JP2012181086A - Spectrum measuring apparatus and spectrum measuring method - Google Patents

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一雄 関家
Hiroshi Murai
博 村井
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a spectrum measuring apparatus capable of preventing degradation of S/N ratio by delivering a sufficient light volume to imaging means such as an imaging camera, an imaging element, etc.SOLUTION: A spectrum measuring apparatus 1 comprises: a liquid crystal device 2 as a Fourier transform element; a voltage controller 5 for controlling voltage applied to the liquid crystal device 2; and an imaging device 3 for imaging a transmittance waveform of a measuring object 7 passing through the liquid crystal device 2. A computer 4 executes: a step for storing data about images taken while controlling the voltage applied to the liquid crystal device 2 so that a wave number included in the transmittance waveform after passage through the liquid crystal device 2 has a non-integral multiple relationship; a step for calculating a Fourier component of integral multiple frequency for each pixel in a measurement interval by solving a simultaneous equation based on the multiple pieces of image data which differ in the wave number; and a step for calculating an optical spectrum for each pixel by applying inverse Fourier transform to the calculated Fourier component of integral multiple frequency in each pixel.

Description

本発明は、測定対象物の分光スペクトルを測定するスペクトル測定装置およびスペクトル測定方法に関する。   The present invention relates to a spectrum measuring apparatus and a spectrum measuring method for measuring a spectrum of a measurement object.

分光スペクトルを得る公知の手法の一つに、入射光をプリズムで分光し、分光した光を1次元のセンサ列で強度測定する手法がある。しかしながら、この手法で得られる画像は、あくまでも1次元の画像であり、測定対象物を2次元画像として撮像することができないという致命的な欠点がある。   One known technique for obtaining a spectral spectrum is a technique in which incident light is split with a prism and the intensity of the split light is measured with a one-dimensional sensor array. However, an image obtained by this method is a one-dimensional image to the last, and has a fatal defect that a measurement object cannot be imaged as a two-dimensional image.

一方、測定対象物を2次元画像として撮像可能な分光法を開示した文献として、下記に示す非特許文献1および特許文献1などがある。非特許文献1に示される手法は、円板の周縁部に沿って配置された複数の狭帯域分光フィルタを順次交換(回転)して撮像する手法である。また、特許文献1に示される手法は、液晶セルを複数枚重ねて狭帯域フィルタとした液晶波長可変フィルタを有し、この液晶波長可変フィルタへの印加電圧を可変して順次撮像する手法である。   On the other hand, there are Non-Patent Document 1 and Patent Document 1 listed below as documents disclosing spectroscopic methods capable of capturing a measurement object as a two-dimensional image. The method disclosed in Non-Patent Document 1 is a method of imaging by sequentially exchanging (rotating) a plurality of narrowband spectral filters arranged along the peripheral edge of a disc. In addition, the technique disclosed in Patent Document 1 is a technique that includes a liquid crystal wavelength tunable filter in which a plurality of liquid crystal cells are stacked to form a narrow band filter, and sequentially applies images by varying the voltage applied to the liquid crystal wavelength tunable filter. .

特開2008−197518号公報JP 2008-197518 A

http://www.cfme.chiba-u.jp/~haneishi/publication/announcement/announcementPDF/announcement20070608.pdf(平成23年2月14日検索)http://www.cfme.chiba-u.jp/~haneishi/publication/announcement/announcementPDF/announcement20070608.pdf (searched on February 14, 2011)

しかしながら、非特許文献1の手法は、メカニカルに固定波長の分光フィルタを交換(回転)させて行かねばならないため、故障が多くなるという問題点がある。また、非特許文献1の手法では、任意の光の波長のデータが得られる訳ではなく、得られるのは各分光フィルタの帯域での平均値(代表値)に過ぎない。このため、解像度を高めるには分光フィルタの個数を増やさなければならず、装置が大型化するという問題点がある。   However, the method of Non-Patent Document 1 has a problem that failure is increased because the fixed-wavelength spectral filter must be mechanically replaced (rotated). Further, according to the method of Non-Patent Document 1, data of an arbitrary wavelength of light is not obtained, and only an average value (representative value) in the band of each spectral filter is obtained. For this reason, in order to increase the resolution, the number of spectral filters must be increased, and there is a problem that the apparatus becomes larger.

一方、特許文献1に示される液晶波長可変フィルタは、メカニカルな部分がないので操作性がよく、任意の波長分光強度を得ることができるという利点があるものの、固定波長の分光フィルタに比べて半分以下の明るさしか得られないという欠点がある。   On the other hand, the liquid crystal wavelength tunable filter disclosed in Patent Document 1 is advantageous in that it has good operability because it does not have a mechanical portion and can obtain an arbitrary wavelength spectral intensity, but it is half that of a fixed wavelength spectral filter. There is a drawback that only the following brightness can be obtained.

さらに、非特許文献1および特許文献1の何れの手法にも共通することではあるが、分光スペクトルをより詳しく得ようとすると、波長帯域が狭くなり、暗くなってしまう。CCDやCMOSなどの2次元センサは、S/N比のノイズ(N)側に下限値があるので、撮像画像が暗くなるとS/N比が劣化するという別の問題点もある。   Furthermore, although common to both methods of Non-Patent Document 1 and Patent Document 1, if a spectral spectrum is to be obtained in more detail, the wavelength band becomes narrower and darker. A two-dimensional sensor such as a CCD or CMOS has a lower limit on the noise (N) side of the S / N ratio, and thus has another problem that the S / N ratio deteriorates when the captured image becomes dark.

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、撮像カメラや撮像素子などの撮像手段に十分な光量を渡してS/N比の劣化を抑止することができるスペクトル測定装置およびスペクトル測定方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above, and a spectrum measuring apparatus and a spectrum measuring method capable of suppressing deterioration of the S / N ratio by passing a sufficient amount of light to an imaging means such as an imaging camera or an imaging device. The purpose is to provide.

上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明に係るスペクトル測定装置は、測定対象物の分光スペクトルを計算する処理部を有するスペクトル測定装置であって、フーリエ変換素子としての液晶デバイスと、前記液晶デバイスへの印加電圧を制御する電圧制御器と、前記液晶デバイスを通過した前記測定対象物の透過率波形を撮像する撮像装置と、を備え、前記処理部は、前記透過率波形に含まれる波数が非整数倍の関係となるように前記液晶デバイスへの印加電圧を制御しつつ撮像された画像データを記憶すると共に、当該波数の異なる複数の画像データに基づく連立方程式を解くことにより、各画素について、測定区間における整数倍周波数のフーリエ成分を算出する整数倍フーリエ成分算出部と、前記整数倍フーリエ成分算出部が算出した各画素の整数倍周波数フーリエ成分を逆フーリエ変換することにより各画素ごとの分光スペクトルを算出するフーリエ逆変換部と、を備えたことを特徴とする。   In order to solve the above-described problems and achieve the object, a spectrum measurement apparatus according to the present invention is a spectrum measurement apparatus having a processing unit for calculating a spectrum of a measurement object, and includes a liquid crystal device as a Fourier transform element and A voltage controller that controls a voltage applied to the liquid crystal device; and an imaging device that images a transmittance waveform of the measurement object that has passed through the liquid crystal device, and the processing unit converts the transmittance waveform into the transmittance waveform. By storing image data captured while controlling the voltage applied to the liquid crystal device so that the included wave number has a non-integer multiple relationship, and solving simultaneous equations based on a plurality of image data having different wave numbers , For each pixel, an integer multiple Fourier component calculator for calculating an integer multiple frequency Fourier component in the measurement interval, and the integer multiple Fourier component calculation There is characterized in that and a Fourier inverse transform unit for calculating a spectrum of each pixel by inverse Fourier transform is an integral multiple frequency Fourier component of each pixel calculated.

本発明に係るスペクトル測定装置およびスペクトル測定方法によれば、撮像カメラや撮像素子などの撮像手段に十分な光量を渡すことができるので、分光スペクトル測定の際のS/N比の劣化を抑止することができるという効果を奏する。   According to the spectrum measuring apparatus and the spectrum measuring method according to the present invention, a sufficient amount of light can be passed to an imaging means such as an imaging camera or an imaging device, so that deterioration of the S / N ratio at the time of spectral spectrum measurement is suppressed. There is an effect that can be.

図1は、実施の形態に係るスペクトル測定装置の一構成例を示す図である。FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration example of a spectrum measuring apparatus according to an embodiment. 図2は、特許文献1(従来技術)に示されている液晶波長可変フィルタの模式的構成図である。FIG. 2 is a schematic configuration diagram of a liquid crystal wavelength tunable filter disclosed in Patent Document 1 (prior art). 図3は、各液晶セル(偏光板こみ)の透過率とそれらの積である全透過率を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing the transmittance of each liquid crystal cell (polarizing plate dust) and the total transmittance which is the product of them. 図4は、実施の形態に係る液晶セルの細部構成を示す図である。FIG. 4 is a diagram illustrating a detailed configuration of the liquid crystal cell according to the embodiment. 図5は、測定対象物の分光スペクトルの一例を示す図である。FIG. 5 is a diagram illustrating an example of a spectrum of a measurement object. 図6は、計算機における計算処理およびデータの流れを示す図である。FIG. 6 is a diagram showing a calculation process and a data flow in the computer. 図7は、画像データを取得する処理イメージを示す図である。FIG. 7 is a diagram illustrating a processing image for acquiring image data. 図8は、整数倍フーリエ成分算出処理が不要な場合の計算処理およびデータの流れを示す図である。FIG. 8 is a diagram showing a calculation process and a data flow when the integer multiple Fourier component calculation process is unnecessary.

