JP2021021568A - 光吸収量差分計測装置及び光吸収量差分計測方法、並びに光吸収量差分画像の撮影装置及び光吸収量差分画像の撮影方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高感度でアレイ構造への発展が容易な光吸収量差分計測装置及び光吸収量差分計測方法を提供し、それを用いた光吸収量差分画像の撮影装置及び光吸収量差分画像の撮影方法を得る。【解決手段】光吸収量差分計測装置において、波長の異なる光を発光する少なくとも二つの光源１、２と、光源１、２の発光出力を変調する変調手段３と、対象試料１００を反射又は透過し、変調手段３で変調された光源１、２からの光を受光して電気信号に変換する光受容器４と、電気信号を対数関数的に増幅して増幅信号とする対数増幅手段５と、増幅信号の微分値を出力する微分手段６と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、特定の波長の光を対象試料に照射した際、反射又は透過した光の量を測定し、対象試料の吸光度が波長によって変わることを利用して、対象試料の光吸収量（光減衰量）の差分を計測して分析する光吸収量差分計測装置及び光吸収量差分計測方法、並びに光吸収量差分画像の撮影装置及び光吸収量差分画像の撮影方法に関する。

特定の波長の光（単色光）を試料にあてた際、透過した光の量を測定し、試料が吸収した光（吸光度）を分析する装置として、光吸収量計測装置である吸光光度計が知られている。光の吸収は分子中の電子のエネルギー状態が変わることで起こり、試料中に対象物質が多いほど、多量の光が吸収される。光吸収量（吸光度）計測装置は、特定物質の含有量分析や溶液中の金属イオンの分析など、定量分析に頻繁に用いられている。

例えば、ビリルビン検出用の吸光度測定装置として、マイクロチップを用いて検査対象成分の吸光度を測定する。そして、マイクロチップにおける測定部を含む領域を撮像視野として、画像処理することが知られ、特許文献１に記載されている。

また、試料水中の溶存オゾン・有機汚濁(有機物)の程度を紫外線の吸光度として測定するＵＶ計が実用化されている。さらに、物質には波長依存性があり、異なる波長の吸収量を観測し、結果を対数計算して異なる波長間の相関情報を抽出することが知られている。

例えば、浮遊固形物の影響を取り除いた紫外吸光度計測を行うため、紫外光と可視光で演算を行うことが行われる。ここで、測定用光束は試料水を透過した後、ＵＶミラーで紫外光(ＵＳ)と可視光(ＶＳ)に分けられ、それぞれ、光学フィルターを経て検出される。そして、検出された信号は、個々に対数増幅器で吸光度信号ＡＵＶ、ＡＶＩＳに変換され同時に差動演算器に入り、紫外光(ＵＳ)と可視光(ＶＳ)による吸光度との差(ＡＵＶ−ＡＶＩＳ)として出力される。つまり、ハーフミラーと光学フィルター（バンドパスフィルタ）を組み合わせ、二波長で光吸収量（光減衰量）を計測し、差分を電子回路で演算している。

同様に、カメラを３台同軸で配置し、相異なる３波長の光学バンドパスフィルタを設けた３波長同軸カメラシステムが知られている。このカメラシステムは、ハーフミラーと光学フィルター（バンドパスフィルタ）を組み合わせ、時間同期した３波長画像をマルチスペクトル画像として得て、計算機で差分演算を行っている。

特開２０１７−７５９１０号公報

特許文献１に記載のもの及びＵＶ計、３波長同軸カメラシステムのような上記従来技術は、光学フィルター、ハーフミラーを組み合わせたり、それに応じた光学系、複数の光受容器（受容素子）あるいは複数の撮像素子が必要であったりする。特に特許文献１のような光学系と複数の光受容器を要する従来技術は、光吸収量差分画像が得られるようにアレイ構造へ発展させることは困難であった。

また、撮像素子を用いる場合、論理回路的演算が必須であり、量子化誤差の影響で低感度に成らざるを得なかった。したがって、濃度計測、膜厚計測、血中酸素飽和度計測、静脈強調計測、その他生体計測、濡れ性計測などを行うシステムアプリケーションに対しては、十分とは言い難いものであった。

本発明の目的は、上記従来技術の課題を解決し、単一の光受容器（受容素子）で構成が可能とされ、高感度で量子化誤差の影響を受けずアレイ構造への発展が容易な光吸収量差分計測装置及び光吸収量差分計測方法を提供し、それを用いた光吸収量差分画像の撮影装置及び光吸収量差分画像の撮影方法を得ることにある。

