JP7516146B2

JP7516146B2 - 光検出システム

Info

Publication number: JP7516146B2
Application number: JP2020124550A
Authority: JP
Inventors: 和浩森本; 大貴白髭
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2020-07-21
Filing date: 2020-07-21
Publication date: 2024-07-16
Anticipated expiration: 2040-07-21
Also published as: US12490922B2; JP2022021133A; US20220022781A1

Description

本発明は、光検出システムに関する。

特許文献１には、光源と撮像素子とを備える屈折率分布計測装置が記載されている。特許文献１に記載の屈折率分布計測装置は、光源と撮像素子との間に被検物を配置し、撮像素子を用いて被検物の透過波面を計測する。そして、当該透過波面の計測結果を用いて当該被検物の屈折率分布を求める方法が開示されている。

特開２０１１－２４７６８７号公報

特許文献１の屈折率分布計測装置においては、撮像素子の光入射面に平行な方向における屈折率分布の情報を得ることはできるが、撮像素子の光入射面に垂直な方向における屈折率分布の情報を得ることはできない。つまり、特許文献１では、撮像素子の光入射面に平行な２次元の屈折率分布を得ることはできるが、撮像素子の光入射面に垂直な方向を含む３次元の屈折率分布を得ることはできない。本発明は、３次元における屈折率分布を測定可能な光検出システムを提供することを目的とする。

一形態に係る光検出システムは、パルスレーザ光を発する光源と、複数の光電変換部が２次元平面に配された光検出部と、を備える光検出システムであって、前記光源の照射タイミングと、前記光検出部の検出タイミングとが、タイミング制御部により制御されており、前記光検出部は、前記光源から被写体へ入射するパルスレーザ光の前記２次元平面における散乱光を検出し、前記散乱光の光速の変化から前記被写体の屈折率変化を推定する。

本発明によれば、特許文献１に比べて、３次元における屈折率分布を測定可能な光検出システムを提供することができる。

実施形態１に係る光検出システムの概念を示すブロック図である。実施形態１に係る光検出部と光源と被写体との位置関係を示す構成図である。実施形態１に係る光検出部の構成図である。実施形態１に係る光検出部の駆動パルスを説明する図である。光速よりも遅い動体と光速で進むパルス光の違いを説明する図である。実施形態１に係る演算処理部で行う処理を説明する図である。実施形態１に係る光検出システムの効果を説明する図である。光検出システムの演算処理のコンセプトを説明する図である。光跡位置と検出時間の関係を示す図である。実施形態２に係る光検出部と光源と被写体との位置関係を示す構成図である。実施形態３に係る光検出部と光源と被写体との位置関係を示す構成図である。実施形態４に係る光検出部と光源と被写体との位置関係を示す構成図である。実施形態５に係る光検出部と光源と被写体との位置関係を示す構成図である。実施形態６に係る光検出部と光源と被写体との位置関係を示す構成図である。

以下に示す形態は、本発明の技術思想を具体化するためのものであって、本発明を限定するものではない。各図面が示す部材の大きさや位置関係は、説明を明確にするために誇張していることがある。以下の説明において、同一の構成については同一の番号を付して説明を省略することがある。

（実施形態１）
図１は、本実施形態に係る光検出システム１００の構成を示すブロック図である。

光源部１１０は、少なくとも光源１１１を含む。光源部１１０は、さらに、光源からの光の進行方向を変え、光を走査する光線走査部１１２を含んでもよい。

光源１１１は、パルスレーザ光を照射可能な光源である。たとえば、光源１１１としては、ピコ秒レーザを用いることができる。光源の波長は特に限定されないが、例えば、赤外光を発する光源を用いることができる。赤外光を発する光源とは、ピーク波長が７５０ｎｍ以上１５００ｎｍ以下にある光源である。光源１１１からのレーザ光は、点形状、線形状、面形状のいずれであってもよい。

光線走査部１１２は、光源１１１から照射されたレーザ光の進行方向を変えることができる。光線走査部１１２は、例えば、ＭＥＭＳのような走査ミラーを用いることができる。

光検出部１３０は、光源１１１から照射されたパルスレーザ光により生じた散乱光を検出する装置である。光検出部１３０は、光源１１１から照射されたパルスレーザ光を検出してもよい。光検出部１３０は、光電変換部を含む画素がＸＹ方向に複数配置されて構成されている。光電変換部としては、アバランシェ増倍が生じるアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）を用いることが好ましい。その中でも、ガイガーモード動作を用いて単一光子レベルの微弱信号を高速検出するＳＰＡＤ（ＳｉｎｇｌｅＰｈｏｔｏｎＡｖａｌａｎｃｈｅＤｉｏｄｅ）であることが好ましい。光電変換部はアバランシェ増倍を生じないフォトダイオード（ＰＤ）であってもよい。

タイミング制御部１１６は、光源１１１の光照射の開始タイミングと光検出部１３０による光検出の開始タイミングとを制御している。言い換えると、タイミング制御部１１６は、光源１１１の照射タイミングと、光検出部１３０による光検出の開始タイミングとを同期させている。「同期」とは、光源の照射開始のタイミングと光検出の開始タイミングとを同じにすることだけでなく、両者のタイミングがずれており、そのずれがタイミング制御部１１６からの制御信号に基づくものである場合も含む。つまり、タイミング制御部１１６からの制御信号に基づいて、光源１１１の照射開始タイミングと、光検出部１３０の開始タイミングとが制御されているものを「同期」という。

