摄像装置转让专利
申请号 : CN201711025085.9
文献号 : CN108209867B
文献日 : 2022-03-18
发明人 : 中村达也 , 安藤贵真 , 盐野照弘
申请人 : 松下知识产权经营株式会社
摘要 :
权利要求 :
1.一种摄像装置,其特征在于,具备:
光源,射出向对象物照射的1个以上的脉冲光;以及光检测器,检测从上述对象物返回的1个以上的反射脉冲光;
在包括上升期间的至少一部分的第1期间中,上述光检测器检测上述1个以上的反射脉冲光,上述上升期间是从上述1个以上的反射脉冲光的强度开始增加起到增加结束为止的期间;
在比下降期间的开始靠后、且包括上述下降期间的一部分的第2期间中,上述光检测器检测上述1个以上的反射脉冲光,上述下降期间是从上述强度开始减少起到减少结束为止的期间,
上述第2期间包含上述强度的减少结束的时刻。
2.如权利要求1所述的摄像装置,其特征在于,上述光检测器是包括多个像素的图像传感器;
上述多个像素中的每个像素包括:光电变换部,将从上述对象物返回的光变换为信号电荷;以及电荷蓄积部,蓄积上述信号电荷;
在上述第1期间中,上述图像传感器在上述电荷蓄积部中蓄积上述信号电荷;
在上述第2期间中,上述图像传感器在上述电荷蓄积部中蓄积上述信号电荷。
3.如权利要求2所述的摄像装置,其特征在于,上述图像传感器在上述上升期间与上述下降期间之间的第3期间中,不在上述电荷蓄积部中蓄积上述信号电荷。
4.如权利要求2所述的摄像装置,其特征在于,上述图像传感器在多个帧期间中的每个帧期间中,基于蓄积在上述电荷蓄积部中的上述信号电荷取得1个帧的上述对象物的图像;
上述第1期间及上述第2期间分别包含在上述多个帧期间中的不同的帧期间中。
5.如权利要求2所述的摄像装置,其特征在于,上述多个像素中的每个像素包括第1电荷蓄积部及第2电荷蓄积部,上述第1电荷蓄积部及上述第2电荷蓄积部分别是上述电荷蓄积部;
在上述第1期间中,上述图像传感器在上述第1电荷蓄积部中蓄积上述信号电荷;
在上述第2期间中,上述图像传感器在上述第2电荷蓄积部中蓄积上述信号电荷。
6.如权利要求5所述的摄像装置,其特征在于,上述图像传感器在多个帧期间的每个帧期间中,基于蓄积在上述电荷蓄积部中的上述信号电荷,取得1个帧的上述对象物的图像;
上述第1期间及上述第2期间包含在上述多个帧期间中的同一个帧期间中。
7.如权利要求2所述的摄像装置,其特征在于,上述1个以上的反射脉冲光包括第1反射脉冲光和第2反射脉冲光;
在上述第1反射脉冲光的上述第1期间中,上述图像传感器在上述电荷蓄积部中蓄积上述信号电荷;
在上述第2反射脉冲光的上述第2期间中,上述图像传感器在上述电荷蓄积部中蓄积上述信号电荷。
8.如权利要求2所述的摄像装置,其特征在于,上述1个以上的反射脉冲光包括多个反射脉冲光;
在多个上述第1期间中,上述图像传感器在上述电荷蓄积部中蓄积上述信号电荷;
在多个上述第2期间中,上述图像传感器在上述电荷蓄积部中蓄积上述信号电荷;
上述多个第1期间的数量比上述多个第2期间的数量少。
9.如权利要求1所述的摄像装置,其特征在于,上述第2期间与上述第1期间在时间上分离。
10.如权利要求1所述的摄像装置,其特征在于,上述第1期间和上述第2期间均比上述脉冲光的脉冲宽度短。
11.如权利要求1所述的摄像装置,其特征在于,上述1个以上的反射脉冲光包括第1反射脉冲光和第2反射脉冲光,上述光检测器,在上述第1反射脉冲光的上述第1期间中检测上述第1反射脉冲光,在上述第2反射脉冲光的上述第2期间中检测上述第2反射脉冲光。
说明书 :
摄像装置
技术领域
背景技术
134157号公报公开了一种将人的头部用光照射、使用CMOS或CCD那样的图像传感器检测在
生物体内扩散的光的方法。此外,日本特开平4-189349号公报公开了一种作为使用条纹高
速摄影机(streak camera)检测在深度方向上处于不同的位置处的信息的方法的时间分解
检测法。
发明内容
的至少一部分的第1期间中,上述光检测器检测上述1个以上的反射脉冲光,上述上升期间
是从上述1个以上的反射脉冲光的强度开始增加起到增加结束为止的期间;在比下降期间
的开始靠后、且包括上述下降期间的一部分的第2期间中,上述光检测器检测上述1个以上
的反射脉冲光,上述下降期间是从上述强度开始减少起到减少结束为止的期间。
合实现。
附图说明
具体实施方式
的。因此,需要更高效率地检测生物体内部的信息,将表面的成分与脑的成分分离。另一方
