(57)【要約】【課題】対象物に接して装着される光照射器において、レーザ光の漏洩の危険性を低減すること。【解決手段】本光照射器は、対象物に接して装着され、前記対象物にレーザ光を照射する光照射器であって、前記対象物と接する位置に、前記対象物への装着状態を検知する装着状態検知手段を有する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象物に接して装着され、前記対象物にレーザ光を照射する光照射器であって、
前記対象物と接する位置に、前記対象物への装着状態を検知する装着状態検知手段を有する光照射器。
【請求項２】
前記装着状態検知手段は、前記位置の圧力を検知する圧力検知手段を含む請求項１に記載の光照射器。
【請求項３】
前記装着状態検知手段は、前記位置の周辺の光量を検知する光量検知手段を含む請求項１又は２に記載の光照射器。
【請求項４】
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、前記複数の光を非平行とするレンズと、を有し、
前記レンズの主点と前記面発光レーザアレイとの距離は、前記レンズの焦点距離と一致していない請求項１乃至３の何れか一項に記載の光照射器。
【請求項５】
前記対象物に照射される光の光路上の前記対象物と接する位置に配置される部材を有し、
前記部材の屈折率は、前記対象物の屈折率よりも大きい請求項１乃至４の何れか一項に記載の光照射器。
【請求項６】
請求項１乃至５の何れか一項に記載の光照射器と、
前記光照射器から前記対象物に照射され前記対象物内を伝播したレーザ光を検出する光検出器と、を有する光学センサ。
【請求項７】
前記光検出器は、複数の領域に分割された受光部を備えている請求項６に記載の光学センサ。
【請求項８】
請求項６又は７に記載の光学センサと、前記光学センサを制御する制御部と、を有する光学検査装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光照射器、光学センサ、及び光学検査装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えばＮＩＲＳ（Near Infrared Spectroscopy：近赤外線分光法）を用いて被検体（生体）に光を照射する光照射器において、光源には主として発光ダイオードが用いられていたが、近年では高分解能化を目的として光源にレーザを用いる場合がある。
【０００３】
光源にレーザを用いる光照射器では、取り扱いを間違えると目や皮膚に対して障害を起こすおそれがあるため、レーザ製品を取り扱う際の安全基準としてＩＥＣ６０８２５−１が国際的に定められており、レーザ製品を用いる際はこの規格に則して安全性を考慮する必要がある。
【０００４】
例えば、光ファイバケーブルとレーザ光源と制御部とを備えた光照射器において、安全性を考慮し、制御部が照明光及び散乱光の戻り光の強度の変化を検出し、レーザ光の放出を停止する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、ＮＩＲＳを生体に用いる場合のように、対象物に接して装着され、対象物にレーザ光を照射する光照射器において、レーザ光の漏洩を検知又は予測する方法については言及されていない。
【０００６】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、対象物に接して装着される光照射器において、レーザ光の漏洩の危険性を低減することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本光照射器は、対象物に接して装着され、前記対象物にレーザ光を照射する光照射器であって、前記対象物と接する位置に、前記対象物への装着状態を検知する装着状態検知手段を有することを要件とする。
【発明の効果】
【０００８】
開示の技術によれば、対象物に接して装着される光照射器において、レーザ光の漏洩の危険性を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１実施形態に係る光学検査装置の概略構成を例示する図である。
【図２】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。
【図３】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。
【図４】光源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。
【図５】第１実施形態に係る光学検査装置を安全に動作させるフローチャートである。
【図６】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。
【図７】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。
【図８】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。
【図９】ファントム用の水槽を説明するための図である。
【図１０】透明窓のレイアウトを説明するための図である。
【図１１】実施例の光源モジュールの概略構成を説明するための図である。
【図１２】生体内伝播角度を説明するための図である。
【図１３】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。
