CN103528964A - 分光成像仪 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种分光成像仪，所述分光成像仪具备：光源装置和拍摄装置，上述光源装置具有光源部、第一透镜组以及第一偏光单元，上述拍摄装置具有第二偏光单元、第二透镜组、滤光器以及拍摄单元。
Description
技术领域
本发明涉及分光成像仪。
背景技术
作为在不破坏对象物的前提下获取对象物的成分或所含物质的信息的方法，广泛使用获取对象物的光谱图像数据并分析该数据后得到成分信息的方法。例如，专利文献1中公开了以下分光图像输入系统，作为获取对象物的特定部位的光谱数据的方法，包括拍摄整个对象物后获取对象物图像的图像数据获取装置和获取比所获取的对象物图像更小的范围内的光谱数据的光谱数据获取装置，光谱数据获取装置具有高于图像数据获取装置的波长分解能，因此，利用图像数据获取装置获取大致的对象物特征，而光谱数据获取装置获取该数据的特征部位的具体分析。由于装置本身具备确定该具体部位的设备，因此不经过操作者(人)的判断就可以迅速且稳定地对对象物的特征进行分析。
另外，在专利文献2中公开了这样的拍摄装置，即单板数码相机，使用具有窄带的透射波长特性的分光滤波器，使透射波长带进行变化后获取对象物的拍摄图像，然后合成获取的各波长带的图像，从而可以得到对象物的分光图像。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：特开2000-329617号公报
专利文献2：特开2009-33222号公报
但是，近年来随着保康、确保食品安全等动向，对测量食品成分、含糖量等的小型食品检测仪等的需求越来越多。但是，专利文献1所公开的分光图像输入系统除了获取对象物的整体图像的拍摄装置以外，还需要获取特定部位的光谱图像的光谱数据获取装置，从而装置变大型。另外，装置的小型化换句话说虽然可以拍摄近的对象物，但测量食品成分等不是测量其表面，而需要测量内部，如果拍摄对象食品是具有光泽表面的食品，就必须控制来自光泽面的镜面反射光的影响。但是，专利文献2所示的拍摄装置虽然启发了对邻近对象物的拍摄方法，但没有披露关于镜面反射的影响。
在此，提供即使是小型的分光成像仪也可以控制镜面反射的影响并对对象物进行准确的分光分析的分光成像仪。
发明内容
本发明是为了解决上述课题的至少一部分完成的，可以作为以下的方式或应用例来实现。
应用例1
本应用例的分光成像仪的特征在于，具备：光源装置和拍摄装置，上述光源装置具有光源部、第一透镜组以及第一偏光单元，上述拍摄装置具有第二偏光单元、第二透镜组、滤光器以及拍摄单元。
根据本应用例的分光成像仪，利用光源装置所具备的第一偏光单元出射偏振光，一旦该偏振光投射到被成分分析的对象物，就进入对象物的内部，经内部成分反射后的光成为消除了出射光的偏光的光。而在对象物表面被镜面反射的光保持所出射的偏振光的偏光并被反射。分析光在拍摄装置侧入射，上述分析光混合了通过对象物的内部成分消除了偏光后的反射光和在对象物表面被镜面反射后的偏振光。从入射的分析光，通过拍摄装置的第二偏光单元吸收偏振光，只有利用对象物的内部成分消除了偏光后的反射光到达拍摄部。因此，可以使去掉了对象物表面形成的镜面反射成分后的分析光在拍摄部受光，从而可以得到能够形成准确的对象物分光分析图像的分光成像仪。
应用例2
根据上述的应用例，其特征在于，上述第一偏光单元和上述第二偏光单元具备直线偏光部，上述第一偏光单元和上述第二偏光单元被配置成使上述第一偏光单元的直线偏光方向与上述第二偏光单元的直线偏光方向直交。
