(57)【要約】      （修正有）【課題】光学部品を用いることなく光学特性を向上させることが可能な測定装置を提供する。【解決手段】複数の照射期間ＴＲ１〜ＴＲ８において、それぞれ定められた波長を有する照射光を測定対象に照射する。照射光を照射された測定対象からの透過光および反射光の少なくとも一方を受光して、受光した光に応じた電荷を発生する受光部と、複数の照射期間の各々に、受光部が発生した電荷を順次蓄積する複数の蓄積素子を有する蓄積部と、蓄積部が蓄積した電荷に応じた電気信号を、前記複数の照射期間を含む測定期間ＴＭ１〜ＴＭ８毎に読み出す読み出し部とを備え、測定期間は、第１波長の照射光を照射する複数の第１照射期間ＴＲ１と、第１波長と異なる第２波長の照射光を照射する第２照射期間ＴＲ２とをそれぞれ含む。【選択図】図４
2019184531.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の照射期間において、それぞれ定められた波長を有する照射光を測定対象に照射する照射部と、
前記照射光を照射された前記測定対象からの透過光および反射光の少なくとも一方を受光して、受光した光に応じた電荷を発生する受光部と、
前記複数の照射期間の各々に、前記受光部が発生した電荷を順次蓄積する複数の蓄積素子を有する蓄積部と、
前記蓄積部が蓄積した電荷に応じた電気信号を、前記複数の照射期間を含む測定期間毎に読み出す読み出し部と
を備え、
前記測定期間は、前記照射部が第１波長の照射光を照射する複数の第１照射期間と、前記照射部が前記第１波長と異なる第２波長の照射光を照射する第２照射期間とを含む測定装置。
【請求項２】
前記測定期間は、前記複数の第１照射期間の間に、少なくともひとつの前記第２照射期間を含む請求項１に記載の測定装置。
【請求項３】
前記照射部は、前記測定対象の色に応じて、前記複数の照射期間に割り当てる前記照射光の波長の配分を変更する請求項１または２に記載の測定装置。
【請求項４】
前記照射部は、ひとつの前記測定期間のうちに前記複数の照射期間に割り当てる前記照射光の波長の配分を、当該測定期間よりも前の測定期間における測定結果に応じて設定する請求項１から３のいずれか一項に記載の測定装置。
【請求項５】
前記照射部は、前記複数の照射期間に割り当てる前記照射光の波長の配分に関するユーザの指示を受け付ける受付部を有する請求項１から３のいずれか一項に記載の測定装置。
【請求項６】
前記受光部は、受光した光のうちの背景光に由来する成分を、前記電気信号から除去する除去部を更に備える請求項１から５のいずれか一項に記載の測定装置。
【請求項７】
前記照射部は、前記照射光を強度変調して照射し、前記受光部は、前記透過光および前記反射光のいずれかを受光して復調する請求項１から６のいずれか一項に記載の測定装置。
【請求項８】
前記受光部および前記蓄積部を配された受光基板と、
前記読み出し部を配された、前記受光基板に積層された読み出し基板と
を有する請求項１から７のいずれか一項に記載の測定装置。
【請求項９】
前記照射部は、前記複数の照射期間のそれぞれにおいて、予め用意された互いに異なる波長の複数の光源から選択されたいずれかにより前記照射光を発生する請求項１から８のいずれか一項に記載の測定装置。
【請求項１０】
請求項１から９のいずれか一項に記載の測定装置と、前記測定装置の出力に基づいて、前記測定対象の分光測定画像を表示する表示部とを備える分光測定システム。
【請求項１１】
請求項１から９のいずれか一項に記載の測定装置と、前記測定装置の出力に基づいて前記測定対象の測定画像を表示する表示部とを備え、生物の体内画像を撮像する内視鏡システム。
【請求項１２】
複数の照射期間において、それぞれ定められた波長を有する照射光を測定対象に照射する照射段階と、
前記照射光を照射された前記測定対象からの透過光および反射光の少なくとも一方を受光して、受光した光に応じた電荷を発生する受光段階と、
前記複数の照射期間の各々に、前記受光段階で発生した電荷を順次蓄積する複数の蓄積素子を有する蓄積段階と、
前記蓄積段階で蓄積した電荷に応じた電気信号を、前記複数の照射期間を含む測定期間毎に読み出す読み出し段階と
を備え、
前記測定期間は、第１波長の照射光を照射する複数の第１照射期間と、前記第１波長と異なる第２波長の照射光を照射する第２照射期間とを含む測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、測定装置、分光測定システム、内視鏡システム、および測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
分光法を用いた測定装置がある（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１  特開２０１３−１７０８６７号公報
【０００３】
光学部品を用いて測定装置を形成した場合、小型化が難しく、また、部品コストのために高価になりがちである。
【発明の概要】
【０００４】
本発明の第１の態様においては、複数の照射期間でそれぞれ定められた波長を有する照射光を、測定対象に照射する照射部と、照射光を照射された測定対象からの透過光および反射光の少なくとも一方を受光して、受光した光に応じた電荷を発生する受光部と、複数の照射期間の各々に、受光部が発生した電荷を順次蓄積する複数の蓄積素子を有する蓄積部と、蓄積部が蓄積した電荷に応じた電気信号を、前記複数の照射期間を含む測定期間毎に読み出す読み出し部とを備え、測定期間は、第１波長の照射光を照射する複数の第１照射期間と、前記第１照射期間と異なる第２波長の照射光を照射する第２照射期間とを含む測定装置が提供される。
【０００５】
本発明の第２の態様においては、上記の測定装置と、測定装置の出力に基づいて、測定対象の分光測定画像を表示する表示部とを備える分光測定システムが提供される。