【図１４】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。
【図１５】光学検査装置のブロック構成を例示する図（その１）である。
【図１６】光学検査装置のブロック構成を例示する図（その２）である。
【図１７】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。
【図１８】フォトダイオード（ＰＤ）での感度分布を示す図（その２）である。
【図１９】吸光体の実際の位置、吸光体の位置の推定結果、及び比較例における吸光体の位置の検出結果を示す図である。
【図２０】移動後の吸光体の実際の位置、移動後の吸光体の位置の推定結果、比較例における吸光体の位置の検出結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。
【００１１】
〈第１の実施の形態〉
図１は、第１実施形態に係る光学検査装置の概略構成を例示する図である。図１を参照するに、光学検査装置１は、光学センサ１０、制御部２０、計算部３０、及び表示部４０等を備えている。光学センサ１０は、複数の光源モジュール１１（光照射器）を含む照射系と、複数の検出モジュール１２（光検出器）を含む検出系とを備えている。
【００１２】
光学センサ１０において、光源モジュール１１は、対象物に接して装着され、対象物に光を照射する光照射器である。各々の光源モジュール１１は、対象物に複数方向から光を照射する機能を有している。又、検出モジュール１２は、光源モジュール１１から対象物に照射され対象物内を伝播した光を検出する光検出器である。光学センサ１０は、対象物の略同一位置に複数方向からの光を入射させ、同時に複数方向からの光を検出することで高分解能を得ることができる。
【００１３】
光源モジュール１１及び検出モジュール１２は、それぞれ制御部２０に対して電気配線を介して接続されている。複数の光源モジュール１１は、異なる波長の光源モジュール１１を含んでもよい。但し、使用態様によっては、光学センサ１０は、光源モジュール１１及び検出モジュール１２を１つずつ有する形態であってもよい。
【００１４】
制御部２０は、光学センサ１０を制御する機能や、データを計算部３０や表示部４０に送り処理命令を出す機能等を備えている。制御部２０は記録部を有しており、記録部に事前に計算した結果を記録しておくことができる。計算部３０は、検出値を制御部２０の記録部に蓄えた事前計算結果と比較して光物性値を推定する機能等を備えている。表示部４０は、計測結果を表示する機能等を備えている。
【００１５】
制御部２０は、例えば、光源モジュール１１を発光させるタイミング制御や検出タイミングを制御して、得られた検出結果を計算部３０に転送することができる。又、制御部２０は、記録媒体等に記録されているデータを読み取り、その数値を利用した計算を行い、その計算結果を表示部４０に表示させる制御を行うことができる。なお、制御部２０や計算部３０については、図１５及び図１６を参照して詳述する。
【００１６】
なお、本明細書中、光源モジュール１１及び検出モジュール１２を、特に区別する必要がない場合には、プローブとも称する。プローブは被検体内の情報を計測する際に、被検体に装着される。又、本明細書では、適宜、擬似生体、生体、被検体の文言を用いるが、擬似生体及び生体は被検体（光を照射する対象物）の具体例である。
【００１７】
図２及び図３に示すように、光源モジュール１１は、一例として、面発光レーザアレイチップ１１Ａ、レンズ１１Ｂ、プリズム１１Ｃ、窓部材１１Ｄ（透明樹脂部材）、アナログ電子回路１１Ｅ、これらを保持する筐体１１Ｆ、及び筐体１１Ｆと被検者とが接する位置の一部に取り付けられた光量検知手段１１Ｇ及び圧力検知手段１１Ｈを有している。
【００１８】
面発光レーザアレイチップ１１Ａは、２次元配列された複数の発光部（面発光レーザ：ＶＣＳＥＬ）を有している。レンズ１１Ｂは、面発光レーザアレイチップ１１Ａからの複数の光の光路上（面発光レーザアレイチップ１１Ａの出射端近傍）に個別に配置され、入射する複数の光を非平行とする。
【００１９】
プリズム１１Ｃは、レンズ１１Ｂを介した光の光路上に配置され、光を所定の角度で被検体に入射させる。窓部材１１Ｄは、プリズム１１Ｃを介した光の光路上に配置され被検体と接触する。アナログ電子回路１１Ｅは、各面発光レーザアレイチップ１１Ａ及び制御部２０に接続されている。
【００２０】
光源モジュール１１の光学系は、面発光レーザアレイチップ１１Ａから出射された光が対象物の略同一位置に複数方向から入射できるように設計されている。
【００２１】
面発光レーザアレイチップ１１Ａの出射面（発光面)とレンズ１１Ｂの主点（レンズの光学的な中心）との距離は、レンズ１１Ｂの焦点距離ｆ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１１Ａは、出射面がレンズ１１Ｂ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。
【００２２】
なお、レンズ１１Ｂの主点と面発光レーザアレイチップ１１Ａとの距離は、レンズ１１Ｂの焦点距離ｆと一致しないようにしてもよい。この場合、戻り光が面発光レーザに集光して発光光量が不安定となることを防止でき、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る。
【００２３】
