WO2021182018A1

WO2021182018A1 - 計測装置および計測装置を制御する方法

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Publication number: WO2021182018A1
Application number: PCT/JP2021/005395
Authority: WO
Inventors: 俊輔今井; 貴真安藤; 仁志富永
Original assignee: パナソニックＩｐマネジメント株式会社
Priority date: 2020-03-09
Filing date: 2021-02-15
Publication date: 2021-09-16
Also published as: JPWO2021182018A1; CN115052530A; US20220400964A1

Abstract

計測装置は、光源と、第１の光検出セルおよび第２の光検出セルを含む複数の光検出セルを含むセンサと、電子回路とを備える。前記電子回路は、前記光源に光パルスを出射させ、第１の光検出セルに、前記光パルスに起因して生じた対象物からの反射光パルスの強度が増加を開始してから減少を開始するまでの期間の少なくとも一部を含む第１の露光期間において、前記反射光パルスを検出させることによって第１の信号を生成させ、前記第２の光検出セルに、前記反射光パルスの強度が減少を開始してから減少を終了するまでの立ち下がり期間の少なくとも一部を含む第２の露光期間において、前記反射光パルスを検出させることによって第２の信号を生成させる。前記電子回路は、前記第１の信号に基づき前記対象物の表面の状態を示す第１のデータを生成して出力し、前記第２の信号に基づき前記対象物の内部の状態を示す第２のデータを生成して出力する。

Description

計測装置および計測装置を制御する方法

　本開示は、計測装置および計測装置を制御する方法に関する。

　対象者の脳活動に起因する生体信号を計測する種々の方法が開発されている。例えば特許文献１は、対象物に接触しない状態で、対象者の脳血流の経時変化を示す情報を取得する撮像装置の例を開示している。

特開２０１７―００９５８４号公報

　本開示は、計測対象における浅部および深部の情報を、従来よりも高い時間分解能で取得することを可能にする技術を提供する。

　本開示の一態様に係る計測装置は、対象物に向けて第１の光パルスを出射する光源と、第１の光検出セルおよび第２の光検出セルを含む複数の光検出セルを含むセンサと、前記光源および前記センサを制御し、前記センサから出力された信号を処理する電子回路と、を備える。前記電子回路は、前記光源に第１の光パルスを出射させ、前記第１の光検出セルに、前記第１の光パルスに起因して生じた前記対象物からの第１の反射光パルスの強度が増加を開始してから減少を開始するまでの期間の少なくとも一部を含む第１の露光期間において、前記第１の反射光パルスを検出させることによって第１の信号を生成させ、前記第２の光検出セルに、前記第１の反射光パルスの強度が減少を開始してから減少を終了するまでの立ち下がり期間の少なくとも一部を含む第２の露光期間において、前記第１の反射光パルスを検出させることによって第２の信号を生成させ、前記第１の信号に基づき、前記対象物の表面の状態を示す第１のデータを生成して出力し、前記第２の信号に基づき、前記対象物の内部の状態を示す第２のデータを生成して出力する。

　本開示の包括的または具体的な態様は、システム、装置、方法、集積回路、コンピュータプログラムまたはコンピュータ読み取り可能な記録ディスク等の記録媒体で実現されてもよく、システム、装置、方法、集積回路、コンピュータプログラムおよび記録媒体の任意の組み合わせで実現されてもよい。コンピュータ読み取り可能な記録媒体は、例えばＣＤ－ＲＯＭ（Ｃｏｍｐａｃｔ　Ｄｉｓｃ‐Ｒｅａｄ　Ｏｎｌｙ　Ｍｅｍｏｒｙ）等の不揮発性の記録媒体を含み得る。装置は、１つ以上の装置で構成されてもよい。装置が２つ以上の装置で構成される場合、当該２つ以上の装置は、１つの機器内に配置されてもよく、分離した２つ以上の機器内に分かれて配置されてもよい。本明細書および特許請求の範囲では、「装置」とは、１つの装置を意味し得るだけでなく、複数の装置からなるシステムも意味し得る。

本開示の計測装置によれば、計測対象における浅部および深部の情報を、従来よりも高い時間分解能で取得することが可能になる。

図１は、実施形態１による計測装置を示す模式図である。図２Ａは、発光パルスがインパルス波形を有する例を示す図である。図２Ｂは、発光パルスが矩形状の波形を有する例を示す図である。図３は、イメージセンサの構成の一例を示す図である。図４Ａは、１フレーム内の動作の例を示す図である。図４Ｂは、２種類の波長の光による検出動作の他の例を示す図である。図５は、発光パルスおよび反射光パルスのタイミングと、各露光期間との関係を説明するための模式図である。図６Ａは、イメージセンサにおける露光期間の異なる２種類の画素の配列パターンの例を示す図である。図６Ｂは、イメージセンサにおける露光期間の異なる２種類の画素の配列パターンの他の例を示す図である。図６Ｃは、イメージセンサにおける露光期間の異なる２種類の画素の配列パターンのさらに他の例を示す図である。図６Ｄは、イメージセンサにおける露光期間の異なる２種類の画素の配列パターンのさらに他の例を示す図である。図７は、実施形態１における動作の概略を示すフローチャートである。図８は、実施形態１における発光パルスおよび反射光パルスのタイミングと、各露光期間との関係を説明するための模式図である。図９Ａは、イメージセンサにおける露光期間の異なる３種類の画素の配列パターンの例を示す図である。図９Ｂは、イメージセンサにおける露光期間の異なる３種類の画素の配列パターンの他の例を示す図である。図９Ｃは、イメージセンサにおける露光期間の異なる３種類の画素の配列パターンのさらに他の例を示す図である。図９Ｄは、イメージセンサにおける露光期間の異なる３種類の画素の配列パターンのさらに他の例を示す図である。図１０は、実施形態２における動作の概略を示すフローチャートである。図１１は、実施形態２の変形例を示すタイミングチャートである。図１２は、実施形態２の他の変形例を示すタイミングチャートである。図１３は、距離演算の原理を説明するための図である。図１４は、さらに他の変形例を示す図である。図１５は、生成される３種類の画像の時間変化の例を示す図である。図１６は、距離画像の例を示す図である。図１７は、補正処理に用いられる補正値画像を生成する動作の流れを模式的に示す図である。図１８は、補正値画像を用いた補正処理を模式的に示す図である。図１９は、さらに他の変形例による計測動作を示す図である。

　以下で説明される実施形態は、いずれも包括的または具体的な例を示すものである。以下の実施形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置および接続形態、ステップ、およびステップの順序は、一例であり、本開示の技術を限定する趣旨ではない。以下の実施形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。各図は模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。さらに、各図において、実質的に同一または類似の構成要素には同一の符号が付されている。重複する説明は省略または簡略化されることがある。

　本開示において、回路、ユニット、装置、部材または部の全部または一部、またはブロック図における機能ブロックの全部または一部は、例えば、半導体装置、半導体集積回路（ＩＣ）、またはＬＳＩ（ｌａｒｇｅ　ｓｃａｌｅ　ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）を含む１つまたは複数の電子回路によって実行され得る。ＬＳＩまたはＩＣは、１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、１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）、もしくはＵＬＳＩ（ｕｌｔｒａ　ｌａｒｇｅ　ｓｃａｌｅ　ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）と呼ばれるものであってもよい。ＬＳＩの製造後にプログラムされる、Ｆｉｅｌｄ　Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ　Ｇａｔｅ　Ａｒｒａｙ（ＦＰＧＡ）、またはＬＳＩ内部の接合関係の再構成または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。

　さらに、回路、ユニット、装置、部材または部の全部または一部の機能または操作は、ソフトウェア処理によって実行することが可能である。この場合、ソフトウェアは１つまたは複数の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、ソフトウェアが処理装置（ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）によって実行されたときに、そのソフトウェ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。システムまたは装置は、ソフトウェアが記録されている１つまたは複数の非一時的記録媒体、処理装置（ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）、および必要とされるハードウェアデバイス、例えばインターフェースを備えていてもよい。

　まず、本開示の実施形態の概要を説明する。

　本開示の例示的な実施形態による計測装置は、対象物に向けて第１の光パルスを出射する光源と、第１の光検出セルおよび第２の光検出セルを含む複数の光検出セルを含むセンサと、前記光源および前記センサを制御し、前記センサから出力された信号を処理する電子回路とを備える。前記電子回路は、以下の（ａ）から（ｅ）の動作を実行する。
（ａ）前記電子回路は、前記光源に第１の光パルスを出射させる。
（ｂ）前記電子回路は、前記第１の光検出セルに、前記第１の光パルスに起因して生じた前記対象物からの第１の反射光パルスの強度が増加を開始してから減少を開始するまでの期間の少なくとも一部を含む第１の露光期間において、前記第１の反射光パルスを検出させることによって第１の信号を生成させる。
（ｃ）前記電子回路は、前記第２の光検出セルに、前記第１の反射光パルスの強度が減少を開始してから減少を終了するまでの立ち下がり期間の少なくとも一部を含む第２の露光期間において、前記第１の反射光パルスを検出させることによって第２の信号を生成させる。
（ｄ）前記電子回路は、前記第１の信号に基づき、前記対象物の表面の状態を示す第１のデータを生成して出力する。
（ｅ）前記電子回路は、前記第２の信号に基づき、前記対象物の内部の状態を示す第２のデータを生成して出力する。

　ここで、「対象物」は、例えば人間の頭部などの生体であり得る。光源からの光パルスは、例えば人間の額部に向けて出射され得る。光パルスが額部に入射すると、その表面および内部で反射または散乱が生じ、反射光パルスが生じる。反射光パルスは、対象物の表面で反射される表面反射成分と、対象物の内部で散乱される内部散乱成分とを含む。センサは、反射光パルスを、第１の露光期間において第１の光検出セルで受光し、受光量に応じた第１の信号を生成する。センサはまた、当該反射光パルスを第２の露光期間において第２の光検出セルで受光し、受光量に応じた第２の信号を生成する。第１の信号は、対象物の表面付近で反射または散乱されて戻ってきた光の成分の強度を反映する。第２の信号は、対象物のより深部の内部組織で散乱されて戻ってきた光の成分の強度を反映する。電子回路は、第１の信号に基づき、対象物の表面の状態を反映した第１のデータを生成する。以下の説明において、第１のデータを「表層データ」と称することがある。電子回路はまた、第２の信号に基づき、対象物の内部の状態を反映した第２のデータを生成する。以下の説明において、第２のデータを「深部データ」と称することがある。電子回路は、第１の信号そのものを第１のデータとして出力してもよいし、第１の信号を用いた演算によって新たに生成したデータを第１のデータとして出力してもよい。同様に、電子回路は、第２の信号そのものを第２のデータとして出力してもよいし、第２の信号を用いた演算によって新たに生成した信号を第２のデータとして出力してもよい。計測対象部位が人間の額部である場合、第２のデータは、例えば人間の脳活動の状態に依存する。

　上記の構成によれば、センサは、反射光パルスのうち、比較的早期に戻ってくる成分を第１の光検出セルで検出し、比較的遅く戻ってくる成分を第２の光検出セルで検出することができる。このため、１つの光検出セルでこれらの２つの成分を検出する場合と比較して、時間分解能を高くすることができる。

　前記第２の露光期間は、前記第１の反射光パルスの前記立ち下がり期間の開始よりも後に開始してもよい。そのような構成によれば、対象物のより深部の情報をより高い精度で取得することができる。

　前記第１の露光期間は、前記第１の反射光パルスの強度が増加を開始してから増加を終了するまでの立ち上がり期間の少なくとも一部を含んでいてもよい。そのような構成によれば、対象物のより表層の情報をより高い精度で取得することができる。

　前記第１の露光期間は、前記立ち下がり期間の開始よりも前に終了してもよい。そのような構成によれば、第１の露光期間と第２の露光期間との重なりを少なくすることができるため、表層の情報と深部の情報とをより高い精度で取得することができる。

