(57)【要約】【課題】対象物の表面等からの直接反射光を低減し、対象物内部からの反射散乱光を良好なＳＮ比で検出する光センシング装置及び光センシング方法を提供する。【解決手段】本開示の一態様に係る光センシング装置１００は、対象物９に照射する光を出射するレーザチップ１０と、レーザチップ１０から対象物９への光軸上に配置された光検出器２と、を備え、光検出器２は、光軸を含み、レーザチップ１０から出射された光が透過する領域４と、領域４を透過した光が対象物９に照射されることにより生じる対象物９の内部からの反射散乱光８を受光して電気信号に変換する少なくとも１つの受光部３と、を含む。【選択図】図１Ａ
2016206175.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象物に照射する光を出射する少なくとも１つの光源と、
前記少なくとも１つの光源から前記対象物への光軸上に配置された光検出器と、を備え、
前記光検出器は、
前記光軸を含み、前記少なくとも１つの光源から出射された前記光が透過する領域と、
前記領域を透過した前記光が前記対象物に照射されることにより生じる前記対象物の内部からの反射散乱光を受光して電気信号に変換する少なくとも１つの受光部と、を含む、
光センシング装置。
【請求項２】
前記少なくとも１つの受光部が前記領域に接している、
請求項１に記載の光センシング装置。
【請求項３】
平面視において、前記少なくとも１つの受光部が前記領域を囲んでいる、
請求項１または２に記載の光センシング装置。
【請求項４】
前記領域を透過した前記光の拡がり角が、全角で±３°以内である、
請求項１から３のいずれかに記載の光センシング装置。
【請求項５】
前記光軸上に配置されたコリメータレンズをさらに備える、
請求項１から４のいずれかに記載の光センシング装置。
【請求項６】
前記領域を透過した前記光のビーム径は、２００μｍ以上２０ｍｍ以下である、
請求項１から５のいずれかに記載の光センシング装置。
【請求項７】
前記少なくとも１つの光源は、第１波長の光を出射する第１光源および第２波長の光を出射する第２光源を備える、
請求項１に記載の光センシング装置。
【請求項８】
平面視において、
前記第１光源および前記第２光源は第１方向に沿って配置され、
前記領域は、前記第１方向に長軸を有する楕円形状である、
請求項７に記載の光センシング装置。
【請求項９】
前記少なくとも１つの受光部は、複数の受光部を備え、
前記複数の受光部は、前記領域の周囲において、前記領域の周方向に、間隔を空けて配置され、
前記複数の受光部は、前記間隔により互いに電気的に絶縁されている、
請求項１から８のいずれかに記載の光センシング装置。
【請求項１０】
前記少なくとも１つの受光部は、複数の受光部を備え、
前記複数の受光部は、前記領域の周囲において、前記領域の径方向に、間隔を空けて配置され、
前記複数の受光部は、前記間隔により互いに電気的に絶縁されている、
請求項１から８のいずれかに記載の光センシング装置。
【請求項１１】
前記少なくとも１つの光源が出射する前記光がパルス光である、
請求項１から６のいずれかに記載の光センシング装置。
【請求項１２】
フレキシブル基板をさらに備え、
前記少なくとも１つの光源および前記光検出器は、前記フレキシブル基板上に配置されている、
請求項１から６のいずれかに記載の光センシング装置。
【請求項１３】
演算部をさらに備え、
前記演算部は、前記電気信号を演算することにより、前記対象物に関する情報を得る、
請求項１から１２のいずれかに記載の光センシング装置。
【請求項１４】
請求項１に記載の光センシング装置を用いた光センシング方法であって、
前記領域のサイズをｄ１、前記受光部の前記対象物に対向する面から前記対象物の表面における前記光の光束の中心までの距離をＳ１としたとき、前記光の前記対象物への入射角θ１が
θ１≦ｔａｎ−１（ｄ１／（４Ｓ１））
を満たすように、前記少なくとも１つの光源によって、前記光が前記対象物に照射されるステップと、
前記光検出器によって前記反射散乱光を検出するステップと、を含む、
光センシング方法。
【請求項１５】
前記光が前記対象物の表面で反射されることにより生じた直接反射光の、前記受光部の表面におけるスポット径をｗとしたとき、前記光の前記対象物への入射角θ１は
θ１≦ｔａｎ−１（（ｄ１−ｗ）／（４Ｓ１））
を満たす
請求項１４に記載の光センシング方法。
【請求項１６】
請求項１に記載の光センシング装置を用いた光センシング方法であって、
前記対象物は、透明蓋を有する容器の内部に配置され、
前記領域のサイズをｄ１、前記受光部の前記対象物に対向する面から前記透明蓋の表面における前記光の光束の中心までの距離をＳ３、前記対象物の表面に対する前記透明蓋の傾き角をθ５としたとき、前記光の前記対象物への入射角θ１が
θ１≦ｔａｎ−１（ｄ１／（４Ｓ３））−θ５
を満たすように、前記少なくとも１つの光源によって、前記光が前記対象物に照射されるステップと、
前記光検出器によって前記反射散乱光を検出するステップと、を含む
光センシング方法。
【請求項１７】
前記光が前記透明蓋の表面で反射されることにより生じた直接反射光の、前記受光部の表面におけるスポット径をｗとしたとき、前記光の前記対象物への入射角θ１は
θ１≦ｔａｎ−１（（ｄ１−ｗ）／（４Ｓ３））−θ５
を満たす
請求項１６に記載の光センシング方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、生体、食品等を対象にした光センシング装置及び光センシング方法に関し、特に、対象物の表面からの直接反射光を低減し、情報の多い内部からの反射散乱光を良好に検出することができる光センシング装置及び光センシング方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、生体及び食品等を対象にして、光を対象物に照射し、その内部で反射および散乱した反射散乱光を検出することにより、それらの対象物の有用情報を非接触もしくは非侵襲で得ることができる光センシング装置が利用されている。
【０００３】
対象物が生体の場合、照射した光は、皮膚を通して生体内部に侵入する。その後、皮膚から出てきた反射散乱光は、血管等を透過したことにより血液の状態等の生体情報を含んでいる。反射散乱光を検出することにより、例えば、脈拍、血流及び酸素飽和度等が分かり、健康診断等に使うことができる。
【０００４】
また、食品に対しても、光を照射して内部からの反射散乱光の検出を行うことにより、非破壊で鮮度及び糖度等の品質の検査を行うことができる。特に、生鮮食料品に対しては有用である。スーパーマーケットでは、生鮮食品は、多くの場合、ラップ（透明フィルム）または透明な蓋を有する容器にいれて販売されている。光を照射して内部からの反射散乱光の検出を行う方法により、消費者は生鮮食品の状態を透明な蓋またはラップを通して確認しながら購入することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開昭５９−１５０３３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、生体や食品等に光を照射し、その内部からの反射散乱光を検出しようとしても、表面からの直接反射光が多く検出される。直接反射光はノイズ成分である。つまり、情報を有している内部からの反射散乱光が良好な信号品質（ＳＮ比が良い）で検出できないという課題があった。
【０００７】
本開示は、上記課題を解決するためになされたものであり、対象物の表面等からの直接反射光の検出量を低減し、対象物内部からの反射散乱光をより高いＳＮ比で検出することができる光センシング装置及び光センシング方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本開示の一態様に係る光センシング装置は、対象物に照射する光を出射する少なくとも１つの光源と、前記少なくとも１つの光源から前記対象物への光軸上に配置された光検出器と、を備え、前記光検出器は、前記光軸を含み、前記少なくとも１つの光源から出射された前記光が透過する領域と、前記領域を透過した前記光が前記対象物に照射されることにより生じる前記対象物の内部からの反射散乱光を受光して電気信号に変換する少なくとも１つの受光部と、を含む。
【発明の効果】
【０００９】
本開示にかかる光センシング装置及び光センシング方法によれば、対象物の表面等からの直接反射光の検出量を低減し、対象物内部からの反射散乱光をより高いＳＮ比で検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１Ａ】実施の形態１にかかる光センシング装置の構成と、対象物に対して光源からの光を照射し検出する様子とを示す断面図
【図１Ｂ】実施の形態１にかかる光センシング装置における受光部側の光検出器の構成を示す平面図
【図２Ａ】実施の形態１にかかる光センシング装置において、入射光である略平行光の光軸が対象物の表面に対して垂直入射から傾いた場合の入射光と直接反射光の光線を示す断面図
