JP2018200183A - 分光撮像装置及び分光撮像システム - Google Patents

Abstract

【課題】対象物を撮像する際の波長をより細かく制御することを可能とする。【解決手段】分光撮像装置１０は、対象物からの光を入射し、出射する光の波長を変更可能な複数の分光器としての波長可変フィルタ１６が２次元配置されたフィルタアレイ１２と、フィルタアレイ１２の複数の分光器のうち互いに異なる分光器から出射された光を受光する複数の受光素子が２次元配置されたセンサアレイ１３と、を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、分光撮像装置及び分光撮像システムに関する。

対象物からの光を分光して検出する分光撮像装置の装置構成は種々検討されている（例えば、特許文献１，２等）。

特表２００８−５１０９６４号公報 特開２０１２−５８０３７号公報

しかしながら、従来の分光撮像装置では、解析の対象波長を特定の領域において個別に選択するような構成は検討されていなかった。そのため、特定の領域においてのみ特定の波長域の測定を行うようなことは困難であった。

本発明は上記を鑑みてなされたものであり、対象物を撮像する際の波長をより細かく制御することが可能な分光撮像装置及び分光撮像システムを提供することを目的とする。

本願発明は、
対象物からの光を入射し、出射する光の波長を変更可能な複数の分光器が２次元配置された分光器アレイと、
前記分光器アレイの複数の前記分光器のうち互いに異なる前記分光器から出射された光を受光する複数の受光素子が２次元配置されたセンサアレイと、
を有する、分光撮像装置、
である。

本発明によれば、対象物を撮像する際の波長をより細かく制御することが可能な分光撮像装置及び分光撮像システムが提供される。

本発明の一実施形態に係る分光撮像システムの概略構成図である。 フィルタアレイにおける波長可変フィルタの配列について説明する図である。 波長可変フィルタの制御について説明する図である。 波長可変フィルタの制御について説明する図である。

［本願発明の実施形態の説明］
最初に本願発明の実施態様を列記して説明する。

本願の分光撮像装置は、対象物からの光を入射し、出射する光の波長を変更可能な複数の分光器が２次元配置された分光器アレイと、前記分光器アレイの複数の前記分光器のうち互いに異なる前記分光器から出射された光を受光する複数の受光素子が２次元配置されたセンサアレイと、を有する。

上記の分光撮像装置によれば、出射する光の波長を変更可能な複数の分光器のうち、互いに異なる分光器から出射された光が、センサアレイの複数の受光素子において受光される。すなわち、複数の分光器から出射する光の波長を個別に制御することで、複数の受光素子において受光される光の波長を互いに異ならせることができる。したがって、対象物を撮像する際の波長を、複数の受光素子間で互いに異ならせることができ、より細かく制御することが可能となる。

前記分光器は、ＭＥＭＳ型のファブリペローフィルタである態様とすることができる。上記のように、分光器としてＭＥＭＳ型のファブリペローフィルタを用いることで、分光器アレイを小型化することができると共に安価で製造することができる。

前記複数の分光器は、前記複数の受光素子それぞれに対応して個別に設けられ、前記複数の分光器のうちの１の分光器から出射した光が、前記複数の受光素子のうちの１の受光素子において受光される態様とすることができる。上記のように、複数の受光素子それぞれに対して複数の分光器が個別に設けられる構成とすることで、受光素子毎に入射させる光を制御することが可能となり、より細かく制御することが可能となる。

本願の分光撮像システムは、上記の分光撮像装置と、前記分光撮像装置の前記センサアレイの前記複数の受光素子からの画像信号を取得し、当該画像信号を解析すると共に当該画像信号に基づいて２次元画像の作成を行う画像解析部と、前記分光撮像装置の前記複数の分光器それぞれから出射する光の波長を制御する制御部と、を有する。

