JPWO2019116803A1 - 光センシング装置 - Google Patents

Abstract

本開示のある実施形態における光センシング装置は、レーザ装置と、光検出器と、制御回路と、を備える。前記レーザ装置は、レーザ光を出射する光源と、前記レーザ光の光路に交差する拡散面を有し、前記光路に交差する前記レーザ光の断面の中心を含む第１部分における前記レーザ光の強度を低くし、前記断面において前記第１部分を囲む、前記レーザ光の第２部分における前記レーザ光の強度を高くし、且つ前記レーザ光のビーム径を拡大する拡散部材と、スクリーンと、を含み、前記スクリーンを透過した前記レーザ光、または前記スクリーンによって反射された前記レーザ光で対象物を照射する。前記制御回路は、前記レーザ装置に、前記レーザ光の少なくとも１つの光パルスで前記対象物を照射させ、前記光検出器に、前記対象物から戻った前記レーザ光の少なくとも１つの反射光パルスの時間分解計測を行わせる。

Description

本発明は、光センシング装置に関する。

近年、生体または食品などの対象物の内部の有用な情報を非接触で得るために、光センシング装置が用いられている。光センシング装置は、レーザ装置と、光検出器とを備える。レーザ装置は、レーザ光で対象物を照射する。光検出器は、対象物の内部において多重散乱されて表面から出てきた反射散乱光を検出する。

対象物が生体の場合、レーザ装置から出射された光は、皮膚を通して生体内部に侵入する。その後、皮膚から出てきた反射散乱光は、血管などを透過したことによって血液の状態などの生体情報を含む。反射散乱光を検出することにより、脈拍、血圧、血流および酸素飽和度などの情報を得ることができる。それらの情報は、健康診断などに用いることができる。

例えば７００から９５０ｎｍの近赤外光波長のレーザ光は、筋肉、脂肪および骨などの生体組織を、比較的高い透過率で透過するという性質を有する。一方、近赤外の波長域のレーザ光は、血液中の酸素化ヘモグロビン（ＨｂＯ_２）および脱酸素化ヘモグロビン（Ｈｂ）に吸収されやすいという性質も有する。したがって、生体情報計測には、近赤外の波長域のレーザ光で対象物を照射するレーザ装置が一般に用いられている。

そのようなレーザ装置を用いて、レーザ光で額を照射し、反射散乱光を検出することにより、脳内の血流に関する情報を取得することができる。例えば、脳内の血流の変化量、ならびに、血液中の酸素化ヘモグロビン濃度および脱酸素化ヘモグロビン濃度のそれぞれの変化量を計測することができる。血流の変化量またはヘモグロビンの酸素状態などに基づき、脳の活動状態を推定することが可能である。

また、レーザ光で食品を照射して、食品内部からの反射散乱光を検出することにより、非破壊で食品の鮮度および糖度などの情報を得ることができる。

特許文献１は、非接触で脳機能を計測する光脳機能計測装置を開示している。特許文献２は、生体組織の深い所から戻ってきた信号光のＳ／Ｎ比を改善する、時間分解計測を行う撮像システムを開示している。

また、特許文献３および４は、レーザ光で散乱体を照射し、拡がった散乱光を用いることにより、見かけの光源（ａｐｐａｒｅｎｔ ｌｉｇｈｔ ｓｏｕｒｃｅ）サイズを拡大するレーザ装置を開示している。

特開２００３−３３７１０２号公報 特開２００７−２６０１２３号公報 ＷＯ２００３−０７７３８９号公報 特開２０１２−１６９３７５号公報

本開示は、レーザ製品の安全性を向上させ、Ｓ／Ｎ比を改善することが可能な光センシング装置を提供する。

本開示の一態様に係る光センシング装置は、レーザ装置と、光検出器と、制御回路と、を備える。前記レーザ装置は、レーザ光を出射する光源と、前記レーザ光の光路に交差する拡散面を有し、前記レーザ光を屈折または回折させることにより、前記光路に交差する前記レーザ光の断面の中心を含む第１部分における前記レーザ光の強度を低くし、前記断面において前記第１部分を囲む、前記レーザ光の第２部分における前記レーザ光の強度を高くし、且つ前記レーザ光のビーム径を拡大する拡散部材と、前記拡散部材を透過後の前記レーザ光の光路に交差するスクリーンと、を含み、前記スクリーンを透過した前記レーザ光、または前記スクリーンによって反射された前記レーザ光で対象物を照射する。前記制御回路は、前記レーザ装置に、前記レーザ光の少なくとも１つの光パルスで前記対象物を照射させ、前記光検出器に、前記対象物から戻った前記レーザ光の少なくとも１つの反射光パルスの時間分解計測を行わせる。

本開示の一態様によれば、レーザ製品の安全性を向上させ、Ｓ／Ｎ比を改善することが可能な光センシング装置を提供することができる。

図１は、レーザ装置の構成と、レーザ装置から出射された光で対象物を照射した場合の様子とを説明するための概略図である。 図２Ａは、レーザ装置の拡散部材の構造を模式的に示す平面図である。 図２Ｂは、レーザ装置の拡散部材の構造を模式的に示す断面図である。 図３Ａは、レーザ装置の拡散面における光の形状を模式的に示す図である。 図３Ｂは、レーザ装置の拡散面における光の光強度分布を模式的に示す図である。 図３Ｃは、レーザ装置のスクリーンにおける光の形状を模式的に示す図である。 図３Ｄは、レーザ装置のスクリーンにおける光の光強度分布を模式的に示す図である。 図３Ｅは、対象物の表面における光の形状を模式的に示す図である。 図３Ｆは、対象物の表面における光の光強度分布を模式的に示す図である。 図３Ｇは、拡散面における光強度分布を示す図の一例である。 図３Ｈは、スクリーンにおける光強度分布を示す図の一例である。 図４は、光センシング装置の構成と、生体計測の様子とを説明するための概略図である。 図５は、光センシング装置の制御回路および光検出器の内部の構成と、信号の流れとを模式的に示す図である。 図６Ａは、出射光である単一光パルスの時間分布の例を示す図である。 図６Ｂは、定常状態において検出された全光パワ（実線）、脳血流の変化量に対応した光パワの変化量（破線）、および変調度（一点鎖線）の時間分布を示す図である。 図７は、レーザ装置から出射された光パルスの時間分布と、光センシング装置における光検出器が検出する光パワの時間分布と、電子シャッタのタイミングおよび電荷蓄積とを模式的に示す図である。 図８Ａは、対象物の内部に存在する血流の変化を示す前面図である。 図８Ｂは、対象物の内部に存在する血流の変化を示す側面からの断面図である。 図９Ａは、対象物の内部の血流の変化を模式的に示す図である。 図９Ｂは、画像演算により画像補正された、対象物の内部の血流の変化を模式的に示す図である。 図１０は、レーザ装置の構成と、レーザ装置から出射された光で対象物を照射した場合の様子とを説明するための概略図である。 図１１は、レーザ装置の構成と、レーザ装置から出射された光で対象物を照射した場合の様子とを説明するための概略図である。 図１２は、レーザ装置の構成と、レーザ装置から出射された光で対象物を照射した場合の様子とを説明するための概略図である。 図１３は、レーザ装置の構成と、レーザ装置から出射された光で対象物を照射した場合の様子とを説明するための概略図である。 図１４は、光センシング装置の制御回路および光検出器の内部の構成と、信号の流れとを模式的に示す図である。 図１５は、レーザ装置から出射された光パルスの時間分布と、光センシング装置における光検出器が検出する光パワの時間分布と、電子シャッタのタイミングおよび電荷蓄積とを模式的に示す図である。 図１６は、従来のレーザ装置の構成と、レーザ装置から出射された光で対象物を照射した場合の様子とを説明するための概略図である。 図１７Ａは、従来のレーザ装置において、光源から出射された光の光パルスの光パワの時間分布を模式的に示す図である。 図１７Ｂは、従来のレーザ装置において、対象物に照射された光の光パワの時間分布を模式的に示す図である。

本開示の実施形態について説明する前に、まず、本開示に係る光センシング装置に至った経緯について説明する。

特許文献１は、レーザ光で被検者の額を照射して、非接触で脳機能を計測する光脳機能計測装置を開示している。特許文献１では、レーザ光で被検者の額を照射する際、被検者は、目の保護のために、アイマスクなどの遮光部材を装着する。

特許文献２は、生体組織の深い所から戻ってきた信号光のＳ／Ｎ比を改善する時間分解計測を行う撮像システムを開示している。特許文献２では、照明光に光パルスを用いて、撮像タイミングを遅らせることにより、時間的に早く戻ってくる強いノイズ光が撮像されない。これにより、上記の信号光のＳ／Ｎ比が改善される。特許文献２では、内視鏡装置において、内臓脂肪に覆われた生体組織の中に埋もれた血管の血流情報が観察される。

特許文献３は、半導体レーザの出射端を散乱体で覆い、散乱体内において生じる多重反射によって拡がって出てくる散乱光を用いることにより、見かけの光源サイズを拡大するレーザ装置を開示している。

特許文献４は、自動車用のヘッドライトユニットを開示している。特許文献４では、ＴｉＯ_２微粒子および蛍光体を含んだ散乱部がレーザ光で照射される。散乱部内において多重反射されて拡がった散乱光によって蛍光体が励起されることにより、波長変換された蛍光が生じる。当該蛍光、および拡がって出てくる散乱光は、反射鏡によって平行光になる。当該平行光が拡散部材を透過することによって得られた光が、自動車用のヘッドライトユニットから出射される。

特許文献１のように、被検者の目に遮光部材を装着した場合、脳計測を行う際に実施されるタスクは音声に限られる。そのため、計測の自由度が低い。目に遮光部材を装着しないで計測する場合、目の安全基準を満たすレーザ製品が用いられる。レーザ装置は、レーザ製品の安全基準（ＪＩＳ Ｃ６８０２など）に規定されるクラス１の最大許容露光量（Ｍａｘｉｍｕｍ Ｐｅｒｍｉｓｓｉｂｌｅ Ｅｘｐｏｓｕｒｅ：ＭＰＥ）、および被爆放出限界（Ａｃｃｅｓｓｉｂｌｅ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｌｉｍｉｔ：ＡＥＬ）についての制限が課される。そのため、クラス１のＭＰＥおよびＡＥＬを満たすように、レーザ光のパワは低く設定される。特許文献１のような平行光は、特に目に影響を与えやすい。レーザ光が、例えば波長が８５０ｎｍの連続光を出射する場合、ＡＥＬの最大値は０．７８ｍＷであり、非常に小さい。そのようなレーザ光を用いた場合、脳計測のＳ／Ｎ比は非常に悪くなる。

