JP6613028B2 - 撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、撮像装置に関する。

複数の近赤外光を用いて、血液の酸素飽和度、すなわち酸化ヘモグロビンと還元ヘモグロビンとの和に対する酸化ヘモグロビンの濃度比を測定する装置が知られている。パルスオキシメータおよび光トポグラフィーは、血液の酸素飽和度を利用する代表的な医療用装置である。

特許文献１には、体動アーテファクトの影響を消去して、動脈血の酸素飽和度を高い精度で求めるパルスオキシメータが開示されている。このパルスオキシメータでは、５個の異なる波長の光を受光して、受光部から出力される各波長の透過光または反射光の変動分に基づいて、静脈血の変動および組織の変動の影響を消去する。

特許文献２には、中赤外光を受光する第１の受光部と、遠赤外光を受光する第２の受光部とを有する赤外線撮像装置が記載されている。

特開２００５−９５６０６号公報 特開平１１−２９７９７３号公報

特許文献１に記載の装置では、互いに異なる波長特性を有する第１部分および第２部分を含む被検体における該第１部分および該第２部分の位置を特定することができなかった。また、特許文献２に記載の装置では、第１の受光部と第２の受光部とを積層している。このため、第１の受光部と第２の受光部とが受光する光の波長を、中赤外光と遠赤外光のように離すことが求められる。従って特許文献２に記載の装置では、互いに近赤外の波長帯域に吸光度の極大値を持つ第１部分および第２部分を精度よく分離して検出することが難しかった。

本発明は、近赤外の波長帯域において、互いに異なる波長特性を有する第１部分および第２部分を含む被検体における該第１部分および該第２部分を相互に識別して検査するために有利な撮像装置を提供することを目的とする。

本発明の１つの側面は、２次元状に配された複数の画素を有する撮像部を備える撮像装置に係り、前記複数の画素は、第１画素および第２画素を含み、前記第１画素の受光感度は、近赤外の波長帯域における互いに異なる第１の波長および第２の波長のそれぞれの付近に極大値を有し、前記第２画素の受光感度は、前記第２の波長の付近に極大値を有し、前記第２画素の前記第１の波長における受光感度が、前記第１画素の前記第１の波長における受光感度の１０％以下であり、前記第２画素の受光感度特性は、前記第１画素の受光感度特性と、前記第２画素の所定の波長以下の波長の光を遮断する遮断特性とを掛け合わせた特性を有する。

本発明によれば、互いに異なる波長特性を有する第１部分および第２部分を含む被検体における該第１部分および該第２部分を相互に識別して検査するために有利な撮像装置が提供される。

第１実施形態の撮像装置の構成を示す図。 第１実施形態の撮像装置に搭載された撮像部の撮像領域を模式的に示す図。 第１画素および第２画素の受光感度特性を例示する図。 光学フィルタのフィルタ特性と被検体からの光の波長特性とを例示する図。 第１の画素グループを構成する複数の第１画素によって検出される光の波長成分（ａ）および第２の画素グループを構成する複数の第２画素によって検出される光の波長成分（ｂ）を例示する図。 被検体の一例としての腕を模式的に示す図。 被検体の一部の画像を例示する図。 波長に対する酸化ヘモグロビンおよび還元ヘモグロビンの分子吸光係数を例示する図。 第１の画素グループを構成する複数の第１画素によって得られた第１画像（ａ）および第２の画素グループを構成する複数の第２画素によって得られた第２画像（ｂ）を例示する図。 第１画像および第２画像から生成された動脈の画像（ａ）および静脈の画像（ｂ）を例示する図。 動脈の画像の任意の部分の画素の値の時間的な変化を例示する図。 分析部による脈拍数の検出シーケンスを例示する図。 本発明の第２実施形態の撮像装置の構成を説明する図。 撮像装置に搭載された撮像部の撮像領域を模式的に示す図。 第１、第２、第３画素の受光感度特性を例示する図。 第１の画素グループを構成する複数の第１画素によって得られる第１画像に含まれる波長成分（ａ）および第２の画素グループを構成する複数の第２画素によって得られる第２画像に含まれる波長成分（ｂ）を例示する図。 背景光成分の除去方法を例示する図。 第３実施形態の撮像装置の構成を説明する図。 第３実施形態の撮像装置に搭載された撮像部の撮像領域を模式的に示す図。 第３実施形態の撮像部の第１画素および第２画素の受光感度特性を例示する図。 第３実施形態の撮像部の第１画素および第２画素の受光感度特性と各光の波長との関係を例示する図。

以下、添付図面を参照しながら本発明をその例示的な実施形態を通して説明する。

（第１実施形態）
図１を参照しながら本発明の第１実施形態の撮像装置１０１の構成を説明する。撮像装置１０１は、複数の画素が２次元状に配された撮像部１０２を含む。撮像部１０２は、固体撮像装置（イメージセンサ）でありうる。撮像部１０２は、第１の画素グループ１０３と第２の画素グループ１０４とを含む。第１の画素グループ１０３は、撮像領域に分散して配置された複数の第１画素Ｐ１を含む。第２の画素グループ１０４は、該撮像領域に分散して配置された複数の第２画素Ｐ２を含む。複数の第１画素Ｐ１は、近赤外の第１波長帯域の光に感度を有し、複数の第２画素Ｐ２は、近赤外の第２波長帯域の光に感度を有する。第１波長帯域と第２波長帯域とは、互いに異なるが、第２波長帯域の少なくとも一部が第１波長帯域に属する。また、第１画素Ｐ１の受光感度は、第１波長帯域における互いに異なる第１の波長および第２の波長のそれぞれの付近に極大値を有する。第２画素Ｐ２の受光感度は、第２の波長の付近に極大値を有する。