【図２Ｂ】実施の形態１にかかる光センシング装置において、入射光である略平行光の光軸が対象物の表面に対して垂直入射から傾いた場合の、受光部側の光検出器への直接反射光の光束の位置を示す平面図
【図３】実施の形態１にかかる光センシング装置における受光部側の光検出器の別の構成を示す平面図
【図４】実施の形態２にかかる光センシング装置の構成と、対象物に対して光源からの光を照射し検出する様子とを示す断面図
【図５Ａ】実施の形態２の光センシング装置において、対象物の表面に対して、入射光である略平行光の光軸と透明蓋の設置角度がそれぞれ基準値から傾いた場合の入射光、透明蓋からの直接反射光、及び対象物の表面からの直接反射光の光線を示す断面図
【図５Ｂ】実施の形態２の光センシング装置において、対象物の表面に対して、入射光である略平行光の光軸と透明蓋の設置角度がそれぞれ基準値から傾いた場合の受光部側の光検出器への透明蓋からの直接反射光の光束の位置、及び対象物からの直接反射光の光束の位置を示す説明図
【図６Ａ】実施の形態３における光センシング装置の構成と、対象物に対して光源からの光を照射し、検出する様子とを示す断面図
【図６Ｂ】実施の形態３の光センシング装置における受光部側の光検出器の構成図
【図７Ａ】実施の形態４における光センシング装置の構成と、対象物に対して光源からの光を照射し、検出する様子とを示す断面図
【図７Ｂ】実施の形態４の光センシング装置における受光部側の光検出器の構成図
【図７Ｃ】実施の形態５における光センシング装置の構成と、対象物に対して光源からの光を照射し、検出する様子とを示す断面図
【図７Ｄ】実施の形態５の光センシング装置における受光部側の光検出器の構成図
【図８Ａ】従来の光センシング装置の構成と、対象物に対して光源からの光を照射し、検出する様子とを示す断面図
【図８Ｂ】従来の光センシング装置における受光部側の光検出器の構成図
【図９】従来の別の形態の光センシング装置の構成と、対象物に対して光源からの光を照射し、検出する様子とを示す説明図
【図１０】従来のさらに別の形態の光センシング装置の構成と、対象物に対して光源からの光を照射し、検出する様子とを示す説明図
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図８Ａは、従来の光センシング装置の構成と、対象物に対して光源から光を照射して反射光を検出する様子とを示す説明図である。図８Ｂは従来の光センシング装置における受光部側の光検出器の構成図である。
【００１２】
図８Ａおよび図８Ｂに示す従来の光センシング装置５００は、生体のような対象物に対する典型的な光センシング装置を示している。図８Ａに示す光センシング装置５００では、光源５０１から出射された入射光５０６は、入射角θ１の斜め方向から対象物５０９に入射し、その内部に侵入した後、内部の組織で散乱されて内部散乱光５０７となる。その結果、光センシング装置５００は、内部から出てくる反射散乱光５０８を光検出器５０２の受光部５０３で検出する構成である。
【００１３】
直接反射光５０５は、対象物５０９の境界面である表面５１３から、出射角θ２（表面が平坦面のとき、θ２＝θ１）にて反射する。光センシング装置５００の構成では、光量の大きな直接反射光５０５の多くが受光部５０３に入射する。すると、本来の目的である情報を有する内部からの反射散乱光５０８のＳＮ比が悪くなるという課題があった。
【００１４】
また、対象物５０９への入射光５０６の入射角θ１が０に近い（垂直入射）と、入射光５０６が対象物５０９の内部に深く入ることができる。その条件に近づけるためには、受光部５０３から対象物５０９の表面５１３までの距離Ｓ１を、斜め方向から入射光５０６が入るように、十分大きくする必要があるため、その結果、サイズも大型になる。Ｓ１を大きくした場合、受光部５０３に入らずに、横方向に抜けていく反射散乱光５０８が増えるため、内部からの反射散乱光５０８を検出する効率は低くなること等が課題であった。
【００１５】
図９は、従来の別の形態の光センシング装置の構成と、対象物に対して光源からの光を照射し、検出する様子とを示す説明図である。
【００１６】
図９の光センシング装置は、透明フィルムであるラップ等の透明蓋５１５を有する容器５１４に入った生鮮食品のような対象物に対する典型的な光センシング装置を示している。受光部５０３から透明蓋５１５までの距離はＳ３、透明蓋５１５から、対象物５０９の表面５１３までの距離をＳ２としている。
【００１７】
光源５０１からの入射光５０６は、入射角θ３にて斜めから透明蓋５１５を透過し、入射角θ１にて斜めから対象物５０９に照射し、対象物５０９の内部に侵入した後、内部の組織で散乱されて内部散乱光５０７となり、その結果、対象物５０９の内部から出てくる反射散乱光５０８を光検出器５０２の受光部５０３で検出する構成である。
【００１８】
このような光センシング装置５００の構成では、対象物５０９の表面５１３からの出射角θ２（表面がフラットのとき、θ２＝θ１）にて反射してくる直接反射光５０５に加えて、透明蓋５１５から出射角θ４（多くの場合、表面がフラットなためθ４＝θ３）にて反射してくる直接反射光５１６の光量は、一般的には、直接反射光５０５の光量よりもさらに大きくなる傾向があり、それらの直接反射光５０５および５１６も受光部５０３に入射するため、情報を有する内部からの反射散乱光５０８のみの検出は一層難しくなり、その結果、反射散乱光５０８の検出のＳＮ比はさらに悪くなるという課題があった。
【００１９】
図１０は、従来のさらに別の形態の光センシング装置の構成と、対象物に対して光源からの光を照射し、検出する様子とを示す説明図である。
【００２０】
図１０に示す光センシング装置５００は、生体のような対象物５０９に対する別の形態の典型的な光センシング装置を示している。この装置は、対象物５０９の内部からの透過散乱光５１８を検出する。より詳細には、光センシング装置５００において、光源５０１は、入射光５０６を対象物５０９に垂直に入射させる。境界面である表面５１３ａを通して対象物５０９の内部に入射した入射光５０６は、その後、内部の組織で散乱されて内部散乱光５０７となり、その結果、対象物５０９の境界面である裏面５１３ｂを通して、透過散乱光５１８として対象物５０９の内部から出射される。そして、光源５０１に対して対象物５０９の反対側に設置された光検出器５０２の受光部５０３によって透過散乱光５１８が検出される。ここで、裏面５１３ｂと受光部５０３との距離はＳ１である。
【００２１】
このような光センシング装置５００の構成では、直接反射光５０５を取り除くことができ、また、対象物５０９と光検出器５０２の受光部５０３の距離を近づけられるので検出効率は良いという特長がある。対象物５０９の厚さｔが比較的小さければ、透過散乱光５１８も検出できるが、その大きさは反射散乱光５０８よりも一般的に小さくなる傾向に有り、信号強度が小さくなることが課題として挙げられる。
【００２２】
例えば、厚さｔ＝１ｃｍ程度の人の親指の透過率Ｔは、波長λ＝６５０ｎｍで１％、λ＝５３２ｎｍで０．０１％、λ＝４０５ｎｍで０．００１％と、比較的小さい値となり、また、可視光の範囲内では波長が短くなるほど低下することが、本願発明者らの実験から分かった。
【００２３】
従って、指及び耳たぶ等の厚さが薄い生体組織では、透過散乱光５１８は小さいながらも出てくるため測定できるが、それ以外の厚い生体組織では、内部で入射光がすべて散乱吸収されるため、測定できず、またはＳＮ比が非常に悪くなり、その結果、測定に適した箇所が限られるという課題があった。
【００２４】
特許文献１は、情報円盤上の傷及びゴミ等の欠陥を検出することを目的に、レーザ光源からの出射光をコリメータレンズにて平行光にし、その光を集光レンズにて収束光とし、情報円盤の表面に、情報に相当する凹凸の大きさ（サブミクロン〜１ミクロン程度）と同等の大きさを有するスポット径に集光して、その反射光を検出する欠陥検出装置である。
【００２５】
情報円盤表面に欠陥が無い場合の反射光である、非散乱光は、光路を折り返して集光レンズにて平行光となり第１の光検出器にて受光され、情報円盤表面に欠陥がある場合の、欠陥からの散乱光は、集光レンズの回りに設置したリング状の第２の光検出器にて受光され、第１の光検出器の出力と第２の光検出器の出力の差分検出により、表面の欠陥を高感度に検出できるという効果を有する。
【００２６】
特許文献１の欠陥検出装置では、媒体表面の微細欠陥を検出することが目的であるため、光の回折限界（ほぼ波長程度の大きさ）まで集光することにより、情報の凹凸と同じ大きさの微細欠陥を検出できるものであり、たとえ、略平行光を情報円盤上に照射しても、円盤の表面では大きな光スポットとなるため、反射散乱光を受光しても微細欠陥の検出はできない。
【００２７】
また、表面の微細欠陥の検出が目的であるため、情報円盤の内部からの散乱光は逆にノイズになり、受光しない方が望ましい。
【００２８】
本開示は、以下の項目に記載の光センシング装置、およびそれを用いた光センシング方法を含む。
【００２９】
[項目１]
対象物に照射する光を出射する少なくとも１つの光源と、
