WO2018207488A1 - 光学定数測定装置及び光学定数測定方法 - Google Patents

光学定数測定装置及び光学定数測定方法 Download PDF

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WO2018207488A1
WO2018207488A1 PCT/JP2018/012736 JP2018012736W WO2018207488A1 WO 2018207488 A1 WO2018207488 A1 WO 2018207488A1 JP 2018012736 W JP2018012736 W JP 2018012736W WO 2018207488 A1 WO2018207488 A1 WO 2018207488A1
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light
optical
optical constant
measured
optical fiber
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PCT/JP2018/012736
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岸井　典之
拓哉 岸本
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ソニー株式会社
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    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B10/00—Other methods or instruments for diagnosis, e.g. instruments for taking a cell sample, for biopsy, for vaccination diagnosis; Sex determination; Ovulation-period determination; Throat striking implements
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/145—Measuring characteristics of blood in vivo, e.g. gas concentration, pH value; Measuring characteristics of body fluids or tissues, e.g. interstitial fluid, cerebral tissue
    • A61B5/1455—Measuring characteristics of blood in vivo, e.g. gas concentration, pH value; Measuring characteristics of body fluids or tissues, e.g. interstitial fluid, cerebral tissue using optical sensors, e.g. spectral photometrical oximeters
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated

Definitions

  • the present disclosure relates to an optical constant measuring apparatus and an optical constant measuring method.
  • Non-Patent Document 1 a sample having a specified thickness is irradiated with light, and the reflectance and transmittance are determined from the total reflected light amount and the total transmitted light amount.
  • the optical constants (particularly, the absorption coefficient and the scattering coefficient) are calculated using the Monte Carlo method based on the obtained reflectance and transmittance.
  • a light source unit that emits irradiation light of a predetermined wavelength irradiated to the object to be measured, a light transmission optical fiber that transmits the irradiation light to the object to be measured, and the object to be measured
  • a plurality of light receiving optical fibers that receive return light of the irradiation light from the measurement object have two or more different values as the separation distance between the light transmitting optical fiber and one light receiving optical fiber.
  • a measurement probe having a bundle fiber bundled so as to exist, and one end of the bundle fiber being in contact with the object to be measured, and the irradiation received by the plurality of light receiving optical fibers
  • the detection unit for detecting the intensity of the return light of each light for each of the light receiving optical fibers, and the detected value of the intensity of the return light in each of the light receiving optical fibers, the optical of the object to be measured Arithmetic that calculates constants Comprising a part, an optical measuring apparatus is provided.
  • the light source unit emits irradiation light having a predetermined wavelength to the object to be measured, and a light transmission optical fiber that transmits the irradiation light to the object to be measured, and A plurality of light receiving optical fibers that receive the return light of the irradiation light from the object to be measured have two or more different separation distances between the light transmitting optical fiber and one light receiving optical fiber.
  • a measurement probe bundled so that a value exists, one end of the measurement probe is brought into contact with the object to be measured, and light is received by the plurality of light receiving optical fibers by the detection unit.
  • the optical constant measurement method Detecting the intensity of the return light of the irradiated light for each of the light receiving optical fibers, and using the detected value of the intensity of the return light in each of the light receiving optical fibers, Calculate the optical constant of an object Including DOO DOO, the optical constant measurement method is provided.
  • the light source unit emits irradiation light having a predetermined wavelength to the object to be measured
  • the measurement probe has one end of the bundle fiber in contact with the object to be measured
  • the detection unit is , Detecting the intensity of the return light of the irradiated light received by the plurality of light receiving optical fibers, and the arithmetic processing unit uses the detected value of the intensity of the return light from each of the light receiving optical fibers to The optical constant is calculated.
  • FIG. 2 is a graph showing the results of Example 1.
  • FIG. 2 is a graph showing the results of Example 1.
  • FIG. 2 is a graph showing the results of Example 1.
  • FIG. 2 is a graph showing the results of Example 1.
  • FIG. 2 is a graph showing the results of Example 1.
  • FIG. 2 is a graph showing the results of Example 1.
  • FIG. 2 is a graph showing the results of Example 1.
  • FIG. 6 is an explanatory diagram for explaining the results of Example 2.
  • FIG. 6 is an explanatory diagram for explaining the results of Example 2.
  • the absorption coefficient and scattering coefficient of a biological tissue are obtained by irradiating a sample with a specified thickness, specifying the reflectance and the transmittance from the measurement results of the reflected light amount and the transmitted light amount. It was calculated using the Monte Carlo method based on the obtained reflectance and transmittance. In order to measure the reflectance and transmittance as accurately as possible, it was necessary to prepare a sample with a uniform thickness and use an integrating sphere.
  • biological tissues often have a multilayer structure such that the skin is composed of, for example, four layers of epidermis, dermis, subcutaneous tissue, and muscle layer. Therefore, it is difficult to prepare a uniform sample, and in a sample with a changed thickness, a different tissue for each thickness is included in the sample. As a result, an optical constant different from the appearance viewed from the skin side is often calculated, and the calculated optical constant does not necessarily reproduce a reflection image from the sample surface.
  • the anisotropy and refractive index which are a kind of optical constants representing the optical characteristics of the object to be measured, are almost constant for biological materials. Therefore, in order to determine the scattering coefficient and the absorption coefficient among the optical constants that define the optical characteristics of the object to be measured (particularly biological tissue), measured values under at least two different conditions are used.
  • the optical constant measuring apparatus irradiates the object to be measured with light of a predetermined wavelength, and measures the intensity of the return light of the irradiation light from the object to be measured, thereby determining the optical constant of the object to be measured. It is a device to measure.
  • the optical constant measuring apparatus measures at least the scattering coefficient and the absorption coefficient of the measurement object S as the optical constant.
  • the optical constant measuring apparatus according to the present embodiment can further measure at least one of the refractive index and the anisotropy parameter of the measurement object S as the optical constant.
  • the object to be measured in which the optical constant measuring apparatus according to the present embodiment is used is not particularly limited, and various substances can be used as the object to be measured. It is also possible to use an organism as a measurement object.
  • the optical constant measuring apparatus according to the present embodiment can use a biological material such as a biological tissue constituting a living body part of a certain living body as a measurement object.
  • FIG. 1 is a block diagram schematically showing an example of the configuration of the optical constant measuring apparatus according to the present embodiment.
  • the optical constant measurement apparatus 1 according to the present embodiment mainly includes a light source unit 10, a measurement probe 20, a detection unit 30, and an arithmetic processing unit 40.
  • the light source unit 10 emits irradiation light having a predetermined wavelength that is irradiated onto the measurement object S as described above.
  • the light source unit 10 mainly includes an irradiation light source (not shown) that emits irradiation light of a predetermined wavelength, and may further include known optical elements such as various lenses and mirrors. good.
  • the irradiation light source included in the light source unit 10 according to the present embodiment is not particularly limited, and various known light sources such as various lasers and light emitting diodes can be used.
  • the wavelength of the irradiation light emitted from the light source unit 10 is not particularly limited, and is arbitrarily selected from the wavelength belonging to the ultraviolet light band to the wavelength belonging to the near infrared light band depending on the type of the measurement object S. The wavelength can be selected as appropriate.
  • the irradiation light emitted from the light source unit 10 may be continuous light or pulsed light. Further, the irradiation light emitted from the light source unit 10 may be modulated to be chopped light.
  • the irradiation light emitted from the light source unit 10 is guided to the measurement probe 20.
  • the measurement probe 20 transmits a light beam to the object to be measured S, and a plurality of light receiving elements that receive the return light of the light irradiated from the object to be measured S.
  • the optical fiber for use has a bundle fiber bundled so that two or more values different from each other exist as a separation distance between the optical fiber for light transmission and one optical fiber for light reception.
  • One end of the bundle fiber of the measurement probe 20 is brought into contact with the object S to be measured, the irradiation light is irradiated to the object S, and the return of the irradiation light from the object S is returned.
  • Light is guided to the detection unit 30 described later.
  • the configuration of the measurement probe 20 will be described in detail later.
  • the return light of the irradiation light from the object to be measured S guided by the measurement probe 20 is detected by the detection unit 30, and the intensity of the return light of the irradiation light is measured.
  • the detection unit 30 has at least various detectors (not shown) corresponding to the wavelength of the irradiation light emitted from the light source unit 10, and the irradiation light received by the plurality of light receiving optical fibers.
  • the intensity of the return light is detected separately for each light receiving optical fiber.
  • a detection mechanism for detecting a weak signal may be further provided as the detection unit 30.
  • Such a weak signal detection mechanism is not particularly limited, and various known detection mechanisms such as a lock-in amplifier can be appropriately used.
  • the data related to the detected value of the intensity of the return light detected by each detection optical fiber detected by the detection unit 30 is output to the arithmetic processing unit 40.
  • the arithmetic processing unit 40 is realized by a CPU (Central Processing Unit), a ROM (Read Only Memory), a RAM (Random Access Memory), and the like.
  • the arithmetic processing unit 40 functions as a control unit that controls the operating states of the light source unit 10 and the detection unit 30.
  • the arithmetic processing unit 40 calculates the optical constant of the object to be measured S using the detected value of the intensity of the return light in each optical receiving fiber detected by the detection unit 30.
  • FIGS. 2 to 5 are explanatory diagrams for explaining a measurement probe included in the optical constant measuring apparatus according to the present embodiment.
  • FIG. 2 schematically shows the state of the end face of the measurement probe 20 according to the present embodiment.
  • the measurement probe 20 according to the present embodiment includes a bundle fiber 201 in which a plurality of optical fibers are bundled.
  • the bundle fiber 201 includes a light transmission optical fiber 203 that transmits irradiation light emitted from the light source unit 10 to the object S to be measured, and a plurality of light beams that receive return light of irradiation light from the object S to be measured.
  • Light receiving optical fibers 205A,..., 205N (hereinafter, a plurality of light receiving optical fibers may be collectively referred to as light receiving optical fiber 205) are bundled.
  • the optical fiber used for the measurement probe 20 is not particularly limited, and any known optical fiber can be used as long as it can guide light having a wavelength used as irradiation light.
  • An optical fiber can be used.
  • the type of optical fiber is not particularly limited, and a single mode optical fiber can be used, and a multimode optical fiber can also be used.
  • the optical fiber used for the measurement probe 20 is: A multimode optical fiber is preferred.
  • the number of optical fibers 205 for receiving light detection values of return light under two or more different conditions in order to calculate at least two of a scattering coefficient and an absorption coefficient as optical constants of the object S to be measured. Because it is necessary, it is 2 or more. Further, it is preferable to increase the number of light receiving optical fibers 205 because the optical constant can be measured more precisely.
  • the above-described light transmission optical fiber 203 and a plurality of light reception optical fibers 205 are disposed between the light transmission optical fiber 203 and one light reception optical fiber 205.
  • the bundles are set such that two or more different values exist as the separation distance (for example, the distance between the centers of the optical axes of the optical fibers). In the bundle example shown in FIG.
  • the separation distance (distance between the optical axis centers) between the light transmission optical fiber 203 and the light reception optical fiber 205 ⁇ / b> A, the light transmission optical fiber 203, and The separation distance (distance between the optical axis centers) between the light receiving optical fiber 205N and the optical fiber 205N is different from each other.
  • the plurality of light receiving optical fibers 205 are bundled with the light transmitting optical fiber 203 so as to have at least two different positional relationships (distance, direction, etc.).
  • the measurement result similar to the measurement using the samples having different thicknesses as conventionally performed by the measurement using the integrating sphere can be easily obtained by using the measurement probe 20 according to the present embodiment. it can.
  • the arrangement method of the light transmitting optical fiber 203 and the plurality of light receiving optical fibers 205 in the measurement probe 20 is not particularly limited, and may be arbitrary as long as the above-described conditions regarding the positional relationship are satisfied. It is possible to adopt this arrangement method.
  • the light transmitting optical fiber 203 and the plurality of light receiving optical fibers 205 in a row.
  • a separation distance between a light transmission optical fiber and a certain light reception optical fiber (1) a separation distance d1 between the light transmission optical fiber 203 and the light reception optical fiber 207 , (2) the separation distance d2 between the light transmission optical fiber 203 and the light reception optical fiber 209, and (3) the separation distance d3 between the light transmission optical fiber 203 and the light reception optical fiber 211.
  • a total of eight light receiving lights, four light receiving optical fibers 207A to 207D and four light receiving optical fibers 209A to 209D so as to surround the light transmitting optical fiber 203, are used. Fiber is placed.
  • the four light receiving optical fibers 207A to 207D have the same distance from the light transmitting optical fiber 203, and the four light receiving optical fibers 209A to 209D are The separation distances from the light transmission optical fibers 203 are equal to each other. Further, as apparent from the arrangement, the separation distances for the four light receiving optical fibers 207A to 207D and the separation distances for the four light receiving optical fibers 209A to 209D are different from each other.
  • the light transmission optical fiber 203 and the eight light receiving optical fibers are arranged.
  • the light transmission optical fiber 203 is a starting point.
  • eight light receiving optical fibers are two-dimensionally arranged.
  • the two light receiving optical fibers 207A and 207B have the same distance from the light transmitting optical fiber 203, and the two light receiving optical fibers 211A and 211B transmit light.
  • the separation distances from the optical fiber for optical 203 are equal to each other, and the two optical fibers for light reception 213A and 213B are equal to each other from the optical fiber for light transmission 203.
  • the separation distance between the light transmitting optical fiber 203 and each light receiving optical fiber 205 is preferably more than 0 mm and not more than 5 mm.
  • the maximum value of the separation distance between the light transmitting optical fiber 203 and the light receiving optical fiber 205 is preferably 5 mm or less.
  • the separation distance is 5 mm or less, for example, when the mole existing on the skin is the measurement object S, only the portion of the mole is measured. Measurement can be performed.
  • the bundle fiber 201 as shown in FIGS. 2 to 3C has a diameter of 0.5 cm or more and 1 cm. The following is preferable.
  • the diameter of the bundle fiber 201 is 0.5 cm or more and 1 cm or less, the measurement probe 20 can be easily brought into contact with the object S to be measured, and the gripping property of the measurement probe 20 is improved.
  • the user of the optical constant measuring apparatus 1 according to the present embodiment can handle the measurement probe 20 more easily.
  • the one end of the measurement probe 20 as described above is a flat surface, and the flat end is brought into contact with the object to be measured S as schematically shown in FIG.