上述的应用例中的“直交”并不是指按照严格的90度角交叉的意思。而是将至少组装一般的装置时的位置精度或者考虑到零部件其本身的标准偏差的90度角作为目标值，具有规定的角度范围。根据上述的应用例，第一偏光单元和第二偏光单元是偏光为直线偏光的直线偏光部，从而可以得到在对象物表面的镜面反射光的偏光的干扰(位移)少，作为拍摄装置可以得到能够进一步确实地去掉镜面反射光，能够形成准确的对象物的分光分析图像的分光成像仪。
应用例3
根据上述的应用例，其特征在于，上述直线偏光部是直线偏光板。
根据上述的应用例，可以得到装置结构简单，容易调整第一偏光单元和第二偏光单元的偏光轴的分光成像仪。
应用例4
根据上述的应用例，其特征在于，上述第一偏光单元和上述第二偏光单元具备圆偏光部，上述第一偏光单元和上述第二偏光单元配置成使上述第一偏光单元的圆偏光的旋转方向与上述第二偏光单元的圆偏光的旋转方向为相同方向。
根据上述的应用例，第一偏光单元和第二偏光单元是偏光成圆偏光的圆偏光部，从而可以得到在对象物表面的镜面反射光的偏光的干扰(位移)少，在拍摄装置中，即使相对光轴有围绕光轴的第二偏光单元的配置位移，也可以利用圆偏光确实去掉镜面反射光。因此，可以得到能够形成准确的对象物的分光分析图像的分光成像仪。
应用例5
根据上述的应用例，其特征在于，上述圆偏光部包括λ/4相位差板。
根据上述的应用例，通过在偏光板上叠加λ/4相位差板，从而可以容易地得到偏光，而且，第一偏光单元和第二偏光单元可以具有相同的圆偏光部，因此可以得到容易使圆偏光的方向一致的分光成像仪。
应用例6
根据上述的应用例，其特征在于，上述滤光器是波长可变滤光器。
根据上述的应用例，使用波长可变滤光器，可以在从对象物含有的多种成分中获取的所需成分的分光图像的波长范围通过一台分光成像仪获取所需要的分光图像。
应用例7
根据上述的应用例，其特征在于，具备：光源、第一偏光单元、第二偏光单元、滤光器以及拍摄单元，上述第一偏光单元和上述第二偏光单元被配置成上述第一偏光单元的直线偏光方向与上述第二偏光单元的直线偏光方向直交。
根据本应用例的分光成像仪，利用光源装置所具备的第一偏光单元出射偏振光，一旦该偏振光投射到被成分分析的对象物，就进入对象物的内部，被内部成分反射的光成为消除了出射光的偏光的光。而在对象物表面被镜面反射的光保持所出射的偏振光的偏振并被反射。分析光在拍摄装置侧入射，上述分析光混合了通过对象物的内部成分消除了偏光的反射光和在对象物表面被镜面反射的偏振光。通过拍摄装置的第二偏光单元从入射的分析光吸收偏振光，只有利用对象物的内部成分消除了偏光后的反射光到达拍摄部。因此，可以使去掉了对象物表面形成的镜面反射成分后的分析光在拍摄部受光，从而可以得到能够形成准确的对象物的分光分析图像的分光成像仪。
应用例8
根据上述的应用例，其特征在于，上述第一偏光单元和上述第二偏光单元具备直线偏光部，上述第一偏光单元和上述第二偏光单元被配置成使上述第一偏光单元的直线偏光方向与上述第二偏光单元的直线偏光方向直交。
在上述的应用例中，“直交”也并不是指按照严格的90度角交叉的意思。而是将至少组装一般的装置时的位置精度或者考虑到零部件其本身的标准偏差的90度角作为目标值，具有规定的角度范围。根据上述的应用例，第一偏光单元和第二偏光单元是偏光为直线偏光的直线偏光部，从而可以得到在对象物表面的镜面反射光的偏光的干扰(位移)少，作为拍摄装置，可以得到能够进一步确实地去掉镜面反射光，能够形成准确的对象物的分光分析图像的分光成像仪。