前記少なくとも１つの光源から前記対象物への光軸上に配置された光検出器と、を備え、
前記光検出器は、
前記光軸を含み、前記少なくとも１つの光源から出射された前記光が透過する領域と、
前記領域を透過した前記光が前記対象物に照射されることにより生じる前記対象物の内部からの反射散乱光を受光して電気信号に変換する少なくとも１つの受光部と、を含む、
光センシング装置。
【００３０】
[項目２]
前記少なくとも１つの受光部が前記領域に接している、
項目１に記載の光センシング装置。
【００３１】
[項目３]
平面視において、前記少なくとも１つの受光部が前記領域を囲んでいる、
項目１または２に記載の光センシング装置。
【００３２】
[項目４]
前記領域を透過した前記光の拡がり角が、全角で±３°以内である、
項目１から３のいずれかに記載の光センシング装置。
【００３３】
[項目５]
前記光軸上に配置されたコリメータレンズをさらに備える、
項目１から４のいずれかに記載の光センシング装置。
【００３４】
[項目６]
前記領域を透過した前記光のビーム径は、２００μｍ以上２０ｍｍ以下である、
項目１から５のいずれかに記載の光センシング装置。
【００３５】
[項目７]
前記少なくとも１つの光源は、第１波長の光を出射する第１光源および第２波長の光を出射する第２光源を備える、
項目１に記載の光センシング装置。
【００３６】
[項目８]
平面視において、
前記第１光源および前記第２光源は第１方向に沿って配置され、
前記領域は、前記第１方向に長軸を有する楕円形状である、
項目７に記載の光センシング装置。
【００３７】
[項目９]
前記少なくとも１つの受光部は、複数の受光部を備え、
前記複数の受光部は、前記領域の周囲において、前記領域の周方向に、間隔を空けて配置され、
前記複数の受光部は、前記間隔により互いに電気的に絶縁されている、
項目１から８のいずれかに記載の光センシング装置。
【００３８】
[項目１０]
前記少なくとも１つの受光部は、複数の受光部を備え、
前記複数の受光部は、前記領域の周囲において、前記領域の径方向に、間隔を空けて配置され、
前記複数の受光部は、前記間隔により互いに電気的に絶縁されている、
項目１から８のいずれかに記載の光センシング装置。
【００３９】
[項目１１]
前記少なくとも１つの光源が出射する前記光がパルス光である、
項目１から６のいずれかに記載の光センシング装置。
【００４０】
[項目１２]
フレキシブル基板をさらに備え、
前記少なくとも１つの光源および前記光検出器は、前記フレキシブル基板上に配置されている、
項目１から６のいずれかに記載の光センシング装置。
【００４１】
[項目１３]
演算部をさらに備え、
前記演算部は、前記電気信号を演算することにより、前記対象物に関する情報を得る、
項目１から１２のいずれかに記載の光センシング装置。
【００４２】
[項目１４]
前記領域を透過した前記光が前記対象物の表面で反射されることもより生じた直接反射光の５０％以上は、前記領域を透過する、
項目１から６のいずれかに記載の光センシング装置。
【００４３】
[項目１５]
前記少なくとも１つの光源は、
前記領域のサイズをｄ１、前記受光部の前記対象物に対向する面から前記対象物の表面における前記光の光束の中心までの距離をＳ１としたとき、前記光の前記対象物への入射角θ１が
θ１≦ｔａｎ−１（ｄ１／（４Ｓ１））
を満たすように、前記光を前記対象物に照射する、
項目１から６のいずれかに記載の光センシング装置。
【００４４】
[項目１６]
前記光が前記対象物の表面で反射されることにより生じた直接反射光の、前記受光部の表面におけるスポット径をｗとしたとき、前記入射角θ１は
θ１≦ｔａｎ−１（（ｄ１−ｗ）／（４Ｓ１））
を満たす、
項目１５に記載の光センシング装置。
【００４５】
[項目１７]
前記対象物は、透明蓋を有する容器の内部に配置され、
前記光が前記対象物および前記透明蓋の表面で反射されることにより生じた直接反射光の５０％以上は、前記領域を透過する、
項目１から６のいずれかに記載の光センシング装置。
【００４６】
[項目１８]
前記対象物は、透明蓋を有する容器の内部に配置され、
前記少なくとも１つの光源は、
前記領域のサイズをｄ１、前記受光部の前記対象物に対向する面から前記透明蓋の表面における前記光の光束の中心までの距離をＳ３、前記対象物の表面に対する前記透明蓋の傾き角をθ５としたとき、前記光の前記対象物への入射角θ１が
θ１≦ｔａｎ−１（ｄ１／（４Ｓ３））−θ５
を満たすように、前記光を前記対象物に照射する、
項目１から６のいずれかに記載の光センシング装置。
【００４７】
[項目１９]
前記光が前記透明蓋の表面で反射されることにより生じた直接反射光の、前記受光部の表面におけるスポット径をｗとしたとき、前記入射角θ１は
θ１≦ｔａｎ−１（（ｄ１−ｗ）／（４Ｓ３））−θ５
を満たす、
項目１８に記載の光センシング装置。
【００４８】
[項目２０]
項目１に記載の光センシング装置を用いた光センシング方法であって、
前記領域のサイズをｄ１、前記受光部の前記対象物に対向する面から前記対象物の表面における前記光の光束の中心までの距離をＳ１としたとき、前記光の前記対象物への入射角θ１が
θ１≦ｔａｎ−１（ｄ１／（４Ｓ１））
を満たすように、前記少なくとも１つの光源によって、前記光が前記対象物に照射されるステップと、
前記光検出器によって前記反射散乱光を検出するステップとを含む、
光センシング方法。
【００４９】
[項目２１]
前記光が前記対象物の表面で反射されることにより生じた直接反射光の、前記受光部の表面におけるスポット径をｗとしたとき、前記光の前記対象物への入射角θ１は
θ１≦ｔａｎ−１（（ｄ１−ｗ）／（４Ｓ１））
を満たす、
項目２０に記載の光センシング方法。
【００５０】
[項目２２]
項目１に記載の光センシング装置を用いた光センシング方法であって、
前記対象物は、透明蓋を有する容器の内部に配置され、
前記領域のサイズをｄ１、前記受光部の前記対象物に対向する面から前記透明蓋の表面における前記光の光束の中心までの距離をＳ３、前記対象物の表面に対する前記透明蓋の傾き角をθ５としたとき、前記光の前記対象物への入射角θ１が
θ１≦ｔａｎ−１（ｄ１／（４Ｓ３））−θ５
を満たすように、前記少なくとも１つの光源によって、前記光が前記対象物に照射されるステップと、
前記光検出器によって前記反射散乱光を検出するステップとを含む、
光センシング方法。
【００５１】
[項目２３]
前記光が前記透明蓋の表面で反射されることにより生じた直接反射光の、前記受光部の表面におけるスポット径をｗとしたとき、前記光の前記対象物への入射角θ１は
θ１≦ｔａｎ−１（（ｄ１−ｗ）／（４Ｓ３））−θ５
を満たす、
項目２２に記載の光センシング方法。
【００５２】
以下の実施の形態において、対象物の表面または対象物を覆うカバーからの直接反射光の検出量を低減し、対象物内部からの反射散乱光をより高いＳＮ比で検出することができる光センシング装置および光センシング方法について図面を参照しながら説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、いずれも本開示の一具体例を示すものである。したがって、以下の実施の形態で示される、数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、並びに、ステップ及びステップの順序などは一例であって、本開示を限定する主旨ではない。よって、以下の実施の形態における構成要素のうち、本開示の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。
【００５３】
また、各図は、模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。なお、各図において、実質的に同一の構成に対しては同一の符号を付しており、重複する説明は省略又は簡略化する。
【００５４】
また、光センシング装置の構成を示す図では、入射光、直接反射光、内部散乱光、内部からの反射散乱光は、それぞれ、矢印で示す向きに進行する光線として図示しており、全体のビームは光束として図示している。また、理解を容易にするために、断面図においては、光センシングが行われる対象物のハッチングの図示を省略している。また、平面図に示す受光部には、断面図に示した受光部に付したハッチングと同じハッチングを付している。
【００５５】
（実施の形態１）
まず、実施の形態１の光センシング装置及び光センシング方法について、図１Ａから図３を用いて詳細に説明する。各図にはＸＹＺ座標系を付している。
【００５６】
図１Ａは、本実施の形態にかかる光センシング装置の構成と、対象物に対して光源から光を照射して反射光を検出する様子とを示す断面図である。図１Ｂは、本実施の形態にかかる光センシング装置における受光部側の光検出器の構成を示す平面図である。図２Ａは、本実施の形態にかかる光センシング装置において、入射光の光軸が対象物の表面に対して垂直入射から傾いた場合の入射光と直接反射光の光線を示す断面図である。図２Ｂは、本実施の形態にかかる光センシング装置において、入射光の光軸が対象物の表面に対して垂直入射から傾いた場合の受光部側の光検出器への直接反射光の光束の位置を示す平面図である。図３は、本実施の形態にかかる光センシング装置における受光部側の光検出器の別の構成を示す平面図である。
