JP2017185200A - 光源と、光検出器と、制御回路とを備える撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】対象の動きによる検出信号変化を抑制し安定した測定が可能な撮像装置を提供する。【解決手段】本開示の一態様に係る撮像装置は、拡散板を含み、０度より大きい拡散角で拡がるパルス光を対象に向けて発光する光源と、前記対象からの光を受けて電荷に変換する光電変換部、および前記電荷を蓄積する電荷蓄積部とを含み、前記電荷が読み出されることによって電気信号を出力する光検出器と、前記光源および前記光検出器を制御する制御回路と、を備える。前記制御回路は、前記光源に前記パルス光の発光を開始させて所定の時間経過後に前記電荷蓄積部への前記電荷の蓄積を開始させることにより、前記対象からの前記光のうち前記対象の内部で散乱された成分に対応する前記電荷を前記電荷蓄積部に蓄積させる。前記拡散板から前記対象までの距離をＲ（ｍｍ）、前記拡散角をθ（度）、前記パルス光の前記拡散板におけるスポットサイズをｄ（ｍｍ）とすると、次式が成立する。８１．５≦Ｒ＋ｄ/（２ｔａｎθ）【選択図】図１

Description

本開示は、撮像装置に関する。

生体計測、材料分析等の分野では、対象物に光を照射し対象物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。この方法において、対象物表面からの反射成分および表面直下の散乱成分の混入が問題となることがある。特に、生体計測では、表面反射成分および皮下散乱成分は生体内分の散乱成分と比較し４〜５桁高い強度を持ち、生体内部からの散乱成分の取得にはこれら表面反射成分および皮下散乱成分をできるだけ除去することが望ましい。これら成分を取り除き所望の内部情報のみを取得する方法として、例えば生体計測の分野では、特許文献１に開示された方法がある。特許文献１は、光源と光検出器を空間的に一定の間隔で離した状態で測定部位に密着させて測定する方法を開示している。

特開平８―１０３４３４号公報

本開示は、測定対象の内部情報を、対象に接触しない状態で、かつ、対象の動きによるノイズを抑制した状態で高解像度に対象の内部情報や脳血流分布を測定し得る技術を提供する。また、本開示は従来の方法に比べて安価な方法で対象を測定し得る技術を提供する。

本開示の一態様に係る撮像装置は、拡散板を含み、０度より大きい拡散角で拡がるパルス光を対象に向けて発光する光源と、前記対象からの光を受けて電荷に変換する光電変換部、および前記電荷を蓄積する電荷蓄積部とを含み、前記電荷が読み出されることによって電気信号を出力する光検出器と、前記光源および前記光検出器を制御する制御回路と、を備える。前記制御回路は、前記光源に前記パルス光の発光を開始させて所定の時間経過後に前記電荷蓄積部への前記電荷の蓄積を開始させることにより、前記対象からの前記光のうち前記対象の内部で散乱された成分に対応する前記電荷を前記電荷蓄積部に蓄積させる。前記拡散板から前記対象までの距離をＲ（ｍｍ）、前記拡散角をθ（度）、前記パルス光の前記拡散板におけるスポットサイズをｄ（ｍｍ）とすると、次式が成立する。
８１．５≦Ｒ＋ｄ/（２ｔａｎθ）

図１は、実施の形態１の撮像装置を示す模式図である。 図２は、光検出器１０８に到達する光信号の時間応答波形、シャッタタイミングと検出される光信号との関係、及びシャッタ開始位相と検出される光信号の検出強度との関係を示す図である。 図３Ａは、対象の動きに伴う照射光の密度変化を表す図である。 図３Ｂは、図３Ａと同じ動きに対する戻り光の時間遅れを表す図である。 図４Ａは、シャッタ開始位相と対象の動きに対する検出される光信号変化量の関係を示す図である。 図４Ｂは、対象の動きと検出される光信号強度の関係を示す図である。 図５Ａは、光源の拡散角と照射光の密度変化の関係を示す図である。 図５Ｂは、光源の拡散角と照射光の密度変化の関係を示す図である。 図５Ｃは、図５Ａおよび図５Ｂの条件下での最適なシャッタ開始位相位置を示す図である。 図６Ａは、照射パターン例を示す図である。 図６Ｂは、照射パターン例を示す図である。 図７は、シャッタ開始位相と光の飛行距離変動による検出光信号変化量との関係を示す図である。 図８は、本実施の形態の照射光の拡散角と対象までの距離との関係を表した図である。 図９は、数式１３の左辺から右辺を減算した値の一例を表す図である。

本願発明者の詳細な検討によれば、特開平８―１０３４３４号公報の方法では、検出信号に含まれる皮下散乱成分の割合を低減し、脳まで到達した光の散乱成分の検出量を高めることができる。しかし、この方法では照射点と検出点とを３ｃｍ離す必要があり、得られる脳活動分布の空間解像度が低下すると考えられる。