演算処理部１２０は、光検出部１３０で検出した信号を処理する。演算処理部１２０は、進行方向解析部１２１、空間情報抽出部１２２、屈折率分布再構成部１２３を有する。

進行方向解析部１２１は、光検出部１３０から出力される複数フレームの２次元空間の光量分布情報から、レーザ光の進行方向を算出する。すなわち、ｘ（Ｘ方向の情報），ｙ（Ｙ方向の情報），ｔ（時間情報）の情報から、ＸＹ平面（２次元平面）における光の進行方向を求める。また、進行方向解析部１２１は、光の進行方向ごとに、光跡を複数のグループに分ける。

空間情報抽出部１２２は、進行方向解析部１２１により算出されたパルスレーザ光の進行方向ごとに、光の進行方向のうちＺ方向成分の空間情報を抽出する。本実施形態では、ｘ，ｙ，ｔの３次元情報から物体の屈折率変化（屈折率分布）を求める。なお、本実施形態では、ｘ，ｙ，ｔの３次元情報から、物体の屈折率分布を求めているが、これに限られない。例えば、ｘ，ｙ，ｔの３次元情報からｘ，ｙ，ｚ，ｔの４次元情報（ｘ，ｙ，ｚの３次元平面）を求め、その後に屈折率分布を求めてもよい。

屈折率分布再構成部１２３は、空間情報抽出部１２２から入力された３次元情報から被写体（物体）の屈折率分布を算出し、表示部１４０に情報を出力する。屈折率分布再構成部１２３では、ＸＹＺ空間を座標変換して、所望の角度から光跡を視認できるように情報を処理する機能を有してもよい。屈折率分布の求め方は後ほど説明する。

表示部１４０は、屈折率分布再構成部１２３から入力された信号に基づいて、画像を表示する。ユーザの操作により、屈折率分布再構成部１２３から出力される情報を選択し、表示部１４０に画像を表示してもよい。

図２は、光検出システム１００の配置例を示す概念図である。図１と同じ構成については同じ符号を付し、説明を省略する。

ＳＰＡＤカメラ４０１は、光検出部１３０とタイミング制御部１１６を含む。タイミング制御部１１６は、タイミング同期手段４０４を介して光源１１１と接続されている。図４では、タイミング同期手段４０４は有線で接続されているが、無線による接続であってもよい。

ＳＰＡＤカメラ４０１は、カメラの視野領域４０２の範囲内に光検出部により被写体４１０の少なくとも一部が検出されるように配置される。好ましくは、ＳＰＡＤカメラ４０１の視野領域４０２の範囲内に被写体４１０のすべてが検出されるようにＳＰＡＤカメラ４０１は配置される。被写体４１０の周囲には水蒸気や塵が配されており、ＳＰＡＤカメラ４０１は被写体４１０からの散乱光を検出する。本実施形態では、当該散乱光を用いて被写体４１０の屈折率分布を測定することが可能となる。

図３は、光検出部１３０を示したものである。画素領域には、画素１０３がＸＹ方向において２次元状に複数配されている。

１つの画素１０３は、光電変換部２０１（アバランシェダイオード）と、クエンチ素子２０２と、制御部２１０、カウンタ／メモリ２１１、読み出し部２１２を有する。

光電変換部２０１のカソードにはアノードに供給される電位ＶＬよりも高い電位ＶＨに基づく電位が供給される。光電変換部２０１のアノードとカソードには、光電変換部２０１に入射したフォトンがアバランシェ増倍されるような逆バイアスがかかるように電位が供給される。このような逆バイアスの電位を供給した状態で光電変換することで、入射光によって生じた電荷がアバランシェ増倍を起こしアバランシェ電流が発生する。

逆バイアスの電位が供給される場合において、アノードおよびカソードの電位差が降伏電圧より大きいときには、アバランシェダイオードはガイガーモード動作となる。

クエンチ素子２０２は、高い電位ＶＨを供給する電源と光電変換部２０１に接続される。クエンチ素子２０２は、Ｐ型ＭＯＳトランジスタまたはＰｏｌｙ抵抗などの抵抗素子により構成される。また、クエンチ素子２０２は、直列の複数のＭＯＳトランジスタにより構成されていてもよい。光電変換部２０１においてアバランシェ増倍により光電流が増倍されると、増倍した電荷によって得られる電流が、光電変換部２０１とクエンチ素子２０２との接続ノードに流れる。この電流による電圧降下により、光電変換部２０１のカソードの電位が下がり、光電変換部２０１は、電子なだれを形成しなくなる。これにより、光電変換部２０１のアバランシェ増倍が停止する。その後、電源の電位ＶＨがクエンチ素子２０２を介して光電変換部２０１のカソードに供給されるため、光電変換部２０１のカソードに供給される電位が電位ＶＨに戻る。つまり、光電変換部２０１の動作領域は再びガイガーモード動作となる。このように、クエンチ素子２０２は、アバランシェ増倍による電荷の増倍時に負荷回路（クエンチ回路）として機能し、アバランシェ増倍を抑制する働きを持つ（クエンチ動作）。また、クエンチ素子は、アバランシェ増倍を抑制した後に、アバランシェダイオードの動作領域を再びガイガーモードにする働きを持つ。

