JP7039825B2 - 光学センサ、光学検査装置 - Google Patents

Description

本発明は、光学センサ、及び光学検査装置に関する。

従来、光を照射する対象物である被検体（生体）に光を照射し、被検体内を伝播した光を検出する生体光計測装置が知られている。

このような生体光計測装置では、被検体に光を照射する光照射部（レーザ等）を備えた光照射器が必要であるが、精度の良い計測を行うためには、光照射部から被検体に照射する光の光量を安定させることが重要である。そこで、光照射部から被検体に照射する光の光量を検出する様々な方法が検討されている。例えば、光照射部から被検体に照射する光の光量を検出する手段としてプリズム内に受光素子を配置する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら、上記の生体光計測装置において、プリズム内に受光素子を実装することは困難である。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、実装が容易な構造により光照射部からの光量を検出可能とする光学センサを提供することを目的とする。

本光学センサは、面発光レーザである光照射部及び前記光照射部の出射光量を検出する検出素子を含む組を複数有し、各々の前記組の前記光照射部は、活性層を有する積層構造体の一部であり、且つ、前記検出素子は、前記活性層を有する積層構造体の他の一部であり、同一の前記組の前記光照射部の活性層と前記検出素子の活性層とは繋がっており、異なる前記組の前記光照射部の活性層同士は繋がっていない光照射器を含み、対象物に照射する照射系と、
前記照射系から前記対象物に照射され前記対象物内を伝搬した光を検出する検出系と、
を有することを要件とする。

開示の技術によれば、実装が容易な構造により光照射部からの光量を検出可能とする光学センサを提供できる。

第１実施形態に係る光学検査装置の概略構成を例示する図である。 第１実施形態に係る光学検査装置のブロック構成を例示する図（その１）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の面発光レーザアレイの例を示す断面図である。 実施例１の面発光レーザアレイの他の例を示す断面図である。 実施例１の面発光レーザアレイの更に他の例を示す断面図である。 実施例１の光照射部及び検出素子の配置を例示する平面模式図である。 実施例１の光照射部及び検出素子のマスクレイアウトの例を示す図である。 実施例１の光照射部及び検出素子のマスクレイアウトの他の例を示す図である。 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（その１）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。 第１実施形態に係る光学検査装置のブロック構成を例示する図（その２）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。 フォトダイオード（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（その２）である。 吸光体の実際の位置、吸光体の位置の推定結果、及び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。 移動後の吸光体の実際の位置、移動後の吸光体の位置の推定結果、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の光源モジュールを説明するための図である。 実施例２の光照射部及び検出素子のマスクレイアウトの例を示す図である。 面発光レーザアレイチップと凸面レンズとの配置等を説明するための図（その１）である。 面発光レーザアレイチップと凸面レンズとの配置等を説明するための図（その２）である。 面発光レーザアレイチップと凸面レンズとの配置等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の一例を示す図である。 実施例２における被検体への光の入射について説明するための図である。 比較例における被検体への光の入射について説明するための図である。 実施例及び比較例における検出誤差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。 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。 脳内の血流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。

以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。

〈第１の実施の形態〉
図１は、第１実施形態に係る光学検査装置の概略構成を例示する図である。図１を参照するに、光学検査装置１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、例えば生体等の被検体（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１は、光学センサ１０、制御部２０、計算部３０、表示部４０等を備えている。光学センサ１０は、複数の光源モジュール１１（光照射器）を含む照射系と、複数の検出モジュール１２を含む検出系とを備えている。照射系は、対象物に光を照射する機能を有し、検出系は照射系から対象物に照射され対象物内を伝播した光を検出する機能を有している。複数の光源モジュール１１及び複数の検出モジュール１２は、それぞれ制御部２０に対して電気配線を介して接続されている。複数の光源モジュール１１は、異なる波長の光源モジュール１１を含んでもよい。

但し、使用態様によっては、光学センサ１０は、光源モジュール１１及び検出モジュール１２を１つずつ有する形態であってもよい。

制御部２０は、例えば、図２のブロック図に示すように構成することができる。制御部２０では、中央処理装置２１からの情報によって、スイッチ部２２が制御され、発光する光源モジュール１１が選択される。このとき、スイッチ部２２を介して光源モジュール１１に供給される電流が電流制御部２３で所望の値に制御される。検出モジュール１２での検出結果（データ）は、Ａ／Ｄ変換部２４でＡ／Ｄ変換され、演算部２５で平均化処理等の演算が行われる。演算部２５での演算結果は、順次、記録部２６に記録される。

本明細書中、光源モジュール１１及び検出モジュール１２を、特に区別する必要がない場合には、プローブとも称する。又、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、擬似生体及び生体は被検体（光を照射する対象物）の具体例である。

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、本実施の形態では、汎用性を持たせるとともに、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（ファントムとも称する）を採用している。

以下に、本実施の形態の実施例１について説明する。

〈実施例１〉
実施例１では、光照射器である光源モジュール１１の各光照射部（各面発光レーザ）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３に示すように、各壁が黒色のアクリル板で構成された水槽１０１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１０２を設けている。水槽１０１の内部は、イントラリピッド水溶液（イントラリピッド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。

水槽１０１内に満たされたイントラリ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リ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１０１の各透明窓１０２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１０１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１０２は、２種類の大きさの円形の透明窓１０２Ａ及び１０２Ｂで構成されている。透明窓１０２Ａ及び１０２Ｂは、４つずつ設けられている。透明窓１０２Ａの直径は９ｍｍ、透明窓１０２Ｂの直径は１２ｍｍである。透明窓１０２Ａ及び１０２Ｂの厚さは、何れも１．５ｍｍである。

図４は、８つの透明窓のレイアウトを示している。８つの透明窓１０２Ａ及び１０２Ｂは、透明窓１０２Ａと透明窓１０２Ｂとが隣り合うように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１０２Ａには検出モジュール１２が装着され、各透明窓１０２Ｂ（Ｂ１～Ｂ４）には光源モジュール１１が装着される。隣り合う２つの透明窓１０２Ａと透明窓１０２Ｂの中心間の距離は、３０ｍｍである。なお、図４では、４の透明窓１０２Ｂを、便宜上、Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、及びＢ４としている。