一方、近年、ＴＯＦ（Time-of-Flight）方式で対象物までの距離を測定するための、高速撮影が可能なイメージセンサが開発されている。このようなイメージセンサは時間分割能が高いため、イメージセンサのシャッタを高速に制御することにより、強度が大きい表面反射や皮下散乱成分を大幅に低減して脳内散乱成分を検出することが考えられる。具体的には、パルス光を生体に向けて照射し、生体において反射する光を撮影した場合、生体の表面近傍で反射する光は光路が相対的に短いため、早くイメージセンサに到達し、生体の内部で反射する光は、光路が相対的に長いため、遅れてイメージセンサに到達する。このため、イメージセンサに戻るパルス光のうち、後端部分を検出するように、シャッタを調整することで、比較的光路長が長く、時間遅れを有する脳内散乱成分を効率よく検出することが可能である。時間的に分離検出するこの方法は、照射点直下の脳信号が検出可能であるため、特開平８―１０３４３４号公報の方法と比較し、高解像度な脳活動分布を取得することができると考えられる。

しかしながら、非接触で対象からの信号を検出する場合、対象が動くとセンサで検出する光信号量が変化し、間違った検出値を出力してしまう。特に、脳血流計測のような非常にわずかな脳内散乱成分を検出する際は、動きによるノイズ成分の影響は高く、脳内散乱成分検出におけるＳＮを低下させてしまう。このような課題に鑑み、本願発明者は新規な構造を有する撮像装置を想到した。本開示の撮像装置の概要は以下の通りである。

本開示の一態様に係る撮像装置は、拡散板を含み、０度より大きい拡散角で拡がるパルス光を対象に向けて発光する光源と、前記対象からの光を受けて電荷に変換する光電変換部、および前記電荷を蓄積する電荷蓄積部とを含み、前記電荷が読み出されることによって電気信号を出力する光検出器と、前記光源および前記光検出器を制御する制御回路と、を備える。前記制御回路は、前記光源に前記パルス光の発光を開始させて所定の時間経過後に前記電荷蓄積部への前記電荷の蓄積を開始させることにより、前記対象からの前記光のうち前記対象の内部で散乱された成分に対応する前記電荷を前記電荷蓄積部に蓄積させる。前記拡散板から前記対象までの距離をＲ（ｍｍ）、前記拡散角をθ（度）、前記パルス光の前記拡散板におけるスポットサイズをｄ（ｍｍ）とすると、次式が成立する。
８１．５≦Ｒ＋ｄ/（２ｔａｎθ）
ここで、Ｒ,ｄ,θ＞０である。

本開示の一態様に係る撮像装置は、前記拡散角を調整する拡散角調整機構をさらに備えていてもよい。

本開示の一態様に係る撮像装置は、前記パルス光を所望のパターンを有する光に変換するパターン投影部をさらに備えていてもよい。

本開示の一態様に係る撮像装置において、前記制御回路は、前記電気信号から、所定のオフセット成分を除去してもよい。

本開示の他の態様に係る撮像装置は、対象に向けてパルス光を発光する光源と、光電変換部と前記光電変換部で発生した電荷を蓄積する電荷蓄積部とを有し、前記電荷が読み出されることによって電気信号を出力する光検出器と、制御回路とを備え、前記制御回路は、前記対象と前記光源との間の距離が第１の値のとき、前記光源に前記パルス光の発光を開始させて所定の時間経過後に前記電荷蓄積部への電荷蓄積を開始して第１の電気信号を生成し、前記対象と前記光源との間の距離が前記第１の値と異なる第２の値のとき、前記光源に前記パルス光の発光を開始させて前記所定の時間経過後に前記電荷蓄積部への電荷蓄積を開始して第２の電気信号を生成し、前記所定の時間は、前記第１の電気信号の強度と前記第２の電気信号の強度が同じになるタイミングである。

前記第１の値ｒ１と前記第２の値との差Δｒは、次式を満たしていてもよい。

ここで、αは前記対象からの戻り光の電気信号強度の位相変化の減衰係数、ｋは初期の電気信号強度に対する所望の電気信号変化量の比率である。

前記第１の値ｒ１と前記第２の値との差Δｒは、次式を満たしていてもよい。

前記第１の値ｒ１が、１００ｃｍ、５０ｃｍ、２５ｃｍ、２０ｃｍ、１６ｃｍ、１５ｃｍおよび１０、５ｃｍである場合、前記第1の値と第２の値との差Δｒが、それぞれ０．
６ｃｍ以上１．２ｃｍ以下、０．７ｃｍ以上、１．４ｃｍ以下、１．１ｃｍ以上２．３ｃｍ以下、１．４ｃｍ以上２．７ｃｍ以下、１．７ｃｍ以上３．３ｃｍ以下、２．３ｃｍ以上４．６ｃｍ以下および３ｃｍ以上５ｃｍ以下であってもよい。

