JP6551723B2 - 光学センサ、光学検査装置、及び光学特性検出方法 - Google Patents

Description

本発明は、光学センサ、光学検査装置、及び光学特性検出方法に係り、更に詳しくは、被検体に光を照射する照射系と該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る光学センサ、該光学センサを備える光学検査装置、及び前記光学センサを用いる光学特性検出方法に関する。

従来、被検体（生体）に光を照射し、該被検体内を伝播した光を検出することで該被検体内の情報を計測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）。

特許文献１に開示されている生体光計測装置では、被検体内の情報を精度良く計測することができなかった。

本発明は、被検体に光を照射する光照射器を少なくとも１つ含む照射系と、該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、波長が異なる複数の光を個別に出射する複数の光源と、前記複数の光源からの波長が異なる複数の光の光路上に個別に配置された複数の個別光学素子と、前記複数の個別光学素子を介した波長が異なる複数の光の光路上に共通に配置された共通光学素子と、を含み、波長が異なる複数の光を前記被検体の略同一位置に照射可能であり、前記共通光学素子を介した波長が異なる複数の光の光路は略一致し、前記複数の光源それぞれは、アレイ状に配置された複数の発光部を有し、前記複数の発光部と、対応する前記個別光学素子の光軸との位置関係が前記複数の光源間で異なることを特徴とする光学センサである。

本発明によれば、被検体内の情報を精度良く計測することができる。

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。 ファントム用の水槽を説明するための図である。 透明窓のレイアウトを説明するための図である。 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。 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。 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。 生体内伝播角度を説明するための図である。 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。 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。 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。 ＰＤでの感度分布を示す図（その２）である。 生体内伝播角度を説明するための図である。 図１３（Ａ）は、吸光体の実際の位置を示す図であり、図１３（Ｂ）は、吸光体の位置の推定結果を示す図であり、図１３（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。 図１４（Ａ）は、移動後の吸光体の実際の位置を示す図であり、図１４（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１４（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。 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。 実施例２の光源モジュールＬＭ（I型）を説明するための図である。 実施例２の光源モジュールＬＭ（I型）の面発光レーザアレイチップを説明するための図である。 図１８（Ａ）及び図１８（Ｂ）は、それぞれ実施例２の光源モジュールＬＭ（II型）を説明するための図（その１及びその２）である。 実施例２の光源モジュールＬＭ（III型）を説明するための図である。 実施例２の光源モジュールＬＭ（III型）におけるレンズと面発光レーザアレイチップとの位置関係を説明するための図である。 実施例２の光源モジュールＬＭ（III型）におけるレンズと面発光レーザアレイチップとプリズムとの位置関係を説明するための図である。 実施例１及び２の光源モジュールの追加的な構成を説明するための図（その１）である。 実施例１及び２の光源モジュールの追加的な構成を説明するための図（その２）である。 実施例１及び２の光源モジュールの追加的な構成を説明するための図（その３）である。 光学シミュレータで光学設計した光線図である。 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。 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。 図２８（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２８（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る。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 実施例２での逆問題推定の推定結果を示す図である。 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。 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。 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。 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。 図４０（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４０（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る。 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。 制御部の構成を示すブロック図である。 計算部の構成を示すブロック図である。

《第１実施形態》
以下に、本発明の第１実施形態を図１〜図３６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。

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４２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。

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。

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。

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。

以下に、本実施形態の実施例１について説明する。

〈実施例１〉
実施例１では、各発光部から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。

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。

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。

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（図３参照）。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。

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軸方向及びＹ軸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。

光源モジュールＬＭは、図４に示されるように、レンズ、プリズム、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。光源モジュールＬＭでは、電源部（不図示）により適切な電流値に制御することで発光部の光量を一定に保つことができる。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。

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。

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）。

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。

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。

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。

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）。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。

ここでは、４０ｃｈを同時に点灯し、総出力は５０ｍＷ程度とされる。ＶＣＳＥＬから出射された平行光は、図６に示されるようにプリズムによって偏向される。

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。

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。プリズムは、水槽内壁に設けられたＺ軸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。

この回転ステージ及びプリズムを一緒に回転させることで、該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７に示されるように、＋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。プリズムと水槽との間には、これらと屈折率が同等のジェル状の樹脂（図示せず）が充填されている。これにより、プリズムと水槽との間での屈折や反射を防止できる。

次に、被検体内の情報の計測方法について、図８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、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）。発光強度はトータルで５０ｍＷ程度になるように、電流値が決定される。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）。