【０００６】
本発明の第３の態様においては、上記の測定装置と、測定装置の出力に基づいて測定対象の測定画像を表示する表示部とを備え、生物の体内画像を撮像する内視鏡システムが提供される。
【０００７】
本発明の第４の態様においては、複数の照射期間でそれぞれ定められた波長を有する照射光を、測定対象に照射する照射段階と、照射光を照射された測定対象からの透過光および反射光の少なくとも一方を受光して、受光した光に応じた電荷を発生する受光段階と、複数の照射期間の各々に、受光段階で発生した電荷を順次蓄積する複数の蓄積素子を有する蓄積段階と、蓄積段階で蓄積した電荷に応じた電気信号を、前記複数の書写期間を含む測定期間毎に読み出す読み出し段階とを備え、測定期間は、第１波長の照射光を照射する複数の照射期間と、第１波長と異なる第２波長の照射光を照射する第２照射期間とを含む測定方法が提供される。
【０００８】
上記の発明の概要は、本発明の特徴の全てを列挙したものではない。これらの特徴群のサブコンビネーションもまた発明となり得る。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】測定装置１０の模式図である。
【図２】照射部１００の回路図である。
【図３】検出部２００および読み出し部２３３の回路図である。
【図４】測定装置１０のタイミングチャートである。
【図５】検出回路２５０の模式図である。
【図６】画素ユニット２５１の模式図である。
【図７】検出部２００の模式的断面図である。
【図８】照射部１０１の回路図である。
【図９】測定装置１０の他のタイミングチャートである。
【図１０】測定システム２０の模式図である。
【図１１】内視鏡システム３０の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
【００１１】
図１は、測定装置１０の模式図である。測定装置１０は、照射部１００、検出部２００、ステージ３００、および同期制御部４００を備え、出力を画像生成部６００に接続されている。
【００１２】
照射部１００は、発光素子１１０、選択ゲート１２０、および照射制御部１３０を有する。発光素子１１０は、異なる波長の照射光３０１を発生できる。選択ゲート１２０は、照射制御部１３０の制御の下に、発光素子１１０の発光波長および照射期間を制御する。発光素子１１０が発生した照射光３０１は、ステージ３００に置かれた測定対象３１０に向かって照射される。照射部１００は、互いに異なる波長、強さ、照射時間の照射光３０１を順次発生して測定対象３１０に照射できる。
【００１３】
検出部２００は、受光素子２１０、蓄積ゲート２２０、容量素子２３０、リセットゲート２３２、読み出し部２３３、蓄積制御部２４０、および背景光成分除去部２４５を有する。受光素子２１０は、照射部１００から測定対象３１０に照射された照射光３０１が、測定対象３１０を透過した透過光、および、測定対象３１０に反射された反射光の少なくとも一方を測定光３０２として受光する。測定光３０２を受光した受光素子２１０は、受光した測定光３０２の強度に応じて電荷を生じる。
【００１４】
なお、受光素子２１０が受光する透過光は、測定対象の内部で散乱して、入射した側の反対側から出射する成分を含んでよい。また、受光素子２１０が受光する反射光は、測定対象の表面で反射した反射光反射のみならず、測定対象の内部で散乱した光が、入射した側と同じ側から出射する成分を含んでよい。以降の説明において、照射光３０１が測定対象３１０により透過または反射されて検出部２００に入射する光を測定光３０２と記載する。
【００１５】
蓄積ゲート２２０は、蓄積制御部２４０の制御の下に、受光素子２１０を容量素子２３０に接続または遮断する。蓄積ゲート２２０が受光素子２１０と容量素子２３０とを接続した期間は、受光素子２１０において発生した電荷が容量素子２３０に蓄積される。このように、容量素子２３０は、検出部２００において、測定光３０２により受光素子２１０が発生した電荷を蓄積する蓄積部を形成する。
【００１６】
蓄積ゲート２２０が蓄積制御部２４０の制御の下に受光素子２１０と容量素子２３０との接続を遮断した期間は、容量素子２３０に蓄積された電荷の多寡に応じた電位差が容量素子２３０の一端に現れる。よって、この電位差が、電圧信号ＶＯＵＴとして外部から読み出される。
【００１７】
リセットゲート２３２は、電源と容量素子２３０とを接続または遮断する。容量素子２３０に電荷を蓄積する前に、リセットゲート２３２を用いて電源と容量素子２３０を一旦接続した後に遮断することで、容量素子２３０の両端に現れる電位差を所定の電圧にリセットする。また、電源と容量素子２３０を接続すると同時に、蓄積ゲート２２０を用いて受光素子２１０と容量素子２３０を接続することで、受光素子２１０の両端に現れる電圧も所定の電圧にリセットする。こうすることで、照射期間に受光素子２１０で発生した電荷のみが、容量素子２３０に蓄積されるようにする。
【００１８】
読み出し部２３３は、蓄積制御部２４０から指示されたタイミングで、容量素子２３０の一端に現れた電圧に応じた信号を背景光成分除去部２４５に出力する。
【００１９】
背景光成分除去部２４５は、測定対象３１０から射出された光のうち、照射光３０１に由来する透過光または反射光である測定光３０２以外の成分、即ち、測定対象３１０が置かれた環境に存在する環境光等を含む背景光成分を電圧信号ＶＯＵＴから除去する。これにより、検出部２００から外部に出力される電圧信号ＶＯＵＴは、背景光成分を除去され、測定対象３１０に照射された照射光３０１により生じた光を受光素子２１０が受光した測定光３０２の光強度に対応した値を有する信号となる。
【００２０】
