JP2021527228A - ハイブリッドスペクトルイメージャ - Google Patents
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Abstract
【選択図】図2
Description
撮像ヘッド配置部(IHA)であって、
撮像経路に沿って対象シーン又は物体のイメージを集めて焦点合わせする光学撮像手段と、
マルチバンドフィルタリング光学部品(MBFO)手段であって、
前記対象イメージの少なくとも2つのイメージ複製物を生成するビーム分割手段と、
前記撮像経路に挿入されて、前記イメージ複製物において同調可能マルチバンドパスフィルタリングを実行する同調可能マルチバンドフィルタリング(TMF)手段と、
を備えるマルチバンドフィルタリング光学部品(MBFO)手段と、
を備える撮像ヘッド配置部(IHA)と、
モザイクフィルタアレイ(MFA)センサ配置部であって、
前記マルチバンドフィルタされたイメージ複製物が焦点合わせされる少なくとも1つのMFA焦点面アレイ(FPA)センサであって、
ピクセル化された様式において少なくとも3つのワイドバンド原色タイプのフィルタでマスクされ、各原色タイプの応答(primary color-type response)が、1つの単一バンドイメージ成分を前記マルチバンドフィルタされたイメージ複製物から分離してキャプチャする、焦点面アレイ手段、
を備えるMFA焦点面アレイ(FPA)センサ、
を備えるモザイクフィルタアレイ(MFA)センサ配置部と、
前記撮像ヘッド配置部に結合されプログラム指令を実行する制御及び処理ユニット(CPU)であって、
前記プログラム指令は、
イメージ取得処理をキャリブレーションし、
前記TMFの所定の同調ステップにおいて且つ複数の前記同調ステップに対して前記MFAセンサ配置部による前記イメージ複製物の取得/キャプチャを制御及び同期させ、
前記MFAセンサ配置部の応答をスペクトル的に純化して前記MFAと前記TMFとの間のバンドクロストークを補償する、
ためのものである、
制御及び処理ユニット(CPU)と、
少なくとも前記取得された単一バンドイメージをユーザインタフェイス手段上に表示する表示手段と、
を備えるハイブリッドスペクトルイメージャにおいて、
前記CPUは採用されたMFA−FPAセンサごとに少なくとも3つの異なる単一バンドイメージの組を再構築して前記表示手段上に表示するように構成され、
前記CPUは、所望のスペクトルバンドにおけるビデオスナップショットスペクトル撮像用の前記異なる単一バンドイメージの組の中心波長を選択し、且つ/又は、所定の同調ステップにおける所定数の組の異なる単一バンドイメージと、前記FPAセンサのスペクトル感度範囲内で少なくとも30個の単一バンドイメージを含むフルハイパースペクトル立方体データセットの組を集めるまで続く多段階手順における複数の組と、をキャプチャするために、前記TMFを同調するように構成される。
同一イメージの組を生成するように構成される光学素子と、
前記イメージ複製物をスペクトル的にフィルタすることで、光が別々のスペクトルバンドの組において透過及び/又は反射される、ように構成されるフィルタアレイ手段と、
前記フィルタされたイメージ複製物の組を可視化するように構成されるガラススクリーンと、
前記ガラススクリーン上に表示された前記イメージを前記少なくとも1つの撮像センサ上に焦点合わせするように構成されるリレーレンズと、
を備える。
前記MBFO手段及び前記MFAセンサ配置部手段は、前記スペクトルの可視部分内における少なくとも5つの前記単一バンドイメージをキャプチャするように構成され、前記CPUユニットは、マンセルスペクトル集合を少なくとも部分的に備える大きなスペクトル集合に基づいてスペクトル推定モデルの訓練タスクを実行し、疎らにサンプリングされたスペクトルデータポイントを全てのイメージピクセルにおける前記スペクトルを再構築するために適合させるスペクトル推定モデルベースのアルゴリズムを実行し、前記スペクトルからCIE比色分析カラーパラメータを算出し、フルスペクトルから派生するカラーパラメータに対応するピクセル値を有するカラーイメージを前記表示手段において表示する、ように構成される。
対象シーン又は物体のスペクトル同一性/複雑性を表すのに統計的に十分な、密集してサンプリングされた光学スペクトルのポピュレーションを得るステップと、
