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JP2019045247A - Measuring device - Google Patents

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JP2019045247A
JP2019045247A JP2017166988A JP2017166988A JP2019045247A JP 2019045247 A JP2019045247 A JP 2019045247A JP 2017166988 A JP2017166988 A JP 2017166988A JP 2017166988 A JP2017166988 A JP 2017166988A JP 2019045247 A JP2019045247 A JP 2019045247A
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Japan
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light
signal
living body
scattered
linearly polarized
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JP2017166988A
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Japanese (ja)
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安比古 足立
Yasuhiko Adachi
安比古 足立
鳴海 建治
Kenji Narumi
建治 鳴海
青児 西脇
Seiji Nishiwaki
青児 西脇
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Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Original Assignee
Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
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Abstract

【課題】外乱光が存在する場合でも、散乱体からの光の表面散乱成分を抑制する。【解決手段】計測装置は、生体内を通過した光を検出することにより、前記生体内の状態を示す情報を取得する。前記計測装置は、直線偏光を出射する光源と、前記光源から出射され、生体の表面で散乱された表面散乱光、および前記生体の内部で散乱された内部散乱光の経路上に配置された1/4波長板と、前記1/4波長板を通過した光の経路上に配置され、前記光を、偏光方向が互いに直交する第1の直線偏光および第2の直線偏光に分離する光学素子と、前記第1の直線偏光を検出する第1の光検出器と、前記第2の直線偏光を検出する第2の光検出器と、を備える。【選択図】図7A surface scattering component of light from a scatterer is suppressed even when disturbance light is present. A measuring device acquires information indicating a state in the living body by detecting light that has passed through the living body. The measuring device is disposed on a path of a light source that emits linearly polarized light, surface scattered light that is emitted from the light source and scattered on the surface of the living body, and internal scattered light that is scattered inside the living body. A quarter-wave plate, and an optical element that is arranged on a path of light that has passed through the quarter-wave plate and separates the light into first linearly polarized light and second linearly polarized light whose polarization directions are orthogonal to each other; And a first photodetector for detecting the first linearly polarized light and a second photodetector for detecting the second linearly polarized light. [Selection] Figure 7

Description

本開示は、生体などの散乱体の内部情報を取得する計測装置に関する。   The present disclosure relates to a measurement device that acquires internal information of a scatterer such as a living body.

生体計測および材料分析などの分野では、対象物に光を照射し対象物の内部を透過した光の情報から対象物の内部情報を取得する方法が用いられる。そのような方法において、高い画像品質、例えば高いコントラストで散乱体の内部情報を取得できることが求められる。   In the fields of biological measurement and material analysis, a method is used in which light is irradiated to an object and internal information of the object is acquired from information of light transmitted through the inside of the object. In such a method, it is required to be able to obtain scatterer internal information with high image quality, eg high contrast.

一例として、脳などの生体組織における血流に関する情報を取得することで、血液の活動状態を分析する方法が開発されている。特に、近赤外光または赤色光などの光を用いて脳血流の情報を取得して分析する方法は光トポグラフィーと呼ばれ、研究が進められている(例えば非特許文献1)。   As an example, a method for analyzing the activity state of blood has been developed by acquiring information on blood flow in living tissue such as the brain. In particular, a method for acquiring and analyzing information on cerebral blood flow using light such as near-infrared light or red light is called optical topography, and research is being conducted (for example, Non-Patent Document 1).

光トポグラフィーにおいて問題となるのは、生体などの散乱体の表面で生じる光の表面散乱である。表面散乱光は、散乱体の内部を通過して戻ってくる内部散乱光と比較して、10倍から10倍程度の強度を有する。そのため、取得したい内部散乱光の信号成分が表面散乱光の信号成分に埋もれてS/Nが低くなるという課題がある。そこで、光源と光検出器との間に2つの偏光子をクロスニコル(直交ニコル)配置になるように配置した光学系を用いて表面散乱光の影響を除去する技術が提案されている(例えば特許文献1)。 A problem in optical topography is surface scattering of light generated on the surface of a scatterer such as a living body. The surface scattered light has an intensity on the order of 10 4 to 10 6 times that of the internally scattered light returning through the inside of the scatterer. Therefore, there is a problem that the signal component of the internally scattered light to be acquired is buried in the signal component of the surface scattered light and the S / N becomes low. Therefore, there has been proposed a technique for removing the influence of surface scattered light by using an optical system in which two polarizers are disposed in a cross nicol arrangement (crossed nicol arrangement) between a light source and a light detector (for example, Patent Document 1).

特表2002−529713Special table 2002-529713

Tomohiro Suto et al. "Multichannel Near-Infrared Spectroscopy in Depression and Schizophrenia: Cognitive Brain Activation Study", Biological psychiatry 55.5 (2004), pp501-511.Tomohiro Suto et al. "Multichannel Near-Infrared Spectroscopy in Depression and Schizophrenia: Cognitive Brain Activation Study", Biological psychiatry 55.5 (2004), pp 501-511. Valury V. Tuchin "Polarized light interaction with tissues", J. Biomed. Opt. 21(7), 071114 (2016)Valury V. Tuchin "Polarized light interaction with tissues", J. Biomed. Opt. 21 (7), 071114 (2016) Minami et al., "High-power THz wave generation in plasma induced by polarization adjusted two-color laser pulses", App. Phys. Lett. 102, 041105 (2013)Minami et al., "High-power THz wave generation in plasma induced by polarization adjusted by two-color laser pulses", App. Phys. Lett. 102, 041105 (2013) Kemp et al., "Security applications of teraherts technology", Terahertz for Military and Security Applications, R. Jennifer Hwu, Dwight L. Woolard, Editors, Proceedings of SPIE Vol. 5070 (2003)Kemp et al., "Security applications of teraherts technology", Terahertz for Military and Security Applications, R. Jennifer Hwu, Dwight L. Woolard, Editors, Proceedings of SPIE Vol. 5070 (2003)

従来のクロスニコル配置の構成では、計測環境に太陽光などの外乱光が存在する場合に、対象物の表面で散乱される光を十分に除去することができなかった。   In the configuration of the conventional cross nicol arrangement, when disturbance light such as sunlight exists in the measurement environment, the light scattered on the surface of the object can not be sufficiently removed.

本開示は、外乱光が存在する場合でも、対象物からの光の表面散乱成分を抑制することのできる技術を提供する。   The present disclosure provides a technique capable of suppressing surface scattering components of light from an object even in the presence of ambient light.

本開示の一態様に係る計測装置は、生体内を通過した光を検出することにより、前記生体内の状態を示す情報を取得する。前記計測装置は、直線偏光を出射する光源と、前記光源から出射され、生体の表面で散乱された表面散乱光、および前記生体の内部で散乱された内部散乱光の経路上に配置された1/4波長板と、前記1/4波長板を通過した光の経路上に配置され、前記光を、偏光方向が互いに直交する第1の直線偏光および第2の直線偏光に分離する光学素子と、前記第1の直線偏光を検出する第1の光検出器と、前記第2の直線偏光を検出する第2の光検出器と、を備える。   The measuring device according to an aspect of the present disclosure acquires information indicating the in-vivo state by detecting light that has passed through the inside of the in-vivo. The measuring device includes a light source emitting linearly polarized light, surface scattered light emitted from the light source and scattered on the surface of the living body, and disposed on a path of internally scattered light scattered inside the living body 1 A quarter-wave plate, an optical element disposed on a path of light passing through the quarter-wave plate and separating the light into first linearly polarized light and second linearly polarized light whose polarization directions are orthogonal to each other; A first light detector for detecting the first linear polarization; and a second light detector for detecting the second linear polarization.

上記の包括的または具体的な態様は、システム、方法、集積回路、コンピュータプログラム、または記録媒体によって実現されてもよい。あるいは、システム、装置、方法、集積回路、コンピュータプログラム、および記録媒体の任意の組み合わせによって実現されてもよい。   The above general or specific aspects may be realized by a system, a method, an integrated circuit, a computer program, or a recording medium. Alternatively, the present invention may be realized by any combination of a system, an apparatus, a method, an integrated circuit, a computer program, and a storage medium.

本開示の一態様によれば、外乱光がある場合でも、対象物の内部情報を比較的高いS/Nで取得することができる。   According to an aspect of the present disclosure, even when disturbance light is present, internal information of an object can be acquired with a relatively high S / N.

図1は、生体などの散乱体に光を照射する光源と、散乱体によって散乱された光を検出する光検出器とを備える一般的な計測装置を模式的に示す図である。FIG. 1 is a view schematically showing a general measurement device provided with a light source for irradiating light to a scatterer such as a living body and a light detector for detecting light scattered by the scatterer. 図2は、クロスニコル配置の偏光子を用いて表面散乱光の影響を除去する装置の一例を示す模式図である。FIG. 2 is a schematic view showing an example of an apparatus for removing the influence of surface scattered light by using a polarizer in a cross nicol arrangement. 図3は、生体の内部にある最小単位の散乱体である細胞での入射光の散乱の様子を模式的に示す図である。FIG. 3 is a view schematically showing the state of scattering of incident light in a cell which is the minimum unit scatterer in the inside of a living body. 図4Aは、直線偏光である入射光が1/4波長板およびウォラストンプリズムを通過する様子を模式的に示す図である。FIG. 4A is a view schematically showing how linearly polarized incident light passes through a quarter wave plate and a Wollaston prism. 図4Bは、図4Aの例において検出されるS偏光とP偏光の強度を模式的に示す図である。FIG. 4B is a view schematically showing the intensities of S-polarization and P-polarization detected in the example of FIG. 4A. 図4Cは、直線偏光でない入射光が1/4波長板およびウォラストンプリズムを通過する様子を模式的に示す図である。FIG. 4C is a view schematically showing how incident light that is not linearly polarized passes through the quarter wavelength plate and the Wollaston prism. 図4Dは、図4Cの例において検出されるS偏光とP偏光の強度を模式的に示す図である。FIG. 4D is a view schematically showing the intensities of S-polarization and P-polarization detected in the example of FIG. 4C. 図5は、本開示の実施形態における光検出の原理を説明するための図である。FIG. 5 is a diagram for explaining the principle of light detection in the embodiment of the present disclosure. 図6は、非特許文献4に開示されたテラヘルツ波の時間波形(a)と、そのフーリエ変換(b)とを示す図である。FIG. 6 is a view showing the time waveform (a) of the terahertz wave disclosed in Non-Patent Document 4 and its Fourier transform (b). 図7は、第一実施形態における計測装置の構成を模式的に示す図である。FIG. 7 is a view schematically showing the configuration of the measurement device in the first embodiment. 図8Aは、第一実施形態の他の構成例を示す図である。FIG. 8A is a diagram showing another configuration example of the first embodiment. 図8Bは、図8Aに示す2つの光検出器140A、140B、および演算回路160の構成例を示す図である。FIG. 8B is a diagram showing a configuration example of the two light detectors 140A and 140B and the arithmetic circuit 160 shown in FIG. 8A. 図9は、第二実施形態における計測装置100の構成を模式的に示す図である。FIG. 9 is a view schematically showing a configuration of the measuring device 100 in the second embodiment. 図10Aは、第三実施形態における各光検出器の断面を模式的に示す図である。FIG. 10A is a view schematically showing a cross section of each light detector in the third embodiment. 図10Bは、光検出器を光の入射する側から眺めた平面図である。FIG. 10B is a plan view of the photodetector as viewed from the light incident side. 図11は、光検出器140の信号処理の方法の一例を示す図である。FIG. 11 is a diagram illustrating an example of a signal processing method of the light detector 140. As illustrated in FIG. 図12Aは、第三実施形態における4つの開口での入射光とその下にある3つの光検出セルの位置関係を示す断面図である。FIG. 12A is a cross-sectional view showing the positional relationship between incident light at four openings and three light detection cells located thereunder in the third embodiment. 図12Bは、入射光の位相のランダム係数aおよび検出信号の関係に関する解析結果を示す図である。FIG. 12B is a diagram showing analysis results regarding the relationship between the random coefficient a of the phase of incident light and the detection signal. 図13は、計測装置をウェアラブル端末に利用した例を示している。FIG. 13 shows an example in which the measurement device is used as a wearable terminal. 図14は、レンズに代わる光学素子を示す図である。FIG. 14 is a view showing an optical element replacing a lens. 図15は、フェイスプレート190を備えた計測装置100の構成例を示す図である。FIG. 15 is a diagram showing a configuration example of the measuring device 100 provided with the face plate 190. As shown in FIG. 図16は、バンドパスフィルタ150を備えた計測装置100の構成例を示す図である。FIG. 16 is a diagram showing a configuration example of the measuring device 100 provided with the band pass filter 150. As shown in FIG.

