KR101959647B1 - 광학 센서, 광학 검사 장치 및 광학 특성 검출 방법 - Google Patents

Abstract

광학 센서가 제공된다. 광학 센서는 대상물에 광을 조사하는 광 조사기를 적어도 하나 포함하는 조사계와, 상기 조사계로부터 조사되어 상기 대상물 내를 전파한 광을 검출하는 검출계를 포함한다. 상기 광 조사기는 파장이 다른 복수의 광선을 상기 대상물의 실질적으로 동일한 위치에 조사 가능한 것을 특징으로 한다.

Description

광학 센서, 광학 검사 장치 및 광학 특성 검출 방법{OPTICAL SENSOR, OPTICAL TESTING APPARATUS, AND OPTICAL CHARACTERISTICS DETECTION METHOD}

본 발명은 광학 센서, 광학 검사 장치, 및 광학 특성 검출 방법에 관한 것으로, 더 상세하게는 피검체(대상물)에 광을 조사하는 조사계와 해당 조사계에서 조사되어 상기 피검체를 통해 전파된 광을 검출하는 검출계를 구비하는 광학 센서, 해당 광학 센서를 포함하는 광학 검사 장치, 및 상기 광학 센서를 이용하는 광학 특성 검출 방법에 관한 것이다.

종래, 피검체(생체)에 광을 조사하여, 해당 피검체 내를 전파한 광을 검출 함으로써 해당 피검체 내의 정보를 계측하는 생체용 광 계측 장치가 알려져 있다(예컨대, 특허 문헌 1참조).

특허 문헌 1에 개시된 생체용 광 계측 장치는 피검체 내의 정보를 고정밀도로 측정할 수 없다.

본 발명의 실시예는 광학 센서를 개시하며, 해당 광학 센서는 피검체에 광을 조사하는 광 조사기를 적어도 하나 포함하는 조사계와, 해당 조사계에서 조사되어 상기 피검체 내를 전파한 광을 검출하는 검출계를 포함하며, 상기 광 조사기는 파장이 다른 복수의 광선을 상기 피검체의 실질적으로 동일한 위치에 조사 가능한 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시예에 따르면, 피검체 내의 정보를 고정밀도로 계측할 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 광학 검사 장치의 개략적인 구성을 예시한 도면이다.
도 2는 팬텀(phantom)용 수조를 예시한 도면이다.
도 3은 투명창의 레이아웃을 예시한 도면이다.
도 4는 제1 실시예에 따른 광원 모듈의 개략적인 구성을 예시한 제1 도면이다.
도 5는 제1 실시예에 따른 검출 모듈의 개략적인 구성을 예시한 도면이다.
도 6은 제1 실시예에 따른 광원 모듈의 개략적인 구성을 예시한 제2 도면이다.
도 7은 생체 내 전파 각도를 예시한 도면이다.
도 8은 피검체 내의 정보를 계측하는 방법을 예시한 흐름도이다.
도 9는 역 문제 추정 알고리즘에 관한 흐름도이다.
도 10은 광 다이오드(PD)에서의 감도 분포를 예시한 제1 도면이다.
도 11은 PD에서의 감도 분포를 예시한 제2 도면이다.
도 12는 생체 내 전파 각도를 예시한 도면이다.
도 13a는 흡광체의 실제 위치를 예시한 도면이다.
도 13b는 흡광체의 위치의 추정 결과를 예시한 도면이다.
도 13c는 비교예에서 흡광체의 위치의 검출 결과를 예시한 도면이다.
도 14a는 이동 후의 흡광체의 실제 위치를 예시한 도면이다.
도 14b는 이동 후의 흡광체의 위치의 추정 결과를 예시한 도면이다.
도 14c는 비교예에서 흡광체의 위치의 검출 결과를 예시한 도면이다.
도 15는 제2 실시예에 따른 광학 센서에 있어서의 복수의 광원 모듈과 복수의 검출 모듈의 배치를 예시한 도면이다.
도 16은 제2 실시예에 따른 광원 모듈(LM)(I-형)을 예시한 도면이다.
도 17은 제2 실시예에 따른 광원 모듈(LM)(I-형)의 면발광 레이저 어레이 칩을 예시한 도면이다.
도 18a는 제2 실시예에 따른 광원 모듈(LM)(II-형)을 예시한 제1 도면이다.
도 18b는 제2 실시예에 따른 광원 모듈(LM)(II-형)을 예시한 제2 도면이다.
도 19는 제2 실시예에 따른 광원 모듈(LM)(III-형)을 예시한 도면이다.
도 20은 제2 실시예에 따른 광원 모듈(LM)(III-형)에서 렌즈와 면발광 레이저 어레이 칩 사이의 위치 관계를 예시한 도면이다.
도 21은 제2 실시예에 따른 광원 모듈(LM)(III-형)에서 렌즈, 면발광 레이저 어레이 칩 및 프리즘 사이의 위치 관계를 예시한 도면이다.
도 22는 제1 및 제2 실시예에 따른 광원 모듈의 추가적인 구성을 예시한 제1 도면이다.
도 23은 제1 및 제2 실시예에 따른 광원 모듈의 추가적인 구성을 예시한 제2 도면이다.
도 24는 제1 및 제2 실시예에 따른 광원 모듈의 추가적인 구성을 예시한 제3 도면이다.
도 25는 광학 시뮬레이터로 광학 설계한 광선 도면이다.
도 26은 제1 실시 형태에 따른 광학 시뮬레이션의 결과를 예시한 도면이다.
도 27은 비교예에 따른 광학 시뮬레이션의 결과를 예시한 도면이다.
도 28a는 비교예에 따른 광학 센서의 작용을 예시한 도면이다.
도 28b는 제1 실시 형태에 따른 광학 센서의 작용을 예시한 도면이다.
도 29는 공기로부터 생체로의 입사각과 생체 내 전파 각도 사이의 관계를 예시한 그래프이다.
도 30은 수지로부터 생체로의 입사각과 생체 내 전파 각도 사이의 관계를 예시한 그래프이다.
도 31은 제2 실시예에 따른 검출 모듈의 개략적인 구성을 예시한 제1 도면이다.
도 32는 제2 실시예에 따른 검출 모듈의 개략적인 구성을 예시한 제2 도면이다.
도 33은 제2 실시예에 따른 검출 모듈의 개략적인 구성을 예시한 제3 도면이다.
도 34는 제2 실시예에 따른 광학 특성 검출 방법(위치 측정 방법)을 예시한 흐름도이다.
도 35는 제2 실시예에 따른 역 문제 추정의 추정 결과를 예시한 도면이다.
도 36은 제1 실시 형태에 따른 광학 센서의 작용을 예시한 도면이다.
도 37은 제2 실시 형태에 따른 광학 특성 검출 방법(위치 측정 방법)을 예시한 흐름도이다.
도 38은 제3 실시 형태에 따른 광학 센서에서 복수의 광원 모듈과 복수의 검출 모듈의 배치를 예시한 도면이다.
도 39는 비교예에 따른 광학 센서에서 광원 모듈의 출사 방향 및 검출 모듈의 검출 방향을 예시한 도면이다.
도 40a는 제4 실시 형태에 따른 4개의 면발광 레이저 어레이 칩의 출사 방향을 예시한 도면이다.
도 40b는 제4 실시 형태에 따른 PD 어레이의 4개의 PD의 검출 방향을 예시한 도면이다.
도 41은 제4 실시 형태에 따른 광학 센서에서 광원 모듈의 출사 방향 및 검출 모듈의 검출 방향을 예시한 도면이다.
도 42는 제어부의 블록도이다.
도 43은 계산부의 블록도이다.

《제1 실시 형태》

이하에, 본 발명의 제1 실시 형태를 도 1~36을 참조로 설명한다. 도 1은 제1 실시 형태에 따른 광학 검사 장치(100)의 개략적인 구성을 예시한다.

광학 검사 장치(100)는 일례로서, 확산광 단층촬영(DOT)에 이용된다. DOT는 예컨대 생체 등의 피검체(산란체)에 광을 조사하여, 피검체 내를 전파한 광을 검출하여, 피검체 내부의 광학 특성을 추정하는 기술이다. 특히, 이 기술은 뇌 혈류를 검출함으로써 우울증의 감별 진단의 보조 및 재활용 보조 기기로서 이용되는 것이 기대되고 있다. DOT에서는 분해능이 향상되면, 뇌 기능을 세부적으로 이해하는 것이 가능해진다. 이러한 이유로, 많은 연구 기관에서 분해능을 향상시키는 연구가 활발히 수행되고 있다.

도 1에 예시된 바와 같이, 광학 검사 장치(100)는 광학 센서(10), 제어부, 표시부, 계산부 등을 포함한다. 광학 센서(10)는 광원 모듈(LM)과 검출 모듈(DM)을 포함한다. 광원 모듈(LM)은 복수의 발광부를 포함한다. 제어부는 도 42의 블록도에 예시된 바와 같은 구성을 가진다. 제어부에서는 중앙 처리 장치(A-1)로부터의 정보에 의해 스위치부가 제어되고, 발광되어야 하는 광원 모듈(LM)이 선택된다. 이때, 스위치부를 통해 광원 모듈(LM)에 공급되는 전류가 전류 제어부에 의해 원하는 값이 되도록 제어된다. 검출 모듈(DM)에서의 검출 결과(데이터)는 A/D 변환되어, 평균화 처리 등의 연산이 연산부(A-2)에 의해 수행된다. 연산부(A-2)에서의 연산 결과는 순차적으로 기록부(A-3)에 기록된다.

본 명세서에서 "프로브(probe)"란 용어는 광원 모듈(LM)과 검출 모듈(DM)을 서로 구별하지 않는 경우에 사용될 수 있다. 또한, 본 명세서에서는 "의사(pseudo) 생체", "생체" 및 "피검체"의 용어를 적절히 사용하고 있지만, "의사 생체"와 "생체"는 "피검체"의 예임을 알아야 한다.

광학 센서(10)는 피검체 내의 흡광체를 검출하는 센서로서 통상적으로 사용될 수 있지만, 가장 이용 가치가 높은 피검체는 생체이다. 그러나, 광학 센서를 사용하는 것에 의해 생체의 혈류(흡광체)의 위치를 검출하는 것은 항상 용이한 것은 아니다. 따라서, 생체를 피검체로서 사용하는 경우, 광학 센서(10)의 효과(검출 정밀도)를 확인하기 어렵다.

따라서, 본 실시 형태에서는 효용성을 보장할 수 있으면서 검출 정밀도를 확인하기 용이한 피검체로서, 수조에 담겨진 탁액(cloudy liquid)(백탁액)인 의사 생체("팬텀(phantom)"으로도 지칭됨)를 채용하고 있다.

이하에, 본 실시 형태에 따른 제1 실시예를 설명한다.

<제1 실시예>

제1 실시예에서는 발광부로부터의 광선을 프리즘으로 편향시켜, 피검체로 입사되는 광선의 입사각을 서로 다르게 하는 방법을 채용하고 있다.

여기서, 도 2에 예시된 바와 같이, 각 벽이 흑색의 아크릴판으로 구성된 수조의 일 측벽(+Z 측벽)의 8개소에 투명 아크릴판으로 이루어진 투명창을 설치하고 있다. 수조의 내부는 인트라리피드(intralipid) 수용액(물로 10배 희석한 10% 농도의 인트라리피드)로 충전된다. 즉, 제1 실시예에 사용되는 의사 생체는 인트라리피드 수용액이다.

수조 내에 채워진 인트라리피드 수용액에 검은 잉크를 약 20 ppm이 되도록 적하하여 생체와 거의 동일한 흡수 계수 및 산란 계수가 되게 한다. 또한, 백탁한 인트라리피드 수용액에 혈류를 모방한 흑색의 흡광체를 담근다. 여기서, 흡광체는 약 5 mm 직경의 흑색 폴리아세탈 등의 흑색 구체인 것으로 가정한다. 구체의 위치를 제어하기 위해, 자동 스테이지에 접속된 1 mm 직경의 가는 금속 막대에 해당 구체를 고정한다. 투명창에 프로브를 부착하여 프로브의 위치를 정확히 결정한다.

여기서, 수조의 용적(크기)은 140 mm × 140 mm × 60 mm이다. 흑색 아크릴판의 두께는 4 mm이다. 8개의 투명창은 서로 다른 크기의 2종의 원형 투명창(A, B)을 포함한다(도 3 참조). 투명창(A, B)은 4개씩 존재한다. 투명창(A)의 직경은 9 mm이고, 투명창(B)의 직경은 12 mm이다. 투명창(A)의 두께와 투명창(B)의 두께는 1.5 mm이다.

도 3은 8개의 투명창의 레이아웃을 나타낸다. 8개의 투명창은 투명창(A, B)이 X-축 방향과 Y-축 방향으로 동일한 거리에 서로 인접 배치되도록 격자형으로 배치되어 있다. 여기서, 투명창(A)에는 검출 모듈(DM)이 장착되고, 투명창(B)(B1~B4)에는 광원 모듈(LM)이 장착된다. 인접하는 2개의 투명창의 중심 사이의 거리는 30 mm이다.

도 4에 예시된 바와 같이, 광원 모듈(LM)은 렌즈, 프리즘, 면발광 레이저 어레이 칩이 실장된 세라믹 패키지(미도시), 해당 세라믹 패키지 및 아날로그 전자 회로가 실장된 플렉시블 인쇄 회로 기판(미도시), 해당 플렉시블 인쇄 회로 기판에 결선되어 있는 배선 및 접속부(미도시), 이들 요소를 수용하는 하우징, 피검체와 접촉되게 사용되는 투명 수지로 이루어진 창 부재 등을 포함한다. 광원 모듈(LM)에서는 발광부의 광량이 일정하게 유지될 수 있도록 전원부(미도시)에 의해 전류값이 적절하게 제어된다. 광원 모듈(LM)은 피검체(투명창(B))에 창 부재가 +Z 측으로부터 접촉된 상태로 장착된다.

도 5에 예시된 바와 같이, 검출 모듈(DM)은 흑색 수지로 된 하우징, 해당 하우징의 선단(-Z 측 단부)에 부착되고 탄성체로 이루어진 접촉 부재, 하우징에 수용된 직경 3 mm의 반구 렌즈(분할 렌즈) 및 4-분할 PD 어레이(4개의 광 다이오드(PD)가 어레이형으로 배열된 것)를 포함한다. 하우징의 선단 및 접촉 부재에는 에이퍼처(구멍)가 형성되어 있다. 검출 모듈(DM)은 피검체(투명창(A))에 접촉 부재가 +Z 측으로부터 접촉된 상태로 장착된다. 도 5에는 4개의 PD(수광부) 중 2개만이 도시되어 있음을 알아야 한다.

분할 렌즈는 에이퍼처의 +Z측 근처에 배치되어 있다. 여기서, 광원 모듈(LM)로부터 피검체에 조사되어 해당 피검체 내를 전파한 광은 에이퍼처를 통해 분할 렌즈에 입사하여, 해당 분할 렌즈로의 입사 위치 및 입사 방향에 따른 방향으로 반사 및 출사된다(도 5 참조).

4-분할 PD 어레이는 분할 렌즈의 +Z측에 배치되어 있다. 여기서, 분할 렌즈를 통과한 광은 그 진행 방향(분할 렌즈로부터의 출사 방향)에 따라서 4-분할 PD 어레이의 4개의 수광부(PD) 중 어느 하나에 입사된다. 이 방식으로, 검출 모듈(DM)에서는 피검체로부터 입사된 광의 입사각을 4개의 각도 범위로 분류하는 것이 가능해진다.

