JP2016033489A - 分光画像取得装置、及び受光波長取得方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】分光カメラ1は、波長可変干渉フィルター5と、2次元アレイ構造の複数の受光素子133Aを有する撮像部133と、リファレンス光を撮像部133で受光した際に、各受光素子133Aから出力される信号値に基づいて、各受光素子133Aでの受光中心波長を取得する波長取得部と、を備え、リファレンス光は、所定波長域における各波長成分の光量が面内均一であり、受光素子133Aで各波長成分の光を受光した際の信号値は、波長成分毎でそれぞれ異なる。
【選択図】図1
Description
この特許文献1に記載の装置は、反射膜を対向配置させた干渉フィルターの傾斜角を変化させることで、面分光させる光の波長を変化させ、面分光された波長の光を撮像して分光画像を得る。
上記のような面内ムラが生じると、カメラを構成する各受光素子において、それぞれ異なる波長の光が受光されてしまい、目標波長の分光画像を精度よく取得することができない。
ここで、本適用例のリファレンス光は、各波長成分の光量が面内において均一であり、分光フィルターにリファレンス光を入射させた際に入射位置によって光量値が変化することがない。例えば、リファレンス光に含まれる波長λ1の光は、分光フィルターの入射する位置によらず同じ光量Aとなる。この場合、分光フィルターにおける入射光の入射領域内で、分光される光の波長にムラがない(面内ムラがない)場合、分光フィルターから波長λ1の光を透過させると、撮像部の各受光素子において光量Aに対応した信号値が出力される。
また、本適用例において、リファレンス光を受光素子で受光させた際に、波長成分毎に受光素子から出力される信号値が異なる。すなわち、波長λ1の光を受光素子で受光させた際の信号値と、波長λ2の光を受光素子で受光させた際の信号値はそれぞれ異なる値となる。
このように、各受光素子で受光される光の中心波長が取得されることで、撮像画像における波長分布を判定することができ、波長補正を行うことで高精度な分光画像を撮像することができる。例えば、各受光素子で目標波長の光を受光できるように分光フィルターから出射させる光の波長を順次変更し、各受光素子における目標波長の光の光量をそれぞれ検出した後、これらを例えば合成することで、目標波長の分光画像を取得することが可能となる。
例えば、リファレンス光の波長特性が略一定(各波長の光量が均一)である場合や受光素子の波長に対する感度特性が略一定である場合、固定フィルターが設けられていない場合、各受光素子から出力される信号値が波長成分毎に近い値となり、受光された光の中心波長の判定が困難となる場合がある。これに対して、本適用例では、上記のような固定フィルターを用いることで、各受光素子からの信号値が波長成分毎に異なる値となる。従って、より精度よく受光素子で受光された光の中心波長を取得することができる。
例えば、リファレンス光の波長特性が略一定(各波長の光量が均一)である場合や受光素子の波長に対する感度特性が略一定である場合、各受光素子から出力される信号値が波長成分毎に近い値となり、受光された光の中心波長の判定が困難となる場合がある。これに対して、本適用例では、上記のように光源から射出される各波長の光量がそれぞれ異なるため、各受光素子からの信号値が波長成分毎に異なる値となる。この場合、上記適用例のように固定フィルターを用いることなく、リファレンス光を受光した際の各受光素子から出力される信号値が異なる値となり、精度よく受光素子で受光された光の中心波長を取得することができる。
また、上記適用例のように固定フィルターを用いる場合であっても、光源から出射されるリファレンス光の波長特性と、固定フィルターの透過率特性とを掛けあわせた際に、各波長成分でそれぞれ異なる光量となるように、光源及び固定フィルターの特性を設定すればよい。
例えば、リファレンス光の波長特性が略一定(各波長の光量が均一)である場合や受光素子の波長に対する感度特性が略一定である場合、信号値が波長成分毎に近い値となり、受光された光の中心波長の判定が困難となる場合がある。これに対して、本適用例では、上記のように各受光素子の感度が波長毎に異なるため、リファレンス光における各波長成分の光量が略一定でも、各受光素子からの信号値が波長成分毎に異なる値となる。この場合でも、上記適用例のように固定フィルターを用いることなく、リファレンス光を受光した際の各受光素子から出力される信号値が異なる値となり、精度よく受光素子で受光された光の中心波長を取得することができる。
また、上記適用例のように固定フィルターを用いてもよく、リファレンス光の光量を波長成分毎に異ならせてもよい。この場合、例えば、固定フィルターの透過率特性と、光源から出射されるリファレンス光の波長特性と、受光素子の感度特性とを掛けあわせた際に、受光素子から各波長成分でそれぞれ異なる信号値が出力されるように、光源、固定フィルター、及び受光素子の特性を設定すればよい。
つまり、リファレンス光における所定波長域に含まれる波長を順次切り替えて、それぞれ個別に受光素子で受光させた際に、受光素子から出力される信号値が単調増加又は単調減少するように、リファレンス光の波長特性や、受光素子の感度特性、又は固定フィルターの透過率特性が設定されている。