本開示の実施形態を説明する前に、まず、散乱体における表面散乱および拡散後方散乱について説明する。次に、楕円偏光および楕円偏光の楕円率の高精度な求め方を説明する。その後、本開示の実施形態を説明する。   Before describing the embodiments of the present disclosure, first, surface scattering and diffuse backscattering in a scatterer will be described. Next, how to obtain ellipticity and elliptically polarized light with high accuracy will be described. Thereafter, embodiments of the present disclosure will be described.

図1は、生体などの散乱体に光を照射する光源110と、散乱体によって散乱された光を検出する光検出器140とを備える一般的な計測装置を模式的に示す図である。   FIG. 1 is a view schematically showing a general measuring device provided with a light source 110 for irradiating light to a scatterer such as a living body and a light detector 140 for detecting light scattered by the scatterer.

散乱体の表面に照射された光は、表面で散乱されるか、散乱体の内部に侵入する。表面で散乱されるか内部に侵入するかによって光路が異なる。散乱のされ方は、散乱する粒子の大きさに応じて変化する。生体などの一般的な散乱体では、ミー散乱が生じる。表面ではミー後方散乱が生じる。散乱体の内部では拡散後方散乱が生じる。このように、光が散乱体に入射すると、表面散乱または拡散後方散乱が生じる。本明細書において、散乱体の表面付近で散乱された光を「表面散乱光」と称し、散乱体の内部で散乱された光を「内部散乱光」と称する。   The light irradiated to the surface of the scatterer is either scattered at the surface or penetrates into the interior of the scatterer. The light path differs depending on whether it is scattered at the surface or penetrates inside. The manner of scattering varies depending on the size of the scattering particles. In a general scatterer such as a living body, Mie scattering occurs. Me backscattering occurs at the surface. Diffuse backscattering occurs inside the scatterer. Thus, when light is incident on the scatterer, surface scattering or diffuse backscattering occurs. In the present specification, light scattered near the surface of the scatterer is referred to as “surface scattered light”, and light scattered inside the scatterer is referred to as “internal scattered light”.

一般に、表面散乱光の方が内部散乱光よりも高い強度を有する。拡散後方散乱によって表面から出てくる光の強度は、散乱体の内部における散乱光の光路に依存する。光路が長くなるほど強度が低くなる。散乱体の内部でどの程度減衰するかは対象の散乱体の種類による。例えば、近赤外光を用いて生体内部を観察する装置を用いて、表面から十ミリ程度の深さの情報を取得する場合、光の強度は10−6倍から10−4倍程度にまで低下する。 In general, surface scattered light has higher intensity than internal scattered light. The intensity of light emerging from the surface by diffuse backscattering depends on the path of the scattered light inside the scatterer. The longer the light path, the lower the intensity. The degree of attenuation inside the scatterer depends on the type of scatterer in question. For example, in the case of acquiring information about a depth of about 10 mm from the surface using an apparatus for observing the inside of a living body using near-infrared light, the light intensity is about 10 -6 to 10 -4 descend.

このことから、生体などの散乱体の内部の情報を取得するためには、高い強度を有する表面散乱光の影響を除去することが必要である。そのために、例えばクロスニコル配置の偏光子を用いて表面散乱光を除去する構成が、例えば特許文献1に開示されている。   From this, in order to acquire information inside the scatterer such as a living body, it is necessary to remove the influence of surface scattered light having high intensity. For that purpose, for example, Patent Document 1 discloses a configuration in which surface scattered light is removed using, for example, a polarizer in a cross nicol arrangement.

図2は、クロスニコル配置の偏光子を用いて表面散乱光の影響を除去する装置の一例を示す模式図である。この装置は、偏光透過軸が互いに直交する2つの偏光子170A、170Bを備えている。偏光子170Aは、光源110から散乱体までの光路上に配置されている。偏光子170Bは、散乱体から光検出器140までの光路上に配置されている。偏光子170Aは、散乱体の表面に対してS偏光となる直線偏光成分のみを通過させる。偏光子170Bは、散乱光の表面に対してP偏光となる直線偏光成分のみを通過させる。なお、S偏光は反射面に垂直に電界が振動する偏光であり、P偏光は反射面に平行に電界が振動する偏光である。   FIG. 2 is a schematic view showing an example of an apparatus for removing the influence of surface scattered light by using a polarizer in a cross nicol arrangement. This device comprises two polarizers 170A, 170B whose polarization transmission axes are orthogonal to each other. The polarizer 170A is disposed on the light path from the light source 110 to the scatterer. The polarizer 170 B is disposed on the light path from the scatterer to the light detector 140. The polarizer 170A transmits only a linearly polarized component that is S-polarized light to the surface of the scatterer. The polarizer 170B transmits only a linearly polarized component that is P-polarized with respect to the surface of the scattered light. Here, S-polarization is polarization in which the electric field oscillates perpendicularly to the reflection surface, and P-polarization is polarization in which the electric field oscillates in parallel to the reflection surface.

一般に、散乱体の表面近傍での散乱では偏光状態は変化しない。しかし、散乱体の内部での散乱では、光路が長くなるほど偏光状態が乱されて楕円偏光の割合が多くなる。楕円偏光は、S偏光およびP偏光のような様々な直線偏光状態の重なり合った状態であるといえる。このため、散乱体の内部で拡散後方散乱された光の一部は偏光子170Bを通過することができる。他方、表面近傍で散乱された光はS偏光であるため偏光子170Bを通過することができない。このような構成により、ノイズとなる非常に強い表面散乱光の影響を除去し、高いS/Nで内部散乱光の信号を取得することができる。   In general, scattering near the surface of the scatterer does not change the polarization state. However, in the scattering inside the scatterer, the longer the light path, the more the polarization state is disturbed and the proportion of elliptically polarized light increases. Elliptically polarized light can be said to be an overlapping state of various linear polarization states such as S-polarization and P-polarization. For this reason, a part of the light scattered and scattered inside the scatterer can pass through the polarizer 170B. On the other hand, light scattered near the surface can not pass through the polarizer 170B because it is S-polarized light. With such a configuration, it is possible to remove the influence of very strong surface scattered light that is noise, and obtain a signal of internally scattered light with high S / N.

図3は、一例として、生体の内部にある最小単位の散乱体である細胞での入射光の散乱の様子を模式的に示す図である。生体内には多くの細胞が存在する。各細胞の屈折率はその周囲の屈折率とは異なるため、各細胞の表面(界面)では、光の反射および屈折が生じる。生体内に侵入した光は、多くの細胞で反射および屈折を繰り返す。その過程で、偏光状態が変化する。   FIG. 3 is a view schematically showing a state of scattering of incident light in a cell which is a scatterer of the minimum unit in the inside of a living body as an example. There are many cells in the living body. Since the refractive index of each cell is different from that of its surroundings, light reflection and refraction occur on the surface (interface) of each cell. The light that has invaded into the living body repeats reflection and refraction at many cells. In the process, the polarization state changes.

光が細胞の外部から細胞の表面に入射して反射される場合、その光が界面に対してS偏光であるかP偏光であるかによって位相の変化が異なる。同様に、光が細胞の内部から界面に入射して反射される場合も、その光が界面に対してS偏光であるかP偏光であるかによって位相の変化が異なる。この変化の仕方は、その粒子および外部の媒質の屈折率、ならびに界面への入射角度に依存する。このような位相の変化を伴う反射が生体内で頻繁に生じることにより、内部散乱光の偏光状態は乱される。なお、光が界面を透過する際には位相の変化は生じない。   When light is incident on the cell surface from the outside of the cell and reflected, the change in phase differs depending on whether the light is S-polarized or P-polarized with respect to the interface. Similarly, when light is incident on the interface from inside the cell and reflected, the change in phase differs depending on whether the light is S-polarized or P-polarized with respect to the interface. The manner of this change depends on the refractive index of the particle and the external medium, as well as the angle of incidence on the interface. The frequent occurrence of reflection with such phase change in the living body disturbs the polarization state of the internally scattered light. When light passes through the interface, no change in phase occurs.

このようにして、生体などの散乱体の内部では、一般的に直線偏光も楕円偏光に変化する。さらに、散乱されればされるほどランダムな楕円率の楕円偏光が生じる。一般的に、生体の内部で散乱された光を検出すると、ほぼ完全にランダムな偏光が検出される。例えば、非特許文献2によれば、腫瘍などの特殊な状態を除けば、一般的な正常組織ではおおよそ楕円偏光になることがわかっている。   In this way, generally, linearly polarized light also changes to elliptically polarized light inside a scatterer such as a living body. Furthermore, the more scattered, the more random the ellipticity of the ellipticity occurs. Generally, when light scattered inside a living body is detected, almost completely random polarization is detected. For example, according to Non-Patent Document 2, it is known that general normal tissues become approximately elliptically polarized light except for special conditions such as a tumor.

次に、楕円偏光の楕円率の高精度な求め方について説明する。   Next, how to determine the ellipticity of elliptically polarized light with high accuracy will be described.

真空中をz方向に進行するある光のもつ電場のx成分をEx、y成分をEyとする。ここでx、y、zは互いに直交する方向を表す。ExおよびEyは、以下の数1で表される。

Figure 2019045247
Ex0は電場のx成分の最大値を示している。Ey0は電場のy成分の最大値を示している。ωは光の角周波数を示している。δtはExとEyとの間の位相のずれを示している。δt=0,πであれば、この光は直線偏光である。δt≠0,πであれば、この光は円偏光または楕円偏光である。 The x component of the electric field of a certain light traveling in the z direction in vacuum is Ex, and the y component is Ey. Here, x, y and z represent directions orthogonal to one another. Ex and Ey are represented by the following equation 1:
Figure 2019045247
Ex0 indicates the maximum value of the x component of the electric field. Ey0 indicates the maximum value of the y component of the electric field. ω indicates the angular frequency of light. δt indicates the phase shift between Ex and Ey. If δt = 0, π, this light is linearly polarized. If δt ≠ 0, π, this light is circularly polarized or elliptically polarized.

