JP2014010093A - 分光画像撮像装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】小型の分光画像撮像装置であっても、正反射の影響を抑制することができ、対象物の正確な分光分析を可能とする分光画像撮像装置を提供する。
【解決手段】光源装置と、撮像装置と、を備え、前記光源装置は、光源部と、第1レンズ群と、第1偏光手段と、を備え、前記撮像装置は、第2偏光手段と、第2レンズ群と、光フィルターと、撮像手段と、を備える分光画像撮像装置。
【選択図】図1

Description

本発明は、分光画像撮像装置に関する。
対象物の成分、あるいは含有物の情報を、対象物を破壊せずに取得する方法として、対象物のスペクトル画像データを取り込み、このデータを分析して成分情報などを得る方法が広く用いられている。例えば、特許文献1では対象物の特定部位のスペクトルデータを取得する方法として、対象物全体を撮像し対象物画像を取得する画像データ取得装置と、取得された対象物画像より狭い範囲におけるスペクトルデータを取得するスペクトルデータ取得装置と、を備え、画像データ取得装置より高い波長分解能をスペクトルデータ取得装置が備えることよって、大まかな対象物の特徴を画像データ取得装置で得、そのデータの特徴的な部位の詳細な分析をスペクトルデータ取得装置が取得する。この詳細部位の決定手段を装置自体に備えることにより、対象物の特徴、すなわち解析を操作者(人)の判断を経ずに行い、速やか、且つ安定した解析を行う分光画像入力システムが開示されている。
また、特許文献2では単板方式のデジタルカメラであっても、狭帯域の透過波長特性を持つ分光フィルターを用い、透過波長帯域を変化させて対象物の撮像画像を取得し、取得した各波長帯域の画像を合成することで対象物の分光画像を得ることができる撮像装置が開示されている。
特開2000−329617号公報 特開2009−33222号公報
しかし、近年、健康維持、食品安全性の確保などの動向から、食品の成分、糖度などを測定する小型のフードチェッカー等の要求が高まっている。しかし、特許文献1に開示された分光画像入力システムでは、対象物の全体画像を取得する撮像装置に加え、特定部位のスペクトル画像を取得するスペクトルデータ取得装置も必要とし、大型の装置となってしまっていた。また、装置の小型化は、言い換えると近接した対象物を撮像することを可能とすることとなるが、食品成分などの測定は、その表面ではなく内部を測定する必要があり、撮像対象食品が光沢表面を有する物であった場合、光沢面からの正反射光による影響を抑制しなければならない。しかし、特許文献2に示す撮像装置では、近接した対象物の撮像方法を示唆する記載はあるが、正反射の影響に関する開示はされていない。
そこで、小型の分光画像撮像装置であっても、正反射の影響を抑制することができ、対象物の正確な分光分析を可能とする分光画像撮像装置を提供する。
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。
〔適用例1〕本適用例の分光画像撮像装置は、光源装置と、撮像装置と、を備え、前記光源装置は、光源部と、第1レンズ群と、第1偏光手段と、を備え、前記撮像装置は、第2偏光手段と、第2レンズ群と、光フィルターと、撮像手段と、を備えることを特徴とする。
本適用例の分光画像撮像装置によれば、光源装置に備える第1偏光手段によって出射される偏光光は成分分析される対象物にその偏光光が投射されると、対象物の内部に侵入し、内部成分によって反射される光は出射光の偏光が解消された光となる。一方、対象物表面において正反射される光は、出射された偏光光の偏光を維持して反射される。撮像装置側では、対象物の内部成分によって偏光が解消された反射光と、対象物表面で正反射された偏光光と、が混在した分析光が入射される。入射された分析光から、撮像装置に備える第2偏光手段によって、偏光光が吸収されて対象物の内部成分によって偏光が解消された反射光だけが撮像部に到達する。従って、対象物表面による正反射成分が除去された分析光を撮像部で受光させることができるため、正確な対象物の分光分析画像を形成することができる分光画像撮像装置が得られる。
