JP2018183579A - 光学素子、並びにそれを用いた生体計測装置および照明装置 - Google Patents

光学素子、並びにそれを用いた生体計測装置および照明装置 Download PDF

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照弘 塩野
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Abstract

【課題】被検部の周辺領域の生体信号をより正確に取得することができる生体計測装置、並びにそれに用いる光学素子及び照明装置を提供する。
【解決手段】生体計測装置１７は、被検部を照射するための出射光を出射する光源１と、出射光の照射に起因して、被検部から戻った光を検出する光検出器２と、光源および被検部の間の光路に配置された、少なくとも１つのレンズを含む光学素子３と、を備える。少なくとも１つのレンズの厚さおよび屈折率の少なくとも一方の値は、少なくとも１つのレンズの中心部から外縁部に向かう第１の方向に沿って変化しており、少なくとも一方の値は、中心部において極小であり、中心部と外縁部との間の第１の箇所において極大である。
【選択図】図１

Description

本願は、光学素子、並びにそれを用いた生体計測装置および照明装置に関する。
光で生体を照射し、生体の内部から戻ってきた反射散乱光を検出することにより、生体の有用な情報を非接触で得ることができる生体計測装置が広く用いられている。
照射光は、皮膚を通して生体の内部に侵入した後、血管などの内部組織を透過して散乱光として出てくる。このため、散乱光は、心拍、血流量、血圧および血中酸素飽和度などの生体情報を含む。生体計測装置によってこの散乱光を検出することにより、例えば、脈拍、血流および酸素飽和度などの情報を得ることができる。それらの情報は、健康診断などに用いることができる。
特許文献１は、脳活動などの生体の機能を示す生体活動を非侵襲的に計測する生体活動計測装置を開示している。この計測装置は、赤外光を生成する光源部と、人体からの赤外光を検出する光検出部と、人体への光の照射位置を制御する光学系を備える。この計測装置は、近赤外光で人の額のほぼ全体を照射して、反射散乱光をＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）などの光検出器を用いて受光する。
特開２００３−３３７１０２号公報
本開示は、例えば額、腕、脚のような、平坦ではない被検部における生体信号をより正確に取得することができる生体計測装置、並びにそれに用いる光学素子及び照明装置を提供する。
本開示の一態様に係る生体計測装置は、被検部を照射するための出射光を出射する光源と、前記出射光の照射に起因して、前記被検部から戻った光を検出する光検出器と、前記光源および前記被検部の間の光路に配置された、少なくとも１つのレンズを含む光学素子と、を備える。前記少なくとも１つのレンズの厚さおよび屈折率の少なくとも一方の値は、前記少なくとも１つのレンズの中心を含む部分である中心部から外縁部に向かう第１の方向に沿って変化しており、前記少なくとも一方の値は、前記中心部において極小であり、前記中心部と前記外縁部との間の第１の箇所において極大である。
本開示の一態様に係る光学素子は、少なくとも１つのレンズを含む。前記少なくとも１つのレンズの厚さおよび屈折率の少なくとも一方の値は、前記少なくとも１つのレンズの中心を含む部分である中心部から外縁部に向かう第１の方向に沿って変化しており、前記少なくとも一方の値は、前記中心部において極小であり、前記中心部と前記外縁部との間の第１の箇所において極大である。
本開示の一態様によれば、平坦ではない被検部における生体信号をより正確に取得することができる。
図１は、本開示の実施の形態１における生体計測装置の構成と、生体情報の計測とを説明するための概略図である。 図２Ａは、本開示の実施の形態１における光学素子の構成を模式的に示す平面図である。 図２Ｂは、図２ＡにおけるIIＢ−IIＢ線断面図である。 図３は、本開示の実施の形態１における光学素子のサグ量と、光軸中心からの半径との関係を示すグラフである。 図４は、本開示の実施の形態１における、生体計測装置から被検部への出射光の、光軸に垂直な平面における強度分布（実線）と、光学素子が無い場合における出射光の、光軸に垂直な平面における強度分布（点線）とを示す図である。 図５は、本開示の実施の形態１の変形例における光学素子のサグ量と、光軸中心からの半径との関係を示すグラフである。 図６は、本開示の実施の形態１の変形例における生体計測装置から被検部への出射光の強度分布（実線）と、光学素子が無い場合の出射光の強度分布（点線）とを示す図である。 図７Ａは、本開示の実施の形態１の他の変形例における光学素子の構成を模式的に示す平面図である。 図７Ｂは、図７ＡにおけるVIIＢ−VIIＢ線断面図である。 図８Ａは、本開示の実施の形態２における生体計測装置の構成と、生体情報の計測とを説明するための図である。 図８Ｂは、本開示の実施の形態２における生体計測装置の構成と、生体情報の計測とを説明するための他の図である。 図９Ａは、本開示の実施の形態２における光学素子の構成を模式的に示す平面図である。 図９Ｂは、図９ＡにおけるIXＢ−IXＢ線断面図である。 図９Ｃは、図９ＡにおけるIXＣ−IXＣ線断面図である。 図１０は、本開示の実施の形態２におけるレンズの、Ｘ方向およびＹ方向のそれぞれにおけるサグ量の分布を示すグラフである。 図１１は、本開示の実施の形態２における生体計測装置から被検部への出射光の、光軸に垂直な平面におけるＸ方向の強度分布（一点鎖線）およびＹ方向の強度分布（実線）と、光学素子が無い場合における出射光の、光軸に垂直な平面における出射光の強度分布（点線）とを示す図である。 図１２は、本開示の実施の形態２における光学素子の別の構成を模式的に示す平面図である。 図１３Ａは、本開示の実施の形態２の変形例における光学素子の構成を模式的に示す平面図である。 図１３Ｂは、図１３ＡにおけるXIIIＢ−XIIIＢ線断面図である。 図１４Ａは、本開示の実施の形態３における生体計測装置の構成と、生体情報の計測とを説明するための図である。 図１４Ｂは、本開示の実施の形態３における生体計測装置の構成と、生体情報の計測とを説明するための他の図である。 図１４Ｃは、本開示の実施の形態３における被検部を説明するための図である。 図１５Ａは、本開示の実施の形態３の変形例における光学素子の構成を模式的に示す平面図である。 図１５Ｂは、図１５ＡにおけるXVＢ−XVＢ線断面図である。 図１６Ａは、比較例に係る生体計測装置が、平面的な表面をもつ被検部を光源からの光で照射している状況を示す模式図である。 図１６Ｂは、比較例に係る生体計測装置が、額、腕、または脚のような曲面的な表面をもつ被検部を光源からの光で照射している状況を示す模式図である。
本開示の実施形態を説明する前に、本開示の基礎となった知見を説明する。
本発明者らは、額、腕、または脚のように平坦ではない表面をもつ被検部の生体情報を取得する場合、被検部の周辺領域では中心領域と比較して照射光の強度が低下するため、Ｓ／Ｎが低下するという課題があることを見出した。以下、この課題を説明する。
図１６Ａは、比較例に係る生体計測装置が、平面的な表面をもつ被検部を光源１０１からの光で照射している状況を示す模式図である。図１６Ｂは、比較例に係る生体計測装置が、額、腕、または脚のような曲面的な表面をもつ被検部を光源１０１からの光で照射している状況を示す模式図である。
以下の説明では、図１６Ａおよび図１６Ｂに示されているＸＹＺ座標を用いる。Ｘ、Ｙ、Ｚ方向は、互いに直交する。
図１６Ａおよび１６Ｂにおける生体計測装置は、生体である被検物１０５または被検物１０５ａにおける被検部１０６または被検部１０６ａに近接して配置される。光源１０１から被検部１０６または被検部１０６の中心までの距離ｄは短く、光源１０１から出射されるほぼ全ての光が被検部１０６または被検部１０６ａに到達する。生体計測装置は、光検出器および制御回路などの構成要素も備えているが、それらの図示は省略されている。
