(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検体に光を照射する光照射器を少なくとも１つ含む照射系と、
前記照射系から前記被検体に照射され該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、
活性層を有する積層構造体の一部である面発光レーザ素子と、
前記積層構造体の他の一部であり、前記面発光レーザ素子と光学的に接続された光検出素子と、を含み、
前記面発光レーザ素子及び前記光検出素子は、それぞれ前記活性層を含むメサ構造を有し、
前記積層構造体は、前記面発光レーザ素子及び前記光検出素子の前記メサ構造の活性層に隣接する該メサ構造の底部を一体に含むスペーサ層を有し、
前記面発光レーザ素子と前記光検出素子は、少なくとも前記スペーサ層により光学的に接続されており、前記スペーサ層は、上部半導体ＤＢＲと下部半導体ＤＢＲとで挟まれ、
前記光検出素子の前記メサ構造は、前記活性層に対して前記スペーサ層とは反対側に前記上部半導体ＤＢＲを含み、
前記光検出素子の前記メサ構造の前記活性層及び前記スペーサ層の側面の傾斜角をθ１、前記上部半導体ＤＢＲの側面の傾斜角をθ２としたときに、θ１＜θ２が成立することを特徴とする光学センサ。
【請求項２】
前記積層構造体は、前記スペーサ層上に設けられた絶縁膜を更に含み、
前記面発光レーザ素子と前記光検出素子は、少なくとも前記絶縁膜により光学的に接続されてい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】
前記絶縁膜は、前記スペーサ層よりも屈折率が小さいことを特徴とする請求項２に記載の光学センサ。
【請求項４】
前記絶縁膜は、表面の粗さが、前記面発光レーザ素子の発振波長λの１／１０以下であることを特徴とする請求項２又は３に記載の光学センサ。
【請求項５】
前記絶縁膜は、シリコン酸化物又はシリコン窒化物からなることを特徴とする請求項２〜４のいずれか一項に記載の光学センサ。
【請求項６】
前記面発光レーザ素子と前記光検出素子を光学的に接続する部分の光学的な厚さは、前記面発光レーザ素子の発振波長λと同等であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の光学センサ。
【請求項７】
前記光検出素子の前記メサ構造は、電極で囲まれた開口を上部に有することを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の光学センサ。
【請求項８】
前記光照射器は、前記面発光レーザ素子を複数有し、非平行の複数の光を前記被検体の同一位置に照射す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】
前記光照射器は、前記積層構造体と前記被検体との間に配置される光学系を更に含む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】
前記検出系は、前記照射系から前記被検体に照射され該被検体内を伝播した複数の光を受光する、複数の受光部を有する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８又は９に記載の光学センサ。
【請求項１１】
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１０に記載の光学センサ。
【請求項１２】
請求項１〜１１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求める制御部と、を備える光学検査装置。
【請求項１３】
請求項１〜１１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、
被検体の光学モデルに対して、検出光量分布を光学シミュレーションによって求める工程と、
前記光学シミュレーション結果を用いて、逆問題推定を実施する工程と、を含む光学特性検出方法。
【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、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前記被検体内を伝播した光を検出する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。
【背景技術】
【０００２】
従来、被検体（例えば生体）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】
特許文献１に開示されている生体光計測装置では、被検体内の情報を精度良く計測することに関して改善の余地があった。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明は、被検体に光を照射する光照射器を少なくとも１つ含む照射系と、前記照射系から前記被検体に照射され該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、活性層を有する積層構造体の一部である面発光レーザ素子と、前記積層構造体の他の一部であり、前記面発光レーザ素子と光学的に接続された光検出素子と、を含み、前記面発光レーザ素子及び前記光検出素子は、それぞれ前記活性層を含むメサ構造を有し、前記積層構造体は、前記面発光レーザ素子及び前記光検出素子の前記メサ構造の活性層に隣接する該メサ構造の底部を一体に含むスペーサ層を有し、前記面発光レーザ素子と前記光検出素子は、少なくとも前記スペーサ層により光学的に接続されており、前記スペーサ層は、上部半導体ＤＢＲと下部半導体ＤＢＲとで挟まれ、前記光検出素子の前記メサ構造は、前記活性層に対して前記スペーサ層とは反対側に前記上部半導体ＤＢＲを含み、前記光検出素子の前記メサ構造の前記活性層及び前記スペーサ層の側面の傾斜角をθ１、前記上部半導体ＤＢＲの側面の傾斜角をθ２としたときに、θ１＜θ２が成立することを特徴とする光学センサである。
【発明の効果】
【０００５】
本発明によれば、被検体内の情報を精度良く計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】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。
【図２】ファントム用の水槽を説明するための図である。
【図３】透明窓のレイアウトを説明するための図である。
【図４】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。
【図５】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。
【図６】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。
【図７】生体内伝播角度を説明するための図である。
【図８】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９】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１０】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１１】ＰＤでの感度分布を示す図（その２）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】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。
【図１４】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。
【図１５】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。
【図１６】実施例２の光源モジュールＬＭ（I型）を説明するための図である。
【図１７】実施例２の光源モジュールＬＭ（I型）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。
【図１８】図１８（Ａ）及び図１８（Ｂ）は、それぞれ実施例２の光源モジュールＬＭ（II型）を説明するための図（その１及びその２）である。
【図１９】実施例２の光源モジュールＬＭ（III型）を説明するための図である。
【図２０】実施例２の光源モジュールＬＭ（III型）におけるレンズと面発光レーザアレイチップとの位置関係を説明するための図である。
【図２１】実施例２の光源モジュールＬＭ（III型）におけるレンズと面発光レーザアレイチップとプリズムとの位置関係を説明するための図である。
【図２２】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。
【図２３】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。
【図２４】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。
【図２５】光学シミュレータで光学設計した光線図である。
【図２６】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。
【図２７】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。
【図２８】図２８（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２８（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。
【図２９】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。
【図３０】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。
【図３１】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。
【図３２】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。
【図３３】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。
【図３４】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。
【図３５】実施例２での逆問題推定の推定結果を示す図である。
【図３６】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。
【図３７】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。
【図３８】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。
【図３９】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。
【図４０】図４０（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４０（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。
【図４１】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。
【図４２】制御部の構成を示すブロック図である。
【図４３】計算部の構成を示すブロック図である。
【図４４】比較例の面発光レーザアレイチップを示す断面図である。
【図４５】実施例１の積層チップＩ型を示す断面図である。
【図４６】実施例１の積層チップＩＩ型を示す断面図である。
【図４７】積層チップＩＩ型の上面図である。
【図４８】従来例１を説明するための図である。
【図４９】従来例２を説明するための図である。
【図５０】従来例３を説明するための図である。
【図５１】実施例１の積層チップの詳細断面図である。
【図５２】面発光レーザ素子からの漏れ光が発散する一例を説明するための図である。
【図５３】面発光レーザ素子からの漏れ光が発散する他の例を説明するための図である。