上記の分光撮像システムによれば、画像解析部においてセンサアレイからの画像信号の解析を行うことで、分光撮像装置で撮像された画像信号に係る解析を行うことができる。また、分光撮像装置により受光した光の信号から、複数の分光器それぞれから出射する光の波長を制御部により制御する構成とすることで、対象物を撮像する際の波長をより細かく制御することが可能となる。

前記画像解析部における前記画像信号の解析結果に基づいて、前記対象物に係る判定を行う判定部を有する態様とすることができる。このように、判定部を有していることで、分光撮像装置により撮像された対象物に係る判定を行うことができる。

前記制御部は、前記画像解析部における前記画像信号の解析結果又は前記判定部における判定結果に基づいて、前記複数の分光器それぞれから出射する光の波長を制御する態様とすることができる。このように、画像解析部における画像信号の解析結果又は判定部における判定結果に基づき、複数の分光器それぞれから出射する光の波長を制御する構成とすることで、直前に撮像された結果に基づいて分光器を制御するアクティブ制御を行うことが可能となり、対象物を撮像する際の波長の細かい制御等をよりフレキシブルに行うことができる。

［本願発明の実施形態の詳細］
本発明に係る分光撮像装置及び分光撮像システムの具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

図１は、本発明の一実施形態に係る分光撮像システムの概略構成図である。図１に示すように、分光撮像システム１は、分光撮像装置１０と、画像解析部２０と、フィルタ制御部３０と、判定部４０と、画像表示部５０と、を含んで構成される。なお、分光撮像システム１において、対象物からの特定の波長の光（例えば、近赤外光）に係る撮像を行う場合には、対象物に対して特定の波長の光を照射する光源等が別途設けられる。光源等を用いて対象物に近赤外光を照射し、対象物からの近赤外波長域の拡散反射光を分光撮像装置で受光する場合、近赤外光として、波長範囲が８００ｎｍ〜２５００ｎｍの光が好適に用いられ、特に１０００ｎｍ〜２３００ｎｍの光が好適に用いられる。

分光撮像システム１は、対象物からの光のうちの特定波長の光のみを分光して分光撮像装置１０において撮像する機能を有する。また、本実施形態に係る分光撮像システム１では、分光撮像装置１０において取得された画像に基づいて、対象物に係る評価を行う機能と、対象物に係る更なる撮像を行うための制御を行う機能と、を有する。また、本実施形態に係る分光撮像装置１０では、受光する光の波長を画素毎に制御することを可能としている。

分光撮像装置１０は、レンズ１１とフィルタアレイ１２（分光器アレイ）と、センサアレイ１３と、を有する。また、分光撮像装置１０は、フィルタアレイ１２に含まれるフィルタを制御するためのフィルタ制御回路１４と、センサアレイ１３において受光した光に係る信号を読み取る信号読取部１５と、をさらに有する。

レンズ１１は、対象物からの光を入射しコリメートする機能を有する。フィルタアレイ１２は、レンズ１１からの光を分光して特定の光のみを透過して出射する機能を有する。また、センサアレイ１３は、複数の受光素子が２次元配置された受光面を有する。受光素子としては、ＩｎＧａＡｓ、ＭＣＴ、ＰｂＳ又はＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂタイプII型量子井戸構造センサ等を用いることができる。

ここで、フィルタアレイ１２は、図２に示すように、複数の波長可変フィルタ１６（１６_１、１６_２、…１６_ｎ）を含んで構成される。波長可変フィルタ１６は、それぞれ後段のセンサアレイ１３に配置される受光素子に対応して配置されている。すなわち、波長可変フィルタ１６がｌ行×ｍ列で２次元配置されているとすると、センサアレイ１３も、波長可変フィルタ１６と同様に複数の受光素子がｌ行×ｍ列で２次元配置されている。なお、１つの波長可変フィルタ１６の後段に複数の受光素子が設けられている構成としてもよい。このような構成としては、例えば、１つの波長可変フィルタ１６の後段に２行×２列の受光素子を配置することができる。この構成により、受光素子の一部に欠陥や不良が発生しても、同じ波長可変フィルタを通過した光を受光する他の素子により補間可能となることが期待される。

