本發(fā)明涉及取得氣體及生物體等對象物的內(nèi)部信息的攝像裝置。
背景技術(shù)：
：氣體的泄漏檢測、生物體計測、材料分析等用途中，使用向?qū)ο笪镎丈涔?包括可見光、紅外線或紫外線)、通過檢測其透射光、反射光或散射光來取得對象物的內(nèi)部信息的方法。例如在特開2005－91343號公報、特開2008－149154號公報、國際公開第13/002350號及美國專利第7283231號說明書中，公開了使用這樣的方法的攝像系統(tǒng)的例子。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：有關(guān)本申請的一技術(shù)方案的攝像裝置具備：光源，射出包含波長不同的多個成分的脈沖光；編碼元件，具有使來自被照射上述脈沖光的對象物的入射光透射的、光透射率不同的多個區(qū)域；分光元件，使透射了上述多個區(qū)域的上述入射光按照上述波長分散為多個光；攝像元件，接受由上述分光元件分散后的上述多個光；以及控制電路，控制上述光源及上述攝像元件。有關(guān)本申請的另一技術(shù)方案的攝像裝置具備：光源，射出包含多個波長的成分的脈沖光；編碼分光元件，具有使來自被照射上述脈沖光的對象物的入射光透射的、光透射率的波長分布不同的多個區(qū)域；攝像元件，接受透射了上述多個區(qū)域的上述入射光；以及控制電路，控制上述光源及上述攝像元件。有關(guān)本申請的另一技術(shù)方案的攝像裝置具備：第1光源，射出包含第1波長的第1脈沖光；第2光源，射出包含與上述第1波長不同的第2波長的第2脈沖光；編碼元件，具有使來自被照射上述第1脈沖光及上述第2 脈沖光的對象物的入射光透射的、光透射率不同的多個區(qū)域；分光元件，使透射了上述多個區(qū)域的上述入射光分散為包含上述第1波長的第1入射光和包含上述第2波長的第2入射光；攝像元件，接受上述第1入射光及上述第2入射光；以及控制電路，控制上述第1光源、上述第2光源以及上述攝像元件；上述控制電路，在第1時間中，使上述第1光源射出上述第1脈沖光；在與上述第1時間不同的第2時間中，使上述第2光源射出上述第2脈沖光。有關(guān)本申請的另一技術(shù)方案的攝像裝置具備：第1光源，射出包含第1波長的第1脈沖光；第2光源，射出包含與上述第1波長不同的第2波長的第2脈沖光；編碼分光元件，具有使來自被照射上述第1脈沖光及上述第2脈沖光的對象物的入射光透射的、光透射率的波長分布不同的多個區(qū)域；攝像元件，接受透射了上述多個區(qū)域的上述入射光；以及控制電路，控制上述第1光源、上述第2光源以及上述攝像元件；上述控制電路，在第1時間中，使上述第1光源射出上述第1脈沖光；在與上述第1時間不同的第2時間中，使上述第2光源射出上述第2脈沖光。附圖說明圖1是示意地表示本申請的實(shí)施方式1的攝像裝置的結(jié)構(gòu)的圖。圖2A是表示本申請的實(shí)施方式1的編碼元件104的光透射率的2維分布的一例的圖。圖2B是表示本申請的實(shí)施方式1的編碼元件104的光透射率的2維分布的另一例的圖。圖3是表示本申請的實(shí)施方式1的攝像元件106的1個像素201的概略性的結(jié)構(gòu)例的圖。圖4是表示本申請的實(shí)施方式1的攝像動作的流程圖。圖5是說明本申請的實(shí)施方式1的光源107的脈沖光的發(fā)光定時、由檢測對象的氣體分子帶來的拉曼散射光到達(dá)攝像元件106的定時和攝像元件106的各漂移擴(kuò)散層的受光定時的關(guān)系的圖。圖6是表示本申請的實(shí)施方式1的攝像元件106的整體結(jié)構(gòu)的一例的圖。圖7是表示本申請的實(shí)施方式1的分光分離處理的形象的概念圖。圖8是表示本申請的實(shí)施方式1的由第2信號處理部110進(jìn)行的3D圖像生成處理的概要的圖。圖9是表示本申請的實(shí)施方式2的結(jié)構(gòu)的圖。圖10是示意地表示本申請的實(shí)施方式2的編碼分光元件901的結(jié)構(gòu)的圖。圖11A是用來說明本申請的實(shí)施方式2的編碼分光元件901的某個區(qū)域的分光透射率的特性的圖。圖11B是表示將圖11A所示的分光透射率按每個波帶W1，W2，…，Wi平均化的結(jié)果的圖。圖12是表示本申請的實(shí)施方式3的攝像裝置的結(jié)構(gòu)的圖。圖13是表示本申請的實(shí)施方式3的攝像元件1106的像素結(jié)構(gòu)的概略的圖。圖14是表示本申請的實(shí)施方式3的發(fā)光脈沖、各距離范圍的擴(kuò)散光、向8個漂移擴(kuò)散層的信號蓄積脈沖、和向漏極1202的排出脈沖的定時的圖。圖15是表示本申請的實(shí)施方式3的攝像元件1106的整體結(jié)構(gòu)的一例的圖。圖16A是表示氧合血紅蛋白、脫氧血紅蛋白及水的吸收系數(shù)的波長依賴性的曲線圖。圖16B是表示生物體組織中的光的散射系數(shù)的波長依賴性的曲線圖。圖17是表示本申請的實(shí)施方式3的信號處理的流程的流程圖。圖18是表示本申請的實(shí)施方式3的向1個像素到達(dá)的光量的時間變化的一例的圖。圖19是表示本申請的實(shí)施方式4的攝像裝置的結(jié)構(gòu)的圖。標(biāo)號說明101測定對象物102成像光學(xué)系統(tǒng)103中繼光學(xué)系統(tǒng)104編碼元件105分光元件106攝像元件107光源108控制電路109第1信號處理部110第2信號處理部111激勵光截止濾波器112信號處理電路201像素202信號電荷排出部(漏極)203光電變換部(光電二極管)204第1漂移擴(kuò)散層(FD1)205第2漂移擴(kuò)散層(FD2)206第3漂移擴(kuò)散層(FD3)207第4漂移擴(kuò)散層(FD4)302行選擇電路303列選擇電路304垂直信號線305源極跟隨器電源306源極跟隨器負(fù)載307AD變換電路308FD信號讀出晶體管309源極跟隨晶體管310復(fù)位晶體管901編碼分光元件1101頭部表面1102頭蓋骨1103腦組織1104近紅外激光脈沖光源1105遮光板1106攝像元件1107編碼分光元件1108控制電路1109信號處理部11110信號處理部21112信號處理電路1201像素1202信號電荷排出部(漏極部)1203光電變換部(光電二極管)1204第1漂移擴(kuò)散層(FD1)1205第2漂移擴(kuò)散層(FD2)1206第3漂移擴(kuò)散層(FD3)1207第4漂移擴(kuò)散層(FD4)1208第5漂移擴(kuò)散層(FD5)1209第6漂移擴(kuò)散層(FD6)1210第7漂移擴(kuò)散層(FD7)1211第8漂移擴(kuò)散層(FD8)具體實(shí)施方式(作為本申請的基礎(chǔ)的認(rèn)識)在說明本申請的實(shí)施方式之前，說明作為本申請的基礎(chǔ)的認(rèn)識。本發(fā)明者們關(guān)于以往的氣體泄漏檢測系統(tǒng)及生物體信息檢測系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)有以下的課題。以往的通常的氣體泄漏檢測系統(tǒng)使吸引的氣體與傳感器直接接觸，基于傳感器內(nèi)的電阻及電流值等物理量的變化來計測檢測對象的氣體的濃度。但是，在這樣的方法中，由于需要使氣體與傳感器直接接觸，所以不能進(jìn)行遠(yuǎn)離傳感器的場所中的氣體的檢測。進(jìn)而，有包含較多的基于風(fēng)向及設(shè)置場所等環(huán)境條件的不確定因素的缺點(diǎn)。特開2005－91343號公報公開了解決這樣的缺點(diǎn)的氣體檢測系統(tǒng)的例子。特開2005－91343號公報的系統(tǒng)向氣體照射紫外激光，引起拉曼散射。拉曼散射是產(chǎn)生波長與入射到分子中的光的波長不同的散射光的現(xiàn)象。該 現(xiàn)象通過分子在受光而暫且成為高能量的中間狀態(tài)后向振動激勵狀態(tài)或基礎(chǔ)狀態(tài)變遷而發(fā)生。在從基礎(chǔ)狀態(tài)經(jīng)過中間狀態(tài)變遷為振動激勵狀態(tài)的情況下，產(chǎn)生與入射光相比波長長的散射光。該波長的移位被稱作斯托克斯移位。相反，在從振動激勵狀態(tài)經(jīng)過中間狀態(tài)變遷為基礎(chǔ)狀態(tài)的情況下，產(chǎn)生與入射光相比波長短的散射光。該波長的移位被稱作反斯托克斯移位。特開2005－91343號公報的系統(tǒng)通過檢測拉曼散射光的斯托克斯移位，非接觸地檢測氣體的泄漏及其種類。通過使表示檢測出的氣體的分布的圖像疊加在監(jiān)視對象空間的可視圖像上，能夠?qū)怏w的泄漏作為二維圖像顯示。記載了由此，能夠從遠(yuǎn)處安全地進(jìn)行氣體的泄漏的監(jiān)視及泄漏部位的確定。在特開2005－91343號公報中，記載了根據(jù)檢測對象的距離范圍使攝影的定時變化。通過與光源的發(fā)光同步的短時間的曝光，能夠進(jìn)行單一的距離范圍的攝影。但是，不能同時進(jìn)行多個距離范圍的攝影。在本申請的實(shí)施方式中，使用稱作“時間分解攝像”的方法能夠進(jìn)行多個距離范圍的攝影。以下，對在本申請的實(shí)施方式中利用的時間分解攝像進(jìn)行說明。通過激光照射技術(shù)的發(fā)展，能夠?qū)⒓{秒(ns)至皮秒(ps)量級的極短時間的脈沖光向?qū)ο笪锓磸?fù)照射，并與其同步地高速控制攝像元件的受光時間。將這樣的高速控制光源及攝像元件來進(jìn)行的攝像稱作“時間分解攝像”。作為代表性的應(yīng)用例，采用基于光的飛行時間以像素單位檢測到被攝體的距離的稱作TOF(TimeofFlight)的方法的測距攝像裝置已被商品化。通過時間分解攝像的應(yīng)用，還能夠?qū)⒃诎l(fā)光時反復(fù)同樣發(fā)生的現(xiàn)象與發(fā)光協(xié)同而反復(fù)進(jìn)行極短時間的受光并將信號蓄積，將短時間的現(xiàn)象的變化作為運(yùn)動圖像再現(xiàn)。例如，還能夠?qū)⒐鈧鞑サ臓顩r作為運(yùn)動圖像進(jìn)行可視化。關(guān)于時間分解攝像技術(shù)，不僅研究了對光透射的空間的應(yīng)用，還研究了向生物體等光散射體的應(yīng)用。例如，已知有使用對于水及血紅蛋白這兩者光吸收率比較小的2波長的近紅外線、將氧合血紅蛋白及脫氧血紅蛋白的生物體內(nèi)的濃度分布進(jìn)行斷層圖像化的時間分解擴(kuò)散光層析X射線照相 術(shù)。