光學(xué)傳感器、光學(xué)測(cè)試設(shè)備以及光學(xué)特性檢測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種光學(xué)傳感器、光學(xué)測(cè)試設(shè)備以及光學(xué)特性檢測(cè)方法，并且更具體 地，涉及一種包括用于將光照射到測(cè)試的對(duì)象的照射系統(tǒng)和檢測(cè)從照射系統(tǒng)所照射的并且 傳播穿過測(cè)試的對(duì)象的光的檢測(cè)系統(tǒng)的光學(xué)傳感器、包括該光學(xué)傳感器的光學(xué)測(cè)試設(shè)備以 及使用該光學(xué)測(cè)試設(shè)備的光學(xué)特性檢測(cè)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 已知下述活體光學(xué)測(cè)量設(shè)備:該活體光學(xué)測(cè)量設(shè)備將光照射到測(cè)試的對(duì)象(活體） 上，并且檢測(cè)傳播穿過測(cè)試的對(duì)象的光(參見例如專利文獻(xiàn)1)。
[0003] 在活體光學(xué)測(cè)量設(shè)備中，為了實(shí)現(xiàn)更高的分辨率，使得被附接至測(cè)試的對(duì)象的多 個(gè)探頭之間的間距很窄。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明要解決的問題
[0005] 然而，在專利文獻(xiàn)1中所公開的活體光學(xué)測(cè)量設(shè)備中，多個(gè)探頭的密度(每單位面 積的探頭數(shù)量)增加，使得探頭到測(cè)試的對(duì)象的附接性能明顯地受到妨礙。
[0006] 解決問題的手段
[0007] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，一種光學(xué)傳感器包括:照射系統(tǒng)，包括至少一個(gè)光照射器 以將光照射到測(cè)試的對(duì)象上；以及檢測(cè)系統(tǒng)，檢測(cè)從照射系統(tǒng)所照射的并且在測(cè)試的對(duì)象 中所傳播的光。此外，光照射器將非平行的多個(gè)光束照射到測(cè)試的對(duì)象的相同位置上。
[0008] 本發(fā)明的效果
[0009] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，可以變?yōu)槟軌颢@得更高的分辨率而不使得到測(cè)試的對(duì)象 的附接執(zhí)行退化。
【附圖說明】
[0010] 圖1是示出了根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的光學(xué)測(cè)試設(shè)備的示意配置的圖；
[0011]圖2是示出了用于模體(phantom)的水箱的圖；
[0012] 圖3是示出了透明窗口的布局的圖；
[0013] 圖4是示出了根據(jù)示例1的光源模塊的示意配置的第一圖；
[0014] 圖5是示出了根據(jù)示例1的檢測(cè)模塊的示意配置的圖；
[0015] 圖6是示出了根據(jù)示例1的光源模塊的示意配置的第二圖；
[0016] 圖7是示出了活體中的傳播角度的圖；
[0017] 圖8是示出了測(cè)量測(cè)試的對(duì)象中的信息的方法的流程圖；
[0018]圖9是與逆問題（inverse problem)估計(jì)算法有關(guān)的流程圖；
[0019] 圖10是指示光電二極管(PD)中的靈敏度分布的第一圖；
[0020] 圖11是指示ro中的靈敏度分布的第二圖；
[0021] 圖12是示出了活體中的傳播角度的圖；
[0022] 圖13A是示出了光吸收體的實(shí)際位置的圖；
[0023]圖13B是示出了光吸收體的位置的估計(jì)結(jié)果的圖；
[0024] 圖13C是示出了對(duì)比例中光吸收體的位置的估計(jì)結(jié)果的圖；
