特開 2024-18972 光源、計測装置、散乱吸収体計測装置、血流推定装置、異物測定装置、癌検診装置、感情推定装置および集中度推定装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024018972

(43)【公開日】2024-02-08

(54)【発明の名称】光源、計測装置、散乱吸収体計測装置、血流推定装置、異物測定装置、癌検診装置、感情推定装置および集中度推定装置

(51)【国際特許分類】

   H01S 5/183 20060101AFI20240201BHJP

   A61B 5/026 20060101ALI20240201BHJP

   A61B 5/16 20060101ALI20240201BHJP

   H01S 5/062 20060101ALI20240201BHJP

   A61B 10/00 20060101ALI20240201BHJP

【ＦＩ】

H01S5/183

A61B5/026 120

A61B5/16 120

H01S5/062

A61B10/00 E

【審査請求】未請求

【請求項の数】15

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023096438

(22)【出願日】2023-06-12

(31)【優先権主張番号】P 2022121208

(32)【優先日】2022-07-29

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(71)【出願人】

【識別番号】000006747

【氏名又は名称】株式会社リコー

(74)【代理人】

【識別番号】100127111

【弁理士】

【氏名又は名称】工藤 修一

(72)【発明者】

【氏名】櫻野 勝之

(72)【発明者】

【氏名】吉田 雅昭

(72)【発明者】

【氏名】軸谷 直人

(72)【発明者】

【氏名】原坂 和宏

【テーマコード（参考）】

4C017

4C038

5F173

【Ｆターム（参考）】

4C017AA11

4C017AA12

4C017AB06

4C017AC26

4C017BB12

4C017BC11

4C017BC14

4C017BC16

4C038PQ03

4C038PS00

5F173AC03

5F173AC13

5F173AC35

5F173AC42

5F173AC52

5F173AF92

5F173AF96

5F173AH03

5F173AP67

5F173AR36

(57)【要約】      （修正有）

【課題】散乱体もしくは透明体である被検体の内部の測定に好適な短パルス光源を提供する。
【解決手段】本発明に係る光源は、散乱体もしくは透明体である被検体に対して、光を照射するための光源であって、光強度のピークが１／ｅ＾２となるパルス幅が２００ｐｓｅｃ以下である面発光レーザを備えることを特徴とする。
【選択図】図４Ａ

【特許請求の範囲】

【請求項1】

散乱体もしくは透明体である被検体に対して、光を照射するための光源装置であって、
面発光レーザと、
前記面発光レーザの駆動を制御する光源制御部と、
を備え、
前記面発光レーザの発光において、光強度のピークに対して１／ｅ＾２の光強度となる時間幅が２００ｐｓｅｃ以下である
ことを特徴とする光源装置。

【請求項2】

前記面発光レーザの発光において、前記ピークから１ｎｓｅｃ後の光強度が、
前記ピークの光強度に対して１／１００以下である
ことを特徴とする請求項１に記載の光源装置。

【請求項3】

前記面発光レーザは、
活性層と、前記活性層を挟んで対向する複数の反射鏡と、電源装置に接続され、前記活性層に電流を注入することが可能な電極対と、を有し、
前記光源制御部により電流が注入される期間を電流注入期間、前記電流注入期間の後であって前記活性層に注入される電流値が前記電流注入期間における電流値よりも低下する期間を電流減少期間として、
前記電流注入期間にレーザ発振せず、前記電流減少期間にレーザ発振する、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の光源装置。

【請求項4】

前記面発光レーザは、光の射出方向に垂直な面内に、相対的に屈折率の高い高屈折領域と、該高屈折領域よりも屈折率が低く、該高屈折領域を取り囲む低屈折領域を有し、
前記低屈折領域は酸化狭窄により形成されており、
前記高屈折領域の厚さは３５ｎｍ以下であり、
前記低屈折領域と前記高屈折領域との境界の先端部から３μｍの位置における前記低屈折領域の厚さは、前記高屈折領域の厚さの２倍以下である、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の光源装置。

【請求項5】

面発光レーザと、前記面発光レーザの駆動を制御する光源制御部と、を備え、パルス光を複数回対象物の内部へ照射する光源装置と、
前記対象物の内部を伝搬した散乱光を検出し、検出タイミングの情報を含む検出信号を出力する検出器と、
前記検出信号が入力される信号処理部と、
を備え、
前記パルス光は、前記面発光レーザが射出する、光強度のピークに対して１／ｅ＾２の強度となる時間幅が２００ｐｓｅｃ以下の光である
ことを特徴とする計測システム。

【請求項6】

前記面発光レーザの発光において、前記ピークから１ｎｓｅｃ後の光強度が、前記ピークの光強度に対して１／１００以下である
ことを特徴とする請求項５に記載の計測システム。

【請求項7】

前記面発光レーザは、
活性層と、前記活性層を挟んで対向する複数の反射鏡と、電源装置に接続され、前記活性層に電流を注入することが可能な電極対と、を有し、
前記光源制御部により電流が注入される期間を電流注入期間、前記電流注入期間の後であって前記活性層に注入される電流値が前記電流注入期間における電流値よりも低下する期間を電流減少期間として、
前記電流注入期間にレーザ発振せず、前記電流減少期間にレーザ発振する、
ことを特徴とする請求項５又は６に記載の計測システム。

【請求項8】

前記検出器が１または複数の画素を有するＳＰＡＤセンサである
ことを特徴とする請求項５又は６に記載の計測システム。

【請求項9】

前記検出器は、複数の前記パルス光に対応する複数の前記散乱光を検出して前記検出信号を出力し、
前記信号処理部は、前記検出信号に基づいて時間分解分光計測を行う
ことを特徴とする請求項５又は６に記載の計測システム。

【請求項10】

前記検出器は、単一光子の入射タイミングの検出を繰り返し、
前記信号処理部は、前記検出信号に基づいて、入射タイミングと検出頻度のプロファイルを生成する
ことを特徴とする請求項５又は６に記載の計測システム。

【請求項11】

前記信号処理部は、前記プロファイルに基づいて散乱係数及び吸収係数を算出し、該散乱係数及び該吸収係数に基づいて、前記対象物の内部のヘモグロビン量を算出する
ことを特徴とする請求項１０に記載の測定システム。

【請求項12】

前記信号処理部は、
前記ヘモグロビン量の時間変化に基づいて前記対象物内の血流量を測定する
ことを特徴とする請求項１１に記載の測定システム。

【請求項13】

前記信号処理部は、前記検出信号に基づき対象物内の異物を検出する請求項５又は６に記載の測定システム。

【請求項14】

前記異物は生体内の癌である請求項１３に記載の測定システム。

【請求項15】

前記信号処理部は、前記検出信号に基づき人の精神状態を推定する請求項５又は６に記載の測定システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、光源、計測装置、散乱吸収体計測装置、血流推定装置、異物測定装置、癌検診装置、感情推定装置および集中度推定装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、対象物の内部に赤外線を入射して、返ってきた光信号から対象物の内部の情報血流状態を観測するＮＩＲＳ（Ｎｅａｒ－ｉｎｆｒａｒｅｄ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：近赤外分光法）技術がある。近赤外光は生体に対して高い透過性を示すため、生体組織における血流や酸素代謝変化を測定することができる。ＮＩＲＳにより取得された皮膚血流や脳血流の情報に基づき感情等の心理状態を推定する研究も行われている。

【0003】

従来のＮＩＲＳは、ＣＷ（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｗａｖｅ：連続光）を用いたＣＷ方式が主流であるが、ＴＤ（Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ：時間領域）方式の検討が行われている。ＣＷ方式では、対象物の浅い箇所を通って戻った光が主に検出されるのに対し、ＴＤ方式は、より深い箇所を通った光を検出することが可能で、生体内の情報を取得するのに有効であると考えられている。

【0004】

ＴＤ方式では、連続光ではなく、パルス状の光が利用される。特許文献１では、散乱吸収体に対してその内部情報を非侵襲的に計測するためのパルス光を所定の光照射位置から照射する単一の光照射手段、及び前記光照射手段から照射されて前記散乱吸収体の内部を伝搬した光をそれぞれ所定の光検出位置で検出する複数の光検出手段をそれぞれ有するＮ個（Ｎは２以上の整数）の計測モジュールが開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特許４１６７１４４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

従来、散乱体もしくは透明体である被検体の内部の測定に利用可能な短パルス光源の検討は十分に行われていなかった。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明に係る光源は、散乱体もしくは透明体である被検体に対して、光を照射するための光源であって、光強度のピークが１／ｅ＾２となるパルス幅が２００ｐｓｅｃ以下である面発光レーザを備えることを特徴とする。

【発明の効果】

【0008】

本発明は、散乱体もしくは透明体である被検体の内部の測定に好適な短パルス光源を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】本実施形態を説明する図である。

【図2】本実施形態のブロック図である。

【図3】本実施形態のフローを示す図である。

【図4A】理想の投光波形と理想の受光波形（深い位置と浅い位置）を示す図である。

【図4B】投光波形（理想の波形と比較例の波形）を示す図である。

【図4C】比較例の投光波形の場合の受光波形（深い位置と浅い位置）を示す図である。

【図5】面発光レーザの構成を説明する図である。

【図6】ガンマスイッチ型面発光レーザの酸化狭窄部の説明図である。

【図7】比較例の酸化狭窄部の説明図である。

【図8】計測に利用した回路図である。

【図9】比較例の計測波形である。

【図10】ガンマスイッチ型面発光レーザの計測波形である。

【図11】ガンマスイッチ型面発光レーザの動作原理（構造による屈折率分布）を説明する図である。

【図12】ガンマスイッチ型面発光レーザの動作原理（屈折率分布の変化）を説明する図である。

【図13】ガンマスイッチ型面発光レーザの計測波形の詳細を説明する図である。

【図14】（ａ）光源モジュール（ｂ）光検出モジュールを示す図である。

【図15】光源モジュールと光検出モジュールを示す図である。

【図16】本実施形態の設置イメージを示す図である。

【図17】本実施形態の計測する部位を説明する図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、図面を参照しながら、発明を実施するための形態を説明する。なお、図面の説明において同一要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
（実施の形態）
本発明の実施形態を説明する。本実施形態は、被検体に赤外線を入射して、返ってきた光信号を観測するＮＩＲＳ（Ｎｅａｒ－ｉｎｆｒａｒｅｄ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：近赤外光スペクトロスコピー）技術に際して、以下の特徴を有する。

