(57)【要約】【課題】被検体の内部の情報を高い精度で取得する。【解決手段】本開示の一態様に係る撮像装置は、第１のパルス光、および前記第１のパルス光よりも後の第２のパルス光を出射する光源と、イメージセンサと、制御回路とを備える。前記第１のパルス光が前記対象物で反射されて前記複数の画素に到達することを開始する時刻を第１の時刻、前記第１のパルス光が前記複数の画素に到達することを終了する時刻を第２の時刻、前記第２のパルス光が前記対象物で反射されて前記複数の画素に到達することを開始する時刻を第３の時刻とするとき、前記制御回路は、前記第１の時刻から前記第２の時刻を含む第１の期間の一部において、前記複数の画素の感度を、前記第１の期間以降であって前記第３の時刻までの第２の期間の少なくとも一部における前記複数の画素の感度よりも低くし、前記第１の期間の他の一部において、前記複数の画素の感度を、前記第２の期間の前記少なくとも一部における前記複数の画素の感度よりも高くする。【選択図】図５Ａ
2017229057.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象物に対して、第１のパルス光および第２のパルス光を出射する光源と、
複数の画素を含むイメージセンサと、
前記光源および前記イメージセンサを制御する制御回路と、
を備え、
前記制御回路は、
前記光源に、前記第１のパルス光よりも後に、前記第２のパルス光を出射させ、
前記第１のパルス光が前記対象物で反射されて前記複数の画素に到達することを開始する時刻を第１の時刻、
前記第１のパルス光が前記複数の画素に到達することを終了する時刻を第２の時刻、
前記第２のパルス光が前記対象物で反射されて前記複数の画素に到達することを開始する時刻を第３の時刻とするとき、
前記制御回路は、
前記第１の時刻から前記第２の時刻を含む第１の期間の一部において、前記複数の画素の感度を、前記第１の期間以降であって前記第３の時刻までの第２の期間の少なくとも一部における前記複数の画素の感度よりも低くし、
前記第１の期間の他の一部において、前記複数の画素の感度を、前記第２の期間の前記少なくとも一部における前記複数の画素の感度よりも高くする、
撮像装置。
【請求項２】
前記第１の期間の前記一部は、前記第２の期間の前記少なくとも一部よりも短い、
請求項１に記載の撮像装置。
【請求項３】
前記複数の画素の各々は、
入射した光を信号電荷に変換する光電変換素子と、
前記信号電荷を蓄積する蓄積部と、を含み、
前記制御回路は、
前記光電変換素子で変換された前記信号電荷のうち、前記蓄積部に転送される信号電荷の割合である転送効率を制御することにより、前記感度を制御し、
前記第１の期間の前記他の一部における前記転送効率を、前記第２の期間の前記少なくとも一部における前記転送効率よりも高くし、
前記第１の期間の前記一部における前記転送効率を、前記第２の期間の前記少なくとも一部における前記転送効率よりも低くする、
請求項１に記載の撮像装置。
【請求項４】
前記複数の画素の各々は、前記信号電荷を排出する排出部をさらに含み、
前記制御回路は、前記光電変換素子と前記排出部との間におけるポテンシャル勾配を変化させることにより、前記転送効率を制御する、
請求項３に記載の撮像装置。
【請求項５】
前記複数の画素の各々は、前記信号電荷を排出する排出部をさらに含み、
前記制御回路は、前記排出部に印加する電圧を変化させることにより、前記転送効率を制御する、
請求項３に記載の撮像装置。
【請求項６】
前記制御回路は、
前記第１の期間の前記一部において、前記排出部に、第１の電圧を印加し、
前記第１の期間の前記他の一部において、前記排出部に、前記第１の電圧よりも低い第２の電圧を印加し、
前記第２の期間の前記少なくとも一部において、前記排出部に、前記第１の電圧よりも低く、前記第２の電圧よりも高い第３の電圧を印加する、
請求項５に記載の撮像装置。
【請求項７】
前記複数の画素の各々は、さらに、
前記信号電荷を排出する排出部と、
前記光電変換素子と前記排出部との間に配置され、前記制御回路からの指示に応じて、前記光電変換素子から前記排出部に前記信号電荷を転送する第１ゲートと、を含み、
前記制御回路は、
前記第１ゲートに印加する電圧を変化させることにより、前記転送効率を制御し、
前記第１の期間の前記一部において、前記第１ゲートに、第１の電圧を印加し、
前記第１の期間の前記他の一部において、前記第１ゲートに、前記第１の電圧よりも低い第２の電圧を印加し、
前記第２の期間の前記少なくとも一部において、前記第１ゲートに、前記第１の電圧よりも低く、前記第２の電圧よりも高い第３の電圧を印加する、
請求項３に記載の撮像装置。
【請求項８】
前記複数の画素の各々は、
入射した光を信号電荷に変換する光電変換素子と、
前記信号電荷を蓄積する第１蓄積部と、
前記信号電荷を蓄積する第２蓄積部と、を含み、
前記光電変換素子と前記第１蓄積部との間に配置され、前記制御回路からの指示に応じて、前記光電変換素子から前記第１蓄積部に前記信号電荷を転送する第２ゲートと、
前記光電変換素子と前記第２蓄積部との間に配置され、前記制御回路からの指示に応じて、前記光電変換素子から前記第２蓄積部に前記信号電荷を転送する第３ゲートと、
を含み、
前記制御回路は、
前記第２ゲートに印加する電圧および第３ゲートに印加する電圧を変化させることにより、前記感度を制御し、
前記第１の期間の前記一部において、前記第２ゲートに、第１の電圧を印加し、
前記第１の期間の前記他の一部において、前記第２ゲートに、前記第１の電圧よりも高い第２の電圧を印加し、
前記第２の期間の前記少なくとも一部において、前記第２ゲートに、前記第１の電圧よりも高く、前記第２の電圧よりも低い第３の電圧を印加する、
請求項１に記載の撮像装置。
【請求項９】
対象物に対して、第１のパルス光および第２のパルス光を出射する光源と、
複数の画素を含むイメージセンサと、
前記光源および前記イメージセンサを制御する制御回路と、
を備え、
前記制御回路は、
前記光源に、前記第１のパルス光よりも後に、前記第２のパルス光を出射させ、
前記第１のパルス光のうち、前記対象物の表面で反射された第１表面反射成分が、前記第１のパルス光のうち、前記対象物の内部で散乱された内部散乱成分と同じか、前記内部散乱成分よりも多く、前記複数の画素に入射している期間を第３の期間、
前記内部散乱成分が、前記第１表面反射成分よりも多く、前記複数の画素に入射している期間を第４の期間、
前記内部散乱成分が前記複数の画素に入射することを終了した後、前記第２のパルス光のうち、前記対象物の表面で反射された第２表面反射成分が、前記複数の画素に入射することを開始するまでの期間を第５の期間とするとき、
前記制御回路は、
前記第４の期間の少なくとも一部における前記複数の画素の感度を、前記第５の期間の少なくとも一部における前記複数の画素の感度よりも高くし、
前記第３の期間の少なくとも一部における前記複数の画素の感度を、前記第５の期間の前記少なくとも一部における前記複数の画素の感度よりも低くする、
撮像装置。
【請求項１０】
前記第３の期間の前記少なくとも一部は、前記第５の期間の前記少なくとも一部よりも短い、請求項９に記載の撮像装置。
【請求項１１】
前記複数の画素の各々は、
入射した光を信号電荷に変換する光電変換素子と、
前記信号電荷を蓄積する蓄積部と、を含み、
前記制御回路は、
前記光電変換素子で変換された前記信号電荷のうち、前記蓄積部に転送される信号電荷の割合である転送効率を制御することにより、前記感度を制御し、
前記第４の期間の前記少なくとも一部における前記転送効率を、前記第５の期間の前記少なくとも一部における前記転送効率よりも高くし、
前記第３の期間の前記少なくとも一部における前記転送効率を、前記第５の期間の前記少なくとも一部における前記転送効率よりも低くする、
請求項９に記載の撮像装置。
【請求項１２】
前記複数の画素の各々は、前記信号電荷を排出する排出部をさらに含み、
前記制御回路は、前記光電変換素子と前記排出部との間におけるポテンシャル勾配を変化させることにより、前記転送効率を制御する、
請求項１１に記載の撮像装置。
【請求項１３】
前記複数の画素の各々は、前記信号電荷を排出する排出部をさらに含み、
前記制御回路は、前記排出部に印加する電圧を変化させることにより、前記転送効率を制御する、
請求項１１に記載の撮像装置。
【請求項１４】
前記制御回路は、
前記第３の期間の前記少なくとも一部において、前記排出部に、第１の電圧を印加し、
前記第４の期間の前記少なくとも一部において、前記排出部に、前記第１の電圧よりも低い第２の電圧を印加し、
前記第５の期間の前記少なくとも一部において、前記排出部に、前記第１の電圧よりも低く、前記第２の電圧よりも高い第３の電圧を印加する、
請求項１３に記載の撮像装置。
【請求項１５】
前記複数の画素の各々は、さらに、
前記信号電荷を排出する排出部と、
前記光電変換素子と前記排出部との間に配置され、前記制御回路からの指示に応じて、前記光電変換素子から前記排出部に前記信号電荷を転送する第１ゲートと、を含み、
前記制御回路は、
前記ド第１ゲートに印加する電圧を変化させることにより、前記転送効率を制御し、
前記第３の期間の前記少なくとも一部において、前記第１ゲートに、第１の電圧を印加し、
前記第４の期間の前記少なくとも一部において、前記第１ゲートに、前記第１の電圧よりも低い第２の電圧を印加し、
前記第５の期間の前記少なくとも一部において、前記第１ゲートに、前記第１の電圧よりも低く、前記第２の電圧よりも高い第３の電圧を印加する、
請求項１１に記載の撮像装置。
【請求項１６】
前記複数の画素の各々は、
入射した光を信号電荷に変換する光電変換素子と、
前記信号電荷を蓄積する第１蓄積部と、
前記信号電荷を蓄積する第２蓄積部と、を含み、
前記光電変換素子と前記第１蓄積部との間に配置され、前記制御回路からの指示に応じて、前記光電変換素子から前記第１蓄積部に前記信号電荷を転送する第２ゲートと、
前記光電変換素子と前記第２蓄積部との間に配置され、前記制御回路からの指示に応じて、前記光電変換素子から前記第２蓄積部に前記信号電荷を転送する第３ゲートと、
を含み、
前記制御回路は、
前記第２ゲートに印加する電圧および第３ゲートに印加する電圧を変化させることにより、前記感度を制御し、
前記第３の期間の前記少なくとも一部において、前記第２ゲートに、第１の電圧を印加し、
前記第４の期間の前記少なくとも一部において、前記第２ゲートに、前記第１の電圧よりも高い第２の電圧を印加し、
前記第５の期間の前記少なくとも一部において、前記第２ゲートに、前記第１の電圧よりも高く、前記第２の電圧よりも低い第３の電圧を印加する、
請求項９に記載の撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、対象物の内部の情報を取得する撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
生体計測および材料分析の分野では、対象物に光を照射し、対象物の内部を透過した光の情報から、対象物の内部情報を取得する方法が用いられている。例えば、特許文献１は、生体内の局所的な血液動態の変化を計測するために、光源と光検出器とを空間的に一定の間隔で離した状態で測定部位に密着させて測定する方法を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平８―１０３４３４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、対象物の内部情報を、対象物に接触せず、かつ、対象物の表面で反射された強い光の成分によるノイズを抑制した状態で取得し得る技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本開示の一態様に係る撮像装置は、
対象物に対して、第１のパルス光および第２のパルス光を出射する光源と、
複数の画素を含むイメージセンサと、
前記光源および前記イメージセンサを制御する制御回路と、
を備え、
前記制御回路は、
前記光源に、前記第１のパルス光よりも後に、前記第２のパルス光を出射させ、
前記第１のパルス光が前記対象物で反射されて前記複数の画素に到達することを開始する時刻を第１の時刻、
前記第１のパルス光が前記複数の画素に到達することを終了する時刻を第２の時刻、
前記第２のパルス光が前記対象物で反射されて前記複数の画素に到達することを開始する時刻を第３の時刻とするとき、
前記制御回路は、
前記第１の時刻から前記第２の時刻を含む第１の期間の一部において、前記複数の画素の感度を、前記第１の期間以降であって前記第３の時刻までの第２の期間の少なくとも一部における前記複数の画素の感度よりも低くし、
前記第１の期間の他の一部において、前記複数の画素の感度を、前記第２の期間の前記少なくとも一部における前記複数の画素の感度よりも高くする。
【０００６】
上記の包括的または具体的な態様は、システム、方法、集積回路、コンピュータプログラム、または記録媒体で実現されてもよい。あるいは、システム、装置、方法、集積回路、コンピュータプログラムおよび記録媒体の任意な組み合わせで実現されてもよい。