〔適用例2〕上述の適用例において、前記第1偏光手段および前記第2偏光手段は、直線偏光部を備え、前記第1偏光手段による直線偏光方向と、前記第2偏光手段による直線偏光方向と、が直交するように、前記第1偏光手段および前記第2偏光手段が配置されていることを特徴とする。
上述の適用例における「直交」とは、厳密な角度90度での交差を意味するものではない。少なくとも一般的な装置の組み立て上の位置精度、あるいは部品そのもののばらつきが考慮された角度90度を狙い値として所定の角度範囲を有しているものである。上述の適用例によれば、第1偏光手段および第2偏光手段が直線偏光に偏光する直線偏光部であることにより、対象物表面での正反射光の偏光の乱れ(ずれ)が少なく、撮像装置では、より確実に正反射光の除去を行うことができ、正確な対象物の分光分析画像を形成することができる分光画像撮像装置が得られる。
〔適用例3〕上述の適用例において、前記直線偏光部が、直線偏光板であることを特徴とする。
上述の適用例によれば、装置構成が簡単で、第1偏光手段と第2偏光手段との偏光軸の調整が容易な分光画像撮像装置を得ることができる。
〔適用例4〕上述に適用例において、前記第1偏光手段および前記第2偏光手段は、円偏光部を備え、前記第1偏光手段による円偏光の回転方向と、前記第2偏光手段による円偏光の回転方向と、を同方向となるように、前記第1偏光手段および前記第2偏光手段が配置されていることを特徴とする。
上述の適用例によれば、第1偏光手段および第2偏光手段が円偏光に偏光する円偏光部であることにより、対象物表面での正反射光の偏光の乱れ(ずれ)が少なく、撮像装置では、光軸に対する光軸周りの第2偏光手段の配置ずれがあっても、円偏光であることにより確実に正反射光の除去を行うことができる。従って、正確な対象物の分光分析画像を形成することができる分光画像撮像装置が得られる。
〔適用例5〕上述の適用例において、前記円偏光部が、λ/4位相差板を含むことを特徴とする。
上述の適用例によれば、偏光板にλ/4位相差板を重ねることで容易に偏光を得ることができ、更に第1偏光手段と第2偏光手段とが、同じ円偏光部を備えることができるため、円偏光の方向を容易に合わせることができる分光画像撮像装置を得ることができる。
〔適用例6〕上述の適用例において、前記光フィルターが、波長可変光フィルターであることを特徴とする。
上述の適用例によれば、対象物が含む多様な成分から所望の成分の分光画像を取得する波長域を、波長可変光フィルターを用いることで、一台の分光画像撮像装置で所望の分光画像を取得可能とすることができる。
〔適用例7〕本適用例の分光画像撮像装置は、光源と、第1偏光手段と、第2偏光手段と、光フィルターと、撮像手段と、を備え、前記第1偏光手段は、前記光源と撮像対象物との間の第1の光路上に配置され、前記第2偏光手段は、前記撮像対象物と前記撮像手段との間の第2の光路上に配置されていることを特徴とする。
本適用例の分光画像撮像装置によれば、光源装置に備える第1偏光手段によって出射される偏光光は成分分析される対象物にその偏光光が投射されると、対象物の内部に侵入し、内部成分によって反射される光は出射光の偏光が解消された光となる。一方、対象物表面において正反射される光は、出射された偏光光の偏光を維持して反射される。撮像装置側では、対象物の内部成分によって偏光が解消された反射光と、対象物表面で正反射された偏光光と、が混在した分析光が入射される。入射された分析光から、撮像装置に備える第2偏光手段によって、偏光光が吸収されて対象物の内部成分によって偏光が解消された反射光だけが撮像部に到達する。従って、対象物表面による正反射成分が除去された分析光を撮像部で受光させることができるため、正確な対象物の分光分析画像を形成することができる分光画像撮像装置が得られる。