同期制御部４００は、照射制御部１３０が発光素子１１０を発光させて、ひとつの発光波長を有する照射光３０１を測定対象３１０に照射する照射期間と、蓄積制御部２４０が蓄積ゲート２２０を閉じて、測定光３０２を受光した受光素子２１０が発生した電荷を容量素子２３０に蓄積させる蓄積期間とを同期させる。これにより照射部１００がある波長の照射光３０１を測定対象３１０に照射した期間に、検出部２００が測定光３０２の光強度を検出できる。すなわち、蓄積ゲート２２０が受光素子２１０と容量素子２３０との接続を遮断すると、受光素子２１０が発生して容量素子２３０に蓄積された電荷は、蓄積された電荷に応じた電圧信号ＶＯＵＴとして検出部２００から出力される。
【００２１】
測定光３０２の強度に応じた電圧信号ＶＯＵＴを、例えば、画像生成部６００において処理することにより、照射光３０１により照明された測定対象３１０の画像を形成できる。なお、後述するように、検出部２００が出力する電圧信号ＶＯＵＴに対応する照射期間の照射光３０１は、照射制御部１３０の制御に応じて様々な波長であり得る。
【００２２】
そこで、測定装置１０においては、電圧信号ＶＯＵＴと共に、当該電圧信号ＶＯＵＴを生成した場合に使用した照射光３０１に関する情報が、照射制御部１３０から画像生成部６００に通知される。これにより、画像生成部６００は、測定対象３１０の正確な画像を生成できる。
【００２３】
図２は、照射部１００の内部構造の一例をより詳細に示す回路図である。照射部１００は、各々が選択ゲート１２０を有する複数の発光素子１１０を有する。本実施例では、互いに発光波長が異なる３個の発光素子１１０を有し、それぞれの発光波長を第１波長、第２波長及び第３波長とする。複数の選択ゲート１２０は、照射制御部１３０が発生した選択信号ＳＥＬ１〜ＳＥＬ３のいずれかにより選択的にアクティブにされる。これにより、複数の発光素子１１０のいずれかが電圧源に接続されて点灯する。点灯した発光素子１１０は、個々の発光波長に応じた照射光３０１を発生する。
【００２４】
照射部１００において、複数の発光素子１１０は、互いに異なる発光波長の照射光３０１を発生する照射光源となる。照射制御部１３０は、発生する選択信号ＳＥＬ１、ＳＥＬ２、及びＳＥＬ３を選択することにより、照射部１００が発生する照射光３０１の波長を第１波長、第２波長、及び第３波長に変更できる。発光素子１１０としては、例えば、発光ダイオード、半導体レーザ等を用いることができる。また、発光帯域は、紫外帯域（波長３００ｎｍ程度）から赤外帯域（波長１１００ｎｍ程度）まで、測定対象３１０の特性に応じて選択できる。なお、発光素子１１０は、狭帯域の波長の照射光３０１を発生してもよいし、広帯域の波長の照射光３０１を発生してもよい。本実施例において単に波長と称した場合、上限および下限を有する広帯域の波長も含まれるものとする。さらに、複数の発光素子１１０は、発光波長の少なくとも一部が重なっていてもよい。
【００２５】
なお、複数の発光素子１１０を用いて照射部１００を形成した場合、いずれの発光素子１１０が発生した照射光３０１も、同じ方向から測定対象３１０に照射されることが好ましい。そこで、光ファイバ、ハーフミラー等の光学素子を用いて、測定対象３１０に照射する照射光３０１の光路を揃えるライトガイドを設けてもよい。
【００２６】
また、照射部１００を形成する発光素子１１０の数が上記に限られるわけではないことはもちろんである。より多くの、または少数の発光素子１１０を設けてもよい。また、発光波長の異なる複数の発光素子１１０を同時点灯することにより、白色等の照射光３０１を発生してもよい。
【００２７】
更に、照射部１００の構造は、発光波長の異なる光源を備えた上記の構造に限られるわけではない。例えば、誘導蛍光、非線形光学効果、光パラメトリック発振等を利用した波長可変レーザの他、可変長共振器、ホログラフィック反射回折格子等の光学素子を使用した波長可変レーザを用いて照射部１００を形成できる。更に、白色光源と複数のカラーフィルタを組み合わせて、照射部１００が射出する照射光３０１の波長を機械的に切り替える構造としてもよい。
【００２８】
図３は、検出部２００の一例を詳細に示す回路図である。検出部２００は、ひとつの受光素子２１０と、各々が個別の蓄積ゲート２２０を介して受光素子２１０に接続された複数の容量素子２３０と、容量素子２３０の各々に接続された複数のリセットゲート２３２と、読み出し部２３３とを有する。本例では、容量素子２３０は８個である。受光素子２１０は、照射部１００が発生する照射光３０１の波長に対して感度を有する光電気変換素子を用いることができる。これにより、受光素子２１０は、受光した測定光の光強度に応じた電荷を発生する。
【００２９】
読み出し部２３３は、容量素子２３０の各々につながった複数の増幅トランジスタ２３４と、増幅トランジスタ２３４の各々につながった読出し選択ゲート２３５と、出力信号線２３６を介して読出し選択ゲート２３５のすべてにつながった定電流源２３７とを有する。読出し選択ゲート２３５は、増幅トランジスタ２３４と出力信号線２３６との接続、遮断を制御し、複数の増幅トランジスタ２３４のうち１つのみが同時に出力信号線２３６に接続されるように制御される。出力信号線２３６に接続された上記１つの増幅トランジスタ２３４は、定電流源２３７とともにソースフォロワ回路を形成し、対応する容量素子２３０の電圧に応じた出力をＶｏｕｔに出力する。
【００３０】
蓄積制御部２４０が発生した蓄積信号ＴＸ１〜ＴＸ８のいずれかにより、複数の蓄積ゲート２２０のいずれかが選択的に導通する。これにより、複数の容量素子２３０のうち、蓄積信号蓄積信号ＴＸ１〜ＴＸ８に対応したものが選択的に受光素子２１０に接続され、受光素子２１０で発生した電荷が接続された容量素子２３０に蓄積される。電荷を蓄積した容量素子２３０の両端には電位差が生じるので、蓄積ゲート２２０が受光素子２１０への接続を遮断した場合に、読み出し部２３３を介して蓄積された電荷に応じた電圧信号ＶＯＵＴを外部から読み出すことができる。