以下、添付図面を参照し、本発明の実施の形態にかかるスペクトル測定装置およびスペクトル測定方法について説明する。なお、以下に示す実施の形態により本発明が限定されるものではない。   Hereinafter, a spectrum measuring apparatus and a spectrum measuring method according to embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In addition, this invention is not limited by embodiment shown below.

(実施の形態)
図1は、本発明の実施の形態に係るスペクトル測定装置の一構成例を示す図である。本発明の実施の形態に係るスペクトル測定装置1は、例えば図1に示すように、液晶デバイス2、撮像装置3、計算機4および電圧制御器5を備えて構成される。
(Embodiment)
FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration example of a spectrum measuring apparatus according to an embodiment of the present invention. A spectrum measuring apparatus 1 according to an embodiment of the present invention includes a liquid crystal device 2, an imaging apparatus 3, a calculator 4, and a voltage controller 5, as shown in FIG.

液晶デバイス2は、液晶素子が封入された液晶セルを含むデバイスであり、本発明ではフーリエ変換素子(デバイス)として動作する。電圧制御器5は、液晶デバイス2への印加電圧を制御する制御器である。液晶セル2への印加電圧がある値のとき、液晶デバイス2は、図示の吹き出しに示すような透過率特性を有する状態に制御される。撮像装置3は、液晶デバイス2を介して通過する測定対象物7の画像を撮像する装置である。計算機4は、計算機能、制御機能および記憶機能を有する処理部であり、液晶デバイス2への印加電圧を制御し、撮像装置3が撮像した画像データ(各画素毎の画素値)を記憶すると共に、後述する計算式に示される処理を行って、測定対象物7のスペクトル成分を計算して表示する。   The liquid crystal device 2 is a device including a liquid crystal cell in which a liquid crystal element is enclosed, and operates as a Fourier transform element (device) in the present invention. The voltage controller 5 is a controller that controls the voltage applied to the liquid crystal device 2. When the voltage applied to the liquid crystal cell 2 is a certain value, the liquid crystal device 2 is controlled to have a transmittance characteristic as shown in the illustrated balloon. The imaging device 3 is a device that captures an image of the measurement object 7 that passes through the liquid crystal device 2. The computer 4 is a processing unit having a calculation function, a control function, and a storage function, controls the voltage applied to the liquid crystal device 2, and stores image data (pixel values for each pixel) captured by the imaging device 3. Then, the processing shown in the calculation formula described later is performed to calculate and display the spectral component of the measuring object 7.

(特許文献1の説明)
つぎに、上記特許文献1に開示された発明(発明名称:液晶波長可変フィルタ)の原理について説明する。なお、特許文献1の発明に対する理解は、本発明との差異を明確化するために非常に有効であると考える。
(Description of Patent Document 1)
Next, the principle of the invention (invention name: liquid crystal wavelength tunable filter) disclosed in Patent Document 1 will be described. In addition, it is considered that understanding of the invention of Patent Document 1 is very effective for clarifying the difference from the present invention.

図2は、特許文献1に示されている液晶波長可変フィルタの模式的構成図(同文献の第1図)であり、液晶セルを3枚積層した場合の液晶波長可変フィルタの基本構成を示すものである。図2において、P1,P2,P3,P4は偏光子(偏光板)、LC1,LC2,LC3は液晶セルであり、入射側から符号順に配置されている。液晶セルLC1,LC2,LC3の液晶配向方向15は互いに平行であり、偏光子P1,P2,P3,P4の吸収軸20は互いに平行(パラレルニコル)であり、液晶配向方向15と偏光子の吸収軸20とは45度の角度をなしている。   FIG. 2 is a schematic configuration diagram of the liquid crystal wavelength tunable filter disclosed in Patent Document 1 (FIG. 1 of the same document), and shows the basic configuration of the liquid crystal wavelength tunable filter when three liquid crystal cells are stacked. Is. In FIG. 2, P1, P2, P3, and P4 are polarizers (polarizing plates), and LC1, LC2, and LC3 are liquid crystal cells, which are arranged in the order of signs from the incident side. The liquid crystal alignment directions 15 of the liquid crystal cells LC1, LC2, and LC3 are parallel to each other, and the absorption axes 20 of the polarizers P1, P2, P3, and P4 are parallel to each other (parallel Nicols). The axis 20 forms an angle of 45 degrees.

図3は、各液晶セル(偏光板こみ)の透過率とそれらの積である全透過率を示す図である。図3において、「液晶セル1」とある最上部に示した波形は液晶セルLC1の透過率特性である。以下同様に、「液晶セル2」とある中上段部に示した波形は液晶セルLC2の透過率特性であり、「液晶セル3」とある中下段部に示した波形は液晶セルLC3の透過率特性である。また、これらの透過率特性の全てを掛け合わせたものが最下部にある全透過率特性(透過率の積)である。すなわち、特許文献1の液晶波長可変フィルタは、各液晶セルが異なる波数の透過率波形になるよう別々の電圧をかけ、それらの透過率波形の山が一致した部分のみを以て狭帯域バンドパスフィルタとするものである。   FIG. 3 is a diagram showing the transmittance of each liquid crystal cell (polarizing plate dust) and the total transmittance which is the product of them. In FIG. 3, the waveform shown at the top of “Liquid Crystal Cell 1” is the transmittance characteristic of the liquid crystal cell LC 1. In the same manner, the waveform shown in the upper middle part of the liquid crystal cell 2 is the transmittance characteristic of the liquid crystal cell LC2, and the waveform shown in the lower middle part of the liquid crystal cell 3 is the transmittance of the liquid crystal cell LC3. It is a characteristic. Also, the product of all these transmittance characteristics is the total transmittance characteristic (product of transmittance) at the bottom. That is, the liquid crystal wavelength tunable filter of Patent Document 1 applies a different voltage so that each liquid crystal cell has a transmittance waveform with a different wave number, and only a portion where the peaks of the transmittance waveforms coincide with each other is a narrowband bandpass filter. To do.

特許文献1の液晶波長可変フィルタは、メカニカルな部分がないので操作性がよく、任意の波長分光強度を得ることができる。しかしながら、この液晶波長可変フィルタでは、固定波長の分光フィルタに比べて半分以下の明るさしか得られないという欠点がある。その理由は、液晶セルを2つの偏光子で挟み込む構造であることから原理的に半分の偏光しか利用することができないという特性を有する一方で、狭帯域なフィルタ帯域を作り出すためには偏光板こみのセルを多数(5〜7枚)重ねる必要があるため、偏光板による吸収損失(特に、短波長側(青)の吸収が問題)が多くなってしまうことにある。加えて、固定波長の分光フィルタが、多層膜蒸着を用いると分光透過率として90%以上を達成できるのに対して、液晶波長可変フィルタでは青(λ=400nm)近辺で分光透過率が30%を切ってしまうことも欠点の一つである。   Since the liquid crystal wavelength tunable filter of Patent Document 1 has no mechanical part, it has good operability and can obtain an arbitrary wavelength spectral intensity. However, this liquid crystal wavelength tunable filter has a drawback that only half or less brightness can be obtained compared to a fixed wavelength spectral filter. The reason is that the liquid crystal cell is sandwiched between two polarizers, so that in principle, only half of the polarized light can be used. In other words, it is necessary to stack a large number of cells (5 to 7), so that absorption loss due to the polarizing plate (particularly, absorption on the short wavelength side (blue) is a problem) increases. In addition, the fixed wavelength spectral filter can achieve a spectral transmittance of 90% or more when multilayer film deposition is used, whereas the liquid crystal wavelength tunable filter has a spectral transmittance of 30% near blue (λ = 400 nm). It is one of the drawbacks.

このように、従来技術に係る液晶波長可変フィルタは、操作性よく2次元画像を撮像できるが、暗いという欠点があった。なお、固定波長の分光フィルタを用いる場合でも、フィルタの帯域を狭くすると暗くなって、撮像素子でのS/N比が劣化するという問題があった。   As described above, the liquid crystal wavelength tunable filter according to the related art can capture a two-dimensional image with good operability, but has a drawback of being dark. Even when a fixed-wavelength spectral filter is used, there is a problem that when the band of the filter is narrowed, it becomes dark and the S / N ratio in the image sensor deteriorates.

