(57)【要約】【課題】簡易な構成で、散乱が強い条件下でも高ＳＮで被写体を撮像する。【解決手段】撮像装置は、光源１１１から被写体に向かう光の波面を成形する空間光変調手段１１３と、該被写体の撮像を行って画像データを生成する撮像手段１２０と、空間光変調手段を制御するとともに、上記光のうち被写体を介した被写体光が撮像手段に到達するタイミングで撮像手段に撮像を行わせる制御手段１３０とを有する。制御手段は、画像データのうち被写体光に対応するターゲット領域の輝度値を用いて設定された目的関数の値を最大または最小にするように空間光変調手段の最適化制御を行う。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源から被写体に向かう光の波面を成形する空間光変調手段と、
前記被写体の撮像を行って画像データを生成する撮像手段と、
前記空間光変調手段を制御するとともに、前記光のうち前記被写体を介した被写体光が前記撮像手段に到達するタイミングで前記撮像手段に撮像を行わせる制御手段とを有し、
前記制御手段は、前記画像データのうち前記被写体光に対応するターゲット領域の輝度値を用いて設定された目的関数の値を最大または最小にするように前記空間光変調手段の最適化制御を行うことを特徴とする撮像装置。
【請求項２】
前記制御手段は、前記画像データを２値化処理し、該２値化処理された画像データにおいて前記ターゲット領域を設定することを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
【請求項３】
前記目的関数は、前記ターゲット領域における少なくとも一部の前記輝度値の平均値または和であることを特徴とする請求項１または２に記載の撮像装置。
【請求項４】
前記目的関数は、前記画像データのうち前記ターゲット領域および非ターゲット領域のそれぞれの前記輝度値から算出されるコントラスト値であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の撮像装置。
【請求項５】
前記制御手段は、前記空間光変調手段を、基底パターンに基づく前記光の位相変調または振幅変調を行うように制御することを特徴とする請求項１かに４のいずれか一項に記載の撮像装置。
【請求項６】
前記最適化制御は、第１の基底パターンを用いる第１の制御と、該第１の制御により前記目的関数の値が最大または最小に近づくことに応じて前記ターゲット領域と前記目的関数を再設定して前記第１の基底パターンより空間周波数が高い第２の基底パターンを用いて行う第２の制御とを含むことを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の撮像装置。
【請求項７】
前記制御手段は、複数の前記ターゲット領域を設定した場合において、該複数のターゲット領域のうち相互間の距離が基準距離より長い２つのターゲット領域については該ターゲット領域ごとに前記目的関数を設定し、前記相互間の距離が前記基準距離より短い２つのターゲット領域には１つの前記目的関数を設定することを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の撮像装置。
【請求項８】
前記制御手段は、前記基準距離を、大気の屈折率の構造定数に基づいて設定することを特徴とする請求項７に記載の撮像装置。
【請求項９】
前記制御手段は、前記光を前記被写体に対して照射角度を変えながら照射して前記撮像手段に撮像を行わせることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の撮像装置。
【請求項１０】
前記制御手段は、前記照射角度を変えながら前記目的関数の値をモニタし、該目的関数の値が所定値を下回ることに応じて、再度、前記最適化制御を行うことを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の撮像装置。
【請求項１１】
光源から被写体に向かう光の波面を空間光変調手段により成形するステップと、
撮像手段により前記被写体の撮像を行って画像データを生成するステップと、
前記空間光変調手段を制御するとともに、前記光のうち前記被写体を介した被写体光が前記撮像手段に到達するタイミングで前記撮像手段に撮像を行わせる制御ステップとを有し、
前記制御ステップにおいて、
前記画像データのうち前記被写体光に対応するターゲット領域の輝度値を用いて設定された目的関数の値を最大または最小にするように前記空間光変調手段の最適化制御を行うことを特徴とする撮像方法。
【請求項１２】
コンピュータに処理を実行させるコンピュータプログラムであって、
前記処理は、
光源から被写体に向かう光の波面を空間光変調手段により成形する処理と、
撮像手段により前記被写体の撮像を行って画像データを生成する処理と、
前記空間光変調手段を制御するとともに、前記光のうち前記被写体を介した被写体光が前記撮像手段に到達するタイミングで前記撮像手段に撮像を行わせる制御処理とを有し、
前記制御処理において、
前記画像データのうち前記被写体光に対応するターゲット領域の輝度値を用いて設定された目的関数の値を最大または最小にするように前記空間光変調手段の最適化制御を行うことを特徴とする撮像プログラム。
【請求項１３】
光源から被写体に向かう前記光の波面を成形する空間光変調手段と、
前記被写体の撮像を行って画像データを生成する撮像手段と、
前記空間光変調手段を制御するとともに、前記光のうち前記被写体を介した被写体光が前記撮像手段に到達するタイミングで前記撮像手段に撮像を行わせる制御手段とを有し、
前記制御手段は、
複数の基底パターンを用いて前記空間光変調手段により前記波面を成形して前記被写体光の波面を測定した結果に基づいて透過行列を生成し、
前記画像データのうち前記被写体光に対応するターゲット領域と前記透過行列とを用いて変調波面を算出し、前記光の波面を前記変調波面で変調するように前記空間光変調手段を制御することを特徴とする撮像装置。
【請求項１４】
前記制御手段は、前記変調波面を、前記ターゲット領域に対応するベクトルと前記透過行列の転置共役との積を用いて算出することを特徴とする請求項１３に記載の撮像装置。
【請求項１５】
前記制御手段は、前記透過行列の固有値を解析し、該固有値の分布から、大気の散乱または揺らぎに起因するノイズ成分の波面に関する統計的性質を推定し、該統計的性質に基づいて、前記基底パターンの種類、空間周波数範囲および基底パターン数を設定することを特徴とする請求項１３または１４に記載の撮像装置。
【請求項１６】
前記制御手段は、前記透過行列の生成と前記固有値の解析とを行って、前記基底パターンの種類、空間周波数範囲および基底パターン数を設定することを特徴とする請求項１５に記載の撮像装置。
【請求項１７】
光源から被写体に向かう光の波面を空間光変調手段により成形するステップと、
撮像手段により前記被写体の撮像を行って画像データを生成するステップと、
前記空間光変調手段を制御するとともに、前記光のうち前記被写体を介した被写体光が前記撮像手段に到達するタイミングで前記撮像手段に撮像を行わせる制御ステップとを有し、
前記制御ステップにおいて、
複数の基底パターンを用いて前記空間光変調手段により前記波面を成形して前記被写体光の波面を測定した結果に基づいて透過行列を生成し、