特許文献３および４では、レーザ光で散乱体を照射し、拡がって出てくる散乱光および蛍光を用いることにより、見かけの光源サイズが拡大される。ここで、「見かけの光源サイズ」とは、被検者によって視認される、発光している領域のサイズである。拡がって出てくる発散光の放射源である散乱体は、分散光源と考えることができる。一般的には、発散光は、平行光よりも安全性を向上させる。クラス１のＡＥＬおよびＭＰＥは、平行光の場合より発散光の場合の方が大きい。分散光源からの発散光の場合、目の焦点を調整することが可能な距離範囲のうち、最も危険な条件である目の焦点が合う最小距離において、クラス１のＡＥＬおよびＭＰＥが決められている。

例えば、見かけの光源サイズが１０ｍｍよりも大きい場合、光源から１００ｍｍ以上の距離において、目の焦点が合う。したがって、１００ｍｍの距離の場合に目の開口直径を７ｍｍとして、開口直径７ｍｍの範囲内の光パワによって、ＡＥＬおよびＭＰＥが決められる。見かけの光源サイズが１０ｍｍ未満の場合、光源のサイズが小さいほど、目の焦点が合う光源からの距離は小さくなる。例えば、光源サイズが１．５ｍｍの場合、目の焦点が合う最小距離は３９．３ｍｍである。光源サイズが３ｍｍの場合、目の焦点が合う最小距離は５５．２ｍｍである。したがって、光源サイズが１０ｍｍ未満の場合、光源サイズが小さいほど、目の焦点が合う最小距離は小さい。したがって、その最小距離での開口直径７ｍｍの範囲内における光パワによってＡＥＬおよびＭＰＥの値を決めると、ＡＥＬおよびＭＰＥの当該値は結果的に小さくなる。

見かけの光源サイズが１０ｍｍ未満のとき、クラス１のＡＥＬおよびＭＰＥを、見かけの光源サイズの２乗に比例して増加させることが可能になる。その結果、安全性を維持しながら、対象物への照射パワを増加させることができる。

光センシング装置のＳ／Ｎ比を向上させるために、特許文献３または４におけるレーザ装置（以下、「従来のレーザ装置」とする。）によってレーザ光で対象物を照射し、特許文献２における光センシング装置（以下、「従来の光センシング装置」と称する。）によって時間分解計測を行う場合を想定する。本発明者らは、従来の光センシング装置では、レーザ光を広げる効果のある散乱体内での多重散乱が、時間分解計測のＳ／Ｎ比を低下させることを見出した。以下に、詳細を説明する。

図１６は、従来のレーザ装置１０６の構成と、レーザ装置１０６から出射された光で対象物を照射した場合の様子とを説明するための概略図である。

従来のレーザ装置１０６は、光源１０１と、厚さｄ_ｓの散乱体１３６とを備える。従来の光センシング装置は、レーザ装置１０６と、不図示の光検出器とを備える。

図１６に示す例では、光源１０１から出射された出射光１３１は、散乱体１３６に入射する。散乱体１３６の入射面における光１３８は、光ビーム径ｆ_ｓ１を有する。入射した光１３８は、その内部において繰り返し多重散乱される。散乱光１３７は、散乱体１３６から拡がって出射される。散乱体１３６の出射面における光１３９は、光ビーム径ｆ_ｓ２を有する。光ビーム径ｆ_ｓ２は、光ビーム径ｆ_ｓ１よりも大きい。

見かけの光源サイズが散乱体１３６により、ｆ_ｓ１からｆ_ｓ２に拡大される。その結果、クラス１のＡＥＬおよびＭＰＥを、拡大率（ｆ_ｓ２／ｆ_ｓ１）の２乗の大きさで増加させることが可能になる。厚い散乱体１３６を用いる方が拡大率を大きくすることができるため、クラス１のＡＥＬおよびＭＰＥを大きくすることができる。しかし、厚い散乱体１３６では、散乱体１３６から出射する散乱光の強度が低下する。

図１６に示す例では、散乱光である照射光１０８はさらに拡がる。拡がった光１２６で対象物１０５を照射すると、光１２６は内部散乱光１０９になる。内部散乱光１０９は、対象物の内部情報を含む不図示の反射散乱光として外部に出射され、不図示の光検出器によって検出される。

図１７Ａは、従来のレーザ装置において、光源から出射された光パルスの光パワの時間分布を模式的に示す図である。光源１０１から例えば１から２０ｎｓ程度の短い光パルスが出射された場合、光源１０１から出射された光の光パワの時間分布は、例えば、図１７Ａに示す形状になる。時間ｔ_ｓからｔ_ｂｅの間、光源１０１から、最大光パワＰ_Ｓを有する台形状の光パルスが出射される。光パワが低下する時間ｔ_ｂｓからｔ_ｂｅまでの期間をこの光パルスの立ち下がり期間とし、ｔ_ｆ（＝ｔ_ｂｅ−ｔ_ｂｓ）を立ち下がり時間とする。

図１７Ｂは、従来のレーザ装置において、光パルスが薄い散乱体または厚い散乱体を透過した場合の、対象物に照射された光の光パワの時間分布を模式的に示す図である。

図１６に示す例において、一点鎖線によって表された光路と散乱体１３６の出射面との交点を、散乱体１３６の出射面の中央部とする。散乱体１３６の出射面の中央部における光１３９の光パワの時間分布は、例えば、図１７Ｂに示す形状になる。散乱体１３６から出射された光１３９は、照射光１０８になる。厚さｄ_ｓが異なる２種類の散乱体を想定する。厚い散乱体の場合の光パワの時間分布は、破線によって表され、薄い散乱体の場合の光パワの時間分布は、実線によって表される。

厚い散乱体の場合、照射光１０８は、時間ｔ_ｓ１からｔ_ｂｅ２までの間存在し、最大光パワＰ_Ｓ２を有する。照射光１０８は、立ち下がり期間の後半の後端領域において、裾野が尾を引いたような台形状の光パルスＣ_２として出射される。一方、薄い散乱体の場合、照射光１０８は、時間ｔ_ｓ１からｔ_ｂｅ１までの間存在し、最大光パワＰ_Ｓ１を有する。照射光１０８は、立ち下がり期間の後半の後端領域において、やはり裾野が尾を引いたような台形状の光パルスＣ_１として出射される。厚い散乱体の場合の方が、薄い散乱体の場合よりも、立ち下がり期間の長さは長く、光パワは小さい。厚い散乱体の場合の立ち下がり時間はｔ_ｆ２であり、薄い散乱体の場合の立ち下がり時間はｔ_ｆ１である。厚い散乱体の場合の立ち下がり時間ｔ_ｆ２は、薄い散乱体の場合の立ち下がり時間ｔ_ｆ１よりも長い。

「散乱光」とは、散乱体１３６内に含まれた微粒子によって光の伝搬方向が変えられることにより、拡がっていく光を指す。図１６に示したように、散乱光１３７は、ジグザグ状の光路、後方から前方、または前方から後方などに光路を色々変えながら、繰り返し多重散乱されながら拡がる。

図１６に示す例では、散乱体１３６の出射面における光１３９は、すべて散乱光である。したがって、光源１０１から短い光パルスを出射した場合、散乱体１３６の出射面への散乱光の到着時間は、同一では無く、ばらつく。散乱体１３６が厚いほど、多重散乱の度合いが大きくなる。その結果、光１３９の時間的なばらつきが大きくなり、立ち下がり時間も大きくなる。そのため、図１７Ｂに示したように、厚い散乱体の場合では、照射光の立ち下がり時間がより長くなる。

本発明者らは、従来の光センシング装置を用いて、散乱体を透過した立ち下がり時間が大きい光で対象物を照明し、対象物からの反射散乱光を検出して時間分解計測することを検討した。検討の結果、本発明者らは、散乱体が厚いほど、光の大きな損失によって照射パワが低下するだけでなく、立ち下がり時間が長くなること、および、立ち下がり時間が長いほど、検出信号のＳ／Ｎ比が低下することを見出した。

本発明者らは、以上の知見に基づいて、新規なレーザ装置およびそれを用いた光センシング装置に想到した。

本開示は、以下の項目に記載の光センシング装置を含む。

［第１の項目］
本開示の第１の項目に係る光センシング装置は、レーザ光を出射する光源と、前記レーザ光の光路に交差する拡散面を有し、前記レーザ光を屈折または回折させることにより、前記光路に交差する前記レーザ光の断面の中心を含む第１部分における前記レーザ光の強度を低くし、前記断面において前記第１部分を囲む、前記レーザ光の第２部分における前記レーザ光の強度を高くし、且つ前記レーザ光のビーム径を拡大する拡散部材と、
前記拡散部材を透過後の前記レーザ光の光路に交差するスクリーンと、
を含み、
前記スクリーンを透過した前記レーザ光、または前記スクリーンによって反射された前記レーザ光で対象物を照射する、
レーザ装置と、
前記対象物から戻った前記レーザ光の少なくとも一部を検出して、電気信号を出力する光検出器と、
前記レーザ装置および前記光検出器を制御する制御回路と、
を備える。

前記制御回路は、
前記レーザ装置に、前記レーザ光の少なくとも１つの光パルスで前記対象物を照射させ、
前記光検出器に、前記対象物から戻った前記レーザ光の少なくとも１つの反射光パルスの時間分解計測を行わせる。

この光センシング装置のレーザ装置では、拡散部材における光のビーム径よりも、スクリーンにおける光のビーム径の方が大きい。また、拡散部材における光強度よりも、スクリーンにおける光強度の方が低い。これにより、安全性を維持しながら照射パワを増加させることができる。さらに、例えば、光源から出射された光パルスの立ち下がり時間は、スクリーンにおける光パルスの立ち下がり時間とほぼ同じである。これにより、時間分解計測のＳ／Ｎ比を改善することができる。