附图说明
图1是表示第一实施方式的分光成像仪，图1的(a)是大体结构的框图，图1的(b)是光源装置的框图，图1的(c)是拍摄装置的框图。
图2是表示在第一实施方式的分光成像仪中，图2的(a)是示意性地示出的从光源装置出射的光与向拍摄装置入射的光的关系的概念图，图2的(b)是说明镜面反射的光量分布的示意图。
图3是表示第一实施方式的分光成像仪具有的滤光器的大体结构的截面图。
图4是表示第二实施方式的分光成像仪，图4的(a)是大体结构的框图，图4的(b)是光源装置的框图，图4的(c)是拍摄装置的框图。
图5是表示在第二实施方式的分光成像仪上，图5的(a)是示意性地示出的从光源装置出射的光与向拍摄装置入射的光的关系的概念图，图5的(b)～图5的(d)是说明圆偏光的方向的记号图。
具体实施方式
以下参考附图、就本发明的实施方式进行说明。
第一实施方式
图1是表示第一实施方式的分光成像仪(spectroscopic image capturingapparatus)的大体结构的框图。如图1的(a)所示，第一实施方式的分光成像仪100由具备光源装置10和拍摄装置20的图像获取装置30(以下称为分光相机部30)以及控制光源装置10并对拍摄装置20获取的图像进行图像处理的处理控制部40构成。
如图1的(b)所示，光源装置10具备具有作为光源的灯的光源部1、使来自光源部1的灯光La成为平行光Lb的第一透镜组2以及作为使来自第一透镜组2的平行光Lb偏光成直线偏振光Lp的第一偏光单元的第一偏光板3。从光源部1出射的灯光La穿过第一透镜组2和第一偏光板3后形成直线偏振光Lp，并向对象物M出射。另外，在附图中用一个透镜表示了第一透镜组2，也可以组合多个透镜形成第一透镜组2。
根据对象物M的分析项目，适当选择从光源装置10发出的直线偏振光Lp，例如，如果对象物M是食品，分析其内部成分的情况下优选使用红外线。另外，测量对象物M表面颜色的情况下，也可以使用可见光。因此，使用红外线的情况下，光源部1就使用钨灯、红外LED等光源。
如图1的(c)所示，拍摄装置20具备作为将来自对象物M的反射光Lr偏光成直线偏振光Lc的第二偏光单元的第二偏光板4、使偏光后的直线偏振光Lc聚光以形成平行光Ld的第二透镜组5、将第二透镜组5形成的平行光Ld过滤成所需要的波长的分析光Le的滤光器6以及作为拍摄由穿过滤光器6后的具有所需波长的分析光Le形成的图像的拍摄单元的拍摄元件7。另外，在附图中用一个透镜表示了第二透镜组5，也可以组合多个透镜形成第二透镜组5。
图2的(a)是示意性地示出的从光源装置10出射的光与向拍摄装置20入射的光的关系的概念图。如图2的(a)所示，从光源部1穿过第一透镜组2而来的平行光Lb是平行光，也是向各方向振动的光的集合。通过使该平行光Lb穿过在直线振动方向P1偏光的第一偏光板3，从而向对象物M投射在直线振动方向P1偏光后的直线偏振光Lp。
被投射到对象物M上的直线偏振光Lp是上述的红外线波长范围，因此直线偏振光Lp不仅到达对象物M的表面，还到达内部。到达对象物M内部的直线偏振光Lp在对象物M内部反复反射，从而消除偏光，并作为向各方向振动的光的集合的反射光Lr进行反射。但是，该反射光Lr包含由直线偏振光Lp在对象物M的表面镜面反射而成的偏光反射光LrP。镜面反射得到的偏光反射光LrP在透射到图1所示的拍摄元件7的光量分布中即反射光Lr的光量分布中，如图2的(b)所示，镜面反射得到的偏光反射光Lrp被作为超过不含镜面反射的其他区域的光量的光量进行反射。这样，由于存在因镜面反射而光量大的部位，所以在表示对象物M的内部成分的分光图像中产生很大的误差。