【００３１】
図４は、測定装置１０の動作を示すタイミングチャートである。測定装置１０の動作は、図４の下部に示すように、リセット期間ＴＲＳＴ、測定期間ＴＭ、および読み出し期間Ｔｏｕｔを含む。また、図４の上部に示すように、蓄積信号ごとの測定期間ＴＭ１〜ＴＭ８は、測定期間ＴＭのなかで、対応するＴＸ１〜ＴＸ８が最初に選択されたときから、最後に選択されるまでの期間を示す。
【００３２】
リセット期間ＴＲＳＴでは、リセット信号ＲＳＴ１〜ＲＳＴ８のすべてと、蓄積信号ＴＸ１〜ＴＸ８のすべてとに、同時にパルスが供給される。これにより、すべての容量素子２３０の両端にかかる電圧と、受光素子２１０の両端にかかる電圧が所定の電圧にリセットされる。
【００３３】
測定期間ＴＭにおいて、同期制御部４００は、図示のように、照射部１００の照射制御部１３０と、検出部２００の蓄積制御部２４０とに、互いに同期したクロック信号の下に、選択信号ＳＥＬ１〜ＳＥＬ３および蓄積信号ＴＸ１〜ＴＸ８を供給する。
【００３４】
図示の例では、照射制御部１３０は、選択信号ＳＥＬ１〜ＳＥＬ３のいずれかが点灯する期間と、すべての発光素子１１０が消灯する全消灯期間とが順次、繰り返し発生する。これにより、発光素子１１０は、ひとつずつ順次発光し、それぞれの発光素子１１０の発光波長を有する照射光３０１を測定対象３１０に照射する。また、選択信号ＳＥＬ１〜ＳＥＬ３が一巡する毎に到来する全消灯期間には、測定対象３１０に背景光のみが照射された状態になる。
【００３５】
これら、発光素子１１０の個々の発光期間および全消灯期間のそれぞれが照射期間ＴＲ１〜ＴＲ８となる。例えば、照射制御部１３０が選択信号ＳＥＬ１〜ＳＥＬ３のいずれかを選択して、対応する発光素子１１０が第１〜３波長の照射光３０１を照射する照射期間を、それぞれ第１〜３照射期間とする。また、図示の例では、第１巡の照射期間ＴＲ１〜ＴＲ４と第２巡の照射期間ＴＲ５〜ＴＲ８とを一組として、ひとつの巡回期間ＴＰx（ｘは整数）となる。更に、巡回期間ＴＰｘを、あらかじめ決められた所定の回数ｎ繰り返すことで、一つの測定期間ＴＭが形成される。
【００３６】
上記のような選択信号ＳＥＬ１〜ＳＥＬ３に対して、蓄積制御部２４０は、照射期間ＴＲ１〜ＴＲ８の各々と同期して、蓄積信号ＴＸ１〜ＴＸ８を順次、繰り返し発生する。これにより、照射期間ＴＲ１〜ＴＲ８の各々に受光素子２１０で発生した電荷は、容量素子２３０のいずれかに順次蓄積される。
【００３７】
図示の例では、照射期間ＴＲ１、ＴＲ２、ＴＲ３のそれぞれに受光素子２１０で発生した電荷は、それぞれ蓄積信号ＴＸ１、ＴＸ２、ＴＸ３より導通した容量素子２３０に蓄積される。また、照射期間ＴＲ４に受光素子２１０で発生した電荷は、蓄積信号ＴＸ４で導通した容量素子２３０に蓄積される。続いて、同様に、照射期間ＴＲ５、ＴＲ６、ＴＲ７のそれぞれに受光素子２１０で発生した電荷は、それぞれ蓄積信号ＴＸ５、ＴＸ６、ＴＸ７より導通した容量素子２３０に蓄積される。また、照射期間ＴＲ８に受光素子２１０で発生した電荷は、蓄積信号ＴＸ８で導通した容量素子２３０に蓄積される。
【００３８】
上記のように、複数の照射期間ＴＲ１〜ＴＲ８を含むひとつの巡回期間ＴＰｘにおいて、選択信号ＳＥＬ１〜ＳＥＬ３は順次アクティブになって２巡する。また、蓄積信号ＴＸ１〜ＴＸ８は、ひとつの巡回期間ＴＰｘに順次アクティブになって一巡する。これをひとつの測定期間ＴＭの中でｎ回繰り返すことで、ひとつの測定期間の中で選択信号ＳＥＬ１〜３は２×ｎ回、蓄積信号ＴＸ１〜８はｎ回巡回する。したがって、ひとつの測定期間の間に、容量素子２３０の各々には、受光素子２１０で発生した電荷がｎ回蓄積されることになる。
【００３９】
なお、ひとつの巡回期間ＴＰｘにおいて、選択信号ＳＥＬ１〜ＳＥＬ３が順次アクティブになる回数は２巡に限らず、例えば１巡でもよい。さらに、選択信号ＳＥＬ１〜ＳＥＬ３は、巡回期間ＴＰｘ毎に同じ順番でアクティブになることが望ましいが、巡回期間ＴＰｘ毎に異なる順番でもよい。少なくとも、連続する巡回期間ＴＰｘ（例えばＴＰ１とＴＰ２）において、それぞれの巡回期間で第１波長の照射光を照射する第１照射期間の間に、第２波長の照射光を照射する第２照射期間が１回以上含まれていればよい。
【００４０】
複数の蓄積ゲート２２０は、蓄積制御部２４０が発生した蓄積信号ＴＸ１〜ＴＸ８のいずれかにより選択的に導通する。これにより、複数の容量素子２３０のいずれかが、選択的に受光素子２１０に接続されて、受光素子２１０が発生した電荷を蓄積する。電荷を蓄積した容量素子２３０の両端では電位差が変化するので、蓄積ゲート２２０が受光素子２１０への接続を遮断した場合に、蓄積された電荷に応じた電圧信号を容量素子２３０の一端から読み出すことができる。
【００４１】
蓄積信号ごとの測定期間ＴＭ１〜ＴＭ８の各々では、それぞれ対応する蓄積信号ＴＸ１〜ＴＸ８が、一定時間ごとに合計ｎ回アクティブになる。つまり、照射期間ＴＲ１〜ＴＲ８に受光素子２１０で発生した電荷は、対応する蓄積信号ごとの測定期間ＴＭ１〜ＴＭ８で時間的に分散して、対応する容量素子２３０に蓄積されることになる。したがって、測定対象３１０が動くあるいは変形するなどして、蓄積信号ごとの測定期間ＴＭ１〜ＴＭ８の中で測定箇所の分光特性が変わったとしても、各々の蓄積信号ごとの測定期間ＴＭ１〜ＴＭ８の開始から終了までの状態を反映した電荷に対応する容量素子２３０を得ることができる。
【００４２】
測定期間ＴＭのうち、蓄積信号ごとの測定期間ＴＭ１〜ＴＭ８のすべてが時間的にオーバーラップしている割合Ｒは、下記の式で表すことができる。
Ｒ＝１−２・［｛１−（１／ｋ）｝／ｎ］
ここで、ｋはひとつの巡回期間ＴＰｘの中に含まれる照射期間ＴＲｙ（ｙは整数）の数で、この例ではｋ＝８である。また、ｎは上記のとおり、ひとつの測定期間ＴＭに含まれる巡回期間ＴＰｘの数である。