フィルタアレイ１２を構成する複数の波長可変フィルタ１６は、それぞれ個別に透過させる光の波長を変更することができる。具体的には、波長可変フィルタ１６としては、例えば、ＭＥＭＳ型のファブリペローフィルタ等を用いることができる。複数の波長可変フィルタ１６が通過させる光の波長を個別に変更することが可能であることで、後段のセンサアレイ１３の受光素子毎に入射する光の波長を変更することができる。特に、近赤外の波長帯では液晶フィルタなどは高価となるため、２次元のフィルタアレイの形成には課題が残るが、ＭＥＭＳ型であれば安価に実現可能である。従って、本発明は近赤外の分光器及びセンサで構成されることで、より実現性が高まることが期待される。

複数の波長可変フィルタ１６が透過させる光の波長を個別に変更した状態を図３に模式的に示す。図３では、隣接する波長可変フィルタ１６の間でも透過させる光の波長の設定を互いに異ならせている。このように、本実施形態に係る分光撮像装置１０では、複数の波長可変フィルタ１６において透過させる光の波長を個別に変更させることができる。なお、例えば、同じ列に配列された波長可変フィルタ１６において同一の波長の光を透過させるように制御してもよいし、全ての波長可変フィルタ１６において同一の波長の光を透過させるように制御してもよい。また、例えば、波長可変フィルタ１６毎に、センサアレイ１３の受光素子における受光の速度やフレームレートにあわせて、時間的に透過させる光の波長を変化させる構成としてもよい。このように、複数の波長可変フィルタ１６において透過させる光の波長を個別に制御可能な構成とすることで、分光撮像装置１０の使用目的等に応じて各受光素子において受光する光の波長を柔軟に変更することができる。

なお、図１に示す例では、フィルタアレイ１２を通過した光がセンサアレイ１３の受光素子に直接入射する構成を示しているが、フィルタアレイ１２をセンサアレイ１３よりも大きくし、フィルタアレイ１２とセンサアレイ１３との間に集光レンズ系を設けて、フィルタアレイ１２を通過した光を、集光レンズ系を介してセンサアレイ１３の受光素子に入射させる構成としてもよい。この場合、フィルタアレイ１２をセンサアレイ１３よりも大きく設計することがで、フィルタアレイ１２に含まれる複数の波長可変フィルタ１６の個別の制御を実現するための配線や装置構成等が容易となる。

フィルタ制御回路１４は、上記のフィルタアレイ１２に含まれる複数の波長可変フィルタ１６を個別に制御するための制御回路である。また、信号読取部１５は、センサアレイ１３の複数の受光素子から出力される信号を読み取る機能を有する。

画像解析部２０は、信号解析部２１と２次元画像構成部２２とを含んで構成される。信号解析部２１は、信号読取部１５からの信号に係る演算処理等を行う。演算処理とは、２次元画像を作成するための規格化処理等である。また、２次元画像構成部２２は、信号解析部２１による演算処理等に基づいて対象物に係る２次元画像を構成する。

フィルタ制御部３０は、分光撮像装置１０のフィルタ制御回路１４に対して、フィルタアレイ１２に含まれる複数の波長可変フィルタ１６に係る制御信号（波長可変フィルタ１６をどのように制御するからを指示する信号）を送信する機能を有する。

判定部４０は、分光撮像システム１において、分光撮像装置１０により検出された光の強度情報等から対象物に係る何らかの評価を行う際に、当該評価を行う機能を有する。分光撮像システム１は、例えば、対象物が良品であるか不良品であるか等の評価を行う際に好適に用いることができる。撮像した対象物について何らかの評価を行う場合、判定部４０では、予め評価基準に係る情報（例えば、特定波長の光の強度が所定値よりも小さい場合には、不良品であると判定する、複数の波長からなるスペクトル情報に対して多変量解析を施して所望の物質の定量計測を行う、等）を保持しておき、当該基準に基づいて対象物に係る評価を行う。