第１波長帯域と第２波長帯域とが互いに異なるので、複数の第１画素Ｐ１を使って得られた第１画像および複数の第２画素Ｐ２を使って得られた第２画像の双方は、被検体１１０における互いに異なる波長特性を有する第１部分および第２部分の情報を含みうる。ここで、被検体１１０の第１部分は、第１の波長に吸光度（分子吸光係数）の極大値を持ち、被検体１１０の第２部分は、第２の波長に吸光度の極大値を持つ。第１画素Ｐ１および第２画素Ｐ２の受光感度（受光感度特性）は、検査目的の被検体１１０の第１部分および第２部分の吸光度（分子吸光係数）に応じて決定されうる。つまり、第１画素Ｐ１は、第１部分および第２部分の情報を取得することができるように、第１の波長および第２の波長のそれぞれの付近に受光感度の極大値を有するように構成される。また、第２画素Ｐ２は、第２部分の情報を取得することができるように、第２の波長の付近に極大値を有するように構成される。

撮像装置１０１は、画像生成部１０５を備えうる。画像生成部１０５は、第１画像および第２画像に基づいて、第１部分を示す画像および第２部分を示す画像の少なくとも一方を生成するように構成されうる。画像生成部１０５は、相互に隣接する第１画素Ｐ１および第２画素Ｐ２のそれぞれの信号の値の比率に基づいて第１部分を示す画素信号および第２部分を示す画素信号を生成しうる。第１画像は、複数の画素Ｐ１の信号と、該信号に基づいて補間等によって生成された信号とで構成されうる。第２画像は、複数の画素Ｐ２の信号と、該信号に基づいて補間等によって生成された信号とで構成されうる。

撮像装置１０１は、画像生成部１０５によって生成された画像の時間的な変化を分析する分析部１０７を更に備えてもよい。一例において、第１部分は動脈であり、第２部分は静脈であり、分析部１０７は、画像生成部１０５によって生成された画像の時間的な変化に基づいて脈動を検出しうる。

撮像装置１０１は、光学フィルタ１０８を備えてもよい。光学フィルタ１０８は、背景光を除去する。光学フィルタ１０８は、第１波長帯域および第２波長帯域を含む波長帯域の下限波長よりも低い波長の光を遮断する。

撮像装置１０１は、光源１０９を備えてもよい。あるいは、撮像装置１０１は、光源１０９を制御可能に構成されてもよい。あるいは、光源１０９は、撮像装置１０１とは独立して操作あるいは制御されるように構成されてもよい。光源１０９は、近赤外を含む光を放射するように、例えば、近赤外および可視波長帯域を含む光を放射するように構成される。光源１０９から放射された光（照明光）は、被検体（例えば、人間または動物の一部分）１１０に照射され、被検体１１０を透過し又は被検体１１０によって反射されて撮像装置１０１の撮像部１０２に入射する。

図２には、撮像部１０２の撮像領域ＩＡが模式的に示されている。撮像領域ＩＡには、第１の画素グループ１０３を構成する複数の第１画素Ｐ１が分散して配置され、また、第２の画素グループ１０４を構成する複数の第２画素Ｐ２が分散して配置されている。なお、図２では、撮像領域ＩＡが４画素×４画素で構成されているが、実際には、より多くの画素が配列される。図２に示された例では、横方向（行方向）および縦方向（列方向）の双方に関して、第１画素Ｐ１と第２画素Ｐ２とが交互に配列されているが、他の配列が採用されてもよい。

図３（ａ）には、第１画素Ｐ１の受光感度特性が例示され、図３（ｂ）には、第２画素Ｐ２の受光感度特性が例示されている。図３（ａ）、（ｂ）において、横軸が波長であり、縦軸が感度である。第１の波長λ１、第２の波長λ２は、近赤外における互いに異なる波長である。一例において、λ１＝７５０ｎｍ、λ２＝８００ｎｍである。第１画素Ｐ１の受光感度特性は、受光感度曲線３０１で示され、第２画素Ｐ２の受光感度特性は、受光感度曲線３０２で示される。この例では、受光感度曲線３０２は、第１画素Ｐ１の受光感度曲線３０１に対して受光特性３０３を掛け合わせた曲線である。ここで、受光特性３０３は、例えば、所定の遮断波長以下の波長を遮断する特性を有する。該遮断波長は、例えば、８００ｎｍ±３０ｎｍの範囲内（つまり、７７０ｎｍ以上８３０ｎｍ以下の範囲内）に設定されうる。受光感度曲線３０１は第１の波長λ１の付近と第２の波長λ２の付近にそれぞれ極大値を有する。また、受光感度曲線３０２は、第２の波長λ２の付近に極大値を有する。

図４には、光学フィルタ１０８のフィルタ特性４０１と被検体１１０からの光波長特性４０２とが例示されている。被検体１１０からの光は、光源１０９から放射され被検体１１０を透過した光または光源１０９から放射され被検体１１０で反射された光である。図４において、横軸は波長であり、縦軸は、フィルタ特性４０１については透過率、被検体１１０からの光については輝度である。光学フィルタ１０８のフィルタ特性４０１は、波長λ１を遮断周波数として、波長λ１より短い波長を透過しない特性である。光源１０９から放射される光は、波長λ１および波長λ２を含む波長帯域を有する。

撮像装置１０１は、被検体１１０からの光によって撮像部１０２の撮像領域に形成される像を撮像し、これによって得られた画像に基づいて、例えば、動脈および静脈を識別し、脈動（脈拍）を検出する。

被検体１１０からの光は、光学フィルタ１０８によって波長λ１より短い波長の成分が除去され、撮像部１０２の撮像領域に入射する。撮像部１０２は、第１の画素グループ１０３を構成する複数の第１画素Ｐ１によって第１波長帯域の光を撮像した第１画像の情報と第２画素グループ１０３を構成する複数の第２画素Ｐ２によって第１波長帯域の光を撮像した第２画像の情報とを含む情報を出力する。ここで、撮像部１０２は、第１画像と第２画像とを分離して出力するように構成されてもよいし、第１画像と第２画像とが合成された画像を出力するように構成されてもよい。