本開示において、回路、ユニット、装置、部材又は部の全部又は一部、又はブロック図の機能ブロックの全部又は一部は、半導体装置、半導体集積回路（ＩＣ）、又はＬＳＩ（ｌａｒｇｅ ｓｃａｌｅ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）を含む一つ又は複数の電子回路によって実行されてもよい。ＬＳＩ又はＩＣは、一つのチップに集積されてもよいし、複数のチップを組み合わせて構成されてもよい。例えば、記憶素子以外の機能ブロックは、一つのチップに集積されてもよい。ここでは、ＬＳＩまたはＩＣと呼んでいるが、集積の度合いによって呼び方が変わり、システムＬＳＩ、ＶＬＳＩ（ｖｅｒｙ ｌａｒｇｅ ｓｃａｌｅ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）、若しくはＵＬＳＩ（ｕｌｔｒａ ｌａｒｇｅ ｓｃａｌｅ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）と呼ばれるものであってもよい。

ＬＳＩの製造後にプログラムされる、Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ（ＦＰＧＡ）、又はＬＳＩ内部の接合関係の再構成又はＬＳＩ内部の回路区画のセットアップができるｒｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅ ｌｏｇｉｃ ｄｅｖｉｃｅも同じ目的で使うことができる。

さらに、回路、ユニット、装置、部材又は部の全部又は一部の機能又は操作は、ソフトウエア処理によって実行することが可能である。この場合、ソフトウエアは一つ又は複数のＲＯＭ、光学ディスク、ハードディスクドライブなどの非一時的記録媒体に記録され、ソフトウエアが処理装置（ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）によって実行されたときに、そのソフトウエアで特定された機能が処理装置（ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）および周辺装置によって実行される。システム又は装置は、ソフトウエアが記録されている一つ又は複数の非一時的記録媒体、処理装置（ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）、及び必要とされるハードウエアデバイス、例えばインタフェース、を備えていても良い。

以下、実施の形態について、図面を参照しながら具体的に説明する。

（実施の形態１）
［撮像装置の構成］
まず、第１の実施形態に係る撮像装置１００の構成について、図１を用いて説明する。

撮像装置１００は、光源１０６と、光電変換部１１０および電荷蓄積部１１２を含む光検出器１０８と、制御回路１１４とを備える。光源１０６はパルス光である光１０４を対象１０２に向けて発光する。対象１０２に到達した光１０４は、対象１０２の表面および内部において反射・拡散・吸収・散乱等の光学現象が生じた後、一部が光検出器１０８上の光電変換部１１０に到達する。制御回路１１４は、プログラムを記憶したメモリおよび演算装置を含み、メモリに記憶されたプログラムを読出し、実行することにより、プログラムの手順にしたがって、光源１０６に光１０４の発光を開始させて所定の時間経過後に電荷蓄積部１１２への電荷蓄積を開始して電気信号を生成する制御を行う。

対象１０２が生体である場合、光源１０６から発する光１０４の一部は対象１０２の内部に到達する。対象１０２の内部を散乱した光１０４は散乱により時間遅れが生じるため、撮像装置１００に戻るパルス光は、内部を散乱した光１０４の成分によるテールを含む。対象１０２の奥深くの情報（例えば頭部での測定では脳に到達した成分）は対象１０２の表面近傍を散乱した光に比べ光路長が相対的に長くなるため、戻りパルス光の後端よりも遅いテールが撮像装置１００に到達するタイミングでシャッタを開始することで検出信号内に含まれる生体奥深くの情報（脳内散乱成分）の割合を高めることができる。ここで、シャッタを開始するとは、電荷蓄積部１１２への電荷蓄積を開始することである。１回のパルス光測定では感度が不足する場合は、この動作を複数回繰り返し、積算による検出光量増幅を実施する。例えば、数百回〜数百万回の繰り返しである。

光源１０６は、例えば、蛍光灯、ＬＥＤ、ＬＤ等で構成される。対象１０２の奥深くの情報と表面近傍の情報を切り分けるには、パルス光の後端が鋭く立ち下がることが望ましいため、ＬＤなどのレーザ光を出射する光源を用いてもよい。また、対象１０２の血流の酸素化度を測定する場合、光源１０６には、例えば、生体内をある程度透過し得る近赤外光を用いる。さらに、酸素化ヘモグロビン、脱酸素化ヘモグロビンの濃度変化を検出するには、２波長の光１０４を照射してもよい。例えば、光源１０６は波長７５０ｎｍ近辺の光１０４と波長８５０ｎｍ近辺の光１０４とを出射する。このとき、光検出器１０８は、１つの光電変換部１１０に対して、複数の電荷蓄積部１１２を含み、２波長の光を時分割でそれぞれの電荷蓄積部１１２に蓄積するように構成されていてもよい。電荷蓄積部１１２を複数設けることで、１フレーム内で複数の異なる情報をほぼ同時に取得することが可能となる。また、異なる波長の情報に限らず、異なる偏光の情報、異なる強度の情報または異なる位相差の情報が同時に取得可能である。このような光検出器１０８には、例えば、特開２００８−８９３４６号公報に開示されている撮像装置を用いることができる。