【図５４】従来例４を説明するための図である。
【図５５】面発光レーザ素子からの漏れ光が光検出素子ではじかれる例を説明するための図である。
【図５６】実施例１の積層チップの作用を説明するための図（その１）である。
【図５７】実施例１の積層チップの作用を説明するための図（その２）である。
【図５８】面発光レーザ素子からの出射光の経路を示す図である。
【図５９】面発光レーザ素子からの出射光の経路とプリズムの出射端からの反射光の経路を示す図である。
【図６０】被検体から積層チップに向かう散乱光の経路を示す図である。
【図６１】光検出素子のメサ構造の側面の傾斜角について説明するための図である。
【図６２】従来例５の面発光レーザアレイチップにおける漏れ光の伝播の様子を示す図である。
【図６３】透明絶縁膜の表面が荒れている場合における漏れ光の伝播、発散の様子を示す図である。
【図６４】従来例６のモニタ方法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】
《第１実施形態》
以下に、本発明の第１実施形態を図１〜図３６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。
【０００９】
光学検査装置１００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４２のブロック図に示されるように構成されている。以下では、光源モジュールＬＭ、検出モジュールＤＭを、それぞれ略して「ＬＭ」、「ＤＭ」とも呼ぶ。
【００１０】
各ＬＭと制御部を接続する配線は２本ある。一方の配線はＬＭと中央処理装置Ａ−１を接続する配線であり、他方の配線は該ＬＭとスイッチ部を接続する配線である。ＬＭは、発光部の光量の計測値を示すデジタル信号を中央処理装置Ａ−１に送信する。中央処理装置Ａ−１は、各ＬＭからのデジタル信号（計測値）をモニタし所望の電流値を計算して電流制御部に出力するとともに、スイッチ部を制御して発光するＬＭを選択する。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。なお、発光部の光量モニタについては、後述する。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
以下に、本実施形態の実施例１について説明する。
【００１６】
〈実施例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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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（図３参照）。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。
【００２０】
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。
【００２１】
光源モジュールＬＭは、図４に示されるように、レンズと、プリズムと、光学的に接続された面発光レーザ素子及び光検出素子を含む積層チップと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２つのアナログ電子回路１、２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。
【００２２】
アンプ回路を含む光量検出用のアナログ電子回路２は、光検出素子に接続され、該光検出素子が検出した面発光レーザ素子からの漏れ光の光量に対して、アナログ−デジタル変換を行う。これにより、点灯している面発光レーザ素子の光量値を検出することができる。アナログ電子回路２は、この光量値を配線を介して制御部に送信する。制御部は、最適な光量値を計算し、該最適な光量値になる電流値を、配線を介して光量制御用のアナログ電子回路１に送る。アナログ電子回路１により面発光レーザ素子は所望の光量で発光する。
【００２３】
図４４には、比較例の面発光レーザアレイチップの断面図が示されている。比較例の面発光レーザアレイチップは、図４４に示されるように、基板、下部半導体ＤＢＲ（distributed Bragg reflector）、下部スペーサ層（不図示）と活性層と上部スペーサ層（不図示）とを含む３層構造体、上部半導体ＤＢＲ、電極などが積層された積層体が、上部半導体ＤＢＲ側から少なくとも下部スペーサ層に到達するまでエッチングされて形成されたメサ構造をそれぞれが有する第１及び第２の面発光レーザ素子を含む積層構造体である。以下では、各面発光レーザ素子の出射方向を＋Ｚ方向として説明する。
【００２４】
基板は、表面が鏡面研磨面であり、鏡面研磨面の法線方向が、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。ここでは、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。
【００２５】
下部半導体ＤＢＲは、不図示のバッファ層を介して基板の面上に積層され、ｎ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓからなる低屈折率層１０３ａと、ｎ−Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓからなる高屈折率層のペアを３７．５ペア有している。
【００２６】
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（図示省略）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、光学的厚さとその層の実際の厚さについては以下の関係がある。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。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組成傾斜層が設けられている。
【００２７】
下部スペーサ層は、下部半導体ＤＢＲの＋Ｚ側に積層され、ノンドープのＡｌ０．６Ｇａ０．４Ａｓからなる層である。なお、下部スペーサ層は、例えばＩｎＧａＡｓＰからなる層であっても良い。
【００２８】
活性層は、下部スペーサ層の＋Ｚ側に積層され、３層の量子井戸層と４層の障壁層とを有している。各量子井戸層は、Ａｌ０．１２Ｇａ０．８８Ａｓからなり、各障壁層は、Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓからなる。なお、活性層は、ＧａＩｎＡｓＰ系の材料で構成されても良い。
【００２９】
上部スペーサ層は、活性層の＋Ｚ側に積層され、ノンドープのＡｌ０．６Ｇａ０．４Ａｓからなる層である。下部スペーサ層と活性層と上部スペーサ層とからなる部分は、共振器構造体とも呼ばれており、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。
【００３０】
上部半導体ＤＢＲは、上部スペーサ層の＋Ｚ側に積層され、ｐ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓからなる低屈折率層とｐ−Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓからなる高屈折率層のペアを２４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。上部半導体ＤＢＲにおける共振器構造体から光学的にλ／４離れた位置に、ｐ−ＡｌＡｓからなる被選択酸化層が設けられている。
【００３１】
上部半導体ＤＢＲの上面には、開口を有する金属製又は合金製の電極が形成されている。
【００３２】
以上のように構成される比較例の面発光レーザアレイチップでは、同一基板上に並ぶ、メサ構造を有する２つの部分は、それぞれ電極が電流源に接続されることで該電極の開口を出射口とする第１及び第２の面発光レーザ素子となっている。
【００３３】
これに対し、実施例１の積層チップI型は、図４５に示されるように、比較例の面発光レーザアレイチップと同様の層構成を有し、同一基板上に並ぶ、メサ構造を有する２つの部分の一方は電極が電流源に接続されることで該電極の開口を出射口とする面発光レーザ素子となっており、他方は電極が電流源ではなく電流計に接続され該面発光レーザ素子から漏れる光を検出する光検出素子となっている。
【００３４】
この場合、面発光レーザ素子の活性層から伝播してきた光（漏れ光）が光検出素子で電子に変換（光電変換）され、該電子が電流計に流れて電流値として検出される。
【００３５】
ここで、図４６に示される実施例２の積層チップII型のように、光検出素子の電極にも開口を形成することが好ましい。これによって、上方から光検出素子に入射される光を検出することも可能となる。
【００３６】
そこで、光検出素子を用いて、隣接する面発光レーザ素子の光量モニタに加えて、ＬＭと被検体との接触状況などをモニタすることが可能となる。
【００３７】
図４７は、図４６の上面図である。図４６に示されるように、面発光レーザ素子と光検出素子は、並列に設けられれば良い。そして、面発光レーザ素子及び光検出素子それぞれに電極パッドを形成し、該電極パッドをワイヤーボンディング（不図示）によって、プリント基板などに結線する。
【００３８】
図４８〜図４９には、従来の面発光レーザ素子における光量モニタ手法において、隣接素子を光量モニタ素子として利用した例が示されている。
【００３９】
図４８に示される従来例１（特開２００８‐２４４１０１号公報）においては、下部反射鏡までエッチングされており、面発光レーザ素子の活性層からの光は空気層を介して隣接素子の活性層に入射することになる。
【００４０】
また、図４９に示される従来例２（特開２００２‐２１８５０５号公報）においては、ＰＤの上方に開口が形成され、上方からの入射光をＰＤに取り入れる構造になっている。
【００４１】
また、図５０に示される従来例３（特開平０９‐０８３０８４号公報）は、面発光レーザ素子からの出射光の一部を隣接素子のメサのエッジに向けて反射させ、該隣接素子内に取り込む構成になっている。
【００４２】
上記従来例１〜３のいずれも、面発光レーザ素子と隣接素子は、光学的に接続されておらず、面発光レーザ素子から隣接素子へ伝播する光の光量が減少してしまい、モニタ精度が低下する。
【００４３】
これに対し、実施例１の積層チップI型、II型では、図４５、図４６に示されるように、面発光レーザ素子は、少なくとも下部スペーサ層によって光検出素子（隣接素子）と繋がっている。すなわち、面発光レーザ素子と光検出素子は、光学的に接続されている。この場合、面発光レーザ素子から光検出素子へ伝播する光の光量が増加しモニタ精度を向上できる。
【００４４】
図５１には、活性層を挟む下部スペーサ層及び上部スペーサ層が図示されている。面発光レーザ素子のメサ構造と光検出素子のメサ構造は、上記積層体を表面（上面）から下部スペーサ層内に到達するまでエッチングすることにより形成されている。
【００４５】
そこで、面発光レーザ素子から漏れた光は、面発光レーザ素子と光検出素子を接続する下部スペーサ層を介して光検出素子へ伝播する。以下、下部スペーサ層における面発光レーザ素子と光検出素子との間で両者を接続する部分を「素子接続部」と称する。
【００４６】
面発光レーザ素子及び光検出素子の対向する側面と、素子接続部の上面には、透明絶縁膜が形成されている。この透明絶縁膜は、ＳｉＯ２やＳｉＮなどをＣＶＤやスパッタによって成膜されている。透明絶縁膜の光学的な厚さ（光学厚さ）は、数１００ｎｍ程度である。
【００４７】
ここで、例えばＳｉＮやＳｉＯ２で形成される透明絶縁膜の屈折率をｎ１、例えばＩｎＧａＡｓＰで形成される下部スペーサ層の屈折率をｎ２としたときに、ｎ１≧ｎ２の場合であって、透明絶縁膜の光学厚さが発振波長λよりも薄い場合には、図５２に示される例のように、面発光レーザ素子から漏れた光は、相対的に屈折率が高い透明絶縁膜に入射した後、一部は透明絶縁膜内を伝播するが、残部は透明絶縁膜内に閉じ込められることなく、外部に発散してしまう。
【００４８】