【００４３】
上記の式で示されるとおり、ｎを大きくすると、割合Ｒは大きく、例えばｎ＝１００でＲ＝９８．２５％になる。したがって、ｎを大きくすることで、蓄積信号ごとの測定期間ＴＭ１〜ＴＭ８のすべてが時間的にオーバーラップする割合Ｒが大きくなり、容量素子２３０に蓄積される信号の同時性が高くなる。
【００４４】
読出し期間Ｔｏｕｔでは、図示の通り、すべての蓄積信号ＴＸ１〜ＴＸ８は非アクティブな状態に保持され、受光素子２１０と容量素子２３０の接続が遮断される。この状態のままで、読出し選択信号ＲＳＥＬ１〜ＲＳＥＬ８が順次アクティブになって一巡する。
【００４５】
複数の読出し選択ゲート２３５は、読出し選択信号ＲＳＥＬ１〜ＲＳＥＬ８のいずれかにより選択的に導通する。これにより、複数の容量素子２３０の各々に接続された増幅トランジスタ２３４のいずれかが、選択的に出力信号線２３６に接続される。出力信号線に接続された増幅トランジスタ２３４は、定電流源２３７とともにソースフォロワ回路を構成し、対応する容量素子２３０の一端の電圧に応じた電圧信号、すなわち対応する容量素子２３０に蓄積された電荷に応じた電圧信号をＶｏｕｔに出力する。
【００４６】
読出し選択信号ＲＳＥＬ１〜ＲＳＥＬ８は、順次アクティブになるため、容量素子２３０の各々に蓄積された電荷に応じた信号を、順次Ｖｏｕｔから読み出すことができる。
【００４７】
このようにすることで、下記の効果が得られる。
【００４８】
（１）複数の発光素子１１０により発生した照射光３０１毎に、測定光３０２を受光して、照射光３０１の波長毎に測定光３０２の光強度を測定する。これにより、回折格子、モノクロメータ等の高価な光学部品を用いることなく、測定対象３１０の分光特性を測定できる。
【００４９】
（２）複数の容量素子２３０に対し、受光素子２１０を共通にする。こうすることで、検出部２００をより小型にすることができる。また、受光素子２１０と容量素子２３０を二次元アレイ状に並べるイメージセンサにおいては、少なくとも１つの受光素子２１０とそれに対応する複数の容量素子２３０とを持った画素を、より高密度で配置することができ、測定の空間分解能を上げることができる。
【００５０】
（３）複数の容量素子２３０に対し、受光素子２１０を共通にする。こうすることで、限られた面積内でも、受光素子２１０の面積を最大限にとり、受光素子の感度を上げることができる。
【００５１】
（４）背景光成分除去部２４５において、全消灯期間に光強度を測定することにより、背景光の強度を測定できる。よって、測定光３０２の測定結果から、背景光の成分を減算することにより、電圧信号ＶＯＵＴから背景光の影響を排除できる。
【００５２】
（５）ひとつの測定期間ＴＭの中で、巡回期間ＴＰｘを繰り返す回数ｎを大きくする。これにより、ひとつひとつの照射期間ＴＲ１〜ＴＲ８が短くても、測定期間ＴＭ全体で蓄積する電荷は多くなるので、十分なＳＮ比を確保できる。
【００５３】
（６）ひとつの測定期間ＴＭの中で、巡回期間ＴＰｘを繰り返す回数ｎを大きくする。これにより、蓄積信号ごとの測定期間ＴＭｚ（ｚは整数）の各々がオーバーラップする割合を大きくし、同時性の高い信号が得られる。例えば発光素子１１０にＲＧＢを割り当てて測定対象３１０の画像を測定する場合に、測定対象３１０が移動あるいは変形しつつあっても、ＲＧＢ各色の時間差が短縮されると共に、各色を測定するタイミングの差に起因する各色の像のずれを分散して、色ずれの目立たない画像を取得できる。このような測定装置１０の構造は、例えば、医療用および工業用を含む内視鏡としての好適な使用を可能にする。
【００５４】
（７）ひとつの測定期間ＴＭの中で、巡回期間ＴＰｘを複数回ｎ繰り返してから、電圧信号Ｖｏｕｔを読み出す。こうすることで、読み出し部２３３の動作速度が遅くても、それ以上の速度で照射期間ＴＲｙを切り替えることができる。さらに、ひとつの巡回期間ＴＰｘの中には、第１波長の照射光を照射する第１照射期間と、第２波長の照射光を照射する第２照射期間とが含まれる。そして、この巡回期間ＴＰｘを複数回ｎ繰り返してから電圧信号Ｖｏｕｔを読み出すので、多波長の測定において同時性の高い信号が得られる。
【００５５】
なお、照射部１００における照射光３０１の発光波長の切り替えタイミングが速すぎると、検出部２００において、照射光３０１および測定光３０２の光飛行時間に起因する位相ずれが生じうる。例えば、照射部１００から測定対象３１０を経て受光素子２１０に到達するまでに１ｍの光路長があったとすると、発光から受光までに３．３ｎｓの光飛行時間に起因する遅れが発生する。よって、照射光３０１の切り替えタイミングは、検出部２００における位相ずれの影響を抑制できる程度に、例えば、ＭＨｚオーダよりも低い範囲に抑制してもよい。
【００５６】
更に、測定対象３１０の分光特性が、測定期間ＴＭの中で巡回期間ＴＰｘを繰り返す周期と同じ周期で変化した場合、同期による色ずれが生じうる。したがって、測定期間ＴＭの中で巡回期間ＴＰｘを繰り返す周期は必ずしも一定でなくてもよい。例えば、巡回期間ＴＰｘを繰り返す周期を、１０μｓ→１２μｓ→１０μｓ→１２μｓ→・・・と変えることにより、測定対象３１０の分光特性の変化の周期と、巡回期間ＴＰｘを繰り返す周期の同期を回避することができる。また、測定期間ＴＭの中で、照射期間ＴＲ１〜ＴＲ８が現れるタイミングは必ずしも繰り返しパターンである必要はなく、どの照射期間ＴＲ１〜ＴＲ８を選択するかを、擬似乱数を用いてランダムに行ってもよい。
【００５７】
図５は、検出部２００の一部となり得る検出回路２５０の模式的な平面図である。検出回路２５０は、複数の画素ユニット２５１と出力信号線２５６とを含む画素アレイ２５２と、画素アレイ２５２の周辺に配された周辺回路２５９とを有する。周辺回路２５９は、読み出し回路２５３、水平駆動回路２５４、および垂直駆動回路２５５を含む。読み出し回路２５３は、出力信号線２５６につながった不図示の定電流源を含む。
