(57)【要約】  本開示の一態様に係る光計測装置は、光源と、光検出器と、制御回路と、信号処理回路とを備える。前記制御回路は、前記光源に、測定対象に照射される第１の光パルスおよび第２の光パルスを出射させ、前記光検出器に、第１の反射光パルスの第１の部分を第１の時間長を有する第１の期間において検出させると共に、前記第１の部分の光量を示す第１の信号を出力させ、前記光検出器に、第２の反射光パルスの第２の部分を第２の時間長を有する第２の期間において検出させると共に、前記第２の部分の光量を示す第２の信号を出力させる。前記信号処理回路は、前記第１の信号の変動および前記第２の信号の変動に基づき、前記測定対象の内部状態の変動を示す情報を生成する。
2020121704.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象に照射される複数の光パルスを出射する光源と、
前記測定対象から戻ってきた複数の反射光パルスの少なくとも一部を検出する光検出器と、
前記光源および前記光検出器を制御する制御回路と、
前記光検出器から出力された信号を処理する信号処理回路と、
を備え、
前記複数の光パルスは、第１の光パルスおよび第２の光パルスを含み、
前記複数の反射光パルスは、前記第１の光パルスに起因する第１の反射光パルスおよび前記第２の光パルスに起因する第２の反射光パルスを含み、
前記制御回路は、
前記光源に、前記第１の光パルスおよび前記第２の光パルスをそれぞれ異なるタイミングで出射させ、
前記光検出器に、前記第１の反射光パルスの第１の部分を第１の時間長を有する第１の期間において検出させると共に、前記第１の部分の光量を示す第１の信号を出力させ、前記第１の期間は、前記第１の反射光パルスの強度の減少が開始してから終了するまでの期間である第１の立ち下がり期間中の第１の時点から開始し、
前記光検出器に、前記第２の反射光パルスの第２の部分を第２の時間長を有する第２の期間において検出させると共に、前記第２の部分の光量を示す第２の信号を出力させ、前記第２の期間は、前記第２の反射光パルスの強度の減少が開始してから終了するまでの期間である第２の立ち下がり期間中の第２の時点から開始し、
前記第１の立ち下がり期間の開始から前記第１の時点までの時間間隔は、前記第２の立ち下がり期間の開始から前記第２の時点までの時間間隔とは異なり、
前記制御回路は、前記光源に前記第１の光パルスを出射させ、前記光検出器に前記第１の反射光パルスを検出させ、かつ前記光検出器に前記第１の信号を出力させる制御を複数回実行し、
前記制御回路は、前記光源に前記第２の光パルスを出射させ、前記光検出器に前記第２の反射光パルスを検出させ、かつ前記光検出器に前記第２の信号を出力させる制御を複数回実行し、
前記信号処理回路は、前記第１の信号の変動および前記第２の信号の変動に基づき、前記測定対象の内部状態の変動を示す情報を生成する、
光計測装置。
【請求項２】
前記第１の時間長と、前記第２の時間長とは同一である、
請求項１に記載の光計測装置。
【請求項３】
前記第１の時点は、前記第１の立ち下がり期間において式（１）によって表されるＪ（ｔ）の値が最大となる第３の時点よりも前であり、
前記第２の時点は、前記第２の立ち下がり期間において前記Ｊ（ｔ）の値が最大となる第４の時点よりも後であり、
【数１】
2020121704.tif 000009
ｔは前記第１の反射光パルスまたは前記第２の反射光パルスの検出を開始する時間、δｔは微小時間、Ｉ（ｔ）は前記第１の期間において検出された前記第１の反射光パルスの光量を積算した量、または前記第２の期間において検出された前記第２の反射パルスの光量を積算した量である、
請求項２に記載の光計測装置。
【請求項４】
前記信号処理回路は、前記第１の信号と前記第２の信号との比の変動に基づき前記情報を生成する、
請求項１から３のいずれかに記載の光計測装置。
【請求項５】
前記測定対象の前記内部状態が一定であるとき、
前記測定対象と前記光検出器との距離が第１の距離にある場合における前記第１の信号と前記第２の信号との比の値は、前記測定対象と前記光検出器との距離が前記第１の距離とは異なる第２の距離にある場合における前記比の値に実質的に等しい、
請求項１から４のいずれかに記載の光計測装置。
【請求項６】
前記測定対象は生体であり、
前記情報は、前記測定対象の血流の量の変動を示す、
請求項１から５のいずれかに記載の光計測装置。
【請求項７】
前記血流は、前記生体の脳血流である、
請求項６に記載の光計測装置。
【請求項８】
前記制御回路は、前記光源および前記光検出器に、前記第１の時点および前記第２の時点を調整するキャリブレーション動作を実行させ、
前記キャリブレーション動作において、前記制御回路は、
前記光源に、複数の第３の光パルスを出射させ、
前記光検出器に、前記複数の第３の光パルスに起因する複数の第３の反射光パルスを、前記複数の第３の反射光パルスの各々の強度の減少が開始してから検出を開始するまでの時間差を微小時間ずつシフトさせながら、検出させ、
前記複数の第３の反射光パルスの各々を検出する期間は第３の時間長を有し、
前記第１の時間長、前記第２の時間長、および前記第３の時間長は同一である、
請求項１から７のいずれかに記載の光計測装置。
【請求項９】
測定対象に照射される光パルスを出射する光源と、
前記光パルスに起因して前記測定対象から戻ってきた反射光パルスの少なくとも一部を検出する光検出器と、
前記光源および前記光検出器を制御する制御回路と、
前記光検出器から出力された信号を処理する信号処理回路と、
を備え、
前記制御回路は、
前記光源に、前記光パルスを出射させ、
前記光検出器に、前記反射光パルスの第１の部分を第１の時間長を有する第１の期間において検出させると共に、前記第１の部分の光量を示す第１の信号を出力させ、前記第１の期間は、前記反射光パルスの強度の減少が開始してから終了するまでの期間である立ち下がり期間中の第１の時点から開始し、
前記光検出器に、前記反射光パルスの第２の部分を第２の時間長を有する第２の期間において検出させると共に、前記第２の部分の光量を示す第２の信号を出力させ、前記第２の期間は、前記立ち下がり期間中の第２の時点から開始し、
前記立ち下がり期間の開始から前記第１の時点までの時間間隔は、前記立ち下がり期間の前記開始から前記第２の時点までの時間間隔とは異なり、
前記制御回路は、前記光源に前記光パルスを出射させ、前記光検出器に前記反射光パルスを検出させ、かつ前記光検出器に前記第１の信号および前記第２の信号を出力させる制御を複数回実行し、
前記信号処理回路は、前記第１の信号の変動および前記第２の信号の変動に基づき、前記測定対象の内部状態の変動を示す情報を生成する、
光計測装置。
【請求項１０】
前記第１の時間長と、前記第２の時間長とは同一である、
請求項９に記載の光計測装置。
【請求項１１】
前記第１の時点は、前記立ち下がり期間において式（１）で表されるＪ（ｔ）の値が最大となる第３の時点よりも前であり、
前記第２の時点は、第３の時点よりも後であり、
【数２】
2020121704.tif 000010
ｔは前記反射光パルスの検出を開始する時間、δｔは微小時間、Ｉ（ｔ）は前記第１の期間において検出された前記反射光パルスの光量を積算した量である、
請求項１０に記載の光計測装置。
【請求項１２】
前記信号処理回路は、前記第１の信号と前記第２の信号との比の変動に基づいて前記情報を生成する、
請求項９から１１のいずれかに記載の光計測装置。
【請求項１３】
前記測定対象の前記内部状態が一定であるとき、
前記測定対象と前記光検出器との距離が第１の距離にある場合における前記第１の信号と前記第２の信号との比の値は、前記測定対象と前記光検出器との距離が前記第１の距離とは異なる第２の距離にある場合における前記比の値に実質的に等しい、
請求項９から１２のいずれかに記載の光計測装置。
【請求項１４】
前記測定対象は生体であり、
前記情報は、前記測定対象の血流の量の変動を示す、
請求項９から１３のいずれかに記載の光計測装置。
【請求項１５】
前記血流は、前記生体の脳血流である、
請求項１４に記載の光計測装置。
【請求項１６】
前記制御回路は、前記光源および前記光検出器に、前記第１の時点および前記第２の時点を調整するキャリブレーション動作を実行させ、
前記キャリブレーション動作において、前記制御回路は、
前記光源に、複数の光パルスを出射させ、
前記光検出器に、前記複数の光パルスに起因する複数の反射光パルスを、前記複数の反射光パルスの各々の強度の減少が開始してから検出を開始するまでの時間差を微小時間ずつシフトさせながら、検出させ、
前記複数の反射光パルスの各々を検出する期間は第３の時間長を有し、
前記第１の時間長、前記第２の時間長、および前記第３の時間長は同一である、
請求項９から１５のいずれかに記載の光計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、光計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、光照射によって生体情報の変化を計測する方法が知られている。例えば、特許文献１は、被検者の頭部に光照射部と受光部が配置された状態で、脳の血流変化を計測する生体光計測装置を開示している。特許文献２は、運転席のヘッドレストに搭載された赤外光ユニットを用いて、運転者の頭部の血流分布または血流量の情報を取得する生体情報取得装置を開示している。特許文献３は、被検者を光で照射して、被検者の生体活動を示す情報を非接触で計測する生体活動計測装置を開示している。特許文献４は、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によるノイズを抑制した状態で測定できる撮像装置を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平０９−０１９４０８号公報
【特許文献２】特開２００８−２８４１６５号公報
【特許文献３】特開２００３−３３７１０２号公報
【特許文献４】特開２０１７−００９５８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本開示は、計測中に測定対象と計測装置との相対位置が変化した場合であっても、内部情報を非接触で取得し得る新規な技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本開示の一態様に係る光計測装置は、測定対象に照射される複数の光パルスを出射する光源と、前記測定対象から戻ってきた複数の反射光パルスの少なくとも一部を検出する光検出器と、前記光源および前記光検出器を制御する制御回路と、前記光検出器から出力された信号を処理する信号処理回路と、を備える。前記複数の光パルスは、第１の光パルスおよび第２の光パルスを含み、前記複数の反射光パルスは、前記第１の光パルスに起因する第１の反射光パルスおよび前記第２の光パルスに起因する第２の反射光パルスを含む。前記制御回路は、前記光源に、前記第１の光パルスおよび前記第２の光パルスをそれぞれ異なるタイミングで出射させ、前記光検出器に、前記第１の反射光パルスの第１の部分を第１の時間長を有する第１の期間において検出させると共に、前記第１の部分の光量を示す第１の信号を出力させ、前記第１の期間は、前記第１の反射光パルスの強度の減少が開始してから終了するまでの期間である第１の立ち下がり期間中の第１の時点から開始し、前記光検出器に、前記第２の反射光パルスの第２の部分を第２の時間長を有する第２の期間において検出させると共に、前記第２の部分の光量を示す第２の信号を出力させ、前記第２の期間は、前記第２の反射光パルスの強度の減少が開始してから終了するまでの期間である第２の立ち下がり期間中の第２の時点から開始する。前記第１の立ち下がり期間の開始から前記第１の時点までの時間間隔は、前記第２の立ち下がり期間の開始から前記第２の時点までの時間間隔とは異なる。前記制御回路は、前記光源に前記第１の光パルスを出射させ、前記光検出器に前記第１の反射光パルスを検出させ、かつ前記光検出器に前記第１の信号を出力させる制御を複数回実行する。前記制御回路は、前記光源に前記第２の光パルスを出射させ、前記光検出器に前記第２の反射光パルスを検出させ、かつ前記光検出器に前記第２の信号を出力させる制御を複数回実行する。前記信号処理回路は、前記第１の信号の変動および前記第２の信号の変動に基づき、前記測定対象の内部状態の変動を示す情報を生成する。
【発明の効果】
【０００６】
本開示の技術によれば、計測中に測定対象と計測装置との相対位置が変化した場合であっても、内部情報を非接触で取得することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１Ａ】図１Ａは、光計測装置の例を模式的に示す図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、光検出器に到達する光の強度の時間変化の例を示す図である。
【図１Ｃ】図１Ｃは、入力光パルスの幅を横軸に、光検出器での検出光量を縦軸に表した図である。
【図１Ｄ】図１Ｄは、光検出器の１つの画素の概略的な構成の例を示す図である。
【図１Ｅ】図１Ｅは、光検出器の構成の一例を示す図である。
【図１Ｆ】図１Ｆは、１フレーム内の動作の例を示す図である。
【図１Ｇ】図１Ｇは、制御回路による動作の概略を示すフローチャートである。
【図２】図２は、光パルスの内部散乱成分の検出方法を説明するための図である。
【図３Ａ】図３Ａは、表面反射成分を検出する場合のタイミングチャートの一例を模式的に示す図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、内部散乱成分を検出する場合のタイミングチャートの一例を模式的に示す図である。
【図４】図４は、対象物までの距離に応じて適切なシャッタタイミングを決定する方法を説明するための図である。
【図５】図５は、対象物までの距離に応じてシャッタタイミングを調整する動作の一例を示すフローチャートである。
【図６Ａ】図６Ａは、脳血流量の変化を検出する方法の例を模式的に示す図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、ユーザの対象部内の複数箇所での計測を同時に行う方法の一例を模式的に示す図である。
【図７Ａ】図７Ａは、光の照射領域の一例を模式的に示す図である。
