JP2016150081A - 光学ユニット、測定システムおよび測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】コヒーレント光を用いたスペックル撮像において、必要なスペックル径を維持しつつ対象領域を自由に設定する測定システムを提供する。
【解決手段】スペックル撮像の対象領域に、対象領域内で少なくとも１つの方向に均質に配置された明領域および暗領域を含むパターンに従って入射するようにコヒーレント光を照射する光学ユニットが提供される。対象領域に、対象領域内で少なくとも１つの方向に均質に配置された明領域および暗領域を含むパターンに従って入射するようにコヒーレント光を照射する光学ユニットと、対象領域におけるコヒーレント光の反射光を受光する受光ユニット１３０と、反射光に含まれるスペックルを撮像する撮像ユニットとを備える測定システム。
【選択図】図５

Description

本開示は、光学ユニット、測定システムおよび測定方法に関する。

レーザーなどのコヒーレント光を生体の表皮などに向けて照射すると、拡散反射された光が互いに干渉しあうことによってスペックルと呼ばれる粒状の像が形成される。このスペックルを撮像すること（スペックル撮像）によって、例えば生体の表皮の状態、より具体的には表皮下の血流を測定する技術が知られている。特許文献１には、２組の光電センサからの電気信号を測定領域のスペックル時系列データとしてサンプリングし、これらの時系列データの相互相関およびクロススペクトルの位相に基づいて二次元血流速度および血流方向を測定する技術が記載されている。

特開平１０−２９０７９１号公報

上記のようなスペックル撮像を利用した測定では、解析にあたってスペックル像が十分な粒径（スペックル径）を有していることが望ましい。また、対象領域におけるスペックル像の変位や振動を検出する場合、スペックル撮像の対象領域が十分な大きさを有していることが望ましい。

しかしながら、対象領域を拡大すると、より広い領域で拡散反射された光によってスペックル像が形成されることになるため、スペックル径は小さくなってしまう。逆に、スペックル径を大きくするためには、スペックル撮像の対象領域を小さくする必要が生じる。つまり、例えば特許文献１に記載したような技術において、スペックル径の維持とスペックル撮像の対象領域の拡大とを両立させることは難しい。

そこで、本開示では、コヒーレント光を用いたスペックル撮像において、必要なスペックル径を維持しつつ対象領域を自由に設定することを可能にする、新規かつ改良された光学ユニット、測定システムおよび測定方法を提案する。

本開示によれば、スペックル撮像の対象領域に、上記対象領域内で少なくとも１つの方向に均質に配置された明領域および暗領域を含むパターンに従って入射するようにコヒーレント光を照射する光学ユニットが提供される。

また、本開示によれば、対象領域に、上記対象領域内で少なくとも１つの方向に均質に配置された明領域および暗領域を含むパターンに従って入射するようにコヒーレント光を照射する光学ユニットと、上記対象領域における上記コヒーレント光の反射光を受光する受光ユニットと、上記反射光に含まれるスペックルを撮像する撮像ユニットとを備える測定システムが提供される。

また、本開示によれば、対象領域に、上記対象領域内で少なくとも１つの方向に均質に配置された明領域および暗領域を含むパターンに従って入射するようにコヒーレント光を照射することと、上記対象領域における上記コヒーレント光の反射光を受光することと、上記反射光に含まれるスペックルを撮像することとを含む測定方法が提供される。

以上説明したように本開示によれば、コヒーレント光を用いたスペックル撮像において、必要なスペックル径を維持しつつ対象領域を自由に設定することができる。

なお、上記の効果は必ずしも限定的なものではなく、上記の効果とともに、または上記の効果に代えて、本明細書に示されたいずれかの効果、または本明細書から把握され得る他の効果が奏されてもよい。

本開示の一実施形態に係る測定システムの概略的な構成を示す図である。 光源から照射されるコヒーレント光とスペックル像との関係を概念的に示す図である。 図２に示された例において対象領域を拡大した場合を示す図である。 図２に示された例において対象領域を縮小した場合を示す図である。 本開示の一実施形態においてスペックル撮像の対象領域にパターンに従ってコヒーレント光を入射させるための構成の例を概念的に示す図である。 図５に示された例において観察されるスペックル像を概念的に示す図である。 スペックル撮像の対象領域を縮小した場合についてさらに説明するための図である。 本開示の一実施形態においてスポット状の明領域を有するパターンに従ってコヒーレント光を入射させる場合の効果について説明するための図である。 本開示の一実施形態において採用されうるその他のパターンの第１の例について説明するための図である。 本開示の一実施形態において採用されうるその他のパターンの第２の例について説明するための図である。 本開示の一実施形態において採用されうるその他のパターンの第３の例について説明するための図である。 本開示の実施形態における情報処理装置のハードウェア構成例を示すブロック図である。

以下に添付図面を参照しながら、本開示の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

なお、説明は以下の順序で行うものとする。
１．システム構成
２．対象領域のサイズとスペックル径との関係
３．スリット状の明領域を有するパターンの例
４．スポット状の明領域を有するパターンの例
５．その他のパターンの例
６．ハードウェア構成
７．補足

（１．システム構成）
図１は、本開示の一実施形態に係る測定システムの概略的な構成を示す図である。図１を参照すると、測定システム１００は、光源１１０と、フィルタ１２０と、受光ユニット１３０と、撮像ユニット１４０と、解析ユニット１５０と、出力ユニット１６０とを含む。測定システム１００では、例えば、光源１１０から照射されたコヒーレント光が被験者（ユーザ）ＳＵＢの表皮で拡散反射することによって形成されるスペックル像を撮像ユニット１４０が撮像するスペックル撮像と、スペックル撮像によって得られた画像を解析ユニット１５０が画像解析することによって生体の表皮の状態などを検出する解析処理とが実施される。

