JP6671631B2 - Optical sensor, optical inspection device, and optical characteristic detection method - Google Patents

Optical sensor, optical inspection device, and optical characteristic detection method Download PDF

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Description

本発明は、光学センサ、光学検査装置、及び光学特性検出方法に係り、更に詳しくは、被検体に光を照射する照射系と該照射系から照射され前記被検体内を伝播した光の検出系とを備える光学センサ、該光学センサを備える光学検査装置、及び前記光学センサを用いる光学特性検出方法に関する。   The present invention relates to an optical sensor, an optical inspection device, and an optical characteristic detection method, and more particularly, to an irradiation system for irradiating a subject with light, and a detection system for irradiating light from the irradiation system and propagating in the subject. The present invention relates to an optical sensor including: an optical inspection device including the optical sensor; and an optical characteristic detecting method using the optical sensor.

従来、被検体(生体)に光を照射し、被検体内を伝播した光を検出する生体光計測装置が知られている(例えば特許文献1参照)。   2. Description of the Related Art Conventionally, a living body optical measurement device that irradiates a subject (living body) with light and detects light that has propagated inside the subject has been known (for example, see Patent Document 1).

この生体光計測装置では、被検体に装着される複数のプローブ(探針)のピッチを小さくし、高分解能を得ている。   In this biological optical measurement device, the pitch of a plurality of probes (probes) attached to a subject is reduced to obtain high resolution.

しかしながら、特許文献1に開示されている生体光計測装置では、被検体への装着性が低下していた。   However, in the biological optical measurement device disclosed in Patent Literature 1, the mountability to a subject is reduced.

本発明は、被検体の同一位置に非平行の複数の光を照射する光照射器を少なくとも1つ含む照射系と、前記照射系から照射され前記被検体内を伝播した光を検出する検出系と、を備え、前記光照射器は、複数の発光部を有する面発光レーザアレイと、前記複数の発光部からの複数の光の光路上に配置されたレンズと、を含み、前記複数の発光部のうち少なくとも2つの発光部から出射され前記レンズを介した光は互いに非平行であり、前記複数の発光部それぞれは、出射領域に略環状の誘電体を有し、前記少なくとも2つの発光部のうち少なくとも1つの発光部は、前記誘電体の中心が前記出射領域の中心からずれていることを特徴とする光学センサである。 The present invention provides an irradiation system including at least one light irradiator that irradiates a plurality of non-parallel lights to the same position of a subject, and a detection system that detects light emitted from the irradiation system and propagated in the subject. Wherein the light irradiator includes: a surface emitting laser array having a plurality of light emitting units; and a lens arranged on an optical path of a plurality of lights from the plurality of light emitting units; Ri light nonparallel der each other through the lens is emitted from at least two light emitting portion of the section, the plurality of light emitting portions each have a generally annular dielectric emission region, the at least two light emitting at least one light emitting portion of the part is an optical sensor in which the center of said dielectric is characterized that you have deviated from the center of the emission region.

本発明によれば、被検体への装着性を低下させず、かつ高分解能を得ることができる。   According to the present invention, it is possible to obtain high resolution without lowering the attachment to the subject.

本発明の第1実施形態に係る光学検査装置の概略構成を説明するための図である。It is a figure for explaining the schematic structure of the optical inspection device concerning a 1st embodiment of the present invention. ファントム用の水槽を説明するための図である。It is a figure for explaining the water tank for phantoms. 透明窓のレイアウトを説明するための図である。It is a figure for explaining the layout of a transparent window. 実施例1の光源モジュールの概略構成を説明するための図(その1)である。FIG. 2 is a diagram (part 1) for describing a schematic configuration of the light source module according to the first embodiment. 実施例1の検出モジュールの概略構成を説明するための図である。FIG. 3 is a diagram for explaining a schematic configuration of a detection module according to the first embodiment. 実施例1の光源モジュールの概略構成を説明するための図(その2)である。FIG. 3 is a diagram (part 2) for describing a schematic configuration of the light source module according to the first embodiment. 生体内伝播角度を説明するための図である。It is a figure for explaining a propagation angle in a living body. 被検体内の情報を計測する方法を説明するためのフローチャートである。5 is a flowchart for explaining a method for measuring information in a subject. 逆問題推定アルゴリズムに関するフローチャートである。It is a flowchart regarding an inverse problem estimation algorithm. フォトダイオード(PD)での感度分布を示す図(その1)である。FIG. 3 is a diagram (part 1) illustrating a sensitivity distribution in a photodiode (PD). PDでの感度分布を示す図(その2)である。FIG. 10 is a diagram (part 2) illustrating a sensitivity distribution in PD. 生体内伝播角度を説明するための図である。It is a figure for explaining a propagation angle in a living body. 図13(A)は、吸光体の実際の位置を示す図であり、図13(B)は、吸光体の位置の推定結果を示す図であり、図13(C)は、比較例における吸光体の位置の検出結果を示す図である。FIG. 13A is a diagram illustrating the actual position of the light absorber, FIG. 13B is a diagram illustrating the estimation result of the position of the light absorber, and FIG. It is a figure showing a detection result of a position of a body. 図14(A)は、移動後の吸光体の実際の位置を示す図であり、図14(B)は、移動後の吸光体の位置の推定結果を示す図であり、図14(C)は、比較例における吸光体の位置の検出結果を示す図である。14A is a diagram showing the actual position of the light absorber after the movement, and FIG. 14B is a diagram showing the estimation result of the position of the light absorber after the movement, and FIG. FIG. 7 is a diagram showing a detection result of a position of a light absorber in a comparative example. 実施例2の光学センサにおける複数の光源モジュールと複数の検出モジュールの配置を説明するための図である。FIG. 9 is a diagram for explaining the arrangement of a plurality of light source modules and a plurality of detection modules in the optical sensor according to the second embodiment. 実施例2の光源モジュールLMを説明するための図である。FIG. 9 is a diagram for explaining a light source module LM according to a second embodiment. 実施例2の光源モジュールLMの面発光レーザアレイチップを説明するための図である。FIG. 9 is a diagram for describing a surface emitting laser array chip of a light source module LM according to a second embodiment. 実施例1及び2の光源モジュールの追加的な構成を説明するための図(その1)である。FIG. 9 is a diagram (part 1) for describing an additional configuration of the light source modules of the first and second embodiments. 実施例1及び2の光源モジュールの追加的な構成を説明するための図(その2)である。FIG. 9 is a diagram (part 2) for describing an additional configuration of the light source modules of the first and second embodiments. 実施例1及び2の光源モジュールの追加的な構成を説明するための図(その3)である。FIG. 11 is a diagram (part 3) for describing an additional configuration of the light source modules of the first and second embodiments. 光学シミュレータで光学設計した光線図である。FIG. 3 is a ray diagram optically designed by an optical simulator. 第1実施形態における光学シミュレーションの結果を示す図である。FIG. 6 is a diagram illustrating a result of an optical simulation according to the first embodiment. 比較例における光学シミュレーションの結果を示す図である。FIG. 9 is a diagram illustrating a result of an optical simulation in a comparative example. 実施例2の変形例1の面発光レーザアレイチップにおける面発光レーザ素子の構成を説明するための図である。FIG. 9 is a diagram for describing a configuration of a surface emitting laser element in a surface emitting laser array chip according to a first modification of the second embodiment. 図25(A)及び図25(B)は、それぞれ傾斜基板を説明するための図(その1及びその2)である。FIGS. 25A and 25B are diagrams (part 1 and part 2) for explaining an inclined substrate, respectively. 図26(A)〜図26(D)は、それぞれ実施例2の変形例1の面発光レーザアレイチップにおけるオフセット分布モデル1を説明するための図(その1〜その4)である。FIGS. 26A to 26D are diagrams (parts 1 to 4) for describing an offset distribution model 1 in the surface emitting laser array chip according to the first modification of the second embodiment. 実施例2の変形例1における、環状誘電体の中心の出射領域の中心からのずれ量と、出射方向のZ軸に対する傾斜角の関係を示す図である。FIG. 14 is a diagram illustrating a relationship between a shift amount of the center of the annular dielectric from the center of the emission region and a tilt angle of the emission direction with respect to the Z axis in the first modification of the second embodiment. 図28(A)〜図28(D)は、それぞれ実施例2の変形例2の面発光レーザアレイチップにおけるオフセット分布モデル2を説明するための図(その1〜その4)である。FIGS. 28A to 28D are diagrams (parts 1 to 4) for describing an offset distribution model 2 in the surface emitting laser array chip according to the second modification of the second embodiment. 実施例2の変形例3の面発光レーザアレイチップにおけるオフセット分布モデル3を説明するための図である。FIG. 14 is a diagram for explaining an offset distribution model 3 in a surface emitting laser array chip according to a modification 3 of the second embodiment. 比較例の光源モジュールによる作用を説明するための図である。It is a figure for explaining an operation by a light source module of a comparative example. 実施例2の変形例1〜3の光源モジュールによる作用を説明するための図である。FIG. 14 is a diagram for explaining an operation of the light source modules of Modifications 1 to 3 of the second embodiment. 図32(A)は、比較例の光学センサの作用を説明するための図であり、図32(B)は、第1実施形態の光学センサの作用を説明するための図である。FIG. 32A is a diagram for explaining the operation of the optical sensor of the comparative example, and FIG. 32B is a diagram for explaining the operation of the optical sensor of the first embodiment. 空気から生体への入射角と生体内伝播角度との関係を示すグラフである。6 is a graph showing a relationship between an incident angle from air to a living body and a propagation angle in the living body. 樹脂から生体への入射角と生体内伝播角度との関係を示すグラフである。5 is a graph showing a relationship between an incident angle from a resin to a living body and an in-vivo propagation angle. 実施例2の検出モジュールの概略構成を説明するための図(その1)である。FIG. 11 is a diagram (part 1) for describing a schematic configuration of a detection module according to a second embodiment. 実施例2の検出モジュールの概略構成を説明するための図(その2)である。FIG. 10 is a diagram (part 2) for describing a schematic configuration of the detection module according to the second embodiment. 実施例2の検出モジュールの概略構成を説明するための図(その3)である。FIG. 11 is a diagram (part 3) for describing a schematic configuration of the detection module according to the second embodiment. 実施例2の光学特性検出方法(位置測定方法)を説明するためのフローチャートである。9 is a flowchart illustrating an optical characteristic detection method (position measurement method) according to a second embodiment. 実施例2での逆問題推定の推定結果を示す図である。FIG. 14 is a diagram illustrating an estimation result of the inverse problem estimation in the second embodiment. 第1実施形態の光学センサの作用を説明するための図である。FIG. 4 is a diagram for explaining the operation of the optical sensor according to the first embodiment. 第2実施形態の光学特性検出方法(位置測定方法)を説明するためのフローチャートである。It is a flowchart for demonstrating the optical characteristic detection method (position measurement method) of 2nd Embodiment. 第3実施形態の光学センサにおける複数の光源モジュールと複数の検出モジュールの配置を説明するための図である。It is a figure for explaining arrangement of a plurality of light source modules and a plurality of detection modules in an optical sensor of a 3rd embodiment. 比較例の光学センサにおける各光源モジュールの出射方向及び各検出モジュールの検出方向を説明するための図である。FIG. 8 is a diagram for explaining an emission direction of each light source module and a detection direction of each detection module in the optical sensor of the comparative example. 図44(A)は、第4実施形態の面発光レーザアレイチップの4つのグループの出射方向を説明するための図であり、図44(B)は、第4実施形態のPDアレイの4つのPDの検出方向を説明するための図である。FIG. 44A is a view for explaining the emission directions of four groups of the surface emitting laser array chip of the fourth embodiment, and FIG. 44B is a view for explaining four emission directions of the PD array of the fourth embodiment. FIG. 3 is a diagram for explaining a detection direction of a PD. 第4実施形態の光学センサにおける各光源モジュールの出射方向及び各検出モジュールの検出方向を説明するための図である。It is a figure for explaining an outgoing direction of each light source module and a detection direction of each detection module in an optical sensor of a 4th embodiment. 制御部の構成を示すブロック図である。FIG. 3 is a block diagram illustrating a configuration of a control unit. 計算部の構成を示すブロック図である。FIG. 3 is a block diagram illustrating a configuration of a calculation unit.

《第1実施形態》
以下に、本発明の第1実施形態を図1〜図40に基づいて説明する。図1には、第1実施形態に係る光学検査装置1000の概略構成が示されている。
<< 1st Embodiment >>
Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 shows a schematic configuration of an optical inspection apparatus 1000 according to the first embodiment.

光学検査装置1000は、一例として、拡散光トモグラフィー(DOT)に用いられる。DOTは、例えば生体などの被検体(散乱体)に光を照射し、被検体内を伝播した光を検出して、被検体内部の光学特性を推定する技術である。特に、脳内の血流を検出することで、うつ症状の鑑別診断補助やリハビリテーションの補助機器として利用が期待されている。DOTでは、分解能が向上すると、脳の機能を詳細に理解できることから、多くの研究機関で、分解能を向上させる研究が盛んに行われている。   The optical inspection apparatus 1000 is used for diffuse optical tomography (DOT), for example. DOT is a technique for irradiating a subject (scattering body) such as a living body with light, detecting light propagated inside the subject, and estimating optical characteristics inside the subject. In particular, by detecting blood flow in the brain, it is expected to be used as a diagnostic aid for depressive symptoms and an assistive device for rehabilitation. In the DOT, when the resolution is improved, the function of the brain can be understood in detail. Therefore, many research institutes are actively conducting research for improving the resolution.

光学検査装置1000は、図1に示されるように、複数の発光部を有する光源モジュールLM及び検出モジュールDMを含む光学センサ10、制御部、表示部、計算部などを備えている。制御部は、図46のブロック図に示されるように構成されている。制御部では、中央処理装置A−1からの情報によって、スイッチ部が制御され、発光するLMが選択される。このとき、スイッチ部を介してLMに供給される電流が電流制御部で所望の値に制御される。DMでの検出結果(データ)は、A/D変換され、演算部(A−2)で平均化処理などの演算が行われる。演算部(A−2)での演算結果は、順次記録部(A−3)に記録される。   As shown in FIG. 1, the optical inspection apparatus 1000 includes an optical sensor 10 including a light source module LM having a plurality of light emitting units and a detection module DM, a control unit, a display unit, a calculation unit, and the like. The control unit is configured as shown in the block diagram of FIG. In the control unit, the switch unit is controlled by the information from the central processing unit A-1, and the light emitting LM is selected. At this time, the current supplied to the LM via the switch is controlled to a desired value by the current controller. The detection result (data) in the DM is A / D converted, and an operation such as an averaging process is performed in the operation unit (A-2). The calculation results in the calculation unit (A-2) are sequentially recorded in the recording unit (A-3).

本明細書中、光源モジュールLM及び検出モジュールDMを、区別しない場合は、プローブとも呼ぶ。また、本明細書では、適宜、擬似生体、生体、被検体の文言を用いるが、擬似生体、生体が被検体の具体例であることに変わりはない。   In this specification, the light source module LM and the detection module DM are also referred to as probes when not distinguished. Further, in the present specification, the terms “simulated living body”, “living body”, and “subject” are used as appropriate, but the “simulated living body” and “living body” are still specific examples of the subject.

光学センサ10は、被検体中の吸光体を検出するセンサとして汎用的に利用できるが、最も利用価値が高い被検体は生体である。しかしながら、一般に、光学センサを用いて生体の血流(吸光体)の位置を検出することは必ずしも容易ではなく、被検体を生体とすると、光学センサ10による効果(検出精度)を確認し難い。   The optical sensor 10 can be generally used as a sensor for detecting a light absorber in a subject, but a subject having the highest utility value is a living body. However, in general, it is not always easy to detect the position of a blood flow (light absorber) in a living body using an optical sensor, and it is difficult to confirm the effect (detection accuracy) of the optical sensor 10 when the subject is a living body.

そこで、本実施形態では、汎用性をもたせるとともに、検出精度を確認し易い被検体として、水槽に入った白濁液である擬似生体(ファントムとも呼ぶ)を採用している。   Therefore, in the present embodiment, a simulated living body (also referred to as a phantom) that is a cloudy liquid contained in an aquarium is used as a subject that has versatility and allows easy detection accuracy.

以下に、本実施形態の実施例1について説明する。
〈実施例1〉
Hereinafter, Example 1 of the present embodiment will be described.
<Example 1>

実施例1では、各発光部からの光線をプリズムによって偏向させて、被検体への入射角を光線間で異ならせる方法を採用している。ここでは、図2に示されるように、各壁が黒色のアクリル板で構成された水槽の一側壁(+Z側の壁)の8箇所に透明なアクリル板から成る透明窓を設けている。水槽の内部は、イントラピッド水溶液(イントラピッド10%濃度を10倍に希釈)で満たされている。すなわち、実施例1で使用する擬似生体は、イントラリピッド水溶液である。
この水槽内に満たされたイントラピッド水溶液に黒いインクを約20ppm程度となるように滴下して、ほぼ生体と同一の吸収係数及び散乱係数とする。そして、この白濁したイントラピッド水溶液に血流に模した黒色の吸光体を沈める。吸光体は、黒色のポリアセタールとして、約5mm直径の球体とする。この球体の位置を制御できるように、自動ステージに接続された1mm径の細い金属棒に該球体を固定する。この水槽の各透明窓に、プローブを正確に位置決めして装着する。
In the first embodiment, a method is employed in which light beams from the respective light emitting units are deflected by a prism so that the angle of incidence on the subject differs between the light beams. Here, as shown in FIG. 2, transparent windows made of a transparent acrylic plate are provided at eight locations on one side wall (+ Z side wall) of a water tank in which each wall is formed of a black acrylic plate. The inside of the water tank is filled with an intrarapid aqueous solution (intrapid 10% concentration diluted 10-fold). That is, the simulated living body used in Example 1 is an aqueous intralipid solution.
Black ink is dripped into the intrarapid aqueous solution filled in this water tank so as to have a concentration of about 20 ppm, so that the absorption coefficient and the scattering coefficient are almost the same as those of a living body. Then, a black light absorber simulating the blood flow is submerged in the cloudy intrapid aqueous solution. The light absorber is a sphere having a diameter of about 5 mm as a black polyacetal. The sphere is fixed to a thin metal rod having a diameter of 1 mm connected to an automatic stage so that the position of the sphere can be controlled. A probe is accurately positioned and attached to each transparent window of the water tank.

ここでは、水槽の容積は、140mm×140mm×60mmである。黒色のアクリル板の厚さは、4mmである。8つの透明窓は、2種類の大きさの円形の透明窓A、Bで構成されている。透明窓A、Bは、4つずつある。透明窓Aの直径は9mm、透明窓Bの直径は12mmである。透明窓A、Bの厚さは、いずれも1.5mmである。   Here, the volume of the water tank is 140 mm × 140 mm × 60 mm. The thickness of the black acrylic plate is 4 mm. The eight transparent windows are composed of circular transparent windows A and B of two different sizes. There are four transparent windows A and B each. The diameter of the transparent window A is 9 mm, and the diameter of the transparent window B is 12 mm. The thickness of each of the transparent windows A and B is 1.5 mm.

図3には、8つの透明窓のレイアウトが示されている。8つの透明窓は、透明窓A、Bが隣り合うようにX軸方向及びY軸方向に等間隔で格子状に配置されている。ここでは、各透明窓Aには検出モジュールDMが装着され、各透明窓B(B1〜B4)には光源モジュールLMが装着される。隣り合う2つの透明窓の中心間の距離は、30mmである。   FIG. 3 shows a layout of eight transparent windows. The eight transparent windows are arranged in a grid at equal intervals in the X-axis direction and the Y-axis direction such that the transparent windows A and B are adjacent to each other. Here, the detection module DM is mounted on each transparent window A, and the light source module LM is mounted on each transparent window B (B1 to B4). The distance between the centers of two adjacent transparent windows is 30 mm.

光源モジュールLMは、図4に示されるように、レンズ、プリズム、面発光レーザアレイチップが実装されたセラミックパッケージ(不図示)、該セラミックパッケージやアナログ電子回路が実装されたフレキ基板(不図示)、該フレキ基板に結線されている配線、コネクタ部(不図示)、これらが収容された筐体、被検体と接触する透明樹脂からなる窓部材などを含む。光源モジュールLMでは、電源部(不図示)により適切な電流値に制御することで発光部の光量を一定に保つことができる。光源モジュールLMは、被検体(透明窓B)に窓部材が+Z側から接触された状態で装着される。   As shown in FIG. 4, the light source module LM includes a ceramic package (not shown) on which a lens, a prism, and a surface emitting laser array chip are mounted, and a flexible substrate (not shown) on which the ceramic package and an analog electronic circuit are mounted. , A wiring connected to the flexible board, a connector section (not shown), a housing in which these are accommodated, a window member made of a transparent resin that comes into contact with the subject, and the like. In the light source module LM, the light amount of the light emitting unit can be kept constant by controlling the current value to an appropriate value by a power supply unit (not shown). The light source module LM is mounted in a state where the window member is in contact with the subject (transparent window B) from the + Z side.

検出モジュールDMは、図5に示されるように、黒い樹脂製の筐体、該筐体の先端(−Z側の端)に取り付けられた弾性体からなる接触部材、筐体に収容された直径3mmの半球レンズ(分割レンズ)及び4分割PDアレイ(4つのフォトダイオード(PD)がアレイ状に配列されたもの)を含んで構成されている。筐体の先端及び接触部材には、アパーャ(開口)が形成されている。検出モジュールDMは、被検体(透明窓A)に接触部材が+Z側から接触された状態で装着される。なお、図5には、4つのPD(受光部)のうち2つのみが図示されている。   As illustrated in FIG. 5, the detection module DM includes a black resin housing, a contact member made of an elastic body attached to a front end (−Z side end) of the housing, and a diameter housed in the housing. It is configured to include a 3 mm hemispherical lens (divided lens) and a 4-divided PD array (in which four photodiodes (PDs) are arranged in an array). An aperturer (opening) is formed at the tip of the housing and the contact member. The detection module DM is mounted in a state where the contact member is in contact with the subject (the transparent window A) from the + Z side. FIG. 5 illustrates only two of the four PDs (light receiving units).

分割レンズは、アパーチャの+Z側近傍に配置されている。そこで、光源モジュールLMから被検体に照射され該被検体内を伝播した光は、アパーチャを介して分割レンズに入射し、該分割レンズへの入射位置及び入射方向に応じた方向に屈折され出射される(図5参照)。   The split lens is arranged near the + Z side of the aperture. Therefore, the light emitted from the light source module LM to the subject and propagated in the subject enters the split lens via the aperture, and is refracted and emitted in a direction corresponding to the incident position and the incident direction on the split lens. (See FIG. 5).