つぎに、本発明の原理を説明する。なお、理論詳細は後述するが、本発明は、フーリエ変換素子としての液晶セルを利用し、液晶セルを通過する透過率波形を複数の非整数倍周波数(非整数倍の関係にある周波数)に変更しながら撮像する第1のステップと、撮像した複数の画像データから連立方程式を解くことにより、各画素について、測定区間の整数倍周波数のフーリエ成分を算出する第2のステップと、得られた各画素の整数倍周波数フーリエ成分を逆フーリエ変換することにより各画素ごとの分光スペクトルを得る第3のステップと含んでいる。これらの一連のステップは、これまでに提案されたことのない新たな概念であると考える。このため、本願においては、これらの一連のステップを含む測定手法を「フーリエ分光法」と命名する。   Next, the principle of the present invention will be described. Although the theoretical details will be described later, the present invention uses a liquid crystal cell as a Fourier transform element, and converts the transmittance waveform passing through the liquid crystal cell to a plurality of non-integer multiple frequencies (frequency having a relationship of non-integer multiples). A first step of imaging while changing, and a second step of calculating a Fourier component of an integral multiple frequency of a measurement interval for each pixel by solving simultaneous equations from a plurality of captured image data. And a third step of obtaining a spectral spectrum for each pixel by inverse Fourier transforming the integer multiple frequency Fourier component of each pixel. We consider these series of steps a new concept that has never been proposed before. Therefore, in the present application, a measurement technique including a series of these steps is named “Fourier spectroscopy”.

図4は、本発明の実施の形態に係る液晶デバイス2の細部構成を示す図である。液晶デバイス2は、液晶が封入された液晶セル22と、液晶セル22の入射側に配置される偏光板21と、液晶セル22の出射側に配置される偏光板23と、を有して構成される。図4において、実線矢印は、偏光板21,23における透過偏光方向を示し、破線矢印は、液晶セル22における遅相軸方向を示している。   FIG. 4 is a diagram showing a detailed configuration of the liquid crystal device 2 according to the embodiment of the present invention. The liquid crystal device 2 includes a liquid crystal cell 22 in which liquid crystal is sealed, a polarizing plate 21 disposed on the incident side of the liquid crystal cell 22, and a polarizing plate 23 disposed on the exit side of the liquid crystal cell 22. Is done. In FIG. 4, the solid line arrows indicate the transmission polarization directions in the polarizing plates 21 and 23, and the broken line arrows indicate the slow axis direction in the liquid crystal cell 22.

つぎに、液晶デバイス2の動作について説明する。なお、以下の説明では、発明の要旨を簡潔に説明する観点に鑑み、液晶セルの波長分散特性は考慮しない。また、このような仮定の下であっても、本発明の一般性は失われない。   Next, the operation of the liquid crystal device 2 will be described. In the following description, the wavelength dispersion characteristic of the liquid crystal cell is not considered in view of briefly explaining the gist of the invention. Even under such assumptions, the generality of the present invention is not lost.

偏光板21に入射した光は、偏光板21の作用によって図4の実線矢印に示す透過偏光方向、すなわち直線偏光の光となり、液晶セル22に入射する。液晶セル22に封入されている液晶分子は屈折異方性を持っており、屈折率を大きいと感じる光の電場振動方向が遅相軸となり、この遅相軸に直交する軸が進相軸となる(図4の破線矢印)。   The light incident on the polarizing plate 21 is converted into a transmission polarization direction indicated by a solid arrow in FIG. The liquid crystal molecules enclosed in the liquid crystal cell 22 have refractive anisotropy, and the electric field oscillation direction of light that has a high refractive index becomes the slow axis, and the axis orthogonal to the slow axis is the fast axis. (Dashed arrow in FIG. 4).

液晶セル22は、図4に示すように、入射してくる直線偏光に対して遅相軸が45度傾けた位置になるよう配向されているので、直線偏光は遅相軸方向振動と進相軸方向振動で異なる光学的距離(実際の距離×屈折率)を経験し、液晶セル22の出射時には楕円偏光となる。このような進相軸方向と遅相軸方向との間の光学的距離差は、一般的に「リターデーション(retardation)」と称されており、液晶セル22への印加電圧Vを変更することにより、その値を変化させることができる。   As shown in FIG. 4, the liquid crystal cell 22 is oriented so that the slow axis is inclined by 45 degrees with respect to the incident linearly polarized light. It experiences different optical distances (actual distance × refractive index) due to the axial vibration, and becomes elliptically polarized light when exiting the liquid crystal cell 22. Such an optical distance difference between the fast axis direction and the slow axis direction is generally called “retardation”, and the applied voltage V to the liquid crystal cell 22 is changed. The value can be changed.

出射側にある偏光板23では、入射する楕円偏光の光のうち、透過軸方向の成分が取り出される。なお、図4は、偏光板21の透過偏光方向と偏光板23の透過偏光方向とが平行となる配置(パラレルニコル)であるが、「リターデーションの大きさ(以下「Ret」と表記)」、すなわち進相軸方向と遅相軸方向との間の光学的距離差を変更することにより、偏光板21の透過偏光方向と偏光板23の透過偏光方向とが直交する配置(クロスニコル)を採用することも可能である。   In the polarizing plate 23 on the emission side, the component in the transmission axis direction is extracted from the incident elliptically polarized light. FIG. 4 shows an arrangement (parallel Nicol) in which the transmission polarization direction of the polarizing plate 21 and the transmission polarization direction of the polarizing plate 23 are parallel to each other, but “the size of retardation (hereinafter referred to as“ Ret ”)”. That is, by changing the optical distance difference between the fast axis direction and the slow axis direction, an arrangement in which the transmitted polarization direction of the polarizing plate 21 and the transmitted polarization direction of the polarizing plate 23 are orthogonal (crossed Nicols). It is also possible to adopt.

なお、Retが0の場合、偏光板23への入射光は元の直線偏光のままであるので、透過率は1である(ここでは便宜上、最初の偏光板を通った後の光に対して、最後の偏光板を通過できる割合を、透過率としておく)。また、Retが光の波長λに対して1/4である場合、偏光板23への入射光は円偏光になっているので、透過率は1/2となる。また、Retが光の波長λに対して1/2である場合、偏光板23への入射光は直交する直線偏光になっているので、透過率は0となる。   When Ret is 0, the incident light to the polarizing plate 23 remains the original linearly polarized light, and thus the transmittance is 1 (here, for the sake of convenience, the light after passing through the first polarizing plate) The ratio that can pass through the last polarizing plate is defined as the transmittance). Further, when Ret is 1/4 with respect to the wavelength λ of light, the light incident on the polarizing plate 23 is circularly polarized, and thus the transmittance is ½. Further, when Ret is ½ with respect to the wavelength λ of the light, the incident light to the polarizing plate 23 is linearly polarized light that is orthogonal, so that the transmittance is zero.

上記のことから、透過率Tは、「Ret」および「λ」の関数として、次式のように表すことができる。
T={cos(π・Ret/λ)}={1+cos(2π・Ret/λ)}/2
From the above, the transmittance T can be expressed as the following equation as a function of “Ret” and “λ”.
T = {cos (π · Ret / λ)} 2 = {1 + cos (2π · Ret / λ)} / 2

透過率Tを光の波長λを横軸にとったグラフで表した場合、波長が大きいほど間延びした波形になる(図3における「液晶セル1」と「液晶セル2」または「液晶セル3」の透過率波形を参照)。一方、光の波長λの逆数である光の波数kを横軸にとったグラフにすると、正弦波形になる。フーリエ変換はサンプリングに正弦波形を用いるので、光の波長λの代わりに光の波数kを用いる方が計算が容易になる。   When the transmittance T is represented by a graph with the wavelength of light λ on the horizontal axis, the waveform becomes longer as the wavelength increases (“liquid crystal cell 1” and “liquid crystal cell 2” or “liquid crystal cell 3” in FIG. 3). See the transmission waveform for On the other hand, when the horizontal axis represents the wave number k of light, which is the reciprocal of the light wavelength λ, a sine waveform is obtained. Since the Fourier transform uses a sinusoidal waveform for sampling, the calculation is easier when the wave number k of light is used instead of the wavelength λ of light.

ここで、本発明に係るフーリエ分光法によれば、液晶セルを利用する点は特許文献1と同じであるが、図4に示すように1組の液晶セルのみを使用する点で大きく異なる。すなわち、本発明に係るフーリエ分光法は、1組の液晶セルのみを利用し、測定対象物の画像を1組の液晶セルを介して通過する波形のまま撮像する。このため、撮像素子に十分な光量を渡すことができ、スペクトル測定に係るS/N比の劣化を抑止することが可能となる。   Here, according to the Fourier spectroscopy according to the present invention, the point of using a liquid crystal cell is the same as that of Patent Document 1, but differs greatly in that only one set of liquid crystal cells is used as shown in FIG. In other words, the Fourier spectroscopy according to the present invention uses only one set of liquid crystal cells and captures an image of the measurement object as a waveform passing through the one set of liquid crystal cells. For this reason, it is possible to pass a sufficient amount of light to the image sensor, and to suppress the deterioration of the S / N ratio related to spectrum measurement.