図３では、面発光レーザアレイチップ１１Ａの出射方向と、対応するレンズ１１Ｂの光軸は、略平行になっている。そこで、各面発光レーザアレイチップ１１Ａからの複数の光は、レンズ１１Ｂで進行方向が変更され（但し、レンズ１１Ｂの中心に入射した光はレンズ１１Ｂの光軸に沿って直進する）、プリズム１１Ｃで打ち分けられた後に窓部材１１Ｄを介して対象物に向けて異なる角度で出射される。
【００２４】
プリズム１１Ｃに用いる材料は、被検体に入射する光が所定の角度になる屈折率を有する物質（例えばアクリル）を用いる。プリズム１１Ｃの屈折率は、対象物の屈折率よりも大きいことが好ましい。
【００２５】
このようにして、光源モジュール１１から照射される非平行の複数の光を対象物の略同一位置に、異なる角度から照射することができる。すなわち、光源モジュール１１によって、多出射角方式の光照射器を実現できる。なお、光源モジュール１１の光源に関しては、面発光レーザアレイチップ１１Ａに代えて、端面発光レーザ、半導体レーザ等を用いても良い。
【００２６】
光量検知手段１１Ｇは、面発光レーザアレイチップ１１Ａからの光が直接照射されず、かつ、光源モジュール１１が被検者に装着された場合とそうでない場合の光量が、光量検知手段１１Ｇの分解能で十分に見分けられる場所に設置する。
【００２７】
光量検知手段１１Ｇは、光源モジュール１１の対象物と接する位置に取り付けられ、取り付けられた位置の周辺の光量を検知する。光量検知手段１１Ｇは、面発光レーザアレイチップ１１Ａの出射光が周囲に漏れる危険性の有無を判断するために設けられている。光量検知手段１１Ｇにより、外部からの光の到達量を検知することで、制御部２０は光源モジュール１１の対象物への装着状態が正常か否かを判断することができる。
【００２８】
光量検知手段１１Ｇから定期的に検知される光量は配線経由で制御部２０に送信され、一定以上の光量を検出した場合には、光源モジュール１１が被検者に装着されていないと判断して制御部２０から面発光レーザアレイチップ１１Ａの点灯を停止する命令を送ることができる。光量検知手段１１Ｇとしては、例えば、シリコンフォトダイオードを用いることができる。
【００２９】
圧力検知手段１１Ｈは、光源モジュール１１の対象物と接する位置に取り付けられ、取り付けられた位置の圧力を検知する。圧力検知手段１１Ｈは、光量検知手段１１Ｇと同様に、光源モジュール１１の対象物への装着状態を判断するために定期的に圧力を検知する。圧力検知手段１１Ｈで検知された圧力は、制御部２０に送信される。
【００３０】
光源モジュール１１と対象物との接触部の間に隙間があった場合には、対象物の外部へ光が漏れる危険性があるため、面発光レーザアレイチップ１１Ａの付近に配置された光量検知手段１１Ｇと同様に、制御部２０から面発光レーザアレイチップ１１Ａへ発光停止命令を送る。圧力検知手段１１Ｈとしては、例えば、ピエゾフィルムを用いることができる。ピエゾフィルムは、圧電効果を有するプラスチックから作られており加工性に優れているため、センサの形状に合わせて圧力を検知しやすい形状にできる点で好適である。
【００３１】
光学検査装置１では、光量検知手段１１Ｇ及び圧力検知手段１１Ｈの両者で危険性が予知された場合に、外部への光の漏洩の危険性がありと判断し、制御部２０が面発光レーザアレイチップ１１Ａに発光停止命令を出す。光量検知手段１１Ｇ及び圧力検知手段１１Ｈの両方を設けているのは、危険性の判断を適切に行うと同時に、計測中に発光停止命令を誤って送らないようにするためである。
【００３２】
このように、光源モジュール１１の筐体１１Ｆと対象物とが接触する場所に取り付けられた光量検知手段１１Ｇ及び圧力検知手段１１Ｈは、何れも対象物への装着状態を検知する装着状態検知手段である。なお、装着状態を検知するとは、光源モジュール１１が対象物に正しく装着されているか否かを判断するための信号を生成することである。又、光源モジュール１１が対象物に正しく装着されているとは、光源モジュール１１からのレーザ光の漏洩が所定値以下の場合を指す。ここで、所定値は、ＩＥＣ６０８２５−１等の安全規格に則して適宜決定することができる。
【００３３】
光量検知手段１１Ｇ及び圧力検知手段１１Ｈの検知結果に基づいて、光源モジュール１１が被検者等に正しく装着されていることを確認することで、対象物の外部への面発光レーザアレイチップ１１Ａからの光の漏れを防止することができる。すなわち、装着が不適切で外部に光が漏れるおそれがある場合に、面発光レーザアレイチップ１１Ａの点灯を停止させることで、予期せぬ事態によるレーザ光の漏洩を防ぎ、安全性を向上させることができる。
【００３４】
又、光量検知手段１１Ｇ及び圧力検知手段１１Ｈの検知結果に基づいて、光源モジュール１１を利用中か否かを判断して面発光レーザアレイチップ１１Ａの点灯を制御することにより、光源モジュール１１を利用中でない場合に誤って面発光レーザアレイチップ１１Ａを点灯させることを防ぎ、安全性を向上させることができる。
【００３５】
この方法は、例えば、計測対象部位が頭部である場合等、装着中や取り外し時に光源が点灯していると、目や皮膚にレーザが照射されるおそれが他の光学製品より高く、予期せぬ事態により目や皮膚にレーザが照射されてしまうような場合に有効である。例えば、ＮＩＲＳを生体に用いる場合等において、計測時の取り扱いの際の安全に万全を期すことができる。
【００３６】
