JP6765687B2

JP6765687B2 - イメージング装置及び方法

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Publication number: JP6765687B2
Application number: JP2018559637A
Authority: JP
Inventors: 拓夫種村; 憲人小松; 義昭中野; 泰之小関
Original assignee: University of Tokyo NUC
Current assignee: University of Tokyo NUC
Priority date: 2016-12-29
Filing date: 2017-12-28
Publication date: 2020-10-07
Anticipated expiration: 2037-12-28
Also published as: WO2018124285A1; JPWO2018124285A1

Description

本発明は、光フェーズドアレイを用いるイメージング装置及び方法に関し、特に対象の２次元像又は３次元像等を得るためのイメージング装置及び方法に関する。

従来実証されてきた光フェーズドアレイ（ＯＰＡ：optical phased array）型のイメージング装置は、多数（数１００〜数１０００個）のアンテナユニットを１次元もしくは２次元的に配列し、アンテナユニットの適所を加熱したり電界を与えたりすることで、出力ビームの光位相を制御するものである（例えば、非特許文献１）。この種のイメージング装置で射出方向を掃引するためには、出力ビームの光位相を精密に制御する必要がある。この際、アンテナユニットの作製誤差、温度等の環境条件の影響で射出ビームの状態が敏感に変化するため、イメージング性能が劣化するか、或いは、そのような影響を常に補正するための複雑な制御回路を付加せざるを得なくなる。

光フェーズドアレイを用いるイメージング装置ではないが、拡散体によってランダムなスペックルパターンを形成し、このスペックルパターンをＣＣＤで撮影するとともにターゲットに照射するゴーストイメージング法と呼ばれるものが存在する（非特許文献２）。非特許文献２のゴーストイメージング法では、スペックルパターンを変化させながら、ターゲットからの反射光を光センサーで一括して検出し、スペックルパターンとの相関から、ターゲットの２次元像や３次元像を得ている。

"Large-scale nanophotonic phased array" J. Sun, et al., Nature, 493, 195 (2013). "Three-dimensional ghost imaging lidar via sparsity constraint" W. Gong, et al., Scientific Reports | 6:26133 | DOI:10.1038/srep26133.

本発明は、複雑な制御回路を必要としない光フェーズドアレイを用いながらも、作製誤差や環境条件にかかわらず、イメージング性能が劣化することを抑えたイメージング装置及び方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係るイメージング装置は、ランダムな位相分布をそれぞれ有する複数パターンの照明光を射出する光フェーズドアレイと、照明光の照射状態を分布として検出する第１センサーと、照明光によって照明された対象からの計測光の強度を検出する第２センサーと、第１センサーの検出情報と第２センサーの検出情報とを組み合わせて対象の状態に関する像を抽出する処理を行う処理部とを備える。ここで、像は、２次元のものに限らず、１次元のものや３次元のものを含む。

上記イメージング装置では、光フェーズドアレイによってランダムな位相分布をそれぞれ有する複数パターンの照明光を照射する照明環境下で、第２センサーを参照して像を抽出することが可能になるので、光フェーズドアレイの作製誤差その他の不完全性による照明光の位相ズレ、強度バラツキ等の影響を相殺するように低減でき、さらには、温度その他の使用環境の変動による影響を受けにくくなり、比較的安価に作製される光フェーズドアレイを用いても計測の信頼性を簡易に高めることができる。

上記目的を達成するため、本発明に係るイメージング方法は、光フェーズドアレイからランダムな位相分布の照明光を射出させつつ、第１センサーによって照明光の照射状態を分布として検出するとともに、第２センサーによって照明光によって照明された対象からの計測光の強度を検出する工程と、第１センサーの検出情報と第２センサーの検出情報とを組み合わせて処理することによって対象の状態に関する像を得る工程とを備える。

第１実施形態のイメージング装置を説明する概念的なブロック図である。光フェーズドアレイを説明する平面図である。射出部を２次元アレイ状に集積した構造の概念図である。イメージング装置の動作を説明する概念図である。変形例のイメージング装置を説明する概念的なブロック図である。図６Ａ及び６Ｂは、実施形態のイメージング装置を用いた数値検証結果を示すチャートである。光フェーズドアレイの具体的な作製例を示すブロック図である。図８Ａは、高度な調整を要する従来的な手法を用いた計測結果を示すチャートであり、図８Ｂは、高度な調整を要しない実施例の手法を用いた計測結果を示すチャートである。第２実施形態のイメージング装置の要部を説明する平面図である。第３実施形態のイメージング装置の要部を説明する斜視図である。第４実施形態のイメージング装置の要部を説明する斜視図である。

