JP6793352B2 - An imaging device including a light source, a photodetector, and a control circuit. - Google Patents

An imaging device including a light source, a photodetector, and a control circuit. Download PDF

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    • A61B5/14552Details of sensors specially adapted therefor

Description

本開示は、撮像装置に関する。 The present disclosure relates to an imaging device.

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。 In the fields of biometrics, material analysis, etc., a method of irradiating an object with light and acquiring internal information of the object from information of light transmitted through the inside of the object is used. In this method, mixing of a reflection component from the surface of the object and a scattering component immediately below the surface may become a problem. In particular, in biometric measurement, the surface reflection component and the subcutaneous scattering component have an intensity that is 4 to 5 orders of magnitude higher than that of the scattering component in the living body, and these surface reflection component and the subcutaneous scattering component are used to obtain the scattering component from the inside of the living body. It is desirable to remove as much as possible. As a method of removing these components and acquiring only desired internal information, for example, in the field of biometric measurement, there is a method disclosed in Patent Document 1. Patent Document 1 discloses a method in which a light source and a photodetector are spatially separated from each other at regular intervals and brought into close contact with a measurement site for measurement.

特開平8―103434号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 8-103434

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。 The present disclosure provides a technique capable of measuring the internal information of a measurement target and the cerebral blood flow distribution with high resolution in a state where the internal information of the measurement target is not in contact with the target and noise due to the movement of the target is suppressed. .. The present disclosure also provides a technique capable of measuring an object by a method that is cheaper than a conventional method.

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)
The imaging apparatus according to one aspect of the present disclosure includes a diffuser plate, a light source that emits pulsed light that spreads at a diffusion angle larger than 0 degrees toward an object, and photoelectric conversion that receives light from the object and converts it into electric charges. It includes a unit and a charge storage unit that stores the electric charge, and includes an optical detector that outputs an electric signal when the electric charge is read out, and a control circuit that controls the light source and the optical detector. The control circuit causes the light source to start emitting the pulsed light, and after a lapse of a predetermined time, starts the accumulation of the charge in the charge storage unit, whereby the inside of the target among the light from the target. The charge corresponding to the component scattered in is accumulated in the charge storage unit. Assuming that the distance from the diffusion plate to the object is R (mm), the diffusion angle is θ (degrees), and the spot size of the pulsed light on the diffusion plate is d (mm), the following equation is established.
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。FIG. 1 is a schematic view showing the image pickup apparatus of the first embodiment. 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。FIG. 2 is a diagram showing the time response waveform of the optical signal reaching the photodetector 108, the relationship between the shutter timing and the detected optical signal, and the relationship between the shutter start phase and the detection intensity of the detected optical signal. is there. 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。FIG. 3A is a diagram showing a change in the density of the irradiation light with the movement of the object. 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。FIG. 3B is a diagram showing a time delay of the return light with respect to the same movement as in FIG. 3A. 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。FIG. 4A is a diagram showing the relationship between the shutter start phase and the detected amount of change in the optical signal with respect to the movement of the target. 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。FIG. 4B is a diagram showing the relationship between the movement of the target and the detected optical signal intensity. 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。FIG. 5A is a diagram showing the relationship between the diffusion angle of the light source and the density change of the irradiation light. 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。FIG. 5B is a diagram showing the relationship between the diffusion angle of the light source and the density change of the irradiation light. 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。FIG. 5C is a diagram showing the optimum shutter start phase position under the conditions of FIGS. 5A and 5B. 図6Aは、照射パターン例を示す図である。FIG. 6A is a diagram showing an example of an irradiation pattern. 図6Bは、照射パターン例を示す図である。FIG. 6B is a diagram showing an example of an irradiation pattern. 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。FIG. 7 is a diagram showing the relationship between the shutter start phase and the amount of change in the detected light signal due to fluctuations in the flight distance of light. 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。FIG. 8 is a diagram showing the relationship between the diffusion angle of the irradiation light of the present embodiment and the distance to the target. 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。FIG. 9 is a diagram showing an example of a value obtained by subtracting the right side from the left side of the mathematical formula 13.

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。 According to a detailed study by the inventor of the present application, in the method of JP-A-8-1033434, the proportion of the subcutaneously scattered component contained in the detection signal is reduced, and the amount of the light scattered component that reaches the brain is detected. Can be done. However, in this method, it is necessary to separate the irradiation point and the detection point by 3 cm, and it is considered that the spatial resolution of the obtained brain activity distribution is lowered.