面,在日本特许第5658993号说明书所公开的方法中,关于对象物的空间信息,仅能够取得1
维的信息。此外,由于使用脉冲宽度为几百飞秒到几皮秒的超短脉冲的光源及条纹高速摄
影机,所以非常昂贵。
装置101以非接触方式计测作为对象物102的人体头部的内部的脑血流。该摄像装置101具
备发出近红外域的脉冲光的第1光源103、检测从第1光源103射出并从对象物102返回来的
脉冲光的作为光检测器的图像传感器113、和控制第1光源103及图像传感器113的控制电路
114。
况下可以设定为例如约650nm以上约950nm以下。该波长范围包含在从红色到近红外线的波
长范围中,生物体内的吸收率较低,适合于取得生物体内的信息的用途。另外,在本说明书
中,不仅是可视光,关于红外线也使用“光”的用语,有时将红外线称作“红外光”。
各像素的曝光定时。
返回来的作为较弱的光的内部散射成分I2晚于表面反射成分I1而到达图像传感器113。皮
肤血流的信息主要被反映到内部散射成分I2的较早的时间中,脑血流的信息主要被反映到
内部散射成分I2的较晚的时间中,但由于哪种都以相同的时间被以特定的比例混合,所以
需要将皮肤血流成分与脑血流成分分离。所以,本申请发明者们尝试了利用时间分解法检
测作为在对象物102的内部中被散射的光的内部散射成分I2,利用图像运算将生物体的皮
肤血流成分与脑血流成分分离。
制电路414。控制电路414基于来自控制电路114的指令而动作。
402。
向漏极402排出,或被分配给蓄积信号电荷的浮动扩散层404。通过由控制电路414进行的该
控制,实现电子快门。
出的脉冲光的波形。信号B表示作为被对象物102的表面反射回来的光的表面反射成分I1的
波形。信号C表示作为被生物体的内部散射回来的光的内部散射成分I2的波形。信号D表示
将表面反射成分I1和内部散射成分I2加在一起的波形。信号D相当于由图像传感器113检测
到的反射脉冲光的波形。信号E表示电子快门的OPEN(开)、CLOSE(关)的定时。横轴表示时
间,纵轴在信号A至D中表示光的强度,在信号E中表示电子快门的OPEN或CLOSE的状态。这
里,所谓“CLOSE”,是指信号电荷被向漏极402排出的状态。所谓“OPEN”,是指信号电荷没有
被向漏极402排出的状态。控制电路414通过例如由电压的调整使浮动扩散层404及漏极402
中的信号电荷的电势能(以下,单称作“电势”)变化,能够控制信号电荷向浮动扩散层404的
蓄积及信号电荷向漏极402的排出。
分I1相比光路长较长。此外,与仅经由皮肤及头盖骨等的生物体的浅部的光相比,到达了脑
等的生物体的深部的光平均性的光路长更长。因而,内部散射成分I2中的到达了脑的光比
仅经由皮肤的光晚而到达图像传感器113。由图像传感器113检测到的相当于反射脉冲光的
波形的信号D的波形具有:上升期间,是从信号D的强度开始增加(图3中的时刻a)到结束(图
3中的时刻c)的期间;下降期间,是从信号D的强度开始减少(图3中的时刻d)到结束(图3中
的时刻f)的期间。控制电路414在照射脉冲光之前将图像传感器113的电子快门设为OPEN,
在信号D的波形的上升期间的途中(图3中的时刻b)将电子快门设为CLOSE。由此,在包括信
号D的波形的上升期间的至少一部分的第1期间(图3中的时刻a至时刻b),主要起因于穿过
了皮肤、头盖骨等的生物体的浅部的光路长较短的成分的信号电荷被蓄积到浮动扩散层
404中。然后,图像传感器113的电子快门维持CLOSE的状态,如果表面反射成分I1向图像传
感器113的入射结束(图3中的时刻e),则控制电路414将电子快门设为OPEN。时刻e相对于比
信号D的下降期间的开始靠后的时刻。由此,在比信号D的波形的下降期间的开始靠后、包括
下降期间的一部分的第2期间(图3中的时刻e至时刻f)中,主要起因于穿过了脑等的生物体
的深部的光路长较长的成分的信号电荷被蓄积到浮动扩散层404中。然后,控制电路414将
电子快门再次设为CLOSE。控制电路114在从电子快门成为CLOSE起经过规定时间后,再次开
始脉冲发光。以后,将上述动作反复进行多次(例如几百次到几万次左右)。在此期间中,基
于蓄积在浮动扩散层404中的信号电荷生成1个帧的图像。
蓄积。设计各像素的光敏二极管403、浮动扩散层404及漏极402中的信号电荷的电势,以实
现这样的动作。