特別在以生物體為對象的情況下，與作為圖像診斷方法廣泛普及的倫琴射線及X射線CT相比，使用對生物體安全的紅外線(以下也稱作“紅外光”)，從而能夠進(jìn)行完全沒有輻射的非侵襲性的生物體觀測。此外，基于近紅外光的攝像與利用核磁共振的MRI等的裝置相比，適合于裝置的小型化、輕量化及低成本化。因此，基于近紅外光的攝像開始在與生物體組織的功能的揭示有關(guān)的研究的最前端被廣泛利用。但是，近紅外光在穿過生物體組織中時非常強(qiáng)地散射，結(jié)果在生物體組織中發(fā)生劇烈的光的擴(kuò)散。有該光的擴(kuò)散使攝像的空間分辨率顯著下降的課題。作為解決該課題的方法之一，已知有如下圖像重構(gòu)算法：假定檢測對象的生物體組織的、作為散射體的光學(xué)特性值(例如吸收系數(shù)及散射系數(shù))的空間分布，將該散射體內(nèi)的光傳播在數(shù)值上進(jìn)行計算(正問題)，將其結(jié)果與通過時間分解攝像實(shí)際得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，重復(fù)空間分布的假定直到雙方一致(反問題)。通過使用這樣的算法，能夠重構(gòu)空間分辨率提高的3維圖像。以往的時間分解擴(kuò)散光層析X射線照相術(shù)在關(guān)于腦的活性化的研究、以及用于乳腺癌的篩查的光乳房X射線照相(mammography)等用途中是有效的。但是，由于使用有限的2～3波長的光源，所以不能取得多波段的分光信息。因而，不能從活的組織檢測特異度高的分子的信息。特開2008－149154號公報公開了一種從活的組織檢測特異度高的分子的信息的系統(tǒng)的例子。在特開2008－149154號公報中公開的系統(tǒng)包括提供入射光的近紅外光源、用來從兩個以上的不同的激勵點(diǎn)向生物體內(nèi)引導(dǎo)光的多點(diǎn)入射光照射陣列、用來從光源向多點(diǎn)入射光照射陣列的各點(diǎn)傳送光的多個光纖、用來將從對象物放出的熒光從兩個以上的不同的收集點(diǎn)收集的多點(diǎn)檢測陣列、用來將從對象物放出的光向檢測器傳送的二維發(fā)光陣列、用來從各收集點(diǎn)向二維發(fā)光陣列上的對應(yīng)的點(diǎn)傳送光的多個光纖、和用來檢測從二維發(fā)光陣列的各點(diǎn)放出的光并變換為與從對象物放出的光對應(yīng)的數(shù)字信號的檢測器。記載有通過這樣的結(jié)構(gòu)能夠以高靈敏度取得作為疾病的原因的異常分子的三維位置信息。但是，在特開2008－149154號公報中，關(guān)于用1幀的攝影取得多個距離范圍的信息那樣的攝像方法沒有記載。有關(guān)本申請的實(shí)施方式的攝像裝置通過1幀的攝影取得多個距離范圍的信息，并且還一并取得多個波長的信息。在多個波長的信息的取得中，使用稱作壓縮傳感的技術(shù)。以下，對壓縮傳感進(jìn)行說明。通過利用分別是窄帶的許多波段(例如數(shù)十波段以上)的光譜信息，能夠掌握通過以往的RGB圖像是不可能的觀測物的詳細(xì)的物性。取得該多波長的信息的照相機(jī)被稱作“超光譜照相機(jī)”。超光譜照相機(jī)在食品檢查、生物體檢查、醫(yī)藥品開發(fā)、礦物的成分分析等各種領(lǐng)域中被利用。例如，國際公開第13/002350號公開了一種通過生成將觀測對象的波長限定于窄帶而取得的圖像來進(jìn)行被驗(yàn)體的腫瘤部位和非腫瘤部位的判別的裝置。該裝置通過激勵光的照射，蓄積在癌細(xì)胞內(nèi)的原卟啉IX發(fā)出635nm的熒光，光－原卟啉(photo－protoporphyrin)發(fā)出675nm的熒光。由此，進(jìn)行腫瘤部位和非腫瘤部位的識別。美國專利第7283231號說明書公開了使用壓縮傳感的超光譜照相機(jī)的例子。在美國專利第7283231號說明書中公開的裝置將來自測定對象的光用棱鏡等第1分光元件分光后，用編碼掩碼進(jìn)行標(biāo)記，再通過第2分光元件將光線的路徑返回。由此，由傳感器取得被編碼且關(guān)于波長軸被多重化的圖像。從被多重化的圖像，通過壓縮傳感的應(yīng)用而重構(gòu)多波長的多張圖像。壓縮傳感是從較少的樣本數(shù)的取得數(shù)據(jù)將比其多的數(shù)據(jù)復(fù)原的技術(shù)。如果設(shè)測定對象的2維坐標(biāo)為(x，y)，設(shè)波長為λ，則想要求出的數(shù)據(jù)f是x，y，λ的3維的數(shù)據(jù)。相對于此，由傳感器得到的圖像數(shù)據(jù)g是在λ軸方向上被壓縮及多重化的2維數(shù)據(jù)。根據(jù)數(shù)據(jù)量相對較少的取得圖像g求出數(shù)據(jù)量相對較多的數(shù)據(jù)f的問題是所謂的不適定問題，在該狀態(tài)下不能解出。但是，通常自然圖像的數(shù)據(jù)具有冗余性，通過將其靈活地利用，能夠?qū)⒃摬贿m定問題變換為適定問題。在利用圖像的冗余性削減數(shù)據(jù)量的技術(shù)的例中有jpeg壓縮。jpeg壓縮使用將圖像信息變換為頻率成分、將數(shù)據(jù)的非本質(zhì)性的部分例如視覺辨認(rèn)性較低的成分除去的方法。在壓縮傳感中，將這樣的技法運(yùn)用到運(yùn)算處理中、將想要求出的數(shù)據(jù)空間變換為用冗余性表示的空間，由此能夠削減未知數(shù)而得到解。在該變換中，例如使用 離散余弦變換(DCT)、小波變換、傅立葉變換、總變差(TV)等。在美國專利第7283231號說明書中，公開了以上這樣的壓縮傳感技術(shù)，但沒有公開同時取得多個波長的信息、空間分布的信息和多個時間(距離范圍)的信息的方法。在以往的技術(shù)中，不犧牲空間分辨率而同時進(jìn)行時間分解攝像和分光攝像是非常困難的。這些同時成立的攝像裝置目前并不存在。為了取得多個波長的信息，只有將發(fā)光波長不同的光源分時地照射的方法、或按照檢測對象的波長將檢測器分離的方法。在前者中犧牲了同時性，在后者中犧牲了空間分辨率。本發(fā)明者們發(fā)現(xiàn)以往技術(shù)中的以上的問題，專門研究了用來解決這些問題的方法。結(jié)果想到，通過使用射出包含多個波長的成分的脈沖光的光源、將從對象物入射的光分時地高速檢測的時間分解攝像元件、和將向攝像元件入射的光的強(qiáng)度根據(jù)位置而進(jìn)行調(diào)制的編碼元件，能夠不犧牲空間分辨率而取得多個距離范圍的信息和多個波長的信息。尤其對于生物體，如果使用安全的紅外光，則能夠非侵襲性地進(jìn)行沒有X射線那樣的輻射的攝像。以下，說明具有這樣的結(jié)構(gòu)的攝像裝置的例子。本申請包括在以下的項(xiàng)目中記載的攝像裝置。[項(xiàng)目1]一種攝像裝置，具備：光源，射出包含波長不同的多個成分的脈沖光；編碼元件，具有使來自被照射上述脈沖光的對象物的入射光透射的、光透射率不同的多個區(qū)域；分光元件，使透射了上述多個區(qū)域的上述入射光根據(jù)上述波長分散為多個光；攝像元件，接受由上述分光元件分散的上述多個光；以及控制電路，控制上述光源及上述攝像元件。[項(xiàng)目2]一種攝像裝置，具備：光源，射出包含多個波長的成分的脈沖光；編碼分光元件，具有使來自被照射上述脈沖光的對象物的入射光透射的、光透射率的波長分布不同的多個區(qū)域；攝像元件，接受透射了上述多個區(qū)域的上述入射光；以及控制電路，控制上述光源及上述攝像元件。[項(xiàng)目3]如項(xiàng)目1或2所述的攝像裝置，上述對象物具有第1部分及第2部分； 上述控制電路在第1時間中，使上述光源射出上述脈沖光；在比上述第1時間靠后的第2時間中，使上述攝像元件蓄積基于來自上述對象物的上述第1部分的第1入射光的第1信號電荷；在比上述第2時間靠后的第3時間中，使上述攝像元件蓄積基于來自上述對象物的上述第2部分的第2入射光的第2信號電荷；使上述攝像元件輸出基于上述第1信號電荷的第1圖像信號和基于上述第2信號電荷的第2圖像信號。[項(xiàng)目4]如項(xiàng)目3所述的攝像裝置，上述攝像元件具有分別包括第1電荷蓄積部及第2電荷蓄積部的多個光檢測單元；上述控制電路在上述第2時間中，使上述多個光檢測單元各自的上述第1電荷蓄積部蓄積上述第1信號電荷；在上述第3時間中，使上述多個光檢測單元各自的上述第2電荷蓄積部蓄積上述第2信號電荷。[項(xiàng)目5]如項(xiàng)目3或4所述的攝像裝置，上述控制電路在使上述光源及上述攝像元件反復(fù)進(jìn)行多次上述第1時間中的上述脈沖光的上述射出、上述第2時間中的上述第1信號電荷的上述蓄積和上述第3時間中的上述第2信號電荷的上述蓄積后，使上述攝像元件輸出上述第1圖像信號和上述第2圖像信號。[項(xiàng)目6]如項(xiàng)目3～5中任一項(xiàng)所述的攝像裝置，還具備將上述第1圖像信號根據(jù)上述波長分離為多個第1分離圖像信號、將上述第2圖像信號根據(jù)上述波長分離為多個第2分離圖像信號的信號處理電路。[項(xiàng)目7]如項(xiàng)目6所述的攝像裝置，上述信號處理電路基于上述多個第1分離圖像信號和上述多個第2分離圖像信號生成上述對象物的3維圖像。[項(xiàng)目8]如項(xiàng)目7所述的攝像裝置，上述對象物是光散射體；上述信號處理電路假定上述對象物的光學(xué)特性值分布；計算上述對象物內(nèi)的光傳播；將上述光傳播的計算結(jié)果與上述多個第1分離圖像信號及上述多個第2分離圖像信號進(jìn)行比較；反復(fù)進(jìn)行上述光學(xué)特性值分布的假定，直到比較結(jié)果一 致；基于上述比較結(jié)果一致時的上述光學(xué)特性值分布，生成上述3維圖像。[項(xiàng)目9]如項(xiàng)目1～8中任一項(xiàng)所述的攝像裝置，上述對象物是氣體。[項(xiàng)目10]如項(xiàng)目1～7中任一項(xiàng)所述的攝像裝置，上述對象物是光散射體。[項(xiàng)目11]如項(xiàng)目1～10中任一項(xiàng)所述的攝像裝置，上述脈沖光是紫外線或紅外線。[項(xiàng)目12]一種攝像裝置，具備：第1光源，射出包含第1波長的第1脈沖光；第2光源，射出包含與上述第1波長不同的第2波長的第2脈沖光；編碼元件，具有使來自被照射上述第1脈沖光及上述第2脈沖光的對象物的入射光透射的、光透射率不同的多個區(qū)域；分光元件，使透射了上述多個區(qū)域的上述入射光分散為包含上述第1波長的第1入射光和包含上述第2波長的第2入射光；攝像元件，接受上述第1入射光及上述第2入射光；以及控制電路，控制上述第1光源、上述第2光源以及上述攝像元件；上述控制電路在第1時間中，使上述第1光源射出上述第1脈沖光；在與上述第1時間不同的第2時間中，使上述第2光源射出上述第2脈沖光。