DE112021000850T5

DE112021000850T5 - Modulator, Bildgebungseinrichtung und Gestaltungsverfahren

Info

Publication number: DE112021000850T5
Application number: DE112021000850.1T
Authority: DE
Inventors: Tuo Zhuang
Original assignee: Sony Group Corp
Current assignee: Sony Group Corp
Priority date: 2020-02-03
Filing date: 2021-01-25
Publication date: 2022-11-17
Also published as: WO2021157398A1; JPWO2021157398A1; US20230090261A1

Abstract

Ein Modulator (300) gemäß einer Ausführungsform ist zwischen einem Beugungsgitter (944) und einem Bildsensor (946) angeordnet, wobei: Lichtstrahlen, die sich von dem Beugungsgitter (944) zu dem Bildsensor (946) hin bewegen, auf diesen einfallen; und die Richtung einer Ausbreitung von Lichtstrahlen, die zu dem Bildsensor (946) hin projiziert werden, so geändert wird, dass auf der Lichtempfangsoberfläche des Bildsensors (946) die Aufzeichnungsrichtungen für Beugungsbilder jeder Wellenlänge eines Lichtstrahls gebogen sind.

Description

Gebiet
Die vorliegende Offenbarung betrifft einen Modulator, eine Bildgebungseinrichtung und ein Gestaltungsverfahren.
Hintergrund
Herkömmlicherweise ist ein spektroskopisches Messungsverfahren als ein Verfahren zum Analysieren einer Zusammensetzung eines Objekts bekannt. Ein spektroskopisches Messungsverfahren ist ein Verfahren zum Analysieren von emittiertem Licht, reflektiertem Licht oder transmittiertem Licht von einem Objekt, um eine Zusammensetzung (Element, Molekularstruktur und dergleichen) des Objekts zu analysieren.
Die Lichtwellenlängenkomponente von emittiertem Licht, reflektiertem Licht oder transmittiertem Licht von einem Objekt variiert in Abhängigkeit von der Zusammensetzung des Objekts. Dementsprechend ermöglicht das Analysieren der Wellenlängenkomponente eines Objekts eine Analyse der Zusammensetzung des Objekts. Im Allgemeinen werden Daten, die eine Quantität für jede Wellenlänge angeben als ein Wellenlängenspektrum bezeichnet und ein Prozess zum Messen eines Wellenlängenspektrums wird als ein spektroskopischer Messungsprozess bezeichnet.
Beim Analysieren der Zusammensetzung jedes Punkts auf der Oberfläche eines Objekts ist es erforderlich, Daten über eine Entsprechung zwischen räumlichen Informationen und Wellenlängeninformationen des Objekts zu erlangen. Ein Schnappschussverfahren ist als ein Verfahren zum Erlangen von Daten über eine Entsprechung zwischen räumlichen Informationen und Wellenlängeninformationen eines Objekts durch eine einzige Operation zum Verarbeiten der Daten über eine Entsprechung zwischen den räumlichen Informationen und den Wellenlängeninformationen des Objekts, das heißt einen einzigen Aufnahmeprozess unter Verwendung einer spektroskopischen Messungseinrichtung, bekannt. Eine spektroskopische Messungseinrichtung, die das Schnappschussverfahren nutzt, wird durch eine Kombination aus einem optischen System, das mehrere Linsen, Spalte (Feldblende), spektroskopische Elemente und dergleichen aufweist, und einem Sensor gebildet. Die räumliche Auflösung und die Wellenlängenauflösung der spektroskopischen Messungseinrichtung werden durch die Konfigurationen des optischen Systems und des Sensors bestimmt.
Zitatliste
Patentliteratur
Patentliteratur 1: JP 2016-90576 A
Nichtpatentliteratur

Nichtpatentliteratur 1: Habel, R., Kudenov, M., Wimmer, M.: „Practical spectral photography“. Computer Graphics Forum (Proceedings EUROGRAPHICS 2012) 31 (2), 449-458 (2012)
Nichtpatentliteratur 2: Tebow, Christopher P.; Dereniak, Eustace L.; Garrood, Dennis; Dorschner, Terry A.; Volin, Curtis E.: „Tunable snapshot imaging spectrometer“. Proceedings der SPIE, Band 5159, S. 64-72 (2004)
Nichtpatentliteratur 3: Dwight JG, Tkaczyk TS.: „Lenslet array tunable snapshot imaging spectrometer (LATIS) for hyperspectral fluorescence microscopy“. Biomed Opt Express. 2017; 8: 1950-64

Kurzdarstellung
Technisches Problem
Ein spektroskopisches Element, wie etwa ein Prisma oder ein Beugungsgitter, das typischerweise in einer spektroskopischen Messungseinrichtung verwendet wird, dispergiert einfallendes Licht in einer uniaxialen Richtung oder einer biaxialen Richtung in Abhängigkeit von der Wellenlänge des einfallenden Lichts. Indessen ist ein Bildgebungsbereich eines Bildsensors zum Erfassen eines Spektralbildes meistens ein rechteckiger Bereich. Dies bedeutet, dass der Bildsensor viele Bildgebungsbereiche aufweist, in denen kein Spektrallicht einfällt.
Wie zuvor beschrieben, ist es mit einem solchen spektroskopischen Element, wie allgemein in der herkömmlichen Technik verwendet, schwierig, einen Bildgebungsbereich eines Bildsensors, der in einer spektroskopischen Messungseinrichtung oder dergleichen verwendet wird, effizient zu verwenden.
In Anbetracht davon schlägt die vorliegende Offenbarung einen Modulator, eine Bildgebungseinrichtung und ein Gestaltungsverfahren vor, die eine effizientere Verwendung eines Bildgebungsbereichs eines Bildsensors ermöglichen.
Lösung des Problems
Um die zuvor beschriebenen Probleme zu lösen, empfängt ein Modulator, der zwischen einem Beugungsgitter und einem Bildsensor bereitgestellt ist, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung einen Lichtstrahl, der zu dem Bildsensor hin gerichtet ist, von dem Beugungsgitter und ändert eine Ausbreitungsrichtung des Lichtstrahls, der zu dem Bildsensor hin emittiert wird, so, dass eine Aufzeichnungsrichtung eines Beugungsbildes für jede von Wellenlängen des Lichtstrahls auf einer Lichtempfangsoberfläche des Bildsensors gebogen wird.
Zudem weist eine Bildgebungseinrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung Folgendes auf: ein Beugungsgitter; einen Bildsensor mit einer Lichtempfangsoberfläche, die nahe dem Beugungsgitter platziert ist; und einen Modulator, der zwischen dem Beugungsgitter und dem Bildsensor bereitgestellt ist, wobei der Modulator einen Lichtstrahl, der zu dem Bildsensor hin gerichtet ist, von dem Beugungsgitter empfängt und eine Ausbreitungsrichtung des Lichtstrahls, der zu dem Bildsensor hin emittiert wird, so ändert, dass eine Aufzeichnungsrichtung eines Beugungsbildes für jede von Wellenlängen des Lichtstrahls auf einer Lichtempfangsoberfläche des Bildsensors gebogen wird.
Zudem weist ein Verfahren zum Gestalten eines Modulators gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung, welcher eine Ausbreitungsrichtung eines Lichtstrahls ändert, der von einem Beugungsgitter empfangen wird, und den Lichtstrahl zu einem Bildsensor emittiert, Folgendes auf: Verfolgen von Verhalten eines einfallenden Lichtstrahls und eines emittierten Lichtstrahls des Modulators in einem Raum; Bestimmen einer Oberflächennormalen des Modulators basierend auf dem einfallenden Lichtstrahl und dem emittierten Lichtstrahl; und Integrieren der Oberflächennormalen, um eine Form des Modulators zu bestimmen.
Figurenliste

1 ist eine Ansicht zum Erklären einer Beziehung zwischen einer Art von Licht und einer Wellenlänge.
2 ist eine Ansicht zum Erklären eines Beispiels für eine spektroskopische Messung eines Lichtemissionsobjekts.
3 ist eine Ansicht, die ein Beispiel für ein Ergebnis einer Spektralintensitätsanalyse veranschaulicht, das einem Ergebnis einer Spektralanalyse von Ausgabelicht eines gewissen Lebensmittelprodukts entspricht.
4 ist eine Ansicht zum Erklären eines Prismas, das als ein spektroskopisches Element dient.
5 ist eine Ansicht zum Erklären eines Beugungsgitters, das als ein spektroskopisches Element dient.
6 ist eine Ansicht zum Erklären eines Beispiels für einen Datenwürfel, der aus Daten mit drei Dimensionen, von räumlichen Richtungen (XY) und einer Wellenlängenrichtung (λ) eines gemessenen Objekts, gebildet wird.
7 ist eine Ansicht, die ein schematisches Konfigurationsbeispiel einer spektroskopischen Messungseinrichtung veranschaulicht, die ein Punktmessungsverfahren nutzt (Spektrometer).
8 ist eine Ansicht, die ein Beispiel für Daten veranschaulicht, die in einem einzigen Aufnahmeprozess unter Verwendung der spektroskopischen Messungseinrichtung erlangt werden, die ein Punktmessungsverfahren nutzt.
9 ist eine Ansicht, die ein schematisches Konfigurationsbeispiel einer spektroskopischen Messungseinrichtung veranschaulicht, die ein Wellenlängenscanverfahren nutzt.
10 ist eine Ansicht, die ein Beispiel für Daten veranschaulicht, die in einem einzigen Aufnahmeprozess unter Verwendung der spektroskopischen Messungseinrichtung erlangt werden, die ein Wellenlängenscanverfahren nutzt.
11 ist eine Ansicht, die ein schematisches Konfigurationsbeispiel einer spektroskopischen Messungseinrichtung veranschaulicht, die ein räumliches Scanverfahren nutzt.
12 ist eine Ansicht, die ein Beispiel für Daten veranschaulicht, die in einem einzigen Aufnahmeprozess unter Verwendung der spektroskopischen Messungseinrichtung erlangt werden, die ein räumliches Scanverfahren nutzt.
13 ist eine Ansicht, die ein schematisches Konfigurationsbeispiel einer spektroskopischen Messungseinrichtung veranschaulicht, die ein Schnappschussverfahren nutzt.
14 ist eine Ansicht, die ein Beispiel für Daten veranschaulicht, die in einem einzigen Aufnahmeprozess unter Verwendung der spektroskopischen Messungseinrichtung erlangt werden, die ein Schnappschussverfahren nutzt.
15 ist eine Ansicht, die eine Modifikation der spektroskopischen Messungseinrichtung veranschaulicht, die ein Schnappschussverfahren nutzt.
16 ist eine Ansicht zum Erklären eines Datenwürfelwiederherstellungsprozesses in einem Schnappschussverfahren.
17 ist eine Ansicht zum Erklären des Prinzips einer Lichtdispersion durch ein Beugungsgitter mit Spalten.
18 ist eine Ansicht, die ein Beispiel für ein Bild von Licht veranschaulicht, das durch ein Beugungsgitter mit einem Gitter dispergiert wird.
19 ist eine Ansicht, die eine Beziehung zwischen einer Wellenlänge von einfallendem Licht und einem Beugungswinkel veranschaulicht.
20 ist eine Ansicht zum Erklären von Problemen, die mit einem Schnappschussverfahren assoziiert sind (Teil 1).
21 ist eine Ansicht zum Erklären der Probleme, die mit einem Schnappschussverfahren assoziiert sind (Teil 2).
22 ist eine Ansicht zum Erklären eines ersten Problems in einem Verfahren zum Anpassen einer Wellenlängenauflösung und einer räumlichen Auflösung durch Steuern eines Gitterabstands.
23 ist eine Ansicht zum Erklären eines zweiten Problems in dem Verfahren zum Anpassen einer Wellenlängenauflösung und einer räumlichen Auflösung durch Steuern eines Gitterabstands.
24 ist eine Ansicht, die Beispiele eines projizierten Bildes, das auf einer Lichtempfangsoberfläche mit einem grundlegenden Beugungsgitter produziert wird, und eines projizierten Bildes, das produziert wird, falls ein Modulator gemäß einer Ausführungsform verwendet wird, veranschaulicht.
25 ist eine Ansicht, die ein schematisches Konfigurationsbeispiel einer spektroskopischen Schnappschussmessungseinrichtung gemäß der Ausführungsform veranschaulicht.
26 ist eine Ansicht, die ein Beispiel für eine Beziehung zwischen dem Modulator der spektroskopischen Messungseinrichtung gemäß der Ausführungsform und Bilddaten veranschaulicht.
27 ist eine Ansicht zum Erklären eines Lichtstrahls in einer herkömmlichen spektroskopischen Schnappschussmessungseinrichtung.
28 ist eine Ansicht zum Erklären eines Anordnungsbeispiels bei der spektroskopischen Messungseinrichtung gemäß der Ausführungsform.
29 ist ein Flussdiagramm, das eine Prozedur eines Gestaltungsverfahrens des Modulators gemäß der Ausführungsform veranschaulicht.
30 ist eine Ansicht zum Erklären eines Beispiels für das Gestaltungsverfahren des Modulators gemäß der Ausführungsform.
31 ist eine Ansicht, die ein Ergebnis einer Simulation der spektroskopischen Messungseinrichtung gemäß der Ausführungsform veranschaulicht.
32 ist eine Ansicht zum Erklären eines Anordnungsbeispiels bei einer spektroskopischen Messungseinrichtung gemäß einer Modifikation der Ausführungsform.
33 ist ein Flussdiagramm, das eine Prozedur eines Gestaltungsverfahrens eines Modulators gemäß der Modifikation der Ausführungsform veranschaulicht.
34 ist ein Blockdiagramm, das ein schematisches Konfigurationsbeispiel eines Fahrzeugsteuersystems veranschaulicht, das ein Beispiel für ein Mobileinheitssteuersystem ist, auf das die Technik gemäß der vorliegenden Offenbarung anwendbar ist.
35 ist eine Ansicht, die ein Beispiel für eine Position veranschaulicht, an der eine in 34 veranschaulichte Bildgebungseinheit platziert wird.
36 ist eine Ansicht, die ein schematisches Konfigurationsbeispiel eines endoskopischen Chirurgiesystems veranschaulicht, auf das die Technik gemäß der vorliegenden Offenbarung (die vorliegenden Technik) anwendbar ist.
37 ist ein Blockdiagramm, das Beispiele für funktionale Konfigurationen eines Kamerakopfes und einer CCU, die in 36 veranschaulicht sind, veranschaulicht.

Beschreibung von Ausführungsformen
Nachfolgend wird eine Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ausführlich unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. In der folgenden Ausführungsform werden die gleichen Teile durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet und eine doppelte Beschreibung wird weggelassen.
Die vorliegende Offenbarung wird in der folgenden Reihenfolge von Punkten beschrieben.