【発明の効果】
【０００７】
本開示の一態様によれば、対象物の内部情報を、対象物に接触せず、かつ、対象物の表面で反射された光の成分によるノイズを抑制した状態で取得できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、撮像装置の概略的な構成を示す模式図である。
【図２】図２は、イメージセンサにおける１つの画素の構成を簡易的に示す図である。
【図３】図３は、光源から光が出射するタイミングと、対象物からの光がイメージセンサに入射するタイミングと、電子シャッタのタイミングとの関係を示す図である。
【図４Ａ】図４Ａは、イメージセンサの構成例を模式的に示す図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、画素アレイのうち、隣接する４つの画素を模式的に示す図である。
【図４Ｃ】図４Ｃは、図４Ｂにおける４Ｃ−４Ｃ線断面を模式的に示す図である。
【図４Ｄ】図４Ｄは、光源から出射されるパルス光の強度、対象物から戻ってきた反射光の強度、および、ドレインに印加される電圧Ｖｓｕｂの時間変化の一例を示す図である。
【図４Ｅ】図４Ｅは、図４Ｃにおける４Ｅ−４Ｅ線に沿った信号電荷のポテンシャルを模式的に示す図である。
【図５Ａ】図５Ａは、本開示の例示的な実施形態におけるシステム制御タイミングの一例を示す図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、本開示の例示的な実施形態におけるシステム制御タイミングの他の一例を示す図である。
【図６Ａ】図６Ａは、実施形態１における制御の例を示すタイミングチャートである。
【図６Ｂ】図６Ｂは、実施形態１において、図４Ｃにおける４Ｅ−４Ｅ線に沿った信号電荷のポテンシャルを模式的に示す図である。
【図７】図７は、実施形態１の撮像装置を用いて光漏れノイズの量を測定した実験の結果を示すグラフである。
【図８Ａ】図８Ａは、電圧Ｖｓｕｂを、Ｈｉｇｈ（Ｈ）およびＬｏｗ（Ｌ）の２値で制御する比較例における、反射光と電圧Ｖｓｕｂの１周期の時間変化を示すタイミングチャートである。
【図８Ｂ】図８Ｂは、電圧Ｖｓｕｂを、Ｓｕｐｅｒ  Ｈｉｇｈ（ＳＨ）およびＬｏｗ（Ｌ）の２値で制御する比較例における、反射光と電圧Ｖｓｕｂの１周期の時間変化を示すタイミングチャートである。
【図８Ｃ】図８Ｃは、電圧Ｖｓｕｂを、Ｓｕｐｅｒ  Ｈｉｇｈ（Ｈ）、Ｍｉｄｄｌｅ（Ｍ）、およびＬｏｗ（Ｌ）の３値で制御する実施形態１における、反射光と電圧Ｖｓｕｂの１周期の時間変化を示すタイミングチャートである。
【図９Ａ】図９Ａは、実施形態２におけるイメージセンサの構成を模式的に示す図である。
【図９Ｂ】図９Ｂは、実施形態２における１つの画素の構成を模式的に示す図である。
【図９Ｃ】図９Ｃは、図９Ｂにおける９Ｃ−９Ｃ線断面を模式的に示す図である。
【図９Ｄ】図９Ｄは、実施形態２における制御を示すタイミングチャートである。
【図９Ｅ】図９Ｅは、図９Ｃにおける９Ｅ−９Ｅ線に沿った信号電荷（電子）のポテンシャルを模式的に示す図である。
【図１０Ａ】図１０Ａは、実施形態２の変形例における制御を示すタイミングチャートである。
【図１０Ｂ】図１０Ｂは、実施形態２の変形例における信号電荷のポテンシャルを模式的に示す図である。
【図１１Ａ】図１１Ａは、実施形態３におけるイメージセンサの構成を模式的に示す図である。
【図１１Ｂ】図１１Ｂは、図１１Ａにおける１つの画素の構造を示す平面図である。
【図１１Ｃ】図１１Ｃは、図１１Ｂにおける１１Ｃ−１１Ｃ線断面図である。
【図１１Ｄ】図１１Ｄは、実施形態３における制御を示すタイミングチャートである。
【図１１Ｅ】図１１Ｅは、実施形態３の変形例における制御を示すタイミングチャートである。
【図１２】図１２は、実施形態４における撮像装置の構成を模式的に示す図である。
【図１３】図１３は、ダブルバンドパスフィルタの分光透過率の例を示すグラフである。
【図１４】図１４は、実施形態４におけるイメージセンサの１つの画素の概略的な構成を示す図である。
【図１５】図１５は、実施形態４における撮像装置の動作の例を示すシステムタイミング図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
（本開示の基礎となった知見）
本開示の実施形態を説明する前に、本開示の基礎となった知見を説明する。
【００１０】
対象物に光を照射し、対象物の内部を通過した光の情報から対象物の内部情報を取得する方法において、対象物の表面またはその直下で反射または散乱された光の成分の混入が問題になることがある。特に、脳などの生体計測では、生体表面で反射された成分および皮下で散乱された成分は、生体内部で散乱された成分と比較して、４〜５桁程度高い強度をもつ。脳内で散乱された光の成分の検出には、表面で反射された成分および皮下で散乱された成分の影響を除去する必要がある。
【００１１】
前述の特許文献１の方法によれば、検出信号に含まれる皮下散乱成分の割合を低減し、検出対象である脳まで到達した光の散乱成分の割合を高めることができる。しかし、この方法では、測定器を測定部位に密着させ、光の照射点と検出点とを３ｃｍ離す必要がある。このため、特に長時間にわたって連続して測定する場合に被検者の不快感を招き、かつ、得られる脳活動分布の空間解像度が低くなるという課題がある。
【００１２】
その一方で、イメージセンサの電子シャッタを高速に制御することによって強度が高い表面反射成分の影響を大幅に低減して脳内散乱成分を検出する方法が考えられる。この方法では、パルス光が生体に向けて照射され、生体内で散乱して戻ってきたパルス光の後端部がイメージセンサに入射するタイミングに同期してシャッタがオンにされる。これにより、表面反射成分に比べて時間的に遅れて到達する内部散乱成分を効率よく検出することができる。
【００１３】
図１は、そのような検出が可能な、検討例の撮像装置１０１の概略的な構成を示す模式図である。この撮像装置１０１は、近赤外領域の波長を有するパルス光を発する光源１０３と、光源１０３から出射され、対象物１０２から戻ってきたパルス光を検出するイメージセンサ１１３と、光源１０３およびイメージセンサ１１３を制御する制御回路１１４とを備えている。この検討例では、対象物１０２は人体頭部の内部の脳血流である。
【００１４】
光源１０３は、例えばレーザーパルス光源であり、近赤外領域の短パルス光を、制御回路１１４によって決定された高速のパターンで繰り返し出射する。光源１０３から出射される光の波長は、検出対象が生体である場合、例えば略６５０ｎｍ以上略９５０ｎｍ以下に設定され得る。この波長範囲は、赤色から近赤外線の波長範囲に含まれ、生体内での吸収率が低く、生体内の情報を取得する用途に適している。なお、本明細書では、可視光のみならず赤外線についても「光」の用語を使用し、赤外線を「赤外光」と称することがある。
【００１５】
イメージセンサ１１３は、例えばピコ秒からナノ秒の時間スケールで信号電荷の蓄積および排出の制御が可能な高い時間分解能を有している。制御回路１１４は、光源１０３の発光タイミングと、イメージセンサ１１３の各画素の露光タイミングとを制御する。
【００１６】
光を対象物１０２（例えば人の額）に照射すると、対象物１０２の表面または表面直下で反射または散乱された強い光である表面反射成分Ｉ１がイメージセンサ１１３にまず到達する。続いて、対象物１０２の内部で散乱されて戻ってきた弱い光である内部散乱成分Ｉ２が、表面反射成分Ｉ１に遅れてイメージセンサ１１３に到達する。脳血流の情報は内部散乱成分Ｉ２に反映されるため、表面反射成分Ｉ１は不要である。そこで、この撮像装置１０１は、イメージセンサ１１３の電子シャッタによる露光タイミングを制御することにより、対象物１０２の内部で散乱された内部散乱成分Ｉ２のみを検出する。
【００１７】
図２は、イメージセンサ１１３における１つの画素４０１の構成を簡易的に示す図である。イメージセンサ１１３は、撮像面に２次元的に配列された複数の画素と、各画素の信号電荷の蓄積および排出のタイミングを制御する高速タイミング制御回路４１４とを有している。高速タイミング制御回路４１４は、制御回路１１４からの指令に基づいて動作する。本明細書において、高速タイミング制御回路４１４と、制御回路１１４とをまとめて「制御回路」と称することがある。
【００１８】
イメージセンサ１１３の各画素４０１は、光電変換素子であるフォトダイオード４０３と、信号電荷を蓄積する蓄積部である浮遊拡散層（Ｆｌｏａｔｉｎｇ  Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ）４０４と、信号電荷を排出する排出部であるドレイン４０２とを含む。
【００１９】
１回のパルス光の発光に起因して各画素４０１に入射した光は、フォトダイオード４０３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、高速タイミング制御回路４１４から入力される制御信号に従って、ドレイン４０２に排出されるか、信号電荷を蓄積する浮遊拡散層４０４に振り分けられる。高速タイミング制御回路４１４によるこの制御によって電子シャッタが実現される。
【００２０】
図３は、光源１０３から光が出射するタイミングと、対象物１０２からの光がイメージセンサ１１３に入射するタイミングと、電子シャッタのタイミングとの関係を示す図である。図３において、信号Ａは、光源１０３から出射されるパルス光の波形を示している。信号Ｂは、パルス光のうち、対象物１０２の表面で反射されて戻ってくる光である表面反射成分Ｉ１の波形を示している。信号Ｃは、パルス光のうち、生体の内部で散乱されて戻ってくる光である内部散乱成分Ｉ２の波形を示している。信号Ｄは、表面反射成分Ｉ１と内部散乱成分Ｉ２とを合わせた光の波形を示している。信号Ｅは、電子シャッタのＯＰＥＮ、ＣＬＯＳＥのタイミングを示している。横軸は時間を表し、縦軸は、信号Ａから信号Ｄにおいては光の強度を、信号Ｅにおいては電子シャッタのＯＰＥＮまたはＣＬＯＳＥの状態を表している。ここで、「ＣＬＯＳＥ」とは、ドレイン４０２に信号電荷が排出される状態を意味する。「ＯＰＥＮ」とは、ドレイン４０２に信号電荷が排出されない状態を意味する。高速タイミング制御回路４１４は、例えば電圧の調整によって浮遊拡散層４０４およびドレイン４０２における信号電荷のポテンシャルを変化させることにより、浮遊拡散層４０４への信号電荷の蓄積およびドレイン４０２への信号電荷の排出を制御できる。
【００２１】
光源１０３が対象物１０２にパルス光を照射すると、前述のように、表面反射成分Ｉ１および内部散乱成分Ｉ２が発生する。内部散乱成分Ｉ２は、対象物１０２の内部を通過した光であるため、表面反射成分Ｉ１に比べて長い光路長をもつ。したがって、内部散乱成分Ｉ２は、表面反射成分Ｉ１よりも遅れてイメージセンサ１１３に到達する。高速タイミング制御回路４１４は、イメージセンサ１１３に表面反射成分Ｉ１が入射している間は電子シャッタをＣＬＯＳＥにする。例えば、高速タイミング制御回路４１４は、ドレイン４０２に印加する電圧を高くしてドレイン４０２における信号電荷である電子のポテンシャルエネルギー（以下、単に「ポテンシャル」と称する。）を下げ、ドレイン４０２に信号電荷が排出されるようにする。イメージセンサ１１３への表面反射成分Ｉ１の入射が終了すると（図３における時刻ｆ）、高速タイミング制御回路４１４は、電子シャッタをＯＰＥＮにする。例えば、高速タイミング制御回路４１４は、ドレイン４０２に印加する電圧を低くしてドレイン４０２における信号電荷のポテンシャルを上げ、浮遊拡散層４０４に信号電荷が蓄積されるようにする。その後、所定時間（例えば、発光パルス幅相当の時間）が経過するまで、ＯＰＥＮの状態を維持する。この間、浮遊拡散層４０４に、内部散乱成分Ｉ２に起因する信号電荷が蓄積される。その後、高速タイミング制御回路４１４は、電子シャッタを再びＣＬＯＳＥにする。高速タイミング制御回路１１４は、電子シャッタがＣＬＯＳＥになってから所定時間が経過した後、再びパルス発光を開始する。以後、上記動作が複数回（例えば数百回から数万回程度）繰り返される。その間に浮遊拡散層４０４に蓄積された信号電荷に基づいて１つのフレームの画像が生成される。
【００２２】
本デバイスでは、電子シャッタがＣＬＯＳＥであるとき、表面反射成分Ｉ１に起因する信号電荷がドレイン４０２に排出される。一方、電子シャッタがＯＰＥＮであるとき、内部散乱成分Ｉ２に起因する信号電荷が浮遊拡散層４０４に蓄積される。このような動作が実現されるように、各画素のフォトダイオード４０３、浮遊拡散層４０４、およびドレイン４０２における信号電荷のポテンシャルが設計されている。
【００２３】
このように、パルス光を時間的に分離して検出する方法によれば、光の照射点の直下の脳における血流の信号を検出することができる。したがって、空間的に分離して検出する特許文献１の技術と比較して、高い解像度で脳活動分布を計測することができる。
【００２４】