제어부는 투명창(A)에 장착된 검출 모듈(DM)의 4개의 PD(수광부)의 수광량(총 16개 PD의 수광량)을 검출한다. 데이터는 1 ms의 샘플링 속도로 검출하며, 20초 동안 측정된 값을 평균화한다. 한 번의 측정으로 16개의 PD의 데이터를 취득한다.

다음에, 광원 모듈(LM)을 상세히 설명한다. 광원 모듈(LM)의 광원으로서는 40-채널 면발광 레이저 어레이 칩을 채용한다. 면발광 레이저 어레이 칩은 발광부로서 40개의 VCSEL(수직 공동 면발광 레이저)을 가진다.

면발광 레이저 어레이 칩으로부터의 광의 광로 상에는 해당 광이 대략 평행광이 되게 하는 방식으로 직경 3 mm의 렌즈가 배치되어 있다(도 6 참조).

면발광 레이저 어레이 칩의 출사면(발광면)과 렌즈의 주점(main point)(렌즈의 광학 중심) 사이의 거리는 해당 렌즈의 초점 길이(f)(예컨대 9 mm)와 같게 설정되어 있다. 즉, 면발광 레이저 어레이 칩은 출사면이 렌즈의 초점 위치에 위치하 도록 배치되어 있다. "렌즈의 초점 길이"는 렌즈의 주점과 초점 사이의 거리임을 알아야 한다.

여기서, VCSEL의 40 채널은 동시에 발광하며, 총 출력은 약 50 mW이다. VCSEL에서 출사된 평행광은 도 6에 도시된 바와 같이 프리즘에 의해 편향된다.

프리즘으로서는 상기 아크릴 수조와 실질적으로 동일한 굴절률을 가지는 아크릴 프리즘을 채용한다. 프리즘의 반사면은 해당 프리즘의 직경에 따라 설계되어, 해당 반사면의 각도는 렌즈를 통한 광이 상기 아크릴 수조에 약 50도의 입사각으로 입사하도록 설정되어 있다.

수조 및 프리즘의 아크릴과, 팬텀(즉, 인트라리피드 수용액) 사이의 굴절률 차이는 스넬의 법칙에 따라 팬텀 내에서의 전파 각도가 약 60도(도 6의 θ1)가 되 도록 설정되어 있다. 프리즘은 수조 내벽에 설치된 Z-축 방향으로 연장되는 회전축 주위로 회전 가능한 회전형 스테이지(미도시)에 설치된다.

회전형 스테이지 및 프리즘을 함께 회전시킴으로써 해당 프리즘으로의 광의 입사각 및 입사광의 방위를 변경하는 것이 가능해진다. 여기서, 도 7에 도시된 바와 같이, 4개의 방위(즉, +X, -X, +Y, -Y 방위)에 대해 순차적으로 계측을 수행한다. 즉, 4개의 광원 모듈(LM)의 위치(B1~B4의 4개소) × 4개의 방위를 포함하여 16회의 계측을 행한다. 프리즘과 수조 사이에는 프리즘과 수조의 굴절률과 실질적으로 동일한 굴절률을 가지는 젤형의 수지(미도시)가 충전되어 있다. 상기 젤형 수지를 보유함에 따라 프리즘과 수조와의 사이에서 굴절 및 반사를 방지할 수 있다.

다음에, 피검체 내의 정보의 계측 방법을 도 8에 예시된 흐름도를 참조하여 설명한다.

우선, 프로브를 설치한다(T1 단계). 프로브는 전술한 바와 같이 검출 모듈(DM) 또는 광원 모듈(LM)을 의미한다. 여기서, 설치 대상의 프로브는 4개의 검출 모듈(DM)과 하나의 광원 모듈(LM)이다. 4개의 검출 모듈(DM)은 도 3에 예시된 바와 같이 직경 9 mm의 4개의 투명창(A)에 개별 부착된다. 하나의 광원 모듈(LM)은 도 3에 예시된 바와 같이 투명창(B1)에 부착된다.

다음에, 광원 모듈(LM)의 40개 채널(발광부)을 발광시킨다(T2 단계). 총 발광 강도가 50 mW 정도가 되도록 전류값을 결정한다. 발광 시간은 20초 정도이고, 그동안, 4개의 검출 모듈(DM)의 PD 검출치를 판독하고(T3 단계), 매 1 ms 간격으로 검출한 여러 지점의 데이터(검출치)를 평균화한다. 또한, 평균화된 검출치(즉, 검출치의 평균치)를 기록부에 저장한다(T4 단계).

다음에, 출사광의 파장을 전환하여 T2~T4 단계를 재차 수행한다(T5, T6 단계). 여기서, 780 nm과 900 nm의 파장을 선택할 수 있다. 구체적으로는 발진 파장이 다른 2종(780 nm 대역과 900 nm 대역)의 광원 모듈(LM)을 미리 준비하고 광원 모듈(LM)을 교체함으로써 출사광의 파장 전환을 실시할 수 있다.

여기서, +X 방향, +Y 방향, -X 방향, -Y 방향을 포함하는 4개 방위에 대해 계측을 행한다(T7, T8 단계). 구체적으로는 T1 단계 직후의 T2~T6 단계는 프리즘을 +X 방향으로 배치한 상태로 수행한다. 다음에, 프리즘을 회전시켜 +Y 방향으로 배치한다. 프리즘이 이 상태로 있는 동안 T2~T6 단계를 수행한다. 다음에, 프리즘을 회전시켜 -X 방향으로 배치한다. 프리즘이 이 상태로 있는 동안 T2~T6 단계를 수행한다. 다음에, 프리즘을 회전시켜 -Y 방향으로 배치한다. 프리즘이 이 상태로 있는 동안 T2~T6 단계를 수행한다.

다음에, 광원 모듈(LM)의 장착 위치를 투명창 B1으로부터 투명창 B2, B3, B 4로 순차적으로 변경하여, 각 위치에 대해 4방위 계측을 수행한다(T9, T10 단계). 이후, 흡광체의 위치를 이동시켜, 광원 모듈(LM)의 4개의 장착 위치 각각에 대해 4방위 계측을 수행한다(T11, T12 단계).

저장된 데이터에서, 흡광체가 있는 경우의 데이터와 흡광체가 없는 경우의 데이터는 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)로 주어진다. 여기서, i는 각 검출 모듈(DM)에 부여된 번호를 나타내고, n은 각 그룹에 부여된 번호를 나타낸다. 다음에, 각각의 차분(Δr(i, n))를 계산한다.

이하에, 도 8의 흐름도에 기초한 상기 계측 방법으로 얻어진 계측 결과에 따라 흡광체의 위치(의사 생체의 광학 특성)를 산출하는 방법을 설명한다. 여기서, 역 문제(inverse problem) 추정 알고리즘을 이용한다. 역 문제를 풀기 위해서는 우선, 계측 및 시뮬레이션을 행하고, 정 문제(forward problem)를 푸는 것으로써 감도 분포를 생성한다. 또한, 다음 계측으로부터 얻은 데이터를 판독하고, 그 데이터 값을 이용하여 역 문제 추정을 수행한다(도 9의 S21~S25 단계 참조). 도 43은 계산부의 블록도를 나타낸다. 몬테 카를로 시뮬레이션에 이용되어야 하는 것으로, 모듈(프로브)의 위치, 생체의 굴절률 및 형상 등을 나타내는 정보는 기록부(B-1)에 기록되어 있다. 이 정보를 바탕으로 정 문제의 해결을 수행한다. 이 계산에는 병렬 계산을 행할 수 있는 다중 그래픽 처리부(GPU)를 이용한다. GPU를 이용하는 것에 의해, 계산 속도는 종래의 계산 속도보다 훨씬 빠르다. 계산에 의해 얻어진 감도 분포를 기록부(B-1)에 저장한다. 이 계산 결과와 기록부(A-3)에 저장되어 있는 계측 결과를 중앙 처리 장치(B-3)에 입력하면, 해당 중앙 처리 장치(B-3)가 역 문제 추정을 수행한다. 추정 결과는 중앙 처리 장치(A-1)를 통해 표시부에 표시한다(도 42 참조).

다른 한편, 종래에는 정 문제의 계산시, 생체 등의 산란체에서는 광이 실질적으로 등방적으로 산란되는 것으로 생각되어 왔다. 결국, 계산량이 적은 확산 방정식을 이용한 시뮬레이션이 이용되어 왔다. 그러나, 최근의 학회 등에 따른다 하여도, 생체 내의 광 전파는 mm 정도의 미세 영역에서 이방성을 나타내는 것으로 보고되어 있다. 이방성을 반영한 시뮬레이션을 행하기 위해서는 전달 방정식을 이용하거나 몬테 카를로 시뮬레이션을 수행하는 것이 필요하다.

본 실시 형태에서는 광원으로부터의 출사광을 편향시켜 피검체로 입사시키고 있기 때문에, 일반적으로 이용되고 있는 확산 방정식으로서는 입사각의 정보를 반영할 수 없다. 따라서, 전달 방정식을 이용하는 방법이 제안된다. 그러나, 전달 방정식 계산에는 방대한 시간이 걸리는 것으로 알려져 있다.

따라서, 본 실시 형태에서는 모테 카를로 시뮬레이션을 채용한다. 몬테 카를로 시뮬레이션은 산란 매질 내에서 산란되는 광자(photon)를 랜덤 변수를 사용하여 확률적으로 표현하고 그 거시적인 거동을 관찰하는 방법이다. 구체적으로는 광자가 매질 내에서 소정 거리 이동할 때마다 광자가 서로 충돌하여 그 충돌에 의해 방위(방향)가 변경되는 방식으로 거동을 모델화한다. 여기서, 소정의 거리의 평균치가 산란 계수로 정의된 평균 자유 경로이며, 방향의 변화가 이방성 "g"로 정의된다. 충돌의 반복 방식과 정의된 영역 내의 광자의 전파 방식이 기록된다. 이와 같이 모델화된 광자를 무수히 계산함으로써 산란 매질 내에서의 광의 거동을 시뮬레이션할 수 있다. 몬테 카를로 시뮬레이션을 이용하는 것에 의해 하나의 광자가 산란되는 경로의 종류가 기록된다.

본 실시 형태에 따른 몬테 카를로 시뮬레이션에서는 광자 수가 10⁹ 개이고 복셀(voxel)이 1 mm 입방체인 것으로 가정하여 120 mm × 120 mm × 60 mm의 3차원영역에 대해 계산을 수행한다. 여기서, 산란 매질의 산란 계수, 흡수 계수, 이방성, 굴절률을 각각 두피(human scalp)와 거의 동등한 수치인 7.8 mm^-1, 0.019 mm^-1, 0.89, 1.37로 설정한다. 전술한 팬텀(즉, 인트라리피드 수용액)은 상기 수치를 가지도록 준비한다. 광원 모듈(LM), 전파 각도, 검출 모듈(DM)의 위치 등 모두는 팬텀과 동일한 조건 하에서 시뮬레이션을 수행하여 감도 분포를 산출한다.

이때, 복셀 위치 "r"을 통과한 광자 수를 φo(r)로 정의한다. 특히, 광원 모듈(LM)의 위치를 "rs"로 정의할 때, 복셀 위치 "r"을 통과한 광자 수를 φo(rs, r)로 정의한다. 다음에, 검출 모듈(DM)을 원래 배치하고 있었던 위치에 광원 모듈(LM)을 배치하여, 광자 수를 재차 계산한다. 검출 모듈(DM)을 "rd"에 배치한 경우, 복셀 위치 "r"을 통과한 광자 수를 φo(r, rd)로 정의한다.

광의 경로는 가역적이므로, 그 적(product)은 광원 모듈(LM)로부터 출사되어 복셀 위치 r를 통과하여 검출 모듈(DM)로 입사된 광자의 수에 비례한다. 검출 모듈(DM)로 들어가는 모든 광자 수(φo(rs, rd))로 규격화된 상기 적은 다음의 감도 분포(A(r))이다.

이 감도 분포(A(r))는 위치(r)에서의 검출량에 대한 영향도를 나타낸다. 즉, 감도 분포(A(r))는 복셀 위치(r)에서의 흡광체의 발생에 의해 검출량이 얼마나 많이 변화되는 지를 나타낸다.

도 10은 전술된 바와 같이 산출된 감도 분포의 일례를 예시한다. 여기서, 광원 모듈(LM)과 검출 모듈(DM)은 각각 (X, Y, Z)=(45, 60, 0)와 (X, Y, Z)=(75, 60, 0)에 배치된다. 복셀은 1 mm 입방체이다. 따라서, 복셀은 이들 수치의 단위(mm)와 등가이다. 소정의 위치에서의 복셀의 감도는 밑(base)을 10으로 한 로그(즉, 상용 로그)로 표현된다.

다음에, 도 11은 복셀(x, y, z)에서 Y=60, Z=10인 라인 상의 위치 x(수평축)에서의 감도(수직축)를 작성한 결과의 그래프이다. 이때, 전파 각도로서, Y축을 법선으로 한 평면 상의 X축에 대한 각도를 +60도와 -60도인 경우의 결과가 도 12에 표시되고 있다.

도 11에 예시된 바와 같이, +60도와 -60도의 각도 사이의 감도 분포에 차이가 있다. 이 차이는 분해능 향상이 가능할 지의 지수로 사용될 수 있다. 즉, 감도 분포에 생기는 차이는 2개의 광원으로부터의 광의 전파 경로가 다르다는 것을 나타낸다. 2개의 광원으로부터의 광 전파 경로가 동일하면, 전파 각도가 변경되더라도 거의 동일한 감도 분포가 얻어져야 한다. 2개의 광원으로부터의 광 전파 경로가 다르다는 것 때문에, 2개의 광원 중 하나로부터의 광은 2개의 광원 중 다른 하나로부터의 광이 수집한 정보와 다른 정보를 수집하는 것이 사실이다.

상기 사실은 후술하는 역 문제 추정에 대하여 큰 가치를 형성한다. 전술한 바와 같이, 광의 전파는 단순한 등방 산란이 아니라, 수 mm 정도의 약간의 이방성을 나타낸다. 이러한 수 mm 정도의 차이에 기인하여, 수 mm 정도의 분해능을 갖는 역 문제 추정을 실현하는 것이 가능해진다. 감도 분포는 팬텀에 대해 제공되는 모든 광원 모듈(LM)/검출 모듈(DM) 간의 조합에 대한 모든 전파 각도/검출 각도의 조건으로 수행된다.

다음에, 감도 분포를 이용하여, 역 문제 추정을 수행한다.

흡광체의 존재에 의해서 일어나는 흡수 계수의 변화(δμ_a(r))가 충분히 작은 것으로 가정하는 경우, Retov 근사를 기초로 이하의 식이 구해진다.

여기서, γ는 매질 내의 광의 속도, S는 단위 시간 당 광원 모듈(LM)로부터의 발광량, rs는 광원 모듈(LM)의 위치, rd는 검출 모듈(DM)의 위치, φ(rs, rd)는 광원 모듈(LM)로부터 출사되어 검출 모듈(DM)로 전달된 광량, φo는 흡광체가 없는 상태에서의 광의 강도를 나타낸다. 이 수학식은 흡광체가 없는 상태에서의 광의 강도(φo)가 주어지면, 흡광체의 존재에 의해 야기되는 흡수 계수의 변화(δμ_a(r))를 관측치(logφ(rs, rd))에 대해 선형 관계로 결부시키는 것이 가능함을 교시한다.

이러한 교시를 간단히 기술하면, 이하의 식을 활용할 수 있다.