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。 On the other hand, in recent years, an image sensor capable of high-speed photography has been developed for measuring the distance to an object by a TOF (Time-of-Flight) method. Since such an image sensor has a high time-dividing ability, it is conceivable that by controlling the shutter of the image sensor at high speed, the surface reflection and the subcutaneous scattering component having high intensity can be significantly reduced to detect the scattering component in the brain. Be done. Specifically, when pulsed light is directed toward a living body and the light reflected by the living body is photographed, the light reflected near the surface of the living body has a relatively short optical path, so that it reaches the image sensor quickly and the living body The light reflected inside the light path reaches the image sensor with a delay because the optical path is relatively long. Therefore, by adjusting the shutter so as to detect the rear end portion of the pulsed light returning to the image sensor, it is possible to efficiently detect the scattering component in the brain having a relatively long optical path length and a time delay. It is possible. Since this method of temporal separation detection can detect the brain signal immediately below the irradiation point, it is considered that a high-resolution brain activity distribution can be obtained as compared with the method of JP-A-8-103434. Be done.

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。 However, when the signal from the target is detected in a non-contact manner, the amount of the optical signal detected by the sensor changes when the target moves, and an incorrect detection value is output. In particular, when detecting a very small amount of scattering components in the brain such as cerebral blood flow measurement, the influence of the noise component due to movement is high, and the SN in detecting the scattering components in the brain is lowered. In view of such problems, the inventor of the present application has conceived an imaging device having a novel structure. The outline of the image pickup apparatus of the present disclosure is as follows.

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。
The imaging apparatus according to one aspect of the present disclosure includes a diffuser plate, a light source that emits pulsed light that spreads at a diffusion angle larger than 0 degrees toward an object, and photoelectric conversion that receives light from the object and converts it into electric charges. It includes a unit and a charge storage unit that stores the electric charge, and includes an optical detector that outputs an electric signal when the electric charge is read out, and a control circuit that controls the light source and the optical detector. The control circuit causes the light source to start emitting the pulsed light, and after a lapse of a predetermined time, starts the accumulation of the charge in the charge storage unit, whereby the inside of the target among the light from the target. The charge corresponding to the component scattered in is accumulated in the charge storage unit. Assuming that the distance from the diffusion plate to the object is R (mm), the diffusion angle is θ (degrees), and the spot size of the pulsed light on the diffusion plate is d (mm), the following equation is established.
81.5 ≦ R + d / (2tanθ)
Here, R, d, θ> 0.

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。 The imaging apparatus according to one aspect of the present disclosure may further include a diffusion angle adjusting mechanism for adjusting the diffusion angle.

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。 The imaging apparatus according to one aspect of the present disclosure may further include a pattern projection unit that converts the pulsed light into light having a desired pattern.

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。 In the imaging apparatus according to one aspect of the present disclosure, the control circuit may remove a predetermined offset component from the electrical signal.

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。 The image pickup apparatus according to another aspect of the present disclosure includes a light source that emits pulsed light toward an object, a photoelectric conversion unit, and a charge storage unit that stores charges generated by the photoelectric conversion unit. A control circuit includes an optical detector that outputs an electric signal by being read, and the control circuit transmits the pulsed light to the light source when the distance between the object and the light source is the first value. After a predetermined time has elapsed from the start of light emission, charge accumulation in the charge storage unit is started to generate a first electric signal, and the distance between the object and the light source is different from the first value. When the value is 2, the light source starts emitting the pulsed light, and after the lapse of the predetermined time, the charge accumulation in the charge storage unit is started to generate a second electric signal, and the predetermined time is This is the timing when the strength of the first electric signal and the strength of the second electric signal become the same.

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。

Figure 0006793352
The difference Δr between the first value r1 and the second value may satisfy the following equation.
Figure 0006793352

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。 Here, α is the attenuation coefficient of the phase change of the electric signal intensity of the return light from the object, and k is the ratio of the desired electric signal change amount to the initial electric signal intensity.

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。

Figure 0006793352
The difference Δr between the first value r1 and the second value may satisfy the following equation.
Figure 0006793352

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。
When the first value r1 is 100 cm, 50 cm, 25 cm, 20 cm, 16 cm, 15 cm and 10, 5 cm, the difference Δr between the first value and the second value is 0.
6 cm or more and 1.2 cm or less, 0.7 cm or more, 1.4 cm or less, 1.1 cm or more and 2.3 cm or less, 1.4 cm or more and 2.7 cm or less, 1.7 cm or more and 3.3 cm or less, 2.3 cm or more 4. It may be 6 cm or less and 3 cm or more and 5 cm or less.