しかし、本発明者らの検討によれば、電子シャッタがＯＰＥＮであっても、実際には全ての信号電荷がドレイン４０２に排出されるわけではなく、ごく一部（例えば１万分の１程度）の電荷は、浮遊拡散層４０４に漏れ込んでしまう。この漏れ込みが、脳血流のような微弱な生体信号を検出する際には、大きなノイズになり、検出精度の低下を招くことが判明した。特に、脳血流の計測のように、脳内で散乱した非常に微弱な光の成分を検出する場合には、照射する光の強度を高くする、あるいは、発光するパルスの数を多くする必要がある。このため、これに応じて光漏れノイズは非常に大きくなり、脳内散乱成分を検出する際の信号雑音比が著しく低くなり得る。
【００２５】
以下、上記の課題を、図４Ａから図４Ｅを参照しながら、より詳細に説明する。
【００２６】
図４Ａは、イメージセンサ１１３の構成例を模式的に示す図である。ここでは一例として、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｄｅｖｉｃｅ）の構造を有するイメージセンサ１１３を考える。このイメージセンサ１１３は、複数の画素４０１が撮像面に２次元的に配列された画素アレイと、画素駆動回路６０１と、水平ＣＣＤ６０２と、出力回路６０３とを備える。画素駆動回路６０１は、前述の高速タイミング制御回路４１４に相当する。
【００２７】
図４Ｂは、画素アレイのうち、隣接する４つの画素を模式的に示す図である。１つの画素４０１は、フォトダイオード４０３を含む。垂直方向（図における縦方向）に並んだ複数のフォトダイオード４０３に隣接して、垂直ＣＣＤ６０４が配置されている。垂直ＣＣＤ６０４は、信号電荷の蓄積および転送を行う。垂直ＣＣＤ６０４は、図２における浮遊拡散層４０４に相当する。
【００２８】
図４Ｃは、図４Ｂにおける４Ｃ−４Ｃ線断面を模式的に示す図である。図４Ｃに示すように、各垂直ＣＣＤ６０４の上部（正面側）には、電極６０６と、電極６０６を覆う遮光部材６０５が設けられている。電極６０６と垂直ＣＣＤ６０４との間には、図示されていない酸化膜が存在する。画素の背面側（図４Ｃにおける下側）には、排出部であるドレイン４０２が配置されている。例えば、ドレイン４０２はＮ型半導体基板である。垂直ＣＣＤ６０４には電圧Ｖｖが印加される。ドレイン４０２には、電圧Ｖｓｕｂが印加される。垂直ＣＣＤ６０４への信号電荷の蓄積、および信号電荷の排出は、電圧Ｖｖと、電圧Ｖｓｕｂとの大小関係によって決まる。高速タイミング制御回路４１４は、例えば電圧Ｖｖを一定にし、電圧Ｖｓｕｂを調整することにより、信号の蓄積および排出のタイミングを制御することができる。ドレイン４０２の上には、例えば、ｐ型のウェル領域６０９が配置されている。図４Ｃに示すように、ウェル領域６０９内に、垂直ＣＣＤ６０４およびフォトダイオード４０３が配置されている。垂直ＣＣＤ６０４は、例えば、ｎ型の半導体領域である。フォトダイオード４０３は、例えば、ｎ型の半導体領域と、その上に配置されたｐ型の半導体領域とにより構成される。
【００２９】
図４Ｄは、光源１０３から出射されるパルス光の強度、対象物１０２から戻ってきた反射光の強度、および、ドレイン４０２に印加される電圧Ｖｓｕｂの時間変化の一例を示す図である。図４Ｄにおいて、信号Ａは、光源１０３から出射されるパルス光の強度を示し、信号Ｄは、対象物１０２から戻ってきた反射光の強度を示す。ここで、反射光は、表面反射成分および内部散乱成分の合計に相当する。反射光がイメージセンサ１１３の画素に到達することを開始する時刻をｔ１、表面反射成分が当該画素に到達することを終了する時刻をｔ２、内部散乱成分が当該画素に到達することを終了する時刻をｔ３とする。制御回路である画素駆動回路６０１は、時刻ｔ２からｔ３までの期間は、電圧Ｖｓｕｂを相対的に低い値にし、それ以外の期間は、電圧Ｖｓｕｂを相対的に高い値にする。
【００３０】
図４Ｅは、図４Ｃにおける４Ｅ−４Ｅ線に沿った信号電荷である電子のポテンシャルを模式的に示す図である。電圧Ｖｖがある値に設定されている状態において、電圧Ｖｓｕｂを所定値よりも低いＬＯＷ状態にすると、ドレイン４０２における電子のポテンシャルが、垂直ＣＣＤ６０４におけるポテンシャルよりも高くなる。すなわち、電子が垂直ＣＣＤ６０４に向かうようなポテンシャル勾配が発生する。この状態では、信号電荷はドレイン４０２に排出されず、垂直ＣＣＤ６０４に蓄積される。この状態は、電子シャッタがＯＰＥＮの状態に相当する。一方、電圧Ｖｓｕｂを上記所定値よりも高いＨＩＧＨ状態にすると、ドレイン４０２における電子のポテンシャルが、垂直ＣＣＤ６０４におけるポテンシャルよりも低くなる。すなわち、電子がドレイン４０２に向かうようなポテンシャル勾配が発生する。このため、信号電荷はドレイン４０２に排出される。この状態は、電子シャッタがＣＬＯＳＥの状態に相当する。この状態では、大部分の信号電荷がドレイン４０２に排出され、垂直ＣＣＤ６０４には信号電荷が殆ど蓄積されない。
【００３１】
しかし、電子シャッタがＣＬＯＳＥの状態であっても、ごく一部の信号電荷（例えば全体の数万分の１程度）は、ドレイン４０２に排出されず、垂直ＣＣＤ６０４に蓄積されてしまう。これは、信号電荷のポテンシャルのピークが、フォトダイオード４０３の領域のうち、垂直ＣＣＤ６０４に近い端部にあるからである。このため、フォトダイオード４０３の端部に入射した一部の光に起因して生じた信号電荷は、ドレイン４０２に排出されず、垂直ＣＣＤ６０４に蓄積され得る。また、垂直ＣＣＤ６０４に斜め光が直接入射する場合もあり、この場合も不要な信号電荷が蓄積される。以上の問題は、ＣＣＤの構造を有するイメージセンサに限らず、ＣＭＯＳなどの他の構造を有するイメージセンサでも同様に発生し得る。
【００３２】
電子シャッタがＯＰＥＮのときに光電変換されて蓄積部に蓄積される信号電荷である内部散乱成分Ｉ２に起因する信号電荷の量は、表面反射成分Ｉ１に起因して発生する信号電荷の量の、例えば１万分の１程度である。このため、蓄積部には、表面反射成分の漏れ込みによる信号電荷が、内部散乱成分による信号電荷と比較して無視できないほどの比率で混在することになる。このような状態では、内部散乱成分の光量およびその時間変化を正しく検出することができない。
【００３３】
以上の問題は、従来の撮像装置においては認識されていなかった。従来の撮像装置を用いて一般の対象物を撮影する場合には、電子シャッタがＯＰＥＮの状態で対象物から入射する光の量が、電子シャッタがＯＦＦの状態で蓄積部に漏れ込む光の量と比べて圧倒的に多い。このため、光の漏れ込みは問題にはならない。しかし、人の頭部の奥にある脳血流の情報のような微弱な生体情報を検出するような場合には、蓄積部に漏れ込む表面反射成分が、内部散乱成分に対して無視できないため、上記の問題が生じる。
【００３４】
さらに、上記の問題は、パルス光の内部散乱成分を検出する場合に限らず、例えば、表面反射成分の一部を検出する場合にも、同様に発生し得る。一例として、パルス光の前端部分である、最表面で反射されたパルス光の成分を検出する場合を考える。この場合、パルス光の前端部分を検出する期間のみ、電子シャッタがＯＰＥＮにされ、それ以外の期間は、電子シャッタがＣＬＯＳＥにされる。この場合も、パルス光の表面反射成分のうち、前端部分に続く部分がイメージセンサの画素に入射している期間において、本来排出されるべき不要な電荷が蓄積部に混入し、検出精度の劣化を招く。
【００３５】
本発明者らは、パルス光の一部（例えば、不要な表面反射成分）がイメージセンサの画素に入射している期間における当該画素の感度を、パルス光が当該画素に入射していない期間における感度よりも低くすることを、新たに考案した。以上の考察に基づき、本発明者らは、以下の項目に記載の撮像装置の構成に想到した。
【００３６】
［項目１］
本開示の項目１に係る撮像装置は、
対象物に対して、第１のパルス光および第２のパルス光を出射する光源と、
複数の画素を含むイメージセンサと、
前記光源および前記イメージセンサを制御する制御回路と、
を備え、
前記制御回路は、
前記光源に、前記第１のパルス光よりも後に、前記第２のパルス光を出射させ、
前記第１のパルス光が前記対象物で反射されて前記複数の画素に到達することを開始する時刻を第１の時刻、
前記第１のパルス光が前記複数の画素に到達することを終了する時刻を第２の時刻、
前記第２のパルス光が前記対象物で反射されて前記複数の画素に到達することを開始する時刻を第３の時刻とするとき、
前記制御回路は、
前記第１の時刻から前記第２の時刻を含む第１の期間の一部において、前記複数の画素の感度を、前記第１の期間以降であって前記第３の時刻までの第２の期間の少なくとも一部における前記複数の画素の感度よりも低くし、
前記第１の期間の他の一部において、前記複数の画素の感度を、前記第２の期間の前記少なくとも一部における前記複数の画素の感度よりも高くする。
【００３７】
［項目２］
項目１に記載の撮像装置において、
前記第１の期間の前記一部は、前記第２の期間の前記少なくとも一部よりも短くてもよい。
【００３８】
［項目３］
項目１に記載の撮像装置において、
前記複数の画素の各々は、
入射した光を信号電荷に変換する光電変換素子と、
前記信号電荷を蓄積する蓄積部と、を含み、
前記制御回路は、
前記光電変換素子で変換された前記信号電荷のうち、前記蓄積部に転送される信号電荷の割合である転送効率を制御することにより、前記感度を制御し、
前記第１の期間の前記他の一部における前記転送効率を、前記第２の期間の前記少なくとも一部における前記転送効率よりも高くし、
前記第１の期間の前記一部における前記転送効率を、前記第２の期間の前記少なくとも一部における前記転送効率よりも低くしてもよい。
【００３９】
［項目４］
項目３に記載の撮像装置において、
前記複数の画素の各々は、前記信号電荷を排出する排出部をさらに含み、
前記制御回路は、前記光電変換素子と前記排出部との間におけるポテンシャル勾配を変化させることにより、前記転送効率を制御してもよい。
【００４０】
［項目５］
項目３に記載の撮像装置において、
前記複数の画素の各々は、前記信号電荷を排出する排出部をさらに含み、
前記制御回路は、前記排出部に印加する電圧を変化させることにより、前記転送効率を制御してもよい。
【００４１】
［項目６］
項目５に記載の撮像装置において、
前記制御回路は、
前記第１の期間の前記一部において、前記排出部に、第１の電圧を印加し、
前記第１の期間の前記他の一部において、前記排出部に、前記第１の電圧よりも低い第２の電圧を印加し、
前記第２の期間の前記少なくとも一部において、前記排出部に、前記第１の電圧よりも低く、前記第２の電圧よりも高い第３の電圧を印加してもよい。
【００４２】
［項目７］
項目３に記載の撮像装置において、
前記複数の画素の各々は、さらに、
前記信号電荷を排出する排出部と、
前記光電変換素子と前記排出部との間に配置され、前記制御回路からの指示に応じて、前記光電変換素子から前記排出部に前記信号電荷を転送する第１ゲートと、を含み、
前記制御回路は、
前記第１ゲートに印加する電圧を変化させることにより、前記転送効率を制御し、
前記第１の期間の前記一部において、前記第１ゲートに、第１の電圧を印加し、
前記第１の期間の前記他の一部において、前記第１ゲートに、前記第１の電圧よりも低い第２の電圧を印加し、
前記第２の期間の前記少なくとも一部において、前記第１ゲートに、前記第１の電圧よりも低く、前記第２の電圧よりも高い第３の電圧を印加してもよい。
【００４３】
［項目８］
項目１に記載の撮像装置において、
前記複数の画素の各々は、
入射した光を信号電荷に変換する光電変換素子と、
前記信号電荷を蓄積する第１蓄積部と、
前記信号電荷を蓄積する第２蓄積部と、を含み、
前記光電変換素子と前記第１蓄積部との間に配置され、前記制御回路からの指示に応じて、前記光電変換素子から前記第１蓄積部に前記信号電荷を転送する第２ゲートと、
前記光電変換素子と前記第２蓄積部との間に配置され、前記制御回路からの指示に応じて、前記光電変換素子から前記第２蓄積部に前記信号電荷を転送する第３ゲートと、
を含み、
前記制御回路は、
前記第２ゲートに印加する電圧および第３ゲートに印加する電圧を変化させることにより、前記感度を制御し、
前記第１の期間の前記一部において、前記第２ゲートに、第１の電圧を印加し、
前記第１の期間の前記他の一部において、前記第２ゲートに、前記第１の電圧よりも高い第２の電圧を印加し、
前記第２の期間の前記少なくとも一部において、前記第２ゲートに、前記第１の電圧よりも高く、前記第２の電圧よりも低い第３の電圧を印加してもよい。
【００４４】
［項目９］
本開示の項目９に係る撮像装置は、
対象物に対して、第１のパルス光および第２のパルス光を出射する光源と、
複数の画素を含むイメージセンサと、
前記光源および前記イメージセンサを制御する制御回路と、
を備え、
前記制御回路は、
前記光源に、前記第１のパルス光よりも後に、前記第２のパルス光を出射させ、
前記第１のパルス光のうち、前記対象物の表面で反射された第１表面反射成分が、前記第１のパルス光のうち、前記対象物の内部で散乱された内部散乱成分と同じか、前記内部散乱成分よりも多く、前記複数の画素に入射している期間を第３の期間、
前記内部散乱成分が、前記第１表面反射成分よりも多く、前記複数の画素に入射している期間を第４の期間、