また、本発明に係るフーリエ分光法は、1組の液晶セルのみを使用するため、偏光板は入口と出口の2枚のみでよく、多数重ねることによる吸収量をあまり気にする必要はない。さらに、本発明に係るフーリエ分光法は、透過率波形が波型のまま出力されるので、測定区間(光の波数空間)におけるほぼ半量の光を通すことができ、半分の偏光しか利用できないにしても、それを補って余りあるほど撮像画像の光量を大きく(すなわち明るく)することが可能となる。   Further, since the Fourier spectroscopy according to the present invention uses only one set of liquid crystal cells, only two polarizing plates, ie, an entrance and an exit, may be used, and it is not necessary to pay much attention to the amount of absorption caused by stacking many. Furthermore, the Fourier spectroscopy according to the present invention outputs the transmittance waveform as a wave shape, so that almost half of the light in the measurement section (light wave number space) can pass through, and only half the polarized light can be used. However, the amount of light of the captured image can be increased (that is, brighter) the more it compensates.

ここで、撮像画像の光量について、
(1)「固定波長の分光フィルタ」を用いる場合、
(2)「液晶波長可変フィルタ」を用いる場合、
(3)本発明に係る「フーリエ分光法」を用いる場合、
の3つの場合において、簡単な計算を行って撮像画像の光量を比較する。
Here, regarding the amount of light of the captured image,
(1) When using a "fixed wavelength spectral filter"
(2) When using a “liquid crystal wavelength tunable filter”
(3) When using “Fourier spectroscopy” according to the present invention,
In these three cases, a simple calculation is performed to compare the light amounts of the captured images.

なお、「フーリエ分光法」は、原理的にフーリエ変換を利用する手法である。このため、測定対象物の分光スペクトルが、例えば図5に示すような特性を有している場合において、測定区間の左端(例えば400nm以下)では紫外カットフィルタにより分光強度を0にして撮像し、測定区間の右端(例えば700nm以上)では赤外カットフィルタにより分光強度を0にして撮像することが好ましい。よって上記3つの手法の比較において、測定区間を[400nm,700nm]の300nm区間とし、測定区間内の帯域を30nmとする。   Note that “Fourier spectroscopy” is a technique that uses Fourier transform in principle. For this reason, when the spectral spectrum of the measurement object has characteristics as shown in FIG. 5, for example, the left end of the measurement section (for example, 400 nm or less) is imaged with a spectral intensity of 0 using an ultraviolet cut filter, At the right end of the measurement section (for example, 700 nm or more), it is preferable to pick up an image with a spectral intensity of 0 using an infrared cut filter. Therefore, in the comparison of the above three methods, the measurement interval is set to a 300 nm interval of [400 nm, 700 nm], and the band in the measurement interval is set to 30 nm.

白色光を測った場合、全入射光に対して撮像素子に渡る光量は、以下の通りである。
(1)「固定波長の分光フィルタ」では、分光透過率が100%としても30nm/300nm×100%=10%である。
(2)「液晶波長可変フィルタ」では、偏光で50%、青付近だと偏光板などで吸収されてそのうちの60%しか分光透過率がないので、全体としては、30nm/300nm×50%×60%=3%である。
(3)「フーリエ分光法」では、偏光で50%、液晶デバイス(液晶セル)を通過する波形が波型であることから区間全体でほぼ50%透過するので、全体としては、50%×50%=25%である。
When white light is measured, the amount of light that reaches the image sensor with respect to all incident light is as follows.
(1) In the “fixed wavelength spectral filter”, even if the spectral transmittance is 100%, 30 nm / 300 nm × 100% = 10%.
(2) In the “liquid crystal wavelength tunable filter”, polarized light is 50%, and if it is near blue, it is absorbed by the polarizing plate or the like and only 60% of it has a spectral transmittance. Therefore, as a whole, 30 nm / 300 nm × 50% × 60% = 3%.
(3) In “Fourier spectroscopy”, the polarization is 50%, and the waveform passing through the liquid crystal device (liquid crystal cell) is wave-like, so that almost 50% is transmitted in the entire section. Therefore, as a whole, 50% × 50 % = 25%.

すなわち、「フーリエ分光法」は、「液晶波長可変フィルタ」と比較すると8倍強の明るさを有し、「固定波長の分光フィルタ」と比較しても2.5倍の明るさを有している。無論この明るさは、測定対象スペクトルの形状に依存するが、LEDやレーザーなど極狭帯域の光源を測定するのでない限り問題にはならない。   That is, “Fourier spectroscopy” has a brightness that is more than 8 times that of “liquid crystal wavelength tunable filter” and 2.5 times that of “fixed wavelength spectral filter”. ing. Of course, this brightness depends on the shape of the spectrum to be measured, but it is not a problem unless an extremely narrow band light source such as an LED or a laser is measured.

なお、「フーリエ分光法」という我々の命名の通り、理想的には、(光の波数での)測定区間内で整数箇の波を持つ、正弦波および余弦波の形をした透過率特性を有する液晶デバイスが実現できれば、必要な帯域に達するまでその波の個数(フーリエ周波数)を増やしながら撮像すれば、直接その段階で各画素のフーリエ成分が得られており、実際の光スペクトルを得るには現段階で得られている各画素のフーリエ成分を逆フーリエ変換さえすればよい。   In addition, as our name of “Fourier spectroscopy”, ideally, the transmittance characteristics in the form of sine and cosine waves with an integer number of waves in the measurement interval (in the wave number of light). If the liquid crystal device can be realized, the Fourier components of each pixel can be obtained directly at that stage if images are taken while increasing the number of waves (Fourier frequency) until the necessary bandwidth is reached, and an actual optical spectrum can be obtained. Need only perform an inverse Fourier transform on the Fourier component of each pixel obtained at this stage.

しかしながら、液晶デバイス(液晶セル)の問題は、測定区間内で整数箇の波を持つ正弦波と余弦波を発生させることができない点にある。この点が、本発明の理論以前に、「フーリエ分光法」を実現できない主因であったといっても過言ではない。   However, the problem with liquid crystal devices (liquid crystal cells) is that sine waves and cosine waves having an integer number of waves cannot be generated within the measurement interval. It is no exaggeration to say that this was the main reason why “Fourier spectroscopy” could not be realized before the theory of the present invention.

つぎに、「フーリエ分光法」における「波数(k)」の意味について説明する。   Next, the meaning of “wave number (k)” in “Fourier spectroscopy” will be described.

上述したように、液晶セルの透過率特性は、光の波数空間で正弦波になる。したがって、測定対象物のスペクトルや液晶セルの透過率特性のすべてを光の波数空間で記述すれば、取り扱いや計算処理が容易になる。   As described above, the transmittance characteristic of the liquid crystal cell becomes a sine wave in the wave number space of light. Accordingly, if all of the spectrum of the measurement object and the transmittance characteristics of the liquid crystal cell are described in the wave number space of light, handling and calculation processing are facilitated.

光の波数(k)を用いるとき、測定区間は[k0,k1]のように表すことができる。この測定区間[k0,k1]において、「フーリエ分光法」では、正弦波となっている液晶セルにおける透過率曲線の測定区間内に含まれる波の数を数えることになるが、この「波の数」は、「フーリエ分光法」におけるフーリエ周波数そのものである。すなわち、「フーリエ分光法」において、「波数」は「フーリエ周波数」を意味する。なお、「波数」が整数箇の場合には「m」(mは0以上の整数)で表し、「波数」が非整数箇の場合には「m+δ」(mは整数部、δは小数部)のように表すことにする。   When the wave number (k) of light is used, the measurement interval can be expressed as [k0, k1]. In this measurement section [k0, k1], in “Fourier spectroscopy”, the number of waves included in the measurement section of the transmittance curve in the liquid crystal cell that is a sine wave is counted. The “number” is the Fourier frequency itself in “Fourier spectroscopy”. That is, in “Fourier spectroscopy”, “wave number” means “Fourier frequency”. When “wave number” is an integer, it is represented by “m” (m is an integer of 0 or more), and when “wave number” is a non-integer number, “m + δ” (m is an integer part and δ is a fraction part. ).

液晶セルの透過率は、k=0(1/λ=0)において、偏光板の配置方法に応じて、0か1(半分の偏光をすべて通す)のどちらかしかとることができない。測定区間[k0,k1]は、原点k=0から離れているので、測定区間[k0,k1]だけで見ると、正弦波でも余弦波でもない中途半端な位相の正弦波しか、透過率特性としてとることができない。一方、フーリエ変換では、正弦波をサンプリング波形としたフーリエ成分と、余弦波をサンプリング波形としたフーリエ成分の2つが必須である。したがって、教科書にあるようなフーリエ変換を液晶セルの場合に用いることは不可能か、若しくは困難である。   The transmittance of the liquid crystal cell can be only 0 or 1 (all half polarized light is passed) at k = 0 (1 / λ = 0) depending on the arrangement method of the polarizing plates. Since the measurement interval [k0, k1] is away from the origin k = 0, when only the measurement interval [k0, k1] is viewed, only a half-sine phase sine wave that is neither a sine wave nor a cosine wave has transmittance characteristics. Can not take as. On the other hand, in the Fourier transform, two components, a Fourier component having a sine wave as a sampling waveform and a Fourier component having a cosine wave as a sampling waveform, are essential. Therefore, it is impossible or difficult to use a Fourier transform as in a textbook for a liquid crystal cell.

