特許 5886838 撮像装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5886838

(24)【登録日】2016年2月19日

(45)【発行日】2016年3月16日

(54)【発明の名称】撮像装置

(51)【国際特許分類】

   H04N 5/225 20060101AFI20160303BHJP

   H04N 5/232 20060101ALI20160303BHJP

   H04N 5/238 20060101ALI20160303BHJP

【ＦＩ】

   H04N5/225 Z

   H04N5/232 Z

   H04N5/225 D

   H04N5/238 Z

【請求項の数】16

【全頁数】53

(21)【出願番号】特願2013-512410(P2013-512410)

(86)(22)【出願日】2012年4月25日

(86)【国際出願番号】JP2012061112

(87)【国際公開番号】WO2012147804

(87)【国際公開日】20121101

【審査請求日】2015年3月18日

(31)【優先権主張番号】特願2011-97341(P2011-97341)

(32)【優先日】2011年4月25日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000236436

【氏名又は名称】浜松ホトニクス株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100088155

【弁理士】

【氏名又は名称】長谷川 芳樹

(74)【代理人】

【識別番号】100113435

【弁理士】

【氏名又は名称】黒木 義樹

(74)【代理人】

【識別番号】100124291

【弁理士】

【氏名又は名称】石田 悟

(74)【代理人】

【識別番号】100174399

【弁理士】

【氏名又は名称】寺澤 正太郎

(72)【発明者】

【氏名】岩井 秀直

【審査官】 山口 祐一郎

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００６−５０３４３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−３５４１５７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−１９７３５５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平４−３３６７７６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０４Ｎ ５／２２２−５／２５７

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

移動している対象物に対して光を照射する照明部と、前記照明部により光が照射された前記対象物の像が形成される受光面を有する検出部と、前記検出部による検出結果を解析して前記対象物の像を得る解析部と、を備え、
前記検出部は、前記受光面において第１方向に配列された複数の受光セルを含み、前記受光面において前記第１方向に直交する第２方向に前記像が移動するよう配置され、前記複数の受光セルそれぞれにおいて前記第２方向に沿った擬似雑音符号系列に応じて受光および非受光の何れかを行い、前記複数の受光セルそれぞれの受光量に応じた電気信号を出力し、
前記解析部は、前記検出部の前記複数の受光セルそれぞれから出力される電気信号を解析して前記対象物の像を得る、撮像装置。

【請求項2】

移動している対象物に対して光を照射する照明部と、前記照明部により光が照射された前記対象物の像が形成される受光面を有する検出部と、前記検出部による検出結果を解析して前記対象物の像を得る解析部と、を備え、
前記検出部は、前記受光面において第１方向に配列された複数の受光領域を含み、前記受光面において前記第１方向に直交する第２方向に前記像が移動するよう配置され、前記複数の受光領域それぞれにおいて前記第２方向に沿った擬似雑音符号系列に応じて受光および非受光の何れかを行い、前記複数の受光領域それぞれにおける擬似雑音符号系列のうちの任意の２つの擬似雑音符号系列が互いに略直交しており、前記複数の受光領域の全体の受光量に応じた電気信号を出力し、
前記解析部は、前記検出部から出力される電気信号を解析して前記対象物の像を得る、撮像装置。

【請求項3】

前記検出部は、前記受光面上に配置され前記第２方向に沿った擬似雑音符号系列に応じて光の透過および遮断の何れかを行うマスクを含む、請求項１または２に記載の撮像装置。

【請求項4】

前記検出部は、擬似雑音符号系列が第１の値であるときに受光し擬似雑音符号系列が第２の値であるときに受光しない第１受光面と、擬似雑音符号系列が第２の値であるときに受光し擬似雑音符号系列が第１の値であるときに受光しない第２受光面とを含み、前記第１受光面および前記第２受光面それぞれからの出力信号の差に応じた電気信号を出力する、請求項１または２に記載の撮像装置。

【請求項5】

前記解析部は、前記検出部から出力される電気信号の時間微分に相当する信号を解析して前記対象物の像のエッジ強調像を得る、請求項１または２に記載の撮像装置。

【請求項6】

前記解析部は、背景中を前記対象物が移動しているときに前記検出部から出力される電気信号と、前記背景中に前記対象物が存在しないときに前記検出部から出力される電気信号とに基づいて、前記背景中にある前記対象物の像を選択的に得る、請求項１または２に記載の撮像装置。

【請求項7】

前記検出部は、前記複数の受光セルそれぞれにおける擬似雑音符号系列が互いに異なり、
前記解析部は、前記検出部の前記複数の受光セルの何れかの出力値が変化する度にサンプリングされた電気信号を解析して前記対象物の像を得る、請求項１に記載の撮像装置。

【請求項8】

前記解析部は、前記検出部の出力値が変化する度にサンプリングされた電気信号を解析して前記対象物の像を得る、請求項２に記載の撮像装置。

【請求項9】

前記対象物の像を前記検出部の前記受光面上に結像する光学系を更に備える、請求項１または２に記載の撮像装置。

【請求項10】

一端面に入射した前記対象物の像を他端面から出射して、前記受光面に前記対象物の像を形成する光学部品を更に備える、請求項１または２に記載の撮像装置。

【請求項11】

前記対象物の像を前記光学部品の前記一端面上に結像する光学系を更に備える、請求項１０に記載の撮像装置。

【請求項12】

前記対象物を前記検出部の前記受光面上で移動させる、請求項１または２に記載の撮像装置。

【請求項13】

前記照明部は、前記対象物に対して前記第２方向に対応する方向に沿った擬似雑音符号系列に応じた照明パターンで光を照射する、請求項１または２に記載の撮像装置。

【請求項14】

前記検出部は、前記擬似雑音符号系列として、周期自己相関関数が０シフト以外ですべて０となる符号系列を用いる、請求項１または２に記載の撮像装置。

【請求項15】

前記検出部は、前記擬似雑音符号系列として、非周期自己相関関数が０シフト以外ですべて０となる符号系列を用いる、請求項１または２に記載の撮像装置。

【請求項16】

前記検出部は、前記擬似雑音符号系列に替えてチャープ信号を用い、前記第２方向に沿ったチャープ信号に基づく透過率分布に応じて受光を行う、請求項１または２に記載の撮像装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、移動している対象物を撮像する撮像装置に関する。

【背景技術】

【0002】

移動している対象物を撮像する装置として特許文献１に記載されたものが知られている。この撮像装置では、擬似雑音符号系列の信号が時系列に生成され、その擬似雑音符号系列が特定値であるときに光源から光が対象物に照射され、その対象物の像が検出部により撮像されて、擬似雑音符号系列が特定値である各期間の対象物の像が多重化された画像が得られる。或いは、擬似雑音符号系列の信号が時系列に生成され、その擬似雑音符号系列が特定値であるときに検出部により撮像されて、擬似雑音符号系列が特定値である各期間の対象物の像が多重化された画像が得られる。そして、その画像が解析されることで、移動している対象物の像が静止画像（ブレ（motion blur）がない画像）として得られるというものである。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特許第４４５２８２５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１に記載された撮像装置は、複数の画素が２次元配列された検出部を用いて２次元画像を得る必要がある。また、対象物の移動速度が速いほど、高速に変調された擬似雑音符号系列を生成して、擬似雑音符号系列が特定値である各期間を短くする必要があり、その擬似雑音符号系列が特定値である各期間において鮮明な２次元画像を得る必要がある。したがって、この撮像装置では、移動している対象物の像を静止画像として得るには、その対象物の移動速度に限界がある。

【0005】

本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、高速に対象物が移動している場合であっても該対象物の像を静止画像として得ることができる撮像装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

一実施形態に係る撮像装置は、移動している対象物に対して光を照射する照明部と、照明部により光が照射された対象物の像が形成される受光面を有する検出部と、検出部による検出結果を解析して対象物の像を得る解析部と、を備える。更に、この実施形態に係る撮像装置では、検出部は、受光面において第１方向に配列された複数の受光セルを含み、受光面において第１方向に直交する第２方向に像が移動するよう配置され、複数の受光セルそれぞれにおいて第２方向に沿った擬似雑音符号系列に応じて受光および非受光の何れかを行い、複数の受光セルそれぞれの受光量に応じた電気信号を出力する。解析部は、検出部の複数の受光セルそれぞれから出力される電気信号を解析して対象物の像を得る。