光源１１０は、被験者ＳＵＢの表皮上の対象領域Ｒにコヒーレント光を照射する。コヒーレント光は、生体の表皮などの粗面で反射することによってスペックル像を形成させるのに適した、位相の揃った光である。より具体的には、コヒーレント光はレーザー光でありえ、光源１１０はレーザー光源装置でありうる。なお、本実施形態において、コヒーレント光は、解析に必要な粒度のスペックル像が形成可能な程度にコヒーレントであればよいため、光源１１０が照射するコヒーレント光はレーザー光には限られない。後述するように、照射されるコヒーレント光は、対象領域Ｒに、対象領域Ｒ内で少なくとも１つの方向に均質に配置された明領域および暗領域を含むパターンに従って入射する。

フィルタ１２０は、光源１１０から対象領域Ｒに向けて照射されるコヒーレント光を、所定の遮光パターンに従って遮光する。図示された例では、このようなフィルタ１２０の作用によって、コヒーレント光が所定のパターンに従って対象領域Ｒに入射することになる。フィルタ１２０には、例えばフォトリソグラフィなどによって固定された遮光パターンが形成されていてもよい。あるいは、フィルタ１２０は液晶素子を含み、液晶素子がコヒーレント光に対する透過率を部分的に変化させることによって遮光パターンが形成されてもよい。この場合、フィルタ１２０では、遮光パターンを動的に変更することが可能である。遮光パターンは、例えば被験者ＳＵＢの生体としての個人差に応じて変更されうる。なお、遮光パターンの具体的な例については後述する。

受光ユニット１３０は、光源１１０からフィルタ１２０を経て照射されたコヒーレント光の、対象領域Ｒにおける反射光を受光する。コヒーレント光は被験者ＳＵＢの表皮上の対象領域Ｒにおいて拡散反射されるため、反射光ではスペックル像が形成されている。受光ユニット１３０には、反射光を受光して撮像ユニット１４０に導光する、例えばレンズなどの各種の光学部材が含まれる。

撮像ユニット１４０は、撮像素子を含み、受光ユニット１３０によって受光された反射光において形成されたスペックル像を撮像することによって画像データを生成する。上記の通り測定システム１００ではスペックル撮像によって得られた画像の解析が実施されるため、撮像ユニット１４０はスペックル撮像に最適化されていてもよい。例えば、撮像ユニット１４０は、所定の時間間隔で連続して反射光のスペックル撮像を実施し、生成された時系列の画像を順次解析ユニット１５０に提供してもよい。

解析ユニット１５０は、撮像ユニット１４０が反射光をスペックル撮像することによって得られた画像を解析する。例えば、解析ユニット１５０は、時系列の画像の間でのスペックル像の変位から、対象領域Ｒの表皮下の血流速度を算出してもよい。また、例えば、解析ユニット１５０は、対象領域Ｒにおけるスペックル像の振動から、被験者ＳＵＢの発声を検出してもよい。なお、解析ユニット１５０による解析対象は上記の例には限られず、スペックルを含む画像の解析によって検出可能なあらゆる対象を含みうる。解析ユニット１５０は、例えば、プログラムに従って動作する各種のプロセッサ、より具体的にはＣＰＵ（Central Processing Unit）を含むコンピュータなどの情報処理装置によって実現される。なお、情報処理装置のハードウェア構成の例については、本明細書の末尾にて具体的に説明する。

出力ユニット１６０は、解析ユニット１５０によって実施された解析の結果を、画像として表示するディスプレイなどの出力装置を含む。解析の結果は、画像において、例えばグラフや数値、テキストなど各種の形式で表現されうる。また、出力ユニット１６０は、ディスプレイとともに、またはこれに代えて、解析の結果を音声出力するスピーカや、解析の結果を振動パターンによって出力するバイブレータなどを含んでもよい。

以上で説明したような測定システム１００は、例えば、ユーザの身体に装着されるウェアラブルデバイスにおいて実装されてもよい。なお、図１では測定システム１００の各構成要素の形状が示されているが、この形状は各構成要素の機能を理解しやすくするための模式的なものであり、実装にあたって各構成要素の形状は図示されたものとは異なり得る。例えば、測定システム１００がウェアラブルデバイスにおいて実装される場合、光源１１０、フィルタ１２０、受光ユニット１３０、撮像ユニット１４０、解析ユニット１５０、および出力ユニット１６０は、いずれもコンパクトな形状を有し、ウェアラブルデバイスの筐体内に集積される。

上記のように測定システム１００が実装されるウェアラブルデバイスの具体的な例は、ユーザの手首部分に装着されるリストウェアや、ユーザの首部分に装着されるネックウェア（またはペンダント）などを含む。例えば、リストウェアでは、測定システム１００によって手首部分の血管の血流速度を測定することが可能でありうる。この場合、スペックル撮像の対象領域Ｒは、手首部分の血管に対応する表皮上の領域を含む。また、例えば、ネックウェアでは、測定システム１００によって喉元部分の皮膚の振動からユーザの発声を検出することが可能でありうる。この場合、スペックル撮像の対象領域Ｒは、ユーザの発声によって指導する表皮上の領域を含む。

また、別の例として、測定システム１００は、ユーザの身体に装着されるウェアラブルデバイスと、ウェアラブルデバイスと通信する他のデバイスとに分散して実装されてもよい。この場合、例えば、光源１１０、フィルタ１２０、受光ユニット１３０、および撮像ユニット１４０がウェアラブルデバイスにおいて実装され、解析ユニット１５０および出力ユニット１６０が他のデバイスにおいて実装されうる。他のデバイスは、例えば、ユーザが携帯するスマートフォンやタブレットなどのモバイルデバイスであってもよいし、パーソナルコンピュータなどの固定デバイスであってもよい。また、他のデバイスは、例えば解析ユニット１５０が実装されるネットワーク上のサーバと、サーバから解析結果を受信してユーザに出力するモバイルデバイスまたは固定デバイスとを含んでもよい。

さらに別の例として、測定システム１００は、固定設置されるデバイスにおいて実装されてもよい。このようなデバイスにおいて、例えば、光源１１０、フィルタ１２０、および受光ユニット１３０は、所定の位置に配置されたユーザの身体の部分（例えば手首など）にコヒーレント光を照射し、反射光を受光するように配置される。上記のウェアラブルデバイスの例とは異なり、ユーザは、必要に応じてデバイスを取り出して（またはデバイスのところに移動して）測定を実施する。なお、測定システム１００が固定設置されるデバイスにおいて実装される場合も、例えば解析ユニット１５０および出力ユニット１６０が他の構成要素とは別の装置において実装されてもよい。