図５（ａ）には、第１の画素グループ１０３を構成する複数の第１画素Ｐ１によって検出される光の波長成分が例示されている。換言すると、図５（ａ）には、第１の画素グループ１０３を構成する複数の第１画素Ｐ１を使って得られる第１画像に対応する光の波長成分が例示されている。図５（ａ）の横軸は波長であり、縦軸は被検体１１０からの光の輝度である。被検体１１０からの光の波長特性４０２に光学フィルタ１０８のフィルタ特性４０１および第１画素Ｐ１の受光感度特性３０１を乗じた積に相当する光が複数の第１画素Ｐ１によって第１画像として検出される。

図５（ｂ）には、第２の画素グループ１０４を構成する複数の第２画素Ｐ２によって検出される光の波長成分が例示されている。換言すると、図５（ｂ）には、第２の画素グループ１０４を構成する複数の第２画素Ｐ２を使って得られる第２画像に対応する光の波長成分が例示されている。図５（ｂ）の横軸は波長であり、縦軸は被検体１１０からの光の輝度である。被検体１１０からの光の波長特性４０２に光学フィルタ１０８のフィルタ特性４０１および第２画素Ｐ２の受光感度特性３０２を乗じた積に相当する光が複数の第２画素Ｐ２によって第２画像として検出される。

図６には、被検体１１０の一例としての腕が模式的に示されている。被検体１１０は、動脈（動脈血管）６０２と、静脈（静脈血管）６０３とを含む。図７（ａ）には、図６における矩形領域６０４に対応する拡大図が示されている。図７（ｂ）には、図７（ａ）におけるＹ１−Ｙ１’線に沿った座標Ｘ１から座標Ｘ４までの区間に配置されている画素の信号の値ＰＶ（即ち、光の強度Ｉ）が例示されている。血管では、ヘモグロビンによって近赤外光が吸収されるため、座標Ｘ１から座標Ｘ４までの区間におけるデータ列７０１は、動脈６０２を横切る座標であるＸ２および静脈６０３を横切る座標であるＸ３において、信号の値が低下している。

ここで、ヘモグロビンの吸光係数について説明する。肺に運ばれた血液に含まれるヘモグロビンは、酸素と結合して酸化ヘモグロビンとなり、動脈を経由して全身に運ばれる。一方、酸素と分離した還元ヘモグロビンは、静脈を経由して肺に運ばれる。図８には、波長（横軸）に対する酸化ヘモグロビンおよび還元ヘモグロビンの分子吸光係数（縦軸）が例示されている。８０１は、還元ヘモグロビンの分子吸光係数特性を示し、８０２は酸化ヘモグロビンの分子吸光係数特性を示す。

ここで、静脈に多く含まれる還元ヘモグロビンは約８００ｎｍよりも短い波長において酸化ヘモグロビンよりも高い分子吸光係数を有する。一方、約８００ｎｍよりも長い波長において、動脈に多く含まれる酸化ヘモグロビンは還元ヘモグロビンよりも高い分子吸光係数を有する。したがって、約８００ｎｍよりも短い波長帯域の近赤外光成分で得られた画像と約８００ｎｍよりも長い波長帯域の近赤外光成分で得られた画像との差から、動脈と静脈の位置と形状の特定が可能となる。

複数の第１画素Ｐ１を使って得られた第１画像および複数の第２画素Ｐ２を使って得られた第２画像は、互いに異なる波長特性を有する動脈（第１部分）および静脈（第２部分）の情報を含む。画像生成部１０５は、第１画像および記第２画像に基づいて、動脈（第１部分）を示す画像および静脈（第２部分）を示す画像の少なくとも一方を生成する。

以下、動脈（第１部分）を示す画像および静脈（第２部分）を示す画像を得る方法を、具体例を通して説明する。図９（ａ）には、第１の画素グループ１０３を構成する複数の第１画素Ｐ１によって得られた第１画像のＹ１−Ｙ１’線に沿った座標Ｘ１から座標Ｘ４までの区間に配置されている画素の信号の値が例示されている。図９（ｂ）には、第２の画素グループ１０４を構成する複数の第２画素Ｐ２によって得られた第２画像のＹ１−Ｙ１’線に沿った座標Ｘ１から座標Ｘ４までの区間に配置されている画素の信号の値が例示されている。

ここで、λ１＝７５０ｎｍ、λ２＝８００ｎｍとする。第１の画素グループ１０３を構成する複数の第１画素Ｐ１は、７５０ｎｍ〜８００ｎｍの帯域（還元ヘモグロビンの分子吸光係数が高い帯域）と、８００ｎｍ以上の帯域（酸化ヘモグロビンの分子吸光係数が高い帯域）の両者の光成分に感度を有している。したがって、第１画像は、還元ヘモグロビンの多い静脈の情報と酸化ヘモグロビンの多い動脈の情報の両方を含む。一方で、第２の画素グループ１０４を構成する複数の第２画素Ｐは、８００ｎｍ以上の帯域（酸化ヘモグロビンの吸光係数の高い帯域）の光成分のみに感度を有している。したがって、図９（ｂ）と図９（ａ）とを比べると、図９（ｂ）の方が、酸化ヘモグロビンが多い動脈の座標Ｘ２における光の吸収が多い。

ここで、波長λ１（７５０ｎｍ）における静脈（還元ヘモグロビン）の分子吸光係数をα７５０、波長λ２（８００ｎｍに）おける静脈（還元ヘモグロビン）の分子吸光係数をα８００とする。また、波長λ１（７５０ｎｍ）における動脈（酸化ヘモグロビン）の分子吸光係数をβ７５０、波長λ２（８００ｎｍ）における動脈（酸化ヘモグロビン）の分子吸光係数をβ８００とする。また、光源１０９から放射される光の波長λ１（７５０ｎｍ）の光強度と波長λ２（８００ｎｍ）の光強度との比を既知の値Ｍとする。

また、波長λ１（７５０ｎｍ）における検出対象画素の周辺の画素の信号の値をＩ７５０、波長λ２（８００ｎｍ）における検出対象画素の周辺の画素の信号の値をＩ８００とする。