〔第１実施形態〕
以下、図１等を参照して、本発明に係る第１実施形態のイメージング装置ついて詳細に説明する。

図１に示す第１実施形態のイメージング装置１００は、レーザー光Ｂ１を発生する光源部２０と、光源部２０からのレーザー光Ｂ１から所望の波面状態の照明光Ｂ２を形成し射出する光フェーズドアレイ３０と、照明用及び計測用の観察光学系４０と、照明光Ｂ２の照射状態を分布として検出する第１センサーである像センサー５０と、照明光Ｂ２によって照明された対象ＯＢからの計測光Ｂ３の強度を検出する第２センサーである受光素子６０と、光フェーズドアレイ３０の動作状態を管理するとともに像センサー５０及び受光素子６０から検出情報を受け取って対象ＯＢの状態に関する画像を抽出又は生成する情報処理部７０とを備える。

光源部２０は、半導体レーザーその他のコヒーレント光源で構成され、光源駆動回路（不図示）を付随させたものとなっている。光源部２０からは、赤外域、可視域等の各種波長域に設定されたレーザー光Ｂ１が射出される。

図２に示すように、光フェーズドアレイ（ＯＰＡ）３０は、光導波路型の集積回路であり、基板３８上に光分岐部３１と位相制御部３２とを設けたものである。光フェーズドアレイ（ＯＰＡ）３０は、例えば数１０μｓ以下の短時間で出力の切り換えが可能であり、高速の計測やイメージングが可能になる。

光分岐部３１は、レーザー光Ｂ１をＭチャンネルに分岐してＭ個の導波路３６に導く。光分岐部３１として、例えばスラブ導波路を有するスターカプラー、多段の方向性結合器を組み合わせたもの等を用いることができる。

位相制御部３２は、Ｍチャンネルの導波路３６に例えば電界を付与するＭ個の電極３２ａと、各電極３２ａへの電圧供給を可能にする配線３２ｂとからなる。配線３２ｂへの供給電圧は、図１に示すＯＰＡ駆動制御部８１によって調整されている。各配線３２ｂに付与する電圧の調整により、各導波路３６を通過するレーザー光Ｂ１の位相状態を個別に制御することができる。位相制御部３２を経た光フェーズドアレイ３０の射出ポート３４からは、位相状態の制御された照明光Ｂ２が射出される。この際、照明光Ｂ２は、ランダムな位相分布を有する光とされる。さらに、照明光Ｂ２は、時系列的に高速で変化し、射出ポート３４からは、それ自体がランダムな位相分布を有する照明光Ｂ２が互いに異なるＮ個のパターンとして射出される。つまり、これらＮ個のパターン又はＮ種の照明光Ｂ２は、いずれもランダムな位相分布を有し、時系列的にもランダムに変化する。なお、各パターンにおいて、ランダムな位相の分布範囲は、±１８０°であり、偏りのないものとなっている。

以上では、光フェーズドアレイ３０を構成する位相制御部３２がＸ方向に１次元であり、射出ポート３４から１次元配列のランダムな位相分布又はパターンを有する照明光Ｂ２を射出させるとして説明したが、例えば図２に示す光フェーズドアレイ３０をＹ方向に積層することができる。このような積層型の光フェーズドアレイ１３０によって、ＸＹ方向に２次元のランダムな位相分布を有する照明光Ｂ２を形成し射出させることができる。もしくは、導波路の構造を変更して射出ポートを２次元配置することにより、基板３８の主面に対して垂直方向に位相を制御したレーザー光を射出させる構造とすることができる。この場合は、図３に示すように、１次元アレイ状の射出ポート３４の代わりに、射出ユニット２３７をＸＹ方向に２次元アレイ状に配置した射出部４３４を有する光フェーズドアレイ１３０とすることにより、ＸＹ方向に２次元の位相分布を持つ照明光Ｂ２を形成しＺ方向に射出することができる。照明光Ｂ２を１次元とした場合、対象像として照明光Ｂ２の分布方向に対応する１次元像を得ることができ、照明光Ｂ２を２次元とした場合、対象像として照明光Ｂ２の分布に対応する２次元像を得ることができる。

位相制御部３２については、導波路３６に与える電界強度によって位相を調整する電気光学効果型の変調に限らず、導波路部への電流注入によって位相を調整するキャリア効果型の変調、導波路を加熱することによって位相を調整する熱光学効果型の変調等を利用するものとできる。電気光学効果、キャリア効果、熱光学効果等を利用することで、位相制御部３２を小型化かつ安価にでき、信頼性を高めることができ、位相の切り換えを高速化できる。

