(57)【要約】【課題】被検体内の情報をより多く得ることができる光学センサを提供する。【解決手段】  光学センサは、複数の光源モジュールＬＭを含み、被検体に光を照射する照射系と、被検体内を伝播し該被検体から出射した光を検出する、複数の検出モジュールＤＭを含む検出系と、を備え、複数の光源モジュールＬＭそれぞれは、偏光方向が異なる複数（例えば２つ）の直線偏光を前記被検体に向けて異なるタイミングで出射可能である。この場合、被検体内の情報をより多く得ることができる。【選択図】図１４
2015175684.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検体内の情報を計測する光学センサであって、
少なくとも１つの光照射器を含み、前記被検体に光を照射する照射系と、
前記被検体内を伝播し該被検体から出射した光を検出する、少なくとも１つの光検出器を含む検出系と、を備え、
前記光照射器は、偏光方向が異なる複数の直線偏光を前記被検体に向けて異なるタイミングで出射可能な光学センサ。
【請求項２】
前記偏光方向が異なる複数の直線偏光は、前記被検体に略垂直に入射されることを特徴とする請求項１に記載の光学センサ。
【請求項３】
前記光照射器と前記光検出器は、隣り合うように並べて配置され、
前記光照射器は、前記光照射器と前記光検出器の並び方向に対して偏光方向が垂直又は平行な直線偏光を前記被検体に向けて出射することを特徴とする請求項１又は２に記載の光学センサ。
【請求項４】
前記光照射器は、前記偏光方向が異なる複数の直線偏光を前記被検体の同一位置に照射可能なことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の光学センサ。
【請求項５】
前記光照射器は、直線偏光を出射する発光部を有し、該発光部から出射される前記直線偏光の偏光方向を変更可能なことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の光学センサ。
【請求項６】
前記光照射器は、直線偏光を出射する複数の発光部を有し、
前記複数の発光部から出射される直線偏光は、偏光方向が互いに異なることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の光学センサ。
【請求項７】
前記発光部は、面発光レーザであることを特徴とする請求項５又は６に記載の光学センサ。
【請求項８】
前記少なくとも１つの光照射器は、複数の光照射器であり、
前記複数の光照射器は、前記被検体の複数位置に個別に装着されることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の光学センサ。
【請求項９】
前記少なくとも１つの光検出器は、複数の光検出器であり、
前記複数の光検出器は、前記被検体の複数位置に個別に装着されることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の光学センサ。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか一項に記載の光学センサを備え、
前記光学センサでの計測結果に基づいて、前記被検体の内部特性を推定する光学検査装置。
【請求項１１】
請求項１〜９のいずれか一項に記載の光学センサでの計測結果に基づいて、前記被検体の内部特性を推定する工程を含む内部特性推定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学センサ、光学検査装置、および内部特性推定方法に係り、更に詳しくは、被検体内の情報を計測する光学センサ、該光学センサを備える光学検査装置、および前記被検体の内部特性を推定する内部特性推定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、被検体（生体）に光を照射し、該被検体内を伝播した光を検出することで該被検体内の情報を計測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）。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
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、被検体内の情報をより多く得ることが望まれていた。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明は、被検体内の情報を計測する光学センサであって、少なくとも１つの光照射器を含み、前記被検体に光を照射する照射系と、前記被検体内を伝播し該被検体から出射した光を検出する、少なくとも１つの光検出器を含む検出系と、を備え、前記光照射器は、偏光方向が異なる複数の直線偏光を前記被検体に向けて異なるタイミングで出射可能な光学センサである。
【発明の効果】
【０００５】
