JP6702335B2 - 撮像素子、計測装置および計測方法 - Google Patents
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Description
本発明の第2の態様によると、計測方法は、干渉可能な光を生成する光生成部と、前記光を分離する分離部と、光電変換部と、前記光電変換部が光電変換した電荷を一時的に蓄えるフローティングディフュージョン部と、前記フローティングディフュージョン部に蓄積される電荷を、サンプリング周波数でサンプリングするサンプリング部と、前記光電変換部からの信号を処理する処理部とを備える計測システムにより、対象物の所定の深さからの光を計測する計測方法であって、前記光生成部により、波長が時間的に変化する波長可変光を生成し、前記分離部により、前記波長可変光から、参照光と、前記参照光と干渉可能な測定光とを分離し、前記測定光を前記対象物に照射し、前記光電変換部により、前記参照光と、前記測定光で照射された前記対象物の前記所定の深さからの反射光との干渉光を含む光を光電変換し、前記処理部により、前記光電変換部から出力された信号から、前記所定の深さに対応する干渉光成分における干渉周波数の信号成分をロックインして検出することを備え、前記ロックインでは、前記処理部により、前記信号を前記フローティングディフュージョン部に転送する転送部のオン状態とオフ状態とを前記干渉周波数に基づいた切替周波数で切り替え、前記オン状態の時に、前記信号を前記フローティングディフュージョン部に転送する。
なお、光電変換部30で光電変換した信号に対する周波数分離等の処理は、撮像素子の外部に配置した処理装置で行う構成にしてもよい。また、本実施形態では結像光学系において測定光を対象物6に面照射する構成としたが、ポイントセンサ等の場合は、SF26およびレンズ27−1、27−2、27−3、27−4を配置せずに構成することも可能である。
なお、適宜画素信号の処理を行い、定量的に周波数分離ができるのであれば、波数と測定時間との関係は任意に設定することができる。
なお、SF26ではなく発散レンズを用いて発振部10から出射した光を発散してもよい。
なお、本実施形態では反射光学系であるマイケルソン干渉系を用いて構成したが、参照光反射部21を設けず、透過光学系であるマッハツェンダー干渉系を用いて構成してもよい。これにより、多重反射によるゴーストを抑えることができる。
なお、対象物6の各深さからの情報を面として解析するのではなく、計測装置1をポイントセンサとして、対象物6の内部の測定光の光軸に沿った各点の深さの情報を解析してもよい。また、基準面は対象物6の表面に限定されず、任意に設定してよい。
なお、光電変換された信号を処理する処理回路および画像処理部40は画素毎ではなく、複数の画素からなる画素ブロックごとに配置されていてもよい。また、画像処理部40は、撮像素子100の外部に配置してもよい。
以上では、対象物6内部の屈折率を1として説明したが、例えば対象物6内部の屈折率が一様にnであれば、上述の計算式のZをnZとして計算するなど、対象物6内部の屈折率に応じて適宜実効的な光路長により計算することが望ましい。
本実施形態のように、周波数弁別の手段として高速フーリエ変換(以下、FFTと呼ぶ)ではなくロックインを用いることにより、例えば生体内の深い場所から一部は散乱して減衰して返ってくる微弱な反射光と参照光による微弱な干渉光を高感度で検出可能となる。
更に、ポイントセンサ(1つの画素に相当)と、後段処理としてFFTで構成されたSS−OCTを、2次元の画像センサーに実装するとなると、各画素にFFTを連結した構造である必要がある。各画素にFFTをかける為のサンプリングデータを蓄積し、そのデータからFFTによりパワースペクトルを算出する必要が有る為、多画素化する程サンプリングデータ蓄積用のメモリが比例して必要となり、メモリ容量が増大する。一方、本実施形態の計測装置1では、ロックインの参照信号の周波数でサンプリングした振幅の出力値がその画素部での周波数に対応した対象物6の深部での出力値に相当する為、FFT処理で必要となる膨大なサンプリングデータを必要としない。このため、例えば対象物6のある一定の深さの断面画像を取得する為には、FFTによるパワースペクトル解析の為には、上記膨大なサンプリングデータが必要となるが、本実施形態のロックイン方式では対応する深さに相当する周波数で参照信号によりサンプリングした画素の出力値より一括で画像化する事が可能であり、断面出力のメモリの負荷がFFT方式と比較して圧倒的に少ない。よって、特にエリアセンサにより高精細な2次元断面画素を取得する構成としてロックインを採用すると、撮像素子100内に実装可能な構成となる。
