JPWO2018087815A1 - 光検出装置および画像取得装置 - Google Patents

Abstract

通常の光量が入射したときには光量に応じた大きさの検出信号を出力し、通常の光量を超える過大な光量が入射したときには、位相反転現象の発生を防止することを目的として、本発明に係る光検出装置（４）は、入射した光の光量に応じた電流を出力する受光素子（７）と、受光素子（７）から出力された電流を電圧信号に変換する電流電圧変換回路（８）とを備え、電流電圧変換回路（８）が、オペアンプ（９）と、その反転端子（９ａ）と出力端子（９ｂ）との間に並列に接続された帰還抵抗（１０）、帰還容量（１１）および１以上のダイオード（１２）とを備え、以下の条件式を満足する。Ｇ＝Ｒｆ（１）Ｂ＝１／（２πＲｆ（Ｃｆ＋Ｃｄ／ｎ） （２）Ｖｐｒ＞ｎ×Ｖｆ＞Ｇ×Ｉｍａｘ（３）

Description

本発明は、光検出装置および画像取得装置に関するものである。

レーザ走査型内視鏡のように、照射されたレーザスポット光を被写体上で２次元的に走査し、各走査位置から戻る反射光を光電変換素子で検出して画像化する場合に、反射光の強度は被写体に依存する。被写体が高い反射率を有する場合には、光電変換素子およびその後段の電気回路は、１０ｎＷから１０ｍＷという６桁のダイナミックレンジを有する光量を取り扱う必要がある。この場合に、反射光の光量が、通常の範囲を超える過大な光量（例えば、１０μＷ以上）である場合には、画像はハレーションによって白つぶれすることが好ましい。

なし

しかしながら、順次パルス点灯方式（ＴＤＭ方式）で照明光を照射する場合には、光電変換素子の後段の電気回路であるＩ／Ｖアンプにおいて位相反転現象が起きてしまい、その結果、生成される画像内に偽色が発生する不都合がある。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、通常の光量が入射したときには光量に応じた大きさの検出信号を出力し、通常の光量を超える過大な光量が入射したときには、位相反転現象の発生を防止することができる光検出装置および画像取得装置を提供することを目的としている。

本発明の一態様は、入射した光の光量に応じた電流を出力する受光素子と、該受光素子から出力された電流を電圧信号に変換する電流電圧変換回路とを備え、該電流電圧変換回路が、オペアンプと、該オペアンプの反転端子と出力端子との間に並列に接続された帰還抵抗、帰還容量および１以上のダイオードとを備え、該ダイオードが、前記反転端子から前記出力端子に向かって順方向となるように接続され、以下の条件式を満足する光検出装置である。
Ｇ＝Ｒ_ｆ （１）
Ｂ＝１／（２πＲ_ｆ（Ｃ_ｆ＋Ｃ_ｄ／ｎ） （２）
Ｖ_ｐｒ＞ｎ×Ｖ_ｆ＞Ｇ×Ｉ_ｍａｘ （３）
ここで、Ｇは前記電流電圧変換回路のトランスインピーダンスゲイン、Ｒ_ｆは前記帰還抵抗の抵抗値、Ｂは所望する帯域周波数、Ｃ_ｆは前記帰還容量の容量値、Ｃ_ｄは前記ダイオードの容量値、ｎは前記ダイオードの個数、Ｖ_ｐｒは前記オペアンプが異常を起こす電圧、Ｖ_ｆは前記ダイオードの順方向電圧、Ｉ_ｍａｘは検出したい光量の最大値が入射したときに前記受光素子から出力される電流値である。

本態様によれば、検出したい光量範囲の光が受光素子に入射すると、入射した光の光量に応じた電流が受光素子から出力され、電流電圧変換回路によって電圧信号に変換される。すなわち、電流値Ｉ_ｍａｘ以下の電流がオペアンプの反転端子に入力されると、式（１）に示されるように、反転端子と出力端子との間に接続された帰還抵抗の大きさに一致するトランスインピーダンスゲインで電流電圧変換された電圧が出力される。