図4Aは、本発明者らが検討している計測装置における光学構成を模式的に示す図である。この計測装置では、対象物から戻ってきた光の経路上に、1/4波長板(λ/4位相板ともいう)120と、楕円偏光(円偏光も含む)または非偏光を直交する2つの直線偏光に変換する光学素子130とが配置されている。光学素子130には、例えばウォラストンプリズムまたはローションプリズムなどの、複屈折を利用した偏光素子が用いられ得る。   FIG. 4A is a view schematically showing an optical configuration in a measurement device which the present inventors are examining. In this measurement apparatus, a quarter wavelength plate (also referred to as a λ / 4 phase plate) 120 and two orthogonally polarized light (including circularly polarized light) or non-polarized light on the path of light returned from the object An optical element 130 for converting light into linearly polarized light is disposed. For the optical element 130, for example, a polarization element using birefringence, such as a Wollaston prism or a lotion prism, may be used.

本発明者らは、図4Aに示すような構成により、対象物から戻ってきた光の直線偏光成分を除去し、内部散乱光の成分のみを効果的に取得できることに想到した。この計測装置は、1/4波長板120を用いて直線偏光を楕円偏光にし、さらにウォラストンプリズムなどの光学素子130を用いて楕円偏光を直交する2つの直線偏光に分離する。   The present inventors considered that the configuration as shown in FIG. 4A can remove the linearly polarized light component of the light returned from the object and effectively obtain only the component of the internally scattered light. This measurement apparatus converts linearly polarized light into elliptically polarized light using a quarter-wave plate 120, and further separates elliptically polarized light into two orthogonal linear polarized lights using an optical element 130 such as a Wollaston prism.

以下の説明では、光学素子130としてウォラストンプリズムが用いられる場合の例を説明する。ウォラストンプリズムについても光学素子130と同様、参照符号「130」を付して「ウォラストンプリズム130」と表記する。ウォラストンプリズム130は、偏光ビームスプリッタの一種である。ウォラストンプリズム130は、入射した光をS偏光とP偏光とに分離する。   In the following description, an example in which a Wollaston prism is used as the optical element 130 will be described. Similarly to the optical element 130, the Wollaston prism is denoted by the reference numeral "130" and is described as "Wollaston prism 130". The Wollaston prism 130 is a type of polarizing beam splitter. The Wollaston prism 130 separates the incident light into S-polarization and P-polarization.

直線偏光が1/4波長板120を通ると楕円偏光(円偏光を含む)に変化する。その後、1/4波長板120の軸に対して軸が45°傾いたウォラストンプリズム130を通ると、楕円偏光が2つのS偏光とP偏光とに分離する。この際のS偏光およびP偏光の強度は同等になる。   When linearly polarized light passes through the quarter wave plate 120, it changes to elliptically polarized light (including circularly polarized light). Thereafter, when passing through the Wollaston prism 130 whose axis is inclined 45 ° with respect to the axis of the quarter-wave plate 120, the elliptically polarized light is separated into two S-polarized light and P-polarized light. At this time, the intensities of S-polarization and P-polarization become equal.

1/4波長板120に入射する直線偏光は、以下の数2で表される。

Figure 2019045247
The linearly polarized light incident on the quarter-wave plate 120 is expressed by the following equation 2.
Figure 2019045247

1/4波長板120を通過した光は、以下の数3で表される。

Figure 2019045247
The light passing through the quarter-wave plate 120 is represented by the following equation 3.
Figure 2019045247

これらの式を、xy軸をz軸の周りに45°回転させたξη軸で書き直すと、以下の数4に書き替えられる。

Figure 2019045247
Rewriting these equations with the ξ 軸 axis, which is the xy axis rotated 45 ° around the z axis, is rewritten into the following formula 4.
Figure 2019045247

図4Bは、検出されるS偏光とP偏光の強度を模式的に示している。図4Bに示されるとおり、S偏光の強度とP偏光の強度とは一致する。   FIG. 4B schematically shows the intensities of S-polarization and P-polarization to be detected. As shown in FIG. 4B, the intensity of S-polarization matches the intensity of P-polarization.

一方、図4Cは、直線偏光でない入射光が1/4波長板120およびウォラストンプリズム130を通過する場合の例を模式的に示している。直線偏光でない入射光が1/4波長板120を通ると入射前と異なるがやはり、楕円偏光に変化する。その後、1/4波長板120の軸に対して軸が45°傾いたウォラストンプリズム130を通ると、楕円偏光がS偏光とP偏光の2種類の直線偏光に分かれる。この際のS偏光とP偏光の強度は異なる。   On the other hand, FIG. 4C schematically shows an example in the case where incident light which is not linearly polarized light passes through the quarter wavelength plate 120 and the Wollaston prism 130. When the non-linearly polarized incident light passes through the quarter-wave plate 120, it changes into elliptically polarized light although it differs from that before incidence. Thereafter, when the light passes through the Wollaston prism 130 whose axis is inclined 45 ° with respect to the axis of the quarter-wave plate 120, the elliptically polarized light is split into two types of linear polarized light of S polarized light and P polarized light. The intensity of S polarized light and P polarized light at this time are different.

1/4波長板120に入射する楕円偏光は、以下の数5で表される。

Figure 2019045247
Elliptically polarized light incident on the quarter-wave plate 120 is expressed by the following equation 5.
Figure 2019045247

この場合、1/4波長板120を通過した光は、以下の数6で表される。

Figure 2019045247
In this case, the light passing through the quarter wavelength plate 120 is represented by the following equation 6.
Figure 2019045247

これらの式を、xy軸をz軸の周りに45°回転させたξη軸で書き直すと、以下の数7に書き替えられる。

Figure 2019045247
Rewriting these equations with the ξ 軸 axis, which is rotated 45 ° around the x-y axis, can be rewritten as the following equation 7.
Figure 2019045247

図4Dは、この場合に検出されるS偏光とP偏光の強度を模式的に示している。図4Dに示されるとおり、S偏光の強度とP偏光の強度とは一致しない。   FIG. 4D schematically shows the intensities of S polarized light and P polarized light detected in this case. As shown in FIG. 4D, the intensity of S-polarization and the intensity of P-polarization do not match.

以上のことから、ウォラストンプリズムなどの光学素子130によって分離された2つの直線偏光を検出し、両者の信号の差分をとることにより、表面で散乱された直線偏光の成分を除去できることがわかる。さらに後述するように、このような構成によれば、外乱光の影響も抑制することができる。   From the above, it can be seen that the component of linearly polarized light scattered on the surface can be removed by detecting the two linearly polarized light separated by the optical element 130 such as the Wollaston prism and taking the difference between the two signals. Further, as described later, according to such a configuration, the influence of disturbance light can be suppressed.

図5は、本開示の実施形態における光検出の原理を説明するための図である。図5は、生体内部の状態を、外乱光がある状態で、より強い検出用の光(例えばレーザ光)を出射する光源110を用いて検出する計測装置の光学構成を模式的に示している。この計測装置は、光学素子130によって分離された2つの直線偏光(S偏光およびP偏光)の強度差を検出する。   FIG. 5 is a diagram for explaining the principle of light detection in the embodiment of the present disclosure. FIG. 5 schematically shows an optical configuration of a measuring apparatus that detects the state inside the living body using the light source 110 that emits stronger detection light (for example, laser light) in the presence of disturbance light. . This measuring device detects the difference in intensity between two linearly polarized light (S-polarized light and P-polarized light) separated by the optical element 130.

生体から戻ってくる光は、上述のとおり、表面散乱光と内部散乱光とを含むため、生体内部の情報を取得する際には、これらを区別することが望まれる。更に、外乱光の影響を除去することが望まれる。   Since the light returned from the living body includes surface scattered light and internally scattered light as described above, it is desirable to distinguish between them when acquiring information inside the living body. Furthermore, it is desirable to remove the effects of ambient light.

一般的に、外乱光はランダム直線偏光である。このため、上述のとおり、直線偏光の光の情報は、最終的に検出されるS偏光およびP偏光の光の強度差を測定する時点で消えてしまう。結果として、生体内部の情報を持つ拡散後方散乱の情報のみを得ることができる。   Generally, ambient light is random linearly polarized light. For this reason, as described above, the information of the linearly polarized light disappears at the time of measuring the intensity difference of the finally detected S polarized light and P polarized light. As a result, it is possible to obtain only diffuse backscattering information having in vivo information.

表1は、光源110からの光および外乱光のそれぞれの、入射強度、入射偏光、ならびに表面散乱成分および内部散乱成分の出射強度、出射偏光、および最終出力の有無を示している。光源110からの光が、例えば外乱光よりも強いレーザ光であるとすると、最終的に得られる出力は、光源110からの光の寄与が外乱光の寄与よりも大きいことがわかる。したがって、上記の構成によれば、生体内部の情報を検出できる。   Table 1 shows the incident intensity, the incident polarization, and the emission intensity of the surface scattering component and the internal scattering component, the emission polarization, and the presence or absence of the final output of the light from the light source 110 and the disturbance light, respectively. If the light from the light source 110 is, for example, a laser beam stronger than the disturbance light, it is understood that the finally obtained output is such that the contribution of the light from the light source 110 is larger than the contribution of the disturbance light. Therefore, according to the above configuration, information inside the living body can be detected.

Figure 2019045247
Figure 2019045247

1/4波長板とウォラストンプリズムなどの光学素子とを用いた構成は、例えばテラヘルツ波を検出する用途にも用いられ得る(例えば、非特許文献3、4)。例えば、時間分解測定法と呼ばれるテラヘルツ波の検出方法がある。この方法では、微小時間ごとに複数回の測定を行うことで、テラヘルツ波の時間波形が取得される。各微小時間の測定は、GaPまたはZnTeなどの電気光学(EO)結晶に、テラヘルツ波と同時に超短パルスの直線偏光のプローブ光を入射することによって行われる。EO結晶にテラヘルツ波が入射すると、ポッケルス効果により、その電界強度に応じて複屈折が生じる。複屈折量はテラヘルツ波の電界強度が高いほど増加する。複屈折が生じたEO結晶を、直線偏光のプローブ光が通過すると、楕円偏光に変化する。その楕円率を、1/4波長板およびウォラストンプリズムなどの光学素子を含む測定光学系を用いて計測することで、テラヘルツ波の電界強度を計測できる。この計測は、テラヘルツ波とプローブ光とが重なる時間を少しずつずらしながら微小時間ごとに複数回行われる。   The configuration using a quarter-wave plate and an optical element such as a Wollaston prism can also be used, for example, for detecting terahertz waves (for example, Non-Patent Documents 3 and 4). For example, there is a terahertz wave detection method called time-resolved measurement. In this method, the time waveform of the terahertz wave is acquired by performing measurement a plurality of times for each minute time. The measurement of each minute time is performed by injecting the probe light of the linear polarization of the ultrashort pulse simultaneously with the terahertz wave to an electro-optical (EO) crystal such as GaP or ZnTe. When a terahertz wave is incident on the EO crystal, birefringence occurs according to the electric field strength due to the Pockels effect. The amount of birefringence increases as the electric field strength of the terahertz wave increases. When linearly polarized probe light passes through the birefringence EO crystal, it changes to elliptically polarized light. The electric field strength of the terahertz wave can be measured by measuring the ellipticity using a measurement optical system including optical elements such as a 1⁄4 wavelength plate and a Wollaston prism. This measurement is performed a plurality of times every minute time while gradually shifting the overlapping time of the terahertz wave and the probe light.