1. Übersicht über die spektroskopische Messungseinrichtung (System)
2. Probleme, die mit einem Schnappschussverfahren assoziiert sind
3. Ausführungsform
- 3.1 Übersicht über die spektroskopische Messungseinrichtung
- 3.2 Anordnung des Modulators
- 3.3 Gestaltungsbeispiel des Modulators
- 3.4 Simulationsergebnis
- 3.5 Operationen und Effekte
- 3.6 Modifikation der Ausführungsform
- 3.7 Gestaltungsbeispiel des Modulators gemäß der Modifikation der Ausführungsform
- 3.8 Beispiel einer Anwendung auf eine Mobileinheit
- 3.9 Beispiel einer Anwendung auf ein endoskopisches Chirurgiesystem

1. Übersicht über die spektroskopische Messungseinrichtung (System)
Zuerst wird eine Übersicht über eine spektroskopische Messungseinrichtung (System) bereitgestellt. Als Licht sind Infrarotstrahlung, sichtbares Licht, Ultraviolettlicht und dergleichen bekannt. Diese Arten von Licht sind Arten elektromagnetischer Wellen und weisen unterschiedliche Wellenlängen (Schwingungsperioden) in Abhängigkeit von jeder Art von Licht auf, wie in 1 veranschaulicht ist.
Sichtbares Licht weist eine Wellenlänge in einem Bereich von etwa 400 nm bi 700 nm auf und Infrarotstrahlung weist eine längere Wellenlänge als jene von sichtbarem Licht auf. Unterdessen weist Ultraviolettlicht eine Eigenschaft auf, dass es eine kürzere Wellenlänge als jene von sichtbarem Licht aufweist.
Wie zuvor beschrieben, weist emittiertes Licht, reflektiertes Licht oder transmittiertes Licht von einem Objekt eine Wellenlängenkomponente auf, die in Abhängigkeit von der Zusammensetzung (Element, Molekularstruktur und dergleichen) des Objekts variiert. Analysieren der Wellenlängenkomponente ermöglicht eine Analyse der Zusammensetzung des Objekts. Im Allgemeinen werden Daten, die eine Quantität für jede Wellenlänge angeben als ein Wellenlängenspektrum bezeichnet und ein Prozess zum Messen eines Wellenlängenspektrums wird als ein spektroskopischer Messungsprozess bezeichnet.
2 ist eine Ansicht, die ein Beispiel für eine spektroskopische Messung eines Lichtemissionsobjekts veranschaulicht. 2 veranschaulicht jeweilige Wellenlängen von Licht, die durch das Sonnenlicht, ein elektrisches Licht, Neon, Wasserstoff, Quecksilber und Natrium ausgegeben werden, in einem Wellenlängenbereich von sichtbarem Licht (etwa 400 nm bis 700 nm). Ein Bereich, in dem eine Ausgabe bereitgestellt wird, ist in einer weißlichen Farbe angezeigt und ein Bereich, in dem keine Ausgabe bereitgestellt wird, ist in Schwarz veranschaulicht. 2 veranschaulicht Ergebnisse einer spektroskopischen Messung des Sonnenlichts und ausgegebenen Lichts eines elektrischen Lichts und verschiedener erwärmter Substanzen.
Wie in 2 veranschaulicht, gibt jedes der Objekte, einschließlich der Sonne, eines elektrischen Lichts, Neon, Wasserstoff, Quecksilber und Natrium, Licht mit einer dafür inhärenten Wellenlänge aus. Dementsprechend kann, obwohl ein Objekt unbekannt ist, die Zusammensetzung davon durch eine Analyse der Wellenlängenkomponente analysiert werden, die in Licht von dem Objekt enthalten ist.
Zum Beispiel ist es, falls die Zusammensetzung eines gewissen verarbeiteten Lebensmittelprodukts unbekannt ist, möglich, eine Substanz, die das Lebensmittelprodukt bildet, zu analysieren, indem ausgegebenes Licht (emittiertes Licht, reflektiertes Licht oder transmittiertes Licht) des Lebensmittelprodukts analysiert wird. 3 ist eine Ansicht, die ein Beispiel für ein Ergebnis einer Spektralintensitätsanalyse veranschaulicht, das einem Ergebnis einer Spektralanalyse von Ausgabelicht eines gewissen Lebensmittelprodukts entspricht. Zwei unterschiedliche Spektralanalyseergebnisse wurden von diesem Lebensmittelprodukt erhalten.
Durch Vergleichen der Analyseergebnisse der Spektralintensität mit Analyseergebnisdaten über die Spektralintensität verschiedener Substanzen, die im Voraus analysiert wurden, ist es möglich, zu bestimmen, was eine Substanz A und eine Substanz B sind, und dementsprechend die Zusammensetzung des Lebensmittelprodukts zu analysieren.
Wie zuvor beschrieben, können, wenn eine spektroskopische Messung verfügbar ist, verschiedene Arten von Informationen über ein gemessenes Objekt erlangt werden. Jedoch fällt bei einer allgemein verwendeten Kamera mit einem Kondensor und einem Sensor Licht mit allen Wellenlängen, die vermischt sind, auf jedes Pixel des Sensors ein, was es schwierig macht, die Intensität für jede Wellenlänge zu analysieren.
Aus diesem Grund wird ein Beobachtungssystem zur spektroskopischen Messung mit einem spektroskopischen Element (spektroskopischen Vorrichtung) zum Separieren von Licht, das auf die Kamera fällt, in Licht jeder Wellenlänge versehen.
Ein in 4 veranschaulichtes Prisma 901 kann als das verbreitetste spektroskopische Element präsentiert werden. Licht, das auf das Prisma 901 einfällt, das heißt Licht verschiedener Wellenlängen, die in einfallendem Licht enthalten sind, wird von dem Prisma 901 unter einem Emissionswinkel, der der Wellenlänge und dem Einfallswinkel des einfallenden Lichts und der Form des Prismas 901 entspricht, emittiert. Das Beobachtungssystem zur spektroskopischen Messung ist mit einem spektroskopischen Element, wie etwa dem Prisma 901, versehen und weist eine Konfiguration auf, bei der ein Sensor Licht jeder Wellenlänge einzeln empfangen kann.
Bei einer Lichtdispersion durch ein Prisma mit einem Brechungsindex n kann eine Gleichung, die eine Änderung einer Ausbreitungsrichtung von Licht durch das Prisma angibt, durch die folgende Gleichung (1) ausgedrückt werden. $δ = θ_{1} - ϕ_{1} + θ_{2} - ϕ_{2} = θ_{1} + θ_{2} - α$
Jeder Parameter der obigen Gleichung (1) ist wie folgt.
α: Spitzenwinkel des Prismas
θ₁: Einfallswinkel mit Bezug auf eine Einfallsebene des Prismas
θ₂: Emissionswinkel mit Bezug auf eine Emissionsoberfläche des Prismas
ϕ₁: Brechungswinkel der Einfallsebene des Prismas
ϕ₂: Brechungswinkel der Emissionsoberfläche des Prismas
δ: Abweichung (Winkel zwischen einfallendem Licht und emittiertem Licht
Dann kann die obigen Gleichung (1) gemäß dem Snellius-Gesetz (sinθ_j = nsinΦ_j) als die folgende Gleichung (2) umgeschrieben werden. $δ = θ_{1} + s i n^{- 1} (n \cdot s i n (α - ϕ_{1}))$
Bei der obigen Gleichung (2) ist n der Brechungsindex des Prismas und hängt der Brechungsindex n von einer Wellenlänge ab. Ferner ist ϕ₁ der Brechungswinkel der Einfallsebene des Prismas und hängt von dem Brechungsindex n des Prismas und dem Einfallswinkel θ₁ mit Bezug auf die Einfallsebene des Prismas ab. Dementsprechend hängt die Abweichung (Winkel zwischen dem einfallenden Licht und dem emittierten Licht) δ von dem Einfallswinkel θ₁ und einer Wellenlänge ab.
Zudem ist, wie in 5 veranschaulicht, auch eine Lichtdispersion unter Verwendung eines Beugungsgitters 902 möglich, indem eine Eigenschaft von Licht als eine Welle ausgenutzt wird. Ein Emissionswinkel (Beugungswinkel) β eines Lichtstrahls, der durch das Beugungsgitter 902 bereitgestellt wird, kann durch die folgende Gleichung (3) ausgedrückt werden. $β = s i n^{- 1} (\frac{m \cdot λ}{d} - s i n α)$
In der obigen Gleichung (3) ist d ein Gitterabstand, ist α ein Einfallswinkel, ist β ein Emissionswinkel und ist m eine Ordnung der Beugung.
Obwohl Wellenlängeninformationen über Licht von einem gewissen Punkt eines Objekts analysiert werden, ermöglicht eine solche Analyse jedoch eine Analyse nur der Zusammensetzung des Punktes. Dementsprechend ist es, um die Zusammensetzung jedes Punktes auf der Oberfläche eines Objekts durch eine einzige Beobachtung zu analysieren, erforderlich, das gesamte Licht von jedem Punkt auf der Oberfläche zu analysieren.
Um die Zusammensetzung jedes Punktes auf der Oberfläche eines gemessenen Objekts zu analysieren, ist es erforderlich, Daten mit drei Dimensionen, von räumlichen Richtungen (XY) und einer Wellenlängenrichtung (λ) des gemessenen Objekts, durch eine einzige Beobachtung zu erlangen. 6 veranschaulicht ein Beispiel für einen Datenwürfel, der aus Daten mit drei Dimensionen, von räumlichen Richtungen (XY) und einer Wellenlängenrichtung (λ) eines gemessenen Objekts, gebildet wird.
Wie in 6 veranschaulicht, ist der Datenwürfel Daten mit drei Dimensionen, der räumlichen Richtungen (XY) und der Wellenlängenrichtung (λ) eines gemessenen Objekts. In den Daten werden Koordinaten jedes Punktes auf der Oberfläche des gemessenen Objekts durch XY-Koordinaten angegeben und wird die Intensität (λ) von Licht jeder Wellenlänge an jeder Koordinatenposition (x, y) aufgezeichnet. Der in 6 veranschaulichte Datenwürfel weist 8 × 8 × 8 Würfel von Daten auf und ein Würfel D ist Daten, die die Intensität von Licht einer speziellen Wellenlänge (λ) an einer spezielle Position (x, y) angeben.
Außerdem ist die in 6 veranschaulichte Anzahl an Würfel, 8 × 8 × 8, ein Beispiel und die Anzahl an Würfel variiert in Abhängigkeit von der räumlichen Auflösung und der Wellenlängenauflösung einer spektroskopischen Messungseinrichtung.
Als Nächstes wird ein Beispiel für eine existierende spektroskopische Messungseinrichtung beschrieben, die einen Datenwürfel, wie in 6 veranschaulicht, erlangt, insbesondere Daten mit drei Dimensionen, der räumlichen Richtungen (XY) und der Wellenlängenrichtung (λ) eines gemessenen Objekts, aufweisen.
Existierende spektroskopische Messungseinrichtungen, die Daten mit drei Dimensionen, der räumlichen Richtrungen (XY) und der Wellenlängenrichtung (λ) eines gemessenen Objekts, erlangen, werden in vier Typen wie folgt klassifiziert.

(a) Eine, die ein Punktmessungsverfahren nutzt (Spektrometer)
(b) Eine, die ein Wellenlängenscanverfahren nutzt
(c) Eine, die ein räumliches Scanverfahren nutzt
(d) Eine, die ein Schnappschussverfahren nutzt