そして、図５３に示される例では、図５４に示される従来例４（特許５４４２９４０号公報）に類似し、ｎ１≧ｎ２であり、かつ透明絶縁膜の光学厚さが発振波長λよりもはるかに薄いため、透明絶縁膜に入射した光の大半が外部に発散してしまう。
【００４９】
また、図５５に示される例のように、ｎ１≧ｎ２の場合であって、透明絶縁膜の光学厚さを発振波長λよりも厚い場合、伝播した光が光検出素子のエッジ（側面）ではじかれてしまう。
【００５０】
結果として、ｎ１≧ｎ２の場合には、透明絶縁膜の光学厚さは、発振波長λと同等であることが好ましい。
【００５１】
一方、図５６に示される例のようにｎ１＜ｎ２の場合には、面発光レーザ素子から漏れた光は、相対的に屈折率が高い下部スペーサ層内を主に伝播するが、素子接続部の光学厚さが発振波長λよりも薄い場合には、透明絶縁膜に漏れ出した状態で伝播する。
【００５２】
そこで、ｎ１＜ｎ２の場合、かつ素子接続部の光学厚さ＜λの場合には、素子接続部と透明絶縁膜のトータルの光学厚さが、発振波長λと同等であることが好ましい。
【００５３】
一方、ｎ１＜ｎ２の場合、かつ素子接続部の光学厚さ≧λの場合には、下部スペーサ層内を伝播する光は透明絶縁膜にほとんど漏れないので、素子接続部の光学厚さが、発振波長λと同等であることが好ましい。
【００５４】
以上の説明から分かるように、面発光レーザ素子と光検出素子との間の光が伝搬する領域の光学厚さを発振波長λと同等とすることが好ましい。
【００５５】
この場合、ｎ１≧ｎ２、ｎ１＜ｎ２のいずれに設定しても、面発光レーザ素子から漏れた光を光検出素子に効率良く伝搬でき、該光の光量を精度良くモニタできる。
【００５６】
この結果、面発光レーザ素子の出射光の光量（被検体への照射光の光量）を精度良く制御できるため、被検体の内部情報の計測精度が向上する。これにより、高精度な吸光体検出（例えば脳血流検出）が可能となる。
【００５７】
図５７に示される例では、図４５の例と異なり、光検出素子の電極に開口が設けられている。この開口を介して上方からの光を光検出素子内に取り込むことが可能となる。
【００５８】
また、図５７の例では、透明絶縁膜を介して光検出素子に斜め上方からの光が入射される。この場合も、透明絶縁膜は発振波長λ程度の厚さがないと光を効率良く伝播させることができない。
【００５９】
図５７の例のように上方や斜め上方からの光が光検出素子に向かってくるのは、図５８に示される例のように光源モジュールＬＭにおいて積層チップの上方にレンズやプリズム等の光学部材が配置されている場合である。この場合、積層チップの面発光レーザ素子から出射された光は、レンズ、プリズムによって進行方向が変えられて被検体に入射する。このとき、積層チップに戻ってくる光（戻り光）は、光源モジュールＬＭが被検体に装着されている場合（図５９参照）と、光源モジュールＬＭが被検体に装着されていない場合（図６０参照）とで、大きく様相が異なる。
【００６０】
図５９のようにＬＭが被検体に装着されていない場合には、積層チップには、プリズムやレンズからある決まった位置に、少ない光量の反射光しか戻ってこない。
【００６１】
これに対して、図６０のようにＬＭが被検体に装着されている場合には、上記反射光に加えて、様々な方向に散乱された光（散乱光）が、積層チップに戻ってくる。そこで、図５７のように、光検出素子で戻り光を検出することで、図５９の反射光と図６０の散乱光との相違を識別できる。この識別機能を用いることで、ＬＭと生体との接触状況なども検出することができる。具体的には、検出された散乱光と反射光を比較することで、ＬＭと生体との接触状況を検出でき、その検出結果を基に、生体に対するＬＭの装着状態を改善することができ、ひいては被検体の内部情報（例えば吸光体の位置情報）を精度良く得ることができる。例えば、反射光が支配的であれば装着状態が「悪い」と判定でき、散乱光が支配的であれば装着状態が「良い」と判定できる。
【００６２】
また、図６１に示される例では、光検出素子のメサ構造の側面は垂直ではなく傾斜している。同様に、面発光レーザ素子のメサ構造の側面も傾斜している。
【００６３】
そして、メサ構造において、上部スペーサ層、活性層及び下部スペーサ層の側面の傾斜角θ１と、上部ＤＢＲの側面の傾斜角θ２は、異なる。
【００６４】
これは、側面が垂直なメサに比べ、光検出素子に斜入射してくる光を効率的に取り込むことができる工夫である。傾斜角θ１、θ２は、ドライエッチングのときのガス種を選択することで、活性層の例えばＧａＩｎＡｓＰと上部半導体ＤＢＲの例えばＡｌＧａＡｓの選択比を制御することで、任意の大きさに制御できる。
【００６５】
ここでは、θ１、θ２は、例えば４５度付近の角度とされている。また、θ１、θ２に関して、θ１＜θ２が成立している。
【００６６】
これによって、上方から入ってくる深い角度からの光を、より多く取り込むことができる。つまりは、レンズやプリズムからの反射光、生体からの散乱光をより多く取り込むことが可能である。
【００６７】
図６２には、従来例５のメサ構造を有する光検出部を含む面発光レーザアレイチップにおける漏れ光の様子が示されている。図６２の従来例５では、図４８の従来例１もしくは図５０の従来例３のように、メサ構造の底面が下部半導体ＤＢＲ内にある。この場合、面発光レーザ素子（第１の面発光レーザ素子）からの漏れ光は一度空気中を伝播する。この伝播経路に、図６２のように同じ高さのメサ構造の別の面発光レーザ素子（第２の面発光レーザ素子）があると、該漏れ光が遮断され、光検出部に到達しなくなる。
【００６８】
これに対して、実施例１では、面発光レーザ素子からの漏れ光は下部スペーサ内や透明絶縁膜内を伝播するため、面発光レーザ素子のメサ構造と光検出素子のメサ構造との間に別の面発光レーザ素子のメサ構造が存在しても、漏れ光が遮断されることはない。
【００６９】
よって、面発光レーザ素子のメサ構造と光検出素子のメサ構造を必ずしも隣接させる必要はなく、積層チップに面発光レーザ素子が複数設けられる場合でも、素子の配置に関わらず、各面発光レーザ素子からの漏れ光の光量を光検出素子で検出することが可能となる。つまり、実施例１では、素子の配置の自由度が高い。
【００７０】
また、図５４に示される従来例４（特許５４４２９４０号公報）では、メサ構造の底面が下部スペーサ層（１０３）内にある。下部スペーサ層（１０３）の上面には絶縁膜である酸化層（１０９）が形成されている。図５４の例では、面発光レーザ素子の隣接素子を光検出素子として利用するということを全く考慮しておらず、逆に、隣接する面発光レーザに漏れ光が到達するのをできるだけ低減するように構成されている。そのため、酸化層（１０９）を極力薄くしている。図５４から読み取られる厚さは、下部スペーサ層の素子接続部の厚さが発振波長（例えば７８０ｎｍ）程度だとすると、そのせいぜい、５分の１程度（１５６ｎｍ程度）である。
【００７１】
一方、実施例１の一具体例では、漏れ光を光検出素子できるだけ伝播させるために、透明絶縁層の光学厚さを例えば発振波長λ（例えば７８０ｎｍ）の１／２（例えば３９０ｎｍ）程度と大幅に厚くしている。さらに、下部スペーサ層の素子接続部の光学厚さもλ／２程度とし、漏れ光が伝播する領域の厚さを、トータルで発振波長λ程度としている。
【００７２】
また、透明絶縁層の表面は、できるだけフラットになるように平坦化処理が行われている。平坦化処理は、ＣＶＤなどの平坦化に優れている成膜方法を選択し、できるだけ平坦化が実現できるプロセス条件を選択する。平坦度は波長レベルで良いが、先のような成膜方法を選択することで、発振波長λの１０分の１レベルの平坦度を得ることができる。このように意図的に処理を実施しないと、例えば、異物やエッチングなどのプロセスによる荒れなども表面に現れてしまう。
【００７３】
透明絶縁膜の表面が荒れてしまうと、図６３に示されるように、該表面から光が漏れてしまい、光検出素子での検出光量が小さくなってしまう。
【００７４】
光源モジュールＬＭでは、制御部によりｃｈに供給する電流値を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。
【００７５】
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、アパーチャ（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。
【００７６】
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）。
【００７７】
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。
【００７８】
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。
【００７９】
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、上記積層チップ内に２次元的に形成された複数の面発光レーザ素子を含む面発光レーザアレイが用いられている。
【００８０】
面発光レーザアレイからの複数の光の光路上には、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。
【００８１】
ここでは、複数の面発光レーザ素子を同時に点灯し、総出力は５０ｍＷ程度とされる。面発光レーザアレイから出射された複数の平行光は、図６に示されるようにプリズムによって偏向される。
【００８２】
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。
【００８３】
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。積層チップ、レンズ及びプリズムは、一体化された光学ユニットを構成し、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。
【００８４】
この回転ステージ及び光学ユニットを一緒に回転させることで、該被検体への光の入射角、方位を変えることが可能となる。なお、例えば回転ステージの回転軸に対して軸対称なプリズムを用いる場合には、積層チップ及びレンズのみをユニット化し、回転ステージと一緒に、固定されたプリズムに対して回転させても良い。
【００８５】
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。
【００８６】
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。
【００８７】
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。
【００８８】
次に、光源モジュールＬＭを発光させる（ステップＴ２）。発光強度は１ｍＷ程度になるように、電流値が決定される。
【００８９】
この発光強度は、外部モニタで検出した値である。この際に光検出素子から出力された電流値を観察すると約６ｕＡ程度あることが判った。この値は外部モニタを利用して校正を１度かけてしまえば、その後の決められた値にあわせることで、常に正確な光量を実現できる。これにより正確な脳血流分布を検出することができる。
【００９０】
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）。
【００９１】
次に、出射光の波長を切り替えてステップＴ２〜Ｔ４を再度行う（ステップＴ５、Ｔ６）。ここでは、７８０ｎｍと９００ｎｍの波長を選択可能としている。具体的には、発振波長が異なる２種類（７８０ｎｍ帯、９００ｎｍ帯）の光源モジュールＬＭを予め用意しておき、光源モジュールＬＭを入れ替えることで出射光の波長の切り換えを実施することができる。
【００９２】
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Ｔ７、Ｔ８）。具体的には、ステップＴ１の直後のステップＴ２〜Ｔ６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。この状態でステップＴ２〜Ｔ６を行う。次いで、プリズムを回転させて、−Ｘ方向とする。この状態でステップＴ２〜Ｔ６を行う。次いで、プリズムを回転させて、−Ｙ方向とする。この状態でステップＴ２〜Ｔ６を行う。
【００９３】