図１に戻って、観察光学系４０は、分岐ミラー４３と、複数のレンズＬ１〜Ｌ３とを備える。分岐ミラー４３は、一様な透過率又は反射率を有するハーフミラーである。分岐ミラー４３は、光フェーズドアレイ３０からの照明光Ｂ２を分割して、一部を対象ＯＢに入射させるとともに、残りを像センサー（第１センサー）５０に入射させる。また、分岐ミラー４３は、対象ＯＢの表面ＯＢａでの散乱によって反射された戻り光である計測光Ｂ３を反射して受光素子（第２センサー）６０に導く。ここで、レンズＬ１は、光フェーズドアレイ３０から射出された照明光Ｂ２の発散を防止しつつ遠視野状態での照明を可能にする。また、レンズＬ２は、対象ＯＢで反射された計測光Ｂ３の光束径を絞って受光素子６０の感光部６１に一括入射させる役割を有する。レンズＬ３は、レンズＬ１と協働して像センサー５０の感光面５１に遠視野像として計測光Ｂ２のパターンを形成する。レンズＬ３の焦点距離の調整によって、感光面５１上の遠視野像のサイズを調整することもできる。観察光学系４０の構成によっては、レンズＬ１若しくはレンズＬ３を省略することもできる。以上において、受光素子（第２センサー）６０は、対象ＯＢで反射された計測光の強度を一括して検出し、像センサー（第１センサー）５０は、光フェーズドアレイ３０から射出された照明光の遠視野像を検出する。これにより、受光素子６０の検出情報が単純化され、検出情報の処理が簡便となり、対象像の抽出処理が高速となる。

像センサー（第１センサー）５０は、ＣＭＯＳ、ＣＣＤ等の半導体イメージセンサーである。像センサー５０は、光源部２０の波長に感度を有しており、波長選択フィルターを付随させることができる。像センサー５０は、感光面５１に形成された照明光Ｂ２のパターンを検出し検出画像として取り込む。この際、画素位置ごとに照明光Ｂ２の強度値が検出される。上記のように、光フェーズドアレイ３０によって照明光Ｂ２がＮパターンで射出されるので、照明光Ｂ２の検出画像もＮ個得られる。

受光素子（第２センサー）６０は、フォトダイオード等の半導体光センサーである。受光素子６０は、光源部２０の波長に感度を有しており、波長選択フィルターを付随させることができる。受光素子６０は、受光素子駆動部８２に駆動されて動作し、感光部６１に入射した計測光Ｂ３の干渉パターン全体の光強度に対応する信号を出力する。つまり、受光素子６０は、対象ＯＢの全体で反射された計測光Ｂ３を一括して総信号強度として検出する。上記のように、光フェーズドアレイ３０によって照明光Ｂ２がＮ個のパターンで射出されるので、計測光Ｂ３の検出強度もＮ個得られる。

情報処理部７０は、制御部７１とインターフェース部７２と記憶部７３とを有する。制御部７１は、インターフェース部７２及びＯＰＡ駆動制御部８１を介して光フェーズドアレイ３０等を動作させ、ランダムな位相分布を有する照明光Ｂ２を複数個のパターンで射出させる。制御部７１は、像センサー５０によって撮影された検出画像を、タイミング情報とともにインターフェース部７２を介して受け取る。情報処理部７０は、受光素子６０によって検出された計測光Ｂ３の強度を、タイミング情報とともにインターフェース部７２を介して受け取る。制御部７１は、像センサー５０から取得した照明光Ｂ２の検出画像や受光素子６０から取得した計測光Ｂ３の強度値を一時的に記憶部７３に保管するとともに、これらの検出画像や強度値から得た対象ＯＢの状態を計測結果又は再構成画像として保管する。この際、制御部７１は、像センサー（第１センサー）５０上の位置情報（具体的には、図示の対象ＯＢ上でＸ軸に対応し、像センサー５０上でＺ軸に対応する座標ｘ等の値）を前提として、像センサー（第１センサー）５０の検出情報と受光素子（第２センサー）６０の検出情報から再構成画像を算出する。この再構成画像は、対象ＯＢの反射率といった対象ＯＢの状態を表す。

情報処理部７０による処理結果、具外的には対象ＯＢの状態を反映した画像は、入出力部９１に表示される。入出力部９１には、情報処理部７０の制御下で、オペレーターに対してイメージング装置１００の動作状態に関する種々の情報が提示される。情報処理部７０に対しては、入出力部９１を介してオペレーターから指示が入力される。

以下、図４を参照して、第１実施形態のイメージング装置１００の動作例について説明する。

まず、情報処理部７０の制御部７１は、インターフェース部７２を介してＯＰＡ駆動制御部８１に動作指令を出力し、ＯＰＡ駆動制御部８１にランダムな仮想的照射パターンを準備させる（ステップＳ１１）。ランダムな仮想的照射パターンは、毎回生成することもできるが、予め記憶したランダムパターンを読み出すこともできる。

