JP2008191144A

JP2008191144A - 光学式分光偏光計測装置

Info

Publication number: JP2008191144A
Application number: JP2008001886A
Authority: JP
Inventors: Kozo Honma; 幸造本間; Toshiharu Inagaki; 敏治稲垣; Yoshitaka Kozakura; 義隆小櫻; Takashi Nagata; 考永田; Kenzo Horii; 健蔵堀井
Original assignee: ASUTORON KK; YOKOGAWA GIJUTSU JOHO KK; Japan Aerospace Exploration Agency JAXA
Current assignee: ASUTORON KK; YOKOGAWA GIJUTSU JOHO KK; Japan Aerospace Exploration Agency JAXA
Priority date: 2007-01-11
Filing date: 2008-01-09
Publication date: 2008-08-21

Abstract

【課題】耐環境性および低コスト性に優れ且つ小型化が可能な光学式分光偏光計測装置を提供する。
【解決手段】光学式の偏光フィルタ２１をインナースリーブ８１の内側に同芯状態で取り付け、第２回転駆動装置２２のステッピングモータ２２bの出力ギヤ２２aをインナースリーブ８１の外周面に配設された入力ギヤ８１aと噛み合わせ、ステッピングモータ２２bが回転駆動されると偏光フィルタ２１が光軸の回りに回転するように構成する。
【選択図】図２

Description

本発明は、光学式分光偏光計測装置、特に、耐環境性および低コスト性に優れ且つ小型化が可能な光学式分光偏光計測装置に関する。

液晶同調フィルタ（以下、「ＬＣＴＦ」（＝Liquid Crystal Tunable Filter）という。）を用いた液晶光学計測装置が知られている（例えば、特許文献１を参照。）。ＬＣＴＦは、透過波長を電子的に制御できるバンドパスフィルタであり、リオフィルタ（ＬｙｏｔＦｉｌｔｅｒ）の設計に基づいている。この液晶光学計測装置は、対物レンズの後側にリレーレンズを置き、以下光軸に沿って順に、ＬＣＴＦ、リレーレンズ、ＣＣＤ検出素子を置き、且つＬＣＴＦには回転機構を配設しているので、対物レンズを通った入射光は、リレーレンズを通過した後、平行光線束となってＬＣＴＦに入射され、その後再びリレーレンズを通して結像面のＣＣＤカメラ受光部に結像される。また、ＬＣＴＦは光を透過させる偏波面の角度を任意の角度に設定することが出来るように構成されているため、ＣＣＤカメラ受光部においては、所望の偏光特性が考慮された対象物の画像データが得られることになる。従って、ＬＣＴＦを透過した後の平行光線束をＣＣＤ面に結像画像として捉えることにより、その出力である対象物の画像データの計測精度を高め、対象物の特徴抽出の精度を向上させることが出来る。従って、この液晶光学計測装置によって受光した信号の処理および画像データの解析等をコンピュータによってプログラミングされた自動システムとすることにより、道路の路面状況、例えば乾燥、湿潤、凍結、積雪、圧雪状態を高精度で自動的に遠隔監視することが出来るようになる。

特許第３６１３５７８号公報

上述した通り、上記ＬＣＴＦを用いた液晶光学計測装置は、対象物の特徴を画像を通して精度良く抽出することが出来る。
しかしながら、ＬＣＴＦは、動作時の環境温度範囲が０〜＋４０℃と狭く、また振動に弱く、加えて経年劣化が激しいという問題を有している。更にＬＣＴＦは高価であり、その結果、液晶光学計測装置のコストが高くなり、且つ、電圧を制御する電子制御装置が必要となるため装置全体の小型化が難しい等の問題を有している。
そこで、本発明は、かかる従来技術の問題点に鑑みなされたものであって、その目的は耐環境性および低コスト性に優れ且つ小型化が可能な光学式分光偏光計測装置を提供することにある。

