JP2016183957A - コンパクトな分光計 - Google Patents

Abstract

【課題】コンパクトな分光計を提供する。【解決手段】物体の分光特性を測定する分光計１０が、カメラ６５およびプロセッサと共に使用する縞生成光学部材１２を備える。縞生成光学部材１２は正面光学部材４５および複屈折光学部材から形成される。正面光学部材４５は、物体からの光を受信するようになっている拡散器７５を備える。複屈折光学部材は、拡散器７５からの光を受信し干渉縞を生成するようになっている。カメラ６５は干渉縞を受信するようになっており、プロセッサは物体の分光特性を生成する。本分光計１０は、携帯機器９０に見られるカメラなどのデジタルカメラと共に使用するのに適した改良型のフーリエ変換分光計である。【選択図】図１

Description

本発明は、分光計に関し、より詳細には、携帯機器に使用されるカメラを含むデジタルカメラと共に使用するのに適した改良型のフーリエ変換分光計に関する。

分光計とは、電磁スペクトルの特定の部分にわたる光の特徴を測定するために使用される、通常は物質を特定するために使用される、装置である。測定される変数は光のスペクトル強度または放射度とすることができる。フーリエ変換分光計は、可視光線、赤外線、および紫外線の周波数のために使用することができ、結果として生じるインターフェログラムを生成するために２つのビームの干渉現象または偏光変調現象に基づいている。結果として生じるインターフェログラムのフーリエ変換は入射光の分光特性に対応する。

あるタイプのフーリエ変換干渉計は、複屈折光学部材を使用して光の入射角に対して偏光変調をもたらし、光学的撮像装置の視野全体にわたって縞を生成する。例えば、フア（Ｐｈｕａ）らの特許文献１には、２Ｄ画像の全ての点の分光特性を提供する先進のハイパースペクトル撮像装置が開示されている。カスケード接続した複屈折板を使用して、処理が比較的簡単な直線（または曲線）の縞が生成される。Ｐｈｕａらはインターフェログラムの生成に必要な光学部材を極めて単純化する素晴らしい装置を提案しているが、その装置は走査を必要とし、すなわち、画像を多数撮らなければならない。多数の画像を処理して画像の全ての点の分光特性を与えるために大規模な計算処理も必要である。このようなハイパースペクトル撮像装置の大きな処理要件は、デジタルカメラ、特に携帯機器に見られるようなデジタルカメラには適さない。これは、一つには、携帯機器で利用できる処理能力が比較的限られていることが要因である。さらに、走査中のジッタによりスペクトルが非常に不正確になる。

他の既知の分光計は、研究室外の現地調査で使用するのが比較的難しく、通常、ずっと高価であり、頻繁なスペクトルの再較正が必要であり、分光計が適切に機能できるようになる前にいくつかの表示／制御／電源の付属品が必要であり、日常業務をこなしながら持ち歩くには単純にかさ張りすぎ、不便である。したがって、分光計は、非常に有効な分析装置であるが、一般社会では採用が限られていることが分かっており、通常は研究室内の作業に限定される。

国際公開第２０１１／０９３７９４（Ａ１）号

現行のデジタルカメラと共に、特に従来の携帯機器に内蔵されたデジタルカメラと共に使用できるように小さく、日常業務をこなしながら持ち歩きできるように軽量かつ便利な分光計を提供することが望ましい。機械的な走査を必要とせず、単一のスナップショットの物体の分光特性を取り込みできると共に、正確かつ迅速な分析を可能にするために高いレベルの分光忠実度を維持しながらも、携帯機器が対応できる単純な処理能力しか必要としない、分光計を提供することも望ましい。

第１の態様によれば、カメラおよびプロセッサと共に使用する縞生成光学部材を備え、物体の分光特性を測定する分光計が提供される。縞生成光学部材は正面光学部材および複屈折光学部材から形成される。正面光学部材は、物体からの光を受信するようになっている拡散器を備える。複屈折光学部材は、拡散器からの光を受信し干渉縞を生成するようになっている。カメラは干渉縞を受信するようになっており、プロセッサは物体の分光特性を生成する。

前述の開示および様々な実施形態の以下のより詳細な説明から、本発明が分光計の技術を有意に進歩させることが当業者には明らかであろう。この点において特に重要なことは、日常業務をこなしながら持ち歩くのに著しく便利なものにするように従来の携帯機器のカメラと共に簡単に使用できる、サイズが小さく質が高い分光計を提供するために本発明がもたらす可能性である。以下に提示する詳細な説明を考えると、様々な実施形態のさらなる特徴および利点がよりよく理解される。

携帯電話のカメラと共に使用する、一実施形態によるコンパクトな分光計の分解等角図である。 カメラのレンズを覆うように配置されたところを示す、図１の実施形態の縞生成光学部材の等角図である。 カメラのレンズから離間して配置されたところを示す、図１の実施形態の光学部材の等角図である。 正面光学部材、複屈折光学部材およびカメラの配列を示すブロック線図である。 複屈折光学部材の正面に配置される単一層の拡散器として形成された正面光学部材の実施形態である。 複屈折光学部材の正面に配置されるレンズ、開口マスクおよび拡散板として形成された正面光学部材の別の実施形態である。 複屈折光学部材の代表的な例を示す。 複屈折光学部材の代表的な例を示す。 複屈折光学部材の代表的な例を示す。 複屈折光学部材の代表的な例を示す。 概して一様な背景上に直線の縞を示す、カメラによって取り込まれた代表的な縞画像を示す。 概して一様な背景上にわずかに曲線状の縞を示す、カメラによって取り込まれた別の代表的な縞画像である。 カメラによって信号として取り込まれた縞画像から生成される代表的な単一のインターフェログラムである。インターフェログラムは、縞画像の単一の列全体にわたって画素値をプロットすることによって生成することができる。 複数の分光特性の平均化によるノイズ低減の例を示す。