[項(xiàng)目13]一種攝像裝置，具備：第1光源，射出包含第1波長的第1脈沖光；第2光源，射出包含與上述第1波長不同的第2波長的第2脈沖光；編碼分光元件，具有使來自被照射上述第1脈沖光及上述第2脈沖光的對象物的入射光透射的、光透射率的波長分布不同的多個區(qū)域；攝像元件，接受透射了上述多個區(qū)域的上述入射光；以及控制電路，控制上述第1光源、上述第2光源以及及上述攝像元件；上述控制電路在第1時間中，使上述第1光源射出上述第1脈沖光；在與上述第1時間不同的第2時間中，使上述第2光源射出上述第2脈沖光。以下，參照附圖詳細(xì)地說明本申請的實(shí)施方式。另外，以下說明的實(shí)施方式都表示整體性或具體的例子。在以下的實(shí)施方式中表示的數(shù)值、形狀、材料、構(gòu)成要素、構(gòu)成要素的配置及連接形態(tài)、步驟、步驟的順序等 是一例，不是限定本申請的意思。在本說明書中說明的各種形態(tài)只要不發(fā)生矛盾就能夠相互組合。此外，以下的實(shí)施方式的構(gòu)成要素中的在表示最上位概念的獨(dú)立權(quán)利要求中沒有記載的構(gòu)成要素，設(shè)為任意的構(gòu)成要素進(jìn)行說明。在以下的說明中，有將實(shí)質(zhì)上具有相同功能的構(gòu)成要素用共通的標(biāo)號表示而省略說明的情況。(實(shí)施方式1)圖1是示意地表示本申請的實(shí)施方式1的攝像裝置的結(jié)構(gòu)的圖。在圖1中，除了攝像裝置的構(gòu)成要素以外還表示了檢測對象物101。該攝像裝置進(jìn)行作為檢測對象物101的氣體的種類和濃度的檢測，能夠生成氣體的濃度的空間分布的3維(3D)圖像。攝像裝置具備將具有兩個波長的成分的紫外線朝向?qū)ο笪?01照射的光源107、配置在從對象物101入射的光的光路上的光學(xué)系統(tǒng)(成像光學(xué)系統(tǒng)102、激勵光截止濾波器111、編碼元件104、中繼光學(xué)系統(tǒng)103及分光元件105)、檢測穿過了分光元件105的光的攝像元件(圖像傳感器)106、和控制光源107及攝像元件106的控制電路108。在圖1中，還描繪了對從攝像元件106輸出的圖像信號進(jìn)行處理的信號處理電路112。信號處理電路112既可以裝入到攝像裝置中，也可以是以有線或無線電連接在攝像裝置上的信號處理裝置的構(gòu)成要素。在圖1中，成像光學(xué)系統(tǒng)102及中繼光學(xué)系統(tǒng)103分別如單一的透鏡那樣被描繪，但也可以是多個透鏡的集合體。本實(shí)施方式的光源107是射出具有兩個波長的成分的紫外區(qū)域的脈沖光的激光源。光源107根據(jù)從控制電路108輸入的控制信號，反復(fù)射出短脈沖的紫外光線。該短脈沖的紫外光線將檢測對象空間內(nèi)的對象物101(氣體)激勵，使其產(chǎn)生與氣體分子對應(yīng)的伴隨著波長移位的拉曼散射光。此時，產(chǎn)生與入射的紫外光線(也稱作“激勵光”)的波長相比向長波長側(cè)移位的各氣體分子所特有的拉曼斯托克斯光。氣體分子的拉曼斯托克斯光的移位波長被公開在特開2005－91343號公報中，已知是以下的表1所示的數(shù)值。在本實(shí)施方式中，說明將從光源107射出的激光脈沖光的波長設(shè)定為355nm及266nm的情況下的例子。另外，這些波長是一例，也可以使用其他波長。此外，也可以構(gòu)成為，光源107射出具有3個以上的波長的成分的脈沖光。[表1]另外，本實(shí)施方式中的從光源107射出的光是紫外線的波帶(約10nm～約400nm)，而來自光源107的光的波長可以根據(jù)用途而適當(dāng)選擇。例如，如在實(shí)施方式3中說明那樣，在計測生物體組織的攝像裝置中，可以使用近紅外線的波帶(約700nm～約2500nm)。除此以外，還可以使用可見光的波帶(約400nm～約700nm)、中紅外線、遠(yuǎn)紅外線、太赫茲波或毫米波等電波域的電磁波。在本說明書中，并不限于可見光，將近紫外線、近紅外線及電波等非可見光也為了方便而稱作“光”。本實(shí)施方式的攝像裝置將由于脈沖光的照射而從各氣體分子產(chǎn)生的拉曼斯托克斯光經(jīng)由光學(xué)系統(tǒng)用攝像元件106檢測。此時，通過高時間分解攝像，以不同的定時高速地進(jìn)行多次檢測。由此，按對象物101的每個距離范圍取得多個波長的成分重疊的圖像。將表示該每個距離范圍的圖像的信號(有稱作“圖像信號”的情況)向信號處理電路112發(fā)送，在那里處理。信號處理電路112具有第1信號處理部109及第2信號處理部110。第1信號處理部109生成將每個距離范圍的各圖像信號按每個波長成分分離而得到的新的多個圖像信號。在本說明書中，有將該處理稱作“分光分離處理”的情況。第2信號處理部110從按每個波長成分分離而得到的圖像信號生成3維圖像的數(shù)據(jù)。在某個形態(tài)中，第1信號處理部109及第2信號處理部110可以作為信號處理電路112內(nèi)的單獨(dú)的模塊來實(shí)現(xiàn)。第1信號處理部109及第2信號處理部110也可以通過由1個處理器執(zhí)行不同的 圖像處理程序來實(shí)現(xiàn)。信號處理電路112的處理的詳細(xì)情況后述。以下，說明各構(gòu)成要素的詳細(xì)情況?？刂齐娐?08例如可以是中央運(yùn)算處理裝置(CPU)或微型計算機(jī)(微機(jī))等集成電路。控制電路108例如通過執(zhí)行記錄在未圖示的存儲器中的控制程序，進(jìn)行對光源107的點(diǎn)亮指示、對攝像元件106的攝像指示及對信號處理電路112的運(yùn)算指示等的控制。信號處理電路112是對從攝像元件106輸出的圖像信號進(jìn)行處理的電路。信號處理電路112例如可以通過數(shù)字信號處理器(DSP)、現(xiàn)場可編程邏輯門陣列(FPGA)等可編程邏輯器件(PLD)、或者中央運(yùn)算處理裝置(CPU)或圖像處理用運(yùn)算處理器(GPU)與計算機(jī)程序的組合實(shí)現(xiàn)。另外，控制電路108和信號處理電路112也可以由合并的1個電路實(shí)現(xiàn)。攝像裝置將從各氣體分子產(chǎn)生的拉曼斯托克斯光用成像光學(xué)系統(tǒng)102聚光，向成像面成像。此時，將作為噪聲的2波長的脈沖光的基于瑞利散射等的波長成分通過激勵光截止濾波器111截止。在成像光學(xué)系統(tǒng)102的成像面上配置編碼元件104。編碼元件104是具有光透射率的空間分布的掩碼，具有二維排列的光透射率不同的多個區(qū)域。更具體地講，具備具有第1光透射率的多個區(qū)域、和具有比第1光透射率低的第2光透射率的多個區(qū)域。編碼元件104將入射的光的強(qiáng)度根據(jù)位置進(jìn)行調(diào)制而使其透射。將由編碼元件104進(jìn)行的該過程稱作“編碼”。圖2A是表示編碼元件104的光透射率的2維分布的一例的圖。在圖2A中，黑色部分表示幾乎不使光透射的區(qū)域(稱作“遮光區(qū)域”)，白色部分表示使光透射的區(qū)域(稱作“透光區(qū)域”)。在該例中，透光區(qū)域的光透射率大約是100％，遮光區(qū)域的光透射率大約是0％。編碼元件104被劃分為多個矩形區(qū)域，各矩形區(qū)域是透光區(qū)域或遮光區(qū)域。編碼元件104中的透光區(qū)域及遮光區(qū)域的2維分布例如可以是隨機(jī)分布或準(zhǔn)隨機(jī)分布。隨機(jī)分布及準(zhǔn)隨機(jī)分布的考慮方式如下。首先，編碼元件104的各矩形區(qū)域根據(jù)光透射率，可看作具有例如1或0的值的向量要素。換言之，將排列為一列的矩形區(qū)域的集合看作具有1或0的值的多維的向量。因而，編碼元件104在行方向上具備多個多維向量。此時，所謂隨機(jī)分布，是指任意的2個多維向量獨(dú)立(不平行)。此外，所謂準(zhǔn)隨機(jī)分布，是指包括在 一部分多維向量間不獨(dú)立的結(jié)構(gòu)。由編碼元件104進(jìn)行的編碼過程可以說是進(jìn)行用于將由后續(xù)的分光元件105分光后的各波長的光所形成的圖像進(jìn)行區(qū)別的標(biāo)記的過程。只要能夠進(jìn)行這樣的標(biāo)記，透射率的分布可以任意地設(shè)定。在圖2A所示的例子中，黑色部分的數(shù)量與白色部分的數(shù)量的比率是1：1，但并不限定于這樣的比率。例如，也可以是白色部分的數(shù)量：黑色部分的數(shù)量＝1：9那樣的向一方有偏倚的分布。在圖1中示意地表示的編碼元件104具有比遮光區(qū)域多(寬)的透光區(qū)域。圖2B是表示編碼元件104的光透射率的2維分布的另一例的圖。如圖2B所示，編碼元件104也可以是具有灰階的透射率分布的掩碼。所謂灰階的透射率分布，是指包括具有透射率大于0％且小于100％的中間的透射率的區(qū)域的分布。這樣的編碼元件104具有有與第1及第2光透射率不同的光透射率的多個矩形區(qū)域。關(guān)于編碼元件104的透射率分布的信息，根據(jù)設(shè)計數(shù)據(jù)或?qū)崪y校準(zhǔn)而事前取得，用于后述的信號處理。再次參照圖1。本實(shí)施方式的分光元件105是使入射的光束根據(jù)波長而分散的元件。分光元件105通過由兩種材料形成的棱鏡的組合構(gòu)成。兩種材料選自對特定波長的光的折射率大致一致、關(guān)于該波長的光的阿貝數(shù)不同的材料、例如關(guān)于該波長的光的阿貝數(shù)背離的材料。特定波長例如可以設(shè)定為希望的分光波長范圍內(nèi)的代表性的波長(主波長)。主波長例如可以是測定對象的波長范圍中的中心波長或重視的波長。這里所謂阿貝數(shù)“背離”，是指兩種材料的阿貝數(shù)之差是10以上。兩種材料的阿貝數(shù)之差既可以是15以上，也可以是20以上。所謂兩種材料的折射率大致一致，是指兩者的折射率之差是0.05以下。所謂兩種材料的折射率大致一致，也可以是指兩者的折射率之差是0.02以下。本說明書中的阿貝數(shù)并不限于關(guān)于通常使用的夫瑯和費(fèi)線的波長的阿貝數(shù)，也可以對任意的波長定義。在本申請中，可以對滿足λa<λb<λc的任意的波長λa，λb，λc，如以下的(數(shù)式1)那樣定義阿貝數(shù)νb。[數(shù)式1]vb=nb-1na-nc]]>這里，na，nb，nc分別表示波長λa，λb，λc下的折射率。