ＯＰＡ駆動制御部８１は、この仮想的照射パターンに基づいて光フェーズドアレイ３０を動作させ、光フェーズドアレイ３０からランダムな位相分布を有するランダムパターンの照明光Ｂ２を射出させる（ステップＳ１２）。このランダムパターンは、スペックル状の輝度分布パターンである。この際、ステップＳ１１で準備した仮想的照射パターンと、光フェーズドアレイ３０から実際に射出させる照明光Ｂ２のランダムパターンとは、厳密には対応していなくてもよい。つまり、光フェーズドアレイ３０を構成する個々の電極３２ａのサイズや配置に関して誤差やゆらぎがある場合、光フェーズドアレイ３０からは厳密に位相が制御された照明光Ｂ２が射出されない。また、光フェーズドアレイ３０の特性が温度環境の変動で変化する場合も、光フェーズドアレイ３０からは厳密に位相が制御された照明光Ｂ２が射出されない。このような場合、光フェーズドアレイ３０から射出させる照明光Ｂ２のランダムパターンは、厳密に制御されたものではなくなるが、後述する相関に関する抽出値Ｓｒから再構成画像Ｏ（ｘ）を算出することで、このような光フェーズドアレイ３０の製造誤差や環境変動が相殺又は緩和される。

制御部７１は、像センサー５０によって撮影された検出画像を、インターフェース部７２を介して、タイミング情報とともに受け取るとともに記憶部７３に保管する（ステップＳ１３）。これと並行して、受光素子６０によって検出された計測光Ｂ３の検出強度を、受光素子駆動部８２及びインターフェース部７２を介して、タイミング情報とともに受け取るとともに記憶部７３に保管する（ステップＳ１４）。

制御部７１は、光フェーズドアレイ３０によってＮ個のランダムパターンを形成及び出力する処理が完了したか否かを判断し（ステップＳ１５）、Ｎ個のランダムパターンの出力が完了していない場合、ステップＳ１１に戻って、制御部７１がＯＰＡ駆動制御部８１に次の仮想的照射パターンを準備させる。

一方、Ｎ個のランダムパターンの出力が完了している場合、ステップＳ１６に進み、制御部７１は、ステップＳ１３，Ｓ１４で記憶部７３に保された像センサー５０及び受光素子６０の検出画像及び検出強度に基づいて画像を生成又は再構成する（ステップＳ１６）。制御部７１は、得られた再構成画像を記憶部７３に保管する。この際、制御部７１は、像センサー（第１センサー）５０上の位置情報（座標ｘ等の値）を前提として、像センサー（第１センサー）５０の検出情報と受光素子（第２センサー）６０の検出情報Ｓｒを用いることで、対象物の再構成画像Ｏ（ｘ）を算出する。より具体的には、制御部７１は、光フェーズドアレイ３０からの照明光Ｂ２の位相分布をＮ回変化させつつ、受光素子６０によって検出した総信号強度と、像センサー５０上の対象位置における信号強度とから再構成画像Ｏ（ｘ）を算出する。この場合、高速で動作する光フェーズドアレイ３０を用いて像センサー５０上の任意の位置に対応する画素について画像信号を算出することができ、対象像の再構成又は抽出を高速かつ高い精度で実現することができる。この再構成画像Ｏ（ｘ）は、最も単純には、
Ｏ（ｘ）
＝（１／Ｎ）×Σ｛（Ｓｒ−＜Ｓ＞）・Ｉｒ（ｘ）｝ … （１）
で与えられる。ここで、値ｘは、図１の装置構成において対象ＯＢ上ではＸ軸に対応するが像センサー５０上ではＺ軸に対応する。像センサー５０上での値ｘは、画素に相当するディスクリートな値となる。また、値Ｎは、光フェーズドアレイ３０によって形成され出力されるランダムパターンの個数（自然数）を示す。値Ｓｒは、受光素子６０の計測値すなわち計測光Ｂ３の強度値を示す。値＜Ｓ＞は、ランダムパターンを変更したＮ回の計測で得られたＮ個の値Ｓｒの平均値を示す。Ｉｒ（ｘ）は、像センサー５０上の座標値ｘと、この座標値ｘに対応する画素での強度値すなわち検出輝度との関係を表す。さらに、Σは、値Ｓｒ，Ｉｒ（ｘ）の変数ｒを１〜Ｎまで変化させつつ（Ｓｒ−＜Ｓ＞）・Ｉｒ（ｘ）を加算することを意味する。この再構成画像Ｏ（ｘ）は、各座標値ｘに対して再構成画像の輝度値を与える。

以上の式（１）は、像センサー５０における１次元の画素列に関して再構成画像Ｏ（ｘ）を決定するものであるが、像センサー５０が２次元である場合、２次元の画素配列に関して再構成画像Ｏ（ｘ，ｙ）を決定する処理が行われる。この場合、再構成画像Ｏ（ｘ，ｙ）は、
Ｏ（ｘ，ｙ）
＝（１／Ｎ）×Σ｛（Ｓｒ−＜Ｓ＞）・Ｉｒ（ｘ，ｙ）｝ … （２）
で与えられる。ここで、値ｙは、対象ＯＢ上ではＹ軸に対応し、像センサー５０上でもＹ軸に対応する。