[0025] 圖14A是示出了移動(dòng)之后光吸收體的實(shí)際位置的圖；
[0026] 圖14B是示出了移動(dòng)之后光吸收體的位置的估計(jì)結(jié)果的圖；
[0027] 圖14C是示出了對(duì)比例中光吸收體的位置的估計(jì)結(jié)果的圖；
[0028] 圖15是示出了根據(jù)第二實(shí)施例的光學(xué)傳感器中的多個(gè)光源模塊和多個(gè)檢測(cè)模塊 的布局的圖；
[0029] 圖16是示出了根據(jù)示例2的光源模塊的示意配置的第一圖；
[0030] 圖17是示出了表面發(fā)射激光器陣列芯片的圖；
[0031] 圖18是示出了根據(jù)第一實(shí)施例的光源模塊的示意配置的第二圖；
[0032]圖19是示出了根據(jù)第一實(shí)施例的光源模塊的示意配置的第三圖；
[0033] 圖20是示出了根據(jù)第一實(shí)施例的光源模塊的示意配置的第四圖；
[0034] 圖21是通過光學(xué)模擬器光學(xué)地設(shè)計(jì)的光線圖；
[0035]圖22是示出了根據(jù)第一實(shí)施例的光學(xué)模擬的結(jié)果的圖；
[0036]圖23是示出了根據(jù)對(duì)比例的光學(xué)模擬的結(jié)果的圖；
[0037]圖24A是示出了根據(jù)對(duì)比例的光學(xué)傳感器的操作的圖；
[0038] 圖24B是示出了根據(jù)第一實(shí)施例的光學(xué)傳感器的操作的圖；
[0039] 圖25是示出了從空氣到活體的入射角度與活體傳播角度之間的關(guān)系的圖表；
[0040] 圖26是示出了從樹脂到活體的入射角度與活體傳播角度之間的關(guān)系的圖表；
[0041] 圖27是示出了根據(jù)示例2的檢測(cè)模塊的示意配置的第一圖；
[0042]圖28是示出了根據(jù)示例2的檢測(cè)模塊的示意配置的第二圖；
[0043]圖29是示出了根據(jù)示例2的檢測(cè)模塊的示意配置的第三圖；
[0044] 圖30是根據(jù)示例2的光學(xué)特性檢測(cè)方法(位置測(cè)量方法)的流程圖；
[0045] 圖31是示出了根據(jù)示例2的逆問題估計(jì)的估計(jì)結(jié)果的圖；
[0046] 圖32是示出了根據(jù)第一實(shí)施例的光學(xué)傳感器的操作的圖；
[0047] 圖33是根據(jù)第二實(shí)施例的光學(xué)特性檢測(cè)方法(位置測(cè)量方法)的流程圖；
[0048]圖34是示出了根據(jù)第三實(shí)施例的光學(xué)傳感器中的多個(gè)光源模塊和多個(gè)檢測(cè)模塊 的布局的圖；
[0049] 圖35是示出了根據(jù)對(duì)比例的光學(xué)傳感器中的光源模塊的照射方向和檢測(cè)傳感器 的檢測(cè)方向的圖；
[0050] 圖36A是示出了四組根據(jù)第四實(shí)施例的表面發(fā)射激光器陣列芯片的照射方向的 圖；
[0051] 圖36B是示出了根據(jù)第四實(shí)施例的ro陣列的四個(gè)ro檢測(cè)方向的圖；
[0052] 圖37是示出了根據(jù)第四實(shí)施例的光學(xué)傳感器中的光源模塊的照射方向和檢測(cè)傳 感器的檢測(cè)方向的圖；
[0053]圖38是示出了控制部的配置的框圖；以及 [0054]圖39是示出了計(jì)算部的配置的框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0055] 第一實(shí)施例
[0056] 下面，參考圖1至圖32來描述本發(fā)明的第一實(shí)施例。圖1示出了根據(jù)第一實(shí)施例的 光學(xué)測(cè)試設(shè)備100的示意配置。