波長λ１（７５０ｎｍ）の光の入射に対する第１画素Ｐ１の信号の値は、静脈の部分では、Ｉ１＝（１−α７５０）×Ｉ７５０である。

波長λ２（８００ｎｍ）の光の入射に対する第１画素Ｐ１の信号の値は、静脈の部分では、Ｉ２＝（１−α８００）×Ｉ８００である。

波長λ１（７５０ｎｍ）の光の入射に対する第１画素Ｐ１の信号の値は、動脈の部分では、Ｉ３＝（１−β７５０）×Ｉ７５０である。

波長λ２（８００ｎｍ）の光の入射に対する第１画素Ｐ１の信号の値は、動脈の部分では、Ｉ４＝（１−β８００）×Ｉ８００である。

波長λ２（８００ｎｍ）の光の入射に対する第２画素Ｐ２の信号の値は、静脈の部分では、Ｌ２＝（１−α８００）×Ｉ８００である。

波長λ２（８００ｎｍ）の光の入射に対する第２画素Ｐ２の信号の値は、動脈の部分では、Ｌ４＝（１−β８００）×Ｉ８００である。

したがって、静脈の部分が投影されている第１画素Ｐ１の信号の値は、Ｉ１＋Ｉ２＝（１−α７５０）×Ｉ７５０＋（１−α８００）×Ｉ８００＝｛（１−α７５０）×Ｍ＋（１−α８００）｝×Ｉ８００ ・・・（１）
また、動脈の部分が投影されている第１画素Ｐ１の信号の値は、Ｉ３＋Ｉ４＝（１−β７５０）×Ｉ７５０＋（１−β８００）×Ｉ８００＝｛（１−β７５０）×Ｍ＋（１−β８００）｝×Ｉ８００ ・・・（２）
また、静脈の部分が投影されている第２画素Ｐ２の信号の値は、Ｌ２＝（１−α８００）×Ｉ８００ ・・・（３）
また、動脈の部分が投影されている第２画素Ｐ２の信号の値は、Ｌ４＝（１−β８００）×Ｉ８００ ・・・（４）
よって、静脈の部分が投影されている、互いに隣接している第１画素Ｐ１と第２画素Ｐ２との信号の値の比率Ｋは、（１）と（３）から、
Ｋ＝｛（１−α７５０）×Ｍ＋（１−α８００）｝×Ｉ８００／｛（１−α８００）×Ｉ８００｝＝｛（１−α７５０）／（１−α８００）｝×Ｍ＋１
また、動脈の部分が投影されている、互いに隣接している第１画素Ｐ１と第２画素Ｐ２との信号の値の比率Ｋは、（２）と（４）から
Ｋ＝｛（１−β７５０）×Ｍ＋（１−β８００）｝×Ｉ８００／｛（１−β８００）×Ｉ８００｝＝｛（１−β７５０）／（１−β８００）｝×Ｍ＋１
ここで、一例として、既知の値をＭ＝２、α７５０＝０．４、α８００＝０．３、β７５０＝０．２、β８００＝０．３とすると、
Ｋ（静脈の部分）＝（（１−０．４）／（１−０．３））Ｘ２＋１＝（０．６／０．７）＊２＋１＝２．７
Ｋ（動脈の部分）＝（（１−０．２）／（１−０．３））Ｘ２＋１＝（０．８／０．７）＊２＋１＝３．３
となる。よって、Ｋの値と閾値ＴＨとを比較することによって動脈と静脈とを識別することができる。例えば、閾値ＴＨを３として、隣接する第１画素Ｐ１と第２画素Ｐ２との信号の値の比率ＫがＴＨより大きければ、当該第１画素Ｐ１および第２画素Ｐ２が動脈の部分に相当すると判断することができる。そして、ＴＨ以下であれば、当該第１画素Ｐ１および第２画素Ｐ２が静脈の部分に相当すると判断することができる。ここで、Ｋの値の算出は、全ての画素について行う必要はない。例えば、第１画像の画素の値が所定値を下回っている部分を動脈または静脈が存在する部分であると判断し、当該部分を構成する画素（第１画素Ｐ１および第２画素Ｐ２）についてのみＫの値を算出してもよい。

つまり、画像生成部１０５は、第１の画素グループ１０３を構成する複数の第１画素Ｐ１を使って得られる第１画像と第２の画素グループ１０４を構成する複数の第２画素Ｐ２を使って得られる第２画像とに基づいて動脈および静脈を判断することできる。図１０（ａ）には、画像生成部１０５によって第１画像および第２画像から生成された動脈の画像が例示されている。図１０（ｂ）には、画像生成部１０５によって第１画像および第２画像から生成された静脈の画像が例示されている。

ここで、以上のようにして生成された動脈の画像に対して膨張処理をＭ回行い、その後収縮処理をＮ回行うクロージング処理によって、ノイズ等に起因して途切れた血管経路を穴埋めし連続的な血管の画像を得ることができる。

撮像部１０２は、被検体１１０の画像（第１画像および第２画像）の撮像および出力を繰り返して行うように構成されうる。これに応じて、画像生成部１０５は、動脈の画像および静脈の画像を繰り返して生成するように構成されうる。

分析部１０７は、画像生成部１０５によって生成された画像の時間的な変化を分析する。分析部１０７は、例えば、画像生成部１０５によって生成された動脈の画像の時間的な変化を分析し、脈動を検出する。これは、動脈の画像の時間的な変化から周期成分を抽出することによってなされうる。より具体的には、図１１に例示されるように、動脈の画像の任意の部分の画素の値の時間的な変化から周期成分を抽出することができる。図１１に示された例では、ｔ＝ｔ０、ｔ１、ｔ２でほぼ等しいピーク値が表れていて、かつ、周期ｔｗの周期性が存在する。この周期ｔｗが脈拍の周期を表し、１分間のピークの個数で脈拍数が求められる。

図１２には、分析部１０７による脈拍数の検出シーケンスが例示されている。ステップＳ１６０２では、分析部１０７は、画像生成部１０５によって連続的に生成される複数の動脈の画像のそれぞれから所定座標に配置された画素の信号の値を抽出し、それらの時間的な変動を求める。ステップＳ１６０３では、分析部１０７は、ステップＳ１６０２で求めた信号の値の時間的な変動から複数のピークを検出する。ステップＳ１６０４では、分析部１０７は、ステップＳ１０４で求めた複数のピーク間の時間間隔から周期を算出する。ステップＳ１６０５では、分析部１０７は、周期を脈拍数に換算する。