前記画像データのうち前記被写体光に対応するターゲット領域と前記透過行列とを用いて変調波面を算出し、前記光の波面を前記変調波面で変調するように前記空間光変調手段を制御することを特徴とする撮像方法。
【請求項１８】
コンピュータに処理を実行させるコンピュータプログラムであって、
前記処理は、
光源から被写体に向かう光の波面を空間光変調手段により成形する処理と、
撮像手段により前記被写体の撮像を行って画像データを生成する処理と、
前記空間光変調手段を制御するとともに、前記光のうち前記被写体で反射または透過した被写体光が前記撮像手段に到達するまでの遅延時間だけ遅れたタイミングで前記撮像手段に撮像を行わせる制御処理とを有し、
前記制御処理において、
複数の基底パターンを用いて前記空間光変調手段により前記波面を成形して前記被写体光の波面を測定した結果に基づいて透過行列を生成し、
前記画像データのうち前記被写体光に対応するターゲット領域と前記透過行列とを用いて変調波面を算出し、前記光の波面を前記変調波面で変調するように前記空間光変調手段を制御することを特徴とする撮像プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、撮像技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
大気中に存在する霧や煙等の微粒子や、大気による空間の屈折率の揺らぎ等に起因して生じる光の散乱の影響を低減することにより、被写体像の歪み成分を低減して撮像を行うことが可能な撮像装置が知られている。特許文献１および非特許文献１は、撮像装置として、光を被写体に向けて照射し、光が被写体で反射して戻ってきた瞬間のみ撮像を行うＧＡＩ（Gated Active Imaging）装置を開示している。霧等の散乱体により散乱した光と被写体で反射された光とでは撮像装置に戻ってくる時間が異なるため、光を発してから撮像を行うまでの遅延時間を適切に制御することで、散乱光による歪み成分を低減した撮像を行うことができる。
【０００３】
ただし、大気中の微粒子の濃度が高く光が散乱される量が多いと、被写体からの反射光（信号光）が微弱になり、反射光と同じ遅延時間で入射する散乱光も増加するため、撮像画像のＳＮ（Signal-to-Noise ratio）が劣化する。この問題に対して特許文献２は、被写体からの反射光と参照光を干渉させて測定したホログラムから反射光の波面を算出し、その位相共役波を空間光変調器によって生成し、位相共役波の時間反転性を利用してこれを散乱体越しに被写体に照射する手法を開示している。
また、非特許文献２は、蛍光顕微鏡において、散乱体に入射する光の波面を最適化処理を用いて空間光変調器により成形して、散乱体越しに蛍光サンプルに光を照射することで、位相共役波を用いる場合と同様の効果を得る方法を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−１０２００１号公報
【特許文献２】米国特許出願公開第２０１４／０２６８０９６号
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Benjamin Gohler and Peter Lutzmann, “SWIR laser gated-viewing at Fraunhofer IOSB”, Proc. of SPIE Vol. 9649 964902 (2015)
【非特許文献２】I.M.Vellekoop and C. M. Aegerter, “Scattered light fluorescence microscopy: imaging through turbid layers”, Optics Letters Vol.35,No.8 (2010)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献２が開示する方法は、参照光を用いてホログラムを計測するために、複雑な光学系を設ける必要があり、また振動等のノイズに弱い。
【０００７】
一方、非特許文献２が開示する方法は、最適化処理を行う際の最適化のターゲット（目的関数）として、散乱光に対して容易かつ明確に区別できる蛍光の強度を用いることができる。しかし、この方法をＧＡＩ装置に適用しようしとても、蛍光のように散乱光と明確に区別できる光がないため、目的関数をどのように設定するかが課題となる。  
【０００８】
本発明は、簡易な構成で、散乱が強い条件下でも高ＳＮで被写体を撮像することが可能な撮像装置装置等を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一側面としての撮像装置は、光源から被写体に向かう光の波面を成形する空間光変調手段と、該被写体の撮像を行って画像データを生成する撮像手段と、空間光変調手段を制御するとともに、上記光のうち被写体を介した被写体光が撮像手段に到達するタイミングで撮像手段に撮像を行わせる制御手段とを有する。制御手段は、画像データのうち被写体光に対応するターゲット領域の輝度値を用いて設定された目的関数の値を最大または最小にするように空間光変調手段の最適化制御を行うことを特徴とする。
【００１０】
また、本発明の他の一側面としての撮像方法は、光源から被写体に向かう光の波面を空間光変調手段により成形するステップと、撮像手段により該被写体の撮像を行って画像データを生成するステップと、空間光変調手段を制御するとともに、上記光のうち被写体を介した被写体光が撮像手段に到達するタイミングで撮像手段に撮像を行わせる制御ステップとを有する。制御ステップにおいて、画像データのうち被写体光に対応するターゲット領域の輝度値を用いて設定された目的関数の値を最大または最小にするように空間光変調手段の最適化制御を行うことを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の他の一側面としての撮像装置は、光源から被写体に向かう光の波面を成形する空間光変調手段と、該被写体の撮像を行って画像データを生成する撮像手段と、空間光変調手段を制御するとともに、上記光のうち被写体を介した被写体光が撮像手段に到達するタイミングで撮像手段に撮像を行わせる制御手段とを有する。制御手段は、複数の基底パターンを用いて空間光変調手段により波面を成形して被写体光の波面を測定した結果に基づいて透過行列を生成し、画像データのうち被写体光に対応するターゲット領域の輝度値と透過行列とを用いて変調波面を算出し、光の波面を該変調波面で変調するように空間光変調手段を制御することを特徴とする。
【００１２】
また、本発明の他の一側面としての撮像方法は、光源から被写体に向かう光の波面を空間光変調手段により成形するステップと、撮像手段により該被写体の撮像を行って画像データを生成するステップと、空間光変調手段を制御するとともに、上記光のうち被写体を介した被写体光が撮像手段に到達するタイミングで撮像手段に撮像を行わせる制御ステップとを有する。制御ステップにおいて、複数の基底パターンを用いて空間光変調手段により波面を成形して被写体光の波面を測定した結果に基づいて透過行列を生成し、画像データのうち被写体光に対応するターゲット領域の輝度値と透過行列とを用いて変調波面を算出し、光の波面を変調波面で変調するように空間光変調手段を制御することを特徴とする。
【００１３】