なお、上記（１）式、または、（２）式の代わりに、より高度なアルゴリズムを用いれば、ランダムパターンの生成数Ｎもしくは分割数やアレイ数に相当する値Ｍを相対的に減らしながら、同等の結果を得ることができる。例えば、対象物が現実的に不自然な形状にならないように再構成画像Ｏ（ｘ）に適切な数学的な制約を課すことで、圧縮センシング手法等により、少ない値Ｎで再構成画像Ｏ（ｘ）を算出することができる。逆に、値Ｎを相対的に大きくすることが許されるのであれば、値Ｍを減らしても、（１）式で表される単純な加算ではなく最小二乗法や逆行列法等により再構成画像Ｏ（ｘ）を推定することで、同様の空間分解能を得ることができる。

第１実施形態のイメージング装置１００は、パルス光源を用いることで、対象について奥行方向の計測を行うものに変更できる。この場合、対象像として照明光の進行方向に関する情報を含めた２次元像もしくは３次元像を得ることができる。イメージング装置１００を対象の奥行方向も含めた３次元のイメージングに用いる場合、イメージング装置１００は、光フェーズドアレイ３０に光を供給する光源部２０としてパルス光源を備え、情報処理部７０は、計測光Ｂ３の応答時間に基づいて対象ＯＢについて奥行方向の計測を行う。具体的には、光源部２０からパルス状のレーザー光Ｂ１を射出させる。光フェーズドアレイ３０の動作は同じであるが、受光素子６０の計測値又は検出信号については、受光素子駆動部８２において時間ゲートを設けて計測光Ｂ３のうち特定の距離に対応する信号のみを抽出する。これにより、奥行き方向に関して空間を徐々にスライスするように多段の計測光Ｂ３を得ることができ、情報処理部７０では、２次元の場合と同様の手法で奥行き方向にスライスされた２次元の横画像を得るとともに、奥行きが異なる多数の２次元の横画像を合成した３次元的な画像を再生する。

なお、光フェーズドアレイ３０から射出させる照明光Ｂ２のランダムパターンは、厳密に制御されたものでなくてよい。像センサー５０の検出情報と受光素子６０の検出情報とを用いることで、光フェーズドアレイ３０の製造誤差や環境変動が平均化されるように相殺又は緩和されることになり、対象ＯＢに対する再構成画像Ｏ（ｘ）を高い精度で得ることができる。

図５は、図１に示す第１実施形態のイメージング装置１００の変形例を示す図である。この場合、観察光学系１４０において、対象ＯＢを透過した計測光Ｂ３を受光素子６０によって観測する。この場合も、上述した再構成画像Ｏ（ｘ）として対象ＯＢの透過率分布等を決定することができる。

図６Ａ及び６Ｂは、実施形態のイメージング装置１００を用いた数値検証結果を示すチャートである。この場合、１次元の走査結果を示しており、１次元の画像又は分布が得られている。横軸は、画素位置を示し、縦軸は透過率を示す。図６Ａにおいて横軸の下に並ぶ数値は、現実の透過率を示す。点線は、従来的な手法を用いたものであり、光フェーズドアレイ３０から射出させる照明光Ｂ２の位相状態をチューニングによって厳密に制御して計測光Ｂ３の分布から対象ＯＢの透過率を計測している。その他の線（具体的には実線、破線、及び一点鎖線）は、実施形態の装置（具体的には図５の装置系）を用いて、光フェーズドアレイ３０によるレーザー光Ｂ１の分割数Ｍと、ランダムパターンの生成数Ｎとを変化させたものである。図６Ａにおいて、ランダムパターンの生成数Ｎは、１０、１００、及び１０００とし、図６Ｂにおいて、ランダムパターンの生成数Ｎは、２０００としている。両チャートから明らかなように、ランダムパターンの生成数Ｎを多くすることにより、特に位置の分解能に対応するレーザー光Ｂ１の分割数Ｍよりも多くすることにより（Ｎ＞Ｍ）、高精度の光フェーズドアレイ３０を用いないでも、それと同様の結果を得ることができることが分かる。

図７は、光フェーズドアレイ３０の具体的な作製例を示すものであり、図２に対応する。この場合、平面視矩形の基板は、インジウムリン（ＩｎＰ）半導体基板であり、ＩｎＧａＡｓＰ製の導波路、ｐ−ｉ−ｎタイプのＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰからなるダブルヘテロ構造の位相シフト部、及びＴｉ／Ａｕ製の電極からなる位相制御部３２を形成した。この場合、光フェーズドアレイ３０は、１次元の変調器となっている。

