JP2021110559A - 分光情報取得システム、検査方法、製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】十分な光利用効率を実現することができる分光情報取得システムを提供する。【解決手段】本発明に係る分光情報取得システム１００は、移動する被検体６を照明する照明光学系と、照明光学系によって照明された被検体６からの光を分光する分光光学系７とを備え、照明光学系は、光源１から出射した光束１１、２１を第１偏光状態を有する第１偏光光束１０と第２偏光状態を有する第２偏光光束２０とに分離する分離素子３を含み、第１偏光光束１０は第１方向から被検体６を照明し、第２偏光光束２０は第１方向とは異なる第２方向から被検体６を照明することを特徴とする。【選択図】 図２

Description

本発明は、照明光学系及び分光光学系を備えた分光情報取得システムに関するものである。

従来、被検体の分光画像データを読み取るハイパースペクトルカメラとしての分光情報取得システムが提案されている。
また、そのような分光情報取得システムに用いることができる照明光学系として、特許文献１は、線状光源から出射した光束が偏光板を通過することで、偏光照明光束として被検体上の長尺な領域を照明することができる照明光学系を開示している。

特開平１１−２９５２３９号公報

しかしながら、特許文献１に開示されている照明光学系では、光源から出射した光束が偏光板を通過することによって、偏光軸に垂直な方向の成分が遮光されてしまうため、光源から出射した光束の利用効率は１／２になってしまう。
そこで本発明は、十分な光利用効率を実現することができる分光情報取得システムを提供することを目的とする。

本発明に係る分光画像読み取りシステムは、移動する被検体を照明する照明光学系と、照明光学系によって照明された被検体からの光を分光する分光光学系とを備え、照明光学系は、光源から出射した光束を第１偏光状態を有する第１偏光光束と第２偏光状態を有する第２偏光光束とに分離する分離素子を含み、第１偏光光束は第１方向から被検体を照明し、第２偏光光束は第１方向とは異なる第２方向から被検体を照明することを特徴とする。

本発明によれば、十分な光利用効率を実現することができる分光情報取得システムを提供することができる。

第一実施形態に係る分光画像読み取りシステムの斜視図。 第一実施形態に係る分光画像読み取りシステムの照明光学系を説明する断面図。 第一実施形態に係る分光画像読み取りシステムにおける偏光状態を説明する斜視図。 第一実施形態に係る分光画像読み取りシステムの分光画像読み取り光学系を説明する断面図。 第二実施形態に係る分光画像読み取りシステムの斜視図。 第三実施形態に係る分光画像読み取りシステムの照明光学系を説明する断面図。 第四実施形態に係る分光画像読み取りシステムの照明光学系を説明する断面図。

以下、本実施形態に係る分光情報取得システムについて図面を参照しながら説明する。なお、各図面は便宜的に実際とは異なる縮尺で描かれている場合がある。また、各図面において同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明を省略する。

上述のように偏光板を用いた従来の照明光学系では、光源から出射した光束が偏光板を通過することによって、偏光軸に垂直な方向の成分が遮光されてしまうため、光源から出射した光束の利用効率は１／２になってしまう。
さらに、遮光される成分のエネルギーが偏光板に吸収される場合には、偏光板は発熱することとなり、例えば食品の検査装置等の分光情報取得システムに用いる場合には食品の劣化を引き起こしてしまう虞がある。
そこで、本実施形態に係る分光情報取得システムでは、以下に示すような照明光学系を用いることで、十分な光利用効率を実現すると共に発熱を抑制することができる。

［第一実施形態］
まず、図１乃至図４を用いて第一実施形態に係る分光画像読み取りシステム（分光情報取得システム）１００を説明する。
具体的には、図１は、本実施形態に係る分光画像読み取りシステム１００を示す斜視図である。図２は、本実施形態に係る分光画像読み取りシステム１００の照明光学系を説明するＸＺ断面図である。
図３は、本実施形態に係る分光画像読み取りシステム１００の照明光学系の偏光状態を説明する斜視図である。図４は、本実施形態に係る分光画像読み取りシステム１００の分光画像読み取り光学系７を説明するＸＺ断面図である。

なお、図中において、１は光源、２は集光素子（反射傘）、３は偏光分離素子（分離素子）、４は位相板（λ／２板）、５は光路変更素子（ミラー）、６は被検体、７は分光画像読み取り光学系（ハイパースペクトルカメラ、分光光学系）を示す。
また、図中において、１０は第１偏光光束、２０は第２偏光光束、７１は分光画像読み取り光学系７の光軸を示す。

以下に、本実施形態に係る分光画像読み取りシステム１００に設けられている各素子について説明する。

光源１は、ロッド形状などの線状の発光部を有する長尺タイプの光源である。光源１においては、被検体６を十分に照明する長さがあることが好ましく、また例えばハロゲンランプのように短波長から長波長に至る複数の波長帯域の光束を射出するものが好ましい。

また本実施形態に係る分光画像読み取りシステム１００では、光源１を囲むように集光素子としての反射傘２を設けている。
反射傘２としては、放物柱や楕円柱のような二次曲線柱状形状を用い、特に光源１及び被検体６近傍にそれぞれ焦点を有する楕円柱形状を用いると集光効率が高い。
なお、集光素子として反射傘２の代わりに集光レンズを用いることもできる。