Nachfolgend wird eine Übersicht über die zuvor beschriebenen Verfahren bereitgestellt.
(a) Eine, die ein Punktmessungsverfahren nutzt (Spektrometer)
7 ist eine Ansicht, die ein schematisches Konfigurationsbeispiel einer spektroskopischen Messungseinrichtung veranschaulicht, die ein Punktmessungsverfahren nutzt (Spektrometer). 8 ist eine Ansicht, die ein Beispiel für Daten veranschaulicht, die in einem einzigen Aufnahmeprozess unter Verwendung der spektroskopischen Messungseinrichtung erlangt werden, die ein Punktmessungsverfahren nutzt.
Wie in 7 veranschaulicht, weist die spektroskopische Messungseinrichtung, die ein Punktmessungsverfahren nutzt, eine Lichtquelle 911, einen Spalt 912, ein Prisma 913 und einen Linearsensor 914 auf und weist eine Konfiguration auf, bei der von einem einzigen Punkt eines gemessenen Objekts 900 emittiertes Licht durch das Prisma 913 dispergiert wird, das als ein spektroskopisches Element dient, und das dispergierte Licht auf den Linearsensor 914 projiziert wird, in dem Elemente nur entlang einer Richtung angeordnet sind. Mit der zuvor beschriebenen Konfiguration werden Lichtstrahlen unterschiedlicher Wellenlängen in unterschiedlichen Elementen (Pixeln) auf dem Linearsensor 914 aufgezeichnet.
Bei dem Punktmessungsverfahren wird der Wert jedes Elements (Pixels) des Linearsensors 914 gelesen, wodurch ein Wellenlängenspektrum erlangt wird. Das Merkmal des Punktmessungsverfahrens liegt darin, dass die Wellenlängenauflösung von der Elementgröße (der Anzahl an Pixeln) des Linearsensors 914 abhängt. Je mehr Elemente (Pixel) enthalten sind, desto detailliertere Wellenlängeninformationen können erlangt werden.
Jedoch wird bei dem Punktmessungsverfahren Licht, das von einem einzigen Punkt des gemessenen Objekts 900 emittiert wird, in einem einzigen Aufnahmeprozess empfangen und analysiert. Dementsprechend können, wie in 8 veranschaulicht, nur die Wellenlängeninformationen (λ) über einen einzigen Punkt in den räumlichen Richtungen (XY) des gemessenen Objekts 900 durch einen einzigen Aufnahmeprozess erlangt werden. Aus diesem Grund gibt es zum Erhalten der Wellenlängeninformationen (λ) über verschiedene Punkte in den räumlichen Richtungen (XY) des gemessenen Objekts 900 einen Bedarf, einen Aufnahmeprozess und eine Analyse viele Male durchzuführen, während eine Position einer Messung verschoben wird.
(b) Eine, die ein Wellenlängenscanverfahren nutzt
9 ist eine Ansicht, die ein schematisches Konfigurationsbeispiel einer spektroskopischen Messungseinrichtung veranschaulicht, die ein Wellenlängenscanverfahren nutzt. 10 ist eine Ansicht, die ein Beispiel für Daten veranschaulicht, die in einem einzigen Aufnahmeprozess unter Verwendung der spektroskopischen Messungseinrichtung erlangt werden, die ein Wellenlängenscanverfahren nutzt.
Wie in 9 veranschaulicht, weist die spektroskopische Messungseinrichtung, die ein Wellenlängenscanverfahren nutzt, ein Wellenlängenfilterarray 921 und einen Flächensensor (zweidimensionalen Bildsensor) 923 auf und führt einen Aufnahmeprozess durch, während mehrere optische Filter 922, die vor dem Flächensensor 923 angeordnet sind und unterschiedliche Wellenlängentransmissionseigenschaften aufweisen, in regelmäßigen Zeitintervallen von einem zu einem anderen geändert werden.
Gemäß der zuvor beschriebenen Prozedur können, wie in 10 veranschaulicht, Intensitätsinformationen über eine einzige Wellenlänge, die mehreren räumlichen Positionen entsprechen, durch einen einzigen Aufnahmeprozess erlangt werden. Dann ist es durch Durchführen eines Aufnahmeprozesses, während die optischen Filter 922 von einem zu einem anderen geändert werden, möglich, Intensitätsinformationen über mehrere unterschiedliche Wellenlängen zu erlangen.
Um jedoch eine hohe Wellenlängenauflösung zu erzielen, ist es erforderlich, viele unterschiedliche optische Filter 922 vorzubereiten und einen Aufnahmeprozess durchzuführen, während die Filter von einem zu einem anderen geändert werden, was ein Problem einer langen Messungszeit verursacht. Ferner wird aufgrund der Eigenschaft der optischen Filter 922 ein anderes Problem des Vorhandenseins eines Wellenlängenbandes, das nicht erlangt werden kann, verursacht.
(c) Eine, die ein räumliches Scanverfahren nutzt
11 ist eine Ansicht, die ein schematisches Konfigurationsbeispiel einer spektroskopischen Messungseinrichtung veranschaulicht, die ein räumliches Scanverfahren nutzt. 12 ist eine Ansicht, die ein Beispiel für Daten veranschaulicht, die in einem einzigen Aufnahmeprozess unter Verwendung der spektroskopischen Messungseinrichtung erlangt werden, die ein räumliches Scanverfahren nutzt.
Wie in 11 veranschaulicht, weist die spektroskopische Messungseinrichtung, die ein räumliches Scanverfahren nutzt, eine Objektivlinse 931, einen Spalt 932, eine Kollimatorlinse 933, ein spektroskopisches Element 934, eine Abbildungslinse 935 und einen Flächensensor 936 auf. Bei dieser Einrichtung wird Licht von dem gemessenen Objekt 900 durch das spektroskopische Element 934 (Prisma, Beugungsgitter oder dergleichen) dispergiert. Dann wird Licht in einer räumlichen Richtung in einer x-Richtung des Flächensensors aufgezeichnet, während Licht in einer Wellenlängenrichtung in einer Y-Richtung des Flächensensors aufgezeichnet wird. Ferner scannt, wie in 12 veranschaulicht, die spektroskopische Messungseinrichtung das gemessene Objekt 900 in der verbleibenden einen Richtung. Als ein Ergebnis des zuvor beschriebenen Prozesses kann der Datenwürfel erlangt werden, der zuvor unter Bezugnahme auf 6 beschrieben wurde, das heißt der Datenwürfel mit drei Dimensionen, der räumlichen Richtungen (XY) und der Wellenlängenrichtung (λ) des gemessenen Objekts 900.
Gemäß dem räumlichen Scanverfahren können eine hohe räumliche Auflösung und eine hohe Wellenlängenauflösung erzielt werden. Jedoch gibt es einen Bedarf an einer Einrichtung, die groß genug zum Scannen ist, und eine Scanzeit ist erforderlich, was ein Problem einer langen Messungszeit verursacht.
(d) Eine, die ein Schnappschussverfahren nutzt
13 ist eine Ansicht, die ein schematisches Konfigurationsbeispiel einer spektroskopischen Messungseinrichtung veranschaulicht, die ein Schnappschussverfahren nutzt. 14 ist eine Ansicht, die ein Beispiel für Daten veranschaulicht, die in einem einzigen Aufnahmeprozess unter Verwendung der spektroskopischen Messungseinrichtung erlangt werden, die ein Schnappschussverfahren nutzt.
Wie in 13 veranschaulicht, weist die spektroskopische Messungseinrichtung, die ein Schnappschussverfahren nutzt, eine Objektivlinse 941, einen Spalt 942, eine Kollimatorlinse 943, ein spektroskopisches Beugungsgitterelement (nachfolgend einfach als ein Beugungsgitter bezeichnet) 944, eine Abbildungslinse 945 und einen Flächensensor 946 auf. Die Einrichtung weist eine Konfiguration auf, bei der Licht von dem gemessenen Objekt 900 durch die Objektivlinse 941 fokussiert wird, durch die Kollimatorlinse 943 in paralleles Licht umgewandelt wird, durch das Beugungsgitter 944 transmittiert wird und dann auf eine Lichtempfangsoberfläche des Flächensensors 946 projiziert wird. Außerdem kann die Lichtempfangsoberfläche eine Oberfläche sein, auf der fotoelektrische Umwandlungseinheiten, wie etwa Fotodioden, in einem Bildsensor (auch als eine Festkörperbildgebungsvorrichtung bezeichnet) angeordnet sind.
Mit der zuvor beschriebenen Konfigurationen werden Lichtstrahlen mit unterschiedlichen Wellenlängenkomponenten von unterschiedlichen Punkten auf dem gemessenen Objekt 900 in unterschiedlichen Elementen (Pixeln) auf der Lichtempfangsoberfläche des Flächensensors 946 aufgezeichnet.
Gemäß dem Schnappschussverfahren kann der Datenwürfel, wie zuvor unter Bezugnahme auf 6 beschrieben, insbesondere der Datenwürfel mit drei Dimensionen, der räumlichen Richtungen (XY) und der Wellenlängenrichtung (λ) des gemessenen Objekts 900, wie in 14 veranschaulicht, durch einen einzigen Aufnahmeprozess erlangt werden.
Jedoch ist ein Prozess zum Wiederherstellen des Datenwürfels durch Signalverarbeitung nach dem Aufnahmeprozess erforderlich, weil die Fläche für einen Lichtempfang des Flächensensors 946 endlich ist und Informationselemente in der Wellenlängenrichtung aufgezeichnet werden, während sie auf der Lichtempfangsoberfläche aufeinander überlagert werden.
Ferner sind verschiedene Koeffizienten, die zur Signalverarbeitung verwendet werden, mit der Leistungsfähigkeit eines optischen Systems verknüpft, was eine Fixierung des optischen Systems erforderlich macht. Insbesondere muss beim Verwenden des optischen Systems die Positionsbeziehung zwischen dem optischen System und dem Sensor fixiert sein. Dies verursacht ein Problem einer Schwierigkeit beim Anpassen der Wellenlängenauflösung und der räumlichen Auflösung gemäß einem Anwendungszweck.
Außerdem weisen vorgeschlagene Beispiele für eine Anwendung des in 13 veranschaulichten Schnappschussverfahrens eine solche Konfiguration, wie in 15 veranschaulicht, auf, bei der ein optisches Filter 947 mit unterschiedlichen Transmissionsbändern räumlich auf der Lichtempfangsoberfläche des Flächensensors 946 angeordnet ist, um einen Datenwürfel zu erlangen. Jedoch ist die Fläche für einen Lichtempfang endlich und das optische Filter 947 muss auf der Lichtempfangsoberfläche des Flächensensors 946 montiert werden. Dies bewirkt ein Problem einer Reduzierung einer räumlichen Auflösung des Flächensensors 946 aufgrund des Montierens des optischen Filters 947.
Die Beispiele für die existierende spektroskopische Messungseinrichtung, die Daten mit drei Dimensionen, der räumlichen Richtungen (XY) und der Wellenlängenrichtung (λ) des gemessenen Objekts, erlangen, das heißt vier Typen von Verfahren (a) eines Punktmessungsverfahrens (Spektrometer), (b) eines Wellenlängenscanverfahrens, (c) eines räumlichen Scanverfahrens und (d) eines Schnappschussverfahrens wurden unter Bezugnahme auf 7 bis 14 beschrieben.
Unter diesen vier Verfahren ist (d) das Schnappschussverfahren, das unter Bezugnahme auf 13 und 14 beschrieben ist, insbesondere sehr nützlich, weil ein Datenwürfel durch einen einzigen Aufnahmeprozess erlangt werden kann.
Um das Problem einer Schwierigkeit beim Anpassen einer Wellenlängenauflösung zu lösen, ist eine Konfiguration, die ein Beugungsgitter verwendet, das in ein existierendes optisches System zu einer späteren Zeit eingebunden werden kann, geeigneter als eine Sensorkonfiguration, bei der ein Sensor und ein Filter integriert werden.
Daher wird bei der vorliegenden Offenbarung eine spektroskopische Schnappschussmessungseinrichtung, die ein Beugungsgitter verwendet, wie etwa zum Beispiel eine spektroskopische Messungseinrichtung, die ein Computertomographiebildgebungsspektrometer (CTIS: Computed Tomography Imaging Spectrometer) verwendet, nachfolgend zusammen mit einigen Beispielen beschrieben.
2. Probleme, die mit einem Schnappschussverfahren assoziiert sind
Ein Datenwürfelwiederherstellungsprozess bei dem Schnappschussverfahren wird unter Bezugnahme auf 16 beschrieben. 16 veranschaulicht einen Fall, in dem ein Bild des gemessenen Objekts 900 durch eine spektroskopische Schnappschussmessungseinrichtung 940 einschließlich des Beugungsgitters 944 mit einem Gitter (siehe 13) erfasst wird, als ein Beispiel.
Wie in 16 veranschaulicht, wird, wenn ein Bild des gemessenen Objekts 900 durch die spektroskopische Messungseinrichtung 940 einschließlich des Beugungsgitters 944 erfasst wird (S901), ein erfasstes Bild 951 produziert, in dem Beugungsbilder der ± ersten Ordnung oder höher in insgesamt acht Richtungen von einer Richtung nach oben, nach unten, nach links und nach rechts und schrägen Richtungen um ein Beugungsbild von Licht der nullten Ordnung herum, das sich in dem Zentrum befindet, projiziert werden.
Indem das erfasste Bild 951 einer Binärmatrixoperation unter Verwendung einer Modulationsmatrix H, die im Voraus vorbereitet wird, unterzogen wird, ist es möglich, einen Datenwürfel g wiederherzustellen. Insbesondere kann der Datenwürfel g durch Substitution des erlangten erfassten Bildes 951 in die folgende Gleichung (4) wiederhergestellt werden. In der Gleichung (4) repräsentieren x, y und λ eine x-Koordinate, eine y-Koordinate und eine Wellenlänge λ eines Pixels in dem erfassten Bild 951 (oder ein Pixelarray der spektroskopischen Messungseinrichtung 940) und repräsentiert f (x, y, λ) einen Pixelwert eines Pixels (x, y, λ) in dem erfassten Bild 951. $g = H ƒ (x, y, λ)$
Die Lösung der Gleichung (4) kann erhalten werden, indem zum Beispiel eine Optimierung durch einen Erwartungsmaximierung(EM)-Algorithmus unter Verwendung der folgenden Gleichung (5) verwendet wird (S902). Dementsprechend kann ein Datenwürfel (g) 952 erlangt werden, in dem die horizontale Ebene das XY-Koordinatensystem ist und die vertikale Richtung die Wellenlängenachse ist. Außerdem veranschaulicht ein Graph 953 ein Wellenlängenspektrum eines Pixels (x, y) in dem Datenwürfel 952. ${\hat{ƒ}}^{(k + 1)} = \frac{{\hat{ƒ}}^{(k)}}{\sum_{m = 1}^{M} H_{m n}} (H^{T} \frac{g}{H {\hat{ƒ}}^{(k)}})$
Bei der zuvor beschriebenen spektroskopischen Schnappschussmessungseinrichtung wird eine Kompromissbeziehung zwischen der räumlichen Auflösung und der Wellenlängenauflösung aufgrund einer Größenbeschränkung des Bildsensors verursacht, der ein Beugungsbild erlangt. Falls zum Beispiel ein Dispersionswinkel erhöht wird, um die Spreizung des dispergierten Lichts zu erhöhen, um die Wellenlängenauflösung zu verbessern, wird auch die Spreizung eines Beugungsbildes verbreitert, was eine Weitbereichsaufnahme verhindert, so dass die räumliche Auflösung reduziert wird. Falls andererseits ein Dispersionswinkel reduziert wird, um die räumliche Auflösung zu verbessern, wird eine Überlappung von Beugungsbildern mit unterschiedlichen Wellenlängen erhöht, so dass die Wellenlängenauflösung reduziert wird. Ferner bewirkt eine Zunahme des Wellenlängenbereichs von dispergiertem Licht, das auf ein Pixel des Bildsensors einfällt, aufgrund einer Größenreduzierung eines Beugungsbildes auch eine Reduzierung der Wellenlängenauflösung.
Speziellere Einzelheiten des zuvor beschriebenen Gegenstands werden bereitgestellt. 17 ist eine Ansicht zum Erklären des Prinzips einer Lichtdispersion durch ein Beugungsgitter mit Spalten. 18 ist eine Ansicht, die ein Beispiel für ein Bild von Licht veranschaulicht, das durch ein Beugungsgitter mit einem Gitter dispergiert wird. 19 ist eine Ansicht, die eine Beziehung zwischen einer Wellenlänge von einfallendem Licht und einem Beugungswinkel veranschaulicht.
Wie in 17 veranschaulicht, durchläuft Licht (das eine ebene Welle sein soll), das auf das Beugungsgitter einfällt, zwei Spalte und erreicht einen Schirm in der Form einer sphärischen Welle. Zu dieser Zeit wird eine Differenz einer optischen Pfadlänge zwischen dem Licht, das einen Spalt durchlaufen hat, und dem Licht, das den anderen Spalt durchlaufen hat, bewirkt. Aus diesem Grund tritt in dem Bild des einfallenden Lichts, das auf den Schirm transferiert wird, eine Lichtgradierung (Differenzen der Lichtintensität) in einem Muster in Abhängigkeit von der Differenz der optischen Pfadlänge, der Wellenlänge λ des einfallenden Lichts und des Abstands (Gitterabstands P) zwischen den Spalten auf.
Dies wird auf ein Beugungsgitter mit einem Gitter auf die folgende Weise angewandt. Insbesondere wird, wie in dem linken Diagramm aus 18 veranschaulicht, einfallendes Licht auf dem Beugungsgitter unter unterschiedlichen Beugungswinkeln β, die durch die zuvor beschriebene Gleichung (3) erhalten werden, in Abhängigkeit von der Wellenlänge λ und dem Gitterabstand P des Beugungsgitters gebeugt. Außerdem repräsentiert m in der Gleichung (3) eine Ordnung. Infolgedessen ist, wie in dem rechten Diagramm aus 18 veranschaulicht, das Bild des Lichts, das das Beugungsgitter durchlaufen hat (d. h. ein Beugungsbild), ein Bild, in dem Licht ± erster Ordnung, Licht ± zweiter Ordnung,... um das Licht nullter Ordnung in dem Zentrum herum angeordnet sind.
Dies bedeutet, dass mit dem festen Gitterabstand P die Wellenlänge λ und der Beugungswinkel β in einer linearen Beziehung stehen, wie in 19 veranschaulicht ist. Außerdem entsprechen in 19 gerade Linien P1, P2 und P3 Gitterabständen P1, P2 und P3 und die Gitterabstände P1, P2 und P3 stehen in einer Beziehung P1 < P2 < P3.
Aufgrund der zuvor beschriebenen Beziehung nimmt der Beugungswinkel β zu, wenn der Gitterabstand P abnimmt. Infolgedessen wird, wie in 20 veranschaulicht, die Spreizung eines Beugungsbildes 961 in einem erfassten Bild 960 verbreitert, so dass die Wellenlängenauflösung verbessert werden kann. Andererseits nimmt, wenn der Gitterabstand P zunimmt, der Beugungswinkel β ab. Infolgedessen nimmt, wie in 21 veranschaulicht, die Spreizung eines Beugungsbildes 962 in dem erfassten Bild 960 ab, so dass eine Aufnahme mit breiterem Bereich durchgeführt werden kann, wodurch die räumliche Auflösung verbessert wird.
Jedoch stößt das Verfahren zum Anpassen der Wellenlängenauflösung und der räumlichen Auflösung nur durch Steuern des Gitterabstands auf die folgenden Probleme.
22 ist eine Ansicht zum Erklären eines ersten Problems. Wie in 22 veranschaulicht, nimmt der Beugungswinkel β bei sämtlichen beobachteten Wellenlängen zu, wenn der Gitterabstand P reduziert wird. Dementsprechend kann sich, obwohl die Ausdehnung eines Beugungsbildes 971 verbreitert wird, das Beugungsbild 971 außerhalb eines beobachtbaren Bereichs 970 des Flächensensors in Abhängigkeit von der Sensorgröße des Flächensensors erstrecken. Dies erhöht die Wahrscheinlichkeit, dass eine genaue Messung verhindert wird. Dies bedeutet, dass sich der Wellenlängenbereich, der gemessen werden soll, und die Wellenlängenauflösung in einer Kompromissbeziehung zueinander befinden.
23 ist eine Ansicht zum Erklären eines zweiten Problems. Wie in 23 veranschaulicht wird, wenn der Gitterabstand P erhöht wird, die Spreizung des gesamten Beugungsbildes reduziert, so dass die räumliche Auflösung verbessert werden kann. Indessen wird eine Überlappung von Beugungsbildern 981 bis 985 mit jeweiligen Wellenlängen erhöht, so dass die Wellenlängenauflösung reduziert wird. Dies bedeutet, dass sich die räumliche Auflösung und die Wellenlängenauflösung in einer Kompromissbeziehung zueinander befinden. Obwohl die Beugungsbilder 981 bis 985 zum bessren Verständnis in 23 leicht voneinander in der horizontalen Richtung verschoben sind, können die Beugungsbilder außerdem tatsächlich in der vertikalen Richtung miteinander ausgerichtet sein.
Wie zuvor beschrieben, weist die herkömmliche spektroskopische Schnappschussmessungseinrichtung unter Verwendung eines Beugungsgitters Schwierigkeiten beim Erzielen einer hohen Wellenlängenauflösung auf, während die räumliche Auflösung beibehalten wird, weil sich die räumliche Auflösung und die Wellenlängenauflösung in einer Kompromissbeziehung befinden.
In Anbetracht davon wird in der folgenden Ausführungsform ein neuer Modulator vorgeschlagen, um die Kompromissbeziehung zwischen dem beobachtbaren Wellenlängenbereich und der räumlichen Auflösung zu lockern.
3. Ausführungsform
Als Nächstes werden ein Modulator und eine Bildgebungseinrichtung gemäß einer Ausführungsform ausführlich unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Die Ausführungsform basiert auf der spektroskopischen Schnappschussmessungseinrichtung 940 unter Verwendung eines Beugungsgitters, die zuvor unter Bezugnahme auf 13, 14 und 16 beschrieben wurde. Jedoch ist die vorliegende Ausführungsform nicht darauf beschränkt und kann auf verschiedene optische Einrichtungen unter Verwendung eines Beugungsgitters als ein spektroskopisches Element angewandt werden.
3.1 Übersicht über die spektroskopische Messungseinrichtung
24 ist eine Ansicht, die Beispiele eines projizierten Bildes, das auf einer Lichtempfangsoberfläche mit einem grundlegenden Beugungsgitter produziert wird, und eines projizierten Bildes, das produziert wird, falls ein Modulator gemäß der Ausführungsform verwendet wird, veranschaulichen. 25 ist eine Ansicht, die ein schematisches Konfigurationsbeispiel einer spektroskopischen Schnappschussmessungseinrichtung gemäß der Ausführungsform veranschaulicht. 26 ist eine Ansicht, die ein Beispiel für eine Beziehung zwischen dem Modulator der spektroskopischen Messungseinrichtung gemäß der Ausführungsform und Bilddaten veranschaulicht.
Bei einem spektroskopischen Element in der spektroskopischen Schnappschussmessungseinrichtung 940 werden Beugungsbilder jeweils in einer linearen Form in Bilddaten 100 aufgrund ihrer Wellenlänge (zum Beispiel Licht ± erster Ordnung) in den Bilddaten 100, wie in dem linken Diagramm aus 24 veranschaulicht, aufgezeichnet. Insbesondere sind die Beugungsbilder Linearbilder von Licht ± erster Ordnung, die radial um das Licht nullter Ordnung herum aufgezeichnet werden. Aufgrund dieses Phänomens ist es in einem Sensorraum mit endlicher Größe schwierig, eine Überlappung zwischen den Bildern anzupassen, was eine Reduzierung einer Wellenlängenauflösung bewirkt. Dementsprechend biegt eine spektroskopische Messungseinrichtung 940A gemäß der Ausführungsform einen Lichtstrahl, der von dem Beugungsgitter 944 emittiert wird, unter Verwendung eines Modulators erneut, um die Aufzeichnungsrichtung eines Beugungsbildes für jede Wellenlänge zu ändern, wie bei den Bilddaten 101, die in dem rechten Diagramm aus 24 veranschaulicht sind. Außerdem wird bei der vorliegenden Ausführungsform zur Vereinfachung der Beschreibung ein Fall beschrieben, in dem der Modulator ein Beugungsbild von Licht erster Ordnung biegt. Jedoch können auch Beugungsbilder von Licht zweiter Ordnung und höher ebenfalls auf die gleiche Weise wie jene von Licht erster Ordnung gebogen werden.