第１実施形態によれば、第１の画素グループ１０３と第２の画素グループ１０４とを撮像部１０２に設けることにより、第１の画素グループ１０３を使って得られる第１画像と第２の画素グループ１０４を使って得られる第２画像との同時性が確保される。したがって、被検体１１０と撮像装置１０１との相対位置の変動、光源１０９から放射される光の変動、外光の変化等の影響を受けにくい。

第１実施形態では、血液の酸素飽和度を利用して動脈の画像を得るが、本発明は、他の用途にも適用されうる。例えば、癌細胞の周辺には新生血管の増殖があり、酸化ヘモグロビンが多く存在し、還元ヘモグロビンの量が相対的に減少する。したがって、これを利用して癌細胞を示す画像を取得することができる。また、また、糖尿病時に見られるような末端の毛細血管への血液の循環が悪い場合には、血流が停滞した部分に還元ヘモグロビンが多い状況が見られることになる。したがって、これを利用して血液の循環の悪い部分の分布状況を示す画像を取得することができる。

また、第２画素Ｐ２の受光感度特性３０２は、波長λ１の付近において極大値を有していない例を説明した。しかし、本実施形態において、第２画素Ｐ２の受光特性３０３の遮断波長を波長λ１未満にして、受光感度特性３０２が波長λ１に極大値を有していても良い。この場合、第１画素Ｐ１と第２画素Ｐ２のそれぞれが出力する信号の差によって、被検体の第１部分が抽出できる程度に、第２画素Ｐ２の波長λ１における受光感度が第１画素Ｐ１の同波長における受光感度よりも小さければ良い。好ましくは、第２画素Ｐ２の波長λ１における受光感度が、第１画素Ｐ１の同波長における受光感度の１０％以下である。他の例として、第１画素Ｐ１と第２画素Ｐ２とが波長λ１において同等の受光感度を有するようにしてもよい。この場合は、波長λ２における受光感度が、第１画素Ｐ１の方が、第２画素Ｐ２よりも小さければ良い。好ましくは、第１画素Ｐ１の波長λ２における受光感度が、同波長における第２画素Ｐ２の受光感度の１０％以下である。第１画素Ｐ１の波長λ２における受光感度が、同波長における第２画素Ｐ２の受光感度の１０％以下である場合には、第１画像と第２画像とを実用上問題ない程度に分離できる。

また、以上の説明では、第１画素Ｐ１の受光感度は近赤外の波長λ１の付近と波長λ２の付近の双方に極大値を有し、第２画素Ｐ２の受光感度は近赤外の波長λ２の付近にのみ極大値を有していた。ここで、第１画素Ｐ１の受光感度は近赤外の波長λ１の付近のみに極大値を有し、第２画素Ｐ２の受光感度は近赤外の波長λ２の付近のみに極大値を有する例を比較例として考える。比較例では、画像生成部１０５は、第１画素Ｐ１に基づく信号で第１画像を生成し、画像生成部１０５は、第２画素Ｐ２に基づく信号に基づいて第２画像を生成し、第１画像から静脈を検出し、第２画像から動脈を検出する。

一方、本実施形態では図３（ａ）を参照しながら説明したように、第１画素Ｐ１の受光感度は近赤外の波長λ１の付近と波長λ２の付近の双方に極大値を有している。同一光量の近赤外線が図３（ａ）のように波長λ１、λ２の付近の双方に受光感度を有する第１画素Ｐ１と、波長λ１の付近のみに受光感度の極大値を有する画素（比較例）とに入射する場合、図３（ａ）の受光感度を有する第１画素Ｐ１の信号値の方が大きくなる。したがって、波長λ１の付近のみに極大値を有する場合に比して、図３（ａ）の受光感度を有する第１画素Ｐ１は、ＳＮ比を向上させることができる。

（第２実施形態）
図１３を参照しながら本発明の第２実施形態の撮像装置１０１’の構成を説明する。なお、第２実施形態として言及しない事項は、第１実施形態に従いうる。第２実施形態の撮像装置１０１’は、光学フィルタ１０８の代わりに、画像処理によって背景光の成分を除去する除去部１７０１を備えている。また、第２実施形態の撮像装置１０１’は、被検体１１０を照明するための２つの光源１７０３、１７０４を制御する光源制御部１７０２を備えている。２つの光源１７０３、１７０４は、互いに異なる近赤外帯域の光を放射する。具体的には、光源１７０３は、波長λ１と波長λ２との間の近赤外帯域の光を放射する。光源１７０４は、波長λ２よりも長い近赤外帯域の光を放射する。

また、撮像部１０２’は、第１の画素グループ１０３、第２の画素グループ１０４、第３の画素グループ１０２５、第４の画素グループ１０２６を有する。図１４には、撮像部１０２’の撮像領域ＩＡ’が模式的に示されている。撮像領域ＩＡ’には、第１の画素グループ１０３を構成する複数の第１画素Ｒが分散して配置されている。第１画素Ｒは、赤色（可視光）の波長帯域と近赤外帯域の両者に感度を有する画素である。撮像領域ＩＡ’にはまた、第２の画素グループ１０４を構成する複数の第２画素Ｐ２が分散して配置されている。第２画素Ｐ２は、近赤外帯域に感度を有する画素である。撮像領域ＩＡ’にはまた、第３の画素グループ１０２５を構成する第３画素Ｂが分散して配置されている。第３画素Ｂは、青色（可視光）の波長帯域に感度を有する画素である。第３画素Ｂは、青色（可視光）の波長帯域の他、近赤外帯域にも感度を有するように構成されてもよい。撮像領域ＩＡ’にはまた、第４の画素グループ１０２６を構成する第４画素Ｇが分散して配置されている。第４画素Ｇは、緑（可視光）の波長帯域に感度を有する画素である。第４画素Ｇは、緑色（可視光）の波長帯域の他、近赤外帯域にも感度を有するように構成されてもよい。

