JP7142246B2 - 生体計測装置、ヘッドマウントディスプレイ装置、および生体計測方法 - Google Patents

Description

本開示は、生体計測装置およびヘッドマウントディスプレイ装置に関する。

生体計測の分野では、生体に光を照射し生体内部を透過した光の情報から生体の内部情報を取得する方法が用いられる。この方法において、生体表面からの反射成分がノイズとなり問題となることがある。これら表面反射成分によるノイズを取り除き所望の内部情報のみを取得する方法として、例えば特許文献１に開示された方法がある。特許文献１は、光源と光検出器を一定の間隔で離した状態で測定部位に密着させて測定する方法を開示している。

特開平１１―１６４８２６号公報 特開平４―１８９３４９号公報

特許文献１に記載の方法では、光源による電力消費が大きく、バッテリでは長時間駆動できない、といった課題があった。

本開示は、低消費電力の測定を実現し得る生体計測技術を提供する。

本開示の一態様に係る生体計測装置は、生体上の領域を照射する第1の光を出射する光源と、前記生体から戻った第２の光を検出し、かつ前記生体の少なくとも一部を含む第1の画像を取得する撮像装置と、前記光源を制御する制御回路と、を備える。前記制御回路は、前記第1の画像において、前記生体の特定部位が、前記第1の画像中の所定の座標範囲内に存在しない場合、前記光源による前記第１の光の出射を制限する。前記所定の座標範囲は、前記領域の外側に設定される。

本開示によれば、低消費電力の方法で生体の内部情報を測定できる。

図１Ａは、実施の形態１の生体計測装置、および生体計測装置が被検体を撮影する様子を示す模式図である。 図１Ｂは、イメージセンサの構成の一例を示す図である。 図１Ｃは、制御回路による動作の概略を示すフローチャートである。 図２は、実施の形態１の生体計測装置において、被検体の表面から反射した表面反射成分の光信号、被検体の内部を散乱した内部散乱成分の光信号、表面反射成分と内部散乱成分とを合わせた光信号、及び電子シャッタの動作のタイミングを示す図である。 図３は、実施の形態１における生体計測装置の動作を示すフローチャートである。 図４Ａは、生体計測装置の光源による被検体への照射領域、イメージセンサの検出領域、および特定部位抽出領域の例を示す図である。 図４Ｂは、生体計測装置の光源による被検体への照射領域、イメージセンサの検出領域、および特定部位抽出領域の他の例を示す図である。 図４Ｃは、生体計測装置の光源による被検体への照射領域、イメージセンサの検出領域、および特定部位抽出領域のさらに他の例を示す図である。 図５Ａは、ヘッドマウントディスプレイ装置に生体計測装置を実装した一例を示す図である。 図５Ｂは、生体計測装置を実装したヘッドマウントディスプレイ装置を用いて被検体の血流の計測が実施されている様子を示す図である。 図６は、実施の形態２における生体計測装置の動作を示すフローチャートである。 図７Ａは、光源の照射領域の位置が、被検体との距離によって変動する様子を示す第１の図である。 図７Ｂは、光源の照射領域の位置が、被検体との距離によって変動する様子を示す第２の図である。 図７Ｃは、光源の照射領域の位置が、被検体との距離によって変動する様子を示す第３の図である。 図８は、モバイル端末に生体計測装置を実装した一例を示す図である。 図９は、モバイル端末のディスプレイに、矢印が表示された一例を示す図である。 図１０は、モバイル端末のディスプレイに、メッセージが表示された一例を示す図である。 図１１は、モバイル端末のディスプレイに、顔の輪郭を合わせる位置が表示された一例を示す図である。 図１２は、車両内に生体計測装置が搭載された一例を示す図である。

本開示は、以下の項目に記載の生体計測装置およびヘッドマウントディスプレイ装置を含む。

［項目１］
本開示の項目１に係る生体計測装置は、
生体上の領域を照射する第1の光を出射する光源と、
前記生体から戻った第２の光を検出し、かつ前記生体の少なくとも一部を含む第1の画像を取得する撮像装置と、
前記光源を制御する制御回路と、
を備え、
前記制御回路は、前記第1の画像において、前記生体の特定部位が、前記第1の画像中の所定の座標範囲内に存在しない場合、前記光源による前記第１の光の出射を制限し、
前記所定の座標範囲は、前記領域の外側に設定される。

［項目２］
項目１に記載の生体計測装置は、
画像処理回路をさらに備え、
前記画像処理回路は、前記第1の画像において、前記生体の特定部位が前記所定の座標範囲内に存在するかを判定してもよい。

［項目３］
項目１または２に記載の生体計測装置において、
前記制御回路は、
前記第1の画像において、前記特定部位が前記所定の座標範囲内に存在しない場合、前記光源に、前記第１の光を出射させず、
前記第1の画像において、前記特定部位が前記所定の座標範囲内に存在する場合、前記光源に、前記第１の光を出射させ、かつ前記撮像装置により検出された前記第２の光に基づいて、前記生体の生体情報を取得してもよい。

［項目４］
項目３に記載の生体計測装置において、
前記制御回路は、
前記生体情報を取得しているときに、前記第1の画像において、前記特定部位が前記所定の座標範囲内から前記所定の座標範囲外に移動した場合、
前記光源に、前記第１の光のパワーを低減させるか、または
前記光源に、前記第１の光の出射を停止させてもよい。

［項目５］
項目１から４のいずれかに記載の生体計測装置において、
前記制御回路は、
前記第1の画像において、前記特定部位が前記所定の座標範囲内に存在しない場合、
さらに、前記第1の画像において前記特定部位が前記所定の座標範囲内に存在しない旨を示す信号を出力してもよい。

［項目６］
項目１から５のいずれかに記載の生体計測装置は、
ディスプレイをさらに備え、
前記制御回路は前記第1の画像を前記ディスプレイに表示させてもよい。

［項目７］
項目６に記載の生体計測装置において、
前記制御回路は、
前記第1の画像において、前記特定部位が前記所定の座標範囲内に存在しない場合、
前記ディスプレイに、前記光源の位置、前記生体計測装置の位置、前記光源の向き、及び前記生体計測装置の向きからなる群から選択される少なくとも１つを変更すべき旨を示す第２の画像を表示させてもよい。

［項目８］
項目１から７のいずれかに記載の生体計測装置において、
前記生体上の前記領域は、前記生体の前記少なくとも一部に含まれてもよい。

［項目９］
項目１から８のいずれかに記載の生体計測装置において、
前記特定部位は、目、鼻、口、耳、および眉からなる群から選択される少なくとも１つであってもよい。

［項目１０］
項目２に記載の生体計測装置において、
前記画像処理回路は、前記第1の画像において、前記生体の被検部（ｔａｒｇｅｔ ｐｏｒｔｉｏｎ）が前記領域内に位置しているかをさらに判定し、
前記制御回路は、前記第1の画像において、前記被検部が前記領域内に位置していないとき、警告のための信号を出力してもよい。

［項目１１］
項目１０に記載の生体計測装置において、
前記被検部は、額であり、
前記画像処理回路は、前記第1の画像内における前記額の座標を算出し、前記額の座標が前記領域内にあるかを判定し、
前記制御回路は、前記額の座標が前記領域内にない場合、前記警告のための信号を出力してもよい。

［項目１２］
項目１１に記載の生体計測装置は、
ディスプレイをさらに備え、
前記制御回路は、
前記額の座標が前記領域内にない場合、
前記ディスプレイに、前記光源の位置、前記生体計測装置の位置、前記光源の向き、及び前記生体計測装置の向きからなる群から選択される少なくとも１つを変更すべき旨を示す第３の画像を表示させてもよい。

［項目１３］
本開示の項目１３に係る生体計測装置は、
生体上の領域を照射する第1の光を出射する光源と、
前記生体から戻った第２の光を検出し、かつ前記生体の少なくとも一部を含む第1の画像を取得する撮像装置と、
前記光源を制御する制御回路と、
を備え、
前記制御回路は、前記第1の画像において、前記生体の目の位置が前記領域と重なる場合、前記光源による第１の光の出射を制限する。