4分割PDアレイは、分割レンズの+Z側に配置されている。そこで、分割レンズを介した光は、その進行方向(分割レンズからの出射方向)に応じて4分割PDアレイの4つの受光部(PD)のいずれかに入射する。このようにして、検出モジュールDMでは、被検体から入射された光の入射角度を4つの角度範囲に分類できる。   The four-divided PD array is arranged on the + Z side of the divided lens. Therefore, the light passing through the split lens enters one of the four light receiving sections (PD) of the 4-split PD array according to the traveling direction (the emission direction from the split lens). In this way, the detection module DM can classify the incident angles of the light incident from the subject into four angle ranges.

制御部は、各透明窓Aに装着された検出モジュールDMの4つのPD(受光部)の受光量(計16個のPDの受光量)を検出し、オペアンプにて電圧に変換して、記録部に記録する。データはサンプリングレートを1msecで検出し、20sec計測した数値を平均化する。1回の測定では16個のPDのデータを取得する。   The control unit detects the light reception amounts of the four PDs (light reception units) of the detection module DM attached to each transparent window A (light reception amounts of a total of 16 PDs), converts them into voltages by an operational amplifier, and records the voltages. Record in the department. Data is detected at a sampling rate of 1 msec, and the numerical values measured for 20 sec are averaged. In one measurement, data of 16 PDs is acquired.

次に、光源モジュールLMについて詳細に説明する。光源モジュールLMの光源には、40chの面発光レーザアレイチップ、すなわち発光部としてのVCSEL(面発光レーザ)を40個有する面発光レーザアレイチップが採用されている。   Next, the light source module LM will be described in detail. As a light source of the light source module LM, a 40-channel surface emitting laser array chip, that is, a surface emitting laser array chip having 40 VCSELs (surface emitting lasers) as light emitting units is employed.

この面発光レーザアレイチップからの光の光路上には、該光を略平行光とする直径3mmのレンズが配置されている(図6参照)。面発光レーザアレイチップの出射面(発光面)とレンズの主点(レンズの光学的な中心)との距離は、該レンズの焦点距離f(例えば9mm)に等しく設定されている。すなわち、面発光レーザアレイチップは、出射面がレンズの焦点位置に位置するように配置されている。なお、「レンズの焦点距離」は、レンズの主点と焦点との距離である。   On the optical path of the light from the surface emitting laser array chip, a lens having a diameter of 3 mm, which makes the light substantially parallel light, is arranged (see FIG. 6). The distance between the light emitting surface (light emitting surface) of the surface emitting laser array chip and the principal point of the lens (optical center of the lens) is set to be equal to the focal length f (for example, 9 mm) of the lens. That is, the surface emitting laser array chip is arranged such that the emission surface is located at the focal position of the lens. The “focal length of the lens” is the distance between the principal point of the lens and the focal point.

ここでは、40chを同時に点灯し、総出力は50mW程度とされる。VCSELから出射された平行光は、図6に示されるようにプリズムによって偏向される。   Here, 40 channels are turned on simultaneously, and the total output is about 50 mW. The parallel light emitted from the VCSEL is deflected by the prism as shown in FIG.

プリズムとしては、上記アクリル製の水槽と屈折率が同等のアクリル製のものが採用されている。プリズムの反射面は、該プリズムの径に合わせて設計され、該反射面の角度は、レンズを介した光が上記アクリル製の水槽に入射角50°程度で入射するように設定されている。   As the prism, an acrylic prism having the same refractive index as that of the acrylic water tank is used. The reflecting surface of the prism is designed according to the diameter of the prism, and the angle of the reflecting surface is set so that light passing through the lens is incident on the acrylic water tank at an incident angle of about 50 °.

水槽及びプリズムのアクリルと、ファントム(イントラピッド水溶液)との屈折率差は、スネルの法則によってファントム内での伝播角度が約60°(図6中のθ1)になるように設定されている。プリズムは、水槽内壁に設けられたZ軸方向に延びる回転軸の周りに回転可能な回転ステージ(不図示)に取り付けられている。   The refractive index difference between the acrylic of the water tank and the prism and the phantom (intrapid aqueous solution) is set such that the propagation angle in the phantom is about 60 ° (θ1 in FIG. 6) according to Snell's law. The prism is attached to a rotation stage (not shown) that is rotatable around a rotation axis provided in the inner wall of the water tank and extending in the Z-axis direction.

この回転ステージ及びプリズムを一緒に回転させることで、該プリズムへの光の入射角、方位を変えることが可能となる。ここでは、図7に示されるように、+X、−X、+Y、−Yの4方位の計測を順次行うこととした。すなわち、4つの光源モジュールLMの位置(B1〜B4の4箇所)と4方位で4×4の16回の計測を行うことになる。プリズムと水槽との間には、これらと屈折率が同等のジェル状の樹脂(図示せず)が充填されている。これにより、プリズムと水槽との間での屈折や反射を防止できる。   By rotating the rotary stage and the prism together, it becomes possible to change the incident angle and azimuth of light on the prism. Here, as shown in FIG. 7, measurement in four directions of + X, -X, + Y, and -Y is sequentially performed. That is, 4 × 4 16 measurements are performed in the four positions (B1 to B4) and four directions of the four light source modules LM. A space between the prism and the water tank is filled with a gel-like resin (not shown) having the same refractive index as these. Thereby, refraction and reflection between the prism and the water tank can be prevented.

次に、被検体内の情報の計測方法について、図8に示されるフローチャートを参照して説明する。   Next, a method for measuring information in the subject will be described with reference to the flowchart shown in FIG.

まず、はじめにプローブをセッティングする(ステップT1)。プローブとは、前述の如く検出モジュールDM及び光源モジュールLMを意味する。ここでのセッティング対象のプローブは、4つの検出モジュールDMと1つの光源モジュールLMである。4つの検出モジュールDMは、図3に示される直径9mmの4つの透明窓Aに個別に装着される。1つの光源モジュールLMは、図3に示される透明窓B1に装着される。   First, a probe is set (step T1). The probe means the detection module DM and the light source module LM as described above. The probes to be set here are four detection modules DM and one light source module LM. The four detection modules DM are individually mounted on four transparent windows A having a diameter of 9 mm shown in FIG. One light source module LM is mounted on the transparent window B1 shown in FIG.

次に、光源モジュールLMの40個のch(発光部)を同時に発光させる(ステップT2)。発光強度はトータルで50mW程度になるように、電流値が決定される。発光時間は20sec程度であり、その間、4つの検出モジュールDMのPDの検出値を読み取り(ステップT3)、1msec間隔で検出した数点のデータ(検出値)を平均化する。そして、平均化された検出値、すなわち検出値の平均値を記録部に格納する(ステップT4)。   Next, 40 channels (light emitting units) of the light source module LM are caused to emit light simultaneously (step T2). The current value is determined so that the emission intensity is about 50 mW in total. The light emission time is about 20 sec. During this time, the detection values of the PDs of the four detection modules DM are read (step T3), and data (detection values) at several points detected at 1 msec intervals are averaged. Then, the averaged detection value, that is, the average value of the detection values is stored in the recording unit (step T4).

ここで、計測は、+X方向、+Y方向、−X方向、−Y方向の4方位について行われる(ステップT5、T6)。具体的には、ステップT1の直後のステップT2〜T4は、プリズムを+X方向に配置した状態で行う。次いで、プリズムを回転させて、+Y方向とする(ステップT6)。この状態でステップT2〜T4を行う。次いで、プリズムを回転させて、−X方向とする(ステップT6)。この状態でステップT2〜T4を行う。次いで、プリズムを回転させて、−Y方向とする(ステップT6)。この状態でステップT2〜T4を行う。   Here, the measurement is performed in four directions of + X direction, + Y direction, -X direction, and -Y direction (steps T5 and T6). Specifically, steps T2 to T4 immediately after step T1 are performed in a state where the prism is arranged in the + X direction. Next, the prism is rotated to the + Y direction (step T6). Steps T2 to T4 are performed in this state. Next, the prism is rotated to the -X direction (step T6). Steps T2 to T4 are performed in this state. Next, the prism is rotated to the -Y direction (step T6). Steps T2 to T4 are performed in this state.

次に、光源モジュールLMの装着位置を透明窓B1からB2、B3、B4に順次変更して、再度4方位の計測を行う(ステップT7、T8)。その後、吸光体の位置を移動させて、再度4方位、光源モジュールLMの4つの装着位置での計測を行う(ステップT9、T10)。   Next, the mounting position of the light source module LM is sequentially changed from the transparent window B1 to B2, B3, and B4, and the four azimuths are measured again (steps T7 and T8). Thereafter, the position of the light absorber is moved, and the measurement is again performed at the four directions and the four mounting positions of the light source module LM (steps T9 and T10).

格納されたデータは、それぞれ吸光体あり、なしのデータを以下のr(s,i,n)(i=1,2,3・・・M、n=1,2,3・・・K))、r(0,i,n)(i=1,2,3・・・M、n=1,2,3・・・K)とする。iはそれぞれの検出モジュールDMに付された番号である。nはそれぞれのグループに付された番号である。次にそれぞれの差分Δr(i,n)を計算する。   The stored data are the data with and without the light absorber, respectively, and the data without the light are represented by the following 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). i is a number assigned to each detection module DM. n is a number assigned to each group. Next, each difference Δr (i, n) is calculated.

以下に、図8のフローチャートに基づく上記計測方法で得られた計測結果から吸光体の位置(擬似生体の光学特性)を算出する方法について説明する。ここでは、逆問題推定アルゴリズムを利用する。逆問題を解く際には、まずは、計測、シミュレーションを行い、順問題にて、感度分布を作製する。そして、次の計測を行ったデータを取り込み、その値から逆問題推定を行う(図9のステップS21〜S25参照)。図47には、計算部のブロック図が示されている。先のモンテカルロシミュレーションに利用する各モジュール(プローブ)の位置や生体の屈折率、形状などの情報は記録部(B−1)に記録されている。この情報を元に先の順問題を行う。この計算には並列計算ができるGPU(マルチグラフィックスプロセッサ)を利用する。この利用により従来の計算速度に比べ飛躍的に早く計算ができる。計算によって得られた感度分布を再度記録部(B−1)に格納する。この計算結果と記録部(A−3)に格納されている計測結果を中央処理装置(B−3)に入力して、該中央処理装置(B−3)において逆問題推定を行う。推定結果は中央処理装置(A−1)を介して表示部に表示される(図46参照)。   Hereinafter, a method of calculating the position of the light absorber (optical characteristics of the simulated living body) from the measurement result obtained by the above measurement method based on the flowchart of FIG. 8 will be described. Here, an inverse problem estimation algorithm is used. When solving the inverse problem, measurement and simulation are first performed, and a sensitivity distribution is created by the forward problem. Then, the data subjected to the next measurement is taken in, and the inverse problem is estimated from the value (see steps S21 to S25 in FIG. 9). FIG. 47 shows a block diagram of the calculation unit. Information such as the position of each module (probe), the refractive index, and the shape of the living body used in the Monte Carlo simulation is recorded in the recording unit (B-1). Based on this information, the previous order problem is performed. For this calculation, a GPU (multi-graphics processor) capable of performing parallel calculations is used. With this use, the calculation can be performed significantly faster than the conventional calculation speed. The sensitivity distribution obtained by the calculation is stored again in the recording unit (B-1). The calculation result and the measurement result stored in the recording unit (A-3) are input to the central processing unit (B-3), and the central processing unit (B-3) performs inverse problem estimation. The estimation result is displayed on the display unit via the central processing unit (A-1) (see FIG. 46).

ところで、従来、順問題計算の際、生体などの散乱体の中では、光は、ほぼ等方的に散乱すると考えられてきた。このため、計算量が少ない拡散方程式を利用したシミュレーションが利用されてきた。しかし、近年の学会などでも、mm単位の微細なエリアでは、生体内での光伝播は、異方性を有していることが報告がされている。この異方性を反映したシミュレーションを行うためには、輸送方程式を利用するかモンテカルロシミュレーションを行う必要がある。   By the way, conventionally, it has been considered that light is scattered almost isotropically in a scatterer such as a living body when calculating the forward problem. For this reason, a simulation using a diffusion equation requiring a small amount of calculation has been used. However, recent academic societies and the like also report that light propagation in a living body has anisotropy in a fine area of mm unit. In order to perform a simulation reflecting this anisotropy, it is necessary to use a transport equation or perform a Monte Carlo simulation.

本実施形態では、光源からの出射光を偏向して被検体へ入射させているので、一般的に利用されている拡散方程式では、入射角の情報を反映することができない。輸送方程式を利用する方法が提案されているが、この計算には膨大な時間がかかることが知られている。   In the present embodiment, the light emitted from the light source is deflected and made incident on the subject, so that information on the angle of incidence cannot be reflected in the diffusion equation that is generally used. Although a method using the transport equation has been proposed, it is known that this calculation takes an enormous amount of time.

そこで、本実施形態では、モンテカルロシミュレーションが採用されている。モンテカルロシミュレーションは、フォトンが散乱媒質のなかで、散乱していく条件を、ランダム変数によって、確率的に表現し、そのマクロ的な振る舞いを観察する手法である。具体的には、フォトンが媒質を移動し、ある距離進むたびに、衝突し、その衝突によって方向性を変えていくようにモデル化する。このときのある距離の平均値が平均自由行程であり、散乱係数で定義され、方向の変化が異方性gによって定義されている。この衝突を繰り返し、定義されたエリア内をどのように伝播していくかを記録する。このようにモデル化されたフォトンを無数に計算することで散乱媒質の光の振る舞いをシミュレーションすることができる。モンテカルロシミュレーションによって、1つのフォトンがどのような経路で拡散していくかを記録する。   Therefore, in the present embodiment, Monte Carlo simulation is adopted. The Monte Carlo simulation is a technique for stochastically expressing the conditions under which photons scatter in a scattering medium using random variables, and observing their macroscopic behavior. Specifically, modeling is performed such that each time a photon moves through the medium and travels a certain distance, it collides and changes the directionality due to the collision. The average value of a certain distance at this time is the mean free path, defined by the scattering coefficient, and the change in direction is defined by the anisotropy g. This collision is repeated, and how it propagates in the defined area is recorded. By calculating innumerably the photons modeled in this way, the behavior of light in the scattering medium can be simulated. The route in which one photon diffuses is recorded by Monte Carlo simulation.

本実施形態におけるモンテカルロシミュレーションでは、フォトン数は10個、ボクセルを1mm立方体として、120mm×120mm×60mmの3次元エリアの計算を行う。ここでは、散乱媒質の散乱係数、吸収係数、異方性、屈折率をそれぞれ頭皮とほぼ同等の数値である7.8mm−1、0.019mm−1、0.89、1.37とする。この数値に合うように、前述したファントム(イントラリピッド水溶液)を調合し、光源モジュールLM、伝播角、検出モジュールDMの位置など全てファントムと同じ状況でシミュレーションし、感度分布を算出する。 The Monte Carlo simulation in the present embodiment, the number of photons is 10 9, the voxels as 1mm cubes, the calculation of three-dimensional area of 120mm × 120mm × 60mm. Here, the scattering coefficient of the scattering medium, the absorption coefficient, anisotropy, 7.8 mm -1 refractive index respectively is almost equal numbers and the scalp, 0.019 mm -1, and 0.89,1.37. The above-mentioned phantom (intralipid aqueous solution) is prepared so as to match this numerical value, and the light source module LM, the propagation angle, the position of the detection module DM, and the like are all simulated in the same situation as the phantom, and the sensitivity distribution is calculated.

このとき、ボクセルの位置rに関して、通過したフォトン数をφ(r)とする。特に、光源モジュールLMの位置をrsとしたとき、ボクセルの位置rでのフォトン通過数をφ(rs、r)とする。次に、検出モジュールDMを配置していた位置に光源モジュールLMを配置して、再度、同数のフォトン数を計算する。検出モジュールDMをrdに設置していた場合には、ボクセルの位置rでのフォトン通過数をφ(r、rd)とする。 At this time, regarding the position r of the voxel, the number of passed photons is defined as φ 0 (r). In particular, when the position of the light source module LM is rs, the number of photons passed at the position r of the voxel is φ 0 (rs, r). Next, the light source module LM is arranged at the position where the detection module DM is arranged, and the same number of photons is calculated again. If the detection module DM is installed at rd, the number of photons passed at the position r of the voxel is φ 0 (r, rd).

光の経路は、可逆であるため、この積は、ボクセルの位置rを通過して、光源モジュールLMから出射して、検出モジュールDMに入ったフォトン数に比例する。この積を検出モジュールDMに入る全てのフォトン数φ(rs、rd)で規格化したものが次の感度分布A(r)となる。
Since the light path is reversible, this product is proportional to the number of photons that pass through the voxel position r, exit the light source module LM, and enter the detection module DM. The product obtained by normalizing this product with the number of photons φ 0 (rs, rd) entering the detection module DM is the following sensitivity distribution A (r).

この感度分布A(r)は、位置rにおける検出量への影響度を示す。ボクセルの位置rに吸光体が発生したときに、その発生によって、どの程度検出値が変化するかを示す。   The sensitivity distribution A (r) indicates the degree of influence on the detection amount at the position r. When a light absorber is generated at the position r of the voxel, the extent to which the detected value changes due to the generation is shown.

上述のようにして算出された感度分布の一例が、図10に示されている。ここでは、光源モジュールLM、検出モジュールDMをそれぞれ、(X,Y,Z)=(45、60、0)、(X,Y,Z)=(75、60、0)に配置した。ボクセルは1mmの立方体なので、これらの数値の単位mmと等価である。各位置でのボクセルの感度は底を10とした対数(常用対数)で示している。   An example of the sensitivity distribution calculated as described above is shown in FIG. Here, the light source module LM and the detection module DM are arranged at (X, Y, Z) = (45, 60, 0) and (X, Y, Z) = (75, 60, 0), respectively. Since the voxel is a cube of 1 mm, it is equivalent to the unit mm of these numerical values. The sensitivity of the voxel at each position is indicated by a logarithm (common logarithm) with the base being 10.

次に、図10から、ボクセル(x、y、z)で、Y=60、Z=10のラインを、抜き出して感度を縦軸、横軸をx位置としてプロットした結果が図11に示されている。このとき、伝播角として、Y軸を法線とした平面上におけるX軸に対する角度を+60°とした場合と−60°とした場合の結果が図12に示されている。   Next, FIG. 11 shows the result of extracting a line of Y = 60 and Z = 10 from the voxel (x, y, z) from FIG. 10 and plotting the sensitivity as the vertical axis and the horizontal axis as the x position. ing. At this time, FIG. 12 shows the results of the case where the angle of propagation with respect to the X axis on the plane with the Y axis as the normal is + 60 ° and the case where the angle of propagation is −60 °.

図11に示されるように、+60度と−60度とでは、感度分布に相違が出ている。この相違が、分解能向上が可能となるかの指針となる。つまりは、この感度分布に相違が出ることは、2つの光源からの光の伝播経路が異なることを示している。もし同じ伝播経路であれば、伝播角を変えても、ほぼ同じ感度分布となるはずである。2つの光源からの光の伝播経路が違うことで、2つの光源からの光がそれぞれ異なる情報を収集していることになる。   As shown in FIG. 11, there is a difference in sensitivity distribution between +60 degrees and −60 degrees. This difference is a guide to whether the resolution can be improved. In other words, the difference in the sensitivity distribution indicates that the propagation paths of the light from the two light sources are different. If the propagation path is the same, the sensitivity distribution should be almost the same even if the propagation angle is changed. Since the propagation paths of the light from the two light sources are different, the light from the two light sources collects different information.

これは、後述する逆問題推定に対して大きな価値を生み出している。先に述べたように光の伝播が単純な等方散乱ではなく、数mmオーダーでは若干の異方性を有していることを示している。この数mmオーダーでの相違が、数mmオーダーの分解能を有する逆問題推定を実現する要因となっていると考えられる。この感度分布は、ファントムで実施される全ての光源モジュールLM/検出モジュールDM対に対して、全ての伝播角/検出角の条件で実施する。   This creates great value for the inverse problem estimation described below. As described above, the light propagation is not simple isotropic scattering but has a slight anisotropy in the order of several mm. It is considered that the difference on the order of several mm is a factor for realizing the inverse problem estimation having a resolution on the order of several mm. This sensitivity distribution is implemented for all the light source module LM / detection module DM pairs implemented in the phantom under all propagation angle / detection angle conditions.

次に、この感度分布を利用して、逆問題推定を行う。   Next, the inverse problem is estimated using this sensitivity distribution.

吸光体の存在によっておきる吸収係数の変化δμ(r)が十分小さいと仮定するとRetovの近似によって、以下の式が成り立つ。
Assuming that the change δμ a (r) of the absorption coefficient caused by the presence of the light absorber is sufficiently small, the following equation is established by approximating Retov.

νは媒質中の光の速さ、Sは単位時間当たりに光源モジュールLMから出る光の量、rsは光源モジュールLMの位置、rdは検出モジュールDMの位置、φ(rs、rd)は光源モジュールLMから出た光が検出モジュールDMに届く光量を表し、φは吸光体のない状態での光の強度を示している。この式が意味しているのは、吸光体のない状態での光の強度φが与えられれば、吸光体の存在によっておきる吸収係数の変化δμ(r)と観測値logφ(rs、rd)とを線形の関係に結びつけることができるということである。 ν is the speed of light in the medium, S is the amount of light emitted from the light source module LM per unit time, rs is the position of the light source module LM, rd is the position of the detection module DM, and φ (rs, rd) is the light source module represents the quantity of light emitted from the LM reaches the detection module DM, phi 0 represents the intensity of light in the absence of light absorbing material. This equation means that given the light intensity φ 0 in the absence of the light absorber, the change in absorption coefficient δμ a (r) caused by the presence of the light absorber and the observed value log φ (rs, rd) ) Can be linked to a linear relationship.

