JP6472406B2 - 光学計測モジュール、光学計測デバイス及びその方法 - Google Patents
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Description
本発明は、光学計測モジュール、光学計測デバイス及びその方法に関するものである。
生化学的パラメーターの非侵襲測定は、現代の健康管理に対して多大な影響を及ぼしている。人々は、精確で効率がよく且つ安全な計測方法を絶えず求めているので、現在も従来の分析方法から光学的特性と化合物との相関関係の取得向上を目指している。実験における変動を低減するために、通常分析物が混合物である場合にはまず精製を行う。また単一の光学的パラメーター、例えば吸光度は、生化学的溶液の濃度を推定することに用いられる。しかし例えば生物学的サンプル分析物中の組成物が複雑な場合、精確に計測できない。従って、複数の光学的パラメーターが必要である。従って、市場ニーズは、満たされていなく、良い解決方案を熱望している。
また、単一の光学的パラメーターを利用して混合分析物を計測するため、他の化合物が計測の結果を妨げて計測の信頼性を低減することがある。ヒトが互いに独立した複数の計測機器で複数のモダリティを採用するが、実験の動的変化及び制限されたサンプルの量は、実験の整合性を著しく低下させる。
以上の問題を解決するために、本発明は、望ましくないノイズを最小化し、計測の精確性及び整合性を高めるために、マルチモードの光学計測のデバイス及び方法を提供することを目的とする。
本発明に係る光学計測モジュールは、オリジナル光線を放射する光源と、オリジナル光線をコリメート光線に変換するコリメータと、コリメート光線を分析物へ導き、前記分析物は前記コリメート光線を計測ビームに変換する第一ビームスプリッターと、第一ビームスプリッターを介して計測ビームの第一部分を受光して第一検知ビーム及び第二検知ビームに分ける第二ビームスプリッターと、第一検知ビームを検知する第一受光モジュールと、第二検知ビームを検知する第二受光モジュールと、を備える。
本発明に係る光学計測デバイスは、前記光学計測モジュールと、メモリと、マイクロプロセッサと、電源と、ハウジングと、を備える。
本発明に係る光学計測方法は、オリジナル光線をコリメータに射出するステップと、コリメータがオリジナル光線を第一ビームスプリッターに収束するステップと、第一ビームスプリッターがコリメート光線を分析物に導くステップと、分析物によって反射された計測ビームを第二ビームスプリッターにリダイレクトするステップと、第二ビームスプリッターが計測ビームを第一検出光線及び第二検出光線に分けるステップと、第一受光モジュールが第一検出光線を受光するステップと、第二受光モジュールが第二検出光線を受光するステップと、を備える。
従来技術と比べて、本発明に係る光学計測モジュール、光学計測デバイス及び光学計測方法は、優れた計測の精確性及び整合性を有する。
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
本発明において、光学計測モジュールは、分析物の光学的な特性を検知するために用いられる。また光学計測モジュールは、デバイス又はシステムに統合できる。光学計測デバイスは、ターゲット分子の存在、濃度又は化合物の組成を計測することに用いられる。分析物は、化合物の混合物であってもよいし、体内の生物学的サンプル（例えば、血液、皮膚、眼又は粘膜）又は体外の生物学的サンプル（例えば、血液、生検サンプル、尿又は糞便）であってもよい。光学計測モジュール又は光学計測デバイスは、生物学的サンプルにおいて異なる深度（Variable Depth）の化合物の光学的な特性を検知することができる。例えば、分析物は角膜、強膜、眼房水、水晶体、硝子体液又は網膜である。分析物中の特定の生化学的化合物（例えば、グルコース、乳酸塩又はヘモグロビン）の存在又は濃度は、係る光学的な特性の組み合わせによって計測できる。更に、被験体の特定の疾患状態、例えば、眼の乾性角結膜炎又は生体組織診断の異形成は体内又は体外の計測手段によって決定することができる。この場合、係る光学的な特性は、吸光度、屈折率、偏光、蛍光及び非弾性散乱である。
光学計測モジュールは、光源、コリメータ、第一ビームスプリッター、第二ビームスプリッター、第一受光モジュール及び第二受光モジュールを備える。光源からコリメータまでの距離は特定の応用に応じて決まる。コリメート光線が限られたエリアに収束されることにより、分析物の特定の区域から大部分の情報が抽出される。一方、実験対象において画定された各エリアから平均的に情報を得るために、コリメート光線を平行ビームのように投影する。これにより、実験対象が特に不均質構成又は非静止流体である場合に、本発明は地域差を著しく低減することができる。以下、本発明の実施形態について説明する。
光源は、１つの発光素子又は複数の発光素子の組み合わせである。光源は、単色光源又は多色光源であってもよい。光源は、レーザーダイオード、発光ダイオード又は有機発光ダイオードであってもよい。他の実施形態において、光源は、複数のレーザーダイオード、発光ダイオード又は有機発光ダイオードを備える。また、各発光素子は、異なる波長又は偏光を有する。多色光源は、白熱光源又は校正された白色光源であってもよい。本発明の範囲における光は、紫外線から、可視光、赤外線領域までの波長を有する電磁放射線である。また光源は、放射されたビームの光学的な特性を修正する光学部品を更に備える。該光学部品は、直線偏光子、ダイクロイックフィルタ又はコリメータである。
コリメータは、ビームの放射角度を狭くする光学素子であり、焦点平面からコリメータの光学センターまでの距離によって定義される焦点距離（ｆ）を有する。光源が焦点の位置に設置された場合、出射されたビームをコリメータの構造に対応し且つ制限された横断面積を有する一連の平行ビームのように導く。光源が焦点の位置に近い箇所に設置された場合、出射されたビームを制約された放射角度を有するビームのように導く。光源が焦点の位置から離れた箇所に設置された場合、出射されたビームをコリメータから所定の距離に集中するように導く。コリメータの例として、収束レンズ、収束レンズ、凸レンズ、平凸レンズ、平凹レンズ、両凸レンズ又は両凹レンズが挙げられる。また、光学計測モジュール又は光学計測デバイスは、光源とコリメータとの距離を調整するための機械部品を備える。
ビームスプリッターは、光学的な特性、例えば波長、偏光によって１つのビームを２つの方向に分割する又は特定の割合に分けることができる。尚、ビームスプリッターは、光の伝送又は反射を介してビームの一部を所定の方向に導くことができる。ビームスプリッターは、プリズム、レンズ又はミラーであってもよい。例えば、ニュートラルビームスプリッターは、スペクトル分割を変えずにビームを分ける。ダイクロイックビームスプリッターはスペクトルによりビームを分ける。またビームスプリッターは光を異なる偏光ビームに分ける偏光ビームスプリッターであってもよい。その例として、ウォラストンプリズムが挙げられる。
特定の光学的な特性を有するビームを検知することに用いられる受光モジュールは、少なくとも１つの光検出器を備える。光検出器は、フォトダイオード、フォトトランジスタ、フォトレジスタ、光電子増倍管、金属酸化物半導体（Metal Oxide SemiConduCtor，ＭＯＳ）の何れから選択される。また受光モジュールは、上記複数の光検出器、電荷結合素子（ＣＣＤ）又は相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）により形成される線形アレイ又は２次元アレイを備える。受光モジュールは、イメージセンサー、例えば、ＣＣＤイメージセンサー、ＣＭＯＳイメージセンサー又はカメラを備える。各実施形態に応じて、受光モジュールは、光検出器がビームのエネルギーを電気信号に変換するために、特定の光学的な特性を有するビームを単離する又は調節する光学部品を更に備える。受光モジュールの光学部品は、フィルタ、偏光子又は分散素子であってもよいし、レンズ、プリズム、ミラー又は回折格子であってもよい。受光モジュールは、旋光を計測するための機械式回転子又はファラデー回転子を更に備える。受光モジュールには、信号処理のために、デジタル変換器に接続される演算増幅器及び／又はアナログフロントエンドチップを更に備える。本実施形態において、伝送及び反射が機能上同等であるので、第一受光モジュール及び第二受光モジュールは交互に設置できる。
光学計測モジュールは、光源、コリメータ、第一ビームスプリッター、第二ビームスプリッター、第一受光モジュール及び第二受光モジュールを備える。ここで、光源からコリメータまでの距離（ｄ）は、コリメータの焦点距離（ｆ）を参照して決定される。コリメータは、光源から放射されるオリジナル光線をコリメート光線に収束する。コリメート光線は、光源とコリメートとの距離によって平行ビーム又は集束ビームであってもよい。
図１Ａに示したように、光学計測モジュールは、光源１０、コリメータ１５、第一ビームスプリッター３１、第二ビームスプリッター３２、第一受光モジュール２１及び第二受光モジュール２２を備える。ここで、光源１０からコリメータ１５までの距離（ｄ）は、コリメータの焦点距離（ｆ）であり、コリメート光線１１５は、平行ビームである。