また、上記で説明された測定システム１００において、光源１１０とフィルタ１２０とは、統合された光学ユニットとして扱われてもよいし、それぞれが別個の光学ユニットとして扱われてもよい。例えば、フィルタ１２０は、必要とされるコヒーレント光のパターンに応じて適宜交換可能な、独立した部材でありうる。

また、測定システム１００は、必ずしもフィルタ１２０を含まなくてもよい。例えば、光源１１０が、コヒーレント光を所定のパターンに従って照射することが可能である場合、フィルタ１２０は必ずしも設けられなくてもよい。より具体的には、例えば、後述する例のように、パターンが散開したスポット状の明領域を含む場合、光源１１０は、それぞれのスポットに対応する点光源の集合体によって実装されてもよい。光源１１０がコヒーレント光を所定のパターンに従って照射し、フィルタ１２０が設けられない場合、フィルタ１２０を通過する際に生じるコヒーレント光の回折をなくすことができる。また、フィルタ１２０が設けられる場合であっても、光源１１０から照射されるコヒーレント光のパターンを遮光パターンに対応させることによって、フィルタ１２０を通過する際のコヒーレント光の回折を抑制できる。また、別の例として、光源１１０は、レンズなどの光学素子を含み、照射後に変形または干渉することによって対象領域に所定のパターンに従って入射するようにコヒーレント光を照射することが可能であってもよい。

このように、本実施形態では、光源１１０およびフィルタ１２０、または光源１１０もしくはフィルタ１２０のいずれか一方が、スペックル撮像の対象領域に、所定のパターンに従って入射するようにコヒーレント光を照射する光学ユニットとして機能しうる。なお、所定のパターンに含まれる明領域と暗領域とは、例えば後述するフィルタ１２０の遮光パターンにおける遮光部分および透過部分のように明確に区分されていてもよい。あるいは、明領域と暗領域との間では、段階的にコヒーレント光の強さが変化していてもよい。

（２．対象領域のサイズとスペックル径との関係）
以下では、図２〜図４を参照して、上述した測定システム１００で実施されるスペックル撮像の対象領域Ｒのサイズと、対象領域Ｒに照射されたコヒーレント光によって形成されるスペックル像の粒径（スペックル径）との関係について説明する。なお、図２〜図４を参照した説明では、測定システム１００に含まれるフィルタ１２０によるコヒーレント光の遮光については考慮せず、光源１１０によって対象領域Ｒの全体に一様なコヒーレント光が照射されるものとする。

図２は、光源から照射されるコヒーレント光とスペックル像との関係を概念的に示す図である。既に説明したように、測定システム１００では、光源１１０から照射されたコヒーレント光が、被験者ＳＵＢの表皮で拡散反射され、その反射光を受光ユニット１３０が受光することによって、スペックル像が観察される。なお、以下の説明では、測定システム１００における被験者ＳＵＢの表皮を、一般化して粗面Ｓとして説明する。また、フィルタ１２０がない場合に光源１１０からの光が照射される粗面Ｓ上の領域を、スペックル撮像の対象領域Ｒとする。

図３は、図２に示された例において対象領域を拡大した場合を示す図である。図３に示された例では、光源１１０ｗによって、図２に示した対象領域Ｒよりも広い、粗面Ｓ上の対象領域Ｒｗにコヒーレント光が照射される。この場合、受光ユニット１３０ｗでは、図２に示した例よりも大きなサイズのスペックル像が観察される。

図４は、図２に示された例において対象領域を縮小した場合を示す図である。図４に示された例では、光源１１０ｎによって、図２に示した対象領域Ｒよりも狭い、粗面Ｓ上の対象領域Ｒｎにコヒーレント光が照射される。この場合、受光ユニット１３０ｎでは、図２に示した例よりも小さなサイズのスペックル像が観察される。

ここで、例えば、受光ユニット１３０によって受光された反射光を撮像する撮像ユニット１４０によって時系列で撮像されたスペックル像の変位や振動を検出しようとする場合、スペックル像の共通部分のマッチングが必要になる。このようなマッチングを確実に実行できるようにするためには、図３に示した例のように対象領域を拡大し、スペックル像に大きな変位や振動が発生した場合でも、変位や移動の前後で共通するスペックル像の領域が対象領域に含まれるようにすることが考えられる。なお、このような変位や振動は、粗面Ｓの状態が変化することによってスペックル像自体に動きが生じることによっても発生するし、粗面Ｓ自体が動いた場合や、測定システム１００が動いた場合にも発生しうる。

しかしながら、光源１１０ｗによってより広い対象領域Ｒｗにコヒーレント光を照射する場合、より多くの光が拡散反射されて互いに干渉しあうことになるため、例えば図３の例のように、形成されるスペックル像の粒径（スペックル径）が小さくなってしまう。スペックル径が小さいと、スペックル像のマッチングの精度が低下するため、例えば変位や振動の検出において、誤検出（ノイズ）が増加してしまう。

一方、図４に示した例のように対象領域を縮小した場合、拡散反射されて互いに干渉しあう光が少なくなるため、例えば図４の例のように、形成されるスペックル像の粒径（スペックル径）を大きく保つことができる。スペックル径が大きいと、スペックル像のマッチングの精度が向上するため、例えば変位や振動の検出において、誤検出（ノイズ）を低減させることができる。しかしながら、光源１１０ｎによってより狭い対象領域Ｒｎにコヒーレント光を照射する場合、例えば変位や振動の前後のスペックル像が共通部分を含まないものになる可能性が高くなる。

以上で説明したように、本実施形態に係る測定システム１００で、仮に光源１１０が対象領域Ｒの全体に一様なコヒーレント光を照射したとすると、スペックル径の維持と、スペックル撮像の対象領域の拡大とを両立させることが難しいという状況が生じる。