図８Ａ及び８Ｂは、図７の光フェーズドアレイ３０を組み込んだイメージング装置１００を用いた検証結果を示すチャートである。計測対象はスリットパターンである。横軸は、画素位置を示し、縦軸は透過率を示す。チャートの上に並ぶ数値は、透過率を示す。図８Ａに示す従来的な手法の場合、光フェーズドアレイ３０から射出させる照明光Ｂ２の位相状態を制御するため、駆動条件の抽出に１８０００回の測定を行っており、比較的正確に計測対象のスリットパターンを再現していると考えることができる。一方、図８Ｂに示す実施例の手法の場合、光フェーズドアレイ３０の駆動条件の抽出を行わないで、ランダムパターンをＮ＝１００回生成して、式（１）の再構成画像Ｏ（ｘ）から計測対象の画像を得ている。図８Ｂに示す画像又は分布パターンは、図８Ａに示す画像又は分布パターンと近似しており、比較的正確に計測対象のスリットパターンを再現していると考えることができる。

以上のように、第１実施形態のイメージング装置１００では、光フェーズドアレイ３０によってランダムな位相分布をそれぞれ有する複数パターンの照明光Ｂ２を照射する照明環境下で、受光素子（第２センサー）６０を参照して像を抽出することが可能になるので、光フェーズドアレイ３０の作製誤差その他の不完全性による照明光Ｂ２の位相ズレ、強度バラツキ等の影響を相殺するように低減でき、さらには、温度その他の使用環境の変動による影響を受けにくくなり、比較的安価に作製される光フェーズドアレイ３０を用いても計測の信頼性を簡易に高めることができる。

また、分岐数又は分割数Ｍが十分に大きければ、全ての位相制御部３２を切り替える必要がなく、例えば、Ｍ個の位相制御器のうち、約半分（Ｍ／２個）は固定して、残りの半分（Ｍ／２個）の位相制御器のみを切り替えることで、同様の特性を得ることができる。これにより、駆動制御部８１の簡略化や省電力化が達成できると同時に、光フェーズドアレイ３０の作製誤差その他不完全性の影響を受けにくくすることができる。

〔第２実施形態〕
以下、第２実施形態に係るイメージング装置等について説明する。なお、第２実施形態に係るイメージング装置は、第１実施形態を変形したものであり、特に説明しない部分については、第１実施形態と同様である。

第２実施形態のイメージング装置では、光フェーズドアレイ（ＯＰＡ）を動作させるための電極を簡便なものとしている。

図９に示すように、第２実施形態のイメージング装置に用いる光フェーズドアレイ２３０は、複数の光路であるＭ個の導波路３６をこれよりも少ない電極３２ｅ〜３２ｈで動作させる。図示の例では、７個の導波路３６を４つの電極３２ｅ〜３２ｈで動作させる例となっている。この場合、各電極３２ｅ〜３２ｈに印可する電圧Ｖ１〜Ｖ４の値をランダムに変化させる。これにより、射出ポート３４からランダムな位相分布を有する照明光Ｂ２を射出させることができる。

第２実施形態のイメージング装置では、光フェーズドアレイ２３０において、複数の導波路３６に亘って配置されるとともに互いに異なるランダムな形状パターンを有する位相調整用の複数の電極３２ｅ〜３２ｈを設け、これら複数の電極３２ｅ〜３２ｈの組み合わせ方によってランダムな位相分布の照明光Ｂ２を射出する。この結果、空間分解能を下げないで電極数を大幅に削減することができ、光フェーズドアレイ３０の小型化が可能になり、光フェーズドアレイ２３０の駆動方法を簡素化することができる。

〔第３実施形態〕
以下、第３実施形態に係るイメージング装置等について説明する。なお、第３実施形態に係るイメージング装置は、第１実施形態を変形したものであり、特に説明しない部分については、第１実施形態と同様である。

第３実施形態のイメージング装置では、１次元の光フェーズドアレイ（ＯＰＡ）を用いて２次元の位相分布を有する照明光Ｂ２、もしくは、１次元方向に拡大した位相分布を有する照明光Ｂ２を形成する。