【図７Ｂ】図７Ｂは、ユーザの頭部の横方向の動きに起因する計測結果の変化を模式的に示す図である。
【図８Ａ】図８Ａは、ユーザの対象部が装置から所定の距離にある場合において検出される反射光パルスの後端成分の例を模式的に示す図である。
【図８Ｂ】図８Ｂは、計測中にユーザの対象部が装置に近づいた場合において検出される反射光パルスの後端成分の例を模式的に示す図である。
【図９】図９は、例示的な実施形態による計測の原理を説明する図である。
【図１０】図１０は、例示的な実施形態における光計測装置の動作の一例を示すフローチャートである。
【図１１】図１１は、計測を開始する前の光計測装置の動作の一例を示すフローチャートである。
【図１２】図１２は、光計測装置の動作の他の例を示すフローチャートである。
【図１３】図１３は、計測の原理を説明する他の図である。
【図１４】図１４は、光計測装置の動作のさらに他の例を示すフローチャートである。
【図１５】図１５は、自動車内の座席に座るユーザの脳血流情報を取得する例を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
（本開示の一態様に至った経緯）
特許文献１に記載の装置では、光照射部および受光部を被検者の頭部に接触させた状態で、脳の血流動態変化が計測される。特許文献２に記載の装置では、赤外光ユニットを運転者の頭部に近接させた状態で、運転者の頭部の血流分布または血流量が取得される。いずれの装置でも、被検者または運転者は、拘束感によってストレスを感じ得る。
【０００９】
一方、特許文献３および特許文献４に記載の装置では、光源からユーザの対象部に向けて光を出射して、当該対象部からの反射光を光検出器によって検出することにより、ユーザの生体内部の情報を非接触で計測することができる。非接触での計測では、拘束感によるストレスは生じない。しかし、非接触での計測では、ユーザの対象部と光検出器との距離が変化すると、当該対象部からの反射光が光検出器に入射するタイミングが変化する。このため、当該タイミングの変化を考慮せずに計測すると、計測精度が低下し得る。
【００１０】
本発明者らは、以上の検討に基づき、以下の項目に記載の光計測装置に想到した。
【００１１】
［項目１］
第１の項目に係る光計測装置は、測定対象に照射される複数の光パルスを出射する光源と、前記測定対象から戻ってきた複数の反射光パルスの少なくとも一部を検出する光検出器と、前記光源および前記光検出器を制御する制御回路と、前記光検出器から出力された信号を処理する信号処理回路と、を備える。前記複数の光パルスは、第１の光パルスおよび第２の光パルスを含み、前記複数の反射光パルスは、前記第１の光パルスに起因する第１の反射光パルスおよび前記第２の光パルスに起因する第２の反射光パルスを含む。前記制御回路は、前記光源に、前記第１の光パルスおよび前記第２の光パルスをそれぞれ異なるタイミングで出射させ、前記光検出器に、前記第１の反射光パルスの第１の部分を第１の時間長を有する第１の期間において検出させると共に、前記第１の部分の光量を示す第１の信号を出力させ、前記第１の期間は、前記第１の反射光パルスの強度の減少が開始してから終了するまでの期間である第１の立ち下がり期間中の第１の時点から開始し、
前記光検出器に、前記第２の反射光パルスの第２の部分を第２の時間長を有する第２の期間において検出させると共に、前記第２の部分の光量を示す第２の信号を出力させ、前記第２の期間は、前記第２の反射光パルスの強度の減少が開始してから終了するまでの期間である第２の立ち下がり期間中の第２の時点から開始する。前記第１の立ち下がり期間の開始から前記第１の時点までの時間間隔は、前記第２の立ち下がり期間の開始から前記第２の時点までの時間間隔とは異なる。前記制御回路は、前記光源に前記第１の光パルスを出射させ、前記光検出器に前記第１の反射光パルスを検出させ、かつ前記光検出器に前記第１の信号を出力させる制御を複数回実行する。前記制御回路は、前記光源に前記第２の光パルスを出射させ、前記光検出器に前記第２の反射光パルスを検出させ、かつ前記光検出器に前記第２の信号を出力させる制御を複数回実行する。前記信号処理回路は、前記第１の信号の変動および前記第２の信号の変動に基づき、前記測定対象の内部状態の変動を示す情報を生成する。
【００１２】
［項目２］
第１の項目に係る光計測装置において、前記第１の時間長と、前記第２の時間長とは同一であってもよい。
【００１３】
［項目３］
第２の項目に係る光計測装置において、前記第１の時点は、前記第１の立ち下がり期間においてＪ（ｔ）＝｜Ｉ（ｔ＋δｔ）−Ｉ（ｔ）｜／Ｉ（ｔ）の値が最大となる第３の時点よりも前であり、前記第２の時点は、前記第２の立ち下がり期間において前記Ｊ（ｔ）の値が最大となる第４の時点よりも後であり、ｔは前記第１の反射光パルスまたは前記第２の反射光パルスの検出を開始する時間、δｔは微小時間、Ｉ（ｔ）は前記第１の期間において検出された前記第１の反射光パルスの光量を積算した量、または前記第２の期間において検出された前記第２の反射パルスの光量を積算した量であってもよい。
【００１４】
［項目４］
第１から第３の項目のいずれかに係る光計測装置において、前記信号処理回路は、前記第１の信号と前記第２の信号との比の変動に基づき前記情報を生成してもよい。
【００１５】
［項目５］
第１から第４の項目のいずれかに係る光計測装置において、前記測定対象の前記内部状態が一定であるとき、前記測定対象と前記光検出器との距離が第１の距離にある場合における前記第１の信号と前記第２の信号との比の値は、前記測定対象と前記光検出器との距離が前記第１の距離とは異なる第２の距離にある場合における前記比の値に実質的に等しくてもよい。
【００１６】
［項目６］
第１から第５の項目のいずれかに係る光計測装置において、前記測定対象は生体であり、前記情報は、前記測定対象の血流の量の変動を示していてもよい。
【００１７】
［項目７］
第６の項目に係る光計測装置において、前記血流は、前記生体の脳血流であってもよい。
【００１８】
［項目８］
第１から第７の項目のいずれかに係る光計測装置において、前記制御回路は、前記光源および前記光検出器に、前記第１の時点および前記第２の時点を調整するキャリブレーション動作を実行させ、前記キャリブレーション動作において、前記制御回路は、前記光源に、複数の第３の光パルスを出射させ、前記光検出器に、前記複数の第３の光パルスに起因する複数の第３の反射光パルスを、前記複数の第３の反射光パルスの各々の強度の減少が開始してから検出を開始するまでの時間差を微小時間ずつシフトさせながら、検出させ、前記複数の第３の反射光パルスの各々を検出する期間は第３の時間長を有し、前記第１の時間長、前記第２の時間長、および前記第３の時間長は同一であってもよい。
【００１９】
［項目９］
第９の項目に係る光計測装置は、測定対象に照射される光パルスを出射する光源と、前記光パルスに起因して前記測定対象から戻ってきた反射光パルスの少なくとも一部を検出する光検出器と、前記光源および前記光検出器を制御する制御回路と、前記光検出器から出力された信号を処理する信号処理回路と、を備える。前記制御回路は、前記光源に、前記光パルスを出射させ、前記光検出器に、前記反射光パルスの第１の部分を第１の時間長を有する第１の期間において検出させると共に、前記第１の部分の光量を示す第１の信号を出力させ、前記第１の期間は、前記反射光パルスの強度の減少が開始してから終了するまでの期間である立ち下がり期間中の第１の時点から開始し、前記光検出器に、前記反射光パルスの第２の部分を第２の時間長を有する第２の期間において検出させると共に、前記第２の部分の光量を示す第２の信号を出力させ、前記第２の期間は、前記立ち下がり期間中の第２の時点から開始する。前記立ち下がり期間の開始から前記第１の時点までの時間間隔は、前記立ち下がり期間の前記開始から前記第２の時点までの時間間隔とは異なる。前記制御回路は、前記光源に前記光パルスを出射させ、前記光検出器に前記反射光パルスを検出させ、かつ前記光検出器に前記第１の信号および前記第２の信号を出力させる制御を複数回実行する。前記信号処理回路は、前記第１の信号の変動および前記第２の信号の変動に基づき、前記測定対象の内部状態の変動を示す情報を生成する。
【００２０】
［項目１０］
第９の項目に係る光計測装置において、前記第１の時間長と、前記第２の時間長とは同一であってもよい。
【００２１】
［項目１１］
第１０の項目に係る光計測装置において、前記第１の時点は、前記立ち下がり期間においてＪ（ｔ）＝｜Ｉ（ｔ＋δｔ）−Ｉ（ｔ）｜／Ｉ（ｔ）の値が最大となる第３の時点よりも前であり、前記第２の時点は、第３の時点よりも後であり、ｔは前記反射光パルスの検出を開始する時間、δｔは微小時間、Ｉ（ｔ）は前記第１の期間において検出された前記反射光パルスの光量を積算した量であってもよい。
【００２２】
［項目１２］
第９から第１１の項目のいずれかに係る光計測装置において、前記信号処理回路は、前記第１の信号と前記第２の信号との比の変動に基づいて前記情報を生成してもよい。
【００２３】
［項目１３］
第９から第１２の項目のいずれかに記載の光計測装置において、前記測定対象の前記内部状態が一定であるとき、前記測定対象と前記光検出器との距離が第１の距離にある場合における前記第１の信号と前記第２の信号との比の値は、前記測定対象と前記光検出器との距離が前記第１の距離とは異なる第２の距離にある場合における前記比の値に実質的に等しくてもよい。
【００２４】
［項目１４］
第９から第１３の項目のいずれかに係る光計測装置において、前記測定対象は生体であり、前記情報は、前記測定対象の血流の量の変動を示していてもよい。
【００２５】
［項目１５］
第１４の項目に係る光計測装置において、前記血流は、前記生体の脳血流であってもよい。
【００２６】
［項目１６］
第１から第１５の項目のいずれかに係る光計測装置において、前記制御回路は、前記光源および前記光検出器に、前記第１の時点および前記第２の時点を調整するキャリブレーション動作を実行させ、前記キャリブレーション動作において、前記制御回路は、前記光源に、複数の光パルスを出射させ、前記光検出器に、前記複数の光パルスに起因する複数の反射光パルスを、前記複数の反射光パルスの各々の強度の減少が開始してから検出を開始するまでの時間差を微小時間ずつシフトさせながら、検出させ、前記複数の反射光パルスの各々を検出する期間は第３の時間長を有し、前記第１の時間長、前記第２の時間長、および前記第３の時間長は同一であってもよい。
【００２７】
以下で説明する実施の形態は、いずれも包括的または具体的な例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置などは、一例であり、本開示の技術を限定する趣旨ではない。また、以下の実施の形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。
【００２８】
本開示において、回路、ユニット、装置、部材または部の全部または一部、またはブロック図における機能ブロックの全部または一部は、例えば、半導体装置、半導体集積回路（ＩＣ）、またはＬＳＩ（ｌａｒｇｅ  ｓｃａｌｅ  ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）を含む１つまたは複数の電子回路によって実行され得る。ＬＳＩまたはＩＣは、１つのチップに集積されてもよいし、複数のチップを組み合わせて構成されてもよい。例えば、記憶素子以外の機能ブロックは、１つのチップに集積されてもよい。ここでは、ＬＳＩまたはＩＣと呼んでいるが、集積の度合いによって呼び方が変わり、システムＬＳＩ、ＶＬＳＩ（ｖｅｒｙ  ｌａｒｇｅ  ｓｃａｌｅ  ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）、もしくはＵＬＳＩ（ｕｌｔｒａ  ｌａｒｇｅ  ｓｃａｌｅ  ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）と呼ばれるものであってもよい。ＬＳＩの製造後にプログラムされる、Ｆｉｅｌｄ  Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  Ｇａｔｅ  Ａｒｒａｙ（ＦＰＧＡ）、またはＬＳＩ内部の接合関係の再構成またはＬＳＩ内部の回路区画のセットアップができるｒｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅ  ｌｏｇｉｃ  ｄｅｖｉｃｅも同じ目的で使うことができる。
【００２９】
さらに、回路、ユニット、装置、部材または部の全部または一部の機能または操作は、ソフトウェア処理によって実行することが可能である。この場合、ソフトウェアは１つまたは複数のＲＯＭ、光学ディスク、ハードディスクドライブなどの非一時的記録媒体に記録され、ソフトウェアが処理装置（ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）によって実行されたときに、そのソフトウェアで特定された機能が処理装置（ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）および周辺装置によって実行される。システムまたは装置は、ソフトウェアが記録されている１つまたは複数の非一時的記録媒体、処理装置（ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）、および必要とされるハードウェアデバイス、例えばインターフェースを備えていてもよい。
【００３０】
以下、実施形態について、図面を参照しながら具体的に説明する。以下の説明において、同一または類似する構成要素には同一の符号を付す。
【００３１】
（実施形態）
［１．光計測装置１００］
図１Ａから図３Ｂを参照して、本開示の例示的な実施形態における光計測装置１００の構成を説明する。
【００３２】
図１Ａは、本実施形態における光計測装置１００の例を模式的に示す図である。
【００３３】
光計測装置１００は、光源２０と、光検出器３０と、制御回路６０と、信号処理回路７０とを備える。本実施形態における光検出器３０は、２次元画像を取得するイメージセンサである。光検出器３０は、２次元画像を取得するイメージセンサに限らず、１次元画像を取得するイメージセンサであってもよい。用途によっては、光検出器３０は、単一の光電変換素子を備えたセンサであってもよい。