上記目的を達成するため、本発明は、波長の異なる光を発光する少なくとも二つの光源と、前記光源の発光出力を変調する変調手段と、対象試料を反射又は透過し、前記変調手段で変調された前記光源からの光を受光して電気信号に変換する光受容器と、前記電気信号を対数関数的に増幅して増幅信号とする対数増幅手段と、前記増幅信号の微分値を出力する微分部と、を備えた光吸収量差分計測装置である。

また、上記の光吸収量差分計測装置において、前記微分値と所定の閾値とを比較し、その結果を出力する比較手段と、前記変調手段の基準信号となる同期信号を送る同期手段と、前記比較手段の出力から前記同期信号に基づいて前記微分値を復調する復調手段と、を備えたことが望ましい。

さらに、上記の光吸収量差分計測装置において、前記光源の一方は基準波長、他方は比較波長であり、前記変調部は、前記光源の一方を点灯させた状態で前記光源の他方を周期的に明滅させることが望ましい。

上記目的を達成するため、本発明は、対象試料の光吸収量差分計測方法であって、波長の異なる光を発光する少なくとも二つの光源の発光出力を変調し、前記対象試料を反射又は透過した前記光を光受容器で受光して電気信号に変換し、前記電気信号を対数関数的に増幅し、その微分値を出力する。

また、上記の光吸収量差分計測方法において、前記微分値と所定の閾値とを比較し、その結果から前記微分値を復調することが望ましい。

さらに、上記の光吸収量差分計測方法において、前記光源の一方は基準波長、他方は比較波長であり、前記一方を点灯させた状態で前記他方を周期的に明滅させることが望ましい。

上記目的を達成するため、本発明は、波長の異なる光を発光する少なくとも二つの光源と、前記光源の発光出力を変調する変調手段と、対象試料を反射又は透過し、前記変調手段で変調された前記光源からの光を受光して電気信号に変換する光受容器がアレイ状に配置されたフォトアレイと、前記電気信号を対数関数的に増幅して増幅信号とする対数増幅手段と、前記増幅信号の微分値を出力する微分手段と、前記微分値と所定の閾値とを比較し、その結果を出力する比較手段と、前記比較手段の出力から前記微分値を復調する復調手段と、を備える光吸収量差分画像の撮影装置である。

また、上記の光吸収量差分画像の撮影装置において、前記光源の一方は基準波長、他方は比較波長であり、前記一方を点灯させた状態で前記他方を周期的に明滅させることが望ましい。

上記目的を達成するため、本発明は、波長の異なる光を発光する少なくとも二つの光源の発光出力を変調し、対象試料を反射又は透過した前記光を輝度の変化を検知して出力するイベントカメラで撮影する光吸収量差分画像の撮影方法である。

また、上記の光吸収量差分画像の撮影方法において、前記光源の一方は基準波長、他方は比較波長であり、前記一方を点灯させた状態で前記他方を周期的に明滅させることが望ましい。

本発明によれば、波長の異なる光を発光する少なくとも二つの光源の発光出力を変調し、対象試料を反射又は透過した光を光受容器で受光して電気信号に変換する。そして、電気信号を対数関数的に増幅し、その微分値を出力するので、高感度で量子化誤差の影響を受けずアレイ構造への発展が容易な光吸収量差分計測装置及び光吸収量差分計測方法を得ることができる。また、それにより、高感度かつ高速に光吸収量差分画像をより高感度かつ高速に観測できる。

本発明による一実施形態に係る光吸収量差分計測装置を示すブロック図 図１における各部の時間対出力波形を示すグラフ 本発明による他の実施形態に係る光吸収量差分画像の撮影装置を示すブロック図 実施形態に係るＤＶＳの回路構成を示す図 一実施例による実験環境を示す図 一実施例による撮影結果を示す図 ＤＶＳを用いて撮影された結果の輝度分布を示す図及び推定した深度を示すグラフ

物質には波長依存性があり、異なる依存波長の吸収量の観測結果から様々な物質の解析が行われている。光吸収に関する法則は、吸光度はその光路の長さ及び濃度に比例するというランベルトベールの法則が広く知られ、可視光だけではなく、電波、赤外線、紫外線、Ｘ線などすべての電磁波に適用される。また、生物の網膜を模した構造で光量変化に敏感なフォトアレイのセンサを利用したＤｙｎａｍｉｃ Ｖｉｓｉｏｎ Ｓｅｎｓｏｒ(以下ＤＶＳ)が知られ、別名Ｅｖｅｎｔ Ｂａｓｅｄ Ｃａｍｅｒａ（以下イベントカメラ）と呼ばれている。イベントカメラは、輝度の変化を検知して出力する。つまり、イベントカメラは、各ピクセルにおける輝度の変化を「イベント」として捉え、その情報を出力する。