本発明によれば、被検体内の情報をより多く得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】本発明の一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。
【図２】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。
【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１）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２）である。
【図５】面発光レーザアレイチップを説明するための図である。
【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】大脳皮質内の血流濃度を推定する方法を説明するためのフローチャートである。
【図９】変分ベイズ法のアルゴリズムに関するフローチャートである。
【図１０】シミュレーション用脳モデルの各層の物性値を示す図ある。
【図１１】シミュレーション用脳モデルの系の概観を示す図である。
【図１２】シミュレーション用脳モデルの光源、プリズム、光検出器の配置について説明するための図である。
【図１３】図１０の物性値に対応する検出器上の光子分布について説明するための図である。
【図１４】図１１の概観に対応する光が通過した経路について説明するための図である。
【図１５】図１２の配置に対応する検出された光子数の比較について説明するための図である。
【図１６】制御部の構成を示すブロック図である。
【図１７】変形例の光源モジュールについて説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下に、本発明の一実施形態を図１〜図１６に基づいて説明する。図１には、本実施形態に係る光学検査装置１００の概略構成が示されている。
【０００８】
光学検査装置１００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、被検体の内部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。
【０００９】
光学検査装置１００は、一例として、図１に示されるように、光学センサ１０、制御部、表示部、計算部などを備えている。
【００１０】
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。
【００１１】
光学センサ１０は、一例として、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およ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。本明細書中、光源モジュールおよび検出モジュールを、区別しない場合は、プローブとも呼ぶ。また、本実施形態では、適宜、生体、被検体の文言を用いるが、生体が被検体の具体例であることに変わりはない。プローブは、被検体内の情報を計測する際、該被検体に装着される。
【００１２】
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。
【００１３】
制御部は、図１６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。
【００１４】
図２に示されるように、８つの光源モジュールＬＭおよび８つの検出モジュールＤＭは、一例として、生体（不図示）に対して、互いに直交するＸ方向および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方向および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２では、ＬＭは四角印で示され、ＤＭは丸印で示されている。ここでは、生体側を＋Ｚ側とする。
【００１５】
光源モジュールＬＭは、図３に示されるように、一例として、レンズ、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。
【００１６】
面発光レーザアレイチップの発振波長は、一例として２種類（７８０ｎｍ、９００ｎｍ）である。これら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４に示されるように、筐体内に面発光レーザアレイチップが配置され、該面発光レーザアレイチップの出射端近傍にレンズ（例えば球面レンズ）が配置されている。
【００１７】
各面発光レーザアレイチップからの光は、レンズで平行光とされ、窓部材を介して、筐体外に出射される。窓部材は、光源モジュールの被検体への装着性を良くするためにレンズの出射側に配置されている。
【００１８】
ところで、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。