前記内部散乱成分が前記複数の画素に入射することを終了した後、前記第２のパルス光のうち、前記対象物の表面で反射された第２表面反射成分が、前記複数の画素に入射することを開始するまでの期間を第５の期間とするとき、
前記制御回路は、
前記第４の期間の少なくとも一部における前記複数の画素の感度を、前記第５の期間の少なくとも一部における前記複数の画素の感度よりも高くし、
前記第３の期間の少なくとも一部における前記複数の画素の感度を、前記第５の期間の前記少なくとも一部における前記複数の画素の感度よりも低くする。
【００４５】
［項目１０］
項目９に記載の撮像装置において、
前記第３の期間の前記少なくとも一部は、前記第５の期間の前記少なくとも一部よりも短くてもよい。
【００４６】
［項目１１］
項目９に記載の撮像装置において、
前記複数の画素の各々は、
入射した光を信号電荷に変換する光電変換素子と、
前記信号電荷を蓄積する蓄積部と、を含み、
前記制御回路は、
前記光電変換素子で変換された前記信号電荷のうち、前記蓄積部に転送される信号電荷の割合である転送効率を制御することにより、前記感度を制御し、
前記第４の期間の前記少なくとも一部における前記転送効率を、前記第５の期間の前記少なくとも一部における前記転送効率よりも高くし、
前記第３の期間の前記少なくとも一部における前記転送効率を、前記第５の期間の前記少なくとも一部における前記転送効率よりも低くしてもよい。
【００４７】
［項目１２］
項目１１に記載の撮像装置において、
前記複数の画素の各々は、前記信号電荷を排出する排出部をさらに含み、
前記制御回路は、前記光電変換素子と前記排出部との間におけるポテンシャル勾配を変化させることにより、前記転送効率を制御してもよい。
【００４８】
［項目１３］
項目１１に記載の撮像装置において、
前記複数の画素の各々は、前記信号電荷を排出する排出部をさらに含み、
前記制御回路は、前記排出部に印加する電圧を変化させることにより、前記転送効率を制御してもよい。
【００４９】
［項目１４］
項目１３に記載の撮像装置において、
前記制御回路は、
前記第３の期間の前記少なくとも一部において、前記排出部に、第１の電圧を印加し、
前記第４の期間の前記少なくとも一部において、前記排出部に、前記第１の電圧よりも低い第２の電圧を印加し、
前記第５の期間の前記少なくとも一部において、前記排出部に、前記第１の電圧よりも低く、前記第２の電圧よりも高い第３の電圧を印加してもよい。
【００５０】
［項目１５］
項目１１に記載の撮像装置において、
前記複数の画素の各々は、さらに、
前記信号電荷を排出する排出部と、
前記光電変換素子と前記排出部との間に配置され、前記制御回路からの指示に応じて、前記光電変換素子から前記排出部に前記信号電荷を転送する第１ゲートと、を含み、
前記制御回路は、
前記ド第１ゲートに印加する電圧を変化させることにより、前記転送効率を制御し、
前記第３の期間の前記少なくとも一部において、前記第１ゲートに、第１の電圧を印加し、
前記第４の期間の前記少なくとも一部において、前記第１ゲートに、前記第１の電圧よりも低い第２の電圧を印加し、
前記第５の期間の前記少なくとも一部において、前記第１ゲートに、前記第１の電圧よりも低く、前記第２の電圧よりも高い第３の電圧を印加してもよい。
【００５１】
［項目１６］
項目９に記載の撮像装置において、
前記複数の画素の各々は、
入射した光を信号電荷に変換する光電変換素子と、
前記信号電荷を蓄積する第１蓄積部と、
前記信号電荷を蓄積する第２蓄積部と、を含み、
前記光電変換素子と前記第１蓄積部との間に配置され、前記制御回路からの指示に応じて、前記光電変換素子から前記第１蓄積部に前記信号電荷を転送する第２ゲートと、
前記光電変換素子と前記第２蓄積部との間に配置され、前記制御回路からの指示に応じて、前記光電変換素子から前記第２蓄積部に前記信号電荷を転送する第３ゲートと、
を含み、
前記制御回路は、
前記第２ゲートに印加する電圧および第３ゲートに印加する電圧を変化させることにより、前記感度を制御し、
前記第３の期間の前記少なくとも一部において、前記第２ゲートに、第１の電圧を印加し、
前記第４の期間の前記少なくとも一部において、前記第２ゲートに、前記第１の電圧よりも高い第２の電圧を印加し、
前記第５の期間の前記少なくとも一部において、前記第２ゲートに、前記第１の電圧よりも高く、前記第２の電圧よりも低い第３の電圧を印加してもよい。
【００５２】
本開示において、回路、ユニット、装置、部材又は部の全部又は一部、又はブロック図の機能ブロックの全部又は一部は、半導体装置、半導体集積回路（ＩＣ）、又はＬＳＩ（ｌａｒｇｅ  ｓｃａｌｅ  ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）を含む一つ又は複数の電子回路によって実行されてもよい。ＬＳＩ又はＩＣは、一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、一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）、若しくは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）、又はＬＳＩ内部の接合関係の再構成又は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。
【００５３】
さらに、回路、ユニット、装置、部材又は部の全部又は一部の機能又は操作は、ソフトウエア処理によって実行することが可能である。この場合、ソフトウエアは一つ又は複数の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、ソフトウエアが処理装置（ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）によって実行されたときに、そのソフトウエ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。システム又は装置は、ソフトウエアが記録されている一つ又は複数の非一時的記録媒体、処理装置（ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）、及び必要とされるハードウエアデバイス、例えばインターフェース、を備えていても良い。
【００５４】
画素の感度は、その画素における光電変換素子に単位光量または単位エネルギーの光が入射したときに、その画素における蓄積部に蓄積される信号電荷の量によって定量化され得る。制御回路は、例えば、排出部における信号電荷のポテンシャルを変化させることにより、光電変換素子と排出部との間におけるポテンシャル勾配を変化させることができる。ポテンシャル勾配を変化させることにより、光電変換素子から蓄積部への信号電荷の転送効率を変化させ、感度を制御することができる。信号電荷の転送効率とは、１回のパルス発光に起因して光電変換素子で発生した電荷のうち、排出されずに蓄積部に転送される電荷の割合を意味する。
【００５５】
図１に示すように、光源１０３から光散乱体である対象物１０２に到達した光は、対象物１０２の表面で反射する成分である表面反射成分Ｉ１と、対象物１０２の内部で１回反射もしくは散乱、または多重散乱する成分である内部散乱成分Ｉ２とに分かれる。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つを含む。直接反射成分は、入射角と等しい反射角で反射される成分である。拡散反射成分は、表面の凹凸形状に起因して拡散して反射される成分である。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される成分である。対象物１０２が人の肌である場合、散乱反射成分は、表皮内部で散乱して反射される成分である。本開示において、表面反射成分Ｉ１は、これら３つの成分を含むものとする。また、内部散乱成分Ｉ２は、表面近傍の内部組織によって散乱して反射する成分を含まないものとする。
【００５６】
図５Ａは、本開示の例示的な実施形態におけるシステム制御タイミングの一例を示す図である。図５Ａにおいて、信号Ａは、光源１０３から出射されるパルス光の強度を示し、信号Ｄは、対象物１０２から戻ってきた反射光の強度を示し、信号Ｆは、画素の感度を示す。ここで、反射光は、表面反射成分Ｉ１および内部散乱成分Ｉ２の合計に相当する。本開示の実施形態では、反射光を検出する際、画素の感度を少なくとも３段階に制御する。以下、図１に示す撮像装置１０１の構成を例に、本開示の一実施形態における基本的な動作を説明する。
【００５７】
制御回路１１４は、光源１０３に、第１のパルス光、および第１のパルス光よりも後に出射される第２のパルス光を含む複数のパルス光を出射させる。ここで、第１のパルス光のうち、表面反射成分Ｉ１がイメージセンサ１１３の画素に入射している期間を第１の期間Ｔ１とする。第１の期間Ｔ１は、表面反射成分が画素に入射することを開始する時刻ｔ１から、表面反射成分Ｉ１が当該画素に入射することを終了する時刻ｔ２までの期間である。時刻ｔ２から、第１のパルス光の内部散乱成分Ｉ２が当該画素に入射することを終了する時刻ｔ３までの期間を、第２の期間Ｔ２とする。第２の期間Ｔ２においては、パルス光のうち、表面反射成分Ｉ１は画素に殆ど入射せず、内部散乱成分Ｉ２のみが当該画素に入射すると考えることができる。さらに、時刻ｔ３から、第２のパルス光の表面反射成分Ｉ１が当該画素に入射することを開始する時刻ｔ４までの期間を、第３の期間Ｔ３とする。第３の期間Ｔ３は、光源１０３からのパルス光のいずれの成分も画素に入射しない期間である。時刻ｔ１は、本開示における第１の時刻に相当する。時刻ｔ３は、本開示における第２の時刻に相当する。時刻ｔ４は、本開示における第３の時刻に相当する。第１の期間Ｔ１は、本開示における第３の期間に相当する。第２の期間Ｔ２は、本開示における第４の期間に相当する。第３の期間Ｔ３は、本開示における第５の期間に相当する。
【００５８】
この実施形態における制御回路１１４は、第１の期間Ｔ１の少なくとも一部において、表面反射成分Ｉ１による光漏れノイズを抑制するため、画素の感度を最も低いレベル（「Ｓｕｐｅｒ  ＬＯＷ」のレベルと表現する。）に設定する。図５Ａに示す例では、制御回路１１４は、第１の期間Ｔ１の全部において、画素の感度をＳｕｐｅｒ  ＬＯＷのレベルに設定する。制御回路１１４は、第２の期間Ｔ２の少なくとも一部において、内部散乱成分Ｉ２を検出するため、画素の感度を最も高いレベル（「ＨＩＧＨ」のレベルと表現する。）に設定する。図５Ａに示す例では、制御回路１１４は、第２の期間Ｔ２の全部において、画素の感度をＨＩＧＨのレベルに設定する。制御回路１１４は、第３の期間Ｔ３の少なくとも一部において、背景光および暗電流の影響を低減するために、画素の感度を、ＨＩＧＨよりも低く、Ｓｕｐｅｒ  ＬＯＷよりも高いレベル（「ＬＯＷ」のレベルと表現する。）に設定する。図５Ａに示す例では、制御回路１１４は、第３の期間Ｔ３の全部において、画素の感度をＬＯＷのレベルに設定する。このように、制御回路１１４は、第２の期間Ｔ２の少なくとも一部における画素の感度を、第１の期間Ｔ１の少なくとも一部および第３の期間Ｔ３の少なくとも一部における画素の感度よりも高くし、かつ、第１の期間Ｔ１の少なくとも一部における画素の感度を、第３の期間Ｔ３の少なくとも一部における画素の感度よりも低くする。このような制御により、表面反射成分Ｉ１による光漏れノイズを抑制しながら、内部散乱成分Ｉ２を効率よく検出することが可能になる。なお、図５Ａに示す例では、期間Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３の各々の中では、画素の感度が一定であるが、各期間内で感度に変動が生じていてもよい。各期間内における平均の感度が、第１の期間Ｔ１において最も低く、第２の期間Ｔ２において最も高く、第３の期間Ｔ３において中間のレベルになっていればよい。
【００５９】
なお、第１の期間Ｔ１は、第１のパルス光のうち、対象物の表面で反射された表面反射成分が、前記対象物の内部で散乱された内部散乱成分よりも多く、前記イメージセンサの画素に入射している任意の期間に設定してよい。同様に、第２の期間Ｔ２は、第１のパルス光の内部散乱成分が、表面反射成分よりも多く、画素に入射している任意の期間に設定してよい。
【００６０】
第１の期間Ｔ１における画素の感度を、第３の期間Ｔ３における画素の感度よりも低くする方法として、典型的には以下の方法が考えられる。
（１）光子を信号電荷である電子または正孔に変換する効率を低下させる。
（２）発生した信号電荷を蓄積部に転送する効率を低下させる。
【００６１】
前者は、例えば印加する電圧によって量子効率を変化させることができる有機光電変換膜を備えたイメージセンサ等によって実現できる。後者は、例えば画素内部の光電変換素子で発生した信号電荷を蓄積部に転送する効率を、印加する電圧によって制御可能なＣＣＤおよびＣＭＯＳイメージセンサ等によって実現できる。
【００６２】
