JP2017187474A - 照明装置ならびにそれを用いた蛍光スペクトル画像観測装置および飛行型測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】走査型の照明光を対象物に照射可能な照明装置を提供する。【解決手段】ファイバー束２１０は、第１端面２１１および第２端面２１２を有する。発光点列２３０は、ファイバー束２１０の第２端面２１２側に第１方向に配置される複数の発光点２３２を含む。走査光学系２４０は、発光点列２３０からの光を反射し、反射光を第１方向と垂直な第２方向に走査しながらファイバー束２１０の第２端面２１２にカップリングさせる。【選択図】図１

Description

本発明は、走査型の照明装置に関する。

従来、蛍光スペクトル画像を取得する装置では、対象物に一様な紫外照明光を当てた状態で、ライン状に配置した多数のセンサにより各波長ごとの蛍光強度分布を取得する構成が一般的であった。

国際公開ＷＯ２０１５／０６８３９５号パンフレット

この従来法では、特性のそろった多数の受光素子を必要とするため、装置の価格が高価となるという問題があった。また経年変化により、各素子間の感度特性にバラツキが生じるという問題があった。

本発明は係る課題に鑑みてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、走査型の照明光を対象物に照射可能な照明装置の提供にある。

本発明のある態様は、照明装置に関する。照明装置は、第１端面および第２端面を有するファイバー束と、ファイバー束の第２端面側に第１方向に配置される複数の発光点を含む発光点列と、発光点列からの光を反射し、反射光を第１方向と垂直な第２方向に走査しながらファイバー束の第２端面にカップリングさせる走査光学系と、を備える。
この態様によると、走査光学系を制御することにより、走査型の照明光を対象物に照射することができる。

複数の発光点は時分割で発光してもよい。発光させる発光点の選択と、走査光学系の制御の組み合わせによって、スポット光を走査できる。

複数の発光点は同時点灯してもよい。この場合、ライン状の照明光を走査することができる。

発光点列は、複数の発光素子を含む発光素子列と、それぞれの一端が発光素子列の出射光とカップリングしており、それぞれの他端がファイバー束の第２端面において第１方向に配列された複数の光ファイバーと、を含んでもよい。これにより装置のサイズを小さくできる。また、光ファイバーからの出射光を、光ファイバーに再カップリングさせる構造をとっているため、光学的な設計が容易となる。

複数の発光素子は時分割で点灯してもよい。発光させる発光素子の選択と走査光学系の動作を制御することにより、スポット光を走査できる。

複数の発光素子は同時点灯してもよい。この場合、ライン状の照明光を、照明光の延びる方向と垂直方向に走査することができる。

走査光学系は、平面の可動ミラーと、焦点距離ｆを有し、可動ミラーとファイバー束の第２端面の間に第２端面から距離ｆの位置に設けられた凸レンズと、を含んでもよい。
これにより、発光点列の出射光を、第２端面上の可動ミラーの角度に応じた位置に結像させることができる。

本発明の別の態様は、蛍光スペクトル画像観測装置に関する。蛍光スペクトル画像観測装置は、対象物に励起光を照射する上述のいずれかの照明装置と、対象物から発生する蛍光のスペクトル強度を観測する単眼分光センサと、を備える。

この態様によると、照明装置によってライン状あるいはスポット状の励起光を走査できるため、蛍光を測定するセンサには、位置分解能が不要となり、あるいは１次元の空間分解能さえあれば足りることとなる。さらに波長ごとの多数の受光素子に代えて、分光センサを用いることで、装置を低コスト化できる。また、経年変化による多数の受光素子のばらつきの問題を排除できる。

発光点列の発光と、分光センサのセンシングタイミングが同期化されてもよい。

本発明の別の態様は飛行型測定装置に関する。飛行型測定装置は、飛行体と、底面が透明であり、飛行体の着水時に水中に潜るように飛行体の下側に取り付けられた防水構造の容器と、その少なくとも一部が容器に収容される上述の蛍光スペクトル画像観測装置と、を備えてもよい。
これにより、ドローンなどの無人機搭載用の蛍光スペクトル画像観測システムを軽量かつ廉価で実現することができる。