この場合、分光フィルターを介してリファレンス光を受光素子で受光した際に、信号値に対して対応する波長が1つに決まることになり、より精度よく受光素子で受光された光の中心波長を特定することができる。また、波長変化に対する信号値変化が単調変化するため、例えば補完処理等により出力された信号値から受光素子で受光された光の中心波長を容易に算出することもできる。
このような固定フィルターでは、波長を単調増加させた際に、透過率特性が単調減少する。従って、リファレンス光を出力する光源における波長特性や、受光素子の感度特性の設定が困難である場合でも、リファレンス光を受光した際の受光素子における信号特性を波長に対して単調増加させることができる。
本発明では、分光フィルターから出射させる光の波長を順次切り替え、各波長に対する各受光素子での受光量に基づき、各受光素子で受光された光の分光スペクトルを測定する。このような構成では、各受光素子に対応した各画素における正確な分光スペクトルを取得することができる。
本適用例では、上記発明のように測定された各分光素子に対応した各画素における分光スペクトルに基づいて、分光画像を生成する。すなわち、各画素の分光スペクトルから所望の目標波長の光量を検出し、これらの光量に基づいて目標波長の分光画像を生成する。この場合、取得した分光画像が複数ある場合(目標波長が複数ある場合)や、撮像操作の後に目標波長を設定する場合において、撮像操作を繰り返す必要がなく、容易に所望の目標波長の分光画像を取得できる。
本適用例では、波長取得部により取得された各受光素子で受光された光の中心波長に基づいて、受光素子に入射する光の入射角を取得する。つまり、上述した本発明における適用例では、受光素子で受光された光は、分光フィルターにおける面内ばらつきや入射角のばらつきを含んで光となり、これらを考慮して最終的にどの波長の光が受光されたかを判定することが可能となる。従って、例えば、平行光となるリファレンス光を各受光素子で受光した際の信号値から面内ばらつきを考慮した中心波長を特定した後、入射光学系等を介在させた測定を実施し、波長シフト量を判定することで、入射光学系による入射角のバラつきを測定することができる。
このような分光測定装置では、例えば、入射光学系の各レンズの入射角のバラつき検査等に適用することができる。
本適用例では、分光フィルターとして波長可変干渉フィルターを用いる。このような波長可変干渉フィルターは、例えば、AOTF(Acousto-Optic Tunable Filter)やLCTF(Liquid Crystal Tunable Filters)等の分光フィルターに対して薄型化、小型化が可能であり、分光画像取得装置の小型化を図れる。
従って、分光フィルターから出射(透過又は反射)されたリファレンス光を各受光素子で受光すると、受光された光の中心波長に応じた信号値が出力されることになり、例えば受光素子から出力される信号値を予め測定しておくことで、容易かつ精度よく各受光素子において受光された光の中心波長を取得することができる。
以下、本発明に係る第一実施形態について、図面に基づいて説明する。
[分光カメラの概略構成]
図1は、本発明の第一実施形態に係る分光カメラの概略構成を示す概略図である。
分光カメラ1は、本発明の分光画像取得装置に相当し、撮像対象の分光画像を撮像する装置である。
光源部12は、測定対象に対して光を照射する装置である。
本実施形態では、光源部12から出射されたリファレンス光が、反射率が既知である基準板(例えば白色板等)で反射され、当該反射光が撮像モジュール13にて撮像された際に撮像モジュールから出力される信号値に基づいて、受光された光の中心波長を取得する。本実施形態では、説明の簡略化のため、リファレンス光は、分光画像の取得対象となる所定波長域(以降、分光波長域と称する)における各波長成分の光量が一定、若しくは略一定の光であり、光量の面内ばらつきがない光である例を示す。
撮像モジュール13は、入射光を受光して画像を取得する。この撮像モジュール13は、入射光学系131と、固定フィルター132と、本発明の分光フィルターである波長可変干渉フィルター5と、撮像部133と、フィルター駆動回路134と、を備えている。
入射光学系131は、外装筐体11に設けられた入射窓から入射した光(対象物の像)を撮像部133に結像する。この入射光学系131としては、例えば、波長可変干渉フィルター5に対して、光の主光軸が平行となるように入射光を導くテレセントリック光学系等を例示できる。
固定フィルター132は、所定の透過率特性を有し、当該透過率特性に基づいた光量の光を透過させる。
図2は、本実施形態の固定フィルターの透過率特性を示す図である。
図2に示すように、本実施形態の固定フィルター132は、分光波長域の各波長成分に対してそれぞれ異なる透過率特性を有する。より具体的には、固定フィルター132は、波長増加方向に対して、透過率が単調減少する透過率特性を有する。このような固定フィルター132としては、例えば、ガラス基板に対して20nmのAg膜と、20nmのAl2O3を積層させた積層体を用いることで、容易に製造することができる。
撮像部133は、例えばCCDやCMOS等のイメージセンサー等を用いることができる。撮像部133は、撮像画像の各画素に対応した受光素子133Aがマトリクス状に配置された2次元アレイ構造を有する。そして、各受光素子133Aは、受光された光量に基づいた信号値を制御部16に出力する。