まず、図１６Ａを参照しながら、光源１０１から出射され、発散した光１０８で、平面的な被検部１０６を照射する場合を説明する。ここで、光源１０１から出射された光の中心軸に垂直で、被検部１０６の表面が位置する平面を、Ａ−Ａ面と呼ぶことにする。レーザおよびＬＥＤなどの一般的な光源１０１から出射される光１０８は、ガウス分布を有するガウシアンビームである。ガウシアンビームにおいて、中心部の光１０８ａは、強い光強度を有し、周辺部の光１０８ｂは、弱い光強度を有する。したがって、Ａ−Ａ面上に形成される光スポットにおいて、中心部の光強度は高く、中心部から離れるにつれ、光強度は低下する。
図１６Ａの場合とは異なり、光源１０１から被検部１０６までの距離ｄが十分大きい場合、被検部１０６は、ガウス分布の中心部の光１０８ａで照射される。このため、被検部１０６上の光強度分布は、ほぼ均一になる。その結果、検出される生体信号のＳ／Ｎは、被検部１０６領域内でほぼ同じになる。しかし、この場合、光源１０１から出射された光１０８のうち、周辺部の光１０８ｂは、被検部１０６の外側に入射するため、生体情報の取得に利用されない。このように、距離ｄが大きいと、光利用効率が低くなるという課題がある。
一方、図１６Ａに示すように、ｄが小さい場合、ガウス分布の周辺の光１０８ｂも被検部１０６に入射する。このため、光利用効率は向上する。しかし、周辺部の光１０８ｂの光強度は、中心部の光１０８ａの光強度よりも低い。被検部１０６を照射する光１０８の強度が小さいほど、検出される生体信号のＳ／Ｎが低下する傾向にある。したがって、周辺領域の生体信号のＳ／Ｎは、中心部に比べて低下する。
次に、光源１０１および被検部１０６の間の光路上の、光源１０１に近接する位置に拡散板を配置し、光１０８をランバーシアン分布に変換した例を説明する。ランバーシアン分布の光１０８の放射角は広く、当該放射角の半値全幅は１２０°である。ｄが小さいとき、周辺部の光１０８ｂは、被検部１０６に斜めに入射する。周辺部の光１０８ｂの光路長が延びるため、Ａ−Ａ面上での周辺部の光１０８ｂの強度は、中心部の光１０８ａの強度に比べて低下する。その結果、周辺領域の生体信号のＳ／Ｎは、拡散板によって改善はするものの、中心部に比べて低い。周辺部の光１０８ｂは被検部１０６に斜めに入射するため、ｄが小さいほど、当該Ｓ／Ｎの低下の程度が大きい。
ｄが比較的大きい場合、例えば、ｄ＝３００ｍｍの場合、被検部１０６の縦および横の各サイズが１００ｍｍであり、中心部の光１０８ａの光強度が１であるとき、Ａ−Ａ面上での最外周辺部の光１０８ｂの光強度は０．９７になる。このように、ｄが大きい場合、周辺部の光１０８ｂの光強度の低下は小さい。このような場合は、拡散板を用いることにより、周辺部の光強度が低下するという課題を解決することができる。
しかし、ｄが小さい場合、例えば、ｄ＝１００ｍｍの場合、最外周辺部の光１０８ｂの光強度は、０．７４にまで低下する。さらに、ｄ＝５０ｍｍの場合、当該光強度は、０．４にまで低下する。このように、ｄが小さくなるほど、周辺部の光強度が低下することが分かった。
次に、図１６Ｂに示すように、光源１０１から出射され、発散した光１０８で、曲面的な被検部１０６ａを照射する場合を説明する。被検部１０６ａの中心を通り出射光の中心軸に垂直なＡ−Ａ面での光強度分布は、上述した図１６Ａの場合と同じである。しかし、被検部１０６ａが湾曲しているため、被検部１０６ａの周辺部に入射する光１０８ｂの光路長はさらに長くなり、被検部１０６ａにおける光１０８の広がりは、その分大きくなる。したがって、中心部の光１０８ａの強度に比べて、湾曲した被検部１０６ａの周辺部の光１０８ｂの強度は、さらに低下する。その結果、周辺領域の生体情報を示す信号のＳ／Ｎも大幅に低下するという課題があった。
さらに、生体信号のＳ／Ｎの低下の程度は、被検部によって異なる。例えば、腕または足の形状は、円柱または楕円柱に近く、額の曲率は、水平方向（Ｘ方向）および垂直方向（Ｙ方向）において異なる。そのため、これらを被検部として測定する場合、周辺領域の生体信号のＳ／Ｎの低下の程度が、２つの直交方向において異なる。被検部の曲率が大きいほど、当該Ｓ／Ｎの低下の程度が大きい。
本発明者らは、以上の課題を見出し、新規な生体計測装置および光学素子に想到した。
本開示は、以下の項目に記載の生体計測装置および光学素子を含む。
［項目１］
本開示の項目１に係る生体計測装置は、
被検部を照射するための出射光を出射する光源と、
前記出射光の照射に起因して、前記被検部から戻った光を検出する光検出器と、
前記光源および前記被検部の間の光路に配置された、少なくとも１つのレンズを含む光学素子と、
を備える。
前記少なくとも１つのレンズの厚さおよび屈折率の少なくとも一方の値は、前記少なくとも１つのレンズの中心を含む部分である中心部から外縁部に向かう第１の方向に沿って変化しており、
前記少なくとも一方の値は、前記中心部において極小であり、前記中心部と前記外縁部との間の第１の箇所において極大である。
［項目２］
項目１に記載の生体計測装置において、
前記少なくとも一方の値は、前記中心部から前記第１の箇所に向かって単調に増加し、前記第１の箇所から前記外縁部に向かって単調に減少してもよい。
［項目３］
項目１または２に記載の生体計測装置において、
前記少なくとも１つのレンズには、複数の第１の箇所が存在し、前記複数の第１の箇所の各々は前記第１の箇所であり、
前記中心部と前記外縁部上の複数の点の各々との間に、前記複数の第１の箇所のうちの１つが存在し、
前記複数の第１の箇所を繋いだ軌跡は、円、楕円、および菱形のいずれかの形状であってもよい。
［項目４］
項目１または２に記載の生体計測装置において、
前記少なくとも一方の値は、前記第１の方向および前記少なくとも１つのレンズの厚さ方向の両方に直交する第２の方向において、一定であってもよい。
［項目５］
項目１から４のいずれかに記載の生体計測装置において、
前記少なくとも１つのレンズは、前記中心部で凹(concave)、前記第１の箇所で凸(convex)となる凹凸面を含み、
前記光源から前記少なくとも１つのレンズに入射した前記出射光は、前記凹凸面から出射されてもよい。
［項目６］
項目１から５のいずれかに記載の生体計測装置において、
前記光源と前記光学素子の間の光路に配置された拡散板をさらに備えてもよい。
［項目７］
項目１から６のいずれかに記載の生体計測装置において、
前記少なくとも１つのレンズは、前記中心を通る軸に対して回転対称な形状を有し、
正の実数をα１とし、
負の実数をα２とするとき、
前記中心から前記軸に垂直な面に沿って距離ｒの位置における前記少なくとも１つのレンズの厚さと、前記中心における前記少なくとも１つのレンズの厚さとの差を示すサグ量は、
α１ｒ２＋α２ｒ４
の項を含むｒの関数で表されてもよい。
［項目８］
項目１から６のいずれかに記載の生体計測装置において、
正の実数をα１ｘおよびα１ｙとし、
負の実数をα２ｘおよびα２ｙとするとき、
前記中心から前記第１の方向に距離ｘ、かつ前記第１の方向および前記少なくとも１つのレンズの厚さ方向の両方に直交する第２の方向に距離ｙの位置における前記少なくとも１つのレンズの厚さと、前記中心における前記少なくとも１つのレンズの厚さとの差を示すサグ量は、
α１ｘｘ２＋α１ｙｙ２＋α２ｘｘ４＋α２ｙｙ４
の項を含むｘおよびｙの関数で表されてもよい。
［項目９］
項目１から６のいずれかに記載の生体計測装置において、
正の実数をα１ｘおよびα１ｙとし、
負の実数をα２ｘおよびα２ｙとするとき、
前記中心から前記第１の方向に距離ｘ、かつ前記第１の方向および前記少なくとも１つのレンズの厚さ方向の両方に直交する第２の方向に距離ｙの位置における前記少なくとも１つのレンズの厚さと、前記中心における前記少なくとも１つのレンズの厚さとの差を示すサグ量は、
α１ｘｘ２＋α２ｘｘ４、
の項を含むｘの関数、または、
α１ｙｙ２＋α２ｙｙ４
の項を含むｙの関数で表されてもよい。
［項目１０］
項目１から９のいずれかに記載の生体計測装置において、
前記少なくとも１つのレンズは、前記出射光の中心軸に交差する平面に沿って２次元的に配列された複数のレンズを含み、
前記複数のレンズの各々の厚さおよび屈折率の少なくとも一方の値は、前記複数のレンズ各々の中心部から外縁部に向かう方向に沿って変化しており、
前記複数のレンズの各々の厚さおよび屈折率の前記少なくとも一方の値は、前記中心部において極小であり、前記中心部と前記外縁部との間の箇所において極大であってもよい。
［項目１１］
項目１から１０のいずれかに記載の生体計測装置は、
制御回路をさらに備えてもよく、
前記制御回路は、
前記光源および前記光検出器を制御し、かつ
前記光検出器によって検出された前記光の量を示す信号に基づいて、前記被検部における血流に関する情報を生成してもよい。