　本明細書において、光パルスの「立ち上がり期間」は、センサの受光面の位置において、当該光パルスの強度が増加を開始する時点から増加を終了する時点までの期間を指す。より厳密には、「立ち上がり期間」は、当該光パルスの強度が予め設定された下限値を越えた時点から予め設定された上限値に達した時点までの期間として定義される。下限値は当該光パルスの強度のピーク値の例えば１０％の値に設定され、上限値は当該ピーク値の例えば９０％の値に設定され得る。一方、光パルスの「立ち下がり期間」は、センサの受光面の位置において、当該光パルスの強度が減少を開始する時点から減少を終了する時点までの期間を指す。より厳密には、「立ち下がり期間」は、当該光パルスの強度が予め設定された上限値を下回った時点から予め設定された下限値に達した時点までの期間を意味する。立ち下がり期間についても、上限値は当該光パルスの強度のピーク値の例えば９０％の値に設定され、下限値は当該ピーク値の例えば１０％の値に設定され得る。

　前記複数の光検出セルは、前記第１の光検出セルを含む複数の第１の光検出セルと、前記第２の光検出セルを含む複数の第２の光検出セルとを含んでいてもよい。その場合、前記電子回路は、以下の動作を実行してもよい。
（ｂ１）前記電子回路は、前記複数の第１の光検出セルの各々に、前記第１の露光期間において、前記第１の反射光パルスを検出させることによって前記第１の信号を生成させる。
（ｃ１）前記電子回路は、前記複数の第２の光検出セルの各々に、前記第２の露光期間において、前記第１の反射光パルスを検出させることによって前記第２の信号を生成させる。
（ｄ１）前記電子回路は、前記複数の第１の光検出セルの各々から出力された前記第１の信号を含む複数の第１の信号に基づき、前記第１のデータを生成して出力する。
（ｅ１）前記電子回路は、前記複数の第２の光検出セルの各々から出力された前記第２の信号を含む複数の第２の信号に基づき、前記第２のデータを生成して出力する。

　上記の構成によれば、対象物の表層の情報と深部の情報とを、より広い範囲にわたって取得することができる。

　前記複数の第１の光検出セルの数は、前記複数の第２の光検出セルの数よりも少なくてもよいし、多くてもよいし、同数であってもよい。

　前記センサはイメージセンサであってもよい。前記複数の光検出セルは、行列状に配列されていてもよい。前記電子回路は、前記複数の第１の信号に基づく画像データを前記第１のデータとして生成し、前記複数の第２の信号に基づく画像データを前記第２のデータとして生成してもよい。そのような構成によれば、対象物の表層の状態を示す画像データと、対象物の内部の状態を示す画像データとを出力することができる。それらの画像データに基づく画像をディスプレイに表示することにより、対象物の表層および内部の状態を可視化することができる。

　行列状に配列された複数の光検出セルの配列パターンには様々な形態が考えられる。例えば、前記複数の第１の光検出セルからなる行または列と、前記複数の第２の光検出セルからなる行または列とが、交互に並んでいてもよい。あるいは、前記複数の第１の光検出セルおよび前記複数の第２の光検出セルは、市松（checkerboard）状に配列されていてもよい。

　前記対象物が人間の頭部を含む場合、前記第１のデータは、前記頭部における顔の外観を示していてもよい。また、前記第２のデータは、前記頭部の脳血流の状態を示していてもよい。そのような構成によれば、顔画像と脳血流の状態を示す画像とを生成し、表示することができる。

　前記複数の光検出セルは第３の光検出セルをさらに含んでいてもよい。前記電子回路は、前記第１の露光期間および前記第２の露光期間とは異なる第３の露光期間において、前記第１の光検出セルまたは前記第３の光検出セルに、前記第１の反射光パルスを検出させることによって第３の信号をさらに生成させてもよい。電子回路は、第３の信号に基づく第３のデータをさらに生成し出力してもよい。第３のデータは、例えば頭皮血流の状態を示していてもよい。そのような構成によれば、例えば顔の外観を示す第１のデータと、脳血流の状態を示す第２のデータと、頭皮血流の状態を示す第３のデータという３種類のデータを生成することができる。

　前記電子回路は、前記第３の露光期間において、前記第１の光検出セルに前記第３の信号を生成させ、前記第１の信号と前記第３の信号とに基づき、前記センサから前記対象物までの距離を示すデータを生成して出力してもよい。そのような構成によれば、対象物の表層の情報および内部の情報だけでなく、距離の情報も取得することができる。

　前記光源は、前記対象物に向けて第２の光パルスをさらに出射してもよい。前記電子回路は、さらに、以下の動作を実行してもよい。
（ａ２）前記電子回路は、前記光源に、前記第１の光パルスを出射させた後、前記第２の光パルスを出射させる。
（ｂ２）前記電子回路は、前記第１の光検出セルに、前記第２の光パルスに起因して生じた前記対象物からの第２の反射光パルスの強度が減少を開始してから減少を終了するまでの立ち下り期間の少なくとも一部を含む第３の露光期間において、前記第２の反射光パルスを検出させることによって第３の信号を生成させる。ここで、前記第１の光パルスの出射開始時点から前記第１の露光期間の開始時点までの長さは、前記第２の光パルスの出射開始時点から前記第３の露光期間の開始時点までの長さとは異なっていてもよい。
（ｃ２）前記電子回路は、前記第２の光検出セルに、前記第２の反射光パルスの立ち下がり期間の少なくとも一部を含み、第３の露光期間とは異なる第４の露光期間において、前記第２の反射光パルスを検出させることによって第４の信号を生成させる。
（ｄ２）前記電子回路は、前記第１の信号および前記第３の信号に基づき、前記センサから前記対象物までの距離を示すデータを生成して出力する。

　ここで、距離を示すデータを前述の「第１のデータ」として生成してもよいし、前述の「第１のデータ」とは独立したデータとして生成してもよい。

　前記対象物が人の頭部を含む場合、前記電子回路は、前記第１の信号と前記第２の信号とに基づいて、前記人の心理状態または身体状態を示すデータを生成して出力してもよい。前記データは、例えば、前記人の興味、感情、眠気、集中度、または疲労などの状態を示していてもよい。例えば第１の信号が示す表情の情報と、第２の信号が示す脳活動の情報とを組み合わせることにより、人の心理状態または身体状態を推定することができる。

　前記センサが前記第３の信号および前記第４の信号を生成する場合、前記電子回路は、前記第１の信号および前記第２の信号に加え、前記第３の信号および前記第４の信号をさらに利用して、前記人の心理状態または身体状態を示すデータを生成してもよい。例えば、前記第３の信号が頭皮血流の状態を示す場合、人の表情および脳血流の状態を示す情報に加え、頭皮血流の状態を示す情報を利用することにより、心理状態または身体状態をより高い精度で推定することができる。

　前記光源は、前記対象物に向けて第２の光パルスをさらに出射してもよい。前記第２の光パルスの波長は、前記第１の光パルスの波長と異なっていてもよい。前記第１の露光期間は、前記第１の光パルスの出射開始時点から第１の時間が経過したときに開始してもよい。前記電子回路は、さらに以下の動作を実行してもよい。
（ａ３）前記電子回路は、第１の計測期間および第２の計測期間のそれぞれにおいて、前記光源に、前記第１の光パルスと、前記第２の光パルスとを出射させる。
（ｂ３）前記電子回路は、前記第１の光検出セルに、前記第１の計測期間に含まれる前記第１の露光期間において、前記第１の反射光パルスを検出させ、かつ前記第１の計測期間における前記第２の光パルスの出射開始時点から第２の時間が経過したときに開始する第３の露光期間において、前記第２の光パルスに起因して生じた前記対象物からの第２の反射光パルスを検出させることによって前記第１の信号を生成させる。
（ｃ３）前記電子回路は、前記第１の光検出セルに、前記第２の計測期間における前記第１の光パルスの出射開始時点から第３の時間が経過したときに開始する第４の露光期間において、前記第１の反射光パルスを検出させ、かつ前記第２の計測期間における前記第２の光パルスの出射開始時点から第４の時間が経過したときに開始する第５の露光期間において、前記第２の反射光パルスを検出させることによって第３の信号を生成させる。
（ｄ３）前記電子回路は、前記第１の信号と前記第３の信号に基づいて、前記センサから前記対象物までの距離を示すデータを生成する。

　この例において、前記第３の時間は、前記第１の時間と異なり、前記第４の時間は、前記第２の時間と異なっていてもよい。

　上記の動作により、後に図１９を参照して説明するように、センサから対象物までの距離を示すデータを２つの連続する計測期間ごとに生成することができる。センサがイメージセンサである場合、前記電子回路は、第１の信号および第３の信号に基づく距離画像と、第２の信号に基づく画像とを繰り返し生成してもよい。その場合、第１の計測期間および第２の計測期間を、それぞれ第１のフレーム期間および第２のフレーム期間と称することがある。

　前記電子回路は、以下の動作を実行してもよい。
（ａ４）前記電子回路は、前記光源に１つ以上の光パルスを出射させる。
（ｂ４）前記電子回路は、前記センサにおける前記第１の光検出セルに、前記１つ以上の光パルスに起因して生じた生体からの１つ以上の反射光パルスの第１の成分を検出させることによって第１の信号を生成させる。
（ｃ４）前記電子回路は、前記センサにおける前記第２の光検出セルに、前記１つ以上の反射光パルスの第２の成分を検出させることによって第２の信号を生成させる。
（ｄ４）前記電子回路は、前記センサにおける前記第１の光検出セルに、前記１つ以上の反射光パルスの第３の成分を検出させることによって第３の信号を生成させる。
（ｅ４）前記電子回路は、前記第１の信号および前記第３の信号に基づき、前記センサから前記生体までの距離を示す第１のデータを生成する。
（ｆ４）前記第２の信号に基づき、前記生体の血流の状態を示す第２のデータを生成する。

　このような動作により、距離を示す第１のデータと、生体の血流の状態を示す第２のデータとを、高い分解能で生成することができる。

　前記電子回路は、前記第１のデータに基づいて、前記第２のデータを補正してもよい。そのような補正を行うことにより、計測中に生体が動いた場合であっても、生体の血流情報を高い精度で取得することができる。

　前記電子回路は、前記１つ以上の光パルスの照度の空間分布を示すデータ、および前記第１のデータに基づいて、前記第２のデータを補正してもよい。照度の空間分布を示すデータは、計測前に予め用意され、記憶媒体に格納され得る。前記センサから対象物までの距離を示す第１のデータと、照度の空間分布を示すデータとに基づいて、生体の血流状態を示す第２のデータを補正する方法の詳細については、図１５から図１８を参照して後述する。

　本開示の一態様に係る方法は、光源と、第１の光検出セルおよび第２の光検出セルを含む複数の光検出セルを含むセンサと、を備える計測装置を制御する方法であって、前記光源に光パルスを出射させることと、前記第１の光検出セルに、前記光パルスに起因して生じた対象物からの反射光パルスの強度が増加を開始してから減少を開始するまでの期間の少なくとも一部を含む第１の露光期間において、前記反射光パルスを検出させることによって第１の信号を生成させることと、前記第２の光検出セルに、前記反射光パルスの強度が減少を開始してから減少を終了するまでの立ち下がり期間の少なくとも一部を含む第２の露光期間において、前記反射光パルスを検出させることによって第２の信号を生成させることと、前記第１の信号に基づき、前記対象物の表面の状態を示す第１のデータを生成して出力することと、前記第２の信号に基づき、前記対象物の内部の状態を示す第２のデータを生成して出力することと、を含む。

　本開示の他の一態様に係る方法は、光源と、第１の光検出セルおよび第２の光検出セルを含む複数の光検出セルを含むセンサと、を備える計測装置を制御する方法であって、前記光源に１つ以上の光パルスを出射させることと、前記第１の光検出セルに、前記１つ以上の光パルスに起因して生じた生体からの１つ以上の反射光パルスの第１の成分を検出させることによって第１の信号を生成させることと、前記第２の光検出セルに、前記１つ以上の反射光パルスの第２の成分を検出させることによって第２の信号を生成させることと、前記第１の光検出セルに、前記１つ以上の反射光パルスの第３の成分を検出させることによって第３の信号を生成させることと、前記第１の信号および前記第３の信号に基づき、前記センサから前記生体までの距離を示す第１のデータを生成することと、前記第２の信号に基づき、前記生体の血流の状態を示す第２のデータを生成することと、を含む。

　本開示の他の実施形態による装置は、１つ以上のプロセッサと、前記１つ以上のプロセッサによって実行されるコンピュータプログラムを格納する記憶媒体とを備える。前記プロセッサは、前記コンピュータプログラムを実行することにより、前述のいずれかの例における電子回路の機能を実行してもよい。