このことを簡単に記述すると、以下の式となる。
Y=A(r)X
This can be simply described as follows.
Y = A (r) X

ここで、Yは吸光体の存在有無による観測値の変化であり、Xはボクセルの位置rでの吸収係数変化をしめす。このA(r)は感度分布である。上記の式では、Xで表現している吸光体の位置や量の変化を与えることで、観測値Yがどのように変化するかがわかる。
逆問題推定では、この逆を行い、つまりは観測値Yを利用して吸光体の位置Xを推定する。先の位置計測方法で説明したように、吸光体の有無による変化をΔr(i,n)として計測している。このΔr(i,n)が観測値Yとなり、これよりXを算出する。
Here, Y is a change in the observed value depending on the presence or absence of the light absorber, and X indicates a change in the absorption coefficient at the position r of the voxel. A (r) is a sensitivity distribution. In the above equation, it is understood how the observed value Y changes by giving a change in the position or amount of the light absorber expressed by X.
In the inverse problem estimation, the reverse is performed, that is, the position X of the light absorber is estimated using the observed value Y. As described in the position measurement method above, the change due to the presence or absence of the light absorber is measured as Δr (i, n). This Δr (i, n) becomes the observed value Y, and X is calculated from this.

一般的には、L2ノルム正則化という逆問題の推定手法を利用する。この手法では、以下に示すコスト関数Cを最小にするXを算出する。
In general, an inverse problem estimation method called L2 norm regularization is used. In this method, X that minimizes a cost function C described below is calculated.

ここでYは観測値、Aは感度分布、λは正則化係数である。逆問題推定ではこのような手法が一般的であるが、本実施形態では、深さ方向も検出できるベイズ推定による逆問題推定を行う。このベイズ推定による逆問題推定については、次の非特許文献:T.Shimokawa, T.Kosaka, O.Yamashita, N.Hiroe, T.Amita, Y.Inoue, and M.Sato, "Hierarchical Bayesian estimation improves depth accuracy and spatial resolution of diffuse optical tomography," Opt. Express *20*,20427-20446 (2012) に詳細に記載されている。   Here, Y is an observed value, A is a sensitivity distribution, and λ is a regularization coefficient. Such a method is generally used in inverse problem estimation, but in the present embodiment, inverse problem estimation is performed by Bayes estimation that can also detect the depth direction. For the inverse problem estimation based on this Bayesian estimation, see the following non-patent documents: T. Shimokawa, T. Kosaka, O. Yamashita, N. Hiroe, T. Amita, Y. Inoue, and M. Sato, "Hierarchical Bayesian estimation improves depth accuracy and spatial resolution of diffuse optical tomography, "Opt. Express * 20 *, 20427-20446 (2012).

この結果、図13(B)に示されるような推定結果を導くことができる。図13(A)は吸光体の位置を示している。図13(B)のグリッドは3mmであり、3mmの精度で実際の位置と一致することが判った。   As a result, an estimation result as shown in FIG. 13B can be derived. FIG. 13A shows the position of the light absorber. The grid in FIG. 13B was 3 mm, and it was found that it coincided with the actual position with an accuracy of 3 mm.

比較例として、4方位あるうちの1方位のみを利用し、検出した結果が図13(C)に示されている。この比較例は、従来のNIRS(DOT)装置とほぼ同様の構成とである。比較例では、深さ方向の検出は不可能であり、かつ検出結果も非常に広がってしまう。実施例1では、上記ベイズ推定により、吸光体の位置と深さを検出することが可能となる。   As a comparative example, FIG. 13C shows a result of detection using only one of the four directions. This comparative example has substantially the same configuration as the conventional NIRS (DOT) device. In the comparative example, detection in the depth direction is impossible, and the detection result is very wide. In the first embodiment, the position and depth of the light absorber can be detected by the Bayes estimation.

また、吸光体の位置を変えて(図14(A)参照)、推定を行った結果(推定結果)が図14(B)に示されている。この場合も吸光体の実際の位置を正確に推定できていることが判る。実施例1の方法により、吸光体の位置を高い分解能で検出することが可能となる。これに対し、比較例では、図14(C)に示されるようにかなり広がった吸光体となっており、該吸光体の位置を正確に検出することができない。   FIG. 14B shows the result of estimation (estimated result) by changing the position of the light absorber (see FIG. 14A). Also in this case, it can be seen that the actual position of the light absorber can be accurately estimated. According to the method of the first embodiment, the position of the light absorber can be detected with high resolution. On the other hand, in the comparative example, as shown in FIG. 14C, the light-absorbing body is considerably widened, and the position of the light-absorbing body cannot be accurately detected.

以下に、本実施形態の実施例2について説明する。なお、実施例2の説明においては、適宜、実施例1にも関連する説明を行う。   Hereinafter, Example 2 of the present embodiment will be described. In the description of the second embodiment, a description related to the first embodiment will be made as appropriate.

《実施例2》
先ず、透明なアクリル製の水槽に注入されたイントラピッド水溶液(イントラピッド10%濃度を10倍に希釈)に、黒いインクを約200ppm程度となるように滴下し、ほぼ生体と同一の吸収係数及び散乱係数とする。この白濁したイントラピッド水溶液に、血流に模した黒色の吸光体を沈める。吸光体は、例えば黒色で直径約5mmのポリアセタールの球体とする。この球体の位置を制御できるように自動ステージに接続された1mm径の細い金属棒に該球体を固定する。この水槽の側面、後述するプローブの位置を正確に決めて設置(装着)する。ここでは、上記アクリル製の水槽は、例えば140mm×140mm×60mmの容積で壁の厚さ1mmの直方体形状の水槽である。
<< Example 2 >>
First, black ink is dropped to about 200 ppm to an intrarapid aqueous solution (intrapid 10% concentration diluted 10 times) injected into a transparent acrylic water tank, and the absorption coefficient and the absorption coefficient are substantially the same as those of a living body. The scattering coefficient is used. A black light absorber simulating the blood flow is submerged in the cloudy intrapid aqueous solution. The light absorber is, for example, a polyacetal sphere having a diameter of about 5 mm in black. The sphere is fixed to a thin metal rod having a diameter of 1 mm connected to an automatic stage so that the position of the sphere can be controlled. The side of the water tank and the position of a probe described later are accurately determined and installed (mounted). Here, the acrylic water tank is, for example, a rectangular parallelepiped water tank having a volume of 140 mm × 140 mm × 60 mm and a wall thickness of 1 mm.

光学センサ10は、複数(例えば8つ)の光源モジュールLMを含む照射系と、複数(例えば8つ)の検出モジュールDMを含む検出系と、を備えている。複数の光源モジュールLM及び複数の検出モジュールDMは、それぞれ制御部に対して電気配線を介して接続されている。   The optical sensor 10 includes an irradiation system including a plurality (for example, eight) of light source modules LM, and a detection system including a plurality (for example, eight) of detection modules DM. The plurality of light source modules LM and the plurality of detection modules DM are respectively connected to the control unit via electric wiring.

制御部は、各光源モジュールLMにおける光源の発光タイミングや各検出モジュールDMでの検出タイミングを制御して、得られた検出結果を記録部に転送する。また、制御部は、記録部に記録されているデータを読み取り、その数値を利用した計算を行い、その計算結果を表示部に表示させる制御を行う。   The control unit controls the light emission timing of the light source in each light source module LM and the detection timing in each detection module DM, and transfers the obtained detection result to the recording unit. Further, the control unit reads data recorded in the recording unit, performs a calculation using the numerical value, and controls to display the calculation result on the display unit.

図15に示されるように、8つの光源モジュールLM及び8つの検出モジュールDMは、一例として、擬似生体(不図示)に対して、互いに直交するX方向及びY方向のいずれに関しても光源モジュールLMと検出モジュールDMとが隣り合うようにX方向及びY方向に等ピッチaでマトリクス状(2次元格子状)に配置される。図15では、LMは四角印で示され、DMは丸印で示されている。   As illustrated in FIG. 15, the eight light source modules LM and the eight detection modules DM each include, for example, a light source module LM with respect to a simulated living body (not shown) in both the X direction and the Y direction orthogonal to each other. The detection modules DM are arranged in a matrix (two-dimensional lattice) at equal pitches a in the X and Y directions so as to be adjacent to each other. In FIG. 15, LM is indicated by a square, and DM is indicated by a circle.

光源モジュールLMは、図16に示されるように、例えばレンズ、プリズム等の光学素子、複数の面発光レーザアレイチップが実装されたセラミックパッケージ(不図示)、該セラミックパッケージやアナログ電子回路が実装されたフレキ基板(不図示)、該フレキ基板に結線されている配線、コネクタ部(不図示)、これらが収容された筐体、被検体と接触する透明樹脂からなる窓部材などを含む。   As shown in FIG. 16, the light source module LM includes, for example, optical elements such as lenses and prisms, a ceramic package (not shown) on which a plurality of surface emitting laser array chips are mounted, and the ceramic package and analog electronic circuits are mounted. A flexible board (not shown), wiring connected to the flexible board, a connector section (not shown), a housing in which these are accommodated, a window member made of a transparent resin that comes into contact with a subject, and the like.

面発光レーザアレイチップの各面発光レーザ(VCSEL)の発振波長は、一例として780nm又は900nmである。この波長は血液中の酸素濃度で吸収係数が大きく変わることから選定している。光源モジュールLMでは、図16に示されるように、発振波長が900nmの面発光レーザアレイチップ1及び発振波長が780nmの面発光レーザアレイチップ2が並列に配置され、面発光レーザアレイチップ1の出射端近傍にレンズ1が配置され、面発光レーザアレイチップ2の出射端近傍にレンズ2が配置されている。各面発光レーザをch(チャンネル)とも称する。   The oscillation wavelength of each surface emitting laser (VCSEL) of the surface emitting laser array chip is, for example, 780 nm or 900 nm. This wavelength is selected because the absorption coefficient varies greatly depending on the oxygen concentration in the blood. In the light source module LM, as shown in FIG. 16, a surface emitting laser array chip 1 having an oscillation wavelength of 900 nm and a surface emitting laser array chip 2 having an oscillation wavelength of 780 nm are arranged in parallel. The lens 1 is arranged near the end, and the lens 2 is arranged near the emission end of the surface emitting laser array chip 2. Each surface emitting laser is also called a ch (channel).

各面発光レーザアレイチップからの光は、対応するレンズで屈折され、窓部材の内部に形成された反射部材としてのプリズムで所望の角度に偏向され(反射され)、筐体外に出射される。   The light from each surface emitting laser array chip is refracted by a corresponding lens, deflected (reflected) by a prism as a reflecting member formed inside the window member, and emitted out of the housing.

面発光レーザアレイチップは、図17に示されるように、一辺が約1mmの正方形状であり、2次元配置された複数(例えば20個)の面発光レーザを含む。   As shown in FIG. 17, the surface emitting laser array chip has a square shape with a side of about 1 mm, and includes a plurality of (for example, 20) surface emitting lasers two-dimensionally arranged.

詳述すると、各面発光レーザアレイチップは、4つの面発光レーザをそれぞれが含む5つのグループ(ch群)を有している。ここでは、5つのグループのうち4つのグループの中心は、正方形の4つの頂点に個別に位置し、残りの1つのグループの中心は、該正方形の中心に位置している。   More specifically, each surface emitting laser array chip has five groups (ch groups) each including four surface emitting lasers. Here, the centers of four of the five groups are individually located at the four vertices of the square, and the center of the other group is located at the center of the square.

各グループの4つのchは、上述の如くセラミックパッケージに実装され、ボンディングワイヤ(配線)を介して同一の電極パッド(電極パッド1〜4のいずれか)に接続されている。   The four channels of each group are mounted on the ceramic package as described above, and are connected to the same electrode pad (one of the electrode pads 1 to 4) via a bonding wire (wiring).

セラミックパッケージは、フレキ基板の配線パターンに半田付けによって実装されている。フレキ基板には、スイッチング用の半導体や電流安定化用の半導体が配置されている。スイッチング用の半導体により、面発光レーザアレイチップのどのchを発光させるかが制御される。スイッチング用半導体は、外部のシリアル信号によって、選択されたchを発光させる。このシリアル信号用の信号線の一端、電源供給線の一端は、フレキ基板に接続され、該信号線の他端、電源供給線の他端は、制御部に接続されている。   The ceramic package is mounted on the wiring pattern of the flexible board by soldering. A semiconductor for switching and a semiconductor for current stabilization are arranged on the flexible substrate. The switching semiconductor controls which channel of the surface emitting laser array chip emits light. The switching semiconductor causes the selected channel to emit light in response to an external serial signal. One end of the signal line for the serial signal and one end of the power supply line are connected to a flexible board, and the other end of the signal line and the other end of the power supply line are connected to a control unit.

各chの発光光量は一定期間ごとに行うキャリブレーションによって一定になるように設定される。通常の使用方法では、5グループの発光を順次、短パルスで発光させる。このようなパルス発光は、発熱による温度上昇が避けられて、発光光量の安定化に適している。短パルスの発光をするたびに得られる検出モジュールでの検出値を積算して、平均化を取ることでノイズに強い検出となる。   The light emission amount of each channel is set to be constant by calibration performed at regular intervals. In a normal use method, light emission of five groups is sequentially emitted in short pulses. Such pulse emission avoids a temperature rise due to heat generation, and is suitable for stabilizing the amount of emitted light. By integrating and averaging the detection values obtained by the detection module obtained each time a short pulse is emitted, noise-resistant detection is achieved.

以下に、光学センサ10の光源として面発光レーザアレイチップを採用した理由を説明する。面発光レーザアレイチップでは、複数のchを近接した位置に2次元に配列することができ、各chを独立に発光制御できる。そして、chの近傍に小型のレンズを設置することで出射光の進行方向を変えることができる。   Hereinafter, the reason why the surface emitting laser array chip is adopted as the light source of the optical sensor 10 will be described. In the surface emitting laser array chip, a plurality of channels can be two-dimensionally arranged at close positions, and the light emission of each channel can be controlled independently. By installing a small lens near the channel, the traveling direction of the emitted light can be changed.

また、DOTに用いられる光学センサでは、被検体への入射角をできるだけ精度良く制御することが求められる。一般的なLED(発光ダイオード)は放射角が広いため、精度の良い平行光にするには、レンズを非球面にする必要がある。また、一般的なLD(端面発光レーザ)は放射角が非対称であり、レンズで精度の良い平行光をつくるには、曲率が縦と横とで異なるレンズやシリンドリカルレンズを2枚組み合わせる必要があり、構成が複雑になり、実装も高精度なものが必要となる。   Further, in an optical sensor used for DOT, it is required to control an incident angle to a subject as accurately as possible. Since a general LED (light-emitting diode) has a wide radiation angle, it is necessary to make the lens aspherical in order to make parallel light with high accuracy. In addition, a general LD (edge-emitting laser) has an asymmetric radiation angle, and in order to produce high-precision parallel light with a lens, it is necessary to combine two lenses or cylindrical lenses having different vertical and horizontal curvatures. However, the configuration becomes complicated, and a high-precision mounting is required.

これに対し、面発光レーザはほぼ真円状のファーフィールドパターンを有しており、平行光を作るにも、球面レンズを1つ配置すれば良い。また、LDから出射されるコヒーレントな光を利用する場合、被検体(散乱体)の中では、散乱光同士が干渉するスペックルが発生する。このスペックルパターンは、計測にノイズとして悪影響を与える。   On the other hand, the surface emitting laser has an almost perfect circular far-field pattern, and one spherical lens may be arranged to generate parallel light. When coherent light emitted from an LD is used, speckles in which scattered lights interfere with each other occur in a subject (scatterer). This speckle pattern adversely affects measurement as noise.

DOTのように脳内の血流を見る場合には、その散乱回数が非常に多いので、それほど影響はない。しかし、皮膚表面で反射される光が、光源に直接戻ってくる戻り光の影響がある。戻り光は、LD内部の発振状態を不安定にして、安定動作ができなくなる。光ディスクなどでも、コヒーレントな光を安定的に利用する際には、正反射光が戻り光にならないように波長板などを利用している。しかし、散乱体に対する反射光の戻り光除去は難しい。   When the blood flow in the brain is observed as in the case of DOT, the number of scattering times is very large, so that there is no significant effect. However, there is an effect of the return light in which the light reflected on the skin surface returns directly to the light source. The return light destabilizes the oscillation state inside the LD, so that stable operation cannot be performed. When stably using coherent light in an optical disc or the like, a wavelength plate or the like is used so that specularly reflected light does not become return light. However, it is difficult to remove the reflected light from the scatterer.

面発光レーザアレイチップの場合には、微小エリアに複数の光を同時に照射することが可能であり、その戻り光干渉を低下することが可能である(例えば特開2012−127937号公報参照)。   In the case of a surface emitting laser array chip, it is possible to irradiate a small area with a plurality of lights at the same time, and to reduce the return light interference (see, for example, JP-A-2012-127937).

本実施形態(実施例1及び2)では、面発光レーザアレイチップからの光の光路上に凸面レンズ(単に「レンズ」とも称する)が配置されている(図18参照)。   In the present embodiment (Examples 1 and 2), a convex lens (also simply referred to as “lens”) is arranged on the optical path of light from the surface emitting laser array chip (see FIG. 18).

この凸面レンズの直径は1mmであり、該凸面レンズの有効径εは600umである。凸面レンズの焦点距離fは、600umである。面発光レーザアレイチップは1mm角のチップであり、該面発光レーザアレイチップ内で最も離れた2つのchの中心間距離dmaxは600umである。このようにdmaxとεとを一致させることで、凸面レンズの直径を最小にすることができる。   The diameter of this convex lens is 1 mm, and the effective diameter ε of the convex lens is 600 μm. The focal length f of the convex lens is 600 μm. The surface emitting laser array chip is a 1 mm square chip, and the center-to-center distance dmax between the two furthest channels in the surface emitting laser array chip is 600 μm. Thus, by making dmax and ε coincide with each other, the diameter of the convex lens can be minimized.

ここで、凸面レンズと面発光レーザアレイチップは、凸面レンズの主点(光学的な中心)と面発光レーザアレイチップの発光面(出射面)との凸面レンズの光軸方向の距離Lが例えば300umになるように位置決めされている。すなわち、f≠Lとなっている。   Here, the convex lens and the surface emitting laser array chip have a distance L in the optical axis direction of the convex lens between the principal point (optical center) of the convex lens and the light emitting surface (emission surface) of the surface emitting laser array chip. It is positioned so as to be 300 μm. That is, f ≠ L.

この場合、面発光レーザアレイチップから出射され凸面レンズを透過した光がプリズムなどで正反射され、該凸面レンズで面発光レーザアレイチップに集光される現象(戻り光現象)を回避することができる。このように、戻り光が発生しないため、面発光レーザアレイチップの各chの発光光量を安定化することが可能となる。但し、戻り光の影響を考慮しない場合(NIRSに高分解能を求めない場合)には、f=Lであっても構わない。   In this case, it is possible to avoid a phenomenon that the light emitted from the surface emitting laser array chip and transmitted through the convex lens is specularly reflected by a prism or the like and is condensed on the surface emitting laser array chip by the convex lens (return light phenomenon). it can. As described above, since no return light is generated, it is possible to stabilize the light emission amount of each channel of the surface emitting laser array chip. However, when the influence of the return light is not considered (when high resolution is not required for NIRS), f = L may be set.

また、図19に示されるように、凸面レンズと面発光レーザアレイチップとの間は透明樹脂で満たされ、空気層が介在しないようにされている。透明樹脂としては、屈折率が凸面レンズと同等の樹脂(例えば熱硬化型のエポキシ系の樹脂)が用いられている。すなわち、凸面レンズと面発光レーザアレイチップとの間の各界面を境に屈折率が変化しない。透明樹脂は、凸面レンズの固定前に金型で成形しても良いし、凸面レンズを固定後、注入しても良い。   Further, as shown in FIG. 19, the space between the convex lens and the surface emitting laser array chip is filled with a transparent resin so that no air layer is interposed. As the transparent resin, a resin having a refractive index equivalent to that of a convex lens (for example, a thermosetting epoxy resin) is used. That is, the refractive index does not change at each interface between the convex lens and the surface emitting laser array chip. The transparent resin may be molded with a mold before fixing the convex lens, or may be injected after fixing the convex lens.

このように、凸面レンズと面発光レーザアレイチップとの間が透明樹脂で満たされることにより、面発光レーザアレイチップから出射された光が凸面レンズの面発光レーザアレイチップ側の表面で反射すること、すなわち戻り光の発生を防止できる。戻り光が発生しないため、各chの発光光量を安定化することが可能となる。各chの光量が安定すれば、測定系のS/N(シグナル/ノイズ)比が良好になり、高精度なNIRS測定及び高い分解能を実現できる。   By filling the space between the convex lens and the surface emitting laser array chip with the transparent resin, light emitted from the surface emitting laser array chip is reflected on the surface of the convex lens on the surface emitting laser array chip side. That is, generation of return light can be prevented. Since no return light is generated, the amount of light emitted from each channel can be stabilized. If the light quantity of each channel becomes stable, the S / N (signal / noise) ratio of the measurement system becomes good, and highly accurate NIRS measurement and high resolution can be realized.

凸面レンズは、図20に示されるように、面発光レーザアレイチップが実装されたパッケージにサブマウントを介して固定されている。面発光レーザアレイチップは、チップ上の電極(チップ電極)がパッケージ上のPKG電極にワイヤーによって電気的に接続される。ワイヤーは、高さ数10um程度となるため、サブマウントと干渉しないように設計される。凸面レンズの固定位置L(面発光レーザアレイチップの発光面と凸面レンズの主点との距離)は、このワイヤーの高さの制約を受ける。つまりは、ワイヤーを利用する場合には、サブマウントを回避する構造にしたり、ワイヤーの高さを100um以下にすることが必要となる。すなわち、−100um<f−L<0が成立することが好ましい。但し、図20では、図19に示される透明樹脂の図示が省略されている。   As shown in FIG. 20, the convex lens is fixed via a submount to a package on which the surface emitting laser array chip is mounted. In the surface emitting laser array chip, an electrode on the chip (chip electrode) is electrically connected to a PKG electrode on a package by a wire. Since the wire has a height of about several tens of micrometers, it is designed so as not to interfere with the submount. The fixing position L of the convex lens (the distance between the light emitting surface of the surface emitting laser array chip and the principal point of the convex lens) is restricted by the height of the wire. That is, in the case of using a wire, it is necessary to adopt a structure that avoids a submount or to set the height of the wire to 100 μm or less. That is, it is preferable that -100 um <fL <0 holds. However, in FIG. 20, the illustration of the transparent resin shown in FIG. 19 is omitted.

面発光レーザの出射面から出射される光は、ほぼ円形であり、その発散角は半値幅で5度程度である。一般的なLDのビームが楕円形であるので、回転方向の設置誤差を考慮する必要があるが、面発光レーザはそれを考慮する必要がないメリットがある。また、円形であるため、逆問題を解く際に利用する光学シミュレーションをするにも、対称性を利用した近似などがしやすいメリットがある。   The light emitted from the emission surface of the surface emitting laser is substantially circular, and its divergence angle is about 5 degrees in half width. Since a general LD beam has an elliptical shape, it is necessary to consider a setting error in the rotation direction. However, a surface emitting laser has an advantage of not having to consider it. In addition, since the shape is circular, there is a merit that approximation using symmetry can be easily performed in an optical simulation used for solving an inverse problem.