[0057] 作為示例，光學(xué)測(cè)試設(shè)備100被用于擴(kuò)散光學(xué)層析成像（Diffuse Optical Tomography，DOT)中。DOT指代下述技術(shù):在該技術(shù)中，例如，光被照射到諸如活體的測(cè)試的 對(duì)象(散射體)上，并且在測(cè)試的對(duì)象中所傳播的光被檢測(cè)，使得測(cè)試的對(duì)象的光學(xué)特性被 估計(jì)。特別地，DOT被期望通過檢測(cè)腦部中的血流來用于協(xié)助抑郁癥的鑒別診斷 (differential diagnosis)并且用作輔助組件。在DOT中，當(dāng)分辨率提高時(shí)，其變?yōu)槟軌蚋?詳細(xì)地識(shí)別出腦部功能。由于這個(gè)原因，許多研究機(jī)構(gòu)一直在積極地進(jìn)行針對(duì)提高分辨率 的研究。
[0058] 如圖1中所示，光學(xué)測(cè)試設(shè)備100包括光學(xué)傳感器10、控制部、顯示部、計(jì)算部等。光 學(xué)傳感器10包括具有多個(gè)發(fā)光部的光源模塊LM以及檢測(cè)模塊DM?？刂撇烤哂腥鐖D38中所示 的配置。在控制部中，開關(guān)部基于來自中央處理單元(A-1)的信息被控制，使得要照射的LM 被選擇。在這種情況下，經(jīng)由開關(guān)部要被供給到光源模塊LM的電流被電流控制部控制，以被 設(shè)定為期望的值。檢測(cè)模塊DM中的檢測(cè)結(jié)果(數(shù)據(jù))被A/D轉(zhuǎn)換，使得諸如平均處理的計(jì)算被 算術(shù)部(A-2)執(zhí)行。算術(shù)結(jié)果被順序地記錄在記錄部(A-3)中。
[0059] 在說明中，當(dāng)光源模塊LM與檢測(cè)模塊DM未被彼此區(qū)分時(shí)，可以使用術(shù)語"探頭"。此 外，在說明中，適當(dāng)?shù)厥褂眯g(shù)語"偽(pseudo)活體"、"活體"以及"測(cè)試的對(duì)象"。然而，注意， "偽活體"和"活體"是"測(cè)試的對(duì)象"的示例。
[0060] 光學(xué)傳感器10可以通常地被用作檢測(cè)測(cè)試的對(duì)象中的光吸收體的傳感器。然而， 具有最高的實(shí)用價(jià)值的測(cè)試的對(duì)象為活體。然而，通過使用光學(xué)傳感器不總是容易檢測(cè)活 體中的血流(光吸收體）的位置，使得當(dāng)活體是測(cè)試的對(duì)象時(shí)，難以確保光學(xué)傳感器10的效 果(檢測(cè)精度）。
[0061] 關(guān)于這點(diǎn)，根據(jù)此實(shí)施例，作為水箱中所包含的混濁液體的偽活體(在下文中，還 可以被稱為"模體"）被用作測(cè)試的對(duì)象，對(duì)于其容易確保檢測(cè)精度。
[0062]下面，描述此實(shí)施例中的示例1。
[0063] 示例 1
[0064] 在示例1中，采用下述方法:在該方法中，通過棱鏡對(duì)來自發(fā)光部的光束進(jìn)行偏轉(zhuǎn)， 使得光束的入射角彼此不同。
[0065]這里，如圖2中所示，在包括由黑色亞克力板制成的壁的水箱的一個(gè)側(cè)表面(+Z方 向上的壁)上提供由透明亞克力板制成的透明窗口。在水箱內(nèi)部填充有脂肪乳劑水溶液(用 水稀釋的10%濃度的脂肪乳劑）。即，在示例1中所使用的偽活體是脂肪乳劑水溶液。
[0066]黑色墨水被滴入填充水箱的脂肪乳劑水溶液中，使得黑色墨水為近似20ppm以便 獲得與活體的吸收系數(shù)和散射系數(shù)基本上相同的吸收系數(shù)和散射系數(shù)。然后，模擬血流的、 具有黑色顏色的光吸收體被浸入白色的脂肪乳劑水溶液。這里，假定光吸收體是具有近似 5mm直徑的黑色球形對(duì)象，諸如黑色聚醛樹脂。為了控制球形對(duì)象的位置，球形對(duì)象被固定 到連接到自動(dòng)臺(tái)（stage)的、具有1mm直徑的薄金屬棒(bar)。透明窗口上的探頭的位置被精 確地確定，使得探頭被附接至透明窗口。
