JP2002221447A - ２次元画像の分光方法及び装置 - Google Patents

２次元画像の分光方法及び装置

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 簡便な操作及び簡単な構造の２次元画像の分
光方法及び分光装置を提供する。 【解決手段】 断面において格子状に配列された複数の
光ファイバからなり、分光対象となる２次元画像を入射
し得るイメージファイバと、分光及び集光作用を有する
グレーティングレンズとを用い、分光対象となる２次元
画像を前記イメージファイバの入射端から入射し、該イ
メージファイバの出射端からは、前記グレーティングレ
ンズによる分光回折方向に垂直な方向に直線状に並ぶフ
ァイバ群からの光を該グレーティングレンズに向けて出
射し、該グレーティングレンズによる回折光をイメージ
センサに結像させると共に、光出射位置を前記ファイバ
群の並び方向に垂直に走査することを特徴とする２次元
画像の分光方法及びその装置。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、２次元画像の分光
方法及び分光装置に関する。
【０００２】
【従来技術】例えば、絵画に使用されている絵具の顔料
を分析するために、対象点領域の反射光の分光を行なう
ことがある。また、医療の分野では、皮膚の色を分析す
ることにより、血中酸素濃度等の生体状況を知ることが
可能となる。
【０００３】このような点状の領域（２次元画像）の反
射光又は透過光の分光を行なうことにより、色彩を通し
て、諸データを得ることができる。
【０００４】このような２次元領域の分光を行なうため
の代表的な手段として、以下のものがある。 ａ）所定周波数毎にフィルタリングした２次元画像を検
出する。 ｂ）対象２次元領域に照射する照射光の波長をスキャン
する。 ｃ）対象２次元領域にフーリエ分光法を適用する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記
ａ）の手段では、周波数（波長）フィルタを多数用意し
て入れ替える必要があり、分光分析の高速化と小型化が
困難である。上記ｂ）の手段では、分光対象物が照射光
に対して周波数シフトを生じる場合や自ら発光をする場
合には、適用できない。また、上記ｃ）の手段では、干
渉光学系、駆動装置、フーリエ逆変換の計算等を必要と
し、装置全体が大型化し、使用が煩雑となる。
【０００６】本発明は、これら従来の技術の問題点を解
決し、簡便で装置全体の小型化が可能な２次元画像の分
光方法及び分光装置を提供することを目的とする
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明は、前記目的を達
成するため、以下の方法及び装置を提供するものであ
る。
【０００８】１）断面において格子状に配列された複数
の光ファイバからなり、分光対象となる２次元画像を入
射し得るイメージファイバと、分光作用及び各分光の集
光作用を有するグレーティングレンズとを用い、分光対
象となる２次元画像を前記イメージファイバの入射端か
ら入射し、該イメージファイバの出射端からは、前記グ
レーティングレンズによる分光回折方向に垂直な方向に
直線状に並ぶファイバ群からの光を該グレーティングレ
ンズに向けて出射し、該グレーティングレンズによる回
折光をイメージセンサに結像させると共に、光出射位置
を前記ファイバ群の並び方向に垂直に走査することを特
徴とする２次元画像の分光方法。
【０００９】２）断面において直線状に配列された複数
の光ファイバからなり、分光対象となる２次元画像を入
射し得るイメージファイバと、分光作用及び各分光の集
光作用を有するグレーティングレンズとを用い、分光対
象となる２次元画像を前記イメージファイバの入射端か
ら入射し、該イメージファイバの出射端は、光ファイバ
の直線状配列を前記グレーティングレンズによる分光回
折方向に垂直な方向とし、該出射端からの光を該グレー
ティングレンズに向けて出射し、該グレーティングレン
ズによる回折光をイメージセンサに結像させると共に、