【００３４】
光源２０は、測定対象であるユーザ１０の対象部１０ｔに照射される光パルスを出射する。光検出器３０は、ユーザ１０の対象部１０ｔから戻ってきた反射光パルスの少なくとも一部の光量を検出し、当該光量を示す信号を出力する。制御回路６０は、光源２０および光検出器３０を制御する。信号処理回路７０は、光検出器３０から出力された信号を処理する。
【００３５】
本実施形態では、制御回路６０は、光源２０を制御する光源制御部６１と、光検出器３０を制御する検出器制御部６２とを含む。光源制御部６１は、光源２０から出射される光パルスの強度、パルス幅、出射タイミング、および／または波長を制御する。検出器制御部６２は、光検出器３０の各画素における信号蓄積のタイミングを制御する。
【００３６】
本明細書において、「生体情報」とは、生体の計測可能な量を意味する。生体情報には、例えば、血流量、血圧、心拍数、脈拍数、呼吸数、体温、脳波、血液中の酸素化ヘモグロビン濃度、血液中の脱酸素化ヘモグロビン濃度、血中酸素飽和度、皮膚の反射スペクトルなどの、種々の量が含まれる。生体情報の一部は、バイタルサインと称されることがある。以下に、光計測装置１００の各構成要素を説明する。
【００３７】
［１−１．光源２０］
光源２０は、ユーザ１０の対象部１０ｔに向けて光を出射する。対象部１０ｔは、例えば、ユーザ１０の頭部であり、より具体的にはユーザ１０の額であり得る。脳活動情報を利用しない場合、ユーザ１０の対象部１０ｔは、例えば、腕、胴体、または足でもよい。光源２０から出射されてユーザ１０に到達した光は、ユーザ１０の表面で反射される表面反射成分Ｉ１と、ユーザ１０の内部で散乱される内部散乱成分Ｉ２とに分かれる。内部散乱成分Ｉ２は、生体内部で１回反射もしくは散乱、または多重散乱する成分である。ユーザ１０の頭部に向けて光を出射する場合、内部散乱成分Ｉ２は、ユーザ１０の頭部の表面から奥に８ｍｍから１６ｍｍほどの部位、例えば脳に到達し、再び光計測装置１００に戻る成分を指す。表面反射成分Ｉ１は、直接反射成分、拡散反射成分、および散乱反射成分の３つの成分を含む。直接反射成分は、入射角と反射角とが等しい反射成分である。拡散反射成分は、表面の凹凸形状によって拡散して反射する成分である。散乱反射成分は、表面近傍の内部組織によって散乱して反射する成分である。ユーザ１０の頭部に向けて光を出射する場合、散乱反射成分は、表皮内部で散乱して反射する成分である。ユーザ１０の表面で反射する表面反射成分Ｉ１は、これら３つの成分を含み得る。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、その一部が光検出器３０に到達する。
【００３８】
まず、内部散乱成分Ｉ２の取得方法を説明する。光源２０は、制御回路６０からの指示に従い、光パルスを所定の時間間隔または所定のタイミングで複数回繰り返し出射する。光源２０から出射される光パルスは、例えば立ち下がり期間がゼロに近い矩形波であり得る。本明細書において、「立ち下がり期間」とは、光パルスの強度が減少を開始してから減少が終了するまでの期間を意味する。一般に、ユーザ１０に入射した光は、様々な経路でユーザ１０内を伝搬し、時間差を伴ってユーザ１０の表面から出射する。このため、光パルスの内部散乱成分Ｉ２の後端は、広がりを有する。ユーザ１０の対象部１０ｔが額である場合、内部散乱成分Ｉ２の後端の広がりは、４ｎｓ程度である。このことを考慮すると、光パルスの立ち下がり期間は、例えばその半分以下である２ｎｓ以下に設定され得る。立ち下がり期間は、さらにその半分の１ｎｓ以下であってもよい。光源２０から出射される光パルスの立ち上がり期間は任意である。本明細書において、「立ち上がり期間」とは、光パルスの強度が増加を開始してから増加が終了するまでの期間である。本実施形態における内部散乱成分Ｉ２の検出では、光パルスの立ち下がり部分が使用され、立ち上がり部分は使用されない。光パルスの立ち上がり部分は、表面反射成分Ｉ１の検出に用いられ得る。光源２０は、例えば、ＬＤなどのレーザであり得る。レーザから出射される光は、光パルスの立ち下がり部分が時間軸に略直角である、急峻な時間応答特性を有する。
【００３９】
光源２０から出射される光の波長は、例えば６５０ｎｍ以上９５０ｎｍ以下の波長範囲に含まれる任意の波長であり得る。この波長範囲は、赤色から近赤外線の波長範囲に含まれる。本明細書では、可視光のみならず赤外線についても「光」の用語を使用する。上記の波長範囲は、「生体の窓」と呼ばれており、生体内の水分および皮膚に比較的吸収されにくいという性質を有する。生体を検出対象にする場合、上記の波長範囲の光を使用することにより、検出感度を高くすることができる。本実施形態のように、ユーザ１０の皮膚および脳の血流変化を検出する場合、使用される光は、主に酸素化ヘモグロビン（ＨｂＯ２）および脱酸素化ヘモグロビン（Ｈｂ）に吸収されると考えられる。酸素化ヘモグロビンと脱酸素化ヘモグロビンとでは、光吸収の波長依存性が異なる。一般に、血流に変化が生じると、酸素化ヘモグロビンおよび脱酸素化ヘモグロビンの濃度が変化する。この変化に伴い、光の吸収度合いも変化する。したがって、血流が変化すると、検出される光量も時間的に変化する。
【００４０】
光源２０は、上記の波長範囲に含まれる２つ以上の波長の光を出射してもよい。そのような複数波長の光は、複数の光源からそれぞれ出射されてもよい。２つの光源から異なる２つの波長の光がそれぞれ出射されるとき、ユーザ１０の対象部１０ｔを経由して光検出器３０に戻った２つの波長の光の光路長は、ほぼ等しくなるように設計され得る。この設計では、例えば、光検出器３０と一方の光源との距離、および光検出器３０と他方の光源との距離が一致しており、かつ、２つの光源が、光検出器３０を中心として回転対称になる位置に配置され得る。
【００４１】
本実施形態における光計測装置１００では、非接触でユーザ１０を計測するため、網膜への影響を考慮して設計された光源２０が用いられ得る。例えば、各国で策定されているレーザ安全基準のクラス１を満足する光源２０が用いられ得る。クラス１が満足されている場合、被爆放出限界（ＡＥＬ）が１ｍＷを下回るほどの低照度の光が、ユーザ１０に照射される。なお、光源２０自体はクラス１を満たしていなくてもよい。例えば、拡散板またはＮＤフィルタを光源２０の前に設置して光を拡散または減衰することにより、レーザ安全基準のクラス１が満たされていてもよい。
【００４２】
従来、生体内部の深さ方向における異なる場所での吸収係数または散乱係数などの情報を区別して検出するために、ストリークカメラが使用されていた。例えば、特開平４−１８９３４９は、そのようなストリークカメラの一例を開示している。これらのストリークカメラでは、所望の空間分解能で計測するために、パルス幅がフェムト秒またはピコ秒の極超短光パルスが用いられていた。
【００４３】
これに対し、本実施形態における光計測装置１００は、表面反射成分Ｉ１と内部散乱成分Ｉ２とを区別して検出することができる。したがって、光源２０から出射される光パルスは、極超短光パルスである必要はなく、パルス幅を任意に選択することができる。
【００４４】
脳血流を計測するためにユーザ１０の頭部を光で照射する場合、内部散乱成分Ｉ２の光量は、表面反射成分Ｉ１の光量の数千分の１から数万分の１程度の非常に小さい値になり得る。さらに、レーザの安全基準を考慮すると、照射できる光の光量は、極めて小さくなる。したがって、内部散乱成分Ｉ２の検出は非常に難しくなる。その場合でも、光源２０が、比較的パルス幅の大きい光パルスを出射すれば、時間遅れを伴う内部散乱成分Ｉ２の積算量を増加させることができる。それにより、検出光量を増やし、ＳＮ比を向上させることができる。
【００４５】
光源２０は、例えばパルス幅が３ｎｓ以上の光パルスを出射する。一般に、脳などの生体組織内で散乱された光の時間的な広がりは４ｎｓ程度である。図１Ｂは、光検出器３０に到達する光の強度の時間変化の例を示す図である。図１Ｂには、光源２０から出射される入力光パルスの幅が、０ｎｓ、３ｎｓ、および１０ｎｓである３つの場合の例が示されている。図１Ｂに示すように、光源２０からの光パルスの幅を広げるにつれて、ユーザ１０から戻った光パルスの後端部に現れる内部散乱成分Ｉ２の光量が増加する。
【００４６】
図１Ｃは、入力光パルスの幅を横軸に、光検出器３０での検出光量を縦軸に表した図である。光検出器３０は、電子シャッタを備える。図１Ｃの結果は、光パルスの後端がユーザ１０の表面で反射されて光検出器３０に到達した時刻から１ｎｓ経過した後に電子シャッタを開いた条件で得られた。この条件を選択した理由は、光パルスの後端が到達した直後は、内部散乱成分Ｉ２と比較して、表面反射成分Ｉ１の比率が高いためである。図１Ｃに示すように、光源２０から出射される光パルスのパルス幅を３ｎｓ以上にすると、検出光量を最大化することができる。
【００４７】
光源２０は、パルス幅５ｎｓ以上、さらには１０ｎｓ以上の光パルスを出射してもよい。一方、パルス幅が大きすぎても使用しない光が増えて無駄となる。このため、光源２０は、例えば、パルス幅５０ｎｓ以下の光パルスを出射する。あるいは、光源２０は、パルス幅３０ｎｓ以下、さらには２０ｎｓ以下の光パルスを出射してもよい。
【００４８】
光源２０の照射パターンは、例えば、照射領域内において、均一な強度分布を有するパターンであってもよい。この点で、本実施形態は、例えば特開平１１-１６４８２６号公報に開示された従来の光計測装置とは異なる。特開平１１−１６４８２６号公報に開示された装置では、検出器と光源とを３ｃｍ程度離し、表面反射成分が、空間的に内部散乱成分から分離される。このため、離散的な光照射とせざるを得ない。これに対し、本実施形態における光計測装置１００は、表面反射成分Ｉ１を時間的に内部散乱成分Ｉ２から分離して低減することができる。このため、均一な強度分布を有する照射パターンの光源２０を用いることができる。均一な強度分布を有する照射パターンは、光源２０から出射される光を拡散板で拡散することによって形成してもよい。
【００４９】
本実施形態では、従来技術とは異なり、ユーザ１０の照射点直下でも、内部散乱成分Ｉ２を検出することができる。ユーザ１０を空間的に広い範囲にわたって光で照射することにより、計測解像度を高めることもできる。
【００５０】
［１−２．光検出器３０］
光検出器３０は、光源２０から出射され、ユーザ１０の対象部１０ｔから戻ってきた光の少なくとも一部の光量を示す信号を出力する。当該信号は、例えば、反射光パルスのうち、立ち上がり期間の少なくとも一部に含まれる強度に応じた信号、または、立ち下がり期間の少なくとも一部に含まれる強度に応じた信号である。
【００５１】
光検出器３０は、複数の光電変換素子３２と、複数の電荷蓄積部３４とを含み得る。具体的には、光検出器３０は、２次元に配置された複数の光検出セルを備え得る。そのような光検出器３０は、ユーザ１０の２次元情報を一度に取得し得る。本明細書において、光検出セルを「画素」とも称する。光検出器３０は、例えば、ＣＣＤイメージセンサまたはＣＭＯＳイメージセンサなどの任意の撮像素子であり得る。より一般的には、光検出器３０は、少なくとも１つの光電変換素子３２と、少なくとも１つの電荷蓄積部３４とを含む。
【００５２】
光検出器３０は、電子シャッタを備え得る。電子シャッタは、撮像のタイミングを制御する回路である。本実施形態では、制御回路６０における検出器制御部６２が、電子シャッタの機能を有する。電子シャッタは、受光した光を有効な電気信号に変換して蓄積する１回の信号蓄積の期間と、信号蓄積を停止する期間とを制御する。信号蓄積期間は、「露光期間」と称することもできる。以下の説明では、露光期間の幅を、「シャッタ幅」と称することがある。１回の露光期間が終了し次の露光期間が開始するまでの時間を、「非露光期間」と称することがある。以下、露光している状態を「ＯＰＥＮ」、露光を停止している状態を「ＣＬＯＳＥ」と称することがある。
【００５３】
光検出器３０は、電子シャッタにより、露光期間および非露光期間を、サブナノ秒、例えば、３０ｐｓから１ｎｓの範囲で調整することができる。距離の計測が目的である従来のＴＯＦカメラは、光源２０から出射され被写体で反射されて戻ってきた光の全てを検出する。従来のＴＯＦカメラでは、シャッタ幅が光のパルス幅よりも大きい必要があった。これに対し、本実施形態における光計測装置１００では、被写体の光量を補正する必要がない。このため、シャッタ幅がパルス幅よりも大きい必要はない。シャッタ幅を、例えば、１ｎｓ以上３０ｎｓ以下の値に設定することができる。本実施形態における光計測装置１００によれば、シャッタ幅を縮小できるため、検出信号に含まれる暗電流の影響を低減することができる。
【００５４】
ユーザ１０の頭部を光で照射して脳血流などの情報を検出する場合、内部での光の減衰率が非常に大きい。例えば、入射光に対して出射光が、１００万分の１程度にまで減衰し得る。このため、内部散乱成分Ｉ２を検出するには、１パルスの照射だけでは光量が不足する場合がある。レーザ安全性基準のクラス１での照射では、特に光量が微弱である。この場合、光源２０が光パルスを複数回出射し、それに応じて光検出器３０も電子シャッタによって複数回露光することにより、検出信号を積算して感度を向上することができる。
【００５５】
以下、光検出器３０の構成例を説明する。
【００５６】
光検出器３０は、撮像面上に２次元的に配列された複数の画素を備え得る。各画素は、例えばフォトダイオードなどの光電変換素子と、１つまたは複数の電荷蓄積部とを備え得る。以下、各画素が、光電変換によって受光量に応じた信号電荷を発生させる光電変換素子と、光パルスの表面反射成分Ｉ１によって生じた信号電荷を蓄積する電荷蓄積部と、光パルスの内部散乱成分Ｉ２によって生じた信号電荷を蓄積する電荷蓄積部とを備える例を説明する。以下の例では、制御回路６０は、光検出器３０に、ユーザ１０の頭部から戻ってきた光パルス中の立ち下がり開始前の部分を検出させることにより、表面反射成分Ｉ１を検出させる。制御回路６０はまた、光検出器３０に、ユーザ１０の頭部から戻ってきた光パルス中の立ち下がり開始後の部分を検出させることにより、内部散乱成分Ｉ２を検出させる。この例における光源２０は２種類の波長の光を出射する。
【００５７】