［項目１４］
本開示の項目１４に係るヘッドマウントディスプレイ装置は、
生体の頭部に装着されるヘッドマウントディスプレイ装置であって、
請求項１から１３のいずれかに記載の生体計測装置と、
前記生体計測装置に接続されたディスプレイと、
を備える。

本開示において、回路、ユニット、装置、部材又は部の全部又は一部、又はブロック図の機能ブロックの全部又は一部は、半導体装置、半導体集積回路（ＩＣ）、又はＬＳＩ（ｌａｒｇｅ ｓｃａｌｅ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）を含む一つ又は複数の電子回路によって実行されてもよい。ＬＳＩ又はＩＣは、一つのチップに集積されてもよいし、複数のチップを組み合わせて構成されてもよい。例えば、記憶素子以外の機能ブロックは、一つのチップに集積されてもよい。ここでは、ＬＳＩまたはＩＣと呼んでいるが、集積の度合いによって呼び方が変わり、システムＬＳＩ、ＶＬＳＩ（ｖｅｒｙ ｌａｒｇｅ ｓｃａｌｅ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）、若しくはＵＬＳＩ（ｕｌｔｒａ ｌａｒｇｅ ｓｃａｌｅ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）と呼ばれるものであってもよい。ＬＳＩの製造後にプログラムされる、Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ（ＦＰＧＡ）、又はＬＳＩ内部の接合関係の再構成又はＬＳＩ内部の回路区画のセットアップができるｒｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅ ｌｏｇｉｃ ｄｅｖｉｃｅも同じ目的で使うことができる。

さらに、回路、ユニット、装置、部材又は部の全部又は一部の機能又は操作は、ソフトウエア処理によって実行することが可能である。この場合、ソフトウエアは一つ又は複数のＲＯＭ、光学ディスク、ハードディスクドライブなどの非一時的記録媒体に記録され、ソフトウエアが処理装置（ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）によって実行されたときに、そのソフトウエアで特定された機能が処理装置（ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）および周辺装置によって実行される。システム又は装置は、ソフトウエアが記録されている一つ又は複数の非一時的記録媒体、処理装置（ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）、及び必要とされるハードウエアデバイス、例えばインタフェース、を備えていても良い。

以下で説明する実施の形態は、いずれも包括的又は具体的な例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置などは、一例であり、本明細書に開示される技術を限定する趣旨ではない。また、以下の実施の形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。

以下、実施の形態について、図面を参照しながら具体的に説明する。

（実施の形態１）
［１．生体計測装置］
まず、第１の実施形態に係る生体計測装置１００の構成について、図１Ａから図２を参照して説明する。

図１Ａは、本実施形態に係る生体計測装置１００を示す模式図である。本実施形態における生体計測装置１００は、生体である被検体（ｏｂｊｅｃｔ）１０２の内部情報を計測する装置である。被検体１０２の被検部は、生体（例えば人間）の部位であって、例えば毛で覆われていない皮膚を有する部位である。被検部は、例えば人間の額であり得る。被検部が額である場合、生体計測装置１００は、脳血流の活動状態を示す情報を取得することができる。

生体計測装置１００は、光源１２０と、撮像装置１１０と、制御回路１４０と、画像処理回路１５０と、ディスプレイ１６０と、加速度センサ１８０とを備える。撮像装置１１０は、イメージセンサ１３０を備える。光源１２０とイメージセンサ１３０とは互いに隣接して配置されている。制御回路１４０は、光源１２０、イメージセンサ１３０、画像処理回路１５０、ディスプレイ１６０、加速度センサ１８０に電気的に接続されている。制御回路１４０は、光源１２０の発光のタイミングと、イメージセンサ１３０の光検出のタイミングとを制御する。光源１２０は、第１の光（例えば赤外線または可視光）を被検体１０２に向けて出射する。撮像装置１１０は、被検体１０２で反射された光または被検体１０２内で散乱された光である、被検体１０２から戻った第２の光を検出する。また撮像装置１１０は、被検体１０２の少なくとも一部を含む画像である第１の画像を取得する。撮像装置１１０によるこれらの機能は、イメージセンサ１３０によって実現される。イメージセンサ１３０は、第２の光を検出して画像信号を出力する。画像処理回路１５０は、イメージセンサ１３０から出力された画像信号に基づいて、被検体１０２の位置および傾きが、光源１２０から出射された第１の光の照射範囲に対して適正かを判定する。制御回路１４０は、その判定結果に基づき、光源１２０の発光を制御する。ディスプレイ１６０は、被検体１０２の内部情報の計測結果を表示する。加速度センサ１８０は、生体計測装置１００の動きを検出する。

より具体的には、画像処理回路１５０は、イメージセンサ１３０から出力された画像信号を解析し、被検体１０２の少なくとも１つの特定部位が、第１の画像中の所定の座標範囲内に存在するかを判定する。例えば、被検部が人間の額である場合、特定部位は、その人間の目、鼻、口、耳、眉その他の特徴的な部位であり得る。画像処理回路１４０は、画像認識によって特定部位が、画像中の適正な位置にあるかを判定し、判定結果を示す信号を出力する。制御回路１４０は、その信号に基づき、被検体１０２の特定部位が第１の画像中の特定の領域内に含まれているか否かに応じて、光源１２０からの発光のオン・オフ、または光源１２０から出射される第１の光のパワーを制御する。制御回路１４０は、特定部位が所定の座標範囲内に存在しない場合、光源１２０による第１の光の出射を制限する。例えば、制御回路１４０は、当該特定部位が当該座標範囲内に存在しない場合、光源１２０に、第１の光を出射させず、当該特定部位が当該座標範囲内に存在する場合、光源１２０に、第１の光を出射させる。より具体的には、制御回路１４０は、計測対象である人間の目、鼻、口、耳、眉などの特徴的部位のうち少なくとも１つが第１の画像中の所定の範囲内にない場合には、光源１２０に発光を許可せず、計測対象である人間の目、鼻、口、耳、眉などの特徴的部位のうち少なくとも１つが第１の画像中の所定の範囲内にある場合には、光源１２０に発光を許可する。

このような構成により、ユーザから計測指示が出された後であっても、被検体１０２の位置及び傾きが適正な状態にある場合に限り、光源１２０から光が出射される。このため、計測指示が出された後は常に発光状態になる構成と比較して、生体計測装置１００の消費電力を抑えることができる。また、例えば光源１２０からの光が、計測対象である人間の目に入射することを防ぐことも可能になる。

以下、本実施形態の構成をより具体的に説明する。

［１－１．光源１２０］
光源１２０は、被検体１０２に光を照射する。光源１２０から照射されて被検体１０２に到達した光は、被検体１０２の表面で反射する成分である表面反射成分１０４と、被検体１０２の内部で１回反射もしくは散乱、または多重散乱する成分である内部散乱成分１０６と、になる。表面反射成分１０４は、直接反射成分、拡散反射成分、および散乱反射成分の３つを含む。直接反射成分は、入射角と反射角とが等しい反射成分である。拡散反射成分は、表面の凹凸形状により拡散して反射する成分である。散乱反射成分は、表面近傍の内部組織によって散乱して反射する成分である。被検部を人間の額とした場合、散乱反射成分は、表皮内部で散乱して反射する成分である。以降、本開示では、表面反射成分１０４はこれら３つの成分を含むものとして説明する。また、内部散乱成分１０６は、散乱反射成分を含まないものとして説明する。