因此，如图2的(a)所示，以使接收反射光Lr的拍摄装置20所具备的第二偏光板4的偏光轴在与第一偏光板3的偏光轴即偏光方向P1直交的方向形成偏光方向P2的方式配置第二偏光板4，从而得到清除了镜面反射成分即偏光反射光Lrp后的直线偏振光Lc。因此，通过直线偏振光Lc穿过第二透镜组5和滤光器6后的分析光Le得到的分光图像可以得到光量分布不均匀明显少的分光图像。因此，可以得到能够获得更准确的分析结果的分光图像。
如图1的(c)所示，穿过第二偏光板4并形成直线偏振光Lc的入射光被第二透镜组5聚光，形成平行光Ld，后被导向滤光器6。在本实施方式中就滤光器6使用波长可变滤光器进行说明。波长可变滤光器被称为所谓的标准滤波器，图3表示其概略截面图。如图3所示，波长可变滤光器的滤光器6通过接合第一基板6a和第二基板6b而形成。第一基板6a、第二基板6b是透明部件，例如由钠钙玻璃、水晶玻璃、石英玻璃、铅玻璃、钾玻璃、硼硅酸盐玻璃、无碱玻璃等各种玻璃或水晶等光透过性材料形成。
在第一基板6a的中央部与第二基板6b相对的面上形成第一反射膜6c，在与第一反射膜6c相对的第二基板6b的内部突起6d的上表面形成第二反射膜6e。反射膜6c、6e由交替层压多层高折射率层和低折射率层的电介质多层膜形成。在可见光线或红外线的波长区域使用滤光器6的情况下，使用例如氧化钛(TiO2)、氧化钽(Ta2O5)、氧化铌(Nb2O5)等作为形成电介质多层膜的高折射率层的材料，使用例如氟化镁(MgF2)、氧化硅(SiO2)等作为形成低折射率层的材料。另外，在紫外线的波长区域使用滤光器6的情况下，使用例如氧化铝(Al2O3)、氧化铬(HfO2)、氧化锆(ZrO2)、氧化针(ThO2)等作为形成高折射率层的材料，使用例如氟化镁(MgF2)、氧化硅(SiO2)等作为形成低折射率层的材料。另外，也可以使用例如银等金属类反射膜作为反射膜6c、6e。
在第一基板6a的第一反射膜6c的外周形成环形的第一电极6f。在第二基板6b上与第一电极6f相对地形成第二电极6g。基于图1的(a)所示的处理控制部40的控制，电流流过第一电极6f和第二电极6g，并根据该电流的强度、方向等使第一电极6f和第二电极6g产生相互吸引的力。由于第一基板6a的形成有第一电极6f的区域被形成为环形的薄壁部6h，该吸引力使薄壁部6h弯曲，并任意改变第一反射膜6c和第二反射膜6e的间隔G(以下称为间隙G)，从而通过在间隙G之间的光的多重干涉，可以对入射的平行光Ld进行过滤，使规定波长的分析光Le出射。
关于分析光Le如图1的(c)所示，拍摄元件7例如使用CCD(ChargeCoupled Decice，电荷耦合装置)图像传感器将分析光Le转换成图像信号。驱动滤光器6，使分析光Le出射N种波长不同的分析光Le1、Le2、…、LeN，并向处理控制部40传送基于各个分析光Lel、Le2、…、LeN的图像信号，创建规定的分析图像(数据)。这些N种的分析光Le1、Le2、…、LeN是从反射光Lr中提取赋予对象物M的各主要成分特点的波长的光，由处理控制部40进行图像处理，并输出分光图像作为数据。