又、光量検知手段１１Ｇ及び圧力検知手段１１Ｈの検知結果に基づいて、光源モジュール１１を被検体に装着した際の傾きを検知し、正しく（許容範囲内の精度で）装着できているかどうかを判断することができる。特に略同一位置から複数方向に出射する光を用いる場合、被検体に対して傾いた状態で装着すると、シミュレーションで得られた感度分布と現実の系とのズレが大きくなり逆問題推定の精度が落ちるという問題がある。光源モジュール１１では、光源モジュール１１が正しく（許容範囲内の精度で）装着できているかどうかを判断することができるため、逆問題推定の精度が落ちる問題を解消できる。
【００３７】
図４は、光源モジュールの一例を示す図である。図４（ａ）は光源モジュール１１の先端部を例示する斜視図であり、図４（ｂ）は光源モジュール１１の先端部を例示する断面図である。
【００３８】
図４に示すように、面発光レーザアレイチップ１１Ａやレンズ１１Ｂ、プリズム１１Ｃ等は例えば円筒状の筐体１１Ｆに保持され、面発光レーザアレイチップ１１Ａからの光はレンズ１１Ｂ及びプリズム１１Ｃを介して被検体に出射される。筐体１１Ｆの被検者と接触する部分にシート状の圧力検知手段１１Ｈ、及び光量検知手段１１Ｇが各々少なくとも１つ以上埋め込まれている。プリズム１１Ｃと光量検知手段１１Ｇ及び圧力検知手段１１Ｈは、同一面上で被検体と接触するように配置されている。
【００３９】
以上のことを踏まえて、光学検査装置１を安全に動作させる手順の一例を図５のフローチャートを参照して説明する。まず、ステップＳ４０１では、圧力検知手段１１Ｈを稼働させて圧力検知を行い、検知結果を制御部２０に送信する。次に、ステップＳ４０２では、制御部２０は、圧力検知手段１１Ｈの検知結果に基づいて（例えば、検知結果が所定の閾値以上か否かにより）、光源モジュール１１が被検体に正しく接触しているか否かを判断する。
【００４０】
ステップＳ４０２で、制御部２０が、光源モジュール１１が被検体に正しく接触していないと判断した場合（ＮＯの場合）には、ステップＳ４０５で制御部２０は光源モジュール１１の動作を停止する。ステップＳ４０２で、制御部２０が、光源モジュール１１が被検体に正しく接触していると判断した場合（ＹＥＳの場合）には、ステップＳ４０３に移行する。
【００４１】
ステップＳ４０３では、光量検知手段１１Ｇを稼働させて光量検知を行い、検知結果を制御部２０に送信する。次に、ステップＳ４０４では、制御部２０は、光量検知手段１１Ｇの検知結果に基づいて（例えば、検知結果が所定の閾値以下か否かにより）、光源モジュール１１が被検体に正しく接触しているかを判断する。
【００４２】
ステップＳ４０３で光量が検知された場合には、光の逆進性より外部に光が漏れるおそれもあるため、ステップＳ４０４で制御部２０は光源モジュール１１が被検体に正しく接触していないと判断し、ステップＳ４０５で光源モジュール１１の動作を停止する。
【００４３】
ステップＳ４０３で光量が検知されない場合には、ステップＳ４０４で制御部２０は光源モジュール１１が被検体に正しく接触していると判断し、ステップＳ４０６で光照射を行い、ステップＳ４０７で計測を行う。ステップＳ４０１〜Ｓ４０７を、予め決めた計測数の上限値に達するまで繰り返し行う（ステップＳ４０８）。
【００４４】
ここで、先に使用する装着状態検知手段は圧力検知手段１１Ｈに限定されず、光量検知手段１１Ｇを先に用いても良い。又、安全性が十分に確認されていれば、必ずしも、光量検知手段１１Ｇの検知結果と圧力検知手段１１Ｈの検知結果の両方に基づいて光源モジュール１１の装着状態を判断する必要はない。すなわち、光量検知手段１１Ｇの計測結果と圧力検知手段１１Ｈの検知結果の何れか一方のみに基づいて、光源モジュール１１の装着状態を判断してもよい。
【００４５】
光源モジュール１１の装着状態を検知する場合は、被検体に設置する際の光源モジュール１１上の複数個のセンサの値に基づいて判断することが好ましい。この場合、許容できる最大の設置傾斜角度での検出値を事前に計測して上限値を定めておき、実際に被検体に設置したときのセンサの読み取り値の差が上限値を超えた場合には傾いていると判断して表示部４０にエラーメッセージを表示させることができる。
【００４６】
なお、対象物への装着状態を検知する装着状態検知手段は、光量検知手段１１Ｇ及び圧力検知手段１１Ｈには限定されない。
【００４７】
又、光源モジュール１１の形状等により危険性の判断と誤った停止信号命令のリスクが十分に防げていれば、危険性を判断する手段は１つでも良く、より正確に装着状態を判断できるように３つ以上としても良い。
【００４８】
検出モジュール１２は、図６に示すように、光学素子１２Ａ、受光素子１２Ｂ、アナログ電子回路１２Ｅ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）、被検体と接触する弾性体からなる接触部材１２Ｄ、これらを保持する筐体１２Ｆ等を有している。
【００４９】
光学素子１２Ａとしては、例えば半球レンズを用いることができるが、受光素子１２Ｂに光を集光できれば、その他の光学素子を用いても良い。筐体１２Ｆとしては、例えば、黒い樹脂製の筐体を用いることができる。
【００５０】
接触部材１２Ｄとしては、例えば、遮光性を高めるために黒いゴム製のものを用いることができる。透明ジェルを接触部材１２Ｄと被検体との間に介在させることで、被検体との接触安定性を向上させることができる。なお、筐体１２Ｆの先端及び接触部材１２Ｄには、アパーチャ（開口）が形成されている。
【００５１】