図１Ｄは、光検出器３０の１つの画素２０１の概略的な構成の例を示す図である。なお、図１Ｄは、１つの画素２０１の構成を模式的に示しており、実際の構造を必ずしも反映していない。この例における画素２０１は、光電変換を行うフォトダイオード２０３と、電荷蓄積部である第１の浮遊拡散層（Ｆｌｏａｔｉｎｇ  Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ：ＦＤ）２０４、第２の浮遊拡散層２０５、第３の浮遊拡散層２０６、および第４の浮遊拡散層２０７と、信号電荷を排出するドレイン２０２とを含む。
【００５８】
１回の光パルスの出射に起因して各画素に入射したフォトンは、フォトダイオード２０３によって信号電荷である信号エレクトロンに変換される。変換された信号エレクトロンは、制御回路６０から入力される制御信号に従って、ドレイン２０２に排出されるか、第１の浮遊拡散層２０４から第４の浮遊拡散層２０７のいずれかに振り分けられる。
【００５９】
光源２０からの光パルスの出射と、第１の浮遊拡散層２０４、第２の浮遊拡散層２０５、第３の浮遊拡散層２０６、および第４の浮遊拡散層２０７への信号電荷の蓄積と、ドレイン２０２への信号電荷の排出が、この順序で繰り返し行われる。この繰り返し動作は高速であり、例えば動画像の１フレームの時間内に数万回から数億回繰り返され得る。１フレームの時間は、例えば約１／３０秒である。画素２０１は、最終的に、第１の浮遊拡散層２０４から第４の浮遊拡散層２０７に蓄積された信号電荷に基づく４つの画像信号を生成して出力する。
【００６０】
この例における制御回路６０は、光源２０に、第１の波長を有する第１の光パルスと、第２の波長を有する第２の光パルスとを、順に繰り返し出射させる。第１の波長および第２の波長として、ユーザ１０の内部組織での吸収率が異なる２波長を選択することにより、ユーザ１０の状態を分析することができる。例えば、第１の波長として８０５ｎｍよりも長い波長を選択し、第２の波長として８０５ｎｍよりも短い波長を選択してもよい。これにより、ユーザ１０の血液中の酸素化ヘモグロビン濃度および脱酸素化ヘモグロビン濃度のそれぞれの変化を検出することが可能になる。
【００６１】
制御回路６０は、まず、光源２０に、第１の光パルスを出射させる。制御回路６０は、第１の光パルスの表面反射成分Ｉ１がフォトダイオード２０３に入射している第１の期間に、第１の浮遊拡散層２０４に信号電荷を蓄積させる。続いて、制御回路６０は、第１の光パルスの内部散乱成分Ｉ２がフォトダイオード２０３に入射している第２の期間に、第２の浮遊拡散層２０５に信号電荷を蓄積させる。次に、制御回路６０は、光源２０に、第２の光パルスを出射させる。制御回路６０は、第２の光パルスの表面反射成分Ｉ１がフォトダイオード２０３に入射している第３の期間に、第３の浮遊拡散層２０６に信号電荷を蓄積させる。続いて、制御回路６０は、第２の光パルスの内部散乱成分Ｉ２がフォトダイオード２０３に入射している第４の期間に、第４の浮遊拡散層２０７に信号電荷を蓄積させる。
【００６２】
このように、制御回路６０は、第１の光パルスの出射を開始した後、所定の時間差を空けて、第１の浮遊拡散層２０４および第２の浮遊拡散層２０５に、フォトダイオード２０３からの信号電荷を順次蓄積させる。その後、制御回路６０は、第２の光パルスの出射を開始した後、上記所定の時間差を空けて、第３の浮遊拡散層２０６および第４の浮遊拡散層２０７に、フォトダイオード２０３からの信号電荷を順次蓄積させる。以上の動作が、複数回繰り返される。外乱光および環境光の光量を推定するために、光源２０を消灯した状態で、不図示の他の浮遊拡散層に信号電荷を蓄積する期間を設けてもよい。第１の浮遊拡散層２０４から第４の浮遊拡散層２０７の信号電荷量から、上記他の浮遊拡散層の信号電荷量を差し引くことにより、外乱光および環境光成分を除去した信号を得ることができる。
【００６３】
なお、本実施形態では、電荷蓄積部の数を４としているが、目的に応じて２以上の複数の数に設計してよい。例えば、１種類の波長のみを用いる場合には、電荷蓄積部の数は２であってよい。また、使用する波長が１種類であり、表面反射成分Ｉ１が検出されない用途では、画素ごとの電荷蓄積部の数は１であってもよい。また、２種類以上の波長を用いる場合であっても、それぞれの波長を用いた撮像を別のフレームで行えば、電荷蓄積部の数は１であってもよい。また、後述するように、表面反射成分Ｉ１の検出と内部散乱成分Ｉ２の検出とをそれぞれ別のフレームで行えば、電荷蓄積部の数は１であってもよい。
【００６４】
図１Ｅは、光検出器３０の構成の一例を示す図である。図１Ｅにおいて、二点鎖線の枠によって囲まれた領域が１つの画素２０１に相当する。画素２０１には１つのフォトダイオードが含まれる。図１Ｅでは２行２列に配列された４画素のみを示しているが、実際にはさらに多数の画素が配置され得る。画素２０１は、第１の浮遊拡散層２０４から第４の浮遊拡散層２０７を含む。第１の浮遊拡散層２０４から第４の浮遊拡散層２０７に蓄積される信号は、あたかも一般的なＣＭＯＳイメージセンサの４画素の信号のように取り扱われ、光検出器３０から出力される。
【００６５】
各画素２０１は、４つの信号検出回路を有する。各信号検出回路は、ソースフォロワトランジスタ３０９と、行選択トランジスタ３０８と、リセットトランジスタ３１０とを含む。この例では、リセットトランジスタ３１０が図１Ｄに示すドレイン２０２に対応し、リセットトランジスタ３１０のゲートに入力されるパルスがドレイン排出パルスに対応する。各トランジスタは、例えば半導体基板に形成された電界効果トランジスタであるが、これに限定されない。図示されるように、ソースフォロワトランジスタ３０９の入力端子および出力端子の一方と、行選択トランジスタ３０８の入力端子および出力端子のうちの一方とが接続されている。ソースフォロワトランジスタ３０９の入力端子および出力端子の上記一方は、典型的にはソースである。行選択トランジスタ３０８の入力端子および出力端子の上記一方は、典型的にはドレインである。ソースフォロワトランジスタ３０９の制御端子であるゲートは、フォトダイオード２０３に接続されている。フォトダイオード２０３によって生成された正孔または電子の信号電荷は、フォトダイオード２０３とソースフォロワトランジスタ３０９との間の電荷蓄積部である浮遊拡散層に蓄積される。
【００６６】
図１Ｅには示されていないが、第１の浮遊拡散層２０４から第４の浮遊拡散層２０７はフォトダイオード２０３に接続される。フォトダイオード２０３と、第１の浮遊拡散層２０４から第４の浮遊拡散層２０７の各々との間には、スイッチが設けられ得る。このスイッチは、制御回路６０からの信号蓄積パルスに応じて、フォトダイオード２０３と第１の浮遊拡散層２０４から第４の浮遊拡散層２０７の各々との間の導通状態を切り替える。これにより、第１の浮遊拡散層２０４から第４の浮遊拡散層２０７の各々への信号電荷の蓄積の開始と停止とが制御される。本実施形態における電子シャッタは、このような露光制御のための機構を有する。
【００６７】
第１の浮遊拡散層２０４から第４の浮遊拡散層２０７に蓄積された信号電荷は、行選択回路３０２によって行選択トランジスタ３０８のゲートがＯＮにされることにより、読み出される。この際、第１の浮遊拡散層２０４から第４の浮遊拡散層２０７の信号電位に応じて、ソースフォロワ電源３０５からソースフォロワトランジスタ３０９およびソースフォロワ負荷３０６へ流入する電流が増幅される。垂直信号線３０４から読み出されるこの電流によるアナログ信号は、列ごとに接続されたアナログ−デジタル（ＡＤ）変換回路３０７によってデジタル信号データに変換される。このデジタル信号データは、列選択回路３０３によって列ごとに読み出され、光検出器３０から出力される。行選択回路３０２および列選択回路３０３は、１つの行の読出しを行った後、次の行の読み出しを行い、以下同様に、全ての行の浮遊拡散層の信号電荷の情報を読み出す。制御回路６０は、全ての信号電荷を読み出した後、リセットトランジスタ３１０のゲートをオンにすることにより、全ての浮遊拡散層をリセットする。これにより、１つのフレームの撮像が完了する。以下同様に、フレームの高速撮像を繰り返すことにより、光検出器３０による一連のフレームの撮像が完結する。
【００６８】
本実施形態では、ＣＭＯＳ型の光検出器３０の例を説明したが、光検出器３０は他の種類の撮像素子であってもよい。光検出器３０は、例えば、ＣＣＤ型であっても、単一光子計数型素子であっても、ＥＭＣＣＤまたはＩＣＣＤなどの増幅型イメージセンサであってもよい。
【００６９】
図１Ｆは、本実施形態における１フレーム内の動作の例を示す図である。図１Ｆに示すように、１フレーム内で、第１の光パルスの出射と第２の光パルスの出射とを交互に複数回切り替えてもよい。このようにすると、２種類の波長による検出画像の取得タイミングの時間差を低減でき、動きがあるユーザ１０であっても、ほぼ同時に第１の光パルスおよび第２の光パルスによる撮影が可能である。
【００７０】
本実施形態では、光検出器３０は、光パルスの表面反射成分Ｉ１および／または内部散乱成分Ｉ２を検出することができる。表面反射成分Ｉ１の時間的または空間的な変化から、ユーザ１０の第１の生体情報を取得することができる。第１の生体情報は、例えば、ユーザ１０の脈拍であり得る。一方、内部散乱成分Ｉ２の時間的または空間的な変化から、ユーザ１０の第２の生体情報である脳活動情報を取得することができる。
【００７１】
第１の生体情報は、表面反射成分Ｉ１を検出する方法とは異なる方法によって取得してもよい。例えば、光検出器３０とは異なる他の種類の検出器を利用して、第１の生体情報を取得してもよい。その場合、光検出器３０は、内部散乱成分Ｉ２のみを検出する。他の種類の検出器は、例えばレーダまたはサーモグラフィであってもよい。第１の生体情報は、例えば、ユーザ１０の脈拍、発汗、呼吸、および体温からなる群から選択される少なくとも１つであり得る。第１の生体情報は、ユーザ１０の頭部に照射された光パルスの内部散乱成分Ｉ２を検出することにより得られる脳活動情報以外の生体情報である。ここで、「脳活動情報以外」とは、第１の生体情報中に脳活動に起因する情報が一切含まれないことを意味するものではない。第１の生体情報は、脳活動とは別の生体活動に起因する生体情報が含まれている。第１の生体情報は、例えば、自律的または反射的な生体活動に起因する生体情報であり得る。
【００７２】
［１−３．制御回路６０および信号処理回路７０］
制御回路６０は、光源２０の光パルスの出射タイミングと、光検出器３０のシャッタタイミングとの時間差を調整する。本明細書では、当該時間差を「位相差」と称することがある。光源２０の「出射タイミング」とは、光源２０から出射される光パルスが立ち上がりを開始するタイミングである。「シャッタタイミング」とは、露光を開始するタイミングである。制御回路６０は、出射タイミングを変化させて位相差を調整してもよいし、シャッタタイミングを変化させて位相差を調整してもよい。
【００７３】
制御回路６０は、光検出器３０の各画素によって検出された信号からオフセット成分を取り除くように構成されてもよい。オフセット成分は、太陽光もしくは蛍光灯などの環境光、または外乱光による信号成分である。光源２０の駆動をＯＦＦにして光源２０から光が出射されない状態で、光検出器３０によって信号を検出することにより、環境光または外乱光によるオフセット成分が見積もられる。
【００７４】
制御回路６０は、例えばプロセッサおよびメモリの組み合わせ、またはプロセッサおよびメモリを内蔵するマイクロコントローラなどの集積回路であり得る。制御回路６０は、例えばプロセッサがメモリに記録されたプログラムを実行することにより、例えば出射タイミングとシャッタタイミングとの調整を行う。
【００７５】
信号処理回路７０は、光検出器３０から出力された画像信号を処理する回路である。信号処理回路７０は、画像処理などの演算処理を行う。信号処理回路７０は、例えばデジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）などのプログラマブルロジックデバイス（ＰＬＤ）、または中央演算処理装置（ＣＰＵ）もしくは画像処理用演算プロセッサ（ＧＰＵ）とコンピュータプログラムとの組み合わせによって実現され得る。制御回路６０および信号処理回路７０は、統合された１つの回路であってもよいし、分離された個別の回路であってもよい。信号処理回路７０は、例えば遠隔地に設けられたサーバなどの外部の装置の構成要素であってもよい。この場合、サーバなどの外部の装置は、無線通信または有線通信により、光源２０、光検出器３０、および制御回路６０と相互にデータの送受信を行う。
【００７６】
本実施形態における信号処理回路７０は、光検出器３０から出力された信号に基づき、皮膚表面の血流および脳血流の時間変化を示す動画像データを生成することができる。信号処理回路７０は、そのような動画像データに限らず、他の情報を生成してもよい。例えば、他の機器と同期させることにより、脳における血流量、血圧、血中酸素飽和度、または心拍数などの生体情報を生成してもよい。信号処理回路７０は、外乱光によるオフセット成分の見積り、およびオフセット成分の除去を行ってもよい。
【００７７】
脳血流量またはヘモグロビンなどの血液内成分の変化と、人間の神経活動との間には密接な関係があることが知られている。例えば、人間の感情の変化に応じて神経細胞の活動が変化することにより、脳血流量または血液内の成分が変化する。したがって、脳血流量または血液内成分の変化などの生体情報を計測できれば、ユーザ１０の心理状態を推定することができる。ユーザ１０の心理状態は、例えば、気分、感情、健康状態、または温度感覚を意味する。気分は、例えば、快、または不快といった気分を含み得る。感情は、例えば、安心、不安、悲しみ、または憤りといった感情を含み得る。健康状態は、例えば、元気、または倦怠といった状態を含み得る。温度感覚は、例えば、暑い、寒い、または蒸し暑いといった感覚を含み得る。これらに派生して、脳活動の程度を表す指標、例えば熟練度、習熟度、および集中度も、心理状態に含まれ得る。信号処理回路７０は、例えば脳血流量の変化に基づいて、ユーザ１０の集中度などの心理状態を推定して、推定結果を示す信号を出力してもよい。
【００７８】
図１Ｇは、制御回路６０による光源２０および光検出器３０に関する動作の概略を示すフローチャートである。制御回路６０は、概略的には図１Ｇに示す動作を実行する。なお、ここでは内部散乱成分Ｉ２の検出のみを行う場合の動作を説明する。