一般的に、ビームは、所定の光路に沿って伝播している光エネルギーの指向性投影である。明確に説明するために、ビームの定義を互いに対応している部品との間の指向性光路により説明する。オリジナル光線１１０は、光源１０から放射されてコリメータ１５まで進入するビームである。オリジナル光線１１０は、特定の光学的特性、例えば、特定の狭い波長、スペクトル波長、コヒーレンス、偏光又はこれらの組み合わせを有する。オリジナル光線１１０はコリメータ１５を通過した後、コリメート光線１１５となる。コリメート光線１１５は、コリメータ１５から第一ビームスプリッター３１を介して分析物９９に到達する。計測用光線１２０は、分析物９９と相互作用した後、元の光路に維持されているビームである。この相互作用は、屈折、反射、拡散、吸収、蛍光発光、光学回転、弾性散乱及び／又は非弾性散乱である。計測用光線１２０の一部は、分析物９９から第一ビームスプリッター３１を介して第二ビームスプリッター３２に伝送された後、第二ビームスプリッター３２により第一検出光線１２１と第二検出光線１２２とに分けられる。第二ビームスプリッター３２が出射した第一検出光線１２１は、第一受光モジュール２１によって検出されるが、第二ビームスプリッター３２が出射した第二検出光線１２２は、第二受光モジュール２２によって検出される。
本発明の１つの実施形態において、第一受光モジュール２１は、ビームの偏光面の偏光軸又は分析物９９の旋光度を計測することに用いられる。材料の旋光度又は旋光性は、直線偏光の方向を回転させる能力を表す。光源１０が直線偏光光源又は偏光子を備える無偏光光源である場合、偏光ビームを放射することができる。第一受光モジュール２１は、偏光子を更に備える。旋光度は、光検出器によって検出された電力密度及び偏光ビームと偏光子との軸角で、マリュスの法則によって推定される。本実施形態において、第二受光モジュール２２は、分析物９９の別の光学的特性、例えば、屈折率、吸光度、蛍光又は非弾性散乱を計測することに用いられる。本発明の１つの実施形態において、第二受光モジュール２２は、分析物９９の屈折率を計測することに用いられる。１つの光検出器が第二受光モジュール２２に設置されることで、分析物９９の屈折率は、フレネル方程式を介して光検出器によって検出された電力密度から算出される或いは光路シフトが引き起こす電力密度の変化から算出される。光検出器アレイ（図示せず）が第二受光モジュール２２に設置されることで、分析物９９の屈折率は、スネルの法則又はプリズム方程式を介して光検出器アレイによって検出された光路シフトから算出される。分析物９９の旋光度及び屈折率情報によって、グルコース又は乳酸の存在又は濃度を推定することができる。本発明のもう１つの実施形態において、第二受光モジュール２２は、分析物９９の吸光度を計測することに用いられる。１つの光検出器が第二受光モジュール２２に設置されることで、分析物９９の特定の波長における吸光度は、ランベルト・ベールの法則を介して光検出器によって検出された電力密度から算出される。光検出器アレイ又は分散素子が第二受光モジュール２２に設置され、及びスペクトル校正光源（calibrated spectral light source）が設置されることで、分析物９９の吸光度スペクトルは、光検出器アレイによって検出された電力密度分布から算出される。分析物９９の旋光度及び吸光度の情報によって、グルコース、乳酸、ヘモグロビン、オキシヘモグロビン、尿素、アルコール又は癌細胞などの存在及び濃度を推定することができる。本発明の１つの実施形態において、第二受光モジュール２２は、分析物９９の蛍光を計測することに用いられる。１つの光検出器及びロングパスフィルター（又はノッチフィルター）が第二受光モジュール２２に設置され、適当な狭い波長を有する光源１０が設置された場合、分析物９９の蛍光強度は、光検出器によって検出された電力密度から算出される。光検出器アレイ又はフィルターが光源の第二受光モジュール２２に設置され、適当な狭い波長を有する光源１０が設置された場合、分析物９９の蛍光スペクトルは、光検出器アレイによって検出された電力密度分布から算出される。分析物９９の旋光度及び蛍光の情報によって、グルコース又は乳酸を推定することができる。本発明の別の実施形態において、第二受光モジュール２２は、分析物９９の非弾性散乱を計測することに用いられる。光検出器アレイ又は分散素子が光源の第二受光モジュール２２に設置され、適当な狭い波長を有する光源１０が設置された場合、分析物９９のラマンスペクトルは、光検出器アレイによって検出された電力密度分布から算出される。分析物９９の旋光度及び非弾性散乱の情報によって、グルコース又は乳酸などの存在及び濃度を推定することができる。
本発明の１つの実施形態において、第一受光モジュール２１は、分析物９９の屈折率を計測する。この際、光源１０は、単色光源である。１つの光検出器が第一受光モジュール２１に設置されることで、分析物９９の屈折率は、フレネル方程式を介して光検出器によって検出された電力密度から算出される。光検出器アレイが第一受光モジュール２１に設置されることで、分析物９９の屈折率は、スネルの法則又はプリズム方程式を介して光検出器アレイによって検出された光路シフトから算出される。本実施形態において、第二受光モジュール２２は、分析物９９の別の光学的特性、例えば、吸光度、蛍光又は非弾性散乱を計測することに用いられる。本発明の１つの実施形態において、第二受光モジュール２２は、分析物９９の吸光度を計測することに用いられる。１つの光検出器が第二受光モジュール２２に設置されることで、分析物９９の特定の波長における吸光度は、ランベルト・ベールの法則を介して光検出器によって検出された電力密度から算出される。光検出器アレイ又は分散素子が第二受光モジュール２２に設置され、及びスペクトル校正光源（calibrated spectral light source）が設置されることで、分析物９９の吸光度スペクトルは、光検出器アレイによって検出された電力密度分布から算出される。分析物９９の屈折率及び吸光度の情報によって、グルコース、乳酸、ヘモグロビン、オキシヘモグロビン、尿素、アルコール又は癌細胞などの存在及び濃度を推定することができる。本発明のもう１つの実施形態において、第二受光モジュール２２は、分析物９９の蛍光を計測することに用いられる。１つの光検出器及フィルターが第二受光モジュール２２に設置されたことで、適当な狭い波長を有する光源１０が設置された場合、分析物９９の蛍光強度は、光検出器によって検出された電力密度から算出される。光検出器アレイ又はフィルターが光源の第二受光モジュール２２に設置されたことで、適当な狭い波長を有する光源１０が設置された場合、分析物９９の蛍光スペクトルは、光検出器アレイによって検出された電力密度分布から算出される。分析物９９の屈折率及び蛍光の情報によって、グルコース、乳酸、ヘモグロビン、オキシヘモグロビン、尿素、アルコール又は癌細胞などの存在及び濃度を推定することができる。本発明のもう１つの実施形態において、第二受光モジュール２２は、分析物９９の非弾性散乱を計測することに用いられる。光検出器アレイ又は分散素子が光源の第二受光モジュール２２に設置されたことで、適当な狭い波長を有する光源１０が設置された場合、分析物９９のラマンスペクトルは、光検出器アレイによって検出された電力密度分布から算出される。分析物９９の屈折率及び非弾性散乱の情報によって、グルコース、乳酸、ヘモグロビン、オキシヘモグロビン、尿素、アルコール又は癌細胞などの存在及び濃度を推定することができる。
本発明の１つの実施形態において、第一受光モジュール２１は、分析物９９の吸光度を計測する。この際、光源１０は、狭帯域光源又は校正されたスペクトル光源である。１つの光検出器が第一受光モジュール２１に設置されたことで、分析物９９の吸光度は、ランベルト・ベールの法則を介して光検出器によって検出された電力密度から算出される。光検出器アレイ又は分散素子が第二受光モジュール２２に設置され、及びスペクトル校正光源（calibrated spectral light source）が設置されることで、分析物９９の吸光度スペクトルは、光検出器アレイによって検出された電力密度分布から算出される。本実施形態において、第二受光モジュール２２は、分析物９９の別の光学的特性、例えば、蛍光又は非弾性散乱を計測することに用いられる。本発明の１つの実施形態において、第二受光モジュール２２は、分析物９９の蛍光を計測することに用いられる。１つの光検出器及フィルターが第二受光モジュール２２に設置されたことで、適当な狭い波長を有する光源１０が設置された場合、分析物９９の蛍光強度は、光検出器によって検出された電力密度から算出される。光検出器アレイ又はフィルターが光源の第二受光モジュール２２に設置されたことで、適当な狭い波長を有する光源１０が設置された場合、分析物９９の蛍光スペクトルは、光検出器アレイによって検出された電力密度分布から算出される。分析物９９の蛍光及び吸光度及び蛍光の情報によって、グルコース、乳酸、ヘモグロビン、オキシヘモグロビン、尿素、アルコール又は癌細胞などの存在及び濃度を推定することができる。また、第二受光モジュール２２は、分析物９９の非弾性散乱を計測することに用いられる。光検出器アレイ又は分散素子が光源の第二受光モジュール２２に設置されたことで、適当な狭い波長を有する光源１０が設置された場合、分析物９９のラマンスペクトルは、光検出器アレイによって検出された電力密度分布から算出される。分析物９９の吸光度及び非弾性散乱の情報によって、グルコース、乳酸、ヘモグロビン、オキシヘモグロビン、尿素、アルコール又は癌細胞などの存在及び濃度を推定することができる。
