JP2017015694A - 撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】空間解像度を犠牲にせずに複数の距離レンジの情報と分光情報とを同時に取得する。【解決手段】本開示の一態様に係る撮像装置は、波長の異なる複数の成分を含むパルス光を出射する光源と、前記パルス光が照射された対象物からの入射光が透過する、光透過率の異なる複数の領域を有する符号化素子と、前記複数の領域を透過した前記入射光を、前記波長に応じて複数の光に分散させる分光素子と、前記分光素子によって分散した前記複数の光を受ける撮像素子と、前記光源および前記撮像素子を制御する制御回路と、を備える。【選択図】図１

Description

本開示は、ガスおよび生体等の対象物の内部情報を取得する撮像装置に関する。

ガスの漏洩検知、生体計測、材料分析等の用途において、対象物に光（可視光、赤外線、または紫外線を含む。）を照射し、その透過光、反射光、または散乱光を検出することにより、対象物の内部情報を取得する方法が用いられている。

そのような方法を用いた撮像システムの例が、例えば特許文献１〜４に開示されている。

特開２００５−９１３４３号公報 特開２００８−１４９１５４号公報 国際公開第１３／００２３５０号 米国特許第７２８３２３１号明細書

従来の技術では、空間解像度を犠牲にせずに複数の距離レンジの情報と分光情報とを同時に取得することが困難であった。

本開示は、空間解像度を犠牲にせずに複数の距離レンジの情報と分光情報とを同時に取得する撮像装置を提供する。

本開示の一態様に係る撮像装置は、波長の異なる複数の成分を含むパルス光を出射する光源と、前記パルス光が照射された対象物からの入射光が透過する、光透過率の異なる複数の領域を有する符号化素子と、前記複数の領域を透過した前記入射光を、前記波長に応じて複数の光に分散させる分光素子と、前記分光素子によって分散した前記複数の光を受ける撮像素子と、前記光源および前記撮像素子を制御する制御回路と、を備える。

本開示の技術によれば、空間解像度を犠牲にせずに複数の距離レンジの情報と分光情報とを同時に取得することができる。

本開示の実施の形態１における撮像装置の構成を模式的に示す図である。 本開示の実施の形態１における符号化素子１０４の光透過率の２次元分布の一例を示す図である。 本開示の実施の形態１における符号化素子１０４の光透過率の２次元分布の他の例を示す図である。 本開示の実施の形態１における撮像素子１０６の１つの画素２０１の概略的な構成例を示す図である。 本開示の実施の形態１における撮像動作を示すフローチャートである。 本開示の実施の形態１における光源１０７のパルス光の発光タイミングと、検知対象のガス分子によるラマン散乱光の撮像素子１０６への到達のタイミングと、撮像素子１０６の各浮遊拡散層における受光タイミングとの関係を説明する図である。 本開示の実施の形態１における撮像素子１０６の全体構成の一例を示す図である。 本開示の実施の形態１における分光分離処理のイメージを示す概念図である。 本開示の実施の形態１における第２信号処理部１１０による３Ｄ画像生成処理の概要を示す図である。 本開示の実施の形態２の構成を示す図である。 本開示の実施の形態２における符号化分光素子９０１の構成を模式的に示す図である。 本開示の実施の形態２における符号化分光素子９０１のある領域における分光透過率の特性を説明するための図である。 図１１Ａに示す分光透過率を、波長域Ｗ１、Ｗ２、・・・、Ｗｉごとに平均化した結果を示す図である。 本開示の実施の形態３における撮像装置の構成を示す図である。 本開示の実施の形態３における撮像素子１１０６の画素構成の概略を示す図である。 本開示の実施の形態３における発光パルスと、距離レンジ毎の拡散光と、８つの浮遊拡散層への信号蓄積パルスと、ドレイン１２０２への排出パルスのタイミングを示す図である。 本開示の実施の形態３における撮像素子１１０６の全体構成の一例を示す図である。 酸素化ヘモグロビン、脱酸素化ヘモグロビン、および水の吸収係数の波長依存性を示すグラフである。 生体組織中の光の散乱係数の波長依存性を示すグラフである。 本開示の実施の形態３における信号処理の流れを示すフローチャートである。 本開示の実施の形態３における１つの画素に到達する光量の時間変化の一例を示す図である。 本開示の実施の形態４における撮像装置の構成を示す図である。

（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。

本発明者らは、従来のガス漏洩検知システムおよび生体情報検知システムについて、以下の課題があることを見出した。

従来の一般的なガス漏洩検知システムは、吸引したガスをセンサに直接接触させ、センサ内の電気抵抗および電流値などの物理量の変化に基づいて、検知対象のガスの濃度を計測する。しかしながら、このような方法では、ガスをセンサに直接接触させる必要があるため、センサから離れた場所におけるガスの検知は不可能である。さらに、風向きおよび設置場所などの環境条件による不確定要素を多く含むという欠点を有する。

特許文献１は、そのような欠点を解決するガス検知システムの例を開示している。特許文献１のシステムは、ガスに紫外レーザー光を照射して、ラマン散乱を生じさせる。ラマン散乱は、分子に入射した光の波長とは異なる波長の散乱光が生じる現象である。この現象は、分子が光を受けて一旦高エネルギーの中間状態になった後、振動励起状態または基底状態に遷移することによって生じる。基底状態から中間状態を経て振動励起状態に遷移した場合、入射光よりも波長の長い散乱光が生じる。この波長のシフトは、ストークスシフトと呼ばれる。逆に、振動励起状態から中間状態を経て基底状態に遷移した場合、入射光よりも波長の短い散乱光が生じる。この波長のシフトは、反ストークスシフトと呼ばれる。

特許文献１のシステムは、ラマン散乱光のストークスシフトを検知することにより、ガスの漏洩およびその種類を非接触で検知する。監視対象空間の可視画像に、検知したガスの分布を示す画像を重畳させることにより、ガスの漏洩を二次元イメージとして表示することができる。これにより、ガスの漏洩の監視および漏洩箇所の特定を遠方から安全に行うことができることが記載されている。

特許文献１には、検知対象の距離レンジに応じて撮影のタイミングを変化させることが記載されている。光源の発光に同期した短時間の露光により、単一の距離レンジの撮影が可能である。しかし、同時に複数の距離レンジの撮影を行うことはできない。

本開示の実施形態では、「時間分解撮像」と呼ばれる方法を用いて、複数の距離レンジの撮影を行うことができる。以下、本開示の実施形態において利用される時間分解撮像について説明する。

レーザー光照射技術の進展により、ナノ秒（ｎｓ）からピコ秒（ｐｓ）のオーダーの極めて短時間のパルス光を対象物に繰り返し照射し、これに同期して撮像素子の受光時間を高速に制御することが可能になっている。このような、光源および撮像素子を高速に制御して行われる撮像を、「時間分解撮像」と称する。代表的な応用例として、光の飛行時間に基づいて被写体までの距離を画素単位で検知するＴＯＦ（Ｔｉｍｅ ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ）と呼ばれる方法を用いた測距撮像装置が商品化されている。

時間分解撮像の応用により、発光した際に繰り返し同様に起こる現象を、発光と連携して極めて短時間の受光を繰り返して信号を蓄積し、短時間の現象の変化を動画像として再現することも可能になっている。例えば、光が伝播する様子を動画像として可視化することも可能になっている。

時間分解撮像技術は、光が透過する空間のみならず、生体等の光散乱体への応用も検討されている。例えば、水およびヘモグロビンの双方について、光吸収率が比較的小さい２波長の近赤外線を用いて、酸素化ヘモグロビンおよび脱酸素化ヘモグロビンの生体内の濃度分布を断層画像化する時間分解拡散光トモグラフィーが知られている。

特に生体を対象とする場合には、画像診断方法として広く普及しているレントゲンおよびＸ線ＣＴと比較して、生体に安全な赤外線（以下、「赤外光」とも称する。）を用いることで、全く被爆のない非侵襲な生体観測が可能である。また、近赤外光による撮像は、核磁気共鳴を利用したＭＲＩ等の装置と比較して、装置の小型化、軽量化、および低コスト化に適している。これらのことから、近赤外光による撮像は、生体組織の機能の解明に関する研究の最先端で広く利用されはじめている。

しかしながら、近赤外光は生体組織中を通過する際に非常に強く散乱し、その結果、生体組織中で激しい光の拡散が生じる。この光の拡散が撮像の空間分解能を著しく低下させるという課題がある。

この課題を解決する方法の１つに、検知対象の生体組織の、散乱体としての光学的特性値（例えば、吸収係数および散乱係数）の空間分布を仮定して当該散乱体内の光伝播を数値的に計算し（順問題）、その結果と時間分解撮像によって実際に得られたデータとを比較し、双方が一致するまで空間分布の仮定を繰り返す（逆問題）という画像再構築アルゴリズムが知られている。このようなアルゴリズムを用いることにより、空間解像度が向上した３次元画像を再構築することができる。

従来の時間分解拡散光トモグラフィーは、脳の活性化に関する研究、および乳がんのスクリーニングのための光マンモグラフィー等の用途では有効である。しかし、限られた２〜３波長の光源が用いられるため、多バンドの分光情報を取得することができない。したがって、生きた組織から特異度の高い分子の情報を検出することができない。

特許文献２は、生きた組織から特異度の高い分子の情報を検出するシステムの例を開示している。特許文献２に開示されたシステムは、入射光を提供する近赤外光源と、２つ以上の別々の励起点から生体内へと光を誘導するための多点入射光照射アレイと、光源から多点入射光照射アレイの各点へと光を伝送するための複数の光ファイバーと、対象物から放出された蛍光を２つ以上の別々の収集点から収集するための多点検出アレイと、対象物から放出された光を検出器へと伝送するための二次元発光アレイと、各収集点から二次元発光アレイ上の対応する点へと光を伝送するための複数の光ファイバーと、二次元発光アレイの各点から放出された光を検出し且つ対象物から放出された光に対応するデジタル信号に変換するための検出器とを含む。このような構成により、疾患の原因となる異常な分子の三次元的な位置情報を高い感度で取得できることが記載されている。

しかしながら、特許文献２には、１フレームの撮影で複数の距離レンジの情報を取得するような撮像方法については記載されていない。

本開示の実施形態に係る撮像装置は、１フレームの撮影で複数の距離レンジの情報を取得し、かつ、複数の波長の情報も併せて取得する。複数の波長の情報の取得には、圧縮センシングと呼ばれる技術を用いる。以下、圧縮センシングについて説明する。

各々が狭帯域である多数のバンド（例えば数十バンド以上）のスペクトル情報を活用することで、従来のＲＧＢ画像では不可能であった観測物の詳細な物性を把握することができる。この多波長の情報を取得するカメラは、「ハイパースペクトルカメラ」と呼ばれる。ハイパースペクトルカメラは、食品検査、生体検査、医薬品開発、鉱物の成分分析等の様々な分野で利用されている。例えば、特許文献３は、観測対象の波長を狭帯域に限定して取得された画像を生成することによって被験体の腫瘍部位と非腫瘍部位との判別を行う装置を開示している。この装置は、励起光の照射により、癌細胞内に蓄積されるプロトポルフィリンＩＸが６３５ｎｍの蛍光を発し、フォト−プロトポルフィリンが６７５ｎｍの蛍光を発することを検出する。これにより、腫瘍部位と非腫瘍部位との識別を行う。