表面反射成分Ｉ１による光漏れノイズを抑制するだけであれば、画素の感度を３段階に設定するのではなく、例えば、第１の期間Ｔ１および第３の期間Ｔ３における画素の感度を一律に、通常の電子シャッタがＯＦＦのときの画素の感度であるＯＦＦレベルよりも低くする構成も考えられる。しかし、そのような構成では、後述するように、高電圧がデバイスに印加される期間が長くなるため、経時劣化に伴う信頼性の低下を招くおそれがある。そこで、本開示の実施形態では、パルス光の表面反射成分Ｉ１が画素に入射している第１の期間Ｔ１だけ、画素の感度が、通常のＯＦＦレベルよりも低い感度に設定される。パルス光が画素に入射しない第３の期間Ｔ３においては、画素の感度が、通常のＯＦＦレベルと同等、または、それよりも高い感度に設定される。典型的には、第１の期間Ｔ１は、第３の期間Ｔ３よりも短い。すなわち、Ｓｕｐｅｒ  ＬＯＷのレベルに対応する非常に高い電圧が印加される期間は、ＬＯＷのレベルに対応する電圧が印加される期間よりも短い。このため、本開示の実施形態によれば、第１の期間Ｔ１および第３の期間Ｔ３において一律に、画素の感度をＳｕｐｅｒ  ＬＯＷのレベルにする構成と比較して、装置の長期信頼性を高めることができる。
【００６３】
なお、本開示は、パルス光の内部散乱成分を検出する形態に限定されない。例えば、パルス光の前端部など、表面反射成分Ｉ１の一部をさらに検出する形態にも、本開示の技術を適用できる。図５Ｂは、本開示の例示的な実施形態におけるシステム制御タイミングの他の一例を示す図である。そのような形態では、制御回路１１４は、パルス光のうち、表面反射成分Ｉ１がイメージセンサ１１３の画素に入射している第１の期間Ｔ１の一部である、時刻ｔ５から時刻ｔ６における画素の感度をＨＩＧＨのレベルにし、第１の期間Ｔ１の他の一部における画素の感度をＳｕｐｅｒ  ＬＯＷのレベルにする。また、制御回路１１４は、図５Ａと同様に、第２の期間Ｔ２の少なくとも一部における当該画素の感度をＨＩＧＨのレベルにし、第３の期間Ｔ３の少なくとも一部における当該画素の感度をＬＯＷのレベルにする。
【００６４】
以下、本開示の実施形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下で説明する実施形態は、いずれも包括的または具体的な例を示している。以下の実施形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置および接続形態、ステップ、ステップの順序などは、一例であり、本開示を限定する主旨ではない。本明細書において説明される種々の態様は、矛盾が生じない限り互いに組み合わせることが可能である。また、以下の実施形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。以下の説明において、実質的に同じまたは類似する構成要素は共通の参照符号で示し、重複する説明を省略することがある。
【００６５】
（実施形態１）
まず、本開示の実施形態１における撮像装置を説明する。本実施形態における撮像装置１０１の物理的な構成は、図１における撮像装置１０１と同じである。本実施形態においても、イメージセンサ１１３は、図４Ａ〜４Ｃに示す構成を有する。本実施形態では、図４Ｄに示す制御方法の代わりに、図６Ａに示す制御方法が用いられる点で、前述の検討例とは異なっている。以下、本実施形態における動作を説明する。
【００６６】
まず、イメージセンサ１１３によって光を検出し、受光量に応じた電気信号を出力する過程を説明する。光電変換素子であるフォトダイオード４０３に光が入射すると、光電変換によって信号電荷が発生し、蓄積部である垂直ＣＣＤ６０４に転送される。各列に配置された垂直ＣＣＤ６０４は、信号電荷を垂直方向（図４Ｂにおける下方向）に転送する。垂直ＣＣＤ６０４は、制御回路である画素駆動回路６０１から供給される制御信号である電圧Ｖｖによって制御される。各列の垂直ＣＣＤ６０４から転送された信号電荷は、水平ＣＣＤ６０２によって水平方向（図４Ａにおける右方向）に順次転送される。転送された信号電荷は、最終的に出力回路６０３によって電圧に変換、増幅され、出力される。
【００６７】
図６Ａは、本実施形態における制御の例を示すタイミングチャートである。画素駆動回路６０１は、制御回路１１４（図１）からの指令に基づき、ドレイン４０２である半導体基板に印加する電圧Ｖｓｕｂを変化させることにより、電子シャッタを制御する。画素駆動回路６０１は、対象物１０２で反射または散乱されて戻ってきた反射光に同期して、電圧Ｖｓｕｂの値を３段階に制御する。具体的には、パルス光の表面反射成分Ｉ１がイメージセンサ１１３に到達することを開始する時刻ｔ１から、表面反射成分Ｉ１の到達が終了する時刻ｔ２までの第１の期間Ｔ１においては、電圧Ｖｓｕｂを、最も高い電圧であるＳｕｐｅｒ  ＨＩＧＨのレベルに設定する。これにより、表面反射成分Ｉ１による光漏れノイズが抑制される。パルス光の成分のうち、内部散乱成分Ｉ２のみがイメージセンサ１１３に入射する時刻ｔ２から時刻ｔ３までの第２の期間Ｔ２においては、電圧Ｖｓｕｂを、最も低い電圧であるＬＯＷのレベルに設定する。これにより、内部散乱成分Ｉ２に起因する信号電荷が垂直ＣＣＤ６０４に蓄積される。パルス光のいずれの成分もイメージセンサ１１３に入射していない時刻ｔ３から時刻ｔ４までの第３の期間Ｔ３においては、電圧Ｖｓｕｂを、Ｓｕｐｅｒ  ＨＩＧＨよりも低く、ＬＯＷよりも高い電圧であるＨＩＧＨのレベルに設定する。これにより、背景光および暗電流の影響が低減される。
【００６８】
第１の期間Ｔ１、第２の期間Ｔ２、第３の期間Ｔ３における電圧Ｖｓｕｂの値は、イメージセンサ１１３の仕様に応じて適宜決定される。一例として、図４Ｄに示す制御を行う検討例において電子シャッタがＯＦＦのときの電圧（「通常のＨＩＧＨレベル」と称する。）を１５Ｖとすると、第１の期間Ｔ１、第２の期間Ｔ２、第３の期間Ｔ３における電圧Ｖｓｕｂは、それぞれ、例えば、Ｓｕｐｅｒ  ＨＩＧＨのレベルに相当する１８Ｖ、ＬＯＷのレベルに相当する０Ｖ、ＨＩＧＨのレベルに相当する１３Ｖに設定され得る。この例では、第１の期間Ｔ１における電圧Ｖｓｕｂを、通常のＨＩＧＨレベルよりも高くしたことに伴い、第３の期間Ｔ３における電圧Ｖｓｕｂを、通常のＨＩＧＨレベルよりも低く設定している。これは、高い電圧が印加される期間を短くし、デバイスの長期信頼性を確保するためである。各期間の電圧レベルは、例えば、１周期あたりの平均電圧が、２値制御を行う検討例における平均電圧と同程度になるように設定され得る。
【００６９】
図６Ｂは、本実施形態において、図４Ｃにおける４Ｅ−４Ｅ線に沿った信号電荷である電子のポテンシャルを模式的に示す図である。ここで、垂直ＣＣＤ６０４に対向する電極６０６に印加される電圧Ｖｖは、ある一定の値に設定される。電圧ＶｓｕｂがＨＩＧＨの状態からＳｕｐｅｒ  ＨＩＧＨの状態に変化すると、ドレイン４０２における信号電荷のポテンシャルが低下する。すなわち、フォトダイオード４０３とドレイン４０２との間におけるポテンシャル勾配が大きくなる。これにより、信号電荷のポテンシャルのピークの位置が、図６Ｂにおいて矢印で示すように、遮光された垂直ＣＣＤ６０４の位置までシフトする。その結果、フォトダイオード４０３において発生した電荷のうち、より多くの電荷がドレイン４０２に排出され、垂直ＣＣＤ６０４への信号電荷の漏れ込みが抑制される。
【００７０】
図７は、本実施形態の撮像装置１０１を用いて光漏れノイズの量を測定した実験の結果を示すグラフである。このグラフは、光漏れノイズの割合と、電圧Ｖｓｕｂとの関係を示している。グラフの横軸は電圧Ｖｓｕｂを、縦軸は全体の信号に対する光漏れノイズの割合を示している。この実験結果から、電圧Ｖｓｕｂを上げるほど、光漏れノイズが抑制されることがわかる。その理由は、電圧Ｖｓｕｂが高いほど、ドレイン４０２における信号電荷のポテンシャルが低くなり、ドレイン４０２に排出される信号電荷の割合が増加するからである。
【００７１】
この結果を考慮すれば、表面反射成分Ｉ１による光漏れノイズを抑制するためには、内部散乱成分Ｉ２を検出する第２の期間Ｔ２を除く全期間において、電圧ＶｓｕｂをＳｕｐｅｒ  ＨＩＧＨに相当する高い電圧に設定すればよいとも考えられる。例えば、通常の電子シャッタＯＦＦの電圧レベルが１３Ｖである場合、第１の期間Ｔ１および第３の期間Ｔ３において、電圧Ｖｓｕｂを１８Ｖに設定し、第２の期間Ｔ２においてのみ、電圧Ｖｓｕｂを０Ｖ付近に設定することが考えられる。
【００７２】
しかし、そのような構成では、経時劣化による信頼性の低下を招くおそれがある。この点について、図８Ａから図８Ｃを参照しながら説明する。
【００７３】
図８Ａは、電圧Ｖｓｕｂを、ＨＩＧＨ（Ｈ）およびＬＯＷ（Ｌ）の２値で制御する比較例における、反射光と電圧Ｖｓｕｂの１周期の時間変化を示すタイミングチャートである。図８Ｂは、電圧Ｖｓｕｂを、Ｓｕｐｅｒ  ＨＩＧＨ（ＳＨ）およびＬＯＷ（Ｌ）の２値で制御する比較例における、反射光と電圧Ｖｓｕｂの１周期の時間変化を示すタイミングチャートである。図８Ｃは、電圧Ｖｓｕｂを、Ｓｕｐｅｒ  ＨＩＧＨ（ＳＨ）、ＭＩＤＤＬＥ（Ｍ）、およびＬＯＷ（Ｌ）の３値で制御する本実施形態における、反射光と電圧Ｖｓｕｂの１周期の時間変化を示すタイミングチャートである。
【００７４】
図８Ａから図８Ｃにおいて、破線で囲んだ期間において、表面反射成分Ｉ１の影響が最も強く表れる。したがって、図８Ａに示す比較例よりもノイズを抑制するためには、破線で囲んだ期間において、電圧Ｖｓｕｂをさらに高く、例えばＳｕｐｅｒ  ＨＩＧＨのレベルにすればよい。しかし、ノイズと信頼性との間は、トレードオフの関係にある。図８Ｂに示す比較例のように、内部散乱成分を検出する期間以外の全期間において、電圧ＶｓｕｂをＳＨにすると、経時劣化に伴って故障を引き起こしやすくなる可能性がある。そこで、本実施形態では、図８Ｃに示すように、パルス光の表面反射成分および内部散乱成分のいずれも画素に入射していない期間においては、電圧Ｖｓｕｂを、ＳＨとＬとの間のレベル（Ｍ）に設定している。ここで、レベルＭは、レベルＨよりも低い電圧である。
【００７５】
一般に、微細化の進行に伴う酸化膜の薄膜化および異なる電位の配線間の分離幅の縮小により、ＣＣＤおよびＣＭＯＳなどの固体撮像素子においては、例えば以下の表１に示すような故障が生じ得る。
【００７６】
【表１】
2017229057.tif 000003
【００７７】
ここで、ゲート酸化膜の経時劣化による破壊とは、絶縁破壊耐圧（例えば、約１０ＭＶ/ｃｍ）以下の電界強度でも、長期間印加され続けることにより、時間経過にしたがってリーク電流が上昇して破壊が生じる現象（ＴＤＤＢ：Ｔｉｍｅ  Ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ  Ｄｉｅｌｅｃｔｉｃ  Ｂｒｅａｋｄｏｗｎ）である。また、異電位配線間の経時劣化による破壊とは、微細化に伴うＣｕ（銅）配線の導入および配線間の分離縮小により、隣接する異電位配線間の電界強度が増加し、Ｃｕイオンがドリフトしてリークパスを形成し、細いリークパスへの過電流により、溶断破壊に至る故障である。この破壊は、配線間ＴＤＤＢと呼ばれる。
【００７８】
例えば酸化膜経時破壊における平均故障時間（Ｍｅａｎ  Ｔｉｍｅ  ｔｏ  Ｆａｉｌｕｒｅ）は、以下のＭＴＴＦで表される。
【数１】
2017229057.tif 000004
【数２】
2017229057.tif 000005
ここで、ΔＥは電界強度（ＭＶ／ｃｍ）、ΔＶは印加電圧（ＭＶ）、βは電界強度係数（ｃｍ／ＭＶ）、ｔｏｘは酸化膜厚（ｃｍ）を表す。式１は、酸化膜の間に一定の電圧ΔＶを印加させ続けたときの平均故障時間を表している。なお、説明を簡潔にするため、寿命の温度依存に関わる項は省略している。
【００７９】
式１および式２からわかるように、印加される電圧が増加するほど、平均故障時間は指数関数的に減少する。よって、長期信頼性の観点からは、デバイスに高電圧が印加される時間は短い方がよい。
【００８０】
そこで、本実施形態では、図８Ｃに示すように、表面反射成分Ｉ１の影響を最も受ける期間のみ、電圧Ｖｓｕｂを最も高くし、それ以外の電子シャッタがオフの期間においては電圧を下げている。各期間の電圧レベルを、１周期あたりの電圧Ｖｓｕｂを最も高くする期間の割合を考慮して適切に設定することで、１周期あたりの平均電圧を、図８Ａの比較例の平均電圧と同等にすることができる。そのような構成によれば、図８Ａに示す比較例と同等の長期信頼性を保つことができる。
【００８１】
（実施形態２）
次に、本開示の実施形態２における撮像装置を説明する。
【００８２】
図９Ａは、本実施形態におけるイメージセンサ１１３の構成を模式的に示す図である。イメージセンサ１１３は、複数の画素４０１を含む画素アレイと、画素駆動回路６０１と、水平転送回路６０７と、出力回路６０３とを備えている。
【００８３】
図９Ｂは、本実施形態における１つの画素４０１の構成を模式的に示す図である。各画素４０１は、光電変換素子であるフォトダイオード４０３と、蓄積部である浮遊拡散層４０４と、浮遊拡散層４０４と同一平面上に位置する排出部であるドレイン４０２と、フォトダイオード４０３と浮遊拡散層４０４との間の転送ゲート７０２と、フォトダイオード４０３とドレイン４０２との間のドレインゲート７０４とを備えている。各画素における転送ゲート７０２、ドレインゲート７０４、およびドレイン４０２には、行ごとに画素駆動回路６０１から電圧Ｖｔｇ、Ｖｄｇ、Ｖｄｒがそれぞれ印加される。ドレインゲート７０４は、本開示における第１ゲートに相当する。