Die spektroskopische Messungseinrichtung 940A ist zum Beispiel in einer Bildgebungseinrichtung enthalten. Wie in 25 veranschaulicht, weist die spektroskopische Messungseinrichtung 940A die Objektivlinse 941, den Spalt 942, die Kollimatorlinse 943, das Beugungsgitter 944, eine Modulationslinse 948, einen Modulator 300, die Abbildungslinse 945 und den Flächensensor 946 auf. Der Flächensensor 946 ist zum Beispiel ein Bildsensor.
Die Modulationslinse 948 ist eine Linse, die zwischen dem Beugungsgitter 944 und dem Modulator 300 bereitgestellt ist, und organisiert gebeugte Lichtstrahlen in dem Beugungsgitter 944 gemäß jeder Wellenlänge. Die Modulationslinse 948 weist eine Brennweite f_M auf und bildet eine Brennebene an einer Position in einer Entfernung f_M davon.
Der Modulator 300 ist zwischen dem Beugungsgitter 944 und dem Flächensensor 946 bereitgestellt. Der Modulator 300 ist in einem optischen Pfad bereitgestellt, in dem ein Lichtstrahl, der durch das Beugungsgitter 944 transmittiert wurde, zu dem Flächensensor 946 gerichtet ist. Bei der Ausführungsform ist der Modulator 300 an einer Brennposition der Modulationslinse 948 in dem optischen Pfad platziert. Der Modulator 300 ist aus einem transmittierenden Material gebildet und weist eine rechteckige Außen Form auf. Beispiele für das transmittierende Material schließen ein Material mit einem Brechungsindex, wie etwa Glas, ein synthetisches Harz oder ein Polycarbonatharz, ein. In Bezug auf die Form des Modulators 300 kann die Außenform des Modulators 300 zum Beispiel ein Kreis, eine Ellipse, ein Vieleck oder dergleichen sein.
Der Modulator 300 empfängt einen Lichtstrahl (gebeugter Lichtstrahl), der zu dem Flächensensor 946 gerichtet ist, von dem Beugungsgitter 944. Der Modulator 300 weist eine Konfiguration zum Ändern der Ausbreitungsrichtung eines einfallenden Lichtstrahls gemäß dem Snellius-Gesetzt auf. Der Modulator 300 ändert die Ausbreitungsrichtung eines Lichtstrahls, der zu dem Flächensensor 946 hin emittiert wird, so, dass die Aufzeichnungsrichtung eines Beugungsbildes für jede Wellenlänge des Lichtstrahls auf der Lichtempfangsoberfläche des Flächensensors 946 gebogen wird. Mit anderen Worten ändert der Modulator 300 die Ausbreitungsrichtung eines Lichtstrahls so, dass die Aufzeichnungsrichtung eines Beugungsbildes auf der Lichtempfangsoberfläche des Flächensensors 946 gebogen wird.
Zum Beispiel empfängt der Modulator 300, wie in 26 veranschaulicht, eine Lichtstrahlgruppe L1, die das in den Bilddaten 100 gezeigte Beugungsbild projiziert, von dem Beugungsgitter 944. Die Lichtstrahlgruppe L1 ist ein Bündel von Lichtstrahlen, die radial um das Licht nullter Ordnung herum als Linearbeugungsbilder von Licht ± erster Ordnung aufgezeichnet werden. Um ein Muster von Beugungsbildern, wie in den Bilddaten 101, zu erhalten, emittiert der Modulator 300 einen Lichtstrahl L21, der auf einem Lichtstrahl L11 mit einer Wellenlänge basiert, die dem Muster in der einfallenden Lichtstrahlgruppe L1 entspricht, und eine Ausbreitungsrichtung aufweist, die von jener des Lichtstrahls L11 geändert wurde. Eine Lichtstrahlgruppe L2, die den Lichtstrahl L21 aufweist, wird auf die Lichtempfangsoberfläche des Flächensensors 946 projiziert. Zu dieser Zeit ändert der Modulator 300 mit einem Brechungsindex die Ausbreitungsrichtung des Lichtstrahls L11 gemäß dem Snellius-Gesetzt und emittiert den Lichtstrahl L21, der ein modulierter Lichtstrahl ist, aufgrund einer Gestaltung seiner Oberflächenform einer Einfallsposition des Lichtstrahls L11, der eine einzige Wellenlänge und einen einzigen Eintrittswinkel für einen Einfall auf jeden Punkt einer Einfallsebene aufweist.
Bei dem in 26 veranschaulichten Beispiel ändert der Modulator 300 die Ausbreitungsrichtung eines Lichtstrahls so, dass ein Beugungsbild mit einer Wellenlänge, bei der die Aufzeichnungsrichtung auf der Lichtempfangsoberfläche des Flächensensors 946 linear ist, unter den Wellenlängen der Lichtstrahlen, die von dem Beugungsgitter 944 empfangen werden, gekrümmt wird. Der Modulator 300 ändert die Ausbreitungsrichtung eines Lichtstrahls so, dass ein Beugungsbild des Lichts erster Ordnung ohne Ändern eines Beugungsbildes des Lichts nullter Ordnung geändert wird. Mit anderen Worten kann der Modulator 300 Beugungsbilder von Licht erster Ordnung und höher ändern oder kann ein Beugungsbild von Licht einer speziellen Ordnung ändern.
Der Modulator 300 ändert die Ausbreitungsrichtung eines Lichtstrahls derart, dass das gebogene Beugungsbild in die Lichtempfangsoberfläche des Flächensensors 946 passt. Zum Beispiel ändert der Modulator 300, wie in den Bilddaten 101 aus 26 veranschaulicht, die Ausbreitungsrichtung eines Lichtstrahls derart, dass ein Beugungsbild des Lichts erster Ordnung eine Form einer Kurve aufweist, die in die Lichtempfangsoberfläche passt. Der Modulator 300 ändert die Ausbreitungsrichtung eines Lichtstrahls so, dass eine Überlagerung des gebogenen Beugungsbildes auf ein anderes Beugungsbild unterdrückt wird. Zum Beispiel ändert der Modulator 300 die Ausbreitungsrichtung eines Lichtstrahls derart, dass mehrere Beugungsbilder von Licht erster Ordnung einander nicht überlappen.
Bei der vorliegenden Ausführungsform ist die Oberflächenform des Modulators 300 derart gestaltet, dass ein Teil, der einem Beugungsbild entspricht, das gebogen werden soll, auf der Lichtempfangsoberfläche des Flächensensors 946 konvex ist. Ein Beispiel für ein Verfahren zum Gestalten der Oberflächenform des Modulators 300 wird nachfolgend beschrieben.
Zurückkehrend zu 25 wird ein Beispiel für die Operation der spektroskopischen Messungseinrichtung 940A beschrieben. Bei der spektroskopischen Messungseinrichtung 940A wird Licht von dem gemessenen Objekt 900 durch die Objektivlinse 941 fokussiert, wird ferner durch die Kollimatorlinse 943 über den Spalt 942 in paralleles Licht umgewandelt und wird durch das Beugungsgitter 944 transmittiert. Die spektroskopische Messungseinrichtung 940A weist eine Konfiguration zum Transmittieren eines Lichtstrahls, der durch das Beugungsgitter 944 transmittiert wurde, durch die Modulationslinse 948 und den Modulator 300 auf, wodurch der Lichtstrahl, dessen Ausbreitungsrichtung geändert wurde, über die Abbildungslinse 945 auf die Lichtempfangsoberfläche des Flächensensors 946 projiziert wird.
Mit der zuvor beschriebenen Konfigurationen werden in der spektroskopischen Messungseinrichtung 940A Lichtstrahlen mit unterschiedlichen Wellenlängenkomponenten von unterschiedlichen Punkten auf dem gemessenen Objekt 900 in unterschiedlichen Elementen (Pixeln) in der Lichtempfangsoberfläche des Flächensensors 946 aufgezeichnet. Aufgrund der Aufnahme des Modulators 300 kann die spektroskopische Messungseinrichtung 940A die Aufzeichnungsrichtung eines Beugungsbildes für jede Wellenlänge von einer geraden Linie zu einer Kurve ändern.
3.2 Anordnung des Modulators
Die Position, wo der Modulator 300 platziert wird, ist für die spektroskopische Messungseinrichtung 940A zum Ändern (Modulieren) der Ausbreitungsrichtung eines Lichtstrahls unter Verwendung des Modulators 300 wichtig. Ein Beispiel für einen Lichtstrahl in der herkömmlichen spektroskopischen Messungseinrichtung, die den Modulator 300 nicht aufweist, wird unter Bezugnahme auf 27 beschrieben. 27 ist eine Ansicht zum Erklären eines Lichtstrahls in der herkömmlichen spektroskopischen Schnappschussmessungseinrichtung.
Wie in 27 veranschaulicht, weist die herkömmliche spektroskopische Messungseinrichtung die Objektivlinse 941 mit einer Brennweite f₁, die Kollimatorlinse 943 mit einer Brennweite f₂, das Beugungsgitter 944, die Abbildungslinse 945 mit einer Brennweite f₃ und den Flächensensor 946 auf. Bei der herkömmlichen spektroskopischen Messungseinrichtung durchläuft eine Lichtstrahlgruppe LF die Objektivlinse 941. Bei der herkömmlichen spektroskopischen Messungseinrichtung wird zwischen dem Beugungsgitter 944 und der Abbildungslinse 945 eine Farbmischung in gebeugtem Licht bewirkt, wie durch einen Teil PT1 angegeben ist, und wird eine Farbmischung auch in mehreren gewinkelten Lichtstrahlen bewirkt. Aus diesem Grund konvergieren, falls der Modulator 300 zwischen dem Beugungsgitter 944 und der Abbildungslinse 945 bereitgestellt ist, mehrere Lichtstrahlen mit unterschiedlichen Wellenlängen und unterschiedlichen Eintrittswinkeln an einem einzigen Punkt in der Einfallsebene und dementsprechend ist es schwierig, eine geeignete Modulation anzuwenden. Ferner wird bei der herkömmlichen spektroskopischen Messungseinrichtung zwischen der Abbildungslinse 945 und dem Flächensensor 946, obwohl keine Farbmischung in gebeugtem Licht bewirkt wird, wie durch einen Teil PT2 angegeben ist, eine Farbmischung in mehreren gewinkelten Lichtstrahlen bewirkt. Bei der herkömmlichen spektroskopischen Messungseinrichtung werden gebeugte Lichtstrahlen auf einen Brennpunkt an der Position der Lichtempfangsoberfläche des Flächensensors 946 fokussiert und werden die Lichtstrahlen gemäß jeder Wellenlänge organisiert.
In Anbetracht davon wird bei der spektroskopischen Messungseinrichtung 940A gemäß der Ausführungsform ein Bereich eines Eintrittswinkels verschmälert, wodurch bewirkt werden kann, dass ein auf einen einzigen Punkt des Modulators 300 einfallender Lichtstrahl eine einzige Wellenlänge und einen im Wesentlichen einzigen Eintrittswinkel aufweist, und die zuvor beschriebene Modulation kann angewandt werden.
28 ist eine Ansicht zum Erklären eines Anordnungsbeispiels bei der spektroskopischen Messungseinrichtung 940A gemäß der Ausführungsform. Bei der spektroskopischen Messungseinrichtung 940A sind die Modulationslinse 948 und der Modulator 300 in einem optischen Pfad OP angeordnet, wie in 28 veranschaulicht, um gebeugte Lichtstrahlen, die das Beugungsgitter 944 durchlaufen haben, gemäß jeder Wellenlänge zu organisieren, wie zuvor beschrieben ist. Außerdem ist in 28 eine Veranschaulichung des Spalts 942 weggelassen. Bei der spektroskopischen Messungseinrichtung 940A ist die Modulationslinse 948 mit einer Brennweite f_M unmittelbar hinter dem Beugungsgitter 944 in dem optischen Pfad OP platziert und wird eine Brennebene an einer Position in einer Entfernung f_M von der Modulationslinse 948 gebildet. Die spektroskopische Messungseinrichtung 940A moduliert die Ausbreitungsrichtung eines Lichtstrahls jeder Wellenlänge in der Lichtstrahlgruppe LF, indem der Modulator 300 in der Brennebene der Modulationslinse 938 platziert wird. Bei der spektroskopischen Messungseinrichtung 940A ist eine Entfernung zwischen dem Modulator 300 und der Abbildungslinse 945 d₁ und ist eine Entfernung zwischen der Abbildungslinse 945 und dem Flächensensor 946 d₂. Die Entfernung d₂ kann durch die folgende Gleichung (6) ausgedrückt werden. $d_{2} = \frac{1}{(\frac{1}{ƒ_{3}} - \frac{1}{d_{1}})}$
In der obigen Gleichung (6) repräsentiert f₃ eine Brennweite der Abbildungslinse 945.
Bei der spektroskopischen Messungseinrichtung 940A führt der Modulator 300 eine Modulation in der Brennebene der Modulationslinse 948 durch, wodurch die gleichen Effekte wie jene produziert werden, die in einem Fall produziert werden, in dem eine Modulation durch den Modulator 300 durchgeführt wird, der an der Position der Lichtempfangsoberfläche des Flächensensors 946 platziert ist.
3.3 Gestaltungsbeispiel des Modulators
29 ist ein Flussdiagramm, das eine Prozedur eines Gestaltungsverfahrens des Modulators 300 gemäß der Ausführungsform veranschaulicht. 30 ist eine Ansicht zum Erklären eines Beispiels für das Gestaltungsverfahren des Modulators 300 gemäß der Ausführungsform. Das in 29 veranschaulichte Gestaltungsverfahren ist ein Verfahren zum Gestalten des Modulators 300, der die Ausbreitungsrichtung der einfallenden Lichtstrahlgruppe LF gemäß dem Snellius-Gesetzt ändert. Das Gestaltungsverfahren wird zum Beispiel durch einen Computer, eine dedizierte elektronische Einrichtung oder dergleichen durchgeführt. Bei der vorliegenden Ausführungsform wird ein Fall beschrieben, in dem das Gestaltungsverfahren durch einen Computer durchgeführt wird.
Bei dem in 29 veranschaulichten Gestaltungsverfahren bestimmt der Computer eine Brennweite der Modulationslinse 948 (Schritt S101). Der Computer verfolgt einen Lichtstrahl von der Modulationslinse 948 zu dem Flächensensor 946 (Schritt S102). Zum Beispiel führt der Computer eine Simulation, eine Anwendung oder dergleichen aus, um das Verhalten des Lichtstrahls in einem Raum zu verfolgen, der sich von der Modulationslinse 948 zu dem Flächensensor 946 erstreckt. Wie durch R1 in 30 angegeben, erhält der Computer ein Ergebnis des Verfolgens der Lichtstrahlgruppe LF von der Modulationslinse 948 zu dem Flächensensor 946.
Zurückkehrend zu 29 extrahiert der Computer einen eingehenden Lichtstrahl in die Brennebene der Modulationslinse 948 als einen einfallenden Lichtstrahl (Schritt S103). Zum Beispiel berechnet der Computer eine erforderliche Oberflächennormale des Modulators 300 gemäß dem Snellius-Gesetz basierend auf einem einfallenden Lichtstrahl in der Brennebene der Modulationslinse, wie in 28 veranschaulicht, und einem ausgegebenen Lichtstrahl des Modulators 300, der aus einer erforderlichen Lichttreffposition auf der Lichtempfangsoberfläche berechnet wird, wie durch R2 in 30 angegeben ist. Die Lichttreffposition weist einen nichtlinearen Teil auf, der zum Beispiel in einem durch R3 in 30 angegebenen Graphen durch gestrichelte Linien angegeben ist.
Zurückkehrend zu 29 bestimmt der Computer ein emittiertes Licht von dem Modulator 300 basierend auf der erforderlichen Lichttreffposition auf der Lichtempfangsoberfläche (Schritt S104). Der Computer bestimmt eine Oberflächennormale des Modulators 300 basierend auf dem einfallenden Lichtstrahl und dem emittierten Lichtstrahl (Schritt S105). Der Computer integriert die Oberflächennormale, um die Form des Modulators 300 zu bestimmen (Schritt S106). Zum Beispiel bestimmt der Computer, wie durch R4 in 30 angegeben, eine Oberflächenform 310 einer Oberfläche eines Hauptkörpers 301 des Modulators 300. Die Oberflächenform 310 ist zum Beispiel jene einer Einfallsebene des Hauptkörpers 301 und ist eine Form, bei der ein Teil, der der Nichtlinearität eines Lichtstrahls entspricht, hervorragt. Außerdem kann die Oberflächenform 310 jene der Emissionsoberfläche des Hauptkörpers 301 sein oder kann eine Oberflächenform sein, die aus einer Kombination aus jenen einer Einfallsebene und einer Emissionsoberfläche des Hauptkörpers 301 gebildet ist.
Zurückkehrend zu 29 berechnet der Computer die Lichttreffposition auf der Lichtempfangsoberfläche basierend auf dem Ergebnis einer Verfolgung des Lichtstrahls, falls der Modulator 300 mit der bestimmten Form verwendet wird (Schritt S107). Zum Beispiel führt der Computer eine Simulation, eine Anwendung oder dergleichen aus, um das Verhalten des Lichtstrahls in einem Raum zu verfolgen, der sich von der Modulationslinse 948 zu dem Flächensensor 946 erstreckt, falls der bestimmte Modulator 300 verwendet wird.
Der Computer bestimmt, ob die berechnete Lichttreffposition mit einer Gestaltungsposition übereinstimmt oder nicht (Schritt S108). Die Gestaltungsposition weist zum Beispiel die Lichttreffposition auf der gestalteten Lichtempfangsoberfläche auf, falls der Modulator 300 verwendet wird. Wenn bestimmt wird, dass die berechnete Lichttreffposition nicht mit der Gestaltungsposition übereinstimmt (Nein in Schritt S108), lässt der Computer den Prozess zurück zu dem Schritt S101 zurückkehren, der zuvor beschrieben wurde, und führt die Reihe der Prozedur wieder durch, weil die Oberflächenform des Modulators 300 nicht für die spektroskopische Messungseinrichtung 940A geeignet ist. Wenn andererseits bestimmt wird, dass die berechnete Lichttreffposition mit der Gestaltungsposition übereinstimmt (Ja in Schritt S108), speichert der Computer das Gestaltungsergebnis in einer Speicherungseinheit oder dergleichen und beendet die in 29 veranschaulichte Prozedur, weil die Oberflächenform des Modulators 300 für die spektroskopische Messungseinrichtung 940A geeignet ist.
Gemäß der vorliegenden Technik ändert der Modulator 300 die Ausbreitungsrichtung eines einfallenden Lichtstrahls gemäß dem Snellius-Gesetzt. Bei dem Gestaltungsverfahren wird, wie in 29 veranschaulicht, zuerst das Verhalten eines Lichtstrahls in einem Raum von der Modulationslinse 948 bis zu dem Flächensensor 946 durch Lichtstrahlverfolgung erhalten. Anschließend wird bei dem Gestaltungsverfahren basierend auf einem einfallenden Lichtstrahl in der Brennebene der Modulationslinse 948 in 28 und einem ausgegebenen Lichtstrahl des Modulators 300, der aus einer erforderlichen Lichttreffposition auf der Lichtempfangsoberfläche berechnet wird, wie etwa einer nichtlinearen Sequenz von Punkten, die durch R3 in 30 angegeben wird, eine erforderliche Oberflächennormale des Modulators 300 gemäß dem Snellius-Gesetz berechnet. Bei dem Gestaltungsverfahren wird die Oberflächennormale, die zuletzt berechnet wurde, integriert und wird eine erforderliche Oberflächenform des Modulators 300 erzeugt. Auf diese Weise kann das Gestaltungsverfahren des Modulators 300 die Oberflächenform 310 gestalten, die zum Projizieren eines gebogenen gebrochenen Bildes auf die Lichtempfangsoberfläche des Flächensensors 946 geeignet ist. Infolgedessen kann das Gestaltungsverfahren den Modulator 300 bereitstellen, der die Bildgebungsfläche des Flächensensors 946 effizienter verwenden und die Wellenlängenauflösung verbessern kann.
3.4 Simulationsergebnis
Als Nächstes wird ein Ergebnis einer Simulation beschrieben, die an einer spektroskopische Schnappschussmessungseinrichtung 460 unter Verwendung des Modulators 300 gemäß der vorliegenden Ausführungsform ausgeführt wird. 31 ist eine Ansicht, die ein Ergebnis einer Simulation der spektroskopischen Messungseinrichtung 460 gemäß der Ausführungsform veranschaulicht.
In der Simulation wird eine Simulation an der spektroskopischen Messungseinrichtung 460 unter Verwendung des Modulators 300 mit der Oberflächenform 310 durchgeführt, durch die die Aufzeichnungsrichtung eines Beugungsbildes für jede Wellenlänge eines Lichtstrahls zu einer Kurve geändert wird, wie in den Bilddaten 102 in dem linken Diagramm aus 31. Die Simulation zeigt, dass ein Ergebnis einer Projektion von Lichtstrahlen, die von unterschiedlichen Punkten bereitgestellt werden und unterschiedliche Wellenlängenkomponenten aufweisen, in Eingabedaten 510 auf die Lichtempfangsoberfläche des Flächensensors 946 über den Modulator 300 als wiederhergestellte Daten 520 erhalten wird.
Die Eingabedaten 510 weisen zum Beispiel 260 x 260 Pixel und eine Wellenlänge von 301 nm auf. Die wiederhergestellten Daten 520 weisen zum Beispiel 60 x 60 Pixel und eine Wellenlänge von 30 nm auf. Die wiederhergestellten Daten 520 sind zum Beispiel Daten, die dadurch wiederhergestellt wurden, dass sie einer Binärmatrixoperation unter Verwendung einer Modulationsmatrix unterzogen werden, die im Voraus vorbereitet wurde. Ein Graph 531 gibt eine Beziehung zwischen einer relativen Intensität eines Pixels 511 in den Eingabedaten 510 und der Wellenlänge λ an und gibt einen wahren Wert an. Ein Graph 532 gibt eine Beziehung zwischen einer relativen Intensität eines Pixels 521 in den wiederhergestellten Daten 520 und der Wellenlänge λ an. Der Graph 531 und der Graph 532 geben an, dass eine Differenz zwischen den zwei Spitzenwerten 50 nm beträgt. Vergleichen des Graphen 531 und des Graphen 532 zeigt, dass jene einander ähnlich sind und die Gestaltung kein Problem hat. Ferner gibt das Ergebnis einer Simulation in einem Fall, in dem der Modulator 300 verwendet wird, an, dass die Wellenlängenauflösung im Vergleich zu einem Fall, in dem der Modulator 300 nicht verwendet wird, erheblich verbessert werden kann.
3.5 Operationen und Effekte
Wie zuvor beschrieben, wird gemäß der vorliegenden Ausführungsform der Modulator 300 zwischen dem Beugungsgitter 944 und dem Flächensensor 946 in der spektroskopischen Messungseinrichtung 940A bereitgestellt. Deswegen wird ein Lichtstrahl, der durch das Beugungsgitter 944 gebeugt wird, so moduliert, dass ein Beugungsbild auf der Lichtempfangsoberfläche des Flächensensors 946 gebogen werden kann. Dementsprechend kann der Modulator 300 ein Beugungsbild für jede Wellenlänge des Lichtstrahls auf der Lichtempfangsoberfläche des Flächensensors 946 größer als ein Linearbeugungsbild machen. Dementsprechend kann der Modulator 300 die Bildgebungsfläche des Flächensensors 946 effizienter verwenden und die Wellenlängenauflösung verbessern.
Der Modulator 300 kann die Ausbreitungsrichtung eines Lichtstrahls so ändern, dass ein Beugungsbild mit einer Wellenlänge, bei der die Aufzeichnungsrichtung auf der Lichtempfangsoberfläche des Flächensensors 946 linear ist, unter den Wellenlängen von Lichtstrahlen, die von dem Beugungsgitter 944 empfangen werden, gekrümmt wird. Infolgedessen kann der Modulator 300 die Größe des Beugungsbildes mit einer speziellen Wellenlänge erhöhen, wodurch die Wellenlängenauflösung weiter verbessert wird.
Der Modulator 300 kann die Ausbreitungsrichtung eines Lichtstrahls von dem Beugungsgitter 944 derart ändern, dass das gebogene Beugungsbild in die Lichtempfangsoberfläche des Flächensensors 946 passt. Infolgedessen kann der Modulator 300 die Lichtempfangsoberfläche effektiv verwenden, ohne zu ermöglichen, dass sich das Beugungsbild außerhalb der Lichtempfangsoberfläche des Flächensensors 946 erstreckt, wodurch die Wellenlängenauflösung weiter verbessert wird.
Der Modulator 300 kann die Ausbreitungsrichtung eines Lichtstrahls von dem Beugungsgitter 944 so ändern, dass eine Überlagerung des gebogenen Beugungsbildes und eines anderen Beugungsbildes auf der Lichtempfangsoberfläche des Flächensensors 946 unterdrückt wird. Infolgedessen kann der Modulator 300, der eine Überlagerung der unterschiedlichen Beugungsbilder aufeinander unterdrückt, eine Beziehung zwischen der räumlichen Auflösung und der Wellenauflösung lockern.
