JP2016211936A - Optical sensor, optical inspection equipment, analyte inside information measurement method, and analyte inside characteristic estimation method - Google Patents

Optical sensor, optical inspection equipment, analyte inside information measurement method, and analyte inside characteristic estimation method Download PDF

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将行 藤原
Masayuki Fujiwara
将行 藤原
石井 稔浩
Toshihiro Ishii
稔浩 石井
陽一郎 ▲高▼橋
陽一郎 ▲高▼橋
Yoichiro Takahashi
俊英 佐々木
Shunei Sasaki
俊英 佐々木
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an optical sensor capable of having high resolution without lowering loadability into an analyte.SOLUTION: An optical sensor comprises: an irradiation system including a plurality of light source modules LM having a light source for irradiating the same position of an analyte with a plurality of beams of non-parallel light; a control part which controls the light source; and a detection system which detects light emitted by the irradiation system and propagated in the analyte. A light source module LM further has an optical system including a lens and a prism arranged on an optical path of light from the light source and emitting a plurality of beams of non-parallel light to the same position, and at least one light receiving element which receives part of each of the plurality of beams from the optical system. The control part controls the quantity of light emitted by the light source on the basis of the quantity of light received by the light receiving element.SELECTED DRAWING: Figure 6

Description

本発明は、光学センサ、光学検査装置、被検体内部情報計測方法及び被検体内部特性推定方法に係り、更に詳しくは、被検体に光を照射し該被検体内を伝播した光を検出する光学センサ、該光学センサを備える光学検査装置、前記光学センサを用いる被検体内部情報計測方法及び被検体内部特性推定方法に関する。   The present invention relates to an optical sensor, an optical inspection apparatus, a subject internal information measurement method, and a subject internal property estimation method, and more specifically, an optical for irradiating a subject with light and detecting the light propagated through the subject. The present invention relates to a sensor, an optical inspection apparatus including the optical sensor, a subject internal information measuring method using the optical sensor, and a subject internal property estimating method.

従来、被検体(生体)に光を照射し、被検体内を伝播した光を検出する生体光計測装置が知られている(例えば特許文献1参照)。この生体光計測装置では、被検体に装着される複数のプローブ(探針)のピッチを小さくし、高分解能を得ている。   2. Description of the Related Art Conventionally, a biological light measurement device that irradiates a subject (living body) with light and detects light propagated through the subject is known (see, for example, Patent Document 1). In this biological light measurement apparatus, the pitch of a plurality of probes (probes) attached to the subject is reduced to obtain high resolution.

しかしながら、特許文献1に開示されている生体光計測装置では、被検体への装着性を低下させずに高分解能を得ることができなかった。   However, the biological optical measurement device disclosed in Patent Document 1 cannot achieve high resolution without deteriorating the attachment property to the subject.

本発明は、被検体の同一位置に非平行の複数の光を照射する、光源を有する光照射器を少なくとも1つ含む照射系と、前記光源を制御する制御部と、前記照射系から照射され前記被検体内を伝播した光を検出する検出系と、を備え、前記光照射器は、前記光源からの光の光路上に配置され、非平行な複数の光を前記同一位置に向けて出射する光学系と、前記光学系からの複数の光それぞれの一部を受光する少なくとも1つの受光素子と、を更に有し、前記制御部は、前記受光素子の受光量に基づいて前記光源の発光量を制御する光学センサである。   The present invention provides an irradiation system including at least one light irradiator having a light source that irradiates a plurality of non-parallel light beams on the same position of a subject, a control unit that controls the light source, and an irradiation system that emits light from the irradiation system. A detection system that detects light propagated in the subject, and the light irradiator is disposed on an optical path of light from the light source, and emits a plurality of non-parallel lights toward the same position. And at least one light receiving element that receives a part of each of the plurality of lights from the optical system, and the control unit emits light from the light source based on the amount of light received by the light receiving element. An optical sensor for controlling the amount.

本発明によれば、被検体への装着性を低下させずに高分解能を得ることができる。   According to the present invention, it is possible to obtain high resolution without deteriorating the attachment property to the subject.

本発明の第1実施形態に係る光学検査装置の概略構成を説明するための図である。It is a figure for demonstrating schematic structure of the optical inspection apparatus which concerns on 1st Embodiment of this invention. ファントム用の水槽を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the water tank for phantoms. 透明窓のレイアウトを説明するための図である。It is a figure for demonstrating the layout of a transparent window. 実施例1の光源モジュールの概略構成を説明するための図(その1)である。FIG. 3 is a diagram (No. 1) for describing a schematic configuration of a light source module according to Embodiment 1; 実施例1の検出モジュールの概略構成を説明するための図である。2 is a diagram for explaining a schematic configuration of a detection module according to Embodiment 1. FIG. 実施例1の光源モジュールの概略構成を説明するための図(その2)である。FIG. 3 is a second diagram illustrating a schematic configuration of the light source module according to the first embodiment. 図7(A)〜図7(C)は、それぞれ複数の受光素子の配置の具体例(その1〜その3)を説明するための図である。FIG. 7A to FIG. 7C are diagrams for explaining specific examples (No. 1 to No. 3) of arrangement of a plurality of light receiving elements, respectively. 4つの受光素子の出力信号に対する制御部での信号処理を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the signal processing in the control part with respect to the output signal of four light receiving elements. 光スポットの通過部への理想的な入射位置を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the ideal incident position to the passage part of a light spot. 図10(A)〜図10(C)は、それぞれ通過部及び受光素子に入射する光スポットの位置ずれについて説明するための図(その1〜その3)である。FIGS. 10A to 10C are diagrams (No. 1 to No. 3) for explaining the positional deviation of the light spot incident on the passing portion and the light receiving element, respectively. 生体内伝播角度を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the in-vivo propagation angle. 非平行な複数の光が被検体の同一に照射されるかを確認する方法を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the method to confirm whether several non-parallel light is irradiated to the same object. 被検体内の情報を計測する方法を説明するためのフローチャートである。It is a flowchart for demonstrating the method to measure the information in a subject. 逆問題推定アルゴリズムに関するフローチャートである。It is a flowchart regarding an inverse problem estimation algorithm. フォトダイオード(PD)での感度分布を示す図(その1)である。FIG. 3 is a first diagram illustrating a sensitivity distribution in a photodiode (PD). PDでの感度分布を示す図(その2)である。It is a figure (the 2) which shows the sensitivity distribution in PD. 生体内伝播角度を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the in-vivo propagation angle. 図18(A)は、吸光体の実際の位置を示す図であり、図18(B)は、吸光体の位置の推定結果を示す図であり、図18(C)は、比較例における吸光体の位置の検出結果を示す図である。18A is a diagram showing the actual position of the light absorber, FIG. 18B is a diagram showing the estimation result of the position of the light absorber, and FIG. 18C is the light absorption in the comparative example. It is a figure which shows the detection result of the position of a body. 図19(A)は、移動後の吸光体の実際の位置を示す図であり、図19(B)は、移動後の吸光体の位置の推定結果を示す図であり、図19(C)は、比較例における吸光体の位置の検出結果を示す図である。FIG. 19A is a diagram showing the actual position of the light absorber after movement, and FIG. 19B is a diagram showing the estimation result of the position of the light absorber after movement, and FIG. These are figures which show the detection result of the position of the light absorber in a comparative example. 実施例2の光学センサにおける複数の光源モジュールと複数の検出モジュールの配置を説明するための図である。FIG. 10 is a diagram for explaining an arrangement of a plurality of light source modules and a plurality of detection modules in the optical sensor according to the second embodiment. 実施例2の光源モジュールの概略構成を説明するための図(その1)である。FIG. 6 is a first diagram for explaining a schematic configuration of a light source module according to a second embodiment; 面発光レーザアレイチップを説明するための図である。It is a figure for demonstrating a surface emitting laser array chip. 実施例2の光源モジュールの概略構成を説明するための図(その2)である。FIG. 6 is a second diagram illustrating a schematic configuration of a light source module according to a second embodiment. 実施例2の光源モジュールの概略構成を説明するための図(その3)である。FIG. 6 is a third diagram illustrating a schematic configuration of a light source module according to a second embodiment. 実施例2の光源モジュールの概略構成を説明するための図(その4)である。FIG. 6 is a diagram (No. 4) for describing a schematic configuration of a light source module according to Example 2. 光学シミュレータで光学設計した光線図である。It is a ray diagram optically designed by an optical simulator. 第1実施形態における光学シミュレーションの結果を示す図である。It is a figure which shows the result of the optical simulation in 1st Embodiment. 比較例における光学シミュレーションの結果を示す図である。It is a figure which shows the result of the optical simulation in a comparative example. 図29(A)は、比較例の光学センサの作用を説明するための図であり、図29(B)は、第1実施形態の光学センサの作用を説明するための図であり、図29(C−1)〜図29(C−3)は、第1実施形態の光学センサの受光素子の配置の具体例を説明するための図である。FIG. 29A is a diagram for explaining the operation of the optical sensor of the comparative example, and FIG. 29B is a diagram for explaining the operation of the optical sensor of the first embodiment. (C-1) to FIG. 29 (C-3) are diagrams for explaining a specific example of the arrangement of the light receiving elements of the optical sensor according to the first embodiment. 空気から生体への入射角と生体内伝播角度との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the incident angle from the air to a biological body, and the propagation angle in a biological body. 樹脂から生体への入射角と生体内伝播角度との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the incident angle from resin to a biological body, and the propagation angle in a biological body. 実施例2の検出モジュールの概略構成を説明するための図(その1)である。FIG. 6 is a first diagram for explaining a schematic configuration of a detection module according to a second embodiment; 実施例2の検出モジュールの概略構成を説明するための図(その2)である。FIG. 6 is a diagram (No. 2) for describing a schematic configuration of a detection module according to the second embodiment. 実施例2の検出モジュールの概略構成を説明するための図(その3)である。FIG. 6 is a third diagram illustrating a schematic configuration of a detection module according to the second embodiment. 実施例2の光学特性検出方法(位置測定方法)を説明するためのフローチャートである。6 is a flowchart for explaining an optical characteristic detection method (position measurement method) according to the second embodiment. 実施例2での逆問題推定の推定結果を示す図である。It is a figure which shows the estimation result of the inverse problem estimation in Example 2. FIG. 第1実施形態の光学センサの作用を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the effect | action of the optical sensor of 1st Embodiment. 第2実施形態の光学特性検出方法(位置測定方法)を説明するためのフローチャートである。It is a flowchart for demonstrating the optical characteristic detection method (position measurement method) of 2nd Embodiment. 第3実施形態の光学センサにおける複数の光源モジュールと複数の検出モジュールの配置を説明するための図である。It is a figure for demonstrating arrangement | positioning of the several light source module and several detection module in the optical sensor of 3rd Embodiment. 比較例の光学センサにおける各光源モジュールの出射方向及び各検出モジュールの検出方向を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the emission direction of each light source module and the detection direction of each detection module in the optical sensor of a comparative example. 図41(A)は、第4実施形態の面発光レーザアレイチップの4つのグループの出射方向を説明するための図であり、図41(B)は、第4実施形態のPDアレイの4つのPDの検出方向を説明するための図であり、図41(C)は、4つの受光素子の配置について説明するための図である。FIG. 41A is a diagram for explaining the emission directions of the four groups of the surface emitting laser array chip of the fourth embodiment, and FIG. 41B is the diagram of the four arrays of the PD array of the fourth embodiment. It is a figure for demonstrating the detection direction of PD, FIG.41 (C) is a figure for demonstrating arrangement | positioning of four light receiving elements. 第4実施形態の光学センサにおける各光源モジュールの出射方向及び各検出モジュールの検出方向を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the emission direction of each light source module and the detection direction of each detection module in the optical sensor of 4th Embodiment. 制御部の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of a control part. 計算部の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of a calculation part.

《第1実施形態》
以下に、本発明の第1実施形態を図面に基づいて説明する。図1には、第1実施形態に係る光学検査装置100の概略構成が示されている。光学検査装置100は、一例として、拡散光トモグラフィー(DOT)に用いられる。DOTは、例えば生体などの被検体(散乱体)に光を照射し、被検体内を伝播した光を検出して、被検体内部の光学特性を推定する技術である。特に、脳内の血流を検出することで、うつ症状の鑑別診断補助やリハビリテーションの補助機器として利用が期待されている。DOTでは、分解能が向上すると、脳の機能を詳細に理解できることから、多くの研究機関で、分解能を向上させる研究が盛んに行われている。
<< First Embodiment >>
Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 shows a schematic configuration of an optical inspection apparatus 100 according to the first embodiment. The optical inspection apparatus 100 is used for diffuse optical tomography (DOT) as an example. DOT is a technique for estimating optical characteristics inside a subject by irradiating the subject (scattering body) such as a living body with light and detecting the light propagated in the subject. In particular, by detecting blood flow in the brain, it is expected to be used as an auxiliary device for differential diagnosis and rehabilitation of depressive symptoms. In DOT, when the resolution is improved, the function of the brain can be understood in detail. Therefore, many research institutions are actively researching to improve the resolution.

光学検査装置100は、図1に示されるように、複数の発光部を有する光源モジュールLM及び検出モジュールDMを含む光学センサ10、制御部、表示部、計算部などを備えている。制御部は、図43のブロック図に示されるように構成されている。制御部では、中央処理装置A−1からの情報によって、スイッチ部が制御され、発光するLMが選択される。このとき、スイッチ部を介してLMに供給される電流が電流制御部で所望の値に制御される。DMでの検出結果(データ)は、A/D変換され、演算部(A−2)で平均化処理などの演算が行われる。演算部(A−2)での演算結果は、順次記録部(A−3)に記録される。   As shown in FIG. 1, the optical inspection apparatus 100 includes an optical sensor 10 including a light source module LM having a plurality of light emitting units and a detection module DM, a control unit, a display unit, a calculation unit, and the like. The control unit is configured as shown in the block diagram of FIG. In the control unit, the switch unit is controlled by the information from the central processing unit A-1, and the LM to emit light is selected. At this time, the current supplied to the LM via the switch unit is controlled to a desired value by the current control unit. The detection result (data) in DM is A / D converted, and an arithmetic process such as an averaging process is performed in the arithmetic unit (A-2). The calculation results in the calculation unit (A-2) are sequentially recorded in the recording unit (A-3).

本明細書中、光源モジュールLM及び検出モジュールDMを、区別しない場合は、プローブとも呼ぶ。また、本明細書では、適宜、擬似生体、生体、被検体の文言を用いるが、擬似生体、生体が被検体の具体例であることに変わりはない。   In the present specification, the light source module LM and the detection module DM are also referred to as probes when not distinguished from each other. In addition, in this specification, the words “pseudo living body”, “living body”, and “subject” are used as appropriate, but the pseudo living body and living body are still specific examples of the subject.

光学センサ10は、被検体中の吸光体を検出するセンサとして汎用的に利用できるが、最も利用価値が高い被検体は生体である。しかしながら、一般に、光学センサを用いて生体の血流(吸光体)の位置を検出することは必ずしも容易ではなく、被検体を生体とすると、光学センサ10による効果(検出精度)を確認し難い。   The optical sensor 10 can be generally used as a sensor for detecting a light absorber in a subject, but the subject having the highest utility value is a living body. However, in general, it is not always easy to detect the position of the bloodstream (absorber) in a living body using an optical sensor. If the subject is a living body, it is difficult to confirm the effect (detection accuracy) of the optical sensor 10.

そこで、本実施形態では、汎用性をもたせるとともに、検出精度を確認し易い被検体として、水槽に入った白濁液である擬似生体(ファントムとも呼ぶ)を採用している。   Therefore, in this embodiment, a pseudo-living body (also referred to as a phantom) that is a cloudy liquid in a water tank is adopted as a subject that has versatility and allows easy detection accuracy.

以下に、本実施形態の実施例1について説明する。   Hereinafter, Example 1 of the present embodiment will be described.

〈実施例1〉
実施例1では、光源からの複数の光線をプリズムによって偏向させて、被検体への入射角を光線間で異ならせる方法を採用している。
<Example 1>
In the first embodiment, a method is adopted in which a plurality of light beams from a light source are deflected by a prism so that an incident angle to a subject is different among the light beams.

ここでは、図2に示されるように、各壁が黒色のアクリル板で構成された水槽の一側壁(+Z側の壁)の8箇所に透明なアクリル板から成る透明窓を設けている。水槽の内部は、イントラピッド水溶液(イントラピッド10%濃度を10倍に希釈)で満たされている。すなわち、実施例1で使用する擬似生体は、イントラリピッド水溶液である。   Here, as shown in FIG. 2, transparent windows made of a transparent acrylic plate are provided at eight locations on one side wall (+ Z side wall) of a water tank in which each wall is made of a black acrylic plate. The inside of the water tank is filled with an intrapid aqueous solution (intrapid 10% concentration diluted 10 times). That is, the simulated living body used in Example 1 is an intralipid aqueous solution.

この水槽内に満たされたイントラピッド水溶液に黒いインクを約20ppm程度となるように滴下して、ほぼ生体と同一の吸収係数及び散乱係数とする。そして、この白濁したイントラピッド水溶液に血流に模した黒色の吸光体を沈める。吸光体は、黒色のポリアセタールとして、約5mm直径の球体とする。この球体の位置を制御できるように、自動ステージに接続された1mm径の細い金属棒に該球体を固定する。この水槽の各透明窓に、プローブを正確に位置決めして装着する。   Black ink is dropped into the aqueous solution filled in the water tank so as to be about 20 ppm, so that the absorption coefficient and the scattering coefficient are almost the same as those of the living body. Then, a black light-absorbing body imitating blood flow is submerged in this cloudy intrapid aqueous solution. The light absorber is a sphere having a diameter of about 5 mm as black polyacetal. In order to control the position of the sphere, the sphere is fixed to a thin metal rod having a diameter of 1 mm connected to the automatic stage. The probe is accurately positioned and attached to each transparent window of the water tank.

ここでは、水槽の容積は、140mm×140mm×60mmである。黒色のアクリル板の厚さは、4mmである。8つの透明窓は、2種類の大きさの円形の透明窓A、Bで構成されている。透明窓A、Bは、4つずつある。透明窓Aの直径は9mm、透明窓Bの直径は12mmである。透明窓A、Bの厚さは、いずれも1.5mmである。   Here, the volume of the water tank is 140 mm × 140 mm × 60 mm. The thickness of the black acrylic plate is 4 mm. The eight transparent windows are composed of two types of circular transparent windows A and B. There are four transparent windows A and B. The diameter of the transparent window A is 9 mm, and the diameter of the transparent window B is 12 mm. The thickness of each of the transparent windows A and B is 1.5 mm.

図3には、8つの透明窓のレイアウトが示されている。8つの透明窓は、透明窓A、Bが隣り合うようにX方向及びY方向に等間隔で格子状に配置されている。ここでは、各透明窓Aには検出モジュールDMが装着され、各透明窓B(B1〜B4)には光源モジュールLMが装着される。隣り合う2つの透明窓の中心間の距離は、30mmである。   FIG. 3 shows the layout of eight transparent windows. The eight transparent windows are arranged in a lattice pattern at equal intervals in the X direction and the Y direction so that the transparent windows A and B are adjacent to each other. Here, a detection module DM is attached to each transparent window A, and a light source module LM is attached to each transparent window B (B1 to B4). The distance between the centers of two adjacent transparent windows is 30 mm.

光源モジュールLMは、図4に示されるように、複数の発光部(面発光レーザ)を有する面発光レーザアレイチップと、該面発光レーザアレイチップからの光の光路上に配置されたレンズと、該レンズを介した光の光路上に配置されたプリズムと、面発光レーザアレイチップが実装されるセラミックパッケージ(不図示)やアナログ電子回路が実装されたフレキ基板(不図示)と、該フレキ基板に結線された配線及びコネクタ部(不図示)と、これらの構成要素が収容された筐体と、該筐体におけるプリズムを介した光の光路上に設けられ被検体と接触する透明樹脂からなる窓部材(光透過部材)と、プリズムと窓部材との間の光の一部の光路上に配置された4つの受光素子(図4には、4つの受光素子のうち2つのみが図示されている)と、4つの受光素子が実装される基板(不図示)などを含む。各受光素子としては、例えばフォトダイオード、フォトトランジスタ等が挙げられる。   As shown in FIG. 4, the light source module LM includes a surface emitting laser array chip having a plurality of light emitting units (surface emitting lasers), a lens disposed on an optical path of light from the surface emitting laser array chip, A prism disposed on an optical path of light through the lens; a ceramic package (not shown) on which a surface emitting laser array chip is mounted; a flexible substrate (not shown) on which an analog electronic circuit is mounted; and the flexible substrate A wiring and a connector portion (not shown) connected to each other, a housing in which these components are accommodated, and a transparent resin that is provided on the optical path of light through the prism in the housing and contacts the subject. Four light receiving elements disposed on the optical path of a part of the light between the window member (light transmitting member) and the prism and the window member (FIG. 4 shows only two of the four light receiving elements. And) Four light receiving elements including a substrate (not shown) are mounted. Examples of each light receiving element include a photodiode and a phototransistor.

そこで、光源モジュールLMでは、面発光レーザアレイチップからの光の光量を4つの受光素子の和信号でモニタし、適切な光量になるよう制御部にフィードバックする。制御部は、フィードバックされた情報に基づいて電源部(不図示)を介して適切な電流値で面発光レーザアレイチップの各発光部を駆動することで面発光レーザアレイチップの出力を一定に保つことができる。   Therefore, in the light source module LM, the amount of light from the surface emitting laser array chip is monitored by the sum signal of the four light receiving elements and fed back to the control unit so as to obtain an appropriate amount of light. The control unit keeps the output of the surface emitting laser array chip constant by driving each light emitting unit of the surface emitting laser array chip with an appropriate current value via a power supply unit (not shown) based on the fed back information. be able to.

光源モジュールLMは、被検体(透明窓B)に窓部材が+Z側から接触された状態で装着される。   The light source module LM is mounted in a state where the window member is in contact with the subject (transparent window B) from the + Z side.