撮像装置１００に用いる光検出器１０８は、光電変換部１１０と電荷蓄積部１１２とを含む。光検出器１０８は、フォトダイオード、光電子倍増管、ＣＣＤ型・ＣＭＯＳ型のイメージセンサ、単一光子計数型素子であっても、増幅型イメージセンサ（ＥＭＣＣＤ、ＩＣＣＤ）であっても構わない。

図２における波形（ａ）は、光検出器１０８に到達する光信号の時間応答波形である。光源１０６のパルス幅がある程度小さい場合は、波形（ａ）は光路長分布と見ることもできる。すなわち、光路長が長い光ほど光検出器１０８に到達する時刻は遅くなるため、比較的大きいｔ（遅い時刻）において検出される。つまり、時間応答波形は光路長分布に応じた広がりをもつことになる。

図２における波形（ｂ）はシャッタ開始位相Ｔがそれぞれｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ４（ｔ１＞ｔ２＞ｔ３＞ｔ４）の場合のシャッタタイミングを示す。シャッタ開始位相Ｔとは、光源１０６のパルス光の発光タイミングと、光検出器１０８のシャッタを開始するタイミングとの時間差である。図２におけるグラフ（ｃ）は、横軸をシャッタ開始位相Ｔとし、縦軸を検出される光信号の検出強度Ｉとした図である。波形（ｂ）およびグラフ（ｃ）に示すように、シャッタ開始位相Ｔを早めるほど検出される光信号２００の検出強度Ｉは増加する。シャッタ開始位相Ｔの設定は、照明の発光開始時間で調整してもよいし、センサの電荷蓄積開始時間で調整してもよい。

図３Ａは、対象１０２の動きに伴う照射光２１０の密度変化を表す。光源１０６が拡がりを持つ放射光の場合、光源１０６から対象１０２が離れるに連れて照度（＝光強度密度）が低下する。したがって、距離ｒ１からそれよりも遠くの距離ｒ２に対象１０２が移動した場合、距離ｒ２に対象１０２が存在するときの対象１０２上の照射光２１４の光強度密度は、距離ｒ１に対象１０２が存在するときの対象１０２上の照射光２１２の光強度密度よりも小さくなる。

一方、図３Ｂは、図３Ａと同じ対象１０２の動きに対する戻り光２２０の時間遅れを表す図である。対象１０２が距離ｒ１から距離ｒ２に移動した場合、光源１０６から対象１０２に到達し再度光源１０６に戻る光の飛行距離は、距離ｒ２に対象１０２が存在するときの戻り光２２４のほうが、距離ｒ１に対象１０２が存在するときの戻り光２２２よりも長くなる。したがって、戻り光２２４のほうが戻り光２２２に比べ光検出器１０８に遅れて到着する。つまり、光源１０６から発光後、一定のタイミングでシャッタを開始すると、対象１０２が距離ｒ１から距離ｒ２に移動すると検出光量が増加する。なお、図３Ｂにおいて、矩形の枠は、シャッタが開いている期間を表す。

図３Ａと図３Ｂに示す現象はともに対象１０２の動きに対する検出信号の誤差要因となるが、負の相関を持つ。すなわち、図３Ａおよび図３Ｂに示す現象は対象１０２の動きに対し相反する誤差要因であるため、本現象を互いに打ち消し合うようにシャッタのタイミングを制御することで対象１０２の動きによる図３Ａおよび図３Ｂに示す現象の影響を相殺することができる。

対象１０２上の光源１０６からの照射光２１０の照度は、光源１０６と対象１０２との距離の２乗に反比例するため、検出される光信号強度も、光源１０６と対象１０２との距離の２乗に反比例する。光源１０６と対象１０２との距離１（初期距離）がｒ₁のときの検出される光信号強度をＩ₁とおくと、光源１０６と対象１０２との距離がｒのときの検出される光信号強度Ｉ^illは次式で表される。