【００１９】
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。
【００２０】
これに対し、面発光レーザアレイからの出射光の断面形状（ファーフィールドパターン）はほぼ円形であるため、出射光の断面形状が楕円形である端面発光レーザ（ＬＤ）と違い、回転方向の設置誤差はほとんどない。そのため、平行光を作るには例えば球面レンズを１つ設ければ良い。
【００２１】
図４には、面発光レーザアレイチップ、レンズおよび窓部材の配置例が示されている。ここでは、面発光レーザアレイチップの各面発光レーザは、電界がある一方向にのみ振動する直線偏光を出射する。面発光レーザアレイチップは、回転機構により出射方向に平行な軸線周りに回転可能となっており、これにより偏光方向を例えば９０°変えることができる。すなわち、面発光レーザアレイチップは、偏光方向が互いに直交する２つの直線偏光を異なるタイミングで（順次）出射することが可能である。面発光レーザアレイチップの回転制御は、制御部により行われる。
【００２２】
面発光レーザアレイチップは、図５に示されるように、一辺が約１ｍｍの正方形状の２つの面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）を含む。２つの面発光レーザのうち一方の面発光レーザは発振波長が７８０ｎｍであり、他方の面発光レーザは発振波長が９００ｎｍである。以下では、各面発光レーザを「ｃｈ」とも称する。
【００２３】
各面発光レーザは、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）を介して電極パッドに接続されている。
【００２４】
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、面発光レーザのＯＮ／ＯＦＦ（点灯／消灯）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。
【００２５】
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。
【００２６】
以上の説明から分かるように、被検体に装着された光源モジュールＬＭは、該被検体に向けて、偏光方向が互いに直交する２つの直線偏光を異なるタイミングで出射可能である。
【００２７】
そして、光源モジュールＬＭから異なるタイミングで出射された偏光方向が互いに直交する２つの直線偏光は、被検体の同一位置に異なるタイミングで入射する。
【００２８】
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。
【００２９】
また、本実施形態では、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。ジェルは粘性の高いグリセリン水溶液を用い、生体と整合性の良いものを採用した。ここでは、ジェルは、その光学特性が、波長７８０nm付近では透明で屈折率が生体表面に近くなるように調合されている。
【００３０】
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（例えば頭皮の屈折率１．６０）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、反射および散乱が起きてしまう。そこで、本実施形態のようにジェルを使用することで屈折率差による反射、散乱を抑制することができる。
【００３１】
検出モジュールＤＭは、図６に示されるように、受光部およ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）、被検体と接触する接触部材、筐体を含んで構成されている。
【００３２】
被検体に装着された検出モジュールＤＭは、図７に示されるように、光源モジュールＬＭから被検体に照射され該被検体を伝播した光を被検体の同一位置から受光部に入射させる。
【００３３】
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、受光部を含んで構成されている。筐体の先端および接触部材には、アパーチャ（開口）が形成されている。
【００３４】
受光部としては、一例として、フォトダイオード（ＰＤ）が用いられる。受光部は電気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段階の構成されている。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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
アパーチャは、筐体の先端および接触部材を貫通する例えば約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。
【００３８】