【0007】

別の実施形態に係る撮像装置は、移動している対象物に対して光を照射する照明部と、照明部により光が照射された対象物の像が形成される受光面を有する検出部と、検出部による検出結果を解析して対象物の像を得る解析部と、を備える。更に、この実施形態に係る撮像装置では、検出部は、受光面において第１方向に配列された複数の受光領域を含み、受光面において第１方向に直交する第２方向に像が移動するよう配置され、複数の受光領域それぞれにおいて第２方向に沿った擬似雑音符号系列に応じて受光および非受光の何れかを行い、複数の受光領域それぞれにおける擬似雑音符号系列のうちの任意の２つの擬似雑音符号系列が互いに略直交しており、複数の受光領域の全体の受光量に応じた電気信号を出力する。解析部は、検出部から出力される電気信号を解析して対象物の像を得る。

【0008】

上記各実施形態に係る撮像装置では、検出部は、受光面上に配置され第２方向に沿った擬似雑音符号系列に応じて光の透過および遮断の何れかを行うマスクを含んでもよい。

【0009】

上記各実施形態に係る撮像装置では、検出部は、擬似雑音符号系列が第１の値であるときに受光し擬似雑音符号系列が第２の値であるときに受光しない第１受光面と、擬似雑音符号系列が第２の値であるときに受光し擬似雑音符号系列が第１の値であるときに受光しない第２受光面とを含み、第１受光面および第２受光面それぞれからの出力信号の差に応じた電気信号を出力してもよい。

【0010】

上記各実施形態に係る撮像装置では、解析部は、検出部から出力される電気信号の時間微分に相当する信号を解析して対象物の像のエッジ強調像を得てもよい。

【0011】

上記各実施形態に係る撮像装置では、解析部は、背景中を対象物が移動しているときに検出部から出力される電気信号と、背景中に対象物が存在しないときに検出部から出力される電気信号とに基づいて、背景中にある対象物の像を選択的に得てもよい。

【0012】

上記一実施形態に係る撮像装置では、検出部は、複数の受光セルそれぞれにおける擬似雑音符号系列が互いに異なり、解析部は、検出部の複数の受光セルの何れかの出力値が変化する度にサンプリングされた電気信号を解析して対象物の像を得てもよい。上記別の実施形態に係る撮像装置では、解析部は、検出部の出力値が変化する度にサンプリングされた電気信号を解析して対象物の像を得てもよい。

【0013】

上記各実施形態に係る撮像装置では、対象物の像を検出部の受光面上に結像する光学系を更に備えてもよい。また、一端面に入射した対象物の像を他端面から出射して、受光面に対象物の像を形成する光学部品を更に備えてもよく、その場合、対象物の像を光学部品の一端面上に結像する光学系を更に備えてもよい。また、対象物を検出部の受光面上で移動させてもよい。

【0014】

上記各実施形態に係る撮像装置では、照明部は、対象物に対して第２方向に対応する方向に沿った擬似雑音符号系列に応じた照明パターンで光を照射してもよい。

【0015】

上記各実施形態に係る撮像装置では、検出部は、擬似雑音符号系列として、周期自己相関関数が０シフト以外ですべて０となる符号系列を用いてもよく、或いは、非周期自己相関関数が０シフト以外ですべて０となる符号系列を用いてもよい。また、検出部は、擬似雑音符号系列に替えてチャープ信号を用い、第２方向に沿ったチャープ信号に基づく透過率分布に応じて受光を行ってもよい。

【発明の効果】

【0016】

本発明によれば、高速に対象物が移動している場合であっても該対象物の像を静止画像として得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】図１は、第１実施形態の撮像装置１の構成を示す図である。

【図2】図２は、第１実施形態の撮像装置１の検出部３１の構成を説明する図である。

【図3】図３は、第１実施形態の撮像装置１の動作のシミュレーションにおいて用いられた画像を示す図である。

【図4】図４は、第１実施形態の撮像装置１の動作のシミュレーションにおいて検出部３１により得られた信号を示す図である。

【図5】図５は、第１実施形態の撮像装置１の検出部３１の受光面上の像のｙ方向に沿った強度分布を示す図である。

【図6】図６は、第１実施形態の撮像装置１の検出部３１の受光面上の像のｙ方向に沿った強度分布を示す図である。

【図7】図７は、第１実施形態の撮像装置１の解析部４０による解析処理について説明する図である。

【図8】図８は、視野と対象物群との関係を説明する図である。

【図9】図９は、第１実施形態の撮像装置１の動作のシミュレーションにおいて解析部４０により得られた画像を示す図である。

【図10】図１０は、第１実施形態の撮像装置１の動作の他のシミュレーションにおいて用いられた画像を示す図である。

【図11】図１１は、第１実施形態の撮像装置１の動作の他のシミュレーションにおいて解析部４０により得られた画像を示す図である。

【図12】図１２は、第２実施形態の撮像装置２の構成を示す図である。

【図13】図１３は、第２実施形態の撮像装置２の検出部３２の一部構成を説明する図である。

【図14】図１４は、第２実施形態の撮像装置２の差演算部３２５_ｎおよび解析部４２それぞれの処理における信号について説明する図である。

【図15】図１５は、第３実施形態の撮像装置３の検出部３３の一部構成を説明する図である。

【図16】図１６は、第３実施形態の撮像装置３の動作のシミュレーションにおいて用いられた画像を示す図である。

【図17】図１７は、第３実施形態の撮像装置３の動作のシミュレーションにおいて検出部３３により得られた信号を示す図である。

【図18】図１８は、第３実施形態の撮像装置３の動作のシミュレーションにおいて解析部により得られた画像を示す図である。

【図19】図１９は、第４実施形態の撮像装置の動作のシミュレーションにおいて用いられた画像を示す図である。

【図20】図２０は、第４実施形態の撮像装置の動作のシミュレーションにおいて背景中を蝶のオブジェクト画像が移動しているときに検出部により得られた信号を示す図である。

【図21】図２１は、第４実施形態の撮像装置の動作のシミュレーションにおいて背景中に蝶のオブジェクト画像が存在しないときに検出部により得られた信号を示す図である。

【図22】図２２は、第４実施形態の撮像装置の動作のシミュレーションにおいて図２０に示された信号から図２１に示された信号を差し引いて得られた信号を示す図である。

【図23】図２３は、第４実施形態の撮像装置の動作のシミュレーションにおいて図２２に示された信号に基づいて解析部により得られた画像を示す図である。

【図24】図２４は、第７実施形態の撮像装置７の構成を示す図である。

【図25】図２５は、第８実施形態の撮像装置のマスクにおけるチャープ信号に基づく透過率分布を説明する図である。

【図26】図２６は、第８実施形態の撮像装置の動作のシミュレーションにおいて検出部により得られた信号を示す図である。

【図27】図２７は、第８実施形態の撮像装置の動作のシミュレーションにおいて解析部により得られた画像を示す図である。

【図28】図２８は、第９実施形態の撮像装置９の構成を示す図である。

【図29】図２９は、第９実施形態の撮像装置９の検出部３９の構成を説明する図である。

【図30】図３０は、第９実施形態の撮像装置９の動作のシミュレーションにおいて用いたマスク３９２の２次元パターンを示す図である。

【図31】図３１は、第９実施形態の撮像装置９の動作のシミュレーションにおける各信号を示す図である。

【図32】図３２は、第１実施形態の変形例の撮像装置１Ａの構成を示す図である。

【図33】図３３は、第１０実施形態の撮像装置１００の構成を示す図である。

【図34】図３４は、第１０実施形態の撮像装置１００の検出部５０の一部構成を説明する図である。

【図35】図３５は、第１０実施形態の撮像装置１００の動作のシミュレーションにおいて用いられた画像を示す図である。

【図36】図３６は、第１０実施形態の撮像装置１００の動作のシミュレーションにおいて検出部５０により得られた信号を示す図である。

【図37】図３７は、第１０実施形態の撮像装置１００の動作のシミュレーションにおいて解析部により得られた画像を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

【0019】

（第１実施形態）

【0020】

図１は、第１実施形態の撮像装置１の構成を示す図である。撮像装置１は、移動している対象物９０に対して光Ａを照射する照明部１０と、この対象物９０の像を結像する光学系２０と、この光学系２０による対象物９０の像が形成される受光面を有する検出部３１と、この検出部３１による検出結果を解析して対象物９０の像を得る解析部４０と、を備える。図２は、第１実施形態の撮像装置１の検出部３１の構成を説明する図である。

【0021】

照明部１０は、連続光または一定周期のパルス光を出力して、その光Ａを対象物９０に対して照射する。

【0022】

検出部３１は、受光面において第１方向（ｘ方向）に配列された複数の受光セルｄ_１〜ｄ_Ｎを含む。検出部３１は、対象物９０の方向Ｂへの移動に伴って受光面において第２方向（ｙ方向）と平行に像が移動するよう配置されている。第１方向（ｘ方向）と第２方向（ｙ方向）とは互いに直交する。検出部３１は、複数の受光セルｄ_１〜ｄ_Ｎそれぞれにおいて第２方向（ｙ方向）に沿った擬似雑音符号系列に応じて受光および非受光の何れかを行い、複数の受光セルｄ_１〜ｄ_Ｎそれぞれの受光量に応じた電気信号を出力する。Ｎは２以上の整数である。