脑血流的信息。此时,考虑图像传感器的动态范围,检测到的上升成分和下降成分的信号量
优选的是不饱和。但是,由于入射到生物体中而到达脑后返回来的光经由皮肤,所以特别是
下降成分不仅包含脑血流的信息,还包含较多皮肤血流的信息。因此,仅通过上升成分和下
降成分的取得,难以将皮肤血流与脑血流分离。本申请发明者们如后述那样,尝试了将由图
像传感器检测到的上升成分和下降成分分别图像化、通过运算图像来将皮肤血流信息与脑
血流信息分离。
的脉冲光的第1部分及第2部分。在TOF法中,为了使检测到的光量变大,检测反射的脉冲光,
以使第1部分及第2部分都包含反射的脉冲光的波形中的强度为最大的部分。
少一部分的第1期间中,上述光检测器检测上述1个以上的反射脉冲光,上述上升期间是从
上述1个以上的反射脉冲光的强度开始增加起到增加结束为止的期间;在比下降期间的开
始靠后、且包括上述下降期间的一部分的第2期间中,上述光检测器检测上述1个以上的反
射脉冲光,上述下降期间是从上述强度开始减少起到减少结束为止的期间。
电荷;以及电荷蓄积部,蓄积上述信号电荷;在上述第1期间中,上述图像传感器在上述电荷
蓄积部中蓄积上述信号电荷;在上述第2期间中,上述图像传感器在上述电荷蓄积部中蓄积
上述信号电荷。
图像;上述第1期间及上述第2期间分别包含在上述多个帧期间中的不同的帧期间中。
上述电荷蓄积部;在上述第1期间中,上述图像传感器在上述第1电荷蓄积部中蓄积上述信
号电荷;在上述第2期间中,上述图像传感器在上述第2电荷蓄积部中蓄积上述信号电荷。
上述第1期间及上述第2期间包含在上述多个帧期间中的同一个帧期间中。
荷;在上述第2反射脉冲光的上述第2期间中,上述图像传感器在上述电荷蓄积部中蓄积上
述信号电荷。
述信号电荷;在多个上述第2期间中,上述图像传感器在上述电荷蓄积部中蓄积上述信号电
荷;上述多个第1期间的数量比上述多个第2期间的数量少。
integration:大规模集成电路)的一个或多个电子电路执行。LSI或IC既可以集成在一个芯
片上,也可以将多个芯片组合而构成。例如,也可以将存储元件以外的功能块集成到一个芯
片上。这里称作LSI或IC,但根据集成程度而叫法变化,也可以称作系统LSI、VLSI(very
large scale integration:超大规模集成电路)或ULSI(ultra large scale
integration:特大规模集成电路)。在LSI的制造后编程的Field Programmable Gate
Array(FPGA:现场可编程门阵列)、或能够进行LSI内部的接合关系的再构成或LSI内部的电
路划分的设置的可重构逻辑器件也能够以相同的目的使用。
介质中,当软件被处理装置(processor:处理器)执行时,由该软件确定的功能被处理装置
(processor)及周边装置执行。系统或装置也可以具备记录有软件的一个或多个非暂时性
记录介质、处理装置(processor)及需要的硬件设备、例如接口。
间变化。由此,能够生成表示该分布的静止图像或运动图像的2维图像。通过利用该图像的
信息,例如能够推测被检者的脑活动(例如,注意力集中程度或感情等)。本实施方式的摄像
装置由于能够以非接触方式检测上述那样的生物体信息,所以能够消除伴随着检测的麻
烦,所以与以往技术相比能够使脑血流信息的检测精度大幅提高。以下,说明能够进行这样
的高精度的检测的本实施方式的摄像装置的结构及动作。
具有与图1所示的研究例中的摄像装置101相同的结构。
出脉冲光。在本实施方式中,第1光源103是射出中心波长为750nm的窄带域的脉冲光的激光
源。图像传感器113被配置在光学系统111的成像面上,检测来自对象物102的反射光。光学
系统111配置在对象物102与图像传感器113之间,可以包括1个或多个透镜。光学系统111将
来自对象物102的光聚光而向图像传感器113的摄像面成像。带通滤波器112配置在光学系
统111与图像传感器113之间,主要仅使与来自第1光源103的光的波长相当的波长的光透
过。
及信号排出的定时。由此,能够以较高的精度检测生物体内部的头皮及脑血流的信息。信号
处理电路115连接在图像传感器113上,基于从图像传感器113输出的电信号,生成并输出图
像数据(例如2维的运动图像的数据)。生成的图像数据例如被向未图示的显示器发送,在显
示器上可以显示表示脑血流的状态的图像。另外,信号处理电路115也可以设在摄像装置
101的外部的装置中。例如,也可以以是以有线或无线方式与摄像装置101连接的外部的计