前記目的を達成するために請求項１に記載の光学式分光偏光計測装置では、入射する光の量を調整する絞り部と、特定の偏波面の光のみを透過させる偏光フィルタ部と、特定の波長光または波長帯域光を透過させる色フィルタ部と、当該色フィルタ部を透過した光を集光・結像する対物レンズと、ＣＣＤ検出素子から成るＣＣＤ受光面を有しその受光面で検知した光信号を対応する電気信号に変換しその電気信号に基づいて画像を生成する受光部とを具備した光学式分光偏光計測装置であって、前記偏光フィルタ部は単一の偏波面を有する光学式偏光フィルタと当該光学式偏光フィルタを光軸の回りに回転させる回転駆動装置とから構成され、且つ前記色フィルタ部は複数の色フィルタが選択可能に構成され、対象物に対する分光偏光特性の異なる画像データを取得し対象物の特徴を好適に抽出することが出来ることを特徴とする。
上記光学式分光偏光計測装置では、単一の偏波面を有する光学式偏光フィルタを回転駆動装置によって回転させる構成とすることによって、種々の偏波面に応じた画像データの収集が出来るようになり、その一方で色フィルタを任意に選択する構成とすることによって、種々の波長または波長帯域ごとの画像データの収集が出来るようになる。従って、対象物からの反射光に対しては分光特性および偏光特性の双方を変化させての画像データの収集が出来るようになり、受光部においてこれらの画像データに基づいて対象物の画像が生成されることにより、従来の計測装置では捉える（抽出する）ことが出来なかった対象物の特徴を抽出することが出来るようになる。また、本光学式分光偏光計測装置の偏光フィルタ部は、ＬＣＴＦ等の電子式偏光フィルタを使用していないため低コストであり更には制御装置等の付帯装置が不要となるため、装置全体の小型化が可能となる。また、光学式偏光フィルタは入手が容易であり且つ代替補充が容易である。また、光学式偏光フィルタは最適作動温度等の制約条件もなく振動等の外力に対しても耐性を有し電子式に比較して長寿命であるため、本光学式分光計測装置は屋外への設置に適するようになる。

請求項２に記載の光学式分光偏光計測装置では、前記ＣＣＤ受光面は、光軸方向に対し移動することが出来る一軸ステージ上に積載固定され、当該ＣＣＤ受光面の位置が前記対物レンズの焦点位置に一致するように、当該一軸ステージを自動的に調整するように構成されていることとした。
上記光学式分光偏光計測装置では、上記構成とすることにより、分光による色収差の影響で焦点位置が変化する場合であっても、ＣＣＤ受光面が積載固定されたステージを光軸方向に対して前後に移動させて微調整を行うことにより、その色収差による焦点位置のズレを好適に補正し受光部のＣＣＤ受光面で好適に結像することが出来るようになる。

請求項３に記載の光学式分光偏光計測装置では、前記対物レンズは、前記偏光フィルタ部および前記色フィルタ部よりも対象物に対し前段に配置されていることとした。
対物レンズの前段に偏光フィルタ及び色フィルタ等のいわゆる光学系が配置されている場合は、光軸が少しずれただけで対物レンズ以後の光軸が大きくずれる可能性がある。大きくずれた場合は光軸の調整が非常に面倒である上に、対象物の特徴を画像データとして抽出できずシステム全体の機能に影響を及ぼすことになる。
そこで、上記光学式分光偏光計測装置では、光軸がずれた場合のシステム全体の機能に与える影響を小さくし、更に、光軸の調整を容易とするために、対象物に対し光学系を対物レンズの後段(対物レンズを光学系の前段）に配置した。

請求項４に記載の光学式分光偏光計測装置では、前記対物レンズと前記偏光フィルタ部との間、ならびに前記色フィルタ部と前記受光部との間にリレーレンズが各々配置されていることとした。
上記光学式分光偏光計測装置では、対物レンズを光学系の前段に配置したことにより対物レンズとＣＣＤ受光面までの距離は拡大することになるが、上記区間にリレーレンズを各々配置することにより、対物レンズによって結ばれる対象物の像をＣＣＤ受光面まで精度良く伝達させるようにした。従って、対物レンズを光学系の前段に配置したことによる光学系の精度劣化は防止される。