　本開示は、前述の電子回路の機能を規定するコンピュータプログラム、および前述の電子回路が実行する制御方法を含む。

　以下、図面を参照しながら、本開示の例示的な実施形態をより具体的に説明する。

　（実施形態１）
　［１．計測装置１００］
　図１は、本開示の例示的な第１の実施形態による計測装置１００を示す模式図である。この計測装置１００は、光源１１０と、イメージセンサ１２０と、電子回路１３０とを備える。イメージセンサ１２０は、複数の光検出セルを備える。各光検出セルは、光電変換部１２２と、１つ以上の電荷蓄積部１２４とを含む。電子回路１３０は、制御回路１３２と、信号処理回路１３４と、メモリ１３６などの記憶媒体とを含む。

　図１には、計測装置１００による計測の対象物である対象者５０の頭部も示されている。なお、対象物は、人の頭部に限られない。対象物は、人間以外の動物または植物などの他の種類の生体であってもよい。用途によっては、対象物は、生体以外の物体であってもよい。例えば、液体、気体、食品などの散乱体を対象物にしてもよい。

　本実施形態の計測装置１００は、観測すべき対象者５０の頭皮血流および脳血流の状態を示す情報を非接触で取得することができる。計測装置１００は、例えば、対象者５０の脳内の酸素化ヘモグロビンおよび脱酸素化ヘモグロビンの少なくとも一方の濃度分布を示す２次元画像のデータを生成してもよい。あるいは、計測装置１００は、対象者５０の脳活動に起因して変動する他の種類のデータを生成してもよい。

　イメージセンサ１２０における複数の光検出セルは、第１の光検出セルと、第２の光検出セルとを含む。以下の説明において、光検出セルを「画素」と称し、第１の光検出セルを「第１の画素Ｐ１」と称し、第２の光検出セルを「第２の画素Ｐ２」と称することがある。イメージセンサ１２０は、例えば、第１の光検出セルによって対象者５０の顔の外観または頭皮血流に関する情報を取得し、第２の光検出セルによって脳血流に関する情報を取得することができる。信号処理回路１３４は、対象者５０の顔の外観または頭皮血流の状態を示す表層データと、脳血流の状態を示す深部データとを生成する処理を、高い時間分解能で実行することができる。

　以下、各構成要素の詳細を説明する。

　［１－１．光源１１０］
　光源１１０は、対象者５０の頭部、例えば額を含む対象部に向けて光を出射するように配置される。光源１１０から出射されて対象者５０に到達した光は、対象者５０の表面で反射される表面反射成分Ｉ１と、対象者５０の内部で散乱される内部散乱成分Ｉ２とに分かれる。内部散乱成分Ｉ２は、生体内部で１回反射もしくは散乱、または多重散乱される成分である。本実施形態のように人の額部に向けて光が出射される場合、内部散乱成分Ｉ２は、額部の表面から奥に８ｍｍから１６ｍｍほどの部位、例えば脳に到達し、再び計測装置１００に戻る成分を指す。表面反射成分Ｉ１は、直接反射成分、拡散反射成分、および散乱反射成分の３つの成分を含む。直接反射成分は、入射角と反射角とが等しい反射成分である。拡散反射成分は、表面の凹凸形状によって拡散して反射する成分である。散乱反射成分は、表面近傍の内部組織によって散乱して反射する成分である。人の頭部に向けて光を出射する場合、散乱反射成分は、表皮内部で散乱して反射する成分である。表面反射成分Ｉ１は、これらの３つの成分を含み得る。表面反射成分Ｉ１および内部散乱成分Ｉ２は、反射または散乱によって進行方向が変化し、その一部がイメージセンサ１２０に到達する。表面反射成分Ｉ１は、対象者５０の表面情報、例えば、顔および頭皮の血流情報を含む。内部散乱成分Ｉ２は、対象者５０の内部情報、例えば、脳血流情報を含む。

　本実施形態では、対象者５０の頭部から戻って来る反射光のうち、表面反射成分Ｉ１および内部散乱成分Ｉ２が検出される。表面反射成分Ｉ１は、対象者５０の顔の外観または頭皮血流の状態を反映する。このため、表面反射成分Ｉ１の経時変化を解析することによって対象者５０の顔の外観または頭皮血流の状態の変化を推定することができる。一方、内部散乱成分Ｉ２は、対象者５０の脳活動を反映してその強度が変動する。このため、内部散乱成分Ｉ２の経時変化を解析することによって対象者５０の脳活動の状態を推定することができる。

　内部散乱成分Ｉ２の取得方法について説明する。光源１１０は、制御回路１３２からの指示に従い、光パルスを所定の時間間隔または所定のタイミングで複数回繰り返し出射する。光源１１０から出射される光パルスは、例えば、光パルスの強度の減少の開始から終了までの期間である立ち下がり期間の長さがゼロに近い矩形波であり得る。一般に、対象者５０の頭部に入射した光は、様々な経路で頭部内を伝搬し、時間差を伴ってその表面から出射する。このため、光パルスの内部散乱成分Ｉ２の時間的な後端部分は、時間的な広がりを有する。対象部が額である場合、内部散乱成分Ｉ２の時間的な後端の広がりは、４ｎｓ程度である。このことを考慮すると、光パルスの強度の減少の開始から終了までの期間である立ち下がり期間の長さは、例えばその半分以下である２ｎｓ以下に設定され得る。立ち下がり期間は、さらにその半分の１ｎｓ以下であってもよい。光源１１０から出射される光パルスの立ち上がり期間の長さは任意である。本実施形態における内部散乱成分Ｉ２の検出では、光パルスのうち強度が立ち下がる部分である立ち下がり部分が使用され、強度が立ち上がる部分である立ち上がり部分は使用されない。光パルスの立ち上がり部分は、表面反射成分Ｉ１の検出に用いられる。

　光源１１０は、例えば、レーザダイオード（ＬＤ）などのレーザ素子を含み得る。レーザ素子から出射される光は、光パルスの立ち下がり部分が時間軸に略直角である、急峻な時間応答特性を有するように調整され得る。光源１１０は、ＬＤの駆動電流を制御する駆動回路を含んでいてもよい。駆動回路は、例えば窒化ガリウム（ＧａＮ）半導体を含む電界効果トランジスタ（ＧａＮ　ＦＥＴ）などのエンハンスメントモードパワートランジスタを含み得る。そのような駆動回路を用いることで、ＬＤから出力される光パルスの立ち下がりを急峻にすることができる。

　光源１１０から出射される光の波長は、例えば６５０ｎｍ以上９５０ｎｍ以下の波長範囲に含まれる任意の波長であり得る。この波長範囲は、赤色から近赤外線の波長範囲に含まれる。上記の波長範囲は、「生体の窓」と呼ばれており、光が生体内の水分および皮膚に比較的吸収されにくいという性質を有する。生体を検出対象にする場合、上記の波長範囲の光を使用することにより、検出感度を高くすることができる。本実施形態のように、人の脳の血流変化を検出する場合、使用される光は、主に酸素化ヘモグロビン（ＨｂＯ_２）および脱酸素化ヘモグロビン（Ｈｂ）に吸収されると考えられる。酸素化ヘモグロビンと脱酸素化ヘモグロビンとでは、光吸収の波長依存性が異なる。一般に、血流に変化が生じると、酸素化ヘモグロビンおよび脱酸素化ヘモグロビンの濃度が変化する。この変化に伴い、光の吸収度合いも変化する。したがって、血流が変化すると、検出される光量も時間的に変化する。

　光源１１０は、上記の波長範囲に含まれる単一の波長の光を出射してもよいし、２つ以上の波長の光を出射してもよい。複数の波長の光は、複数の光源からそれぞれ出射されてもよい。

　一般に、生体組織は波長に応じて吸収特性および散乱特性が異なる。このため、内部散乱成分Ｉ２による光信号の波長依存性を検出することで測定対象のより詳細な成分分析が可能になる。例えば、生体組織においては、波長が６５０ｎｍ以上８０５ｎｍ未満のとき、脱酸素化ヘモグロビンによる光吸収係数が、酸素化ヘモグロビンによる光吸収係数よりも大きい。波長が８０５ｎｍよりも長く９５０ｎｍ以下であるとき、酸素化ヘモグロビンによる光吸収係数が、脱酸素化ヘモグロビンによる光吸収係数よりも大きい。

　したがって、光源１１０は、６５０ｎｍ以上８０５ｎｍ未満（例えば約７５０ｎｍ）の波長の光と、８０５ｎｍよりも長く９５０ｎｍ以下（例えば約８５０ｎｍ）の波長の光とを出射するように構成されていてもよい。この場合、例えば約７５０ｎｍの波長の光による内部散乱成分Ｉ２の光強度と、例えば約８５０ｎｍの波長の光による内部散乱成分Ｉ２の光強度とが計測される。光源１１０は、６５０ｎｍ以上８０５ｎｍ未満の波長の光を出射する第１発光素子と、８０５ｎｍ超９５０ｎｍ以下の波長の光を出射する第２発光素子とを含んでいてもよい。信号処理回路１３４は、画素ごとに入力された光強度の信号値に基づいて、予め定められた連立方程式を解くことにより、血液中のＨｂＯ_２とＨｂの各濃度の、初期値からの変化量を求めることができる。

　本実施形態における計測装置１００では、非接触で対象者５０の脳血流が計測される。このため、網膜への影響を考慮して設計された光源１１０が用いられ得る。例えば、各国で策定されているレーザ安全基準のクラス１を満足する光源１１０が用いられ得る。クラス１が満足されている場合、被爆放出限界（ＡＥＬ）が１ｍＷを下回るほどの低照度の光が、対象者５０に照射される。なお、光源１１０自体はクラス１を満たしていなくてもよい。例えば、拡散板またはＮＤフィルタを光源１１０と対象者５０との間に配置して光を拡散または減衰させることにより、レーザ安全基準のクラス１が満たされていてもよい。

　従来、生体内部の深さ方向において異なる場所における吸収係数または散乱係数などの情報を区別して検出するために、ストリークカメラが使用されている。例えば、特開平４－１８９３４９は、そのようなストリークカメラの一例を開示している。これらのストリークカメラでは、所望の空間分解能で測定するために、パルス幅がフェムト秒またはピコ秒の極超短光パルスが用いられる。

　これに対し、本実施形態の計測装置１００は、表面反射成分Ｉ１と内部散乱成分Ｉ２とを区別して検出することができる。したがって、光源１１０が発する光パルスは、極超短光パルスである必要はなく、パルス幅を任意に選択できる。

　脳血流を計測するために人の頭部を光で照射する場合、内部散乱成分Ｉ２の光量は、表面反射成分Ｉ１の光量の数千分の１から数万分の１程度の非常に小さい値になり得る。さらに、レーザの安全基準を考慮すると、照射できる光の光量は、極めて小さくなる。したがって、内部散乱成分Ｉ２の検出は非常に難しい。その場合でも、光源１１０が、比較的パルス幅の大きい光パルスを出射すれば、時間遅れを伴う内部散乱成分Ｉ２の積算量を増加させることができる。それにより、検出光量を増やし、信号対ノイズ（ＳＮ）比を向上させることができる。

　図２Ａおよび図２Ｂは、発光パルスＩｅ、反射光パルスにおける表面反射成分Ｉ１および内部散乱成分Ｉ２の強度の時間変化の例を示す図である。図２Ａは、発光パルスＩｅがインパルス波形を有する場合における各波形の例を示している。図２Ｂは、発光パルスＩｅが矩形状の波形を有する場合における各波形の例を示している。内部散乱成分Ｉ２は、実際には微弱であるが、図２Ａおよび図２Ｂにおいては、内部散乱成分Ｉ２の強度が強調されて示されている。

　図２Ａに示すように、発光パルスＩｅがインパルス波形を有する場合、表面反射成分Ｉ１は、光パルスＩｅと同様のインパルス波形を有し、内部散乱成分Ｉ２は、表面反射成分Ｉ１よりも遅延するインパルス応答波形を有する。これは、内部散乱成分Ｉ２が皮膚内部の様々な経路を通過した光線の組み合わせに相当するからである。