特許文献４は、圧縮センシングを用いたハイパースペクトルカメラの例を開示している。特許文献４に開示された装置は、測定対象からの光をプリズム等の第１の分光素子で分光した後、符号化マスクでマーキングし、さらに第２の分光素子によって光線の経路を戻す。これにより、符号化され、かつ波長軸に関して多重化された画像がセンサによって取得される。多重化された画像から圧縮センシングの適用により、多波長の複数枚の画像を再構成される。

圧縮センシングは、少ないサンプル数の取得データから、それよりも多くのデータを復元する技術である。測定対象の２次元座標を（ｘ、ｙ）、波長をλとすると、求めたいデータｆは、ｘ、ｙ、λの３次元のデータである。これに対し、センサによって得られる画像データｇは、λ軸方向に圧縮および多重化された２次元のデータである。相対的にデータ量が少ない取得画像ｇから、相対的にデータ量が多いデータｆを求める問題は、いわゆる不良設定問題であり、このままでは解くことができない。しかし、一般に、自然画像のデータは冗長性を有しており、それを巧みに利用することでこの不良設定問題を良設定問題に変換することができる。画像の冗長性を活用してデータ量を削減する技術の例に、ｊｐｅｇ圧縮がある。ｊｐｅｇ圧縮は、画像情報を周波数成分に変換し、データの本質的でない部分、例えば、視覚の認識性が低い成分を除去するといった方法が用いられる。圧縮センシングでは、このような技法を演算処理に組入れ、求めたいデータ空間を冗長性で表された空間に変換することで未知数を削減し解を得る。この変換には、例えば、離散的コサイン変換（ＤＣＴ）、ウェーブレット変換、フーリエ変換、トータルバリエーション（ＴＶ）等が使用される。

特許文献４には、以上のような圧縮センシング技術が開示されているが、複数の波長の情報と、空間分布の情報と、複数の時間（距離レンジ）の情報とを同時に取得する方法は開示されていない。

従来の技術では、空間解像度を犠牲にせずに、時間分解撮像と分光撮像とを同時に行うことは非常に困難であった。これらが同時に成立する撮像装置は現時点では存在しない。複数の波長の情報を取得するためには、発光波長の異なる光源を時分割に照射する方法か、検知対象の波長毎に検出器を分離する方法しかなかった。前者では同時性が犠牲になり、後者では空間解像度が犠牲になる。

本発明者らは、従来技術における以上の課題を見出し、これらの課題を解決するための方法を鋭意検討した。その結果、複数の波長の成分を含むパルス光を出射する光源と、対象物から入射した光を時分割で高速に検出する時間分解撮像素子と、撮像素子に入射する光の強度を位置に応じて変調させる符号化素子とを用いることにより、空間解像度を犠牲にすることなく、複数の距離レンジの情報と複数の波長の情報とを取得することが可能になることに想到した。特に生体に対しては、安全な赤外光を用いるようにすれば、非侵襲でＸ線のような被爆のない撮像が可能である。以下、そのような構成を有する撮像装置の例を説明する。

本開示は、以下の項目に記載の撮像装置を含む。

［項目１］
波長の異なる複数の成分を含むパルス光を出射する光源と、
前記パルス光が照射された対象物からの入射光が透過する、光透過率の異なる複数の領域を有する符号化素子と、
前記複数の領域を透過した前記入射光を、前記波長に応じて複数の光に分散させる分光素子と、
前記分光素子によって分散した前記複数の光を受ける撮像素子と、
前記光源および前記撮像素子を制御する制御回路と、
を備える、撮像装置。

［項目２］
複数の波長の成分を含むパルス光を出射する光源と、
前記パルス光が照射された対象物からの入射光が透過する、光透過率の波長分布が異なる複数の領域を有する符号化分光素子と、
前記複数の領域を透過した前記入射光を受ける撮像素子と、
前記光源および前記撮像素子を制御する制御回路と、
を備える、撮像装置。

［項目３］
前記対象物は第１の部分および第２の部分を有し、
前記制御回路は、
第１の時間において、前記光源に前記パルス光を出射させ、
前記第１の時間よりも後の第２の時間において、前記撮像素子に、前記対象物の前記第１の部分からの第１の入射光に基づく第１の信号電荷を蓄積させ、
前記第２の時間よりも後の第３の時間において、前記撮像素子に、前記対象物の前記第２の部分からの第２の入射光に基づく第２の信号電荷を蓄積させ、
前記第１の信号電荷に基づく第１の画像信号と、前記第２の信号電荷に基づく第２の画像信号とを、前記撮像素子に出力させる、
項目１または２に記載の撮像装置。

［項目４］
前記撮像素子は、各々が第１の電荷蓄積部および第２の電荷蓄積部を含む複数の光検出セルを有し、
前記制御回路は、
前記第２の時間において、前記複数の光検出セルの各々における前記第１の電荷蓄積部に、前記第１の信号電荷を蓄積させ、
前記第３の時間において、前記複数の光検出セルの各々における前記第２の電荷蓄積部に、前記第２の信号電荷を蓄積させる、
項目３に記載の撮像装置。

［項目５］
前記制御回路は、
前記第１の時間における前記パルス光の前記出射と、前記第２の時間における前記第１の信号電荷の前記蓄積と、前記第３の時間における前記第２の信号電荷の前記蓄積とを、前記光源および前記撮像素子に複数回繰り返させた後、
前記第１の画像信号と前記第２の画像信号とを、前記撮像素子に出力させる、
項目３または４に記載の撮像装置。

［項目６］
前記第１の画像信号を前記波長に応じて複数の第１の分離画像信号に分離し、前記第２の画像信号を前記波長に応じて複数の第２の分離画像信号に分離する信号処理回路をさらに備える、項目３から５のいずれかに記載の撮像装置。

［項目７］
前記信号処理回路は、前記複数の第１の分離画像信号と、前記複数の第２の分離画像信号とに基づいて、前記対象物の３次元画像を生成する、項目６に記載の撮像装置。

［項目８］
前記対象物は光散乱体であり、
前記信号処理回路は、
前記対象物の光学特性値分布を仮定し、
前記対象物内の光伝播を計算し、
前記光伝播の計算結果と、前記複数の第１の分離画像信号および前記複数の第２の分離画像信号とを比較し、
比較結果が一致するまで前記光学特性値分布の仮定を繰り返し、
前記比較結果が一致したときの前記光学特性値分布に基づいて、前記３次元画像を生成する、
項目７に記載の撮像装置。

［項目９］
前記対象物はガスである、項目１から８のいずれかに記載の撮像装置。

［項目１０］
前記対象物は光散乱体である、項目１から７のいずれかに記載の撮像装置。

［項目１１］
前記パルス光は紫外線または赤外線である、項目１から１０のいずれかに記載の撮像装置。

［項目１２］
第１の波長を含む第１のパルス光を出射する第１の光源と、
前記第１の波長と異なる第２の波長を含む第２のパルス光を出射する第２の光源と、
前記第１のパルス光および前記第２のパルス光が照射された対象物からの入射光が透過する、光透過率の異なる複数の領域を有する符号化素子と、
前記複数の領域を透過した前記入射光を、前記第１の波長を含む第１の入射光と、前記第２の波長を含む第２の入射光とに分散させる分光素子と、
前記第１の入射光および前記第２の入射光を受ける撮像素子と、
前記光源および前記撮像素子を制御する制御回路と、
を備え、
前記制御回路は、
第１の時間において、前記第１の光源に前記第１のパルス光を出射させ、
前記第１の時間と異なる第２の時間において、前記第２の光源に前記第２のパルス光を出射させる、
撮像装置。

［項目１３］
第１の波長を含む第１のパルス光を出射する第１の光源と、
前記第１の波長と異なる第２の波長を含む第２のパルス光を出射する第２の光源と、
前記第１のパルス光および前記第２のパルス光が照射された対象物からの入射光が透過する、光透過率の波長分布が異なる複数の領域を有する符号化分光素子と、
前記複数の領域を透過した前記入射光を受ける撮像素子と、
前記光源および前記撮像素子を制御する制御回路と、
を備え、
前記制御回路は、
第１の時間において、前記第１の光源に前記第１のパルス光を出射させ、
前記第１の時間と異なる第２の時間において、前記第２の光源に前記第２のパルス光を出射させる、
撮像装置。

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、実質的に同じ機能を有する構成要素は共通の参照符号で示し、説明を省略することがある。

（実施の形態１）
図１は、本開示の実施の形態１における撮像装置の構成を模式的に示す図である。図１には、撮像装置の構成要素の他に、検知対象物１０１も示されている。この撮像装置は、検知対象物１０１であるガスの種類と濃度の検知を行い、ガスの濃度の空間分布の３次元（３Ｄ）画像を生成することができる。

撮像装置は、２つの波長の成分を有する紫外線を対象物１０１に向けて照射する光源１０７と、対象物１０１から入射する光の光路上に配置された光学系（結像光学系１０２、励起光カットフィルター１１１、符号化素子１０４、リレー光学系１０３、および分光素子１０５）と、分光素子１０５を通過した光を検出する撮像素子（イメージセンサ）１０６と、光源１０７および撮像素子１０６を制御する制御回路１０８とを備える。図１には、撮像素子１０６から出力された画像信号を処理する信号処理回路１１２も描かれている。信号処理回路１１２は、撮像装置に組み込まれていてもよいし、撮像装置に有線または無線で電気的に接続された信号処理装置の構成要素であってもよい。図１では、結像光学系１０２およびリレー光学系１０３の各々は、単一のレンズのように描かれているが、複数のレンズの集合体であってもよい。

本実施形態における光源１０７は、２つの波長の成分を有する紫外領域のパルス光を出射するレーザー光源である。光源１０７は、制御回路１０８から入力される制御信号に応じて、短パルスの紫外光線を繰り返し出射する。この短パルスの紫外光線は、検知対象空間内の対象物１０１（ガス）を励起し、ガス分子に対応した波長シフトを伴うラマン散乱光を発生させる。この際、入射した紫外光線（「励起光」とも称する。）の波長に比べて長波長側にシフトした各ガス分子に特有のラマンストークス光が発生する。

ガス分子のラマンストークス光のシフト波長は、特許文献１に開示されており、以下の表１に示す数値であることが知られている。本実施の形態では、光源１０７から出射されるレーザーパルス光の波長を、３５５ｎｍおよび２６６ｎｍに設定した場合の例を説明する。なお、これらの波長は一例であり、他の波長を用いてもよい。また、光源１０７が３つ以上の波長の成分を有するパルス光を出射するように構成されていてもよい。

なお、本実施の形態における光源１０７から出射される光は、紫外線の波長域（約１０ｎｍ〜約４００ｎｍ）であるが、光源１０７からの光の波長は用途に応じて適宜選択される。例えば、実施の形態３で説明するように、生体組織を計測する撮像装置では、近赤外線の波長域（約７００ｎｍ〜約２５００ｎｍ）が用いられ得る。それ以外にも、可視光の波長域（約４００ｎｍ〜約７００ｎｍ）、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。本明細書では、可視光に限らず、近紫外線、近赤外線、および電波などの非可視光も便宜上「光」と称する。