検出モジュールDMは、図5に示されるように、黒い樹脂製の筐体、該筐体の先端(−Z側の端)に取り付けられた弾性体からなる接触部材、筐体に収容された直径3mmの半球レンズ(分割レンズ)及び4分割PDアレイ(4つのフォトダイオード(PD)がアレイ状に配列されたもの)を含んで構成されている。筐体の先端及び接触部材には、アパーチャ(開口)が形成されている。検出モジュールDMは、被検体(透明窓A)に接触部材が+Z側から接触された状態で装着される。なお、図5には、4つのPD(受光部)のうち2つのみが図示されている。   As shown in FIG. 5, the detection module DM includes a black resin casing, a contact member made of an elastic body attached to the front end (−Z side end) of the casing, and a diameter accommodated in the casing. It is configured to include a 3 mm hemispherical lens (divided lens) and a 4-divided PD array (in which four photodiodes (PD) are arranged in an array). An aperture (opening) is formed at the tip of the housing and the contact member. The detection module DM is mounted in a state where the contact member is in contact with the subject (transparent window A) from the + Z side. FIG. 5 shows only two of the four PDs (light receiving units).

分割レンズは、アパーチャの+Z側近傍に配置されている。そこで、光源モジュールLMから被検体に照射され該被検体内を伝播した光は、アパーチャを介して分割レンズに入射し、該分割レンズへの入射位置及び入射方向に応じた方向に屈折され出射される(図5参照)。   The split lens is disposed in the vicinity of the + Z side of the aperture. Therefore, the light irradiated from the light source module LM to the subject and propagated through the subject enters the split lens through the aperture, and is refracted and emitted in a direction according to the incident position and the incident direction to the split lens. (See FIG. 5).

4分割PDアレイは、分割レンズの+Z側に配置されている。そこで、分割レンズを介した光は、その進行方向(分割レンズからの出射方向)に応じて4分割PDアレイの4つの受光部(PD)のいずれかに入射する。このようにして、検出モジュールDMでは、被検体から入射された光の入射角度を4つの角度範囲に分類できる。   The 4-division PD array is arranged on the + Z side of the division lens. Therefore, the light passing through the split lens is incident on one of the four light receiving portions (PD) of the quadrant PD array according to the traveling direction (the emission direction from the split lens). In this way, the detection module DM can classify the incident angles of the light incident from the subject into four angle ranges.

制御部は、各透明窓Aに装着された検出モジュールDMの4つのPD(受光部)の受光量(計16個のPDの受光量)を検出し、オペアンプにて電圧に変換して、記録部に記録する。データはサンプリングレートを1msecで検出し、20sec計測した数値を平均化する。1回の測定では16個のPDのデータを取得する。   The control unit detects the amount of light received by the four PDs (light receiving units) of the detection module DM mounted on each transparent window A (the total amount of light received by 16 PDs), converts it to a voltage using an operational amplifier, and records it. To record. The data is detected at a sampling rate of 1 msec, and the values measured for 20 sec are averaged. In one measurement, 16 PD data are acquired.

次に、光源モジュールLMについて詳細に説明する。光源モジュールLMの光源には、40chの面発光レーザアレイチップ、すなわち発光部としてのVCSEL(面発光レーザ)を40個有する面発光レーザアレイチップが採用されている。   Next, the light source module LM will be described in detail. As the light source of the light source module LM, a 40-channel surface-emitting laser array chip, that is, a surface-emitting laser array chip having 40 VCSELs (surface-emitting lasers) as light-emitting units is employed.

この面発光レーザアレイチップからの光の光路上には、該光を略平行光とする直径3mmのレンズが配置されている(図6参照)。このレンズの光軸は、Z軸に平行となっている。面発光レーザアレイチップの出射面(発光面)とレンズの主点(レンズの光学的な中心)との距離は、該レンズの焦点距離f(例えば9mm)に等しく設定されている。すなわち、面発光レーザアレイチップは、出射面がレンズの焦点位置に位置するように配置されている。なお、「レンズの焦点距離」は、レンズの主点と焦点との距離である。   On the optical path of the light from the surface emitting laser array chip, a lens having a diameter of 3 mm that makes the light substantially parallel is disposed (see FIG. 6). The optical axis of this lens is parallel to the Z axis. The distance between the emitting surface (light emitting surface) of the surface emitting laser array chip and the principal point of the lens (optical center of the lens) is set equal to the focal length f (for example, 9 mm) of the lens. That is, the surface emitting laser array chip is arranged so that the emission surface is located at the focal position of the lens. The “lens focal length” is the distance between the principal point of the lens and the focal point.

そこで、面発光レーザアレイチップの例えば40ch(40個のVCSEL)を同時に点灯すると、プリズムの反射面で偏向された光の一部が被検体に照射され、該光の他の一部(残部の少なくとも一部)が4つの受光素子に照射される(図6参照)。なお、図6には、2つの受光素子のみが図示されている。ここでは、4つの受光素子は、プリズムからの光束のうち主光線(ガウス分布における光強度が最大の中央の光線)を含む光(例えば光束の断面内で相対強度がN%〜100%の光)を通過させ、周辺の光(例えば光束の断面内で相対強度が0%〜N%の光)が照射されるように、すなわち光スポットの中央部(例えば光スポットの相対強度がN%〜100%の部分)を通過させ、周辺部(例えば光スポットの相対強度が0%〜N%の部分)が照射されるように後述する回転軸の周辺に配置されている(図9参照)。なお、Nは、5%〜40%であることが好ましく、10%〜35%であることがより好ましい。   Therefore, when, for example, 40 channels (40 VCSELs) of the surface emitting laser array chip are simultaneously turned on, a part of the light deflected by the reflecting surface of the prism is irradiated to the subject, and another part of the light (remaining part) At least a part) is irradiated to four light receiving elements (see FIG. 6). FIG. 6 shows only two light receiving elements. Here, the four light receiving elements include light (for example, light having a relative intensity of N% to 100% in the cross section of the light beam) including principal rays (central light beam having the maximum light intensity in the Gaussian distribution) among the light beams from the prism. ) And the surrounding light (for example, light having a relative intensity of 0% to N% in the cross section of the light beam) is irradiated, that is, the central portion of the light spot (for example, the relative intensity of the light spot is N% to 100% portion) is allowed to pass through and is arranged around the rotation axis described later so that the peripheral portion (for example, the portion where the relative intensity of the light spot is 0% to N%) is irradiated (see FIG. 9). Note that N is preferably 5% to 40%, and more preferably 10% to 35%.

制御部は、4つの受光素子の和信号をモニタし、面発光レーザアレイチップの出力を所望の出力に調整する。ここでは総出力が50mW程度となるよう調整される。面発光レーザアレイチップから出射され、レンズを透過した光は、図6に示されるようにプリズムによって偏向される。   The control unit monitors the sum signal of the four light receiving elements and adjusts the output of the surface emitting laser array chip to a desired output. Here, the total output is adjusted to be about 50 mW. Light emitted from the surface emitting laser array chip and transmitted through the lens is deflected by a prism as shown in FIG.

ここで、光源モジュールLMでは、窓部材は筐体に設けられた開口を塞ぐように筐体に取り付けられている。そこで、プリズムからの光束のうち主光線を含む光(光スポットの中央部)は、筐体の開口、窓部材を通過して被検体に照射される。   Here, in the light source module LM, the window member is attached to the casing so as to close the opening provided in the casing. Therefore, the light including the principal ray (the central portion of the light spot) out of the light flux from the prism passes through the opening of the housing and the window member and is irradiated to the subject.

プリズムとしては、上記アクリル製の水槽と屈折率が同等のアクリル製のものが採用されている。プリズムの反射面は、該プリズムの径に合わせて設計され、該反射面の角度は、レンズを介した光が上記アクリル製の水槽に入射角50°程度で入射するように設定されている。   As the prism, an acrylic one having a refractive index equivalent to that of the acrylic water tank is employed. The reflecting surface of the prism is designed according to the diameter of the prism, and the angle of the reflecting surface is set so that light through the lens enters the acrylic water tank at an incident angle of about 50 °.

水槽及びプリズムのアクリルと、ファントム(イントラピッド水溶液)との屈折率差は、スネルの法則によってファントム内での伝播角度が約60°(図6中のθ1)になるように設定されている。面発光レーザアレイチップ、レンズ、プリズムは、Z方向に延びる回転軸の周りに回転可能な回転ステージ(不図示)に取り付けられている。ここでは、回転ステージの回転軸は、筐体の開口(窓部材)を通っている。以下では、回転ステージの回転軸を単に「回転軸」とも呼ぶ。また、面発光レーザアレイ、レンズ、プリズムを併せて「照射部」とも呼ぶ。   The difference in refractive index between the water tank and prism acrylic and the phantom (intrapid aqueous solution) is set so that the propagation angle in the phantom is about 60 ° (θ1 in FIG. 6) according to Snell's law. The surface emitting laser array chip, the lens, and the prism are attached to a rotation stage (not shown) that can rotate around a rotation axis extending in the Z direction. Here, the rotation axis of the rotary stage passes through the opening (window member) of the housing. Hereinafter, the rotation axis of the rotation stage is also simply referred to as “rotation axis”. A surface emitting laser array, a lens, and a prism are also collectively referred to as an “irradiation unit”.

図7(A)〜図7(C)には、水槽内部側から光源モジュールLMを見た図が示されている。4つの受光素子は、筐体内における回転軸の周辺(プリズムと窓部材との間)に配置されている。   FIGS. 7A to 7C show views of the light source module LM viewed from the water tank inner side. The four light receiving elements are arranged around the rotation axis (between the prism and the window member) in the housing.

図7(A)に示される例では、4つの受光素子は、回転軸に関して略軸対称に配置された一対の受光素子から成る受光素子対を2対含む。2対の受光素子対は、受光素子の並び方向が互いに直交している。   In the example shown in FIG. 7A, the four light receiving elements include two light receiving element pairs each including a pair of light receiving elements arranged substantially symmetrically with respect to the rotation axis. In the two pairs of light receiving elements, the alignment directions of the light receiving elements are orthogonal to each other.

詳述すると、4つの受光素子は、回転軸のXY座標を(0、0)としたときに4つの座標(X1、0)、(X2、0)、(0、Y1)、(0、Y2)に個別に配置されている(ただし、X2=−X1、Y2=−Y1)。そこで、以下では、4つの受光素子をX1、X2、Y1、Y2とも呼ぶ。   More specifically, the four light receiving elements have four coordinates (X1, 0), (X2, 0), (0, Y1), (0, Y2) when the XY coordinates of the rotation axis are (0, 0). ) Individually arranged (where X2 = −X1, Y2 = −Y1). Therefore, in the following, the four light receiving elements are also referred to as X1, X2, Y1, and Y2.

4つの受光素子は、回転ステージとは分離して設けられ該回転ステージが回転しても回転しない。なお、受光素子の数は4つが望ましいが、4つに限定されず、複数であれば良い。   The four light receiving elements are provided separately from the rotary stage and do not rotate even when the rotary stage rotates. Although the number of light receiving elements is preferably four, the number is not limited to four and may be plural.

また、受光素子が、面発光レーザアレイチップからの光スポットの周辺部が照射される位置に配置され、面発光レーザアレイチップからの光の光量や光スポットの位置が検出できれば、受光素子の配置は必ずしも軸対称でなくても良く、また、図7(B)に示されるように受光素子の形状が異なっていても良いし、図7(C)に示されるように受光素子が奇数個でも良い。また、受光素子は、複数に限らず、単数であっても良い。   In addition, if the light receiving element is disposed at a position where the peripheral portion of the light spot from the surface emitting laser array chip is irradiated, and the amount of light from the surface emitting laser array chip and the position of the light spot can be detected, the light receiving element is disposed. May not necessarily be symmetrical with respect to the axis, and the shape of the light receiving element may be different as shown in FIG. 7B, or an odd number of light receiving elements may be used as shown in FIG. 7C. good. Further, the number of light receiving elements is not limited to a plurality, and may be one.

4つの受光素子の出力信号に対する制御部での信号処理の流れを、図8を参照して説明する。先ず、面発光レーザアレイチップからの光の一部が4つの受光素子X1、X2、Y1、Y2に入射する。各受光素子では受光した光量に応じた電気信号が発生する。各受光素子からの信号は制御部へ送信される。制御部は、4つの受光素子X1、X2、Y1、Y2の出力信号SX1、SX2、SY1、SY2を和算した信号(SX1+SX2+SY1+SY2)を用いて、面発光レーザアレイチップの光出力をモニタし、光出力が所望の値になるように面発光レーザアレイチップの駆動電流を調整する。   The flow of signal processing in the control unit for the output signals of the four light receiving elements will be described with reference to FIG. First, part of light from the surface emitting laser array chip is incident on the four light receiving elements X1, X2, Y1, and Y2. Each light receiving element generates an electrical signal corresponding to the amount of light received. A signal from each light receiving element is transmitted to the control unit. The control unit monitors the optical output of the surface emitting laser array chip using the signal (SX1 + SX2 + SY1 + SY2) obtained by summing the output signals SX1, SX2, SY1, SY2 of the four light receiving elements X1, X2, Y1, Y2. The drive current of the surface emitting laser array chip is adjusted so that the output becomes a desired value.

図9に示されるように、受光素子X1、X2は光スポットの外周部が照射される位置に配置される。ここでは、被検体内を通って検出モジュールDMに入射する光量が微弱であることから、多くの光を被検体に導くことがDOTの精度向上の大前提となるためである。各受光素子に入射する光の光量は、光スポット全体の5%以上かつ25%以下が望ましく、実施例1では12.5%となるように受光素子が配置されている。ここでは、X方向に並ぶ受光素子X1、X2について説明したがY方向に並ぶ受光素子Y1、Y2についても同様である。   As shown in FIG. 9, the light receiving elements X <b> 1 and X <b> 2 are arranged at positions where the outer peripheral portion of the light spot is irradiated. Here, since the amount of light incident on the detection module DM through the subject is weak, guiding a large amount of light to the subject is a major premise for improving the accuracy of DOT. The amount of light incident on each light receiving element is preferably 5% or more and 25% or less of the entire light spot, and in the first embodiment, the light receiving elements are arranged to be 12.5%. Here, the light receiving elements X1 and X2 arranged in the X direction have been described, but the same applies to the light receiving elements Y1 and Y2 arranged in the Y direction.

また、図8に示されるように軸対称に配置された2つの受光素子の出力信号の差分を制御部で求めることで、光スポット中心と回転軸のずれを検出できる。実施例1では、SX1−SX2やSY1−SY2が光出力の差分である。例えば、図10(A)に示されるように光スポット中心が回転軸上にある場合、SX1−SX2=0となるが、図10(B)に示されるように光スポット中心が回転軸から左側(+X側)にずれるとSX1−SX2>0、図10(C)に示されるように光スポット中心が回転軸から右側(−X側)にずれるとSX1−SX2<0となる。ここでは、X方向について説明したがY方向についても同様である。   Further, as shown in FIG. 8, the difference between the output signals of two light receiving elements arranged symmetrically about the axis is obtained by the control unit, so that the deviation between the center of the light spot and the rotation axis can be detected. In the first embodiment, SX1-SX2 and SY1-SY2 are optical output differences. For example, when the light spot center is on the rotation axis as shown in FIG. 10A, SX1-SX2 = 0, but the light spot center is on the left side of the rotation axis as shown in FIG. 10B. When shifted to (+ X side), SX1−SX2> 0, and as shown in FIG. 10C, when the center of the light spot is shifted to the right side (−X side) from the rotation axis, SX1−SX2 <0. Although the X direction has been described here, the same applies to the Y direction.

回転ステージ及び照射部を一緒に回転させることで、プリズムへの光の入射角、方位を変えることが可能となる。ここでは、図11に示されるように、回転ステージの回転軸を中心として+X、−X、+Y、−Yの4方位の計測を順次行うこととした。すなわち、4つの光源モジュールLMの位置(B1〜B4の4箇所)と4方位で4×4の16回の計測を行うことになる。窓部材と水槽との間には、これらと屈折率が同等のジェル状の樹脂(図示せず)が介在(好ましくは充填)されている。これにより、窓部材と水槽との間での光の屈折や反射を防止できる。なお、プリズムの出射面を露出させ、該出射面を水槽(被検体)に接触させるようにしても良い。この場合も、プリズムと水槽と間に、これらと屈折率が同等のジェル状の樹脂を介在(好ましくは充填)させることで、プリズムと水槽との間での光の屈折や反射を防止できる。   By rotating the rotary stage and the irradiation unit together, the incident angle and direction of light to the prism can be changed. Here, as shown in FIG. 11, the four directions of + X, −X, + Y, and −Y are sequentially measured around the rotation axis of the rotary stage. That is, 16 measurements of 4 × 4 are performed in the positions of the four light source modules LM (four locations B1 to B4) and four directions. Between the window member and the water tank, gel-like resin (not shown) having the same refractive index is interposed (preferably filled). Thereby, refraction and reflection of light between the window member and the water tank can be prevented. Note that the exit surface of the prism may be exposed and the exit surface may be brought into contact with the water tank (subject). Also in this case, refraction and reflection of light between the prism and the water tank can be prevented by interposing (preferably filling) a gel-like resin having the same refractive index between the prism and the water tank.

このように、各光源モジュールLMでは、照射部を回転させることで、非平行な複数の光を被検体の同一位置に照射することが可能となる   Thus, in each light source module LM, it is possible to irradiate a plurality of non-parallel lights to the same position of the subject by rotating the irradiation unit.

次に、実際に非平行な複数の光が被検体の同一位置に照射されるかを確認する方法を説明する。図12におけるP、Qは−Yの方位においてプリズムで偏向された2つの光を、Rは+Yの方位においてプリズムで偏向された光を代表的に示している。   Next, a method for confirming whether or not a plurality of non-parallel light is actually applied to the same position of the subject will be described. In FIG. 12, P and Q representatively represent two lights deflected by the prism in the -Y direction, and R representatively represents the light deflected by the prism in the + Y direction.

P、Q、Rの発光源である3つの発光部を個別に発光させて発光毎にSY1−SY2を測定し、Y方向の光スポットのずれを比較する。このずれ量のばらつきが同一位置として問題のない範囲内(例えば数mmの範囲内)にあれば、非平行な複数の光が同一位置に照射されていると判定することができる。   Three light-emitting units that are P, Q, and R light-emitting sources are individually caused to emit light, and SY1-SY2 is measured for each light emission, and the deviation of the light spot in the Y direction is compared. If the variation in the amount of deviation is within the range where there is no problem at the same position (for example, within a range of several mm), it can be determined that a plurality of non-parallel lights are irradiated at the same position.

一方、求める検出精度に対して非平行な複数の光のずれ量が大きく、同一位置に照射されていないと判定される場合は、不図示の位置調整装置を用いて面発光レーザアレイチップの回転ステージ上における位置調整を行うことや、ずれ量、ずれ方向をパラメータとして保存して、シミュレーション時に位置ずれの影響を補正することもできる。なお、以上、Y方向について説明したがX方向についても同様の議論が成立する。   On the other hand, if it is determined that the amount of deviation of a plurality of lights that are non-parallel to the required detection accuracy is large and the same position is not irradiated, rotation of the surface emitting laser array chip using a position adjusting device (not shown) Position adjustment on the stage can be performed, and the amount of displacement and the direction of displacement can be stored as parameters to correct the influence of the displacement during simulation. Although the Y direction has been described above, the same argument holds for the X direction.

上記位置調整装置としては、例えば、面発光レーザアレイチップを回転ステージ上でXY平面に沿って移動させる構成及びZ軸周りに回転させる構成の少なくとも一方を有するものであれば良い。具体的には、回転ステージ上をXY平面に沿って移動可能かつZ軸周りに回転可能なステージが挙げられる。   As the position adjusting device, for example, any device having at least one of a configuration in which the surface emitting laser array chip is moved along the XY plane on the rotary stage and a configuration in which the surface emitting laser array chip is rotated around the Z axis may be used. Specifically, a stage that can move on the rotary stage along the XY plane and that can rotate about the Z axis can be mentioned.

この位置調整装置による位置調整は、全ての非平行な複数の光のX方向、Y方向の光スポットのずれが同一位置として問題のない範囲におさまるように行われる。   The position adjustment by the position adjustment device is performed so that the deviations of the light spots in the X direction and the Y direction of all the non-parallel light beams are within the same range as the same position.

なお、全ての非平行な複数の光の光スポット中心が回転軸上にあることが理想的ではあるが、現実には光学系の高精度の光軸調整や実装精度が必要となり難しい。   Although it is ideal that the light spot centers of all the non-parallel light beams are on the rotation axis, in reality, it is difficult because the optical system requires high-precision optical axis adjustment and mounting accuracy.

ここでは、全ての非平行な複数の光の光スポット中心がXY平面内の同一位置にあれば、回転軸上からずれていても良く、複数の受光素子に高い実装精度が要求されない。   Here, as long as the light spot centers of all the non-parallel light beams are at the same position in the XY plane, they may be displaced from the rotation axis, and high mounting accuracy is not required for the light receiving elements.

すなわち、全ての非平行な複数の光の光スポット中心の回転軸からのXY平面内でのずれ量及びずれ方向が同一となれば良く、該ずれ量が必ずしも0となる必要はない。   That is, it is only necessary that the shift amount and the shift direction in the XY plane from the rotation axis at the center of the light spot of all the non-parallel light beams are the same, and the shift amount is not necessarily zero.

換言すると、|SX1−SX2|、|SY1−SY2|、SX1−SX2の符号、SY1−SY2の符号のいずれもが非平行な複数の光間で略等しくなれば良い。   In other words, it is only necessary that | SX1-SX2 |, | SY1-SY2 |, SX1-SX2 and SY1-SY2 are substantially equal among a plurality of non-parallel lights.