偏光分離素子３は、入射した無偏光光束１１及び２１をそれぞれ互いに異なる偏光を有する二つの光束１０及び２２に分離し、互いに異なる方向に射出する。
本実施形態に係る分光画像読み取りシステム１００では、偏光分離素子３としてワイヤーグリッド方式の偏光フィルター（ワイヤーグリッド偏光素子、ＷＧ−ＰＦ）を使用している。ＷＧ−ＰＦは、アルミ線網の薄い層であるワイヤーグリッド面を二枚のガラス板（もしくは合成石英ガラス板）で両側から挟み込んで製造される。
また、ワイヤーグリッド面を形成する微細ワイヤーの間隔は１００ｎｍ〜１０００ｎｍであり、使用する照明光束の波長によって設定することができる。

そして、アルミ線網を構成するワイヤーグリッド面での構造性複屈折（ｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｔ）作用によって、入射した無偏光光束はＰ偏光の光束とＳ偏光の光束とに分離されることになる。
図２では、分離された光束１０が紙面に平行な方向に振動面を有するＰ偏光であり、分離された光束２２が紙面と垂直な方向に振動面を有するＳ偏光である。
なお、偏光分離素子３として、ＷＧ−ＰＦの代わりに、二つのプリズム（もしくは二つの平行平板）とそれらの間に設けられた誘電体多層膜で構成した偏光分離膜とを有するＰＢＳ（偏光ビームスプリッタ）を用いてもよい。

位相板４としては、入射する偏光光束に位相差を１８０°与えるλ／２板を用いる。位相板４の材料としては複屈折光学材料を用いており、例えば水晶を薄い板状に加工したものが知られている。
本実施形態に係る分光画像読み取りシステム１００では、位相板４の光学軸を光束２２の偏光方向（位相角、偏光角、振動方向）に対して４５°度に設定することで、Ｓ偏光である光束２２をＰ偏光である光束２３に変換することが可能となる。

ミラー５は、光束２３の進行を折り曲げて被検体６に向かわせる光路変更素子であり、使用する波長帯の反射率が高くかつＰ偏光とＳ偏光との間で反射率特性の差異が小さなものが扱いやすい。

被検体６は、特性を判定すべき検査物である。図１乃至図３に示されているように、被検体６は、搬送ベルト６１の上面に載置され、搬送ベルト６１と一緒に移動する。
搬送ベルト６１の少なくとも一方の端部にはローラー６２が設けられており、ローラー６２は、不図示の駆動モータによって回転駆動される。そして、ローラー６２の回転に合わせて搬送ベルト６１が移動する。

分光画像読み取り光学系７は、ハイパースペクトルカメラであり、特に本実施形態に係る分光画像読み取りシステム１００ではプッシュルーム方式のハイパースペクトルカメラを用いている。
そして、被検体６の画像情報を取得するために、分光画像読み取り光学系７の光軸７１に沿って進行する被検体６からの反射光が分光画像読み取り光学系７によって撮像（分光）される。

図２に示すように、分光画像読み取り光学系７の光軸７１を挟んで第１偏光光束１０及び第２偏光光束２０はそれぞれ、第１方向及び第２方向から被検体６を照明する。
換言すると、被検体６の移動方向及び分光画像読み取り光学系７の光軸７１に平行な断面（第２断面）内において、被検体６に入射する際の第１偏光光束１０及び第２偏光光束２０それぞれの光路は、分光画像読み取り光学系７の光軸７１に対して互いに反対側にある。

ここで、本実施形態に係る分光画像読み取りシステム１００によって読み取ることができる被検体６の画像情報は、被検体６の形状情報としての空間情報及び所定の波長帯域における分光情報である。
そして、分光画像読み取り光学系７に設けられている二次元配列の受光センサ７０７（受光素子）の第１配列方向（Ｙ方向）には読み取りライン７２（読取方向）に沿った空間情報が結像され、第１配列方向とは直交する第２配列方向（Ｘ方向）には分光情報が集光される。
そして、不図示の制御部が所定のタイミングで受光センサ７０７から画像情報を読み出していく。

次に、分光画像読み取り光学系７としてのハイパースペクトルカメラの構成について説明する。

図４には、分光画像読み取り光学系７によって分光された各光線の光路図が示されている。
図４において、７０４はスリット、７０５は第１反射回折面、７０６はアナモフィックな第２反射面、７０７は受光センサ（像面）を示している。
また、スリット７０４より前側には、被検体６の所望の領域を少なくとも分光方向においてスリット７０４に結像する不図示の前側（結像）光学系（前群）が設けられている。

第１反射回折面７０５は、自由曲面のベース形状を有すると共に、その表面においてピッチがサブミクロンからミクロンオーダであり、格子高さもサブミクロンからミクロンオーダである回折格子が形成されている。
回折格子の形状としては、その断面が階段形状や矩形、ブレーズ形状、ＳＩＮ波形状などがあり、回折効率の観点と製造の容易性の観点とから選択される。
ここで、断面形状がブレーズ形状である回折格子は、製造の容易性と回折効率向上との両立が比較的容易である。
また、使用する回折光を１次とすると、回折格子の高さを低くすることができるため製造しやすくなる。

第２反射面７０６は、自由曲面形状を有する光学面に反射コーティングを施した反射面である。
ここで、第２反射面７０６の自由曲面形状は、既知の表現式で表される非球面形状である。