表面反射成分１０４および内部散乱成分１０６は、反射または散乱により進行方向が変化し、その一部がイメージセンサ１３０に到達する。光源１２０は、制御回路１４０の指示に従い、パルス光を所定の時間間隔で、あるいは所定のタイミングで複数回発生させる。光源１２０が発生させるパルス光は、例えば立ち下がり時間がゼロに近い矩形波であり得る。立ち下がり時間とは、パルス光のパワーがピーク値から減少し始めてからほぼゼロになるまでの時間を指す。一般に、被検体１０２の内部散乱成分１０６の後端の広がりは４ｎｓ程度である。このことを考慮すると、パルス光の立ち下がり時間は、例えばその半分以下である２ｎｓ以下に抑えればよい。さらにその半分の１ｎｓ以下に立ち下がり時間を抑えれば、より効果的である。パルス光の波形は厳密に矩形波でなくてもよい。光源１２０が発生させるパルス光の立ち上がり時間は任意である。後述する本開示の実施形態による生体計測装置を用いた測定では、パルス光の時間軸における、パルス光のパワーが立ち下がっている部分を使用し、立ち上がっている部分を使用しないためである。光源１２０は、例えば、パルス光のパワーが立ち下がっている部分が時間軸に対して直角に近く、時間応答特性が急進なＬＤなどのレーザ光源であり得る。

光源１２０の波長は、例えば６５０ｎｍ以上９５０ｎｍ以下に設定され得る。この波長範囲は、赤色から近赤外線の波長範囲に含まれる。この波長域は被検体１０２の内部まで光が透過しやすい波長帯域であるためである。本明細書では、可視光のみならず赤外線についても「光」の用語を使用する。

本開示の生体計測装置１００は、非接触で被検体１０２を測定するため、被検体１０２の被検部が人間の額である場合、網膜への影響を考慮して、光源から出射される光のパワーが設定され得る。例えば、各国それぞれが保有するレーザ安全基準のクラス１を満足するように、光源から出射される光のパワーが設定され得る。この場合、被爆放出限界ＡＥＬが１ｍＷを下回るほどの低照度の光が被検体１０２に照射される。ただし、光源１２０自体はクラス１を満たしていなくてもよい。例えば、拡散板またはＮＤフィルタなどの光学素子が光源１２０の前に設置されて光が拡散あるいは減衰されることによりレーザ安全基準のクラス１が満たされればよい。

例えば特許文献２に記載の従来のストリークカメラは、生体内部の深さ方向において異なる場所にある情報（例えば、吸収係数または散乱係数）を区別して検出するために使用されていた。したがって、所望の空間分解能で測定するために、パルス幅がフェムト秒またはピコ秒の極超短パルス光が用いられていた。一方、本実施形態の生体計測装置１００は、表面反射成分１０４と内部散乱成分１０６とを区別して検出するために使用される。したがって、光源１２０が発するパルス光は、極超短パルス光である必要は無く、パルス幅は任意である。脳血流を計測するために額に光を照射する場合、内部散乱成分１０６の光量は、表面反射成分１０４のそれと比較し、数１０００から数万分の１と非常に小さくなる。さらに、レーザ安全基準を考慮すると、照射できる光の光量が小さく、内部散乱成分１０６の検出は非常に難しくなる。したがって、光源１２０が、比較的パルス幅の大きいパルス光を発生させることにより、時間遅れを伴う内部散乱成分１０６の積算量を増加させ、検出光量を増やし、ＳＮ比を向上させることができる。

光源１２０は、例えば、パルス幅３ｎｓ以上のパルス光を発する。あるいは、光源１２０は、パルス幅５ｎｓ以上、さらに１０ｎｓ以上のパルス光を発光してもよい。一方、パルス幅が大きすぎても使用しない光が増えて無駄となるため、光源１２０は、例えば、パルス幅５０ｎｓ以下のパルス光を発生させる。あるいは、光源１２０は、パルス幅３０ｎｓ以下、さらに２０ｎｓ以下のパルス光を発光してもよい。

光源１２０からの光の照射パターンは、例えば、照射領域内において、均一なパワー分布をもつパターンであり得る。なぜなら、本実施形態の生体計測装置１００は、特許文献１等に開示の方法とは異なり、時間的に表面反射成分１０４を分離して低減させる方法であるからである。特許文献１に開示の方法では、検出器と光源とを３ｃｍ離し、空間的に表面反射成分１０４を低減するため、離散的な光照射とせざるを得ない。一方、本実施形態では、時間的に表面反射成分１０４を分離して低減させるので、被検体１０２上の照射点直下であるＮｕｌｌ点においても内部散乱成分１０６を検出できる。したがって、測定解像度を高めるために被検体１０２の全面にわたって空間的に均一なパワーの光が照射され得る。

［１－２．イメージセンサ１３０］
イメージセンサ１３０は、被検体１０２から戻った光を受光する。イメージセンサ１３０は、２次元に配置された複数の光検出セルである複数の画素を有し、被検体１０２の２次元情報を一度に取得する。イメージセンサ１３０は、例えば、ＣＣＤイメージセンサまたはＣＭＯＳイメージセンサであり得る。

イメージセンサ１３０は、電子シャッタを有する。電子シャッタは、光電変換によって生じる信号電荷の蓄積と排出とを制御する回路である。電子シャッタは、受光した光を有効な電気信号に変換して電荷蓄積部に蓄積する１回の期間である電荷蓄積期間の長さと、１回の電荷蓄積期間が終了し次の電荷蓄積期間が開始するまでの時間とを制御する。以下の説明において、電荷蓄積期間の長さを「シャッタ幅」と称し、１回の電荷蓄積期間が終了し次の電荷蓄積期間が開始するまでの時間を「シャッタタイミング」と称する。また、イメージセンサ１３０が電荷を蓄積している状態を、電子シャッタが「ＯＰＥＮ（開いた状態）」である、イメージセンサ１３０が電荷の蓄積を停止している状態を、電子シャッタが「ＣＬＯＳＥ（閉じた状態）」であると称する。

イメージセンサ１３０は、電子シャッタによってシャッタタイミングをサブナノ秒、例えば３０ｐｓから１ｎｓの範囲内で調整できる。距離測定を目的としている従来のＴＯＦカメラは、被写体の明るさの影響を補正するため、光源１２０が発したパルス光が被写体から反射されて戻った光の全てを検出する。したがって、従来のＴＯＦカメラでは、シャッタ幅がパルス光のパルス幅よりも大きい必要があった。これに対し、本実施形態の生体計測装置１００では、被写体の光量を補正する必要が無い。このため、シャッタ幅はパルス光のパルス幅よりも大きい必要は無く、例えば、１から３０ｎｓ程度にできる。本実施形態の生体計測装置１００によれば、シャッタ幅を縮小できるため、検出信号に含まれる暗電流を低減することができる。

被検部が人間の額であり脳血流などの情報を検出する場合、額の内部での光の減衰率が非常に大きい。例えば、減衰率は１００万分の１程度であり得る。このため、内部散乱光１０６を検出するには、１パルスの照射だけでは光量が不足する場合がある。レーザ安全性基準のクラス１での照射を行う場合には特に光量が微弱である。この場合、光源１２０が１フレーム内でパルス光を複数回発光し、それに応じてイメージセンサ１３０も電子シャッタによって複数回電荷を蓄積することで検出信号を積算して感度を向上させる。例えば、光源１２０から１１ｎｓのパルス光を１フレームあたり１２．８万回、３０Ｆｐｓで拡散板を通し被検体１０２の被検部全体に一様に照射する場合を想定する。その場合、クラス１を満たす条件では、レーザダイオード１個あたりの駆動電力は約１８０ｍＷである。バッテリの容量を例えば３０００ｍＡｈとすると、生体計測装置１００にレーザダイオードを４個実装した場合、光源の駆動電力だけを考えても約４．２時間しか駆動することができない。

そこで、本実施形態の生体計測装置１００は、被検体１０２が生体計測に適した位置および傾きにない場合には消費電力が大きい光源１２０を消灯し、生体計測に適した状態にある場合にのみ光源１２０を点灯する。これにより、消費電力を抑えながら、ＳＮ比の高い生体計測を行うことが可能になる。