【0011】

投光する光源として、単パルスかつ、光強度がピーク強度の１／ｅ＾２となる時間幅が２００ｐｓｅｃ以下と短く、裾引きのないパルスレーザ光を用いることで、パルスレーザ光を標的媒体へ打ち込んだとき返ってくる光信号が、打ち込んだパルスレーザ光の裾引きによる影響を受けずにより低いレベルまで計測が可能となる特徴を有している。ここで、従来の短パルス光源では、ピーク強度に対する強度が１／２となる時間幅である半値全幅（ＦＷＨＭ）をパルス幅として示すことが主流であったが、後述するように、本発明者らはＦＷＨＭが小さいことだけでは短パルス光源に必要な特性として不十分であることを見出した。そこで本明細書では、投光波形において、光強度がピーク強度の１／ｅ＾２となる時間幅を１／ｅ＾２パルス幅として以降説明を行う。

【0012】

上記記載の本実施形態の特徴について、以下の図面を用いて詳細に解説する。

【0013】

図１は、測定システムの一例である、ＴＤ－ＮＩＲＳ（Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ Ｎｅａｒ Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）システム１の全体構成ついて示した図である。

【0014】

投光手段の一例である光源モジュール５０は、レーザ光源５０１を含み、標的媒体７０に対して照射光（レーザ光）を照射する。光源モジュール５０からの投光波形１０は、縦軸に光の強度と横軸に時間経過を表し、光が存在する時間幅１０１を示している。本実施形態の投光波形１０の特徴は、光強度がピーク強度の１／ｅ＾２となる時間幅が２００ｐｓｅｃ以下である。または、ピーク強度の1／１０００の強度になる経過時間が２ｎｓｅｃ以下である裾引きのない短パルスである。パルスの形状については詳しく後ほど述べる。

【0015】

レーザ光源５０１は、数十ｎｓｅｃ毎に繰り返し発振するが、その期間には一つのパルスしか発振せず、１つのパルス発光の後は余分な光を発しないことを特徴とする。具体的には、ガンマスイッチ型の面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ）を用いることで、理想的な短パルスレーザ光を実現できる。ガンマスイッチ型面発光レーザの特徴については詳しく後述する。

【0016】

標的媒体７０に照射された短パルスレーザ光は、標的媒体内で散乱、吸収されて入射方向に戻る。受光手段の一例である光検出モジュール６０は、光検出器６０１を含み、標的媒体７０から出た散乱光の一部を光検出器６０１によって検出する。光検出器６０１は、検出タイミングに関する情報を含む検出信号を出力する。

【0017】

本実施形態では、光検出器６０１として、ガイガーモードＡＰＤであるＳＰＡＤ（Ｓｉｎｇｌｅ Ｐｈｏｔｏｎ Ａｖａｌａｎｃｈｅ Ｄｉｏｄｅ）を採用したが、これに限定されず、アバランシェＰＤ（ＡＰＤ：Ａｖａｌａｎｃｈｅ Ｐｈｏｔｏ Ｄｉｏｄｅ）や、光電子増倍管（ＰＭＴ）等を用いることができる。検出する光は微弱であるため、高感度であり、信号を増幅できる検出器が好ましい。加えて、高い時間分解能をもつ検出器が好ましい。

【0018】

この時、光伝搬経路には、標的媒体の深さ１０～３０ｍｍという浅い位置を伝搬する経路７０Ｓと深さ４０ｍｍを超える深い位置を伝搬する経路７０Ｄが存在する。光の伝搬経路は、平均光路長によって飛行時間（ＴｏＦ：Ｔｉｍｅ ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ）が異なり、標的媒体のより深い領域を経由してきた信号２０Ｄは時間遅延が長い。

【0019】

本実施形態では、単一光子計測が可能な検出器（ＳＰＡＤ等）により光子の入射タイミング測定を繰り返し行い、入射タイミングと検出頻度の関係をプロットしたプロファイルを受光波形とする。受光波形２０の時間幅は、１～１０ｎｓｅｃ程度である。受光波形２０の後半部分に位置する傾き部分２１は、深い位置を伝搬する経路７０Ｄを経由した散乱光を含む。この傾き部分２１を分析し、その経過時間と傾斜角度から、深い領域７０Ｄの吸収係数μａとその深さを示す平均光路長を算出する。具体的には、投光から受光までの経過時間、光信号の減少量、投光―受光間距離に基づいて、光拡散方程式へのフィッティングを行う。ここで、吸収係数μａは、入射した光量がどの程度減少したかを示し、ｍｍ＾－１を単位とする絶対値で算出される。吸収係数μaが絶対値として算出できるため、同一人物の時間毎の変化や、個人毎による違いを評価することが可能となる。

【0020】

図１では、照射位置と受光位置を隣接して配置しているが、これに限定されない。その一例として、甲状腺の癌などの検査の場合には、首を挟み対向する位置に、照射位置と受光位置を配置し、透過光を含むように光学系を配置する方が、一般的である。また、前腕のコンパートメント症候群の検査の場合にも対向する配置の方が適している。これら場合も、先に示した浅い部分と深い部分が経過時間によって分離できるように、光伝搬経路が異なる部分に関しては、分離して検出することができる。

【0021】

光源モジュール５０および光検出モジュール６０には、それぞれにアパーチャを有しており、迷光を防ぐ構成になっている。それらの配置は、お互いに近くにあることが好ましく、隣接している例もある。

【0022】

図２は、実施形態のＴＤ－ＮＩＲＳシステム１の機能ブロック図である。ＴＤ－ＮＩＲＳシステム１は、光源制御部３０と、１つまたは複数の光源モジュール５０と、１つまたは複数の光検出モジュール６０と、回路部分４０と、を有する。

【0023】

ＴＤ－ＮＩＲＳシステム１は、例えば脳血流量を定量的に測定する装置であって、光源モジュール５０から出力された短パルスレーザ光を被検体（例えば頭部）に照射する構成になっており、被検体の内部を伝播した短パルスレーザ光を光検出モジュール６０で検出する構成になっている。

【0024】

ＴＤ－ＮＩＲＳシステム１の回路部分４０は、制御部４１、信号処理部４２、記憶部４４、信号伝達部４３を含む。電源３１は、電池や外部電源であり、光源制御部３０を駆動するドライバ電源３２、光源モジュール５０のＶＣＳＥＬを駆動するＶＣＳＥＬ電源３３、光検出モジュール６０を駆動する光検出電源３４、回路部分４０を駆動する回路部分電源３５等を供給する。

【0025】

制御部４１は、ＴＤ－ＮＩＲＳシステム１の全体の動作を制御する。例えば、光源モジュール５０と光検出モジュール６０の動作タイミングの制御、データの取得、取得したデータの信号処理部４２及び信号伝達部４３への転送、処理命令の生成及び出力などを行う。

【0026】

光源制御部３０は、光源のドライバであり、制御部４１からのトリガ信号を受けて、光源モジュール５０の面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）５２に電流を流し、発光させる。光源制御部３０と面発光レーザ５２により光源装置が構成される。信号処理部４２には、光検出器６０１からの検出信号が入力される。また、信号処理部４２は、光検出器６０１からの検出信号に基づく測定結果を記憶部４４に保存された事前計算の結果と比較して測定対象物の光物性値を算出、または推定する。

【0027】

記憶部４４は、事前に計算した光物性値と光量比の関係を記憶する。信号伝達部４３は、計測結果をスマートフォン、ＰＣなど外部の情報処理装置に結果を転送する。または、コマンドを受信する。信号処理部４２と制御部４１と信号伝達部４３と記憶部４４の動作は、たとえばプロセッサで実現される。また、信号伝達部４３によって、検出器で取得したデータを外部の情報処理装置の信号処理部４２に送信し、光物性値の推定等の処理を行ってもよい。また、外部の情報処理装置として、スマートフォンやＰＣを利用する他に、クラウド上で処理を行い、結果をスマートフォンやＰＣへ送信するようにしてもよい。

【0028】

記憶部４４はメモリで実現され、プロセッサに内蔵されたメモリであってもよいし、外部のメモリであってもよい。

【0029】

図３にＴＤ－ＮＩＲＳシステム１の処理フロー図を示す。はじめに、光源モジュール５０から短パルスレーザ光を出力し被検体に照射する（Ｓ１）。短パルスレーザ光は被検体の内部を伝播して、光検出モジュール６０で検出される。

【0030】

発光（短パルス発光）は、ピーク強度が１００ｍＷ程度になるように、電流値を決定している。被検体内部を伝播する遅れ時間を考慮した測定期間の間、全てのＳＰＡＤの検出値を読み取り（Ｓ２）平均化する。

【0031】

平均化された数値を記録媒体に格納する（Ｓ３）。その信号波形から信号処理部４２によって吸収係数μａを演算する（Ｓ４）。μａからヘモグロビン量を算出（Ｓ５）が出来るため、酸素化ヘモグロビン、脱酸素化ヘモグロビンの割合から酸素飽和度を測定したり、ヘモグロビン量の経時変化から脳血流量を測定したりすることが出来る。被験者にタスクを与えた状態で、計測を数分間継続して実施することで、人の脳の賦活部位を吸収係数の変化として検出することができる。これによって、タスクに対する脳の反応から、被験者の性質などを判断できる。

【0032】

次に、投光波形１０と受光波形２０の関係と、その光伝搬経路（７０Ｓ、７０Ｄ）の関係について説明する。なお、前述の受光波形２０と同様、受光波形（２０Ｓ、２０Ｄ）は入射タイミングと検出頻度の関係のプロファイルである。図４Ａでは、投光波形（理想波形）１０Ｍとして、投光波形を矩形で示しており、短パルスの理想化モデルとしている。この投光波形（理想波形）は、短パルスで裾引きがないパルス形状である。具体的には、図４Ａに示す矩形のように、パルス幅は１ｎｓｅｃ以下であり、その裾の部分も、ピークの１/１０００以下になるような波形を指す。本実施形態の投光波形の詳細は後述する。

【0033】

次に、図４Ａに示した受光波形（２０Ｓと２０Ｄ）について説明する。ここでは、標的媒体を人の頭部など生体を模した例について説明する。標準媒体の換算散乱係数や、吸収係数は、人の生体媒体の代表的な数値を用いて、標準媒体に対して、光源モジュール５０の光出射部（例えば後述の窓部５４）と光検出モジュール６０の光入射部（例えば後述の接触部材６４の開口）を隣接して配置し、表面から深さは数１００ｍｍ以上ある大きな散乱吸収体としている。ただし、媒体はこれに限定することはなく、散乱体や透明体であれば、以下に述べる効果を同様に発現する。