画像表示部５０は、画像解析部２０により構成された２次元画像を表示する機能を有する。必要に応じて、判定部４０による判定結果等を併せて表示する機能を有していてもよい。

フィルタ制御部３０は、例えば、画像解析部２０において作成された２次元画像に基づいて、又は、判定部４０による判定結果に基づいて波長可変フィルタ１６に係る制御を行うことができる。例えば、判定部４０において対象物が良品か不良品かを判定する場合において、対象物を撮像した受光素子の一部において不良品であることを示す結果が得られたとする。この場合、フィルタ制御部３０において、不良品であることを示す結果が得られた受光素子とその周辺の受光素子において不良品であるか否かを判定することが可能な波長での撮像が可能なように、波長可変フィルタ１６における透過波長を変更して再度撮影を行うような構成としてもよい。このように、フィルタ制御部３０が画像解析部２０（特に、信号解析部２１）又は判定部４０からの判定結果に基づいて波長可変フィルタ１６のフィードバック制御を行う構成とすると、対象物に係る分光画像の取得をアクティブ且つフレキシブルに行うことができる。

フィルタ制御部３０による波長可変フィルタ１６のフレキシブルな制御の一例について、図４を参照しながら説明する。図４では、センサアレイ１３に含まれる３つの画素（受光素子：画素Ｘ，Ｙ，Ｚ）において、その前段に設けられる波長可変フィルタ１６における透過波長を変更しながら４回撮像する際の波長の変更例を示している。図４では、画素Ｘ，Ｙ，Ｚのそれぞれにおいて、４回の撮像において互いに異なる波長の光を受光していることを示している。すなわち、画素Ｘ，Ｙ，Ｚのそれぞれの前段に設けられた波長可変フィルタ１６の波長を撮像毎に変更している。また、画素Ｘ，Ｙ，Ｚ間においても互いに異なる波長の光を受光している。さらに、画素Ｘ，Ｙでは、４回の撮像における前段の波長可変フィルタ１６の透過波長の変更間隔（波長幅）が概略同じであるが、画素Ｚの前段の波長可変フィルタ１６については透過波長の変更間隔（波長幅）が大きくされている。このように、画素毎にその前段に波長可変フィルタ１６を設けると、画素単位（受光素子単位）で、それぞれの画素で検出する光の波長可変域、波長制御間隔を制御することができる。したがって、画像単位ではなく、画素単位でピンポイントでの詳細な分光分析を行うことができる。また、画素単位でその前段の波長可変フィルタ１６を制御することができると、一度の撮像において互いに異なる波長の光に係る分光分析を同時に行うことができるので、画素毎に互いに異なる対象の分光分析を行うことができる。

以上のように、本実施形態に係る分光撮像装置１０及びこの分光撮像装置１０を含む分光撮像システム１によれば、出射する光の波長を変更可能な複数の分光器としての波長可変フィルタ１６のうち、互いに異なる波長可変フィルタ１６から出射された光が、センサアレイ１３の複数の受光素子において受光される。すなわち、複数の波長可変フィルタ１６から出射する光の波長を個別に制御することで、複数の受光素子において受光される光の波長を互いに異ならせることができる。したがって、対象物を撮像する際の波長を、複数の受光素子間で互いに異ならせることができ、より細かく制御することが可能となる。

または、波長可変フィルタ１６がＭＥＭＳ型のファブリペローフィルタである場合、分光器アレイとしてのフィルタアレイ１２を小型化することができると共に安価で製造することができる。なお、波長可変フィルタ１６に代えて、波長可変フィルタ１６と同様に特定の波長の光のみを透過することで分光を行う他の分光器を用いてもよい。また、特定の波長の光のみをセンサアレイ１３側に反射することで分光を行う分光器を用いてもよい。すなわち、複数の波長可変フィルタ１６により構成されるフィルタアレイ１２は、複数の分光器により構成される分光器アレイに変更することができ、その構成は適宜変更することができる。