面発光レーザから出射されたビームは近傍に配置された凸面レンズによって屈折される。その屈折角は面発光レーザとレンズ中心(レンズの光軸)との相対位置によって決定される。そこで、面発光レーザアレイチップの各グループの位置とレンズの位置を適切に設定することで、所望の屈折角を得ることができる。   The beam emitted from the surface emitting laser is refracted by a convex lens arranged in the vicinity. The refraction angle is determined by the relative position between the surface emitting laser and the lens center (optical axis of the lens). Therefore, a desired refraction angle can be obtained by appropriately setting the position of each group and the position of the lens of the surface emitting laser array chip.

実施例2では、この屈折角が20度程度になるようにchと凸面レンズの光軸との相対位置が設定されている。面発光レーザアレイチップでは、各chは独立に発光制御できるので、発光させるchを選択することで、光源モジュールLMから出射される光の方向を変えることができる。   In the second embodiment, the relative position between the channel and the optical axis of the convex lens is set such that the refraction angle is about 20 degrees. In the surface-emitting laser array chip, each channel can independently control light emission. Therefore, by selecting a channel to emit light, the direction of light emitted from the light source module LM can be changed.

図21には、光学シミュレータで光学設計した光線図の一例が示されている。ここでは、面発光レーザアレイチップを模した3つのch(光源)、及び該3つのchの近傍に直径1mm、f=600umのレンズを配置している。3つのchのうち1つのchは、レンズの光軸上に配置され、他の2つのchは、レンズの光軸の一側及び他側に個別に配置されている。光軸上のch以外のchからの光はレンズで屈折され、伝播方向(進路)が曲げられる。すなわち、光軸上のch以外の2つのchからの2つの光は、レンズの光軸に対して約20度の角度で該光軸に対して互いに逆方向に出射されることになる。   FIG. 21 shows an example of a ray diagram optically designed by the optical simulator. Here, three channels (light sources) imitating a surface emitting laser array chip and a lens having a diameter of 1 mm and f = 600 μm are arranged in the vicinity of the three channels. One of the three channels is arranged on the optical axis of the lens, and the other two channels are individually arranged on one side and the other side of the optical axis of the lens. Light from channels other than the channel on the optical axis is refracted by the lens, and the propagation direction (path) is bent. That is, two lights from two channels other than the channel on the optical axis are emitted in directions opposite to each other with respect to the optical axis of the lens at an angle of about 20 degrees with respect to the optical axis.

ここでは、光源モジュールLMは、被検体への光の入射角が約55度になるように設計されている。具体的には、光源モジュールLMは、図16に示されるように、凸面レンズからその光軸に対して約20度傾斜した方向に出射された複数の光を複数のプリズムによって個別に偏向することで、該複数の光それぞれのレンズの光軸に対する角度を約20度から約55度に変換し、被検体の表面に入射するように設計されている。   Here, the light source module LM is designed such that the incident angle of light on the subject is about 55 degrees. Specifically, as shown in FIG. 16, the light source module LM individually deflects a plurality of lights emitted from the convex lens in a direction inclined about 20 degrees with respect to the optical axis thereof by a plurality of prisms. Thus, the angle of each of the plurality of lights with respect to the optical axis of the lens is changed from about 20 degrees to about 55 degrees, and the light is designed to be incident on the surface of the subject.

なお、プリズムは、光を反射するものであれば良く、例えば金属膜が成膜されたガラス基板を用いてもよい。また、例えば、屈折率差によって起きる全反射現象を利用したプリズムを採用しても良い。その一例として、図22に光学シミュレーションの結果が示されている。VCSELから出射された光線は、凸面レンズで屈折した後、プリズムに入射する。   The prism may be any as long as it reflects light. For example, a glass substrate on which a metal film is formed may be used. Further, for example, a prism utilizing a total reflection phenomenon caused by a difference in refractive index may be employed. As an example, FIG. 22 shows a result of an optical simulation. The light beam emitted from the VCSEL is refracted by the convex lens and then enters the prism.

ここでは、プリズムの材料はBK7とされているが、一般的な光学材料でも良い。プリズムに入射した光は、プリズム側面(反射面)で全反射され、被検体に約55°の入射角で入射される。すなわち、凸面レンズを介した光は、被検体への光の入射角が55°程度になるようにプリズムで偏向される。この際に、プリズムと被検体との界面での光の散乱を防止するために、プリズムと被検体との間に透明のジェルが介在されている。ここでも、面発光レーザアレイチップからの複数の光は、凸面レンズで非平行の複数の光とされ、プリズムで反射され、被検体に入射される。結果として、非平行な複数の略平行光が被検体の同一位置に入射される(図22参照)。   Here, the material of the prism is BK7, but a general optical material may be used. Light incident on the prism is totally reflected on the side surface (reflection surface) of the prism, and is incident on the subject at an incident angle of about 55 °. That is, the light passing through the convex lens is deflected by the prism so that the incident angle of the light on the subject becomes about 55 °. At this time, a transparent gel is interposed between the prism and the subject in order to prevent light scattering at the interface between the prism and the subject. Also in this case, a plurality of lights from the surface emitting laser array chip are converted into a plurality of non-parallel lights by a convex lens, reflected by a prism, and incident on a subject. As a result, a plurality of non-parallel substantially parallel lights are incident on the same position of the subject (see FIG. 22).

プリズムと被検体との屈折率差によるスネルの法則によって、光線の被検体内における伝播角度が約55°から約60°に変わる。   The angle of propagation of the light beam within the subject changes from about 55 ° to about 60 ° due to Snell's law due to the refractive index difference between the prism and the subject.

凸面レンズ及びプリズムを含む光学系では、面発光レーザアレイチップの各chの位置が互いに異なることを利用して、被検体内での光の伝播角度を設定することができる。ここでは、各ch(VCSEL)の中心を凸面レンズの光軸から200um程度ずらすことで、該chから出射された光を被検体内での伝播角度を60°程度に設定できている。この際、複数のchから出射された複数の光は、凸面レンズの出射面の異なる複数位置から非平行な複数の略平行光として出射される。   In an optical system including a convex lens and a prism, the propagation angle of light in a subject can be set by utilizing the fact that the positions of respective channels of a surface emitting laser array chip are different from each other. Here, by shifting the center of each channel (VCSEL) from the optical axis of the convex lens by approximately 200 μm, the propagation angle of the light emitted from each channel in the subject can be set to approximately 60 °. At this time, the plurality of lights emitted from the plurality of channels are emitted as a plurality of non-parallel substantially parallel lights from a plurality of different positions on the emission surface of the convex lens.

図23には、比較例として、レンズを焦点距離f=600umに対し、固定位置をL=1.6mmとしたときの光学シミュレーションの結果が示されている。Lとfとの差が1mm以上になると、図23のようにビームが大きく広がってしまう。このようにビームが広がる場合、被検体の入射面を大きくする必要がある。しかし、実際にNIRSとして実用的な大きさとしてはφ2mm程度が限界である。この制約は、人間の毛根の間隔が2mm程度であり、これ以上大きい面積では、光学上、髪の毛が邪魔になってしまい高い分解能のNIRSを実現できない。つまりは、fとLとの差は1mm未満であることが望ましい。   FIG. 23 shows, as a comparative example, the result of an optical simulation when the fixed position is L = 1.6 mm with respect to the focal length of the lens f = 600 μm. When the difference between L and f is 1 mm or more, the beam spreads greatly as shown in FIG. When the beam spreads in this way, it is necessary to enlarge the incident surface of the subject. However, the practical size of the NIRS is limited to about φ2 mm. The limitation is that the distance between human hair roots is about 2 mm, and if the area is larger than this, optically, the hair becomes an obstacle and high resolution NIRS cannot be realized. That is, the difference between f and L is desirably less than 1 mm.

図16に示されるレンズ1、2は、設計した位置に正確に安定して配置されるように、面発光レーザアレイチップが実装されているセラミックパッケージに直接固定されている。   The lenses 1 and 2 shown in FIG. 16 are directly fixed to a ceramic package on which a surface emitting laser array chip is mounted so as to be accurately and stably arranged at a designed position.

図21では、レンズの凸面が面発光レーザ側に向けられているが、その逆でも構わない。図21に示されるように、レンズの凸面が面発光レーザ側を向き、レンズの平面部分が被検体側を向くように配置することで、面発光レーザチップとレンズとの距離を長くとることができる。チップ実装のプロセス上では、実装する際に部品をピックアップするアームや部品同士が干渉するのを防ぐために、ある程度許容距離が長い方が好ましい。   In FIG. 21, the convex surface of the lens is directed to the surface-emitting laser side, but the reverse is also possible. As shown in FIG. 21, the distance between the surface emitting laser chip and the lens can be increased by arranging the lens such that the convex surface of the lens faces the surface emitting laser and the planar portion of the lens faces the subject. it can. In the chip mounting process, it is preferable that the allowable distance is long to some extent in order to prevent interference between arms for picking up components and components during mounting.

レンズは光を屈折させる光学部品であれば良く、光ファイバの屈折率分布を利用したGRIN(Gradient Index)レンズのようなものを利用してもよい。GRINレンズを用いることで、球面レンズを利用するよりも、一般的に球面収差が小さく、低コストでf値の小さいものを選択できるメリットがある。   The lens may be any optical component that refracts light, and a lens such as a GRIN (Gradient Index) lens using a refractive index distribution of an optical fiber may be used. The use of a GRIN lens has the advantage that, in comparison with the use of a spherical lens, a lens having generally small spherical aberration, low cost, and a small f-number can be selected.

実施例2では、レンズの中心よりもレンズの端部に光を入射させるため、球面収差が小さい方が望ましい。   In the second embodiment, it is preferable that the spherical aberration is small in order to make the light incident on the edge of the lens rather than the center of the lens.

以上の説明から分かるように、光源モジュールLMからは、互いに非平行な複数の光が出射される(図16、図22参照)。   As can be understood from the above description, a plurality of non-parallel lights are emitted from the light source module LM (see FIGS. 16 and 22).

そして、光源モジュールLMからの互いに非平行な複数の光は、被検体の同一位置に入射する(図16、図22参照)。   Then, a plurality of non-parallel lights from the light source module LM are incident on the same position of the subject (see FIGS. 16 and 22).

この「同一位置」は、例えば光源モジュールLMが約60mm間隔で配置されている場合に、その60mmに対して同一の位置を意味しており、互いに数mm程度離れた複数位置も同一位置と言って差し支えない。つまり、「同一位置」の「同一」は、厳密な意味での同一ではなく、「ほぼ同一」もしくは「概ね同一」と言い換えても良い。   This “same position” means, for example, when the light source modules LM are arranged at intervals of about 60 mm, the same position with respect to the 60 mm, and a plurality of positions separated by several mm from each other is also called the same position. I don't mind. In other words, “identical” at “identical position” is not the same in a strict sense, but may be rephrased as “substantially identical” or “substantially identical”.

後に逆問題を解くアルゴリズムを説明するが、その際に光源モジュールLMの位置を設定した光学シミュレーションを行う。この光学シミュレーションを行う際に、被検体への入射位置のずれを正確に設定することで、逆問題の推定には誤差を生じない。これは発振波長が異なる複数のchを有する面発光レーザアレイチップにおいても同様であり、発振波長が異なる複数のchからの複数の光の入射位置が数mmずれていても、該複数の光の入射位置は、同一位置と言って差し支えない。   An algorithm for solving the inverse problem will be described later. At that time, an optical simulation in which the position of the light source module LM is set is performed. When the optical simulation is performed, by accurately setting the shift of the incident position on the subject, no error occurs in estimating the inverse problem. The same applies to a surface emitting laser array chip having a plurality of channels having different oscillation wavelengths. Even if the incident positions of a plurality of lights from a plurality of channels having different oscillation wavelengths are shifted by several mm, the plurality of light beams The incident positions may be said to be the same position.

一方、プローブ間距離を小さくしてプローブを高密度に配置する際には、複数の光源モジュールLM(光照射用のプローブ)による被検体上の光照射エリアが近接するため、複数の光の被検体への入射位置のずれは小さい方が望ましい。すなわち、上記「同一位置」の同一性をより高くすることが望ましい。   On the other hand, when the distance between the probes is reduced and the probes are arranged at a high density, the light irradiation area on the subject by the plurality of light source modules LM (probes for light irradiation) is close to each other. It is desirable that the deviation of the incident position on the specimen be small. That is, it is desirable to further increase the identity of the “identical position”.

そこで、発明者らは、面発光レーザアレイチップの複数の発光部の出射方向を非平行とすることで、光源モジュールLMからの複数の光の被検体への入射位置のずれを小さくすることを見出した。以下にその方法について具体的に説明する。   Therefore, the present inventors have made the emission directions of the plurality of light emitting units of the surface emitting laser array chip non-parallel to reduce the shift of the incident position of the plurality of lights from the light source module LM to the subject. I found it. The method will be specifically described below.

図24には、実施例2の変形例1の光源モジュールLMの面発光レーザアレイチップの各発光部を構成する面発光レーザ素子のXZ断面図が示されている。なお、以下では、レーザ発振方向をZ軸方向とし、Z軸方向に垂直な面内における互いに直交する2つの方向をX軸方向及びY軸方向として説明する。   FIG. 24 shows an XZ cross-sectional view of a surface emitting laser element constituting each light emitting unit of the surface emitting laser array chip of the light source module LM of the first modification of the second embodiment. Hereinafter, the laser oscillation direction will be described as the Z-axis direction, and two directions orthogonal to each other in a plane perpendicular to the Z-axis direction will be described as the X-axis direction and the Y-axis direction.

面発光レーザ素子100は、一例として、発振波長が780nm帯の面発光レーザ素子であり、基板101、バッファ層102、下部半導体DBR103、下部スペーサ層104、活性層105、上部スペーサ層106、上部半導体DBR107、コンタクト層109などを有している。   The surface emitting laser device 100 is, for example, a surface emitting laser device having an oscillation wavelength of 780 nm band, and includes a substrate 101, a buffer layer 102, a lower semiconductor DBR 103, a lower spacer layer 104, an active layer 105, an upper spacer layer 106, and an upper semiconductor. It has a DBR 107, a contact layer 109, and the like.

基板101は、表面が鏡面研磨面であり、図25(A)に示されるように、鏡面研磨面(主面)の法線方向が、結晶方位[1 0 0]方向に対して、結晶方位[1 1 1]A方向に向かって15度(θ=15度)傾斜したn−GaAs単結晶基板である。すなわち、基板101はいわゆる傾斜基板である。ここでは、図25(B)に示されるように、結晶方位[0 −1 1]方向が+X方向、結晶方位[0 1 −1]方向が−X方向となるように配置されている。   The surface of the substrate 101 is a mirror-polished surface, and as shown in FIG. 25A, the normal direction of the mirror-polished surface (principal surface) is different from the crystal orientation [100] direction in the crystal orientation. [11 1] An n-GaAs single crystal substrate inclined at 15 degrees (θ = 15 degrees) in the A direction. That is, the substrate 101 is a so-called inclined substrate. Here, as shown in FIG. 25B, the crystal orientations are arranged such that the [0-11] direction is the + X direction and the [01-1] direction is the -X direction.

また、ここでは、基板101に傾斜基板を用いることによって、偏光方向をX軸方向に安定させようとする偏光制御作用が働くものとする。   Here, it is assumed that the use of an inclined substrate as the substrate 101 provides a polarization control effect for stabilizing the polarization direction in the X-axis direction.

バッファ層102は、基板101の+Z側の面上に積層され、n−GaAsからなる層である。   The buffer layer 102 is laminated on the + Z side surface of the substrate 101 and is a layer made of n-GaAs.

下部半導体DBR103は、バッファ層102の+Z側の面上に積層され、n−Al0.93Ga0.07Asからなる低屈折率層と、n−Al0.3Ga0.7Asからなる高屈折率層のペアを42.5ペア有している。各屈折率層の間には、電気抵抗を低減するため、一方の組成から他方の組成へ向かって組成を徐々に変化させた厚さ20nmの組成傾斜層が設けられている。そして、各屈折率層はいずれも、隣接する組成傾斜層の1/2を含んで、発振波長をλとするとλ/4の光学的厚さとなるように設定されている。なお、光学的厚さがλ/4のとき、その層の実際の厚さDは、D=λ/4n(但し、nはその層の媒質の屈折率)である。 The lower semiconductor DBR 103 is stacked on the surface on the + Z side of the buffer layer 102, and includes a low refractive index layer made of n-Al 0.93 Ga 0.07 As and n-Al 0.3 Ga 0.7 As. It has 42.5 pairs of high refractive index layers. Between each of the refractive index layers, a composition gradient layer having a thickness of 20 nm in which the composition is gradually changed from one composition to the other composition is provided in order to reduce the electric resistance. Each refractive index layer is set to have an optical thickness of λ / 4, where λ is the oscillation wavelength, including 1 / of the adjacent composition gradient layer. When the optical thickness is λ / 4, the actual thickness D of the layer is D = λ / 4n (where n is the refractive index of the medium of the layer).

下部スペーサ層104は、下部半導体DBR103の+Z側に積層され、ノンドープのAl0.33Ga0.67Asからなる層である。 The lower spacer layer 104 is stacked on the + Z side of the lower semiconductor DBR 103 and is a layer made of non-doped Al 0.33 Ga 0.67 As.

活性層105は、下部スペーサ層104の+Z側に積層され、GaInAsP/Al0.33Ga0.67Asからなる3重量子井戸構造の活性層である。 The active layer 105 is stacked on the + Z side of the lower spacer layer 104 and is a triple quantum well structure active layer made of GaInAsP / Al 0.33 Ga 0.67 As.

上部スペーサ層106は、活性層105の+Z側に積層され、ノンドープのAl0.33Ga0.67Asからなる層である。 The upper spacer layer 106 is stacked on the + Z side of the active layer 105 and is a layer made of non-doped Al 0.33 Ga 0.67 As.

下部スペーサ層104と活性層105と上部スペーサ層106とからなる部分は、共振器構造体とも呼ばれており、隣接する組成傾斜層の1/2を含んで、その厚さが1波長の光学的厚さとなるように設定されている。なお、活性層105は、高い誘導放出確率が得られるように、電界の定在波分布における腹に対応する位置である共振器構造体の中央に設けられている。   A portion composed of the lower spacer layer 104, the active layer 105, and the upper spacer layer 106 is also called a resonator structure, and includes a half of an adjacent composition gradient layer and has a thickness of one wavelength. The target thickness is set. The active layer 105 is provided at the center of the resonator structure at a position corresponding to the antinode in the standing wave distribution of the electric field so as to obtain a high stimulated emission probability.

上部半導体DBR107は、上部スペーサ層106の+Z側に積層され、p−Al0.93Ga0.07Asからなる低屈折率層とp−Al0.33Ga0.67Asからなる高屈折率層のペアを32ペア有している。各屈折率層の間には組成傾斜層が設けられている。そして、各屈折率層はいずれも、隣接する組成傾斜層の1/2を含んで、λ/4の光学的厚さとなるように設定されている。 The upper semiconductor DBR 107 is stacked on the + Z side of the upper spacer layer 106, and has a low refractive index layer made of p-Al 0.93 Ga 0.07 As and a high refractive index made of p-Al 0.33 Ga 0.67 As. There are 32 pairs of layers. A composition gradient layer is provided between the refractive index layers. Each of the refractive index layers is set to have an optical thickness of λ / 4 including 1 / of the adjacent composition gradient layer.

上部半導体DBR107における低屈折率層の1つには、p−Al0.99Ga0.01Asからなる被選択酸化層が厚さ30nmで挿入されている。この被選択酸化層の挿入位置は、上部スペーサ層106から2ペア目の低屈折率層中である。 A selective oxidation layer made of p-Al 0.99 Ga 0.01 As is inserted into one of the low refractive index layers of the upper semiconductor DBR 107 with a thickness of 30 nm. The position where the selectively oxidized layer is inserted is in the second pair of low refractive index layers from the upper spacer layer 106.

コンタクト層109は、上部半導体DBR107の+Z側に積層され、p−GaAsからなる層である。   The contact layer 109 is stacked on the + Z side of the upper semiconductor DBR 107 and is a layer made of p-GaAs.

なお、このように基板101上に複数の半導体層が積層されたものを、以下では、便宜上「積層体」ともいう。   Note that a structure in which a plurality of semiconductor layers are stacked on the substrate 101 in this manner is hereinafter also referred to as a “stack” for convenience.

次に、面発光レーザ素子100の製造方法について説明する。   Next, a method for manufacturing the surface emitting laser element 100 will be described.

(1)上記積層体を有機金属気相成長法(MOCVD法)あるいは分子線エピタキシャル成長法(MBE法)による結晶成長によって作成する。ここでは、III族の原料には、トリメチルアルミニウム(TMA)、トリメチルガリウム(TMG)、トリメチルインジウム(TMI)を用い、V族の原料には、フォスフィン(PH)、アルシン(AsH)を用いている。また、p型ドーパントの原料には四臭化炭素(CBr)、ジメチルジンク(DMZn)を用い、n型ドーパントの原料にはセレン化水素(HSe)を用いている。 (1) The above-mentioned laminate is formed by crystal growth by metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) or molecular beam epitaxy (MBE). Here, trimethylaluminum (TMA), trimethylgallium (TMG), and trimethylindium (TMI) are used as group III raw materials, and phosphine (PH 3 ) and arsine (AsH 3 ) are used as group V raw materials. ing. In addition, carbon tetrabromide (CBr 4 ) and dimethyl zinc (DMZn) are used as the raw material of the p-type dopant, and hydrogen selenide (H 2 Se) is used as the raw material of the n-type dopant.

(2)積層体の表面に所望のメサ形状に対応する1辺が25μmの正方形状のレジストパターンを形成する。 (2) A square resist pattern having a side of 25 μm corresponding to a desired mesa shape is formed on the surface of the laminate.

(3)誘導結合型(ICP)ドライエッチング法で、上記レジストパターンをフォトマスクとして四角柱状のメサを形成する。ここでは、エッチングの底面は下部スペーサ層104中に位置するようにした。 (3) A square pillar-shaped mesa is formed by inductive coupling (ICP) dry etching using the resist pattern as a photomask. Here, the bottom surface of the etching is located in the lower spacer layer 104.