以下、イメージセンサ１３０の構成例を説明する。

イメージセンサ１３０は、撮像面上に２次元的に配列された複数の光検出セルである複数の画素を有する。各画素は、例えばフォトダイオードなどの受光素子を有する。

図１Ｂは、イメージセンサ１３０の構成の一例を示す図である。図１Ｂにおいて、二点鎖線の枠で囲まれた領域が１つの画素２０１に相当する。画素２０１には１つのフォトダイオードが含まれる。図１Ｂでは２行２列に配列された４画素のみを示しているが、実際にはさらに多数の画素が配置される。

画素２０１は、フォトダイオードと、増幅トランジスタであるソースフォロワトランジスタ３０９と、行選択トランジスタ３０８と、リセットトランジスタ３１０とを含む。各トランジスタは、例えば半導体基板に形成された電界効果トランジスタであるが、これに限定されない。図示されるように、ソースフォロワトランジスタ３０９の入力端子および出力端子の一方（典型的にはソース）と、行選択トランジスタ３０８の入力端子および出力端子のうちの一方（典型的にはドレイン）とが接続されている。ソースフォロワトランジスタ３０９の制御端子であるゲートは、フォトダイオードに接続されている。フォトダイオードによって生成された信号電荷である正孔または電子は、フォトダイオードとソースフォロワトランジスタ３０９との間の電荷蓄積ノードであり、電荷蓄積部として機能する浮遊拡散層に蓄積される。

図１Ｂには示されていないが、フォトダイオードと浮遊拡散層２０４、２０５、２０６、２０７との間には、スイッチが設けられ得る。このスイッチは、制御回路１４０からの制御信号に応じて、フォトダイオードと浮遊拡散層との間の導通状態を切り替える。これにより、浮遊拡散層への信号電荷の蓄積の開始と停止とが制御される。本実施形態における電子シャッタは、このような電荷蓄積制御のための機構を有する。

浮遊拡散層に蓄積された信号電荷は、行選択回路３０２によって行選択トランジスタ３０８のゲートがＯＮにされることにより、読み出される。この際、浮遊拡散層の信号電位に応じて、ソースフォロワ電源３０５からソースフォロワトランジスタ３０９およびソースフォロワ負荷３０６へ流入する電流が増幅される。垂直信号線３０４から読み出されるこの電流によるアナログ信号は、列毎に接続されたアナログ－デジタル（ＡＤ）変換回路３０７によってデジタル信号データに変換される。このデジタル信号データは、列選択回路３０３によって列ごとに読み出され、イメージセンサ１３０から出力される。行選択回路３０２および列選択回路３０３は、１つの行の読出しを行った後、次の行の読み出しを行い、以下同様に、全ての行の浮遊拡散層の信号電荷の情報を読み出す。制御回路１４０は、全ての信号電荷を読み出した後、リセットトランジスタ３１０のゲートをオンにすることで、全ての浮遊拡散層をリセットする。これにより、１つのフレームの撮像が完了する。以下同様に、フレームの高速撮像を繰り返すことにより、イメージセンサ１３０による一連のフレームの撮像が完結する。

本実施の形態では、ＣＭＯＳ型のイメージセンサ１３０の例を説明したが、撮像素子はＣＣＤ型であっても、単一光子計数型素子であっても、増幅型イメージセンサ（ＥＭＣＣＤ、ＩＣＣＤ）であっても構わない。

［１－３．制御回路１４０および画像処理回路１５０］
制御回路１４０は、光源１２０からのパルス光の発光タイミングと、イメージセンサ１３０のシャッタタイミングとの時間差（即ち位相差）を調整する。光源１２０の「発光タイミング」とは、光源１２０が発するパルス光のパワーが立ち上がりを開始する時間である。制御回路１４０は、発光タイミングを変化させて位相差を調整してもよいし、シャッタタイミングを変化させて位相差を調整してもよい。

制御回路１４０は、イメージセンサ１３０の受光素子で検出された信号からオフセット成分を取り除くように構成されてもよい。オフセット成分は、太陽光、蛍光灯などの環境光、または外乱光による信号成分である。光源１２０が発光しない状態、つまり光源１２０の駆動をＯＦＦにした状態で、イメージセンサ１３０が信号を検出することで、環境光または外乱光によるオフセット成分が見積もられる。

制御回路１４０は、例えば中央演算処理装置（ＣＰＵ）またはマイクロコンピュータ（マイコン）等のプロセッサと、メモリとを有する集積回路であり得る。制御回路１４０は、例えばメモリに記録されたプログラムを実行することにより、発光タイミングとシャッタタイミングとの調整、オフセット成分の見積り、およびオフセット成分の除去等の各種の処理を行う。

画像処理回路１５０は、イメージセンサ１３０から出力された信号に基づく画像処理等の演算を行う演算回路である。そのような演算回路は、例えばデジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）等のプログラマブルロジックデバイス（ＰＬＤ）、または中央演算処理装置（ＣＰＵ）もしくは画像処理用演算プロセッサ（ＧＰＵ）とコンピュータプログラムとの組み合わせによって実現され得る。なお、制御回路１４０および画像処理回路１５０は、分離された個別の回路でなくてもよく、統合された１つの回路であってもよい。

図１Ｃは、制御回路１４０による動作の概略を示すフローチャートである。詳細は後述するが、制御回路１４０は、概略的には図１Ｃに示す動作を実行する。制御回路１４０は、まず、光源１２０に所定時間だけパルス光を発光させる（ステップＳ１０１）。このとき、イメージセンサ１３０の電子シャッタは電荷蓄積を停止した状態にある。制御回路１４０は、パルス光の一部が被検体１０２の表面から反射してイメージセンサ１３０に到達する期間が完了するまで、電子シャッタに電荷蓄積を停止させる。次に、制御回路１４０は、当該パルス光の他の一部が被検体１０２の内部で散乱されてイメージセンサ１３０に到達するタイミングで、電子シャッタに電荷蓄積、すなわち露光を開始させる（ステップＳ１０２）。所定時間経過後、制御回路１４０は、電子シャッタに電荷蓄積を停止させる（ステップＳ１０３）。露光の開始タイミングおよび停止タイミングは、予め実験または数値計算によって決定される。光源１２０と被検体１０２との距離が既知であれば、光源１２０から光が出射してからイメージセンサ１３０に到達するまでの時間が計算できる。このため、例えば光パルスの後端部分がイメージセンサ１３０に入射する期間のみ露光するように制御できる。続いて、制御回路１４０は、上記の信号蓄積を実行した回数が所定の回数に達したか否かを判定する（ステップＳ１０４）。この判定がＮｏの場合、Ｙｅｓと判定するまで、ステップＳ１０１からＳ１０３を繰り返す。ステップＳ１０４においてＹｅｓと判定すると、制御回路１４０は、各浮遊拡散層に蓄積された信号電荷に基づく画像を示す信号をイメージセンサ１３０に生成させて出力させる（ステップＳ１０５）。図１Ｃの動作により１フレームの画像が形成され、この一連の流れを複数回繰り返すことで動画像が得られる。

以上の動作により、測定対象の内部で散乱された光の成分を高い感度で検出することができる。なお、複数回の発光および電荷蓄積は必須ではなく、必要に応じて行われる。

［１－４．その他］
生体計測装置１００は、被検体１０２の２次元像をイメージセンサ１３０の受光面上に形成する結像光学系を備えていてもよい。結像光学系の光軸は、イメージセンサ１３０の受光面に対して略直交する。結像光学系は、ズームレンズを含んでいてもよい。ズームレンズの位置が変化すると被検体１０２の２次元像の拡大率が変化し、イメージセンサ１３０上の２次元像の解像度が変化する。したがって、被検体１０２までの距離が遠くても測定したい領域を拡大して詳細に観察することが可能となる。

