JP2021141949A - 測定装置、およびプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】被測定部の内部情報を非接触で測定し得る測定装置を提供する。【解決手段】測定装置は、２つの光パルスをそれぞれ出射する２つの光源、光検出器、およびこれらの構成要素を制御し、前記光検出器から出力された信号を処理する処理回路を備え、前記処理回路は、前記２つの光源に前記２つの光パルスをそれぞれ出射させ、前記光検出器に、前記２つの光パルスが被測定部で反射されることによって生じた２つの反射光パルスの立ち下がり部分をそれぞれ検出させることにより、前記２つの反射光パルスの前記立ち下がり部分の強度に応じた２つの信号をそれぞれ出力させ、前記２つの信号に基づいて、前記被検部の内部の状態を示す第３信号を生成して出力し、前記２つの光パルスの強度が減少ピーク値の９０％から１０％の強度に低下するまでの時間をそれぞれｔ１およびｔ２とすると、｜ｔ１−ｔ２｜／ｔ１≦０．２を満たす。【選択図】図１Ａ

Description

本開示は、測定装置、およびプログラムに関する。

対象の被測定部を光で照射し被測定部の内部を透過した光を検出することにより、被測定部の内部情報を取得する技術が存在する。例えば、特許文献１は、表面反射成分によるノイズを取り除き、被測定部の内部情報を取得する装置を開示している。

特開平１１―１６４８２６号公報 特開平４―１８９３４９号公報

内部情報の取得における１つの課題は、計測の精度を向上させることである。

本開示は、被測定部の内部情報を精度よく取得し得る測定装置を提供する。

本開示の一態様における測定装置は、第１光パルスを出射する第１光源と、第２光パルスを出射する第２光源と、少なくとも１つの光検出器と、前記第１光源、前記第２光源、および前記光検出器を制御し、前記光検出器から出力された信号を処理する処理回路と、を備え、前記処理回路は、前記第１光源に前記第１光パルスを出射させ、前記第２光源に前記第２光パルスを出射させ、前記光検出器に、前記第１光パルスが対象物の被測定部で反射されることによって生じた第１反射光パルスの立ち下がり期間の少なくとも一部の成分、および前記第２光パルスが前記被測定部で反射されることによって生じた第２反射光パルスの立ち下がり期間の少なくとも一部の成分を検出させることにより、前記第１反射光パルスの前記一部の強度に応じた第１信号、および前記第２反射光パルスの前記一部の強度に応じた第２信号を出力させ、前記第１信号および前記第２信号に基づいて、前記被測定部の内部の状態を示す第３信号を生成して出力し、前記第１光パルスの強度がピーク値の９０％から１０％の強度に低下するまでの時間をｔ_１とし、前記第２光パルスの強度がピーク値の９０％から１０％の強度に低下するまでの時間をｔ_２とすると、｜ｔ_１−ｔ_２｜／ｔ_１≦０．２を満たす。

本開示によれば、被測定部の内部情報を精度よく取得することができる。

図１Ａは、本開示の例示的な実施形態における測定装置を模式的に示す図である。 図１Ｂは、光検出器の構成の一例を示す図である。 図２Ａは、１フレーム内の動作の例を示す図である。 図２Ｂは、２種類の波長の光による検出動作の他の例を示す図である。 図３Ａは、光パルスがインパルス波形を有する場合における、反射光パルスに含まれる表面反射成分および内部散乱成分の時間変化の例を模式的に示す図である。 図３Ｂは、光パルスが矩形形状の波形を有する場合における、反射光パルスに含まれる表面反射成分および内部散乱成分の時間変化の例を模式的に示す図である。 図３Ｃは、制御回路による第１光源、第２光源、および光検出器に関する動作の概略を示すフローチャートである。 図４Ａは、内部散乱成分のインパルス応答波形を示す図である。 図４Ｂは、光源から出射された光パルスが有する矩形形状の波形を示す図である。 図４Ｃは、図４Ａに示す波形と図４Ｂに示す波形とのコンボリューションによって得られた波形を示す図、および当該波形の後端を示す拡大図である。 図５Ａは、被測定部の内部に吸収体が存在しない場合における、反射光パルスの検出強度を示すグラフである。 図５Ｂは、被測定部の内部に吸収体が存在する場合と存在しない場合とにおける、反射光パルスの検出強度の変化量を示すグラフである。 図５Ｃは、被測定部の内部に吸収体が存在する場合と存在しない場合とにおける、反射光パルスの検出強度の変調度を示すグラフである。 図６は、光パルスの立ち下がり期間と、変調度との関係を示す図である。 図７は、第２光パルスの立ち下がり期間が１ｎｓである場合における、第１光パルスの立ち下り期間と、信号処理回路によって算出された酸素化ヘモグロビン量との関係を示す図である。 図８は、本実施形態における測定装置の具体例を模式的に示す図である。

以下で説明される実施形態は、いずれも包括的または具体的な例を示すものである。以下の実施形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置および接続形態、ステップ、およびステップの順序は、一例であり、本開示の技術を限定する趣旨ではない。以下の実施形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。各図は模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。さらに、各図において、実質的に同一または類似の構成要素には同一の符号が付されている。重複する説明は省略または簡略化されることがある。

まず、本開示の実施形態の概要を簡単に説明する。

異なる波長を有する２つの光パルスで生体の被測定部を照射することによってそれぞれ得られる２つの反射光パルスを検出することにより、１つの光パルスを照射する構成と比較して、被測定部のより詳細な情報を取得することができる。生体組織に含まれる成分は、光吸収特性および光散乱特性について波長依存性を有するからである。

本開示の実施形態における測定装置は、異なる波長を有する２つの光パルスで被測定部を照射し、２つの反射光パルスの各々の立ち下がり部分を検出する。これにより、被測定部からの表面反射成分によるノイズを抑制した状態で、被測定部の内部情報を非接触で取得することができる。さらに、本開示の実施形態における測定装置によれば、被測定部に照射する２つの光パルスの立ち下がり部分の波形を適切に調整することにより、被測定部の内部情報を効果的に取得することができる。

第１の項目に係る測定装置は、第１光パルスを出射する第１光源と、第２光パルスを出射する第２光源と、少なくとも１つの光検出器と、前記第１光源、前記第２光源、および前記光検出器を制御し、前記光検出器から出力された信号を処理する処理回路と、を備える。前記処理回路は、前記第１光源に前記第１光パルスを出射させ、前記第２光源に前記第２光パルスを出射させ、前記光検出器に、前記第１光パルスが対象物の被測定部で反射されることによって生じた第１反射光パルスの立ち下がり期間の少なくとも一部の成分、および前記第２光パルスが前記被測定部で反射されることによって生じた第２反射光パルスの立ち下がり期間の少なくとも一部の成分を検出させることにより、前記第１反射光パルスの前記一部の強度に応じた第１信号、および前記第２反射光パルスの前記一部の強度に応じた第２信号を出力させ、前記第１信号および前記第２信号に基づいて、前記被測定部の内部の状態を示す第３信号を生成して出力し、前記第１光パルスの強度がピーク値の９０％から１０％の強度に低下するまでの時間をｔ_１とし、前記第２光パルスの強度がピーク値の９０％から１０％の強度に低下するまでの時間をｔ_２とすると、｜ｔ_１−ｔ_２｜／ｔ_１≦０．２を満たす。

この測定装置では、被測定部の内部情報を精度よく取得することができる。

第２の項目に係る測定装置は、第１の項目に係る測定装置において、前記第１光源が、注入された第１電流に応じた強度の光を出射する第１発光素子と、前記第１電流を調整する第１調整回路とを含む。前記処理回路は、前記第１調整回路を制御することにより、前記第１発光素子から前記第１光パルスを出射させる。

この測定装置では、第１調整回路により、第１発光素子から出射される第１光パルスの波形を調整することができる。

第３の項目に係る測定装置は、第２の項目に係る測定装置において、前記処理回路が、前記第１調整回路を制御し、前記第１発光素子に逆バイアス電圧を印加することにより、前記第１光パルスの出射を抑制する。

この測定装置では、第１光パルスの立ち下がり期間を長くしたり、短くしたりすることができる。

第４の項目に係る測定装置は、第１から第３の項目のいずれかに係る測定装置において、前記第２光源が、注入された第２電流に応じた強度の光を出射する第２発光素子と、前記第２電流を調整する第２調整回路とを含む。前記処理回路は、前記第２調整回路を制御することにより、前記第２発光素子から前記第２光パルスを出射させる。

この測定装置では、第２調整回路により、第２発光素子から出射される第２光パルスの波形を調整することができる。

第５の項目に係る測定装置は、第４の項目に係る測定装置において、前記処理回路が、前記第２調整回路を制御し、前記第２発光素子に逆バイアス電圧を印加することにより、前記第２光パルスの出射を抑制する。