スペクトル特徴抽出を介して前記スペクトルポピュレーションのスパース表現を抽出するために前記密集してサンプリングされた光学スペクトルの組を分析するステップと、
顕著なスペクトル特徴が多く集合したスペクトルバンドとほぼ重複するバンドに対応する臨界スペクトルバンド(CSB)を前記密集してサンプリングされた光学スペクトルにおいて特定するステップと、
本発明の第1の態様の実施形態に係るハイブリッドスペクトルイメージャにより、
前記特定されたCSBに対応する中心波長を有するスペクトルイメージをほぼ同時にキャプチャするステップと、
密集してサンプリングされた光学スペクトルのスペクトルデータセットサンプルに関連付けられたスペクトル推定モデルへの前記CSBの空間データポイント及びスペクトルデータポイントの適合を介して、欠けているスペクトルデータポイント及び対応するスペクトルイメージを推定することによって、対象物体又はシーン用のスペクトル立方体を再構築するステップと、
前記再構築されたスペクトル立方体の全内容及び派生したスペクトル主題図のうち少なくとも1つをビデオレートで表示するステップと、
を行うステップと、
を備える。
次の段落以降では、多数の実施形態が開示され、上記ハイブリッドスペクトルイメージャの上記撮像ヘッド配置部(IHA)について言及する。
Claims (30)
- ハイブリッドスペクトルイメージャ装置であって、
撮像ヘッド配置部(IHA)であって、
撮像経路に沿って対象シーン又は物体のイメージを集めて焦点合わせする光学撮像手段と、
マルチバンドフィルタリング光学部品(MBFO)手段であって、
前記対象イメージの少なくとも2つのイメージ複製物を生成するビーム分割手段と、
前記撮像経路に挿入されて、前記イメージ複製物において同調可能マルチバンドパスフィルタリングを実行する同調可能マルチバンドフィルタリング(TMF)手段と、
を備えるマルチバンドフィルタリング光学部品(MBFO)手段と、
を備える撮像ヘッド配置部(IHA)と、
モザイクフィルタアレイ(MFA)センサ配置部であって、
前記マルチバンドフィルタされたイメージ複製物が焦点合わせされる少なくとも1つのMFA焦点面アレイ(FPA)センサであって、
ピクセル化された様式において少なくとも3つのワイドバンド原色タイプのフィルタでマスクされ、各原色タイプの応答が、1つの単一バンドイメージ成分を前記マルチバンドフィルタされたイメージ複製物から分離してキャプチャする、焦点面アレイ手段、
を備えるMFA焦点面アレイ(FPA)センサ、
を備えるモザイクフィルタアレイ(MFA)センサ配置部と、
前記撮像ヘッド配置部に結合されプログラム指令を実行する制御及び処理ユニット(CPU)であって、
前記プログラム指令は、
イメージ取得処理をキャリブレーションし、
前記TMFの所定の同調ステップにおいて且つ複数の前記同調ステップに対して前記MFAセンサ配置部による前記イメージ複製物の取得/キャプチャを制御及び同期させ、
前記MFAセンサ配置部の応答をスペクトル的に純化して前記MFAと前記TMFとの間のバンドクロストークを補償する、
ためのものである、
制御及び処理ユニット(CPU)と、
少なくとも前記取得された単一バンドイメージをユーザインタフェイス手段上に表示する表示手段と、
を備えるハイブリッドスペクトルイメージャ装置において、
前記CPUは採用されたMFA−FPAセンサごとに少なくとも3つの異なる単一バンドイメージの組を再構築して前記表示手段上に表示するように構成され、
前記CPUは、所望のスペクトルバンドにおけるビデオスナップショットスペクトル撮像用の前記異なる単一バンドイメージの組の中心波長を選択し、且つ/又は、所定の同調ステップにおける所定数の組の異なる単一バンドイメージと、前記FPAセンサのスペクトル感度範囲内で少なくとも30個の単一バンドイメージを含むフルハイパースペクトル立方体データセットの組を集めるまで続く多段階手順における複数の組と、をキャプチャするために、前記TMFを同調するように構成される、
ハイブリッドスペクトルイメージャ装置。 - 前記CPUは、対象シーン特有の又は物体特有のスペクトルデータベースにおいて、顕著なスペクトル特徴が集合した波長に対応する臨界スペクトルバンド(CSB)の組を特定するためのプログラム指令を実行するように構成される、