なお、まず画素信号をサンプリング周波数でサンプリングした後、得られた電圧信号を干渉周波数の参照信号によりロックインして周波数分離してもよい。これにより、所望の計測条件に合わせて適宜効率的に構成することができる。この場合、例えば、図2に示す電流電圧変換回路300では、周知の選択回路および乗算回路が、垂直信号線310がローパスフィルタ400に入力する手前に配置される。そして、転送ゲート303は、サンプリング周波数よりも高い、予め定められたタイミング(例えば、オン状態とオフ状態を切り替えられる最も短い間隔)で電荷を転送する。その後、選択回路が上述したサンプリング周波数でサンプリングして得られた電圧信号を、乗算回路がロックインして周波数分離し、ローパスフィルタ400に出力する。この場合、乗算回路は、乗算部としての機能を担う。
上述した計測装置1の光電変換部30と、画像処理部40とを構成する積層型撮像素子100について説明する。なお、この積層型撮像素子100は、本願出願人が先に出願して公開されたWO13/164915号に記載されているものである。
なお、図示するように、入射光は主に白抜き矢印で示す方向へ向かって入射する。本実施形態においては、撮像チップ113において、入射光が入射する側の面を裏面(撮像面)と称する。
(1)本実施形態の撮像素子100は、光電変換部30から出力された信号から、所定の深さに対応する干渉光成分における干渉周波数の信号成分をロックインして検出する画像処理部40を備える。これにより、FFT等を用いて周波数分離する場合に発生する漏れ誤差を防ぐとともに、ロックインアンプの原理から狭帯域のローパスフィルタによるQ値の高いフィルタリングを行うため、周波数分離の精度を向上させることができる。
(変形例1)
上述の実施形態において、測定光の偏光特性を切り替えることにより、参照光のみを計測する場合と、参照光と測定光の対象物6による反射光との干渉光を計測する場合とで時間的に切り替える構成にしてもよい。このとき、光電変換部10のフィルタ層102には偏光フィルタが配置される。
なお、ここでいう「直交する」とは、2つの偏光成分を持つ光が、偏光成分の違いに起因して可干渉性を失うのであれば、円偏光等も含んでよい。また、上記では光電変換部30の画素上に偏光フィルタを配置する構成にしたが、その代わりに分離部20と光電変換部30との間に偏光フィルタを配置する構成にしてもよい。
上述の実施形態では、1つのPD302に対して1つの転送ゲート303が存在し、1つの深さの信号成分を周波数分離したが、1つのPD302に対して複数の転送ゲート303を配置し、複数の深さの信号成分を周波数分離してもよい。これにより、一定の数の画素からなる光電変換部10から、より多くの異なる深さからの光を解析することができる。
なお、複数の転送ゲート303により、1つの深さに対応する信号成分を周波数分離してもよい。これにより、サンプリング周波数が高い場合にも対応することができる。
なお、図8のサンプルホールド回路については、リセットトランジスタ等のリセットするための系は図示を省略している。
なお、図8の回路において、転送ゲート303−1および転送ゲート303−2のそれぞれに対してPDを設け、2つの画素において光電変換された電流信号を1つの増幅トランジスタ308aで電圧信号に変換し、適宜複数のコンデンサに電荷として情報を保存した後、読み出す構成にしてもよい。3以上の画素からなるブロックについても同様に1つの増幅トランジスタ308aを用いて構成することができる。また、それぞれの画素について、異なる深さに対応する干渉周波数でロックインしてもよい。これにより、効率的にブロックごとの処理を行うことができる。
上述の変形例2において、転送ゲート303−1と転送ゲート303−2とは、同一のサンプリング周波数でサンプリングするが、オン状態とオフ状態との切り替わりは、位相が180度ずれる構成にすることができる。つまり、転送ゲート303−1がオン状態の時は、転送ゲート303−2がオフ状態で、転送ゲート303−1がオフ状態の時は、転送ゲート303−2がオン状態に設定することができる。画像処理部40は、2つの転送ゲート303−1、303−2からの信号成分の強度の二乗和等を算出することにより、周波数分離した信号成分の強度を計算することができる。これにより、2位相のロックインと等価な構成となり、位相調整をする必要がなく、より正確に所定の深さからの光に対応する信号成分の強度を算出することができる。
上述の実施形態では、参照光を反射させ、測定光と干渉させる構成としたが、参照光反射部21を設けずに構成することもできる。
なお、図示していないが、測定光の光学系にはミラー28−1、28−2以外にコリメートレンズを組み合わせた構成でもよい。また、参照光とBS2の間、及びBS2からセンサまでの光学系についてもコリメートレンズを組み合わせた構成としてもよい。
日本国特許出願2015年第225948号(2015年11月18日出願)
Claims (11)
- 対象物の所定の深さからの光を撮像する撮像素子であって、
前記対象物からの光と参照光との干渉光を含む光を光電変換する光電変換部と、
前記光電変換部から出力された信号から、前記所定の深さに対応する干渉光成分における干渉周波数の信号成分をロックインして検出する弁別部と、
前記光電変換部が光電変換した電荷を一時的に蓄えるフローティングディフュージョン部と、