ここで参考のため、非特許文献4に開示されたFig. 2を図6として引用する。図6は、非特許文献4に開示されたテラヘルツ波の時間波形(a)と、そのフーリエ変換(b)とを示している。図6(a)の波形は、各微小時間の測定から得られたものである。実際には、各測定点における楕円偏光の楕円率、すなわち長軸aに対する短軸bの比(b/a)を測定しているので、検出される楕円率は−1以上1以下の範囲内にある。図9(b)に示す周波数波形において強度の最も高い部分が楕円偏光状態となる信号成分(S)を示している。周波数波形において強度の最も低い部分は信号がない部分におけるノイズ成分(N)、つまりほぼ直線偏光の状態を示している。このS/N比は5桁以上の高い値であることがわかる。つまり、この光学構成では、ノイズ成分の少なくとも10−5倍の強度の楕円偏光の楕円率を測定できる性能があることがわかる。 Here, for reference, FIG. 2 disclosed in Non-Patent Document 4 is cited as FIG. FIG. 6 shows the time waveform (a) of the terahertz wave disclosed in Non-Patent Document 4 and its Fourier transform (b). The waveform in FIG. 6A is obtained from the measurement of each minute time. In fact, since the ellipticity of elliptically polarized light at each measurement point, that is, the ratio of the minor axis b to the major axis a (b / a) is measured, the ellipticity to be detected is in the range of -1 or more and 1 or less. It is in. The portion with the highest intensity in the frequency waveform shown in FIG. 9B indicates the signal component (S) that is in the elliptical polarization state. The lowest intensity portion in the frequency waveform indicates the noise component (N) in the portion where there is no signal, that is, the state of almost linear polarization. It is understood that this S / N ratio is a high value of five digits or more. That is, it can be seen that this optical configuration has the ability to measure the ellipticity of elliptically polarized light of at least 10 -5 times the intensity of the noise component.

このことから、本開示の実施形態の構成によって生体内部の情報を検出可能であることがわかる。非特許文献2によれば、殆どの生体で測定される後方拡散散乱光の楕円偏光の楕円率は1/2程度であり、強度は表面散乱光の10−6倍から10−4倍程度である。よって、本開示の実施形態の構成によって表面散乱光と後方拡散散乱光とを切り分け、生体などの散乱体での後方拡散散乱光のみを検出することが実施可能であることがわかる。 From this, it can be understood that the information in the living body can be detected by the configuration of the embodiment of the present disclosure. According to Non-Patent Document 2, the ellipticity of elliptically polarized light of backward diffused scattered light measured in most living bodies is about 1/2, and the intensity is about 10 -6 to 10 -4 times that of surface scattered light. is there. Therefore, it is understood that it is feasible to separate surface scattered light and backward diffused scattered light according to the configuration of the embodiment of the present disclosure, and to detect only backward diffused scattered light in a scatterer such as a living body.

なお、図5の構成において、光源110を消灯した状態で取得した信号を、光源110から光が出射している状態で取得した信号から差し引くことによってバックグラウンドの外乱光の影響を除去してもよい。そのような構成においては、光源110は、外乱光よりも高い強度の光を出射しなくてもよい。必要な場合は、光源110から出射される波長の光のみを選択的に透過させる波長フィルタまたはバンドパスフィルタを、対象物と光検出器との間のいずれかの位置に配置してもよい。   In the configuration of FIG. 5, even if the signal acquired in the state where the light source 110 is turned off is subtracted from the signal acquired in the state where light is emitted from the light source 110, the influence of background disturbance light is eliminated. Good. In such a configuration, light source 110 may not emit light of higher intensity than ambient light. If necessary, a wavelength filter or a band pass filter that selectively transmits only light of a wavelength emitted from the light source 110 may be disposed at any position between the object and the light detector.

(第一実施形態)
以下、添付の図面を参照しながら、本開示の実施形態を説明する。なお、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。たとえば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。本発明者らは、当業者が本開示を十分に理解するために添付図面および以下の説明を提供する。これらによって特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図しない。本明細書において、同様の機能を有する構成要素には同一の参照符号を付している。
First Embodiment
Hereinafter, embodiments of the present disclosure will be described with reference to the accompanying drawings. In addition, detailed description more than necessary may be omitted. For example, detailed description of already well-known matters and redundant description of substantially the same configuration may be omitted. This is to avoid unnecessary redundancy in the following description and to facilitate understanding by those skilled in the art. The inventors provide the attached drawings and the following description so that those skilled in the art can fully understand the present disclosure. They are not intended to limit the claimed subject matter by these. In the present specification, components having similar functions are given the same reference numerals.

図7は、本開示の例示的な第一実施形態における計測装置の構成を模式的に示す図である。この計測装置100は、生体内を通過した光を検出することにより、生体内の活動状態を示す情報を取得する。生体は、例えば人間の額、腕、脚などの、皮膚で覆われた部位であり得る。   FIG. 7 is a view schematically showing a configuration of a measurement device in the first exemplary embodiment of the present disclosure. The measuring device 100 acquires information indicating the activity state in the living body by detecting the light that has passed through the living body. The living body may be a skin-covered site, such as the human forehead, arms, legs, etc.

計測装置100は、光源110と、1/4波長板120と、ウォラストンプリズム130と、第1の光検出器140Aと、第2の光検出器140Bと、演算回路160とを備える。   The measuring apparatus 100 includes a light source 110, a quarter wavelength plate 120, a Wollaston prism 130, a first light detector 140A, a second light detector 140B, and an arithmetic circuit 160.

光源110は、直線偏光を出射する。光源110は、例えば一定のコヒーレンス長の光を出射する光源であり得る。例えば、光源110は、コヒーレント光の代表であるレーザ光を発するレーザ光源であり得る。光源110は、一定の強度の光を連続的に発光してもよいし、単一のパルス光を発してもよい。光源110が発する光の波長は任意である。しかし、生体を計測対象とする場合、光源110の波長は、例えば略650nm以上略950nm以下に設定され得る。この波長範囲は、赤色〜近赤外線の波長範囲に含まれる。本明細書では、可視光のみならず赤外線および紫外線についても「光」の概念に含まれる。   The light source 110 emits linearly polarized light. The light source 110 may be, for example, a light source that emits light of a certain coherence length. For example, light source 110 may be a laser light source that emits laser light that is representative of coherent light. The light source 110 may emit light of constant intensity continuously or may emit single pulse light. The wavelength of light emitted by the light source 110 is arbitrary. However, when using a living body as a measurement target, the wavelength of the light source 110 may be set to, for example, about 650 nm or more and about 950 nm or less. This wavelength range is included in the red to near infrared wavelength range. In the present specification, not only visible light but also infrared light and ultraviolet light are included in the concept of "light".

1/4波長板120は、光源110から出射され、生体の表面で散乱された表面散乱光、および生体の内部で散乱された内部散乱光の経路上に配置されている。   The quarter-wave plate 120 is disposed on a path of surface scattered light emitted from the light source 110 and scattered on the surface of the living body, and internally scattered light scattered inside the living body.

ウォラストンプリズム130は、1/4波長板120を通過した光の経路上に配置され、当該光を、偏光方向が互いに直交する第1の直線偏光および第2の直線偏光に分離する。ウォラストンプリズム130に代えて、同様の機能を有する他の偏光光学素子を用いてもよい。そのような他の光学素子には、例えばローションプリズム、グランレーザプリズム、ノマルスキープリズム、偏光分離板、サバール板などがある。   The Wollaston prism 130 is disposed on the path of the light passing through the quarter-wave plate 120, and separates the light into first linearly polarized light and second linearly polarized light whose polarization directions are orthogonal to each other. Instead of the Wollaston prism 130, another polarizing optical element having the same function may be used. Such other optical elements include, for example, lotion prisms, Glan laser prisms, Nomarski prisms, polarization splitters, Savart plates and the like.

第1の光検出器140Aは、第1の直線偏光が入射する位置に配置されている。第1の光検出器140Aは、第1の直線偏光を検出して第1の信号を出力する。第2の光検出器140Bは、第2の直線偏光が入射する位置に配置されている。第2の光検出器140Bは、第2の直線偏光を検出して第2の信号を出力する。   The first light detector 140A is disposed at a position where the first linearly polarized light is incident. The first light detector 140A detects a first linear polarization and outputs a first signal. The second light detector 140B is disposed at a position where the second linearly polarized light is incident. The second light detector 140B detects the second linearly polarized light and outputs a second signal.

演算回路160は、第1の光検出器140Aから出力された第1の信号と、第2の光検出器から出力された第2の信号との差分演算を含む処理により、生体内の状態を示す信号を生成して出力する。本実施形態では、演算回路160は、第1の信号と第2の信号との差信号を、生体内部で拡散後方散乱された光の信号として出力する。演算回路160は、当該差信号を用いた演算により、血液の状態、例えば血圧、脈拍、ヘモグロビン濃度などの情報を生成してもよい。演算回路160は、計測装置100の外部の要素であってもよい。   The arithmetic circuit 160 performs in-vivo state by processing including a difference operation between the first signal output from the first light detector 140A and the second signal output from the second light detector. Generate and output the signal shown. In the present embodiment, the arithmetic circuit 160 outputs the difference signal between the first signal and the second signal as a signal of light scattered and scattered inside the living body. The arithmetic circuit 160 may generate information such as the state of blood, for example, blood pressure, pulse, hemoglobin concentration, etc., by arithmetic operation using the difference signal. The arithmetic circuit 160 may be an element outside the measuring device 100.

図8Aは、本実施形態の他の構成例を示す図である。この例における計測装置100は、図7に示す構成要素に加えて、3つのレンズ170Aと、ガルバノミラー180とを備えている。光源110から出射された光は生体に入射する。その表面および内部から出射した光は、レンズ170Aによって集光され、ガルバノミラー180によって1/4波長板120に導かれる。1/4波長板120を透過した光は、ウォラストンプリズム130によって2つの直線偏光(S偏光およびP偏光)に分離される。S偏光は、レンズ170Bによって集光され、第1の光検出器140Aによって検出される。P偏光は、レンズ170Cによって集光され、第2の光検出器140Bによって検出される。   FIG. 8A is a diagram showing another configuration example of the present embodiment. The measuring apparatus 100 in this example includes three lenses 170A and a galvano mirror 180 in addition to the components shown in FIG. The light emitted from the light source 110 enters the living body. The light emitted from the surface and the inside is collected by the lens 170 A and guided to the quarter wavelength plate 120 by the galvano mirror 180. The light transmitted through the quarter wave plate 120 is separated into two linearly polarized light (S polarized light and P polarized light) by the Wollaston prism 130. The S-polarization is collected by the lens 170B and detected by the first light detector 140A. P-polarized light is collected by a lens 170C and detected by a second light detector 140B.

図8Bは、図8Aに示す2つの光検出器140A、140B、および演算回路160の構成例を示す図である。本実施形態では、第1の光検出器140Aおよび第2の光検出器140Bの各々は、フォトダイオード(PD)を含む。演算回路160は、第1の光検出器140Aにおけるフォトダイオードから出力された第1の信号と第2の光検出器140Bにおけるフォトダイオードから出力された第2の信号との差分を示す信号を出力する。図8Bに示す演算回路160は、当該差信号を増幅する増幅器(アンプ)を備えている。それぞれのフォトダイオードで発生する電圧の差がアンプに入力されることで精度良く測定できる。このような構成により、アナログ的に信号の差分の出力が可能である。この出力を観測することで生体の内部のみの信号を取得することができる。   FIG. 8B is a diagram showing a configuration example of the two light detectors 140A and 140B and the arithmetic circuit 160 shown in FIG. 8A. In the present embodiment, each of the first light detector 140A and the second light detector 140B includes a photodiode (PD). The arithmetic circuit 160 outputs a signal indicating the difference between the first signal output from the photodiode in the first photodetector 140A and the second signal output from the photodiode in the second photodetector 140B. Do. The arithmetic circuit 160 shown in FIG. 8B includes an amplifier for amplifying the difference signal. The difference in voltage generated by each photodiode can be accurately measured by being input to the amplifier. With such a configuration, it is possible to output differential signals in an analog manner. By observing this output, it is possible to acquire a signal only inside the living body.