以下に、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。図１は、一実施形態を示し、光吸収量差分計測装置を示すブロック図であり、二波長光源の変調とＤＶＳの構成を応用し、光吸収量差分を直接的に計測する。

光が物質を透過する際に生じる光吸収量は、ランベルトベールの法則より以下のように表現できる。
ここで、Ｉ_ｏｕｔは射出光強度、Ｉ_ｉｎは入射光強度、αは減衰係数、Ｌは光路長さを表す。対数をとると、

そのため、式（２）より、異なる二波長λ_１とλ_２を対象試料１００に照射した場合、出射時の対数光強度の差分ｓ(λ_１，λ_２)は以下のように表される。

ここで基準波長をλ_２、比較波長をλ_１とし、基準波長λ_２を点灯させた状態で比較波長λ_１を時間方向に明滅させると、対数光強度の差分ｓ(λ_１，λ_２)が光吸収量差分として直接的に計測される。事前に入射光強度が既知である場合、この計測結果から物の厚みの解析や吸収係数の差を解析することが可能となる。

図１の光吸収量差分計測装置は、波長の異なる光を発光する少なくとも二つの光源が用いられる。なお、光源の数が二つ以上の場合においても特定の光減衰（吸収・散乱）の差を推定することが可能になり、波長の数が増えればより安定に計測が可能になる。

１は基準波長λ_２を持つ一方の光源１であり、２は比較波長λ_１を持つ他方の光源２である。光源１と光源２は、対象試料１００に照射する。４はフォトダイオード等による光受容器であり、対象試料１００を反射又は透過した光源１と光源２からの光を受光して光電効果によって発生した電流を発生する。発生した電流は、電気信号である電圧に変換され、対数増幅部５（対数増幅手段）によって対数関数的に増幅して増幅信号である対数光強度となる。

変調部３（変調手段）は、光源１、光源２の発光出力を変調する。例えば、変調部３は、光源１を点灯させた状態で光源２をオンオフして周期的に明滅させる。つまり、光源１を光源２で直接的にパルス位置変調する。なお、変調部３は、発光出力の強度、波長、位相などを変化させることでも良い。微分部６（微分手段）は、対数増幅部５による増幅信号の微分値を出力して対数の差分情報とする。

この差分情報は、異なる二波長の光源１、２を対象試料１００に照射した場合、対数光強度の差分ｓ(λ_１，λ_２)となる。したがって、光吸収量差分を直接的に計測することができる。さらに、この計測結果から物の厚みの解析や吸収係数の解析が可能となる。

比較部７（比較手段）は、微分値（対数の差分情報）と所定の値を比較し、その結果を出力する。具体的には、一定以上の変化量（|ｌｏｇＩ|＞Ｔ:Ｔは閾値)、Ｉは光受容器４の光電効果結果）が生じた場合において比較部７がＯＮイベントとＯＦＦイベント（トリガー情報）を出力する。

同期部９（同期手段）は、光源１、光源２の発光出力を変調する変調部３に対して、変調のための時間的な基準信号となる同期信号を送信する。また、同期信号は、同じく復調部８（復調手段）へも送信される。復調部８は、比較部７の出力として検出されたイベントと閾値Ｔを使用して差分情報を復調する。これにより、図１の光吸収量差分計測装置は、ドリフト、ノイズ等の誤差を補正することができる。

したがって、図１で示した光吸収量差分計測装置は、高速に応答可能であり、ダイナミックレンジが高いという特徴を有する。また、単一の光受容器４でハーフミラーなどは不要なので、アレイ構造への発展が容易であること、少なくとも二波長光源の発光パターンを変調すれば良いので、外乱に対して頑健にできること、の利点がある。

図２は、図１の各部の時間対出力波形を示すグラフであり、（ａ）は、光源１及び光源２の発光出力の強度を示している。（ｂ）は、Ａ点電圧で光受容器４の出力が対数関数的に増幅して増幅信号となった対数光強度である。（ｃ）は、Ｂ点電圧であり、微分部６によって出力される対数の差分情報である。差分情報は、対数光強度の差分ｓ(λ_１，λ_２)を示している。（ｄ）は、比較部７が出力するイベント情報である。

図２から分かるように、（ａ）の発光出力が変化する個所、光源１と光源２が混じった瞬間に（ｂ）の対数光強度が変化するので、論理回路的な演算をすることなく、対数光強度の差分ｓ(λ_１，λ_２)の情報が得られる。また、（ｄ）のイベント情報の間隔（時間間隔）が差分ｓ(λ_１，λ_２)の大きさを表している。