　図２Ｂに示すように、光パルスＩｅが矩形形状の波形を有する場合、表面反射成分Ｉ１は、光パルスＩｅと同様の矩形状の波形を有し、内部散乱成分Ｉ２は、多数のインパルス応答波形が重畳された波形を有する。本発明者らは、多数のインパルス応答波形の重畳により、光パルスＩｅがインパルス波形を有する場合と比較して、イメージセンサ１２０が検出する内部散乱成分Ｉ２の光量を増幅できることを確認した。反射光パルスの強度の立ち下がりが開始するタイミング以降で電子シャッタの開放を開始することにより、内部散乱成分Ｉ２を効果的に検出することができる。図２Ｂの右側のグラフにおける破線枠は、イメージセンサ１２０の電子シャッタが開放されるシャッタ開放期間の例を表す。このシャッタ開放期間を「露光期間」とも称する。矩形パルスのパルス幅が１ｎｓから１０ｎｓのオーダであれば、光源１１０を比較的低い電圧で駆動することができ、計測装置１００の小型化および低コスト化が可能である。内部散乱成分Ｉ２を効果的に検出するために、本実施形態では、イメージセンサ１２０に到達する表面反射成分Ｉ１の強度の立ち下がりが開始するタイミング以降に露光が開始される。

　光源１１０は、例えば汎用の半導体レーザによる発光素子を含み得る。汎用の半導体レーザを低電圧で駆動する場合、パルス幅を短くしすぎると光の点灯および消灯の駆動が追随しにくくなる。このため、パルス発光ごとに異なる発光波形となり、不安定な挙動を示しやすくなり、測距結果のばらつきを引き起こしやすくなる。汎用的な半導体レーザを用いて安定した波形を得るために、例えばパルス幅が３ｎｓ以上の光パルスを発光するように光源１１０が制御され得る。あるいは、さらに安定させるために、光源１１０は、パルス幅５ｎｓ以上、さらには１０ｎｓ以上の光パルスを発光してもよい。一方、パルス幅が大きすぎると、シャッタオフ時の電荷蓄積部１２４への光流出、つまり、寄生光感度（Ｐａｒａｓｉｔｉｃ　Ｌｉｇｈｔ　Ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ：ＰＬＳ）が大きくなり、計測誤差を引き起こす可能性がある。そこで、光源１１０は、例えば、パルス幅５０ｎｓ以下の光パルスを発生させるように制御され得る。あるいは、光源１１０は、パルス幅３０ｎｓ以下、さらには２０ｎｓ以下の光パルスを発光してもよい。

　光源１１０の照射パターンとして、例えば、照射領域内において均一な強度分布であるパターンが選択され得る。その場合、空間的に同等の照度で対象者５０に光を照射することができ、イメージセンサ１２０のいずれの画素においても検出信号の強度をダイナミックレンジ内に収めることが容易である。

　［１－２．イメージセンサ１２０］
　イメージセンサ１２０は、光源１１０から出射され対象者５０から反射された光を受光する。イメージセンサ１２０は、２次元的に配置された複数の光検出セルを有し、対象者５０の２次元情報を一度に取得し得る。イメージセンサ１２０は、例えば、ＣＣＤイメージセンサまたはＣＭＯＳイメージセンサなどの任意の撮像素子であり得る。イメージセンサ１２０は、本開示におけるセンサの一例である。本開示におけるセンサは、２次元的に配列された複数の光検出セルを有するセンサに限らず、例えば１次元的に配列された複数の光検出セルを有するセンサであってもよい。また、１点の情報のみを取得できれば十分な用途では、フォトディテクタなどの単一の光検出素子を有する光検出器をセンサとして利用してもよい。その場合、隣り合う２つの光検出素子を、それぞれ「第１の光検出セル」および「第２の光検出セル」として、本開示の技術を適用することができる。

　本実施形態におけるイメージセンサ１２０は、電子シャッタを備える。電子シャッタは、露光のタイミングを制御する回路である。電子シャッタは、受光した光を有効な電気信号に変換して蓄積する１回の信号蓄積期間と、信号蓄積を停止する期間とを制御する。信号蓄積期間を、「露光期間」と称する。１回の露光期間が終了し次の露光期間が開始するまでの時間を、「非露光期間」と称する。以下、露光している状態を「ＯＰＥＮ」、露光を停止している状態を「ＣＬＯＳＥ」と表現することがある。

　イメージセンサ１２０は、電子シャッタにより、露光期間および非露光期間を、サブナノ秒、例えば３０ｐｓから１ｎｓの精度で調整することができる。各露光期間は、例えば、１ｎｓ以上３０ｎｓ以下の値に設定され得る。

　対象者５０の額を光で照射して脳血流などの情報を取得する場合、生体内部での光の減衰率が非常に大きい。例えば、入射光に対して出射光が、１００万分の１程度にまで減衰し得る。このため、内部散乱成分Ｉ２を検出するには、１パルスの照射だけでは光量が不足する場合がある。レーザ安全性基準のクラス１での照射では特に光量が微弱である。この場合、制御回路１３２は、光源１１０に光パルスを複数回発光させ、これに同期してイメージセンサ１２０の各光検出セルに、複数回露光させる。これにより、信号を複数回にわたって積算し、感度を向上させることができる。

　以下、イメージセンサ１２０の構成例を説明する。

　イメージセンサ１２０は、撮像面上に２次元的に配列された複数の画素を備える。各画素は、例えばフォトダイオードなどの光電変換素子と、１つ以上の電荷蓄積部とを備える。

　図３は、イメージセンサ１２０の構成の一例を示す図である。図３において、二点鎖線の枠で囲まれた領域が１つの画素２０１に相当する。画素２０１には不図示のフォトダイオードなどの光電変換素子が含まれる。図３には２行４列に配列された８画素のみが示されているが、実際にはさらに多数の画素が配置され得る。各画素２０１は、電荷蓄積部である第１の浮遊拡散層２０４および第２の浮遊拡散層２０６を含む。ここでは、光源１１０が、６５０ｎｍ以上８０５ｎｍ未満の波長の第１の光パルスと、８０５ｎｍ超９５０ｎｍ以下の波長の第２の光パルスを出射するものとする。第１の浮遊拡散層２０４は、第１の光パルスによる反射光パルスの受光によって生じた電荷を蓄積する。第２の浮遊拡散層２０６は、第２の光パルスによる反射光パルスの受光によって生じた電荷を蓄積する。第１の浮遊拡散層２０４および第２の浮遊拡散層２０６に蓄積される信号は、あたかも一般的なＣＭＯＳイメージセンサの２画素の信号のように取り扱われ、イメージセンサ１２０から出力される。なお、第１の光パルスによる反射光パルスの検出と、第２の光パルスによる反射光パルスの検出とをフレームごとに切替えて行う構成においては、各画素２０１は単数の電荷蓄積部を含んでいてもよい。また、光源１１０が単一の波長の光を出射する構成においても、各画素２０１が単数の電荷蓄積部を含んでいてもよい。本実施形態では、隣り合う２つの画素２０１の一方は、反射光パルスの表面反射成分Ｉ１を検出し、他方は、反射光パルスの内部散乱成分Ｉ２を検出する。

　図３に示す例では、各画素２０１は、２つの信号検出回路を有する。各信号検出回路は、ソースフォロワトランジスタ３０９と、行選択トランジスタ３０８と、リセットトランジスタ３１０とを含む。各トランジスタは、例えば半導体基板に形成された電界効果トランジスタであるが、これに限定されない。図示されるように、ソースフォロワトランジスタ３０９の入力端子および出力端子の一方と、行選択トランジスタ３０８の入力端子および出力端子のうちの一方とが接続されている。ソースフォロワトランジスタ３０９の入力端子および出力端子の上記一方は、典型的にはソースである。行選択トランジスタ３０８の入力端子および出力端子の上記一方は、典型的にはドレインである。ソースフォロワトランジスタ３０９の制御端子であるゲートは、フォトダイオードに接続されている。フォトダイオードによって生成された正孔または電子による信号電荷は、フォトダイオードとソースフォロワトランジスタ３０９との間の電荷蓄積部である浮遊拡散層に蓄積される。

　図３には示されていないが、第１の浮遊拡散層２０４および第２の浮遊拡散層２０６は、不図示のフォトダイオードに接続される。フォトダイオードと、第１の浮遊拡散層２０４および第２の浮遊拡散層２０６の各々との間には、スイッチが設けられ得る。このスイッチは、制御回路１３２からの制御信号に応じて、フォトダイオードと第１の浮遊拡散層２０４および第２の浮遊拡散層２０６の各々との間の導通状態を切り替える。これにより、第１の浮遊拡散層２０４および第２の浮遊拡散層２０６の各々への信号電荷の蓄積の開始と停止とが制御される。本実施形態における電子シャッタは、このような露光制御のための機構を有する。

　各浮遊拡散層に蓄積された信号電荷は、行選択回路３０２によって行選択トランジスタ３０８のゲートがＯＮにされることにより、読み出される。この際、当該浮遊拡散層の信号電位に応じて、ソースフォロワ電源３０５からソースフォロワトランジスタ３０９およびソースフォロワ負荷３０６へ流入する電流が増幅される。垂直信号線３０４から読み出されるこの電流によるアナログ信号は、列ごとに接続されたアナログ－デジタル（ＡＤ）変換回路３０７によってデジタル信号データに変換される。このデジタル信号データは、列選択回路３０３によって列ごとに読み出され、イメージセンサ１２０から出力される。行選択回路３０２および列選択回路３０３は、１つの行の読出しを行った後、次の行の読み出しを行い、以下同様に、全ての行の浮遊拡散層の信号電荷の情報を読み出す。制御回路１３２は、全ての信号電荷を読み出した後、リセットトランジスタ３１０のゲートをオンにすることにより、全ての浮遊拡散層をリセットする。これにより、１つのフレームの撮像が完了する。以下同様に、フレームの高速撮像を繰り返すことにより、イメージセンサ１２０による一連のフレームの撮像が完結する。

　本実施形態では、ＣＭＯＳ型のイメージセンサ１２０の例を説明したが、イメージセンサ１２０は、他の種類の撮像素子であってもよい。イメージセンサ１２０は、例えば、ＣＣＤ型であっても、単一光子計数型素子であっても、ＥＭＣＣＤまたはＩＣＣＤなどの増幅型イメージセンサであってもよい。また、複数の光検出セルが２次元的に配列されたイメージセンサ１２０の代わりに、複数の光検出セルが１次元的に配列されたセンサを用いてもよい。あるいは、各々が単数の光検出セルを備える複数のセンサを用いてもよい。単画素のセンサを用いた場合、生体計測は１点についてのみ可能となるが、高速なレートの計測が可能である。

　図４Ａは、１フレーム内の動作の例を示す図である。図４Ａに示すように、１フレーム内で、第１の光パルスの発光と第２の光パルスの発光とを交互に複数回切り替えてもよい。このようにすることで、２種類の波長による検出画像の取得タイミングの時間差を低減でき、対象者５０に動きがある場合であっても、ほぼ同時に第１および第２の光パルスでの撮像が可能である。

　図４Ｂは、２種類の波長の光による検出動作の他の例を示す図である。図４Ｂに示すように、第１の光パルスによる反射光パルスの検出と第２の光パルスによる反射光パルスの検出とを、フレームごとに切り替えてもよい。このような動作は、例えば、第１の光パルスの発光と、第２の光パルスの発光とをフレームごとに切り替えることによって行われ得る。その場合、各画素２０１は単数の電荷蓄積部を備えていてもよい。そのような構成によれば、各画素２０１の電荷蓄積部の数を低減できるため、各画素２０１のサイズを大きくでき、感度を向上させることができる。

　なお、光源１１０が出射する光の波長は１種類であってもよい。その場合であっても、脳活動のおおよその状態を推定することができる。

　［１－３．電子回路１３０］
　電子回路１３０は、制御回路１３２と、信号処理回路１３４と、メモリ１３６とを含む。制御回路１３２は、光源１１０からの光パルスの出射タイミングと、イメージセンサ１２０のシャッタタイミングとの時間差を調整する。本明細書では、当該時間差を「位相差」と称することがある。光源１１０の「出射タイミング」は、光源１１０から出射される光パルスが立ち上がりを開始するタイミングを指す。「シャッタタイミング」は、露光を開始するタイミングを指す。