次に、出射光の波長を切り替えてステップＴ２〜Ｔ４を再度行う（ステップＴ５、Ｔ６）。ここでは、７８０ｎｍと９００ｎｍの波長を選択可能としている。具体的には、発振波長が異なる２種類（７８０ｎｍ帯、９００ｎｍ帯）の光源モジュールＬＭを予め用意しておき、光源モジュールＬＭを入れ替えることで出射光の波長の切り換えを実施することができる。

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Ｔ７、Ｔ８）。具体的には、ステップＴ１の直後のステップＴ２〜Ｔ６は、プリズムを＋Ｘ方向に配置した状態で行う。次いで、プリズムを回転させて、＋Ｙ方向とする。この状態でステップＴ２〜Ｔ６を行う。次いで、プリズムを回転させて、−Ｘ方向とする。この状態でステップＴ２〜Ｔ６を行う。次いで、プリズムを回転させて、−Ｙ方向とする。この状態でステップＴ２〜Ｔ６を行う。

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Ｔ９、Ｔ１０）。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Ｔ１１、Ｔ１２）。

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。

以下に、図８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９のステップＳ２１〜Ｓ２５参照）。図４３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４２参照）。

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。

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。

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。

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１０^９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。

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_０（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_０（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_０（ｒ、ｒｄ）とする。

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_０（ｒｓ、ｒｄ）で規格化したものが次の感度分布Ａ（ｒ）となる。

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。

上述のようにして算出された感度分布の一例が、図１０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。

次に、図１０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１１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１２に示されている。

図１１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。

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。

次に、この感度分布を利用して、逆問題推定を行う。
吸光体の存在によっておきる吸収係数の変化δμ_ａ（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。

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_０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_０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_ａ（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。

このことを簡単に記述すると、以下の式となる。
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。

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。

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。

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。

この結果、図１３（Ｂ）に示されるような推定結果を導くことができる。図１３（Ａ）は吸光体の位置を示している。図１３（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１３（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。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１４（Ａ）参照）、推定を行った結果（推定結果）が図１４（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１４（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。

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×１４０
ｍｍ×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。

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。

図１５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１５では、ＬＭは四角印で示され、ＤＭは丸印で示されている。

実施例２の光源モジュールＬＭ（I型）は、図１６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。

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１７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。

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。

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。

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。

ところで、各面発光レーザアレイチップの面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）の発振波長は、一例として７８０ｎｍ又は９００ｎｍである。発振波長が互いに異なる複数の面発光レーザを用いることで、波長が異なる複数の出射光を得ることが可能となる。そして、波長が異なる複数の光を被検体（例えば生体）の略同一位置に照射することで、例えば、ヘモグロビンの状態（脱酸素状態または酸化状態）を認識することが可能となる。これらの波長は、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。

図１８（Ａ）に示される実施例２の光源モジュールＬＭ（II型）では、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（個別光学素子）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（個別光学素子）が配置され、レンズ１、２を介した光の光路上にプリズム（共通光学素子）が共通に配置されている。面発光レーザアレイチップ１、２は、出射方向がＺ軸方向となるようにＸＹ平面上にＹ方向に並べて配置され、発振波長が互いに異なる点を除いて、実質的に同一の構成（発光部の数や配置を含む）を有している。レンズ１、２は、実質的に同一のレンズである。

以下では、面発光レーザアレイチップ１、２を、ｃｈ１、ｃｈ２とも称し、区別しない場合はｃｈとも総称する。

ＬＭ（II型）では、複数の発光部と対応するレンズの光軸との位置関係がｃｈ間で同じになっている。具体的には、各ｃｈの中心（アレイ中心）が、対応するレンズの光軸上にある。

ここで、図１８（Ｂ）に示される各ｃｈのＹ方向に等間隔で並ぶ３つの発光部に着目する。ｃｈ１のＹ方向に等間隔Ｍで並ぶ３つの発光部を＋Ｙ側から−Ｙ側にかけて順に発光部１ａ、発光部１ｂ、発光部１ｃとし、ｃｈ２のＹ方向に等間隔Ｍで並ぶ３つの発光部を＋Ｙ側から−Ｙ側にかけて順に発光部２ａ、発光部２ｂ、発光部２ｃとする。発光部１ｂ、発光部２ｂは、対応するレンズ１、２の光軸上に配置されているものとする。

