JP7065421B2 - 撮像装置および対象物の内部の情報を取得する方法 - Google Patents
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Description
対象物に照射される、1つまたはそれ以上のパルス光を出射する光源と、
前記対象物から戻った1つまたはそれ以上の反射パルス光を検出する光検出器と、を備える。
前記1つまたはそれ以上の反射パルス光の強度が増加を開始してから増加が終了するまでの期間である立ち上がり期間の少なくとも一部を含む第1期間において、前記1つまたはそれ以上の反射パルス光を検出し、
前記強度が減少を開始してから減少が終了するまでの期間である立ち下がり期間の開始よりも後であって、前記立ち下がり期間の一部を含む第2期間において、前記1つまたはそれ以上の反射パルス光を検出する。
本開示の実施形態を説明する前に、本開示の基礎となった知見を説明する。
本開示の項目1に係る撮像装置は、
対象物に照射される、1つまたはそれ以上のパルス光を出射する光源と、
前記対象物から戻った1つまたはそれ以上の反射パルス光を検出する光検出器と、を備える。
前記1つまたはそれ以上の反射パルス光の強度が増加を開始してから増加が終了するまでの期間である立ち上がり期間の少なくとも一部を含む第1期間において、前記1つまたはそれ以上の反射パルス光を検出し、
前記強度が減少を開始してから減少が終了するまでの期間である立ち下がり期間の開始よりも後であって、前記立ち下がり期間の一部を含む第2期間において、前記1つまたはそれ以上の反射パルス光を検出する。
項目1に記載の撮像装置において、
前記光検出器は、複数の画素を含むイメージセンサであり、
前記複数の画素の各々は、
前記対象物から戻った光を信号電荷に変換する光電変換部と、
前記信号電荷を蓄積する電荷蓄積部と、を含み、
前記イメージセンサは、
前記第1期間において、前記電荷蓄積部で前記信号電荷を蓄積し、
前記第2期間において、前記電荷蓄積部で前記信号電荷を蓄積してもよい。
項目2に記載の撮像装置において、
前記イメージセンサは、
前記立ち上がり期間と前記立ち下がり期間との間の第3期間において、前記電荷蓄積部で前記信号電荷を蓄積しなくてもよい。
項目2または3に記載の撮像装置において、
前記イメージセンサは、複数のフレーム期間のそれぞれにおいて、前記電荷蓄積部に蓄積された前記信号電荷を基に、1つのフレームの前記対象物の画像を取得し、
前記第1期間および前記第2期間は、それぞれ、前記複数のフレーム期間の内の異なるフレーム期間に含まれていてもよい。
項目2から4のいずれかに記載の撮像装置において、
前記複数の画素の各々は、第1の電荷蓄積部および第2の電荷蓄積部を含み、前記第1の電荷蓄積部および前記第2の電荷蓄積部の各々は、前記電荷蓄積部であり、
前記イメージセンサは、
前記第1期間において、前記第1の電荷蓄積部で前記信号電荷を蓄積し、
前記第2期間において、前記第2の電荷蓄積部で前記信号電荷を蓄積してもよい。
項目5に記載の撮像装置において、
前記イメージセンサは、複数のフレーム期間のそれぞれにおいて、前記電荷蓄積部に蓄積された前記信号電荷を基に、1つのフレームの前記対象物の画像を取得し、
前記第1期間および前記第2期間は、前記複数のフレーム期間の内の同一のフレーム期間に含まれていてもよい。
項目2に記載の撮像装置において、
前記1つまたはそれ以上の反射パルス光は、第1の反射パルス光と第2の反射パルス光とを含み、
前記イメージセンサは、
前記第1の反射パルス光の前記第1期間において、前記電荷蓄積部で前記信号電荷を蓄積し、
前記第2の反射パルス光の前記第2期間において、前記電荷蓄積部で前記信号電荷を蓄積してもよい。
項目2から6のいずれかに記載の撮像装置において、
前記1つまたはそれ以上の反射パルス光は、複数の反射パルス光を含み、
前記イメージセンサは、
複数の第1期間において、前記電荷蓄積部で前記信号電荷を蓄積し、
複数の第2期間において、前記電荷蓄積部で前記信号電荷を蓄積し、
前記複数の第1期間の数は、前記複数の第2期間の数よりも少なくてもよい。