本発明の１つの実施形態において、第一受光モジュール２１は、分析物９９の蛍光を計測する。この際、光源１０は、狭帯域光源又はスペクトル校正光源である。光検出器アレイ又はフィルターが光源の第一受光モジュール２１に設置されたことで、適当な狭い波長を有する光源１０が設置された場合、分析物９９の蛍光スペクトルは、光検出器アレイによって検出された電力密度分布から算出される。第二受光モジュール２２は、分析物９９の非弾性散乱を計測することに用いられる。光検出器アレイ又は分散素子が光源の第二受光モジュール２２に設置されたことで、適当な狭い波長を有する光源１０が設置された場合、分析物９９のラマンスペクトルは、光検出器アレイによって検出された電力密度分布から算出される。分析物９９の蛍光及び非弾性散乱の情報によって、グルコース又は乳酸などの存在及び濃度を推定することができる。
図１Ｂに示したように、光学計測モジュールは、光源１０、コリメータ１５、第一ビームスプリッター３１、第二ビームスプリッター３２、第一受光モジュール２１及び第二受光モジュール２２を備える。この際、光源１０からコリメータ１５までの距離（ｄ）は、コリメータの焦点距離（ｆ）より長い。コリメート光線１１５は、収束ビームである。
図１Ｃに示したように、光学計測モジュールは、光源１０、コリメータ１５、第一ビームスプリッター３１、第二ビームスプリッター３２、第一受光モジュール２１、第二受光モジュール２２及び調節可能な機械モジュール（図に示せず）を備える。光源１０からコリメータ１５までの距離は調節できる。つまり、調節可能な機械モジュールを利用して、光源１０からコリメータ１５までの距離を調節することができる。光源１０からコリメータ１５までの距離は、平行ビームを投影するためにコリメータ１５の焦点距離に調節してもよいし、収束ビームを投影するためにコリメータ１５の焦点距離より長い距離に調節してもよい。
光学計測モジュールは、光学部品を更に備える。この光学部品は、光源１０とコリメータ１５との間に設置されてオリジナル光線１１０の光学的特性、例えば、強度、帯域幅、及び／又は偏光を特定することに用いられる。これにより、計測の精確性及び整合性を向上できる。図２Ａに示す実施形態において、光学部品は、光源１０とコリメータ１５との間に設置されるバンドパスフィルタ１２である。光源１０の帯域幅が特定の計測目的を満たすほど十分に鋭くないため、バンドパスフィルタ１２によって、放射光の半値全幅（full width at half maximum，ＦＷＨＭ）を更に狭くし且つ低くして単色光に近づける。これにより、オリジナル光線１１０は単色光になる。
図２Ｂに示したように、光学計測モジュールは、１／４波長板１４を備える。通常、オリジナル光線１１０の一部が必然的にコリメータ１５を介してオリジナル光線１１０と干渉するため、フィードバックノイズが計測結果の信号対雑音比を大幅に低下させる。この問題を解決するために、１／４波長板１４を前記偏光子とコリメータ１５との間に配置して、オリジナル光線１１０を円偏光に変換する。これにより、反射された一部の円偏光ビームはオリジナル光線１１０を干渉できず、光源１０の出力ノイズを低減することができる。オリジナル光線１１０は偏光であってもよいが、計測の複数のモダリティのために、オリジナル光線１１０の制限条件は厳しい。計測の精確性及び整合性を満たすために、半値全幅（ＦＷＨＭ）及び偏光度（Degree Of the Polarization，ＤＯＰ）の何れも制御する必要がある。しかしこの際、例えば、オリジナル光線１１０は、単色偏光であることができる。
図２Ｃに示したように、光学部品は、直線偏光子である。直線偏光子が偏光度を向上させることで、旋光度計測の信号対雑音比を大幅に向上できる。直線偏光子１３は、光源１０とコリメータ１５との間に配置され、１／４波長板１４は、直線偏光子１３とコリメータ１５との間に配置され、バンドパスフィルタ１２は、光源１０と直線偏光子１３との間に配置される又は１／４波長板１４とコリメータ１５との間に配置される。従って、オリジナル光線１１０は、単色偏光であってもよい。
光学計測デバイスは、光学計測モジュール、メモリ、マイクロプロセッサ、電源及びハウジングを備える。マイクロプロセッサは、電子信号を受信し、処理する又は光源、光検出器、メモリ、イメージセンサ、表示装置空間センサ又はアクチュエータモジュールなどの電子部品に転送する集積回路である。メモリは、マイクロプロセッサにより処理されたデータ又はプリセットプログラムを格納する。メモリは、ランダムアクセスメモリ（Random Access Memory，ＲＡＭ）のような揮発性メモリ又はフラッシュメモリのような不揮発性メモリである。本発明は、マイクロプロセッサとメモリは、費用対効果と機能性を高めるために、システムインパッケージ（System In Package，ＳＩＰ）として統合することができる。同様に、マイクロプロセッサは、増幅器および／又はアナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）を含むことができる。電源は、全ての電子部品を駆動するのに十分な電気エネルギーを提供し、しかも電源ソケットからの交流電流を変換するリチウムベースの電池又は電力供給源（draining）である。ハウジングは、より効果的な統合及び応用のために、光学計測デバイスの部品を収容する。
図３Ａに示したように、光学計測デバイスは、第０次受光モジュール２０を更に備え、フィードバック光線１２５の電力密度を計測し且つ光源１０から出射されるコリメート光線１１５を推測する。光源１０がレーザーダイオードであることを一つの例とすると、レーザーパワーの制御は、安全性及び分析物９９の破壊を防止するための重要な事項である。そのため、互いに接続されている光学計測モジュール、マイクロプロセッサ４１（図３Ｂを参照）及び光源１０の密切な協働が必要となる。
オリジナル光線１１０は、コリメータ１５によってコリメート光線１１５に収束される。コリメート光線１１５は、コリメータ１５から第一ビームスプリッター３１を通過して分析物９９まで進入する。第一ビームスプリッター３１から第０次受光モジュール２０まで進入するコリメート光線１１５の一部は、フィードバック光線１２５として第一ビームスプリッター３１を介してガイドされる。これによりフィードバック光線１２５は、第０次受光モジュール２０によって電気信号に変換される。また、計測ビームの一部は、分析物９９から第一ビームスプリッター３１を介して第二ビームスプリッター３２に進入して、第二ビームスプリッター３２によって第一検知ビーム及び第二検知ビームに分けられる。第一検知ビームは、第二ビームスプリッター３２から出射されて第一受光モジュール２１によって検知されるが、第二検知ビームは、第二ビームスプリッター３２から出射されて第二受光モジュール２２によって検知される。
図３Ｂに示したように、光学計測デバイスは、光源１０、コリメータ１５、第一ビームスプリッター３１、第二ビームスプリッター３２、第一受光モジュール２１及び第二受光モジュール２２、マイクロプロセッサ４１、電源４５、メモリ４２及び第０次受光モジュール２０を備える。例えば、光学計測デバイスにフィードバック制御プロセスを設置した場合、光源１０はレーザーモジュールである。この光源１０から出射されて第一ビームスプリッター３１によって導かれたビームを検知するために、第０次受光モジュール２０は、フォトダイオードとなる。本発明の１つの実施形態において、レーザーモジュール(光源１０)はレーザービームを出射する。フォトダイオードはこのレーザービームを検出して光電流に変換する。光電流は増幅器によって増幅され、アナログ入力端子を介して光電力のアナログ信号をマイクロプロセッサに送る。アナログ信号に応じてフィードバック制御信号を決定し且つレーザーモジュール(光源１０)のレーザーパワーを制御するために、マイクロプロセッサ４１はメモリからプリセットフィードバック制御機能を取り込む。本発明の１つの実施形態において、増幅された光電流は、ＡＤＣによってデジタル光電力に変換されてマイクロプロセッサ４１に伝送される。マイクロプロセッサ４１は、メモリからプリセットフィードバック制御機能を取り込むことでフィードバック制御信号を決定して、レーザーモジュール（光源１０）のレーザーパワーを制御する。また、フィードバック制御機能の一つとして、レーザーモジュール（光源１０）は、レーザー電流をマイクロプロセッサ４１に送り返す。本発明の１つの実施形態において、マイクロプロセッサ４１、増幅器、ＡＤＣ及びメモリは、単一のコンパクトチップに統合されてもよい。
図３Ｃのフローチャートは、光学計測デバイスのフィードバック制御プロセスを示す。レーザードライバは、マイクロプロセッサ４１から出力された制御信号を受信して、レーザーダイオードをトリガして、レーザーダイオードにオリジナル光線１１０を放射させる。オリジナル光線１１０は、コリメータ１５によってコリメート光線１１５に変換される。第一ビームスプリッター３１から第０次受光モジュール２０まで進入したコリメート光線１１５の一部は、フィードバック光線１２５として第一ビームスプリッター３１を介してガイドされる。第０次受光モジュール２０は、フィードバック光線１２５を受光してレーザーの電力密度をマイクロプロセッサ４１に伝送する。フィードバック制御機能は、レーザーパワー（電力密度）が分析物９９の計測を満たすか満たさないかを判断できる。レーザーパワーは、低すぎることが原因で計測の要求を満たさない場合、制御信号の指示によって徐々に増大される。計測の要求を満たしたレーザーパワーが検出された場合、第０次受光モジュール２０を作動させて、フィードバック光線１２５を電気信号に変換する。また、レーザードライバ及びレーザーダイオードは、レーザーモジュールに統合され、光学計測デバイスに対して光源として機能することができる。