プリズムは、図１８（Ａ）に示されるように、中心軸に関して対称な形状（軸対称な形状）を有しており、中心軸に直交する入射面ＩＳと、中心軸に対して傾斜する全反射面Ｒ１、Ｒ２と、中心軸に直交する出射面ＯＳと、を含む。

入射面ＩＳは、ｃｈ１の３つの発光部１ａ、１ｂ、１ｃからの光の光路上及びｃｈ２の３つの発光部２ａ、２ｂ、２ｃからの光の光路上に位置する。

全反射面Ｒ１は、発光部１ａから出射されレンズ１、入射面ＩＳを介した光（光線１）の光路上及び発光部２ａから出射されレンズ２、入射面ＩＳを介した光（光線２）の光路上に位置する。光線１、２の全反射面Ｒ１への入射角は、臨界角以上となっている。

全反射面Ｒ２は、発光部１ｃから出射されレンズ１、入射面ＩＳを介した光（光線３）の光路上及びｃｈ２の発光部２ｃから出射されレンズ２、入射面ＩＳを介した光（光線４）の光路上に位置する。光線３、４の全反射面Ｒ２への入射角は、臨界角以上となっている。

出射面ＯＳは、全反射面Ｒ１で反射された光（光線１、２）、全反射面Ｒ２で反射された光（光線３、４）、ｃｈ１の発光部１ｂから出射されレンズ１、入射面を通過（直進）した光（光線５）及びｃｈ２の発光部２ｂから出射されレンズ２、入射面を通過（直進）した光（光線６）の光路上に位置し、光線１〜５を出射（通過）させる。ここでは、出射面ＯＳが被検体の表面と接触する接触面とされている。そこで、出射面ＯＳと被検体の表面との間に透明のジェルを介在させることが好ましい。

この場合、２つの発光部１ａ、２ａから略平行な状態で出射されレンズ１、２に入射した波長が異なる２つの光は、レンズ１、２で屈折され互いに略平行な状態で入射面ＩＳに入射し、該入射面ＩＳで屈折され互いに略平行な状態で全反射面Ｒ１に入射する。全反射面Ｒ１で反射された波長が異なる２つの光は、略平行な状態で被検体の略同一位置に入射する。この場合、波長が異なる２つの光の被検体への入射位置が幾分（発光部１ａと発光部２ａの間隔程度）ずれることになる。

同様に、発光部１ｃ、２ｃから略平行な状態で出射されレンズ１、２に入射した波長が異なる２つの光は、レンズ１、２で屈折され互いに略平行な状態で入射面ＩＳに入射し、該入射面ＩＳで屈折され互いに略平行な状態で全反射面Ｒ２に入射する。全反射面Ｒ２で反射された波長が異なる２つの光は、略平行な状態で被検体の略同一位置に入射する。この場合、波長が異なる２つの光の被検体への入射位置が幾分（発光部１ｃと発光部２ｃの間隔程度）ずれることになる。

検出精度の更なる向上を図るために、波長が異なる２つの光の被検体への入射位置を同一にする（極力近づける）ことが望まれる。その手法として、プリズムの全反射面で反射された波長が異なる２つの光の光路を略一致させることが考えられる。

そこで、２つのｃｈからの波長が異なる２つの光の光路上に２つの反射面を個別に設けることも考えられるが（図１６参照）、この場合であっても、波長が異なる２つの光の光路を略一致させることは困難である。

特に、２つのｃｈからの波長が異なる２つの光の２つのレンズからの出射方向を一致させることは可能であるが、２つのｃｈの出射点（発光部の位置）を同一にすることは不可能である。

以下に、図１９に示される実施例２の光源モジュールＬＭ（III型）について説明する。ＬＭ（III型）では、複数の発光部と、対応するレンズの光軸との位置関係がｃｈ間で異なっている点が、図１８に示されるＬＭ（II型）と異なり、その他の構成はＬＭ（II型）と同様である。

ＬＭ（III型）では、２つのｃｈの中心間隔（アレイ中心の間隔）は、１．４ｍｍ程度とされている。これはワイヤーボンディングを実施する際のパッド部分などを考慮し、２つのｃｈをできるだけ近づけた位置関係である。

ちなみに、各ｃｈは１ｍｍ角であり、２つのｃｈ間のスペース（隙間）は数１００ｕｍとかなり近接して実装する。ここでは、ダイボンダー装置のコレットなどを工夫することで、この近接実装を実現している。

