JP2023088595A - 計測装置及び計測方法 - Google Patents

Abstract

【課題】対象物の動的現象を高精度に計測すること。【解決手段】高速物体計測装置１は、移動する対象物１００に対して波長が時間的に変化する光を照射する光照射部１０と、光照射部１０によって照射された光を受けた対象物１００からの光を撮像して、画素毎に波長情報を取得する撮像ユニット２０と、を備え、撮像ユニット２０は、波長の時間的な変化を連続的に取得する。【選択図】図１

Description

本発明の一態様は、計測装置及び計測方法に関する。

引用文献１には、ナノ秒以下の超短時間領域において変化する単発現象の連続撮影を可能とする高速撮影手法が記載されている。具体的には、波長の異なる複数のストロボ光を対象物に連続照射し、対象物からの光（波長の異なる複数の光）について像情報を保持したまま波長毎に空間的に分離し、分離した各光を撮像素子の受光面上の互いに異なる位置に入射させて検出する高速撮影システムが記載されている。このような高速撮影システムによれば、検出された各光（各波長）の像情報に基づいて、動的現象が計測される。

特開２０１５－４１７８４号公報

ここで、上述したような高速撮影システムでは、対象物からの、波長の異なる複数の光が波長毎に空間的に分離されている。このようにして光を分離する方法を用いた場合には、検出される各光（各波長）の像情報に基づく動的現象の計測が連続的にならず、離散的になってしまう。これにより、対象物の動的現象を高精度に計測することができないおそれがある。

本発明の一態様は上記実情に鑑みてなされたものであり、対象物の動的現象を高精度に計測することを目的とする。

本発明の一態様に係る計測装置は、移動する対象物に対して波長が時間的に変化する光を照射する光照射部と、光照射部によって照射された光を受けた対象物からの光を撮像して、画素毎に波長情報を取得する撮像部と、を備え、撮像部は、波長の時間的な変化を連続的に取得する。

本発明の一態様に係る計測装置では、移動する対象物に対して時間的に波長が変化する光が照射され、対象物からの光が撮像されて、画素毎に波長情報が取得される。そして、当該計測装置においては、時間的に波長が変化する光について、例えば空間的に分離等されて検出されるのではなく、そのまま波長情報が画素毎に取得されており、これによって、時間的な波長の変化が離散的とならずに連続的に取得される。このことで、取得された波長情報の変化に基づき、対象物がどのタイミングでどの位置にいたかが高精度に推定される。以上のように、本発明の一態様に係る計測装置によれば、対象物の動的現象を高精度に計測することができる。

なお、時間的に波長が変化する光を空間的に分離して分離した各光を撮像部の受光面上の互いに異なる位置に入射させる方法においても、例えば時間（すなわち波長）を細かく分離することにより、時間的な波長の変化が極力離散的にならないようにすることも考えられる。しかしながら、このような方法では、時間を細かく分離すればするほど、撮像部の受光面積が多く必要となるため、フレーム数が限られて視野が狭くなってしまうことや画像のピクセル数が少なくなることが問題となる。すなわち、時間的な分離数を増やし対象物の動的現象を高精度に計測することと、受光面積を小さくすることとはトレードオフの関係にあり、従来、両立することが困難であった。この点、上述したように、本発明の一態様に係る計測装置によれば、時間的に波長が変化する光が空間的に分離されて検出されるのではなく、そのまま波長の情報が画素毎に検出されるので、上述した受光面積に起因する問題が生じることなく、対象物の動的現象を高精度に計測することができる。

光照射部は、波長の変化する周期が前記撮像部の露光時間内に１周期以上変化する光を照射してもよい。このような構成によれば、撮像部の１フレーム内に、時間的に波長が変化する光の時間幅で対象物の動的現象を計測（保存）することができる。

光照射部は、光照射部から対象物に向かう光の光軸と、対象物から撮像部に向かう光の光軸とが直交するように配置されていてもよい。このような構成によれば、例えば光照射部から対象物に向かう光の光軸方向と同じ方向に対象物が移動する場合において、対象物のあるポイント（例えばエッジ部分）に光を照射して、当該ポイントからの光の時間経過に伴う波長の変化を、撮像部における互いに異なる画素で検出することができる。すなわち、同一の画素に複数回光が入ることを回避しながら、各画素の検出結果に基づき、対象物の動的現象を高精度に計測することができる。

光照射部は、光照射部から対象物に向かう光の光軸と、対象物から撮像部に向かう光の光軸とが斜交するように配置されており、計測装置は、対象物から撮像部に向かう光の光軸上に配置されるスリットを更に備え、スリットは、時間の経過に応じて光を通過させる領域を変化させてもよい。上述した２つの光軸が斜交している場合には、移動する対象物の面に光が照射されると、同一の画素に複数タイミングの光が入ることがある。この点、対象物から撮像部に向かう光の光軸上にスリットが配置されており、当該スリットが光を通過させる領域を時間の経過に応じて変化させることにより、同一の画素に複数タイミングの光が入ることを回避でき、移動する対象物の面に光が照射される場合にも、対象物の動的現象を高精度に計測することができる。

