JP2012098050A - モニター可能な分光計測装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 測定対象のモニターが可能な分光計測装置を小型化すること。
【解決手段】 モニター可能な分光計測装置は、測定対象Ｓｍから光学系３０、スリット−ミラーブロック２１のスリット部２３を介して分光器本体２５に到る第１の光路Ｌ１と、測定対象Ｓｍから光学系３０、スリット−ミラーブロック２１の鏡面２２を介して２次元撮像装置４０に到る第２の光路Ｌ２が設けられる。スリット部２３と分光器本体２５は一体となって分光部２０を構成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、分光計測システムに関し、特に走査される測定部位周辺をモニターすることができる小型化された分光計測装置に関する。
メラノーマ等の皮膚疾患を早期診断するために測定対象を走査しながら分光測定するシステムが知られている。関連する分光測定装置は分光器（第１光学機器）およびオートフォーカスコントローラ（第２光学機器）を備え、対物光学系の焦点付近にスリットミラーを配置し、スリットミラーの反射光が位置センサで検出されて対物光学系のオートフォーカス制御をするとともに、スリットを直進した透過光が分光器に入射して回折格子により分光測定される。測定対象を走査することにより測定対象における２次元の分光情報を得ることができる。また、スリットミラーの反射光の一部を用いて分光対象部分以外の測定対象を２次元カメラでモニターすることができる。
特開２００１−２８９６１９号公報 特開２００１−２０８９７９号公報 特開２００４−１４５３７２号公報 特開２００７−０８６４７０号公報
しかしながら上記関連技術においては、スリットミラー部を含む本体に独立した分光器を接続する構造を有し、スリットの透過光を光学系で再度集光した状態で測定位置を特定するために入射スリットを介してグレーティング等の分光器に入力する必要があった。そのため装置の全長が大きくなり走査装置も大がかりになるという問題があった。
本発明は上記問題に鑑みて創案されたものであって、本発明によれば分光装置をコンパクトに構成することができるため走査装置も軽量化され測定部位の走査速度や操作性を向上させることができる。また２次元モニタ−画像において分光対象部分もリアルタイムで確認することができる。
本発明の技術的側面によれば、モニター可能な分光計測装置は、測定対象から分光器本体に到る第１の光線を導く第１の光路および前記対象から二次元撮像装置に到る第２の光線を導く第２の光路が設けられ、前記第１の光路および前記第２の光路が通る光学系と、前記光学系を通った前記第１の光線を透過させかつ前記第２の光線を反射する反射ブロックであって、前記第１の光線以外の光線を反射する反射領域を備え、前記第１の光路における前記光学系の焦点面に位置づけられるスリット領域が前記反射領域に形成され、前記分光器本体が前記反射ブロックに隣接配置されることを特徴とする。
本発明に係る分光計測システムの概念図である。 本発明に係る部分透過ブロックの概念図である。 本発明に係る分光計測システムのモニター表示の概念図である。 本発明に係る分光計測システムの周回衛星への搭載例である。
本発明の実施形態について図１〜図４を参照して説明する。なお、本実施形態においては分光計測システム１は皮膚表面の所定領域を走査しながら分光計測する装置として説明する。また、図において方向はＸＹＺ直交座標系で表現する。本発明の実施形態に係る分光計測システム１は光学系３０、その焦点位置ＦＬに光透過領域としてのスリット部２３を有する反射ブロック２１、スリット部２３と一体となって１次元状に分布する分光測定領域Ｓｆの分光計測を行う分光器本体２５、分光結果を取得する２次元撮像装置２８を具備する。
分光計測装置１は図示しない走査装置に搭載され皮膚表面の測定領域ＴをカバーするようにＸ軸に平行なＡ方向に走査しながら計測を繰り返す。分光部２０の瞬時測定領域に対応する分光測定領域Ｓｆは１次元状の領域であり、その反射光（発光、蛍光を含む）は光学系３０の光軸である光路Ｌ１に沿ってスリット部２３で収束し透過して分光器本体２５に到る。また、分光測定領域Ｓｆの周辺領域Ｖｏからの反射光は、反射ブロック２１の反射領域２２で反射されて光路Ｌ２に沿って進み２次元撮像装置４０の撮像面で結像する。
図１においては、２次元撮像装置４０で取得する２次元画像の測定領域Ｓｍおよび分光部２０の分光測定領域Ｓｆが走査により時間とともにＡ方向に移動する。
また、光学系３０は対物光学系を含み図示しないオートフォーカス機構により焦点位置ＦＬがスリット部２３の位置に維持されるように光軸方向に移動制御可能である。オートフォーカス機構は関連技術が利用可能であり、特許文献４の機構を適用する場合には測定領域Ｔで散乱したレーザー光を光路Ｌ２から分岐して位置センサ（図示せず）で検出することができる。