そこで、本実施形態に係る測定システム１００では、光源１１０から対象領域Ｒに照射されたコヒーレント光にフィルタ１２０によって所定の遮光パターンを適用することによって、必要なスペックル径を維持しつつ対象領域を拡大させることを可能にしている。以下では、それを可能にするためのフィルタ１２０、または遮光パターンそのものの構成について、さらに説明する。なお、パターンの適用は光源１１０自体の構成によって実現されてもよく、その場合フィルタ１２０は設けられなくてもよいことは、既に述べた通りである。

（３．スリット状の明領域を有するパターンの例）
図５は、本開示の一実施形態においてスペックル撮像の対象領域にパターンに従ってコヒーレント光を入射させるための構成の例を概念的に示す図である。図示された例では、測定システム１００において、フィルタ１２０が、光源１１０から粗面Ｓ上の対象領域Ｒに照射されるコヒーレント光を、十字型のスリット状の透過部分を有するパターンに従って遮光している。フィルタ１２０を通過したコヒーレント光は、対象領域Ｒ上で遮光パターンの透過部分に対応する略十字型のスリット状の明領域に入射して拡散反射され、その反射光を受光ユニット１３０が受光することによって、スペックル像が観察される。

図６は、図５に示された例において観察されるスペックル像を概念的に示す図である。図５に示された例において観察されるスペックル像は、例えば図６に示されるような略十字型の明領域において観察されうる。図示された例において、このスペックル像には、３種類のスペックル粒Ｇ１〜Ｇ３が含まれる。なお、スリットの方向とスペックル粒の形状との関係について説明するために、図中には左右方向のｘ軸と、上下方向のｙ軸とを示している。

図示された例において、スペックル粒Ｇ１は、十字型の中央の交差部分の明領域Ｒｃにおいて観察される。この領域におけるコヒーレント光の反射光は、ｘ軸方向およびｙ軸方向の四方に隣接する明領域に入射して拡散反射されたコヒーレント光と互いに干渉しあうため、スペックル粒Ｇ１の粒径（スペックル径）は、例えば対象領域Ｒの全体に一様なコヒーレント光を照射した場合と同程度まで小さくなる。

一方、図示された例において、スペックル粒Ｇ２は、十字型のｘ軸方向に延びた腕部分の明領域Ｒｈにおいて観察される。明領域Ｒｈにおけるコヒーレント光の反射光は、ｘ軸方向に隣接する明領域（明領域Ｒｈ、または明領域Ｒｃ）に入射して拡散反射されたコヒーレント光と互いに干渉しあう。その一方で、明領域Ｒｈにｙ軸方向で隣接する暗領域（つまり、図中で領域Ｒｈの上下に位置する暗領域）にはコヒーレント光が入射しない（または、明領域に比べて弱いコヒーレント光が入射する）ため、明領域Ｒｈにおけるコヒーレント光の反射光にこれらの暗領域で拡散反射されたコヒーレント光が干渉することはなく（または干渉が十分に小さく）、従って特にｙ軸方向について、スペックル粒Ｇ２の粒径（スペックル径）は大きく保たれる。

同様に、図示された例において、スペックル粒Ｇ３は、十字型のｙ軸方向に延びた腕部分の明領域Ｒｖにおいて観察される。明領域Ｒｖにおけるコヒーレント光の反射光は、ｙ軸方向に隣接する明領域（明領域Ｒｖ、または明領域Ｒｃ）で拡散反射されたコヒーレント光と互いに干渉しあう。その一方で、明領域Ｒｖにｘ軸方向で隣接する暗領域（つまり、図中で領域Ｒｖの左右に位置する暗領域）にはコヒーレント光が入射しない（または、明領域に比べて弱いコヒーレント光が入射する）ため、明領域Ｒｖにおけるコヒーレント光の反射光にこれらの暗領域で拡散反射されたコヒーレント光が干渉することはなく（または干渉が十分に小さく）、従って特にｘ軸方向について、スペックル粒Ｇ３の粒径（スペックル径）は大きく保たれる。

上記で図６に示した例において、明領域Ｒｈ，Ｒｖでは、少なくとも１つの方向についてスペックル径が大きく保たれるため、例えばスペックル像の変位や振動を精度よく検出することが可能である。さらに、明領域Ｒｈはｘ軸方向について対象領域Ｒのほぼ全体をカバーしており、同様に明領域Ｒｖはｙ軸方向について対象領域Ｒのほぼ全体をカバーしている。従って、対象領域Ｒのサイズを十分に大きくとれば、スペックル像のｘ軸方向への変位や振動については明領域Ｒｈ内のスペックル像のマッチングによって検出できる可能性が高く、スペックル像のｙ軸方向への変位や振動については明領域Ｒｖ内のスペックル像のマッチングによって検出できる可能性が高い。

結果として、図５および図６に示される例のようなパターンに従ってコヒーレント光が対象領域Ｒに入射する測定システム１００では、少なくとも１つの方向について必要なスペックル径を維持しつつ、スペックル撮像の対象領域の拡大が実現されているといえる。

（４．スポット状の明領域を有するパターンの例）
図７は、スポット状の明領域を有するパターンの例について説明するに先立ち、例えば図４に示された例のようにスペックル撮像の対象領域を縮小した場合に、スペックル像の変位または振動によってスペックル像のマッチングが困難になりうることについて、改めて説明するための図である。図７に示された例では、対象領域Ｒｎで観察されていたスペックル像ＳＰＣ１が、動きベクトルＭＶで示される変位によって対象領域Ｒｎから外れてしまう（観察されないスペックル像ＳＰＣ１’）。このような場合、対象領域Ｒｎで観察されるスペックル像には、変位の前後で共通部分が含まれず、マッチングによる変位の検出が困難になってしまう。かといって、対象領域Ｒｎを拡大するとスペックル径が小さくなり、例えば変位や振動の検出において、誤検出（ノイズ）が増加してしまうことは既に述べた通りである。

図８は、本開示の一実施形態においてスペックル撮像の対象領域にスポット状の明領域を有するパターンに従ってコヒーレント光を入射させる場合の効果について、図７に示された例と対比して説明するための図である。なお、図６の例と同様に、スポットの配置とスペックル粒の形状との関係について説明するために、図中には左右方向のｘ軸と、上下方向のｙ軸とを示している。