(4)フォトマスクを除去する。 (4) Remove the photomask.

(5)積層体を水蒸気中で熱処理する。ここでは、メサの外周部から被選択酸化層108中のAlが選択的に酸化される。そして、メサの中央部に、Alの酸化層108aによって囲まれた酸化されていない領域108bを残留させる。これにより、発光部の駆動電流の経路をメサの中央部だけに制限する、酸化狭窄構造体が作成される。上記酸化されていない領域108bが電流通過領域(電流注入領域)である。ここでは、種々の予備実験の結果から、電流通過領域108bが所望の大きさとなるように、熱処理の条件(保持温度、保持時間等)を適切に選択している。 (5) Heat treating the laminate in steam. Here, Al in the selectively oxidized layer 108 is selectively oxidized from the outer periphery of the mesa. Then, an unoxidized region 108b surrounded by the Al oxide layer 108a is left at the center of the mesa. As a result, an oxide confined structure that limits the path of the drive current of the light emitting unit to only the center of the mesa is created. The non-oxidized region 108b is a current passing region (current injection region). Here, from the results of various preliminary experiments, heat treatment conditions (holding temperature, holding time, and the like) are appropriately selected so that the current passage region 108b has a desired size.

(6)積層体の表面に、分離用(チップ切り出し用)の溝を形成するためのレジストマスクを設ける。 (6) A resist mask for forming a separation (chip cutting) groove is provided on the surface of the laminate.

(7)上述したレジストマスクをエッチングマスクとして、ドライエッチング法により分離用(チップ切り出し用)の溝を形成する。 (7) Using the resist mask described above as an etching mask, a groove for separation (chip cutting) is formed by a dry etching method.

(8)プラズマCVD法を用いて、SiNからなる保護層111を形成する。ここでは、保護層111の光学的厚さがλ/4となるようにした。具体的には、SiNの屈折率nが1.86、発振波長λが780nmであるため、実際の膜厚(=λ/4n)は約105nmに設定した。 (8) The protective layer 111 made of SiN is formed by using the plasma CVD method. Here, the optical thickness of the protective layer 111 was set to λ / 4. Specifically, since the refractive index n of SiN is 1.86 and the oscillation wavelength λ is 780 nm, the actual film thickness (= λ / 4n) was set to about 105 nm.

(9)レーザ光の出射面となるメサ上部にP側電極コンタクトの窓開けを行うためのエッチングマスク(マスクMという)を形成する。ここでは、マスクMはメサの周囲、メサ上面の周囲及びメサ上面の保護層111からメサ上面の環状領域111aがエッチングされないようにマスクMを作成する。ここで、環状領域111aの内周円の中心(内径の中心)と出射領域の中心とのZ軸に垂直な方向に関する(Z軸方向から見た)距離は、図17に示される発光部(ch)が配置される領域によって異なる。 (9) An etching mask (mask M) for opening a window for the P-side electrode contact is formed on the upper portion of the mesa, which is the laser light emission surface. Here, the mask M is formed so that the annular region 111a on the mesa upper surface is not etched from the periphery of the mesa, the periphery of the mesa upper surface, and the protective layer 111 on the mesa upper surface. Here, the distance (as viewed from the Z-axis direction) between the center of the inner circumferential circle (the center of the inner diameter) of the annular region 111a and the center of the emission region in the direction perpendicular to the Z-axis is as follows. ch) is different depending on the area where it is arranged.

(10)BHFにて保護層111をエッチングし、P側電極コンタクトの窓開けを行う。 (10) The protective layer 111 is etched with BHF to open a window for the P-side electrode contact.

(11)マスクMを除去する。 (11) The mask M is removed.

(12)メサ上部の光出射部(金属層の開口部)となる領域に一辺10μmの正方形状のレジストパターンを形成し、p側の電極材料の蒸着を行う。p側の電極材料としてはCr/AuZn/Auからなる多層膜、もしくはTi/Pt/Auからなる多層膜が用いられる。 (12) A square resist pattern with a side length of 10 μm is formed in a region serving as a light emitting portion (opening of the metal layer) above the mesa, and a p-side electrode material is deposited. As the p-side electrode material, a multilayer film made of Cr / AuZn / Au or a multilayer film made of Ti / Pt / Au is used.

(13)光出射部となる領域(出射領域)に蒸着された電極材料をリフトオフし、p側の電極113を形成する。このp側の電極113で囲まれた領域が出射領域である。この出射領域には、保護層111の環状領域111a(以下では、環状誘電体とも称する)が残留する(図24参照)。ここでは、環状誘電体の材料(保護層111の材料)はSiNであるが、例えばSiO、SiO等の他の誘電体であっても良い。 (13) The electrode material deposited in the region (light emission region) to be the light emission portion is lifted off to form the p-side electrode 113. An area surrounded by the p-side electrode 113 is an emission area. An annular region 111a of the protective layer 111 (hereinafter, also referred to as an annular dielectric) remains in the emission region (see FIG. 24). Here, the material of the annular dielectric (the material of the protective layer 111) is SiN, but other dielectrics such as SiO and SiO 2 may be used.

この環状誘電体は、出射領域内での反射率を制御する機能を持つ。すなわち、出射領域は、誘電体がある環状部分が低反射領域となり、誘電体がない部分は高反射領域となる。これにより、基本横モード光の出力を低下させることなく高次横モード光の出力を効果的に低下させることができ、ひいては出射光のビーム品質を向上させることができる。   This annular dielectric has a function of controlling the reflectance in the emission region. That is, in the emission region, the annular portion having a dielectric is a low reflection region, and the portion having no dielectric is a high reflection region. Thus, the output of the higher-order transverse mode light can be effectively reduced without lowering the output of the fundamental transverse mode light, and the beam quality of the emitted light can be improved.

(14)基板101の裏側を所定の厚さ(例えば100μm程度)まで研磨した後、n側の電極114を形成する。ここでは、n側の電極114はAuGe/Ni/Auからなる多層膜である。 (14) After polishing the back side of the substrate 101 to a predetermined thickness (for example, about 100 μm), the n-side electrode 114 is formed. Here, the n-side electrode 114 is a multilayer film made of AuGe / Ni / Au.

(15)アニールによって、p側の電極113とn側の電極114のオーミック導通をとる。これにより、メサは発光部となる。 (15) Ohmic conduction is established between the p-side electrode 113 and the n-side electrode 114 by annealing. Thus, the mesa becomes a light emitting unit.

(16)チップ毎に切断し、それぞれセラミックパッケージに実装する。 (16) Each chip is cut and mounted on a ceramic package.

ここで、出射領域に形成された環状誘電体の中心(環状誘電体の内周円の中心)と出射領域の中心とがZ軸方向から見て一致している場合には、面発光レーザアレイチップの各発光部の出射方向は+Z方向(基板101に垂直な方向)となり、環状誘電体の中心と出射領域の中心とがZ軸方向から見てずれている(オフセットしている)場合には、該発光部の出射方向が+Z方向(基板101に垂直な方向)に対して傾斜する。ここでは、説明を簡単にするため、傾斜基板を用いることによる出射方向の傾斜を考慮していない。なお、「出射領域の中心」とは、上記電流通過領域の中心を通り基板101に垂直な軸(面発光レーザ素子100の中心軸)と出射面(コンタクト層109の上面)との交点を意味する。このため、「出射領域の中心」を「出射面の中心」と言い換えても良い。   Here, when the center of the annular dielectric formed in the emission region (the center of the inner circumferential circle of the annular dielectric) coincides with the center of the emission region when viewed from the Z-axis direction, the surface emitting laser array is used. The emission direction of each light emitting portion of the chip is in the + Z direction (direction perpendicular to the substrate 101), and the center of the annular dielectric and the center of the emission region are shifted (offset) when viewed from the Z axis direction. The emission direction of the light emitting portion is inclined with respect to the + Z direction (the direction perpendicular to the substrate 101). Here, in order to simplify the description, the inclination of the emission direction due to the use of the inclined substrate is not considered. The “center of the emission region” means an intersection point between an axis passing through the center of the current passing region and perpendicular to the substrate 101 (the central axis of the surface emitting laser element 100) and the emission surface (the upper surface of the contact layer 109). I do. Therefore, “the center of the emission area” may be rephrased as “the center of the emission surface”.

そこで、発明者らは、この原理を利用して、複数の発光部の出射方向が異なる実施例2の変形例1の面発光レーザアレイチップを開発した。   Therefore, the inventors have developed a surface emitting laser array chip according to a first modification of the second embodiment in which the emission directions of a plurality of light emitting units are different by utilizing this principle.

図26(A)〜図27を参照して、変形例1の面発光レーザアレイチップにおける環状誘電体の中心と出射領域の中心のZ軸方向から見た位置関係(オフセット)を発光部が配置される領域によって異ならせたオフセット分布モデル1について説明する。このオフセット分布モデル1は、保護層111をエッチングする際に用いられるマスクの設計により定めることができる。   Referring to FIGS. 26A to 27, the light emitting unit arranges a positional relationship (offset) between the center of the annular dielectric and the center of the emission region in the surface emitting laser array chip of Modification 1 as viewed from the Z-axis direction. The following describes the offset distribution model 1 that differs depending on the region in which the offset distribution is performed. The offset distribution model 1 can be determined by designing a mask used when etching the protective layer 111.

図26(A)に示されるように、変形例1の面発光レーザアレイチップは、第1ch群と、該第1ch群の周囲に配置された第2〜第5ch群と含む。   As shown in FIG. 26A, the surface emitting laser array chip of the first modification includes a first channel group and second to fifth channel groups arranged around the first channel group.

詳述すると、各ch群は、X軸方向及びY軸方向に正方格子状に配置された4つのch(発光部)から成る。そして、第1ch群は正方形の対角線の交点に配置され、第2〜第5発光部群は該正方形の4つの頂点に個別に配置されている。ここでは、面発光レーザアレイチップとレンズは、第1ch群の中心がレンズの光軸上に位置するように位置決めされている。   More specifically, each channel group includes four channels (light emitting units) arranged in a square lattice in the X-axis direction and the Y-axis direction. The first channel group is arranged at the intersection of the diagonal lines of the square, and the second to fifth light emitting unit groups are individually arranged at the four vertexes of the square. Here, the surface emitting laser array chip and the lens are positioned such that the center of the first channel group is located on the optical axis of the lens.

オフセット分布モデル1では、第1ch群の4つのchと、第2及び第3ch群それぞれの−Y側の2つのchと、第4及び第5ch群それぞれの+Y側の2つのchとを含む領域(合計8つのchを含む領域)をα領域とし、第2及び第3ch群それぞれの+Y側の2つのchを含む領域(合計4つのchを含む領域)をβ領域とし、第4及び第5ch群それぞれの−Y側の2つのchを含む領域(合計4つのchを含む領域)をγ領域とする。   In the offset distribution model 1, an area including four channels of the first channel group, two channels on the −Y side of each of the second and third channel groups, and two channels on the + Y side of each of the fourth and fifth channel groups. (A region including a total of eight channels) is defined as an α region, a region including two channels on the + Y side of each of the second and third channel groups (a region including a total of four channels) is defined as a β region, and fourth and fifth channels are defined. A region including two channels on the −Y side of each group (a region including a total of four channels) is defined as a γ region.

そして、オフセット分布モデル1では、chのY軸方向のオフセット(Z軸方向から見た環状誘電体の中心の出射領域の中心からのY軸方向のずれ量及びずれ方向の少なくとも一方)を領域間で異ならせている。   Then, in the offset distribution model 1, the offset of the channel in the Y-axis direction (at least one of the shift amount and the shift direction in the Y-axis direction from the center of the emission region at the center of the annular dielectric viewed from the Z-axis direction) is set between the regions. Is different.

図27には、chのY軸方向のオフセットと出射角のZ軸に対する傾斜角との関係がグラフにて示されている。   FIG. 27 is a graph showing the relationship between the offset of the channel in the Y-axis direction and the inclination angle of the emission angle with respect to the Z-axis.

図27から、各chでは、Y軸方向のオフセットによって出射方向が変わることが分かる。詳述すると、各chの出射方向は、Z軸に対してY軸方向のオフセットの向き(+Y方向又は−Y方向)と反対向き(−Y方向又は+Y方向)に傾斜し、傾斜角がオフセット量にほぼ比例する。   From FIG. 27, it can be seen that the emission direction changes in each channel due to the offset in the Y-axis direction. More specifically, the emission direction of each channel is inclined in the opposite direction (+ Y direction or + Y direction) to the offset direction in the Y axis direction (+ Y direction or -Y direction) with respect to the Z axis, and the inclination angle is offset. It is almost proportional to the amount.

変形例1では、X軸周りに傾斜している基板101(傾斜基板)を用いている影響で、環状誘電体の中心と出射領域の中心とがZ軸方向から見て一致しているときに出射方向が+Y方向に約0.1°シフトしている(図27参照)。   In the first modification, when the center of the annular dielectric and the center of the emission region coincide with each other when viewed from the Z-axis direction due to the use of the substrate 101 (inclined substrate) inclined around the X axis. The emission direction is shifted by about 0.1 ° in the + Y direction (see FIG. 27).

そこで、変形例1では、図26(B)に示されるように、α領域の各chの出射方向のZ軸に対する傾斜角が0.0°となるように、環状誘電体の中心を出射領域の中心に対して+Y方向に0.2umオフセットさせている。   Therefore, in the first modification, as shown in FIG. 26B, the center of the annular dielectric is set to the emission region so that the inclination angle of the emission direction of each channel of the α region with respect to the Z axis is 0.0 °. Is offset by 0.2 μm in the + Y direction with respect to the center of.

また、図26(C)に示されるように、β領域の各chの出射方向がZ軸に対して−Y方向に所望の角度δ(約0.15°)だけ傾斜するように、環状誘電体の中心を出射領域の中心に対して+Y方向に0.5umオフセットさせている。   Further, as shown in FIG. 26C, the annular dielectric is set such that the emission direction of each channel in the β region is inclined at a desired angle δ (about 0.15 °) in the −Y direction with respect to the Z axis. The center of the body is offset by 0.5 μm in the + Y direction with respect to the center of the emission area.

また、図26(D)に示されるように、γ領域の各chの出射方向がZ軸に対して+Y方向に所望の角度δ(約0.15°)だけ傾斜するように、環状誘電体の中心を出射領域の中心に対して−Y方向に0.1umオフセットさせている。   Further, as shown in FIG. 26 (D), the annular dielectric is set so that the emission direction of each channel in the γ region is inclined at a desired angle δ (about 0.15 °) in the + Y direction with respect to the Z axis. Is offset by 0.1 μm in the −Y direction with respect to the center of the emission region.

次に、図28(A)〜図28(D)を参照して、変形例2のオフセット分布モデル2について説明する。変形例2の面発光レーザ素子では、変形例1と異なり、傾斜基板を用いていない。すなわち、変形例2の面発光レーザ素子の基板は、鏡面研磨面の法線方向が、結晶方位[1 0 0]方向に一致している。   Next, an offset distribution model 2 according to a second modification will be described with reference to FIGS. In the surface emitting laser element of the second modification, unlike the first modification, no inclined substrate is used. That is, the normal direction of the mirror-polished surface of the substrate of the surface emitting laser element of Modification 2 matches the crystal orientation [100] direction.

オフセット分布モデル2では、第1ch群の4つのchと、第2及び第5ch群それぞれの+X側の2つのchと、第3及び第4ch群それぞれの−X側の2つのchとを含む領域(合計8つのchを含む領域)をα´領域とし、第2及び第5ch群それぞれの−X側の2つのchを含む領域(合計4つのchを含む領域)をβ´領域とし、第3及び第4ch群それぞれの+X側の2つのchを含む領域(合計4つのchを含む領域)をγ´領域とする。   In the offset distribution model 2, a region including four channels of the first channel group, two channels on the + X side of each of the second and fifth channel groups, and two channels on the -X side of each of the third and fourth channel groups. A region including a total of four channels (a region including a total of four channels) is defined as an α ′ region, and a region including two channels on the −X side of each of the second and fifth channel groups is defined as an α ′ region. A region including two channels on the + X side of each of the fourth and fourth channel groups (a region including a total of four channels) is defined as a γ ′ region.

そして、オフセット分布モデル2では、chのX軸方向のオフセット(Z軸方向から見た環状誘電体の中心の出射領域の中心からのX軸方向のずれ量及びずれ方向の少なくとも一方)を領域間で異ならせている。なお、X軸方向のオフセットも、Y軸方向のオフセット(図27参照)と同様に、オフセット量と出射方向の傾斜角が線形の関係になっている。   In the offset distribution model 2, the offset of the channel in the X-axis direction (at least one of the shift amount and the shift direction in the X-axis direction from the center of the emission region at the center of the annular dielectric as viewed in the Z-axis direction) is set between the regions. Is different. Note that, similarly to the offset in the Y-axis direction (see FIG. 27), the offset in the X-axis direction has a linear relationship between the offset amount and the inclination angle in the emission direction.

具体的には、α´領域では、環状誘電体が出射領域に対してオフセットされていない(図28(B)参照)。すなわち、α´領域では、Z軸方向から見て環状誘電体の中心と出射領域の中心が一致しており、各chの出射方向がZ軸に平行となっている。   Specifically, in the α ′ region, the annular dielectric is not offset with respect to the emission region (see FIG. 28B). That is, in the α ′ region, the center of the annular dielectric coincides with the center of the emission region when viewed from the Z-axis direction, and the emission direction of each channel is parallel to the Z-axis.

β´領域では、各chの出射方向がZ軸に対して+X方向に所望の角度δ(約0.15°)だけ傾斜するように、環状誘電体の中心を出射領域の中心に対して−X方向に0.3umオフセットされている(図28(C)参照)。   In the β 'region, the center of the ring-shaped dielectric is-with respect to the center of the emission region so that the emission direction of each channel is inclined at a desired angle δ (about 0.15 °) in the + X direction with respect to the Z axis. It is offset by 0.3 μm in the X direction (see FIG. 28C).

γ´領域では、各chの出射方向がZ軸に対して−X方向に所望の角度δ(約0.15°)だけ傾斜するように、環状誘電体の中心を出射領域の中心に対して+X方向に0.3umオフセットされている(図28(D)参照)。   In the γ ′ region, the center of the annular dielectric is positioned with respect to the center of the emission region so that the emission direction of each channel is inclined at a desired angle δ (about 0.15 °) in the −X direction with respect to the Z axis. It is offset by 0.3 μm in the + X direction (see FIG. 28D).

以上説明したオフセット分布モデル1、2は、それぞれY軸方向、X軸方向にオフセットさせる例であるが、X軸方向及びY軸方向の双方にオフセットさせても良い。この場合、出射方向をZ軸に対して+X方向又は−X方向、かつ+Y方向又は−Y方向に傾斜させることができる。   The offset distribution models 1 and 2 described above are examples of offsetting in the Y-axis direction and the X-axis direction, respectively, but may be offset in both the X-axis direction and the Y-axis direction. In this case, the emission direction can be inclined in the + X direction or -X direction and the + Y direction or -Y direction with respect to the Z axis.

また、図29に示される変形例3の面発光レーザアレイチップのオフセット分布モデル3のように、各ch群の4つのchのオフセットを互いに異ならせても良い。   Further, as in the offset distribution model 3 of the surface emitting laser array chip of Modification 3 shown in FIG. 29, the offsets of the four channels of each channel group may be different from each other.

すなわち、オフセット分布モデルは、上記変形例1〜3のオフセット分布モデル1〜3に限らず、適宜変更可能である。   That is, the offset distribution model is not limited to the offset distribution models 1 to 3 of Modifications 1 to 3, and can be appropriately changed.

図30に示されるように、例えば面発光レーザアレイチップ内の隣接する複数のchの出射方向が平行な場合、該複数のchから出射されレンズ、プリズムを介して被検体に入射される複数の光の被検体への入射位置は、例えば10um程度ずれた。   As shown in FIG. 30, for example, when the emission directions of a plurality of adjacent channels in a surface emitting laser array chip are parallel, a plurality of beams emitted from the plurality of channels and incident on a subject via a lens and a prism are provided. The incident position of the light on the subject was shifted, for example, by about 10 μm.

一方、図31に示されるように、例えば面発光レーザアレイチップ内の最外周のchの出射方向をZ軸(レンズの光軸)に対してレンズの光軸側に0.3[deg]傾けて、該最外周のch及び該chに隣接するch(出射方向がZ軸に平行なch)の出射方向を非平行とした場合、これらのchから出射されレンズ、プリズムを介して被検体に入射される複数の光の被検体への入射位置のずれを小さく(ほぼ0umに)することができた。   On the other hand, as shown in FIG. 31, for example, the emission direction of the outermost channel in the surface emitting laser array chip is inclined by 0.3 [deg] toward the optical axis side of the lens with respect to the Z axis (optical axis of the lens). If the emission direction of the outermost ch and the ch adjacent to the ch (ch whose emission direction is parallel to the Z axis) is set to be non-parallel, the light emitted from these ch is passed through the lens and the prism to the subject. The displacement of the incident positions of the plurality of incident lights on the subject could be reduced (to approximately 0 μm).

すなわち、面発光レーザアレイチップの周囲部において隣接する2つのchの出射方向の一方を他方側に近づくようにレンズの光軸に対して傾斜させることで、該2つのchから2つの光の被検体への入射位置のずれを小さくすることができる。   That is, one of the emission directions of the two adjacent channels in the periphery of the surface emitting laser array chip is inclined with respect to the optical axis of the lens so as to approach the other side, so that the two channels receive two lights. The displacement of the incident position on the sample can be reduced.

一方、面発光レーザアレイチップの中央部においてレンズの光軸を挟んで隣接する2つのch(図31参照)に関しては、該2つのchの出射方向をZ軸(レンズの光軸)に平行としても該2つのchからの出射光はレンズで互いに近づいていく方向に屈折されるため、隣接する2つのchの出射方向の一方を他方側に近づくようにレンズの光軸に対して傾斜させなくても被検体への入射位置のずれを小さくできる。但し、この場合であっても、隣接する2つのchの出射方向の一方を他方側に近づくようにZ軸に対して傾斜させることで、該2つのchから2つの光の被検体への入射位置のずれをより小さくすることができる。なお、図31において、面発光レーザアレイチップの中央部のchからの光は、レンズのみを介して(プリズムを介さずに)被検体に入射させることができる。   On the other hand, regarding two channels (see FIG. 31) adjacent to each other across the optical axis of the lens at the center of the surface emitting laser array chip, the emission directions of the two channels are set parallel to the Z axis (optical axis of the lens). Also, since the light emitted from the two channels is refracted by the lens in the direction approaching each other, the one of the emission directions of the two adjacent channels is not inclined with respect to the optical axis of the lens so as to approach the other side. However, the deviation of the incident position on the subject can be reduced. However, even in this case, by inclining one of the emission directions of the two adjacent channels with respect to the Z axis so as to approach the other side, two lights from the two channels enter the subject. The displacement can be made smaller. In FIG. 31, light from the central channel of the surface emitting laser array chip can be incident on the subject only through the lens (not through the prism).