【００７９】
ステップＳ１０１では、制御回路６０は、まず、光源２０に所定時間だけ光パルスを出射させる。このとき、光検出器３０の電子シャッタは露光を停止した状態にある。制御回路６０は、光パルスの一部がユーザ１０の表面で反射されて光検出器３０に到達する期間が完了するまで、電子シャッタに露光を停止させる。次に、ステップＳ１０２では、制御回路６０は、当該光パルスの他の一部がユーザ１０の内部を散乱して光検出器３０に到達するタイミングで、電子シャッタに露光を開始させる。所定時間経過後、ステップＳ１０３では、制御回路６０は、電子シャッタに露光を停止させる。続いて、ステップＳ１０４では、制御回路６０は、上記の信号蓄積を実行した回数が所定の回数に達したか否かを判定する。ステップＳ１０４での判定がＮｏの場合、Ｙｅｓと判定するまで、ステップＳ１０１からステップＳ１０３が繰り返される。ステップＳ１０４での判定がＹｅｓの場合、ステップＳ１０５では、制御回路６０は、各浮遊拡散層に蓄積された信号電荷に基づく画像を示す信号を光検出器３０に生成させて出力させる。
【００８０】
以上の動作により、測定対象の内部で散乱された光の成分を高い感度で検出することができる。なお、複数回の光出射および露光は必須ではなく、必要に応じて行われる。
【００８１】
［１−４．その他］
光計測装置１００は、ユーザ１０の２次元像を光検出器３０の受光面上に形成する結像光学系を備えてもよい。結像光学系の光軸は、光検出器３０の受光面に略直交する。結像光学系は、ズームレンズを含んでいてもよい。ズームレンズの位置が変化するとユーザ１０の２次元像の拡大率が変更し、光検出器３０上の２次元像の解像度が変化する。したがって、ユーザ１０までの距離が遠くても、所望の計測領域を拡大して詳細に観察することが可能である。
【００８２】
光計測装置１００は、ユーザ１０と光検出器３０との間に、光源２０から出射される波長帯域の光、またはその近傍の光のみを通過させる帯域通過フィルタを備えていてもよい。これにより、環境光などの外乱成分の影響を低減することができる。帯域通過フィルタは、例えば多層膜フィルタまたは吸収フィルタによって構成され得る。光源２０の温度変化およびフィルタへの斜入射に伴う帯域シフトを考慮して、帯域通過フィルタの帯域幅は、２０から１００ｎｍ程度の幅を持たせてもよい。
【００８３】
光計測装置１００は、光源２０とユーザ１０との間、および光検出器３０とユーザ１０との間に、それぞれ偏光板を備えてもよい。この場合、光源２０側に配置される偏光板と、光検出器３０側に配置される偏光板との偏光方向は、直交ニコルの関係であり得る。これにより、ユーザ１０の表面反射成分Ｉ１のうち正反射成分、すなわち入射角と反射角が同じ成分が光検出器３０に到達することを防ぐことができる。つまり、表面反射成分Ｉ１が光検出器３０に到達する光量を低減させることができる。
【００８４】
［２．光源および光検出器の動作］
本実施形態における光計測装置１００は、表面反射成分Ｉ１と内部散乱成分Ｉ２とを区別して検出することができる。ユーザ１０の対象部１０ｔが額である場合、検出したい内部散乱成分Ｉ２による信号強度は、非常に小さくなる。前述のように、レーザ安全基準を満たす非常に小さな光量の光が照射されることに加えて、頭皮、脳髄液、頭蓋骨、灰白質、白質および血流による光の散乱および吸収が大きいためである。さらに、脳活動時の血流量または血流内成分の変化による信号強度の変化は、さらに数十分の１の大きさに相当し非常に小さくなる。したがって、内部散乱成分Ｉ２を検出する場合、撮像の際、検出したい信号成分の数千倍から数万倍である表面反射成分Ｉ１は、可能な限り除去される。
【００８５】
以下、内部散乱成分Ｉ２を検出する光計測装置１００における光源２０および光検出器３０の動作の例を説明する。
【００８６】
図１Ａに示すように、光源２０がユーザ１０の対象部１０ｔを光パルスで照射すると、表面反射成分Ｉ１および内部散乱成分Ｉ２が発生する。表面反射成分Ｉ１および内部散乱成分Ｉ２はその一部が光検出器３０に到達する。内部散乱成分Ｉ２は、光源２０から出射して、光検出器３０に到達するまでにユーザ１０の内部を通過する。このため、内部散乱成分Ｉ２の光路長は、表面反射成分Ｉ１の光路長よりも長くなる。したがって、内部散乱成分Ｉ２が光検出器３０に到達する時間は、表面反射成分Ｉ１が光検出器３０に到達する時間よりも平均的に遅れる。
【００８７】
図２は、光源２０から矩形光パルスが出射され、ユーザ１０から戻ってきた光が光検出器３０に到達する光信号を表す図である。横軸は、図２の信号（ａ）から（ｄ）ではいずれも時間（ｔ）を表す。縦軸は、図２の信号（ａ）から（ｃ）では強度を表し、図２の信号（ｄ）では電子シャッタのＯＰＥＮまたはＣＬＯＳＥの状態を表す。図２の信号（ａ）は、表面反射成分Ｉ１を示す。図２の信号（ｂ）は、内部散乱成分Ｉ２を示す。図２の信号（ｃ）は、図２の信号（ａ）に示す表面反射成分Ｉ１、および図２の信号（ｂ）に示す内部散乱成分Ｉ２の合算成分を示す。図２の信号（ａ）に示すように、表面反射成分Ｉ１の波形は、ほぼ矩形を維持する。一方、内部散乱成分Ｉ２は、さまざまな光路長の光の合算である。このため、図２の信号（ｂ）に示すように、内部散乱成分Ｉ２は、光パルスの後端が尾を引いたような特性を示す。言い換えれば、内部散乱成分Ｉ２の立ち下がり期間は、表面反射成分Ｉ１の立ち下がり期間よりも長くなる。図２の信号（ｃ）に示す光信号から内部散乱成分Ｉ２の割合を高めて抽出するために、図２の信号（ｄ）に示す通り、表面反射成分Ｉ１の後端が到達する時点以降に、電子シャッタの露光が開始される。言い換えれば、表面反射成分Ｉ１の波形が立ち下がった時またはその後に露光が開始される。このシャッタタイミングは、制御回路６０によって調整される。
【００８８】
測定対象物が平面的でない場合、光検出器３０の画素によって光が到達するタイミングが異なる。この場合、画素ごとに図２の信号（ｄ）に示すシャッタタイミングを個別に決定してもよい。例えば、光検出器３０の受光面に垂直な方向をｚ方向とする。制御回路６０は、対象部の表面におけるｚ座標の２次元分布を示すデータを予め取得し、このデータに基づいてシャッタタイミングを画素ごとに変化させてもよい。これにより、対象部の表面が湾曲している場合でも、それぞれの位置で最適なシャッタタイミングを決定することができる。
【００８９】
図２の信号（ａ）に示す例では、表面反射成分Ｉ１の後端が垂直に立ち下がっている。言い換えると、表面反射成分Ｉ１が立ち下がりを開始してから終了するまでの時間がゼロである。しかし、現実には、表面反射成分Ｉ１の後端が垂直に立ち下がらない場合がある。例えば、光源２０から出射される光パルスの波形の立ち下がりが完全に垂直でない場合、対象部の表面に微細な凹凸がある場合、または表皮内で散乱が生じる場合には、表面反射成分Ｉ１の後端が垂直に立ち下がらない。また、ユーザ１０は不透明な物体であることから、表面反射成分Ｉ１の光量は、内部散乱成分Ｉ２の光量よりも非常に大きい。したがって、表面反射成分Ｉ１の後端が垂直な立ち下がりの時点からわずかにはみ出した場合であっても、内部散乱成分Ｉ２が埋もれてしまう可能性がある。さらに、電子シャッタの読み出し期間中に、電子の移動に伴う時間遅れが発生する場合もある。以上のことから、図２の信号（ｄ）に示すような理想的なバイナリの読み出しを実現できないことがある。その場合には、制御回路６０は、電子シャッタのシャッタ開始のタイミングを表面反射成分Ｉ１の立ち下がり直後よりやや遅らせてもよい。例えば、０．５ｎｓから５ｎｓ程度遅らせてもよい。電子シャッタのシャッタタイミングを調整する代わりに、制御回路６０は、光源２０の出射タイミングを調整してもよい。言い換えれば、制御回路６０は、電子シャッタのシャッタタイミングと光源２０の出射タイミングとの時間差を調整してもよい。非接触で脳内の血流量または血流内成分の変化を計測する場合、あまりにもシャッタタイミングを遅らせすぎると、もともと小さい内部散乱成分Ｉ２がさらに減少してしまう。このため、表面反射成分Ｉ１の後端近傍にシャッタタイミングを留めておいてもよい。前述のように、額内部の散乱による時間遅れは、４ｎｓ程度である。この場合、シャッタタイミングの最大の遅らせ量は、４ｎｓ程度であり得る。
【００９０】
光源２０から出射された複数の光パルスの各々を、同じ時間差のシャッタタイミングで露光して信号を蓄積してもよい。これにより、内部散乱成分Ｉ２の検出光量が増幅される。
【００９１】
ユーザ１０と光検出器３０の間に帯域通過フィルタを配置することに替えて、またはそれに加えて、光源２０に光を出射させない状態で、同じ露光期間で撮影することによってオフセット成分を見積もってもよい。見積もったオフセット成分は、光検出器３０の各画素によって検出された信号から差分によって除去される。これにより、光検出器３０上で発生する暗電流成分を除去することができる。
【００９２】
内部散乱成分Ｉ２には、ユーザ１０の内部特性情報、例えば、脳血流情報が含まれる。ユーザ１０の脳血流量の時間的な変動に応じて、血液に吸収される光の量が変化する。その結果、光検出器３０による検出光量も、相応に増減する。したがって、内部散乱成分Ｉ２をモニタリングすることにより、ユーザ１０の脳血流量の変化から脳活動状態を推定することが可能になる。
【００９３】
次に、表面反射成分Ｉ１の検出方法の例を説明する。表面反射成分Ｉ１には、ユーザ１０の表面特性情報、例えば、顔および頭皮の血流情報が含まれる。
【００９４】
図３Ａは、表面反射成分Ｉ１を検出する場合のタイミングチャートの一例を模式的に示す図である。表面反射成分Ｉ１の検出のために、例えば、図３Ａに示すように、光パルスが光検出器３０に到達する前にシャッタをＯＰＥＮにし、光パルスの後端が到達するよりも前にシャッタをＣＬＯＳＥにしてもよい。このようにシャッタを制御することにより、内部散乱成分Ｉ２の混入を少なくすることができる。その結果、ユーザ１０の表面近傍を通過した光の割合を大きくすることができる。シャッタＣＬＯＳＥのタイミングを、光検出器３０への光の到達直後にしてもよい。これにより、光路長が比較的短い表面反射成分Ｉ１の割合を高めた信号検出が可能になる。表面反射成分Ｉ１の信号を取得することにより、ユーザ１０の脈拍、または顔血流の酸素化度を検出することも可能になる。表面反射成分Ｉ１の他の取得方法として、光検出器３０が光パルス全体を検出したり、光源２０から出射された連続光を検出したりしてもよい。
【００９５】
図３Ｂは、内部散乱成分Ｉ２を検出する場合のタイミングチャートの一例を模式的に示す図である。パルスの後端部分が光検出器３０に到達する期間にシャッタをＯＰＥＮにすることにより、内部散乱成分Ｉ２の信号を取得することができる。
【００９６】
図３Ｂに示す動作をまとめると、制御回路６０は、以下の動作を行う。制御回路６０は、光源２０に、１つ以上の光パルスを出射させる。制御回路６０は、光検出器３０に、ユーザ１０の対象部１０ｔから戻ってきた各光パルスのうち、各光パルスの立ち下がり期間に含まれる成分を検出させる。当該成分は、内部散乱成分Ｉ２を含む。制御回路６０は、光検出器３０に、当該検出によって得られる信号を出力させる。信号処理回路７０は、当該信号に基づいて、ユーザ１０の脳活動の状態を示す信号を生成する。
【００９７】
表面反射成分Ｉ１を、内部散乱成分Ｉ２を取得する光計測装置１００以外の装置によって検出してもよい。内部散乱成分Ｉ２を取得する装置とは別の装置、または脈波計もしくはドップラ血流計といった別デバイスを用いてもよい。その場合、当該別デバイスは、デバイス間のタイミング同期、光の干渉、および検出箇所の合わせこみを考慮して使用される。本実施形態のように、同一カメラまたは同一センサによる時分割撮像を行えば、時間的および空間的なずれが発生しにくい。同一のセンサによって表面反射成分Ｉ１および内部散乱成分Ｉ２の両方の信号を取得する場合、図３Ａおよび図３Ｂに示すように、１フレームごとに取得する成分を切り替えてもよい。あるいは、図１Ｄから図１Ｆを参照して説明したように、１フレーム内で高速に取得する成分を交互に切り替えてもよい。その場合、表面反射成分Ｉ１と内部散乱成分Ｉ２との検出時間差を低減することができる。
【００９８】
さらに、表面反射成分Ｉ１および内部散乱成分Ｉ２のそれぞれの信号を、２つの波長の光を用いて取得してもよい。例えば、７５０ｎｍおよび８５０ｎｍの２波長の光パルスを利用してもよい。これにより、それぞれの波長での検出光量の変化から、酸素化ヘモグロビンの濃度変化および脱酸素化ヘモグロビンの濃度変化を算出することができる。表面反射成分Ｉ１および内部散乱成分Ｉ２を、それぞれ２波長で取得する場合、例えば図１Ｄから図１Ｆを参照して説明したように、４種類の電荷蓄積を１フレーム内で高速に切り替える方法が利用され得る。そのような方法により、検出信号の時間的なずれを低減することができる。
【００９９】
ここで、生体情報の取得方法の具体例を説明する。
【０１００】
血液の大きな役割は、酸素を肺から受け取って組織へと運び、組織からは二酸化炭素を受け取ってこれを肺に循環させることである。血液１００ｍｌの中には約１５ｇのヘモグロビンが存在している。酸素と結合したヘモグロビンが酸素化ヘモグロビンであり、酸素と結合していないヘモグロビンが脱酸素化ヘモグロビンである。前述のように、酸素化ヘモグロビンおよび脱酸素化ヘモグロビンの光吸収特性は異なる。酸素化ヘモグロビンは約８０５ｎｍを超える波長の近赤外線を比較的よく吸収する。これに対し、脱酸素化ヘモグロビンは、８０５ｎｍよりも短い波長の近赤外線または赤色光を比較的よく吸収する。８０５ｎｍの波長の近赤外線については、両者の吸収率は同程度である。そこで、６００ｎｍよりも長く８０５ｎｍよりも短い第１の波長と、８０５ｎｍよりも長く１０００ｎｍよりも短い第２の波長とが用いられ得る。例えば、上記の７５０ｎｍおよび８５０ｎｍの２波長の光が用いられ得る。これらの光の検出光量に基づいて、血液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それぞれの濃度の時間変化を検出することができる。さらに、ヘモグロビンの酸素飽和度を求めることもできる。酸素飽和度とは、血液中のヘモグロビンのうち、どれだけの割合が酸素と結びついているかを示す値である。酸素飽和度は、脱酸素化ヘモグロビンの濃度をＣ（Ｈｂ）、酸素化ヘモグロビンの濃度をＣ（ＨｂＯ２）として、以下の数式で定義される。