また、２つのｃｈの発光部（面発光レーザ）は、同じマスクを利用した半導体プロセスで作製され、発光部の位置は０．５ｕｍ以下の精度で制御することが可能である。

ＬＭ（III型）でも、ＬＭ（II型）と同様に、面発光レーザアレイチップ１（９００ｎｍ）と面発光レーザアレイチップ２（７８０ｎｍ）は、同レベルの精度で同一のレイアウトになっている。

このように中心が１．４ｍｍ程度離れた２つのｃｈから出射され対応するレンズを介した波長が異なる２つの光は、プリズムの同一の全反射面で反射され、被検体（例えば生体）に入射する。

この際、ＬＭ（II型）の構成では、対応関係にあるｃｈ１からの光とｃｈ２からの光は、略一定の間隔（１．４ｍｍ程度）で互いに平行な状態を維持したまま被検体（例えば生体）に入射するため、入射位置は１．４ｍｍ程度ずれたままとなる。このように入射位置のずれが大きいと逆問題推定によって脳血流を検出するｆＮＩＲＳでの分解能が低下する。

そこで、実装コストを増大させることなく、波長が異なる２つの光の光路を略一致させ、入射位置を同一にする手法について、本発明者が鋭利検討した結果、ｃｈの中心（アレイ中心）と、対応するレンズの光軸とを数ｕｍ〜数百ｕｍ（好ましくは数十ｕｍ）ずらす手法を発案し、この手法をＬＭ（III型）に導入した。

以下に、その詳細を、図２０を参照して説明する。ここでは、各ｃｈの中心と、対応するレンズの光軸とを、約２０ｕｍ程度ずらしている。このずらす量は、２０ｕｍに限定されず、適宜変更可能である。

ここでは、２つのｃｈの中心間隔（位置関係）を変えずに、各ｃｈに対して対応するレンズをずらすこととしている。ｃｈに対してレンズをずらす方向は共通光学素子であるプリズムの中心軸に対して軸対称（回転対称）の配置になるようにすれば良い（図２１参照）。

すなわち、２つのｃｈ、２つのレンズ１、２は、プリズム（共通光学素子）の中心軸に対して軸対称に配置されれば良く、図２１の配置に限定されない。

ここでは、一例として、２つのｃｈは、中心がプリズムの中心軸に関して軸対称（点対称）となるように該中心軸をＹ方向に挟んで配置されている。各ｃｈは、５つの発光部（ＶＣＳＥＬ）を有し、該５つの発光部は、一の対角線がＹ方向に平行な正方形の中心（アレイ中心）及び４つの頂点に個別に配置されている。

一例として、２つのｃｈの中心間隔は１．４ｍｍ、各レンズの有効径は０．８ｍｍφ、各レンズの焦点距離ｆ＝６００ｕｍである。ここでは、２つのｃｈ１、２に対してレンズ１、２をずらす方向は、図２１に示されるように、レンズ１、２が互いに近づく向きとしている。ここでは、レンズ１の光軸がｃｈ１の中心を通る状態からレンズ１を−Ｙ方向に約２０ｕｍ程度ずらし、かつレンズ２の光軸がｃｈ２の中心を通る状態からレンズ２を＋Ｙ方向に約２０ｕｍ程度ずらす。この結果、ｃｈ１の中心とレンズ１の光軸とが約２０ｕｍ程度ずれ、ｃｈ２の中心とレンズ２の光軸とが約２０ｕｍ程度ずれる。

この場合、ｃｈ１の発光部１ａから出射されレンズ１、入射面ＩＳを介して全反射面Ｒ１に入射する光（光線１´）のレンズ１から全反射面Ｒ１までの光路と、ｃｈ２の発光部２ａから出射されレンズ２、入射面ＩＳを介して全反射面Ｒ１に入射する光（光線２´）のレンズ２から全反射面Ｒ１までの光路は、非平行であり全反射面Ｒ１に近づくほど近くなる（図１９参照）。なお、レンズへの光の入射角が同じ場合、レンズへの光の入射位置が光軸から離れるほど光の屈折角が大きくなる。

また、ｃｈ１の発光部１ｃから出射されレンズ１、入射面ＩＳを介して全反射面Ｒ２に入射する光（光線３´）のレンズ１から全反射面Ｒ２までの光路と、ｃｈ２の発光部２ｃから出射されレンズ２、入射面ＩＳを介して全反射面Ｒ２に入射する光（光線４´）のレンズ２から全反射面Ｒ２までの光路は、非平行であり全反射面Ｒ２に近づくほど近くなる（図１９参照）。