分光対象画像に対する前記入射端の位置を前記ファイバ
群の並び方向を横切る方向に相対移動することを特徴と
する２次元画像の分光方法。
【００１０】３）分光作用及び各分光の集光作用を有す
るグレーティングレンズと、断面において格子状に配列
された複数の光ファイバからなり、分光対象となる２次
元画像を入射し得る入射端及び前記グレーティングレン
ズに臨む位置に配置された出射端を有するイメージファ
イバと、前記イメージファイバの出射端に面して配置さ
れ、前記グレーティングレンズによる分光回折方向に垂
直な方向に直線状に並ぶファイバ群からの光を出射させ
得るスリットを有したマスクと、前記グレーティングレ
ンズによる回折光の結像位置に配置されたイメージセン
サと、前記イメージファイバの出射端を前記マスク、グ
レーティングレンズ及びイメージセンサに対して前記フ
ァイバ群の並び方向に垂直に相対移動させるための操作
部とを備えたことを特徴とする２次元画像の分光装置。
【００１１】４）分光作用及び各分光の集光作用を有す
るグレーティングレンズと、断面において直線状に配列
された複数の光ファイバからなり、分光対象となる２次
元画像を入射し得る入射端及び前記グレーティングレン
ズに臨む位置に配置された出射端を有するイメージファ
イバと、前記グレーティングレンズによる回折光の結像
位置に配置されたイメージセンサと、分光対象画像に対
する前記入射端の位置を前記ファイバ群の並び方向を横
切る方向に相対移動させるための操作部とを備えたこと
を特徴とする２次元画像の分光装置。
【００１２】前記イメージファイバの出射端は、前記グ
レーティングレンズによる分光回折方向に垂直な方向に
おいて、中央部が前記グレーティングレンズから遠ざか
るように湾曲した凹曲面とされており、該凹曲面は、前
記出射光の前記グレーティングレンズによる結像時の収
差を小さくするように決められているのが望ましい。
【００１３】本明細書においては、分光の対象となる２
次元領域を２次元画像と称することとする。
【００１４】
【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態につい
て添付図面に示す２次元画像の分光装置を参照しつつ、
分光方法についても説明する。
【００１５】図１は、分光装置を概略的に示している。
この装置は、分光対象画像を有した対象物Ｓに入射端を
臨ませたイメージファイバ１と、該イメージファイバの
出射端１０に臨むように配置されたグレーティングレン
ズ２と、該グレーティングレンズによる回折光を受光す
る位置に配置されたイメージセンサ３とを備えている。
【００１６】イメージファイバ１は、断面において格子
状に配列された多数の光ファイバを束ねたものであり、
その束の形態は、断面矩形状とするのが望ましい。これ
は、後述する直線状光束の走査の際に、直線状光束の幅
が変わらないようにするためである。使用する光ファイ
バの直径及びイメージファイバの断面寸法は、分光対象
とする領域の大きさ等に応じて適宜決められる。通常
は、光ファイバは、直径１００μm〜２００μmのものを
用い、それを束ねて、１辺が５ｍｍ〜１０ｍｍの矩形の
イメージファイバが構成される。但し、分光対象等に応
じてこれら以外の寸法、形状を採用することも可能であ
る。イメージファイバ１の入射端は平坦面とされ、測定
対象物の面に接するか接近して配置される。図示の例で
は分光対象物は光透過性を有したものであり、光源から
の光は、図１に示すように分光対象物に対し、イメージ
ファイバ１の入射端とは反対側から光Ｌ１が入射する。
【００１７】イメージファイバの出射端１１の凹曲面
は、グレーティングレンズ２による分光回折方向に垂直
な方向（ｘ軸方向）における中央部が前記グレーティン
グレンズから遠ざかるように湾曲した凹曲面とされてい
る。この凹曲面は、イメージファイバ１からスリット４
０を経て出射される光が、グレーティングレンズ２によ
り回折され、できるだけ小さい収差で結像するように決
められる。
【００１８】グレーティングレンズ２は、入射光の分光
作用及び集光作用を有する。このため、グレーティング
レンズ２は、入射方向とは反対側に凸の湾曲状回折縞を