【００８４】
本実施形態において、光を検出し、信号を出力する過程を説明する。まず、光電変換素子であるフォトダイオード４０３が光を信号電荷に変換し、蓄積部である浮遊拡散層４０４に転送する。次に、浮遊拡散層４０４が信号電荷を電圧に変換した後、画素内の増幅トランジスタが信号を増幅し、各列に配置された垂直信号線に出力する。その後、各列の信号を、水平転送回路６０７が水平方向に順次転送し、最後に出力回路６０３が増幅して出力する。電子シャッタは画素内のドレイン４０２に与えられる電圧Ｖｄｒ、またはドレインゲート７０４に与えられる電圧Ｖｄｇによって制御される。
【００８５】
図９Ｃは、図９Ｂにおける９Ｃ−９Ｃ線断面を模式的に示す図である。本実施形態におけるイメージセンサ１１３は、横型ドレインを有するＣＭＯＳ構成を有する。フォトダイオードの上層は受光するため開口されており、浮遊拡散層４０４およびドレイン４０２の上層は遮光部材６０５により遮光されている。転送ゲート７０２は電圧Ｖｔｇによって制御され、ドレインゲート７０４は電圧Ｖｄｇによって制御され、ドレイン４０２は電圧Ｖｄｒによって制御される。本実施形態における画素駆動回路６０１は、電圧Ｖｔｇ、Ｖｄｒのそれぞれを一定にし、ドレインゲート７０４の電圧Ｖｄｇをパルス的に制御する。
【００８６】
図９Ｄは、本実施形態における制御を示すタイミングチャートである。画素駆動回路６０１は、対象物１０２から反射または散乱されて戻ってきた反射光に同期させて、ドレインゲートの電圧Ｖｄｇを３段階のレベルで制御する。具体的には、表面反射成分Ｉ１が入射している第１の期間Ｔ１においては、電圧Ｖｄｇを最も高い電圧であるＳｕｐｅｒ  ＨＩＧＨのレベルに設定する。表面反射成分Ｉ１の入射が終了し、内部散乱成分Ｉ２が入射している第２の期間Ｔ２においては、電圧Ｖｄｇを最も低い電圧であるＬＯＷのレベルに設定する。パルス光のいずれの成分も入射していない第３の期間Ｔ３においては、背景光および暗電流を低減するために、電圧ＶｄｇをＳｕｐｅｒ  ＨＩＧＨよりも低く、ＬＯＷよりも高い電圧であるＨＩＧＨのレベルに設定する。
【００８７】
図９Ｅは、図９Ｃにおける９Ｅ−９Ｅ線に沿った信号電荷である電子のポテンシャルを模式的に示す図である。本実施形態における電圧Ｖｄｇの３値制御により、図９Ｅに示すように信号電荷のポテンシャルが変化する。例えば、ＨＩＧＨからＳｕｐｅｒ  ＨＩＧＨに変更した場合、ポテンシャル障壁が低くなり、パルス光の表面反射成分Ｉ１に起因する、浮遊拡散層４０４への電荷の漏れ込みが抑制される。本実施形態では、電圧Ｖｄｇが増加するほどポテンシャル障壁が低くなり、フォトダイオード４０３からドレイン４０２へ電荷を転送し易くなる。
【００８８】
図１０Ａは、本実施形態の変形例における制御を示すタイミングチャートである。この変形霊では、ドレインゲートの電圧Ｖｄｇではなくドレインの電圧Ｖｄｒが３値制御される。ドレインゲートの電圧Ｖｄｇおよび転送ゲートの電圧Ｖｔｇは一定である。図１０Ｂは、この変形例における信号電荷のポテンシャルを模式的に示す図である。この制御方式でも、上述した方式と同様、パルス光の表面反射成分Ｉ１に起因する電荷の漏れ込みを抑制することが可能である。
【００８９】
（実施形態３）
次に、本開示の実施形態３における撮像装置を説明する。本実施形態では、各画素が、複数の転送ゲートと、それらに対応する複数の蓄積部と、複数の制御信号線とを有している点において、実施形態２と異なっている。以下、実施形態２と異なる点を中心に説明する。
【００９０】
図１１Ａは、本実施形態におけるイメージセンサ１１３の構成を模式的に示す図である。図１１Ｂは、図１１Ａにおける１つの画素の構造を示す平面図である。図１１Ｃは、図１１Ｂにおける１１Ｃ−１１Ｃ線断面図である。本実施形態では、画素駆動回路６０１は、３つの独立した転送ゲートである第１の転送ゲート７０６、第２の転送ゲート７０８、および第３の転送ゲート７１０に対して、異なる電圧制御を行い、３つの蓄積部である浮遊拡散層４０４、４０５、４０６への電荷の蓄積を制御する。画素駆動回路６０１はまた、ドレインゲート７０４に印加する電圧を調整してドレイン４０２への信号電荷の排出を制御する。第２の転送ゲート７０８は、本開示における第２ゲートに相当する。
【００９１】
図１１Ｄは、本実施形態における制御を示すタイミングチャートである。第１の転送ゲート７０６に印加される電圧Ｖｔｇ１は、反射光のうちの表面反射成分Ｉ１が入射している時刻ｔ１からｔ２の期間にＨＩＧＨレベルに設定され、それ以外の期間にはＬＯＷレベルに設定される。これにより、表面反射成分Ｉ１に起因する信号電荷が第１の蓄積部である浮遊拡散層４０４に転送される。
【００９２】
第２の転送ゲート７０８に印加される電圧Ｖｔｇ２は、時刻ｔ１からｔ２の期間は最も低い電圧であるＳｕｐｅｒＬＯＷのレベルに設定され、内部散乱成分Ｉ２が入射している時刻ｔ２からｔ３の期間は最も高い電圧であるＨＩＧＨのレベルに設定され、それ以外の期間は中間の電圧であるＬＯＷのレベルに設定される。これにより、表面反射成分Ｉ１による漏れ込み成分と、背景光および暗電流によるノイズ成分とが抑制され、内部散乱成分Ｉ２に起因する信号電荷が第２の蓄積部である浮遊拡散層４０５に蓄積される。
【００９３】
第３の転送ゲート７１０に印加される電圧Ｖｔｇ３は、パルス光の内部散乱成分Ｉ２の入射が終了した後、次のパルス光が到達するまでの時刻ｔ４からｔ５の期間にＨＩＧＨレベルに設定される。時刻ｔ４からｔ５の期間は、時刻ｔ１からｔ２の期間と同じ長さに設定され得る。それ以外の期間は、ＬＯＷレベルに設定される。これにより、第３の蓄積部である浮遊拡散層４０６には、背景光および暗電流に起因する信号電荷が蓄積される。
【００９４】
ドレインゲート７０４に印加される電圧Ｖｄｇは、第１の転送ゲート７０６、第２の転送ゲート７０８、および第３の転送ゲート７１０のうちのいずれかにＨＩＧＨの電圧が印加されている期間はＬＯＷレベルに設定され、それ以外の期間はＨＩＧＨレベルに設定される。これにより、不要な電荷が排出される。
【００９５】
本実施形態では、電荷排出時にドレイン４０２に印加される電圧Ｖｄｒは一定である。
【００９６】
このように、第１の転送ゲート７０６を導通状態にして取得される信号Ｓａは、主に表面反射成分を含み、第２の転送ゲート７０８を導通状態にして取得される信号Ｓｂは、主に内部散乱成分を含み、第３の転送ゲート７１０を導通状態にして取得される信号は、背景光および暗電流に起因する信号Ｓbgを含む。
【００９７】
本実施形態では、一回のパルス発光に同期して、時間差がほとんどなく表面反射成分と内部散乱成分とを高精度に分離して取得することができる。これは、表面と内部とで異なる挙動を示す測定対象について、特に有効である。さらに、Ｓａ−Ｓbg、Ｓｂ−Ｓbgの計算を行うことで、信号Ｓａ、Ｓｂから背景光の成分を除去できる。このため、周辺環境の変化に関わらず安定した信号取得が可能である。
【００９８】
以上のように、本実施形態によれば、各画素は、複数の蓄積部と、光電変換素子と複数の蓄積部との間に配置された複数の転送ゲートとを有する。制御回路は、複数の転送ゲートの各々に印加する電圧を変化させることにより、光電変換素子から複数の蓄積部の各々への信号電荷の転送効率を制御する。具体的には、表面反射成分Ｉ１が入射する第１の期間において、複数の蓄積部の１つと光電変換素子との間の転送ゲートに、第１の電圧を印加する。表面反射成分Ｉ１の入射が終了し、内部散乱成分Ｉ２が入射する第２の期間において、転送ゲートに、第１の電圧よりも高い第２の電圧を印加する。パルス光のいずれの成分も入射していない第３の期間において、転送ゲートに、第１の電圧よりも高く、第２の電圧よりも低い第３の電圧を印加する。
【００９９】
これにより、実施形態１、２と同様、内部散乱成分Ｉ２を検出する蓄積部に、表面反射成分Ｉ１に起因する信号電荷が混入することを抑制し、かつ、他の蓄積部によって表面反射成分Ｉ１を検出したり、背景光成分を検出したりすることができる。このため、表面反射成分Ｉ１の信号および内部散乱成分Ｉ２の信号から背景光成分を除去してさらに精度の高い測定を行うことが可能となる。
【０１００】
（変形例）
図１１Ｅは、実施形態３の変形例における制御を示すタイミングチャートである。第１の転送ゲート７０６に印加される電圧Ｖｔｇ１は、反射光のうちの表面反射成分Ｉ１が入射している時刻ｔ１からｔ２の期間の一部においてＨＩＧＨのレベルに設定される。ここで、図１１Ｄに示す制御内容と比較すると、本変形例における制御の方が、電圧Ｖｔｇ１がＨＩＧＨのレベルに設定される期間が短い。例えば、電圧Ｖｔｇ１がＨＩＧＨのレベルに設定される期間は、第２の転送ゲート７０８に印加される電圧Ｖｔｇ２がＨＩＧＨのレベルに設定される期間と同等の長さに設定され得る。また、図１１Ｅにおいて、電圧Ｖｔｇ１は、ＨＩＧＨのレベルに設定された後にＳｕｐｅｒＬＯＷのレベルに設定され、さらにその後、ＬＯＷのレベルに設定されている。しかし、これは一例であり、電圧Ｖｔｇ１を、ＳｕｐｅｒＬＯＷのレベルに設定することなく、ＨＩＧＨのレベルからすぐにＬＯＷのレベルに設定してもよい。ＨＩＧＨのレベルの期間を反射光の立ち上がり時間の付近に限定することで、表面反射成分Ｉ１をより多く取得可能となる。これは、反射光の表面反射成分Ｉ１と内部散乱成分Ｉ２とでは、撮像装置１０１へ到達するまでの時間に差があり、表面反射成分Ｉ１の方が早く撮像装置１０１へ到達するため、反射光の立ち上がり時間の付近には、表面反射成分Ｉ１が多く含まれることに起因する。さらに、本変形例においては、反射光の前端側の取得と後端側の取得とで電子シャッタの露光量が等しくなり、発光回数の変更が不要となるため、安定した測定が可能となる。
【０１０１】
本変形例では、一回のパルス発光に同期して、時間差がほとんどなく表面反射成分と内部散乱成分とを高精度に分離して取得することができる。これは、表面と内部とで異なる挙動を示す測定対象について、特に有効である。さらに、Ｓａ−Ｓbg、Ｓｂ−Ｓbgの計算を行うことで、信号Ｓａ、Ｓｂから背景光の成分を除去できる。このため、周辺環境の変化に関わらず安定した信号取得が可能である。さらに本変形例では、Ｖｔｇ２で取得する内部散乱成分をより多く含む信号Ｓａから、Ｖｔｇ１で取得した表面反射成分をより多く含む信号Ｓｂに適切なゲインをかけて減算することで、内部散乱成分のみをより効率よく抽出することが可能であるという効果を有する。
【０１０２】
（実施形態４）
次に、本開示の実施形態４における撮像装置を説明する。本実施形態の撮像装置は、観測すべき被検者の脳内の酸素化ヘモグロビンおよび脱酸素化ヘモグロビンの濃度分布と、その時間変化とを検出する。これにより、当該濃度分布を示す２次元画像である静止画像または動画像を生成することができる。当該画像の情報を利用することにより、例えば、被検者の脳活動（例えば、集中度または感情等）を推定することができる。本実施形態の撮像装置は、上記のような生体情報を非接触で検出することができるため、検出に伴う煩わしさを解消することができる。さらに、対象物の表面で反射された強い表面反射成分に起因する信号電荷の一部が蓄積部に漏れ込むことを抑制できる。これにより、従来技術と比較して、生体情報の検出精度を大きく向上させることができる。以下、このような高精度の検出を可能とする本実施形態の撮像装置の構成および動作を説明する。
【０１０３】
［構成］
図１２は、本実施形態における撮像装置１０１の構成を模式的に示す図である。図１２には、撮像装置１０１だけでなく、検出対象である対象物１０２である人体頭部も示されている。本実施形態の撮像装置１０１は、概略的には、図１に示す撮像装置１０１と同じ構成を有する。ただし、本実施形態では、光源の数が２個であり、イメージセンサ１１３が２個の蓄積部を有している点で、前述の検討例とは異なっている。
【０１０４】
撮像装置１０１は、光源１０３と、光源１０４と、イメージセンサ１１３と、ダブルバンドパスフィルタ１１２と、光学系１１１と、制御回路１１４と、信号処理回路１１５とを備える。
【０１０５】
光源１０３、１０４は、対象物１０２が位置する方向に向けてパルス光を出射する。本実施形態では、光源１０３は、中心波長が７５０ｎｍの狭帯域のパルス光を出射するレーザ光源である。光源１０４は、中心波長が８５０ｎｍの狭帯域のパルス光を出射するレーザ光源である。
【０１０６】
イメージセンサ１１３は、光学系１１１の結像面に配置され、対象物１０２からの反射光を検出する。光学系１１１は、対象物１０２とイメージセンサ１１３との間に配置され、１つまたは複数のレンズを含み得る。
【０１０７】
光学系１１１は、対象物１０２からの光を集光してイメージセンサ１１３の撮像面に結像する。ダブルバンドパスフィルタ１１２は、光学系１１１とイメージセンサ１１３との間に配置され、光源１０３、１０４からの光の波長に相当する２つの狭帯域の波長の光のみを主に透過させる。
【０１０８】