【0034】

図４Ａには、光検出モジュール６０で検出する受光波形を、浅い領域からの信号２０Ｓおよび深い領域からの信号２０Ｄとして、区別して記している。受光波形（浅い部分からの信号）２０Ｓは、光源モジュール５０の光出射部と光検出モジュール６０の光入射部との距離に依存するが、距離が近い本実施形態の場合、投光波形１０Ｍの投光から数１００ｐｓｅｃ後には波形のピークを迎える。その後、指数関数的に検出強度を低下させ、２ｎｓｅｃ程度すると、光強度は３桁近く低下する。

【0035】

それに対し、４０ｍｍなどの深い位置を経由した散乱光は、時間遅れが２ｎｓｅｃ程度発生する。図４Ａに示す受光波形（深い位置からの信号）２０Ｄに示すように、その強度も浅い部分からの信号に対し、３桁程度低下して検出される。図４Ａに示すような理想的な投光波形であれば、図に示すように、投光から２ｎｓｅｃ程度経過した後の浅い領域からの信号２０Ｓに対し、深い領域からの信号２０Ｄは、わずかながら大きい。

【0036】

このため、理想形の波形であれば、深い領域の２０Ｄを検出することができる。また、この時、浅い領域の信号２０Ｓと深い領域の信号２０Ｄとは、時間経過が２ｎｓｅｃ程度異なるため、高精度に時間分解した検出によって、それぞれを独立して検出することができる。浅い位置での脳活動の賦活の有無に影響を受けることなく、深い位置の脳活動の賦活を正確に検出することができる。

【0037】

図４Ｂは、投光波形（比較例）１０Ｒを説明する図である。投光波形（比較例）には、いわゆる裾引きが存在している。裾引きとは、発光強度が小さくなる経過時間が長く、パルス幅に比べて長時間発光が続く状態を示す。光通信やレーザプロジェクターなどの一般的なレーザの利用シーンでは、光強度が１／５程度に低下すれば、裾引きがあっても、その用途に対しては問題がなかった。しかし、本実施形態の場合には、その裾引きとして、ピーク強度の１/１０００程度の強度であっても、後述する本実施形態の信号検出においては問題となる。半値全幅（ＦＷＨＭ）が数１００ｐｓｅｃ程度の所謂短パルス光だとしても、１／ｅ＾２パルス幅や、ピーク強度の１／１０００の強度に低下するまでの経過時間である「裾」の部分が数ｎｓｅｃを超えるような長い投光波形では、後述の課題が発生する。

【0038】

次に裾引きの投光波形の場合に発生する課題について説明する。投光波形（比較例）１０Ｒは、半値全幅（ＦＷＨＭ）が約５００ｐｓｅｃ程度である。また、ピーク強度に対し、１／１０の強度となる時間幅は１．１ｎｓｅｃ、１／１００では２．１ｎｓｅｃ、１／１０００では３．６ｎｓｅｃ程度である。
これは一般的な裾引き波形であり、この投光波形（比較例）は、半導体レーザをＧａＮ基板のトランジスターで駆動した一般的なゲインスイッチ型のレーザ光である。

【0039】

図４Ｃは、投光波形（比較例）に対する受光波形である。受光波形（深い部分からの信号）２０Ｄは、投光波形による影響は大きくなく、図に示すように概ね変化しない。それに対し、受光波形（浅い部分からの信号）２０Ｓの波形形状が大きく変化している。特に、図４Ａの約２ｎｓｅｃ程度における、ピーク強度から３桁程度、強度が減少していた部分が、図４Ｃでは著しく影響を受けている。

【0040】

図４Ｂの投光波形（比較例）１０Ｒの場合である図４Ｃの受光波形（浅い部分からの信号）２０Ｓは、２ｎｓｅｃでは、２桁程度しか低減していない。これは投光波形（比較例）１０Ｒの２ｎｓｅｃの強度もピーク強度に対して、２桁程度の低下であることが影響を与えている。

【0041】

受光波形（浅い部分からの信号）２０Ｓに対し、受光波形（深い部分からの信号）２０Ｄは、どの時間期間に対しても、小さく、信号が埋もれてしまっている。この状態では、受光波形（深い部分からの信号）２０Ｄを正確に検出することが困難となる。

【0042】

上記理由により、深い部分からの信号を得るには、図４Ａに示すように、投光波形に「裾引き」がないことが重要であることが分かる。

【0043】

投光は人体に入れるため光量に制限があるため、より深い領域の信号を得るためには、図４Ａに示すような投光側の影響がないことが必要である。

【0044】

投光ピークからの落ち具合が、ＮＩＲＳ信号として取得できる情報に大きな影響を与える。投光波形の裾引きの部分の光のうち、深い部分を通った光による信号を利用することも考えられるが、強度が低い分信号の精度が低く利用しにくい。

【0045】

上述の検討から、本発明者らは、ＦＷＨＭよりもさらに低い強度における時間幅が短パルス光源において重要な特性であることを見出した。具体的には、光強度がピーク強度の１／ｅ＾２となる時間幅が２００ｐｓｅｃ以下である光源が好ましい。また、発光ピークから１ｎｓｅｃの時点で、１／１００以下に光強度が減衰するパルス光を出力する光源が好ましい。

【0046】

発光ピークから１ｎｓｅｃでの光強度が１／１００以下になることで大きな効果をもたらす応用例を以下に示す。脳を計測する際には、頭部の皮膚血流が問題になる。皮膚血流は、頭皮に存在する血流で、脳計測する際には、計測誤差を誘引するアーチファクトとして課題となっている。皮膚血流の深さは１ｍｍ、脳血流は頭蓋骨および脳髄液の厚さの奥になるのでその深さは２０ｍｍ程度である。

【0047】

光源モジュール５０と光検出モジュール６０をできるだけ近傍に配置したことを想定すると、深さの相違が１ｍｍと２０ｍｍとでは、伝搬経路の長さは往復分として、２ｍｍと４０ｍｍとの相違がある。

【0048】

これにより、受光波形において、皮膚血流と、脳血流と、それぞれが反映する位置が異なる。皮膚血流は伝搬経路が２ｍｍ程度で、数１００ｐｓｅｃの位置である。それに対し、脳血流の伝搬経路４０ｍｍでは、１ｎｓｅｃ程度の位置である。投光波形において、発光ピークから１ｎｓｅｃにおける光強度が十分に低下していることが必要で、具体的には、発光ピークから１ｎｓｅｃでの光強度が１／１００まで低下していることで、皮膚血流の影響があったとしても、脳血流の変化の方が支配的になっているため、皮膚血流による悪影響は限定的になる。これにより、皮膚血流と脳血流とを正確に分離できる。

【0049】

逆に、発光ピークからの裾引きが１ｎｓｅｃを超えていると、この脳血流が反映される位置に、皮膚血流の変化が反映され、区別がつかなくなる。

【0050】

次に、より深い位置での判別を可能とする例を示す。この深い位置での判別には、投光波形は、投光から２ｎｓｅｃの位置で発光ピークの１/１０００以下の強度になることが必要となる。その具体例として、脳の部位毎に賦活状態を判別する応用例を以下に記す。脳血流においても脳の部位に、深い位置と浅い位置がある。例えば、深い位置としては帯状回のように４０ｍｍ程度深い位置がある。それに対し、ＤＬＰＦＣ（Ｄｏｒｓｏｌａｔｅｒａｌ ｐｒｅｆｒｏｎｔａｌ ｃｏｒｔｅｘ：背外側前頭前野）などの前頭葉の大脳皮質の位置は２０ｍｍ程度である。この２つの位置を同時に独立して検出することで、脳機能を多面的に理解することが可能となる。

【0051】

脳の組織の光学定数を測定することで、光伝搬経路のシミュレーションを行うことが可能である。帯状回など４０ｍｍ程度の深い位置を経由した光が戻ってくる時間経過は、約２ｎｓｅｃである。投光波形における裾引き部分の光の浅い位置を経由した光がこの時間帯に存在すると、検出された光が浅い部分からの光か、もしくは深い位置の光かが、判断できない。この２ｎｓｅｃ程度の時間帯に戻ってくる浅い位置を経由する光の量をできるだけ小さくする必要がある。

【0052】

生体などの散乱体では、４０ｍｍ程度の深い位置からの光強度は、浅い位置からの約１／１０００であることが知られている。浅い位置と深い位置との分離を可能とするには、光源の裾引きである２ｎｓｅｃ後の光強度を１／１０００にする必要がある。これによって、浅い位置の信号に対し、深い位置との信号が強くなり、正確に検出することが可能となる。

【0053】

また、光源は、散乱体もしくは透明体である被検体に対して、光を照射するための光源であって、光強度がピークの１／ｅ＾２となる時間幅である１／ｅ＾２パルス幅が２００ｐｓｅｃ以下である面発光レーザであることが好ましい。

【0054】

本実施形態では、１／ｅ＾２パルス幅が、２００ｐｓｅｃであり、単純に２分すると、ピークの立下りは１００ｐｓｅｃとなる。ピークからおよそ１００ｐｓｅｃ後において、投光波形における光強度が１／ｅ＾２にまで低下していることによって、光路長として数ｍｍの距離を分離することが可能となる。皮膚の構造として、真皮層と呼ばれる層は、厚さが約２ｍｍ程度とされていて、その奥に皮下脂肪や筋肉層がある。本実施形態の光源により、真皮層と皮下脂肪や筋肉層との分離をすることが可能となる。

【0055】

また、その表面にある表皮層は数百ミクロンであり、目視ではその表皮しか見えないため、その奥の真皮層の情報を分離することによるメリットも大きい。光強度がピーク強度の１／ｅ＾２に低下する時間が１００ｐｓｅｃ程度であるため、表皮層の影響がでるピークから１００ｐｓｅｃ以前と、真皮層が現れる２００ｐｓｅｃ以降とを分離することも可能となる。これにより目視では見えない真皮層の血行状態を独立に定量化でき、皮膚に対する総合的な判断が可能となる。

【0056】

次に、本実施形態で利用される光源であるガンマスイッチ型の面発光レーザについて説明する。以下にガンマスイッチ型面発光レーザの概念および本実施形態の投光波形について説明する。