次に、被検体内の情報の計測方法について、図13に示されるフローチャートを参照して説明する。まず、はじめにプローブをセッティングする(ステップT1)。プローブとは、前述の如く検出モジュールDM及び光源モジュールLMを意味する。ここでのセッティング対象のプローブは、4つの検出モジュールDMと1つの光源モジュールLMである。4つの検出モジュールDMは、図3に示される直径9mmの4つの透明窓Aに個別に装着される。1つの光源モジュールLMは、図3に示される透明窓B1に装着される。次に、制御部により、複数(例えば4つ)の受光素子の出力信号の和に基づいて発光強度(出力)がトータルで50mW程度になるように電流値が設定される(ステップT1.5)。その後、光源モジュールLMの40個のch(発光部)を同時に発光させる(ステップT2)。また、測定中は複数の受光素子で常に一定の光量になるようにリアルタイムでフィードバックされる。これにより、面発光レーザアレイチップ起因の光量ばらつきを抑制でき、測定系のS/N比が向上し、高精度なNIRS測定が可能になり、高分解能化に繋がる。仮にプローブ密度を上げて高分解能化した場合には、プローブ本数が増え、その分装着に手間が掛かるが、実施例1ではプローブ密度を上げることなく、すなわち装着性を損なわずに高分解能化することができる。なお、DOTではプローブを頭部に装着して測定することを想定しており、その際、髪の毛をかき分けてプローブを頭皮に装着する必要があるため、プローブ本数が増加すると装着性が損なわれてしまう。   Next, a method for measuring information in the subject will be described with reference to the flowchart shown in FIG. First, a probe is set (step T1). The probe means the detection module DM and the light source module LM as described above. The probes to be set here are four detection modules DM and one light source module LM. The four detection modules DM are individually attached to four transparent windows A having a diameter of 9 mm shown in FIG. One light source module LM is mounted on the transparent window B1 shown in FIG. Next, the current value is set by the control unit so that the emission intensity (output) is about 50 mW in total based on the sum of the output signals of a plurality of (for example, four) light receiving elements (step T1.5). . Thereafter, the 40 channels (light emitting units) of the light source module LM are caused to emit light simultaneously (step T2). Also, during measurement, feedback is made in real time so that a constant light amount is always obtained by a plurality of light receiving elements. As a result, variations in the amount of light caused by the surface emitting laser array chip can be suppressed, the S / N ratio of the measurement system is improved, high-accuracy NIRS measurement is possible, and high resolution is achieved. If the probe density is increased to increase the resolution, the number of probes is increased, and it takes time to mount the probe. However, in the first embodiment, the resolution is increased without increasing the probe density, that is, without impairing the mountability. be able to. In DOT, it is assumed that the probe is mounted on the head and measurement is performed. At that time, it is necessary to scrape the hair and mount the probe on the scalp. End up.

発光時間は20sec程度であり、その間、4つの検出モジュールDMのPDの検出値を読み取り(ステップT3)、1msec間隔で検出した数点のデータ(検出値)を平均化する。そして、平均化された検出値、すなわち検出値の平均値を記録部に格納する(ステップT4)。ここで、計測は、+X方向、+Y方向、−X方向、−Y方向の4方位について行われる(ステップT5、T6)。具体的には、ステップT1の直後のステップT2〜T4は、照射部を+X方向に配置した状態で行う。次いで、照射部を回転させて、+Y方向とする(ステップT6)。この状態でステップT2〜T4を行う。次いで、照射部を回転させて、−X方向とする(ステップT6)。この状態でステップT2〜T4を行う。次いで、照射部を回転させて、−Y方向とする(ステップT6)。この状態でステップT2〜T4を行う。   The light emission time is about 20 sec. During this period, the detection values of the PDs of the four detection modules DM are read (step T3), and several data (detection values) detected at 1 msec intervals are averaged. Then, the averaged detection value, that is, the average value of the detection values is stored in the recording unit (step T4). Here, the measurement is performed in four directions of + X direction, + Y direction, -X direction, and -Y direction (steps T5 and T6). Specifically, steps T2 to T4 immediately after step T1 are performed with the irradiation unit arranged in the + X direction. Next, the irradiation unit is rotated to the + Y direction (step T6). In this state, steps T2 to T4 are performed. Next, the irradiation unit is rotated to the −X direction (step T6). In this state, steps T2 to T4 are performed. Next, the irradiation unit is rotated to the −Y direction (step T6). In this state, steps T2 to T4 are performed.

次に、光源モジュールLMの装着位置を透明窓B1からB2、B3、B4に順次変更して、再度4方位の計測を行う(ステップT7、T8)。その後、吸光体の位置を移動させて、再度4方位、光源モジュールLMの4つの装着位置での計測を行う(ステップT9、T10)。   Next, the mounting position of the light source module LM is sequentially changed from the transparent window B1 to B2, B3, and B4, and the four directions are measured again (steps T7 and T8). Thereafter, the position of the light absorber is moved, and measurement is again performed at four mounting positions of the four light source modules LM (steps T9 and T10).

格納されたデータは、それぞれ吸光体あり、なしのデータを以下の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)とする。iはそれぞれの検出モジュールDMに付された番号である。nはそれぞれのグループに付された番号である。次にそれぞれの差分Δr(i,n)を計算する。   The stored data is the light absorber, and the data without is the following 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). i is a number assigned to each detection module DM. n is a number assigned to each group. Next, each difference Δr (i, n) is calculated.

以下に、図13のフローチャートに基づく上記計測方法で得られた計測結果から吸光体の位置(擬似生体の光学特性)を算出する方法について説明する。ここでは、逆問題推定アルゴリズムを利用する。逆問題を解く際には、まずは、計測、シミュレーションを行い、順問題にて、感度分布を作製する。そして、次の計測を行ったデータを取り込み、その値から逆問題推定を行う(図14のステップS21〜S25参照)。図44には、計算部のブロック図が示されている。先のモンテカルロシミュレーションに利用する各モジュール(プローブ)の位置や生体の屈折率、形状などの情報は記録部(B−1)に記録されている。この情報を元に先の順問題を行う。この計算には並列計算ができるGPU(マルチグラフィックスプロセッサ)を利用する。この利用により従来の計算速度に比べ飛躍的に早く計算ができる。計算によって得られた感度分布を再度記録部(B−1)に格納する。この計算結果と記録部(A−3)に格納されている計測結果を中央処理装置(B−3)に入力して、該中央処理装置(B−3)において逆問題推定を行う。推定結果は中央処理装置(A−1)を介して表示部に表示される(図43参照)。   Hereinafter, a method for calculating the position of the light absorber (the optical characteristic of the simulated living body) from the measurement result obtained by the measurement method based on the flowchart of FIG. Here, an inverse problem estimation algorithm is used. When solving the inverse problem, first, measurement and simulation are performed, and a sensitivity distribution is created using the forward problem. And the data which performed the next measurement are taken in and an inverse problem estimation is performed from the value (refer step S21-S25 of FIG. 14). FIG. 44 shows a block diagram of the calculation unit. Information such as the position of each module (probe) used in the previous Monte Carlo simulation, the refractive index, and the shape of the living body is recorded in the recording unit (B-1). Based on this information, the previous order problem is performed. For this calculation, a GPU (multi-graphics processor) capable of parallel calculation is used. By using this, the calculation can be made much faster than the conventional calculation speed. The sensitivity distribution obtained by the calculation is stored again in the recording unit (B-1). The calculation result and the measurement result stored in the recording unit (A-3) are input to the central processing unit (B-3), and inverse problem estimation is performed in the central processing unit (B-3). The estimation result is displayed on the display unit via the central processing unit (A-1) (see FIG. 43).

ところで、従来、順問題計算の際、生体などの散乱体の中では、光は、ほぼ等方的に散乱すると考えられてきた。このため、計算量が少ない拡散方程式を利用したシミュレーションが利用されてきた。しかし、近年の学会などでも、mm単位の微細なエリアでは、生体内での光伝播は、異方性を有していることが報告がされている。この異方性を反映したシミュレーションを行うためには、輸送方程式を利用するかモンテカルロシミュレーションを行う必要がある。   By the way, conventionally, it has been considered that light is scattered almost isotropically in a scatterer such as a living body when calculating a forward problem. For this reason, simulations using diffusion equations with a small amount of calculation have been used. However, in recent academic societies and the like, it has been reported that light propagation in a living body has anisotropy in a fine area of mm. In order to perform a simulation reflecting this anisotropy, it is necessary to use a transport equation or perform a Monte Carlo simulation.

本実施形態では、光源からの出射光を偏向して被検体へ入射させているので、一般的に利用されている拡散方程式では、入射角の情報を反映することができない。輸送方程式を利用する方法が提案されているが、この計算には膨大な時間がかかることが知られている。   In the present embodiment, since the light emitted from the light source is deflected and incident on the subject, the information on the incident angle cannot be reflected in the diffusion equation that is generally used. Although a method using a transport equation has been proposed, it is known that this calculation takes an enormous amount of time.

そこで、本実施形態では、モンテカルロシミュレーションが採用されている。モンテカルロシミュレーションは、フォトンが散乱媒質のなかで、散乱していく条件を、ランダム変数によって、確率的に表現し、そのマクロ的な振る舞いを観察する手法である。具体的には、フォトンが媒質を移動し、ある距離進むたびに、衝突し、その衝突によって方向性を変えていくようにモデル化する。このときのある距離の平均値が平均自由行程であり、散乱係数で定義され、方向の変化が異方性gによって定義されている。この衝突を繰り返し、定義されたエリア内をどのように伝播していくかを記録する。このようにモデル化されたフォトンを無数に計算することで散乱媒質の光の振る舞いをシミュレーションすることができる。モンテカルロシミュレーションによって、1つのフォトンがどのような経路で拡散していくかを記録する。   Therefore, in this embodiment, Monte Carlo simulation is adopted. Monte Carlo simulation is a technique for probabilistically expressing the conditions under which photons are scattered in a scattering medium using random variables and observing their macroscopic behavior. Specifically, each time a photon moves through a medium and travels a certain distance, it collides, and modeling is performed so that the directionality is changed by the collision. An average value of a certain distance at this time is an average free path, which is defined by a scattering coefficient, and a change in direction is defined by anisotropy g. Repeat this collision and record how it propagates within the defined area. The light behavior of the scattering medium can be simulated by calculating countless photons modeled in this way. The path through which one photon diffuses is recorded by Monte Carlo simulation.

本実施形態におけるモンテカルロシミュレーションでは、フォトン数は10個、ボクセルを1mm立方体として、120mm×120mm×60mmの3次元エリアの計算を行う。ここでは、散乱媒質の散乱係数、吸収係数、異方性、屈折率をそれぞれ頭皮とほぼ同等の数値である7.8mm−1、0.019mm−1、0.89、1.37とする。この数値に合うように、前述したファントム(イントラリピッド水溶液)を調合し、光源モジュールLM、伝播角、検出モジュールDMの位置など全てファントムと同じ状況でシミュレーションし、感度分布を算出する。 The Monte Carlo simulation in the present embodiment, the number of photons is 10 9, the voxels as 1mm cubes, the calculation of three-dimensional area of 120mm × 120mm × 60mm. Here, the scattering coefficient of the scattering medium, the absorption coefficient, anisotropy, 7.8 mm -1 refractive index respectively is almost equal numbers and the scalp, 0.019 mm -1, and 0.89,1.37. The above-described phantom (intralipid aqueous solution) is prepared so as to match this numerical value, and simulation is performed under the same conditions as the phantom, such as the light source module LM, the propagation angle, and the position of the detection module DM, and the sensitivity distribution is calculated.

このとき、ボクセルの位置rに関して、通過したフォトン数をφ(r)とする。特に、光源モジュールLMの位置をrsとしたとき、ボクセルの位置rでのフォトン通過数をφ(rs、r)とする。次に、検出モジュールDMを配置していた位置に光源モジュールLMを配置して、再度、同数のフォトン数を計算する。検出モジュールDMをrdに設置していた場合には、ボクセルの位置rでのフォトン通過数をφ(r、rd)とする。 At this time, the number of photons that have passed with respect to the position r of the voxel is φ 0 (r). In particular, when the position of the light source module LM is rs, the number of photon passages at the voxel position r is φ 0 (rs, r). Next, the light source module LM is arranged at the position where the detection module DM has been arranged, and the same number of photons is calculated again. When the detection module DM is installed at rd, the number of photons passing at the voxel position r is set to φ 0 (r, rd).

光の経路は、可逆であるため、この積は、ボクセルの位置rを通過して、光源モジュールLMから出射して、検出モジュールDMに入ったフォトン数に比例する。この積を検出モジュールDMに入る全てのフォトン数φ(rs、rd)で規格化したものが次の感度分布A(r)となる。
Since the light path is reversible, this product is proportional to the number of photons that pass through the voxel position r, exit the light source module LM, and enter the detection module DM. The product obtained by normalizing this product with all the photon numbers φ 0 (rs, rd) entering the detection module DM is the following sensitivity distribution A (r).

この感度分布A(r)は、位置rにおける検出量への影響度を示す。ボクセルの位置rに吸光体が発生したときに、その発生によって、どの程度検出値が変化するかを示す。   This sensitivity distribution A (r) indicates the degree of influence on the detection amount at the position r. When a light absorber is generated at the position r of the voxel, it indicates how much the detection value changes due to the generation.

上述のようにして算出された感度分布の一例が、図15に示されている。ここでは、光源モジュールLM、検出モジュールDMをそれぞれ、(X,Y,Z)=(45、60、0)、(X,Y,Z)=(75、60、0)に配置した。ボクセルは1mmの立方体なので、これらの数値の単位mmと等価である。各位置でのボクセルの感度は底を10とした対数(常用対数)で示している。   An example of the sensitivity distribution calculated as described above is shown in FIG. Here, the light source module LM and the detection module DM are arranged at (X, Y, Z) = (45, 60, 0) and (X, Y, Z) = (75, 60, 0), respectively. Since a voxel is a 1 mm cube, it is equivalent to a unit mm of these numerical values. The sensitivity of the voxel at each position is indicated by a logarithm (common logarithm) with a base of 10.

次に、図15から、ボクセル(x、y、z)で、Y=60、Z=10のラインを、抜き出して感度を縦軸、横軸をx位置としてプロットした結果が図16に示されている。このとき、伝播角として、Y軸を法線とした平面上におけるX軸に対する角度を+60°とした場合と−60°とした場合の結果が図17に示されている。   Next, FIG. 16 shows the result of extracting the line of Y = 60, Z = 10 in voxel (x, y, z) from FIG. 15 and plotting the sensitivity as the vertical axis and the horizontal axis as the x position. ing. At this time, as a propagation angle, the results when the angle with respect to the X axis on the plane with the Y axis as a normal line is set to + 60 ° and −60 ° are shown in FIG.

図16に示されるように、+60度と−60度とでは、感度分布に相違が出ている。この相違が、分解能向上が可能となるかの指針となる。つまりは、この感度分布に相違が出ることは、2つの光源からの光の伝播経路が異なることを示している。もし同じ伝播経路であれば、伝播角を変えても、ほぼ同じ感度分布となるはずである。2つの光源からの光の伝播経路が違うことで、2つの光源からの光がそれぞれ異なる情報を収集していることになる。   As shown in FIG. 16, there is a difference in sensitivity distribution between +60 degrees and −60 degrees. This difference is a guideline for whether the resolution can be improved. That is, the difference in sensitivity distribution indicates that the propagation paths of light from the two light sources are different. If the propagation path is the same, even if the propagation angle is changed, the sensitivity distribution should be almost the same. Because the propagation paths of light from the two light sources are different, the light from the two light sources collects different information.

これは、後述する逆問題推定に対して大きな価値を生み出している。先に述べたように光の伝播が単純な等方散乱ではなく、数mmオーダーでは若干の異方性を有していることを示している。この数mmオーダーでの相違が、数mmオーダーの分解能を有する逆問題推定を実現する要因となっていると考えられる。この感度分布は、ファントムで実施される全ての光源モジュールLM/検出モジュールDM対に対して、全ての伝播角/検出角の条件で実施する。   This creates great value for the inverse problem estimation described later. As described above, the propagation of light is not simple isotropic scattering, but has a slight anisotropy in the order of several mm. This difference in the order of several millimeters is considered to be a factor for realizing the inverse problem estimation having a resolution of the order of several millimeters. This sensitivity distribution is performed under the conditions of all propagation angles / detection angles for all light source module LM / detection module DM pairs implemented in the phantom.

次に、この感度分布を利用して、逆問題推定を行う。   Next, inverse problem estimation is performed using this sensitivity distribution.

吸光体の存在によっておきる吸収係数の変化δμ(r)が十分小さいと仮定するとRetovの近似によって、以下の式が成り立つ。
Assuming that the change in absorption coefficient δμ a (r) caused by the presence of the light absorber is sufficiently small, the following equation is established by approximation of Retov.

νは媒質中の光の速さ、Sは単位時間当たりに光源モジュールLMから出る光の量、rsは光源モジュールLMの位置、rdは検出モジュールDMの位置、φ(rs、rd)は光源モジュールLMから出た光が検出モジュールDMに届く光量を表し、φは吸光体のない状態での光の強度を示している。この式が意味しているのは、吸光体のない状態での光の強度φが与えられれば、吸光体の存在によっておきる吸収係数の変化δμ(r)と観測値logφ(rs、rd)とを線形の関係に結びつけることができるということである。 ν is the speed of light in the medium, S is the amount of light emitted from the light source module LM per unit time, rs is the position of the light source module LM, rd is the position of the detection module DM, and φ (rs, rd) is the light source module It represents the quantity of light emitted from the LM reaches the detection module DM, phi 0 represents the intensity of light in the absence of light absorbing material. This equation means that if the light intensity φ 0 in the absence of the light absorber is given, the change in absorption coefficient δμ a (r) caused by the presence of the light absorber and the observed value log φ (rs, rd) ) Can be linked to a linear relationship.

このことを簡単に記述すると、以下の式となる。
Y=A(r)X
This can be simply described as:
Y = A (r) X

ここで、Yは吸光体の存在有無による観測値の変化であり、Xはボクセルの位置rでの吸収係数変化をしめす。このA(r)は感度分布である。上記の式では、Xで表現している吸光体の位置や量の変化を与えることで、観測値Yがどのように変化するかがわかる。   Here, Y is a change in the observed value due to the presence or absence of the light absorber, and X indicates a change in the absorption coefficient at the position r of the voxel. A (r) is a sensitivity distribution. In the above equation, it can be seen how the observed value Y changes by giving changes in the position and amount of the light absorber represented by X.

逆問題推定では、この逆を行い、つまりは観測値Yを利用して吸光体の位置Xを推定する。先の位置計測方法で説明したように、吸光体の有無による変化をΔr(i,n)として計測している。このΔr(i,n)が観測値Yとなり、これよりXを算出する。   In the inverse problem estimation, the reverse is performed, that is, the position X of the light absorber is estimated using the observed value Y. As described in the previous position measurement method, the change due to the presence or absence of the light absorber is measured as Δr (i, n). This Δr (i, n) becomes the observed value Y, and X is calculated from this.

一般的には、L2ノルム正則化という逆問題の推定手法を利用する。この手法では、以下に示すコスト関数Cを最小にするXを算出する。
In general, an inverse problem estimation method called L2 norm regularization is used. In this method, X that minimizes the cost function C shown below is calculated.

ここでYは観測値、Aは感度分布、λは正則化係数である。逆問題推定ではこのような手法が一般的であるが、本実施形態では、深さ方向も検出できるベイズ推定による逆問題推定を行う。このベイズ推定による逆問題推定については、次の非特許文献:T.Shimokawa, T.Kosaka, O.Yamashita, N.Hiroe, T.Amita, Y.Inoue, and M.Sato, "Hierarchical Bayesian estimation improves depth accuracy and spatial resolution of diffuse optical tomography," Opt. Express *20*,20427-20446 (2012)
に詳細に記載されている。
Here, Y is an observed value, A is a sensitivity distribution, and λ is a regularization coefficient. Such a method is generally used for inverse problem estimation, but in this embodiment, inverse problem estimation is performed by Bayesian estimation that can also detect the depth direction. For the inverse problem estimation by Bayesian estimation, T. Shimokawa, T. Kosaka, O. Yamashita, N. Hiroe, T. Amita, Y. Inoue, and M. Sato, "Hierarchical Bayesian estimation improves depth accuracy and spatial resolution of diffuse optical tomography, "Opt. Express * 20 *, 20427-20446 (2012)
Are described in detail.

この結果、図18(B)に示されるような推定結果を導くことができる。図18(A)は吸光体の位置を示している。図18(B)のグリッドは3mmであり、3mmの精度で実際の位置と一致することが判った。比較例として、4方位あるうちの1方位のみを利用し、検出した結果が図18(C)に示されている。この比較例は、従来のNIRS(DOT)装置とほぼ同様の構成とである。比較例では、深さ方向の検出は不可能であり、かつ検出結果も非常に広がってしまう。   As a result, an estimation result as shown in FIG. 18B can be derived. FIG. 18A shows the position of the light absorber. The grid in FIG. 18B is 3 mm, and it was found that the grid matches the actual position with an accuracy of 3 mm. As a comparative example, the result of detection using only one of the four directions is shown in FIG. This comparative example has almost the same configuration as a conventional NIRS (DOT) apparatus. In the comparative example, the detection in the depth direction is impossible, and the detection result is very wide.

実施例1では、上記ベイズ推定により、吸光体の位置と深さを検出することが可能となる。また、吸光体の位置を変えて(図19(A)参照)、推定を行った結果(推定結果)が図19(B)に示されている。この場合も吸光体の実際の位置を正確に推定できていることが判る。実施例1の方法により、吸光体の位置を高い分解能で検出することが可能となる。これに対し、比較例では、図19(C)に示されるようにかなり広がった吸光体となっており、該吸光体の位置を正確に検出することができない。   In Example 1, it is possible to detect the position and depth of the light absorber by the Bayesian estimation. In addition, FIG. 19B shows a result of estimation (estimation result) by changing the position of the light absorber (see FIG. 19A). Also in this case, it can be seen that the actual position of the light absorber can be accurately estimated. According to the method of Example 1, the position of the light absorber can be detected with high resolution. On the other hand, in the comparative example, as shown in FIG. 19C, the light absorber is considerably spread, and the position of the light absorber cannot be accurately detected.

