(57)【要約】【課題】ユーザの生体情報を非接触で精度よく計測する新規な技術を提供する。【解決手段】生体計測装置は、位置および／または角度を変化させることが可能な座席と、前記座席の前記位置および／または前記角度を示す第１信号を出力する座席センサと、生体計測装置と、を備えるシステムにおいて使用される生体計測装置であって、前記座席に座るユーザの被検部に照射される光を出射する光源と、前記光源から出射され、前記被検部から戻ってきた光の少なくとも一部を検出して第２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、前記第２信号に基づいて、前記ユーザの脳活動の状態を示す第３信号を生成して出力する信号処理回路と、を備え、前記制御回路は、前記第１信号の変化に基づいて、前記光源に前記光を出射させてから前記光検出器に前記光を検出させるまでの時間差を変化させる。【選択図】図１Ａ
2020032105.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
位置および／または角度を変化させることが可能な座席と、
前記座席の前記位置および／または前記角度を示す第１信号を出力する座席センサと、
生体計測装置と、
を備えるシステムにおいて使用される生体計測装置であって、
前記座席に座るユーザの被検部に照射される光を出射する光源と、
前記光源から出射され、前記被検部から戻ってきた光の少なくとも一部を検出して第２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、
前記第２信号に基づいて、前記ユーザの生体情報を示す第３信号を生成して出力する信号処理回路と、
を備え、
前記制御回路は、前記第１信号の変化に基づいて、前記光源に前記光を出射させてから前記光検出器に前記光を検出させるまでの時間差を変化させる、
生体計測装置。
【請求項２】
前記制御回路は、前記座席の前記位置および／または前記角度と、前記時間差との関連を示すデータを参照して、前記時間差の初期値を設定する、
請求項１に記載の生体計測装置。
【請求項３】
前記ユーザを認証する認証センサをさらに備え、
前記制御回路は、前記認証センサによる認証結果に基づいて、前記座席の前記位置および／または前記角度と、前記時間差の初期値とを設定する、
請求項１に記載の生体計測装置。
【請求項４】
前記光検出器は、前記制御回路からの指示に従って姿勢を変化させることが可能であり、
前記制御回路は、前記第１信号に基づいて、前記光検出器の姿勢を決定した後、前記光源および前記光検出器を用いた計測動作を開始する、
請求項１から３のいずれかに記載の生体計測装置。
【請求項５】
前記ユーザの前記被検部は、前記ユーザの額であり、
前記制御回路は、
前記光源に、１つ以上のパルス光を出射させ、
前記光検出器に、前記被検部から戻ってきた各パルス光のうち、各パルス光の強度が減少を開始してから減少が終了するまでの期間に含まれる成分を検出することによって得られる信号を、前記第２信号として出力させ、
前記信号処理回路は、前記第２信号に基づいて、前記ユーザの脳活動の状態を示す信号を、前記第３信号として生成する、
請求項１から４のいずれかに記載の生体計測装置。
【請求項６】
請求項１から４のいずれかに記載の生体計測装置と、
前記座席と、
前記座席センサと、
を備える生体計測システム。
【請求項７】
光源に、位置および／または角度を変化させることが可能な座席に座るユーザの被検部に照射される光を出射させることと、
光検出器に、前記光源から出射され、前記被検部から戻ってきた光の少なくとも一部を検出させることと、
前記座席の前記位置および／または前記角度を示す第１信号を取得することと、
前記第１信号の変化に基づいて、前記光源に前記光を出射させてから前記光検出器に前記光を検出させるまでの時間差を変化させることと、
を含む、制御方法。
【請求項８】
コンピュータにおいて実行されるコンピュータプログラムであって、
前記コンピュータプログラムは、
光源に、位置および／または角度を変化させることが可能な座席に座る記ユーザの被検部に照射される光を出射させることと、
光検出器に、前記光源から出射され、前記被検部から戻ってきた光の少なくとも一部を検出させることと、
前記座席の前記位置および／または前記角度を示す第１信号を取得することと、
前記第１信号の変化に基づいて、前記光源に前記光を出射させてから前記光検出器に前記光を検出させるまでの時間差を変化させることと、
を実行させる、コンピュータプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、生体計測装置、生体計測システム、制御方法、およびコンピュータプログラム
に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、光照射によって生体情報の変化を計測する方法が知られている。例えば、特許文献１は、被検者の頭部に光照射部と受光部を配置し、脳の血流動態変化を計測する生体光計測装置を開示している。特許文献２は、運転席のヘッドレストに赤外光ユニットを搭載して、運転者の頭部の血流分布または血流量の情報を取得する生体情報取得装置を開示している。特許文献３は、被検者を光で照射して、被検者の生体活動を示す情報を非接触で計測する生体活動計測装置を開示している。特許文献４についても同様である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平０９−０１９４０８号公報
【特許文献２】特開２００８−２８４１６５号公報
【特許文献３】特開２００３−３３７１０２号公報
【特許文献４】特開２０１７−００９５８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本開示は、ユーザの生体情報を非接触で精度よく計測する新規な技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本開示の一態様に係る生体計測装置は、位置および／または角度を変化させることが可能な座席と、前記座席の前記位置および／または前記角度を示す第１信号を出力する座席センサと、生体計測装置と、を備えるシステムにおいて使用される生体計測装置であって、前記座席に座るユーザの被検部に照射される光を出射する光源と、前記光源から出射され、前記被検部から戻ってきた光の少なくとも一部を検出して第２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、前記第２信号に基づいて、前記ユーザの生体情報を示す第３信号を生成して出力する信号処理回路と、を備え、前記制御回路は、前記第１信号の変化に基づいて、前記光源に前記光を出射させてから前記光検出器に前記光を検出させるまでの時間差を変化させる。
【発明の効果】
【０００６】
本開示の技術によれば、ユーザの生体情報を非接触で精度よく計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１Ａ】図１Ａは、生体計測システムの例を模式的に示す図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、光検出器に到達する光の強度の時間変化の例を示す図である。
【図１Ｃ】図１Ｃは、入力パルス光の幅を横軸に、光検出器での検出光量を縦軸に表した図である。
【図１Ｄ】図１Ｄは、光検出器の１つの画素の概略的な構成の例を示す図である。
【図１Ｅ】図１Ｅは、光検出器の構成の一例を示す図である。
【図１Ｆ】図１Ｆは、１フレーム内の動作の例を示す図である。
【図１Ｇ】図１Ｇは、制御回路による動作の概略を示すフローチャートである。
【図２】図２は、パルス光の内部散乱成分の検出方法を説明するための図である。
【図３Ａ】図３Ａは、表面反射成分を検出する場合のタイミングチャートの一例を模式的に示す図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、内部散乱成分を検出する場合のタイミングチャートの一例を模式的に示す図である。
【図４Ａ】図４Ａは、出射タイミングと検出タイミングとの時間差の初期値の候補を記録する動作を示すフローチャートである。
【図４Ｂ】図４Ｂは、通常使用時での制御回路の動作のフローチャートである。
【図５】図５は、生体計測システムの変形例を模式的に示す図である。
【図６Ａ】図６Ａは、個人認証が行われる実施形態における動作の例を示すフローチャートである。
【図６Ｂ】図６Ｂは、個人認証が行われる実施形態における通常使用時の動作の例を示すフローチャートである。
【図７Ａ】図７Ａは、座席の位置および／または角度の調整前および調整後での、座席、および座席に座るユーザを模式的に示す図である。
【図７Ｂ】図７Ｂは、図７Ａに示す座席の位置および／または角度の調整前での、座席と光検出器との関係を模式的に示す図である。
【図８Ａ】図８Ａは、光検出器から出力される信号から取得されるユーザの顔画像を模式的に示す図である。
【図８Ｂ】図８Ｂは、座席の位置が水平方向に変化したときの、ユーザと光検出器との関係を模式的に示す図である。
【図８Ｃ】図８Ｃは、座席の位置が鉛直方向に変化したときの、ユーザと光検出器との関係を模式的に示す図である。
【図８Ｄ】図８Ｄは、ユーザの被検部と、光検出器とが正対していないときの、ユーザの顔画像を模式的に示す図である。
【図９Ａ】図９Ａは、病院の診断中または瞑想トレーニング中にユーザが座席に座る例を模式的に示す図である。
【図９Ｂ】図９Ｂは、自動車内でユーザが座席に座る例を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
（本開示の一態様に至った経緯）
特許文献１に記載の装置では、光照射部および受光部を被検者の頭部に接触させた状態で、脳の血流動態変化が計測される。特許文献２に記載の装置では、赤外光ユニットを運転者の頭部に近接させた状態で、運転者の頭部の血流分布または血流量が取得される。いずれの装置でも、前述の状態では、被検者または運転者は、拘束感によってストレスを感じ得る。
【０００９】
一方、特許文献３および特許文献４に記載の装置では、光源からユーザの被検部に向けて光を出射して、当該被検部からの反射光を光検出器によって検出することにより、ユーザの生体内部の情報を非接触で計測することができる。非接触での計測では、拘束感によるストレスは生じない。しかし、非接触での計測では、ユーザの被検部と光検出器との距離が変化すると、当該被検部からの反射光が光検出器に入射する時間が変化する。このため、当該時間の変化を考慮せずに計測すると、計測精度が低下し得る。