光学計測モジュールは、第三ビームスプリッター及び第三受光モジュールを更に備える。第三ビームスプリッターは、計測ビームの第二部分を第三受光モジュールに導く。第三ビームスプリッターは、温度計、テレメーター又はイメージセンサであってもよい。
図４に示す光学計測モジュールは、温度計ビームスプリッター３４及び温度計測モジュール５４を備える。分析物９９の温度は、旋光度などの光学的特性に影響を及ぼす。つまり、温度は光学的特性の計算ための１つの基本パラメーターである。温度計測モジュール５４は、測定物体の温度を計測することに用いられる。しかし好ましくは、光学計測モジュールを含む光学計測デバイスによって計測区域の温度を得る。温度計測モジュール５４は、光検出器及び光学部品を備える。光検出器は、それぞれ１つの特定の波長、２つの異なる波長及び特定の区域のスペクトルを検出するための１つのフォトダイオード、２つのフォトダイオード又はフォトダイオードアレイである。各例において、光学部品は、それぞれ集束レンズ、ダイクロイックビームスプリッタ又は分散素子である。
熱放射線１５４は、分析物９９から自発的に放射されるビームである。熱放射線１５４は、分析物９９から温度計ビームスプリッター３４を介して温度計測モジュール５４に放射される。尚、オリジナル光線１１０は、コリメータ１５を通過した後に、コリメート光線１１５となる。コリメート光線１１５は、コリメータ１５から進入して第一ビームスプリッター３１を通過して分析物９９に到達する。計測ビームの一部は、分析物９９から出射されて温度計ビームスプリッター３４を介して第二ビームスプリッター３２に到達して、第二ビームスプリッター３２によって第一検出光線及び第二検出光線に分けられる。第一検知ビームは、第二ビームスプリッター３２から出射されて第一受光モジュール２１によって検知されるが、第二検知ビームは、第二ビームスプリッター３２から出射されて第二受光モジュール２２によって検知される。
本発明の１つの実施形態において、光学計測デバイスは、光源１０、コリメータ１５、第一ビームスプリッター３１、第二ビームスプリッター３２、第一受光モジュール２１、第二受光モジュール２２、マイクロプロセッサ４１、電源４５、メモリ４２及び温度計測モジュール５４を備える。温度計測モジュール５４は、分析物９９から出射された熱放射線１５４を接収して、この熱放射線１５４を電気信号に変換する。その後、マイクロプロセッサ４１は、接収された熱放射線１５４によって温度を計算する。また、マイクロプロセッサ４１は、計測された温度によって第一受光モジュール２１及び第二受光モジュール２２の計測値を補正する。温度の推定結果は、単一の波長、２つの波長、又は熱放射のスペクトルによってステファン・ボルツマンの法則に基づいて得られる。
図５Ａに示したように、光学計測デバイスは、光学計測モジュール、マイクロプロセッサ４１、電源４５、メモリ４２、アライメント発光器１７、イメージビームスプリッター３３、イメージセンサ５３及び表示装置５６を備える。ＬＥＤ又はレーザーダイオードであるアライメント発光器１７は、アライメントビームの分析物９９における投影からアライメント光スポットを生成することに用いられる。イメージセンサ５３は、イメージを捕捉することに用いられる。イメージセンサ５３は、電荷結合素子（ＣＣＤ）又は相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）などのイメージセンサアレイを備える。そのイメージは、即時のイメージ又は時間的な一連のイメージである。イメージセンサ５３は、十分な収束又はイメージ捕捉のために光学部品を更に備える。表示装置５６は、マイクロプロセッサ４１からイメージ情報を受信して、可視化させることに用いられる。表示装置５６は、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）、発光ダイオード（ＬＥＤ）又は有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）などの発光素子のパネルを備える。イメージビームスプリッター３３は、計測ビームの光学的特性を変えずに分析物９９の表面から出射されるビームをイメージセンサ５３にガイドすることに用いられる。参照光スポット１１６は、コリメート光線１１５の投影から生成される。工場出荷時の設定によって、光学計測デバイスと分析物９９との相対位置にかかわらず、イメージセンサ５３は、イメージの同じ区域に参照光スポット１１６を捕捉する。アライメント光スポット１１７は、アライメント発光器１７から出射されるビームの投影から生成され、イメージセンサ５３によって捕捉される。アライメント光スポット１１７は、参照光スポット１１６に対して可変の距離や位置を有する。効果的なアライメントのために、複数のアライメント発光器１７は、複数のアライメント光スポット１１７を生成する。好ましくは、光学計測デバイスと分析物の計測区域とは精確に合わさる。
光学計測の方法は、光源がオリジナル光線をコリメータに出射するステップと、コリメータがオリジナル光線を第一ビームスプリッターに収束するステップと、第一ビームスプリッターがコリメート光線を分析物に導くステップと、分析物によって反射された測定ビームを第二ビームスプリッターにリダイレクトするステップと、第二ビームスプリッターが測定ビームを第一検出光線と第二検出光線とに分割するステップと、第一受光モジュールが第一検出光線を受光するステップと、第二受光モジュールが第二検出光線を受光するステップと、を備える。また、光学計測の方法は、アライメント方法のステップを更に備える。
図５Ｂに示したように、アライメントプロセスは、分析物９９の表面に、アライメント光スポット１１７及び参照光スポット１１６を含む光スポットを生成するステップと、アライメント光スポット１１７、参照光スポット１１６及び分析物表面９９のイメージを含むイメージを捕捉するステップと、参照光点、アライメント光点及びランドマークを含むデフォルトアライメント情報を含むイメージを表示するステップと、を含む。アライメントプロセスは、アライメントデバイスで行う。アライメントデバイスは、参照光線を放射する光源と、分析物９９の表面におけるアライメント光スポット１１７を生成するアライメント発光器と、分析物９９における参照光スポット１１６を生成するために参照光線を導くイメージビームスプリッターと、イメージビームスプリッターを介して分析物のイメージを捕捉するイメージセンサ５３と、アライメントのために、イメージを処理するマイクロプロセッサ４１と、イメージ及びデフォルトアライメント情報を格納するメモリと、を備える。イメージは参照光スポット１１６、アライメント光スポット１１７及び分析物の特徴を含む。デフォルトアライメント情報は参照光点、アライメント光点及びランドマークを含む。本発明の実施形態において、アライメントデバイスは、コリメート１５を更に備える。参照光線は、コリメート光線１１５である。
ユーザが光学計測デバイスを分析物９９に配置すると、マニユアルアライメントプロセスが開始される。参照光点、アライメント光点及びランドマークを含むデフォルトアライメント情報は、メモリ４２に格納される。ステップＳ５０１において、光学計測デバイスは、分析物９９の表面にアライメント光スポット１１７及び参照光スポット１１６を含む光スポットを生成する。コリメート光線は参照光スポット１１６を投影し、アライメント発光器は、アライメント光スポット１１７を投影する。ステップＳ５０２において、イメージセンサ５３は、アライメント光スポット１１７、参照光スポット１１６及び分析物９９の表面のイメージを含むイメージを捕捉して、電気信号の形式によって捕捉されたイメージをマイクロプロセッサ４１に転送する。ステップＳ５０３において、表示装置５６は、マイクロプロセッサ４１から送信され捕捉されてデフォルトアライメント情報を含むイメージを可視化させる。ステップＳ５０４において、アライメントデバイスは、ユーザからボタンを押す信号などの確認信号を受信する。デフォルトアライメント情報は、メモリ４２に格納されているデフォルト設定値又はアライメントのプロセスにおいてアップデートされた値である。
図６Ａは、半自動アライメントの例を示す。光学計測デバイスは、光学計測モジュール、光源１０、コリメータ１５、第一ビームスプリッター３１、第二ビームスプリッター３２、第一受光モジュール２１、第二受光モジュール２２、マイクロプロセッサ４１、電源４５、メモリ４２、アライメント発光器１７、イメージビームスプリッター３３、イメージセンサ５３及び表示装置５６を備える。アライメントプロセスの原理は、得られたアライメント情報とデフォルトアライメント情報とのマッチの可否を判断するものである。アライメント情報は、参照光点、アライメント光点及びランドマークを含む。マイクロプロセッサ４１が実行するパターン識別によって、アライメント情報は、捕捉されたイメージから抽出される。具体的には、ランドマークは、分析物９９の表面のイメージから抽出され、参照光点は、参照光スポット１１６から抽出され、アライメント光点は、アライメント光スポット１１７から抽出される。特に、ランドマークは、瞳孔の中心、角膜のアウトライン又は虹彩のストライプである。得られたアライメント情報は、アライメントのプロセスにおいて得られた情報である。デフォルトアライメント情報は、メモリ４２に格納されているデフォルト設定値又はアライメントのプロセスにおいてアップデートされた値である。
