JP2005345130A - 分光画像取得装置及び分光画像取得方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 有効な照明条件の補正が可能な分光画像取得装置及び分光画像取得方法を提供する。
【解決手段】 被計測対象からの反射光を分光用フィルタ２を介して撮像装置４の撮像面４Ａに結像させる結像光学系を備えた分光画像取得装置であって、結像光学系として、分光用フィルタ２の前方に一次像面５を形成する一次結像光学系１と、一次像面５を撮像面４Ａに結像させる二次結像光学系３とを備え、一次像面上５に、周辺から取り込んだ外部光のスポット出射領域Ｓ_０を形成する外部光取り込み手段を設けた。
【選択図】図２

Description

本発明は、被計測対象の分光画像を取得する分光画像取得装置及び分光画像取得方法に関するものである。

被計測対象の分光特性を計測ために、分光画像を取得ことが一般に行われている。分光画像とは、波長帯域を分けて被計測対象からの反射光を撮像した画像のことであり、この分光画像を得るためには、被計測対象からの反射光を分光用フィルタを介して撮像装置の撮像面に結像させる分光画像取得装置が用いられる。

この分光画像を用いて被計測対象の分光特性を評価するためには、被計測対象に照射される照明光を標準化する必要がある。照明光の明るさが異なると得られる分光画像の画像データが異なってしまうので、被計測対象の同一状態に対しても異なる計測結果が得られることになり、計測結果に対して適正な分光特性の評価を行うことができない。

特に、圃場に生育する植物を被計測対象とする場合などは、太陽光による照明に基づいて分光画像を得ることになるので、太陽の高度や雲の状態等により時々刻々変化する照明条件を考慮して、得られた分光画像を補正することが不可欠になっている。太陽光による照明に限らず、照明ランプ等の照明光源を用いる場合であっても、照明ランプの劣化等によって照明条件が変わることが考えられるので、同様に照明条件を考慮して分光画像を補正することが一般に行われている。

このような照明条件に対する分光画像の補正に関しては各種の手法が採用されている。その一つは、標準白色板を用いる手法である。これによると、被計測対象を撮像する前に一定の撮像条件で標準白色板を撮像し、これによって照明光の分光計測データを取得し、その後に、同一の撮像条件で得た被計測対象の分光画像に対して、取得した照明光の分光計測データに基づく補正が行われる。この手法では、分光画像を得る度に標準白色板を撮像する必要があるので、画像取得に手間が掛かる難点が有ると共に、標準白色板を撮像した時点と被計測対象を撮像した時点で時差が生じるので、その間に照明条件が変わってしまい、被計測対象撮像時の照明条件に基づく適正な補正を行うことができないという問題がある。

これに対して、下記特許文献１に記載される従来技術では、画像取得と同時に照明光源（太陽光等）からの放射エネルギー量を計測して、取得した分光画像をこの計測量に基づいて補正することが提案されている。

この従来技術を図１によって説明すると、被測定対象Ｊ０からの反射光から分光画像を得る分光画像取得用のＣＣＤカメラＪ１ａ，Ｊ１ｂ（一方が６７０ｎｍを中心波長として６００〜７５０ｎｍの帯域光を通すＲフィルタを備え、他方が８５０ｎｍを中心波長として８２０〜８９０ｎｍの帯域光を通すＩＲフィルタを備えている）と、太陽の放射エネルギー量を計測する分光放射計Ｊ２ａ，Ｊ２ｂ（一方が前述のＲフィルタを備え、他方が前述のＲＩフィルタを備える）とを備え、ＣＣＤカメラＪ１ａ，Ｊ１ｂからの分光画像データがビジアルコントローラＪ３を介して画像データ処理装置Ｊ４に送られ、また分光放射計Ｊ２ａ，Ｊ２ｂからの計測データがデータロガーＪ５を介して前述の画像データ処理装置Ｊ４に送られるシステム構成になっている。そして、画像データ処理装置Ｊ４において、ＣＣＤカメラＪ１ａ，Ｊ１ｂからの分光画像データが分光放射計Ｊ２ａ，Ｊ２ｂからの計測データに基づいて補正されるようになっている