【００１０】
本発明者は、以上の検討に基づき、以下の項目に記載の生体計測装置に想到した。
【００１１】
［項目１］
第１の項目に係る生体計測装置は、位置および／または角度を変化させることが可能な座席と、前記座席の前記位置および／または前記角度を示す第１信号を出力する座席センサと、生体計測装置と、を備えるシステムにおいて使用される生体計測装置であって、前記座席に座るユーザの被検部に照射される光を出射する光源と、前記光源から出射され、前記被検部から戻ってきた光の少なくとも一部を検出して第２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、前記第２信号に基づいて、前記ユーザの生体情報を示す第３信号を生成して出力する信号処理回路と、を備え、前記制御回路は、前記第１信号の変化に基づいて、前記光源に前記光を出射させてから前記光検出器に前記光を検出させるまでの時間差を変化させる。
【００１２】
［項目２］
第１の項目に係る生体計測装置において、前記制御回路は、前記座席の前記位置および／または前記角度と、前記時間差との関連を示すデータを参照して、前記時間差の初期値を設定してもよい。
【００１３】
［項目３］
第１の項目に係る生体計測装置は、前記ユーザを認証する認証センサをさらに備え、前記制御回路は、前記認証センサによる認証結果に基づいて、前記座席の前記位置および／または前記角度と、前記時間差の初期値とを設定してもよい。
【００１４】
［項目４］
第１から第３の項目のいずれかに係る生体計測装置において、前記光検出器は、前記制御回路からの指示に従って姿勢を変化させることが可能であり、前記制御回路は、前記第１信号に基づいて、前記光検出器の姿勢を決定した後、前記光源および前記光検出器を用いた計測動作を開始してもよい。
【００１５】
［項目５］
第１から第４の項目のいずれかに係る生体計測装置において、前記ユーザの前記被検部は、前記ユーザの額であり、前記制御回路は、前記光源に、１つ以上のパルス光を出射させ、前記光検出器に、前記被検部から戻ってきた各パルス光のうち、各パルス光の強度が減少を開始してから減少が終了するまでの期間に含まれる成分を検出することによって得られる信号を、前記第２信号として出力させ、前記信号処理回路は、前記第２信号に基づいて、前記ユーザの脳活動の状態を示す信号を、前記第３信号として生成してもよい。
【００１６】
［項目６］
第６の項目に係る生体計測システムは、第１から第４の項目のいずれかに係る生体計測装置と、前記座席と、前記座席センサと、を備える。
【００１７】
［項目７］
第７の項目に係る制御方法は、光源に、位置および／または角度を変化させることが可能な座席に座るユーザの被検部に照射される光を出射させることと、光検出器に、前記光源から出射され、前記被検部から戻ってきた光の少なくとも一部を検出させることと、前記座席の前記位置および／または前記角度を示す第１信号を取得することと、前記第１信号の変化に基づいて、前記光源に前記光を出射させてから前記光検出器に前記光を検出させるまでの時間差を変化させることと、を含む。
【００１８】
［項目８］
第８の項目に係るコンピュータプログラムは、コンピュータにおいて実行されるコンピュータプログラムであって、前記コンピュータプログラムは、光源に、位置および／または角度を変化させることが可能な座席に座る記ユーザの被検部に照射される光を出射させることと、光検出器に、前記光源から出射され、前記被検部から戻ってきた光の少なくとも一部を検出させることと、前記座席の前記位置および／または前記角度を示す第１信号を取得することと、前記第１信号の変化に基づいて、前記光源に前記光を出射させてから前記光検出器に前記光を検出させるまでの時間差を変化させることと、を実行させる。
【００１９】
以下で説明する実施の形態は、いずれも包括的または具体的な例を示すものである。以下の実施の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などは、一例であり、本開示の技術を限定する主旨ではない。また、以下の実施の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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
以下、実施形態について、図面を参照しながら具体的に説明する。以下の説明において、同一または類似する構成要素には同一の符号を付す。
【００２３】
（実施形態）
［１．生体計測装置１００］
図１Ａから図３Ｂを参照して、本開示の例示的な実施形態における生体計測装置１００の構成を説明する。
【００２４】
図１Ａは、本実施形態における生体計測システム１００Ｓの例を模式的に示す図である。図１Ａに示す例では、水平方向をＸ方向とし、鉛直方向をＹ方向とする。生体計測システム１００Ｓは、例えば自動車の内部に設けられ得る。生体計測システム１００Ｓは、座席１２と、座席センサ１４と、生体計測装置１００とを備える。
【００２５】
座席１２は、座面部１２ｓおよび背もたれ部１２ｂを含む。座席１２は、ユーザの操作により、位置および／または角度を変化させることが可能である。座席１２の位置は、水平方向および／または鉛直方向に変化し得る。座席１２の角度は、座席１２の背もたれ部１２ｂの傾斜角度である。本実施形態では、背もたれ部１２ｂは、ユーザ１０の頭部が接触するヘッドレストも含む。座席センサ１４は、例えばリニアポテンショメータなどの位置センサおよび／またはロータリポジションセンサなどの角度センサを含み得る。座席センサ１４は、これらのセンサにより、座席１２の位置および／または角度を検出する。座席センサ１４は、座席１２の位置および／または角度を示す信号１６を出力する。信号１６を「第１の信号」と称する。生体計測装置１００は、光源２０と、光検出器３０と、制御回路６０と、信号処理回路７０と、を備える。本実施形態における光検出器３０は、２次元画像を取得するイメージセンサである。なお、光検出器３０は、２次元画像を取得するイメージセンサに限らず、１次元画像を取得するイメージセンサであってもよい。用途によっては、光検出器３０は、単一の光電変換素子を備えたセンサであってもよい。
【００２６】
光源２０は、座席１２に座るユーザ１０の被検部１０ｔに照射されるパルス光を出射する。光検出器３０は、ユーザ１０の被検部１０ｔから戻ってきたパルス光の少なくとも一部を検出する。制御回路６０は、光源２０および光検出器３０を制御する。信号処理回路７０は、光検出器３０から出力された信号を処理する。
【００２７】
本実施形態では、制御回路６０は、光源２０を制御する光源制御部６１と、光検出器３０を制御するセンサ制御部６２とを含む。光源制御部６１は、光源２０から出射されるパルス光の強度、パルス幅、出射タイミング、および／または波長を制御する。センサ制御部６２は、光検出器３０の各画素における信号蓄積のタイミングを制御する。
【００２８】
本明細書において、「生体情報」とは、生体の計測可能な量を意味する。生体情報には、例えば、血流量、血圧、心拍数、脈拍数、呼吸数、体温、脳波、血液中の酸素化ヘモグロビン濃度、血液中の脱酸素化ヘモグロビン濃度、血中酸素飽和度、皮膚の反射スペクトルなどの、種々の量が含まれる。生体情報の一部は、バイタルサインと称されることがある。以下に、生体計測装置１００の各構成要素を説明する。
【００２９】
［１−１．光源２０］
光源２０は、ユーザ１０の被検部１０ｔに向けて光を出射する。ユーザ１０の被検部１０ｔは、例えば、ユーザ１０の額である。脳活動情報を利用しない場合、ユーザ１０の被検部１０ｔは、例えば、腕、胴体、または足でもよい。光源２０から出射されてユーザ１０に到達した光は、ユーザ１０の表面で反射される成分Ｉ１と、ユーザ１０の内部で散乱される成分Ｉ２とに分かれる。以下の説明では、表面で反射される成分Ｉ１を「表面反射成分Ｉ１」と称し、内部で散乱される成分を「内部散乱成分Ｉ２」と称する。内部散乱成分Ｉ２は、生体内部で１回反射もしくは散乱、または多重散乱する成分である。ユーザ１０の額に向けて光を出射する場合、内部散乱成分Ｉ２は、額の表面から奥に８ｍｍから１６ｍｍほどの部位、例えば脳に到達し、再び生体計測装置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。ユーザ１０の額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。以降、本実施形態では、ユーザ１０の表面で反射する表面反射成分Ｉ１は、これら３つの成分を含む。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、その一部が光検出器３０に到達する。
【００３０】
まず、内部散乱成分Ｉ２の取得方法を説明する。光源２０は、制御回路６０からの指示に従い、パルス光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２０から出射されるパルス光は、例えば立ち下り期間がゼロに近い矩形波であり得る。本明細書において、「立ち下り期間」とは、パルス光の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。一般に、ユーザ１０に入射した光は、様々な経路でユーザ１０内を伝搬し、時間差を伴ってユーザ１０の表面から出射する。このため、パルス光の内部散乱成分Ｉ２の後端は、広がりを有する。ユーザ１０の被検部１０ｔが額である場合、内部散乱成分Ｉ２の後端の広がりは、４ｎｓ程度である。このことを考慮すると、パルス光の立ち下がり期間は、例えばその半分以下である２ｎｓ以下に設定され得る。立ち下り期間は、さらにその半分の１ｎｓ以下であってもよい。光源２０から出射されるパルス光の立ち上り期間は任意である。本明細書において、「立ち上り期間」とは、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。本実施形態における内部散乱成分Ｉ２の検出では、パルス光の立ち下り部分が使用され、立ち上り部分は使用されないためである。パルス光の立ち上がり部分は、表面反射成分Ｉ１の検出に用いられ得る。光源２０は、例えば、ＬＤなどのレーザであり得る。レーザから出射される光は、パルス光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。
【００３１】