Y= A(r)X

여기서, Y는 흡광체의 존재 유무에 의한 관측치의 변화를 나타내며, X는 복셀 위치(r)에서의 흡수 계수의 변화를 나타낸다. A(r)은 감도 분포를 나타낸다. 상기 수학식은 X로 표현하고 있는 흡광체의 위치와 양이 변화될 때 관측치가 어떻게 변화되는 지를 교시한다.

역 문제 추정에서는 역 처리(reverse process)를 수행한다. 즉, 관측치(Y)를 이용하여 흡광체의 위치(X)를 추정한다. 상기 위치 계측 방법에서 설명한 바와 같이, 흡광체의 유무에 의한 변화를 Δr(i, n)으로 표현하여 계측을 수행한다. 이 Δr(i, n)은 관측치(Y)에 대응하고, 위치(X)는 관측치(Y)를 기초로 산출한다.

일반적으로, L2-놈(norm) 정규화(normalization)로 불리는 역 문제 추정 방법을 이용한다. 이 방법에서는 이하의 비용 함수(C)를 최소로 하는 X를 산출한다.

여기서, Y는 관측치, A는 감도 분포, λ는 정규화 계수를 나타낸다. 역 문제 추정에서는 이들 방법을 보통 사용하지만, 본 실시 형태에서는 깊이 방향 검출이 가능한 Bayesian 추정을 이용함으로써 역 문제 추정을 행한다. Bayesian 추정을 이용한 역 문제 추정에 대해서는 다음의 비특허 문헌: Opt.Express *20*, 20427-20446(2012)에 기재된 T.Shimokawa, T.Kosaka, O.Yamashita, N.Hiroe, T.Amita, Y.Inoue 및 M.Sato에 의한 "Hierarchical Bayesian estimation improves depth accuracy and spatial resolution of diffuse optical tomography"라는 제하의 논문에 상세히 기재되어 있다.

결국, 도 13b에 예시된 바와 같은 추정 결과를 얻는 것이 가능해진다. 도 13a는 흡광체의 위치를 나타낸다. 도 13b에서 그리드는 3 mm이며, 추정 결과는 3 mm의 정밀도로 실제 위치와 일치하는 것으로 이해된다.

비교예로서, 도 13c는 4개 방위 중 1개 방위만을 검출에 사용한 경우의 결과를 나타낸다. 이 비교예의 구성은 종래의 NIRS(DOT) 장치의 구성과 거의 같다. 이 비교예에서는 깊이 방향의 검출이 불가능하여 검출 결과가 매우 확장된다. 제1 실시예에서는 상기 Bayesian 추정에 기인하여 흡광체의 위치와 깊이의 검출이 가능해진다.

또한, 도 14b는 흡광체의 위치를 변경한 후의 추정의 결과(추정 결과)를 예시한다(도 14a 참조). 이 경우에도, 흡광체의 실제 위치를 정확히 추정할 수 있는 것으로 이해된다. 제1 실시예의 방법에 의해, 흡광체의 위치를 높은 분해능으로 검출하는 것이 가능해진다. 다른 한편, 비교예에서는 도 14c에 예시된 바와 같이흡광체의 검출 결과가 크게 넓어져서 흡광체의 위치를 정확히 검출할 수 없다.

이하에, 본 실시 형태에 따른 제2 실시예를 설명한다. 제2 실시예의 설명에서는 제1 실시예에도 관련되는 사항을 적절하게 설명함을 알아야 한다.

《제2 실시예》

수조 내에 채워진 인트라리피드 수용액에 검은 잉크를 약 200 ppm이 되도록 적하하여 생체와 거의 동일한 흡수 계수 및 산란 계수가 되게 한다. 백탁한 인트라리피드 수용액에 혈류를 모방한 흑색의 흡광체를 담근다. 흡광체는 약 5 mm 직경의 흑색 폴리아세탈 등의 흑색 구체인 것으로 가정한다. 구체의 위치를 제어하기 위해, 자동 스테이지에 접속된 1 mm 직경의 가는 금속 막대에 해당 구체를 고정한다. 수조의 일측에 후술하는 프로브를 배치(부착)한다. 수조의 해당 측면 상의 프로브는 그 위치를 정확하게 결정한다. 여기서, 아크릴 수조는 입방체 형상을 가진다. 아크릴 수조의 용적(크기)은 140 mm × 140 mm × 60 mm이고, 아크릴 수조의 벽의 두께는 1 mm이다.

광학 센서(10)는 복수(예컨대 8개)의 광원 모듈(LM)을 가지는 조사계와, 복수(예컨대 8개)의 검출 모듈(DM)을 가지는 검출계를 포함한다. 복수의 광원 모듈(LM) 및 복수의 검출 모듈(DM)은 전기 배선을 통해 각각 제어부에 접속되어 있다.

제어부는 각 광원 모듈(LM)에서의 광원의 발광 타이밍과 검출 모듈(DM)에서의 검출 타이밍을 제어하고, 얻어진 검출 결과를 기록부에 전송한다. 또한, 제어부는 기록부에 기록되어 있는 데이터을 판독하고, 그 수치를 이용하여 계산을 수행하고, 그 계산 결과를 표시부에 표시한다.

도 15에 예시된 바와 같이, 8개의 광원 모듈(LM) 및 8개의 검출 모듈(DM)은 일례로서, 의사 생체(미도시)에 대하여, 상호 직교하는 X 방향 및 Y 방향으로 광원 모듈(LM)과 검출 모듈(DM)이 서로 인접 배열되는 매트릭스 형태(2차원 격자 형태)로 배열된다. 도 15에서 광원 모듈(LM)은 정사각형 마크로 표시되고, 검출 모듈(DM)은 원형 마크로 표시되고 있다.

도 16에 예시된 바와 같이, 광원 모듈(LM)(I-형)은 렌즈, 프리즘 등의 광학 소자, 복수의 면발광 레이저 어레이 칩이 실장된 세라믹 패키지(미도시), 해당 세라믹 패키지와 아날로그 전자 회로가 실장된 플렉시블 인쇄 회로 기판(미도시), 해당 플렉시블 인쇄 회로 기판에 결선되어 있는 배선 및 접속부(미도시), 상기 요소들을 수용하는 하우징, 피검체와 접촉되게 사용되는 투명 수지로 이루어진 창 부재 등을 포함한다.

면발광 레이저 어레이 칩으로부터의 광은 개별 렌즈에 의해 굴절되어, 창 부재의 내부에 형성된 반사 부재로서의 프리즘에 의해 원하는 각도에 편향되어(원하는 방향으로 반사되어), 하우징 외부로 광선이 출사된다.

도 17에 예시된 바와 같이, 면발광 레이저 어레이 칩은 한 변이 약 1 mm인 정방형 형상이며, 2차원적으로 배치된 복수(예컨대 20개)의 면발광 레이저를 포함한다.

상술하면, 각 면발광 레이저 어레이 칩은 각각 4개의 면발광 레이저를 포함하는 5개의 그룹(채널 그룹)을 가진다. 여기서, 5개의 그룹중 4개의 그룹의 중심은 정방형의 개별 코너에 배치되고, 나머지 하나의 그룹의 중심은 해당 정방형의 중심에 배치된다.

각 그룹의 4개의 채널은 전술한 바와 같이 세라믹 패키지에 실장되고, 접합배선(유선)을 통해 동일한 전극 패드(전극 패드 1~4 중 하나의 전극 패드)에 접속되어 있다.

세라믹 패키지는 납땜에 의해 플렉시블 인쇄 회로 기판의 배선 패턴에 실장되어 있다. 플렉시블 인쇄 회로 기판에는 스위칭용 반도체 회로와 전류 안정화용 반도체 회로가 배치되어 있다. 스위칭용 반도체 회로는 채널을 통해 발광이 이루어지도록 면발광 레이저 어레이 칩을 제어한다. 스위칭용 반도체 회로는 외부의 직렬 신호에 따라 선택된 채널이 발광되게 한다. 직렬 신호를 위한 신호선의 일단과 전원 공급선의 일단은 플렉시블 인쇄 회로 기판에 접속되고, 상기 직렬 신호를 위한 신호선의 타단 및 전원 공급선의 타단은 제어부에 접속되어 있다.

각 채널의 발광량은 교정에 의해 주기적으로 일정하게 되도록 설정된다. 통상의 사용 방법에서는 5개 그룹은 순차적으로 단펄스를 이용하여 발광된다. 이러한 펄스 발광에서는 발열에 의한 온도 상승을 방지하는 것이 가능해져서 발광량의 안정화에 적합하다. 단펄스에 기초한 발광시마다 검출 모듈에 의해 얻어지는 검출치는 적산되고 평균화됨으로써 노이즈의 영향을 감소시킬 수 있다.

각 면발광 레이저 어레이 칩의 면발광 레이저(VCSEL)의 발진 파장은 일례로 780 nm 또는 900 nm 이다. 발진 파장이 서로 다른 복수의 면발광 레이저를 이용함 으로써 파장이 다른 복수의 출사광을 얻는 것이 가능해진다. 또한, 파장이 다른 광선을 피검체(예컨대, 생체)의 대략 동일 위치에 조사함으로써, 예컨대, 헤모글로빈의 상태(탈산소 상태 또는 산소 상태)를 인식하는 것이 가능해진다. 이들 파장은 그 흡수 계수가 혈중 산소 농도에 따라 크게 변하기 때문에 선정된 것이다.

도 18a에 예시된 바와 같은 제2 실시예에 따른 광원 모듈(LM)(II-형)에서는 발진 파장이 900 nm인 면발광 레이저 어레이 칩(1) 및 발진 파장이 780 nm인 면발광 레이저 어레이 칩(2)이 배치되고, 렌즈(1)(개별 광학 소자)가 면발광 레이저 어레이 칩(1)의 출사 단부 근처에 배치되며, 렌즈(2)(개별 광학 소자)가 면발광 레이저 어레이 칩(2)의 출사 단부 근처에 배치되며, 프리즘(공통 광학 소자)이 렌즈(1, 2)를 통한 광선의 광로 상에 배치되어 있다. 출사 방향이 Z-축 방향인 면발광 레이저 어레이 칩(1, 2)은 X-Y 평면 상에서 Y 방향으로 서로 평행하게 배치된다. 면발광 레이저 어레이 칩(1, 2)은 발진 파장이 서로 다른 점을 제외하고 실질적으로 동일한 구성(발광부의 수와 배치를 포함)를 가진다. 렌즈(1, 2)는 실질적으로 동일한 렌즈이다.

이하에서는 면발광 레이저 어레이 칩(1, 2)을 "ch1", "ch2"로도 지칭하고, 서로 구별되지 않는 경우는 "ch"로도 지칭한다.

광원 모듈(LM)(II-형)에서는 2개의 채널 사이에서 복수의 발광부와 대응하는 렌즈의 광축 사이의 위치 관계가 동일하다. 구체적으로는 각 채널의 중심(어레이중심)은 대응하는 렌즈의 광축 상에 있다.

여기서, Y 방향으로 등간격으로 직렬 배열되는 각 채널의 3개의 발광부를 주목한다. Y 방향으로 등간격("M")으로 직렬 배열되는 채널 1의 3개의 발광부를 +Y측에서 -Y측으로의 순서로 발광부(1a), 발광부(1b), 발광부(1c)로 부르고, Y 방향으로 등간격(M)으로 직렬 배열되는 채널 2의 3개의 발광부를 +Y측에서 -Y측으로의 순서로 발광부(2a), 발광부(2b), 발광부(2c)로 부른다. 발광부(1b)와 발광부(2b)는 대응하는 렌즈(1, 2)의 광축 상에 각각 배치되어 있는 것으로 한다.

도 18a에 예시된 바와 같이, 프리즘은 중심축에 대해 대칭인 형상(축대칭인 형상)을 가지며, 중심축에 직교하는 입사면("IS")과, 중심축에 대하여 경사진 전반사면("R1", "R2")과, 중심축에 직교하는 출사면("OS")을 포함한다.

입사면("IS")은 채널 1의 3개의 발광부(1a, 1b, 1c)로부터의 광선의 광로와 채널 2의 3개의 발광부(2a, 2b, 2c)로부터의 광선의 광로 상에 위치한다.

전반사면(R1)은 발광부(1a)로부터 출사되어 렌즈(1) 및 입사면(IS)을 통과하는 광선(광선 1)의 광로 및 발광부(2a)로부터 출사되어 렌즈(2) 및 입사면(IS)을 통과하는 광선(광선 2)의 광로 상에 위치한다. 광선(1, 2)의 전반사면(R1)에 대한 입사각은 임계각 이상이다.

전반사면(R2)은 발광부(1c)로부터 출사되어 렌즈(1) 및 입사면(IS)을 통과하는 광선(광선 3)의 광로 및 발광부(2c)로부터 출사되어 렌즈(2) 및 입사면(IS)을 통과하는 광선(광선 4)의 광로 상에 위치한다. 광선(3, 4)의 전반사면(R2)에 대한 입사각은 임계각 이상이다.

출사면(OS)은 전반사면(R1)에 의해 반사된 광선(광선 1, 2), 전반사면(R2)에 의해 반사된 광선(광선 3, 4), 채널 1의 발광부(1b)로부터 출사되어 렌즈(1) 및 입사면(IS)을 통과하는 광선(광선 5), 채널 2의 발광부(2b)로부터 출사되어 렌즈(2) 및 입사면(IS)을 통과하는 광선(광선 6)의 광로 상에 위치되며, 광선(1~6)은 OS로부터 출사된다(OS를 통과한다). 여기서, 출사면(OS)은 피검체의 표면과 접촉되도록 사용되는 접촉면이다. 따라서, 출사면(OS)과 피검체의 표면 사이에 투명 겔을 개재시키는 것이 바람직하다.

이 경우, 2개의 발광부(1a, 2a)로부터 실질적으로 평행하게 출사되어 렌즈(1, 2)에 입사되는 파장이 다른 광선은 렌즈(1, 2)에 의해 굴절되어 실질적으로 평행하게 입사면(IS)에 입사되고, 해당 입사면(IS)에 의해 굴절되어 전반사면(R1)에 입사된다. 전반사면(R1)에 의해 반사된 파장이 다른 2개의 광선은 피검체의 대략 동일 위치에 실질적으로 평행하게 입사된다. 이 경우, 파장이 다른 2개의 광선의 피검체에 대한 입사 위치는 약간 다르다(대략 발광부(1a)와 발광부(2a) 사이의 간격 정도).

마찬가지로, 2개의 발광부(1c, 2c)로부터 실질적으로 평행하게 출사되어 렌즈(1, 2)에 입사되는 파장이 다른 광선은 렌즈(1, 2)에 의해 굴절되어 실질적으로 평행하게 입사면(IS)에 입사되고, 해당 입사면(IS)에 의해 굴절되어 전반사면(R2)에 입사된다. 전반사면(R2)에 의해 반사된 파장이 다른 2개의 광선은 피검체의 대략 동일 위치에 실질적으로 평행하게 입사된다. 이 경우, 파장이 다른 2개의 광선의 피검체에 대한 입사 위치는 약간 다르다(대략 발광부(1c)와 발광부(2c) 사이의 간격 정도).

검출 정밀도를 더 향상시키기 위해, 파장이 다른 2개의 광선의 피검체에 대한 입사 위치를 동일하게(가능한 근접되게) 하는 것이 바람직하다. 상기 목적을 위한 방법으로서, 프리즘의 전반사면에 의해 반사된 파장이 다른 2개의 광선의 광로를 실질적으로 일치시키는 것을 고려할 수 있다.

여기서, 2개의 채널로부터의 파장이 다른 2개의 광선의 광로 상에 2개의 반사면을 개별 설치하는 것(도 16 참조)이 고려되지만, 파장이 다른 2개의 광선의 광로를 실질적으로 일치시키는 것은 여전히 곤란하다.