本実施形態の撮像装置は、パルス光の照射に起因して各ガス分子から生じたラマンストークス光を、光学系を介して撮像素子１０６によって検出する。この際、高時間分解撮像により、異なるタイミングで複数回の検出を高速に行う。これにより、複数の波長の成分が重畳した画像が対象物１０１の距離レンジごとに取得される。この距離レンジごとの画像を示す信号（「画像信号」と称することがある。）は、信号処理回路１１２に送られ、そこで処理される。信号処理回路１１２は、第１信号処理部１０９および第２信号処理部１１０を有する。第１信号処理部１０９は、距離レンジごとの各画像信号を波長成分ごとに分離した新たな複数の画像信号を生成する。本明細書では、この処理を「分光分離処理」と称することがある。第２信号処理部１１０は、波長成分ごとに分離された画像信号から、３次元画像のデータを生成する。ある態様では、第１信号処理部１０９および第２信号処理部１１０は、信号処理回路１１２内の個別のモジュールとして実現され得る。第１信号処理部１０９および第２信号処理部１１０は、１つのプロセッサが異なる画像処理プログラムを実行することによって実現されてもよい。信号処理回路１１２による処理の詳細は、後述する。

以下、各構成要素の詳細を説明する。

制御回路１０８は、例えば中央演算処理装置（ＣＰＵ）またはマイクロコンピュータ（マイコン）等の集積回路であり得る。制御回路１０８は、例えば不図示の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１０７への点灯指示、撮像素子１０６への撮像指示、および信号処理回路１１２への演算指示等の制御を行う。

信号処理回路１１２は、撮像素子１０６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１１２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１０８と信号処理回路１１２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。

撮像装置は、各ガス分子から生じたラマンストークス光を、結像光学系１０２によって集光し、結像面に結像させる。この際、ノイズとなる２波長のパルス光のレイリー散乱等による波長成分を励起光カットフィルター１１１によってカットする。

結像光学系１０２の結像面には、符号化素子１０４が配置される。符号化素子１０４は、光透過率の空間分布を有するマスクであり、二次元的に配列された光透過率の異なる複数の領域を有する。より具体的には、第１の光透過率を有する複数の領域と、第１の光透過率よりも低い第２の光透過率を有する複数の領域とを有する。符号化素子１０４は、入射する光の強度を位置に応じて変調させて透過させる。符号化素子１０４によるこの過程を「符号化」と称する。

図２Ａは、符号化素子１０４の光透過率の２次元分布の一例を示す図である。図２Ａにおいて、黒い部分は光を殆ど透過させない領域（「遮光領域」と称する。）を表し、白い部分は光を透過させる領域（「透光領域」と称する。）を表している。この例では、透光領域の光透過率はほぼ１００％であり、遮光領域の光透過率はほぼ０％である。符号化素子１０４は、複数の矩形領域に分割されており、各矩形領域は、透光領域または遮光領域である。符号化素子１０４における透光領域および遮光領域の２次元分布は、例えばランダム分布または準ランダム分布であり得る。

ランダム分布および準ランダム分布の考え方は次のとおりである。まず、符号化素子１０４における各矩形領域は、光透過率に応じて、例えば１または０の値を有するベクトル要素とみなせる。言い換えると、一列に並んだ矩形領域の集合を１または０の値を有する多次元のベクトルとみなせる。したがって、符号化素子１０４は、多次元ベクトルを行方向に複数備えている。このとき、ランダム分布とは、任意の２つの多次元ベクトルが独立である（平行でない）ことを意味する。また、準ランダム分布とは、一部の多次元ベクトル間で独立でない構成が含まれることを意味する。

符号化素子１０４による符号化過程は、後続する分光素子１０５によって分光された各波長の光による画像を区別するためのマーキングを行う過程といえる。そのようなマーキングが可能である限り、透過率の分布は任意に設定してよい。図２Ａに示す例では、黒い部分の数と白い部分の数との比率は１：１であるが、このような比率に限定されない。例えば、白い部分の数：黒い部分の数＝１：９のような一方に偏りのある分布であってもよい。図１に模式的に示されている符号化素子１０４は、遮光領域よりも多くの（広い）透光領域を有している。

図２Ｂは、符号化素子１０４の光透過率の２次元分布の他の例を示す図である。図２Ｂに示すように、符号化素子１０４は、グレースケールの透過率分布を持つマスクであってもよい。グレースケールの透過率分布とは、透過率が０％よりも大きく１００％よりも小さい中間の透過率をもつ領域を含む分布を意味する。このような符号化素子１０４は、第１および第２の光透過率とは異なる光透過率をもつ複数の矩形領域を有する。符号化素子１０４の透過率分布に関する情報は、設計データまたは実測キャリブレーションによって事前に取得され、後述する信号処理に利用される。

再び図１を参照する。本実施形態における分光素子１０５は、入射した光束を波長に応じて分散させる素子である。分光素子１０５は、２つの材料からなるプリズムの組合せで構成される。２つの材料は、特定の波長の光に対する屈折率がほぼ一致し、その波長の光に関するアッベ数が異なる材料、例えば、その波長の光に関するアッベ数が乖離する材料から選択される。特定の波長は、例えば所望の分光波長範囲内の代表的な波長（主波長）に設定され得る。主波長は、例えば測定対象の波長範囲における中心波長または重視する波長であり得る。ここでアッベ数が「乖離する」とは、２つの材料のアッベ数の差が、１０以上であることを意味する。２つの材料のアッベ数の差は、１５以上であってもよく、２０以上であってもよい。２つの材料の屈折率がほぼ一致するとは、両者の屈折率の差が０．０５以下であることを意味する。２つの材料の屈折率がほぼ一致するとは、両者の屈折率の差が０．０２以下であることを意味してもよい。

本明細書におけるアッベ数は、一般に用いられるフラウンホーファー線の波長に関するアッベ数に限らず、任意の波長について定義してもよい。本開示では、λａ＜λｂ＜λｃを満たす任意の波長λａ、λｂ、λｃについて、アッベ数νｂを、以下の（数１）のように定義することができる。

ここで、ｎａ、ｎｂ、ｎｃは、それぞれ、波長λａ、λｂ、λｃにおける屈折率を表す。λａおよびλｃは任意の波長で良いが、例えば、使用波長帯域の始端または終端に近い波長を選択すると良い。

分光素子１０５において光線が入射する面と光線が出射する面とを略平行にすることにより、コマ収差の発生を抑制することができる。ここで「略平行」とは、厳密に平行な場合に限らず、２つの面のなす角度が３°以下である場合を含む。この角度は、１°以下に設定されてもよく、０．５°以下に設定されてもよい。図１に示すような分光素子１０５を用いることにより、生成される波長帯域ごとの画像の解像度の劣化を低減できるという効果が得られる。

なお、分光素子１０５は、必ずしも上記のような２種類の材料を接合したものである必要はない。例えば、一般的なプリズムまたは回折光学素子によって構成されていてもよい。

符号化素子１０４によって符号化された光は、リレー光学系１０３で集光されて分光素子１０５に入射する。分光素子１０５は、撮像素子１０６の撮像面上に形成される光の像が、波長に応じて画像の垂直方向に相当する方向（図１に示す縦方向）にずれるように分光する。そのずれの程度（「分光量」と称することがある。）は、分光素子１０５を構成する材料の屈折率、アッベ数、接合面の傾斜角、および分光素子１０５と撮像素子１０６との間の距離によって決定される。分光素子１０５が回折光学素子の場合、回折格子のピッチを変えることで分光量を調整できる。本実施の形態では、分光素子１０５は画像の垂直方向に相当する方向に分光するが、水平方向またはそれ以外の方向に分光してもよい。

分光素子１０５による撮像素子１０６の撮像面上における像のシフト量は、設計仕様に基づき、演算によって、あるいは実測キャリブレーションによって事前に算出しておくことができる。分光素子１０５による分光シフトは、計測対象の波長帯域ごとの離散的なシフトではなく、連続的なシフトである。一方、信号処理回路１１２では、後述するように、所定幅の波長帯域ごとに分光分離画像が再構成される。そのため、厳密には、再構成される画像ごとの波長帯域内でも各波長の画像は撮像素子１０６上でシフトしている。分光分離画像の再構成の精度を向上させるために、波長帯域内の画像のシフトを補正してもよい。この補正は、コンピュータ演算によって行ってもよいが、光学系の収差および実装誤差の影響も考慮すると、実測キャリブレーションによって行ってもよい。例えば、被写体として白板を所定の位置に設置し、所望の波長帯域の帯域通過フィルターを通して撮像素子１０６上に符号化素子１０４の像を形成させることによってキャリブレーションを行うことができる。帯域ごとに帯域通過フィルターを交換して所望の全ての帯域のデータを取得してもよいが、いくつかの帯域を選択して測定し、それ以外の帯域については測定されたデータの補間によって算出してもよい。この方法により、分光素子１０５による分光シフト量が算出できるとともに、波長帯域ごとの符号化素子１０４の透過率情報も取得できる。ここで算出されたキャリブレーションのデータに基づいて、後述の（数２）における行列Ｈの要素が決定される。

撮像素子１０６の結像面には、符号化素子１０４による符号化情報を有する分離された複数の像が、互いに重なり合った多重像として波長ごとに垂直方向にずれながら結像される。撮像素子１０６は、この多重像を撮像する。この際、高速の時間分解撮像を行うことにより、対象物１０１の距離レンジごとに複数の画像を取得する。以下、撮像素子１０６の構成および動作を説明する。

撮像素子１０６は、撮像面上に２次元的に配列された複数の光検出セル（本明細書において、「画素」とも呼ぶ。）を有する。各光検出セルは、複数の電荷蓄積部（例えば浮遊拡散層）を有する。

図３は、撮像素子１０６の１つの画素２０１の概略的な構成例を示す図である。なお、図３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。画素２０１は、光電変換を行う光電変換部（フォトダイオード）２０３と、信号電荷を蓄積する４つの浮遊拡散層（Ｆｌｏａｔｉｎｇ Ｄｉｆｕｓｉｏｎ：ＦＤ）２０４〜２０７と、信号電荷を排出する信号電荷排出部（ドレイン）２０２とを有する。

１回のパルス光の出射に起因して各画素に入射したフォトンは、フォトダイオード２０３によって信号エレクトロン（信号電荷）に変換される。変換された信号エレクトロンは、制御回路１０８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、浮遊拡散層２０４〜２０７のいずれかに振り分けられる。

光源１０７からのパルス光の出射と、第１の浮遊拡散層（ＦＤ１）２０４、第２の浮遊拡散層（ＦＤ２）２０５、第３の浮遊拡散層（ＦＤ３）２０６、および第４の浮遊拡散層（ＦＤ４）２０７への信号電荷の蓄積と、ドレイン２０２への信号電荷の排出が、この順序で繰り返し行われる。この繰り返し動作は高速であり、例えば動画像の１フレームの時間（例えば約１／３０秒）内に数万回から数億回繰り返され得る。撮像素子１０６は、最終的に、４つの浮遊拡散層２０４〜２０７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。

図４は、この動作の流れを示すフローチャートである。制御回路１０８は、まず第１の時間において、光源１０７に複数の波長の成分を含むパルス光を出射させる（ステップＳ１０１）。続く第２の時間において、撮像素子１０６における第１の浮遊拡散層２０４に、対象物１０１の第１の部分から入射する光に基づく信号電荷を蓄積させる（ステップＳ１０２）。続く第３の時間において、撮像素子１０６における第２の浮遊拡散層２０５に、対象物１０１の第２の部分から入射する光に基づく信号電荷を蓄積させる（ステップＳ１０３）。以後、同様に、第３の浮遊拡散層２０６および第４の浮遊拡散層２０７に、順次、信号電荷を蓄積させる（ステップＳ１０４およびＳ１０５）。続いて、制御回路１０８は、上記の信号蓄積のサイクル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Ｓ１０７）。この判定がＮｏの場合、Ｙｅｓと判定するまで、ステップＳ１０１〜Ｓ１０７を繰り返す。ステップＳ１０７においてＹｅｓと判定すると、制御回路１０８は、各浮遊拡散層に蓄積された信号電荷に基づく画像信号を撮像素子１０６に生成させて出力させる（ステップＳ１０８）。