請求項1に記載のハイブリッドスペクトルイメージャ。 - 前記顕著なスペクトル特徴は、前記キャプチャされたスペクトルのピーク、及び/又は谷、及び/又はスロープに対応する、
請求項2に記載のハイブリッドスペクトルイメージャ。 - 前記CPUは、前記スペクトルに沿って疎らにサンプリングされたデータポイントにおいてキャプチャされた前記MFAセンサ配置部の応答から、前記疎らにサンプリングされたデータポイントにおいてキャプチャされた前記応答を訓練されたスペクトル推定モデル及び関連付けられたアルゴリズムに適合させることでフルスペクトルを復元するためのプログラム指令を実行するように構成される、
請求項1〜3のいずれか一項に記載のハイブリッドスペクトルイメージャ。 - 前記疎らにサンプリングされたデータポイントは前記CSBの組に対応する、
請求項4に記載のハイブリッドスペクトルイメージャ。 - 前記CPUはスペクトル立方体を生成するように構成され、前記スペクトル立方体は、前記MFAセンサアレイ手段によってキャプチャされた前記スナップショットスペクトルイメージの組と1組の推定されたスペクトルイメージとを含み、その全てがビデオレートで表示される、
請求項1〜5のいずれかに記載のハイブリッドスペクトルイメージャ。 - 前記推定されたスペクトルイメージは、全てのイメージピクセルに対する前記再構築スペクトルの前記推定されたデータポイントから、前記スペクトルの前記再構築部分に属する特定の波長バンドに対応する強度値を有する2次元アレイとして得られる、
請求項6に記載のハイブリッドスペクトルイメージャ。 - 前記スペクトル推定モデル及びアルゴリズムは、最小二乗法と、ウィナー推定と、カーネル法と、人工ニューラルネットワークと、スパース再構築と、深層学習アプローチと、を少なくとも部分的に含むアルゴリズムのクラスに属する、
請求項4〜7のいずれか一項に記載のハイブリッドスペクトルイメージャ。 - 前記CPUは、スペクトル撮像データセットのスペクトル分類と、前記スペクトル分類のスペクトル主題図の前記表示手段上への表示と、のためのプログラム指令を実行するように構成される、
請求項1に記載のハイブリッドスペクトルイメージャ。 - 前記スペクトル分類は、前記スペクトル主題図を化学的マップ又は生体内病理マップに変換するための化学的同一性及びラベルを有するスペクトルを伴うデータベースに格納されたスペクトルデータセット及び管理された分類子を利用する、
請求項9に記載のハイブリッドスペクトルイメージャ。 - 前記光学撮像手段は、写真撮影レンズと、顕微鏡検査光学部品と、コリメート光学部品の無限性補正光学部品の剛性又は可撓性内視鏡と、望遠鏡と、を含むグループから選択される、
請求項1〜10のいずれか一項に記載のハイブリッドスペクトルイメージャ。 - 前記対象シーン又は物体は、空中、地上、又は水中の撮像条件における、ヒト又は動物の組織と、植物組織と、風景シーンと、加工された又は生の食品材料と、天然材料と、人工材料と、を少なくとも部分的に含むグループから選択される、
請求項1〜11のいずれか一項に記載のハイブリッドスペクトルイメージャ。 - 前記MBFO手段は、立方体ビームスプリッターと、プレートビームスプリッターと、偏光ビームスプリッターと、五角形ビームスプリッター/分割器と、ミラー被覆脚を有する直角プリズムと、ミラー被覆脚を有するミラー被覆角錐プリズムと、ポルカドットビームスプリッターと、ペリクルビームスプリッターと、を少なくとも部分的に備える、
請求項1〜12のいずれか一項に記載のハイブリッドスペクトルイメージャ。 - 前記TMFは、角度依存スペクトルフィルタリング(ADSF)バンドパスフィルタと、ADSF型二色性及び多色性ミラーと、ADSF型マルチバンドパスフィルタと、空間光変調器と、音響光学部品と、液晶スペクトル変調器と、表面プラズモンフィルタと、それらの組み合わせと、を少なくとも部分的に備える、
請求項1〜13のいずれか一項に記載のハイブリッドスペクトルイメージャ。 - 前記TMFは、ADSF型マルチバンド反射及び/又は透過フィルタであり、前記TMFが±30°の角度範囲内で傾斜したときに前記バンドの中心波長の約15%に同調する特性を有する、
請求項14に記載のハイブリッドスペクトルイメージャ。 - 前記ADSF型フィルタ手段は、傾斜アクチュエータ手段の傾斜可能軸上に配置され、前記傾斜アクチュエータは、ガルヴァニック電気機械的素子と、回転アクチュエータと、モータと、回転ソレノイドと、磁気的、電気的、及び熱的アクチュエータと、微小電気機械システム(MEMS)と、を含むグループから選択される、