【0023】

検出部３１は、１次元ラインセンサ３１１の受光面上にマスク３１２が貼り合わされて構成される。１次元ラインセンサ３１１ではＮ個の受光セルｄ_１〜ｄ_Ｎがｘ方向に配列されている。各受光セルｄ_ｎはｙ方向に長い。またはシリンドリカルレンズ等による光学的な像の拡大縮小の手法によりｙ方向に長いとみなせる場合も含む。マスク３１２ではＮ個の擬似雑音符号系列マスクｍ_１(ｙ)〜ｍ_ｎ(ｙ)がｘ方向に配列されている。擬似雑音符号系列マスクとは，ある擬似雑音符号系列に従ってパターンが刻まれたマスクのことである。

【0024】

擬似雑音符号系列マスクの１つ１つの画素は、正方形画素を有することが画像を取得する上で好ましいが、前記同様、図３２に示されるようにシリンドリカルレンズ２１等による光学的なｙ方向の縮尺伸張により、正方形画素とみなせる場合も含む。たとえば１つの画素のｘ方向が長さ２、ｙ方向が長さ１を持つ擬似雑音符号系列マスクの場合、光学的なｙ方向の像の縮小により、結果、正方形画素とみなせる。この効果は、検出面に結像している時間が長くなり画質向上が期待できる。

【0025】

各擬似雑音符号系列マスクｍ_ｎ(ｙ)は、対応する受光セルｄ_ｎ上に配置され、ｙ方向に沿った擬似雑音符号系列に応じて光の透過および遮断の何れかを行う。図１および図２それぞれでは、マスク３１２における光の透過および遮断のうちの一方が黒色で示され、他方が白色で示されている。任意の２つの擬似雑音符号系列ｍ_ｎ１(ｙ)と擬似雑音符号系列ｍ_ｎ２(ｙ)とは、互いに同じ擬似雑音符号系列であってもよいし、互いに異なる擬似雑音符号系列であってもよい。ｎ，ｎ１，ｎ２は、１以上Ｎ以下の整数である。

【0026】

擬似雑音符号系列としては、ゴールド系列、プリファードゴールド系列、直交ゴールド系列、ゴールドライク系列、嵩系列、Ｎｏ系列、擬３進Ｍ系列、相補系列（特開２００８−１９９１４０号公報を参照）、Ｂａｒｋｅｒ系列、Ｇｏｌａｙ系列（M.J.E.Golay, "Complementary sequence," IRE Transactions
onInformation theory, pp.82-87, (1961)を参照）、自己相補系列、完全相補系列（S.Naoki, "Modulatable orthogonal sequencesand theirapplication
to SSMA systems," IEEE trans. on Information The theory,vol.IT-34,
pp.93-100, (1988) を参照）、等が用いられ得る。Ｍ系列についてまとめた非特許文献（“Ｍ系列を基に構成される系列とその通信への応用”，fundamentals Reviews, Vol.3, No.1, 32-42,2009）には，これ以外種々の擬似雑音符号系列が掲載されているので参照されたい。

【0027】

擬似雑音符号系列の一つであるＭ系列は、２値（１／０または−１／＋１）の周期信号である。第１のＭ系列の周期信号をｍ１と呼び、第２のＭ系列の周期信号をｍ２と呼ぶこととする。第１のＭ系列ｍ１について周期Ｋ＝２^９−１（＝５１１）のＭ系列は、例えば、ｍ_１＝[0,0,0,0,1,1,1,1,0,1,1,1,0,0,0,0,1,0,1,1, …中略… ,1,0,1,1,1,1,0,0,0,0,0,1,1,1,1,1,1,1,1,1] …のように、０と１とで成る符号列である。
また例えば、ｍ_２＝[0,0,0,0,0,1,1,1,1,0,1,1,1,1,1,0,0,0,1,0, …中略… ,1,1,0,1,1,1,1,0,0,0,0,1,1,1,1,1,1,1,1,1]のように、０と１とで成る符号列である。擬似雑音符号系列マスクｍ_ｎ(ｙ)は、例えば、符号が０であるとき光を遮断し、符号が１であるとき光を透過する。

【0028】

次に、第１実施形態の撮像装置１の動作のシミュレーションについて説明する。図３は、第１実施形態の撮像装置１の動作のシミュレーションにおいて用いられた画像を示す図である。一様な黒色の背景中において白抜きの文字「４」がｙ方向に左から右へ平行移動しているとした。検出部３１の受光面上における文字の像の大きさは、ｘ方向に６６画素であり、ｙ方向に４６画素であった。擬似雑音符号系列ｍ_ｎ(ｙ)は周期Ｋ＝５１１のＭ系列であった。６６個の擬似雑音符号系列ｍ_１(ｙ)〜ｍ_６６(ｙ)は共通とした。像がｙ方向に１符号分だけ移動する毎に検出部３１の各受光セルｄ_ｎからデータが出力されるとした。像がｙ方向に１符号分だけ移動するのに要する時間をΔｔとすると、像が一部分でもマスク３１２上に滞在している時間は５５６Δｔ（＝(５１１＋４６−１)Δｔ）である。

【0029】

図４は、第１実施形態の撮像装置１の動作のシミュレーションにおいて検出部３１により得られた信号を示す図である。同図において、横軸は時刻を表し、縦軸はｘ方向の画素位置を表す。同図において、右端は時刻０（図３中の最上段の状態）での検出部３１の出力データであり、左端は時刻５５５Δｔ（図３中の最下段の状態）での検出部３１の出力データである。

【0030】

次に、検出部３１により得られる信号について、図５，図６および数式を用いて説明する。図５および図６は、第１実施形態の撮像装置１の検出部３１の受光面上の像のｙ方向に沿った強度分布を示す図である。図５（ａ）は、受光面の或る受光セルｄ_ｎ上の像のｙ方向に沿った強度分布ｈ(ｙ)を実線で示し、また、この強度分布ｈ(ｙ)がｙ軸に関して反転された分布ｈ(−ｙ)を破線で示している。実際，受光面上に結像した像が，ｙ軸に関して反転している像と仮定して扱うことは，計算上問題ない。図５（ｂ）は、この反転していると仮定された分布ｈ(−ｙ)が速度Ｖで＋ｙ方向に移動している際の時刻ｔにおける分布ｈ(Ｖｔ−ｙ)を示している。

【0031】

図６（ａ）は、時刻ｔにおける像の分布ｈ(Ｖｔ−ｙ)と擬似雑音符号系列ｍ(ｙ)とが乗算された結果が受光セルｄ_ｎに到達する様子を示している。時刻ｔにおける受光セルｄ_ｎ上の位置ｙでの光強度ｉ_ｄｎ(Ｖｔ，ｙ)は下記（１）式で表される。したがって、ｙ方向の画素長さＬを有する一つの受光セルｄ_ｎで得られる時刻ｔの信号は、（１）式をｙ方向に区間[０〜Ｌ]で積分することで得られ、下記（２）式で表される。なおＬは，受光セルのｙ方向の長さ、またはレンズ等にて光学的に縮尺伸張した場合には，Ｌはその等価的長さを表す。

【0032】

【数1】

【0033】

【数2】

【0034】

なお、（２）式ではｈ(Ｖｔ−ｙ)がｈ(ｙ)に置き換わるとともにｍ(ｙ)がｍ(Ｖｔ−ｙ)に置き換わっているが、簡単な変数変換と積分範囲のシフトにより（２）式が導き出される。すなわち、図５に示されるように、受光セルｄ_ｎ上の像を，強度分布ｈ(ｙ)をｙ軸に関して反転した分布ｈ(Ｖｔ−ｙ)として考えるのではなく、擬似雑音符号系列ｍ(ｙ)をｙ軸に関して反転し、且つ速度Ｖで移動する擬似雑音符号系列ｍ(Ｖｔ−ｙ)を考えればよい。

【0035】

Ｖｔ＝ｙ’とすれば、（２）式は下記（３）式で表される。ここで、Ｉ_ｄｎ(ｙ’)の添え字ｄｎは、ｘ方向の位置ｘにある受光セルｄ_ｎの出力データを表す。（３）式は、擬似雑音符号系列ｍ(ｙ)と強度分布ｈ(ｙ)との畳み込み積分を表している。すなわち、受光セルｄ_ｎに擬似雑音符号系列マスクｍ_ｎ(ｙ)を貼り付けるだけで、擬似雑音符号系列ｍ_ｎ(ｙ)と強度分布ｈ(ｙ)との畳み込み積分の結果が、受光セルｄ_ｎから出力される信号の時間波形として得られる。図４は、このような畳み込み積分の結果を示している。このような効果は、各受光セルｄ_ｎが受光した光の全強度に応じた値の信号を出力することによるものである。逆に２次元画素構造を持つ検出部の場合には、処理回路が複雑になるだけで、畳み込み積分を目的とするのであれば不要な構造である。