［第２の項目］
第１の項目に係る光センシング装置において、前記拡散面における前記レーザ光のビーム径が、１０ｍｍ未満であってもよい。

この光センシング装置では、前記拡散部材と前記スクリーンの間において、クラス１のＡＥＬおよびＭＰＥを、見かけの光源サイズの２乗に比例して増加させることができる。

［第３の項目］
第１または第２の項目に係る光センシング装置において、前記スクリーンにおける前記レーザ光のビーム径が、１０ｍｍ以上であってもよい。

この光センシング装置では、スクリーンにおける見かけの光源の最大光強度が低くなる。これにより、被検者の目の安全性が確保される。

［第４の項目］
第１から第３の項目のいずれかに係る光センシング装置において、前記対象物の表面における前記レーザ光のビーム径が、前記スクリーンにおける前記レーザ光のビーム径よりも大きくてもよい。

この光センシング装置では、対象物の表面における光強度が、スクリーンにおける光強度よりも低くなる。これにより、対象物の表面において、さらに安全性が向上する。

［第５の項目］
第１から第３の項目のいずれかに係る光センシング装置において、前記拡散部材が、前記拡散面においてレンズアレイをさらに含んでいてもよい。

この光センシング装置では、レーザ光源からのガウシアン分布の光強度を有する出射光が、レンズアレイを備える拡散部材によって、全体としてフラットな分布の光強度を有する光に変換される。

［第６の項目］
第１から第５の項目のいずれかに係る光センシング装置において、前記レーザ光が前記拡散部材を透過するときに、前記レーザ光が第１の拡がり角で拡がるように前記拡散部材が構成され、前記レーザ光が前記スクリーンを透過、または前記スクリーンによって反射されるときに、前記レーザ光が第２の拡がり角で拡がるように前記スクリーンが構成され、前記第１の拡がり角は、前記第２の拡がり角より大きくてもよい。

この光センシング装置では、拡散部材とスクリーンと間の距離を小さくすることができる。

［第７の項目］
第１から第６の項目のいずれかに係る光センシング装置において、前記スクリーンが、前記スクリーンの表面上に二次元的に交互に配置された複数の凹部および複数の凸部を含み、前記複数の凹部の各々の深さおよび前記複数の凸部の各々の高さが、それぞれ２μｍから３０μｍであってもよい。

［第８の項目］
第１から第６の項目のいずれかに係る光センシング装置において、前記スクリーンは、第１層および第２層を含み、前記第１層の屈折率は、前記第２層の屈折率と異なっていてもよい。

［第９の項目］
第１から第６の項目のいずれかに係る光センシング装置において、前記スクリーンは、前記スクリーンの表面上に二次元的に交互に配置された複数の第１部および複数の第２部を含み、前記複数の第１部の各々の屈折率は、前記複数の第２部の各々の屈折率と異なっていてもよい。

この光センシング装置では、スクリーンが、光を屈折または回折させる。これにより、光の中央部の強度を低くし、光の周辺部の強度を高くし、且つ光のビーム径を拡大させることができる。

［第１０の項目］
第１から第９の項目のいずれかに係る光センシング装置において、前記スクリーンの厚さをとし、前記スクリーンの等価散乱係数をμｓ’とし、前記スクリーンの散乱係数をμｓとすると、１／μｓ≦ｄ≦１／μｓ’が満たされてもよい。

この光センシング装置では、スクリーンにおいて多重散乱が生じにくい。その結果、レーザ光源から出射された光パルスの立ち下がり時間は、スクリーンにおける光パルスの立ち下がり時間とほぼ同じであると考えることができる。これにより、高いＳ／Ｎ比の時間分解計測を行うことができる。

［第１１の項目］
第１から第１０の項目のいずれかに係る光センシング装置において、前記拡散部材から前記スクリーンまでの距離が、前記光源から前記拡散部材までの距離よりも長くてもよい。

この光センシング装置では、上記の２つの距離の和を一定に保ちながら、見かけの光源サイズの拡大率を大きくすることができる。

［第１２の項目］
第１から第１１の項目のいずれかに係る光センシング装置は、前記拡散部材と前記スクリーンとの間に配置され、第１の表面、および前記第１の表面と反対側の第２の表面を有する光学部材をさらに備え、前記拡散部材は、前記第１の表面上に配置され、前記スクリーンは、前記第２表面上に配置されていてもよい。

この光センシング装置では、拡散部材およびスクリーンが一体的に形成されている。拡散部材およびスクリーンを対向するように形成することにより、構造が安定する効果が得られる。

［第１３の項目］
第１から第１１の項目のいずれかに係る光センシング装置は、第１の表面、および前記第１の表面と反対側の第２の表面を有する第１の光学部材と、第３の表面、および前記第３の表面と反対側の第４の表面を有する第２の光学部材とをさらに備え、前記第１の光学部材および前記第２の光学部材はいずれも、前記拡散部材と前記スクリーンとの間に配置され、前記拡散部材は、前記第１の表面上に配置され、前記スクリーンは、前記第４の表面上に配置され、前記第２の表面は、前記第３の表面に面していてもよい。

この光センシング装置では、大きな光学部材上に、その同じサイズで拡散部材を形成し、所望のサイズで切り出すことにより、拡散部材および第１の光学部材が一体になった拡散構造体を製造することができる。拡散構造体のサイズは、スクリーンおよび第２の光学部材が一体になったスクリーン構造体に比べてサイズが小さい。したがって、拡散構造体のコストを低減することができる。

［第１４の項目］
第１から第１１の項目のいずれかに係る光センシング装置は、第１の表面、および前記第１の表面と反対側の第２の表面を有する第１の光学部材と、第３の表面、および前記第３の表面と反対側の第４の表面を有する第２の光学部材とをさらに備え、前記第１の光学部材は、前記拡散部材と前記スクリーンとの間に配置され、前記拡散部材は、前記第１の表面上に配置され、前記スクリーンは、前記第３の表面上に配置され、前記第２の表面は、前記スクリーンの表面に面しており、前記第２の表面は、前記スクリーンの表面に対して傾いており、前記レーザ装置は、前記スクリーンの表面によって反射された前記レーザ光で前記対象物を照射してもよい。

この光センシング装置では、光源から対象物までの光路は直線的ではなく、折り返されている。これにより、レーザ装置のサイズを、スクリーンによって反射された光が伝搬する方向において小さくすることができる。

［第１５の項目］
第１から第１２の項目のいずれかに係る光センシング装置は、前記レーザ光源と前記拡散部材との間に位置するコリメータレンズをさらに備えていてもよい。

この光センシング装置では、光源から出射された光は、コリメータレンズによって平行光に変換される。拡散部材は、平行光に合わせて設計される。したがって、光源からの出射光としての発散光に合わせて設計する必要はなく、拡散部材の設計が簡素化される。

［第１６の項目］
第１から第１５の項目に係る光センシング装置において、前記制御回路は、前記光検出器に、前記少なくとも１つの反射光パルスの立ち下り期間に含まれる光の成分を検出させ、前記成分の量を示す電気信号を出力させ、前記立ち下り期間は、前記少なくとも１つの反射光パルスの強度が低下し始めてから低下し終わるまでの期間であってもよい。

［第１７の項目］
第１６の項目に係る光センシング装置において、前記電気信号が、前記対象物内部の状態の情報を含んでいてもよい。

［第１８の項目］
第１７の項目に係る光センシング装置において、前記対象物が生体であり、前記電気信号が、前記生体内部の血流の情報を含んでいてもよい。

［第１９の項目］
第１７の項目に係る光センシング装置において、前記対象物が人の額であり、前記電気信号が、脳血流の情報を含んでいてもよい。

［第２０の項目］
第１から第１９の項目のいずれかに係る光センシング装置において、前記電気信号が、前記対象物から前記光検出器までの距離の情報を含んでいてもよい。

［第２１の項目］
第２０の項目に係る光センシング装置において、前記光検出器は、Ｔｉｍｅ Ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ（ＴＯＦ）カメラであってもよい。

本開示において、回路、ユニット、装置、部材又は部の全部又は一部、又はブロック図の機能ブロックの全部又は一部は、半導体装置、半導体集積回路（ＩＣ）、又はＬＳＩ（ｌａｒｇｅ ｓｃａｌｅ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）を含む一つ又は複数の電子回路によって実行されてもよい。ＬＳＩ又はＩＣは、一つのチップに集積されてもよいし、複数のチップを組み合わせて構成されてもよい。例えば、記憶素子以外の機能ブロックは、一つのチップに集積されてもよい。ここでは、ＬＳＩまたはＩＣと呼んでいるが、集積の度合いによって呼び方が変わり、システムＬＳＩ、ＶＬＳＩ（ｖｅｒｙ ｌａｒｇｅ ｓｃａｌｅ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）、若しくはＵＬＳＩ（ｕｌｔｒａ ｌａｒｇｅ ｓｃａｌｅ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）と呼ばれるものであってもよい。ＬＳＩの製造後にプログラムされる、Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ（ＦＰＧＡ）、又はＬＳＩ内部の接合関係の再構成又はＬＳＩ内部の回路区画のセットアップができるｒｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅ ｌｏｇｉｃ ｄｅｖｉｃｅも同じ目的で使うことができる。

さらに、回路、ユニット、装置、部材又は部の全部又は一部の機能又は操作は、ソフトウェア処理によって実行することが可能である。この場合、ソフトウェアは一つ又は複数のＲＯＭ、光学ディスク、ハードディスクドライブなどの非一時的記録媒体に記録され、ソフトウェアが処理装置（ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）によって実行されたときに、そのソフトウェアで特定された機能が処理装置（ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）および周辺装置によって実行される。システム又は装置は、ソフトウェアが記録されている一つ又は複数の非一時的記録媒体、処理装置（ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）、及び必要とされるハードウェアデバイス、例えばインタフェース、を備えていても良い。

以下、本開示の実施形態をより具体的に説明する。ただし、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明および実質的に同一の構成に対する重複する説明を省略することがある。これは、以下の説明が不必要に冗長になることを避け、当業者の理解を容易にするためである。なお、発明者らは、当業者が本開示を十分に理解するために添付図面および以下の説明を提供するのであって、これらによって特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図するものではない。以下の説明において、同一または類似する構成要素については、同じ参照符号を付している。

