JP2020508469A - 広角コンピュータ撮像分光法および装置 - Google Patents

Abstract

コンパクトで軽量な設計、かつキャプチャされるオブジェクトの広角視野を提供するコンピュタ撮像分光法のためのシステム。システムは、撮像コンポーネント及びコンピュータデバイスを含む。撮像コンポーネントは、レンズアセンブリ、固定または可変開口、スペクトルフィルタアレイ、撮像センサを含む。レンズアセンブリは、広角視野及び像側のテレセントリック性に加え、さらに軸上色収差を補正する。レンズアセンブリは、倍率色収差の補正を提供しない場合がある。さらに、レンズアセンブリは、主光線が撮像センサに垂直に入射するように、イメージ空間テレセントリック性を提供する。レンズアセンブリは、目的のスペクトル範囲内の各波長について異なる色収差パターンを生成する場合がある。透過帯域ナノフィルタアレイは、撮像対象から反射された複数の特定帯域の光をフィルタリングするように構成され、さらに撮像センサの感光性ピクセルに投影される撮像対象の複数の空間スペクトルサンプルを生成するように構成される。コンピュータ装置は、目的のスペクトル範囲内の完全なスペクトルキューブを再構築し、さらに、撮像センサによって登録された複数の空間スペクトルサンプルからキャプチャーされた画像の各ピクセルにおける物体の反射率の算出を可能とする。【選択図】図１

Description

本発明はコンピュータ撮像システムに関し、より詳細には、コンパクトかつ軽量な設計を提供するとともに、広い視野の撮像シーンを提供するコンピュータ撮像分光法のためのシステムに関する発明である。

従来技術において、感光性ピクセルアレイ上にスペクトルナノフィルターを直に統合することに基づいて、新世代のコンパクトなハイパースペクトルセンサが開発されてきた。この目的のために、ファブリーペロー干渉計やプラズモニックフィルターを含む、幾多のスペクトルバンドパスフィルター技術が利用されてきた。一例として、ファブリペロー干渉計は、2つの近接した間隔をおいて部分的に銀メッキされた表面間の多重反射を利用する。光が第2の表面に到達する都度其の光の一部が透過し、互いに干渉可能である複数のオフセットビームをもたらす。多数の干渉光線は、回折格子の複数のスリットがその解像度を高めるのに似て、極めて高解像度の干渉計を産み出す。

前述の技術は、ハイパースペクトル撮像のアプリケーション数の増加を可能とし、特に、軽量で小型を目的とするものがクリティカルなアプリケーションである。無人ドローンに据付されたコンパクトなハイパースペクトルカメラは、遠隔感知のために、植生、水、及び農地を監視可能である。さらに、コンパクトな設計は、新しいクラスのハイパースペクトル超小型衛星の開発を可能とし、そのようなデバイスの生産と展開のコストを劇的に削減できる将来の可能性をもたらす。

とりわけ透過帯域の中心波長とファブリペロー、又はプラズモニックフィルタの透過帯域の中心波長及びスペクトル応答は、フィルタ表面に垂直な平面に対する照明角度に依存する。このようなフィルタが従来の撮影レンズシステムの焦点面に配置される場合、上記の角度依存性は、スペクトルカメラの性能に有害な２つの効果をもたらす。第１に、システムの軸線から遠く離れたピクセルでは透過帯域波長が赤に向かってシフトすることであり、第２に、透過帯域のスペクトル幅がセンサの入射錐角の増加するに連れて増加し、それはスペクトル分解能の低下に至ることである。

この問題は、レンズが広角視野をキャプチャーするように設計されている場合に特に重大となる。なぜなら、そのような設計は、撮像面上で光線の入射角の非常に広い分布をもたらすからである。

前述の有害な影響に対抗するために、テレセントリックレンズ設計がしばしば使用される。それにもかかわらず、既存のテレセントリックレンズシステムは、すべての色収差を補正するように設計されているため、とてつもなく複雑で、大型かつ重厚なアセンブリとなる。従って、画像空間ではテレセントリックであり、主光線がセンサ平面に垂直に入射すると同時に、広角撮像を可能とし、同時にコンパクトのまま、かつ比較的軽量な代替撮像システム設計のニーズがある。

本願の以下の記載及び図面を参照して明らかにされるように、本発明のいくつかの態様に記載されたシステムとの比較によって、従来および伝統的アプローチのさらなる限界や不利益が当業者に明らかになるであろう。