本実施形態では、図8Aに示すガルバノミラー180(またはガルバノスキャナ)を用いることにより、サンプル走査をすることができる。このため、演算回路160から得られる信号とガルバノミラー180の動作とを同期しながらデータを取得することで二次元画像の情報などを得ることができる。   In this embodiment, sample scanning can be performed by using the galvano mirror 180 (or galvano scanner) shown in FIG. 8A. Therefore, by acquiring data while synchronizing the signal obtained from the arithmetic circuit 160 with the operation of the galvano mirror 180, it is possible to obtain information of a two-dimensional image or the like.

演算回路160は、図8Bに示す回路に限らず、例えばデジタルシグナルプロセッサ(DSP)またはマイクロコントローラなどの信号処理回路であってもよい。演算回路160は、前述の演算の他、光源110およびガルバノミラー180などの他の構成要素の動作を制御する。計測装置100は、演算回路160が演算処理した結果を表示するディスプレイを備えていてもよい。   The arithmetic circuit 160 is not limited to the circuit shown in FIG. 8B, and may be, for example, a signal processing circuit such as a digital signal processor (DSP) or a microcontroller. The arithmetic circuit 160 controls the operation of the light source 110 and other components such as the galvano mirror 180 in addition to the above-described arithmetic operation. The measuring device 100 may include a display for displaying the result of the arithmetic processing of the arithmetic circuit 160.

(第二実施形態)
次に、本開示の例示的な第二実施形態を説明する。以下、第一実施形態と異なる点のみを説明する。
Second Embodiment
Next, an exemplary second embodiment of the present disclosure will be described. Hereinafter, only differences from the first embodiment will be described.

図9は、第二実施形態における計測装置100の構成を模式的に示している。第一実施形態と異なる点は、第一実施形態におけるPDの変わりにイメージセンサを光検出器140A、140Bとして用い、ガルバノミラー180を省いている点である。演算回路160は、イメージセンサである2つの光検出器140A、140Bによって得られたデータの差分を計算することで生体の内部情報を二次元データとして取得することができる。   FIG. 9 schematically shows the configuration of the measuring device 100 in the second embodiment. The difference from the first embodiment is that the image sensor is used as the photodetectors 140A and 140B instead of PD in the first embodiment, and the galvano mirror 180 is omitted. The arithmetic circuit 160 can obtain internal information of a living body as two-dimensional data by calculating the difference between data obtained by the two light detectors 140A and 140B, which are image sensors.

このように、本実施形態では、光検出器140A、140Bの各々は、イメージセンサを含む。演算回路160は、第1の光検出器140Aにおけるイメージセンサの少なくとも1つの画素から出力された第1の信号と、第2の光検出器140Bにおけるイメージセンサの少なくとも1つの画素から出力された第2の信号との差分を画素ごとに計算する。これにより、演算回路160は、生体の内部情報を示す二次元データを生成することができる。   Thus, in the present embodiment, each of the light detectors 140A, 140B includes an image sensor. The arithmetic circuit 160 outputs a first signal output from at least one pixel of the image sensor in the first photodetector 140A and a first signal output from at least one pixel of the image sensor in the second photodetector 140B. The difference with the signal of 2 is calculated for each pixel. Thereby, the arithmetic circuit 160 can generate two-dimensional data indicating internal information of the living body.

(第三実施形態)
次に、本開示の例示的な第三実施形態を説明する。以下、第一および第二実施形態と異なる点のみを説明する。
Third Embodiment
Next, an exemplary third embodiment of the present disclosure will be described. Hereinafter, only differences from the first and second embodiments will be described.

本実施形態では、光検出器140A、140Bの各々は、入射光のコヒーレンスの程度を検出することができる。以下の説明において、光検出器140A、140Bを区別せずに説明する場合は、「光検出器140」と表記する。   In the present embodiment, each of the light detectors 140A, 140B can detect the degree of coherence of the incident light. In the following description, in the case where the light detectors 140A and 140B are described without distinction, they are referred to as "light detectors 140".

本実施形態における光検出器140A、140Bの各々は、複数の透光領域および複数の遮光領域が少なくとも第1の方向に交互に配置されている遮光膜と、前記遮光膜に対向する光検出層と、前記遮光膜および前記光検出層の間にある光結合層とを備える。前記光検出層は、前記複数の透光領域にそれぞれ対向する複数の第1の光検出セル、および前記複数の遮光領域にそれぞれ対向する複数の第2の光検出セルを有する。前記光結合層は、積層された第1の透明層、第2の透明層、および第3の透明層をこの順に少なくとも有する。前記第2の透明層は、前記第1の方向に光を伝搬させるグレーティングを有し、前記第1および第3の透明層よりも高い屈折率を有する。演算回路160は、光検出器140A、140Bの各々について、前記複数の第1の光検出セルからそれぞれ出力された複数の信号と、前記複数の第2の光検出セルからそれぞれ出力された複数の信号とに基づいて、各透光領域および各遮光領域の位置に入射した光のコヒーレンスを示す信号を生成する。演算回路160は、第1の光検出器140Aについて生成した前記光のコヒーレンスを示す信号と、第2の光検出器140Bについて生成した前記光のコヒーレンスを示す信号との差分を示す信号を生成して出力する。   In each of the light detectors 140A and 140B in the present embodiment, a light shielding film in which a plurality of light transmitting regions and a plurality of light shielding regions are alternately arranged in at least a first direction, and a light detection layer facing the light shielding film And a light coupling layer between the light shielding film and the light detection layer. The light detection layer has a plurality of first light detection cells respectively facing the plurality of light transmitting regions, and a plurality of second light detection cells respectively facing the plurality of light shielding regions. The light coupling layer has at least a laminated first transparent layer, a second transparent layer, and a third transparent layer in this order. The second transparent layer has a grating for propagating light in the first direction, and has a higher refractive index than the first and third transparent layers. The arithmetic circuit 160 outputs, for each of the light detectors 140A and 140B, a plurality of signals output from the plurality of first light detection cells and a plurality of signals output from the plurality of second light detection cells. Based on the signal, a signal is generated that indicates the coherence of light that has entered each of the light-transmissive regions and the light-shielded regions. The arithmetic circuit 160 generates a signal indicating the difference between the signal indicating the coherence of the light generated for the first light detector 140A and the signal indicating the coherence of the light generated for the second light detector 140B. Output.

図10Aは、光が入射する方向に沿った面における光検出器140の断面を模式的に示す図である。図10Bは、光検出器140を光の入射する側から眺めた平面図、より具体的には、後述する遮光膜9を含むXY面における平面図である。図10Aは、図10Bの破線で囲まれた領域を含むXZ面に平行な断面を示している。図10Bに示すように、図10Aに示す断面構造を一つの単位構造として、当該単位構造がXY面内で周期的に並んでいる。図10Aおよび図10Bには、説明の便宜上、直交する3つの軸(X軸、Y軸、Z軸)が示されている。以降の図についても同様の座標軸を用いる。   FIG. 10A is a view schematically showing a cross section of the light detector 140 in a plane along the light incident direction. FIG. 10B is a plan view of the light detector 140 as viewed from the side on which light is incident, more specifically, a plan view in an XY plane including a light shielding film 9 described later. FIG. 10A shows a cross section parallel to the XZ plane including the region surrounded by the broken line in FIG. 10B. As shown in FIG. 10B, with the cross-sectional structure shown in FIG. 10A as one unit structure, the unit structures are periodically arranged in the XY plane. In FIG. 10A and FIG. 10B, for convenience of explanation, three orthogonal axes (X axis, Y axis, Z axis) are shown. Similar coordinate axes are used in the following figures.

光検出器140は、光検出層10と、光結合層12と、遮光膜9と、をこの順に備える。図10Aの例ではこれらがZ方向に積層されている。遮光膜9の上に透明基板9bとバンドパスフィルタ9pとがこの順に設けられている。   The light detector 140 includes the light detection layer 10, the light coupling layer 12, and the light shielding film 9 in this order. In the example of FIG. 10A, these are stacked in the Z direction. A transparent substrate 9 b and a band pass filter 9 p are provided in this order on the light shielding film 9.

光検出層10は、光検出層10の面内方向(XY面内)に複数の光検出セル10a、10Aを備える。光検出セルを「画素」と称することもある。光検出層10は、光が入射する側から、マイクロレンズ11a、11A、透明膜10c、配線などの金属膜10d、Siまたは有機膜などで形成される感光部を備えている。金属膜10dの間にある感光部が光検出セル10a、10Aに相当する。マイクロレンズ11a、11Aは、それぞれ、光検出セル10a、10Aに対向するように配置される。マイクロレンズ11a、11Aで集光され金属膜10dの隙間に入射する光が光検出セル10a、10Aで検出される。   The light detection layer 10 includes a plurality of light detection cells 10 a and 10 A in the in-plane direction (in the XY plane) of the light detection layer 10. The light detection cell may be referred to as a "pixel". The light detection layer 10 includes, from the side on which light is incident, microlenses 11a and 11A, a transparent film 10c, a metal film 10d such as a wiring, and a photosensitive portion formed of Si or an organic film. The photosensitive portions between the metal films 10d correspond to the light detection cells 10a and 10A. The microlenses 11a and 11A are disposed to face the light detection cells 10a and 10A, respectively. The light collected by the microlenses 11a and 11A and incident on the gap between the metal films 10d is detected by the light detection cells 10a and 10A.

光結合層12は、光検出層10上に配置され、光検出層10の面直方向(Z軸方向)において、第1の透明層12c、第2の透明層12b、および第3の透明層12aをこの順に備える。第1の透明層12c、および第3の透明層12aは、例えばSiOなどによって形成され得る。第2の透明層12bは、例えばTaなどによって形成され得る。第2の透明層12bのZ方向の厚さt1は、例えば0.34μmである。第1の透明層12cのZ方向の厚さt2は、例えば0.22μmである。 The light coupling layer 12 is disposed on the light detection layer 10, and the first transparent layer 12c, the second transparent layer 12b, and the third transparent layer are disposed in the direction perpendicular to the surface of the light detection layer 10 (Z axis direction). 12a is provided in this order. The first transparent layer 12c and the third transparent layer 12a can be formed of, for example, SiO 2 or the like. The second transparent layer 12b can be formed of, for example, Ta 2 O 5 or the like. The thickness t1 in the Z direction of the second transparent layer 12b is, for example, 0.34 μm. The thickness t2 in the Z direction of the first transparent layer 12c is, for example, 0.22 μm.