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Ｔ９、Ｔ１０）。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Ｔ１１、Ｔ１２）。
【００９４】
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。
【００９５】
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A-1のステップＳ２１〜Ｓ２５参照）。
【００９６】
図４３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４２参照）。
【００９７】
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。
【００９８】
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。
【００９９】
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。
【０１００】
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。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。
【０１０１】
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φ０（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φ０（ｒ、ｒｄ）とする。
【０１０２】
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φ０（ｒｓ、ｒｄ）で規格化したものが次の感度分布Ａ（ｒ）となる。
【０１０３】
【数１】
0006786798.tif 000002
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。
【０１０４】
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。
【０１０５】
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。
【０１０６】
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。
【０１０７】
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。
【０１０８】
次に、この感度分布を利用して、逆問題推定を行う。
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Ｒｅｔｏｖの近似によって、以下の式が成り立つ。
【０１０９】
【数２】
0006786798.tif 000003
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、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。
【０１１０】
このことを簡単に記述すると、以下の式となる。
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。
【０１１１】
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。
【０１１２】
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。
【０１１３】
【数３】
0006786798.tif 000004
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。また、以下に示す結果は、特開２０１５−０９２１５１号公報に記載されている。
【０１１４】
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。
【０１１５】
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。
【０１１６】
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。
【０１１７】
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。
【０１１８】
《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。
【０１１９】
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。
【０１２０】
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。
【０１２１】
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。
【０１２２】
実施例２の光源モジュールＬＭ（I型）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、上記実施例１の積層チップと同一構成の複数（例えば２つ）の積層チップ１、２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。
【０１２３】
各積層チップの面発光レーザ素子から出射された光は、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（所定方向に反射され）、筐体外に出射される。
【０１２４】
積層チップは、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）の面発光レーザ素子及び１個の光検出素子を含む。
【０１２５】
詳述すると、各積層チップは、４つの面発光レーザ素子を含むグループ（以下では「ｃｈ」とも呼ぶ）を５つ有している。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。そして、該正方形の中心に位置するグループの近傍に、光検出素子が配置されている。
【０１２６】
各グループの４つの面発光レーザ素子は、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１〜５のいずれか）に接続されている。また、光検出素子は、ボンディングワイヤ（配線）を介して電極パッド６に接続されている。電極パッド６は、電流計に接続されている。
【０１２７】
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、積層チップのどの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。
【０１２８】
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、平均化することでノイズに強い検出となる。
【０１２９】
この際、グループ毎に発光させて、発光強度を外部モニタで検出する。また、電極パッド６から電流計に流れる電流値、つまりは光検出素子から出力される電流値を観察すると約６ｕＡ程度あることが判った。この値は、グループごとに異なり、その値と外部モニタの値とをテーブルにしてデータを記録しておく。外部モニタを利用して校正を１度かけてしまえば、その後の決められた値に合わせることで、各グループの光量を常に正確な光量（所望の光量）に制御することができる。これにより、正確な吸光体分布（例えば脳血流分布）を検出することができる。
【０１３０】
ところで、各積層チップの面発光レーザ素子の発振波長は、一例として７８０ｎｍ又は９００ｎｍである。発振波長が互いに異なる複数の面発光レーザ素子を用いることで、波長が異なる複数の出射光を得ることが可能となる。そして、波長が異なる複数の光を被検体（例えば生体）の略同一位置に照射することで、例えば、ヘモグロビンの状態（脱酸素状態または酸化状態）を認識することが可能となる。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。
【０１３１】
図１８（Ａ）に示される実施例２の光源モジュールＬＭ（II型）では、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（個別光学素子）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（個別光学素子）が配置され、レンズ１、２を介した光の光路上にプリズム（共通光学素子）が共通に配置されている。面発光レーザアレイチップ１、２は、出射方向がＺ軸方向となるようにＸＹ平面上にＹ方向に並べて配置され、発振波長が互いに異なる点を除いて、実質的に同一の構成（発光部の数や配置を含む）を有している。レンズ１、２は、実質的に同一のレンズである。各面発光レーザアレイチップは、図１７に示される積層チップから、光検出素子と電極パッド６とこれらを接続する配線とが取り除かれた構成を有する。
【０１３２】
以下では、面発光レーザアレイチップ１、２を、それぞれＣＨ１、ＣＨ２とも称し、区別しない場合はＣＨとも総称する。
【０１３３】
ＬＭ（II型）では、複数の発光部と対応するレンズの光軸との位置関係がＣＨ間で同じになっている。具体的には、各ＣＨの中心（アレイ中心）が、対応するレンズの光軸上にある。
【０１３４】
ここで、図１８（Ｂ）に示される各ＣＨのＹ方向に等間隔で並ぶ３つの発光部に着目する。ＣＨ１のＹ方向に等間隔Ｍで並ぶ３つの発光部を＋Ｙ側から−Ｙ側にかけて順に発光部１ａ、発光部１ｂ、発光部１ｃとし、ＣＨ２のＹ方向に等間隔Ｍで並ぶ３つの発光部を＋Ｙ側から−Ｙ側にかけて順に発光部２ａ、発光部２ｂ、発光部２ｃとする。発光部１ｂ、発光部２ｂは、対応するレンズ１、２の光軸上に配置されているものとする。
【０１３５】
プリズムは、図１８（Ａ）に示されるように、中心軸に関して対称な形状（軸対称な形状）を有しており、中心軸に直交する入射面ＩＳと、中心軸に対して傾斜する全反射面Ｒ１、Ｒ２と、中心軸に直交する出射面ＯＳと、を含む。
【０１３６】
入射面ＩＳは、ＣＨ１の３つの発光部１ａ、１ｂ、１ｃからの光の光路上及びＣＨ２の３つの発光部２ａ、２ｂ、２ｃからの光の光路上に位置する。
【０１３７】
全反射面Ｒ１は、発光部１ａから出射されレンズ１、入射面ＩＳを介した光（光線１）の光路上及び発光部２ａから出射されレンズ２、入射面ＩＳを介した光（光線２）の光路上に位置する。光線１、２の全反射面Ｒ１への入射角は、臨界角以上となっている。
【０１３８】
全反射面Ｒ２は、発光部１ｃから出射されレンズ１、入射面ＩＳを介した光（光線３）の光路上及びＣＨ２の発光部２ｃから出射されレンズ２、入射面ＩＳを介した光（光線４）の光路上に位置する。光線３、４の全反射面Ｒ２への入射角は、臨界角以上となっている。
【０１３９】
出射面ＯＳは、全反射面Ｒ１で反射された光（光線１、２）、全反射面Ｒ２で反射された光（光線３、４）、ＣＨ１の発光部１ｂから出射されレンズ１、入射面を通過（直進）した光（光線５）及びＣＨ２の発光部２ｂから出射されレンズ２、入射面を通過（直進）した光（光線６）の光路上に位置し、光線１〜５を出射（通過）させる。ここでは、出射面ＯＳが被検体の表面と接触する接触面とされている。そこで、出射面ＯＳと被検体の表面との間に透明のジェルを介在させることが好ましい。
【０１４０】
この場合、２つの発光部１ａ、２ａから略平行な状態で出射されレンズ１、２に入射した波長が異なる２つの光は、レンズ１、２で屈折され互いに略平行な状態で入射面ＩＳに入射し、該入射面ＩＳで屈折され互いに略平行な状態で全反射面Ｒ１に入射する。全反射面Ｒ１で反射された波長が異なる２つの光は、略平行な状態で被検体の略同一位置に入射する。この場合、波長が異なる２つの光の被検体への入射位置が幾分（発光部１ａと発光部２ａの間隔程度）ずれることになる。
【０１４１】
同様に、発光部１ｃ、２ｃから略平行な状態で出射されレンズ１、２に入射した波長が異なる２つの光は、レンズ１、２で屈折され互いに略平行な状態で入射面ＩＳに入射し、該入射面ＩＳで屈折され互いに略平行な状態で全反射面Ｒ２に入射する。全反射面Ｒ２で反射された波長が異なる２つの光は、略平行な状態で被検体の略同一位置に入射する。この場合、波長が異なる２つの光の被検体への入射位置が幾分（発光部１ｃと発光部２ｃの間隔程度）ずれることになる。