図６Ｂに示したように、ユーザは半自動アライメントプロセスを開始する際、まず、光学計測デバイスを分析物９９に合わせる。ステップＳ６０１において、コリメート光線は参照光スポット１１６を投影し、アライメント発光器は、アライメント光スポット１１７を投影する。ステップＳ６０２において、イメージセンサ５３は、アライメント光スポット１１７、参照光スポット１１６及び分析物表面のイメージを含むイメージを捕捉して、電気信号の形式によって捕捉されたイメージをマイクロプロセッサ４１に転送する。ステップＳ６０３において、マイクロプロセッサ４１は、捕捉されたイメージによって得られたアライメント情報を識別する。その後、表示装置５６は、マイクロプロセッサ４１から送信して捕捉されたイメージと共にデフォルトアライメント情報を表示する。ステップＳ６０４において、マイクロプロセッサ４１は、得られたアライメント情報とデフォルトアライメント情報とを比較して、得られたアライメント情報とデフォルトアライメント情報とのマッチの可否を判断する。得られたアライメント情報とデフォルトアライメント情報とがマッチしない場合、Ｓ６０５において、マイクロプロセッサ４１は、インジケータ１１８をスクリーンに表示して、ユーザにアライメントプロセスを繰り返す必要があることを警告する。アライメントプロセスを容易にするために、マイクロプロセッサ４１は、精確なアライメント方向を計算し且つインジケータ１１８を送信する。また、図６Ｃに示したように、ステップＳ６１１において、コリメート光線は参照光スポット１１６を投影し、アライメント発光器は、アライメント光スポット１１７を投影する。ステップＳ６１２において、イメージセンサ５３は、アライメント光スポット１１７、参照光スポット１１６及び分析物９９の表面のイメージを含むイメージを捕捉して、電気信号の形式によって捕捉されたイメージをマイクロプロセッサ４１に転送する。ステップＳ６１３において、マイクロプロセッサ４１は、捕捉されたイメージによって得られたアライメント情報を識別する。その後、表示装置５６は、マイクロプロセッサ４１から送信して捕捉されたイメージと共にデフォルトアライメント情報を表示する。デフォルトアライメント情報は、メモリ４２に格納する(ステップＳ６１４に示す)又はユーザの要求又はアライメントプロセスの成功の要求によって、アライメントプロセスにおいて得られたアライメント情報に由来する(ステップＳ６１５に示す)。
図７Ａは、自動アライメントの例を示す。光学計測デバイスは、光源１０、コリメータ１５、第一ビームスプリッター３１、第二ビームスプリッター３２、第一受光モジュール２１、第二受光モジュール２２、マイクロプロセッサ４１、電源４５、メモリ４２、アライメント発光器１７、イメージビームスプリッター３３、イメージセンサ５３及びアクチュエータモジュール８０を備える。
図７Ｂに示したように、ユーザは自動アライメントプロセスを開始する際、まず、光学計測デバイスを分析物９９に合わせる。ステップＳ７０１において、コリメート光線は参照光スポット１１６を投影し、アライメント発光器はアライメント光スポット１１７を投影する。ステップＳ７０２において、イメージセンサ５３は、アライメント光スポット１１７、参照光スポット１１６及び分析物９９の表面のイメージを含むイメージを捕捉して、電気信号の形式によって捕捉されたイメージをマイクロプロセッサ４１に転送する。ステップＳ７０３において、マイクロプロセッサ４１は、捕捉されたイメージによって得られたアライメント情報を識別する。ステップＳ７０４において、マイクロプロセッサ４１は、得られたアライメント情報とデフォルトアライメント情報とを比較して、得られたアライメント情報とデフォルトアライメント情報とのマッチの可否を判断する。得られたアライメント情報とデフォルトアライメント情報とがマッチしない場合、Ｓ７０５において、マイクロプロセッサ４１は、正確なアライメント方向を計算し且つアクチュエータモジュールを作動させ、アライメントプロセスを繰り返す。また、図７Ｃに示したように、デフォルトアライメント情報は、メモリ４２に格納する(ステップＳ６１４に示す)又はユーザの要求又はアライメントプロセスの成功の要求によって、アライメントプロセスにおいて得られたアライメント情報に由来する(ステップＳ６１５に示す)。
アライメント及びフィードバック制御機能を有する光学計測デバイスは、光源１０、コリメータ１５、第一ビームスプリッター３１、第二ビームスプリッター３２、第０次受光モジュール２０、第一受光モジュール２１、第二受光モジュール２２、マイクロプロセッサ４１、電源４５、メモリ４２、アライメント発光器１７、イメージビームスプリッター３３、イメージセンサ５３、表示装置５６及びアクチュエータモジュール８０を備える。図７Ｃに示したように、上記部品は市販の商品であってもよい。例えば、ＭＣＵをメモリ４２を有するマイクロプロセッサ４１とし、レーザードライバを備えるレーザーを光源１０とし、ＬＥＤドライバを備えるＬＥＤをアライメント発光器１７とする。光学計測デバイスは、使いやすい動作環境及びデリケート信号処理のために、ヒューマンインターフェイス（例えば、ＬＣＤ、キーボード、タッチパネル又はスピーカー）、マルチプレクサ（multiplexer，ＭＵＸ）、増幅器及びＡＤＣｓを更に備える。
光学計測デバイスは、光源１０、コリメータ１５、第一ビームスプリッター３１、第二ビームスプリッター３２、第一受光モジュール２１、第二受光モジュール２２、マイクロプロセッサ４１、電源４５、メモリ４２及び空間センサーを備える。空間センサーは、装置の相対的な空間位置、運動及び傾きを検出し、計測デバイスに対して効果的なアライメントをサポートして、正確な計測を達成させる。空間センサーは、加速度又は傾きを検知する慣性センサー、光学計測デバイスと分析物との間の距離を検出するテレメーター又はさらに多くの空間情報を収集するこれらの組み合わせである。本実施形態において、慣性センサーは加速度計又は回転儀である。
実際に、ビームの電力密度は進入距離に沿って消散している。本発明の実施形態において、計測距離はアライメント整合性に影響を及ぼすだけでなく、検知された電力密度のベースライン基準にも影響を及ぼす。従って、正確な計測のために、電力密度のベースラインの修正が必要となる。好ましくは、光学計測デバイスが取得した区域までの距離は、計測された区域までの距離となる。図８に示したように、光学計測デバイスは、光源１０、コリメータ１５、第一ビームスプリッター３１、第二ビームスプリッター３２、第一受光モジュール２１、第二受光モジュール２２、マイクロプロセッサ４１、電源４５、メモリ４２及びテレメーター５５を備える。テレメーター５５は、分析物９９とデバイスとの距離を検知し、計測の整合性のために計測デバイスに対して効果的な計測をサポートする。本実施形態において、テレメーター５５は、光源１０とテレメーター５５との間の飛行時間によって距離を計算するためのマイクロプロセッサ４１に接続されている高速応答の光検出器又は干渉によって距離を得る干渉計である。
本実施形態において、オリジナル光線１１０は、コリメータ１５を通過した後、コリメート光線１１５となる。コリメート光線１１５は、コリメータ１５から第一ビームスプリッター３１を通過して分析物９９に到達する。計測ビームの第一部分は、分析物９９から出射されてテレメータビームスプリッタ３５を介してテレメーター５５に到達するが、計測ビームの第二部分は、分析物９９から出射されてテレメータビームスプリッタ３５を介して第二ビームスプリッター３２に到達した後、第二受光モジュール２２によって第一検知ビームと第二検知ビームとに分割される。第一検知ビームは、第二ビームスプリッター３２から出射されて第一受光モジュール２１によって検知されるが、第二検知ビームは、第二ビームスプリッター３２から出射されて第二受光モジュール２２によって検知される。
光学計測デバイスは、光源１０、コリメータ１５、第一ビームスプリッター３１、第二ビームスプリッター３２、第一受光モジュール２１、第二受光モジュール２２、マイクロプロセッサ４１、電源４５、メモリ４２及び慣性センサーを備える。慣性センサーは、装置の相対的な空間位置、運動及び傾きを検出し、計測デバイスに対して効果的なアライメントをサポートして、正確な計測を達成させる。本実施形態において、慣性センサーは光学計測デバイスの加速度及傾きを検知する加速度計又は回転儀である。
テレメーター５５及び慣性センサーは何れも他の空間情報を提供して光学計測デバイスのアライメントをサポートする。マニユアルアライメントの場合、空間情報は、表示装置５６上に表示され、ユーザに必要とするアライメントの取得を支持する。半自動アライメントの場合、光学計測デバイスが空間情報及びアライメント情報によって光学計測デバイスと分析物９９との相対位置を計算するため、インジケータ１１８に表示させて、ユーザが光学計測デバイスを正確的にアライメントするのをサポートする。尚、空間情報及びアライメント情報によってアクチュエータモジュール８０を制御することで、自動アライメントを完成する。
図９Ａ〜図９Ｃに示したように、光学計測デバイスは、光源１０、コリメータ１５、第一ビームスプリッター３１、第二ビームスプリッター３２、第一受光モジュール２１、第二受光モジュール２２、マイクロプロセッサ４１、電源４５、メモリ４２、アライメント発光器１７、イメージビームスプリッター３３、イメージセンサ５３及びハウジングを備える。光学計測デバイスは、眼科学に適用され、グルコース、乳酸、ヘモグロビン、オキシヘモグロビン、尿素、アルコール又は癌細胞などの眼球内の分析物９９を計測する。しかし、眼科学における計測の精確性と整合性は、効果的なアライメント及び適当な応用に基づくべきであり、特に、手持ち式ハウジングは、アライメントプロセスをサポートし、全ての部品を統合することに用いられる。