특히, 2개의 채널로부터의 파장이 다른 2개의 광선의 출사 방향을 일치시키는 것은 가능하지만, 2개의 채널의 출사점(발광부의 위치)을 동일하게 하는 것은 불가능이다.

이하에, 도 19에 예시된 제2 실시예에 따른 광원 모듈(LM)(III-형)을 설명한다. 광원 모듈(LM)(III-형)은 발광부들과 대응하는 렌즈의 광축 사이의 위치 관계가 다르다는 점에서 도 18에 예시된 광원 모듈(LM)(II-형)과 상이하고, 다른 구성은 광원 모듈(LM)(II-형)과 동일하다.

광원 모듈(LM)(III-형)에서는 2개의 채널 사이의 중심 간격(어레이 중심 사이의 간격)은 대략 1.4 mm인 것으로 가정한다. 2개의 채널 간의 이러한 위치 관계는 와이어 본딩을 실시할 때 패드 부분을 고려하여 2개의 채널을 가능한 근접 배치한 결과이다.

또한, 각 채널의 형태는 한 변이 1 mm인 정방형이며, 2개의 채널은 그 간격을 수백 ㎛로 하여 초근접으로 실장된다. 여기서, 이러한 근접 실장은 다이 본딩 장치의 콜릿을 유용하게 사용함으로써 실현된다.

또한, 2개의 채널의 발광부(면발광 레이저)는 동일한 마스크를 이용한 반도체 공정에 의해 형성되며, 발광부의 위치는 0.5 ㎛ 미만의 정밀도로 제어될 수 있다.

광원 모듈(LM)(III-형)은 면발광 레이저 어레이 칩(1)(900 nm)과 면발광 레이저 어레이 칩(2)(780 nm)의 레이아웃이 동일한 정밀도 레벨을 갖는 광원 모듈(LM)(II-형)과 동일하다.

중심 간 거리가 대략 1.4 mm인 2개의 채널로부터 출사되어 대응하는 렌즈를 통과하는 파장이 다른 2개의 광선은 프리즘의 동일한 전반사면에 의해 반사되어 피검체(예컨대, 생체)에 입사된다.

이때, 광원 모듈(LM)(II-형)의 구성에서는 채널(1)과 채널(2)로부터의 대응하는 광선이 실질적으로 일정한 간격(약 1.4 mm)을 유지하는 한편 서로 평행한 상태를 유지하면서 피검체(예, 생체)에 입사하기 때문에, 그 입사 위치도 약 1.4 mm 떨어져 있다. 입사 위치의 간격이 상기와 같이 크면, 역 문제 추정에 의해서 뇌혈류를 검출하는 fNIRS 분해능이 저하된다.

여기서, 실장 비용을 증가시키지 않고 파장이 다른 2개의 광선의 광로를 실질적으로 일치시켜 입사 위치를 동일하게 하는 방법을 검토함으로써, 본 발명자들은 채널의 중심(어레이 중심)을 대응하는 렌즈의 광축에 대해 수백 ㎛(바람직하게는 수십 ㎛)만큼 전위시키는 발상을 하여 그 사상을 광원 모듈(LM)(III-형)에 적용하였다.

이하에, 그 사상의 구현을 도 20을 참조로 상세히 설명한다. 여기서, 채널의 중심은 대응하는 렌즈의 광축으로부터 약 20 ㎛만큼 전위된다. 전위량은 20 ㎛에 한정되지 않고 적절하게 변경될 수 있다.

여기서, 2개의 채널의 중심 간격을 변경하지 않고, 대응하는 채널에 대해 렌즈가 전위된다. 대응하는 채널에 대한 렌즈의 전위 방향은 공통 광학 소자인 프리즘의 중심축에 대해 축대칭(회전 대칭)될 수 있다(도 21 참조).

즉, 2개의 채널(1, 2)과 2개의 렌즈(1, 2)가 프리즘(공통 광학 소자)의 중심축에 대해 축대칭으로 배치되는 한, 구성은 도 21에 예시된 배치에 한정되지 않는다.

여기서, 일례로, 2개의 채널은 그 중심이 프리즘의 중심축에 대해 축대칭(점대칭)되고 해당 2개의 채널에 의해 프리즘의 중심축이 Y 방향으로 사이에 개재되도록 배열된다. 각 채널은 5개의 발광부(VCSEL)를 포함하고, 해당 5개의 발광부는 하나의 대각선이 Y 방향으로 평행한 정방형의 중심(어레이 중심) 및 해당 정방형의 4개의 정점에 개별로 배치되어 있다.

일례로서, 2개의 채널 사이의 중심 간격은 1.4 mm이고, 렌즈의 유효 직경은 0.8 mm이고, 렌즈의 초점 길이 f=600 ㎛이다. 여기서, 2개의 채널(1, 2)에 대해 렌즈(1, 2)가 전위되는 방향은 도 21에 예시된 바와 같이 렌즈(1, 2)가 상호 근접하도록 하는 방향이다. 여기서, 렌즈(1)는 렌즈(1)의 광축이 채널(1)의 중심에 자리하는 위치로부터 -Y 방향으로 약 20 ㎛만큼 전위되며, 렌즈(2)는 렌즈(2)의 광축이 채널(2)의 중심에 자리하는 위치로부터 +Y 방향으로 약 20 ㎛만큼 전위되어 있다. 이 결과, 채널(1)의 중심은 렌즈(1)의 광축으로부터 약 20 ㎛만큼 전위되며, 채널(2)의 중심은 렌즈(2)의 광축으로부터 약 20 ㎛만큼 전위되어 있다.

이 경우, 채널(1)의 발광부(1a)로부터 출사되어 렌즈(1)와 입사면(IS)을 통해 전반사면(R1)에 입사하는 광선(광선(1'))의 렌즈(1)로부터 전반사면(R1)까지의 광로는 채널(2)의 발광부(2a)로부터 출사되어 렌즈(2)와 입사면(IS)를 통해 전반사면(R1)에 입사하는 광선(광선(2'))의 렌즈(2)로부터 전반사면(R1)까지의 광로에 평행하지 않다. 따라서, 2개의 광로는 전반사면(R1)에 근접할수록 서로 근접된다(도 19 참조). 렌즈에 대한 광의 입사각이 동일한 경우, 입사 위치가 렌즈의 광축으로부터 떨어질수록 광의 굴절각이 커진다는 것을 알아야 한다.

또한, 채널(1)의 발광부(1c)로부터 출사되어 렌즈(1)와 입사면(IS)을 통해 전반사면(R2)에 입사하는 광선(광선(3'))의 렌즈(1)로부터 전반사면(R2)까지의 광로는 채널(2)의 발광부(2c)로부터 출사되어 렌즈(2)와 입사면(IS)를 통해 전반사면(R2)에 입사하는 광선(광선(4'))의 렌즈(2)로부터 전반사면(R2)까지의 광로에 평행하지 않다. 따라서, 2개의 광로는 전반사면(R2)에 근접할수록 서로 근접된다(도 19 참조).

또한, 채널(1)의 발광부(1b)로부터 출사되어 렌즈(1)와 입사면(IS)을 통해 출사면(OS)에 입사하는 광선(광선(5'))의 렌즈(1)로부터 출사면(OS)까지의 광로와, 채널(2)의 발광부(2b)로부터 출사되어 렌즈(2)와 입사면(IS)를 통해 출사면(OS)에 입사하는 광선(광선(6'))의 렌즈(2)로부터 출사면(OS)까지의 광로는 2개의 광선이 출사면(OS)에 근접할수록 서로 근접된다(도 19 참조).

또한, 전반사면(R1)에 의해 반사된 파장이 다른 상호 비평행의 2개의 광선(1', 2')의 광로는 피검체와 접촉되는 출사면(OS) 근처에서 교차된다. 또한, 전반사면(R2)에 의해 반사된 파장이 다른 상호 비평행의 2개의 광선(3', 4')의 광로는 피검체와 접촉되는 출사면(OS) 근처에서 교차된다(도 19 참조).

결국, 도 19에 예시된 바와 같이, 전반사면(R1)에 의해 반사된 파장이 다른 2개의 광선(1', 2')의 광로가 실질적으로 일치하게 되며, 해당 2개의 광선의 피검체에 대한 입사 위치가 동일하게 된다. 또한, 전반사면(R2)에 의해 반사된 파장이 다른 2개의 광선(3', 4')의 광로가 실질적으로 일치하게 되며, 해당 2개의 광선의 피검체에 대한 입사 위치가 동일하게 된다. 또한, 입사면(IS)으로부터 전반사면을 통하지 않고 출사면(OS)으로 향하는 파장이 다른 2개의 광선(5', 6')의 피검체에 대한 입사 위치가 실질적으로 동일하게 된다.

또한, 광선(1', 2')을 포함하는 광속과, 광선(3', 4')을 포함하는 광속과, 광선(5', 6')을 포함하는 광속은 서로 평행하지 않으며, 피검체에 대해 실질적으로 동일한 위치에 입사된다.

도 21에 예시된 바와 같은 채널(1)의 발광부(1a, 1b, 1c) 이외의 발광부로부터의 광선과 채널(2)의 발광부(2a, 2b, 2c) 이외의 발광부로부터의 광선은 입사면(IS)을 통과하여 출사면(OS)으로부터 출사되어 상기 광속과 대략 동일한 피검체의 위치에 입사됨을 알아야 한다.

전술한 광원 모듈(LM)(III-형)에서는 렌즈를 채널에 대해 이동(전위)시키는 간단한 방법을 이용하는 것으로써 파장이 다른 광선의 광로를 실질적으로 일치시켜 해당 2개의 광선의 입사 위치를 동일하게 하는 것이 가능하다. 파장이 다른 2개의 광선의 입사 위치를 동일하게 하는 것에 의해 역 문제 추정을 수행하는 NIRS 장치가 뇌혈류 위치를 더 높은 정밀도로 계측하는 것이 가능해진다.

한편, 광원 모듈(LM)(III-형)과 유사한 효과를 얻기 위해, 렌즈의 이동 대신에 하프 미러(half mirror) 등의 부재를 이용하면, 광학 부품수가 증가하여 추가로 높은 정밀도의 위치 결정이 요구되므로 실장 비용이 증가될 수 있다.

광원 모듈(LM)(III-형)에서는 렌즈(1, 2)의 광축이 대응하는 채널(1, 2)의 중심을 따르는 위치로부터 전위(이동)되지만, 구성은 이것에 한정되지 않음을 알아야 한다.

예컨대, 렌즈(1, 2) 중 하나의 광축은 대응하는 채널의 중심을 따른 위치로부터 전위될 수 있고, 렌즈(1, 2) 중 다른 하나의 광축은 대응하는 채널의 중심을 따라 위치될 수 있다.

또한, 렌즈를 대응하는 채널에 대해 이동시키는 대신에 또는 이에 추가로, 채널을 대응하는 렌즈에 대해 이동시킬 수 있다.

또한, 렌즈(1, 2)를 대응하는 채널(1, 2)에 대해 이동시키는 방향은 적절하게 변경될 수 있다. 예컨대, 렌즈(1, 2)는 동일 방향 또는 반대 방향(렌즈가 서로 근접하는 방향 또는 렌즈가 서로로부터 떨어지는 방향)으로 이동될 수 있다.

또한, 대응하는 채널(1, 2)에 대한 렌즈(1, 2)의 이동량(전위량)은 동일하거나 상이할 수 있다.

요약하면, 요컨대, 파장이 다른 광선의 광로를 일치시키기 위해서는 발광부와 대응하는 렌즈의 광축 사이의 위치 관계를 채널 사이에서 다르게 하는 것만이 필요하다.

구체적으로, 렌즈(1, 2)를 통해 채널(1, 2)로부터 출사되는 파장이 다른 광선의 광로가 서로 점점 근접되어 해당 2개의 광선의 광축이 피검체와 접촉되는 광원 모듈(LM)(III-형)의 접촉면 근처(광원 모듈(LM)(III-형)의 출사 단부 근처)에서 교차되도록 발광부와 대응하는 렌즈의 광축 사이의 위치 관계를 채널 사이에서 다르게 하는 것이 바람직하다.

이하에, 광학 센서(10)의 광원으로서 면발광 레이저 어레이 칩을 채용한 이유를 설명한다. 면발광 레이저 어레이 칩에서는 복수의 채널이 서로 근접한 위치에 2차원 형태로 배열될 수 있고, 각 채널은 독립적으로 제어될 수 있다. 또한, 채널 근처에 소형 렌즈를 배치함으로써 출사 광선의 진행 방향을 변경할 수 있다.

또한, DOT에 사용되는 광학 센서에서는 피검체에 대한 입사각을 가능한 정밀하게 제어하는 것이 요구된다. LED(발광 다이오드)는 방사각이 넓다. 결국, 정밀도가 높은 평행광을 제공하기 위해, 렌즈를 비구면으로 할 필요가 있다. 또한, LD(레이저 다이오드, 엣지 발광 레이저)의 방사각은 비대칭이므로, 렌즈를 사용하여 높은 정밀도의 평행광을 제공하기 위해서는 수직 방향과 수평 방향으로 곡률이 다른 렌즈와 원통형 렌즈를 조합할 필요가 있다. 결국, 구성이 복잡해져서 높은 정밀도의 실장 기술이 요구된다.

다른 한편, 면발광 레이저는 거의 정확한 원형의 원거리 패턴을 가지며, 평행광은 하나의 구면 렌즈를 배치하는 것으로 얻을 수 있다. 또한, LD에서 출사되는 코히런트 광을 이용하는 경우, 산란 광선이 서로 간섭하는 스페클 패턴이 피검체(산란체)에 생긴다. 스페클 패턴은 계측에 노이즈로서 악영향을 미친다.

DOT에서와 같이 뇌내의 혈류를 보는 경우에는 그 산란 회수가 매우 많다. 결국, 악영향은 제한된다. 그러나, 피부에서 반사되는 광이 광원으로 직접 돌아가는 귀환광의 영향이 존재한다. 귀환광은 LD 내의 발진 상태를 불안정하게 하여 안정한 동작을 수행할 수 있다. 광 디스크의 경우, 코히런트 광을 안정적으로 이용하기 위해, 플러스(regularly) 반사광이 귀환광이 되는 것을 방지하도록 파장판이 사용된다. 그러나, 산란체에 관련된 귀환광의 제거는 어렵다.

면발광 레이저 어레이 칩의 경우에는 미소 영역에 복수의 광선을 동시에 조사하는 것이 가능하고, 귀환광에 의해 야기되는 간섭을 감소시키는 것도 가능하다(예컨대, 일본 특허 공개 제2012-127937호 공보 참조).

본 실시 형태(제1 및 제2 실시예)에서는 면발광 레이저 어레이 칩으로부터의 광의 광로 상에 볼록 렌즈(이하, 단순히 "렌즈"로 칭함)가 배치된다(도 22 참조).

볼록 렌즈의 직경은 1 mm이며, 해당 볼록 렌즈의 유효 직경("ε")은 600 ㎛이다. 볼록 렌즈의 초점 길이("f")는 600 ㎛이다. 면발광 레이저 어레이 칩은 1 mm×1 mm이며, 해당 면발광 레이저 어레이 칩 내에서 가장 떨어진 2개의 채널의 중심 사이 거리("dmax")는 600 ㎛이다. 유효 직경(ε)과 거리(dmax)를 서로 동일하게 설정하는 것에 의해 볼록 렌즈의 직경을 최소화하는 것이 가능해진다.

여기서, 볼록 렌즈와 면발광 레이저 어레이 칩의 위치는 볼록 렌즈의 주점(광학 중심)과 면발광 레이저 어레이 칩의 발광면(출사면) 사이의 볼록 렌즈의 광축 방향의 거리("L")가 예컨대 300 ㎛이 되도록 결정된다. 즉, f≠L이다.