  • the bundle fiber 201 is measured as shown in FIG. It is preferable that they are pressed so as to be as perpendicular to the object S as possible. For this reason, the fiber ends of the light transmitting optical fiber 203 and the light receiving optical fibers 205 are flat and exist in a plane defined by the end face of the bundle fiber 201 in which the optical fibers are bundled. Is preferred.
  • the light transmitting optical fiber 203 and the light receiving optical fiber 205 exist at a position (close to the central axis) that is separated from the surface of the bundle fiber 201 to some extent.
  • the cross-sectional area when the light transmission optical fiber 203 is cut in a direction perpendicular to the optical axis direction, and the respective light receiving optical fibers 205 with respect to the optical axis direction is cut in a direction perpendicular to the optical axis direction.
  • the ratio of the total cross-sectional area when cut in a perpendicular direction to the cross-sectional area when the bundle fiber 201 is cut in a direction perpendicular to the optical axis direction ?
  • the light transmitting optical fiber 203 and the light receiving optical fiber 205 are arranged as closely packed as possible.
  • the outer shape of the end face of the bundle fiber is rectangular.
  • the ratio is 56%.
  • the ratio is 44%. Therefore, in the measurement probe 20 according to the present embodiment, the cross-sectional area when the light transmission optical fiber 203 is cut in a direction perpendicular to the optical axis direction, and the respective light receiving optical fibers 205 with respect to the optical axis direction.
  • the total cross-sectional area when cut in a direction perpendicular to the optical axis direction is 56% or less. It is preferable.
  • the ratio of the total cross sectional area of the light transmitting optical fiber 203 and the light receiving optical fiber 205 to the cross sectional area of the bundle fiber 201 is more preferably 44% or less.
  • a refractive index adjustment unit 221 having a refractive index close to the refractive index of the object to be measured S may be provided at the tip of the bundle fiber 201.
  • the measurement probe 20 according to the present embodiment has been described in detail above with reference to FIGS.
  • FIGS. 6 to 9 are explanatory diagrams schematically showing a configuration example of the optical constant measuring apparatus according to the present embodiment.
  • FIGS. 6 to 9 show the case where the bundle fiber 201 of the measurement probe 20 is composed of one light transmitting optical fiber 203 and three light receiving optical fibers 205A, 205B, and 205C. ing.
  • irradiation light having a predetermined wavelength is emitted from the light source unit 10 under the control of the arithmetic processing unit 40.
  • Irradiation light emitted from the light source unit 10 is guided by an optical element (not shown) and connected to one end of the light transmission optical fiber 203.
  • Irradiation light is guided through the optical fiber for light transmission 203 and enters the object to be measured from the end of the bundle fiber 201.
  • Part of the irradiation light incident on the object to be measured can reach any one of the light receiving optical fibers 205A, 205B, and 205C provided in the bundle fiber 201 as return light.
  • each light receiving optical fiber 205A, 205B, 205C various detectors 301A, 301B, 301C are arranged as a detection unit 30 and reach any one of the light receiving optical fibers 205A, 205B, 205C.
  • the intensity of the return light is measured.
  • the detected value of the intensity of the return light from each detector 301A, 301B, 301C is output to the arithmetic processing unit 40.
  • FIG. 6 shows a case where a detector 301 is provided at each end of each of the light receiving optical fibers 205A, 205B, and 205C as the detector 30, but a multi-channel detector is used to detect the detector. It is also possible to reduce the number of 301.
  • FIG. 7 shows a configuration example when lock-in detection is performed on the intensity of the return light reaching the light receiving optical fiber.
  • an optical chopper 101 for modulating irradiation light emitted from the light source unit 10 is provided between the light source unit 10 and the light transmission optical fiber 203.
  • Lock-in amplifiers 303A, 303B, and 303C are provided at the subsequent stage of the detectors 301A, 301B, and 301C, respectively, in order to perform lock-in detection of the return light that reaches the light receiving optical fibers 205A, 205B, and 205C. . That is, in this configuration example, the detector 30 is configured by the detectors 301A, 301B, and 301C and the lock-in amplifiers 303A, 303B, and 303C.
  • Information relating to the modulation performed by the optical chopper 101 (for example, information relating to the modulation frequency) is output to the respective lock-in amplifiers 303A, 303B, and 303C and detected by the detectors 301A, 301B, and 301C.
  • the return light is detected by the lock-in amplifiers 303A, 303B, and 303C.
  • the light transmission optical fiber 203 can be used as a light receiving optical fiber that receives the return light of the irradiation light from the object S to be measured.
  • a light guide optical system that guides the irradiation light emitted from the light source unit 10 to the light transmission optical fiber 203.
  • FIGS. 8 and 9 show a configuration example in which a light guiding optical system for using the light transmission optical fiber 203 as a light receiving optical fiber is introduced in the configuration examples shown in FIGS. 6 and 7. .
  • a beam splitter BS having a predetermined optical filter is provided between the light source unit 10 and the light transmission optical fiber 203.
  • the optical filter of the beam splitter BS is set in advance so as to transmit the irradiation light emitted from the light source unit 10 while reflecting the return light. Further, the return light branched by the beam splitter BS is detected by a detector 301D provided at the subsequent stage.
  • a beam splitter BS similar to that in FIG. 8 is provided between the optical chopper 101 and the optical fiber 203 for light transmission.
  • the return light branched by the beam splitter BS is detected by a detector 301D provided at the subsequent stage, and lock-in detected by a lock-in amplifier 303D provided at the subsequent stage of the detector 301D.
  • optical constant measurement device 1 The configuration example of the optical constant measurement device 1 according to the present embodiment (more specifically, the configuration example of the light source unit 10, the measurement probe 20, and the detection unit 30) has been described above.
  • FIG. 10 is a block diagram illustrating an example of the configuration of the arithmetic processing unit 40 included in the optical constant measuring apparatus 1 according to the present embodiment.
  • the arithmetic processing unit 40 performs drive control of the light source unit 10 and the detection unit 30.
  • the arithmetic processing unit 40 calculates the optical constant of the object to be measured S using the detected value of the intensity of the return light in each light receiving optical fiber 205 detected by the detection unit 30.
  • the arithmetic processing unit 40 that realizes such a function includes a measurement control unit 401, a measurement data acquisition unit 403, an optical constant calculation unit 405, a calculation result output unit 407, and a display control unit 409. And a storage unit 411.
  • the measurement control unit 401 is realized by, for example, a CPU, a ROM, a RAM, a communication device, and the like.
  • the measurement control unit 401 is a processing unit that comprehensively controls the entire measurement process in the optical constant measurement apparatus 1 according to the present embodiment. More specifically, the measurement control unit 401 monitors the driving state of the light source unit 10 and the detection unit 30 so that the light source unit 10 and the detection unit 30 realize a desired function, and the light source unit 10 and the detection unit 30. Various control signals for realizing a desired function are transmitted. Thereby, the light source unit 10 and the detection unit 30 according to the present embodiment can appropriately operate and appropriately acquire a detection value related to the intensity of the return light of the irradiation light.
  • the measurement data acquisition unit 403 is realized by, for example, a CPU, a ROM, a RAM, a communication device, and the like.
  • the measurement data acquisition unit 403 acquires data related to the detection value of the intensity of the return light output from each detection optical fiber 205 output from the detection unit 30.
  • the measurement data acquisition unit 403 outputs data regarding the acquired detection value to the optical constant calculation unit 405 at the subsequent stage.
  • the measurement data acquisition unit 403 associates time data related to the date and time when the data is acquired with the data related to the acquired detection value, and records the data related to the detection value in the storage unit 411 as history information. May be.
  • the optical constant calculation unit 405 is realized by, for example, a CPU, a ROM, a RAM, and the like.
  • the optical constant calculation unit 405 calculates the optical constant of the object to be measured S using the data related to the detection value of the intensity of the return light in each light receiving optical fiber 205 output from the measurement data acquisition unit 403.
  • the optical constant calculation unit 405 calculates at least the scattering coefficient and the absorption coefficient of the measurement object S as the optical constant.
  • the optical constant calculation unit 405 can further calculate at least one of an anisotropy parameter and a refractive index of the measurement object S as the optical constant.
  • the optical constant calculation unit 405 calculates the optical constant as described above by the Monte Carlo method.
  • the optical constant calculation unit 405 calculates the intensity of the return light reaching the plurality of light receiving optical fibers 205 by the Monte Carlo method while changing the optical constant for the object S to be measured from the initial setting value.
  • the optical constant calculation unit 405 sets an optical constant setting value (an optical constant setting value that reproduces the detection value of the return light intensity) that gives a detection value of the intensity of the return light detected by the detection unit 30. , And the optical constant of the object S to be measured.
  • the optical constant calculation unit 405 calculates optical constant setting values (particularly, scattering coefficient and absorption coefficient setting values) when calculating the intensity of the return light reaching the plurality of light receiving optical fibers 205 by the Monte Carlo method.
  • the trajectory of the photon is traced using the scattering and absorption of the photon incident on the object S to be measured.
  • the optical constant calculation unit 405 calculates the intensity of the return light reaching the plurality of light receiving optical fibers 205 from the statistical number of photons that have reached one of the light receiving optical fibers 205 as a result of the tracking.
  • the intensity of the return light reaching each light receiving optical fiber 205 is determined by the scattering coefficient and the absorption coefficient of the object to be measured S, and is based on the intensity ratio of the return light between the respective light receiving optical fibers 205.
  • the scattering coefficient and absorption coefficient of the measurement object S can be calculated.
  • optical constant calculation process performed by the optical constant calculation unit 405 Details of the optical constant calculation process performed by the optical constant calculation unit 405 will be described in detail later.
  • the optical constant calculation unit 405 calculates the optical constant of the object to be measured S as described above, the optical constant calculation unit 405 outputs information on the calculated optical constant to the calculation result output unit 407.
  • the calculation result output unit 407 is realized by, for example, a CPU, a ROM, a RAM, an output device, a communication device, and the like.
  • the calculation result output unit 407 outputs various calculation results and the like related to the optical constant of the measurement object S calculated by the optical constant calculation unit 405 to the user of the optical constant measurement apparatus 1.
  • the calculation result output unit 407 can output information on the optical constant calculation result to the display control unit 409. Thereby, information relating to the calculation result of the optical constant is displayed on a display unit (not shown) included in the optical constant measurement device 1 or a display unit provided outside the optical constant measurement device 1 (for example, an external monitor). Will be output.
  • the calculation result output unit 407 can output information about the obtained optical constant calculation results as a printed matter or as data to an external information processing apparatus or server.
  • the display control unit 409 is realized by, for example, a CPU, a ROM, a RAM, an output device, and the like.
  • the display control unit 409 outputs various calculation results related to the optical constants output from the calculation result output unit 407 to an output device such as a display provided in the optical constant measurement device 1 or an output device provided outside the optical constant measurement device 1. Display control when displaying on the screen. Thereby, the user of the optical constant measuring apparatus 1 can grasp various calculation results regarding the optical constant on the spot.
  • the storage unit 411 is an example of a storage device included in the arithmetic processing unit 40, and is realized by a RAM, a storage device, or the like. In the storage unit 411, various parameters, processes in progress, or various databases or programs that need to be saved when the arithmetic processing unit 40 according to the present embodiment performs some processing, or various databases and programs are stored as appropriate. To be recorded.
  • the storage unit 411 can be freely read / written by the measurement control unit 401, the measurement data acquisition unit 403, the optical constant calculation unit 405, the calculation result output unit 407, the display control unit 409, and the like. .
  • each component described above may be configured using a general-purpose member or circuit, or may be configured by hardware specialized for the function of each component.
  • the CPU or the like may perform all functions of each component. Therefore, it is possible to appropriately change the configuration to be used according to the technical level at the time of carrying out the present embodiment.
  • a computer program for realizing each function of the arithmetic processing unit according to the present embodiment as described above can be produced and mounted on a personal computer or the like.
  • a computer-readable recording medium storing such a computer program can be provided.
  • the recording medium is, for example, a magnetic disk, an optical disk, a magneto-optical disk, a flash memory, or the like.
  • the above computer program may be distributed via a network, for example, without using a recording medium.
  • FIG. 11 is a flowchart showing an example of the flow of the optical constant measurement method according to the present embodiment.
  • the light source unit 10, the measurement probe 20, and the detection unit 30 of the optical constant measurement device 1 are appropriately operated under the control of the arithmetic processing unit 40.
  • the intensity of the return light of the illumination light from the measurement object S is detected.
  • the measurement data acquisition unit 403 of the arithmetic processing unit 40 of the optical constant measurement apparatus 1 acquires data relating to the obtained return light intensity detection value (step S101) and outputs the data to the optical constant calculation unit 405.
  • the optical constant calculation unit 405 first sets the calculation conditions for calculating the optical constant and the initial value of the optical constant (step S103).
  • calculation conditions for calculating the optical constant for example, the arrangement state of each optical fiber in the measurement probe 20, the size of a virtual space in which the later-described Monte Carlo calculation is performed, the number of photons in the Monte Carlo calculation, The weight of a photon etc. can be mentioned.
  • These calculation conditions can be appropriately set according to the accuracy required for the optical constant to be calculated, computer resources that can be used for the calculation, and the like.
  • examples of the initial value of the optical constant include a scattering coefficient, an absorption coefficient, an anisotropy parameter, and a refractive index.
  • these initial values those that are handled as constants in Monte Carlo calculations are used without any change during the Monte Carlo calculation, and those that are handled as variables in Monte Carlo calculations (for example, scattering coefficient, absorption coefficient, etc.) During the Monte Carlo calculation, the value changes from time to time. It should be noted that what value is set as the initial value is not particularly limited, and any value can be set. However, by setting a value close to the expected optical constant, Since calculation time can be shortened, it is preferable.
  • the optical constant calculation unit 405 after setting the calculation conditions and the initial values of the optical constants, subsequently performs the Monte Carlo calculation and tracks the movement of the photons in the measurement object S (step S105). By such Monte Carlo calculation, a calculated value of the intensity of the return light detected by each light receiving optical fiber is calculated.
  • the optical constant calculation unit 405 calculates a difference between the return light intensity detection value and the calculated value (step S107). Then, the optical constant calculation unit 405 determines whether or not the calculated difference is equal to or smaller than a predetermined threshold (step S109).
  • a predetermined threshold for determining the difference is not particularly specified, and may be determined as appropriate according to the accuracy required for the calculation.