光源２０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。本明細書では、可視光のみならず赤外線についても「光」の用語を使用する。上記の波長範囲は、「生体の窓」と呼ばれており、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、ユーザ１０の皮膚および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（ＨｂＯ2）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。
【００３２】
光源２０は、上記の波長範囲に含まれる２つ以上の波長の光を出射してもよい。そのような複数波長の光は、複数の光源からそれぞれ出射されてもよい。
【００３３】
本実施形態における生体計測装置１００では、非接触でユーザ１０を計測するため、網膜への影響を考慮して設計された光源２０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２０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、ユーザ１０に照射される。なお、光源２０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２０の前に設置して光を拡散または減衰することにより、レーザ安全基準のクラス１が満たされていてもよい。
【００３４】
従来、生体内部の深さ方向における異なる場所での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た。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計測するために、パルス幅がフェムト秒またはピコ秒の極超短パルス光が用いられていた。
【００３５】
これに対し、本実施形態における生体計測装置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２０から出射されるパルス光は、極超短パルス光である必要はなく、パルス幅を任意に選択することができる。
【００３６】
脳血流を計測するために額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くなる。その場合でも、光源２０が、比較的パルス幅の大きいパルス光を出射すれば、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、ＳＮ比を向上させることができる。
【００３７】
光源２０は、例えばパルス幅が３ｎｓ以上のパルス光を出射する。一般に、脳などの生体組織内で散乱された光の時間的な広がりは４ｎｓ程度である。図１Ｂは、光検出器３０に到達する光の強度の時間変化の例を示す図である。図１Ｂに示す例では、光源２０から出射される入力パルス光の幅は、０ｎｓ、３ｎｓ、および１０ｎｓである。図１Ｂに示すように、光源２０からのパルス光の幅を広げるにつれて、ユーザ１０から戻ったパルス光の後端部に現れる内部散乱成分Ｉ２の光量が増加する。図１Ｃは、入力パルス光の幅を横軸に、光検出器３０での検出光量を縦軸に表した図である。光検出器３０は、電子シャッタを備える。図１Ｃの結果は、パルス光の後端がユーザ１０の表面で反射されて光検出器３０に到達した時刻から１ｎｓ経過した後に電子シャッタを開いた条件で得られた。この条件を選択した理由は、パルス光の後端が到達した直後は、内部散乱成分Ｉ２と比較して、表面反射成分Ｉ１の比率が高いためである。図１Ｃに示すように、光源２０から出射されるパルス光のパルス幅を３ｎｓ以上にすると、検出光量を最大化することができる。
【００３８】
光源２０は、パルス幅５ｎｓ以上、さらには１０ｎｓ以上のパルス光を出射してもよい。一方、パルス幅が大きすぎても使用しない光が増えて無駄となる。このため、光源２０は、例えば、パルス幅５０ｎｓ以下のパルス光を出射する。または、光源２０は、パルス幅３０ｎｓ以下、さらには２０ｎｓ以下のパルス光を出射してもよい。
【００３９】
光源２０の照射パターンは、例えば、照射領域内において、均一な強度分布をもつパターンであってもよい。この点で、本実施形態は、例えば特開平１１-１６４８２６号公報に開示された従来の生体計測装置とは異なる。特開平１１−１６４８２６号公報に開示された装置では、検出器と光源とを３ｃｍ程度離し、表面反射成分が、空間的に内部散乱成分から分離される。このため、離散的な光照射とせざるを得ない。これに対し、本実施形態における生体計測装置１００は、表面反射成分Ｉ１を時間的に内部散乱成分Ｉ２から分離して低減することができる。このため、均一な強度分布を有する照射パターンの光源２０を用いることができる。均一な強度分布を有する照射パターンは、光源２０から出射される光を拡散板で拡散することによって形成してもよい。
【００４０】
本実施形態では、従来技術とは異なり、ユーザ１０の照射点直下でも、内部散乱成分Ｉ２を検出することができる。ユーザ１０を空間的に広い範囲にわたって光で照射することにより、計測解像度を高めることもできる。
【００４１】
［１−２．光検出器３０］
光検出器３０は、光源２０から出射され、ユーザ１０の被検部１０ｔから戻ってきた光の少なくとも一部を検出して信号を出力する。当該信号は、例えば、反射パルス光のうち、立ち上り期間の少なくとも一部に含まれる強度に応じた信号、または、立ち下り期間の少なくとも一部に含まれる強度に応じた信号である。当該信号を「第２の信号」と称する。
【００４２】
光検出器３０は、複数の光電変換素子３２と、複数の電荷蓄積部３４とを含む。具体的には、光検出器３０は、２次元に配置された複数の光検出セルを備え、ユーザ１０の２次元情報を一度に取得する。本明細書において、光検出セルを「画素」とも称する。光検出器３０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る。より一般的には、光検出器３０は、少なくとも１つの光電変換素子３２と、少なくとも１つの電荷蓄積部３４とを含む。
【００４３】
光検出器３０は、電子シャッタを備える。電子シャッタは、撮像のタイミングを制御する回路である。本実施形態では、制御回路６０でのセンサ制御部６２が、電子シャッタの機能を有する。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回の信号蓄積の期間と、信号蓄積を停止する期間とを制御する。信号蓄積期間は、「露光期間」または「撮影期間」と称することもできる。以下の説明では、露光期間の幅を、「シャッタ幅」と称することがある。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」と称することがある。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」と称することがある。
【００４４】
光検出器３０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の範囲で調整することができる。距離の計測が目的である従来のＴＯＦカメラは、被写体の明るさの影響を補正するため、光源２０から出射され被写体で反射されて戻ってきた光の全てを検出する。したがって、従来のＴＯＦカメラでは、シャッタ幅が光のパルス幅よりも大きい必要があった。これに対し、本実施形態における生体計測装置１００では、被写体の光量を補正する必要がない。このため、シャッタ幅がパルス幅よりも大きい必要はない。したがって、シャッタ幅を、例えば、１ｎｓ以上３０ｎｓ以下の値に設定することができる。本実施形態における生体計測装置１００によれば、シャッタ幅を縮小できるため、検出信号に含まれる暗電流の影響を低減することができる。
【００４５】
ユーザ１０の額を光で照射して脳血流などの情報を検出する場合、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、光源２０がパルス光を複数回出射し、それに応じて光検出器３０も電子シャッタによって複数回露光することにより、検出信号を積算して感度を向上することができる。
【００４６】
以下、光検出器３０の構成例を説明する。
【００４７】
光検出器３０は、撮像面上に２次元的に配列された複数の画素を備え得る。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つまたは複数の電荷蓄積部とを備え得る。以下、各画素が、光電変換によって受光量に応じた信号電荷を発生させる光電変換素子と、パルス光の表面反射成分Ｉ１によって生じた信号電荷を蓄積する電荷蓄積部と、パルス光の内部散乱成分Ｉ２によって生じた信号電荷を蓄積する電荷蓄積部とを備える例を説明する。以下の例では、制御回路６０は、光検出器３０に、ユーザ１の頭部から戻ってきたパルス光中の立ち下り開始前の部分を検出させることにより、表面反射成分Ｉ１を検出させる。制御回路６０はまた、光検出器３０に、ユーザ１の頭部から戻ってきたパルス光中の立ち下り開始後の部分を検出させることにより、内部散乱成分Ｉ２を検出させる。光源２０は２種類の波長の光を出射する。
【００４８】
図１Ｄは、光検出器３０の１つの画素２０１の概略的な構成の例を示す図である。なお、図１Ｄは、１つの画素２０１の構成を模式的に示しており、実際の構造を必ずしも反映していない。この例における画素２０１は、光電変換を行うフォトダイオード２０３と、電荷蓄積部である第１の浮遊拡散層（Ｆｌｏａｔｉｎｇ  Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ：ＦＤ）２０４、第２の浮遊拡散層２０５、第３の浮遊拡散層２０６、および第４の浮遊拡散層２０７と、信号電荷を排出するドレイン２０２とを含む。
【００４９】
１回のパルス光の出射に起因して各画素に入射したフォトンは、フォトダイオード２０３によって信号電荷である信号エレクトロンに変換される。変換された信号エレクトロンは、制御回路６０から入力される制御信号に従って、ドレイン２０２に排出されるか、第１の浮遊拡散層２０４から第４の浮遊拡散層２０７のいずれかに振り分けられる。
【００５０】