また、実施例1では、プリズムと窓部材との間の光の光路上に配置された複数の受光素子により、面発光レーザアレイチップの光量を常に一定に保つことができるため、受光素子がない場合に比べて、より高い分解能で検出できる。これまでは事前に光量のキャリブレーションを行い、所望の光量になる電流値を事前に測定し、電流値を一定にして測定していた。しかし、レーザ自身の発熱の影響で時間とともに光量が不安定になり、分解能が低下していた。実施例1では先に述べたようにプローブセッティング後に光量を調整し、また光量をモニタし、常に一定光量になるよう、面発光レーザアレイチップへの駆動電流の電流値を設定することが可能になる。   In the first embodiment, since the light quantity of the surface emitting laser array chip can be kept constant constantly by the plurality of light receiving elements arranged on the light path between the prism and the window member, there is no light receiving element. Compared to the case, it can be detected with higher resolution. In the past, the light amount was calibrated in advance, the current value at which the desired light amount was obtained was measured in advance, and the current value was kept constant. However, the amount of light became unstable with time due to the heat generated by the laser itself, and the resolution was lowered. In the first embodiment, as described above, it is possible to adjust the light amount after probe setting, monitor the light amount, and set the current value of the drive current to the surface emitting laser array chip so that the light amount is always constant. Become.

以下に、本実施形態の実施例2について説明する。なお、実施例2の説明においては、適宜、実施例1にも関連する説明を行う。
《実施例2》
先ず、透明なアクリル製の水槽に注入されたイントラピッド水溶液(イントラピッド10%濃度を10倍に希釈)に、黒いインクを約200ppm程度となるように滴下し、ほぼ生体と同一の吸収係数及び散乱係数とする。この白濁したイントラピッド水溶液に、血流に模した黒色の吸光体を沈める。吸光体は、例えば黒色で直径約5mmのポリアセタールの球体とする。この球体の位置を制御できるように自動ステージに接続された1mm径の細い金属棒に該球体を固定する。この水槽の側面、後述するプローブの位置を正確に決めて設置(装着)する。ここでは、上記アクリル製の水槽は、例えば140mm×140mm×60mmの容積で壁の厚さ1mmの直方体形状の水槽である。光学センサ10は、複数(例えば8つ)の光源モジュールLMを含む照射系と、複数(例えば8つ)の検出モジュールDMを含む検出系と、を備えている。複数の光源モジュールLM及び複数の検出モジュールDMは、それぞれ制御部に対して電気配線を介して接続されている。
Hereinafter, Example 2 of this embodiment will be described. In the description of the second embodiment, a description related to the first embodiment will be given as appropriate.
Example 2
First, black ink is dropped to about 200 ppm in an aqueous solution of Intrapid injected into a transparent acrylic water tank (10% concentration of Intrapid is diluted 10 times). The scattering coefficient. A black light-absorbing body imitating blood flow is submerged in this cloudy intrapid aqueous solution. The light absorber is, for example, a black polyacetal sphere having a diameter of about 5 mm. The sphere is fixed to a thin metal rod having a diameter of 1 mm connected to an automatic stage so that the position of the sphere can be controlled. The side of this water tank, the position of the probe described later, is accurately determined and installed (mounted). Here, the acrylic water tank is a rectangular water tank having a volume of 140 mm × 140 mm × 60 mm and a wall thickness of 1 mm, for example. The optical sensor 10 includes an irradiation system including a plurality (for example, eight) of light source modules LM and a detection system including a plurality (for example, eight) of detection modules DM. The plurality of light source modules LM and the plurality of detection modules DM are respectively connected to the control unit via electrical wiring.

制御部は、各光源モジュールLMにおける光源の発光タイミングや各検出モジュールDMでの検出タイミングを制御して、得られた検出結果を記録部に転送する。また、制御部は、記録部に記録されているデータを読み取り、その数値を利用した計算を行い、その計算結果を表示部に表示させる制御を行う。   The control unit controls the light emission timing of the light source in each light source module LM and the detection timing in each detection module DM, and transfers the obtained detection result to the recording unit. Further, the control unit performs control to read data recorded in the recording unit, perform calculation using the numerical value, and display the calculation result on the display unit.

図20に示されるように、8つの光源モジュールLM及び8つの検出モジュールDMは、一例として、擬似生体(不図示)に対して、互いに直交するX方向及びY方向のいずれに関しても光源モジュールLMと検出モジュールDMとが隣り合うようにX方向及びY方向に等ピッチaでマトリクス状(2次元格子状)に配置される。図20では、LMは四角印で示され、DMは丸印で示されている。光源モジュールLMは、図21に示されるように、例えばレンズ、プリズム等の光学素子、複数の面発光レーザアレイチップが実装されたセラミックパッケージ(不図示)、該セラミックパッケージやアナログ電子回路が実装されたフレキ基板(不図示)、該フレキ基板に結線されている配線、コネクタ部(不図示)、これらが収容された筐体、被検体と接触する透明樹脂からなる窓部材などを含む。   As illustrated in FIG. 20, the eight light source modules LM and the eight detection modules DM are, for example, a light source module LM with respect to a pseudo living body (not illustrated) in both the X direction and the Y direction orthogonal to each other. The detection modules DM are arranged in a matrix (two-dimensional lattice) at an equal pitch a in the X direction and the Y direction so as to be adjacent to each other. In FIG. 20, LM is indicated by a square mark and DM is indicated by a circle mark. As shown in FIG. 21, the light source module LM is mounted with an optical element such as a lens or a prism, a ceramic package (not shown) on which a plurality of surface emitting laser array chips are mounted, and the ceramic package or analog electronic circuit. A flexible substrate (not shown), wiring connected to the flexible substrate, a connector portion (not shown), a housing in which these are accommodated, a window member made of a transparent resin that contacts the subject, and the like.

面発光レーザアレイチップの各面発光レーザ(VCSEL)の発振波長は、一例として780nm又は900nmである。この波長は血液中の酸素濃度で吸収係数が大きく変わることから選定している。光源モジュールLMでは、図21に示されるように、発振波長が900nmの面発光レーザアレイチップ1及び発振波長が780nmの面発光レーザアレイチップ2が並列に配置され、面発光レーザアレイチップ1の出射端近傍にレンズ1が配置され、面発光レーザアレイチップ2の出射端近傍にレンズ2が配置されている。各面発光レーザをch(チャンネル)とも称する。   As an example, the oscillation wavelength of each surface emitting laser (VCSEL) of the surface emitting laser array chip is 780 nm or 900 nm. This wavelength is selected because the absorption coefficient varies greatly depending on the oxygen concentration in the blood. In the light source module LM, as shown in FIG. 21, a surface emitting laser array chip 1 with an oscillation wavelength of 900 nm and a surface emitting laser array chip 2 with an oscillation wavelength of 780 nm are arranged in parallel, and the emission of the surface emitting laser array chip 1 is performed. A lens 1 is disposed near the end, and a lens 2 is disposed near the emitting end of the surface emitting laser array chip 2. Each surface emitting laser is also referred to as ch (channel).

各面発光レーザアレイチップからの光は、対応するレンズで屈折され、窓部材の内部に形成された反射部材としてのプリズムで所望の角度に偏向され(所定方向に反射され)、筐体外に出射される。面発光レーザアレイチップは、図22に示されるように、一辺が約1mmの正方形状であり、2次元配置された複数(例えば20個)の面発光レーザを含む。   The light from each surface emitting laser array chip is refracted by the corresponding lens, deflected to a desired angle by a prism as a reflecting member formed inside the window member (reflected in a predetermined direction), and emitted outside the housing. Is done. As shown in FIG. 22, the surface emitting laser array chip has a square shape with a side of about 1 mm, and includes a plurality of (for example, 20) surface emitting lasers arranged two-dimensionally.

詳述すると、各面発光レーザアレイチップは、4つの面発光レーザをそれぞれが含む5つのグループ(ch群)を有している。ここでは、5つのグループのうち4つのグループの中心は、正方形の4つの頂点に個別に位置し、残りの1つのグループの中心は、該正方形の中心に位置している。   More specifically, each surface emitting laser array chip has five groups (ch groups) each including four surface emitting lasers. Here, the centers of four of the five groups are individually located at the four vertices of the square, and the centers of the remaining one group are located at the center of the square.

各グループの4つのchは、上述の如くセラミックパッケージに実装され、ボンディングワイヤ(配線)を介して同一の電極パッド(電極パッド1〜4のいずれか)に接続されている。   The four channels of each group are mounted on the ceramic package as described above, and are connected to the same electrode pad (any one of the electrode pads 1 to 4) via bonding wires (wiring).

セラミックパッケージは、フレキ基板の配線パターンに半田付けによって実装されている。フレキ基板には、スイッチング用の半導体や電流安定化用の半導体が配置されている。スイッチング用の半導体により、面発光レーザアレイチップのどのchを発光させるかが制御される。スイッチング用半導体は、外部のシリアル信号によって、選択されたchを発光させる。このシリアル信号用の信号線の一端、電源供給線の一端は、フレキ基板に接続され、該信号線の他端、電源供給線の他端は、制御部に接続されている。各chの発光光量は一定期間ごとに行うキャリブレーションによって一定になるように設定される。通常の使用方法では、5グループの発光を順次、短パルスで発光させる。このようなパルス発光は、発熱による温度上昇が避けられて、発光光量の安定化に適している。短パルスの発光をするたびに得られる検出モジュールでの検出値を積算して、平均化を取ることでノイズに強い検出となる。   The ceramic package is mounted on the wiring pattern of the flexible substrate by soldering. On the flexible substrate, a switching semiconductor and a current stabilizing semiconductor are arranged. Which channel of the surface emitting laser array chip emits light is controlled by the semiconductor for switching. The switching semiconductor causes the selected channel to emit light by an external serial signal. One end of the serial signal signal line and one end of the power supply line are connected to the flexible substrate, and the other end of the signal line and the other end of the power supply line are connected to the control unit. The amount of light emitted from each channel is set to be constant by calibration performed every predetermined period. In a normal usage method, five groups of light are emitted sequentially in short pulses. Such pulsed light emission is suitable for stabilizing the amount of emitted light because temperature rise due to heat generation is avoided. By detecting and averaging the detection values obtained by the detection module each time a short pulse is emitted, detection is strong against noise.

以下に、光学センサ10の光源として面発光レーザアレイチップを採用した理由を説明する。面発光レーザアレイチップでは、複数のchを近接した位置に2次元に配列することができ、各chを独立に発光制御できる。そして、chの近傍に小型のレンズを設置することで出射光の進行方向を変えることができる。   The reason why the surface emitting laser array chip is adopted as the light source of the optical sensor 10 will be described below. In the surface emitting laser array chip, a plurality of channels can be two-dimensionally arranged at close positions, and the light emission of each channel can be controlled independently. The traveling direction of the emitted light can be changed by installing a small lens near the ch.

また、DOTに用いられる光学センサでは、被検体への入射角をできるだけ精度良く制御することが求められる。一般的なLED(発光ダイオード)は放射角が広いため、精度の良い平行光にするには、レンズを非球面にする必要がある。また、一般的なLD(端面発光レーザ)は放射角が非対称であり、レンズで精度の良い平行光をつくるには、曲率が縦と横とで異なるレンズやシリンドリカルレンズを2枚組み合わせる必要があり、構成が複雑になり、実装も高精度なものが必要となる。   Further, in an optical sensor used for DOT, it is required to control the incident angle to the subject as accurately as possible. Since a general LED (light emitting diode) has a wide radiation angle, it is necessary to make the lens an aspherical surface in order to obtain highly accurate parallel light. In addition, a general LD (edge emitting laser) has an asymmetric radiation angle, and in order to produce highly accurate parallel light with a lens, it is necessary to combine two lenses or cylindrical lenses with different curvatures in length and width. Therefore, the configuration becomes complicated and high-precision mounting is required.

これに対し、面発光レーザはほぼ真円状のファーフィールドパターンを有しており、平行光を作るにも、球面レンズを1つ配置すれば良い。また、LDから出射されるコヒーレントな光を利用する場合、被検体(散乱体)の中では、散乱光同士が干渉するスペックルが発生する。このスペックルパターンは、計測にノイズとして悪影響を与える。   On the other hand, the surface emitting laser has a substantially perfect far field pattern, and only one spherical lens may be arranged to produce parallel light. Further, when using coherent light emitted from the LD, speckle is generated in the subject (scattering body) where scattered light interferes with each other. This speckle pattern adversely affects measurement as noise.

DOTのように脳内の血流を見る場合には、その散乱回数が非常に多いので、それほど影響はない。しかし、皮膚表面で反射される光が、光源に直接戻ってくる戻り光の影響がある。戻り光は、LD内部の発振状態を不安定にして、安定動作ができなくなる。光ディスクなどでも、コヒーレントな光を安定的に利用する際には、正反射光が戻り光にならないように波長板などを利用している。しかし、散乱体に対する反射光の戻り光除去は難しい。   When the blood flow in the brain is viewed like DOT, the number of scattering is so large that there is no significant influence. However, the light reflected from the skin surface is affected by the return light that returns directly to the light source. The return light destabilizes the oscillation state inside the LD and prevents stable operation. Even in an optical disk or the like, when using coherent light stably, a wave plate or the like is used so that regular reflection light does not become return light. However, it is difficult to remove the return light of the reflected light from the scatterer.

面発光レーザアレイの場合には、微小エリアに複数の光を同時に照射することが可能であり、その戻り光干渉を低下することが可能である(例えば特開2012−127937号公報参照)。   In the case of a surface emitting laser array, it is possible to simultaneously irradiate a minute area with a plurality of lights, and to reduce the return light interference (for example, refer to JP2012-127937A).

本実施形態(実施例1及び2)では、面発光レーザアレイチップからの光の光路上に凸面レンズ(単に「レンズ」とも称する)が配置されている(図23参照)。   In this embodiment (Examples 1 and 2), a convex lens (also simply referred to as “lens”) is disposed on the optical path of light from the surface emitting laser array chip (see FIG. 23).

この凸面レンズの直径は1mmであり、該凸面レンズの有効径εは600umである。凸面レンズの焦点距離fは、600umである。面発光レーザアレイチップは1mm角のチップであり、該面発光レーザアレイチップ内で最も離れた2つのchの中心間距離dmaxは600umである。このようにdmaxとεとを一致させることで、凸面レンズの直径を最小にすることができる。   The diameter of the convex lens is 1 mm, and the effective diameter ε of the convex lens is 600 μm. The focal length f of the convex lens is 600 μm. The surface emitting laser array chip is a 1 mm square chip, and the distance dmax between the centers of the two most distant channels in the surface emitting laser array chip is 600 μm. Thus, by matching dmax and ε, the diameter of the convex lens can be minimized.

ここで、凸面レンズと面発光レーザアレイチップは、凸面レンズの主点(光学的な中心)と面発光レーザアレイチップの発光面(出射面)との凸面レンズの光軸方向の距離Lが例えば300umになるように位置決めされている。すなわち、f≠Lとなっている。   Here, in the convex lens and the surface emitting laser array chip, the distance L in the optical axis direction of the convex lens between the principal point (optical center) of the convex lens and the light emitting surface (outgoing surface) of the surface emitting laser array chip is, for example, It is positioned to be 300 um. That is, f ≠ L.

この場合、面発光レーザアレイチップから出射され凸面レンズを透過した光がプリズムなどで正反射され、該凸面レンズで面発光レーザアレイチップに集光される現象(戻り光現象)を回避することができる。このように、戻り光が発生しないため、面発光レーザアレイチップの各chの発光光量を安定化することが可能となる。但し、戻り光の影響を考慮しない場合(NIRSに高分解能を求めない場合)には、f=Lであっても構わない。   In this case, it is possible to avoid the phenomenon that light emitted from the surface emitting laser array chip and transmitted through the convex lens is regularly reflected by a prism or the like and condensed on the surface emitting laser array chip by the convex lens (return light phenomenon). it can. Thus, since no return light is generated, it is possible to stabilize the light emission quantity of each channel of the surface emitting laser array chip. However, when the influence of the return light is not taken into consideration (when high resolution is not required for NIRS), f = L may be used.

また、図24に示されるように、凸面レンズと面発光レーザアレイチップとの間は透明樹脂で満たされ、空気層が介在しないようにされている。透明樹脂としては、屈折率が凸面レンズと同等の樹脂(例えば熱硬化型のエポキシ系の樹脂)が用いられている。すなわち、凸面レンズと面発光レーザアレイチップとの間の各界面を境に屈折率が変化しない。透明樹脂は、凸面レンズの固定前に金型で成形しても良いし、凸面レンズを固定後、注入しても良い。   Also, as shown in FIG. 24, the space between the convex lens and the surface emitting laser array chip is filled with a transparent resin so that no air layer is interposed. As the transparent resin, a resin having a refractive index equivalent to that of a convex lens (for example, a thermosetting epoxy resin) is used. That is, the refractive index does not change at each interface between the convex lens and the surface emitting laser array chip. The transparent resin may be molded with a mold before fixing the convex lens, or may be injected after fixing the convex lens.

このように、凸面レンズと面発光レーザアレイチップとの間が透明樹脂で満たされることにより、面発光レーザアレイチップから出射された光が凸面レンズの面発光レーザアレイチップ側の表面で反射すること、すなわち戻り光の発生を防止できる。戻り光が発生しないため、各chの発光光量を安定化することが可能となる。各chの光量が安定すれば、測定系のS/N(シグナル/ノイズ)比が良好になり、高精度なNIRS測定及び高い分解能を実現できる。   As described above, the space between the convex lens and the surface emitting laser array chip is filled with the transparent resin, so that the light emitted from the surface emitting laser array chip is reflected on the surface of the convex lens on the surface emitting laser array chip side. That is, generation of return light can be prevented. Since no return light is generated, the amount of light emitted from each channel can be stabilized. If the light quantity of each channel is stabilized, the S / N (signal / noise) ratio of the measurement system becomes good, and high-accuracy NIRS measurement and high resolution can be realized.

凸面レンズは、図25に示されるように、面発光レーザアレイチップが実装されたパッケージにサブマウントを介して固定されている。面発光レーザアレイチップは、チップ上の電極(チップ電極)がパッケージ上のPKG電極にワイヤーによって電気的に接続される。ワイヤーは、高さ数10um程度となるため、サブマウントと干渉しないように設計される。凸面レンズの固定位置L(面発光レーザアレイチップの発光面と凸面レンズの主点との距離)は、このワイヤーの高さの制約を受ける。つまりは、ワイヤーを利用する場合には、サブマウントを回避する構造にしたり、ワイヤーの高さを100um以下にすることが必要となる。すなわち、−100um<f−L<0が成立することが好ましい。但し、図25では、図24に示される透明樹脂の図示が省略されている。   As shown in FIG. 25, the convex lens is fixed to a package on which the surface emitting laser array chip is mounted via a submount. In the surface emitting laser array chip, an electrode (chip electrode) on the chip is electrically connected to a PKG electrode on the package by a wire. Since the wire has a height of about several tens of um, it is designed not to interfere with the submount. The fixed position L of the convex lens (the distance between the light emitting surface of the surface emitting laser array chip and the principal point of the convex lens) is restricted by the height of the wire. In other words, when a wire is used, it is necessary to have a structure that avoids the submount or to make the height of the wire 100 μm or less. That is, it is preferable that −100 μm <f−L <0. However, in FIG. 25, illustration of the transparent resin shown in FIG. 24 is omitted.

面発光レーザの出射面から出射される光は、ほぼ円形であり、その発散角は半値幅で5度程度である。一般的なLDのビームが楕円形であるので、回転方向の設置誤差を考慮する必要があるが、面発光レーザはそれを考慮する必要がないメリットがある。また、円形であるため、逆問題を解く際に利用する光学シミュレーションをするにも、対称性を利用した近似などがしやすいメリットがある。   The light emitted from the emission surface of the surface emitting laser is substantially circular, and its divergence angle is about 5 degrees in half width. Since a general LD beam is elliptical, it is necessary to consider an installation error in the rotation direction, but a surface emitting laser has an advantage that it is not necessary to consider it. Moreover, since it is circular, there is a merit that it is easy to perform approximation using symmetry for optical simulation used when solving an inverse problem.

面発光レーザから出射されたビームは近傍に配置された凸面レンズによって屈折される。その屈折角は面発光レーザとレンズ中心(レンズの光軸)との相対位置によって決定される。そこで、面発光レーザアレイチップの各グループの位置とレンズの位置を適切に設定することで、所望の屈折角を得ることができる。   The beam emitted from the surface emitting laser is refracted by a convex lens disposed in the vicinity. The refraction angle is determined by the relative position between the surface emitting laser and the lens center (lens optical axis). Accordingly, a desired refraction angle can be obtained by appropriately setting the position of each group of the surface emitting laser array chip and the position of the lens.

実施例2では、この屈折角が20度程度になるようにchと凸面レンズの光軸との相対位置が設定されている。面発光レーザアレイチップでは、各chは独立に発光制御できるので、発光させるchを選択することで、光源モジュールLMから出射される光の方向を変えることができる。   In Example 2, the relative position between ch and the optical axis of the convex lens is set so that the refraction angle is about 20 degrees. In the surface emitting laser array chip, since each channel can be controlled to emit light independently, the direction of light emitted from the light source module LM can be changed by selecting the channel to emit light.

図26には、光学シミュレータで光学設計した光線図の一例が示されている。ここでは、面発光レーザアレイチップを模した3つのch(光源)、及び該3つのchの近傍に直径1mm、f=600umのレンズを配置している。3つのchのうち1つのchは、レンズの光軸上に配置され、他の2つのchは、レンズの光軸の一側及び他側に個別に配置されている。光軸上のch以外のchからの光はレンズで屈折され、伝播方向(進路)が曲げられる。すなわち、光軸上のch以外の2つのchからの2つの光は、レンズの光軸に対して約20度の角度で該光軸に対して互いに逆方向に出射されることになる。   FIG. 26 shows an example of a ray diagram optically designed by an optical simulator. Here, three channels (light sources) imitating a surface emitting laser array chip, and a lens having a diameter of 1 mm and f = 600 μm are arranged in the vicinity of the three channels. One of the three channels is disposed on the optical axis of the lens, and the other two channels are individually disposed on one side and the other side of the optical axis of the lens. Light from ch other than ch on the optical axis is refracted by the lens, and the propagation direction (path) is bent. That is, two lights from two channels other than the ch on the optical axis are emitted in directions opposite to each other at an angle of about 20 degrees with respect to the optical axis of the lens.