なお、コンピュータに上記撮像方法に従う処理を実行させるコンピュータプログラムとしての撮像プログラムも、本発明の他の一側面を構成する。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、簡易な構成で、散乱が強い条件下でも高ＳＮで被写体を撮像することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施例１であるゲーテッドイメージング装置の構成を示す図。
【図２】実施例１における測定処理を示すフローチャート。
【図３】実施例１における（ａ）被写体、（ｂ）波面成形前のゲーテッドイメージング装置、（ｃ）２値化されたターゲット領域、（ｄ）波面成形後のＧＡＩ装置を示す図。
【図４】実施例１における波面成形処理を示すフローチャート。
【図５】実施例１における基底パターンを示す図。（ａ）セグメントを用いたパターン、（ｂ）ランダムパターンおよび（ｃ）アダマール基底を示す。
【図６】実施例１における複数のターゲット領域を示す図。
【図７】実施例１における照射光のスキャンを示す図。
【図８】本発明の実施例２であるゲーテッドイメージング装置の構成を示す図。
【図９】図８の構成の一部を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。
【実施例１】
【００１７】
図１は、本発明の実施例１である、撮像装置としてのゲーテッドイメージング装置の構成を示している。ゲーテッドイメージング装置１００は、光源部１１０、カメラ部１２０、制御・処理部１３０および表示部１４０から構成される。カメラ部１２０が撮像手段に相当し、制御・処理部１３０が制御手段に相当する。
【００１８】
ゲーテッドイメージング装置１００は、大気中の散乱体２００越しに被写体３００を撮像する。散乱体２００は、霧、靄、煙、スモッグ、大きさがマイクロメーターサイズの土壌や粉塵等の大気中に浮遊する微粒子である。また、散乱体２００として、雪、雨および大気の温度分布のむらによる屈折率の揺らぎ等も含まれる。
【００１９】
光源部１１０は、主にレーザ光源１１１と空間光変調器（Spatial Light Modulator：空間光変調手段に相当し、以下ＳＬＭという）１１３とから構成される。レーザ光源１１１は、一般的にアイセーフレーザ（eye-safe laser）と呼ばれる波長が１．４〜１．８μｍである短波赤外（Short-Wavelength Infrared：ＳＷＩＲ）のパルス光ビーム（以下、単にパルス光という）を放出する。本実施例では、波長１．５μｍ、パルス幅１〜数１０ｎｓｅｃのパルス光である。ただし、撮像条件によっては、上記以外の波長帯域およびパルス幅であってもよい。また、パルスの繰り返し周波数は、例えば、数Ｈｚ〜数１００ｋＨｚの範囲で任意に選択することができる。
【００２０】
レーザ光源１１１からコリメートされて放出されたパルス光は、ミラー１１２で反射されてＳＬＭ１１３に入射する。パルス光のビームサイズは、ＳＬＭ１１３の有効変調領域（位相変調が可能な全画素領域）に収まるように設定されている。ＳＬＭ１１３は、例えば、Liquid Crystal on Silicon（ＬＣＯＳ）や、Digital Mirror Device（ＤＭＤ）を用いることができる。また、ＳＬＭ１１３として透過型の液晶を用いたデバイスであってもよい。ＳＬＭ１１３が偏光依存性のあるデバイスである場合には、ＳＬＭ１１３に入射する光の偏光方向を、ＳＬＭ１１３にて位相変調が行われる偏光方向と一致するように調整される。
【００２１】
ＳＬＭ１１３は、後述する最適化制御（最適化処理）が行われることによって画素ごと又は後述するセグメント領域ごとに入射したパルス光の位相を変調する。ＳＬＭ１１３にて位相変調され、かつ反射したパルス光１６０は、光学系１１４を通ってビームサイズや照射方向が調整されて光源部１１０から出射する。この際、必要に応じて、ガルバノミラーを用いてパルス光１６０を走査してもよい。パルス光１６０の出力強度は、被写体（人等の生物か無生物か）や被写体までの距離等の条件に応じて適切に調整される。例えば、出力強度は数１０〜数１００ｍＪの範囲である。
【００２２】
光源部１１０から発せられたパルス光１６０が大気中の散乱体２００を通過する際にはその一部が散乱光１６１となり、残りの光が被写体３００まで伝搬する。さらに、被写体３００で反射したパルス光が再び散乱体２００を通過する際にその一部が散乱光１７１となり、残りの光がカメラ部１２０に戻ってくる。被写体３００は、例えば１００ｍ〜数１０ｋｍの遠方に存在する。本実施例では、被写体３００に向けて照射するパルス光１６０を、上述したＳＷＩＲ帯域の光とする。これは、可視光よりも散乱を抑えられ、かつ被写体３００が人物の場合でも、安全基準上、可視光に比べて強い強度で照射できるからである。
【００２３】
カメラ部１２０は、波長１．５μｍの光を十分透過するカメラレンズ（撮像光学系）１２０ａと、同波長に感度を有するアレイセンサ１２０ｂと、画像生成部１２０ｃとにより構成される。カメラレンズ１２０ａは、被写体３００からのパルス光（反射光としての被写体光）を結像させる。カメラレンズ１２０ａの焦点距離は、被写体３００までの距離に応じて適宜選択される。被写体３００が上述した遠方に位置する場合は、例えば焦点距離１０００ｍｍ以上の望遠レンズが用いられる。アレイセンサ１２０ｂとしては、ＳＷＩＲ帯域に感度を有するＩｎＧａＡｓを用いたイメージセンサであり、カメラレンズ１２０ａにより形成された被写体像を光電変換（撮像）する。アレイセンサ１２０ｂにおけるシャッタ時間（ゲート時間）は、例えば、数１０ｎｓｅｃ〜数μｓｅｃの範囲で選択される。画像生成部１２０ｃは、被写体像を光電変換したアレイセンサ１２０ｂから出力された撮像信号を用いて撮像画像（画像データ）を生成する。
【００２４】
カメラ部１２０で生成された画像データは、制御・処理部１３０に転送される。パーソナルコンピュータ等のコンピュータにより構成される制御・処理部１３０は、後述する測定処理を行って光源部１１０やカメラ部１２０を制御する。また、制御・処理部１３０は、後述する波面成形処理において、光源部１１０から被写体３００に向けて照射されるパルス光１６０の波面を最適化するようにＳＬＭ１１３の最適化制御を行う。表示部１４０は、撮像画像を表示する。また、表示部１４０は、測定処理の途中での撮像により生成された画像データや波面成形処理の経過を表示してもよい。
【００２５】
図２のフローチャートは、制御処理としての測定処理（ゲーテッドイメージング方法）の流れを示している。制御・処理部１３０は、コンピュータプログラムとしてのゲーテッドイメージングプログラムに従って本処理を実行する。以下の説明において、Ｓはステップを意味する。
【００２６】
Ｓ１００において、制御・処理部１３０は、光源部１１０からパルス光１６０を被写体３００に向けて照射させ、この照射の時刻から以下に説明する遅延時間τを経過したタイミングにおいてカメラ部１２０に撮像（以下、遅延撮像という）を行わせる。遅延時間τは、光源部１１０からのパルス光１６０の照射時刻から被写体３００で反射した反射光がカメラ部１２０（アレイセンサ１２０ｂ）に到達する時刻までの時間［ｓｅｃ］である。大気中の光速をｃとすると、カメラ部１２０は、ゲーテッドイメージング装置１００からの距離（撮像距離）Ｌ＝τｃ／２[ｍ]に位置する被写体３００からの反射光を撮像することになる。