【００５７】
なお、図２Ａにおいては、説明を容易にするために、対象物の内部散乱光と反射散乱光は図示を省略し、入射光と直接反射光の進行を示す光線を中心に図示している。
【００５８】
なお、各図における光センシング装置では、ＸＹ面は対象物の測定近傍の表面を含む面に平行にとり、光源の出射端の光軸中心ＥがＸＹ座標の原点になるように決め、光軸中心Ｅから対象物への垂線の交わる位置を対象物の中央位置とするように、座標系を決めている。
【００５９】
本実施の形態にかかる光センシング装置１００は、対象物９の内部からの反射散乱光８を検出する光センシング装置であって、光源であるレーザチップ１０と光検出器２とを備えている。本実施の形態にかかる光センシング装置１００は、レーザチップ１０の光軸上に配置されたコリメータレンズ１１をさらに備える。
【００６０】
光検出器２は、レーザチップ１０から対象物への光軸上に配置されている。光検出器２は、光軸を含み、レーザチップ１０から出射された入射光が透過する領域４と、領域４を透過した入射光６が対象物９に照射されることにより生じる対象物９の内部からの反射散乱光８を受光して電気信号に変換する受光部３と、を含む。
【００６１】
レーザチップ１０は、対象物９に照射する入射光６を出射する。入射光６はコリメータレンズ１１により略平行光となる。「略平行光」とは、拡がり角が例えば全角で±３°以内の光である。略平行光については、後に説明する。レーザチップ１０およびコリメータレンズ１１は、筐体１内に収容されている。
【００６２】
本実施の形態において、受光部３は、対象物９に対向し領域４を取り囲む位置に設けられている。一例として、受光部３の中央に領域４があってもよい。領域４の配置位置は、受光部３の中央からずれていてもよい。
【００６３】
本実施の形態にかかる光センシング方法は、本実施の形態の光センシング装置１００を用いた光センシング方法であって、Ｚ方向からみたときの領域４のサイズをｄ１、受光部３から対象物９の表面１３における入射光６の光束の中心までのＺ方向の距離をＳ１としたとき、入射光６の対象物９への入射角θ１（対象物９の測定箇所近傍の表面１３の垂線と入射光６の光軸とがなす角）がθ１≦ｔａｎ−１（ｄ１／（４Ｓ１））を満たすように、光源であるレーザチップ１０によって対象物９に向けて入射光６を出射するステップと、光検出器２によって対象物９の内部からの反射散乱光８を検出するステップとを含む。なお、ここでいう領域４のサイズとは、Ｚ方向からみたときの領域４の形状が円形の場合は領域４の直径、領域４が楕円形の場合は短軸の長さ、領域４が正方形の場合は、領域４の正方形の各辺に内接する円の直径、領域４が長方形の場合は、領域４の長方形の各辺に内接する楕円の短軸の長さをいう。また、Ｚ方向からみたときの領域４の形状が正多角形の場合は正多角形の各辺に隣接する円の直径をいう。
【００６４】
このとき、入射光６が対象物９の表面１３で反射した直接反射光５の、受光部３の表面におけるスポット径をｗとしたとき、入射光６の対象物への入射角θ１がθ１≦ｔａｎ−１（（ｄ１−ｗ）／（４Ｓ１））を満たすように、入射光６が対象物９に向けて出射されるステップを含んでもよい。このような光センシング方法によると、信号のＳＮ比がさらに向上する。
【００６５】
なお、「略平行光」とは、拡がり角が例えば全角で±３°以内の光のことをいう。拡がり角が＋の時は発散光、−の時は収束光となる。拡がり角が全角で±２ｔａｎ−１［（１．４１ｄ１−ｗ）／（４Ｓ１）］以内の光であってもよい。入射光６の拡がり角が大きすぎると、対象物９の表面からの直接反射光５の多くが受光部３に到達してしまう。したがって、対象物９の表面からの直接反射光５の５０％以上が領域４を透過するための拡がり角を考えると、光検出器２の領域４のサイズをｄ１とすると、受光部３の面で拡がった直接反射光５のスポット径が、領域４のサイズに対して√２（＝１．４１４）倍以下になるような平行度が必要ということになる。受光部３から対象物９の表面までの距離をＳ１、受光部３の表面での入射光の光束のスポット径をｗとすると、入射光６の拡がり角は、全角で±２ｔａｎ−１［（１．４１ｄ１−ｗ）／（４Ｓ１）］以内と計算できる。例えば、Ｓ１＝１０ｍｍ、ｄ１＝Ｗ＝１ｍｍでは、入射光６の拡がり角は±１．１°以内、Ｓ１＝１０ｍｍ、ｄ１＝ｗ＝２ｍｍでは、入射光６の拡がり角は±２．３°以内となる。
【００６６】
本実施の形態にかかる光センシング装置１００における対象物９は、例えば、生体である。入射光６として生体に照射した光が皮膚を通して生体内部に侵入した後、再度皮膚を通して出てきた反射散乱光８は、血管等を透過したことにより、血液の状態等の生体情報を含んでいる。したがって、反射散乱光８を検出することにより、例えば、当該生体の脈拍、血流及び酸素飽和度等が分かる。よって、光センシング装置１００は健康診断等に使うことができる。
【００６７】
図１Ａに示すように、本実施の形態にかかる光センシング装置１００は、レーザチップ１０の光軸上にコリメータレンズ１１を備えている。なお、コリメータレンズとは便宜上名付けたものであり、一般にいうレンズと同じである。
【００６８】
コリメータレンズ１１のほぼ焦点位置にレーザチップ１０の出射端を設置することにより、コリメータレンズ１１を透過した入射光６を略平行光にすることができる。コリメータレンズ１１の位置を光軸方向（±Ｚ方向）に移動させることにより、入射光６の略平行状態を変えることができる。例えば、コリメータレンズ１１を＋Ｚ方向に移動することにより、入射光６は発散光になり、また、コリメータレンズ１１を−Ｚ方向に移動することにより、入射光６は収束光に近づく。
【００６９】
レーザチップ１０として、例えば、波長λ＝５３２ｎｍの緑色の半導体レーザを用いると、その波長の光では酸化ヘモグロビン及び還元ヘモグロビンの吸収量が大きいために、脈波検出の変調度が高くなり、その用途に適した光センシング装置１００を構成することができる。なお、光源としては、用途に応じた波長の光を出射する光源を用いれば良い。特に、生体の窓と言われる、波長がλ＝７００〜１３００ｎｍの光源を用いた場合は、入射光が生体のある程度奥まで（例えば、数１０ｍｍ）侵入し易いという効果がある。
【００７０】
本実施の形態にかかる光センシング装置１００の光源として、略平行光にしやすいためにレーザチップ１０を用いているが、発光サイズが小さな（例えば、２００μｍ以下）ＬＥＤチップを用いても良い。一般的には、ＬＥＤチップでは、発光サイズがレーザチップより大きいので、入射光６の平行度は劣化する。しかし、本実施の形態にかかる光センシング装置１００では、対象物９の表面１３における入射光６の光束１２のスポット径（入射光６の振幅が、中央値に対して１／ｅ２になる直径）が、例えば、２００μｍ〜２０ｍｍであることを満たすような光であれば、光束１２の平行度が悪くなっていても、後で述べるように、対象物９の内部に光が侵入した後、内部からの反射散乱光８が生じるので、反射散乱光８を光センシングすることができる。
【００７１】
入射光６の光束１２のビーム径（振幅が中央値に対して１／ｅ２になる直径）ｗは、例えば、ｗ＝２００μｍ〜２０ｍｍである。入射光６は、光検出器２の領域４を通して−Ｚ方向に進行して、対象物９に略垂直に入射する。入射角が垂直に近づくほど、光が対象物９の内部により深く侵入することができる。
【００７２】
ここで、対象物９の表面１３における入射光６の光束１２のスポット径は、入射光６の平行度が良い場合、ビーム径ｗとほとんど同じ大きさの２００μｍ〜２０ｍｍとなる。入射光６を、表面１３に集光する収束光ではなく、光束１２の径が２００μｍ以上の大きさを有する略平行光として対象物９に照射することにより、対象物９の表面１３に、例えば、皮膚からの産毛もしくは硬毛（直径は１０〜１００μｍ程度）、または直径が百数十μｍ以下の認識しにくい細かいゴミ等が付いていても、対象物９の表面１３に元の半分以上のエネルギーで略平行光である入射光６を照射することができる。なお、光束１２が２００μｍ未満の小さなスポット径の場合は、上記のような障害物に弱いことに加えて、回折拡がりが大きくなる（回折パターンの拡がり角は全幅で０．３度より大）傾向にあるので、略平行光を形成するのは難しくなる。
【００７３】
なお、表面１３で１μｍ以下の大きさに集光する光を入れた場合、ゴミまたは皮膚からの毛が存在する場合には、対象物９の内部には光が入らないので、その場所は測定することができない。
【００７４】
また、対象物９の表面１３で、例えば、２００μｍ〜２０ｍｍの比較的大きいスポット径を有する略平行光を入射することにより、対象物９の内部情報が少なくともその大きさで平均化されるため、診断情報の場所によるばらつきをある程度抑えることができる。
【００７５】
ただし、スポット径が２０ｍｍを越える場合は、略平行光にするためのコリメータレンズ１１のサイズが大きくコストが高くなり、同時に、レーザチップ１０からコリメータレンズ１１までの距離も大きくなり、装置が大型化する。