また、本願で提案する「フーリエ分光法」では、「非整数倍周波数でのフーリエ変換」という新しい数学技法が含まれている。この技法の骨子は、「整数箇の波数を持つサンプリング波形で観測した場合には、測定対象スペクトルの同じ整数周波数成分しか積分に残らず、1対1対応でフーリエ成分が求まるのに対して、非整数箇の波数を持つサンプリング波形で観測した場合、測定対象スペクトルの全周波数成分が位相と共に積分に残るので、波数を小数部で変動させてやれば、位相がサインとコサインのように90度になっていなくても、連立方程式(行列)を解くことにより、測定対象スペクトルの整数周波数成分(フーリエ成分)を求めることができる」、というものである。このような点に着目し、且つ、理論指摘をした者は本願以前には居ないと思われる。   Further, “Fourier spectroscopy” proposed in the present application includes a new mathematical technique “Fourier transform at a non-integer multiple frequency”. The essence of this technique is that “when observed with a sampling waveform having an integer number of waves, only the same integer frequency component of the spectrum to be measured remains in the integral, whereas the Fourier component is found in a one-to-one correspondence, When observed with a sampling waveform having a non-integer number of wave numbers, all frequency components of the spectrum to be measured remain in the integration with the phase, so if the wave number is changed in the fractional part, the phase is 90 degrees like sine and cosine. Even if it is not, it is possible to obtain an integer frequency component (Fourier component) of the spectrum to be measured by solving simultaneous equations (matrix). It seems that there was no one who focused on this point and pointed out the theory before this application.

なお、後述する「サンプリング用波数が整数倍の場合」の項にも記載しているが、非整数倍周波数のサンプリングデータから整数倍周波数フーリエ成分を求めることをせず、対象スペトクルの各帯域で代表値を仮定して、ダイレクトに非整数倍周波数のサンプリングデータからその代表値を求めるのは数学的に正しくないのでできない。   Although described in the section “When the wave number for sampling is an integral multiple” described later, the integral multiple frequency Fourier component is not obtained from the sampling data of the non-integer multiple frequency, and each band of the target spectrum is obtained. Assuming a representative value, it is not possible to obtain the representative value directly from non-integer multiple sampling data because it is mathematically incorrect.

つぎに、上述してきた「フーリエ分光法」に関する数学的な説明および「フーリエ分光法」の理論が正しいことの証明を行う。説明は、「記法」、「サンプリング用波数が整数倍の場合」、「サンプリング用波数が非整数倍の場合」、「サンプリング用波数が非整数倍の場合の連立方程式の解法」の順に行う。   Next, the mathematical explanation about the “Fourier spectroscopy” described above and the theory of the “Fourier spectroscopy” are proved to be correct. The description will be made in the order of “notation”, “when the sampling wave number is an integral multiple”, “when the sampling wave number is a non-integer multiple”, and “solution of simultaneous equations when the sampling wave number is a non-integer multiple”.

(記法)
まず、光の波数空間における測定区間が[k0,k1]で表されるとき、次式に示す変数k'および区間幅Tを定義する。
(notation)
First, when a measurement section in the wave number space of light is represented by [k 0 , k 1 ], a variable k ′ and a section width T shown in the following equations are defined.

Figure 2012181086
Figure 2012181086

また、測定対象スペクトルをx(k')で表すとき、このx(k')は、全区間に対する整数倍の波数m'に対して、フーリエ成分Cm',位相φm'を用いて次式のように表せる。 Further, when the spectrum to be measured is represented by x (k ′), this x (k ′) is expressed by using the Fourier component C m ′ and the phase φ m ′ for the wave number m ′ that is an integral multiple of the entire interval. It can be expressed as an expression.

Figure 2012181086
Figure 2012181086

上記(2)式において、フーリエ級数の値が発散するのを防ぐため、m'の上限値は有限(<∞)とあることを条件とする。   In the above equation (2), the upper limit value of m ′ is finite (<∞) in order to prevent the Fourier series value from diverging.

一方、液晶セルのフィルタ特性をf(m,n,k')で表すとき、mを整数、δを小数部分として、全区間に対する非整数倍の波数m+δm,n、位相αm,nを用いて次式のように表せる。 On the other hand, when the filter characteristic of the liquid crystal cell is represented by f (m, n, k ′), m is an integer, δ is a fractional part, and the wave number m + δ m, n and the phase α m, n are non-integer multiples over the whole interval. And can be expressed as:

Figure 2012181086
Figure 2012181086

上記(3)式において、mはm≧0を満たす整数であり、δm,nは、0<δm,n<1を満たす小数である。なお、m=0かつδm,n=0の場合は、αm,n=0としてDC成分を測定すればよい。また、波数m+δm,n、位相αm,nは、リターデーションで一意に定まる。さらに、実際の測定では、同じmに対して小数部分の異なるリターデーションで回数をこなすため、δm,n、αm,nのように、添字nを付けて区別できるようにした。 In the above equation (3), m is an integer that satisfies m ≧ 0, and δ m, n is a decimal that satisfies 0 <δ m, n <1. When m = 0 and δ m, n = 0, the DC component may be measured with α m, n = 0. The wave number m + δ m, n and the phase α m, n are uniquely determined by the retardation. Furthermore, in actual measurement, since the number of times is different with different retardations for the same m, it is possible to distinguish by adding a subscript n like δ m, n and α m, n .

また、(3)式において、mは測定可能な分解能(区間分割数の波数)にほぼ相当し、δm,n、αm,nは位相を変えてサンプリングしていることにほぼ相当する。なお、最高測定波数がmであるとき、分割数(分解能)は2mである。ただし、後述する非整数倍サンプリングの場合、最高測定波数mを超える2m'まで測定することが可能となる。この点については後述する。 In Equation (3), m substantially corresponds to a measurable resolution (wave number of section division number), and δ m, n and α m, n substantially correspond to sampling with changing phases. When the highest measurement wave number is m, the division number (resolution) is 2 m. However, in the case of non-integer multiple sampling described later, it is possible to measure up to 2 m ′ exceeding the maximum measurement wave number m. This point will be described later.

(サンプリング用波数が整数倍の場合)
サンプリング用波数が整数倍の場合とは、上記(3)式の特別な場合である。この場合、δm,n=0であるので、αm,nはmに関して1通りしかなくなるので、これをαmと表記する。このとき、液晶セルを通過する測定対象物のスペクトル(測定値)Smは、(2),(3)を参照する形の次式で表される。
(When sampling wave number is an integer multiple)
The case where the sampling wave number is an integral multiple is a special case of the above equation (3). In this case, since δ m, n = 0, α m, n has only one type with respect to m, and is expressed as α m . At this time, the spectrum (measured value) S m of the measurement object passing through the liquid crystal cell is expressed by the following equation in the form referring to (2) and (3).

Figure 2012181086
Figure 2012181086

(4)式において、DC(直流)成分については、m'が整数であるため「Σ内cos」の各積分値は零であり、かつ、Σの加算数が有限個であるため、次式のように簡潔に表される。   In the equation (4), for DC (direct current) component, since m ′ is an integer, each integral value of “cos in Σ” is zero, and the number of additions of Σ is finite. It is expressed concisely as follows.

Figure 2012181086
Figure 2012181086

また、m≧1については、次式のように変形される。   For m ≧ 1, the following equation is modified.

Figure 2012181086
Figure 2012181086

上記(6)式において、第2項、第3項は「cos」の項の積分値が零となるため、次式のように簡略化される。   In the above equation (6), since the integral value of the term “cos” in the second and third terms is zero, it is simplified as the following equation.

Figure 2012181086
Figure 2012181086

また、上記(7)式における第2項の積分値は零であり、第3項の積分値はm=m'のときのみ積分値が残るので、さらに次式のように簡略化される。   In addition, the integral value of the second term in the above equation (7) is zero, and the integral value of the third term remains only when m = m ′, and is further simplified as the following equation.

Figure 2012181086
Figure 2012181086

すなわち、S0の測定にてDC成分が確定し、各Smの測定値からDC成分を差し引けば、各Smには未知数Cmとφmの2つが残る。さらにcos(αm−φm)は、その値が±1以外の場合はπ異なる2つの解を有するという不定性を持っているため、同じmに対して位相αmの異なる測定が必要十分であるということを示している(普通のフーリエ変換においてcos変換とsin変換の2つの処理が必要であることと同義である)。 That, the DC component is confirmed by the measurement of S 0, by subtracting the DC component from the measured values of the S m, are two unknowns C m and phi m remains in the S m. Furthermore, since cos (α m −φ m ) has indefiniteness that it has two solutions different by π when the value is other than ± 1, it is necessary and sufficient to measure with different phases α m for the same m. (It is synonymous with the need for two processes of cos transform and sin transform in ordinary Fourier transform).