特開平５−２２３６３８号公報

このような従来技術によると、被計測対象の分光画像を取得すると同時に、補正のための照明光に対する分光計測データを得るので、被計測対象撮像時の照明条件に基づいて補正を行うことが可能になる。しかしながら、この従来技術では、撮像手段（ＣＣＤカメラ）とは別に分光放射計を設けて、それぞれに分光用フィルタを設けるようにしているので、撮像手段側の分光用フィルタと分光放射計側の分光用フィルタとで波長選択特性が若干異なるような場合には、有効な照明条件の補正を行うことができないという問題があった。また、分光放射計を設置する箇所によって太陽の放射エネルギー量の計測値が異なってしまうことも考えられるので、これによっても、有効な照明条件の補正を行うことができないという問題があった。

本発明は、このような事情に対処するために提案されたものであって、より有効な照明条件の補正が可能な分光画像取得装置及び分光画像取得方法を提供することを目的とするものである。

このような目的を達成するために、本発明は、一つには、被計測対象からの反射光を分光用フィルタを介して撮像装置の撮像面に結像させる結像光学系を備えた分光画像取得装置であって、前記結像光学系は、前記分光用フィルタの前方に一次像面を形成する一次結像光学系と、前記一次像面を前記撮像面に結像させる二次結像光学系と、前記一次像面上に、周辺から取り込んだ外部光のスポット出射領域を形成する外部光取り込み手段とを備えたことを特徴とする。

また一つには、前述の分光画像取得装置において、前記外部光取り込み手段は、前記外部光を前記一次像面上に集光する集光レンズと、前記外部光を前記結像光学系の光軸と平行に前記一次像面に向けて反射する反射手段とを備えることを特徴とする。

また一つには、前述の分光画像取得装置において、前記外部光取り込み手段は、入射された前記外部光を出射する出射面を備えたライトガイドからなり、前記出射面を前記一次像面上に配置したことを特徴とする。

また一つには、前述の分光画像取得装置において、前記撮像装置から出力される分光画像データを一静止画像単位で記録する画像記録手段と、該画像記録手段に記録された一静止画像単位の分光画像データの中から前記外部光のスポット像を撮像した画像データを抽出する外部光データ抽出手段と、該外部光データ抽出手段によって抽出された画像データに基づいて前記画像記録手段に記録された分光画像データを補正する分光画像補正手段とを備えることを特徴とする。

また一つには、前述の分光画像取得装置において、前記撮像装置の撮像面上に覆うと共に該撮像面上から退避可能な遮光板を備え、該遮光板に前記撮像面を覆われた暗黒状態での前記撮像装置の出力に基づいてドリフトを除去する感度補正手段を備えることを特徴とする。

更には、分光用フィルタを介して被計測対象からの反射光を撮像装置の撮像面に結像させ、該撮像装置から出力される分光画像データによって前記被計測対象の分光画像を取得する分光画像取得方法であって、周辺から取り込んだ外部光を前記分光フィルタを介して前記撮像面上に集光させ、前記分光画像データと前記外部光の分光計測データとを前記撮像装置の出力によって同時に取得することを特徴とする。

このような特徴を有する分光画像取得装置及び分光画像取得方法によると以下の効果を得ることができる。

すなわち、取得した分光画像データに対して、撮像時の外部光の分光計測データに基づく補正を行うことで、照明条件を標準化した分光画像データを得ることができる。この際に、被測定対象の分光画像データと外部光の分光計測データとを、共通の分光用フィルタと撮像装置を用いて同時にデータ取得できるようにした。これによって、照明条件補正用の分光計測データの信頼性を向上させることができると共に、画像取得に手間が掛からない利点が得られる。

具体的には、被計測対象からの反射光を分光用フィルタを介して撮像装置の撮像面に結像させる結像光学系において、分光用フィルタの前面に一次像面を形成する一次結像光学系と、この一次像面を撮像装置の撮像面結像させる二次結像光学系と、一次像面上に、周囲から取り込んだ外部光のスポット出射領域を形成する外部光取り込み手段とを設けたので、スポット出射領域から出射された外部光が分光画像を得るため分光用フィルタを介して撮像装置の撮像面にスポット像を形成し、このスポット像を分光画像と同時に撮像することができる。

外部光取り込み手段としては、外部光を一次像面上に集光する集光レンズと、外部光を結像光学系の光軸と平行に一次像面に向けて反射する反射手段とを備えることで、前述したような外部光のスポット像を撮像装置の撮像面に形成することができる。

また、外部光取り込み手段としては、入射された外部光を出射する出射面を備えたライドガイドを用いて、その出射面を一次像面上に配置することで、前述したような外部光のスポット像を撮像装置の撮像面に形成することができる。