【0057】

１ｎｓ以下の短パルス化を実現する手段として、ゲインスイッチング、Ｑスイッチング、モードロックなどがある。ゲインスイッチングは、緩和振動現象を利用して１００ｐｓ以下のパルス幅（ＦＷＨＭ）を実現する手段である。パルス電流の制御だけで実現できるため、Ｑスイッチングやモードロックに比べて構成が簡易である。

【0058】

しかし、ゲインスイッチングでは、緩和振動現象を利用するため先頭のパルス以後に複数のパルス列が出力されやすい。あるいは緩和振動がおさまった後に減衰が遅いテール光（裾引き）が出力されやすい。

【0059】

本実施形態に係る構造を図５に示す。本実施形態に係る面発光レーザ１００は、例えば酸化狭窄を採用した垂直共振器型面発光レーザ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ：ＶＣＳＥＬ）である。面発光レーザ１００は、ｎ型ＧａＡｓ基板１１０と、ｎ型分布ブラッグ反射鏡（ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ：ＤＢＲ）１２０と、活性層１３０と、ｐ型ＤＢＲ１４０と、酸化狭窄層１５０と、上部電極１６０と、下部電極１７０とを有する。

【0060】

本実施形態においては、ｎ型ＧａＡｓ基板１１０の表面に垂直な方向に光が射出される。以下、ｎ型ＧａＡｓ基板１１０の表面に垂直な方向を縦方向、ｎ型ＧａＡｓ基板１１０の表面に平行な方向を横方向又は面内方向ということがある。

【0061】

ｎ型ＤＢＲ１２０はｎ型ＧａＡｓ基板１１０上にある。ｎ型ＤＢＲ１２０は、例えば複数のｎ型半導体膜を積層して構成された半導体多層膜反射鏡である。活性層１３０はｎ型ＤＢＲ１２０上にある。活性層１３０は、例えば、複数の量子井戸層及び障壁層を含む。活性層１３０は共振器に含まれる。ｐ型ＤＢＲ１４０は活性層１３０上にある。ｐ型ＤＢＲ１４０は、例えば複数のｐ型半導体膜を積層して構成された半導体多層膜反射鏡である。共振器中において、活性層１３０は、発振光の定在波の腹と節の中間よりも腹側となる位置に設けられている。活性層１３０を定在波の腹となる位置に設けた場合、発光効率が最も高くなる。

【0062】

上部電極１６０はｐ型ＤＢＲ１４０の上面に接触する。下部電極１７０はｎ型ＧａＡｓ基板１１０の下面に接触する。上部電極１６０と下部電極１７０との対は、電極対の一例である。ただし、電極の位置はこれには限定されず、活性層に電流を注入できる位置にあればよい。例えば、ＤＢＲを介してではなく共振器のスペーサ層に直接電極を配置するイントラキャビティ構造であってもよい。

【0063】

ｐ型ＤＢＲ１４０は、例えば酸化狭窄層１５０を含む。酸化狭窄層１５０はＡｌを含有する。酸化狭窄層１５０は、光の射出方向に垂直な面内に、酸化領域１５１と、非酸化領域１５２とを含む。酸化領域１５１は、環状の平面形状を有し、非酸化領域１５２を取り囲む。非酸化領域１５２は、ｐ型ＡｌＡｓ層１５５と、縦方向でｐ型ＡｌＡｓ層１５５を間に挟む２つのｐ型Ａｌ０．８５Ｇａ０．１５Ａｓ層１５６とから構成される。酸化領域１５１はＡｌＯｘから構成される。酸化領域１５１の屈折率は非酸化領域１５２の屈折率よりも低い。例えば、酸化領域１５１の屈折率は１．６５であり、ｐ型ＡｌＡｓ層１５５の屈折率は２．９６であり、ｐ型Ａｌ０．８５Ｇａ０．１５Ａｓ層１５６の屈折率は３．０４である。

【0064】

平面視で、メサ１８０の酸化領域１５１の内縁の内側の部分は高屈折領域の一例であり、メサ１８０の酸化領域１５１の内縁の外側の部分は低屈折領域の一例である。なお、ｐ型Ａｌ０．８５Ｇａ０．１５Ａｓ層１５６に代えて、ｐ型ＡｌｘＧａ１－ｘＡｓ層（０．７０≦ｘ≦０．９０）が設けられてもよい。本実施形態では、ｐ型ＤＢＲ１４０、活性層１３０及びｎ型ＤＢＲ１２０がメサ１８０を構成している。ただし、酸化狭窄により電流狭窄領域を形成する本実施形態においては、少なくとも酸化狭窄層１５０および酸化狭窄層１５０より上に位置する半導体層がメサ形状に形成されていればよい。また、少なくとも活性層がメサに含まれるよう形成することで、活性層で発生した光が横方向へ漏れることを防ぐことができる。

【0065】

ここで、酸化狭窄層１５０について詳細に説明する。図６は、本実施形態における酸化狭窄層及びその近傍を示す断面図である。

【0066】

図６に示すように、酸化領域１５１は、平面視で、環状の外側領域１５３と、環状の内側領域１５４とを有する。外側領域１５３はメサ１８０の側面に露出する。外側領域１５３は、断面視で表面の接触面が酸化領域１５１の外側に位置するように厚さが変化する領域であり、内側領域１５４は、断面視で表面の接触面が酸化領域１５１の内側に位置するように厚さが変化する領域である。内側領域１５４は外側領域１５３の内側にある。内側領域１５４の厚さは、外側領域１５３との境界において外側領域１５３の厚さと一致し、メサ１８０の中心に近づくほど薄くなっている。

【0067】

内側領域１５４は、断面視で、内縁から外側領域１５３との境界にかけて徐々に厚くなるテーパ形状を有する。非酸化領域１５２は外側領域１５３の内側にある。非酸化領域１５２の一部は縦方向で内側領域１５４を挟む。非酸化領域１５２の他の一部は平面視で内側領域１５４の内縁の内側にある。例えば、非酸化領域１５２の厚さは３５ｎｍ以下である。

【0068】

外側領域１５３の厚さは非酸化領域１５２の厚さより大きくてもよい。なお、本開示において、非酸化領域１５２の厚さとは、酸化領域１５１の内縁（内側領域１５４の内縁）よりもメサ１８０の中心側の部分の厚さである。例えば、メサ１８０の側面から酸化領域１５１の内縁までの距離は、約８μｍ～１１μｍの範囲である。

【0069】

酸化領域１５１は、例えばｐ型ＡｌＡｓ層及びｐ型Ａｌ０．８５Ｇａ０．１５Ａｓ層の酸化狭窄により形成されている。例えば、高温水蒸気環境下でのｐ型ＡｌＡｓ層及びｐ型Ａｌ０．８５Ｇａ０．１５Ａｓ層の酸化処理により酸化領域１５１を形成できる。なお、同一のｐ型ＡｌＡｓ層及びｐ型Ａｌ０．８５Ｇａ０．１５Ａｓ層を酸化したとしても、酸化の条件により、ｐ型ＡｌＡｓ層及びｐ型Ａｌ０．８５Ｇａ０．１５Ａｓ層から得られる酸化狭窄層の構造は相違し得る。

【0070】

従って、酸化により酸化狭窄層１５０となる層、例えばｐ型ＡｌＡｓ層及びｐ型Ａｌ０．８５Ｇａ０．１５Ａｓ層の酸化前の構造が同一であっても、酸化の条件によっては、酸化領域１５１及び非酸化領域１５２を備えた酸化狭窄層１５０が得られないことがある。

【0071】

ここで、比較例と比較しながら、本実施形態の作用効果について説明する。図７は、比較例における酸化狭窄層及びその近傍を示す断面図である。

【0072】

比較例では、酸化狭窄層１５０が、酸化領域１５１及び非酸化領域１５２に代えて、酸化領域９５１及び非酸化領域９５２を有する。酸化領域９５１は、環状の平面形状を有し、非酸化領域９５２を取り囲む。非酸化領域９５２は、ｐ型ＡｌＡｓ層９５５と、縦方向でｐ型ＡｌＡｓ層９５５を間に挟む２つのｐ型Ａｌ０．８５Ｇａ０．１５Ａｓ層９５６とから構成される。酸化領域９５１はＡｌＯｘから構成される。

【0073】

酸化領域９５１は、平面視で、環状の外側領域９５３と、環状の内側領域９５４とを有する。外側領域９５３はメサ１８０の側面に露出する。外側領域９５３の厚さは面内方向で一定である。内側領域９５４は外側領域９５３の内側にある。内側領域９５４の厚さは、外側領域９５３との境界において外側領域９５３の厚さと一致し、メサ１８０の中心に近づくほど薄くなっている。

【0074】

内側領域９５４は、断面視で、内縁から外側領域９５３との境界にかけて徐々に厚くなるテーパ形状を有する。非酸化領域９５２は外側領域９５３の内側にある。非酸化領域９５２の一部は縦方向で内側領域９５４を挟む。非酸化領域９５２の他の一部は平面視で内側領域９５４の内縁の内側にある。例えば、メサ１８０の側面から酸化領域９５１の内縁までの距離は、約８μｍ～１１μｍの範囲である。酸化領域９５１及び非酸化領域９５２の厚さは酸化狭窄層１５０の厚さと等しい。

【0075】

まず、本実施形態及び比較例についての実測結果について説明する。図８は、実測に用いた回路を示す等価回路図である。

【0076】

この回路では、第１実施形態又は比較例に対応する面発光レーザ１１に直列に電流モニタ用の抵抗１２が接続されている。また、抵抗１２に並列に電圧計１３が接続されている。また、面発光レーザ１１から出力された光は広帯域の高速フォトダイオードで受光して電圧信号に変換し、その電圧信号をオシロスコープで観測した。

【0077】

図９は、比較例についての実測結果を示す図である。図９（ａ）は、パルス電流の幅が約２ｎｓの場合の実測結果を示し、図９（ｂ）は、パルス電流の幅が約９ｎｓの場合の実測結果を示し、図９（ｃ）は、パルス電流の幅が約１７ｎｓの場合の実測結果を示す。図９（ａ）～（ｃ）の実測において、バイアス電流の大きさ及びパルス電流の振幅は共通である。図９には、抵抗１２を流れる電流及び高速フォトダイオードで測定した光出力を示す。抵抗１２を流れる電流は、電圧計１３を用いて算出できる。