生体計測に用いる場合には、対象物が受ける紫外線損傷の低減を図ることができる。

本発明のある態様によれば、走査型の照明光を対象物に照射することができる。

実施の形態に係る照明装置を示す図である。 図１の照明装置の動作を説明する図である。 走査光学系の具体的な構成例を示す図である。 照明装置の変形例を示す図である。 実施の形態に係る蛍光スペクトル画像観測装置を示す図である。 蛍光スペクトル画像観測装置を備える飛行型測定装置を示す図である。

以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

図１は、実施の形態に係る照明装置２００を示す図である。照明装置２００は、ファイバー束２１０、第１光学系２２０、発光点列２３０、走査光学系２４０を備える。

ファイバー束２１０は、第１端面２１１および第２端面２１２を有する。ファイバー束２１０は、複数の光ファイバー２１３を含み、複数の光ファイバー２１３の一端が規則的に束ねられ、第２端面２１２を形成している。本実施の形態では、複数の光ファイバー２１３は、８×８のマトリクス状に配置されているが、光ファイバー２１３の本数は特に限定されない。複数の光ファイバー２１３の大部分はその第１端面２１１においても規則的（マトリクス状）に束ねられる。複数の光ファイバー２１３はハニカム状に配置されてもよい。

第１光学系２２０は、ファイバー束２１０の第１端面２１１と対象物の間に設けられる。第１光学系２２０の構成は特に限定されず、所望の強度で所望の部分が照射されるように、対象物と第１端面２１１の距離などに応じて設計すればよい。たとえば第１光学系２２０は、１枚の望遠レンズを含みうるがその限りではない。用途によっては第１光学系２２０は省略可能である。

発光点列（発光点のアレイ）２３０は、ファイバー束２１０の第２端面２１２側に第１方向（図中、ｙ方向）に配置される複数の発光点（発光スポット）２３２を含む。各発光点２３２は、第２端面２１２の法線方向（図中、ｚ方向）に光を出射する。

好ましくは発光点列２３０は、発光素子列２３４および複数の光ファイバー２３６を含む。発光素子列２３４は、列状に配列された複数の発光素子２３５を含む。発光素子２３５は、ＬＥＤ（発光ダイオード）やＬＤ（レーザダイオード）、有機ＥＬ（Electro Luminescence）素子などの半導体発光素子を用いることができる。

複数の光ファイバー２３６それぞれの一端は、発光素子列２３４の出射光とカップリングしている。複数の光ファイバー２３６それぞれの他端は、ファイバー束２１０の第２端面２１２において第１方向（図中、ｙ方向）に配列される。ひとつの発光素子２３５を発光させると、その出射光が、その発光素子２３５と対応する少なくとも１本の光ファイバー２３６とカップリングし、光ファイバー２３６の他端から出射する。図１では、１本の光ファイバー２３６と１個の発光素子２３５のペアが、１個の発光点２３２を構成しており、光ファイバー２３６と発光素子２３５は８個ずつ設けられている。

一実施例において複数の光ファイバー２３６と１個の発光素子２３５のセットが、１個の発光点２３２を構成してもよいし、複数の光ファイバー２３６と複数の発光素子２３５のセットが、１個の発光点２３２を構成してもよい。

走査光学系２４０は、発光点列２３０および第２端面２１２と対向して設けられる。走査光学系２４０は、発光点列２３０からのｚ方向に出射する光を反射し、その反射光を第１方向（ｙ方向）と垂直な第２方向（ｘ方向）に走査しながら、ファイバー束２１０の第２端面２１２にカップリングさせる。

以上が照明装置２００の構成である。続いてその動作を説明する。

図２は、図１の照明装置２００の動作を説明する図である。図２には照明装置２００を上から見た平面図が示される。ここでは理解の容易化のため、走査光学系２４０を平面ミラーとして示している。

（ラインスキャン動作）
はじめに、発光素子列２３４の複数の発光素子２３５＿１〜２３５＿８をすべて発光させる動作を説明する。走査光学系２４０の平面ミラーが（i）の角度に位置するとき、発光点列２３０の出射光は走査光学系２４０によって反射され、実線で示すように第１列目の光ファイバー２１３＿１にカップリングする。その結果、第１端面２１１において、（i）を付した光ファイバーの列（黒いドット）が発光する。

走査光学系２４０の平面ミラーが回転して（ii）の角度に位置するとき、発光点列２３０の出射光は走査光学系２４０によって反射され、破線で示すように第６列目の光ファイバー２１３＿６にカップリングする。その結果、第１端面２１１において、（ii）を付した光ファイバーの列（斜線のドット）が発光する。