制御回路１１４は、光源１０３、１０４およびイメージセンサ１１３に接続され、これらの動作を制御する。より具体的には、制御回路１１４は、光源１０３、１０４の発光タイミングと、イメージセンサ１１３の各画素の信号蓄積および信号排出のタイミングとを同期して制御する。これにより、生体内部の脳血流の情報を高い精度で検出することができる。
【０１０９】
信号処理回路１１５は、イメージセンサ１１３に接続され、イメージセンサ１１３から出力された電気信号である画素ごとの明暗の情報に基づいて、画像データ（例えば２次元の動画像のデータ）を生成して出力する。生成された画像データは、例えば不図示のディスプレイに送られ、脳血流の状態を示す画像がディスプレイに表示され得る。なお、信号処理回路１１５は、撮像装置１０１の外部の装置に設けられていてもよい。例えば、撮像装置１０１に有線または無線で接続される外部のコンピュータが信号処理回路１１５を備えていてもよい。そのような態様では、撮像装置１０１が計算負荷の高い演算を行う必要がないため、撮像装置１０１を安価に構成し得る。
【０１１０】
なお、撮像装置１０１は、図１２に示されていない他の要素を含み得る。例えば、撮像装置１０１は、光源１０３、１０４からの光の進行方向を変化させるミラーなどの光学系、または無線通信を行う通信回路などを備えていてもよい。
【０１１１】
図１２に示す各構成要素は、同一の筐体内に配置されている必要はない。例えば、撮像装置１０１は、スマートフォンまたはタブレットコンピュータのような情報端末と、当該情報端末に接続される他の装置との組み合わせによって実現され得る。そのような他の装置は、光源１０３、１０４、イメージセンサ１１３、ダブルバンドパスフィルタ１１２、および光学系１１１を備え得る。情報端末に特定のソフトウェアをインストールすることにより、情報端末のプロセッサ（例えばＣＰＵおよびＧＰＵなど）を、制御回路１１４および信号処理回路１１５として機能させることができる。
【０１１２】
以下、各構成要素をより詳細に説明する。
【０１１３】
［光源１０３、１０４］
本実施形態における光源１０３は、中心波長が７５０ｎｍの狭帯域のパルス光を出射するレーザーパルス光源である。光源１０４は、中心波長が８５０ｎｍの狭帯域のパルス光を出射するレーザーパルス光源である。光源１０３、１０４の各々は、後述するように、制御回路１１４によって決定された所定のパターンでパルス光を繰り返し出射する。光源１０３、１０４が出射するパルス光は、例えば、立ち下り時間である立ち下りを開始してから完全に立ち下るまでの時間がゼロに近い矩形波状の光であり得る。光源１０３、１０４が発生させるパルス光の立ち上り時間である立ち上りを開始してから完全に立ち上るまでの時間は任意である。光源１０３、１０４は、パルス光の立ち下り部分が時間軸に対して垂直に近い（即ち、時間応答特性が急進な）レーザーダイオードなどの光源であり得る。光源１０３、１０４には、例えば半導体レーザ、固体レーザ、ファイバレーザなどの、パルス光を発する任意の種類の光源が用いられ得る。
【０１１４】
本実施形態の撮像装置１０１では、対象物１０２が人体であるため、網膜への影響が考慮された光源１０３、１０４が用いられ得る。例えば、レーザ光源を使用する場合、各国で策定されているレーザ安全基準のクラス１を満足する光源が用いられ得る。クラス１が満足されている場合、被爆放出限界（ＡＥＬ）が１ｍＷを下回るほどの低照度の光が対象物１０２に照射される。光源１０３、１０４自体がクラス１を満たしていなくても、他の光学素子との組み合わせによってクラス１が満たされていてもよい。例えば、拡散板またはＮＤフィルタなどの素子が光源１０３、１０４と対象物１０２との間に配置され、光が拡散または減衰されることによってレーザ安全基準のクラス１が満たされてもよい。
【０１１５】
光源１０３、１０４が発する光の波長は、７５０ｎｍおよび８５０ｎｍに限定されない。例えば６５０ｎｍ以上９５０ｎｍ以下の波長範囲に含まれる任意の波長の光が用いられ得る。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ヘモグロビン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、対象物１０２の脳血流中の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を検出する場合、使用される光は、８０５ｎｍよりも長い波長の近赤外光と、および８０５ｎｍよりも短い波長の赤色光または近赤外光とであり得る。酸素化ヘモグロビンは、脱酸素化ヘモグロビンと比較して、８０５ｎｍよりも長い波長の光を相対的によく吸収する。逆に、脱酸素化ヘモグロビンは、酸素化ヘモグロビンと比較して、８０５ｎｍよりも短い波長の光を相対的によく吸収する。したがって、８０５ｎｍよりも長い波長の光と、８０５ｎｍよりも短い波長の光とを用いることにより、血流中の酸素化ヘモグロビンおよび脱酸素化ヘモグロビンの各々の濃度変化を精度よく検出することができる。このように、検出対象に対する吸収率が異なる複数の波長を選択することで、検出対象の特性を分析することができる。他の生体情報（例えば、心拍、血流量、血圧など）を検出する場合には、複数の波長の光を使用する必要はない。図１に示す構成のように、１つの光源１０３を用いて、本実施形態と同様の制御を行ってもよい。
【０１１６】
なお、本開示において、対象物１０２は生体に限定されない。例えば、ガス、薬品、食品などの他の種類の光散乱体を対象物１０２にすることも可能である。光源１０３、１０４が発する光の波長域は、近赤外線の波長域である約７００ｎｍ以上約２５００ｎｍ以下に限定されず、例えば可視光の波長域である約４００ｎｍ以上約７００ｎｍ以下、紫外線の波長域である約１０ｎｍ以上約４００ｎｍ以下であってもよい。用途によっては、中赤外線、遠赤外線、またはテラヘルツ波もしくはミリ波等の電波域の電磁波を使用することもできる。
【０１１７】
図１を参照して説明したように、光源１０３、１０４から対象物１０２に到達した光は、対象物１０２の表面で反射する成分である表面反射成分Ｉ１と、対象物１０２の内部で１回反射もしくは散乱、または多重散乱する成分である内部散乱成分Ｉ２とに分かれる。表面反射成分Ｉ１および内部散乱成分Ｉ２は、反射または散乱によって進行方向が変化し、その一部が光学系１１１およびダブルバンドパスフィルタ１１２を透過してイメージセンサ１１３に到達する。
【０１１８】
［光学系１１１およびダブルバンドパスフィルタ１１２］
本実施形態における光学系１１１は、テレセントリックな光学系を実現するカメラレンズである。テレセントリックな光学系１１１を用いることにより、各画素に斜めに入射する光を少なくすることができるため、信号処理を簡単にすることができる。なお、光学系１１１は、非テレセントリックな光学系であってもよい。
【０１１９】
ダブルバンドパスフィルタ１１２は、７５０ｎｍおよび８５０ｎｍの二波長の光を主に透過させるフィルタである。図１３は、ダブルバンドパスフィルタ１１２の分光透過率の例を示すグラフである。図示されるように、ダブルバンドパスフィルタ１１２は、光源１０３、１０４からそれぞれ出射される７５０ｎｍおよび８５０ｎｍを中心波長とする狭帯域の光を透過させ、それ以外の波長の光を遮光する。このようなダブルバンドパスフィルタ１１２を配置することにより、外乱光（例えば背景光）がイメージセンサ１１３に入射することを抑制できる。
【０１２０】
［イメージセンサ１１３］
イメージセンサ１１３は、光源１０３、１０４から出射され対象物１０２で反射された光を受光する。イメージセンサ１１３は、撮像面上に２次元に配列された複数の画素を有し、対象物１０２の内部の２次元情報を取得する。イメージセンサ１１３は、例えば、ＣＣＤイメージセンサまたはＣＭＯＳイメージセンサであり得る。
【０１２１】
イメージセンサ１１３は、電子シャッタを有する。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である露光期間の長さに相当するシャッタ幅と、１回の露光期間が終了してから次の露光期間が開始するまでの時間とを制御する回路である。本明細書において、電子シャッタが露光している状態を「ＯＰＥＮ」または「ＯＮ」と表現し、電子シャッタが露光を停止している状態を「ＣＬＯＳＥ」または「ＯＦＦ」と表現する。イメージセンサ１１３は、電子シャッタによって１回の露光期間が終了してから次の露光期間が開始するまでの時間をサブナノ秒（例えば、３０ｐｓ以上１ｎｓ以下）の時間スケールで調整できる。本実施形態では、対象物までの距離の測定を目的とする従来のＴＯＦ（Ｔｉｍｅ  ｏｆ  Ｆｌｉｇｈｔ）カメラと異なり、シャッタ幅をパルス幅よりも大きくする必要はない。従来のＴＯＦカメラは、対象物の明るさを補正するために、光源から出射して対象物で反射されて戻ってきたパルス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、本実施形態の撮像装置１０１は、対象物からの光量を補正する必要が無いため、シャッタ幅がパルス幅よりも大きい必要はない。本実施形態では、シャッタ幅は、例えば、１ｎｓ以上３０ｎｓ以下程度であり得る。本実施形態の撮像装置１０１によれば、シャッタ幅を従来よりも短縮できるため、検出信号に含まれる暗電流を低減することができる。
【０１２２】
対象物１０２が例えば人の額であり、脳血流などの情報を検出する用途では、対象物１０２の内部での光の減衰率は非常に大きく、例えば、１００万分の１程度に減衰し得る。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。この場合、光源１０３、１０４がパルス光を複数回発光し、それに応じてイメージセンサ１１３も電子シャッタによって複数回露光するようにしてもよい。そのような動作によれば、検出信号が積算されることにより、感度を向上させることができる。
【０１２３】
図１４は、イメージセンサ１１３の１つの画素４０１の概略的な構成例を示す図である。なお、図１４は、１つの画素４０１の構成を模式的に示しており、現実の構造を必ずしも反映していない。画素４０１は、光電変換を行う光電変換素子であるフォトダイオード４０３と、信号電荷を蓄積する蓄積部である浮遊拡散層４０４、４０５と、信号電荷を排出する排出部であるドレイン４０２とを含む。
【０１２４】
イメージセンサ１１３は、制御回路１１４からの指令に基づいて各画素４０１における信号電荷の蓄積および排出を制御する高速タイミング制御回路４１４を備えている。高速タイミング制御回路４１４は、プロセッサとメモリとを有する回路（例えば、マイクロコントローラユニット）であり得る。高速タイミング制御回路４１４は、メモリに格納された制御プログラムに従い、外部の制御回路１１４からの指示に応じて浮遊拡散層４０４、４０５への信号電荷の蓄積、およびドレイン４０２への信号電荷の排出を制御する。イメージセンサ１１３は、複数の浮遊拡散層４０４、４０５を有することにより、異なる複数の波長の光について、高い時間分解能で撮像することができる。
【０１２５】
本実施形態では、イメージセンサ１１３の正面側にテレセントリックな光学系１１１が配置されているため、フォトダイオード４０３を中心に等方的に光が漏れ込むと考えられる。このため、浮遊拡散層４０４、４０５は、フォトダイオード４０３に対して等方的または等距離に配置され得る。
【０１２６】
１回のパルス光の発光に起因して各画素４０１に入射した光は、フォトダイオード４０３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、高速タイミング制御回路４１４から入力される制御信号に従って、ドレイン４０２に排出されるか、浮遊拡散層４０４、４０５のいずれかに振り分けられる。
【０１２７】
本実施形態におけるイメージセンサ１１３の具体的な構成は、図１１Ａから図１１Ｃに示す構成と同様である。ただし、本実施形態では、浮遊拡散層の数は２つである。
【０１２８】
なお、本実施形態では、ＣＭＯＳ型のイメージセンサ１１３が用いられているが、イメージセンサ１１３はＣＣＤ型であっても、単一光子計数型素子であっても、増幅型イメージセンサ（例えばＥＭＣＣＤ、ＩＣＣＤ）であっても構わない。
【０１２９】
［制御回路１１４および信号処理回路１１５］
制御回路１１４は、例えば、マイクロ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等の集積回路であり得る。制御回路１１４は、例えばプロセッサがメモリに記録された制御プログラムを実行することにより、光源１０３、１０４への点灯指示、イメージセンサ１１３への撮像指示、および信号処理回路１１５への演算指示等を行う。制御回路１１４からの指示に基づいて、イメージセンサ１１３における高速タイミング制御回路４１４は、各画素における信号電荷の蓄積および排出を制御する。
【０１３０】
信号処理回路１１５は、イメージセンサ１１３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１１５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）等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１１４および信号処理回路１１５は、統合された１つの回路によって実現されていてもよい。