図示された例では、測定システム１００において、フィルタ１２０が、光源１１０から粗面Ｓ上の対象領域Ｒに照射されるコヒーレント光を、ｘ軸方向及びｙ軸方向にそれぞれ等間隔で配列された矩形スポット状の透過部分を有する遮光パターンに従って遮光している。なお、コヒーレント光に遮光パターンを適用するための構成については、上記で図５を参照して説明した例と同様であるため、重複した説明は省略する。これによって、図示された例では、フィルタ１２０を通過したコヒーレント光が、対象領域Ｒ上で遮光パターンの透過部分に対応するスポット状の明領域に入射して拡散反射され、その反射光を受光ユニット１３０が受講することによって、スペックル像が観察される。

ここで、図８に示された対象領域Ｒｗは、図７に示された対象領域Ｒよりも拡大された領域である。従って、例えば、対象領域Ｒｗで観察されていたスペックル像ＳＰＣ２が、図７に示されたものと同様の動きベクトルＭＶで示される変位によってスペックル像ＳＰＣ２’になった場合も、スペックル像ＳＰＣ２とスペックル像ＳＰＣ２’との間に重複領域ＯＬが生じ、この領域でスペックル像をマッチングすることによって、スペックル像の変位を検出することができる。

例えば図３に示された例のように単純に対象領域を拡大した場合とは異なり、図８に示された例では、対象領域を拡大しながらも、パターンを適用することによって対象領域Ｒｗに照射されるコヒーレント光の密度を制限し、拡散反射された光の干渉が過剰に発生することによってスペックル径が小さくなってしまうことが防止される。結果として、図８に示される例のようなパターンに従ってコヒーレント光が対象領域Ｒに入射する測定システム１００では、必要なスペックル径を維持しつつ、スペックル撮像の対象領域の拡大が実現されているといえる。

なお、上記の図７を参照した説明では、簡単のため、時系列で連続する画像の間でスペックル像の領域が全く重なり合わなくなる可能性がある例について説明したが、本実施形態が適用可能な例はこのような例には限られない。例えば、時系列で連続する画像の間でスペックル像の領域がある程度重なり合うような場合であっても、共通するスペックル像の部分を含む画像が増加することによって、解析のロバスト性が向上し得る。

より具体的には、例えば、時系列で連続する２フレームの画像にだけ共通するスペックル像の部分が含まれる場合よりも、３フレーム、またはさらに多くのフレームに共通するスペックル像の部分が含まれる場合の方が、例えばそれぞれのフレームの画像のマッチングによって検出されたスペックル画像の動きを平滑化することによって、検出結果に含まれるノイズを低減し、よりロバストに変位または振動などの検出を実施することができる。上記で図８を参照して説明した例では、スペックル撮像の対象領域Ｒｗを広くとることによって、時系列で連続する画像のより多くのフレームに共通するスペックル像の部分が含まれるようにし、検出におけるロバスト性を向上させることができうる。

（５．その他のパターンの例）
図９は、本開示の一実施形態において採用されうるその他のパターンの第１の例について説明するための図である。以下、図９に示された（ａ）〜（ｉ）のパターンについてそれぞれ説明する。なお、図示された例ではパターン（例えば上述したフィルタ１２０によって形成される）が全体として矩形であるが、本開示の実施形態はこのような例には限られず、パターンの全体形状は円形や六角形など各種の形状でありうる。また、光源１１０がコヒーレント光をパターンに従って照射することが可能である場合（より具体的には、例えば光源１１０が散開したスポットに対応する点光源の集合体によって実装されるような場合）、パターンの外形は特に規定されなくてもよい。

（ａ）〜（ｃ）は、パターンが矩形に対して縦方向または横方向のスリットによって構成される例である。（ａ）では、パターンが、縦および横の２方向にそれぞれ延びる複数のスリットによって構成されている。この場合、上記で図６に示した例と同様に、縦方向および横方向のそれぞれについてスペックル像の変位や振動を精度よく検出することが可能であるのに加えて、スリットがパターンの全域をカバーしているため、対象領域の全体で変位や振動を検出することが可能である。一方、（ｂ）および（ｃ）では、パターンが、矩形の縦または横のいずれかの方向に延びる複数のスリットによって構成されている。この場合、対象領域の全体で、縦方向または横方向のいずれかについて、スペックル像の変位や振動を精度よく検出することができる。例えば、スペックル像の変位または振動の方向が予測されているような場合に、上記の（ｂ）または（ｃ）のようなパターンは有用でありうる。

（ｄ）〜（ｆ）は、パターンが矩形に対して斜め方向のスリットによって構成される例である。（ｄ）では、パターンが、斜めの２方向にそれぞれ延びる単一のスリットによって構成されている。この例は、上記で図６に示した例において、スリットの配置を中心回りに４５度回転させたものともいえる。（ｅ）では、パターンが、縦、横、および斜めの４方向にそれぞれ延びる単一のスリットによって構成されている。この場合、より多くの方向でスペックル像の変位や振動を検出可能であるため、例えばスペックル像の変位または振動の方向が予測されていないような場合に有用でありうる。（ｆ）は、（ｅ）と同様に縦、横、および斜めの４方向にそれぞれ延びるスリットを配置しつつ、それぞれの方向のスリットを２つに分割し、スリット同士の交差部分で干渉が大きくなってスペックル径が小さくなることを防いだパターンである。

（ｇ）は、上記の（ｆ）と同様に、交差部分での干渉を防ぐために縦および横方向のスリットを分割しつつ、さらにそれぞれの方向でスリットの軸をずらして、変位や振動の検出可能範囲を広げた例である。（ｈ）は、（ｇ）におけるスリットパターンを縮小および複数配置したものである。（ｉ）は、縦、横、および斜めの方向の細かいスリットをランダムに配置した例である。