このとき、出力端子に現れる電圧は式（３）によりダイオードの順方向電圧より小さく、ダイオードは遮断状態であるので、オペアンプ回路はオペアンプの反転端子と出力端子との間に並列接続された帰還抵抗と容量要素（帰還抵抗およびダイオードの容量）とからなる単純なローパスフィルタ型の増幅回路となり、式（２）に示される帯域周波数Ｂ以下の周波数の電流値を増幅可能なトランスインピーダンスゲインＧの増幅回路となる。

したがって、ダイオードの容量値Ｃ_ｄを考慮しながら、トランスインピーダンスゲインＧをできるだけ大きく選び、かつ、帯域周波数Ｂを光の信号周波数の最大値にほぼ一致させることができ、出力される電圧信号の信号対雑音比を向上することができる。

一方、電流値Ｉ_ｍａｘを超える電流がオペアンプの反転端子に入力され、出力端子に現れる電圧がダイオードの順方向電圧Ｖ_ｆに達すると、ダイオードが導通するので、それ以上の電流が入力されても、出力電圧は順方向電圧Ｖ_ｆにクリップされる。式（３）から、順方向電圧Ｖ_ｆはオペアンプが異常を起こす電圧Ｖ_ｐｒより小さいので、オペアンプの異常動作、すなわち、位相反転現象を防止することができる。

上記態様においては、前記ダイオードが複数個直列に接続されていてもよい。
このようにすることで、ダイオードがｎ個（ｎ≧２）直列に接続されると、式（２）から、ダイオードの容量値Ｃ_ｄの帯域周波数Ｂに与える影響を１／ｎに低減することができる。すなわち、ダイオードの容量には製造バラツキがあるので、ダイオードを直列に接続することで製造バラツキによる帯域周波数Ｂのバラツキを防止することができる。

その結果、バラツキによって帯域周波数Ｂが検出したい光の信号周波数帯域より低下することによる高域のなまりや、帯域周波数Ｂが高くなって、必要以上に高域の電流が増幅されることによる信号対雑音比の低下を、より確実に防止することができる。

また、本発明の他の態様は、上記いずれかの光検出装置と、該光検出装置から出力された電圧信号に基づいて画像を生成する画像処理部とを備える画像取得装置である。
本態様によれば、位相反転現象が防止されることで偽色の発生を防止し、ノイズが少なくかつ解像度の高い画像を取得することができる。

本発明によれば、通常の光量が入射したときには光量に応じた大きさの検出信号を出力し、通常の光量を超える過大な光量が入射したときには、位相反転現象の発生を防止することができるという効果を奏する。

本発明の一実施形態に係る画像取得装置を示す全体構成図である。 図１の画像取得装置に備えられる本実施形態に係る光検出装置を示す回路図である。 図２の光検出装置の変形例を示す回路図である。 ダイオードの一般的な漏れ電流の電圧特性を示すグラフである。

本発明の一実施形態に係る光検出装置４および画像取得装置１について、図面を参照して以下に説明する。
本実施形態に係る画像取得装置１は、図１に示されるように、光源２からのスポット状の照明光を被写体Ｘに照射する照明光学系３と、該照明光学系３により照射された照明光の被写体Ｘにおける反射光を検出する本実施形態に係る光検出装置４と、該光検出装置４により検出された光に基づいて画像を生成する画像処理部５とを備えている。

照明光は、例えば、１０ｍＷ程度の光量を有し、被写体Ｘからの反射光は、通常、１０ｎＷから１０μＷの範囲である。しかしながら、被写体Ｘの反射率が高い場合には、照明光の光量と同程度の光量１０ｍＷの反射光が受光部６に受光されることがある。
画像処理部５は、光検出装置４によって検出された反射光の光量と、照明光の照射位置の情報とに基づいて画像を生成するようになっている。