スリット７０４は、図４の紙面に垂直な方向に数μｍから１００μｍ程度の細長い幅の開口部を有し、開口部以外の領域は少なくとも設計仕様の波長帯域の光線は透過させないように構成されている。

受光センサ７０７としては、ＣＣＤやＣＭＯＳなどのイメージセンサを用いる。なお、設計仕様の波長帯域によってはＩｎＧａＡｓやＩｎＡｓＳｂなどの素材を使用した受光センサ７０７を採用する。
このとき、受光センサ７０７の画素数は、分光方向の分解能を考慮して決めるとよい。また、受光センサ７０７には二次元状に受光画素が配列されている受光エリアがある。
そして、受光画素の分光方向（第２配列方向、Ｘ方向）における配列では、各光線（例えば、図４におけるＬ３Ｐ、Ｌ４Ｐ及びＬ５Ｐ）が分光情報として集光される。
また、分光方向に垂直な空間方向（第１配列方向、Ｙ方向）における配列では、図１に示されている読み取りライン７２における空間情報が結像される。

次に、本実施形態に係る分光画像読み取りシステム１００の作用を説明する。
まず、照明光学系の作用について説明する。本実施形態に係る分光画像読み取りシステム１００では、照明光学系は搬送ベルト６１の移動方向（Ｘ方向）に直交する読み取りライン７２（Ｙ方向）に沿って被検体６上の細長い照明領域を照明するものである。

具体的には、光源１からの照明光束が、楕円形状を有する反射傘２によって無偏光状態である収束光束（図１では１１及び２１）として射出される。
そして、無偏光状態の収束光束１１及び２１は、偏光分離素子３に入射する。偏光分離素子３は、ＸＺ断面（第２断面）に平行な偏光方向を有するＰ偏光を透過させる一方で、ＸＺ断面に垂直な偏光方向を有するＳ偏光を反射する。
これにより、無偏光状態の収束光束１１及び２１は、Ｐ偏光の光束１０とＳ偏光の光束２２とに偏光分離され、それぞれ互いに異なる方向に射出される。

そして、偏光分離素子３によってＸＺ断面に平行な偏光方向を有する直線偏光、すなわちＰ偏光として射出された光束１０は、第１偏光光束１０として搬送ベルト６１上の読み取りポイント６０に進行する。
一方、偏光分離素子３によってＸＺ断面に垂直な偏光方向を有するＳ偏光として射出された光束２２は、光路上に設けられた位相板４へ入射する。
位相板４の光学軸はＸＺ断面に対して４５°の方向に設けられているため、入射した光束２２のＸＺ断面に垂直な直線偏光は、ＸＺ断面に平行な直線偏光に変換され、光束２３として射出される。

そして光束２３は、光路変更素子としてのミラー５によって光路を折り曲げられ、ＸＺ断面に平行な偏光方向を有する直線偏光、すなわちＰ偏光の第２偏光光束２０として搬送ベルト６１上の読み取りポイント６０に進行する。

読み取りポイント６０に到達すると、第１偏光状態を有する第１偏光光束１０及び第２偏光状態を有する第２偏光光束２０はそれぞれ、互いに異なる第１方向及び第２方向から被検体６を照明することになる。
また、上記のように第１偏光光束１０及び第２偏光光束２０は、共にＸＺ断面に平行な偏光方向を有する直線偏光として読み取りポイント６０に到達する。

従来の分光画像読み取りシステムでは、偏光分離素子３の代わりに偏光板を用いることで直線偏光を生成していたため、第２偏光光束２０に対応する光エネルギーが偏光板に吸収されることで失われていた。
一方、本実施形態に係る分光画像読み取りシステム１００では、偏光分離素子３を用いることで、第１偏光光束１０に加えて第２偏光光束２０も同一の直線偏光を有する照明光束として利用している。
これにより、本実施形態に係る分光画像読み取りシステム１００では、従来の分光画像読み取りシステムと比べて光利用率を２倍に高めることができる。

また、本実施形態に係る分光画像読み取りシステム１００では、偏光分離素子３を用いることで、第２偏光光束２０に対応する光エネルギーが吸収されないため、発熱を抑制することもできる。
加えて、第１偏光光束１０及び第２偏光光束２０のいずれも、共通すなわち単一の光源１より射出された光束である。

また、本実施形態に係る分光画像読み取りシステム１００では、集光素子として楕円柱形状の反射傘２を用いることで、読み取りライン７２に沿って細長く照明することができる。
そして、このように細長く照明される領域に搬送ベルト６１上に載置された被検体６が搬送されることで、被検体６上の長尺な領域において偏光照明がなされる。

次に、分光画像読み取り光学系７の作用について説明する。
本実施形態に係る分光画像読み取りシステム１００に設けられた分光画像読み取り光学系７は、物体側から像側へ順に配置された前群、遮光部材、後群から成る。
具体的には、照明された被検体６によって反射された反射光は、不図示の前側光学系（前群）によって一旦集光されてスリット７０４（遮光部材）の開口部を通過する。
この際、Ｙ方向に平行なＹＺ断面（第３断面）内においてはスリット７０４の開口部上に被検体６は結像されない一方で、Ｙ方向に垂直なＸＺ断面内においてはスリット７０４の開口部上に被検体６の中間像が形成される。

そして、本実施形態に係る分光画像読み取りシステム１００では、第１反射回折面７０５（回折面）及び第２反射面７０６によって受光センサ７０７上に画像情報（すなわち、空間情報及び分光情報）を結像している。
ここで、第１反射回折面７０５及び第２反射面７０６を合わせて分光光学素子（後群）と呼ぶこととする。