ここでは、光源モジュールLMは、被検体への光の入射角が約55度になるように設計されている。具体的には、光源モジュールLMは、図21に示されるように、凸面レンズからその光軸に対して約20度傾斜した方向に出射された複数の光を複数のプリズムによって個別に偏向することで、該複数の光それぞれのレンズの光軸に対する角度を約20度から約55度に変換し、被検体の表面に入射するように設計されている。   Here, the light source module LM is designed so that the incident angle of light on the subject is about 55 degrees. Specifically, as shown in FIG. 21, the light source module LM individually deflects a plurality of lights emitted from a convex lens in a direction inclined about 20 degrees with respect to the optical axis by a plurality of prisms. Therefore, the angle of each of the plurality of lights with respect to the optical axis of the lens is changed from about 20 degrees to about 55 degrees and is designed to be incident on the surface of the subject.

なお、プリズムは、光を反射するものであれば良く、例えば金属膜が成膜されたガラス基板を用いてもよい。また、例えば、屈折率差によって起きる全反射現象を利用したプリズムを採用しても良い。その一例として、図27に光学シミュレーションの結果が示されている。VCSELから出射された光線は、凸面レンズで屈折した後、プリズムに入射する。   Note that the prism is not limited as long as it reflects light, and for example, a glass substrate on which a metal film is formed may be used. Further, for example, a prism using a total reflection phenomenon caused by a difference in refractive index may be employed. As an example, the result of optical simulation is shown in FIG. The light beam emitted from the VCSEL is refracted by the convex lens and then enters the prism.

ここでは、プリズムの材料はBK7とされているが、一般的な光学材料でも良い。プリズムに入射した光は、プリズム側面(反射面)で全反射され、被検体に約55°の入射角で入射される。すなわち、凸面レンズを介した光は、被検体への光の入射角が55°程度になるようにプリズムで偏向される。この際に、プリズムと被検体との界面での光の散乱を防止するために、プリズムと被検体との間に透明のジェルが介在されている。ここでも、面発光レーザアレイチップからの複数の光は、凸面レンズで非平行の複数の光とされ、プリズムで反射され、被検体に入射される。結果として、非平行な複数の略平行光が被検体の同一位置に入射される(図27参照)。   Here, the material of the prism is BK7, but a general optical material may be used. The light incident on the prism is totally reflected on the side surface (reflecting surface) of the prism and is incident on the subject at an incident angle of about 55 °. That is, the light passing through the convex lens is deflected by the prism so that the incident angle of the light to the subject is about 55 °. At this time, a transparent gel is interposed between the prism and the subject in order to prevent light scattering at the interface between the prism and the subject. Here too, the plurality of lights from the surface emitting laser array chip are converted into a plurality of non-parallel lights by the convex lens, reflected by the prism, and incident on the subject. As a result, a plurality of non-parallel substantially parallel lights are incident on the same position of the subject (see FIG. 27).

プリズムと被検体との屈折率差によるスネルの法則によって、光線の被検体内における伝播角度が約55°から約60°に変わる。   Due to Snell's law due to the refractive index difference between the prism and the subject, the propagation angle of the light beam in the subject changes from about 55 ° to about 60 °.

凸面レンズ及びプリズムを含む光学系では、面発光レーザアレイチップの各chの位置が互いに異なることを利用して、被検体内での光の伝播角度を設定することができる。ここでは、各ch(VCSEL)の中心を凸面レンズの光軸から200um程度ずらすことで、該chから出射された光を被検体内での伝播角度を60°程度に設定できている。この際、複数のchから出射された複数の光は、凸面レンズの出射面の異なる複数位置から非平行な複数の略平行光として出射される。   In an optical system including a convex lens and a prism, the propagation angle of light in the subject can be set by utilizing the fact that the positions of the respective channels of the surface emitting laser array chip are different from each other. Here, by shifting the center of each ch (VCSEL) by about 200 μm from the optical axis of the convex lens, the propagation angle of the light emitted from the ch within the subject can be set to about 60 °. At this time, the plurality of lights emitted from the plurality of channels are emitted as a plurality of non-parallel substantially parallel lights from a plurality of positions having different exit surfaces of the convex lens.

図28には、比較例として、レンズを焦点距離f=600umに対し、固定位置をL=1.6mmとしたときの光学シミュレーションの結果が示されている。Lとfとの差が1mm以上になると、図28のようにビームが大きく広がってしまう。このようにビームが広がる場合、被検体の入射面を大きくする必要がある。しかし、実際にNIRSとして実用的な大きさとしてはφ2mm程度が限界である。この制約は、人間の毛根の間隔が2mm程度であり、これ以上大きい面積では、光学上、髪の毛が邪魔になってしまい高い分解能のNIRSを実現できない。つまりは、fとLとの差は1mm未満であることが望ましい。   FIG. 28 shows, as a comparative example, the result of an optical simulation when the lens has a focal length f = 600 μm and the fixed position is L = 1.6 mm. When the difference between L and f is 1 mm or more, the beam is greatly expanded as shown in FIG. When the beam spreads as described above, it is necessary to enlarge the incident surface of the subject. However, the practical size of NIRS is about φ2 mm. This restriction is that the interval between human hair roots is about 2 mm, and in an area larger than this, the hair becomes an obstacle in terms of optics, and high-resolution NIRS cannot be realized. In other words, the difference between f and L is preferably less than 1 mm.

図21に示されるレンズ1、2は、設計した位置に正確に安定して配置されるように、面発光レーザアレイチップが実装されているセラミックパッケージに直接固定されている。   The lenses 1 and 2 shown in FIG. 21 are directly fixed to the ceramic package on which the surface emitting laser array chip is mounted so that the lenses 1 and 2 are accurately and stably arranged at the designed positions.

図26では、レンズの凸面が面発光レーザ側に向けられているが、その逆でも構わない。図26に示されるように、レンズの凸面が面発光レーザ側を向き、レンズの平面部分が被検体側を向くように配置することで、面発光レーザチップとレンズとの距離を長くとることができる。チップ実装のプロセス上では、実装する際に部品をピックアップするアームや部品同士が干渉するのを防ぐために、ある程度許容距離が長い方が好ましい。   In FIG. 26, the convex surface of the lens is directed to the surface emitting laser side, but the reverse is also possible. As shown in FIG. 26, the distance between the surface emitting laser chip and the lens can be increased by arranging the convex surface of the lens to face the surface emitting laser and the planar portion of the lens to the subject side. it can. In the chip mounting process, it is preferable that the allowable distance is long to some extent in order to prevent interference between the arms for picking up the components and the components during mounting.

レンズは光を屈折させる光学部品であれば良く、光ファイバの屈折率分布を利用したGRIN(Gradient Index)レンズのようなものを利用してもよい。GRINレンズを用いることで、球面レンズを利用するよりも、一般的に球面収差が小さく、低コストでf値の小さいものを選択できるメリットがある。   The lens may be an optical component that refracts light, and a GRIN (Gradient Index) lens using a refractive index distribution of an optical fiber may be used. By using a GRIN lens, there is a merit that a spherical aberration is generally small, a lens having a small f value can be selected at a low cost, rather than using a spherical lens.

実施例2では、レンズの中心よりもレンズの端部に光を入射させるため、球面収差が小さい方が望ましい。   In Example 2, since light is incident on the end of the lens rather than the center of the lens, it is desirable that the spherical aberration is small.

以上の説明から分かるように、光源モジュールLMからは、互いに非平行な複数の光が出射される(図21、図27参照)。   As can be seen from the above description, the light source module LM emits a plurality of non-parallel lights (see FIGS. 21 and 27).

そして、光源モジュールLMからの互いに非平行な複数の光は、被検体の同一位置に入射する(図21、図27参照)。   A plurality of non-parallel lights from the light source module LM enter the same position of the subject (see FIGS. 21 and 27).

この「同一位置」は、例えば光源モジュールLMが約60mm間隔で配置されている場合に、その60mmに対して同一の位置を意味しており、互いに数mm程度離れた複数位置も同一位置と言って差し支えない。つまり、「同一位置」の「同一」は、厳密な意味での同一ではなく、「ほぼ同一」もしくは「概ね同一」と言い換えても良い。   For example, when the light source modules LM are arranged at an interval of about 60 mm, the “same position” means the same position with respect to the 60 mm, and a plurality of positions separated from each other by several mm is also called the same position. It does not matter. That is, “same” in “same position” is not exactly the same in the strict sense, and may be rephrased as “substantially identical” or “substantially identical”.

後に逆問題を解くアルゴリズムを説明するが、その際に光源モジュールLMの位置を設定した光学シミュレーションを行う。この光学シミュレーションを行う際に、被検体への入射位置のずれを正確に設定することで、逆問題の推定には誤差を生じない。これは発振波長が異なる複数のchを有する面発光レーザアレイチップにおいても同様であり、発振波長が異なる複数のchからの複数の光の入射位置が数mmずれていても、該複数の光の入射位置は、同一位置と言って差し支えない。該複数の光の入射位置のずれを検出するために、かつ該複数の光の光量をモニタするために、実施例2でも、光源モジュールLMの筐体の出射端付近に複数の受光素子を設けている(図29(C−1)参照)。   An algorithm for solving the inverse problem will be described later. At that time, an optical simulation in which the position of the light source module LM is set is performed. When this optical simulation is performed, an error is not caused in the estimation of the inverse problem by accurately setting the deviation of the incident position on the subject. The same applies to a surface emitting laser array chip having a plurality of channels with different oscillation wavelengths. Even if the incident positions of a plurality of lights from a plurality of channels with different oscillation wavelengths are shifted by several mm, The incident position can be said to be the same position. In order to detect the shift of the incident positions of the plurality of lights and to monitor the light amounts of the plurality of lights, a plurality of light receiving elements are also provided in the vicinity of the emission end of the casing of the light source module LM in Example 2. (See FIG. 29C-1).

また、図29(A)に示される、生体に互いに平行な複数の光を入射させる比較例の光源モジュールでは、生体の表面付近に変質部分がある場合、検出誤差が生じてしまう。「変質部分」とは光学特性が特殊な部分を意味し、例えば毛根や着色した皮膚などがそれにあたる。このような変質部分があると、比較例では、光源1、光源2からの光が被検体の異なる位置に入射するため、例えば光源2からの光のみが変質部分を通過するようなケースが発生する。光源1と光源2の差分を計算する際には、この変質部分がノイズとなってしまう。   In addition, in the light source module of the comparative example shown in FIG. 29A in which a plurality of lights parallel to each other are incident on the living body, if there is an altered portion near the surface of the living body, a detection error occurs. The “deformed portion” means a portion having special optical characteristics, such as a hair root or colored skin. If there is such an altered portion, in the comparative example, the light from the light source 1 and the light source 2 is incident on different positions of the subject. For example, only the light from the light source 2 passes through the altered portion. To do. When the difference between the light source 1 and the light source 2 is calculated, this altered portion becomes noise.

これに対し、本実施形態では、図29(B)に示されるように、光源1、光源2からの光は、皮膚表面の「同一位置」を通過するため、光源1、光源2の一方からの光が変質部分を通過するときは、他方からの光も該変質部分を通過する。また、光源1、光源2の一方からの光が変質部分を通過しないときは、他方からの光も該変質部分を通過しない。詳述すると、光源1、光源2からの光は、皮膚表面近傍では同一光路であり、深さ方向に異なる光路を通過する。すなわち、皮膚表面近傍での相違には鈍感であるが、脳組織近傍では相違に敏感な構成となっている。皮膚表面付近のノイズを小さくすることで、分解能が向上する。   On the other hand, in this embodiment, as shown in FIG. 29B, the light from the light source 1 and the light source 2 passes through the “same position” on the skin surface. When the light passes through the altered portion, the light from the other also passes through the altered portion. Further, when the light from one of the light source 1 and the light source 2 does not pass through the altered portion, the light from the other does not pass through the altered portion. More specifically, the light from the light source 1 and the light source 2 has the same optical path in the vicinity of the skin surface and passes through different optical paths in the depth direction. That is, although it is insensitive to the difference near the skin surface, the structure is sensitive to the difference near the brain tissue. The resolution is improved by reducing the noise near the skin surface.

また、実施例2では、図29(C−1)〜図29(C−4)に示されるように、光源モジュールLMの筐体に設けられた窓部材に、例えば遮光性を有する弾性体(例えばゴム、ウレタン等)からなり、被検体と接触する接触部材が取り付けられている。この接触部材の中央には、開口部が形成され、該開口部の周辺に複数(例えば4つ)の受光素子が設けられている。そこで、プリズムからの光束のうち主光線を含む光(光スポットの中央部)は、筐体の開口、窓部材、接触部材の開口部を通過して被検体に照射される。   In Example 2, as shown in FIGS. 29 (C-1) to 29 (C-4), the window member provided in the housing of the light source module LM is provided with an elastic body having a light shielding property (for example). For example, a contact member made of rubber, urethane, or the like and in contact with the subject is attached. An opening is formed in the center of the contact member, and a plurality of (for example, four) light receiving elements are provided around the opening. Therefore, the light including the principal ray (the central portion of the light spot) out of the light flux from the prism passes through the opening of the housing, the window member, and the opening of the contact member and is irradiated to the subject.

図29(C−2)〜図29(C−4)は、接触部材と4つの受光素子を被検体側から部分的に拡大して見た模式図である。図29(C−2)〜図29(C−4)では、4つの受光素子と接触部材の配置を分かりやすくするために、相対的な大きさが実際とは異なるように描かれている。   FIGS. 29C-2 to 29C-4 are schematic views in which the contact member and the four light receiving elements are partially enlarged from the subject side. In FIG. 29C-2 to FIG. 29C-4, the relative sizes of the four light receiving elements and the contact members are drawn so as to be different from the actual ones for easy understanding.

受光素子の配置としては、様々な態様が考えられる。   Various modes are conceivable as the arrangement of the light receiving elements.

例えば、図29(C−1)においては、接触部材の開口部の周辺部に4つの受光素子がZ方向から見て開口部にはみ出さないように配置されている。この場合、開口部が出射口(被検体に向けて出射される光の出口)となる。   For example, in FIG. 29 (C-1), four light receiving elements are arranged around the opening of the contact member so as not to protrude from the opening as viewed from the Z direction. In this case, the opening serves as an emission port (an outlet for light emitted toward the subject).

例えば、図29(C−2)においては、接触部材の開口部の周辺部に4つの受光素子がZ方向から見て開口部にはみ出すように(開口部内に一部が位置するように)配置されている。この場合、開口部における4つの受光素子の該開口部にはみ出した部分を除く領域が出射口となる。   For example, in FIG. 29 (C-2), four light receiving elements are arranged at the periphery of the opening of the contact member so that they protrude from the opening as viewed from the Z direction (partly located in the opening). Has been. In this case, a region excluding a portion of the four light receiving elements in the opening that protrudes from the opening serves as an emission port.

例えば、図29(C−3)においては、接触部材の開口部の周辺部に電気的に4分割された(電気的に分離された4つの受光領域を含む)単一の受光素子が該開口部の外周の略全域を取り囲むように配置されている。この場合、受光素子によって囲まれた領域は、Z方向から見て、接触部材の開口部(出射口)に一致するため、実質的に出射口となる。この場合、受光素子が、入射光を整形するアパーチャとしても機能する。   For example, in FIG. 29C-3, a single light receiving element that is electrically divided into four (including four electrically separated light receiving regions) around the opening of the contact member is the opening. It arrange | positions so that the substantially whole area of the outer periphery of a part may be surrounded. In this case, since the region surrounded by the light receiving element coincides with the opening (emission port) of the contact member when viewed from the Z direction, it is substantially an emission port. In this case, the light receiving element also functions as an aperture for shaping incident light.

なお、図29(C−3)では、電気的に4分割された1つの受光素子に代えて、4つの受光素子を用いても良い。   In FIG. 29C-3, four light receiving elements may be used instead of one light receiving element that is electrically divided into four.

受光素子は、接着、製膜、固定など様々な方法で実装することが可能である。   The light receiving element can be mounted by various methods such as adhesion, film formation, and fixing.

また、実施例2では、筐体に設けられた窓部材及び接触部材に透明なジェルを滴下し、窓部材及び接触部材と被検体表面との間に透明なジェルを介在させ、空気が入らないようにする。
従来の光源モジュールでは、空気中に一旦放射された光が皮膚表面から体内に伝播していく。このとき、空気中の屈折率1.0と生体の屈折率1.37との間で、屈折率差が生じてしまう。屈折率差が生じることで、反射及び散乱が起きてしまう。また、生体外の空気に比べ、光が伝播する生体内の屈折率が小さいため、入射角に対して生体内の伝播角(生体内伝播角とも呼ぶ)は小さくなってしまう。界面での光の屈折はスネルの式を利用すると理解できる。このスネルの式は屈折率のみで記述できる。
Moreover, in Example 2, a transparent gel is dropped on the window member and the contact member provided in the casing, and the transparent gel is interposed between the window member and the contact member and the subject surface, so that air does not enter. Like that.
In the conventional light source module, light once emitted into the air propagates from the skin surface into the body. At this time, a refractive index difference occurs between the refractive index 1.0 in air and the refractive index 1.37 of the living body. Reflection and scattering occur due to the difference in refractive index. In addition, since the refractive index in the living body through which light propagates is smaller than in air outside the living body, the propagation angle in the living body (also referred to as the in-vivo propagation angle) is smaller than the incident angle. The refraction of light at the interface can be understood using the Snell equation. This Snell equation can be described only by the refractive index.

図30は、屈折率、1.0(空気:入射側)と1.37(生体:伝播側)との界面での入射角と生体内伝播角度との関係(光の屈折)がグラフで示されている。図30から分かるように、生体への光の入射角は60度であっても、生体内での光の伝播角は40度と小さくなってしまう。このため、生体内での光の伝播角が仮に60度以上必要であっても、空気中からの光の入射では実現できないことがわかる。つまりは、一旦空気に放出された光で生体内における大きな伝播角を作ることは難しい。   FIG. 30 is a graph showing the refractive index, the relationship between the incident angle at the interface between 1.0 (air: incident side) and 1.37 (biological body: propagation side) and the in vivo propagation angle (light refraction). Has been. As can be seen from FIG. 30, even if the incident angle of light to the living body is 60 degrees, the propagation angle of light in the living body is as small as 40 degrees. For this reason, even if the propagation angle of light in the living body is required to be 60 degrees or more, it is understood that it cannot be realized by the incidence of light from the air. In other words, it is difficult to make a large propagation angle in the living body with the light once released into the air.

そこで、実施例2では、光源モジュールLMの窓部材の材料である透明樹脂の屈折率が、生体の屈折率1.37よりも大きい屈折率(例えば1.5以上)に設定されている(図31参照)。この場合、光源モジュールLMから入射角60度で直接的に生体に入射された光の生体での伝播角は70度を越える。光源モジュールLMの設計を考える際には、この角度をできるだけ小さくした方が、光源モジュールLMを小型化できるなどのメリットがある。   Therefore, in Example 2, the refractive index of the transparent resin that is the material of the window member of the light source module LM is set to a refractive index (for example, 1.5 or more) that is higher than the refractive index of the living body 1.37 (FIG. 31). In this case, the propagation angle of light directly incident on the living body from the light source module LM at an incident angle of 60 degrees exceeds 70 degrees. When considering the design of the light source module LM, reducing the angle as much as possible has an advantage that the light source module LM can be reduced in size.

以上のように構成される実施例2の光源モジュールLMでは、図21に示されるように、面発光レーザアレイチップからレンズの光軸に平行な方向に出射された光は、レンズで屈折され、レンズの光軸に対して約20°傾斜する方向に進行し、窓部材に入射する。この窓部材は屈折率1.5程度に設定されている。レンズを介した光は、窓部材に入射するときに屈折するが、入射角度が深いため、大きな屈折ではない。窓部材に入射した光は、プリズムの反射面で偏向され、レンズの光軸に対して約55°傾斜する方向に進行する。この55°の角度は、屈折率1.5の窓部材の中での角度であり、図31に示されるように、生体内(屈折率1.37)での伝播角は約60°となる。   In the light source module LM of Example 2 configured as described above, as shown in FIG. 21, the light emitted from the surface emitting laser array chip in the direction parallel to the optical axis of the lens is refracted by the lens, The light travels in a direction inclined by about 20 ° with respect to the optical axis of the lens and enters the window member. This window member has a refractive index of about 1.5. The light that has passed through the lens is refracted when entering the window member, but it is not a large refraction because the incident angle is deep. The light incident on the window member is deflected by the reflecting surface of the prism and travels in a direction inclined about 55 ° with respect to the optical axis of the lens. This 55 ° angle is an angle in a window member having a refractive index of 1.5, and as shown in FIG. 31, the propagation angle in the living body (refractive index of 1.37) is about 60 °. .