請求項５に記載の光学式分光偏光計測装置では、レーザー光を出射するレーザー光発信装置と、前記対物レンズ、前記偏光フィルタ部、前記色フィルタ部、前記リレーレンズ及び受光部は同一のケースに収容されていることとした。
上記光学式分光偏光計測装置では、レーザー光を出射するレーザー光発信装置とその反射光をセンシング(受光)する受光部等が同一のケースに収容され一体化されているため、対象物の状態(例えば路面の状態）を監視するモニタリングシステムに適用した場合、モニタリングシステム全体をコンパクトにすることが可能となる。また、レーザー光とその波長に対応した色フィルタとの組合せを適切に選定することにより、レーザー光の反射光の内、特定波長のみを透過させる単波長による分光計測を行うことが可能となる。この単機能化は、対象物の分光特性が予め既知の場合に有効となる。また、レーザー光とその波長に対応した色フィルタとの組合せを変更することにより、種々の分光特性を持った画像データを取得することが可能となる。更に、レーザー光発信部とその反射光の受光部を同一ケース内に一体化したことにより、振動に対し強くなる。

請求項６に記載の光学式分光偏光計測装置では、前記ケース内にヒータを備えることとした。
上記光学式分光偏光計測装置では、ケース内にヒータを備えているために、寒冷地等の外気温の低い地域においてもその機能を好適に発揮することが可能となる。

請求項７に記載の光学式分光偏光計測装置では、前記ケースは移動体に積載固定されて使用されることとした。
上記光学式分光偏光計測装置では、レーザー光の発信部とその反射光の受光部が同一ケースに収容・小型化され、更に振動に対し耐性を有するため、自動車等の移動体に積載固定して対象物の状態を観測することが可能となる。

本発明の光学式分光偏光計測装置によれば、回転駆動装置によって光学式偏光フィルタを回転させることにより対象物に対する偏光特性の異なる画像データを種々取得することができ、それらの画像データに基づいて画像を生成することにより、対象物の多様な特徴を捉えた画像を取得することが出来るようになる。また、色フィルタを適宜変更することにより、偏光特性だけでなく分光特性も異なる画像データを種々取得することができ、それらの画像データに基づいて画像を生成することにより、対象物に対する更に多様な特徴を捉えた画像を取得することが出来るようになる。更に、本発明の光学式分光偏光計測装置では、光学式偏光フィルタが使用されているため、ＬＣＴＦのように最適作動温度等の制約条件が課されることはなく、振動等にも強く耐環境性を有し、ＬＣＴＦに比べ寿命も長く、電子制御装置等が不要となるため、装置全体の小型化が可能となる。また、光学式偏光フィルタは入手が容易で且つ代替補充が容易であるため本発明の光学式分光偏光計測装置は汎用性を有するようになる。特に、屋外への設置に適するようになる。
また、偏光フィルタ及び色フィルタ等の光学系を対物レンズの後段に配置する場合は、光学系の光軸がずれた時のシステム全体の機能に与える影響を小さくすると共に光軸の調整を容易とする。
更に、レーザー光の発信部とその反射光の受光部を同一ケースに収容・一体化する場合は、レーザー光とその波長に対応した色フィルタとの組合せを適切に選定することにより、レーザー光の反射光の内、特定波長のみを透過させる単波長による分光計測を行うことが可能となる。また、レーザー光発信部とその反射光の受光部を同一ケース内に一体化することにより、振動に対し強くなる。従って、自動車等の移動体に積載固定して対象物の状態を観測することが可能となる。
また、その収納ケースにヒータを内蔵させる場合は、寒冷地等の外気温の低い地域においてもその機能を好適に発揮することが可能となる。