この測定装置では、第２光パルスの立ち下がり期間を長くしたり、短くしたりすることができる。

第６の項目に係る測定装置は、第１から第５の項目のいずれかに係る測定装置において、前記処理回路が、前記第１光源に前記第１光パルスを繰り返し出射させ、前記第２光源に前記第２光パルスを繰り返し出射させ、前記光検出器に、前記第１反射光パルスの前記立ち下がり期間の前記少なくとも一部の成分を繰り返し検出させることにより、前記第１反射光パルスの前記立ち下がり期間の前記少なくとも一部の積算された強度に応じた信号を前記第１信号として出力させ、前記第２反射光パルスの前記立ち下がり期間の前記少なくとも一部の成分を繰り返し検出させることにより、前記第２反射光パルスの前記立ち下がり期間の前記少なくとも一部の積算された強度に応じた信号を前記第２信号として出力させる。

この測定装置では、第１反射光パルスの検出光量および第２反射光パルスの検出光量を増やし、第１信号および第２信号のＳＮ比を向上させることができる。

第７の項目に係る測定装置は、第１から第６の項目のいずれかに係る測定装置において、前記被測定部が、人間の頭部である。前記第３信号は、前記人間の脳活動の状態を示す。

この測定装置では、人間の脳活動の状態を知ることができる。

第８の項目に係る測定装置は、第１から第７の項目のいずれかに係る測定装置において、ｔ_１およびｔ_２の各々は、１．０ｎｓ以上１．２ｎｓ以下である。

この測定装置では、被測定部の内部情報を効果的に得ることができる。

第９の項目に係る測定装置は、第１から第８の項目のいずれかに係る測定装置において、前記第１光パルスが、第１波長を有し、前記第２光パルスが、第２波長を有する。前記第２波長は、前記第１波長よりも長い。

この測定装置では、異なる波長を有する第１光パルスおよび第２光パルスにより、被測定部のより詳細な情報を取得することができる。

第１０の項目に係る測定装置は、第９の項目に係る測定装置において、｜ｔ_１−ｔ_２｜／ｔ_１≦０．２、または｜ｔ_１−ｔ_２｜／ｔ_２≦０．２を満たす。

この測定装置では、被測定部の内部情報を精度よく取得することができる。

第１１の項目に係る測定装置は、第１０の項目に係る測定装置において、前記第１波長が、６５０ｎｍ以上であり、かつ８０５ｎｍよりも短く、前記第２波長が、８０５ｎｍよりも長く、かつ９５０ｎｍ以下である。

この測定装置では、測定対象が生体である場合、被測定部の内部での血液に含まれる酸素化ヘモグロビンの濃度および脱酸素化ヘモグロビンの濃度を精度よく求めることができる。

第１２の項目に係る測定装置は、光パルスを出射する光源と、光検出器と、前記光源、および前記光検出器を制御する処理回路と、を備える。前記処理回路は、前記光源に前記光パルスを出射させ、前記光検出器に、前記光パルスが対象物の被測定部で反射されることによって生じた反射光パルスの立ち下がり期間の少なくとも一部の成分を検出させ、前記光パルスの強度がピーク値の９０％から１０％の強度に低下するまでの時間をｔとすると、ｔは、１．０ｎｓ以上１．２ｎｓ以下である。

この測定装置では、光源が１つであっても、被測定部の内部情報を効果的に得ることができる。

第１３の項目に係るプログラムは、測定装置に用いられるプログラムである。前記測定装置は、第１光パルスを出射する第１光源と、第２光パルスを出射する第２光源と、少なくとも１つの光検出器と、前記第１光源、前記第２光源、および前記光検出器を制御し、前記光検出器から出力された信号を処理する処理回路と、を備える。前記プログラムは、前記処理回路に、前記第１光源に前記第１光パルスを出射させ、前記第２光源に前記第２光パルスを出射させ、前記光検出器に、前記第１光パルスが対象物の被測定部で反射されることによって生じた第１反射光パルスの立ち下がり期間の少なくとも一部の成分、および前記第２光パルスが前記被測定部で反射されることによって生じた第２反射光パルスの立ち下がり期間の少なくとも一部の成分を検出させることにより、前記第１反射光パルスの前記一部の強度に応じた第１信号、および前記第２反射光パルスの前記一部の強度に応じた第２信号を出力させ、前記第１光パルスの強度がピーク値の９０％から１０％の強度に低下するまでの時間をｔ_１とし、前記第２光パルスの強度がピーク値の９０％から１０％の強度に低下するまでの時間をｔ_２とすると、｜ｔ_１−ｔ_２｜／ｔ_１≦０．２を満たす。

このプログラムでは、第１光源および第２光源から、それぞれ、被測定部の内部情報を精度よく取得するための第１光パルスおよび第２光パルスを出射させることができる。

第１４の項目に係るプログラムは、第１３の項目に係るプログラムにおいて、前記処理回路に、前記第１信号および前記第２信号に基づいて、前記被測定部の内部の状態を示す第３信号を生成させて出力させる。

このプログラムでは、被測定部の内部情報を精度よく取得することができる。

本開示において、回路、ユニット、装置、部材または部の全部または一部、またはブロック図における機能ブロックの全部または一部は、例えば、半導体装置、半導体集積回路（ＩＣ）、またはＬＳＩ（ｌａｒｇｅ ｓｃａｌｅ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）を含む１つまたは複数の電子回路によって実行され得る。ＬＳＩまたはＩＣは、１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、１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）、もしくは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、ＦＩｐｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ（ＦＰＧＡ）、またはＬＳＩ内部の接合関係の再構成または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、部材または部の全部または一部の機能または操作は、ソフトウェア処理によって実行することが可能である。この場合、ソフトウェアは１つまたは複数の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、ソフトウェアが処理装置（ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）によって実行されたときに、そのソフトウェ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。システムまたは装置は、ソフトウェアが記録されている１つまたは複数の非一時的記録媒体、処理装置（ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）、および必要とされるハードウェアデバイス、例えばインターフェースを備えていてもよい。

本開示において、「光」とは、可視光（波長が約４００ｎｍ〜約７００ｎｍ）だけでなく、紫外線（波長が約１０ｎｍ〜約４００ｎｍ）および赤外線（波長が約７００ｎｍ〜約１ｍｍ）を含む電磁波を意味する。

以下、図面を参照しながら、本開示のより具体的な実施形態を説明する。

（実施形態）
［１．測定装置］
まず、図１Ａおよび図１Ｂを参照して、本開示の実施形態における測定装置１００の構成を説明する。

図１Ａは、本開示の例示的な実施形態における測定装置１００を模式的に示す図である。本実施形態における測定装置１００は、測定対象物の被測定部１０を光で照射し、被測定部１０で反射した光を検出することにより、被測定部１０の内部情報を非接触で取得する。被測定部１０は、例えば測定対象者の頭部であり得る。内部情報は、例えば対象者の脳活動の状態を反映した情報であり得る。用途によっては、測定対象物は、生体以外の物体であってもよい。例えば、液体、気体、食品などの散乱体を対象物にしてもよい。

本実施形態における測定装置１００は、第１光源２０ａと、第２光源２０ｂと、光検出器３０と、処理回路４０とを備える。処理回路４０は、信号処理回路５０と、制御回路６０とを含む。本明細書では、第１光源２０ａおよび第２光源２０ｂを、区別せずに「光源２０」とも称する。光源２０は、被測定部１０を照射するための光パルスを出射する。光検出器３０は、被測定部１０で反射された反射光パルスの一部を検出し、その強度に応じた信号を出力する。信号処理回路５０は、光検出器３０から出力された信号を処理することにより、被測定部１０の内部の状態を示す内部状態信号を生成して出力する。制御回路６０は、第１光源２０ａ、第２光源２０ｂ、光検出器３０、および信号処理回路５０を制御する。

以下に、本実施形態における測定装置１００の各構成要素を詳細に説明する。

［１−１．第１光源２０ａおよび第２光源２０ｂ］
第１光源２０ａは、被測定部１０を照射するための第１光パルスＩ_ｐ１を出射する。第１光パルスＩ_ｐ１は第１波長を有する。同様に、第２光源２０ｂは、被測定部１０を照射するための第２光パルスＩ_ｐ２を出射する。第２光パルスＩ_ｐ２は、第１波長よりも長い第２波長を有する。図１Ａに示す例では、第１光源２０ａの個数は１つであるが、複数であってもよい。第２光源２０ｂの個数についても同様である。用途によっては、第１光源２０ａおよび第２光源２０ｂの両方を用いる必要はなく、一方だけを用いてもよい。