以下、図５を参照しながら、光源１０７のパルス光の発光タイミングと、検知対象のガス分子によるラマン散乱光の撮像素子１０６への到達のタイミングと、撮像素子１０６の各浮遊拡散層における受光タイミングとの関係を説明する。

図５は、発光パルスと、対象物１０１の各距離レンジの部分からの反射光と、浮遊拡散層（ＦＤ１〜ＦＤ４）２０４〜２０７の各々への信号電荷の蓄積を指示する制御信号（「信号蓄積パルス」と称する。）と、ドレイン２０２への信号電荷の排出を指示する制御信号（「ドレイン排出パルス」と称する。）とを示すタイミングチャートである。

本実施の形態では、測定距離レンジを最大９ｍ（往復１８ｍ）とし、２ｍごとに４つの距離レンジを設定している。光速は秒速３０万ｋｍであるので、最大距離９ｍを光が往復するのに要する時間は６０ｎｓである。発光パルス幅を５ｎｓと設定すると、１サイクルに必要な時間は、９ｍの距離の位置から反射してくる発光パルスの後端の光成分が撮像素子１０６の撮像面に到達するまでの時間である６５ｎｓである。本実施形態では、最大距離レンジより遠方からのラマン散乱光の影響を除外するために、マージン期間を余裕を取って３５ｎｓに設定し、１サイクルの合計時間を１００ｎｓとしている。従って発光パルスの繰り返しサイクルの周波数はその逆数の１０ＭＨｚである。

ガス分子に紫外線励起光が照射されてからラマン散乱光が発生するまでの遅延時間は、一般的にピコ秒（ｐｓ）のオーダーであり、本実施の形態の測定距離レンジではほとんど無視できるオーダーである。よって、この遅延時間の説明は省略するが、必要であればラマン散乱に要する時間を考慮して撮像素子１０６の受光タイミングを設定すればよい。

発光波長、発光パルスタイミング、および撮像素子１０６の駆動タイミングは、距離レンジ、対象ガス、受光素子の感度に応じて適宜、最適な値に設定される。本実施形態において用いられる数値は例示であって特許請求の範囲を何ら制限するものではない。

１０ＭＨｚ、５ｎｓ幅のパルス光である紫外励起光は、対象空間の一酸化炭素ＣＯ、硫化水素Ｈ₂Ｓ、アンモニアＮＨ₃等のガスに照射される。その結果、ガス分子に応じた波長のラマン散乱光が発生する。本実施形態において用いられる３５５ｎｍおよび２６６ｎｍの各々の励起光に対するラマン散乱光の波長は、表１に示すとおりである。

光源１０７は、制御回路１０８から入力される制御信号に応じて、発光パルスを出射する。図５の例では、０ｎｓのタイミングで発光し、５ｎｓのタイミングで消光する。この際、測定対象範囲外の１ｍ未満の近距離で生じた不要なラマン散乱に起因する信号電荷を除外するために、ドレイン排出パルスはＯＮに設定される。この間は、フォトダイオード２０３で発生した不要な信号電荷はドレイン２０２から排出される。

複数の波長の成分を含むラマン散乱光は、図５に示すように、距離に応じて遅延して撮像素子１０６に到達する。このラマン散乱光は、符号化および垂直方向に分光された多重像として結像され、フォトダイオード２０３によって信号電荷に変換される。

１ｍ未満の近距離からの不要なラマン散乱光による成分と距離１〜３ｍのラマン散乱光による成分は、発光パルス幅５ｎｓに相当する時間だけクロストークを原理的に含んでしまう。このため、本実施形態では、クロストークが中央値になるタイミングから受光を開始する。具体的には、反射光（１〜３ｍ）の成分が撮像素子１０６の撮像面に到達し始めるタイミング６．６７ｎｓから発光パルス幅の半分の２．５ｎｓを加えた９．１７ｎｓのタイミングから受光を開始する。

制御回路１０８は、図５に示す９．１７ｎｓのタイミングでドレイン排出パルスをＯＦＦにすると同時に、第１の浮遊拡散層（ＦＤ１）２０４への信号蓄積パルスをＯＮにする。そして、反射光（１〜３ｍ）の成分が減衰して５０％の光量となる２２．５０ｎｓのタイミングで、第１の浮遊拡散層２０４への信号蓄積パルスをＯＦＦにする。これにより、第１の浮遊拡散層２０４に信号電荷が転送および蓄積される。同様に、制御回路１０８は、第２〜第４の浮遊拡散層（ＦＤ２〜ＦＤ４）２０５〜２０７への信号蓄積パルスを、図５に示すタイミングで順次オンにする。これにより、第１〜第４の浮遊拡散層２０５〜２０７に、発光パルス幅５ｎｓ分のクロストークを含む時間分解された信号電荷が順次、転送および蓄積される。制御回路１０８は、第４の浮遊拡散層２０７への信号蓄積パルスをＯＦＦにする６２．５ｎｓのタイミングで、ドレイン排出パルスをＯＮにする。これにより、測定距離レンジ外の遠方で生じるラマン散乱による不要な信号電荷をドレイン２０２から排出する。

以上の一連の動作を１０ＭＨｚの周波数で数万回から必要に応じて数億回繰り返すことにより、撮像素子１０６の１フレームの信号電荷が蓄積される。繰り返し回数は光源１０７の発光強度と撮像素子１０６の感度に応じて調整される。ラマン散乱光は微弱であるので、このレーザー励起光との高速同期撮像を相当の回数繰り返し行うことで、感度の不足を補うことができる。

なお、本実施形態では、複数の浮遊拡散層による時間分解数を４としているが、時間分解数は目的に応じて４以外の数に設計してよい。

次に、図６を参照しながら、撮像素子１０６における信号蓄積後の信号の読出し動作を説明する。

図６は、撮像素子１０６の全体構成の一例を示す図である。図６において、二点鎖線の枠で囲まれた領域が１つの画素２０１に相当する。画素２０１は、４つの浮遊拡散層２０４〜２０７を含む。４つの浮遊拡散層２０４〜２０７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、撮像素子１０６から出力される。

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（増幅トランジスタ）３０９と、ＦＤ信号読み出しトランジスタ（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３に示すドレイン２０２に対応し、リセットトランジスタ３１０のゲートに入力されるパルスが前述のドレイン排出パルスに対応する。各トランジスタは、例えば半導体基板に形成された電界効果トランジスタであるが、これに限定されない。図示されるように、ソースフォロワトランジスタ３０９の入力端子および出力端子の一方（典型的にはソース）と、ＦＤ信号読み出しトランジスタ３０８の入力端子および出力端子のうちの一方（典型的にはドレイン）とが接続されている。ソースフォロワトランジスタ３０９の制御端子（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信号電荷（正孔または電子）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との間の電荷蓄積ノードである浮遊拡散層２０４〜２０７に蓄積される。

図６には示されていないが、４つの浮遊拡散層２０４〜２０７は、フォトダイオード２０３に接続され、フォトダイオード２０３と各浮遊拡散層との間には、スイッチが設けられる。このスイッチは、制御回路１０８からの信号蓄積パルスに応じて、フォトダイオード２０３と浮遊拡散層２０４〜２０７の各々との間の導通状態を切り替える。これにより、浮遊拡散層２０４〜２０７の各々への信号の蓄積の開始と停止とが制御される。

上記の繰り返し動作によって浮遊拡散層２０４〜２０７に蓄積された信号電荷は、行選択回路３０２によってＦＤ信号読み出しトランジスタ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、浮遊拡散層２０４〜２０７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、列毎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、撮像素子１０６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１０８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で、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、撮像素子１０６による一連のフレームの撮像が完結する。

本実施の形態では、ＣＭＯＳ型の撮像素子１０６の例を説明したが、撮像素子は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（ＥＭＣＣＤ、ＩＣＣＤ）であっても構わない。

次に、撮像素子１０６から出力された時間分解された４つの画像の各々を波長成分毎に分離する処理（分光分離処理）を説明する。この処理は、図１に示す信号処理回路１１２における第１信号処理部１０９によって行われる。

図７は、この分光分離処理のイメージを示す概念図である。図７では、イメージを伝えるためにリンゴの画像を用いているが、これは多重像を説明するための便宜的なものである。第１信号処理部１０９は、波長ごとに垂直方向にズレながら重なった多重像を以下の手順に従って波長ごとの複数の画像に分離する。この画像の分離は、浮遊拡散層２０４〜２０７に蓄積された信号電荷に基づく４つの画像のそれぞれについて行われる。より具体的には、４つの画像のそれぞれについて、各波長成分の像における垂直方向のアドレスのズレを補正して、波長によって重なりのないアドレスの一致したｗ個の画像Ｆ１〜Ｆｗを生成する。ここで生成される画像の数ｗは、２以上の任意の数であり得る。例えば、４以上１００以下の数であり得る。

求めたいデータは分光分離画像Ｆ１〜Ｆｗであり、そのデータをｆと表す。分光帯域数（バンド数）がｗなので、ｆは各帯域の画像データｆ１、ｆ２、・・・、ｆｗを統合したデータである。求めるべき画像データのｘ方向の画素数をｎ、ｙ方向の画素数をｍとすると、画像データｆ１、ｆ２、・・・、ｆｗの各々は、ｎ×ｍ画素の２次元データの集まりである。したがって、データｆは要素数ｎ×ｍ×ｗの３次元データである。分光素子Ｐが、求める分光帯域ごとにｙ方向に１画素ずつ分光画像をシフトさせるとすると、取得される撮影画像Ｇのデータｇの要素数はｎ×（ｍ＋ｗ−１）である。本実施の形態におけるデータｇは、以下の（数２）で表すことができる。

ここで、ｆ１、ｆ２、・・・、ｆｗは、ｎ×ｍ個の要素を有するデータであるため、右辺のベクトルは、厳密にはｎ×ｍ×ｗ行１列の１次元ベクトルである。ベクトルｇは、ｎ×（ｍ＋ｗ−１）行１列の１次元ベクトルに変換して表され、計算される。行列Ｈは、ベクトルｆを符号化によって強度変調し、各成分ｆ１、ｆ２、・・・、ｆｗをｙ方向に１画素ずつシフトし、それらを加算する変換を表す。したがって、Ｈは、ｎ（ｍ＋ｗ−１）行ｎ×ｍ×ｗ列の行列である。

ここでは各波長帯域の画像が１画素ずつシフトすることを想定したため、ｇの要素数をｎ×（ｍ＋ｗ−１）としたが、必ずしも１画素ずつ各画像をシフトさせる必要はない。シフトさせる画素数は、２画素またはそれ以上でもよい。シフトさせる画素数は、再構成される分光分離画像Ｆにおける分光帯域・分光帯域数をどう設計するかに依存する。シフトさせる画素数に応じてｇの要素数は変化する。また、分光方向もｙ方向に限定されず、ｘ方向にシフトさせてもよい。一般化すれば、ｋｙ、ｋｘを任意の自然数として、ｙ方向にｋｙ画素、ｘ方向にｋｘ画素ずつ像をシフトさせる場合、データｇの要素数は、｛ｎ＋ｋｘ・（ｗ−１）｝×｛ｍ＋ｋｙ・（ｗ−１）｝となる。