光源２０からのパルス光の出射と、第１の浮遊拡散層（ＦＤ１）２０４、第２の浮遊拡散層（ＦＤ２）２０５、第３の浮遊拡散層（ＦＤ３）２０６、および第４の浮遊拡散層（ＦＤ４）２０７への信号電荷の蓄積と、ドレイン２０２への信号電荷の排出が、この順序で繰り返し行われる。この繰り返し動作は高速であり、例えば動画像の１フレームの時間内に数万回から数億回繰り返され得る。１フレームの時間は、例えば約１／３０秒である。画素２０１は、最終的に、第１の浮遊拡散層２０４から第４の浮遊拡散層２０７に蓄積された信号電荷に基づく４つの画像信号を生成して出力する。
【００５１】
この例における制御回路６０は、光源２０に、第１の波長を有する第１のパルス光と、第２の波長を有する第２のパルス光とを、順に繰り返し出射させる。第１の波長および第２の波長として、ユーザ１０の内部組織での吸収率が異なる２波長を選択することにより、ユーザ１０の状態を分析することができる。例えば、第１の波長として８０５ｎｍよりも長い波長を選択し、第２の波長として８０５ｎｍよりも短い波長を選択してもよい。これにより、ユーザ１０の血液中の酸素化ヘモグロビン濃度および脱酸素化ヘモグロビン濃度のそれぞれの変化を検出することが可能になる。
【００５２】
制御回路６０は、まず、光源２０に、第１のパルス光を出射させる。制御回路６０は、第１のパルス光の表面反射成分Ｉ１がフォトダイオード２０３に入射している第１の期間に、第１の浮遊拡散層２０４に信号電荷を蓄積させる。続いて、制御回路６０は、第１のパルス光の内部散乱成分Ｉ２がフォトダイオード２０３に入射している第２の期間に、第２の浮遊拡散層２０５に信号電荷を蓄積させる。次に、制御回路６０は、光源２０に、第２のパルス光を出射させる。制御回路６０は、第２のパルス光の表面反射成分Ｉ１がフォトダイオード２０３に入射している第３の期間に、第３の浮遊拡散層２０６に信号電荷を蓄積させる。続いて、制御回路６０は、第２のパルス光の内部散乱成分Ｉ２がフォトダイオード２０３に入射している第４の期間に、第４の浮遊拡散層２０７に信号電荷を蓄積させる。
【００５３】
このように、制御回路６０は、第１のパルス光の出射を開始した後、所定の時間差を空けて、第１の浮遊拡散層２０４および第２の浮遊拡散層２０５に、フォトダイオード２０３からの信号電荷を順次蓄積させる。その後、制御回路６０は、第２のパルス光の出射を開始した後、上記所定の時間差を空けて、第３の浮遊拡散層２０６および第４の浮遊拡散層２０７に、フォトダイオード２０３からの信号電荷を順次蓄積させる。以上の動作が、複数回繰り返される。外乱光および環境光の光量を推定するために、光源２０を消灯した状態で、不図示の他の浮遊拡散層に信号電荷を蓄積する期間を設けてもよい。第１の浮遊拡散層２０４から第４の浮遊拡散層２０７の信号電荷量から、上記他の浮遊拡散層の信号電荷量を差し引くことにより、外乱光および環境光成分を除去した信号を得ることができる。
【００５４】
なお、本実施形態では、電荷蓄積部の数を４としているが、目的に応じて２以上の複数の数に設計してよい。例えば、１種類の波長のみを用いる場合には、電荷蓄積部の数は２であってよい。また、使用する波長が１種類であり、表面反射成分Ｉ１が検出されない用途では、画素ごとの電荷蓄積部の数は１であってもよい。また、２種類以上の波長を用いる場合であっても、それぞれの波長を用いた撮像を別のフレームで行えば、電荷蓄積部の数は１であってもよい。また、後述するように、表面反射成分Ｉ１の検出と内部散乱成分Ｉ２の検出とをそれぞれ別のフレームで行えば、電荷蓄積部の数は１であってもよい。
【００５５】
図１Ｅは、光検出器３０の構成の一例を示す図である。図１Ｅにおいて、二点鎖線の枠によって囲まれた領域が１つの画素２０１に相当する。画素２０１には１つのフォトダイオードが含まれる。図１Ｅでは２行２列に配列された４画素のみを示しているが、実際にはさらに多数の画素が配置され得る。画素２０１は、第１の浮遊拡散層２０４から第４の浮遊拡散層２０７の４つを含む。第１の浮遊拡散層２０４から第４の浮遊拡散層２０７の４つ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４画素の信号のように取り扱われ、光検出器３０から出力される。
【００５６】
各画素２０１は、４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。この例では、リセットトランジスタ３１０が図１Ｄに示すドレイン２０２に対応し、リセットトランジスタ３１０のゲートに入力されるパルスが前述のドレイン排出パルスに対応する。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２０３に接続されている。フォトダイオード２０３によって生成された正孔または電子の信号電荷は、フォトダイオード２０３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。
【００５７】
図１Ｅには示されていないが、第１の浮遊拡散層２０４から第４の浮遊拡散層２０７はフォトダイオード２０３に接続される。フォトダイオード２０３と、第１の浮遊拡散層２０４から第４の浮遊拡散層２０７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６０からの信号蓄積パルスに応じて、フォトダイオード２０３と第１の浮遊拡散層２０４から第４の浮遊拡散層２０７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から第４の浮遊拡散層２０７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。
【００５８】
第１の浮遊拡散層２０４から第４の浮遊拡散層２０７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、第１の浮遊拡散層２０４から第４の浮遊拡散層２０７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、光検出器３０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６０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、光検出器３０による一連のフレームの撮像が完結する。
【００５９】
本実施形態では、ＣＭＯＳ型の光検出器３０の例を説明したが、光検出器３０は他の種類の撮像素子であってもよい。光検出器３０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構わない。
【００６０】
図１Ｆは、本実施形態における１フレーム内の動作の例を示す図である。図１Ｆに示すように、１フレーム内で、第１のパルス光の出射と第２のパルス光の出射とを交互に複数回切り替えてもよい。このようにすると、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、動きがあるユーザ１０であっても、ほぼ同時に第１のパルス光および第２のパルス光による撮影が可能である。
【００６１】
本実施形態では、光検出器３０は、パルス光の表面反射成分Ｉ１および／または内部散乱成分Ｉ２を検出することができる。表面反射成分Ｉ１の時間的または空間的な変化から、ユーザ１０の第１の生体情報を取得することができる。第１の生体情報は、例えば、ユーザ１０の脈拍であり得る。一方、内部散乱成分Ｉ２の時間的または空間的な変化から、ユーザ１０の第２の生体情報である脳活動情報を取得することができる。
【００６２】
第１の生体情報は、表面反射成分Ｉ１を検出する方法とは異なる方法によって取得してもよい。例えば、光検出器３０とは異なる他の種類の検出器を利用して、第１の生体情報を取得してもよい。その場合、光検出器３０は、内部散乱成分Ｉ２のみを検出する。他の種類の検出器は、例えばレーダまたはサーモグラフィであってもよい。第１の生体情報は、例えば、ユーザ１０の脈拍、発汗、呼吸、および体温からなる群から選択される少なくとも１つであり得る。第１の生体情報は、ユーザ１０の頭部に照射されたパルス光の内部散乱成分Ｉ２を検出することにより得られる脳活動情報以外の生体情報である。ここで、「脳活動情報以外」とは、第１の生体情報中に脳活動に起因する情報が一切含まれないことを意味するものではない。第１の生体情報は、脳活動とは別の生体活動に起因する生体情報が含まれている。第１の生体情報は、例えば、自律的または反射的な生体活動に起因する生体情報である。
【００６３】
［１−３．制御回路６０および信号処理回路７０］
制御回路６０は、光源２０のパルス光の出射タイミングと、光検出器３０のシャッタタイミングとの時間差を調整する。光源２０の「出射タイミング」とは、光源２０から出射されるパルス光が立ち上りを開始するタイミングである。「シャッタタイミング」とは、露光を開始するタイミングである。制御回路６０は、出射タイミングを変化させて時間差を調整してもよいし、シャッタタイミングを変化させて時間差を調整してもよい。
【００６４】
制御回路６０は、光検出器３０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２０の駆動をＯＦＦにして光源２０から光が出射されない状態で、光検出器３０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。
【００６５】
制御回路６０は、例えば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などの集積回路であり得る。制御回路６０は、例えばプロセッサがメモリに記録されたプログラムを実行することにより、例えば出射タイミングとシャッタタイミングとの調整、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う。
【００６６】
信号処理回路７０は、光検出器３０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７０は、画像処理などの演算処理を行う。信号処理回路７０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）とコンピュータプログラムとの組み合わせによって実現され得る。なお、制御回路６０および信号処理回路７０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。また、信号処理回路７０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２０、光検出器３０、および制御回路６０と相互にデータの送受信を行う。
【００６７】