また、生体計測装置１００は、被検体１０２とイメージセンサ１３０との間に光源１２０から出射される光の波長帯域またはその近傍の波長帯域の光のみを通過させる帯域通過フィルタを備えていてもよい。これにより、環境光などの外乱成分の影響を低減することができる。帯域通過フィルタは、例えば多層膜フィルタまたは吸収フィルタによって構成される。光源１２０の温度またはフィルタへの斜入射に伴う帯域シフトを考慮して、帯域通過フィルタの帯域幅は２０から１００ｎｍ程度の幅をもたせてもよい。

生体計測装置１００は、光源１２０と被検体１０２との間、およびイメージセンサ１３０と被検体１０２との間にそれぞれ偏光板を備えていてもよい。この場合、光源１２０側に配置される偏光板とイメージセンサ側に配置される偏光板とは、それらの偏光方向が直交ニコルの関係になるように配置され得る。これにより、被検体１０２の表面反射成分１０４のうち正反射成分、すなわち入射角と反射角とが同じ成分がイメージセンサ１３０に到達することを防ぐことができる。つまり、表面反射成分１０４がイメージセンサ１３０に到達する光量を低減させることができる。

［２．動作］
本開示の生体計測装置１００は、表面反射成分１０４から内部散乱成分１０６を区別して検出する。被検部を人間の額とした場合、検出したい内部散乱成分１０６による信号のパワーは非常に小さくなる。前述のように、レーザ光の安全基準を満たす非常に小さい光量の光が照射されることに加えて、頭皮、脳髄液、頭蓋骨、灰白質、白質及び血流による光の散乱及び吸収が大きいためである。さらに、脳活動時の血流量または血流内成分の変化による信号のパワーの変化は、さらに数十分の１の大きさに相当し非常に小さくなる。したがって、検出したい信号成分の数千から数万倍である表面反射成分１０４の混入を抑制して撮影する。

以下、本実施の形態における生体計測装置１００の動作を説明する。

図１Ａに示すように、光源１２０が被検体１０２にパルス光を照射すると、表面反射成分１０４および内部散乱成分１０６が発生する。表面反射成分１０４および内部散乱成分１０６はその一部がイメージセンサ１３０に到達する。内部散乱成分１０６は、光源１２０から発せられてイメージセンサ１３０に到達するまでに被検体１０２の内部を通過するため光路長が表面反射成分１０４に比べて長くなる。したがって、内部散乱成分１０６は、イメージセンサ１３０に到達する時間が表面反射成分１０４に対して平均的に遅れる。

図２は、光源１２０から矩形パルス光が発せられることにより、被検体１０２からイメージセンサ１３０に戻った光の信号を表す図である。横軸は信号（ａ）から（ｄ）においていずれも時間（ｔ）を表し、縦軸は信号（ａ）から（ｃ）においては信号のパワー、信号（ｄ）においては電子シャッタのＯＰＥＮまたはＣＬＯＳＥの状態を表す。信号（ａ）は表面反射成分１０４を示す。信号（ｂ）は内部散乱成分１０６を示す。信号（ｃ）は表面反射成分１０４を示す信号（ａ）と内部散乱成分１０６を示す信号（ｂ）との合算成分を示す。信号（ａ）に示すように、表面反射成分１０４は矩形を維持する。一方、信号（ｂ）に示すように、内部散乱成分１０６はさまざまな光路長を経た光の合算であるため、パルス光の後端で尾を引いたような特性を示す。すなわち、内部散乱成分１０６の立ち下がり期間は、表面反射成分１０４の立ち下がり期間よりも長い。信号（ｃ）から内部散乱成分１０６の割合を高めて抽出するためには、信号（ｄ）に示すとおり、表面反射成分１０４の後端以降、つまり表面反射成分１０４が立ち下がった時またはその後に電子シャッタが電荷蓄積を開始すればよい。このシャッタタイミングは、制御回路１４０によって調整される。上述したとおり、本開示の生体計測装置１００は表面反射成分１０４から内部散乱光１０６を区別して検出できればよいため、発光パルス幅及びシャッタ幅は任意である。したがって、従来のストリークカメラを使用した方法と異なり簡便な構成で実現できコストを大幅に低下させることができる。

図２の信号（ａ）の例では、表面反射成分１０４のパルスの後端が垂直に立ち下がっている。言い換えると、表面反射成分１０４が立ち下がりを開始してから終了するまでの時間がゼロである。しかし、現実的には光源１２０が照射するパルス光の立ち下がり自体が完全に垂直でなかったり、被検体１０２の表面に微細な凹凸があったり、表皮内での散乱により、表面反射成分１０４のパルスの後端が垂直に立ち下がらないことがある。また、被検体１０２は一般に不透明な物体である場合が多いことから、表面反射成分１０４は内部散乱成分１０６よりも非常に光量が大きくなる。したがって、表面反射成分１０４のパルスの後端が垂直な立ち下がり位置からわずかにはみ出した場合であっても、内部散乱成分１０６が埋もれてしまい問題となる。また、電子シャッタの読み出し期間中の電子移動に伴う時間遅れにより、図２の信号（ｄ）に示すような理想的なバイナリな電子シャッタの動作が実現できないことがある。

したがって、制御回路１４０は、電子シャッタのシャッタタイミングを表面反射成分１０４の立ち下がり直後よりやや遅らせてもよい。この遅延時間は、電子シャッタの精度を考慮すると、例えば１ｎｓ以上であり得る。なお、制御回路１４０は、電子シャッタのシャッタタイミングを調整する代わりに、光源１２０の発光タイミングを調整してもよい。制御回路１４０は、電子シャッタのシャッタタイミングと光源１２０の発光タイミングとの時間差を調整すればよい。なお、非接触で脳活動時の血流量または血流内成分の変化を計測する場合は、あまりにもシャッタタイミングを遅らせすぎると、もともと小さい内部散乱成分１０６がさらに減少してしまう。これを回避するためには、表面反射成分１０４のパルスの後端近傍にシャッタタイミングを留めておけばよい。被検体１０２の散乱による時間遅れが４ｎｓ程度であるため、シャッタイミングの最大の遅らせ量は４ｎｓ程度であり得る。

光源１２０がパルス光を複数回発し、各パルス光に対して同じ位相のシャッタタイミングで複数回電荷を蓄積することで、内部散乱成分１０６の検出光量を増幅させてもよい。

被検体１０２とイメージセンサ１３０との間に帯域通過フィルタを配置することに替えて、またはそれに加えて、制御回路１４０が、光源１２０を発光させない状態で同じ電荷蓄積時間で撮影することによってオフセット成分を見積もってもよい。見積もったオフセット成分は、イメージセンサ１３０の受光素子で検出された信号から差分除去される。これによってイメージセンサ１３０上で発生する暗電流成分を除去することができる。

図３は、実施の形態１における生体計測装置１００の動作を示すフローチャートである。ユーザからの計測開始の指示（スタート）の後、生体計測装置１００の撮像装置１１０は、被検体１０２を撮像し、画像信号を出力する。この撮像および画像信号の出力は、例えばフレーム毎に連続して行われ得る。画像処理回路１５０は、得られた画像から１つ以上の特定部位を抽出する（ステップＳ３０１）。このとき、外光に基づいて画像を取得できるため、光源１２０が発光する必要はない。ここで、生体計測装置１００が、光源１２０の発光波長と同じ波長の光のみを透過させる帯域通過フィルタを備えている場合には、検出光量が小さくなりがちである。そこで、光源１２０が消灯している時のイメージセンサ１３０による画像取得は、生体計測時のような断続的に繰り返す電荷蓄積方法ではなく、１フレーム内で連続的な電荷蓄積としてもよい。連続的な電荷蓄積とすることで光源１２０の消灯時でも検出光量を高めることが可能となる。しかし、それでも外光に含まれる近赤外光の成分が少ない場合、検出光量が少なすぎて画像処理回路１５０による特定部位の抽出に支障をきたす場合がある。そのような場合には、制御回路１４０は、光源１２０にダミー発光をさせてもよい。このダミー発光では、パルス光を照射する必要はなく、連続光を照射させれば検出光量が高くなる。