算机具备信号处理电路115。在这样的形态中,由于摄像装置101不需要进行计算负荷较高
的运算,所以能够将摄像装置101便宜地构成。另外,摄像装置101可以包含在图4中没有表
示的其他要素。例如,摄像装置101也可以具备使来自第1光源103的光的行进方向变化的反
射镜等的光学系统、或进行无线通信的通信电路等。
的其他的装置可以具备第1光源103、图像传感器113、带通滤波器112及光学系统111。通过
在信息终端中安装特定的软件,能够使信息终端的处理器(CPU及GPU等)作为控制电路114
及信号处理电路115发挥功能。
源103射出的脉冲光例如可以是作为上升时间的从开始上升到完全上升的时间、和作为下
降时间的从开始下降到完全下降的时间接近于零的矩形波状的光。第1光源103可以是脉冲
光的上升部分和下降部分相对于时间轴接近于垂直(即,时间响应特性陡峭的)激光二极管
(LD)等的光源。在第1光源103中,可以使用例如半导体激光器、固体激光器、纤维激光器等
的发出脉冲光的任意的种类的光源。
全基准的等级1的光源。在满足等级1的情况下,向对象物102照射辐射释放极限(AEL)低于
1mW的低照度的光。即使第1光源103自身不满足等级1,也可以通过与其他光学元件的组合
满足等级1。例如,也可以将扩散板或ND滤光器等的元件配置在第1光源103与对象物102之
间,通过使光扩散或衰减来满足激光安全基准的等级1。
难以被生物体内的水分及血红蛋白吸收的性质。在将生物体作为检测对象的情况下,通过
使用上述波长范围的光,能够使检测灵敏度变高。在如本实施方式那样检测对象物102的皮
肤及脑的血流变化的情况下,考虑到使用的光主要被氧化血红蛋白及脱氧血红蛋白吸收,
对于各个波长的光吸收程度不同。在血流中发生了变化的情况下,可以认为氧化血红蛋白
及脱氧血红蛋白的浓度变化,所以光的吸收程度也变化。因而,血流变化的前后,检测的光
量也变化。
近红外线的波长域(约700nm以上约2500nm以下),例如也可以是可视光的波长域(约400nm
以上约700nm以下)、紫外线的波长域(约10nm以上约400nm以下)。根据用途,也可以使用中
红外线、远红外线或太赫兹波或毫米波等的电波域的电磁波。
散射的成分的内部散射成分I2。表面反射成分I1包括直接反射成分、扩散反射成分的2种。
直接反射成分是以与入射角相等的反射角被反射的成分。扩散反射成分是起因于表面的凹
凸形状而扩散并被反射的成分。在本公开中,假设由对象物102的表面反射的表面反射成分
I1包含这2个成分。此外,内部散射成分I2包含由表面附近的内部组织散射、反射的成分。表
面反射成分I1及内部散射成分I2通过反射或散射而行进方向变化,其一部分透过光学系统
111及双带通滤波器112而到达图像传感器113。
的像角,也可以使用鱼眼透镜或广角透镜,或使用变焦透镜。此外,也可以为了调节明亮度
而在透镜的前后或途中设置光瞳。
为中心波长的窄频带的光透过,将其以外的波长的光遮光。通过配置这样的带通滤光器
112,能够抑制杂光(例如背景光)入射到图像传感器113中。
如可以是CCD图像传感器或CMOS图像传感器。
间结束到下个曝光期间开始的时间的电路。在本说明书中,将电子快门曝光的状态表现为
“OPEN”,将电子快门停止曝光的状态表现为“CLOSE”。图像传感器113通过电子快门能够将
从1次的曝光期间结束到下个曝光期间开始的时间以亚纳秒(例如30ps~1ns)的时间跨度
进行调整。在本实施方式中,与以到对象物的距离的测量为目的的以往的TOF(Time of
Flight)照相机不同,不需要使快门幅度比脉冲宽度大。以往的TOF照相机为了将对象物的
明亮度修正,检测从光源射出并被对象物反射回来的脉冲光的全部。
度大。在本实施方式中,快门幅度例如可以是1~30ns左右。根据本实施方式的摄像装置
101,由于能够使快门幅度比以往缩短,所以能够减少检测信号中包含的暗电流。
有仅通过1脉冲的照射而光量不足的情况。在此情况下,也可以是第1光源103多次发光脉冲
光,对应于此而图像传感器113也通过电子快门多次曝光。根据这样的动作,通过将检测信
号累积,能够使灵敏度提高。
的浮动扩散层404、和将信号电荷排出的漏极402。浮动扩散层404及漏极402的功能与参照
图2说明的功能是同样的。
器单元)。控制电路414按照保存在存储器中的控制程序,根据来自外部的控制电路114的指