本明細書では、第１光パルスＩ_ｐ１および第２光パルスＩ_ｐ２を、区別せずに「光パルスＩ_ｐ」とも称する。光パルスＩ_ｐは、立ち上がり部分および立ち下がり部分を含む。立ち上がり部分は、光パルスＩ_ｐのうち、その強度が増加を開始してから増加が終了するまでの部分である。立ち下がり部分は、光パルスＩ_ｐのうち、その強度が減少を開始してから減少が終了するまでの部分である。

第１光源２０ａは、注入された第１電流に応じた強度の光を出射する第１発光素子２２ａと、第１電流を調整する第１調整回路２４ａとを含む。同様に、第２光源２０ｂは、注入された第２電流に応じた強度の光を出射する第２発光素子２２ｂと、第２電流を調整する第２調整回路２４ｂとを含む。以下の説明では、第１発光素子２２ａおよび第２発光素子２２ｂを区別せずに「発光素子２２」とも称し、第１調整回路２４ａおよび第２調整回路２４ｂを区別せずに「調整回路２４」とも称する。発光素子２２は、例えば、レーザ光を出射するレーザダイオードを含み得る。調整回路２４は、例えば、電気的に応答性の速い窒化ガリウム（ＧａＮ）半導体を含む電界効果トランジスタ（ＧａＮＦＥＴ）を含み得る。調整回路２４の動作の詳細については後述する。

被測定部１０に到達した光パルスＩ_ｐのうち、一部は、被測定部１０の表面で反射する表面反射成分Ｉ_１になり、他の一部は、被測定部１０の内部で１回反射もしくは散乱、または多重散乱する内部散乱成分Ｉ_２になる。表面反射成分Ｉ_１は、直接反射成分、拡散反射成分、および散乱反射成分の３つを含む。直接反射成分は、入射角と反射角が等しい反射成分である。拡散反射成分は、表面の凹凸形状により拡散して反射する成分である。散乱反射成分は、表面近傍の内部組織によって散乱して反射する成分である。被測定部１０をユーザの頭部とした場合、散乱反射成分は、表皮内部で散乱して反射する成分である。以下では、被測定部１０の表面で反射する表面反射成分Ｉ_１はこれら３つの成分を含むとして説明する。また、内部散乱成分Ｉ_２は、表面近傍の内部組織によって散乱して反射する成分を含まないとして説明する。表面反射成分Ｉ_１および内部散乱成分Ｉ_２は反射または散乱され、これらの成分の進行方向は変化し、その一部が反射光パルスとして光検出器３０に到達する。表面反射成分Ｉ_１は、ユーザの表面情報、例えば、顔および頭皮の血流情報を含む。内部散乱成分Ｉ_２は、ユーザの内部情報、例えば、脳血流情報を含む。反射光パルスから内部散乱成分Ｉ_２を検出する方法については後述する。

第１光パルスＩ_ｐ１の第１波長および第２光パルスＩ_ｐ２の第２波長は、例えば６５０ｎｍ以上９５０ｎｍ以下の波長範囲に含まれる任意の波長であり得る。この波長範囲は、赤色から近赤外線の波長範囲に含まれる。上記の波長範囲は、「生体の窓」と呼ばれており、生体内の水分および皮膚に比較的吸収されにくいという性質を有する。生体を検出対象にする場合、上記の波長範囲の光を使用することにより、検出感度を高くすることができる。ユーザの脳の血流変化を検出する場合、使用される光は、主に酸素化ヘモグロビン（ＨｂＯ_２）および脱酸素化ヘモグロビン（Ｈｂ）に吸収されると考えられる。一般に、血流に変化が生じると、酸素化ヘモグロビンの濃度および脱酸素化ヘモグロビンの濃度が変化する。この変化に伴い、光の吸収度合いも変化する。したがって、血流が変化すると、検出される光量も時間的に変化する。

酸素化ヘモグロビンと脱酸素化ヘモグロビンとでは、光吸収の波長依存性が異なる。波長が６５０ｎｍ以上であり、かつ８０５ｎｍより短いとき、脱酸素化ヘモグロビンによる光吸収係数の方が、酸素化ヘモグロビンによる光吸収係数よりも大きい。波長８０５ｎｍでは、脱酸素化ヘモグロビンによる光吸収係数と、酸素化ヘモグロビンによる光吸収係数とは等しい。波長が８０５ｎｍより長く、かつ９５０ｎｍ以下であるとき、酸素化ヘモグロビンによる光吸収係数の方が、脱酸素化ヘモグロビンによる光吸収係数よりも大きい。

したがって、第１光パルスＩ_ｐ１の第１波長を６５０ｎｍ以上であり、かつ８０５ｎｍよりも短く設定し、第２光パルスＩ_ｐ２の第２波長を８０５ｎｍよりも長く、かつ９５０ｎｍ以下に設定してもよい。第１光パルスＩ_ｐ１および第２光パルスＩ_ｐ２で被測定部１０を照射すると、後述する信号処理回路５０の処理により、被測定部１０の内部での血液に含まれる酸素化ヘモグロビンの濃度および脱酸素化ヘモグロビンの濃度を求めることができる。異なる波長を有する２つの光パルスの照射により、被測定部１０のより詳細な内部情報を取得することができる。

本実施形態において、光源２０は、ユーザの網膜への影響を考慮して設計され得る。例えば、光源２０は、各国で策定されているレーザ安全基準のクラス１を満足し得る。クラス１が満足されている場合、被測定部１０が、被爆放出限界（ＡＥＬ）が１ｍＷを下回るほどの低照度の光で照射される。なお、光源２０自体がクラス１を満足する必要はない。例えば、拡散板またはＮＤフィルタを光源２０の前に設置して光を拡散または減衰することにより、レーザ安全基準のクラス１が満たされていてもよい。

［１−２．光検出器３０］
光検出器３０は、第１光パルスＩ_ｐ１が被測定部１０で反射されることによって生じた第１反射光パルスの立ち下がり期間の成分の少なくとも一部の強度に応じた第１信号３６ａを出力する。同様に、光検出器３０は、第２光パルスＩ_ｐ２が被測定部１０で反射されることによって生じた第２反射光パルスの立ち下がり期間の成分の少なくとも一部の強度に応じた第２信号３６ｂを出力する。光検出器３０のこの検出動作は、制御回路６０によって制御される。光パルスの「立ち下がり期間」は、光検出器３０の光検出面の位置において、当該光パルスの強度が減少を開始する時点から減少を終了する時点までの期間を指す。より厳密には、「立ち下がり期間」は、当該光パルスの強度が予め設定された上限値を下回った時点から予め設定された下限値に達した時点までの期間を意味する。上限値は当該光パルスの強度のピーク値の例えば９０％の値に設定され、下限値は当該ピーク値の例えば１０％の値に設定され得る。

本実施形態における測定装置１００は２つの光検出器３０を備えてもよい。当該２つの光検出器のうち、一方が第１反射光パルスの立ち下がり期間の成分の少なくとも一部を検出して第１信号３６ａを出力し、他方が第１反射光パルスの立ち下がり期間の成分の少なくとも一部を検出して第２信号３６ｂを出力し得る。すなわち、本実施形態における光検出器３０の個数は、少なくとも１つである。

光検出器３０は、複数の光電変換素子３２と、複数の電荷蓄積部３４とを含み得る。具体的には、光検出器３０は、２次元に配置された複数の光検出セルを備え得る。そのような光検出器３０は、ユーザの２次元情報を一度に取得し得る。本明細書において、光検出セルを「画素」とも称する。光検出器３０は、例えば、ＣＣＤイメージセンサまたはＣＭＯＳイメージセンサなどの任意の撮像素子であり得る。より一般的には、光検出器３０は、少なくとも１つの光電変換素子３２と、少なくとも１つの電荷蓄積部３４とを含む。

光検出器３０は、電子シャッタを備え得る。電子シャッタは、撮像のタイミングを制御する回路である。電子シャッタは、受光した光を有効な電気信号に変換して蓄積する１回の信号蓄積の期間と、信号蓄積を停止する期間とを制御する。信号蓄積期間は、「露光期間」とも称する。以下の説明では、露光期間の幅を、「シャッタ幅」とも称する。１回の露光期間が終了し次の露光期間が開始するまでの時間を、「非露光期間」とも称する。

光検出器３０は、電子シャッタにより、露光期間および非露光期間を、サブナノ秒、例えば、３０ｐｓから１ｎｓの範囲で調整することができる。距離の計測が目的である従来のＴＯＦカメラは、光源２０から出射され被写体で反射されて戻ってきた光のすべてを検出する。従来のＴＯＦカメラでは、シャッタ幅が光のパルス幅よりも大きい必要があった。これに対し、本実施形態における測定装置１００では、被写体の光量を補正する必要がない。このため、シャッタ幅がパルス幅よりも大きい必要はない。シャッタ幅を、例えば、１ｎｓ以上３０ｎｓ以下の値に設定することができる。本実施形態における測定装置１００によれば、シャッタ幅を縮小できるため、検出信号に含まれる暗電流の影響を低減することができる。