第2の透明層12bは、第1の透明層12cおよび第3の透明層12aよりも高い屈折率を有する。光結合層12は、図10Aに示すように、高屈折率透明層12bと低屈折率透明層12cとをこの順にさらに繰り返した構造を備えてもよい。図10Aは、合計6回繰り返した構造を示している。高屈折率透明層12bは低屈折率透明層12c、12aに挟まれている。したがって、高屈折率透明層12bは導波層として機能する。   The second transparent layer 12b has a higher refractive index than the first transparent layer 12c and the third transparent layer 12a. The light coupling layer 12 may have a structure in which the high refractive index transparent layer 12 b and the low refractive index transparent layer 12 c are further repeated in this order as shown in FIG. 10A. FIG. 10A shows the structure repeated a total of six times. The high refractive index transparent layer 12b is sandwiched between the low refractive index transparent layers 12c and 12a. Therefore, the high refractive index transparent layer 12b functions as a waveguide layer.

高屈折率透明層12bと、低屈折率透明層12c、12aとの界面に全面に渡ってピッチΛの直線グレーティング12dが形成されている。グレーティングの格子ベクトルは光結合層12の面内方向(XY面)におけるX軸に平行である。グレーティング12dのXZ断面形状は積層される高屈折率透明層12b、および低屈折率透明層12cにも順次転写される。透明層12b、12cの成膜が積層方向に高い指向性を有している場合には、グレーティングのXZ断面をS字またはV字状にすることで形状の転写性を維持しやすい。   A linear grating 12d of pitch Λ is formed over the entire surface at the interface between the high refractive index transparent layer 12b and the low refractive index transparent layers 12c, 12a. The grating vector of the grating is parallel to the X axis in the in-plane direction (XY plane) of the light coupling layer 12. The XZ cross-sectional shape of the grating 12d is sequentially transferred also to the high refractive index transparent layer 12b and the low refractive index transparent layer 12c to be stacked. When the film formation of the transparent layers 12b and 12c has high directivity in the stacking direction, the transferability of the shape can be easily maintained by making the XZ cross section of the grating S-shaped or V-shaped.

なお、グレーティング12dは、少なくとも高屈折率透明層12bの一部に備えられていればよい。高屈折率透明層12bがグレーティング12dを備えることにより、入射光が高屈折率透明層12bを伝搬する光(導波光と称する)に結合できる。   The grating 12d may be provided at least in part of the high refractive index transparent layer 12b. When the high refractive index transparent layer 12b includes the grating 12d, incident light can be coupled to light (referred to as waveguide light) propagating through the high refractive index transparent layer 12b.

光結合層12と光検出層10との間の隙間はできるだけ狭い方がよい。光結合層12と光検出層10とは密着していてもよい。光結合層12と光検出層10との間の隙間に接着剤などの透明媒質を充填してもよい。透明媒質を充填する場合、マイクロレンズ11a、11Aによるレンズ効果を得るために、マイクロレンズ11a、11Aの構成材料には、充填される透明媒質よりも充分大きい屈折率をもつ材料が使用される。   The gap between the light coupling layer 12 and the light detection layer 10 should be as narrow as possible. The light coupling layer 12 and the light detection layer 10 may be in close contact with each other. The gap between the light coupling layer 12 and the light detection layer 10 may be filled with a transparent medium such as an adhesive. In the case of filling a transparent medium, in order to obtain a lens effect by the microlenses 11a and 11A, a material having a refractive index sufficiently larger than that of the transparent medium to be filled is used as a constituent material of the microlenses 11a and 11A.

図10Aにおける透光領域9aは、図10Bにおける透光領域9a1、9a2、9a3、9a4などに対応する。図10Aにおける遮光領域9Aは、図10Bにおける遮光領域9A1、9A2、9A3、9A4などに対応する。つまり、遮光膜9は、遮光膜9の面内方向(XY面内)に配列された複数の遮光領域9Aと複数の透光領域9aとを有する。複数の遮光領域9Aは、複数の第2の光検出セル10Aにそれぞれ対向する。複数の透光領域9aは、複数の第1の光検出セル10aにそれぞれ対向する。本明細書において、第1の光検出セル10aの集合体を「第1の光検出セル群」、第2の光検出セル10Aの集合体を「第2の光検出セル群」と呼ぶことがある。   The light transmitting region 9 a in FIG. 10A corresponds to the light transmitting regions 9 a 1, 9 a 2, 9 a 3, 9 a 4 and the like in FIG. 10B. The light shielding area 9A in FIG. 10A corresponds to the light shielding areas 9A1, 9A2, 9A3, 9A4 and the like in FIG. 10B. That is, the light shielding film 9 has a plurality of light shielding regions 9A and a plurality of light transmitting regions 9a arranged in the in-plane direction (in the XY plane) of the light shielding film 9. The plurality of light shielding regions 9A respectively face the plurality of second light detection cells 10A. The plurality of light transmitting regions 9a respectively face the plurality of first light detection cells 10a. In this specification, the assembly of the first photodetection cells 10a may be referred to as "first photodetection cell group", and the assembly of the second photodetection cells 10A may be referred to as "second photodetection cell group". is there.

本実施形態では、複数の第1の光検出セル10aの各々は、複数の透光領域9aの1つに対向している。同様に、複数の第2の光検出セル10Aの各々は、複数の遮光領域9Aの1つに対向している。なお、1つの透光領域に2つ以上の第1の光検出セル10aが対向していてもよい。同様に、1つの遮光領域に2つ以上の第2の光検出セル10Aが対向していてもよい。本開示は、そのような形態も含む。   In the present embodiment, each of the plurality of first light detection cells 10a is opposed to one of the plurality of light transmitting regions 9a. Similarly, each of the plurality of second light detection cells 10A is opposed to one of the plurality of light blocking regions 9A. Note that two or more first light detection cells 10a may be opposed to one light transmission region. Similarly, two or more second light detection cells 10A may be opposed to one light shielding area. The present disclosure also includes such forms.

図10Bに示す例では、複数の遮光領域9A(9A1〜9A4)は、チェッカーパターンを形成する。これらの遮光領域9A(9A1〜9A4)はチェッカーパターン以外のパターンを形成してもよい。   In the example shown in FIG. 10B, the plurality of light shielding regions 9A (9A1 to 9A4) form a checkered pattern. These light shielding regions 9A (9A1 to 9A4) may form a pattern other than the checkered pattern.

透明基板9bは遮光膜9の光入射側に配置されている。透明基板9bは、例えばSiO2などの材料によって形成され得る。バンドパスフィルタ9pは、透明基板9bの光入射側に配置されている。バンドパスフィルタ9pは、入射する光5のうち、光源110から出射される波長λ0近傍の光のみを選択的に透過させる。   The transparent substrate 9 b is disposed on the light incident side of the light shielding film 9. The transparent substrate 9b can be formed of, for example, a material such as SiO2. The band pass filter 9p is disposed on the light incident side of the transparent substrate 9b. The band pass filter 9 p selectively transmits only the light in the vicinity of the wavelength λ 0 emitted from the light source 110 among the incident light 5.

光検出器140に入射する光5は、バンドパスフィルタ9pおよび透明基板9bを経て、光6A、6aとして反射膜の形成された遮光領域9Aおよび反射膜の除去された透光領域9aに至る。光6Aは遮光領域9Aで遮光される。光6aは透光領域9aを透過し、光結合層12に入射する。光結合層12に入射した光6aは、低屈折率透明層12aを経て、高屈折率透明層12bに入射する。高屈折率透明層12bの上下の界面にはグレーティングが形成されている。以下の式(1)を満たせば、導波光6bが発生する。
sinθ=N−λ0/Λ (1)
The light 5 incident on the light detector 140 passes through the band pass filter 9p and the transparent substrate 9b to reach the light blocking area 9A where the reflective film is formed and the light transmissive area 9a where the reflective film is removed as the light 6A, 6a. The light 6A is blocked by the light blocking area 9A. The light 6 a passes through the light transmitting region 9 a and enters the light coupling layer 12. The light 6a incident on the light coupling layer 12 passes through the low refractive index transparent layer 12a and enters the high refractive index transparent layer 12b. A grating is formed at the upper and lower interfaces of the high refractive index transparent layer 12b. When the following equation (1) is satisfied, guided light 6 b is generated.
sin θ = N−λ0 / Λ (1)

ここで、Nは導波光6bの実効屈折率である。θは入射面(XY面)の法線に対する入射角度である。図10Aでは光が入射面に垂直に入射している(θ=0o)。この場合、導波光6bはXY面内をX方向に伝搬する。すなわち、透光領域9aを経て光結合層12に入射した光は、X方向に隣接する遮光領域9Aの方向に導波される。   Here, N is the effective refractive index of the guided light 6b. θ is an incident angle with respect to the normal to the incident surface (XY surface). In FIG. 10A, light is vertically incident on the incident surface (θ = 0 o). In this case, the guided light 6 b propagates in the X direction in the XY plane. That is, the light incident on the light coupling layer 12 through the light transmitting region 9a is guided in the direction of the light shielding region 9A adjacent in the X direction.

高屈折率透明層12bを透過して下層に入射する光の成分は、下層側にある全ての高屈折率透明層12bに入射する。これによって、式(1)と同じ条件で導波光6cが発生する。導波光は、全ての高屈折率透明層12bで発生するが、図10Aには、2つの層で発生する導波光のみを代表して示している。下層側で発生する導波光6cも同様にXY面内をX方向に伝搬する。導波光6b、6cは、導波面(XY面)の法線に対して角度θ(図10Aの例ではθ=0o)で上下方向に光を放射しながら伝搬する。その放射光6B1、6C1は、遮光領域9Aの直下では上方(反射膜側)に向かう成分が遮光領域9Aで反射し、反射面(XY面)の法線に沿って下方に向かう光6B2となる。光6B1、6C1、6B2は、高屈折率透明層12bに対し式(1)を満たしている。したがって、その一部が再び導波光6b、6cとなる。この導波光6b、6cも新たな放射光6B1、6C1を生成する。これらの過程が繰り返される。全体として、透光領域9aの直下では、導波光にならなかった成分が光結合層12を透過し、透過光6dとしてマイクロレンズ11aに入射する。その結果、導波光にならなかった成分は第1の光検出セル10aで検出される。実際には、導波の後に最終的に放射された成分も、導波光にならなかった成分に加わる。しかし、本明細書では、そのような成分も、導波光にならなかった成分として扱う。領域9Aの直下では、導波光になった成分が放射され、放射光6Dとしてマイクロレンズ11Aに入射する。その結果、導波光になった成分は第2の光検出セル10Aによって検出される。   A component of light transmitted through the high refractive index transparent layer 12b and incident on the lower layer is incident on all the high refractive index transparent layers 12b on the lower layer side. As a result, the guided light 6c is generated under the same conditions as the equation (1). Although the guided light is generated in all the high refractive index transparent layers 12b, FIG. 10A shows only the guided light generated in the two layers. Similarly, the guided light 6c generated on the lower layer side propagates in the X direction in the XY plane. The guided light beams 6b and 6c propagate while emitting light in the vertical direction at an angle θ (θ = 0 o in the example of FIG. 10A) with respect to the normal to the waveguide surface (XY surface). In the emitted light 6B1 and 6C1, the component directed upward (reflection film side) immediately below the light shielding area 9A is reflected by the light shielding area 9A, and becomes light 6B2 going downward along the normal to the reflection surface (XY plane) . The lights 6B1, 6C1 and 6B2 satisfy the formula (1) with respect to the high refractive index transparent layer 12b. Therefore, part of the light is guided light 6b and 6c again. The guided lights 6b and 6c also generate new radiations 6B1 and 6C1. These processes are repeated. As a whole, the component which has not been guided light passes through the light coupling layer 12 immediately below the light transmitting region 9a, and enters the microlens 11a as the transmitted light 6d. As a result, the component that did not become guided light is detected by the first light detection cell 10a. In fact, the component finally emitted after the wave guide also adds to the component which did not become the wave guide light. However, in this specification, such a component is also treated as a component that did not become guided light. Immediately below the region 9A, the component that has become guided light is emitted and enters the micro lens 11A as a radiation 6D. As a result, the component that has become guided light is detected by the second light detection cell 10A.