＜スリット−ミラーブロック＞
光透過領域としてのスリット部２３を含む反射ブロック２１（以下スリット−ミラーブロックという。）は、後述する分光部２５のスリットと観察光を二次元撮像装置４０に向けて反射するミラーとを兼ねている。図２にはスリット−ミラーブロックの模式図を示す。スリット−ミラーブロック２１は所定の屈折率を有するプリズムに光軸Ｌ１に対して斜めに横断するように反射領域が形成される。また、反射領域２２は長形の開口を有する鏡面である。ブロックは典型的には直方体であり２つの三角プリズムを鏡面を挟んで貼り合わせて構成することができる。
長形の開口がスリット部２３でありプリズムと同一の屈折率をもつ材料で構成されるため透過光はスリット部２３を直進する。またスリット部２３の主軸はＹ軸方向に沿って配置される。なお接合面となる三角プリズムの一面を金属薄膜コーティングして鏡面薄膜を形成することにより反射領域２２およびスリット部２３を構成することもできる。
光学系３０の焦点位置ＦＬが常にスリット部２３に位置づけられるため、測定領域Ｓｍにおける特定の長形の領域である分光測定領域Ｓｆの反射光のみがスリット部２３を通過し、他の領域Ｖｏの反射光は反射領域２２で反射されて光路Ｌ２に沿って進み２次元撮像装置４０に結像する。また、平板ミラーの一部に透過部を形成して傾斜配置することにより一部透過部材となりうるが、透過部分が傾斜していることにより基板の厚さに依存して基板材料内で多重反射によるゴーストが発生すし正確な分光測定を行うことが困難になる。本実施例のスリット−ミラーブロック２１により後述する分光器本体と一体化して小型で正確な分光測定をすることができ、また鏡面部分を挟む構造であるため機械的にも安定で信頼性が向上する。
なお、本実施形態では鏡面２２において光路が９０度変更されるように構成したが、鏡面２２の光軸Ｌ１に対して成す角度は４５度に限定されず任意である。
＜分光部＞
本発明にかかる分光部２０はスリットとしてのスリット−ミラーブロック２１とこれに隣接配置されグレーティング３５を含む分光器本体２５とから成る。グレーティング３５は透過型でも反射型でもよい。
スリット−ミラーブロック２１のスリット部２３の位置により測定領域Ｔの特定の１次元状の領域（分光測定領域）Ｓｆが選択される。すなわち分光測定領域Ｓｆは瞬時測定領域であり光学系３０による実像がその焦点位置ＦＬに形成され、スリット部２３の実効幅δが分光測定領域ＳｆのＸ方向の幅に対応する。
スリット部２３を透過した分光測定領域Ｓｆの反射光はコリメータレンズ３３により平行光束となりグレーティング３５により分光測定領域ＳｆのＹ軸方向の位置に応じて分光され、分光結果は集光光学系３７を介して位置情報とスペクトル情報を反映した２次元画像として２次元撮像装置２８で取得される。
２次元撮像装置２８の出力データはそのままモニターできるが、後述する測定領域Ｓｍのモニター画像と関連づけて保管される。
＜リアルタイムモニター＞
二次元撮像装置４０は２次元イメージセンサを有するエリアＣＣＤカメラ等を含み、分光にかかる分光測定領域Ｓｆの周辺領域である測定領域Ｓｍの２次元画像（以下モニター画像という。）を取得する。したがって、Ａ方向（Ｘ軸方向）に皮膚表面を走査しつつ分光計測を行う場合に、常に測定領域Ｓｍの分光測定領域Ｓｆを除く部分Ｖｏの２次元画像を取得することができる。図１、２において分光測定領域Ｓｆ以外の１点Ｖｏからの反射光の光束を破線で表している。
走査により分光測定領域Ｓｆが時間とともに移動するが、測定領域Ｓｍが表示されることにより現に測定対象となっている分光測定領域Ｓｆのリアルタイムでの確認が容易となる。なお、２次元撮像装置４０には分光測定領域Ｓｆの反射光は到達せずモニター画像ではスリット部２３の実像が黒く表示されるので分光測定領域Ｓｆの位置を容易かつ正確に確認することができる。
図３には改良された二次元撮像装置によるモニター画像表示の概念図を示す。前述したように分光にかかる分光測定領域Ｓｆの部分画像はモニター画像には含まれず黒抜けの部分画像Ｂｆ１、Ｂｆ２として表される。もし、直前（ｔ＝ｔ１）のモニター画像に分光測定領域Ｓｆに対応する部分画像Ｄｆ２が含まれている場合にはこれを欠損部分Ｂｆ２の対応部分にペーストするように画像処理することができる。
モニター画像は図示しない画像処理部の蓄積装置（メモリ）に一時保管される。また、スリット部２３に対応するモニター画像の画素範囲を特定することができるため、当該スリット部に対応する画像要素Ｄｆ２（ｔ＝ｔ１）で黒抜けの画像要素Ｂｆ２（ｔ＝ｔ２，ｔ１＜ｔ２）を置き換えることで欠損のないモニター画像Ｄｍ２’を構成することができる。
その結果、図３（ｃ）に例示するように、モニター画面には分光測定領域Ｓｆに対応する部分Ｄｆ２により補完した欠損のない画像Ｄｍ２’が表示され、さらに分光測定領域Ｓｆの位置が確認できるように枠Ｉｆ２が表示される。したがって、図３において疾患等の特定領域Ｅがリアルタイムで２次元のモニター画像で確認できるとともに、分光測定領域との位置関係も容易に視認できる。