本実施形態の撮像装置は、対象物として、生体等の光散乱体を対象としている。より具体的には、本実施形態の撮像装置は、観測すべき被検者の表皮と脳内の血流変化量の分布と、その時間変化とを検出する。これにより、当該分布を示す、静止画像または動画像の2次元画像を生成することができる。当該画像の情報を利用することにより、例えば、被検者の脳活動(例えば、集中度または感情等)を推定することができる。本実施形態の撮像装置は、上記のような生体情報を非接触で検出することができるため、検出に伴う煩わしさを解消することができるため、従来技術と比較して脳血流情報の検出精度を大きく向上させることができる。以下、このような高精度の検出を可能とする本実施形態の撮像装置の構成および動作を説明する。
図4は、本実施形態における撮像装置101の構成を模式的に示す図である。図4には、撮像装置101だけでなく、検出対象である対象物102(人体頭部)も示されている。本実施形態の撮像装置101は、概略的には、図1に示す検討例における撮像装置101と同じ構成を有する。
本実施形態における第1の光源103は、中心波長が750nmの狭帯域のパルス光を出射するレーザーパルス光源である。第1の光源103は、後述するように、制御回路114によって決定された所定のパターンでパルス光を繰り返し出射する。第1の光源103が出射するパルス光は、例えば、立ち上り時間である立ち上りを開始してから完全に立ち上がるまでの時間と、立ち下り時間である立ち下りを開始してから完全に立ち下るまでの時間がゼロに近い矩形波状の光であり得る。第1の光源103は、パルス光の立ち上り部分と立ち下り部分が時間軸に対して垂直に近い(即ち、時間応答特性が急進な)レーザーダイオード(LD)などの光源であり得る。第1の光源103には、例えば半導体レーザ、固体レーザ、ファイバレーザなどの、パルス光を発する任意の種類の光源が用いられ得る。
本実施形態における光学系111は、イメージセンサ113に光を効率よく結像するためのものであり、複数枚数を組み合わせたものであってもよく、一枚のレンズであってもよい。また、テレセントリックな光学系であってもよい。対象物の画角を調節するために魚眼レンズや広角レンズを用いたり、ズームレンズを用いたりしても良い。また、明るさを調節するために、レンズの前後又は途中に瞳を設けても良い。
イメージセンサ113は、第1の光源103から出射され対象物102で反射された光を受光する。イメージセンサ113は、撮像面上に2次元に配列された複数の画素を有し、対象物102の内部の2次元情報を取得する。イメージセンサ113は、例えば、CCDイメージセンサまたはCMOSイメージセンサであり得る。
制御回路114は、例えば、マイクロプロセッサおよびメモリの組み合わせ、またはプロセッサおよびメモリを内蔵するマイクロコントローラ等の集積回路であり得る。制御回路114は、例えばプロセッサがメモリに記録された制御プログラムを実行することにより、第1の光源103への点灯指示、イメージセンサ113への撮像指示、および信号処理回路115への演算指示等を行う。制御回路114からの指示に基づいて、イメージセンサ113における制御回路414は、各画素における信号電荷の蓄積および排出を制御する。
次に、本実施形態の撮像装置101の動作について図7Aおよび7Bを用いて説明する。
イメージセンサ113から信号処理回路115に送られた、フレーム毎に蓄積された立ち上り成分の信号には主に皮膚の血流変化の情報が含まれ、立ち下がり成分の信号には皮膚と脳の血流変化の情報が含まれる。そのため、脳の血流変化の情報のみを抽出するには、これらの信号を用いて、皮膚の血流変化の情報と脳の血流変化の情報とを分離すればよい。
次に、本開示の実施形態2における撮像装置201を説明する。本実施形態は、それぞれ互いに異なる波長のパルス光を出射する2つの光源を用いる点が実施形態1と異なっている。実施形態2における撮像装置201を用いて、血流のヘモグロビン情報を求める例について説明する。以下、実施形態1と異なる点を中心に説明する。
(1)第1のフレーム期間において、第1の光源103にパルス光を出射させる。
(2)第1の光源103から出射されたパルス光のうち、主に対象物102の表面で反射された表面反射成分I1がイメージセンサ113に入射している期間である立ち上がり期間の少なくとも一部を含む期間に、イメージセンサ113の浮遊拡散層404に信号電荷を蓄積させる状態であって、かつ信号電荷が排出されない状態にして、信号電荷を浮遊拡散層404に蓄積させる。
(3)第2のフレーム期間において、第1の光源103にパルス光を出射させる。
(4)第1の光源103から出射されたパルス光のうち、表面反射成分I1の後端がイメージセンサ113に入射した後、主に対象物102の内部で散乱されて戻ってきた内部散乱成分I2がイメージセンサ113に入射している期間に、イメージセンサ113の浮遊拡散層404に信号電荷を蓄積させる状態であって、かつ信号電荷が排出されない状態にして、浮遊拡散層404に信号電荷を蓄積させる。
