膚シミュレーションモデル４０内での光強度の空間分布の時間変化をシミュレーションし、そのシミュレーションされた光強度の空間分布の時間変化に基づいて生成された画像をモニタ２０に表示するようにしたので、光が皮膚内を伝播する様子を視覚的、直感的に把握することができ、化粧品やスキンケア用品の設計、開発に必要な情報を容易に取得することができる。

また、上記実施形態の説明においては、所定の時間間隔毎に取得された光強度の空間分布を時系列に並べて表示するようにしたが、これに限らず、図６に示すような複数の光強度の空間分布のうち、ユーザによって任意に選択された１つの光強度の空間分布や、自動的に抽出された１つの光強度の空間分布をモニタ２０に表示させるようにしてもよい。

また、図７に示すように、所定の光強度の空間分布に対して、皮膚シミュレーションモデル４０の情報として層境界線Ｂ１〜Ｂ３を重ねて表示するようにしてもよい。図７に示す境界線Ｂ１は、皮膚シミュレーションモデル４０における空気層４１と角層４２との境界線であり、境界線Ｂ２は、表皮層４３と角層４２との境界線であり、境界線Ｂ３は、真皮層４４と表皮層４３との境界線である。また、光強度の空間分布に重ねられる皮膚シミュレーションモデル４０の情報としては層境界線に限らず、たとえば皮膚シミュレーション４０の各層を異なる色の透過画像として光強度の空間分布に重ねるようにしてもよい。

また、ユーザのマウスなどの入力部３０の操作に合わせて、モニタ２０の画面上でカーソルを動かし、画面上のカーソル位置に対応する皮膚シミュレーションモデル４０の情報を表示するようにしてもよい。具体的には、たとえば皮膚シミュレーションモデル４０の情報として、図３に示すような各層の厚さや屈折率や散乱体の情報（微粒子の屈折率、サイズ、濃度）や吸収係数などを表示するようにしてもよい。

また、図８に示すように、所定の光強度の空間分布に対して、皮膚シミュレーションモデル４０における層境界に対応した反射光の強度変化部分を表す境界線Ｂ４を重ねて表示するようにしてもよい。図８に示す境界線Ｂ４は、表皮層４３と真皮層４４との層境界に対応した反射光の強度変化部分を表すものである。なお、この境界線Ｂ４は、光学シミュレーション部１２におけるシミュレーション結果に基づいて設定するようにしてもよいし、光強度の空間分布を画像解析することによって設定するようにしてもよい。

また、ユーザのマウスなどの入力部３０の操作に合わせて、モニタ２０の画面上でカーソルを動かし、画面上のカーソル位置に対応する反射光の光強度情報を表示するようにしてもよい。

また、上記実施形態の説明においては、所定の時間間隔毎に取得された光強度の空間分布を時系列に並べて表示するようにしたが、これに限らず、所定の時間間隔毎に取得された光強度の空間分布を順次切り替えてモニタ２０に表示することによって動画として表示するようにしてもよい。

また、上述したように所定の時間間隔毎に取得された光強度の空間分布を自動的に順次切り替えることによって動画表示するのではなく、たとえば、ユーザが入力部３０としてのマウスをクリックしたタイミングや、入力部３０としてのキーボードを押下したタイミングに応じて、所定の時間間隔毎に取得された光強度の空間分布を手動で順次切り替えるようにしてもよい。具体的には、ユーザのマウスのクリックなどに応じて、時間の経過順で光強度の空間分布を１フレームずつ切り替えたり、時間の経過とは逆の順で光強度の空間分布を１フレームずつ切り替えて表示したりしてもよい。

また、皮膚シミュレーションモデル４０の構成としては、図２に示した構成に限らず、たとえば、図９に示すように、真皮層４４と表皮層４３との境界を凹凸面４５とした構成としてもよい。また、凹凸面ではなく曲面としてもよい。このように境界を凹凸面や曲面とすることによって、実際の皮膚の状態により近づけることができ、また、種々の状態の皮膚についてモデル化して光学シミュレーションを行うことができる。