【００７６】
入射光６は、対象物９の内部に入射した後、内部の組織で散乱されて内部散乱光７となり、同時に吸収も生じるので、図１Ａでは深さｐ（ｐは一般的には数１０ｍｍ程度）まで内部散乱光７が存在するとして図示している。内部散乱光７の光束１２ａのビーム径は、内部奥深くに入るほど散乱が生じるため大きくなる。内部散乱が生じて、反射成分として、表面１３から出てくる反射散乱光８を光検出器２の受光部３で検出し、電気信号に変換する。
【００７７】
本実施の形態にかかる光センシング装置１００は、演算部（図示せず）をさらに備える。受光部３で変換された電気信号は、受光部３と電気的に接続された演算部に送られる。演算部により電気信号の演算処理が行われることにより、対象物９の内部に関する情報が得られる。
【００７８】
例えば、光センシング装置１００を脈拍測定に用いる場合、演算部は、周期的な曲線を有する脈波の極大値等をカウントして、脈拍数に変換する。
【００７９】
また、演算部は、その脈波の周期の均一度を測定し、集中及びリラックスといった精神状態を判定するようにしても良い。この場合、周期の均一度が良い場合、すなわち一定周期である場合は、集中状態または緊張状態にあると判断し、呼吸に合わせて、その均一度が悪くなる場合はリラックス状態にあると判断することができる。
【００８０】
対象物９が生体の場合、距離Ｓ１が小さいほど、Ｘ及びＹ方向に拡がる反射散乱光８がより多く受光部３に入射するため、反射散乱光８の検出パワーが大きくなる。その値は、測定部位及び波長に応じて異なるが、典型的な値は、入射光６のパワーの０．００１〜数％程度である。
【００８１】
光検出器２は、図１Ａおよび図１Ｂに示すように、受光部３と、入射光６が透過する領域４とを含む。
【００８２】
受光部３は、図１Ａに示すように、対象物９と対向するように、光検出器２の対象物９側の面に設けられている。また、受光部３は、図１Ｂに示すように、平面視したときに領域４の回りを取り囲むように配置されている。また、なお、図１Ｂにおいては、受光部３の形状は円形を図示しているが、矩形、楕円、または六角形等の多角形の形状でもよい。
【００８３】
入射光６が透過する領域４は、図１Ｂに示すように、光検出器２を平面視したときに、受光部３の中央部分が開口された領域である。領域４は、位置合わせ誤差を考慮して、例えば、入射光６の光束１２のビーム径ｗより一割以上大きく形成されている。すなわち、領域４のサイズｄ１は、例えば、ｄ１≧１．１ｗである。
【００８４】
受光部３は、例えば、ＰＩＮダイオード（Ｐ−ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ−Ｎ  ｄｉｏｄｅ）の構造を有する、直径ｄ２の大きさのシリコン基板を、ガラス基板等に貼り合わせることにより形成してもよい。受光部３の中央部を、例えば、砥石等で削る方法にて、サイズｄ１の貫通穴を開けることにより、領域４を形成してもよい。
【００８５】
また、光検出器２は、ガラス基板上に、プラズマＣＶＤ法等により、シリコン膜をＰＩＮダイオードの構造になるように堆積し、その後、中央部を、リソグラフィ法により、エッチング処理により取り除き、作製しても良い。この場合は、ガラス基板の中央部が領域４に相当する。
【００８６】
反射散乱光８が対象物９の内部から出てくる表面１３での位置は、概ね、光が入る深さに依存し、内部散乱光７として対象物９の奥深くまで入るほど、入射光６を照射した表面１３の中心位置から離れた場所になる。つまり、内部散乱光７が出てくる表面１３での位置は、概ね、光が入る深さとほぼ同等の半径を有するリング状になる。したがって、受光部３をリング状、もしくはドーナツ状に、領域４を囲むように形成することにより、円周方向においてほぼ均等に出てくる内部からの反射散乱光８をもれなく検出して、信号光量を高めることができる。また、受光部３の外形の形状として円形を図示しているが、矩形、楕円、または六角形等の多角形の形状でもよい。
【００８７】
また、受光部３はリング状に繋がっていることにより、受光効率も良く、配線も簡単になるが、受光部３の形状はこれに限定されない。例えば、図３に示すように、複数の間隔１９（より詳細には、図３に示す８個の間隔１９ａ〜１９ｈ）を放射状に設けて、受光部３が分割された形状（より詳細には、図３に示す受光部３ａ〜３ｈに分割した形状）にしてもよい。すなわち、受光部３は、領域４の周囲において領域４の周方向に分割された複数の受光部３ａ〜３ｈで構成されてもよい。また、このとき、光検出器２は、さらに、受光部３ａ〜３ｈのそれぞれの間に間隔１９ａ〜１９ｈを有してもよい。受光部３ａ〜３ｈは、間隔１９ａ〜１９ｈにより電気的に分離されている。
【００８８】
この構成の場合、受光部３ａ〜３ｈのトータルの受光面積は、複数の領域に分割しない受光部３における受光面積よりも減るが、それぞれの受光部３ａ〜３ｈを個別に演算部に接続することにより、それぞれの受光部３ａ〜３ｈにおける受光量を電気信号に変換して内部情報が得られる。したがって、受光部３ａ〜３ｈが配置された場所それぞれでの対象物９の内部情報が検出できるという効果が生じる。分割数が多いほど、場所情報を細かく検出することができる。
【００８９】
一方、対象物９の表面１３で反射した直接反射光５は、その屈折率に応じて、反射率が決まるが、生体の場合は皮膚の屈折率が、ｎ＝１．４〜１．６であるので反射率が３〜５％程度である。この直接反射光５は、表面１３で折り返してＺ方向に進み、領域４を透過して、レーザチップ１０の方に行ってしまうので、受光部３には入りにくい。
【００９０】
ただし、表面１３が皮膚等の場合で、指紋等の多少の凹凸がある場合には、直接反射光５には斜め方向への反射成分も多少生じる。例えば、直接反射光５の５０％以上は、領域４を透過するように構成してもよい。このようにすると、ノイズ光の光量を半分以下に抑えて、ＳＮ比を倍以上に高めることができる。
【００９１】
例えば、領域４のサイズ（直径）を大きくする、または、受光部３から対象物９の表面１３までの距離Ｓ１を小さくする等の方法により、領域４をＺ方向に透過する直接反射光５の比率を高めることが可能である。
【００９２】
次に、本実施の形態にかかる光センシング装置１００において、入射光６の光軸が対象物９の表面に対して傾いた場合について説明する。
【００９３】
図２Ａに示すように、入射光６は、対象物９の表面１３に入射角θ１で入射し、表面１３からの直接反射光５は、出射角θ２にて反射して、光検出器２の下面に照射される。表面１３が完全にフラットのとき、θ１＝θ２となる。表面１３にラフネスがあればその形状に応じてθ２は拡がりを持つが、光束１２の直径は比較的大きいのでθ２は平均するとθ１に近くなる場合が多い。
【００９４】
対象物９の表面１３に対して、入射光６を垂直に入射させようとしても、角度合わせ誤差が生じて、光軸が、対象物９の表面１３に対して垂直な方向からずれる場合があるが、一般的には、角度合わせ誤差は数°以内から１０°程度である。
【００９５】
図２Ｂに記載したように、例えば、直接反射光５が照射された光検出器２の下面において、直接反射光５の光束１２の中心位置が受光部３の内周の縁上のＡ点に一致する場合では、直接反射光５の５０％程度が領域４を透過する。この位置を、直接反射光５の光軸ずれが許容される限界位置と設定する。光検出器２の厚さは薄いので光検出器２の厚さを無視すると、光束１２がＡ点の位置よりも領域４内に入る条件は、ｄ１／２≧Ｓ１（ｔａｎθ１＋ｔａｎθ２）と求まる。その関係式を満足するように、領域４のサイズｄ１、距離Ｓ１、角度θ１、θ２等のパラメータを決めて装置を構成してもよい。
【００９６】
多くの場合、θ１＝θ２であるので、上記関係式は、ｄ１≧４Ｓ１ｔａｎθ１となる。上記に述べた条件と同様、これらの式から分かることは、領域４のサイズｄ１を大きくする、受光部３から対象物９の表面１３までの距離Ｓ１を小さくする、または、入射角度θ１を０（垂直入射）に近づける等の方法により、領域４を透過する直接反射光５の比率を高めて、ＳＮ比を良くすることが可能である。
【００９７】
例えば、θ１の最大値として、例えば、１０°を設定した場合、ｄ１≧０．７０５Ｓ１となる。例えば、Ｓ１＝１０ｍｍのときｄ１≧７．０５ｍｍ、Ｓ１＝５ｍｍのときｄ１≧３．５ｍｍとなる。このように、測定距離及び角度合わせ誤差に応じて、領域４のサイズｄ１を決めると良い。
【００９８】
また、上述のように光センシング装置１００の構造が決まっている場合、入射光６の対象物９への入射角θ１は、上記式から、θ１≦ｔａｎ−１（ｄ１／（４Ｓ１））と導かれる。つまり、レーザチップ１０は、領域４のサイズをｄ１、受光部３の対象物９に対向する面から対象物９の表面における入射光６の光束の中心までの距離をＳ１としたとき、入射光６の対象物９への入射角θ１がθ１≦ｔａｎ−１（ｄ１／（４Ｓ１））を満たすように、入射光６を対象物９に照射してもよい。したがって、本実施の形態に係る光センシング方法は、入射角θ１がその関係式を満たすように、対象物９に向けて入射光６を出射するステップと、対象物９の内部からの反射散乱光８を検出するステップとを含んでもよい。これにより、反射散乱光８検出のＳＮ比が向上する。