以下、光検出器３０の構成例を説明する。

光検出器３０は、撮像面上に２次元的に配列された複数の画素を備え得る。各画素は、例えばフォトダイオードなどの光電変換素子と、１つまたは複数の電荷蓄積部とを備え得る。

図１Ｂは、光検出器３０の構成の一例を示す図である。図１Ｂにおいて、二点鎖線の枠によって囲まれた領域が１つの画素２０１に相当する。画素２０１には、図示されていないが１つのフォトダイオードが含まれる。図１Ｂでは２行２列に配列された４画素のみを示しているが、実際にはさらに多数の画素が配置され得る。各画素２０１は、第１浮遊拡散層２０４および第２浮遊拡散層２０６を含む。ここで、第１光パルスＩ_ｐ１の波長が６５０ｎｍ以上であり、かつ、８０５ｎｍよりも短く、第２光パルスＩ_ｐ２の波長が８０５ｎｍよりも長く、かつ、９５０ｎｍ以下であるとする。第１浮遊拡散層２０４は、第１光パルスＩ_ｐ１による反射光パルスの受光によって生じた電荷を蓄積する。第２浮遊拡散層２０６は、第２光パルスＩ_ｐ２による反射光パルスの受光によって生じた電荷を蓄積する。第１浮遊拡散層２０４および第２浮遊拡散層２０６に蓄積される信号は、あたかも一般的なＣＭＯＳイメージセンサの４画素の信号のように取り扱われ、光検出器３０から出力される。

各画素２０１は、４つの信号検出回路を有する。各信号検出回路は、ソースフォロワトランジスタ３０９と、行選択トランジスタ３０８と、リセットトランジスタ３１０とを含む。各トランジスタは、例えば半導体基板に形成された電界効果トランジスタであるが、これに限定されない。図示されるように、ソースフォロワトランジスタ３０９の入力端子および出力端子の一方と、行選択トランジスタ３０８の入力端子および出力端子のうちの一方とが接続されている。ソースフォロワトランジスタ３０９の入力端子および出力端子の上記一方は、典型的にはソースである。行選択トランジスタ３０８の入力端子および出力端子の上記一方は、典型的にはドレインである。ソースフォロワトランジスタ３０９の制御端子であるゲートは、フォトダイオードに接続されている。フォトダイオードによって生成された正孔または電子の信号電荷は、フォトダイオードとソースフォロワトランジスタ３０９との間の電荷蓄積部である浮遊拡散層に蓄積される。

図１Ｂには示されていないが、第１浮遊拡散層２０４および第２浮遊拡散層２０６はフォトダイオードに接続される。フォトダイオードと、第１浮遊拡散層２０４および第２浮遊拡散層２０６の各々との間には、スイッチが設けられ得る。このスイッチは、制御回路６０からの信号蓄積パルスに応じて、フォトダイオードと第１浮遊拡散層２０４および第２浮遊拡散層２０６の各々との間の導通状態を切り替える。これにより、第１浮遊拡散層２０４および第２浮遊拡散層２０６の各々への信号電荷の蓄積の開始と停止とが制御される。本実施形態における電子シャッタは、このような露光制御のための機構を有する。

第１浮遊拡散層２０４および第２浮遊拡散層２０６に蓄積された信号電荷は、行選択回路３０２によって行選択トランジスタ３０８のゲートがＯＮにされることにより、読み出される。この際、第１浮遊拡散層２０４および第２浮遊拡散層２０６の信号電位に応じて、ソースフォロワ電源３０５からソースフォロワトランジスタ３０９およびソースフォロワ負荷３０６へ流入する電流が増幅される。垂直信号線３０４から読み出されるこの電流によるアナログ信号は、列ごとに接続されたアナログ−デジタル（ＡＤ）変換回路３０７によってデジタル信号データに変換される。このデジタル信号データは、列選択回路３０３によって列ごとに読み出され、光検出器３０から出力される。行選択回路３０２および列選択回路３０３は、１つの行の読出しを行った後、次の行の読み出しを行い、以下同様に、すべての行の浮遊拡散層の信号電荷の情報を読み出す。制御回路６０は、すべての信号電荷を読み出した後、リセットトランジスタ３１０のゲートをオンにすることにより、すべての浮遊拡散層をリセットする。これにより、１つのフレームの撮像が完了する。以下同様に、フレームの高速撮像を繰り返すことにより、光検出器３０による一連のフレームの撮像が完結する。

本実施形態では、ＣＭＯＳ型の光検出器３０の例を説明したが、光検出器３０は他の種類の撮像素子であってもよい。光検出器３０は、例えば、ＣＣＤ型であっても、単一光子計数型素子であっても、ＥＭＣＣＤまたはＩＣＣＤなどの増幅型イメージセンサであってもよい。単画素とすることで測定点は１点となるが、高速レートの検出ができる。

図２Ａは、１フレーム内の動作の例を示す図である。図２Ａに示すように、１フレーム内で、第１光パルスＩ_ｐ１の発光と第２光パルスＩ_ｐ２の発光とを交互に複数回切り替えてもよい。このようにすることで、２種類の波長による検出画像の取得タイミングの時間差を低減でき、被測定部１０に動きがある場合であっても、ほぼ同時に第１光パルスＩ_ｐ１および第２光パルスＩ_ｐ２での撮像が可能である。

図２Ｂは、２種類の波長の光による検出動作の他の例を示す図である。図２Ｂに示すように、第１光パルスＩ_ｐ１による反射光パルスの検出と第２光パルスＩ_ｐ２による反射光パルスの検出とを、フレームごとに切り替えてもよい。このような動作は、例えば、第１光パルスＩ_ｐ１の発光と、第２光パルスＩ_ｐ２の発光とをフレームごとに切り替えることによって行われ得る。その場合、各画素２０１は単数の電荷蓄積部を備えていてもよい。そのような構成によれば、各画素２０１の電荷蓄積部の数を低減できるため、各画素２０１のサイズを大きくでき、感度を向上させることができる。

［１−３．処理回路４０］
処理回路４０に含まれる信号処理回路５０は、光検出器３０から出力された信号を処理する回路である。信号処理回路５０は、光検出器３０から出力された第１信号３６ａおよび第２信号３６に基づいて、被測定部１０の内部の状態を示す第３信号を生成して出力する。第１光パルスＩ_ｐ１の第１波長が６５０ｎｍ以上であり、かつ８０５ｎｍよりも短く、第２光パルスＩ_ｐ２の第２波長が８５０ｎｍよりも長く、かつ９５０ｎｍ以下であるとき、第１信号３６ａおよび第２信号３６ｂを用いて予め定められた連立方程式を解くことにより、血液中のＨｂＯ_２およびＨｂの各濃度の初期値からの変化量を求めることができる。以下の式（１）および式（２）は、連立方程式の例を表す。

ΔＨｂＯ_２およびΔＨｂは、それぞれ、血液中のＨｂＯ_２およびＨｂの濃度の初期値からの変化量を表す。ε^７５０ _ＯＸＹおよびε^７５０ _{ｄｅＯＸＹ}は、それぞれ、波長７５０ｎｍでのＨｂＯ_２およびＨｂのモル吸光係数を表す。ε^８５０ _ＯＸＹおよびε^８５０ _{ｄｅＯＸＹ}は、それぞれ、波長８５０ｎｍでのＨｂＯ_２およびＨｂのモル吸光係数を表す。Ｉ^７５０ _ｉｎｉおよびＩ^７５０ _ｎｏｗは、それぞれ、波長７５０ｎｍでの基準時間（初期時間）とある時間における検出強度を表す。これらの記号は、例えば、脳が賦活していない状態と賦活した状態とにおける検出強度を表す。Ｉ^８５０ _ｉｎｉおよびＩ^８５０ _ｎｏｗは、それぞれ、波長８５０ｎｍでの基準時間（初期時間）とある時間における検出強度を表す。これらの記号は、例えば、脳が賦活していない状態と賦活した状態とにおける検出強度を表す。

信号処理回路５０は、例えばデジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）などのプログラマブルロジックデバイス（ＰＬＤ）、または中央演算処理装置（ＣＰＵ）もしくは画像処理用演算プロセッサ（ＧＰＵ）とコンピュータプログラムとの組み合わせによって実現され得る。

処理回路４０に含まれる制御回路６０は、調整回路２４を制御することにより、発光素子２２から光パルスＩ_ｐを出射させる。制御回路６０は、光源２０の光パルスＩ_ｐの出射タイミングと、光検出器３０のシャッタタイミングとの時間差を調整する。本明細書では、当該時間差を「位相差」と称することがある。光源２０の「出射タイミング」とは、光源２０から出射される光パルスが立ち上がりを開始するタイミングである。「シャッタタイミング」とは、露光を開始するタイミングである。制御回路６０は、出射タイミングを変化させて位相差を調整してもよいし、シャッタタイミングを変化させて位相差を調整してもよい。