検出モジュール１２は、複数方向からの光を検出する構成にしても良い。これにより近似的に複数の検出モジュールを設置したことと等価の効果が得られる。この場合、光学素子１２Ａとしては、半球レンズを用いてもよいし、異なる方向から入射される光を打ち分けることができるレンズであれば半球レンズ以外のレンズを用いてもよい。
【００５２】
受光素子１２Ｂとしては、例えば、４つの領域に分割された受光部が２次元配列された４分割ＰＤ（フォトダイオード）を用いることができる。図７は、光学素子１２Ａとして半球レンズを用い、受光素子１２Ｂとして４分割ＰＤを用いた場合において、異なる方向から入射される光を打ち分ける様子を模式的に示している。
【００５３】
図８では、受光素子１２Ｂ（４分割ＰＤ）の４つの受光部のうち、２つの受光部１２Ｂ１及び１２Ｂ２のみが図示されている。各受光部は、配線を介してオペアンプに接続されている。検出される光量は非常に小さいため、オペアンプの倍率は高めの２段階で構成されている。例えば、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。なお、受光素子１２Ｂの受光部の数（分割数）は、４に限らず、適宜変更可能である。
【００５４】
アパーチャ１２Ｇは、筐体１２Ｆの先端及び接触部材１２Ｄを貫通する例えば約１ｍｍ程度の円形の開口であり、被検体９００を伝播して被検体９００から出射される光の位置を限定する機能を有している。
【００５５】
このように、検出モジュール１２では、図８に示すように半球レンズ等の光学素子１２Ａを検出モジュール１２の入射端に配置することで、被検体９００内の異なる方向から入射される光を異なる位置に集光させることができる。そして、受光素子１２Ｂは、光学素子１２Ａを介した光の光路上に配置されている。
【００５６】
すなわち、光源モジュール１１から被検体９００の略同一位置に照射された非平行の複数の光は、被検体９００の異なる経路を通って半球レンズ等の光学素子１２Ａに入射し、光学素子１２Ａで入射方向毎（入射角度毎）に異なる方向に屈折され、受光素子１２Ｂの複数の受光部の何れかに集光される。
【００５７】
このようにして、検出モジュール１２によって、多入射角方式の光検出器が実現できる。受光素子１２Ｂとしては、上述したフォトダイオードの他、ＡＰＤ（Avalanche Photo Diode）、ガイガーモードＡＰＤであるＳＰＡＤ（Single Photon Avalanche Diode）等を用いることが可能である。ＡＰＤやＳＰＡＤは、ＰＤに対して感度が高いため、検出精度の点で有利である。
【００５８】
〈実施例〉
以下に、本実施の形態の実施例について説明する。
【００５９】
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。
【００６０】
そこで、本実施例では、汎用性を持たせるとともに、検出精度を確認し易い被検体として、水槽に入った白濁液である擬似生体（ファントムとも称する）を採用している。
【００６１】
本実施例では、光照射器である光源モジュール１１の各発光部（各面発光レーザ）からの光線をプリズムによって偏向させて、被検体への入射角を光線間で異ならせる方法を採用している。ここでは、図９に示すように、各壁が黒色のアクリル板で構成された水槽１０１の一側壁（＋Ｚ側の壁）の８箇所に透明なアクリル板から成る透明窓１０２を設けている。水槽１０１の内部は、イントラリピッド水溶液（イントラリピッド１０％濃度を１０倍に希釈）で満たされている。すなわち、本実施例で使用する擬似生体は、イントラリピッド水溶液である。
【００６２】
水槽１０１内に満たされたイントラリピッド水溶液に黒いインクを約２０ｐｐｍ程度となるように滴下して、ほぼ生体と同一の吸収係数及び散乱係数とする。そして、この白濁したイントラリピッド水溶液に血流に模した黒色の吸光体を沈める。吸光体は、黒色のポリアセタールとして、約５ｍｍ直径の球体とする。この球体の位置を制御できるように、自動ステージに接続された１ｍｍ径の細い金属棒に該球体を固定する。この水槽１０１の各透明窓１０２に、プローブを正確に位置決めして装着する。
【００６３】
ここでは、水槽１０１の容積は、１４０ｍｍ×１４０ｍｍ×６０ｍｍである。黒色のアクリル板の厚さは、４ｍｍである。８つの透明窓１０２は、２種類の大きさの円形の透明窓１０２Ａ及び１０２Ｂで構成されている。透明窓１０２Ａ及び１０２Ｂは、４つずつ設けられている。透明窓１０２Ａの直径は９ｍｍ、透明窓１０２Ｂの直径は１２ｍｍである。透明窓１０２Ａ及び１０２Ｂの厚さは、何れも１．５ｍｍである。
【００６４】
図１０は、８つの透明窓のレイアウトを示している。８つの透明窓１０２Ａ及び１０２Ｂは、透明窓１０２Ａと透明窓１０２Ｂとが隣り合うようにＸ軸方向及びＹ軸方向に等間隔で格子状に配置されている。ここでは、各透明窓１０２Ａには検出モジュール１２が装着され、各透明窓１０２Ｂ（Ｂ１〜Ｂ４）には光源モジュール１１が装着される。隣り合う２つの透明窓１０２Ａと透明窓１０２Ｂの中心間の距離は、３０ｍｍである。なお、図１０では、４の透明窓１０２Ｂを、便宜上、Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、及びＢ４としている。
【００６５】
光源モジュール１１は、図１１に示すように、面発光レーザアレイチップ１１Ａ、レンズ１１Ｂ、プリズム１１Ｃ等を含む。光源となる面発光レーザアレイチップ１１Ａは、例えば４０ｃｈの面発光レーザを備えている。ここでは、４０ｃｈの面発光レーザを同時に点灯し、面発光レーザアレイチップ１１Ａの総出力は５０ｍＷ程度とされる。
【００６６】
