JP2021007828A - 光源と、光検出器と、制御回路とを備える撮像装置 - Google Patents
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Abstract
Description
81.5≦R+d/(2tanθ)
81.5≦R+d/(2tanθ)
ここで、R,d,θ>0である。
ていてもよい。
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。
le integration)、若しくはULSI(ultra large scale integration)と呼ばれるものであってもよい。
[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。
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。
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Iillは次式で表される。
06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。
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。
れる光信号変化量の絶対値、ΔIdis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ΔIill>ΔIdis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ΔIill<ΔIdisとなる。
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。
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ΔItask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。
は、
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。
m、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。
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。
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。
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。
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。
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ΔIdis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ΔIdis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ΔIdisには上限がある。
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ΔIillを光の飛行距離変動による検出光信号変化量ΔIdis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、ΔIill≦ΔIdisとなる条件を少なくとも満たす。
、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。
号変化量ΔIdisで打ち消すことができる解が存在する。
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 (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)
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