【０１４２】
検出精度の更なる向上を図るために、波長が異なる２つの光の被検体への入射位置を同一にする（極力近づける）ことが望まれる。その手法として、プリズムの全反射面で反射された波長が異なる２つの光の光路を略一致させることが考えられる。
【０１４３】
そこで、２つのＣＨからの波長が異なる２つの光の光路上に２つの反射面を個別に設けることも考えられるが（図１６参照）、この場合であっても、波長が異なる２つの光の光路を略一致させることは困難である。
【０１４４】
特に、２つのＣＨからの波長が異なる２つの光の２つのレンズからの出射方向を一致させることは可能であるが、２つのＣＨの出射点（発光部の位置）を同一にすることは不可能である。
【０１４５】
なお、以上説明したＬＭ（II型）において、面発光レーザアレイチップの代わりに、実施例１や実施例２のＬＭ（I型）の積層チップと同様の積層チップを用いても良い。
【０１４６】
以下に、図１９に示される実施例２の光源モジュールＬＭ（III型）について説明する。ＬＭ（III型）では、複数の発光部と、対応するレンズの光軸との位置関係がＣＨ間で異なっている点が、図１８に示されるＬＭ（II型）と異なり、その他の構成はＬＭ（II型）と同様である。
【０１４７】
ＬＭ（III型）では、２つのＣＨの中心間隔（アレイ中心の間隔）は、１．４ｍｍ程度とされている。これはワイヤーボンディングを実施する際のパッド部分などを考慮し、２つのＣＨをできるだけ近づけた位置関係である。
【０１４８】
ちなみに、各ＣＨは１ｍｍ角であり、２つのＣＨ間のスペース（隙間）は数１００ｕｍとかなり近接して実装する。ここでは、ダイボンダー装置のコレットなどを工夫することで、この近接実装を実現している。
【０１４９】
また、２つのＣＨの発光部（面発光レーザ）は、同じマスクを利用した半導体プロセスで作製され、発光部の位置は０．５ｕｍ以下の精度で制御することが可能である。
【０１５０】
ＬＭ（III型）でも、ＬＭ（II型）と同様に、面発光レーザアレイチップ１（９００ｎｍ）と面発光レーザアレイチップ２（７８０ｎｍ）は、同レベルの精度で同一のレイアウトになっている。
【０１５１】
このように中心が１．４ｍｍ程度離れた２つのＣＨから出射され対応するレンズを介した波長が異なる２つの光は、プリズムの同一の全反射面で反射され、被検体（例えば生体）に入射する。
【０１５２】
この際、ＬＭ（II型）の構成では、対応関係にあるＣＨ１からの光とＣＨ２からの光は、略一定の間隔（１．４ｍｍ程度）で互いに平行な状態を維持したまま被検体（例えば生体）に入射するため、入射位置は１．４ｍｍ程度ずれたままとなる。このように入射位置のずれが大きいと逆問題推定によって脳血流を検出するｆＮＩＲＳでの分解能が低下する。
【０１５３】
そこで、実装コストを増大させることなく、波長が異なる２つの光の光路を略一致させ、入射位置を同一にする手法について、本発明者が鋭利検討した結果、ＣＨの中心（アレイ中心）と、対応するレンズの光軸とを数ｕｍ〜数百ｕｍ（好ましくは数十ｕｍ）ずらす手法を発案し、この手法をＬＭ（III型）に導入した。
【０１５４】
以下に、その詳細を、図２０を参照して説明する。ここでは、各ＣＨの中心と、対応するレンズの光軸とを、約２０ｕｍ程度ずらしている。このずらす量は、２０ｕｍに限定されず、適宜変更可能である。
【０１５５】
ここでは、２つのＣＨの中心間隔（位置関係）を変えずに、各ＣＨに対して対応するレンズをずらすこととしている。ＣＨに対してレンズをずらす方向は共通光学素子であるプリズムの中心軸に対して軸対称（回転対称）の配置になるようにすれば良い（図２１参照）。
【０１５６】
すなわち、２つのＣＨ、２つのレンズ１、２は、プリズム（共通光学素子）の中心軸に対して軸対称に配置されれば良く、図２１の配置に限定されない。
【０１５７】
ここでは、一例として、２つのＣＨは、中心がプリズムの中心軸に関して軸対称（点対称）となるように該中心軸をＹ方向に挟んで配置されている。各ＣＨは、５つの発光部（ＶＣＳＥＬ）を有し、該５つの発光部は、一の対角線がＹ方向に平行な正方形の中心（アレイ中心）及び４つの頂点に個別に配置されている。
【０１５８】
一例として、２つのＣＨの中心間隔は１．４ｍｍ、各レンズの有効径は０．８ｍｍφ、各レンズの焦点距離ｆ＝６００ｕｍである。ここでは、２つのＣＨ１、２に対してレンズ１、２をずらす方向は、図２１に示されるように、レンズ１、２が互いに近づく向きとしている。ここでは、レンズ１の光軸がＣＨ１の中心を通る状態からレンズ１を−Ｙ方向に約２０ｕｍ程度ずらし、かつレンズ２の光軸がＣＨ２の中心を通る状態からレンズ２を＋Ｙ方向に約２０ｕｍ程度ずらす。この結果、ＣＨ１の中心とレンズ１の光軸とが約２０ｕｍ程度ずれ、ＣＨ２の中心とレンズ２の光軸とが約２０ｕｍ程度ずれる。
【０１５９】
この場合、ＣＨ１の発光部１ａから出射されレンズ１、入射面ＩＳを介して全反射面Ｒ１に入射する光（光線１´）のレンズ１から全反射面Ｒ１までの光路と、ＣＨ２の発光部２ａから出射されレンズ２、入射面ＩＳを介して全反射面Ｒ１に入射する光（光線２´）のレンズ２から全反射面Ｒ１までの光路は、非平行であり全反射面Ｒ１に近づくほど近くなる（図１９参照）。なお、レンズへの光の入射角が同じ場合、レンズへの光の入射位置が光軸から離れるほど光の屈折角が大きくなる。
【０１６０】
また、ＣＨ１の発光部１ｃから出射されレンズ１、入射面ＩＳを介して全反射面Ｒ２に入射する光（光線３´）のレンズ１から全反射面Ｒ２までの光路と、ＣＨ２の発光部２ｃから出射されレンズ２、入射面ＩＳを介して全反射面Ｒ２に入射する光（光線４´）のレンズ２から全反射面Ｒ２までの光路は、非平行であり全反射面Ｒ２に近づくほど近くなる（図１９参照）。
【０１６１】
また、ＣＨ１の発光部１ｂから出射されレンズ１、入射面ＩＳを介して出射面ＯＳに入射する光（光線５´）のレンズ１から出射面ＯＳまでの光路と、ＣＨ２の発光部２ｂから出射されレンズ２、入射面ＩＳを介して出射面ＯＳに入射する光（光線６´）のレンズ２から出射面ＯＳまでの光路は、出射面ＯＳに近づくほど近くなる（図１９参照）。
【０１６２】
そして、全反射面Ｒ１で反射された波長が異なる非平行の２つの光（光線１´、２´）の光路は、被検体との接触面である出射面ＯＳ近傍で交わる。また、全反射面Ｒ２で反射された波長が異なる非平行の２つの光（光線３´、４´）の光路は、被検体との接触面である出射面ＯＳ近傍で交わる（図１９参照）。
【０１６３】
結果として、図１９に示されるように、全反射面Ｒ１で反射された波長が異なる２つの光（光線１´、２´）の光路が略一致し、該２つの光の被検体への入射位置が同一となる。また、全反射面Ｒ２で反射された波長が異なる２つの光（光線３´、４´）の光路が略一致し、該２つの光の被検体への入射位置が同一となる。また、入射面ＩＳから全反射面を介さずに出射面ＯＳに向かう波長が異なる２つの光（光線５´、６´）の被検体への入射位置が略同一となる。
【０１６４】
さらに、光線１´、２´を含む光束と、光線３´、４´を含む光束と、光線５´、６´を含む光束は、非平行であり、被検体の略同一位置に入射される。
【０１６５】
なお、図２１に示されるＣＨ１の発光部１ａ、１ｂ、１ｃ以外の２つの発光部からの光及びＣＨ２の発光部２ａ、２ｂ、２ｃ以外の２つの発光部からの光は、入射面ＩＳを通過しそのまま出射面ＯＳから出射され、被検体の上記光束と略同一位置に入射される。
【０１６６】
以上説明したＬＭ（III型）では、レンズをＣＨに対してシフトする（ずらす）簡易な手法により波長が異なる２つの光の光路を略一致させ、該２つの光の入射位置を同一にすることができる。波長が異なる２つの光の入射位置を同一にすることで、逆問題推定を行うＮＩＲＳ装置においても、脳血流位置の位置精度の高い計測が可能となる。
【０１６７】
一方、ＬＭ（III型）と同様の作用効果を得るためにレンズのシフトに代えてハーフミラーなどの部材を用いると、新規に高精度な位置決めが必要な光学部品が増えて、実装のコストがかさんでしまう。
【０１６８】
なお、ＬＭ（III型）では、レンズ１、２の光軸を、対応するＣＨ１、ＣＨ２の中心を通る位置からずらしている（シフトさせている）が、これに限られない。
【０１６９】
例えば、レンズ１、２の一方の光軸を対応するＣＨの中心を通る位置からずらし、他方の光軸を対応するＣＨの中心を通る位置に位置させても良い。
【０１７０】
また、レンズを対応するＣＨに対してシフトすることに代えて又は加えて、ＣＨを対応するレンズに対してシフトしても良い。
【０１７１】
また、レンズ１、２を対応するＣＨ１、ＣＨ２に対してシフトする方向も適宜変更可能である。例えば、レンズ１、２を同一方向にシフトさせても良いし、反対方向（互いに近づく向きや互いに離れる向き）にシフトさせても良い。
【０１７２】
また、レンズ１、２を対応するＣＨ１、ＣＨ２に対するシフト量（ずらし量）は、同一であっても良いし、異なっていても良い。
【０１７３】
総括すると、要は、ＣＨ１、ＣＨ２からの波長が異なる２つの光の光路が略一致するように、複数の発光部と対応するレンズの光軸との位置関係をＣＨ間で異ならせれば良い。
【０１７４】
詳しくは、ＣＨ１、ＣＨ２から出射されレンズ１、２を介した波長が異なる２つの光の光路が徐々に近づき、ＬＭ（III型）における被検体に対する接触面近傍（ＬＭ（III型）の出射端近傍）で該２つの光の光路が交わるように、複数の発光部と対応するレンズの光軸との位置関係をＣＨ間で異ならせることが望ましい。
【０１７５】
なお、ＬＭ（III型）において、面発光レーザアレイチップの代わりに、実施例１のＬＭや実施例２のＬＭ（I型）の積層チップと同様の積層チップを用いても良い。
【０１７６】
以下に、光学センサ１０の光源として面発光レーザアレイを採用した理由を説明する。面発光レーザアレイでは、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。
【０１７７】
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。
【０１７８】
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。
【０１７９】
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。
【０１８０】
面発光レーザアレイの場合には、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）。
【０１８１】
実施例２のＬＭ（II型）やＬＭ（III型）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２２参照）。
【０１８２】
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。
【０１８３】
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。
【０１８４】
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。
【０１８５】
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。
【０１８６】
また、図２３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。
【０１８７】
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。
【０１８８】
凸面レンズは、図２４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２４では、図２３に示される透明樹脂の図示が省略されている。
【０１８９】
なお、図２２〜図２４に示される構成において、面発光レーザアレイチップの代わりに、実施例１の積層チップや実施例２のＬＭ（I型）の積層チップと同様の積層チップを用いても良い。
【０１９０】
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。
【０１９１】