光照射部は、第１の波長範囲の光について波長が変化する周期を第１の周期として照射する第１の照射部と、第１の波長範囲とは異なる第２の波長範囲の光について波長が変化する周期を第１の周期とは異なる第２の周期として照射する第２の照射部と、を有していてもよい。このように、互いに波長範囲が異なる光について互いに波長が変化する周期を異ならせて対象物に照射することにより、２つの光の波長の情報から対象物がどの位置にいたかが推定されるため、１つの光のみから推定される場合と比較して、時間分解能を向上させ、より対象物の動的現象を高精度に計測することができる。

撮像部は、第１の照射部によって照射された光を受けた対象物からの光を撮像する第１のカメラと、第２の照射部によって照射された光を受けた対象物からの光を撮像する第２のカメラと、を有していてもよい。このような構成によれば、上述した２つの光の波長の情報が２つのカメラによってそれぞれ撮像されて、２つの光の波長の変化に基づく画像を適切に生成することができる。これによって、対象物の動的現象をより高精度に計測することができる。

光照射部は、白色光源を有し、白色光の波長を光学的に選択することにより時間的に波長を変化させてもよい。このような構成によれば、簡易な構成によって、時間的に波長が変化する光を生成することができる。

光照射部は、パルス光源を有し、パルス光を波長分散させることにより時間的に波長を変化させてもよい。このような構成によれば、簡易な構成によって、時間的に波長が変化する光を生成することができる。

撮像部は、対象物からの光を波長に応じて透過又は反射することにより分離し、波長の変化に応じて透過率及び反射率が変化する波長帯の幅であるエッジ変移幅が所定の幅を有する分離光学素子を有し、分離光学素子において透過された光を第１の撮像領域で撮像すると共に、分離光学素子において反射された光を第２の撮像領域で撮像してもよい。このような構成によれば、波長の変化に応じて透過率及び反射率が変化する分離光学素子によって分離された光がそれぞれ撮像され、それぞれの撮像結果に基づき、波長を適切に検出することができる。

本発明の一態様に係る計測方法は、移動する対象物に対して波長が時間的に変化する光を照射するステップと、光を受けた対象物からの光を撮像して、画素毎に波長情報を取得するステップと、を含み、波長情報を取得するステップでは、波長の時間的な変化を連続的に取得する。

本発明の一態様に係る計測装置及び計測方法によれば、対象物の動的現象を高精度に計測することができる。

本発明の実施形態に係る高速物体計測装置を模式的に示した図である。 図１の高速物体計測装置のカメラシステムに含まれる光照射部の一例を模式的に示した図である。 図１の高速物体計測装置のカメラシステムに含まれる撮像ユニットの一例を模式的に示した図である。 傾斜ダイクロイックミラーの特性を説明する図である。 撮像された画像の一例を示す図である。 第１の変形例に係る高速物体計測装置のカメラシステムを模式的に示した図である。 第２の変形例に係る高速物体計測装置のカメラシステムを模式的に示した図である。 図７のカメラシステムに含まれるスリットを模式的に示した図である。 第３の変形例に係る高速物体計測装置のカメラシステムを模式的に示した図である。

以下、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。なお、各図において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、本実施形態に係る高速物体計測装置１を模式的に示した図である。高速物体計測装置１は、高速に移動する物体である対象物１００に対して時間的に波長が変化する光を照射し、該対象物１００からの光を撮像することにより、２次元の画像上に対象物１００の動きを記録して該対象物１００の動的現象を計測する装置である。すなわち、高速物体計測装置１では、照射される光について時間と波長とが対応付けられていることにより、対象物１００からの光が撮像されて波長が特定されると、対象物１００がどのタイミングでどの位置にいたかが推定され、対象物１００の動的現象を計測することができる。対象物１００は例えば飛翔体又は破片等であり、対象物１００の動的現象とは、例えば飛翔体が通過、ないし反跳する現象や、複数の破片が飛散する現象等であってもよい。

図１に示されるように、高速物体計測装置１は、カメラシステム２と、制御装置８０と、を備えている。カメラシステム２は、光照射部１０と、撮像ユニット２０（撮像部）と、を有している。カメラシステム２の詳細について、図２～図４も参照しながら説明する。

光照射部１０は、移動する対象物１００に対して時間的に波長が変化（波長掃引、波長スイープ）する光を照射する構成である。図１においては、光照射部１０から出射される光Ｌについて、時間的に波長が変化していることが色の違いとして示されている。図１の例では、光Ｌの波長が変化する１周期分が示されており、１周期の最初の波長Ｌ１が最も短波長であり、徐々に波長が長くなり、１周期の最後の波長Ｌ２が最も長波長とされている。光照射部１０は、一例として、６００ｎｍ～７００ｎｍの波長範囲の光を照射するがこれに限定されず、例えば可視光線の波長範囲（３８０ｎｍ～７８０ｎｍ）に含まれる任意の波長範囲の光を照射してもよい。