有する。この湾曲状回折縞の湾曲曲線・湾曲度は、レン
ズの焦点距離、コマ収差や非点収差の解消性等に応じて
適宜決められる。
【００１９】これらイメージファイバの出射端１１の凹
曲面形状及びグレーティングレンズの回折縞の形状を最
適化し収差を小さくすることにより、結像特性の劣化が
抑制される。
【００２０】グレーティングレンズの出射端には、その
端面に面してマスク４が配置されている（図２参照）。
マスク４は、グレーティングレンズ２による分光回折方
向（図２におけるｙ軸方向）に垂直な方向に並ぶファイ
バ群から該並びに沿う直線状の光を出射させ得るスリッ
ト４０を有している。このためマスク４は、グレーティ
ングレンズの出射端１１と同様の凹曲面をなしている。
イメージファイバ１は、図外の支持部により前記ファイ
バ群の並び方向に垂直に移動可能に支持されている（図
２の矢印方向）。また、イメージファイバ１の移動を行
なうために、電磁駆動、エア圧、モータ等による操作部
を該支持部に結合するのが望ましい。
【００２１】イメージセンサ３は、平面上の受光面を有
し、グレーティングレンズ２による回折光の結像位置に
配置されている。イメージセンサ３は、ＣＣＤカメラ
等、受光素子を備えたものとすることができる。
【００２２】次に、以下の仕様を有した分光装置を用い
た分光方法の実施例について説明する（図３参照）。 分光装置の仕様： 分光波長（λ）： ５１０〜６１０ｎｍ 入射角（θIN）：７０° 入射距離（ｆIN）：２１ｍｍ 検出幅：１０ｍｍ 出射角（θOUT )：０°又は０°付近 出射集光距離（ｆOUT）：１０ｍｍ ＣＣＤ面傾斜角（θPD ）：４２° 図１に示すように、光源からの光Ｌ１を分光対象物Ｓに
照射し、その透過光をイメージファイバ１の入射端１０
から入射させる。入射した光Ｌ２は、各光ファイバ中を
伝搬され、出射端１１に到達する。出射端１１から出射
する光は、マスク４のスリット４０を経て、直線状の光
Ｌ３（詳細には、直線状に配列された点状出射端からの
光）として出射され、グレーティングレンズ２に到達す
る。グレーティングレンズ２に入射した光は、回折によ
り分光され各分光は集光されて、図２のＬ４となり、イ
メージセンサ３上に結像する。この結像点の並びは、グ
レーティングレンズによる分光回折方向に沿って得られ
る。この例では、前述のグレーティングレンズの設定に
従い、図２のｙ軸方向となる。イメージセンサ３は、分
光された光の強度を感知する。図２では、１つの光ファ
イバからの出射光を見たが、図４は、スリット４０内に
並ぶ２つの光ファイバからの出射光の経路を示してい
る。図の向こう側及び手前側の点Ａ，Ｂからの出射光Ｌ
３ａ、Ｌ３ｂは、各々図の手前側及び向こう側の回折光
Ｌ４ａ、Ｌ４ｂとなって、イメージセンサ３に達する。
イメージセンサは、例えば、分光強度分布を図のＩ−λ
軸線上に表示する。
【００２３】このようにして、スリット４０を経た直線
状の光は、グレーティングレンズ２の回折により集光さ
れてイメージセンサ３のｘ軸方向に結像し、ｙ軸方向に
分光像が得られ、その強度が検知される。図５は、イメ
ージファイバの出射端からの出射位置を示しており、図
６は、これに対応してイメージセンサに得られた分光画
像の強度を示している。このように、分光回折方向に垂
直な方向に並ぶファイバ群からグレーティングレンズに
入射した光は、相互に混在することなくイメージセンサ
で検知される。
【００２４】１つの直線状出射光からは、図６のような
分光された波長毎の強度分布が得られる。したがって、
スリット４０を横切る方向にイメージファイバの出射端
を移動することにより、各直線列からの出射に対応した
分光強度分布が得られる。イメージセンサに出射端移動
中に得られる分光強度分布をイメージセンサに記憶させ
ておき、それを総合することにより、２次元画像の分光
強度分布が得られる。
【００２５】以上は、イメージファイバとして、断面に
おいて格子状に配列された複数の光ファイバからなるも
のを用い、直線状に並ぶファイバ群からの光照射を、該
ファイバ群の並び方向に垂直に走査する場合についての
説明である。これ以外に、イメージファイバは、断面に