Bei dem Modulator 300 weist der Hauptkörper 301 eine Einfallsebene auf, die in der Form einer Einfallsposition basierend auf dem Brechungsindex und einem Lichtstrahl, der auf einen einzigen Punkt einfällt und eine einzige Wellenlänge und einen einzigen Einfallswinkel aufweist, gebildet wird. Ein einziger Punkt ist zum Beispiel ein Punkt, an dem Lichtstrahlen auf der Oberfläche, wo der Modulator 300 platziert ist, fokussiert werden. Infolgedessen kann der Modulator 300 die Lichtstrahlen modulieren, die auf die Einfallsebene fokussiert werden, wodurch die Wellenlängenauflösung weiter verbessert wird.
Aufgrund der Einbindung des Modulators 300 kann die spektroskopische Messungseinrichtung 940A einen Lichtstrahl, der durch das Beugungsgitter 944 gebeugt wird, so modulierten, dass ein Beugungsbild auf der Lichtempfangsoberfläche des Flächensensors 946 gebogen wird. Dementsprechend kann die spektroskopische Messungseinrichtung 940A ein Beugungsbild für jede Wellenlänge eines Lichtstrahls auf der Lichtempfangsoberfläche des Flächensensors 946 größer als ein Linearbeugungsbild machen. Infolgedessen kann die spektroskopische Messungseinrichtung 940A aufgrund der Einbindung des Modulators 300 in seiner Konfiguration die Bildgebungsfläche des Flächensensors 946 effizienter verwenden und die Wellenlängenauflösung verbessern.
Bei der spektroskopischen Messungseinrichtung 940A kann die Modulationslinse 948 in der anschließenden Stufe des Beugungsgitters 44 in dem optischen Pfad platziert werden und kann der Modulator 300 an der Brennposition der Modulationslinse 948 platziert werden. Dementsprechend können bei der spektroskopischen Messungseinrichtung 940A Lichtstrahlen ähnlich Lichtstrahlen jeder Wellenlänge, die auf die Lichtempfangsoberfläche des Flächensensors 946 fokussiert werden, durch die Modulationslinse 948 auf den Modulator 300 fokussiert werden, obwohl der Modulator 300 nicht in der Nähe des Flächensensors 946 platziert ist. Infolgedessen kann die spektroskopische Messungseinrichtung 940A die Ausbreitungsrichtung von Lichtstrahlen ändern, die gemäß jeder Wellenlänge organisiert sind, indem der Modulator 300 verwendet wird, wodurch die Wellenlängenauflösung weiter verbessert wird.
3.6 Modifikation der Ausführungsform
Eine spektroskopische Messungseinrichtung gemäß einer Modifikation der Ausführungsform wird beschrieben. Wie zuvor beschrieben, werden bei der herkömmlichen spektroskopischen Messungseinrichtung gebeugte Lichtstrahlen auf einen Brennpunkt an der Position der Lichtempfangsoberfläche des Flächensensors 946 fokussiert und werden die Lichtstrahlen gemäß jeder Wellenlänge organisiert. Dementsprechend wird die Modifikation der Ausführungsform ein Beispiel für eine spektroskopische Messungseinrichtung 940B besprechen, bei der die zuvor beschriebene Anordnung des Modulators 300 von der Anordnung bei der spektroskopischen Messungseinrichtung 940A geändert wird.
32 ist eine Ansicht zum Erklären eines Anordnungsbeispiels bei der spektroskopischen Messungseinrichtung 940B gemäß der Modifikation der Ausführungsform. Wie in 32 veranschaulicht, ist die spektroskopische Messungseinrichtung 940B, wie die zuvor beschriebene spektroskopische Messungseinrichtung 940A, eine Schnappschusseinrichtung. Die spektroskopische Messungseinrichtung 940B weist die Objektivlinse 941 mit einer Brennweite f₁, die Kollimatorlinse 943 mit einer Brennweite f₂, das Beugungsgitter 944, die Abbildungslinse 945 mit einer Brennweite f₃, den Modulator 300 und den Flächensensor 946 auf. Dann weist die spektroskopische Messungseinrichtung 940B nicht die Modulationslinse 948 auf, die bei der zuvor beschriebenen spektroskopischen Messungseinrichtung 940A enthalten ist, wodurch die Konfiguration vereinfacht wird.
Der Modulator 300 ist nahe der Lichtempfangsoberfläche des Flächensensors 946 platziert, so dass er in der Brennebene der Abbildungslinse 945 platziert ist. Zum Beispiel kann der Modulator 300 auf der Lichtempfangsoberfläche des Flächensensors 946 oder in der Nähe der Lichtempfangsoberfläche platziert werden.
Der Modulator 300 empfängt Lichtstrahlen (gebeugte Lichtstrahlen), die gemäß jeder Wellenlänge organisiert sind und zu dem Flächensensor 946 gerichtet sind, von der Abbildungslinse 945. Der Modulator 300 weist eine Konfiguration zum Ändern der Ausbreitungsrichtung eines einfallenden Lichtstrahls gemäß dem Snellius-Gesetzt auf. Der Modulator 300 ändert die Ausbreitungsrichtung eines Lichtstrahls, der zu dem Flächensensor 946 hin emittiert wird, so, dass die Aufzeichnungsrichtung eines Beugungsbildes für jede Wellenlänge des Lichtstrahls auf der Lichtempfangsoberfläche des Flächensensors 946 gebogen wird. Mit anderen Worten ändert der Modulator 300 die Ausbreitungsrichtung eines Lichtstrahls so, dass die Aufzeichnungsrichtung eines Beugungsbildes auf der Lichtempfangsoberfläche des Flächensensors 946 gebogen wird.
Als Nächstes wird ein Beispiel für die Operation der spektroskopischen Messungseinrichtung 940B beschrieben. Bei der spektroskopischen Messungseinrichtung 940B wird Licht von dem gemessenen Objekt 900 durch die Objektivlinse 941 fokussiert, wird ferner durch die Kollimatorlinse 943 über den Spalt 942 in paralleles Licht umgewandelt und wird durch das Beugungsgitter 944 transmittiert. Bei der spektroskopische Messungseinrichtung 940B wird der Lichtstrahl, der durch das Beugungsgitter 944 transmittiert wurde, durch die Abbildungslinse 945 abgebildet und wird auf den Modulator 300 fokussiert. Bei der spektroskopischen Messungseinrichtung 940B transmittiert der Modulator 300 den Lichtstrahl, so dass der Lichtstrahl, dessen Ausbreitungsrichtung geändert wurde, auf die Lichtempfangsoberfläche des Flächensensors 946 projiziert wird.
Mit der zuvor beschriebenen Konfigurationen werden bei der spektroskopischen Messungseinrichtung 940B Lichtstrahlen mit unterschiedlichen Wellenlängenkomponenten von unterschiedlichen Punkten auf dem gemessenen Objekt 900 in unterschiedlichen Elementen (Pixeln) auf der Lichtempfangsoberfläche des Flächensensors 946 aufgezeichnet. Obwohl der Modulator 300 nahe der Lichtempfangsoberfläche des Flächensensors 946 platziert ist, kann die spektroskopische Messungseinrichtung 940B die Aufzeichnungsrichtung des Beugungsbildes für jede Wellenlänge von einer geraden Linie zu einer Kurve ändern, ähnlich der zuvor beschriebenen spektroskopischen Messungseinrichtung 940A. Ferner ist bei der spektroskopischen Messungseinrichtung 940B der Modulator 300 nahe der Lichtempfangsoberfläche des Flächensensors 946 platziert, so dass er in der Brennebene der Abbildungslinse 945 platziert ist. Dies beseitigt die Erfordernis der zuvor beschriebenen Modulationslinse 948. Daher kann die spektroskopische Messungseinrichtung 940B eine einfachere Konfiguration als jene der spektroskopischen Messungseinrichtung 940A aufweisen.
3.7 Gestaltungsbeispiel des Modulators gemäß der Modifikation der Ausführungsform
33 ist ein Flussdiagramm, das eine Prozedur eines Gestaltungsverfahrens des Modulators 300 gemäß der Modifikation der Ausführungsform veranschaulicht. Das in 33 veranschaulichte Gestaltungsverfahren ist eine Modifikation des zuvor beschriebenen Gestaltungsverfahrens, das in 29 veranschaulicht ist.
Gemäß dem in 33 veranschaulichten Gestaltungsverfahren verfolgt ein Computer einen Lichtstrahl von der Abbildungslinse 945 zu dem Flächensensor 946 (Schritt S111). Zum Beispiel führt der Computer eine Simulation, eine Anwendung oder dergleichen aus, um das Verhalten eines Lichtstrahls in einem Raum zu verfolgen, der sich von der Abbildungslinse 945 zu dem Flächensensor 946 erstreckt.
Der Computer extrahiert einen eingehenden Lichtstrahl in die Brennebene der Abbildungslinse 945 als einen einfallenden Lichtstrahl (Schritt S112). Zum Beispiel berechnet der Computer eine erforderliche Oberflächennormale des Modulators 300 gemäß dem Snellius-Gesetz basierend auf einem einfallenden Lichtstrahl in der Brennebene der Abbildungslinse 945 und einem ausgegebenen Lichtstrahl des Modulators 300, der aus einer erforderlichen Lichttreffposition auf der Lichtempfangsoberfläche des Flächensensors 946 berechnet wird.
Der Computer bestimmt ein emittiertes Licht von dem Modulator 300 basierend auf der erforderlichen Lichttreffposition auf der Lichtempfangsoberfläche (Schritt S104). Der Computer bestimmt eine Oberflächennormale des Modulators 300 basierend auf dem einfallenden Lichtstrahl und dem emittierten Lichtstrahl (Schritt S105). Der Computer integriert die Oberflächennormale, um die Form des Modulators 300 zu bestimmen (Schritt S106). Der Computer speichert das Ergebnis einer Gestaltung, die die Form des Modulators 300 bestimmt, in einer Speicherungsvorrichtung oder dergleichen und beendet die in 33 veranschaulichte Prozedur.
Bei der Prozedur des Gestaltungsverfahrens, das in 33 veranschaulicht ist, ist der in 29 veranschaulichte Schritt S101 überflüssig, weil die spektroskopische Messungseinrichtung 940B die Modulationslinse 948 nicht aufweist. Ferner wird bei der Prozedur des Gestaltungsverfahrens, das in 33 veranschaulicht ist, die Erfordernis des Durchführens der Schritte S107 und S108, die in 29 veranschaulicht sind, durch die Platzierung des Modulators 300 in der Nähe der Lichtempfangsoberfläche des Flächensensors 946 in der spektroskopischen Messungseinrichtung 940B beseitigt. Infolgedessen kann das in 33 veranschaulichte Gestaltungsverfahren die Prozedur im Vergleich zu dem in 29 veranschaulichten Gestaltungsverfahren vereinfachen.
Gemäß der vorliegenden Technik ändert der Modulator 300 die Ausbreitungsrichtung eines einfallenden Lichtstrahls gemäß dem Snellius-Gesetzt. Bei dem Gestaltungsverfahren wird zuerst das Verhalten eines Lichtstrahls in einem Raum von der Abbildungslinse 945 bis zu dem Flächensensor 946 durch Lichtstrahlverfolgung erhalten. Anschließend wird bei dem Gestaltungsverfahren eine erforderliche Oberflächennormale des Modulators 300 gemäß dem Snellius-Gesetz basierend auf einem einfallenden Lichtstrahl in der Brennebene der Abbildungslinse 945 und einem ausgegebenen Lichtstrahl des Modulators 300 berechnet, der aus einer erforderlichen Lichttreffposition auf der Lichtempfangsoberfläche des Flächensensors 946 berechnet wird. Bei dem Gestaltungsverfahren wird die Oberflächennormale, die zuletzt berechnet wurde, integriert und wird eine erforderliche Oberflächenform des Modulators 300 erzeugt. Auf diese Weise kann das Gestaltungsverfahren des Modulators 300 die Oberflächenform 310 gestalten, die zum Projizieren eines gebogenen gebrochenen Bildes auf die Lichtempfangsoberfläche des Flächensensors 946 geeignet ist. Infolgedessen kann das Gestaltungsverfahren den Modulator 300 bereitstellen, der die Bildgebungsfläche des Flächensensors 946 effizienter verwenden und die Wellenlängenauflösung verbessern kann.
3.8 Beispiel einer Anwendung auf eine Mobileinheit
Die Technik gemäß der vorliegenden Offenbarung (vorliegende Technik) kann auf verschiedene Produkte angewandt werden. Zum Beispiel kann die Technik gemäß der vorliegenden Offenbarung in der Form einer Einrichtung implementiert werden, die an einer beliebigen Art einer Mobileinheit montiert ist, wie etwa einem Kraftfahrzeug, einem Elektrofahrzeug, einem Hybridelektrofahrzeug, einem Motorrad, einem Fahrrad, einem Personal-Mobility-Fahrzeug, einem Flugzeug, einer Drohne, einem Schiff oder einem Roboter.
34 ist ein Blockdiagramm, das ein schematisches Konfigurationsbeispiel eines Fahrzeugsteuersystems veranschaulicht, das ein Beispiel für ein Mobileinheitssteuersystem ist, auf das die Technik gemäß der vorliegenden Offenbarung anwendbar ist.
Ein Fahrzeugsteuersystem 12000 weist mehrere elektronische Steuereinheiten auf, die über ein Kommunikationsnetz 12001 verbunden sind. Bei dem in 34 veranschaulichten Beispiel weist das Fahrzeugsteuersystem 12000 eine Antriebssystemsteuereinheit 12010, eine Karosseriesteuereinheit 12020, eine Außenbereichsinformationsdetektionseinheit 12030, eine Innenbereichsinformationsdetektionseinheit 12040 und eine integrierte Steuereinheit 12050 auf. Ferner sind als funktionale Komponenten der integrierten Steuereinheit 12050 ein Mikrocomputer 12051, eine Audio/Bild-Ausgabeeinheit 12052 und eine Fahrzeuginternes-Netz-Schnittstelle (SST) 12053 veranschaulicht.
Die Antriebssystemsteuereinheit 12010 steuert die Operationen von Vorrichtungen bezüglich eines Antriebssystems eines Fahrzeugs gemäß verschiedenen Programmen. Zum Beispiel fungiert die Antriebssystemsteuereinheit 12010 als eine Steuerung für eine Antriebskrafterzeugungsvorrichtung zum Erzeugen einer Antriebskraft des Fahrzeugs, wie etwa einen Verbrennungsmotor oder einen Antriebsmotor, einen Antriebskraftübertragungsmechanismus zum Übertragen einer Antriebskraft auf die Räder, einen Lenkmechanismus zum Anpassen eines Lenkwinkels des Fahrzeugs, eine Bremsvorrichtung zum Erzeugen einer Bremskraft des Fahrzeugs und dergleichen.
Die Karosseriesteuereinheit 12020 steuert die Operationen verschiedener Vorrichtungen, die in einer Fahrzeugkarosserie montiert sind, gemäß verschiedenen Programmen. Zum Beispiel fungiert die Karosseriesteuereinheit 12020 als eine Steuerung für ein schlüsselloses Zugangssystem, ein intelligentes Schlüsselsystem, eine elektrische Fensterhebervorrichtung oder verschiedene Leuchten, wie etwa einen Frontscheinwerfer, ein Rückfahrlicht, ein Bremslicht, einen Fahrtrichtungsanzeiger oder einen Nebelscheinwerfer. In diesem Fall können Funkwellen, die von einer portablen Vorrichtung übertragen werden, die einen Schlüssel ersetzt, oder Signale verschiedener Schalter in die Karosseriesteuereinheit 12020 eingegeben werden. Die Karosseriesteuereinheit 12020 empfängt Eingaben dieser Funkwellen oder Signale und steuert eine Türverriegelungsvorrichtung, eine elektrische Fensterhebervorrichtung, Leuchten oder dergleichen des Fahrzeugs.
Die Außenbereichsinformationsdetektionseinheit 12030 detektiert Informationen über den Außenbereich eines Fahrzeugs, das das Fahrzeugsteuersystem 12000 daran montiert aufweist. Zum Beispiel ist die Außenbereichsinformationsdetektionseinheit 12030 mit einer Bildgebungseinheit 12031 verbunden. Die Außenbereichsinformationsdetektionseinheit 12030 bewirkt, dass die Bildgebungseinheit 12031 ein Bild des Außenbereichs des Fahrzeugs erfasst, und empfängt das erfasste Bild. Die Außenbereichsinformationsdetektionseinheit 12030 kann einen Objektdetektionsprozess oder einen Entfernungsdetektionsprozess für eine Person, ein Fahrzeug, ein Hindernis, ein Schild, ein Symbol auf einer Straßenoberfläche und dergleichen basierend auf dem empfangenen Bild durchführen.
Die Bildgebungseinheit 12031 ist ein optischer Sensor, der Licht empfängt und ein elektrisches Signal ausgibt, das der Menge des empfangenen Lichts entspricht. Die Bildgebungseinheit 12031 kann das elektrische Signal in der Form eines Bildes ausgeben oder kann das elektrische Signal in der Form von Entfernungsmessungsinformationen ausgeben. Ferner kann durch die Bildgebungseinheit 12031 empfangenes Licht sichtbares Licht oder nichtsichtbares Licht, wie etwa Infrarotstrahlung, sein.
Die Innenbereichsinformationsdetektionseinheit 12040 detektiert Informationen über den Innenbereich eines Fahrzeugs. Zum Beispiel ist die Innenbereichsinformationsdetektionseinheit 12040 mit einer Fahrerzustandsdetektionseinheit 12041 verbunden, die den Zustand eines Fahrers detektiert. Die Fahrerzustandsdetektionseinheit 12041 weist zum Beispiel eine Kamera auf, die ein Bild eines Fahrers erfasst. Die Innenbereichsinformationsdetektionseinheit 12040 kann den Müdigkeitsgrad oder den Konzentrationsgrad des Fahrers berechnen oder kann basierend auf Detektionsinformationen, die von der Fahrerzustandsdetektionseinheit 12041 eingegeben werden, bestimmen, ob der Fahrer eindöst oder nicht.
Der Mikrocomputer 12051 kann einen Steuersollwert der Antriebskrafterzeugungsvorrichtung, des Lenkmechanismus oder der Bremsvorrichtung basierend auf den Informationen über den Außenbereich und den Innenbereich des Fahrzeugs berechnen, die durch die Außenbereichsinformationsdetektionseinheit 12030 oder die Innenbereichsinformationsdetektionseinheit 12040 erfasst werden, und einen Steuerbefehl an die Antriebssystemsteuereinheit 12010 ausgeben. Zum Beispiel kann der Mikrocomputer 12051 eine kooperative Steuerung zum Zweck des Implementierens von Funktionen eines Fahrerassistenzsystems (ADAS) durchführen, einschließlich einer Vermeidung einer Kollision des Fahrzeugs oder einer Abschwächung eines Aufpralls des Fahrzeugs, einer Folgefahrt durch Bezugnahme auf eine Zwischenfahrzeugentfernung, einer Fahrt mit konstanter Geschwindigkeit, einer Warnung vor einer Kollision des Fahrzeugs, einer Warnung vor einem Spurverlassen des Fahrzeugs und dergleichen.
Ferner steuert der Mikrocomputer 12051 die Antriebskrafterzeugungsvorrichtung, den Lenkmechanismus, die Bremsvorrichtung oder dergleichen basierend auf Informationen über die Umgebung des Fahrzeugs, die durch die Außenbereichsinformationsdetektionseinheit 12030 oder die Innenbereichsinformationsdetektionseinheit 12040 erlangt werden, um eine kooperative Steuerung zum Zweck des automatischen Fahrens oder dergleichen durchzuführen, wobei das Fahrzeug autonom ohne Abhängigkeit von der Bedienung des Fahrers fährt.
Zudem kann der Mikrocomputer 12051 einen Steuerbefehl an die Karosseriesteuerungseinheit 12020 basierend auf Informationen, die über den Außenbereich des Fahrzeugs sind und durch die Außenbereichsinformationsdetektionseinheit 12030 erlangt werden, ausgeben. Zum Beispiel steuert der Mikrocomputer 12051 einen Frontscheinwerfer gemäß der Position eines vorausfahrenden Fahrzeuges oder eines entgegenkommenden Fahrzeugs, das durch die Außeninformationsdetektionseinheit 12030 detektiert wird, um eine kooperative Steuerung zum Zweck des Verhinderns von Blenden durch eine Operation, wie etwa eine Operation des Wechselns von Fernlicht zu Abblendlicht, durchzuführen.
Die Audio/Bild-Ausgabeeinheit 12052 überträgt ein Audioausgabesignal und/oder ein Bildausgabesignal an eine Ausgabevorrichtung, die zum visuellen oder akustischen Mitteilen von Informationen an einen Insassen des Fahrzeugs oder den Außenbereich des Fahrzeugs in der Lage ist. Bei dem Beispiel aus 34 sind ein Audiolautsprecher 12061, eine Anzeigeeinheit 12062 und ein Armaturenbrett 12063 als Beispiele für die Ausgabevorrichtung veranschaulicht. Die Anzeigeeinheit 12062 kann zum Beispiel eine Onboard-Anzeige und/oder eine Head-Up-Anzeige aufweisen.
35 ist eine Ansicht, die ein Beispiel für eine Position veranschaulicht, an der die Bildgebungseinheit 12031 platziert wird.
In 35 sind Bildgebungseinheiten 12101, 12102, 12103, 12104 und 12105 als die Bildgebungseinheit 12031 enthalten.
Die Bildgebungseinheiten 12101, 12102, 12103, 12104 und 12105 sind zum Beispiel an Positionen einer Frontnase, von Seitenspiegeln, einer hinteren Stoßstange, einer Hecktüre, eines oberen Teils einer Windschutzscheibe in einem Fahrzeuginnenraum und dergleichen in einem Fahrzeug 12100 bereitgestellt. Die an der Frontnase bereitgestellte Bildgebungseinheit 12101 und die an dem oberen Teil der Windschutzscheibe in dem Fahrzeuginnenraum bereitgestellte Bildgebungseinheit 12105 erfassen hauptsächlich ein Bild vor dem Fahrzeug 12100. Die an den Seitenspiegeln bereitgestellten Bildgebungseinheiten 12102 und 12103 erfassen hauptsächlich Bilder auf den Seiten des Fahrzeugs 12100. Die an der hinteren Stoßstange oder der Hecktüre bereitgestellte Bildgebungseinheit 12104 erfasst hauptsächlich ein Bild hinter dem Fahrzeug 12100. Die auf dem oberen Teil der Windschutzscheibe in dem Fahrzeuginnenraum bereitgestellte Bildgebungseinheit 12105 wird hauptsächlich zum Detektieren eines vorausfahrenden Fahrzeugs, eines Fußgängers, eines Hindernisses, einer Ampel, eines Verkehrsschildes, einer Fahrspur oder dergleichen verwendet.
Indessen veranschaulicht 35 Beispiele für Bildgebungsbereiche der Bildgebungseinheiten 12101 bis 12104. Ein Bildgebungsbereich 12111 gibt einen Bildgebungsbereich der Bildgebungseinheit 12101 an, die an der Frontnase bereitgestellt ist, die Bildgebungsbereiche 12112 und 12113 geben Bildgebungsbereiche der Bildgebungseinheiten 12102 und 12103 an, die jeweils an den Seitenspiegeln bereitgestellt sind, und ein Bildgebungsbereich 12114 gibt einen Bildgebungsbereich der Bildgebungseinheit 12104 an, die an der hinteren Stoßstange oder der Hecktüre bereitgestellt ist. Zum Beispiel werden Elementen von Bilddaten, die durch die Bildgebungseinheiten 12101 bis 12104 erfasst werden, überlagert, um ein Overhead-Bild des Fahrzeugs 12100 bei Betrachtung von oberhalb zu produzieren.
Wenigstens eine der Bildgebungseinheiten 12101 bis 12104 kann eine Funktion zum Erlangen von Entfernungsinformationen haben. Zum Beispiel kann wenigstens eine der Bildgebungseinheiten 12101 bis 12104 eine stereoskopische Kamera sein, die mehrere Bildgebungselemente aufweist, oder kann ein Bildgebungselement mit Pixeln zur Phasendifferenzdetektion sein.
Zum Beispiel erhält der Mikrocomputer 12051 eine Entfernung zu jedem festen Objekt in den Bildgebungsbereichen 12111 bis 12114 und eine Variation der Entfernung mit der Zeit (eine relative Geschwindigkeit mit Bezug auf das Fahrzeug 12100) basierend auf den Entfernungsinformationen, die von den Bildgebungseinheiten 12101 bis 12104 erlangt werden. Dann extrahiert der Mikrocomputer 12051 als ein vorausfahrendes Fahrzeug insbesondere ein festes Objekt, das sich mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit (zum Beispiel 0 km/h oder mehr) in im Wesentlichen der gleichen Richtung wie das Fahrzeug 12100 bewegt und am nächsten zu dem Fahrzeug 12100 auf einem Pfad ist, auf dem sich das Fahrzeug 12100 bewegt. Ferner kann der Mikrocomputer 12051 eine Zwischenfahrzeugentfernung, die hinter einem vorausfahrenden Fahrzeug sichergestellt werden soll, im Voraus einstellen, um eine automatische Bremssteuerung (einschließlich Folgestoppsteuerung), eine automatische Beschleunigungssteuerung (einschließlich Folgestartsteuerung) und dergleichen durchzuführen. Auf diese Weise ist es möglich, eine kooperative Steuerung zum Zweck des automatischen Fahrens oder dergleichen durchzuführen, wobei das Fahrzeug ohne Abhängigkeit von der Bedienung des Fahrers autonom fährt.