面発光レーザアレイチップ１１Ａから出射された光は、レンズ１１Ｂを介してプリズム１１Ｃに入射し、プリズム１１Ｃへの入射光ＬＰはプリズム１１Ｃによって偏向される。プリズム１１Ｃとしては、アクリル製の水槽１０１と屈折率が同等のアクリル製のものが採用されている。プリズム１１Ｃの反射面１１ＣＲは、レンズ１１Ｂの径に合わせて設計され、反射面１１ＣＲの角度は、レンズ１１Ｂを介した光がアクリル製の水槽１０１に入射角５０°程度で入射するように設定されている。
【００６７】
水槽１０１及びプリズム１１Ｃを構成するアクリルと、ファントム（イントラリピッド水溶液）との屈折率差は、スネルの法則によってファントム内での伝播角度が約６０°（図１１中のθ１）になるように設定されている。プリズム１１Ｃは、Ｚ軸方向に延びる回転軸Ｏの周りに回転可能な回転ステージに取り付けられている。
【００６８】
この回転ステージ及びプリズム１１Ｃを一緒に回転させることで、プリズム１１Ｃ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１２に示すように、＋Ｘ、−Ｘ、＋Ｙ、−Ｙの４方位の計測を順次行うこととした。すなわち、４つの光源モジュール１１の位置（図１０のＢ１〜Ｂ４の４箇所）と４方位で４×４の１６回の計測を行うことになる。プリズム１１Ｃと水槽１０１との間には、これらと屈折率が同等のジェル状の樹脂が充填されている。これにより、プリズム１１Ｃと水槽１０１との間での屈折や反射を防止できる。なお、図１１において、ＬＭは、プリズム１１Ｃを出射して水槽１０１の内部に入射した生体内伝搬光を示している。
【００６９】
次に、被検体９００内の情報の計測方法について、図１３に示すフローチャートを参照して説明する。
【００７０】
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、前述の如く光源モジュール１１及び検出モジュール１２を意味する。ここでのセッティング対象のプローブは、１つの光源モジュール１１と４つの検出モジュール１２である。１つの光源モジュール１１は、図１０に示す透明窓１０２のＢ１に装着される。又、４つの検出モジュール１２は、図１０に示す直径９ｍｍの４つの透明窓１０２Ａに個別に装着される。
【００７１】
ここで、図５を参照して説明したように、光源モジュール１１の装着状態を検知する。光源モジュール１１が被検体に正しく装着されていると判断した場合には、以降のステップに移行する。
【００７２】
次に、筐体１１Ｆ内に内蔵されているモニタ用受光素子により発光強度がトータルで５０ｍＷ程度になるように、光源モジュール１１の電流値が設定される（ステップＴ２）。その後、光源モジュール１１の４０ｃｈ（発光部）を同時に発光させる（ステップＴ３）。
【００７３】
発光時間は２０ｓｅｃ程度であり、その間、４つの検出モジュール１２のＰＤの検出値を読み取り（ステップＴ４）、１ｍｓｅｃ間隔で検出した数点のデータ（検出値）を平均化する。そして、平均化された検出値、すなわち検出値の平均値を記録部に格納する（ステップＴ５）。
【００７４】
ここで、計測は、＋Ｘ方向、＋Ｙ方向、−Ｘ方向、−Ｙ方向の４方位について行われる（ステップＴ６、Ｔ７）。具体的には、ステップＴ１の直後のステップＴ２〜Ｔ５は、プリズムを＋Ｘ方向に配置した状態で行う。次いで、プリズムを回転させて、＋Ｙ方向とする（ステップＴ７）。この状態でステップＴ２〜Ｔ５を行う。次いで、プリズムを回転させて、−Ｘ方向とする（ステップＴ７）。この状態でステップＴ２〜Ｔ５を行う。次いで、プリズムを回転させて、−Ｙ方向とする（ステップＴ７）。この状態でステップＴ２〜Ｔ５を行う。
【００７５】
次に、光源モジュール１１の装着位置を透明窓１０２のＢ１からＢ２、Ｂ３、Ｂ４に順次変更して、再度４方位の計測を行う（ステップＴ８、Ｔ９）。その後、吸光体の位置を移動させて、再度４方位、光源モジュール１１の４つの装着位置での計測を行う（ステップＴ１０、Ｔ１１）。
【００７６】
格納されたデータは、それぞれ吸光体あり、なしのデータを以下のｒ（ｓ，ｉ，ｎ）（ｉ=１，２，３・・・Ｍ、ｎ=１，２，３・・・Ｋ）、ｒ（０，ｉ，ｎ）（ｉ=１，２，３・・・Ｍ、ｎ=１，２，３・・・Ｋ）とする。ｉはそれぞれの検出モジュール１２に付された番号である。ｎはそれぞれのグループに付された番号である。次にそれぞれの差分Δｒ（ｉ，ｎ）を計算する。
【００７７】
以下に、図１３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１４のステップＳ２１〜Ｓ２５参照）。
【００７８】
制御部２０は、例えば、図１５のブロック図に示すように構成することができる。制御部２０では、中央処理装置２１からの情報によって、スイッチ部２２が制御され、発光する光源モジュール１１が選択される。このとき、スイッチ部２２を介して光源モジュール１１に供給される電流が電流制御部２３で所望の値に制御される。検出モジュール１２での検出結果（データ）は、Ａ／Ｄ変換部２４でＡ／Ｄ変換され、演算部２５で平均化処理等の演算が行われる。演算部２５での演算結果は、順次、記録部２６に記録される。
【００７９】