したがって、対象１０２上の照射光２１０の照度変化に起因する検出される光信号変化量ΔＩ^illは、

と表すことができる。ここで、Δｒはｚ方向（光源１０６−対象１０２方向）の動き量である。つまり、ΔＩ^illは初期距離ｒ₁に反比例する。

一方、対象１０２からの戻り光２２０の飛行距離変化に起因する検出光信号変化量は、光検出器１０８に到達する戻り光２２０の時間応答波形に依存する。生体などの散乱媒体を光が通過すると、ランベルトベールの式に従い指数関数的な強度の時間応答が見られることが知られているため、戻り光２２０の飛行時間（シャッタ開始位相）ｔの関数として検出される光信号強度Ｉ^disは次式で表される。

ここで、ｔ₁は初期の位相であり、αは対象１０２の吸収係数・散乱係数および光源１０６の発するパルス光の鈍りに依存する、つまり、戻り光の検出強度の減衰係数である。例えば、図２のグラフ（ｃ）の波形を指数関数で表したときの係数である。

対象１０２からの戻り光２２０の飛行距離変化に起因する検出光信号変化量ΔＩ^disは、

と表すことができる。ここで、Δt=-２Δｒ/ｃ、ｃは光速である。数式４より、ΔＩ^dis
は光信号検出強度の位相変化の傾き（図２のグラフ（ｃ）の傾き）に比例することがわかる。

したがって、対象１０２の動きに対し検出される光信号の変化を抑えるには、

となる位相を初期位相とすればよい。すなわち、

を実現する位相位置である。

図４Ａは、シャッタ開始位相Ｔと対象１０２の動きに対する検出される光信号変化量ΔＩとの関係を示す。ΔＩ^illは対象１０２上の照射光２１０の照度変化に起因する検出される光信号変化量の絶対値、ΔＩ^disは対象１０２からの戻り光２２０の飛行距離変化に起因する検出光信号変化量の絶対値である。例えば、シャッタ開始位相が遅すぎると（例えば、図２のグラフ（ｃ）のｔ＝ｔ１に相当）、検出される光は戻り光２２０の後端から離れた光量変化が小さい位置であるためΔＩ^ill＞ΔＩ^disとなる。また、シャッタ開始位相が早すぎる場合（例えば、図２のグラフ（ｃ）のｔ＝ｔ４に相当）、検出される光は戻り光２２０の後端から離れた光量変化が小さい位置であるためΔＩ^ill＜ΔＩ^disとなる。

図４Ｂは、対象１０２の動き量Δｒと検出される光信号の検出強度Ｉの関係を示す図である。シャッタ開始位相を適切に設定することで対象１０２に動きが発生しても検出される光信号強度を一定に保つことができる。具体的には、数式５あるいは数式６を満たす初期位相で対象１０２を測定する場合、光源１０６から対象１０２までの距離がｒ１（第１の値）のとき得られる光信号強度と、光源１０６から対象１０２までの距離がｒ２（第２の値）のとき得られる光信号強度とは等しい。このため、光検出器１０８から出力される電気信号も距離Ｌ１のときと距離ｒ２の時とで等しくなる。

［初期位相の設定］
初期位相の設定はキャリブレーションで決定する方法と、予め準備したテーブルを用いた方法がある。キャリブレーションによる方法は、さらに、パッシブ方式とアクティブ方式に分類できる。パッシブ方式は対象１０２を光源１０６から遠ざかるように動かすか、対象１０２が人の場合はそのように指示し、検出光量が減少するのであれば、シャッタ開始位相を早め、増加するのであれば遅くする。この動作を、ニュートン法または二分法等を用い効率的に繰り返し、光量変化が無くなればキャリブレーション終了である。対象１０２を光源１０６に近づける場合も同様である。アクティブ方式は、対象１０２を自由に動かし（動いてもらい）、その動きの方向をデバイス側で距離測定により検出することで遠ざかっているのか近づいているのかを判断して、検出光量の増減と整合させてシャッタ開始位相を決定する。距離測定は、撮像装置のパルス光を利用し、ＴＯＦ（Ｔｉｍｅ ｏｆ ｆｌｉｇｈｔ）モードを制御回路１１４で駆動させる、あるいは、ステレオ測距カメラ等の距離測定デバイスを別途設けることで実現できる。

予め準備したテーブルを用いた方法の場合、対象１０２の光学特性および戻り光２２０の波形に応じて、光源１０６と対象１０２間の距離と最適なシャッタ開始位相の関係を予めテーブル化しておき、対象１０２までの距離を測定することでテーブルを参照して一意的に決定する。この方法によれば、予めキャリブレーションを行わなくてよい。

測定対象が複数ある場合、対象１０２の材質および光学特性が類似のものであれば、対象１０２のうちの一つで初期位相を決定し、他の対象はそれに順ずればよい。一方、対象１０２の材質が大きく変わる場合、つまり、散乱係数、吸収係数が大きく異なる場合は、光信号強度の位相変化（戻り光２２０の後端の傾き変化）も異なるため、例えば、対象１０２ごとに初期位相を決定すればよい。