以上の説明から分かるように、上記変形例1〜3では、面発光レーザアレイチップの複数のchの出射方向を非平行とすることで、該複数のchからの複数の光の被検体への入射位置のずれを小さくすることができる。このため、プローブ間距離を小さくしてプローブを高密度に配置する場合にも、入射位置の同一性を高めることができ、高分解能化を図ることができる。   As can be understood from the above description, in the first to third modifications, by setting the emission directions of the plurality of channels of the surface emitting laser array chip to be non-parallel, the plurality of lights from the plurality of channels are transmitted to the subject. The shift of the incident position can be reduced. Therefore, even when the distance between the probes is reduced and the probes are arranged at a high density, the identity of the incident positions can be increased, and the resolution can be increased.

なお、面発光レーザアレイ、レンズ、プリズムは、少なくとも2つの発光部それぞれから出射されレンズを透過し反射部材で反射された光の光路が光源モジュールLMの出射端近傍(被検体の表面近傍)で交差するように構成、レイアウトされることが好ましい。   In the surface emitting laser array, the lens, and the prism, the optical path of light emitted from each of at least two light emitting units, transmitted through the lens, and reflected by the reflecting member is near the emission end of the light source module LM (near the surface of the subject). It is preferable to configure and lay out such that they intersect.

また、上記変形例1〜3では、必ずしも面発光レーザアレイチップの全てのchの出射方向を互いに非平行とする必要はなく、要は、面発光レーザアレイチップの少なくとも2つのchの出射方向を互いに非平行とすれば良い。そのために、少なくとも1つのchの環状誘電体の中心を出射領域の中心からずらせば良い。   In the first to third modifications, the emission directions of all the channels of the surface-emitting laser array chip do not necessarily need to be non-parallel to each other. In short, the emission directions of at least two channels of the surface-emitting laser array chip are changed. What is necessary is just to make them non-parallel. For this purpose, the center of the annular dielectric of at least one channel may be shifted from the center of the emission region.

また、必ずしも面発光レーザアレイチップの全ての発光部の出射領域に環状誘電体を設ける必要はなく、出射方向をレンズの光軸に対して傾斜させるべき発光部の出射領域にのみ環状誘電体を設けるようにしても良い。各chにおける環状誘電体の有無は、保護層111をエッチングする際に用いられるマスクの設計により定めることができる。   Also, it is not necessary to provide a ring-shaped dielectric in the emission regions of all the light-emitting portions of the surface-emitting laser array chip, and the ring-shaped dielectric is provided only in the emission region of the light-emitting portion whose emission direction should be inclined with respect to the optical axis of the lens. It may be provided. The presence or absence of the annular dielectric in each channel can be determined by designing a mask used when etching the protective layer 111.

また、出射領域に設けられる誘電体は、厳密に環状でなくても良く、例えば環状の少なくとも1箇所が途切れたもの(Z軸方向から見て同心かつ同径の複数の円弧が組み合わされたもの)であっても良い。また、出射領域に設けられる誘電体は、略環状に限らず、要は、略枠状であれば良い。   The dielectric material provided in the emission region may not be strictly annular, and may be, for example, one in which at least one annular portion is interrupted (a combination of a plurality of arcs having the same diameter and the same diameter as viewed from the Z-axis direction). ). Further, the dielectric material provided in the emission region is not limited to a substantially annular shape, and it is only necessary that the dielectric material has a substantially frame shape.

ところで、図32(A)に示される、生体に互いに平行な複数の光を入射させる比較例の光源モジュールでは、生体の表面付近に変質部分がある場合、検出誤差が生じてしまう。「変質部分」とは光学特性が特殊な部分を意味し、例えば毛根や着色した皮膚などがそれにあたる。このような変質部分があると、比較例では、光源1、光源2からの光が被検体の異なる位置に入射するため、例えば光源2からの光のみが変質部分を通過するようなケースが発生する。光源1と光源2の差分を計算する際には、この変質部分がノイズとなってしまう。   By the way, in the light source module of the comparative example shown in FIG. 32A in which a plurality of light beams parallel to each other enter the living body, a detection error occurs when there is an altered portion near the surface of the living body. The “altered portion” means a portion having a special optical property, such as a hair root or colored skin. In the comparative example, since the light from the light source 1 and the light source 2 is incident on different positions of the subject when such a deteriorated portion exists, for example, a case where only the light from the light source 2 passes through the deteriorated portion occurs. I do. When the difference between the light source 1 and the light source 2 is calculated, the altered portion becomes noise.

これに対し、本実施形態では、図32(B)に示されるように、光源1、光源2からの光は、皮膚表面の「同一位置」を通過するため、光源1、光源2の一方からの光が変質部分を通過するときは、他方からの光も該変質部分を通過する。また、光源1、光源2の一方からの光が変質部分を通過しないときは、他方からの光も該変質部分を通過しない。詳述すると、光源1、光源2からの光は、皮膚表面近傍では同一光路であり、深さ方向に異なる光路を通過する。すなわち、皮膚表面近傍での相違には鈍感であるが、脳組織近傍では相違に敏感な構成となっている。皮膚表面付近のノイズを小さくすることで、分解能が向上する。   On the other hand, in the present embodiment, as shown in FIG. 32B, the light from the light source 1 and the light source 2 pass through the “same position” on the skin surface, and When light passes through the altered portion, light from the other also passes through the altered portion. When light from one of the light sources 1 and 2 does not pass through the altered portion, light from the other does not pass through the altered portion. More specifically, the light from the light source 1 and the light from the light source 2 have the same optical path near the skin surface and pass through different optical paths in the depth direction. That is, the structure is insensitive to the difference near the skin surface, but is sensitive to the difference near the brain tissue. The resolution is improved by reducing the noise near the skin surface.

また、実施例2では、筐体に設けられた窓部材に透明なジェルを滴下し、窓部材と被検体表面との間に透明なジェルを介在させ、空気が入らないようにする。   In the second embodiment, a transparent gel is dropped on the window member provided in the housing, and a transparent gel is interposed between the window member and the surface of the subject to prevent air from entering.

従来の光源モジュールでは、空気中に一旦放射された光が皮膚表面から体内に伝播していく。このとき、空気中の屈折率1.0と生体の屈折率1.37との間で、屈折率差が生じてしまう。屈折率差が生じることで、反射及び散乱が起きてしまう。また、生体外の空気に比べ、光が伝播する生体内の屈折率が小さいため、入射角に対して生体内の伝播角(生体内伝播角とも呼ぶ)は小さくなってしまう。界面での光の屈折はスネルの式を利用すると理解できる。このスネルの式は屈折率のみで記述できる。   In a conventional light source module, light once radiated into the air propagates from the skin surface into the body. At this time, a refractive index difference occurs between a refractive index of 1.0 in air and a refractive index of 1.37 of a living body. When a difference in refractive index occurs, reflection and scattering occur. Further, since the refractive index in the living body through which light propagates is smaller than that of air outside the living body, the propagation angle in the living body (also referred to as the living body propagation angle) becomes smaller than the incident angle. The refraction of light at the interface can be understood by using Snell's equation. This Snell equation can be described only by the refractive index.

図33は、屈折率、1.0(空気:入射側)と1.37(生体:伝播側)との界面での入射角と生体内伝播角度との関係(光の屈折)がグラフで示されている。図33から分かるように、生体への光の入射角は60度であっても、生体内での光の伝播角は40度と小さくなってしまう。このため、生体内での光の伝播角が仮に60度以上必要であっても、空気中からの光の入射では実現できないことがわかる。つまりは、一旦空気に放出された光で生体内における大きな伝播角を作ることは難しい。   FIG. 33 is a graph showing the relationship between the incident angle at the interface between 1.0 (air: incident side) and 1.37 (living body: propagation side) and the propagation angle in the living body (light refraction). Have been. As can be seen from FIG. 33, even if the incident angle of the light on the living body is 60 degrees, the light propagation angle in the living body becomes as small as 40 degrees. For this reason, even if the propagation angle of light in the living body is required to be 60 degrees or more, it can be understood that it cannot be realized by the incidence of light from the air. In other words, it is difficult to create a large propagation angle in a living body with light once emitted into the air.

そこで、実施例2では、光源モジュールLMの窓部材の材料である透明樹脂の屈折率が、生体の屈折率1.37よりも大きい屈折率(例えば1.5以上)に設定されている(図34参照)。この場合、光源モジュールLMから入射角60度で直接的に生体に入射された光の生体での伝播角は70度を越える。光源モジュールLMの設計を考える際には、この角度をできるだけ小さくした方が、光源モジュールLMを小型化できるなどのメリットがある。   Therefore, in the second embodiment, the refractive index of the transparent resin that is the material of the window member of the light source module LM is set to a refractive index (for example, 1.5 or more) larger than the refractive index of the living body of 1.37 (FIG. 34). In this case, the propagation angle in the living body of the light directly incident on the living body at the incident angle of 60 degrees from the light source module LM exceeds 70 degrees. When considering the design of the light source module LM, it is advantageous to make this angle as small as possible, for example, the size of the light source module LM can be reduced.

以上のように構成される実施例2の光源モジュールLMでは、図16に示されるように、面発光レーザからレンズの光軸に平行な方向に出射された光は、レンズで屈折され、レンズの光軸に対して約20°傾斜する方向に進行し、窓部材に入射する。この窓部材は屈折率1.5程度に設定されている。レンズを介した光は、窓部材に入射するときに屈折するが、入射角度が深いため、大きな屈折ではない。窓部材に入射した光は、プリズムの反射面で偏向され、レンズの光軸に対して約55°傾斜する方向に進行する。この55°の角度は、屈折率1.5の窓部材の中での角度であり、図34に示されるように、生体内(屈折率1.37)での伝播角は約60度となる。   In the light source module LM according to the second embodiment configured as described above, as illustrated in FIG. 16, light emitted from the surface emitting laser in a direction parallel to the optical axis of the lens is refracted by the lens, and The light travels in a direction inclined by about 20 ° with respect to the optical axis, and enters the window member. The refractive index of this window member is set to about 1.5. The light passing through the lens is refracted when entering the window member, but is not large refraction due to a large angle of incidence. The light incident on the window member is deflected by the reflecting surface of the prism and travels in a direction inclined by about 55 ° with respect to the optical axis of the lens. This 55 ° angle is an angle in the window member having the refractive index of 1.5, and as shown in FIG. 34, the propagation angle in the living body (refractive index: 1.37) is about 60 degrees. .

光源モジュールLMから光が直接的に擬似生体内に伝播するためには、擬似生体と光源モジュールLMの界面に入る空気層を除去する必要がある。この空気層の除去のために、ここでは透明なジェルを利用した。ここで用いた透明なジェルはグリセリン水溶液であり、疑似生体との整合性が良いものを選択した。また、透明なジェルは揮発性を調整し、検査中、すなわち光源モジュールLMに蓋がされている間は蒸発することなく、検査終了後は適当なタイミングで揮発もしくは疑似生体にしみこむように調整した。透明なジェルの光学特性は、波長780nm付近では透明で、屈折率を疑似生体表面に近いものに調整する。ここでは1.37程度となるように調合した。この調合によって、擬似生体表面に凹凸があろうとも、その凹凸表面の屈折率差はなく、反射がまったくない状態にできる。これによって疑似生体表面での反射をほぼなくすことができた。また、疑似生体との界面が物理的に凹凸であっても、光学的には凹凸はないので、散乱が起きない。この結果、光源モジュールLMからの光の出射角度に応じた適切な伝播方向で正確に疑似生体内部に伝播させることができる。一般的に擬似生体内部の伝播は散乱を強く起こすが、皮膚表面での散乱も小さくない。これによって、光の異方性を大きく確保できる。異方性が大きく取れることによって、光源モジュールLMからの複数の光の擬似生体への入射角を大きく変えることができ、後述するように検出モジュールDMへの複数の光の入射角を大きく変えることができる。   In order for light to directly propagate from the light source module LM into the simulated living body, it is necessary to remove an air layer entering the interface between the simulated living body and the light source module LM. Here, a transparent gel was used for removing the air layer. The transparent gel used here was an aqueous glycerin solution, and a gel having good compatibility with the simulated living body was selected. In addition, the transparent gel was adjusted for volatility so that it did not evaporate during the test, that is, while the light source module LM was covered, and was adjusted to permeate the volatilized or simulated living body at an appropriate timing after the test. . The optical properties of the transparent gel are transparent near the wavelength of 780 nm, and the refractive index is adjusted to a value close to the surface of the simulated living body. In this case, the mixture was prepared to be about 1.37. By this preparation, even if there are irregularities on the surface of the simulated living body, there is no difference in refractive index between the irregular surfaces and there is no reflection at all. Thereby, the reflection on the surface of the simulated living body could be almost eliminated. Further, even if the interface with the simulated living body is physically uneven, there is no optical unevenness, so that no scattering occurs. As a result, the light can be accurately propagated inside the simulated living body in an appropriate propagation direction according to the emission angle of the light from the light source module LM. Generally, the propagation inside the simulated living body causes strong scattering, but the scattering on the skin surface is not small. Thereby, large anisotropy of light can be secured. By obtaining a large anisotropy, the incident angles of a plurality of lights from the light source module LM to the simulated living body can be greatly changed, and the angles of incidence of the plurality of lights to the detection module DM can be largely changed as described later. Can be.

検出モジュールDMは、図35に示されるように、筐体、光学素子、受光部及びアナログ電子回路が実装されたフレキ基板(不図示)、該フレキ基板に接続された配線、コネクタ部(不図示)を含んで構成されている。   As shown in FIG. 35, the detection module DM includes a flexible board (not shown) on which a housing, an optical element, a light receiving section, and an analog electronic circuit are mounted, wiring connected to the flexible board, and a connector section (not shown). ).

検出モジュールDMでは、図36に示されるように、光源から擬似生体に照射され該擬似生体を伝播した光を複数の光に分割して複数の受光部に導くこととしている。   In the detection module DM, as shown in FIG. 36, the light emitted from the light source to the simulated living body and propagated through the simulated living body is divided into a plurality of lights and guided to a plurality of light receiving units.

従来技術(特開2011−179903号公報参照)では、蛍光を利用したDOTにおいて、被検体から多角度で出射される複数の光に対応させて受光部を配置している。しかし、この受光部の配置では、受光部に入射する光は、被検体からの全ての出射角度の光である。   In the related art (see Japanese Patent Application Laid-Open No. 2011-179903), in a DOT using fluorescence, a light receiving unit is arranged in correspondence with a plurality of lights emitted from a subject at multiple angles. However, in this arrangement of the light receiving unit, the light incident on the light receiving unit is light at all emission angles from the subject.

これに対し、本実施形態の検出モジュールDMは、被検体の「同一位置」からの光を分割して、個別に検出している。先の光源モジュールLMでも説明したように、光学シミュレーションの際に設計できるので、「同一位置」の精度は、mmオーダーの位置の相違は問わない。   On the other hand, the detection module DM of the present embodiment divides the light from the “same position” of the subject and individually detects the light. As described in the light source module LM, since it can be designed at the time of the optical simulation, the accuracy of the “same position” does not matter whether the position is in the order of mm.

以下に、検出モジュールDMについて詳しく説明する。検出モジュールDMは図37に示されるように、黒い樹脂製の筐体、該筐体の先端に取り付けられた弾性体からなる接触部材、筐体に収容された透明な分割レンズ及び4つの受光部を含んで構成されている。筐体の先端及び接触部材には、アパーチャ(開口)が形成されている。   Hereinafter, the detection module DM will be described in detail. As shown in FIG. 37, the detection module DM includes a black resin housing, a contact member made of an elastic body attached to the tip of the housing, a transparent split lens housed in the housing, and four light receiving units. It is comprised including. An aperture (opening) is formed at the tip of the housing and the contact member.

接触部材としては遮光性を高めるために黒いゴム製のものを利用している。この接触部材のアパーチャから分割レンズの中央部(φ1mm程度)が数100um程度筐体外に突出している。この部分が生体表面に接触するため、光学的にも空気が内在することなく、フレネルの屈折や、散乱などが抑制される。   As the contact member, a black rubber member is used in order to enhance the light shielding property. From the aperture of the contact member, the central portion (about 1 mm) of the split lens projects out of the housing by about several 100 μm. Since this portion comes into contact with the surface of the living body, refraction and scattering of Fresnel are suppressed without air being present optically.

また、検出モジュールDMでも、前述した透明ジェルを利用することで安定性がさらに向上するため、透明ジェルを利用する。分割レンズは透明樹脂からなり、屈折率は1.8程度である。分割レンズは、筐体に固定されている。   Also, in the detection module DM, since the stability is further improved by using the above-described transparent gel, the transparent gel is used. The split lens is made of a transparent resin and has a refractive index of about 1.8. The split lens is fixed to the housing.

アパーチャは、筐体の先端及び接触部材を貫通する約1mm程度の円形の穴であり、被検体内を伝播して出てくる光の位置を限定する機能を有している。この位置から出てくる光は異なる複数の方向を向いており、アパーチャで入射位置を規定し、その後、入射光を分割レンズで複数の光に分割し、該複数の光を個別に検出することができる。   The aperture is a circular hole of about 1 mm penetrating the tip of the housing and the contact member, and has a function of limiting the position of light that propagates and exits inside the subject. The light coming out of this position is directed in a plurality of different directions, and the incident position is defined by an aperture, and then the incident light is divided into a plurality of lights by a split lens, and the plurality of lights are individually detected. Can be.

上述した被検体からの光が「同一位置」から受光部に入射されることは、このアパーチャによって実現されている。   The light from the subject described above is incident on the light receiving unit from the “same position” by the aperture.

アパーチャを通過してきた光は、その光が持つ伝播方向によって、分割レンズによって異なる方向に屈折されるため、受光部への入射位置が異なる。   The light that has passed through the aperture is refracted in different directions by the split lens depending on the propagation direction of the light, and thus the incident position on the light receiving unit is different.

分割レンズは、球面レンズで、直径は3mm程度、焦点距離fは3mm程度である。実施例2では、分割レンズでの光の分割数を4とし、2次元配列された4つの受光部(PD:フォトダイオード)を含むPDアレイ(フォトダイオードアレイ)を用いている。図37では、4つの受光部(PD)のうち2つの受光部1、2のみが示されている。   The split lens is a spherical lens having a diameter of about 3 mm and a focal length f of about 3 mm. In the second embodiment, the number of light divisions by the division lens is set to 4, and a PD array (photodiode array) including four light receiving units (PD: photodiodes) arranged two-dimensionally is used. FIG. 37 shows only two light receiving units 1 and 2 of the four light receiving units (PD).

ここでは、PDアレイは一辺の長さが約3mmの正方形状であり、各PDは一辺の長さが1.4mmの正方形状である。図37に示されるような角度θ2を定義し、PDアレイとアパーチャの距離は、約5mm程度にした。   Here, the PD array has a square shape with a side length of about 3 mm, and each PD has a square shape with a side length of 1.4 mm. The angle θ2 as shown in FIG. 37 was defined, and the distance between the PD array and the aperture was set to about 5 mm.

レンズの片面は平面で、片面のみ球面を有している。平面の方を擬似生体に接触させている。アパーチャの位置は、レンズのフォーカス位置とはずれているので、平行光を作り出すことはできていないが、PDアレイに入射する光を限定する機能を有している。   One surface of the lens is flat, and only one surface has a spherical surface. The plane is in contact with the simulated living body. Since the position of the aperture is different from the focus position of the lens, parallel light cannot be produced, but has a function of limiting light incident on the PD array.

この光学系について簡単な光学シミュレーションをしたところ、概ね−10°<θ2<50°の光は受光部2に入射し、概ね−50°<θ2<10°の光は、受光部1に入射することが判った。つまり、擬似生体内を伝播しアパーチャから出射された光は、出射角度によって、複数の光に分割され、該複数の光それぞれは、4つの受光部のいずれかに入射される。   When a simple optical simulation is performed on this optical system, light of approximately −10 ° <θ2 <50 ° enters the light receiving unit 2 and light of approximately −50 ° <θ2 <10 ° enters the light receiving unit 1. It turns out. That is, the light that propagates through the simulated living body and is emitted from the aperture is divided into a plurality of lights according to the emission angle, and each of the plurality of lights is incident on one of the four light receiving units.

実施例2では、分割レンズには球面レンズを利用しているが、非球面レンズを利用して、角度をより広く検出することも可能である。この分割精度及び分割数は、後述する逆問題の推定精度と相関があるため、所望の推定精度から必要な光学系が決まる。本実施形態では、球面レンズ、分割数4が採用されている。   In the second embodiment, a spherical lens is used as the split lens, but an aspheric lens can be used to detect a wider angle. Since the division accuracy and the number of divisions have a correlation with the estimation accuracy of the inverse problem described later, the required optical system is determined from the desired estimation accuracy. In the present embodiment, a spherical lens and a division number of 4 are employed.

各PDは電気配線され、オペアンプに接続されている。アンプには半導体のオペアンプが利用され、電源電圧を5V供給する。検出される光量は非常に小さいため、オペアンプでの倍率は高く、2段階のアンプ構成とされている。前段で約5桁程度の倍率をかけ、後段では3桁程度の倍率をかける。   Each PD is electrically wired and connected to an operational amplifier. A semiconductor operational amplifier is used for the amplifier, and a power supply voltage of 5 V is supplied. Since the amount of light to be detected is very small, the magnification in the operational amplifier is high, and a two-stage amplifier configuration is used. A magnification of about 5 digits is applied in the first stage, and a magnification of about 3 digits is applied in the second stage.

実施例2において、擬似生体に内在する吸光体の位置測定方法(被検体の光学特性検出方法)を、図38に示されるフローチャートを参照して説明する。   In Example 2, a method for measuring the position of the light absorber existing in the simulated living body (method for detecting the optical characteristics of the subject) will be described with reference to the flowchart shown in FIG.