光源モジュールLMから光が直接的に擬似生体内に伝播するためには、擬似生体と光源モジュールLMの界面に入る空気層を除去する必要がある。この空気層の除去のために、ここでは透明なジェルを利用した。ここで用いた透明なジェルはグリセリン水溶液であり、疑似生体との整合性が良いものを選択した。また、透明なジェルは揮発性を調整し、検査中、すなわち光源モジュールLMに蓋がされている間は蒸発することなく、検査終了後は適当なタイミングで揮発もしくは疑似生体にしみこむように調整した。透明なジェルの光学特性は、波長780nm付近では透明で、屈折率を疑似生体表面に近いものに調整する。ここでは、屈折率が1.37程度となるように調合した。この調合によって、擬似生体表面に凹凸があろうとも、その凹凸表面の屈折率差はなく、反射がまったくない状態にできる。これによって疑似生体表面での反射をほぼなくすことができた。また、疑似生体との界面が物理的に凹凸であっても、光学的には凹凸はないので、散乱が起きない。この結果、光源モジュールLMからの光の出射角度に応じた適切な伝播方向で正確に疑似生体内部に伝播させることができる。一般的に擬似生体内部の伝播は散乱を強く起こすが、皮膚表面での散乱も小さくない。これによって、光の異方性を大きく確保できる。異方性が大きく取れることによって、光源モジュールLMからの複数の光の擬似生体への入射角を大きく変えることができ、後述するように検出モジュールDMへの複数の光の入射角を大きく変えることができる。   In order for light to propagate directly from the light source module LM into the simulated living body, it is necessary to remove the air layer that enters the interface between the simulated living body and the light source module LM. In order to remove this air layer, a transparent gel was used here. The transparent gel used here was a glycerin aqueous solution, and the one having good consistency with the simulated living body was selected. In addition, the transparency of the transparent gel is adjusted so that it does not evaporate during the inspection, that is, while the light source module LM is covered, and is adjusted so that it volatilizes or soaks into a simulated living body at an appropriate timing after the inspection is completed. . The optical properties of the transparent gel are transparent near the wavelength of 780 nm, and the refractive index is adjusted to be close to the surface of the pseudo living body. Here, the refractive index was adjusted to about 1.37. With this blending, even if the surface of the simulated living body is uneven, there is no difference in the refractive index of the uneven surface, and there can be no reflection at all. As a result, reflection on the surface of the simulated living body could be almost eliminated. Moreover, even if the interface with the pseudo living body is physically uneven, there is no optical unevenness, so that scattering does not occur. As a result, it can be accurately propagated inside the pseudo living body in an appropriate propagation direction according to the light emission angle from the light source module LM. In general, propagation inside a pseudo-living body causes strong scattering, but the scattering on the skin surface is not small. Thereby, a large anisotropy of light can be secured. By making the anisotropy large, the incident angle of the plurality of lights from the light source module LM to the pseudo living body can be greatly changed, and the incident angles of the plurality of lights to the detection module DM are greatly changed as will be described later. Can do.

検出モジュールDMは、図32に示されるように、筐体、光学素子、受光部及びアナログ電子回路が実装されたフレキ基板(不図示)、該フレキ基板に接続された配線、コネクタ部(不図示)を含んで構成されている。   As shown in FIG. 32, the detection module DM includes a flexible board (not shown) on which a housing, an optical element, a light receiving part, and an analog electronic circuit are mounted, wiring connected to the flexible board, and a connector part (not shown). ).

検出モジュールDMでは、図33に示されるように、光源から擬似生体に照射され該擬似生体を伝播した光を複数の光に分割して複数の受光部に導くこととしている。   In the detection module DM, as shown in FIG. 33, the light irradiated from the light source to the simulated living body and propagated through the simulated living body is divided into a plurality of lights and led to a plurality of light receiving units.

従来技術(特開2011−179903号公報参照)では、蛍光を利用したDOTにおいて、被検体から多角度で出射される複数の光に対応させて受光部を配置している。しかし、この受光部の配置では、受光部に入射する光は、被検体からの全ての出射角度の光である。   In the conventional technology (see Japanese Patent Application Laid-Open No. 2011-179903), in a DOT using fluorescence, a light receiving unit is arranged corresponding to a plurality of lights emitted from a subject at multiple angles. However, in this arrangement of the light receiving unit, the light incident on the light receiving unit is light having all emission angles from the subject.

これに対し、本実施形態の検出モジュールDMは、被検体の「同一位置」からの光を分割して、個別に検出している。先の光源モジュールLMでも説明したように、光学シミュレーションの際に設計できるので、「同一位置」の精度は、mmオーダーの位置の相違は問わない。   On the other hand, the detection module DM of the present embodiment divides light from the “same position” of the subject and individually detects the light. As described in the previous light source module LM, since it can be designed at the time of optical simulation, the accuracy of “same position” does not matter in the order of mm order.

以下に、検出モジュールDMについて詳しく説明する。検出モジュールDMは図34に示されるように、黒い樹脂製の筐体、該筐体の先端に取り付けられた弾性体からなる接触部材、筐体に収容された透明な分割レンズ及び4つの受光部を含んで構成されている。筐体の先端及び接触部材には、アパーチャ(開口)が形成されている。   Hereinafter, the detection module DM will be described in detail. As shown in FIG. 34, the detection module DM includes a black resin casing, a contact member made of an elastic body attached to the tip of the casing, a transparent divided lens housed in the casing, and four light receiving sections. It is comprised including. An aperture (opening) is formed at the tip of the housing and the contact member.

接触部材としては遮光性を高めるために黒いゴム製のものを利用している。この接触部材のアパーチャから分割レンズの中央部(φ1mm程度)が数100um程度筐体外に突出している。この部分が生体表面に接触するため、光学的にも空気が内在することなく、フレネルの屈折や、散乱などが抑制される。   As the contact member, a black rubber member is used in order to improve the light shielding property. From the aperture of the contact member, the central portion (about φ1 mm) of the split lens protrudes outside the housing by about several hundred μm. Since this portion is in contact with the surface of the living body, Fresnel refraction and scattering are suppressed without optically containing air.

また、検出モジュールDMでも、前述した透明ジェルを利用することで安定性がさらに向上するため、透明ジェルを利用する。分割レンズは透明樹脂からなり、屈折率は1.8程度である。分割レンズは、筐体に固定されている。   Further, in the detection module DM, since the stability is further improved by using the above-described transparent gel, the transparent gel is used. The split lens is made of a transparent resin and has a refractive index of about 1.8. The split lens is fixed to the housing.

アパーチャは、筐体の先端及び接触部材を貫通する例えば約1mm程度の円形の穴であり、被検体内を伝播して出てくる光の位置を限定する機能を有している。この位置から出てくる光は異なる複数の方向を向いており、アパーチャで入射位置を規定し、その後、入射光を分割レンズで複数の光に分割し、該複数の光を個別に検出することができる。   The aperture is a circular hole of about 1 mm, for example, that penetrates the tip of the housing and the contact member, and has a function of limiting the position of light that propagates through the subject. The light emitted from this position is directed in different directions, the incident position is defined by the aperture, and then the incident light is divided into a plurality of lights by the dividing lens, and the plurality of lights are individually detected. Can do.

上述した被検体からの光が「同一位置」から受光部に入射されることは、このアパーチャによって実現されている。   It is realized by this aperture that the light from the subject described above is incident on the light receiving unit from the “same position”.

アパーチャを通過してきた光は、その光が持つ伝播方向によって、分割レンズによって異なる方向に屈折されるため、受光部への入射位置が異なる。   The light that has passed through the aperture is refracted in different directions by the split lens depending on the propagation direction of the light, and therefore the incident position on the light receiving unit is different.

分割レンズは、球面レンズで、直径は3mm程度、焦点距離fは3mm程度である。   The split lens is a spherical lens having a diameter of about 3 mm and a focal length f of about 3 mm.

実施例2では、分割レンズでの光の分割数を4とし、2次元配列された4つの受光部(PD:フォトダイオード)を含むPDアレイ(フォトダイオードアレイ)を用いている。   The second embodiment uses a PD array (photodiode array) including four light receiving sections (PD: photodiodes) that are two-dimensionally arranged with the number of divisions of light at the dividing lens being four.

図34では、4つの受光部(PD)のうち2つの受光部1、2のみが示されている。ここでは、PDアレイは一辺の長さが約3mmの正方形状であり、各PDは一辺の長さが1.4mmの正方形状である。図34に示されるような角度θ2を定義し、PDアレイとアパーチャの距離は、約5mm程度にした。   In FIG. 34, only two light-receiving units 1 and 2 among the four light-receiving units (PD) are shown. Here, the PD array has a square shape with a side length of about 3 mm, and each PD has a square shape with a side length of 1.4 mm. An angle θ2 as shown in FIG. 34 was defined, and the distance between the PD array and the aperture was about 5 mm.

図34では、分割レンズの片面は平面で、片面のみ球面を有している。平面の方を擬似生体に接触させている。アパーチャの位置は、レンズのフォーカス位置とはずれているので、平行光を作り出すことはできていないが、PDアレイに入射する光を限定する機能を有している。   In FIG. 34, one surface of the split lens is a flat surface, and only one surface has a spherical surface. The plane is in contact with the simulated living body. Since the aperture position deviates from the focus position of the lens, parallel light cannot be produced, but has a function of limiting the light incident on the PD array.

この光学系について簡単な光学シミュレーションをしたところ、概ね−10°<θ2<50°の光は受光部2に入射し、概ね−50°<θ2<10°の光は、受光部1に入射することが判った。つまり、擬似生体内を伝播しアパーチャから出射された光は、出射角度によって、複数の光に分割され、該複数の光それぞれは、4つの受光部のいずれかに入射される。   When a simple optical simulation is performed on this optical system, light of approximately −10 ° <θ2 <50 ° is incident on the light receiving unit 2, and light of approximately −50 ° <θ2 <10 ° is incident on the light receiving unit 1. I found out. That is, the light that propagates through the simulated living body and is emitted from the aperture is divided into a plurality of lights according to the emission angle, and each of the plurality of lights enters one of the four light receiving units.

実施例2では、分割レンズには球面レンズを利用しているが、非球面レンズを利用して、角度をより広く検出することも可能である。この分割精度及び分割数は、後述する逆問題の推定精度と相関があるため、所望の推定精度から必要な光学系が決まる。本実施形態では、球面レンズ、分割数4が採用されている。   In the second embodiment, a spherical lens is used as the split lens, but it is also possible to detect a wider angle by using an aspheric lens. Since this division accuracy and the number of divisions are correlated with the estimation accuracy of the inverse problem described later, the necessary optical system is determined from the desired estimation accuracy. In this embodiment, a spherical lens and a division number of 4 are employed.

各PDは電気配線され、オペアンプに接続されている。アンプには半導体のオペアンプが利用され、電源電圧を5V供給する。検出される光量は非常に小さいため、オペアンプでの倍率は高く、2段階のアンプ構成とされている。前段で約5桁程度の倍率をかけ、後段では3桁程度の倍率をかける。   Each PD is electrically wired and connected to an operational amplifier. A semiconductor operational amplifier is used as the amplifier, and a power supply voltage of 5 V is supplied. Since the amount of light detected is very small, the magnification of the operational amplifier is high and a two-stage amplifier configuration is adopted. Multiply about 5 digits in the first stage and about 3 digits in the second stage.

実施例2において、擬似生体に内在する吸光体の位置測定方法(被検体の光学特性検出方法)を、図35に示されるフローチャートを参照して説明する。   In Example 2, a method for measuring the position of a light absorber existing in a simulated living body (method for detecting the optical characteristics of a subject) will be described with reference to the flowchart shown in FIG.

先ず、プローブ(光源モジュールLM及び検出モジュールDM)を擬似生体にセッティング(装着)する(ステップS1)。この際、アクリル水槽と各プローブとの間に透明ジェルを塗布し、透明ジェルに気泡が入らないように、プローブを1本1本確認しながら慎重に、固定部材によって決められた位置にセッティングする。   First, the probes (light source module LM and detection module DM) are set (mounted) on the simulated living body (step S1). At this time, a transparent gel is applied between the acrylic water tank and each probe, and the probe is carefully set to a position determined by the fixing member while checking each probe so that bubbles do not enter the transparent gel. .

プローブは、光源モジュールLMが8個、検出モジュールDMが8個の計16個であり、光源モジュールLMと検出モジュールDMを交互に格子状に等ピッチで配置する(図20参照)。格子のピッチ(格子点間隔)が30mmであり、光源モジュールLMと検出モジュールDMとの間隔が30mmとなる。   The probe has 16 light source modules LM and 8 detection modules DM in total, and the light source modules LM and the detection modules DM are alternately arranged in a lattice pattern at an equal pitch (see FIG. 20). The pitch of the lattice (interval between lattice points) is 30 mm, and the interval between the light source module LM and the detection module DM is 30 mm.

この状態で、任意の一の光源モジュールLMのchを発光させ、光源モジュール内に内蔵されている受光素子で光量をモニタし、所望の光量になるよう調整する。ここでは、発光を1グループ(4ch)毎に行い、発光強度は4mW程度になるように、電流値が決定される(S1.5)。また、測定中も常に受光素子で光量をモニタし、一定の光量になるよう電流値が調整させる。これにより高精度なNIRS測定が可能になり、高分解能化に繋がる。   In this state, the channel of any one light source module LM is caused to emit light, the light amount is monitored by a light receiving element built in the light source module, and the light amount is adjusted to a desired light amount. Here, the light emission is performed for each group (4ch), and the current value is determined so that the light emission intensity is about 4 mW (S1.5). Further, the light amount is always monitored by the light receiving element during the measurement, and the current value is adjusted so that the light amount becomes constant. This enables highly accurate NIRS measurement, leading to higher resolution.

この状態で、任意の一の光源モジュールLMのchを発光させる(ステップS2)。発光は、1グループ(4ch)毎に行い、発光強度は4mW程度になるように、電流値が決定される。発光時間は10msec程度であり、その間、全てのPDでの検出値を読み取り、1msec間隔で検出した数点のデータを平均化する(ステップS3)。そして、平均化された数値を記録部に格納する(ステップS4)。次のグループも同様に10msecの発光及び計測、データ格納を繰り返す(ステップS5、S6、S1.5〜S4)。なお、一の光源モジュールLMにおける、発振波長が780nmの面発光レーザアレイチップの4chの発光と、発振波長が900nmの面発光レーザアレイチップの4chの発光を、同様に順次行う。   In this state, the ch of any one light source module LM is caused to emit light (step S2). Light emission is performed for each group (4ch), and the current value is determined so that the light emission intensity is about 4 mW. The light emission time is about 10 msec. During this period, the detection values in all PDs are read and the data of several points detected at 1 msec intervals are averaged (step S3). Then, the averaged numerical value is stored in the recording unit (step S4). Similarly, the next group repeats light emission, measurement, and data storage for 10 msec (steps S5, S6, S1.5 to S4). In addition, in one light source module LM, the light emission of 4ch of the surface emitting laser array chip with an oscillation wavelength of 780 nm and the light emission of 4ch of the surface emitting laser array chip with an oscillation wavelength of 900 nm are sequentially performed in the same manner.

ただし、以下のデータ処理では、2波長をほぼ同様に扱い、単に同じ位置での計測を2回ずつ同様に行ったことになる。本来の血流の変化を検出するときには、この2波長での差を利用することで、酸化ヘモグロビンと還元ヘモグロビンとの個別に検出するが、本実施形態では、発振波長が異なる2つの面発光レーザアレイチップを用いて1回ずつ計測することで、チップのばらつきによるノイズを低減することができる。   However, in the following data processing, the two wavelengths are handled in substantially the same manner, and the measurement at the same position is simply performed twice each. When detecting a change in the original blood flow, the difference between the two wavelengths is used to detect oxyhemoglobin and reduced hemoglobin separately. In this embodiment, two surface emitting lasers having different oscillation wavelengths are used. By measuring once using the array chip, noise due to chip variation can be reduced.

一の光源モジュールLMの全てのグループの発光及び計測が終了したら、次の光源モジュールLMの発光を行う(ステップS7、S8、S1.5〜S4)。ここでの発光も、同様に1グループ(4ch)ずつ順次行う。全ての光源モジュールLMによる発光及び計測が終了したら、吸光体をセッティングする(ステップS9、S10)。吸光体のセッティングは、位置を再現性良く正確に実現できるように光学ステージを用いて行う。この吸光体をセッティングした状態で、再度、ch発光からPDの数値の記録を行う(ステップS1.5〜S9)。   When the light emission and measurement of all the groups of one light source module LM are completed, the next light source module LM emits light (steps S7, S8, S1.5 to S4). Similarly, the light emission is sequentially performed for each group (4ch). When the light emission and measurement by all the light source modules LM are completed, the light absorber is set (steps S9 and S10). The light absorber is set using an optical stage so that the position can be accurately realized with good reproducibility. With this light absorber set, the numerical value of the PD is recorded again from the ch light emission (steps S1.5 to S9).

格納されたデータは、それぞれ吸光体あり、なしのデータを以下の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)とする。iはそれぞれの検出モジュールDMに付された番号である。nはそれぞれのグループに付された番号である。次にそれぞれの差分Δr(i,n)を計算する。   The stored data is the light absorber, and the data without is the following 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). i is a number assigned to each detection module DM. n is a number assigned to each group. Next, each difference Δr (i, n) is calculated.

上記位置測定方法で得られた測定結果から吸光体の位置(擬似生体の光学特性)を算出する方法は、前述した図13のフローチャートに基づく計測方法で得られた計測結果から吸光体の位置(擬似生体の光学特性)を算出する方法と同様であるため、説明を省略する。   The method of calculating the position of the light absorber (the pseudo-biological optical characteristics) from the measurement result obtained by the above position measurement method is based on the measurement result obtained by the measurement method based on the flowchart of FIG. Since this is the same as the method for calculating the optical characteristics of the simulated living body, the description thereof is omitted.

結果として、図36に示されるような推定結果を導くことができる。図36には、比較例として、面発光レーザアレイチップの5グループのうち中心の1グループ(図22参照)のみを発光させ、かつPDアレイの4つのPDのうち1つのPDの検出値のみを利用して検出した結果も併せて示されている。それ以外は全て本実施形態と同様に数値処理する。この比較例は、従来のNIRS(DOT)装置とほぼ同様の構成である。   As a result, an estimation result as shown in FIG. 36 can be derived. In FIG. 36, as a comparative example, only one central group (see FIG. 22) of five groups of the surface emitting laser array chip is caused to emit light, and only the detection value of one PD among the four PDs of the PD array is obtained. The results detected using this are also shown. Other than that, numerical processing is performed in the same manner as in this embodiment. This comparative example has substantially the same configuration as a conventional NIRS (DOT) apparatus.

本実施形態では、上記ベイズ推定により、吸光体の位置と深さを検出することが可能である。図36に示された結果は、吸光体の位置を検出できた場合に○(丸)が表示されている。本実施形態では、吸光体の深さ方向(ここでは、図15のZ方向)の距離が大きくなると、光源モジュールLMからの距離が遠くなり、伝播可能な光の量が減ってしまう。このため、吸光体の位置の深さが深くなるほど検出が困難となる。本実施形態では、6mm程度までは検出できた。比較例は、一般的なNIRS(DOT)装置であり、ベイズ推定を利用しても深さ方向の検出はできなかった。深さを含めた吸光体の3次元位置をDOTで高精度に検出するためには、一般に高密度なプローブ配置が必要であるが、本実施形態では低密度なプローブ配置でそれが実現できた。   In the present embodiment, it is possible to detect the position and depth of the light absorber by the Bayesian estimation. In the result shown in FIG. 36, a circle (circle) is displayed when the position of the light absorber can be detected. In the present embodiment, when the distance in the depth direction of the light absorber (here, the Z direction in FIG. 15) is increased, the distance from the light source module LM is increased, and the amount of light that can be propagated is reduced. For this reason, the detection becomes more difficult as the depth of the position of the light absorber increases. In this embodiment, detection was possible up to about 6 mm. The comparative example is a general NIRS (DOT) apparatus, and the depth direction cannot be detected even when Bayesian estimation is used. In order to detect the three-dimensional position of the light absorber including the depth with DOT with high accuracy, a high-density probe arrangement is generally required. In this embodiment, this can be realized with a low-density probe arrangement. .

以上説明した本実施形態(実施例1及び2)の光学センサ10は、被検体(擬似生体)に光を照射する、複数の光源モジュールLM(光照射器)を含む照射系と、該照射系から照射され被検体内を伝播した光を検出する検出系と、を備え、複数の光源モジュールLMそれぞれは、非平行の複数の光を被検体の同一位置に照射する。   The optical sensor 10 of the present embodiment described above (Examples 1 and 2) includes an irradiation system including a plurality of light source modules LM (light irradiators) that irradiates light to a subject (pseudo living body), and the irradiation system. And a detection system for detecting light that has been propagated through the subject and each of the plurality of light source modules LM irradiates the same position of the subject with non-parallel light.

この場合、被検体(散乱体)の同一位置に照射される互いに非平行の複数の光は、被検体への入射角度が異なり、異なる伝播経路をたどる(図37参照)。   In this case, a plurality of non-parallel light beams irradiated on the same position of the subject (scattering body) have different incident angles on the subject and follow different propagation paths (see FIG. 37).

この結果、被検体内部に関して得られる情報量が増加し、高分解能化を図ることができる。また、分解能が増すことで、同じ要求分解能に対しては、プローブ密度(単位面積当たりのプローブの数)を低下させることができ、装着性を向上させることができる。すなわち、高分解能化のためにプローブの配列ピッチを小さくする必要が無いので、使用するプローブの個数を低減でき、装着の手間を軽減できる。   As a result, the amount of information obtained with respect to the inside of the subject increases, and high resolution can be achieved. Further, by increasing the resolution, it is possible to reduce the probe density (the number of probes per unit area) for the same required resolution, and to improve the mountability. That is, since it is not necessary to reduce the arrangement pitch of the probes in order to increase the resolution, the number of probes to be used can be reduced and the labor for mounting can be reduced.

なお、被検体の同一位置に入射する複数の光が非平行であることは、複数の光が角度を成していることを意味する。つまり、複数の光の成す角が存在することで、該複数の光の被検体内での伝播経路を異ならせることができる。一方、仮に被検体の同一位置に入射する複数の光が互いに平行であると(例えば被検体の表面法線と平行であると)、該複数の光の被検体内での伝播経路は同じになってしまう。   Note that the plurality of lights incident on the same position of the subject are not parallel means that the plurality of lights form an angle. That is, the presence of angles formed by a plurality of lights makes it possible to vary the propagation paths of the plurality of lights within the subject. On the other hand, if a plurality of lights incident on the same position of the subject are parallel to each other (for example, parallel to the surface normal of the subject), the propagation paths of the plurality of lights in the subject are the same. turn into.