〔適用例8〕上述の適用例において、前記第1偏光手段および前記第2偏光手段は、直線偏光部を備え、前記第1偏光手段による直線偏光方向と、前記第2偏光手段による直線偏光方向と、が直交するように、前記第1偏光手段および前記第2偏光手段が配置されていることを特徴とする。
上述の適用例においても、「直交」とは、厳密な角度90度での交差を意味するものではない。少なくとも一般的な装置の組み立て上の位置精度、あるいは部品そのもののばらつきが考慮された角度90度を狙い値として所定の角度範囲を有しているものである。上述の適用例によれば、第1偏光手段および第2偏光手段が直線偏光に偏光する直線偏光部であることにより、対象物表面での正反射光の偏光の乱れ(ずれ)が少なく、撮像装置では、より確実に正反射光の除去を行うことができ、正確な対象物の分光分析画像を形成することができる分光画像撮像装置が得られる。
第1実施形態に係る分光画像撮像装置を示す、(a)は概略構成のブロック図、(b)は光源装置のブロック図、(c)は撮像装置のブロック図。 第1実施形態に係る分光画像撮像装置における、(a)は光源装置から射出される光と、撮像装置に入射される光の関係を模式的に示す概念図、(b)は正反射を説明する光量分布の模式図。 第1実施形態に係る分光画像撮像装置に備える光フィルターの概略構成の断面図。 第2実施形態に係る分光画像撮像装置を示す、(a)は概略構成のブロック図、(b)は光源装置のブロック図、(c)は撮像装置のブロック図。 第2実施形態に係る分光画像撮像装置における、(a)は光源装置から射出される光と、撮像装置に入射される光の関係を模式的に示す概念図、(b)〜(d)は円偏光の方向を説明する矢視図。
以下、図面を参照して、本発明に係る実施形態を説明する。
(第1実施形態)
図1は、第1実施形態に係る分光画像撮像装置の概略構成を示すブロック図である。図1(a)に示すように、第1実施形態に係る分光画像撮像装置100は、光源装置10と撮像装置20を備える画像取得装置30(以下、分光カメラ部30という)と、光源装置10の制御および撮像装置20で得られる画像の画像処理を行う処理制御部40とを含んで構成される。
図1(b)に示すように、光源装置10は、光源となるランプを備える光源部1と、光源部1からのランプ光Laを平行光Lbにする第1レンズ群2と、第1レンズ群2からの平行光Lbを直線偏光Lpに偏光する第1偏光手段としての第1偏光板3と、を備えている。光源部1から出射されたランプ光Laは、第1レンズ群2と第1偏光板3を通過し、直線偏光Lpとなって対象物Mに向けて出射される。なお、第1レンズ群2は、作図では1枚のレンズで描画してあるが、複数のレンズを組み合わせて構成されている。
光源装置10から発光された直線偏光Lpは、対象物Mの分析項目により適宜選択されるが、例えば対象物Mが食品であり、その内部成分の分析を行う場合には赤外線を用いることが好ましい。また、対象物Mの表面の測色の場合には可視光を用いることもできる。従って、赤外線を用いる場合には、光源部1はタングステンランプ、赤外LEDなどの光源を用いる。
図1(c)に示すように、撮像装置20は、対象物Mからの反射光Lrを直線偏光Lcに偏光する第2偏光手段としての第2偏光板4と、偏光された直線偏光Lcを集光し平行光Ldにする第2レンズ群5と、第2レンズ群5による平行光Ldを所望の波長の分析光Leにフィルタリングする光フィルター6と、光フィルター6を通過した所望の波長を有する分析光Leによる画像を撮像する撮像手段としての撮像素子7と、を備えている。なお、第2レンズ群5は、作図では1枚のレンズで描画してあるが、複数のレンズを組み合わせて構成されている。
図2(a)は、光源装置10から射出される光と、撮像装置20に入射される光の関係を模式的に示す概念図である。図2(a)に示すように、光源部1から第1レンズ群2を透過してきた平行光Lbは、平行光ではあっても、あらゆる方向に振動する光の集合である。その平行光Lbを、直線振動方向P1に偏光する第1偏光板3を透過させることにより直線振動方向P1に偏光された直線偏光Lpが対象物Mに向けて投射される。