なお、本実施形態において、説明の簡略化のため、各受光素子における感度は一定であり、かつ分光波長域における各波長成分における感度も一定であるとする。
図3は、波長可変干渉フィルター5の概略構成を示す平面図である。図4は、図3のB−B線で切断した波長可変干渉フィルター5の概略構成を示す断面図である。
波長可変干渉フィルター5は、図3及び図4に示すように、固定基板51及び可動基板52を備えている。これらの固定基板51及び可動基板52は、それぞれ例えば各種ガラスや、水晶等により形成されており、本実施形態では、石英ガラスにより構成されるものとする。そして、これらの基板51,52は、図4に示すように、接合膜53(第一接合膜531及び第二接合膜532)により接合されることで、一体的に構成されている。具体的には、固定基板51の第一接合部513、及び可動基板52の第二接合部523が、例えばシロキサンを主成分とするプラズマ重合膜等により構成された接合膜53により接合されている。
なお、以降の説明に当たり、固定基板51又は可動基板52の基板厚み方向から見た平面視、つまり、固定基板51、接合膜53、及び可動基板52の積層方向から波長可変干渉フィルター5を見た平面視を、フィルター平面視と称する。
そして、波長可変干渉フィルター5には、反射膜54,55間のギャップG1の距離(ギャップ寸法)を調整するのに用いられる、本発明のギャップ変更部である静電アクチュエーター56が設けられている。この静電アクチュエーター56は、固定基板51に設けられた固定電極561と、可動基板52に設けられた可動電極562と、を備え、各電極561,562が対向することにより構成されている。これらの固定電極561,可動電極562は、電極間ギャップを介して対向する。ここで、これらの電極561,562は、それぞれ固定基板51及び可動基板52の基板表面に直接設けられる構成であってもよく、他の膜部材を介して設けられる構成であってもよい。
なお、本実施形態では、反射膜間ギャップG1が電極間ギャップよりも小さく形成される構成を例示するが、例えば波長可変干渉フィルター5により透過させる波長域によっては、反射膜間ギャップG1を電極間ギャップよりも大きく形成してもよい。
また、フィルター平面視において、可動基板52の一辺側(例えば、図3における辺C3−C4)は、固定基板51の辺C3´−C4´よりも外側に突出する。この可動基板52の突出部分は、固定基板51と接合されない電装部526であり、波長可変干渉フィルター5を固定基板51側から見た際に露出する面は、後述する電極パッド564P,565Pが設けられる電装面524となる。
同様に、フィルター平面視において、固定基板51の一辺側(電装部526とは反対側)は、可動基板52よりも外側に突出する。
固定基板51には、エッチングにより電極配置溝511及び反射膜設置部512が形成されている。この固定基板51は、可動基板52に対して厚み寸法が大きく形成されており、固定電極561及び可動電極562間に電圧を印加した際の静電引力や、固定電極561の内部応力による固定基板51の撓みはない。
そして、固定基板51には、固定電極561の外周縁に接続された固定引出電極563が設けられている。この固定引出電極563は、電極配置溝511から辺C3´−C4´側(電装部526側)に向かって形成された接続電極溝(図示略)に沿って設けられている。この接続電極溝には、可動基板52側に向かって突設されたバンプ部565Aが設けられ、固定引出電極563は、バンプ部565A上まで延出する。そして、バンプ部565A上で可動基板52側に設けられた固定接続電極565に当接し、電気的に接続される。この固定接続電極565は、接続電極溝に対向する領域から電装面524まで延出し、電装面524において固定電極パッド565Pを構成する。
この反射膜設置部512には、図4に示すように、固定反射膜54が設置されている。この固定反射膜54としては、例えばAg等の金属膜や、Ag合金等の合金膜を用いることができる。また、例えば高屈折層をTiO2、低屈折層をSiO2とした誘電体多層膜を用いてもよい。更に、誘電体多層膜上に金属膜(又は合金膜)を積層した反射膜や、金属膜(又は合金膜)上に誘電体多層膜を積層した反射膜、単層の屈折層(TiO2やSiO2等)と金属膜(又は合金膜)とを積層した反射膜などを用いてもよい。
可動基板52は、フィルター中心点Oを中心とした円形状の可動部521と、可動部521と同軸であり可動部521を保持する保持部522と、を備えている。
なお、固定基板51と同様に、可動部521の固定基板51とは反対側の面には、反射防止膜が形成されていてもよい。このような反射防止膜は、低屈折率膜及び高屈折率膜を交互に積層することで形成することができ、可動基板52の表面での可視光の反射率を低下させ、透過率を増大させることができる。
なお、本実施形態では、上述したように、電極間ギャップが反射膜間ギャップG1の寸法よりも大きい例を示すがこれに限定されない。例えば、測定対象光として赤外線や遠赤外線を用いる場合等、測定対象光の波長域によっては、ギャップG1の寸法が、電極間ギャップの寸法よりも大きくなる構成としてもよい。