  • the optical constant calculation unit 405 updates the set value of the optical constant by a known method (step S111), and repeats the process from step S105.
  • the method for updating the optical constant is not particularly limited, and a known algorithm such as a conjugate gradient method or a quasi-Newton method can be appropriately used.
  • the optical constant calculation unit 405 uses the optical constant setting value set in the Monte Carlo calculation as the optical value of the object S to be measured. A constant value is output (step S113).
  • FIG. 12 is an explanatory diagram for explaining Monte Carlo calculation in the optical constant measurement method according to the present embodiment
  • FIG. 13 is a flowchart showing an example of the flow of Monte Carlo calculation in the optical constant measurement method according to the present embodiment. It is.
  • the intensity of the return light is calculated in the measurement probe 20 in which the optical fibers are arranged as shown in FIG. 12 will be described as an example.
  • the scattering direction and moving distance of one photon are determined by random numbers according to the set absorption coefficient and scattering coefficient, and the light for receiving light The number of photons that reach any of the fibers 205, 207, and 209 is accumulated, and the optical path of one photon is traced until the photon disappears due to absorption or leaves the measurement.
  • the size of the virtual calculation space as shown in FIG. 12 may be set as appropriate.
  • the thickness d of the virtual calculation space (the length of the virtual space in the Z-axis direction) may be appropriately set according to the wavelength of the irradiation light, and may be a value of about 2 mm, for example.
  • the length in the X-axis direction and the length in the Y-axis direction of the virtual calculation space may be appropriately determined according to the alignment of the bundle fiber 201, the calculation accuracy to be obtained, and the like.
  • Such calculations a large number of photons (statistically significant number of photons, for example, 10 about 7)
  • the rate of arrival is determined as a function of the scattering coefficient and the absorption coefficient. Then, until the relative intensity with respect to the light transmission intensity in each light receiving optical fiber obtained statistically matches the detected value obtained (specifically, the difference from the detected value is equal to or less than a predetermined threshold value). Until the calculation is repeated, and the scattering coefficient and the absorption coefficient are changed.
  • the optical constant calculation unit 405 causes one photon to enter from the light transmission surface corresponding to the position of the light transmission optical fiber 203 (step S201).
  • the optical constant calculation unit 405 calculates the scattering direction and the moving distance of the photon (step S203). Specifically, the optical constant calculation unit 405 first generates a random number used for calculation by a known method. For example, the optical constant calculation unit 405 generates a uniform distribution random number using a known arithmetic library, and uses the generated uniform distribution random number to generate a normal distribution by a known method such as a Box Mueller method. Generate random numbers.
  • the optical constant calculation unit 405 calculates the moving distance L of one photon by the following equation (101).
  • R is a generated uniformly distributed random number (0 ⁇ R ⁇ 1)
  • ⁇ s is a set scattering coefficient [mm ⁇ 1 ].
  • the optical constant calculation unit 405 calculates the moving direction of the photon by a known method using random numbers.
  • the optical constant calculation unit 405 uses the set anisotropic parameter g ( ⁇ 1 ⁇ g ⁇ 1) and the uniform distribution random number R, and the Henryy ⁇ expressed by the following equation (103):
  • the moving direction of the photon in a certain plane is calculated using the Greenstein function.
  • ⁇ is an angle indicating the in-plane scattering direction.
  • the specific value of cos ⁇ in the following formula (103) is calculated by the following formula (105).
  • the optical constant calculation unit 405 moves the photons based on the calculation result (step S205). At this time, the optical constant calculation unit 405 calculates the photon absorption amount based on the movement distance L (step S207). Specifically, the absorption amount Abs is calculated based on the Lambert-Beer law expressed by the following equation (111).
  • W 0 is the weight of the photon before the movement (the initial weight value can be set to 1, for example), and ⁇ a is the absorption coefficient [mm ⁇ 1 ].
  • L is the moving distance.
  • the optical constant calculation unit 405 determines whether or not the photon has reached the boundary of the virtual calculation space as the calculation target region, and whether or not the photon has reached any of the light receiving optical fibers. Determine whether. Then, the number of photons that have reached one of the light receiving optical fibers and the number of leaving photons that are the number of photons that have left the calculation target region are updated (step S209). In determining the boundary, Fresnel reflection is considered based on the refractive index n of the measurement object S when determining the reflection and transmission of photons on the boundary surface.
  • the optical constant calculation unit 405 performs photon weight determination (so-called Russian roulette in Monte Carlo calculation) based on the calculated absorption amount, and determines whether or not the photon has disappeared (step S211). Specifically, the optical constant calculation unit 405 calculates the weight of the photon after movement from the calculated absorption amount, and compares the obtained photon weight with a predetermined threshold.
  • the optical constant calculation unit 405 determines that one photon has not disappeared (step) S211-NO). Thereafter, the optical constant calculation unit 405 returns to step S203 and repeats the calculation of the photon scattering direction and the scattering distance according to the newly generated random number.
  • the optical constant calculation unit 405 determines that one photon has disappeared (step S211—YES). Thereafter, the optical constant calculation unit 405 determines whether or not the calculation has been completed for all preset photons (step S213).
  • step S213-NO If calculation of all photons has not been completed (step S213-NO), the optical constant calculation unit 405 returns to step S201 and causes one new photon to enter the calculation target region. When all the photons have been calculated (YES in step S213), the optical constant calculation unit 405 uses the total number of photons that have reached each light receiving optical fiber to return light between the light receiving optical fibers. Is calculated (step S215).
  • FIG. 14 is a block diagram for describing a hardware configuration of the arithmetic processing unit 40 according to the embodiment of the present disclosure.
  • the arithmetic processing unit 40 mainly includes a CPU 901, a ROM 903, and a RAM 905.
  • the arithmetic processing unit 40 further includes a host bus 907, a bridge 909, an external bus 911, an interface 913, an input device 915, an output device 917, a storage device 919, a drive 921, and a connection port 923. And a communication device 925.
  • the CPU 901 functions as a central processing device and control device, and controls all or part of the operation in the arithmetic processing unit 40 according to various programs recorded in the ROM 903, the RAM 905, the storage device 919, or the removable recording medium 927. To do.
  • the ROM 903 stores programs used by the CPU 901, calculation parameters, and the like.
  • the RAM 905 primarily stores programs used by the CPU 901, parameters that change as appropriate during execution of the programs, and the like. These are connected to each other by a host bus 907 constituted by an internal bus such as a CPU bus.
  • the host bus 907 is connected to an external bus 911 such as a PCI (Peripheral Component Interconnect / Interface) bus via a bridge 909.
  • PCI Peripheral Component Interconnect / Interface
  • the input device 915 is an operation means operated by the user such as a mouse, a keyboard, a touch panel, a button, a switch, and a lever. Further, the input device 915 may be, for example, remote control means (so-called remote control) using infrared rays or other radio waves, or an external connection device such as a mobile phone or a PDA corresponding to the operation of the arithmetic processing unit 40. 929 may be used. Furthermore, the input device 915 includes an input control circuit that generates an input signal based on information input by a user using the above-described operation means and outputs the input signal to the CPU 901, for example. By operating the input device 915, the user can input various data and instruct processing operations to the arithmetic processing unit 40.
  • the output device 917 is a device that can notify the user of the acquired information visually or audibly.
  • Such devices include display devices such as CRT display devices, liquid crystal display devices, plasma display devices, EL display devices and lamps, audio output devices such as speakers and headphones, printer devices, mobile phones, and facsimiles.
  • the output device 917 outputs results obtained by various processes performed by the arithmetic processing unit 40.
  • the display device displays results obtained by various processes performed by the arithmetic processing unit 40 as text or images.
  • the audio output device converts an audio signal composed of reproduced audio data, acoustic data, and the like into an analog signal and outputs the analog signal.
  • the storage device 919 is a data storage device configured as an example of a storage unit of the arithmetic processing unit 40.
  • the storage device 919 includes, for example, a magnetic storage device such as an HDD (Hard Disk Drive), a semiconductor storage device, an optical storage device, or a magneto-optical storage device.
  • the storage device 919 stores programs executed by the CPU 901, various data, various data acquired from the outside, and the like.
  • the drive 921 is a reader / writer for a recording medium, and is built in or externally attached to the arithmetic processing unit 40.
  • the drive 921 reads information recorded on a removable recording medium 927 such as a mounted magnetic disk, optical disk, magneto-optical disk, or semiconductor memory, and outputs the information to the RAM 905.
  • the drive 921 can also write a record to a removable recording medium 927 such as a magnetic disk, an optical disk, a magneto-optical disk, or a semiconductor memory that is mounted.
  • the removable recording medium 927 is, for example, a DVD medium, an HD-DVD medium, a Blu-ray (registered trademark) medium, or the like.
  • the removable recording medium 927 may be a CompactFlash (registered trademark) (CompactFlash: CF), a flash memory, an SD memory card (Secure Digital memory card), or the like. Further, the removable recording medium 927 may be, for example, an IC card (Integrated Circuit card) on which a non-contact IC chip is mounted, an electronic device, or the like.
  • CompactFlash registered trademark
  • SD memory card Secure Digital memory card
  • the connection port 923 is a port for directly connecting a device to the arithmetic processing unit 40.
  • Examples of the connection port 923 include a USB (Universal Serial Bus) port, an IEEE 1394 port, a SCSI (Small Computer System Interface) port, and the like.
  • As another example of the connection port 923 there are an RS-232C port, an optical audio terminal, an HDMI (registered trademark) (High-Definition Multimedia Interface) port, and the like.
  • the communication device 925 is a communication interface configured with, for example, a communication device for connecting to the communication network 931.
  • the communication device 925 is, for example, a communication card for wired or wireless LAN (Local Area Network), Bluetooth (registered trademark), or WUSB (Wireless USB).
  • the communication device 925 may be a router for optical communication, a router for ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line), or a modem for various communication.
  • the communication device 925 can transmit and receive signals and the like according to a predetermined protocol such as TCP / IP, for example, with the Internet or other communication devices.
  • the communication network 931 connected to the communication device 925 is configured by a wired or wireless network, and may be, for example, the Internet, a home LAN, infrared communication, radio wave communication, satellite communication, or the like. .
  • each component described above may be configured using a general-purpose member, or may be configured by hardware specialized for the function of each component. Therefore, it is possible to change the hardware configuration to be used as appropriate according to the technical level at the time of carrying out this embodiment.
  • the optical constant measuring apparatus and the optical constant measuring method according to the present disclosure will be specifically described with reference to Examples and Comparative Examples.
  • the Example shown below is only an example of the optical constant measuring apparatus and optical constant measuring method which concern on this indication,
  • the optical constant measuring apparatus and optical constant measuring method which concern on this indication are limited to the following example. It is not a thing.
  • the end face of the light transmitting optical fiber 203 is referred to as “spot 1”
  • the end faces of the light receiving optical fibers 207, 209, and 211 are referred to as “spot 2” and “spot 3”, respectively.
  • spot 4 the end face of the light transmitting optical fiber 203
  • the irradiation light incident on the sample from the spot 0 is scattered inside the sample, absorbed inside the sample, transmitted through a certain part, and returned to the surface of the sample.
  • the vertical axis represents the return light intensity (number of reaching photons).
  • the plot indicated by “ ⁇ ” corresponds to spot 0
  • the plot indicated by “ ⁇ ” corresponds to spot 1
  • the plot indicated by “ ⁇ ” indicates spot 2
  • FIGS. 17A to 17C are plots of calculation results obtained by calculating the return light relative intensity in order to make the above-described behavior clearer.
  • the plots indicated by “ ⁇ ” correspond to the relative intensity of spot 2 / spot 1
  • the plots indicated by “ ⁇ ” correspond to the relative intensity of spot 3 / spot 1
  • the plot indicated by “ ⁇ ” corresponds to the relative intensity of spot 3 / spot 2.
  • the relative intensity of the spot 2 / spot 1 and the relative intensity of the spot 3 / spot 1 are those of the scattering coefficient that gives the peak of the relative intensity at the same absorption coefficient. It can be seen that the values are different from each other.
  • the intensity of the return light that returns to each optical fiber for light reception is determined by the scattering coefficient and absorption coefficient of the sample, and the scattering coefficient and absorption coefficient of the sample can be calculated using the relative intensity of the return light. I know that there is.
  • the optical constants (scattering coefficient and absorption coefficient) of pig brain gray matter, pig brain white matter, and hydroxyapatite were calculated by the optical constant measurement method according to the present disclosure using Monte Carlo calculation.
  • the pig brain gray matter used what was extract
  • the porcine brain white matter used for the part which removed the gray matter from the pig brain surface for the measurement.
  • the hydroxyapatite used for the measurement the plate-shaped sample processed into 2 mm thickness x diameter 1cm.
  • irradiation light was chopped by an optical chopper and then introduced into the measurement probe 20 having a configuration example as shown in FIG. First, after measuring the intensity of the emitted light from the light transmitting optical fiber 203, the measurement probe 20 is applied to the sample, and the return light from the light receiving optical fibers 207, 209, and 211 is detected by the lock-in amplifier. did.
  • FIG. 18A shows the output intensity of the irradiation light and the return light intensity of each light receiving optical fiber in terms of the signal intensity (mV) of the lock-in amplifier.
  • spot 1 corresponds to the light receiving optical fiber 207
  • spot 2 corresponds to the light receiving optical fiber 209
  • spot 3 corresponds to the light receiving optical fiber 211.
  • Example 2 The scattering coefficient and the absorption coefficient of the sample used in Example 2 were measured by a conventional measurement using an integrating sphere.
  • the porcine brain white matter and the porcine brain gray matter were cut out and sandwiched between glass cells with thicknesses defined as 1 mm and 2 mm, respectively.
  • a sample having a thickness of 1 mm was also prepared.
  • the transmittance and reflectance measured using an integrating sphere are shown in FIG. 18B. From these values, the scattering coefficient and the absorption coefficient were calculated by the Monte Carlo method. The obtained results are shown in FIG. 18B.
  • a light source unit that emits irradiation light of a predetermined wavelength irradiated to the object to be measured;
  • a light transmitting optical fiber that transmits the irradiation light to the object to be measured, and a plurality of light receiving optical fibers that receive return light of the irradiation light from the object to be measured include the light transmitting optical fiber.