請求項14又は15に記載のハイブリッドスペクトルイメージャ。 - 前記CPU及び前記表示手段は、マイクロコントローラユニットと、メモリユニットと、フィールドプログラマブルゲートアレイ(FPGA)と、携帯電話と、タブレットコンピュータと、ラップトップコンピュータと、フラットディスプレイと、ビデオグーグルと、を少なくとも部分的に備える、
請求項1〜16のいずれか一項に記載のハイブリッドスペクトルイメージャ。 - 前記ビーム分割器は、傾斜アクチュエータ手段の前記傾斜可能軸上に配置された傾斜五角形プリズムビーム分割器であり、
前記TMFは、傾斜角度不変直交方向において2つのマルチバンドフィルタされたイメージ複製物を反射及び透過する、前記五角形プリズムビーム分割器の第1の反射面上に蒸着したADSF型多色性ミラー被膜であり、
前記IHAは、前記透過及び反射したマルチバンドフィルタされたイメージ複製物をほぼ同時にキャプチャするために前記光学撮像手段の透過/反射焦点面に配置された2つのMFA−FPAセンサを備える、
請求項1〜17のいずれかに記載のハイブリッドスペクトルイメージャ。 - 前記ビーム分割器は、前記傾斜アクチュエータ手段の前記傾斜可能軸上に配置された傾斜五角形プリズムビーム分割器であり、
前記TMFは、前記イメージ複製物が出現する前記五角形プリズムの面上に配置されたADSF型マルチバンドパスフィルタの対を備え、前記ADSF型フィルタは傾斜角度不変直交方向において2つのマルチバンドフィルタされたイメージ複製物を透過し、
前記IHAは、前記透過したマルチバンドフィルタされたイメージ複製物をほぼ同時にキャプチャするために前記光学撮像手段の前記透過/反射焦点面に配置された2つのMFA−FPAセンサを備える、
請求項1〜18のいずれかに記載のハイブリッドスペクトルイメージャ。 - 前記五角形プリズムの前記第1の反射面は、イメージ歪み効果を補償するために、前記五角形プリズムの後面が前記五角形プリズムの前面と平行になるように三角形プリズムとセメント接合される、
請求項18又は19に記載のハイブリッドスペクトルイメージャ。 - 前記ビーム分割器は、前記光学撮像光学部品手段の後端と前記光学撮像光学部品手段の焦点面との間の空間として画成された、前記撮像経路における定位置に配置されたビーム分割素子であり、
前記TMFはADSF型マルチバンドパスフィルタの対を備え、各ADSF型マルチバンドパスフィルタは、前記分割光線路に挿入された2つの傾斜アクチュエータ手段の前記傾斜可能軸上に配置され、
前記IHAは、前記透過したマルチバンドフィルタされたイメージ複製物をほぼ同時にキャプチャするための2つのMFAセンサ配置部を備える、
請求項1〜17のいずれか一項に記載のハイブリッドスペクトルイメージャ。 - 前記ビーム分割器は、コスター(Koester)プリズム型ビーム分割器であって、その角度のうち1つの角度の二等分線がADSF型フィルタによって覆われるように構成されるコスター(Koester)プリズム型ビーム分割器であり、
前記IHAは、前記分断された角度の反対側に配置される単一MFAセンサ配置部であって前記単一MFAセンサの2つの異なるエリア内に2つのマルチバンドイメージ複製物をキャプチャする単一MFAセンサ配置部を備える、
請求項1〜17のいずれかに記載のハイブリッドスペクトルイメージャ。 - 前記ビーム分割器は、少なくとも2つの面がミラー被覆された多面反射器を備え、前記ミラー被覆された面は入射光ビームを少なくとも2つの反対側に反射された成分に分割するように構成される、
請求項1〜17のいずれかに記載のハイブリッドスペクトルイメージャ。 - 前記MBFO手段は、
同一イメージの組を生成するように構成される光学素子と、
前記イメージ複製物をスペクトル的にフィルタすることで、光が別々のスペクトルバンドの組において透過及び/又は反射される、ように構成されるフィルタアレイ手段と、
前記フィルタされたイメージ複製物の組を可視化するように構成されるガラススクリーンと、
前記ガラススクリーン上に表示された前記イメージを前記少なくとも1つの撮像センサ上に焦点合わせするように構成されるリレーレンズと、
を備える、