이 경우, 면발광 레이저 어레이 칩에서 출사되어 볼록 렌즈를 통과한 광은 프리즘 등에 의해 플러스 반사되어, 해당 볼록 렌즈에 의해 면발광 레이저 어레이 칩에 집광되는 현상(귀환광 현상)의 발생을 회피할 수 있다. 전술한 바와 같이, 귀환광 현상이 발생하지 않기 때문에, 면발광 레이저 어레이 칩의 각 칩의 발광량을 안정화하는 것이 가능해진다.

그러나, 귀환광의 영향을 고려하지 않는 경우(NIRS에 고분해능이 요구되지 않음)에는 f=L로 설정될 수 있다.

또한, 도 23에 예시된 바와 같이, 볼록 렌즈와 면발광 레이저 어레이 칩 사이에 투명 수지가 채워지므로, 그 사이에 공기층이 형성되지 않는다. 투명 수지로서는 굴절률이 볼록 렌즈와 동등한 수지(예컨대, 열경화형 에폭시계 수지)가 사용된다. 즉, 볼록 렌즈와 면발광 레이저 어레이 칩 사이의 경계면에서 굴절률이 변하지 않는다. 투명 수지는 볼록 렌즈의 고정 전에 금속 금형에 의해 성형되거나 볼록 렌즈를 고정 후 주입될 수 있다.

전술한 바와 같이, 볼록 렌즈와 면발광 레이저 어레이 칩 사이에 투명 수지를 공급하여 충전하는 것에 의해, 면발광 레이저 어레이 칩에서 출사된 광이 볼록 렌즈의 면발광 레이저 어레이 칩 측의 표면에서 반사되는 것을 방지하는 것이 가능해진다. 즉, 귀환광 현상의 발생을 방지하는 것이 가능해진다. 귀환광 현상이 발생하지 않기 때문에, 면발광 레어저 어레이 칩의 각 채널의 발광량을 안정화시키는 것이 가능해진다. 각 채널로부터의 광량이 안정화되면, 측정계의 신호 대 잡음비(S/N ratio)를 증가시키는 것이 가능해져서 고정밀도 NIRS 측정 및 더 높은 분해능을 실현할 수 있다.

도 24에 예시된 바와 같이, 볼록 렌즈는 면발광 레이저 어레이 칩이 실장되는 패키지에 서브마운트를 통해 고정된다. 면발광 레이저 어레이 칩의 상부에는 패키지 상의 PKG 전극에 와이어를 통해 전기적으로 접속되는 전극이 존재한다. 와이어의 높이는 수십 ㎛이기 때문에, 와이어는 서브마운트와 간섭되지 않도록 설계된다. 볼록 렌즈의 고정 위치("L")(면발광 레이저 어레이 칩의 발광면과 볼록 렌즈의 주점 사이의 거리)는 와이어의 높이에 의해 제한된다. 즉, 와이어를 사용하는 경우에는 서브마운트를 회피하고 와이어의 높이를 100 ㎛ 이하로 설정하는 것이 필요하다. 즉, -100 ㎛ < f-L < 0의 관계가 성립하는 것이 바람직하다. 도 24에는 도 23의 투명 수지가 생략됨을 알아야 한다.

면발광 레이저의 출사면에서 출사되는 광은 거의 원형이며, 그 발산각은 반값폭으로 5 도이다. 일반적으로, LD의 빔은 타원형이기 때문에, 회전 방향의 세팅 오차를 고려할 필요가 있지만, 면발광 레이저의 세팅 오차는 고려할 필요가 없는 데, 이는 면발광 레이저의 장점이다. 또한, 원형 형태에 기인하여, 광학적 시뮬레이션을 이용하여 역 문제를 구할 때, 대칭성에 기초한 근사를 이용하는 것이 더 용이해지며, 이는 다른 장점이다.

면발광 레이저로부터 출사된 빔은 면발광 레이저 근처에 배치된 볼록 렌즈에 의해 굴절된다. 그 굴절각은 면발광 레이저와 렌즈 중심(렌즈의 광축) 사이의 상대 위치에 의해 결정된다. 따라서, 면발광 레이저 어레이 칩의 채널 그룹의 위치와 렌즈의 위치를 적절히 설정하는 것으로 원하는 굴절각을 얻는 것이 가능해진다.

제2 실시예에서는 굴절각이 20도 정도가 되도록 채널과 볼록 렌즈의 광축 사이의 상대 위치가 결정된다. 면발광 레이저 어레이 칩에서는 채널의 발광을 독립적으로 제어하는 것이 가능해진다. 따라서, 발광시키는 채널을 선택하는 것에 의해 광원 모듈(LM)로부터 출사되는 광의 방향을 변경하는 것이 가능해진다.

도 25는 광학 시뮬레이터에 의해 광학적으로 설계된 광선도의 일례를 예시한다. 여기서, 면발광 레이저 어레이 칩을 시뮬레이션하는 3개의 채널(광원) 및 해당 채널 근처의 렌즈로서 직경이 1 mm, f= 600 ㎛인 렌즈가 배치되어 있다. 3개 채널 중 하나는 렌즈의 광축 상에 배치되고, 다른 2개의 채널 중 하나는 렌즈의 광축의 일측에 그리고 다른 2개의 채널 중 나머지 채널은 렌즈의 광측의 타측에 배치된다. 광축 상의 채널 이외의 채널로부터의 광은 굴절되어 전파 방향(경로)가 휘어진다. 즉, 광축 상의 채널 이외의 채널로부터 출사되는 2개의 광선은 렌즈의 광축에 대하여 약 20도의 각도로 서로 반대 방향으로 출사된다.

여기서, 광원 모듈(LM)은 피검체에 대한 광의 입사각이 약 55도가 되도록 설계되어 있다. 구체적으로는 도 16에 예시된 바와 같이, 광원 모듈(LM)은 볼록 렌즈로부터 해당 볼록 렌즈의 광축에 대하여 약 20도 경사진 방향으로 출사된 광선이 개별로 반사되도록 함으로써 렌즈의 광축에 대한 광선의 각도가 약 20도에서 약 55도로 편향되어 약 55도로 경사진 해당 편향된 광선이 피검체의 표면에 입사하도록 설계되어 있다.

프리즘은 광을 반사할 수 있으면 어떤 것이라도 좋다는 것을 알아야 하며, 금속막이 성막된 유리 기판을 프리즘으로서 사용할 수 있다. 또한, 예컨대, 굴절률 차이에 의해 일어나는 전반사 현상을 이용한 프리즘을 채용할 수 있다. 프리즘의 일례로서, 도 26은 광학 시뮬레이션의 결과를 나타낸다. VCSEL로부터 출사된 광선은 볼록 렌즈에 의해 굴절된 후 프리즘에 입사된다.

여기서, 프리즘의 재료는 BK7이라고 되어 있지만, 일반적인 광학 재료를 사용할 수 있다. 프리즘에 입사한 광선은 프리즘 측면(반사면)에 의해 전반사되고, 전반사된 광선은 약 55도의 입사각으로 피검체에 입사된다. 즉, 볼록 렌즈를 통과한 광선은 피검체에 대한 광선의 입사각이 약 55도가 되도록 프리즘에 의해 편향된다. 이 경우, 프리즘과 피검체 사이의 계면에서 광의 산란을 방지하기 위해, 프리즘과 피검체 사이에 투명 젤이 개재된다. 여기서, 면발광 레이저 어레이 칩으로부터의 광선도 볼록 렌즈에 의해 비평행 광선으로 굴절되며, 해당 비평행 광선은 프리즘에 의해 반사되어 피검체에 입사된다. 결국, 평행하지 않지만 실질적으로 평행한 광선이 피검체의 동일 위치에 입사된다(도 26 참조).

프리즘과 피검체 간의 굴절률 차이에 기초한 스넬의 법칙에 의해, 광선의 피검체 내에서의 전파 각도가 약 55도에서 약 60도로 변한다.

볼록 렌즈 및 프리즘을 포함하는 광학계에서는 면발광 레이저 어레이 칩의 채널의 위치가 서로 다르다는 사실을 이용하는 것으로 피검체 내에서의 광의 전파각도를 설정하는 것이 가능해진다. 여기서, 채널(VCSEL)의 중심을 볼록 렌즈의 광축으로부터 200 ㎛ 정도 전위시키는 것으로써 채널로부터 출사된 광선의 피검체 내에서의 전파 각도를 60도 정도로 설정하는 것이 가능해진다. 이 경우, 다른 채널로부터 출사된 광선은 볼록 렌즈의 출사면의 다른 위치로부터 평행하지 않지만 실질적으로 평행한 광선으로서 출사된다.

비교예로서, 도 27은 초점 길이 f= 600 ㎛이고 고정 위치가 L= 1.6 mm일 때의 광학 시뮬레이션의 결과를 나타낸다. f와 L의 차이가 1 mm 이상이면, 도 27에 예시된 바와 같이 광선이 크게 확장된다. 광선이 이와 같이 확장되면, 피검체의 입사면을 크게 할 필요가 있다. 그러나, 실제 NIRS에서 입사면의 실제적 크기로서는 약 2mm의 직경(φ)이 한계이다. 이 한계는 인간의 인접 모근 사이의 간격이 2 mm 정도라는 사실에 관련되며, 입사면의 크기가 2 mm 이상이면, 머리카락이 광학적 장애물로 작용하므로 높은 분해능의 NIRS를 실현할 수 없다. 즉, f와 L 사이의 차이가 1 mm 미만인 것이 바람직하다.

도 16에서 렌즈(1, 2)는 렌즈(1, 2)가 설계된 위치에 정확히 안정되게 배치되도록, 면발광 레이저 어레이 칩이 실장되어 있는 세라믹 패키지에 직접 고정되어 있다.

도 25에서는 렌즈의 볼록면이 면발광 레이저 측을 향하고 있는 경우를 기술하고 있지만, 렌즈의 볼록면은 면발광 레이저의 반대측을 향할 수 있다. 도 25에 예시된 바와 같이, 볼록 렌즈의 볼록면이 면발광 레이저 측을 향하고 볼록 렌즈의 평면 부분이 피검체 측을 향하도록 볼록 렌즈를 배치하는 것에 의해, 면발광 레이저 칩과 렌즈 사이 거리를 길게 잡을 수 있다. 칩 실장 공정에서는 부품과 해당 부품을 실장하는 아암(arm) 사이의 간섭을 피하기 위해 해당 거리를 어느 정도 길게 하는 것이 바람직하다.

렌즈와 관련하여서는 광을 굴절시키는 한, 어떤 광학 부품도 사용 가능하며, 광섬유의 굴절률 분포를 이용한 굴절률 분포형(GRIN) 렌즈 등을 사용할 수 있다. 구면 렌즈를 사용하는 것에 비해, GRIN 렌즈를 사용하는 것에 의해 저비용으로 일반적으로 구면 수차가 작고 f 값이 작은 렌즈를 선택하는 것이 가능해진다.

제2 실시예에서는 광을 렌즈의 중심에만 입사되도록 하기보다는 렌즈의 단부에도 입사되도록 하기 위해, 구면 수차가 더 작은 것이 바람직하다.

이상의 설명으로부터 알 수 있는 바와 같이, 제2 실시예에 따른 광원 모듈(LM)(I-형, II-형, III-형)로부터 서로 평행하지 않은 복수의 광속이 출사된다(도 16, 도 18, 도 19 참조). 또한, 광원 모듈(LM)(I-형, II-형)으로부터는 파장이 다른 2개의 광선이 해당 광선의 광로가 실질적으로 서로 평행하고 근접된 상태로 출사된다(도 16, 도 18 참조). 또한, 광원 모듈(LM)(II-형)으로부터는 파장이 다른 2개의 광선이 해당 광선의 광로가 서로 평행하지 않지만 실질적으로 일치하는 상태로 출사된다(도 19 참조).

또한, 광로가 서로 평행하지 않은 광원 모듈(LM)(I-형, II-형, III-형)으로부터의 광속은 피검체의 대략 동일 위치에 입사된다(도 16, 도 18, 도 19 참조). 또한, 파장이 다르고 광로가 실질적으로 일치하는 광원 모듈(LM)(III-형)로부터의 광선은 피검체의 동일 위치에 입사된다(도 19 참조).

상기 "실질적으로 동일한 위치"는 예컨대, 광원 모듈(LM)이 약 60 mm 간격으로 배치되어 있는 경우, 60 mm에 대하여 실질적으로 동일한 위치임을 의미하고 있고, 서로 수 mm 정도 떨어진 복수 위치는 "대략 동일한 위치"로 지칭될 수 있다.

또한, 상기 "동일 위치"는 "실질적으로 동일한 위치"보다도 동일성이 더 높은 것을 의미하지만, "동일 위치"는 위치가 엄밀히 동일한 경우뿐만 아니라, 위치가 서로 1 mm 이하만큼 떨어진 경우도 포함할 수 있다.

또한, 상기 "광로가 실질적으로 동일하다"는 2개의 비평행 광선의 광로 사이의 각도가 10도 이하인 것을 의미한다. 2개의 광로가 실질적으로 동일하면, 2개의 비평행 광의 광로 사이의 각도가 1도 이하인 것이 바람직하다.

역 문제를 해결하는 알고리즘을 아래에 설명한다. 역 문제의 해결시, 광원 모듈(LM)의 위치를 설정한 광학 시뮬레이션을 행한다. 광학 시뮬레이션의 수행시, 피검체에 대한 입사 위치의 전위를 정확히 설정하는 것에 의해, 역 문제의 추정시 오차가 생기지 않는다.

그러나, 예컨대 특허 문헌 1에 기재된 바와 같이, 프로브 위치를 서로 10 mm 이상 떨어뜨리면서 프로브를 고밀도 방식으로 배치하기 위해서는 광원 모듈을 독립적으로 배치하는 것이 필요하다. 광원 모듈을 배치하는 작업은 복잡하고 모발을 일일이 한쪽으로 치우는 작업이 요구되며, 광원 모듈의 수가 증가할수록 작업수도 증가하게 된다.

본 실시 형태에서는 후술하는 바와 같이, 하나의 광원 모듈(LM)만을 배치하는 것에 의해, 복수의 광원 모듈을 배치한 경우에 얻어지는 것과 동등한 정보량을 얻는 것이 가능하고, 복잡한 작업의 증가 없이 특허 문헌 1에 기재된 바와 같이 고밀도 프로브에서 실현되는 것보다 더 높은 분해능의 검출이 가능하다.

또한, 도 28a에 예시된 바와 같이 서로 평행한 복수의 광선이 생체에 입사되는 비교예에 따른 광원 모듈에서는 생체의 표면 근처에 변질부가 있는 경우, 검출 오차가 생긴다. "변질부"는 광학 특성이 특별한 부분을 말하며, 변질부는 예컨대, 머리카락과 인공 착색된 피부를 포함한다. 이러한 변질부가 존재하면, 비교예에서는 광원(1)으로부터의 광이 다른 광원(2)으로부터의 광이 입사되는 위치와 다른 위치에 입사되며, 그 결과, 예컨대, 광원(2)으로부터의 광만이 변질부를 통과하는 경우가 존재할 수 있다. 광원(1)과 광원(2) 간의 차이를 계산하면, 변질부는 노이즈가 된다.