【００２７】
撮像距離Ｌに撮像対象である被写体３００が存在しない場合は、被写体３００に関連する有意な撮像信号を取得することができない。例えば、撮像距離Ｌに大気中の散乱体２００以外にパルス光を反射する物体が存在しない場合は、撮像画像には散乱によるフレアしか写らない。また、撮影距離Ｌに被写体３００以外の別の物体が存在する場合には、その物体が撮像される。このため、Ｓ１００では、制御・処理部１３０は、被写体３００までの撮像距離Ｌが事前に分かっている場合には、その撮像距離Ｌに対応する遅延時間τを設定してカメラ部１２０に遅延撮像を行わせる。この際、被写体像またはその一部に対応する撮像信号のうち最も信号強度（輝度値）が高くなる又は最もコントラスト（輝度値の差）が高くなる新たな遅延時間がある場合には、設定した遅延時間τをその新たな遅延時間に変更してもよい。すなわち、事前の撮像により得られた輝度値に基づいて遅延時間τを調整してもよい。また、被写体３００が事前に明確でない場合は、遅延時間τを徐々に変更しながらカメラ部１２０に遅延撮像を行わせ、得られた複数の撮像画像中に有意な信号が確認できた時点で、それを被写体３００に対応する撮像信号として、以降の処理を実行してもよい。
【００２８】
本実施例においては、まずＳ１００において、被写体３００からの反射光を撮像して被写体像（被写体光）に対応する撮像信号を得ることが必要である。この被写体像に対応する撮像信号（以下、被写体観測信号という）被写体観測信号は、大気中の散乱や屈折率の揺らぎによって歪められた被写体像またはその一部に対応するものであってもよい。
【００２９】
図３（ａ），（ｂ）は、本実施例における測定処理をシミュレーションした結果得られた撮像画像を示す。図３（ａ）は、収差（散乱による劣化）のない理想的な被写体像の撮像画像を示している。図３（ｂ）は、散乱によって歪んだ被写体像の撮像画像を示している。
【００３０】
撮像画像から被写体観測信号の領域を判定する条件としては、その領域の輝度値が所定の判定閾値（所定値）以上であること又は被写体像の特徴的な形状が確認できること等が設定される。撮像画像に対してエッジ処理やフィルタ処理を行うことで特徴的な形状を抽出してもよい。または、予め様々な散乱条件下で撮像した人工物や人物等の物体の画像を学習しておき、その特徴量を参考として被写体観測信号の領域を判定することも可能である。
【００３１】
次にＳ２００において、制御・処理部１３０は、Ｓ３００の波面成形処理における最適化制御のターゲットとなる目的関数を設定する。Ｓ１００において被写体観測信号を取得しているのでこれを利用して目的関数を設定する。
【００３２】
具体例として、まずＳ１００で得た撮像画像のうち被写体観測信号（図３（ｂ））の領域に対して、ある２値化閾値を設定して２値化処理を行い、その結果から抽出した領域全体を図３（ｃ）に示すようにターゲット領域とする。２値化閾値は、撮像画像の輝度値のヒストグラムを参考として決定してもよい。また、ターゲット領域が極端に小さくならないように、できるだけ２値化閾値を大きく設定することが望ましい。これにより、２値化処理によって被写体観測信号に付随して取得された散乱光成分等のノイズ成分を除去することができるためである。
【００３３】
そして、このターゲット領域内の被写体観測信号（画素）の輝度値の平均値または総和を目的関数として設定する。また、ターゲット領域内の任意の１画素以上の部分領域における輝度値の和を目的関数としてもよい。部分領域とは、撮影者が注目する任意の領域として設定することができる。
【００３４】
また、ターゲット領域が複数に分かれていても、上記のように目的関数を設定すればよい。もしくは、後述するように、ターゲット領域ごとに目的関数を設定して、それぞれ独立にＳ３００の波面成形処理を行ってもよい。さらに、撮像画像におけるターゲット領域の輝度値とその周辺（近傍）の非ターゲット領域の輝度値とから算出される画像のコントラスト値を目的関数としてもよい。このように、Ｓ２００においては、Ｓ１００での撮像（測定）で得られた被写体観測信号に基づいて最適化制御における目的関数の設定に用いる信号（輝度値の平均値、総和またはコントラスト値）を取得する。
【００３５】
本実施例のように撮像画像に基づく最適化処理によって波面を成形する場合には、目的関数を設定する位置や領域を明確に決めておく必要がある。この目的関数は、Ｓ１００の結果に基づいて撮影者が任意に設定してもよいし、制御・処理部１３０が自動的に設定してもよい。すなわち、Ｓ１００の結果に基づいて目的関数が設定（用意）されればよい。また、被写体３００について何らかの事前情報がある場合には、その事前情報に基づいてターゲット領域および目的関数を設定してもよい。
【００３６】
次にＳ３００では、制御・処理部１３０は、Ｓ２００で設定した目的関数の値が最大になるように、光源部１１０から被写体３００に向けて照射されるパルス光１６０の波面を最適解としての最適波面に近づけるようにＳＬＭ１１３の最適化制御を行う。この最適化制御（最適化処理）では、まず任意の波面（例えば平面波）が成形されたパルス光１６０を光源部１１０から被写体３００に向けて照射し、遅延時間τだけ遅れたタイミングでカメラ部１２０に撮像を行わせて得られた目的関数の値を評価する。制御・処理部１３０は、これら波面成形、パルス光照射、遅延撮像および目的関数の値の評価を反復して目的関数の値が向上する、すなわち最大により近づくように波面を最適化する。反復は、予め設定した反復回数または所定の目的関数の値に達するまで行う。
【００３７】
次にＳ４００では、制御・処理部１３０は、光源部１１０にＳ３００で波面が最適化されたパルス光１６０を被写体３００に向けて照射させ、カメラ部１２０に遅延時間τだけ遅れたタイミングで遅延撮像を行わせて図３（ｄ）に示す最終的な撮像画像を取得する。Ｓ３００の処理によって、被写体３００にパルス光１６０をより効果的に照射することが可能となり、この結果、カメラ部１２０は、散乱体２００越しの被写体３００を高ＳＮで撮像することができる。
【００３８】
次に、図４を用いて、Ｓ３００の最適化処理についてより具体的に説明する。まずＳ３１０において、制御・処理部１３０は、評価条件を設定する。すなわち、評価条件として、最適化のアルゴリズムを選択し、反復回数Ｎその他の最適化の収束条件を設定し、位相変調を行う基底パターンを設定し、位相変調する際の位相のステップサイズ（更新量）Δφやステップ回数（更新回数）Ｋを設定する。さらに、評価条件として、目的関数の値を複数の撮像画像の輝度値の平均値を用いて評価する場合には、その撮像画像数Ｐを設定する。
【００３９】
最適化のアルゴリズムとしては、I.M.Vellekoop, A.P.Mosk, “Phase control algorithms for focusing light through turbid media”,Optics Communications, 281 (2008) 3071-3080が開示している、シーケンシャル法（stepwise sequential algorithm）や、パーティショニング法（partitioning algorithm）を用いることができる。また、D.B.Conkey et al., “Genetic algorithm optimization for focusing through turbid media in noisy environments”, Optics Express, Vol.20, No.5, 4840-4849 (2012)が開示している遺伝的アルゴリズムを用いてもよい。