以下、図に示す実施の形態により本発明をさらに詳細に説明する。

図１は、本発明の光学式分光偏光計測装置１００を示す構成図である。
この光学式分光偏光計測装置１００は、入射する光の量を調整する絞り部１０と、特定の偏波面の光のみを透過させる偏光フィルタ部２０と、特定の波長光または波長帯域光を透過させる各種色フィルタ３０と、対象物からの反射光を集光し所定の位置に結像させる対物レンズ４０と、対物レンズ４０をＣＣＤカメラに取り付けるアダプタ５０と、対象物に対する光信号（結像）を電気信号に変換して画像を生成する受光部６０と、絞り部１０、偏光フィルタ部２０および受光部６０において用いられている各々のステッピングモータを制御するコントローラ７０と、これらを収容するカメラ筐体８０とを具備して構成されている。

絞り部１０は、ピンホール１１と第１回転駆動装置１２とから成っている。ピンホール１１は、複数枚の絞り羽根によって円形状に保たれて形成され、これらの絞り羽根を同方向に回転させることによってピンホール１１の開口面積が変化する構成となっている。また、第１回転駆動装置１２はステッピングモータとギヤとによって構成され、ステッピングモータによる駆動力を、ギヤを介して絞り羽根に伝達する構成となっている。

偏光フィルタ部２０は、偏光フィルタ２１と第２回転駆動装置２２とから成っている。詳細については図２を参照しながら後述するが、偏光フィルタ２１は、カメラ筐体８０の内部に設けられた回転体の内側に回転自在に保持され、他方、その回転体の外側に配設された歯は、第２回転駆動装置２２の出力ギヤと噛み合う構成となっている。これにより、偏光フィルタ２１は光軸のまわりに回転可能な構成となり、第２回転駆動装置２２を駆動させることにより、偏光フィルタ２１の偏波面が光軸の回りに回転し、光を透過させる偏波面を任意の角度に設定することが出来るようになる。

偏光フィルタ２１は、いわゆる光学式の偏光フィルタであり、安価で入手性に優れ、その結果、代替補充が容易となる。また、ＬＣＴＦに比べ長寿命であり、振動等の外力に対して耐性を有する。使用条件も緩く、その結果、本光学式分光偏光計測装置１００を、特に屋外に好適に設置することが出来るようになる。更に、電子制御装置等の付帯装置が不要となるため、本光学式分光偏光計測装置１００の小型化が可能となる。

各種色フィルタ３０は、対象物からの反射光を分光するために使用され、複数の色フィルタから一の色フィルタが選択されるように構成されている。手動によって色フィルタを交換する構成としても良く、一方、円板の周方向に沿って複数の色フィルタを配設し、その円板をモータ等によって回転させることによって、光が通過する色フィルタを自動的に変える構成としても良い。

対物レンズ４０は、対象物からの反射光を集光してＣＣＤカメラ６１の受光面に像をつくる。

アダプタ５０は、対物レンズをＣＣＤカメラ６１に固定するための取り付け治具である。

受光部６０は、ＣＣＤカメラ６１とＸステージ６２とから成っている。ＣＣＤカメラ６１が出力する画像データはコントローラ７０に取り込まれ、取り込んだコントローラ７０は画像の色合い、色調、ズレ、ゆがみ等を判断してＸステージ６２を光軸方向に対し前後に移動させながらＣＣＤカメラ６１の位置決めを行う。

コントローラ７０は、いわゆるパーソナルコンピュータ又はマイクロコンピュータ等の小型のコンピュータである。

カメラ筐体８０は、上記構成品を収容する。

図２は、本発明に係る偏光フィルタのカメラ筐体への取り付け態様を示す説明図である。
偏光フィルタ２１は、インナースリーブ８１の内周面に取り付けられている。一方、インナースリーブ８１は軸受け８２を介してアウタースリーブ８３に収容されている。そして、アウタースリーブ８３は、スリーブホルダ８５を介してカメラ筐体８０の内部に固定される構成である。ところで、インナースリーブ８１の軸方向への移動はフランジ８４によって制限されるように構成されている。