さて、ベクトルｇと行列Ｈが与えられれば、（数２）の逆問題を解くことでｆを算出することができそうである。しかし、求めるデータｆの要素数ｎ×ｍ×ｗが取得データｇの要素数ｎ（ｍ＋ｗ−１）よりも多いため、この問題は不良設定問題となり、このままでは解くことができない。そこで、本実施の形態の信号処理回路１１２は、データｆに含まれる画像の冗長性を利用し、圧縮センシングの手法を用いて解を求める。具体的には、以下の（数３）の式を解くことにより、求めるデータｆを推定する。

ここで、ｆ’は、推定されたｆのデータを表す。上式の括弧内の第１項は、推定結果Ｈｆと取得データｇとのずれ量、いわゆる残差項を表す。ここでは２乗和を残差項としているが、絶対値あるいは二乗和平方根等を残差項としてもよい。括弧内の第２項は、後述する正則化項（または安定化項）である。（数３）は、第１項と第２項との和を最小化するｆを求めることを意味する。信号処理回路１１２は、再帰的な反復演算によって解を収束させ、最終的な解ｆ’を算出することができる。

（数３）の括弧内の第１項は、取得データｇと、推定過程のｆを行列Ｈによってシステム変換したＨｆとの差分の二乗和を求める演算を意味する。第２項のΦ（ｆ）は、ｆの正則化における制約条件であり、推定データのスパース情報を反映した関数である。働きとしては、推定データを滑らかまたは安定にする効果がある。正則化項は、例えば、ｆの離散的コサイン変換（ＤＣＴ）、ウェーブレット変換、フーリエ変換、またはトータルバリエーション（ＴＶ）等によって表され得る。例えば、トータルバリエーションを使用した場合、観測データｇのノイズの影響を抑えた安定した推測データを取得できる。それぞれの正則化項の空間における測定対象物のスパース性は、測定対象物のテキスチャによって異なる。測定対象物のテキスチャが正則化項の空間においてよりスパースになる正則化項を選んでもよい。あるいは、複数の正則化項を演算に含んでもよい。τは、重み係数であり、この値が大きいほど冗長的なデータの削減量が多くなり（圧縮する割合が高まり）、小さいほど解への収束性が弱くなる。重み係数τは、ｆがある程度収束し、かつ、過圧縮にならない適度な値に設定される。

なお、ここでは（数３）に示す圧縮センシングを用いた演算例を示したが、その他の方法を用いて解いてもよい。例えば、最尤推定法およびベイズ推定法などの他の統計的方法を用いることができる。また、分光分離画像Ｆ１〜Ｆｗの数は任意であり、各波長帯域も任意に設定してよい。

次に、図１に示す第２信号処理部１１０による３Ｄ画像生成処理を説明する。

図８は、第２信号処理部１１０による３Ｄ画像生成処理の概要を示す図である。前述の時間分解撮像により、距離レンジ毎の４枚の２次元（２Ｄ）画像ＦＤ１（１〜３ｍ）、ＦＤ２（３〜５ｍ）、ＦＤ３（５〜７ｍ）、ＦＤ４（７〜９ｍ）が得られる。第２信号処理部１１０は、これらの２Ｄ画像における各画像間の同一画素アドレスのレベル変化に空間高域強調フィルターを適宜作用させる。これにより、パルス光源１０７の発光パルス時間が有限の長さ（例えば５ｎｓ）を有することによって生じるクロストークの影響、すなわち、同一アドレスの画素値の変化が小さくなっている影響を補正する。

次に、第１信号処理部１０９によって生成された波長帯域ごとの複数の画像に基づき、ガスの種類を同定する。例えば、３５５ｎｍおよび２６６ｎｍの２波長の励起光を用いて、３種類のガス（ＣＯ、ＮＨ₃、Ｈ₂Ｓ）を検出する場合、前述の表１によれば、２８２．１ｎｍ、２８５．９ｎｍ、２８９．２ｎｍ、３８４．３ｎｍ、３９１．３ｎｍ、４０２．７ｎｍの各波長の成分に着目すればよい。第１信号処理部１０９が、これらの波長の成分ごとに分光分離画像を生成した場合、強度がピークになる波長を検出することにより、ガスの種類を同定でき、そのピーク波長の光の強度レベルから濃度を検出できる。

本実施形態における撮像対象空間は光透過体であるため、ＦＤ１〜ＦＤ４の４枚の画像データのＸＹ座標（画素アドレス）は、撮像装置（カメラ）の位置からの横方向および縦方向の正面方向に対する角度を直接表す。一方、ＦＤ１からＦＤ４は撮像装置からの距離レンジに直接対応している。このため、ＦＤ１〜ＦＤ４の各画像に単純なアドレス変換を施すことにより、ＸＹＺの３次元座標が算出できる。これにより、所望のガスの３Ｄ空間濃度分布画像が得られる。

（実施の形態２）
次に、本開示の実施の形態２を説明する。本実施の形態における撮像装置は、実施の形態１と同様、ガスの種類と濃度の検知を目的とし、ガスの濃度の空間分布を３Ｄ画像化することができる。実施の形態１との相違点は、図９に示すように、符号化素子および分光素子が一体化された符号化分光素子９０１が時間分解撮像素子１０６の直前に配置され、それに伴ってリレー光学系が削除された点にある。以下、実施の形態１との相違点を中心に、本実施の形態を、図９、１０を参照しながら説明する。

励起光カットフィルター１１１にラマン散乱光が入射するまでの動作は実施の形態１と全く同じであるため、説明を省略する。

図１０は、符号化分光素子９０１の構成を模式的に示す図である。図１０の（ａ）に示すように、符号化分光素子９０１は、２次元に配列された複数の領域を有する。各領域は、透光性の部材で形成され、個別に設定された分光透過率を有する。ここで、「分光透過率」とは、光透過率の波長分布を意味する。分光透過率は、入射光の波長をλとして、関数Ｔ（λ）で表される。分光透過率Ｔ（λ）は、０以上１以下の値を取り得る。図１０の（ａ）では、６行８列に配列された４８個の矩形領域が例示されているが、実際の用途では、これよりも遥かに多くの領域が設けられ得る。その数は、例えば撮像素子１０６の画素数（例えば数十万から数千万）と同程度であり得る。ある例では、符号化分光素子９０１は、撮像素子の直上に配置され、各領域が撮像素子の１つの画素に対応（対向）するように配置され得る。

図１０の（ｂ）は、検出対象の複数の波長域Ｗ１、Ｗ２、・・・、Ｗｉのそれぞれの光の透過率の空間分布の一例を示している。この図において、各領域（セル）の濃淡の違いは、透過率の違いを表している。淡い領域ほど透過率が高く、濃い領域ほど透過率が低い。図１０の（ｂ）に示されるように、波長域によって光透過率の空間分布が異なっている。

図１０の（ｃ１）、（ｃ２）は、符号化分光素子９０１における２つの領域Ａ１、Ａ２における分光透過率の例を示している。領域Ａ１における分光透過率と領域Ａ２における分光透過率とは異なっている。このように、符号化分光素子９０１における分光透過率は領域によって異なる。ただし、必ずしも全ての領域の分光透過率が異なっている必要はない。符号化分光素子９０１における複数の領域のうちの少なくとも一部（２以上）の領域の分光透過率が互いに異なっていればよい。ある例では、符号化分光素子９０１に含まれる複数の領域の分光透過率のパターンの数は、対象波長域に含まれる波長域の数ｉと同じか、それ以上であり得る。典型的には、符号化分光素子９０１は、半数以上の領域で分光透過率が異なるように設計される。

図１１Ａは、符号化分光素子９０１のある領域における分光透過率の特性を説明するための図である。この例における分光透過率は、対象波長域Ｗ内の波長に関して、複数の極大値Ｐ１〜Ｐ５および複数の極小値を有する。この例では、波長域Ｗ２、Ｗｉ−１等において分光透過率の極大値を有している。このように、本実施形態では、各領域の分光透過率は、複数の波長域Ｗ１〜Ｗｉのうちの複数（少なくとも２つ）の波長域において極大値を有する。

各領域の光透過率は、波長によって異なるため、符号化分光素子９０１は、入射する光のうち、ある波長域の成分を多く透過させ、他の波長域の成分をそれほど透過させない。例えば、ｉ個の波長域のうちのｋ個（ｋは、２≦ｋ＜ｉを満たす整数）の波長域の光については、透過率が０．５（５０％）よりも大きく、残りのｉ−ｋ個の波長域の光については、透過率が０．５（５０％）未満であり得る。仮に入射光が、全ての可視光の波長成分を均等に含む白色光であった場合には、符号化分光素子９０１は、入射光を領域ごとに、波長に関して離散的な複数の強度のピークを有する光に変調し、これらの多波長の光を重畳して出力する。

図１１Ｂは、一例として、図１１Ａに示す分光透過率を、波長域Ｗ１、Ｗ２、・・・、Ｗｉごとに平均化した結果を示す図である。平均化された透過率は、分光透過率Ｔ（λ）を波長域ごとに積分してその波長域の幅（帯域幅）で除算することによって得られる。本明細書では、このように波長域ごとに平均化した透過率の値を、その波長域における透過率と称する。この例では、極大値Ｐ１、Ｐ３、Ｐ５をとる３つの波長域において、透過率が突出して高くなっている。特に、極大値Ｐ３、Ｐ５をとる２つの波長域において、透過率が０．８（８０％）を超えている。

各領域の分光透過率の波長方向の分解能は、所望の波長域の幅（帯域幅）程度に設定され得る。言い換えれば、分光透過率曲線における１つの極大値（ピーク）を含む波長範囲のうち、当該極大値に最も近接する極小値と当該極大値との平均値以上の値をとる範囲の幅は、所望の波長域の幅（帯域幅）程度に設定され得る。この場合、分光透過率をフーリエ変換等を用いて周波数成分に分解すれば、その波長域に相当する周波数成分の値が相対的に大きくなる。

符号化分光素子９０１は、典型的には、図１０の（ａ）に示すように、格子状に区分けされた複数の領域（セル）に分割される。これらのセルが互いに異なる分光透過率特性を有する。符号化分光素子９０１における各領域の光透過率の波長分布および空間分布は、例えば前述したランダム分布または準ランダム分布であり得る。

符号化分光素子９０１を撮像素子１０６の近傍あるいは直上に配置する場合、符号化分光素子９０１における複数の領域の相互の間隔（セルピッチ）は、撮像素子１０６の画素ピッチと略一致させてもよい。このようにすれば、符号化分光素子９０１から出射した符号化された光の像の解像度が画素の解像度と略一致する。各セルを透過した光が対応する１つの画素にのみ入射するようにすることで、後述する演算を容易にすることができる。符号化分光素子９０１を撮像素子１０６から離して配置する場合には、その距離に応じてセルピッチを細かくしてもよい。