【００５８】
画素アレイ２５２は、マトリックス状に配列された複数の画素ユニット２５１を含む。画素ユニット２５１の各々は、ひとつの受光素子２１０、複数の蓄積ゲート２２０、複数の容量素子２３０、複数のリセットゲート、複数の増幅トランジスタ、および複数の読出し選択ゲートを含み、受光素子２１０に入射した入射光の光量に応じて受光素子２１０が発生する電荷に応じて、出力信号線２５６から電圧信号を出力する。
【００５９】
読み出し回路２５３は、画素ユニット２５１が出力信号線２５６から出力した電圧信号に応じた信号を出力する。
【００６０】
なお、図３に示したように、この例では、画素ユニット２５１の各々が、蓄積信号ＴＸ１〜ＴＸ８を受ける８個の蓄積ゲート２２０を備える。また、画素ユニット２５１の各々は、個別に電荷を蓄積する８個の容量素子２３０と、対応する容量素子２３０に蓄積された電荷の多寡に応じた電圧信号Ｖｏｕｔを出力信号線２５６に出力する８個の増幅トランジスタ２３４を有する。
【００６１】
画素アレイ２５２における画素アレイ２５２が図中で垂直方向に並んだ列の中では、同じ列に含まれる画素ユニット２５１の中に含まれる増幅トランジスタ２３４からの信号は、同一の出力信号線２５６に出力される。つまり、この例では、出力信号線は画素アレイ２５２内の列において、１本である。しかしながら、出力信号線２５６を列毎に２本配し、画素ユニット２５１内の８つの増幅トランジスタ２３４の出力のうち、４つを１本目の出力信号線２５６に、増幅トランジスタ２３４の残りの４つを２本目の出力信号線２５６に出力するなど、出力信号線を複数設けることも考えられる。
【００６２】
垂直駆動回路２５５は、画素アレイ２５２の配列の一辺に沿って配される。読み出し回路２５３および水平駆動回路２５４は、垂直駆動回路２５５が配された辺と直交する辺に沿って配される。垂直駆動回路２５５は、図中水平に配された複数の信号線を通じて画素ユニット２５１に行毎に接続される。
【００６３】
また、垂直駆動回路２５５は、ラインセレクタやシフトレジスタなどを含む。リセット期間ＴＲＳＴと測定期間ＴＭにおいては、すべての画素ユニット２５１に対し同時に、駆動信号を出力する。これにより、すべての画素ユニット２５１はすべて同時に駆動される。読み出し期間Ｔｏｕｔにおいては、接続された複数の信号線を順次選択して、選択した信号線に駆動信号を順次出力する。これにより、画素ユニット２５１は、行単位で順次垂直方向に選択走査される。
【００６４】
読み出し回路２５３は、定電流源のほかに、増幅アンプやＡＤ変換器等を含み、出力信号線２５６に対して列毎に接続される。水平駆動回路２５４は、ラインセレクタやシフトレジスタを含み、読み出し回路２５３に接続される。水平駆動回路２５４は、読み出し回路２５３を順次選択することにより、読み出し回路２５３を順次選択走査する。
【００６５】
リセット期間ＴＲＳＴでは、垂直駆動回路２５５により、すべての画素ユニット２５１に対し、同時に駆動信号が出力される。これにより、画素ユニット２５１に含まれるすべての容量素子２３０の両端にかかる電圧と、画素ユニット２５１に含まれるすべての受光素子２１０の両端にかかる電圧がリセットされる。
【００６６】
測定期間ＴＭでは、垂直駆動回路２５５により、すべての画素ユニット２５１に対し、同時に駆動信号が出力される。これにより、画素ユニット２５１に含まれる容量素子２３０に入射光量に応じた電荷が蓄積される。
【００６７】
読み出し期間Ｔｏｕｔでは、垂直駆動回路２５５により画素アレイ２５２内の画素ユニット２５１が一行ずつ順次選択駆動される。垂直駆動回路２５５により選択駆動された行に含まれる画素ユニット２５１は、各々の容量素子２３０に蓄積された電荷に応じた電圧信号を読み出し回路２５３に出力する。読み出し回路２５３は、画素ユニット２５１への入射光量に対応した信号を、画素ユニット２５１の列毎に保持する。垂直駆動回路２５５が画素アレイ内の画素ユニット２５１を一行選択している間に、水平駆動回路２５４は、読み出し回路２５３を順次選択する。水平駆動回路２５４により選択された読み出し回路２５３は、前述の保持する信号を、出力する。
【００６８】
上記の検出回路２５０において、測定期間ＴＭでは、垂直駆動回路２５５は、外部から制御信号を受けて、画素ユニット２５１を同時駆動する。読み出し期間Ｔｏｕｔでは垂直駆動回路２５５は、外部から制御信号を受けて、画素ユニット２５１への入射光量に応じた信号を順次出力する。これにより、検出回路２５０は、測定光３０２の光強度の二次元分布を検出、出力するので、検出回路２５０の出力に基づいて測定対象３１０の分光画像を生成することが可能になる。また、上記分光画像の生成を繰り返し行うことで、分光情報を持った動画を撮影することができる。
【００６９】
更に、検出回路２５０をイメージセンサとして使用し、得られた画像を画像処理することにより、測定対象から分光以外の情報を取得することもできる。取得する他の情報としては、例えば、測定対象３１０の形状、寸法等に基づく品質情報、測定対象に設けられた文字、バーコード等の読み取り情報等も例示できる。そのような種々の情報を検出する場合も、背景光の影響を排除することにより、高い精度で情報を取得できる。
【００７０】
図６は、上記の検出回路２５０におけるひとつの画素ユニット２５１の受光素子２１０と容量素子２３０の構造を示す模式図である。画素ユニット２５１の各々は、ひとつの受光素子２１０に対して、複数の容量素子２３０を有する。
【００７１】