  • a measuring probe abutted against,
  • a detector that detects the intensity of the return light of the irradiation light received by the plurality of light receiving optical fibers for each of the light receiving optical fibers;
  • An arithmetic processing unit that calculates an optical constant of the object to be measured, using a detection value of the intensity of the return light in each of the light receiving optical fibers;
  • An optical constant measuring device An optical constant measuring device.
  • the total constant area of is an optical constant measuring apparatus according to (1), which is 56% or less with respect to the sectional area when the bundle fiber is cut in a direction perpendicular to the optical axis direction.
  • optical fiber according to any one of (1) to (4), wherein the optical fiber for light transmission is further used as a light-receiving optical fiber for receiving a return light of the irradiation light from the object to be measured.
  • Constant measuring device (6) The optical constant measuring apparatus according to any one of (1) to (5), wherein the arithmetic processing unit calculates at least an absorption coefficient and a scattering coefficient of the object to be measured as the optical constant.
  • the arithmetic processing unit further calculates at least one of a refractive index and an anisotropy parameter of the object to be measured as the optical constant.
  • a light transmitting optical fiber that transmits the irradiation light to the object to be measured, and a plurality of light receiving optical fibers that receive return light of the irradiation light from the object to be measured include the light transmitting optical fiber.
  • a measurement probe that is bundled so that two or more different values exist as a separation distance between the optical fiber for receiving light and one light receiving optical fiber, and one end of the measurement probe is connected to the object to be measured Abutting against, Detecting the intensity of the return light of the irradiation light received by the plurality of light receiving optical fibers for each of the light receiving optical fibers by a detection unit; Using the detected value of the intensity of the return light in each of the light receiving optical fibers, calculating an optical constant of the object to be measured;
  • An optical constant measuring method comprising:

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Abstract

【課題】均一な試料を作成することが困難な被測定物であっても、被測定物の光学定数をより簡便に測定すること。 【解決手段】本開示に係る光学定数測定装置は、被測定物に対して照射される所定波長の照射光を出射する光源部と、照射光を被測定物へと送光する送光用光ファイバ、及び、被測定物からの照射光の戻り光を受光する複数の受光用光ファイバが、送光用光ファイバと一つの受光用光ファイバとの間の離隔距離として、互いに異なる２以上の値が存在するようにバンドルされたバンドルファイバを有し、バンドルファイバの一方の端部が被測定物に対して当接される測定プローブと、複数の受光用光ファイバで受光された照射光の戻り光の強度を、それぞれの受光用光ファイバごとに検出する検出部と、それぞれの受光用光ファイバでの戻り光の強度の検出値を用いて、被測定物の光学定数を算出する演算処理部と、を備える。

Description

光学定数測定装置及び光学定数測定方法
　本開示は、光学定数測定装置及び光学定数測定方法に関する。
　生体組織を傷つけることなく、内部の構造や代謝を計測する技術は、医学及び生物学にとって重要である。近年、近赤外光が生体を透過しやすいことを利用して、生体組織中の酸素濃度や脳の活動の様子を、非侵襲かつ光学的に計測できるようになってきた。
　ここで、生体組織は、光吸収を伴う散乱体であることが知られており、吸収係数や散乱係数といった光学定数が、生体組織の見え方や、生体組織に対して照射された照射光の挙動を決めている。そのため、各生体組織の光学定数について、様々な検討がなされている（例えば、以下の非特許文献１を参照。）。
Ｗａｉ－Ｆｕｎｇ　Ｃｈｅｏｎｇ，Ｓｃｏｔｔ　Ａ．Ｐｒａｈｌ　ａｎｄ　Ａｓｈｌｅｙ　Ｊ．Ｗｅｌｃｈ，"Ａ　Ｒｅｖｉｅｗ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｐｒｏｐｏｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　Ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ　Ｔｉｓｓｕｅｓ"，Ｖｏ．２６　Ｎｏ．１２（１９９０），ＩＥＥＥ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　ｑｕａｎｔｕｍ　ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，ｐｐ．２１６６－２１８５．
　上記非特許文献１に開示されているような光学定数の測定方法や算出方法においては、厚さを規定した試料に光を照射し、反射した全光量及び透過した全光量から反射率及び透過率を測定し、得られた反射率及び透過率をもとにモンテカルロ法を用いて、光学定数（特に、吸収係数及び散乱係数）を算出することが一般的である。この際、反射率及び透過率を正確に測定するためには、均一な厚みの試料を準備するとともに、積分球を用いて反射光量及び透過光量を測定しなければならなかった。
　積分球を用いた反射率の測定では、試料を出来る限り大きく作成したとしても、微妙な光量の差を測定しなければならず、反射率の測定誤差を小さくすることは、困難であった。特に、生体試料の場合、組織の大きさ自体が限られるため、均一な厚みを有する大面積の測定片を作成することは極めて難しく、測定誤差とともに、試料の作成手順も煩雑なものとなっていた。
　また、生体組織は、多層構造を有していることが多い。そのため、均一な試料を作成することは難しく、また、厚さを変えた試料では、厚さ毎に異なる組織が試料中に含まれてしまう。その結果、表皮側から見た外観とは異なる光学定数が算出されることも多く、算出された光学定数は、試料表面からの反射画像を必ずしも再現するものではなかった。
　このように、例えば生体組織のような均一な試料を作成することが困難な被測定物であっても、被測定物の光学定数をより簡便かつ正確に測定することが可能な方法が希求されている状況にある。
　そこで、本開示では、上記事情に鑑みて、均一な試料を作成することが困難な被測定物であっても、被測定物の光学定数をより簡便に測定することが可能な、光学定数測定装置及び光学定数測定方法を提案する。
　本開示によれば、被測定物に対して照射される所定波長の照射光を出射する光源部と、前記照射光を前記被測定物へと送光する送光用光ファイバ、及び、前記被測定物からの前記照射光の戻り光を受光する複数の受光用光ファイバが、前記送光用光ファイバと一つの前記受光用光ファイバとの間の離隔距離として、互いに異なる２以上の値が存在するようにバンドルされたバンドルファイバを有し、前記バンドルファイバの一方の端部が前記被測定物に対して当接される測定プローブと、前記複数の受光用光ファイバで受光された前記照射光の戻り光の強度を、それぞれの前記受光用光ファイバごとに検出する検出部と、前記それぞれの受光用光ファイバでの前記戻り光の強度の検出値を用いて、前記被測定物の光学定数を算出する演算処理部と、を備える、光学定数測定装置が提供される。
　また、本開示によれば、光源部から被測定物に対して、所定波長の照射光を出射することと、前記照射光を前記被測定物へと送光する送光用光ファイバ、及び、前記被測定物からの前記照射光の戻り光を受光する複数の受光用光ファイバが、前記送光用光ファイバと一つの前記受光用光ファイバとの間の離隔距離として、互いに異なる２以上の値が存在するようにバンドルされている測定プローブを用いて、前記測定プローブの一方の端部を前記被測定物に対して当接することと、検出部により、前記複数の受光用光ファイバで受光された前記照射光の戻り光の強度を、それぞれの前記受光用光ファイバごとに検出することと、前記それぞれの受光用光ファイバでの前記戻り光の強度の検出値を用いて、前記被測定物の光学定数を算出することと、を含む、光学定数測定方法が提供される。
　本開示によれば、光源部は、被測定物に対して所定波長の照射光を出射し、測定プローブは、バンドルファイバの一方の端部が被測定物に対して当接され、検出部は、複数の受光用光ファイバで受光された照射光の戻り光の強度をそれぞれ検出し、演算処理部は、それぞれの受光用光ファイバでの戻り光の強度の検出値を用いて、被測定物の光学定数を算出する。
　以上説明したように本開示によれば、均一な試料を作成することが困難な被測定物であっても、被測定物の光学定数をより簡便に測定することが可能となる。
　なお、上記の効果は必ずしも限定的なものではなく、上記の効果とともに、又は、上記の効果に代えて、本明細書に示されたいずれかの効果、又は、本明細書から把握され得る他の効果が奏されてもよい。
本開示の実施形態に係る光学定数測定装置の全体構成を模式的に示したブロック図である。 同実施形態に係る光学定数測定装置が有する測定プローブについて説明するための説明図である。 同実施形態に係る光学定数測定装置が有する測定プローブについて説明するための説明図である。 同実施形態に係る光学定数測定装置が有する測定プローブについて説明するための説明図である。 同実施形態に係る光学定数測定装置が有する測定プローブについて説明するための説明図である。 同実施形態に係る光学定数測定装置が有する測定プローブについて説明するための説明図である。 同実施形態に係る光学定数測定装置が有する測定プローブについて説明するための説明図である。 同実施形態に係る光学定数測定装置の構成例を模式的に示した説明図である。 同実施形態に係る光学定数測定装置の構成例を模式的に示した説明図である。 同実施形態に係る光学定数測定装置の構成例を模式的に示した説明図である。 同実施形態に係る光学定数測定装置の構成例を模式的に示した説明図である。 同実施形態に係る光学定数測定装置が有する演算処理部の構成の一例を示したブロック図である。 同実施形態に係る光学定数測定方法の流れの一例を示した流れ図である。 同実施形態に係る光学定数測定方法におけるモンテカルロ計算について説明するための説明図である。 同実施形態に係る光学定数測定方法におけるモンテカルロ計算の流れの一例を示した流れ図である。 同実施形態に係る演算処理部のハードウェア構成の一例を示したブロック図である。 実施例１及び実施例２で用いた測定プローブについて説明するための説明図である。 実施例１の結果を示したグラフ図である。 実施例１の結果を示したグラフ図である。 実施例１の結果を示したグラフ図である。 実施例１の結果を示したグラフ図である。 実施例１の結果を示したグラフ図である。 実施例１の結果を示したグラフ図である。 実施例２の結果について説明するための説明図である。 実施例２の結果について説明するための説明図である。
　以下に添付図面を参照しながら、本開示の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
　なお、説明は以下の順序で行うものとする。
　１．本発明者らによる検討について
　２．実施形態
　　２．１．光学定数測定装置の構成について
　　２．２．光学定数測定方法の流れについて
　　２．３．演算処理部のハードウェア構成について
　　２．４．実施例
（本発明者らによる検討について）
　先だって言及したように、従来、生体組織の吸収係数及び散乱係数は、厚さを規定した試料に光を照射して、反射光量及び透過光量の測定結果から反射率及び透過率を特定し、得られた反射率及び透過率に基づきモンテカルロ法を用いて算出されていた。反射率及び透過率を出来るだけ正確に測定するためには、均一な厚みの試料を作成するとともに、積分球を用いる必要があった。
　積分球を用いた反射率の測定では、試料を出来る限り大きく作成したとしても、積分球の内面積に対して試料面積はごくわずかにすぎず、微妙な光量の差を測定しなければならない。そのため、積分球を用いた場合であっても、反射率の測定誤差を小さくすることは、困難であった。特に、生体試料の場合、組織の大きさ自体が限られるため、均一な厚みを有する大面積の測定片を作成することは極めて難しく、測定誤差とともに、試料の作成手順も煩雑なものとなっていた。