다른 한편, 본 실시예에서는 도 28b에 예시된 바와 같이, 광원(1)으로부터의 광과 광원(2)으로부터의 광은 피부 표면의 "실질적으로 동일한 위치"를 통과하며, 광원(1)과 광원(2) 중 하나로부터의 광이 변질부를 통과하는 경우, 광원(1)과 광원(2) 중 다른 하나로부터의 광도 변질부를 통과한다. 또한, 광원(1)과 광원(2) 중 하나로부터의 광이 변질부를 통과하지 않는 경우, 광원(1)과 광원(2) 중 다른 하나로부터의 광도 해당 변질부를 통과하지 않는다. 상술하면, 광원(1)으로부터의 광과 광원(2)으로부터의 광은 모두 피부 표면 근처에서 동일 광로를 취하며, 깊이 방향으로 다른 광로를 취한다. 즉, 피부 표면 근처에서의 차이를 검출하는 것은 그다지 민감하지 않지만, 뇌조직 근처에서는 차이의 검출이 민감하다. 피부 표면 근처의 노이즈를 감소시키는 것에 의해, 분해능이 향상한다. 전술한 바와 같이, "실질적으로 동일한 위치"라는 표현의 의미는 수 mm의 전위를 허용한다.

또한, 제2 실시예에서는 하우징에 형성된 창 부재에 투명 젤을 적하하여, 창 부재와 피검체 표면 사이에 투명 젤을 개재시켜 공기가 그 사이에 도입되는 것을 방지한다.

종래의 광원 모듈에서는 공기 중으로 일단 사출된 광이 신체에 입사된 후 피부 표면을 통해 체내로 전파된다. 이때, 1.0의 굴절률을 가지는 공기와 1.37의 굴절율을 가지는 생체 사이에는 굴절률 차이가 존재한다. 이 굴절률 차이에 기인하여, 반사 및 산란이 일어난다. 또한, 생체 외부의 공기의 굴절률보다 광이 전파되는 생체 내의 굴절률이 작기 때문에, 입사각에 대한 전파 각도(생체 내 전파 각도로도 지칭됨)가 작아지게 된다. 계면에서의 광 굴절은 스넬 방정식을 이용하면 이해할 수 있다. 스넬 방정식은 굴절률만을 이용하는 것으로 표현할 수 있다.

도 29는 공기(입사측: 굴절률 1.0)와 생체(전파측: 굴절률 1.37) 사이의 계면에서의 입사각과 생체 내 전파 각도 사이의 관계(광의 굴절)를 예시한 그래프이다. 도 29로부터 알 수 있는 바와 같이, 생체에 입사되는 광의 입사각이 60도인 경우에도, 생체 내에서의 광의 전파 각도는 40도가 되어 입사각보다 작다. 따라서, 생체 내에서의 광의 전파 각도를 60도 이상 달성하는 것이 필요한 경우에도, 광이 공기로부터 입사되면 그러한 전파 각도를 달성할 수 없다. 즉, 광이 일단 공기 내로 출사되면 생체 내에 전파되는 광의 전파 각도를 크게 하는 것이 곤란하다.

이 문제를 해결하기 위해, 제2 실시예에서는 광원 모듈(LM)의 창 부재의 재료인 투명 수지의 굴절률을 생체의 굴절률(1.37)보다도 크게(예, 1.5 이상) 되도록 설정한다(도 30 참조). 이 경우, 광원 모듈(LM)에서 입사각 60도로 생체에 직접 입사된 광의 생체에서의 전파 각도는 70도를 넘는다. 광원 모듈(LM)의 설계시, 이 각도를 줄이면, 광원 모듈(LM)의 크기를 감소시키는 등의 장점을 얻는 것이 가능해진다.

제2 실시예의 광원 모듈(LM)(I-형)에서는 도 16에 예시된 바와 같이 면발광 레이저로부터 렌즈의 광축에 평행한 방향으로 출사된 광은 렌즈에 의해 굴절되어, 렌즈의 광축에 대해 약 20도 경사진 방향으로 진행하여 창 부재에 입사된다. 여기서, 창 부재의 굴절률은 대략 1.5가 되도록 설정된다. 렌즈를 통과한 광은 창 부재에 입사시 굴절되지만, 입사각이 깊기 때문에 굴절은 크지 않다. 창 부재에 입사한 광은 프리즘의 반사면에 의해 편향되어 렌즈의 광축에 대해 약 55도 경사진 방향으로 진행한다. 이 55도의 각도는 굴절률 1.5의 창 부재에서의 각도이며, 도 30에 예시된 바와 같이 생체 내(굴절률 1.37)에서의 전파 각도는 약 60도가 된다.

광원 모듈(LM)로부터의 광이 직접 입사되어 의사 생체 내로 전파하기 위해서는 의사 생체와 광원 모듈(LM) 사이의 계면 내의 공기층을 제거하는 것이 필요하다. 여기서, 공기층의 제거를 위해 투명 젤이 사용된다. 여기에 사용된 투명 젤은 의사 생체와 정합성이 좋은 글리세린 수용액이다. 또한, 투명 젤은 해당 투명 젤이 검사 중에(즉, 광원 모듈(LM)이 닫혀 있는 동안) 휘발되지 않고 검사 이후 또는 의사 생체 내로 흡수된 후에는 적당한 타이밍에 휘발되도록 휘발성을 조정한다. 투명 젤의 광학 특성은 파장 780 nm 부근에서는 투명하고 투명 젤의 굴절률이 의사생체 표면의 굴절률과 유사하도록 조정된다. 여기서, 투명 젤의 굴절률은 약 1.37정도의 값을 가지도록 준비된다. 이러한 준비에 의해, 의사 생체 표면에 요철이 있더라도, 요철 표면에 따라 굴절률 차이가 발생되지 않고 반사가 생기지 않는 상태를 만드는 것이 가능해진다. 따라서, 의사 생체 표면에서의 반사를 거의 제거하는 것이 가능해진다. 또한, 의사 생체와의 계면에 물리적으로 요철이 있는 경우에도, 광학적으로는 불균일하지 않아서 산란이 일어나지 않는다. 결국, 광이 광원 모듈(LM)로부터의 광의 출사 각도에 따른 적절한 전파 방향으로 정확히 의사 생체 내부로 전파되는 것이 가능해진다. 일반적으로 산란은 의사 생체 내의 전파 중에 강하게 일어나지만, 산란은 피부 표면에서도 약하지 않다. 결국, 광의 이방성을 크게 확보하는 것이 가능해진다. 높은 이방성이 얻어지므로, 광원 모듈(LM)로부터의 광선의 의사 생체로의 입사각을 크게 변경하는 것이 가능해져서, 후술하는 바와 같이, 검출 모듈(DM)로 접수되는 광선의 입사각을 크게 변경하는 것이 가능해진다.

도 31에 예시된 바와 같이, 검출 모듈(DM)은 하우징, 광학 소자, 수광부 및 아날로그 전자 회로가 실장된 플렉시블 인쇄 회로 기판(미도시), 해당 플렉시블 인쇄 회로 기판에 접속된 배선 및 접속부(미도시) 등을 포함한다.

도 32에 예시된 바와 같이, 검출 모듈(DM)에서는 광원으로부터 피검체에 출사되어 해당 피검체 내를 전파하는 광은 복수의 광선으로 분할되어 복수의 수광부에 유도된다.

관련 기술(일본 특허 공개 제2011-179903호 공보 참조)에서는 형광을 이용한 DOT에서, 피검체로부터 다각도로 출사되는 광선에 대응시켜 수광부를 배치하고 있다. 그러나, 수광부를 이 방식으로 배치하면, 수광부에 입사되는 광은 피검체로부터의 모든 출사 각도에 해당한다.

다른 한편, 본 실시 형태의 검출 모듈(DM)은 피검체의 "실질적으로 동일한 위치"로부터의 광을 분할하고, 해당 분할 광을 개별로 검출하고 있다. 여기서, 광원 모듈(LM)에서 전술한 바와 같이, 광학 시뮬레이션으로 "실질적으로 동일한 위치"의 정밀도를 설계하는 것이 가능하므로, 위치가 수 mm 정도의 차이는 문제가 되지 않는다.

이하에, 검출 모듈(DM)을 자세히 설명한다. 도 33에 예시된 바와 같이, 검출 모듈(DM)은 흑색 수지로 된 하우징, 해당 하우징의 선단에 부착된 탄성체로 이루어진 접촉 부재, 하우징에 수용된 투명한 분할 렌즈 및 4개의 수광부를 포함한다. 하우징의 선단 및 접촉 부재에는 에이퍼처(구멍)가 형성되어 있다.

접촉 부재로서는 차광성을 높이기 위해 흑색 고무로 된 부재가 사용된다. 접촉 부재의 에이퍼처로부터 분할 렌즈의 중앙부(직경이 약 1 mm)가 수백 ㎛ 정도 하우징 외부로 돌출된다. 이 돌출부는 생체 표면에 접촉하기 때문에, 광학적으로 공기가 존재하지 않아서 프레넬 굴절, 산란 등이 억제된다.

또한, 검출 모듈(DM)에서도 전술한 투명 젤이 사용됨으로써 안정성이 더욱 향상될 수 있다. 분할 렌즈는 투명 수지로 이루어지고, 굴절률은 1.8 정도이다. 분할 렌즈는 하우징에 고정되어 있다.

에이퍼처는 하우징의 선단 및 접촉 부재를 관통하는 약 1 mm의 직경의 원형 구멍이며, 에이퍼처는 광이 피검체 내를 전파하여 피검체로부터 나오는 위치를 한정하는 기능을 가진다. 에이퍼처로부터 출사되는 광은 다른 방향으로 유도된다. 광의 입사 위치를 에이퍼처로 제한하는 것이 가능하다. 이후, 입사광은 분할 렌즈로 복수의 광선으로 분할되며, 광선은 개별 검출될 수 있다.

피검체부터의 광이 피검체의 "실질적으로 동일한 위치"로부터 수광부에 입사되는 전술한 특징은 에이퍼처에 의해 실현된다.

에이퍼처를 통과한 광은 분할 렌즈에 의해 해당 광의 전파 방향에 대응하는 다른 방향으로 굴절되므로, 수광부에 대한 입사 위치가 다르다.

분할 렌즈는 구면 렌즈로서 직경이 약 3 mm이고 초점 거리(f)가 약 3 mm이다.

제2 실시예에서는 분할 렌즈에 의해 생성된 광선의 수가 4개이고, 2차원적 방식으로 배열된 4개의 수광부(PD: 광 다이오드)를 포함하는 광 다이오드 어레이(PD 어레이)를 사용한다. 도 33에서는 4개의 수광부(PD) 중 2개의 수광부(1, 2)만이 예시되어 있다.

여기서, PD 어레이는 한 변의 길이가 약 3 mm인 정방형 형태를 가지며, 각 PD는 한 변의 길이가 1.4 mm인 정방형 형태를 가진다. 도 33에 예시된 바와 같이 각도(θ2)가 정의되며, PD 어레이와 에이퍼처 사이의 거리는 약 5 mm이다.

렌즈의 일면은 평면이고, 타면은 구면이다. 렌즈의 평면 측은 의사 생체에 접촉된다. 에이퍼처의 위치는 렌즈의 초점 위치로부터 전위되기 때문에, 에이퍼처는 평행광을 발생시키지 않는다. 그러나, 에이퍼처는 광을 PD 어레이에 입사되도록 제한하는 기능을 가진다.

이 광학계에 수행되는 광학 시뮬레이션에 따르면, 약 -10도~50도의 범위의 각도(θ2)를 가지는 광은 수광부(2)에 입사되고, 약 -50도~10도의 범위의 각도(θ2)를 가지는 광은 수광부(1)에 입사됨을 알았다. 즉, 의사 생체 내를 전파하여 에이퍼처로부터 출사된 광은 출사 각도에 따라 복수의 광선으로 분할되고, 해당 광선 각각은 4개의 수광부 중 하나에 입사된다.

제2 실시예에서는 분할 렌즈로서 구면 렌즈를 사용하고 있지만, 비구면 렌즈를 사용하여 더 큰 각도를 검출할 수 있다. 광선의 분할 정밀도 및 분할수는 후술되는 역 문제의 추정의 정밀도와 상관이 있기 때문에, 원하는 추정 정밀도를 기초로 필요한 광학계가 결정된다. 본 실시 형태에서는 구면 렌즈와 4개의 광선을 채용하고 있다.

각 PD는 연산 증폭기에 접속되도록 전기 배선된다. 연산 증폭기로는 반도체 연산 증폭기를 사용하여 5V의 전력을 공급한다. 검출되는 광량은 매우 작기 때문에, 연산 증폭기의 이득이 높아서 2-단계 증폭기 구성을 사용한다. 1 단계로 수백 만 배의 배율이 행해지고, 2단계로 약 수천 배의 배율이 행해진다.

제2 실시예에서는 의사 생체 내의 흡광체의 위치를 측정하는 위치 측정 방법(피검체의 광학 특성 검출 방법)을 도 34의 흐름도를 참조로 설명한다.

우선, 프로브(광원 모듈(LM) 및 검출 모듈(DM))을 의사 생체에 셋팅(장착)한다(S1 단계). 이때, 아크릴 수조와 프로브 사이에 투명 젤을 배치하고, 투명 젤에 기포가 발생되지 않도록 프로브를 하나씩 고정 부재에 의해 결정된 위치에 신중히 셋팅한다.

프로브는 8개의 광원 모듈(LM)과 8개의 검출 모듈(DM)(총 16개 프로브)이며, 광원 모듈(LM)과 검출 모듈(DM)은 교대로 격자형으로 일정 피치로 배치된다(도 15 참조). 격자의 피치(격자점 간격)는 30 mm이며, 광원 모듈(LM)과 검출 모듈(DM) 사이의 간격은 30 mm이다.

이 상태에서, 선택된 임의의 광원 모듈(LM)의 채널로부터 광을 발광시킨다(S2 단계). 발광은 그룹(4 채널)마다 행하고, 발광 강도가 약 4 mW가 되도록 전류치가 결정된다. 발광 시간은 약 10 ms이며, 이 시간 동안 모든 PD에 의해 검출치를 판독하여, 매 1 ms 간격으로 검출한 여러 지점의 데이터(검출치)를 평균화한다(S3 단계). 이후, 평균치를 기록부에 저장한다(S4 단계). 유사하게, 다음 그룹에서 10 ms 동안의 발광, 계측 및 데이터 저장을 반복한다(S5, S6, S2~S4 단계). 발진 파장이 780 nm인 면발광 레이저 어레이 칩의 4개 채널의 발광과 발진 파장이 900 nm인 면발광 레이저 어레이 칩의 4개 채널의 발광은 순차적으로 유사하게 수행됨을 알아야 한다.

그러나, 이하의 데이터 처리에서는 2개 파장을 거의 유사하게 취급하고 동일한 위치에서의 계측을 2회씩 동일한 방식으로 행하는 것으로 말할 수 있다. 원래, 혈류의 변화를 검출하기 위해서는 상기 2개 파장을 이용하여 획득한 차이를 이용하는 것으로 산화된 헤모글로빈과 환원된 헤모글로빈을 개별 검출하는 것이 가능하다. 그러나, 본 실시 형태에서는 개별 데이터를 측정하기 위해 발진 파장이 다른 2개의 면발광 레이저 어레이 칩을 사용하는 것으로 칩 간의 차이에 의해 야기된 노이즈를 감소시키는 것이 가능하다.

광원 모듈(LM)의 모든 그룹의 발광 및 계측이 완료된 후, 다음 광원 모듈(LM)의 발광을 수행한다(S7, S8, S2~S6 단계). 상기와 유사하게, 발광은 그룹(4개 채널) 단위로 순차적으로 수행된다. 모든 광원 모듈(LM)에 의한 발광 및 계측이 완료된 후, 흡광체를 셋팅한다(S9, S10 단계). 흡광체의 셋팅은 해당 셋팅이 위치 재현 가능한 방식으로 정확히 실현될 수 있도록 광학 스테이지를 이용하여 행한다. 흡광체를 셋팅한 상태에서, PD 값의 기록을 통한 채널의 발광을 반복한다(S2~S9 단계).