示,控制信号电荷向浮动扩散层404的蓄积、以及信号电荷向漏极402的排出。由此,图像传
感器113能够以较高的时间分辨率进行摄像,也有称作“时间分解图像传感器”的情况。
402排出,或被分配给浮动扩散层404的某个。
通常的CMOS图像传感器的像素的信号那样被处置,从图像传感器113输出。另外,在图6中,
仅表示了与从在各浮动扩散层404中完成信号电荷的蓄积后、将浮动扩散层内的信号电荷
从图像传感器113输出的动作即低速读出动作有关的要素。漏极402、光敏二极管403及控制
电路314由于不与低速读出动作直接相关,所以从图6中省略。
过输入到复位晶体管510的栅极中的脉冲信号控制信号电荷的排出。各晶体管例如是形成
在半导体基板上的电场效应晶体管,但并不限定于此。如图示那样,源级跟随器晶体管509
的输入端子及输出端子的一方(典型的是源极)与行选择晶体管508的输入端子及输出端子
中的一方(典型的是漏极)连接。作为源级跟随器晶体管509的控制端子的栅极电连接在图6
中没有表示的光敏二极管403上。作为由光敏二极管403生成的信号电荷的空穴或电子被蓄
积到作为光敏二极管403与源级跟随器晶体管509之间的蓄积部的浮动扩散层404中。
源级跟随器晶体管509及源级跟随器负荷506流入的电流被放大。基于从垂直信号线504读
出的该电流的模拟信号被按每个列连接的模拟-数字(AD)变换电路507变换为数字信号数
据。该数字信号数据被列选择电路503按列读出,被从图像传感器113输出。
读出后,通过将复位晶体管510的栅极开启,将全部的浮动扩散层复位。由此,1个帧的摄像
完成。以下同样,通过反复进行帧的高速摄像,由图像传感器113进行的一系列的帧的摄像
结束。
ICCD。
进行向第1光源103的点亮指示、向图像传感器113的摄像指示、以及向信号处理电路115的
运算指示等。基于来自控制电路114的指示,图像传感器113的控制电路414控制各像素的信
号电荷的蓄积及排出。
(PLD)、或中央运算处理装置(CPU)或图像处理用运算处理器(GPU)与计算机程序的组合来
实现。另外,控制电路114及信号处理电路115也可以由合并的1个电路实现。
可以生成其他信息。例如,也可以通过与其他设备同步而生成脑的血流量、血压、血中氧饱
和度或心拍数等的生物体信息。
成分变化。因而,只要能够计测脑血流量或血液内成分的变化等的生物体信息,就能够推测
被检者的心理状态。所谓被检者的心理状态,例如是指心情(例如,快乐、不快)、感情(例如,
安心、不安、悲伤、愤怒等)、健康状态(例如,精神好、倦怠)、温度感觉(例如,热、冷、闷热)
等。此外,派生于此,表示脑活动的程度的指标例如熟练度、熟悉度及注意力集中程度等也
包含在心理状态中。信号处理电路115也可以基于脑血流量等的变化推测被检者的注意力
集中程度等的心理状态,输出表示推测结果的信号。
102的深部,进而继续散射,极少量的能量成分作为内部散射成分再次到达头部的额头表
面。该光的一部分透过光学系统111及带通滤光器112而到达图像传感器113。
态,在到达图像传感器113的反射光上升的途中将电子快门设为CLOSE。然后,进行下个脉冲
发光,进行相同的动作。通过反复进行以上的动作,能够检测到主要仅穿过了皮肤及头盖骨
的光。
入射的期间中将电子快门切换为OPEN。并且,在相当于发光脉冲宽度的期间中维持快门
OPEN的状态,再次将快门设为CLOSE。然后,进行下个脉冲发光,进行相同的动作。通过反复
进行以上的动作,能够将表面反射成分除去而效率良好地检测经由到脑的内部散射成分。
该光,能够测量从开始发光到表面反射成分的后端到达图像传感器113的时间。只要将该时
间设定为从开始发光到将电子快门设为OPEN的时间就可以。
式中,将脉冲光多次发光,与此对应而通过图像传感器113的电子快门进行多次曝光。由此,
检测信号被累积,所以能够使灵敏度提高。但是,根据用途,有时也可以不进行多次发光及
曝光。在此情况下,关于各光源,每1帧进行1次的发光及曝光。
CLOSE的定时。信号F表示浮动扩散层404的ON(即在浮动扩散层中蓄积电荷的状态)、OFF(即
在浮动扩散层中不蓄积电荷的状态)的定时。
的周期多次发光,同步于该发光,使浮动扩散层404蓄积信号电荷。第一帧期间中的蓄积在
浮动扩散层404中的信号电荷被用于基于从对象物102反射来的750nm的波长的脉冲光的上
升成分的图像的生成。