なお、直前のモニター画像とは部分画像Ｄｆ２が含まれる直近の画像であるが、これに限定されず部分画像Ｄｆ２が含まれる複数の画像から合成してもよい。
＜変更実施形態＞
本発明にかかる測定対象がモニター可能な分光計測システムは、飛翔体等に搭載してリモートセンシングに利用することが可能である。図４には惑星等の天体を周回する周回衛星５０に本発明の分光計測システム１を搭載した例を示す。分光測定領域Ｓｆはスリット部２３からみた測定対象表面における瞬時視野（ＩＦＯＶ）に対応し、周辺の測定領域Ｓｍはモニター画像を取得する２次元撮像装置４０に搭載された２次元イメージセンサ（ＣＣＤ等）の瞬時視野に対応する。
この場合には光学系（望遠鏡）３０のオートフォーカス制御や走査機構は不要である。スリット部の主軸方向（Ｙ軸方向）は周回衛星５０の飛翔方向（走査方向）Ａに垂直となるように設定される。本発明にかかる分光計測システム１はスリットミラーによる部分透過機構２１と分光器本体２５を一体化したことにより小型化を図ることができ、またスリット−ミラーブロック２１の採用により正確かつ安定した分光計測を行うことができるため、軽量化と高い信頼性が要求される飛翔体への搭載が可能である。
また、２次元撮像装置４０はリアルタイムモニターが可能であるが、所定の容量を有する画像蓄積装置を備えることにより分光計測画像とモニター画像とを関連づけて一時保管することができる。分光計測時に一連の画像データを保管し、計測完了後に所定の画像データを地上局に送信してもよい。この場合には、地上で一連の計測データを受信した後に、スリット部２３に対応する画像要素Ｄｆ２により黒抜けの画像要素Ｂｆ２を置き換えて欠損のないモニター画像Ｄｍ２’を構成してもよい。
発明の効果
以上のように、本発明によれば、スリット−ミラーブロックと分光器本体を一体化して分光部を構成することにより装置を小型かつ軽量に構成することができる。また、反射領域およびスリット部をブロックと一体に構成したことによりスリット部における多重反射の影響がなく、かつ強度や信頼性が向上する。
スリット−ミラーブロックを介してモニター画像を取得することができるのでリアルタイムで分光測定領域の位置を確認することができる。さらに、直前のモニター画像を利用して分光測定領域の画像を補完することにより、リアルタイムで分光測定領域の位置及び画像を容易に視認することができる。
１ 分光計測システム
２０ 分光部
２１ スリット−ミラーブロック
２２ 反射領域
２３ スリット部
２５ 分光器本体
２８ ２次元撮像装置
３０ 光学系
ＦＬ 焦点位置
３５ グレーティング
４０ ２次元撮像装置
Ｔ 測定対象（走査領域）
Ａ 走査方向
Ｓｍ 測定領域
Ｓｆ 分光測定領域（瞬時測定領域）
５０ 周回衛星（飛翔体）

Claims (6)

  1. モニター可能な分光計測装置であって、測定対象から分光器本体に到る第１の光線を導く第１の光路および前記対象から二次元撮像装置に到る第２の光線を導く第２の光路が設けられ、
    前記第１の光路および前記第２の光路が通る光学系と、
    前記光学系を通った前記第１の光線を透過させかつ前記第２の光線を反射する反射ブロックであって、
    前記第１の光線以外の光線を反射する反射領域を備え、
    前記第１の光路における前記光学系の焦点面に位置づけられるスリット領域が前記反射領域に形成されるものとを具備し、
    前記分光器本体が前記反射ブロックに隣接配置されることを特徴とするモニター可能な分光計測装置。
  2. 前記反射ブロックの前記反射領域以外の屈折率が均一であることを特徴とする請求項１記載のモニター可能な分光計測装置。
  3. 前記分光器本体の分光測定データおよび２次元モニターの画像データを関連づけて一時保管する蓄積装置をさらに具備することを特徴とする請求項１又は２記載のモニター可能な分光計測装置。
  4. 前記スリット領域に対応する前記２次元モニターの画像データを前記測定対象の過去の画像データに基づいて補完する画像処理装置をさらに具備することを特徴とする請求項３記載のモニター可能な分光計測装置。
  5. 前記光学系は光軸方向に移動可能な対物光学系を含み、前記測定対象に対してオートフォーカス制御されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載のモニター可能な分光計測装置。
  6. 測定対象に対して飛翔移動する飛翔体に搭載され、飛翔方向に走査しながら測定対象の分光測定することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載のモニター可能な分光計測装置。
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