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。
【００３９】
ここでは、光源モジュールＬＭからの光の出射方向と、該光源モジュールＬＭに隣接する検出モジュールＤＭの受光部への光の入射方向とは、略平行である、すなわち直交していない（図７参照）。なお、該出射方向と該入射方向とは、非平行であっても良い。
【００４０】
以下に、生体の大脳皮質内の血流濃度（生体の内部特性）を推定する方法を説明する。
【００４１】
先ず、プローブ（光源モジュールＬＭおよび検出モジュールＤＭ）を生体の頭部にセッティング（装着）する。この際、頭部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、固定部材によって決められた位置にセッティングする。
【００４２】
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２参照）。格子のピッチａ（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。
【００４３】
そこで、光源モジュールＬＭの面発光レーザを発光させて頭部に光を照射する。発光は、各光源モジュールＬＭ毎に、さらに該光源モジュールの面発光レーザ毎に順に行う。本実施形態では、光の強度が生体に害を及ぼさない程度の大きさ（例えば４ｍＷ）になるように電流値を決定している。発光時間は例えば１０ｍｓｅｃ程度とした。面発光レーザが発光中は、全ての受光部で光を検出して値を読み取り、１ｍｓｅｃの発光および計測、データ格納を繰り返す。本実施形態で用いる面発光レーザの波長は７８０ｎｍ、９００ｎｍの二種類あり、それぞれの波長に関してさらに偏光方向が互いに直交する二種類とされているため、各面発光レーザについて合計４種類の光に関して上述した測定を行う。ある光源モジュールＬＭを用いた測定を終えた段階で、別の光源モジュールＬＭでも同様の測定を順に実行して行き、全ての光源モジュールＬＭについて測定データ（光強度データ）を得る。
【００４４】
以上のようにして得られた光強度データから、大脳皮質内の血流濃度を推定するが、その際、事前情報として頭部モデル、および該頭部モデルの情報から得られる感度分布を用いて、図８のフローチャートに従って推定を行う。
【００４５】
最初のステップＳ３０１では、推定に必要な光強度データを取得する。具体的には、安静時、脳活動時それぞれで上述のような光強度測定を行い、それらのデータから複数の波長・偏光毎およびプローブセット毎に光強度変化情報を取得する。光強度変化情報は、例えば光強度の変化率、光強度の変化率の対数をとった値、光強度の変化量等である。
【００４６】
次のステップＳ３０２では、推定に必要な初期値を読み出す。本実施形態の場合、初期値として推定に必要なのは大脳皮質の各ボクセルにおける正則化に関するガンマ分布のシェイプパラメータγα０ｉ、大脳皮質の各ボクセルにおけるガンマ分布の平均値α０ｉ￣（￣はαの真上に配置）、頭皮の各ボクセルにおける正則化に関するガンマ分布のシェイプパラメータγβ０および頭皮の各ボクセルにおけるガンマ分布の平均値β０￣（￣はβの真上に配置）である。
【００４７】
次のステップＳ３０３では、初期値を基に、後述する変分ベイズ法と呼ばれる方法を用いて逆問題の推定を行う。
【００４８】
次のステップＳ３０４では、推定結果が収束したか否かを判断する。ここでの判断が肯定された場合（収束した場合）は、ステップＳ３０５に移行し、否定された場合は、ステップＳ３０３に戻り、再推定する。
【００４９】
ステップＳ３０５では、推定結果を処理し、得られた結果を可視化する。
【００５０】
以下では、ステップＳ３０３の変分ベイズ法について、図９のフローチャートを用いて説明する。
【００５１】
変分ベイズ法の計算では、２つのステップにより、血流内のオキシヘモグロビン・デオキシヘモグロビンの濃度変化を推定する。
【００５２】
最初のステップＳ４０１は、「Ｘ，σ最大化ステップ」と呼ばれる。このステップでは次のステップＳ４０２で必要な量を計算している。ここで、Ｘはヘモグロビンの濃度変化、σは脳活動時の分散共分散行列の安静時に比べての割合の逆数である。図９に記載されているΣは、次の（１）式で定義される。
【００５３】
【数１】
2015175684.tif 000003
【００５４】
上記（１）式において、Σｙは安静時の観測値Ｙの分散共分散行列である。Ｇは感度行列であり、右上の添字で、大脳皮質(cortex)か頭皮(scalp)かを、右下の添字で酸素を含むヘモグロビン(Oxy Hb)か、酸素を含まないヘモグロビン(Deoxy Hb)かを示している。Ｗはスムージングフィルタで、右上のＴがある行列は転置行列であることを示している。
【００５５】