以上で図９を参照して説明した（ａ）〜（ｉ）の例のように、パターンをスリットによって構成する場合、例えば上記で図６を参照して説明したように、拡散反射されたコヒーレント光の干渉がスリットに直交する方向については適度に抑制されるため、パターンを適用しない場合に比べてスペックル径を大きく保つことができる。また、スリットが延びる方向では連続的にスペックル像を観察可能であるため、スリットに沿った方向で発生したスペックル像の変位や振動の方向については特に精度よく検出することが可能でありうる。共通の方向に延びる複数のスリットを配置することによって、スペックル像の変位や振動を検出可能な範囲が拡大されうる。また、複数の方向に延びるスリットを配置することによって、それぞれの方向でのスペックル像の変位や振動を検出することができる。

また、上記の（ａ）〜（ｉ）の例では、パターンにおいて、スリットが少なくとも１つの方向に均質に配置されている。つまり、例えば（ａ）〜（ｃ）の例では、同じ幅のスリットが、縦方向または横方向に均等に配置されている。また、（ｄ）〜（ｇ）の例では、同じ幅のスリットが、パターンの中心を基準にして点対象に配置されている。（ｈ）および（ｉ）の例では、同じ幅のスリットが、縦、横、または斜めの各方向についてほぼ同じ数だけ配置されている。このようにパターンにおいてスリットを少なくとも１つの方向に均質に配置することによって、対象領域には少なくとも１つの方向に均質に配置された明領域および暗領域のパターンに従ってコヒーレント光が入射することになる。より具体的には、コヒーレント光は、明領域にだけ入射し、暗領域では遮光されてもよい。あるいは、明領域にはより強いコヒーレント光が入射し、暗領域にはより弱いコヒーレント光が入射してもよい。これによって、例えばコヒーレント光が対象領域の全体に入射する場合と同様に、対象領域内で少なくとも１つの方向について均質にスペックル像の観察を実施することができる。コヒーレント光がパターンに従って入射することによってスペックル径を大きく保つことができることは、既に説明した通りである。

図１０は、本開示の一実施形態において採用されうるその他のパターンの第２の例について説明するための図である。以下、図１０に示された（ｊ）〜（ｌ）のパターンについてそれぞれ説明する。なお、上記で図９を参照して説明した例と同様に、パターンの全体形状は矩形には限定されず、またパターンの外形は特に規定されなくてもよい。

（ｊ）では、パターンが、矩形に対して横方向に延びるスリットによって構成されている。図９の（ｃ）の例との相違として、（ｊ）では、スリットの幅が、図中で下側に配置されるものほど狭く、上側に配置されるものほど広くなっている（つまり、それぞれのスリットの幅が異なっている）。例えば、下側から上側へのスペックル像の変位を特に検出したいような場合に、このようなパターンの構成は有用でありうる。図示していないが、矩形に対して縦方向に延びるスリットについても同様の構成が可能である。（ｋ）では、上記の（ｊ）と同様に幅が変化するスリットが、縦および横の２方向に配置されている。

（ｌ）でも、パターンが、矩形に対して横方向に延びるスリット状の明領域によって構成されている。上記の（ｊ）の例との相違として、（ｌ）では、スリットの幅が、図中の左側ほど広く、右側ほど狭くなっている（つまり、単一のスリット内で幅が変化している）。例えば、右側から左側へのスペックル像の変位を特に検出したいような場合に、このようなパターンの構成は有用でありうる。図示していないが、矩形に対して縦方向に延びるスリットについても同様の構成が可能である。また、共通の方向に延びる複数のスリットが配置される場合にも同様の構成が採用されうる。

以上で図１０を参照して説明した（ｊ）〜（ｌ）の例では、パターンをスリット状の明領域によって構成するため、スペックル径を大きく保ちながら観察の対象領域を拡大し、またスリットに沿った方向で発生したスペックル像の変位や振動の方向を特に精度よく検出することが可能である。また、上記の（ｊ）〜（ｌ）の例では、明領域が同じ方向の中で非対称な形状のスリットによって形成されるため、例えば特定の方向における非対称な変位（より具体的には、縦方向の場合であれば下側から上側に限定した変位）を検出したいような場合に、より高い精度でスペックル像の変位が検出可能でありうる。

図１１は、本開示の一実施形態において採用されうるその他のパターンの第３の例について説明するための図である。以下、図１１に示された（ｍ）〜（ｏ）のパターンについてそれぞれ説明する。なお、上記で図９を参照して説明した例と同様に、パターンの全体形状は矩形には限定されず、またパターンの外形は特に規定されなくてもよい。

図示された例では、上記で図８を参照して説明した例と同様に、パターンが散開したスポット状の明領域を含む。明領域を散開したスポットで構成することによって、スリットの場合とは異なり全方位的に（omnidirectionally）、拡散反射されたコヒーレント光の干渉を適度に抑制することができる。（ｍ）に示される例では、パターンが等間隔に配列された円形スポット状の明領域によって構成されている。なお、明領域の形状は、（ｍ）の例のような円形であってもよく、楕円形であってもよく、また図８の例に示されたような矩形や三角形、六角形などの多角形であってもよい。また、（ｍ）の例によって示されるように、パターンにおいて明領域が等間隔に配列される場合でも、それぞれの明領域の位置は必ずしも縦および横などの方向に揃っていなくてもよい。（ｎ）に示される例では、明領域を構成するスポットが、図９の（ｈ）の例と同様に、縦方向および横方向のスリットの組み合わせの形状を有する。（ｏ）に示される例では、（ｍ）の例と同様の円形のスポット状の明領域がランダムに配置されている。

上記で説明した（ｍ）〜（ｏ）の例では、コヒーレント光の入射パターンにおいて、スポットが均質に配置されているといえる。（ｍ）や（ｎ）の例では、スポットが等間隔に配置されているため、それぞれの方向についてスポットの配置は均質である。また、（ｏ）の例でも、ランダムに設定されるスポットの間隔の範囲が適切に（つまり、パターンのサイズに対して大きすぎない範囲に）設定されていれば、スポットの配置は全体として均質であるとみなされる。このようにパターンにおいてスポット状の明領域を均質に配置することによって、対象領域には均質に配置された明領域および暗領域のパターンに従ってコヒーレント光が入射することになる。これによって、例えばコヒーレント光が対象領域の全体に入射する場合と同様に、対象領域内で均質にスペックル像の観察を実施することができる。コヒーレント光がパターンに従って入射することによってスペックル径を大きく保つことができることは、既に説明した通りである。