以下、実施形態について、図面を参照しながら説明する。

（実施形態１）
まず、本開示の実施形態１におけるレーザ装置を、図１から図３Ｃを参照して、詳細に説明する。図１から図３Ｃに示すＸＹＺ座標では、Ｘ、ＹおよびＺ方向は互いに直交している。

図１は、本開示の実施形態１における、レーザ装置６の構成と、レーザ装置６から出射された光８で対象物５を照射した場合の様子とを説明するための概略図である。

実施形態１のレーザ装置６は、レーザ光源１と、拡散部材２０と、スクリーン２１と、を備える。

レーザ光源１は、例えば、光パルスを繰り返し出射する半導体レーザなどであり得る。レーザ光源１は、例えば６５０ｎｍ以上９５０ｎｍ以下のレーザ光を出射する。この波長範囲は、赤色から近赤外線の波長範囲に含まれる。上記の波長範囲は、生体の窓と呼ばれ、体内での吸収率が低いことで知られている。本実施形態におけるレーザ光源１は、上記の波長範囲の光を出射するものとして説明するが、他の波長範囲の光を用いてもよい。本明細書では、可視光のみならず赤外線についても、「光」の用語を用いる。

６５０ｎｍ未満の可視光領域では、血液中のヘモグロビンによる吸収が大きく、９５０ｎｍ超の波長域では、水による吸収が大きい。一方、６５０ｎｍ以上９５０ｎｍ以下の波長範囲内では、ヘモグロビンおよび水の吸収係数は比較的低く、ヘモグロビンおよび水の散乱係数は比較的大きい。したがって、この波長範囲内の光は、体内への侵入後、強い散乱を受けて体表面に戻ってくる。このため、効率的に体内の情報を取得することができる。そこで、本実施形態では、この波長範囲内の光が、主に用いられる。

拡散部材２０は、レーザ光源１から出射された光３１の光路に交差する拡散面２０ｓを有する。拡散部材２０は、光を屈折または回折させることにより、光路に交差するレーザ光の断面の中心を含む第１部分である中央部における光３１の強度を低くし、その断面において第１部分を囲む、レーザ光の第２部分である周辺部における光３１の強度を高くする。例えば、ガウシアン分布の強度を有する光が拡散部材２０に入射した場合、当該光は、近似的にフラットな分布の強度を有する光に変換され、拡散部材２０から出射される。拡散部材２０の構成の具体例については、後述する。

スクリーン２１は、拡散部材２０を透過した光２３の光路２７に交差する。スクリーン２１の表面では、光散乱により、スクリーン２１を透過した光、またはスクリーン２１によって反射された光のスポットが見える。本実施形態では、当該光のスポットが、見かけの光源であると解釈することができる。本明細書では、光の強度分布を大きく変換する機能を有さず、見かけの光源を映す部材を「スクリーン」と称する。スクリーン２１は見かけの光源サイズを拡大させる。スクリーン２１がない場合、見かけの光源サイズは、拡散面２０ｓにおける光２４のビーム径ｆ_１である。スクリーン２１がある場合、見かけの光源サイズは、スクリーン２１における光２５のビーム径ｆ_２である。スクリーン２１における光２５のビーム径ｆ_２は、拡散面２０ｓにおける光２４のビーム径ｆ_１よりも大きい。本明細書において、スクリーン２１における見かけの光源サイズを、「レーザ装置６の光源サイズ」と称することがある。スクリーン２１の構成の具体例については、後述する。

図１に示す例では、レーザ光源１から拡散部材２０までの距離をｄ_１、拡散部材２０からスクリーン２１までの距離をｄ_２、スクリーン２１から対象物５までの距離をＷＤとする。出射光である光３１、拡散部材２０から出射された屈折光または回折光である光２３、および照射光である光８はいずれも、光路上の向きがＺ方向である発散光である。拡散部材２０およびスクリーン２１の各々は、光路２７に直交して、Ｙ方向に平行に配置されている。なお、拡散部材２０から出射された光２３の光路がＺ方向に平行な例が図示されている。このような構成に限らず、Ｚ方向から斜めに、光２３の光路を設定することも可能である。その場合、スクリーン２１がその光路に垂直になるように、Ｙ方向から傾けてスクリーン２１を配置してもよい。

スクリーン２１を透過した光８、またはスクリーン２１によって反射された光８で対象物５が照射される。対象物の表面５ｓにおける光２６のビーム径ｆ_３は、拡散面２０ｓにおける光のビーム径ｆ_１およびスクリーン２１における光のビーム径ｆ_２のどちらよりも大きい。距離ＷＤをそれほど大きくしなくても、対象物５を広角で照明することが可能である。光８は、対象物５内に入る。光８のうち、一部の光は、表面５ｓによって反射される不図示の直接反射光になり、他の光は、内部散乱光９になる。

レーザ装置６は、対向する第１の表面及び第２の表面を有する光学部材２８をさらに備える。図１に示す例では、拡散部材２０およびスクリーン２１は、光学部材２８に一体的に形成されている。ここでは、光学部材２８は透光性を有する。光学部材２８は、例えば、ガラスまたは樹脂の平面基板である。拡散部材２０は、第１の表面上に配置され、スクリーン２１は、第２の表面上に配置されている。拡散部材２０およびスクリーン２１が配置された光学部材２８は、拡散部材２０がレーザ光源１側を向くように配置されている。光学部材２８に、拡散部材２０およびスクリーン２１を対向するように配置することにより、構造が安定する効果が得られる。また、樹脂の射出成形により、光学部材２８と、拡散部材２０と、スクリーン２１とを一体成形することにより、一つの光学部品として用いてもよい。当該一体成形は、コストおよび位置合わせの点において有利である。

本発明者らは、以下のことを見出した。発散光であるレーザ光源１から出射された光３１は、拡散部材２０に入射し、拡散部材２０から拡がって出射された屈折光または回折光である光２３になる。光２３は、多重散乱されずに、特定の方向に直進する。そのため、スクリーン２１のどの位置において光パワの時間分布を観測しても、光パワの時間分布には、時間的なばらつきがない。また、光パワの時間分布の形状は、光３１の光パワの時間分布の形状と同じである。つまり、レーザ光源１から、例えば１から２０ｎｓ程度の短い光パルスを出射した場合、レーザ光源１の光パルスの立ち下がり時間は、スクリーン２１における光パルス２５の立ち下がり時間と同じであると考えることができる。

スクリーン２１は、例えば、スクリーン２１の表面上に二次元的に交互に配置された複数の凹部および複数の凸部を含み、複数の凹部の各々の深さおよび複数の凸部の各々の高さがそれぞれ２μｍから３０μｍであってもよい。また、スクリーン２１は、第１層および第２層を含み、第１層の屈折率は第２層の屈折率と異なっていてもよい。例えば、第１層の表面に塗料を塗布することにより、第２層を形成してもよい。また、スクリーン２１は、スクリーン２１の表面上に二次元的に交互に配置された複数の第１部および複数の第２部を含み、複数の第１部の各々の屈折率は、複数の第２部の各々の屈折率と異なっていてもよい。スクリーン２１では、多重散乱が生じないことが望ましい。例示した構造は、多重散乱が生じにくい構造である。上記に述べたような、塗料が塗布された表面を有するスクリーン２１、または位置によって屈折率が異なるスクリーン２１において、本発明者らは、部材の厚さをｄ、部材の等価散乱係数をμ_ｓ’、部材の散乱係数をμ_ｓとしたとき、１／μ_ｓ≦ｄ≦１／μ_ｓ’を満たすときに、多重散乱が生じにくいことを見出した。そのようなスクリーン２１を透過した光８で対象物５を照射する場合、対象物５の表面５ｓにおける光パルスの立ち下がり時間は、レーザ光源１の光パルスの立ち下がり時間とほぼ同じであると考えることができ、多重散乱の影響は小さい。したがって、レーザ装置６は、高いＳ／Ｎ比の時間分解計測に適用することができる。

また、見かけの光源サイズが、ｆ_１からｆ_２に拡大される。これにより、クラス１のＡＥＬおよびＭＰＥを、拡大率（ｆ_２／ｆ_１）の２乗の大きさで増加させることが可能になる。

図２Ａおよび図２Ｂは、それぞれ、本開示の実施形態１におけるレーザ装置６の拡散部材２０の構造を模式的に示す平面図および断面図である。図２Ｂに示す例における断面は、図２Ａに示す例におけるＩＩＢ−ＩＩＢにおける断面に相当する。

拡散部材２０は、光学部材２８の２つの表面の一方に配置されている。拡散部材２０は、レーザ光源１からの出射光である光３１をより広げる機能を有する。図１に示すように、拡散部材２０は、光３１を屈折光または回折光である光２３に変換する。光３１は、最大出射角θを有する。拡散部材２０から出射された光２３は、拡散部材２０がない場合に屈折率ｎの光学部材２８に入射した場合の角度ｓｉｎ^−１（ｓｉｎθ／ｎ）より大きな拡がり角θ_１を有する。よって、θ_１＞ｓｉｎ^−１（ｓｉｎθ／ｎ）が成立する。光の損失を抑えて時間分解計測を行うために、微粒子の入った散乱体を拡散部材２０に用いない方が望ましい。

本実施形態におけるレーザ装置６では、拡散部材２０は、拡散面２０ｓにおいてレンズアレイ３２を備える。レンズアレイ３２は、屈折または回折させることによって光を拡散させる。レンズアレイ３２は、例えば、微粒子が入っていない透明な樹脂から形成されている。図２Ａおよび図２Ｂに示す例では、Ｘ方向およびＹ方向の両方において４つのレンズを配置した４×４の屈折型のレンズアレイ３２が示されているが、回折型のレンズアレイであってもよい。レンズの数は、仕様に合わせて設定してもよい。各レンズのサイズを小さくして、レンズの数を多くしてもよい。また、レンズ形状としては凸レンズが示されているが、凹レンズでもよい。凹レンズおよび凸レンズをランダムに配置して、レンズアレイとしてもよい。

レンズアレイ３２において、それぞれのレンズの中心３４、それぞれのレンズの膜厚分布、およびそれぞれのレンズ境界３５をＸＹ平面内においてランダムにばらつかせることにより、光８における回折ノイズを低減させる効果が得られる。図２Ａに示す例では、膜厚分布は、ある高さの等高線３３によって表されている。