本実施形態における信号処理回路７０は、光検出器３０から出力された信号に基づき、皮膚表面の血流および脳血流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７０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。
【００６８】
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、人間の感情の変化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、脳血流量または血液内成分の変化などの生体情報を計測できれば、ユーザ１０の心理状態を推定することができる。ユーザ１０の心理状態とは、例えば、気分、感情、健康状態、または温度感覚を意味する。気分は、例えば、快、または不快である。感情は、例えば、安心、不安、悲しみ、または憤りである。健康状態は、例えば、元気、または倦怠である。温度感覚は、例えば、暑い、寒い、または蒸し暑いである。また、これに派生して、脳活動の程度を表す指標、例えば熟練度、習熟度、および集中度なども心理状態に含まれる。信号処理回路７０は、脳血流量などの変化に基づいて、ユーザ１０の集中度などの心理状態を推定して、推定結果を示す信号を出力してもよい。
【００６９】
図１Ｇは、制御回路６０による光源２０および光検出器３０に関する動作の概略を示すフローチャートである。制御回路６０は、概略的には図１Ｇに示す動作を実行する。なお、ここでは内部散乱成分Ｉ２の検出のみを行う場合の動作を説明する。ステップＳ１０１では、制御回路６０は、まず、光源２０に所定時間だけパルス光を出射させる。このとき、光検出器３０の電子シャッタは露光を停止した状態にある。制御回路６０は、パルス光の一部がユーザ１０の表面で反射されて光検出器３０に到達する期間が完了するまで、電子シャッタに露光を停止させる。次に、ステップＳ１０２では、制御回路６０は、当該パルス光の他の一部がユーザ１０の内部を散乱して光検出器３０に到達するタイミングで、電子シャッタに露光を開始させる。所定時間経過後、ステップＳ１０３では、制御回路６０は、電子シャッタに露光を停止させる。続いて、ステップＳ１０４では、制御回路６０は、上記の信号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Ｓ１０４での判定がＮｏの場合、Ｙｅｓと判定するまで、ステップＳ１０１からステップＳ１０３が繰り返される。ステップＳ１０４での判定がＹｅｓの場合、ステップＳ１０５では、制御回路６０は、各浮遊拡散層に蓄積された信号電荷に基づく画像を示す信号を光検出器３０に生成させて出力させる。
【００７０】
以上の動作により、計測対象の内部で散乱された光の成分を高い感度で検出することができる。なお、複数回の光出射および露光は必須ではなく、必要に応じて行われる。
【００７１】
［１−４．その他］
生体計測装置１００は、ユーザ１０の２次元像を光検出器３０の受光面上に形成する結像光学系を備えてもよい。結像光学系の光軸は、光検出器３０の受光面に略直交する。結像光学系は、ズームレンズを含んでいてもよい。ズームレンズの位置が変化するとユーザ１０の２次元像の拡大率が変更し、光検出器３０上の２次元像の解像度が変化する。したがって、ユーザ１０までの距離が遠くても、所望の計測領域を拡大して詳細に観察することが可能になる。
【００７２】
また、生体計測装置１００は、ユーザ１０と光検出器３０との間に、光源２０から出射される波長帯域の光、またはその近傍の光のみを通過させる帯域通過フィルタを備えてもよい。これにより、環境光などの外乱成分の影響を低減することができる。帯域通過フィルタは、多層膜フィルタまたは吸収フィルタによって構成される。光源２０の温度およびフィルタへの斜入射に伴う帯域シフトを考慮して、帯域通過フィルタの帯域幅は、２０〜１００ｎｍ程度の幅を持たせてもよい。
【００７３】
また、生体計測装置１００は、光源２０とユーザ１０との間、および光検出器３０とユーザ１０との間に、それぞれ偏光板を備えてもよい。この場合、光源２０側に配置される偏光板と、光検出器３０側に配置される偏光板との偏光方向は、直交ニコルの関係である。これにより、ユーザ１０の表面反射成分Ｉ１のうち正反射成分、すなわち入射角と反射角が同じ成分が光検出器３０に到達することを防ぐことができる。つまり、表面反射成分Ｉ１が光検出器３０に到達する光量を低減させることができる。
【００７４】
［２．光源および光検出器の動作］
本実施形態における生体計測装置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。ユーザ１０の被検部１０ｔを額とした場合、検出したい内部散乱成分Ｉ２による信号強度は、非常に小さくなる。前述のように、レーザ安全基準を満たす非常に小さな光量の光が照射されることに加えて、頭皮、脳髄液、頭蓋骨、灰白質、白質および血流による光の散乱および吸収が大きいためである。さらに、脳活動時の血流量または血流内成分の変化による信号強度の変化は、さらに数十分の１の大きさに相当し非常に小さくなる。したがって、本実施形態では、撮像の際、検出したい信号成分の数千倍から数万倍である表面反射成分Ｉ１は、可能な限り除去される。
【００７５】
以下、本実施形態における生体計測装置１００における光源２０および光検出器３０の動作の例を説明する。
【００７６】
図１Ａに示すように、光源２０がユーザ１０をパルス光で照射すると、表面反射成分Ｉ１および内部散乱成分Ｉ２が発生する。表面反射成分Ｉ１および内部散乱成分Ｉ２はその一部が光検出器３０に到達する。内部散乱成分Ｉ２は、光源２０から出射して、光検出器３０に到達するまでにユーザ１０の内部を通過する。このため、内部散乱成分Ｉ２の光路長は、表面反射成分Ｉ１の光路長よりも長くなる。したがって、内部散乱成分Ｉ２が光検出器３０に到達する時間は、表面反射成分Ｉ１が光検出器３０に到達する時間よりも平均的に遅れる。
【００７７】
図２は、光源２０から矩形パルス光が出射され、ユーザ１０から戻ってきた光が光検出器３０に到達する光信号を表す図である。横軸は、（ａ）〜（ｄ）ではいずれも時間（ｔ）を表す。縦軸は、（ａ）〜（ｃ）では強度を表し、（ｄ）では電子シャッタのＯＰＥＮまたはＣＬＯＳＥの状態を表す。（ａ）は、表面反射成分Ｉ１を示す。（ｂ）は、内部散乱成分Ｉ２を示す。（ｃ）は、（ａ）に示す表面反射成分Ｉ１、および（ｂ）に示す内部散乱成分Ｉ２の合算成分を示す。（ａ）に示すように、表面反射成分Ｉ１は矩形を維持する。一方、（ｂ）に示すように、内部散乱成分Ｉ２は、さまざまな光路長を経た光の合算である。このため、（ｂ）は、パルス光の後端が尾を引いたような特性を示す。言い換えれば、内部散乱成分Ｉ２の立ち下がり期間は、表面反射成分Ｉ１の立ち下がり期間よりもが長くなる。（ｃ）の光信号から内部散乱成分Ｉ２の割合を高めて抽出するために、（ｄ）に示す通り、表面反射成分Ｉ１の後端以降に、電子シャッタの露光が開始される。後端以降とは、表面反射成分Ｉ１が立ち下がった時またはその後を意味する。このシャッタタイミングは、制御回路６０によって調整される。前述したとおり、本開示の生体計測装置１００は、表面反射成分Ｉ１と、対象の深部に到達した内部散乱成分Ｉ２とを区別して検出する。このため、出射パルス幅およびシャッタ幅は任意である。したがって、従来のストリークカメラを使用した方法と異なり、簡便な構成により、コストを大幅に低下させることができる。
【００７８】
図２における（ａ）では、表面反射成分Ｉ１の後端が垂直に立ち下がっている。言い換えると、表面反射成分Ｉ１が立ち下りを開始してから終了するまでの時間がゼロである。しかし、現実的には光源２０が照射するパルス光自体が完全な垂直でない場合、ユーザ１０の表面に微細な凹凸がある場合、表皮内での散乱により、表面反射成分Ｉ１の後端が垂直に立ち下がらない場合がある。また、ユーザ１０は不透明な物体であることから、表面反射成分Ｉ１の光量は、内部散乱成分Ｉ２の光量よりも非常に大きくなる。したがって、表面反射成分Ｉ１の後端が垂直な立ち下り位置からわずかにはみ出した場合であっても、内部散乱成分Ｉ２が埋もれてしまう可能性がある。また、電子シャッタの読み出し期間中に、電子移動に伴う時間遅れが発生し得る。このため、図２の（ｄ）に示すような理想的なバイナリの読み出しを実現できないことがある。したがって、制御回路６０は、電子シャッタのシャッタタイミングを表面反射成分Ｉ１の立ち下り直後よりやや遅らせてもよい。例えば、０．５ｎｓから５ｎｓ程度遅らせてもよい。なお、電子シャッタのシャッタタイミングを調整する代わりに、制御回路６０は、光源２０の出射タイミングを調整してもよい。制御回路６０は、電子シャッタのシャッタタイミングと光源２０の出射タイミングとの時間差を調整する。非接触で脳活動時の血流量または血流内成分の変化を計測する場合は、あまりにもシャッタタイミングを遅らせすぎると、もともと小さい内部散乱成分Ｉ２がさらに減少してしまう。このため、表面反射成分Ｉ１の後端近傍にシャッタタイミングを留めておいてもよい。ユーザ１０の散乱による時間遅れは、４ｎｓである。したがって、シャッタイミングの最大の遅らせ量は、４ｎｓ程度である。
【００７９】
光源１０１から出射された複数のパルス光の各々を、同じ時間差のシャッタタイミングで露光してもよい。これにより、内部散乱成分Ｉ２の検出光量が増幅される。
【００８０】
なお、ユーザ１０と光検出器３０の間に帯域通過フィルタを配置することに替えて、またはそれに加えて、制御回路６０が、光源２０に光を出射させない状態で、同じ露光時間で撮影することによってオフセット成分を見積もってもよい。見積もったオフセット成分は、光検出器３０の各画素によって検出された信号から差分除去される。これにより、光検出器３０上で発生する暗電流成分を除去することができる。
【００８１】
内部散乱成分Ｉ２には、ユーザ１０の内部特性情報、例えば、脳血流情報が含まれる。ユーザ１０の脳血流量の時間的な変動に応じて、血液に吸収される光の量が変化する。その結果、光検出器３０による検出光量も、相応に増減する。したがって、内部散乱成分Ｉ２をモニタリングすることにより、ユーザ１０の脳血流量の変化から脳活動状態を推定することが可能になる。
【００８２】
次に、表面反射成分Ｉ１の検出方法の例を説明する。表面反射成分Ｉ１には、ユーザ１０の表面特性情報、例えば、顔および頭皮の血流情報が含まれる。光検出器３０は、光源２０から出射されるパルス光がユーザ１０に到達し、再び光検出器３０に戻る光信号のうち、表面反射成分Ｉ１を検出する。