このように発光素子列２３４をすべて点灯させた状態で、走査光学系２４０をスキャン動作させることにより、対象物側において、ライン状の照明光を、Ｘ方向にスキャンすることができる。

（スポットスキャン動作）
続いて、発光素子列２３４の複数の発光素子２３５＿１〜２３５＿８を時分割で順に発光させる動作を説明する。走査光学系２４０がある角度にあるとき、ひとつの発光素子２３５を点灯させると、第１端面２１１において、ひとつの光ファイバーから光が出射し、スポット光が対象物に照射される。したがって、点灯させる発光素子２３５と、走査光学系２４０の状態の組み合わせに応じて、第１端面２１１側の８×８＝６４個の光ファイバーからひとつを選択することができ、選択されたひとつの光ファイバー２１３からスポット状の照明光を照射することができる。

たとえば、走査光学系２４０の角度を８段階で変化させながら、各段階において、複数の発光素子２３５を時分割で点灯させてもよい。
あるいは、複数の発光素子２３５を時分割で所定の順序で点灯させながら、ひとつの発光素子２３５が点灯している状態で、走査光学系２４０の角度を８段階で変化させてもよい。

以上が照明装置２００の動作である。

図３は、走査光学系２４０の具体的な構成例を示す図である。走査光学系２４０は、可動ミラー２４２、アクチュエータ２４４、第２光学系２４６を含む。可動ミラー２４２は、ｙ軸と平行な軸を中心としてチルトあるいはスイベル可能に支持される。アクチュエータ２４４は、可動ミラー２４２の角度θを制御する。第２光学系２４６は、可動ミラー２４２と第２端面２１２の間に設けられる。

一実施例において第２光学系２４６は、焦点距離ｆの凸レンズであり、第２端面２１２（発光点列２３０の出射面）から距離ｆの位置に配置される。可動ミラー２４２は、第２光学系２４６から距離Ｌの位置に設けられた平面ミラーである。

発光点列２３０は点光源とみなすことができ、その出射光の光束は実線で示される。第２光学系２４６である凸レンズによって、出射光は平行光となり、可動ミラー２４２によって反射される。可動ミラー２４２の反射光は、第２光学系２４６によって集光され、可動ミラー２４２の角度θに応じた光ファイバーのひとつの列にカップリングする。

図３の走査光学系２４０によれば、発光点列２３０の出射光を任意の光ファイバーの列に高効率にカップリングさせることができる。

一実施例において走査光学系２４０を、凹面ミラーで構成してもよい。

図４は、照明装置２００の変形例を示す図である。図１では発光点列２３０が、ファイバー束２１０の中央に配置されるが、図４では端の一列に配置されている。

（蛍光スペクトル画像観測装置）
続いて照明装置２００の用途を説明する。照明装置２００は、蛍光スペクトル画像観測装置に好適に用いることができる。

蛍光スペクトル画像観測装置の概要を説明する。図５に示すように、ファイバー束を用いた反射型ハイパースペクトル取得機構「PCT/JP2014/005590（WO2015/068395）センシング装置及びセンシング方法」に記載されたセンシング素子に接続される光ファイバー列（公開公報の図１７、図１８参照）を、紫外発光LED列に接続し、これから発せられる光束を、凸レンズと紫外反射可能な可動ミラーで、他端を望遠レンズに接続されたファイバー束端面に結像させる。結像された紫外光スポットは望遠レンズを透過し、遠方の観測対象物上にスポット光として照射される。可動ミラーをモータで動かすことによりこのスポットは対象物上を水平に走査することになる。一方、紫外LED列のどのLEDを発光させるかによって、観測対象物上のスポットを垂直方向走査することになる。紫外スポット光で照明された観測対象物からは、照明光よりも長い波長の蛍光が発せられるが、この対象物を視野に収める単眼ハイパースペクトルセンサを照射軸と平行に配することにより、時々刻々各場所のスポット照明位置から発せられる蛍光強度を、この単眼センサで観測し、照明スポットの位置情報とともに記憶媒体に記録することで、２次元のハイパースペクトル画像を取得することができる。なお、垂直方向に配列される紫外LED照明の点灯時期を、それぞれ独立したM系列で高速点滅させ、受光側でそれぞれ対応する内積演算を行うことにより、垂直位置の分離が可能であり、かつ、外来光による影響を低減することも可能である。