図１０に示すように、第３実施形態のイメージング装置に用いる光フェーズドアレイ３３０は、図２に示す光フェーズドアレイ３０と同様の構造を有する本体部分３３０ａと、本体部分３３０ａの射出ポート３４側に配置されて、射出ポート３４の配列方向に沿って延びる分岐部であるプリズム３３０ｂとを備える。光フェーズドアレイ３３０には、広帯域の光源光Ｂ１２を入射させる。光フェーズドアレイ３３０は、光源光Ｂ１２に対して波長ごとにランダムな位相分布を持たせる。導波路３６を経て射出ポート３４から射出された照明光Ｂ２は、射出ポート３４の配列方向に関して位相分布を有している。照明光Ｂ２は、プリズム３３０ｂを経て射出ポート３４の配列方向に直交する方向に偏向されるが、この際、照明光Ｂ２の波長成分に応じて偏向角が異なり、射出ポート３４の配列方向に直交する方向に分割される。プリズム３３０ｂを通過した照明光Ｂ２は、２次元的な拡がりを有する。この照明光Ｂ２は、射出ポート３４の配列方向に関しては少なくともランダムな位相分布を有する。射出ポート３４の配列方向に直交する方向に関しては、相関性を有する可能性があるが、射出ポート３４の配列方向に沿った１次元の画像データを個別に処理すればよい。

上記第３実施形態のイメージング装置では、光フェーズドアレイ３３０において、複数の波長域の照明光Ｂ２を変調して、波長域ごとにランダムな位相分布を持たせ、分岐部であるプリズム３３０ｂによって光フェーズドアレイ３３０からの照明光Ｂ２を波長域ごとに分割する。これにより、１次元の光フェーズドアレイ３３０を用いて２次元の照明光を射出させることができる。

同様に、プリズムを導波路３６が延びる方向のまわりに９０°（度）傾けて使用すれば、１次元の照射範囲を波長ごとに分割することもできる。

以上のように、プリズムを用いることで検出の次元又はスキャン範囲を波長域によって分担させることができる。

プリズム３３０ｂを用いる代わりに、回折格子を用いることもできる。さらに、射出ポート３４の箇所に回折格子型結合器を集積し、基板３８に対して垂直方向に光を取り出すようにしても同じ効果が得られる。一般に回折格子型結合器では、波長によって射出される角度が異なるため、２次元の照射光を直接射出させることができる。これによりさらなる小型化が実現できる。

以上のように光源部２０として広帯域の光源を用いる代わりに、波長可変光源を用いて波長を掃引することで、検出の次元又はスキャン範囲を分担させることができる。

〔第４実施形態〕
以下、第４実施形態に係るイメージング装置等について説明する。第４実施形態に係るイメージング装置は、第１実施形態を変形したものであり、特に説明しない部分については、第１実施形態と同様である。

図１１に示すように、第４実施形態のイメージング装置に用いる光フェーズドアレイ４３０は、図２に示す光フェーズドアレイ３０と同様の構造を有する本体部分４３０ａと、本体部分４３０ａの射出ポート３４に近接して配置される光結合部４３０ｂと、光結合部４３０ｂの光射出部に近接して配置される多モード光ファイバー４３０ｃとを備える。光結合部４３０ｂは、３次元光回路であり、例えばフォトニックランターンを用いることができる。光結合部４３０ｂは、本体部分３４０ａの射出ポート３４から射出された一次元の光信号である照明光Ｂ２１を光入射部で受け、一次元の光信号を二次元の光信号である照明光Ｂ２２に変換して光射出部から射出させる。多モード光ファイバー４３０ｃは、光結合部４３０ｂの射出部から射出された二次元の光信号である照明光Ｂ２２を入射端３ａで受け、コア３ｂを伝搬した二次元の光信号である照明光Ｂ２を射出端３ｃから射出させる。本体部分４３０ａによって形成された元の照明光Ｂ２１は、ランダムパターンを有し、多モード光ファイバー４３０ｃ等を経た変換後の照明光Ｂ２は、モード結合やモード分散の影響で微細な輝度パターンであるスペックルとして出力される。つまり、多モード光ファイバー４３０ｃ等を経ることで、照明光Ｂ２は、さらにランダムで微細な輝度パターンに変換されたものとなっている。多モード光ファイバー４３０ｃは、例えば数ｍ程度の長さを有し、一定以下の曲率で自在に曲げることができる。その際、多モード光ファイバー４３０ｃでの光の伝搬条件が変化し、ランダムパターンの状態が変化する。しかしながら、位相制御部３２によって、光ファイバーの変動に比べて短時間で出力状態の切り換えが行われるので、多モード光ファイバー４３０ｃを経た照明光Ｂ２は、多モード光ファイバー４３０ｃの一瞬の状態を反映した高速に変化するランダムパターンとなる。

第４実施形態に係るイメージング装置の場合、図１に示す観察光学系４０と、像センサー５０と、受光素子６０とを一組とする系の入射部に対して図１１に示す多モード光ファイバー４３０ｃの射出端３ｃを結合する。ここで、観察光学系４０、像センサー５０、及び受光素子６０からなる系（以下、先端観察ユニットと呼ぶ）を小さくすれば、多モード光ファイバー４３０ｃや信号線を収納したケーブルの先端を所望の位置に移動させつつ、ケーブル先端の先端観察ユニットを対象ＯＢに向けて近接させることができ、遠隔的に対象ＯＢの状態を計測することができる。このようなイメージング装置は、ファイバースコープ又は内視鏡として用いることができる。