光照射部１０は、図１に示されるように、光照射部１０から対象物１００に向かう光の光軸（第１光軸）と、対象物１００から撮像ユニット２０に向かう光の光軸（第２光軸）とが直交するように配置されている。なお、第１光軸の方向は、対象物１００が移動する方向に略一致している。上述した第１光軸と第２光軸とが直交するとは、移動する対象物１００に対して光が照射されている間のいずれかのタイミングにおいて第１光軸と第２光軸とが直交していればよい。光照射部１０は、例えば、光を連続的に対象物１００にスキャンし、スキャンする際の特定のタイミングで撮像ユニット２０にトリガを出すことにより、時間的に波長が変化する光に同期させて撮像ユニット２０に露光を開始させてもよい。或いは、光照射部１０は、撮像ユニット２０からのトリガを受けることにより、撮像ユニット２０の露光に同期させるようにして、時間的に波長が変化する光のスキャンを開始してもよい。光照射部１０は、波長の変化する周期が撮像ユニット２０の露光時間内に１周期以上変化する光を照射する。

図２は、カメラシステム２に含まれる光照射部１０の一例を模式的に示した図である。図２に示されるように、光照射部１０は、例えば、パルス光源１１と、分散補償モジュール１２とを含んで構成されていてもよい。パルス光源１１は、例えばフェムト秒レーザ光源である。フェムト秒レーザは数百ｎｍの波長幅を持つため、パルス光源１１は、２００ｎｓを超える時間幅の波長スキャン光源の構成に用いることができる。

分散補償モジュール１２は、パルス光源１１から出射された広帯域パルス光を伸展させ、波長毎に異なる遅延（到達時間の差）を与える。分散補償モジュール１２は、例えば高分散ファイバによって構成されており、パルス光を波長分散させることにより、時間的に波長を変化させる。例えばシングルモードファイバの場合、１ｋｍあたり約１７ｐｓ／ｎｍ程度の波長毎の遅延を発生させる。これを補償する高分散ファイバでは、１００ｋｍ用のものも一般に流通しており、この場合、１７００ｐｓ／ｎｍ程度の遅延を発生させることができる。

図２に示される２つのグラフの内、左側はパルス光源１１から出射されるパルス光の様子を示しており、右側は分散補償モジュール１２を通過した光の様子を示している。図２に示される２つのグラフにおいて、横軸は時間、縦軸は光度である。図２の右図において、光Ｌについて時間的に波長が変化していることが色の違いとして示されている。図２の右図に示されるように、パルス光源１１から出射された光が分散補償モジュール１２を通過することにより、光が時間幅を持ち、波長毎に異なる遅延が与えられている。すなわち、分散補償モジュール１２を通過した光は、時間的に波長が変化する光となっている。なお、ピコ秒程度の高輝度パルス光を非線形効果で波長幅のある光に変換し、変換後の光を分散補償モジュール１２に入力することにより、時間的に波長が変化する光を得てもよい。

時間的に波長が変化する光を照射する光照射部１０の構成は、図２に示される構成に限定されない。例えば、光照射部１０は、白色光源と、空間的に連続的に配置された複数のバンドパスフィルタとを含んで構成されていてもよい。このような光照射部１０では、複数のバンドパスフィルタが動かされて切り替えられることにより、白色光の波長が光学的に選択され、時間的に波長が変化する光が得られる。また、光照射部１０は、白色光源と、単一のバンドパスフィルタとを含んで構成されていてもよい。このような光照射部１０では、例えば単一のバンドパスフィルタが回転させられることにより、白色光の波長が光学的に選択され、時間的に波長が変化する光が得られる。また、光照射部１０は、出射する光の波長が互いに異なる複数の光照射部を有する構成とされてもよい。このような光照射部１０では、複数の光照射部が時間的に切り替えられることにより、時間的に波長が変化する光が得られる。対象物１００が観察波長の範囲において一定の反射率を有する場合には、上記波長が互いに異なる複数の光照射部が同時に光を照射し、その光量の比率を連続的に変えることにより、時間的に波長が変化する光を得てもよい。また、光照射部１０は、白色光源とダイヤフラムとを含んで構成されていてもよい。

図１に戻り、撮像ユニット２０は、光照射部１０によって照射された光を受けた対象物１００からの光を撮像して、画素毎に波長情報を取得する構成である。撮像ユニット２０は、通常の画像情報に加えて、画素毎に波長情報を取得することができる構成である。撮像ユニット２０は、波長の時間的な変化を連続的に取得する。

図３は、カメラシステム２に含まれる撮像ユニット２０を模式的に示した図である。図３に示されるように、撮像ユニット２０は、撮像素子２１と、無限遠補正レンズ２２と、傾斜ダイクロイックミラー２３（分離光学素子）と、全反射ミラー２４と、結像レンズ２５と、を含んで構成されている。

無限遠補正レンズ２２は、対象物１００からの光を平行光に変換するコリメータレンズである。無限遠補正レンズ２２は、平行光が得られるように収差補正されている。無限遠補正レンズ２２から出力された光は、傾斜ダイクロイックミラー２３に入射する。

傾斜ダイクロイックミラー２３は、特殊な光学素材を用いて作成されたミラーであり、対象物１００からの光を波長に応じて透過又は反射することにより分離する。傾斜ダイクロイックミラー２３は、例えば特定の波長の光を反射すると共に、その他の波長の光を透過する。