なお、全区間を幅Δに区間分割して、各区間の測定対象スペクトルの代表値を例えば、

Figure 2012181086
として、このXtを用いて行列形式[Sm]=[Fm,t][Xt]で表すことが可能かという提言がなされることが予想される。しかしながら、S0を除き、上式の変形過程で示したように、積分処理の部分を、フィルタだけの積分と測定対象のスペクトルだけの積分(代表値)との積に分解することができない。このため、このような提言、つまり代表値を用いた行列形式で求めた値は数学的には正しくない。 Note that the entire section is divided into widths Δ, and the representative value of the measurement target spectrum in each section is, for example,
Figure 2012181086
As a result, it is expected that a recommendation will be made as to whether this X t can be used to represent the matrix form [S m ] = [F m, t ] [X t ]. However, except for S 0 , as shown in the transformation process of the above equation, the integration processing part cannot be decomposed into a product of integration of only the filter and integration (representative value) of only the spectrum to be measured. For this reason, such a recommendation, that is, a value obtained in a matrix format using representative values is mathematically incorrect.

(サンプリング用波数が非整数倍の場合)
サンプリング用波数が非整数倍の場合、液晶セルを通過する測定対象物のスペクトル(測定値)Sm,nは、(2),(3)を参照する形の次式で表される。
(When sampling wave number is non-integer multiple)
When the sampling wave number is a non-integer multiple, the spectrum (measured value) S m, n of the measurement object passing through the liquid crystal cell is expressed by the following equation in the form referring to (2) and (3).

Figure 2012181086
Figure 2012181086

ここで、DC成分の測定(S0,0測定)については、整数倍のときと同様である(m=0,δm,n=0,αm,n=0)。 Here, the DC component measurement (S 0,0 measurement) is the same as in the case of integer multiples (m = 0, δ m, n = 0, α m, n = 0).

一方、1>δm,n>0かつm≧0(註:m=0を許容)の場合には、次式のように変形される。 On the other hand, when 1> δ m, n > 0 and m ≧ 0 (註: m = 0 is allowed), the following equation is changed.

Figure 2012181086
Figure 2012181086

上記(11)式において、第3項は「cos」の項の積分値が零となるため(註:第2項は「cos」の項に非整数値であるδm,nが含まれるため零にならない)、次式のように変形される。 In the above equation (11), since the integral value of the term “cos” in the third term is zero (註: the second term includes δ m, n which is a non-integer value in the term “cos”). (It does not become zero).

Figure 2012181086
Figure 2012181086

つぎに、上記(12)式について考察する。まず、リターデーションを決めるとm,δm,n,αm,nは一意に決まるので、各測定値Sm,nには未知数Cm'とφm'とがm'=1〜∞まで含まれている。ここで、(12)式の第3項は、m'に対して1/(m+m'+δm,n)で減衰するので、m'が小さい程Sm,nに寄与する。また、第4項は、m'に対して1/(m−m'+δm,n)で減衰するので、m'=mのときに最大値をとり、m'がmから離れる程減衰する。ただし、どちらの減衰もm'の−1乗オーダーなので、急速な減衰は期待できない。よって、測定対象スペクトルについて、ある周波数m'MAX以上の成分は、Cm'=0と仮定してしまえればm=1〜m'MAXにおける1つのmについて、リターデーションを変えて2回程(n=1,2)測定すれば、連立方程式を解くことができる。 Next, the above equation (12) will be considered. First, when retardation is determined, m, δ m, n and α m, n are uniquely determined. Therefore, unknown values C m ′ and φ m ′ are included in each measured value S m, n from m ′ = 1 to ∞. include. Here, since the third term of the equation (12) attenuates by 1 / (m + m ′ + δ m, n ) with respect to m ′, the smaller m ′ contributes to S m, n . Further, the fourth term attenuates by 1 / (m−m ′ + δ m, n ) with respect to m ′, and therefore takes a maximum value when m ′ = m, and attenuates as m ′ moves away from m. . However, since both attenuations are on the order of m'-1, rapid attenuation cannot be expected. Therefore, the measurement target spectrum, certain frequency m 'components above the MAX, C m' for one of m in if Re Shimae assuming = 0 m = 1 to m 'MAX, about 2 times by changing the retardation ( If n = 1, 2), the simultaneous equations can be solved.

あるいは、同じ仮定の下で、1つのmについて小数部のリターデーションを変えてn回測定すれば、測定対象スペクトルについてm'=(n・m)/2までの波数成分が連立方程式として求められる。これは、測定対象スペクトルが、例えばm'MAXまでの成分を持っていたとしても、mはm'MAXよりも小さくてよいことを意味している。このことを物理的な意味に置き換えると、測定対象スペクトルがm'MAXまでの成分を持っていたとしても、用意するリターデーションはもっと小さいもの(すなわちセルギャップの薄いもの)でよいことを示している。 Alternatively, if the measurement is performed n times while changing the fractional retardation for one m under the same assumption, wave number components up to m ′ = (n · m) / 2 are obtained as simultaneous equations for the measurement target spectrum. . This means that m may be smaller than m ′ MAX even if the spectrum to be measured has components up to m ′ MAX , for example. Replacing this in a physical sense, as measured spectrum had a component of up to m 'MAX, retardation to be prepared indicates that may be those smaller (ie thin cell gap) Yes.

(サンプリング用波数が非整数倍の場合の連立方程式の解法)
上記(12)式において、第1項および第2項は、S0の測定によってDC成分が求まり、またリターデーションによってδm,n,αm,nは一意に決まるので、連立方程式を解くための連立式から除外することができる。よって、(12)式から、第1項および第2項を取り除き、さらに第3項および第4項に共通する係数「(1/4)・(T/2π)」を省略すると、次式が得られる。
(Solving simultaneous equations when sampling wavenumber is non-integer multiple)
In the above equation (12), in the first and second terms, the DC component is obtained by measuring S 0 , and δ m, n and α m, n are uniquely determined by the retardation, so that the simultaneous equations are solved. Can be excluded from the simultaneous equations. Therefore, if the first term and the second term are removed from the equation (12) and the coefficient “(1/4) · (T / 2π)” common to the third term and the fourth term is omitted, the following equation is obtained. can get.

Figure 2012181086
Figure 2012181086

上記(13)式において、未知数はCm'・cos(φm')とCm'・sin(φm')である。そこで、Cm'・cos(φm')とCm'・sin(φm')とを並べた2・m'MAX元のベクトルで、2・m'MAX×2・m'MAXのフィルタ行列として、リターデーションで決まる上記(13)式の係数を配置すれば、正則な行列として解くことができる。なお、選んだリターデーションの都合でδm,n=0となる場合には、整数の場合の式を当てはめればよい。その場合の式は、次式の通りである。 In the above equation (13), the unknowns are C m ′ · cos (φ m ′ ) and C m ′ · sin (φ m ′ ). Therefore, a 2 · m ′ MAX × 2 · m ′ MAX filter is a 2 · m ′ MAX original vector in which C m ′ · cos (φ m ′ ) and C m ′ · sin (φ m ′ ) are arranged. If the coefficient of the above equation (13) determined by retardation is arranged as a matrix, it can be solved as a regular matrix. In the case of δ m, n = 0 due to the selected retardation, an equation for an integer may be applied. The formula in that case is as follows.

Figure 2012181086
Figure 2012181086

このようにして、Cm'・cos(φm')およびCm'・sin(φm')の値が求められると、測定対象スペクトルの周波数成分Cm'および位相成分φm'は、次式および次々式を用いて求めることができる。 When the values of C m ′ · cos (φ m ′ ) and C m ′ · sin (φ m ′ ) are obtained in this way, the frequency component C m ′ and the phase component φ m ′ of the spectrum to be measured are It can obtain | require using a following formula and a following formula.

Figure 2012181086
Figure 2012181086

Figure 2012181086
Figure 2012181086

なお、2・m'MAX×2・m'MAXのフィルタ行列を作るには、次の2通りの考え方がある。 There are the following two ways to create a filter matrix of 2 · m ′ MAX × 2 · m ′ MAX .

(第1の手法)
測定用のリターデーションの波数mを測定対象スペクトルの最大波数m'MAXまで動かし、各mに対する小数部の差異を示すδm,nの値はn=1,2の2回のみとする。この手法は、分解能を上げるためにはセルギャップの大きなセルを用意しておかなければならないが、測定精度は下記に示す第2の手法よりも高くなる。
(First method)
The wave number m of the retardation for measurement is moved to the maximum wave number m ′ MAX of the spectrum to be measured , and the value of δ m, n indicating the difference in the fractional part for each m is n = 1, 2 only. In this method, a cell having a large cell gap must be prepared in order to increase the resolution, but the measurement accuracy is higher than that of the second method described below.