すなわち、図４に示されているように、スリット７０４を通過した光束Ｌ２Ｐは、第１反射回折面７０５に入射する。
そして、回折格子が配列されている第１反射回折面７０５は、入射した光束Ｌ２ＰをＸＺ断面内において分光反射する。
従って、第１反射回折面７０５に入射した光束Ｌ２Ｐは、分光方向のみに分光作用を受け、空間情報の読取方向（すなわち、読み取りライン７２）に関しては分光作用を受けない。
そして、第１反射回折面７０５によって分光反射された各光線は、さらに第２反射面７０６によって反射及び集光されながら像面位置に設けられた受光センサ７０７に入射する。

図４には、例としてそれぞれ互いに異なる波長の光路の光線Ｌ３Ｐ、Ｌ４Ｐ及びＬ５Ｐが示されている。
不図示の前側光学系によってスリット７０４の開口部近傍に結像した後、スリット７０４を通過した光束Ｌ２Ｐは、第１反射回折面７０５に進行する。
第１反射回折面７０５では、１次の回折光を利用するべく回折格子の形状が決められている。
よって、光束Ｌ２Ｐに含まれる各波長の光線は、第１反射回折面７０５によって１次回折光が強く表れてＬ３Ｐ、Ｌ４Ｐ及びＬ５Ｐを含む各光線に分光反射される。

そして、第１反射回折面７０５によって分光反射された各光線は、さらに第２反射面７０６によって集光作用を受け、光線Ｌ３Ｐ、Ｌ４Ｐ及びＬ５Ｐはそれぞれ、受光センサ７０７上の結像点７７３、７７４及び７７５に結像する。

従って、互いに波長が異なる複数の光線は、ＸＺ断面内において受光センサ７０７の受光面における互いに異なる位置に集光される。
これにより、分光画像読み取り光学系７によれば、受光センサ７０７の受光面に波長ごとの複数の像を形成する、すなわち波長ごとの複数の画像情報を取得することができる。

このようにして、分光画像読み取り光学系７は、被検体６上の読み取りライン７２に沿った直線状の読み取り範囲からの光束を取り込み、分光させて集光する。
それにより、二次元配列の受光センサ７０７上において第１配列方向（Ｙ方向）に沿ったライン状（一次元状）の画像情報、すなわち空間情報を読み取ると共に、第２配列方向（Ｘ方向）に沿って画像情報が波長ごとに並んだ分光情報を読み取ることができる。

本実施形態に係る分光画像読み取りシステム１００では、不図示の制御部が、被検体６をＸ方向に移動させながら、時分割でそのような一次元空間情報及び分光情報を順次受光センサ７０７に読み取らせる。
そして、不図示の制御部が、各タイミングで得られた一次元空間情報及び分光情報を演算処理することで、所定の波長におけるＸＹ面内における二次元空間情報、すなわち被検体６の二次元全体画像や、所定の一次元空間情報における各波長の間の差（すなわち、スペクトル分布）を取得することができる。

前述のように、被検体６は搬送ベルト６１によって搬送され、被検体６の移動方向と直交する読み取りライン７２の空間情報を受光センサ７０７上の第１配列方向の受光画素によって読み取ることができる。
そして、さらに上記の読み取り動作を時分割で行うことで、被検体６全体の画像情報を取得することができる。

なお、図４に示した分光画像読み取り光学系７は、不図示の前側光学系（結像光学系）と二つの反射面からなる分光光学系として説明しているが、これに限られることなく各種形態を適用することが可能である。

図２に示されているように、被検体６には光軸７１に対して第１方向及び第２方向それぞれから第１偏光光束１０及び第２偏光光束２０が照明されている。
このように２つの方向から照明された被検体６は、形状情報と共に、被検体６を組成する素材によって特有の分光波長を有する反射光を生じる。
そして、本実施形態に係る分光画像読み取りシステム１００では、そのように発生した反射光を光軸７１から読み取ることになる。

本実施形態に係る分光画像読み取りシステム１００は、第１偏光光束１０及び第２偏光光束２０による搬送ベルト６１からの正反射光が分光画像読み取り光学系７に進行しないようにするための配置を採用している。
このため、搬送ベルト６１によるフレアが生じにくくなっている。搬送ベルト６１としては、様々な形状を用いることができるが、被検体６の残留物が搬送ベルト６１に付着しないように鏡面加工されたタイプの搬送ベルト６１ではフレアが問題となる。

また、本実施形態に係る分光画像読み取りシステム１００では、上記の配置を採用することで、被検体６の表面状態によって発生する照りの影響を低減することができる。
照りは、被検体６の表面での正反射成分であり、強い強度を有している。被検体６における組成内部の素材の分光反射による特徴を検知する際には、照りはノイズ要因となる場合がある。
そのため、本実施形態に係る分光画像読み取りシステム１００の構成は、照りによるノイズの低減にも有効である。

次に、図３を用いて第１偏光光束１０及び第２偏光光束２０それぞれの偏光方向を互いに揃えるための条件式について説明する。

図３において、７３は、第１偏光光束１０が進行する第１方向、第２偏光光束２０が進行する第２方向及び分光画像読み取り光学系７の光軸７１を含む入射面（第１断面）を示している。
θ１は、第１偏光光束１０が進行する第１方向を分光画像読み取り光学系７の光軸７１から測った角度を示している。