図４は、傾斜ダイクロイックミラー２３の特性を説明する図である。図４において横軸は波長を示しており、縦軸は透過率を示している。図４の傾斜ダイクロイックミラー２３の特性Ｘ４に示されるように、傾斜ダイクロイックミラー２３においては、特定の波長帯（波長λ₁～λ₂の波長帯）では波長の変化に応じて光の透過率（及び反射率）が緩やかに変化し、該特定の波長帯以外の波長帯（すなわち、波長λ₁よりも低波長側及び波長λ₂よりも高波長側）では波長の変化に関わらず光の透過率（及び反射率）が一定とされている。透過率と反射率とは、一方が大きくなる方向に変化すると他方が小さくなる方向に変化する、負の相関関係にあるため、以下では「透過率（及び反射率）」と記載せずに単に「透過率」と記載する場合がある。なお、「波長の変化に関わらず光の透過率が一定」とは、完全に一定である場合だけでなく、例えば波長１ｎｍの変化に対する透過率の変化が０．１％以下であるような場合も含むものである。波長λ₁よりも低波長側では波長の変化に関わらず光の透過率が概ね０％であり、波長λ₂よりも高波長側では波長の変化に関わらず光の透過率が概ね１００％である。なお、「光の透過率が概ね０％である」とは、０％＋１０％程度の透過率を含むものであり、「光の透過率が概ね１００％である」とは、１００％－１０％程度の透過率を含むものである。また、以下では、波長の変化に応じて光の透過率が変化する波長帯の幅を「エッジ変移幅」として説明する場合がある。以上のように、傾斜ダイクロイックミラー２３は、波長の変化に応じて透過率が変化する波長帯の幅であるエッジ変移幅が所定の幅（波長λ₁～λ₂の幅）を有する分離光学素子である。

全反射ミラー２４は、傾斜ダイクロイックミラー２３において反射された光を結像レンズ２５方向に反射する光学素子である。

結像レンズ２５は、傾斜ダイクロイックミラー２３を透過した光、及び、傾斜ダイクロイックミラー２３において反射されると共に全反射ミラー２４において更に反射された光をそれぞれ結像させ、これらの光を撮像素子２１に導くレンズである。

撮像素子２１は、傾斜ダイクロイックミラー２３を透過した光を第１の撮像領域で撮像すると共に、傾斜ダイクロイックミラー２３において反射されると共に全反射ミラー２４において更に反射された光を第１の撮像領域とは異なる第２の撮像領域で撮像する。撮像素子２１は、結像レンズ２５によって結像された画像を検出することによって、傾斜ダイクロイックミラー２３を透過した光及び全反射ミラー２４において反射された光を撮像する。撮像素子２１は、所定の波長範囲の光を撮像するための撮像素子であり、例えばＣＣＤやＭＯＳ等のエリアイメージセンサである。また、撮像素子２１は、ラインセンサやＴＤＩ（Time Delay Integration）センサによって構成されていてもよい。本実施形態では、撮像素子２１は第１の撮像領域及び第２の撮像領域を有する単一の撮像素子であるとして説明するが、第１の撮像領域に係る撮像素子と、第２の撮像領域に係る撮像素子とが別に設けられていてもよい（２組設けられていてもよい）。この場合、結像レンズについても、撮像素子に対応して２組設けられる。撮像素子２１は、撮像結果である画像を制御装置８０に出力する。

図５は、撮像された画像Ｐ１の一例を示す図である。画像Ｐ１には、対象物１００の動的現象の像ＤＩが示されている。動的現象の像ＤＩにおいては、対象物１００の移動の様子が色の変化（波長の変化）により示されている。予め、照射される光について時間と波長とが対応付けられているため、動的現象の像ＤＩから波長が特定されると、対象物１００がどのタイミングでどの位置にいたかが推定され、対象物１００の動的現象を計測することができる。

図１に戻り、制御装置８０は、コンピュータであって、物理的には、ＲＡＭ、ＲＯＭ等のメモリ、ＣＰＵ等のプロセッサ（演算回路）、通信インターフェイス、ハードディスク等の格納部を備えて構成されている。制御装置８０は、メモリに格納されるプログラムをコンピュータシステムのＣＰＵで実行することにより機能する。制御装置８０は、マイコンやＦＰＧＡで構成されていてもよい。

制御装置８０は、カメラシステム２において得られた撮像結果に基づいて、撮像結果である画像の各画素（視野内に結像された像の各画素）の光量に基づき波長（発光波長重心）を計算し出力する。以下、発光波長重心の計算原理の一例について詳細に説明する。

上述したように、傾斜ダイクロイックミラー２３は、波長λ₁よりも低波長側では全ての光を反射し、波長λ₂よりも高波長側では全ての光を透過し、波長λ₁～λ₂の波長帯では光の透過率が波長に従ってリニアに変化するとする。この場合、波長λ₁，λ₂との関係において透過率ｈ（λ）は以下の（１）式で示され、反射率１－ｈ（λ）は以下の（２）式で示される。
h(λ)=（λ-λ₁）/(λ₂-λ₁） (1)
1-h(λ)=(λ₂-λ)/(λ₂-λ₁) (2)

また、反射率が５０％となる波長λ_５０％は以下の（３）式で示されることは明らかである。
λ_50%=(λ₂+λ₁)/2 (3)