図１０に示す例では、各領域の透過率が０以上１以下の任意の値をとり得るグレースケールの透過率分布を想定した。しかし、必ずしもグレースケールの透過率分布にする必要はない。例えば、各領域の透過率が略０または略１のいずれかの値を取り得るバイナリ−スケールの透過率分布を採用してもよい。バイナリ−スケールの透過率分布では、各領域は、対象波長域に含まれる複数の波長域のうちの少なくとも２つの波長域の光の大部分を透過させ、残りの波長域の光の大部分を透過させない（遮光する）ことになる。ここで「大部分」とは、概ね８０％以上を指す。

全セルのうちの一部（例えば半分）のセルを、透明領域に置き換えてもよい。そのような透明領域は、対象波長域に含まれる全ての波長域Ｗ１〜Ｗｉの光を同程度の高い透過率（例えば０．８以上）で透過させる。そのような構成では、複数の透明領域は、例えば市松状に配置され得る。すなわち、符号化分光素子９０１における複数の領域の２つの配列方向（図１０の（ａ）における横方向および縦方向）において、光透過率が波長によって異なる領域と、透明領域とが交互に配列され得る。

符号化分光素子９０１は、多層膜、有機材料、回折格子構造、金属を含む微細構造の少なくとも１つを用いて構成され得る。多層膜を用いる場合、例えば、誘電体多層膜または金属層を含む多層膜が用いられ得る。この場合、セルごとに各多層膜の厚さ、材料、および積層順序の少なくとも１つが異なるように形成される。これにより、セルによって異なる分光特性を実現できる。多層膜を用いることにより、分光透過率におけるシャープな立ち上がりおよび立下りを実現できる。有機材料を用いた構成は、セルによって含有する顔料または染料が異なるようにしたり、異種の材料を積層させたりすることによって実現され得る。回折格子構造を用いた構成は、セルごとに異なる回折ピッチまたは深さの回折構造を設けることによって実現され得る。金属を含む微細構造を用いる場合は、プラズモン効果による分光を利用して作製され得る。

本実施形態によれば、撮像素子１０６の結像面上には、波長帯域ごとに異なる符号化情報を有する像が、互いに重なり合った多重像として結像される。実施の形態１と異なり、プリズム等の分光素子を使用していないため、像の空間方向のシフトは発生しない。よって、多重像であっても空間解像度を高く維持できる。

撮像素子１０６による時間分解撮像の動作は実施の形態１と全く同じであるので説明を省略する。また、信号処理についても、空間的なズレが発生していない分光多重像が取得されること以外は実施の形態１と差異はない。垂直方向のアドレス補正を行う処理を除けば、実施の形態１と同様の処理で分光分離画像および３Ｄ画像を生成できる。よって、信号処理についての説明は省略する。

本実施形態は、符号化分光素子を用いることで、リレー光学系を省略できる。このため、実施形態１の構成と比較して、小型の機器で同等の機能を実現することができる。

（実施の形態３）
実施の形態３の撮像装置は、生体等の光散乱体を検知対象物とする。検知すべき分子を同定し、その濃度分布を３Ｄ画像として再構築することができる。本実施の形態の撮像装置は、脳内の血液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、その時間変化を検出する。生体に対しては、水分とヘモグロビンの双方共に比較的吸収されにくい生体の窓と呼ばれる７００〜９００ｎｍの近赤外光を使用してもよい。このため、本実施形態でもこの波長域の近赤外光が主に使用される。

図１２は、本実施の形態の撮像装置の概略的な構成を示す図である。撮像装置は、近赤外レーザーパルス光源１１０４と、符号化分光素子１１０７と、撮像素子１１０６と、制御回路１１０８と、信号処理回路１１１２とを備える。

近赤外レーザーパルス光源１１０４は、７００〜９００ｎｍのブロードな分光特性を有する近赤外線を検知対象である脳組織１１０３に向けて照射する。この照射は、制御回路１１０８からの制御信号に従い、短パルスで繰り返し行われる。

本実施形態では、頭部表面１１０１での反射によるロスを減少させ、近赤外光を効率良く脳内に導くため、光源１１０４は頭部表面１１０１に密着させて使用される。また、ジェルシートまたはクリーム等を用いて反射を低減させてもよい。図１２に示す例では、表皮からの漏れ光をカットする目的で遮光板１１０５が用いられている。

照射された短パルスの赤外光線の一部は、頭蓋骨１１０２を透過して、脳組織１１０３内で吸収および弾性散乱を繰り返し、減衰しながら伝播する。その一部が再び頭蓋骨１１０２を透過し、頭部表面１１０１を透過して、符号化分光素子１１０７を介して撮像素子１１０６の受光面に到達し、光電変換が行われる。

なお、図１２には、簡単のため、一組の光源１１０４、符号化分光素子１１０７、および撮像素子１１０６が描かれているが、実際には、複数組の光源１１０４、符号化分光素子１１０７、および撮像素子１１０６を含むシステムとして実施され得る。複数組の光源１１０４、符号化分光素子１１０７、および撮像素子１１０６は、例えば二次元的に均等な間隔（例えば３ｃｍ）で複数組配置され得る。複数組の光源１１０４および撮像素子１１０６を用いる場合には、光源間のクロストークを抑えるため、レーザーの高速時分割照射等の対応を行えばよい。

以下、一組の光源１１０４および撮像素子１１０６を用いる例について詳細を説明する。

符号化分光素子１１０７は、実施の形態２における符号化分光素子と同一のものを利用できる。このため、符号化分光素子１１０７の詳細な説明は省略する。

本実施形態では、実施の形態１および実施の形態２とは異なり、光源１１０４から出射される光の波長分布はブロードである。さらに、結像光学系を有しないため、符号化分光素子１１０７を撮像素子１１０６の直前に設置する。

撮像素子１１０６の受光面には、波長帯域ごとに異なる符号化情報を有する像が、互いに重なり合った多重像として結像される。本実施形態では、プリズム等の分光素子を使用していないため、像の空間方向のシフトは発生しない。よって、多重像であっても空間解像度は高く維持できる。

図１３は、本実施形態における撮像素子１１０６の画素構成の概略を示す図である。本実施形態における撮像素子１１０６は、実施の形態１における撮像素子と比較して、多くの浮遊拡散層を有し、より高速に動作する。以下、撮像素子１１０６の構成および動作を説明する。

画素１２０１内に光電変換部（フォトダイオード）１２０３が配置されている。フォトダイオード１２０３は、入射したフォトンを信号エレクトロンに変換する。変換された信号エレクトロンは、制御回路１１０８から入力される制御信号に従って、信号電荷排出部（ドレイン）１２０２に排出されるか、信号電荷を蓄える８つの浮遊拡散層（ＦＤ１〜ＦＤ８）１２０４〜１２１１のいずれかに高速に振り分けられる。

本実施形態では、対象物が光散乱体であるため、撮像素子１１０６の時間分解機能により、到達時間に応じて振り分けることにより、頭部内で散乱した光の光路長毎に光が振り分けられることになる。

図１４は、本実施形態における発光パルスと、距離レンジ毎の拡散光と、８つの浮遊拡散層への信号蓄積パルスと、ドレイン１２０２への排出パルスのタイミングを示す図である。本実施の形態では、一例として、光路長の最大を９９ｃｍ（真空中での換算値）と設定する。光速は秒速３０万ｋｍであるので、９９ｃｍの距離を光が伝播するのに要する時間は３３００ピコ秒（ｐｓ）である。発光パルス幅を２００ｐｓと設定すると、１サイクルに必要な時間は、発光パルスの後端の光成分が撮像素子１１０６の受光面に到達するタイミングであるので、図１４に示す３５００ｐｓである。本実施形態では、最大光路長９９ｃｍよりも長い光路長の光の影響を除外するために、マージン期間を６５００ｐｓに設定し、１サイクルの合計時間を１０ｎｓとする。従って発光パルスの繰り返しサイクルの周波数はその逆数の１００ＭＨｚである。

複数の光源を用いる場合には、このマージン期間に発光するように各光源を制御すればよい。多数の光源を用いる場合には、必要に応じて、マージン期間または１光源あたりの発光周波数を調整すればよい。

上記の発光パルスのタイミングおよび撮像素子の駆動タイミングは一例であり、この例に限定されない。これらの数値は、生体内の光路長、対象分子、受光素子の感度に応じて適宜、最適な値に設定すればよい。

以下、図１４に示す動作の詳細を説明する。制御回路１１０８から入力される制御信号に従い、光源１１０４は、図１４に示す０ｎｓのタイミングで発光し、２００ｐｓのタイミングで消光する。この際、頭部の外から回り込む漏れ光および測定対象範囲外の光路長３ｃｍ以下の光に相当する信号電荷を排除するために、ドレイン排出パルスはＯＮに設定される。この間は、フォトダイオード１２０３で発生した不要な信号電荷はドレイン１２０２から排出される。

照射された近赤外光は、図１４に示すように、各光路長に応じて遅延して撮像素子１１０６に符号化および分光された多重像として結像される。この多重像は、フォトダイオード１２０３によって信号電荷に変換される。

３ｃｍ未満の光路長の光の成分と光路長３ｃｍ〜１５ｃｍの光の成分は、発光パルス幅２００ｐｓに相当する時間だけクロストークを原理的に含んでいる。このため、本実施形態では、クロストークが中央値になるタイミングから受光を開始する。具体的には、拡散光（光路長３〜１５ｃｍ）の光の成分が撮像素子１１０６の結像面に到達し始めるタイミング１００ｐｓから発光パルス幅２００ｐｓの半分の１００ｐｓを加えた２００ｐｓから受光を開始する。

制御回路１１０８は、図１４に示す２００ｐｓのタイミングでドレイン排出パルスをＯＦＦにすると同時に、第１の浮遊拡散層（ＦＤ１）１２０４への信号蓄積パルスをＯＮにする。そして、拡散光（光路長３〜１２ｃｍ）の光の成分が減衰して５０％の光量となる６００ｐｓのタイミングで、第１の浮遊拡散層１２０４への信号蓄積パルスをＯＦＦにする。これにより、第１の浮遊拡散層１２０４に信号電荷が転送および蓄積される。同様に、制御回路１１０８は、第２〜第８の浮遊拡散層（ＦＤ２〜ＦＤ８）１２０５〜１２１１への信号蓄積パルスを、図１４に示すタイミングで順次オンにする。これにより、第１〜第８の浮遊拡散層１２０４〜１２１１に、発光パルス幅２００ｐｓ分のクロストークを含む時間分解された信号電荷が順次、転送および蓄積される。制御回路１１０８は、第８の浮遊拡散層１２１１への信号蓄積パルスをＯＦＦにする３４００ｐｓのタイミングで、ドレイン排出パルスをＯＮにする。これにより、測定光路長よりも長い９９ｃｍ以上の光路長の光による不要な信号電荷をドレイン１２０２から排出する。

以上の一連の動作を１００ＭＨｚの周波数で数十万回から必要に応じて数兆回繰り返すことにより、撮像素子１１０６の１フレームの信号電荷が蓄積される。繰り返し回数は光源１１０４の発光強度と撮像素子１１０６の感度に応じて調整される。脳内から戻ってくる近赤外拡散光は極めて微弱光であるので、レーザー発光との高速同期撮像を相当の回数繰り返し行うことで、感度の不足を補うことができる。