［項目１２］
項目１から１１のいずれかに記載の生体計測装置において、
前記出射光は、前記少なくとも１つのレンズに発散した光として入射してもよい。
［項目１３］
本開示の項目１３に係る光学素子は、
少なくとも１つのレンズを含む。
前記少なくとも１つのレンズの厚さおよび屈折率の少なくとも一方の値は、前記少なくとも１つのレンズの中心を含む部分である中心部から外縁部に向かう第１の方向に沿って変化しており、
前記少なくとも一方の値は、前記中心部において極小であり、前記中心部と前記外縁部との間の第１の箇所において極大である。
［項目１４］
項目１３に記載の光学素子において、
前記少なくとも一方の値は、前記中心部から前記第１の箇所に向かって単調に増加し、前記第１の箇所から前記外縁部に向かって単調に減少してもよい。
［項目１５］
項目１３または１４に記載の光学素子において、
前記少なくとも１つのレンズには、複数の第１の箇所が存在し、前記複数の第１の箇所の各々は前記第１の箇所であり、
前記中心部と前記外縁部上の複数の点の各々との間に、前記複数の第１の箇所のうちの１つが存在し、
前記複数の第１の箇所を繋いだ軌跡は、円、楕円、および菱形のいずれかの形状であってもよい。
［項目１６］
項目１３から１５のいずれかに記載の光学素子において、
前記少なくとも一方の値は、前記第１の方向および前記少なくとも１つのレンズの厚さ方向の両方に直交する第２の方向において、一定であってもよい。
［項目１７］
項目１３から１６のいずれかに記載の光学素子において、
前記少なくとも１つのレンズは、前記中心部で凹(concave)、前記第１の箇所で凸(convex)となる凹凸面を含み、
前記凹凸面は、前記少なくとも１つのレンズから光が出射する位置に配置されてもよい。
［項目１８］
項目１３から１７のいずれかに記載の光学素子において、
前記少なくとも１つのレンズは、前記中心を通る軸に対して回転対称な形状を有し、
正の実数をα１とし、
負の実数をα２とするとき、
前記中心から前記軸に垂直な面に沿って距離ｒの位置における前記少なくとも１つのレンズの厚さと、前記中心における前記少なくとも１つのレンズの厚さとの差を示すサグ量は、
α１ｒ２＋α２ｒ４
の項を含むｒの関数で表されてもよい。
［項目１９］
項目１３から１７のいずれかに記載の光学素子において、
正の実数をα１ｘおよびα１ｙとし、
負の実数をα２ｘおよびα２ｙとするとき、
前記中心から前記第１の方向に距離ｘ、かつ前記第１の方向および前記少なくとも１つのレンズの厚さ方向の両方に直交する第２の方向に距離ｙの位置における前記少なくとも１つのレンズの厚さと、前記中心における前記少なくとも１つのレンズの厚さとの差を示すサグ量は、
α１ｘｘ２＋α１ｙｙ２＋α２ｘｘ４＋α２ｙｙ４
の項を含むｘおよびｙの関数で表されてもよい。
［項目２０］
項目１３から１７のいずれかに記載の光学素子において、
正の実数をα１ｘおよびα１ｙとし、
負の実数をα２ｘおよびα２ｙとするとき、
前記中心から前記第１の方向に距離ｘ、かつ前記第１の方向および前記少なくとも１つのレンズの厚さ方向の両方に直交する第２の方向に距離ｙの位置における前記少なくとも１つのレンズの厚さと、前記中心における前記少なくとも１つのレンズの厚さとの差を示すサグ量は、
α１ｘｘ２＋α２ｘｘ４、
の項を含むｘの関数、または、
α１ｙｙ２＋α２ｙｙ４
の項を含むｙの関数で表されてもよい。
［項目２１］
項目１３から２０のいずれかに記載の光学素子において、
前記少なくとも１つのレンズは、光源から出射される光の中心軸に交差する平面に沿って２次元的に配列された複数のレンズを含み、
前記複数のレンズの各々の厚さおよび屈折率の少なくとも一方の値は、前記複数のレンズ各々の中心部から外縁部に向かう方向に沿って変化しており、
前記複数のレンズの各々の厚さおよび屈折率の前記少なくとも一方の値は、前記中心部において極小であり、前記中心部と前記レンズの外縁部との間の箇所において極大であってもよい。
［項目２２］
本開示の項目２２に係る照明装置は、
対象物を照射するための出射光を出射する光源と、
光学素子と、を備え、
前記光学素子は、少なくとも１つのレンズを含み、
前記少なくとも１つのレンズの厚さおよび屈折率の少なくとも一方の値は、前記少なくとも１つのレンズの中心を含む部分である中心部から外縁部に向かう第１の方向に沿って変化しており、
前記少なくとも一方の値は、前記中心部において極小であり、前記中心部と前記外縁部との間の第１の箇所において極大であり、
前記少なくとも１つのレンズは、前記中心部で凹(concave)、前記第１の箇所で凸(convex)となる凹凸面を含み、
前記光源から前記少なくとも１つのレンズに入射した前記出射光は、前記凹凸面から出射される。
［項目２３］
項目２２に記載の照明装置は、
前記光源と前記光学素子の間の光路に配置された拡散板をさらに備えていてもよい。
本開示において、回路、ユニット、装置、部材又は部の全部又は一部、又はブロック図の機能ブロックの全部又は一部は、半導体装置、半導体集積回路（ＩＣ）、又はＬＳＩ（ｌａｒｇｅ ｓｃａｌｅ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）を含む一つ又は複数の電子回路によって実行されてもよい。ＬＳＩ又はＩＣは、一つのチップに集積されてもよいし、複数のチップを組み合わせて構成されてもよい。例えば、記憶素子以外の機能ブロックは、一つのチップに集積されてもよい。ここでは、ＬＳＩまたはＩＣと呼んでいるが、集積の度合いによって呼び方が変わり、システムＬＳＩ、ＶＬＳＩ（ｖｅｒｙ ｌａｒｇｅ ｓｃａｌｅ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）、若しくはＵＬＳＩ（ｕｌｔｒａ ｌａｒｇｅ ｓｃａｌｅ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）と呼ばれるものであってもよい。 ＬＳＩの製造後にプログラムされる、Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ（ＦＰＧＡ）、又はＬＳＩ内部の接合関係の再構成又はＬＳＩ内部の回路区画のセットアップができるｒｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅ ｌｏｇｉｃ ｄｅｖｉｃｅも同じ目的で使うことができる。
さらに、回路、ユニット、装置、部材又は部の全部又は一部の機能又は操作は、ソフトウエア処理によって実行することが可能である。この場合、ソフトウエアは一つ又は複数のＲＯＭ、光学ディスク、ハードディスクドライブなどの非一時的記録媒体に記録され、ソフトウエアが処理装置（ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）によって実行されたときに、そのソフトウエアで特定された機能が処理装置（ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）および周辺装置によって実行される。システム又は装置は、ソフトウエアが記録されている一つ又は複数の非一時的記録媒体、処理装置（ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）、及び必要とされるハードウエアデバイス、例えばインターフェース、を備えていても良い。
以下、本開示の実施形態をより具体的に説明する。ただし、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明および実質的に同一の構成に対する重複する説明を省略することがある。これは、以下の説明が不必要に冗長になることを避け、当業者の理解を容易にするためである。なお、本発明者らは、当業者が本開示を十分に理解するために添付図面および以下の説明を提供するのであって、これらによって特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図するものではない。以下の説明において、同一または類似する構成要素については、同じ参照符号を付している。
以下、実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
（実施の形態１）
まず、本開示の実施の形態１の生体計測装置および光学素子を説明する。