的周期多次发光,同步于该发光,使浮动扩散层404蓄积信号电荷。第二帧期间中的蓄积在
浮动扩散层404中的信号电荷被用于基于从对象物102反射来的750nm的波长的脉冲光的下
降成分的图像的生成。以下,更详细地说明该动作。
约10ns的脉冲宽度的脉冲光。在反复进行第1光源103的发光的期间中,浮动扩散层404被设
为有效(低电势)的状态。在该状态下,同步于第1光源103的发光而切换电子快门的OPEN及
CLOSE的状态。更具体地讲,在第一帧期间中,图像传感器113的控制电路414仅在从对象物
102返回来的脉冲光的上升成分向光敏二极管403入射的期间中使漏极402的电势相对变
高,将电子快门设为OPEN(将漏极402设为无效)。
光敏二极管403发生的信号电荷被向浮动扩散层404反复蓄积。图像传感器113根据蓄积的
信号电荷生成像素信号,向信号处理电路115发送。在信号处理电路115中,根据各个像素的
信号生成图像,向内部存储器等保存。此时的图像意味着头皮及头盖骨等的生物体的浅部
的图像信息。
向光敏二极管403入射的期间中使漏极402的电势相对变低,将电子快门设为CLOSE。在该期
间以外,控制电路414使漏极402的电势相对变低,将电子快门设为CLOSE(将漏极402设为有
效)。
处理电路115转送。图像传感器113根据蓄积的信号电荷生成像素信号,向信号处理电路115
发送。在信号处理电路115中,根据各个像素的信号生成帧数据。此时的图像意味着包含头
皮及头盖骨等的生物体的浅部、和脑等生物体的深部的两者的图像信息。通过以上的处理,
信号处理电路115生成从生物体反射的脉冲光的上升成分和下降成分的各自的帧数据。
此。图7C及图7D是表示在实施方式1中取得第一帧期间的图像信号的期间中的摄像装置的
动作的变形例的时序图。
升期间中检测到的信号量变得比在下降期间中检测到的信号量大,如果累积,则在上升期
间中检测到的信号量容易饱和。所以,也可以如图7C所示的变形例那样,在第1帧期间中使
发光次数相比图7A变少。或者,也可以如图7D所示的变形例那样,在第1帧期间中使曝光次
数相比图7A变少。
息。因此,为了仅提取脑的血流变化的信息,只要使用这些信号将皮肤的血流变化的信息与
脑的血流变化的信息分离就可以。
流变化的分布处于不相关的关系。基于该考虑,通过使用在根据上升成分的信号制作的图
像及根据下降成分的信号制作的图像中分别反映出的信号的运算,将皮肤的血流变化的图
像与脑的血流变化的图像分离。以下,对其详细情况进行说明。
到的已知的像素信号值,右边是未知数。
肤血流变化的分布与脑血流变化的分布不相关,提取在皮肤的血流变化Ss和脑的血流变化
Sb的全像素成分中相关系数最接近于0那样的系数c和d及Sb的值。由此求出的Ss和Sb的信
号分别表示皮肤的血流变化及脑的血流变化。
模型来预先求出能够将皮肤血流变化与脑血流变化分离的最优的a、b、c、d。
素的运动矢量,精度良好地求出满足式(1)的Ss和Sb。
血流变化。
储器的组合。作为光检测器,即使是使用雪崩光敏二极管与存储器的组合、或PIN光敏二极
管与存储器的组合的情况,例如通过将反射脉冲光的上升成分和下降成分分别按照脉冲检
测、反复向存储器蓄积,也能得到充分的信号量。通过将蓄积在存储器中的信号量按照数式
(1)运算,能够将皮肤血流变化和脑血流的变化分离。
的摄像装置201求出血流的血红蛋白信息的例子进行说明。以下,以与实施方式1不同的点
为中心进行说明。
处理电路115。第1光源103、第2光源203朝向对象物102位于的方向射出脉冲光。在本实施方
式中,第1光源103是射出中心波长为750nm的窄带域的脉冲光的激光源,第2光源是射出中
心波长为850nm的窄带域的脉冲光的激光源。双带通滤波器212被配置在光学系统111与图
像传感器113之间,主要仅使与来自第1光源103、第2光源203的光的波长相当的波长的光透
过。控制电路114连接在第1光源103、第2光源203及图像传感器113上,控制它们的动作。更
具体地讲,控制电路114同步控制第1光源103、第2光源203的发光定时、和图像传感器113的
各像素的信号蓄积及信号排出的定时。由此,能够以较高的精度检测生物体内部的头皮及
脑血流的信息,特别是,能够检测出血流包含的氧化血红蛋白和脱氧血红蛋白的变化量。
的以850nm为中心波长的窄带域的光透过,将其以外的波长的光遮光。通过配置这样的双带