レーザ光源１から出射された光３１は、ガウシアン分布の光強度を有する。ガウシアン分布の光強度を有する光３１が、レンズアレイ３２における各凸レンズを透過することにより、各凸レンズからの複数の光が重なり合って、全体としてフラットな分布の光強度が形成される。

図３Ａは、本開示の実施形態１における、レーザ装置６の拡散面２０ｓにおける光の形状、図３Ｂは、レーザ装置６の拡散面２０ｓにおける光の光強度分布を模式的に示す図である。図３Ｃは、本開示の実施形態１における、レーザ装置６のスクリーン２１における光の形状、図３Ｄは、レーザ装置６のスクリーン２１における光の光強度分布を模式的に示す図である。図３Ｅは、本開示の実施形態１における、対象物５の表面５ｓにおける光の形状、図３Ｆは、対象物５の表面５ｓにおける光の光強度分布を模式的に示す図である。

レーザ光源１として通常の半導体レーザ光源を用いた場合、レーザ光源１から出射される光３１は、出射角がＸ方向およびＹ方向において異なるガウシアン分布を有する。したがって、図３Ａに示すように、拡散部材２０における光２４の形状は、例えば、Ｘ方向に長軸を有する楕円形状になる。Ｃ_１は、楕円形状の中心を表す。図３Ｂに示すように、光２４の最大光強度はＰ_１である。Ｘ方向およびＹ方向における、光２４の１／ｅ^２のビーム径は、それぞれｆ_１ｘ、ｆ_１ｙであり、例えば、ｄ_１＝４ｍｍのとき、ｆ_１ｘ＝２ｍｍ、ｆ_１ｙ＝１ｍｍである。拡散部材２０における見かけの光源サイズを、Ｘ方向およびＹ方向における１／ｅ^２のビーム径の平均とする。当該見かけの光源サイズは、１．５ｍｍになる。本明細書では、当該ビーム径の平均を、単に「ビーム径」と称することがある。

拡散部材２０としてレンズアレイ３２を用いることにより、ガウシアン分布の光強度を、スクリーン２１においてほぼフラットな分布の光強度に変換することができる。Ｘ方向およびＹ方向の１／ｅ^２のビーム径はほとんど同じｆ_２ｘ、ｆ_２ｙ、例えば、ｆ_２ｘ＝ｆ_２ｙ＝１０ｍｍになる。図３Ｃに示すように、スクリーン２１における光２５の形状を、一つのレンズを形成するレンズ境界３５の形状と同等にすることができる。Ｃ_２は、矩形形状の中心を表す。

図３Ｄに示すように、最大光強度はＰ_２になり、大幅にＰ_１より小さくすることができる。見かけの光源の最大光強度が低い方が、目の安全性の点で望ましい。これは以下の理由による。レーザ光が目に入射した場合、レーザ光が有するコヒーレンスのため網膜上においてスペックルが生じる。これにより、網膜上の一部の箇所において、光強度が最大になる。当該最大光強度が高すぎると、網膜が損傷する可能性がある。

したがって、拡散部材２０は、レーザ光源１から出射した光３１を屈折または回折させることにより、光３１の中央部の強度を低くし、光３１の周辺部の強度を高くする。レーザ装置６に望まれる特性は、見かけの光源であるスクリーン２１において、それぞれの位置での光強度を最も低くし、トータルの光パワを最大にできることである。スクリーン２１における光２５の光強度分布は、図３Ｄに示すようなフラットな分布であってもよい。

レーザ装置６のＺ方向におけるサイズを小さくするためには、ｄ_１＋ｄ_２が小さい方がよい。一方で、見かけの光源サイズであるスクリーン２１における光２５のビーム径は１０ｍｍ以上であってもよい。また、ｄ_１を小さくして、拡散面２０ｓにおける光２４のビーム径は１０ｍｍ未満であってもよい。上述したように、見かけの光源サイズが１０ｍｍ未満のとき、クラス１のＡＥＬおよびＭＰＥを、見かけの光源サイズの２乗に比例して増加させることが可能であるからである。ｄ_２を最も小さくするためには、スクリーン２１における光のビーム径ｆは１０ｍｍであってもよい。

拡散部材２０によって得られる実質的な拡がり角θ_１―ｓｉｎ^−１（ｓｉｎθ／ｎ）を、スクリーン２１によって得られる実質的な光の拡がり角θ_２―ｓｉｎ^−１（ｎｓｉｎθ_１）より大きくしてもよい。これにより、ｄ_２を小さくする効果が得られる。なお、拡散部材２０によって得られる実質的な拡がり角とは、拡散部材２０によって斜め入射光をどれくらいの角度だけ広げるかの尺度を意味する。当該実質的な拡がり角は、拡散部材２０がない場合と、ある場合との光線の角度の差分に相当する。スクリーン２１によって得られる実質的な光の拡がり角は、スクリーン２１によって斜め入射光をどれくらいの角度だけ広げるかの尺度を意味する。当該実質的な拡がり角は、スクリーン２１がない場合と、ある場合との光線の角度の差分に相当する。

本実施形態のレーザ装置６では、見かけの光源サイズが、例えば、ｆ_１＝１．５ｍｍからｆ_２＝１０ｍｍに拡大される。拡大率はｆ_２／ｆ_１＝６．７倍である。そのとき、クラス１のＡＥＬおよびＭＰＥを、拡大率の２乗の大きさである４４倍に増加させることが可能になった。

対象物５の表面５ｓにおける光２６は、スクリーン２１における光２５が拡大された光である。そのため、図３Ｅに示すように、Ｘ方向およびＹ方向における１／ｅ^２のビーム径はほとんど同じｆ_３ｘ、ｆ_３ｙ、例えば、ｆ_３ｘ＝ｆ_３ｙ＝６０ｍｍになる。図３Ｆに示すように、光２６の最大光強度Ｐ_３はＰ_２よりも小さく、光２６はほぼフラットな光強度分布を有する。

レーザ光源１の出射面から拡散部材２０までの距離ｄ_１よりも、拡散部材２０からスクリーン２１までの距離ｄ_２の方を大きくしてもよい。これにより、ｄ_１＋ｄ_２を一定に保ちながら、見かけの光源サイズの拡大率を大きくすることができる。

図３Ｇは、実際に赤色のレーザ光で凹凸を有する拡散部材２０を照射した場合における、拡散面２０ｓにおける光強度分布、図３Ｈは、実際に赤色のレーザ光で凹凸を有する拡散部材２０を照射した場合における、スクリーン２１における光強度分布を示す図の一例である。図３Ｇに示す例では、拡散面２０ｓにおいて、ビーム径が小さく、光強度が高いガウシアン分布が示されている。白色は、光強度が高いことを表している。一方、図３Ｈに示す例では、スクリーン２１において、ビーム径が大きく、光強度が低いフラットな分布が示されている。黒色は、光強度が低いことを表している。図３Ｇおよび図３Ｈに示すように、拡散部材２０を通過した光は、ビーム径が大幅に拡大され、その強度分布も低く、ほぼフラットな分布になることがわかる。

スクリーン２１がない場合、被検者は、見かけの光源として、図３Ｇに示すように、高い光強度分布を有する光を直接視認する。そのため、被検者は、眩しさを感じ、不快感を覚え得る。また、高い光強度分布を有する光を直接視認することは、目の安全性の点からも望ましくない。一方、スクリーン２１がある場合、被検者は、見かけの光源として、図３Ｈに示すように、低い光強度分布を有する光を、安全に直接視認することができる。

次に、本開示の実施形態１における光センシング装置を説明する。

図４は、本開示の実施形態１における、光センシング装置１７の構成と、生体計測の様子とを説明するための概略図である。図５は、本開示の実施形態１における、光センシング装置１７の制御回路７および光検出器２の内部の構成と、信号の流れとを模式的に示す図である。

実施形態１の光センシング装置１７は、上述したレーザ装置６と、光検出器２と、制御回路７とを備える。

制御回路７は、レーザ装置６および光検出器２を制御する。レーザ光源１は、制御回路７からの指示に応じて、発光の開始および停止、ならびに発光パワの変更を行い、おおむね任意の光パルスを発生させることができる。また、制御回路７は、光検出器２から出力される電気信号１５（以下、単に「信号」と称する。）を処理する信号処理回路３６を含む。電気信号１５は、内部状態の情報を含む。信号処理回路３６は、光検出器２から出力された複数の信号を用いた演算を行うことにより、対象物５の内部情報を生成する。

制御回路７は、例えば中央演算処理装置（ＣＰＵ）などのプロセッサと、メモリとを有する集積回路であり得る。制御回路７は、例えばメモリに記録されたプログラムを実行することにより、レーザ装置６に光を出射させ、それに同期して光検出器２に光を検出させる。本実施形態における光センシング装置１７は制御回路７を備えているが、制御回路７は光センシング装置１７の外部の要素であってもよい。

光検出器２は、レーザ装置６から離れた対象物５によって反射および／または散乱された反射散乱光１１を検出して、電気信号１５を出力する。光検出器２は、受光量に応じた信号電荷を発生させる光電変換部３と、信号電荷を蓄積する蓄積部４と、信号電荷を排出するドレイン１２とを備えている。光電変換部３は、例えば、フォトダイオードを含み得る。光電変換部３によって生じた信号電荷は、蓄積部４に蓄積されるか、ドレイン１２を通じて排出される。この信号蓄積および排出のタイミングは、制御回路７および光検出器２内の回路によって制御される。本明細書において、この制御に関わる光検出器２内の回路を「電子シャッタ」と称することがある。

本実施形態における対象物５は人の額である。額に光を照射し、その散乱光を検出することにより、脳血流の情報を取得することができる。「散乱光」は、反射散乱光と透過散乱光とを含む。以下の説明では、反射散乱光を単に「反射光」と称することがある。

対象物５である額の内部には、表面から順に、頭皮（厚さ：約３から６ｍｍ）、頭蓋骨（厚さ：約５から１０ｍｍ）、脳脊髄液層（厚さ：約２ｍｍ）および脳組織が存在する。括弧内の厚さの範囲は個人差があることを表している。血管は、頭皮内および脳組織内に存在する。したがって、頭皮内の血流を頭皮血流と呼び、脳組織内の血流を脳血流と呼ぶ。脳機能計測においては、脳血流が存在する部位が計測対象である。