なお、本実施の形態では、複数の浮遊拡散層による時間分解数を８としているが、時間分解数は目的に応じて８以外の数に設計してもよい。

図１５は、本実施形態における撮像素子１１０６の全体構成の一例を示す図である。図１５において、二点鎖線の枠で囲まれた領域が１つの画素１２０１に相当する。画素１２０１は、８つの浮遊拡散層１２０４〜１２１１を含む。８つの浮遊拡散層１２０４〜１２１１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８画素の信号のように取り扱われ、撮像素子１１０６から出力される。

この撮像素子１１０６による時間分解撮像後の信号の読出しに関する動作は、浮遊拡散層の数が多い点を除けば、実施の形態１と同様であるので、説明を省略する。

次に、信号処理回路１１１２による動作を説明する。まず、本実施形態において使用される波長帯域について説明する。

図１６Ａは、酸素化ヘモグロビン、脱酸素化ヘモグロビン、および水の吸収係数の波長依存性を示すグラフである。図１６Ｂは、生体組織中の光の散乱係数の波長依存性を示すグラフである。図中の２本の破線に挟まれた波長域（７００〜９００ｎｍ）は、生体の窓と呼ばれ、生体内の分子による吸収率が低いという特徴を有する。１００ＭＨｚ、２００ｐｓ幅のパルスで照射された７００〜９００ｎｍのブロードな分光特性を有する近赤外光は、頭部内部で散乱拡散する。その際、図１６Ａに示す生体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吸収係数に応じて、波長毎に光が吸収される。吸収されずに伝播した光の一部が撮像素子１１０６の受光面まで到達して受光される。波長７００〜８００ｎｍでは脱酸素化ヘモグロビンの吸収係数が酸素化ヘモグロビンの吸収係数よりも高く、８００〜９００ｎｍではこの関係が逆転する。このため、脳内散乱光には、これらの分子の濃度情報が分光特性情報として含まれる。本実施の形態では波長帯域幅１０ｎｍ毎に２０バンドの分光分離数を設定する。なお、分光分離数はこの例に限定されず、適用されるアプリケーションの要求に応じて適宜設定すれば良い。

信号処理回路１１１２における第１信号処理部１１０９は、撮像素子１１０６から出力された時間分解された８つの画像の各々における多波長の分光多重像を波長帯域ごとに分離する。この方法については、実施の形態１、２と同様であるので、ここでは説明を省略する。

次に、第２信号処理部１１１０は、３Ｄ画像を再構築するための信号処理を行う。

図１７は、この信号処理の流れを示すフローチャートである。前述の時間分解撮像により、ＦＤ１（３〜１５ｃｍ）、ＦＤ２（１５〜２７ｃｍ）、ＦＤ３（２７〜３９ｃｍ）、ＦＤ４（３９〜５１ｃｍ）、ＦＤ５（５１〜６３ｃｍ）、ＦＤ６（６３〜７５ｃｍ）、ＦＤ７（７５〜８７ｃｍ）、ＦＤ８（８７〜９９ｃｍ）に対応する８枚の２Ｄ画像が撮像素子１１０６から出力される（ステップＳ３０１）。第１信号処理部１１０９が分光分離の処理を行うことにより、光路長毎に例えば２０バンドの分光画像が生成される（ステップＳ３０２）。すなわち、１つの撮像素子１１０６あたり、１フレームの撮像測定結果から８光路長２０バンド分光の計１６０枚の２Ｄ画像が生成される。

次に、第２信号処理部１１１０は、各光路長の画像間の同一画素アドレスのレベル変化に高域強調フィルターを適宜作用させる。これにより、近赤外レーザーパルス光源１１０４の発光パルス時間が有限の長さ（例えば２００ｐｓ）を有することによって生じるクロストークの影響、すなわち、同一画素アドレスの画素値の変化が小さくなっている影響を補正する。第２信号処理部１１１０は、この補正した結果を撮像測定結果として、後述するシミュレーション結果との比較を行う。

図１８は、１つの画素に到達する光量の時間変化の一例を示す図である。図示されるように、１つの画素には、光源１１０４からの光路長に応じて、連続的に光が到達する。光路長（ＦＤ１〜ＦＤ８）毎に、その積分値が検出される。このため、各画素の信号は、クロストークの成分を原理的に含む。ステップＳ３０３では、このクロストークの影響を低減するための処理が行われる。

次に、図１７に示すシミュレーションの流れを説明する。

生体組織内では、近赤外光は強く散乱し、吸収は比較的弱い。このため、生体組織内で生じる光学現象は、光拡散現象として近似できることが知られている。散乱パターンも生体組織の厚さが数ｍｍを超えると等方的になり、光エネルギーがあらゆる方向に拡散的に伝播する。散乱の強さは散乱係数、吸収の強さは吸収係数で表される。これらの係数の逆数が距離を表す。生体内の光伝播を記述する際に最も良く用いられるのが光拡散方程式である。

図１７に示す３Ｄ画像再構築アルゴリズムは、まず、生体内の酸素化ヘモグロビンおよび脱酸素化ヘモグロビン等の分子密度分布を仮定する（ステップＳ４０１）。次に、光学特性値（吸収係数および散乱係数）の分布を計算する（ステップＳ４０２）。続いて、生体内の光伝播モデルを用いて光の伝播を数値的に解く順問題解析を行う（ステップＳ４０３）。さらに、撮像条件と同一の条件で各光路長および各波長の画像信号の成分を計算する（ステップＳ４０４）。その結果を撮像測定で得られた結果と比較する（ステップＳ４０５）。全て一致すれば、仮定した分子密度分布が正しいとして、３Ｄ画像が再構築されたと判断する。一致しなければ、仮定した分子密度が間違いであったと判断し、分子密度分布を仮定し直して、再度ステップＳ４０１〜Ｓ４０５の処理を実行する。第２信号処理部１１１０は、ステップＳ４０５で両者が一致するまでこの操作を繰り返す（逆問題）。

以上の処理は、一般的な光拡散トモグラフィーで行われる処理と同様である。

第２信号処理部１１１０は、得られた結果と、図１６Ａに示す酸素化ヘモグロビンおよび脱酸素化ヘモグロビンの吸収スペクトルの情報に基づいて、血液状態を示す画像を生成して出力する。

また、図１６Ｂに示す波長毎の散乱係数の違いを詳細にシミュレーションすることが可能であり、その結果を利用することで、逆問題を解く精度が向上する。本実施の形態は、ブロードバンド光源を用いた分光圧縮センシングにより、例えば２０バンドの分光画像を得ることができる。さらに、時間分解撮像素子１１０６により、十分な空間サンプリング点数（画素数）を有する画像（フレーム）を得ることが出来る。結果として、所望の３Ｄ再構築画像の高解像度化と、測定時間の短縮化とを同時に満足することが可能となる。

（実施の形態４）
実施の形態４の撮像装置は、実施の形態３と同様に、生体等の光散乱体を対象とし、観測すべき分子の同定とその濃度分布を３Ｄ画像として再構築することができる。

図１９は、本実施の形態の撮像装置の概略的な構成を示す図である。撮像装置は、互いに異なる波長を含むパルス光を出射する第１の近赤外レーザーパルス光源１９０４、第２の近赤外レーザーパルス光源１９０５、第３の近赤外レーザーパルス光源１９０６、および第４の近赤外レーザーパルス光源１９０７と、符号化分光素子１９１０と、撮像素子１９０９と、遅延調整回路１９１５を含む制御回路１９１１と、第１信号処理部１９１２および第２信号処理部１９１３を含む信号処理回路１９１４とを備える。実施の形態４の撮像装置は、複数の光源を備える点、および制御回路が遅延調整回路を含む点で、実施の形態３の撮像装置と異なる。本実施の形態では光源が４つである例を示すが、光源の数は４に限定されない。

以下、実施の形態３の撮像装置との動作の差異を主体に説明する。第１の近赤外レーザーパルス光源１９０４、第２の近赤外レーザーパルス光源１９０５、第３の近赤外レーザーパルス光源１９０６、および第４の近赤外レーザーパルス光源１９０７は、それぞれ、波長７５０ｎｍのパルス光、波長８００ｎｍのパルス光、波長８５０ｎｍのパルス光、および波長９００ｎｍのパルス光を検知対象である脳組織１９０３に向けて照射する。この照射は、制御回路１９１１からの制御信号に従い、短パルスで繰り返し行われる。

各パルス光の脳組織１９０３内における拡散係数および散乱係数は、波長が異なるために互いに異なる。この違いを解消するために、制御回路１９１１内の遅延調整回路１９１５は、第１の近赤外レーザーパルス光源１９０４、第２の近赤外レーザーパルス光源１９０５、第３の近赤外レーザーパルス光源１９０６、および第４の近赤外レーザーパルス光源１９０７の発光のタイミングの微小な調整を行う。

本実施形態では、頭部表面１９０１での反射によるロスを減少させ、近赤外光を効率良く脳内に導くため、第１の近赤外レーザーパルス光源１９０４、第２の近赤外レーザーパルス光源１９０５、第３の近赤外レーザーパルス光源１９０６、および第４の近赤外レーザーパルス光源１９０７は頭部表面１９０１に密着させて使用される。また、ジェルシートまたはクリーム等を用いて反射を低減させてもよい。図１９に示す例では、表皮からの漏れ光をカットする目的で遮光板１９０８が用いられている。

照射された短パルスの赤外光線の一部は、頭蓋骨１９０２を透過して、脳組織１９０３内で吸収および弾性散乱を繰り返し、減衰しながら伝播する。その一部が再び頭蓋骨１９０２を透過し、頭部表面１９０１を透過して、符号化分光素子１９１０を介して撮像素子１９０９の受光面に到達し、光電変換が行われる。

撮像素子１９０９の層構成および時間分解機能については、実施の形態３の撮像素子１１０６と同様であるので、説明を省略する。

次に、信号処理回路１９１４による動作を説明する。まず、本実施形態において使用される波長帯域について説明する。

図１６Ａは、酸素化ヘモグロビン、脱酸素化ヘモグロビン、および水の吸収係数の波長依存性を示すグラフである。図１６Ｂは、生体組織中の光の散乱係数の波長依存性を示すグラフである。１００ＭＨｚ、２００ｐｓ幅のパルスで照射された７５０ｎｍ、８００ｎｍ、８５０ｎｍ、および９００ｎｍの波長を有する近赤外光は、頭部内部で散乱拡散する。その際、図１６Ａに示す生体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吸収係数に応じて、波長毎に光が吸収される。吸収されずに伝播した光の一部が撮像素子１９０９の受光面まで到達して受光される。波長７００〜８００ｎｍでは脱酸素化ヘモグロビンの吸収係数が酸素化ヘモグロビンの吸収係数よりも高く、８００〜９００ｎｍではこの関係が逆転する。このため、脳内散乱光には、これらの分子の濃度情報が分光特性情報として含まれる。本実施の形態では、７５０ｎｍ、８００ｎｍ、８５０ｎｍ、および９００ｎｍの４バンドの分光分離数を設定する。なお、分光分離数はこの例に限定されず、適用されるアプリケーションの要求に応じて適宜設定すれば良い。

第２信号処理部１９１３は、３Ｄ画像を再構築するための信号処理を行う。図１７は、この信号処理の流れを示すフローチャートである。時間分解撮像により、ＦＤ１（３〜１５ｃｍ）、ＦＤ２（１５〜２７ｃｍ）、ＦＤ３（２７〜３９ｃｍ）、ＦＤ４（３９〜５１ｃｍ）、ＦＤ５（５１〜６３ｃｍ）、ＦＤ６（６３〜７５ｃｍ）、ＦＤ７（７５〜８７ｃｍ）、ＦＤ８（８７〜９９ｃｍ）に対応する８枚の２Ｄ画像が撮像素子１９０９から出力される（ステップＳ３０１）。第１信号処理部１９１２が分光分離の処理を行うことにより、光路長毎に４バンドの分光画像が生成される（ステップＳ３０２）。すなわち、１つの撮像素子１９０９あたり、１フレームの撮像測定結果から８光路長４バンド分光の計３２枚の２Ｄ画像が生成される。