【0078】

図９に示すように、比較例では、パルス電流の幅の大きさに関係なく、パルス電流が注入された直後に光パルスが出力され、その後はパルス電流の注入が停止するまでは平衡状態になり、一定のテール光が出力されている。先頭の光パルスは緩和振動によるものであり、典型的なゲインスイッチング駆動である。電流のパルス幅を変えても、光パルスが発生するタイミングは変わらない。緩和振動により生じる光パルスは、レーザ共振器内のキャリア密度がしきい値キャリア密度を超えた直後に生じるためである。

【0079】

図１０は、本実施形態についての実測結果を示す図である。図１０（ａ）は、パルス電流の幅が約０．８ｎｓの場合の実測結果を示し、図１０（ｂ）は、パルス電流の幅が１．３ｎｓの場合の実測結果を示し、図１０（ｃ）は、パルス電流の幅が２．５ｎｓの場合の実測結果を示す。図１０（ａ）～（ｃ）の実測において、バイアス電流の大きさ及びパルス電流の振幅は共通である。図１０には、抵抗１２を流れる電流及び高速フォトダイオードで測定した光出力を示す。抵抗１２を流れる電流は、電圧計１３を用いて算出できる。

【0080】

図１０に示すように、本実施形態では、パルス電流が注入されている状態では光出力が生じておらず、パルス電流の注入が減少した直後に光パルスが出力されている。また、光パルスが出力された後のテール光はほぼ見られない。ゲインスイッチングによる光出力であれば、パルス電流の幅を変えたとしても、光パルスが生じるタイミングは変わらない。これに対し、本実施形態では、パルス電流の注入が減少したことをきっかけとして光パルスが出力されている。従って、本実施形態における光出力は、緩和振動現象を利用した通常のゲインスイッチングではないといえる。

【0081】

このように、第１実施形態と比較例とでは、光出力の機構及び態様が明確に相違している。この相違は、下記のように説明される。

【0082】

面発光レーザでは、レーザ光は共振器中を酸化狭窄層と垂直方向に伝搬する。このため、酸化狭窄層が厚いほど、屈折率差に依存する等価的な導波路長が長くなり、横方向の光閉じ込め作用が大きくなる。酸化狭窄層を含むＤＢＲを等価的な導波路構造と見なした場合、図１１（ａ）のように等価屈折率差が大きいときには、レーザ光の電界強度分布は中央付近に集められる。これに対し、図１１（ｂ）のように等価屈折率差が小さいときには、レーザ光の電界強度分布は周辺の酸化領域にまで広がる。

【0083】

本実施形態と比較例とを比較すると、第１実施形態では、酸化狭窄層１５０が内側領１５４を含むため、本実施形態において、等価屈折率差が小さくなる。従って、比較例では、図１１（ａ）に示すように、レーザ光の電界強度分布が中央付近に集められるのに対し、第１実施形態では、図１１（ｂ）に示すように、レーザ光の電界強度分布が酸化領域１５１にまで広がる。

【0084】

ここで、横方向の光閉じ込め係数を「面発光レーザ素子の中心を通る横方向断面における電界の積分強度」に対する「電流通過領域と同じ半径領域中における電界の積分強度」の割合とし、式（１）で定義する。ここで、ａは電流通過領域の半径に相当し、Φは基板に垂直な方向を回転軸とした回転方向を表す。

【0085】

【数1】

【0086】

次に、パルス電流の注入が停止された際に起きる現象のモデルについて説明する。パルス電流が注入されている状態では、酸化狭窄層により電流経路はメサの中央付近に集中し、キャリア密度が高い状態となっている。このとき、キャリア密度の高い非酸化領域では、キャリアプラズマ効果により屈折率が小さくなる作用が生じる。キャリアプラズマ効果は、自由キャリア密度に比例して屈折率が低下する現象である。例えば文献「Kobayashi, Soichi, et al. "Direct frequency modulation in AlGaAs semiconductor lasers." IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques 30.4 (1982): 428-441」によると、屈折率の変化量は式（２）で示される。ここで、Ｎはキャリア密度である。

【0087】

【数2】

【0088】

図１２に、パルス電流が注入されている期間（図１２（ａ））と、パルス電流の注入が停止されて減少する期間（図１２（ｂ））とでの等価屈折率及び電界強度分布を模式的に示す。パルス電流が注入されている期間では、酸化狭窄層により生じる等価屈折率差（ｎ１－ｎ０）を打ち消す方向にキャリアプラズマ効果が作用して、等価屈折率差は（ｎ２－ｎ０）となっている。この状態でパルス電流の注入が減少すると、キャリアプラズマ効果の作用がなくなり、等価屈折率差は（ｎ１－ｎ０）に戻る。これにより、メサの周辺部まで広がっていた光子がメサの中央部に集められ、非酸化領域での光子密度が上昇する。

【0089】

つまり、横方向光閉じ込めが強い状態に変化する。パルス電流の注入が停止すると、共振器内に蓄積されたキャリアはキャリア寿命時間をかけて減少する。しかし、キャリア密度が完全に減衰する前に横方向光閉じ込めが強くなると誘導放出が始まり、蓄積されていたキャリアが一気に消費されて光パルスが出力される。パルス電流が注入されている期間は電流注入期間の一例であり、パルス電流の注入が停止されて減少する期間は電流減少期間の一例である。

【0090】

本実施形態においては、光パルス出力が生じた後に継続的な光パルス列が生じにくい。光パルスが生じるときにはパルス電流の注入が減少しており、緩和振動が生じにくいためである。

【0091】

また、光パルス出力が生じた後にテール光が生じにくい。光パルスが生じた後にはパルス電流の注入が減少しており、キャリア密度が増加しにくいためである。

【0092】

また、パルス電流の注入を停止した直後に光パルスが出力されるため、光パルスが出力されるタイミングを任意に制御することができる。

【0093】

また、第１実施形態により生じる光パルスの幅は、注入したパルス電流幅よりも短い。大電流化した場合でもパルス電流幅を短くする必要がないため、寄生インダクタンスの影響を受けにくい。

【0094】

なお、従来のゲインスイッチングにおいて、テール光の出力を抑制するために、光パルスが出力された直後に電流注入を停止することが考えられる。理想的には数１００ｐｓｅｃ幅の電流パルスとする方法である。しかし、寄生成分による電流波形への影響があるため、このようなパルス幅の小さい電流パルスを作ることは難しい。特に、電流の大きさが１０Ａ以上と大きい場合には、光パルスが出力された直後に１００ｐｓ以下の時間で電流の注入を停止することは難しい。大きなコンデンサが必要なため回路構成が大きくなってしまうデメリットがあり、本実施形態の応用例であるウェアラブルセンサには不向きと言えるが、多量の電荷をためることのできるコンデンサを使用し、ため込んだ電荷を瞬間的に流す回路構成とすることで、大電流かつ短い電流パルスを生成し得る。

【0095】

それに対し、ガンマスイッチ型の面発光レーザにおける光パルスの立ち上がり時間は、しきい値キャリア密度Ｎｔｈがキャリア寿命時間よりも早く減少すると短くなる。つまり、横方向光閉じ込め係数Γｒの増加が速いほど立ち上がり時間が短くなる。光パルスの減衰時間は、光子寿命時間に依存する。これにより、入力する電流パルス幅が長くても良いので、回路構成の仕様が緩和され、ウェアラブルセンサなどの小型センサへの応用が可能となる。

【0096】

光パルスの実測結果の例を図１３に示す。光パルス幅として、半値全幅（ＦＷＨＭ）１０１Ｈと１／ｅ＾２パルス幅１０１Ｍをそれぞれ矢印で示している。

【0097】

実測結果における半値全幅（ＦＷＨＭ）と、１／ｅ＾２パルス幅は、４０～６０ｐｓの半値全幅と、８０～１１０ｐｓの１／ｅ＾２パルス幅が得られた。半値全幅に対する１／ｅ＾２パルス幅の比率（１／ｅ＾２パルス幅／半値全幅）は１．７～１．８程度であった。ガウス関数式の定義に基づけば、半値全幅に対する１／ｅ＾２パルス幅の比率は１．７０となるため、本実施形態の光パルスはガウス関数に近い波形であると言える。一方、比較例（図９（ａ）、（ｂ）、（ｃ））の実測結果では、パルス光の後に一定のテール光が出力されるため、電流注入を停止するまで光強度はピーク値の１／ｅ＾２以下とならない。つまり、比較例における１／ｅ＾２パルス幅はパルス電流の幅に依存するため、ピコ秒オーダの光パルス幅を得ることは難しい。

【0098】

また、図１３に、ピーク位置から光強度がピークの１/１０００となる位置までの時間経過を１０１Ｌとして矢印で示している。このグラフの数値から読み取ると、ピーク位置から約１３０ｐｓｅｃ後に１/１０００以下に低減している。先述したように本実施形態の面発光レーザは、以後、次のパルスが来るまで光を発しないため、当然、計測に必要な２ｎｓｅｃ以後も光が１／１０００以下になっている。この形状は、図４Ａで示した理想形の光パルスと同等であることが分かる。

【0099】

次にＳＰＡＤセンサによる受光波形について説明する。ゲーティングによって１ｂｉｎ当り、例えば、４０ｐｓｅｃの受光時間をシフトしていき、受光波形を得る場合、測定を繰り返すことで、ヒストグラムを得ることが出来る。

【0100】

この時、ＳＰＡＤセンサは１画素の出力を繰り返して積算するものでもよいが、多数（例えば１０００）の画素分のカウント数を合算して出力するＳｉＰＭ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｐｈｏｔｏｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒ）構造のＳＰＡＤアレイであると、より計測効率が高い。またその組み合わせでも良い。ＳＰＡＤアレイ数に、繰り返し測定数を掛け合わせたものが、受光波形のダイナミックレンジとなる。

【0101】

人体からの受光信号強度は、入射信号強度の４～５桁落ちとなるため、より深い領域（ＴｏＦの遅れが大きい）の信号を得るためには、受光波形のダイナミックレンジが少なくとも２～３桁は必要となる。そのため、ＳＰＡＤアレイ数×繰り返し測定数は１０Ｅ６～８程度必要となる。以上の要件は、例えば、「Ban, Han, Barrett, Geoffrey, Borisevich, Alex, Chaturvedi, Ashutosh, Dahle, Jacob, et al.; ”Kernel Flow: a high channel count scalable TD-fNIRS system” Proc. Of SPIE Ｖol. 11663 116630B-19」に記載されている。