　また、生体組織は、例えば皮膚が表皮、真皮、皮下組織、筋層という４層から構成されているように、多層構造を有していることが多い。そのため、均一な試料を作成することは難しく、また、厚さを変えた試料では、厚さ毎に異なる組織が試料中に含まれてしまう。その結果、表皮側から見た外観とは異なる光学定数が算出されることも多く、算出された光学定数は、試料表面からの反射画像を必ずしも再現するものではなかった。
　被測定物の光学的特性を表す光学定数の一種である異方性及び屈折率は、生体材料でほぼ一定と仮定することが多い。そのため、被測定物（特に、生体組織）の光学的特性を規定する光学定数のうち散乱係数及び吸収係数を定めるためには、少なくとも２つの異なる条件での測定値を利用することとなる。
　積分球による測定では、（１）同一試料について、透過率及び反射率を同時に求める、（２）異なる膜厚の透過率を測定する、等のように、少なくとも２つ以上の測定値を求める必要があり、測定に際しての試料作成は困難であって、再現性が得られなかった。
　一方、これまで、脳の活動状態を血行測定によって判別することに主眼が置かれてきた近赤外光による組織測定技術では、頭蓋を経た深部の血行状態を再現することに重点が置かれ、微小組織の光学定数の測定・算出を目的としていない。そのため、微小領域で同時に２つ以上の異なる条件で有為なデータを計測する方法については、一切提示されていない。
　特に、大きく均一な試料の切り出しが難しい生体組織については、試料を切り出す必要がなく、より簡便に光学定数を測定・算出可能な方法が希求されている。また、外見を模した疑似組織を作成する場合には、外部から撮像した際に外観が再現できることが求められており、均一な組織の光学定数だけでなく、外観を再現するための光学定数の算出が求められている。
　本発明者らは、上記事情に鑑みて鋭意検討を行った結果、以下で詳述するような本開示の実施形態に係る光学定数測定装置及び光学定数測定方法を完成するに至った。以下、本開示の実施形態に係る光学定数測定装置及び光学定数測定方法について、詳細に説明する。
（実施形態）
＜光学定数測定装置の構成について＞
　以下では、まず、本開示の実施形態に係る光学定数測定装置の構成について説明する。
　本実施形態に係る光学定数測定装置は、被測定物に対して所定波長の光を照射し、被測定物からの照射光の戻り光の強度を測定することで、被測定物の光学定数を測定する装置である。本実施形態に係る光学定数測定装置は、光学定数として、少なくとも、被測定物Ｓの散乱係数及び吸収係数を測定する。また、本実施形態に係る光学定数測定装置は、光学定数として、更に、被測定物Ｓの屈折率及び異方性パラメータの少なくとも何れかを測定することも可能である。
　ここで、本実施形態に係る光学定数測定装置が用いられる被測定物については、特に限定されるものではなく、様々な物質を被測定物とすることが可能であり、非生物体だけでなく、生物体についても被測定物とすることが可能である。特に、本実施形態に係る光学定数測定装置は、ある生物体の生体部位を構成している生物組織等といった、生体材料を被測定物とすることが可能である。
［光学定数測定装置の全体構成］
　図１は、本実施形態に係る光学定数測定装置の構成の一例を模式的に示したブロック図である。本実施形態に係る光学定数測定装置１は、図１に示したように、光源部１０と、測定プローブ２０と、検出部３０と、演算処理部４０と、を主に備える。
　光源部１０は、上記のような被測定物Ｓに対して照射される、所定波長の照射光を出射する。かかる光源部１０は、所定波長の照射光を出射する照射光光源（図示せず。）を主に有しており、更に、各種のレンズやミラーなどといった公知の光学素子を有していても良い。
　本実施形態に係る光源部１０が有する照射光光源は、特に限定されるものではなく、各種のレーザや、発光ダイオードなどといった、公知の各種の光源を利用することが可能である。光源部１０から出射される照射光の波長についても、特に限定されるものではなく、紫外光帯域に属する波長から近赤外光帯域に属する波長まで、被測定物Ｓの種別に応じて、任意の波長を適宜選択することが可能である。また、光源部１０から出射される照射光は、連続光であってもよいし、パルス光であってもよい。また、光源部１０から出射される照射光に変調をかけてチョップ光としてもよい。
　光源部１０から出射した照射光は、測定プローブ２０へと導光される。測定プローブ２０は、以下で詳述するように、照射光を被測定物Ｓへと送光する送光用光ファイバ、及び、被測定物Ｓからの照射光の戻り光を受光する複数の受光用光ファイバが、送光用光ファイバと一つの受光用光ファイバとの間の離隔距離として、互いに異なる２以上の値が存在するようにバンドルされたバンドルファイバを有している。測定プローブ２０が有するバンドルファイバの一方の端部は、被測定物Ｓに対して当接され、被測定物Ｓに対して照射光が照射されるとともに、被測定物Ｓからの照射光の戻り光を、後述する検出部３０へと導光する。
　この測定プローブ２０の構成については、以下で改めて詳細に説明する。
　測定プローブ２０により導光された、被測定物Ｓからの照射光の戻り光は、検出部３０によって検出されて、照射光の戻り光の強度が測定される。かかる検出部３０は、光源部１０から出射された照射光の波長に対応する各種の検出器（図示せず。）を少なくとも有しており、複数の受光用光ファイバで受光された照射光の戻り光の強度を、それぞれの受光用光ファイバごとに、互いに区別して検出する。また、照射光の戻り光の強度が微弱である場合、かかる検出部３０として、微弱信号を検出するための検出機構が更に設けられても良い。このような微弱信号の検出機構については、特に限定されるものではなく、例えばロックインアンプ等のような公知の各種検出機構を適宜利用することが可能である。
　検出部３０により検出された、それぞれの受光用光ファイバでの戻り光の強度の検出値に関するデータは、演算処理部４０へと出力される。演算処理部４０は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｕｎｉｔ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ　Ｏｎｌｙ　Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ　Ａｃｃｅｓｓ　Ｍｅｍｏｒｙ）等により実現される。演算処理部４０は、光源部１０及び検出部３０の稼働状態を制御する制御部として機能する。また、演算処理部４０は、検出部３０により検出された、それぞれの受光用光ファイバでの戻り光の強度の検出値を用いて、被測定物Ｓの光学定数を算出する。
　この演算処理部４０の詳細な構成についても、以下で改めて説明する。
　以上、本実施形態に係る光学定数測定装置１の全体構成について説明した。
［測定プローブ２０について］
　続いて、図２～図５を参照しながら、本実施形態に係る測定プローブ２０について、詳細に説明する。図２～図５は、本実施形態に係る光学定数測定装置が有する測定プローブについて説明するための説明図である。
　図２は、本実施形態に係る測定プローブ２０の端面の様子を模式的に示したものである。本実施形態に係る測定プローブ２０は、図２に模式的に示したように、複数の光ファイバがバンドルされたバンドルファイバ２０１を有している。このバンドルファイバ２０１には、光源部１０から出射された照射光を被測定物Ｓへと送光する送光用光ファイバ２０３と、被測定物Ｓからの照射光の戻り光を受光する複数の受光用光ファイバ２０５Ａ，・・・，２０５Ｎ（以下、複数の受光用光ファイバをまとめて、受光用光ファイバ２０５と表記することがある。）と、がバンドルされている。
　ここで、本実施形態に係る測定プローブ２０に用いられる光ファイバは、特に限定されるものではなく、照射光として用いられている波長の光を導光可能なものであれば、公知の任意の光ファイバを用いることが可能である。また、光ファイバの種別についても、特に限定されるものではなく、シングルモード光ファイバを用いることも可能であるし、マルチモード光ファイバを用いることも可能である。ただ、被測定物Ｓに応じて照射光の波長を変更したり、光学定数の測定とあわせて他の測定を同時に実施したりすることが考えられるため、測定プローブ２０に用いられる光ファイバは、マルチモード光ファイバであることが好ましい。
　本実施形態に係る受光用光ファイバ２０５の本数については、被測定物Ｓの光学定数として少なくとも散乱係数及び吸収係数の２つを算出するために２つ以上の異なる条件での戻り光の検出値が必要となるため、２本以上とする。また、受光用光ファイバ２０５の本数をより多くすることで、より精密に光学定数を測定することが可能となるため、好ましい。
　本実施形態に係る測定プローブ２０では、上記のような送光用光ファイバ２０３と複数の受光用光ファイバ２０５とが、送光用光ファイバ２０３とある一つの受光用光ファイバ２０５との間の離隔距離（例えば、各光ファイバの光軸中心間距離）として互いに異なる２以上の値が存在するように、バンドルされている。図２に示したバンドル例では、図から明らかなように、送光用光ファイバ２０３と受光用光ファイバ２０５Ａとの間の離隔距離（光軸中心間距離）と、送光用光ファイバ２０３と受光用光ファイバ２０５Ｎとの間の離隔距離（光軸中心間距離）とは、互いに相違した値となる。
　送光用光ファイバ２０３の端部から被測定物Ｓに対して入射した照射光は、被測定物Ｓ内で散乱及び吸収を繰り返しながら被測定物Ｓ内へと浸透していき、照射光の戻り光が、複数の受光用光ファイバ２０５の何れかにより検出される。この際、より深い位置まで到達した照射光の戻り光ほど、送光用光ファイバ２０３から離れた位置で検出される。従って、本実施形態に係る測定プローブ２０では、複数の受光用光ファイバ２０５が、送光用光ファイバ２０３と少なくとも２つ以上の異なる位置関係（距離や方向等）となるようにバンドルされることで、異なる深さまで到達した照射光の戻り光を、同時に検出することが可能となる。これにより、従来積分球を用いる測定で実施されていたような、異なる厚みの試料を用いた測定と同様の測定結果を、本実施形態に係る測定プローブ２０を用いることで簡便に取得することができる。
　測定プローブ２０における送光用光ファイバ２０３と複数の受光用光ファイバ２０５との配置方法については、特に限定されるものではなく、上記のような位置関係に関する条件が満たされるものであれば、任意の配置方法を採用することが可能である。
　例えば図２及び図３Ａに示したように、送光用光ファイバ２０３と複数の受光用光ファイバ２０５とを、一列に連なるように配置することが可能である。図３Ａに示した配置の場合、送光用光ファイバとある一つの受光用光ファイバとの間の離隔距離として、（１）送光用光ファイバ２０３－受光用光ファイバ２０７間の離隔距離ｄ１、（２）送光用光ファイバ２０３－受光用光ファイバ２０９間の離隔距離ｄ２、（３）送光用光ファイバ２０３－受光用光ファイバ２１１間の離隔距離ｄ３という、３種類の離隔距離が存在する。
　図３Ｂに示した例では、送光用光ファイバ２０３を囲むように、４本の受光用光ファイバ２０７Ａ～２０７Ｄと、４本の受光用光ファイバ２０９Ａ～２０９Ｄという、計８本の受光用光ファイバが配置されている。図３Ｂに示した配置の場合、４本の受光用光ファイバ２０７Ａ～２０７Ｄは、送光用光ファイバ２０３からの離隔距離が互いに等しくなり、かつ、４本の受光用光ファイバ２０９Ａ～２０９Ｄは、送光用光ファイバ２０３からの離隔距離が互いに等しくなる。また、配置から明らかなように、４本の受光用光ファイバ２０７Ａ～２０７Ｄについての離隔距離と、４本の受光用光ファイバ２０９Ａ～２０９Ｄについての離隔距離とは、互いに相違する。
　図３Ｃに示した例においても、送光用光ファイバ２０３と、８本の受光用光ファイバと、が配置されているが、図３Ｃに示した配置例では、送光用光ファイバ２０３を起点として、８本の受光用光ファイバが２次元的に配置されている。図３Ｃに示した例の場合、２本の受光用光ファイバ２０７Ａ，２０７Ｂは、送光用光ファイバ２０３からの離隔距離が互いに等しくなり、２本の受光用光ファイバ２１１Ａ，２１１Ｂは、送光用光ファイバ２０３からの離隔距離が互いに等しくなり、２本の受光用光ファイバ２１３Ａ，２１３Ｂは、送光用光ファイバ２０３からの離隔距離が互いに等しくなる。また、かかる配置の場合、（１）送光用光ファイバ２０３－受光用光ファイバ２０７Ａ，２０７Ｂ間の離隔距離、（２）送光用光ファイバ２０３－受光用光ファイバ２０９間の離隔距離、（３）送光用光ファイバ２０３－受光用光ファイバ２１１Ａ，２１１Ｂ間の離隔距離、（４）送光用光ファイバ２０３－受光用光ファイバ２１３Ａ，２１３Ｂ間の離隔距離、（５）送光用光ファイバ２０３－受光用光ファイバ２１５間の離隔距離という、５種類の離隔距離が存在する。
　ここで、本実施形態に係る測定プローブ２０において、送光用光ファイバ２０３とそれぞれの受光用光ファイバ２０５との間の離隔距離は、０ｍｍ超過５ｍｍ以下であることが好ましい。換言すれば、送光用光ファイバ２０３と受光用光ファイバ２０５との間の離隔距離の最大値は、５ｍｍ以下であることが好ましい。かかる離隔距離が５ｍｍ以下となることで、例えば、皮膚に存在するホクロを被測定物Ｓとする場合にホクロの部分のみを測定する等のように、被測定物Ｓについてのほぼ同一の部位について測定を行うことが可能となる。
　また、被測定物Ｓについてのほぼ同一の部位について測定を行うことをより容易なものとするために、図２～図３Ｃに示したようなバンドルファイバ２０１は、その口径が０．５ｃｍ以上１ｃｍ以下であることが好ましい。また、バンドルファイバ２０１の口径が０．５ｃｍ以上１ｃｍ以下となることで、測定プローブ２０を被測定物Ｓに対して垂直に当接させることが容易となるとともに、測定プローブ２０の把持性が向上し、本実施形態に係る光学定数測定装置１の使用者は、より容易に測定プローブ２０をハンドリングすることが可能となる。
　以上説明したような測定プローブ２０は、その一方の端部が平面となっており、図４に模式的に示したように、平面状の端部が被測定物Ｓに当接される。ここで、送光用光ファイバ２０３と複数の受光用光ファイバ２０５とをより確実に被測定物Ｓに接触させるために、バンドルファイバ２０１は、図４に模式的に示したように、被測定物Ｓに対してなるべく垂直となるように押しあてられることが好ましい。そのため、送光用光ファイバ２０３及び各受光用光ファイバ２０５のファイバ端は、それぞれ平面となっており、かつ、各光ファイバをバンドルしたバンドルファイバ２０１の端面で規定される平面内に存在することが好ましい。一方で、本実施形態に係る光学定数測定装置１の使用者が測定プローブ２０（特に、バンドルファイバ２０１）を把持する際に、使用者が測定プローブ２０を把持することに起因するノイズが検出結果に重畳しないことが好ましい。そのためには、送光用光ファイバ２０３及び受光用光ファイバ２０５が、バンドルファイバ２０１の表面からある程度離れた位置（中心軸寄り）に存在していることが好ましい。