先ず、プローブ(光源モジュールLM及び検出モジュールDM)を擬似生体にセッティング(装着)する(ステップS1)。この際、アクリル水槽と各プローブとの間に透明ジェルを塗布し、透明ジェルに気泡が入らないように、プローブを1本1本確認しながら慎重に、固定部材によって決められた位置にセッティングする。
プローブは、光源モジュールLMが8個、検出モジュールDMが8個の計16個であり、光源モジュールLMと検出モジュールDMを交互に格子状に等ピッチで配置する(図15参照)。格子のピッチ(格子点間隔)が30mmであり、光源モジュールLMと検出モジュールDMとの間隔が30mmとなる。
First, the probes (light source module LM and detection module DM) are set (attached) to the simulated living body (step S1). At this time, apply a transparent gel between the acrylic water tank and each probe, and carefully set each probe to the position determined by the fixing member while checking each probe so that air bubbles do not enter the transparent gel. .
The probe has eight light source modules LM and eight detection modules DM, for a total of 16, and the light source modules LM and the detection modules DM are alternately arranged in a grid at an equal pitch (see FIG. 15). The pitch of the grating (grid point interval) is 30 mm, and the interval between the light source module LM and the detection module DM is 30 mm.

この状態で、任意の一の光源モジュールLMのchを発光させる(ステップS2)。発光は、1グループ(4ch)毎に行い、発光強度は4mW程度になるように、電流値が決定される。発光時間は10msec程度であり、その間、全てのPDでの検出値を読み取り、1msec間隔で検出した数点のデータを平均化する(ステップS3)。そして、平均化された数値を記録部に格納する(ステップS4)。次のグループも同様に10msecの発光及び計測、データ格納を繰り返す(ステップS5、S6、S2〜S4)。なお、一の光源モジュールLMにおける、発振波長が780nmの面発光レーザアレイチップの4chの発光と、発振波長が900nmの面発光レーザアレイチップの4chの発光を、同様に順次行う。   In this state, the channel of any one light source module LM emits light (step S2). Light emission is performed for each group (4 ch), and the current value is determined so that the light emission intensity is about 4 mW. The light emission time is about 10 msec. During this time, the detection values of all PDs are read, and data at several points detected at 1 msec intervals are averaged (step S3). Then, the averaged numerical value is stored in the recording unit (step S4). Similarly, the next group repeats light emission, measurement, and data storage for 10 msec (steps S5, S6, S2 to S4). In addition, in one light source module LM, light emission of 4ch of the surface emitting laser array chip having the oscillation wavelength of 780 nm and light emission of 4ch of the surface emitting laser array chip having the oscillation wavelength of 900 nm are sequentially performed in the same manner.

ただし、以下のデータ処理では、2波長をほぼ同様に扱い、単に同じ位置での計測を2回ずつ同様に行ったことになる。本来の血流の変化を検出するときには、この2波長での差を利用することで、酸化ヘモグロビンと還元ヘモグロビンとの個別に検出するが、本実施形態では、発振波長が異なる2つの面発光レーザアレイチップを用いて1回ずつ計測することで、チップのばらつきによるノイズを低減することができる。   However, in the following data processing, two wavelengths are treated in substantially the same manner, and the measurement at the same position is simply performed twice each. When detecting a change in the original blood flow, oxyhemoglobin and reduced hemoglobin are individually detected by utilizing the difference between the two wavelengths. In this embodiment, two surface emitting lasers having different oscillation wavelengths are used. By performing measurement once using an array chip, noise due to chip variation can be reduced.

一の光源モジュールLMの全てのグループの発光及び計測が終了したら、次の光源モジュールLMの発光を行う(ステップS7、S8、S2〜S4)。ここでの発光も、同様に1グループ(4ch)ずつ順次行う。全ての光源モジュールLMによる発光及び計測が終了したら、吸光体をセッティングする(ステップS9、S10)。吸光体のセッティングは、位置を再現性良く正確に実現できるように光学ステージを用いて行う。この吸光体をセッティングした状態で、再度、ch発光からPDの数値の記録を行う(ステップS2〜S9)。
格納されたデータは、それぞれ吸光体あり、なしのデータを以下のr(s,i,n)(i=1,2,3・・・M、n=1,2,3・・・K))、r(0,i,n)(i=1,2,3・・・M、n=1,2,3・・・K)とする。iはそれぞれの検出モジュールDMに付された番号である。nはそれぞれのグループに付された番号である。次にそれぞれの差分Δr(i,n)を計算する。
When the light emission and measurement of all the groups of one light source module LM are completed, light emission of the next light source module LM is performed (steps S7, S8, S2 to S4). In this case, the light emission is also sequentially performed for each group (4 channels). When light emission and measurement by all the light source modules LM are completed, the light absorber is set (steps S9 and S10). The setting of the light absorber is performed using an optical stage so that the position can be accurately realized with good reproducibility. With the light absorber set, the numerical value of the PD is recorded again from the ch light emission (steps S2 to S9).
The stored data are the data with and without the light absorber, respectively, and the data without the light are represented by the following 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). i is a number assigned to each detection module DM. n is a number assigned to each group. Next, each difference Δr (i, n) is calculated.

上記位置測定方法で得られた測定結果から吸光体の位置(擬似生体の光学特性)を算出する方法は、前述した図8のフローチャートに基づく計測方法で得られた計測結果から吸光体の位置(擬似生体の光学特性)を算出する方法と同様であるため、説明を省略する。   The method of calculating the position of the light absorber (optical characteristics of the simulated living body) from the measurement result obtained by the above-described position measurement method is based on the position of the light absorber (from the measurement result obtained by the measurement method based on the flowchart of FIG. 8 described above). The method is the same as the method for calculating the optical characteristics of the simulated living body), and thus the description is omitted.

結果として、図39に示されるような推定結果を導くことができる。図39には、比較例として、面発光レーザアレイチップの5グループのうち中心の1グループ(図17参照)のみを発光させ、かつPDアレイの4つのPDのうち1つのPDの検出値のみを利用して検出した結果も併せて示されている。それ以外は全て本実施形態と同様に数値処理する。この比較例は、従来のNIRS(DOT)装置とほぼ同様の構成である。本実施形態では、上記ベイズ推定により、吸光体の位置と深さを検出することが可能である。図39に示された結果は、吸光体の位置を検出できた場合に○(丸)が表示されている。本実施形態では、吸光体の深さ方向(ここでは、図10のZ軸方向)の距離が大きくなると、光源モジュールLMからの距離が遠くなり、伝播可能な光の量が減ってしまう。このため、吸光体の位置の深さが深くなるほど検出が困難となる。本実施形態では、16mm程度までは検出できた。比較例は、一般的なNIRS(DOT)装置であり、ベイズ推定を利用しても深さ方向の検出はできなかった。深さを含めた吸光体の3次元位置をDOTで高精度に検出するためには、一般に高密度なプローブ配置が必要であるが、本実施形態では低密度なプローブ配置でそれが実現できた。   As a result, an estimation result as shown in FIG. 39 can be derived. FIG. 39 shows a comparative example in which only one central group (see FIG. 17) out of five groups of surface emitting laser array chips emits light, and only the detected value of one of the four PDs in the PD array is displayed. The results of detection using the data are also shown. Otherwise, numerical processing is performed in the same manner as in the present embodiment. This comparative example has substantially the same configuration as a conventional NIRS (DOT) device. In the present embodiment, the position and depth of the light absorber can be detected by the Bayes estimation. In the results shown in FIG. 39, ○ (circle) is displayed when the position of the light absorber was detected. In the present embodiment, when the distance in the depth direction (here, the Z-axis direction in FIG. 10) of the light absorber increases, the distance from the light source module LM increases, and the amount of light that can propagate decreases. For this reason, the detection becomes more difficult as the depth of the position of the light absorber increases. In the present embodiment, detection was possible up to about 16 mm. The comparative example is a general NIRS (DOT) device, and it was not possible to detect in the depth direction using Bayesian estimation. In order to detect the three-dimensional position of the light absorber including the depth with high precision by DOT, generally a high-density probe arrangement is required, but in the present embodiment, this can be realized by a low-density probe arrangement. .

以上説明した本実施形態(実施例1及び2)の光学センサ10は、被検体(擬似生体)に光を照射する、複数の光源モジュールLM(光照射器)を含む照射系と、該照射系から照射され被検体内を伝播した光を検出する検出系と、を備えている。そして、複数の光源モジュールLMそれぞれは、非平行の複数の光を被検体の同一位置に照射する。この場合、被検体(散乱体)の同一位置に照射される互いに非平行の複数の光は、被検体への入射角度が異なり、異なる伝播経路をたどる(図40参照)。   The optical sensor 10 of the present embodiment (Examples 1 and 2) described above irradiates a subject (simulated living body) with light, and includes an irradiation system including a plurality of light source modules LM (light irradiators); A detection system for detecting light emitted from the device and transmitted through the subject. Then, each of the plurality of light source modules LM irradiates the non-parallel light to the same position of the subject. In this case, a plurality of non-parallel lights irradiating the same position of the subject (scatterer) have different incident angles to the subject and follow different propagation paths (see FIG. 40).

この結果、被検体内部に関して得られる情報量が増加し、高分解能化を図ることができる。また、分解能が増すことで、同じ要求分解能に対しては、プローブ密度(単位面積当たりのプローブの数)を低下させることができ、装着性を向上させることができる。   As a result, the amount of information obtained regarding the inside of the subject increases, and higher resolution can be achieved. Also, by increasing the resolution, for the same required resolution, the probe density (the number of probes per unit area) can be reduced, and the mountability can be improved.

結果として、光学センサ10では、被検体への装着性を低下させず、かつ高分解能を得ることができる。   As a result, with the optical sensor 10, high resolution can be obtained without lowering the mountability to the subject.

なお、被検体の同一位置に入射する複数の光が非平行であることは、複数の光が角度を成していることを意味する。つまり、複数の光の成す角が存在することで、該複数の光の被検体内での伝播経路を異ならせることができる。一方、仮に被検体の同一位置に入射する複数の光が互いに平行であると(例えば被検体の表面法線と平行であると)、該複数の光の被検体内での伝播経路は同じになってしまう。   Note that the fact that a plurality of lights incident on the same position of the subject are non-parallel means that the plurality of lights form an angle. That is, the existence of the angle formed by the plurality of lights makes it possible to make the propagation paths of the plurality of lights in the subject different. On the other hand, if a plurality of lights incident on the same position of the subject are parallel to each other (for example, parallel to the surface normal of the subject), the propagation paths of the plurality of lights in the subject are the same. turn into.

また、実施例2の変形例1〜3の光源モジュールLMは、複数の発光部(ch)を有する面発光レーザアレイチップと、複数の発光部からの複数の光の光路上に配置されたレンズと、を含み、複数の発光部のうち少なくとも2つの発光部の出射方向は非平行である。   Further, the light source modules LM of Modifications 1 to 3 of the second embodiment include a surface emitting laser array chip having a plurality of light emitting units (ch) and a lens arranged on the optical path of a plurality of lights from the plurality of light emitting units. And the emission directions of at least two of the plurality of light emitting units are non-parallel.

この場合、複数のchからの複数の光の被検体への入射位置のずれを小さくすることができるため、プローブ(光源モジュールLM及び検出モジュールDM)を高密度に配置でき、更なる高分解能化を図ることができる。   In this case, the displacement of the incident positions of the plurality of lights from the plurality of channels on the subject can be reduced, so that the probes (the light source module LM and the detection module DM) can be arranged at a high density, and the resolution can be further increased. Can be achieved.

また、複数の発光部それぞれは、出射領域に環状誘電体を有し、複数の発光部のうち少なくとも1つの発光部は環状誘電体の中心が出射領域の中心からずれているため、出射光のビーム品質の向上を図りつつ出射方向を制御することができる。   In addition, each of the plurality of light emitting units has an annular dielectric in the emission region, and at least one of the plurality of light emitting units has a center of the annular dielectric shifted from the center of the emission region. The emission direction can be controlled while improving the beam quality.

また、少なくとも1つの発光部の出射方向は、レンズの光軸に対して傾斜しているため、レンズからの屈折方向(進行方向)を調整することができる。   In addition, since the emission direction of at least one light emitting unit is inclined with respect to the optical axis of the lens, the direction of refraction (the traveling direction) from the lens can be adjusted.

また、少なくとも2つの発光部は、誘電体の中心と出射領域の中心の位置関係が互いに異なるため、該少なくとも2つの発光部の出射方向を確実に非平行とすることができる。   In addition, since at least two light emitting units have different positional relations between the center of the dielectric and the center of the emission region, the emission directions of the at least two light emission units can be surely non-parallel.

また、少なくとも2つの発光部それぞれからレンズまでの光の光路は徐々に近づいているため、少なくとも2つの発光部から出射された光の光路をレンズによって更に近づけることができる(図31参照)。   In addition, since the optical paths of the light from each of the at least two light emitting units to the lens are gradually approaching, the optical paths of the light emitted from the at least two light emitting units can be further approximated by the lens (see FIG. 31).

また、光源モジュールLMは、少なくとも2つの発光部それぞれから出射されレンズを介した光の光路上に配置され、該光を被検体に向けて反射させる反射面を有するプリズムを有するため、該光を被検体の同一位置に導くことができる。   The light source module LM includes a prism having a reflecting surface that is disposed on an optical path of light emitted from each of at least two light emitting units and passes through a lens and reflects the light toward a subject. It can be guided to the same position of the subject.

また、本実施形態の光源モジュールLMは、複数の面発光レーザ(発光部)を有する面発光レーザアレイと、前記複数の面発光レーザからの複数の光の光路上に配置され、該複数の光を非平行な複数の光とする凸面レンズとを有し、該凸面レンズの主点と面発光レーザアレイとの距離は、凸面レンズの焦点距離と一致していない。   In addition, the light source module LM of the present embodiment is arranged on a surface emitting laser array having a plurality of surface emitting lasers (light emitting units), on a light path of a plurality of lights from the plurality of surface emitting lasers, and Is a plurality of non-parallel light beams, and the distance between the principal point of the convex lens and the surface emitting laser array does not match the focal length of the convex lens.

この場合、戻り光が面発光レーザに集光することを防止でき、該面発光レーザの出力変動を防止できる。結果として、面発光レーザの発光光量を安定化でき、光学センサ10における検出精度を向上させることができ、ひいてはNIRSの分解能を向上させることができる。   In this case, return light can be prevented from being condensed on the surface emitting laser, and output fluctuation of the surface emitting laser can be prevented. As a result, the light emission amount of the surface emitting laser can be stabilized, the detection accuracy of the optical sensor 10 can be improved, and the resolution of the NIRS can be improved.

一方、面発光レーザアレイが凸面レンズの焦点位置に位置する場合、外部の反射面から反射された光が、凸面レンズで面発光レーザに集光され、レーザ発振が不安定になる。これは、戻り光やselfmixing現象と呼ばれる現象であり、面発光レーザアレイが光学センサの光源として用いられる場合に、この現象が発生すると、発光光量が不安定となり問題となる(詳細な説明は、特開2011−114228号公報、特開2012−132740号公報に譲る)。   On the other hand, when the surface emitting laser array is located at the focal position of the convex lens, the light reflected from the external reflecting surface is focused on the surface emitting laser by the convex lens, and the laser oscillation becomes unstable. This is a phenomenon called a return light or a self-mixing phenomenon. When this phenomenon occurs when the surface emitting laser array is used as a light source of an optical sensor, the amount of emitted light becomes unstable, which causes a problem. Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 2011-114228 and 2012-132740).

また、凸面レンズと面発光レーザアレイとの間に、屈折率が該凸面レンズと同等の透明樹脂で満たされている。   The space between the convex lens and the surface emitting laser array is filled with a transparent resin having a refractive index equivalent to that of the convex lens.

この場合、凸面レンズと面発光レーザアレイとの間の界面を境に屈折率が変化しないため、戻り光を抑制できる。この結果、面発光レーザアレイの発光光量を安定化でき、ひいてはNIRSの分解能を向上できる。   In this case, since the refractive index does not change at the interface between the convex lens and the surface emitting laser array, return light can be suppressed. As a result, the amount of light emitted from the surface emitting laser array can be stabilized, and the resolution of NIRS can be improved.

また、検出系は、光源モジュールLMから被検体に照射され該被検体内を伝播した複数の光を個別に受光する複数の受光部(PD)を含む検出モジュールDMを複数有している。   Further, the detection system has a plurality of detection modules DM including a plurality of light receiving units (PDs) that individually receive a plurality of lights emitted from the light source module LM to the subject and propagated in the subject.

この場合、被検体内の異なる2つの伝播経路における2つの情報を個別に得ることができる。   In this case, two pieces of information on two different propagation paths in the subject can be obtained individually.

また、検出モジュールDMは、被検体と複数の受光部(PD)との間に配置され、被検体内を伝播した複数の光それぞれの一部を通過させるアパーチャが設けられた接触部材及び筐体を有している。   Further, the detection module DM is disposed between the subject and the plurality of light receiving units (PD), and is provided with a contact member and a housing provided with an aperture for passing a part of each of the plurality of lights propagated in the subject. have.

この場合、被検体の同一位置から筐体内に光を取り込むこと、すなわち被検体から筐体内に入射角がある程度限定された光のみを入射させることができ、複数の受光部に光を入射させ易くすることができる。   In this case, light can be taken into the housing from the same position of the subject, that is, only light whose incident angle is limited to a certain extent from the subject can be made to enter the housing, and light can be easily made to enter a plurality of light receiving portions. can do.

また、検出モジュールDMは、アパーチャを通過した複数の光の一部を複数の受光部に個別に導く分割レンズ(受光用レンズ)を有している。   Further, the detection module DM has a split lens (light receiving lens) that individually guides a part of the plurality of lights that have passed through the aperture to the plurality of light receiving units.

この場合、アパーチャを通過した複数の光それぞれの一部を複数の受光部に個別に安定した光量で入射させることができる。   In this case, a part of each of the plurality of lights that have passed through the aperture can be individually incident on the plurality of light receiving units with a stable light amount.

また、光源モジュールLMは、被検体に接する、該被検体よりも屈折率が大きい材料(透明樹脂)からなる窓部材を有しているため、被検体への入射角に対して被検体内での伝播角(屈折角)を大きくすることができる。この結果、仮に空気中から被検体へ光を入射させる場合に比べ、同じ入射角でも伝播角が大きくなる。そこで、被検体の同一位置に異なる入射角で入射する2つの光の入射角の差よりも、これら2つの光の被検体内における伝播角の差の方が大きくなり、伝播経路を大きく異ならせることができる。結果として、さらなる高分解能化を図ることができる。   In addition, since the light source module LM has a window member made of a material (transparent resin) having a refractive index higher than that of the subject and being in contact with the subject, the light source module LM has a position in the subject that is different from the incident angle to the subject. Can be increased. As a result, the propagation angle is increased even at the same incident angle as compared to a case where light is incident on the subject from the air. Therefore, the difference between the angles of propagation of these two lights in the subject is greater than the difference between the angles of incidence of the two lights that enter the same position of the subject at different angles of incidence, and the propagation paths are greatly different. be able to. As a result, higher resolution can be achieved.

また、光源モジュールLMは、2次元配置された複数の面発光レーザと、複数の面発光レーザからの光の光路上に配置された照射用レンズ(レンズ)を含む。   The light source module LM includes a plurality of two-dimensionally arranged surface emitting lasers and an irradiation lens (lens) arranged on an optical path of light from the plurality of surface emitting lasers.

この場合、複数の面発光レーザからの光の進行方向を所望の方向(対応するプリズムが配置されている方向)に変えることができる。   In this case, the traveling direction of the light from the plurality of surface emitting lasers can be changed to a desired direction (the direction in which the corresponding prism is arranged).

また、光源モジュールLMは、照射用レンズを介した光の光路上に配置され、該光を所定方向に反射させるプリズム(反射部材)を有している。   The light source module LM has a prism (reflection member) that is arranged on the optical path of light passing through the irradiation lens and reflects the light in a predetermined direction.

この場合、照射用レンズからの光の進行方向を更に所望の方向に変えることができる。すなわち、被検体への入射角を所望の角度に設定することができる。   In this case, the traveling direction of light from the irradiation lens can be further changed to a desired direction. That is, the angle of incidence on the subject can be set to a desired angle.

以上のように、光学センサ10は、簡易な構成により光の伝播異方性を効果的に利用して高分解能を達成できる光学センサであり、例えばDOT等の様々な分野での利用が期待される。   As described above, the optical sensor 10 is an optical sensor that can achieve high resolution by effectively utilizing light propagation anisotropy with a simple configuration, and is expected to be used in various fields such as DOT. You.

また、光学検査装置1000は、光学センサ10と、該光学センサ10での検出結果に基づいて、被検体の光学特性を算出する制御部(光学特性算出部)と、を備えている。   Further, the optical inspection apparatus 1000 includes the optical sensor 10 and a control unit (optical characteristic calculation unit) that calculates the optical characteristics of the subject based on the detection result of the optical sensor 10.

この場合、光学センサ10での検出精度が高いため、被検体の光学特性を高精度に算出することができる。
《第2実施形態》
In this case, since the detection accuracy of the optical sensor 10 is high, the optical characteristics of the subject can be calculated with high accuracy.
<< 2nd Embodiment >>

次に、本発明の第2実施形態について説明する。本実施形態では、上記第1実施形態で説明したプローブを実際の人体に適応する手法について説明する。ここでは、被検体を上記実施形態でのファントム(白濁水の入った水槽)から人体の頭部に変更し、吸光体を脳内血流とする。   Next, a second embodiment of the present invention will be described. In the present embodiment, a method for adapting the probe described in the first embodiment to an actual human body will be described. Here, the subject is changed from the phantom (water tank containing cloudy water) in the above embodiment to the head of the human body, and the light absorber is used as the blood flow in the brain.

本実施形態では、脳内の血流の分布を、正確に推定することを目的としている。本実施形態では、被験者(被検体)を計測し、そのデータを元に形状をモデル化し、モンテカルロシミュレーションを行う。核磁気共鳴画像法(以下ではMRIと略す:magnetic resonance imaging, MRI)を利用して、被験者の頭部形状を計測する。頭皮、頭蓋骨、脳脊髄液、大脳皮質との4つ部位の形状を画像から計測する。   The purpose of the present embodiment is to accurately estimate the distribution of blood flow in the brain. In the present embodiment, a subject (subject) is measured, a shape is modeled based on the data, and a Monte Carlo simulation is performed. The shape of the subject's head is measured using nuclear magnetic resonance imaging (MRI). The shape of the four parts of the scalp, skull, cerebrospinal fluid, and cerebral cortex are measured from the image.