【0036】

【数3】

【0037】

次に、第１実施形態の撮像装置１の解析部４０による解析処理について説明する。擬似雑音符号系列として、Ｍ系列を採用しｍ(ｙ)と呼ぶ。擬似雑音符号系列ｍ(ｙ)の要素０を−１とするとともに、擬似雑音符号系列ｍ(ｙ)の要素１を１とした系列をｍ’（ｙ）としたとき、このｍ（ｙ）とｍ’（ｙ）のペアを擬直交Ｍ系列対と呼ぶ。上記（３）式と擬似雑音符号系列ｍ’(ｙ)との相互相関関数ｒ(τ)は下記（４）式で表される。ただし、Ｒ_ｍｍ’は下記（５）式で表される。結局（４）式は、ｍ’（ｙ’）とＩ_ｄｎ（ｙ’）の相関関数が、強度分布ｈ（ｙ）とＲ_ｍｍ’（ｙ）との畳み込み積分となることを表している。特にＲ_ｍｍ’が０シフト以外で０となるディラックのデルタ関数に相当する関数であれば，ｒ_ｄｎは強度分布ｈ（ｙ）に比例した波形が得られる。

【0038】

【数4】

【0039】

【数5】

【0040】

ところで、擬似雑音符号系列に、擬直交Ｍ系列対を採用した場合には、それらの周期相関特性が、０シフト以外で０となることから、式（４）は周期相互相関演算を行うのが好適である。たとえば，擬似雑音符号系列に自己相補系列を採用した場合には，非周期自己相関性が，０シフト以外で０となることから，式（４）は，非周期相互相関演算を行うのが好ましい（後述する第１０実施形態を参照）。像ｈ(ｙ)を周期関数とみなして、図６（ｂ）に示されるように視野外の波形を折り返せば、上記（３）式は巡回畳み込み積分を意味する。巡回畳み込み積分としての上記（３）式を行列表記すると下記（６）式のようになる。ここで、Ｉ_ｄｎ(ｙ’)は，受光セルｄ_ｎから得られる時間サンプリングされた結果であるので，離散的な時系列データとなることから，それを単にＩ_ｉと表記した。一方、上記（４）式を同じく行列表記すると下記（７）式のようになる。

【0041】

【数6】

【0042】

【数7】

【0043】

ここで、ＥはＫ行Ｋ列の単位行列である。結局、上記（３）式のＩ_ｄｎ(ｙ’)と擬雑音符号系列ｍ’(ｙ)との周期相互相関関数ｒ_ｄｎ(τ)は（Ｋ＋１）／２倍だけ振幅が増幅された像ｈ(ｙ)を表す。つまり、対象物９０の静止画像が輝度増幅されて得られることとなる。

【0044】

擬直交Ｍ系列対の具体例を示すと以下のとおりである。（８）式で表されるＭ系列ｍに対するペアｍ’は（９）式で表される。擬似雑音符号系列ｍの周期自己相関関数Ｒ_ｍｍは（１０）式で表される。擬似雑音符号系列ｍ’の周期自己相関関数Ｒ_ｍ’ｍ’は（１１）式で表される。（１０）式，（１１）式では０シフト以外にても０となっていない。また、擬直交Ｍ系列対ｍとｍ’との周期相互相関関数Ｒ_ｍｍ’は（１２）式で表される。

【0045】

【数8】

【0046】

【数9】

【0047】

【数10】

【0048】

【数11】

【0049】

【数12】

【0050】

このように、擬直交Ｍ系列対ｍとｍ’との周期相互相関関数Ｒ_ｍｍ’は、０シフト以外で全て０となる相関関数となる。“０シフト”とは、相関関数を求める際の（５）式の遅延量τが０であることを意味する。（１２）式では四番目の要素において値４が現れているが、これは、要素の中央にτ＝０での相関関数をおいたことに相当する。すなわち、下記（１３）式で表される遅延量τに対応する相関関数が（１０）式〜（１２）式である。

【0051】

【数13】

【0052】

解析部４０は、上記のような関係を利用することで、検出部３１により得られた信号（図４）に基づいて対象物９０の画像を復調する。検出部３１の出力信号は直線畳み込み積分の結果であるので、これを巡回畳み込み積分の形に直す必要がある。具体的な巡回畳み込み積分を得るには、図７に示されるように、時刻ｔ１＝０から時刻ｔ２＝４４Δｔまでの間の時間４５Δｔ分のデータを取り除き，時刻ｔ３＝５１１Δｔから時刻ｔ４＝５５５Δｔまでのデータへ累積加算する。図７は、図４の直線畳み込み積分結果を巡回畳み込み積分の形に変換する様子を模式的に示した図である。累積加算とは，下記（１４）式を実行する。（１４）式中，Ｓ（ｘ１：ｘ２，ｔ１：ｔ２）とは，図７に示される結果のうち，ｘ方向［ｘ１〜ｘ２］と時間ｔ方向[ｔ１〜ｔ２]とで囲まれる要素を行列とみなす記号とする。これにより（６）式に示される巡回畳み込み積分の形に直された。

【0053】

【数14】

【0054】

なお、この（１４）式の演算により異なる対象物９０の一群と他の一群との重ね合わせが起きないようにするために、図８に示されるよう視野と対象物群との関係が保たれているとする。すなわち、ｙ方向の視野長さＦ、ｙ方向の対象物群の長さＧ、および、ｙ方向の対象物の一群と次の一群との距離Ｈについて、下記（１５）式が成り立つ必要がある。

【0055】

【数15】

【0056】

図９は、第１実施形態の撮像装置１の動作のシミュレーションにおいて解析部４０により得られた画像を示す図である。（１４）式により、巡回畳み込み積分に変形された行毎（画素毎）に上記（７）式の演算を施すことで、図９に示されるような静止画像ｈ(ｙ)が得られた。

【0057】

図１０および図１１は、第１実施形態の撮像装置１の動作の他のシミュレーションの例を示す図である。図１０は、他のシミュレーションにおいて用いられた画像を示す図である。図１１は、他のシミュレーションにおいて解析部４０により得られた画像を示す図である。ここでは、直径２００μｍの円形開口を速度１４μｍ／秒で移動させ、倍率２０倍の対物レンズを用いて３０ｆｐｓのＣＣＤカメラで撮影した。ＣＣＤカメラは、４８０（ｘ）×６４０（ｙ）画素を有し、１画素サイズが８．３×８．３μｍであった。実際に使用した画素は、４４（ｘ）×５１１（ｙ）であった。式（２）または式（３）に従って，得られた画像（４４×５１１画素）と擬似雑音符号系列とのたたみ込み積分を計算機内で演算した。結果，２次元検出器を用いても，擬似雑音符号系列をマスクした１次元ラインセンサー出力データを模擬することができる。図１０は、円形開口のうちの一部が視野内を左から右に等速運動する様子を示している。図１１（ａ）は、横軸を時刻とし、縦軸を画素番号として、４４画素の１次元ラインセンサの出力データを示している。図１１（ｂ）は、（７）式を利用して円形開口の一部を復調した結果である。

【0058】

以上のように、本実施形態の撮像装置１は、１次元ラインセンサを用いて、移動している対象物の静止画像を得ることができる。本実施形態の撮像装置１は、擬似雑音符号系列を時系列信号として生成するのではなく、１次元ラインセンサの受光面上に固定された擬似雑音符号系列マスクを有している。したがって、本実施形態の撮像装置１は、高速に対象物が移動している場合であっても該対象物の像を静止画像として得ることができる。

【0059】

（第２実施形態）

【0060】

図１２は、第２実施形態の撮像装置２の構成を示す図である。撮像装置２は、移動している対象物９０に対して光を照射する照明部と、この対象物９０の像を結像する光学系２０と、この光学系２０による対象物９０の像が形成される受光面を有する検出部３２と、この検出部３２による検出結果を解析して対象物９０の像を得る解析部４２と、を備える。図１３は、第２実施形態の撮像装置２の検出部３２の一部構成を説明する図である。これらの図は第２実施形態の撮像装置２の検出部３２の構成について主に示している。他の構成要素は第１実施形態の場合と同様である。