また、真皮層４４と表皮層４３との境界だけでなく、図１０に示すように、表皮層４３上に凹凸面を有する角層４６を設けるようにしてもよい。これにより実際の皮膚の肌理を表すことができる。

さらに、皮膚シミュレーションモデル４０の各層内または境界部分に、局所的に各層とは異なる光学特性を有する領域を設けるようにしてもよい。具体的には、図１１に示すように、真皮層４４中に血管を表す領域４８を設けたり、角層４２と表皮層４３との境界部分に毛穴を表す領域４７を設けたりするようにしてもよい。なお、上述した血管を表す領域や毛穴を表す領域には、たとえば各層の吸収係数や屈折率とは異なる吸収係数や屈折率が割り当てられるものとする。

また、図１２に示すように、皮膚シミュレーションモデル４０の角層４２上に、たとえば皮膚上に塗布されるファンデーションなどの化粧品や、日焼け止めなどのスキンケア用品などの塗布剤をモデル化した塗布層４９を設けるようにしてもよい。このように塗布層４９を設けて上述した光学シミュレーションを行い、その結果をモニタ２０に表示することによって、化粧品による肌のテカリの抑制効果や、日焼け止めの効果を視覚的に確認することができる。また、塗布層４９の屈折率や散乱体の情報として種々のものを設定することができるので、多種多様な化粧品やスキンケア用品の効果をモニタ２０上で確認することができる。

また、上記実施形態の説明においては、光学シミュレーション装置１０によるシミュレーション結果をモニタ２０に表示させることによって、実際の皮膚における光の反射や散乱状態を視覚的に確認できるようにしたが、光学シミュレーション装置１０よるシミュレーション結果によって確認できる内容はこれに限らず、たとえば、光学シミュレーション装置１０によるシミュレーション結果を用いて、いわゆる光断層撮影（OCT：Optical Coherence Tomography）の信号強度（以下、ＯＣＴ信号強度という）を計算し、これをモニタ２０に表示させることによって、たとえば皮膚や粘膜などに光を照射して光断層撮影を行った際におけるＯＣＴ信号強度を視覚的に確認することができ、実際の光断層撮影によって取得されたＯＣＴ信号強度の解析に用いることができる。以下、上述したようにＯＣＴ信号強度を計算して表示する場合について説明する。

まず、シミュレーションモデル設定部１１において設定される皮膚シミュレーションモデル５０を図１３に示す。図１３に示す皮膚シミュレーションモデル５０は、第１の散乱体層５１と第２の散乱体層５２とを積層したものである。そして、第１の散乱体層５１の厚さは１５０μｍに設定され、第２の散乱体層５２の厚さは５００μｍに設定されている。そして、ここでは第１の散乱体層５１の微粒子の濃度を３％とし、第２の散乱体層５２の微粒子の濃度を１０％とする。なお、微粒子の屈折率と大きさについては、第１の散乱体層５１と第２の散乱体層５２とで所定の同じ値が設定されているものとする。

そして、上述したような皮膚シミュレーションモデル５０が、光学シミュレーション部１２に入力され、光学シミュレーション部１２は、入力された皮膚シミュレーションモデル５０を用いて上記実施形態と同様の光学シミュレーションを行う。すなわち、光学シミュレーション部１２は、皮膚シミュレーションモデル５０に対してパルス光を入射した際における皮膚シミュレーションモデル５０内での光強度の空間分布の時間変化をシミュレーションする。

そして、光学シミュレーション部１２は、上記実施形態と同様に、所定の時間間隔毎の光強度の空間分布を取得し、これを表示制御部１３に出力する。

表示制御部１３は、入力された所定の時間間隔毎に光強度の空間分布に基づいて、ＯＣＴ信号強度を算出する。具体的には、表示制御部１３は、各光強度の空間分布によって表されるパルス光の反射光と、入射光であるパルス光との干渉信号強度を計算することによってＯＣＴ信号強度を計算する。なお、光の干渉信号強度の計算方法については、既に公知の方法を用いることができる。

