WO2017086442A1 - 撮像素子、計測装置および計測方法 - Google Patents

Abstract

撮像素子は、対象物の所定の深さからの光を撮像し、対象物からの光と参照光との干渉光を含む光を光電変換する光電変換部と、光電変換部から出力された信号から、所定の深さに対応する干渉光成分における干渉周波数の信号成分をロックインして検出する弁別部と、を備える。

Description

撮像素子、計測装置および計測方法

　本発明は、撮像素子、計測装置および計測方法に関する。

　光コヒーレンストモグラフィ（Optical Coherence Tomography:ＯＣＴ）と呼ばれる、光の干渉を利用した対象物の内部からの画像計測技術が知られている。ＯＣＴでは、例えば、波長可変光源を用いて干渉可能な光を対象物に照射し、撮像により得られた画素信号から周波数分離することにより、所定の深さの信号成分を取り出すことが行われている。

　特許文献１の光断層画像生成装置では、フーリエ変換を用いて画素信号を周波数分離している。しかし、この方法だと、測定光の発振周波数の時間的変化による一回の掃引で得られる画素信号の信号開始点の位相と、信号終了点の位相が異なる場合、漏れ誤差が生じ、分離したい周波数成分を正確に取り出すことができない。従って、より正確に周波数分離を行うための方法が必要である。

日本国特開第２００９－２７０８７９号

　本発明の第１の態様によると、撮像素子は、対象物の所定の深さからの光を撮像する撮像素子であって、前記対象物からの光と参照光との干渉光を含む光を光電変換する光電変換部と、前記光電変換部から出力された信号から、前記所定の深さに対応する干渉光成分における干渉周波数の信号成分をロックインして検出する弁別部と、を備える。
　本発明の第２の態様によると、第１の態様の撮像素子において、前記撮像素子は、複数の画素を含んで構成され、前記光電変換部は、前記複数の画素のそれぞれに配置され、前記弁別部は、それぞれの前記画素ごとまたは２以上の前記画素からなるブロックごとに配置され、対応する前記画素または前記ブロックの前記光電変換部から出力された前記信号から、前記干渉周波数の信号成分をロックインして検出することが好ましい。
　本発明の第３の態様によると、第１または第２の態様の撮像素子において、前記弁別部は、その一部または全てが前記光電変換部とは異なる層に配置されていることが好ましい。
　本発明の第４の態様によると、第１から第３までのいずれかの態様の撮像素子において、前記撮像素子は、前記光電変換部が光電変換した電荷を一時的に蓄えるフローティングディフュージョン部を備え、前記弁別部は、前記信号を前記フローティングディフュージョン部に転送する転送部と、前記フローティングディフュージョン部に蓄積される電荷を、前記干渉周波数に基づいて定められるサンプリング周波数でサンプリングするサンプリング部と、を備えることが好ましい。
　本発明の第５の態様によると、第４の態様の撮像素子において、前記弁別部は、前記サンプリング部から出力された信号に、前記干渉周波数の参照信号を乗算する乗算部と、前記乗算部から出力された信号から、所定の値以下の低周波数成分および直流成分を分離する第１フィルタリング部と、を備えることが好ましい。
　本発明の第６の態様によると、第４の態様の撮像素子において、前記転送部は、前記干渉周波数に基づいた切替周波数で、オン状態とオフ状態とに切り替わりながら、前記オン状態の時に、前記信号をフローティングディフュージョンに転送し、前記弁別部は、前記サンプリング部から出力された信号から、所定の値以下の低周波数成分および直流成分を分離する第２フィルタリング部を備えることが好ましい。
　本発明の第７の態様によると、第４の態様の撮像素子において、前記撮像素子は、第１の深さからの光および第１の深さより深い第２の深さからの光を含む光と前記参照光との干渉光を撮像し、前記サンプリング部は、第２の深さに対応するサンプリング回数を、第１の深さに対応するサンプリング回数よりも多くすることが好ましい。
　本発明の第８の態様によると、第２の態様の撮像素子において、前記撮像素子は、複数の深さからの光と前記参照光との干渉光を撮像し、前記弁別部は、それぞれの前記画素ごとまたは前記ブロックごとに、前記光電変換部から出力された前記信号から、前記複数の深さに対応する複数の前記干渉光成分における複数の前記干渉周波数の信号成分をロックインして検出することが好ましい。
　本発明の第９の態様によると、第８の態様の撮像素子において、前記弁別部は、それぞれの前記ブロックごとに、前記光電変換部から出力された前記信号から、前記複数の深さに対応する複数の前記干渉光成分における複数の前記干渉周波数の信号成分をロックインして検出し、１つの前記ブロックに含まれる複数の前記画素において、前記干渉周波数はそれぞれ異なることが好ましい。
　本発明の第１０の態様によると、計測装置は、第１から第９までのいずれかの態様の撮像素子と、波長が時間的に変化する波長可変光を生成する波長可変光生成部と、前記波長可変光生成部が生成した波長可変光から、前記参照光と、前記参照光と干渉可能な測定光とを分離し、前記測定光を前記対象物に照射する分離部と、を備える。
　本発明の第１１の態様によると、第１０の態様の計測装置において、前記波長可変光生成部は、近赤外の範囲で波長が時間的に変化する波長可変光を生成することが好ましい。
　本発明の第１２の態様によると、第１０または第１１の態様の計測装置において、前記計測装置は、前記参照光を、第１の偏光成分と、第１の偏光成分に垂直な第２の偏光成分との光に分ける偏光分波部とを備え、前記光電変換部は、前記第１の偏光成分の参照光を光電変換する第１光電変換部と、前記第２の偏光成分の参照光と、前記測定光で照射された前記対象物の前記所定の深さからの反射光との干渉光を含む光を光電変換する第２光電変換部と、を備え、前記弁別部は、前記第１光電変換部から出力された信号に基づいて、前記第２光電変換部から出力された信号のノイズを削減するノイズ削減部を備え、前記第２光電変換部から出力された信号から、前記干渉周波数の信号成分をロックインして検出することが好ましい。
　本発明の第１３の態様によると、計測方法は、干渉可能な光を生成する光生成部と、前記光を分離する分離部と、光電変換部と、前記光電変換部からの信号を処理する処理部とを備える計測システムにより、対象物の所定の深さからの光を計測する計測方法であって、前記光生成部により、波長が時間的に変化する波長可変光を生成し、前記分離部により、前記波長可変光から、参照光と、前記参照光と干渉可能な測定光とを分離し、前記測定光を前記対象物に照射し、前記光電変換部により、前記参照光と、前記測定光で照射された前記対象物の前記所定の深さからの反射光との干渉光を含む光を光電変換し、前記処理部により、前記光電変換部から出力された信号から、前記所定の深さに対応する干渉光成分における干渉周波数の信号成分をロックインして検出することを備える。