制御部２１０は、光電変換部２０１からの出力信号をカウントするか否かを決定する。例えば、制御部２１０は光電変換部２０１とカウンタ／メモリ２１１との間に設けられたスイッチ（ゲート回路）である。スイッチのゲートは、パルス線１１４と接続されており、パルス線１１４に入力される信号に応じて、制御部のオンとオフが切り替えられる。図１のタイミング制御部１１６からの制御信号に基づく信号がパルス線１１４に入力される。そして、スイッチのゲートは全列一括して制御される。これにより、全画素において一括して光検出の開始と終了が制御される。このような制御をグローバルシャッタ制御ということもある。

また、制御部２１０は、スイッチではなく、論理回路で構成してもよい。例えば、論理回路として、ＡＮＤ回路を設け、ＡＮＤ回路の第１の入力を光電変換部２０１からの出力とし、第２の入力をパルス線１１４の信号とすれば、光電変換部２０１からの出力信号をカウントするか否かを切り替えることが可能となる。

さらに、制御部２１０は、光電変換部２０１とカウンタ／メモリ２１１との間に設ける必要はなく、カウンタ／メモリ２１１のうち、カウンタの動作と非動作を切り替える信号を入力する回路であってもよい。

カウンタ／メモリ２１１は、光電変換部２０１に入る光子の数をカウントして、デジタルデータとして保持する。リセット線２１３は各行に対応して設けられており、垂直走査回路部（不図示）からリセット線２１３に制御パルスが供給されたとき、カウンタ／メモリ２１１で保持されていた信号がリセットされる。

読み出し部２１２は、カウンタ／メモリ２１１と読み出し信号線１１３に接続されている。読み出し部２１２には、垂直走査回路部（不図示）から、制御線を介して制御パルスが供給され、カウンタ／メモリ２１１のカウント値を読み出し信号線１１３に出力するか否かを切り替える。読み出し部２１２は、例えば、信号を出力するためのバッファ回路などを含む。

読み出し信号線１１３は、光検出部１３０から演算処理部１２０に出力する信号線であっても、光検出部１３０内に設けられている信号処理部に出力する信号線であってもよい。また、水平走査回路部（不図示）と垂直走査回路部（不図示）は、ＳＰＡＤアレイが設けられている基板に設けてもよいし、ＳＰＡＤアレイが設けられている基板とは異なる基板に設けてもよい。

また、上記では、カウンタを用いる構成を示したが、カウンタの代わりに、時間・デジタル変換回路（ＴＤＣ：ＴｉｍｅｔｏＤｉｇｉｔａｌＣｏｎｖｅｒｔｅｒ）を設けて、パルス検出タイミングを取得してメモリに情報を保持してもよい。

図４は、光検出システム１００の駆動パルスを示す。図４では、光源１１１からのパルスレーザ光を発光するタイミング、被写体に照射されたパルスレーザ光の散乱光が光検出部１３０に到達するタイミング、光検出部１３０で光検出（光量カウント）するタイミングが示されている。

第１フレーム期間では、時刻ｔ１１（ｔ１２）に発光光が照射されるとともに、光検出が開始され、時刻ｔ１３に光検出が終了する。図３に示す第１フレーム期間では、散乱光が光検出部１３０に到達する時刻には、光検出部１３０は光検出しておらず、散乱光は検出されていない。第１フレーム期間で、光検出部１３０が複数回光検出しているのは、ＸＹ平面の光量分布を求めるためである。各フレーム期間内で複数回の光検出が終了すると、メモリに格納されている値が読み出される。

図３に示すように、光検出部１３０には、アレイ状に複数の画素が配されており、各行に配されている複数の画素の光検出開始のタイミングは、全画素一括で制御される。すなわち、第１フレーム期間では、ＳＰＡＤを含む全画素において、図４に示す発光光が照射されるタイミングと、カウント期間の開始のタイミングは同じである。

第２フレーム期間では、時刻ｔ２１に発光光が照射され、時刻ｔ２２に光検出が開始され、時刻ｔ２３に光検出が終了する。第２フレームは、発光光が照射された後に、光検出が開始されている。つまり、第１フレーム期間と比較して、第２フレーム期間は、発光光が照射される時刻から光検出が開始される時刻までの間が長くなっている。図４に示す第２フレームでは、散乱光が光検出部１３０に到達する時刻に、光検出部１３０は光検出しており、散乱光が検出される。

その後、各フレームは、発光光の照射時刻と光検出開始時刻の間の時間が徐々に長くなるように設定され、第Ｎフレームでは、時刻ｔＮ１に発光光が照射され、時刻ｔＮ２に光検出が開始され、時刻ｔＮ３に光検出が終了するように構成されている。

光検出部１３０は、ＳＰＡＤを含む画素が２次元に配置されたＳＰＡＤアレイである。したがって、上記のようなタイミングチャートにより、フレームごとに、ＸＹ平面の光量分布情報と、この光量分布情報を取得した時間である時間情報を備えた１組のデータが取得できる。このため、ｘ，ｙ，ｔに関する情報を取得することができる。