光源モジュール１１は、図５に示すように、レンズ１１Ａ、プリズム１１Ｂ、面発光レーザアレイチップ１１Ｃ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１１Ｄ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１１Ｅ、被検体と接触する透明樹脂からなる窓部材１１Ｆ等を含む。

アナログ電子回路１１Ｄは２種類あり、一方のアナログ電子回路（光量検出）は、アンプ回路を含みアナログデジタル変換を行っている。これにより現在光っている面発光レーザアレイチップ１１Ｃの光量を検出することができる。この光量を制御部２０に配線を解して送信する。制御部２０は、最適な光量を計算し、その結果に基づいて最適な光量になる電流を、配線を介して他方のアナログ電子回路（光量制御）に送る。他方のアナログ電子回路（光量制御）により、面発光レーザアレイチップ１１Ｃは所望の光量で発光する。

図６は、面発光レーザアレイの例を示す断面図である。図６に示すように、面発光レーザアレイチップ１１Ｃは、基板１１１、下部半導体ＤＢＲ（distributed Bragg reflector）１１２、下部スペーサ層１１３、活性層１１４、上部スペーサ層１１５、上部半導体ＤＢＲ１１６、電極１１７等を有している。

基板１１１は、表面が鏡面研磨面であり、鏡面研磨面の法線方向が、結晶方位［１ ０ ０］方向に対して、結晶方位［１ １ １］Ａ方向に向かって１５度（θ＝１５度）傾斜したｎ－ＧａＡｓ単結晶基板である。ここでは、結晶方位［０ １ －１］方向が－Ｘ方向、結晶方位［０ －１ １］方向が＋Ｘ方向となるように配置されている。

下部半導体ＤＢＲ１１２は、バッファ層を介して基板１１１の面上に積層され、ｎ－Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓからなる低屈折率層と、ｎ－Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓからなる高屈折率層のペアを３７．５ペア有している。各屈折率層の間には、電気抵抗を低減するため、一方の組成から他方の組成へ向かって組成を徐々に変化させた厚さ２０ｎｍの組成傾斜層が設けられている。そして、各屈折率層は何れも、隣接する組成傾斜層の１／２を含んで、発振波長をλとするとλ／４の光学的厚さとなるように設定されている。なお、光学的厚さとその層の実際の厚さについては以下の関係がある。光学的厚さがλ／４のとき、その層の実際の厚さＤは、Ｄ＝λ／４Ｎ（但し、Ｎはその層の媒質の屈折率）である。

下部スペーサ層１１３は、下部半導体ＤＢＲ１１２の＋Ｚ側に積層され、ノンドープのＡｌ_０．６Ｇａ_０．４Ａｓからなる層である。活性層１１４は、下部スペーサ層１１３の＋Ｚ側に積層され、３層の量子井戸層と４層の障壁層とを有している。各量子井戸層は、Ａｌ_０．１２Ｇａ_０．８８Ａｓからなり、各障壁層は、Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓからなる。上部スペーサ層１１５は、活性層１１４の＋Ｚ側に積層され、ノンドープのＡｌ_０．６Ｇａ_０．４Ａｓからなる層である。

下部スペーサ層１１３と活性層１１４と上部スペーサ層１１５とからなる部分は、共振器構造体とも呼ばれており、その厚さが１波長の光学的厚さとなるように設定されている。 なお、活性層１１４は、高い誘導放出確率が得られるように、電界の定在波分布における腹に対応する位置である共振器構造体の中央に設けられている。

上部半導体ＤＢＲ１１６は、上部スペーサ層１１５の＋Ｚ側に積層され、ｐ－Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓからなる低屈折率層とｐ－Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓからなる高屈折率層のペアを２４ペア有している。各屈折率層の間には、電気抵抗を低減するため、一方の組成から他方の組成へ向かって組成を徐々に変化させた組成傾斜層が設けられている。そして、各屈折率層は何れも、隣接する組成傾斜層の１／２を含んで、λ／４の光学的厚さとなるように設定されている。上部半導体ＤＢＲ１１６における共振器構造体から光学的にλ／４離れた位置に、ｐ－ＡｌＡｓからなる被選択酸化層が設けられている。

図６では、面発光レーザである光照射部１１Ｃ_１及び１１Ｃ_２を並べ、それぞれに電流源１１８を配線し、矢印方向に光Ｌが出射される。光照射部１１Ｃ_１及び１１Ｃ_２はエッチングによってメサ構造を備えた形状とされており、光照射部１１Ｃ_１と光照射部１１Ｃ_２との間には溝が形成されている。エッチングの深さは下部スペーサ層１１３に到達している。光照射部１１Ｃ_１及び１１Ｃ_２の各々の活性層１１４は、エッチングによって離間して配置されている。

図７は、面発光レーザアレイの他の例を示す断面図である。図７に示した構造では、光照射部１１Ｃ_３、及び光照射部１１Ｃ_３の出射光量を検出する検出素子１１Ｃ_４を並べ、光照射部１１Ｃ_３に電流源１１８を配線し、検出素子１１Ｃ_４に電流計１１９を配線している。又、エッチングの深さは活性層１１４に到達している。

光照射部１１Ｃ_３及び検出素子１１Ｃ_４の各々の活性層１１４は繋がっている。これにより、光照射部１１Ｃ_３の発光時に活性層１１４を伝播してきた光Ｌ_Ｔは、検出素子１１Ｃ_４の位置で光から電子に変換される。そして、光から変換された電子が電流計１１９に流れ、電流量として検出できる。

光照射部１１Ｃ_３の光量を検出素子１１Ｃ_４でモニタし、適切な光量になるように制御部２０にフィードバックする。フィードバックされた情報を電流源１１８で適切な電流値で駆動させることで、光照射部１１Ｃ_３の光量を一定に保つことができる。