【0102】

繰り返し測定数が多くなると測定時間が多くかかるので、なるべくＳＰＡＤアレイ数を大きくすることが必要となるが、一方で受光波形の下限値はＳＰＡＤデバイスのＤａｒｋ Ｃｏｕｎｔ（ＤＲ：暗状態カウント数）によって決まるため、Ｄａｒｋ Ｃｏｕｎｔ×アレイ数となり、ダイナミックレンジの低減につながる。

【0103】

人体に入射することから入射レーザ光量には上限があるため、Ｄａｒｋ Ｃｏｕｎｔ、アレイ数、繰り返し測定数の最適な組み合わせを考慮する必要がある。まず人体皮膚に対する安全から、レーザ出力の上限が例えばピークパワー１００～２００ｍＷと決まる。

【0104】

次に、Ｄａｒｋ Ｃｏｕｎｔによって下限が例えば１００～１０００カウント毎秒と決まる。ＤＲを２～３桁とするために例えばアレイ数を１６～６４とし、繰り返し測定数を１０２４～６５５３６回とする。

【0105】

また、本実施形態では、裾引きのない短パルスレーザ光を出力することが可能なので、パルス光を出力する繰り返し周波数を１０～１００ＭＨｚ程度とすることができる。繰り返し周波数が大きい方が、時間当たりの測定数を増やすことができ、測定時間を短く抑えることができる。一方で、前述の安全性考慮のため、平均出力パワーの上限には制限がある。平均出力パワーは、レーザ出力のピークパワー×パルス幅÷繰り返し周期として計算され、人体皮膚を対象とする場合、一般的な目安として２００μＷ以下程度に抑える必要がある。例えば、ピークパワー１００ｍＷ、パルス幅１００ｐｓｅｃ、繰り返し周期１００ｎｓｅｃ（周波数１０ＭＨｚ）とした場合、平均出力パワーは１００μＷとなる。また、例えばピークパワー２０ｍＷ、パルス幅１００ｐｓｅｃ、繰り返し周期１０ｎｓｅｃ（周波数１００ＭＨｚ）とした場合、平均出力パワーは２００μＷとなる。ピークパワーの小さいパルス光を使用する場合、ピークパワーの大きいパルス光の場合よりも信号が検出される確率は下がるが、繰り返し周波数を大きく（例えば１００ＭＨｚ）することで、信号カウント数を大きくすることができる。逆に、繰り返し周期を小さく（例えば１０～２０ＭＨｚ）する代わりにピークパワーを上限近傍の値とすることで信号が検出される確率を上げて、信号カウント数を大きくすることも可能である。

【0106】

図１４は、本発明のＴＤ－ＮＩＲＳシステム１の投光手段および受光手段について説明する図である。

【0107】

投光手段としての光源モジュール５０は、光学素子５３と、ＶＣＳＥＬ５２と、アナログ回路５１等を有する。図１４（ａ）は、光源モジュール５０の模式図である。光源モジュール５０では、発光素子として、ＶＣＳＥＬを用いており、ＶＣＳＥＬの発振波長は、一例として７８０ｎｍ又は９００ｎｍである。こ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。アナログ回路５１は、光源の制御を行うドライバであり、制御部からの駆動命令に基づいて、ＶＣＳＥＬ５２を駆動する駆動信号を出力する。光学素子５３は、必ずしも必須の構成ではないが、ＶＣＳＥＬ５２から出力される光を集光して被検体内へ照射することが好ましい。

【0108】

光源モジュール５０は、配線によって制御部と接続されている。配線は、個別配線であってもよいし、クロック信号線とデータ信号線が束ねられたＩ２Ｃ方式の配線であってもよい。

【0109】

光源モジュールの光学素子５３と、ＶＣＳＥＬ５２と、アナログ回路５１は、窓部５４を有する筐体の内部に配置されている。本実施形態では、これらの部品は１つの筐体の内部に収容されているが、光学素子５３とＶＣＳＥＬ５２との間を光ファイバで接続したり、ＶＣＳＥＬ５２とアナログ回路５１との間を配線で接続したりすることで複数の筐体に収納してもよい。

【0110】

窓部５４は、たとえば使用波長に対して透明な樹脂で形成されている。窓部５４は計測対象（被検体）と接触しており、光学素子５３により一方向に集光された光は窓部５４を通って被検体の表面に入射する。

【0111】

接触の安定性を高めるために、被検体と窓部５４の間に透明ジェルを介在させてもよい。

【0112】

光源モジュール５０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。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。

【0113】

受光手段としての光検出モジュール６０は、光学素子６３と検出器６２とデジタル回路６１を有し、受光時間を測定する機能を持つ。図１４（ｂ）は、光検出モジュール６０の模式図である。

【0114】

光検出モジュール６０は、配線によって制御部と接続されており、光源モジュール５０から一方向に照射され被検体で散乱された光を検出する構成を有する。

【0115】

本実施形態では、光検出モジュールの光学素子６３と、検出器６２と、デジタル回路６１と、は１つの筐体の内部に収容されているが、光学素子６３と検出器６２との間を光ファイバで接続したり、検出器６２とデジタル回路６１との間を配線で接続したりすることで複数の筐体に収納してもよい。

【0116】

筐体は、たとえば遮光性（黒色樹脂など）の材料で形成され、筐体の端部に被検体と接触する接触部材６４が設けられている。接触部材６４は、たとえば弾性体で形成されている。遮光性を高める観点から、黒いゴム製の部材としてもよい。

【0117】

筐体の先端と接触部材６４には開口（アパーチャ）が形成されている。アパーチャは、筐体の先端と接触部材６４を貫通する、たとえば直径１ｍｍ程度の円形の開口である。

【0118】

アパーチャは、被検体を伝搬して被検体から出射し、光検出モジュール６０に入射する光の位置を限定する機能を有する。光検出モジュール６０でも、接触部材６４と被検体の間に透明ジェルを介在させることで、被検体との接触安定性を向上してもよい。

【0119】

光学素子は、必須の構成ではないが、たとえばレンズや回折光学素子等により、検出器６２としての受光素子の受光面に光を集光することが好ましい。受光素子に光が入射すると光量に応じた光電流が流れる。光電流はデジタル回路であるデジタル回路６１で検知され、配線から制御部に電気信号が供給される。

【0120】

ＴＤ－ＮＩＲＳ信号は、投光手段による光信号が計測対象（被検体）によって散乱、吸収され、光強度、到達時間が変化する。そのため、受光手段は、制御部にＴｏＦを精度よく測る機能としてＴＤＣ（Ｔｉｍｅ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）回路を含む。

【0121】

光検出モジュール６０による信号は数十ｐｓｅｃオーダでの変化であり、時間精度が必要なため、信号処理部４２は光検出モジュール６０のデジタル回路６１と一体化されていても良い。配線による寄生抵抗、寄生容量成分での信号遅れを防ぐため、同一基板上に配置し、長い配線を避けて、近くに置くことが好ましい。

【0122】

図１５は、検出器の構成例である。光源モジュール５０から出力された光は、計測対象（被検体）の照射スポットに入射し、被検体の内部のパスを通って、光検出モジュール６０の光学素子に入射する。入射光は、光学素子によって検出器に集光される。

【0123】

図１６は、ウェアラブル端末の一例である、耳掛け型ＴＤ－ＮＩＲＳ装置の実施形態について説明する図である。ただし、図１６は、ウェアラブル端末の構造を概念的に示す概略図であって、説明に必要な構成要素のみを適宜図示している。

【0124】

ウェアラブル端末は、上述したように、人体の一部である対象者の「耳」に装着される、耳掛け型の端末である。ウェアラブル端末は、図１６に示すように、装着機構を有する筐体８０を有している。筐体内には、ＴＤ－ＮＩＲＳシステム１と同様に、投光手段及び受光手段を含む投受光モジュール８３を収容している。さらに、筐体には、制御モジュール８２も収容されている。制御モジュール８２は、制御部４１、信号処理部４２及び信号伝達部４３等が収容されている。または、信号処理部４２は筐体内に配置せず、外部の情報処理装置によって構成することで端末をコンパクト化してもよい。

【0125】

受光側としてはＳＰＡＤセンサを用いるのが好適である。これまでに述べた通り、高感度かつ時間分解能の高いセンサが求められるが、ＳＰＡＤセンサは高感度かつ時間分解能が高いだけでなく、多画素の集積が可能であり、小型化が重要となるウェアラブル端末に適している。

【0126】

筐体は、装着機構によって対象者の耳の前後に着脱可能に装着される。投受光モジュール８３が耳の後ろ側に配置されるよう装着することが好ましい。ここで、本実施形態では、利用者が、普段から、ウェアラブル端末を装着して生活していることを前提としている。そのため、筐体は、対象者が激しく動いても外れないように比較的強固に装着され、かつ対象者に負担が掛かりにくいように比較的軽量化されていることが好ましい。さらに、ウェアラブル端末は、防水機能を有していることが好ましい。

【0127】

ウェアラブル端末は、対象者の耳に引っ掛けられた状態で装着される。小型、軽量化されていることで、眼鏡やサングラスを装着しても支障がない。

【0128】

本実施形態では、対象者は、右耳及び左耳のうちの一方（図１６の例では右耳）にのみ、ウェアラブル端末を装着している。ただし、ウェアラブル端末は、右耳用と左耳用とを共通の筐体に構成してもよい。

【0129】

また、対象者は、２台のウェアラブル端末を両耳（右耳及び左耳）に装着してもよい。この場合、２台のウェアラブル端末が互いに通信することで互いに協働（連携）し、１台のウェアラブル端末と同様の機能を実現する。

【0130】

ここで、ウェアラブル端末は、電池駆動であることが好ましい。そのため、本実施形態では、ウェアラブル端末は、蓄電池を有し、蓄電池に蓄積された電気エネルギを用いて動作することとする。

【0131】

両耳による２ｃｈであれば、各ｃｈに共通する信号を抽出することにより、より正確に深い部分（海馬、ブロードマン２５野、帯状回といった脳深部）を測定することが出来る。

【0132】

本実施形態におけるＴＤ－ＮＩＲＳシステム１のアプリケーションとして、血流測定システムの説明を以下に記す。本実施形態では、ＴＤ－ＮＩＲＳシステム１における信号処理部４２により、得られた測定対象物の光物性値に基づく情報処理を行う。一例として、得られた光物性値（散乱係数μｓ’または吸収係数μａ）に基づき血流測定、特に脳血流測定を行う。標的媒体は人体の脳血流を想定する。この場合、散乱係数μｓ’はあまり変動しないため、吸収係数μａの変動から血中ヘモグロビン濃度変化を測定することで脳血流の変化を捉えることが出来る。