なお、本実施形態では、ダイアフラム状の保持部522を例示するが、これに限定されず、例えば、フィルター中心点Oを中心として、等角度間隔で配置された梁状の保持部が設けられる構成などとしてもよい。
フィルター駆動回路134は、制御部16からの指令信号に基づいて、波長可変干渉フィルター5の静電アクチュエーター56に対して駆動電圧を印加する。これにより、静電アクチュエーター56の固定電極561及び可動電極562間で静電引力が発生し、可動部521が固定基板51側に変位する。波長可変干渉フィルター5のギャップG1の寸法が、目標波長に対応する値に設定される。
ディスプレイ14は、外装筐体11の表示窓に面して設けられる。ディスプレイ14としては、画像を表示可能な構成であればいかなるものであってもよく、例えば液晶パネルや有機ELパネルなどを例示できる。
また、本実施形態のディスプレイ14は、タッチパネルを備える構成とし、当該タッチパネルを操作部15の一つとしてもよい。
操作部15は、上述のように、外装筐体11に設けられるシャッターボタンや、ディスプレイ14に設けられるタッチパネル等により構成される。ユーザーにより入力操作が行われると、操作部15は、入力操作に応じた操作信号を制御部16に出力する。なお、操作部15としては、上記の構成に限られず、例えば、タッチパネルに代えて、複数の操作ボタン等が設けられる構成などとしてもよい。
図5は、本実施形態の分光カメラ1の概略構成を示すブロック図である。
制御部16は、例えばCPU等の演算回路やメモリー等の記憶回路が組み合わされることで構成され、分光カメラ1の全体動作を制御する。この制御部16は、図5に示すように、記憶部161と、処理部162とを備えている。記憶部161には、分光カメラ1を制御するための各種データや各種プログラムが記録されている。
記憶部161に記憶される各種データとしては、例えば、後述する波長可変干渉フィルター5の静電アクチュエーター56に印加する電圧に対して、波長可変干渉フィルター5を透過する光の波長を記録したV−λデータが挙げられる。
また、記憶部161には、波長可変干渉フィルター5を介さずにリファレンス光の分光波長域における各波長成分の光をそれぞれ個別に各受光素子133Aで受光した際に、受光素子133Aから出力される信号値の特性(信号特性)が記録されている。本実施形態では、分光波長域に対するリファレンス光の各波長成分の光量が一定(光源部12の強度特性が一定)であり、分光波長域に対する受光素子の感度特性が一定である。従って、上記信号特性は、固定フィルター132の透過率特性に従い、波長増加方向に対して単調減少する。
処理部162は、記憶部161に記憶された各種プログラムを読み込み、実行することで、図5に示すように、光源制御部163、フィルター移動制御部164、波長取得部165、測定制御部166、スペクトル測定部167、及び画像処理部168(本発明の画像生成部)等として機能する。
なお、本実施形態では、処理部162が、記憶部161に記録されたプログラム(ソフトウェア)を読み込んで実行することで、ソフトウェアとハードウェアの協働により、上記各機能を実現する例を示すが、これに限定されない。例えば、各機能を有するハードウェアとしての回路が設けられる構成などとしてもよい。
フィルター移動制御部164は、進退機構132Aを制御し、固定フィルター132を光路上に対して進退させる。
波長取得部165は、撮像部133における各受光素子133Aで受光される光の中心波長を取得する。
測定制御部166は、波長可変干渉フィルター5に印加する電圧を変化させ、波長可変干渉フィルター5における反射膜間のギャップG1の寸法を変化させる。
スペクトル測定部167は、取得した各受光素子の光量に基づいて、撮像画像の各画素における分光スペクトルを測定する。
画像処理部168は、所望の目標波長の分光画像を生成する。
なお、各機能構成の詳細な説明は後述する。
(受光波長取得処理)
本実施形態の分光カメラ1は、撮像画像の各画素に対応した各受光素子において受光される光の中心波長を取得した後、測定対象(撮像対象)の分光画像を補正処理することにより、高精度な分光画像を取得する。以下、各受光素子での受光波長取得処理(受光波長取得方法)について、説明する。
図6は、受光素子で受光された光の中心波長を取得する受光波長取得方法を示したフローチャートである。
受光波長取得処理では、撮像対象として、反射率が既知である基準板X(図7参照)を分光カメラ1により撮像する。本実施形態では、基準物として、分光波長域の各波長成分において反射率が一定である白色基準板を用いる。なお、撮像環境としては、外光の影響がない暗室で実施することが好ましい。
そして、フィルター移動制御部164は、進退機構132Aを制御し、固定フィルター132を入射光学系131の光路上に配置させる(ステップS1)。
また、光源制御部163は、光源部12を駆動させ、基準物に対してリファレンス光を照射する(ステップS2)。
また、測定制御部166は、取得された各受光素子133Aにおける信号値と、当該信号値を得た際の駆動電圧とを対応付けて記憶部161に記憶する。なお、ステップS1からステップS3は、本発明の受光波長取得方法における第一ステップに相当する。
図7は、受光波長取得処理における各光学部材の配置、及びリファレンス光の進路を示す図である。図8は、波長可変干渉フィルター5における面内ばらつきによる受光波長のばらつきを説明するための図である。