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。 In the present disclosure, all or part of a circuit, unit, device, member or part, or all or part of a functional block in a block diagram, refers to a semiconductor device, a semiconductor integrated circuit (IC), or an LSI (range scale integration). It may be executed by one or more electronic circuits including. The LSI or IC may be integrated on one chip, or may be configured by combining a plurality of chips. For example, functional blocks other than the storage element may be integrated on one chip. Here, it is called LSI or IC, but the name changes depending on the degree of integration, and it may be called system LSI, VLSI (very large scale integration), or ULSI (ultra large scale integration).

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。 A Field Programmable Gate Array (FPGA) programmed after the LSI is manufactured, or a reconfigurable logistic device that can reconfigure the junction relationship inside the LSI or set up the circuit partition inside the LSI can also be used for the same purpose.

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。 Further, all or part of the functions or operations of circuits, units, devices, members or parts can be performed by software processing. In this case, the software is recorded on a non-temporary recording medium such as one or more ROMs, optical discs, hard disk drives, and is identified by the software when it is executed by a processor. Functions are performed by the processor and peripherals. The system or device may include one or more non-temporary recording media on which the software is recorded, a processor, and the required hardware device, such as an interface.

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。 Hereinafter, embodiments will be specifically described with reference to the drawings.

(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。
(Embodiment 1)
[Configuration of imaging device]
First, the configuration of the image pickup apparatus 100 according to the first embodiment will be described with reference to FIG.

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。 The image pickup apparatus 100 includes a light source 106, a photodetector 108 including a photoelectric conversion unit 110 and a charge storage unit 112, and a control circuit 114. The light source 106 emits light 104, which is pulsed light, toward the target 102. A part of the light 104 that has reached the target 102 reaches the photoelectric conversion unit 110 on the photodetector 108 after optical phenomena such as reflection, diffusion, absorption, and scattering occur on the surface and inside of the target 102. The control circuit 114 includes a memory for storing the program and a computing device, and by reading and executing the program stored in the memory, the light source 106 is started to emit light 104 according to the procedure of the program for a predetermined time. After the lapse of time, the charge accumulation in the charge storage unit 112 is started to control the generation of an electric signal.

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。 When the target 102 is a living body, a part of the light 104 emitted from the light source 106 reaches the inside of the target 102. Since the light 104 scattered inside the object 102 causes a time delay due to scattering, the pulsed light returning to the image pickup apparatus 100 includes a tail due to the component of the light 104 scattered inside. Information deep inside the target 102 (for example, the component that reached the brain in the measurement at the head) has a relatively longer optical path length than the light scattered near the surface of the target 102, so that it is larger than the rear end of the return pulse light. By starting the shutter at the timing when the slow tail reaches the image pickup apparatus 100, the ratio of information deep inside the living body (scattering component in the brain) contained in the detection signal can be increased. Here, starting the shutter means starting the charge accumulation in the charge accumulation unit 112. If the sensitivity is insufficient in one pulse light measurement, this operation is repeated a plurality of times to amplify the detected light amount by integration. For example, it is repeated hundreds to millions of times.

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。 The light source 106 is composed of, for example, a fluorescent lamp, an LED, an LD, or the like. In order to separate the information deep inside the object 102 from the information near the surface, it is desirable that the rear end of the pulsed light falls sharply, so a light source that emits laser light such as LD may be used. When measuring the degree of oxygenation of the blood flow of the target 102, for example, near-infrared light that can pass through the living body to some extent is used as the light source 106. Further, in order to detect the change in the concentration of oxygenated hemoglobin and deoxygenated hemoglobin, light 104 having two wavelengths may be irradiated. For example, the light source 106 emits light 104 having a wavelength near 750 nm and light 104 having a wavelength near 850 nm. At this time, the photodetector 108 includes a plurality of charge storage units 112 for one photoelectric conversion unit 110, and is configured to store light of two wavelengths in each charge storage unit 112 in a time division manner. You may. By providing a plurality of charge storage units 112, it is possible to acquire a plurality of different information in one frame at substantially the same time. Further, not only the information of different wavelengths but also the information of different polarizations, the information of different intensities or the information of different phase differences can be acquired at the same time. As such a photodetector 108, for example, an image pickup apparatus disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2008-89346 can be used.

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。 The photodetector 108 used in the image pickup apparatus 100 includes a photoelectric conversion unit 110 and a charge storage unit 112. The photodetector 108 may be a photodiode, a photomultiplier tube, a CCD / CMOS type image sensor, a single photon counting type element, or an amplification type image sensor (EMCDD, ICCD).

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。 The waveform (a) in FIG. 2 is a time response waveform of an optical signal reaching the photodetector 108. When the pulse width of the light source 106 is small to some extent, the waveform (a) can be regarded as an optical path length distribution. That is, the longer the optical path length, the later the time when the light reaches the photodetector 108, so that the light is detected at a relatively large t (late time). That is, the time response waveform has a spread according to the optical path length distribution.