ある発光スペクトルｆ（λ）がλ₁とλ₂の間にあり、λ₁より短い波長及びλ₂よりも長い波長において無視できる場合（例えば、バンドパスフィルタ（不図示）等により発光スペクトルｆ（λ）の波長帯が制限される場合）、反射光量と透過光量とが等しいと仮定すると以下の（４）式が成立する。
∫f(λ)h(λ)dλ=∫f(λ)(1-h(λ))dλ (4)
（４）式を変形すると、以下の（５）式になる。
2∫f(λ)h(λ)dλ=∫f(λ)dλ (5)

（５）式に（１）式を代入すると、
2∫f(λ)(λ-λ₁）/(λ₂-λ₁)dλ=∫f(λ)dλ
となり、さらに両辺を２∫f(λ)dλ/ (λ₂-λ₁)で割ると、
∫f(λ)(λ-λ₁）dλ/∫f(λ)dλ= (λ₂-λ₁)/2
∫f(λ)λdλ/∫f(λ)dλ= (λ₂+λ₁)/2 (6)
となる。

（３）式を考慮すると、（６）式の右辺はλ_50%であり、左辺は一般的に任意関数であるｆ（λ）の重心となることは明らかである。このような（６）式の左辺をλ_ｆとする。以上のことから、透過率が波長に対して線形に傾斜したダイクロイックミラーを通ったある任意のスペクトルについて、透過光量と反射光量とが等しい場合には、スペクトルの重心λ_ｆはλ_50%で示される。

つづいて、第２の発光スペクトルｇ（λ）について考える。発光スペクトルｇ（λ）についても、スペクトルがλ₁とλ₂の間に全て含まれている。いま、発光スペクトルｆ（λ）とｇ（λ）について、透過光と反射光の差分を規格化したものの差を算出する。ｆ（λ）の透過光をＴ_f、反射光をＲ_f、全光量をＡ_f、透過光と反射光の差分をＤ_fとする。また、ｇ（λ）の透過光をＴ_ｇ、反射光をＲ_ｇ、全光量をＡ_ｇ、透過光と反射光の差分をＤ_ｇとする。また、ｇ（λ）の重心をλ_ｇとする。このとき、Ｔ_f、Ｒ_f、Ｔ_ｇ、Ｒ_ｇは計測値であり、Ａ_f、Ａ_ｇ、Ｄ_f、Ｄ_ｇは計測値から直接算出可能な値である。これらの各値は、以下の式によっても示される。
T_f=∫f(λ)h(λ)dλ=∫f(λ)(λ-λ₁)/（λ₂-λ₁）dλ (7)
T_g=∫g(λ)h(λ)dλ=∫g(λ)(λ-λ₁)/（λ₂-λ₁）dλ (8)
R_f=∫f(λ)(1-h(λ))dλ=∫f(λ)(λ₂-λ)/（λ₂-λ₁）dλ (9)
R_g=∫g(λ)(1-h(λ))dλ=∫g(λ)(λ₂-λ)/（λ₂-λ₁）dλ (10)
A_f=∫f(λ)dλ (11)
A_g=∫g(λ)dλ (12)
D_f=T_f-R_f
=2/(λ₂-λ₁)*∫λf(λ)dλ-(λ₂+λ₁)/(λ₂-λ₁)*∫f(λ)dλ (13)
D_g=T_g-R_g
=2/(λ₂-λ₁)*∫λg(λ)dλ-(λ₂+λ₁)/(λ₂-λ₁)*∫g(λ)dλ (14)

ここで、透過光と反射光の差分を規格化するとは、Ｄ_fをＡ_f、Ｄ_ｇをＡ_ｇで割ることに相当する。それらの差をＲとすると、以下の（１５）式が成立する。
R=D_g/A_g-D_f/A_f
={∫g(λ)λdλ/∫g(λ)dλ-∫f(λ)λdλ/∫f(λ)dλ}*2/(λ₂-λ₁)
=2(λ_g-λ_f) /(λ₂-λ₁) (15)

発光スペクトルｆ（λ）の波長重心λ_ｆ及び発光スペクトルｇ（λ）の波長重心λ_ｇの差をδλとすると、以下の（１６）式及び（１７）式が成立する。
R=2δλ /(λ₂-λ₁) (16)
δλ=R(λ₂-λ₁)/2 (17)
以上のように、ある２つの任意のスペクトルｆ（λ），ｇ（λ）の重心の差が、透過光量及び反射光量を考慮した計算から得られることが示された。

そして、ｆ（λ）の重心がλ_50%であるとき、反射光量と透過光量は等しくなるためＤ_fは０となる。つまり、任意のスペクトルg(λ)の波長重心λ_gは以下の（１８）式により示される。
λ_g=δλ+λ_50% (18)

このように、発光スペクトルの重心は、フィルタの設計値、透過光量、及び反射光量から計算することができる。以上の原理に基づき、各画素に入射した光の波長（発光波長重心）を高精度に求めることができる。そして、各画素に入射した光の波長が特定されることによって、上述したとおり、対象物１００がどのタイミングでどの位置にいたかが推定され、対象物１００の動的現象を計測することができる。

次に、本実施形態の作用効果について説明する。

本実施形態に係る高速物体計測装置１は、移動する対象物１００に対して波長が時間的に変化する光を照射する光照射部１０と、光照射部１０によって照射された光を受けた対象物１００からの光を撮像して、画素毎に波長情報を取得する撮像ユニット２０と、を備え、撮像ユニット２０は、波長の時間的な変化を連続的に取得する。