図５を参照しながら、本実施形態に係る光検出システム１００を用いた屈折率分布の測定方法の概念を説明する。本実施形態では、上述の通り、光検出部で得たＸＹ平面における光の位置情報と時間情報とからＺ方向の進行光の速度及び被写体の屈折率を得ている。具体的には光源からのパルスレーザ光による散乱光の「見かけの速度」を用いて、実際のパルス光の軌跡の３次元の空間情報、対応する時間情報、および被写体の屈折率分布を得ている。以下ではまず、「見かけの速度」について説明する。

図５は、光速よりも十分遅い動体の見かけの速度と、光速で進むパルス光との見かけの速度との違いを説明するための図である。

図５（Ａ）は、光速よりも十分遅い動体の例として、ボールが移動する例を示している。動体の進む方向と同じ方向に設けられているカメラＣ（θ＝０°）と、動体の進む方向とは逆の方向に設けられているカメラＡ（θ＝１８０°）と、動体の進む方向と直交する方向に設けられているカメラＢ（θ＝９０°）が示されている。

図５（Ｂ）は、動体の位置（被写体位置）と、動体からの散乱光を各カメラが検出している時間（検出時間）との関係を示したものである。動体からの散乱光がカメラに到達する間に動体はほぼ動かないため、動体の位置によらず、カメラＡ、Ｂ、Ｃの検出時間は、一緒の傾向を示す。

図５（Ｃ）は、動体の進む方向に対するカメラが設けられている角度θと、見かけの速度との関係を示したものである。見かけの速度は、検出時間あたりの動体の移動量となる。図５（Ｂ）から、検出時間あたりの動体の移動量は、一定であるため、見かけの速度も一定となる。図５（Ｃ）は、この関係を示したものである。すなわち、動体の見かけの速度は、各カメラに対する動体の進行方向によらず、一定となる。

他方、図５（Ｄ）は、光速で進むパルスレーザ光の例を示している。図５（Ａ）と同様に、パルスレーザ光の進む方向と同じ方向にカメラＣ（θ＝０°）、パルスレーザ光の進む方向とは逆の方向にカメラＡ（θ＝１８０°）、パルスレーザ光の進む方向と直交する方向にカメラＢ（θ＝９０°）がそれぞれ設けられている。

図５（Ｅ）は、パルスレーザ光の位置（被写体位置）と、パルス光によって生じる散乱光が各カメラで検出されている時間（検出時間）との関係を示したものである。所定の位置で発生したパルス光の散乱光がカメラに到達する間に、散乱光を発生するパルス光自体も進むため、異なる位置に設けられているカメラＡ、Ｂ、Ｃの検出時間がそれぞれ異なることとなる。具体的には、カメラＣでは、Ｘ１からＸ４において生じた散乱光は、同時に検出される。他方、カメラＡでは、Ｘ１からＸ４において生じた散乱光は、Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３、Ｘ４の順でカメラＡに到達するため、各位置からの散乱光の検出時間は異なる。カメラＢも、カメラＡと同様に、Ｘ１からＸ４において生じた散乱光は、Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３、Ｘ４の順でカメラＡに到達するため、各位置からの散乱光の検出時間は異なる。但し、カメラＡが設けられた位置と比較すると、カメラＢが設けられた位置は、散乱光が発生する場所からの距離が近いため、各地点で発生する散乱光のカメラＢの検出時間は、カメラＡよりも短くなる。この結果、図５（Ｅ）に示すような関係となる。

図５（Ｆ）は、パルス光の進む方向に対するカメラが設けられている角度θと、見かけの速度との関係を示したものである。図５（Ｅ）から、見かけの速度、すなわち、検出時間あたりの散乱光の移動量は、各カメラにおいて異なる。具体的には、カメラＢ（θ＝９０°）で検出される散乱光の見かけの速度は、カメラＡ（θ＝１８０°）よりも大きくなる。また、カメラＣ（θ＝０°）で検出される散乱光の見かけの速度は、無限大となる。図５（Ｄ）は、この関係を示したものである。すなわち、パルス光の見かけの速度は、各カメラに対するパルス光の進行方向によって変化する。見かけの速度の詳細は後述する。

図６は、図１の進行方向解析部１２１、空間情報抽出部１２２、および屈折率分布再構成部１２３で行われる演算処理のフローを示した図である。演算処理が開始されると、進行方向解析部１２１は、入射光および反射光を解析し、入射光および反射光の進行方向（光線のベクトル）を解析し、進行方向ごとに複数のグループに分ける（Ｓ６１０）。例えば、図２の光線４０６において、光線走査部１１２から被写体４１０に照射されるまでの光をグループ１とする。被写体４１０に入射し被写体４１０から出射されるまでの光線４０６をグループ２とする。被写体４１０から出射された光線４０６をグループ３、とする。このように、光線方向に応じてグループ分けを行う。

次に、空間情報抽出部１２２において、各グループに対して、計測された撮像面における光線の位置情報（ＸＹ平面の光量分布情報）と位置情報に対応する時間情報とを用いて、フィッティングするモデルを探索する（Ｓ６２０）。具体的には、散乱光の位置と光線ベクトルから想定の屈折率分布モデルを作る。そして、実測値の屈折率分布モデルを想定される屈折率分布モデルと比較し、フィッティングするかどうか（誤差がないかどうか）を確認する。