【００９９】
光検出器２の受光部３には、直接反射光５がほとんど入らないようにしてもよい。直接反射光５の受光部３の表面におけるスポット径をｗとしたとき、光束１２が完全に領域４内に入る条件は、ｄ１／２≧ｗ／２＋Ｓ１（ｔａｎθ１＋ｔａｎθ２）の関係式で表される。
【０１００】
多くの場合、θ１＝θ２であるので、上記関係式は、ｄ１≧ｗ＋４Ｓ１ｔａｎθ１となる。この関係式を満足するように各パラメータを決定して光センシング装置１００を構成してもよい。
【０１０１】
また、入射光６の対象物９への入射角θ１は、上記式からθ１≦ｔａｎ−１（（ｄ１−ｗ）／（４Ｓ１））が導かれる。つまり、直接反射光５の、受光部３の表面におけるスポット径をｗとしたとき、入射光６の対象物９への入射角θ１は、θ１≦ｔａｎ−１（（ｄ１−ｗ）／（４Ｓ１））を満たす。よって、本実施の形態に係る光センシング方法は、入射角θ１がこの関係式を満たすように、対象物９に向けて入射光６を出射するステップと、対象物９の内部からの反射散乱光８を検出するステップを含んでもよい。これにより、反射散乱光８検出のＳＮ比がさらに向上する。
【０１０２】
なお、上述した実施の形態では、入射光６の光軸がレーザチップ１０内から出射する際に既に傾いている場合について説明したが、これに限らず、レーザチップ１０から出射する入射光６は傾いていないが、レーザチップ１０自体が対象物９の表面に対して傾いている場合も同様である。
【０１０３】
以上、本実施の形態にかかる光センシング装置１００は、対象物９に照射する光を出射する光源と、光源から対象物９への光軸上に配置された光検出器２とを備えている。光検出器２は、光源から対象物９への光軸上に配置されている。光検出器２は、光源から出射された入射光６が透過する領域４と、領域４を透過した入射光６が対象物９に照射されることにより生じる対象物９の内部からの反射散乱光８を受光し、受光した光を電気信号に変換する受光部３とを含む。
【０１０４】
これにより、入射光６は、光検出器２の領域４を通して、対象物９の表面１３に対し略垂直の方向に入射されるので、入射光６は対象物９の内部により深く侵入することができる。したがって、対象物９の内部からの反射散乱光８を精度よく検出することができる。
【０１０５】
また、対象物９の表面からの直接反射光５を光検出器２の領域４を通過（入射光とは逆方向に透過）させることにより、直接反射光５が受光部３に照射されることを抑制することができる。よって、対象物９の内部からの反射散乱光８を主に検出することができる。
【０１０６】
（実施の形態２）
次に、実施の形態２の光センシング装置について、図４、図５Ａおよび図５Ｂを用いて上記実施の形態１の光センシング装置と異なる点を中心に説明する。図４は、本実施の形態にかかる光センシング装置の構成と、対象物に対して光源からの光を照射し、検出する様子とを示す説明図である。図５Ａは、本実施の形態にかかる光センシング装置において、対象物の表面に対して、入射光の光軸と透明蓋の設置角度とがそれぞれ基準値から傾いた場合の入射光、透明蓋からの直接反射光および対象物からの直接反射光の光線を示す説明図である。図５Ｂは、本実施の形態にかかる光センシング装置において、対象物の表面に対して入射光の光軸と透明蓋の設置角度がそれぞれ基準値から傾いた場合の受光部側の光検出器への透明蓋からの直接反射光の光束の位置および対象物からの直接反射光の光束の位置を示す説明図である。
【０１０７】
なお、図５Ａにおいては、説明を容易にするために、対象物の内部散乱光と反射散乱光は省略し、入射光と２つの直接反射光の進行を示す光線を中心に図示している。
【０１０８】
本実施の形態にかかる光センシング装置１００ａが、実施の形態１にかかる光センシング装置１００と異なる点は、光検出器２２の構成が異なる点と、対象物９が透明蓋１５を具備した容器１４に入っている点である。対象物９としては、具体的には、消費者から見えるような容器に入った生鮮食料品等の食品である。透明蓋１５としては、樹脂製の透明な蓋であってもよいし、いわゆるラップ等、樹脂製の透明フィルムであっても良い。なお、本実施の形態では、透明な蓋も透明フィルムも併せて透明蓋１５と呼ぶ。
【０１０９】
光検出器２２は、図４に示すように、受光部３が、ガラス及び樹脂等の透明基板２０で挟み込むようにシールドされた構造を有している。このような構造にすることにより、受光部３を高い湿度などの環境から保護することができるため、光センシング装置１００ａの耐環境性を向上させることができる。
【０１１０】
図４においては、受光部３から透明蓋１５の中央位置までのＺ方向の距離をＳ３、透明蓋１５の中央位置から対象物９の表面１３までのＺ方向の距離をＳ２で示している。
【０１１１】
図４に示すように、レーザチップ１０から−Ｚ方向に出射された入射光６、透明蓋１５の屈折率がｎ＝１．５〜１．６であり、その表裏の両面で反射が生じるため、透明蓋１５の表面にて、例えば、８〜１０％程度の反射率で反射されて直接反射光１６となる。また、残りの光は、透明蓋１５を透過して対象物９に対して略垂直に入射される。対象物９の内部に入射した光は、対象物９の内部の組織で散乱されて内部散乱光７となる。対象物９の内部から出てくる反射散乱光８は、再び、透明蓋１５にて、例えば、８〜１０％程度の反射率で、直接反射されて透明蓋１５からの直接反射光１７となる。その残りの光は透明蓋１５、透明基板２０を透過して、光検出器２２の受光部３で検出される。
【０１１２】
一方、対象物９の表面１３からの直接反射光５は、その屈折率に応じて、反射率が決まるが、例えば、対象物が生鮮食品の場合、多くは、透明蓋１５の反射率の半分以下である。
【０１１３】
本実施の形態にかかる光センシング装置１００ａの構成では、透明蓋１５から反射してくる直接反射光１６の光量は、一般的には、対象物９の表面１３からの直接反射光５の光量よりもさらに大きくなる（例えば、倍以上）傾向がある。しかし、直接反射光５、１６は、いずれも主に領域４に入射するため、受光部３には、主に、反射散乱光８が入射する。したがって、光センシング装置１００ａでは、ＳＮ比が良い信号が得られる。
【０１１４】
次に、本実施の形態にかかる光センシング装置１００ａにおいて、対象物９の表面１３に対して、入射光６の光軸と透明蓋１５の設置角度とがそれぞれ基準値から傾いた場合について説明する。入射光６の入射角の基準値は、対象物９の表面１３に対して垂直入射（入射角θ１＝０）で、透明蓋１５の設置角度の基準値は、表面１３に対して平行な場合（θ５＝０）である。
【０１１５】
図５Ａに示すように、入射光６は、入射角θ１にて対象物９の表面１３に斜め方向から入射するが、対象物９の表面１３に照射する前に、設置角度θ５で設置した透明蓋１５に入射する。設置角度θ５は、対象物９の表面に対する透明蓋１５の傾き角であり、図５Ａに示すように、透明蓋１５の右側が高い場合を正の方向に符号を取る。そのときの入射角度は、透明蓋１５の垂線に対してθ３（＝θ１＋θ５）としている。出射角はθ４としているが、透明蓋１５は表面がフラットであると近似できるので、θ３＝θ４である。現実的には、θ１及びθ５は、数°から１０°程度になる場合が多い。
【０１１６】
図５Ｂに示すように、例えば、光検出器２２の下面における、透明蓋１５からの直接反射光１６の光束１２のスポットの中心は、受光部３の内周の縁上のＡ点に一致する。光束１２のスポットの中心が受光部３の内周上に位置する場合、対象物９からの直接反射光５および透明蓋１５からの直接反射光１６のおよそ５０％が、領域４を透過するようになる。したがって、光束１２がその位置よりも領域４内に入る条件は、近似的にｄ１／２≧Ｓ３（ｔａｎθ３＋ｔａｎθ４）＝２Ｓ３ｔａｎθ３＝２Ｓ３ｔａｎ（θ１＋θ５）となる。この式を満足するように、領域４のサイズ（直径）ｄ１、受光部３の対象物９に対向する面から透明蓋１５の表面における入射光６の光束の中心までの距離Ｓ３、角度θ１、θ５等のパラメータを決定して装置を構成してもよい。
【０１１７】
上記の式から分かるように、領域４のサイズｄ１を大きくする、または、受光部３から透明蓋１５までのＺ方向の距離Ｓ３を小さくする、角度θ１、θ５を０（垂直入射）に近づける等の方法により、領域４を透過する透明蓋１５からの直接反射光１６の比率を高めて、ＳＮ比を良くすることができる。
【０１１８】
また、光源であるレーザチップ１０は、領域４のサイズをｄ１、受光部３の対象物９に対向する面から透明蓋１５の表面における入射光６の光束の中心までの距離をＳ３、対象物９の表面に対する透明蓋１５の傾き角をθ５としたとき、入射光６の対象物９への入射角θ１がθ１≦ｔａｎ−１（ｄ１／（４Ｓ３））−θ５を満たすように、入射光６を対象物９に照射してもよい。よって、本実施の形態にかかる光センシング方法は、入射光６の対象物９への入射角θ１がその関係式を満たすように、光源によって対象物９に向けて入射光６を出射するステップと、光検出器２２によって対象物９の内部からの反射散乱光８を検出するステップとを含んでもよい。
【０１１９】