λa及λc也可以是任意的波長，例如可以選擇與使用波帶的起始端或末端較近的波長。通過在分光元件105中使光線入射的面與光線射出的面大致平行，能夠抑制彗形像差的發(fā)生。這里，所謂“大致平行”，并不限于嚴(yán)格平行的情況，也包括兩個面所成的角度是3°以下的情況。該角度也可以設(shè)定為1°以下，也可以設(shè)定為0.5°以下。通過使用如圖1所示的分光元件105，能夠得到能降低所生成的每個波帶的圖像的分辨率的劣化的效果。另外，分光元件105并不一定需要是上述那樣的將兩種材料接合的結(jié)構(gòu)。例如，也可以由通常的棱鏡或衍射光學(xué)元件構(gòu)成。由編碼元件104編碼的光被中繼光學(xué)系統(tǒng)103聚光并向分光元件105入射。分光元件105進(jìn)行分光，以使形成在攝像元件106的攝像面上的光的像根據(jù)波長向相當(dāng)于圖像的垂直方向的方向(圖1所示的縱向)偏移。其偏移的程度(也有稱作“分光量”的情況)由構(gòu)成分光元件105的材料的折射率、阿貝數(shù)、接合面的傾斜角、以及分光元件105與攝像元件106之間的距離決定。在分光元件105是衍射光學(xué)元件的情況下，通過改變衍射柵格的間距能夠調(diào)整分光量。在本實(shí)施方式中，分光元件105向相當(dāng)于圖像的垂直方向的方向分光，但也可以向水平方向或其以外的方向分光。由分光元件105帶來的在攝像元件106的攝像面上的像的移位量，可以基于設(shè)計規(guī)格通過運(yùn)算、或通過實(shí)測校準(zhǔn)而事前計算出。由分光元件105帶來的分光移位不是計測對象的每個波帶的離散性的移位，而是連續(xù)性的移位。另一方面，在信號處理電路112中，如后述那樣，按規(guī)定寬度的每個波帶重構(gòu)分光分離圖像。因此，嚴(yán)格地講，即使在重構(gòu)的每個圖像的波帶內(nèi)，各波長的圖像在攝像元件106上也移位。為了使分光分離圖像的重構(gòu)的精度提高，也可以將波帶內(nèi)的圖像的移位進(jìn)行修正。該修正可以通過計算機(jī)運(yùn)算進(jìn)行，但如果還考慮光學(xué)系統(tǒng)的像差及安裝誤差的影響，則也可以通過實(shí)測校準(zhǔn)來進(jìn)行。例如可以通過作為被攝體而將白板設(shè)置在規(guī)定的位置，經(jīng)由希望的波帶的帶通濾波器在攝像元件106上形成編碼元件104的像來進(jìn)行校準(zhǔn)。也可以按每個波帶更換帶通濾波器來取得希望的全部波帶的數(shù)據(jù)，但也可以選擇一些波帶進(jìn)行測定，關(guān)于其以外的波帶通過測定出的數(shù)據(jù)的插補(bǔ)來計算。通過該方法，能夠計算出由分光元件105帶來的 分光移位量，并且還能夠取得每個波帶的編碼元件104的透射率信息。基于這里計算出的校準(zhǔn)的數(shù)據(jù)，決定后述的(數(shù)式2)中的矩陣H的要素。在攝像元件106的成像面上，具有基于編碼元件104的編碼信息的分離后的多個像作為相互重疊的多重像而按每個波長在垂直方向上偏移地被成像。攝像元件106拍攝該多重像。此時，通過進(jìn)行高速的時間分解攝像，按對象物101的每個距離范圍取得多個圖像。以下，說明攝像元件106的結(jié)構(gòu)及動作。攝像元件106具有在攝像面上2維排列的多個光檢測單元(在本說明書中也稱作“像素”)。各光檢測單元具有多個電荷蓄積部(例如漂移擴(kuò)散層)。圖3是表示攝像元件106的1個像素201的概略性的結(jié)構(gòu)例的圖。另外，圖3示意地表示1個像素201的結(jié)構(gòu)，并不一定反映實(shí)際的構(gòu)造。像素201具有進(jìn)行光電變換的光電變換部(光電二極管)203、蓄積信號電荷的4個漂移擴(kuò)散層(FloatingDifusion：FD)204～207、和將信號電荷排出的信號電荷排出部(漏極)202。通過1次的脈沖光的射出而入射到各像素中的光子被光電二極管203變換為信號電子(信號電荷)。變換后的信號電子按照從控制電路108輸入的控制信號被排出至漏極202，或被分配至漂移擴(kuò)散層204～207的某個。從光源107的脈沖光的射出、向第1漂移擴(kuò)散層(FD1)204、第2漂移擴(kuò)散層(FD2)205、第3漂移擴(kuò)散層(FD3)206及第4漂移擴(kuò)散層(FD4)207的信號電荷的蓄積、和向漏極202的信號電荷的排出以該順序反復(fù)進(jìn)行。該反復(fù)動作是高速的，例如在運(yùn)動圖像的1幀的時間(例如約1/30秒)內(nèi)可以反復(fù)幾萬次到幾億次。攝像元件106最終生成基于蓄積在4個漂移擴(kuò)散層204～207中的信號電荷的4個圖像信號并輸出。圖4是表示該動作的流程的流程圖?？刂齐娐?08首先在第1時間中使光源107射出包含多個波長的成分的脈沖光(步驟S101)。在接著的第2時間中，使攝像元件106的第1漂移擴(kuò)散層204蓄積基于從對象物101的第1部分入射的光的信號電荷(步驟S102)。在接著的第3時間中，使攝像元件106的第2漂移擴(kuò)散層205蓄積基于從對象物101的第2部分入射的光的信號電荷(步驟S103)。以后，同樣使第3漂移擴(kuò)散層206及第4 漂移擴(kuò)散層207依次蓄積信號電荷(步驟S104及S105)。接著，控制電路108判斷執(zhí)行了上述信號蓄積的循環(huán)的次數(shù)是否達(dá)到了規(guī)定的次數(shù)(步驟S107)。在該判定為“否”的情況下，重復(fù)步驟S101～S107，直到判定為“是”。如果在步驟S107中判定為“是”，則控制電路108使攝像元件106生成基于蓄積在各漂移擴(kuò)散層中的信號電荷的圖像信號并輸出(步驟S108)。以下，參照圖5，說明光源107的脈沖光的發(fā)光定時、由檢測對象的氣體分子產(chǎn)生的拉曼散射光到達(dá)攝像元件106的定時和攝像元件106的各漂移擴(kuò)散層中的受光定時的關(guān)系。圖5是表示發(fā)光脈沖、來自對象物101的各距離范圍的部分的反射光、指示向漂移擴(kuò)散層(FD1～FD4)204～207各自的信號電荷的蓄積的控制信號(稱作“信號蓄積脈沖”)、和指示向漏極202的信號電荷的排出的控制信號(稱作“漏極排出脈沖”)的時間圖。在本實(shí)施方式中，使測定距離范圍為最大9m(往復(fù)18m)，每隔2m地設(shè)定4個距離范圍。由于光速是秒速30萬km，所以光在最大距離9m間往復(fù)所需要的時間是60ns。如果將發(fā)光脈沖寬度設(shè)定為5ns，則1循環(huán)所需要的時間是從9m的距離的位置反射來的發(fā)光脈沖的后端的光成分到達(dá)攝像元件106的攝像面的時間即65ns。在本實(shí)施方式中，為了將來自比最大距離范圍更遠(yuǎn)的拉曼散射光的影響除去，將邊際(margin)期間取富余而設(shè)定為35ns，將1循環(huán)的合計時間設(shè)為100ns。因而，發(fā)光脈沖的反復(fù)循環(huán)的頻率是其倒數(shù)10MHz。從紫外線激勵光照射氣體分子起到產(chǎn)生拉曼散射光的延遲時間通常是皮秒(ps)的量級，是在本實(shí)施方式的測定距離范圍中幾乎不能忽視的量級。由此，該延遲時間的說明省略，但如果需要，則只要考慮拉曼散射所需要的時間來設(shè)定攝像元件106的受光定時就可以。發(fā)光波長、發(fā)光脈沖定時及攝像元件106的驅(qū)動定時根據(jù)距離范圍、對象氣體、受光元件的靈敏度而適當(dāng)設(shè)定為最優(yōu)的值。在本實(shí)施方式中使用的數(shù)值是例示，絕不限制權(quán)利要求的范圍。作為10MHz、5ns寬度的脈沖光的紫外激勵光向?qū)ο罂臻g的一氧化碳CO、硫化氫H2S、氨NH3等氣體照射。結(jié)果，產(chǎn)生與氣體分子對應(yīng)的波長 的拉曼散射光。與在本實(shí)施方式中使用的355nm及266nm的各個激勵光對應(yīng)的拉曼散射光的波長如表1所示。光源107根據(jù)從控制電路108輸入的控制信號而射出發(fā)光脈沖。在圖5的例子中，以0ns的定時發(fā)光，以5ns的定時消光。此時，為了將由在測定對象范圍外的不到1m的近距離中產(chǎn)生的無用的拉曼散射帶來的信號電荷除去，將漏極排出脈沖設(shè)定為ON。在此期間中，將由光電二極管203產(chǎn)生的無用的信號電荷從漏極202排出。包含多個波長的成分的拉曼散射光如圖5所示，與距離對應(yīng)地延遲而到達(dá)攝像元件106。該拉曼散射光成像為被編碼及在垂直方向上分光后的多重像，由光電二極管203變換為信號電荷。來自不到1m的近距離的無用的拉曼散射光的成分和距離1m～3m的拉曼散射光的成分原理上包含與相當(dāng)于發(fā)光脈沖寬度5ns的時間相應(yīng)的串?dāng)_。因此，在本實(shí)施方式中，從串?dāng)_成為中央值的定時開始受光。具體而言，從自反射光(1m～3m)的成分開始到達(dá)攝像元件106的攝像面的定時6.67ns起加上發(fā)光脈沖寬度的一半2.5ns而得到的9.17ns的定時開始受光。控制電路108以圖5所示的9.17ns的定時將漏極排出脈沖設(shè)為OFF，同時將向第1漂移擴(kuò)散層(FD1)204的信號蓄積脈沖設(shè)為ON。并且，在反射光(1m～3m)的成分衰減而成為50％的光量的22.50ns的定時，將向第1漂移擴(kuò)散層204的信號蓄積脈沖設(shè)為OFF。由此，向第1漂移擴(kuò)散層204傳送及蓄積信號電荷。同樣，控制電路108將向第2～第4漂移擴(kuò)散層(FD2～FD4)205～207的信號蓄積脈沖以圖5所示的定時依次設(shè)為ON。由此，向第1～第4漂移擴(kuò)散層205～207依次傳送及蓄積包含發(fā)光脈沖寬度5ns量的串?dāng)_的被時間分解的信號電荷?？刂齐娐?08在將向第4漂移擴(kuò)散層207的信號蓄積脈沖設(shè)為OFF的62.5ns的定時，將漏極排出脈沖設(shè)為ON。由此，將由在測定距離范圍外的遠(yuǎn)方發(fā)生的拉曼散射帶來的無用的信號電荷從漏極202排出。通過將以上的一系列的動作以10MHz的頻率反復(fù)進(jìn)行幾萬次到根據(jù)需要反復(fù)進(jìn)行幾億次，蓄積攝像元件106的1幀的信號電荷。反復(fù)次數(shù)根據(jù)光源107的發(fā)光強(qiáng)度和攝像元件106的靈敏度調(diào)整。