本発明は、キャプチャーされた物体からの反射光のコンピュタ撮像分光法を用いる撮像システムを提供し、当該撮像システムはコンパクトで軽量なデザインを提供するように構成され、さらに検査対象の広角視野を提供するように構成されている。このシステムは、撮像される対象物によって反射された複数の光線をキャプチャーするための複数の撮像コンポーネントを備え、当該複数の撮像コンポーネントは、主光線が横方向および縦方向の色収差の補正を犠牲にして、画像平面に垂直に入射するように、広角視野及び像側テレセントリック性を提供するように構成されたレンズアセンブリと、スペクトルナノフィルタアレイと、光高感度撮像センサアレイと、そして、光高感度撮像センサアレイからのデータ出力からスペクトルキューブを再構成するコンピュタ装置とを含む、撮像システムである。

好ましい実施形態では、レンズアセンブリは複数の要素を備え、その中に平凹シングレット要素、平凸シングレット要素と、 両凹シングレット要素と、 開口絞りとを含み、当該開口絞りは、固定開口および直径可変開口を含むリストからのいずれかである。

さらに好ましい実施形態では、レンズアセンブリは、対象のスペクトル範囲内の各波長に対して複数の歪みパターンを生成するように構成され、スペクトルナノフィルタアレイは複数の空間スペクトルサンプルを生成するように構成され、撮像センサアレイはデータストレージ装置上に複数の空間スペクトルサンプルを記録するように構成されている。

さらに好ましい実施形態では、コンピュータ装置は、さらに、撮像センサによって記録された撮像シーンの複数の空間スペクトルサンプルから撮像シーンのスペクトルキューブを再構成するように構成されている。

添付の図面は、システム、方法、及び本発明の他の態様の様々な実施形態を示している。図中に描かれた要素の境界（例えば、ボックス、ボックスのグループ、又は他の形状）が境界の一例を表すことを当業者は理解するであろう。いくつかの実施例では、1つの要素を複数の要素として設計することも、複数の要素を1つの要素として設計することも可能である。いくつかの実施例では、ある要素の内部コンポーネントとして示される要素は、別の要素の外部コンポーネントとして実装可能であり、その逆も然りである。さらに、要素は縮尺通りに描かれていない場合もある。

添付の図面に従って様々な実施形態を以下に説明するが、これらの図面は、例示のために提供されるものであり、いかなる形でも範囲を限定するものではなく、ここで、類似の名称は類似の要素を表す。

図１は、少なくとも１つの実施形態による、コンピュータハイパースペクトル撮像システムを示す図である。 図２は、キャプチャされたシーンの物体側の広角を生成し、かつ画像側のテレセントリック投影を生成するように最適化された、コンパクトで軽量な設計を可能とするレンズシステムアセンブリの実施形態を示す。 図３は、光軸から撮像された物体までの距離が増加するにつれて主光線角度が増加する撮像システムを示す。 少なくとも１つの実施形態による、主光線角度の増加の効果を示すグラフである。 図５は、レンズアセンブリは、倍率色収差は補正可能ではないが軸上色収差は補正可能であり、さらにイメージ空間テレセントリック性を達成可能であるハイパースペクトル撮像システムの実施形態を示す図である。

本明細書に示される実施形態によれば、コンパクトで軽量な設計を提供するとともに、キャプチャーすべき物体の広角視野を提供するコンピュータ撮像分光法のためのシステムが存在し得る。当該システムは、複数の撮像コンポーネントと、スペクトルキューブを再構成するコンピュータ装置を含む。複数の撮像コンポーネントは、レンズアセンブリ、固定または可変直径の開口、スペクトルナノフィルタアレイ、及び感光性ピクセルアレイを含む。感光性ピクセルアレイは、他の手段の中でも特に、典型的には、CCD又はCMOS技術を使用して実装可能である。一実施形態では、コンピュータ装置は、撮像センサ、一時的なデータストレージバッファ、データ処理装置、及び取外し可能な、又は取付け可能なデータストレージ装置との高速データ転送インターフェースを含んでもよい。さらに、コンピュータ装置は、撮像センサの個々の感光性要素によって記録された複数の空間スペクトルサンプルからの撮像シーンの幾何学的及びラジオメトリック再構成を実行する。