Zum Beispiel kann der Mikrocomputer 12051 basierend auf den von den Bildgebungseinheiten 12101 bis 12104 erlangten Entfernungsinformationen Elemente von Festes-Objekt-Daten über feste Objekte in zweirädrige Fahrzeuge, gewöhnliche Fahrzeuge, große Fahrzeuge, Fußgänger und andere feste Objekte, wie etwa Strommasten, klassifizieren und ein beliebiges Element der Festes-Objekt-Daten extrahieren, um es zur automatischen Vermeidung von Hindernissen zu verwenden. Zum Beispiel unterscheidet der Mikrocomputer 12051 Hindernisse, die visuell durch den Fahrer des Fahrzeugs 12100 erkannt werden können, und Hindernisse, die visuell schwer zu erkennen sind, voneinander bei allen Hindernissen um das Fahrzeug 12100 herum. Dann bestimmt der Mikrocomputer 12051 ein Kollisionsrisiko, das ein Risiko einer Kollision mit jedem Hindernis angibt. Wenn das Kollisionsrisiko gleich oder höher als ein vorbestimmter Wert ist, der eine Möglichkeit einer Kollision angibt, kann der Mikrocomputer 12051 eine Warnung an den Fahrer über den Audiolautsprecher 12061 oder die Anzeigeeinheit 12062 ausgeben oder kann eine erzwungene Verlangsamung oder Ausweichlenkung über die Antriebssystemsteuereinheit 12010 durchführen, wodurch eine Fahrt zur Kollisionsvermeidung unterstützt wird.
Wenigstens eine der Bildgebungseinheiten 12101 bis 12104 kann eine Infrarotkamera sein, die Infrarotstrahlung detektiert. Zum Beispiel kann der Mikrocomputer 12051 einen Fußgänger erkennen, indem er bestimmt, ob ein Fußgänger in erfassten Bildern der Bildgebungseinheiten 12101 bis 12104 vorhanden ist oder nicht. Eine solche Erkennung eines Fußgängers wird durch zum Beispiel eine Prozedur zum Extrahieren von Merkmalspunkten in den erfassten Bildern der Bildgebungseinheiten 12101 bis 12104, die als Infrarotkameras dienen, und eine Prozedur zum Durchführen eines Musterabgleichs an einer Sequenz von Merkmalspunkten erzielt, die einen Umriss eines Objekts angeben, um zu bestimmen, ob das Objekt ein Fußgänger ist oder nicht. Wenn der Mikrocomputer 12051 bestimmt, dass ein Fußgänger in den erfassten Bildern der Bildgebungseinheiten 12101 bis 12104 vorhanden ist, und den Fußgänger erkennt, steuert die Audio/Bild-Ausgabeeinheit 12052 die Anzeigeeinheit 12062 so, dass die Anzeigeeinheit 12062 den erkannten Fußgänger anzeigt, während eine rechteckige Umrisslinie zur Hervorhebung auf dem erkannten Fußgänger überlagert wird. Ferner kann die Audio/Bild-Ausgabeeinheit 12052 die Anzeigeeinheit 12062 so steuern, dass die Anzeigeeinheit 12062 ein Symbol oder dergleichen, das einen Fußgänger angibt, an einer gewünschten Position anzeigt.
Ein Beispiel für das Fahrzeugsteuersystem, auf das die Technik gemäß der vorliegenden Offenbarung angewandt werden kann, wurde zuvor beschrieben. Die Technik gemäß der vorliegenden Offenbarung kann auf die Bildgebungseinheit 12031 oder dergleichen unter den zuvor beschriebenen Komponenten angewandt werden. Insbesondere kann die spektroskopische Messungseinrichtung 940A auf die Bildgebungseinheit 12031 oder dergleichen angewandt werden. Das Anwenden der Technik gemäß der vorliegenden Offenbarung auf die Bildgebungseinheit 12031 ermöglicht eine Verbesserung der Wellenlängenauflösung, wodurch die Detektionsgenauigkeit von Informationen über den Außenbereich eines Fahrzeugs verbessert wird.
3.9 Beispiel einer Anwendung auf ein endoskopisches Chirurgiesystem
Die Technik gemäß der vorliegenden Offenbarung (vorliegende Technik) kann auf verschiedene Produkte angewandt werden. Zum Beispiel kann die Technik gemäß der vorliegenden Offenbarung auf ein endoskopisches Chirurgiesystem angewandt werden.
36 ist eine Ansicht, die ein schematisches Konfigurationsbeispiel eines endoskopischen Chirurgiesystems veranschaulicht, auf das die Technik gemäß der vorliegenden Offenbarung (die vorliegenden Technik) anwendbar ist.
36 veranschaulich einen Zustand, in dem ein Bediener (Chirurg) 11131 eine Operation an einem Patienten 11132 auf einem Patientenbett 11133 unter Verwendung einen endoskopischen Chirurgiesystems 11000 durchführt. Wie veranschaulicht, weist das endoskopische Chirurgiesystem 11000 ein Endoskop 11100, andere chirurgische Werkzeuge 11110, wie etwa einen Pneumoperitoneumschlauch 11111 und ein Energiebehandlungswerkzeug 11112, eine Stützarmvorrichtung 11120, die das Endoskop 11100 stützt, und einen Wagen 11200 auf, auf dem verschiedene Vorrichtungen zur endoskopischen Chirurgie montiert sind.
Das Endoskop 11100 weist einen Objektivtubus 11101, wobei ein Teil von diesem einer vorbestimmten Länge von seinem Spitzenende in einen Körperhohlraum des Patienten 11132 eingeführt wird, und einen Kamerakopf 11102 auf, der mit einem Basisende des Objektivtubus 11101 verbunden ist. Bei dem veranschaulichten Beispiel ist das Endoskop 11100, das als ein sogenanntes starres Endoskop mit dem starren Objektivtubus 11101 ausgebildet ist, veranschaulicht. Jedoch kann das Endoskop 11100 als ein sogenanntes flexibles Endoskop mit einem flexiblen Objektivtubus ausgebildet sein.
Eine Öffnung, in die eine Objektivlinse eingepasst ist, ist an dem Spitzenende des Objektivtubus 11101 bereitgestellt. Eine Lichtquellenvorrichtung 11203 ist mit dem Endoskop 11100 verbunden und Licht, das durch die Lichtquellenvorrichtung 11203 erzeugt wird, wird durch einen Lichtleiter, der sich im Inneren des Objektivtubus 11101 erstreckt, zu dem Spitzenende des Objektivtubus geleitet und wird über die Objektivlinse zu einem beobachteten Objekt in dem Körperhohlraum des Patienten 11132 hin emittiert. Außerdem kann das Endoskop 11100 ein Vorwärtsbetrachtungsendoskop, ein Schrägbetrachtungsendoskop oder ein Seitenbetrachtungsendoskop sein.
Ein optisches System und ein Bildgebungselement sind im Inneren des Kamerakopfes 11102 bereitgestellt und reflektiertes Licht (Beobachtungslicht) von dem beobachteten Objekt wird durch das optische System auf das Bildgebungselement fokussiert. Das Beobachtungslicht wird durch das Bildgebungselement fotoelektrisch umgewandelt und ein elektrisches Signal, das einem Beobachtungslicht entspricht, insbesondere ein Bildsignal, das dem Beobachtungsbild entspricht, wird erzeugt. Das Bildsignal wird als RAW-Daten an eine Kamerasteuereinheit (CCU) 11201 übertragen.
Die CCU 11201 weist eine Zentralverarbeitungseinheit (CPU), eine Grafikverarbeitungseinheit (GPU) und dergleichen auf und steuert die Operationen des Endoskops 11100 und einer Anzeigeeinrichtung 11202 auf eine zentralisierte Weise. Ferner empfängt die CCU 11201 ein Bildsignal von dem Kamerakopf 11102 und führt verschiedene Arten einer Bildverarbeitung zum Anzeigen eines Bildes basierend auf dem Bildsignal, wie etwa zum Beispiel einen Entwicklungsprozess (Demosaicing), an dem Bildsignal durch.
Die Anzeigevorrichtung 11202 zeigt ein Bild basierend auf dem Bildsignal, das der Bildverarbeitung durch die CCU 11201 unterzogen wurde, unter der Steuerung der CCU 11201 an.
Die Lichtquellenvorrichtung 11203 weist eine Lichtquelle, wie etwa zum Beispiel eine Leuchtdiode (LED), auf und liefert Bestrahlungslicht zum Aufnehmen einer Operationsstelle oder dergleichen an das Endoskop 11100.
Eine Eingabevorrichtung 11204 ist eine Eingabeschnittstelle für das endoskopische Chirurgiesystem 11000. Ein Benutzer kann verschiedene Arten von Informationen und Anweisungen über die Eingabevorrichtung 11204 in das endoskopische Chirurgiesystem 11000 eingeben. Zum Beispiel gibt ein Benutzer eine Anweisung oder dergleichen zum Ändern von Bildgebungsbedingungen (Art von Bestrahlungslicht, Vergrößerung, Brennweite und dergleichen) des Endoskops 11100 ein.
Eine Behandlungswerkzeugsteuervorrichtung 11205 steuert die Ansteuerung des Energiebehandlungswerkzeugs 11112 zur Kauterisation und Inzision von Gewebe, zum Versiegeln eines Blutgefäßes oder dergleichen. Eine Pneumoperitoneumvorrichtung 11206 führt Gas über den Pneumoperitoneumschlauch 11111 in den Körperhohlraum des Patienten 11132 ein, um den Körperhohlraum zum Sicherstellen eines Sichtfeldes für das Endoskop 11100 und Sicherstellen eines Arbeitsraums für einen Bediener aufzublasen. Ein Aufzeichnungsgerät 11207 ist eine Vorrichtung, die zum Aufzeichnen verschiedener Arten von Informationen über die Chirurgie in der Lage ist. Ein Drucker 11208 ist eine Vorrichtung, die zum Drucken verschiedener Arten von Informationen über die Chirurgie in verschiedenen Formaten, wie etwa Text, ein Bild oder ein Graph, in der Lage ist.
Außerdem kann die Lichtquellenvorrichtung 11203, die Bestrahlungslicht, das zum Aufnehmen einer Operationsstelle verwendet wird, an das Endoskop 11100 liefert, aus zum Beispiel einer LED, einer Laserlichtquelle oder einer Weißlichtquelle gebildet sein, die aus einer Kombination aus einer LED und einer Laserlichtquelle gebildet ist. Falls eine Weißlichtquelle verwendet wird, die aus einer Kombination aus RGB-Laserlichtquellen gebildet ist, können die Ausgabeintensität und das Ausgabetiming jeder Farbe (jeder Wellenlänge) mit hoher Genauigkeit gesteuert werden, so dass der Weißabgleich eines erfassten Bildes in der Lichtquellenvorrichtung 11203 angepasst werden kann. Ferner ist es in diesem Fall durch Bestrahlen eines beobachteten Objekts mit Laserlicht von Laserlichtquellen für R, G und B auf eine zeitlich aufgeteilte Weise und Steuern einer Ansteuerung des Bildgebungselements des Kamerakopfes 11102 in Synchronisation mit der Bestrahlung auch möglich, Bilder, die R, G bzw. B entsprechen, auf eine zeitlich aufgeteilte Weise zu erfassen. Gemäß diesem Verfahren kann ein Farbbild ohne ein Farbfilter in dem Bildgebungselement erhalten werden.
Des Weiteren kann eine Ansteuerung der Lichtquellenvorrichtung 11203 derart gesteuert werden, dass die Intensität des Ausgabelichts zu regelmäßigen Zeitintervallen geändert wird. In diesem Fall wird eine Ansteuerung des Bildgebungselements des Kamerakopfes 11102 in Synchronisation mit der Änderung der Lichtintensität gesteuert, wodurch Bilder auf eine zeitlich aufgeteilte Weise erlangt werden. Denn ist es durch Kombinieren der erhaltenen Bilder möglich, ein Bild mit einem hohen Dynamikumfang und ohne sogenannte absaufende Schatten und ausgefressene Lichter zu erzeugen.
Zudem kann die Lichtquellenvorrichtung 11203 dazu ausgebildet sein, dass sie zum Bereitstellen von Licht in einem vorbestimmten Wellenlängenband in der Lage ist, das einer Speziallichtbeobachtung entspricht. Bei der Speziallichtbeobachtung wird zum Beispiel durch Ausnutzen einer Wellenlängenabhängigkeit einer Lichtabsorption in Körpergewebe eine sogenannte Schmalbandbildgebung durchgeführt, bei der vorbestimmtes Gewebe, wie etwa ein Blutgefäß in der Oberflächenschicht einer Schleimhaut, mit Licht in einem schmäleren Band als jenes von Bestrahlungslicht zur normalen Beobachtung (das heißt Weißlicht) bestrahlt wird, um mit hohem Kontrast aufgenommen zu werden. Alternativ dazu kann bei der Speziallichtbeobachtung eine Fluoreszenzbeobachtung durchgeführt werden, bei der ein Bild durch Fluoreszenz erhalten wird, die durch Bestrahlen mit Anregungslicht erzeugt wird. Bei der Fluoreszenzbeobachtung ist es möglich, Körpergewebe mit Anregungslicht zu bestrahlen, um eine Fluoreszenz von dem Körpergewebe zu beobachten (Autofluoreszenzbeobachtung), oder ein Reagenz, wie etwa Indocyaningrün (ICG), lokal in Körpergewebe zu injizieren und das Körpergewebe mit Anregungslicht zu bestrahlen, das einer Fluoreszenzwellenlänge des Reagenzes entspricht, um ein Fluoreszenzbild zu erhalten. Die Lichtquellenvorrichtung 11203 kann dazu ausgebildet sein, dass sie zum Bereitstellen von Schmalbandlicht und/oder Anregungslicht in der Lage ist, das für die zuvor beschriebenen Speziallichtbeobachtung adaptierbar ist.
37 ist ein Blockdiagramm, das Beispiele für funktionale Konfigurationen des Kamerakopfes 11102 und der CCU 11201, die in 36 veranschaulicht sind, veranschaulicht.
Der Kamerakopf 11102 weist eine Linseneinheit 11401, eine Bildgebungseinheit 11402, eine Antriebseinheit 11403, eine Kommunikationseinheit 11404 und eine Kamerakopfsteuereinheit 11405 auf. Die CCU 11201 weist eine Kommunikationseinheit 11411, eine Bildverarbeitungseinheit 11412 und eine Steuereinheit 11413 auf. Der Kamerakopf 11102 und die CCU 11201 sind über ein Übertragungskabel 11400 kommunikativ miteinander verbunden.
Die Linseneinheit 11401 ist ein optisches System, das an einer Verbindungsstelle zu dem Objektivtubus 11101 bereitgestellt ist. Beobachtungslicht, das von dem Spitzenende des Objektivtubus 11101 eingedrungen ist, wird zu dem Kamerakopf 11102 geleitet und fällt auf die Linseneinheit 11401 ein. Die Linseneinheit 11401 ist aus einer Kombination mehrerer Linsen, einschließlich einer Zoomlinse und einer Fokuslinse, gebildet.
Entweder kann ein einziges Bildgebungselement (sogenannter Einzelplattentyp) oder können mehrere Bildgebungselemente (sogenannter Mehrfachplattentyp) die Bildgebungseinheit 11402 bilden. Falls die Bildgebungseinheit 11402 als eine Mehrfachplattenbildgebungseinheit ausgebildet ist, kann ein Farbbild durch eine Kombination von Bildsignalen erhalten werden, die durch jeweilige Bildgebungselemente erzeugt werden und zum Beispiel R, G und B entsprechen. Alternativ dazu kann die Bildgebungseinheit 11402 ein Paar Bildgebungselemente zum Erlangen eines Bildsignals für ein rechtes Auge und eines Bildsignals für ein linkes Auge aufweisen, die für eine dreidimensionale (3D-) Anzeige adaptierbar sind. Mit einer 3D-Anzeige kann der Bediener 11131 die Tiefe von lebendem Gewebe an einer Operationsstelle genauer verstehen. Außerdem können, falls die Bildgebungseinheit 11402 als eine Mehrfachplattentypbildgebungseinheit ausgebildet ist, mehrere Linseneinheiten 11401 bereitgestellt werden, die jeweiligen Bildgebungselementen entsprechen.
Indessen muss die Bildgebungseinheit 11402 nicht zwingend in dem Kamerakopf 11102 bereitgestellt sein. Zum Beispiel kann die Bildgebungseinheit 11402 unmittelbar hinter der Objektivlinse innerhalb des Objektivtubus 11101 bereitgestellt sein.
Die Antriebseinheit 11403 weist einen Aktor auf und bewegt die Zoomlinse und die Fokuslinse der Linseneinheit 11401 um eine vorbestimmte Entfernung entlang der optischen Achse unter der Steuerung der Kamerakopfsteuereinheit 11405. Infolgedessen können die Vergrößerung und der Brennpunkt eines Bildes, das durch die Bildgebungseinheit 11402 erfasst wird, angemessen angepasst werden.
Die Kommunikationseinheit 11404 weist eine Kommunikationsvorrichtung zum Übertragen und Empfangen verschiedener Arten von Informationen an die und von der CCU 11201 auf. Die Kommunikationseinheit 11404 überträgt ein von der Bildgebungseinheit 11402 bereitgestelltes Bildsignal über das Übertragungskabel 11400 als RAW-Daten an die CCU 11201.
Ferner empfängt die Kommunikationseinheit 11404 ein Steuersignal zum Steuern eines Antriebs des Kamerakopfes 11102 von der CCU 11201 und liefert das Steuersignal an die Kamerakopfsteuereinheit 11405. Das Steuersignal weist Informationen über Bildgebungsbedingungen auf, wie etwa zum Beispiel Informationen zum Spezifizieren einer Bildwiederholrate eines erfassten Bildes, Informationen zum Spezifizieren eines Belichtungswertes bei einer Bildgebung und/oder Informationen zum Spezifizieren der Vergrößerung und des Brennpunkts eines erfassten Bildes.
Außerdem können die zuvor beschriebenen Bildgebungsbedingungen, wie etwa eine Bildwiederholrate, ein Belichtungswert, eine Vergrößerung und ein Brennpunkt, geeignet durch einen Benutzer spezifiziert werden oder können automatisch durch die Steuereinheit 11413 der CCU 11201 basierend auf einem Bildsignal, wie bereitgestellt, eingestellt werden. In dem letzteren Fall sind eine sogenannte Autobelichtung(AE)-Funktion, eine sogenannte Autofokus(AF)-Funktion und eine sogenannte Autoweißabgleich(AWB)-Funktion in dem Endoskop 11100 bereitgestellt.
Die Kamerakopfsteuereinheit 11405 steuert einen Antrieb des Kamerakopfes 11102 basierend auf einem Steuersignal, das von der CCU 11201 über die Kommunikationseinheit 11404 empfangen wird.
Die Kommunikationseinheit 11411 weist eine Kommunikationsvorrichtung zum Übertragen und Empfangen verschiedener Arten von Informationen an den und von dem Kamerakopf 11102 auf. Die Kommunikationseinheit 11411 empfängt ein Bildsignal, das von dem Kamerakopf 11102 übertragen wird, über das Übertragungskabel 11400.
Ferner überträgt die Kommunikationseinheit 11411 ein Steuersignal zum Steuern des Antriebs des Kamerakopfes 11102 an den Kamerakopf 11102. Das Bildsignal und das Steuersignal können durch elektrische Kommunikation, optische Kommunikation oder dergleichen übertragen werden.
Die Bildverarbeitungseinheit 11412 führt verschiedene Arten einer Bildverarbeitung an einem Bildsignal durch, das von dem Kamerakopf 11102 übertragene RAW-Daten ist.
Die Steuereinheit 11413 führt verschiedene Arten einer Steuerung bezüglich der Bildgebung einer Operationsstelle oder dergleichen in dem Endoskop 11100 und einer Anzeige eines erfassten Bildes, das durch Bildgebung einer Operationsstelle oder dergleichen erhalten wird, durch. Zum Beispiel erzeugt die Steuereinheit 11413 ein Steuersignal zum Steuern eines Antriebs des Kamerakopfes 11102.
Ferner veranlasst die Steuereinheit 11413 die Anzeigevorrichtung 11202 zum Anzeigen eines erfassten Bildes, das eine Operationsstelle oder dergleichen zeigt, basierend auf einem Bildsignal, das einer Bildverarbeitung durch die Bildverarbeitungseinheit 11412 unterzogen wurde. Zu dieser Zeit kann die Steuereinheit 11413 verschiedene Objekte in dem erfassten Bild unter Verwendung verschiedener Bilderkennungstechniken erkennen. Zum Beispiel kann die Steuereinheit 11413 ein chirurgisches Werkzeug, wie etwa eine Zange, einen speziellen Teil in einem Körper, eine Blutung, Nebel während der Verwendung des Energiebehandlungswerkzeugs 11112 und dergleichen durch Detektieren der Form, Farbe und dergleichen der Kante eines Objekts erkennen, das in dem erfassten Bild enthalten ist. Zur Anzeige des erfassten Bildes auf der Anzeigevorrichtung 11202 kann die Steuereinheit 11413 die Anzeigevorrichtung 11202 zum Anzeigen verschiedener Arten von Chirurgiehilfsinformationen veranlassen, während die Informationen auf dem Bild der entsprechenden Operationsstelle überlagert werden, indem das Ergebnis der zuvor beschriebenen Erkennung verwendet wird. Aufgrund einer Anzeige solcher überlagerter Chirurgiehilfsinformationen, die dem Bediener 11131 präsentiert werden, kann die Last für den Bediener 11131 reduziert werden und kann der Bediener 11131 zuverlässig mit der Chirurgie fortfahren.
Das Übertragungskabel 11400, das den Kamerakopf 11102 und die CCU 11201 verbindet, ist ein elektrisches Signalkabel, das zur elektrischen Signalkommunikation adaptierbar ist, eine optische Faser, die zur optischen Kommunikation adaptierbar ist, oder ein Kompositkabel daraus.
Bei dem veranschaulichten Beispiel wird eine Kommunikation über Drähte unter Verwendung des Übertragungskabels 11400 durchgeführt. Jedoch kann eine Kommunikation zwischen dem Kamerakopf 11102 und der CCU 11201 drahtlos durchgeführt werden.
Zuvor wurde ein Beispiel für das endoskopische Chirurgiesystem beschrieben, auf das die Technik gemäß der vorliegenden Offenbarung angewandt werden kann. Die Technik gemäß der vorliegenden Offenbarung kann auf die Bildgebungseinheit 11402 unter den zuvor beschriebenen Komponenten angewandt werden. Das Anwenden der Technik gemäß der vorliegenden Offenbarung auf die Bildgebungseinheit 11402 ermöglicht das Erlangen eines Bildes einer Operationsstelle mit größerer Klarheit, wodurch ermöglicht wird, dass ein Bediener die Operationsstelle zuverlässig überprüft.
Obwohl das endoskopische Chirurgiesystem zuvor als ein Beispiel beschrieben wurde, kann außerdem die Technik gemäß der vorliegenden Offenbarung auf andere Systeme, wie etwa zum Beispiel ein mikroskopisches Chirurgiesystem, angewandt werden.
Zuvor wurden die Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung beschrieben. Jedoch ist der technische Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung nicht auf die zuvor beschriebenen Ausführungsformen beschränkt und verschiedene Modifikationen sind möglich, ohne von dem Wesen der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Ferner können die Komponenten in unterschiedlichen Ausführungsformen und Modifikationen geeignet kombiniert werden.
Zudem sind die Effekte jeder Ausführungsform, die in der vorliegenden Schrift beschrieben sind, lediglich Beispiele und sind nicht beschränkend und andere Effekte können produziert werden.
Des Weiteren kann jede der zuvor beschriebenen Ausführungsformen einzeln verwendet werden oder kann in Kombination mit einer anderen Ausführungsform verwendet werden.
Bei den zuvor beschriebenen Ausführungsformen wurde der Fall beschrieben, in dem der Modulator 300 die Aufzeichnungsrichtung eines Beugungsbildes in eine gekrümmte Form biegt. Die vorliegende Offenbarung ist jedoch nicht darauf beschränkt. Zum Beispiel kann der Modulator 300 die Aufzeichnungsrichtung eines Beugungsbildes teilweise biegen, die Aufzeichnungsrichtung eines Beugungsbildes in eine andere Richtung biegen oder die Aufzeichnungsrichtung eines Beugungsbildes auf eine Zickzackweise biegen.
Zudem kann die vorliegende Technologie auch die folgenden Konfigurationen aufweisen.