対象物Mに投射された直線偏光Lpが上述した赤外線の波長領域であるため、対象物Mの表面だけではなく、内部にまで直線偏光Lpは到達する。対象物Mの内部に到達した直線偏光Lpは、対象物Mの内部での反射を繰り返すことにより偏光が解消され、あらゆる方向に振動する光の集合である反射光Lrとして反射される。しかし、この反射光Lrには、対象物Mの表面で直線偏光Lpが正反射された偏光反射光LrPが含まれている。正反射された偏光反射光LrPは、図1に示す撮像素子7に投射される光量分布、すなわち反射光Lrの光量分布では、図2(b)に示すように正反射した偏光反射光LrPが、他の正反射を含まない領域の光量を超える光量として反射される。このように、正反射により光量の多い部位が存在することによって、対象物Mの内部成分を示す分光画像に大きな誤差を生じてしまう。
そこで、図2(a)に示すように、反射光Lrを受光する撮像装置20に備える第2偏光板4の偏光軸が、第1偏光板3の偏光軸、すなわち偏光方向P1に対して直交する方向に偏光方向P2となるように、第2偏光板4を配置することにより、正反射成分である偏光反射光LrPが除去された直線偏光Lcを得る。これにより、直線偏光Lcが第2レンズ群5と光フィルター6を透過した分析光Leによって得られる分光画像は、光量の分布に著しい偏りが少ないものを得ることができる。従って、より正確な分析結果が得られる分光画像を得ることができる。
図1(c)に示すように、第2偏光板4を透過し、直線偏光Lcとなった入射光は第2レンズ群5により集光され、平行光Ldとなって光フィルター6へ導光される。光フィルター6は、本実施形態では可変波長光フィルターを用いて説明する。可変波長光フィルターは、いわゆるエタロンフィルターと呼ばれ、図3にその概略断面図を示す。図3に示すように可変波長光フィルターの光フィルター6は、第1基板6aと第2基板6bとが接合されて形成される。第1基板6a、第2基板6bは透明部材、例えばソーダガラス、結晶性ガラス、石英ガラス、鉛ガラス、カリウムガラス、ホウケイ酸ガラス、無アルカリガラスなどの各種ガラス、あるいは水晶などの光透過性の材料から形成される。
第1基板6aの中央部の第2基板6bに対向する面には第1反射膜6cが形成され、第1反射膜6cに対向する第2基板6bの内部突起6dの上面に第2反射膜6eが形成されている。反射膜6c,6eは高屈折率層と低屈折率層とが交互に複数層積層された誘電体多層膜により構成されている。光フィルター6が可視光線あるいは赤外線の波長領域で用いられる場合、誘電体多層膜の高屈折率層を形成する材料としては、例えば酸化チタン(TiO2)、酸化タンタル(Ta25)、酸化ニオブ(Nb25)などが用いられ、低屈折率層を形成する材料としては、例えばフッ化マグネシウム(MgF2)、酸化ケイ素(SiO2)などが用いられる。また、光フィルター6を紫外線の波長領域で用いる場合、高屈折層を形成する材料としては、例えば酸化アルミニウム(Al23)、酸化ハフニウム(HfO2)、酸化ジルコニウム(ZrO2)、酸化トリウム(ThO2)などが用いられ、低屈折率層を形成する材料としては、例えばフッ化マグネシウム(MgF2)、酸化ケイ素(SiO2)などが用いられる。また、反射膜6c、6eとして、たとえば銀などの金属系反射膜を用いてもよい。
第1基板6aの第1反射膜6cの外周には円環状の第1電極6fが形成されている。第2基板6bには、第1電極6fに対向して第2電極6gが形成されている。第1電極6fおよび第2電極6gに、図1(a)に示す処理制御部40の制御に基づいて電流が流され、その電流の強さ、向き等によって第1電極6fと第2電極6gとが引き合う力を発生させる。この引き合う力によって、第1電極6fが形成されている第1基板6aの領域が円環状の薄肉部6hに形成されていることにより、薄肉部6hが撓まされ、第1反射膜6cと第2反射膜6eとの間隔G(以下、ギャップGという)を任意に変えることにより、ギャップGの間での光の多重干渉によって、入射される平行光Ldをフィルタリングして、所定の波長の分析光Leを出射させることができる。