【0061】

検出部３２は、デジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）３２０、光学系３２１、光学系３２２、１次元ラインセンサ３２３、１次元ラインセンサ３２４および差演算部３２５_１〜３２５_Ｎを含む。ＤＭＤ３２０は、各々反射面の方位が可変である複数の微小ミラーがｘ方向およびｙ方向の双方に配列されたものである。これら複数の微小ミラーは、略１０μｍのミラーであって、光学系２０により対象物９０の像が形成される受光面上に配置されている。

【0062】

光学系３２１は、ＤＭＤ３２０から到達した光を１次元ラインセンサ３２３の受光面上に結像する。光学系３２２は、ＤＭＤ３２０から到達した光を１次元ラインセンサ３２４の受光面上に結像する。１次元ラインセンサ３２３および１次元ラインセンサ３２４それぞれではＮ個の受光セルｄ_１〜ｄ_Ｎがｘ方向に配列されている。各受光セルｄ_ｎはｙ方向に長い。または光学的に長いとみなせる。対象物９０が方向Ｂへ移動したとき、その対象物９０の像は、ＤＭＤ３２０，１次元ラインセンサ３２３および１次元ラインセンサ３２４それぞれの受光面においてｙ方向と平行な方向に移動する。

【0063】

ＤＭＤ３２０では、Ｎ個の擬似雑音符号系列ｍ_１(ｙ)〜ｍ_ｎ(ｙ)がｘ方向に配列され、擬似雑音符号系列ｍ_ｎ(ｙ)の各値がｙ方向に配列されていて、擬似雑音符号系列ｍ_ｎ(ｙ)の値に応じて対応位置にある微小ミラーが１次元ラインセンサ３２３および１次元ラインセンサ３２４の何れかの受光セルｄ_ｎへ光を反射させる。例えば、擬似雑音符号系列ｍ_ｎ(ｙ)として−１／＋１の２値をとるＭ系列符号を用いる場合、値が−１の位置にある微小ミラーは１次元ラインセンサ３２３の受光セルｄ_ｎへ光を反射させ、値が＋１の位置にある微小ミラーは１次元ラインセンサ３２４の受光セルｄ_ｎへ光を反射させる。擬似雑音符号系列ｍ_ｎ１(ｙ)と擬似雑音符号系列ｍ_ｎ２(ｙ)とは、互いに同じ擬似雑音符号系列であってもよいし、互いに異なる擬似雑音符号系列であってもよい。

【0064】

図１４は、第２実施形態の撮像装置２の差演算部３２５_ｎおよび解析部４２それぞれの処理における信号について説明する図である。ここでは、第１実施形態の同様の条件でシミュレーションを行う場合について説明する。各差演算部３２５_ｎは、１次元ラインセンサ３２３の受光セルｄ_ｎから出力されるデータ（同図（ａ））と、１次元ラインセンサ３２４の受光セルｄ_ｎから出力されるデータ（同図（ｂ））と、の差を表す信号Ｉ_ｄｎ(ｔ)を出力する（同図（ｃ））。この信号Ｉ_ｄｎ(ｔ)は上記（３）式のＩ_ｄｎ(ｙ’)に相当する。ＤＭＤ３２０において擬似雑音符号系列ｍ_ｎ(ｙ)として−１／＋１の２値をとるＭ系列を用いたので、解析部４２における復調の際には０／＋１の２値をとる擬直交Ｍ系列対を用いることで、０シフト以外で全て０となる相互相関関数Ｒ_ｍｍ’（（１２）式）を得ることができ、それを含む（４）式の演算により，高速に対象物が移動している場合であっても該対象物の像を静止画像として得ることができる（同図（ｄ））。

【0065】

また、第１実施形態では検出部３１に到達した光のうち略半分の光が１次元ラインセンサ３１１により受光されるのに対して、第２実施形態では、検出部３２に到達した光の殆ど全ての光が１次元ラインセンサ３２３または１次元ラインセンサ３２４により受光される。したがって、第１実施形態の場合と比較して第２実施形態では２倍の光量で撮像をすることができる。

【0066】

（第３実施形態）

【0067】

図１５は、第３実施形態の撮像装置３の検出部３３の一部構成を説明する図である。撮像装置３は、移動している対象物に対して光を照射する照明部と、この対象物の像を結像する光学系と、この光学系による対象物の像が形成される受光面を有する検出部３３と、この検出部３３による検出結果を解析して対象物の像を得る解析部と、を備える。この図は第３実施形態の撮像装置３の検出部３３の構成について主に示している。他の構成要素は第１実施形態の場合と同様である。

【0068】

検出部３３は、１次元ラインセンサ３３１、マスク３３２、コンデンサ３３３_１〜３３３_ＮおよびＣＣＤシフトレジスタ３３４を含む。１次元ラインセンサ３３１およびマスク３３２それぞれは第１実施形態の場合と同様である。各コンデンサ３３３_ｎは、１次元ラインセンサ３３１の受光セルｄ_ｎからの出力信号のうちのＡＣ成分をＣＣＤシフトレジスタ３３４へ出力する。ＣＣＤシフトレジスタ３３４は、コンデンサ３３３_１〜３３３_Ｎそれぞれから出力された電荷信号をパラレルに入力して、これらの電荷信号をシリアルに解析部へ出力する。解析部は、このＣＣＤシフトレジスタ３３４から出力された電気信号に基づいて、第１実施形態の場合と同様の処理により対象物の像のエッジ強調画像を得る。

【0069】

次に、第３実施形態の撮像装置３の動作のシミュレーションについて説明する。図１６は、第３実施形態の撮像装置３の動作のシミュレーションにおいて用いられた画像を示す図である。同図に示されるように、一様な黒色の背景中において蝶のオブジェクト画像がｙ方向に左から右へ平行移動しているとした。図１７は、第３実施形態の撮像装置３の動作のシミュレーションにおいて検出部３３により得られた信号を示す図である。同図において、横軸は時刻を表し、縦軸はｘ方向の画素位置を表す。図１８は、第３実施形態の撮像装置３の動作のシミュレーションにおいて解析部３３により得られた画像を示す図である。同図に示されるように、本実施形態では、検出部から出力される電気信号の時間微分に相当する信号が解析部により解析されることで、高速に移動している対象物の像のエッジ強調像が得られる。なお、本実施形態では、対象物の像のエッジ強調像が得られる際に、背景消去も同時に実現され得る。

【0070】

本実施形態の動作について数式を用いて説明すると以下のとおりである。背景のｙ方向輝度分布をｂ（ｙ）とすれば，上記（２）式（３）式から下記（１６）式が得られる。時刻に関する変数ｙ’（＝Ｖｔ）がｙ_１であるときの（１６）式と、変数ｙ’がｙ_２であるときの（１６）式との差をとると、下記（１７）式が得られる。この（１７）式から、対象物の移動方向の差分画像Δｈ(ｙ)が得られると同時に背景の輝度分布ｂ（ｙ）が消去されることが解る。

【0071】

【数16】

【0072】

【数17】

【0073】

（第４実施形態）

【0074】

第４実施形態の撮像装置の構成は、図１に示されたものと略同様である。ただし、第４実施形態の撮像装置は、解析部の処理内容の点に特徴を有する。第４実施形態における解析部は、背景中を対象物が移動しているときに検出部から出力される電気信号と、背景中に対象物が存在しないときに検出部から出力される電気信号とに基づいて、背景中にある対象物の像を選択的に得る。

【0075】

第４実施形態の撮像装置の動作のシミュレーションについて説明する。図１９は、第４実施形態の撮像装置の動作のシミュレーションにおいて用いられた画像を示す図である。同図に示されるように、花等が描かれた背景中において蝶のオブジェクト画像がｙ方向に左から右へ平行移動しているとした。図２０は、第４実施形態の撮像装置の動作のシミュレーションにおいて背景中を蝶のオブジェクト画像が移動しているときに検出部により得られた信号を示す図である。図２１は、第４実施形態の撮像装置の動作のシミュレーションにおいて背景中に蝶のオブジェクト画像が存在しないときに検出部により得られた信号を示す図である。この図２１の信号は予め用意しておけばよい。図２２は、第４実施形態の撮像装置の動作のシミュレーションにおいて図２０に示された信号から図２１に示された信号を差し引いて得られた信号を示す図である。図２０〜図２２それぞれにおいて、横軸は時刻を表し、縦軸はｘ方向の画素位置を表す。

【0076】

図２３は、第４実施形態の撮像装置の動作のシミュレーションにおいて図２２に示された信号に基づいて解析部により得られた画像を示す図である。同図に示されるように、本実施形態では、移動している対象物９０のみが擬似雑音符号系列により変調されるので、第１実施形態の場合と同様の解析部における復調処理により、背景画像が除去されて、対象物の像が選択的に得られる。