由于拉曼散射光是微弱的，所以通過將與該激光激勵光的高速同步攝像反復(fù)進(jìn)行對應(yīng)的次數(shù)， 能夠補(bǔ)償靈敏度的不足。另外，在本實(shí)施方式中，將多個漂移擴(kuò)散層的時間分解數(shù)設(shè)為4，但時間分解數(shù)根據(jù)目的也可以設(shè)計為4以外的數(shù)。接著，參照圖6說明攝像元件106中的信號蓄積后的信號的讀出動作。圖6是表示攝像元件106的整體結(jié)構(gòu)的一例的圖。在圖6中，由雙點(diǎn)劃線的框包圍的區(qū)域相當(dāng)于1個像素201。像素201包括4個漂移擴(kuò)散層204～207。向4個漂移擴(kuò)散層204～207蓄積的信號如通常的CMOS圖像傳感器的4像素的信號那樣被處理，并從攝像元件106輸出。各像素201具有4個信號檢測電路。各信號檢測電路包括源極跟隨晶體管(放大晶體管)309、FD信號讀出晶體管(行選擇晶體管)308和復(fù)位晶體管310。在該例中，復(fù)位晶體管310對應(yīng)于圖3所示的漏極202，向復(fù)位晶體管310的柵極輸入的脈沖對應(yīng)于上述漏極排出脈沖。各晶體管例如是形成在半導(dǎo)體基板上的電場效應(yīng)晶體管，但并不限定于此。如圖示那樣，源極跟隨晶體管309的輸入端子及輸出端子中的一方(典型地是源極)與FD信號讀出晶體管308的輸入端子及輸出端子中的一方(典型地是漏極)連接。源極跟隨晶體管309的控制端子(柵極)連接在光電二極管203。由光電二極管203生成的信號電荷(空穴或電子)蓄積在作為光電二極管203與源極跟隨晶體管309之間的電荷蓄積節(jié)點(diǎn)的漂移擴(kuò)散層203～207。雖然在圖6中沒有表示，但4個漂移擴(kuò)散層204～207連接在光電二極管203，在光電二極管203與各漂移擴(kuò)散層之間設(shè)有開關(guān)。該開關(guān)根據(jù)來自控制電路108的信號蓄積脈沖，切換光電二極管203與漂移擴(kuò)散層203～207各自之間的導(dǎo)通狀態(tài)。由此，控制向漂移擴(kuò)散層203～207各自的信號的蓄積的開始和停止。通過上述反復(fù)動作蓄積在漂移擴(kuò)散層204～207中的信號電荷通過由行選擇電路302將FD信號讀出晶體管308的柵極設(shè)為ON而被讀出。此時，根據(jù)漂移擴(kuò)散層204～207的信號電位，從源極跟隨器電源305向源極跟隨晶體管309及源極跟隨器負(fù)載306流入的電流被放大。從垂直信號線304讀出的該電流的模擬信號被與每列連接的模擬－數(shù)字(AD)變換電路307變換為數(shù)字信號數(shù)據(jù)。該數(shù)字信號數(shù)據(jù)被列選擇電路303按每個列讀出，并由攝像元件106輸出。行選擇電路302及列選擇電路303在進(jìn)行1個行 的讀出后，進(jìn)行下一行的讀出，以下同樣，讀出全部行的漂移擴(kuò)散層的信號電荷的信息?？刂齐娐?08在將全部的信號電荷讀出后將復(fù)位晶體管310的柵極設(shè)為導(dǎo)通，從而將全部的漂移擴(kuò)散層復(fù)位。由此，1個幀的攝像完成。以下同樣，通過反復(fù)進(jìn)行幀的高速攝像，由攝像元件106進(jìn)行的一系列的幀的攝像完結(jié)。在本實(shí)施方式中，說明了CMOS型的攝像元件106的例子，但攝像元件也可以是CCD型，也可以是單光子計數(shù)型元件，也可以是放大型圖像傳感器(EMCCD、ICCD)。接著，說明將從攝像元件106輸出的被時間分解的4個圖像分別按每個波長成分分離的處理(分光分離處理)。該處理由圖1所示的信號處理電路112中的第1信號處理部109進(jìn)行。圖7是表示該分光分離處理的形象的概念圖。在圖7中，為了傳達(dá)形象而使用蘋果的圖像，但這是用來說明多重像的方便性的圖。第1信號處理部109將按每個波長在垂直方向上偏移地重疊的多重像按照以下的次序分離為每個波長的多個圖像。該圖像的分離對基于蓄積在漂移擴(kuò)散層204～207中的信號電荷的4個圖像分別進(jìn)行。更具體地講，對于4個圖像，分別將各波長成分的像的垂直方向的地址的偏移修正，根據(jù)波長生成沒有重疊的地址一致的w個圖像F1～Fw。這里生成的圖像的數(shù)量w可以是2以上的任意的數(shù)。例如可以是4以上且100以下的數(shù)。想要求出的數(shù)據(jù)是分光分離圖像F1～Fw，將該數(shù)據(jù)表示為f。由于分光波帶數(shù)(波段數(shù))是w，所以f是將各波帶的圖像數(shù)據(jù)f1，f2，…，fw合并的數(shù)據(jù)。如果設(shè)要求出的圖像數(shù)據(jù)的x方向的像素數(shù)為n，設(shè)y方向的像素數(shù)為m，則圖像數(shù)據(jù)f1，f2，…，fw分別是n×m像素的2維數(shù)據(jù)的集合。因而，數(shù)據(jù)f是要素數(shù)n×m×w的3維數(shù)據(jù)。如果分光元件P按要求出的每個分光波帶使分光圖像在y方向上各移位1像素，則取得的攝影圖像G的數(shù)據(jù)g的要素數(shù)是n×(m+w－1)。本實(shí)施方式的數(shù)據(jù)g可以用以下的(數(shù)式2)表示。[數(shù)式2]g=Hf=Hf1f2...fw]]>這里，由于f1，f2，…，fw是具有n×m個要素的數(shù)據(jù)，所以右邊的向量嚴(yán)格地講是n×m×w行1列的1維向量。向量g變換為n×(m+w－1)行1列的1維向量而被表示及計算出。矩陣H表示將向量f通過編碼進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制，將各成分f1，f2，…，fw在y方向上各移位1像素、并將它們相加的變換。因而，H是n(m+w－1)行n×m×w列的矩陣。這里，由于設(shè)想了各波帶的圖像各移位1像素，所以使g的要素數(shù)為n×(m+w－1)，但并不需要一定使各圖像各移位1像素。移位的像素數(shù)也可以是2像素或其以上。移位的像素數(shù)依賴于怎樣設(shè)計被重構(gòu)的分光分離圖像F的分光波帶/分光波帶數(shù)。g的要素數(shù)根據(jù)移位的像素數(shù)而變化。此外，分光方向也并不限定于y方向，也可以在x方向上移位。如果一般化，則在設(shè)ky，kx為任意的自然數(shù)、使像在y方向上各移位ky像素、在x方向上各移位kx像素的情況下，數(shù)據(jù)g的要素數(shù)為{n+kx·(w－1)}×{m+ky·(w－1)}。另外，只要給出向量g和矩陣H，就應(yīng)該可以通過解(數(shù)式2)的反問題來計算f。但是，由于求出的數(shù)據(jù)f的要素數(shù)n×m×w比取得數(shù)據(jù)g的要素數(shù)n(m+w－1)多，所以該問題為不適定問題，在此狀態(tài)下不能解開。所以，本實(shí)施方式的信號處理電路112可以利用數(shù)據(jù)f中包含的圖像的冗余性，使用壓縮傳感的方法求解。具體而言，通過解以下的(數(shù)式3)的式子，推測求出的數(shù)據(jù)f。[數(shù)式3]f′=argminf{||g-Hf||l2+τΦ(f)}]]>這里，f’表示推測出的f的數(shù)據(jù)。上式的括弧內(nèi)的第1項(xiàng)表示推測結(jié)果Hf與取得數(shù)據(jù)g的偏移量、所謂的殘差項(xiàng)。這里將平方和作為殘差項(xiàng)，但也可以將絕對值或平方和的平方根等作為殘差項(xiàng)。括弧內(nèi)的第2項(xiàng)是后述的正規(guī)化項(xiàng)(或穩(wěn)定化項(xiàng))。(數(shù)式3)意味著求出使第1項(xiàng)與第2項(xiàng)之和最小的f。信號處理電路112通過遞歸性的反復(fù)運(yùn)算使解收斂，能夠計算出最終的解f’。(數(shù)式3)的括弧內(nèi)的第1項(xiàng)意味著求出取得數(shù)據(jù)g與將推測過程的f通過矩陣H而系統(tǒng)變換后的Hf的差量的平方和的運(yùn)算。第2項(xiàng)的Φ(f)是f的正規(guī)化的制約條件，是反映推測數(shù)據(jù)的稀疏信息的函數(shù)。作為作用，有使推測數(shù)據(jù)變得平滑或穩(wěn)定的效果。正規(guī)化項(xiàng)例如可以通過f的離散余弦變換(DCT)、小波變換、傅立葉變換或總變差(TV)等表示。例如，在使用總變差的情況下，能夠取得抑制了觀測數(shù)據(jù)g的噪聲的影響的穩(wěn)定的推測數(shù)據(jù)。各個正規(guī)化項(xiàng)的空間中的測定對象物的稀疏性根據(jù)測定對象物的紋理(texture)而不同。也可以選擇測定對象物的紋理在正規(guī)化項(xiàng)的空間中更稀疏的正規(guī)化項(xiàng)?；蛘咭部梢栽谶\(yùn)算中包含多個正規(guī)化項(xiàng)。Τ是權(quán)重系數(shù)，該值越大，冗余性的數(shù)據(jù)的削減量越多(壓縮的比例變高)，該值越小則向解的收斂性越弱。權(quán)重系數(shù)τ被設(shè)定為f某種程度收斂并且不為過壓縮的適當(dāng)?shù)闹怠Ａ硗?，這里表示了使用(數(shù)式3)所示的壓縮傳感的運(yùn)算例，但也可以使用其他方法來解。例如可以使用最優(yōu)推測法及貝葉斯推測法等其他統(tǒng)計方法。此外，分光分離圖像F1～Fw的數(shù)量是任意的，各波帶也可以任意地設(shè)定。接著，說明由圖1所示的第2信號處理部110進(jìn)行的3D圖像生成處理。圖8是表示由第2信號處理部110進(jìn)行的3D圖像生成處理的概要的圖。通過上述時間分解攝像，能夠得到每個距離范圍的4張2維(2D)圖像FD1(1m～3m)，F(xiàn)D2(3m～5m)，F(xiàn)D3(5m～7m)，F(xiàn)D4(7m～9m)。第2信號處理部110使空間高頻強(qiáng)調(diào)濾波器適當(dāng)作用于這些2D圖像中的各圖像間的相同像素地址的等級變化。由此，將因脈沖光源107的發(fā)光脈沖時間具有有限的長度(例如5ns)而發(fā)生的串?dāng)_的影響、即相同地址的像素值的變化變小的影響進(jìn)行修正。接著，基于由第1信號處理部109生成的每個波帶的多個圖像，識別出氣體的種類。例如在使用355nm及266nm的2波長的激勵光檢測3種氣體(CO，NH3，H2S)的情況下，根據(jù)上述表1，只要著眼于282.1nm，285.9nm，289.2nm，384.3nm，391.3nm，402.7nm的各波長的成分就可以。