図１は、本開示の実施の形態１における生体計測装置の構成と、生体情報の計測とを説明するための概略図である。
実施の形態１の生体計測装置１７は、光源１と、光検出器２と、制御回路７と、光学素子３とを備える。光源１は、被検部６を照射するための出射光を出射する。光検出器２は、光源１から出射され、被検部６によって反射された光を検出する。光学素子３は、光源１および被検部６の間の光路に配置されている。光学素子３は、少なくとも１つのレンズを有する。制御回路７は、光源１および光検出器２を制御する。
本実施形態における制御回路７は、光検出器２から出力される電気信号（以下、単に信号と称する。）を処理する信号処理回路３０を含む。信号処理回路３０は、光検出器２によって検出された光の量を示す信号に基づいて、被検部６における血流に関する情報を生成する。信号処理回路３０は光検出器２に接続されて利用される。
制御回路７は、例えば中央演算処理装置（ＣＰＵ）等のプロセッサと、メモリとを有する集積回路であり得る。制御回路７は、例えばメモリに記録されたプログラムを実行することにより、光源１に光を出射させ、それに同期して光検出器２に光を検出させる。
信号処理回路３０は、例えばデジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）等のプログラマブルロジックデバイス（ＰＬＤ）、または中央演算処理装置（ＣＰＵ）もしくは画像処理用演算プロセッサ（ＧＰＵ）とコンピュータプログラムとの組み合わせによって実現され得る。制御回路７および信号処理回路３０は、統合された１つの回路であってもよいし、分離された個別の回路であってもよい。
本実施形態における生体計測装置１７は制御回路７を備えているが、制御回路７は生体計測装置１７の外部の要素であってもよい。
光源１は、例えば、パルス光を連続的に出射するレーザダイオード（Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ（ＬＤ））などのレーザ光源、または発光ダイオード（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ（ＬＥＤ））であり得る。光源１は、制御回路７からの指示に応じて、発光の開始および停止、ならびに発光パワの変更を行い、概ね任意のパルス光を発生させることができる。
光源１は、例えば波長が６５０ｎｍ以上９５０ｎｍ以下の光を出射する。この波長範囲は、赤色から近赤外線の波長範囲に含まれる。上記の波長範囲は、生体の窓と呼ばれ、体内での吸収率が低いことで知られている。本実施形態における光源１は、上記の波長範囲の光を出射するものとして説明するが、他の波長範囲の光を用いてもよい。本明細書では、可視光のみならず赤外線についても、「光」の用語を用いる。
本実施形態では、光源１および光学素子３の間の光路上であって、光源１に近接する位置に、拡散板１６が配置されている。拡散板１６は、光源１からのガウス分布の出射光の放射角を広げ、例えばランバーシアン分布の光に変換する。拡散板１６によって拡散した光は、光学素子３に入射する。光学素子３は、光８の光強度分布をさらに変換し、周辺部における光強度を大きくする。光学素子３によって変換された光で、距離ＷＤだけ光学素子３から離れた被検部６の表面（Ａ−Ａ面）が照射される。拡散板１６は必須の構成要素ではないが、拡散板１６を設けることにより、光学素子３の設計および製作が容易になる。
拡散板１６を有する光源１と、光学素子３とを、一体化した光源モジュール４によって実現しても良い。これにより、光源１及び光学素子３の取り扱いがさらに容易になる。
以下の説明では、「散乱光」は、反射散乱光と透過散乱光とを含む。反射散乱光を単に「反射光」と称することがある。
生体は散乱体である。被検物５が生体である場合、被検部６に入射した光８のうち、一部の光は、直接反射光として生体計測装置１７に戻る。他の光は、被検部６の表面である皮膚から内部に侵入し、一部が吸収されながら拡散され、内部散乱光９になる。内部から出てきた反射散乱光１１は、光検出器２により検出される。光検出器２には、強いノイズ光になる直接反射光と、内部の血流情報を有する反射散乱光１１とが入射する。反射散乱光１１の光路長は、直接反射光の光路長よりも長い。したがって、反射散乱光１１の光検出器２への到着時刻は、直接反射光の光検出器２への到達時刻よりも遅くなる。直接反射光が到達する時刻よりも遅れて光を検出することにより、検出信号に含まれる直接反射光の成分すなわちノイズ光成分を低減でき、反射散乱光１１の成分の割合を増やすことができる。
生体内部からの反射散乱光１１は、血管などを透過した光であるため、心拍、血流量、血圧、および血中酸素飽和度などの生体情報を含む。これらの生体情報は、健康診断または感情の推定などの様々な用途に用いることができる。
図２Ａは、本開示の実施の形態１における光学素子３の構成を模式的に示す平面図である。図２Ｂは、図２ＡにおけるIIＢ−IIＢ線断面図である。
本実施形態における光学素子３は、基板１３と、基板１３の中央に設けられた１つのレンズ１２とを有する。このレンズ１２の形状は、光軸方向であるＺ方向から見たとき、円形である。このレンズ１２は、レンズ１２の中心を通る軸である光軸に対して回転対称な形状を有する。レンズ１２の厚さは、レンズ１２の中心部Ｃから外縁部Ｅに向かう方向である「第１の方向」に沿って変化している。レンズ１２の厚さは、中心部Ｃにおいて極小であり、中心部Ｃと外縁部Ｅとの間の第１の箇所（以下、「極大箇所」と称することがある。）において極大である。より具体的には、レンズ１２の中心部Ｃとレンズ１２の外縁部である外周上の複数の点の各々との間に、レンズ１２の厚さが極大になる第１の箇所である極大箇所がそれぞれ存在する。図２Ａには、これらの第１の箇所を繋いだ軌跡１４が示されている。本実施形態では、この軌跡１４は円形である。レンズ１２の厚さは、図２Ｂに示すように、レンズ１２の中心部Ｃから極大箇所に向かって単調に増加し、極大箇所から外縁部Ｅに向かって単調に減少する。
本実施形態では、レンズ１２の厚さが中心部Ｃからの距離に応じて変化している。レンズ１２の厚さに代えて、またはレンズ１２の厚さに加えて、レンズ１２の屈折率を同様の態様で変化させてもよい。すなわち、光学素子３のレンズ１２の厚さおよび屈折率の少なくとも一方が、レンズ１２の中心部Ｃから外縁部Ｅに向かう方向に沿って変化していればよい。レンズ１２の厚さおよび屈折率の少なくとも一方が中心部Ｃにおいて極小であり、中心部Ｃと外縁部Ｅとの間の第１の箇所において極大になるようにレンズ１２は設計される。そのようなレンズ１２を用いることにより、周辺部に多くの光を集めることができる。
中心部Ｃは、本実施形態では光軸中心に一致しており、光源１からの出射光の中心軸は、この光軸中心に一致する。このため、本実施形態において、中心部Ｃを光軸中心と呼ぶことがある。レンズ１２の厚さが極小になる箇所は、光軸中心に厳密に一致していなくてもよい。光軸中心の近傍の点で厚さまたは屈折率が極小であり、その点よりも外側のいずれかの点において、厚さまたは屈折率が極大であればよい。本明細書において「中心部」の用語は、光軸中心およびその周囲の、やや広がりをもつ領域内の点を意味する。
基板１３およびレンズ１２は、同一の材料、例えばシクロオレフィン樹脂（例えば、登録商標「ゼオネックス」（日本ゼオン株式会社製））を用いて作製され得る。基板１３およびレンズ１２は、互いに異なる材料で構成されていてもよい。
基板１３およびレンズ１２は、光源１からの光に対して実質的に透明な材料によって構成され得る。基板１３およびレンズ１２には、シクロオレフィン樹脂以外の樹脂、例えば、ポリカーボネート、ＰＭＭＡ（ポリメタクリル酸メチル樹脂）、ノルボルネン樹脂（例えば、登録商標「アートン」（ＪＳＲ株式会社製））、またはガラスなどを用いることができる。樹脂を用いることにより、基板１３およびレンズ１２を、同じ材料で容易に一体成形することができる。
光学素子３またはレンズ１２の形状を、レンズ１２の各点における厚さと、中心部Ｃにおけるレンズ１２の厚さとの差を示すサグ（Ｓａｇ）量の分布によって表すことができる。本実施形態における光学素子３のサグ量は、光軸中心である中心部Ｃにおいて極小値を有し、中心部Ｃ以外の箇所で極大値を有する。この極大値は、最大値でもある。光学素子３のレンズ１２は、光軸中心である中心部Ｃを軸とした回転対称の構造を有する。レンズ１２において同一の厚さの箇所を繋いだ軌跡をＸＹ面に投影した場合、その軌跡は、中心部Ｃを中心とする同心円になる。