次に、空間情報抽出部１２２において、探索したモデルと計測値とのフィッティングを評価して、フィッティングが十分であるか否かを判断する。探索されたモデルのフィッティングが十分である場合は次のステップへと進み、フィッティングが十分でない場合はステップＳ６２０へと戻り、フィッティングするモデルを再度探索する。具体的には、実測値とモデルとの誤差を測定し、屈折率分布モデルの条件を変更する。誤差が収束するような条件とし、実測値と屈折率分布モデルとの誤差がなくなることにより、被写体の屈折率分布を測定することが可能となる。十分なフィッティングかは、最小二乗法を用いて、モデルの値と計測値との残差の二乗和が、所定の値以下になるまで計算を繰り返す。あるいは、計算の繰り返し回数を所定回数としてもよい。

次に、すべてのグループの計測値について、モデルの探索が行われたか否かを判断する（Ｓ６４０）。すべてのグループについて探索が完了していない場合は、残りのグループに対して、ステップ６２０を実行する。完了した場合は、次のステップへと進む。

次に、探索が完了した各モデルから、光線のＺ方向の情報及び被写体の屈折率分布情報を復元する（Ｓ６５０）。図２において、グループ１の光線と、グループ２の光線と、グループ３の光線と、のＺ方向の光線進行方向はそれぞれ異なる可能性がある。見かけの速度を用いてＺ方向の光線の進行情報を復元し、ＸＹＺ空間における光線の進行方向を求めると同時に、光線の進行速度と被写体入射時の屈折角を用いて、被写体の屈折率情報を求めることが出来る。

次に、光線のＸ、Ｙ、Ｚ、Ｔ情報から屈折率分布を復元する（Ｓ６６０）。ＸＹＺ方向の光線から屈折率分布を求める。被写体の屈折率をｎとし、グループ１の光線（入射光）の入射光の入射角と、被写体に入射した後のグループ２の光線（屈折光）の屈折角（出射光）とを用いて求めることができる。

ステップ６１０からステップ６５０までの工程を、被写体に照射される光の進行方向を変えて繰り返し行う（Ｓ６７０）。被写体のすべての領域をスキャンできるまで繰り返し行い、すべての領域についてスキャンが完了すれば終了（Ｓ６９０）である。すべての領域についてスキャンが完了していない場合は、残りの領域についてステップＳ６１０からＳ６７０の工程を行う（Ｓ６８０）。

以上の方法により、被写体の屈折率分布を測定することができる。なお、ステップＳ６５０は必須ではない。つまり、屈折率分布を復元せずに、異なる光出射方向に対応する測定情報を一通り取得した上で、屈折率分布の復元処理を行ってもよい。

次に、見かけの速度を利用した場合の屈折率分布の測定による効果を、見かけの速度を利用しない場合を比較例として説明する。比較例および実施例において、図７（Ａ）に示す配置関係であるものとする。図７（Ａ）の被写体の屈折率はその外部の屈折率よりも高いものとする。

被写体に照射されたレーザ光の進行方向は、被写体に入射してカメラ側の方向に屈折している。レーザ光の位置を撮像した画像の例を図７（Ｂ）に示し、実際のレーザ光の位置を図７（Ｃ）に示す。観測時間ｔ’と実際の時間ｔの経過時間は同じであるものとする。図７（Ａ）に示すように、屈折率分布が違うにも関わらず、撮像画像では光速の変化を正確に観測できない場合がある。例えば、図７（Ｃ）ではＸａからＸｂまでの移動に時間がかかっているにも関わらず、見かけの速度の影響で図７（Ｂ）では観測時間が短くなる場合がある。本実施形態では、見かけの速度を利用して補正を行うことができるため、正確な屈折率分布を求めることが可能となる。

図７を用いて、見かけの速度を利用しない場合と利用する場合での屈折率分布測定結果の差異について説明する。図７（Ａ）で示すように、観察対象に対してパルス光を照射した場合の光の軌跡をカメラを用いて撮影する場合を考える。ここでは、観察対象の周囲の空気中の屈折率ｎ＝１、観察対象内部の屈折率ｎ＝２とする。観察対象に入射した光は、観察対象の界面ＸａとＸｂにおいて、屈折現象により進行方向角度が変わる。図７（Ｂ）のグラフは、カメラで撮影されたパルス光の位置Ｘと観測時間ｔ’の関係を示している。屈折現象によりパルス光の進行方向がカメラに向かってくる方向に遷移するため、図５で説明した現象に起因し、見かけの速度が速くなる。この測定結果をそのまま使って光の速度Ｖを推定すると、図７（Ｄ）のようになる。パルス光がカメラに対して垂直に進行している場合は正しく測定できるが、パルス光の角度が変わると、見かけの速度の変化によって光の速度の推定精度が低下する。したがって、観察対象の屈折率の推定も低下する。一方、図７（Ｂ）の結果を用いて、図７（Ｃ）のように実際のパルス光の位置及び対応する時間の関係を復元できたとする。この場合、図７（Ｅ）に示す通り、見かけの速度の影響を受けずに、光の速度を正確に算出できるため、屈折率情報を精度よく復元することができる。

（演算処理のコンセプト）
図８は、図２の演算処理部１２０で行う処理のコンセプトを説明する図である。

図８（Ａ）において、符号４００は光検出部１３０の撮像面である。撮像面はＸＹ平面を有する。矢印で記載したのは、光の進行方向のベクトルである。（ｉ）撮像面４００に対して平行な方向に進む光、（ｉｉ）撮像面４００に対して遠ざかる方向に進む光、（ｉｉｉ）撮像面４００に対して向う方向に進む光、をそれぞれ示している。図８では、単純化するために、これらの光は、Ｘ方向とＺ方向のベクトル成分のみを有し、Ｙ方向のベクトル成分を有さないとしている。