(1) Ein Modulator, der zwischen einem Beugungsgitter und einem Bildsensor bereitgestellt ist, wobei der Modulator einen Lichtstrahl, der zu dem Bildsensor hin gerichtet ist, von dem Beugungsgitter empfängt und eine Ausbreitungsrichtung des Lichtstrahls, der zu dem Bildsensor hin emittiert wird, so ändert, dass eine Aufzeichnungsrichtung eines Beugungsbildes für jede von Wellenlängen des Lichtstrahls auf einer Lichtempfangsoberfläche des Bildsensors gebogen wird.
(2) Der Modulator nach (1), wobei der Modulator die Ausbreitungsrichtung des Lichtstrahls so ändert, dass das Beugungsbild mit einer Wellenlänge, bei der die Aufzeichnungsrichtung auf der Lichtempfangsoberfläche linear ist, unter den Wellenlängen des Lichtstrahls, der von dem Beugungsgitter empfangen wird, gekrümmt wird.
(3) Der Modulator nach (1) oder (2), wobei der Modulator die Ausbreitungsrichtung des Lichtstrahls derart ändert, dass das gebogene Beugungsbild in die Lichtempfangsoberfläche passt.
(4) Der Modulator nach einem von (1) bis (3), wobei der Modulator die Ausbreitungsrichtung des Lichtstrahls so ändert, dass eine Überlagerung des gebogenen Beugungsbildes und eines anderen Beugungsbildes unterdrückt wird.
(5) Der Modulator nach einem von (1) bis (4), der Folgendes aufweist:
- einen Hauptkörper, der aus einem transmittierenden Material gebildet ist, wobei
- der Hauptkörper eine Einfallsebene aufweist, die in Form einer Einfallsposition basierend auf einem Brechungsindex des transmittierenden Materials und dem Lichtstrahl, der auf einen einzigen Punkt einfällt und eine einzige Wellenlänge und einen einzigen Einfallswinkel aufweist, gebildet ist.
(6) Eine Bildgebungseinrichtung, die Folgendes aufweist:
- ein Beugungsgitter;
- einen Bildsensor mit einer Lichtempfangsoberfläche, die nahe dem Beugungsgitter platziert ist; und
- einen Modulator, der zwischen dem Beugungsgitter und dem Bildsensor bereitgestellt ist, wobei
- der Modulator
- einen Lichtstrahl, der zu dem Bildsensor hin gerichtet ist, von dem Beugungsgitter empfängt und eine Ausbreitungsrichtung des Lichtstrahls, der zu dem Bildsensor hin emittiert wird, so ändert, dass eine Aufzeichnungsrichtung eines Beugungsbildes für jede von Wellenlängen des Lichtstrahls auf einer Lichtempfangsoberfläche des Bildsensors gebogen wird.
(7) Die Bildgebungseinrichtung nach (6), die ferner Folgendes aufweist:
- eine Modulationslinse, die zwischen dem Beugungsgitter und dem Modulator platziert ist, wobei
- der Modulator an einer Brennposition der Modulationslinse platziert ist.
(8) Die Bildgebungseinrichtung nach (6) oder (7), die ferner Folgendes aufweist:
- eine Abbildungslinse, die zwischen dem Modulator und dem Bildsensor platziert ist, wobei
- die Abbildungslinse den Lichtstrahl, der von dem Modulator emittiert wird, auf die Lichtempfangsoberfläche abbildet.
(9) Die Bildgebungseinrichtung nach (6), die ferner Folgendes aufweist:
- eine Abbildungslinse, die zwischen dem Beugungsgitter und dem Bildsensor platziert ist, wobei
- der Modulator nahe der Lichtempfangsoberfläche des Bildsensors platziert ist, so dass er in einer Brennebene der Abbildungslinse platziert ist.
(10) Verfahren zum Gestalten eines Modulators, der eine Ausbreitungsrichtung eines Lichtstrahls ändert, der von einem Beugungsgitter empfangen wird, und den Lichtstrahl zu einem Bildsensor emittiert, wobei das Verfahren Folgendes aufweist:
- Verfolgen von Verhalten eines einfallenden Lichtstrahls und eines emittierten Lichtstrahls des Modulators in einem Raum;
- Bestimmen einer Oberflächennormalen des Modulators basierend auf dem einfallenden Lichtstrahl und dem emittierten Lichtstrahl; und