次のステップＳ４０２は、「Α、β最大化ステップ」と呼ばれ、大脳皮質の各ボクセルにおける正則化に関するガンマ分布のシェイプパラメータγαｉ、大脳皮質の各ボクセルにおけるガンマ分布の平均値αｉ￣（￣はαの真上に配置）、頭皮の各ボクセルにおける正則化に関するガンマ分布のシェイプパラメータγβ、および頭皮の各ボクセルにおけるガンマ分布の平均値β￣（￣はβの真上に配置）を計算する。これら４つの値が収束する（ｎ回目と（ｎ−１）回目の値との差が指定した範囲内である）ならば（ステップＳ４０３においてＹｅｓ）、計算の最後に再度Ｘ、σを計算した後に終了する。一方、これら４つの値が収束しないならば（ステップＳ４０３においてＮｏ）、ステップＳ４０１に戻る。ここで、Αはそれぞれのボクセルにおける、正則化に関するパラメータを対角成分に持つ行列、βは頭皮における正則化に関するパラメータである。
【００５６】
以上のようにして、ヘモグロビンの濃度変化Ｘが推定される。変分ベイズ法の詳細に関しては、特開２０１２−１８７３７６号公報に譲る。
【００５７】
次に、透過率・反射率と偏光との関係について説明する。
【００５８】
一般に光が媒質に入射する場合、光の偏光方向、入射角により、透過率・反射率は異なってくる。直線偏光を物質に入射させた時、電場の振動面が入射面に平行な光をｐ偏光、入射面に直交する光をｓ偏光と呼ぶ。ｐ偏光とｓ偏光の透過率をＴｐ，Ｔｓ、ｐ偏光とｓ偏光の反射率をＲｐ，Ｒｓとすると、これらは、次の（２）式で表される。
【００５９】
【数２】
2015175684.tif 000004
ここで、θ１は入射角、θ２は屈折角を表す。
【００６０】
偏光の方向による光の媒質に対する透過率・反射率は異なることから、２偏光間の被検体内に入射した際に反射される光の光量の分布に違いが生じる。この結果、本実施形態の光学センサ１０では、従来の装置（センサ）に比べて被検体内のより多くの情報を得ることができる。
【００６１】
ここで、被検体内での光の伝播について述べる。本実施形態では、被検体表面に略垂直に光を入射させ、被検体内での伝播の過程でさまざまな方向に進行するようになった光が、光学特性の異なる２つの層の界面に達すると、上記（２）式で示されるように、偏光方向によって異なる反射が起こる。また、透過率も偏光方向によって異なる。そのため、偏光方向によって伝播の振る舞いが異なることとなる。
【００６２】
本実施形態では、偏光を効率的に利用するため、光源モジュールＬＭから検出モジュールＤＭに向かう経路を考慮して直線偏光の偏光方向を決定した。図２から分かるように、１つの光源モジュールＬＭは、Ｘ、Ｙ方向に隣接する４つの検出モジュールＤＭに囲まれている。そこで、偏光方向（電場の振動方向）がＸ、Ｙ方向に対して平行および垂直となる二種類の直線偏光を用いる。詳述すると、光源モジュールＬＭは、偏光方向がＸ方向に垂直でＹ方向に平行な直線偏光と、偏光方向がＸ方向に平行でＹ方向に垂直な直線偏光とを、被検体に向けて異なるタイミングで出射する。すなわち、光源モジュールＬＭは、光源モジュールＬＭと検出モジュールＤＭの並び方向（Ｘ方向又はＹ方向）に対して偏光方向が垂直又は平行な直線偏光を被検体に向けて出射する。ただし、これに限らず任意の偏光方向の直線偏光を採用することが可能である。
【００６３】
次に、脳をモデル化した系のシミュレーションについて説明する。本シミュレーションでは、図１０に示されるように、頭皮、頭蓋骨、脳脊髄液および灰白質の光物性値をそれぞれが持つ複数の層が積層された積層体（脳を模したモデル）を用いる（Haeussinger  FB,  Heinzel  S,  Hahn  T,  Schecklmann  M,  Ehlis  A-C,  et  al.  (2011)  ,“Simulation  of  Near-Infrared  Light  Absorption  Considering  Individual  Head  and  Prefrontal  Cortex  Anatomy:  Implications  for  Optical  Neuroimaging”,  PLoS  ONE  6(10):  e26377.  doi:10.1371/journal.pone.0026377参照）。
【００６４】
この系に対して、光源、プリズム、光検出器を設置して解析を行う。なお、灰白質の底面側にも物質があり、光はさらに伝播していくが、一般に１５ｍｍ以上内部に達した光が反射されて光検出器に到達する量はほぼ無視できるため、灰白質底面に達した光は全て吸収されると考えて良い。
【００６５】
光源としては、偏光方向が入射面に平行および垂直な２つの光（Ｐ偏光、Ｓ偏光）となる偏光方向が互いに直交する２つの直線偏光を出射するものを用いる。図１１は、光源、プリズム、光検出器を含むシミュレーション対象となる系の概観である。頭皮層から空気層に光が出射する臨界角は約３８°である。このため、光源からの光を光検出器に到達させるには、この臨界角３８°以下の入射角θで上記積層体へ光を入射させる必要がある。
【００６６】
そこで、光源からの光の上記積層体への入射角θは、例えば３０°に設定されている。図１２は、空気層と頭皮層の境界面をＹ方向から見た図である。