酸素飽和度＝Ｃ（ＨｂＯ２）／［Ｃ（ＨｂＯ２）＋Ｃ（Ｈｂ）］×１００（％）
【０１０１】
生体内には、血液以外にも赤色光および近赤外光を吸収する成分が含まれているが、光の吸収率が時間的に変動するのは、主に動脈血中のヘモグロビンに起因する。よって、吸収率の変動に基づいて、高い精度で血中酸素飽和度を測定することができる。心臓から拍出された動脈血は脈波となって血管内を移動する。一方、静脈血は脈波を持たない。生体に照射した光は、動静脈及び血液以外の組織など生体の各層で吸収を受けて生体を透過するが、動脈以外の組織は時間的に厚さが変動しない。このため、生体内からの散乱光は、脈動による動脈血層の厚さの変化に応じて時間的な強度変化を示す。この変化は動脈血層の厚さの変化を反映しており、静脈血及び組織の影響を含まない。よって、散乱光の変動成分だけに着目することにより、動脈血の情報を得ることができる。時間に応じて変化する成分の周期を測定することにより、脈拍を求めることもできる。
【０１０２】
光計測装置１００は、ユーザ１０の頭部に向けてパルス状の近赤外光または可視光を出射し、表面反射成分Ｉ１の時間的変化から、頭皮または顔の酸素化ヘモグロビン量の変化または脈拍を検出することができる。光源２０は、表面反射成分Ｉ１を取得するために、近赤外光または可視光を出射する。近赤外光を用いた場合、昼夜問わず、計測が可能である。脈拍を計測する場合、より感度が高い可視光を用いてもよい。日中であれば外乱光である日射または室内光源を照明代わりに使用してもよい。光量が不足する場合は、専用の光源で補強してもよい。内部散乱成分Ｉ２は、脳まで到達した光成分を含む。内部散乱成分Ｉ２の時間変化を計測することにより、脳血流の時間的な増減を計測することができる。
【０１０３】
脳まで到達した光は、頭皮および顔表面も通過する。このため、頭皮および顔の血流の変動も重畳されて検出される。その影響を除去または低減するために、信号処理回路７０は、光検出器３０によって検出された内部散乱成分Ｉ２から表面反射成分Ｉ１を減算する処理を行ってもよい。これにより、頭皮および顔の血流情報を除いた純粋な脳血流情報を取得することができる。減算方法には、例えば、内部散乱成分Ｉ２の信号から、光路長差を考慮して決定された１以上のある係数を表面反射成分Ｉ１の信号に掛けた値を減算する方法が用いられ得る。この係数は、例えば、一般的な人の頭部光学定数の平均値に基づいて、シミュレーションまたは実験によって算出され得る。このような減算処理は、同一のカメラまたはセンサにより、同一の波長の光を用いて計測する場合に容易に行うことができる。これは、時間的および空間的なずれを低減しやすく、内部散乱成分Ｉ２に含まれる頭皮血流成分と、表面反射成分Ｉ１の特性とを一致させやすいからである。
【０１０４】
脳と頭皮との間には頭蓋骨が存在する。このため、脳血流の２次元分布と、頭皮および顔の血流の２次元分布とは独立である。したがって、光検出器３０によって検出される信号に基づいて、内部散乱成分Ｉ２の２次元分布と表面反射成分Ｉ１の２次元分布とを、独立成分分析または主成分分析などの統計手法を用いて分離してもよい。
【０１０５】
［３．ユーザの対象部と光検出器との距離の測定］
次に、ユーザ１０の対象部１０ｔと光検出器３０との距離に応じてシャッタタイミングを決定する方法の例を説明する。以下の説明において、ユーザ１０の対象部１０ｔの中心と、光検出器３０の受光面の中心との距離を「計測距離」と称する。
【０１０６】
光源２０から出射された光が光検出器３０に戻るまでの時間はその光の移動距離に依存する。したがって、計測距離に応じて、シャッタタイミングも調整され得る。
【０１０７】
図４は、計測距離に応じて適切なシャッタタイミングを決定する方法の例を示す図である。図４の部分（ａ）は、光検出器３０に到達する光信号の時間応答波形の例を示している。図４の部分（ｂ）は、開始時点の異なる複数の露光期間、および各露光期間において検出される光量の例を模式的に示している。この例では、まず、反射光パルスの立ち下がりの開始から十分に遅れた時点ｔ＝ｔ１でシャッタが開かれる。このとき、対象部１０ｔからの光信号は、撮影画像にまったく含まれないか、裾野の端のわずかな光信号Ｉのみが検出される。この光信号Ｉは、対象部１０ｔの深い箇所の情報、すなわち比較的光路長が長い光の情報を相対的に多く含む信号である。次の光パルスについては、シャッタタイミングをｔ＝ｔ１から一定時間だけパルス波後端に近づけたタイミングｔ＝ｔ２でシャッタが開かれる。すると、シャッタのずらし具合に応じて、検出される光信号Ｉの光量も変化する。同様に、制御回路６０は、ｔ＝ｔ３、ｔ＝ｔ４と、露光開始のタイミングを調整し、一定時間ずつ徐々にパルス波後端にシャッタタイミングを近づけていく。光信号Ｉが急激に増加し始めたタイミングが、パルス波後端部の始点に相当する箇所であると判断され得る。当該一定時間は、内部散乱成分Ｉ２のパルス波後端の裾野の光信号Ｉの広がりと比較して、小さい値である。当該一定時間は、例えば、３０ｐｓから１ｎｓの範囲内の値であり得る。
【０１０８】
図４の部分（ｃ）は、光源２０からの出射光パルスと、光検出器３０上での光信号と、シャッタタイミングとの時間的な関係を示している。この例では、光源２０から定期的に光パルスが出射される。１つ前のシャッタが閉じた後、次の光パルスが出射される。光パルスの間隔は、図示される間隔よりも短くしてもよい。光源２０から出射される連続した２つの光パルスの間の消灯期間は、例えばシャッタ幅の４倍以下、さらに２倍以下、さらに１．５倍以下であってもよい。あるいは、連続した２つの光パルスの間の消灯期間は、パルス幅の４倍以下、さらには２倍以下、さらには１．５倍以下であってもよい。このように、連続する光パルスの間隔を短くすることにより、光検出器３０による光検出の単位時間あたりの積算パルス数を増加させることができる。その結果、予め定められたフレームレートで光信号を取得する場合の感度を向上させることができる。
【０１０９】
最適なシャッタタイミングを探索する方法として、図４に示すシャッタタイミングを連続的に変化させる方法以外の方法を用いてもよい。例えば、二分法もしくはニュートン法などの反復法、または数値計算手法を用いてもよい。これにより、撮影回数を減らすことができ、探索時間を短縮することが可能となる。
【０１１０】
図４に示す方法は、ユーザ１０の対象部１０ｔまでの距離を直接的には求めていない。この方法以外にも、例えば複眼・双眼カメラを用いた三角測量による測定、または、ＴＯＦ方式を用いた飛翔時間の測定により、直接的に距離を測定してシャッタタイミングを決定してもよい。
【０１１１】
１つの光パルスの露光だけでは光量が少なくＳＮ比が低下し得る。ＳＮ比の低下を抑制するために、同じ時間差で複数回露光を行い、取得した信号を積算してもよい。
【０１１２】
図４に示す例ではシャッタタイミングが調整されているが、シャッタタイミングの代わりに光源２０の出射タイミングが調整されてもよい。その場合、シャッタタイミングは一定間隔であってもよい。
【０１１３】
図５は、対象物の距離に応じてシャッタタイミングを調整する動作の概要を示すフローチャートである。まず、ステップＳ２０１において、制御回路６０は、計測距離の測定を実施する。この測定は、上記のように、距離を直接的に測定する方法に限らず、間接的に距離を測定する方法でもよい。次に、ステップＳ２０２において、制御回路６０は、計測距離に応じてシャッタタイミング、または出射光パルスのタイミングを決定する。このタイミングは、シャッタがユーザ１０の対象部１０ｔからの戻り光のうち表面反射成分Ｉ１を含まない時間に設定され得る。さらに、ステップＳ２０３において、制御回路６０は、光源２０と同期させて、光検出器３０に、決定したシャッタタイミングでユーザ１０の対象部１０ｔを撮影させる。
【０１１４】
シャッタタイミングまたは光源２０の発光タイミングを決定する動作で使用される光源２０のパルス幅またはシャッタ幅は、ユーザの脳血流情報を取得する動作で使用されるパルス幅またはシャッタ幅と異なっていてもよい。
【０１１５】
［４．脳血流量の変化の検出例］
次に、ユーザ１０の脳血流量の変化を検出する方法の例を説明する。
【０１１６】
図６Ａは、脳血流量の時間変化の一例を模式的に示す図である。図６Ａに示すように、ユーザ１０の対象部１０ｔが光源２０からの光で照射され、その戻り光が検出される。この場合、表面反射成分Ｉ１は、内部散乱成分Ｉ２に比べ非常に大きい。しかし、前述したシャッタ調整により、内部散乱成分Ｉ２のみを抽出することができる。図６Ａに示すグラフは、脳血液中の酸素化ヘモグロビン（ＨｂＯ２）および脱酸素化ヘモグロビン（Ｈｂ）のそれぞれの濃度の経時変化を示している。この例における内部散乱成分Ｉ２は、２波長の光を用いて取得される。図６Ａに示す濃度は、平常時における量を基準とする変化量を示している。この変化量は、光の強度信号に基づいて、信号処理回路７０によって算出される。平常状態、集中状態、またはリラックス状態などの脳活動状態に応じて、脳血流量に変化が見られる。対象部１０ｔの場所ごとに、例えば、脳活動の違い、または吸収係数もしくは散乱係数の違いがある。このため、ユーザ１０の対象部１０ｔ内の同じ位置で測定が行われ得る。脳活動の経時変化を見る場合、脳血流の絶対量がわからなくても、脳血流の時間的な相対変化から、対象者の状態を推定することが可能である。
【０１１７】
脳活動変化の検出には必ずしも２波長の光を用いる必要はない。１波長の光を用いる場合、例えば８１０ｎｍから８８０ｎｍの範囲内のいずれかの波長の光を使用してもよい。この波長範囲の光は、ＨｂＯ２によって吸収されやすい。脳活動状態が変化した場合の血流量の変化は、ＨｂＯ２のほうがＨｂよりも大きいことが多い。よって、ＨｂＯ２の光吸収率が大きい波長範囲の光で計測するだけでも脳活動変化の傾向を読み取ることが可能である。
【０１１８】
図６Ｂは、ユーザ１０の対象部１０ｔ内の複数箇所で計測を同時に行う場合の例を模式的に示す図である。この例では、２次元照射または２次元撮像のため、脳血流量の２次元分布を取得することが可能である。この場合、光源２０の照射パターンは、例えば、均一強度の一様な分布、ドット状の分布、またはドーナツ状の分布であってもよい。均一強度の一様な分布の照射であれば、対象部１０ｔ上の照射位置の調整が不要、または簡便にできる。また、一様な分布の照射であれば、広範囲からユーザ１０の対象部１０ｔに光が入射する。このため、光検出器３０によって検出される信号を増強することができる。さらに、照射領域内であれば任意の位置で計測できる。ドット状の分布、またはドーナツ状の分布のような部分的な照射であれば、対象部１０ｔをその照射領域から外すだけで表面反射成分Ｉ１の影響を低減できる。
【０１１９】
図７Ａは、光の照射領域２２の例を模式的に示す図である。非接触での脳血流測定では、装置から対象部までの距離の２乗に反比例して検出光量が減衰する。そこで、光検出器３０によって検出される各画素の信号を近傍の複数の画素の信号を積算することによって増強してもよい。このようにすることでＳＮ比を維持したまま積算パルス数を低減できる。これにより、フレームレートを向上させることができる。
【０１２０】
図７Ｂは、ユーザ１０の対象部１０ｔが横方向にシフトした場合における信号の変化を模式的に示す図である。前述のように、平常状態から脳活動状態が変化したときの脳血流量と、平常状態における脳血流量との差分を検出することにより、脳活動の変化が読み取られる。２次元的に配列された複数の光電変換素子を備える光検出器３０を使用する場合、図７Ｂの上段に示すように、２次元の脳活動分布を取得することができる。この場合、平常状態における信号を事前に取得しなくても、２次元分布内での相対的な強度分布から脳活動が活発な部位を検出することができる。本実施形態では非接触で計測が行われるため、図７Ｂの下段に示すように、対象部１０ｔの位置が計測中に変化してしまうことがある。これは、例えばユーザ１０が呼吸のために僅かに動いた場合に生じ得る。一般に、脳血流量の２次元分布は微小時間内で急激に変化しない。このため、例えば、検出された２次元分布のフレーム間でのパターンマッチングにより、対象部１０ｔの位置ずれを補正することができる。あるいは、呼吸のような周期的な動きであれば、その周波数成分のみを抽出し補正または除去してもよい。対象部１０ｔは、単一の領域である必要はなく、複数の領域であってもよい。当該複数の領域は、例えば、左右１個ずつ、あるいは、２×６のマトリックス状のドット分布であってもよい。
【０１２１】
［５．計測中のユーザの動きの影響を抑制する信号処理の例］
次に、計測中にユーザが前後に動いた場合であっても、内部散乱成分Ｉ２を高い精度で検出するための制御方法を説明する。以下の説明において、ユーザの前または後ろ方向の動きを「体動」と表現する。
【０１２２】
図１Ａに示す例において、計測中のユーザ１０の体動により、光計測装置１００からユーザ１０までの距離が変化し得る。この距離の変化を考慮せずに前述の処理を行うと、内部散乱成分Ｉ２を正しく検出できない可能性がある。
【０１２３】
図８Ａは、ユーザ１０の対象部が装置から所定の距離にある場合において検出される反射光パルスの後端成分の例を模式的に示す図である。図８Ｂは、計測中にユーザ１０の対象部が装置に近づいた場合において検出される反射光パルスの後端成分の例を模式的に示す図である。図８Ａおよび図８Ｂにおける長方形は、一定の時間長Ｔｓの露光期間を表す。この例では、各光パルスの出射が開始される時点が時間軸の原点であり、時刻ｔから時刻ｔ＋Ｔｓまで露光される。ユーザ１０の体動がない場合において検出される反射光パルスの積算光量をＩ（ｔ）とする。ユーザ１０の体動がある場合において検出される反射光パルスの積算光量をＩＭ（ｔ）とする。積算光量は、時刻ｔから時刻ｔ＋Ｔｓまでの間に到達した反射光パルスの光量を指す。すなわち、積算光量は、時間長Ｔｓの露光期間における検出信号の合計値に相当する。また、積算光量は、時刻ｔから時刻ｔ＋Ｔｓまでの反射光パルスの強度の積分によっても算出することができる。図８Ａおよび図８Ｂに示す斜線部の面積が、当該積算光量に相当する。
【０１２４】