図１６には、計算部３０のブロック図が示されている。先のモンテカルロシミュレーションに利用する各モジュール（プローブ）の位置や生体の屈折率、形状などの情報は記録部３１に記録されている。この情報を元に先の順問題を行う。この計算には並列計算ができるＧＰＵ３２（マルチグラフィックスプロセッサ）を利用する。この利用により従来の計算速度に比べ飛躍的に早く計算ができる。計算によって得られた感度分布を再度記録部３１に格納する。この計算結果と制御部２０の記録部２６に格納されている計測結果を中央処理装置３３に入力して、中央処理装置３３において逆問題推定を行う。推定結果は制御部２０の中央処理装置２１を介して表示部に表示される。
【００８０】
ところで、従来、順問題計算の際、生体等の散乱体の中では、光は、ほぼ等方的に散乱すると考えられてきた。このため、計算量が少ない拡散方程式を利用したシミュレーションが利用されてきた。しかし、近年の学会等でも、ｍｍ単位の微細なエリアでは、生体内での光伝播は、異方性を有していることが報告がされている。この異方性を反映したシミュレーションを行うためには、輸送方程式を利用するかモンテカルロシミュレーションを行う必要がある。
【００８１】
本実施例では、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。
【００８２】
そこで、本実施例では、モンテカルロシミュレーションが採用されている。モンテカルロシミュレーションは、フォトンが散乱媒質の中で、散乱していく条件を、ランダム変数によって、確率的に表現し、そのマクロ的な振る舞いを観察する手法である。具体的には、フォトンが媒質を移動し、ある距離進むたびに、衝突し、その衝突によって方向性を変えていくようにモデル化する。
【００８３】
このときのある距離の平均値が平均自由行程であり、散乱係数で定義され、方向の変化が異方性によって定義されている。この衝突を繰り返し、定義されたエリア内をどのように伝播していくかを記録する。このようにモデル化されたフォトンを無数に計算することで散乱媒質の光の振る舞いをシミュレーションすることができる。モンテカルロシミュレーションによって、１つのフォトンがどのような経路で拡散していくかを記録する。
【００８４】
本実施例におけるモンテカルロシミュレーションでは、フォトン数は１０９個、ボクセルを１ｍｍ立方体として、１２０ｍｍ×１２０ｍｍ×６０ｍｍの３次元エリアの計算を行う。ここでは、散乱媒質の散乱係数、吸収係数、異方性、屈折率をそれぞれ頭皮とほぼ同等の数値である７．８ｍｍ−１、０．０１９ｍｍ−１、０．８９、１．３７とする。
【００８５】
この数値に合うように、前述したファントム（イントラリピッド水溶液）を調合し、光源モジュール１１、伝播角、検出モジュール１２の位置等、全てファントムと同じ状況でシミュレーションし、感度分布を算出する。なお、生体の光物性値には個体差があり、正確な推定を行うには被検者毎に、この数値は補正されるのが望ましい。
【００８６】
このとき、ボクセルの位置ｒに関して、通過したフォトン数をφ０（ｒ）とする。特に、光源モジュール１１の位置をｒｓとしたとき、ボクセルの位置ｒでのフォトン通過数をφ０（ｒｓ、ｒ）とする。次に、検出モジュール１２を配置していた位置に光源モジュール１１を配置して、再度、同数のフォトン数を計算する。検出モジュール１２をｒｄに設置していた場合には、ボクセルの位置ｒでのフォトン通過数をφ０（ｒ、ｒｄ）とする。
【００８７】
光の経路は、可逆であるため、この積は、ボクセルの位置ｒを通過して、光源モジュール１１から出射して、検出モジュール１２に入ったフォトン数に比例する。この積を検出モジュール１２に入る全てのフォトン数φ０（ｒｓ、ｒｄ）で規格化したものが次の感度分布Ａ（ｒ）となる。
【００８８】
【数１】
2018096687.tif 000003
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。
【００８９】
上述のようにして算出された感度分布の一例が、図１７に示されている。ここでは、光源モジュール１１、検出モジュール１２をそれぞれ、（Ｘ、Ｙ、Ｚ）＝（４５、６０、０）、（Ｘ、Ｙ、Ｚ）＝（７５、６０、０）に配置した。ボクセルは１ｍｍの立方体なので、これらの数値の単位ｍｍと等価である。各位置でのボクセルの感度は底を１０とした対数（常用対数）で示している。
【００９０】
次に、図１７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１８に示されている。図１８は、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°とした場合の結果である。
【００９１】
図１８に示すように、＋６０度と−６０度とでは、感度分布に相違が出ている。この相違が、分解能向上が可能となるかの指針となる。つまりは、この感度分布に相違が出ることは、２つの光源からの光の伝播経路が異なることを示している。もし同じ伝播経路であれば、伝播角を変えても、ほぼ同じ感度分布となるはずである。２つの光源からの光の伝播経路が違うことで、２つの光源からの光がそれぞれ異なる情報を収集していることになる。
【００９２】
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。この感度分布は、ファントムで実施される全ての光源モジュール１１／検出モジュール１２対に対して、全ての伝播角／検出角で実施する。
【００９３】
次に、この感度分布を利用して、逆問題推定を行う。
【００９４】
吸光体の存在によっておきる吸収係数の変化δμａ（ｒ）が十分小さいと仮定するとＲｙｔｏｖの近似によって、以下の式が成り立つ。
【００９５】
【数２】
2018096687.tif 000004