また、ｃｈ１の発光部１ｂから出射されレンズ１、入射面ＩＳを介して出射面ＯＳに入射する光（光線５´）のレンズ１から出射面ＯＳまでの光路と、ｃｈ２の発光部２ｂから出射されレンズ２、入射面ＩＳを介して出射面ＯＳに入射する光（光線６´）のレンズ２から出射面ＯＳまでの光路は、出射面ＯＳに近づくほど近くなる（図１９参照）。

そして、全反射面Ｒ１で反射された波長が異なる非平行の２つの光（光線１´、２´）の光路は、被検体との接触面である出射面ＯＳ近傍で交わる。また、全反射面Ｒ２で反射された波長が異なる非平行の２つの光（光線３´、４´）の光路は、被検体との接触面である出射面ＯＳ近傍で交わる（図１９参照）。

結果として、図１９に示されるように、全反射面Ｒ１で反射された波長が異なる２つの光（光線１´、２´）の光路が略一致し、該２つの光の被検体への入射位置が同一となる。また、全反射面Ｒ２で反射された波長が異なる２つの光（光線３´、４´）の光路が略一致し、該２つの光の被検体への入射位置が同一となる。また、入射面ＩＳから全反射面を介さずに出射面ＯＳに向かう波長が異なる２つの光（光線５´、６´）の被検体への入射位置が略同一となる。

さらに、光線１´、２´を含む光束と、光線３´、４´を含む光束と、光線５´、６´を含む光束は、非平行であり、被検体の略同一位置に入射される。

なお、図２１に示されるｃｈ１の発光部１ａ、１ｂ、１ｃ以外の２つの発光部からの光及びｃｈ２の発光部２ａ、２ｂ、２ｃ以外の２つの発光部からの光は、入射面ＩＳを通過しそのまま出射面ＯＳから出射され、被検体の上記光束と略同一位置に入射される。

以上説明したＬＭ（III型）では、レンズをｃｈに対してシフトする（ずらす）簡易な手法により波長が異なる２つの光の光路を略一致させ、該２つの光の入射位置を同一にすることができる。波長が異なる２つの光の入射位置を同一にすることで、逆問題推定を行うＮＩＲＳ装置においても、脳血流位置の位置精度の高い計測が可能となる。

一方、ＬＭ（III型）と同様の作用効果を得るためにレンズのシフトに代えてハーフミラーなどの部材を用いると、新規に高精度な位置決めが必要な光学部品が増えて、実装のコストがかさんでしまう。

なお、ＬＭ（III型）では、レンズ１、２の光軸を、対応するｃｈ１、ｃｈ２の中心を通る位置からずらしている（シフトさせている）が、これに限られない。

例えば、レンズ１、２の一方の光軸を対応するｃｈの中心を通る位置からずらし、他方の光軸を対応するｃｈの中心を通る位置に位置させても良い。

また、レンズを対応するｃｈに対してシフトすることに代えて又は加えて、ｃｈを対応するレンズに対してシフトしても良い。

また、レンズ１、２を対応するｃｈ１、ｃｈ２に対してシフトする方向も適宜変更可能である。例えば、レンズ１、２を同一方向にシフトさせても良いし、反対方向（互いに近づく向きや互いに離れる向き）にシフトさせても良い。

また、レンズ１、２を対応するｃｈ１、ｃｈ２に対するシフト量（ずらし量）は、同一であっても良いし、異なっていても良い。

総括すると、要は、ｃｈ１、ｃｈ２からの波長が異なる２つの光の光路が略一致するように、複数の発光部と対応するレンズの光軸との位置関係をｃｈ間で異ならせれば良い。

詳しくは、ｃｈ１、ｃｈ２から出射されレンズ１、２を介した波長が異なる２つの光の光路が徐々に近づき、ＬＭ（III型）における被検体に対する接触面近傍（ＬＭ（III型）の出射端近傍）で該２つの光の光路が交わるように、複数の発光部と対応するレンズの光軸との位置関係をｃｈ間で異ならせることが望ましい。

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。

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。

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。

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。

面発光レーザアレイチップの場合には、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）。

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２２参照）。

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。

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。

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。

また、図２３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。

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。

凸面レンズは、図２４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２４では、図２３に示される透明樹脂の図示が省略されている。

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。

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。

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。

図２５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。

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１６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。

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２６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。

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２６参照）。

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。

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。

図２７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２７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。

図１６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。

図２５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２５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。