通滤波器212,能够抑制杂光(例如背景光)入射到图像传感器113中。
的脉冲光的波形。信号E表示电子快门的OPEN,CLOSE的定时信号F表示浮动扩散层404的ON
(即在浮动扩散层中蓄积电荷的状态)、OFF(即在浮动扩散层中不蓄积电荷的状态)的定时。
多次发光,同步于该发光,使浮动扩散层404蓄积信号电荷。第1帧期间中的蓄积在浮动扩散
层404中的信号电荷被用于基于反射来的750nm的波长的脉冲光的上升成分的图像的生成。
多次发光,同步于该发光,使浮动扩散层404蓄积信号电荷。第2帧期间中的蓄积在浮动扩散
层404中的信号电荷被用于基于反射来的750nm的波长的脉冲光的下降成分的图像的生成。
多次发光,同步于该发光,使浮动扩散层404蓄积信号电荷。第3帧期间中的蓄积在浮动扩散
层404中的信号电荷被用于基于反射来的850nm的波长的脉冲光的上升成分的图像的生成。
多次发光,同步于该发光,使浮动扩散层404蓄积信号电荷。第4帧期间中的蓄积在浮动扩散
层404中的信号电荷被用于基于反射来的850nm的波长的脉冲光的下降成分的图像的生成。
通常氧化血红蛋白和脱氧血红蛋白的对于波长的吸光系数是已知的,所以根据不同的2种
波长的图像数据,能够计算出上升成分和下降成分的氧化血红蛋白量及脱氧血红蛋白量。
但是,由于上升成分和下降成分都以不同的比率包含皮肤血流和脑血流的血红蛋白量,所
以只要将它们分离就可以。分离方法可以以与实施方式1同样的方法实施,所以这里省略说
明。
具有多个像素,各像素具有光敏二极管403和作为电荷蓄积部的浮动扩散层404。第1光源
103射出第一波长域(例如以750nm为中心的波长域)的脉冲光。
404蓄积信号电荷的定时、和将信号电荷排出的定时。控制电路114执行以下的动作。
所述上升期间,是从第1光源103射出的脉冲光中的主要被对象物102的表面反射的表面反
射成分I1入射到图像传感器113中的期间。
的期间中,将图像传感器113设为使浮动扩散层404蓄积信号电荷的状态、并且信号电荷不
被排出的状态,使浮动扩散层404蓄积信号电荷。
所述上升期间,是从第2光源203射出的脉冲光中的主要被对象物102的表面反射的表面反
射成分I1入射到图像传感器113中的期间。
的期间中,将图像传感器113设为使浮动扩散层404蓄积信号电荷的状态、并且信号电荷不
被排出的状态,使浮动扩散层404蓄积信号电荷。
期间中的图像信号计算出下降成分中的氧化血红蛋白量及脱氧血红蛋白量之后,通过图像
运算求出皮肤血流和脑血流的血红蛋白浓度变化的分布。
期间中能够检测上升成分和下降成分这一点,与实施方式1及实施方式2不同。以下,以与实
施方式1及2不同的点为中心进行说明。
管403、作为蓄积信号电荷的电荷蓄积部的2个浮动扩散层404、405、和将信号电荷排出的漏
极402。各浮动扩散层404、405及漏极402的功能与参照图2说明的功能是同样的。
器单元)。控制电路414按照保存在存储器中的控制程序,根据来自外部的控制电路114的指
示,控制信号电荷向浮动扩散层404、405的蓄积、以及信号电荷向漏极402的排出。
402排出,或被分配给浮动扩散层404、405的某个。
脉冲光的波形。信号E表示电子快门的OPEN、CLOSE的定时。信号F1表示浮动扩散层404的ON
(即在浮动扩散层中蓄积电荷的状态)、OFF(即在浮动扩散层中不蓄积电荷的状态)的定时。
信号F2表示浮动扩散层405的ON、OFF的定时。
制电路114首先使第1光源103以规定的周期多次发光,同步于该发光,使浮动扩散层404蓄
积信号电荷。接着,使第2光源203以规定的周期多次发光,同步于该发光,使浮动扩散层405
蓄积信号电荷。第1帧期间中的蓄积在浮动扩散层404、405中的信号电荷被用于基于750nm、
850nm的各自的波长的脉冲光的上升成分的图像的生成。
制电路114首先使第1光源103以规定的周期多次发光,同步于该发光而使浮动扩散层404蓄
积信号电荷。接着,使第2光源203以规定的周期多次发光,同步于该发光而使浮动扩散层
405蓄积信号电荷。第2帧期间中的蓄积在浮动扩散层404、405中的信号电荷被用于基于反
射来的750nm、850nm的各自的波长的脉冲光的下降成分的图像的生成。
数据及850nm的波长的图像数据。由于通常氧化血红蛋白和脱氧血红蛋白的对于波长的吸
光系数是已知的,所以根据不同的2种波长的图像数据,能够计算出上升成分和下降成分的