Integrieren der Oberflächennormalen, um eine Form des Modulators zu bestimmen.
Bezugszeichenliste

300: Modulator
900: Gemessenes Objekt
901, 913: Prisma
911: Lichtquelle
912, 932, 942: Spalt
914: Linearsensor
921: Wellenlängenfilterarray
922, 947: Optisches Filter
923, 936, 946: Flächensensor
931,941: Objektivlinse
933, 943: Kollimatorlinse
934: Spektroskopisches Element
940, 940A, 940B: Spektroskopische Messungseinrichtung
944: Spektroskopisches Beugungsgitterelement (Beugungsgitter)
935, 945: Abbildungslinse
948: Modulationslinse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 2016090576 A [0005]

Claims

Modulator, der zwischen einem Beugungsgitter und einem Bildsensor bereitgestellt ist, wobei der Modulator einen Lichtstrahl, der zu dem Bildsensor hin gerichtet ist, von dem Beugungsgitter empfängt und eine Ausbreitungsrichtung des Lichtstrahls, der zu dem Bildsensor hin emittiert wird, so ändert, dass eine Aufzeichnungsrichtung eines Beugungsbildes für jede von Wellenlängen des Lichtstrahls auf einer Lichtempfangsoberfläche des Bildsensors gebogen wird.
Modulator nach Anspruch 1, wobei der Modulator die Ausbreitungsrichtung des Lichtstrahls so ändert, dass das Beugungsbild mit einer Wellenlänge, bei der die Aufzeichnungsrichtung auf der Lichtempfangsoberfläche linear ist, unter den Wellenlängen des Lichtstrahls, der von dem Beugungsgitter empfangen wird, gekrümmt wird.
Modulator nach Anspruch 2, wobei der Modulator die Ausbreitungsrichtung des Lichtstrahls derart ändert, dass das gebogene Beugungsbild in die Lichtempfangsoberfläche passt.
Modulator nach Anspruch 3, wobei der Modulator die Ausbreitungsrichtung des Lichtstrahls so ändert, dass eine Überlagerung des gebogenen Beugungsbildes und eines anderen Beugungsbildes unterdrückt wird.
Modulator nach Anspruch 4, der Folgendes aufweist: einen Hauptkörper, der aus einem transmittierenden Material gebildet ist, wobei der Hauptkörper eine Einfallsebene aufweist, die in Form einer Einfallsposition basierend auf einem Brechungsindex des transmittierenden Materials und dem Lichtstrahl, der auf einen einzigen Punkt einfällt und eine einzige Wellenlänge und einen einzigen Einfallswinkel aufweist, gebildet ist.
Bildgebungseinrichtung, die Folgendes aufweist: ein Beugungsgitter; einen Bildsensor mit einer Lichtempfangsoberfläche, die nahe dem Beugungsgitter platziert ist; und einen Modulator, der zwischen dem Beugungsgitter und dem Bildsensor bereitgestellt ist, wobei der Modulator einen Lichtstrahl, der zu dem Bildsensor hin gerichtet ist, von dem Beugungsgitter empfängt und eine Ausbreitungsrichtung des Lichtstrahls, der zu dem Bildsensor hin emittiert wird, so ändert, dass eine Aufzeichnungsrichtung eines Beugungsbildes für jede von Wellenlängen des Lichtstrahls auf einer Lichtempfangsoberfläche des Bildsensors gebogen wird.
Bildgebungseinrichtung nach Anspruch 6, die ferner Folgendes aufweist: eine Modulationslinse, die zwischen dem Beugungsgitter und dem Modulator platziert ist, wobei der Modulator an einer Brennposition der Modulationslinse platziert ist.
Bildgebungseinrichtung nach Anspruch 7, die ferner Folgendes aufweist: eine Abbildungslinse, die zwischen dem Modulator und dem Bildsensor platziert ist, wobei die Abbildungslinse den Lichtstrahl, der von dem Modulator emittiert wird, auf die Lichtempfangsoberfläche abbildet.
Bildgebungseinrichtung nach Anspruch 6, die ferner Folgendes aufweist: eine Abbildungslinse, die zwischen dem Beugungsgitter und dem Bildsensor platziert ist, wobei der Modulator nahe der Lichtempfangsoberfläche des Bildsensors platziert ist, so dass er in einer Brennebene der Abbildungslinse platziert ist.
Verfahren zum Gestalten eines Modulators, der eine Ausbreitungsrichtung eines Lichtstrahls ändert, der von einem Beugungsgitter empfangen wird, und den Lichtstrahl zu einem Bildsensor emittiert, wobei das Verfahren Folgendes aufweist: Verfolgen von Verhalten eines einfallenden Lichtstrahls und eines emittierten Lichtstrahls des Modulators in einem Raum; Bestimmen einer Oberflächennormalen des Modulators basierend auf dem einfallenden Lichtstrahl und dem emittierten Lichtstrahl; und Integrieren der Oberflächennormalen, um eine Form des Modulators zu bestimmen.