特定部位は、例えば被検者の目、鼻、口、眉などの特徴的な部位であり得る。画像処理回路１５０は、画像から予め設定された１つ以上の特定部位を認識すると、その位置が、画像中の所定の座標範囲内にあるかを判定する（ステップＳ３０２）。言い換えれば、画像処理回路１５０は、特定部位（例えば、目、鼻、口、眉、額など）が画像上の所定の位置にあるかを判定する。特定部位が所定の位置にあると判定すると、制御回路１４０は、光源１２０に発光を開始させる（ステップＳ３０３）。特定部位が検出されない、あるいは特定部位が所定の座標範囲内に存在しないと判定した場合、画像処理回路１５０は、引き続き特定部位の抽出を継続する。画像処理回路１５０は、特定部位が所定の領域内にあると判定するまで、特定部位の抽出を定期的に繰り返す。

特定部位の抽出を実施するタイミングは、生体計測装置１００が備える加速度センサ１８０によって生体計測装置１００の動き、または生体計測装置１００自体の特定の傾きが検出されたときであってもよい。生体計測装置１００の動きまたは傾きが生じると、被検体１０２の被検部（この例では額）が、光源１２０からの光によって照射される範囲およびイメージセンサ１３０によって撮像される範囲からずれる可能性が生じる。そこで、計測中に加速度センサ１８０によって生体計測装置１００の動きまたは傾きを計測し、その大きさが所定の大きさを超えたときに、ステップＳ３０１およびＳ３０２を実行してもよい。これにより、特定部位が所定位置にあるか否かの判定を無駄なく効率的に実行できる。

光源１２０が発光を開始した後、制御回路１４０は、被検体１０２の生体計測を開始する（ステップＳ３０４）。生体計測は、既に説明したとおり、光源１２０の発光タイミングに同期してイメージセンサ１３０の光検出のタイミングを調整することによって行われる。イメージセンサ１３０は、被検体１０２の内部に侵入して戻ってきた光の成分の二次元分布を示す画像を取得する。この画像は、被検体１０２の脳血流の活動状態などの内部特性を示す。

生体計測中、画像処理回路１５０は、定期的に、イメージセンサ１３０から出力された画像から特定部位を抽出し、前述の判定を実行する（ステップＳ３０５、Ｓ３０６）。画像処理回路１５０が生体計測中に特定部位が画像中の所定の位置に存在しないと判定すると、制御回路１４０は、光源１２０に消灯を指示する（ステップＳ３０７）。これにより、生体計測中に目などの特定部位の位置が本来あるべき位置からずれた場合に、光源を消灯し、消費電力を抑制することができる。光源を消灯した後、制御回路１４０は、ディスプレイ１６０に、特定部位の位置が本来の位置からずれたことを示す警告を表示させてもよい。ユーザは、この表示を見て、生体計測装置１００の位置を調節するなどの対処を行うことができる。生体計測装置１００は、ステップＳ３０７の後、ステップＳ３０１に遷移して、再び図３に示す一連の動作を実行してもよい。

本実施形態によれば、被検体１０２の画像に基づく特定部位の抽出および特定部位の位置ずれの判定と、生体計測とを同じイメージセンサ１３０を用いて実施することができる。このため、生体計測装置１００を小型化かつ低コスト化できる。図３に示すフローチャートの処理を実施することで、必要なときにだけ光源１２０を点灯することができるため、生体計測装置１００の消費電力を低減することができる。

次に、図４Ａから図４Ｃを参照しながら、光源１２０による光の照射領域、イメージセンサ１３０の検出領域、および特定部位の抽出領域の関係を説明する。

図４Ａから図４Ｃは、光源１２０からの光の照射領域６００、イメージセンサ１３０の検出領域６１０、および特定部位抽出領域６２０の例を示す図である。照射領域６００は、被検体１０２において光源１２０からの光が照射されている領域に相当する。イメージセンサ１３０は、被検体１０２のうち、検出領域６１０から戻った光を検出する。検出領域６１０は、被検体１０２のうち、イメージセンサ１３０が取得する画像に含まれる領域に相当する。特定部位抽出領域６２０は、イメージセンサ１３０が取得する被検体１０２の画像において、生体計測時に特定部位が存在すべき領域である。特定部位抽出領域６２０は、本開示における、所定の座標範囲に相当する。いずれの例でも、特定部位抽出領域６２０は、イメージセンサ１３０の検出領域６１０の内部に存在する。他方、光源１２０による照射領域６００は、検出領域６１０の内部に含まれる場合（図４Ａ）と、検出領域６１０の内部だけでなく外側にも及ぶ場合（図４Ｂおよび図４Ｃ）とがある。

光源１２０からの光のパワーがレーザの安全性基準のクラス１を満たす場合、図４Ｃのように照射領域６００が検出領域６１０の全体にわたるように光を広く照射してもよい。この場合、被検体１０２が多少動いても照射領域６００が依然被検体１０２の検出したい領域（例えば額）を含んでいる可能性が高く、計測を継続し易い。また、個人差による額の位置のずれの影響も低減させることが可能である。

他方、光源１２０からの光のパワーがレーザの安全性基準のクラス１を超える場合には、図４Ａおよび図４Ｂに示すように、照射領域６００は目を含まないように設定され得る。この場合、特定部位が目であり、特定部位抽出領域６２０が照射領域６００の外側に設定される。この場合、光源１２０による照射領域６００の下端はイメージセンサ１３０の検出領域６１０の内部に含まれる。

［３．ヘッドマウントディスプレイ装置４００への応用例］
次に、本実施形態の生体計測装置１００をヘッドマウントディスプレイ装置４００に搭載した例を説明する。

図５Ａは、ヘッドマウントディスプレイ装置４００に生体計測装置１００を実装した一例を示す図である。このヘッドマウントディスプレイ装置４００は、生体計測装置１００と、生体計測装置１００に接続された２つのディスプレイ１６０とを備えている。ヘッドマウントディスプレイ装置４００の上部に生体計測装置１００が配置されている。生体計測装置１００の下には、左眼用および右眼用の２つのディスプレイ１６０が配置されている。生体計測装置１００は、ヘッドマウントディスプレイ装置４００の被検体１０２との接触面４１０から距離を空けて配置されている。つまり、生体計測装置１００における光源１２０およびレンズ１７０は、接触面４１０よりも奥に配置されている。なお、ディスプレイ１６０の個数は２個に限らず、少なくとも１個以上あればよい。

被検体１０２と生体計測装置１００との距離が短いと、光源１２０が照射する光の拡散角およびレンズ１７０の画角を極端に大きくする必要性が生じる。これに対し、本実施形態では、光源１２０およびレンズ１７０と、被検体１０２との距離がある程度長いため、照射領域６００および検出領域６１０を広げることができる。このため、生体計測装置１００の照明系および光学系の設計の負担を軽減できる。

ディスプレイ１６０には、例えば生体計測用のタスクが表示される。このタスクは、例えば簡単な計算またはパズルであり、被検者の脳活動の診断に利用され得る。被検者がヘッドマウントディスプレイ装置４００を装着し、ディスプレイ１６０にタスクが表示されることで、外界の情報を遮断でき、被検者がタスクに集中できる。

図５Ｂは、生体計測装置１００が実装されたヘッドマウントディスプレイ装置４００で被検体１０２の計測が実施されている様子を示す図である。ヘッドマウントディスプレイ装置４００を被検体１０２に装着して測定することで、被検体１０２の体動の影響を低減して測定することができる。加えて、カメラを用いた測定方法のため、計測点が空間的に連続的であり解像度が高い測定データを得ることができる。