第４実施形態のイメージング装置については、例えば像センサー５０を多モード光ファイバー４３０ｃの入射端３ａ側に分岐部を介して配置することができる。像センサー５０を多モード光ファイバー４３０ｃの根元側に配置する場合、多モード光ファイバー４３０ｃの曲げ状態に関わらず射出端３ｃ側の映像を取得する技術を用いることができる（Ruo Yu Gu, et al., "Design of flexible multi-mode fiber endoscope", 19, Oct 2015|Vol. 23, No. 21|OPTICS EXPRESS 26905）。この場合、多モード光ファイバー４３０ｃの出射端３ｃに光を一部反射する反射鏡を設け、多モード光ファイバー４３０ｃの根元側でキャリブレーションを行うことで、像センサー５０と同様に射出端３ｃ側に投影される映像つまりランダムパターンを根元側に遠隔的に取り込むことができる。

第４実施形態のイメージング装置において、多モード光ファイバー４３０ｃに代えて多芯光ファイバーや、多数のファイバーを束ねたバンドルファイバーを用いることもできる。

〔その他〕
以上実施形態に即して本発明を説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。

例えば、照明光Ｂ２に設定する位相の分布については、±１８０°の範囲内で例えば１０段階、或いは分岐数Ｍが十分に大きければ２段階より好ましくは３段階以上といった適宜の単位又は段階に分割して設定することができ、特に位相を２段階に設定して切り換える場合、デジタル回路を用いることができるので、駆動制御部８１の簡略化が期待できる。

また、分岐数Ｍが十分大きい、もしくは、第２実施形態（図９参照）の構成で電極数が十分に大きければ、各電極において設定する位相の分布が±１８０°の範囲内である必要はなく、例えば±４５°の範囲内で設定しても同等の分解能が得られる。これにより、駆動制御部８１の簡略化や省電力化が達成できる。

実施形態のイメージング装置１００のうち、３次元画像を取得するものについては、例えばＬＩＤＡＲ（Light Detection and Ranging）の分野に用いることができ、前方に存在する物体を弁別するために用いることができる。さらに、実施形態のイメージング装置１００は、バーコードリーダー、生体イメージング、顕微鏡等の分野に用いることもできる。

Claims

ランダムな位相分布をそれぞれ有する複数パターンの照明光を射出する光フェーズドアレイと、
照明光の照射状態を分布として検出する第１センサーと、
照明光によって照明された対象からの計測光の強度を検出する第２センサーと、
前記第１センサーの検出情報と前記第２センサーの検出情報とを組み合わせて対象の状態に関する像を抽出する処理を行う処理部と
を備えるイメージング装置。
前記第１センサーは、前記光フェーズドアレイから射出された照明光の遠視野像を検出し、前記第２センサーは、対象で反射され又は対象を透過した計測光の強度を一括して検出する、請求項１に記載のイメージング装置。
前記処理部は、対象の状態として、前記光フェーズドアレイからの照明光の位相分布を変化させつつ、前記第２センサーによって検出した総信号強度と前記第１センサーの対象位置における信号強度とから再構成画像を算出する、請求項２に記載のイメージング装置。
前記光フェーズドアレイは、照明光を１次元又は２次元の分布で射出する、請求項１〜３のいずれか一項に記載のイメージング装置。
前記光フェーズドアレイに光を供給するパルス光源を備え、
前記処理部は、計測光の応答時間に基づいて対象について奥行方向の計測を行う、請求項１〜４のいずれか一項に記載のイメージング装置。
前記光フェーズドアレイは、複数の光路に亘って配置されるとともに互いに異なるランダムな形状パターンを有する位相調整用の複数の電極を有し、前記複数の電極の組み合わせ方によってランダムな位相分布の照明光を射出する、請求項１〜５のいずれか一項に記載のイメージング装置。
前記光フェーズドアレイは、複数の波長域の照明光を用いて、波長域ごとにランダムな位相分布を持たせ、
前記光フェーズドアレイからの照明光を波長域ごとに分割する分岐部をさらに有する、請求項１〜６のいずれか一項に記載のイメージング装置。
前記光フェーズドアレイからの照明光を導光する多モード光ファイバー、多芯光ファイバー、又はバンドルファイバーをさらに有する、請求項１〜６のいずれか一項に記載のイメージング装置。
光フェーズドアレイからランダムな位相分布の照明光を射出させつつ、第１センサーによって照明光の照射状態を分布として検出するとともに、第２センサーによって照明光によって照明された対象からの計測光の強度を検出する工程と、
前記第１センサーの検出情報と前記第２センサーの検出情報とを組み合わせて処理することによって対象の状態に関する像を得る工程と
を備えるイメージング方法。