制御回路６０は、光検出器３０の各画素によって検出された信号からオフセット成分を取り除くように構成されてもよい。オフセット成分は、太陽光もしくは蛍光灯などの環境光、または外乱光による信号成分である。光源２０の駆動をＯＦＦにして光源２０から光が出射されない状態で、光検出器３０によって信号を検出することにより、環境光または外乱光によるオフセット成分が見積もられる。

制御回路６０は、例えばプロセッサおよびメモリの組み合わせ、またはプロセッサおよびメモリを内蔵するマイクロコントローラなどの集積回路であり得る。制御回路６０は、例えばプロセッサがメモリに記録されたプログラムを実行することにより、例えば出射タイミングとシャッタタイミングとの調整を行ったり、信号処理回路５０に信号の処理を実行させたりする。

信号処理回路５０および制御回路６０は、統合された１つの回路であってもよいし、分離された個別の回路であってもよい。信号処理回路５０は、例えば遠隔地に設けられたサーバなどの外部の装置の構成要素であってもよい。この場合、サーバなどの外部の装置は、無線通信または有線通信により、光源２０、光検出器３０、および制御回路６０と相互にデータの送受信を行う。

［１−４．その他］
測定装置１００は、被測定部１０の２次元像を光検出器３０の受光面上に形成する結像光学系を備えてもよい。結像光学系の光軸は、光検出器３０の受光面に略直交する。結像光学系は、ズームレンズを含んでいてもよい。ズームレンズの位置が変化すると被測定部１０の２次元像の拡大率が変更し、光検出器３０上の２次元像の解像度が変化する。したがって、ユーザまでの距離が遠くても、所望の計測領域を拡大して詳細に観察することが可能である。

測定装置１００は、被測定部１０と光検出器３０との間に、光源２０から出射される波長帯域の光、またはその近傍の光のみを通過させる帯域通過フィルタを備えていてもよい。これにより、環境光などの外乱成分の影響を低減することができる。帯域通過フィルタは、例えば多層膜フィルタまたは吸収フィルタによって構成され得る。光源２０の温度変化およびフィルタへの斜入射に伴う帯域シフトを考慮して、帯域通過フィルタの帯域幅は、２０ｎｍ以上１００ｎｍ以下程度の幅を有してもよい。

測定装置１００は、被測定部１０と光源２０との間、および被測定部１０と光検出器３０との間に、それぞれ偏光板を備えてもよい。この場合、光源２０側に配置される偏光板と、光検出器３０側に配置される偏光板との偏光方向は、直交ニコルの関係であり得る。これら２つの偏光板の配置により、被測定部１０の表面反射成分Ｉ_１のうち正反射成分、すなわち入射角と反射角が同じ成分が光検出器３０に到達することを防ぐことができる。つまり、表面反射成分Ｉ_１が光検出器３０に到達する光量を低減させることができる。

［２．内部散乱成分Ｉ２の検出方法］
次に、図３Ａから図３Ｃを参照して、内部散乱成分Ｉ_２の検出方法を説明する。

図３Ａは、光パルスＩ_ｐがインパルス波形を有する場合における、反射光パルスに含まれる表面反射成分Ｉ_１および内部散乱成分Ｉ_２の時間変化の例を模式的に示す図である。図３Ｂは、光パルスＩ_ｐが矩形形状の波形を有する場合における、反射光パルスに含まれる表面反射成分Ｉ_１および内部散乱成分Ｉ_２の時間変化の例を模式的に示す図である。各図の左図は光源２０から出射された光パルスＩ_ｐの波形の例を表し、右図は反射光パルスに含まれる表面反射成分Ｉ_１および内部散乱成分Ｉ_２の波形の例を表す。

図３Ａの右図に示すように、光パルスＩ_ｐがインパルス波形を有する場合、表面反射成分Ｉ_１は、光パルスＩ_ｐと同様の波形を有し、内部散乱成分Ｉ_２は、表面反射成分Ｉ_１よりも遅延するインパルス応答波形を有する。これは、内部散乱成分Ｉ_２が被測定部１０内の様々な経路を通過した光線の組み合わせに相当するからである。

図３Ｂの右図に示すように、光パルスＩ_ｐが矩形形状の波形を有する場合、表面反射成分Ｉ_１は、光パルスＩ_ｐと同様の波形を有し、内部散乱成分Ｉ_２は、複数のインパルス応答波形が重畳された波形を有する。本発明者らは、複数のインパルス応答波形の重畳により、光パルスＩ_ｐがインパルス波形を有する場合と比較して、光検出器３０が検出する内部散乱成分Ｉ_２の光量を増幅できることを確認した。反射光パルスの立ち下がり部分で電子シャッタを開始することにより、内部散乱成分Ｉ_２を効果的に検出することができる。図３Ｂの右図における破線によって囲まれた領域は、光検出器３０の電子シャッタが開放されるシャッタ開放期間の例を表す。矩形パルスのパルス幅が１ｎｓから１０ｎｓのオーダであれば、光源２０を低い電圧で駆動することができる。したがって、本実施形態における測定装置１００の小型化および低コスト化が可能になる。

従来、生体内部の深さ方向において異なる箇所での光吸収係数または光散乱係数などの情報を区別して検出するために、ストリークカメラが使用されている。例えば、特許文献２は、そのようなストリークカメラの一例を開示している。これらのストリークカメラでは、所望の空間分解能で計測するために、パルス幅がフェムト秒またはピコ秒の極超短光パルスが用いられる。これに対し、本実施形態では、表面反射成分Ｉ_１と内部散乱成分Ｉ_２とを区別して検出することができる。したがって、光源２０から出射される光パルスは、極超短光パルスである必要はなく、パルス幅を任意に選択することができる。

ユーザの頭部を光で照射して脳血流を計測する場合、内部散乱成分Ｉ_２の光量は、表面反射成分Ｉ_１の光量の数千分の１から数万分の１程度の非常に小さい値になり得る。さらに、レーザの安全基準を考慮すると、照射できる光の光量は極めて小さくなる。したがって、内部散乱成分Ｉ_２の検出は非常に難しくなる。その場合でも、光源２０が、相対的にパルス幅の大きい光パルスＩ_ｐを出射すれば、時間遅れを伴う内部散乱成分Ｉ_２の積算量を増加させることができる。これにより、検出光量を増やし、ＳＮ比を向上させることができる。

光源２０は、例えば、パルス幅が３ｎｓ以上の光パルスＩ_ｐを出射し得る。あるいは、光源Ｌｓは、パルス幅が５ｎｓ以上、さらに１０ｎｓ以上の光パルスＩ_ｐを出射してもよい。一方、パルス幅が大きすぎても使用しない光が増えて無駄となるため、光源２０は、例えば、パルス幅が５０ｎｓ以下の光パルスＩ_ｐを出射し得る。あるいは、光源２０は、パルス幅が３０ｎｓ以下、さらに２０ｎｓ以下の光パルスＩ_ｐを出射してもよい。矩形パルスのパルス幅が数ｎｓから数十ｎｓであれば、光源２０を低電圧で駆動することができる。したがって、本実施形態における測定装置１００の小型化および低コスト化が可能になる。

光源２０の照射パターンは、例えば、照射領域内において、均一な強度分布をもつパターンであってもよい。この点で、本実施形態における測定装置１００は、例えば特許文献１に開示された従来の装置とは異なる。特許文献１に開示された装置では、検出器と光源とを３ｃｍ程度離し、表面反射成分が、空間的に内部散乱成分から分離される。このため、離散的な光照射とせざるを得ない。これに対し、本実施形態では、表面反射成分Ｉ_１を時間的に内部散乱成分Ｉ_２から分離して低減することができる。このため、均一な強度分布を有する照射パターンの光源２０を用いることができる。均一な強度分布を有する照射パターンは、光源２０から出射される光を拡散板で拡散することによって形成してもよい。

本実施形態では、従来技術とは異なり、被測定部１０の照射点直下でも、内部散乱成分Ｉ_２を検出することができる。被測定部１０を空間的に広い範囲にわたって光で照射することにより、計測解像度を高めることもできる。

図３Ｃは、制御回路６０による第１光源２０ａ、第２光源２０ｂ、および光検出器３０に関する動作の概略を示すフローチャートである。制御回路６０は、概略的には図３Ｃに示す動作を実行することにより、第１反射光パルスおよび第２反射光パルスの各々の立ち下がり期間Ｔｆの少なくとも一部の成分を光検出器３０に検出させる。