　制御回路１３２は、イメージセンサ１２０の各画素によって検出された信号からオフセット成分を取り除くように構成されてもよい。オフセット成分は、太陽光もしくは蛍光灯などの環境光、または外乱光による信号成分である。光源１１０の駆動をオフにして光源１１０から光が出射されない状態で、イメージセンサ１２０によって信号を検出することにより、環境光または外乱光によるオフセット成分が見積もられる。

　制御回路１３２は、例えば中央演算処理装置（ＣＰＵ）などのプロセッサ、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などの集積回路であり得る。制御回路１３２は、例えばプロセッサがメモリ１３６に記録されたコンピュータプログラムを実行することにより、出射タイミングとシャッタタイミングとの調整を行う。

　信号処理回路１３４は、イメージセンサ１２０から出力された画像信号を処理する回路である。信号処理回路１３４は、画像処理などの演算処理を行う。信号処理回路１３４は、例えばデジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）などのプログラマブルロジックデバイス（ＰＬＤ）、または中央演算処理装置（ＣＰＵ）もしくは画像処理用演算プロセッサ（ＧＰＵ）によって実現され得る。信号処理回路１３４は、プロセッサがメモリ１３６に格納されたコンピュータプログラムを実行することにより、後述する処理を実行する。

　制御回路１３２および信号処理回路１３４は、統合された１つの回路であってもよいし、分離された個別の回路であってもよい。信号処理回路１３４は、例えば遠隔地に設けられたサーバなどの外部の装置の構成要素であってもよい。この場合、サーバなどの外部の装置は、無線通信または有線通信により、光源１１０、イメージセンサ１２０、および制御回路１３２を備える計測装置と相互にデータの送受信を行う。信号処理回路１３４は、イメージセンサ１２０から出力された信号に基づき、表面反射成分Ｉ１を反映した表層信号と、内部散乱成分Ｉ２を反映した深部信号とを生成する。信号処理回路７０は、この処理の前に、外乱光によるオフセット成分の見積り、およびオフセット成分の除去を行ってもよい。

　［２．動作例］
　次に、本実施形態の動作の例を説明する。

　本実施形態では、イメージセンサ１２０における複数の画素は、複数の第１の画素Ｐ１と複数の第２の画素Ｐ２とを含む。制御回路１３２は、各第１の画素Ｐ１に、第１の露光期間で反射光パルスの時間的な前端部分を検出させる。制御回路１３２はまた、各第２の画素Ｐ２に、第２の露光期間で反射光パルスの時間的な後端部分を検出させる。ここで、「前端部分を検出する」とは、立ち上がり期間における反射光パルスの少なくとも一部の成分を検出することを意味する。一方、「後端部分を検出する」とは、立ち下がり期間における反射光パルスの少なくとも一部の成分を検出することを意味する。これにより、第１の画素Ｐ１は、頭部の比較的浅い部分の情報を取得し、第２の画素Ｐ２は、頭部の比較的深い部分の情報を取得する。このような構成により、１つの画素で浅部の情報と深部の情報とを取得する場合と比較して、高い時間分解能で生体信号を生成することができる。

　図５は、発光パルスおよび反射光パルスのタイミングと、第１の露光期間および第２の露光期間との関係を説明するための模式図である。図５の部分（ａ）は、光源１１０からの発光パルスの波形の例を示している。図５の部分（ｂ）は、イメージセンサ１２０に到達する反射光パルスの波形の例を示している。図５の部分（ｃ）は、第１の画素Ｐ１のシャッタが開放される第１の露光期間の例を示している。図５の部分（ｄ）は、第２の画素Ｐ２のシャッタが開放される第２の露光期間の例を示している。

　反射光パルスの立ち上がりの開始タイミングは、光源１１０の発光パルスの立ち上がりの開始タイミングよりも遅くなる。反射光パルスの立ち上がりの開始タイミングは、対象者５０とイメージセンサ１２０との距離に応じて変化する。反射光パルスの立ち下がり期間における強度は、前述したとおりインパルス応答波形の重畳により、なだらかに減少する。シャッタタイミングが遅いほど、取得した信号の全体に含まれる内部散乱成分Ｉ２の割合が高くなる。内部散乱成分Ｉ２は、額浅部の頭皮血流の情報を多く含む頭皮血流成分Ｉ２―１と、額深部の脳血流の情報を多く含む脳血流成分Ｉ２―２とを主に含む。本実施形態では、図５の部分（ｃ）および（ｄ）に示すように、画素Ｐ１は、頭皮血流成分Ｉ２―１を多く含む位相で露光され、画素Ｐ２は、脳血流成分Ｉ２―２を多く含む位相で露光される。

　本実施形態では、第１の露光期間が終了した後、第２の露光期間が開始される。第１の露光期間は、計測装置１００から予め設定された距離に対象物が位置する場合に、イメージセンサ１２０に到達する反射光パルスの立ち上がり期間の少なくとも一部を含むように設定される。第１の露光期間は、反射光パルスの立ち上がり期間の全体が含まれるように設定されてもよいし、立ち上がり期間の一部のみが含まれるように設定されてもよい。第１の露光期間は、例えば、反射光パルスの立ち上がり期間の終了よりも前に開始し、立ち下がり期間の開始よりも前に終了するように設定され得る。第２の露光期間は、計測装置１００から予め設定された距離に対象物が位置する場合に、イメージセンサ１２０に到達する反射光パルスの立ち下がり期間の少なくとも一部を含むように設定される。第２の露光期間は、例えば、反射光パルスの立ち下がりの期間の開始後、立ち下がり期間の終了までの間に開始されるように設定され得る。第１の露光期間と第２の露光期間とが部分的に重なっていてもよい。

　図６Ａから図６Ｄは、イメージセンサ１２０における露光期間の異なる２種類の画素である第１の画素Ｐ１および第２の画素Ｐ２の配列パターンの例を示す図である。配列パターンを変更することで、測定の目的に応じて最適な情報を取得することができる。

　図６Ａは、第１の画素Ｐ１からなる行と、第２の画素Ｐ２からなる行とが交互に並ぶ配列パターンの例を示している。この場合、偶数行と奇数行とで、露光期間の位相が異なる。この配列は、横方向における急峻な変化を捉えたい場合に有用である。例えば、左脳は活性化するが右脳は変化しないといった事象を検出したい場合のように、額の左右の信号の差異を比較したい場合に図６Ａの配列は有効である。

　図６Ｂは、第１の画素Ｐ１からなる列と、第２の画素Ｐ２からなる列とが交互に並ぶ配列パターンの例を示している。この場合、偶数列と奇数列とで、露光期間の位相が異なる。この配列は、縦方向における急峻な変化を捉えたい場合に有用である。例えば、脳血流と顔面の一部の皮膚血流とで異なる傾向の変化が生じる事象を検出したい場合のように、額の上下の信号の差異を比較したい場合に図６Ｂの配列は有効である。

　図６Ｃは、複数の第１の画素Ｐ１および複数の第２の画素Ｐ２が、市松（checkerboard）状に配列されている例を示している。この配列パターンでは、額全体の信号を、上下方向および左右方向のいずれについても均等に評価することができる。

　複数の画素Ｐ１およびＰ２の配列パターンは、Ｎ行×Ｍ列（Ｎ、Ｍは任意の自然数）の画素ブロックを構成単位とした繰り返しパターンでもよい。例えば図６Ｄに示すような、２行×２列の画素を構成単位とした繰り返しパターンを採用してもよい。図６Ｄの例では、第２の画素Ｐ２の数が第１の画素Ｐ１の数の３倍である。前述のように内部散乱成分Ｉ２の信号は微弱である。このため、第２の画素Ｐ２の数を第１の画素Ｐ１の数よりも多くし、第２の画素Ｐ２の信号値の平均を算出することでＳＮ比を向上させることができる。

　また、図６Ｄに示す例における第１の画素Ｐ１と第２の画素Ｐ２とを入れ替えてもよい。その場合、第１の画素Ｐ１の数が第２の画素Ｐ２の数よりも多くなる。第１の画素Ｐ１は、顔の外観といった対象者５０の表層情報を多く含むため、表情または視線の分析、または体の動きの大きさもしくは速度の推定などの処理の精度を高めることができる。

　図７は、本実施形態における電子回路１３０による動作の概略を示すフローチャートである。ここでは簡単のため、光源１１０が１種類の波長の光を出射する構成を想定する。制御回路１３２は、まず、光源１１０に所定時間だけ光パルスを出射させる（ステップＳ１０１）。制御回路１３２は、イメージセンサ１２０に、第１のタイミングで各第１の画素Ｐ１への電荷蓄積を開始させる（ステップＳ１０２）。次に、制御回路１３２は、イメージセンサ１２０に、第２のタイミングで各第１の画素Ｐ１への電荷蓄積を停止させる（ステップＳ１０３）。第１のタイミングから第２のタイミングまでの期間が第１の露光期間である。ステップＳ１０２およびＳ１０３の動作により、各第１の画素Ｐ１に反射光パルスの前端部分の強度に応じた電荷が蓄積される。続いて、制御回路１３２は、イメージセンサ１２０に、第３のタイミングで各第２の画素Ｐ２への電荷蓄積を開始させる（ステップＳ１０４）。次に、制御回路１３２は、イメージセンサ１２０に、第４のタイミングで各第２の画素Ｐ２への電荷蓄積を停止させる（ステップＳ１０５）。第３のタイミングから第４のタイミングまでの期間が第２の露光期間である。ステップＳ１０４およびＳ１０５の動作により、各第２の画素Ｐ２に反射光パルスの後端部分の強度に応じた電荷が蓄積される。

　続いて、制御回路１３２は、上記の電荷蓄積を実行した回数が所定の回数に達したか否かを判定する（ステップＳ１０６）。この判定がＮｏの場合、Ｙｅｓと判定するまで、ステップＳ１０１からＳ１０５の動作を繰り返す。ステップＳ１０６においてＹｅｓと判定すると、信号処理回路１３４は、イメージセンサ１２０の各画素に蓄積された電荷の信号を読み出す。信号処理回路１３４は、複数の第１の画素Ｐ１に蓄積された電荷に基づく第１の強度マップと、複数の第２の画素Ｐ２に蓄積された電荷に基づく第２の強度マップとを生成して出力する（ステップＳ１０７）。

　ステップＳ１０７において、信号処理回路１３４は、図６Ａから６Ｄに例示されるような配列パターンに基づき、イメージセンサ１２０によって取得された画像データから同種の画素のデータを抽出して統合することにより、各強度マップの画像データを生成する。具体的には、信号処理回路１３４は、取得された画像データから、第１の画素Ｐ１のデータだけを抽出して第１の強度マップを生成し、第２の画素Ｐ２のデータだけを抽出して第２の強度マップを生成する。例えば図６Ａの例では、奇数行の第１の画素Ｐ１のデータから第１の強度マップが生成され、偶数行の第２の画素Ｐ２のデータから第２の強度マップが生成される。このとき、データがない画素については、周囲の画素のデータに基づいて補間してもよい。第１の強度マップは、表層データの一例であり、例えば対象者５０の顔の外観または頭皮血流の分布を示す画像データであり得る。第２の強度マップは、深部データの一例であり、例えば対象者５０の脳血流の分布を示す画像データであり得る。信号処理回路１３４は、表層の強度マップの特徴と、深部の強度マップの特徴とを分離する演算を行うことで、アーチファクトである頭皮血流の成分を除去してもよい。この処理により、対象者５０の脳血流の経時変化の情報を、高い精度かつ高い時間分解能で取得することができる。