図８（Ｂ）は、時刻ｔ１～ｔ３について、撮像面４００で撮影される上記（ｉ）から（ｉｉｉ）の光の光跡を示したものである。ここで、フレームレートが遅い場合、光跡は線状のように観測される。また、見かけの速度が遅い光の場合、光跡はより尾を引いているように観測される。ここでは光の進行方向に対して光強度の立ち上がり部分（光跡の先頭部分）のみを表示している。

図８（Ｂ）に示すように、光はＸ方向とＺ方向のベクトル成分を有するが、各時刻において撮影されるＸＹ平面には、Ｚ方向のベクトル成分はＸＹ平面に投影され、Ｚ方向の情報を取り出すことができない。図８（Ｂ）に示すように、進行方向（ｉ）の光に比べて、進行方向（ｉｉ）の光は、見かけの速度が遅くなり、逆に、進行方向（ｉ）の光に比べて、進行方向（ｉｉｉ）の光は、見かけの速度が速くなる。

図８（Ｃ）は、時刻ｔ１～ｔ３と、撮像面の光跡の位置（Ｘ方向）との関係を示す図である。図８（Ｃ）において、進行方向（ｉ）～（ｉｉｉ）の光、すなわち、Ｚ方向のベクトル成分が異なる光は、異なる関数で記述されることになる。

例えば、線形近似で記述する場合、Ｘ方向の位置（目的変数）＝ａ＋ｂ・時間（説明変数）となり、Ｚ方向のベクトル成分の違いによって、係数ａとｂの値が異なることとなる。

実際の光跡を記述するためには、Ｙ方向のベクトル成分、散乱光が生じる位置と光検出の撮像面の距離、光検出部からパルス光への方向ベクトルがパルス光の進行とともに時間変化することに起因する非線形効果を考慮しなければならない。そのため、変数および係数が増加し、より複雑なモデルとなるが、光のＺ方向のベクトル成分によって、撮像面における光の位置情報と時間情報を記述する関数が異なることは変わらない。

図８（Ｄ）は、光検出部１３０で実測されるデータ（計測値）について、図８（Ｃ）と同様に、時間軸と撮像面上の光の位置（Ｘ方向）の軸にプロットしたものである。各計測値にフィッティングする関数を探索し、その関数からＺ方向のベクトル成分を抽出できれば、Ｚ方向のベクトル成分を推定することができる。

すなわち、２次元の空間情報（ＸＺ方向のベクトル情報）及び時間情報に基づき、光検出部上の１次元の位置情報（Ｘ方向のベクトル情報）及び時間情報を計算するモデルを作る。そして、実測データであるＸ方向情報と時間情報を十分に説明できる、ＸＺ方向のベクトル情報と時間情報が探索できれば、Ｚ方向のベクトル成分を推定できる。このような演算は、実測データから観測対象である光の動きを推定しているため、逆問題を解くと表現することも可能である。

さらに、次元を拡張して、３次元の空間情報（ＸＹＺ方向のベクトル情報）及び時間情報から、光検出部上の２次元の空間情報（ＸＹ方向のベクトル情報）及び時間情報を計算するモデルを作る。そして、実測データであるＸＹ方向の情報と時間情報（データセット）を十分に説明できる、３次元の空間情報（ＸＹＺ方向のベクトル情報）と時間情報が探索できれば、Ｚ方向のベクトル成分を推定できる。より具体的には、データセットと、モデルを用いて計算した光検出部上の２次元の空間情報及び時間情報とをフィッティングすることにより、３次元の空間情報および時間情報を取得する。そして、取得された３次元の空間情報および時間情報から、Ｚ方向のベクトル成分を推定する。

（計算モデルの説明）
以下、計算に用いるモデルの一例について説明をする。下記モデルのかわりに、レンズの収差やセンサ特性の不均一性などを考慮した、より複雑なモデルを用いてもよい。また、最小二乗法を解く代わりに、ニューラルネットワークモデル等を用いたパラメータ推定を行ってもよい。

レーザパルス位置の時間変化

は、

と記述できる。ここで、

は、時間に依存しない定数ベクトル、ｃは、光の速度、

は、光伝搬の方向を示す規格化ベクトルである。ここで、ｔは、

にレーザパルスが到達したときの時間であり、ｔ’に対してオフセットを有している。ｔ’は、

の位置にあるレーザパルスがカメラで検出される時間である。光検出器の撮像面（焦点面）に対して射影したレーザパルスの位置は、

である。ここで、α（ｔ）は、時間に依存する係数、－ｚ_ｐは、焦点距離である。ｚ_ｐが時間に依存しないと仮定すると、α（ｔ）は、α（ｔ）＝ｚ_ｐ／（ｚ_０＋ｃｔ・ｎ_ｚ）と記述できる。光検出器の撮像面に幾何学的に射影されたレーザパルスの動きは以下の式１のように記述できる。