また、光学センサ10は、光源モジュールLMの光源(面発光レーザアレイチップ)を制御する制御部を更に備え、光源モジュールLMは、光源からの光の光路上に配置され、非平行な複数の光を上記同一位置に向けて出射する、レンズ及びプリズムを含む光学系と、該光学系からの複数の光それぞれの一部を受光する少なくとも1つの受光素子と、を更に有し、制御部は、受光素子の受光量に基づいて光源の発光量を調整(制御)する。   The optical sensor 10 further includes a control unit that controls the light source (surface emitting laser array chip) of the light source module LM. The light source module LM is disposed on the optical path of light from the light source, and includes a plurality of non-parallel light beams. And an optical system including a lens and a prism, and at least one light receiving element that receives a part of each of a plurality of lights from the optical system, and the control unit includes: The light emission amount of the light source is adjusted (controlled) based on the light reception amount of the light receiving element.

この場合、受光素子を用いて光源からの光の光量をモニタして面発光レーザアレイチップの出力を一定(所望の出力)に制御でき、更なる高分解能化を図ることができる。   In this case, it is possible to control the output of the surface emitting laser array chip to be constant (desired output) by monitoring the amount of light from the light source using the light receiving element, and further increase the resolution.

結果として、光学センサ10によれば、被検体への装着性を低下させずに高分解能を得ることができる。   As a result, according to the optical sensor 10, a high resolution can be obtained without deteriorating the mounting property to the subject.

また、光源モジュールLMは、光源及び光学系が収容され、該光学系からの光の他の一部(残部の少なくとも一部)を通過させる通過部が設けられた、筐体及び窓部材を含む収容体を更に有し、受光素子は、収容体における通過部の周囲部に設けられている。   Further, the light source module LM includes a housing and a window member in which a light source and an optical system are accommodated, and a passage portion through which another part of light from the optical system (at least a part of the remaining part) passes is provided. The container further includes a light receiving element, and the light receiving element is provided around the passage portion of the container.

この場合、例えば光学系からの光を分離する光分離素子(例えばビームスプリッタ)を設けることなく、該光の一部を受光素子に照射し、かつ他の一部を被検体に照射することができる。また、光学系からの非平行な複数の光それぞれの通過部及び受光素子への入射位置の位置ずれを検出でき、その検出結果に基づいて例えば光源の位置を調整することで入射位置の同一性を高めることができる。   In this case, for example, without providing a light separation element (for example, a beam splitter) that separates light from the optical system, a part of the light can be irradiated to the light receiving element and another part can be irradiated to the subject. it can. In addition, it is possible to detect the positional shift of the incident position on the light receiving element and the passage part of each of the plurality of non-parallel light from the optical system, and by adjusting the position of the light source, for example, based on the detection result, Can be increased.

この結果、低コスト化及び更なる高分解能化を図ることができる。   As a result, cost reduction and higher resolution can be achieved.

また、通過部には、光学系による光スポットの中央部が入射し、受光素子には、該光スポットの周辺部が入射するため、被検体に照射する光の光量を十分に確保しつつ光源の光量をモニタできる。   In addition, since the central part of the light spot by the optical system is incident on the passage part and the peripheral part of the light spot is incident on the light receiving element, the light source is secured while ensuring a sufficient amount of light to irradiate the subject. The amount of light can be monitored.

また、収容体は、光源及び光学系が収容され、該光学系からの光の他の一部を通過させる開口が形成された筐体と、該開口を塞ぐように筐体に設けられた窓部材(光透過部材)と、を有する。   The housing includes a housing in which a light source and an optical system are housed and an opening through which another part of the light from the optical system is passed, and a window provided in the housing so as to close the opening. And a member (light transmission member).

この場合、筐体内を密閉しつつ筐体外に光を出射できる。すなわち、筐体内への異物の侵入を抑制しつつ被検体に光を照射できる。   In this case, light can be emitted outside the housing while the inside of the housing is sealed. That is, it is possible to irradiate the subject with light while suppressing the entry of foreign matter into the housing.

また、窓部材は、被検体よりも屈折率が大きいため、被検体への入射角に対して被検体内での伝播角(屈折角)を大きくすることができる。この結果、仮に空気中から被検体へ光を入射させる場合に比べ、同じ入射角でも伝播角が大きくなる。そこで、被検体の同一位置に異なる入射角で入射する2つの光の入射角の差よりも、これら2つの光の被検体内における伝播角の差の方が大きくなり、伝播経路を大きく異ならせることができる。結果として、さらなる高分解能化を図ることができる。   Moreover, since the refractive index of the window member is larger than that of the subject, the propagation angle (refractive angle) within the subject can be increased with respect to the angle of incidence on the subject. As a result, the propagation angle becomes large even at the same incident angle as compared with the case where light is incident on the subject from the air. Therefore, the difference in the propagation angle of these two lights in the subject becomes larger than the difference in the incident angles of the two lights incident at the same position on the subject at different incidence angles, so that the propagation paths are greatly different. be able to. As a result, further higher resolution can be achieved.

また、収容体は、窓部材を透過した光を通過させる開口部が設けられ、被検体に接触する接触部材を更に有するため、被検体の所望の箇所(光を照射すべき個所)のみに選択的に光を照射することができる。なお、接触部材の大きさ(径)は、被検体における装着箇所(例えば頭皮)に選択的に接触可能な大きさに設定されることが好ましい。   In addition, since the container is provided with an opening that allows light transmitted through the window member to pass therethrough and further includes a contact member that comes into contact with the subject, only the desired location of the subject (the location where light should be irradiated) is selected. Can be irradiated with light. In addition, it is preferable that the size (diameter) of the contact member is set to a size that allows selective contact with an attachment location (for example, the scalp) in the subject.

また、少なくとも1つの受光素子が複数の受光素子であり、該複数の受光素子が、通過部を通る所定軸(例えば回転ステージの回転軸)に関して略軸対称に配置された一対の受光素子から成る受光素子対を少なくとも1つ含む場合には、該受光素子対の一対の受光素子の並び方向に関する光スポットの所定軸からの位置ずれを検出できる。   In addition, at least one light receiving element is a plurality of light receiving elements, and the plurality of light receiving elements are composed of a pair of light receiving elements disposed substantially symmetrically with respect to a predetermined axis (for example, the rotation axis of the rotary stage) passing through the passage portion. In the case where at least one light receiving element pair is included, it is possible to detect a positional deviation of the light spot from the predetermined axis with respect to the arrangement direction of the pair of light receiving elements of the light receiving element pair.

さらに、少なくとも1つの受光領域対が、受光素子の並び方向が互いに直交する2つの受光素子対を含む場合には、2つの受光素子対が配置されている平面内における光スポットの所定軸からの位置ずれを検出できる。   Further, when the at least one light receiving region pair includes two light receiving element pairs in which the alignment direction of the light receiving elements is orthogonal to each other, the light spot from the predetermined axis of the light spot in the plane in which the two light receiving element pairs are arranged Misalignment can be detected.

また、少なくとも1つの受光素子が、電気的に分離された複数の受光領域を含む単一の受光素子であり、複数の受光領域が、通過部を通る所定軸に関して略軸対称に配置された一対の受光領域から成る受光領域対を少なくとも1つ含む場合には、該受光領域対の一対の受光領域の並び方向に関する光スポットの所定軸からの位置ずれを検出できる。   Further, at least one light receiving element is a single light receiving element including a plurality of electrically separated light receiving areas, and the plurality of light receiving areas are arranged substantially symmetrically with respect to a predetermined axis passing through the passage portion. When at least one light receiving area pair consisting of the light receiving areas is included, it is possible to detect the positional deviation of the light spot from the predetermined axis with respect to the arrangement direction of the pair of light receiving areas of the light receiving area pair.

さらに、少なくとも1つの受光領域対が、前記受光領域の並び方向が互いに直交する2つの受光領域対を含む場合には、2つの受光領域対が配置されている平面内における光スポットの所定軸からの位置ずれを検出できる。   Further, when at least one light receiving area pair includes two light receiving area pairs in which the alignment direction of the light receiving areas is orthogonal to each other, from a predetermined axis of the light spot in the plane in which the two light receiving area pairs are arranged Can be detected.

また、光源は、アレイ状に配置された複数の発光部(面発光レーザ)から成る発光部群(面発光レーザアレイチップ)を少なくとも1つ有するため、小型のマルチ光源を構成できる。   Further, since the light source has at least one light emitting unit group (surface emitting laser array chip) composed of a plurality of light emitting units (surface emitting lasers) arranged in an array, a small multi-light source can be configured.

また、少なくとも1つの受光素子の受光量に基づいて発光部群(面発光レーザアレイチップ)の位置(XY座標)を調整する位置調整装置(調整手段)を更に備える場合には、非平行な複数の光の被検体への入射位置の同一性を高めることができ、より高分解能の計測を行うことができる。なお、発光部群の位置調整に代えて、回転ステージの回転軸やレンズの光軸のXY座標を位置調整機構を用いて調整することでも、光スポットの位置を調整でき、入射位置の同一性を高めることができる。すなわち、「調整手段」は、光学系から出射された複数の光のうち少なくとも1つの光の通過部及び受光素子への入射位置を調整可能であれば良い。   In addition, when the apparatus further includes a position adjusting device (adjusting means) that adjusts the position (XY coordinates) of the light emitting unit group (surface emitting laser array chip) based on the amount of light received by at least one light receiving element, a plurality of non-parallel elements It is possible to increase the identity of the incident position of the light on the subject, and to perform measurement with higher resolution. Instead of adjusting the position of the light emitting unit group, the position of the light spot can be adjusted by adjusting the XY coordinates of the rotation axis of the rotary stage and the optical axis of the lens using the position adjustment mechanism, and the incident position is identical. Can be increased. That is, the “adjusting unit” only needs to be able to adjust the incident position of at least one light passing portion and the light receiving element among the plurality of lights emitted from the optical system.

また、光学系は、発光部群からの複数の光の光路上に配置され、該複数の光を非平行な複数の光とするレンズを含み、該レンズの主点と光源との距離は、レンズの焦点距離と一致していない。   Further, the optical system includes a lens that is disposed on the optical path of the plurality of lights from the light emitting unit group, and that makes the plurality of lights a plurality of non-parallel lights, and the distance between the principal point of the lens and the light source is It does not match the focal length of the lens.

この場合、戻り光が面発光レーザに集光することを防止でき、該面発光レーザの出力変動を防止できる。結果として、面発光レーザの発光光量を安定化でき、光学センサ10における検出精度を向上させることができ、ひいてはNIRSの分解能を向上させることができる。   In this case, it is possible to prevent the return light from being focused on the surface emitting laser, and to prevent fluctuations in the output of the surface emitting laser. As a result, the amount of light emitted from the surface emitting laser can be stabilized, the detection accuracy of the optical sensor 10 can be improved, and the resolution of NIRS can be improved.

一方、面発光レーザアレイがレンズの焦点位置に位置する場合、外部の反射面から反射された光が、レンズで面発光レーザに集光され、レーザ発振が不安定になる。これは、戻り光やselfmixing現象と呼ばれる現象であり、面発光レーザアレイが光学センサの光源として用いられる場合に、この現象が発生すると、発光光量が不安定となり問題となる(詳細な説明は、特開2011−114228号公報、特開2012−132740号公報に譲る)。   On the other hand, when the surface emitting laser array is located at the focal position of the lens, the light reflected from the external reflecting surface is condensed on the surface emitting laser by the lens, and the laser oscillation becomes unstable. This is a phenomenon called return light or a self-mixing phenomenon. When a surface emitting laser array is used as a light source of an optical sensor, if this phenomenon occurs, the amount of emitted light becomes unstable and becomes a problem (detailed explanation is JP, 2011-114228, and JP 2012-132740).

また、光学系は、レンズを介した光の光路上に配置され、該光を前記通過部に向けて反射させるプリズム(反射部材)を有する。   The optical system includes a prism (reflecting member) that is disposed on the optical path of light through the lens and reflects the light toward the passing portion.

この場合、レンズからの光の進行方向を所望の方向に変えることができる。すなわち、被検体への入射角を所望の角度に設定することができる。   In this case, the traveling direction of light from the lens can be changed to a desired direction. That is, the incident angle to the subject can be set to a desired angle.

また、レンズと光源との間は、屈折率がレンズと同等の透明樹脂で満たされている。   Moreover, the refractive index is filled with the transparent resin equivalent to a lens between a lens and a light source.

この場合、レンズと面発光レーザアレイチップとの間の界面を境に屈折率が変化しないため、戻り光を抑制できる。この結果、面発光レーザアレイチップの発光光量を安定化でき、ひいてはNIRSの分解能を向上できる。   In this case, since the refractive index does not change at the interface between the lens and the surface emitting laser array chip, the return light can be suppressed. As a result, the amount of light emitted from the surface emitting laser array chip can be stabilized, and the resolution of NIRS can be improved.

また、検出系は、光源モジュールLMから被検体に照射され該被検体内を伝播した複数の光を個別に受光する複数の受光部(PD)を含む検出モジュールDMを複数有している。   The detection system also includes a plurality of detection modules DM including a plurality of light receiving units (PD) that individually receive a plurality of lights that are irradiated on the subject from the light source module LM and propagated in the subject.

この場合、被検体内の異なる2つの伝播経路における2つの情報を個別に得ることができる。   In this case, two pieces of information on two different propagation paths in the subject can be obtained individually.

また、検出モジュールDMは、被検体と複数の受光部(PD)との間に配置され、被検体内を伝播した複数の光それぞれの一部を通過させるアパーチャ(開口)が設けられた接触部材及び筐体を有している。   In addition, the detection module DM is disposed between the subject and the plurality of light receiving units (PD), and is provided with an aperture (opening) through which a part of each of the plurality of lights propagated through the subject is passed. And a housing.

この場合、被検体の同一位置から筐体内に光を取り込むこと、すなわち被検体から筐体内に入射角がある程度限定された光のみを入射させることができ、複数の受光部に光を入射させ易くすることができる。   In this case, light can be taken into the housing from the same position of the subject, that is, only light with a certain angle of incidence can be made incident from the subject into the housing, and light can be easily incident on a plurality of light receiving units. can do.

また、検出モジュールDMは、アパーチャを通過した複数の光の一部を複数の受光部に個別に導く分割レンズ(受光用レンズ)を有している。   The detection module DM has a split lens (light receiving lens) that individually guides a part of the plurality of light beams that have passed through the aperture to the plurality of light receiving units.

この場合、アパーチャを通過した複数の光それぞれの一部を複数の受光部に個別に安定した光量で入射させることができる。   In this case, a part of each of the plurality of lights that have passed through the aperture can be incident on the plurality of light receiving units individually with a stable light amount.

また、本実施形態の光学検査装置100及び被検体内部特性推定方法は、光学センサ10を用いて被検体の内部特性を推定する。   In addition, the optical inspection apparatus 100 and the subject internal property estimation method according to the present embodiment estimate the internal property of the subject using the optical sensor 10.

この場合、光学センサ10での検出精度が高いため、被検体の内部特性を高精度に推定できる。   In this case, since the detection accuracy of the optical sensor 10 is high, the internal characteristics of the subject can be estimated with high accuracy.

また、光学センサ10を用いて被検体の内部情報を計測する被検体内部情報計測方法は、少なくとも1つの受光素子の受光量に基づいて、光学系からの複数の光の通過部及び受光素子への入射位置のずれを検出する工程と、該検出する工程での検出結果に基づいて、調整手段を用いて複数の光のうち少なくとも1つの光の入射位置を調整する工程と、を含む。   The subject internal information measurement method for measuring the internal information of the subject using the optical sensor 10 is based on the amount of light received by at least one light receiving element, and passes to a plurality of light passing portions and light receiving elements from the optical system. And a step of adjusting an incident position of at least one of a plurality of lights using an adjusting means based on a detection result in the detecting step.

この場合、非平行な複数の光被検体への入射位置の同一性を高めることができ、より高分解能の計測を行うことができる。   In this case, the identity of incident positions on a plurality of non-parallel light objects can be increased, and measurement with higher resolution can be performed.

また、調整する工程では、非平行な複数の光の入射位置が略一致するように少なくとも1つの光の入射位置を調整するため、上記「入射位置の同一性」を極力高めることができる。   Further, in the adjusting step, since the incident position of at least one light is adjusted so that the incident positions of a plurality of non-parallel lights substantially coincide with each other, the “identity of incident positions” can be increased as much as possible.

以上のように、光学センサ10は、簡易な構成により光の伝播異方性を効果的に利用して高分解能を達成できる光学センサであり、例えばDOT等の様々な分野での利用が期待される。
《第2実施形態》
As described above, the optical sensor 10 is an optical sensor that can achieve high resolution by effectively using light propagation anisotropy with a simple configuration, and is expected to be used in various fields such as DOT. The
<< Second Embodiment >>

次に、本発明の第2実施形態について説明する。本実施形態では、上記第1実施形態で説明したプローブを実際の人体に適応する手法について説明する。ここでは、被検体を上記実施形態でのファントム(白濁水の入った水槽)から人体の頭部に変更し、吸光体を脳内血流とする。   Next, a second embodiment of the present invention will be described. In the present embodiment, a method for adapting the probe described in the first embodiment to an actual human body will be described. Here, the subject is changed from the phantom (water tank containing cloudy water) in the above embodiment to the head of the human body, and the light absorber is used as the blood flow in the brain.

本実施形態では、脳内の血流の分布を、正確に推定することを目的としている。本実施形態では、被験者(被検体)を計測し、そのデータを元に形状をモデル化し、モンテカルロシミュレーションを行う。核磁気共鳴画像法(以下ではMRIと略す: magnetic resonance imaging, MRI)を利用して、被験者の頭部形状を計測する。頭皮、頭蓋骨、脳脊髄液、大脳皮質との4つ部位の形状を画像から計測する。   The purpose of this embodiment is to accurately estimate the distribution of blood flow in the brain. In this embodiment, a subject (subject) is measured, a shape is modeled based on the data, and a Monte Carlo simulation is performed. The subject's head shape is measured using nuclear magnetic resonance imaging (hereinafter abbreviated as MRI). The shape of the four parts of the scalp, skull, cerebrospinal fluid, and cerebral cortex is measured from the image.

この3次元データは、高精度の検出をする際には必要なデータであるが、標準的な形状の脳モデルなどのデータで代替することも可能である。それぞれの部位には、それぞれ一般的な、散乱係数、異方性、吸収係数が知られているのでその数値を利用する。プローブは固定冶具にて、頭部に正確に固定し、設置した位置も正確に計測する。プローブ等は第1実施形態と同じであるので、ここでは説明を割愛する。それぞれの正確な形状、配置、それぞれの部位の数値を利用して、光学シミュレーションを行う。   This three-dimensional data is necessary for high-precision detection, but can be replaced with data such as a standard-shaped brain model. Each part has a general scattering coefficient, anisotropy, and absorption coefficient, and the numerical values are used. The probe is fixed to the head accurately with a fixing jig, and the installed position is also measured accurately. Since the probe and the like are the same as those in the first embodiment, description thereof is omitted here. An optical simulation is performed using each accurate shape, arrangement, and numerical value of each part.

以下では、脳内の血流を計測する方法を、図38に示されるフローチャートを参照して説明する。先ず、初めに、被験者に安静にしてもらい(ステップS31)、プローブ(検出モジュールDM及び光源モジュールLM)を頭部にセッティングする。この際、毛髪などがプローブと頭皮の間に挟まらないように、プローブ1本1本を確認しながら慎重に、固定部材を用いて決められた位置にセット(設置)する。この状態で、chを発光させ、所定の光量になるよう電流値が決定される。ここでは、光量が強度は4mW程度になるように、電流値を決定している。(ステップS32.5)。次にchを発光させる(ステップS33)。発光は、1グループ毎に行い、発光時間は数msecであり、その間、全てのPDの検出値を読み取り平均化する(ステップS34)。平均化された数値を記録媒体に格納する(ステップS35)。   Hereinafter, a method of measuring blood flow in the brain will be described with reference to the flowchart shown in FIG. First, the subject is allowed to rest (step S31), and the probe (detection module DM and light source module LM) is set on the head. At this time, it is set (installed) carefully using a fixing member while confirming each probe so that hair or the like is not pinched between the probe and the scalp. In this state, ch is emitted, and the current value is determined so as to obtain a predetermined light amount. Here, the current value is determined so that the light intensity is about 4 mW. (Step S32.5). Next, ch is emitted (step S33). Light emission is performed for each group, and the light emission time is several msec. During that time, the detection values of all PDs are read and averaged (step S34). The averaged numerical value is stored in the recording medium (step S35).

次のグループも同様に数msecの発光及び計測、データ格納を繰り返す(ステップS36、S37、S32.5〜S35)。全ての光源モジュールLMの発光及び計測が終了したら、被験者に課題をやってもらう(ステップS38〜S41)。ここでは、一般的な言語流暢性課題とした。言語流暢性課題については、特開2012−080975号公報に詳細に記載されている。   Similarly, the next group repeats light emission, measurement, and data storage for several milliseconds (steps S36, S37, and S32.5 to S35). When the light emission and measurement of all the light source modules LM are completed, the subject is asked to perform a task (steps S38 to S41). Here, it was a general language fluency task. The language fluency problem is described in detail in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2012-080975.