(第2の手法)
測定用のリターデーションの波数mは程々の所に留め(最大波数m'MAXまでは動かさない)、小数部の差異を示すδm,nの個数を増やして(n>2)、測定回数を増やす(各波数のうちの少なくとも1つの波数に対する小数部の差異を示す値は3通り以上の値を用いる)。n・m回の測定をすれば測定対象スペクトルについて、分解能2m'=n・mを得ることができる。ただし、あまりnを増やすと測定精度が落ちてくる(連立方程式における行列式「determinant」が小さくなって来ると解の精度が落ちて来ることからも理解できる)が、大きなセルギャップのセルを用意しておく必要はなく、測定回数さえ増やせば分解能を上げられるという利点がある。
(Second method)
The wave number m of the retardation for measurement is kept at a moderate level (it does not move up to the maximum wave number m ′ MAX ), the number of δ m, n indicating the difference in the decimal part is increased (n> 2), and the number of measurements is Increase (use three or more values to indicate the difference in decimal part for at least one of the wave numbers). If measurement is performed n · m times, a resolution of 2 m ′ = n · m can be obtained for the spectrum to be measured. However, if n is increased too much, the measurement accuracy will drop (it can be understood from the fact that the determinant in the simultaneous equations becomes smaller and the accuracy of the solution will drop), but a cell with a large cell gap is prepared. There is an advantage that the resolution can be increased if the number of measurements is increased.

なお、通常のフーリエ変換(整数倍サンプリング)では、最大波数m'MAXに対して2m'MAXの分割数(求める帯域で測定区間を割った数)までのフーリエ成分しか求められないが、非整数倍周波数でのフーリエ変換の場合は、その整数部分より高い周波数のフーリエ成分までサンプリング積分に残ってくるため、最大波数m'MAXより小さい波数mを用いて、2m'MAX以上の分割数のフーリエ成分の測定が可能となる。すなわち、非整数倍周波数のフーリエ変換では、測定区間を求める帯域で割った数の1/2よりも少ない波数を最大波数(最大サンプリング波数)とする測定が可能となる。 Note that in normal Fourier transform (integer multiple sampling), only the Fourier component up to the division number of 2m ′ MAX (the number obtained by dividing the measurement interval by the desired band) can be obtained with respect to the maximum wave number m ′ MAX . In the case of Fourier transform at a double frequency, the Fourier component having a frequency higher than the integer part remains in the sampling integration, and therefore, using a wave number m smaller than the maximum wave number m ′ MAX , a Fourier having a division number of 2 m ′ MAX or more. The component can be measured. That is, in the Fourier transform of the non-integer multiple frequency, it is possible to perform the measurement with the wave number smaller than ½ of the number divided by the band for obtaining the measurement section as the maximum wave number (maximum sampling wave number).

つぎに、上述した計算処理を行う機能を有するスペクトル測定装置を構成した場合の具体的な処理の流れについて説明する。   Next, a specific processing flow when a spectrum measuring apparatus having a function of performing the above-described calculation processing is configured will be described.

図6は、計算機4(図1参照)における計算処理およびデータの流れを示す図である。図6において、整数倍フーリエ成分算出部31およびフーリエ逆変換部32は、計算機4内に設けられる処理部である。整数倍フーリエ成分算出部31に入力される「データ1,データ2,データ3,…,データ2m」は、図7(a)〜(c)に示すように、液晶セルに与える電圧(V1,V2,V3,…)を順次変えると共に、サンプリング波形の波数(非整数)を適宜変更しながら撮像した画像データであり、これらの画像データは計算機4に記憶される。整数倍フーリエ成分算出部31は、撮像データを用いて生成される連立方程式を解き、未知数である正弦関数(余弦関数)の振幅値と位相とを算出する。なお、この処理は、撮像データにおける各画素毎に実行されることは言うまでもない。   FIG. 6 is a diagram showing a calculation process and a data flow in the computer 4 (see FIG. 1). In FIG. 6, the integer multiple Fourier component calculation unit 31 and the inverse Fourier transform unit 32 are processing units provided in the computer 4. As shown in FIGS. 7A to 7C, “data 1, data 2, data 3,..., Data 2m” input to the integer multiple Fourier component calculation unit 31 are voltages (V1, V2) applied to the liquid crystal cell. (V2, V3,...) Are sequentially changed and the wave number (non-integer) of the sampling waveform is changed as appropriate. The image data is stored in the computer 4. The integer multiple Fourier component calculation unit 31 solves simultaneous equations generated using the imaging data, and calculates the amplitude value and phase of a sine function (cosine function) that is an unknown number. Needless to say, this process is executed for each pixel in the imaging data.

このようにして、整数倍フーリエ成分算出部31にて、整数倍のフーリエ成分データである「フーリエ成分データ1,フーリエ成分データ2,フーリエ成分データ3,…,フーリエ成分データ2m」が生成される。整数倍のフーリエ成分データが生成されてしまえば、後は、これらのデータを逆フーリエ変換すればよい。この処理は、フーリエ逆変換部32が行い、図示のようなスペクトル強度が得られる。   In this way, the integer multiple Fourier component calculation unit 31 generates “Fourier component data 1, Fourier component data 2, Fourier component data 3,..., Fourier component data 2m” which is Fourier component data of an integral multiple. . Once integer multiple Fourier component data has been generated, these data can be inversely Fourier transformed. This process is performed by the inverse Fourier transform unit 32 to obtain a spectral intensity as shown in the figure.

なお、これまで、液晶セルは便宜上1枚であるとして説明してきたが、1枚に限定されるものではない。液晶セルは薄い方が応答が速いので、液晶セルを複数枚で作った方が、動作は速くなる。なお、この場合でも偏光板の枚数は2枚でよく、入射部側に最も近い液晶セルの入射側と、出射部側に最も近い液晶セルの出射側に配置すればよい。液晶セルを薄くした場合、液晶セルの応答が速くなるので、液晶セルが厚い場合に比して、撮像の時間間隔および全体の撮像時間を短くすることができる。   Heretofore, the liquid crystal cell has been described as being one sheet for convenience, but is not limited to one sheet. The thinner the liquid crystal cell, the faster the response. Therefore, the operation is faster when a plurality of liquid crystal cells are made. Even in this case, the number of polarizing plates may be two, and they may be arranged on the incident side of the liquid crystal cell closest to the incident portion side and on the emission side of the liquid crystal cell closest to the emission portion side. When the liquid crystal cell is thinned, the response of the liquid crystal cell is fast, so that the imaging time interval and the overall imaging time can be shortened compared to when the liquid crystal cell is thick.

また、上記とは逆に、液晶セルを厚くすればリターデーションを大きくとれるという利点がある。上述したように、リターデーションは、遅相軸と進相軸との間の光学的距離(液晶の厚さ×屈折率に相当)であり、大きなリターデーションは測定精度を高めることに繋がる。また、大きなリターデーションを有する液晶セルであれば1枚の液晶セルで構成することができるので、液晶デバイスの構成を簡素化できるという効果も得られる。   On the contrary, if the liquid crystal cell is thickened, there is an advantage that the retardation can be increased. As described above, the retardation is an optical distance between the slow axis and the fast axis (corresponding to the thickness of the liquid crystal × the refractive index), and a large retardation leads to an increase in measurement accuracy. In addition, since a liquid crystal cell having a large retardation can be constituted by a single liquid crystal cell, an effect that the configuration of the liquid crystal device can be simplified is also obtained.

以上、本発明では、フーリエ変換素子としての液晶セルの印加電圧を制御することにより、液晶セルを順次通過する透過率波形に含まれる波数が非整数倍の関係となるように制御された画像データを取得すると共に、当該波数の異なる複数の画像データを用いて生成した連立方程式を解くことにより、各画素について、測定区間における整数倍周波数のフーリエ成分を算出し、得られた各画素の整数倍周波数フーリエ成分を逆フーリエ変換することで各画素ごとの分光スペクトルを得る手法について説明してきた。   As described above, in the present invention, by controlling the voltage applied to the liquid crystal cell as the Fourier transform element, the image data controlled so that the wave number included in the transmittance waveform that sequentially passes through the liquid crystal cell has a non-integer multiple relationship. And calculating a Fourier component of an integer multiple frequency in the measurement interval for each pixel by solving simultaneous equations generated using a plurality of image data having different wave numbers, and obtaining an integer multiple of each obtained pixel A method for obtaining a spectral spectrum for each pixel by performing inverse Fourier transform on the frequency Fourier component has been described.

本願発明者は、フーリエ変換素子としての液晶セルを通過した透過率波形が測定区間内で整数箇の波を持つ正弦波と余弦波に分離することができない点に着目することで本発明に想到した。一方、このことは、裏を返せば、フーリエ変換素子を通過した透過率波形が測定区間内で整数箇の波を持つ正弦波と余弦波に分離できる性質のもの、すなわちフーリエ変換素子が整数倍フーリエ変換素子であれば、図6における整数倍フーリエ成分算出部31の構成を省略することが可能となる。図8は、このような観点に基づいて構成されるスペクトル測定装置もしくはスペクトル測定方法を示すものである。   The inventor of the present application conceived the present invention by paying attention to the fact that the transmittance waveform that has passed through the liquid crystal cell as a Fourier transform element cannot be separated into a sine wave and a cosine wave having an integer number of waves in the measurement section. did. On the other hand, this means that the transmittance waveform that has passed through the Fourier transform element can be separated into a sine wave and cosine wave having an integer number of waves in the measurement interval, that is, the Fourier transform element is an integral multiple. If it is a Fourier transform element, the configuration of the integer multiple Fourier component calculation unit 31 in FIG. 6 can be omitted. FIG. 8 shows a spectrum measuring apparatus or spectrum measuring method configured based on such a viewpoint.