在第1信號處理部109按每個這些波長的成分生成分光分離圖像的情況下，通過檢測強(qiáng)度為峰值的波長，能夠識別出氣體的種類，能夠根據(jù)該峰值波長的光 的強(qiáng)度等級來檢測濃度。由于本實(shí)施方式的攝像對象空間是光透射體，所以FD1～FD4的4張圖像數(shù)據(jù)的XY坐標(biāo)(像素地址)直接表示從攝像裝置(照相機(jī))的位置起的橫向及縱向上的相對于正面方向的角度。另一方面，F(xiàn)D1至FD4直接對應(yīng)于距攝像裝置的距離范圍。因此，通過對FD1～FD4的各圖像實(shí)施簡單的地址變換，能夠計算出XYZ的3維坐標(biāo)。由此，能夠得到希望的氣體的3D空間濃度分布圖像。(實(shí)施方式2)接著，說明本申請的實(shí)施方式2。本實(shí)施方式的攝像裝置與實(shí)施方式1同樣，以氣體的種類和濃度的檢測為目的，能夠?qū)怏w的濃度的空間分布進(jìn)行3D圖像化。與實(shí)施方式1的不同點(diǎn)在于以下的點(diǎn)：如圖9所示，將編碼元件及分光元件一體化而得到的編碼分光元件901被配置在時間分解攝像元件106的緊前，隨之刪除中繼光學(xué)系統(tǒng)。以下，以與實(shí)施方式1的不同點(diǎn)為中心，參照圖9、圖10說明本實(shí)施方式。由于拉曼散射光入射到激勵光截止濾波器111中為止的動作與實(shí)施方式1完全相同，所以省略說明。圖10是示意地表示編碼分光元件901的結(jié)構(gòu)的圖。如圖10的(a)所示，編碼分光元件901具有2維排列的多個區(qū)域。各區(qū)域由透光性的部件形成，具有單獨(dú)設(shè)定的分光透射率。這里，所謂“分光透射率”，是指光透射率的波長分布。對分光透射率而言，設(shè)入射光的波長為λ，用函數(shù)T(λ)表示。分光透射率T(λ)可以取0以上且1以下的值。在圖10的(a)中，例示了以6行8列排列的48個矩形區(qū)域，但在實(shí)際的用途中，可以設(shè)置遠(yuǎn)比這多的區(qū)域。其數(shù)量，例如可以是與攝像元件106的像素數(shù)(例如幾十萬到幾千萬)相同程度。在某個例子中，編碼分光元件901配置在攝像元件的正上方，各區(qū)域可以以與攝像元件的1個像素對應(yīng)(對置)的方式配置。圖10的(b)表示檢測對象的多個波帶W1，W2，…，Wi各自的光的透射率的空間分布的一例。在該圖中，各區(qū)域(單元)的濃淡的差異表示透射率的差異。越淡的區(qū)域透射率越高，越濃的區(qū)域透射率越低。如圖10(b)所示，光透射率的空間分布根據(jù)波帶而不同。圖10的(c1)、(c2)表示編碼分光元件901的2個區(qū)域A1、A2中的分光透射率的例。區(qū)域A1的分光透射率與區(qū)域A2的分光透射率不同。這樣，編碼分光元件901的分光透射率根據(jù)區(qū)域而不同。但是，并不需要一定是全部區(qū)域的分光透射率不同。只要編碼分光元件901的多個區(qū)域中的至少一部分(2個以上)區(qū)域的分光透射率相互不同就可以。在某個例子中，編碼分光元件901中包含的多個區(qū)域的分光透射率的模式(pattern)的數(shù)量可以與對象波帶中包含的波帶的數(shù)量i相同或是其以上。典型地，編碼分光元件901設(shè)計為，在半數(shù)以上的區(qū)域中分光透射率不同。圖11A是用來說明編碼分光元件901的某個區(qū)域的分光透射率的特性的圖。該例中的分光透射率關(guān)于對象波帶W內(nèi)的波長具有多個極大值P1～P5及多個極小值。在該例中，在波帶W2、Wi－1等中具有分光透射率的極大值。這樣，在本實(shí)施方式中，各區(qū)域的分光透射率在多個波帶W1～Wi中的多個(至少兩個)波帶中具有極大值。由于各區(qū)域的光透射率根據(jù)波長而不同，所以編碼分光元件901使入射的光中的某個波帶的成分較多地透射，使其他波帶的成分沒那么多地透射。例如，關(guān)于i個波帶中的k個(k是滿足2≤k<i的整數(shù))波帶的光，透射率大于0.5(50％)，關(guān)于其余的i－k個波帶的光，透射率可以小于0.5(50％)。假如在入射光是均等地包含全部的可見光的波長成分的白色光的情況下，編碼分光元件901將入射光按每個區(qū)域調(diào)制為關(guān)于波長具有離散性的多個強(qiáng)度的峰值的光，將這些多波長的光疊加而輸出。圖11B作為一例而表示將圖11A所示的分光透射率按每個波帶W1，W2，…，Wi平均化的結(jié)果的圖。平均化的透射率通過將分光透射率T(λ)按每個波帶進(jìn)行積分并除以該波帶的寬度(帶寬)而得到。在本說明書中，將這樣按每個波帶平均化的透射率的值稱作該波帶的透射率。在該例中，在取極大值P1，P3，P5的3個波帶中，透射率突出地高。特別是，在取極大值P3，P5的2個波帶中，透射率超過0.8(80％)。各區(qū)域的分光透射率的波長方向的分解度可以設(shè)定為希望的波帶的寬度(帶寬)左右。換言之，分光透射率曲線的包含1個極大值(峰值)的波長范圍中的、取與該極大值最接近的極小值和該極大值的平均值以上的值的范圍的寬度可以設(shè)定為希望的波帶的寬度(帶寬)左右。在此情況下， 如果將分光透射率使用傅立葉變換等分解為頻率成分，則相當(dāng)于該波帶的頻率成分的值相對地變大。編碼分光元件901典型地如圖10的(a)所示，被劃分為以柵格狀分區(qū)的多個區(qū)域(單元)。這些單元具有相互不同的分光透射率特性。編碼分光元件901的各區(qū)域的光透射率的波長分布及空間分布例如可以是上述隨機(jī)分布或準(zhǔn)隨機(jī)分布。在將編碼分光元件901配置在攝像元件106的附近或正上方的情況下，編碼分光元件901的多個區(qū)域的相互的間隔(單元間距)也可以與攝像元件106的像素間距大致一致。如果這樣，則從編碼分光元件901射出的被編碼的光的像的分辨率與像素的分辨率大致一致。通過透射了各單元的光僅向?qū)?yīng)的1個像素入射，能夠使后述的運(yùn)算變?nèi)菀?。在將編碼分光元件901遠(yuǎn)離攝像元件106而配置的情況下，也可以根據(jù)該距離而使單元間距變細(xì)。在圖10所示的例子中，設(shè)想了各區(qū)域的透射率可以取0以上且1以下的任意值的灰階的透射率分布。但是，并不需要一定設(shè)為灰階的透射率分布。例如也可以采用各區(qū)域的透射率可以取大致0或大致1的某個值的二值的透射率分布。在二值的透射率分布中，各區(qū)域使對象波帶中包含的多個波帶中的至少兩個波帶的光的大部分透射，不使其余的波帶的光的大部分透射(遮光)。這里所謂“大部分”，是指大約80％以上。也可以將全單元中的一部分(例如一半)單元替換為透明區(qū)域。這樣的透明區(qū)域使對象波帶中包含的全部的波帶W1～Wi的光以同程度的高透射率(例如0.8以上)透射。在這樣的結(jié)構(gòu)中，多個透明區(qū)域例如可以配置為棋盤格狀。即，在編碼分光元件901的多個區(qū)域的2個排列方向(圖10的(a)中的橫向及縱向)上，光透射率根據(jù)波長而不同的區(qū)域和透明區(qū)域可以交替地排列。編碼分光元件901可以使用多層膜、有機(jī)材料、衍射柵格構(gòu)造、含有金屬的微細(xì)構(gòu)造中的至少1種而構(gòu)成。在使用多層膜的情況下，例如可以使用包含電介體多層膜或金屬層的多層膜。在此情況下形成為，按每個單元，各多層膜的厚度、材料及層疊順序的至少1個不同。由此，能夠?qū)崿F(xiàn)根據(jù)單元而不同的分光特性。通過使用多層膜，能夠?qū)崿F(xiàn)分光透射率的尖 銳的上升及下降。使用有機(jī)材料的結(jié)構(gòu)可以通過根據(jù)單元而使含有的顏料或染料不同、或使不同種類的材料層疊來實(shí)現(xiàn)。使用衍射柵格構(gòu)造的結(jié)構(gòu)可以通過設(shè)置按每個單元而不同的衍射間距或深度的衍射構(gòu)造來實(shí)現(xiàn)。在使用含有金屬的微細(xì)構(gòu)造的情況下，可以利用基于等離激元效應(yīng)的分光來制作。根據(jù)本實(shí)施方式，在攝像元件106的成像面上，按每個波帶而具有不同的編碼信息的像被成像為相互重疊的多重像。與實(shí)施方式1不同，由于不使用棱鏡等分光元件，所以不發(fā)生像的空間方向的移位。因此，即使是多重像，也能夠?qū)⒖臻g分辨率維持得較高。由攝像元件106進(jìn)行的時間分解攝像的動作與實(shí)施方式1完全相同，所以省略說明。此外，關(guān)于信號處理，也除了取得沒有發(fā)生空間性偏移的分光多重像以外，與實(shí)施方式1沒有差異。除了進(jìn)行垂直方向的地址修正的處理以外，能夠用與實(shí)施方式1同樣的處理生成分光分離圖像及3D圖像。因此，省略關(guān)于信號處理的說明。本實(shí)施方式通過使用編碼分光元件，能夠?qū)⒅欣^光學(xué)系統(tǒng)省略。因此，與實(shí)施方式1的結(jié)構(gòu)相比，能夠用小型的設(shè)備實(shí)現(xiàn)同等的功能。(實(shí)施方式3)實(shí)施方式3的攝像裝置將生物體等光散射體作為檢測對象物。能夠確定應(yīng)檢測的分子，將其濃度分布重構(gòu)為3D圖像。本實(shí)施方式的攝像裝置檢測腦內(nèi)的血液的氧合血紅蛋白及脫氧血紅蛋白的濃度分布和其時間變化。對于生物體，也可以使用被水分和血紅蛋白這兩者都比較難以吸收的稱作生物窗的700nm～900nm的近紅外光。因此，在本實(shí)施方式中也主要使用該波帶的近紅外光。圖12是表示本實(shí)施方式的攝像裝置的概略性的結(jié)構(gòu)的圖。攝像裝置具備近紅外激光脈沖光源1104、編碼分光元件1107、攝像元件1106、控制電路1108和信號處理電路1112。近紅外激光脈沖光源1104將具有700nm～900nm的較寬的分光特性的近紅外線朝向作為檢測對象的腦組織1103照射。該照射按照來自控制電路1108的控制信號，以短脈沖反復(fù)進(jìn)行。在本實(shí)施方式中，為了減少由頭部表面1101上的反射造成的損失、將 近紅外光高效地向腦內(nèi)引導(dǎo)，使光源1104密接于頭部表面1101而使用。此外，也可以使用凝膠片或乳劑等使反射減少。在圖12所示的例子中，以將來自表皮的泄漏光截止的目的而使用遮光板1105。被照射的短脈沖的紅外光線的一部分透射頭蓋骨1102，在腦組織1103內(nèi)反復(fù)吸收及彈性散射，一邊衰減一邊傳播。