【0133】

また、ＴＤ－ＮＩＲＳの場合は、平均光路長によるＴｏＦが測定出来るため、その脳血流の変化が脳のどの程度深い領域のものなのかが判別できる。本実施形態の面発光レーザを用いているため、浅い位置と深い位置との判断が容易である。特に、耳の近傍は頭蓋骨の表面に表情筋があり、これがアーチファクトとなる。この浅い位置での信号か、脳内部の信号かを判別することが可能となり、より正確な計測が可能である。

【0134】

ＴＤ－ＮＩＲＳシステムの第１の変形例は、筋肉の血流を測定する測定システムである。本変形例では、標的媒体に筋肉の血流量を想定する。構成要素として、前記被検体に密接するための粘着部を備える。血流量を測定することで筋肉の活動具合が確認出来、リハビリテーションの進捗診断に役立てることが出来る。

【0135】

特に、本実施形態の面発光レーザを利用し、伝搬経路別に筋肉の位置を分離できる機能を活かせる例として、コンパートメント症候群の虚血部位の判断に用いる応用例を以下に説明する。

【0136】

コンパートメント症候群は、外傷によって発生し、筋膜によって閉鎖された区画の内圧が上昇し微小血管の静脈還流障害を起こした状態である。筋肉の虚血が局所的に起きる症状で、現状は、内圧などの計測によって、その部位を判別している。しかし、判断があいまいになるなど不具合があり、処置として行う切開する位置を誤る可能性がある。

【0137】

虚血状態は血液のヘモグロビンの酸素飽和度に変化を観察することで判断することができるため、２波長のＮＩＲＳによるスペクトル情報によって、局所的な虚血状態を判断することができる。特に、本実施形態の面発光レーザを利用することで、光伝搬経路の判別ができる利点は大きい。例えば、前腕のコンパートメント症候群では、コンパートメントが、掌側、背側、橈側とある。また、掌側は浅い層と深い層に分かれる。

【0138】

この４つのコンパートメントのどの部分が虚血しているかを定量的に判断することは、非常に価値が高い。前腕のコンパートメントを判断する際には、前腕の直径が８０ｍｍ程度であれば、光源モジュール５０と、光検出モジュール６０を前腕の円周に対して、対向する位置に配置して、検出することができる。

【0139】

被検体を挟み対向配置にすることで、透過光を利用することが可能である。透過光は、検出するすべての光が、前腕を横断していることとなるため、皮膚など表面近傍からの情報量が少ない散乱光を低減することができる。反射型の配置の場合には、この表面散乱光が大きく深い位置からの反射光が埋もれてしまう。本変形例では、透過型であるため、筋肉内部の散乱光のみを検出することができ、診断精度が向上する。

【0140】

直径方向の短い伝搬経路と、迂回した長い伝搬経路との相違を、経過時間として判別することができる。つまり、スペクトル情報から虚血している部位が、直径方向かもしくは迂回した方かを区別することができる。被検体を挟んだ対向配置を維持しながら、光源モジュール５０、光検出モジュール６０の片方もしくは両方を掌側から橈側へ走査する。走査しながらデータを蓄積、比較することで、虚血部位を特定できる。

【0141】

ＴＤ－ＮＩＲＳシステムの第２の変形例は、生体内の異物検出、癌検出を行う測定システム装置である。本変形例では、癌検診への適用を想定する。標的媒体に胸部の血流量を想定する。血流量を測定することで、乳癌の発見に役立てることが出来る。癌細胞周辺は血流量が正常細胞よりも多くなるため、胸部部位による血流量の変化を測定することで乳癌の有無を判別することが出来る。

【0142】

本実施形態の光学センサを用いて、癌のような異物の有無を検知することができる。皮膚の表面に光源モジュール５０と光検出モジュール６０を所定の送受光間隔で複数配置する。もしくは、光源モジュール５０と光検出モジュール６０を皮膚表面で走査することで、他の部位と異なる部位を検出することも可能である。

【0143】

生体内に複数の非平行な光を照射し、光検出モジュール６０で複数の方向からの光を検出して光量比を求める。前述の通り平均光路長が分かるため、皮膚からどの程度深い領域の癌なのかといった情報を得ることが出来る。

【0144】

本実施形態の面発光レーザを採用することで、深い位置と浅い位置とを分離して検出が可能となる。近年、研究が盛んになっている乳癌の抗癌剤の適応有無の判断の場合には、抗癌剤の投与後の癌細胞の虚血状態を検出する必要がある。この場合、抗癌剤により皮膚の近傍浅い部分での虚血が強いようなアーチファクトが多い時に、深い位置の癌の虚血状態を正確に判断することが難しい。

【0145】

従来のＮＩＲＳでは、このような深さ方向の分析は難しい。本変形例では、深い部分と浅い部分とを数１０ｍｍのレベルで分離できることができることから、超音波装置による癌の位置特定データとを複合させることで、抗癌剤の適応有無の判断の精度を向上させることができる。

【0146】

ＴＤ－ＮＩＲＳシステムの第３の変形例として、人の精神状態を推定する測定システムを記す。人の精神状態とは、例えば感情や集中度である。本変形例は、標的媒体を脳血流として、その賦活部位によって推定できる心理状態推定を想定する。脳血流量またはヘモグロビンなどの血液内成分の変化と、人間の神経活動との間には密接な関係があることが知られている。

【0147】

特に本変形例では、脳の深い部分にある帯状回の血流量を検出する。図１７は人の脳構造の断面図を示す。－Ｚ方向が人の顔方向である。額の部分に光源モジュール５０と光検出モジュール６０を設置する。投光は＋Ｚへ伝搬する。額から帯状回９０までの距離は、大人の男性で、約４０～５０ｍｍの位置にある。その手前には、ＤＬＰＦＣなどの前頭前野９１の大脳皮質の組織があり、この浅い位置の脳血流の変化と、深い位置での帯状回９０での脳血流変化を分離することが、従来のＮＩＲＳでは難しかった。

【0148】

前述の通り、本実施形態の面発光レーザによって、平均光路長から測定部位の深さ情報を得ることが出来て、なおかつＳＰＡＤセンサにより、長い平均光路長で減衰した深部からの微小な信号波形を得ることが出来るので、脳深部の血流量が分かる。

【0149】

脳深部に位置する海馬、ブロードマン２５野、帯状回といった領域はストレスを感じると賦活するため、ネガティブな感情の推定を行うことが出来る。

【0150】

特に、帯状回とＤＬＰＦＣとを区別して検出することが重要だと思われる。ＤＬＰＦＣは帯状回より浅い領域に存在し、一般的なＮＩＲＳでは、帯状回を独立検出することができない。本実施形態の面発光レーザを利用することで、ＤＬＰＦＣの奥で深い位置の帯状回を独立に計測できる。ＤＬＰＦＣはストレスをコントロールする時に、賦活することが知られている。

【0151】

つまりは、帯状回が賦活していても、ＤＬＰＦＣが賦活している場合には、被験者はストレスをコントロールしていることとなる。このように、人の感情を分析する際には、感じている感情が、本来の感情なのか、それとも、それをコントロールして感じている感情なのかを正しく分析することが重要である。

【0152】

これには、ＤＬＰＦＣと帯状回を同時に個別に計測することが必要である。本実施形態の面発光レーザを利用し、帯状回を個別に測定することで、感情分析を正しく行うことができる。

【0153】

このように、人間の感情の変化に応じて神経細胞の活動が変化することにより、脳血流量または血液内の成分が変化する。したがって、脳血流量または血液内成分の変化などの生体情報を計測できれば、ユーザの心理状態を推定することができる。ユーザの心理状態は、例えば、気分、感情、健康状態、または温度感覚を意味する。

【0154】

気分は、例えば、快、または不快といった気分を含み得る。感情は、例えば、安心、不安、悲しみ、または憤りといった感情を含み得る。健康状態は、例えば、元気、または倦怠といった状態を含み得る。温度感覚は、例えば、暑い、寒い、または蒸し暑いといった感覚を含み得る。

【0155】

これらに派生して、脳活動の程度を表す指標、例えば熟練度、習熟度、および集中度についても同様に推定することが出来る。信号処理回路は、計測部において、脳血流量の変化に基づいて、ユーザの集中度などの心理状態を推定して、推定した当該状態を示す信号を出力してもよい。

【0156】

本開示における血流量推定装置は、非接触でユーザの内部情報を取得する測定機器に適用され得る。本開示における血流量推定装置は、生体または医療センシング、自動車の運転者のセンシング、ゲーム機やアトラスション装置のユーザのセンシング、教育機関における学習者のセンシング、および職場における労働者のセンシングに応用できる。

【0157】

ＴＤ－ＮＩＲＳシステムの第４の変形例として、真皮層の血行診断を行う測定システムを記す。光強度ピークの立下り１００ｐｓｅｃにおいて、投光波形における光強度がピーク強度の１／ｅ＾２にまで低下していることによって、光路長として数ｍｍの距離を分離することが可能となる。皮膚の構造として、真皮層と呼ばれる層は、厚さが約２ｍｍ程度とされている。その奥には、筋肉や脂肪などの組織がある。美容の観点から、顔の皮膚はその定量化が重要である。頭皮などを含めて皮膚の血行を良くすることを目的とした化粧品なども多く存在し、その効果の定量化が求められている。皮膚の場合には、血行という表現が一般的であるが、ここでは血流と同意義に利用する。

【0158】

本実施形態の面発光レーザを利用することで、皮膚の血行の状態を、内部の筋肉や脂肪の影響を受けることなく、分離して検出することが可能となる。真皮層の血行状態を正確に定量的に検出することができる。例えば、個人に適する美容液を選択する際に、比較する定量指標としてこの真皮の血行状態を利用することができる。

【0159】

また、皮膚には様々な疾患も存在し、その程度などを定量化する上でも利用できる。例えば、褥瘡や熱傷のステージ判断をする際には、どの深さまで血行不良が起きているかなど、医師の判断が必要である。

【0160】

一般的には目視などでの判断となるが、表面に出ている表皮から目に見えない真皮層の状態を判断するしかない。本実施形態の受光波形を時間経過で分離することで、表皮層の影響を低減した真皮層の血行状態を定量化することも可能である。