【0077】

（第５実施形態）

【0078】

第５実施形態の撮像装置の構成は、図１に示されたものと略同様である。ただし、第５実施形態の撮像装置は、各受光セルｄ_ｎに対する擬似雑音符号系列ｍ_ｎ(ｙ)が互いに異なり、Ｎ個の受光セルｄ_１〜ｄ_Ｎの何れかの出力値が変化する度にサンプリングされた電気信号を解析部が解析して対象物の像を得る点に特徴を有する。

【0079】

移動している対象物を撮影している最中（すなわち、１次元ラインセンサの受光面に像が結像している間）に該対象物の移動を検知するには、１次元ラインセンサの時刻ｔと時刻ｔ＋Δｔとで出力される信号の差が０であるか否かを判定することで可能である。この差分信号を基に発生されるクロックの時間間隔を、復調する際、相関関数演算時の遅延時間の間隔に利用することができる。これにより、移動している対象物の速度を予め知っていなくてもよい。換言すれば、移動している対象物の速度を別の手段で測定する必要がない。特許文献（特表２００４−５０６９１９号公報）では，移動物体イメージングにおいて光検出器と移動物体との同期を取るために別の光学系を導入している。

【0080】

しかし、擬似雑音符号系列の性質として０または１が連続して出力されることがある。特に対象物の像のｙ方向の大きさが擬似雑音符号系列マスクパターンの画素程度の長さをもつ場合、対象物が移動しているにも拘わらず時刻ｔと時刻ｔ＋Δｔとの出力差が０の場合がある。そのような場合には、異なる擬似雑音符号系列を有するマスクを各受光セルに貼り付けるのがよい。（１８）式は、擬似雑音符号にＭ系列を選び、ｍ_１＝［ａ_１，ａ_２，…，ａ_Ｎ−１，ａ_Ｎ］を基本Ｍ系列として、このｍ_１の要素を左に１要素分だけ巡回シフトさせたＭ系列をｍ_２とし、このｍ_２の要素を左に更に１要素分だけ巡回シフトさせたＭ系列をｍ_３とし、一般に、ｍ_ｎの要素を左に１要素分だけ巡回シフトさせたＭ系列をｍ_ｎ＋１としたものである。この行列はＭ系列型アダマール行列とも呼ばれている。

【0081】

【数18】

【0082】

（第６実施形態）

【0083】

これまで説明した第１〜第５の各実施形態では、対象物の像を検出部の受光面上に結像する光学系が、対象物と検出部の受光面との間に設けられていた。

【0084】

これに対して、第６実施形態では、対象物と検出部の受光面との間に結像光学系が設けられることなく、対象物を検出部の受光面上で移動させる。この場合、解析部により対象物の像を解像度よく得るために、擬似雑音符号系列マスクの各画素は、対象物を撮影するときに要求される解像度と同程度またはそれ以下の大きさにするのが好適である。これは、マイクロＴＡＳ(Total Analysis System)やラボオンチップなどにおいて基板上で対象物としての細胞を観察する場合に好適である。

【0085】

（第７実施形態）

【0086】

図２４は、第７実施形態の撮像装置７の構成を示す図である。撮像装置７は、移動している対象物９０に対して光を照射する照明部１７と、対象物９０が受光面上において移動する検出部３７と、この検出部３７による検出結果を解析して対象物９０の像を得る解析部と、を備える。

【0087】

照明部１７は、対象物９０に対してｙ方向に対応する方向に沿った擬似雑音符号系列に応じた照明パターンで光を照射する。照明部１７は、点光源１７１_１〜１７１_Ｋ、マスク１７２および光学系１７３を含む。マスク１７２は、周期Ｋの擬似雑音符号系列に応じた透過および遮断のパターンを有し、該パターンにおける透過部に対応する点光源１７１_ｋの光を光学系１７３へ透過させる。光学系１７３は、マスク１７２の透過部から出力された光を検出部３７の受光面上で結像させる。結果、検出部３７の受光面上には擬似雑音符号系列に従った照明パターンが受光セルのｙ方向に沿って形成される。なお、マスク１７２を用いなくても、点光源１７１_１〜１７１_Ｋの点灯および非点灯をマスク１７２における擬似雑音符号系列に応じたパターンに従って設定することで、検出部３７の受光面上に擬似雑音符号系列に従った照明パターン３７３_１〜３７３_Ｎを実現できる。

【0088】

検出部３７の受光面上を移動する対象物９０は、１光子以上を吸収して蛍光を放つ蛍光色素により標識されている。対象物９０は、点光源１７１_ｋからの光が照射されることで励起されて蛍光を発生させる。検出部３７は、１次元ラインセンサ３７１および光フィルタ３７２を含む。光フィルタ３７２は、対象物９０で発生した蛍光を１次元ラインセンサ３７１へ透過させ、励起光を遮断する。１次元ラインセンサ３７１は、光フィルタ３７２を透過して来た光を受光して、その受光量に応じた電気信号を解析部へ出力する。第７実施形態における１次元ラインセンサ３７１は、第１実施形態における１次元ラインセンサ３１１と同様のものであり、複数の受光セルが紙面鉛直方向に配列されている。第７実施形態における解析部は、第１実施形態における解析部と同様の処理を行って、移動している対象物９０の静止画像を得ることができる。

【0089】

この第７実施形態の撮像装置７は、第６実施形態の場合と同様に、対象物９０を検出部３７の受光面上で移動させるので、マイクロＴＡＳやラボオンチップなどにおいて基板上で対象物としての細胞を観察する場合に好適である。

【0090】

なお点光源１７１_１〜１７１_Ｋは，空間的な点光源でもよく，また時間的な点光源（temporal focusing技術，Dan Oron, “Scanningless depth-resolved microscopy,”Opt.
Exp. 13, 1468, (2005).参照）となる光源を準備してもよい。

【0091】

（第８実施形態）

【0092】

第８実施形態の撮像装置の構成は、図１に示されたものと略同様である。ただし、第８実施形態の撮像装置は、検出部において１次元ラインセンサとともに用いられるマスクがチャープ信号に基づく透過率分布を有する点に特徴を有する。

【0093】

図２５は、第８実施形態の撮像装置のマスクにおけるチャープ信号に基づく透過率分布を説明する図である。チャープ信号として、例えば周波数の２乗に比例して位相が変化するTime Stretched Pulseと呼ばれる波形（以下「ＴＳＰ」という。）が用いられる（例えば文献「青島伸治，『パーソナルコンピュータを利用した信号圧縮法によるパイプ内音場の測定』，日本音響学会誌、40,146-151,1984」を参照）。

【0094】

同図（ａ）はＴＳＰの波形を示す。同図において、横軸は空間方向（Ｙ方向）を表し、縦軸は透過率を０から１までの範囲で表したものである。すなわち、空間方向に周波数が徐々に変化しながら透過率が０％と１００％との間で光を透過させるマスクが１次元ラインセンサの各受光セルに貼り付けられる。同図（ｂ）はＴＳＰの自己相関関数を示す。このように、ＴＳＰの自己相関関数は、遅延量τが０であるときに相関値が鋭いピークを有する。なおグラフ横軸中央が遅延量τ＝０のときである。すなわちＴＳＰの自己相関関数は、擬似雑音符号系列の自己相関関数Ｒ_ｍｍ’（τ）が０シフト以外で０となることに対応する。

【0095】

次に、第８実施形態の撮像装置の動作のシミュレーションについて説明する。第８実施形態の撮像装置の動作のシミュレーションにおいて用いられた画像は図１６と同じである。図２６は、第８実施形態の撮像装置の動作のシミュレーションにおいて検出部により得られた信号を示す図である。同図において、横軸は時刻を表し、縦軸はｘ方向の画素位置を表す。図２７は、第８実施形態の撮像装置の動作のシミュレーションにおいて解析部により得られた画像を示す図である。同図に示されるように、本実施形態でも、高速に対象物が移動している場合であっても該対象物の像を静止画像として得ることができる。

【0096】

（第９実施形態）

【0097】

図２８は、第９実施形態の撮像装置９の構成を示す図である。撮像装置９は、移動している対象物９０に対して光Ａを照射する照明部１０と、この対象物９０の像を結像する光学系２０と、この光学系２０による対象物９０の像が形成される受光面を有する検出部３９と、この検出部３９による検出結果を解析して対象物９０の像を得る解析部４９と、を備える。図２９は、第９実施形態の撮像装置９の検出部３９の構成を説明する図である。第９実施形態における照明部１０および光学系２０は第１実施形態の場合と同様である。