また、インナースリーブ８１の外周面には入力ギヤ８１aが配設され、第２回転駆動装置２２のステッピングモータ２２bの出力ギヤ２２aと噛み合い、ステッピングモータ２２bが回転すると、入力ギヤ８１aが回転し、その結果、偏光フィルタ２１が光軸のまわりに回転するように構成されている。これにより、偏光フィルタ２１の偏波面が光軸の回りに回転し、偏波面を任意の角度に設定することが出来るようになる。なお、ステッピングモータ２２bの駆動はコントローラ７０からの制御信号に基づいて行われる。

上記光学式分光偏光計測装置１００によれば、第２回転駆動装置２２によって偏光フィルタ２１を回転させることにより対象物に対する偏光特性の異なる画像データを種々取得することができ、それらの画像データに基づいて画像を生成することにより、対象物の多様な特徴を捉えた画像を取得することが出来るようになる。また、各種色フィルタ３０を適宜変更することにより、偏光特性だけでなく分光特性も異なる画像データを種々取得することができ、それらの画像データに基づいて画像を生成することにより、対象物に対する更に多様な特徴を捉えた画像を取得することが出来るようになる。更に、本光学式分光偏光計測装置１００では、光学式の偏光フィルタ２１が使用されているため、ＬＣＴＦのように最適作動温度等の制約条件が課されることはなく、振動等にも強く耐環境性を有し、ＬＣＴＦに比べ寿命も長く、電子制御装置等が不要となるため、装置全体の小型化が可能となる。また、光学式の偏光フィルタ２１は入手が容易で且つ代替補充が容易であるため本光学式分光偏光計測装置１００は汎用性を有するようになる。特に、屋外への設置に適するようになる。

図３は、実施例１に係る光学式分光偏光計測装置２００を示す説明図である。
この光学式分光偏光計測装置２００は、光学式の偏光フィルタ部２０が光軸のまわりに回転するように構成されている点においては、上記光学式分光偏光計測装置１００と同じであるが、偏光フィルタ部２０および各種色フィルタ３０の光学系が、対物レンズ４０よりも撮像対象物に対し後段に配置されている点が大きく異なっている。更に、光学系の精度向上のため、対物レンズ４０と偏光フィルタ部２０との間、ならびに各種色フィルタ３０と受光部６０との間にリレーレンズ９０が各々配設されている。
これは、対物レンズ４０の前に偏光フィルタ部２０および各種色フィルタ３０の光学系を配置すると、光軸が少しずれただけで対物レンズ４０以後の光軸が大きくずれる可能性が大となり、その結果、光軸の調整が難しい上にシステム全体の機能に与える影響が大きいためである。そのため、この光学式分光偏光計測装置２００では、偏光フィルタ部２０および各種色フィルタ３０を対物レンズ４０の後段に配置することにより、光軸がずれた場合のシステム全体の機能に与える影響を小さくすると共に光軸の調整が容易となるようにした。また、リレーレンズ９０,９０を、対物レンズ４０と偏光フィルタ部２０との間、各種色フィルタ３０と受光部６０との間に配置することにより、光学系の精度が向上するようにした。

図４は、実施例２に係る光学式分光偏光計測装置３００を示す説明図である。説明の都合上、カメラ筐体８０の上蓋は取り外してある。
この光学式分光偏光計測装置３００は、上記光学式分光偏光計測装置２００の構成に、レーザー光発信装置９１とヒータキット９４を同一カメラ筐体８０内部に収容し、撮像対象物へのレーザー光の照射とその反射光の受光を単一の装置で行うことが出来るように構成されている。すなわち、レーザー光を照射する部分とその反射光を受光する部分が同一筐体に予め一体化されており、レーザー光とその波長に対応した色フィルタとの組合せを適切に選定することにより、レーザー光の反射光の内、特定波長のみを透過させる単波長による分光計測を単一の装置で行うことを出来るようにした光学式分光偏光計測装置である。従って、レーザー光と色フィルタとの組合せを変えることによって、異なる分光特性を持った観測対象物(撮像対象物)の画像データを取得することが出来るようになる。