生体は、散乱体である。対象物５に向けて出射された光８のうち、一部の光は、直接反射光１０として、光センシング装置１７に戻る。他の光は、対象物５の内部に入射し拡散されて、一部は吸収される。対象物５の内部に侵入した光は、表面から深さ１０から１８ｍｍ程度の範囲に存在する血流、すなわち脳血流の情報を含んだ内部散乱光９などになる。内部散乱光９は、内部からの反射散乱光１１として光センシング装置１７に戻る。直接反射光１０および反射散乱光１１は、光検出器２によって検出される。

レーザ装置６から出射されてから光検出器２に到達するまでの時間は、直接反射光１０の場合、相対的に短く、内部からの反射散乱光１１の場合、相対的に長い。このうち、高いＳ／Ｎ比で検出することが求められる成分は、脳血流の情報を有する内部からの反射散乱光１１である。

なお、脳血流以外の生体計測を行う場合には、反射散乱光だけでなく透過散乱光を用いる場合もある。脳血流以外の血液の情報を取得する場合には、例えば腕または脚などの額以外の部位を被検部としてもよい。以下の説明では、特に断りがない限り、対象物５は、額であるとする。被検者は、人間であるとするが、人間以外の皮膚を有し、毛の生えていない部分を有する動物であってもよい。本明細書における被検者の用語は、そのような動物を含む被検体一般を意味する。

本発明者らは、光検出器２によって検出される直接反射光１０および反射散乱光１１の光量を定量化するために、対象物５として、典型的な日本人の頭を模したファントムを想定して光パルス応答のシミュレーションを行った。具体的には、レーザ装置６から例えば１５ｃｍ離れた対象物５に光パルス８を出射した場合に、光検出器２によって検出される光パワの時間分布、すなわち光パルス応答を、モンテカルロ解析により計算した。

図６Ａは、出射光である単一光パルスの時間分布の例を示す図である。この例における光パルスの波長λは８５０ｎｍであり、半値全幅は１１ｎｓである。この単一光パルスの形状は、立ち上がりおよび立ち下がり時間が１ｎｓである典型的な台形である。本明細書において、「立ち上がり時間」とは、光パワがピーク値の０％から１００％に増加するまでの時間を意味し、その期間を「立ち上がり期間」と称する。「立ち下がり時間」とは、光パワがピーク値（１００％）からゼロ（０％）に減少するまでの時間を意味し、その期間を「立ち下がり期間」と称する。図６Ａに示す例では、時間ｔ＝０で、当該単一光パルスの出射を開始し、ｔ＝１２ｎｓで完全に停止したとする。

光速ｃは３０万ｋｍ／ｓであり、レーザ装置６から対象物５までの距離が１５ｃｍであることから、照射光である光８が対象物５表面に到達する時間は、０．５ｎｓになる。光８が、対象物５表面において直接反射され、直接反射光１０になり、光検出器２上に到着する時間は、１ｎｓになる。したがって、光検出器２上において光を検出する時間は、１ｎｓ以降になる。

光センシング装置１７は、脳血流に含まれる酸素化ヘモグロビン濃度および脱酸素化ヘモグロビン濃度の変化に基づき、対象物５の内部からの反射散乱光１１の光量の変化量を計測する。脳組織内には、脳血流の変化に応じて吸収係数および散乱係数が変化する吸収体が存在する。定常状態では、脳内を均一な脳組織としてモデル化し、モンテカルロ解析を実行することができる。本明細書において、血流の変化とは、血流の時間変化を意味する。

図６Ｂは、定常状態において検出された全光パワ（実線）、脳血流の変化量に対応した光パワの変化量（破線）、および変調度（一点鎖線）の時間分布を示す図である。変調度とは、脳血流の変化量に対応した光パワの変化量を、定常状態において検出された全光パワによって割った値を意味する。各図の縦軸は、図６Ａにおいては、リニア表示で表され、図６Ｂにおいては、対数表示で表されている。

光検出器２において検出される全光パワのうち、脳血流の変化量に対応した光パワの変化量は２×１０^−５程度しかない。

光検出器２上において、光パワが減り始める時間をｔ_ｂｓとし、光パワが完全にノイズレベルまで低下する時間をｔ_ｂｅとする。図６Ｂに示すように、時間ｔがｔ_ｂｓ以上ｔ_ｂｅ以下である光の立ち下がり期間１３において、脳血流の変化を示す信号の割合が高くなることがわかる。光の立ち下がり期間１３の後半になるほど光パワは減り、その分ノイズが増える。しかし、変調度は大きくなる。ｔ_ｂｓ≦ｔ≦ｔ_ｂｅの立ち下がり期間１３のうち、例えばｔ＝１３．５ｎｓ以降の光のパワは、光パルスである光８の検出された全光パワの約１／１００である。立ち下がり期間１３に到達する光を、光検出器２の電子シャッタの機能を用いて時間分解計測した場合、脳血流の変化量に対応した光パワの割合は、ｔ＝１３．５ｎｓ以降に検出される全光パワの７％に増加する。これにより、脳血流の変化を示す信号を、十分に取得することが可能である。電子シャッタを使わなければ、脳血流の変化量の割合は２×１０^−５程度である。

したがって、光パルスである光８を出射して、光検出器２により、対象物５からの光パルスの立ち下がり期間１３に含まれる反射散乱光１１の成分を受光し、その光パワ変化を検出すれば、脳血流の変化を示す信号を検出することができる。

上述した脳血流の変化の計測原理を用いて、本実施形態の光センシング装置１７における、光パルスの出射および光検出を説明する。

本実施形態のように対象物５が人である場合、目の安全性のためにクラス１のＡＥＬおよびＭＰＥを満たす必要がある。上記に説明したように、本実施形態のレーザ装置６は、ＡＥＬおよびＭＰＥを増加させることが可能である。しかし、脳機能計測では、それでも信号光のＳ／Ｎ比が足らない場合が多い。したがって、通常、光パルス出射と信号検出とを繰り返し行うことにより、Ｓ／Ｎ比の向上を図る。

図７は、本開示の実施形態１における、レーザ装置６から出射された光パルス３８の時間分布（上段）と、光センシング装置１７における光検出器２が検出する光パワの時間分布（中段）と、電子シャッタのタイミングおよび電荷蓄積（下段）とを模式的に示す図である。

実施形態１の光センシング装置１７において、制御回路７は、レーザ装置６に、少なくとも１つの光パルス３８で対象物５を照射させる。制御回路７は、光検出器２に、対象物５から戻った少なくとも１つの反射光パルス１９の立ち下がり期間に含まれる光の成分を検出させ、検出された光の量を示す電気信号１５を出力させる。

図７の上段に示すように、レーザ光源１は、光パルス３８を、例えば、周期Λ_１で順に出射する。光パルス３８は、パルス幅Ｔ_１および最大光パワ値Ｐ_１を有する。光パルス３８が存在しない時間幅をＴ_ｎ（＝Λ_１―Ｔ_１）とする。

図７の中段に示すように、光パルス３８に対応して光検出器２により検出された反射光パルス１９の分布は、裾野において少し広がったパルス形状を有する。これは、対象物５内の内部散乱の影響によって時間遅れが生じることに起因する。パルス幅Ｔ_ｄ１は、Ｔ_１よりもわずかに広い。

光検出器２は、反射光パルス１９において、立ち下がり期間１３に含まれる光の成分を、光検出器２における光電変換部３によって光電変換し、蓄積部４によって信号電荷１８を蓄積する。

本実施形態では、光パルス３８のパルス幅Ｔ_１は、１１から２２ｎｓである。光パルス３８は、５５ｎｓから１１０ｎｓ程度の時間周期Λ_１で、例えば、１０００回から１００万回程度繰り返し出射され得る。これにより、１フレームが構成される。フレームを並べることにより、動画を構成することができる。

本実施形態の光センシング装置１７において、光検出器２は、信号電荷を蓄積するか否かを切り替える電子シャッタと、蓄積部４とを有する。電子シャッタは、光電変換部３によって生成された信号電荷の蓄積と排出とを制御する回路である。

反射光パルス１９の立ち下がり期間１３に含まれる光の成分は、光電変換部３によって光電変換される。その後、制御回路７からの制御信号１６ａにより、蓄積部４を選択、すなわち、電子シャッタをｏｐｅｎにし、例えば１１から２２ｎｓの時間Ｔ_Ｓだけ信号電荷１８が蓄積される。時間Ｔ_Ｓ経過後、制御回路７からの制御信号１６ｃにより、ドレイン１２を選択、すなわち、電子シャッタをｃｌｏｓｅにして、光電変換部３からの電荷が放出される。

したがって、蓄積部４には、光パルス３８の繰り返しパルス列に対応して、反射光パルス１９の立ち下がり期間１３に含まれる光の成分の繰り返し列が、光電変換により、１フレーム分の信号電荷１８として蓄積される。１フレームの終了後に、信号電荷１８は、電気信号１５として制御回路７に出力される。電気信号１５は、脳血流の情報を含む。

光パルス３８の出射後に、光出射がない状態で、同じ時間および同じ回数だけ、電子シャッタをｏｐｅｎおよびｃｌｏｓｅにして、環境ノイズを測定してもよい。環境ノイズの値を信号値からそれぞれ減算することにより、信号のＳ／Ｎ比を向上させることができる。

図５に示した光検出器２の構成は、１画素に相当する。これにより、対象物５内の平均化した血流に関する生体情報を取得することができる。

また、光検出器２として、画素ごとに、光電変換部３と、蓄積部４と、蓄積部４において信号電荷を蓄積するか否かを切り替える電子シャッタとを備えたイメージセンサを用いてもよい。この場合、光検出器２は、２次元的に配列された複数の光検出セルを有するイメージセンサである。各々の光検出セルは、反射光パルス１９の立ち下がり期間に含まれる光の成分を信号電荷１８として蓄積する。さらに、各々の光検出セルは、蓄積された信号電荷の総量を示す電気信号１５を出力する。これにより、対象物５の血流に関する生体情報を、複数のフレームを含む動画として取得することができる。