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。 The waveform (b) in FIG. 2 shows the shutter timing when the shutter start phase T is t1, t2, t3, and t4 (t1> t2> t3> t4), respectively. The shutter start phase T is a time difference between the emission timing of the pulsed light of the light source 106 and the timing of starting the shutter of the photodetector 108. The graph (c) in FIG. 2 is a diagram in which the horizontal axis is the shutter start phase T and the vertical axis is the detection intensity I of the detected optical signal. As shown in the waveform (b) and the graph (c), the detection intensity I of the detected optical signal 200 increases as the shutter start phase T is advanced. The setting of the shutter start phase T may be adjusted by the light emission start time of the illumination, or may be adjusted by the charge accumulation start time of the sensor.

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。 FIG. 3A shows the density change of the irradiation light 210 with the movement of the object 102. In the case of synchrotron radiation in which the light source 106 has a spread, the illuminance (= light intensity density) decreases as the target 102 moves away from the light source 106. Therefore, when the target 102 moves to a distance r2 farther from the distance r1, the light intensity density of the irradiation light 214 on the target 102 when the target 102 exists at the distance r2 is such that the target 102 exists at the distance r1. It becomes smaller than the light intensity density of the irradiation light 212 on the target 102 at the time of

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。 On the other hand, FIG. 3B is a diagram showing a time delay of the return light 220 with respect to the same movement of the object 102 as in FIG. 3A. When the target 102 moves from the distance r1 to the distance r2, the flight distance of the light that reaches the target 102 from the light source 106 and returns to the light source 106 again is that the return light 224 when the target 102 exists at the distance r2 has a distance r1. It is longer than the return light 222 when the target 102 is present in. Therefore, the return light 224 arrives at the photodetector 108 later than the return light 222. That is, when the shutter is started at a constant timing after emitting light from the light source 106, the amount of detected light increases as the target 102 moves from the distance r1 to the distance r2. In FIG. 3B, the rectangular frame represents the period during which the shutter is open.

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。 Both the phenomena shown in FIGS. 3A and 3B cause an error in the detection signal with respect to the movement of the target 102, but have a negative correlation. That is, since the phenomenon shown in FIGS. 3A and 3B is an error factor contradictory to the movement of the target 102, FIGS. 3A and 3B due to the movement of the target 102 by controlling the shutter timing so as to cancel each other out of this phenomenon. The influence of the phenomenon shown in 3B can be offset.

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Iillは次式で表される。

Figure 0006793352
Since the illuminance of the irradiation light 210 from the light source 106 on the target 102 is inversely proportional to the square of the distance between the light source 106 and the target 102, the detected optical signal intensity is also the square of the distance between the light source 106 and the target 102. Is inversely proportional to. Assuming that the light signal intensity detected when the distance 1 (initial distance) between the light source 106 and the target 102 is r 1 is I 1 , the light signal detected when the distance between the light source 106 and the target 102 is r 1 The intensity I ill is expressed by the following equation.
Figure 0006793352

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ΔIillは、

Figure 0006793352
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、ΔIillは初期距離r1に反比例する。 Therefore, the amount of change in the optical signal ΔI ill detected due to the change in the illuminance of the irradiation light 210 on the object 102 is
Figure 0006793352
It can be expressed as. Here, Δr is the amount of movement in the z direction (light source 106-target 102 direction). That is, ΔI ill is inversely proportional to the initial distance r 1 .

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Idisは次式で表される。

Figure 0006793352
On the other hand, the amount of change in the detected light signal due to the change in the flight distance of the return light 220 from the target 102 depends on the time response waveform of the return light 220 reaching the photodetector 108. Since it is known that when light passes through a scattering medium such as a living body, a time response of exponential intensity is observed according to Lambertbert's equation, it is a function of the flight time (shutter start phase) t of the return light 220. The detected optical signal intensity I dis is expressed by the following equation.
Figure 0006793352

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。 Here, t 1 is the initial phase, and α is the absorption coefficient / scattering coefficient of the object 102 and the attenuation coefficient of the detection intensity of the return light, which depends on the dullness of the pulsed light emitted by the light source 106. For example, it is a coefficient when the waveform of the graph (c) of FIG. 2 is expressed by an exponential function.

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ΔIdisは、

Figure 0006793352
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、ΔIdis
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。 The amount of change in the detected light signal ΔI dis due to the change in the flight distance of the return light 220 from the target 102 is
Figure 0006793352
It can be expressed as. Here, Δt = −2Δr / c and c are the speed of light. From Equation 4, ΔI dis
It can be seen that is proportional to the slope of the phase change of the optical signal detection intensity (the slope of the graph (c) of FIG. 2).