１０１は、第１偏光光束１０の偏光方向を示している。θｐ１は、第１偏光光束１０の偏光方向１０１と入射面７３とが互いになす角度を示している。
φ１は、搬送ベルト６１上に投影された第１偏光光束１０の偏光方向１０２と入射面７３とが互いになす角度を示している。

θ２は、第２偏光光束２０が進行する第２方向を分光画像読み取り光学系７の光軸７１から測った角度を示している。
２０１は、第２偏光光束２０の偏光方向を示している。θｐ２は、第２偏光光束２０の偏光方向２０１と入射面７３とが互いになす角度を示している。
φ２は、搬送ベルト６１上に投影された第２偏光光束２０の偏光方向２０２と入射面７３とが互いになす角度を示している。

本実施形態に係る分光画像読み取りシステム１００では、以上のように定義したパラメータに対して以下の式（１）、（２）及び（３）
｜φ１−φ２｜≦１０° ・・・（１）
φ１＝ａｔａｎ（ｔａｎθｐ１／ｃｏｓθ１） ・・・（２）
φ２＝ａｔａｎ（ｔａｎθｐ２／ｃｏｓθ２） ・・・（３）
を満たすことで、第１偏光光束１０の偏光方向と第２偏光光束２０の偏光方向とを互いに揃えることが可能となる。

ここで式（１）の上限値を上回ると、被検体６を照明する第１偏光光束１０と第２偏光光束２０との間における偏光方向の差が大きくなり過ぎるため、検知精度が低下してしまう。
具体的には、本実施形態に係る分光画像読み取りシステム１００では、θ１＝２５°及びθ２＝２５°としている。
このとき、設置公差±２°の偏光分離素子３をＰ偏光が透過することで第１偏光光束１０が生成される場合には、θｐ１の最大値は＋２°となり、φ１は＋２．２１°となる。

また、設置公差±２°の偏光分離素子３をＳ偏光が反射されることで第２偏光光束２０が生成される場合には、最大値で＋２°の偏光方向の公差を有する光束２２が位相板４における偏光の回転を受けることで、θｐ２＝−２°となりφ２＝−２．２１°となる。

よって、本実施形態に係る分光画像読み取りシステム１００では、式（１）について｜φ１−φ２｜＝４．４２°≦１０°を満たしている。

なお、上記ではθ１＝θ２としているが、被検体６による一方の偏光光束の正反射光が他方の偏光光束の光路上を進行することを避ける場合には、θ１≠θ２とすることも考えられる。

本実施形態に係る分光画像読み取りシステム１００では、以上のように構成することで、光源１から放射した照明光束の損失を低減し強度が増大した偏光照明光を得ることができる。
また、発熱を抑えると共に、装置のサイズやコストを低減した分光画像読み取り用の偏光照明光学系及びこれを用いた分光画像読み取りシステムを提供することが可能となる。

［第二実施形態］
図５は、第二実施形態に係る分光画像読み取りシステム２００の斜視図を示している。なお、第二実施形態に係る分光画像読み取りシステム２００は、サイド反射傘２５が新たに設けられている以外は第一実施形態に係る分光画像読み取りシステム１００と同様の構成であるため、同一の部材には同一の参照番号を付し、重複する説明を省略する。

図５に示されているように、本実施形態に係る分光画像読み取りシステム２００は、第一実施形態に係る分光画像読み取りシステム１００に比べて、光源１、反射傘２、偏光分離素子３、位相板４及びミラー５それぞれの読み取りライン７２に沿った寸法が短くコンパクトに構成されている。

これは、サイド反射傘２５を設けることによって可能とされている。すなわち、図５に示されているように、楕円柱形状の反射傘２の両サイドにはそれぞれサイド反射傘２５が設けられている。
これにより、本実施形態に係る分光画像読み取りシステム２００では、光源１及び反射傘２の鏡像が生じ、読み取りライン７２に長い各素子が配置されている第一実施形態に係る分光画像読み取りシステム１００と略同一の照明効果を得ることができる。

以上のように、本実施形態に係る分光画像読み取りシステム２００では、偏光分離素子３、位相板４及びミラー５のサイズを小さくすることができることで、コンパクト且つ低コストな装置を得ることができる。
これにより、本実施形態に係る分光画像読み取りシステム２００では、以上のように構成することで、光源１から放射した照明光束の損失を低減し強度が増大した偏光照明光を得ることができる。
また、発熱を抑えると共に、装置のサイズやコストを低減した分光画像読み取り用の偏光照明光学系及びこれを用いた分光画像読み取りシステムを提供することが可能となる。

［第三実施形態］
図６は、第三実施形態に係る分光画像読み取りシステム３００の照明光学系を説明するＸＺ断面図を示している。なお、第三実施形態に係る分光画像読み取りシステム３００は、位相板４の代わりに位相板４１及び４２が設けられている以外は第一実施形態に係る分光画像読み取りシステム１００と同様の構成であるため、同一の部材には同一の参照番号を付し、重複する説明を省略する。

図６に示されているように、本実施形態に係る分光画像読み取りシステム３００では、第一実施形態に係る分光画像読み取りシステム１００に比べて、位相板４に代えて、位相板４１及び４２をそれぞれ第１偏光光束１０及び第２偏光光束２０の光路上に設けている。