ここで、受光素子２１０をフォトダイオードにより形成し、蓄積ゲート２２０をＭＯＳトランジスタにより形成し、容量素子２３０を浮遊拡散層として形成することにより、受光素子２１０、蓄積ゲート２２０、および容量素子２３０を含む画素ユニット２５１の画素アレイ２５２を、共通の基板に、共通のプロセスで形成できる。更に、周辺回路２５９も、共通の基板に同じプロセスで形成することができる。また、ひとつの受光素子２１０で、互いに照射波長が異なる複数の照射期間に受光した光に基づく電荷を個別に蓄積できる。よって、検出回路２５０の分解能を低下させることなく、より多くの波長帯域について測定ができる。
【００７２】
図７は、測定装置１０における検出部２００の模式的断面図の例である。図示の検出部２００は、互いに個別に作成して積層された受光基板２９０、周辺回路基板２６０、制御回路基板２７０、および支持基板２８０を備える。
【００７３】
受光基板２９０は、複数の画素ユニット２５１を含む画素アレイ２５２を有する。画素ユニット２５１の各々は、図６に示したように、ＦＤ１〜ＦＤ８までの複数の容量素子２３０を有する。検出部２００においては、これら複数の容量素子２３０に対応して、複数の周辺回路基板２６０が積層されている。
【００７４】
周辺回路基板２６０は、読み出し回路２５３、水平駆動回路２５４、および垂直駆動回路２５５を含む周辺回路２５９を有する。これにより、周辺回路基板２６０は、受光基板２９０の画素ユニット２５１において、容量素子２３０に蓄積された電荷を、電圧信号として読み出す読み出し基板を形成する。周辺回路基板２６０の各々からは、測定光３０２の波長毎に、画像の生成に使用できる電圧信号ＶＯＵＴが出力される。
【００７５】
これら受光基板２９０および周辺回路基板２６０は、制御回路基板２７０に実装された同期制御部４００により一括して制御される。なお、受光基板２９０、周辺回路基板２６０、および制御回路基板２７０は、支持基板２８０に積層される毎に研磨等により薄化されているが、支持基板２８０より機械的に支持される。
【００７６】
このように、画素アレイ２５２と周辺回路２５９とを別の基板に形成して積層することにより、受光基板２９０における画素ユニット２５１の密度を向上できる。これにより、検出部２００を備えた測定装置１０は、空間分解能が高い分光画像を生成できる。
【００７７】
上記のような測定装置１０は、測定光３０２を分光する光学素子を用いることなく、波長毎の測定光について光強度を測定できる。また、照射部１００の光源として、発光波長が単一波長に近い発光素子１１０を用いることができるので、カラーフィルタ等の光学素子を用いた場合よりも、波長分解能の高い分光像が得られる。更に、検出部２００の画素アレイ２５２において、画素毎に測定光３０２の光強度を測定できるので、高精細な分光画像が得られる。
【００７８】
図８は、他の照射部１０１の回路図である。照射部１０１は、電流源との間にそれぞれが選択ゲート１２０を備えた６個の発光素子１１０を備える。発光素子１１０としては、例えば発光ダイオード、半導体レーザ等を用いることができ、照射部１０１においては、６個の発光素子１１０が互いに異なる発光波長を有する。よって、選択信号ＳＥＬ０１〜ＳＥＬ６をアクティブに遷移させて、選択ゲート１２０のいずれかを選択的に有効にすることにより、照射部１０１は、６種類の発光波長を選択して照射光３０１を発生できる。
【００７９】
このように、照射部１０１は、図２に示した照射部１００と比較すると、より多くの発光素子１１０を有する。これら発光素子１１０は、それぞれ固有の発光波長を有するので、照射部１０１を備えた測定装置１０は、より多くの波長で測定光３０２を測定できる。これにより、波長分解能の高い分光測定が可能になる。また、高精度にカラーバランスを調整した画像を測定できる。
【００８０】
図９は、図８に示した照射部１０１を、図３に示した検出部２００と組み合わせて形成した測定装置１０の動作を示すタイミングチャートである。図１０には、複数の照射期間ＴＲ１〜ＴＲ８を含むひとつの巡回期間ＴＰｘにおける測定装置１０の動作が示される。
【００８１】
図示の例では、巡回期間ＴＰ全体を通じて、６番目の選択信号ＳＥＬ６の状態は遷移しない。このため、選択信号ＳＥＬ６に対応する発光素子１１０の発光波長での測定はされない。しかしながら、照射期間ＴＲ５に続く照射期間ＴＲ５においては選択信号ＳＥＬ１が遷移し、照射期間ＴＲ１と同じ発光素子１１０が照射光３０１を再び照射する。更に、照射期間ＴＲ６に続く照射期間ＴＲ７においては選択信号ＳＥＬ３が遷移して、照射期間ＴＲ３と同じ発光素子１１０が照射光３０１を再び照射する。
【００８２】
このように、測定装置１０におけるひとつの巡回期間ＴＰｘにおいて使用しない波長の照射光がある場合は、該当する照射光３０１の照射に割り当てるはずであった照射期間ＴＲに、他の波長の照射光３０１を照射してもよい。これにより、巡回期間ＴＰｘの利用効率を向上でき、ひいては測定期間ＴＭの利用効率を向上できる。また、照射光３０１のひとつの波長に対して複数の照射期間ＴＲを割り当てることにより、該当波長における測定分解能を向上させることができる。
【００８３】
なお、上記のように、ひとつの巡回期間ＴＰｘの間に同じ波長の照射光３０１の照射期間ＴＲを複数回設定する場合は、同じ波長の照射光３０１による測定を連続させないことが好ましい。これにより、波長毎の照射期間ＴＲを分散させて、測定対象３１０が移動あるいは変形しつつあっても、波長毎の時間差が短縮されると共に、各色を測定するタイミングの差に起因する像のずれを分散して、色ずれの目立たない画像を取得できる。
【００８４】
図１０は、上記の測定装置１０を用いて形成した分光測定システム２０の模式図である。分光測定システム２０においては、測定装置１０の出力が、情報処理システム５００に入力される。情報処理システム５００は、情報処理ユニット５１０、表示部５２０、格納部５３０、キーボード５４０、およびマウス５５０を相互に結合して形成される。
【００８５】