【００４０】
反復回数Ｎについては、Ｎを直接設定してもよいし、目的関数の目標値を設定して、目的関数の値がその目標値に到達するまで反復を繰り返すように設定することもできる。最適化のアルゴリズムとしてシーケンシャル法を用いる場合には、図５（ａ）に示すＳＬＭ１１３の有効変調領域内において黒で示す複数のセグメント領域４１１（ｊ＝１，２，３，…，Ｎ）に分割してもよい。この場合、波面成形処理では、位相変調を行うセグメント領域（位相変調領域）４１１と位相変調を行わない非位相変調領域４１０を順次変えながらそれぞれのセグメント領域４１１が独立かつ一様に位相変調を行うようにＳＬＭ１１３を制御する。なお、セグメント領域４１１は有効変調領域の全域において順次変更される。このため、変更されるセグメント領域４１１の数が反復回数Ｎになる。セグメント領域４１１のサイズは、任意に設定することが可能であり、最小サイズはＳＬＭ１１３の画素サイズとなる。
【００４１】
また、最適化のアルゴリズムとしてパーティショニング法を用いる場合には、図５（ｂ）に示すランダムな基底パターンや図５（ｃ）に示すアダマール基底の基底パターンを順次変更して位相変調を行う。これらの基底パターン（位相変調パターン）は、ＳＬＭ１１３の有効変調領域に、図中に黒で示す位相変調領域４２１，４３１と図中に白く示す非位相変調領域４２０，４３０とを設定する。ＳＬＭ１１３は、各基底パターンに従う位相変調領域に入射した光の位相のみを変調する。変更される基底パターンの数が反復回数Ｎとして設定される。
【００４２】
なお、基底パターンをＳ３１０の時点で計算して生成してもよいし、予め生成されて制御・処理部１３０内のメモリに保存されているものを読み出して用いてもよい。その他、測定時間等の装置側の設定や撮影者の要求に応じて反復回数Ｎを設定してもよい。
【００４３】
位相のステップサイズΔφは、０〜２πまでの位相をＭ分割して、Δφ＝２π／Ｍとする。位相変調において位相はステップ回数Ｋだけ位相がΔφずつインクリメントされる。したがって、位相を０から変調した場合には、２πＫ／Ｍまで位相を変調する。また、撮像画像の平均化は、目的関数の値がノイズに強く影響されるような場合に有効である。
【００４４】
以下では、最適化のアルゴリズムとしてシーケンシャル法を用いる場合について、Ｓ３２０以降の波面成形処理を説明する。
【００４５】
Ｓ３２０では、制御・処理部１３０は、実際の反復回数ｊが、Ｓ３１０で設定した反復回数Ｎに到達したか否かを判定する。制御・処理部１３０は、ｊ≧Ｎであれば本処理を終了し、ｊ＜Ｎの場合はＳ３３０に進む。Ｓ３３０では、制御・処理部１３０は、ＳＬＭ１１３に位相変調するｊ番目のセグメント領域を設定する。
【００４６】
次にＳ３４０において、制御・処理部１３０は、ＳＬＭ１１３にセグメント領域ｊでの位相変調を行わせる。ここでは、セグメント領域ｊの位相φ（ｘ，ｙ）を、
φｋ（ｘ，ｙ）＝φｋ−１（ｘ，ｙ）＋Δφｋ
と設定する。ｘ，ｙはＳＬＭ１１３の画素の座標であり、φｋ（ｘ，ｙ）はｋ回目の処理後の位相である。Δφｋはｋ回目の位相のステップサイズであり、Δφｋ＝ｋ×Δφ（ｋ＝１〜Ｋ）である。制御・処理部１３０は、セグメント領域ｊの位相を更新した後にレーザ光源１１１にパルス光を放射させる。これにより、ＳＬＭ１１３にて位相変調されたパルス光１６０が光源部１１０から被写体３００に向けて照射される。この光源部１１０からのパルス光１６０の照射時刻をｔ１とする。
【００４７】
次にＳ３５０では、制御・処理部１３０は、ｔ１からＳ１００で被写体観測信号を取得したときの遅延時間τが経過したタイミングｔ２において、カメラ部１２０に遅延撮像を行わせる。これにより、被写体３００からの反射光により形成された被写体像が撮像される。また、制御・処理部１３０は、目的関数の値を複数の撮像画像の輝度値の平均値を用いて評価するために設定された撮像画像数Ｐに応じた回数のパルス光照射と遅延撮像とを行わせる。
【００４８】
次にＳ３６０では、制御・処理部１３０は、カメラ部１２０により生成された撮像画像を用いてＳ２００で設定した目的関数の値を評価する。評価した目的関数の値は、位相φ（ｘ，ｙ）の値とともに、制御・処理部１３０内のメモリに保存する。
【００４９】
次にＳ３７０では、制御・処理部１３０は、実際の位相のステップ回数ｋが設定されたステップ回数Ｋを超えたか否かを判定する。制御・処理部１３０は、ｋ＜Ｋである場合はＳ３７１に進み、ｋをインクリメント（ｋ→ｋ＋１）してセグメント領域ｊの位相φ（ｘ，ｙ）を更新する。そして制御・処理部１３０は、この更新された位相に対してＳ３４０〜Ｓ３６０を再度行う。このようにステップ回数Ｋだけレーザ光源１１１からのパルス光放射、ＳＬＭ１１３による位相変調、カメラ部１２０による遅延撮像および目的関数の値の評価を繰り返す。
【００５０】
Ｓ３７０でｋ≧Ｋ、すなわちステップ回数Ｋの処理が完了すると、制御・処理部１３０はＳ３８０に進む。Ｓ３８０では、制御・処理部１３０は、メモリに保存された目的関数の値の評価結果から、目的関数の値が最大となる位相を読み出し、セグメント領域ｊの位相に設定する。ここまでのＳ３２０〜Ｓ３８０の処理が、１つのセグメント領域に対して行われる処理である。
【００５１】
Ｓ３９０では、制御・処理部１３０は、次のセグメント領域で同様にＳ３２０〜Ｓ３８０の処理を反復し、目的関数の値が向上するようにパルス光１６０の波面を最適化する。この最適化処理によって撮像画像における被写体像に対応する撮像信号（被写体観測信号）の強度が高くなり、この結果、波面成形処理を行わない場合に比べて高ＳＮな撮像画像を取得することが可能になる。なお、図４に示した波面成形処理は例に過ぎず、使用する最適化アルゴリズムに応じて異なる波面成形処理を行ってもよい。
【００５２】
ＳＬＭ１１３としてＤＭＤを用いる場合には、位相変調ではなく振幅変調によってパルス光１６０を変調することもできる。例えば、ＤＭＤの画素のうちオンとなることで目的関数の値が向上する（最大により近づく）画素をオンとし、目的関数の値が低下する（最大から離れる）画素をオフにすることで、バイナリの振幅変調を行ってもよい。また、A.M.Caravaca-Aguirre,et al.,“Real-time resilient focusing through a bending multimode fiber”, Optics Express, Vol.21, No.10, 12881-12887 (2013)が開示しているように、バイナリの振幅変調用のＤＭＤを用いて、位相変調を行うこともできる。ＳＬＭ１１３はできるだけ高速で応答するものが望ましいため、ＬＣＯＳよりも応答速度が高速なＤＭＤを用いる方が望ましい。
【００５３】
また、位相変調による目的関数の値の変化が微小である場合やノイズの影響が大きい場合には、パーティショニング法や遺伝的アルゴリズムを用いた最適化処理が有効である。また、シーケンシャル法を用いて最初に大き目のセグメント領域で最適化処理を行い、目的関数の値が向上した後により小さなセグメント領域で最適化処理を行ってもよい。
【００５４】