添付の図面は必ずしも縮尺が正確ではなく、本発明の基本原理を示す様々な特徴をある程度単純化した表現で示すことを理解されたい。例えば複屈折層の特定の寸法を含む、ここに開示するコンパクトな分光計の設計の特定の特徴は、一つには特定の所期の用途および使用環境によって決定される。明確な理解の実現を助けるために図示の実施形態の特定の特徴を他の特徴より拡大するかまたは歪めている。具体的には、例えば図表を明確にするために薄い特徴を厚くすることがある。方向および配置についての言及は全て、別段の指示がない限り、図面に示された向きを指す。

ここに開示するコンパクトな分光計には多くの使用および設計の変更が可能であることが、当業者、すなわち、当技術分野の知識または経験を有する者には明らかである。様々な代替の特徴および実施形態の以下の詳細な検討は、従来の携帯機器に組み込まれるようなデジタルカメラと共に使用するのに適した撮像装置に関する本発明の概略的な原理を示す。本開示の利益が与えられる当業者には他の用途に適した他の実施形態が明らかである。

ここで図面を参照すると、図１は、従来の携帯電話９０に組み込まれる標準的なデジタルカメラ６５と一緒に使用されるのに適した、一実施形態による分光計１０の等角図である。本明細書に開示するようなコンパクトな分光計は、物体の分光特性を得るために使用することができ、例えば、測色用途、環境モニタリング、化学分析、物質の分析および特定、汚染物質モニタリング、農作物モニタリング、鉱物特定、工業オートメーションの分光の用途、医療診断および科学捜査の用途など、幅広い用途に使用することができる。本明細書に開示するコンパクトな分光計の他の使用は本開示に利益を与えられる当業者には容易に明らかになるであろう。

有利には、分光計１０はコンパクトかつ軽量であり、実装面積が極めて小さい。分光計１０は縞生成光学部材１２を備え、縞生成光学部材１２は正面光学部材４５および複屈折光学部材５５から構成される。分光特性が測定される物体から反射される光またはその物体によって生成される光は、順次、正面光学部材４５を通って複屈折光学部材５５に至り、そこから、ここでは携帯電話９０である携帯機器に内蔵されたカメラ６５、通常はデジタルカメラに至る。携帯機器とは、本明細書では、広く携帯電話、タブレット、ラップトップなどを指し、さらに、一部の用途ではｐｃｓ（パーソナル通信サービス）を指すものと理解される。デジタルカメラは、受信する画像に基づいて信号を生成し、さらに、その信号をプロセッサに中継する。プロセッサは分光特性を生成する。縞生成光学部材１２のサイズは、好ましくは、カメラ６５の開口全体をカバーできる程度に十分に大きいが、それよりも大きくする必要は全くない。さらに、縞生成光学部材の厚さは、従来の携帯電話が収まるのと同じようにして装置が簡単にポケットに収まる程度に十分に小さい。別の非常に有利な特徴によれば、通常、電話９０に見られるプロセッサは、本明細書に開示する分光計を使用して物体の分光特性を計算するためには十分なものである。制御および電源管理の付属品を追加する必要なしに、分光特性および関係する制御インターフェースを携帯機器の現行の表示パネル上で表示および制御することができる。

縞生成光学部材１２はハウジング８０内に配置することができる。さらに、縞生成光学部材１２は、縞生成光学部材１２がカメラ６５の正面に配置された動作位置（図２）と、カメラが通常通りに機能できる非動作位置（図３）との間で調節可能にすることができる。図１〜図３の実施形態では、ハウジング８０は、携帯機器上に配置されるようになっている外部アタッチメントであり、本実施形態では、電話９０の周りを延在しランチャネル７０を画定するバンド形として示されている。縞生成光学部材１２はランチャネル７０内で複数の位置の間を摺動可能である。あるいは、ハウジング８０は装置カバー（図示せず）の一部分として形成することができ、縞生成光学部材は動作位置と非動作位置との間で交替することができる。任意選択で、ハウジング８０は携帯機器に組み込むこともできる。