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。

実施例２では、レンズの端部にも光を入射させるため、球面収差が小さい方が望ましい。

以上の説明から分かるように、実施例２の光源モジュールＬＭ（I型、II型、III型）からは、互いに非平行な複数の光束が出射される（図１６、図１８、図１９参照）。また、光源モジュールＬＭ（I型、II型）からは、波長が異なる２つの光が、光路が略平行で近接した状態で出射される（図１６、図１８参照）。また、実施例２の光源モジュールＬＭ（III型）からは、波長が異なる２つの光が、光路が非平行で略一致した状態で出射される（図１９参照）。

そして、光源モジュールＬＭ（I型、II型、III型）からの互いに非平行な複数の光束は、被検体の略同一位置に入射する（図１６、図１８、図１９参照）。また、光源モジュールＬＭ（III型）からの光路が略一致した波長が異なる２つの光は、被検体の同一位置に入射する（図１９参照）。

上記「略同一位置」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に対して略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「略同一位置」と言って差し支えない。

また、上記「同一位置」は、「略同一位置」よりも同一性が高いこと意味するが、厳密に同一の場合のみならず、互いに１ｍｍ以下離れた複数位置も「同一位置」と言って差し支えない。

また、上記「光路が略一致」とは、互いに非平行の２つの光路の成す角度が１０°以下であることを意味する。なお、光路の一致性を極力高めるために、互いに非平行の２つの光路の成す角度は、１°以下であることがより望ましい。

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。

ただし、例えば特許文献１のように、プローブ位置を１０ｍｍ以上ずらして、高密度にプローブを配置するには、複数の光源モジュールを独立に配置する必要がある。この複数の光源モジュールを配置する作業は毛髪を一本一本かき分けて行う煩雑な装着作業であり、光源モジュールの増加本数分多く発生してしまう。

本実施形態では、後に詳述するように、１つの光源モジュールＬＭを配置するだけで、複数の光源モジュールを配置したときと同等の情報量を得ることができ、煩雑な作業を増やすことなく、特許文献１のような高密度プローブで実現されている高分解能検出が可能となっている。

また、図２８（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。

これに対し、本実施形態では、図２８（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「略同一位置」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。「略同一位置」という意味合いは、上記記載のように、数ｍｍのずれを許容するものである。

また、実施例２では、筐体に設けられた窓部材に透明なジェルを滴下し、窓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。

図２９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２９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。

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３０参照）。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。

実施例２の光源モジュールＬＭ（I型）では、図１６に示されるように、面発光レーザ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３０に示されるように、生体内（屈折率１．３７）での伝播角は約６０度となる。

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。

検出モジュールＤＭは、図３１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。

検出モジュールＤＭでは、図３２に示されるように、光源から被検体に照射され該被検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。

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。

これに対し、本実施形態の検出モジュールＤＭは、被検体の「略同一位置」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、「略同一位置」の精度は、ｍｍオーダーの位置の相違は問わない。

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３３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。

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。

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。

アパーチャは、筐体の先端及び接触部材を貫通する約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。

上述した被検体からの光が「略同一位置」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。

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。

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。

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。図３３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３３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。

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。

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。

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。

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。

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３４に示されるフローチャートを参照して説明する。

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。

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１５参照）。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。

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、Ｓ２〜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。

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。

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、Ｓ２〜Ｓ６）。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Ｓ２〜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。

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８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。

結果として、図３５に示されるような推定結果を導くことができる。図３５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１７参照）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。

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３５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１０のＺ軸方向）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。

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、を備えている。そして、複数の光源モジュールＬＭそれぞれは、非平行の複数の光束を被検体の略同一位置に照射する。

この場合、被検体（散乱体）の略同一位置に照射される互いに非平行の複数の光束は、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３６参照）。

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。

結果として、光学センサ１０では、被検体への装着性を低下させず、かつ高分解能を得ることができる。

なお、被検体の略同一位置に入射する複数の光束が非平行であることは、複数の光束が角度を成していることを意味する。つまり、複数の光束の成す角が存在することで、該複数の光束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、仮に被検体の略同一位置に入射する複数の光束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）、該複数の光束の被検体内での伝播経路は同じになってしまう。

また、本実施形態の光源モジュールＬＭは、複数の面発光レーザ（発光部）を有する面発光レーザアレイと、前記複数の面発光レーザ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凸面レンズとを有し、該凸面レンズの主点と面発光レーザアレイとの距離は、凸面レンズの焦点距離と一致していない。

