光学传感器、光学测试设备以及光学特性检测方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种光学传感器、光学测试设备以及光学特性检测方法，并且更具体 地，涉及一种包括用于将光照射到测试的对象的照射系统和检测从照射系统所照射的并且 传播穿过测试的对象的光的检测系统的光学传感器、包括该光学传感器的光学测试设备以 及使用该光学测试设备的光学特性检测方法。
【背景技术】
[0002] 已知下述活体光学测量设备:该活体光学测量设备将光照射到测试的对象(活体） 上，并且检测传播穿过测试的对象的光(参见例如专利文献1)。
[0003] 在活体光学测量设备中，为了实现更高的分辨率，使得被附接至测试的对象的多 个探头之间的间距很窄。
【发明内容】
[0004] 本发明要解决的问题
[0005] 然而，在专利文献1中所公开的活体光学测量设备中，多个探头的密度(每单位面 积的探头数量)增加，使得探头到测试的对象的附接性能明显地受到妨碍。
[0006] 解决问题的手段
[0007] 根据本发明的一个方面，一种光学传感器包括:照射系统，包括至少一个光照射器 以将光照射到测试的对象上；以及检测系统，检测从照射系统所照射的并且在测试的对象 中所传播的光。此外，光照射器将非平行的多个光束照射到测试的对象的相同位置上。
[0008] 本发明的效果
[0009] 根据本发明的一个方面，可以变为能够获得更高的分辨率而不使得到测试的对象 的附接执行退化。
【附图说明】
[0010] 图1是示出了根据本发明的第一实施例的光学测试设备的示意配置的图；
[0011]图2是示出了用于模体(phantom)的水箱的图；
[0012] 图3是示出了透明窗口的布局的图；
[0013] 图4是示出了根据示例1的光源模块的示意配置的第一图；
[0014] 图5是示出了根据示例1的检测模块的示意配置的图；
[0015] 图6是示出了根据示例1的光源模块的示意配置的第二图；
[0016] 图7是示出了活体中的传播角度的图；
[0017] 图8是示出了测量测试的对象中的信息的方法的流程图；
[0018]图9是与逆问题（inverse problem)估计算法有关的流程图；
[0019] 图10是指示光电二极管(PD)中的灵敏度分布的第一图；
[0020] 图11是指示ro中的灵敏度分布的第二图；
[0021] 图12是示出了活体中的传播角度的图；
[0022] 图13A是示出了光吸收体的实际位置的图；
[0023]图13B是示出了光吸收体的位置的估计结果的图；
[0024] 图13C是示出了对比例中光吸收体的位置的估计结果的图；
[0025] 图14A是示出了移动之后光吸收体的实际位置的图；
[0026] 图14B是示出了移动之后光吸收体的位置的估计结果的图；
[0027] 图14C是示出了对比例中光吸收体的位置的估计结果的图；
[0028] 图15是示出了根据第二实施例的光学传感器中的多个光源模块和多个检测模块 的布局的图；
[0029] 图16是示出了根据示例2的光源模块的示意配置的第一图；
[0030] 图17是示出了表面发射激光器阵列芯片的图；
[0031] 图18是示出了根据第一实施例的光源模块的示意配置的第二图；
[0032]图19是示出了根据第一实施例的光源模块的示意配置的第三图；
[0033] 图20是示出了根据第一实施例的光源模块的示意配置的第四图；
[0034] 图21是通过光学模拟器光学地设计的光线图；
[0035]图22是示出了根据第一实施例的光学模拟的结果的图；
[0036]图23是示出了根据对比例的光学模拟的结果的图；
[0037]图24A是示出了根据对比例的光学传感器的操作的图；
[0038] 图24B是示出了根据第一实施例的光学传感器的操作的图；
[0039] 图25是示出了从空气到活体的入射角度与活体传播角度之间的关系的图表；