図８は、面発光レーザアレイの更に他の例を示す断面図であり、実施例１では図８の構造を採用している。図８に示した構造では、光照射部１１Ｃ_１、光照射部１１Ｃ_３、及び検出素子１１Ｃ_４を並べ、光照射部１１Ｃ_１及び１１Ｃ_３に電流源１１８を配線し、検出素子１１Ｃ_４に電流計１１９を配線している。光照射部１１Ｃ_１、光照射部１１Ｃ_３、及び検出素子１１Ｃ_４は、活性層１１４を有する同一の積層構造体の一部である。又、光照射部１１Ｃ_１、光照射部１１Ｃ_３、及び検出素子１１Ｃ_４は、メサ構造を備えた形状とされている。

光照射部１１Ｃ_１のメサ構造と光照射部１１Ｃ_３のメサ構造との距離はＷ_２となっており、光照射部１１Ｃ_１及び１１Ｃ_３の各々の活性層１１４は、エッチングによって離間して配置されている。つまり、光照射部１１Ｃ_１と光照射部１１Ｃ_３の活性層１１４同士は繋がっていない。

一方で、光照射部１１Ｃ_３のメサ構造と検出素子１１Ｃ_４のメサ構造との距離はＷ_１となり、光照射部１１Ｃ_３と検出素子１１Ｃ_４の活性層１１４は繋がっている。これにより、検出素子１１Ｃ_４は光照射部１１Ｃ_３の光量をモニタすることができ、光照射部１１Ｃ_１の影響はほぼ受けない。

又、一方の光照射部が発光したとき、活性層１１４を通じて漏れ光が他方の光照射部の動作に与える影響も小さくすることができ、精度の良い光量モニタと光照射部同士が影響を受けずに安定した動作が可能となる。エッチング深さをチップ内の領域で自在に制御することはプロセス上難しいが、本実施例では、図９に示すようにして実現している。

なお、光照射部及び光照射部の出射光量を検出する検出素子が１組をなし、これが複数組設けられている。例えば、光照射部１１Ｃ_３及び光照射部１１Ｃ_３の出射光量を検出する検出素子１１Ｃ_４が１組であり、光照射部１１Ｃ_１及び光照射部１１Ｃ_１の出射光量を検出する検出素子１１Ｃ_４が１組である。但し、図８では、光照射部１１Ｃ_１の出射光量を検出する検出素子１１Ｃ_４は描かれていない。

このように、光照射部及び検出素子を、活性層を有する同一の積層構造体の一部とすることにより、光照射部及び検出素子の実装が容易な構造を実現できる。又、同一の組において光照射部の活性層と検出素子の活性層とを繋げることで、光照射部からの光量を検出素子で検出可能となる。又、異なる組において光照射部の活性層同士を繋がない構造とすることで、一方の光照射部が発光したとき、活性層を通じて漏れ光が他方の光照射部の動作に与える影響も小さくすることができる。

図９は、光照射部及び検出素子の配置を例示する平面模式図である。光照射部１１Ｃ_１と光照射部１１Ｃ_３との間の距離Ｗ_２を、光照射部１１Ｃ_１と検出素子１１Ｃ_４との間の距離Ｗ_１及び光照射部１１Ｃ_３と検出素子１１Ｃ_４との間の距離Ｗ_１より大きくすることで、マイクロローディング効果によってエッチング深さに差が生じる。このようにして図８の構造を実現することができる。距離Ｗ_１及びＷ_２はフォトマスクで設計できるため、プロセスのばらつき程度の寸法精度でコントロールできる。なお、１１Ｇは、電極パッドを示している。

図１０は、光照射部及び検出素子のマスクレイアウトの例を示す図である。図１０では、光照射部と検出素子との組が４組示されている。各組において、各々の検出素子が光照射部の光量を検出する上で、十分な電流が得られることが必要である。又、距離Ｗ_１及びＷ_２の値が近いとエッチング深さに差が付かず活性層１１４を隔てることができない。ここでは、距離Ｗ_１は１５μｍ、距離Ｗ_２は１００μｍとした。距離Ｗ_２は距離Ｗ_１の２倍以上とすることがプロセス上望ましい。

図１１は、光照射部及び検出素子のマスクレイアウトの他の例を示す図である。図１１では、各々の検出素子１１Ｃ_４同士の配線が全て電気的に繋がっている例を示している。図１１のマスクレイアウトでは、各々の光照射部を同時に発光させて各々の光出力をリアルタイムで補正する必要がない場合、電極パッド１１Ｇの数が少なくなり実装が容易になるメリットがある。

光源モジュール１１では、電源部により適切な電流値に制御することで光照射部の光量を一定に保つことができる。光源モジュール１１は、被検体（透明窓１０２Ｂ）に窓部材１１Ｆ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１２は、図１２に示すように、黒い樹脂製の筐体１２Ａ、筐体１２Ａ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１２Ｂ、筐体１２Ａに収容された直径３ｍｍの分割レンズ１２Ｃ（半球レンズ）及び受光部となる４分割ＰＤアレイ１２Ｄ（光検出器）を含んで構成されている。なお、４分割のＰＤアレイ１２Ｄは、４つの受光部（フォトダイオード）がアレイ状に配列されたものであり、図１２には４つの受光部のうち２つの受光部１２Ｄ_１及び１２Ｄ_２のみが図示されている。

筐体１２Ａの先端及び接触部材１２Ｂには、アパーチャ１２Ｅ（開口）が形成されている。検出モジュール１２は、被検体９００（透明窓１０２Ａ）に接触部材１２Ｂが＋Ｚ側から接触された状態で装着される。

分割レンズ１２Ｃは、アパーチャ１２Ｅの＋Ｚ側近傍に配置されている。そこで、光源モジュール１１から被検体９００に照射され被検体９００内を伝播した光は、アパーチャ１２Ｅを介して分割レンズ１２Ｃに入射し、分割レンズ１２Ｃ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１２参照）。