　そこで、本実施形態に係る測定プローブ２０では、送光用光ファイバ２０３を光軸方向に対して垂直な方向に切断したときの断面積と、それぞれの受光用光ファイバ２０５を光軸方向に対して垂直な方向に切断したときの断面積と、の合計断面積が、バンドルファイバ２０１を光軸方向に対して垂直な方向に切断したときの断面積に対して、どのくらいの割合となるか、検討する。ここで、送光用光ファイバ２０３及び受光用光ファイバ２０５を、なるべく細密充填配置となるように配置することを考える。１本の送光用光ファイバ２０３に対して、３本の受光用光ファイバ２０５を上記離隔距離が３種類の値となるように配置すると仮定し、バンドルファイバの端面の外形が矩形となるように、計４本の光ファイバをバンドルすると、上記割合は、５６％となる。同様に、上記仮定のもと、バンドルファイバの端面の外形が円形となるように、計４本の光ファイバをバンドルすると、上記割合は、４４％となる。従って、本実施形態に係る測定プローブ２０では、送光用光ファイバ２０３を光軸方向に対して垂直な方向に切断したときの断面積と、それぞれの受光用光ファイバ２０５を光軸方向に対して垂直な方向に切断したときの断面積と、の合計断面積が、バンドルファイバ２０１を光軸方向に対して垂直な方向に切断したときの断面積に対して、５６％以下となっていることが好ましい。バンドルファイバ２０１の断面積に対する、送光用光ファイバ２０３及び受光用光ファイバ２０５の合計断面積の割合は、より好ましくは、４４％以下である。
　また、被測定物Ｓの屈折率と、バンドルファイバ２０１の屈折率と、が大きく異なる場合には、被測定物Ｓとバンドルファイバ２０１との光学的な接続状態が低下して、照射光が被測定物Ｓ内へと入射しづらくなることが考えられる。そこで、図５に模式的に示したように、バンドルファイバ２０１の先端部に、被測定物Ｓの屈折率に近い値の屈折率を有する屈折率調整部２２１を設けてもよい。これにより、被測定物Ｓとバンドルファイバ２０１との光学的な接続状態を、より一層向上させることが可能となる。
　以上、図２～図５を参照しながら、本実施形態に係る測定プローブ２０について、詳細に説明した。
［光学定数測定装置の構成例］
　続いて、図６～図９を参照しながら、本実施形態に係る光学定数測定装置１の構成例（より詳細には、光源部１０、測定プローブ２０及び検出部３０の構成例）について、より具体的に説明する。図６～図９は、本実施形態に係る光学定数測定装置の構成例を模式的に示した説明図である。
　なお、図６～図９では、測定プローブ２０のバンドルファイバ２０１が、１本の送光用光ファイバ２０３と、３本の受光用光ファイバ２０５Ａ，２０５Ｂ，２０５Ｃとから構成される場合を図示している。
　図６に示した構成例では、演算処理部４０の制御下のもとで、光源部１０から所定波長の照射光が出射される。光源部１０から出射された照射光は、未図示の光学素子により導光されて、送光用光ファイバ２０３の一方の端部に接続される。照射光は、送光用光ファイバ２０３中を導光されて、バンドルファイバ２０１の端部から被測定物内に入射する。被測定物内に入射した照射光の一部は、バンドルファイバ２０１に設けられた受光用光ファイバ２０５Ａ，２０５Ｂ，２０５Ｃの何れかに、戻り光として到達しうる。各受光用光ファイバ２０５Ａ，２０５Ｂ，２０５Ｃの末端には、検出部３０として、各種の検出器３０１Ａ，３０１Ｂ，３０１Ｃが配置されており、受光用光ファイバ２０５Ａ，２０５Ｂ，２０５Ｃの何れかに到達した戻り光の強度が計測される。各検出器３０１Ａ，３０１Ｂ，３０１Ｃでの戻り光の強度の検出値は、演算処理部４０へと出力される。
　なお、図６では、検出部３０として、各受光用光ファイバ２０５Ａ，２０５Ｂ，２０５Ｃの末端のそれぞれに検出器３０１を設ける場合について図示しているが、マルチチャンネルの検出器を用いて、検出器３０１の個数を削減することも可能である。
　図７では、受光用光ファイバに到達した戻り光の強度をロックイン検出する場合の構成例を示している。かかる場合、ロックイン検出のために、照射光を予め変調する必要がある。そこで、図７に示した構成例では、光源部１０と送光用光ファイバ２０３との間に、光源部１０から出射された照射光を変調するための光チョッパ１０１が設けられている。
　各検出器３０１Ａ，３０１Ｂ，３０１Ｃの後段には、受光用光ファイバ２０５Ａ，２０５Ｂ，２０５Ｃにそれぞれ到達した戻り光をロックイン検出するために、それぞれロックインアンプ３０３Ａ，３０３Ｂ，３０３Ｃが設けられている。すなわち、本構成例では、各検出器３０１Ａ，３０１Ｂ，３０１Ｃと、ロックインアンプ３０３Ａ，３０３Ｂ，３０３Ｃとで、検出部３０が構成されている。光チョッパ１０１において施された変調に関する情報（例えば、変調周波数に関する情報など）は、それぞれのロックインアンプ３０３Ａ，３０３Ｂ，３０３Ｃへと出力されており、各検出器３０１Ａ，３０１Ｂ，３０１Ｃで検出された戻り光が、各ロックインアンプ３０３Ａ，３０３Ｂ，３０３Ｃにおいてロックイン検出される。
　本実施形態に係る光学定数測定装置１において、送光用光ファイバ２０３を、被測定物Ｓからの照射光の戻り光を受光する受光用光ファイバとして使用することも可能である。ただ、この場合には、光源部１０から出射された照射光を送光用光ファイバ２０３へと導光する導光光学系に工夫する必要がある。図８及び図９は、図６及び図７に示した構成例において、送光用光ファイバ２０３を受光用光ファイバとして使用するための導光光学系を導入した構成例を示したものである。
　図８では、光源部１０と送光用光ファイバ２０３との間に所定の光学フィルタを有するビームスプリッタＢＳを設けている。かかるビームスプリッタＢＳの光学フィルタは、光源部１０から照射された照射光は透過する一方で、戻り光は反射するように予め設定されている。また、ビームスプリッタＢＳにより分岐された戻り光は、後段に設けられた検出器３０１Ｄにより検出される。
　図９では、光チョッパ１０１と送光用光ファイバ２０３との間に、図８と同様のビームスプリッタＢＳが設けている。ビームスプリッタＢＳにより分岐された戻り光は、後段に設けられた検出器３０１Ｄにより検出され、検出器３０１Ｄの後段に設けられたロックインアンプ３０３Ｄにより、ロックイン検出される。
　以上、本実施形態に係る光学定数測定装置１の構成例（より詳細には、光源部１０、測定プローブ２０及び検出部３０の構成例）について、説明した。
［演算処理部４０の構成例について］
　続いて、図１０を参照しながら、本実施形態に係る演算処理部４０の構成例について、詳細に説明する。図１０は、本実施形態に係る光学定数測定装置１が備える演算処理部４０の構成の一例を示したブロック図である。
　先だって言及したように、本実施形態に係る演算処理部４０は、光源部１０及び検出部３０の駆動制御を行う。また、演算処理部４０は、検出部３０にて検出された、それぞれの受光用光ファイバ２０５での戻り光の強度の検出値を用いて、被測定物Ｓの光学定数を算出する。
　かかる機能を実現する演算処理部４０は、図１０に示したように、測定制御部４０１と、測定データ取得部４０３と、光学定数算出部４０５と、算出結果出力部４０７と、表示制御部４０９と、記憶部４１１と、を主に備える。
　測定制御部４０１は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、通信装置等により実現される。測定制御部４０１は、本実施形態に係る光学定数測定装置１における測定処理の全般を統括的に制御する処理部である。より詳細には、測定制御部４０１は、光源部１０及び検出部３０が所望の機能を実現するように、光源部１０及び検出部３０の駆動状況を監視するとともに、光源部１０及び検出部３０に対して所望の機能を実現するための各種の制御信号を送出する。これにより、本実施形態に係る光源部１０及び検出部３０は、適切に稼働して、照射光の戻り光の強度に関する検出値を適切に取得することが可能となる。
　測定データ取得部４０３は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、通信装置等により実現される。測定データ取得部４０３は、検出部３０から出力された各受光用光ファイバ２０５での戻り光の強度の検出値に関するデータを取得する。測定データ取得部４０３は、取得した検出値に関するデータを、後段の光学定数算出部４０５に出力する。また、測定データ取得部４０３は、取得した検出値に関するデータに対して、当該データを取得した日時等に関する時刻データを関連付けた上で、かかる検出値に関するデータを履歴情報として記憶部４１１に記録してもよい。
　光学定数算出部４０５は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等により実現される。光学定数算出部４０５は、測定データ取得部４０３から出力された、各受光用光ファイバ２０５での戻り光の強度の検出値に関するデータを用いて、被測定物Ｓの光学定数を算出する。ここで、光学定数算出部４０５は、かかる光学定数として、被測定物Ｓの散乱係数及び吸収係数を少なくとも算出する。また、光学定数算出部４０５は、かかる光学定数として、更に、被測定物Ｓの異方性パラメータ及び屈折率の少なくとも何れかを算出することもできる。
　より詳細には、光学定数算出部４０５は、上記のような光学定数を、モンテカルロ法により算出することが好ましい。すなわち、光学定数算出部４０５は、被測定物Ｓについての光学定数を初期設定値から変化させながら、複数の受光用光ファイバ２０５に到達する戻り光の強度を、モンテカルロ法により算出していく。その上で、光学定数算出部４０５は、検出部３０により検出された戻り光の強度の検出値を与える光学定数の設定値（戻り光の強度の検出値を再現する光学定数の設定値）を、着目している被測定物Ｓの光学定数とする。
　光学定数算出部４０５は、複数の受光用光ファイバ２０５に到達する戻り光の強度をモンテカルロ法により算出していく際に、光学定数の設定値（特に、散乱係数及び吸収係数の設定値）を用いて、被測定物Ｓに入射する光子の散乱及び吸収を考慮しながら、光子の軌跡を追跡していく。光学定数算出部４０５は、追跡の結果、いずれかの受光用光ファイバ２０５に到達した光子の統計的個数から、複数の受光用光ファイバ２０５に到達する戻り光の強度を算出する。
　このように、各受光用光ファイバ２０５に到達する戻り光の強度は、被測定物Ｓの散乱係数及び吸収係数によって決まり、各受光用光ファイバ２０５間での戻り光の強度比に基づき、被測定物Ｓの散乱係数及び吸収係数を算出することができる。
　光学定数算出部４０５により実施される光学定数の算出処理の詳細については、以下で改めて詳細に説明する。
　光学定数算出部４０５は、以上のようにして被測定物Ｓの光学定数を算出すると、算出した光学定数に関する情報を、算出結果出力部４０７に出力する。
　算出結果出力部４０７は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、出力装置、通信装置等により実現される。算出結果出力部４０７は、光学定数算出部４０５により算出された、被測定物Ｓの光学定数に関する各種の算出結果等を、光学定数測定装置１の利用者へと出力する。例えば、算出結果出力部４０７は、光学定数の算出結果に関する情報を、表示制御部４０９へと出力することが可能である。これにより、光学定数の算出結果に関する情報が、光学定数測定装置１が備える表示部（図示せず。）や、光学定数測定装置１の外部に設けられた表示部（例えば、外部のモニタ等）に出力されることとなる。また、算出結果出力部４０７は、得られた光学定数の算出結果に関する情報を、印刷物として出力したり、データとして外部の情報処理装置やサーバ等に出力したりすることが可能である。
　表示制御部４０９は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、出力装置等により実現される。表示制御部４０９は、算出結果出力部４０７から出力された光学定数に関する各種の算出結果を、光学定数測定装置１が備えるディスプレイ等の出力装置や光学定数測定装置１の外部に設けられた出力装置等に表示する際の表示制御を行う。これにより、光学定数測定装置１の利用者は、光学定数に関する各種の算出結果を、その場で把握することが可能となる。
　記憶部４１１は、演算処理部４０が備える記憶装置の一例であり、ＲＡＭやストレージ装置等により実現される。記憶部４１１には、本実施形態に係る演算処理部４０が、何らかの処理を行う際に保存する必要が生じた様々なパラメータや処理の途中経過等、又は、各種のデータベースやプログラム等が、適宜記録される。この記憶部４１１は、測定制御部４０１、測定データ取得部４０３、光学定数算出部４０５、算出結果出力部４０７、表示制御部４０９等が、自由にリード／ライト処理を実施することが可能である。
　以上、本実施形態に係る演算処理部４０の機能の一例を示した。上記の各構成要素は、汎用的な部材や回路を用いて構成されていてもよいし、各構成要素の機能に特化したハードウェアにより構成されていてもよい。また、各構成要素の機能を、ＣＰＵ等が全て行ってもよい。従って、本実施形態を実施する時々の技術レベルに応じて、適宜、利用する構成を変更することが可能である。
　なお、上述のような本実施形態に係る演算処理部の各機能を実現するためのコンピュータプログラムを作製し、パーソナルコンピュータ等に実装することが可能である。また、このようなコンピュータプログラムが格納された、コンピュータで読み取り可能な記録媒体も提供することができる。記録媒体は、例えば、磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスク、フラッシュメモリなどである。また、上記のコンピュータプログラムは、記録媒体を用いずに、例えばネットワークを介して配信してもよい。
＜光学定数測定方法の流れについて＞
［全体的な流れについて］
　次に、図１１を参照しながら、本実施形態に係る光学定数測定装置１で実施される光学定数測定方法の全体的な流れの一例を説明する。図１１は、本実施形態に係る光学定数測定方法の流れの一例を示した流れ図である。
　本実施形態に係る光学定数測定方法では、まず、光学定数測定装置１の光源部１０、測定プローブ２０及び検出部３０が、演算処理部４０による制御のもとで適切に稼働することにより、被測定物Ｓからの照明光の戻り光の強度が検出される。光学定数測定装置１の演算処理部４０の測定データ取得部４０３は、得られた戻り光強度の検出値に関するデータを取得して（ステップＳ１０１）、光学定数算出部４０５へと出力する。
　光学定数算出部４０５は、まず、光学定数を算出する上での演算条件と、光学定数の初期値と、を設定する（ステップＳ１０３）。
　ここで、光学定数を算出する上での演算条件としては、例えば、測定プローブ２０における各光ファイバの配置状態、後述するモンテカルロ計算を実施する仮想的な空間の大きさ、モンテカルロ計算における光子数、光子の重み等を挙げることができる。これらの演算条件は、算出する光学定数に求める精度や、演算に供することが可能なコンピュータリソース等に応じて、適宜設定することが可能である。
　また、光学定数の初期値としては、例えば、散乱係数、吸収係数、異方性パラメータ、屈折率等を挙げることができる。これらの初期値のうち、モンテカルロ計算において定数として取り扱うものについては、モンテカルロ計算中に初期値が変化することなく利用され、モンテカルロ計算において変数として取り扱われるもの（例えば、散乱係数、吸収係数等）は、モンテカルロ計算中に随時値が変化していく。なお、初期値としてどのような値が設定されるかについては、特に限定されるものではなく、任意の値を設定可能であるが、予想される光学定数に近い値を設定することで、モンテカルロ計算時間を短縮することが可能となるため、好ましい。