図１５（ａ）には第１画素Ｒの受光感度特性が例示され、図１５（ｂ）には第２画素Ｐ２の受光感度特性が例示されている。図１５（ｃ）には、第３画素Ｂが青色（可視光）の波長帯域の他、近赤外帯域にも感度を有するように構成された場合における第３画素Ｂの受光感度特性が例示されている。図１５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）において、横軸が波長であり、縦軸が感度である。λ１、λ２は、近赤外における互いに異なる波長である。第１画素Ｒの受光感度特性は、受光感度曲線１９０１で示され、第２画素Ｐ２の受光感度特性は、受光感度曲線１９０２で示されている。また、第３画素Ｂの受光感度特性は、受光感度曲線１９０３で示されている。一例において、λ１＝７２０ｎｍ、λ２＝７９０ｎｍである。

ここで、第３画素Ｂが青色の波長帯域および近赤外帯域の両方に感度を有するように構成される場合、図１５（ｂ）、（ｃ）に例示されるように、第２画素Ｐ２が近赤外帯域を透過し始める波長を第３画素Ｂが近赤外帯域を透過し始める波長と一致させてもよい。つまり、第２画素Ｐ２が有する波長フィルタの近赤外の透過波長帯域と第３画素Ｂが有する波長フィルタの近赤外の透過波長帯域とを一致させてもよい。この場合、第２画素Ｐ２と第３画素Ｂとで近赤外帯域を透過する波長フィルタを形成するプロセスを共通化し、工数を低減するために有用である。

第２画素Ｐ２以外に赤、青、緑の可視光帯域に感度を有する画素Ｒ、Ｂ、Ｇを設けることで、近赤外帯域における血管画像の取得と同時に、被検体のカラー画像も取得することが可能になる。

まず、背景光がない場合の撮像装置１０１’の動作を説明する。図１６（ａ）には、第１の画素グループ１０３を構成する複数の第１画素Ｒによって得られる第１画像に含まれる波長成分が例示されている。この例では、光源１７０３が発光波長特性（波長と放射する光の輝度との関係）２００１を有し、光源１７０４が発光波長特性２００２を有する。第１画素Ｒの受光感度特性１９０１と発光波長特性２００１との積を波長に関して積分した値と第１画素Ｒの受光感度特性１９０１と発光波長特性２００２との積を波長に関して積分した値との和が第１画素Ｒで取得される光の成分に相当する。

図１６（ｂ）には、第２の画素グループ１０４を構成する複数の第２画素Ｐ２によって得られる第２画像に含まれる波長成分が例示されている。第２画素Ｐ２の受光感度特性１９０２と発光波長特性２００２との積を波長に関して積分した値第２画素Ｐ２で取得される光の成分に相当する。

第１実施形態と同様に、画像生成部１０５は、第１画像と第２画像とに基づいて、第１部分（動脈）を示す画像および第２部分（静脈）を示す画像の少なくとも一方を生成することができる。より具体的には、画像生成部１０５は、例えば、第１画像と第２画像とに基づいて、動脈を示す画像を生成する。また、第２実施形態と同様に、分析部１０７は、画像生成部１０５によって生成された画像の時間的な変化を分析する。より具体的には、分析部１０７は、例えば、画像生成部１０５によって生成された動脈の画像の時間的な変化に基づいて脈拍数を求めることができる。

次に、背景光が存在する場合の撮像装置１０１’の動作を説明する。背景光が存在する場合には、除去部１７０１が画像処理によって背景光成分を除去する。図１７（ａ）、（ｂ）には、第１の画素グループ１０３を構成する複数の第１画素Ｒによって得られる第１画像に含まれる波長成分が例示されている。ここで、図１７（ａ）、（ｂ）において、背景光は、２００３として例示されている。図１７（ａ）は、光源１７０３、１７０４を発光させたときの状態が例示され、図１７（ｂ）は、光源１７０３、１７０４を消灯させたときの状態が例示されている。

背景光２００３が存在する場合、図１７（ａ）、（ｂ）に例示されるように、第１の画素グループ１０３を構成する複数の第１画素Ｒを使って得られる第１画像には、背景光２００３の成分が含まれる。そこで、除去部１７０１は、光源制御部１７０２を制御することによって光源１７０３、１７０４を点灯させた状態（図１７（ａ））と光源１７０３、１７０４を消灯させた状態（図１７（ｂ））とで第１画像を取得する。そして、除去部１７０１は、光源１７０３、１７０４を点灯させた状態で得られる第１画像と光源１７０３、１７０４を消灯させた状態で得られる第１画像との差分を求めることにより背景光の成分を除去する。

（第３実施形態）
蛍光法は、非侵襲的な計測や画像取得ができる生体の解析手法の一つであり、例えば、バイオ研究や医療応用等に用いられている。蛍光法とは、蛍光物質に特定の波長の光（励起光）を照射すると励起光より波長の長い蛍光が発生させ、この蛍光を観察するものである。第３実施形態は、蛍光法の応用例であり、より具体的には、可視波長の励起光を被検体に照射して、赤外波長で発生する蛍光を検出するものである。

図１８〜２１を参照しながら本発明の第３実施形態を説明する。第３実施形態では、生体の特定部位に蛍光物質を注入し、第１の光源から励起光としての可視光を該特定部位に照射し、また、第２の光源から背景光としての近赤外光を該特定部位に照射する。そして、可視光である励起光を検出することなく、蛍光による近赤外画像と背景光による赤外画像とを同時に取得する。なお、第３実施形態として言及しない事項は、第２実施形態に従いうる。

図１８に示された第３実施形態の撮像装置１０１”は、第２実施形態の撮像装置１０１’とほぼ同様の構成を有するが、第３実施形態では、背景光を積極的に利用するため撮像装置１０１”の背景光の成分を除去する除去部１７０１を備えていない。あるいは、除去部１７０１を備えていても、除去部１７０１は使用されない。撮像部１０２”は、第１の画素グループ１０３’および第２の画素グループ１０４’を有する。