ＰＤアレイ１２Ｄは、分割レンズ１２Ｃの＋Ｚ側に配置されている。そこで、分割レンズ１２Ｃを介した光は、その進行方向（分割レンズ１２Ｃからの出射方向）に応じてＰＤアレイ１２Ｄの４つの受光部の何れかに入射する。このようにして、検出モジュール１２では、被検体９００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２０は、各透明窓１０２Ａに装着された検出モジュール１２の４つの受光部の受光量（計１６個のＰＤの受光量）をオペアンプにて電圧に変換し、演算部２５を経由して記録部２６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計測した数値を演算部２５で平均化する。１回の測定では１６個のＰＤのデータを取得する。

次に、図１３を参照して、光源モジュール１１について詳細に説明する。光源モジュール１１の光源には、５ｃｈの面発光レーザアレイチップ１１Ｃ、すなわち光照射部としてのＶＣＳＥＬ（面発光レーザ）を５個有する面発光レーザアレイチップ１１Ｃが採用されている。

面発光レーザアレイチップ１１Ｃの光路上には、面発光レーザアレイチップ１１Ｃから出射された光を略平行光とする直径３ｍｍのレンズ１１Ａが配置されている。面発光レーザアレイチップ１１Ｃの出射面（発光面）とレンズ１１Ａの主点（レンズの光学的な中心）との距離は、レンズ１１Ａ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１１Ｃは、出射面がレンズ１１Ａの焦点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、５ｃｈの面発光レーザアレイチップ１１Ｃを同時に点灯し、総出力は６ｍＷ程度とされる。面発光レーザアレイチップ１１Ｃから出射された平行光は、プリズム１１Ｂに入射し、プリズム１１Ｂへの入射光Ｌ_Ｐはプリズム１１Ｂによって偏向される。

プリズム１１Ｂとしては、アクリル製の水槽１０１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１１Ｂの反射面１１Ｂ_Ｒは、レンズ１１Ａの径に合わせて設計され、反射面１１Ｂ_Ｒの角度は、レンズ１１Ａを介した光がアクリル製の水槽１０１に入射角５０°程度で入射するように設定されている。

水槽１０１及びプリズム１１Ｂを構成するアクリルと、ファントム（イントラリピッド水溶液）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１３中のθ１）になるように設定されている。プリズム１１Ｂは、Ｚ軸方向に延びる回転軸Ｏの周りに回転可能な回転ステージに取り付けられている。

この回転ステージ及びプリズム１１Ｂを一緒に回転させることで、プリズム１１Ｂ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１４に示すように、＋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１１の位置（図４の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１１Ｂと水槽１０１との間には、これらと屈折率が同等のジェル状の樹脂が充填されている。これにより、プリズム１１Ｂと水槽１０１との間での屈折や反射を防止できる。なお、図１３において、Ｌ_Ｍは、プリズム１１Ｂを出射して水槽１０１の内部に入射した生体内伝搬光を示している。

次に、被検体９００内の情報の計測方法について、図１５に示すフローチャートを参照して説明する。

先ず、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、前述の如く光源モジュール１１及び検出モジュール１２を意味する。ここでのセッティング対象のプローブは、１つの光源モジュール１１と４つの検出モジュール１２である。１つの光源モジュール１１は、図４に示す透明窓１０２のＢ１に装着される。又、４つの検出モジュール１２は、図４に示す直径９ｍｍの４つの透明窓１０２Ａに個別に装着される。

次に、筐体１１Ｅ内に内蔵されているモニタ用受光素子により発光強度がトータルで５０ｍＷ程度になるように、光源モジュール１１の電流値が設定される（ステップＴ２）。
その後、光源モジュール１１の５個のｃｈ（光照射部）を同時に発光させる（ステップＴ３）。又、測定中は光源モジュール１１内の光照射部の側に配置されている検出素子で光量をモニタし、所望の光量になるよう調整する。

ここでは、発光を１ｃｈ毎に行い、発光強度は１ｍＷ程度になるように、電流値が決定される。又、測定中も常に受光素子で光量をモニタし、一定の光量になるよう電流値が調整される。これにより高精度なＮＩＲＳ（近赤外線分光法）測定が可能になり、高分解能化に繋がる。発光時間は２０ｓｅｃ程度であり、その間、４つの検出モジュール１２のＰＤの検出値を読み取り（ステップＴ４）、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Ｔ５）。

次に、出射光の波長を切り替えてステップＴ２～Ｔ５を再度行う。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１１を予め用意しておき、光源モジュール１１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Ｔ６、Ｔ７）。具体的には、ステップＴ１の直後のステップＴ２～Ｔ５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（ステップＴ７）。この状態でステップＴ２～Ｔ５を行う。次いで、プリズムを回転させて、－Ｘ方向とする（ステップＴ７）。この状態でステップＴ２～Ｔ５を行う。次いで、プリズムを回転させて、－Ｙ方向とする（ステップＴ７）。この状態でステップＴ２～Ｔ５を行う。

次に、光源モジュール１１の装着位置を透明窓１０２の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Ｔ８、Ｔ９）。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１１の４つの装着位置での計測を行う（ステップＴ１０、Ｔ１１）。

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１２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１５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、先ずは、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１６のステップＳ２１～Ｓ２５参照）。

図１７には、計算部３０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３１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ＧＰＵ３２（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３１に格納する。この計算結果と制御部２０の記録部２６に格納されている計測結果を中央処理装置３３に入力して、中央処理装置３３において逆問題推定を行う。推定結果は制御部２０の中央処理装置２１を介して表示部に表示される。

ところで、従来、順問題計算の際、生体等の散乱体の中では、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、近年の学会等でも、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。

本実施の形態では、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、本実施の形態では、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中で、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。

本実施の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１０９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１１、伝播角、検出モジュール１２の位置等、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φ０（ｒ）とする。特に、光源モジュール１１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φ０（ｒｓ、ｒ）とする。次に、検出モジュール１２を配置していた位置に光源モジュール１１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１２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φ０（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１１から出射して、検出モジュール１２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１２に入る全てのフォトン数φ０（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１８に示されている。ここでは、光源モジュール１１、検出モジュール１２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１８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１９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２０に示されている。