（６．ハードウェア構成）
次に、図１２を参照して、本開示の実施形態における情報処理装置のハードウェア構成例について説明する。図１２は、本開示の実施形態における情報処理装置のハードウェア構成例を示すブロック図である。図示された情報処理装置９００は、例えば、上記の実施形態において測定システム１００に含まれる解析ユニット１５０（出力ユニット１６０を含んでもよい）を実現しうる。

情報処理装置９００は、ＣＰＵ（Central Processing unit）９０１、ＲＯＭ（Read Only Memory）９０３、およびＲＡＭ（Random Access Memory）９０５を含む。また、情報処理装置９００は、ホストバス９０７、ブリッジ９０９、外部バス９１１、インターフェース９１３、入力装置９１５、出力装置９１７、ストレージ装置９１９、ドライブ９２１、接続ポート９２３、通信装置９２５を含んでもよい。情報処理装置９００は、ＣＰＵ９０１に代えて、またはこれとともに、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、またはＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）などの処理回路を有してもよい。

ＣＰＵ９０１は、演算処理装置および制御装置として機能し、ＲＯＭ９０３、ＲＡＭ９０５、ストレージ装置９１９、またはリムーバブル記録媒体９２７に記録された各種プログラムに従って、情報処理装置９００内の動作全般またはその一部を制御する。ＲＯＭ９０３は、ＣＰＵ９０１が使用するプログラムや演算パラメータなどを記憶する。ＲＡＭ９０５は、ＣＰＵ９０１の実行において使用するプログラムや、その実行において適宜変化するパラメータなどを一次記憶する。ＣＰＵ９０１、ＲＯＭ９０３、およびＲＡＭ９０５は、ＣＰＵバスなどの内部バスにより構成されるホストバス９０７により相互に接続されている。さらに、ホストバス９０７は、ブリッジ９０９を介して、ＰＣＩ（Peripheral Component Interconnect/Interface）バスなどの外部バス９１１に接続されている。

入力装置９１５は、例えば、マウス、キーボード、タッチパネル、ボタン、スイッチおよびレバーなど、ユーザによって操作される装置である。入力装置９１５は、例えば、赤外線やその他の電波を利用したリモートコントロール装置であってもよいし、情報処理装置９００の操作に対応した携帯電話などの外部接続機器９２９であってもよい。入力装置９１５は、ユーザが入力した情報に基づいて入力信号を生成してＣＰＵ９０１に出力する入力制御回路を含む。ユーザは、この入力装置９１５を操作することによって、情報処理装置９００に対して各種のデータを入力したり処理動作を指示したりする。

出力装置９１７は、取得した情報をユーザに対して視覚や聴覚、触覚などの感覚を用いて通知することが可能な装置で構成される。出力装置９１７は、例えば、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）または有機ＥＬ（Electro-Luminescence）ディスプレイなどの表示装置、スピーカまたはヘッドフォンなどの音声出力装置、もしくはバイブレータなどでありうる。出力装置９１７は、情報処理装置９００の処理により得られた結果を、テキストもしくは画像などの映像、音声もしくは音響などの音声、またはバイブレーションなどとして出力する。

ストレージ装置９１９は、情報処理装置９００の記憶部の一例として構成されたデータ格納用の装置である。ストレージ装置９１９は、例えば、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）などの磁気記憶デバイス、半導体記憶デバイス、光記憶デバイス、または光磁気記憶デバイスなどにより構成される。ストレージ装置９１９は、例えばＣＰＵ９０１が実行するプログラムや各種データ、および外部から取得した各種のデータなどを格納する。

ドライブ９２１は、磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスク、または半導体メモリなどのリムーバブル記録媒体９２７のためのリーダライタであり、情報処理装置９００に内蔵、あるいは外付けされる。ドライブ９２１は、装着されているリムーバブル記録媒体９２７に記録されている情報を読み出して、ＲＡＭ９０５に出力する。また、ドライブ９２１は、装着されているリムーバブル記録媒体９２７に記録を書き込む。

接続ポート９２３は、機器を情報処理装置９００に接続するためのポートである。接続ポート９２３は、例えば、ＵＳＢ（Universal Serial Bus）ポート、ＩＥＥＥ１３９４ポート、ＳＣＳＩ（Small Computer System Interface）ポートなどでありうる。また、接続ポート９２３は、ＲＳ−２３２Ｃポート、光オーディオ端子、ＨＤＭＩ（登録商標）（High-Definition Multimedia Interface）ポートなどであってもよい。接続ポート９２３に外部接続機器９２９を接続することで、情報処理装置９００と外部接続機器９２９との間で各種のデータが交換されうる。

通信装置９２５は、例えば、通信ネットワーク９３１に接続するための通信デバイスなどで構成された通信インターフェースである。通信装置９２５は、例えば、ＬＡＮ（Local Area Network）、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、Ｗｉ−Ｆｉ、またはＷＵＳＢ（Wireless USB）用の通信カードなどでありうる。また、通信装置９２５は、光通信用のルータ、ＡＤＳＬ（Asymmetric Digital Subscriber Line）用のルータ、または、各種通信用のモデムなどであってもよい。通信装置９２５は、例えば、インターネットや他の通信機器との間で、ＴＣＰ／ＩＰなどの所定のプロトコルを用いて信号などを送受信する。また、通信装置９２５に接続される通信ネットワーク９３１は、有線または無線によって接続されたネットワークであり、例えば、インターネット、家庭内ＬＡＮ、赤外線通信、ラジオ波通信または衛星通信などを含みうる。

以上、情報処理装置９００のハードウェア構成の一例を示した。上記の各構成要素は、汎用的な部材を用いて構成されていてもよいし、各構成要素の機能に特化したハードウェアにより構成されていてもよい。かかる構成は、実施する時々の技術レベルに応じて適宜変更されうる。