本実施形態に係る光検出装置４は、図２に示されるように、被写体Ｘからの反射光を受光する受光素子７と、該受光素子７が出力する電流を電圧に変換する電流電圧変換回路８とを備えている。受光素子７は、例えば、アバランシェフォトダイオードであり、反射光が入射することで、反射光の光量に応じた大きさの電流を出力するようになっている。

電流電圧変換回路８は、オペアンプ９と、該オペアンプ９の反転端子９ａと出力端子９ｂとの間に並列に接続された帰還抵抗１０、帰還容量１１および１以上のダイオード１２とを備えている。
オペアンプ９の非反転端子９ｃには基準電圧として０Ｖ（ＧＮＤ）が接続されている。

ダイオード１２は、オペアンプ９の反転端子９ａから出力端子９ｂに向かって順方向となるように接続されている。
また、電流電圧変換回路８は以下の条件式（１）から（３）を満足している。
Ｇ＝Ｒ_ｆ （１）
Ｂ＝１／（２πＲ_ｆ（Ｃ_ｆ＋Ｃ_ｄ／ｎ） （２）
Ｖ_ｐｒ＞ｎ×Ｖ_ｆ＞Ｇ×Ｉ_ｍａｘ （３）
ここで、Ｇは電流電圧変換回路８のトランスインピーダンスゲイン、Ｒ_ｆは帰還抵抗１０の抵抗値、Ｂは所望する帯域周波数、Ｃ_ｆは帰還容量１１の容量値、Ｃ_ｄはダイオード１２の容量値、ｎはダイオード１２の個数、Ｖ_ｐｒはオペアンプ９が異常を起こす電圧、Ｖ_ｆはダイオード１２の順方向電圧、Ｉ_ｍａｘは検出したい光量の最大値が入射したときに受光素子７から出力される電流値である。本実施形態においては、ダイオード１２の個数ｎ＝１である。

このように構成された本実施形態に係る光検出装置４および画像取得装置１の作用について以下に説明する。
本実施形態に係る光検出装置４を用いて被写体Ｘからの反射光を検出する場合には、光源２からの照明光を被写体Ｘに照射し、被写体Ｘからの反射光を光検出装置４の受光素子７により検出させる。

受光素子７に反射光が入射すると、受光素子７からは反射光の光量に応じた大きさの電流が出力される。
以下、反射光の光量が通常の光量範囲である場合と、通常の光量範囲を超えた過大な場合とに分けて説明する。

まず、反射光の光量が通常の光量範囲である場合には、受光素子７に反射光が入射され、反射光の光量に応じた大きさの電流が出力されると、出力された電流は、オペアンプ９の反転端子９ａに流れ込むことができずに、帰還抵抗１０に流れる。このとき、電流値をＩとすると、反転端子９ａと出力端子９ｂとの間にＲ_ｆ×Ｉの電圧降下が生じる、非反転端子９ｃは基準電圧０Ｖであるため、バーチャルショートによって反転端子９ａも同電位（０Ｖ）となり、出力電圧Ｖ_０は、Ｖ_０＝−Ｉ×Ｒ_ｆとなる。

帰還容量１１の容量値Ｃ_ｆおよびダイオード１２の容量値Ｃ_ｄの合成容量値Ｃ_ｆ＋Ｃ_ｄはオペアンプ９の動作を安定させ、所望の帯域周波数Ｂを得ることに寄与している。反射光の光量が通常の光量範囲である場合には、式（３）から、反転端子９ａと出力端子９ｂとの間の電圧降下はダイオード１２の順方向電圧に達しないので、ダイオード１２は遮断状態に維持され、オペアンプ９からは反転端子９ａに入力される電流の電流値に応じた大きさの電圧が出力される。