図１９に示すように、＋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１１／検出モジュール１２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δμａ（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１１から出る光の量、ｒｓは光源モジュール１１の位置、ｒｄは検出モジュール１２の位置、φ（ｒｓ、ｒｄ）は光源モジュール１１から出た光が検出モジュール１２に届く光量を表し、φ０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φ０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δμａ（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、式『Ｙ＝Ａ（ｒ）Ｘ』となる。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示す。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、本実施の形態では、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２１（Ｂ）に示すような推定結果を導くことができる。図２１（Ａ）は吸光体の位置を示している。図２１（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わかった。

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２１（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。

又、吸光体の位置を変えて（図２２（Ａ）参照）、推定を行った結果（推定結果）が図２２（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わかる。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２２（Ｃ）に示す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、本実施の形態の実施例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１０１に注入されたイントラリピッド水溶液（イントラリピッド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リピッド水溶液に、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１０１は、例えば１４０ｍｍ×１４０ｍｍ×６０ｍｍの容積で壁の厚さ１ｍｍの直方体形状の水槽である。

図２３で示す光学センサ１０は、複数（例えば８つ）の光源モジュール６１を含む照射系と、複数（例えば８つ）の検出モジュール６２を含む検出系と、を備えている。複数の光源モジュール６１及び複数の検出モジュール６２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２０は、各光源モジュール６１における光源の発光タイミングや各検出モジュール６２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２６に転送する。又、制御部２０は、記録部２６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４０に表示させる制御を行う。

図２３に示すように、８つの光源モジュール６１及び８つの検出モジュール６２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方向の何れに関しても光源モジュール６１と検出モジュール６２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２３では、光源モジュール６１は四角印で示され、検出モジュール６２は丸印で示されている。

光源モジュール６１は、図２４に示すように、例えば凸面レンズ６１Ａ_１及び６１Ａ_２、複数のプリズム６１Ｂ等の光学素子、複数の面発光レーザアレイチップ６１Ｃ_Ａ及び６１Ｃ_Ｂが実装されたセラミックパッケージ、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、該フレキ基板に結線されている配線、コネクタ部、これらが収容された筐体６１Ｅ、被検体と接触する透明樹脂からなる窓部材６１Ｆ等を含む。

面発光レーザアレイチップの各面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）の発振波長は、一例として７８０ｎｍ又は９００ｎｍである。この波長は血液中の酸素濃度で吸収係数が大きく変わることから選定している。光源モジュール６１では、図２４に示すように、発振波長が９００ｎｍの面発光レーザアレイチップ６１Ｃ_Ａ及び発振波長が７８０ｎｍの面発光レーザアレイチップ６１Ｃ_Ｂが並列に配置され、面発光レーザアレイチップ６１Ｃ_Ａの出射端近傍に凸面レンズ６１Ａ_１が配置され、面発光レーザアレイチップ６１Ｃ_Ｂの出射端近傍に凸面レンズ６１Ａ_２が配置されている。各面発光レーザをｃｈ（チャンネル）とも称する。

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６１Ｆの内部に形成された反射部材としてのプリズム６１Ｂで所望の角度に偏向され（所定方向に反射され）、筐体６１Ｅの外に出射される。

面発光レーザアレイチップ６１Ｃ_Ａ（面発光レーザアレイチップ６１Ｃ_Ｂも同様）は、図２５に示すように、一辺が約８７０ｍｍの正方形状であり、２次元配置された複数（例えば５個）の光照射部６１Ｃ_Ａ１と検出素子６１ＣＡ_２との組が設けられている。５つの光照射部６１Ｃ_Ａ１となる面発光レーザは、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。

各光照射部６１Ｃ_Ａ１となる面発光レーザの発光光量は光照射部６１Ｃ_Ａ１（面発光レーザ）に並ぶ検出素子６１Ｃ_Ａ２に流れる電流を使って検出することができる。外部の光量計を使って光照射部６１Ｃ_Ａ１（面発光レーザ）からの光量と検出素子６１Ｃ_Ａ２に流れる電流をキャリブレーションすることで各光照射部６１Ｃ_Ａ１（面発光レーザ）と検出素子６１Ｃ_Ａ２に適応した光量調整が可能となる。

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。

又、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。又、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作るには、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。又、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。光ディスク等でも、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。
本実施の形態（実施例１及び２）では、面発光レーザアレイチップ６１Ｃからの出射光の光路上に凸面レンズ６１Ａ（単に「レンズ」とも称する）が配置されている（図２６参照）。

凸面レンズ６１Ａの直径は１ｍｍであり、凸面レンズ６１Ａの有効径εは６００μｍである。凸面レンズ６１Ａの焦点距離ｆは６００μｍである。面発光レーザアレイチップ６１Ｃは１ｍｍ角のチップであり、該面発光レーザアレイチップ６１Ｃ内で最も離れた２つのｃｈ（光照射部となる面発光レーザ６１Ｌ）の中心間距離ｄｍａｘは６００μｍ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６１Ａの直径を最小にすることができる。

ここで、凸面レンズ６１Ａと面発光レーザアレイチップ６１Ｃは、凸面レンズ６１Ａの主点Ｃ（光学的な中心）と面発光レーザアレイチップ６１Ｃの発光面（出射面）との凸面レンズ６１Ａの光軸方向の距離Ｌが例えば３００μｍ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６１Ｃから出射され凸面レンズ６１Ａを透過した光がプリズム等で正反射され、凸面レンズ６１Ａで面発光レーザアレイチップ６１Ｃ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６１Ｃの各ｃｈ（光照射部となる面発光レーザ６１Ｌ）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。

又、図２７に示すように、凸面レンズ６１Ａと面発光レーザアレイチップ６１Ｃとの間は透明樹脂６１Ｇ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６１Ｇとしては、屈折率が凸面レンズ６１Ａ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６１Ａと面発光レーザアレイチップ６１Ｃとの間の各界面を境に屈折率が変化しない。透明樹脂６１Ｇは、凸面レンズ６１Ａの固定前に金型で成形しても良いし、凸面レンズ６１Ａを固定後、注入しても良い。