以下、本実施形態における光学素子３の物理的な作用を説明する。光学素子３におけるレンズ１２の有効径をａとする。レンズ１２の中心部付近は、凹レンズの形状を有し、レンズ１２の周辺部は凸レンズの形状を有する。これにより、光学素子３は、光源１から出射した光のうち、中心部付近に入射した光を周辺部に分散させるとともに、周辺部に入射した光を集束させる。すなわち、光学素子３は、被検部６が存在するＡ−Ａ面上で、光８の強度を中心部付近よりも周辺部において大きくするように機能する。
図３は、本開示の実施の形態１における光学素子３のサグ量と、光軸中心からの半径ｒとの関係の一例を示すグラフである。サグ量は、中心部Ｃにおいて極小値をとり、周辺部において極大値をとる。この例では、極大値は最大値に一致する。
本発明者らは、このようなサグ量分布をもつ光学素子３を、偶数次非球面レンズとして取り扱うことが可能であることを見出した。さらに、本発明者らは、光学素子３の光軸中心である中心部Ｃからの距離をｒとし、正の実数をα１とし、負の実数をα２とするとき、サグ量は、α１ｒ２＋α２ｒ４の項を含むｒの関数で表されることを見出した。ここで、｜α１｜＞｜α２｜である。ｘｙ座標を用いて記載すると、ｒ２＝ｘ２＋ｙ２であることから、上記サグ量は、α１（ｘ２＋ｙ２）＋α２（ｘ２＋ｙ２）２＝α１ｘ２＋α２ｘ４＋α１ｙ２＋α２ｙ４＋２α２ｘ２ｙ２の項を含むｘおよびｙの関数で表される。
なお、光学素子３を、偶数次非球面レンズ以外のレンズとして取り扱う設計方法を適用することも可能である。例えば、奇数次非球面、トロイダル面、またはツェルニケスタンダードサグ面のような屈折光学素子の設計手法を適用してもよい。さらには、ホログラム面またはグレーティング面などの回折光学素子の設計手法も適用することができる。どのような手法で設計しても、光学素子３が、レンズ１２の中心部Ｃおよび周辺領域において、それぞれ凹レンズおよび凸レンズのような形状または機能を有していればよい。そのように設計されていれば、光学素子３は、光８の強度分布を周辺部において大きくするという、本実施形態の効果と同等の効果を発揮する。
一例として、光学素子３と被検部６との距離ＷＤを１００ｍｍとし、拡散板１６の表面から光学素子３までの距離を２ｍｍとし、基板１３の厚さを３ｍｍとし、被検部６のＸ方向およびＹ方向におけるそれぞれのサイズを１００ｍｍとし、レンズ１２の有効径ａを４．２４ｍｍとする。このとき、α１＝０．０１、α２＝−０．００２５として、レンズ１２のサグ量は、α１ｒ２＋α２ｒ４の項を含むｒの関数、この場合は、例えばα１ｒ２＋α２ｒ４で表される。ｒ＝１．４１ｍｍのとき、サグ量は極大値（最大値）１０．１μｍになる。
図４は、本開示の実施の形態１における、生体計測装置１７から被検部６への出射光の、光軸に垂直な平面における強度分布（実線）と、光学素子３が無い場合における出射光の、光軸に垂直な平面における強度分布（点線）とを示す図である。
図４に点線で示すように、光学素子３が無い場合、周辺部の光強度が低下したランバーシアン分布の光強度分布になる。この場合、Ａ−Ａ面に入射する光の強度の最大値と最小値との差Δｄ１は大きい。これに対して、実線で示すように、光学素子３を用いた場合、Ａ−Ａ面に入射する光の強度の最大値と最小値との差Δｄ２は、より小さくなる。すなわち、Δｄ２＜Δｄ１が成り立つ。光学素子３を用いることにより、周辺部における光強度を向上させて、被検部６における光強度分布を、一様な分布に近づけることができる。したがって、被検部６の周辺領域からの反射散乱光１１の検出信号のＳ／Ｎを向上させることができる。
次に、本開示の実施の形態１の変形例における生体計測装置および光学素子を説明する。
図５は、本開示の実施の形態１の変形例における光学素子のサグ量と、光軸中心からの半径ｒとの関係を示すグラフである。
上記実施の形態１の生体計測装置と異なる点は、光源１および光学素子３の間の光路に、拡散板１６が配置されておらず、光学素子３が拡散板の役割も兼ねる構造を有する点にある。光源１および光学素子３は、光源モジュール４として一体化されている。
光学素子３は、光源１からのガウス分布の光８を、光学素子３によって周辺部の光の強度が増加するように変換する。変換された光８で、Ａ−Ａ面上の被検部６が照射される。この場合、実数α３が追加され、サグ量は、α１ｒ２＋α２ｒ４＋α３ｒ６の項を含むｒの関数で表されることが分かった。
一例として、光学素子３と被検部６との距離ＷＤを１００ｍｍとし、基板１３の厚さを３ｍｍとし、被検部６のＸ方向およびＹ方向におけるそれぞれのサイズを１００ｍｍとし、レンズ１２の有効径ａを４．２４ｍｍとする。このとき、α１＝０．１３、α２＝−０．０１８、α３＝０．００４として、レンズ１２のサグ量は、α１ｒ２＋α２ｒ４＋α３ｒ６の項を含むｒの関数、この場合は、例えばα１ｒ２＋α２ｒ４＋α３ｒ６で表される。ｒ＝２．０５ｍｍのとき、サグ量は極大値（最大値）２５８μｍになる。
この変形例では、光学素子３は拡散板の役割も兼ねる。そのため、実施の形態１の光学素子に比べて、｜α１｜、｜α２｜、および最大サグ量が大きくなる。この例では、｜α１｜＞｜α２｜＞｜α３｜である。
図６は、本開示の実施の形態１の変形例における生体計測装置１７から被検部６への出射光の強度分布（実線）と、光学素子３が無い場合の出射光の強度分布（点線）とを示す図である。
図６に点線で示すように、光学素子３が無い場合、周辺部の光強度が低下したランバーシアン分布の光強度分布になる。この場合、Ａ−Ａ面に入射する光の強度の最大値と最小値との差Δｄ１は大きい。これに対して、実線で示すように、変形例における光学素子３を用いた場合、Ａ−Ａ面に入射する光の強度の最大値と最小値との差Δｄ２を大幅に小さくし（Δｄ２＜Δｄ１）、周辺部における光強度を改善することができる。したがって、この変形例でも、被検部６の周辺領域からの反射散乱光１１の検出信号のＳ／Ｎを向上させることができる。
図７Ａは、本開示の実施の形態１の他の変形例における光学素子３の構成を模式的に示す平面図である。図７Ｂは、図７ＡにおけるVIIＢ−VIIＢ線断面図である。
光学素子３は、光源１から出射される光の中心軸に交差する平面に沿って、２次元的に配列された複数のレンズを含むレンズアレイ１５を有する。各レンズの厚さおよび屈折率の少なくとも一方は、各レンズの中心部Ｃにおいて極小であり、中心部Ｃと各レンズの外縁部Ｅとの間の箇所において極大である。
以下では、各レンズの厚さが中心からの距離に応じて変化している例を説明するが、各レンズの屈折率が中心からの距離に応じて変化している構成でもよい。
この変形例における光学素子３は、基板１３と、基板１３上に配置されたレンズアレイ１５とを有する。レンズアレイ１５は、Ｘ方向およびＹ方向に配列された複数のレンズを含む。図７Ａの例では、レンズアレイ１５は、４行４列に配列された１６個のレンズを含んでいるが、レンズの個数および配列態様は任意に決定して良い。
各レンズのサグ量は、光軸中心である中心部Ｃで極小値を有し、それ以外の箇所で極大値を有する。この例でも、各レンズのサグ量が極大になる箇所を繋いだ軌跡１４の形状は円である。実施の形態１の光学素子３と異なる点は、単一のレンズではなくレンズアレイ１５を用いる点にある。これにより、光学素子３の配列方向であるＸおよびＹ方向における位置合わせのトレランスが向上する。各レンズのサグ量は、図２Ａおよび図２Ｂの例と同様、α１ｒ２＋α２ｒ４の項を含むｒの関数で表される。ここで、｜α１｜＞｜α２｜である。光学素子３における各レンズは、中心部Ｃおよび周辺領域において、それぞれ凹および凸レンズの形状を有している。
本変形例では、アレイを構成する各レンズの構造はすべて同じである。しかし、必ずしも全てのレンズが同じ構造を有している必要はない。光源１からの光の分布に合わせてレンズアレイの構造を変更しても良い。
（実施の形態２）
次に、本開示の実施の形態２の生体計測装置を説明する。以下の説明では、上記実施の形態１の生体計測装置と異なる点を中心に説明する。
図８Ａおよび図８Ｂは、本開示の実施の形態２における生体計測装置の構成と、生体情報の計測とを説明するための概略図である。図８Ａは、Ｘ方向から見た生体計測装置の構成を示している。図８Ｂは、Ｙ方向から見た生体計測装置の構成を示している。光源１および光学素子３ａは、光源モジュール４ａとして一体化されている。