一実施形態の計測装置の概略図である。 一実施形態の積層型撮像素子における処理回路の構成を示す概略図である。 ロックインにより特定の周波数成分の強度を取り出す方法を説明する図である。 一実施形態における周波数分離の方法を説明する概念図である。 一実施形態の積層型撮像素子の断面図である。 対象物の所定の深さからの画像を作成する流れを示すフローチャートである。 一実施形態における計測装置の概略図である。 一実施形態の積層型撮像素子における処理回路の構成を示す概略図である。 一実施形態の計測装置の光学系の概略図である。

　以下では、適宜図面を参照しながら、一実施形態の計測装置について説明する。本実施形態の計測装置は、光の干渉を用いて、対象物の所定の深さからの光の情報を取得するものであり、特に、対象物の内部の断層画像を作成するものである。

　図１は、本実施形態の計測装置１の構成を示した概略図である。計測装置１は、発振する光の波長を時間的に変化させ、干渉の起こる周期を基に所定の深さからの光を分離するＳＳ（Swept Source）－ＯＣＴの方法による干渉計測装置である。計測装置１は、発振部１０と、分離部２０と、参照光反射部２１と、光電変換部３０と、画像処理部４０と、制御処理部４１と、表示部５０と、スペイシャルフィルタ（以下、ＳＦと呼ぶ）２６およびレンズ２７－１、２７－２、２７－３、２７－４とを備えて構成される。本実施形態では、光電変換を行う撮像素子（後述の積層型撮像素子１００）が好適に画像処理部４０における画素信号の周波数分離等の処理も行う。
　なお、光電変換部３０で光電変換した信号に対する周波数分離等の処理は、撮像素子の外部に配置した処理装置で行う構成にしてもよい。また、本実施形態では結像光学系において測定光を対象物６に面照射する構成としたが、ポイントセンサ等の場合は、ＳＦ２６およびレンズ２７－１、２７－２、２７－３、２７－４を配置せずに構成することも可能である。

　発振部１０は、周波数領域モード同期レーザー等の、波長を時間的に変化させながら、干渉可能な光を発振する発振装置で構成される。発振部１０は、波長可変光生成部としての役割を担う。好ましくは、発振部１０から出射する光は、可視光からミリ波の範囲の波長域の光であり、これらの波長域の光を用いると、それぞれの波長の光における透過性等の特性を利用して対象物６の内部からの反射光を得ることができる。発振部１０から発振される光は、８００ｎｍ～１３００ｎｍの近赤外光であることがさらに好ましい。これにより、水による光の吸収を避けながら、生体透過性の高い近赤外光による対象物深部の画像を得ることができる。　

　発振部１０は、干渉周期が一定になるように、発振する光の波数が測定時間に対して一定の割合で増加するように波長を変化させる。従って、記載を簡明にするため、以降の記述では、波長ではなく、波長の逆数で定義される波数を用いて説明する。図１中には、発振部１０から発振される波数－時間特性グラフ２０１を示した。波数－時間特性グラフ２０１では、時間ｔに対して波数ｋ（ｔ）が線形の関係にある。発振部１０は、ｔ１からｔ２までのΔｔの時間、波数の値をｋ１からｋ２までΔｋ増加するように掃引する。この掃引を適宜繰り返すことで、関心のある複数の深さに関して、情報を取得することができる。
　なお、適宜画素信号の処理を行い、定量的に周波数分離ができるのであれば、波数と測定時間との関係は任意に設定することができる。

　発振部１０から出射された光は、ＳＦ２６により発散光とされ、レンズ２７－１により集光されて分離部２０に入射する。
　なお、ＳＦ２６ではなく発散レンズを用いて発振部１０から出射した光を発散してもよい。

　分離部２０は、ビームスプリッター等の光学素子で構成され、レンズ２７－１から出射された光を、参照光と測定光との２つに分離し、参照光を参照光反射部２１に向けて出射し、測定光を対象物６に向けて出射する。出射された参照光は、対物レンズ２７－２で集光され、参照光反射部２１に面照射される。出射された測定光は、参照光と同等の対物レンズ２７－３で集光され、対象物６に面照射される。

　参照光反射部２１は、光学用ミラー等で構成され、分離部２０から出射し、対物レンズ２７－２を介して入射した参照光を反射し、再び対物レンズ２７－２を介して分離部２０へと出射する。図１中の曲がった実線矢印は、その面で光が反射されることを示す。
　なお、本実施形態では反射光学系であるマイケルソン干渉系を用いて構成したが、参照光反射部２１を設けず、透過光学系であるマッハツェンダー干渉系を用いて構成してもよい。これにより、多重反射によるゴーストを抑えることができる。