さらに、光検出器２２の受光部３に、透明蓋１５からの直接反射光１６がほとんど入らないようにしてもよい。直接反射光１６の受光部３の表面におけるスポット径をｗとしたとき、光束１２が完全に領域４内に入る条件は、ｄ１／２≧ｗ／２＋Ｓ３（ｔａｎθ１＋ｔａｎθ２）となる。
【０１２０】
多くの場合、θ１＝θ２であるので、上記関係式は、ｄ１≧ｗ＋４Ｓ３ｔａｎθ１となる。
【０１２１】
それを満足するように、パラメータを決めて装置を構成してもよい。対象物９の内部からの反射散乱光８検出のＳＮ比がさらに向上する。
【０１２２】
また、本実施の形態に係る光センシング方法は、入射光６が透明蓋１５の表面で反射された直接反射光１６の、受光部３の表面におけるスポット径をｗとしたとき、入射光６の対象物９への入射角θ１が、θ１≦ｔａｎ−１（（ｄ１−ｗ）／（４Ｓ３））−θ５を満たすように、光源によって対象物９に向けて入射光６を出射するステップと、光検出器２２によって対象物９の内部からの反射散乱光８を検出するステップとを含んでもよい。
【０１２３】
次に、対象物９の表面１３からの直接反射光５について検討する。例えば、光検出器２２の下面における、対象物９の表面１３からの直接反射光５の光束１２のスポットの中心がＡ点、すなわち、受光部３の内周の縁上に位置する場合には、直接反射光５のおよそ５０％が、領域４を透過するようになる。したがって、光束１２がその位置よりも領域４内に配置される条件は、近似的に、ｄ１／２≧（Ｓ２＋Ｓ３）（ｔａｎθ１＋ｔａｎθ２）となる。この関係式を満足するように、領域４のサイズｄ１、距離Ｓ２、Ｓ３、角度θ１、θ２のパラメータを決めて装置を構成してもよい。なお、表面１３がフラットな場合は、ｄ１≧４（Ｓ２＋Ｓ３）ｔａｎθ１となる。
【０１２４】
上記の式から、領域４のサイズｄ１を大きくする、受光部３から対象物９の表面１３までのＺ方向の距離Ｓ２＋Ｓ３を小さくする、または、入射角度θ１を０（垂直入射）に近づける等の方法により、領域４を透過する直接反射光５の比率を高めて、ＳＮ比を良くすることが可能であることが分かる。
【０１２５】
本実施の形態にかかる光センシング装置１００ａでは、直接反射光５、１６が受光部３になるべく入らないようにするため、上記２つの式を同時に満足するように、光センシング装置を構成してもよい。
【０１２６】
以上、本実施の形態にかかる光センシング装置１００ａによると、透明蓋１５に覆われた対象物９に対しても、対象物９からの直接反射光５だけで無く、透明蓋１５からの直接反射光１６も、光検出器２２の領域４を通過させることにより、対象物９の内部からの反射散乱光８を受光部３により良好なＳＮ比で検出することができる。
【０１２７】
また、光検出器２２は、受光部３が、ガラス及び樹脂等の透明基板２０で挟み込むようにシールドされた構造を有していてもよい。このような構造にすることにより、受光部３を高い湿度などの環境から保護することができるため、光センシング装置１００ａの耐環境性を向上することができる。
【０１２８】
（実施の形態３）
次に、実施の形態３にかかる光センシング装置について、図６Ａおよび図６Ｂを用いて上記実施の形態１の光センシング装置と異なる点を中心に説明する。図６Ａは本実施の形態にかかる光センシング装置の構成と、対象物に対して光源からの光を照射し、検出する様子とを示す説明図、図６Ｂは本実施の形態にかかる光センシング装置における受光部側の光検出器の構成図である。
【０１２９】
本実施の形態にかかる光センシング装置１００ｂが実施の形態１の光センシング装置１００と異なる点は、光源として、第１波長の光を出射するレーザチップ１０ａ、及び第２波長の光を出射するレーザチップ１０ｂを備え、一波長ずつ対象物９に照射して反射散乱光８ａを受光してそれぞれ電気信号に変換し、それらの変換した信号を演算することによって、情報を得る点である。
【０１３０】
図６Ａに示すように、筐体３１内に、２つのレーザチップ１０ａ、１０ｂがＹ方向に並べられて配置されている。本実施の形態にかかる光センシング装置１００ｂは、波長が異なる光を例えば生体に照射することにより、生体情報を得ることができる。一例として、光センシング装置１００ｂは、酸化（または酸素化）ヘモグロビンと還元（または脱酸素化）ヘモグロビンとでは吸収される光の波長が異なることを利用して、血液中の酸素飽和度などの生体情報を得ることができる。
【０１３１】
具体的には、λ１＝６６０ｎｍ、λ２＝８３０ｎｍの２波長において、酸化ヘモグロビンと還元ヘモグロビンとで吸収される光の吸収量がそれぞれ異なる。したがって、それぞれの波長で吸収された電気信号を演算することにより、例えば、対象物９が生体の皮膚の場合、血液中における酸素飽和度が測定できる。
【０１３２】
また、対象物９が生体の頭部の額領域では、前頭葉における脳血流の変化量、並びに酸化ヘモグロビン及び還元ヘモグロビンの濃度変化量が測定でき、感情等の情報のセンシングが可能である。例えば、集中状態では、脳血流の増加、酸化ヘモグロビン量の増加等が生じる。特に、対象物９が頭部の場合は、頭蓋骨での光の減衰が大きいため、内部からの反射散乱光８ａの強度が弱く（例えば、入射パワーの１０−３〜１０−６倍）、表面１３からの直接反射光５ａ、５ｂが大きなノイズ源となるが、本実施の形態にかかる光センシング装置１００ｂは、表面１３からの直接反射光５ａ、５ｂの影響を低減することができる。
【０１３３】
波長の組み合わせは色々可能であり、例えば、波長が８０５ｎｍにおいて、酸化ヘモグロビンと還元ヘモグロビンの吸収量が等しくなるので、８０５ｎｍ未満の波長と、８０５ｎｍより大きい波長との組み合わせであってもよい。また、その２波長に加えて、８０５ｎｍの波長の３波長を用いることもできる。３波長の場合は、演算部での演算を簡素化することができる。
【０１３４】
また、図６Ｂに示すように、光検出器３２において、領域３４は、光源であるレーザチップ１０ａ、１０ｂを並べた方向（Ｙ方向）に長軸を有する楕円形状である。受光部３３をこのような楕円形状にすることにより、入射光６ａ、６ｂの光束と受光部３３とのスペースを、Ｘ方向、Ｙ方向とも同等に取ることができる。これにより、レーザチップ１０ａ、１０ｂからの光の照射による直接反射光５ａ、５ｂは、領域３４を透過するので、受光部３３で受光された光から生成される電気信号について、ＳＮ比の劣化を抑えることができる。また、受光部３３もＹ方向に長軸を有する楕円形状としてもよい。
【０１３５】
（変形例）
対象物９が生体の頭部の額領域の場合、上記に述べたように、反射散乱光８の強度が弱い。一方、額表面および額の皮膚からの直接反射光５ａ、５ｂは散乱成分も含んでいるため、直接反射光５ａ、５ｂには受光部３３に入り込む成分が存在する。これにより、対象物９が生体の頭部の額領域である場合、ＳＮ比が劣化する傾向がある。
【０１３６】
本実施の形態の変形例に係る光センシング装置は、レーザチップ１０ａ、１０ｂをパルス状に発光させる駆動回路（図示せず）をさらに備える。この駆動回路は、レーザチップ１０ａ、１０ｂから、例えば、パルス幅が１００ピコ秒から数１０ナノ秒程度のパルス光が交互に出射するように、レーザチップ１０ａ、１０ｂを駆動する。
【０１３７】
入射光６ａ、６ｂをパルス光とすることにより、直接反射光５ａ、５ｂと対象物９の内部からの反射散乱光８ａとが受光部３３に到達する時間差を利用して、受光部３３で得られた電気信号の中から、直接反射光５ａ、５ｂに起因する電気信号を除去することができる。これにより、ＳＮ比を向上させることが可能である。
【０１３８】
例えば、前頭葉の脳血流を検出する場合について具体的に述べる。脳血流の情報を有する反射散乱光８ａは、脳に入射した光が脳内で反射、散乱することにより生じた光であるため、直接反射光５ａ、５ｂとの間に光路差がある。よって、反射散乱光８ａは、直接反射光５ａ、５ｂに比べて、受光部３３に到着する時刻が、例えば、典型的には４ナノ秒程度遅れる。そこで、直接反射光５ａ、５ｂが受光部３３に到着してから、例えば、４ナノ秒後に得られた電気信号を受光部３３から取り出すことにより、得られた電気信号から直接反射光５ａ、５ｂの成分を低減し、ＳＮ比を向上させることができる。
【０１３９】
パルス光のパルス幅は１ナノ秒以上であってもよい。このようにすると、レーザチップ１０ａ、１０ｂを駆動する駆動回路を簡易な構成にすることができる。また、パルス光のパルス幅は２０ナノ秒以下であってもよい。このようにすると、直接反射光５ａ、５ｂと反射散乱光８ａとを容易に分離することができる。
【０１４０】
（実施の形態４）
次に、実施の形態４にかかる光センシング装置について、図７Ａおよび図７Ｂを用いて、実施の形態１の光センシング装置と異なる点を中心に説明する。図７Ａは、本実施の形態にかかる光センシング装置１００ｃの構成と、対象物に対して光源からの光を照射し、検出する様子とを示す説明図である。図７Ｂは、本実施の形態にかかる光センシング装置における受光部側の光検出器の構成図である。
【０１４１】
本実施の形態にかかる光センシング装置１００ｃが、実施の形態１にかかる光センシング装置１００と異なる点は、本実施の形態にかかる光検出器４２が、複数の受光部４３ａ、４３ｂを有する点である。