この場合において、ダイオード１２が遮断されている状態では、オペアンプ回路はオペアンプ９の反転端子９ａと出力端子９ｂとの間に並列接続された帰還抵抗１０と容量要素（帰還容量１１およびダイオード１２の容量）とからなる単純なローパスフィルタ型の増幅回路となり、式（２）に示される帯域周波数Ｂ以下の周波数の電流値を増幅可能なトランスインピーダンスゲインＧの増幅回路となる。

したがって、ダイオード１２の容量値Ｃ_ｄを考慮しながら、トランスインピーダンスゲインＧをできるだけ大きく選び、かつ、帯域周波数Ｂを光の信号周波数の最大値にほぼ一致させることができ、出力電圧Ｖ_０の信号対雑音比を向上することができる。

次に、反射光の光量が通常の光量範囲を超える場合には、受光素子７から出力された電流が帰還抵抗１０に流れることにより、反転端子９ａと出力端子９ｂとの間の電圧降下が、順方向電圧Ｖ_ｆに達した時点で、ダイオード１２が導通するので、出力電圧Ｖ_０が順方向電圧Ｖ_ｆ近傍にクリップされる。したがって、それ以降は、受光素子７から出力された電流が大きくなっても出力電圧Ｖ_０が順方向電圧Ｖ_ｆを越えることがなく、（３）式から、オペアンプ９が異常を起こす電圧Ｖ_ｐｒには達しない。その結果、過大な電流が入力しても、オペアンプ９が位相反転現象を生じることが防止される。

このように、本実施形態に係る光検出装置４によれば、通常の光量範囲の反射光が入射したときには光量に応じた大きさの検出信号を出力し、通常の光量範囲を超える過大な光量の反射光が入射したときには、位相反転現象の発生を防止することができるという利点がある。また、トランスインピーダンスゲインＧをできるだけ大きく選び、かつ、帯域周波数Ｂを光の信号周波数の最大値にほぼ一致させることで、出力電圧Ｖ_０の信号対雑音比を向上することができるという利点がある。

また、本実施形態に係る画像取得装置１によれば、本実施形態に係る光検出装置４を備えているので、位相反転現象が防止されることで生成される画像における偽色の発生を防止することができる。また、トランスインピーダンスゲインＧをできるだけ大きくしかつ帯域周波数Ｂを光の信号周波数の最大値にほぼ一致させることで、必要な周波数帯域の電流を増幅しつつ不必要に高域周波数の電流が増幅されることを防止して、ノイズが少ない画像を取得することができる。さらに、必要な高域周波数の電流が鈍って増幅されることを防止して、解像度の高い画像を取得することができる。

なお、本実施形態においては、ダイオード１２の個数ｎ＝１とした場合を例示したが、これに代えて、図３に示されるように、２以上のダイオード１２を直列に配列してもよい。
ダイオード１２がｎ個（ｎ≧２）直列に接続されると、式（２）から、ダイオード１２の容量値Ｃ_ｄの帯域周波数Ｂに与える影響を１／ｎに低減することができる。すなわち、ダイオード１２の容量には製造バラツキがあるので、ダイオード１２を直列に接続することで製造バラツキによる帯域周波数Ｂのバラツキを防止することができる。

その結果、バラツキによって帯域周波数Ｂが検出したい光の信号周波数帯域より低下することによる高域のなまりや、帯域周波数Ｂが高くなって、必要以上に高域の電流が増幅されることによる信号対雑音比の低下を、より確実に防止することができるという利点がある。

例えば、バラツキを含んだダイオード１２の容量を（Ｃ_ｄ＋δＣ_ｄ）とする。ここで、Ｃ_ｄは設計値、δＣ_ｄはバラツキ値である。
ダイオード１２が１個の場合の帯域周波数Ｂは数１の通りであり、ダイオード１２がｎ個の場合の帯域周波数Ｂは数２の通りである。
ここで、ダイオード１２を直列にすると、帰還容量１１の容量値Ｃ_ｆが減少する。この減少分を補うために、容量値Ｃ_ｆを新たなＣ_ｆ２とする。