　本実施形態の計測装置１は、対象物６の表面を基準面６１として、測定光の対象物６の複数の深さの面からの反射光を撮像する。例えば、図１中には、対象物６の基準面６１から深さＺ１の測定面６２－１および深さＺ２の測定面６２－２が示されている。
　なお、対象物６の各深さからの情報を面として解析するのではなく、計測装置１をポイントセンサとして、対象物６の内部の測定光の光軸に沿った各点の深さの情報を解析してもよい。また、基準面は対象物６の表面に限定されず、任意に設定してよい。

　対象物６の内部で反射した光は、対物レンズ２７－３を介し分離部２０に入射する。分離部２０は、測定光が対象物６の内部で反射した光と、参照光反射部２１から入射した参照光とを干渉可能に合成し、集光レンズ２７－４を介し光電変換部３０に出射する。集光レンズ２７－４は、参照光と対象物６への測定光との干渉光を光電変換部３０のエリアセンサ上へ結像させるためのレンズであり、対象物６の同一深さからの反射光の干渉光を該エリアセンサに面照射させる。破線矢印の先には、対象物６の深さＺ１と深さＺ２からのそれぞれの光と参照光との干渉光の振幅を計測時間に対して模式的に表したグラフ２０２を示した。グラフ２０２を参照すればわかるように、対象物６の異なる深さＺ１、Ｚ２からのそれぞれの光は、異なる干渉周期の干渉光として計測されることになる。また、通常は、より深い位置からの反射光の方が振幅が小さい。

　光電変換部３０は、フォトダイオード（以下、ＰＤと呼ぶ）等の光電変換素子により構成され、分離部２０から入射した、参照光と、測定光の対象物６による反射光との干渉光を光電変換して信号を画像処理部４０に出力する。本実施形態の光電変換部３０は、撮像素子１００のＰＤにより構成される。後述のように、撮像素子１００は画素毎にＰＤを備え、ＰＤで光電変換された信号が画素毎に配置された処理回路に出力される。また、計測装置１がポイントセンサの場合、光電変換部３０は、１つのＰＤにより構成される。計測装置１がポイントセンサの場合、バランス検出器により測定系のコモンノイズ、及び同相成分の除去により高ＳＮを実現した構成でもよい。

　画像処理部４０は、撮像素子１００の処理回路により構成され、光電変換部３０からの出力信号を周波数分離して所定の深さの信号成分を取り出す。画像処理部４０は、制御処理部４１の制御により弁別部としての役割を担う。出力信号の周波数分離は、出力信号に、所定の深さに対応する周波数の参照信号を乗算するのと等価な処理を行うことで実現される。
　なお、光電変換された信号を処理する処理回路および画像処理部４０は画素毎ではなく、複数の画素からなる画素ブロックごとに配置されていてもよい。また、画像処理部４０は、撮像素子１００の外部に配置してもよい。

　発振部１０が発振する波数がｄｋ変化すると、測定光の対象物６のある深さＺからの反射光と、参照光との位相差はｄθ＝ｄｋ×２×Ｚだけ変化する。従って、参照光と測定光の対象物６からの反射光との干渉光は、位相ｄθが２πの整数倍の回数分明暗を繰り返して振動する。すなわち、ｄｋがπ／Ｚ増加するごとに干渉光が1周期分明暗を繰り返すことになる。本実施形態のように発振部１０が波数と時間とを線形の関係で掃引すれば、干渉周期は深さＺごとに一定となり、また干渉周期は深さに反比例する。以下では、この干渉周期の逆数を干渉周波数と呼ぶ。干渉光を光電変換した信号を周波数分離する際、干渉周波数はロックインにおける参照信号の周波数の役割を果たす。
　以上では、対象物６内部の屈折率を１として説明したが、例えば対象物６内部の屈折率が一様にｎであれば、上述の計算式のＺをｎＺとして計算するなど、対象物６内部の屈折率に応じて適宜実効的な光路長により計算することが望ましい。

　図２は、光電変換された電流信号を、電流電圧変換して出力するための撮像素子１００の電流電圧変換回路３００の構成を示す図である。電流電圧変換回路３００は、弁別部としての役割を担う画像処理部４０の処理回路の一部である。電流電圧変換回路３００は、ＰＤ３０２と、転送ゲート３０３と、フローティングディフュージョン（以下、ＦＤと呼ぶ）３０５と、リセットトランジスタ３０６と、ＶＤＤ３０７と、増幅トランジスタ３０８と、行選択トランジスタ３０９と、垂直信号線３１０とを備える。

　ＰＤ３０２は、参照光と、測定光の対象物６からの反射光との干渉光を光電変換する。光電変換された電荷は、転送部としての役割を担う転送ゲート３０３によりＦＤ３０５に転送される。転送ゲート３０３は、不図示の転送信号線からの制御により、干渉周波数の２倍の周波数でオン状態とオフ状態とが切り替わりながら、オン状態のときに所定のサンプリング周波数に基づいたタイミングで光電変換された電荷をＦＤ３０５に転送する。これにより、転送ゲート３０３は、サンプリング周波数でサンプリングした信号に、干渉周波数の矩形波の信号とを乗算したものと等価な信号を出力することになる。すなわち、転送ゲート３０３は、サンプリング部および乗算部としての役割も担う。