この課題を行うことで、脳が活動し、活動が起きた箇所にのみ脳血流が発生する。血流は酸化ヘモグロビンと還元ヘモグロビンを含み、血流によって光吸収が起きる。ベイズ推定による逆問題推定等は、上記第1実施形態で説明した方法に順ずるのでここでは割愛する。この計測によって、得られた血流位置は、fMRI (functional magnetic resonance imaging)での計測でその精度を確認できる。fMRIはMRIを利用して、ヒト及び動物の脳や脊髄の活動に関連した血流動態反応を視覚化する方法の一つである。この確認計測によって、本実施形態の光学センサによる計測に高い分解能があることが判った。   By performing this task, the brain is active, and cerebral blood flow occurs only where the activity occurs. The bloodstream contains oxyhemoglobin and reduced hemoglobin, and light absorption occurs by the bloodstream. Inverse problem estimation by Bayesian estimation is the same as the method described in the first embodiment, and is omitted here. The accuracy of the blood flow position obtained by this measurement can be confirmed by measurement by fMRI (functional magnetic resonance imaging). fMRI is a method of visualizing hemodynamic responses related to brain and spinal cord activity in humans and animals using MRI. From this confirmation measurement, it was found that the measurement by the optical sensor of the present embodiment has a high resolution.

《第3実施形態》
次に、本発明の第3実施形態について説明する。第3実施形態では、プローブに上記第1実施形態と同様の光源モジュールLM及び検出モジュールDMを用いており、これらの配置に工夫を凝らしている。プローブの配置以外は、上記第1実施形態と同じであるため、ここでの説明は割愛する。
<< Third Embodiment >>
Next, a third embodiment of the present invention will be described. In the third embodiment, the light source module LM and the detection module DM similar to those in the first embodiment are used for the probe, and the arrangement thereof is elaborated. Except for the arrangement of the probes, the second embodiment is the same as the first embodiment, and the description thereof is omitted here.

ところで、上記第1実施形態の実施例2では、図20に示されるように、2つの検出モジュールDMと2つの光源モジュールLMが略正方形の頂点に位置するように配置されている。しかし、この配置では、図20の×で示す地点は光源モジュールLMと検出モジュールDMとの間の光路が長くなってしまう。このため、検出モジュールDMで十分な光量を得ることができず、この地点でのノイズが大きく検出精度が低下するおそれがある。   By the way, in Example 2 of the first embodiment, as shown in FIG. 20, the two detection modules DM and the two light source modules LM are arranged so as to be positioned at the apex of a substantially square. However, in this arrangement, the light path between the light source module LM and the detection module DM becomes long at a point indicated by x in FIG. For this reason, a sufficient amount of light cannot be obtained by the detection module DM, and noise at this point may be large and the detection accuracy may be reduced.

そこで、発明者らは、プローブ配置を鋭意検討した結果、図39に示される配置が最適であることを見出した。図39では、複数の光源モジュールLM及び複数の検出モジュールDMは、被検体に対して、光源モジュールLM及び検出モジュールDMの一方の2つが正三角形の2つの頂点に個別に位置し、他方の1つが該正三角形の残る1つの頂点に位置するように配置される。   Therefore, the inventors have intensively studied the probe arrangement and found that the arrangement shown in FIG. 39 is optimal. In FIG. 39, in the plurality of light source modules LM and the plurality of detection modules DM, two of the light source module LM and the detection module DM are individually positioned at two vertices of an equilateral triangle with respect to the subject, and the other 1 Are arranged at one remaining vertex of the equilateral triangle.

ここで、簡単な例として、光源モジュールLMと検出モジュールDMとの距離が最も長いところを検討する。ただし、検出モジュールDMと光源モジュールLMとの間隔(ピッチ)は、いずれもaと仮定する。図20での×の位置は、破線の距離が√2a(約1.414a)となる。これに対し、図39での×の位置は、破線の距離が(1+√3)a/2(約1.366a)<√2aとなる。つまり、最も距離が長いところを、図20と図39のプローブ配置で比べると、図39のプローブ配置の方が短くて好ましいことが判る。   Here, as a simple example, a place where the distance between the light source module LM and the detection module DM is the longest will be considered. However, the interval (pitch) between the detection module DM and the light source module LM is assumed to be a. In FIG. 20, the broken line has a distance of √2a (about 1.414a) at the position x. On the other hand, in the position of x in FIG. 39, the distance of the broken line is (1 + √3) a / 2 (about 1.366a) <√2a. That is, comparing the probe arrangements of FIGS. 20 and 39 at the longest distance, it can be seen that the probe arrangement of FIG. 39 is shorter and preferable.

この配置で第1実施形態と同様に逆問題の推定を行った結果、本実施形態のプローブ配置により、検出できるエリアが広がることが判った。   As a result of estimating the inverse problem with this arrangement in the same manner as in the first embodiment, it was found that the detectable area was expanded by the probe arrangement of this embodiment.

《第4実施形態》
次に、本発明の第4実施形態について説明する。第4実施形態では、上記第1実施形態で示した複数の光源モジュールLM、複数の検出モジュールDMの配置を利用し、光源モジュールLMのchの配置、検出モジュールDMのPD、及び光源と被検体との間の複数の受光素子の配置に工夫を凝らしている。これらの配置以外は上記第1実施形態と同じであるため、ここでの説明は割愛する。
<< 4th Embodiment >>
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described. In the fourth embodiment, the arrangement of the plurality of light source modules LM and the plurality of detection modules DM shown in the first embodiment is used to arrange the ch of the light source module LM, the PD of the detection module DM, and the light source and the subject. The arrangement of a plurality of light receiving elements between the two is devised. Since these arrangements are the same as those in the first embodiment, description thereof is omitted here.

上記第1実施形態の実施例2では、図20に示されるように、複数の光源モジュールLM及び複数の検出モジュールDMは、被検体に対して、光源モジュールLMと検出モジュールDMとが互いに直交するX方向及びY方向のいずれに関しても隣り合うように配置されている。   In Example 2 of the first embodiment, as shown in FIG. 20, in the plurality of light source modules LM and the plurality of detection modules DM, the light source module LM and the detection module DM are orthogonal to each other with respect to the subject. They are arranged adjacent to each other in both the X direction and the Y direction.

しかし、上述の如く、この配置では×で示す地点は光源モジュールLMと検出モジュールDMとの間の光路が長くなってしまう。このため、検出モジュールDMで十分な光量を得ることができず、この地点でのノイズが大きくなり、検出精度が低下するおそれがある。   However, as described above, in this arrangement, the light path between the light source module LM and the detection module DM becomes long at the point indicated by x. For this reason, a sufficient amount of light cannot be obtained by the detection module DM, noise at this point increases, and the detection accuracy may be reduced.

図40に示される比較例では、複数の光源モジュール及び複数の検出モジュールは、被検体に対して、光源モジュールと検出モジュールが互いに直交するX方向及びY方向のいずれに関しても隣り合うように配置され、かつ出射方向、検出方向(受光部への光の入射方向)ともに、X方向又はY方向に平行である。面発光レーザの近傍に設置したレンズは点対称の光学特性を有しているため、出射方向は、面発光レーザの位置、及びグループ位置によって決まっている。また、検出方向もレンズが点対称の光学特性を有しているため、PDアレイの分割レイアウトによって決定される。   In the comparative example shown in FIG. 40, the plurality of light source modules and the plurality of detection modules are arranged so that the light source module and the detection module are adjacent to each other in the X direction and the Y direction perpendicular to each other. In addition, both the emission direction and the detection direction (light incident direction on the light receiving unit) are parallel to the X direction or the Y direction. Since the lens installed in the vicinity of the surface emitting laser has point-symmetric optical characteristics, the emission direction is determined by the position of the surface emitting laser and the group position. The detection direction is also determined by the division layout of the PD array because the lens has point-symmetric optical characteristics.

そこで、面発光レーザアレイチップを、図41(A)に示されるように配置すると、出射方向は、平面視で(+Z方向から見て)X方向及びY方向に対して傾斜する。これは、各グループの中心位置がレンズ中心に対して、斜めになっていることが要因である。検出モジュールDMでも同様に、4分割PDアレイアレイチップ(フォトダイオードアレイチップ)のチップ中心にレンズの中心を配置することで、検出方向(受光部への光の入射方向)は、図41(B)に示されるようになる。この検出方向と出射方向が、プローブ配置とともに図42に示されている。出射方向、検出方向は、平面視で(+Z方向から見て)X方向及びY方向に対して斜めになっていることが判る。   Therefore, when the surface emitting laser array chip is arranged as shown in FIG. 41A, the emission direction is inclined with respect to the X direction and the Y direction in plan view (viewed from the + Z direction). This is because the center position of each group is inclined with respect to the lens center. Similarly, in the detection module DM, the center of the lens is arranged at the center of the 4-divided PD array array chip (photodiode array chip), so that the detection direction (light incident direction to the light receiving unit) is as shown in FIG. ) As shown. The detection direction and the emission direction are shown in FIG. 42 together with the probe arrangement. It can be seen that the emission direction and the detection direction are oblique with respect to the X direction and the Y direction in plan view (viewed from the + Z direction).

この場合、前述した感度分布のように、光は異方性を有しているために、図42の×の位置では、より感度を持つことが期待できる。   In this case, since the light has anisotropy as in the sensitivity distribution described above, it can be expected to have more sensitivity at the position of x in FIG.

図41(A)及び図41(B)に示される配置で第1実施形態と同様に逆問題の推定を行った結果、検出できるエリアが広がることが判った。   As a result of estimating the inverse problem with the arrangement shown in FIGS. 41A and 41B in the same manner as in the first embodiment, it was found that the detectable area is widened.

図41(C)には、光源モジュールLM内の4つの受光素子1〜4のレイアウトが示されている。ここでは、プリズムの回転中心(回転ステージの回転軸)に関して、受光素子1と受光素子3が軸対称に配置され、かつ受光素子2と受光素子4が軸対称に配置されていることに加えて、図41(A)の面発光レーザアレイチップのレイアウトに応じたレイアウト、すなわち受光素子1と受光素子3の並び方向、受光素子2と受光素子4の並び方向がいずれもX方向及びY方向に対して傾斜している。これにより、光スポットの位置ずれの検出方向(受光素子1と受光素子3の並び方向、受光素子2と受光素子4の並び方向)が各受光素子への面発光レーザからの光の入射方向と一致するため、位置ずれの検出精度が高くなる。   FIG. 41C shows a layout of four light receiving elements 1 to 4 in the light source module LM. Here, in addition to the rotational center of the prism (the rotational axis of the rotary stage), the light receiving element 1 and the light receiving element 3 are arranged in an axial symmetry, and the light receiving element 2 and the light receiving element 4 are arranged in an axial symmetry. 41A, the layout according to the layout of the surface emitting laser array chip, that is, the alignment direction of the light receiving element 1 and the light receiving element 3, and the alignment direction of the light receiving element 2 and the light receiving element 4 are both in the X direction and the Y direction. It is inclined with respect to it. Thereby, the detection direction of the light spot position shift (the alignment direction of the light receiving element 1 and the light receiving element 3 and the alignment direction of the light receiving element 2 and the light receiving element 4) is the incident direction of the light from the surface emitting laser to each light receiving element. Since they match, the detection accuracy of misalignment is increased.

なお、上記各実施形態において、照射系の光源モジュールLMの数、及び検出系の検出モジュールの数は、適宜変更可能である。要は、照射系は、光源モジュールLMを少なくとも1つ有していれば良い。検出系は、検出モジュールDMを少なくとも1つ有していれば良い。   In each of the above embodiments, the number of light source modules LM in the irradiation system and the number of detection modules in the detection system can be changed as appropriate. In short, the irradiation system only needs to have at least one light source module LM. The detection system may have at least one detection module DM.

また、上記各実施形態において、光源モジュールLM(光照射器)の構成は、適宜変更可能である。例えば光照射器の面発光レーザアレイチップの数及び配置は、適宜変更可能である。レンズの種類、形状、大きさ、個数等も適宜変更可能である。   Moreover, in each said embodiment, the structure of the light source module LM (light irradiation device) can be changed suitably. For example, the number and arrangement of the surface emitting laser array chips of the light irradiator can be appropriately changed. The type, shape, size, number, etc. of the lenses can be changed as appropriate.

また、上記各実施形態では、光照射器の光源として、面発光レーザが用いられているが、例えば、端面発光レーザ(LD)、発光ダイオード(LED)、有機EL素子、半導体レーザ以外のレーザなどを用いても良い。   In each of the above embodiments, a surface emitting laser is used as a light source of the light irradiator. For example, an edge emitting laser (LD), a light emitting diode (LED), an organic EL element, a laser other than a semiconductor laser, or the like May be used.

また、上記各実施形態では、光源モジュールLMの光学系は、プリズムを有しているが、これに代えて又は加えて、他のミラー等を有していても良い。また、光源モジュールLMの光学系は、例えばレンズのみで構成されても良いし、例えばプリズム、ミラー等の反射部材のみで構成されても良い。   In each of the above embodiments, the optical system of the light source module LM has a prism. However, instead of or in addition to this, it may have another mirror or the like. In addition, the optical system of the light source module LM may be configured by only a lens, for example, or may be configured by only a reflecting member such as a prism or a mirror.

また、実施例2の面発光レーザアレイチップにおけるグループの数及び配置、各グループのchの数及び配置は、適宜変更可能である。   Moreover, the number and arrangement of groups in the surface emitting laser array chip of Example 2 and the number and arrangement of ch in each group can be changed as appropriate.

また、検出モジュールDM(光検出器)の構成は、適宜変更可能である。例えば、アパーチャは、必ずしも設けられていなくても良い。また、例えば、分割レンズは、必ずしも設けられていなくても良い。   The configuration of the detection module DM (photodetector) can be changed as appropriate. For example, the aperture does not necessarily have to be provided. Further, for example, the split lens is not necessarily provided.

以上の説明における各部材や部分の形状、大きさ、材質、数、寸法、数値は、一例であって、適宜変更可能であることは言うまでもない。   Needless to say, the shape, size, material, number, dimension, and numerical value of each member and portion in the above description are merely examples, and can be changed as appropriate.

10…光学センサ、100…光学検査装置、LM…光源モジュール(光照射器)、DM…検出モジュール(光検出器)。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Optical sensor, 100 ... Optical inspection apparatus, LM ... Light source module (light irradiation device), DM ... Detection module (light detector).

特許3779134号公報Japanese Patent No. 3779134

Claims (18)

被検体の同一位置に非平行の複数の光を照射する、光源を有する光照射器を少なくとも1つ含む照射系と、
前記光源を制御する制御部と、
前記照射系から照射され前記被検体内を伝播した光を検出する検出系と、を備え、
前記光照射器は、
前記光源からの光の光路上に配置され、非平行な複数の光を前記同一位置に向けて出射する光学系と、
前記光学系からの複数の光それぞれの一部を受光する少なくとも1つの受光素子と、を更に有し、
前記制御部は、前記受光素子の受光量に基づいて前記光源の発光量を制御する光学センサ。
An irradiation system including at least one light irradiator having a light source that irradiates a plurality of non-parallel light beams on the same position of the subject;
A control unit for controlling the light source;
A detection system for detecting light emitted from the irradiation system and propagated in the subject,
The light irradiator is
An optical system arranged on the optical path of the light from the light source and emitting a plurality of non-parallel lights toward the same position;
And at least one light receiving element that receives a part of each of the plurality of lights from the optical system,
The said control part is an optical sensor which controls the light emission amount of the said light source based on the light reception amount of the said light receiving element.
前記光照射器は、前記光源及び前記光学系が収容され、前記複数の光それぞれの他の一部を通過させる通過部が設けられた収容体を更に有し、
前記受光素子は、前記収容体における前記通過部の周囲部に設けられていることを特徴とする請求項1に記載の光学センサ。
The light irradiator further includes a housing body in which the light source and the optical system are housed, and a passage portion through which another part of each of the plurality of lights passes is provided.
The optical sensor according to claim 1, wherein the light receiving element is provided in a peripheral portion of the passage portion in the container.
前記通過部には、前記光学系による光スポットの中央部が入射し、
前記受光素子には、前記光スポットの周辺部が入射することを特徴とする請求項2に記載の光学センサ。
A central portion of the light spot by the optical system is incident on the passage portion,
The optical sensor according to claim 2, wherein a peripheral portion of the light spot is incident on the light receiving element.
前記収容体は、
前記光源及び前記光学系が収容され、前記複数の光それぞれの他の一部を通過させる開口が形成された筐体と、
前記開口を塞ぐように前記筐体に設けられた光透過部材と、を有すること特徴とする請求項2又は3に記載の光学センサ。
The container is
A housing in which the light source and the optical system are housed, and an opening through which another part of each of the plurality of lights passes is formed;
The optical sensor according to claim 2, further comprising: a light transmitting member provided in the housing so as to close the opening.
前記光透過部材は、前記被検体よりも屈折率が大きいことを特徴とする請求項4に記載の光学センサ。   The optical sensor according to claim 4, wherein the light transmission member has a refractive index larger than that of the subject. 前記収容体は、前記光透過部材を透過した光を通過させる開口部が設けられ、前記被検体に接触する接触部材を更に有することを特徴とする請求項4又は5に記載の光学センサ。   The optical sensor according to claim 4, wherein the container further includes a contact member that is provided with an opening through which light transmitted through the light transmission member passes and that contacts the subject. 前記少なくとも1つの受光素子は、複数の受光素子であり、
前記複数の受光素子は、前記通過部を通る所定軸に関して略軸対称に配置された一対の前記受光素子から成る受光素子対を少なくとも1つ含むことを特徴とする請求項2〜6のいずれか一項に記載の光学センサ。
The at least one light receiving element is a plurality of light receiving elements;
The plurality of light receiving elements include at least one light receiving element pair including a pair of the light receiving elements disposed substantially symmetrically with respect to a predetermined axis passing through the passage portion. The optical sensor according to one item.
少なくとも1つの前記受光素子対は、前記受光素子の並び方向が互いに直交する2つの受光素子対を含むことを特徴とする請求項7に記載の光学センサ。   The optical sensor according to claim 7, wherein the at least one light receiving element pair includes two light receiving element pairs in which the arrangement direction of the light receiving elements is orthogonal to each other. 前記少なくとも1つの受光素子は、電気的に分離された複数の受光領域を含む単一の受光素子であり、
前記複数の受光領域は、前記通過部を通る所定軸に関して略軸対称に配置された一対の前記受光領域から成る受光領域対を少なくとも1つ含むことを特徴とする請求項2〜6のいずれか一項に記載の光学センサ。
The at least one light receiving element is a single light receiving element including a plurality of electrically separated light receiving regions;
The plurality of light receiving regions include at least one light receiving region pair including a pair of the light receiving regions arranged substantially symmetrically with respect to a predetermined axis passing through the passage portion. The optical sensor according to one item.
少なくとも1つの前記受光領域対は、前記受光領域の並び方向が互いに直交する2つの受光領域対を含むことを特徴とする請求項9に記載の光学センサ。   The optical sensor according to claim 9, wherein the at least one light receiving area pair includes two light receiving area pairs in which the arrangement direction of the light receiving areas is orthogonal to each other. 前記光源は、アレイ状に配置された複数の発光部から成る発光部群を少なくとも1つ有することを特徴とする請求項7〜10のいずれか一項に記載の光学センサ。   The optical sensor according to claim 7, wherein the light source includes at least one light emitting unit group including a plurality of light emitting units arranged in an array. 前記少なくとも1つの受光素子の受光量に基づいて、前記光学系からの光の前記受光素子及び前記通過部への入射位置を調整する調整手段を更に備えることを特徴とする請求項11に記載の光学センサ。   12. The adjusting device according to claim 11, further comprising an adjusting unit that adjusts an incident position of the light from the optical system to the light receiving element and the passage portion based on a light reception amount of the at least one light receiving element. Optical sensor. 前記光学系は、前記発光部群からの複数の光の光路上に配置され、該複数の光を非平行な複数の光とするレンズを含み、
前記レンズの主点と前記光源との距離は、前記レンズの焦点距離と一致していないことを特徴とする請求項11又は12に記載の光学センサ。
The optical system includes a lens that is disposed on an optical path of a plurality of lights from the light emitting unit group, and that converts the plurality of lights into a plurality of non-parallel lights,
The optical sensor according to claim 11 or 12, wherein a distance between the principal point of the lens and the light source does not coincide with a focal length of the lens.
前記光学系は、前記レンズを介した光の光路上に配置され、該光を前記通過部に向けて反射させる反射部材を有することを特徴とする請求項13に記載の光学センサ。   The optical sensor according to claim 13, wherein the optical system includes a reflecting member that is disposed on an optical path of light through the lens and reflects the light toward the passage portion. 請求項1〜14のいずれか一項に記載の光学センサを備え、
前記光学センサを用いて、前記被検体の内部特性を推定する光学検査装置。
The optical sensor according to any one of claims 1 to 14, comprising:
An optical inspection apparatus that estimates the internal characteristics of the subject using the optical sensor.
請求項12に記載の光学センサを用いて被検体の内部情報を計測する被検体内部情報計測方法であって、
前記少なくとも1つの受光素子の受光量に基づいて、前記光学系からの複数の光の前記通過部及び前記受光素子への入射位置のずれを検出する工程と、
前記検出する工程での検出結果に基づいて、前記調整手段を用いて前記複数の光のうち少なくとも1つの光の前記入射位置を調整する工程と、を含む被検体内部情報計測方法。
A subject internal information measuring method for measuring internal information of a subject using the optical sensor according to claim 12,
Detecting a shift in the incident position of the light passing from the optical system and the light receiving element based on the amount of light received by the at least one light receiving element;
Adjusting the incident position of at least one of the plurality of lights using the adjusting means based on the detection result in the detecting step.
前記調整する工程では、前記複数の光の前記入射位置が略一致するように前記少なくとも1つの光の入射位置を調整することを特徴とする請求項16に記載の被検体内部情報計測方法。   The object internal information measuring method according to claim 16, wherein, in the adjusting step, the incident position of the at least one light is adjusted so that the incident positions of the plurality of lights substantially coincide with each other. 請求項1〜14のいずれか一項に記載の光学センサを用いて、前記被検体の内部特性を推定する被検体内部特性推定方法。
A subject internal property estimation method for estimating an internal property of the subject using the optical sensor according to claim 1.
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WO2022050322A1 (en) * 2020-09-04 2022-03-10 富士電機株式会社 Gas analyzer
WO2023021795A1 (en) * 2021-08-17 2023-02-23 富士フイルム株式会社 Light source control device, operation method for light source control device, operation program for light source control device, and digital holography system

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