其一部分再次透射頭蓋骨1102，透射頭部表面1101，經(jīng)由編碼分光元件1107到達(dá)攝像元件1106的受光面而進(jìn)行光電變換。另外，在圖12中，為了簡單而描繪了一組光源1104、編碼分光元件1107及攝像元件1106，但實(shí)際上可以作為包括多組光源1104、編碼分光元件1107及攝像元件1106的系統(tǒng)實(shí)施。多組光源1104、編碼分光元件1107及攝像元件1106例如可以二維地以均等的間隔(例如3cm)配置多組。在使用多組光源1104及攝像元件1106的情況下，為了抑制光源間的串?dāng)_，只要進(jìn)行激光的高速分時照射等應(yīng)對就可以。以下，對使用一組光源1104及攝像元件1106的例子說明詳細(xì)情況。編碼分光元件1107可以利用與實(shí)施方式2的編碼分光元件相同的元件。因此，省略編碼分光元件1107的詳細(xì)的說明。在本實(shí)施方式中，與實(shí)施方式1及實(shí)施方式2不同，從光源1104射出的光的波長分布較寬。進(jìn)而，由于沒有成像光學(xué)系統(tǒng)，所以將編碼分光元件1107設(shè)置在攝像元件1106的緊前。在攝像元件1106的受光面，按每個波帶具有不同編碼信息的像被成像為相互重疊的多重像。在本實(shí)施方式中，由于沒有使用棱鏡等分光元件，所以不發(fā)生像的空間方向的移位。因此，即使是多重像，也能夠?qū)⒖臻g分辨率維持得較高。圖13是表示本實(shí)施方式的攝像元件1106的像素結(jié)構(gòu)的概略的圖。本實(shí)施方式的攝像元件1106與實(shí)施方式1的攝像元件相比，具有較多的漂移擴(kuò)散層，更高速地動作。以下，說明攝像元件1106的結(jié)構(gòu)及動作。在像素1201內(nèi)配置有光電變換部(光電二極管)1203。光電二極管1203將入射的光子變換為信號電子。變換后的信號電子按照從控制電路1108輸入的控制信號被排出至信號電荷排出部(漏極)1202，或被高速地分配至蓄積信號電荷的8個漂移擴(kuò)散層(FD1～FD8)1204～1211中的某一個。在本實(shí)施方式中，由于對象物是光散射體，所以通過攝像元件1106的時間分解功能根據(jù)到達(dá)時間來分配，由此按在頭部內(nèi)散射的光的每個光路長分配光。圖14是表示本實(shí)施方式的發(fā)光脈沖、每個距離范圍的擴(kuò)散光、向8個漂移擴(kuò)散層的信號蓄積脈沖和向漏極1202的排出脈沖的定時的圖。在本實(shí)施方式中，作為一例，將最大光路長設(shè)定為99cm(真空中的換算值)。由于光速是秒速30萬km，所以光在99cm的距離中傳播所需要的時間是3300皮秒(ps)。如果將發(fā)光脈沖寬度設(shè)定為200ps，則1循環(huán)中需要的時間是發(fā)光脈沖的后端的光成分到達(dá)攝像元件1106的受光面的定時，所以是圖14所示的3500ps。在本實(shí)施方式中，為了將光路長比最大光路長99cm長的光的影響除去，將邊際期間設(shè)定為6500ps，將1循環(huán)的合計時間設(shè)為10ns。因而，發(fā)光脈沖的反復(fù)循環(huán)的頻率是其倒數(shù)100MHz。在使用多個光源的情況下，只要控制各光源以使其在該邊際期間中發(fā)光就可以。在使用許多光源的情況下，只要根據(jù)需要而調(diào)整邊際期間或每1個光源的發(fā)光頻率就可以。上述的發(fā)光脈沖的定時及攝像元件的驅(qū)動定時是一例，并不限定于該例。這些數(shù)值只要根據(jù)生物體內(nèi)的光路長、對象分子、受光元件的靈敏度而適當(dāng)設(shè)定為最優(yōu)的值就可以。以下，說明圖14所示的動作的詳細(xì)情況。按照從控制電路1108輸入的控制信號，光源1104在圖14所示的0ns的定時發(fā)光，在200ps的定時消光。此時，為了將與從頭部的外部回繞的泄漏光及測定對象范圍外的光路長3cm以下的光對應(yīng)的信號電荷排除，將漏極排出脈沖設(shè)定為ON。在此期間中，將由光電二極管1203產(chǎn)生的無用的信號電荷從漏極1202排出。被照射的近紅外光如圖14所示，根據(jù)各光路長而延遲，并作為被編碼及分光的多重像而成像在攝像元件1106。該多重像被光電二極管1203變換為信號電荷。不到3cm的光路長的光的成分和光路長3cm～15cm的光的成分在原理上包含與發(fā)光脈沖寬度200ps對應(yīng)的時間的串?dāng)_。因此，在本實(shí)施方式中，從串?dāng)_成為中央值的定時開始受光。具體而言，從自擴(kuò)散光(光路長3cm～15cm)的光的成分開始到達(dá)攝像元件1106的成像面的定時100ps起加上發(fā) 光脈沖寬度200ps的一半100ps后的200ps開始受光?？刂齐娐?108在圖14所示的200ps的定時將漏極排出脈沖設(shè)為OFF，同時將向第1漂移擴(kuò)散層(FD1)1204的信號蓄積脈沖設(shè)為ON。并且，在擴(kuò)散光(光路長3cm～12cm)的光的成分衰減而成為50％的光量的600ps的定時，將向第1漂移擴(kuò)散層1204的信號蓄積脈沖設(shè)為OFF。由此，向第1漂移擴(kuò)散層1204轉(zhuǎn)送及蓄積信號電荷。同樣，控制電路1108將向第2～第8漂移擴(kuò)散層(FD2～FD8)1205～1211的信號蓄積脈沖在圖14所示的定時依次設(shè)為ON。由此，向第1～第8漂移擴(kuò)散層1204～1211依次轉(zhuǎn)送及蓄積包含發(fā)光脈沖寬度200ps量的串?dāng)_的被時間分解的信號電荷?？刂齐娐?108在將向第8漂移擴(kuò)散層1211的信號蓄積脈沖設(shè)為OFF的3400ps的定時，將漏極排出脈沖設(shè)為ON。由此，將由比測定光路長長的99cm以上的光路長的波段來的無用的信號電荷從漏極1202排出。通過將以上的一系列的動作以100MHz的頻率反復(fù)進(jìn)行幾十萬次、根據(jù)需要反復(fù)進(jìn)行幾兆次，將攝像元件1106的1幀的信號電荷蓄積。反復(fù)次數(shù)根據(jù)光源1104的發(fā)光強(qiáng)度和攝像元件1106的靈敏度來調(diào)整。由于從腦內(nèi)返回來的近紅外擴(kuò)散光是極微弱的光，所以通過將與激光發(fā)光的高速同步攝像反復(fù)進(jìn)行相應(yīng)的次數(shù)，能夠補(bǔ)償靈敏度的不足。另外，在本實(shí)施方式中，將多個漂移擴(kuò)散層的時間分解數(shù)設(shè)為8，但時間分解數(shù)也可以根據(jù)目的而設(shè)計為8以外的數(shù)。圖15是表示本實(shí)施方式的攝像元件1106的整體結(jié)構(gòu)的一例的圖。在圖15中，由雙點(diǎn)劃線的框包圍的區(qū)域相當(dāng)于1個像素1201。像素1201包括8個漂移擴(kuò)散層1204～1211。蓄積到8個漂移擴(kuò)散層1204～1211中的信號如通常的CMOS圖像傳感器的8像素的信號那樣被處理，并由攝像元件1106輸出。關(guān)于由該攝像元件1106進(jìn)行的時間分解攝像后的信號的讀出的動作，除了漂移擴(kuò)散層的數(shù)量較多這一點(diǎn)以外，與實(shí)施方式1是同樣的，所以省略說明。接著，說明信號處理電路1112的動作。首先，對在本實(shí)施方式中使用的波帶進(jìn)行說明。圖16A是表示氧合血紅蛋白、脫氧血紅蛋白及水的吸收系數(shù)的波長依 賴性的曲線圖。圖16B是表示生物體組織中的光的散射系數(shù)的波長依賴性的曲線圖。圖中的被兩條虛線夾著的波帶(700nm～900nm)被稱作生物窗，具有生物體內(nèi)的分子的吸收率較低的特征。以100MHz、200ps寬度的脈沖照射的700nm～900nm的具有較寬的分光特性的近紅外光在頭部內(nèi)部散射擴(kuò)散。此時，根據(jù)圖16A所示的生物體內(nèi)的氧合血紅蛋白及脫氧血紅蛋白的吸收系數(shù)，光按每個波長被吸收。沒有被吸收而傳播的光的一部分到達(dá)攝像元件1106的受光面而被受光。在波長700nm～800nm下，脫氧血紅蛋白的吸收系數(shù)比氧合血紅蛋白的吸收系數(shù)高，在800nm～900nm下，該關(guān)系相反。因此，在腦內(nèi)散射光中，作為分光特性信息而包含這些分子的濃度信息。在本實(shí)施方式中，按每波帶寬10nm設(shè)定20波段的分光分離數(shù)。另外，分光分離數(shù)并不限定于該例，只要根據(jù)使用的應(yīng)用的要求而適當(dāng)設(shè)定就可以。信號處理電路1112的第1信號處理部1109將從攝像元件1106輸出的時間分解后的8個圖像各自的多波長的分光多重像按每個波帶分離。關(guān)于該方法，與實(shí)施方式1、2是同樣的，所以這里省略說明。接著，第2信號處理部1110進(jìn)行用來重構(gòu)3D圖像的信號處理。圖17是表示該信號處理的流程的流程圖。通過上述時間分解攝像，從攝像元件1106輸出與FD1(3cm～15cm)，F(xiàn)D2(15cm～27cm)，F(xiàn)D3(27cm～39cm)，F(xiàn)D4(39cm～51cm)，F(xiàn)D5(51cm～63cm)，F(xiàn)D6(63cm～75cm)，F(xiàn)D7(75cm～87cm)，F(xiàn)D8(87cm～99cm)對應(yīng)的8張2D圖像(步驟S301)。通過由第1信號處理部1109進(jìn)行分光分離的處理，按每個光路長生成例如20波段的分光圖像(步驟S302)。即，每1個攝像元件1106從1幀的攝像測定結(jié)果生成8光路長20波段分光的共計160張2D圖像。接著，第2信號處理部1110使高頻強(qiáng)調(diào)濾波器適當(dāng)作用于各光路長的圖像間的同一像素地址的等級變化。由此，將由于近紅外激光脈沖光源1107的發(fā)光脈沖時間具有有限的長度(例如200ps)而發(fā)生的串?dāng)_的影響、即同一像素地址的像素值的變化變小的影響進(jìn)行修正。第2信號處理部1110將該修正后的結(jié)果作為攝像測定結(jié)果，進(jìn)行與后述的模擬結(jié)果的比較。圖18是表示到達(dá)1個像素的光量的時間變化的一例的圖。如圖示那樣，對應(yīng)于來自光源1107的光路長，光連續(xù)地到達(dá)1個像素。按每個光路長 (FD1～FD8)檢測其積分值。因此，在各像素的信號中，在原理上包含串?dāng)_的成分。