そして、上述したようにして計算されたＯＣＴ信号強度に基づいて、図１４に示すような、皮膚シミュレーションモデル５０内における各深さ位置に対応するＯＣＴ信号強度をプロットした画像（グラフ）をモニタ２０に表示させる。なお、図１４のグラフの下には、点線で示される各深さ位置のＯＣＴ信号強度を算出する際に用いた各光強度の空間分布を示している。図１４に示す光強度の空間分布は左から右に時系列に配列されている。なお、図１４に示すＯＣＴ信号強度のグラフの横軸は時間軸に読み替えることもできる。

図１４に示すＯＣＴ信号強度のグラフから、皮膚シミュレーションモデル５０における第１の散乱体層５１と第２の散乱体層５２との境界部分が段差として現れていることがわかる。また、比較のために、第１の散乱体層５１と第２の散乱体層５２の微粒子の濃度を変化させた場合のＯＣＴ信号強度のグラフを図１５から図１８に示す。

図１５は、第１の散乱体層５１と第２の散乱体層５２の微粒子の濃度をともに３％とした場合のＯＣＴ信号強度のグラフを表している。この場合、図１４のグラフに現れていたような段差は発生していない。

また、図１６は、第１の散乱体層５１の微粒子の濃度を３％とし、第２の散乱体層５２の微粒子の濃度を３０％とした場合のＯＣＴ信号強度のグラフを表している。この場合、図１４のグラフよりも大きな段差が発生している。

また、図１７は、第１の散乱体層５１の微粒子の濃度を１％とし、第２の散乱体層５２の微粒子の濃度を１０％とした場合のＯＣＴ信号強度のグラフを表している。この場合も、図１４のグラフよりも大きな段差が発生している。

また、第１の散乱体層５１と第２の散乱体層５２の微粒子の濃度をともに１０％とした場合のＯＣＴ信号強度のグラフを表している。この場合、図１４のグラフに現れていたような段差は発生しておらず、図１５に示すＯＣＴ信号強度のグラフよりもＯＣＴ信号強度の減少度合いが大きくなっている。

図１４から図１８に示したようなＯＣＴ信号強度の計算結果と、実際に光断層撮影を行って取得したＯＣＴ信号強度とを比較解析することによって、実際に光断層撮影を行った皮膚などの状態を把握することができる。

また、上記実施形態の説明では、多層構造のシミュレーションモデルとして生体の皮膚のシミュレーションモデルを設定するようにしたが、本発明に適用可能なシミュレーションモデルはこれらに限らず、たとえば、粘膜のシミュレーションモデルや、紙とインク層とを積層した印刷物のシミュレーションモデルや、塗装膜などの散乱体層を含む積層構造体などのシミュレーションモデルを適用するようにしてもよい。そして、これらのシミュレーションモデルを用いて上記と同様の光学シミュレーションを行い、その結果に基づく画像をモニタ２０に表示することによって、紙やインクの開発や塗装膜の設計に役に立てることができる。

１０ 光学シミュレーション装置
１１ シミュレーションモデル設定部
１２ 光学シミュレーション部
１３ 表示制御部
２０ モニタ
３０ 入力部
４０，５０ 皮膚シミュレーションモデル
４１ 空気層
４２ 角層
４３ 表皮層
４４ 真皮層
４５ 凹凸面
４７ 毛穴を表す領域
４８ 血管を表す領域
４９ 塗布層
５１ 第１の散乱体層
５２ 第２の散乱体層

Claims (18)