図１９には、撮像部１０２”の撮像領域ＩＡ”が模式的に示されている。撮像領域ＩＡ”には、第１の画素グループ１０３’を構成する複数の第１画素Ｐ３が分散して配置されている。第１画素Ｐ３は、第１の近赤外帯域に感度を有する画素である。撮像領域ＩＡ”にはまた、第２の画素グループ１０４を構成する複数の第２画素Ｐ２が分散して配置されている。第２画素Ｐ２は、第２の近赤外帯域に感度を有する画素である。

図２０（ａ）には第１画素Ｐ３の受光感度特性が例示され、図２０（ｂ）には第２画素Ｐ２の受光感度特性が例示されている。図２０（ａ）、（ｂ）において、横軸が波長であり、縦軸が感度である。第１の波長λ１および第２の波長λ２は、近赤外帯域における互いに異なる波長である。第１画素Ｐ３は、図２０（ａ）において実線で示された受光感度曲線１９０１を有する。受光感度特性１９０１において、λ１より短い波長（２点鎖線で示された部分）における感度は、１点鎖線で示される特性によって遮断されていて、ほぼ０である。第２画素Ｐ２の受光感度特性は、図２０（ｂ）において、受光感度曲線１９０２で示されている。第２画素Ｐ２の受光感度特性は、説明のために、図２０（ａ）にも点線で示されている。この例では、λ１＝７００ｎｍ、λ２＝８００ｎｍとする。

図２１（ａ）、（ｂ）には、第３実施形態で使用される光の波長分布と第１画素Ｐ３、第２画素Ｐ２の受光感度特性との関係が示されている。図２１（ａ）、（ｂ）において、λ３は第１の光源１７０３からの励起光としての可視光の波長であり、λ４は励起されて発生した近赤外光である蛍光の波長であり、λ５は第２の光源１７０４からの背景光としての近赤外光の波長である。この例では、λ３＝６５０ｎｍ、λ４＝７５０ｎｍ、λ５＝８５０ｎｍとする。

波長λ３を中心とする第１の光源１７０３から光および波長λ５を中心とする第２の光源１７０４からの光は、狭い波長分布を有する。このような光を放射する第１の光源１７０３および第２の光源１７０４は、レーザーまたはＬＥＤでありうる。第１の光源１７０３から放射される光によって励起されて発生する蛍光も、波長λ４を中心とする狭い波長分布を有する。

励起光は可視波長であり、第１画素Ｐ３および第２画素Ｐ２とも可視波長に感度を有しない。したがって、励起光は、第１画素Ｐ３および第２画素Ｐ２によっては検出されない。一方、赤外波長である蛍光と背景光のうち波長の長い背景光は、第１画素Ｐ３および第２画素Ｐ２の両方で検出される。ここで、第１画素Ｐ３および第２画素Ｐ２は、第２の波長λ２から該第２の波長λ２より長い所定波長までの所定帯域においては、ほぼ同一の受光感度特性を有するので、背景光は、第１画素Ｐ３および第２画素Ｐ２によって同じ強度レベルとして検出される。一方、蛍光は、第１画素Ｐ３では遮断される波長であるため、第２画素Ｐ２でのみ検出される。蛍光は微弱なため、背景光によるノイズにうもれてしまう場合がある。このため、第１画素Ｐ３からのみ得られたデータを補間して１枚目の画像（画像Ａ）を生成し、第２画素Ｐ２からのみ得られたデータを補間して２枚目の画像（画像Ｂ）を生成し、両者の差分を画素単位で演算する。これにより、蛍光部位のみの画像（画像Ｃ）を得ることができる。つまり、画像Ａと画像Ｂの差分を演算することによって蛍光部位のみの画像Ｃを得ることができる。

蛍光部位のみの画像Ｃと背景光のみの画像Ｂを得た後、蛍光部位のみの画像Ｃに色をつけた画像Ｃ’と画像Ｂとを合成することで、生体内で該当する蛍光に反応する部位がどのように分布するかをわかりやすく視覚化した画像Ｄを得ることができる。

以上のように、第３実施形態によれば、１つの撮像部を使って蛍光部の画像と生体内部の画像とを同時に得ることができる。これは、動いている生体の観察（例えば、動く心臓における蛍光材が注入された血管と周囲組織との観察や、動く動物における特定の蛍光材が注入された体内部位とその周囲の部位との観察等）に有効である。

通常の場合、励起光を遮断して蛍光がある部位の画像のみを検出するが、この場合、蛍光が発生した部位以外の視覚化ができないため、蛍光領域以外の生体内等の周囲状況との関係が把握できない。あるいは、検出する蛍光と同じ赤外波長の周囲環境からの光がある場合は、蛍光部位以外の生体内部の画像も同時に得られるが、蛍光部位と切り分けられないため、ノイズとなってしまう。また、可視光と赤外蛍光を同時に撮像するカメラは実用化されているが、赤外の蛍光と同時に得られるのは可視光なので、生体内部の同時可視化はできず生体表面状況を観察することにとどまるものである。

第３実施形態では、第１画素Ｐ３の受光感度特性は、第２画素Ｐ２の受光感度特性における感度を有する部分に近接した帯域に感度を有する。第２画素Ｐ２の受光感度特性は、赤外波長に極大値を有する。一方、第１画素Ｐ３の受光感度特性は、極大値を有しないが、第２画素Ｐ２の受光感度特性が極大値を示す波長よりも短い波長に最大値を有する。また、第２の波長λ２から第２の波長λ２よりも長い所定波長までの帯域（内の任意の波長）において、第１画素Ｐ３の受光感度と第２画素Ｐ２の受光感度とは、ほぼ等しい。ここで、「ほぼ等しい」とは、任意の波長において、第１画素Ｐ３の受光感度と第２画素Ｐ２の受光感度との差が第１画素Ｐ３の受光感度の１０％以内であることを意味するものとする。前記の所定波長は、第１画素Ｐ３が、第２の波長λ２における第１画素Ｐ３の受光感度の３０％の感度を有する波長でありうる。