저장된 데이터에서, 흡광체가 있는 경우의 데이터와 흡광체가 없는 경우의 데이터는 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)로 주어진다. 여기서, "i"는 각 검출 모듈(DM)에 부여된 번호를 나타내고, "n"은 각 그룹에 부여된 번호를 나타낸다. 다음에, 각각의 차분(Δr(i, n))을 계산한다.

상기 위치 측정 방법으로 얻어진 측정 결과를 기초로 흡광체의 위치(의사 생체의 광학 특성)를 산출하는 방법은 도 8의 흐름도에 기초하는 계측 방법으로 얻어진 계측 결과로부터 흡광체의 위치(의사 생체의 광학 특성)를 산출하는 방법과 유사하므로, 그 반복되는 설명을 여기서는 생략한다.

결과로서, 도 35에 예시된 바와 같은 추정 결과를 얻는 것이 가능해진다. 도 35는 비교예로서, 면발광 레이저 어레이 칩의 중심의 오직 하나의 그룹으로부터만 발광이 이루어지고(도 17 참조), PD 어레이의 4개의 PD 중 오직 하나의 PD의 검출치만을 이용하여 검출한 결과를 추가로 예시한다. 이 제한 외에는 본 실시 형태와 유사한 수치 처리를 수행한다. 이 비교예의 구성은 종래의 NIRS(DOT) 장치의 구성과 거의 같다.

본 실시 형태에서는 Bayesian 추정에 기인하여, 흡광체의 위치와 깊이를 검출하는 것이 가능하다. 도 35에 나타낸 결과에서는 흡광체의 위치를 검출할 수 있는 경우에 "○" 마크를 표시하고 있다. 본 실시 형태에서는 깊이 방향(여기서는 도 10의 Z-축 방향)의 거리가 커지면, 광원 모듈(LM)로부터의 거리가 증가되며, 전파 가능한 광량이 감소된다. 결국, 흡광체의 위치가 깊어질수록 검출이 더 어려워진다. 본 실시 형태에서는 16 mm 깊이까지 검출이 가능하다. 일반적인 NIRS(DOT) 장치의 예인 비교예에서는 Bayesian 추정을 이용하는 경우에도 깊이 방향의 검출이 가능하지 않다. 일반적으로, 깊이 방향을 포함한 흡광체의 3차원 위치를 높은 정밀도로 검출하기 위해서는 프로브를 고밀도로 배치하는 것이 필요하지만, 본 실시 형태에서는 이러한 고정밀도의 검출이 프로브를 저밀도로 배치하는 것으로 수행될 수 있다.

전술한 본 실시 형태(제1 및 제2 실시예)에 따른 광학 센서(10)는 피검체(의사 생체)에 광을 조사하기 위해 복수의 광원 모듈(LM)(광 조사기)을 가지는 조사계와, 해당 조사계로부터 조사되어 피검체 내를 전파한 광을 검출하는 검출계를 포함한다. 또한, 각각의 광원 모듈(LM)은 비평행 광속을 피검체 상의 대략 동일한 위치에 조사한다.

이 경우, 피검체(산란체)의 대략 동일 위치에 조사되는 상호 비평행의 광속은 피검체에 대한 입사 각도가 서로 다르고, 광속은 다른 전파 경로로 전파된다(도 36 참조).

결국, 피검체 내부에 관하여 얻어지는 정보량이 증가하여 고분해능을 달성할 수 있다. 또한, 향상된 분해능에 기인하여, 감소된 프로브 밀도(즉, 단위 면적 당 프로브의 수)로 동일한 분해능을 달성하는 것이 가능해지며, 이는 장착성(부착성)을 향상시킬 수 있다.

결국, 피검체에 대한 장착성을 저하시키지 않고 광학 센서(10)가 더 높은 분해능을 달성하는 것이 가능해진다.

피검체의 대략 동일 위치에 입사되는 광속이 서로 비평행이라는 사실은 광속이 서로 각도를 이루고 있는 것을 의미함을 알아야 한다. 즉, 광속이 이루는 각도가 존재하므로, 광속의 다른 전파 경로를 형성하는 것이 가능해진다. 다른 한편, 피검체의 대략 동일 위치에 입사하는 광속이 상호 평행하다고 하면(예컨대,광속이 피검체의 표면 법선에 평행하다면), 해당 광속의 피검체 내에서의 전파 경로는 동일해야 한다.

또한, 본 실시 형태에 따른 광원 모듈(LM)은 복수의 면발광 레이저(발광부)를 갖는 면발광 레이저 어레이와, 상기 면발광 레이저로부터의 광선의 광로 상에 배치된 볼록 렌즈를 포함한다. 볼록 렌즈는 광선을 서로 비평행하게 되도록 하는데 사용되며, 볼록 렌즈의 주점과 면발광 레이저 어레이 사이의 거리는 볼록 렌즈의 초점 길이와 일치하지 않는다.

이 경우, 귀환광이 면발광 레이저에 집광하는 것을 방지할 수 있고, 해당 면발광 레이저의 출력 변동을 방지할 수 있다. 결국, 면발광 레이저의 발광량을 안정화할 수 있고 광학 센서(10)에 있어서의 검출 정밀도를 향상시킬 수 있어서 NIRS의 분해능을 향상시킬 수 있다.

한편, 면발광 레이저 어레이가 볼록 렌즈의 초점 위치에 배치된 경우, 외부의 반사면에 의해 반사된 광선이 볼록 렌즈에 의해 면발광 레이저에 집광되어, 레이저 발진이 불안정하게 된다. 이 현상은 귀환광 또는 자기-혼합(self-mixing) 현상이라고 불리는 현상이다. 면발광 레이저 어레이가 광학 센서의 광원으로서 이용되는 경우, 이 현상이 발생하면, 발광량이 불안정하게 되는 문제가 있다(더 상세한 사항은 일본 특허 공개 제2011-114228호 및 제2012-132740호 공보 참조).

또한, 볼록 렌즈와 면발광 레이저 어레이 사이에는 굴절률이 볼록 렌즈의 굴절률과 동등한 투명 수지가 채워진다.

이 경우, 볼록 렌즈와 면발광 레이저 어레이 사이의 계면에서 굴절률이 변하지 않으므로, 귀환광이 감소될 수 있다. 이 결과, 면발광 레이저 어레이의 발광량을 안정화할 수 있고, 따라서 NIRS의 분해능을 향상시킬 수 있다.

또한, 검출계는 광원 모듈(LM)로부터 피검체에 조사되어 해당 피검체 내를 전파한 광선을 개별 수광하는 복수의 수광부(PD)를 가지는 복수의 검출 모듈(DM)을 포함한다.

이 경우, 피검체 내의 다른 2개의 전파 경로에 대응하는 2 세트의 정보를 개별 획득하는 것이 가능하다.

또한, 검출 모듈(DM)은 피검체와 수광부(PD) 사이에 배치되어, 피검체 내를 전파한 광선 각각의 일부를 통과시키는 에이퍼처가 설치된 접촉 부재 및 하우징을 포함한다.

이 경우, 피검체의 대략 동일 위치를 통해 하우징 내에 광을 도입하는 것이 가능하다. 즉, 피검체로부터 하우징 상에, 입사각이 어느 정도 제한된 광만을 입사시키는 것이 가능하여, 광이 수광부에 입사되기 쉬어진다.

또한, 검출 모듈(DM)은 에이퍼처를 통과한 광선의 일부를 수광부에 개별 유도하는 분할 렌즈(수광 렌즈)를 포함한다.

이 경우, 에이퍼처를 통과한 광선의 일부를 수광부에 개별로 안정된 광량으로 입사시키는 것이 가능하다.

또한, 광원 모듈(LM)은 피검체에 접촉되게 사용되고 해당 피검체보다도 굴절률이 큰 재료(투명 수지)로 된 창 부재를 포함하므로, 피검체에 대한 입사각에 대하여 피검체 내에서의 전파 각도(굴절각)를 크게 설정하는 것이 가능하다. 이 결과, 공기로부터 피검체로 광이 입사되는 경우와 비교시, 입사각이 동일한 경우에도 전파 각도가 커진다. 따라서, 피검체의 대략 동일 위치에 다른 입사각으로 입사하는 2개의 광선 간의 입사각의 차이와 비교시, 해당 2개의 광선의 피검체 내에서의 전파 각도의 차이가 더 커져서 전파 경로를 더 크게 다르게 할 수 있다. 결국, 더 높은 분해능을 얻는 것이 가능하다.

또한, 광원 모듈(LM)은 2차원적인 방식으로 배치된 면발광 레이저와, 면발광 레이저로부터의 광선의 광로 상에 배치된 조사용 렌즈(렌즈)를 포함한다.

이 경우, 면발광 레이저로부터의 광선의 진행 방향을 원하는 방향(대응하는 프리즘이 배치되어 있는 방향)으로 변경시키는 것이 가능하다.

또한, 광원 모듈(LM)은 조사용 렌즈를 통한 광선의 광로 상에 배치되며, 해당 광선을 원하는 방향으로 반사시키는 프리즘(반사 부재)을 포함한다.

이 경우, 조사용 렌즈로부터의 광선의 진행 방향을 더욱 원하는 방향으로 변경하는 것이 가능하다. 즉, 피검체에 대한 입사각을 원하는 각도가 되도록 설정하는 것이 가능하다.

전술한 바와 같이, 광학 센서(10)는 간단한 구성에 의해 광의 전파 이방성을 효과적으로 이용하는 것으로 고분해능을 달성할 수 있으며, 광학 센서(10)는 DOT 등의 여러 분야에서의 이용이 기대된다.

또한, 광학 검사 장치(100)는 광학 센서(10)와, 해당 광학 센서(10)에 의해 얻어지는 검출 결과에 기초로 피검체의 광학 특성을 산출하는 제어부(광학 특성 산출부)를 포함한다.

이 경우, 광학 센서(10)의 검출 정밀도가 높기 때문에, 피검체의 광학 특성을 고정밀도로 산출하는 것이 가능하다.

또한, 본 실시 형태(제1 및 제2 실시예)에 따른 광학 센서(10)는 피검체(예컨대, 생체)에 광을 조사하는 광원 모듈(LM)(광 조사기)을 복수 개 구비한 조사계와, 해당 조사계로부터 피검체에 조사되어 해당 피검체 내를 전파한 광을 검출하는 검출계를 포함하고, 광원 모듈(LM)은 파장이 다른 광선을 상기 피검체의 대략 동일 위치에 조사 가능하다.

이 경우, 피검체 내의 정보를 고정밀도로 계측하는 것이 가능하다.

구체적으로는 역 문제 추정을 행하는 NIRS 장치가 뇌혈류 위치를 고정밀도로 계측하는 것이 가능해진다.

또한, 광원 모듈(LM)(III-형)은 파장이 다른 2개의 광선을 출사할 수 있는 (출사 광선의 파장이 서로 다른) 2개의 채널과, 해당 2개의 채널로부터 출사된 파장이 다른 대응하는 광선의 광로 상에 개별로 배치된 2개의 렌즈(1, 2)와, 대응하는 2개의 렌즈를 통한 파장이 다른 2개의 광선의 광로 상에 공통으로 배치된 프리즘을 포함하며, 해당 프리즘을 통한 파장이 다른 광로는 실질적으로 일치한다. "광로가 실질적으로 일치한다"라는 것은 프리즘을 통한 파장이 다른 광선으로부터 임의로 선택된 2개의 광선의 광로에 의해 형성된 각도가 10도 이하인 것을 의미함을 알아야 한다.

이 경우, 간단한 구성을 사용하는 것으로써 파장이 다른 광선을 상기 피검체의 동일 위치에 조사하는 것이 가능하다.

또한, 광원 모듈(LM)(III-형)에서 프리즘은 2개의 렌즈(1, 2)를 통한 파장이 다른 2개의 광선을 반사하는 반사면(전반사면(R1, R2))을 포함하며, 2개의 렌즈(1, 2)로부터 반사면까지의 파장이 다른 2개의 광선의 광로는 비평행이다.

이 경우, 파장이 다른 2개의 광선을 2개의 반사면에서 개별 반사하는 구성에 비해, 비용 감소를 달성하면서 구성을 간소화하는 것이 가능하다.

또한, 광원 모듈(LM)(III-형)에서는 프리즘 대신에 복수의 광학 소자를 이용하는 경우에 비해, 실장해야 하는 부품수를 감소시키는 것이 가능하고, 따라서 실장 비용이 감소된다.

또한, 광원 모듈(LM)(III-형)에서는 2개의 렌즈(1, 2)로부터 프리즘의 반사면까지의 파장이 다른 2개의 광선의 광로는 해당 광로가 프리즘의 반사면에 근접할 록 서로 더 근접되므로, 해당 반사면에서 해당 2개의 광선이 광로가 서로 근접된 상태에서 피검체 측으로 반사되는 것이 가능하다.

또한, 광원 모듈(LM)(III-형)에서는 프리즘의 반사면에 의해 반사된 파장이 다른 2개의 광선은 광원 모듈(LM)(III-형)의 출사 단부 근처에서 교차하기 때문에, 해당 2개의 광선을 피검체의 동일 위치에 확실하게 입사되게 하는 것이 가능하다.

또한, 광원 모듈(LM)(III-형)에서 2개의 채널 각각은 어레이형으로 배치된 복수의 발광부를 포함하며, 발광부와 대응하는 렌즈의 광축 사이의 위치 관계가 광원 사이에서 다르기 때문에, 2개의 채널에 대응하는 2개의 발광부로부터 출사된 파장이 다른 2개의 광선을 렌즈(1, 2)로부터 비평행의 상태로 출사하는 것이 가능하다.

또한, 광원 모듈(LM)(III-형)에서는 채널의 중심(어레이 중심)이 대응하는 렌즈의 광축으로부터 전위되기 때문에, 2개의 채널에 대응하는 2개의 발광부를 쌍으로 하면, 렌즈의 광축에 대한 모든 쌍의 위치 관계를 서로 다르게 되도록 하는 것이 가능하다.

또한, 렌즈(1, 2)와 2개의 채널 사이는 굴절률이 렌즈(1, 2)와 동등한 투명 수지로 채울 수 있다(도 23 참조).

또한, 렌즈(1, 2)는 대응하는 채널 측에 볼록면이 마주하는 형상을 가질 수 있다(도 25 참조).

또한, 광원 모듈(LM)(II-형)과 광원 모듈(LM)(III-형)의 공통 광학 소자는 프리즘에 한정되지 않고, 파장이 다른 복수의 광선을 반사하는 반사면을 적어도 하나 포함하고 있으면 임의의 부재일 수 있다.

《제2 실시 형태》

다음에, 본 발명의 제2 실시예를 설명한다. 본 실시 형태에서는 상기 제1 실시예에서 설명한 프로브를 실제 인체에 적용하는 방법을 설명한다. 여기서, 피검체를 팬텀(백탁수로 채워진 수조)으로부터 인체의 머리부로 변경하고, 흡광체를 뇌혈류인 것으로 한다.

본 실시 형태에서는 뇌내의 혈류의 분포를 정확히 추정하는 것을 목적으로 한다. 본 실시 형태에서는 피험자(피검체)를 계측하여, 해당 계측된 데이터를 기초로 형상을 모델화하여, 몬테 카를로 시뮬레이션을 행한다. 피험자의 머리 형상은 자기 공명 화상법(이하, MRI로 지칭함)을 이용하는 것으로 측정된다. 화상을 기초로 4개 부위, 즉 두피, 두개골, 뇌척수액 및 대뇌 피질의 형상을 계측한다.