請求項1〜23のいずれか一項に記載のハイブリッドスペクトルイメージャ。 - 前記MBFO手段は、前記MBFO手段に商用カメラ手段の対応するレンズアダプタを取り外し可能に装着するためのユニバーサル装着手段を備え、前記カメラ手段は自律型である、又は、携帯電話/コンピュータプラットフォーム手段に統合される、
請求項24に記載のハイブリッドスペクトルイメージャ。 - 前記IHAは、前記光学撮像手段の前記焦点面において終端する前記イメージ経路において配置されたイメージずれ補償光学素子を備え、
前記イメージずれ補償光学素子は、傾斜により誘発した光学媒体の経路長変動及び関連付けられたイメージの歪み/変位効果を補償するように、前記ADSF型フィルタの前記傾斜角度に対して比例する且つ反対の傾斜角度において前記傾斜アクチュエータによって位置決めされるように構成される、
請求項1〜25のいずれか一項に記載のハイブリッドスペクトルイメージャ。 - 前記イメージずれ補償光学素子は、前記ADSF型フィルタによって発生した変位とほぼ等しい距離だけ前記焦点合わせされたイメージが反対方向に変位するように選択された所定の厚み及び屈折率を有するガラス板である、
請求項26に記載のハイブリッドスペクトルイメージャ。 - 前記ハイブリッドスペクトルイメージャは、拡大された色域の、メタメリズムの無い、且つフルスペクトルの写真撮影カメラとして動作するように構成され、
前記MBFO手段及び前記MFAセンサ配置部手段は、前記スペクトルの可視部分内における少なくとも5つの前記単一バンドイメージをキャプチャするように構成され、
前記CPUユニットは、
マンセルスペクトル集合を少なくとも部分的に備える大きなスペクトル集合に基づいてスペクトル推定モデルの訓練タスクを実行し、
疎らにサンプリングされたスペクトルデータポイントを全てのイメージピクセルにおける前記スペクトルを再構築するために適合させるスペクトル推定モデルベースのアルゴリズムを実行し、
前記スペクトルからCIE比色分析カラーパラメータを算出し、
フルスペクトルから派生するカラーパラメータに対応するピクセル値を有するカラーイメージを前記表示手段において表示する、
ように構成される、
請求項1〜27のいずれかに記載のハイブリッドスペクトルイメージャ。 - 前記MBFO手段及び前記MFAセンサ配置部手段は、前記スペクトルの前記可視部分内における少なくとも5つの単一バンドイメージと前記シリコンセンサ手段の近赤外線感度範囲内における少なくとも1つの単一バンドイメージとをキャプチャするように構成され、
前記CPUユニットは、
前記対象シーン又は物体を照らす周辺光のスペクトル特性の推定と、
色恒常性を達成するための前記対象シーン又は物体の面反射率の推定と、
前記カラーイメージからのかすみ要素の抽出と、
を少なくとも部分的に含む前記処理出力を伴うイメージ処理タスクを実行するために前記単一バンドイメージの近赤外線応答を利用する、ように構成される、
請求項28に記載のハイブリッドスペクトルイメージャ。 - ビデオフル解像度のハイパースペクトル撮像の方法であって、
対象シーン又は物体のスペクトル同一性/複雑性を表すのに統計的に十分な、密集してサンプリングされた光学スペクトルのポピュレーションを得るステップと、
スペクトル特徴抽出を介して前記スペクトルポピュレーションのスパース表現を抽出するために前記密集してサンプリングされた光学スペクトルの組を分析するステップと、
顕著なスペクトル特徴が多く集合したスペクトルバンドとほぼ重複するバンドに対応する臨界スペクトルバンド(CSB)を前記密集してサンプリングされた光学スペクトルにおいて特定するステップと、
請求項1〜29に記載のハイブリッドスペクトルイメージャにより、
前記特定されたCSBに対応する中心波長を有するスペクトルイメージをほぼ同時にキャプチャするステップと、
密集してサンプリングされた光学スペクトルのスペクトルデータセットサンプルに関連付けられたスペクトル推定モデルへの前記CSBの空間データポイント及びスペクトルデータポイントの適合を介して、欠けているスペクトルデータポイント及び対応するスペクトルイメージを推定することによって、対象物体又はシーン用のスペクトル立方体を再構築するステップと、
前記再構築されたスペクトル立方体の全内容及び派生したスペクトル主題図のうち少なくとも1つをビデオレートで表示するステップと、
を行うステップと、
を備える、方法。
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