　図３は、ロックインによる周波数分離の概念図である。ロックインにより測定信号から周波数ωの成分を取り出したいときは、参照信号として同じ周波数ωの正弦波を乗算し、直流成分と周波数２ωの成分とに分離した後、ローパスフィルタで直流成分を取り出す。ここで、近似的に参照信号は周波数ωの矩形波でもよい。上述の転送ゲート３０３のオン状態は、矩形波の出力電圧がＡの値の状態に相当し、オフ状態は、矩形波の出力電圧が０の値の状態に相当する。

ＦＤ３０５に転送された電荷は、増幅トランジスタ３０８により電圧信号として出力され、行選択トランジスタ３０９の制御の下にサンプリング周波数で垂直信号線３１０から読み出される。出力された電圧信号は、ローパスフィルタ４００により直流成分および／または低周波数成分が取り出され、これらの値に基づいて、対象物６の所定の深さに対応する信号成分の信号強度が計算される。好ましくは、該信号強度は、直流成分の値の振幅である。ＦＤ３０５の電位が読み出されると、リセットトランジスタ３０６とＶＤＤ３０７とにより、ＦＤ３０５の電位はリセットされる。

　図４はサンプリング周波数の決定方法を説明する図である。対象物６の深さＺ１からの信号を抽出するためのサンプリング周期Ｔｓ１（サンプリング周波数の逆数）は、サンプリング定理により、深さＺ１に対応する干渉周期Ｔ１の２分の１以下の値に設定される。同様に、対象物６の深さＺ２からの信号を抽出するためのサンプリング周期Ｔｓ２は、サンプリング定理により、深さＺ２に対応する干渉周期Ｔ２の２分の１以下の値に設定される。深さＺ１および深さＺ２からの干渉光の振幅は、グラフ２０３に示したように、長い周期Ｔ１の波に短い周期Ｔ２の波が重ねあわされた波形となる。この干渉光を光電変換し他信号を周波数分離すると、それぞれの干渉周波数に対応した対象物６の深さＺ１および深さＺ２の信号成分の強度をそれぞれ定量的に算出することができる。グラフ２０４では、干渉周波数に対応する対象物６の深さＺを横軸に取り、信号強度を縦軸にとってグラフにしたパワースペクトルの模式図を示した。
　本実施形態のように、周波数弁別の手段として高速フーリエ変換（以下、ＦＦＴと呼ぶ）ではなくロックインを用いることにより、例えば生体内の深い場所から一部は散乱して減衰して返ってくる微弱な反射光と参照光による微弱な干渉光を高感度で検出可能となる。
　更に、ポイントセンサ（１つの画素に相当）と、後段処理としてＦＦＴで構成されたＳＳ－ＯＣＴを、２次元の画像センサーに実装するとなると、各画素にＦＦＴを連結した構造である必要がある。各画素にＦＦＴをかける為のサンプリングデータを蓄積し、そのデータからＦＦＴによりパワースペクトルを算出する必要が有る為、多画素化する程サンプリングデータ蓄積用のメモリが比例して必要となり、メモリ容量が増大する。一方、本実施形態の計測装置１では、ロックインの参照信号の周波数でサンプリングした振幅の出力値がその画素部での周波数に対応した対象物６の深部での出力値に相当する為、ＦＦＴ処理で必要となる膨大なサンプリングデータを必要としない。このため、例えば対象物６のある一定の深さの断面画像を取得する為には、ＦＦＴによるパワースペクトル解析の為には、上記膨大なサンプリングデータが必要となるが、本実施形態のロックイン方式では対応する深さに相当する周波数で参照信号によりサンプリングした画素の出力値より一括で画像化する事が可能であり、断面出力のメモリの負荷がＦＦＴ方式と比較して圧倒的に少ない。よって、特にエリアセンサにより高精細な２次元断面画素を取得する構成としてロックインを採用すると、撮像素子１００内に実装可能な構成となる。

　以上から、深さＺ１よりも、深さＺ２の方が値が大きい（より深い）ため、干渉周期は短くなり、サンプリング周波数も高くなる必要がある。この場合、一回の波数掃引における、深さＺ２の信号成分を抽出する際のサンプリング回数を、深さＺ１の信号成分を抽出する際のサンプリング回数よりも多くする。これにより、同一サンプリング時間内でサンプリング回数Ｎを増やすことができ、Ｎの平方根に比例する信号のＳ／Ｎ比を上げることができる。特に、対象物６内での測定面の深さが深くなるにつれて反射光の強度が減衰するため、ノイズによる信号の劣化を防ぐ点で有効である。

　同様の理由で、対象物６の深さが２つよりも多い場合に、対象物６の深さが深いほど、一回の波数掃引における、その深さからの信号成分を抽出する際のサンプリング回数を多くするように構成することができる。
　なお、まず画素信号をサンプリング周波数でサンプリングした後、得られた電圧信号を干渉周波数の参照信号によりロックインして周波数分離してもよい。これにより、所望の計測条件に合わせて適宜効率的に構成することができる。この場合、例えば、図２に示す電流電圧変換回路３００では、周知の選択回路および乗算回路が、垂直信号線３１０がローパスフィルタ４００に入力する手前に配置される。そして、転送ゲート３０３は、サンプリング周波数よりも高い、予め定められたタイミング（例えば、オン状態とオフ状態を切り替えられる最も短い間隔）で電荷を転送する。その後、選択回路が上述したサンプリング周波数でサンプリングして得られた電圧信号を、乗算回路がロックインして周波数分離し、ローパスフィルタ４００に出力する。この場合、乗算回路は、乗算部としての機能を担う。

　制御処理部４１は、表示部５０で表示される画像を適宜調整するとともに、計測装置１全体の制御を行う。制御処理部４１は、得られた対象物６の複数の深さの画像を基に、対象物６の３次元画像を作成する。制御処理部４１は、作成した３次元画像を、ユーザにより所望の方向から観察できるようにするなど、視認性を高める操作を加え、適宜所定の深さの２次元の画像と共に表示部５０に出力する。