レンズアセンブリは、撮像された対象物によって反射された光線の広角イメージテレセントリックキャプチャーを提供し、さらにそれはコンパクトさと軽量化に関し最適化されている。好ましい実施形態では、レンズは、倍率色収差は補正されていなくとも、軸上色収差は補正可能である。画像空間テレセントリック性を達成して、主光線が撮像センサ位置に垂直に入射するように、固定又は可変直径の開口絞りがキャプチャーすべき撮像対象物とオブジェクト焦点面の複レンズとの間に配置されている。

開示された実施形態では、シングレットレンズ、及び固定または可変直径の開口を含む複数の撮像コンポーネントが、物体側から画像側に特定の順序、及び構成で配置されている。コンピュータ装置は、撮像センサによって記録された複数の空間スペクトルサンプルからスペクトルキューブを再構築し、さらに反射率を計算する。

本発明は、本明細書に記載の図面、及び詳細な説明を参照して最善に理解することができる。様々な実施形態が図面を参照して、以下説明される。しかしながら、当業者は、本明細書で与えられた詳細な説明は単に説明目的のためであり、方法及びシステムは記載されている実施形態を超えて拡張できることを容易に理解するであろう。例えば、提示された教示及び特定のアプリケーションのニーズは、本明細書で説明されている詳細の機能を実装するための複数の代替的かつ適切なアプローチをもたらし得る。したがって、任意のアプローチは、説明され、及び示された以下の実施形態における特定の実装の選択肢を超えて拡張可能である。

「一実施形態」、「少なくとも一実施形態」、「実施形態」、「一実施例」、「実施例」、「例えば」等は、それらの実施形態又は実施例が、特定の機能、構造、特徴、プロパティ、要素、又は制限を含み得ることを示すが、すべての実施形態又は実施例が必ずしも特定の機能、構造、特徴、プロパティ、要素、又は制限を含むわけではない。 さらに、「実施形態において」という語句の繰り返しの使用は、必ずしも同一の実施形態を参照しているとは限らない。

本明細書に示される実施形態、より詳細には図１によれば、これはコンパクトで軽量な設計を提供するように構成されるとともに、キャプチャーすべき物体１０１の広角視野とを提供するように構成されたレンズアセンブリ１０３を含むコンピュタハイパースペクトル撮像システム１００を示す。複数の撮像コンポーネントは、複数のレンズ要素１０３、固定、又は可変直径の開口部を有するレンズアセンブリ１０３、スペクトルナノフィルタアレイ１０５、及び感光性ピクセルアレイ１０６を含む。前記感光性ピクセルアレイ１０６は、典型的には、他の方法の中でも特に、電荷結合素子ＣＣＤ、又は相補型金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）技術を使用して実装可能である。コンピュータハイパースペクトル撮像システム１００は、撮像対象物１０１のスペクトルキューブ１１０の再構成を提供することができるコンピュータ装置１０９をさらに備える。一実施形態では、計算装置１０９は、撮像ピクセルアレイ１０６、一時データストレージバッファ１０８と、内蔵又は取り外し可能なデータストレージ装置１１０と共に高速データ転送インターフェース１１１を備えていてもよい。さらに、コンピュータ装置１０９は、撮像感光性ピクセルアレイ１０６の個々の感光性要素によって複数の空間スペクトルサンプル１０７の記録から撮像された対象物１０１の幾何学的及びラジオメトリックな再構成を実行する。

レンズアセンブリ１０３は、撮像対象物１０１のテレセントリックな広角撮像視野を提供し、コンパクトさ、及び軽量化のためにさらに最適化されている。より詳細には、レンズアセンブリ１０３は、撮像対象物１０１の表面上の複数の空間点から反射された複数の光線１０２を収集し、それによって、それらを平行光線１０４に変換し、それらはスペクトルナノフィルタアレイ１０５の表面に投影され、次に感光性ピクセルアレイ１０６上の撮像面に投影される。好ましい実施形態では、レンズアセンブリ１０３は、倍率色収差は補正せず、軸上色収差の補正が可能であり、さらに、画像空間テレセントリック性を達成し、（主）平行光線１０４は画像面に垂直に入射する。

レンズアセンブリ１０３のアセンブリは、軸上色収差を補正するように最適化されているが、倍率色収差の補正は提供しない。したがって、レンズアセンブリ１０３は、目的のスペクトル範囲内の各波長に対して異なる色収差パターンを生成可能性があり、従って、空間スペクトルサンプルに複数の光学的およびラジオメトリックに歪んだ層１０７をもたらしている。たとえ図２では参照番号１０３が使用されていなくとも、レンズアセンブリ１０３は、図２に関連して詳細に説明される。