透光領域9aを通じて、光は直下の検出器と左右の(すなわちX方向に隣接する)検出器に分岐し、それぞれ検出される。   Through the light transmitting region 9a, light is branched to the detector immediately below and the detectors on the left and right (that is, adjacent to the X direction), and detected.

図10Bに示される透光領域9a1、9a2、9a3、9a4に対向する第1の光検出セルでの各検出光量をそれぞれq1、q2、q3、q4とする。図10Bに示される遮光領域9A1、9A2、9A3、9A4に対向する第2の光検出セルでの各検出光量をそれぞれQ1、Q2、Q3、Q4とする。q1〜q4は、導波光にならなかった光の検出光量を表している。Q1〜Q4は、導波光になった光の検出光量を表している。透光領域9a1の直下の第1の光検出セル10aでは導波光になった光の光量が検出されない。一方、遮光領域9A2の直下の第2の光検出セル10Aでは導波光にならなかった光の光量が検出されない。ここで、透光領域9a1の直下の検出位置で、導波光になった光の検出光量Q0=(Q1+Q2)/2を定義する。これに代えて、Q0=(Q1+Q2+Q3+Q4)/4)を定義してもよい。同様に、遮光領域9A2の直下の検出位置で、導波光にならなかった光の検出光量q0=(q1+q2)/2を定義する。これに代えて、q0=(q1+q2+q3+q4)/4)を定義してもよい。すなわち、ある領域(遮光領域または透光領域)において、当該領域を中心としてX方向および/またはY方向に隣接する画素の直下の検出位置で検出される光量の平均値を定義する。   The detection light amounts in the first light detection cells facing the light transmitting regions 9a1, 9a2, 9a3 and 9a4 shown in FIG. 10B are denoted by q1, q2, q3 and q4, respectively. The detection light amounts of the second light detection cells facing the light shielding regions 9A1, 9A2, 9A3 and 9A4 shown in FIG. 10B are denoted as Q1, Q2, Q3 and Q4, respectively. q1 to q4 represent the detected light amounts of the light which did not become guided light. Q <b> 1 to Q <b> 4 represent detected light amounts of the light which has become guided light. In the first light detection cell 10a immediately below the light transmitting region 9a1, the light amount of the light which has become guided light is not detected. On the other hand, the second light detection cell 10A immediately below the light shielding area 9A2 does not detect the light quantity of the light which did not become guided light. Here, the detection light quantity Q0 = (Q1 + Q2) / 2 of the light which has become guided light is defined at the detection position immediately below the light transmitting region 9a1. Alternatively, Q0 = (Q1 + Q2 + Q3 + Q4) / 4) may be defined. Similarly, the detection light quantity q0 = (q1 + q2) / 2 of the light which did not become guided light is defined at the detection position immediately below the light shielding area 9A2. Alternatively, q0 = (q1 + q2 + q3 + q4) / 4) may be defined. That is, in a certain area (a light shielding area or a light transmitting area), an average value of light amounts detected at detection positions immediately below pixels adjacent to the area in the X direction and / or Y direction is defined.

この定義を全ての領域に適用することで、光検出層10を構成する全ての画素で、導波光にならなかった光の検出光量と導波光になった光の検出光量とを定義できる。   By applying this definition to all the regions, it is possible to define the detected light quantity of the light which did not become guided light and the detected light quantity of the light which became guided light in all the pixels constituting the light detection layer 10.

演算回路160は、上記のような定義のもとに、補間された、導波光にならなかった光の検出光量と導波光になった光の検出光量とを用いて、コヒーレンスの度合いの分布を示す光学的分布画像を生成するなどの演算処理を行う。演算回路160は、これら2つの検出光量の比の値(またはこれらの光量和に対する各光量の比の値)を画素ごとに算出した値を各画素に割り当てることにより、光学的分布画像を生成することができる。   Based on the above definition, the arithmetic circuit 160 uses the detected amount of light of the light that did not become guided light and the detected amount of light that becomes light that is guided to calculate the distribution of the degree of coherence. Calculation processing such as generating an optical distribution image shown is performed. The arithmetic circuit 160 generates an optical distribution image by assigning the value calculated for each pixel to the value of the ratio of the two detected light amounts (or the value of the ratio of each light amount to the sum of these light amounts). be able to.

図11は、光検出器140の信号処理の方法の一例を示している。図11では、グレーティングの格子ベクトルに沿って、8つの光検出セル(10A、10aなど)が並んでいる。光検出セル10A、10aはそれぞれ遮光領域9A、透光領域9aに対向している。8つの光検出セルで検出される信号をp0,k−4、p1,k−3、p0,k−2、p1,k−1、p0,k、p1,k+1、p0,k+2、p1,k+3とする。例えば、p0,kの左右にある信号p1,k−1およびp1,k+1からその平均値(p1,k−1+p1,k+1)/2を補間値p1,kとして定義する。同様に、p1,k−1の左右にある信号p0,k−2およびp0,kからその平均値(p0,k−2+p0,k)/2を補間値p0,k−1として定義する。検出値p0,kおよび補間値p1,kから、P0変調度p0,k/(p0,k+p1,k)またはP1変調度p1,k/(p0,k+p1,k)が算出される。これらの変調度を検出信号として利用することができる。 FIG. 11 shows an example of the signal processing method of the light detector 140. In FIG. 11, eight light detection cells (10A, 10a, etc.) are arranged along the grating vector of the grating. The light detection cells 10A and 10a face the light shielding area 9A and the light transmitting area 9a, respectively. The signals detected by the eight light detection cells are p 0, k -4 , p 1, k -3 , p 0, k -2 , p 1, k -1 , p 0, k , p 1, k + 1 , p It is assumed that 0, k + 2 and p1 , k + 3 . For example, from the signals p 1, k-1 and p 1, k + 1 on the left and right of p 0, k , the average value (p 1, k-1 + p 1, k + 1 ) / 2 is defined as the interpolation value p 1, k . Similarly, from the signals p 0, k -2 and p 0, k on the left and right of p 1, k -1, the mean value (p 0, k -2 + p 0, k ) / 2 is interpolated value p 0, k Defined as -1 . From the detected value p 0, k and the interpolation value p 1, k, P0 modulation p 0, k / (p 0 , k + p 1, k) or P1 modulation factor p 1, k / (p 0 , k + p 1, k ) is calculated. These modulation degrees can be used as detection signals.

図12Aは、本実施形態における4つの開口での入射光とその下にある3つの光検出セルの位置関係を示す断面図である。4つの開口には位相がランダムに異なる光が入射している。図12Aにおいて、ωは光の角周波数(ω=2πc/λ0,cは光速)、tは時間、r1,r2,r3,r4はランダム関数、aはランダム係数を表す。ランダム関数r1,r2,r3,r4は、0から1の間でランダムな値をとる関数である。ランダム係数aは、ランダム値の振幅である。   FIG. 12A is a cross-sectional view showing the positional relationship between incident light at four openings and three light detection cells located thereunder in the present embodiment. Light having different phases randomly enters the four apertures. In FIG. 12A, ω is the angular frequency of light (ω = 2πc / λ0, c is the speed of light), t is time, r1, r2, r3, r4 are random functions, and a is a random coefficient. The random functions r1, r2, r3 and r4 are functions taking random values between 0 and 1. The random coefficient a is the amplitude of the random value.

図12Bは、入射光の位相のランダム係数aおよび検出信号の関係に関する解析結果を示す図である。4つの開口の中間にある遮光部直下の検出器を10A、その両隣にある透光部直下の光検出セルを10a、10a’とする。それらの検出光量をそれぞれP1、P0,P0’とする。検出信号は2P1/(P0+P0’)で定義している。菱形マークはTEモード入射(S偏光)、四角マークはTMモード入射(P偏光)、三角マークはTEMモード入射(ランダム偏光、または円偏光、または45度方向の偏光)を表している。TEモード入射およびTEMモード入射に注目すると、係数aの増大にしたがって、検出信号が低下する。a=0はコヒーレントで位相が揃っている場合に相当する。a=1はインコヒーレントに相当する。したがって、検出信号の大小で入射光のコヒーレンスの度合い(位相のランダム性)を知ることができる。同様に、入射する光の位相の差異も計測できる。   FIG. 12B is a diagram showing analysis results regarding the relationship between the random coefficient a of the phase of incident light and the detection signal. A detector immediately below the light shielding portion located in the middle of the four openings is denoted by 10A, and light detection cells immediately below the light transmitting portions respectively located at both sides thereof are denoted by 10a and 10a '. Let their detected light amounts be P1, P0 and P0 ', respectively. The detection signal is defined by 2P1 / (P0 + P0 '). The rhombic marks indicate TE mode incidence (S polarized light), the square marks indicate TM mode incident (P polarized light), and the triangular marks indicate TEM mode incident (randomly polarized light or circularly polarized light or polarized light in the 45-degree direction). Focusing on TE mode incidence and TEM mode incidence, the detection signal decreases as the coefficient a increases. a = 0 corresponds to the case of coherent and in phase alignment. a = 1 corresponds to incoherence. Therefore, the degree of coherence (randomness of the phase) of the incident light can be known from the magnitude of the detection signal. Similarly, the difference in the phase of incident light can also be measured.

光検出器140についての詳細な説明は、米国特許出願公開第2016/360967号明細書および米国特許出願公開第2017/023410号明細書に開示されている。米国特許出願公開第2016/360967号明細書および米国特許出願公開第2017/023410号明細書の開示内容の全体を本願明細書に援用する。   A detailed description of the light detector 140 is disclosed in U.S. Patent Application Publication 2016/360967 and U.S. Patent Application Publication 2017/023410. The entire disclosure content of US Patent Application Publication No. 2016/360967 and US Patent Application Publication No. 2017/023410 is incorporated herein by reference.

本実施形態における計測装置100は、図9に示す構成と同様の構成である。ただし、光検出器140A、140Bが、一般的なイメージセンサではなく、前述の構造を備える。演算回路160は、2つの光検出器140A、140Bから得られたデータの差分を得ることで、生体内部の情報を二次元データとして取得することができる。   The measuring apparatus 100 in this embodiment is the same configuration as the configuration shown in FIG. However, the light detectors 140A and 140B are not general image sensors, and have the above-described structure. The arithmetic circuit 160 can acquire information inside the living body as two-dimensional data by obtaining the difference between the data obtained from the two light detectors 140A and 140B.

(他の実施形態)
図13は、上記のいずれかの実施形態における計測装置を、ウェアラブル端末に利用した例を示している。ウェアラブル端末の生体側に上記のいずれかの実施形態における光源110および光検出器140A、140Bなどが配置されている。このようなデバイスにより、血圧または血糖値などを測定することができる。
(Other embodiments)
FIG. 13 shows an example in which the measurement device in any of the above embodiments is used for a wearable terminal. On the living body side of the wearable terminal, the light source 110 and the photodetectors 140A and 140B and the like in any of the above embodiments are disposed. Such a device can measure blood pressure or blood glucose level.