本実施形態に係る高速物体計測装置１では、移動する対象物１００に対して時間的に波長が変化する光が照射され、対象物からの光が撮像されて、画素毎に波長情報が取得される。そして、当該高速物体計測装置１においては、時間的に波長が変化する光について、例えば空間的に分離等されて検出されるのではなく、そのまま波長情報が画素毎に取得されており、これによって、時間的な波長の変化が離散的とならずに連続的に取得される。このことで、取得された波長情報の変化に基づき、対象物１００がどのタイミングでどの位置にいたかが高精度に推定される。以上のように、本実施形態に係る高速物体計測装置１によれば、対象物１００の動的現象を高精度に計測することができる。

なお、時間的に波長が変化する光を空間的に分離して分離した各光を撮像部の受光面上の互いに異なる位置に入射させる方法においても、例えば時間（すなわち波長）を細かく分離することにより、時間的な波長の変化が極力離散的にならないようにすることも考えられる。しかしながら、このような方法では、時間を細かく分離すればするほど、撮像部の受光面積が多く必要となるため、フレーム数が限られて視野が狭くなってしまうことや画像のピクセル数が少なくなることが問題となる。すなわち、時間的な分離数を増やし対象物の動的現象を高精度に計測することと、受光面積を小さくすることとはトレードオフの関係にあり、従来、両立することが困難であった。この点、上述したように、本実施形態に係る高速物体計測装置１によれば、時間的に波長が変化する光が空間的に分離されて検出されるのではなく、そのまま波長情報が画素毎に取得されるので、上述した受光面積に起因する問題が生じることなく、対象物１００の動的現象を高精度に計測することができる。

光照射部１０は、波長の変化する周期が撮像ユニット２０の露光時間内に１周期以上変化する光を照射してもよい。このような構成によれば、撮像ユニットの１フレーム内に、時間的に波長が変化する光の時間幅で対象物１００の動的現象を計測（保存）することができる。

光照射部１０は、光照射部１０から対象物１００に向かう光の光軸と、対象物１００から撮像ユニット２０に向かう光の光軸とが直交するように配置されていてもよい。このような構成によれば、例えば光照射部１０から対象物１００に向かう光の光軸方向と同じ方向に対象物１００が移動する場合において、対象物１００のあるポイント（例えばエッジ部分）に光を照射して、当該ポイントからの光の時間経過に伴う波長の変化を、撮像ユニット２０における互いに異なる画素で検出することができる。すなわち、同一の画素に複数回光が入ることを回避しながら、各画素の検出結果に基づき、対象物１００の動的現象を高精度に計測することができる。

光照射部１０は、白色光源を有し、白色光の波長を光学的に選択することにより時間的に波長を変化させてもよい。このような構成によれば、簡易な構成によって、時間的に波長が変化する光を生成することができる。

光照射部１０は、パルス光源を有し、パルス光を波長分散させることにより時間的に波長を変化させてもよい。このような構成によれば、簡易な構成によって、時間的に波長が変化する光を生成することができる。

撮像ユニット２０は、対象物１００からの光を波長に応じて透過又は反射することにより分離し、波長の変化に応じて透過率及び反射率が変化する波長帯の幅であるエッジ変移幅が所定の幅を有する傾斜ダイクロイックミラー２３を有し、傾斜ダイクロイックミラー２３において透過された光を第１の撮像領域で撮像すると共に、傾斜ダイクロイックミラー２３において反射された光を第２の撮像領域で撮像してもよい。このような構成によれば、波長の変化に応じて透過率及び反射率が変化する傾斜ダイクロイックミラー２３によって分離された光がそれぞれ撮像され、それぞれの撮像結果に基づき、波長を適切に検出することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されない。以下、上記実施形態とは異なる態様として、第１～第３の変形例について説明する。

図６は、第１の変形例に係る高速物体計測装置のカメラシステム２Ａを模式的に示した図である。カメラシステム２Ａは、光照射部として、第１の照射部１０Ａ及び第２の照射部１０Ｂの２台を有している。第１の照射部１０Ａは、第１の波長範囲の光について波長が変化する周期を第１の周期として照射する。第２の照射部１０Ｂは、第１の波長範囲とは異なる第２の波長範囲の光について波長が変化する周期を第１の周期とは異なる第２の周期として照射する。具体的には、第１の照射部１０Ａは、例えば６００ｎｍ～７００ｎｍの波長範囲の光について、波長が変化する周期を第１の周期として照射する。第２の照射部１０Ｂは、例えば４００ｎｍ～５００ｎｍの波長範囲の光について、波長が変化する周期を第２の周期として照射する。上述したように第１の周期と第２の周期とは互いに異なっている。例えば、第１の照射部１０Ａが一つの露光時間において６００ｎｍ～７００ｎｍの波長範囲の光を１回スキャンする間に、第２の照射部１０Ｂが一つの露光時間において４００ｎｍ～５００ｎｍの波長範囲の光を１０回スキャンするように、第１の周期及び第２の周期が設定されていてもよい。なお、このような周期は一例であり、第１の周期と第２の周期とが互いに異なっていれば、それぞれの周期は上記に限定されない。