【0098】

検出部３９は、受光面において第１方向（ｘ方向）に配列された複数の受光領域ｄ_１〜ｄ_Ｎを含む。これらの受光領域ｄ_１〜ｄ_Ｎは、便宜上区分されたものにすぎず、全体で１個の受光セルを構成していて、全体の受光量に応じた電気信号を出力する。検出部３９は、対象物９０の方向Ｂへの移動に伴って受光面において第２方向（ｙ方向）と平行な方向に像が移動するよう配置されている。第１方向（ｘ方向）と第２方向（ｙ方向）とは互いに直交する。検出部３９は、複数の受光領域ｄ_１〜ｄ_Ｎそれぞれにおいて第２方向（ｙ方向）に沿った擬似雑音符号系列に応じて受光および非受光の何れかを行う。複数の受光領域ｄ_１〜ｄ_Ｎそれぞれにおける擬似雑音符号系列のうちの任意の２つの擬似雑音符号系列が互いに略直交している。なお，２つの擬似雑音符号系列の相互相関関数が、０シフトおよび０シフト以外において０である符号系列を，互いに略直交と呼ぶこととする。検出部３９は、複数の受光領域ｄ_１〜ｄ_Ｎの全体の受光量に応じた電気信号を出力する。

【0099】

検出部３９は、センサ３９１の受光面上にマスク３９２が貼り合わされて構成される。センサ３９１ではＮ個の受光領域ｄ_１〜ｄ_Ｎがｘ方向に配列されている。各受光領域ｄ_ｎはｙ方向に長い。または光学系を介して長いとみなせる。マスク３９２ではＮ個の擬似雑音符号系列マスクｍ_１(ｙ)〜ｍ_ｎ(ｙ)がｘ方向に配列されている。各擬似雑音符号系列マスクｍ_ｎ(ｙ)は、対応する受光領域ｄ_ｎ上に配置され、ｙ方向に沿った擬似雑音符号系列に応じて光の透過および遮断の何れかを行う。図２８および図２９それぞれでは、マスク３９２における光の透過および遮断のうちの一方が黒色で示され、他方が白色で示されている。任意の２つの擬似雑音符号系列ｍ_ｎ１(ｙ)と擬似雑音符号系列ｍ_ｎ２(ｙ)とは互いに略直交している。

【0100】

解析部４９は、検出部３９から出力される電気信号を解析して対象物の像を得る。以下では、Ｎ個の擬似雑音符号系列ｍ_１(ｙ)〜ｍ_ｎ(ｙ)および解析部４９の処理内容について更に説明する。

【0101】

擬似雑音符号系列のうち通信分野におけるＣＤＭＡ技術に用いられる拡散符号として最も好適な符号は、位相差が０であるときに自己相関関数が鋭いピーク（即ちクロネッカーのデルタ関数）を有し、位相差が０でないときに自己相関関数が０であるとともに、また、任意の２つの系列の相互相関関数が０シフトおよび０シフト以外において０であるものである。すなわち、下記（１９）式が成り立つことである。（１９）式中、行列Ｅは単位行列を表し、行列Ｏは全ての要素が値０である行列を表す。αは定数を表す。ただし（１９）式中の記号Ｍは，（１８）式が示すように，ある擬似雑音符号系列をｍ_ｉとし，その要素を順次１つずつ巡回シフトした系列を行にもつ行列である。また、行列Ｍ’_iは、擬似雑音符号系列ｍ_ｉに対して，相関関数が０シフト以外で０となる擬似雑音符号系列をｍ’_ｉとし，その要素を順次１つずつ巡回シフトした系列を行にもつ行列である。

【0102】

【数19】

【0103】

この（１９）式を満たす拡散符号が最も好適である。このような擬似雑音符号系列を選んで用いることができれば、センサ３９１からの出力信号Ｉは下記（２０）式で表せる。受光領域ｄ_ｎの信号ｒ_ｄｎを，（２０）式に示す時系列信号Ｉから抽出するには、（２０）式に対して行列Ｍ’_ｎの転置行列を作用させて、下記（２１）式のようすればよい。結局、信号ｒ_ｄｎは，受光面の領域ｄ_ｎに結像した像（ｈ_ｎ）である．

【0104】

【数20】

【0105】

【数21】

【0106】

本実施形態では、（１９）式を満たすＮ個の擬似雑音符号系列ｍ_ｉ（ｉ＝１〜Ｎ）を用意して、それを２次元的に配置したマスク３９２をシングルピクセルのセンサ３９１の受光面に貼り付ける。なお、（１９）式を厳密に満たす拡散符号は存在しないことが知られているが、（１９）式をほぼ満たす種々の系列が考案されている。

【0107】

次に、第９実施形態の撮像装置９の動作のシミュレーションについて説明する。ここでは最も単純な系列である擬直交Ｍ系列対を使用してシミュレーションを行った。図３０は、第９実施形態の撮像装置９の動作のシミュレーションにおいて用いたマスク３９２の２次元パターンを示す図である。同図は、ｘ方向にパターンを伸張して見やすくしている。２つの異なる原始関数から発生させた周期Ｋ＝５１１のＭ系列をそれぞれｍ_１，ｍ_２とした。これらのＭ系列ｍ_１，ｍ_２の各要素は０または１の符号である。０を遮光とし１を透過としたマスク３９２を、シングル画素（例えば、ｘ方向２０μｍ，ｙ方向５１１０μｍ（＝１０×５１１））のセンサ３９１に貼り合わせた。対象物９０はｙ方向へ移動するものとした。０または１のマスク画素は１０×１０μｍとした。

【0108】

図３１は、第９実施形態の撮像装置９の動作のシミュレーションにおける各信号を示す図である。同図（ａ）は、シミュレーションにおいて用いられた画像を示す。一様な黒色の背景中において白い形状のオブジェクトがｙ方向に左から右へ平行移動しているとした。同図（ｂ）は、シミュレーションにおいて検出部３９により得られた信号を示す。同図において、横軸は時刻を表し、縦軸は（２０）式に示すセンサ３９１からの出力信号Ｉを表す。同図（ｃ）は、シミュレーションにおいて解析部４９により得られた画像を示す。このとき使用したＭ_ｉおよびＭ’_ｉは、第１実施形態の場合と同じく擬直交Ｍ系列対ｍ_ｉ，ｍ_ｉ’を，それぞれ（１８）式のようにその要素を順次１つずつ巡回シフトさせた系列を行にもつ行列である。

【0109】

以上のように、本実施形態の撮像装置９は、シングル画素のセンサを用いて、移動している対象物の静止画像を得ることができる。本実施形態の撮像装置９は、擬似雑音符号系列を時系列信号として生成するのではなく、シングル画素のセンサの受光面上に固定された擬似雑音符号系列マスクを有している。したがって、本実施形態の撮像装置９は、高速に対象物が移動している場合であっても該対象物の像を静止画像として得ることができる。

【0110】

なお、第１実施形態の変形形として第２〜第８の各実施形態があったように、第９実施形態に対しても同様の変形例が可能である。

【0111】

（第１０実施形態）

【0112】

一般的に，自己相関関数は，周期自己相関関数と非周期自己相関関数とに分けられる。第１〜第９の各実施形態では，周期自己相関関数が０シフト以外ですべて０となる性質を持つＭ系列およびその他の符号系列を用いた。第１０実施形態では，非周期自己相関関数が０シフト以外ですべて０となる符号系列である自己相補系列を使った例を示す。

【0113】

たとえば，自己相補系列として下記（２２）式および（２３）式で表される系列系が知られている。ｍ_１の非周期自己相関関数は下記（２４）式で表され、ｍ_２の非周期自己相関関数は下記（２５）式で表され、何れも０シフト以外が０とならない。しかし、それぞれの非周期自己相関関数を足し合わせると，下記（２６）式のようになり，０シフト以外ですべて０となる性質をもつ。

【0114】

【数22】

【0115】

【数23】

【0116】

【数24】

【0117】

【数25】

【0118】

【数26】

【0119】

今、ｍ_１の要素を順次１つずつ非巡回シフトさせた系列を行をにもつ行列Ｍ_１（下記（２７）式）とする。なお、（２７）式に示すように、ｍ_１の要素以外は０で埋めてある。この行列Ｍ_１を転置した行列との行列積は下記（２８）式で表される。

【0120】

【数27】

【0121】

【数28】

【0122】

同様に式（２３）に示す同じ系列系ｍ_２についても行列Ｍ_２を準備して，下記（２９）式および（３０）式を得る。

【0123】

【数29】

【0124】

【数30】

【0125】

結局、ｍ_１とｍ_２の非周期自己相関関数の和は下記（３１）式に示されるように０シフト以外で０となる。

【0126】

【数31】

【0127】

第１０実施形態の撮像装置は、このような符号系列を利用する。図３３は、第１０実施形態の撮像装置１００の構成を示す図である。撮像装置１００は、移動している対象物９０に対して光を照射する照明部と、この対象物９０の像を結像する光学系２０と、この光学系２０による対象物９０の像が形成される受光面を有する検出部５０と、この検出部５０による検出結果を解析して対象物９０の像を得る解析部と、を備える。図３４は、第１０実施形態の撮像装置１００の検出部５０の一部構成を説明する図である。これらの図は第１０実施形態の撮像装置１００の検出部５０の構成について主に示している。