上記ステップS1及びステップS2により、図7に示すように、光源部12から出射されたリファレンス光は、基準板X(白色基準板)に照射される。そして、白色基準板により反射された反射光は、入射光学系131から分光カメラ1に入射し、固定フィルター132、波長可変干渉フィルター5を介して撮像部133の各受光素子133Aにて受光される。これにより、各受光素子133Aから受光量に応じた信号値が制御部16に出力される。
すなわち、本実施形態では、上述のように、光源部12から出射されるリファレンス光として、面内において光量のばらつきがなく、かつ、分光波長域における各波長成分の光量が一定である光を用いる。また、各受光素子133Aは、分光波長域における各波長成分に対する感度が一定である。更に、白色基準板Xは、分光波長域における各波長成分に対して反射率が一定である。このような構成では、各受光素子133Aにて受光される光は、固定フィルター132の透過率特性に基づいてその光量が決定される。
図9は、本実施形態における各受光素子133Aにおいて、各受光素子から出力される信号値の特性(信号特性)を示す図である。この図9に示すように、本実施形態では、固定フィルター132の透過率特性に応じて、受光素子133Aにて受光される光に対する信号値が定まり、波長取得部165は、この信号値に基づいて受光素子133Aで受光された光の中心波長を特定する。
例えば、図9に示すように、ある受光素子133Aにおいて、信号値Siが出力された場合、その受光素子133Aにおいて受光された光の中心波長はλiであると特定することができる。
以上のように、各受光素子133Aでの受光中心波長を取得することにより、波長可変干渉フィルター5における反射膜54,55間の面内ばらつきの分布を把握することができる。
次に、本実施形態の分光カメラ1による分光画像の取得方法について説明する。
本実施形態では、上述の受光波長取得処理により、波長可変干渉フィルター5の反射膜54,55間の面内ばらつきの分布を把握することができるため、このような面内ばらつきの分布を考慮した精度の高い分光画像を取得することが可能となる。
分光画像撮像処理では、まず、フィルター移動制御部164は、進退機構132Aを制御し、固定フィルター132を入射光学系131の光路上から退避させる(ステップS11)。
また、光源制御部163は、光源部12を駆動させ、撮像対象に対して光(リファレンス光)を照射する(ステップS12)。本実施形態では、リファレンス光は分光波長域の各波長成分の光量が略同じとなるため、リファレンス光の照射によって、撮像対象から特定の波長の光の光量のみが変化することがなく、撮像部133における受光量の向上を図れる。
ステップS11及びステップS12により、図11に示すように、撮像対象で反射された光は、入射光学系131から波長可変干渉フィルター5に導かれ、波長可変干渉フィルター5を透過した光が撮像部133にて受光される。
ここで、静電アクチュエーター56に印加する駆動電圧に対して、各受光素子133Aで受光される光の中心波長は、上記受光波長取得処理により取得されている。つまり、ステップS13において静電アクチュエーター56に印加された駆動電圧に対する各受光素子133Aで受光される光の中心波長は既知となる。
よって、分光画像撮像処理では、各受光素子133Aにおいて受光される光の中心波長と、その光量を取得することができる。
次に、画像処理部168は、分光画像の生成対象となる目標波長を取得する(ステップS15)。この目標波長の取得としては、例えば、画像処理部168は、ユーザーによる操作部15の操作により、目標波長を取得してもよく、目標波長が予め設定されていてもよい。目標波長の数としては特に限定されない。
そして、画像処理部168は、各画素の分光スペクトルから設定された目標波長に対する光量を取得し(ステップS16)、当該光量を画素値とした分光画像を生成する(ステップS17)。
以上により、目標波長の分光画像が生成される。
本実施形態の分光カメラ1では、受光波長取得処理において、光源部12からリファレンス光を出射させ、このリファレンス光を基準板Xで反射させ、波長可変干渉フィルター5を介して撮像部133に入射した光を検出する。この際、リファレンス光の各波長成分の光をそれぞれ個別に各受光素子133Aで受光させた際に、図9に示すように、各波長成分に対する信号値がそれぞれ異なる値となる。そして、波長取得部165は、撮像部133の各受光素子133Aから出力される信号値に基づいて、当該各受光素子133Aでの受光中心波長を取得する。
このような構成では、受光波長取得処理において、リファレンス光を受光した際の信号値に基づいて、容易かつ精度よく、各受光素子133Aで受光された光の中心波長を特定することができる。従って、分光画像取得処理において、撮像画像を撮像した際に、撮像画像における各画素がどの波長に対応した画素値であるかを容易に判定することができ、目標波長に対する分光画像を精度よく取得することができる。例えば、各受光素子133Aで目標波長の光を受光されるように、波長可変干渉フィルター5のギャップG1の寸法を順次変化させてその信号値を取得し、これらの信号値に基づいて、全画素が目標波長の光量に対応した階調値となる分光画像を生成する等により、高精度な分光画像を取得することができる。