図８Ａおよび図８Ｂに示すように、対象部までの距離が短くなると、積算光量ＩＭ（ｔ）は、積算光量のＩ（ｔ）よりも減少する。これは、反射光パルスが光検出器３０に到達するタイミングが早くなることに起因する。体動によって反射光パルスの到達するタイミングがΔｔだけ早くなるとすると、ＩＭ（ｔ）＝Ｉ（ｔ＋Δｔ）の関係が成り立つ。対象部までの距離が短くなるときはΔｔ＞０であり、対象部までの距離が長くなるときはΔｔ＜０である。対象部までの距離が長くなる場合、積算光量ＩＭ（ｔ）は、積算光量Ｉ（ｔ）よりも増加する。ユーザ１０の体動によって積算光量が変動することにより、内部散乱成分Ｉ２の計測精度が低下し得る。
【０１２５】
本実施形態における光計測装置１００では、１つの反射光パルスについて、異なる２つの露光期間で取得した２つの信号を組み合わせることにより、内部散乱成分Ｉ２が計測される。より具体的には、制御回路６０は、以下の動作を実行する。
（１）光源２０に、第１の光パルスおよび第２の光パルスを異なるタイミングで出射させる。
（２）光検出器３０に、第１の光パルスに起因する第１の反射光パルスの立ち下がり期間の開始から第１の時間が経過した第１の時点から一定の時間長の露光期間の間に到達した第１の反射光パルスの成分の光量を示す第１の信号を出力させる。
（３）光検出器３０に、第２の光パルスに起因する第２の反射光パルスの立ち下がり期間の開始から第１の時間よりも長い第２の時間が経過した第２の時点から一定の時間長の露光期間の間に到達した第２の反射光パルスの成分の光量を示す第２の信号を出力させる。
【０１２６】
信号処理回路７０は、第１の信号および第２の信号を用いた演算を実行することにより、ユーザの脳血流情報を生成する。
【０１２７】
このような動作により、ユーザが前後に動いた場合でも、内部散乱成分Ｉ２をより正確に検出することができる。
【０１２８】
図９は、例示的な実施形態による計測の原理を説明する図である。
【０１２９】
図９の部分（ａ）は、光検出器３０に到達する反射光パルスの光信号の時間応答波形の例を模式的に示している。図９の部分（ｂ）は、反射光パルスの後端成分の一部が、異なる２つの露光期間で検出される状況を模式的に示している。図９の部分（ｂ）に示す例では、ｔ＝ｔ１からｔ＝ｔ１＋Ｔｓまでの反射光パルスの積算光量Ｉ（ｔ１）、およびｔ＝ｔ２からｔ＝ｔ２＋Ｔｓまでの反射光パルスの積算光量Ｉ（ｔ２）が検出される。ｔ１とｔ２との関係については後述する。図９の部分（ｃ）は、時刻ｔから時刻ｔ＋Ｔｓまでの反射光パルスの積算光量Ｉ（ｔ）の時間依存性を模式的に示している。図９の部分（ｄ）は、ユーザ１０の体動による積算光量Ｉ（ｔ）の変化量ΔＩ（ｔ）の絶対値を積算光量Ｉ（ｔ）で割った関数Ｊ（ｔ）の時間依存性を模式的に示している。ΔＩ（ｔ）＝｜ＩＭ（ｔ）‐Ｉ（ｔ）｜である。Ｊ（ｔ）は、以下の式（１）によって表される。
【数１】
2020121704.tif 000003
【０１３０】
Ｊ（ｔ）はｔ＝ｔ３で最大になる。ｔ１はｔ３よりも先の時点であり、ｔ２はｔ３よりも後の時点である。ユーザ１０の体動の速度は光速よりもはるかに遅いことから、積算光量ＩＭ（ｔ）＝Ｉ（ｔ＋Δｔ）におけるΔｔは十分に小さい。したがって、積算光量ＩＭ（ｔ）＝Ｉ（ｔ＋Δｔ）は、以下の式（２）に近似される。
【数２】
2020121704.tif 000004
【０１３１】
式（２）を式（１）に代入することにより、Ｊ（ｔ）は、以下の式（３）によって近似される。
【数３】
2020121704.tif 000005
【０１３２】
図９の部分（ｄ）に示すＪ（ｔ）の時間依存性は、式（３）から得られる。以下の議論では、Δｔの具体的な値を知る必要はない。
【０１３３】
図９の部分（ｄ）に示す例において、ｔ１およびｔ２は、Ｊ（ｔ１）＝Ｊ（ｔ２）を満たすように設定され得る。Ｊ（ｔ１）＝Ｊ（ｔ２）は、以下の式（４）によって表される。
【数４】
2020121704.tif 000006
【０１３４】
式（４）から得られるＩＭ（ｔ１）／Ｉ（ｔ１）＝ＩＭ（ｔ２）／Ｉ（ｔ２）を変形すると、以下の式（５）が得られる。
【数５】
2020121704.tif 000007
【０１３５】
式（５）において、ユーザ１０の体動がない場合のＩ（ｔ１）とＩ（ｔ２）との比率と、ユーザ１０の体動がある場合のＩＭ（ｔ１）とＩＭ（ｔ２）との比率は同じである。したがって、Ｊ（ｔ１）＝Ｊ（ｔ２）を満たすようにｔ１およびｔ２を設定すると、積算光量Ｉ（ｔ１）と積算光量Ｉ（ｔ２）との比率Ｒは、ユーザ１０の体動によらず一定であることがわかる。言い換えれば、ユーザ１０の対象部１０ｔの内部状態が一定のとき、ユーザ１０の対象部１０ｔまでの距離が第１の距離にある場合における比率Ｒは、ユーザ１０の対象部１０ｔまでの距離が第１の距離とは異なる第２の距離にある場合における比率Ｒに等しい。このように、比率Ｒは、ユーザ１０の体動による影響を受けない。
【０１３６】
除算によって算出された比率Ｒは、絶対値ではなく相対値である。したがって、フレームごとの計測によって得られた比率Ｒの時間依存性は、例えば、ユーザ１０の頭部での脳血流が、計測開始時から時間経過によってどれだけ変化するかを調べるときに有効である。比率Ｒの時間依存性は、計測開始時の比率Ｒ０によってＲ／Ｒ０に規格化されてもよい。計測開始時の脳血流の具体的な値がわかれば、当該値をＲ／Ｒ０に掛けることにより、脳血流の具体的な時間依存性を知ることができる。
【０１３７】
Ｊ（ｔ１）≠Ｊ（ｔ２）の場合でも、Ｊ（ｔ１）とＪ（ｔ２）との差があまり大きくなければ、比率Ｒは、ユーザ１０の体動に大きく影響を受けないことが期待できる。ユーザ１０の体動による比率Ｒの変化量ΔＲを比率Ｒで割った値が、例えば｜ΔＲ｜／Ｒ＜０．２の範囲内であれば、比率Ｒはユーザ１０の体動に関係なく実質的に等しいと言い得る。さらに、Ｊ（ｔ１）≠Ｊ（ｔ２）の場合でも、Ｊ（ｔ）が等しくなるように、例えば、比率ＲにおけるＩ（ｔ１）およびＩ（ｔ２）にそれぞれ重みを掛け、および／または補正値を足してもよい。
【０１３８】
次に、上記の原理に基づいてユーザ１０の脳血流情報を取得するときの、本実施形態における光計測装置１００の動作を説明する。
【０１３９】
図１０は、例示的な実施形態における光計測装置１００の動作の一例を示すフローチャートである。ユーザ１０の対象部と光検出器３０との距離は所定距離にある。当該距離は、光計測装置１００を使用する際のユーザ１０の対象部と光検出器３０との適正距離範囲として予め想定された距離範囲内にある。以下の説明において、反射光パルスの立ち下がり期間の開始から第１の時間が経過した第１の時点が、図９に示すｔ１に相当し、反射光パルスの立ち下がり期間の開始から第１の時間よりも長い第２の時間が経過した第２の時点が、図９に示すｔ２に相当する。
【０１４０】
ステップＳ３０１において、制御回路６０は、光源２０に第１の光パルスおよび第２の光パルスを異なるタイミングで出射させる。第１の光パルスおよび第２の光パルスに起因して、第１の反射光パルスおよび第２の反射光パルスが、ユーザ１０の頭部から光検出器３０にそれぞれ戻ってくる。
【０１４１】
ステップＳ３０２において、制御回路６０は、光検出器３０に、第１の反射光パルスの立ち下がり期間におけるｔ＝ｔ１からｔ＝ｔ１＋Ｔｓまでの第１の積算光量を検出させると共に、第１の積算光量を示す第１の信号を出力させ、第２の反射光パルスの立ち下がり期間におけるｔ＝ｔ２からｔ＝ｔ２＋Ｔｓまでの第２の積算光量を検出させると共に、第２の積算光量を示す第２の信号を出力させる。
【０１４２】
本明細書において、第１の反射光パルスの立ち下がり期間を、「第１の立ち下がり期間」と称し、第２の反射光パルスの立ち下がり期間を、「第２の立ち下がり期間」と称することがある。また、第１の反射光パルスの立ち下がり期間におけるｔ＝ｔ１からｔ＝ｔ１＋Ｔｓまでの部分を「第１の部分」と称し、第２の反射光パルスの立ち下がり期間におけるｔ＝ｔ２からｔ＝ｔ２＋Ｔｓまでの部分を「第２の部分」と称することがある。また、第１の反射光パルスのｔ＝ｔ１からｔ＝ｔ１＋Ｔｓまでの露光期間を、「第１の時間長を有する第１の期間」と称し、第２の反射光パルスのｔ＝ｔ２からｔ＝ｔ２＋Ｔｓまでの露光期間を、「第２の時間長を有する第２の期間」と称することがある。第１の反射光パルスの第１の立ち下がり期間の開始から第１の時点までの時間間隔は、第２の反射光パルスの第２の立ち下がり期間の開始から第２の時点までの時間間隔とは異なる。図９に示す例では、第１の時間長と第２の時間長とは同一であるが、上記の原理が有効である範囲内で異なっていてもよい。
【０１４３】
制御回路６０は、光検出器３０に第１の積算光量および第２の積算光量を検出させた後、光検出器３０に第１の信号および第２の信号を出力させてもよい。あるいは、制御回路６０は、光検出器３０に第１の積算光量を検出させた後に第１の信号を出力させ、次に、光検出器３０に第２の積算光量を検出させた後に第２の信号を出力させてもよい。あるいは、制御回路６０は、光検出器３０に第２の積算光量を検出させた後に第２の信号を出力させ、次に、光検出器３０に第１の積算光量を検出させた後に第１の信号を出力させてもよい。
【０１４４】
反射光パルスの検出では、図９の部分（ｂ）に示すように、一般にｔ＝ｔ１からｔ＝ｔ１＋Ｔｓまでの露光期間と、ｔ＝ｔ２からｔ＝ｔ２＋Ｔｓまでの露光期間とが重なっている。２つの露光期間が重なっている期間では、同じ画素において、１つの反射光パルスの第１の積算光量に相当する信号電荷と、当該１つの反射光パルスの第２の積算光量に相当する信号電荷とを、異なる信号蓄積部に蓄積することができない。このため、同じ画素において、第１の積算光量および第２の積算光量は、１つの反射光パルスからではなく、第１の反射光パルスおよび第２光反射パルスからそれぞれ検出される。
【０１４５】
ステップＳ３０３において、信号処理回路７０は、第１の信号および第２の信号を用いた演算を実行することにより、ユーザ１０の脳血流情報を生成する。
ステップＳ３０４において、信号処理回路７０は、計測が終了したか否かを判定する。この判定がＮｏの場合、ＹＥＳと判定するまで、制御回路６０および信号回路７０は、ステップＳ３０１からステップ３０３を繰り返す。計測が終了したか否かの判定は、例えばユーザからの停止指示があったか否かに基づいて行われうる。あるいは、計測開始からの経過時間が既定の時間に達したか否か、または計測開始からのデータの蓄積量が既定のデータ量に達したか否か等に基づいて終了の判定を行ってもよい。
これにより、第１の信号の変動および第２の信号の変動に基づき、ユーザ１０の脳血流の変動を示す情報を生成することができる。式（５）に示すように、第１の信号および第２の信号の一方の値を、第１の信号および第２の信号の他方の値で割った演算値は、ユーザ１０の体動によってユーザ１０の対象部と光検出器３０との距離が変化しても、当該距離が所定距離にある場合における演算値に実質的に等しい。当該演算値から、ユーザ１０の脳血流情報が生成される。
【０１４６】
制御回路６０は、ステップＳ３０１およびステップＳ３０２を繰り返し実行してもよい。この場合、光源２０から出射された複数の第１の光パルスにそれぞれ起因する複数の第１の反射光パルスが、ユーザ１０の頭部から光検出器３０に戻ってくる。同様に、光源２０から出射された複数の第２の光パルスにそれぞれ起因する複数の第２の反射光パルスが、ユーザ１０の頭部から光検出器３０に戻ってくる。第１の信号は、複数の第１の反射光パルスのそれぞれの立ち下がり期間におけるｔ＝ｔ１からｔ＝ｔ１＋Ｔｓまでの第１の積算光量の合計を示す。同様に、第２の信号は、複数の第２の反射光パルスのそれぞれの立ち下がり期間におけるｔ＝ｔ２からｔ＝ｔ２＋Ｔｓまでの第２の積算光量の合計を示す。
【０１４７】
ステップＳ３０１およびステップＳ３０２の繰り返しにおいて、制御回路６０は、光源２０に、第１の光パルスおよび第２の光パルスを交互に複数回出射させてもよい。あるいは、制御回路６０は、光源２０に、第１の光パルスを複数回出射させた後第２の光パルスを複数回出射させるか、または、第２の光パルスを複数回出射させた後第１の光パルスを複数回出射させてもよい。第１の光パルスの出射回数と、第２の光パルスの出射回数とは同じであってもよいし、異なっていてもよい。出射回数が異なる場合は、ステップＳ３０３における第１の信号および第２の信号を用いた演算において、出射回数の違いを補正してもよい。
【０１４８】
ｔ１およびｔ２は、計測を開始する前に、キャリブレーション動作によって調整される。次に、計測を開始する前の、本実施形態における光計測装置１００の動作を説明する。
【０１４９】
図１１は、計測を開始する前の光計測装置１００の動作の一例を示すフローチャートである。当該動作を実行する前に、例えば図４に示す方法により、ユーザ１０の対象部と光検出器３０との距離が測定される。当該距離を、光計測装置１００を使用する際のユーザ１０の対象部と光検出器３０との適正距離とする。以下の説明において、反射光パルスの立ち下がり期間の開始時点から第３の時間が経過した時点が、図９に示すｔ３に相当する。
【０１５０】
ステップＳ４０１において、制御回路６０は、光源２０に、光パルスを出射させる。当該光パルスに起因して、反射光パルスが、ユーザ１０の頭部から光検出器３０に戻ってくる。
【０１５１】
ステップＳ４０２において、制御回路６０は、光検出器３０に、反射光パルスの強度の増加が開始してから減少が終了するまでの期間における時刻ｔから時刻ｔ＋Ｔｓまでの積算光量Ｉ（ｔ）を示す信号を出力させる。反射光パルスの強度の増加が開始してから減少が終了するまでの期間は、反射光パルス全体が光検出器３０に入射し始めてから入射し終わるまでの期間である。
【０１５２】
ステップＳ４０３において、制御回路６０は、ｔを微小時間δｔ（＞０）だけ増加させる。微小時間δｔは、例えば、数１０ｐｓから数１０ｎｓである。なお、微小時間δｔは、積算光量ＩＭ（ｔ）＝Ｉ（ｔ＋Δｔ）におけるΔｔとは関係ない。
【０１５３】
ステップＳ４０４において、制御回路６０は、時刻ｔおよび／または時刻ｔ＋Ｔｓが、反射光パルスの強度の増加が開始してから減少が終了するまでの期間内にあるか否かを判定する。なお、図１１に示す動作を開始する前に、時刻ｔ＋Ｔｓは、反射光パルスの強度の増加が開始する時点と一致するように設定してもよい。一方、式（３）の演算では、反射光パルスの後端付近での積算光量Ｉ（ｔ）の時間依存性が用いられる。したがって、図１１に示す動作を開始する前に、時刻ｔ＋Ｔｓは、反射光パルスの立ち下がり期間の開始時点と一致するように設定してもよい。時刻ｔ＋Ｔｓの代わりに、時刻ｔが、反射光パルスの立ち下がり期間の開始時点と一致するように設定してもよい。ステップＳ４０４での判定がＹｅｓの場合、再びステップＳ４０１に戻る。ステップＳ４０４での判定がＮｏの場合、ステップＳ４０５に進む。