例えば、図５（ａ）に示すセグメント領域４１１のサイズを大きく設定し、ＳＬＭ１１３の最適化制御として、制御・処理部１３０は目的関数が最大になるように最適化処理を実行する。この第１の最適化処理（第１の制御）の終了後に、セグメント領域４１１のサイズを小さく設定して第２の最適化処理（第２の制御）を実行する。このとき、第１の最適化処理の結果得られた位相分布を第２の最適化処理時における初期値として用いる。このように、ノイズ成分の影響を考慮して最適化処理（最適化制御）を調整するとよい。
【００５５】
波面成形処理は、散乱が強い場合には反復回数Ｎを増やすほど波面成形による効果が大きくなり、目的関数の値も向上する。ただし、反復回数Ｎを増やすと、より長い測定時間を要する。この長い測定時間中に散乱が変化すると、波面成形の効果が小さくなる。一方、散乱が小さい場合には、散乱が強い場合に比べて反復回数Ｎが少なくても波面成形による効果がある。したがって、波面成形による効果と測定時間とのバランスを考慮して反復回数Ｎを設定するとよい。例えば、Ｓ１００での被写体観測信号の取得において、被写体像の歪みが小さい（散乱が小さい）場合であれば、空間周波数が低い基底パターン（または大きなセグメント領域サイズ）を用いて、少ない反復回数Ｎの処理を行うようにしてもよい。散乱光の影響は、Ｓ１００で被写体観測信号を取得する際に、ターゲット領域以外の領域に発生しているフレア量を評価することで見積もってもよい。
【００５６】
また、測定時間を短くするためには、反復回数Ｎを小さくするだけでなく、Ｓ３４０〜Ｓ３７０の処理時間を短くすればよい。これには、パルス光放射から位相変調、パルス光照射および遅延撮像のそれぞれに要する時間が短縮できればよい。このため、パルス光源１１１の繰り返し周波数、ＳＬＭ１１３のリフレッシュレートおよびカメラ部１２０での撮像フレームレートは高速であることが望ましい。例えば、撮像に用いられる画素数を抑えることで、撮像フレームレートを上げることができる。このため、波面成形処理Ｓ３００（またはＳ１００〜Ｓ３００）において、カメラ部１２０（アレイセンサ１２０ｂ）における撮像画素数をビニングによって抑えることで撮像フレームレートを高速化してもよい。さらに、撮像画像中のターゲット領域をＲＯＩ（Region Of Interest）として設定し、そのＲＯＩのみを撮像することで、撮像画素数を抑えて撮像フレームレートを高速化することも可能である。波面成形処理後におけるＳ４００での遅延撮像では、ビニングはせずに通常通りの撮像画素数での撮像を行えばよい。
【００５７】
また、被写体３００までの撮像距離Ｌや、ゲーテッドイメージング装置１００および被写体３００の周囲の風速や気温等の気象条件を考慮して上記評価条件を決めてもよい。
【００５８】
このように本実施例は、遅延撮像により得られた撮像画像から被写体観測信号が得られる領域としてのターゲット領域を特定する。そして、該ターゲット領域の輝度値を用いて目的関数を設定し、光源部１１０から出射するパルス光１６０の波面を目的関数が最大となる最適波面に近づけるように成形する最適化処理（ＳＬＭ１１３の最適化制御）を行う。
【００５９】
次に、Ｓ２００において２値化処理によりターゲット領域が複数に分割されて抽出され、それぞれを別のターゲット領域として互いに独立に目的関数を設定して波面成形処理を行う場合について説明する。図６は、Ｓ１００において撮像画像５００に対して２値化処理を行うことにより抽出されたターゲット領域５０１，５０２，５０３を模式的に示す。このように３つのターゲット領域５０１，５０２，５０３が存在する場合には、前述したようにこれら３つをまとめて１つのターゲット領域とし、ターゲット領域５０１，５０２，５０３の輝度値の総和を目的関数として設定することができる。
【００６０】
一方、ターゲット領域５０１，５０２，５０３を別々のターゲット領域として扱う場合は、以下の２つの方法がある。１つ目の方法は、単純にターゲット領域５０１，５０２，５０３に対して互いに独立に目的関数を設定する方法である。この場合、ターゲット領域５０１内にある輝度値の和を目的関数としてＳ２００〜Ｓ４００の処理を行う。同様にターゲット領域５０２およびターゲット領域５０３についてもＳ２００〜Ｓ４００の処理を行う。Ｓ４００では、取得した複数の撮像画像を、必要に応じて一部重複を許して繋ぎ合わせて最終的な１つの撮像画像を生成することができる。
【００６１】
２つめの方法は、ターゲット領域５０１，５０２，５０３を所定の基準に基づいてグループ分けし、そのグループごとに目的関数を設定する方法である。例えば、図６に示すように、ターゲット領域５０１，５０２，５０３のおおよその中心（または重心）の位置間の距離をターゲット領域相互間の距離ｄとして算出する。そして、算出距離ｄと所定の基準距離ｄｒとを比較して、算出された距離ｄが基準距離ｄｒより長ければ、該距離ｄだけ離れた２つのターゲット領域を互いに独立したターゲット領域として扱い、ターゲット領域ごとに目的関数を設定する。また、算出された距離ｄが基準距離ｄｒ以下であれば、該距離ｄだけ離れた２つのターゲット領域を１つのターゲット領域として扱い、１つの目的関数を設定する。
【００６２】
図６では、ターゲット領域５０１を他のターゲット領域５０２，５０３から独立したターゲット領域として扱い、このターゲット領域５０１には個別の目的関数を設定する。また、ターゲット領域５０２，５０３を１つのターゲット領域として扱い、これらに対して共通の１つの目的関数を設定する。ターゲット領域５０２，５０３に対する目的関数は、該ターゲット領域５０２，５０３の輝度値の和とすればよい。基準距離ｄｒは、例えば次式（１）から算出される大気による波面の揺らぎの形状が同一であると見なせる角度θ（isoplanatic angle）に基づいて算出してもよい。
【００６３】
【数１】
2018182521.tif 000003
【００６４】
ｋは波数、Ｃｎ２は大気の屈折率の構造定数、Ｌは光路長である。これを用いて、基準距離ｄｒを次式（２）を用いて、
【００６５】
【数２】
2018182521.tif 000004
【００６６】
のように算出することができる。ただし、ｄｒはカメラ部１２０のカメラレンズ１２０ａの倍率から、アレイセンサ１２０ｂの撮像面上の距離に換算する。また、構造定数Ｃｎ２は、別途測定しておくか、何等かの事前情報や前提に基づいて算出する等しておく必要がある。また、Ｓ１００の処理を行う前に行った複数回の撮像により得られた複数の撮像画像から散乱波面の相関長を算出し、その相関長に基づいて基準距離ｄｒを決めてもよい。なお、複数のターゲット領域を１つのターゲット領域に統合して波面成形処理を行っても目的関数が十分に向上しない場合は、これらターゲット領域を分けてそれぞれに対して独立に波面成形処理を行ってもよい。
【００６７】
またＳ４００の処理の後に、図７に示すように、Ｓ３００で成形された波面１６１を有するパルス光を被写体３００上のターゲット領域３０１，３０２に対してその照射角度を変えながら照射して（被写体３００をスキャンしながら）遅延撮像を行ってもよい。被写体３００上のターゲット領域３０１，３０２は、撮像画像におけるターゲット領域に対応する領域である。
【００６８】