スペクトルナノフィルタアレイ１０５は、周波数選択フィルターの固定又は調整可能なパターンをさらに構成可能であり、各個別フィルターは、他の周波数を吸収しながら、電磁スペクトルの特定の部分を有為に伝達する能力を持つ。さらに、スペクトルナノフィルタアレイ１０５の複数の周波数選択性フィルターは、勾配、周期的、又は非周期的パターンに構成可能であり、したがって、様々な空間スペクトルサンプリング戦略の生成を可能とする。スペクトルナノフィルタアレイ１０５は、ファブリーペローやプラズマフィルターを含む薄膜干渉計ナノファブリケーション技術を使用して実装可能である。感光性ピクセルアレイ１０６は、典型的には、ＣＣＤ又はＣＭＯＳ技術を使用して実装可能である。

図２は、本発明の少なくとも１つの好ましい実施形態による、撮像対物である図１のレンズアセンブリ１０３をさらに詳細に示している。レンズアセンブリ２００は、スペクトルの目標範囲内の電磁放射光線を意図された操作をするための複数のコンポーネントを含む。コンピュータハイパースペクトル撮像分光法用のレンズアセンブリ２００は、コンパクト、かつ軽量な設計とともにキャプチャーすべき対象物体の広角視野を提供する。撮像コンポーネントは、物体側から像側に配置されたシングレットレンズ要素を含み、それらには、平凹要素２０１、固定又は可変直径の開口２０２、第１平凸要素２０３、第２平凸要素２０４、 両凹面要素２０４、第３の平凸要素２０６、第４の平凸要素２０７、及び撮像平面２０８を含み、当該撮像平面はスペクトルナノフィルタアレイ及び感光性ピクセルアレイをさらに含む（両アレイともに図２には図示せず）。

図１のハイパースペクトル撮像システム１００は、図３にさらに詳細に示されている。それは、市場で入手可能な標準レンズシステムと組み合わせて使用される場合、ナノフィルタアレイ３０４の潜在的な性能低下を緩和する。具体的には、主光線301、及び対応する入射角302がナノフィルタアレイ304とセンサ面（305）の平面とに対する垂直から外れ、ナノフィルタアレイ304の光軸306からさらに離れたピクセルで発生する中心透過帯域波長の望ましくない赤方偏移である。

さらに、図４は、本発明の少なくとも１つの好ましい実施形態による、図３に示されるナノフィルタアレイ３０４上の入射角３０２を増加させる件に関する赤方偏移効果のグラフ表示４００である。 図4は、図3の要素とともに説明される。

図５は、ハイパースペクトル撮像システム５００のレンズアセンブリ５０１の特性を示し、レンズアセンブリ５０１は、倍率色収差は補正せず、軸上色収差の補正が可能であり、さらに画像空間テレセントリック性を達成する。結果として撮像ピクセルアレイ５０２上の表面で観察される色収差５０３は、コンピュータ装置５０４によって補正可能であり、完全なハイパースペクトルキューブと、得られた画像のすべてのピクセルにおける撮像対象物体のスペクトル特性とをもたらす。

上記の配置は、様々な利点、例えば、高速、かつコンパクトなソリューション、費用対効果の高く、シンプルデザイン、「部分シーン」の直接結合や複数の狭いスナップショット画像を統合することによるスペクトル画像を提供し、そして、 たとえ、シーンの動きが完全に並進しない場合（例：UAVアプリケーション）でも最終画像の一層容易な再構築を提供する。

付加的に、コンピュータハイパースペクトル撮像システム100（図1を参照）は、ビデオレートでのリアルタイムハイパースペクトル撮像を可能とする。さらに、すべてのスペクトル帯域は、高い並行伝送効率で統合されている。一実施形態では、センサ１０６は、ＣＣＤ、又はＣＭＯＳ技術を使用して実装可能であり、さらに、様々なスペクトル帯域にわたって光信号を受信する能力を有し、その帯域は、紫外線、可視、近赤外線、中波赤外線、短波赤外線、及び熱赤外線を含むがこれらには限定されない。