図５は、実施の形態に係る蛍光スペクトル画像観測装置１００を示す図である。蛍光スペクトル画像観測装置１００は、対象物２の蛍光スペクトルの平面分布を測定する。蛍光スペクトル画像観測装置１００は、主として、対象物に含まれる蛍光体を励起する励起系と、蛍光体からの蛍光スペクトルを測定する測定系を備える。

励起系は、上述の照明装置２００に対応するものであり、第１レンズ１１２、ファイバー束１１４、走査機構１１６を備える。第１レンズ１１２は、対象物２と対向して設けられる。対象物２が蛍光スペクトル画像観測装置１００の遠方に位置する場合、第１レンズ１１２は望遠レンズであってもよい。

ファイバー束１１４は、複数の光ファイバーを含み、各光ファイバーの一端がマトリクス状に束ねられ、第２端面Ｓ２を形成している。複数の光ファイバーの大部分は第１端面Ｓ１においてマトリクス状に束ねられ、残りの部分、たとえば１列の光ファイバーは、第１端面Ｓ１の光ファイバー群から分岐して、第３端面Ｓ３において束ねられる。発光素子群１１８は、ファイバー束１１４の第３端面Ｓ３と結合しており、第２端面Ｓ２と同一平面内に発光点列１２０を形成する。発光素子群１１８の発光波長は、対象物２に含まれる蛍光体の励起波長に応じて定めればよく、たとえば発光素子群１１８は、紫外ＬＥＤ（発光ダイオード）アレイであってもよい。なお、ＬＥＤに代えてＬＤ（レーザダイオード）や有機ＥＬ素子など、別の光源を用いてもよい。

走査機構１１６は、第２レンズ１２２および可動ミラー１２４を含む。第２レンズ１２２は、ファイバー束１１４の第１端面Ｓ１と距離ｆを隔てて対向する。第２レンズ１２２は、焦点距離がｆである凸レンズであってもよい。可動ミラー１２４は、第２レンズ１２２と距離Ｌを隔てて対向している。可動ミラー１２４は、発光点列１２０からの光を第２レンズ１２２を介して受け、それを反射する。可動ミラー１２４の反射光は、第２レンズ１２２を通過して再びファイバー束１１４の第１端面Ｓ１に結合する。ファイバー束１１４に結合した光は、第２端面Ｓ２から出射し、第１レンズ１１２によって対象物２上にスポット光Ｌ１として照射される。可動ミラー１２４を動かすことにより、対象物２上でスポット光Ｌ１が走査され、スポット光Ｌ１により対象物２に含まれる蛍光物体が励起される。

測定系は、第３レンズ１３２および分光センサ１３４を備える。第３レンズ１３２は、対象物２からの蛍光Ｌ２を分光センサ１３４に集光する。分光センサ１３４は、対象物２から発生する蛍光のスペクトル強度を観測する。分光センサ１３４は、単眼ハイパースペクトルセンサであってもよく、この対象物２を視野に収めることが可能であり、照射軸と平行に配される。

そして可動ミラー１２４の変位量に応じて、時々刻々と、各場所のスポット照明位置から発せられる蛍光Ｌ２の強度を、この単眼分光センサ１３４で観測し、照明スポットの位置情報とともに記憶媒体に記録することで、２次元のハイパースペクトル画像を取得することができる。単眼分光センサ１３４には空間的な分解能が不要であるため、装置を簡素化できる。

発光素子群１１８の発光タイミングと、分光センサ１３４の受光タイミングは同期化される。垂直方向に配列される紫外ＬＥＤ照明の点灯時期を、それぞれ独立したＭ系列で高速点滅させ、受光側でそれぞれ対応する内積演算を行うことにより、垂直位置の分離が可能であり、かつ、外来光による影響を低減することも可能となる。

続いて蛍光スペクトル画像観測装置１００の変形例を説明する。

（変形例１）
ここでは単眼の分光センサ１３４を説明したがその限りではない。照明装置２００によって、ライン状の励起光を発生する場合には、分光センサ１３４に１次元の空間分解能を持たせることで、２次元分布を測定可能となる。