そして、図６に示されるカメラシステム２Ａは、撮像ユニットとして、第１のカメラ２０Ａ及び第２のカメラ２０Ｂの２台を有している。第１のカメラ２０Ａは、第１の照射部１０Ａによって照射された光を受けた対象物１００からの光を撮像する。第２のカメラ２０Ｂは、第２の照射部１０Ｂによって照射された光を受けた対象物１００からの光を撮像する。第１のカメラ２０Ａ及び第２のカメラ２０Ｂは、互いに重ならない波長範囲で光を撮像する。すなわち、第１のカメラ２０Ａは、第１の照射部１０Ａによって照射された光、すなわち波長範囲が６００ｎｍ～７００ｎｍの光を撮像する。第１のカメラ２０Ａには、上記波長範囲以外の光を撮像しないようにバンドパスフィルタが設定されていてもよい。第２のカメラ２０Ｂは、第２の照射部１０Ｂによって照射された光、すなわち波長範囲が４００ｎｍ～５００ｎｍの光を撮像する。第２のカメラ２０Ｂには、上記波長範囲以外の光を撮像しないようにバンドパスフィルタが設定されていてもよい。

このような構成は、対象物１００の動的現象の計測における時間分解能を向上させる構成である。例えば、光照射部及び撮像ユニットがそれぞれ１台である構成においては、カメラのフルウェルの大きさ、ショットノイズ限界、及び読出しノイズ等によって、分解能が１つのフレーム内において約１／１００程度となる。これは、Ｓ／Ｎのショットノイズ限界がウェル内の電子数の平方根となることによるもので、輝度が十分な像の場合、読み出しノイズはショットノイズ以下となり無視できる。また、計測用のカメラの場合のウェルサイズが通常数万電子となることから、実際の像の輝度が画像の飽和を避けるため、その半分以下で使用されることによる。この限界を超えるための工夫として、図６に示される構成のように、互いに波長範囲が異なる光について互いに波長が変化する周期を異ならせて対象物１００に照射する（互いに異なる速度で波長をスキャンする）ことにより、２つの光の波長の情報から対象物がどの位置にいたかが推定され、時間分解能を向上させることができる。例えば上述したように、第１の照射部１０Ａが一つの露光時間において６００ｎｍ～７００ｎｍの波長範囲の光を１回スキャンする間に、第２の照射部１０Ｂが一つの露光時間において４００ｎｍ～５００ｎｍの波長範囲の光を１０回スキャンする場合においては、１つの光のみから推定される場合と比較して、時間分解能を１０倍に向上させることができ、対象物１００の動的現象をより高精度に計測することができる。

図７は、第２の変形例に係る高速物体計測装置のカメラシステム２Ｂを模式的に示した図である。カメラシステム２Ｂにおいて、光照射部１０は、光照射部１０から対象物１００に向かう光の光軸（第１光軸）と、対象物１００から撮像ユニット２０に向かう光の光軸（第２光軸）とが斜交するように配置されている。上述した第１光軸と第２光軸とが斜交するとは、移動する対象物１００に対して光が照射されている間のいずれのタイミングにおいても第１光軸と第２光軸とが斜交することをいう。なお、第１光軸の方向は、対象物１００が移動する方向に一致していない。図７に示される例では、対象物１００が水平方向に移動するのに対して、光照射部１０及び撮像ユニット２０は、いずれも対象物１００の上方に設けられている。第１光軸と第２光軸とが斜交している場合においては、移動する対象物１００の面に光が照射されると、対象物１００からの光を撮像する撮像ユニット２０の撮像素子２１の同一の画素に、互いに異なるタイミングの光が入ることがある。すなわち、移動する対象物１００の複数の位置における光が同一の画素に重なって入ってしまう場合がある。この場合、対象物１００の動きのタイミングを適切に取得することができず、対象物１００の動的現象を高精度に計測することができないおそれがある。

このような課題を解決するための構成として、カメラシステム２Ｂは、対象物１００から撮像ユニット２０に向かう光の光軸（第２光軸）上に配置されるスリット６０と、スリット６０及び対象物１００の間に設けられたレンズ５０と、を更に備えている。スリット６０は、時間の経過に応じて光を通過させる領域を変化させる。図８は、図７のカメラシステム２Ｂに含まれるスリット６０を模式的に示した図である。図８はスリット６０を平面視した図である。図８に示されるように、スリット６０は平面視略円形であり、スリット６０には、周方向に沿って所定の間隔で光通過部分６０ａが形成されている。スリット６０は、回転することによって、時間の経過に応じて光を通過させる領域を変化させている。撮像ユニット２０の露光時間は、スリット６０が回転して１ステップ進む（次の光通過部分６０ａまで進む）時間以下とされている。なお、スリット６０の回転動作と撮像ユニット２０とは同期されていなくてもよい。このようなスリット６０が設けられていることによって、第１光軸及び第２光軸が斜交している場合（移動する対象物１００の面に光が照射される場合）においても、同一の画素に複数タイミングの光が入ることを回避でき、対象物１００の動的現象を高精度に計測することができる。