【００６７】
プリズムは、頭皮層と同じ屈折率を持ち、頭皮層に隙間なく設置されている。プリズムにおける光源からの光が入射する面は、該光の入射方向に垂直になっている。これは空気層から頭皮層に屈折することなく所望の角度で入射させるためである。
【００６８】
光検出器は、光源から出射され上記積層体の界面で反射された光の光路上に設置されており、これにより偏光によって反射される光の量の違いを検出することができる。
【００６９】
本シミュレーションにより、ある角度方向に伝播する光が、どの程度光検出器に達するかを解析することができる。通常、物質内に入射した光の偏光や干渉のような光学的性質は、散乱を繰り返す毎に失われていく。しかしながら、生体内における散乱などの非等方性散乱の場合、散乱により光の進行方向が等方化されても偏光が完全には非偏光化されず、１０ｍｍ程度内部の生体からの透視が期待できる（清水  孝一,  「生体の光透視イメージング」,BME  :  bio  medical  engineering  17(4),  23-24,  2003-06-10参照）。
【００７０】
本シミュレーションでは、偏光による違いを原理的に確認するために、物質内で光は散乱されないとしてシミュレーションを行う。
【００７１】
以上説明したモデルでシミュレーションを行った結果得られたのが図１３、図１４および図１５である。図１３は、光検出器上で検出された光子の分布（被検体の感度分布）を表しており、Ｐ偏光とＳ偏光の間で検出される光子の分布が異なっているのがわかる。図１４は、本シミュレーションで光が通った経路をＹ方向から見た図である。図１５は各偏光で同じシミュレーションをそれぞれ５回ずつ行って得られた光子数を箱ひげ図に表した図である。各偏光毎にほぼ一定の結果が得られているのがわかる。これらの結果を見てわかるように、Ｓ偏光の方がより多く光検出器に到達し、結果として光子数が多くなっているのがわかる。これは、Ｐ偏光とＳ偏光を比較すると、脳内の各層での反射率に差があり、Ｓ偏光の方がより多く反射されることを反映している。
【００７２】
以上のシミュレーション結果からわかるように、脳に偏光方向が互いに異なる２つの直線偏光を入射させた場合、光検出器で検出される光量に差が生じ、結果として、従来の異なる波長の光による計測のみの場合とは異なる情報を得ることができる。そこで、従来の異なる波長の光による計測と併せて偏光方向が異なる２つの直線偏光による計測を行うことで、格段に多くの情報を得ることができる。また、被検体内から光検出器に向かう光がＳ偏光になるようにする（光源モジュールＬＭと検出モジュールＤＭの並び方向に対して垂直に偏光させる）ことで、検出される光量を最大化できる。
【００７３】
以上説明した本実施形態の光学センサ１０は、被検体内の情報を計測する光学センサであって、複数の光源モジュールＬＭを含み、被検体に光を照射する照射系と、被検体内を伝播し該被検体から出射した光を検出する、複数の検出モジュールＤＭを含む検出系と、を備え、複数の光源モジュールＬＭそれぞれは、偏光方向が異なる複数（例えば２つ）の直線偏光を前記被検体に向けて異なるタイミングで出射可能である。
【００７４】
この場合、被検体（散乱体）に照射される偏光方向が異なる例えば２つの直線偏光（Ｐ偏光、Ｓ偏光）は、被検体の各界面での反射率が異なり、複数の経路を伝播した光が光検出器で受光される（図１４参照）。
【００７５】
この結果、被検体内の情報をより多く得ることができる。
【００７６】
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、プローブの装着性を向上させることができる。
【００７７】
また、光源モジュールＬＭは、偏光方向が異なる２つの直線偏光を被検体の同一位置に異なるタイミングで照射可能である。この場合、被検体の各位置での情報量をより多く得ることができる。
【００７８】
また、光源モジュールＬＭは、直線偏光を出射する発光部を含み、該発光部から出射される直線偏光の偏光方向を変更可能である。この場合、１つの発光部から異なる偏光方向の直線方向を出射することができる。
【００７９】
また、前記発光部は、面発光レーザである。この場合、１つの面発光レーザと１つのレンズで、すなわち簡易な構成で平行光を作ることができる。
【００８０】
また、複数の光源モジュールＬＭを被検体の複数位置に個別に装着可能である。この場合、各光源モジュールＬＭを移動させることなく、被検体の複数箇所の情報を得ることができ、計測の効率化を図ることができる。
【００８１】
また、複数の検出モジュールＤＭを被検体の複数位置に個別に装着可能である。この場合、各光源モジュールＬＭから被検体に照射され該被検体内を伝播した光のうち、該被検体の該複数位置から出射された光を検出することができる。
【００８２】