ステップＳ１０１において、制御回路６０は、第１光源２０ａに所定時間だけ第１光パルスＩ_ｐ１を出射させる。このとき、光検出器３０の電子シャッタは露光を停止した状態にある。制御回路６０は、第１反射光パルスのうち、表面反射成分Ｉ_１が光検出器３０に到達する期間が完了するまで、電子シャッタに露光を停止させる。次に、ステップＳ１０２において、制御回路６０は、第１反射光パルスのうち、内部散乱成分Ｉ_２が光検出器３０に到達するタイミングで、電子シャッタに露光を開始させる。所定時間経過後、ステップＳ１０３において、制御回路６０は、電子シャッタに露光を停止させる。ステップ１０２およびステップ１０３により、図１Ｂに示す第１浮遊拡散層２０４に、信号電荷が蓄積される。当該信号電荷を「第１信号電荷」と称する。

ステップＳ１０４において、制御回路６０は、第２光源２０ｂに所定時間だけ第２光パルスＩ_ｐ２を出射させる。このとき、光検出器３０の電子シャッタは露光を停止した状態にある。制御回路６０は、第２反射光パルスのうち、表面反射成分Ｉ_１が光検出器３０に到達する期間が完了するまで、電子シャッタに露光を停止させる。次に、ステップＳ１０５において、制御回路６０は、第２反射光パルスのうち、内部散乱成分Ｉ_２が光検出器３０に到達するタイミングで、電子シャッタに露光を開始させる。所定時間経過後、ステップＳ１０６において、制御回路６０は、電子シャッタに露光を停止させる。ステップ１０５およびステップ１０６により、図１Ｂに示す第２浮遊拡散層２０６に、信号電荷が蓄積される。当該信号電荷を「第２信号電荷」と称する。

続いて、ステップＳ１０７において、制御回路６０は、上記の信号蓄積を実行した回数が所定の回数に達したか否かを判定する。ステップＳ１０７での判定がＮｏの場合、Ｙｅｓと判定するまで、ステップＳ１０１からステップＳ１０６が繰り返される。

ステップＳ１０７での判定がＹｅｓの場合、ステップＳ１０８では、制御回路６０は、光検出器３０に、第１信号電荷および第２信号電荷に基づいて、第１信号３６ａおよび第２信号３６ｂをそれぞれ生成させて出力させる。

図３Ｃに示す動作をまとめる以下のようになる。制御回路６０は、第１光源２０ａに第１光パルスＩ_ｐ１を出射させ、光検出器３０に第１反射光パルスの立ち下がり期間の少なくとも一部の成分を検出させる第１動作を実行する。制御回路６０は、第２光源２０ｂに第２光パルスＩ_ｐ２を出射させ、光検出器３０に第２反射光パルスの立ち下がり期間の少なくとも一部の成分を検出させる第２動作を実行する。制御回路６０は、第１動作および第２動作を含む一連の動作を所定回数繰り返す。あるいは、制御回路６０は、第１動作を所定回数繰り返し、その後、第２動作を所定回数繰り返してもよい。第１動作と第２動作とを入れ替えてもよい。

図３Ｃに示す動作により、内部散乱成分Ｉ_２を高い感度で検出することができる。ユーザの頭部を光で照射して脳血流などの情報を検出する場合、内部での光の減衰率が非常に大きい。例えば、入射光に対して出射光が、１００万分の１程度にまで減衰し得る。このため、内部散乱成分Ｉ_２を検出するには、１パルスの照射だけでは光量が不足する場合がある。レーザ安全性基準のクラス１での照射では、特に光量が微弱である。この場合、光源２０が光パルスを複数回出射し、それに応じて光検出器３０も電子シャッタによって複数回露光することにより、検出信号を積算して感度を向上することができる。なお、複数回の光出射および露光は必須ではなく、必要に応じて行われる。

次に、図４Ａから図４Ｃを参照して、反射光パルスの波形をさらに詳しく説明する。

図４Ａは、内部散乱成分Ｉ_２のインパルス応答波形を示す図である。図４Ａに示すインパルス応答波形は、インパルス波形を有する光パルスＩ_ｐで被測定部１０を照射して得られた反射光パルスの強度の時間変化を、モンテカルロシミュレーションを用いて計算することによって得られた。

計算では、人の頭部を模擬した光学特性値が設定された。人の頭部は、額部の頭皮、頭蓋骨、および脳のレイヤから構成されている。設定した光学特性値は、額部の頭皮、頭蓋骨、および脳のレイヤでの等価光散乱係数および光吸収係数である。被測定部１０の表面に光パルスＩ_ｐが入射し終わったタイミングを０ｎｓとした。計算において、光検出器３０は、被測定部１０の表面に配置された。内部散乱成分Ｉ_２は時間的に指数関数的に減衰するので、光検出器３０への到達光は、時間の経過に伴って非常に小さくなる。このため、図４Ａにおける縦軸の強度を対数目盛によって表示することにより、低強度の分布が拡大されている。

図４Ｂは、光源２０から出射された光パルスＩ_ｐが有する矩形形状の波形を示す図である。図４Ｂに示す例では、立ち下がり期間Ｔｆは１ｎｓである。実際に光源２０から出射される光パルスＩ_ｐでは、立ち下がりの開始点と終了点が不明瞭であることが多い。このため、例えば、強度がピーク値の９０％になる箇所を開始点とし、強度がピーク値の１０％になる箇所を終了点として、立ち下がり期間Ｔｆを決定してもよい。

図４Ｃは、図４Ａに示す波形と図４Ｂに示す波形とのコンボリューションによって得られた波形を示す図である。図４Ｃの右図は、当該波形の後端部分を示す拡大図である。図４Ｃに示す波形は、図４Ｂに示す波形を有する光パルスＩ_ｐで被測定部１０を照射して得られた反射光パルスの波形に相当する。図４Ｃに示す縦軸は、対数目盛によって表示されている。図４Ｃに示す波形の後端部分では、図３Ｂの右図に示すように、多数のインパルス応答波形の重畳によって内部散乱成分Ｉ_２が増幅されたことが確認された。

次に、図５Ａおよび図５Ｂを参照して、被測定部１０の内部で血流が増加した場合における、光検出器３０によって検出される反射光パルスの強度を説明する。被測定部１０の内部での血流の増加の例として、ユーザの脳活動による血流の増加、すなわち脳の賦活が挙げられる。以下の計算は、脳の賦活を模擬するために、被測定部１０の表面から深さ１０ｃｍの箇所に吸収体が存在するという設定で行われた。

図５Ａは、被測定部１０の内部に吸収体が存在しない場合における、反射光パルスの検出強度を示すグラフである。当該反射光パルスは、図４Ｃに示す反射光パルスである。図５Ａに示す横軸はシャッタタイミングを表す。シャッタ幅は１０ｎｓである。図５Ａでは、立ち下がり期間Ｔｆを、基準の１ｎｓから、０％、２０％、４０％、６０％、および８０％だけ増加させたそれぞれの場合の検出強度が１つのグラフにプロットされている。図５Ａに示す「Ｔｆ１ｎｓ＋０％」、「Ｔｆ１ｎｓ＋２０％」、「Ｔｆ１ｎｓ＋４０％」、「Ｔｆ１ｎｓ＋６０％」、「Ｔｆ１ｎｓ＋８０％」は、それぞれ、立ち下がり期間Ｔｆ＝１ｎｓ、１．２ｎｓ、１．４ｎｓ、１．６ｎｓ、および１．８ｎｓを意味する。

図５Ｂは、被測定部１０の内部に吸収体が存在する場合と存在しない場合とにおける、反射光パルスの検出強度の変化量を示すグラフである。検出強度の変化量は、被測定部１０の内部に吸収体が存在する場合における検出強度Ｉ_ｎｏｗと、被測定部１０の内部に吸収体が存在しない場合における検出強度Ｉ_ｉｎｉとの差の絶対値｜Ｉ_ｎｏｗ−Ｉ_ｉｎｉ｜によって得られた。検出強度Ｉ_ｎｏｗは、脳が賦活した状態での検出強度であり、検出強度Ｉ_ｉｎｉは、脳が賦活していない状態での検出強度である。検出強度Ｉ_ｎｏｗは、前述と同様のモンテカルロシミュレーションを用いて計算することによって得られた。

図５Ｃは、被測定部１０の内部に吸収体が存在する場合と存在しない場合とにおける、反射光パルスの検出強度の変調度Ｍを示すグラフである。変調度Ｍは、（Ｉ_ｎｏｗ−Ｉ_ｉｎｉ）／Ｉ_ｉｎｉによって計算された。吸収体によって光が吸収されるので、検出強度Ｉ_ｎｏｗは、検出強度Ｉ_ｉｎｉよりも低くなる。したがって、変調度は負の値を示す。変調度の絶対値が大きくなるほど、被測定部１０の深部での情報がより効果的に得られる。図５Ｃに示すように、光パルスＩ_ｐの立ち下りの終了点以降にシャッタを開放することにより、変調度の絶対値が大きくなる。光パルスＩ_ｐの立ち下がり期間Ｔｆが長い場合でも、シャッタタイミングを遅延させることにより、変調度Ｍの絶対値が大きくなる。