分光波長域において、リファレンス光の各波長成分における光量が一定(又は略一定)であり、各受光素子133Aの各波長成分に対する感度が一定(又は略一定)である場合、リファレンス光を各受光素子133Aで受光した場合に、受光中心波長を判定することが困難となる。これに対して、本実施形態では、透過率特性が各波長で異なる固定フィルター132を用いることで、各受光素子133Aから出力される信号値が各波長成分でそれぞれ異なる値となり、受光中心波長の特定が容易にできる。
そして、このような信号特性を得るために、本実施形態では、固定フィルター132として、ガラス基板にAg及びAl2O3を積層させたフィルターを用いる。このような固定フィルター132では、簡単な構成で、上記のような信号特性が得られるフィルターを製造できる。
本実施形態では、受光波長取得処理により、所定の駆動電圧を印加した際の各受光素子133Aで受光される光の波長が取得されている。このため、分光画像取得処理では、ギャップG1の寸法を走査させた際に各受光素子133Aで受光される光の波長とその光量とを正確に取得することができる。これにより、スペクトル測定部167は、各画素における正確な分光スペクトルを測定することができる。
この場合、取得した分光画像が複数ある場合(目標波長が複数ある場合)や、撮像操作の後に目標波長を設定する場合において、撮像操作を繰り返す必要がなく、容易に所望の目標波長の分光画像を取得できる。
このような構成では、ギャップG1の寸法変動によって、可動基板52の撓み状態が変化し、反射膜54,55間のギャップG1の面内ばらつきが変化する場合でも、各ギャップ寸法に対する受光素子133Aでの受光中心波長を取得することができる。これにより、基板撓みによる面内ばらつきの分布をも把握することができ、分光画像取得処理において、より精度の高い分光画像を取得することができる。
次に、本発明に係る第二実施形態について説明する。
上記第一実施形態では、リファレンス光の波長特性、受光素子133Aの感度特性、及び白色基準板Xの反射率特性が、分光波長域における各波長成分で略一定である例を示した。
これに対して、本実施形態では、リファレンス光の波長特性が、分光波長域の各波長成分で異なる点で上記第一実施形態と相違する。なお、以降の説明に当たり、第一実施形態と同様の構成や処理ステップについては、同符号を付し、その説明を省略又は簡略化する。
図12に示すように、本実施形態では、光源部12から出力されるリファレンス光は、分光波長域の各波長成分でそれぞれ異なる値となる。この場合では、固定フィルター132として、例えば、図13に示すような透過率特性を有するフィルターを用いる。
これにより、リファレンス光を受光素子133Aで受光した際に、図9に示すように、波長増加方向に対して、信号値が単調減少する信号特性を得ることができる。
このような構成でも、上記第一実施形態と同様の処理により、各受光素子133Aにて受光させる光の中心波長を取得することができる。
次に、本発明に係る第三実施形態について説明する。
上記第一実施形態では、リファレンス光の波長特性、受光素子133Aの感度特性、及び白色基準板Xの反射率特性が、分光波長域における各波長成分で略一定である例を示した。
これに対して、本実施形態では、受光素子133Aの感度特性が、分光波長域の各波長成分で異なる点で上記第一実施形態と相違する。
図14に示すように、本実施形態では、受光素子133Aの感度特性は、分光波長域の各波長成分でそれぞれ異なる値となる。この場合では、固定フィルター132として、例えば、図15に示すような透過率特性を有するフィルターを用いる。
これにより、リファレンス光を受光素子133Aで受光した際に、図9に示すように、波長増加方向に対して、信号値が単調減少する信号特性を得ることができる。
このような構成でも、上記第一実施形態と同様の処理により、各受光素子133Aにて受光させる光の中心波長を取得することができる。
次に本発明の第四実施形態について図面に基づいて説明する。
上記第一実施形態では、分光画像取得装置である分光カメラ1において、各受光素子133Aでの受光中心波長を取得し、当該受光波長に基づいて、精度の高い分光画像を取得する例を示したが、本発明の構成を用いることで、受光素子133Aに入射する入射角を求めることもできる。受光素子133Aへの光入射角は、波長可変干渉フィルター5への入射角であり、この入射角のばらつきを検査することにより、入射光学系131を構成する各レンズの歪み等を検査することも可能となる。
第四実施形態では、上記のような受光素子133Aへの光の入射角を求める構成及び入射角取得方法について、説明する。
なお、本実施形態では、入射光学系131を構成する各レンズの歪み等を検査することを目的とするものであり、波長可変干渉フィルター5として、面内ムラがないフィルターを用いることが好ましい。このようなフィルターとして、保持部522(ダイアフラム)が設けられていない波長可変干渉フィルターを用いてもよい。この場合、保持部522の撓みに起因する反射膜間のギャップG1における面内ムラが抑制される。また、波長可変干渉フィルター5に限られず、例えばギャップG1が固定された干渉フィルターを用いてもよい。この場合では、例えば、反射膜間に光学膜を配置した、エアギャップが設けられない干渉フィルター等を用いることができる。