図14は、上記の各実施形態における光学構成を簡略化するための、レンズに代わる光学部材を示している。この光学部材は、第1の面と第2の面とを有し、第1の面に入射する光学像を第2の面に転写することができる。この光学部材として、一般的にフェイスプレートと呼ばれる素子を用いることができる。フェイスプレートは、例えば、薄く引き伸ばした多数のガラスファイバーを光吸収性をもつ光学樹脂を用いて固めることによって作製される。ガラスファイバーの屈折率と光学樹脂の屈折率とを調整することで任意の入射角度で入射する光のみを受光できる。フェイスプレートを用いることで、レンズを用いずに像を一定距離転写できる。これを用いることで、薄いウェアラブル端末などの筐体に上記の各実施形態の光学構成を搭載することが容易になる。   FIG. 14 shows an optical member instead of a lens for simplifying the optical configuration in each of the above embodiments. The optical member has a first surface and a second surface, and can transfer an optical image incident on the first surface to the second surface. As the optical member, an element generally called a face plate can be used. The face plate is produced, for example, by setting a large number of thin drawn glass fibers with an optical resin having light absorbing properties. By adjusting the refractive index of the glass fiber and the refractive index of the optical resin, only light incident at an arbitrary incident angle can be received. By using a face plate, it is possible to transfer an image at a fixed distance without using a lens. By using this, it becomes easy to mount the optical configuration of each of the above-described embodiments in a casing such as a thin wearable terminal.

図15は、フェイスプレート190を備えた計測装置100の構成例を示している。計測装置100は、生体から光検出器140A、140Bに入射する光の経路上にフェイスプレート190を備える。フェイスプレート190の位置は図19に示す位置に限らず、適宜異なる位置に配置してもよい。   FIG. 15 shows a configuration example of a measuring device 100 provided with a face plate 190. The measuring device 100 includes a face plate 190 on the path of light incident on the light detectors 140A and 140B from a living body. The position of the face plate 190 is not limited to the position shown in FIG.

以上の各実施形態において、演算回路160は、光源110から光を出射しない状態で光検出器140A、140Bから得られる信号と、光源110から光を出射した状態で光検出器140A、140Bから得られる信号との差に基づいて、生体内の状態を示す信号に含まれる外乱光の影響を低減してもよい。   In each of the above embodiments, the arithmetic circuit 160 is obtained from the light detectors 140A and 140B in the state where light is emitted from the light source 110 and the signals obtained from the light detectors 140A and 140B in the state where light is not emitted from the light source 110. The influence of disturbance light included in the signal indicating the in-vivo state may be reduced based on the difference from the signal to be transmitted.

計測装置100は、生体から光検出器140A、140Bに入射する光の経路上に、光源110から出射される光の波長域である第1波長域の光を選択的に透過させるバンドパスフィルタをさらに備えていてもよい。例えば図16に示すように、生体などの対象物と1/4波長板120との間にバンドパスフィルタ150を配置してもよい。バンドパスフィルタ150を配置することにより、光源110が出射する光の波長域以外の波長の光を除去できるため、より高精度の検出が可能である。   The measuring apparatus 100 has a band pass filter for selectively transmitting light in a first wavelength range, which is a wavelength range of light emitted from the light source 110, on a path of light incident on the light detectors 140A and 140B from a living body. You may provide further. For example, as shown in FIG. 16, a band pass filter 150 may be disposed between an object such as a living body and the quarter wavelength plate 120. By disposing the band pass filter 150, it is possible to remove light of wavelengths other than the wavelength range of the light emitted by the light source 110, so that detection with higher accuracy is possible.

以上の各実施形態において、個々の光学素子は、同様の作用効果をもつ他の光学素子に入れ替えてもよい。そのような入れ替えを行って構成される装置も、本開示の範囲に含まれる。   In each of the above embodiments, the individual optical elements may be replaced with other optical elements having similar effects. Devices configured with such replacement are also within the scope of the present disclosure.

本開示は、いわゆる光トモグラフィなどの、散乱光を用いた計測の用途に利用できる。例えば、生体計測機能を備えたウェアラブル端末などに利用され得る。   The present disclosure can be used for scattered light measurement applications such as so-called optical tomography. For example, it can be used for a wearable terminal or the like equipped with a living body measurement function.

9 遮光膜
10 光検出層
12 光結合層
100 計測装置
110 光源
120 1/4波長板
130 光学素子(ウォラストンプリズム)
140A 第1の光検出器
140B 第2の光検出器
150 バンドパスフィルタ
160 演算回路
170A、170B、170C レンズ
180 ガルバノミラー
190 フェイスプレート
9 light shielding film 10 light detection layer 12 light coupling layer 100 measurement device 110 light source 120 quarter wavelength plate 130 optical element (Wollaston prism)
140A First photodetector 140B Second photodetector 150 Band pass filter 160 Arithmetic circuit 170A, 170B, 170C Lens 180 Galvano mirror 190 face plate

Claims (8)

生体内を通過した光を検出することにより、前記生体内の状態を示す情報を取得する計測装置であって、
直線偏光を出射する光源と、
前記光源から出射され、生体の表面で散乱された表面散乱光、および前記生体の内部で散乱された内部散乱光の経路上に配置された1/4波長板と、
前記1/4波長板を通過した光の経路上に配置され、前記光を、偏光方向が互いに直交する第1の直線偏光および第2の直線偏光に分離する光学素子と、
前記第1の直線偏光を検出する第1の光検出器と、
前記第2の直線偏光を検出する第2の光検出器と、
を備える計測装置。
A measuring apparatus for acquiring information indicating a state in the living body by detecting light having passed through the living body,
A light source emitting linearly polarized light;
Surface scattered light emitted from the light source and scattered on the surface of the living body, and a quarter-wave plate disposed on a path of internally scattered light scattered inside the living body;
An optical element disposed on a path of light passing through the quarter-wave plate to separate the light into first linearly polarized light and second linearly polarized light whose polarization directions are orthogonal to each other;
A first light detector for detecting the first linearly polarized light;
A second light detector for detecting the second linearly polarized light;
Measuring device equipped with
前記第1の光検出器から出力された第1の信号と、前記第2の光検出器から出力された第2の信号との差分演算を含む処理により、前記生体内の状態を示す信号を生成して出力する演算回路をさらに備える、請求項1に記載の計測装置。   The signal indicating the in-vivo state is processed by processing including a difference operation between the first signal output from the first photodetector and the second signal output from the second photodetector. The measurement device according to claim 1, further comprising an arithmetic circuit that generates and outputs. 前記第1の光検出器および前記第2の光検出器の各々は、フォトダイオードを含み、
前記第1の信号は、前記第1の光検出器における前記フォトダイオードから出力され、
前記第2の信号は、前記第2の光検出器における前記フォトダイオードから出力され、
前記演算回路は、前記第1の信号と前記第2の信号との差分を示す信号を出力する、
請求項2に記載の計測装置。
Each of the first light detector and the second light detector includes a photodiode.
The first signal is output from the photodiode in the first photodetector,
The second signal is output from the photodiode in the second photodetector,
The arithmetic circuit outputs a signal indicating a difference between the first signal and the second signal.
The measuring device according to claim 2.
前記第1および第2の光検出器の各々は、イメージセンサを含み、
前記演算回路は、前記第1の光検出器における前記イメージセンサの少なくとも1つの画素から出力された第1の信号と、前記第2の光検出器における前記イメージセンサの少なくとも1つの画素から出力された第2の信号との差分を示す信号を出力する、
請求項2に記載の計測装置。
Each of the first and second light detectors includes an image sensor,
The arithmetic circuit is configured to output a first signal output from at least one pixel of the image sensor in the first light detector and at least one pixel of the image sensor in the second light detector. Output a signal indicating the difference from the second signal,
The measuring device according to claim 2.
前記第1および第2の光検出器の各々は、
複数の透光領域および複数の遮光領域が少なくとも第1の方向に交互に配置されている遮光膜と、
前記遮光膜に対向する光検出層であって、前記複数の透光領域にそれぞれ対向する複数の第1の光検出セル、および前記複数の遮光領域にそれぞれ対向する複数の第2の光検出セルを有する光検出層と、
前記遮光膜および前記光検出層の間にある光結合層であって、積層された第1の透明層、第2の透明層、および第3の透明層をこの順に少なくとも有し、前記第2の透明層は、前記第1の方向に光を伝搬させるグレーティングを有し、前記第1および第3の透明層よりも高い屈折率を有する、光結合層と、
を備え、
前記演算回路は、
前記第1および第2の光検出器の各々について、前記複数の第1の光検出セルからそれぞれ出力された複数の信号と、前記複数の第2の光検出セルからそれぞれ出力された複数の信号とに基づいて、各透光領域および各遮光領域の位置に入射した光のコヒーレンスを示す信号を生成し、
前記第1の光検出器について生成した前記光のコヒーレンスを示す信号と、前記第2の光検出器について生成した前記光のコヒーレンスを示す信号との差分を示す信号を生成して出力する、
請求項2に記載の計測装置。
Each of the first and second photodetectors
A light shielding film in which a plurality of light transmitting regions and a plurality of light shielding regions are alternately arranged in at least a first direction;
A plurality of first light detection cells, each of which is a light detection layer facing the light shielding film, and a plurality of second light detection cells, which respectively face the plurality of light shielding regions. A light detection layer having
A light coupling layer between the light shielding film and the light detection layer, comprising at least a first transparent layer, a second transparent layer, and a third transparent layer stacked in this order; An optical coupling layer having a grating for propagating light in the first direction and having a higher refractive index than the first and third transparent layers;
Equipped with
The arithmetic circuit is
For each of the first and second photodetectors, a plurality of signals respectively output from the plurality of first light detection cells, and a plurality of signals respectively output from the plurality of second light detection cells To generate a signal indicating the coherence of light incident on each light-transmissive region and the position of each light-shielded region,
Generating and outputting a signal indicating the difference between the signal indicating the coherence of the light generated for the first photodetector and the signal indicating the coherence of the light generated for the second photodetector;
The measuring device according to claim 2.
前記演算回路は、前記光源から前記光を出射しない状態で前記第1および第2の光検出器から得られる信号と、前記光源から前記光を出射した状態で前記第1および第2の光検出器から得られる信号との差に基づいて、前記生体内の状態を示す信号に含まれる外乱光の影響を低減する、請求項2から5のいずれかに記載の計測装置。   The arithmetic circuit detects signals obtained from the first and second photodetectors in a state in which the light is not emitted from the light source, and detects the first and second light in a state in which the light is emitted from the light source The measuring apparatus according to any one of claims 2 to 5, wherein the influence of disturbance light included in the signal indicating the in-vivo state is reduced based on the difference between the signal and the signal obtained from the device. 前記光源は、第1波長域の光を出射し、
前記生体から前記第1および第2の光検出器に入射する光の経路上に、前記第1波長域の光を選択的に透過させるバンドパスフィルタをさらに備える、
請求項1から6のいずれかに記載の計測装置。
The light source emits light in a first wavelength range,
And a band pass filter for selectively transmitting light in the first wavelength range on a path of light incident on the first and second light detectors from the living body.
The measuring device according to any one of claims 1 to 6.
前記生体から前記第1および第2の光検出器に入射する光の経路上に、第1の面と第2の面とを有し、前記第1の面に入射する光学像を前記第2の面に転写する光学部材をさらに備える、請求項1から7のいずれかに記載の計測装置。   A first surface and a second surface are provided on paths of light incident on the first and second light detectors from the living body, and an optical image incident on the first surface is the second optical image. The measuring device according to any one of claims 1 to 7, further comprising an optical member to be transferred to the surface of the sheet.
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