おいて直線状（望ましくは一直線上）に配列された複数
の光ファイバからなるものを用いることもできる。この
場合は、イメージファイバの出射端は、光ファイバの直
線状配列をグレーティングレンズによる分光回折方向に
垂直な方向とする。また、分光対象画像に対する入射端
の位置を、ファイバ群の並び方向を横切る方向（望まし
くは該並び方向に垂直な方向）に相対移動する。このた
め、分光対象イメージ又はイメージファイバ入射端付近
に、電磁駆動、エア圧、モータ等による操作部を設け
る。これにより、光ファイバ群のグレーティングレンズ
に対する照射位置を一定に保って、光ファイバの入射端
側で分光対象イメージとの相対移動に基づく所定領域の
走査が行なわれることとなり、イメージセンサに分光強
度の２次元分布が得られる。
【００２６】
【発明の効果】以上のように、本発明によれば、分光対
象となる２次元画像を、複数の光ファイバからなるイメ
ージファイバの入射端から入射し、グレーティングレン
ズによる分光回折方向に垂直な方向に直線状に並ぶファ
イバ群からの光を該グレーティングレンズに向けて出射
し、回折光をイメージセンサに結像させる。したがっ
て、直線状に並ぶ各光ファイバからの出射光はグレーテ
ィングレンズの回折方向に分光され、分光強度の判別を
不能にするような相互間の混じり合いが防止される。
【００２７】そして、断面において格子状に配列された
複数の光ファイバからなるイメージファイバを用い、光
出射位置をファイバ群の直線状並び方向に垂直に走査す
る場合には。この直線状の光の照射とこれに垂直な方向
への走査とにより、分光強度の２次元分布をイメージセ
ンサで検知することができる。
【００２８】また、断面において直線状に配列された複
数の光ファイバからなるイメージファイバを用い、分光
対象画像に対する入射端の位置を、ファイバ群の並び方
向を横切る方向に相対移動する場合は、光ファイバの入
射端側で分光対象イメージとの相対移動に基づく所定領
域の走査が行なわれ、イメージセンサに分光強度の２次
元分布が得られる。
【００２９】このように、本発明によれば、イメージフ
ァイバ、グレーティングレンズ及びイメージセンサ等を
用いるという簡便な操作及び簡単な構造で、２次元画像
の分光が可能となる。
【００３０】特に、イメージファイバとして、出射端
が、グレーティングレンズの分光回折方向に垂直な方向
において、中央部がグレーティングレンズから遠ざかる
ように湾曲した凹曲面とされたものを用い、該凹曲面
は、前記出射光の前記グレーティングレンズによる結像
時の収差を小さくするようになるように決められるのが
望ましい。これにより、簡便で小型化が可能であり、且
つ分光精度の高い分光方法及び分光装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１実施例に係る装置を概略的に示す斜
視図である。
【図２】図１に示す装置の要部の斜視図である。
【図３】図１に示す装置の要部の詳細説明図である。
【図４】図１に示す装置の作用を説明するための斜視図
である。
【図５】図１に示す装置からの光出射状態を示すグラフ
である。
【図６】図５の光出射から得られたイメージセンサ上の
画像をグラフ上に表したものである。
【符号の説明】
１ イメージファイバ ２ グレーティングレンズ ３ イメージセンサ ４ マスク １０ 入射端 １１ 出射端 ４０ スリット
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2G020 AA04 CB06 CC02 CC04 CC42 CC49 CC62 CC63 CD04 CD12 CD13 CD24 2G059 AA01 BB20 CC07 EE01 EE02 EE12 HH02 HH06 JJ05 JJ11 JJ17 JJ30 KK04 MM09 4C038 KK01 KL05 KL07 KM00 KY03 KY04

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 断面において格子状に配列された複数の
    光ファイバからなり、分光対象となる２次元画像を入射