両眼用光学計測デバイスの例において、光学計測デバイスは、両眼用手持ちハウジング６２（図９Ａに示す）を更に備える。両眼用手持ちハウジング６２は、光学計測デバイスの全ての部品を収容することに用いられる。両眼用手持ちハウジング６２は、計測ウィンドウ及び観察ウィンドウを含む。計測ウィンドウは、コリメート光線１１５及び計測ビームを通過させる。イメージセンサ５３は、計測目標とされる目のイメージ及びイメージビームスプリッター３３を通過するアライメント光スポット１１７を捕捉する。また、観察ウィンドウによって、もう一つの目は、マイクロプロセッサ４１によって処理されたイメージ情報を表示させる表示装置５６を観察できる。
折り畳み式光学計測デバイスの例において、光学計測デバイスは、折り畳み式ハウジング６３（図９Ｂに示す）を更に備える。折り畳み式ハウジング６３は、折り畳みフレーム及び接眼鏡筒を含む。折り畳みフレーム（図示せず）は、表示装置５６を収容し、接眼鏡筒は、光学計測デバイスの別の部品を収容する。接眼鏡筒は、コリメート光線１１５及び計測ビームを通過させる計測ウィンドウを含む。イメージセンサ５３は、計測目標とされる目のイメージ及びイメージビームスプリッター３３を通過するアライメント光スポット１１７を捕捉する。折り畳みフレームは、表示装置５６を収容する。また、観察ウィンドウによって、もう一つの目は、マイクロプロセッサ４１によって処理されたイメージ情報を表示させる表示装置５６を観察できる。
単眼の光学計測デバイスの例において、光学計測デバイスは、単眼手持ちハウジング６６及びディスプレイビームスプリッタ３６（図９Ｃに示す）を更に備える。単眼手持ちハウジング６６は、アライメントデバイスの他の部品を収容し、セルフ測定及び単眼によってアライメントをサポートすることに用いられる。単眼手持ちハウジング６６は、コリメート光線１１５及び計測ビームを通過することを可能にする計測ウィンドウを含む。イメージセンサ５３は、計測目標とされる目のイメージ及びイメージビームスプリッター３３を通過するアライメント光スポット１１７を捕捉する。また、観察ウィンドウによって、もう一つの目は、マイクロプロセッサ４１によって処理されたイメージ情報を表示させる表示装置５６を観察できる。
図１０Ａ〜図１０Ｃに示したように、光学計測デバイスは、光学計測モジュール及びセンサーモジュール５７を備える。センサーモジュール５７は、ユーザが光学計測デバイスを使用する時に他の生物学的な情報を提供する。センサーモジュール５７は、血中酸素飽和レベルを計測する反射型パルスオキシメータ、皮膚の電気インピーダンスを計測する電極又は接触のみを通じて複数の生理学的パラメータを計測するデュアルセンサモジュールである。複数のセンサーモジュール５７は、手持ちハウジング（図１０Ａに示す）の互いに対向する２つの面に取り付けられる。ユーザが片手で光学計測デバイスを持った際、複数の生理学的パラメータは、互いに独立した各センサーモジュール５７上で計測している（図１０Ｂに示す）。ユーザが両手で光学計測デバイスを持った際、センサーモジュール５７は、両手間の電位差を計測することで心電図（Electrocardiogram，ＥＣＧ）を得る（図１０Ｃに示す）。また、血中酸素飽和レベル及びＥＣＧに由来するパルス通過時間（Pulse Transit Time，ＰＴＴ）によって血圧を推定することができる。
本発明において、エレクトロニクス、オプトエレクトロニクス、オプメカニック（optomechanics）及び光学部品のモジュールは、コンパクトなサイズによって実現できる。つまり、上記光学計測デバイスは、モバイルデバイス（例えば、光学計測腕時計）又はスマートデバイスのアクセサリー（例えば、スマート腕時計、スマートフォン、タブレット、ウルトラブック）であってもよい。光学計測デバイスは、スマートデバイスの一部としてスマートデバイスに統合されてもよい。つまり、スマートデバイスと、計算資源（例えば、ＭＣＵ、記憶媒体、通信モジュール）及びヒューマンインターフェイス（例えば、手持ちハウジング、タッチスクリーンパネル、virtual reality goggle、ＨＵＤヘルメット）を共有することができる。光学計測デバイスは、アプリケーション（ＡＰＰ）を介してスマートデバイスに接続されているアプセサリー（Appcessory）又はアクセサリーであってもよい。計測データは、ビッグデータ及び統計の応用のためにクラウドサーバに送信される。
図１１Ａ及び図１１Ｂに示したように、光学計測デバイスは、プラットフォーム式ハウジング７０を備える。プラットフォーム式ハウジング７０は、コネクタモジュール、スタンド及びハウジングを備える。光学計測デバイスと、プラットフォーム式ハウジング７０とは、コネクタモジュールを介して機械的に及び／又は電子的に接続されている。機械的に接続されている場合、光学計測デバイスがコネクタモジュールに緩やかに固定されているので、空間位置及び傾きを元の状態に初期化できる。また、電子的に接続されている場合、コネクタモジュールは光学計測デバイスへ電力及び電子信号を提供することができる。しかも、プラットフォーム式ハウジング７０は、アライメントをサポートするアクチュエータモジュール８０を更に備える。本実施形態において、ユーザは、アクチュエータモジュール８０を制御して光学計測デバイスを合わせる又は表示装置５６に表示されるインジケータ１１８に応じてアクチュエータモジュール８０を制御する。また、アクチュエータモジュール８０は、自動アライメントを達成するために、マイクロプロセッサ４１が送信した電気信号によってアライメントを調整することができる。
眼科計測技術において、計測の精確性及び整合性を高めるためにアライメントが必要となる。従来の技術は、操作員の計測デバイスと患者の目とのアライメントに対する効果を向上させたが、現在個人の健康管理に対する意識がさらに高まっているため、外部の力を借りずにセルフアライメントの要求を満たすことができない。
アライメントデバイスは、参照光線を放射する光源と、分析物の表面におけるアライメント光スポットを生成するアライメント発光器と、分析物９９における参照光スポットを生成するために参照光線を導くイメージビームスプリッターと、イメージビームスプリッターを介して分析物のイメージを捕捉するイメージセンサと、アライメントのためにイメージを処理するマイクロプロセッサと、イメージ及びデフォルトアライメント情報を格納するメモリと、を備える。イメージは、参照光スポット、アライメント光スポット及び分析物の特徴を含む。デフォルトアライメント情報は、参照光点、アライメント光点及びランドマークを含む。さらにアライメントデバイスは、第一受光モジュールの光路を分割する。本実施形態において、計測目的に応じて特定の光学情報を得るために、第一受光モジュールはアライメントデバイスに応用され、光学計測デバイスは、分析物の計測区域に正確的に合わさる。
図１２Ａに示したように、光学計測デバイスは、光源１０、コリメータ１５、第一ビームスプリッター３１、マイクロプロセッサ４１、電源４５、メモリ４２、アライメント発光器１７、イメージビームスプリッター３３、イメージセンサ５３及び表示装置５６を備える。ＬＥＤ又はレーザーダイオードであるアライメント発光器１７は、アライメントビームの分析物９９における投影からアライメント光スポットを生成することに用いられる。イメージセンサ５３は、イメージを捕捉することに用いられる。イメージセンサ５３は、電荷結合素子（ＣＣＤ）又は相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）などのイメージセンサアレイを備える。そのイメージは、即時のイメージ又は時間的な一連のイメージである表示装置５６は、マイクロプロセッサ４１からイメージ情報を受信して可視化させることに用いられる。表示装置５６は、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）、発光ダイオード（ＬＥＤ）又は有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）などの発光素子のパネルを備える。イメージビームスプリッター３３は、計測ビームの光学的特性を変えずに分析物９９の表面から出射されるビームをイメージセンサ５３にガイドすることに用いられる。参照光スポット１１６は、コリメート光線１１５の投影から生成される。工場出荷時の設定によって、光学計測デバイスと分析物９９との相対位置にかかわらず、イメージセンサ５３は、イメージの同じ区域に参照光スポット１１６を捕捉する。アライメント光スポット１１７は、アライメント発光器１７から出射されたビームの投影から生成され、イメージセンサ５３によって捕捉される。アライメント光スポット１１７は、参照光スポット１１６に対して可変の距離や位置を有する。効果的なアライメントのために、複数のアライメント発光器１７は、複数のアライメント光スポット１１７を生成する。
図１２Ｂに示したように、光学計測デバイスは、光源１０、コリメータ１５、第一ビームスプリッター３１、マイクロプロセッサ４１、電源４５、メモリ４２、アライメント発光器１７、イメージビームスプリッター３３、イメージセンサ５３及び表示装置５６を備える。アライメントプロセスの方法は、得られたアライメント情報とデフォルトアライメント情報とのマッチの可否を判断するものである。アライメント情報は、参照光点、アライメント光点及びランドマークを含む。マイクロプロセッサが実行するパターン識別によって、アライメント情報は、捕捉されたイメージから抽出される。具体的には、ランドマークは分析物９９の表面のイメージから抽出され、参照光点は参照光スポット１１６から抽出され、アライメント光点はアライメント光スポット１１７から抽出される。特に、ランドマークは、瞳孔の中心、角膜のアウトライン又は虹彩のストライプである。得られたアライメント情報は、アライメントプロセスにおいて生成されたアライメント情報である。メモリ４２に格納されているデフォルト設定値又はアライメントのプロセスにおいてアップデートされた値である。