【０１５４】
ステップＳ４０１からステップＳ４０３の繰り返しにより、制御回路６０は、ステップＳ４０１およびステップＳ４０２に示す動作を、時刻ｔから時刻ｔ＋Ｔｓまでの露光期間の起点の時刻ｔを微小時間δｔずつシフトさせながら連続して実行する。制御回路６０は、以下の動作を実行すると言い得る。すなわち、制御回路６０は、光源２０に複数の光パルスを出射させ、光検出器３０に、複数の光パルスに起因する複数の反射光パルスを、複数の反射光パルスの各々の強度の減少が開始してから検出を開始するまでの時間差を微小時間ずつシフトさせながら、検出させる。本明細書では、ステップＳ４０１からステップＳ４０３の繰り返しにおける時刻ｔから時刻ｔ＋Ｔｓまでの露光時間の時間長を、「第３の時間長」と称することがある。第３の時間長は、第１の時間長および第２の時間長と同一であるが、上記の原理が有効である範囲内で異なっていてもよい。
ステップＳ４０５において、制御回路６０は、ステップＳ４０１からステップＳ４０３の繰り返しによって取得される信号の時間依存性から、反射光パルスの積算光量Ｉ（ｔ）を取得する。当該時間依存性は、微小時間δｔの離散的なサンプリングによって得られる。
【０１５５】
ステップＳ４０６において、信号処理回路７０は、式（３）におけるＪ（ｔ）が最大になる第３の時間を算出する。式（３）の演算において、ｄＩ（ｔ）／ｄｔは、例えば差分によってｄＩ（ｔ）／ｄｔ≒［Ｉ（ｔ＋δｔ）‐Ｉ（ｔ）］／δｔに近似される。これにより、式（３）は、以下の式（６）に近似される。
【数６】
2020121704.tif 000008
【０１５６】
式（６）において、｜Δｔ｜／δｔの具体的な値を知る必要はない。信号処理回路７０は、ステップＳ４０１からステップＳ４０３の繰り返しにおける各光パルスの立ち下がり期間の開始時点から、信号の起点となる時間に対する時間依存性を示すＩ（ｔ）の微小時間δｔでの変化量の絶対値｜Ｉ（ｔ＋δｔ）‐Ｉ（ｔ）｜をＩ（ｔ）で割った｜Ｉ（ｔ＋δｔ）‐Ｉ（ｔ）｜／Ｉ（ｔ）が最大になる第３の時間を算出する。本明細書において、第１の反射光パルスの第１の立ち下がり期間の開始時点から第３の時間が経過した時点を、「第３の時点」と称し、第２の反射光パルスの第２の立ち下がり期間の開始時点から第３の時間が経過した時点を、「第４の時点」と称することがある。なお、式（６）における｜Δｔ｜／δｔを省略して、Ｊ（ｔ）＝｜Ｉ（ｔ＋δｔ）‐Ｉ（ｔ）｜／Ｉ（ｔ）としてもよい。
【０１５７】
ステップＳ４０７において、制御回路６０は、第１の時間を第３の時間よりも短く設定し、第２の時間を第３の時間よりも長く設定する。すなわち、ｔ１＜ｔ３およびｔ２＞ｔ３である。ｔ１＜ｔ３は、第１の時点が第３の時点よりも前であるとも言い得る。ｔ２＞ｔ３は、第２の時点が第４の時点よりも後であるとも言い得る。Ｊ（ｔ）が、光パルスが立ち下がり期間の開始から第１の時間を経過した時点であるｔ＝ｔ１と、第２の時間を経過したｔ＝ｔ２とにおいて同じ値を示すとき、Ｊ（ｔ１）＝Ｊ（ｔ２）が満たされる。このとき、式（５）における比率Ｒにより、ユーザ１０の体動による計測精度の低下を最も抑制することができる。
【０１５８】
本実施形態における光計測装置１００では、ユーザ１０の対象部と光検出器３０との距離が所定距離範囲にある状態で使用されることを想定している。例えば、光検出器３０の前に椅子または座席があり、光検出器３０と椅子または座席との距離が固定されている場合、ユーザ１０が毎回同じ姿勢で椅子または座席に座れば、ユーザ１０の対象部と光検出器３０との距離は毎回ほとんど同じであると考えられる。したがって、計測を開始する前に、図１１に示すステップＳ４０１からステップＳ４０７によってｔ１およびｔ２が一旦設定されれば、次回以降は、同じｔ１およびｔ２を用いて、図１０に示すステップＳ３０１からステップＳ３０３を実行することができる。
【０１５９】
また、計測のたびに距離が異なる場合は、一定期間ごとに図１１に示すステップＳ４０１からステップＳ４０７によってｔ１およびｔ２を設定し直してもよい。
【０１６０】
あるいは、別途設けられた距離センサによりユーザ１０の対象部と光検出器３０との距離が大きく変動したことを検知した場合に、図１１に示すステップＳ４０１からステップＳ４０７によってｔ１およびｔ２を設定し直してもよい。
【０１６１】
次に、本実施形態における光計測装置１００の変形例を説明する。前述した例では、第１の積算光量および第２の積算光量は、それぞれ第１の反射光パルスおよび第２の反射光パルスから検出された。以下の変形例では、第１の積算光量および第２の積算光量が、１つの反射光パルスから検出される。ここでは、光検出器３０は、複数の画素を備えるイメージセンサである。各画素は、ユーザ１０の頭部から戻ってきた反射光パルスの少なくとも一部の光量を示す信号を出力する。
【０１６２】
図１２は、光計測装置１００の動作の第１の変形例を示すフローチャートである。制御回路６０は、図１０に示すステップＳ３０１からステップＳ３０３を実行する代わりに、図１２に示す以下のステップＳ５０１からステップＳ５０３を実行してもよい。
【０１６３】
ステップＳ５０１において、制御回路６０は、光源２０に光パルスを出射させる。当該光パルスに起因して、反射光パルスが、ユーザ１０の頭部からイメージセンサに戻ってくる。
【０１６４】
ステップＳ５０２において、制御回路６０は、イメージセンサに、複数の画素の１つの画素における、反射光パルスの立ち下がり期間におけるｔ＝ｔ１からｔ＝ｔ１＋Ｔｓまでの第１の積算光量を検出させると共に、第１の積算光量を示す第１の信号を出力させる。さらに、制御回路６０は、イメージセンサに、複数の画素の上記１つの画素に隣接する画素における、当該反射光パルスの立ち下がり期間におけるｔ＝ｔ２からｔ＝ｔ２＋Ｔｓまでの第２の積算光量を検出させると共に、第２の積算光量を示す第２の信号を出力させる。複数の画素のうち、隣接する２つの画素に入射する反射光パルスの波形は、ほとんど同じであると考えられる。これにより、第１の積算光量および第２の積算光量を、同じ１つの反射光パルスから得ることができる。制御回路６０は、イメージセンサに、第１の積算光量および第２の積算光量を検出させた後、第１の信号および第２の信号を出力させる。本明細書において、反射光パルスの立ち下がり期間におけるｔ＝ｔ１からｔ＝ｔ１＋Ｔｓまでの部分を「第１の部分」と称し、当該反射光パルスの立ち下がり期間におけるｔ＝ｔ２からｔ＝ｔ２＋Ｔｓまでの部分を「第２の部分」と称することがある。また、反射光パルスのｔ＝ｔ１からｔ＝ｔ１＋Ｔｓまでの露光期間を、「第１の時間長を有する第１の期間」と称し、当該反射光パルスのｔ＝ｔ２からｔ＝ｔ２＋Ｔｓまでの露光期間を、「第２の時間長を有する第２の期間」と称することがある。第１の時間長と第２の時間長とは同一であるが、上記の原理が有効である範囲内で異なっていてもよい。
【０１６５】
制御回路６０は、ステップＳ５０１およびステップＳ５０２を繰り返し実行してもよい。この場合、光源２０から出射された複数の光パルスにそれぞれ起因する複数の反射光パルスが、ユーザ１０の頭部から光検出器３０に戻ってくる。第１の信号は、複数の画素の１つの画素における、複数の反射光パルスのそれぞれの立ち下がり期間におけるｔ＝ｔ１からｔ＝ｔ１＋Ｔｓまでの第１の積算光量の合計を示す。同様に、第２の信号は、複数の画素の上記１つの画素に隣接する画素おける、当該複数の反射光パルスのそれぞれの立ち下がり期間におけるｔ＝ｔ２からｔ＝ｔ２＋Ｔｓまでの第２の積算光量の合計を示す。
【０１６６】
ステップＳ５０３の動作は、ステップＳ３０３の動作と同じである。
【０１６７】
前述した例では、ｔ＝ｔ１からｔ＝ｔ１＋Ｔｓまでの露光期間と、ｔ＝ｔ２からｔ＝ｔ２＋Ｔｓまでの露光期間とが重なっている。このため、同じ画素において、１つの反射光パルスから、第１の積算光量、および第２の積算光量を検出することはできない。一方、ｔ＝ｔ１からｔ＝ｔ１＋Ｔｓまでの露光期間と、ｔ＝ｔ２からｔ＝ｔ２＋Ｔｓまでの露光期間とが重なっていなければ、同じ画素において、１つの反射光パルスから、第１の積算光量、および第２の積算光量を検出することができる。
【０１６８】
図１３は、計測の原理を説明する他の図である。
【０１６９】
図１３の部分（ａ）は、光検出器３０に到達する反射光パルスの光信号の時間応答波形の例を模式的に示している。図１３の部分（ｂ）は、反射光パルスの後端成分の一部が、異なる２つの露光期間で検出される状況を模式的に示している。図１３の部分（ｃ）は、時刻ｔから時刻ｔ＋Ｔｓまでの反射光パルスの積算光量Ｉ（ｔ）の時間依存性を模式的に示している。図１３の部分（ｄ）は、関数Ｊ（ｔ）の時間依存性を模式的に示している。
【０１７０】
図１３の部分（ｂ）に示すように、ｔ＝ｔ１からｔ＝ｔ１＋Ｔｓまでの露光期間と、ｔ＝ｔ２からｔ＝ｔ２＋Ｔｓまでの露光期間とは重ならない。この場合、図１３の部分（ｃ）に示す反射光パルスの積算光量Ｉ（ｔ）の時間依存性は、図９の部分（ｃ）に示す反射光パルスの積算光量Ｉ（ｔ）の時間依存性とは異なる。しかし、図１３の部分（ｄ）に示す関数Ｊ（ｔ）は、図９の部分（ｄ）に示す関数Ｊ（ｔ）に類似している。したがって、前述した原理により、Ｊ（ｔ１）＝Ｊ（ｔ２）を満たすようにｔ１およびｔ２を設定すると、積算光量Ｉ（ｔ１）と積算光量Ｉ（ｔ２）との比率Ｒは、ユーザ１０の体動によらず一定である。
【０１７１】
図１４は、光計測装置１００の動作の第２の変形例を示すフローチャートである。制御回路６０は、図１０に示すステップＳ３０１からステップＳ３０４を実行する代わりに、図１４に示す以下のステップＳ６０１からステップＳ６０４を実行してもよい。図１０に示すフローチャートと重複する内容については省略する。
【０１７２】
ステップＳ６０１において、制御回路６０は、光源２０に光パルスを出射させる。光パルスに起因して、反射光パルスが、ユーザ１０の頭部から光検出器３０に戻ってくる。
【０１７３】
ステップＳ６０２において、制御回路６０は、光検出器３０に、反射光パルスの立ち下がり期間におけるｔ＝ｔ１からｔ＝ｔ１＋Ｔｓまでの第１の積算光量を検出させると共に、第１の積算光量を示す第１の信号を出力させ、当該反射光パルスの立ち下がり期間におけるｔ＝ｔ２からｔ＝ｔ２＋Ｔｓまでの第２の積算光量を検出させると共に、第２の積算光量を示す第２の信号を出力させる。
【０１７４】
ステップＳ６０３の動作は、ステップＳ３０３の動作と同じである。
ステップＳ６０４において、信号処理回路７０は、計測が終了したか否かを判定する。この判定がＮｏの場合、ＹＥＳと判定するまで、制御回路６０および信号回路７０は、ステップＳ６０１からステップ６０３を繰り返す。
【０１７５】
次に、本実施形態における光計測装置１００の応用例を説明する。
【０１７６】
図１５は、自動車内の座席１２に座るユーザ１０の脳血流情報を取得する例を模式的に示す図である。図１５に示す例では、自動車の運転中に、光計測装置１００の光検出器３０によってユーザ１０の脳血流情報が計測される。脳血流情報を計測して、ユーザ１０が漫然状態であるか、または、事故を起こす可能性があるかを調べることができる。脳血流情報の計測時に、車体の振動に起因してユーザ１０の体動が生じ、ユーザ１０の対象部と光検出器３０との距離が変化し得る。この場合でも、本実施形態における光計測装置１００では、式（５）における比率Ｒにより、ユーザ１０の脳血流情報がユーザ１０の体動によって大きく影響を受けることはない。したがって、本実施形態における光計測装置１００を自動運転および／または運転支援のためのモニタリングに応用すれば、ユーザ１０の脳血流情報を精度よく計測することができる。
【０１７７】
本開示は、制御回路６０および信号処理回路７０が実行する動作の方法およびプログラムも含む。
【０１７８】
以上で説明した実施形態においては、光計測装置１００の測定対象が人体の脳血流情報である場合を説明した。しかしながら、光計測装置１００の測定対象は脳血流情報に限られず、脳以外の比較的深い部分の血流情報の計測にも応用することができる。また、生体以外の、内部状態の時間的変動がある物体に対しても応用することができる。
【産業上の利用可能性】
【０１７９】
本実施形態における光計測装置は、特定のユーザが、特定の場所で、特定の作業を行う際に、作業中の集中度などのメンタル状態を診断するために利用することができる。また、本実施形態における光計測装置は、例えば、病院での精神疾患の定期診断、脳トレーニングジムでのメンタル状態の診断、デスクワーク中の集中力または課題難易度の検出、または装置の運転作業中のエラー予測または漫然状態の検出に応用することができる。
【符号の説明】
【０１８０】
１０      ユーザ
１０ｔ    対象部
２０      光源
３０      光検出器
６０      制御回路
６２      光源制御部
６３      検出器制御部
７０      信号処理回路
１００    光計測装置
１０１    光源
２０１    画素
２０２    ドレイン
２０３    フォトダイオード
２０４、２０５、２０６、２０７    浮遊拡散層
３０２    行選択回路
３０３    列選択回路
３０４    垂直信号線
３０５    ソースフォロワ電源
３０６    ソースフォロワ負荷
３０７    変換回路
３０８    行選択トランジスタ
３０９    ソースフォロワトランジスタ
３１０    リセットトランジスタ
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図１Ｄ】
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【図１Ｅ】
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【図１Ｆ】
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【図１Ｇ】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【国際調査報告】
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