[0067] 這里，水箱的體積(大?。?40mm X 140mm X 60mm。黑色亞克力板的厚度為4mm。八 個(gè)透明窗口包括彼此具有不同大小的兩個(gè)類型的圓形透明窗口 A和B。透明窗口 A和透明窗 口 B兩者的數(shù)量為四。透明窗口 A的直徑為9mm，而透明窗口 B的直徑為12mm。透明窗口 A和透 明窗口B兩者的厚度為1.5mm。
[0068]圖3示出了八個(gè)透明窗口的布局。這個(gè)八個(gè)窗口按照點(diǎn)陣方式布置，使得透明窗口 A和透明窗口 B被布置為在Y軸和Y軸方向上以相同的距離彼此緊鄰。這里，透明窗口 A配備有 相應(yīng)的檢測(cè)模塊DM，而透明窗口 B(B1至B4)配備有相應(yīng)的光源模塊LM。相鄰?fù)该鞔翱诘闹行?之間的距離為30mm。
[0069]如圖4中所不，光源模塊LM包括:透鏡、棱鏡、在其中安裝有表面發(fā)射激光器陣列芯 片的陶瓷封裝(未示出）、在其中安裝有陶瓷封裝和模擬電子電路的柔性印刷電路板(未示 出）、連接到柔性印刷電路板的接線和連接器部(未示出）、包含這些元件的殼體、由透明樹 脂制成的要與測(cè)試的對(duì)象接觸的窗口構(gòu)件，等等。在光源模塊LM中，電源部(未示出）控制電 流值使得發(fā)光部的光量可以被維持為恒定。在窗口構(gòu)件從+Z側(cè)與測(cè)試的對(duì)象(透明窗口 B) 接觸的同時(shí)，光源模塊LM被安裝。
[0070] 如圖5中所示，檢測(cè)模塊DM包括由黑色樹脂制成的殼體、附接在殼體的上端(在-Z 側(cè)的邊緣處)的并且由彈性體制成的接觸構(gòu)件、在殼體中所包含的并且具有3mm的直徑的半 球形透鏡(對(duì)切透鏡(split lens)、四分(four divided)光電二極管(按照陣列方式布置的 四個(gè)光電二極管(PD))，等等。孔徑(aperture)(開口）形成在殼體的邊緣處并且形成在接觸 構(gòu)件中。在接觸構(gòu)件從+Z側(cè)與測(cè)試的對(duì)象(透明窗口 A)接觸的同時(shí)，檢測(cè)模塊DM被安裝。在 圖5中，僅示出了四個(gè)ro(光接收部）中的兩個(gè)。
[0071] 對(duì)切透鏡被布置在孔徑的+Z側(cè)，使得從光源模塊LM所照射的并且在測(cè)試的對(duì)象中 所傳播的光經(jīng)由孔徑入射在對(duì)切透鏡上，在與入射位置和入射角度相對(duì)應(yīng)的方向上被折射 并且被發(fā)射(透射)進(jìn)入對(duì)切透鏡(參見圖5)。
[0072] 四分光電二極管被布置在對(duì)切透鏡的+Z側(cè)。通過對(duì)切透鏡的光根據(jù)行進(jìn)方向（從 對(duì)切透鏡起的發(fā)射(透射)方向）入射在四個(gè)光接收部(PD)中的任一個(gè)上。通過這樣做，在檢 測(cè)模塊DM中，變?yōu)槟軌驅(qū)臏y(cè)試的對(duì)象入射的光分類為四個(gè)角度范圍。
[0073] 控制部檢測(cè)被安裝在透明窗口 A上的檢測(cè)模塊DM的四個(gè)光接收部(PD)的光接收量 (即，16個(gè)ro的總計(jì)光接收量），通過使用運(yùn)算放大器將光接收量轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓值，以及 將電壓值存儲(chǔ)在記錄部中。以lms的采樣速率來檢測(cè)數(shù)據(jù)，并且對(duì)20s的測(cè)量值進(jìn)行平均。在 單個(gè)的測(cè)量中，16個(gè)ro的數(shù)據(jù)被獲取。
[0074]接下來，描述光源模塊LM的詳情。光源模塊LM的光源采用40通道的表面發(fā)射激光 器陣列芯片，即，具有40個(gè)垂直腔表面發(fā)射激光器(VCSEL)的表面發(fā)射激光器陣列芯片。
[0075]在從表面發(fā)射激光器陣列芯片起的光路上，布置有具有3mm的直徑的透鏡，使得光 基本上對(duì)應(yīng)于來自透鏡的平行光(參見圖6)。表面發(fā)射激光器陣列芯片的發(fā)射