　以下、表層の強度マップの特徴と、深部の強度マップの特徴とを分離する演算の一例を説明する。ここでは、ステップＳ１０１からＳ１０６の電荷蓄積動作が、６５０ｎｍ以上８０５ｎｍ未満の波長を有する第１の光パルスと、８０５ｎｍ超９５０ｎｍ以下の波長を有する第２の光パルスのそれぞれについて行われる場合の例を説明する。その場合、第１の強度マップおよび第２の強度マップのそれぞれにおける各画素は、第１の光パルスによる反射光強度の値（以下、「第１の値」と称する。）と、第２の光パルスによる反射光強度の値（以下、「第２の値」）とを有する。信号処理回路１３４は、各強度マップから、酸素化ヘモグロビン（ＨｂＯ_２）および脱酸素化ヘモグロビン（Ｈｂ）の濃度の、初期値からの変化量を計算する。具体的には、信号処理回路１３４は、第１の強度マップにおける各画素の第１の値と第２の値とを用いて、予め定められた連立方程式を解くことにより、表層におけるＨｂＯ_２の濃度の初期値からの変化量Δ［ＨｂＯ_２］_表層と、表層におけるＨｂの濃度の初期値からの変化量Δ［Ｈｂ］_表層とを計算する。同様に、信号処理回路１３４は、第２の強度マップにおける各画素の第１の値と第２の値とを用いて、予め定められた連立方程式を解くことにより、深部におけるＨｂＯ_２の濃度の初期値からの変化量Δ［ＨｂＯ_２］_深部と、深部におけるＨｂの濃度の初期値からの変化量Δ［Ｈｂ］_深部とを計算する。信号処理回路１３４は、以下の計算式により、脳血流におけるＨｂＯ_２およびＨｂのそれぞれの濃度の初期値からの変化量Δ［ＨｂＯ_２］_脳血流およびΔ［Ｈｂ］_脳血流を計算する。
　Δ［ＨｂＯ_２］_脳血流＝ Δ［ＨｂＯ_２］_深部－ｋΔ［ＨｂＯ_２］_表層
　Δ［Ｈｂ］_脳血流＝ Δ［Ｈｂ］_深部－ｋΔ［Ｈｂ］_表層
ここで、係数ｋは、事前にヒトを模したモデル（ファントム）を用いて計算された既知の値である。係数ｋは、「表層の頭皮血流成分の大きさ」に対する「深部の頭皮血流成分の大きさ」の比である。すなわち、ｋ＝（深部の頭皮血流成分の大きさ）／（表層の頭皮血流成分の大きさ）である。

　図７に示す動作により、フレームごとに、表層と深部の２種類の画像データを生成することができる。電子回路１３０は、この一連の動作を複数回繰り返すことで動画像のデータを生成してもよい。なお、複数回の発光および電荷蓄積は必須ではなく、必要に応じて行われる。

　本実施形態における信号処理回路１３４は、イメージセンサ１２０からフレームごとに出力された画像データに基づき、脳血流の時間変化を示す動画像データおよび顔の外観の時間変化を示す動画像データを生成することができる。信号処理回路１３４は、そのような動画像データに限らず、他の情報を生成してもよい。例えば、他の機器と同期させることにより、脳における血流量、血圧、血中酸素飽和度、または心拍数などの生体情報を生成してもよい。また、イメージセンサ１２０に含まれる各画素によって検出された表面反射成分Ｉ１をもとに皮膚血流量、心拍数、あるいは発汗量などの生体情報を生成してもよい。

　脳血流量またはヘモグロビンなどの血液内成分の変化と、人間の神経活動との間には密接な関係があることが知られている。例えば、人間の興味度に応じて神経細胞の活動が変化することにより、脳血流量または血液内の成分が変化する。したがって、脳血流量または顔の外観情報などの生体情報を計測できれば、ユーザの心理状態または身体状態を推定することができる。ユーザの心理状態は、例えば、気分、感情、健康状態、または温度感覚であり得る。気分は、例えば、快、または不快といった気分を含み得る。感情は、例えば、安心、不安、悲しみ、または憤りといった感情を含み得る。健康状態は、例えば、元気、または倦怠といった状態を含み得る。温度感覚は、例えば、暑い、寒い、または蒸し暑いといった感覚を含み得る。これらに派生して、脳活動の程度を表す指標、例えば興味度、熟練度、習熟度、および集中度も、心理状態に含まれ得る。さらに、疲労度、眠気、または飲酒による酔いの程度などの身体状態も、信号処理回路１３４による推定の対象に含まれる。信号処理回路１３４は、脳血流状態の変化、頭皮血流状態の変化、および顔の外観の変化のうちの少なくとも１つに基づいて、ユーザの心理状態または身体状態を推定し、推定結果を示す信号を出力することができる。

　（実施形態２）
　次に、本開示の例示的な第２の実施形態を説明する。本実施形態では、イメージセンサ１２０の複数の画素が、３種類の画素である第１の画素Ｐ１、第２の画素Ｐ２、第３の画素Ｐ３を含む。これらの第１の画素Ｐ１、第２の画素Ｐ２、第３の画素Ｐ３で、異なる露光期間が設定される。本実施形態によれば、対象者５０の外観、頭皮血流、および脳血流の経時変化に関する情報を、高い時間分解能で取得することができる。

　以下、実施形態１と異なる点を中心に説明し、重複する事項の説明は省略する。

　図８は、本実施形態における発光パルスおよび反射光パルスのタイミングと、第１から第３の露光期間との関係を説明するための模式図である。図８の部分（ａ）は、光源１１０からの発光パルスの波形の例を示している。図８の部分（ｂ）は、イメージセンサ１２０に到達する反射光パルスの波形の例を示している。図８の部分（ｃ）は、第１の画素Ｐ１のシャッタが開放される第１の露光期間の例を示している。図８の部分（ｄ）は、第２の画素Ｐ２のシャッタが開放される第２の露光期間の例を示している。図８の部分（ｅ）は、第３の画素Ｐ３のシャッタが開放される第３の露光期間の例を示している。

　第１の画素Ｐ１は、表面反射成分Ｉ１を多く含む位相で露光される。第２の画素Ｐ２は、脳血流成分Ｉ２―２を多く含む位相で露光される。第３の画素Ｐ３は、頭皮血流成分Ｉ２―１を多く含む位相で露光される。

　図９Ａから図９Ｄは、イメージセンサ１２０における露光期間の異なる３種類の画素である第１の画素Ｐ１、第２の画素Ｐ２、第３の画素Ｐ３の配列パターンの例を示す図である。本実施形態においても、配列パターンを変更することで、測定の目的に応じて最適な情報を取得することができる。

　図９Ａは、第１の画素Ｐ１からなる行と、第２の画素Ｐ２からなる行と、第３の画素Ｐ３からなる行とが順に繰り返される配列パターンの例を示している。この配列は、横方向における急峻な変化を捉えたい場合に有用である。例えば、左脳は活性化するが右脳は変化しないといった事象を検出したい場合のように、額の左右の信号の差異を比較したい場合に図９Ａの配列は有効である。

　図９Ｂは、第１の画素Ｐ１からなる列と、第２の画素Ｐ２からなる列と、第３の画素Ｐ３からなる列とが順に繰り返される配列パターンの例を示している。この配列は、縦方向における急峻な変化を捉えたい場合に有用である。例えば、脳血流と顔面の一部の皮膚血流とで異なる傾向の変化が生じる事象を検出したい場合のように、額の上下の信号の差異を比較したい場合に図９Ｂの配列は有効である。

　図９Ｃは、複数の第１の画素Ｐ１、複数の第２の画素Ｐ２、および複数の第３の画素Ｐ３が、市松（checkerboard）状に配列されている例を示している。この配列パターンでは、額全体の信号を、上下方向および左右方向のいずれについても均等に評価することができる。

　図９Ｄに示すように、第１の画素Ｐ１、第２の画素Ｐ２、第３の画素Ｐ３の配列パターンは、Ｎ行×Ｍ列（Ｎ、Ｍは任意の自然数）の画素ブロックを構成単位とした繰り返しパターンでもよい。

　図１０は、本実施形態２における電子回路１３０による動作の概略を示すフローチャートである。ここでも簡単のため、使用される光の波長が１種類である例を説明する。制御回路１３２は、まず、光源１１０に所定時間だけ光パルスを発光させる（ステップＳ２０１）。制御回路１３２は、イメージセンサ１２０に、各第１の画素Ｐ１への電荷蓄積を開始させる（ステップＳ２０２）。次に、制御回路１３２は、イメージセンサ１２０に、各第３の画素Ｐ３への電荷蓄積を開始させる（ステップＳ２０３）。ステップＳ２０２から第１の露光期間に相当する時間が経過すると、制御回路１３２は、イメージセンサ１２０に、各第１の画素Ｐ１への電荷蓄積を停止させる（ステップＳ２０４）。ステップＳ２０３から第３の露光期間に相当する時間が経過すると、制御回路１３２は、イメージセンサ１２０に、各第３の画素Ｐ３への電荷蓄積を停止させる（ステップＳ２０５）。ステップＳ２０４から所定時間経過後、制御回路１３２は、イメージセンサ１２０に、各第２の画素Ｐ２への電荷蓄積を開始させる（ステップＳ２０６）。ステップＳ２０６から第２の露光期間に相当する時間が経過すると、制御回路１３２は、イメージセンサ１２０に、各第２の画素Ｐ２への電荷蓄積を停止させる（ステップＳ２０７）。

　続いて、制御回路１３２は、上記の電荷蓄積を実行した回数が所定の回数に達したか否かを判定する（ステップＳ２０８）。この判定がＮｏの場合、Ｙｅｓと判定するまで、ステップＳ２０１からＳ２０７の動作を繰り返す。ステップＳ２０８においてＹｅｓと判定すると、信号処理回路１３４は、イメージセンサ１２０の各画素に蓄積された電荷の信号を読み出す。信号処理回路１３４は、複数の第１の画素Ｐ１に蓄積された電荷に基づく第１の強度マップと、複数の第２の画素Ｐ２に蓄積された電荷に基づく第２の強度マップと、複数の第３の画素Ｐ３に蓄積された電荷に基づく第３の強度マップとを生成して出力する（ステップＳ２０９）。

　図１０に示す動作により、１フレームごとに、表面反射成分Ｉ１、頭皮血流成分Ｉ２－１、脳血流成分Ｉ２－２の強度分布をそれぞれ反映した３種類の画像データを生成することができる。電子回路１３０は、この一連の動作を複数回繰り返すことで動画像のデータを生成してもよい。なお、本実施形態においても、複数回の発光および電荷蓄積は必須ではなく、必要に応じて行われる。

　以上のように、本実施形態によれば、外観情報、頭皮血流情報、および脳血流情報を、高い時間分解能で取得することができる。

　図８および図１０の例では、第１の露光期間が終了する前に第３の露光期間が開始される。このような例に限らず、例えば、第１の露光期間が終了した後、第３の露光期間が開始されてもよい。また、第３の露光期間と第２の露光期間とが部分的に重なっていてもよい。

　図１１は、本実施形態の変形例を示すタイミングチャートである。この変形例では、第３の画素Ｐ３が設けられず、第１の画素Ｐ１が第１の露光期間および第３の露光期間で露光される。このため、各第１の画素Ｐ１は、図３に示す例のように、複数の電荷蓄積部を備える。各第１の画素Ｐ１における第１の電荷蓄積部および第２の電荷蓄積部に、第１の露光期間および第３の露光期間がそれぞれ割り当てられる。これにより、２種類の画素を用いて３種類の生体信号を取得することができる。この場合、第１の画素Ｐ１と第２の画素Ｐ２の配置は、例えば図６Ａから図６Ｄのいずれかに示す配置であってよい。３種類の画素を設定する場合よりも高い空間分解能で計測可能である。

　図１２は、本実施形態のさらに他の変形例を示すタイミングチャートである。この例では、図１１の例とは異なり、第３の露光期間が、反射光パルスの立ち下がり期間の開始の直前に開始される。第１の露光期間は、図１１の例と同様、反射光パルスの立ち上がり期間の開始前に開始され、立ち上がり期間の終了直後に終了する。この例における信号処理回路１３４は、第１の露光期間において第１の画素Ｐ１の第１の電荷蓄積部に蓄積された電荷に基づく第１の信号と、第３の露光期間において第１の画素Ｐ１の第２の電荷蓄積部に蓄積された電荷に基づく第３の信号とに基づいて、イメージセンサ１２０から対象者５０までの距離を示すデータを生成して出力する。

　図１３は、距離演算の原理を説明するための図である。図１３には、発光パルスＩｅと、反射光パルスＩｒと、第１の露光期間と、第２の露光期間と、第３の露光期間とが例示されている。発光パルスおよび反射光パルスの時間幅をＴ０とする。光源１１０が光パルスの出射を開始してから第１の露光期間が終了するまでの時間をｔ１、光源１１０が光パルスの出射を開始してから第３の露光期間が開始されるまでの時間をｔ２とする。この例では、０＜ｔ２－ｔ１＜Ｔ０が成立する。第１の露光期間では、反射光パルスの前端部分の露光によって生じた電荷が蓄積される。一方、第３の露光期間では、反射光パルスの後端部分の露光によって生じた電荷が蓄積される。第１の露光期間で蓄積された電荷量を示す信号をＳ１とし、第３の露光期間で蓄積された電荷量を示す信号をＳ３とする。信号Ｓ１およびＳ３のそれぞれの強度は、対象者５０とイメージセンサ１２０との間の距離ｚに応じて変動する。距離ｚは、以下の（数１）を用いて計算できる。