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、

Figure 0006793352
となる位相を初期位相とすればよい。すなわち、
Figure 0006793352
を実現する位相位置である。 Therefore, in order to suppress the change in the detected optical signal with respect to the movement of the target 102,
Figure 0006793352
The initial phase may be set as the initial phase. That is,
Figure 0006793352
Is the phase position that realizes.

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。ΔIill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、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。 FIG. 4A shows the relationship between the shutter start phase T and the detected optical signal change amount ΔI with respect to the movement of the target 102. ΔI ill is the absolute value of the detected change in the optical signal due to the change in the illuminance of the irradiation light 210 on the target 102, and ΔI dis is the change in the detected light signal due to the change in the flight distance of the return light 220 from the target 102. It is an absolute value. For example, if the shutter start phase is too late (for example, it corresponds to t = t1 in the graph (c) of FIG. 2), the detected light is at a position where the change in the amount of light away from the rear end of the return light 220 is small, so that ΔI ill > ΔI dis . Further, when the shutter start phase is too early (for example, corresponding to t = t4 in the graph (c) of FIG. 2), the detected light is at a position where the change in the amount of light away from the rear end of the return light 220 is small, so that ΔI ill <ΔI dis .

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。 FIG. 4B is a diagram showing the relationship between the movement amount Δr of the target 102 and the detection intensity I of the detected optical signal. By appropriately setting the shutter start phase, the detected optical signal intensity can be kept constant even if the target 102 moves. Specifically, when the target 102 is measured in the initial phase satisfying the formula 5 or the formula 6, the optical signal intensity obtained when the distance from the light source 106 to the target 102 is r1 (first value) and the light source 106 It is equal to the optical signal intensity obtained when the distance to the target 102 is r2 (second value). Therefore, the electric signal output from the photodetector 108 is also equal at the distance L1 and at the distance r2.

[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。
[Initial phase setting]
The initial phase can be set by calibration or by using a table prepared in advance. The calibration method can be further classified into a passive method and an active method. In the passive method, the target 102 is moved away from the light source 106, or if the target 102 is a person, it is instructed to do so. If the detected light amount decreases, the shutter start phase is advanced, and if it increases, the shutter start phase is decreased. .. This operation is efficiently repeated using Newton's method, dichotomy, or the like, and calibration is complete when there is no change in the amount of light. The same applies when the object 102 is brought closer to the light source 106. In the active method, the target 102 is freely moved (moved), and the direction of the movement is detected by distance measurement on the device side to determine whether the object 102 is moving away or approaching, and is matched with the increase or decrease in the amount of detected light. To determine the shutter start phase. The distance measurement can be realized by using the pulsed light of the imaging device and driving the TOF (Time of flight) mode by the control circuit 114, or by separately providing a distance measuring device such as a stereo ranging camera.

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。 In the case of the method using a table prepared in advance, the relationship between the distance between the light source 106 and the target 102 and the optimum shutter start phase is tabulated in advance according to the optical characteristics of the target 102 and the waveform of the return light 220, and the target It is uniquely determined by referring to the table by measuring the distance to 102. According to this method, it is not necessary to perform calibration in advance.

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。 When there are a plurality of measurement targets, if the materials and optical characteristics of the target 102 are similar, the initial phase may be determined by one of the target 102, and the other targets may follow it. On the other hand, when the material of the target 102 changes significantly, that is, when the scattering coefficient and the absorption coefficient are significantly different, the phase change of the optical signal intensity (the inclination change of the rear end of the return light 220) is also different. The initial phase may be determined.

[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。

Figure 0006793352
[Allowable movement range]
Next, consider the allowable range of movement that can be corrected. If the amount of change in the detected signal due to movement is smaller than the amount of signal change to be detected (for example, the reaction of blood flow change due to a task from a calm state), the S / N ratio with respect to movement is 1 or more, and it can be said that measurement is possible. If the amount of signal change to be detected is set to ΔI task , the relationship of the following equation can be obtained under the condition that the S / N ratio is 1 or more.
Figure 0006793352

数式2、数式4では、ΔIill、ΔIdis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。 In Equations 2 and 4, since both ΔI ill and ΔI dis are derived from the differential values, the applicable range is limited to the movement in the range where the linear approximation holds, but in order to obtain the margin of error, it is accurate again from Equations 1 and 3. calculate.