    し得るイメージファイバと、分光作用及び各分光の集光
    作用を有するグレーティングレンズとを用い、 分光対象となる２次元画像を前記イメージファイバの入
    射端から入射し、該イメージファイバの出射端からは、
    前記グレーティングレンズによる分光回折方向に垂直な
    方向に直線状に並ぶファイバ群からの光を該グレーティ
    ングレンズに向けて出射し、該グレーティングレンズに
    よる回折光をイメージセンサに結像させると共に、光出
    射位置を前記ファイバ群の並び方向に垂直に走査するこ
    とを特徴とする２次元画像の分光方法。
  2. 【請求項２】 断面において直線状に配列された複数の
    光ファイバからなり、分光対象となる２次元画像を入射
    し得るイメージファイバと、分光作用及び各分光の集光
    作用を有するグレーティングレンズとを用い、 分光対象となる２次元画像を前記イメージファイバの入
    射端から入射し、該イメージファイバの出射端は、光フ
    ァイバの直線状配列を前記グレーティングレンズによる
    分光回折方向に垂直な方向とし、該出射端からの光を該
    グレーティングレンズに向けて出射し、該グレーティン
    グレンズによる回折光をイメージセンサに結像させると
    共に、分光対象画像に対する前記入射端の位置を、前記
    ファイバ群の並び方向を横切る方向に相対移動すること
    を特徴とする２次元画像の分光方法。
  3. 【請求項３】 前記イメージファイバとして、出射端
    が、前記グレーティングレンズによる分光回折方向に垂
    直な方向において、中央部が前記グレーティングレンズ
    から遠ざかるように湾曲した凹曲面とされたものを用
    い、該凹曲面は、前記出射光の前記グレーティングレン
    ズによる結像時の収差を小さくするように決められるこ
    とを特徴とする請求項１又は２に記載の分光方法。
  4. 【請求項４】 分光作用及び各分光の集光作用を有する
    グレーティングレンズと、 断面において格子状に配列された複数の光ファイバから
    なり、分光対象となる２次元画像を入射し得る入射端及
    び前記グレーティングレンズに臨む位置に配置された出
    射端を有するイメージファイバと、 前記イメージファイバの出射端に面して配置され、前記
    グレーティングレンズによる分光回折方向に垂直な方向
    に直線状に並ぶファイバ群からの光を出射させ得るスリ
    ットを有したマスクと、前記グレーティングレンズによ
    る回折光の結像位置に配置されたイメージセンサと、前
    記イメージファイバの出射端を前記マスク、グレーティ
    ングレンズ及びイメージセンサに対して前記ファイバ群
    の並び方向に垂直に相対移動させるための操作部とを備
    えたことを特徴とする２次元画像の分光装置。
  5. 【請求項５】 分光作用及び各分光の集光作用を有する
    グレーティングレンズと、 断面において直線状に配列された複数の光ファイバから
    なり、分光対象となる２次元画像を入射し得る入射端及
    び前記グレーティングレンズに臨む位置に配置された出
    射端を有するイメージファイバと、 前記グレーティングレンズによる回折光の結像位置に配
    置されたイメージセンサと、 分光対象画像に対する前記入射端の位置を、前記ファイ
    バ群の並び方向を横切る方向に相対移動させるための操
    作部とを備えたことを特徴とする２次元画像の分光装
    置。
  6. 【請求項６】 前記イメージファイバの出射端が、前記
    グレーティングレンズによる分光回折方向に垂直な方向
    において、中央部が前記グレーティングレンズから遠ざ
    かるように湾曲した凹曲面とされており、該凹曲面は、
    前記出射光の前記グレーティングレンズによる結像時の
    収差を小さくするように決められていることを特徴とす
    る請求項４又は５に記載の分光装置。
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