本実施形態における被検物５ａは、例えば、腕または足などの楕円柱で近似される形状を有する生体の部位である。図８Ａに示すように、被検部６のＹＺ断面は湾曲しており、その曲率は比較的大きい。これに対し、図８Ｂに示すように、被検部６のＸＺ断面は湾曲していない。
図９Ａは、本開示の実施の形態２における光学素子の構成を模式的に示す平面図である。図９Ｂは、図９ＡにおけるIXＢ−IXＢ線断面図である。図９Ｃは、図９ＡにおけるIXＣ−IXＣ線断面図である。
被検部６の曲率がＸ方向およびＹ方向において異なる場合、それぞれの方向について最適なサグ量の分布を求め、それらを合成すれば、最適な光学素子３ａを設計することができる。そのようにして求めたサグ量の分布において、サグ量が同一の値をもつ箇所を繋ぐ軌跡は、同心楕円になることが分かった。
本実施形態においても、光学素子３ａのレンズ１２ａのサグ量は、光軸中心である中心部Ｃで極小値を有し、それ以外の箇所で極大値を有する。レンズ１２ａのサグ量の極大箇所を繋いだ軌跡１４ａの形状は、近似的に、Ｘ方向に長軸を有しＹ方向に短軸を有する楕円である。Ｙ方向に短軸を有するレンズ１２ａを用いることにより、Ａ−Ａ面における光８の強度は、Ｘ方向の周辺部よりも、Ｙ方向の周辺部において、より大きくなる効果が得られることが分かった。
図１０は、本開示の実施の形態２におけるレンズ１２ａの、Ｘ方向およびＹ方向のそれぞれにおけるサグ量の分布を示すグラフである。
素子の光軸中心を原点にして、正の実数をα１ｘおよびα１ｙとし、負の実数をα２ｘおよびα２ｙとするとき、光学素子３ａのサグ量は、α１ｘｘ２＋α２ｘｘ４＋α１ｙｙ２＋α２ｙｙ４の項を含むｘおよびｙの関数で表されることを、本発明者らは見出した。
一例として、光学素子３ａと被検部６の中央部分との距離ＷＤを１００ｍｍとし、拡散板１６の表面から光学素子３ａまでの距離を２ｍｍとし、基板１３の厚さを３ｍｍとし、被検部６のＸ方向およびＹ方向におけるそれぞれのサイズを１００ｍｍとし、レンズ１２ａの有効径ａを４．２４ｍｍとする。このとき、α１ｙ＝０．０１３、α２ｙ＝−０．００４として、Ｙ方向について、サグ量は、α１ｙｙ２＋α２ｙｙ４の項を含むｙの関数、この場合は、例えばα１ｙｙ２＋α２ｙｙ４で表される。ｙ＝１．２８ｍｍのとき、サグ量は極大値（最大値）１０．６μｍになる。Ｘ方向については、α１ｘ＝０．０１、α２ｘ＝−０．００２５として、サグ量は、α１ｘｘ２＋α２ｘｘ４の項を含むｘの関数、この場合は、例えばα１ｘｘ２＋α２ｘｘ４で表される。ｘ＝１．４１ｍｍのとき、サグ量は極大値（最大値）１０．６μｍになる。
したがって、軌跡１４ａの形状は、近似的に、Ｘ方向に長軸を有する楕円である。この例における離心率はｅ＝０．４３である。なお、楕円の長軸方向および短軸方向におけるサイズを、それぞれＳｘおよびＳｙとすると、離心率は、ｅ＝（１−（Ｓｙ／Ｓｘ）２）０．５で定義される。
図１１は、本開示の実施の形態２における生体計測装置１７ａから被検部６への出射光の、光軸に垂直な平面におけるＸ方向の強度分布（一点鎖線）およびＹ方向の強度分布（実線）と、光学素子が無い場合における出射光の、光軸に垂直な平面における出射光の強度分布（点線）とを示す図である。
図１１に点線で示すように、光学素子３ａが無い場合、周辺部の光強度が低下した光強度分布になる。最大値および最小値の光強度差は大きい。しかし、一点鎖線および実線で示すように、光学素子３ａを用いることにより、周辺部における光強度を向上させて、被検部６における光強度分布を、より一様な分布に近づけることができる。したがって、被検部６の周辺領域からの反射散乱光１１の検出信号のＳ／Ｎを向上させることができる。
また、レンズ１２ａのサグ量の極大箇所を繋いだ軌跡１４ａの形状は、楕円に限定されない。
図１２は、本開示の実施の形態２における光学素子の別の構成を模式的に示す平面図である。図１２の例では、レンズ１２ａのサグ量の極大箇所を繋いだ軌跡１４ａの形状は、丸みのある菱形である。このような形状は、数式的に導出可能である。すなわち、光学素子３ａのサグ量はα１ｘｘ２＋α２ｘｘ４＋α１ｙｙ２＋α２ｙｙ４の項を含むｘおよびｙの関数で表される。この関数から、軌跡１４ａが正確に導出され、その形状は、上記に述べたような楕円で近似できる場合以外に、条件によっては、例えば、菱形、または４つの尖った角が丸いような丸みがある菱形となる場合もある。
次に、本開示の実施の形態２の変形例における生体計測装置および光学素子を説明する。
図１３Ａは、本開示の実施の形態２の変形例における光学素子の構成を模式的に示す平面図である。図１３Ｂは、図１３ＡにおけるXIIIＢ−XIIIＢ線断面図である。
本変形例における光学素子３ａは、基板１３と、基板１３上に配置されたレンズアレイ１５ａとを有する。各レンズのサグ量は、光軸中心である中心部Ｃで極小値を有し、それ以外の箇所で極大値を有する。各レンズにおいて、極大箇所を繋いだ軌跡１４ａの形状は、楕円である。実施の形態２の光学素子３ａと異なる点は、単一のレンズではなく、複数のレンズを含むレンズアレイ１５ａを用いている点にある。アレイとして光学素子３ａを構成することにより、Ｘ方向およびＹ方向における、光学素子３ａの位置合わせのトレランスが、向上する。各レンズのサグ量は、同様に、α１ｘｘ２＋α２ｘｘ４＋α１ｙｙ２＋α２ｙｙ４を含むｘおよびｙの関数で表される。ここで、｜α１ｘ｜＞｜α２ｘ｜かつ｜α１ｙ｜＞｜α２ｙ｜である。光学素子３ａは、各レンズの中心部Ｃ近傍および周辺領域において、それぞれ凹レンズおよび凸レンズ状の形状を有する。
なお、アレイを構成する各レンズの構造はすべて同じである必要はない。光源１からの光の分布に合わせて各レンズの構造を変更しても良い。また、極大箇所を繋いだ軌跡１４ａの形状は、楕円に限定されない。軌跡１４、１４ａの形状は、例えば、菱形、または４つの角に丸みがある菱形であってもよい。
（実施の形態３）
次に、本開示の実施の形態３の生体計測装置を説明する。上記実施の形態２の生体計測装置と異なる点を中心に、説明する。
図１４Ａから図１４Ｃは、本開示の実施の形態３における生体計測装置の構成と、生体情報の計測とを説明するための概略図である。図１４Ａは、生体計測装置をＸ方向（側方）から見たときの構成を示している。図１４Ｂは、生体計測装置をＹ方向（上方）から見たときの構成を示している。図１４Ｃは、被検部をＺ方向（正面方向）から見た図である。
実施の形態３の生体計測装置１７ｂは、例えば、非接触で脳機能を計測する装置である。光検出器２は、電子シャッタ機能を有するイメージセンサである。拡散板１６は、光源１から出射されたガウス分布の発散光を、例えば、ランバーシアン分布に変換する。光学素子３ｂは、変換した当該光の、周辺部の強度分布を大きくする。光学素子３ｂを透過した光８で、被検者５ｂの被検部６を照射する。本実施形態における被検部６は額である。被検部６の、Ｘ方向におけるサイズをＷとし、Ｙ方向におけるサイズをｈとする。光８は、連続光であってもよいが、本実施形態ではパルス光である。光源１は、光検出器２の感度に応じて、パルス光を、繰り返し出射する。パルス幅は、例えば０．１ｎｓ以上１μｓ以下であり、ある例では１１ｎｓである。光源１および光学素子３ｂは、光源モジュール４ｂとして一体化されている。
被検部６である額の内部には、表面側から順に、頭皮（厚さ約３から６ｍｍ）、頭蓋骨（厚さ約５から１０ｍｍ）、脳脊髄液層（厚さ約２ｍｍ）、および脳組織が存在する。括弧内の厚さの範囲は、個人差を表している。被検部６に向けて出射された光８のうち、一部の光は、直接反射光として、生体計測装置１７ｂに戻る。他の光は、被検部６の表面から内部に侵入する内部散乱光９になる。内部散乱光９の一部は吸収され、他の一部は拡散されて被検部６の表面から出る。被検部６の内部に侵入した内部散乱光９は、表面から深さ１０から１８ｍｍ程度の脳血流の情報を含む。被検部６から出た内部散乱光９は、内部からの反射散乱光１１として、生体計測装置１７ｂに戻る。光検出器２には、強いノイズ光になる直接反射光と、脳血流の情報を有する反射散乱光１１とが入射する。反射散乱光１１の光路長は、直接反射光の光路長よりも長い。したがって、反射散乱光１１の光検出器２への到着時刻は、直接反射光の光検出器２への到達時刻よりも遅くなる。イメージセンサの電子シャッタ機能を用いて直接反射光の到達時刻よりも遅れて光を検出することにより、ノイズ光を低減し、脳血流に関する信号のＳ／Ｎを改善することが可能である。
光源１は、少なくとも２つの波長の光を出射する多波長光源である。光源１は、制御回路７からの指令に従い、波長ごとに、パルス光である光８を別々に出射する。