　光学定数算出部４０５は、演算条件や光学定数の初期値を設定すると、続いて、モンテカルロ計算を実施して、被測定物Ｓ中での光子の移動の様子を追跡する（ステップＳ１０５）。かかるモンテカルロ計算により、各受光用光ファイバで検出される戻り光の強度の計算値が算出される。
　光学定数算出部４０５は、モンテカルロ計算が終了すると、戻り光強度の検出値と計算値との差分を算出する（ステップＳ１０７）。その上で、光学定数算出部４０５は、算出した差分が所定の閾値以下であるか否かを判断する（ステップＳ１０９）。ここで、差分を判定する際の閾値の具体的な値については特に規定されるものではなく、計算に求める精度に応じて適宜決定すればよい。
　差分が所定の閾値以下ではない場合（ステップＳ１０９－ＮＯ）、光学定数算出部４０５は、光学定数の設定値を公知の方法により更新して（ステップＳ１１１）、ステップＳ１０５から繰り返し処理を実施する。ここで、光学定数の更新方法については、特に限定されるものではなく、共役勾配法、準ニュートン法等といった、公知のアルゴリズムを適宜利用することが可能である。
　また、差分が所定の閾値以下である場合（ステップＳ１０９－ＹＥＳ）、光学定数算出部４０５は、かかるモンテカルロ計算で設定されている光学定数の設定値を、着目している被測定物Ｓの光学定数の値として出力する（ステップＳ１１３）。
　以上、図１１を参照しながら、本実施形態に係る光学定数算出方法の全体的な流れについて、説明した。
［モンテカルロ計算の流れについて］
　次に、図１２及び図１３を参照しながら、本実施形態に係る光学定数算出方法におけるモンテカルロ計算の流れについて、詳細に説明する。図１２は、本実施形態に係る光学定数測定方法におけるモンテカルロ計算について説明するための説明図であり、図１３は、本実施形態に係る光学定数測定方法におけるモンテカルロ計算の流れの一例を示した流れ図である。
　以下では、図１２に示したような配置で各光ファイバが配置された測定プローブ２０において、戻り光の強度を算出する場合を例に挙げて、説明を行うものとする。本実施形態に係るモンテカルロ計算では、図１２に示したようなバンドルファイバ２０１のアライメントに対して、設定した吸収係数及び散乱係数により、１光子の散乱方向及び移動距離を乱数で決め、受光用光ファイバ２０５，２０７，２０９の何れかに到達した光子の個数を積算していき、光子が吸収により消失するか又は測定外に離脱するまで、１光子の光路をトレースする。
　ここで、図１２に示したような仮想的な演算空間の大きさは、適宜設定すればよい。例えば、仮想的な演算空間の厚みｄ（仮想的な空間のＺ軸方向の長さ）は、照射光の波長に応じて適宜設定すればよく、例えば２ｍｍ程度の値とすることができる。また、仮想的な演算空間のＸ軸方向の長さ、及び、Ｙ軸方向の長さについても、バンドルファイバ２０１のアライメントや、求める計算精度等に応じて、適宜決定すればよい。
　このような計算を多数の光子（統計的に有意な数の光子、例えば、１０７個程度）に対して繰り返し行なうことにより、統計的に送光された光が試料を経由して受光ファイバに到達する割合を、散乱係数及び吸収係数の関数として求める。その上で、統計的に得られた、各受光用光ファイバにおける送光強度に対する相対強度が、得られた検出値に合致するまで（詳細には、検出値との差分が所定の閾値以下となるまで）、散乱係数及び吸収係数を変化させて、繰り返し計算を行なう。
　具体的には、図１３に示したように、光学定数算出部４０５は、送光用光ファイバ２０３の位置に対応する送光面から、光子を１つ入射させる（ステップＳ２０１）。
　入射させた１つの光子について、光学定数算出部４０５は、光子の散乱方向と移動距離を算出する（ステップＳ２０３）。
　具体的には、光学定数算出部４０５は、まず、算出に利用する乱数を、公知の方法により発生させる。例えば、光学定数算出部４０５は、公知の演算ライブラリを用いて、一様分布乱数を発生させるとともに、発生させた一様分布乱数を用いて、例えばボックスミュラー法等の公知の方法により、正規分布乱数を発生させる。
　その上で、光学定数算出部４０５は、以下の式（１０１）により、１光子の移動距離Ｌを算出する。ここで、以下の式（１０１）において、Ｒは、発生させた一様分布乱数（０＜Ｒ≦１）であり、μｓは、設定されている散乱係数［ｍｍ－１］である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　また、光学定数算出部４０５は、乱数を用いた公知の方法により、光子の移動方向を算出する。例えば、光学定数算出部４０５は、設定された異方性パラメータｇ（－１≦ｇ≦１）と、一様分布乱数Ｒと、を用いた、以下の式（１０３）で表されるＨｅｎｙｅｙ－Ｇｒｅｅｎｓｔｅｉｎ関数を用いて、まず、ある平面内における光子の移動方向を算出する。ここで、以下の式（１０３）において、θは、平面内の散乱方向を示す角度である。また、以下の式（１０３）におけるｃｏｓθの具体的な値は、以下の式（１０５）により算出する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　その上で、光学定数算出部４０５は、上記式（１０３）及び式（１０５）で得られた平面ベクトルを、３次元展開する。具体的には、光学定数算出部４０５は、以下の式（１０７）を用いて、光子のもとの進行方向（移動前の進行方向）Ω０＝（ｕｘ，ｕｙ，ｕｚ）を一様分布乱数φ（０＜φ＜１）で回転させて、得られた平面ベクトルを３次元展開する。このようにして、光学定数算出部４０５は、着目している光子の散乱方向Ωを算出することができる。ただし、ｕｘ ２＋ｕｙ ２＝１－ｕｘ ２≒０とみなすことができる場合は、以下の式（１０７）に換えて、以下の式（１０９）を用いることができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　その後、光学定数算出部４０５は、上記の算出結果に基づき、光子を移動させる（ステップＳ２０５）。この際、光学定数算出部４０５は、移動距離Ｌに基づき、光子の吸収量を算出する（ステップＳ２０７）。具体的には、以下の式（１１１）に示すＬａｍｂｅｒｔ－ｂｅｅｒの法則に基づき、吸収量Ａｂｓを算出する。ここで、以下の式（１１１）において、Ｗ０は、移動前の光子の重み（重み初期値は、例えば１とすることができる。）であり、μａは、吸収係数［ｍｍ－１］であり、Ｌは、移動距離である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　続いて、光学定数算出部４０５は、光子が演算対象領域とする仮想的な演算空間の境界に達したか否かの判定を行い、あわせて、受光用光ファイバの何れかに到達したか否かを判断する。その上で、受光用光ファイバの何れかに到達した光子の数である到達光子数、及び、演算対象領域から離脱した光子の数である離脱光子数を更新する（ステップＳ２０９）。境界判定に際して、境界面での光子の反射や透過を判断する際には、被測定物Ｓの屈折率ｎに基づき、フレネル反射が考慮される。
　次に、光学定数算出部４０５は、算出した吸収量に基づき、光子の重みの判定（モンテカルロ計算における、いわゆるロシアン・ルーレット）を実施して、光子が消失したか否かを判断する（ステップＳ２１１）。具体的には、光学定数算出部４０５は、算出した吸収量から、移動後の光子の重みを算出し、得られた光子の重みを所定の閾値と大小比較する。
　得られた光子の重みが所定の閾値以上であり、かつ、光子が演算対象領域の内部に存在する場合には、光学定数算出部４０５は、１光子は、消失していないと判断する（ステップＳ２１１－ＮＯ）。その後、光学定数算出部４０５は、ステップＳ２０３に戻って、新たに発生させた乱数に従い、光子の散乱方向及び散乱距離の算出を繰り返す。
　一方、得られた光子の重みが所定の閾値未満であった場合には、光学定数算出部４０５は、１光子が消失したと判断する（ステップＳ２１１－ＹＥＳ）。その後、光学定数算出部４０５は、予め設定された全ての光子について、計算が終了したか否かを判断する（ステップＳ２１３）。
　全ての光子の計算が終了していない場合（ステップＳ２１３－ＮＯ）、光学定数算出部４０５は、ステップＳ２０１に戻って、新たな光子を１つ、演算対象領域内に入射させる。また、全ての光子の計算が終了した場合（ステップＳ２１３－ＹＥＳ）、光学定数算出部４０５は、各受光用光ファイバに到達した合計光子数を用いて、各受光用光ファイバ間での戻り光の相対強度を算出する（ステップＳ２１５）。
　以上、本実施形態に係るモンテカルロ計算について、図１２及び図１３を参照しながら、詳細に説明した。
　なお、バンドルファイバ２０１のアライメントを固定しておけば、あらかじめ散乱係数及び吸収係数に対する受光量の相対強度を計算したルックアップテーブルを作成し、記憶部４１１等に格納しておくことにより、モンテカルロ法－差分最小化の繰り返し計算を行なわずに、おおよその光学定数を算出することも可能である。
＜演算処理部４０のハードウェア構成について＞
　次に、図１４を参照しながら、本実施形態に係る演算処理部４０のハードウェア構成について、詳細に説明する。図１４は、本開示の実施形態に係る演算処理部４０のハードウェア構成を説明するためのブロック図である。
　演算処理部４０は、主に、ＣＰＵ９０１と、ＲＯＭ９０３と、ＲＡＭ９０５と、を備える。また、演算処理部４０は、更に、ホストバス９０７と、ブリッジ９０９と、外部バス９１１と、インターフェース９１３と、入力装置９１５と、出力装置９１７と、ストレージ装置９１９と、ドライブ９２１と、接続ポート９２３と、通信装置９２５とを備える。
　ＣＰＵ９０１は、中心的な処理装置及び制御装置として機能し、ＲＯＭ９０３、ＲＡＭ９０５、ストレージ装置９１９、又はリムーバブル記録媒体９２７に記録された各種プログラムに従って、演算処理部４０内の動作全般又はその一部を制御する。ＲＯＭ９０３は、ＣＰＵ９０１が使用するプログラムや演算パラメータ等を記憶する。ＲＡＭ９０５は、ＣＰＵ９０１が使用するプログラムや、プログラムの実行において適宜変化するパラメータ等を一次記憶する。これらはＣＰＵバス等の内部バスにより構成されるホストバス９０７により相互に接続されている。
　ホストバス９０７は、ブリッジ９０９を介して、ＰＣＩ（Ｐｅｒｉｐｈｅｒａｌ　Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ　Ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔ／Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）バスなどの外部バス９１１に接続されている。
　入力装置９１５は、例えば、マウス、キーボード、タッチパネル、ボタン、スイッチ及びレバーなどユーザが操作する操作手段である。また、入力装置９１５は、例えば、赤外線やその他の電波を利用したリモートコントロール手段（いわゆる、リモコン）であってもよいし、演算処理部４０の操作に対応した携帯電話やＰＤＡ等の外部接続機器９２９であってもよい。さらに、入力装置９１５は、例えば、上記の操作手段を用いてユーザにより入力された情報に基づいて入力信号を生成し、ＣＰＵ９０１に出力する入力制御回路などから構成されている。ユーザは、この入力装置９１５を操作することにより、演算処理部４０に対して各種のデータを入力したり処理動作を指示したりすることができる。
　出力装置９１７は、取得した情報をユーザに対して視覚的又は聴覚的に通知することが可能な装置で構成される。このような装置として、ＣＲＴディスプレイ装置、液晶ディスプレイ装置、プラズマディスプレイ装置、ＥＬディスプレイ装置及びランプなどの表示装置や、スピーカ及びヘッドホンなどの音声出力装置や、プリンタ装置、携帯電話、ファクシミリなどがある。出力装置９１７は、例えば、演算処理部４０が行った各種処理により得られた結果を出力する。具体的には、表示装置は、演算処理部４０が行った各種処理により得られた結果を、テキスト又はイメージで表示する。他方、音声出力装置は、再生された音声データや音響データ等からなるオーディオ信号をアナログ信号に変換して出力する。
　ストレージ装置９１９は、演算処理部４０の記憶部の一例として構成されたデータ格納用の装置である。ストレージ装置９１９は、例えば、ＨＤＤ（Ｈａｒｄ　Ｄｉｓｋ　Ｄｒｉｖｅ）等の磁気記憶デバイス、半導体記憶デバイス、光記憶デバイス、又は光磁気記憶デバイス等により構成される。このストレージ装置９１９は、ＣＰＵ９０１が実行するプログラムや各種データ、及び外部から取得した各種データなどを格納する。
　ドライブ９２１は、記録媒体用リーダライタであり、演算処理部４０に内蔵、あるいは外付けされる。ドライブ９２１は、装着されている磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスク、又は半導体メモリ等のリムーバブル記録媒体９２７に記録されている情報を読み出して、ＲＡＭ９０５に出力する。また、ドライブ９２１は、装着されている磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスク、又は半導体メモリ等のリムーバブル記録媒体９２７に記録を書き込むことも可能である。リムーバブル記録媒体９２７は、例えば、ＤＶＤメディア、ＨＤ－ＤＶＤメディア、Ｂｌｕ－ｒａｙ（登録商標）メディア等である。また、リムーバブル記録媒体９２７は、コンパクトフラッシュ（登録商標）（ＣｏｍｐａｃｔＦｌａｓｈ：ＣＦ）、フラッシュメモリ、又は、ＳＤメモリカード（Ｓｅｃｕｒｅ　Ｄｉｇｉｔａｌ　ｍｅｍｏｒｙ　ｃａｒｄ）等であってもよい。また、リムーバブル記録媒体９２７は、例えば、非接触型ＩＣチップを搭載したＩＣカード（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　Ｃｉｒｃｕｉｔ　ｃａｒｄ）又は電子機器等であってもよい。
　接続ポート９２３は、機器を演算処理部４０に直接接続するためのポートである。接続ポート９２３の一例として、ＵＳＢ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ　Ｓｅｒｉａｌ　Ｂｕｓ）ポート、ＩＥＥＥ１３９４ポート、ＳＣＳＩ（Ｓｍａｌｌ　Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ｓｙｓｔｅｍ　Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）ポート等がある。接続ポート９２３の別の例として、ＲＳ－２３２Ｃポート、光オーディオ端子、ＨＤＭＩ（登録商標）（Ｈｉｇｈ－Ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ　Ｍｕｌｔｉｍｅｄｉａ　Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）ポート等がある。この接続ポート９２３に外部接続機器９２９を接続することで、演算処理部４０は、外部接続機器９２９から直接各種データを取得したり、外部接続機器９２９に各種データを提供したりする。