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、積層チップや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。
【０１９２】
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。積層チップや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。
【０１９３】
図２５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、面発光レーザを模した３つのｃｈ、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。
【０１９４】
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。
【０１９５】
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２６に光学シミュレーションの結果が示されている。面発光レーザ素子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。
【０１９６】
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、積層チップ又は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２６参照）。
【０１９７】
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。
【０１９８】
凸面レンズ及びプリズムを含む光学系では、積層チップや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。
【０１９９】
図２７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２７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。
【０２００】
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、積層チップ１、２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。
【０２０１】
図２５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２５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、積層チップや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。
【０２０２】
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。
【０２０３】
実施例２では、レンズの端部にも光を入射させるため、球面収差が小さい方が望ましい。
【０２０４】
図６４には、従来例６の出射光量をモニタ可能な光源モジュールＬＭ´が示されている。この光源モジュールＬＭ´では、面発光レーザアレイチップからの光をハーフミラーで透過光と反射光に分岐し、該反射光を受光素子で受光する。これにより、面発光レーザアレイチップの発光光量を常時モニタすることができ、面発光レーザの劣化などで光量が低減した場合には、電流量を調整し、常に正確な光量で発光させることができる。しかし、ＬＭ´では、モジュール内部にハーフミラーを配置する必要であり、かつ、該ハーフミラーを位置ズレがないように安定した固定が必要など光量を正確にモニタするには、高コスト化を招く。
【０２０５】
これに対して、実施例１のＬＭや実施例２のＬＭ（I型）では、図１７に示されるように、面発光レーザ素子及び該面発光レーザ素子の光量をモニタする光検出素子を積層チップ内に設けられている。この場合、ハーフミラーが不要になり、安定した光量モニタが実現できている。これにより、高コスト化を抑制しつつ、面発光レーザ素子の光量を高精度に制御でき、ひいては吸光体分布（例えば脳血流分布）を高精度に検出できる。
【０２０６】
以上の説明から分かるように、実施例２の光源モジュールＬＭ（I型、II型、III型）からは、互いに非平行な複数の光束が出射される（図１６、図１８、図１９参照）。また、光源モジュールＬＭ（I型、II型）からは、波長が異なる２つの光が、光路が略平行で近接した状態で出射される（図１６、図１８参照）。また、実施例２の光源モジュールＬＭ（III型）からは、波長が異なる２つの光が、光路が非平行で略一致した状態で出射される（図１９参照）。
【０２０７】
そして、光源モジュールＬＭ（I型、II型、III型）からの互いに非平行な複数の光束は、被検体の略同一位置に入射する（図１６、図１８、図１９参照）。また、光源モジュールＬＭ（III型）からの光路が略一致した波長が異なる２つの光は、被検体の同一位置に入射する（図１９参照）。
【０２０８】
上記「略同一位置」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に対して略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「略同一位置」と言って差し支えない。
【０２０９】
また、上記「同一位置」は、「略同一位置」よりも同一性が高いこと意味するが、厳密に同一の場合のみならず、互いに１ｍｍ以下離れた複数位置も「同一位置」と言って差し支えない。
【０２１０】
また、上記「光路が略一致」とは、互いに非平行の２つの光路の成す角度が１０°以下であることを意味する。なお、光路の一致性を極力高めるために、互いに非平行の２つの光路の成す角度は、１°以下であることがより望ましい。
【０２１１】
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。
【０２１２】
ただし、例えば特許文献１のように、プローブ位置を１０ｍｍ以上ずらして、高密度にプローブを配置するには、複数の光源モジュールを独立に配置する必要がある。この複数の光源モジュールを配置する作業は毛髪を一本一本かき分けて行う煩雑な装着作業であり、光源モジュールの増加本数分多く発生してしまう。
【０２１３】
本実施形態では、後に詳述するように、１つの光源モジュールＬＭを配置するだけで、複数の光源モジュールを配置したときと同等の情報量を得ることができ、煩雑な作業を増やすことなく、特許文献１のような高密度プローブで実現されている高分解能検出が可能となっている。
【０２１４】
また、図２８（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。
【０２１５】
これに対し、本実施形態では、図２８（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「略同一位置」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。「略同一位置」という意味合いは、上記記載のように、数ｍｍのずれを許容するものである。
【０２１６】
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。
【０２１７】
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。
【０２１８】
図２９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２９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。
【０２１９】
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３０参照）。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。
【０２２０】
実施例２の光源モジュールＬＭ（I型）では、図１６に示されるように、面発光レーザ素子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３０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。
【０２２１】
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。
【０２２２】
検出モジュールＤＭは、図３１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。
【０２２３】
検出モジュールＤＭでは、図３２に示されるように、光源から被検体に照射され該被検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。
【０２２４】
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。
【０２２５】
これに対し、本実施形態の検出モジュールＤＭは、被検体の「略同一位置」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、「略同一位置」の精度は、ｍｍオーダーの位置の相違は問わない。
【０２２６】
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３３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。
【０２２７】
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。
【０２２８】
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。
【０２２９】
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。
【０２３０】
上述した被検体からの光が「略同一位置」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。
【０２３１】
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。
【０２３２】
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。
【０２３３】
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３３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。
【０２３４】
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３３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。
【０２３５】
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。
【０２３６】
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。
【０２３７】
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。
【０２３８】
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。
【０２３９】
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３４に示されるフローチャートを参照して説明する。
【０２４０】
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。
【０２４１】
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。
【０２４２】
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。
【０２４３】