更には、撮像装置から出力される分光画像データを一静止画像単位で記録する画像記録手段と、該画像記録手段に記録された一静止画像単位の分光画像データの中から外部光のスポット像を撮像した画像データを抽出する外部光データ抽出手段と、該外部光データ抽出手段によって抽出された画像データに基づいて画像記録手段に記録された分光画像データを補正する分光画像補正手段とを備えることで、外部光の分光計測を別途行うことなく、分光画像データに対して有効な照明条件の補正を行うことができ、太陽光等の時々刻々と変化する照明の下で取得された分光画像データによっても、被計測対象の分光特性を適正に評価することができる。更には、暗黒状態での撮像装置の出力に基づいてドリフトを除去する感動補正手段を設けることで、温度変化等による感度変化が生じても適正な分光計測が可能になる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。図２は本発明の実施形態に係る分光画像取得装置の基本原理を示す説明図である。この分光画像取得装置は、一次結像光学系（レンズ）１、干渉フィルタ等からなる分光用フィルタ２、二次結像光学系（レンズ）３、撮像装置４を基本要素としており、一次光学系１によって分光用フィルタ２の前方に一次像面５が形成され、二次結像光学系３によってこの一次像面５が撮像装置４の撮像面４Ａに結像されるようになっている。したがって、被計測対象からの反射光は、一結像光学系１と二次結像光学系３からなる結像光学系（Ｏ_１が結像光学系の光軸）によって撮像面４Ａに結像して、その結像光学系の途中に配置された分光用フィルタ２による波長選択作用を受けて分光画像が得られるようになっている。

また、撮像装置４の撮像面４Ａ上に覆うと共に撮像面４Ａ上から退避可能な遮光板６（撮像面４Ａ上に配置された状態を６’で示す）を備え、遮光板６に撮像面４Ａを覆われた暗黒状態での撮像装置４の出力に基づいてドリフトを除去する感度補正手段を備えている。

そして、本発明の実施形態に係る分光画像取得装置は、前述の一次像面５上に分光画像取得装置の周辺から取り込んだ外部光のスポット出射領域Ｓ_０が形成される外部光取り込み手段（図示省略）が備えられる。これによると、外部光のスポット出射領域Ｓ_０は、二次結像光学系３によって撮像面４Ａ上に外部光のスポット像Ｓ_０１を形成することになる。これによって、取得される分光画像の同一面に外部光のスポット像Ｓ_０１が形成され、これが撮像装置４から分光画像データとし出力されることになる。

外部光取り込み手段としては、一次像面５上に外部光のスポット領域Ｓ_０を形成する構成であればよいが、一例として、図３及び図４に示す手段を採用することができる。

図３に示す例は、外部光取り込み手段として、外部光Ｌ_０を一次像面５上に集光する集光レンズ１１と、外部光Ｌ_０を結像光学系の光軸Ｏ_１と平行に一次像面５に向けて反射する反射手段（反射ミラー）１２とを備えたものである。これによると、取り込まれた外部光Ｌ_０が一次像面５に垂直に入射して一次像面５上にスポット出射領域を形成するので、撮像面４Ａ上に外部光のスポット像Ｓ_０１が形成されることになる。

図４に示す例は、外部光取り込み手段として、入射された外部光Ｌ_０を出射する出射面２０ａを備えたライトガイド２０を採用して、ライトガイド２０の出射面２０ａを一次像面５上に配置したものである。これによると、ライトガイド２０の出射面２０ａ自体が一次像面５上のスポット出射領域になって、撮像面４Ａ上に外部光のスポット像Ｓ_０１が形成されることになる。

このような分光画像取得装置によると、照明条件を計測するために外部光Ｌ_０を取り込み、分光画像を得るための分光用フィルタを通過させて撮像面４Ａに結像させて、外部光Ｌ_０の分光計測データを得るようにしている。これによると、外部光Ｌ_０の分光計測データは、分光画像を得るための分光用フィルタと共通の分光フィルタを用いて取得したものになるので、照明条件補正用の分光計測データの信頼性を向上させることができる。

図５は、このような分光画像取得装置のシステム構成を示す説明図である。撮像装置４から出力される分光画像データは、先ず、画像記録部４１に一静止画像単位で記録される。すなわち、画像記録部４１に記録された一静止画像単位の分光画像データの中には、外部光Ｌ_０のスポット像Ｓ_０１の分光計測データが含まれていることになる。外部光データ抽出部４２では、画像記録部４１に一静止画単位で記録された分光画像データの中から外部光のスポット像Ｓ_０１を撮像した画像データを抽出して外部光Ｌ_０の分光画像データを得る。