分析光Leは図1(c)に示すように、撮像素子7は、例えばCCD(Charge Coupled Decice)イメージセンサーを用い、分析光Leを画像信号に変換する。分析光Leは、光フィルター6を駆動させN種の波長の異なる分析光Le1,Le2,・・・,LeNを出射させて、それぞれの分析光Le1,Le2,・・・,LeNに基づく画像信号を処理制御部40に送り、所定の分析画像(データ)を作成する。これらN種の分析光Le1,Le2,・・・,LeNは、対象物Mの各主成分に特徴付けられた波長の光を反射光Lrから抽出し、処理制御部40において、画像処理されてデータとして分光画像を出力する。
上述のように、第1実施形態に係る分光画像撮像装置100は、光源装置10に備える第1偏光板3と、撮像装置20に備える第2偏光板4と、を互いの偏光方向を直交させることによる、対象物Mからの正反射成分が除去された分析光Leを得ることができる。従って、精度の高い分光分析用の画像を得ることができる。また、正反射を容易に除去できる構成であることから、図2(a)に示す出射光である直線偏光Lpの光軸と、反射光Lrの光軸と、の成す角度θを、正反射を多く受光し易くなる0度に近い鋭角にして装置構成することが可能となる。従って、図1(a)に示したように分光カメラ部30をより小型化することが可能となり、例えば一般的なデジタルカメラのように、手に持っての分析撮影が可能となる。更に、処理制御部40も分光カメラ部30と一体的に構成することによって、持ち運びが可能な分光画像撮像装置100を得ることができる。
(第2実施形態)
第2実施形態として、第1実施形態に係る分光画像撮像装置100に備える第1偏光板3と第2偏光板4が異なる形態の分光画像撮像装置200を説明する。なお、第2実施形態に係る分光画像撮像装置200において、第1実施形態に係る分光画像撮像装置100と同じ構成には同じ符号を付し、説明を省略することがある。
図4は、第2実施形態に係る分光画像撮像装置200の、(a)は概略構成を示すブロック図、(b)は光源装置の構成を示すブロック図、(c)は撮像装置の構成を示すブロック図である。図4(a)に示すように、分光画像撮像装置200は、第1実施形態に示す分光画像撮像装置100と同じ構成を備え、分光カメラ部230に備える光源装置210および撮像装置220に、図4(b),(c)に示すように円偏光の第1円偏光板203と第2円偏光板204を備えている。光源装置210からは光源部1から出射された光を第1円偏光板203によって円偏光された円偏光LpSが出射される。出射された円偏光LpSが対象物Mによって反射された反射光Lrは、第2円偏光板204によって右円偏光と左円偏光とに分離後、一方の円偏光LcSのみを透過して、第2レンズ群5によって集光され平行光Ldとなって光フィルター6に導光される。光フィルター6により所望の波長の分析光Leが得られ、撮像素子7により画像データが生成される。なお、円偏光板203,204は、直線偏光板にλ/4位相差板の軸を45度傾けて接合された偏光板を用いることにより、円偏光に偏光して出射することができる。
図5は、光源装置210から射出される光と、撮像装置220に入射される光の関係を模式的に示す概念図である。図5(a)に示すように、第1レンズ群2を透過した平行光Lbはλ/4位相差板を備える第1円偏光板203を透過し、円偏光LpSに偏光されて出射し、対象物Mへ照射される。この円偏光LpSは、図示する円偏光LpSの光軸に沿った矢印Wp方向からの矢視の図5(b)に示すように、本例では図示左回転で出射されるように偏光されている。
円偏光LpSは、対象物Mに照射されると、対象物Mの内部に到達し反射され反射光Lrとなる。反射光Lrは、対象物Mの内部で円偏光LpSの円偏光が解消され、あらゆる方向に振動する光の集合である反射光となる。しかし、この反射光Lrには、対象物Mの表面で円偏光LpSが正反射された円偏光反射光LrSが含まれている。この円反射光LrSは、図示する反射光Lrの光軸に沿った矢印Wr方向からの矢視の図5(c)に示すように、本例では図示右回転で反射される。すなわち正反射光LrSは出射された円偏光LpSの円偏光の回転方向とは逆方向の回転を有する円偏光LrSになる。