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。この場合、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（屈折角）が大きくなる。そこで、例えば被検体への光の入射角に対して該被検体内での該光の伝播角を大きくでき、被検体内を伝播した光を検出モジュールＤＭにより確実に導くことができる。
【００８３】
また、本実施形態の光学検査装置１００は、光学センサ１０での計測結果に基づいて被検体の内部特性を推定するため、該内部特性を精度良く推定できる。
【００８４】
また、本実施形態の内部特性推定方法は、光学センサ１０での計測結果に基づいて被検体の内部特性を推定するため、該内部特性を精度良く推定できる。
【００８５】
なお、図１７に示される変形例の光源モジュールのように、偏光方向が異なる複数（例えば２つ）の直線偏光を個別に出射する複数（例えば２つ）の面発光レーザアレイチップを有していても良い。複数（例えば２つ）の面発光レーザアレイチップを制御することで、偏光方向が異なる２つの直線偏光を出射することができる。各面発光レーザは偏光方向が異なるように（ここでは互いに直交するように）配置されている。各面発光レーザアレイチップは、発振波長が異なる２つの面発光レーザを有している。ここでは、２つの面発光レーザの一方の発振波長は７８０ｎｍであり、他方の発振波長は９００ｎｍである。
【００８６】
詳述すると、変形例の光源モジュールは、筐体、該筐体に設けられた透明樹脂からなる窓部材、複数（例えば２つ）の面発光レーザアレイチップ、各面発光レーザアレイチップに対応して設けられた複数（例えば２つ）のミラー、１つのレンズを有する。各面発光レーザアレイは異なる偏光方向を持っており、制御部に接続されており、所望の偏光方向の光を出射させることができる。各面発光レーザチップから出射した光は、対応するレンズで平行光とされ、その後、例えば２つのミラーで反射されて、略同一位置から出射される。結果として、被検体の同一位置に偏光方向が異なる光を照射することができる。
【００８７】
以上の説明から分かるように、本発明の光学センサは、簡易な構成により光の偏光方向による反射率の違い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。
【００８８】
なお、照射系における光源モジュールの数、および検出系における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、少なくとも１つの光源モジュールを有していれば良い。検出系は、少なくとも１つの検出モジュールを有していれば良い。
【００８９】
また、光源モジュールの構成は、適宜変更可能である。例えば光源モジュールにおける面発光レーザアレイチップの数および配置は、適宜変更可能である。また、面発光レーザアレイチップにおける面発光レーザの数、配置、発振波長は、適宜変更可能である。また、レンズを含む光学系の構成も適宜変更可能である。
【００９０】
また、上記実施形態及び変形例では、光源モジュールは、偏光方向が互いに直交する複数の直線偏光を出射可能であるが、これに限らず、要は、偏光方向が互いに異なる複数の直線偏光を出射可能であれば良い。
【００９１】
また、上記実施形態及び変形例では、光源モジュールの発光部として、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。
【００９２】
また、検出モジュールの構成は、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。検出モジュールにおける受光部の数も適宜変更可能である。また、受光部は、ＰＤに限らず、要は、光検出器（フォトディテクタ）であれば良い。また、受光部は、単一構造でなくアレイ構造であっても良い。また、検出モジュールは、被検体から出射された光を受光部に集光させるレンズを有していても良い。
【符号の説明】
【００９３】
１０…光学センサ、１００…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）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００９４】
【特許文献１】特許３７７９１３４号公報
【図１】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１２】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図２】
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【図３】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１３】
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【図１４】
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