図17は、入射角取得処理を示すフローチャートである。
図18及び図19は、本実施形態における受光素子133Aへの入射角取得方法を説明するための図である。
第四実施形態における入射角取得処理では、まず、入射光学系131を、リファレンス光の光路から退避させる(ステップS21)。入射光学系131は、分光カメラ1に対して着脱可能な構成としてもよく、製造時の入射角の検査時に一時的に入射光学系131を取り外す等であってもよい。
この後、図18に示すように、分光カメラ1に対して、コヒーレント光を入射させる(ステップS22)。コヒーレント光を入射させることで、全受光素子133Aに対して例えば90°で光が入射する。
次に、波長取得部165は、上記第一実施形態と同様、各受光素子133Aから出力される信号値に基づき、各受光素子133Aでの受光中心波長(第一受光波長)を取得する(ステップS23)。
そして、波長取得部165は、上記第一実施形態と同様、各受光素子133Aから出力される信号値に基づき、各受光素子133Aでの受光中心波長(第二受光波長)を取得する(ステップS25)。
図20は、1つの受光素子133Aでの受光波長が変化した際のモデルを示す図である。
図20に示すように、ステップS23で取得された1つの受光素子133Aにおける第一受光波長λ1は、波長可変干渉フィルター5の反射膜54,55の法線方向から入射した光であるため、次数をm、反射膜54,55間の媒体の屈折率をnとして、下記式(1)により表せる。
一方、ステップS25において、波長可変干渉フィルター5の反射膜54,55に対して入射角θで光が入射した場合、受光素子133Aにおける第二受光波長λ2は、下記式(2)となる。
なお、本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
このような処理は、例えば、波長可変干渉フィルター5の製造において、初期ギャップ寸法の検査等に適用することができる。
また、例えば可動部521の厚み寸法が大きい場合等、ギャップG1が変動した場合でも、可動部521や可動反射膜55に撓みが生じない場合では、上記のように、初期ギャップ寸法のバラつきを検出するだけでもよい。この場合、分光画像撮像処理では、取得された分光画像の各画素値を、初期ギャップ寸法のばらつきに基づいて補正すればよい。
また、上記第一実施形態では、リファレンス光として分光波長域における各波長成分の光量が一定である例を示したが、リファレンス光の各波長成分の光量がそれぞれ異なり、その波長特性が既知である場合では、撮像画像の各画素値を波長特性に基づいて補正すればよい。
これに対して、例えば、リファレンス光の波長特性が、波長増加方向に対して単調変化(単調増加や単調減少)する場合では、固定フィルター132を用いなくてもよい。同様に、受光素子133Aの感度特性が、波長増加方向に対して単調変化(単調増加や単調減少)する場合では、固定フィルター132を用いなくてもよい。また、リファレンス光の波長特性や、受光素子133Aの感度特性が分光波長域の各波長成分で略一定である場合でも、基準板Xの反射率特性が波長増加方向に対して単調変化する場合、固定フィルター132を用いなくてもよい。
すなわち、本発明では、リファレンス光を受光素子133Aで受光した際に、図9に示すような信号特性が得られる構成であれば、いかなる組み合わせの光学部材を用いてもよい。従って、例えば、リファレンス光の波長特性、受光素子133Aの感度特性、及び基準板Xの反射率特性がそれぞれ異なる場合でも、これらの各特性をかけ合せた際に、例えばリファレンス光を受光素子133Aで受光した際に、図9に示すような信号特性の信号値が出力されるように、各部材の素材等を設定すればよく、各部材の素材等を変更できない場合では、図9に示すような信号特性が得られるように固定フィルター132を設計すればよい。
例えば、分光画像として取得した目標波長が予め設定されている場合では、測定制御部166により、各受光素子133Aで目標波長を取得可能なギャップG1となるように、順次駆動電圧を切り替えて、受光素子133Aからの信号値を取得する。そして、画像処理部168は、受光素子133Aでの受光波長が目標波長となった際の信号値に基づいて分光画像を生成する。
つまり、受光素子Aでは、駆動電圧Vaの際の受光波長が目標波長λsとなり、受光素子Bでは、駆動電圧Vbの際の受光波長が目標波長λsとなる場合、測定制御部166は、静電アクチュエーター56に印加する駆動電圧をVa,Vbに順次切り替える。そして、画像処理部168は、駆動電圧Vaの際の受光素子Aからの信号値を、受光素子Aに対応する画素の画素値とし、駆動電圧Vbの際の受光素子Bからの信号値を、受光素子Bに対応する画素の画素値とした分光画像を生成する。
上記のような分光画像取得処理では、分光スペクトルを測定する処理が不要となり、処理の高速化を図ることができる。
この場合、図21に示すように、波長可変干渉フィルター5の前段にテレセントリック光学系等の入射光学系を設けない構成としてもよい。この場合、波長可変干渉フィルター5に入射する光は、反射膜54,55に対して垂直に入射されない。しかしながら、上述のように、本発明では、各受光素子133Aに入射される光の中心波長を取得することができるため、受光された光の光量と、その受光波長とを対応付けることで、分光画像を取得することが可能となる。