　制御処理部４１は、必要に応じて発振部１０の波長掃引のタイミングと撮像素子１００のサンプリングのタイミングを調整する。上述の１位相によるロックインでは、サンプリングする時の信号成分の位相により得られる信号強度が変化するため、位相調整をすることにより振幅を高精度に検出することができる。

　表示部５０は、液晶モニタ等の任意の表示装置で構成され、制御処理部４１が作成した対象物６の所定の深さの画像、または対象物６の３次元画像を表示する。

＜積層型撮像素子の説明＞
　上述した計測装置１の光電変換部３０と、画像処理部４０とを構成する積層型撮像素子１００について説明する。なお、この積層型撮像素子１００は、本願出願人が先に出願して公開されたＷＯ13/164915号に記載されているものである。

　図５は、積層型撮像素子１００の断面図である。撮像素子１００は、入射光に対応した画素信号を出力する裏面照射型撮像チップ１１３と、画素信号を処理する信号処理チップ１１１と、画素信号を記憶するメモリチップ１１２とを備える。これら撮像チップ１１３、信号処理チップ１１１およびメモリチップ１１２は積層されており、Ｃｕ等の導電性を有するバンプ１０９により互いに電気的に接続される。
　なお、図示するように、入射光は主に白抜き矢印で示す方向へ向かって入射する。本実施形態においては、撮像チップ１１３において、入射光が入射する側の面を裏面（撮像面）と称する。

　撮像チップ１１３の一例は、裏面照射型のＣＭＯＳイメージセンサである。撮像チップ１１３は、図１の機能ブロックにおける光電変換部３０の機能の一部または全部として物理的に構成される。ＰＤ層１０６は、配線層１０８の裏面側に配されている。ＰＤ層１０６は、２次元的に配され、入射光に応じた電荷を蓄積する複数のＰＤ１０４、および、ＰＤ１０４に対応して設けられたトランジスタ１０５を有する。

　ＰＤ層１０６における入射光の入射側にはパッシベーション膜１０３を介してフィルタ層１０２が設けられる。フィルタ層１０２には、必要に応じて偏光フィルタ等のフィルタが配置される。フィルタ層１０２、ＰＤ１０４およびトランジスタ１０５の組が、一つの画素を形成する。

　フィルタ層１０２における入射光の入射側には、それぞれの画素に対応して、マイクロレンズ１０１が設けられる。マイクロレンズ１０１は、対応するＰＤ１０４へ向けて入射光を集光する。

　配線層１０８は、ＰＤ層１０６からの画素信号を信号処理チップ１１１に伝送する配線１０７を有する。配線１０７は多層であってもよく、また、受動素子および能動素子が設けられてもよい。

　配線層１０８の表面には複数のバンプ１０９が配される。当該複数のバンプ１０９が信号処理チップ１１１の対向する面に設けられた複数のバンプ１０９と位置合わせされて、撮像チップ１１３と信号処理チップ１１１とが加圧等されることにより、位置合わせされたバンプ１０９同士が接合されて、電気的に接続される。

　同様に、信号処理チップ１１１およびメモリチップ１１２の互いに対向する面には、複数のバンプ１０９が配される。これらのバンプ１０９が互いに位置合わせされて、信号処理チップ１１１とメモリチップ１１２とが加圧等されることにより、位置合わせされたバンプ１０９同士が接合されて、電気的に接続される。

　なお、バンプ１０９間の接合には、固相拡散によるＣｕバンプ接合に限らず、はんだ溶融によるマイクロバンプ結合を採用してもよい。また、バンプ１０９は、例えば後述する一つのブロックに対して一つ程度設ければよい。したがって、バンプ１０９の大きさは、ＰＤ１０４のピッチよりも大きくてもよい。また、画素が配列された画素領域以外の周辺領域において、画素領域に対応するバンプ１０９よりも大きなバンプを併せて設けてもよい。

　信号処理チップ１１１は、表裏面にそれぞれ設けられた回路を互いに接続するＴＳＶ（シリコン貫通電極）１１０を有する。ＴＳＶ１１０は、周辺領域に設けられることが好ましい。また、ＴＳＶ１１０は、撮像チップ１１３の周辺領域、メモリチップ１１２にも設けられてよい。信号処理部チップ１１１は、図１の機能ブロックにおける画像処理部４０の機能の一部または全部の主体として物理的に構成される。なお、画像処理部４０は、その一部が撮像チップ１１３に設けられてもよい。

　上述の撮像素子１００は、撮像素子１００のそれぞれの画素ごとに出力される信号に対する処理回路を有し、図１の機能ブロックにおける制御処理部４１の機能の一部または全部の主体として物理的に構成される。

　図６は、計測装置１が対象物６の所定の深さの画像を撮像し、表示する流れを示すフローチャートである。このフローチャートで示された方法により、ロックインを利用した、精度の高い周波数分離による精密なＯＣＴ画像を得ることができる。

　ステップＳ１００１において、発振部１０は、波数を時間的に変化させながら干渉可能な光を生成する。干渉可能な光が生成されたら、ステップＳ１００３に進む。ステップＳ１００３において、分離部２０は、生成された干渉可能な光を参照光と測定光とに分離し、参照光を参照光反射部２１に向けて照射し、測定光を対象物６に向けて照射する。それぞれの光が照射されたら、ステップＳ１００５に進む。