（変形例２）
測定対象の蛍光の波長が単一であり、その強度分布のみを測定したい場合には、分光センサ１３４に代えて、波長分解能を有しない光センサを用いてもよい。光センサとしては、たとえば、特定波長域に感度ピークのあるフォトダイオードやフォトトランジスタ等の光電素子を用いることができる。光電素子は分光センサに比べて安価であるため、励起系である照明装置２００をさらに安価に構成できる。

（用途）
図６は、蛍光スペクトル画像観測装置１００を備える飛行型測定装置を示す図である。飛行型測定装置３００は、飛行体３０２、容器３０４および上述の蛍光スペクトル画像観測装置１００を備える。

蛍光スペクトル画像観測装置１００は、海中の藻の分布を蛍光によって分析する装置に好適に利用可能である。この用途において、第１レンズ１１２と分光センサ１３４および第３レンズ１３２は、その一部が水面下に挿入される透明容器３０４内に設置してもよい。この透明容器３０４は、水陸両用の飛行体３０２（たとえばマルチコプターなどのドローン）の下部に設置される。この用途では、光学系と対象物の距離は２〜３ｍが想定される。ドローンは海面に着水した状態で、水面下の藻を観察する。この用途では、励起光の紫外光は、海水による吸収が小さな波長が選択される。

従来はこうした水中観測はダイバーによる作業を必要とし，観測域へのアプローチや人為的行為に対するリスクなどの問題があったが実施の形態に係る飛行型測定装置３００によれば、この問題を解決できる。

蛍光スペクトル画像観測装置１００の別の用途としては、印刷物の蛍光体検出装置が挙げられる。複製防止の目的で、蛍光体塗料を印刷することにより、すかし（ウォーターマーク）を埋め込む技術が知られている。実施の形態に係る蛍光スペクトル画像観測装置１００を、用いることで、蛍光体の２次元分布、すなわちすかしの形状を、非接触で測定することが可能となる。

蛍光スペクトル画像観測装置１００は、食品検査や生体診断にも利用することができる。

実施の形態にもとづき、具体的な用語を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。

２…対象物、１００…蛍光スペクトル画像観測装置、１１２…第１レンズ、１１４…ファイバー束、１１６…走査機構、１１８…発光素子群、１２０…発光点列、１２２…第２レンズ、１２４…可動ミラー、１３２…第３レンズ、１３４…分光センサ、Ｓ１…第１端面、Ｓ２…第２端面、Ｓ３…第３端面。

Claims (8)

1. 第１端面および第２端面を有するファイバー束と、
   前記ファイバー束の第２端面側に第１方向に配置される複数の発光点を含む発光点列と、
   前記発光点列からの光を反射し、反射光を前記第１方向と垂直な第２方向に走査しながら前記ファイバー束の前記第２端面にカップリングさせる走査光学系と、
   を備えることを特徴とする照明装置。
2. 前記複数の発光点は時分割で発光することを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
3. 前記発光点列は、
   複数の発光素子を含む発光素子列と、
   それぞれの一端が前記発光素子列の出射光とカップリングしており、それぞれの他端が前記ファイバー束の前記第２端面において前記第１方向に配列された複数の光ファイバーと、
   を含むことを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
4. 前記複数の発光素子は時分割で点灯することを特徴とする請求項３に記載の照明装置。
5. 前記走査光学系は、
   平面の可動ミラーと、
   焦点距離ｆを有し、前記可動ミラーとファイバー束の第２端面の間に、第２端面から距離ｆの位置に設けられた凸レンズと、
   を含むことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の照明装置。
6. 対象物に励起光を照射する請求項１から５のいずれかに記載の照明装置と、
   前記対象物から発生する蛍光のスペクトル強度を観測する単眼分光センサと、
   を備えることを特徴とする蛍光スペクトル画像観測装置。
7. 前記発光点列の発光と、前記単眼分光センサのセンシングタイミングが同期化されることを特徴とする請求項６に記載の蛍光スペクトル画像観測装置。
8. 飛行体と、
   底面が透明であり、前記飛行体の着水時に水中に潜るように前記飛行体の下側に取り付けられた防水構造の容器と、
   その少なくとも一部が前記容器に収容される請求項６または７に記載の蛍光スペクトル画像観測装置と、
   を備えることを特徴とする飛行型測定装置。

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