如上所述，第一实施方式的分光成像仪100通过使光源装置10所具备的第一偏光板3与拍摄装置20所具备的第二偏光板4彼此的偏光方向直交，从而得到来自对象物M的清除了镜面反射成分的分析光Le。因此，可以得到高精度的分光分析用的图像。另外，由于是可以容易地清除镜面反射的结构，因此，可以使图2的(a)所示的出射光即直线偏振光Lp的光轴与反射光Lr的光轴所形成的角度θ形成为容易更多地接收镜面反射的接近0度的锐角并构成装置。因此，如图1的(a)所示，可以使分光相机部30进一步小型化，例如像一般的数码相机那样，可以拿在手里进行分析拍摄。而且，可以通过将处理控制部40也与分光相机30形成一体，得到可携带的分光成像仪100。
第二实施方式
作为第二实施方式，对与第一实施方式的分光成像仪100所具备的第一偏光板3和第二偏光板4是不同方式的分光成像仪200进行说明。在第二实施方式的分光成像仪200中，与第一实施方式的分光成像仪100相同的结构标注相同的符号，有时省略其说明。
图4是表示第二实施方式的分光成像仪200，图4的(a)是大体结构的框图，图4的(b)是光源装置的结构框图，图4的(c)是拍摄装置的结构框图。如图4的(a)所示，分光成像仪200具有与第一实施方式的分光成像仪100相同的结构，如图4的(b)、(c)所示，在分光相机部230所具备的光源装置210和拍摄装置220中具有圆偏光的第一圆偏光板203和第二圆偏光板204。从光源装置210出射圆偏振光Lps，所述圆偏振光Lps是从光源部l出射的光被第一圆偏光板203圆偏光后的光。被出射的圆偏振光Lps经对象物M反射后的反射光Lr被第二圆偏光板204分离成右圆偏振光和左圆偏振光之后，只使一方的圆偏振光Lcs穿过，并被第二透镜组5聚光，形成平行光Ld后被导向滤光器6。利用滤光器6得到所需波长的分析光Le，并利用拍摄元件7生成图像数据。另外，圆偏光板203、204使用使λ/4相位差板的轴向直线偏光板倾斜45度后接合的偏光板，从而可以偏光成圆偏振光后出射。
图5是示意性地示出的从光源装置210出射的光与向拍摄装置220入射的光的关系的概念图。如图5的(a)所示，穿过了第一透镜组2后的平行光Lb穿过具有λ/4相位差板的第一圆偏光板203，并偏光成圆偏振光Lps后出射，向对象物M照射。如从沿图示的圆偏振光Lps的光轴的箭头Wp方向观察的记号图的图5(b)所示，在这个例子中，该圆偏振光Lps被以在图中向左旋转出射的方式偏光。
圆偏振光Lps一旦被照射到对象物M，则到达对象物M的内部并被反射，形成反射光Lr。反射光Lr是在对象物M的内部消除圆偏振光Lps的圆偏光并且是向各方向振动的光的集合即反射光。但是，该反射光Lr包含由圆偏振光Lps在对象物M的表面被镜面反射后的圆偏振反射光Lrs。如从沿图示的反射光Lr的光轴的箭头Wr方向观察的记号图的图5(c)所示，在这个例子中，以在图中向右旋转的方式反射该圆反射光Lrs。即，镜面反射光Lrs是具有与出射后的圆偏振光Lps的圆偏光的旋转方向的反方向旋转的圆偏振光Lrs。
反射光Lr入射到第二圆偏光板204。如从沿图示的反射光Lr的光轴的箭头Wr方向观察的记号图的图5(d)所示，第二圆偏光板204偏光成图示中向左旋转的圆偏振光Lps。因此，向第二圆偏光板204入射的反射光Lr中包含的圆偏振光Lps被偏光成反方向的旋转的第二圆偏光板204吸收。
因此，在第二实施方式的分光成像仪200中，通过使光源装置210所具备的第一圆偏光板203与拍摄装置220所具备的第二圆偏光板204彼此的出射的圆偏振光的旋转方向相同，从而得到从对象物M清除了镜面反射成分的分析光Le。因此，可以得到高精度的分光分析用图像。另外，在第二实施方式的分光成像仪200中，在图5的(b)中就圆偏振光Lps是向图示的左旋转，在图5的(c)中就圆偏光反射光Lrs向图示的右旋转，在图5的(d)中就圆偏振光Lcs向图示的左旋转进行了说明，但不限于此，只要圆偏振光Lps和圆偏振光Lcs是相同旋转方向的圆偏振光即可。