ここで、ｃ（≒３．０×１０^８ｍ／ｓ）は光速を表す。

　信号処理回路１３４は、（数１）に基づいて、信号Ｓ１およびＳ３から、距離ｚを求めることができる。

　図１４は、さらに他の変形例を示す図である。この例では、制御回路１３２は、光源１１０に、第１の光パルス１４１を出射させた後、第２の光パルス１４２を出射させる。第１の光パルス１４１に起因して生じた第１の反射光１４３については、第１の露光期間で各第１の画素Ｐ１の第１の電荷蓄積部に電荷が蓄積され、第２の露光期間で各第２の画素Ｐ２の電荷蓄積部に電荷が蓄積される。これにより、各第１の画素Ｐ１の第１の電荷蓄積部から信号Ｓ１が出力され、各第２の画素Ｐ２の電荷蓄積部から信号Ｓ２が出力される。第２の光パルス１４２に起因して生じた第２の反射光１４４については、第３の露光期間で各第１の画素Ｐ１の第２の電荷蓄積部に電荷が蓄積され、第４の露光期間で各第２の画素Ｐ２の電荷蓄積部に電荷が蓄積される。これにより、各第１の画素Ｐ１の第２の電荷蓄積部から信号Ｓ３が出力され、各第２の画素Ｐ２の電荷蓄積部から信号Ｓ２が出力される。ここで、第１の光パルス１４１の出射開始時点から第１の露光期間の開始時点までの長さｔａは、第２の光パルス１４２の出射開始時点から第３の露光期間の開始時点までの長さｔｂよりも短い。信号処理回路１３４は、信号Ｓ１およびＳ３から、上記の（数１）に基づき、イメージセンサ１２０から対象物までの距離ｚを示すデータを生成して出力する。

　図１３または図１４に示す方法により、イメージセンサ１２０から対象物までの距離を画素ごとに計算することができる。電子回路１３０は、各画素の距離情報および脳血流情報を取得する動作を連続的に繰り返すことにより、２次元的な距離分布および脳血流分布のそれぞれの経時変化を示す動画像のデータを生成することができる。電子回路１３０は、各回の計測によって取得した各画素の距離情報に基づいて、次の計測における第１から第４の露光期間のタイミングを画素ごとに調整することができる。そのような調整により、脳血流の信号をより高い精度で取得することができる。

　電子回路１３０は、上記の方法で取得した距離情報を用いて、脳血流情報を補正してもよい。光源１１０から出射される光は、光源１１０の特性に応じた固有の照度分布を有する。光源１１０が発する光の空間的な照度分布に依存して、取得される脳血流信号のレベルが、計測点の位置によって異なる。また、計測装置１００が対象者５０の脳血流信号を繰り返し取得している最中に対象者５０が動いた場合、計測装置１００から計測点までの距離が変動するため、取得される脳血流の信号のレベルが変動する。良好な計測結果を得るためには、この変動の影響を抑制することが重要である。そこで、電子回路１３０は、脳血流計測と並行して距離計測を行い、計測装置１００から計測された各計測点までの距離に基づいて、各計測点における脳血流信号を補正することができる。

　以下、図１５から図１７を参照して、距離に基づいて脳血流信号を補正する動作を説明する。本明細書において「脳血流信号」とは、対象者の脳血流の状態を示す信号を意味し、被計測部からの光の内部散乱成分の強度を示す信号、またはその信号を処理することによって生成された信号である。

　図１５は、電子回路１３０によって生成される３種類の画像の時間変化の例を示す図である。この例では、電子回路１３０は、図１３または図１４に示す動作を実行することにより、図１５に示す３種類の画像である第１の画像（ａ）、第３の画像（ｂ）、第２の画像（ｃ）を生成する動作を繰り返す。図１５には、初期フレームにおける３種類の画像と、現フレームにおける３種類の画像とが例示されている。時間の経過により、対象者５０の動き（すなわち体動）と、頭皮および脳内の血流の変動が生じ、それらの影響により、各画像の輝度分布に変動が生じ得る。

　図１５に示す例では、電子回路１３０における制御回路１３２は、イメージセンサ１２０における２種類の画素（すなわち第１の画素Ｐ１および第２の画素Ｐ２）に、図１３または図１４に示す３種類の露光期間において露光を実行させる。画素の配置は、例えば図６Ａから図６Ｄに示すいずれかであり得る。電子回路１３０における信号処理回路１３４は、イメージセンサ１２０から取得した信号から、各第１の画素Ｐ１の第１の電荷蓄積部の信号、各第１の画素Ｐ１の第２の電荷蓄積部の信号、および各第２の画素Ｐ２の電荷蓄積部の信号を抽出し、それらの信号に基づいて第１の画像（ａ）、第３の画像（ｂ）、第２の画像（ｃ）を生成する。各第１の画素Ｐ１の第１の電荷蓄積部は、第１の露光期間において反射光パルスの前端部分を検出し、第１の信号を生成する。信号処理回路１３４は、それらの第１の信号に基づいて第１の画像（ａ）を生成する。各第１の画素Ｐ１の第２の電荷蓄積部は、第３の露光期間において反射光パルスの立ち下がり期間の開始直前から立ち下がり期間終了までの成分を検出し、第３の信号を生成する。信号処理回路１３４は、それらの第３の信号に基づいて第３の画像（ｂ）を生成する。各第２の画素Ｐ２の電荷蓄積部は、第２の露光期間において反射光パルスの後端部分を検出し、第２の信号を生成する。信号処理回路１３４は、それらの第２の信号に基づいて第２の画像（ｃ）を生成する。第２の画像（ｃ）は、対象者５０の脳血液中で散乱される内部散乱成分の二次元分布を示す。

　信号処理回路１３４は、各画素における第１の信号および第３の信号から、前述の（数１）に示す計算を行うことにより、画素ごとに距離を計算する。信号処理回路１３４は、計算した各画素の距離に基づいて距離画像を生成する。さらに、信号処理回路１３４は、距離画像に基づいて第２の画像（ｃ）を補正する。

　図１６は、第１の画像（ａ）と第３の画像（ｂ）とに基づいて生成される距離画像の例を模式的に示す図である。信号処理回路１３４は、このような距離画像に基づいて、第２の画像（ｃ）を補正する。より具体的には、信号処理回路１３４は、距離画像と、予め用意された光源１１０の照度分布を示すデータとに基づいて、第２の画像（ｃ）を補正するための補正値画像を生成する。信号処理回路１３４は、補正値画像を用いて第２の画像（ｃ）から体動による影響を除去する補正を行う。

　図１７は、信号処理回路１３４による補正処理に用いられる補正値画像を生成する動作の流れを模式的に示す図である。補正には、予めキャリブレーションによって取得された光源１１０の照度分布を示す情報が用いられる。キャリブレーションは、対象者５０の計測を行う前に実施される。照度分布を示す情報は、光源１１０が発する光が有する空間的な照度分布を表し、以下の（数２）で与えられる。

ここで、Ｉ_ｃｏｒは空間内の位置（ｘ，ｙ，ｚ）における輝度を表す。（ｘ，ｙ）は画像における画素の位置を表し、ｚは（数１）によって計算された距離を表す。キャリブレーションでは、例えば白板などの物体を計測対象として、図１２に示すタイミングで露光が行われる。計測対象には、吸収係数および散乱係数が人に近い値を有する平板ファントムを使用することが望ましい。計測装置１００と白板との距離を変化させ、複数の距離で距離画像および第２の画像（ｃ）が取得される。各距離で、距離画像および第２の画像（ｃ）の画素位置（ｘ，ｙ）における距離ｚと輝度Ｉ_ｃｏｒの情報が取得される。距離ｚと輝度Ｉ_ｃｏｒの、取得されたデータと、データ点間の内挿および外挿とによって（数２）の関数が得られる。データ点間の補間は、内挿および外挿に限らず、種々の回帰方法が適用され得る。この照度分布の取得は、対象者の計測ごとに毎回行ってもよいし、最初に一度のみ行ってもよい。（数２）に示す関数は、テーブルの形式でメモリ１３６などの記憶媒体に記録されていてもよい。

　信号処理回路１３４は、前述の方法によって対象者５０から取得した距離画像の情報を（数２）の関数に入力することにより、図１７の右下に示すような補正値画像を生成することができる。

　図１８は、補正値画像を用いて第２の画像（ｃ）を補正する処理を模式的に示す図である。信号処理回路１３４は、第２の画像（ｃ）の各画素の値を補正値画像における対応する画素の値で除算することにより、第２の画像（ｃ）を補正する。この処理により、光源１１０の照度分布による第２の画像（ｃ）の輝度変動の影響を除去することができる。以上の計測および演算処理により、体動が発生した場合でも、体動の影響を抑制し、脳血流が変化する領域５２を明瞭に捉えることが可能になる。

　以上のように、複数の画素で異なる情報を同一フレーム内で取得することにより、対象者５０の体動に起因する輝度変動の影響を抑制し、人の脳血流の状態を高い時間分解能かつ高い精度で取得することができる。

　次に、計測装置１００による計測動作のさらに他の変形例を説明する。

　図１９は、他の変形例による計測動作を示す図である。図１９は、本変形例における波長の異なる２種類の発光パルスおよび反射光パルスと、第１の画素Ｐ１および第２の画素Ｐ２の各々における２つの電荷蓄積部のそれぞれの露光期間との関係を示すタイミングチャートである。本変形例では、図４Ａに示す例と同様、各フレームの期間内で、６５０ｎｍ以上８０５ｎｍ未満の第１の波長を有する第１の光パルスの出射と８０５ｎｍ超９５０ｎｍ以下の第２の波長を有する第２の光パルスの出射とが交互に繰り返される。図１９に示す第１のフレームと第２のフレームの動作は、所定のフレームレートで交互に繰り返される。この形態では、第１のフレームと第２のフレームとで、各第１の画素Ｐ１における２つの電荷蓄積部の露光期間が異なる。第１のフレームにおいては、各第１の画素Ｐ１における第１の電荷蓄積部および第２の電荷蓄積部は、それぞれ、第１の波長および第２の波長の反射光パルスの前端部分が検出される露光期間で露光するように制御される。当該露光期間は、反射光パルスの立ち上がり期間の開始前に開始し、立ち上がり期間の終了直後に終了する。一方、第２のフレームにおいては、各第１の画素Ｐ１における第１の電荷蓄積部および第２の電荷蓄積部は、それぞれ、第１の波長および第２の波長の反射光パルスの後端部分を含む成分が検出される露光期間で露光するように制御される。当該露光期間は、反射光パルスの立ち下がり期間の開始直前に開始し、立ち下がり期間の途中または立ち下がり期間の終了後に終了する。いずれのフレームにおいても、各第２の画素Ｐ２における第１の電荷蓄積部および第２の電荷蓄積部は、それぞれ、第１の波長および第２の波長の反射光パルスの後端部分が検出される露光期間で露光するように制御される。当該露光期間は、反射光パルスの立ち下がり期間の開始後に開始し、立ち下がり期間の終了後に終了する。

　図１９の例において、第１のフレームの計測動作が行われる期間を「第１の計測期間」と称し、第２のフレームの計測動作が行われる期間を「第２の計測期間」と称する。第１の計測期間において、第１の画素Ｐ１の第１の電荷蓄積部の露光期間を「第１の露光期間」とし、第１の画素Ｐ１の第２の電荷蓄積部の露光期間を「第３の露光期間」とする。第２の計測期間において、第１の画素Ｐ１の第１の電荷蓄積部の露光期間を「第４の露光期間」とし、第１の画素Ｐ１の第２の電荷蓄積部の露光期間を「第５の露光期間」とする。なお、各計測期間において、第２の画素の各電荷蓄積部の露光期間のそれぞれを「第２の露光期間」とする。第１の露光期間は、第１の計測期間における第１の光パルスの出射時点から第１の時間ｔ１が経過したときに開始する。第３の露光期間は、第１の計測期間における第２の光パルスの出射時点から第２の時間ｔ２が経過したときに開始する。第４の露光期間は、第２の計測期間における第１の光パルスの出射時点から第３の時間ｔ３が経過したときに開始する。第５の露光期間は、第２の計測期間における第２の光パルスの出射時点から第４の時間ｔ４が経過したときに開始する。第３の時間ｔ３は、第１の時間ｔ１とは異なり、第４の時間ｔ４は、第２の時間ｔ２とは異なる。図１９の例では、第１の時間ｔ１と第２の時間ｔ２とが等しく、第３の時間ｔ３と第４の時間ｔ４とが等しい。第１の時間ｔ１と第２の時間ｔ２とが異なっていてもよく、第３の時間ｔ３と第４の時間ｔ４とが異なっていてもよい。