図１２Ｃに示したように、光学計測デバイスは、光源１０、コリメータ１５、第一ビームスプリッター３１、第一受光モジュール２５、マイクロプロセッサ４１、電源４５、メモリ４２、アライメント発光器１７、イメージビームスプリッター３３、イメージセンサ５３及びアクチュエータモジュール８０を備える。図１２Ｃに示したように、空間センサーは、装置の相対的な空間位置、運動及び傾きを検出し、計測デバイスに対して効果的なアライメントをサポートして、正確な計測を達成させる。空間センサーは、加速度又は傾きを検知する慣性センサー、光学計測デバイスと分析物との間の距離を検出するテレメーター５５又はさらに多くの空間情報を収集するこれらの組み合わせである。本実施形態において、慣性センサーは加速度計又は回転儀である。
光学計測デバイスは、光源１０、コリメータ１５、第一ビームスプリッター３１、第二ビームスプリッター３２、第一受光モジュール２１、第二受光モジュール２２、マイクロプロセッサ４１、電源４５、メモリ４２及び空間センサーを備える。
実際にビームの電力密度は、進入距離に沿って消散している。本発明の実施形態において、計測距離は、アライメント整合性よりも検知される電力密度のベースライン基準に影響を及ぼす。従って、正確な計測のために、電力密度のベースラインの修正が必要となる。好ましくは、光学計測デバイスが計測された区域となる分析物の同一の区域からの距離を取得する。光学計測デバイスは、光源１０、コリメータ１５、第一ビームスプリッター３１、マイクロプロセッサ４１、電源４５、メモリ４２及びテレメーター５５を備える。テレメーター５５は、分析物９９とデバイスとの距離を検知し、計測デバイスに対して効果的なアライメントをサポートして、正確な計測を達成させる。本実施形態において、テレメーター５５は、光源１０とテレメーター５５との間の飛行時間によって距離を計算するマイクロプロセッサ４１に接続される高速応答の光検出器又は干渉によって距離を得る干渉計である。
本実施形態において、コリメータ１５を通過した後、オリジナル光線１１０はコリメート光線１１５となる。コリメート光線１１５は、コリメータ１５から第一ビームスプリッター３１を通過して分析物９９に到達する。計測ビームの第一部分は、分析物９９から出射されてテレメータビームスプリッタ３５を介してテレメーター５５に到達するが、計測ビームの第二部分は、分析物９９から出射されてテレメータビームスプリッタ３５を介して第二ビームスプリッター３２に到達した後、第二受光モジュール２２によって第一検知ビーム及び第二検知ビームに分けられる。第一検知ビームは、第二ビームスプリッター３２から出射されて第一受光モジュール２１によって検知されるが、第二検知ビームは、第二ビームスプリッター３２から出射されて第二受光モジュール２２によって検知される。
光学計測デバイスは、光源１０、コリメータ１５、第一ビームスプリッター３１、第二ビームスプリッター３２、第一受光モジュール２１、第二受光モジュール２２、マイクロプロセッサ４１、電源４５、メモリ４２及び慣性センサーを備える。慣性センサーは、装置の相対的な空間位置、運動及び傾きを検出し、計測デバイスに対して効果的なアライメントをサポートして、正確な計測を達成させる。本実施形態において、慣性センサーは、光学計測デバイスの加速度及び傾きを検知する加速度計又は回転儀である。
テレメーター５５及び慣性センサーの何れも、光学計測デバイスのアライメントをサポートする他の空間情報を提供する。マニュアルアライメントの場合、空間情報は、表示装置５６に表示され、ユーザに必要とするアライメントの取得を支持する。半自動アライメントの場合、光学計測デバイスが、空間情報及びアライメント情報によって光学計測デバイスと分析物９９との相対位置を計算するため、インジケータ１１８に表示させて、ユーザが光学計測デバイスを正確的にアライメントするのをサポートする。尚、空間情報及びアライメント情報によってアクチュエータモジュール８０を制御することで、自動アライメントが完成する。
アライメントデバイスは、ハウジングを更に備える。ハウジングは、アライメントプロセスをサポートし、全ての部品を収容することに用いられる。
図１３Ａに示したハウジングは、両眼用手持ちハウジング６２である。両眼用手持ちハウジング６２は、アライメントデバイスの全ての部品を収容することに用いられる。両眼用手持ちハウジング６２は、計測ウィンドウ及び観察ウィンドウを含む。計測ウィンドウは、コリメート光線１１５及び計測ビームを通過させる。イメージセンサ５３は、計測目標とされる目のイメージ及びイメージビームスプリッター３３を通過するアライメント光スポット１１７を捕捉する。また、観察ウィンドウによって、もう一つの目は、マイクロプロセッサ４１によって処理されたイメージ情報を表示させる表示装置５６を観察できる。
図１３Ｂに示したハウジングは、折り畳み式ハウジング６３である。折り畳み式ハウジング６３は、折り畳みフレーム及び接眼鏡筒を含む。この折り畳みフレームは、表示装置５６を収容し、接眼鏡筒は、アライメントデバイスの別の部品を収容する。接眼鏡筒は、コリメート光線１１５及び計測ビームを通過させる計測ウィンドウを含む。イメージセンサ５３は、計測目標とされる目のイメージ及びイメージビームスプリッター３３を通過するアライメント光スポット１１７を捕捉する。折り畳みフレームは、表示装置５６を収容し、又もう１つの目がマイクロプロセッサ４１によって処理されたイメージ情報を表示している表示装置５６を観察することを可能になる。
単眼の光学計測デバイスの例において、光学計測デバイスは、単眼手持ちハウジング６６及びディスプレイビームスプリッタ３６（図９Ｃに示す）を更に備える。単眼手持ちハウジング６６は、アライメントデバイスの他の部品を収容し、セルフ測定及び単眼でアライメントに助けることに用いられる。単眼手持ちハウジング６６は、コリメート光線１１５及び計測ビームを通過させる計測ウィンドウを含む。イメージセンサ５３は、計測目標とされる目のイメージ及びイメージビームスプリッター３３を通過するアライメント光スポット１１７を捕捉する。計測目標とされる目は、ディスプレイビームスプリッタ３６上に投影されたイメージ情報を表示させる表示装置５６を観察できる。
本発明において、エレクトロニクス、オプトエレクトロニクス、オプメカニック（optomechanics）及び光学部品のモジュールは、コンパクトサイズで実現できる。従って、上記アライメントデバイスは、モバイルデバイス（例えば、光学計測腕時計）又はスマートデバイスのアクセサリー（例えば、スマート腕時計、スマートフォン、タブレット、ウルトラブック）であってもよい。アライメントデバイスは、スマートデバイスの一部としてスマートデバイスに統合されてもよい。つまり、スマートデバイスと、計算資源（例えば、ＭＣＵ、記憶媒体、通信モジュール）及びヒューマンインターフェイス（例えば、手持ちハウジング、タッチスクリーンパネル、virtual reality goggle、ＨＵＤヘルメット）を共有することができる。アライメントデバイスは、アプリケーション（ＡＰＰ）を介してスマートデバイスに接続されるアプセサリー（Appcessory）又はアクセサリーであってもよい。また、計測データは、ビッグデータ及び統計の応用のためにクラウドサーバに送信する。
図１４Ａ及び図１４Ｂに示したように、アライメントデバイスは、プラットフォーム式ハウジング７０を備える。プラットフォーム式ハウジング７０は、コネクタモジュール、スタンド及びハウジングを備える。アライメントデバイスと、プラットフォーム式ハウジング７０とは、コネクタモジュールを介して機械的に及び／又は電子的に接続されている。機械的に接続されている場合、アライメントデバイスがコネクタモジュールに緩やかに固定されているので、空間位置及び傾きは元の状態に初期化できる。また、電子的に接続されている場合、コネクタモジュールはアライメントデバイスへ電力及び電子信号を提供することができる。しかも、プラットフォーム式ハウジング７０は、アライメントをサポートするアクチュエータモジュール８０を更に備える。本実施形態において、ユーザがアクチュエータモジュール８０を制御してアライメントデバイスを合わせる又は表示装置５６に表示されるインジケータ１１８に応じてアクチュエータモジュール８０を制御する。また、アクチュエータモジュール８０は、自動アライメントを達成するために、マイクロプロセッサ４２が送信した電気信号によってアライメントを調整することができる。
１０ 光源
１２ バンドパスフィルタ
１３ 直線偏光子
１４ １／４波長板
１５ コリメータ
１７ アライメント発光器
２０ 第０次受光モジュール
２１、２５ 第一受光モジュール
２２ 第二受光モジュール
３１ 第一ビームスプリッター
３２ 第二ビームスプリッター
３３ イメージビームスプリッター
３４ 温度計ビームスプリッター
３５ テレメータビームスプリッタ
３６ ディスプレイビームスプリッタ
４１ マイクロプロセッサ
４２ メモリ
４５ 電源
５３ イメージセンサ
５４ 温度計測モジュール
５５ テレメーター
５６ 表示装置
５７ センサーモジュール
６２ 両眼用手持ちハウジング
６３ 折り畳み式ハウジング
６６ 単眼手持ちハウジング
７０ プラットフォーム式ハウジング
８０ アクチュエータモジュール