　ステップＳ１００５において、光電変換部３０は、参照光と、測定光の対象物６による反射光との干渉光を光電変換する。干渉光が光電変換されたら、ステップＳ１００７に進む。ステップＳ１００７において、転送ゲート３０３は、ロックインする周波数に基づいた周波数でオン状態とオフ状態とを繰り返しながら、オン状態の時に、光電変換された電荷をサンプリング周波数に基づいてＦＤ３０５に転送する。電荷がＦＤ３０５に転送されたら、ステップＳ１００９に進む。

　ステップＳ１００９において、画像処理部４０は、行選択トランジスタ３０９の制御により、サンプリング周波数でＦＤ３０５の電荷を電圧信号として出力する。電圧信号が出力されたら、ステップＳ１０１１に進む。ステップＳ１０１１において、画像処理部４０は、出力された電圧信号から、ローパスフィルタにより直流成分および／または低周波数成分を取り出す。画像処理部４０は、得られた直流成分および／または低周波数成分の値を基に信号成分の強度を算出し、制御処理部４１に出力する。信号成分の強度が出力されたら、ステップＳ１０１３に進む。

　ステップＳ１０１３において、制御処理部４１は、各画素からの出力に基づいて所定の深さからの画像および３次元画像を作成する。作成された画像は表示部５０に出力される。画像が出力されたら、ステップＳ１０１５に進む。ステップＳ１０１５において、表示部５０は、作成された所定の深さからの画像および３次元画像を表示する。これらの画像が表示されたら、処理を終了する。

　上述の実施の形態によれば、次の作用効果が得られる。
（１）本実施形態の撮像素子１００は、光電変換部３０から出力された信号から、所定の深さに対応する干渉光成分における干渉周波数の信号成分をロックインして検出する画像処理部４０を備える。これにより、ＦＦＴ等を用いて周波数分離する場合に発生する漏れ誤差を防ぐとともに、ロックインアンプの原理から狭帯域のローパスフィルタによるＱ値の高いフィルタリングを行うため、周波数分離の精度を向上させることができる。

（２）本実施形態の撮像素子１００において、画像処理部４０は、それぞれの画素ごとまたは２以上の画素からなるブロックごとに配置され、対応する画素またはブロックの光電変換部３０から出力された信号から、干渉周波数の信号成分をロックインして検出する。これにより、撮像素子１００内での並列処理により、高速に対象物６内部の画像を作成することができ、また、処理時間の短縮により照射時間を延長でき、その分、測定光の強度を減らすことができる。これにより、例えば眼底検査や、内視鏡による生体組織の深部観察等の際に、被検者への負担が軽減される効果が期待できる。

（３）本実施形態の撮像素子１００は、それぞれの画素ごとまたはブロックごとに信号に対する処理回路を有し、処理回路および画像処理部４０は、光電変換部１０とは異なる層に配置されている。これにより、光電変換部１０の撮像面における受光する面積を増加させ、より精密な画像を撮像することができる。

（４）本実施形態の撮像素子１００は、転送ゲート３０３は、干渉周波数の２倍の周波数で、オン状態とオフ状態とに切り替わりながら、オン状態の時に、信号をＦＤ３０５に転送し、画像処理部４０は、増幅トランジスタ３０８から出力された信号から、所定の値以下の低周波数成分および直流成分を分離するローパスフィルタ４００を備える。これにより、転送ゲート３０３を利用して効率的にロックインを行うことができる。

（５）本実施形態の計測装置１は、撮像素子１００を備える。これにより、周波数分離の精度が高く、対象物６内の深さ分解能の高いＯＣＴを実現することができる。

　次のような変形も本発明の範囲内であり、上述の実施形態と組み合わせることが可能である。
（変形例１）
　上述の実施形態において、測定光の偏光特性を切り替えることにより、参照光のみを計測する場合と、参照光と測定光の対象物６による反射光との干渉光を計測する場合とで時間的に切り替える構成にしてもよい。このとき、光電変換部１０のフィルタ層１０２には偏光フィルタが配置される。

　図７は、分離部２０で分離された測定光を偏光分波部２２で互いに直交する２つの偏光成分に切り替える構成にした計測装置１のブロック図である。偏光分波部２２は、回転可能な偏光板により構成され、測定光を所定の方向の偏光成分の光に偏光変換して出射する。偏光分波部２２は、第１の偏光成分と、第１の偏光成分に直交する第２の偏光成分との間で出射する偏光成分の光を切り替える。第１の偏光成分は、光電変換部３０に配置された偏光フィルタで取り出す偏光成分と直交する。この構成によると、偏光分波部２２が第１の偏光成分の光を出射するときは、当該光は偏光フィルタに遮られ、光電変換部１０では、参照光のみが光電変換される。一方、偏光分波部２２が第２の偏光成分の光を出射するときは、参照光と、測定光の対象物６による反射光との干渉光が光電変換される。画像処理部４０は、参照光を光電変換した信号から、測定系で共有されるノイズまたは同相成分を除去する。これにより、画像処理部４０から出力される信号のＳ／Ｎ比を高め、より精密な画像を作成することができる。
　なお、ここでいう「直交する」とは、２つの偏光成分を持つ光が、偏光成分の違いに起因して可干渉性を失うのであれば、円偏光等も含んでよい。また、上記では光電変換部３０の画素上に偏光フィルタを配置する構成にしたが、その代わりに分離部２０と光電変換部３０との間に偏光フィルタを配置する構成にしてもよい。

（変形例２）
　上述の実施形態では、１つのＰＤ３０２に対して１つの転送ゲート３０３が存在し、１つの深さの信号成分を周波数分離したが、１つのＰＤ３０２に対して複数の転送ゲート３０３を配置し、複数の深さの信号成分を周波数分離してもよい。これにより、一定の数の画素からなる光電変換部１０から、より多くの異なる深さからの光を解析することができる。
　なお、複数の転送ゲート３０３により、１つの深さに対応する信号成分を周波数分離してもよい。これにより、サンプリング周波数が高い場合にも対応することができる。