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。

一方、面発光レーザアレイが凸面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、凸面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）。

また、凸面レンズと面発光レーザアレイとの間に、屈折率が該凸面レンズと同等の透明樹脂で満たされている。

この場合、凸面レンズと面発光レーザアレイ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。

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。

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。

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が設けられた接触部材及び筐体を有している。

この場合、被検体の略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。

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。

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。

また、光源モジュールＬＭは、被検体に接する、該被検体よりも屈折率が大きい材料（透明樹脂）からなる窓部材を有しているため、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、被検体の略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。

また、光源モジュールＬＭは、２次元配置された複数の面発光レーザと、複数の面発光レーザからの光の光路上に配置された照射用レンズ（レンズ）を含む。

この場合、複数の面発光レーザからの光の進行方向を所望の方向（対応するプリズムが配置されている方向）に変えることができる。

また、光源モジュールＬＭは、照射用レンズを介した光の光路上に配置され、該光を所定方向に反射させるプリズム（反射部材）を有している。

この場合、照射用レンズからの光の進行方向を更に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。

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。

また、光学検査装置１００は、光学センサ１０と、該光学センサ１０での検出結果に基づいて、被検体の光学特性を算出する制御部（光学特性算出部）と、を備えている。

この場合、光学センサ１０での検出精度が高いため、被検体の光学特性を高精度に算出することができる。

また、本実施形態（実施例１及び２）の光学センサ１０は、被検体（例えば生体）に光を照射する光源モジュールＬＭ（光照射器）を複数含む照射系と、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、光源モジュールＬＭは、波長が異なる複数の光を前記被検体の略同一位置に照射可能である。

この場合、被検体内の情報を精度良く計測することができる。

具体的には、逆問題推定を行うＮＩＲＳ装置においても、脳血流位置の位置精度の高い計測が可能となる。

また、光源モジュールＬＭ（第III型）は、波長が異なる２つの光を個別に出射する（出射光の波長が互いに異なる）２つのｃｈと、該２つのｃｈからの波長が異なる２つの光の光路上に個別に配置された２つのレンズ１、２と、該２つのレンズを介した波長が異なる２つの光の光路上に共通に配置されたプリズムと、を含み、該プリズムを介した波長が異なる２つの光の光路が略一致する。なお、「光路が略一致する」とは、プリズムを介した波長が異なる複数の光のうち任意の２つの光の光路が成す角度が１０°以下であることを意味する。

この場合、簡易な構成により、波長が異なる２つの光を前記被検体の同一位置に照射することができる。

また、ＬＭ（III型）では、プリズムは、２つのレンズ１、２を介した波長が異なる２つの光を反射する反射面（全反射面Ｒ１、Ｒ２）を有し、２つのレンズ１、２から反射面までの波長が異なる２つの光の光路は、非平行である。

この場合、仮に波長が異なる２つの光を２つの反射面で個別に反射する構成に比べ、構成を簡素化でき、コストダウンを図ることができる。

また、ＬＭ（III型）では、プリズムに代えて、複数の光学素子を用いる場合に比べて、実装を行う部品点数が減り、実装コストを低減できる。

また、ＬＭ（III型）では、２つのレンズ１、２からプリズムの反射面までの波長が異なる２つの光の光路は、プリズムの反射面に近づくほど近くなるため、該反射面で該２つの光を光路を近接させた状態で被検体に向けて反射させることができる。

また、ＬＭ（III型）では、プリズムの反射面で反射された波長が異なる２つの光は、ＬＭ（III型）の出射端近傍で交わるため、該２つの光を被検体の同一位置に確実に入射させることができる。

また、ＬＭ（III型）では、２つのｃｈそれぞれは、アレイ状に配置された複数の発光部を有し、複数の発光部と対応するレンズの光軸との位置関係が複数の光源間で異なるため、２つのｃｈの対応関係にある２つの発光部から出射された波長が異なる２つの光をレンズ１、２から非平行の状態で出射することができる。

また、ＬＭ（III型）では、各ｃｈの中心（アレイ中心）が対応するレンズの光軸上から外れた位置にあるため、２つのｃｈの対応関係にある２つの発光部をペアとしたときに全ペアのレンズの光軸に対する位置関係を異ならせることができる。