【０１４２】
図７Ａおよび図７Ｂに示すように、光検出器４２には、実施の形態１に示した光検出器２と同様、中央部分に、入射光６が透過する領域４が設けられている。そして、受光部は、領域４の周囲において領域４の径方向に分割された複数の受光部４３ａ、４３ｂで構成されている。また、光検出器４２は、さらに、受光部４３ａ、４３ｂの間に間隔４５を有している。受光部４３ａ、４３ｂは、間隔４５により電気的に絶縁されている。
【０１４３】
すなわち、光検出器４２には、領域４を囲む周囲に、リング状（同心円状）の受光部４３ａが設けられている。また、受光部４３ａを囲む周囲には、受光感度の無い領域であるリング状の間隔４５が設けられている。さらに、間隔４５の周囲には、受光部４３ｂが設けられている。このように、光検出器４２は、間隔４５により電気的に絶縁された２つの受光部４３ａ、４３ｂを有している。受光部４３ａ、４３ｂで受光された受光量は、それぞれ電気信号として算出される。
【０１４４】
反射散乱光８が対象物９の内部から出てくる表面１３での位置は、概ね、光が入る深さとほぼ同等の半径を有するリング状になるので、光検出器４２は、電気的に絶縁された複数の受光部を用いることにより、深さ方向の情報を複数に分けて検出することができる。例えば、半径の小さい受光部４３ａは小さな半径程度の深さの情報、半径の大きい受光部４３ｂは大きな半径程度の深さ方向の情報を得ることが可能になる。
【０１４５】
また、演算部（図示せず）において、それらの情報の差分及び加算処理等の演算を行うことにより、さらなるノイズ成分を除去してＳＮ比を向上させることができる。例えば、対象物９が生体である場合、半径の大きい受光部４３ｂにより得られた情報から、半径の小さい受光部４３ａにより得られた情報に適切な比例係数を乗算し、差し引くことにより、表面血流に基づくノイズ成分を低減することができる。
【０１４６】
なお、上述した実施の形態では、受光部が２つの領域、すなわち受光部４３ａ、４３ｂに分割されているとしたが、受光部は３つ以上に分割しても良い。そのときは、半径が異なる複数のリング状の間隔４５を、同心円状に配置する構成にして、さらに細かく、深さ方向の情報を得ることが可能になる。
【０１４７】
受光部が３つ以上に分割されている場合も、受光部が２つに分割されている場合と同様に、演算部において、複数の受光部からの情報を演算することより、ＳＮ比を向上させることができる。
【０１４８】
（実施の形態５）
次に、実施の形態５に係る光センシング装置について、図７Ｃおよび図７Ｄを用いて、実施の形態３の光センシング装置と異なる点を中心に説明する。図７Ｃは本実施の形態にかかる光センシング装置の構成と、対象物に対して光源からの光を照射し、検出する様子とを示す説明図、図７Ｄは本実施の形態にかかる光センシング装置における受光部側の光検出器の構成図である。
【０１４９】
本実施の形態にかかる光センシング装置１００ｄが実施の形態３の光センシング装置１００ｂと異なる点は、緩やかに曲げることが可能なフレキシブル基板２１に、光検出器５２と、光源である面発光レーザチップ６０、７０とが配置されている点である。
【０１５０】
フレキシブル基板２１上に、面発光レーザチップ６０、７０と光検出器５２とを設けることにより、緩やかに曲げることができる光センシング装置１００ｄを実現することができる。例えば、布に光センシング装置１００ｄを取り付けることにより、光センシング装置１００ｄを付け心地の良いウエアラブル型の生体センシング装置として用いることができる。
【０１５１】
例えば、頭部に装着可能な帯状の布に光センシング装置１００ｄを取り付けると、脳内血流のセンシングが可能なウエアラブル型光センシング装置となる。光センシング装置１００ｄの透明基板２０が額に接触するか、もしくは数ｍｍ程度に近接するように、その帯状の布を頭部に装着することにより、脳内血流のセンシングを行うことができる。
【０１５２】
本実施の形態では、光源として、複数の面発光レーザチップ６０、７０を、電気配線を具備した、例えば、ポリイミドのフレキシブル基板２１上にＹ方向に並べている。面発光レーザチップを用いることにより、光源を薄く、すなわちＺ方向のサイズを縮小することができる。また、コリメータレンズ１１を回折型レンズまたはフレネルレンズにすることにより、コリメータレンズ１１を薄くすることができる。
【０１５３】
フレキシブル基板２１と面発光レーザチップ６０、７０との間に、電気的絶縁性を有するヒートシンク膜、例えば、グラファイト膜とＳｉＯ２等の酸化膜とを組み合わせた膜を設けてもよい。このようにすると、光センシング装置１００ｄの放熱が容易になる。
【０１５４】
受光部５３を、例えば、アモルファスＳｉ、ポリＳｉ、有機ＥＬ等の薄膜材料で形成することにより、柔軟性を有する受光部を得ることができる。
【０１５５】
また、フレキシブル基板２１上に、金属薄膜で電気配線を形成し、ポリマー電池などの薄型の電池も配置することにより、電池駆動可能なウエアラブル型光センシング装置を実現することができる。
【０１５６】
以上、実施の形態１〜５および変形例によると、対象物の表面からの直接反射光、及びラップまたは透明蓋がある場合でもそれらからの直接反射光を低減し、情報の多い内部からの反射散乱光を良好に検出する光センシング装置を実現することができる。
【０１５７】
なお、本開示はこれらの実施の形態に限定されるものではなく、それぞれの実施の形態の光センシング装置との構成を組み合わせた光センシング装置及び光センシング方法も本開示に含まれ、同様の効果を奏することができる。
【０１５８】
例えば、上述した光検出器は、受光部が、ガラス及び樹脂等の透明基板で挟み込むようにシールドされた構造を有していてもよい。このような構造にすることにより、受光部を高い湿度などの環境から保護することができるため、光センシング装置の耐環境性を向上することができる。
【０１５９】
また、受光部を複数の領域に分割する場合、受光部は、入射光が透過する領域の周囲において、その領域の周方向に放射状に分割されてもよいし、その領域の周囲において、その領域の径方向にリング状に分割されてもよい。
【０１６０】
受光部を放射状に分割する場合には、分割する領域の数は上述した数に限らず適宜変更してもよい。このとき、隣接する２つの受光部間の間隔の数も適宜変更してもよい。受光部の数を増加することにより、さらに細かく面内方向の生体情報を得ることができる。
【０１６１】
受光部をリング状に分割する場合には、上述したように２つの領域に限らず、３つ以上の領域に分割しても良い。受光部の数を増加することにより、さらに細かく深さ方向の生体情報を得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【０１６２】
本開示にかかる光センシング装置及び光センシング方法によれば、脈拍、血流および酸素飽和度等の生体情報を取得する医療器具、および、食品の鮮度または保存状態を検出する検査装置等への利用が可能である。
【符号の説明】
【０１６３】
１、３１  筐体
２、２２、３２、４２、５２、５０２  光検出器
３、３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆ、３ｇ、３ｈ、３３、４３ａ、４３ｂ、５３、５０３  受光部
４、３４  領域
５、５ａ、５ｂ、１６、１７、５０５  直接反射光
６、６ａ、６ｂ、５０６  入射光
７、５０７  内部散乱光
８、８ａ、５０８  反射散乱光
９、５０９  対象物
１０、１０ａ、１０ｂ  レーザチップ
１１  コリメータレンズ
１２、１２ａ  光束
１３、５１３、５１３ａ  表面
５１３ｂ  裏面
１４、５１４  容器
１５、５１５  透明蓋
５１８  透過散乱光
１９、１９ａ、１９ｂ、１９ｃ、１９ｄ、１９ｅ、１９ｆ、１９ｇ、１９ｈ、４５  間隔
２０  透明基板
１００、１００ａ、１００ｂ、１００ｃ、１００ｄ、５００  光センシング装置
６０、７０  面発光レーザチップ
５０１  光源
【図１Ａ】
2016206175.tif 000003
【図１Ｂ】
2016206175.tif 000004
【図２Ａ】
2016206175.tif 000005
【図２Ｂ】
2016206175.tif 000006
【図３】
2016206175.tif 000007
【図４】
2016206175.tif 000008
【図５Ａ】
2016206175.tif 000009
【図５Ｂ】
2016206175.tif 000010
【図６Ａ】
2016206175.tif 000011
【図６Ｂ】
2016206175.tif 000012
【図７Ａ】
2016206175.tif 000013
【図７Ｂ】
2016206175.tif 000014
【図７Ｃ】
2016206175.tif 000015
【図７Ｄ】
2016206175.tif 000016
【図８Ａ】
2016206175.tif 000017
【図８Ｂ】
2016206175.tif 000018
【図９】
2016206175.tif 000019
【図１０】
2016206175.tif 000020