［許容動き範囲］
次に、補正ができる動きの許容範囲について考える。動きによる検出信号の変化量が、検出したい信号変化量（例えば、平静状態からタスクによる血流変化反応）よりも小さければ動きに対するＳ／Ｎ比が１以上となり測定可能であるといえる。検出したい信号変化量をΔＩ^taskとおくと、Ｓ／Ｎ比が１以上の条件として次式の関係が得られる。

数式２、数式４では、ΔＩ^ill、ΔＩ^disとも微分値から導出したため線形近似が成立する範囲の動きに適用範囲が制限されるが、許容誤差を求めるために数式１、数式３から再度正確に算出する。

光源１０６と対象１０２との距離が初期距離ｒ₁からｒ₂に変化したとすると、数式１から、対象１０２上の照射光２１０の照度変化に起因する検出される光信号変化量ΔＩ^illは、

と、表される。一方、対象１０２からの戻り光２２０の飛行距離変化に起因する検出光信号変化量ΔＩ^disは、次式で示される。

検出したい信号変化量ΔＩ^taskを、初期の検出される光信号強度Ｉ₁のｋ倍とすると、

となる。したがって、数式８、数式９を数式７に代入すると、次式が得られる。

数式１１を満たす範囲のΔｒであれば、Ｓ／Ｎ比は１を超え動き補正が有効であるといえる。つまり、数式５あるいは数式６を満たす初期位相を用い、かつ、光源１０６から対象１０２までの距離が互いに異なる２つの距離ｒ１およびｒ２において対象１０２を測定する場合、ｒ１およびｒ２の差Δｒが数式１１を満たせば、対象１０２の動きによる検出信号の変化量よりも、対象１０２から得られる検出したい信号変化量が大きくなり、有効な測定を行うことができる。

本願発明者の実験的な検討では、矩形パルス光を光源１０６から生体に向けて照射した際の戻り光の減衰係数αは１．５［１／ｎｓ］であった。例えば、初期距離ｒ₁を１６ｃｍ、タスクに対する信号変化量の割合ｋを０．１、光速ｃを３００００００００ｍ／ｓとすると、補正できる動きの許容範囲Δｒは±３．３ｃｍである。以下に、初期距離ｒ１と許容動き範囲Δｒｂの関係を示す。ｒ１として、一般的な測定範囲である５〜１００ｃｍとした。

表１の範囲であれば、対象１０２の動きに対し所望の信号変化を検出できる。例えば、図３Ａの距離１と距離２の差が、限界値の半分のΔｒｂ／２（＝Δｒａ）以上Δｒｂ以下の範囲として、距離１と距離２の光検出強度を比較すれば、Ｓ／Ｎが１以上となることを確認できる。

対象１０２が数式１１または表１の範囲を超えて大きく動いた場合は、初期値をリセットしてもよい。動きが許容範囲外を超えたかどうかは、ＴＯＦが可能な撮像装置１００を用い、測定期間中定期的にＴＯＦによる対象１０２までの距離を計測したり、ステレオ測距など別途距離検出機構部を設けたりすることで実現できる。初期値をリセットする場合は、新たな初期値で測定を継続してもよいし、対象１０２が人の場合、再度はじめから測定をし直す、あるいは促してもよい。

対象１０２での内部散乱が小さく、対象１０２の表面近傍の光信号を検出する場合、光源１０６から発生するパルス光の後端を図２の波形（ａ）のように予め鈍らせておくことも、対象１０２の動きの補正に効果的である。予め鈍らせておけば、対象１０２で散乱による時間遅れがほとんど生じなくても、対象の動きによる光信号の時間遅れによる検出信号の増減量の調整に用いることができる。

本実施の形態はｚ方向の動きの補正であるが、対象１０２のｘ、ｙシフトおよびパン、チルトの補正も組み合わせてもよい。これらの動きは、カメラ画像によるモーショントラッキング、対象１０２に設けた加速度計測などを用いるとよい。カメラ画像は撮像装置１００の画像と兼用すれば、センシングデバイスの数を低減できる。検出された動きベクトルから行列演算により対象１０２の３次元的な動き補正が可能となる。ｚ方向もモーショントラッキングでの補正と組み合わせてもよい。この場合も、本願の初期位相位置を予め最適化しておくことはモーショントラッキング補正の負荷を低減できるため有効である。

（実施の形態２）
本実施の形態の撮像装置は、光源１０６から出射する光の出射角を調整する拡散角調整機構１１６をさらに備えている点が、実施の形態１の撮像装置と異なっている。ここでは、本実施形態において実施の形態１と同様の内容についての詳細な説明は省略する。