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ΔIillは、

Figure 0006793352
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ΔIdisは、次式で示される。
Figure 0006793352
Assuming that the distance between the light source 106 and the target 102 changes from the initial distance r 1 to r 2 , the amount of change in the optical signal ΔI ill detected due to the change in the illuminance of the irradiation light 210 on the target 102 is determined from Equation 1.
Figure 0006793352
Is expressed. On the other hand, the amount of change in the detected light signal ΔI dis due to the change in the flight distance of the return light 220 from the target 102 is expressed by the following equation.
Figure 0006793352

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

Figure 0006793352
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。
Figure 0006793352
Assuming that the signal change amount ΔI task to be detected is k times the initial detected optical signal intensity I 1
Figure 0006793352
Will be. Therefore, by substituting Equations 8 and 9 into Equation 7, the following equation is obtained.
Figure 0006793352

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。 If Δr is in the range satisfying Equation 11, the S / N ratio exceeds 1 and it can be said that motion correction is effective. That is, when the target 102 is measured at two distances r1 and r2 in which the distances from the light source 106 to the target 102 are different from each other using the initial phase satisfying the formula 5 or the formula 6, the difference Δr between r1 and r2 is the formula 11. If the above conditions are satisfied, the amount of change in the signal to be detected obtained from the target 102 becomes larger than the amount of change in the detection signal due to the movement of the target 102, and effective measurement can be performed.

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。 In an experimental study by the inventor of the present application, the attenuation coefficient α of the return light when the rectangular pulse light was irradiated from the light source 106 toward the living body was 1.5 [1 / ns]. For example, assuming that the initial distance r 1 is 16 cm, the ratio k of the amount of signal change to the task is 0.1, and the speed of light c is 300000000 m / s, the permissible range of motion Δr that can be corrected is ± 3.3 cm. The relationship between the initial distance r1 and the allowable movement range Δrb is shown below. As r1, it was set to 5 to 100 cm, which is a general measurement range.

Figure 0006793352
Figure 0006793352

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。 Within the range of Table 1, a desired signal change can be detected with respect to the movement of the target 102. For example, if the difference between the distance 1 and the distance 2 in FIG. 3A is in the range of Δrb / 2 (= Δra) or more and Δrb or less, which is half of the limit value, and the light detection intensities of the distance 1 and the distance 2 are compared, S / N Can be confirmed to be 1 or more.

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。 If the target 102 moves significantly beyond the range of Equation 11 or Table 1, the initial value may be reset. Whether or not the movement exceeds the permissible range is determined by using the image pickup device 100 capable of TOF, measuring the distance to the target 102 by the TOF periodically during the measurement period, and providing a separate distance detection mechanism such as stereo distance measurement. It can be realized by doing something like that. When resetting the initial value, the measurement may be continued with a new initial value, or when the target 102 is a person, the measurement may be restarted from the beginning or prompted.

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。 When the internal scattering in the target 102 is small and an optical signal near the surface of the target 102 is detected, the rear end of the pulsed light generated from the light source 106 may be blunted in advance as shown in the waveform (a) of FIG. , It is effective for correcting the movement of the target 102. If it is blunted in advance, it can be used for adjusting the amount of increase / decrease in the detection signal due to the time delay of the optical signal due to the movement of the target even if the time delay due to scattering occurs in the target 102.

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。 Although the present embodiment is correction of movement in the z direction, correction of x, y shift, pan, and tilt of the target 102 may also be combined. For these movements, motion tracking using a camera image, acceleration measurement provided on the target 102, or the like may be used. If the camera image is also used as the image of the image pickup apparatus 100, the number of sensing devices can be reduced. Three-dimensional motion correction of the target 102 becomes possible by matrix operation from the detected motion vector. The z direction may also be combined with the correction in motion tracking. In this case as well, optimizing the initial phase position of the present application in advance is effective because the load of motion tracking correction can be reduced.

(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。
(Embodiment 2)
The imaging device of the present embodiment is different from the imaging device of the first embodiment in that it further includes a diffusion angle adjusting mechanism 116 for adjusting the emission angle of the light emitted from the light source 106. Here, detailed description of the same contents as in the first embodiment in the present embodiment will be omitted.

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。 FIG. 5A shows the relationship between the diffusion angle of the light source and the density change of the irradiation light 210. The diffusion angle adjusting mechanism 116 adjusts the spreading angle of the irradiation light 210 emitted by the light source 106. For example, it is formed of a diffuser plate and an optical lens. Comparing the cases where the target 102 exists at the positions A and B, the amount of change in illuminance due to movement is inversely proportional to the distance from the light source as shown in Equation 2, so even if the amount of movement is the same, the amount of change at position A The detected change in optical signal intensity is smaller than that of position B. Therefore, as shown in FIG. 5C, at position A, the position where the slope of the phase change of the optical signal detection intensity is relatively small is the optimum phase T2, and at position B, the position where the slope is relatively large is the optimum phase T1.