νは媒質中の光の速さ、Ｓは単位時間当たりに光源モジュール１１から出る光の量、ｒｓは光源モジュール１１の位置、ｒｄは検出モジュール１２の位置、φ（ｒｓ、ｒｄ）は光源モジュール１１から出た光が検出モジュール１２に届く光量を表し、φ０は吸光体のない状態での光の強度を示している。この式が意味しているのは、吸光体のない状態での光の強度φ０が与えられれば、吸光体の存在によっておきる吸収係数の変化δμａ（ｒ）と観測値ｌｏｇφ（ｒｓ、ｒｄ）とを線形の関係に結びつけることができるということである。
【００９６】
このことを簡単に記述すると、式『Ｙ＝Ａ（ｒ）Ｘ』となる。ここで、Ｙは吸光体の存在有無による観測値の変化であり、Ｘはボクセルの位置ｒでの吸収係数変化を示す。このＡ（ｒ）は感度分布である。上記の式より、Ｘの変化から観測値Ｙがどのように変化するかが分かる。逆問題推定では、これとは逆に、観測値Ｙから吸光体の位置を推定する。逆問題推定の代表的な手法にＬ２ノルム正則化という手法がある。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。
【００９７】
【数３】
2018096687.tif 000005
ここでＹは観測値、Ａは感度分布、λは正則化係数である。この手法は比較的アルゴリズムが簡単でコードを実装しやすい一方で、深さ方向の精度が悪いという欠点がある。本実施例では、深さ方向も検出するために、次の非特許文献：Takeaki Shimokawa, Takashi Kosaka, Okito Yamashita, Nobuo Hiroe, Takashi Amita, Yoshihiro Inoue, and Masa-aki Sato, "Hierarchical Bayesian estimation improves depth accuracy and spatial resolution of diffuse optical tomography," Opt. Express 20, 20427-20446 (2012)  に詳細が説明されている階層変分ベイズ法を用いる。
【００９８】
この結果、図１９（Ｂ）に示すような推定結果を導くことができる。図１９（Ａ）は実際の吸光体の位置を示している。図１９（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結果が得られる。
【００９９】
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１９（Ｃ）に示されている。この比較例は、従来のＮＩＲＳ装置と同等の構成とである。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。本実施例では、上記階層変分ベイズ法により、吸光体の位置と深さを検出することが可能となる。
【０１００】
又、吸光体の位置を変えて（図２０（Ａ）参照）、推定を行った結果（推定結果）が図２０（Ｂ）に示されている。この場合も吸光体の実際の位置を正確に推定できていることがわかる。本実施例の方法により、吸光体の位置を高い分解能で（深さ方向も含めて）推定することが可能となる。これに対し、比較例（従来手法）では、図２０（Ｃ）に示すようにかなり広がった吸光体となっており、該吸光体の位置を正確に検出することができない。
【０１０１】
以上、好ましい実施の形態について詳説したが、上述した実施の形態に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施の形態に種々の変形及び置換を加えることができる。
【符号の説明】
【０１０２】
１  光学検査装置
１０  光学センサ
１１  光源モジュール
１２  検出モジュール
２０  制御部
３０  計算部
４０  表示部
【先行技術文献】
【特許文献】
【０１０３】
【特許文献１】特開２０１５−１５１４６号公報
【図１】
2018096687.tif 000006
【図２】
2018096687.tif 000007
【図３】
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【図４】
2018096687.tif 000009
【図５】
2018096687.tif 000010
【図６】
2018096687.tif 000011
【図７】
2018096687.tif 000012
【図８】
2018096687.tif 000013
【図９】
2018096687.tif 000014
【図１０】
2018096687.tif 000015
【図１１】
2018096687.tif 000016
【図１２】
2018096687.tif 000017
【図１３】
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【図１４】
2018096687.tif 000019
【図１５】
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【図１６】
2018096687.tif 000021
【図１７】
2018096687.tif 000022
【図１８】
2018096687.tif 000023
【図１９】
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【図２０】
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