から光検出器までの光伝搬時間を考慮すると、観測時間ｔ’は、以下の式２のように記述できる。

上記式を解くと、以下の式３になる。

式３を式１に代入し、観測時間ｔ’の関数である撮像面に射影されたレーザパルス光の位置は以下の式４のように記述できる。

時間分解測定により、３次元データポイント（Ｘ_ｐ ^ｉ，Ｙ_ｐ ^ｉ，Ｔ’^ｉ）のＮセットのデータが取得できる（ｉ＝１，２，…，Ｎ）。４次元の光を再現するために、７つのパラメータであるｘ_０，ｙ_０，ｚ_０，ｎ_ｘ，ｎ_ｙ，ｎ_ｚ，ｃを設定し、以下の式５に示す最適化問題を解く。

ここで、Ｎは測定データ点の全体の数、（Ｘ_ｐ ^ｉ，Ｙ_ｐ ^ｉ）はｉ番目のデータ点に関する撮像面の画素の位置、－ｚ_ｐは焦点距離、Ｔ’^ｉはｉ番目のデータ点に関する測定された観測時間、

はｔ＝０におけるレーザ光の位置である。
式５において、規格化された光伝搬ベクトルは、極座標系で表現すると、

となる。式５を極座標に変換すると、以下の式６および式７となる。

上記式６および式７では、６つのパラメータであるｘ_０，ｙ_０，ｚ_０，θ，φ，ｃを設定して最適化問題を解く。

上で説明したモデルの特徴は以下の３点である。

すなわち、第１として、「光の直進性」と「光速不変の法則」を仮定していることである。第２として、撮像面上の２次元座標（Ｘｐ，Ｙｐ）は、パルス光の位置（ｘ，ｙ，ｚ）に対する撮像面への射影により算出していることである。第３として、検出時間Ｔ’は、パルス光が位置（ｘ，ｙ，ｚ）に到達する時間ｔに対し、散乱光がカメラに到達するまでにかかる時間を考慮して算出していることである。

ところで、データ点数が少ない軌跡では、最適化問題を解く際に、値が発散してしまう、または誤った解に収束してしまう可能性がある。そこで、光の軌跡の連続性を仮定すれば、この問題を回避できることができる。具体的には、複数の軌跡があった場合に、第２の軌跡の開始点が、第１の軌跡の終了点であるという制約条件を追加する。

より具体的には、第２の軌跡に関しては、コスト関数（損失関数）である
λ・｛（ｘ_ｃ－ｘ_０－ｃｔ_ｃ・ｎ_ｘ）^２＋（ｙ_ｃ－ｙ_０－ｃｔ_ｃ・ｎ_ｙ）^２＋（ｚ_ｃ－ｚ_０－ｃｔ_ｃ・ｎ_ｚ）^２｝を式５に追加すればよい。ここで、（ｘ_ｃ，ｙ_ｃ，ｚ_ｃ，ｔ_ｃ）は、第１の軌跡の終了点の４次元座標である。あるいは、最小二乗法の式に追加するのではなく、第２の軌跡を推定する際の初期条件として第１の軌跡の終了点を設定してもよい。

本実施形態によれば、ＸＹ平面だけではなく、Ｚ方向における光線の進行方向の情報も得ることができる。したがって、被写体を動かすことなく、３次元方向における屈折率分布を測定することが可能となる。

また、３次元方向における光線の情報を得ることができるため、ＸＹ平面のみで屈折率分布を測定する場合に比べて、精度よく屈折率分布を測定することができる。

また、本実施形態によれば、被写体の配置位置を調整して被写体の屈折率分布を測定することができる。つまり、光検出システムの構成を変えることなく、パルスレーザ光の進行方向を変えることにより被写体の屈折率分布の測定が可能である。したがって、被写体の大きさに関わらず、屈折率分布を測定可能であり、光検出システムが大きくなることを低減することができる。

なお、散乱光は複数回検出することが好ましい。これにより、屈折率が変化したことにより光速が変化したのか、見かけの速度が変化したことにより光速が変化したかを正確に測定することができるためである。図９に、センサ面上の光跡位置ｘと検出時間ｔ’の関係を理論計算したグラフを示す。図９に示すように、屈折率の違いによる光速の変化の場合のデータと、見かけの速度による光速の変化の場合のデータと、の挙動は異なる。具体的には、見かけの速度の場合は一定に変化するのに対して、屈折率が変わる場合は一定には変化しない。このように、広い範囲でのトレンドは一致しないため、データを複数取得することにより、屈折率と光の進行方向の成分とを切り分けて解析することができる。したがって、屈折率分布の検出精度を高めることができる。

また、観察対象の内部の屈折率が連続的に変化する場合は、測定データを時空間上でいくつかの小領域に分割して、各領域内においては屈折率が一定であると仮定することにより、前記同様の解析を実施することが可能となる。

（実施形態２）
図１０に、実施形態２に係る光検出システムを示す。本実施形態に係る光検出システムは、ビームスプリッタ８０１により光を拡散して被写体４１０に入射させている点が実施形態１とは異なる。以下で説明する事項以外は、実施形態１と実質的に同じであるため説明を省略する。

ビームスプリッタ８０１は、入射光を所定の分割比で分割する光学部品である。図１０では、４本の光線４０６Ａ～４０３Ｄに分割しているが、分割比はこれに限定されない。光を分割させることにより１本の光線の光強度が低くなる可能性があり、カメラで撮像しにくくなる恐れがある。しかしながら、本実施形態では撮像素子としてアバランシェダイオードを用いているため、微弱な光も検出することが可能となる。