９９ 分析物
１１０ オリジナル光線
１１５ コリメート光線
１１６ 参照光スポット
１１７ アライメント光スポット
１１８ インジケータ
１２０ 計測用光線
１２１ 第一検出光線
１２２ 第二検出光線
１２５ フィードバック光線
１５４ 熱放射線
１２ バンドパスフィルタ
１３ 直線偏光子
１４ １／４波長板
１５ コリメータ
１７ アライメント発光器
２０ 第０次受光モジュール
２１、２５ 第一受光モジュール
２２ 第二受光モジュール
３１ 第一ビームスプリッター
３２ 第二ビームスプリッター
３３ イメージビームスプリッター
３４ 温度計ビームスプリッター
３５ テレメータビームスプリッタ
３６ ディスプレイビームスプリッタ
４１ マイクロプロセッサ
４２ メモリ
４５ 電源
５３ イメージセンサ
５４ 温度計測モジュール
５５ テレメーター
５６ 表示装置
５７ センサーモジュール
６２ 両眼用手持ちハウジング
６３ 折り畳み式ハウジング
６６ 単眼手持ちハウジング
７０ プラットフォーム式ハウジング
８０ アクチュエータモジュール
９９ 分析物
１１０ オリジナル光線
１１５ コリメート光線
１１６ 参照光スポット
１１７ アライメント光スポット
１１８ インジケータ
１２０ 計測用光線
１２１ 第一検出光線
１２２ 第二検出光線
１２５ フィードバック光線
１５４ 熱放射線
Claims (34)
- オリジナル光線を放射する光源と、
前記オリジナル光線をコリメート光線に変換するコリメータと、
前記コリメート光線を通過させて分析物へ導き、前記分析物は前記コリメート光線を計測ビームに変換する第一ビームスプリッターと、
前記第一ビームスプリッターを介して計測ビームの第一部分を受光して第一検知ビーム及び第二検知ビームに分ける第二ビームスプリッターと、
前記第一検知ビームを検知する第一受光モジュールと、
前記第二検知ビームを検知する第二受光モジュールと、
前記第一ビームスプリッターによって導かれるフィードバック光線を受光する第０次受光素子と、
を備える光学計測モジュールであって、
前記第一受光モジュールと、前記第二受光モジュールとは、それぞれ異なる光学的な特性を検知することを特徴とする、光学計測モジュール。 - 前記光源と前記コリメータとの距離は、前記コリメータの焦点距離であることを特徴とする請求項１に記載の光学計測モジュール。
- 前記光源と前記コリメータとの距離は、前記コリメータの焦点距離より大きいことを特徴とする請求項１に記載の光学計測モジュール。
- 前記光源と前記コリメータとの距離は、調節できることを特徴とする請求項１に記載の光学計測モジュール。
- 第三受光モジュールと、第三ビームスプリッターと、を更に備え、前記第三ビームスプリッターは前記計測ビームの第二部分を前記第三受光モジュールに導くことを特徴とする請求項１に記載の光学計測モジュール。
- 前記第三受光モジュールは、温度計、テレメーター及びイメージセンサーから選ばれたことを特徴とする請求項５に記載の光学計測モジュール。
- 前記オリジナル光線は単色偏光ビームであり、前記第一受光モジュールは直線偏光子を備えることを特徴とする請求項１に記載の光学計測モジュール。
- 前記オリジナル光線は単色偏光ビームであり、前記第一受光モジュールは直線偏光子を備え、前記第二受光モジュールも直線偏光子を備えることを特徴とする請求項１に記載の光学計測モジュール。
- 前記オリジナル光線は単色偏光ビームであり、前記第一受光モジュールは機械回転子を備えることを特徴とする請求項１に記載の光学計測モジュール。
- 前記オリジナル光線は単色偏光ビームであり、前記第一受光モジュールは機械回転子を備え、前記第二受光モジュールはダイクロイックフィルタを備えることを特徴とする請求項１に記載の光学計測モジュール。
- 前記オリジナル光線は単色偏光ビームであり、前記第一受光モジュールは機械回転子を備え、前記第二受光モジュールは光検出器アレイを備えることを特徴とする請求項１に記載の光学計測モジュール。
- 前記オリジナル光線は単色偏光ビームであり、前記第一受光モジュールは機械回転子を備え、前記第二受光モジュールは光検出器アレイ及び分散部品を備えることを特徴とする請求項１に記載の光学計測モジュール。
- 前記オリジナル光線は単色偏光ビームであり、前記第一受光モジュールはファラデー回転子を備えることを特徴とする請求項１に記載の光学計測モジュール。
- 前記オリジナル光線は単色偏光ビームであり、前記第一受光モジュールはファラデー回転子を備え、前記第二受光モジュールはダイクロイックフィルタを備えることを特徴とする請求項１に記載の光学計測モジュール。
- 前記オリジナル光線は単色偏光ビームであり、前記第一受光モジュールはファラデー回転子を備え、前記第二受光モジュールは光検出器アレイを備えることを特徴とする請求項１に記載の光学計測モジュール。
- 前記オリジナル光線は単色偏光ビームであり、前記第一受光モジュールはファラデー回転子を備え、前記第二受光モジュールは光検出器アレイ及び分散部品を備えることを特徴とする請求項１に記載の光学計測モジュール。
- 前記オリジナル光線は偏光校正された白色光であり、前記第一受光モジュールは直線偏光子を備え、前記第二受光モジュールは光検出器アレイ及び分散部品を備えることを特徴とする請求項１に記載の光学計測モジュール。
- 前記オリジナル光線は偏光校正された白色光であり、前記第一受光モジュールは直線偏光子及び機械回転子を備え、前記第二受光モジュールは光検出器アレイ及び分散部品を備えることを特徴とする請求項１に記載の光学計測モジュール。
- 前記オリジナル光線は偏光校正された白色光であり、前記第一受光モジュールはファラデー回転子を備え、前記第二受光モジュールは光検出器アレイ及び分散部品を備えることを特徴とする請求項１に記載の光学計測モジュール。
- 前記オリジナル光線は単色光であることを特徴とする請求項１に記載の光学計測モジュール。
- 前記オリジナル光線は単色光であり、前記第二受光モジュールは光検出器アレイを備えることを特徴とする請求項１に記載の光学計測モジュール。
- 前記オリジナル光線は単色光であり、前記第一受光モジュールは光検出器アレイを備え、前記第二受光モジュールは光検出器アレイを備えることを特徴とする請求項１に記載の光学計測モジュール。
- 前記オリジナル光線は単色光であり、前記第一受光モジュールはダイクロイックフィルタを備え、前記第二受光モジュールは光検出器アレイを備えることを特徴とする請求項１に記載の光学計測モジュール。
- 前記オリジナル光線は単色光であり、前記第二受光モジュールはダイクロイックフィルタを備えることを特徴とする請求項１に記載の光学計測モジュール。
- 前記オリジナル光線は単色光であり、前記第二受光モジュールはダイクロイックフィルタ、分散部品及び光検出器アレイを備えることを特徴とする請求項１に記載の光学計測モジュール。
- 前記オリジナル光線は単色光であり、前記第一受光モジュールはダイクロイックフィルタを備え、前記第二受光モジュールは光検出器アレイを備えることを特徴とする請求項１に記載の光学計測モジュール。
- 請求項１に記載の光学計測モジュールと、
データを処理するマイクロプロセッサと、
マイクロプロセッサによって処理されたデータを格納するメモリと、
光学計測モジュール、前記メモリ、前記マイクロプロセッサを収容するハウジングと、
を備える光学計測デバイス。 - 第三受光モジュールと、第三ビームスプリッターと、を更に備え、前記第三ビームスプリッターは前記計測ビームの第二部分を前記第三受光モジュールに導くことを特徴とする請求項２７に記載の光学計測デバイス。
- 前記第三受光モジュールは温度計、テレメーター及びイメージセンサーから選ばれたことを特徴とする請求項２８に記載の光学計測デバイス。
- アライメント発光器、イメージビームスプリッター、イメージセンサー及び表示装置を更に備えることを特徴とする請求項２７に記載の光学計測デバイス。
- アライメント発光器、イメージビームスプリッター、イメージセンサー及びアクチュエータモジュールを更に備えることを特徴とする請求項２７に記載の光学計測デバイス。
- 前記ハウジングは、両眼用ハウジング、折り畳みハウジング、単眼ハウジング及びプラットフォームハウジングから選ばれたことを特徴とする請求項２７に記載の光学計測デバイス。
- 光源がオリジナル光線をコリメータに射出するステップと、
コリメータがオリジナル光線を第一ビームスプリッターに収束するステップと、
前記第一ビームスプリッターがコリメート光線を通過させて分析物に導くステップと、
前記分析物によって反射された計測ビームを第二ビームスプリッターにリダイレクトするステップと、
前記第二ビームスプリッターが計測ビームを第一検出光線及び第二検出光線に分けるステップと、
第一受光モジュールが第一検出光線を受光するステップと、
第二受光モジュールが第二検出光線を受光するステップと、
前記第一ビームスプリッターによって導かれるフィードバック光線を第０次受光素子によって受光するステップと、
を備える光学計測方法であって、
前記第一受光モジュールと、前記第二受光モジュールとは、それぞれ異なる光学的な特性を検知することを特徴とする、光学計測方法。 - マイクロプロセッサにて第一受光モジュール及び第二受光モジュールからの少なくとも２つの光学的な特性を決定するステップを更に備え、
前記光学的な特性は、吸光度、屈折率、偏光、蛍光、及び非弾性散乱からなる群から選ばれる請求項３３に記載の光学計測方法。
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