1. 光学特性が互いに異なる複数の層を積層した多層構造であって、前記複数の層のうちの少なくとも１層が散乱体である多層構造のシミュレーションモデルが設定されるシミュレーションモデル設定部と、
   前記多層構造のシミュレーションモデルに対して光を入射した際における前記多層構造内での光強度の空間分布の時間変化をシミュレーションする光学シミュレーション部と、
   該光学シミュレーション部においてシミュレーションされた前記多層構造内での光強度の空間分布の時間変化に基づいて生成された画像を表示部に表示させる表示制御部とを備えたことを特徴とする光学シミュレーション装置。
2. 前記表示制御部が、所定の時間間隔で取得された複数の前記光強度の空間分布を時系列に並べて表示させるものであることを特徴とする請求項１記載の光学シミュレーション装置。
3. 前記表示制御部が、所定の時間間隔で取得された複数の前記光強度の空間分布を時系列に順次切り替えて動画として表示させるものであることを特徴とする請求項１記載の光学シミュレーション装置。
4. 前記表示制御部が、前記光強度の空間分布に対して、前記多層構造のシミュレーションモデルの情報を重ねて表示させるものであることを特徴とする請求項１から３いずれか１項記載の光学シミュレーション装置。
5. 前記表示制御部が、所定の入力部によって受け付けられた位置における前記多層構造のシミュレーションモデルの情報を表示させるものであることを特徴とする請求項４記載の光学シミュレーション装置。
6. 前記表示制御部が、前記光強度の空間分布に対して、前記多層構造のシミュレーションモデルの層境界線を重ねて表示させるものであることを特徴とする請求項４記載の光学シミュレーション装置。
7. 前記表示制御部が、前記光強度の空間分布に対して、前記多層構造のシミュレーションモデルの層境界に対応した反射光の強度変化部分を表す画像を重ねて表示させるものであることを特徴とする請求項１から６いずれか１項記載の光学シミュレーション装置。
8. 前記表示制御部が、所定の入力部によって受け付けられた位置における光強度の情報を表示させるものであることを特徴とする請求項１から７記載の光学シミュレーション装置。
9. 前記表示制御部が、前記光強度の空間分布によって表される前記光の反射光と前記光との干渉信号強度に基づく画像を表示させるものであることを特徴とする請求項１記載の光学シミュレーション装置。
10. 前記多層構造の少なくとも一部が、生体の一部の構造であることを特徴とする請求項１から９いずれか１項記載の光学シミュレーション装置。
11. 前記多層構造の少なくとも一部が、皮膚または粘膜であることを特徴とする請求項１０記載の光学シミュレーション装置。
12. 前記多層構造の少なくとも一部が、前記皮膚と該皮膚に塗布される塗布剤からなる層であることを特徴とする請求項１１記載の光学シミュレーション装置。
13. 前記多層構造の各層の境界が、凹凸面または曲面であることを特徴とする請求項１から１２いずれか１項記載の光学シミュレーション装置。
14. 前記多層構造の各層内または境界部分に、局所的に前記各層とは異なる光学特性を有する領域が設けられていることを特徴とする請求項１から１３いずれか１項記載の光学シミュレーション装置。
15. 前記散乱体の層が、微粒子をランダムに分散させたものであり、前記微粒子の屈折率、サイズおよび濃度に基づく散乱係数を設定することによってモデル化されるものであることを特徴とする請求項１から１４いずれか１項記載の光学シミュレーション装置。
16. 前記光がパルス光であることを特徴とする請求項１から１５いずれか１項記載の光学シミュレーション装置。
17. 光学特性が互いに異なる複数の層を積層した多層構造であって、前記複数の層のうちの少なくとも１層が散乱体である多層構造のシミュレーションモデルを設定し、
    該多層構造のシミュレーションモデルに対して光を入射した際における前記多層構造内での光強度の空間分布の時間変化をシミュレーションし、
    該シミュレーションした前記多層構造内での光強度の空間分布の時間変化に基づいて生成された画像を表示することを特徴とする光学シミュレーション方法。
18. コンピュータを、光学特性が互いに異なる複数の層を積層した多層構造であって、前記複数の層のうちの少なくとも１層が散乱体である多層構造のシミュレーションモデルが設定されるシミュレーションモデル設定部と、
    前記多層構造のシミュレーションモデルに対して光を入射した際における前記多層構造内での光強度の空間分布の時間変化をシミュレーションする光学シミュレーション部と、
    該光学シミュレーション部においてシミュレーションされた前記多層構造内での光強度の空間分布の時間変化に基づいて生成された画像を表示部に表示させる表示制御部として機能させることを特徴とする光学シミュレーションプログラム。