また、２つのレンズ１、２と２つのｃｈとの間は、屈折率がレンズ１、２と同等の透明樹脂で満たされていても良い（図２３参照）。

また、レンズ１、２は、対応するｃｈ側に凸となる形状を有していても良い（図２５参照）。

また、ＬＭ（II型）、ＬＭ（III型）の共通光学素子としては、プリズムに限らず、要は、波長が異なる複数の光を反射する反射面を少なくとも１つ有する部材であれば良い。

《第２実施形態》
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。

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（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ Ｉｍａｇｉｎｇ）と略す。）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。

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。

以下では、脳内の血流を計測する方法を、図３７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（ステップＳ３２）。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を発光させる（ステップＳ３３）。発光（パルス発光）は、１グループ毎に行い、強度は４ｍＷ程度になるように、電流値を決定している。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）。

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、Ｓ３３〜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。

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。

《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。

ところで、上記第１実施形態の実施例２では、図１５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１５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。

そこで、発明者らは、プローブ配置を鋭意検討した結果、図３８に示される配置が最適であることを見出した。図３８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。

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１５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３８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１５と図３８のプローブ配置で比べると、図３８のプローブ配置の方が短くて好ましいことが判る。

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。

《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の配置に工夫を凝らしている。ｃｈ、ＰＤ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。

上記第１実施形態の実施例２では、図１５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。

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
。

図３９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。

そこで、面発光レーザアレイチップを、図４０（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４０（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４１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。

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４１の×の位置では、より感度を持つことが期待できる。

図４０（Ａ）及び図４０（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。

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。

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。

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。

また、上記各実施形態では、光照射器の反射部材としてプリズムが用いられているが、他のミラー等が設けられても良い。

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。

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。

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。

なお、上記各実施形態で説明した光学センサの構成の少なくとも一部は、実施形態間、実施例間で相互に転用可能であることは言うまでもない。

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）。

特許３７７９１３４号公報

Claims (12)

1. 被検体に光を照射する光照射器を少なくとも１つ含む照射系と、該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、波長が異なる複数の光を個別に出射する複数の光源と、前記複数の光源からの波長が異なる複数の光の光路上に個別に配置された複数の個別光学素子と、前記複数の個別光学素子を介した波長が異なる複数の光の光路上に共通に配置された共通光学素子と、を含み、波長が異なる複数の光を前記被検体の略同一位置に照射可能であり、前記共通光学素子を介した波長が異なる複数の光の光路は略一致し、
   前記複数の光源それぞれは、アレイ状に配置された複数の発光部を有し、前記複数の発光部と、対応する前記個別光学素子の光軸との位置関係が前記複数の光源間で異なることを特徴とする光学センサ。
2. 前記共通光学素子は、前記複数の個別光学素子を介した波長が異なる複数の光を反射する反射面を有し、
   前記複数の個別光学素子から前記反射面までの波長が異なる複数の光の光路は、非平行であることを特徴とする請求項１に記載の光学センサ。
3. 前記複数の個別光学素子から前記反射面までの波長が異なる複数の光の光路は、前記反射面に近づくほど近くなることを特徴とする請求項２に記載の光学センサ。
4. 前記反射面で反射された波長が異なる複数の光は、前記光照射器の出射端近傍で交わることを特徴とする請求項２又は３に記載の光学センサ。
5. 前記反射面で反射された波長が異なる複数の光のうち任意の２つの光の光路が成す角度は、１０°以下であることを特徴とする請求項２〜４のいずれか一項に記載の光学センサ。
6. 前記角度は、１°以下であることを特徴とする請求項５に記載の光学センサ。
7. 前記複数の光源のうち少なくとも１つの光源の中心は、対応する前記個別光学素子の光軸上から外れた位置にあることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の光学センサ。
8. 前記光源は、面発光レーザアレイであることを特徴とする請求項７に記載の光学センサ。
9. 前記個別光学素子と前記光源との間は、屈折率が前記個別光学素子と同等の透明樹脂で満たされていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の光学センサ。
10. 前記個別光学素子は、前記光源側に凸となる形状を有していることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の光学センサ。
11. 請求項１〜１０のいずれか一項に記載の光学センサと、
    前記光学センサでの検出結果に基づいて、前記被検体の光学特性を算出する光学特性算出部と、を備える光学検査装置。
12. 請求項１〜１０のいずれか一項に記載の光学センサを用いて、被検体の光学特性を検出する光学特性検出方法であって、
    前記被検体の光に対する感度分布を求める工程と、
    前記感度分布に基づいて、逆問題を解くことで、前記被検体の光学特性を算出する工程と、を含む光学特性検出方法。