【００８３】
図３Ａは、表面反射成分Ｉ１を検出する場合のタイミングチャートの一例を模式的に示す図である。表面反射成分Ｉ１の検出のために、例えば、図３Ａに示すように、パルス光が光検出器３０に到達する前にシャッタをＯＰＥＮにし、パルス光の後端が到達するよりも前にシャッタをＣＬＯＳＥにしてもよい。このようにシャッタを制御することにより、内部散乱成分Ｉ２の混入を少なくすることができる。その結果、ユーザ１０の表面近傍を通過した光の割合を大きくすることができる。シャッタＣＬＯＳＥのタイミングを、光検出器３０への光の到達直後にしてもよい。これにより、光路長が比較的短い表面反射成分Ｉ１の割合を高めた信号検出が可能になる。表面反射成分Ｉ１の信号を取得することにより、ユーザ１０の脈拍、または顔血流の酸素化度を検出することも可能になる。他の表面反射成分Ｉ１の取得方法として、光検出器３０がパルス光全体を取得したり、光源２０から出射された連続光を検出したりしてもよい。
【００８４】
図３Ｂは、内部散乱成分Ｉ２を検出する場合のタイミングチャートの一例を模式的に示す図である。パルスの後端部分が光検出器３０に到達する期間にシャッタをＯＰＥＮにすることにより、内部散乱成分Ｉ２の信号を取得することができる。
【００８５】
図３Ｂに示す動作をまとめると、制御回路６０は、以下の動作を行う。制御回路６０は、光源２０に、１つ以上のパルス光を出射させる。制御回路６０は、光検出器３０に、ユーザ１０の被検部１０ｔから戻ってきた各パルス光のうち、各パルス光の立ち下がり期間に含まれる成分を検出させる。当該成分は、内部散乱成分Ｉ２を含む。制御回路６０は、光検出器３０に、当該検出によって得られる信号を出力させる。信号処理回路７０は、当該信号に基づいて、ユーザ１０の脳活動の状態を示す信号を生成する。
【００８６】
表面反射成分Ｉ１を、内部散乱成分Ｉ２を取得する生体計測装置１００以外の装置によって検出してもよい。内部散乱成分Ｉ２を取得する装置とは別の装置、または脈波計もしくはドップラ血流計といった別デバイスを用いてもよい。その場合、当該別デバイスは、デバイス間のタイミング同期、光の干渉、および検出箇所の合わせこみを考慮して使用される。本実施形態のように、同一カメラまたは同一センサによる時分割撮像を行えば、時間的および空間的なずれが発生しにくい。同一のセンサによって表面反射成分Ｉ１および内部散乱成分Ｉ２の両方の信号を取得する場合、図３Ａおよび図３Ｂに示すように、１フレームごとに取得する成分を切り替えてもよい。あるいは、図１Ｄから図１Ｆを参照して説明したように、１フレーム内で高速に取得する成分を交互に切り替えてもよい。その場合、表面反射成分Ｉ１と内部散乱成分Ｉ２との検出時間差を低減することができる。
【００８７】
さらに、表面反射成分Ｉ１および内部散乱成分Ｉ２のそれぞれの信号を、２つの波長の光を用いて取得してもよい。例えば、７５０ｎｍおよび８５０ｎｍの２波長のパルス光を利用してもよい。これにより、それぞれの波長での検出光量の変化から、酸素化ヘモグロビンの濃度変化および脱酸素化ヘモグロビンの濃度変化を算出することができる。表面反射成分Ｉ１および内部散乱成分Ｉ２を、それぞれ２波長で取得する場合、例えば図１Ｄから図１Ｆを参照して説明したように、４種類の電荷蓄積を１フレーム内で高速に切り替える方法が利用され得る。そのような方法により、検出信号の時間的なずれを低減することができる。
【００８８】
生体計測装置１００は、ユーザ１０の額に向けてパルス状の近赤外光または可視光を出射し、表面反射成分Ｉ１の時間的変化から、頭皮または顔の酸素化ヘモグロビン量の変化または脈拍を検出することができる。光源２０は、表面反射成分Ｉ１を取得するために、近赤外光または可視光を出射する。近赤外光であれば昼夜問わず、計測が可能である。脈拍を計測する場合、より感度が高い可視光を用いてもよい。日中であれば外乱光である日射または室内光源を照明代わりに使用してもよい。光量が不足する場合は、専用の光源で補強してもよい。内部散乱成分Ｉ２は、脳まで到達した光成分を含む。内部散乱成分Ｉ２の時間変化を計測することにより、脳血流の時間的な増減を計測することができる。
【００８９】
脳まで到達した光は、頭皮および顔表面も通過する。このため、頭皮および顔の血流の変動も重畳されて検出される。その影響を除去または低減するために、信号処理回路７０は、光検出器３０によって検出された内部散乱成分Ｉ２から表面反射成分Ｉ１を減算する処理を行ってもよい。これにより、頭皮および顔の血流情報を除いた純粋な脳血流情報を取得することができる。減算方法には、例えば、内部散乱成分Ｉ２の信号から、光路長差を考慮して決定された１以上のある係数を表面反射成分Ｉ１の信号に掛けた値を減算する方法が用いられ得る。この係数は、例えば、一般的な人の頭部光学定数の平均値に基づいて、シミュレーションまたは実験によって算出され得る。このような減算処理は、同一のカメラまたはセンサにより、同一の波長の光を用いて計測する場合に容易に行うことができる。これは、時間的および空間的なずれを低減しやすく、内部散乱成分Ｉ２に含まれる頭皮血流成分と、表面反射成分Ｉ１の特性とを一致させやすいことに起因する。
【００９０】
脳と頭皮との間には頭蓋骨が存在する。このため、脳血流の２次元分布と、頭皮および顔の血流の２次元分布とは独立である。したがって、光検出器３０によって検出される信号に基づいて、内部散乱成分Ｉ２の２次元分布と表面反射成分Ｉ１の２次元分布とを、独立成分分析または主成分分析などの統計手法を用いて分離してもよい。
【００９１】
［３．計測動作中の時間差の決定］
図１Ａに示す例において、計測動作中に、ユーザ１０が座席１２の位置および／または角度を調整すると、ユーザ１０の被検部１０ｔと光検出器３０との距離が変化し得る。以下の説明において、ユーザ１０の被検部１０ｔの中心と、光検出器３０の受光面の中心との距離を「計測距離」と称する。当該計測距離の変化を考慮せず計測すると、表面反射成分Ｉ１および内部散乱成分Ｉ２の計測精度が低下し得る。
【００９２】
以下に、計測精度の低下を防ぐために、計測動作中に、光源２０から出射された光が、ユーザ１０の被検部１０ｔで反射され、光検出器３０が反射光を検出するまでの時間差を決定する方法の一例を説明する。
【００９３】
本実施形態では、生体計測装置１００の通常使用前に、制御回路６０は、不図示のメモリに、時間差の初期値の候補を記録する。
【００９４】
図４Ａは、時間差の初期値の候補を記録する動作を示すフローチャートである。
【００９５】
ステップＳ２０１では、ユーザ１０が座席１２に座る。
【００９６】
ステップＳ２０２では、ユーザ１０は、座席１２の最適な位置および／または角度を調整する。本明細書では、座席１２の位置および／または角度を、「座席設定」と称することがある。緊張度を計測する場合、最適な位置および／または角度は、ユーザ１０が窮屈さを感じずにリラックスして座ることができる位置および／または角度である。何らかの作業中に集中度を計測する場合、最適な位置および／または角度は、ユーザ１０が作業しやすい位置および／または角度である。
【００９７】
ステップＳ２０３では、制御回路６０は、座席１２の最適な位置および／または角度を、基準位置および／または基準角度として、制御回路６０が備える不図示のメモリに記録する。本明細書では、座席１２の基準位置および／または基準角度を、「基準座席設定」と称することがある。座席センサ１４は、位置センサおよび／または角度センサによって座席１２の位置および／または角度を検出し、座席１２の位置および／または角度を示す信号１６を、無線通信または有線通信によって制御回路６０の不図示のメモリに出力する。
【００９８】
ステップＳ２０４では、制御回路６０は、光源２０から出射された光が、ユーザ１０の被検部１０ｔで反射され、光検出器３０に入射するまでの時間差を、基準時間差として制御回路６０の不図示のメモリに記録する。基準時間差は、以下のようにして算出される。ユーザ１０の被検部１０ｔと光検出器３０との計測距離は、基準計測距離として、公知のＴＯＦ技術によって取得される。基準時間差は、基準計測距離の２倍である往復距離を空気中の光速ｃ＝３．０×１０8［ｍ／秒］で割ることによって算出される。なお、基準時間差は、光検出器３０が表面反射成分Ｉ１あるいは内部散乱成分Ｉ２を取得できるように調整された時間差であってもよい。この場合、光検出器３０のシャッタタイミングを変化させながら複数回の検出を行い、光検出器３０がパルス光の立ち上がり部分、あるいは立ち下がり部分を取得できるようにシャッタタイミングを調整し、光源２０からのパルス光の出射から当該シャッタタイミングまでの時間差を基準時間差とする。制御回路６０の不図示のメモリには、座席１２の基準位置および／または基準角度と、基準時間差との関連を示すバックデータが記録される。表１は、当該バックデータの例を示す。当該バックデータは、座席１２の基準位置および／または基準角度と、基準計測距離と、基準時間差とを含む。例えば、表１に示す（Ｘa、Ｙa；βa）は、後述する座席１２の水平方向の位置Ｘa、座席１２の鉛直方向の位置Ｙa、および座席１２の背もたれ部１２ｂの傾斜角度βaを含む基準座席設定を表す。表１に示す複数の基準時間差は、計測動作を開始する際の時間差の初期値の候補である。
【００９９】
【表１】
2020032105.tif 000003
【０１００】
図４Ｂは、通常使用時での制御回路６０の動作のフローチャートである。
【０１０１】
ステップＳ３０１では、ユーザ１０が、座席１２に座る。ユーザ１０は、座席１２の位置および／または角度を、基準位置および／または基準角度に調整する。座席１２は、ユーザ１０の入力により、座席１２の位置および／または角度を、基準位置および／または基準角度に調整する機能を有していてもよい。
【０１０２】
ステップＳ３０２では、座席センサ１４は、信号１６を出力して、座席１２の基準位置および／または基準角度のデータを制御回路６０に入力する。生体計測装置１００は、不図示の入力装置を備えていてもよい。この場合、ユーザ１０は、座席１２の基準位置および／または基準角度を当該入力装置に入力する。
【０１０３】
ステップＳ３０３では、制御回路６０は、入力された座席１２の基準位置および／または基準角度と、不図示のメモリに予め記録された前述のバックデータとを参照して、記録された基準時間差を、時間差の初期値として設定する。このように、制御回路６０は、計測動作を実行する前に、予め記録された、表１に示されるようなバックデータを参照して、時間差の初期値を設定する。
【０１０４】
ステップＳ３０４では、制御回路６０は、計測動作を開始する。