次に、第２信号処理部１９１３は、各光路長の画像間の同一画素アドレスのレベル変化に高域強調フィルターを適宜作用させる。これにより、各近赤外レーザーパルス光源の発光パルス時間が有限の長さを有することによって生じるクロストークの影響を補正する。第２信号処理部１９１３は、この補正した結果を撮像測定結果として、後述するシミュレーション結果との比較を行う。

次に、図１７に示すシミュレーションの流れを説明する。

図１７に示す３Ｄ画像再構築アルゴリズムは、まず、生体内の酸素化ヘモグロビンおよび脱酸素化ヘモグロビン等の分子密度分布を仮定する（ステップＳ４０１）。次に、光学特性値である吸収係数および散乱係数の分布を計算する（ステップＳ４０２）。続いて、生体内の光伝播モデルを用いて光の伝播を数値的に解く順問題解析を行う（ステップＳ４０３）。さらに、撮像条件と同一の条件で各光路長および各波長の画像信号の成分を計算する（ステップＳ４０４）。その結果を撮像測定で得られた結果と比較する（ステップＳ４０５）。全て一致すれば、仮定した分子密度分布が正しいとして、３Ｄ画像が再構築されたと判断する。一致しなければ、仮定した分子密度が間違いであったと判断し、分子密度分布を仮定し直して、再度ステップＳ４０１〜Ｓ４０５の処理を実行する。第２信号処理部１９１３は、ステップＳ４０５で両者が一致するまでこの操作を繰り返す。

以上の処理は、一般的な光拡散トモグラフィーで行われる処理と同様である。

第２信号処理部１９１３は、得られた結果と、図１６Ａに示す酸素化ヘモグロビンおよび脱酸素化ヘモグロビンの吸収スペクトルの情報に基づいて、血液状態を示す画像を生成して出力する。

本実施の形態は、分光圧縮センシングにより、４バンドの分光画像を得ることができる。さらに、撮像素子１９０９により、十分な空間サンプリング点数を有する画像を得ることができる。結果として、所望の３Ｄ再構築画像の高解像度化と、測定時間の短縮化とを同時に満足することが可能となる。

以上のように、本開示の実施形態によれば、高時間分解、高解像度、多波長の３つの要求を満足する撮像装置を実現することができる。撮影対象が光透過空間である場合には、対象物を距離毎に分離して撮像するレンジゲート撮像を行い、撮像装置からの距離の範囲に応じた波長ごとの２Ｄ画像を得ることができる。また、各ガス分子に特有のラマン散乱による光の波長シフトまたは蛍光による光の波長シフトから、ガス分子の種類と濃度を検知することができる。複数の距離レンジ毎にレンジゲート撮像を同時に行うことにより、漏洩ガスの種類を特定し、かつ、ガスの濃度の３次元分布を非接触で検知することを、一台の撮像装置で実現することができる。

また、対象物が光散乱体の場合、さらにピコ秒オーダーの高時間分解撮像を行うことで、散乱体内の光路長毎および波長域毎に分離された２Ｄ画像が得られる。これらの２Ｄ画像と、散乱体内の分子の特有の吸収分光、散乱分光、または蛍光分光等の特性に基づき、散乱体内の分子の種類と濃度を検知できる。さらに、光路長毎の複数の２Ｄ画像から、検知対象の散乱体内の３Ｄ分布画像を演算によって再構築することができる。複数の波長域の画像情報を用いることで、波長域毎の散乱体内の散乱係数の違いに基づき、生成される３Ｄ画像の解像度の更なる向上が期待できるという利点を有する。

本開示の技術は、対象物を透過した光または対象物から散乱された光の波長情報を取得する用途に有用である。例えば、空気中、水中、または生体内の分子の同定、および当該分子の３次元濃度分布の可視化を行う用途に利用できる。より具体的には、生体内の血流観測、空気中のガスの漏洩検知および解析に利用できる。

１０１ 測定対象物
１０２ 結像光学系
１０３ リレー光学系
１０４ 符号化素子
１０５ 分光素子
１０６ 撮像素子
１０７ 光源
１０８ 制御回路
１０９ 第１信号処理部
１１０ 第２信号処理部
１１１ 励起光カットフィルター
１１２ 信号処理回路
２０１ 画素
２０２ 信号電荷排出部（ドレイン）
２０３ 光電変換部（フォトダイオード）
２０４ 第１浮遊拡散層（ＦＤ１）
２０５ 第１浮遊拡散層（ＦＤ２）
２０６ 第１浮遊拡散層（ＦＤ３）
２０７ 第１浮遊拡散層（ＦＤ４）
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 ＡＤ変換回路
３０８ ＦＤ信号読み出しトランジスタ
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
９０１ 符号化分光素子
１１０１ 頭部表面
１１０２ 頭蓋骨
１１０３ 脳組織
１１０４ 近赤外レーザーパルス光源
１１０５ 遮光板
１１０６ 撮像素子
１１０７ 符号化分光素子
１１０８ 制御回路
１１０９ 信号処理部１
１１１０ 信号処理部２
１１１２ 信号処理回路
１２０１ 画素
１２０２ 信号電荷排出部（ドレイン部）
１２０３ 光電変換部（フォトダイオード）
１２０４ 第１浮遊拡散層（ＦＤ１）
１２０５ 第２浮遊拡散層（ＦＤ２）
１２０６ 第３浮遊拡散層（ＦＤ３）
１２０７ 第４浮遊拡散層（ＦＤ４）
１２０８ 第５浮遊拡散層（ＦＤ５）
１２０９ 第６浮遊拡散層（ＦＤ６）
１２１０ 第７浮遊拡散層（ＦＤ７）
１２１１ 第８浮遊拡散層（ＦＤ８）

Claims (13)

1. 波長の異なる複数の成分を含むパルス光を出射する光源と、
   前記パルス光が照射された対象物からの入射光が透過する、光透過率の異なる複数の領域を有する符号化素子と、
   前記複数の領域を透過した前記入射光を、前記波長に応じて複数の光に分散させる分光素子と、
   前記分光素子によって分散した前記複数の光を受ける撮像素子と、
   前記光源および前記撮像素子を制御する制御回路と、
   を備える、撮像装置。
2. 複数の波長の成分を含むパルス光を出射する光源と、
   前記パルス光が照射された対象物からの入射光が透過する、光透過率の波長分布が異なる複数の領域を有する符号化分光素子と、
   前記複数の領域を透過した前記入射光を受ける撮像素子と、
   前記光源および前記撮像素子を制御する制御回路と、
   を備える、撮像装置。
3. 前記対象物は第１の部分および第２の部分を有し、
   前記制御回路は、
   第１の時間において、前記光源に前記パルス光を出射させ、
   前記第１の時間よりも後の第２の時間において、前記撮像素子に、前記対象物の前記第１の部分からの第１の入射光に基づく第１の信号電荷を蓄積させ、
   前記第２の時間よりも後の第３の時間において、前記撮像素子に、前記対象物の前記第２の部分からの第２の入射光に基づく第２の信号電荷を蓄積させ、
   前記第１の信号電荷に基づく第１の画像信号と、前記第２の信号電荷に基づく第２の画像信号とを、前記撮像素子に出力させる、
   請求項１または２に記載の撮像装置。
4. 前記撮像素子は、各々が第１の電荷蓄積部および第２の電荷蓄積部を含む複数の光検出セルを有し、
   前記制御回路は、
   前記第２の時間において、前記複数の光検出セルの各々における前記第１の電荷蓄積部に、前記第１の信号電荷を蓄積させ、
   前記第３の時間において、前記複数の光検出セルの各々における前記第２の電荷蓄積部に、前記第２の信号電荷を蓄積させる、
   請求項３に記載の撮像装置。
5. 前記制御回路は、
   前記第１の時間における前記パルス光の前記出射と、前記第２の時間における前記第１の信号電荷の前記蓄積と、前記第３の時間における前記第２の信号電荷の前記蓄積とを、前記光源および前記撮像素子に複数回繰り返させた後、
   前記第１の画像信号と前記第２の画像信号とを、前記撮像素子に出力させる、
   請求項３または４に記載の撮像装置。
6. 前記第１の画像信号を前記波長に応じて複数の第１の分離画像信号に分離し、前記第２の画像信号を前記波長に応じて複数の第２の分離画像信号に分離する信号処理回路をさらに備える、請求項３から５のいずれかに記載の撮像装置。
7. 前記信号処理回路は、前記複数の第１の分離画像信号と、前記複数の第２の分離画像信号とに基づいて、前記対象物の３次元画像を生成する、請求項６に記載の撮像装置。
8. 前記対象物は光散乱体であり、
   前記信号処理回路は、
   前記対象物の光学特性値分布を仮定し、
   前記対象物内の光伝播を計算し、
   前記光伝播の計算結果と、前記複数の第１の分離画像信号および前記複数の第２の分離画像信号とを比較し、
   比較結果が一致するまで前記光学特性値分布の仮定を繰り返し、
   前記比較結果が一致したときの前記光学特性値分布に基づいて、前記３次元画像を生成する、
   請求項７に記載の撮像装置。
9. 前記対象物はガスである、請求項１から８のいずれかに記載の撮像装置。
10. 前記対象物は光散乱体である、請求項１から７のいずれかに記載の撮像装置。
11. 前記パルス光は紫外線または赤外線である、請求項１から１０のいずれかに記載の撮像装置。
12. 第１の波長を含む第１のパルス光を出射する第１の光源と、
    前記第１の波長と異なる第２の波長を含む第２のパルス光を出射する第２の光源と、
    前記第１のパルス光および前記第２のパルス光が照射された対象物からの入射光が透過する、光透過率の異なる複数の領域を有する符号化素子と、
    前記複数の領域を透過した前記入射光を、前記第１の波長を含む第１の入射光と、前記第２の波長を含む第２の入射光とに分散させる分光素子と、
    前記第１の入射光および前記第２の入射光を受ける撮像素子と、
    前記光源および前記撮像素子を制御する制御回路と、
    を備え、
    前記制御回路は、
    第１の時間において、前記第１の光源に前記第１のパルス光を出射させ、
    前記第１の時間と異なる第２の時間において、前記第２の光源に前記第２のパルス光を出射させる、
    撮像装置。
13. 第１の波長を含む第１のパルス光を出射する第１の光源と、
    前記第１の波長と異なる第２の波長を含む第２のパルス光を出射する第２の光源と、
    前記第１のパルス光および前記第２のパルス光が照射された対象物からの入射光が透過する、光透過率の波長分布が異なる複数の領域を有する符号化分光素子と、
    前記複数の領域を透過した前記入射光を受ける撮像素子と、
    前記光源および前記撮像素子を制御する制御回路と、
    を備え、
    前記制御回路は、
    第１の時間において、前記第１の光源に前記第１のパルス光を出射させ、
    前記第１の時間と異なる第２の時間において、前記第２の光源に前記第２のパルス光を出射させる、
    撮像装置。

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