以下に、本実施形態に係る分光画像読み取りシステム３００の照明光学系の作用について説明する。

本実施形態に係る分光画像読み取りシステム３００において、照明光学系は、搬送ベルト６１による被検体６の移動方向（Ｘ方向）に直交する読み取りライン７２（Ｙ方向）に沿って細長い領域を照明するものである。
具体的には、光源１からの照明光束が楕円形状を有する反射傘２を介して収束光束に変換されて射出される。
このようにして射出された収束光束は無偏光状態であり、図６中では、例えば１１及び２１として示されている。

そして、無偏光状態の収束光束１１及び２１は、偏光分離素子３に入射する。偏光分離素子３は、紙面に平行な偏光方向を有するＰ偏光を透過させる一方で、紙面に垂直な偏光方向を有するＳ偏光を反射することで偏光分離を行い、Ｐ偏光及びＳ偏光をそれぞれ互いに異なる方向に射出する。

そして、偏光分離素子３によって紙面に平行な偏光方向を有する直線偏光として射出された光束１０は第１偏光光束１０として読み取りポイント６０に進行する。
この時、偏光分離素子３と読み取りポイント６０との間の第１偏光光束１０の光路上には、位相板（λ／２板）４１が光学軸を紙面に対して角度θｐ１／２をなす方向に傾けた状態で設けられている。
そして、第１偏光光束１０が位相板４１を通過することによって、紙面に対して角度θｐ１をなす所定の偏光方向を有する直線偏光となるように偏光方向が変換された後、読み取りポイント６０へ進行する。

また、偏光分離素子３によって紙面に垂直な偏光方向を有する直線偏光として射出された光束２２は、ミラー５によって光束２４として反射された後、ミラー５と読み取りポイント６０との間の光束２４の光路上に設けられた位相板４２へ入射する。

ここで、位相板４２は、光学軸が紙面に対して角度４５°＋θｐ１／２をなす方向に傾けた状態で設けられている。
そして、光束２４が位相板４２を通過することによって、紙面に対して角度θｐ１をなす所定の偏光方向を有する直線偏光となるように偏光方向が変換された後、第２偏光光束２０として読み取りポイント６０へ進行する。

このようにして、読み取りポイント６０に到達した第１偏光光束１０及び第２偏光光束２０はそれぞれ、互いに異なる第１方向及び第２方向から被検体６を照明することになる。
そして、上記のように第１偏光光束１０及び第２偏光光束２０は共に、紙面に対して角度θｐ１をなす所定の偏光方向を有する直線偏光として読み取りポイント６０に到達する。

従来の分光画像読み取りシステムでは、偏光板によって第２偏光光束２０に相当する光エネルギーが吸収されていた。
一方、本実施形態に係る分光画像読み取りシステム３００では、偏光分離素子３を用いることで、第２偏光光束２０も第１偏光光束１０と同一の偏光方向を有する偏光照明光束として利用することによって、光利用率を２倍に高めることができる。
また、本実施形態に係る分光画像読み取りシステム３００では、偏光分離素子３を用いることで、第２偏光光束２０に対応する光エネルギーが吸収されないため、発熱を抑制することもできる。

これにより、本実施形態に係る分光画像読み取りシステム３００では、以上のように構成することで、光源１から放射した照明光束の損失を低減し強度が増大した偏光照明光を得ることができる。
また、発熱を抑えると共に、装置のサイズやコストを低減した分光画像読み取り用の偏光照明光学系及びこれを用いた分光画像読み取りシステムを提供することが可能となる。

［第四実施形態］
図７は、第四実施形態に係る分光画像読み取りシステム４００の照明光学系を説明するＸＺ断面図を示している。なお、第四実施形態に係る分光画像読み取りシステム４００は、各光学素子の間の相対的な配置が変更されている以外は第一実施形態に係る分光画像読み取りシステム１００と同様の構成であるため、同一の部材には同一の参照番号を付し、重複する説明を省略する。

図７に示されているように、本実施形態に係る分光画像読み取りシステム４００では、第一実施形態に係る分光画像読み取りシステム１００に比べ、第２偏光光束２０が搬送ベルト６１の垂直方向、すなわち直上方向から被検体６に入射している。
そして、本実施形態に係る分光画像読み取りシステム４００では、分光画像読み取り光学系７を被検体６に対して斜め上方に設けている。
換言すると、本実施形態に係る分光画像読み取りシステム４００では、被検体６の移動方向及び分光画像読み取り光学系７の光軸７１に平行な断面内において、被検体６に入射する際の第１偏光光束１０及び第２偏光光束２０それぞれの光路は、分光画像読み取り光学系７の光軸７１に対して互いに同じ側にある。

ここで、被検体６に対する第１偏光光束１０及び第２偏光光束２０それぞれの入射方向が分光画像読み取り光学系７の光軸７１に対して互いになす角度をθ１及びθ２とする。
このとき、本実施形態に係る分光画像読み取りシステム４００では、θ１＝２×θ２を満たすように各光学素子が配置されている。

さらに換言すると、本実施形態に係る分光画像読み取りシステム４００では、第１方向が、被検体６が載置されている搬送ベルト６１の載置面の法線及び分光画像読み取り光学系７の光軸７１を含む面内にあると共に、載置面の法線に対して分光画像読み取り光学系７の光軸７１の反対側にある。
そして、載置面の法線と分光画像読み取り光学系７の光軸７１とが互いになす角度をθ３、第１方向と載置面の法線とが互いになす角度をθ４、第２方向と載置面の法線とが互いになす角度をθ５としたとき、
θ４＝θ３
θ５≠θ３
を満たしている。