このように、凸面レンズ６１Ａと面発光レーザアレイチップ６１Ｃとの間が透明樹脂６１Ｇで満たされることにより、面発光レーザアレイチップ６１Ｃから出射された光が凸面レンズ６１Ａの面発光レーザアレイチップ６１Ｃ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６１Ａは、図２８に示すように、面発光レーザアレイチップ６１Ｃが実装されたパッケージ６１Ｈにサブマウント６１Ｉを介して固定されている。面発光レーザアレイチップ６１Ｃは、チップ上の電極６１Ｊ（チップ電極）がパッケージ６１Ｈ上のＰＫＧ電極６１Ｋにワイヤー６１Ｍによって電気的に接続される。

ワイヤー６１Ｍは、高さ数１０μｍ程度となるため、サブマウント６１Ｉと干渉しないように設計される。凸面レンズ６１Ａの固定位置Ｌ（面発光レーザアレイチップ６１Ｃの発光面と凸面レンズ６１Ａの主点との距離）は、このワイヤー６１Ｍの高さの制約を受ける。つまりは、ワイヤー６１Ｍを利用する場合には、サブマウント６１Ｉを回避する構造にしたり、ワイヤー６１Ｍの高さを１００μｍ以下にすることが必要となる。すなわち、－１００μｍ＜ｆ－Ｌ＜０が成立することが好ましい。なお、図２８では、図２７に示す透明樹脂６１Ｇ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。又、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６１Ａ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６１Ｃ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６１から出射される光の方向を変えることができる。

図２９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ｃｈ６１Ｌ（光源）、及び３つのｃｈ６１Ｌの近傍に直径１ｍｍ、ｆ＝６００μｍの凸面レンズ６１Ａを配置している。３つのｃｈ６１Ｌのうち１つのｃｈは、凸面レンズ６１Ａの光軸上に配置され、他の２つのｃｈは、凸面レンズ６１Ａ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６１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６１は、図２４に示すように、凸面レンズ６１Ａ_１及びＡ_２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６１Ｂ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６１Ｂ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。又、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２９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６１Ａで屈折した後、プリズム６１Ｂに入射する。

ここでは、プリズム６１Ｂの材料はＢＫ７としたが、一般的な光学材料でも良い。図３０に示すように、プリズム６１Ｂに入射した光は、プリズム６１Ｂの側面（反射面６１Ｂ_Ｒ）で全反射され、被検体９００に約５５°の入射角で入射される。すなわち、凸面レンズ６１Ａを介した光は、被検体９００への光の入射角が５５°程度になるようにプリズム６１Ｂで偏向される。

この際に、プリズム６１Ｂと被検体９００との界面での光の散乱を防止するために、プリズム６１Ｂと被検体９００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６１Ｃからの複数の光は、凸面レンズ６１Ａで非平行の複数の光とされ、プリズム６１Ｂの反射面６１Ｂ_Ｒで反射され、被検体９００に入射される。結果として、図３０に示すように、互いに非平行な複数の略平行光が被検体９００の同一位置に照射され、被検体９００に入射する。

プリズム６１Ｂと被検体９００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９００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６１Ａ及びプリズム６１Ｂを含む光学系では、面発光レーザアレイチップ６１Ｃの各ｃｈの位置が互いに異なることを利用して、被検体９００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６１Ａの光軸から２００μｍ程度ずらすことで、該ｃｈから出射された光を被検体９００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６１Ａ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３１には、比較例として、レンズの焦点距離ｆ＝６００μｍ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３１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９００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２４に示す凸面レンズ６１Ａ_１及び６１Ａ_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２９では、凸面レンズ６１Ａ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２９に示すように、凸面レンズ６１Ａの凸面が面発光レーザ６１Ｌ側を向き、凸面レンズ６１Ａの平面部分が被検体側を向くように配置することで、面発光レーザアレイチップ６１Ｃと凸面レンズ６１Ａ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。

凸面レンズ６１Ａ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、凸面レンズ６１Ａの中心よりも端部に光を入射させるため、球面収差が小さい方が望ましい。

以上の説明からわかるように、光源モジュール６１からは、互いに非平行な複数の光が出射される。そして、光源モジュール６１からの互いに非平行な複数の光は、被検体９００の同一位置に入射する（図２４、図３０参照）。

この「同一位置」は、例えば光源モジュール６１が約６０ｍｍ間隔で配置されている場合に、その６０ｍｍに対して同一の位置を意味しており、互いに数ｍｍ程度離れた複数位置も同一位置と言って差し支えない。つまり、「同一位置」の「同一」は、厳密な意味での同一ではなく、「ほぼ同一」もしくは「概ね同一」と言い換えても良い。

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６１の位置を設定した光学シミュレーションを行う。この光学シミュレーションを行う際に、被検体への入射位置のずれを正確に設定することで、逆問題の推定には誤差を生じない。これは発振波長が異なる複数のｃｈを有する面発光レーザアレイチップにおいても同様であり、発振波長が異なる複数のｃｈからの複数の光の入射位置が数ｍｍずれていても、該複数の光の入射位置は、同一位置と言って差し支えない。

又、図３２（Ａ）に示す、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、図３２（Ａ）に示す比較例では、光源モジュール７１Ａの光源７１Ｂ_１及び７１Ｂ_２からの光が被検体９００の異なる位置に入射し、被検体９００内の矢印で示す伝搬経路を通って光検出器７１Ｃに達する。この場合、例えば７１Ｂ_２からの光のみが変質部分９００ｘを通過するようなケースが発生する。光源７１Ｂ_１と光源７１Ｂ_２との差分を計算する際には、変質部分９００ｘがノイズとなってしまう。

これに対し、本実施の形態では、図３２（Ｂ）に示すように、角度θをなすように互いに傾斜して配置された光源７１Ｂ_１及び７１Ｂ_２からの光は、被検体９００の表面（皮膚表面）の「同一位置」を通過するため、光源７１Ｂ_１及び７１Ｂ_２の一方からの光が変質部分９００ｘを通過するときは、他方からの光も変質部分９００ｘを通過する。又、光源７１Ｂ_１及び７１Ｂ_２の一方からの光が変質部分９００ｘを通過しないときは、他方からの光も変質部分９００ｘを通過しない。