本実施形態によれば、ビームスプリッタ８０１により、１度のレーザ照射光を複数の光線に分けて被写体４１０へと入射させることができる。したがって、被写体４１０の検出にかかる時間を減らすことができ、測定時間を短縮することが可能となる。

（実施形態３）
図１１に、実施形態３に係る光検出システムを示す。本実施形態に係る光検出システムは、２以上の光検出部１３０Ａ、４０１Ｂを用いて屈折率の変化を測定する点が実施形態１とは異なる。以下で説明する事項以外は、実施形態１と実質的に同じであるため説明を省略する。

図１１に示すように、本実施形態では、光検出部１３０ＢがＸＹ面とは異なる面を撮像するように配置されている。つまり、光検出部１３０Ｂの撮像面は、ＸＹ平面とは異なる平面に配置されている。

本実施形態によれば、光検出部１３０ＢでＺ方向の情報を得ることが可能となる。したがって、演算処理部でのＺ方向の演算が不要となり、演算処理部での処理がしやすくなる。

（実施形態４）
図１２に、実施形態４に係る光検出システムを示す。本実施形態に係る光検出システムは、被写体において、屈折率が異なる領域が複数ある点が実施形態１とは異なる。以下で説明する事項以外は、実施形態１と実質的に同じであるため説明を省略する。

本実施形態は、領域Ａ、領域Ｂ、領域Ｃでそれぞれ屈折率が異なる。したがって、被写体の内部においても、進行光の速度が変わる。このように、被写体の内部で屈折率が変化する場合は、光の進行方向に応じてグループを細分化することができる。そして細分化された各グループで屈折率を求める。

本実施形態によれば、図１２示すような、屈折率分布の異なる領域がある被写体であっても、各領域の屈折率分布を測定することが可能となる。

（実施形態５）
図１３に、実施形態５に係る光検出システムを示す。本実施形態に係る光検出システムは、被写体が流体である点が実施形態１とは異なる。以下で説明する事項以外は、実施形態１と実質的に同じであるため説明を省略する。

本実施形態では、流体の動き、形状、および密度の少なくともいずれか１つを計測することができる。

上述の通り、光検出部１３０にはＳＰＡＤを用いることができる。したがって、被写体が流体のように動くものであっても撮像することが可能となり、屈折率分布を測定することが可能となる。

（実施形態６）
図１４に、実施形態６に係る光検出システムを示す。本実施形態に係る光検出システムは、被写体が生体である点が実施形態１とは異なる。以下で説明する事項以外は、実施形態１と実質的に同じであるため説明を省略する。

図１４に示すように、本実施形態における被写体が人の手１２１０である。本実施形態では、手１２１０を例とする体内の血液の屈折率を計測することができる。屈折率を測定することにより、血糖値を計測することが可能となる。

本発明は、上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。例えば、いずれかの実施形態の一部の構成を他の実施形態に追加した例や、他の実施形態の一部の構成と置換した例も、本発明の実施形態である。

なお、上記実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその技術思想、またはその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。

４０１光検出部
４０３光源
１１６タイミング制御部

Claims

パルスレーザ光を発する光源と、複数の光電変換部が２次元平面に配された光検出部と、を備える光検出システムであって、
前記光源の照射タイミングと、前記光検出部の検出タイミングとが、タイミング制御部により制御されており、
前記光検出部は、前記光源から被写体へ入射するパルスレーザ光の前記２次元平面における散乱光を検出し、
前記散乱光の光速の変化から前記被写体の屈折率変化を推定し、
時間情報から、３次元情報における前記パルスレーザ光の光線の進行方向を測定することを特徴とする光検出システム。
前記散乱光を複数回検出し、
前記被写体の屈折率の分布を推定することを特徴とする請求項１に記載の光検出システム。
前記２次元平面における散乱光から、前記２次元平面に直交する方向を含む３次元平面における散乱光の光速を推定し、
前記３次元平面における前記被写体の屈折率変化を推定する請求項１または２に記載の光検出システム。
前記光電変換部はアバランシェダイオードを含むことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光検出システム。
前記被写体は、第１領域と、前記第１領域とは異なる屈折率の第２領域と、を含むことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光検出システム。
前記光検出部は、２以上のカメラを含むことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光検出システム。
前記被写体は生体であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光検出システム。
流体の動き、形状及び密度の少なくともいずれか１つを計測することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の光検出システム。
体内の血液の屈折率を計測することを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の光検出システム。
前記血液の屈折率から血糖値を計測することを特徴とする請求項９に記載の光検出システム。
前記光電変換部はアバランシェダイオードを含み、
第１のフレーム期間における、前記光源の照射開始から前記アバランシェダイオードの光検出開始までの期間と、第２のフレーム期間における、前記光源の照射開始から前記アバランシェダイオードの光検出開始までの期間と、は異なることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の光検出システム。
前記アバランシェダイオードに入射する光をカウントするカウンタを有し、
前記アバランシェダイオードと前記カウンタとの間には、スイッチまたは論理回路を含む制御部が設けられることを特徴とする請求項１１に記載の光検出システム。
前記制御部は、前記カウンタの動作と非動作とを切り替える信号を前記カウンタに入力することを特徴とする請求項１２に記載の光検出システム。