第３実施形態で示した撮像部は、例えば、以下のように作成することができる。まず、第１画素Ｐ３と第２画素Ｐ２とに対して、可視光カットのための同一の可視光カットフィルタが設けられる。これにより、すべての画素の波長特性は、可視光の赤波長より短い波長を遮断する特性となる。さらに、第２画素Ｐ１にのみ、赤外波長λ２より短い波長を遮断する特性を有するフィルタが、例えばカラーフィルタ形成工程において、画素単位で設けられる。２つの異なる赤外帯域を有する画素群を１つの撮像部の表面に形成する方法は、既存のＣＣＤやＣＭＯＳ撮像素子を作成する半導体プロセスで容易に実現でき、低コストで作成することができる利点がある。また、波長λ２より長い帯域は、両方の画素群の受光感度特性がほぼ等しい。よって、画像Ａと画像Ｂとの差分を演算する際に規格化などを行わず単純な引き算で行うことができるなど、演算が容易になるとともに、余計な演算をすることでの演算誤差も少なくなるため、検出精度も高まる利点がある。特に蛍光は微弱なので背景光と分離するときに有効である。第３実施形態の撮像部あるいは撮像装置は、低コストで製造でき、出力された信号の演算が容易であり、検出精度が高いという利点を有する。

第３実施形態は、第２実施形態で例示したような近赤外に感度を有する第２画素Ｐ２以外に赤、青、緑の可視光帯域に感度を有する画素Ｒ、Ｂ、Ｇを備える撮像部にも適用可能である。例えば、Ｒ画素が有する赤から近赤外にわたる帯域が第２画素Ｐ２の受光感度特性における極大値を示す部分を包含した特性を有し、第２画素Ｐ２の受光感度特性が極大値を示す波長よりも短い波長に最大値を有するように撮像部が構成されうる。このような撮像部においても、上述の効果が得られるとともに、さらに近赤外帯域における血管画像の取得と同時に、被検体のカラー画像も取得することができる。

Ｐ１：第１画素、Ｐ２：第１画素、１０２：撮像部

Claims (15)

1. ２次元状に配された複数の画素を有する撮像部を備える撮像装置であって、
   前記複数の画素は、第１画素および第２画素を含み、
   前記第１画素の受光感度は、近赤外の波長帯域における互いに異なる第１の波長および第２の波長のそれぞれの付近に極大値を有し、
   前記第２画素の受光感度は、前記第２の波長の付近に極大値を有し、
   前記第２画素の前記第１の波長における受光感度が、前記第１画素の前記第１の波長における受光感度の１０％以下であり、
   前記第２画素の受光感度特性は、前記第１画素の受光感度特性と、前記第２画素の所定の波長以下の波長の光を遮断する遮断特性とを掛け合わせた特性を有する
   ことを特徴とする撮像装置。
2. 前記第２画素の受光感度が、前記第１の波長には極大値を有さないことを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
3. 前記複数の画素は、複数の前記第１画素および複数の前記第２画素を含み、前記撮像装置は、第１の画像と第２の画像を生成する画像生成部を有し、
   前記第１の画像は、前記複数の第１画素の信号を用いて生成した画像であり、
   前記第２の画像は、前記複数の第２画素の信号を用いて生成した画像であることを特徴とする請求項１または２に記載の撮像装置。
4. 前記複数の第１画素と前記複数の第２画素は、前記第１の波長に吸光度の極大値を持つ第１部分と、前記第２の波長に吸光度の極大値を持つ第２部分とを有する被検体からの近赤外光を受光し、
   前記第１画素と前記第２画素とが隣接して配され、
   前記画像生成部は、相互に隣接する前記第１画素と前記第２画素とのそれぞれの信号値の比に基づいて、前記被検体の前記第１部分と前記第２部分の少なくとも一方を検出する
   ことを特徴とする請求項３に記載の撮像装置。
5. 前記画像生成部によって生成された前記第１の画像と前記第２の画像の少なくとも一方の時間的な変化を分析する分析部を更に備える、
   ことを特徴とする請求項３又は４に記載の撮像装置。
6. 前記第１部分は動脈であり、前記第２部分は静脈である、
   ことを特徴とする請求項４に記載の撮像装置。
7. 前記第１部分は動脈であり、前記第２部分は静脈であり、
   前記撮像装置は、前記画像生成部によって生成された前記第１の画像の時間的な変化に基づいて脈動を検出する分析部を更に備える、
   ことを特徴とする請求項４に記載の撮像装置。
8. 前記撮像部に入射する背景光を除去する光学フィルタを更に備える、
   ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の撮像装置。
9. 近赤外の光を放射する光源を点灯させた状態で前記撮像部によって得られる画像と前記光源を消灯させた状態で前記撮像部によって得られる画像との差分を求めることによって背景光成分を除去する除去部を更に備える、
   ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の撮像装置。
10. 前記遮断特性は、所定の波長以下の光の感度を有しない特性であり、前記所定の波長は、７７０ｎｍ以上８３０ｎｍ以下の範囲内である、
    ことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の撮像装置。
11. 前記第１の波長は前記第２の波長よりも小さい波長であって、
    前記複数の画素は、第３画素および第４画素を更に含み、前記第１画素、前記第３画素および前記第４画素によってカラー画像を取得するように構成されている、
    ことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の撮像装置。
12. 前記第１画素は赤色に感度を有する画素、前記第３画素は青色に感度を有する画素、前記第４画素は緑色に感度を有する画素である、
    ことを特徴とする請求項１１に記載の撮像装置。
13. 前記第２画素が有する波長フィルタの近赤外の透過波長帯域と前記第３画素が有する波長フィルタの近赤外の透過波長帯域とが一致している、
    ことを特徴とする請求項１１又は１２に記載の撮像装置。
14. 前記撮像装置は、前記所定の波長以下の波長の光を遮断する光学フィルタをさらに有し、
    前記第２画素に、前記光学フィルタを透過した光が入射することによって、前記第２画素が前記遮断特性を有する、
    ことを特徴とする請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の撮像装置。
15. 前記撮像装置は、前記第１画素の信号と、前記第２画素の信号との差を用いて画像を生成する、
    ことを特徴とする請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の撮像装置。