動作の際には、分光計は、反射される光が主に物体からのものになるように縞生成光学部材／携帯機器の比較的近くの物体に対して最も良く機能する。物体からの光は、本明細書では、通常、分光特性が求められる物体の表面から反射される光、またはその物体によって放射される光、またはその物体を通して伝送される光を意味すると理解される。物体を照明するばらつきのない一様な光源を有することは、物体の分光反射率または分光吸収率を得るために測定される分光特性を標準化する観点から、有益である。携帯機器に内蔵された従来のデジタルカメラの場合、フラッシュ照明または光源７７がほとんど必ず設けられており、その光源には高水準の品質管理が行われ、したがって、その光源は電話間で比較的ばらつきがない。光源７７は通常、カメラからある程度の距離の位置に比較的一様な光の光源を設けるように設計され、その距離は通常、分光特性を得るための通常の動作距離より大きい。したがって、縞生成光学部材は、任意選択で、図１〜図３に示すような光拡散器７５を備えることができる。光拡散器７５は、縞生成光学部材１２（正面光学部材４５および複屈折光学部材５５）がカメラの正面に配置されているときはフラッシュ７７の正面に配置されることになり、そうすることにより、物体に照射される光またはフラッシュが比較的一様になりばらつきがなくなる。あるいは、光拡散器７５は、物体上へのより一様でありばらつきのない照明のために光を拡散する前に光ガイド（図示せず）を内蔵することもできる。分光計は、フラッシュ７７の分光特性に較正を実行するために、組み込まれた付属品または外部の付属品として基準反射率の材料または表面を設けることもできる。

図４は、縞生成光学部材１２が動作位置にあるときの好ましい順序を示す単純な概略図である。光が、正面光学部材４５を通って複屈折光学部材５５に至り、そこからカメラ６５に至る。カメラは信号を生成し、その信号をプロセッサに中継する。プロセッサは、以下により詳細に記述する手法で物体の分光特性を生成する。

図５に、単一層の光拡散器４０として形成された正面光学部材４５の一実施形態を示す。拡散器４０は受信した背景光を均質化または散乱するように作用するどんな物質も含むことができる。例えば、図５の実施形態では、拡散器４０は、任意選択で複屈折光学部材のすぐ隣に配置された、複屈折光学部材５５とは別個の粗い下地の半透明の層を備えることができる。拡散器４０は、複屈折光学部材５５の第１の偏光子２０の粗い下地の前面として形成してもよい。あるいは、拡散器４０は、複屈折光学部材５５に入る前に受信した光を散乱および均質化する、マイクロレンズのレンズシートまたはマイクロレンズのレンズアレイとすることもできる。また、正面光学部材４５および複屈折光学部材５５はフレーム７６に収容してもよい。フレーム７６は上記で言及したようにランチャネル内で摺動可能にすることができる。図５の、正面光学部材４５として使用される単純な拡散器により、分光計の実装が非常に低コストになり、コンパクトになり、光学的な位置調整不良からの影響を比較的受けにくくなる。

非常に有利な特徴によれば、拡散器４０は背景を均質化するように作用し、そうすることで、複屈折光学部材５５によって生成されカメラ６５によって取り込まれる縞画像が主として物体の分光特性を示す。一様な背景の正面に縞が存在する場合、カメラ６５からの単一のスナップショット画像が分光特性を生み出すのに十分であり、複屈折光学部材５５の走査がもはや必要なくなる。一様な背景は、有利には、Ｐｈｕａらには必要とされた複雑な処理アルゴリズムなしで分光特性を与えるようにインターフェログラムの単純な直接フーリエ変換も可能にする。このことは、これにより、現行の携帯機器の処理能力を用いて単純かつ迅速に分光特性を得ることができるということを意味する。一様な背景の場合、有利には、図１１または図１２に示すような単一の縞画像により、フーリエ変換で物体の分光特性が得られる単一のインターフェログラムを多数（容易に千を超える）提供することができる。この多数の分光特性を平均することによって、ノイズが有意に低減された質の高い物体の分光特性を得ることができる。

図５の実施形態は拡散器４０によって均質化された光の分光特性を測定するので、対象物が比較的近くにあるときに、最も好ましくは縞生成光学部材／携帯機器から数センチメートル未満のときに良く機能する。図６の実施形態は、測定にある程度の方向性を与え、分光計が、遠くにある物体の、例えば数メートル程度の位置にある物体の分光特性を目標としそれを測定することを可能にする。正面光学部材４５は、追加の集束レンズ４４およびマスク４２として形成される。マスク４２は、拡散器４０上に至る光の量を制限する開口４３を画定する。開口４３は距離４７だけ拡散器４０から離間している。追跡光線により、通常は分光特性が求められる物体からそれた側方から入る光４９を、本実施形態が制限する状態を示す。距離４７は、好ましくは、拡散器４０において追跡光線によってカバーされる面積がカメラ６５の開口の断面積より大きくなるように設定される。

複屈折光学部材５５には、複屈折プリズムまたは平坦な平行複屈折板を使用することができる。しかし、一般に、携帯機器で機能するには空間が制約されること、および設計の単純化から、平坦な平行板の複屈折層が好ましい。平坦な平行板の複屈折層の場合、複屈折光学部材５５を１ｍｍ程度の薄さに構築することができる。図７に、コンパクトな分光計の複屈折光学部材５５の一実施形態の概略的な光学的レイアウトを示す。分光特性が求められる物体から反射される光が、正面光学部材４５を通して投影され、Ｚ軸に沿って延在する光軸を有する。Ｚ軸は図７に示すように紙面内では水平の軸である。光は第１の偏光角２１を有する第１の偏光子２０を通る。偏光角２１はＸ−Ｙ平面に形成されるように示されている。Ｘ−Ｙ平面は、概して、図７に示すように、Ｚ軸（複屈折光学部材５５を通って正面光学部材４５からデジタルカメラ６５に至る光の伝送方向）に垂直である。偏光子は、Ｘ−Ｙ平面の偏光角に直線偏光された光を伝送する。一実施形態によれば、偏光角はＸ軸に対して４５°とすることができる。偏光子を通る光は直線偏光されたビームであり、そのビームは、第１の角度を成す第１の光学軸２３を有する第１の複屈折層２２に、次いで、第２の角度を成す第２の光学軸２９を有する第２の複屈折層２４に、次いで、（検光子と称されることもある）第２の偏光子２６に伝送される。複屈折層２２、２４は例えば方解石から形成することができる。複屈折光学部材は、携帯機器のデジタルカメラ６５の検出器アレイに光を集束するレンズを通して投影される、図１２の正則曲線の縞の画像を生成するように協働する。第２の偏光子２６は、偏光角２１に関係する第２の偏光角３１を有する。好ましくは、第２の偏光角は、Ｘ軸に対して第１の偏光角と同じであるか、または縞のコントラストを最大にするために第１の偏光角に対して９０°である。例えば、第１の偏光角２１はＸ軸に対して４５°または−４５°とすることができ、第２の偏光角３１はＸ軸に対して−４５°または＋４５°とすることができる。