　信号処理回路１３４は、第１の露光期間と第４の露光期間で取得された各第１の画素の第１の電荷蓄積部の信号、および／または、第３の露光期間と第５の露光期間で取得された各第１の画素の第２の電荷蓄積部の信号に基づいて、上記の（数１）に基づく演算を行うことにより、計測装置１００からその画素に対応する計測点までの距離を求めることができる。また、信号処理回路１３４は、第２の露光期間で取得された各第２の画素の第１の電荷蓄積部および第２の電荷蓄積部の信号に基づいて、脳血流の状態を示す脳血流情報を生成する。信号処理回路１３４は、前述の方法により、距離情報に基づいて脳血流情報を補正してもよい。

　本変形例における露光タイミングで計測を行うことにより、各波長の画像の取得タイミングの時間差が短くなり、２種類の波長の情報を高い時間分解能で取得することができる。これにより、脳血流のより機微な変化を捉えることが可能となる。

　本開示における計測装置は、非接触かつ高い時間分解能で計測できるため、特に人を対象とした生体センシングに有用である。

　５０　　対象者
　１００　計測装置
　１１０　光源
　１２０　イメージセンサ
　１２２　光電変換部
　１２４　電荷蓄積部
　１３０　電子回路
　１３２　制御回路
　１３４　信号処理回路

Claims

　対象物に向けて第１の光パルスを出射する光源と、
　第１の光検出セルおよび第２の光検出セルを含む複数の光検出セルを含むセンサと、
　前記光源および前記センサを制御し、前記センサから出力された信号を処理する電子回路と、
を備え、
　前記電子回路は、
　　前記光源に第１の光パルスを出射させ、
　　前記第１の光検出セルに、前記第１の光パルスに起因して生じた前記対象物からの第１の反射光パルスの強度が増加を開始してから減少を開始するまでの期間の少なくとも一部を含む第１の露光期間において、前記第１の反射光パルスを検出させることによって第１の信号を生成させ、
　　前記第２の光検出セルに、前記第１の反射光パルスの強度が減少を開始してから減少を終了するまでの立ち下がり期間の少なくとも一部を含む第２の露光期間において、前記第１の反射光パルスを検出させることによって第２の信号を生成させ、
　　前記第１の信号に基づき、前記対象物の表面の状態を示す第１のデータを生成して出力し、
　　前記第２の信号に基づき、前記対象物の内部の状態を示す第２のデータを生成して出力する、
　計測装置。
　前記第２の露光期間は、前記第１の反射光パルスの前記立ち下がり期間の開始よりも後に開始する、
　請求項１に記載の計測装置。
　前記第１の露光期間は、前記第１の反射光パルスの強度が増加を開始してから増加を終了するまでの立ち上がり期間の少なくとも一部を含む、
　請求項１または２に記載の計測装置。
　前記第１の露光期間は、前記立ち下がり期間の開始よりも前に終了する、
　請求項１から３のいずれかに記載の計測装置。
　前記複数の光検出セルは、前記第１の光検出セルを含む複数の第１の光検出セルと、前記第２の光検出セルを含む複数の第２の光検出セルとを含み、
　前記電子回路は、
　　前記複数の第１の光検出セルの各々に、前記第１の露光期間において、前記第１の反射光パルスを検出させることによって前記第１の信号を生成させ、
　　前記複数の第２の光検出セルの各々に、前記第２の露光期間において、前記第１の反射光パルスを検出させることによって前記第２の信号を生成させ、
　　前記複数の第１の光検出セルの各々から出力された前記第１の信号を含む複数の第１の信号に基づき、前記第１のデータを生成して出力し、
　　前記複数の第２の光検出セルの各々から出力された前記第２の信号を含む複数の第２の信号に基づき、前記第２のデータを生成して出力する、
　請求項１から４のいずれかに記載の計測装置。
　前記複数の第１の光検出セルの数は、前記複数の第２の光検出セルの数よりも少ない、
　請求項５に記載の計測装置。
　前記複数の第１の光検出セルの数は、前記複数の第２の光検出セルの数よりも多い、
　請求項５に記載の計測装置。
　前記センサはイメージセンサであり、
　前記複数の光検出セルは、行列状に配列され、
　前記電子回路は、
　　前記複数の第１の信号に基づく画像データを前記第１のデータとして生成し、
　　前記複数の第２の信号に基づく画像データを前記第２のデータとして生成する、
　請求項５から７のいずれかに記載の計測装置。
　前記複数の光検出セルは、行列状に配列され、
　前記複数の第１の光検出セルからなる行または列と、前記複数の第２の光検出セルからなる行または列とが、交互に並んでいる、
　請求項５から８のいずれかに記載の計測装置。
　前記複数の光検出セルは、行列状に配列され、
　前記複数の第１の光検出セルおよび前記複数の第２の光検出セルは、市松状に配列されている、
　請求項５から８のいずれかに記載の計測装置。
　前記対象物は人間の頭部を含み、
　前記第１のデータは、前記頭部における顔の外観を示す、
　請求項５から１０のいずれかに記載の計測装置。
　前記対象物は人間の頭部を含み、
　前記第２のデータは、前記頭部の脳血流の状態を示す、
　請求項１から１１のいずれかに記載の計測装置。
　前記複数の光検出セルは第３の光検出セルをさらに含み、
　前記電子回路は、前記第１の露光期間および前記第２の露光期間とは異なる第３の露光期間において、前記第１の光検出セルまたは前記第３の光検出セルに、前記第１の反射光パルスを検出させることによって第３の信号を生成させる、
　請求項１から１２のいずれかに記載の計測装置。
　前記電子回路は、
　　前記第３の露光期間において、前記第１の光検出セルに前記第３の信号を生成させ、
　　前記第１の信号と前記第３の信号とに基づき、前記センサから前記対象物までの距離を示すデータを生成して出力する、
　請求項１３に記載の計測装置。
　前記光源は、前記対象物に向けて第２の光パルスをさらに出射し、
　前記電子回路は、
　　前記光源に、前記第１の光パルスを出射させた後、前記第２の光パルスを出射させ、
　　前記第１の光検出セルに、前記第２の光パルスに起因して生じた前記対象物からの第２の反射光パルスの強度が減少を開始してから減少を終了するまでの立ち下がり期間の少なくとも一部を含む第３の露光期間において、前記第２の反射光パルスを検出させることによって第３の信号を生成させ、
　　前記第２の光検出セルに、前記第２の反射光パルスの前記立ち下がり期間の少なくとも一部を含み、第３の露光期間とは異なる第４の露光期間において、前記第２の反射光パルスを検出させることによって第４の信号を生成させ、
　　前記第１の信号および前記第３の信号に基づき、前記センサから前記対象物までの距離を示すデータを生成して出力する、
　請求項１から１２のいずれかに記載の計測装置。
　前記対象物は人の頭部を含み、
　前記電子回路は、前記第１の信号と前記第２の信号とに基づいて、前記人の心理状態または身体状態を示すデータを生成して出力する、
　請求項１から１５のいずれかに記載の計測装置。
　前記光源は、前記対象物に向けて第２の光パルスをさらに出射し、
　前記第２の光パルスの波長は、前記第１の光パルスの波長と異なり、
　前記第１の露光期間は、前記第１の光パルスの出射開始時点から第１の時間が経過したときに開始し、
　前記電子回路は、
　　第１の計測期間および第２の計測期間のそれぞれにおいて、前記光源に、前記第１の光パルスと前記第２の光パルスとを出射させ、
　　前記第１の光検出セルに、前記第１の計測期間に含まれる前記第１の露光期間において、前記第１の反射光パルスを検出させ、かつ前記第１の計測期間における前記第２の光パルスの出射開始時点から第２の時間が経過したときに開始する第３の露光期間において、前記第２の光パルスに起因して生じた前記対象物からの第２の反射光パルスを検出させることによって前記第１の信号を生成させ、
　　前記第１の光検出セルに、前記第２の計測期間における前記第１の光パルスの出射開始時点から第３の時間が経過したときに開始する第４の露光期間において、前記第１の反射光パルスを検出させ、かつ前記第２の計測期間における前記第２の光パルスの出射開始時点から第４の時間が経過したときに開始する第５の露光期間において、前記第２の反射光パルスを検出させることによって第３の信号を生成させ、
　　前記第１の信号と前記第３の信号に基づいて、前記センサから前記対象物までの距離を示すデータを生成し、
　前記第３の時間は、前記第１の時間と異なり、
　前記第４の時間は、前記第２の時間と異なる、
　請求項１から１２のいずれかに記載の計測装置。
　生体に向けて１つ以上の光パルスを出射する光源と、
　第１の光検出セルおよび第２の光検出セルを含む複数の光検出セルを含むセンサと、
　電子回路と、
を備え、
　前記電子回路は、
　　前記光源に前記１つ以上の光パルスを出射させ、
　　前記第１の光検出セルに、前記１つ以上の光パルスに起因して生じた前記生体からの１つ以上の反射光パルスの第１の成分を検出させることによって第１の信号を生成させ、
　　前記第２の光検出セルに、前記１つ以上の反射光パルスの第２の成分を検出させることによって第２の信号を生成させ、
　　前記第１の光検出セルに、前記１つ以上の反射光パルスの第３の成分を検出させることによって第３の信号を生成させ、
　　前記第１の信号および前記第３の信号に基づき、前記センサから前記生体までの距離を示す第１のデータを生成し、
　　前記第２の信号に基づき、前記生体の血流の状態を示す第２のデータを生成する、
計測装置。
　前記電子回路は、前記第１のデータに基づいて、前記第２のデータを補正する、
　請求項１８に記載の計測装置。
　前記電子回路は、前記１つ以上の光パルスの照度の空間分布を示すデータ、および前記第１のデータに基づいて、前記第２のデータを補正する、
　請求項１８または１９に記載の計測装置。
　光源と、第１の光検出セルおよび第２の光検出セルを含む複数の光検出セルを含むセンサと、を備える計測装置を制御する方法であって、
　前記光源に光パルスを出射させることと、
　前記第１の光検出セルに、前記光パルスに起因して生じた対象物からの反射光パルスの強度が増加を開始してから減少を開始するまでの期間の少なくとも一部を含む第１の露光期間において、前記反射光パルスを検出させることによって第１の信号を生成させることと、
　前記第２の光検出セルに、前記反射光パルスの強度が減少を開始してから減少を終了するまでの立ち下がり期間の少なくとも一部を含む第２の露光期間において、前記反射光パルスを検出させることによって第２の信号を生成させることと、
　前記第１の信号に基づき、前記対象物の表面の状態を示す第１のデータを生成して出力することと、
　前記第２の信号に基づき、前記対象物の内部の状態を示す第２のデータを生成して出力することと、
を含む方法。
　光源と、第１の光検出セルおよび第２の光検出セルを含む複数の光検出セルを含むセンサと、を備える計測装置を制御する方法であって、
　前記光源に１つ以上の光パルスを出射させることと、
　前記第１の光検出セルに、前記１つ以上の光パルスに起因して生じた生体からの１つ以上の反射光パルスの第１の成分を検出させることによって第１の信号を生成させることと、
　前記第２の光検出セルに、前記１つ以上の反射光パルスの第２の成分を検出させることによって第２の信号を生成させることと、
　前記第１の光検出セルに、前記１つ以上の反射光パルスの第３の成分を検出させることによって第３の信号を生成させることと、
　前記第１の信号および前記第３の信号に基づき、前記センサから前記生体までの距離を示す第１のデータを生成することと、
　前記第２の信号に基づき、前記生体の血流の状態を示す第２のデータを生成することと、
を含む方法。