前記フローティングディフュージョン部に蓄積される電荷を、前記干渉周波数に基づいてサンプリング定理により定められるサンプリング周波数でサンプリングするサンプリング部とを備え、
前記弁別部は、
前記干渉周波数に基づいた切替周波数で、オン状態とオフ状態とに切り替え可能であり、前記オン状態の時に、前記信号を前記フローティングディフュージョン部に転送する転送部を備え、
前記転送部による転送を用いて前記ロックインを行う撮像素子。 - 請求項1に記載の撮像素子において、
前記撮像素子は、複数の画素を含んで構成され、
前記光電変換部は、前記複数の画素のそれぞれに配置され、
前記弁別部は、それぞれの前記画素ごとまたは2以上の前記画素からなるブロックごとに配置され、対応する前記画素または前記ブロックの前記光電変換部から出力された前記信号から、前記干渉周波数の信号成分をロックインして検出する撮像素子。 - 請求項1または2に記載の撮像素子において、
前記弁別部は、その一部または全てが前記光電変換部とは異なる層に配置されている撮像素子。 - 請求項1に記載の撮像素子において、
前記弁別部は、前記フローティングディフュージョン部から出力された信号から、所定の値以下の低周波数成分および直流成分を分離するフィルタリング部を備える撮像素子。 - 請求項1に記載の撮像素子において、
前記撮像素子は、第1の深さからの光および第1の深さより深い第2の深さからの光を含む光と前記参照光との干渉光を撮像し、前記サンプリング部は、第2の深さに対応するサンプリング回数を、第1の深さに対応するサンプリング回数よりも多くする撮像素子。 - 請求項2に記載の撮像素子において、
前記撮像素子は、複数の深さからの光と前記参照光との干渉光を撮像し、
前記弁別部は、それぞれの前記画素ごとまたは前記ブロックごとに、前記光電変換部から出力された前記信号から、前記複数の深さに対応する複数の前記干渉光成分における複数の前記干渉周波数の信号成分をロックインして検出する撮像素子。 - 請求項6に記載の撮像素子において、
前記弁別部は、それぞれの前記ブロックごとに、前記光電変換部から出力された前記信号から、前記複数の深さに対応する複数の前記干渉光成分における複数の前記干渉周波数の信号成分をロックインして検出し、
1つの前記ブロックに含まれる複数の前記画素において、前記干渉周波数はそれぞれ異なる撮像素子。 - 請求項1から7までのいずれか一項に記載の撮像素子を備える計測装置において、
前記計測装置は、
波長が時間的に変化する波長可変光を生成する波長可変光生成部と、
前記波長可変光生成部が生成した波長可変光から、前記参照光と、前記参照光と干渉可能な測定光とを分離し、前記測定光を前記対象物に照射する分離部と、
を備える計測装置。 - 請求項8に記載の計測装置において、
前記波長可変光生成部は、近赤外の範囲で波長が時間的に変化する波長可変光を生成する計測装置。 - 請求項8または9に記載の計測装置において、
前記計測装置は、
前記参照光を、第1の偏光成分と、第1の偏光成分に垂直な第2の偏光成分との光に分ける偏光分波部とを備え、
前記光電変換部は、
前記第1の偏光成分の参照光を光電変換する第1光電変換部と、
前記第2の偏光成分の参照光と、前記測定光で照射された前記対象物の前記所定の深さからの反射光との干渉光を含む光を光電変換する第2光電変換部と、を備え、
前記弁別部は、
前記第1光電変換部から出力された信号に基づいて、前記第2光電変換部から出力された信号のノイズを削減するノイズ削減部を備え、
前記第2光電変換部から出力された信号から、前記干渉周波数の信号成分をロックインして検出する計測装置。 - 干渉可能な光を生成する光生成部と、前記光を分離する分離部と、光電変換部と、前記光電変換部が光電変換した電荷を一時的に蓄えるフローティングディフュージョン部と、前記フローティングディフュージョン部に蓄積される電荷を、サンプリング周波数でサンプリングするサンプリング部と、前記光電変換部からの信号を処理する処理部とを備える計測システムにより、対象物の所定の深さからの光を計測する計測方法であって、
前記光生成部により、波長が時間的に変化する波長可変光を生成し、
前記分離部により、前記波長可変光から、参照光と、前記参照光と干渉可能な測定光とを分離し、前記測定光を前記対象物に照射し、
前記光電変換部により、前記参照光と、前記測定光で照射された前記対象物の前記所定の深さからの反射光との干渉光を含む光を光電変換し、
前記処理部により、前記光電変換部から出力された信号から、前記所定の深さに対応する干渉光成分における干渉周波数の信号成分をロックインして検出することを備え、
前記ロックインでは、前記処理部により、前記信号を前記フローティングディフュージョン部に転送する転送部のオン状態とオフ状態とを前記干渉周波数に基づいた切替周波数で切り替え、前記オン状態の時に、前記信号を前記フローティングディフュージョン部に転送する計測方法。
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