　図８は、１つのＰＤ３０２に対して２つの転送ゲート３０３－１、３０３－２が配置された回路を示す図である。また、図２の回路の構成に加え、サンプルホールドトランジスタ（以下、ＳＨトランジスタと呼ぶ）３１１－１、コンデンサ３１２－１、選択トランジスタ３０４－１および増幅トランジスタ３０８－１により構成されるサンプルホールド回路と、ＳＨトランジスタ３１１－２、コンデンサ３１２－２、選択トランジスタ３０４－２および増幅トランジスタ３０８－２により構成されるサンプルホールド回路とが記載されている。図８中には省略されているが、サンプルホールド回路は、図８中に示した２つのサンプルホールド回路の他、並列して複数のサンプルホールド回路が配置されている。２つの転送ゲート３０３－１、３０３－２は、それぞれ異なる周期でオン状態とオフ状態とが切り替えられ、それぞれ異なるサンプリング周波数でＦＤ３０５に光電変換された電荷を転送する。
　なお、図８のサンプルホールド回路については、リセットトランジスタ等のリセットするための系は図示を省略している。

　増幅トランジスタ３０８ａからの電圧信号は、行選択トランジスタ３０９およびＳＨトランジスタ３１１－１、３１１－２に制御され、サンプルホールド回路のコンデンサ３１２－１、３１２－２等に一時的に蓄えられる。サンプルホールド回路の複数のコンデンサにそれぞれ蓄積された電荷は、選択トランジスタ３０４－１、３０４－２等により、転送ゲート３０３－１、３０３－２からそれぞれの時刻に転送されたそれぞれの信号が区別されるように制御されて出力される。
　なお、図８の回路において、転送ゲート３０３－１および転送ゲート３０３－２のそれぞれに対してＰＤを設け、２つの画素において光電変換された電流信号を１つの増幅トランジスタ３０８ａで電圧信号に変換し、適宜複数のコンデンサに電荷として情報を保存した後、読み出す構成にしてもよい。３以上の画素からなるブロックについても同様に１つの増幅トランジスタ３０８ａを用いて構成することができる。また、それぞれの画素について、異なる深さに対応する干渉周波数でロックインしてもよい。これにより、効率的にブロックごとの処理を行うことができる。

（変形例３）
　上述の変形例２において、転送ゲート３０３－１と転送ゲート３０３－２とは、同一のサンプリング周波数でサンプリングするが、オン状態とオフ状態との切り替わりは、位相が１８０度ずれる構成にすることができる。つまり、転送ゲート３０３－１がオン状態の時は、転送ゲート３０３－２がオフ状態で、転送ゲート３０３－１がオフ状態の時は、転送ゲート３０３－２がオン状態に設定することができる。画像処理部４０は、２つの転送ゲート３０３－１、３０３－２からの信号成分の強度の二乗和等を算出することにより、周波数分離した信号成分の強度を計算することができる。これにより、２位相のロックインと等価な構成となり、位相調整をする必要がなく、より正確に所定の深さからの光に対応する信号成分の強度を算出することができる。

（変形例４）
　上述の実施形態では、参照光を反射させ、測定光と干渉させる構成としたが、参照光反射部２１を設けずに構成することもできる。

　図９は、参照光反射部２１を設けない場合の計測装置１の光学系５００を例示した図である。光学系５００は、レーザー１１と、ビームスプリッタ２０－１、２０－２と、ＳＦ２６－１、２６－２と、ミラー２８－１、２８－２と、コリメートレンズ２７と、センサ３１とを備えて構成される。信号処理系４２は、処理装置等により構成され、レーザー１１とセンサ３１とを制御するとともに、センサ３１からの画像情報の解析等を行う。図９中のＢＳはビームスプリッタ、Ｍはミラー、ＣＬはコリメートレンズの略である。

　レーザー１１から発振されたレーザー光は、ビームスプリッタ２０－１において参照光と測定光に分離される。ビームスプリッタ２０－１から出射した測定光は、ＳＦ２６－１で発散光とされた後、ミラー２８－１およびミラー２８－２で反射され、対象物６に面照射される。対象物６からの反射光は、コリメートレンズ２７を介しビームスプリッタ２０－２に入射する。ビームスプリッタ２０－１から出射した参照光は、ＳＦ２６－２で発散光とされた後、ビームスプリッタ２０－２に入射する。ビームスプリッタ２０－２に入射した、参照光と、測定光の対象物６による反射光とは、合成されて干渉光としてエリアセンサであるセンサ３１に面照射される。参照光反射部２１を設けないこのような光学系の構成により、一部のノイズを抑えることができる。
　なお、図示していないが、測定光の光学系にはミラー２８－１、２８－２以外にコリメートレンズを組み合わせた構成でもよい。また、参照光とBS2の間、及びBS2からセンサまでの光学系についてもコリメートレンズを組み合わせた構成としてもよい。

　本発明は上記実施形態の内容に限定されるものではない。本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の態様も本発明の範囲内に含まれる。

　次の優先権基礎出願の開示内容は引用文としてここに組み込まれる。
　日本国特許出願２０１５年第２２５９４８号（２０１５年１１月１８日出願）

１…計測装置、６…対象物、１０…発振部、２０…分離部、２１…参照光反射部、２２…偏光分波部、２６…ＳＦ、３０…光電変換部、４０…画像処理部、４１…制御処理部、５０…表示部、２２…通信部、２３…表示部、１００…撮像素子、１０２…偏光フィルタ、１０６…ＰＤ層、１０８…配線層、３０２…ＰＤ、３０３…転送ゲート、３０５…ＦＤ、３０８…増幅トランジスタ、４００…ローパスフィルタ。