以上によれば、各波長の光源で別々に受光して対数増幅した後、差分を演算するよりも、二波長の光源の変調により光吸収量の対数光強度の差分ｓ(λ_１，λ_２)の情報を直接計測、つまり差分計算が完了しているので、誤差が小さく、高速な処理が実現可能となる。

図３は、他の実施形態を示し、光吸収量差分計測装置を光吸収量差分画像の撮影装置としたブロック図である。図４は、ＤＶＳ４０の回路構成を示す。変調部３は、図１と同様に、光源１、光源２の発光出力を変調する。例えば、変調部３は、光源１を点灯させた状態で光源２をオンオフして周期的に明滅させる。

図１と同様に、１は基準波長λ_２を持つ光源１であり、２は比較波長λ_１を持つ光源２である。光源１と光源２は、対象試料１００に照射する。対象試料１００を反射又は透過した光源１と光源２からの光は、ＤＶＳ４０へ入射する。ＤＶＳ４０は、別名イベントカメラと呼ばれ、時間依存性の画像データを検出するため、フォトアレイ４１で構成される。

フォトアレイ４１は、通常、それぞれのピクセル（画素）が、各ピクセルの光強度に依存する信号（光電流）を生成する手段（例えば、フォトダイオード又はフォトトランジスタ、図１では光受容器）を複数有する。複数のピクセルは、アレイ状に配置され、一次元又は二次元アレイであってよく、ピクセルのアレイは矩形境界を有しても有さなくてもよい。

各ピクセルは、対数増幅部５によって対数関数的に増幅して増幅信号である対数光強度となる。つまり、フォトアレイ４１のピクセルの各々は、各々に当たる光の強度に比例する光電流を生成し、各ピクセル光電流を電圧に対数的に変換される。つぎに、微分部６は、増幅信号の微分値を出力して対数の差分情報とする。

差分情報は、異なる二波長の光源１、２を対象試料１００に照射した場合、対数光強度の差分ｓ(λ_１，λ_２)となる。ここで、各セルからの先の変化イベント以後、強度が閾値Ｔだけ変化する次の変化イベントが生じる場合にのみ、出力信号を生成する。

微分部６は、ピクセルからの最終変化イベント以降、輝度が閾値Ｔで変化したことを信号で伝える変化イベントを非同期に発する。これらのイベントは、各ピクセルに当たっている入射光の対数強度変化を表すため、これらのイベントは、「時間コントラスト」とも言われるものを表す。

比較部７は、微分値（対数の差分情報）と所定の値を比較し、その結果を出力する。具体的には、一定以上の変化量（｜ｌｏｇＩ｜＞Ｔ:Ｔは閾値、Ｉは光受容器４の光電効果結果）が生じた場合において比較部７がＯＮイベントとＯＦＦイベント（トリガー情報）を出力し、微分部６に残った電荷を初期化する。各ビクセルからは閾値Ｔを上回った際にイベント（トリガー)情報が発生するのみであり、ＤＶＳ４０（別名イベントカメラ）は変化量をトリガーによって時間情報として表現しているカメラであると言える。

復調部８は、各ビクセルから比較部７の出力として検出されたイベントと閾値Ｔを使用して各ピクセルからの差分情報を復調して、光吸収量差分画像である画像データを得る。ここで、変調部３の変調のための基準信号は、復調部８へも送信して、復調のための基準信号とすることが誤差を軽減する上では望ましい。なお、各部の時間対出力波形は、図２と同様であるので、詳細な説明を省略する。

ＤＶＳ４０は、撮影されるシーンの対数変化量を記録するカメラとして機能し、一般的な線形応答のカメラと異なる。そして、ＤＶＳ４０は、処理すべき情報量が少なく高速に応答可能であり、高感度でダイナミックレンジが高い。また、図３、４の構成は、波長の異なる光を発光する少なくとも二つの光源を用い、光源１、光源２の発光出力を変調するので、各波長の光源で別々に撮影した画像の差分を撮るよりも誤差が小さい。

そして、ＤＶＳ４０により、撮影完了した段階で差分計算が完了しており、冗長データが少なく、特別な計算処理は不要であり、高速化を図ることができる。さらに、ＤＶＳ４０と光源を工夫したことにより、光吸収量差分画像の撮影装置として、消費電力の低減、ポータブル化、シンプルなデータ集録などにより、コストの削減を図ることができる。