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。
【０２４４】
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〜Ｓ６）。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）。
【０２４５】
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。
【０２４６】
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。
【０２４７】
結果として、図３５に示されるような推定結果を導くことができる。図３５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。
【０２４８】
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３５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、６ｍｍ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。
【０２４９】
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、非平行の複数の光束を被検体の略同一位置に照射する。
【０２５０】
この場合、被検体（散乱体）の略同一位置に照射される互いに非平行の複数の光束は、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３６参照）。
【０２５１】
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。
【０２５２】
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。
【０２５３】
なお、被検体の略同一位置に入射する複数の光束が非平行であることは、複数の光束が角度を成していることを意味する。つまり、複数の光束の成す角が存在することで、該複数の光束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、仮に被検体の略同一位置に入射する複数の光束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）、該複数の光束の被検体内での伝播経路は同じになってしまう。
【０２５４】
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。
【０２５５】
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。
【０２５６】
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）。
【０２５７】
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。
【０２５８】
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。
【０２５９】
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。
【０２６０】
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。
【０２６１】
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。
【０２６２】
この場合、被検体の略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。
【０２６３】
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。
【０２６４】
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。
【０２６５】
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、被検体の略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。
【０２６６】
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。
【０２６７】
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。
【０２６８】
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。
【０２６９】
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。
【０２７０】
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。
【０２７１】
また、光学検査装置１００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。
【０２７２】
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。
【０２７３】
また、本実施形態（実施例１及び２）の光学センサ１０は、被検体（例えば生体）に光を照射する光源モジュールＬＭ（光照射器）を複数含む照射系と、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、光源モジュールＬＭは、波長が異なる複数の光を前記被検体の略同一位置に照射可能である。
【０２７４】
この場合、被検体内の情報を精度良く計測することができる。
【０２７５】
具体的には、逆問題推定を行うＮＩＲＳ装置においても、脳血流位置の位置精度の高い計測が可能となる。
【０２７６】
また、光源モジュールＬＭ（第III型）は、波長が異なる２つの光を個別に出射する（出射光の波長が互いに異なる）２つのｃｈと、該２つのｃｈからの波長が異なる２つの光の光路上に個別に配置された２つのレンズ１、２と、該２つのレンズを介した波長が異なる２つの光の光路上に共通に配置されたプリズムと、を含み、該プリズムを介した波長が異なる２つの光の光路が略一致する。なお、「光路が略一致する」とは、プリズムを介した波長が異なる複数の光のうち任意の２つの光の光路が成す角度が１０°以下であることを意味する。
【０２７７】
この場合、簡易な構成により、波長が異なる２つの光を前記被検体の同一位置に照射することができる。
【０２７８】
また、ＬＭ（III型）では、プリズムは、２つのレンズ１、２を介した波長が異なる２つの光を反射する反射面（全反射面Ｒ１、Ｒ２）を有し、２つのレンズ１、２から反射面までの波長が異なる２つの光の光路は、非平行である。
【０２７９】
この場合、仮に波長が異なる２つの光を２つの反射面で個別に反射する構成に比べ、構成を簡素化でき、コストダウンを図ることができる。
【０２８０】
また、ＬＭ（III型）では、プリズムに代えて、複数の光学素子を用いる場合に比べて、実装を行う部品点数が減り、実装コストを低減できる。
【０２８１】
また、ＬＭ（III型）では、２つのレンズ１、２からプリズムの反射面までの波長が異なる２つの光の光路は、プリズムの反射面に近づくほど近くなるため、該反射面で該２つの光を光路を近接させた状態で被検体に向けて反射させることができる。
【０２８２】
また、ＬＭ（III型）では、プリズムの反射面で反射された波長が異なる２つの光は、ＬＭ（III型）の出射端近傍で交わるため、該２つの光を被検体の同一位置に確実に入射させることができる。
【０２８３】
また、ＬＭ（III型）では、２つのｃｈそれぞれは、アレイ状に配置された複数の発光部を有し、複数の発光部と対応するレンズの光軸との位置関係が複数の光源間で異なるため、２つのｃｈの対応関係にある２つの発光部から出射された波長が異なる２つの光をレンズ１、２から非平行の状態で出射することができる。
【０２８４】
また、ＬＭ（III型）では、各ｃｈの中心（アレイ中心）が対応するレンズの光軸上から外れた位置にあるため、２つのｃｈの対応関係にある２つの発光部をペアとしたときに全ペアのレンズの光軸に対する位置関係を異ならせることができる。
【０２８５】
また、２つのレンズ１、２と２つのｃｈとの間は、屈折率がレンズ１、２と同等の透明樹脂で満たされていても良い（図２３参照）。
【０２８６】
また、レンズ１、２は、対応するｃｈ側に凸となる形状を有していても良い（図２５参照）。
【０２８７】
また、ＬＭ（II型）、ＬＭ（III型）の共通光学素子としては、プリズムに限らず、要は、波長が異なる複数の光を反射する反射面を少なくとも１つ有する部材であれば良い。
【０２８８】
また、本実施形態（実施例１及び２）の光学センサ１０は、被検体に光を照射する光照射器（光源モジュールＬＭ）を少なくとも１つ含む照射系と、該照射系から被検体に照射され該被検体内を伝播した光を検出する検出系と、を備え、光照射器は、活性層を有する積層構造体（積層チップ）の一部である面発光レーザ素子と、積層構造体の他の一部であり、面発光レーザ素子と光学的に接続された光検出素子と、を含む。
【０２８９】
この場合、面発光レーザ素子から漏れる光を光検出素子に効率良く伝播させることができ、該光の光量を精度良く検出でき、ひいては面発光レーザ素子の出力を所望の値に制御できる。
【０２９０】
この結果、被検体内の情報を精度良く計測することができる。
【０２９１】
また、面発光レーザ素子及び光検出素子は、それぞれ活性層を含むメサ構造を有するため、すなわち活性層が分離されているため、面発光レーザ素子の出力を極力損なわずに該面発光レーザ素子からの漏れ光の光量を精度良く検出できる。
【０２９２】
また、積層構造体は、面発光レーザ素子及び光検出素子のメサ構造の活性層に隣接する該メサ構造の底部を一体に含む下部スペーサ層を有する。
【０２９３】
この場合、面発光レーザ素子及び光検出素子が、少なくとも下部スペーサ層により光学的に接続されていても良い。
【０２９４】
また、積層構造体は、下部スペーサ層上に設けられた透明絶縁膜を更に含み、面発光レーザ素子と光検出素子は、少なくとも透明絶縁膜により光学的に接続されていても良い。
【０２９５】
また、透明絶縁膜は、下部スペーサ層よりも屈折率が小さいことが好ましい。この場合、面発光レーザ素子からの漏れ光を積層構造体のより内側の経路を通じて光検出素子に伝播させることができるため、該漏れ光の発散を極力抑制することができる。
【０２９６】
また、透明絶縁膜は、表面の粗さが、面発光レーザ素子の発振波長λの１／１０以下であることが好ましく、１／５０以下であることがより好ましく、１／１００以下であることがより一層好ましい。この場合、透明絶縁膜の表面からの光の漏れを抑制できる。
【０２９７】
また、透明絶縁膜は、シリコン酸化物やシリコン窒化物からなることが好ましい。なお、透明絶縁膜は、他の酸化膜や窒化膜であっても良い。また、下部スペーサ上に形成される絶縁膜は、透光性を有すれば良く、例えば半透明なものであっても良い。
【０２９８】
また、面発光レーザ素子と前記光検出素子を光学的に接続する部分の光学的な厚さは、面発光レーザ素子の発振波長λと同等であることが好ましい。この場合、面発光レーザ素子からの漏れ光を光検出素子に高効率で伝播させることができる。
【０２９９】
また、光検出素子のメサ構造は、電極で囲まれた開口を上部に有することが好ましい。この場合、上方から光（例えば光学部材からの反射光や被検体からの散乱光）を光検出素子に取り込み、その光量を検出することができる。
【０３００】
また、光検出素子のメサ構造は、活性層に対してスペーサ層とは反対側に反射鏡を含み、光検出素子のメサ構造の活性層及びスペーサ層の側面の傾斜角をθ１、反射鏡の傾斜角をθ２としたときに、θ１＜θ２が成立することが好ましい。この場合、斜め上方からの光をより多く光検出素子に取り込むことができる。
【０３０１】
また、光照射器は、面発光レーザ素子を複数有し、非平行の複数の光を被検体の同一位置に照射することが好ましい。
【０３０２】