これにより、本実施形態に係る分光画像読み取りシステム４００では、分光画像読み取り光学系７は、被検体６を照明した第１偏光光束１０の正反射光成分と被検体６を照明した第２偏光光束の拡散反射光成分とを主に読み取ることになる。
従って、本実施形態に係る分光画像読み取りシステム４００では、表面反射が少なく照りが小さい被検体６を検査する場合の照明効率が向上し、高速度な判定が可能となる。

本実施形態に係る分光画像読み取りシステム４００では、以上のように構成することで光源から放射した照明光束の損失を低減した偏光照明光を得ることができる。
また、発熱を抑えると共に、装置のサイズやコストを低減した分光読み取り用の偏光照明光学系及びこれを用いた分光画像読み取りシステムを提供することができる。

次に、上記の第一乃至第四実施形態のいずれかに係る分光画像読み取りシステムの使用例について説明する。

上記の第一乃至第四実施形態のいずれかに係る分光画像読み取りシステムは、一度でライン状の被検領域を読み取り、そして読み取ったライン状の被検領域を分光方向に沿って分離された波長毎のライン画像として撮像することができる。
これにより、読取方向に沿った画像の濃淡情報を読み取ることが可能となる。

具体的には、まず二次元配列の受光センサ７０７である撮像素子の受光面が配置される。そして、搬送ベルト６１上に載置された被検体６が移動方向（Ｘ方向）に沿って搬送されることで、被検体６上のライン状の被検領域が読み取りライン７２を順次通過していく。
そして分光画像読み取り光学系７は、読み取りライン７２を通過する被検体６のライン状の被検領域を順次時分割で読み取る。

これにより、受光センサ７０７は、波長毎に分光された被検体６の一次元被検領域の画像、すなわち被検体６の分光方向における分光情報と読み取りライン７２方向における一次元の空間情報とを取得することができる。
そして、例えば不図示の制御部によって特定の波長における一次元の空間情報である画像を並べることで、特定の波長における被検体６の二次元画像を取得することができる。
または、被検体６の特定の領域において波長毎の濃淡情報に基づいてスペクトル分布を取得することもできる。

以上、好ましい実施形態について説明したが、これらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

［検査方法及び製造方法］
以下、第一乃至第四実施形態のいずれかに係る分光画像読み取りシステムを用いた物体（被検体）の検査方法及び物品の製造方法について説明する。
第一乃至第四実施形態のいずれかに係る分光画像読み取りシステムは、例えば製造業や農業、医療などの産業分野における検査（評価）に好適なものである。

本実施形態に係る検査方法における第１ステップ（撮像ステップ）では、第一乃至第四実施形態のいずれかに係る分光画像読み取りシステムを介して物体を撮像することで物体の画像情報を取得する。
このとき上述したように、物体と撮像装置との間の相対位置を変更させながら物体を撮像することで、物体の全体の画像情報を取得することができる。また、複数の物体の画像情報を順次（連続的に）取得することもできる。
なお、第１ステップでは、第一乃至第四実施形態のいずれかに係る分光画像読み取りシステムから出射する複数の光束の波長のそれぞれに対応する複数の画像情報を取得してもよい。

次の第２ステップ（検査ステップ）では、第１ステップで取得された画像情報に基づいて物体の検査を行う。
このとき、例えばユーザ（検査者）が画像情報における異物やキズなどの有無を確認（判定）する工程を行ったり、制御部（画像処理部）により画像情報における異物やキズを検出してユーザに通知する工程を行ったりしてもよい。
あるいは、異物やキズの有無の判定結果に応じて、後述する物品の製造装置を制御する制御部を採用してもよい。

また、第２ステップでは、波長ごとの複数の画像情報を用いて取得された物体のスペクトル分布に基づいて物体の検査を行ってもよい。
第一乃至第四実施形態のいずれかに係る分光画像読み取りシステムを介して取得された画像情報を用いることで、検査対象の物体の固有のスペクトル情報を検知することができ、これにより物体の成分を特定することが可能になる。
例えば、画像処理部によりスペクトル分布ごとに着色などの強調を行った画像情報を生成し、その画像情報に基づいてユーザが検査を行ってもよい。

本実施形態に係る検査方法は、食品、医薬品、化粧品などの物品の製造方法に適用することができる。
具体的には、物品を製造するための材料（物体）を上述した検査方法により検査し、検査された材料を用いて物品を製造することができる。
例えば、上述した第２ステップにおいて材料に異物やキズがあると判定された場合、ユーザ（製造者）または製造装置は、材料から異物を除去したり、異物やキズがある材料を廃棄したりすることができる。

また、上記検査方法を製造装置の異常の検知に用いてもよい。例えば、製造装置の画像情報に基づいて異常の有無を判定し、その判定結果に応じて製造装置の駆動を停止させたり異常を修正したりしてもよい。

２ 反射傘（照明光学系）
３ 偏光分離素子（分離素子、照明光学系）
４ 位相板（照明光学系）
５ ミラー（照明光学系）
６ 被検体
７ 分光画像読み取り光学系（分光光学系）
１０ 第１偏光光束
１１ 光束
２０ 第２偏光光束
２１ 光束
１００ 分光画像読み取りシステム（分光情報取得システム）