以上のように、本実施形態における制御回路１４０は、撮像装置１１０におけるイメージセンサ１３０から出力された画像において、被検体１０２の特定部位が画像中の所定の座標範囲内に存在しない場合、光源１２０に光を出射させない。他方、前記特定部位が前記座標範囲内に存在する場合、光源１２０に光を出射させる。また、制御回路１４０は、ユーザによる発光指示を受けたとき、前記特定部位が前記座標範囲内にない場合、光源１２０による光の出射を保留し、前記特定部位が前記座標範囲内にある場合、光源１２０による光の出射を開始する。制御回路１０４は、光源１２０から光を出射させて生体計測を行っているときには、前記特定部位が前記座標範囲の外側に移動した場合、光源１２０による発光のパワーを低減させるか、または発光を停止させる。さらに、制御回路１４０は、前記特定部位が前記座標範囲内に存在しない場合、前記特定部位が前記座標範囲内に存在しない旨を示す信号を出力する。当該信号は、例えばディスプレイ１６０に送られ、ユーザに注意を喚起するメッセージ等が表示され得る。

このような構成によれば、生体計測装置１００と被検体１０２との位置関係が適正でない場合に、光源１２０の消費電力を抑制することができる。また、ユーザに注意喚起を行い、生体計測装置１００の位置の調整を促すことができる。

（実施の形態２）
本開示の実施の形態２は、生体計測装置１００が、実施の形態１の動作に加えて、額位置への光の照射が適正に行われているかを確認するステップを含む。以下の説明では、実施の形態１と同様の内容についての詳細な説明は省略する。

図６は、実施の形態２における生体計測装置１００の動作を示すフローチャートである。図６において、ステップＳ３０１からＳ３０７については、図３に示す動作と同じである。本実施形態では、ステップＳ３０３とステップＳ３０４との間にステップＳ６０４およびＳ６０５が挿入されている点が図３に示す動作とは異なる。

生体計測装置１００は、ステップＳ３０３における光源１２０による発光の後、光が額の位置に正しく照射されているかを確認する（ステップＳ６０４）。本ステップでは、画像処理回路１５０が、イメージセンサ１３０から出力された画像中から光源１２０の照射領域６００を認識し、それが被検体１０２の額を覆っているかを確認する。

図７Ａから図７Ｃに示すように、光源１２０の照射領域６００の位置は、被検体１０２との距離により変動する。図７Ａは、生体計測装置１００が被検体１０２に近すぎるために、照射領域６００が検出領域６１０よりも外側にはみ出している状況を示している。この現象は、光源１２０とレンズ１７０の視差に起因して発生する。図７Ｂは、生体計測装置１００が被検体１０２から離れすぎているために、同様に照射領域６００と検出領域６１０との間の位置ずれが発生している状況を示している。図７Ａおよび図７Ｂに示すような場合、光源１２０の照射方向を調整する。

そこで、本実施形態では、制御回路１４０は、照射領域６００が額を覆っていないと判定された場合には、光源１２０からの光の照射位置を変更する（ステップＳ６０５）。例えば、制御回路１４０は、光源１２０の角度または位置を調整することで、光の照射位置を変更する。この場合、生体計測装置１００は、光源１２０の角度または位置を調節するための機構であるアクチュエータまたはモータ等を備え得る。そのような機構は、生体計測装置１００と被検体１０２との距離を可変にする機構であってもよい。生体計測装置１００は、例えばパルス光を発生するＴＯＦ（Ｔｉｍｅ Ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ）モードで駆動することができる。制御回路１４０は、パルス光の往復時間から被検体１０２までの距離を測定し、三角測量の原理から光源１２０の照射方向、または生体計測装置１００と被検体１０２との距離を特定してもよい。

ステップＳ６０５は、装置が自動で行う代わりに、手動で行ってもよい。例えば、制御回路１４０は、「計測位置がずれている」旨の音声または画像によるアナウンスをディスプレイまたはスピーカを介して実施してもよい。このアナウンスを受けて、ユーザは、手動で光源１２０の向きまたは位置を調整する。この場合、手動で光源１２０を調整できるように、光源１２０には回転機構が設けられ得る。また、光源１２０の照射方向を調整する以外にも、図７Ｃに示すように生体計測装置１００と被検体１０２との間の距離を調整することで、照射領域６００の位置を調整してもよい。

このような構成は、図８に示すように、特にモバイル端末５００に生体計測装置１００を実装した場合に適している。モバイル端末５００は、ヘッドマウントディスプレイ装置４００とは異なり、被検体１０２から完全に離れた状態で計測を行う。このため、被検体１０２と生体計測装置１００との距離がずれやすい。よって、計測対象である額の位置が照射範囲６００内に適正に収まっているかを判定し、収まっていない場合にアナウンスを行ってユーザにモバイル端末５００の位置の調整を促すことは有効である。

図８に示すモバイル端末５００には生体計測装置１００が取付けられている。モバイル端末５００のディスプレイ１６０には、計測前には照射領域６００および検出領域６１０が表示される。これにより、ユーザは、被検体１０２の測定したい部位（例えば額）が適正な位置に写り、正しく測定できる環境であるかを確認できる。生体計測が開始すると、ディスプレイ１６０にはタスクが表示される。したがって、モバイル端末５００のディスプレイ１６０は、測定環境の確認およびタスク表示の両方の用途で使用することができる。

以上のように、本実施形態における生体計測装置では、画像処理回路１５０は、被検体１０２の被検部が光の照射領域６００内に位置しているかを判定する。制御回路１４０は、被検体１０２の被検部が光の照射領域６００内に位置していないとき、警告のための信号を出力する。画像処理回路１５０は、前記画像内における額の座標を算出し、算出した額の座標が前記光の照射領域６００内にあるかを判定する。額の座標が前記照射領域６００内にない場合、制御回路１４０は、警告のための信号を出力する。例えば、制御回路１４０は、ディスプレイ１６０に、光源１２０の位置、光源１２０の向き、生体計測装置１００の位置、及び生体計測装置１００の向きからなる群から選択される少なくとも１つを変更すべき旨の画像を表示させる。

図９から図１１は、ディスプレイ１６０にそのような画像が表示されたモバイル端末５００の例を示す。図９に示す例では、ディスプレイ１６０に矢印が表示されている。この矢印は、額の座標が照射領域６００の左側にずれているため、額の位置を、光源１２０または生体計測装置１００に対して右側に移動させることを促している。

また、図１０に示す例では、ディスプレイ１６０にメッセージが表示されている。このメッセージは、額の座標が照射領域６００の左側にずれているため、額の位置を、光源１２０または生体計測装置１００に対して右側に移動させることを促している。

また、図１１に示す例では、ディスプレイ１６０に、メッセージとともに、顔の輪郭を合わせる位置が点線で表示されている。この表示は、額の座標が照射領域６００の左側にずれているため、額の位置を、光源１２０または生体計測装置１００に対して右側に移動させることを促している。

このような構成により、額などの被検部が、照射領域内に適切に位置している場合のみ、生体計測が行われる。このため、光源１２０の消費電力を抑えることができる。

本実施形態における被検部の位置の判定は、生体計測を開始するときだけでなく、計測中にも定期的に行ってもよい。例えば、計測中に額の位置が照射範囲の外側に出た場合には、光源１２０の発光を停止したり、発光パワーを弱くしたりしてもよい。そのような制御を適用することにより、計測中の消費電力を抑えることができる。

以上の実施形態では、ヘッドマウントディスプレイ装置４００、モバイル端末５００等に生体計測装置１００が実装された例を示したが、これに限定されない。例えば、図１２に示すように、生体計測装置１００が、車両内に搭載されてもよい。図１２に示す例では、生体計測装置１００が、車両内の運転者を計測可能なように、例えば、フロントガラスの上部に取り付けられている。