Claims (13)

1. 　対象物の所定の深さからの光を撮像する撮像素子であって、
   　前記対象物からの光と参照光との干渉光を含む光を光電変換する光電変換部と、
   　前記光電変換部から出力された信号から、前記所定の深さに対応する干渉光成分における干渉周波数の信号成分をロックインして検出する弁別部と、
   を備える撮像素子。
2. 　請求項１に記載の撮像素子において、
   　前記撮像素子は、複数の画素を含んで構成され、
   　前記光電変換部は、前記複数の画素のそれぞれに配置され、
   　前記弁別部は、それぞれの前記画素ごとまたは２以上の前記画素からなるブロックごとに配置され、対応する前記画素または前記ブロックの前記光電変換部から出力された前記信号から、前記干渉周波数の信号成分をロックインして検出する撮像素子。
3. 　請求項１または２に記載の撮像素子において、
   　前記弁別部は、その一部または全てが前記光電変換部とは異なる層に配置されている撮像素子。
4. 　請求項１～３のいずれか一項に記載の撮像素子において、
   　前記撮像素子は、前記光電変換部が光電変換した電荷を一時的に蓄えるフローティングディフュージョン部を備え、
   　前記弁別部は、
   　　前記信号を前記フローティングディフュージョン部に転送する転送部と、
   　　前記フローティングディフュージョン部に蓄積される電荷を、前記干渉周波数に基づいて定められるサンプリング周波数でサンプリングするサンプリング部と、
   を備える撮像素子。
5. 　請求項４に記載の撮像素子において、
   　前記弁別部は、
   　　前記サンプリング部から出力された信号に、前記干渉周波数の参照信号を乗算する乗算部と、
   　　前記乗算部から出力された信号から、所定の値以下の低周波数成分および直流成分を分離する第１フィルタリング部と、
   を備える撮像素子。
6. 　請求項４に記載の撮像素子において、
   　前記転送部は、前記干渉周波数に基づいた切替周波数で、オン状態とオフ状態とに切り替わりながら、前記オン状態の時に、前記信号をフローティングディフュージョンに転送し、
   　前記弁別部は、前記サンプリング部から出力された信号から、所定の値以下の低周波数成分および直流成分を分離する第２フィルタリング部を備える撮像素子。
7. 　請求項４に記載の撮像素子において、
   　前記撮像素子は、第１の深さからの光および第１の深さより深い第２の深さからの光を含む光と前記参照光との干渉光を撮像し、前記サンプリング部は、第２の深さに対応するサンプリング回数を、第１の深さに対応するサンプリング回数よりも多くする撮像素子。
8. 　請求項２に記載の撮像素子において、
   　前記撮像素子は、複数の深さからの光と前記参照光との干渉光を撮像し、
   　前記弁別部は、
   　それぞれの前記画素ごとまたは前記ブロックごとに、前記光電変換部から出力された前記信号から、前記複数の深さに対応する複数の前記干渉光成分における複数の前記干渉周波数の信号成分をロックインして検出する撮像素子。
9. 　請求項８に記載の撮像素子において、
   　前記弁別部は、それぞれの前記ブロックごとに、前記光電変換部から出力された前記信号から、前記複数の深さに対応する複数の前記干渉光成分における複数の前記干渉周波数の信号成分をロックインして検出し、
   　１つの前記ブロックに含まれる複数の前記画素において、前記干渉周波数はそれぞれ異なる撮像素子。
10. 　請求項１～９のいずれか一項に記載の撮像素子を備える計測装置において、
    　前記計測装置は、
    　波長が時間的に変化する波長可変光を生成する波長可変光生成部と、
    　前記波長可変光生成部が生成した波長可変光から、前記参照光と、前記参照光と干渉可能な測定光とを分離し、前記測定光を前記対象物に照射する分離部と、
    を備える計測装置。
11. 　請求項１０に記載の計測装置において、
    　前記波長可変光生成部は、近赤外の範囲で波長が時間的に変化する波長可変光を生成する計測装置。
12. 　請求項１０または１１に記載の計測装置において、
    　前記計測装置は、
    　前記参照光を、第１の偏光成分と、第１の偏光成分に垂直な第２の偏光成分との光に分ける偏光分波部とを備え、
    　前記光電変換部は、
    　前記第１の偏光成分の参照光を光電変換する第１光電変換部と、
    　前記第２の偏光成分の参照光と、前記測定光で照射された前記対象物の前記所定の深さからの反射光との干渉光を含む光を光電変換する第２光電変換部と、を備え、
    　前記弁別部は、
    　前記第１光電変換部から出力された信号に基づいて、前記第２光電変換部から出力された信号のノイズを削減するノイズ削減部を備え、
    　前記第２光電変換部から出力された信号から、前記干渉周波数の信号成分をロックインして検出する計測装置。
13. 　干渉可能な光を生成する光生成部と、前記光を分離する分離部と、光電変換部と、前記光電変換部からの信号を処理する処理部とを備える計測システムにより、対象物の所定の深さからの光を計測する計測方法であって、
    　前記光生成部により、波長が時間的に変化する波長可変光を生成し、
    　前記分離部により、前記波長可変光から、参照光と、前記参照光と干渉可能な測定光とを分離し、前記測定光を前記対象物に照射し、
    　前記光電変換部により、前記参照光と、前記測定光で照射された前記対象物の前記所定の深さからの反射光との干渉光を含む光を光電変換し、
    　前記処理部により、前記光電変換部から出力された信号から、前記所定の深さに対応する干渉光成分における干渉周波数の信号成分をロックインして検出することを備える計測方法。
    　

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