図５Ａは、光源の拡散角と照射光２１０の密度変化との関係を示す。拡散角調整機構１１６は、光源１０６が発する照射光２１０の広がり角を調整する。例えば、拡散板および光学レンズなどで形成される。対象１０２がＡとＢの位置に存在する場合を比較すると、動きによる照度変化量は数式２で示されるように光源からの距離に反比例するため、同じ動き量であったとしても位置Ａでの検出される光信号強度変化は位置Ｂよりも小さい。したがって、図５Ｃに示すように、位置Ａでは光信号検出強度の位相変化の傾きが相対的に小さい位置が最適位相Ｔ２となり、位置Ｂでは傾きが相対的に大きい位置が最適位相Ｔ１となる。

しかし、光信号２００は、最も遅い時刻である、例えば、ｔ＝ｔ１において光路長が長い光を含み、早い時刻であるｔ＝ｔ４に向かうにつれて光路長がより短い光を含む。したがって、遅い時刻でシャッタを開示するほど、光信号２００に含まれる対象１０２の深部の情報の割合が増加する。したがって、脳血流成分の比率が高い位置を動き補正の最適位相位置と一致するために、図５Ｂに示すように、拡散角調整機構１１６を用いて、光源の広がり角を調整してもよい。図５Ｂの場合、図５Ａと比較し、広がり角が小さいため、位置Ｂであっても対象１０２の動きによる照度変化が小さくなる。すなわち、位置Ｂの最適位相を、図５Ａの位置Ａでの最適位相Ｔ２と同じにすることが可能となる（図５Ｃ）。拡散角調整機構１１６はズームレンズ機構を含んでいてもよい。対象１０２の距離をモニタリングし、距離に応じてリアルタイムに適宜調整可能であるためである。また、シャッタ開始位相が遅すぎると絶対光量が低下し、Ｓ／Ｎ比が低下する。この場合は、拡散角調整機構１１６の広がり角を大きくし、最適位相位置を早めるとよい。

（実施の形態３）
本実施の撮像装置は、パターン投影部１１８を光源１０６の出射面に備えている点が、実施の形態１の撮像装置と異なっている。ここでは、本実施形態において実施の形態１と同様の内容についての詳細な説明は省略する。

図６Ａおよび図６Ｂは、パターン投影部１１８で形成される照射パターン例を示す図である。実施の形態１および２の撮像装置では、光源１０６は、均一な照明光を投影する。これに対し、本実施形態では、光源１０６から出射する光はパターン投影部１１８によってリング状のパターンを有する光に変換され、パターン投影部１１８から投影される。投影される照射パターンにおける光信号検出箇所は、リングの内部、例えばリング中央である。リング状パターンは、リング幅が同じでもよいし、距離に応じて幅を異ならせてもよい。図６Ｂは、パターン投影部１１８からドット状のパターンの光を投影する例を示している。光信号検出箇所は、ドットの間である。ドット状パターンは、ドット径が同じでもよいし、距離に応じて径を異ならせてもよい。

パターン投影部１１８は拡散板、ディフューザ、光学レンズ、遮光板等を含み、光源１０６から出射する光の一部を遮光したり、収束させたり、反射させるなどによって所望のパターンの光に変換される。

（実施の形態４）
本実施の形態の撮像装置は、演算処理部１２０有する点が、実施の形態の撮像装置と異なっている。ここでは、本実施形態において実施の形態１と同様の内容についての詳細な説明は省略する。

演算処理部１２０は、光検出器１０８で得られた信号からオフセット成分を除去する処理を実施する。オフセット成分とは、戻り光２２０を検出する際にどの位相でシャッタを開始しても含まれる一定のノイズ成分である。オフセット成分は、例えば、光電変換部１１０から電荷蓄積部１１２への電荷蓄積を停止している状態であっても光電変換された電荷の一部が、電荷蓄積部１１２に漏れることによって生じる。また、電荷蓄積部１１２を覆うように光を遮断する遮光膜の隙間を通過する成分なども含まれる。オフセット成分が大きく発生すると、ΔＩ^disがΔＩ^illと比較し大幅に低下するため、最適位相位置が大きくシフトしたり、最適位相位置が存在しなくなったりする。したがって、演算処理部１２０は、オフセット成分を別途見積り、演算処理で差し引く処理を実施する。

（実施の形態５）
本実施の形態の撮像装置は、照射光２１０の拡散角がある条件式を満たしている。ここでは、本実施形態において実施の形態１と同様の内容についての詳細な説明は省略する。

図７は、シャッタ開始位相と光の飛行距離変動による検出光信号変化量との関係を示す図である。図７の横軸はシャッタ開始位相を表わし、縦軸は光の飛行距離変動による検出光信号変化量ΔＩ^disを表わしている。光の飛行距離変動は、撮像装置１００への光の到達時間変動に対応する。図７に示すように、光源１０６から矩形パルス光が発せられる場合、矩形パルス光の後端以前でシャッタを開始しても、光の飛行距離変動による検出光信号変化量ΔＩ^disは一定である。また、図７に示すように、シャッタ開始位相が矩形パルス光の後端以降である場合、シャッタ開始位相の増加に伴い、光の飛行距離変動による検出光信号変化量ΔＩ^disは減少する。したがって、光の飛行距離変動による検出光信号変化量ΔＩ^disには上限がある。