以下に、本発明の光吸収量差分画像の撮影装置により液体の光吸収量差分から水深を推定した実施例について以下説明する。

有効性を示すために、液体の光吸収量からＤＶＳ４０を用いて行い、水深を推定した。図５は、実験環境を示す図である。光源１と光源２の波長は、一方が８５０ｎｍ、他方を９４０ｎｍとした。計測対象は、水中に水深１ｃｍ、６ｃｍ、１１ｃｍとして板を置いた。ただし、本実験環境は、用意可能な波長のＬＥＤの制約と水の光吸収量が事前に既知ではないため、水深の相対値を推定することとした。

図６は、撮影結果を示す図であり、上の２つの画像がＤＶＳ４０による画像であり、下の２つの画像が通常カメラによる画像である。ＤＶＳ４０を用いて撮影を行った場合と通常カメラを用い撮影を行った場合を比較すると、通常カメラを用いて撮影を行った場合には黒つぶれして陰影差が分からない。ＤＶＳ４０で撮影を行った結果は、水中に置いた板の陰影がくっきりと確認できる。

図７は、ＤＶＳ４０を用いて撮影された結果の輝度分布を示す図と推定した深度を示すグラフである。水深の変化に応じ輝度分布が変化していることが確認できる。深さ１〜６ｃｍ程度では水深の変化に対応し、輝度情報が変化している。より水深が深い領域は、推定結果が困難になっている。

１…光源１
２…光源２
３…変調部（変調手段）
４…光受容器
５…対数増幅部（対数増幅手段）
６…微分部（微分手段）
７…比較部（比較手段）
８…復調部（復調手段）
９…同期部（同期手段）
４０…ＤＶＳ（Ｄｙｎａｍｉｃ Ｖｉｓｉｏｎ Ｓｅｎｓｏｒ）
４１…フォトアレイ
１００…対象試料

Claims (10)

1. 波長の異なる光を発光する少なくとも二つの光源と、
   前記光源の発光出力を変調する変調手段と、
   対象試料を反射又は透過し、前記変調手段で変調された前記光源からの光を受光して電気信号に変換する光受容器と、
   前記電気信号を対数関数的に増幅して増幅信号とする対数増幅手段と、
   前記増幅信号の微分値を出力する微分手段と、
   を備えた光吸収量差分計測装置。
2. 前記微分値と所定の閾値とを比較し、その結果を出力する比較手段と、
   前記変調手段の基準信号となる同期信号を送る同期手段と、
   前記比較手段の出力から前記同期信号に基づいて前記微分値を復調する復調手段と、
   を備えた請求項１に記載の光吸収量差分計測装置。
3. 前記光源の一方は基準波長、他方は比較波長であり、前記変調手段は、前記光源の一方を点灯させた状態で前記光源の他方を周期的に明滅させることを特徴とする請求項１又は２に記載の光吸収量差分計測装置。
4. 対象試料の光吸収量差分計測方法であって、
   波長の異なる光を発光する少なくとも二つの光源の発光出力を変調し、
   前記対象試料を反射又は透過した前記光を光受容器で受光して電気信号に変換し、
   前記電気信号を対数関数的に増幅し、その微分値を出力する光吸収量差分計測方法。
5. 前記微分値と所定の閾値とを比較し、その結果から前記微分値を復調する請求項４に記載の光吸収量差分計測方法。
6. 前記光源の一方は基準波長、他方は比較波長であり、前記一方を点灯させた状態で前記他方を周期的に明滅させることを特徴とする請求項４又は５に記載の光吸収量差分計測方法。
7. 波長の異なる光を発光する少なくとも二つの光源と、
   前記光源の発光出力を変調する変調手段と、
   対象試料を反射又は透過し、前記変調手段で変調された前記光源からの光を受光して電気信号に変換する光受容器がアレイ状に配置されたフォトアレイと、
   前記電気信号を対数関数的に増幅して増幅信号とする対数増幅手段と、
   前記増幅信号の微分値を出力する微分手段と、
   前記微分値と所定の閾値とを比較し、その結果を出力する比較手段と、
   前記比較手段の出力から前記微分値を復調する復調手段と、
   を備える光吸収量差分画像の撮影装置。
8. 前記光源の一方は基準波長、他方は比較波長であり、前記一方を点灯させた状態で前記他方を周期的に明滅させる請求項７に記載の光吸収量差分画像の撮影装置。
9. 波長の異なる光を発光する少なくとも二つの光源の発光出力を変調し、
   対象試料を反射又は透過した前記光を輝度の変化を検知して出力するイベントカメラで撮影する光吸収量差分画像の撮影方法。
10. 前記光源の一方は基準波長、他方は比較波長であり、前記一方を点灯させた状態で前記他方を周期的に明滅させる請求項９に記載の光吸収量差分画像の撮影方法。