在步驟S303中，進(jìn)行用來減小該串?dāng)_的影響的處理。接著，說明圖17所示的模擬的流程。在生物體組織內(nèi)，近紅外光較強(qiáng)地散射，吸收比較弱。因此，已知在生物體組織內(nèi)發(fā)生的光學(xué)現(xiàn)象可以近似為光擴(kuò)散現(xiàn)象。如果生物體組織的厚度超過幾mm則散射模式也成為各向同性，光能量向所有的方向擴(kuò)散性地傳播。散射的強(qiáng)度用散射系數(shù)表示，吸收的強(qiáng)度用吸收系數(shù)表示。這些系數(shù)的倒數(shù)表示距離。在記述生物體內(nèi)的光傳播時最常用的是光擴(kuò)散方程式。圖17所示的3D圖像重構(gòu)算法首先假定生物體內(nèi)的氧合血紅蛋白及脫氧血紅蛋白等的分子密度分布(步驟S401)。接著，計算光學(xué)特性值(吸收系數(shù)及散射系數(shù))的分布(步驟S402)。接著，使用生物體內(nèi)的光傳播模型進(jìn)行將光的傳播在數(shù)值上解開的正問題解析(步驟S403)。進(jìn)而，在與攝像條件相同的條件下計算各光路長及各波長的圖像信號的成分(步驟S404)。將其結(jié)果與在攝像測定中得到的結(jié)果比較(步驟S405)。如果全部一致，則認(rèn)為假定的分子密度分布正確，判斷為重構(gòu)了3D圖像。如果不一致，則判斷為假定的分子密度錯誤，將分子密度分布重新假定，再次執(zhí)行步驟S401～S405的處理。第2信號處理部1110反復(fù)進(jìn)行該操作，直到在步驟S405中兩者一致(反問題)。以上的處理與在通常的光擴(kuò)散層析X射線照相中進(jìn)行的處理是同樣的。第2信號處理部1110基于得到的結(jié)果和圖16A所示的氧合血紅蛋白及脫氧血紅蛋白的吸收光譜的信息，生成表示血液狀態(tài)的圖像并輸出。此外，能夠詳細(xì)地模擬圖16B所示的每個波長的散射系數(shù)的差異，通過利用該結(jié)果，解反問題的精度提高。本實(shí)施方式通過使用寬帶光源的分光壓縮傳感，能夠得到例如20波段的分光圖像。進(jìn)而，通過時間分解攝像元件1106，能夠得到具有充分的空間采樣點(diǎn)數(shù)(像素數(shù))的圖像(幀)。結(jié)果，能夠同時滿足希望的3D重構(gòu)圖像的高分辨率化和測定時間的縮短化。(實(shí)施方式4)實(shí)施方式4的攝像裝置與實(shí)施方式3同樣，以生物體等光散射體為對 象，能夠?qū)?yīng)觀測的分子的確定和其濃度分布重構(gòu)為3D圖像。圖19是表示本實(shí)施方式的攝像裝置的概略性的結(jié)構(gòu)的圖。攝像裝置具備：射出包含相互不同的波長的脈沖光的第1近紅外激光脈沖光源1904、第2近紅外激光脈沖光源1905、第3近紅外激光脈沖光源1906及第4近紅外激光脈沖光源1907、編碼分光元件1910、攝像元件1909、包括延遲調(diào)整電路1915的控制電路1911、以及包括第1信號處理部1912及第2信號處理部1913的信號處理電路1914。實(shí)施方式4的攝像裝置在具備多個光源這一點(diǎn)、以及控制電路包括延遲調(diào)整電路這一點(diǎn)上，與實(shí)施方式3的攝像裝置不同。在本實(shí)施方式中，表示了光源是4個的例子，但光源的數(shù)量并不限定于4。以下，以與實(shí)施方式3的攝像裝置的動作的差異為主體進(jìn)行說明。第1近紅外激光脈沖光源1904、第2近紅外激光脈沖光源1905、第3近紅外激光脈沖光源1906及第4近紅外激光脈沖光源1907分別將波長750nm的脈沖光、波長800nm的脈沖光、波長850nm的脈沖光及波長900nm的脈沖光朝向作為檢測對象的腦組織1903照射。該照射按照來自控制電路1911的控制信號以短脈沖反復(fù)進(jìn)行。各脈沖光的腦組織1903內(nèi)的擴(kuò)散系數(shù)及散射系數(shù)因波長不同而相互不同。為了消除該差異，控制電路1911內(nèi)的延遲調(diào)整電路1915進(jìn)行第1近紅外激光脈沖光源1904、第2近紅外激光脈沖光源1905、第3近紅外激光脈沖光源1906及第4近紅外激光脈沖光源1907的發(fā)光的定時的微小的調(diào)整。在本實(shí)施方式中，為了減少由頭部表面1901上的反射造成的損失、將近紅外光高效地向腦內(nèi)導(dǎo)引，使第1近紅外激光脈沖光源1904、第2近紅外激光脈沖光源1905、第3近紅外激光脈沖光源1906及第4近紅外激光脈沖光源1907密接于頭部表面1901而使用。此外，也可以使用凝膠片或乳劑等減少反射。在圖19所示的例子中，以將來自表皮的泄漏光截止的目的而使用遮光板1908。被照射的短脈沖的紅外光線的一部分透射頭蓋骨1902，在腦組織1903內(nèi)反復(fù)吸收及彈性散射，一邊衰減一邊傳播。其一部分再次透射頭蓋骨1902，透射頭部表面1901，經(jīng)由編碼分光元件1910到達(dá)攝像元件1909的 受光面，被進(jìn)行光電變換。關(guān)于攝像元件1909的層結(jié)構(gòu)及時間分解功能，與實(shí)施方式3的攝像元件1106是同樣的，所以省略說明。接著，說明信號處理電路1914的動作。首先，對在本實(shí)施方式中使用的波帶進(jìn)行說明。圖16A是表示氧合血紅蛋白、脫氧血紅蛋白及水的吸收系數(shù)的波長依賴性的曲線圖。圖16B是表示生物體組織中的光的散射系數(shù)的波長依賴性的曲線圖。以100MHz、200ps寬度的脈沖照射的具有750nm、800nm、850nm及900nm的波長的近紅外光在頭部內(nèi)部散射擴(kuò)散。此時，根據(jù)圖16A所示的生物體內(nèi)的氧合血紅蛋白及脫氧血紅蛋白的吸收系數(shù)，光按每個波長被吸收。沒有被吸收而傳播的光的一部分到達(dá)攝像元件1909的受光面而被受光。在波長700nm～800nm下，脫氧血紅蛋白的吸收系數(shù)比氧合血紅蛋白的吸收系數(shù)高，在800nm～900nm下，該關(guān)系相反。因此，在腦內(nèi)散射光中，作為分光特性信息而包含這些分子的濃度信息。在本實(shí)施方式中，設(shè)定750nm、800nm、850nm及900nm這4波段的分光分離數(shù)。另外，分光分離數(shù)并不限定于該例，只要根據(jù)使用的應(yīng)用的要求適當(dāng)設(shè)定就可以。第2信號處理部1913進(jìn)行用來重構(gòu)3D圖像的信號處理。圖17是表示該信號處理的流程的流程圖。通過時間分解攝像，從攝像元件1909輸出與FD1(3cm～15cm)，F(xiàn)D2(15cm～27cm)，F(xiàn)D3(27cm～39cm)，F(xiàn)D4(39cm～51cm)，F(xiàn)D5(51cm～63cm)，F(xiàn)D6(63cm～75cm)，F(xiàn)D7(75cm～87cm)，F(xiàn)D8(87cm～99cm)對應(yīng)的8張2D圖像(步驟S301)。通過由第1信號處理部1912進(jìn)行分光分離的處理，按每個光路長生成4波段的分光圖像(步驟S302)。即，每1個攝像元件1909從1幀的攝像測定結(jié)果生成8光路長4波段分光的共計32張2D圖像。接著，第2信號處理部1913使高頻強(qiáng)調(diào)濾波器適當(dāng)作用于各光路長的圖像間的相同像素地址的等級變化。由此，將因各近紅外激光脈沖光源的發(fā)光脈沖時間具有有限的長度而發(fā)生的串?dāng)_的影響進(jìn)行修正。第2信號處理部1913將該修正后的結(jié)果作為攝像測定結(jié)果，進(jìn)行與后述的模擬結(jié)果的比較。接著，說明圖17所示的模擬的流程。在圖17所示的3D圖像重構(gòu)算法中，首先，假定生物體內(nèi)的氧合血紅蛋白及脫氧血紅蛋白等的分子密度分布(步驟S401)。接著，計算作為光學(xué)特性值的吸收系數(shù)及散射系數(shù)的分布(步驟S402)。接著，使用生物體內(nèi)的光傳播模型進(jìn)行將光的傳播在數(shù)值上解開的正問題解析(步驟S403)。進(jìn)而，在與攝像條件相同的條件下計算各光路長及各波長的圖像信號的成分(步驟S404)。將其結(jié)果與通過攝像測定而得到的結(jié)果進(jìn)行比較(步驟S405)。如果全部一致，則認(rèn)為假定的分子密度分布正確，判斷為重構(gòu)了3D圖像。如果不一致，則判斷為假定的分子密度錯誤，重新假定分子密度分布，再次執(zhí)行步驟S401～S405的處理。第2信號處理部1913反復(fù)進(jìn)行該操作，直到在步驟S405中兩者一致。以上的處理與在通常的光擴(kuò)散層析X射線照相中進(jìn)行的處理同樣。第2信號處理部1913基于得到的結(jié)果、和圖16A所示的氧合血紅蛋白及脫氧血紅蛋白的吸收光譜的信息，生成表示血液狀態(tài)的圖像并輸出。本實(shí)施方式通過分光壓縮傳感，能夠得到4波段的分光圖像。進(jìn)而，通過攝像元件1909，能夠得到具有充分的空間采樣點(diǎn)數(shù)的圖像。結(jié)果，能夠同時滿足希望的3D重構(gòu)圖像的高分辨率化和測定時間的縮短化。如以上這樣，根據(jù)本申請的實(shí)施方式，能夠?qū)崿F(xiàn)滿足高時間分解、高分辨率、多波長這3個要求的攝像裝置。在攝影對象是光透射空間的情況下，進(jìn)行將對象物按每個距離分離而攝像的范圍選通(rangegate)攝像，能夠得到與相對于距攝像裝置的距離的范圍相應(yīng)的每個波長的2D圖像。此外，根據(jù)由各氣體分子所特有的拉曼散射帶來的光的波長移位或由熒光帶來的光的波長移位，檢測氣體分子的種類和濃度。通過按每多個距離范圍同時進(jìn)行范圍選通攝像，能夠用一臺攝像裝置實(shí)現(xiàn)確定泄漏氣體的種類、并且非接觸地檢測氣體的濃度的3維分布的功能。此外，在對象物是光散射體的情況下，還通過進(jìn)行皮秒量級的高時間分解攝像，能夠得到按散射體內(nèi)的每個光路長及每個波帶分離的2D圖像?；谶@些2D圖像、和散射體內(nèi)的分子的特有的吸收分光、散射分光或熒光分光等的特性，能夠檢測散射體內(nèi)的分子的種類和濃度。進(jìn)而，能夠根據(jù)每個光路長的多個2D圖像，通過運(yùn)算重構(gòu)檢測對象的散射體內(nèi)的3D分布圖像。具有以下優(yōu)點(diǎn)：通過使用多個波帶的圖像信息，基于每個波帶的散 射體內(nèi)的散射系數(shù)的差異，能夠期待所生成的3D圖像的分辨率的進(jìn)一步提高。當(dāng)前第1頁1 2 3