詳述すると、光源７１Ｂ_１及び７１Ｂ_２からの光は、被検体９００の表面（皮膚表面）の近傍では同一光路であり、被検体９００の深さ方向に行くと異なる光路を通過する。すなわち、被検体９００の表面（皮膚表面）の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。被検体９００の表面（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。

又、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。又、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３３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３３からわかるように、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６１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。この場合、図３４に示すように、光源モジュール６１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６１の設計を考える際には、入射角をできるだけ小さくした方が、光源モジュール６１を小型化できるなどのメリットがある。

以上のように構成される実施例２の光源モジュール６１では、図２４に示すように、面発光レーザアレイチップ６１Ｃから凸面レンズ６１Ａの光軸に平行な方向に出射された光は、凸面レンズ６１Ａで屈折され、凸面レンズ６１Ａの光軸に対して約２０°傾斜する方向に進行し、窓部材６１Ｆに入射する。

窓部材６１Ｆは屈折率１．５程度に設定されている。凸面レンズ６１Ａを介した光は、窓部材６１Ｆ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６１Ｆに入射した光は、プリズム６１Ｂの反射面で偏向され、凸面レンズ６１Ａ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６１Ｆの中での角度であり、図３４に示すように、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６１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６１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。

又、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６１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。又、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６１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６１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６２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６２は、図３５に示すように、分割レンズ６２Ｃ等の光学素子、ＰＤアレイ６２Ｄ等の受光部、アナログ電子回路６２Ｆ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）、これらが収容された筐体６２Ａ、被検体と接触する透明樹脂からなる窓部材６２Ｇ等を含む。

検出モジュール６２では、図３６に示すように、光源７１Ｂから被検体９００に照射され被検体９００内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（例えば特開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、本実施の形態の検出モジュール６２は、被検体９００の「同一位置」からの光を分割して、個別に検出している。先の光源モジュール６１でも説明したように、光学シミュレーションの際に設計できるので、「同一位置」の精度は、ｍｍオーダーの位置の相違は問わない。

以下に、検出モジュール６２について詳しく説明する。検出モジュール６２は図３７に示すように、黒い樹脂製の筐体６２Ａ、筐体６２Ａの先端に取り付けられた弾性体からなる接触部材６２Ｂ、筐体６２Ａに収容された透明な分割レンズ６２Ｃ及び受光部６２Ｄ_１及び６２Ｄ_２を含む４つの受光部を有するＰＤアレイ６２Ｄを含んで構成されている。筐体６２Ａの先端及び接触部材６２Ｂには、アパーチャ６２Ｅ（開口）が形成されている。

接触部材６２Ｂ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。接触部材６２Ｂのアパーチャ６２Ｅから分割レンズ６２Ｃの中央部（φ１ｍｍ程度）が数１００μｍ程度筐体６２Ａの外に突出している。この部分が被検体９００（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、散乱等が抑制される。

又、検出モジュール６２でも、前述した透明ジェルを利用することで安定性が更に向上するため、透明ジェルを利用する。分割レンズ６２Ｃ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６２Ｃは、筐体６２Ａに固定されている。

アパーチャ６２Ｅは、筐体６２Ａの先端及び接触部材６２Ｂを貫通する約１ｍｍ程度の円形の穴であり、被検体９００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６２Ｅで入射位置を規定し、その後、入射光を分割レンズ６２Ｃ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９００からの光が「同一位置」からＰＤアレイ６２Ｄの４つの受光部に入射されることは、アパーチャ６２Ｅによって実現されている。

アパーチャ６２Ｅ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６２Ｃによって異なる方向に屈折されるため、ＰＤアレイ６２Ｄの４つの受光部への入射位置が異なる。分割レンズ６２Ｃ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６２Ｃでの光の分割数を４とし、受光部６２Ｄ_１及び６２Ｄ_２を含む２次元配列された４つの受光部（ＰＤ：フォトダイオード）を有するＰＤアレイ６２Ｄ（フォトダイオードアレイ）を用いている。図３７では、ＰＤアレイ６２Ｄの４つの受光部のうち２つの受光部６２Ｄ_１及び６２Ｄ_２のみが示されている。

ここでは、ＰＤアレイ６２Ｄは一辺の長さが約３ｍｍの正方形状であり、各受光部は一辺の長が１．４ｍｍの正方形状である。図３７に示すような角度θ２を定義し、ＰＤアレイ６２Ｄとアパーチャ６２Ｅとの距離は、約５ｍｍ程度にした。

分割レンズ１２Ｃの片面は平面で、片面のみ球面を有している。平面の方を被検体９００に接触させている。アパーチャ６２Ｅの位置は、分割レンズ１２Ｃ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６２Ｄに入射する光を限定する機能を有している。

図３７に示す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６２Ｄ_２に入射し、概ね－５０°＜θ２＜１０°の光は、受光部６２Ｄ_１に入射することがわかった。つまり、被検体９００内を伝播しアパーチャ６２Ｅ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、ＰＤアレイ６２Ｄの４つの受光部の何れかに入射される。

実施例２では、分割レンズ６２Ｃ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。本実施の形態では、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３８に示す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６１及び検出モジュール６２）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６１が８個、検出モジュール６２が８個の計１６個であり、光源モジュール６１と検出モジュール６２を交互に格子状に等ピッチで配置する（図２３参照）。格子のピッチａ（格子点間隔）が３０ｍｍであり、光源モジュール６１と検出モジュール６２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６１のｃｈを発光させ、光源モジュール６１内の光照射部の側に配置されている検出素子で光量をモニタし、所望の光量になるよう調整する。ここでは、発光を１ｃｈ毎に行い、発光強度は１ｍＷ程度になるように、電流値が決定される（ステップＳ２）。又、測定中も常に受光素子で光量をモニタし、一定の光量になるよう電流値が調整させる。これにより高精度なＮＩＲＳ測定が可能になり、高分解能化に繋がる。