図8に示すように、フーリエ逆変換部32に入力される「データ1,データ2,データ3,…,データ2m」が、測定区間において整数箇の波数を持ち90度の固定位相(正弦波と余弦波)を持つものから構成されている場合、観測値は1対1にフーリエ成分に対応しているので、これらのデータを逆フーリエ変換するだけで測定対象物のスペクトル強度を得ることができる。なお、本願発明者は、本発明を出願する時点において、測定対象物のサンプリング波形(光の波数空間における透過率波形)が、整数箇の波数を持ち90度の固定位相を有するようなデバイスの情報を有してはいない。しかしながら、近い将来に、このような特性を有するデバイスが考案されることを期待し、図8に示す技術内容も本願発明の一部として、ここに開示する。   As shown in FIG. 8, “data 1, data 2, data 3,..., Data 2m” input to the inverse Fourier transform unit 32 has an integer number of wave numbers in the measurement interval and a fixed phase of 90 degrees (sinusoidal wave). Since the observed value corresponds to the Fourier component on a one-to-one basis, the spectral intensity of the measurement object can be obtained simply by performing inverse Fourier transform on these data. it can. The inventor of the present application is a device whose sampling waveform of the measurement object (transmittance waveform in the wave number space of light) has an integer number of waves and has a fixed phase of 90 degrees at the time of filing the present invention. I have no information. However, expecting that a device having such characteristics will be devised in the near future, the technical contents shown in FIG. 8 are also disclosed herein as part of the present invention.

以上のように、本発明は、撮像カメラや撮像素子などの撮像手段に十分な光量を渡してS/N比の劣化を抑止することができるスペクトル測定装置およびスペクトル測定方法として有用である。   As described above, the present invention is useful as a spectrum measuring apparatus and a spectrum measuring method capable of suppressing deterioration of the S / N ratio by passing a sufficient amount of light to an imaging unit such as an imaging camera or an imaging element.

1 スペクトル測定装置
2 液晶デバイス
3 撮像装置
4 計算機
5 電圧制御器
7 測定対象物
8 透過率特性
21,23 偏光板
22 液晶セル
31 整数倍フーリエ成分算出部
32 フーリエ逆変換部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Spectrum measuring device 2 Liquid crystal device 3 Imaging device 4 Calculator 5 Voltage controller 7 Measuring object 8 Transmittance characteristic 21, 23 Polarizing plate 22 Liquid crystal cell 31 Integer multiple Fourier component calculation part 32 Fourier inverse transformation part

Claims (7)

測定対象物の分光スペクトルを計算する処理部を有するスペクトル測定装置であって、
フーリエ変換素子としての液晶デバイスと、
前記液晶デバイスへの印加電圧を制御する電圧制御器と、
前記液晶デバイスを通過した前記測定対象物の透過率波形を撮像する撮像装置と、
を備え、
前記処理部は、
前記透過率波形に含まれる波数が非整数倍の関係となるように前記液晶デバイスへの印加電圧を制御しつつ撮像された画像データを記憶すると共に、当該波数の異なる複数の画像データに基づく連立方程式を解くことにより、各画素について、測定区間における整数倍周波数のフーリエ成分を算出する整数倍フーリエ成分算出部と、
前記整数倍フーリエ成分算出部が算出した各画素の整数倍周波数フーリエ成分を逆フーリエ変換することにより各画素ごとの分光スペクトルを算出するフーリエ逆変換部と、
を備えたことを特徴とするスペクトル測定装置。
A spectrum measuring apparatus having a processing unit for calculating a spectrum of a measurement object,
A liquid crystal device as a Fourier transform element;
A voltage controller for controlling a voltage applied to the liquid crystal device;
An imaging device that images the transmittance waveform of the measurement object that has passed through the liquid crystal device;
With
The processor is
The image data captured while controlling the voltage applied to the liquid crystal device so that the wave number included in the transmittance waveform has a non-integer multiple relationship is stored, and simultaneous data based on a plurality of image data having different wave numbers By solving the equation, for each pixel, an integer multiple Fourier component calculation unit that calculates an integer multiple frequency Fourier component in the measurement interval;
A Fourier inverse transform unit that calculates a spectral spectrum for each pixel by inverse Fourier transforming the integer multiple frequency Fourier component of each pixel calculated by the integer multiple Fourier component calculation unit;
A spectrum measuring apparatus comprising:
前記液晶デバイスは、一対の偏光子と、当該一対の偏光子に挟まれる液晶セルで構成されることを特徴とする請求項1に記載のスペクトル測定装置。   The spectrum measuring apparatus according to claim 1, wherein the liquid crystal device includes a pair of polarizers and a liquid crystal cell sandwiched between the pair of polarizers. 前記液晶セルは、間に偏光板を挟まない複数枚の液晶セルにより構成されることを特徴とする請求項2に記載のスペクトル測定装置。   The spectrum measuring apparatus according to claim 2, wherein the liquid crystal cell includes a plurality of liquid crystal cells with no polarizing plate interposed therebetween. 測定対象物の分光スペクトルを測定するスペクトル測定方法であって、
フーリエ変換素子としての液晶セルを利用し、液晶セルを通過する透過率波形を複数の非整数倍周波数に変更しながら撮像する第1のステップと、
前記第1のステップにて得られた複数の画像データに基づく連立方程式を解くことにより、各画素について、測定区間の整数倍周波数のフーリエ成分を算出する第2のステップと、
前記第2のステップにて得られた各画素の整数倍周波数フーリエ成分を逆フーリエ変換することにより各画素ごとの分光スペクトルを得る第3のステップと、
を含むことを特徴とするスペクトル測定方法。
A spectrum measurement method for measuring a spectrum of a measurement object,
A first step of imaging using a liquid crystal cell as a Fourier transform element while changing a transmittance waveform passing through the liquid crystal cell to a plurality of non-integer multiple frequencies;
A second step of calculating, for each pixel, a Fourier component of an integer multiple frequency of a measurement section by solving simultaneous equations based on a plurality of image data obtained in the first step;
A third step of obtaining a spectral spectrum for each pixel by performing an inverse Fourier transform on the integer multiple frequency Fourier component of each pixel obtained in the second step;
A spectral measurement method comprising:
前記第1のステップには、測定用のリターデーションの波数を変更するサブステップが含まれ、このサブステップでは、前記波数を測定対象スペクトルの最大波数まで動かし、各波数に対する小数部の差異を示す値は2通りの値を用いることを特徴とする請求項4に記載のスペクトル測定方法。   The first step includes a sub-step of changing the wave number of the retardation for measurement. In this sub-step, the wave number is moved to the maximum wave number of the spectrum to be measured, and the difference in the decimal part for each wave number is indicated. The spectrum measurement method according to claim 4, wherein two values are used. 前記第1のステップには、測定用のリターデーションの波数を変更するサブステップが含まれ、このサブステップでは、前記波数の変更を測定対象スペクトルの最大波数未満の値に留める一方で、各波数のうちの少なくとも1つの波数に対する小数部の差異を示す値として3通り以上の値を用いることを特徴とする請求項4に記載のスペクトル測定方法。   The first step includes a sub-step of changing the wave number of the retardation for measurement, and in this sub-step, the change of the wave number is kept to a value less than the maximum wave number of the spectrum to be measured, while each wave number The spectrum measurement method according to claim 4, wherein three or more values are used as values indicating a difference in the decimal part with respect to at least one of the wave numbers. 測定対象物の分光スペクトルを計算する処理部を有するスペクトル測定装置であって、
整数倍周波数のフーリエ成分を生成可能な整数倍フーリエ変換素子と、
前記整数倍フーリエ変換素子を通過した前記測定対象物の透過率波形を撮像する撮像装置と、
を備え、
前記処理部は、
前記撮像装置が順次撮像した画像データを記憶すると共に、当該画像データの各画素の整数倍周波数フーリエ成分を逆フーリエ変換することにより各画素ごとの分光スペクトルを算出するフーリエ逆変換部と、
を備えたことを特徴とするスペクトル測定装置。
A spectrum measuring apparatus having a processing unit for calculating a spectrum of a measurement object,
An integer multiple Fourier transform element capable of generating an integer multiple frequency Fourier component;
An imaging device that images the transmittance waveform of the measurement object that has passed through the integer multiple Fourier transform element;
With
The processor is
A Fourier inverse transform unit that stores image data sequentially captured by the imaging device and calculates a spectral spectrum for each pixel by performing an inverse Fourier transform on an integer multiple frequency Fourier component of each pixel of the image data;
A spectrum measuring apparatus comprising:
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