反射光Lrは、第2円偏光板204に入射される。第2円偏光板204は、図示する反射光Lrの光軸に沿った矢印Wr方向からの矢視の図5(d)に示すように、図示左回転の円偏光LcSに偏光する。従って、第2円偏光板204に入射される反射光Lrに含まれる円偏光反射光LrSは、逆方向の回転に偏光する第2円偏光板204によって吸収されてしまう。
このように、第2実施形態に係る分光画像撮像装置200では、光源装置10に備える第1円偏光板203と、撮像装置20に備える第2円偏光板204と、を互いに出射する円偏光の回転方向を同じにさせることにより、対象物Mからの正反射成分が除去された分析光Leを得ることができる。従って、精度の高い分光分析用の画像を得ることができる。なお、第2実施形態に係る分光画像撮像装置200において、図5(b)では円偏光LpSは図示左回転、図5(c)では円偏光反射光LrSは図示右回転、図5(d)では円偏光LcSは図示左回転、として説明したが、これに限定されず、円偏光LpSと円偏光LcSが同じ回転方向の円偏光であればよい。
上述の第1実施形態に係る分光画像撮像装置100の第1偏光板3は、偏光変換素子、例えばPBS(Polarized Beam Splitter)であってもよい。偏光変換素子を用いることにより光源装置10からの出射光Lpの光量の減量を少なくすることができ、分析画像の明度、コントラスト等の品質を高めることができる。従って、より正確な分析が可能な分光画像撮像装置を得ることができる。
M…対象物、1…光源部、2…第1レンズ群、3…第1偏光板、4…第2偏光板、5…第2レンズ群、6…光フィルター、10…光源装置、20…撮像装置、30…画像取得装置(分光カメラ部)、40…処理制御部、100…分光画像撮像装置。

Claims (8)

  1. 光源装置と、撮像装置と、を備え、
    前記光源装置は、光源部と、第1レンズ群と、第1偏光手段と、を備え、
    前記撮像装置は、第2偏光手段と、第2レンズ群と、光フィルターと、撮像手段と、を備える、
    ことを特徴とする分光画像撮像装置。
  2. 前記第1偏光手段および前記第2偏光手段は、直線偏光部を備え、
    前記第1偏光手段による直線偏光方向と、前記第2偏光手段による直線偏光方向と、が直交するように、前記第1偏光手段および前記第2偏光手段が配置されている、
    ことを特徴とする請求項1に記載の分光画像撮像装置。
  3. 前記直線偏光部が、直線偏光板である、
    ことを特徴とする請求項2に記載の分光画像撮像装置。
  4. 前記第1偏光手段および前記第2偏光手段は、円偏光部を備え、
    前記第1偏光手段による円偏光の回転方向と、前記第2偏光手段による円偏光の回転方向と、が同方向となるように、前記第1偏光手段および前記第2偏光手段が配置されている、
    ことを特徴とする請求項1に記載の分光画像撮像装置。
  5. 前記円偏光部が、λ/4位相差板を含む、
    ことを特徴とする請求項4に記載の分光画像撮像装置。
  6. 前記光フィルターが、波長可変光フィルターである、
    ことを特徴とする請求項1から5のいずれか一項に記載の分光画像撮像装置。
  7. 光源と、第1偏光手段と、第2偏光手段と、光フィルターと、撮像手段と、を備え、
    前記第1偏光手段は、前記光源と撮像対象物との間の光路上に配置され、
    前記第2偏光手段は、前記撮像対象物と前記撮像手段との間の光路上に配置されている、
    ことを特徴とする分光画像撮像装置。
  8. 前記第1偏光手段および前記第2偏光手段は、直線偏光部を備え、
    前記第1偏光手段による直線偏光方向と、前記第2偏光手段による直線偏光方向と、が直交するように、前記第1偏光手段および前記第2偏光手段が配置されている、
    ことを特徴とする請求項7に記載の分光画像撮像装置。
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