【０１０５】
ステップＳ３０５では、制御回路６０は、光源２０にパルス光を出射させ、光検出器３０に、反射パルス光を検出させる。この動作は、図３Ａおよび図３Ｂに示すように、複数回繰り返されてもよい。
【０１０６】
ステップＳ３０６では、制御回路６０は、光検出器３０に、信号を出力させる。信号処理回路７０は、光検出器３０から出力された当該信号に基づいて、ユーザ１０の生体情報を示す信号を生成して出力する。信号処理回路７０によって生成および出力された当該信号を「第３の信号」と称する。ユーザ１０の生体情報は、前述した第１の生体情報および／または第２の生体情報である。
【０１０７】
ステップＳ３０７では、制御回路６０は、座席センサ１４から出力される信号１６に基づいて、ユーザ１０が座席１２の位置および／または角度を調整したか否かを判定する。
【０１０８】
ステップＳ３０８では、ステップＳ３０７での判定がＹｅｓの場合、制御回路６０は、計測距離と基準計測距離との差Δｄが許容範囲内か否かを判定する。当該計測距離は、座席センサ１４から出力される信号１６を用いた演算によって算出される。算出方法については後述する。時間差の調整可能な最小単位が２００［ピコ秒］である場合、上記の許容範囲は、｜Δｄ｜＜３［ｃｍ］である。｜Δｄ｜＝３［ｃｍ］のとき、２｜Δｄ｜＝６［ｃｍ］の往復距離を空気中の光速で割った値が２００［ピコ秒］だからである。Δｄ＞０のとき、ユーザ１０の被検部１０ｔは、光検出器３０から離れる。したがって、反射光パルスが光検出器３０に入射する時間は遅くなる。Δｄ＜０のとき、ユーザ１０の被検部１０ｔは、光検出器３０に近づく。したがって、反射光パルスが光検出器３０に入射する時間は早くなる。
【０１０９】
ステップＳ３０９では、ステップＳ３０８での判定がＮｏの場合、制御回路６０は、時間差を変化させる。例えば、３［ｃｍ］≦｜Δｄ｜＜６［ｃｍ］では、制御回路６０は、光検出のタイミングを、Δｄ＞０のとき２００ピコ秒だけ遅らせ、Δｄ＜０のとき２００［ピコ秒］だけ早める。６［ｃｍ］≦｜Δｄ｜＜９［ｃｍ］では、制御回路６０は、光検出のタイミングを、Δｄ＞０のとき４００［ピコ秒］だけ遅らせ、Δｄ＜０のとき４００［ピコ秒］だけ早める。
【０１１０】
時間差の調整可能な最小単位がｔmとして表され、許容範囲の上限が（ｃｔm）／２＝ｄmとして表され、自然数がｎとして表される場合、ｎｄm≦｜Δｄ｜＜（ｎ＋１）ｄmでは、制御回路６０は、時間差を、Δｄ＞０のときｎｔmだけ遅らせ、Δｄ＜０のときｎｔmだけ早める。
【０１１１】
ステップＳ３１０では、制御回路６０は、計測を終了するか否かを判定する。ステップＳ３１０での判定がＮｏの場合、再び、前述の動作が繰り返される。当該動作は、計測が行われるフレームの数だけ繰り返される。
【０１１２】
なお、ステップＳ３０７での判定がＹｅｓの場合、ステップＳ３１０での判定の前に、またはステップＳ３１０での判定がＮｏの後に、制御回路６０は、基準計測距離を、座席１２の位置および／または角度の調整後の計測距離に変更してもよい。ユーザ１０の姿勢は、経時的に変化し得るからである。
【０１１３】
以上の制御回路６０の動作をまとめると、以下のようになる。制御回路６０は、座席１２の座席センサ１４から出力される信号１６の変化に基づいて、時間差を変化させる。より具体的には、制御回路６０は、光源２０にパルス光を出射させ、光検出器３０に信号を出力させる計測動作を繰り返す。制御回路６０は、計測動作を行っている間、座席１２の座席センサ１４から出力される信号１６の変化を検出したとき、時間差を変化させる。
【０１１４】
次に、本実施形態における生体計測装置１００の変形例を説明する。
【０１１５】
図５は、本実施形態における生体計測システム１００Ｓの変形例を模式的に示す図である。図５に示す例では、図１Ａに示す例と異なり、生体計測装置１００は、ユーザ１０を認証する認証センサ４０をさらに備える。制御回路６０は、認証センサ４０を制御する認証制御部６３をさらに備える。認証センサ４０は、例えば、ユーザの顔を撮影するイメージセンサと、イメージセンサによって取得された顔画像のデータを処理する処理回路とを備え得る。光検出器３０がイメージセンサを含む場合、そのイメージセンサを認証センサ４０の一部として利用してもよい。認証センサ４０は、顔画像以外の情報に基づいてユーザを認証してもよい。例えば、指紋、静脈パターン、および／または入力されたユーザＩＤに基づいてユーザを認証してもよい。
【０１１６】
図６Ａは、個人認証が行われる実施形態における動作の例を示すフローチャートである。
【０１１７】
図６Ａに示すステップＳ４０１、およびステップＳ４０３からステップＳ４０４の動作は、それぞれ、図４Ａに示すステップＳ２０１からＳ２０３の動作と同じである。
【０１１８】
ステップＳ４０２では、認証センサ４０は、例えば、ユーザ１０の個人認証に必要なデータを取得する。個人認証に必要なデータは、例えば、ユーザＩＤ、顔画像、指紋、および／または静脈パターンであり得る。
【０１１９】
ステップＳ４０５では、制御回路６０は、光源２０から出射された光が、ユーザ１０の被検部１０ｔで反射され、光検出器３０に入射するまでの時間差を、基準時間差として制御回路６０の不図示のメモリに記録する。なお、基準時間差は、光検出器３０が表面反射成分Ｉ１あるいは内部散乱成分Ｉ２を取得できるように調整された時間差であってもよい。制御回路６０の不図示のメモリには、ユーザ１０と、座席１２の基準位置および／または基準角度と、基準時間差との関連を示すバックデータが記録される。表２は、当該バックデータの例を示す。当該バックデータは、個人認証に必要なバックデータと、座席１２の基準位置および／または基準角度と、基準計測距離と、基準時間差とを含む。表２では、各ユーザに、１つの座席１２の基準位置および／または基準角度と、１つの基準計測距離と、１つの基準時間差とが対応づけられている。一方、各ユーザに、複数の座席１２の基準位置および／または基準角度と、複数の基準計測距離と、複数の基準時間差とが対応づけられていてもよい。
【０１２０】
【表２】
2020032105.tif 000004
【０１２１】
図６Ｂは、個人認証が行われる実施形態における通常使用時の動作の例を示すフローチャートである。
【０１２２】
図６Ｂに示すステップＳ５０１、およびステップＳ５０４からステップＳ５１０の動作は、それぞれ、図４Ｂに示すステップＳ３０１、およびステップＳ３０４からステップＳ３１０の動作と同じである。
【０１２３】
ステップＳ５０２では、制御回路６０は、認証センサ４０による個人認証の結果に基づいて、ユーザ１０を特定する。
【０１２４】
ステップ５０３では、制御回路６０は、特定したユーザ１０と、記録されたバックデータとを参照して、自動的に、基準時間差を時間差の初期値として設定する。同様に、制御回路６０は、自動的に、座席１２の基準位置および／または基準角度を設定することもできる。このように、制御回路６０は、計測動作を実行する前に、認証センサ４０による認証結果に基づいて、座席１２の基準位置および／または基準角度と、時間差の初期値とを設定する。
【０１２５】
図６Ｂに示す例では、ユーザ１０が座席１２に座った後に個人認証が行われるが、これに限定されない。ユーザ１０が座席１２に座る前に、例えば静脈パターンによってユーザ１０を記録および認証してもよい。例えば病院で本システムが使用される場合、生体計測装置は、医師、看護師、またはユーザ本人によって入力されたユーザＩＤを認識することにより、ユーザ１０を特定してもよい。
【０１２６】
［４．計測動作中の計測距離の算出］
次に、図４Ｂに示すステップＳ３０８、および図６Ｂに示すステップＳ５０８における計測距離の算出方法の一例を説明する。
【０１２７】
図７Ａは、座席１２の位置および／または角度の調整前および調整後での、座席１２、および座席１２に座るユーザ１０を模式的に示す図である。実線は、調整前の座席１２の位置および／または角度を表す。破線は、調整後の座席１２の位置および／または角度を表す。
【０１２８】
図７Ａに示す例では、座席１２の最上部１２ｔと光検出器３０との距離は、ユーザ１０の被検部１０ｔと光検出器３０との距離と同程度であると仮定する。座席１２の背もたれ部１２ｂの回転の支点１２ｆは、ユーザ１０の上半身の回転の支点１０ｆと異なる。さらに、座席１２の背もたれ部１２ｂの高さは、ユーザ１０の座高と異なる。これらの相違から、座席１２の背もたれ部１２ｂの傾斜が変化したとき、座席１２の最上部１２ｔと光検出器３０との距離の変化は、ユーザ１０の被検部１０ｔと光検出器３０との距離の変化と同じではない。
【０１２９】
ユーザ１０の被検部１０ｔと、光検出器３０との距離の変化を算出するためには、厳密には、ユーザ１０の体格の情報も考慮される。しかし、ここでは簡単のために、次の３つの条件を仮定する。
（１）座席１２の背もたれ部１２ｂの傾斜角度は、ユーザ１０の上半身の傾斜角度と同じである。
（２）ユーザ１０の上半身の回転の支点１０ｆは、座席１２の背もたれ部１２ｂの回転の支点１２ｆよりも、光検出器３０に近い。
（３）座席１２の背もたれ部１２ｂを垂直にした場合、座席１２の最上部１２ｔの高さは、ユーザ１０の被検部１０ｔの高さよりも高いか、同等である。
【０１３０】
上記の条件では、座席１２の背もたれ部１２ｂの傾斜が変化したときの、座席１２の最上部１２ｔと光検出器３０との距離の変化は、ユーザ１０の被検部１０ｔと光検出器３０との距離の変化Δｄよりも大きい。しかし、ここでは簡単のため、その変化の差は無視する。すなわち、座席１２の最上部１２ｔと光検出器３０との距離の変化が生じたとき、ユーザ１０の被検部１０ｔと光検出器３０との距離についても同程度の変化が生じると仮定する。制御回路６０は、座席１２の最上部１２ｔと、光検出器３０との距離の変化量に基づいて、位相を変化させるか否かを判定する。
【０１３１】
図７Ｂは、図７Ａに示す座席１２の位置および／または角度の調整前での、座席１２と光検出器３０との関係を模式的に示す図である。簡単のために、座席１２の背もたれ部１２ｂは、一枚の板として取り扱われる。Ｘ0は、水平方向における、座席１２の背もたれ部１２ｂの支点１２ｆと、光検出器３０との距離を表す。Ｙ0は、鉛直方向における、座席１２の背もたれ部１２ｂの支点１２ｆと、光検出器３０との距離を表す。Ｌは、座席１２の最上部１２ｔと支点１２ｆとの距離を表す。β0は、座席１２の背もたれ部１２ｂの傾斜角度を表す。傾斜角度は、座席１２の背もたれ部１２ｂと、Ｙ方向に平行な線とがなす角度である。
【０１３２】