【０１３１】
本実施形態における信号処理回路１１５は、イメージセンサ１１３から出力された信号に基づき、脳内の酸素化ヘモグロビンおよび脱酸素化ヘモグロビンの濃度分布と、その時間変化とを示す動画像データを生成する。信号処理回路１１５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、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。
【０１３２】
脳血流量または血流内成分（例えばヘモグロビン）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、被検者の心理状態を推定することができる。被検者の心理状態とは、例えば、気分（例えば、快、不快）、感情（例えば、安心、不安、悲しみ、憤りなど）、健康状態（例えば、元気、倦怠）、温度感覚（例えば、暑い、寒い、蒸し暑い）などを意味する。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１１５は、脳血流量などの変化に基づいて、被検者の集中度などの心理状態を推定し、推定結果を示す信号を出力してもよい。
【０１３３】
［動作］
次に、本実施形態の撮像装置１０１の動作を説明する。
【０１３４】
図１を参照して説明したとおり、対象物１０２である頭部に照射された７５０ｎｍまたは８５０ｎｍの波長の光の大部分のエネルギーは、対象物１０２の表面で反射される。しかし、ごく一部の成分は対象物１０２の深部まで散乱しながら到達し、さらに散乱を継続して、極少量のエネルギー成分が内部散乱成分として、再び頭部の額表面に到達する。その光の一部は、光学系１１１およびダブルバンドパスフィルタ１１２を透過して、イメージセンサ１１３に到達する。
【０１３５】
イメージセンサ１１３に到達する内部散乱成分のエネルギーは、イメージセンサ１１３に到達する表面反射成分のエネルギーの約１万分の１程度に減衰し得る。この減衰した光の成分に脳活動の情報が含まれるため、エネルギーの高いノイズである表面反射成分の影響を如何に除去するかが重要な問題となる。
【０１３６】
そこで、本実施形態における制御回路１１４は、図３を参照して説明した例と同様、イメージセンサ１１３の各画素において、パルス光の表面反射成分が入射している間は電子シャッタをＣＬＯＳＥにし、表面反射成分の後端が入射した後、内部散乱成分が入射している間に電子シャッタをＯＰＥＮに切り替える。そして、発光パルス幅相当の期間、シャッタＯＰＥＮの状態を維持し、再びシャッタをＣＬＯＳＥにする。その後、次のパルス発光を行い、同じ動作を行う。以上の動作を繰り返すことで、表面反射成分に起因する成分を効率良く除去して、脳活動の情報を含む内部散乱成分の成分のみを検出することができる。
【０１３７】
なお、発光を開始してから電子シャッタをＣＬＯＳＥからＯＰＥＮに切り替えるまでの時間は、検出開始前に予め決定され得る。例えば、検出開始前に、光源１０３または光源１０４による予備的な発光を行い、その光をイメージセンサ１１３で検出することにより、発光を開始してから表面反射成分の後端がイメージセンサ１１３に到達するまでの時間を測定できる。当該時間を、発光を開始してから電子シャッタをＯＰＥＮにするまでの時間に設定すればよい。
【０１３８】
対象物１０２が人の額であり、脳血流などの情報を検出する際には、内部での光の減衰率が非常に大きいため、内部散乱成分のみを検出するには、１パルスの照射だけでは光量が不足し得る。このため、本実施形態では、パルス光を複数回発光し、それに応じてイメージセンサ１１３の電子シャッタによって複数回露光する。これにより、検出信号が積算されるため、感度を向上させることができる。しかし、用途によっては、複数回の発光および露光を行わなくてもよい場合もあり得る。その場合には、各光源について、１フレームあたり１回の発光および露光が行われる。
【０１３９】
前述のように、電子シャッタがＣＬＯＳＥの場合であっても、全ての信号電荷がドレイン４０２に排出されるわけではない。強い表面反射成分に起因する信号電荷の一部は、各浮遊拡散層に漏れ込んでしまう。そこで、本実施形態では、この漏れ込む信号電荷の量を低減するために、表面反射成分が画素に入射している期間は、画素の感度を特に低くする。
【０１４０】
図１５は、本実施形態における撮像装置１０１の動作の例を示すシステムタイミング図である。図１５において、信号Ａ１、Ａ２はそれぞれ光源１０３、の光源１０４から出射されるパルス光の波形を示し、信号Ｆは画素の感度を示し、信号Ｇ１、Ｇ２はそれぞれ浮遊拡散層４０４、４０５のＯＮ（すなわち浮遊拡散層に電荷が蓄積される状態）、ＯＦＦ（すなわち浮遊拡散層に電荷が蓄積されない状態）のタイミングを示す。図１５は、１つのフレームの画像信号を取得する期間であるフレーム期間の動作を例示している。１つのフレーム期間は、７５０ｎｍの波長の光を出射する光源１０３を用いて撮像する期間と、８５０ｎｍの波長の光を出射する光源１０４を用いて撮像する期間とに分けられる。制御回路１１４は、まず、光源１０３を所定の周期で複数回発光させ、その発光に同期して浮遊拡散層４０４に信号電荷を蓄積させる。次に、制御回路１１４は、光源１０４を所定の周期で複数回発光させ、その発光に同期して浮遊拡散層４０５に信号電荷を蓄積させる。浮遊拡散層４０４に蓄積された信号電荷は、７５０ｎｍの波長の光に基づく画像の生成に用いられる。浮遊拡散層４０５に蓄積された信号電荷は、８５０ｎｍの波長の光に基づく画像の生成に用いられる。以下、この動作をより詳細に説明する。
【０１４１】
制御回路１１４は、まず、７５０ｎｍの波長の光を出射する光源１０３にパルス光を複数回出射させる。例えば、制御回路１１４は、光源１０３に、約１０ｎｓのパルス幅のパルス光を、約１０ＭＨｚの周波数で、１００μｓｅｃ程度の期間にわたって１０００回程度繰り返し発光させる。光源１０３の発光が繰り返されている間、浮遊拡散層４０４に対する第１の転送ゲート７０６はアクティブの状態に、浮遊拡散層４０５に対する第２の転送ゲート７０８は非アクティブの状態にされる。この状態において、光源１０３の発光に同期して画素の感度が制御される。より具体的には、イメージセンサ１１３における高速タイミング制御回路４１４は、対象物１０２からのパルス光の表面反射成分Ｉ１がフォトダイオード４０３に入射している期間は、第１の転送ゲート７０６のゲート電圧を最も低くして、画素の感度を最も低くする。パルス光の内部散乱成分Ｉ２がフォトダイオード４０３に入射する期間は、第１の転送ゲート７０６のゲート電圧を最も高くして、画素の感度を最も高くする。パルス光のいずれの成分もフォトダイオード４０３に入射していない期間は、電圧レベルを中間のレベルにする。このような制御により、対象物１０２からの内部散乱成分に起因してフォトダイオード４０３で発生した信号電荷は、浮遊拡散層４０４に繰り返し蓄積される。
【０１４２】
制御回路１１４は、浮遊拡散層４０４への信号電荷の蓄積が完了すると、第１の転送ゲート７０６を非アクティブにし、代わりに、第２の転送ゲート７０８をアクティブにする。この状態で、制御回路１１４は、８５０ｎｍの波長の光を出射する光源１０４のパルス発光を開始する。光源１０４のパルス発光も、光源１０３のパルス発光と同じ周波数、パルス幅で、同じ回数だけ行われ得る。以後、光源１０４の発光に同期して画素の感度が制御される。より具体的には、高速タイミング制御回路４１４は、対象物１０２からのパルス光の表面反射成分Ｉ１がフォトダイオード４０３に入射している期間は、第２の転送ゲート７０８のゲート電圧を最も低くするなどの制御により、画素の感度を最も低くする。パルス光の内部散乱成分Ｉ２がフォトダイオード４０３に入射する期間は、第２の転送ゲート７０８のゲート電圧を最も低くするなどの制御により、画素の感度を最も高くする。パルス光のいずれの成分もフォトダイオード４０３に入射していない期間は、画素の感度を中間のレベルにする。このような制御により、対象物１０２からの内部散乱成分に起因してフォトダイオード４０３で発生した信号電荷が、浮遊拡散層４０５に繰り返し蓄積される。
【０１４３】
以上の動作が完了すると、制御回路１１４は、イメージセンサ１１３に、浮遊拡散層４０４、４０５にそれぞれ蓄積された信号電荷に基づく電気信号を生成させる。イメージセンサ１１３は、生成した電気信号を、信号処理回路１１５に送る。信号処理回路１１５は、浮遊拡散層４０４に蓄積された信号電荷に基づく信号から、光源１０３からの光の波長である７５０ｎｍに対応する画素信号を生成する。同様に、浮遊拡散層４０５に蓄積された信号電荷に基づく信号から、光源１０４からの光の波長である８５０ｎｍに対応する画素信号を生成する。このような演算を画素ごとに実行することにより、７５０ｎｍおよび８５０ｎｍの各波長に対応する画像の各画素の信号が得られる。以上の処理により、信号処理回路１１５は、波長７５０ｎｍ、８５０ｎｍのそれぞれについて、画像のデータを生成する。
【０１４４】
以上の構成および動作により、浮遊拡散層４０４および浮遊拡散層４０５のそれぞれの信号に混入するノイズ成分を除去することができる。これにより、生体の内部で散乱された光に基づく信号を高い精度で求めることができる。
【０１４５】
本実施形態では、２つの光源１０３、１０４を用いているが、１つの光源のみを用いてもよい。１つの光源のみを用いる場合は、図１５に示す動作のうち、いずれか一方の光源を用いて露光または信号蓄積する動作のみを行えばよい。
【０１４６】
以上のように、本実施形態によれば、対象物の内部情報を、対象物に接触しない状態で、かつ、対象物表面からの反射成分および表面直下からの散乱成分によるノイズを抑制した状態で高解像度に取得することができる。また、本実施形態によれば、従来の方法に比べて安価な方法で対象物を測定できる。
【産業上の利用可能性】
【０１４７】
本開示における撮像装置は、非接触で測定対象の内部情報を取得するカメラまたは測定機器に有用である。生体・医療センシング、材料分析、食品分析、および車載センシングシステム等に応用できる。
【符号の説明】
【０１４８】
１０１  撮像装置
１０２  対象物
１０３、１０４  光源
１１１  光学系
１１２  ダブルバンドパスフィルタ
１１３  イメージセンサ
１１４  制御回路
１１５  信号処理回路
４０１  画素
４０２  ドレイン
４０３  フォトダイオード
４０４、４０５、４０６  浮遊拡散層
４１４  高速タイミング制御回路  ６０１  画素駆動回路
６０２  水平ＣＣＤ
６０３  出力回路
６０４  垂直ＣＣＤ
６０５  遮光部材
６０６  電極
６０７  水平転送回路
７０２  転送ゲート
７０４  ドレインゲート
７０６  第１の転送ゲート
７０８  第２の転送ゲート
７１０  第３の転送ゲート
【図１】
2017229057.tif 000006
【図２】
2017229057.tif 000007
【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
2017229057.tif 000011
【図４Ｄ】
2017229057.tif 000012
【図４Ｅ】
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【図５Ａ】
2017229057.tif 000014
【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
2017229057.tif 000016
【図６Ｂ】
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【図７】
2017229057.tif 000018
【図８Ａ】
2017229057.tif 000019
【図８Ｂ】
2017229057.tif 000020
【図８Ｃ】
2017229057.tif 000021
【図９Ａ】
2017229057.tif 000022
【図９Ｂ】
2017229057.tif 000023
【図９Ｃ】
2017229057.tif 000024
【図９Ｄ】
2017229057.tif 000025
【図９Ｅ】
2017229057.tif 000026
【図１０Ａ】
2017229057.tif 000027
【図１０Ｂ】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１１Ｃ】
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【図１１Ｄ】
2017229057.tif 000032
【図１１Ｅ】
2017229057.tif 000033
【図１２】
2017229057.tif 000034
【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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