光源１は、例えば、パッケージ内に複数のレーザチップを内蔵した構造を有する。使用される波長は、例えば、７５０ｎｍおよび８５０ｎｍの２つの波長であり得る。酸化ヘモグロビンおよび還元ヘモグロビンによる光の吸収率は、例えば、７５０ｎｍおよび８５０ｎｍの波長において異なる。そのため、これらの２波長を用いてそれぞれ得られた２つの電気信号を組み合わせて演算することにより、被検部６おける、酸化ヘモグロビンおよび還元ヘモグロビンの割合などの脳血流に関する情報を測定することができる。この演算は、信号処理回路３０（図１参照）が実行する。
被検部６が生体の頭部の額領域であるとき、前頭葉における脳血流の変化量、または酸化ヘモグロビン濃度および還元ヘモグロビン濃度の変化量などを測定することができる。これらの情報に基づき、感情などの情報のセンシングが可能である。例えば、集中状態では、脳血流量の増加、および酸化ヘモグロビン量の増加などが生じる。信号処理回路３０は、例えば脳血流量の増加、または酸化ヘモグロビン量の増加を検出し、これによって被検者の集中度または感情を推定することができる。
様々な波長の組み合わせが可能である。波長が８０５ｎｍの光について、酸化ヘモグロビンおよび還元ヘモグロビンの吸収量が、等しくなる。したがって、８０５ｎｍ未満の波長の光と、８０５ｎｍよりも長い波長の光とを組み合わせた場合、酸化ヘモグロビンおよび還元ヘモグロビンのそれぞれの情報を取得することができる。さらに、その２波長に加えて、８０５ｎｍの波長の３波長の光を用いることもできる。３波長の光を用いる場合、レーザチップが３つ必要になるが、３つ目の波長の情報も得られるため、その情報を利用することにより、演算が容易になり得る。
光源１は、複数の光源パッケージを並べた構造であってもよい。各光源パッケージ内には、１つのレーザチップが内蔵されている。その場合、光源パッケージごとに、光学素子３ｂおよび拡散板１６を設けてもよい。
被検部６である額のＸ方向におけるサイズをＷ、Ｙ方向におけるサイズをｈとするとき、これらのサイズは、個人差はあるが、例えばＷ=１００ｍｍおよびｈ＝５０ｍｍ程度である。図１４Ａおよび１４Ｂから分かるように、Ｘ方向における額の曲率は、Ｙ方向における額の曲率よりも大きい。光学素子３ｂの表面から被検部６までの、出射光の中心軸１０に沿った距離をＷＤとする。光学素子３ｂの表面から、光８で照射される被検部６のＸ方向における周辺部までの距離をＷＤ２とする。照射される被検部６のＹ方向における周辺部までの距離をＷＤ１とする。被検部６が額である場合、ＷＤ２＞ＷＤ１になる。額の湾曲により、光８の周辺部では光路長が伸びて、光強度が低下する。したがって、Ｘ方向については、Ｙ方向よりも、被検部６の周辺部における光強度が小さくなる傾向がある。
本発明者らは、被検部６が額である場合における上記の光強度分布の特性を見出し、この特性に適合した光学素子３ｂの構成を検討した。その結果、Ｘ方向に短軸を有する楕円で近似できる形状を有し、サグ量が、光軸中心である中心部Ｃで極小値を有し、それ以外の箇所で極大値を有し、サグ量の極大箇所を繋いだ軌跡１４ａの形状が、楕円で近似できる光学素子３ｂを用いることに想到した。被検部６の曲率が大きい方向（図中ではＸ方向）と、楕円の短軸方向とを合わせることにより、被検部６における照度分布をより均一に近づけることができる。
被検部６が額である場合、個人差によって異なるが、上記楕円の離心率ｅが０＜ｅ＜０．６を満たすレンズを用いればよいことが分かった。
本実施形態においても、光学素子３ｂは、レンズアレイを有していてもよい。各レンズのサグ量は、光軸中心である中心部Ｃで極小値を有し、光軸中心である中心部Ｃ以外の箇所で極大値を有する。極大箇所を繋いだ軌跡１４ａの形状は、楕円で近似できる。
また、極大箇所を繋いだ軌跡１４ａの形状は、楕円に限定されない。光学素子３ｂのサグ量が、α１ｘｘ２＋α２ｘｘ４＋α１ｙｙ２＋α２ｙｙ４の項を含むｘおよびｙの関数で表される場合の軌跡１４ａの正確な形状は、数式的に導出可能である。軌跡１４ａの形状は、上記に述べたような楕円で近似できる場合以外に、条件によっては、例えば、菱形、または４つの角に丸みがある菱形となる場合もある。
図１５Ａは、本開示の実施の形態３の変形例における光学素子の構成を模式的に示す平面図である。図１５Ｂは、図１５ＡにおけるXVＢ−XVＢ線断面図である。
上記の実施形態における光学素子と異なる点は、光学素子３ｂにおけるレンズ１２ｂの厚さが、Ｘ方向およびレンズ１２ｂの厚さ方向の両方に直交するＹ方向において、実質的に一定であることである。
本変形例における光学素子３ｂは、Ｘ方向における光の強度分布を、周辺部において大きくする。光学素子３ｂは、Ｙ方向における光強度分布を変化させない。
図１５Ｂに示すように、レンズ１２ｂのＸＺ面に平行な断面は、中心部付近で凹レンズの形状を有し、周辺領域において凸レンズの形状を有する。光学素子３ｂは、Ｘ方向についてのみ、光源１から出射された光のうち、中心部の光を周辺部に分散させるとともに、周辺部の光を集束させる。すなわち、光学素子３ｂは、被検部６が存在するＡ−Ａ面上で、光８の強度分布を周辺部において大きくするように機能する。図示はしていないが、レンズ１２ｂのＹＺ面に平行な断面は、厚さが均一な形状を有する。このため、レンズ１２ｂの中心部Ｃと外周の各点とを結ぶ線上の極大箇所を繋いだ軌跡１４ｂの形状は、直線である。
このような光学素子３ｂにおけるレンズ１２ｂのサグ量は、光軸中心である中心部Ｃを原点にして、正の実数をα１ｘとし、負の実数をα２ｘとすると、α１ｘｘ２＋α２ｘｘ４を含むｘの関数として表される。このような光学素子３ｂを用いることによっても、被検部６が額である場合に適合した生体計測装置を構成できる。
Ｘ方向ではなく、Ｙ方向においてのみ、透過光の強度を周辺部において高くする光学素子を用いてもよい。そのような光学素子のサグ量は、素子の光軸中心を原点にして、正の実数をα１ｙとし、負の実数をα２ｙとすると、α１ｙｙ２＋α２ｙｙ４を含むｙの関数として表わすことができる。
本変形例における生体計測装置において、Ｘ方向における周辺部の光強度を高くする光学素子３ｂを、額の曲率が大きい横方向に一致させることにより、周辺領域の生体信号のＳ／Ｎの低下を低減させる効果が得られる。
実施の形態１から３およびその変形例では、主にレンズの厚さが不均一な光学素子を用いている。レンズの厚さに代えて、またはレンズの厚さに加えて、レンズの屈折率を不均一な光学素子を用いても、同様の効果を得ることができる。
本開示は、上記の実施の形態に限定されるものではない。それぞれの実施の形態の生体計測装置の構成を組み合わせた生体計測装置も、本開示に含まれ、同様の効果を奏することができる。
本開示は、生体情報を非接触で計測する用途、例えば、生体・医療センシング等に利用できる。
１ 光源
２ 光検出器
３ 光学素子
４ 光源モジュール
５ 被検物
６ 被検部
７ 制御回路
８ 光
９ 内部散乱光
１０ 光軸
１１ 反射散乱光
１２ レンズ
１３ 基板
１４ 軌跡
１５ レンズアレイ
１６ 拡散板
１７ 生体計測装置

Claims (23)

  1. 被検部を照射するための出射光を出射する光源と、
    前記出射光の照射に起因して、前記被検部から戻った光を検出する光検出器と、
    前記光源および前記被検部の間の光路に配置された、少なくとも１つのレンズを含む光学素子と、
    を備え、
    前記少なくとも１つのレンズの厚さおよび屈折率の少なくとも一方の値は、前記少なくとも１つのレンズの中心を含む部分である中心部から外縁部に向かう第１の方向に沿って変化しており、
    前記少なくとも一方の値は、前記中心部において極小であり、前記中心部と前記外縁部との間の第１の箇所において極大である、
    生体計測装置。
  2. 前記少なくとも一方の値は、前記中心部から前記第１の箇所に向かって単調に増加し、前記第１の箇所から前記外縁部に向かって単調に減少する、
    請求項１に記載の生体計測装置。
  3. 前記少なくとも１つのレンズには、複数の第１の箇所が存在し、前記複数の第１の箇所の各々は前記第１の箇所であり、
    前記中心部と前記外縁部上の複数の点の各々との間に、前記複数の第１の箇所のうちの１つが存在し、
    前記複数の第１の箇所を繋いだ軌跡は、円、楕円、および菱形のいずれかの形状である、
    請求項１または２に記載の生体計測装置。