情報処理ユニット５１０は、プロセッサと各種インターフェイスを備える。これにより、情報処理システム５００は、キーボード５４０およびマウス５５０等の入力機器を通じてユーザの指示を受け付け、また、ロードされたプログラムによって測定装置１０の動作を制御する。測定装置１０を分光測定システム２０として使用する場合は、情報処理ユニット５１０は、照射光３０１の波長毎に発生した測定光３０２から測定した電圧信号ＶＯＵＴをそれぞれ、波長に対応した固有の色で映像化した上で重畳して表示部５２０に表示する。これにより、測定対象３１０の分光画像が表示される。
【００８６】
図１１は、上記の測定装置１０を応用して形成した内視鏡システム３０の模式図である。内視鏡システム３０は、ビデオスコープ６１０および情報処理システム５００を組み合わせて形成される。ビデオスコープ６１０は、照明光源としての照射部１００と、撮像装置としての検出部２００とを備える。情報処理システム５００には、ビデオスコープ６１０の検出部２００から取得した電圧信号ＶＯＵＴから画像を生成する画像生成部６００を形成するプログラムがロードされる。これにより、ビデオスコープ６１０を用いて、測定対象３１０としての生体等の体内の様子を映像化できる。
【００８７】
更に、図１０に示した例において、情報処理システム５００に構築した分光測定システム２０と、図１１に示した例において、ビデオスコープ６１０を組み合わせて構築した内視鏡システム３０とを組み合わせることにより、分光画像も取得できる内視鏡システム３０を形成できる。例えば、まず、ビデオスコープ６１０から得られた分光画像により測定対象３１０の分光特性を測定する。こうして得られた測定対象３１０の分光特性に基づいて照射光３０１の構成を変更し、注目すべき波長帯域について、高い波長分解能で画像を観察してもよい。
【００８８】
なお、上記分光測定システム２０および内視鏡システム３０は、ユーザの指示により照射光３０１に対する波長の配分を変更できるようにしてもよい。これにより、測定対象３１０において注目した部分を観察しやすくするために、特定の波長の照射光３０１による照射期間ＴＲの回数を他よりも多くしたり、同照射期間ＴＲにおける照射光３０１の照射強度を他よりも強くできるようにしてもよい。
【００８９】
具体的には、分光測定システム２０および内視鏡システム３０の情報処理ユニット５１０、または測定装置１０の同期制御部４００は、ユーザが指示した特定の波長を受け付け、特定の波長の照射光３０１による照射期間ＴＲの回数が他より多くなる、または、同照射期間ＴＲにおける照射光３０１の照射強度が他よりも強くなるように、照射制御部１３０を制御する。例えば、図１０に示すように、分光測定システム２０でリンゴを測定する場合、赤色の照射光３０１による照射期間ＴＲの回数を他の色よりも多くしたり、赤色の照射光３０１の照射強度を他の色よりも強くしたりしてもよい。これにより、注目すべき部分（リンゴの領域）において、ＳＮ比の高い測定が可能になる。
【００９０】
また、分光測定システム２０および内視鏡システム３０を使用する場合は、既に完了した測定の結果を参照して、これから開始する測定期間ＴＭにおける参照光の波長の配分を決定してもよい。これにより、設定が容易になると共に、より効果的な測定が可能になる。例えば、分光測定システム２０および内視鏡システム３０、または測定装置１０は、以前に測定した結果である画像から、最も画素値の頻度の高い波長を選択し、選択された波長帯域の照射光３０１による照射期間ＴＲの回数が他より多くなる、または、同照射期間ＴＲにおける照射光３０１の照射強度が他よりも強くなるように、照射制御部１３０を制御してもよい。
【００９１】
更に、測定装置１０においては、予め定めた方式で強度変調した照射光３０１を測定対象３１０に照射し、測定光３０２を検出する場合に復調してもよい。これにより、背景光等の雑音の影響を更に排除して、ＳＮ比の高い測定が可能になる。
【００９２】
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
【００９３】
特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。
【符号の説明】
【００９４】
１０  測定装置、２０  測定システム、３０  内視鏡システム、１００、１０１  照射部、１１０  発光素子、１２０  選択ゲート、１３０  照射制御部、２００  検出部、２１０  受光素子、２２０  蓄積ゲート、２３０  容量素子、２３２  リセットゲート、２３３  読み出し部、２３４  増幅トランジスタ、２３５  読出し選択ゲート、２３６  出力信号線、２３７  定電流源、２４０  蓄積制御部、２４５  背景光成分除去部、２５０  検出回路、２５１  画素ユニット、２５２  画素アレイ、２５３  読み出し回路、２５４  水平駆動回路、２５５  垂直駆動回路、２５６  出力信号線、２５９  周辺回路、２６０  周辺回路基板、２７０  制御回路基板、２８０  支持基板、２９０  受光基板、３００  ステージ、３０１  照射光、３０２  測定光、３１０  測定対象、４００  同期制御部、５００  情報処理システム、５１０  情報処理ユニット、５２０  表示部、５３０  格納部、５４０  キーボード、５５０  マウス、６００  画像生成部、６１０  ビデオスコープ
【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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【図１０】
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【図１１】
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