こうして、本発明に係るコンピュータハイパースペクトル撮像システム１００は、センサピクセル上にオーバーレイされた統合スペクトルフィルタを備えたマルチスペクトルカメラ、又はハイパースペクトルカメラ用のレンズシステムを提供する。さらに、本コンピュータハイパースペクトル撮像システム１００は、各空間ピクセルに対応するすべてのスペクトル情報を同時にキャプチャーする。本発明に係るコンピュータハイパースペクトル撮像システムは、さらに低スペクトル歪みで最大感度の高スループットを提供する。したがって、本システムは、短焦点距離かつ大口径のコンパクト撮像レンズシステムを提供する。

明細書中の言語は、クレームされていない要素が本発明の実施に不可欠であることを示すものと解釈されるべきではない。 本発明は、特定の実施形態を参照して説明されたが、本開示の範囲から逸脱することなく、様々な変更が可能であり、あるいは均等物によって置換可能であることは当業者によって理解されるであろう。加えて、その範囲から逸脱することなく、特定の状況または材料を本開示の教示に適合させるために多くの修正がなされ得る。したがって、本開示は開示された特定の実施形態に限定されると意図されるものではなく、本開示は添付の特許請求の範囲内に入るすべての実施形態を含むであろう。

本ハイパースペクトル撮像システム１００の様々な用途は、少なくとも、医療撮像、精密農業及びリモートセンシング、ライフサイエンス機器、顕微鏡検査および内視鏡検査、選別、マシンビジョン、アートワークスキャン、色測定、印刷品質管理、血液分析、 化学分析、警備と監視、化粧品、繊維産業、及び鉱物選別を含む。

＜参考文献＞
米国特許出願公開第２０１０／２０１７８２号：広角光学システムおよびそれを用いた撮像装置
米国特許第９４１８１９３号：改善されたアライメントを有するアレイ撮像システム及び関連する方法
米国特許第８５６３９１３号：光線補正装置を備えた撮像システム、および関連する方法
米国特許第６５５２７８８号：線形色収差を使用したハイパースペクトルイメージング
米国特許出願公開第２０１４／２９３０６２号：ハイパースペクトルカメラ及びハイパースペクトルデータを取得する方法
米国特許第７１９６８５５号：画像キャプチャーレンズ、画像キャプチャーデバイス、及び画像キャプチャーユニット
米国特許出願公開第２０１４／０１８５１３４号：赤外線レンズユニット、画像キャプチャーモジュール、及び画像キャプチャー装置
米国特許出願公開第２００９／０３２６３８３号：ハイパースペクトル撮像のためのシステム装置及び方法
国際公開第２０１３／１１６３１６号：ハイパースペクトル撮像システム、ユニット、及び方法
米国特許出願公開第２０１５／０１７７４２９号：シングルセンサハイパースペクトル撮像装置
国際公開第２０１６／０１２９８０号：撮像分光用のコンパクト多機能システム

Claims (4)

1. コンパクトで軽量な設計を提供するように構成され、さらに物体の広角視野を提供するように構成され、キャプチャーすべき物体から反射された光のコンピュータ撮像分光法のための撮像システムであって、
   倍率色収差、及び軸上色収差の補正を犠牲にして、主光線が画像平面に垂直に入射するように、広角の視野、像側テレセントリック性を提供するように構成されたレンズアセンブリと、
   スペクトルナノフィルタアレイと、
   感光性撮像センサアレイと、 そして、
   感光性撮像センサアレイからのデータ出力からスペクトルキューブを再構成するコンピュータデバイスとから成る、撮像された物体によって反射された複数の光線をキャプチャーするための複数の撮像コンポーネントを含む、撮像システム。
2. 前記レンズアセンブリが複数の要素を含み、それらの間には、
   平凹シングレット要素と、
   平凸シングレット要素と、
   両凹シングレット要素と、
   開口絞りとを含み、ここで、前記開口絞りは、固定開口と可変直径開口を含む前記リストのいずれかである請求項１に記載のシステム。
3. 前記レンズアセンブリが目的の前記スペクトル範囲内の各波長について複数の歪みパターンを生成するように構成され、
   前記スペクトルナノフィルタアレイは、複数の空間スペクトルサンプルを生成するように構成され、かつ
   前記撮像センサアレイは、前記データストレージ装置に前記複数の空間スペクトルサンプルを記録するように構成されている請求項１に記載の撮像システム。
4. 前記コンピュータ装置は、前記撮像センサによって記録された撮像シーンの複数の空間スペクトルサンプルから撮像シーンの前記スペクトルキューブを再構成するようにさらに構成される、請求項１に記載の撮像システム。