第１の偏光子２０を通った後に、直線偏光された光は第１の複屈折層２２を通って、２つのビームに分けられる。その２つのビームは偏光された光の直交要素である。これらの要素は、異常光線すなわちｅ光線および常光線すなわちｏ光線と呼ばれることがある。ｅ光線およびｏ光線は互いに異なる屈折率を有する。ｏ光線の屈折率は一定であり、光の伝播方向とは関係なく、ｅ光線の屈折率は光の伝播方向と共に変化する。したがって、一方の光線は他方の光線より速く層２２を通って進み、その結果、ｅ光線とｏ光線との位相差が生じる。結果として生じる位相差は層２２および光のいくつかの特徴に応じて変わり、その特徴には、層２２内のｅ光線およびｏ光線の伝播方向、第１の光学軸２３に対する層２２の切断角、第１の光学軸２３を含む面と光の入射面との間の角度、偏光される光の波長、層の厚さ２５および層２２の材料が含まれる。この位相差は複屈折光学部材５５への光の入射角と共に変化する。

図７の実施形態では、第１の複屈折層２２は、ｅ光線およびｏ光線が第１の複屈折層２２を出てすぐに第２の複屈折層２４に入るように、第１の偏光子２０と第２の複屈折層２４との間に配置される。好ましくは、複屈折層２２と２４とは互いに直接接している。第２の複屈折層２４は、第１の角度２３に関係する第２の光角２９を有する。図７の実施形態では、第２の複屈折層２４は、第１の複屈折層の遅軸に直交する第２の複屈折層の遅軸を有することにより、第１の複屈折層２２によって生成された位相差を補償する。第２の複屈折層の補償される位相差の量は層２４および光のいくつかの特徴に応じて変わり、その特徴には、層２４内のｅ光線およびｏ光線の伝播方向、第２の光学軸２９に対する層２４の切断角、偏光される光の波長、層の厚さ２７および層２４の材料が含まれる。図７の実施形態では、第２の複屈折層２４を出る際に、光の偏光変調をもたらす、複屈折光学部材への光の入射角と共に変化する正味の位相差がある。この光が第２の偏光子２６によって分析されると、第２の偏光子２６は入射角により、伝送された光の強度の変調をもたらす。この強度変調は、図１２に示すようにカメラ６５によって検出される画像の曲線の縞として現れる。

図７の実施形態では曲線の縞を生成するために複屈折層が２つだけ使用される。第１の複屈折層２２の第１の光学軸２３はＸ−Ｚ平面においてＸ軸からある角度の位置にあり、ここで、Ｘ−Ｚ平面はＸ軸およびＺ軸によって画定され、Ｚ軸は複屈折光学部材を通る光の伝播方向である。任意選択で、第１の光角はＸ軸から−９０°から９０°の間にあり、より好ましくはＸ軸から±４５°である。というのは、この角度が層の厚さを最小限に抑え計算処理の低減も可能にする縞の生成と関連するからである。本実施形態では、第２の複屈折層２４の第２の光学軸２９はＹ軸の±２０°以内にあり、より好ましくは、Ｚ軸に垂直でありＹ軸に沿っている。これは、Ｘ軸またはＺ軸に対して９０°の角度にあると表すこともできる。これらの実施形態では、第２の光角２９は、第１の光角２３に直交する平面でありかつＺ軸に垂直な平面内にある。第１の光角が４５°であり第２の光角が９０°であることは、層の厚さを最小限に抑え計算処理を低減する縞の生成と関連し、したがって好ましい。図７の実施形態では、常光線の速度が異常光線より大きくなるように層２２も２４も正の複屈折を有する。本実施形態では第１の光角が４５°であり第２の光角が９０°であると記載されているが、層２２、２４の厚さ２５、２７または材料の選択を調節することによって、他の角度で同様の結果を実現することができる。第１の複屈折層を出る際に、偏光されたビームは第２の複屈折層に入る。第１の複屈折層のｅ光線は第２の複屈折層のｏ光線になる。同様に、第１の複屈折層のｏ光線は第２の複屈折層のｅ光線になる。本実施形態では、正の第１の複屈折層２２の厚さ２５は正の第２の複屈折層２４の厚さ２７とは異なり（より大きく）、両方の結晶が、同じまたは異なる正の複屈折の複屈折材料から作製することができる。