この状態で、任意の一の光源モジュール６１のｃｈを発光させる（ステップＳ３）。発光は、１ｃｈ毎に行い、発光強度は１ｍＷ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Ｓ４）。そして、平均化された数値を記録部に格納する（ステップＳ５）。

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Ｓ６、Ｓ７、Ｓ２～Ｓ５）。なお、一の光源モジュール６１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。

但し、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６１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６１の発光を行う（ステップＳ８、Ｓ９、Ｓ２～Ｓ５）。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６１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Ｓ１０、Ｓ１１）。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～Ｓ１０）。

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１２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１５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３９に示すような推定結果を導くことができる。図３９には、比較例として、面発光レーザアレイチップの１ｃｈのうち中心の１ｃｈ（図２５参照）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の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。

実施例２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３９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。実施例２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６１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。実施例２では、１６ｍｍ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、本実施の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の形態（実施例１及び２）の光学センサは、被検体（擬似生体）に光を照射する、複数の光源モジュール（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それぞれは、非平行の複数の光を被検体の同一位置に照射する。

この場合、被検体（散乱体）の同一位置に照射される互いに非平行の複数の光は、被検体への入射角度が異なり、異なる伝播経路をたどる（図２８（Ｂ）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。又、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、被検体の同一位置に入射する複数の光が非平行であることは、複数の光が角度をなしていることを意味する。つまり、複数の光のなす角が存在することで、該複数の光の被検体内での伝播経路を異ならせることができる。一方、仮に被検体の同一位置に入射する複数の光が互いに平行であると（例えば被検体の表面法線と平行であると）、該複数の光の被検体内での伝播経路は同じになってしまう（図２８（Ａ）参照）。

又、本実施の形態の光源モジュール６１は、複数の面発光レーザ（光照射部）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（例えば、特開２０１１－１１４２２８号公報、特開２０１２－１３２７４０号公報参照）。

又、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。

又、検出系は、光源モジュール６１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１２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。

又、検出モジュール１２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。

又、検出モジュール６２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。

又、光源モジュール６１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。

又、光源モジュール６１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。

又、光源モジュール６１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。

又、光学検査装置１は、光学センサ１０と、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。

〈第２の実施の形態〉
第２の実施の形態では、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。

本実施の形態では、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。本実施の形態では、被験者（被検体）を計測し、そのデータを元に形状をモデル化し、モンテカルロシミュレーションを行う。核磁気共鳴画像法（以下ではMRIと略す: magnetic resonance imaging, MRI）を利用して、被験者の頭部形状を計測する。頭皮、頭蓋骨、脳脊髄液、大脳皮質との４つ部位の形状を画像から計測する。

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４０に示す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（光源モジュール６１及び検出モジュール６２）を頭部にセッティングする。この際、毛髪などがプローブと頭皮の間に挟まらないように、プローブ１本１本を確認しながら慎重に、固定部材を用いて決められた位置にセット（設置）する（ステップＳ３２）。

この状態で、光源モジュール６１のｃｈを発光させ、光源モジュール６１内の光照射部の側に配置されている検出素子で光量をモニタし、所望の光量になるよう調整する。ここでは、光量が強度は４ｍＷ程度になるように、電流値を決定している。（ステップＳ３３）。

次にｃｈを発光させる（ステップＳ３４）。発光は、１グループ毎に行い、発光時間は数ｍｓｅｃであり、その間、全てのＰＤの検出値を読み取り平均化する（ステップＳ３５）。平均化された数値を記録媒体に格納する（ステップＳ３６）。

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Ｓ３７、Ｓ３８、Ｓ３４～Ｓ３６）。全ての光源モジュール６１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（例えば、特開２０１２－０８０９７５号公報参照）を課題とした。

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、本実施の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わかった。

以上、好ましい実施の形態について詳説したが、上述した実施の形態に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施の形態に種々の変形及び置換を加えることができる。

１ 光学検査装置
１０ 光学センサ
１１、６１ 光源モジュール
１１Ｃ_１、１１Ｃ_２、１１Ｃ_３ 光照射部
１１Ｃ_４ 検出素子
１２、６２ 検出モジュール
２０ 制御部
３０ 計算部
４０ 表示部
１１４ 活性層

特開２０１６－１３０６６９号公報

Claims (7)

1. 面発光レーザである光照射部及び前記光照射部の出射光量を検出する検出素子を含む組を複数有し、
   各々の前記組の前記光照射部は、活性層を有する積層構造体の一部であり、且つ、前記検出素子は、前記活性層を有する積層構造体の他の一部であり、
   同一の前記組の前記光照射部の活性層と前記検出素子の活性層とは繋がっており、
   異なる前記組の前記光照射部の活性層同士は繋がっていない光照射器を含み、対象物に光を照射する照射系と、
   前記照射系から前記対象物に照射され前記対象物内を伝播した光を検出する検出系と、
   を有する光学センサ。
2. 前記光照射部及び前記検出素子は、各々メサ構造を備え、
   異なる前記組の前記光照射部のメサ構造同士の距離は、同一の前記組の前記光照射部のメサ構造と前記検出素子のメサ構造との距離よりも大きい請求項1に記載の光学センサ。
3. 異なる前記組の複数の前記検出素子の同極の電極と各配線の一端とが接続され、当該各配線の他端側が一本の共通配線の一端に接続され、当該共通配線の他端が同一の電極パッドへ接続されている請求項１又は２に記載の光学センサ。
4. 前記光照射器を複数有し、
   複数の前記光照射器は、異なる波長の光照射器を含む請求項１乃至３の何れか一項に記載の光学センサ。
5. 前記光照射器は、互いに非平行の光を前記対象物の同一位置に照射する複数の光照射部を有する請求項１乃至４の何れか一項に記載の光学センサ。
6. 前記検出系は、前記対象物の同一位置に照射され前記対象物内を伝播した複数の光を受光する複数の受光部を含む光検出器を有する請求項５に記載の光学センサ。
7. 請求項１乃至６の何れか一項に記載の光学センサと、前記光学センサを制御する制御部と、を有する光学検査装置。

Images