[0040] 图26是示出了从树脂到活体的入射角度与活体传播角度之间的关系的图表；
[0041] 图27是示出了根据示例2的检测模块的示意配置的第一图；
[0042]图28是示出了根据示例2的检测模块的示意配置的第二图；
[0043]图29是示出了根据示例2的检测模块的示意配置的第三图；
[0044] 图30是根据示例2的光学特性检测方法(位置测量方法)的流程图；
[0045] 图31是示出了根据示例2的逆问题估计的估计结果的图；
[0046] 图32是示出了根据第一实施例的光学传感器的操作的图；
[0047] 图33是根据第二实施例的光学特性检测方法(位置测量方法)的流程图；
[0048]图34是示出了根据第三实施例的光学传感器中的多个光源模块和多个检测模块 的布局的图；
[0049] 图35是示出了根据对比例的光学传感器中的光源模块的照射方向和检测传感器 的检测方向的图；
[0050] 图36A是示出了四组根据第四实施例的表面发射激光器阵列芯片的照射方向的 图；
[0051] 图36B是示出了根据第四实施例的ro阵列的四个ro检测方向的图；
[0052] 图37是示出了根据第四实施例的光学传感器中的光源模块的照射方向和检测传 感器的检测方向的图；
[0053]图38是示出了控制部的配置的框图；以及 [0054]图39是示出了计算部的配置的框图。
【具体实施方式】
[0055] 第一实施例
[0056] 下面，参考图1至图32来描述本发明的第一实施例。图1示出了根据第一实施例的 光学测试设备100的示意配置。
[0057] 作为示例，光学测试设备100被用于扩散光学层析成像（Diffuse Optical Tomography，DOT)中。DOT指代下述技术:在该技术中，例如，光被照射到诸如活体的测试的 对象(散射体)上，并且在测试的对象中所传播的光被检测，使得测试的对象的光学特性被 估计。特别地，DOT被期望通过检测脑部中的血流来用于协助抑郁症的鉴别诊断 (differential diagnosis)并且用作辅助组件。在DOT中，当分辨率提高时，其变为能够更 详细地识别出脑部功能。由于这个原因，许多研究机构一直在积极地进行针对提高分辨率 的研究。
[0058] 如图1中所示，光学测试设备100包括光学传感器10、控制部、显示部、计算部等。光 学传感器10包括具有多个发光部的光源模块LM以及检测模块DM。控制部具有如图38中所示 的配置。在控制部中，开关部基于来自中央处理单元(A-1)的信息被控制，使得要照射的LM 被选择。在这种情况下，经由开关部要被供给到光源模块LM的电流被电流控制部控制，以被 设定为期望的值。检测模块DM中的检测结果(数据)被A/D转换，使得诸如平均处理的计算被 算术部(A-2)执行。算术结果被顺序地记录在记录部(A-3)中。
[0059] 在说明中，当光源模块LM与检测模块DM未被彼此区分时，可以使用术语"探头"。此 外，在说明中，适当地使用术语"伪(pseudo)活体"、"活体"以及"测试的对象"。然而，注意， "伪活体"和"活体"是"测试的对象"的示例。
[0060] 光学传感器10可以通常地被用作检测测试的对象中的光吸收体的传感器。然而， 具有最高的实用价值的测试的对象为活体。然而，通过使用光学传感器不总是容易检测活 体中的血流(光吸收体）的位置，使得当活体是测试的对象时，难以确保光学传感器10的效 果(检测精度）。
[0061] 关于这点，根据此实施例，作为水箱中所包含的混浊液体的伪活体(在下文中，还 可以被称为"模体"）被用作测试的对象，对于其容易确保检测精度。
[0062]下面，描述此实施例中的示例1。
[0063] 示例 1
[0064] 在示例1中，采用下述方法:在该方法中，通过棱镜对来自发光部的光束进行偏转， 使得光束的入射角彼此不同。