上記で説明した実施形態は、第１の層の第１の角度または複屈折を調節することによって変更できるが、複屈折を調節する場合は、第２の層の複屈折も調節しなければならない。例えば、正の第１の複屈折層２２は、Ｘ軸から−４５°の位置にＸ−Ｚ平面の光学軸を有することができる。対応する第２の複屈折層２４は、すぐ上の段落に記載したのと同じ第２の角度を有し、正の複屈折を有する。第１の層２２の複屈折が負の複屈折に切り替えられる場合は、第２の層２４の複屈折は同様に負に切り替えられる。同じ符号の複屈折を有するという意味では両方の層が単に同じ複屈折を有し、より詳細には両方が正または負である。これらの実施形態のそれぞれにおいて、第２の厚さ２７は第１の厚さ２５より小さい。

図８に、第１の複屈折層２２と第２の複屈折層１２４とが互いに異なる材料から作られる別の実施形態の光学的レイアウトの概略図を示す。層２２、１２４は、単に一方が正のときは他方が負であるという意味で、反対の複屈折を有する。第１の複屈折層２２の光学軸はＸ−Ｚ平面にあり、第２の複屈折層１２４の光学軸もＸ−Ｚ平面にある。第１の角度２３は第２の角度１２９と同じ大きさにすることができるが、Ｘ軸に対する符号が反対になる。第１の層２２は正の複屈折を有し、第２の層１２４は負の複屈折を有する。任意選択で、第１の光角２３は−９０°から９０°の間にあり、第２の光角１２９はＸ軸から９０°から−９０°の間にあり、より好ましくは図８に示すようにＸ軸から±４５°である。というのは、この角度が層の厚さを最小限に抑え、計算処理の低減も可能にする縞の生成に関連し、したがって好ましいからである。また、層の複屈折は、第１の層２２が負の複屈折を有し第２の層１２４が正の複屈折を有するように切り替えることができる。層２２、１２４が異なる材料を含むので、結果として生じる信号にチャープが導入される。チャープは、有利には、信号対雑音比を改善するのに必要なダイナミックレンジを低減するのを助ける。

図７の実施形態と同様に、第１の複屈折層２２の厚さ２５は正の第２の複屈折層１２４の厚さ１２７とは異なる。また、偏光子から直線偏光されたビームは第１の複屈折層２２に入り、２つの偏光要素、ｏ光線およびｅ光線に分けられる。第１の複屈折層を出る際に、ｅ光線およびｏ光線は第２の複屈折層１２４に入る。反対の複屈折を有する図８の実施形態の場合、第１の複屈折層のｅ光線は第２の複屈折層においてｅ光線のままである。同様に、第１の複屈折層のｏ光線は第２の複屈折層においてｏ光線のままである。上記のいずれの実施形態でも、第２の複屈折層を出る際に、ｅ光線とｏ光線との正味の位相差がある。この位相差は、複屈折光学部材５５に入る光の入射角と共に変化し、光の偏光変調をもたらす。この光が第２の偏光子２６によって分析されると、第２の偏光子２６は入射角により、伝送された光の強度の変調をもたらす。この強度変調は、カメラ６５によって検出されるときに図１１に示すインターフェログラムの線の縞として現れる。

図９に複屈折光学部材５５の別の実施形態を開示する。ここで、複屈折板２２、２２４には同じ複屈折材料が使用され、それらの板は図８の第２の実施形態と同じ光学軸２３、２２９を有するが、等しい厚さ２５、２２７を有する。任意選択で、第１の光角２３は−９０°から９０°の間にあり、第２の光角２２９はＸ軸から９０°から−９０°の間にあり、より好ましくは、Ｘ軸から±４５°である。というのは、この角度が層の厚さを最小限に抑え、計算処理の低減も可能にする縞の生成に関連し、したがって好ましいからである。そのために調節し有用なインターフェログラムを生産するために、半波長板またはリターダ５０を使用して直線偏光された光の偏光を切り替える。リターダ５０は２つの複屈折層２２と２２４との間に配置される。最も好ましくは、第１の複屈折板、半波長板および第２の複屈折層は図９に示すように一緒になってサンドイッチ状になる。また、第１の偏光子２０から直線偏光されたビームは、第１の複屈折層２２に入り、２つの偏光要素、ｏ光線およびｅ光線に分けられる。第１の複屈折層を出る際に、ｅ光線およびｏ光線はリターダ５０に入り、第１の複屈折層２２のｅ光線が第２の複屈折層２２４に入るときにｏ光線になるように、偏光が切り替えられる。同様に、第１の複屈折層２２のｏ光線は第２の複屈折層２２４ではｅ光線になる。第２の複屈折層を出る際には、ｅ光線とｏ光線との正味の位相差がある。この位相差は、複屈折光学部材５５への光の入射角と共に変化し、光の偏光変調をもたらす。この光が第２の偏光子２６によって分析されると、第２の偏光子２６は入射角により、伝送された光の強度の変調をもたらす。この強度変調は、やはり図１１に示すように、カメラ６５によって検出される画像に直線の縞として現れる。