数１および数２を比較すると、ダイオード１２がｎ個となることで、バラツキ量が１／ｎに低減していることが分かる。
具体的な数値を当てはめると、例えば、ダイオード１２の個数ｎ＝１個の場合には、
Ｃ_ｆ＝８００、Ｃ_ｄ＝２００、δＣ_ｄ＝１００として、
数１の末尾のバラツキ項は１／１０である。

ダイオード１２の個数ｎ＝４個の場合には、設計値による帯域周波数を上記と同じくするために、Ｃ_ｆ２＝９５０、Ｃ_ｄ＝２００、δＣ_ｄ＝１００とすると、
数２の末尾のバラツキ項は１／４０である。
これにより、容量値が管理された帰還容量１１の容量値を大きくすることができ、帯域周波数Ｂのバラツキを大幅に低減することができる。

また、出力電圧Ｖ_０がダイオード１２に印加されると、ダイオード１２に漏れ電流Ｉ_ｆが流れ込む。この漏れ電流Ｉ_ｆは出力電圧が大きくなる程大きくなりトランスインピーダンスゲインＧの直線性を悪化させる。
ダイオード１２をｎ個直列に接続することで、各ダイオード１２に印加される電圧を分圧して１／ｎに抑えることができ、トランスインピーダンスゲインＧの直線性の悪化を防止することができるという利点もある。

図４に示されるように、出力電圧Ｖ_０が−０．６Ｖの場合に、ダイオード１２が１個の場合には、漏れ電流Ｉ_ｆ＝５０μＡ程度であるが、３個直列に接続すると、１個のダイオード１２に印加される電圧は−０．２Ｖとなり、漏れ電流Ｉ_ｆ＝３０ｎＡ程度になり、十分に低く抑えることができる。
また、本実施形態においては、光ファイバ走査型の画像取得装置１を例示したが、これに限定されるものではない。

１ 画像取得装置
４ 光検出装置
５ 画像処理部
７ 受光素子
８ 電流電圧変換回路
９ オペアンプ
９ａ 反転端子
９ｂ 出力端子
１０ 帰還抵抗
１１ 帰還容量
１２ ダイオード

Claims (3)

1. 入射した光の光量に応じた電流を出力する受光素子と、
   該受光素子から出力された電流を電圧信号に変換する電流電圧変換回路とを備え、
   該電流電圧変換回路が、オペアンプと、該オペアンプの反転端子と出力端子との間に並列に接続された帰還抵抗、帰還容量および１以上のダイオードとを備え、
   該ダイオードが、前記反転端子から前記出力端子に向かって順方向となるように接続され、
   以下の条件式を満足する光検出装置。
   Ｇ＝Ｒ_ｆ （１）
   Ｂ＝１／（２πＲ_ｆ（Ｃ_ｆ＋Ｃ_ｄ／ｎ） （２）
   Ｖ_ｐｒ＞ｎ×Ｖ_ｆ＞Ｇ×Ｉ_ｍａｘ （３）
   ここで、
   Ｇは前記電流電圧変換回路のトランスインピーダンスゲイン、
   Ｒ_ｆは前記帰還抵抗の抵抗値、
   Ｂは所望する帯域周波数、
   Ｃ_ｆは前記帰還容量の容量値、
   Ｃ_ｄは前記ダイオードの容量値、
   ｎは前記ダイオードの個数、
   Ｖ_ｐｒは前記オペアンプが異常を起こす電圧、
   Ｖ_ｆは前記ダイオードの順方向電圧、
   Ｉ_ｍａｘは検出したい光量の最大値が入射したときに前記受光素子から出力される電流値
   である。
2. 前記ダイオードが複数個直列に接続されている請求項１に記載の光検出装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の光検出装置と、
   該光検出装置から出力された電圧信号に基づいて画像を生成する画像処理部とを備える画像取得装置。

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