この場合、上述の如く、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。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。
【０３０３】
また、光照射器は、積層構造体と被検体との間に配置される光学系を更に含むことが好ましい。この場合、面発光レーザ素子から出射された光を光学系により被検体に導くことができ、かつ光学系からの戻り光を光検出素子で検出することができる。すなわち、１つ光学系により、被検体に対して光照射を行うことと、被検体と光照射器の接触状態を検知することを実現できる。
【０３０４】
また、検出系は、照射系から照射され被検体内を伝播した複数の光を受光する、複数の受光部を有する光検出器を少なくとも１つ含むことが好ましい。
【０３０５】
そして、光検出器は、被検体と前記複数の受光部との間に配置され、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通過部（アパーチャ）が設けられた接触部材を有することが好ましい。
【０３０６】
また、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求める制御部と、を備える光学検査装置によれば、被検体の光学特性（例えば吸光体の位置）を高精度に取得することができる。
【０３０７】
また、光学センサ１０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、被検体の光学モデルに対して、検出光量分布を光学シミュレーションによって求める工程と、該光学シミュレーション結果を用いて、逆問題推定を実施する工程と、を含む光学特性検出方法によれば、被検体の光学特性を高精度に取得することができる。
【０３０８】
なお、上記第１実施形態の積層チップは、面発光レーザ素子及び光検出素子の双方がメサ構造を有しているが、面発光レーザ素子及び光検出素子の少なくとも一方はメサ構造を有していなくても良い。この場合であっても、面発光レーザ素子及び光検出素子の活性層は、絶縁、分離されていることが好ましい。
【０３０９】
また、上記第１実施形態の積層チップでは、上部反射鏡の側面の一部を選択酸化することにより酸化狭窄層を形成しても良い。
【０３１０】
また、上記第１実施形態の積層チップにおける層構成、面発光レーザ素子や光検出素子の数、配置等は、適宜変更可能である。
【０３１１】
《第２実施形態》
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。
【０３１２】
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。一般的には、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（Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ  Ｉｍａｇｉｎｇ）と略す。）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。
【０３１３】
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を複数用意し、適切な選定を行うことで、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。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。
【０３１４】
先述したモンテカルロシミュレーションと実施する。光源モジュールと受光モジュールはそれぞれ４つ、頭部の額部にホルダーを介して固定されている。それぞれのモジュールは、5方位、4方位とした。角度等の条件は先と同様である。光学シミュレーションは、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。
【０３１５】
以下では、脳内の血流を計測する方法を、図３７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（ステップＳ３２）。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）。
【０３１６】
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。
【０３１７】
《第３実施形態》
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。
【０３１８】
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。
【０３１９】
そこで、発明者らは、プローブ配置を鋭意検討した結果、図３８に示される配置が最適であることを見出した。図３８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。
【０３２０】
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３８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３８のプローブ配置で比べると、図３８のプローブ配置の方が短くて好ましいことが判る。
【０３２１】
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。
【０３２２】
《第４実施形態》
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。
【０３２３】
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。
【０３２４】
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。
【０３２５】
図３９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。
【０３２６】
そこで、面発光レーザアレイチップを、図４０（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４０（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４１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。
【０３２７】
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４１の×の位置では、より感度を持つことが期待できる。
【０３２８】
図４０（Ａ）及び図４０（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。
【０３２９】
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。
【０３３０】
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。
【０３３１】
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。
【０３３２】
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。
【０３３３】
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。
【０３３４】
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。
【０３３５】
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。
【０３３６】
なお、上記各実施形態で説明した光学センサの構成の少なくとも一部は、実施形態間、実施例間で相互に転用可能であることは言うまでもない。
【符号の説明】
【０３３７】
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】
【０３３８】
【特許文献１】特開２０１４−８３０６９号公報
【図１】
0006786798.tif 000005
【図２】
0006786798.tif 000006
【図３】
0006786798.tif 000007
【図４】
0006786798.tif 000008
【図５】
0006786798.tif 000009
【図６】
0006786798.tif 000010
【図７】
0006786798.tif 000011
【図８】
0006786798.tif 000012
【図９】
0006786798.tif 000013
【図１０】
0006786798.tif 000014
【図１１】
0006786798.tif 000015
【図１２】
0006786798.tif 000016
【図１３】
0006786798.tif 000017
【図１４】
0006786798.tif 000018
【図１５】
0006786798.tif 000019
【図１６】
0006786798.tif 000020
【図１７】
0006786798.tif 000021
【図１８】
0006786798.tif 000022
【図１９】
0006786798.tif 000023
【図２０】
0006786798.tif 000024
【図２１】
0006786798.tif 000025
【図２２】
0006786798.tif 000026
【図２３】
0006786798.tif 000027
【図２４】
0006786798.tif 000028
【図２５】
0006786798.tif 000029
【図２６】
0006786798.tif 000030
【図２７】
0006786798.tif 000031
【図２８】
0006786798.tif 000032
【図２９】
0006786798.tif 000033
【図３０】
0006786798.tif 000034
【図３１】
0006786798.tif 000035
【図３２】
0006786798.tif 000036
【図３３】
0006786798.tif 000037
【図３４】
0006786798.tif 000038
【図３５】
0006786798.tif 000039
【図３６】
0006786798.tif 000040
【図３７】
0006786798.tif 000041
【図３８】
0006786798.tif 000042
【図３９】
0006786798.tif 000043
【図４０】
0006786798.tif 000044
【図４１】
0006786798.tif 000045
【図４２】
0006786798.tif 000046
【図４３】
0006786798.tif 000047
【図４４】
0006786798.tif 000048
【図４５】
0006786798.tif 000049
【図４６】
0006786798.tif 000050
【図４７】
0006786798.tif 000051
【図４８】
0006786798.tif 000052
【図４９】
0006786798.tif 000053
【図５０】
0006786798.tif 000054
【図５１】
0006786798.tif 000055
【図５２】
0006786798.tif 000056
【図５３】
0006786798.tif 000057
【図５４】
0006786798.tif 000058
【図５５】
0006786798.tif 000059
【図５６】
0006786798.tif 000060
【図５７】
0006786798.tif 000061
【図５８】
0006786798.tif 000062
【図５９】
0006786798.tif 000063
【図６０】
0006786798.tif 000064
【図６１】
0006786798.tif 000065
【図６２】
0006786798.tif 000066
【図６３】
0006786798.tif 000067
【図６４】
0006786798.tif 000068