（７．補足）
本開示の実施形態は、例えば、上記で説明したような光学ユニット、測定システム、測定方法、または情報処理装置（解析ユニット）、情報処理装置で実行される情報処理方法、情報処理装置を機能させるためのプログラム、およびプログラムが記録された一時的でない有形の媒体を含みうる。

以上、添付図面を参照しながら本開示の好適な実施形態について詳細に説明したが、本開示の技術的範囲はかかる例に限定されない。本開示の技術分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本開示の技術的範囲に属するものと了解される。

また、本明細書に記載された効果は、あくまで説明的または例示的なものであって限定的ではない。つまり、本開示に係る技術は、上記の効果とともに、または上記の効果に代えて、本明細書の記載から当業者には明らかな他の効果を奏しうる。

なお、以下のような構成も本開示の技術的範囲に属する。
（１）スペックル撮像の対象領域に、前記対象領域内で少なくとも１つの方向に均質に配置された明領域および暗領域を含むパターンに従って入射するようにコヒーレント光を照射する光学ユニット。
（２）光源から照射された前記コヒーレント光を前記パターンに従って遮光するフィルタを備える、前記（１）に記載の光学ユニット。
（３）前記フィルタは、前記コヒーレント光に対する透過率を部分的に変化させることが可能な光学素子を含む、前記（２）に記載の光学ユニット。
（４）前記コヒーレント光を前記パターンに従って照射する光源を備える、前記（１）に記載の光学ユニット。
（５）前記パターンは、共通の方向に延びる複数のスリット状の明領域を含む、前記（１）〜（４）のいずれか１項に記載の光学ユニット。
（６）前記パターンは、少なくとも２つの方向に延びるスリット状の明領域を含む、前記（１）〜（５）のいずれか１項に記載の光学ユニット。
（７）前記パターンは、前記対象領域内に散開したスポット状の明領域を含む、前記（１）〜（６）のいずれか１項に記載の光学ユニット。
（８）前記明領域は、円、楕円、または多角形である、前記（７）に記載の光学ユニット。
（９）前記明領域は、前記対象領域内に等間隔で散開する、前記（７）または（８）に記載の光学ユニット。
（１０）前記対象領域は、生体の表皮上の領域を含む、前記（１）〜（９）のいずれか１項に記載の光学ユニット。
（１１）前記対象領域は、前記生体内の血管に対応する前記表皮上の領域を含む、前記（１０）に記載の光学ユニット。
（１２）前記対象領域は、前記生体の発声によって振動する前記表皮上の領域を含む、前記（１０）に記載の光学ユニット。
（１３）照射後に変形または干渉することによって前記対象領域に前記パターンに従って入射するように前記コヒーレント光を照射する、前記（１）に記載の光学ユニット。
（１４）対象領域に、前記対象領域内で少なくとも１つの方向に均質に配置された明領域および暗領域を含むパターンに従って入射するようにコヒーレント光を照射する光学ユニットと、
前記対象領域における前記コヒーレント光の反射光を受光する受光ユニットと、
前記反射光に含まれるスペックルを撮像する撮像ユニットと
を備える測定システム。
（１５）対象領域に、前記対象領域内で少なくとも１つの方向に均質に配置された明領域および暗領域を含むパターンに従って入射するようにコヒーレント光を照射することと、
前記対象領域における前記コヒーレント光の反射光を受光することと、
前記反射光に含まれるスペックルを撮像することと
を含む測定方法。

１００ 測定システム
１１０ 光源
１２０ フィルタ
１３０ 受光ユニット
１４０ 撮像ユニット
１５０ 解析ユニット
１６０ 出力ユニット

Claims (15)

1. スペックル撮像の対象領域に、前記対象領域内で少なくとも１つの方向に均質に配置された明領域および暗領域を含むパターンに従って入射するようにコヒーレント光を照射する光学ユニット。
2. 光源から照射された前記コヒーレント光を前記パターンに従って遮光するフィルタを備える、請求項１に記載の光学ユニット。
3. 前記フィルタは、前記コヒーレント光に対する透過率を部分的に変化させることが可能な光学素子を含む、請求項２に記載の光学ユニット。
4. 前記コヒーレント光を前記パターンに従って照射する光源を備える、請求項１に記載の光学ユニット。
5. 前記パターンは、共通の方向に延びる複数のスリット状の明領域を含む、請求項１に記載の光学ユニット。
6. 前記パターンは、少なくとも２つの方向に延びるスリット状の明領域を含む、請求項１に記載の光学ユニット。
7. 前記パターンは、前記対象領域内に散開したスポット状の明領域を含む、請求項１に記載の光学ユニット。
8. 前記明領域は、円、楕円、または多角形である、請求項７に記載の光学ユニット。
9. 前記明領域は、前記対象領域内に等間隔で散開する、請求項７に記載の光学ユニット。
10. 前記対象領域は、生体の表皮上の領域を含む、請求項１に記載の光学ユニット。
11. 前記対象領域は、前記生体内の血管に対応する前記表皮上の領域を含む、請求項１０に記載の光学ユニット。
12. 前記対象領域は、前記生体の発声によって振動する前記表皮上の領域を含む、請求項１０に記載の光学ユニット。
13. 照射後に変形または干渉することによって前記対象領域に前記パターンに従って入射するように前記コヒーレント光を照射する、請求項１に記載の光学ユニット。
14. 対象領域に、前記対象領域内で少なくとも１つの方向に均質に配置された明領域および暗領域を含むパターンに従って入射するようにコヒーレント光を照射する光学ユニットと、
    前記対象領域における前記コヒーレント光の反射光を受光する受光ユニットと、
    前記反射光に含まれるスペックルを撮像する撮像ユニットと
    を備える測定システム。
15. 対象領域に、前記対象領域内で少なくとも１つの方向に均質に配置された明領域および暗領域を含むパターンに従って入射するようにコヒーレント光を照射することと、
    前記対象領域における前記コヒーレント光の反射光を受光することと、
    前記反射光に含まれるスペックルを撮像することと
    を含む測定方法。
    

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