ここまでは、移動する対象物１００に対して時間的に波長が変化する光を照射する例を説明した。しかしながら、高速物体計測装置は、このような態様に限定されない。すなわち、高速物体計測装置は、移動する対象物１００に対して光の状態が時間的に変化する光を照射する光照射部と、光照射部によって照射された光を受けた対象物からの光を撮像して画素毎に光の状態を取得する撮像部と、を備え、撮像部が、光の状態の時間的な変化を連続的に取得してもよい。このような構成によれば、取得された光の状態に基づき、対象物１００がどのタイミングでどの位置にいたかが高精度に推定され、対象物１００の動的現象を高精度に計測することができる。高速物体計測装置は、例えば、移動する対象物１００に対して偏光方向が時間的に変化する光を照射する光照射部と、光照射部によって照射された光を受けた対象物１００からの光を撮像して、画素毎に偏光方向を取得する撮像部と、を備え、撮像部が、偏光方向の時間的な変化を連続的に取得してもよい。以下、このような態様について、第３の変形例として図９を参照して説明する。

図９は、第３の変形例に係る高速物体計測装置のカメラシステム２Ｃを模式的に示した図である。カメラシステム２Ｃは、光照射部の構成として、光源２１０と、偏光子２３０と、１／２波長板２４０と、を有している。光源２１０は、直線偏光を出射する。１／２波長板２４０は、偏光カメラ２２０のフレームの計測開始タイミングと同期して連続的に回転する。これにより、対象物１００に照射される光の偏光方向が時間的に変化することとなる。すなわち、移動する対象物１００の位置毎に別の偏光方向で光が照射される状況とすることができ、対象物１００が、露光タイミングのどのタイミングでどこにいたかを特定することができる。カメラシステム２Ｃは、撮像ユニット（撮像部）として、偏光カメラ２２０を有している。偏光カメラ２２０は、例えば４つの画素毎に１セットとされており、４つの画素それぞれにおいて４５°ずつ異なった偏光子が形成されている。そして、偏光カメラ２２０は、４つの画素の光量比から、この位置に入射した光の偏光方向がどの直線偏光であったか、又は、どのような楕円偏光であったかを取得する。このような構成によれば、検出された偏光方向に基づき、対象物１００がどのタイミングでどの位置にいたかが高精度に推定され、対象物１００の動的現象を高精度に計測することができる。この偏光方向の回転は１／２波長版の回転以外にも液晶素子（LCOS）や空間光変素子を用いてもよいし、ファラデー効果を用い、照明を通すファラデー素子に掛ける磁場の強さを変化させてもよい。

１…高速物体計測装置（計測装置）、１０…光照射部、１１…パルス光源、２０…撮像ユニット（撮像部）、２３…傾斜ダイクロイックミラー（分離光学素子）、６０…スリット、１００…対象物。

Claims (10)

1. 移動する対象物に対して波長が時間的に変化する光を照射する光照射部と、
   前記光照射部によって照射された光を受けた前記対象物からの光を撮像して、画素毎に波長情報を取得する撮像部と、を備え、
   前記撮像部は、波長の時間的な変化を連続的に取得する、計測装置。
2. 前記光照射部は、波長の変化する周期が前記撮像部の露光時間内に１周期以上変化する光を照射する、請求項１記載の計測装置。
3. 前記光照射部は、前記光照射部から前記対象物に向かう光の光軸と、前記対象物から前記撮像部に向かう光の光軸とが直交するように配置されている、請求項１又は２記載の計測装置。
4. 前記光照射部は、前記光照射部から前記対象物に向かう光の光軸と、前記対象物から前記撮像部に向かう光の光軸とが斜交するように配置されており、
   前記計測装置は、前記対象物から前記撮像部に向かう光の光軸上に配置されるスリットを更に備え、
   前記スリットは、時間の経過に応じて光を通過させる領域を変化させる、請求項１又は２記載の計測装置。
5. 前記光照射部は、
   第１の波長範囲の光について波長が変化する周期を第１の周期として照射する第１の照射部と、
   前記第１の波長範囲とは異なる第２の波長範囲の光について波長が変化する周期を第１の周期とは異なる第２の周期として照射する第２の照射部と、を有する、請求項１～４のいずれか一項記載の計測装置。
6. 前記撮像部は、
   前記第１の照射部によって照射された光を受けた前記対象物からの光を撮像する第１のカメラと、
   前記第２の照射部によって照射された光を受けた前記対象物からの光を撮像する第２のカメラと、を有する、請求項５記載の計測装置。
7. 前記光照射部は、白色光源を有し、白色光の波長を光学的に選択することにより時間的に波長を変化させる、請求項１～６のいずれか一項記載の計測装置。
8. 前記光照射部は、パルス光源を有し、パルス光を波長分散させることにより時間的に波長を変化させる、請求項１～６のいずれか一項記載の計測装置。
9. 前記撮像部は、
   前記対象物からの光を波長に応じて透過又は反射することにより分離し、波長の変化に応じて透過率及び反射率が変化する波長帯の幅であるエッジ変移幅が所定の幅を有する分離光学素子を有し、
   前記分離光学素子において透過された光を第１の撮像領域で撮像すると共に、前記分離光学素子において反射された光を第２の撮像領域で撮像する、請求項１～８のいずれか一項記載の計測装置。
10. 移動する対象物に対して波長が時間的に変化する光を照射するステップと、
    光を受けた前記対象物からの光を撮像して、画素毎に波長情報を取得するステップと、を含み、
    前記波長情報を取得するステップでは、波長の時間的な変化を連続的に取得する、計測方法。

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