また、波長可変干渉フィルター5として、ギャップG1の寸法に応じた光を透過させる光透過型のエタロン素子を例示したが、これに限定されず、ギャップG1の寸法に応じた光を反射させる光反射型のエタロン素子を用いてもよい。
Claims (12)
- 入射光から所定波長の光を選択して出射する分光フィルターと、
2次元アレイ構造に配置された複数の受光素子を有し、前記分光フィルターにより分光された光を受光する撮像部と、
リファレンス光を前記撮像部で受光した際に、前記各受光素子から出力される信号値に基づいて、各受光素子に入射した光の中心波長を取得する波長取得部と、を備え、
前記リファレンス光は、当該リファレンス光に含まれる所定波長域における各波長成分の光量が当該リファレンス光の光軸に対して交差する面内において均一であり、
前記リファレンス光の前記所定波長域における各波長成分の光を前記撮像部で受光させた際に前記受光素子から出力される信号値は、前記波長成分毎でそれぞれ異なる
ことを特徴とする分光画像取得装置。 - 請求項1に記載の分光画像取得装置において、
前記撮像部に入射される光の光路上に配置される固定フィルターを備え、
前記固定フィルターは、前記所定波長域における各波長成分に対して、それぞれ異なる透過率特性を有する
ことを特徴とする分光画像取得装置。 - 請求項1又は請求項2に記載の分光画像取得装置において、
前記リファレンス光を出射する光源を有し、
前記光源は、前記所定波長域における各波長成分に対して、それぞれ異なる光量の光を出射する
ことを特徴とする分光画像取得装置。 - 請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の分光画像取得装置において、
前記撮像部における各受光素子は、前記所定波長域における各波長成分に対してそれぞれ異なる感度特性を有する
ことを特徴とする分光画像取得装置。 - 請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の分光画像取得装置において、
前記リファレンス光の前記所定波長域における各波長成分を前記撮像部で受光させた際に前記受光素子から出力される信号値は、波長変化に対して単調変化する
ことを特徴とする分光画像取得装置。 - 請求項5に記載の分光画像取得装置において、
前記撮像部に入射される光の光路上に配置される固定フィルターを備え、
前記固定フィルターは、ガラス基板にAg及びAl2O3を積層させたフィルターである
ことを特徴とする分光画像取得装置。 - 請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の分光画像取得装置において、
前記分光フィルターは、出射させる光の波長を変更可能であり、
当該分光画像取得装置は、
前記分光フィルターから出射される光の波長を順次変化させる測定制御部と、
前記各受光素子で受光された同一波長の光の光量に基づいて、当該波長に対する分光画像を生成する画像生成部と、
を備えていることを特徴とする分光画像取得装置。 - 請求項7に記載の分光画像取得装置において、
前記各受光素子で受光される光の分光スペクトルを測定するスペクトル測定部を備えている
ことを特徴とする分光画像取得装置。 - 請求項8に記載の分光画像取得装置において、
前記画像生成部は、前記各受光素子で受光される光の分光スペクトルに基づいて、前記各受光素子にて受光された同一波長の光に対する光量を取得し、当該波長に対する分光画像を生成する
ことを特徴とする分光画像取得装置。 - 請求項1から請求項9のいずれか1項に記載の分光画像取得装置において、
前記波長取得部により取得された各受光素子で受光された光の中心波長に基づいて、前記各受光素子に入射する光の入射角を取得する入射角取得部を備えている
ことを特徴とする分光画像取得装置。 - 請求項1から請求項10のいずれか1項に記載の分光画像取得装置において、
前記分光フィルターは、互いに対向する一対の反射膜、及び前記一対の反射膜間のギャップ寸法を変更するギャップ変更部を有する波長可変干渉フィルターである
ことを特徴とする分光画像取得装置。 - 入射光から所定波長の光を選択して出射し、かつ前記所定波長を変更可能な分光フィルター、及び、2次元アレイ構造に配置された複数の受光素子を有し、前記分光フィルターにより分光された光を受光する撮像部を備えた分光画像取得装置における受光波長取得方法であって、
リファレンス光を、前記分光フィルターを介して前記撮像部に受光させる第一ステップと、
前記第一ステップにおいて前記撮像部で受光した際に前記各受光素子から出力される信号値に基づいて、各受光素子に入射した光の中心波長を取得する第二ステップと、を含み、
前記リファレンス光は、当該リファレンス光に含まれる所定波長域における各波長成分の光量が当該リファレンス光の光軸に対して交差する面内において均一であり、
前記分光フィルターを介さずに前記リファレンス光の前記所定波長域における各波長成分の光を前記撮像部で受光させた際に前記受光素子から出力される信号値は、前記波長成分毎でそれぞれ異なる
ことを特徴とする受光波長取得方法。
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