(5)第3のフレーム期間において、第2の光源203にパルス光を出射させる。
(6)第2の光源203から出射されたパルス光のうち、主に対象物102の表面で反射された表面反射成分I1がイメージセンサ113に入射している期間である立ち上がり期間の少なくとも一部を含む期間に、イメージセンサ113の浮遊拡散層404に信号電荷を蓄積させる状態であって、かつ信号電荷が排出されない状態にして、信号電荷を浮遊拡散層404に蓄積させる。
(7)第4のフレーム期間において、第2の光源203にパルス光を出射させる。
(8)第2の光源203から出射されたパルス光のうち、表面反射成分I1の後端がイメージセンサ113に入射した後、対象物102の内部で散乱されて戻ってきた内部散乱成分I2がイメージセンサ113に入射している期間に、イメージセンサ113の浮遊拡散層404に信号電荷を蓄積させる状態であって、かつ信号電荷が排出されない状態にして、浮遊拡散層404に信号電荷を蓄積させる。
次に、本開示の実施形態3における撮像装置201を説明する。本実施形態は、一つの画素に含まれる電荷蓄積部を複数設けることで、1つのフレーム期間中に複数の波長の反射光を検出する点、または1つのフレーム期間中に立ち上がり成分と立ち下がり成分を検出できる点が実施形態1及び実施形態2と異なっている。以下、実施形態1および2と異なる点を中心に説明する。
(1)第1のフレーム期間において、第1の光源103にパルス光を出射させ、次に第2の光源203にパルス光を出射させる。
(2)第1の光源103から出射されたパルス光のうち、対象物102の表面で反射された表面反射成分I1がイメージセンサ113に入射している期間である立ち上がり期間の少なくとも一部を含む期間に、イメージセンサ113の浮遊拡散層404に信号電荷を蓄積させる状態であって、かつ信号電荷が排出されない状態にして、信号電荷を浮遊拡散層404に蓄積させる。次に、第2の光源203から出射されたパルス光のうち、立ち上がり期間の少なくとも一部を含む期間に、イメージセンサ113の浮遊拡散層405に信号電荷を蓄積させる状態であって、かつ信号電荷が排出されない状態にして、信号電荷を浮遊拡散層405に蓄積させる。
(3)第2のフレーム期間において、第1の光源103にパルス光を出射させ、次に第2の光源203にパルス光を出射させる。
(4)第1の光源103から出射されたパルス光のうち、表面反射成分I1の後端がイメージセンサ113に入射した後、対象物102の内部で散乱されて戻ってきた内部散乱成分I2がイメージセンサ113に入射している期間に、イメージセンサ113の浮遊拡散層404に信号電荷を蓄積させる状態であって、かつ信号電荷が排出されない状態にして、信号電荷を浮遊拡散層404に蓄積させる。次に、第2の光源203から出射されたパルス光のうち、表面反射成分I1の後端がイメージセンサ113に入射した後、対象物102の内部で散乱されて戻ってきた内部散乱成分I2がイメージセンサ113に入射している期間に、イメージセンサ113の浮遊拡散層405に信号電荷を蓄積させる状態であって、かつ信号電荷が排出されない状態にして、信号電荷を浮遊拡散層405に蓄積させる。
次に、本開示の実施形態4における撮像装置101を説明する。本実施形態は、浮遊拡散層の制御の高速化により、対象物102により反射されたパルス光の立ち上がり成分と立ち下がり成分とを、第1の光源103により出射されたパルス光とほぼ同じタイミングで取得することができる。実施形態1から3と比べてフレームレートを向上させることができる。
(1)一つのフレーム期間において、第1の光源103にパルス光を出射させる。
(2)第1の光源103から出射されたパルス光のうち、対象物102の表面で反射された表面反射成分I1がイメージセンサ113に入射している期間である立ち上がり期間の少なくとも一部を含む期間に、イメージセンサ113を、浮遊拡散層404に信号電荷を蓄積させる状態であって、かつ信号電荷が排出されない状態にして、信号電荷を浮遊拡散層404に蓄積させる。次に、第1の光源103から出射されたパルス光のうち、表面反射成分I1の後端がイメージセンサ113に入射した後、対象物102の内部で散乱されて戻ってきた内部散乱成分I2がイメージセンサ113に入射している期間に、イメージセンサ113を、浮遊拡散層405に信号電荷を蓄積させる状態であって、かつ信号電荷が排出されない状態にして、信号電荷を浮遊拡散層405に蓄積させる。