【0161】

特に本実施形態の投光波形は、光強度のピークから１００ｐｓｅｃ経過後には、ピーク強度の１／ｅ＾２以下になる裾引きのない短パルスであるため、受光波形の１００ｐｓｅｃ以降の波形は高精度に捉えられることができる。これにより、表皮層の影響がでる１００ｐｓｅｃ以前と、真皮層が現れる２００ｐｓｅｃ以降とを正確に分離することができる。これにより目視では見えない真皮層の血行状態を定量化でき、総合的な判断が可能となる。

【0162】

ＴＤ－ＮＩＲＳシステムの第５の変形例として、眼球の検査に利用する例を記す。眼球は、硝子体と呼ばれる透明体によって構成されている。その奥にある網膜における諸症状を検査する手法が多く開発されている。特にＯＣＴ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ： 光干渉断層撮影）によって、網膜の３次元計測が、網膜剥離や網膜の薄化症状などに対して、治療上に非常に有効であることが知られてきている。

【0163】

しかし、ＯＣＴでは透明体の硝子体の内部に関する諸症状を観察することはできない。ＯＣＴでは原理上、反射してくる光のコヒーレンスが維持されている必要があるが、硝子体の内部の異物からの反射光では散乱される成分が強くコヒーレント状態を維持できない。

【0164】

それに対し、本実施形態で用いられる検出原理であるＴｏＦを用いることで、散乱された光でもその距離を検出することが可能である。硝子体に存在する異物、例えば出血などが、どの位置に存在するかを定量化することは、その後の治療方法を決定する際に価値がある。本実施形態で記したＴoＦを用いることで透明体に存在する異物が表面からの程度の位置にあるものか検出することが可能となる。

【0165】

以上説明したように、本発明の態様の一例は以下のようになる。

【0166】

＜１＞
本実施形態にかかる光源装置は、散乱体もしくは透明体である被検体に対して、光を照射するための光源装置であって、面発光レーザと、前記面発光レーザの駆動を制御する光源制御部と、を備え、前記面発光レーザの発光において、光強度のピークに対して１／ｅ＾２の光強度となる時間幅が２００ｐｓｅｃ以下であることを特徴とする。これにより、散乱体もしくは透明体である被検体の内部の測定に好適な短パルス光源を提供することができる。

【0167】

＜２＞
本実施形態にかかる光源装置は、前記面発光レーザの発光において、前記ピークから２ｎｓｅｃ後の光強度が、前記ピークの光強度に対して１／１０００以下であることを特徴とする＜１＞に記載の光源装置である。これにより、散乱体もしくは透明体である被検体の内部の測定に好適な短パルス光源を提供することができる。

【0168】

＜３＞
本実施形態にかかる光源装置は、前記面発光レーザは、活性層と、前記活性層を挟んで対向する複数の反射鏡と、電源装置に接続され、前記活性層に電流を注入することが可能な電極対と、を有し、前記光源制御部により電流が注入される期間を電流注入期間、前記電流注入期間の後であって前記活性層に注入される電流値が前記電流注入期間における電流値よりも低下する期間を電流減少期間として、前記電流注入期間にレーザ発振せず、前記電流減少期間にレーザ発振する、ことを特徴とする＜１＞又は＜２＞に記載の光源装置である。これにより、散乱体もしくは透明体である被検体の内部の測定に好適な短パルス光源を提供することができる。

【0169】

＜４＞
本実施形態にかかる光源装置は、前記面発光レーザは、光の射出方向に垂直な面内に、相対的に屈折率の高い高屈折領域と、該高屈折領域よりも屈折率が低く、該高屈折領域を取り囲む低屈折領域を有し、前記低屈折領域は酸化狭窄により形成されており、前記高屈折領域の厚さは３５ｎｍ以下であり、前記低屈折領域と前記高屈折領域との境界の先端部から３μｍの位置における前記低屈折領域の厚さは、前記高屈折領域の厚さの２倍以下である、ことを特徴とする＜１＞～＜３＞のいずれかに一つに記載の光源装置である。これにより、散乱体もしくは透明体である被検体の内部の測定に好適な短パルス光源を提供することができる。

【0170】

＜５＞
本実施形態にかかる計測システムは、面発光レーザと、前記面発光レーザの駆動を制御する光源制御部と、を備え、パルス光を複数回対象物の内部へ照射する光源装置と、前記対象物の内部を伝搬した散乱光を検出し、検出タイミングの情報を含む検出信号を出力する検出器と、前記検出信号が入力される信号処理部と、を備え、前記パルス光は、前記面発光レーザが射出する、光強度のピークに対して１／ｅ＾２の強度となる時間幅が２００ｐｓｅｃ以下の光であることを特徴とする。これにより、散乱体もしくは透明体である被検体の内部の測定に好適な計測システムを提供することができる。

【0171】

＜６＞
本実施形態にかかる計測システムは、前記面発光レーザの発光において、前記ピークから２ｎｓｅｃ後の光強度が、前記ピークの光強度に対して１／１０００以下であることを特徴とする＜５＞に記載の計測システムである。これにより、散乱体もしくは透明体である被検体の内部の測定に好適な計測システムを提供することができる。

【0172】

＜７＞
本実施形態にかかる計測システムは、前記面発光レーザは、活性層と、前記活性層を挟んで対向する複数の反射鏡と、電源装置に接続され、前記活性層に電流を注入することが可能な電極対と、を有し、前記光源制御部により電流が注入される期間を電流注入期間、前記電流注入期間の後であって前記活性層に注入される電流値が前記電流注入期間における電流値よりも低下する期間を電流減少期間として、前記電流注入期間にレーザ発振せず、前記電流減少期間にレーザ発振する、ことを特徴とする＜５＞又は＜６＞に記載の計測システムである。これにより、散乱体もしくは透明体である被検体の内部の測定に好適な計測システムを提供することができる。

【0173】

＜８＞
本実施形態にかかる計測システムは、前記検出器が１または複数の画素を有するＳＰＡＤセンサであることを特徴とする＜５＞～＜７＞のいずれか一つに記載の計測システムである。これにより、散乱体もしくは透明体である被検体の内部の測定に好適な計測システムを提供することができる。

【0174】

＜９＞
本実施形態にかかる計測システムは、前記検出器は、複数の前記パルス光に対応する複数の前記散乱光を検出して前記検出信号を出力し、前記信号処理部は、前記検出信号に基づいて時間分解分光計測を行うことを特徴とする＜５＞～＜８＞のいずれか一つに記載の計測システムである。これにより、散乱体もしくは透明体である被検体の内部の測定に好適な計測システムを提供することができる。

【0175】

＜１０＞
本実施形態にかかる計測システムは、前記検出器は、単一光子の入射タイミングの検出を繰り返し、前記信号処理部は、前記検出信号に基づいて、入射タイミングと検出頻度のプロファイルを生成することを特徴とする＜５＞～＜９＞のいずれか一つに記載の計測システムである。これにより、散乱体もしくは透明体である被検体の内部の測定に好適な計測システムを提供することができる。

【0176】

＜１１＞
本実施形態にかかる測定システムは、前記信号処理部は、前記プロファイルに基づいて散乱係数及び吸収係数を算出し、該散乱係数及び該吸収係数に基づいて、前記対象物の内部のヘモグロビン量を算出することを特徴とする＜５＞～＜１０＞のいずれか一つに記載の測定システムである。これにより、生体計測に好適な計測システムを提供することができる。

【0177】

＜１２＞
本実施形態にかかる測定システムは、前記信号処理部は、前記ヘモグロビン量の時間変化に基づいて前記対象物内の血流量を測定することを特徴とする＜１１＞に記載の測定システムである。これにより、生体計測に好適な計測システムを提供することができる。

【0178】

＜１３＞
本実施形態にかかる測定システムは、前記信号処理部は、前記検出信号に基づき対象物内の異物を検出する＜５＞～＜１２＞のいずれか一つに記載の測定システムである。これにより、病変を早期に検出できる計測システムを提供することができる。

【0179】

＜１４＞
本実施形態にかかる測定システムは、前記異物は生体内の癌である＜１３＞に記載の測定システムである。これにより、病変を早期に検出できる計測システムを提供することができる。

【0180】

＜１５＞
本実施形態にかかる測定システムは、前記信号処理部は、前記検出信号に基づき人の精神状態を推定する＜５＞～＜１２＞のいずれか一つに記載の測定システムである。これにより、被験者の健康を維持することができる計測システムを提供することができる。

【符号の説明】

【0181】

１０ 投光波形
１０Ｍ 投光波形（理想形）
１０Ｒ 投光波形（計測例）
１０１ 投光波形の時間幅
１０１Ｈ 投光波形の時間幅（半値全幅）
１０１Ｍ 投光波形の時間幅（１／ｅ＾２パルス幅）
１０１Ｌ ピーク強度の１／１０００になるまでにかかる時間
２０ 受光波形
２１ 受光波形の傾き部分
２２ 受光波形の時間幅
２０Ｓ 受光波形（浅い部分からの信号）
２０Ｄ 受光波形（深い部分からの信号）
３０ 光源制御部
３１ 電源
３２ ドライバ電源
３３ ＶＣＳＥＬ電源
３４ ＳＰＡＤ電源
３５ 回路部分電源
４０ 回路部分
４１ 制御部
４２ 処理部
４３ 信号伝達部
４４ 記憶部
５０ 光源モジュール
５１ アナログ回路（ドライバ）
５２ 面発光レーザ
５３ 光学素子
５４ 窓部
６０ 光検出モジュール
６１ デジタル回路（ＤＳＰ）
６２ 検出器（ＳＰＡＤセンサ）
６３ 光学素子
６４ 接触部材
７０ 標的媒体
７０Ｓ 光伝搬経路（浅い位置）
７０Ｄ 光伝搬経路（深い位置）
８０ 筐体
８３ 投受光モジュール
８２ 制御モジュール
９０ 帯状回
９１ 前頭前野
１００ 面発光レーザ
１１０ ｎ型ＧａＡｓ基板
１２０ ｎ型ＤＢＲ
１３０ 活性層
１４０ ｐ型ＤＢＲ
１５０ 酸化狭窄層
１５１ 酸化領域
１５２ 非酸化領域
１５３ 外側領域
１５４ 内側領域
１６０ 上部電極
１７０ 下部電極

【図1】

【図2】

【図3】

【図4A】

【図4B】

【図4C】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】