しかし、実際には、計算において考慮されていない様々な光ノイズが存在する。当該光ノイズは、例えば暗電流ノイズまたはショットノイズである。当該光ノイズの影響により、シャッタタイミングを遅延させすぎると、図４Ｃの拡大図に示す内部散乱成分Ｉ_２がノイズに埋もれ検出信号値が不安定になり得る。シャッタタイミングを遅延させた場合の変調度Ｍを、立ち下がり期間Ｔｆが短い場合の変調度Ｍと同じになるように調整しようとしても、上記の光ノイズによってＳＮ比が低下することがある。そのような場合には、立ち下がり期間Ｔｆは短い値に設定され得る。

図６は、光パルスＩ_ｐの立ち下がり期間Ｔｆと、変調度Ｍとの関係を示す図である。図６に示す例では、前述した検出強度Ｉ_ｎｏｗが立ち下がり時間Ｔｆによらず等しくなるように、シャッタタイミングが調整されている。図６に示すように、立ち下がり期間Ｔｆが１ｎｓである場合、変調度Ｍが−６．２％程度であった。立ち下がり期間Ｔｆが１．２ｎｓである場合、変調度Ｍが−５．３％程度であった。立ち下がり期間Ｔｆが１ｎｓから２０％増加すると、変調度Ｍの絶対値は１５％程度低下した。同様に、立ち下がり期間Ｔｆが１．４ｎｓである場合、変調度Ｍが−４．８％程度であった。立ち下がり期間Ｔｆが１ｎｓから４０％増加すると、変調度Ｍの絶対値は２３％程度低下した。

以上のように、変調度Ｍは、立ち下がり期間Ｔｆに依存する。変調度Ｍの絶対値は、立ち下がり期間Ｔｆの増加に伴って減少する。図６に示すように、立ち下がり期間Ｔｆが１．０ｎｓ以上１．２ｎｓ以下であれば、効果的な変調度Ｍが得られる。

［３．２つの光パルスを用いた測定］
次に、図７を参照して、第１波長が７５０ｎｍである第１光パルスＩ_ｐ１と、第２波長が８５０ｎｍである第２光パルスＩ_ｐ２とで被測定部１０を照射して得られる酸素化ヘモグロビン（Ｏｘｙ−Ｈｂ）量を説明する。

図７は、第２光パルスＩ_ｐ２の立ち下がり期間Ｔｆが１ｎｓである場合における、第１光パルスＩ_ｐ１の立ち下り期間Ｔｆと、信号処理回路５０によって算出された酸素化ヘモグロビン（Ｏｘｙ−Ｈｂ）量との関係を示す図である。図７に示すように、第１光パルスＩ_ｐ１の立ち下り期間Ｔｆが１．０ｎｓである場合、算出された酸素化ヘモグロビン量は０．１８ｍＭ・ｍｍ程度であった。第１光パルスＩ_ｐ１の立ち下り期間Ｔｆと第２光パルスの立ち下がり期間Ｔｆとが一致する場合、正確な酸素化ヘモグロビン量を算出することができる。

第１光パルスＩ_ｐ１の立ち下り期間Ｔｆが１．２ｎｓである場合、算出された酸素化ヘモグロビン量は０．２０ｍＭ・ｍｍ程度であった。第１光パルスＩ_ｐ１の立ち下がり期間Ｔｆが１ｎｓから２０％増加すると、算出された酸素化ヘモグロビン量は１１％程度増加した。したがって、２つの光パルスの立ち下がり期間の相対誤差が２０％以下であれば、算出された酸素化ヘモグロビン量の誤差を１１％程度に抑制することができる。

同様に、第１光パルスＩ_ｐ１の立ち下り期間Ｔｆが１．４ｎｓである場合、算出された酸素化ヘモグロビン量は０．２２ｍＭ・ｍｍ程度であった。第１光パルスＩ_ｐ１の立ち下がり期間Ｔｆが１ｎｓから４０％増加すると、算出された酸素化ヘモグロビン量は２２％程度増加した。したがって、２つの光パルスの立ち下がり期間の相対誤差が４０％以下であれば、算出された酸素化ヘモグロビン量の誤差を２２％程度に抑制することができる。

２つの光パルスの立ち下がり期間の相対誤差を、以下のように決定してもよい。第１光パルスＩ_ｐ１の立ち下がり期間Ｔｆを、例えば、その強度がピーク値の９０％から１０％の強度に低下するまでの時間ｔ_１とする。第２光パルスＩｐ_２の立ち下がり期間Ｔｆを、例えば、その強度がピーク値の９０％から１０％の強度に低下するまでの時間ｔ_２とする。このとき、２つの光パルスの立ち下がり期間の相対誤差は、｜ｔ_１−ｔ_２｜／ｔ_１、または｜ｔ_１−ｔ_２｜／ｔ_２によって表される。

複数の光源が、同一の波長を有する複数の光パルスをそれぞれ出射する場合でも、複数の光パルスの立ち下がり期間Ｔｆが同じであれば、複数の光パルスからそれぞれ得られる複数の変調度Ｍのばらつきを抑制することができる。

［４．光パルスの立ち下がり期間の調整］
次に、光源２０から出射される光パルスＩ_ｐの立ち下り部分がどのようにして形成されるかを説明する。光源２０における発光素子２２に注入する電流をオフにしても、発光素子２２には漏れ電流が注入され、発光素子２２からは持続的に光が出射される。光パルスＩ_ｐの立ち下り部分は、漏れ電流による持続的な光の出射によって形成される。したがって、光パルスＩ_ｐの立ち下がり期間Ｔｆは、発光素子２２の消灯時における漏れ電流を調整回路２４によって調整することによって変化させることができる。

前述したＧａＮＦＥＴを含む調整回路２４によって発光素子２２に逆バイアスの電圧を印加することにより、発光素子２２に注入される漏れ電流を調整することができる。その結果、光パルスＩ_ｐの出射が抑制される。逆バイアスの電圧を強く印加すると、光パルスＩ_ｐの立ち下がり期間Ｔｆが短くなる。逆バイアスの電圧を弱く印加すると、光パルスＩ_ｐの立ち下がり期間Ｔｆが長くなる。

以上のことから、第１発光素子２２ａに印加する逆バイアスの電圧を第１調整回路２４ａによって調整し、第２発光素子２２ｂに印加する逆バイアスの電圧を第２調整回路２４ｂによって調整することにより、第１光源２０ａから出射される第１光パルスの立ち下がり期間Ｔｆと、第２光源２０ｂから出射される第２光パルスの立ち下がり期間Ｔｆとの誤差を低減することが可能になる。

第１光源２０ａにおける第１発光素子２２ａおよび第２光源２０ｂにおける第２発光素子２２ｂとして、同一のメーカによって製造された２つの発光素子を用いてもよい。第１発光素子２２ａおよび第２発光素子２２ｂは同様の構造を有する。このとき、これら２つの発光素子は同一のサブマウント上に形成してもよい。同一のサブマント上に形成することで、２つの発光素子が近接し、温度特性が類似するため、２光源間のＴｆの温度に対する変動が揃いやすくなる。あるいは、同様の理由で、同一のチップ上に２つのレーザ部を結晶成長させ、第１光パルスと第２光パルスを出力してもよい。同一チップ上に２つの発光素子を形成することで、２つの発光素子がさらに近接し、２光源間の温度特性が一致しやすくなる。サブマウントが同一、またはチップが同一であることから、第１調整回路２４ａおよび第２調整回路２４ｂによって第１発光素子２２ａおよび第２発光素子２２ｂにそれぞれ印加する逆バイアスを調整しやすくなる。

第１光源２０ａおよび第２光源２０ｂを１つのパッケージに収容してもよい。この場合、第１光源２０ａの温度と、第２光源２０ｂの温度とが近くなる。したがって、第１発光素子２２ａおよび第２発光素子２２ｂの温度特性のばらつきを抑制することができる。第１調整回路２４ａおよび第２調整回路２４ｂの温度特性についても同様である。その結果、第１光パルスＩ_ｐ１の立ち下がり期間Ｔｆと、第２光パルスＩ_ｐ２の立ち下がり期間Ｔｆとの誤差を低減させやすくなる。