(3)(2)を1フレーム内で繰り返す。
(4)信号処理回路115は、浮遊拡散層404に蓄積された信号から、立ち上り成分での血流変化量を算出し、浮遊拡散層405に蓄積された信号から、立ち下がり成分での血流変化量を算出し、画像演算により、皮膚血流と脳血流の血流変化量の分布を求める。
102 対象物
103 第1の光源
203 第2の光源
113 イメージセンサ
114 制御回路
401 画素
402 ドレイン
403 フォトダイオード
404 浮遊拡散層
414 制御回路
Claims (8)
- 対象物に照射される、1つまたはそれ以上のパルス光を出射する光源と、
前記対象物から戻った1つまたはそれ以上の反射パルス光を検出する複数の画素を含むイメージセンサと、を備え、
前記複数の画素の各々は、
前記対象物から戻った光を信号電荷に変換する光電変換部と、
第1の電荷蓄積部および第2の電荷蓄積部と、を含み、
前記イメージセンサは、
前記1つまたはそれ以上の反射パルス光の強度が増加を開始してから増加が終了するまでの期間である立ち上がり期間の少なくとも一部を含む第1期間において、前記第1の電荷蓄積部で前記信号電荷を蓄積し、
前記強度が減少を開始してから減少が終了するまでの期間である立ち下がり期間の開始よりも後であって、前記立ち下がり期間の一部を含む第2期間において、前記第2の電荷蓄積部で前記信号電荷を蓄積する、
撮像装置。 - 前記イメージセンサは、
前記立ち上がり期間と前記立ち下がり期間との間の第3期間において、前記第1の電荷蓄積部および前記第2の電荷蓄積部で前記信号電荷を蓄積しない、
請求項1に記載の撮像装置。 - 前記イメージセンサは、複数のフレーム期間のそれぞれにおいて、前記第1の電荷蓄積部または前記第2の電荷蓄積部に蓄積された前記信号電荷を基に、1つのフレームの前記対象物の画像を取得し、
前記第1期間および前記第2期間は、それぞれ、前記複数のフレーム期間の内の異なるフレーム期間に含まれる、
請求項1または2に記載の撮像装置。 - 前記イメージセンサは、複数のフレーム期間のそれぞれにおいて、前記第1の電荷蓄積部または前記第2の電荷蓄積部に蓄積された前記信号電荷を基に、1つのフレームの前記対象物の画像を取得し、
前記第1期間および前記第2期間は、前記複数のフレーム期間の内の同一のフレーム期間に含まれる、
請求項1または2に記載の撮像装置。 - 前記1つまたはそれ以上の反射パルス光は、第1の反射パルス光と第2の反射パルス光とを含み、
前記イメージセンサは、
前記第1の反射パルス光の前記第1期間において、前記第1の電荷蓄積部で前記信号電荷を蓄積し、
前記第2の反射パルス光の前記第2期間において、前記第2の電荷蓄積部で前記信号電荷を蓄積する、
請求項1から4のいずれか1項に記載の撮像装置。 - 前記1つまたはそれ以上の反射パルス光は、複数の反射パルス光を含み、
前記イメージセンサは、
複数の第1期間において、前記第1の電荷蓄積部で前記信号電荷を蓄積し、
複数の第2期間において、前記第2の電荷蓄積部で前記信号電荷を蓄積し、
前記複数の第1期間の数は、前記複数の第2期間の数よりも少ない、
請求項1から4のいずれか1項に記載の撮像装置。 - 前記対象物は生体であり、
前記第2期間において蓄積された前記信号電荷に基づいて、前記生体の脳血流の時間変化を示すデータを生成する処理回路と、をさらに備える、
請求項1から6のいずれかに記載の撮像装置。 - 1つまたはそれ以上のパルス光を対象物に照射する工程と、
前記対象物から戻った1つまたはそれ以上の反射パルス光を、複数の画素を含むイメージセンサで検出する工程と、
を含む、対象物の内部の情報を取得する方法であって、
前記複数の画素の各々は、
前記対象物から戻った光を信号電荷に変換する光電変換部と、
第1の電荷蓄積部および第2の電荷蓄積部と、を含み、
前記検出する工程において、前記イメージセンサは、
前記1つまたはそれ以上の反射パルス光の強度が増加を開始してから増加が終了するまでの期間である立ち上がり期間の少なくとも一部を含む第1期間において、前記第1の電荷蓄積部で前記信号電荷を蓄積し、
前記強度が減少を開始してから減少が終了するまでの期間である立ち下がり期間の開始よりも後であって、前記立ち下がり期間の一部を含む第2期間において、前記第2の電荷蓄積部で前記信号電荷を蓄積する、
対象物の内部の情報を取得する方法。
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