また、シャッタ開始位相がパルス光後端における光の飛行距離変動による検出光信号変化量ΔＩ^disの下がり始め以降である場合に、撮像装置１００は対象１０２の内部散乱情報を効果的に取得することができる。以上のことから、照射光２１０の照度変化に起因する検出光信号変化量ΔＩ^illを光の飛行距離変動による検出光信号変化量ΔＩ^disで相殺することにより、対象１０２の動きによる検出光量の変化を低減させる場合、本実施の形態の撮像装置は、ΔＩ^ill≦ΔＩ^disとなる条件を少なくとも満たす。

図８は、本実施の形態の撮像装置１００における光源１０６から対象１０２に照射される照射光２１０の拡散角θと対象１０２までの距離との関係を表した図である。光源１０６は拡散板３００を備えている。照射光２１０の拡散板３００上のスポットの直径をｄ［ｍｍ］、拡散板３００から対象１０２までの距離をＲ［ｍｍ］と定義すると、上記の条件ΔＩ^ill≦ΔＩ^disは、

となる。ただし、ｃは光速である。

ここで、生体での実測結果としてα＝２．７［１／ｎｓ］、光速ｃ＝３×１０⁸［ｍ］、Δｒとしてヒトの平均的な体動レベルである１０［ｍｍ］を代入すると、数式１３が導かれる。
（数１３）
８１．５≦Ｒ＋ｄ/（２ｔａｎθ） （数１３）

ただし、Ｒ,ｄ,θ＞０である。

ここで、微小距離変動としてΔｒ＝１０［ｍｍ］を代入したが、これは本人が意識的に静止した際の変動量に相当する。この条件を満たせば、パルス光後端において、照射光２１０の照度変化に起因する検出光信号変化量ΔＩ^illを光の飛行距離変動による検出光信号変化量ΔＩ^disで打ち消すことができる解が存在する。

図９は、数式１３の左辺から右辺を減算した値の一例を表わしている。ここでは、ｄ＝５ｍｍとして、拡散板３００から対象１０２までの距離Ｒと照射光２１０の拡散角θとをパラメータとしたときの値を算出している。表の値がマイナスである場合は、数式１３を満たしていないことを意味している。図９を参照すると、例えば、対象１０２までの距離Ｒが５０ｍｍである場合には、照射光Ｉｉの拡散角θΘが４°以下であれば、数式１３を満たすことが分かる。

本開示における撮像装置は、非接触で測定対象の内部情報を取得するカメラや測定機器に有用である。生体・医療センシング、材料分析、食品分析、および車載センシングシステム等に応用できる。

１００ 撮像装置
１０２ 対象
１０４ 光
１０６ 光源
１０８ 光検出器
１１０ 光電変換部
１１２ 電荷蓄積部
１１４ 制御回路
２００ 光信号
２１０、２１２、２１４ 照射光
２２０、２２２、２２４ 戻り光
１１６ 拡散角調整機構
１１８ パターン投影部
１２０ 演算処理部
３００ 拡散板

Claims (4)

1. 拡散板を含み、０度より大きい拡散角で拡がるパルス光を対象に向けて発光する光源と、
   前記対象からの光を受けて電荷に変換する光電変換部、および前記電荷を蓄積する電荷蓄積部とを含み、前記電荷が読み出されることによって電気信号を出力する光検出器と、
   前記光源および前記光検出器を制御する制御回路と、
   を備え、
   前記制御回路は、前記光源に前記パルス光の発光を開始させて所定の時間経過後に前記電荷蓄積部への前記電荷の蓄積を開始させることにより、前記対象からの前記光のうち前記対象の内部で散乱された成分に対応する前記電荷を前記電荷蓄積部に蓄積させ、
   前記拡散板から前記対象までの距離をＲ（ｍｍ）、前記拡散角をθ（度）、前記パルス光の前記拡散板におけるスポットサイズをｄ（ｍｍ）とすると、次式が成立する、撮像装置。
   ８１．５≦Ｒ＋ｄ/（２ｔａｎθ）
2. 前記拡散角を調整する拡散角調整機構をさらに備える、
   請求項１に記載の撮像装置。
3. 前記パルス光を所望のパターンを有する光に変換するパターン投影部をさらに備える、
   請求項１に記載の撮像装置。
4. 前記制御回路は、前記電気信号から、所定のオフセット成分を除去する、
   請求項１に記載の撮像装置。

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