（測定装置１００の具体例）
次に、図８を参照して、本実施形態における測定装置１００の具体例を説明する。図８は、本実施形態における測定装置１００の具体例を模式的に示す図である。図８に示す例では、測定装置１００は、２つの第１光源２０ａと、２つの第２光源２０ｂと、光検出器３０と、不図示の処理回路４０と、これらの構成要素を収容する筐体７０とを備える。２つの第１光源２０ａ、２つの第２光源２０ｂ、および光検出器３０は、筐体７０から露出している。

測定装置１００を正面から見たとき、左側において第１光源２０ａおよび第２光源２０ｂが１つのパッケージ内にそれぞれ上下に並んで設けられており、右側において第２光源２０ｂおよび第１光源２０ａが１つのパッケージ内にそれぞれ上下に並んで設けられており、中央において光検出器３０が設けられている。２つの第１光源２０ａは、光検出器３０の中心を基準として点対称に配置されている。同様に、２つの第２光源２０ｂは、光検出器３０の中心を基準として点対称に配置されている。

２つの第１光源２０ａからそれぞれ出射された２つの第１光パルスＩ_ｐ１で被測定部１０を同時に照射することにより、被測定部１０からの第１反射光パルスが得られる。同様に、２つの第２光源２０ｂからそれぞれ出射された２つの第２光パルスＩ_ｐ２で被測定部１０を同時に照射することにより、被測定部１０からの第２反射光パルスが得られる。被測定部１０が光検出器３０に対向していれば、２つの第１光源２０ａおよび２つの第２光源２０ｂの上記の配置により、第１反射パルスの立ち下がり部分の波形と、第２反射パルスの立ち下がり部分の波形とのずれが拡大するのを抑制することができる。

本実施形態における測定装置１００は、互いに異なる波長を有する２つ以上の光パルスで被測定部１０を照射してもよい。

本開示における測定装置は、被測定部の内部情報を取得することが可能である。本開示における測定装置は、例えば生体センシングに有用である。

１０ 被測定部
２０ａ 第１光源
２０ｂ 第２光源
２２ａ 第１発光素子
２２ｂ 第２発光素子
２４ａ 第１調整回路
２４ｂ 第２調整回路
３０ 光検出器
３２ 光電変換素子
３４ 電荷蓄積部
４０ 処理回路
５０ 信号処理回路
６０ 制御回路
７０ 筐体
１００ 測定装置
２０１ 画素
２０４ 第１浮遊拡散層
２０６ 第２浮遊拡散層
３０２ 行選択回路
３０３ 列選択回路
３０４ 垂直信号線
３０５ ソースフォロワ電源
３０６ ソースフォロワ負荷
３０７ 変換回路
３０８ 行選択トランジスタ
３０９ ソースフォロワトランジスタ
３１０ リセットトランジスタ

Claims (14)

1. 第１光パルスを出射する第１光源と、
   第２光パルスを出射する第２光源と、
   少なくとも１つの光検出器と、
   前記第１光源、前記第２光源、および前記光検出器を制御し、前記光検出器から出力された信号を処理する処理回路と、
   を備え、
   前記処理回路は、
   前記第１光源に前記第１光パルスを出射させ、
   前記第２光源に前記第２光パルスを出射させ、
   前記光検出器に、前記第１光パルスが対象物の被測定部で反射されることによって生じた第１反射光パルスの立ち下がり期間の少なくとも一部の成分、および前記第２光パルスが前記被測定部で反射されることによって生じた第２反射光パルスの立ち下がり期間の少なくとも一部の成分を検出させることにより、前記第１反射光パルスの前記一部の強度に応じた第１信号、および前記第２反射光パルスの前記一部の強度に応じた第２信号を出力させ、
   前記第１信号および前記第２信号に基づいて、前記被測定部の内部の状態を示す第３信号を生成して出力し、
   前記第１光パルスの強度がピーク値の９０％から１０％の強度に低下するまでの時間をｔ_１とし、前記第２光パルスの強度がピーク値の９０％から１０％の強度に低下するまでの時間をｔ_２とすると、
   ｜ｔ_１−ｔ_２｜／ｔ_１≦０．２を満たす、
   測定装置。
2. 前記第１光源は、注入された第１電流に応じた強度の光を出射する第１発光素子と、前記第１電流を調整する第１調整回路とを含み、
   前記処理回路は、前記第１調整回路を制御することにより、前記第１発光素子から前記第１光パルスを出射させる、
   請求項１に記載の測定装置。
3. 前記処理回路は、前記第１調整回路を制御し、前記第１発光素子に逆バイアス電圧を印加することにより、前記第１光パルスの出射を抑制する、
   請求項２に記載の測定装置。
4. 前記第２光源は、注入された第２電流に応じた強度の光を出射する第２発光素子と、前記第２電流を調整する第２調整回路とを含み、
   前記処理回路は、前記第２調整回路を制御することにより、前記第２発光素子から前記第２光パルスを出射させる、請求項１から３のいずれかに記載の測定装置。
5. 前記処理回路は、前記第２調整回路を制御し、前記第２発光素子に逆バイアス電圧を印加することにより、前記第２光パルスの出射を抑制する、
   請求項４に記載の測定装置。
6. 前記処理回路は、
   前記第１光源に前記第１光パルスを繰り返し出射させ、
   前記第２光源に前記第２光パルスを繰り返し出射させ、
   前記光検出器に、
   前記第１反射光パルスの前記立ち下がり期間の前記少なくとも一部の成分を繰り返し検出させることにより、前記第１反射光パルスの前記立ち下がり期間の前記少なくとも一部の積算された強度に応じた信号を前記第１信号として出力させ、
   前記第２反射光パルスの前記立ち下がり期間の前記少なくとも一部の成分を繰り返し検出させることにより、前記第２反射光パルスの前記立ち下がり期間の前記少なくとも一部の積算された強度に応じた信号を前記第２信号として出力させる、
   請求項１から５のいずれかに記載の測定装置。
7. 前記被測定部は、人間の頭部であり、
   前記第３信号は、前記人間の脳活動の状態を示す、
   請求項１から６のいずれかに記載の測定装置。
8. ｔ_１およびｔ_２の各々は、１．０ｎｓ以上１．２ｎｓ以下である、
   請求項１から７のいずれかに記載の測定装置。
9. 前記第１光パルスは、第１波長を有し
   前記第２光パルスは、第２波長を有し、
   前記第２波長は、前記第１波長よりも長い、
   請求項１から８のいずれかに記載の測定装置。
10. ｜ｔ_１−ｔ_２｜／ｔ_１≦０．２、または｜ｔ_１−ｔ_２｜／ｔ_２≦０．２を満たす、
    請求項９に記載の測定装置。
11. 前記第１波長は、６５０ｎｍ以上であり、かつ８０５ｎｍよりも短く、
    前記第２波長は、８０５ｎｍよりも長く、かつ９５０ｎｍ以下である、
    請求項１０に記載の測定装置。
12. 光パルスを出射する光源と、
    光検出器と、
    前記光源、および前記光検出器を制御する処理回路と、
    を備え、
    前記処理回路は、
    前記光源に前記光パルスを出射させ、
    前記光検出器に、前記光パルスが対象物の被測定部で反射されることによって生じた反射光パルスの立ち下がり期間の少なくとも一部の成分を検出させ、
    前記光パルスの強度がピーク値の９０％から１０％の強度に低下するまでの時間をｔとすると、ｔは、１．０ｎｓ以上１．２ｎｓ以下である、
    測定装置。
13. 測定装置に用いられるプログラムであって、
    前記測定装置は、
    第１光パルスを出射する第１光源と、
    第２光パルスを出射する第２光源と、
    少なくとも１つの光検出器と、
    前記第１光源、前記第２光源、および前記光検出器を制御し、前記光検出器から出力された信号を処理する処理回路と、
    を備え、
    前記プログラムは、前記処理回路に、
    前記第１光源に前記第１光パルスを出射させ、
    前記第２光源に前記第２光パルスを出射させ、
    前記光検出器に、前記第１光パルスが対象物の被測定部で反射されることによって生じた第１反射光パルスの立ち下がり期間の少なくとも一部の成分、および前記第２光パルスが前記被測定部で反射されることによって生じた第２反射光パルスの立ち下がり期間の少なくとも一部の成分を検出させることにより、前記第１反射光パルスの前記一部の強度に応じた第１信号、および前記第２反射光パルスの前記一部の強度に応じた第２信号を出力させ、
    前記第１光パルスの強度がピーク値の９０％から１０％の強度に低下するまでの時間をｔ_１とし、前記第２光パルスの強度がピーク値の９０％から１０％の強度に低下するまでの時間をｔ_２とすると、
    ｜ｔ_１−ｔ_２｜／ｔ_１≦０．２を満たす、
    プログラム。
14. 前記プログラムは、前記処理回路に、前記第１信号および前記第２信号に基づいて、前記被測定部の内部の状態を示す第３信号を生成させて出力させる、
    請求項１３に記載のプログラム。

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