また、複数の波長可変フィルタ１６は、センサアレイ１３上の複数の受光素子それぞれに対応して個別に設けられ、複数の波長可変フィルタ１６のうちの１の波長可変フィルタ１６から出射した光が、複数の受光素子のうちの１の受光素子において受光される。このような構成とすることで、受光素子毎に入射させる光を制御することが可能となり、より細かく制御することが可能となる。

また、本実施形態に係る分光撮像システム１は、分光撮像装置１０と、分光撮像装置１０のセンサアレイ１３の複数の受光素子からの画像信号を取得し、当該画像信号を解析する画像解析部２０（信号解析部２１）と、分光撮像装置１０の複数の波長可変フィルタ１６それぞれから出射する光の波長を制御する制御部としてのフィルタ制御部３０と、を有する。画像解析部２０においてセンサアレイ１３からの画像信号の解析を行うことで、分光撮像装置１０で撮像された画像信号に係る解析を行うことができる。また、分光撮像装置１０により受光した光の信号から、複数の波長可変フィルタ１６それぞれから出射する光の波長をフィルタ制御部３０により制御する構成とすることで、対象物を撮像する際の波長をより細かく制御することが可能となる。

また、分光撮像システム１では、画像解析部２０における画像信号の解析結果に基づいて、対象物に係る判定を行う判定部４０を有する。このような構成とすることで、分光撮像装置１０により撮像された対象物に係る判定を行うことができる。

また、フィルタ制御部３０は、画像解析部２０における前記画像信号の解析結果又は判定部４０における判定結果に基づいて、複数の波長可変フィルタ１６それぞれから出射する光の波長を制御する態様とすることができる。このような構成とすることで、直前に撮像された結果に基づいて分光器を制御するアクティブ制御を行うことが可能となり、対象物を撮像する際の波長の細かい制御等をよりフレキシブルに行うことができる。

なお、本発明に係る分光撮像システム及び分光撮像装置は上記実施形態に限定されない。例えば、分光撮像システム１には、上記の構成の一部（例えば、判定部）が含まれていなくてもよい。また、分光撮像装置１０には、上記の構成とは別の光学系が含まれていてもよい。また、上述したように、フィルタアレイ１２に代えて複数の分光器が配列した分光器アレイが設けられていてもよい。

１…分光撮像システム、１０…分光撮像装置、１２…フィルタアレイ、１３…センサアレイ、１４…フィルタ制御回路、１５…信号読取部、１６…波長可変フィルタ、２０…画像解析部、２１…信号解析部、２２…２次元画像構成部、３０…フィルタ制御部、４０…判定部、５０…画像表示部。

Claims (6)

1. 対象物からの光を入射し、出射する光の波長を変更可能な複数の分光器が２次元配置された分光器アレイと、
   前記分光器アレイの複数の前記分光器のうち互いに異なる前記分光器から出射された光を受光する複数の受光素子が２次元配置されたセンサアレイと、
   を有する、分光撮像装置。
2. 前記分光器は、ＭＥＭＳ型のファブリペローフィルタである、請求項１に記載の分光撮像装置。
3. 前記複数の分光器は、前記複数の受光素子それぞれに対応して個別に設けられ、
   前記複数の分光器のうちの１の分光器から出射した光が、前記複数の受光素子のうちの１の受光素子において受光される、請求項１又は２に記載の分光撮像装置。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の分光撮像装置と、
   前記分光撮像装置の前記センサアレイの前記複数の受光素子からの画像信号を取得し、当該画像信号を解析する画像解析部と、
   前記分光撮像装置の前記複数の分光器それぞれから出射する光の波長を制御する制御部と、を有する、分光撮像システム。
5. 前記画像解析部における前記画像信号の解析結果に基づいて、前記対象物に係る判定を行う判定部を有する、請求項４に記載の分光撮像システム。
6. 前記制御部は、前記判定部における判定結果に基づいて、前記複数の分光器それぞれから出射する光の波長を制御する、請求項５に記載の分光撮像システム。

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