このときのスキャン量３１０は、例えばＳＬＭ１１３にスキャン量に応じた線形の位相シフト量を、Ｓ３００で得られた位相分布（ＳＬＭ１１３の位相変調パターン）に足し合わせて設定してもよい。また、スキャン光学系を別途設けて、これを用いてスキャンを行ってもよい。このスキャンは、散乱の相関が保持される範囲で行われる。被写体３００におけるパルス光の照射領域（つまりはパルス光の入射角度）を変えても散乱に相関がある範囲では、Ｓ３００による波面成形の効果が保持されるため、この効果を利用してターゲット領域の近傍をイメージングすることも可能である。スキャンの範囲は、式（１）を用いて設定してもよいし、照射角度を変えて撮像した結果からＳ２００で設定した目的関数をモニタすることで設定してもよい。例えば、目的関数がＳ３００の処理の初期値より大きい範囲であればよい。
【００６９】
さらに、上述したようにパルス光による被写体３００のスキャンを行った結果、撮像画像中の被写体像の輝度値が低下したと判定した場合には、再度、波面成形処理を行ってもよい。この場合、前回の波面成形処理による効果が消滅する前に再度の波面成形処理を行うことが望ましい。すなわち、前回の波面成形処理の効果によって被写体像の輝度値がその波面成形処理の前よりも大きくなった状態で、再度、Ｓ３００の波面成形処理を含むＳ１００〜Ｓ４００の測定処理を行う。前回の波面成形処理の効果が残っているために、全く最初から再度の波面成形処理を行うよりも短時間でＳＮがより良好な撮像画像が得られる。
【００７０】
例えば、パルス光により被写体をスキャンしながら遅延撮像を行う過程で目的関数の値をモニタし、モニタ値が前回の波面成形処理で得られた値に対して所定値（例えば、半分の値）を下回ることに応じて再度、波面成形処理を行う。この際、モニタするのは、被写体３００の一部の輝度値であってもよい。また、波面成形処理（最適化処理）の初期値の波面は、前回の波面成形処理で得られた波面とする。このように、パルス光による被写体３００のスキャンとパルス光の波面成形とを繰り返しながら、より広い画角範囲に対して高ＳＮの遅延撮像を行うことも可能である。最終的には、それぞれの波面成形処理で取得された撮像画像を繋げて表示部１４０に表示すればよい。
【００７１】
本実施例では、光源部１１０とカメラ部１２０とが一体化されたゲーテッドイメージング装置１００と被写体３００とが一直線上に位置するline-of-sight（またはmono-static）の構成でイメージングを行う場合について説明した。これに対して、非特許文献１が開示しているように、光源部とカメラ部とがそれぞれ別々の離れた位置にあり、光源部と被写体とカメラ部とがある角度をもった位置関係で撮像を行うようなbi-staticの構成であってもよい。この場合も、光源部とカメラ部とを有するゲーテッドイメージング装置であることには変わりはない。上記角度は０〜１８０度の間で任意に選択可能である。該角度が１８０度である場合は、透過光測定を行う配置となる。透過光測定を行う配置であっても、本実施例にて説明した波面成形処理を適用することが可能である。また、本実施例は、１００ｍ〜数１０ｋｍの遠方の被写体を監視する撮像システム等に適用することができる。
【００７２】
また、本実施例では、目的関数の値を最大とするように波面を成形する最適化処理を行う場合について説明したが、目的関数の設定に応じてその値を最小とするように波面を成形する最適化処理を行ってもよい。
【実施例２】
【００７３】
図８は、本発明の実施例２であるゲーテッドイメージング装置の構成を示している。基本的構成は、図１に示した実施例１の装置の構成と同様である。本実施例のゲーテッドイメージング装置６００は、光源・撮像部６１０、制御・処理部６３０および表示部６４０により構成される。光源・撮像部６１０に撮像手段が含まれ、制御・処理部６３０が制御手段に相当する。
【００７４】
光源・撮像部６１０においてレーザ光源６１１からは可視〜近赤外の波長域（例えば波長４００ｎｍ〜１１００ｎｍ）のパルス光が放射される。波長以外のパルス光の条件は、実施例１と同様である。レーザ光源６１１からコリメートされて放射されたパルス光は、ミラー６１２で反射され、ビームスプリッタ６１４を透過してＳＬＭ６１３に入射する。ＳＬＭ６１３で波面が成形されたパルス光６６０は、ビームスプリッタ６１４で反射され、光学系６１７を通って光源・撮像部６１０から出射する。光学系６１７は、可視〜近赤外の波長帯域用に設計されている。
【００７５】
光源・撮像部６１０から発せられ、不図示の被写体で反射されて光源・撮像部６１０に戻ってきたパルス光（反射光としての被写体光）６７０は、光学系６１７およびビームスプリッタ６１４を透過してカメラ６２０に入射する。カメラ６２０に入射したパルス光は、カメラレンズ６２０ａにより結像されてアレイセンサ６２０ｂに到達する。カメラ６２０内の画像生成部６２０ｃは、被写体像を光電変換したアレイセンサ１２０ｂから出力された撮像信号を用いて撮像画像（画像データ）を生成する。
【００７６】
制御・処理部６３０は、この反射光のアレイセンサへの到達タイミング（遅延時間だけ遅れたタイミング）でカメラ６２０に遅延撮像を行わせる。アレイセンサは、ゲート機能を有するＣＭＯＳセンサにより構成されている。ただし、通常のＣＣＤやＣＭＯＳセンサにイメージインテンシファイアを組み合わせたアレイセンサを用いてもよい。この場合、イメージインテンシファイアによりゲートを制御する。
【００７７】
本実施例において、制御・処理部６３０は、基本的に実施例１において図２および図４に示した測定処理および波面成形処理と同様な処理を行う。すなわち、制御・処理部６３０は、Ｓ１００において被写体観測信号を取得し、Ｓ２００でターゲット領域を設定する。ただし、本実施例では、ターゲット領域の輝度値から目的関数を設定してＳ３００の波面成形処理において最適化処理を行うのではなく、透過行列（transmission matrix）を利用した処理を行う。透過行列ｔは、散乱体に入力される電場をＥａとし、散乱体から出力（透過）される電場をＥｂとするとき、次式（３）に示すように線形的な入出力応答として定義される。
【００７８】
【数３】
2018182521.tif 000005
【００７９】
式（３）に基づいて様々な入力（基底、すなわちＳＬＭ６１３の位相変調パターン）のＥａに対して出力（遅延撮像により取得された反射光の波面）Ｅｂを測定することで、透過行列ｔを得ることができる。この透過行列を利用してパルス光６６０の波面を適切に成形することで、実施例１と同様に、散乱体越しの被写体を高ＳＮでイメージングすることができる。
【００８０】
図９は、ＳＬＭ６１３の有効変調領域を示している。制御・処理部６３０は、ＳＬＭ６１３の有効変調領域内に、図中にチェッカー模様で示す位相変調を行う位相変調領域６１５と、その外側において位相変調を行わない非位相変調領域６１６とを設定する。制御・処理部６３０は、位相変調領域６１５に基底のパターン（Ｅａ）を描画し、位相変調領域６１５と非位相変調領域６１６との間に位相差を与えながら位相シフト法を行うことで、出力Ｅｂを測定する。この場合、被写体に照射するパルス光とは異なる参照光用の光路を別途設ける必要がないので、装置構成を簡略化することができる。
【００８１】
制御・処理部６３０は、位相シフト法を、基底のパターン数Ｎだけ反復し、それぞれの基底で測定した波面を列ベクトルとして行列にスタックすることで、透過行列ｔを生成する。すなわち、複数の基底パターンを用いてＳＬＭ６１３で波面を成形して反射光の波面を測定した結果に基づいて透過行列ｔを生成する。
【００８２】