図６は、この外部光データ抽出部４２の構成例を示すものである。撮像装置４の撮像面４Ａ上において、外部光のスポット像Ｓ_０１が形成される画素領域は設定によって決めることができるので、図示のように、設定された中心画素Ｇ（ｘ_ｎ，ｙ_ｎ）の周辺画素領域の画像データを抽出することで、外部光のスポット像Ｓ_０１を撮像した画像データを抽出することができる。

そして、分光画像補正部４３では、外部光データ抽出手段によって抽出された画像データに基づいて、画像記録部４１に記録された分光画像データの補正がなされる。これによって、照明条件を標準化した分光画像データを得ることができる。

このような分光画像取得装置を用いることで、周辺から取り込んだ外部光を、分光画像を得るための分光フィルタ２を介して撮像面４Ａ上に集光させ、分光画像データと外部光Ｌ_０の分光計測データとを撮像装置４の出力によって同時に取得することができる。これによって、外部光Ｌ_０の分光計測を別途行うことなく、分光画像データに対して有効な照明条件の補正を行うことができ、太陽光等の時々刻々と変化する照明の下で取得された分光画像データによっても、被計測対象の分光特性を適正に評価することが可能になる。更には、暗黒状態での撮像装置４の出力に基づいてドリフトを除去する感動補正手段を設けることで、温度変化等による感度変化が生じても適正な分光計測が可能になる。

従来技術の説明図である。 本発明の実施形態に係る分光画像取得装置の基本原理を示す説明図である。 本発明の実施形態に係る分光画像取得装置の一例を示す説明図である。 本発明の実施形態に係る分光画像取得装置の他の例を示す説明図である。 本発明の実施形態に係る分光画像取得装置のシステム構成を示す説明図である。 本発明の実施形態に係る外部光データ抽出部の機能を説明する説明図である。

符号の説明

１ 一次結像光学系（レンズ）
２ 分光用フィルタ
３ 二次結像光学系（レンズ）
４ 撮像装置 ４Ａ 撮像面
５ 一次像面
６ 遮光板
１１ 集光レンズ
１２ 反射手段（ミラー）
２０ ライトガイド
４１ 画像記録部
４２ 外部光データ抽出部
４３ 分光画像補正部
Ｓ_０ 外部光のスポット出射領域
Ｓ_０１ 外部光のスポット像

Claims (6)

1. 被計測対象からの反射光を分光用フィルタを介して撮像装置の撮像面に結像させる結像光学系を備えた分光画像取得装置であって、
   前記結像光学系は、前記分光用フィルタの前方に一次像面を形成する一次結像光学系と、前記一次像面を前記撮像面に結像させる二次結像光学系と、前記一次像面上に、周辺から取り込んだ外部光のスポット出射領域を形成する外部光取り込み手段とを備えたことを特徴とする分光画像取得装置。
2. 前記外部光取り込み手段は、前記外部光を前記一次像面上に集光する集光レンズと、前記外部光を前記結像光学系の光軸と平行に前記一次像面に向けて反射する反射手段とを備えることを特徴とする請求項１に記載された分光画像取得装置。
3. 前記外部光取り込み手段は、入射された前記外部光を出射する出射面を備えたライトガイドからなり、前記出射面を前記一次像面上に配置したことを特徴とする請求項１に記載された分光画像取得装置。
4. 前記撮像装置から出力される分光画像データを一静止画像単位で記録する画像記録手段と、該画像記録手段に記録された一静止画像単位の分光画像データの中から前記外部光のスポット像を撮像した画像データを抽出する外部光データ抽出手段と、該外部光データ抽出手段によって抽出された画像データに基づいて前記画像記録手段に記録された分光画像データを補正する分光画像補正手段とを備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載された分光画像取得装置。
5. 前記撮像装置の撮像面上に覆うと共に該撮像面上から退避可能な遮光板を備え、該遮光板に前記撮像面を覆われた暗黒状態での前記撮像装置の出力に基づいてドリフトを除去する感度補正手段を備えることを特徴とする請求項４に記載された分光画像取得装置。
6. 分光用フィルタを介して被計測対象からの反射光を撮像装置の撮像面に結像させ、該撮像装置から出力される分光画像データによって前記被計測対象の分光画像を取得する方法であって、
   周辺から取り込んだ外部光を前記分光フィルタを介して前記撮像面上に集光させ、前記分光画像データと前記外部光の分光計測データとを前記撮像装置の出力によって同時に取得することを特徴とする分光画像取得方法。

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