次に、図８Ａおよび図８Ｂを参照して、電気信号１５に、脳血流の情報が重畳されることを説明する。

図８Ａは、対象物５の内部に存在する血流の変化を示す前面図である。図８Ｂは、対象物５の内部に存在する血流の変化を示す側面からの断面図である。図８Ａおよび図８Ｂに示す例では、表面から１０から１８ｍｍ程度の内部の血流を示す領域１４ａ、１４ｂが示されている。ここでは、内部の血流は脳血流である。照射光である光８が、対象物５に入射し、内部からの内部散乱光９として、光検出器２によって検出される光路に注目する。血流分布にもよるが、内部散乱光９は、散乱または吸収されて領域１４ａ、１４ｂを通過し、さらに散乱または吸収を繰り返し、内部からの反射散乱光１１として、対象物５から出てくる。

次に、対象物５における血流の変化を示す分布の取得方法を説明する。

まず、制御回路７は、イメージセンサである光検出器２に、以下の第１および第２の画像信号を出力させる。第１の画像信号は、第１の期間に複数の光検出セルに蓄積された信号電荷１８の総量の２次元分布を示す。第２の画像信号は、第１の期間よりも前の第２の期間に複数の光検出セルに蓄積された信号電荷１８の総量の２次元分布を示す。

次に、信号処理回路３６は、第１および第２の電気信号を、光検出器２から受け取る。その後、信号処理回路３６は、第１の画像信号が示す画像と、第２の画像信号が示す画像との差分を示す差分画像を生成する。

当該差分画像は、被検部６０における脳血流の変化を示す分布に相当する。本明細書では、差分画像は、第２の画像信号を基準値とし、当該基準値からの第１の画像信号の増減を表示する画像とした。信号処理回路３６が、第２の画像信号を１回だけ受け取り、第１の画像信号を１フレーム周期ごとに繰り返し受け取れば、対象物５における血流の変化を示す分布の動画が得られる。

次に、検出された脳血流領域のサイズを実サイズに改善する方法を説明する。

図９Ａは、光パルスの照射により検出された、対象物の内部の血流の変化を模式的に示す図である。図９Ｂは、画像演算により画像補正された、対象物５の内部の血流の変化を模式的に示す図である。

信号処理回路３６は、信号電荷１８の量を示す電気信号１５を用いて、対象物５の内部の血流情報を生成する。電気信号１５は、対象物５における内部の血流情報を含む。

図９Ａに示す例では、２次元画像は、脳血流が変化している領域１４ｃの分布を表す。脳血流が変化している領域１４ｃは、内部の脳血流が散乱されて広がった状態にある。そこで、信号処理回路３６は、拡散方程式またはモンテカルロ解析などにより、その散乱状態を推測して画像補正する。これにより、信号処理回路３６は、図９Ｂに示すような、脳血流が変化している領域１４ｄの分布を示す実サイズの２次元画像を生成する。この２次元画像が、所望の脳血流の変化を示す画像である。

次に、本開示の実施形態１の変形例におけるレーザ装置６を説明する。

図１０は、本開示の実施形態１の変形例における、レーザ装置６の構成と、レーザ装置６から出射された光８で対象物５を照射した場合の様子とを説明するための概略図である。

実施形態１の変形例におけるレーザ装置６は、光学部材２８に代えて、対向する２つの表面を有する光学部材２８ａと、対向する２つの表面を有する光学部材２８ｂとをさらに備える。実施形態１の変形例におけるレーザ装置６では、拡散部材２０およびスクリーン２１が、同一の光学部材ではなく、それぞれ、別々の光学部材２８ａ、２８ｂに配置されている。拡散部材２０は、光学部材２８ａの２つの表面の一方の表面上にあり、スクリーン２１は、光学部材２８ｂの２つの表面の一方の表面上にある。光学部材２８ａの２つの表面の他方は、光学部材２８ｂの２つの表面の他方に対向している。本明細書では、「２つの表面が対向する」とは、２つの表面が平行でない場合も含む。ここでは、光学部材２８ａ、２８ｂは、透光性を有する。光学部材２８ａ、２８ｂは、例えば、ガラスまたは樹脂の平面基板である。

拡散部材２０および光学部材２８ａを拡散構造体２９とし、スクリーン２１および光学部材２８ｂをスクリーン構造体３０とする。大きな光学部材２８ａ上に、その同じサイズで拡散部材２０を形成し、所望のサイズで切り出すことにより、拡散構造体２９を製造することができる。拡散構造体２９のサイズは、スクリーン構造体３０に比べて大幅にサイズが小さい。したがって、拡散構造体２９のコストを低減することが可能である。

また、拡散部材２０が、光学部材２８ａの２つの表面のうち、レーザ光源１側の表面上にあることにより、その反対側の表面上にあるよりも見かけの光源の拡大率を大きくすることが可能である。さらに、スクリーン２１が、光学部材２８ｂの２つの表面のうち、レーザ光源１側の表面と反対側の表面上にあることにより、レーザ光源１側の表面上にあるよりも見かけの光源の拡大率を大きくすることが可能になる。

図１１は、本開示の実施形態１の他の変形例における、レーザ装置６の構成と、レーザ装置６から出射された光８で対象物５を照射した場合の様子とを説明するための概略図である。

実施形態１の他の変形例におけるレーザ装置６は、レーザ光源１と拡散部材２０との間に位置するコリメータレンズ２２をさらに備える。レーザ装置６では、レーザ光源１からの出射光３１は、コリメータレンズ２２によって平行光に変換されてから、拡散部材２０に入射する。拡散部材２０は、平行光に合わせて設計される。したがって、レーザ光源１から出射された光３１としての発散光に合わせて設計する必要はなく、拡散部材２０の設計が簡素化される。

図１２は、本開示の実施形態１のさらに他の変形例における、レーザ装置６の構成と、レーザ装置６から出射された光８で対象物５を照射した場合の様子とを説明するための概略図である。

実施形態１のさらに他の変形例におけるレーザ装置６では、スクリーン２１が配置されたスクリーン構造体３０が、拡散部材２０から出射した屈折光または回折光である光２３の光路に対して、例えば、斜め４５°の位置に配置されている。拡散部材２０は、光学部材２８ａの２つの表面の一方の表面上にあり、スクリーン２１は、光学部材２８ｂの２つの表面の一方の表面上にある。光学部材２８ａの２つの表面の他方は、スクリーン２１の表面に対向している。光学部材２８ａの２つの表面の他方は、スクリーン２１の表面に対して傾いている。ここでは、光学部材２８ａは、透光性を有し、光学部材２８ｂは、反射性を有する。光学部材２８ａは、例えば、ガラスまたは樹脂の平面基板である。光学部材２８ｂは、例えば、金属の平面基板である。金属として、例えばアルミニウムを用いてもよい。

Ｙ方向に出射された光３１は、スクリーン２１によって反射され、Ｚ方向に曲げられる。対象物５は、Ｚ方向に曲げられた光で照射される。このような折り返し光学系により、レーザ装置６のＺ方向サイズを小さくすることが可能である。

（実施形態２）
次に、本開示の実施形態２の光センシング装置を、図１３から図１５を参照して、上記実施形態１の光センシング装置と異なる点を中心に説明する。

図１３は、本開示の実施形態２における、レーザ装置６の構成と、レーザ装置６から出射された光８で対象物５を照射した場合の様子とを説明するための概略図である。図１４は、本開示の実施形態２における、光センシング装置１７の制御回路７および光検出器２の内部の構成と、信号の流れとを模式的に示す図である。図１５は、本開示の実施形態２における、レーザ装置６から出射された光パルスの時間分布（上段）と、光センシング装置１７における光検出器２が検出する光パワの時間分布（中段）と、電子シャッタのタイミングおよび電荷蓄積（下段）とを模式的に示す図である。

実施形態２におけるレーザ装置６が、実施形態１におけるレーザ装置６と異なる点は、レーザ光源１が、少なくとも２つの波長の光を出射する多波長光源であり、波長ごとに、光パルスを順に出射することである。実施形態２の光センシング装置１７が、実施形態１の光センシング装置１７と異なる点は、実施形態２の光センシング装置１７が多波長光源を有した実施形態２のレーザ装置６を備えることである。他の構成は実施形態１の光センシング装置と同じである。

レーザ光源１は、例えば、Ｙ方向に並べられた複数の発光素子１ａ、１ｂを備える。発光素子１ａは、第１波長域のレーザ光を出射し、発光素子１ｂは、第１波長域とは異なる第２波長域のレーザ光を出射する。発光素子１ａ、１ｂは、例えばレーザチップである。

酸素化ヘモグロビンおよび脱酸素化ヘモグロビンの吸収率は、例えば、λ_１＝７５０ｎｍおよびλ_２＝８５０ｎｍの波長において異なる。そのため、これらの２波長を用いてそれぞれ得られた２つの電気信号を演算することにより、対象物５おける、酸素化ヘモグロビンおよび脱酸素化ヘモグロビンの割合を測定することができる。

対象物５が生体の頭部の額領域であるとき、前頭葉における脳血流の変化量、または酸素化ヘモグロビン濃度および脱酸素化ヘモグロビン濃度の変化量などを測定することができる。これにより、感情などの情報のセンシングが可能である。例えば、集中状態では、脳血流量の増加、および酸素化ヘモグロビン量の増加などが生じる。

様々な波長の組み合わせが可能である。波長が８０５ｎｍにおいて、酸素化ヘモグロビンおよび脱酸素化ヘモグロビンの吸収量が等しくなる。したがって、上記の生体の窓も考慮すると、例えば、６５０ｎｍ以上８０５ｎｍ未満の波長と、８０５ｎｍ超９５０ｎｍ以下の波長との組み合わせであってもよい。さらに、その２波長に加えて、８０５ｎｍの波長の３波長を用いることもできる。３波長の光が用いられる場合、レーザチップが３つ必要になるが、３つ目の波長の情報も得られるため、その情報を利用することにより、演算が容易になり得る。