  4. 前記少なくとも一方の値は、前記第１の方向および前記少なくとも１つのレンズの厚さ方向の両方に直交する第２の方向において、一定である、
    請求項１または２に記載の生体計測装置。
  5. 前記少なくとも１つのレンズは、前記中心部で凹(concave)、前記第１の箇所で凸(convex)となる凹凸面を含み、
    前記光源から前記少なくとも１つのレンズに入射した前記出射光は、前記凹凸面から出射される、
    請求項１から４のいずれかに記載の生体計測装置。
  6. 前記光源と前記光学素子の間の光路に配置された拡散板をさらに備える、
    請求項１から５のいずれかに記載の生体計測装置。
  7. 前記少なくとも１つのレンズは、前記中心を通る軸に対して回転対称な形状を有し、
    正の実数をα１とし、
    負の実数をα２とするとき、
    前記中心から前記軸に垂直な面に沿って距離ｒの位置における前記少なくとも１つのレンズの厚さと、前記中心における前記少なくとも１つのレンズの厚さとの差を示すサグ量は、
    α１ｒ２＋α２ｒ４
    の項を含むｒの関数で表される、
    請求項１から６のいずれかに記載の生体計測装置。
  8. 正の実数をα１ｘおよびα１ｙとし、
    負の実数をα２ｘおよびα２ｙとするとき、
    前記中心から前記第１の方向に距離ｘ、かつ前記第１の方向および前記少なくとも１つのレンズの厚さ方向の両方に直交する第２の方向に距離ｙの位置における前記少なくとも１つのレンズの厚さと、前記中心における前記少なくとも１つのレンズの厚さとの差を示すサグ量は、
    α１ｘｘ２＋α１ｙｙ２＋α２ｘｘ４＋α２ｙｙ４
    の項を含むｘおよびｙの関数で表される、
    請求項１から６のいずれかに記載の生体計測装置。
  9. 正の実数をα１ｘおよびα１ｙとし、
    負の実数をα２ｘおよびα２ｙとするとき、
    前記中心から前記第１の方向に距離ｘ、かつ前記第１の方向および前記少なくとも１つのレンズの厚さ方向の両方に直交する第２の方向に距離ｙの位置における前記少なくとも１つのレンズの厚さと、前記中心における前記少なくとも１つのレンズの厚さとの差を示すサグ量は、
    α１ｘｘ２＋α２ｘｘ４、
    の項を含むｘの関数、または、
    α１ｙｙ２＋α２ｙｙ４
    の項を含むｙの関数で表される、
    請求項１から６のいずれかに記載の生体計測装置。
  10. 前記少なくとも１つのレンズは、前記出射光の中心軸に交差する平面に沿って２次元的に配列された複数のレンズを含み、
    前記複数のレンズの各々の厚さおよび屈折率の少なくとも一方の値は、前記複数のレンズ各々の中心部から外縁部に向かう方向に沿って変化しており、
    前記複数のレンズの各々の厚さおよび屈折率の前記少なくとも一方の値は、前記中心部において極小であり、前記中心部と前記外縁部との間の箇所において極大である、
    請求項１から９のいずれかに記載の生体計測装置。
  11. 制御回路をさらに備え、
    前記制御回路は、
    前記光源および前記光検出器を制御し、かつ
    前記光検出器によって検出された前記光の量を示す信号に基づいて、前記被検部における血流に関する情報を生成する、請求項１から１０のいずれかに記載の生体計測装置。
  12. 前記出射光は、前記少なくとも１つのレンズに発散した光として入射する、
    請求項１から１１のいずれかに記載の生体計測装置。
  13. 少なくとも１つのレンズを含み、
    前記少なくとも１つのレンズの厚さおよび屈折率の少なくとも一方の値は、前記少なくとも１つのレンズの中心を含む部分である中心部から外縁部に向かう第１の方向に沿って変化しており、
    前記少なくとも一方の値は、前記中心部において極小であり、前記中心部と前記外縁部との間の第１の箇所において極大である、
    光学素子。
  14. 前記少なくとも一方の値は、前記中心部から前記第１の箇所に向かって単調に増加し、前記第１の箇所から前記外縁部に向かって単調に減少する、
    請求項１３に記載の光学素子。
  15. 前記少なくとも１つのレンズには、複数の第１の箇所が存在し、前記複数の第１の箇所の各々は前記第１の箇所であり、
    前記中心部と前記外縁部上の複数の点の各々との間に、前記複数の第１の箇所のうちの１つが存在し、
    前記複数の第１の箇所を繋いだ軌跡は、円、楕円、および菱形のいずれかの形状である、
    請求項１３または１４に記載の光学素子。
  16. 前記少なくとも一方の値は、前記第１の方向および前記少なくとも１つのレンズの厚さ方向の両方に直交する第２の方向において、一定である、
    請求項１３から１５のいずれかに記載の光学素子。
  17. 前記少なくとも１つのレンズは、前記中心部で凹(concave)、前記第１の箇所で凸(convex)となる凹凸面を含み、
    前記凹凸面は、前記少なくとも１つのレンズから光が出射する位置に配置される、
    請求項１３から１６のいずれかに記載の光学素子。
  18. 前記少なくとも１つのレンズは、前記中心を通る軸に対して回転対称な形状を有し、
    正の実数をα１とし、
    負の実数をα２とするとき、
    前記中心から前記軸に垂直な面に沿って距離ｒの位置における前記少なくとも１つのレンズの厚さと、前記中心における前記少なくとも１つのレンズの厚さとの差を示すサグ量は、
    α１ｒ２＋α２ｒ４
    の項を含むｒの関数で表される、
    請求項１３から１７のいずれかに記載の光学素子。
  19. 正の実数をα１ｘおよびα１ｙとし、
    負の実数をα２ｘおよびα２ｙとするとき、
    前記中心から前記第１の方向に距離ｘ、かつ前記第１の方向および前記少なくとも１つのレンズの厚さ方向の両方に直交する第２の方向に距離ｙの位置における前記少なくとも１つのレンズの厚さと、前記中心における前記少なくとも１つのレンズの厚さとの差を示すサグ量は、
    α１ｘｘ２＋α１ｙｙ２＋α２ｘｘ４＋α２ｙｙ４
    の項を含むｘおよびｙの関数で表される、
    請求項１３から１７のいずれかに記載の光学素子。
  20. 正の実数をα１ｘおよびα１ｙとし、
    負の実数をα２ｘおよびα２ｙとするとき、
    前記中心から前記第１の方向に距離ｘ、かつ前記第１の方向および前記少なくとも１つのレンズの厚さ方向の両方に直交する第２の方向に距離ｙの位置における前記少なくとも１つのレンズの厚さと、前記中心における前記少なくとも１つのレンズの厚さとの差を示すサグ量は、
    α１ｘｘ２＋α２ｘｘ４、
    の項を含むｘの関数、または、
    α１ｙｙ２＋α２ｙｙ４
    の項を含むｙの関数で表される、
    請求項１３から１７のいずれかに記載の光学素子。
  21. 前記少なくとも１つのレンズは、光源から出射される光の中心軸に交差する平面に沿って２次元的に配列された複数のレンズを含み、
    前記複数のレンズの各々の厚さおよび屈折率の少なくとも一方の値は、前記複数のレンズ各々の中心部から外縁部に向かう方向に沿って変化しており、
    前記複数のレンズの各々の厚さおよび屈折率の前記少なくとも一方の値は、前記中心部において極小であり、前記中心部と前記レンズの外縁部との間の箇所において極大である、
    請求項１３から２０のいずれかに記載の光学素子。
  22. 対象物を照射するための出射光を出射する光源と、
    光学素子と、を備え、
    前記光学素子は、少なくとも１つのレンズを含み、
    前記少なくとも１つのレンズの厚さおよび屈折率の少なくとも一方の値は、前記少なくとも１つのレンズの中心を含む部分である中心部から外縁部に向かう第１の方向に沿って変化しており、
    前記少なくとも一方の値は、前記中心部において極小であり、前記中心部と前記外縁部との間の第１の箇所において極大であり、
    前記少なくとも１つのレンズは、前記中心部で凹(concave)、前記第１の箇所で凸(convex)となる凹凸面を含み、
    前記光源から前記少なくとも１つのレンズに入射した前記出射光は、前記凹凸面から出射される、
    照明装置。
  23. 前記光源と前記光学素子の間の光路に配置された拡散板をさらに備える、
    請求項２２に記載の照明装置。
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