上述的第一实施方式的分光成像仪100的第一偏光板3也可以是偏光转换元件，例如PBS(Polarized Beam Splitter，偏光分束器)。通过使用偏光转换元件，可以减少光源装置10的出射光Lp的光量的减少量，可以提高分析图像的亮度、对比度等的质量。因此，可以得到可进一步进行准确分析的分光成像仪。
附图标记说明
M对象物 1光源部
2第一透镜组 3第一偏光板
4第二偏光板 5第二透镜组
6滤光器 10光源装置
20拍摄装置 30图像获取装置(分光相机部)
40处理控制部 100分光成像仪
Claims (11)
1.一种分光成像仪，其特征在于，
所述分光成像仪具备：光源装置和拍摄装置，
所述光源装置具备光源部、第一透镜组以及第一偏光单元，
所述拍摄装置具备第二偏光单元、第二透镜组、滤光器以及拍摄单元。
2.根据权利要求1所述的分光成像仪，其特征在于，
所述第一偏光单元和所述第二偏光单元具备直线偏光部，
所述第一偏光单元和所述第二偏光单元被配置成使所述第一偏光单元的直线偏光方向与所述第二偏光单元的直线偏光方向直交。
3.根据权利要求2所述的分光成像仪，其特征在于，
所述直线偏光部是直线偏光板。
4.根据权利要求1所述的分光成像仪，其特征在于，
所述第一偏光单元和所述第二偏光单元具备圆偏光部，
所述第一偏光单元和所述第二偏光单元被配置成使所述第一偏光单元的圆偏光的旋转方向与所述第二偏光单元的圆偏光的旋转方向为相同方向。
5.根据权利要求4所述的分光成像仪，其特征在于，
所述圆偏光部包括λ/4相位差板。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的分光成像仪，其特征在于，
所述滤光器是波长可变滤光器。
7.一种分光成像仪，其特征在于，
所述分光成像仪具备：光源、第一偏光单元、第二偏光单元、滤光器以及拍摄单元，
所述第一偏光单元被配置在所述光源与拍摄对象之间的光路上，
所述第二偏光单元被配置在所述拍摄对象与所述拍摄单元之间的光路上。
8.根据权利要求7所述的分光成像仪，其特征在于，
所述第一偏光单元和所述第二偏光单元具备直线偏光部，
所述第一偏光单元和所述第二偏光单元被配置成使所述第一偏光单元的直线偏光方向与所述第二偏光单元的直线偏光方向直交。
9.一种分光成像仪，其特征在于，
所述分光成像仪具备：具有光源和第一偏光单元的光源部；以及具有第二偏光单元、滤光器及受光部的拍摄部，
所述第一偏光单元和所述第二偏光单元被配置成使所述第一偏光单元的偏光方向与所述第二偏光单元的偏光方向直交。
10.一种分光成像仪，其特征在于，具备：
光源，向拍摄对象照射直线偏光的光；以及
受光部，入射从所述拍摄对象反射后的光，且具备直线偏光板；
所述直线偏光板被配置成使偏光方向与所述光源的光的偏光方向直交。
11.一种分光成像仪，其特征在于，具备：
光源，向拍摄对象照射圆偏光的光；以及
受光部，入射从所述拍摄对象反射后的光，且具备直线偏光板和λ/4相位差板；
通过所述受光部的直线偏光板和λ/4相位差板而获得的圆偏光的旋转方向与从所述光源照射的光的圆偏光的旋转方向相同。
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