本実施形態の光センシング装置１７における光検出器２は、信号電荷を蓄積するか否かを切り替える電子シャッタと、２つの蓄積部４ａ、４ｂとを備える。発光素子１ａから、波長λ_１の光パルス３８ａが出射される。光パルス３８ａに対応して、光検出器２に戻った反射光パルス１９ａの立ち下がり期間１３に含まれる反射散乱光１１の成分が光電変換部３によって光電変換される。その後、制御回路７からの制御信号１６ａ、１６ｂ、１６ｃによって蓄積部４ａが選択され、例えば１１から２２ｎｓの時間Ｔ_Ｓ１だけ第１の信号電荷１８ａが蓄積される。時間Ｔ_Ｓ１経過後、制御回路７からの制御信号１６ａ、１６ｂ、１６ｃにより、ドレイン１２が選択され、光電変換部３からの電荷が放出される。

この後、発光素子１ａを発光素子１ｂに変えて、同様に波長λ_２の光パルス３８ｂが出射される。光パルス３８ｂに対応して、光検出器２に戻った反射光パルス１９ｂの立ち下がり期間１３に含まれる反射散乱光１１の成分が光電変換部３によって光電変換される。その後、制御回路７からの制御信号１６ａ、１６ｂ、１６ｃによって蓄積部４ｂが選択され、例えば１１から２２ｎｓの時間Ｔ_Ｓ２だけ第２の信号電荷１８ｂが蓄積される。時間Ｔ_Ｓ２経過後、制御回路７からの制御信号１６ａ、１６ｂ、１６ｃにより、ドレイン１２が選択され、光電変換部３からの電荷が放出される。これらの光パルス３８ａ、３８ｂが順に繰り返し照射され、それぞれ１フレーム分の第１の信号電荷１８ａ、第２の信号電荷１８ｂとして蓄積される。１フレームの終了後に、第１の信号電荷１８ａは、第１の電気信号１５ａとして、第２の信号電荷１８ｂは、第２の電気信号１５ｂとして制御回路７に出力される。

取得された２つの画像情報から、脳血流の変化を示す画像として、酸素化ヘモグロビンおよび脱酸素化ヘモグロビンの２つの２次元濃度分布の画像を生成することができる。

本実施形態においても、クラス１のＭＰＥおよびＡＥＬを増加させるとともに、時間分解計測に適用することが可能な光を出射するレーザ装置６、およびそれを用いたＳ／Ｎ比を改善することが可能な光センシング装置１７を提供することが可能である。

実施形態１、２における光センシング装置１７では、対象物５における情報が脳血流である場合を説明した。対象物５における情報は、例えば、対象物から光検出器までの距離の情報であってもよい。この場合、電気信号１５は、距離の信号を含む。実施形態１、２における光センシング装置１７は、安全性を確保しながら照射パワを増加させることが可能なＴＯＦ（Ｔｉｍｅ Ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ）カメラとして構成されてもよい。

以上、実施形態１、２におけるレーザ装置６およびそれを用いた光センシング装置１７を説明してきたが、本開示は、これらの実施形態に限定されるものではない。

実施形態１、２におけるレーザ装置、当該レーザ装置を用いた光センシング装置、および当該光センシング装置の構成を組み合わせたレーザ装置も本開示に含まれ、同様の効果を奏することができる。

本開示は、生体または食物を非接触で計測する用途、例えば、生体・医療センシングまたは鮮度センシングに利用することができる。

１ レーザ光源
２ 光検出器
３ 光電変換部
４ 蓄積部
５ 対象物
５ｓ 表面
６ レーザ装置
７ 制御回路
８、２３、２４、２５、２６、３１ 光
９ 内部散乱光
１０ 直接反射光
１１ 反射散乱光
１２ ドレイン
１３ 立ち下がり期間
１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ 領域
１５ 電気信号
１６ａ、１６ｂ、１６ｃ 制御信号
１７ 光センシング装置
１８ 信号電荷
１９ 反射光パルス
２０ 拡散部材
２０ｓ 拡散面
２１ スクリーン
２２ コリメータレンズ
２７ 光路
２８、２８ａ、２８ｂ 光学部材
２９ 拡散構造体
３０ スクリーン構造体
３２ レンズアレイ
３３ 等高線
３４ 中心
３５ レンズ境界
３６ 信号処理回路

Claims (21)

1. レーザ光を出射する光源と、
   前記レーザ光の光路に交差する拡散面を有し、前記レーザ光を屈折または回折させることにより、前記光路に交差する前記レーザ光の断面の中心を含む第１部分における前記レーザ光の強度を低くし、前記断面において前記第１部分を囲む、前記レーザ光の第２部分における前記レーザ光の強度を高くし、且つ前記レーザ光のビーム径を拡大する拡散部材と、
   前記拡散部材を透過後の前記レーザ光の光路に交差するスクリーンと、
   を含み、
   前記スクリーンを透過した前記レーザ光、または前記スクリーンによって反射された前記レーザ光で対象物を照射する、
   レーザ装置と、
   前記対象物から戻った前記レーザ光の少なくとも一部を検出して、電気信号を出力する光検出器と、
   前記レーザ装置および前記光検出器を制御する制御回路と、
   を備え、
   前記制御回路は、
   前記レーザ装置に、前記レーザ光の少なくとも１つの光パルスで前記対象物を照射させ、
   前記光検出器に、前記対象物から戻った前記レーザ光の少なくとも１つの反射光パルスの時間分解計測を行わせる、
   光センシング装置。
2. 前記拡散面における前記レーザ光のビーム径は、１０ｍｍ未満である、
   請求項１に記載の光センシング装置。
3. 前記スクリーンにおける前記レーザ光のビーム径は、１０ｍｍ以上である、
   請求項１または２に記載の光センシング装置。
4. 前記対象物の表面における前記レーザ光のビーム径は、前記スクリーンにおける前記レーザ光のビーム径よりも大きい、
   請求項１から３のいずれかに記載の光センシング装置。
5. 前記拡散部材は、前記拡散面においてレンズアレイをさらに含む、
   請求項１から４のいずれかに記載の光センシング装置。
6. 前記レーザ光が前記拡散部材を透過するときに、前記レーザ光が第１の拡がり角で拡がるように前記拡散部材が構成され、
   前記レーザ光が前記スクリーンを透過、または前記スクリーンによって反射されるときに、前記レーザ光が第２の拡がり角で拡がるように前記スクリーンが構成され、
   前記第１の拡がり角は、前記第２の拡がり角より大きい、
   請求項１から５のいずれかに記載の光センシング装置。
7. 前記スクリーンは、前記スクリーンの表面上に二次元的に交互に配置された複数の凹部および複数の凸部を含み、
   前記複数の凹部の各々の深さおよび前記複数の凸部の各々の高さが、それぞれ２μｍから３０μｍである、
   請求項１から６のいずれかに記載の光センシング装置。
8. 前記スクリーンは、第１層および第２層を含み、
   前記第１層の屈折率は、前記第２層の屈折率と異なる、
   請求項１から６のいずれかに記載の光センシング装置。
9. 前記スクリーンは、前記スクリーンの表面上に二次元的に交互に配置された複数の第１部および複数の第２部を含み、
   前記複数の第１部の各々の屈折率は、前記複数の第２部の各々の屈折率と異なる、
   請求項１から６のいずれかに記載の光センシング装置。
10. 前記スクリーンの厚さをｄとし、
    前記スクリーンの等価散乱係数をμｓ’とし、
    前記スクリーンの散乱係数をμｓとすると、
    １／μｓ≦ｄ≦１／μｓ’が満たされる、
    請求項１から９のいずれかに記載の光センシング装置。
11. 前記拡散部材から前記スクリーンまでの距離は、前記光源から前記拡散部材までの距離よりも長い、
    請求項１から１０のいずれかに記載の光センシング装置。
12. 前記拡散部材と前記スクリーンとの間に配置され、第１の表面、および前記第１の表面と反対側の第２の表面を有する光学部材をさらに備え、
    前記拡散部材は、前記第１の表面上に配置され、
    前記スクリーンは、前記第２表面上に配置されている、
    請求項１から１１のいずれかに記載の光センシング装置。
13. 第１の表面、および前記第１の表面と反対側の第２の表面を有する第１の光学部材と、
    第３の表面、および前記第３の表面と反対側の第４の表面を有する第２の光学部材と、をさらに備え、
    前記第１の光学部材および前記第２の光学部材はいずれも、前記拡散部材と前記スクリーンとの間に配置され、
    前記拡散部材は、前記第１の表面上に配置され、
    前記スクリーンは、前記第４の表面上に配置され、
    前記第２の表面は、前記第３の表面に面している、
    請求項１から１１のいずれかに記載の光センシング装置。
14. 第１の表面、および前記第１の表面と反対側の第２の表面を有する第１の光学部材と、
    第３の表面、および前記第３の表面と反対側の第４の表面を有する第２の光学部材と、をさらに備え、
    前記第１の光学部材は、前記拡散部材と前記スクリーンとの間に配置され、
    前記拡散部材は、前記第１の表面上に配置され、
    前記スクリーンは、前記第３の表面上に配置され、
    前記第２の表面は、前記スクリーンの表面に面しており、
    前記第２の表面は、前記スクリーンの表面に対して傾いており、
    前記レーザ装置は、前記スクリーンの表面によって反射された前記レーザ光で前記対象物を照射する、
    請求項１から１１のいずれかに記載の光センシング装置。
15. 前記光源と前記拡散部材との間に位置するコリメータレンズをさらに備える、
    請求項１から１４のいずれかに記載の光センシング装置。
16. 前記制御回路は、
    前記光検出器に、前記少なくとも１つの反射光パルスの立ち下り期間に含まれる光の成分を検出させ、前記成分の量を示す電気信号を出力させ、
    前記立ち下り期間は、前記少なくとも１つの反射光パルスの強度が低下し始めてから低下し終わるまでの期間である、
    請求項１から１５のいずれかに記載の光センシング装置。
17. 前記電気信号は、前記対象物内部の状態の情報を含む、
    請求項１６に記載の光センシング装置。
18. 前記対象物は生体であり、
    前記電気信号は、前記生体内部の血流の情報を含む、
    請求項１７に記載の光センシング装置。
19. 前記対象物は人の額であり、
    前記電気信号は、脳血流の情報を含む、
    請求項１７に記載の光センシング装置。
20. 前記電気信号は、前記対象物から前記光検出器までの距離の情報を含む、
    請求項１から１９のいずれかに記載の光センシング装置。
21. 前記光検出器は、Ｔｉｍｅ Ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔカメラである、
    請求項２０に記載の光センシング装置。