Claims (18)

1. 移動する被検体を照明する照明光学系と、
   該照明光学系によって照明された前記被検体からの光を分光する分光光学系とを備え、
   前記照明光学系は、光源から出射した光束を第１偏光状態を有する第１偏光光束と第２偏光状態を有する第２偏光光束とに分離する分離素子を含み、
   前記第１偏光光束は第１方向から前記被検体を照明し、前記第２偏光光束は該第１方向とは異なる第２方向から前記被検体を照明することを特徴とする分光情報取得システム。
2. 前記照明光学系は、前記第１偏光光束及び前記第２偏光光束の少なくとも一方の偏光状態を変更する位相板を含むことを特徴とする請求項１に記載の分光情報取得システム。
3. 前記位相板は、λ／２板であることを特徴とする請求項２に記載の分光情報取得システム。
4. 前記第１方向と前記分光光学系の光軸とが互いになす角度をθ１、前記第２方向と前記分光光学系の光軸とが互いになす角度をθ２、前記第１方向、前記第２方向、及び前記分光光学系の光軸に平行な第１断面と前記第１偏光光束の偏光方向とが互いになす角度をθｐ１、前記第１断面と前記第２偏光光束の偏光方向とが互いになす角度をθｐ２としたとき、
   ｜ａｔａｎ（ｔａｎθｐ１／ｃｏｓθ１）−ａｔａｎ（ｔａｎθｐ２／ｃｏｓθ２）｜
   ≦１０°
   なる条件を満たすことを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の分光情報取得システム。
5. 前記照明光学系は、前記第１偏光光束及び前記第２偏光光束の一方の光路を変更する光路変更素子を含むことを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載の分光情報取得システム。
6. 前記分離素子は、ワイヤーグリッド偏光素子であることを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項に記載の分光情報取得システム。
7. 前記第１偏光光束及び前記第２偏光光束は、前記分光光学系の光軸に対して互いに反対側から前記被検体に入射することを特徴とする請求項１乃至６の何れか一項に記載の分光情報取得システム。
8. 前記第１方向は、前記被検体が載置されている載置面の法線及び前記分光光学系の光軸を含む面内にあると共に、前記載置面の法線に対して前記分光光学系の光軸の反対側にあり、
   前記載置面の法線と前記分光光学系の光軸とが互いになす角度をθ３、前記第１方向と前記載置面の法線とが互いになす角度をθ４、前記第２方向と前記載置面の法線とが互いになす角度をθ５としたとき、
   θ４＝θ３
   θ５≠θ３
   を満たすことを特徴とする請求項１乃至７の何れか一項に記載の分光情報取得システム。
9. 前記照明光学系は、前記被検体の移動方向及び前記分光光学系の光軸に垂直な読取方向に長尺な照明領域を照明するように、前記光源から出射した光束を集光する集光素子を含むことを特徴とする請求項１乃至８の何れか一項に記載の分光情報取得システム。
10. 前記分光光学系は、物体側から像側へ順に配置された前群、遮光部材、後群から成り、
    前記遮光部材には、前記被検体の移動方向及び前記分光光学系の光軸に垂直な読取方向に長い開口が設けられており、
    前記後群は、前記読取方向に垂直な第２断面において前記開口を通過した光束を互いに波長が異なる複数の光束に分光する回折面を有することを特徴とする請求項１乃至９の何れか一項に記載の分光情報取得システム。
11. 前記前群は、前記読取方向に平行な第３断面においては前記開口上に前記被検体を結像せず、前記第２断面においては前記開口上に前記被検体の中間像を形成することを特徴とする請求項１０に記載の分光情報取得システム。
12. 前記分光光学系からの複数の光束を受光する受光素子を備えることを特徴とする請求項１乃至１１の何れか一項に記載の分光情報取得システム。
13. 前記被検体を移動させる制御部を備えることを特徴とする請求項１乃至１２の何れか一項に記載の分光情報取得システム。
14. 前記分光光学系からの複数の光束を受光する受光素子と、該受光素子からの出力に基づいて前記被検体の分光情報を取得する画像処理部とを備えることを特徴とする請求項１乃至１３の何れか一項に記載の分光情報取得システム。
15. 分光情報取得システムを介して被検体を撮像することで該被検体の画像情報を取得する第１ステップと、
    前記画像情報に基づいて前記被検体の検査を行う第２ステップとを有し、
    前記分光情報取得システムは、
    移動する被検体を照明する照明光学系と、
    該照明光学系によって照明された前記被検体からの光を分光する分光光学系とを備え、
    前記照明光学系は、光源から出射した光束を第１偏光状態を有する第１偏光光束と第２偏光状態を有する第２偏光光束とに分離する分離素子を含み、
    前記第１偏光光束は第１方向から前記被検体を照明し、前記第２偏光光束は該第１方向とは異なる第２方向から前記被検体を照明することを特徴とする検査方法。
16. 前記第２ステップは、前記被検体における異物の有無を判定する工程を含むことを特徴とする請求項１５に記載の検査方法。
17. 請求項１５または１６に記載の検査方法により前記被検体を検査するステップと、
    該検査するステップにより検査された前記被検体を用いて物品を製造するステップとを有することを特徴とする製造方法。
18. 前記物品を製造するステップは、前記被検体における異物を除去する工程を含むことを特徴とする請求項１７に記載の製造方法。

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