[0065]这里，如图2中所示，在包括由黑色亚克力板制成的壁的水箱的一个侧表面(+Z方 向上的壁)上提供由透明亚克力板制成的透明窗口。在水箱内部填充有脂肪乳剂水溶液(用 水稀释的10%浓度的脂肪乳剂）。即，在示例1中所使用的伪活体是脂肪乳剂水溶液。
[0066]黑色墨水被滴入填充水箱的脂肪乳剂水溶液中，使得黑色墨水为近似20ppm以便 获得与活体的吸收系数和散射系数基本上相同的吸收系数和散射系数。然后，模拟血流的、 具有黑色颜色的光吸收体被浸入白色的脂肪乳剂水溶液。这里，假定光吸收体是具有近似 5mm直径的黑色球形对象，诸如黑色聚醛树脂。为了控制球形对象的位置，球形对象被固定 到连接到自动台（stage)的、具有1mm直径的薄金属棒(bar)。透明窗口上的探头的位置被精 确地确定，使得探头被附接至透明窗口。
[0067] 这里，水箱的体积(大小）为140mm X 140mm X 60mm。黑色亚克力板的厚度为4mm。八 个透明窗口包括彼此具有不同大小的两个类型的圆形透明窗口 A和B。透明窗口 A和透明窗 口 B两者的数量为四。透明窗口 A的直径为9mm，而透明窗口 B的直径为12mm。透明窗口 A和透 明窗口B两者的厚度为1.5mm。
[0068]图3示出了八个透明窗口的布局。这个八个窗口按照点阵方式布置，使得透明窗口 A和透明窗口 B被布置为在Y轴和Y轴方向上以相同的距离彼此紧邻。这里，透明窗口 A配备有 相应的检测模块DM，而透明窗口 B(B1至B4)配备有相应的光源模块LM。相邻透明窗口的中心 之间的距离为30mm。
[0069]如图4中所不，光源模块LM包括:透镜、棱镜、在其中安装有表面发射激光器阵列芯 片的陶瓷封装(未示出）、在其中安装有陶瓷封装和模拟电子电路的柔性印刷电路板(未示 出）、连接到柔性印刷电路板的接线和连接器部(未示出）、包含这些元件的壳体、由透明树 脂制成的要与测试的对象接触的窗口构件，等等。在光源模块LM中，电源部(未示出）控制电 流值使得发光部的光量可以被维持为恒定。在窗口构件从+Z侧与测试的对象(透明窗口 B) 接触的同时，光源模块LM被安装。
[0070] 如图5中所示，检测模块DM包括由黑色树脂制成的壳体、附接在壳体的上端(在-Z 侧的边缘处)的并且由弹性体制成的接触构件、在壳体中所包含的并且具有3mm的直径的半 球形透镜(对切透镜(split lens)、四分(four divided)光电二极管(按照阵列方式布置的 四个光电二极管(PD))，等等。孔径(aperture)(开口）形成在壳体的边缘处并且形成在接触 构件中。在接触构件从+Z侧与测试的对象(透明窗口 A)接触的同时，检测模块DM被安装。在 图5中，仅示出了四个ro(光接收部）中的两个。
[0071] 对切透镜被布置在孔径的+Z侧，使得从光源模块LM所照射的并且在测试的对象中 所传播的光经由孔径入射在对切透镜上，在与入射位置和入射角度相对应的方向上被折射 并且被发射(透射)进入对切透镜(参见图5)。
[0072] 四分光电二极管被布置在对切透镜的+Z侧。通过对切透镜的光根据行进方向（从 对切透镜起的发射(透射)方向）入射在四个光接收部(PD)中的任一个上。通过这样做，在检 测模块DM中，变为能够将从测试的对象入射的光分类为四个角度范围。
[0073] 控制部检测被安装在透明窗口 A上的检测模块DM的四个光接收部(PD)的光接收量 (即，16个ro的总计光接收量），通过使用运算放大器将光接收量转换为相应的电压值，以及 将电压值存储在记录部中。以lms的采样速率来检测数据，并且对20s的测量值进行平均。在 单个的测量中，16个ro的数据被获取。
[0074]接下来，描述光源模块LM的详情。光源模块LM的光源采用40通道的表面发射激光 器阵列芯片，即，具有40个垂直腔表面发射激光器(VCSEL)的表面发射激光器阵列芯片。
[0075]在从表面发射激光器阵列芯片起的光路上，布置有具有3mm的直径的透镜，使得光 基本上对应于来自透镜的平行光(参见图6)。表面发射激光器阵列芯片的发射