以上の実施形態では、１つのイメージセンサ１３０が、被検体１０２の画像の取得と、生体情報の計測とを実施する。しかし、これらの機能を２つのデバイスに分けて構成してもよい。つまり、生体計測装置１００における撮像装置１１０（図１Ａ）は、被検体１０２の画像を取得するイメージセンサとは別に、光源１２０から出射され被検体１０２で反射または散乱された光を検出する光検出器を備えていてもよい。その場合、光検出器は、２次元的に配列された複数の受光素子を備えていなくてもよい。光検出器は、用途に応じて、１次元的に配列された複数の受光素子を備えていてもよいし、単一の受光素子を備えていてもよい。

本開示における生体計測装置は、被検体の内部情報を取得するカメラまたは測定機器に有用である。本開示における生体計測装置は、例えば生体・医療センシングに応用できる。

１００ 生体計測装置
１０２ 被検体
１０４ 表面反射成分
１０６ 内部散乱成分
１１０ 撮像装置
１２０ 光源
１３０ イメージセンサ
１４０ 制御回路
１５０ 画像処理回路
１６０ ディスプレイ
１７０ レンズ
１８０ 加速度センサ
２０１ 画素
２０４、２０５、２０６、２０７ 浮遊拡散層
３０２ 行選択回路
３０３ 列選択回路
３０４ 垂直信号線
３０５ ソースフォロワ電源
３０６ ソースフォロワ負荷
３０７ ＡＤ変換回路
３０８ 行選択トランジスタ
３０９ ソースフォロワトランジスタ
３１０ リセットトランジスタ
４００ ヘッドマウントディスプレイ装置
４１０ 接触面
５００ モバイル端末
６００ 照射領域
６１０ 検出領域
６２０ 特定部位抽出領域

Claims (15)

1. 生体上の領域を照射する第１の光を出射する光源と、
   前記生体から戻った第２の光を検出し、かつ前記生体の少なくとも一部を含む第１の画像を取得する撮像装置と、
   前記光源を制御する制御回路と、
   を備え、
   前記制御回路は、
   前記第１の画像において、前記生体の特定部位が、前記第１の画像中の所定の座標範囲内に存在しない場合、前記光源に前記第１の光を出射させず、
   前記第１の画像において、前記生体の前記特定部位が、前記第１の画像中の前記所定の座標範囲内に存在する場合、前記光源に前記第１の光を出射させ、かつ前記撮像装置により検出された前記第２の光に基づいて、前記生体の生体情報を取得し、
   前記所定の座標範囲は、前記領域の外側に設定される、
   生体計測装置。
2. 画像処理回路をさらに備え、
   前記画像処理回路は、前記第１の画像において、前記生体の特定部位が前記所定の座標範囲内に存在するかを判定する、
   請求項１に記載の生体計測装置。
3. 前記制御回路は、
   前記生体情報を取得しているときに、前記第１の画像において、前記特定部位が前記所定の座標範囲内から前記所定の座標範囲外に移動した場合、
   前記光源に、前記第１の光のパワーを低減させるか、または
   前記光源に、前記第１の光の出射を停止させる、
   請求項１または２に記載の生体計測装置。
4. 前記制御回路は、
   前記第１の画像において、前記特定部位が前記所定の座標範囲内に存在しない場合、
   さらに、前記第１の画像において前記特定部位が前記所定の座標範囲内に存在しない旨を示す信号を出力する、
   請求項１から３のいずれかに記載の生体計測装置。
5. ディスプレイをさらに備え、
   前記制御回路は前記第１の画像を前記ディスプレイに表示させる、
   請求項１から４のいずれかに記載の生体計測装置。
6. 前記制御回路は、
   前記第１の画像において、前記特定部位が前記所定の座標範囲内に存在しない場合、
   前記ディスプレイに、前記光源の位置、前記生体計測装置の位置、前記光源の向き、及び前記生体計測装置の向きからなる群から選択される少なくとも１つを変更すべき旨を示す第２の画像を表示させる、
   請求項５に記載の生体計測装置。
7. 前記生体上の前記領域は、前記生体の前記少なくとも一部に含まれる、
   請求項１から６のいずれかに記載の生体計測装置。
8. 前記特定部位は、目、鼻、口、耳、および眉からなる群から選択される少なくとも１つである、
   請求項１から７のいずれかに記載の生体計測装置。
9. 前記画像処理回路は、前記第１の画像において、前記生体の被検部が前記領域内に位置しているかをさらに判定し、
   前記制御回路は、前記第１の画像において、前記被検部が前記領域内に位置していないとき、警告のための信号を出力する、
   請求項２に記載の生体計測装置。
10. 前記被検部は、額であり、
    前記画像処理回路は、前記第１の画像内における前記額の座標を算出し、前記額の座標が前記領域内にあるかを判定し、
    前記制御回路は、前記額の座標が前記領域内にない場合、前記警告のための信号を出力する、
    請求項９に記載の生体計測装置。
11. ディスプレイをさらに備え、
    前記制御回路は、
    前記額の座標が前記領域内にない場合、
    前記ディスプレイに、前記光源の位置、前記生体計測装置の位置、前記光源の向き、及び前記生体計測装置の向きからなる群から選択される少なくとも１つを変更すべき旨を示す第２の画像を表示させる、
    請求項１０に記載の生体計測装置。
12. 生体の頭部に装着されるヘッドマウントディスプレイ装置であって、
    請求項１から１１のいずれかに記載の生体計測装置と、
    前記生体計測装置に接続されたディスプレイと、
    を備える、
    ヘッドマウントディスプレイ装置。
13. 生体計測装置を制御するコンピュータが実行する生体計測方法であって、
    生体上の領域を照射する第１の光を光源に出射させ、
    撮像装置に、前記生体から戻った第２の光を検出させ、かつ前記生体の少なくとも一部を含む第１の画像を取得させ、
    前記第１の画像において、前記生体の特定部位が、前記第１の画像中の所定の座標範囲内に存在しない場合、前記光源に前記第１の光を出射させず、
    前記第１の画像において、前記生体の前記特定部位が、前記第１の画像中の前記所定の座標範囲内に存在する場合、前記光源に前記第１の光を出射させ、かつ前記撮像装置により検出された前記第２の光に基づいて、前記生体の生体情報を取得し、
    前記所定の座標範囲は、前記領域の外側に設定される、
    生体計測方法。
14. 生体上の領域を照射する第１の光を出射する光源と、
    前記生体から戻った第２の光を検出し、かつ前記生体の少なくとも一部を含む第１の画像を取得する撮像装置と、
    前記光源を制御する制御回路と、
    を備え、
    前記制御回路は、
    前記光源に、前記第１の光を出射させ、かつ前記撮像装置により検出された前記第２の光に基づいて、前記生体の生体情報を取得し、
    前記生体情報を取得しているときに、前記第１の画像において、前記生体の特定部位が前記第１の画像中の所定の座標範囲内に存在する場合、前記光源から出射される前記第１の光のパワーを維持し、
    前記生体情報を取得しているときに、前記第１の画像において、前記生体の前記特定部位が前記第１の画像中の前記所定の座標範囲内に存在しない場合、前記光源に前記第１の光のパワーを低減させ、
    前記所定の座標範囲は、前記領域の外側に設定される、
    生体計測装置。
15. 生体計測装置を制御するコンピュータが実行する生体計測方法であって、
    生体上の領域を照射する第１の光を光源に出射させ、
    撮像装置に、前記生体から戻った第２の光を検出させ、かつ前記生体の少なくとも一部を含む第１の画像を取得させ、
    前記撮像装置により検出された前記第２の光に基づいて、前記生体の生体情報を取得し、
    前記生体情報を取得しているときに、前記第１の画像において、前記生体の特定部位が前記第１の画像中の所定の座標範囲内に存在する場合、前記光源から出射される前記第１の光のパワーを維持し、
    前記生体情報を取得しているときに、前記第１の画像において、前記生体の前記特定部位が前記第１の画像中の前記所定の座標範囲内に存在しない場合、前記光源に前記第１の光のパワーを低減させ、
    前記所定の座標範囲は、前記領域の外側に設定される、
    生体計測方法。
    

Images