レーザー光発信装置９１はウォームホイールを備え、それと対となるレーザー位置調整ツマミ９２を回転することによって図示の向きに回転することが出来るように構成されている。レーザー光発信装置９１から出射されたレーザー光は、レーザー出射用窓９３を介して出射され、路面等の撮像対象物へ入射される。従って、撮像対象物からのレーザー光の反射光が、対物レンズ４０の光軸に一致するように、レーザー光の撮像対象物に対する入射角を変えることが可能となる。

また、レーザー光発信装置９１等のレーザー光の発信部と、その反射光を受光する受光部が同一カメラ筐体８０に収容・一体化されているため、振動に対し強くなる。従って、移動体(例えば、車)に積載固定して、撮像対象物の状態を観測することが可能となる。

更に、寒冷地対策として、ヒータキット９４もカメラ筐体８０内部に備わっている。これにより、寒冷地においても好適にレーザー光の照射とその反射光の受光を行うことが出来るようになる。

本発明の光学式分光偏光計測装置１００は、ヘリコプタや航空機、宇宙機、自動車等の移動体あるいは屋外に設置された道路等の監視システムのリモートセンシング用光学センサとして利用することが出来る。

本発明の光学式分光偏光計測装置を示す構成説明図である。本発明に係る偏光フィルタのカメラ筐体への取り付け態様を示す説明図である。本発明の実施例１に係る光学式分光偏光計測装置を示す説明図である。本発明の実施例２に係る光学式分光偏光計測装置を示す説明図である。

符号の説明

１０絞り部
１１ピンホール
１２第１回転駆動装置
２０偏光フィルタ部
２１偏光フィルタ
２２第２回転駆動装置
３０各種色フィルタ
４０対物レンズ
５０アダプタ
６０受光部
６１ＣＣＤカメラ
６２Ｘステージ
７０コントローラ
８０カメラ筐体
９０リレーレンズ
１００光学式分光偏光計測装置

Claims

入射する光の量を調整する絞り部と、特定の偏波面の光のみを透過させる偏光フィルタ部と、特定の波長光または波長帯域光を透過させる色フィルタ部と、当該色フィルタ部を透過した光を集光・結像する対物レンズと、ＣＣＤ検出素子から成るＣＣＤ受光面を有しその受光面で検知した光信号を対応する電気信号に変換しその電気信号に基づいて画像を生成する受光部とを具備した光学式分光偏光計測装置であって、前記偏光フィルタ部は単一の偏波面を有する光学式偏光フィルタと当該光学式偏光フィルタを光軸の回りに回転させる回転駆動装置とから構成され、且つ前記色フィルタ部は複数の色フィルタが選択可能に構成され、対象物に対する分光偏光特性の異なる画像データを取得し対象物の特徴を好適に抽出することが出来ることを特徴とする光学式分光偏光計測装置。
前記ＣＣＤ受光面は、光軸方向に対し移動することが出来る一軸ステージ上に積載固定され、当該ＣＣＤ受光面の位置が前記対物レンズの焦点位置に一致するように、当該一軸ステージを自動的に調整するように構成されている請求項１に記載の光学式分光偏光計測装置。
前記対物レンズは、前記偏光フィルタ部および前記色フィルタ部よりも対象物に対し前段に配置されている請求項１又は２に記載の光学式分光偏光計測装置。
前記対物レンズと前記偏光フィルタ部との間、ならびに前記色フィルタ部と前記受光部との間にリレーレンズが各々配置されている請求項３に記載の光学式分光偏光計測装置。
レーザー光を出射するレーザー光発信装置と、前記対物レンズ、前記偏光フィルタ部、前記色フィルタ部、前記リレーレンズ及び受光部は同一のケースに収容・一体化されている請求項４に記載の光学式分光偏光計測装置。
前記ケース内にヒータを備える請求項５に記載の光学式分光偏光計測装置。
前記ケースは移動体に積載固定されて使用される請求項５又は６に記載の光学式分光偏光計測装置。