この3次元データは、高精度の検出をする際には必要なデータであるが、標準的な形状の脳モデルなどのデータで代替することも可能である。それぞれの部位には、それぞれ一般的な、散乱係数、異方性、吸収係数が知られているのでその数値を利用する。プローブは固定冶具にて、頭部に正確に固定し、設置した位置も正確に計測する。プローブ等は第1実施形態と同じであるので、ここでは説明を割愛する。それぞれの正確な形状、配置、それぞれの部位の数値を利用して、光学シミュレーションを行う。   The three-dimensional data is necessary for high-precision detection, but can be replaced with data such as a brain model having a standard shape. The general values of the scattering coefficient, anisotropy, and absorption coefficient are known for each part, and the values are used. The probe is accurately fixed to the head with a fixing jig, and the installed position is also measured accurately. Since the probe and the like are the same as in the first embodiment, the description is omitted here. An optical simulation is performed using the exact shape, arrangement, and numerical values of each part.

以下では、脳内の血流を計測する方法を、図41に示されるフローチャートを参照して説明する。先ず、初めに、被験者に安静にしてもらい(ステップS31)、プローブ(検出モジュールDM及び光源モジュールLM)を頭部にセッティングする。この際、毛髪などがプローブと頭皮の間に挟まらないように、プローブ1本1本を確認しながら慎重に、固定部材を用いて決められた位置にセット(設置)する。この状態で、chを発光させる(ステップS33)。発光(パルス発光)は、1グループ毎に行い、強度は4mW程度になるように、電流値を決定している。発光時間は数msecであり、その間、全てのPDの検出値を読み取り平均化する(ステップS34)。平均化された数値を記録媒体に格納する(ステップS35)。   Hereinafter, a method of measuring the blood flow in the brain will be described with reference to the flowchart shown in FIG. First, the subject is first allowed to rest (step S31), and the probe (detection module DM and light source module LM) is set on the head. At this time, the probe is carefully set (installed) at a predetermined position using a fixing member while checking each probe so that hair and the like do not get caught between the probe and the scalp. In this state, the channel emits light (step S33). Light emission (pulse light emission) is performed for each group, and the current value is determined so that the intensity is about 4 mW. The light emission time is several msec, during which the detected values of all PDs are read and averaged (step S34). The averaged numerical value is stored in the recording medium (step S35).

次のグループも同様に数msecの発光及び計測、データ格納を繰り返す(ステップS36、S37、S33〜S35)。全ての光源モジュールLMの発光及び計測が終了したら、被験者に課題をやってもらう(ステップS38〜S41)。ここでは、一般的な言語流暢性課題とした。言語流暢性課題については、特開2012−080975号公報に詳細に記載されている。   Similarly, the next group repeats light emission, measurement, and data storage for several milliseconds (steps S36, S37, and S33 to S35). When the light emission and measurement of all the light source modules LM have been completed, the subject is asked to perform a task (steps S38 to S41). Here, a general language fluency task was used. The linguistic fluency task is described in detail in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2012-080975.

この課題を行うことで、脳が活動し、活動が起きた箇所にのみ脳血流が発生する。血流は酸化ヘモグロビンと還元ヘモグロビンを含み、血流によって光吸収が起きる。ベイズ推定による逆問題推定等は、上記第1実施形態で説明した方法に順ずるのでここでは割愛する。この計測によって、得られた血流位置は、fMRI (functional magnetic resonance imaging)での計測でその精度を確認できる。fMRIはMRIを利用して、ヒト及び動物の脳や脊髄の活動に関連した血流動態反応を視覚化する方法の一つである。この確認計測によって、本実施形態の光学センサによる計測に高い分解能があることが判った。
《第3実施形態》
By performing this task, the brain is activated and cerebral blood flow is generated only at the location where the activity occurred. The bloodstream contains oxyhemoglobin and reduced hemoglobin, and light absorption occurs by the bloodstream. The inverse problem estimation based on Bayes estimation and the like follow the method described in the first embodiment, and will not be described here. With this measurement, the accuracy of the obtained blood flow position can be confirmed by measurement with fMRI (functional magnetic resonance imaging). fMRI is a method of visualizing hemodynamic responses related to brain and spinal cord activity of humans and animals using MRI. From this confirmation measurement, it was found that the measurement by the optical sensor of the present embodiment had high resolution.
<< 3rd Embodiment >>

次に、本発明の第3実施形態について説明する。第3実施形態では、プローブに上記第1実施形態と同様の光源モジュールLM及び検出モジュールDMを用いており、これらの配置に工夫を凝らしている。プローブの配置以外は、上記第1実施形態と同じであるため、ここでの説明は割愛する。   Next, a third embodiment of the present invention will be described. In the third embodiment, a light source module LM and a detection module DM similar to those in the first embodiment are used as probes, and the arrangement of these modules is devised. Except for the arrangement of the probes, the configuration is the same as that of the above-described first embodiment, and the description is omitted here.

ところで、上記第1実施形態の実施例2では、図15に示されるように、2つの検出モジュールDMと2つの光源モジュールLMが略正方形の頂点に位置するように配置されている。しかし、この配置では、図15の×で示す地点は光源モジュールLMと検出モジュールDMとの間の光路が長くなってしまう。このため、検出モジュールDMで十分な光量を得ることができず、この地点でのノイズが大きく検出精度が低下するおそれがある。
そこで、発明者らは、プローブ配置を鋭意検討した結果、図42に示される配置が最適であることを見出した。図42では、複数の光源モジュールLM及び複数の検出モジュールDMは、被検体に対して、光源モジュールLM及び検出モジュールDMの一方の2つが正三角形の2つの頂点に個別に位置し、他方の1つが該正三角形の残る1つの頂点に位置するように配置される。
By the way, in Example 2 of the first embodiment, as shown in FIG. 15, two detection modules DM and two light source modules LM are arranged so as to be located at the vertices of a substantially square. However, in this arrangement, the optical path between the light source module LM and the detection module DM becomes long at the point indicated by x in FIG. For this reason, a sufficient amount of light cannot be obtained by the detection module DM, and noise at this point may be large and detection accuracy may be reduced.
Then, the present inventors diligently studied the probe arrangement and found that the arrangement shown in FIG. 42 was optimal. In FIG. 42, the plurality of light source modules LM and the plurality of detection modules DM are such that, with respect to the subject, one of the light source modules LM and the detection modules DM is individually located at two vertexes of an equilateral triangle, and the other 1 Are arranged so as to be located at one remaining vertex of the equilateral triangle.

ここで、簡単な例として、光源モジュールLMと検出モジュールDMとの距離が最も長いところを検討する。ただし、検出モジュールDMと光源モジュールLMとの間隔(ピッチ)は、いずれもaと仮定する。図15での×の位置は、破線の距離が√2a(約1.414a)となる。これに対し、図42での×の位置は、破線の距離が(1+√3)a/2(約1.366a)<√2aとなる。つまり、最も距離が長いところを、図15と図42のプローブ配置で比べると、図42のプローブ配置の方が短くて好ましいことが判る。   Here, as a simple example, a case where the distance between the light source module LM and the detection module DM is the longest will be considered. However, it is assumed that the interval (pitch) between the detection module DM and the light source module LM is a. In the position of x in FIG. 15, the distance of the broken line is √2a (about 1.414a). On the other hand, at the position of x in FIG. 42, the distance of the broken line is (1 + √3) a / 2 (about 1.366a) <√2a. That is, comparing the longest distance with the probe arrangement of FIG. 15 and FIG. 42, it can be seen that the probe arrangement of FIG. 42 is shorter and preferable.

この配置で第1実施形態と同様に逆問題の推定を行った結果、本実施形態のプローブ配置により、検出できるエリアが広がることが判った。
《第4実施形態》
As a result of estimating the inverse problem in this arrangement in the same manner as in the first embodiment, it was found that the detectable area was expanded by the probe arrangement of the present embodiment.
<< 4th Embodiment >>

次に、本発明の第4実施形態について説明する。第4実施形態では、上記第1実施形態で示した複数の光源モジュールLM、複数の検出モジュールDMの配置を利用し、光源モジュールLMのchの配置、検出モジュールDMのPDの配置に工夫を凝らしている。ch、PDの配置以外は上記第1実施形態と同じであるため、ここでの説明は割愛する。   Next, a fourth embodiment of the present invention will be described. In the fourth embodiment, the arrangement of the channels of the light source module LM and the arrangement of the PDs of the detection module DM are devised by utilizing the arrangement of the plurality of light source modules LM and the plurality of detection modules DM shown in the first embodiment. ing. Except for the arrangement of channels and PDs, the configuration is the same as that of the first embodiment, and a description thereof will be omitted.

上記第1実施形態の実施例2では、図15に示されるように、複数の光源モジュールLM及び複数の検出モジュールDMは、被検体に対して、光源モジュールLMと検出モジュールDMとが互いに直交するX方向及びY方向のいずれに関しても隣り合うように配置されている。   In Example 2 of the first embodiment, as shown in FIG. 15, the plurality of light source modules LM and the plurality of detection modules DM are such that the light source module LM and the detection module DM are orthogonal to the subject. They are arranged adjacent to each other in both the X and Y directions.

しかし、上述の如く、この配置では×で示す地点は光源モジュールLMと検出モジュールDMとの間の光路が長くなってしまう。このため、検出モジュールDMで十分な光量を得ることができず、この地点でのノイズが大きくなり、検出精度が低下するおそれがある。   However, as described above, in this arrangement, the optical path between the light source module LM and the detection module DM becomes long at the point indicated by x. For this reason, a sufficient amount of light cannot be obtained by the detection module DM, the noise at this point increases, and the detection accuracy may be reduced.

図43に示される比較例では、複数の光源モジュール及び複数の検出モジュールは、被検体に対して、光源モジュールと検出モジュールが互いに直交するX方向及びY方向のいずれに関しても隣り合うように配置され、かつ出射方向、検出方向(受光部への光の入射方向)ともに、X方向又はY方向に平行である。面発光レーザの近傍に設置したレンズは点対称の光学特性を有しているため、出射方向は、面発光レーザの位置、及びグループ位置によって決まっている。また、検出方向もレンズが点対称の光学特性を有しているため、PDアレイの分割レイアウトによって決定される。   In the comparative example shown in FIG. 43, the plurality of light source modules and the plurality of detection modules are arranged such that the light source module and the detection module are adjacent to the subject in both the X direction and the Y direction orthogonal to each other. In addition, both the emission direction and the detection direction (the direction in which light enters the light receiving unit) are parallel to the X direction or the Y direction. Since the lens installed near the surface emitting laser has point-symmetric optical characteristics, the emission direction is determined by the position of the surface emitting laser and the group position. The detection direction is also determined by the PD array division layout since the lens has point-symmetric optical characteristics.

そこで、面発光レーザアレイチップを、図44(A)に示されるように配置すると、出射方向は、平面視で(+Z方向から見て)X方向及びY方向に対して傾斜する。これは、各グループの中心位置がレンズ中心に対して、斜めになっていることが要因である。検出モジュールDMでも同様に、4分割PDアレイアレイチップ(フォトダイオードアレイチップ)のチップ中心にレンズの中心を配置することで、検出方向(受光部への光の入射方向)は、図44(B)に示されるようになる。この検出方向と出射方向が、プローブ配置とともに図45に示されている。出射方向、検出方向は、平面視で(+Z方向から見て)X方向及びY方向に対して斜めになっていることが判る。   Therefore, when the surface emitting laser array chip is arranged as shown in FIG. 44A, the emission direction is inclined with respect to the X direction and the Y direction in plan view (when viewed from the + Z direction). This is because the center position of each group is oblique to the lens center. Similarly, in the detection module DM, by arranging the center of the lens at the center of the four-divided PD array array chip (photodiode array chip), the detection direction (the direction of light incident on the light receiving unit) is as shown in FIG. ). The detection direction and the emission direction are shown in FIG. 45 together with the probe arrangement. It can be seen that the emission direction and the detection direction are oblique to the X direction and the Y direction (when viewed from the + Z direction) in plan view.

この場合、前述した感度分布のように、光は異方性を有しているために、図45の×の位置では、より感度を持つことが期待できる。   In this case, since the light has anisotropy as in the above-described sensitivity distribution, it can be expected that the light has higher sensitivity at the position x in FIG.

図44(A)及び図44(B)に示される配置で第1実施形態と同様に逆問題の推定を行った結果、検出できるエリアが広がることが判った。   As a result of estimating the inverse problem in the arrangement shown in FIGS. 44A and 44B in the same manner as in the first embodiment, it was found that the area that can be detected is widened.

なお、上記各実施形態において、照射系の光源モジュールLMの数、及び検出系の検出モジュールの数は、適宜変更可能である。要は、照射系は、光源モジュールLMを少なくとも1つ有していれば良い。検出系は、検出モジュールDMを少なくとも1つ有していれば良い。   In each of the above embodiments, the number of light source modules LM of the irradiation system and the number of detection modules of the detection system can be changed as appropriate. In short, the irradiation system only needs to have at least one light source module LM. The detection system only needs to have at least one detection module DM.

また、上記各実施形態において、光源モジュールLM(光照射器)の構成は、適宜変更可能である。例えば光照射器の面発光レーザアレイチップの数及び配置は、適宜変更可能である。レンズの種類、形状、大きさ、個数等も適宜変更可能である。   In each of the above embodiments, the configuration of the light source module LM (light irradiator) can be changed as appropriate. For example, the number and arrangement of the surface emitting laser array chips of the light irradiator can be appropriately changed. The type, shape, size, number, and the like of the lenses can be appropriately changed.

また、上記各実施形態では、光照射器の光源として、面発光レーザが用いられているが、例えば、端面発光レーザ(LD)、発光ダイオード(LED)、有機EL素子、半導体レーザ以外のレーザなどを用いても良い。   In each of the above embodiments, a surface emitting laser is used as a light source of the light irradiator. For example, an edge emitting laser (LD), a light emitting diode (LED), an organic EL device, a laser other than a semiconductor laser, or the like May be used.

また、上記各実施形態では、光照射器の反射部材としてプリズムが用いられているが、他のミラー等が設けられても良い。   Further, in each of the above embodiments, the prism is used as the reflection member of the light irradiator, but another mirror or the like may be provided.

また、実施例2の面発光レーザアレイチップにおけるグループの数及び配置、各グループのchの数及び配置は、適宜変更可能である。   Further, the number and arrangement of groups in the surface emitting laser array chip of the second embodiment, and the number and arrangement of channels in each group can be changed as appropriate.

また、検出モジュールDM(光検出器)の構成は、適宜変更可能である。例えば、アパーチャは、必ずしも設けられていなくても良い。また、例えば、分割レンズは、必ずしも設けられていなくても良い。   Further, the configuration of the detection module DM (photodetector) can be changed as appropriate. For example, the aperture need not necessarily be provided. Also, for example, the split lens need not always be provided.

以上の説明における各部材や部分の形状、大きさ、材質、数、寸法、数値は、一例であって、適宜変更可能であることは言うまでもない。   The shapes, sizes, materials, numbers, dimensions, and numerical values of the members and portions in the above description are merely examples, and it goes without saying that they can be changed as appropriate.

10…光学センサ、1000…光学検査装置、LM…光源モジュール(光照射器)、DM…検出モジュール(光検出器)。   10: Optical sensor, 1000: Optical inspection device, LM: Light source module (light irradiator), DM: Detection module (light detector).

特許3779134号公報Japanese Patent No. 3779134

Claims (14)

被検体の同一位置に非平行の複数の光を照射する光照射器を少なくとも1つ含む照射系と、
前記照射系から照射され前記被検体内を伝播した光を検出する検出系と、を備え、
前記光照射器は、
複数の発光部を有する面発光レーザアレイと、
前記複数の発光部からの複数の光の光路上に配置されたレンズと、を含み、
前記複数の発光部のうち少なくとも2つの発光部から出射され前記レンズを介した光は互いに非平行であり、
前記複数の発光部それぞれは、出射領域に略環状の誘電体を有し、前記少なくとも2つの発光部のうち少なくとも1つの発光部は、前記誘電体の中心が前記出射領域の中心からずれていることを特徴とする光学センサ。
An irradiation system including at least one light irradiator that irradiates a plurality of non-parallel lights to the same position of the subject;
A detection system that detects light emitted from the irradiation system and propagated in the subject,
The light irradiator,
A surface emitting laser array having a plurality of light emitting units,
A lens disposed on an optical path of a plurality of lights from the plurality of light emitting units,
Light through the lens is emitted from at least two light emitting portions of the plurality of light emitting portions Ri nonparallel der each other,
Wherein the plurality of light emitting portions each have a generally annular dielectric emission region, at least one light emitting portion of the at least two light emitting portion, that the center of the dielectric is not offset from the center of the emission region An optical sensor, comprising:
前記少なくとも1つの発光部の出射方向は、前記レンズの光軸に対して傾斜していることを特徴とする請求項に記載の光学センサ。 Wherein the emission direction of the at least one light emitting unit, an optical sensor according to claim 1, characterized in that it is inclined to the optical axis of the lens. 前記少なくとも2つの発光部は、前記誘電体の中心と前記出射領域の中心の位置関係が互いに異なることを特徴とする請求項又はに記載の光学センサ。 Wherein the at least two light emitting portions, the optical sensor according to claim 1 or 2, characterized in that the positional relationship between the center of said exit region of the dielectric are different from each other. 前記光照射器は、前記少なくとも2つの発光部それぞれから出射され前記レンズを介した光の光路上に配置され、該光を反射させる反射面を有する部材を更に含むことを特徴とする請求項1〜のいずれか一項に記載の光学センサ。 The light irradiator further includes a member disposed on an optical path of light emitted from each of the at least two light emitting units and passing through the lens, and having a reflection surface that reflects the light. An optical sensor according to any one of claims 1 to 3 . 前記レンズと前記面発光レーザアレイとの間は、屈折率が前記レンズと同等の透明樹脂で満たされていることを特徴とする請求項1〜のいずれか一項に記載の光学センサ。 The optical sensor according to any one of claims 1 to 4 , wherein a refractive index between the lens and the surface emitting laser array is filled with a transparent resin equivalent to that of the lens. 前記検出系は、前記光照射器から照射され前記被検体内を伝播した複数の光を受光する複数の受光部を含む光検出器を少なくとも1つ含むことを特徴とする請求項1〜のいずれか一項に記載の光学センサ。 The detection system of claim 1 to 5, characterized in that the radiation containing said at least one light detector including a plurality of light receiving portions for receiving a plurality of light propagated within the object from the light irradiator The optical sensor according to claim 1. 前記光検出器は、
前記被検体と前記複数の受光部との間に配置され、前記被検体内を伝播した前記複数の光それぞれの一部を通過させる通過部が設けられた部材を有することを特徴とする請求項に記載の光学センサ。
The light detector,
A member disposed between the subject and the plurality of light receiving units, and provided with a passing unit configured to pass a part of each of the plurality of lights propagated in the subject. 7. The optical sensor according to 6 .
前記光検出器は、
前記通過部を通過した前記複数の光の一部を前記複数の受光部に個別に導く受光用レンズを有することを特徴とする請求項に記載の光学センサ。
The light detector,
The optical sensor according to claim 7 , further comprising a light receiving lens that individually guides a part of the plurality of lights passing through the passing unit to the plurality of light receiving units.
前記照射系は、前記光照射器を複数含み、
前記検出系は、前記光検出器を複数含み、
前記複数の光照射器及び前記複数の光検出器は、前記被検体に対して、前記光照射器と前記光検出器が互いに直交する2方向のいずれに関しても隣り合うように配置され、
前記複数の光照射器それぞれからの前記複数の光の出射方向は、前記2方向に対して傾斜し、
前記被検体内を伝播し前記光検出器へ入射する光の入射方向は、前記2方向に対して傾斜していることを特徴とする請求項6〜8のいずれか一項に記載の光学センサ。
The irradiation system includes a plurality of the light irradiators,
The detection system includes a plurality of the photodetectors,
The plurality of light irradiators and the plurality of light detectors are arranged such that, with respect to the subject, the light irradiators and the light detectors are adjacent to each other in any two directions orthogonal to each other,
The emission direction of the plurality of lights from each of the plurality of light irradiators is inclined with respect to the two directions,
The optical sensor according to any one of claims 6 to 8 , wherein an incident direction of light propagating in the subject and entering the photodetector is inclined with respect to the two directions. .
前記照射系は、前記光照射器を複数含み、
前記検出系は、前記光検出器を複数含み、
前記複数の光照射器及び前記複数の光検出器は、前記被検体に対して、前記光照射器及び前記光検出器の一方の2つが正三角形の2つの頂点に個別に位置し、他方の1つが前記正三角形の残る1つの頂点に位置するように配置されることを特徴とする請求項6〜8のいずれか一項に記載の光学センサ。
The irradiation system includes a plurality of the light irradiators,
The detection system includes a plurality of the photodetectors,
The plurality of light irradiators and the plurality of light detectors are such that, with respect to the subject, one of the two light irradiators and the light detector is individually located at two vertexes of an equilateral triangle, and the other is The optical sensor according to any one of claims 6 to 8 , wherein one is disposed so as to be located at one remaining vertex of the equilateral triangle.
前記光照射器は、前記被検体に接する、該被検体よりも屈折率が大きい材料からなる部材を有していることを特徴とする請求項1〜10のいずれか一項に記載の光学センサ。 The optical sensor according to any one of claims 1 to 10 , wherein the light irradiator has a member that is in contact with the subject and is made of a material having a higher refractive index than the subject. . 前記レンズは、前記面発光レーザアレイ側に凸となる形状を有していることを特徴とする請求項1〜11のいずれか一項に記載の光学センサ。 The lens is an optical sensor according to any one of claims 1 to 11, characterized in that it has a shape which is convex in the surface emitting laser array side. 請求項1〜12のいずれか一項に記載の光学センサと、
前記光学センサでの検出結果に基づいて、前記被検体の光学特性を算出する光学特性算出部と、を備える光学検査装置。
An optical sensor according to any one of claims 1 to 12 ,
An optical inspection apparatus, comprising: an optical characteristic calculation unit that calculates optical characteristics of the subject based on a detection result of the optical sensor.
請求項1〜12のいずれか一項に記載の光学センサを用いて、被検体の光学特性を検出する光学特性検出方法であって、
前記被検体の光に対する感度分布を求める工程と、
前記感度分布に基づいて、逆問題を解くことで、前記被検体の光学特性を算出する工程と、を含む光学特性検出方法。
An optical characteristic detection method for detecting an optical characteristic of a subject using the optical sensor according to any one of claims 1 to 12 ,
Determining a sensitivity distribution to the light of the subject,
Calculating an optical characteristic of the subject by solving an inverse problem based on the sensitivity distribution.
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