図１０に複屈折光学部材５５の別の実施形態を開示する。複屈折光学部材の最初の３つの代表的な実施形態は一軸複屈折結晶または二軸複屈折結晶を使用して構築できるが、図１０の実施形態では二軸複屈折結晶のみ使用される。非常に有利な特徴によれば、複屈折光学部材５５には単一の複屈折板１２２が使用される。この単一の複屈折層１２２は、例えばチタン酸リン酸カリウム（ＫＴＰ）などの二軸複屈折結晶を使用して構築される。複屈折層１２２の光学軸は両方ともＸ−Ｚ平面にある。任意選択で、光学軸の一方の角度、光角２３は−９０°から９０°の間にあり、より好ましくは、層１２２の光学軸の一方はＺ軸に沿っている。というのは、この角度は計算処理を低減するのに必要な縞の生成と関連するからである。

開示した実施形態のそれぞれについて、最後の複屈折層を出る際に、直交偏光された２つの光線の間に正味の位相差がある。この位相差は複屈折光学部材５５への光の入射角と共に変化し、第２の偏光子２６に入る光の偏光変調をもたらす。この光が第２の偏光子２６によって分析されると、第２の偏光子２６は入射角により、伝送された光の強度の変調をもたらす。この強度変調は、カメラ６５によって検出されるときに、（図８および図９の実施形態では）図１１の通常の直線の縞として、または（図７および図１０の実施形態では）図１２に示す正則曲線の縞として現れる。

上記で言及したように、拡散器４０がない場合、複屈折光学部材５５の生成された縞は、外部の情報源の画像に重ねられる。このような画像から得られるインターフェログラムの直接フーリエ変換は不正確な物体の分光特性を生み出す。非常に有利な要素によれば、拡散器４０は、背景を一様かつ均質にするように作用して、本質的に背景状況の情報を信号から無くすことが可能になり、そうなると、正確な物体の分光特性を与えるインターフェログラムの直接フーリエ変換が可能になる。背景データを低減すると、従来の携帯機器に見られるプロセッサによって対処できる処理を簡単にすることが可能である。

上記で言及したように、複屈折光学部材５５を通った後の入射角による強度変調は、カメラ６５によって検出される画像に、図１１に示すような通常の直線の縞、または図１２に示すような正則曲線の縞を生み出す。図１１は、図８および／または図９の実施形態を用いてカメラ６５によって取り込まれた直線の縞の代表的な画像であり、図１２は、図７および図１０の実施形態のいずれかを用いてカメラ６５によって取り込まれた曲線の縞の代表的な画像である。画像の各列全体にわたって画素値をプロットすることによって、光度変調対複屈折光学部材５５への光の入射角を示す単一の列のインターフェログラムが得られる。単純なフーリエ変換をこのインターフェログラムに適用すると分光特性が与えられる。背景が一様な場合、図１１または図１２に示すような単一の縞画像は、有利には、フーリエ変換で物体の分光特性が得られる単一の未加工インターフェログラムを多数（容易に千を超える）提供することができる。多数の分光特性の平均をとることによって、ノイズが有意に低減された、質の高い物体の分光特性の測定が開発される。

携帯機器のデジタルカメラは通常、比較的多数（数百万）の画素を有する。図１１および図１２に示すような単一の縞画像には、通常、１千を超える列がある。各列は対応するインターフェログラムを生み出すことができる。各インターフェログラムにフーリエ変換を実行することによって、物体の１千を超える分光特性を得ることができる。重要なことに、これは全て、拡散器４０によって均質化された光によって、単一の縞画像のみを用いて実現することができる。これらの測定された分光特性は、拡散器４０によって均質化された同じ光のものである。

したがって、非常に有利な特徴によれば、測定値のスペクトルノイズを低減するために平均化を行うことができる。ソフトウェア制御モジュールまたは「ａｐｐ（アプリケーションプログラム）」が、目標とされる特定の集合の命令を実行するように設計される。この場合は、ａｐｐは、元の設備に内蔵することもでき、標準的なインターネット接続を介して携帯機器のプロセッサにロードすることもできる。ソフトウェア制御モジュールは、縞生成光学部材によって生み出される干渉縞に基づき単一画像内の複数のインターフェログラムに対応する信号を受信する。単一の分光特性を得るために単一の未加工インターフェログラムごとにフーリエ変換が実行され、次いで、処理が繰り返される。単一の分光特性をいくつか一緒にして平均すると、物体の平均の分光特性が生み出される。既知の基準から経験的に導かれたこの平均の分光特性は、このような既知の基準の実際の分光特性とよく相関することが分かっている。

図１４にこの平均の技法の例を示す。３つの異なる平均値を示す。概して、より多くの特性の平均をとるほどノイズが大幅に低減される。第１の曲線が１０の分光特性の平均であり、著しいノイズを示す。しかし、１００の分光特性の平均をとるとノイズが低減され、１０００の分光特性の平均をとるとノイズがさらに低減される。平均化の後の単純なフーリエ変換は、携帯機器のプロセッサ（単数または複数）によって計算することができる。

フーリエ変換および平均化を用いることによって、縞の生画像に対応する、カメラによって生成された信号を処理して処理済みの分光特性にするために、通常、携帯機器の一部分として内蔵されたプロセッサを使用することができる。物質分析では、処理済みの分光特性の特徴的な波長はスペクトル指紋とすることができる。このスペクトル指紋は、携帯機器のデータベースに格納された基準スペクトルまたはネットワークを介してアクセスされる離間した基準スペクトルと照合するために使用することができる。