座席１２の位置および／または角度の調整前での、座席１２の最上部１２ｔと光検出器３０との距離ｄは、以下の式（１）によって表される。
【数１】
2020032105.tif 000005
【０１３３】
座席１２の位置および／または角度を調整すると、Ｘ0は、Ｘ0＋ΔＸに変化し、Ｙ0はＹ0＋ΔＹに変化し、β0はβ0＋Δβに変化する。この場合、座席１２の位置および／または角度の調整後での、座席１２の最上部１２ｔと光検出器３０との距離は、以下の式（２）によって表される。
【数２】
2020032105.tif 000006
【０１３４】
式（１）および式（２）から、座席１２の位置および／または角度の調整前と調整後とでの、座席１２の最上部１２ｔと光検出器３０との距離の変化量ｄ’−ｄは、以下の式（３）によって表される。
【数３】
2020032105.tif 000007
【０１３５】
ここでは、座席１２の位置および／または角度の調整前でのユーザ１０の被検部１０ｔと光検出器３０との基準計測距離は、ｄ0として表され、座席１２の位置および／または角度の調整後でのユーザ１０の被検部１０ｔと光検出器３０との距離は、ｄ1として表される。ｄ1は、式（３）を用いて、以下の式（４）によって近似される。
【数４】
2020032105.tif 000008
【０１３６】
以上から、図４Ｂに示すステップＳ３０８、および図６Ｂに示すステップＳ５０８での、計測距離ｄ1と基準計測距離ｄ0との差Δｄ＝ｄ1−ｄ0は、式（３）から算出される。ただし、当該算出には用いられるＬは、通常使用前に、制御回路６０の不図示のメモリに記録されている。Ｌは、表１および表２に示すバックデータを記録する際に、一緒に記録されてもよい。または、Ｌは、当該バックデータを記録する前から、制御回路６０の不図示のメモリに記録されていてもよい。
【０１３７】
以上のように、本実施形態における生体計測装置１００では、計測距離と基準計測距離との差Δｄを、ＴＯＦ技術を用いずに得ることにより、１フレームの時間が短くても、時間差を容易かつ適切に変化させることができる。その結果、計測動作中にユーザ１０が座席１２の位置および／または角度を調整した場合でも、ユーザ１０の生体情報を精度よく計測することができる。
【０１３８】
座席１２の角度を調整せず、座席１２の位置を調整する場合、ユーザ１０の被検部１０ｔと光検出器３０との計測距離は、以下のようにして算出することもできる。
【０１３９】
図８Ａは、光検出器３０から出力される信号から取得されるユーザ１０の顔画像を模式的に示す図である。本実施形態における生体計測装置１００では、制御回路６０からの指示に従って光検出器３０の姿勢を変化させることが可能であってもよい。これにより、図４Ｂに示すステップＳ３０４、および図５Ｂに示すステップＳ５０４での計測動作を開始する前に、光検出器３０の姿勢は、図８Ａに示すように、ユーザ１０の被検部１０ｔの中心１０ｃが取得画像の中心に位置するように調整される。このとき、ユーザ１０の被検部１０ｔと、光検出器３０とが正対すると言い得る。
【０１４０】
図８Ｂは、座席１２の位置が水平方向に変化したときの、ユーザ１０と光検出器３０との関係を模式的に示す図である。αは、座席１２の位置の調整前での、光検出器３０と、ユーザ１０の被検部１０ｔとが正対するときの、光検出器３０の設置角度を表す。αは、光検出器３０の受光面と、Ｙ方向に平行な線とがなす角度である。αはまた、光検出器３０の受光面に垂直でありユーザ１０の被検部１０ｔの中心１０ｃを通過する線と、Ｘ方向に平行な線とがなす角度でもある。ユーザ１０の被検部１０ｔと、光検出器３０とが正対するときの、ユーザ１０の被検部１０ｔと光検出器３０との基準計測距離ｄ0は、ＴＯＦ技術によって既知である。
【０１４１】
座席１２の位置が水平方向にΔＸだけ光検出器３０に近づいたとき、図８Ｂに示す例から、ユーザ１０の被検部１０ｔと、光検出器３０との計測距離ｄ2は、以下の式（５）によって表される。
【数５】
2020032105.tif 000009
【０１４２】
一方、座席１２の位置が水平方向にΔＸだけ光検出器３０から離れたとき、図８Ｂに示す例から、ユーザ１０の被検部１０ｔと光検出器３０と計測距離ｄ3は、以下の式（６）によって表される。
【数６】
2020032105.tif 000010
【０１４３】
図８Ｃは、座席１２の位置が鉛直方向に変化したときの、ユーザ１０の被検部１０ｔと、光検出器３０との関係を模式的に示す図である。
【０１４４】
座席１２の位置が鉛直方向にΔＹ1だけ上昇し、ΔＹ1がｄ0・ｓｉｎαよりも小さいとき、図８Ｃに示す例から、ユーザ１０の被検部１０ｔと光検出器３０との計測距離ｄ4は、以下の式（７）によって表される。
【数７】
2020032105.tif 000011
【０１４５】
座席１２の位置が鉛直方向にΔＹ2だけ上昇し、ΔＹ2がｄ0・ｓｉｎαよりも大きいとき、図８Ｃに示す例から、ユーザ１０の被検部１０ｔと光検出器３０との計測距離ｄ5は、以下の式（８）によって表される。
【数８】
2020032105.tif 000012
【０１４６】
座席１２の位置が鉛直方向にΔＹ1だけ下降したとき、図８Ｃに示す例から、ユーザ１０の被検部１０ｔと、光検出器３０との計測距離ｄ6は、以下の式（９）によって表される。
【数９】
2020032105.tif 000013
【０１４７】
以上から、図４Ｂに示すステップＳ３０８、および図６Ｂに示すステップＳ５０８での計測距離ｄi（ｉ＝２から６）と、基準計測距離ｄ0との差Δｄを、Δｄ＝ｄi−ｄ0によって算出してもよい。このように、計測距離と基準計測距離との差Δｄを、ＴＯＦ技術を用いずに得ることにより、１フレームの時間が短くても、時間差を容易かつ適切に変化させることができる。その結果、計測動作中にユーザ１０が座席１２の位置および／または角度を調整しても、ユーザ１０の生体情報を精度よく計測することができる。
【０１４８】
次に、ユーザ１０の被検部１０ｔと、光検出器３０とが正対しない例を説明する。
【０１４９】
図８Ｄは、ユーザ１０の被検部１０ｔと、光検出器３０とが正対していないときの、ユーザ１０の顔画像を模式的に示す図である。図８Ｄは、例えば、座席１２の位置が鉛直方向に下降したときのユーザ１０の顔画像を示す。計測動作を中断して、ユーザ１０が座席１２の位置および／または角度を調整した後、計測動作を開始する前に、制御回路６０は、ユーザ１０の被検部１０ｔと、光検出器３０とが正対するように光検出器３０の姿勢を決定してもよい。光検出器３０の姿勢は、光検出器３０の設置角度αを調整することによって決定され得る。その後、制御回路６０は、光源２０および光検出器３０を用いた計測動作を開始してもよい。
【０１５０】
［５．応用例］
次に、本実施形態における生体計測装置１００の応用例を説明する。
【０１５１】
図９Ａは、病院の診断中または瞑想トレーニング中にユーザ１０が座席１２に座る例を模式的に示す図である。図９Ａに示す例では、病院の診断中または瞑想トレーニング中に、ユーザ１０の第１の生体情報および／または第２の生体情報が計測される。病院の診断中または瞑想トレーニング中にユーザ１０が座席１２の位置および／または角度を調整しても、本実施形態における生体計測装置１００により、ユーザ１０の生体情報を精度よく計測することができる。
【０１５２】
図９Ｂは、自動車内でユーザ１０が座席１２に座る例を模式的に示す図である。図９Ｂに示す例では、自動車の運転中に、ユーザ１０の第１の生体情報および／または第２の生体情報が計測される。例えば、脳活動情報を示す第２の生体情報を計測して、ユーザ１０が漫然状態であるか、または、事故を起こす可能性があるかを調べることができる。自動車の運転中にユーザ１０が座席１２の位置および／または角度を調整しても、本実施形態における生体計測装置１００により、ユーザ１０の生体情報を精度よく計測することができる。
【０１５３】
本開示は、制御回路６０が実行する動作の方法およびプログラムも含む。
【産業上の利用可能性】
【０１５４】
本実施形態における生体計測装置は、特定のユーザが、特定の場所で、特定の作業を行う際に、作業中の集中度などのメンタル状態を診断するために利用することができる。また、本実施形態における生体計測装置は、例えば、病院での精神疾患の定期診断、脳トレーニングジムでのメンタル状態の診断、デスクワーク中の集中力または課題難易度の検出、または装置の運転作業中のエラー予測または漫然状態の検出に応用することができる。
【符号の説明】
【０１５５】
１０      ：ユーザ
１０ｆ    ：支点
１０ｔ    ：被検部
１２      ：座席
１２ｓ    ：座面部
１２ｂ    ：背もたれ部
１２ｆ    ：支点
１２ｔ    ：最上部
１４      ： 座席センサ
１６      ：信号
２０      ：光源
３０      ：光検出器
６０      ：制御回路
６２      ：光源制御部
６３      ：センサ制御部
７０      ：信号処理回路
１００    ：生体計測装置
１００Ｓ  ：生体計測システム
１０１    ：光源
２０１    ：画素
２０２    ：ドレイン
２０３    ：フォトダイオード
２０４、２０５、２０６、２０７    ：浮遊拡散層
３０２    ：行選択回路
３０３    ：列選択回路
３０４    ：垂直信号線
３０５    ：ソースフォロワ電源
３０６    ：ソースフォロワ負荷
３０７    ：変換回路
３０８    ：行選択トランジスタ
３０９    ：ソースフォロワトランジスタ
３１０    ：リセットトランジスタ
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図１Ｄ】
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【図１Ｅ】
2020032105.tif 000018
【図１Ｆ】
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【図１Ｇ】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
2020032105.tif 000029
【図７Ｂ】
2020032105.tif 000030
【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図８Ｄ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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