3차원 데이터는 고정밀도의 검출에 필요할 수 있지만, 뇌 모델의 표준 형상을 대체 사용할 수 있다. 각각의 부위에는 일반적으로 알려진 산란계수, 이방성, 흡수 계수의 개별 값을 가지고 있으므로, 그 수치를 이용한다. 프로브는 고정 툴에 의해 머리 부분에 정확히 고정되며, 설치 위치도 정확히 계측된다. 프로브 등은 제1 실시예에서의 것과 동일하기 때문에, 여기서는 반복되는 설명을 생략한다. 여기서, 정확한 형상, 배치, 각각의 부위의 수치를 기초로 광학 시뮬레이션을 행한다.

이하에서는, 뇌내의 혈류를 계측하는 방법을 도 37에 예시된 흐름도를 참조로 설명한다. 우선, 피험자를 안정화시키고(S31 단계), 프로브(검출 모듈(DM) 및 광원 모듈(LM))를 머리 부분에 부착한다(S32 단계). 이때, 프로브는 모발 등이 프로브와 두피 사이에 개재되지 않도록 고정 부재를 사용하여 각각의 미리 결정된 위치에 하나씩 주의깊게 세팅(설치)한다. 이 세팅 상태에서, 채널을 발광시킨다(S33 단계). 발광(펄스 발광)은 1그룹마다 행하고, 발광 강도가 4 mW 정도가 되도록 전류치를 결정하고 있다. 발광 시간은 수 ms 정도이며, 이 시간 동안 모든 PD의 검출치를 판독하여 평균화한다(S34 단계). 평균값은 기록 매체에 저장한다(S35 단계).

다음 그룹에서는 수 ms 동안의 발광, 계측, 데이터 저장을 유사하게 반복한다(S36, S37, S33~S35 단계). 모든 광원 모듈(LM)의 발광 및 계측이 종료된 후, 피험자에게 과제의 수행을 요구한다(S38~S41 단계). 여기서, 일반적인 언어 유창성 과제(general verbal fluency task)가 수행된다. 언어 유창성 과제는 일본 특허 공개 제2012-080975호 공보에 상세히 기재되어 있다.

이 과제를 수행하는 것에 의해 뇌가 활성화되며 오직 활성화된 부위에만 뇌혈류가 생긴다. 혈류는 산화된 헤모글로빈과 환원된 헤모글로빈을 포함하며, 혈류에 의해서 광흡수가 일어난다. Bayesian 추정에 의한 역 문제 추정 등은 상기 제1 실시 형태에 설명된 방법에 따르므로, 그 반복되는 설명은 여기서 생략한다. 이 계측에 의해 얻어진 혈류 위치는 fMRI(functional Magnetic Resonance Imaging)에 의해 그 정밀도를 확인할 수 있다. "fMRI"는 MRI를 이용하여, 인간 또는 동물의 뇌와 척수의 활동에 관련된 혈류동태 반응을 시각화하는 방법이다. 이 확인 및 계측을 기초로 본 실시 형태의 광학 센서에 의한 계측이 높은 분해능을 가진다는 것을 알게 되었다.

《제3 실시 형태》

다음에, 본 발명의 제3 실시 형태를 설명한다. 제3 실시 형태에서는 상기 제1 실시 형태의 것과 유사한 광원 모듈(LM) 및 검출 모듈(DM)을 사용하지만, 이것들의 레이아웃은 본 발명의 사상을 포함한다. 레이아웃 이외의 설명은 제1 실시 형태의 것과 동일하므로, 그 설명은 여기서 생략한다.

상기 제1 실시 형태의 제2 실시예에서는 도 15에 예시된 바와 같이 2개의 검출 모듈(DM)과 2개의 광원 모듈(LM)을 대략 정방형의 각 코너에 배치하고 있다. 그러나, 이 배치에서는 도 15의 X 마크로 표시된 지점에서 광원 모듈(LM)과 검출 모듈(DM) 사이의 광로가 길게 연장되어 진다. 결국, 검출 모듈(DM)에 의해 충분한 광량을 얻을 수 없고 이 지점에서의 노이즈가 커져서 검출 정밀도가 저하될 수 있다.

상기 문제를 해결하기 위해, 본 발명자들은 적절한 프로브 레이아웃을 결정하는 활발한 연구를 통해 도 38에 예시된 레이아웃이 최적인 것을 발견했다. 도 38의 레이아웃에서는 광원 모듈(LM)과 검출 모듈(DM)을, 광원 모듈(LM) 및 검출 모듈(DM) 중 한쪽의 2개가 피검체에 대해 정삼각형의 2개의 개별 코너에 위치되고 광원 모듈(LM) 및 검출 모듈(DM)의 다른 쪽의 하나가 해당 정삼각형의 제3 코너에 위치되도록, 배치를 행하고 있다.

여기서, 간단한 예로서, 광원 모듈(LM)과 검출 모듈(DM) 사이의 거리가 가장 긴 위치를 검토한다. 여기서, 검출 모듈(DM)과 광원 모듈(LM) 사이의 간격(피치)은 양자 모두 "a"인 것으로 한다. 도 15에서의 X의 위치의 경우, 파선의 거리가 (√2)a(약 1.414a)로 계산된다. 이에 대해, 도 38에서의 X의 위치의 경우, 파선의 거리가 (1+√3)a/2(약 1.366 a)<√2a로 계산된다. 즉, 최장 거리를 도 15와 도 38의 레이아웃 사이에서 비교하면, 도 38에서의 최장 거리가 더 짧아서 도 38의 레이아웃이 더 바람직한 것을 알 수 있다.

도 38의 프로브 레이아웃을 사용하는 것으로써, 제1 실시 형태에서와 동일한 방식으로 수행되는 역 문제 추정의 결과, 검출 영역이 더 넓어지는 것을 알 수 있다.

《제4 실시 형태》

다음에, 본 발명의 제4 실시 형태를 설명한다. 제4 실시 형태에서는 상기 제1 실시 형태에서와 동일한 광원 모듈(LM)과 검출 모듈(DM)의 레이아웃을 이용하고 있지만, 광원 모듈(LM)의 채널과 검출 모듈(DM)의 PD의 레이아웃은 본 발명의 사상을 포함하고 있다. 채널과 PD의 레이아웃 이외의 설명은 제1 실시 형태에서와 동일하므로, 그 설명은 여기서 생략한다.

상기 제1 실시 형태의 제2 실시예에서는 도 15에 예시된 바와 같이 광원 모듈(LM)과 검출 모듈(DM)은 피검체에 대하여, 광원 모듈(LM)과 검출 모듈(DM)이 상호 직교하는 X 방향 및 Y 방향 모두에 대해 서로 인접하도록 배치되어 있다.

그러나, 전술한 바와 같이 이 레이아웃에서는 도 15에 X 마크로 표시된 지점에서 광원 모듈(LM)과 검출 모듈(DM) 사이의 광로가 길게 되어 버린다. 결국, 검출 모듈(DM)에 의해 충분한 광량을 얻을 수 없고 이 지점에서의 노이즈가 커져서 검출 정밀도가 저하될 수 있다.

도 39에 예시된 비교예에서는 광원 모듈(LM)과 검출 모듈(DM)은 피검체에 대해 해당 광원 모듈(LM)과 검출 모듈(DM)이 상호 직교하는 X 방향 및 Y 방향 양측에 대해 서로 인접되고, 또한 출사 방향과 검출 방향(수광부에 대한 광의 입사 방향)이 X 방향 또는 Y 방향으로 평행하도록 배치되어 있다. 면발광 레이저의 근처에 설치한 렌즈는 점대칭의 광학 특성을 가지고 있으므로, 출사 방향은 면발광 레이저의 위치 및 그룹 위치를 기초로 결정된다. 유사하게, 검출 방향도 렌즈가 점대칭의 광학 특성을 가지고 있기 때문에 PD 어레이의 분할 레이아웃을 기초로 결정된다.

여기서, 면발광 레이저 어레이 칩을 도 40a에 예시된 바와 같이 배치하면, 출사 방향은 평면에서 볼 때(+Z 방향으로부터 볼 때) X 방향 및 Y 방향 양측에 대해 경사져 있다. 이 경사는 각 그룹의 중심 위치가 렌즈 중심에 대해 경사져 있는 사실에 의해 야기된다. 유사하게, 검출 모듈(DM)에서는 4-분할 PD 어레이 칩(광 다이오드 어레이 칩)의 칩 중심에 렌즈의 중심을 배치하는 것에 의해 검출 방향(수광부에 대한 광의 입사 방향)은 도 40b에 예시된 바와 같은 방향이다. 상기 검출 방향과 출사 방향은 프로브 레이아웃과 함께 도 41에 예시되어 있다. 출사 방향과 검출 방향은 평면에서 볼 때(+Z 방향으로부터 볼 때) X 방향 및 Y 방향에 대해 경사져 있음을 알 수 있다.

이 경우, 전술한 감도 분포와 유사하게, 광의 이방성 때문에 도 41의 X 마크 위치에 더 좋은 감도를 얻는 것이 기대된다.

도 40a 및 도 40b의 레이아웃을 이용하여 제1 실시 형태와 유사하게 수행되는 역 문제 추정의 결과, 검출 영역이 커짐(넓어짐)을 알 수 있다.

상기 실시 형태에서는 조사계의 광원 모듈(LM)의 수와 검출계의 검출 모듈의 수는 적절하게 변경될 수 있음을 알아야 한다. 요점은 조사계가 광원 모듈(LM)을 적어도 하나 포함할 수 있고 검출계가 검출 모듈(DM)을 적어도 하나 포함할 수 있다는 것이다.

또한, 상기 실시 형태에서는 광원 모듈(LM)(광 조사기)의 구성은 적절하게 변경될 수 있다. 예컨대 광 조사기의 면발광 레이저 어레이 칩의 수 및 레이아웃은 변경될 수 있다. 또한, 렌즈의 종류, 형상, 크기, 개수 등도 적절하게 변경 가능하다.

또한, 상기 실시 형태에서는 광 조사기의 광원으로서 면발광 레이저가 사용되고 있지만, 예컨대, 엣지-발광 레이저(LD), 발광다이오드(LED), 유기 EL 소자, 반도체 레이저 이외의 레이저 등을 사용할 수 있다.

또한, 상기 실시 형태에서는 광 조사기의 반사 부재로서 프리즘이 사용되고 있지만, 다른 미러 등도 사용될 수 있다.

또한, 제2 실시예의 면발광 레이저 어레이 칩에서는 그룹의 수 및 레이아웃, 그룹의 채널의 수 및 레이아웃을 적절하게 변경 가능하다.

또한, 검출 모듈(DM)(광 검출기)의 구성은 적절하게 변경될 수 있다. 예컨대, 에이퍼처는 배치되지 않을 수 있다. 또한, 예컨대, 분할 렌즈는 배치되지 않을 수 있다.

전술한 바와 같은 부재와 부품의 형태(형상), 크기, 재질, 수, 치수, 수치는 단지 예일뿐으로, 적절하게 변경 가능한 것은 물론이다.

또, 상기 실시 형태에서 설명한 광학 센서의 적어도 일부는 실시 형태와 실시예 사이에서 서로 전용 가능하게 사용될 수 있음을 알아야 한다.

본 출원은 그 전체 내용이 여기에 참조로 포함된, 2014년 11월 13일자 출원된 일본 우선권 출원 제2014-230745호에 기초하고 해당 출원의 우선권의 이익을 주장한다.

10 광학 센서
100 광학 검사 장치
LM 광원 모듈(광 조사기)
DM 검출 모듈(광 검출기)
[선행기술문헌]
[특허문헌]
특허 문헌 1: 일본 특허 제3779134호 공보

Claims (14)

1. 광학 센서로서:
   대상물에 광을 조사하는 광 조사기를 적어도 하나 포함하는 조사계;
   상기 조사계로부터 조사되어 상기 대상물 내를 전파한 광을 검출하는 검출계
   를 포함하며,
   상기 광 조사기는 파장이 다른 복수의 광선을 상기 대상물의 실질적으로 동일한 위치에 조사 가능하고,
   상기 광 조사기는:
   파장이 다른 개별 광선을 개별적으로 출사하는 복수의 광원;
   상기 광원의 상기 파장이 다른 광선의 광로 상에 배치된 복수의 개별 광학 소자; 및
   상기 복수의 개별 광학 소자를 통해 상기 파장이 다른 광선의 광로 상에 공통으로 배치된 공통 광학 소자를 포함하며,
   상기 공통 광학 소자를 통한 상기 파장이 다른 복수의 광선의 상기 광로는 실질적으로 일치하고,
   상기 복수의 광원은 각각 어레이형으로 배치된 복수의 발광부를 포함하고,
   상기 복수의 발광부와 대응하는 상기 개별 광학 소자의 광축 사이의 위치 관계는 상기 복수의 광원 사이에서 다른 것을 특징으로 하는 광학 센서.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 공통 광학 소자는 상기 복수의 개별 광학 소자를 매개로 상기 파장이 다른 복수의 광선을 반사하는 반사면을 포함하고,
   상기 파장이 다른 복수의 광선의 상기 광로는 상기 복수의 개별 광학 소자로부터 상기 반사면까지 평행하지 않은 것을 특징으로 하는 광학 센서.
4. 제3항에 있어서,
   상기 복수의 개별 광학 소자로부터 상기 반사면까지의 상기 파장이 다른 복수의 광선의 상기 광로는, 상기 광로가 상기 반사면에 근접될수록 서로 근접되는 것을 특징으로 하는 광학 센서.
5. 제3항에 있어서,
   상기 반사면에 의해 반사된 상기 파장이 다른 복수의 광선은 상기 광 조사기의 출사 단부 근처에서 교차하는 것을 특징으로 하는 광학 센서.
6. 제3항에 있어서,
   상기 반사면에 의해 반사된 상기 파장이 다른 복수의 광선 중에서 선택된 임의의 2개의 광선의 2개의 광로가 이루는 각도는 10도 이하인 것을 특징으로 하는 광학 센서.
7. 제6항에 있어서,
   상기 각도는 1도 이하인 것을 특징으로 하는 광학 센서.
8. 삭제
9. 제1항에 있어서,
   상기 복수의 광원 중 적어도 하나의 광원의 중심은 대응하는 상기 개별 광학 소자의 광축 상의 위치로부터 전위된 것을 특징으로 하는 광학 센서.
10. 제1항에 있어서,
    상기 광원은 면발광 레이저 어레이인 것을 특징으로 하는 광학 센서.
11. 제1항에 있어서,
    상기 개별 광학 소자와 상기 광원 사이는 굴절률이 상기 개별 광학 소자와 실질적으로 동등한 투명 수지가 충전된 것을 특징으로 광학 센서.
12. 제1항에 있어서,
    상기 개별 광학 소자는 상기 광원 측에 볼록면이 형성된 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 광학 센서.
13. 광학 검사 장치로서:
    제1항에 따른 광학 센서;
    상기 광학 센서에서의 검출 결과를 기초로 상기 대상물의 광학 특성을 산출하는 광학 특성 산출부
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 검사 장치.
14. 광학 특성 검출 방법으로서:
    제1항에 따른 광학 센서를 이용함으로써, 대상물의 광학 특성을 검출하는 광학 특성 검출 방법으로서:
    상기 대상물의 광에 대한 감도 분포를 산출하는 단계;
    상기 감도 분포를 기초로 역 문제를 풀이함으로써, 상기 대상물의 광학 특성을 산출하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 특성 검출 방법.

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