物質分析において有用な光のパラメータが分光反射率（または分光吸収率）である。物体の分光特性は、（本質的な材料の性質である）物体の分光反射率および物体を照明する光のスペクトルに応じて変わる。先に言及したように、フラッシュ照明または光源７７は、電話間または装置間で比較的ばらつきがない。フラッシュ照明の分光特性は、基準物質から固定の距離において、既知の較正済み分光反射率を有する基準物質の分光特性を測定することによって、判定することができる。フラッシュ照明の分光特性が分かると、物体の分光反射率を判定することができる。物体の分光反射率は、物体によって反射される光の分光特性をフラッシュ照明の分光特性で除算したものである。

物体の分光特性は物体上に照射される光に応じて変わる。室内の光、屋外の自然光、ＬＥＤ、蛍光灯などにより物体が異なって見える。物体の分光反射率は物体の固有の性質であり、物体の分光特性は物体に当たる（さらに分光計に反射される）光に応じて変わる。非常に有利な特徴によれば、本明細書に開示するコンパクトな分光計は、精密であり調整された色測定のために使用することを可能にし、このことは、異なる照明条件でのアイテムの色を重視する見込み客に対する売り主による（売り主または売り主の代理人および顧客を含む、広範囲にわたる人々を含むものと理解される）、販売およびマーケティングのツールとして有用とすることができる。例えば衣類など、広範囲にわたる色を提供するアイテムの売り主は、例えば、アイテムの分光反射率および広範囲にわたる様々な光源下でそのアイテムを視認するという選択肢を顧客に提示することができる。必要なステップは、分光特性と分光反射率との関係に基づくものであり、標準的な（例えばウェブサイト上にアイテムを表示するために見ることができるような標準的なものとして用いられる）光源の分光特性を較正するステップまたはフラッシュ照明の較正済み分光特性を使用するステップと、アイテムの分光反射率を測定するステップと、見込み客がアイテムの分光反射率を利用できるようにするステップとを含む。次に、見込み客は、アイテムの分光反射率および光源の分光特性または対象となる特定の照明条件に関する情報を用いて、アイテムの模擬的な分光特性を判定する。このようにして、見込み客は様々な異なる照明条件でアイテムがどのように見えるかを理解することができる。

コンパクトな分光計を使用するこの方法をより詳細に見ると、まず光源の分光特性が較正される。装置間でフラッシュ照明が全く同じである場合は、工場の較正で十分である。しかし、フラッシュ照明の実際の分光特性はわずかにはずれることがあり、経時的に劣化することがあり、したがって、フラッシュ照明の実際の分光特性を測定するために基準物質を使用することができる。あるいは、売り主は、同じ技術を用いて対象となる代替の光源／照明条件を較正することができる。次に、売り主はアイテムの分光反射率を測定する。次いで、売り主は（ここでは売り主または売り主の代理人を意味すると理解される）アイテムの較正済みの分光反射率を見込み客が利用できるようにする。これは、例えば、アイテムの較正済みの分光反射率を売り主のウェブサイト上で利用できるようにすることによって行われる。このような見込み客は、アイテムの分光反射率をロードし、異なる照明条件（屋外、ＬＥＤを使用した屋内、ディスコ、パブ、明るいビーチ、など）を模擬する見込み客自身の比較光源の測定または記録した分光特性を用いて、アイテムの模擬的な分光特性を判定し、アイテムが異なる照明条件でどのように見えるかを可視化することができる。

上記で説明した、アイテムの色測定を行う方法は、本明細書に開示するコンパクトな分光計を使用することにより劇的に単純化される。売り主は、アイテムの分光反射率を測定するステップの間に分光計を使用する。売り主は、任意選択で、標準光源の分光特性を得る最初のステップの間に分光計を使用することもできる。顧客または見込み客は、アイテムの模擬的な分光特性を判定するステップの間に分光計を使用することになる。顧客によって使用される分光計は、売り主によって使用される分光計と同じでも異なっていてもよい。

前述の開示および特定の実施形態の詳細な説明から、本発明の真の範囲および精神から逸脱することなしに、様々な修正形態、追加形態および他の代替の実施形態が可能であることが明らかである。検討した実施形態は、本発明の原理およびその現実的な用途の最も良い例示を提供し、そうすることで、企図される特定の使用に適した様々な実施形態および様々な修正形態で当業者が本発明を利用できるように、選択および説明した。このような修正形態および変更形態は全て、公平に、法的に、公正に権利が与えられた範囲に従って解釈されるときに、添付の特許請求の範囲によって決定される本発明の範囲内に包含される。

１０ 分光計
１２ 縞生成光学部材
４５ 全面光学部材
６５ デジタルカメラ
７０ ランチャネル
７５ 拡散器
７７ フラッシュ照明
８０ ハウジング
９０ 携帯電話

Claims (24)