【0128】

検出部５０は、ハーフミラー５０１、２次元センサ５０２、２次元センサ５０３、加算器５０４_ｎ、加算器５０５_ｎ、減算器５０６_ｎ、加算器５０７_ｎ、加算器５０８_ｎおよび減算器５０９_ｎを含む。光学系２０は、対象物９０からの光を２次元センサ５０２および２次元センサ５０３それぞれの受光面上に結像する。ハーフミラー５０１は、光学系２０からの光を２分岐して、一方の分岐光を２次元センサ５０２へ出力し、他方の分岐光を２次元センサ５０３へ出力する。

【0129】

本実施形態では、疑似雑音符号系列に従った固定マスクパターンを使用しない。そのかわりに、２次元センサ５０２の受光面のＹ方向に（２２）式で示される自己相補系列ｍ_１に従って画素間が電気的に接続されており、この自己相補系列ｍ_１と像との線形畳み込み積分は下記（３２）式で表わされる。また、２次元センサ５０３の受光面のＹ方向に（２３）式で示される自己相補系列ｍ_２に従って画素間が電気的に接続されており、この自己相補系列ｍ_２と像との線形畳み込み積分は下記（３３）式で表わされる。２次元センサ５０２，５０３それぞれの画素アレイｄ_ｎ^（１）、ｄ_ｎ^（２）の出力Ｉ_ｄｎ^（１）、Ｉ_ｄｎ^（２）から、ぶれなく像を得るためには、（３２）式および（３３）式にそれぞれＭ_１、Ｍ_２の転置行列を左から作用されたものを足し合わせればよく，下記（３４）を得る。たとえば（３２）式の中辺のベクトルの各要素Ｉ_ｋ^（１）は２次元センサ５０２の時刻ｋにおける出力値である。同様に、（３３）式の中辺の各要素Ｉ_ｋ^（２）は２次元センサ５０３の時刻ｋにおける出力値である。

【0130】

【数32】

【0131】

【数33】

【0132】

【数34】

【0133】

図３４（ａ）は、２次元センサ５０２のある位置ＸにおけるＹ方向に並ぶ画素アレイｄ_ｎ^（１）を示している。画素アレイｄ_ｎ^（１）はＹ方向に画素構造をもつが，その画素は（２２）式に示される自己相補系列ｍ_１にしたがって画素の出力が加算器５０４_ｎまたは加算器５０５_ｎに接続されている。すなわち、ｍ_１の要素＋１に対応する各画素が加算器５０４_ｎに接続されて、これらの出力の和が加算器５０４_ｎから出力される。同時に、ｍ_１の要素−１に対応する各画素が加算器５０５_ｎに接続されて、これらの出力の和が加算器５０５_ｎから出力される。そして、加算器５０４_ｎと加算器５０５_ｎとの出力差が減算器５０６_ｎにより求められる。すなわち、２次元センサ５０２は、受光面が２次元画素構造を持つが、後段の電気的な接続により各画素アレイｄ_ｎ^（１）が受光した光の全強度に応じた値の信号を出力する。

【0134】

図３４（ｂ）は、２次元センサ５０３のある位置ＸにおけるＹ方向に並ぶ画素アレイｄ_ｎ^（２）を示している。画素アレイｄ_ｎ^（２）はＹ方向に画素構造をもつが，その画素は（２３）式に示される自己相補系列ｍ_２にしたがって画素の出力が加算器５０７_ｎまたは加算器５０８_ｎに接続されている。すなわち、ｍ_２の要素＋１に対応する各画素が加算器５０７_ｎに接続されて、これらの出力の和が加算器５０７_ｎから出力される。同時に、ｍ_２の要素−１に対応する各画素が加算器５０８_ｎに接続されて、これらの出力の和が加算器５０８_ｎから出力される。そして、加算器５０７_ｎと加算器５０８_ｎとの出力差が減算器５０９_ｎにより求められる。すなわち、２次元センサ５０３は、受光面が２次元画素構造を持つが、後段の電気的な接続により各画素アレイｄ_ｎ^（２）が受光した光の全強度に応じた値の信号を出力する。

【0135】

次に、第１０実施形態の撮像装置１００の動作のシミュレーションについて説明する。図３５は、第１０実施形態の撮像装置１００の動作のシミュレーションにおいて用いられた画像を示す図である。同図に示される番号の順に、一様な黒色の背景中において白抜きの文字「４」がｙ方向に左から右へ平行移動しているとした。検出部５０の受光面上における文字の像の大きさは、ｘ方向に６６画素であり、ｙ方向に８画素であった。視野Ｆと移動物体群Ｇは，Ｇ＜Ｆの関係を満たしていない。

【0136】

図３６は、第１０実施形態の撮像装置１００の動作のシミュレーションにおいて検出部５０により得られた信号を示す図である。同図（ａ）は一方の２次元センサ５０２の出力データであり、同図（ｂ）は他方の２次元センサ５０３の出力データである。図３７は、第１０実施形態の撮像装置１００の動作のシミュレーションにおいて解析部により得られた画像を示す図である。同図（ａ）はＭ_１^ＴＭ_１ｈの演算結果であり、同図（ｂ）はＭ_２^ＴＭ_２ｈの演算結果であり、同図（ｃ）は上記（３４）式の演算結果である。

【0137】

第１０実施形態でも、高速に対象物が移動している場合であっても該対象物の像を静止画像として得ることができる。また、検出部５０に到達した光の殆ど全ての光が２次元センサ５０２または２次元センサ５０３により受光されるので、第１実施形態の場合と比較して第１０実施形態では２倍の光量で撮像をすることができる。

【0138】

以上に説明した各実施形態では、第６実施形態および第７実施形態を除いて、対象物の像を結像する光学系が設けられ、この光学系による対象物の像が検出部の受光面に形成されている。各実施形態に係る撮像装置は、このような光学系に加えて、或いはこのような光学系に代えて、一端面に入射した対象物の像を他端面から出射する光学部品を備えても良い。光学部品は、対象物の像を他端面から出射することにより、検出器の受光面に対象物の像を形成するものであって、例えばイメ―ジファイバー、若しくはイメージファイバーがテーパー状に成形されたファイバーテーパー（Fiber Optic Tapers;FOT）等である。このような光学部品がレンズ等の光学系と組み合わされる場合、光学系は、対象物の像を光学部品の一端面上に結像するとよい。なお、イメ―ジファイバーは、ファイバオプティクプレート、イメージコンジット、またはイメージファイバーバンドルといった種々の名称で呼ばれることがある。また、ファイバーテーパーとは、一端に入射した像を所定の倍率に拡大／縮小して他端に伝達することができるものである。たとえばファイバーテーパーの両端面のうち大口径側の端面から入射した対象物の像は、小口径側の端面において縮小して出射される。

【0139】

光学部品として例えばファイバーテーパーを利用することで、次のような効果を得ることができる。すなわち、対象物から直接得られた像、若しくは光学系を介して得られた対象物の像をファイバーテーパーの大口径側の端面に入射させ、小口径側の端面から出射される像を光検出器の受光面へ導くことにより、小さな受光面積を有する光検出器を利用することができる。一般的に、受光面積が小さいほど、その光検出器の周波数応答が良くなることから、ファイバーテーパーを利用することによって、移動速度がより速い物体を撮像することができる。また、光検出器の受光面の画素サイズが大きい場合であっても、光学部品としてファイバーバンドルまたはファイバーテーパーを利用することにより、十分な空間解像度を得ることができ、光検出器の受光面の画素サイズが小さい場合と同等の画像を得ることができる。

【産業上の利用可能性】

【0140】

本発明は、高速に対象物が移動している場合であっても該対象物の像を静止画像として得ることができる撮像装置として利用可能である。

【符号の説明】

【0141】

１〜９…撮像装置、１０，１７…照明部、２０…光学系、３１〜３９，５０…検出部、４０，４２，４９…解析部、９０…対象物。

【図2】

【図3】

【図5】

【図6】

【図9】

【図13】

【図15】

【図25】

【図29】

【図34】

【図1】

【図4】

【図7】

【図8】

【図10】

【図11】

【図12】

【図14】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】

【図23】

【図24】

【図26】

【図27】

【図28】

【図30】

【図31】

【図32】

【図33】

【図35】

【図36】

【図37】