氧化血红蛋白量及脱氧血红蛋白量。但是,由于上升成分和下降成分都以不同的比率包含
皮肤血流和脑血流的血红蛋白量,所以只要将它们分离就可以。分离方法可以以与实施方
式1同样的方法实施,所以这里省略说明。
具有多个像素,各像素具有光敏二极管403和浮动扩散层404、405。第1光源103射出第一波
长域(例如以750nm为中心的波长域)的脉冲光。第2光源射出第二波长域(例如以850nm为中
心的波长域)的脉冲光。控制电路114控制使第1光源103射出脉冲光的定时、使第2光源203
射出脉冲光的定时、使浮动扩散层404蓄积信号电荷的定时、使浮动扩散层405蓄积信号电
荷的定时、和将信号电荷排出的定时。控制电路114执行以下的动作。
所述上升期间,是从第1光源103射出的脉冲光中的被对象物102的表面反射的表面反射成
分I1向图像传感器113入射的期间。接着,在包含从第2光源射出的脉冲光中的上升期间的
至少一部分的期间中,将图像传感器113设为使浮动扩散层405蓄积信号电荷的状态、并且
信号电荷不被排出的状态,使浮动扩散层405蓄积信号电荷。
间中,将图像传感器113设为使浮动扩散层404蓄积信号电荷的状态、并且信号电荷不被排
出的状态,使浮动扩散层404蓄积信号电荷。接着,在从第2光源203射出的脉冲光中的表面
反射成分I1的后端入射到图像传感器113中之后,在由对象物102的内部散射回来的内部散
射成分I2向图像传感器113入射的期间中,将图像传感器113设为使浮动扩散层405蓄积信
号电荷的状态、并且信号电荷不被排出的状态,使浮动扩散层405蓄积信号电荷。
蓄积在浮动扩散层404及浮动扩散层405中的信号电荷,计算出下降成分中的氧化血红蛋白
量及脱氧血红蛋白量后,通过图像运算,求出皮肤血流和脑血流的血红蛋白浓度变化的分
布。
化的分布。由此,与实施方式1及2相比,帧速率变快。
的脉冲光的上升成分和下降成分。与实施方式1至3相比,能够使帧速率提高。
电荷蓄积部的2个浮动扩散层404、405、和将信号电荷排出的漏极402。各浮动扩散层404、
405及漏极402的功能与参照图2说明的功能是同样的。
器单元)。控制电路414按照保存在存储器中的控制程序,根据来自外部的控制电路114的指
示,控制信号电荷向浮动扩散层404、405的蓄积、以及信号电荷向漏极402的排出。
402排出,或被分配给浮动扩散层404、405的某个。
表示浮动扩散层404的ON(即在浮动扩散层中蓄积电荷的状态)、OFF(即在浮动扩散层中不
蓄积电荷的状态)的定时。信号F2表示浮动扩散层405的ON、OFF的定时。
层404蓄积信号电荷。接着,对于脉冲光的下降成分使被高速控制动作的浮动扩散层405蓄
积信号电荷。通过将该动作在1帧内多次反复进行,将被对象物102反射的脉冲光中的上升
成分向浮动扩散层404蓄积,将下降成分向浮动扩散层405蓄积,用于图像的生成。
是,由于上升成分和下降成分都以不同的比率包含皮肤血流和脑血流的血流量,所以只要
将它们分离就可以。分离方法可以以与实施方式1同样的方法实施,所以这里省略说明。
F1表示浮动扩散层404的ON(即在浮动扩散层中蓄积电荷的状态)、OFF(即在浮动扩散层中
不蓄积电荷的状态)的定时。信号F2表示浮动扩散层405的ON、OFF的定时。
14所示那样,使检测上升成分的曝光次数比检测下降成分的曝光次数少。
素,各像素具有光敏二极管403和浮动扩散层404、405。第1光源103射出第一波长域(例如以
750nm为中心的波长域)的脉冲光。控制电路114控制使第1光源103射出脉冲光的定时、使浮
动扩散层404蓄积信号电荷的定时、使浮动扩散层405蓄积信号电荷的定时、和将信号电荷
排出的定时。控制电路114执行以下的动作。
所述上升期间,是从第1光源103射出的脉冲光中的被对象物102的表面反射的表面反射成
分I1向图像传感器113入射的期间。接着,在从第1光源103射出的脉冲光中的表面反射成分
I1的后端入射到图像传感器113中之后,在由对象物102的内部散射回来的内部散射成分I2
向图像传感器113入射的期间中,将图像传感器113设为使浮动扩散层405蓄积信号电荷的
状态、并且信号电荷不被排出的状态,使浮动扩散层405蓄积信号电荷。
算,求出皮肤血流和脑血流的血流变化量的分布。
102照射的相互不同的波长的光的数量增加,能够求出血中的血红蛋白浓度变化。
分布。由此,与实施方式1至3相比,帧速率变得更快。