Ｎ個の基底についてＭ画素のアレイセンサにより反射光の波面を測定した場合には、Ｍ行Ｎ列の透過行列ｔが得られる。このとき、透過行列ｔのｊ列目の成分は、ｊ番目の基底で測定した波面に対応する。基底のパターンとしては、アダマール基底の基底パターン、ランダムな基底パターン、ツェルニケ多項式を用いて生成した基底パターン等を用いることができる。
【００８３】
制御・処理部６３０は、透過行列ｔを生成（測定）した後、この透過行列ｔを用いてＳＬＭ６１３にパルス光６６０の波面を成形させる。ここでは、Ｓ２００で設定したターゲット領域を用いる。例えば、図３（ｃ）に示した２値化処理により抽出されたターゲット領域を、透過行列ｔを用いて再生する電場の振幅分布Ｅtargetとして設定する。位相についての設定は任意である。制御・処理部６３０は、このＥtargetを用いて、パルス光６６０の変調波面としてのＥａを次式（４）から算出する。
【００８４】
【数４】
2018182521.tif 000006
【００８５】
†は転置共役を示す。式（４）は、変調波面（Ｅａ）を、ターゲット領域に対応するベクトル（Ｅtarget)と透過行列tの転置共役†との積を用いて算出することを示している。式（４）で表現されるＥａは、カメラ６２０のアレイセンサの撮像面で測定した被写体からの反射光の波面の位相共役波を表す。
【００８６】
ただし、透過行列ｔを生成した際に用いた基底パターンによっては、式（４）で得られたＥａに対して、さらに基底の変換が必要である。具体的には、図５（ｂ），（ｃ）に示した基底パターンは、図５（ａ）に示したセグメント領域ベースのパターンとは異なり、ＳＬＭ６１３の座標と対応していない。したがって、制御・処理部６３０は、式（４）で算出したＥａをＳＬＭ６１３の座標に対応する基底パターンに変換する処理を行う。これは、式（４）で算出されたベクトルと、これに対応する基底パターンとの線形結合を求めればよい。なお、カメラ６２０の撮像面とＳＬＭ６１３とは被写体までの光路長が等しくなるように調整されている。
【００８７】
上述したように式（４）で算出されたＥａ（変調波面）は、被写体からの反射光の波面の位相共役波に相当する。したがって、Ｅａを有するパルス光を被写体に向けて照射する、言い換えれば被写体に向けて照射されるパルス光の波面を変調波面で変調するようにＳＬＭ６１３を制御することで、実施例１と同様に散乱体越しの被写体を高ＳＮでイメージングすることができる。
【００８８】
さらに、取得した透過行列ｔを特異値分解することで、透過行列ｔの固有値の分布を解析することができる。固有値は、固有空間における透過率（透過固有値）を表す。したがって、透過固有値が小さい固有ベクトルは本測定における信号強度への寄与が小さい。例えば、透過行列ｔの全体の透過率がいくつかの固有ベクトルの透過固有値の和でほぼ近似できる条件では、それら固有ベクトルのみを用いてパルス光６６０の波面を成形してもよい。それ以外の固有ベクトルは信号強度にほとんど寄与しないために無視してよい。
【００８９】
また、透過行列tの固有値を解析し、該固有値の分布から、大気の散乱または揺らぎに起因するノイズ成分の波面に関する統計的性質を推定し、該統計的性質に基づいて、基底パターンの種類、基底パターンの空間周波数範囲および基底パターン数を設定してもよい。また、信号強度に主に寄与する固有ベクトルの空間周波数を解析し、測定される散乱波面の周波数成分の上限または周波数範囲を推定し、この推定結果に基づいて上述した基底パターンを生成してもよい。例えば、図２に示す測定処理の前段に、プレ測定として上記固有ベクトルの解析までを行い、波面成形に用いる基底パターンの種類、基底パターンの空間周波数範囲および基底パターン数Ｎを設定することも可能である。プレ測定時には、少し多めの基底パターン数Ｎで高空間周波数の基底パターンについてまで測定しておいてもよい。また、基底パターンを変えながら複数の条件で測定し、波面成形処理においてどの基底パターンを用いるかの指標にしてもよい。
【００９０】
プレ測定後は、このプレ測定の解析結果を利用して、本実施例の測定処理を行ってもよいし、実施例１で説明した最適化処理による波面成形にこの解析結果を適用してもよい。散乱波面は、ある相関時間以上経過すれば、異なる波面になる。一方で、散乱波面の統計的性質は、相関時間ほどの短時間では変化しないと考えてもよい。したがって、プレ測定の解析結果は、図２に示した測定処理を繰り返す間等、所定時間の間（例えば、大気の屈折率の構造定数Ｃｎ２が大きく変化するまで）利用することが可能である。
【００９１】
本実施例は、可視〜近赤外帯域の光を用いた近距離（数ｍ〜１００ｍ程度）の被写体を監視する撮像システム等に適用可能である。
【００９２】
また、本発明は、ゲート撮像装置以外にも、ＴＯＦ（Time-of-Flight；飛行時間）測定可能なエリアセンサを搭載した撮像装置にも適用可能である。ＴＯＦ測定可能なエリアセンサとは、各画素単位で、光源部から照射されたパルス光をＴＯＦごとに時間分解して撮像可能なアレイセンサである。例えば、ＳＷＩＲ帯域では、ＩｎＧａＡｓで構成されるＡＰＤ（Avalanche PhotoDiode）アレイを用いることができる。また、単一素子のＡＰＤセンサを２次元平面に並べたものであってもよい。さらに、周波数領域でＴＯＦ測定可能なアレイセンサであってもよい。例えば、可視・近赤外帯域で、ロックイン検出可能なロックインＣＭＯＳセンサなども適用できる。この場合、照射するビームはパルス光でなく、強度をある周波数の正弦波で変調した強度変調光であってもよい。光源を変調している変調信号と、被写体から反射・透過してくる変調光の変調信号との位相差から、ＴＯＦ測定することができる。これらＴＯＦ測定可能なアレイセンサは、ゲート撮像装置と同様に、ある遅延時間で撮像装置に到達する光強度分布を選択的に撮像することができる。このように任意の遅延時間の光強度分布を選択的に測定できるエリアセンサを用いた撮像装置であれば本発明の実施例に含まれる。
【００９３】
以上説明したように、各実施例は、遅延撮像により得られた撮像画像から被写体に対応する信号（被写体観測信号）を特定し、該信号の強度が増加するにように、被写体に向けて照射される光の波面を成形する。そして、被写体からの反射光（または透過光）に対する遅延撮像を行うことで、散乱体越しの被写体を高ＳＮで撮像することができる。
なお、各実施例で説明した撮像装置の構成、波面を成形するための最適化処理の方法および透過行列の生成方法は例にすぎず、他の構成や方法を用いることができる。
（その他の実施例）
本発明は、上述の実施形態の１以上の機能を実現するプログラムを、ネットワーク又は記憶媒体を介してシステム又は装置に供給し、そのシステム又は装置のコンピュータにおける１つ以上のプロセッサーがプログラムを読出し実行する処理でも実現可能である。また、１以上の機能を実現する回路（例えば、ＡＳＩＣ）によっても実現可能である。
以上説明した各実施例は代表的な例にすぎず、本発明の実施に際しては、各実施例に対して種々の変形や変更が可能である。
【符号の説明】
【００９４】
１１０  光源部
１１３，６１３  空間光変調器
１２０  カメラ部
１３０，６３０  制御・処理部
６１０  光源・撮像部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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