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。 However, the optical signal 200 includes light having a long optical path length at the latest time, for example, t = t1, and light having a shorter optical path length toward the earlier time t = t4. Therefore, the later the shutter is disclosed, the greater the proportion of information in the deep part of the target 102 included in the optical signal 200. Therefore, in order to match the position where the ratio of the cerebral blood flow component is high with the optimum phase position of the motion correction, the diffusion angle of the light source may be adjusted by using the diffusion angle adjusting mechanism 116 as shown in FIG. 5B. .. In the case of FIG. 5B, since the spread angle is smaller than that in FIG. 5A, the change in illuminance due to the movement of the target 102 is small even at the position B. That is, the optimum phase at position B can be made the same as the optimum phase T2 at position A in FIG. 5A (FIG. 5C). The diffusion angle adjusting mechanism 116 may include a zoom lens mechanism. This is because the distance of the target 102 can be monitored and appropriately adjusted in real time according to the distance. Further, if the shutter start phase is too late, the absolute amount of light decreases and the S / N ratio decreases. In this case, it is preferable to increase the spreading angle of the diffusion angle adjusting mechanism 116 to advance the optimum phase position.

(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。
(Embodiment 3)
The image pickup apparatus of the present embodiment is different from the image pickup apparatus of the first embodiment in that the pattern projection unit 118 is provided on the exit surface of the light source 106. Here, detailed description of the same contents as in the first embodiment in the present embodiment will be omitted.

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。 6A and 6B are diagrams showing an example of an irradiation pattern formed by the pattern projection unit 118. In the imaging devices of embodiments 1 and 2, the light source 106 projects uniform illumination light. On the other hand, in the present embodiment, the light emitted from the light source 106 is converted into light having a ring-shaped pattern by the pattern projection unit 118 and projected from the pattern projection unit 118. The light signal detection location in the projected irradiation pattern is inside the ring, for example, in the center of the ring. The ring-shaped pattern may have the same ring width or may have different widths depending on the distance. FIG. 6B shows an example of projecting a dot-shaped pattern of light from the pattern projection unit 118. The optical signal detection points are between the dots. The dot-shaped pattern may have the same dot diameter, or may have different diameters depending on the distance.

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。 The pattern projection unit 118 includes a diffuser, a diffuser, an optical lens, a light-shielding plate, etc., and is converted into a desired pattern of light by blocking, converging, or reflecting a part of the light emitted from the light source 106. ..

(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。
(Embodiment 4)
The image pickup apparatus of this embodiment is different from the image pickup apparatus of this embodiment in that it has an arithmetic processing unit 120. Here, detailed description of the same contents as in the first embodiment in the present embodiment will be omitted.

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、ΔIdisがΔIill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。 The arithmetic processing unit 120 performs a process of removing an offset component from the signal obtained by the photodetector 108. The offset component is a constant noise component included regardless of the phase at which the shutter is started when the return light 220 is detected. The offset component is generated, for example, by leaking a part of the photoelectrically converted charge to the charge storage unit 112 even when the charge accumulation from the photoelectric conversion unit 110 to the charge storage unit 112 is stopped. It also contains components that pass through the gaps of the light-shielding film that blocks light so as to cover the charge storage unit 112. When a large offset component is generated, ΔI dis is significantly reduced as compared with ΔI ill , so that the optimum phase position is largely shifted or the optimum phase position does not exist. Therefore, the arithmetic processing unit 120 separately estimates the offset component and performs the processing of subtracting it by the arithmetic processing.

(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。
(Embodiment 5)
The image pickup apparatus of this embodiment satisfies a conditional expression having a diffusion angle of the irradiation light 210. Here, detailed description of the same contents as in the first embodiment in the present embodiment will be omitted.

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ΔIdis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。 FIG. 7 is a diagram showing the relationship between the shutter start phase and the amount of change in the detected light signal due to fluctuations in the flight distance of light. The horizontal axis of FIG. 7 represents the shutter start phase, and the vertical axis represents the amount of change in the detected optical signal ΔI dis due to the fluctuation of the flight distance of light. The variation in the flight distance of the light corresponds to the variation in the arrival time of the light to the image pickup apparatus 100. As shown in FIG. 7, when the rectangular pulsed light is emitted from the light source 106, the amount of change ΔI dis of the detected light signal due to the fluctuation of the flight distance of the light is constant even if the shutter is started before the rear end of the rectangular pulsed light. .. Further, as shown in FIG. 7, when the shutter start phase is after the rear end of the rectangular pulse light, the detected light signal change amount ΔI dis due to the flight distance variation of the light decreases as the shutter start phase increases. Therefore, there is an upper limit to the amount of change in the detected optical signal ΔI dis due to the variation in the flight distance of light.