1. 物体の分光特性を測定する分光計であって、
   前記物体からの光を受信するようになっている拡散器を備える正面光学部材と、
   前記拡散器からの光を受信し干渉縞を生成するようになっている複屈折光学部材と、
   前記干渉縞を受信するようになっているカメラと、
   前記物体の前記分光特性を生成するようになっているプロセッサと
   を組み合わせて備える、分光計。
2. 前記カメラは、前記縞生成光学部材によって生み出された前記受信した干渉縞に対応し単一画像内の複数のインターフェログラムに対応する信号を生成するようになっており、
   前記プロセッサは、前記複数のインターフェログラムのそれぞれのフーリエ変換を実行し前記インターフェログラムの前記フーリエ変換の平均をとることによって、前記物体の前記分光特性を計算するようになっている、
   請求項１に記載の分光計。
3. 前記拡散器は、
   粗い下地の光学面を有し前記複屈折光学部材とは別個である層、
   前記複屈折光学部材の第１の偏光子の粗い下地の前面、および
   マイクロレンズのレンズアレイ
   のうち１つを備える、請求項１に記載の分光計。
4. 前記正面光学部材および前記複屈折光学部材のためのハウジングをさらに備える、請求項１に記載の分光計。
5. 前記ハウジングは、
   装置カバーの一部分として形成されるか、または
   携帯機器に組み込まれる、
   請求項４に記載の分光計または請求項２０に記載の縞生成光学部材。
6. 前記ハウジングは、前記複屈折光学部材が前記カメラの正面に配置された動作位置と、前記複屈折光学部材が前記カメラの正面に配置されていない非動作位置との間で調節可能である、請求項５に記載の分光計。
7. 前記ハウジングは、前記携帯機器上に配置されるようになっている外部アタッチメントを備える、請求項６に記載の分光計。
8. 光源からの光を拡散するようになっている光拡散器をさらに備える、請求項４に記載の分光計または請求項２０に記載の縞生成光学部材。
9. 前記光源は携帯機器のフラッシュ照明である、請求項８に記載の分光計または縞生成光学部材。
10. 前記光拡散器は前記ハウジングに配置される、請求項９に記載の分光計または縞生成光学部材。
11. 前記正面光学部材はさらに、レンズと開口を画定するマスクとを備え、
    前記物体からの光は、前記レンズを通り、次いで前記開口を通り、次いで前記拡散器を通り、次いで前記複屈折光学部材を通る、
    請求項１に記載の分光計または請求項２０に記載の縞生成光学部材。
12. 前記複屈折光学部材は、
    第１の偏光子と、
    第１の複屈折板と、
    第２の複屈折板と、
    第２の偏光子と
    を備える、請求項１に記載の分光計または請求項２０に記載の縞生成光学部材。
13. 前記第１の偏光子および前記第２の偏光子はそれぞれ、前記複屈折光学部材を通る光の伝送方向に垂直な平面に形成される偏光角に直線偏光される光を伝送するようになっている、請求項１２に記載の分光計または縞生成光学部材。
14. 前記第１の複屈折層は、Ｘ軸およびＺ軸によって形成されたＸ−Ｚ平面に形成される第１の角度に第１の光学軸を有し、前記Ｚ軸は、前記複屈折光学部材を通る光の前記伝送方向である、
    請求項１３に記載の分光計または縞生成光学部材。
15. 前記第２の複屈折層は前記Ｚ軸に垂直な平面に第２の光学軸を有する、請求項１４に記載の分光計または縞生成光学部材。
16. 前記第２の複屈折層は、前記第１の複屈折層の複屈折の反対の複屈折、および前記Ｘ−Ｚ平面に形成される第２の角度の第２の光学軸を有する、請求項１４に記載の分光計または縞生成光学部材。
17. 前記第１の複屈折層は第１の厚さを有し、前記第２の複屈折層は第２の厚さを有し、前記第２の厚さは前記第１の厚さとは異なる、請求項１４に記載の分光計または縞生成光学部材。
18. 前記第１の複屈折層は第１の厚さを有し、前記第２の複屈折層は第２の厚さを有し、前記第２の厚さは前記第１の厚さと同じであり、
    前記第１の複屈折層と前記第２の複屈折層との間に半波長板が配置される、
    請求項１４に記載の分光計または縞生成光学部材。
19. 前記複屈折光学部材は、二軸複屈折結晶から形成された単一の複屈折層を備える、請求項１３に記載の分光計または縞生成光学部材。
20. 物体からの光から干渉縞を生み出し、前記干渉縞をカメラに伝送するようになっている、分光計のための縞生成光学部材であって、
    前記分光計が
    ハウジングと、
    前記物体からの光を受信するようになっている拡散器を備え、前記ハウジングに配置された正面光学部材と、
    前記ハウジングに配置され、前記拡散器からの光を受信し干渉縞を生み出すようになっている、複屈折光学部材と
    を組み合わせて備える、
    縞生成光学部材。
21. 売り主によって販売されるアイテムの色測定を行う方法であって、
    標準光源の分光特性を得るステップと、
    分光計を使用して前記アイテムの分光反射率を測定するステップと、
    前記アイテムの前記分光反射率を見込み客が利用できるようにするステップと
    を組み合わせて含む、方法。
22. 前記アイテムの前記分光反射率および対象の照明条件の分光特性を使用して、前記アイテムの模擬的な分光特性を判定するステップをさらに含む、請求項２１に記載の方法。
23. 前記アイテムの前記分光反射率を見込み客が利用できるようにする前記ステップは、前記売り主によって実行され、前記模擬的な分光特性を生成する前記ステップは、前記見込み客または前記売り主によって実行される、請求項２２に記載の方法。
24. 前記売り主および前記見込み客の両方が、請求項１から１９のいずれか一項に開示されたコンパクトな分光計を使用する、請求項２３に記載の方法。

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