　通信装置９２５は、例えば、通信網９３１に接続するための通信デバイス等で構成された通信インターフェースである。通信装置９２５は、例えば、有線又は無線ＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ　Ａｒｅａ　Ｎｅｔｗｏｒｋ）、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、又はＷＵＳＢ（Ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ＵＳＢ）用の通信カード等である。また、通信装置９２５は、光通信用のルータ、ＡＤＳＬ（Ａｓｙｍｍｅｔｒｉｃ　Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｓｕｂｓｃｒｉｂｅｒ　Ｌｉｎｅ）用のルータ、又は、各種通信用のモデム等であってもよい。この通信装置９２５は、例えば、インターネットや他の通信機器との間で、例えばＴＣＰ／ＩＰ等の所定のプロトコルに則して信号等を送受信することができる。また、通信装置９２５に接続される通信網９３１は、有線又は無線によって接続されたネットワーク等により構成され、例えば、インターネット、家庭内ＬＡＮ、赤外線通信、ラジオ波通信又は衛星通信等であってもよい。
　以上、本開示の実施形態に係る演算処理部４０の機能を実現可能なハードウェア構成の一例を示した。上記の各構成要素は、汎用的な部材を用いて構成されていてもよいし、各構成要素の機能に特化したハードウェアにより構成されていてもよい。従って、本実施形態を実施する時々の技術レベルに応じて、適宜、利用するハードウェア構成を変更することが可能である。
　以下では、実施例及び比較例を示しながら、本開示に係る光学定数測定装置及び光学定数測定方法について、具体的に説明する。なお、以下に示す実施例は、本開示に係る光学定数測定装置及び光学定数測定方法のあくまでも一例にすぎず、本開示に係る光学定数測定装置及び光学定数測定方法が下記の例に限定されるものではない。
（実施例１）
　実施例１では、図１５に示したようにコア直径０．４０ｍｍのマルチモード光ファイバ（屈折率ｎ＝１．４５～１．４６。導光させる光の波長によって異なる。）が配置されたバンドルファイバ２０１を想定し、仮想的な試料の散乱係数及び吸収係数を変化させながら、１０７個の光子を入射させた場合の戻り光の強度を上述のモンテカルロ計算により算出した。ここで、以下の説明では、送光用光ファイバ２０３の端面を、「スポット１」と称することとし、受光用光ファイバ２０７，２０９，２１１の端面を、それぞれ、「スポット２」、「スポット３」、「スポット４」と称することとする。
　スポット０から試料に入射した照射光は、試料内部で散乱され、試料内部で吸収されるとともに、ある部分は透過し、また、ある部分は試料表面へと戻ってくる。
　図１６Ａ～図１６Ｃに、吸収係数μａ［ｍｍ－１］をパラメータとし（μａ＝０．１、０．０１、０．００１）、散乱係数μｓ［ｍｍ－１］を１～３０の間で変化させたときの各スポットへの戻り光強度をプロットしたものを示した。図１６Ａ～図１６Ｃにおいて、縦軸は、戻り光強度（到達光子数）である。また、図１６Ａ～図１６Ｃにおいて、「○」で示したプロットは、スポット０に対応し、「△」で示したプロットは、スポット１に対応し、「□」で示したプロットは、スポット２に対応し、「◇」で示したプロットは、スポット３に対応する。
　図１６Ａ～図１６Ｃから明らかなように、スポット０への戻り光強度が、他のスポットにおける戻り光強度よりも大きく、また、散乱係数が増すにつれて、ほぼリニアに増加していることがわかる。
　また、スポット０から距離のあるスポット１～スポット３について、散乱係数の値が小さいうちは、散乱係数とともにほぼリニアに戻り光強度が増加するが、散乱係数が大きくなると、距離の大きなスポットほど、戻り光の増加量は減少する傾向があることがわかる。
　図１７Ａ～図１７Ｃは、上記のような挙動をより鮮明なものとするために、戻り光相対強度を算出して、得られた算出結果をプロットしたものである。図１７Ａ～図１７Ｃにおいて、「○」で示したプロットは、スポット２／スポット１の相対強度に対応し、「△」で示したプロットは、スポット３／スポット１の相対強度に対応し、「□」で示したプロットは、スポット３／スポット２の相対強度に対応する。
　図１７Ａ～図１７Ｃから明らかなように、受光用光ファイバに対応するスポット間での戻り光相対強度をプロットすることで、送光用のスポット０から離れた位置での戻り光強度の挙動の違いがより明確になる。また、図１７Ａ～図１７Ｃから明らかなように、スポット２／スポット１の相対強度と、スポット３／スポット１の相対強度とでは、同じ吸収係数のときに、相対強度のピークを与える散乱係数の値が、互いに相違していることがわかる。
　以上の結果から、各受光用光ファイバに戻ってくる戻り光の強度は、試料の散乱係数及び吸収係数によって決まり、戻り光の相対強度を利用して試料の散乱係数及び吸収係数が算出可能であることがわかる。
（実施例２）
　実施例２では、図１５に示したようにコア直径０．４０ｍｍのマルチモード光ファイバ（屈折率ｎ＝１．４５～１．４６。導光させる光の波長によって異なる。）が配置されたバンドルファイバ２０１を測定プローブ２０として用いて、豚脳灰白質、豚脳白質、ヒドロキシアパタイトの光学定数（散乱係数及び吸収係数）を、モンテカルロ計算を利用した本開示に係る光学定数測定方法により算出した。
　なお、豚脳灰白質は、豚の脳表面から採取したものを利用し、豚脳白質は、豚の脳表面から灰白質を除去した部分を測定に用いた。また、ヒドロキシアパタイトは、２ｍｍ厚×直径１ｃｍに加工した板状試料を測定に用いた。
　ハイドロキシアパタイトの測定では、４０５ｎｍのレーザ光を照射光として使用し、豚脳の測定では、８２０ｎｍのレーザ光を照射光として使用した。照射光は、光チョッパでチョップした後、図７に示したような構成例の測定プローブ２０に導入した。はじめに、送光用光ファイバ２０３からの照射光の出射強度を測定した後、測定プローブ２０を試料におしつけ、受光用光ファイバ２０７，２０９，２１１からの戻り光を、ロックインアンプによりロックイン検出した。
　図１８Ａに、照射光の出射強度と、各受光用光ファイバでの戻り光強度とを、ロックインアンプの信号強度（ｍＶ）で示した。なお、図１８Ａにおいて、スポット１は、受光用光ファイバ２０７に対応し、スポット２は、受光用光ファイバ２０９に対応し、スポット３は、受光用光ファイバ２１１に対応している。
　得られた検出値と、図１５に示したようなバンドルファイバ端面での光ファイバ配置と、を用いて、先だって説明したようなモンテカルロ計算により、豚脳灰白質、豚脳白質、ヒドロキシアパタイトのそれぞれの測定波長での散乱係数及び吸収係数を算出した。得られた結果を、図１８Ａに示した表にあわせて示した。
（比較例２）
　積分球を用いた従来の測定により、実施例２で用いた試料について、散乱係数及び吸収係数の測定を行なった。なお、豚脳白質及び豚脳灰白質は、それぞれ切り出し、厚みを１ｍｍ及び２ｍｍに規定したガラスセルに挟んで、測定を行った。また、ヒドロキシアパタイトは、実施例２で用いたものに加え、厚み１ｍｍの試料についても用意した。
　積分球を用いて測定された透過率及び反射率を、図１８Ｂに示した。これらの値から、モンテカルロ法により、散乱係数及び吸収係数を算出した。得られた結果を、図１８Ｂにあわせて示した。
　図１８Ａ及び図１８Ｂを比較すると明らかなように、比較例で得られた散乱係数及び吸収係数は、実施例２での測定で得られた散乱係数及び吸収係数と極めて一致しており、本開示に係る光学定数測定方法により、被測定物Ｓの光学定数を、従来よりもより簡便に測定可能であることが確認された。
　以上、添付図面を参照しながら本開示の好適な実施形態について詳細に説明したが、本開示の技術的範囲はかかる例に限定されない。本開示の技術分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本開示の技術的範囲に属するものと了解される。
　また、本明細書に記載された効果は、あくまで説明的または例示的なものであって限定的ではない。つまり、本開示に係る技術は、上記の効果とともに、又は、上記の効果に代えて、本明細書の記載から当業者には明らかな他の効果を奏しうる。
　なお、以下のような構成も本開示の技術的範囲に属する。
（１）
　被測定物に対して照射される所定波長の照射光を出射する光源部と、
　前記照射光を前記被測定物へと送光する送光用光ファイバ、及び、前記被測定物からの前記照射光の戻り光を受光する複数の受光用光ファイバが、前記送光用光ファイバと一つの前記受光用光ファイバとの間の離隔距離として、互いに異なる２以上の値が存在するようにバンドルされたバンドルファイバを有し、前記バンドルファイバの一方の端部が前記被測定物に対して当接される測定プローブと、
　前記複数の受光用光ファイバで受光された前記照射光の戻り光の強度を、それぞれの前記受光用光ファイバごとに検出する検出部と、
　前記それぞれの受光用光ファイバでの前記戻り光の強度の検出値を用いて、前記被測定物の光学定数を算出する演算処理部と、
を備える、光学定数測定装置。
（２）
　前記送光用光ファイバを光軸方向に対して垂直な方向に切断したときの断面積と、それぞれの前記受光用光ファイバを光軸方向に対して垂直な方向に切断したときの断面積と、の合計断面積は、前記バンドルファイバを光軸方向に対して垂直な方向に切断したときの断面積に対して、５６％以下である、（１）に記載の光学定数測定装置。
（３）
　前記送光用光ファイバとそれぞれの前記受光用光ファイバとの間の離隔距離は、５ｍｍ以下である、（１）又は（２）に記載の光学定数測定装置。
（４）
　前記バンドルファイバの口径は、１ｃｍ以下である、（１）～（３）の何れか１つに記載の光学定数測定装置。
（５）
　前記送光用光ファイバが、更に、前記被測定物からの前記照射光の戻り光を受光する受光用光ファイバとしても用いられる、（１）～（４）の何れか１つに記載の光学定数測定装置。
（６）
　前記演算処理部は、前記光学定数として、少なくとも前記被測定物の吸収係数及び散乱係数を算出する、（１）～（５）の何れか１つに記載の光学定数測定装置。
（７）
　前記演算処理部は、前記光学定数として、更に、前記被測定物の屈折率及び異方性パラメータの少なくとも何れかを算出する、（６）に記載の光学定数測定装置。
（８）
　前記演算処理部は、前記光学定数をモンテカルロ法により算出する、（１）～（７）の何れか１つに記載の光学定数測定装置。
（９）
　前記演算処理部は、前記光学定数を変化させながら、モンテカルロ法により前記複数の受光用光ファイバに到達する前記戻り光の強度を算出し、前記検出部により検出された前記戻り光の強度の検出値を与える前記光学定数の設定値を、前記被測定物の前記光学定数とする、（８）に記載の光学定数測定装置。
（１０）
　前記被測定物は、生体組織である、（１）～（９）の何れか１つに記載の光学定数測定装置。
（１１）
　光源部から被測定物に対して、所定波長の照射光を出射することと、
　前記照射光を前記被測定物へと送光する送光用光ファイバ、及び、前記被測定物からの前記照射光の戻り光を受光する複数の受光用光ファイバが、前記送光用光ファイバと一つの前記受光用光ファイバとの間の離隔距離として、互いに異なる２以上の値が存在するようにバンドルされている測定プローブを用いて、前記測定プローブの一方の端部を前記被測定物に対して当接することと、
　検出部により、前記複数の受光用光ファイバで受光された前記照射光の戻り光の強度を、それぞれの前記受光用光ファイバごとに検出することと、
　前記それぞれの受光用光ファイバでの前記戻り光の強度の検出値を用いて、前記被測定物の光学定数を算出することと、
を含む、光学定数測定方法。
　　　１　　光学定数測定装置
　　１０　　光源部
　　２０　　測定プローブ
　　３０　　検出部
　　４０　　演算処理部
　１０１　　光チョッパ
　２０１　　バンドルファイバ
　２０３　　送光用光ファイバ
　２０５，２０７，２０９，２１１，２１３　受光用光ファイバ
　３０１　　検出器
　３０３　　ロックインアンプ
　４０１　　測定制御部
　４０３　　測定データ取得部
　４０５　　光学定数算出部
　４０７　　算出結果出力部
　４０９　　表示制御部
　４１１　　記憶部

Claims (11)

  1. 　被測定物に対して照射される所定波長の照射光を出射する光源部と、
    　前記照射光を前記被測定物へと送光する送光用光ファイバ、及び、前記被測定物からの前記照射光の戻り光を受光する複数の受光用光ファイバが、前記送光用光ファイバと一つの前記受光用光ファイバとの間の離隔距離として、互いに異なる２以上の値が存在するようにバンドルされたバンドルファイバを有し、前記バンドルファイバの一方の端部が前記被測定物に対して当接される測定プローブと、
    　前記複数の受光用光ファイバで受光された前記照射光の戻り光の強度を、それぞれの前記受光用光ファイバごとに検出する検出部と、
    　前記それぞれの受光用光ファイバでの前記戻り光の強度の検出値を用いて、前記被測定物の光学定数を算出する演算処理部と、
    を備える、光学定数測定装置。
  2. 　前記送光用光ファイバを光軸方向に対して垂直な方向に切断したときの断面積と、それぞれの前記受光用光ファイバを光軸方向に対して垂直な方向に切断したときの断面積と、の合計断面積は、前記バンドルファイバを光軸方向に対して垂直な方向に切断したときの断面積に対して、５６％以下である、請求項１に記載の光学定数測定装置。
  3. 　前記送光用光ファイバとそれぞれの前記受光用光ファイバとの間の離隔距離は、５ｍｍ以下である、請求項１に記載の光学定数測定装置。
  4. 　前記バンドルファイバの口径は、１ｃｍ以下である、請求項１に記載の光学定数測定装置。
  5. 　前記送光用光ファイバが、更に、前記被測定物からの前記照射光の戻り光を受光する受光用光ファイバとしても用いられる、請求項１に記載の光学定数測定装置。
  6. 　前記演算処理部は、前記光学定数として、少なくとも前記被測定物の吸収係数及び散乱係数を算出する、請求項１に記載の光学定数測定装置。
  7. 　前記演算処理部は、前記光学定数として、更に、前記被測定物の屈折率及び異方性パラメータの少なくとも何れかを算出する、請求項６に記載の光学定数測定装置。
  8. 　前記演算処理部は、前記光学定数をモンテカルロ法により算出する、請求項１に記載の光学定数測定装置。
  9. 　前記演算処理部は、前記光学定数を変化させながら、モンテカルロ法により前記複数の受光用光ファイバに到達する前記戻り光の強度を算出し、前記検出部により検出された前記戻り光の強度の検出値を与える前記光学定数の設定値を、前記被測定物の前記光学定数とする、請求項８に記載の光学定数測定装置。
  10. 　前記被測定物は、生体組織である、請求項１に記載の光学定数測定装置。
  11. 　光源部から被測定物に対して、所定波長の照射光を出射することと、
    　前記照射光を前記被測定物へと送光する送光用光ファイバ、及び、前記被測定物からの前記照射光の戻り光を受光する複数の受光用光ファイバが、前記送光用光ファイバと一つの前記受光用光ファイバとの間の離隔距離として、互いに異なる２以上の値が存在するようにバンドルされている測定プローブを用いて、前記測定プローブの一方の端部を前記被測定物に対して当接することと、
    　検出部により、前記複数の受光用光ファイバで受光された前記照射光の戻り光の強度を、それぞれの前記受光用光ファイバごとに検出することと、
    　前記それぞれの受光用光ファイバでの前記戻り光の強度の検出値を用いて、前記被測定物の光学定数を算出することと、
    を含む、光学定数測定方法。
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