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ΔIdis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。 Further, when the shutter start phase is after the start of decrease of the detected light signal change amount ΔI dis due to the fluctuation of the flight distance of the light at the rear end of the pulsed light, the image pickup apparatus 100 effectively acquires the internal scattering information of the target 102. Can be done. From the above, by canceling the detected light signal change amount ΔI ill caused by the illuminance change of the irradiation light 210 with the detected light signal change amount ΔI dis due to the fluctuation of the flight distance of the light, the change in the detected light amount due to the movement of the target 102 In the case of reducing the amount of light , the imaging device of the present embodiment at least satisfies the condition that ΔI ill ≤ ΔI dis .

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ΔIill≦ΔIdisは、

Figure 0006793352
となる。ただし、cは光速である。 FIG. 8 is a diagram showing the relationship between the diffusion angle θ of the irradiation light 210 irradiated from the light source 106 to the target 102 and the distance to the target 102 in the image pickup apparatus 100 of the present embodiment. The light source 106 includes a diffuser plate 300. If the diameter of the spot on the diffuser plate 300 of the irradiation light 210 is defined as d [mm] and the distance from the diffuser plate 300 to the target 102 is defined as R [mm], the above condition ΔI ill ≤ ΔI dis is satisfied .
Figure 0006793352
Will be. However, c is the speed of light.

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。
Here, alpha = 2.7 as a result of measurement in vivo [1 / ns], the speed of light c = 3 × 10 8 [m ], by substituting an average motion levels of human is 10 [mm] as Δr , Formula 13 is derived.
(Number 13)
81.5 ≦ R + d / (2tanθ) (Number 13)

However, R, d, θ> 0.

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ΔIillを光の飛行距離変動による検出光信号変化量ΔIdisで打ち消すことができる解が存在する。 Here, Δr = 10 [mm] was substituted as the minute distance variation, which corresponds to the amount of variation when the person consciously stands still. If this condition is satisfied, there is a solution at the rear end of the pulsed light that can cancel the detected light signal change amount ΔI ill caused by the illuminance change of the irradiation light 210 with the detected light signal change amount ΔI dis due to the flight distance change of the light. To do.

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。 FIG. 9 shows an example of the value obtained by subtracting the right side from the left side of the formula 13. Here, d = 5 mm, and the value when the distance R from the diffuser plate 300 to the target 102 and the diffusion angle θ of the irradiation light 210 are used as parameters is calculated. If the value in the table is negative, it means that the formula 13 is not satisfied. With reference to FIG. 9, for example, when the distance R to the target 102 is 50 mm, it can be seen that the equation 13 is satisfied if the diffusion angle θΘ of the irradiation light Ii is 4 ° or less.

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。 The imaging device in the present disclosure is useful for a camera or a measuring device that acquires internal information of a measurement target in a non-contact manner. It can be applied to biomedical sensing, material analysis, food analysis, and in-vehicle sensing systems.

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
100 Imaging device 102 Target 104 Light 106 Light source 108 Photodetector 110 Photoelectric conversion unit 112 Charge storage unit 114 Control circuit 200 Optical signal 210, 212, 214 Irradiation light 220, 222, 224 Return light 116 Diffusion angle adjustment mechanism 118 Pattern projection unit 120 Arithmetic processing unit 300 Diffusing plate

Claims (4)

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)
A light source that includes a diffuser and emits pulsed light that spreads at a diffusion angle greater than 0 degrees toward the target.
A photodetector that includes a photoelectric conversion unit that receives light from the object and converts it into an electric charge, and a charge storage unit that stores the electric charge, and outputs an electric signal when the electric charge is read out.
A control circuit that controls the light source and the photodetector,
With
The control circuit causes the light source to start emitting the pulsed light, and after a lapse of a predetermined time, starts the accumulation of the charge in the charge storage unit, whereby the inside of the target among the light from the target. The charge corresponding to the component scattered in is accumulated in the charge storage unit,
Assuming that the distance from the diffusion plate to the object is R (mm), the diffusion angle is θ (degrees), and the spot size of the pulsed light on the diffusion plate is d (mm), the following equation holds. ..
81.5 ≦ R + d / (2tanθ)
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。
A diffusion angle adjusting mechanism for adjusting the diffusion angle is further provided.
The imaging device according to claim 1.
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。
A pattern projection unit that converts the pulsed light into light having a desired pattern is further provided.
The imaging device according to claim 1.
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。
The control circuit removes a predetermined offset component from the electrical signal.
The imaging device according to claim 1.
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