JP2023139605A - Spectroscopic imaging unit - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、分光イメージングユニットに関し、特に、より広範囲の光の波長帯域の測定に適した分光イメージングユニットに関する。 The present invention relates to a spectroscopic imaging unit, and particularly to a spectroscopic imaging unit suitable for measuring a wider wavelength band of light.
分光イメージングユニットは、複数の測定箇所の光を受光して空間軸と波長軸でセンサに結像することにより、物性の特性が解析可能な装置である。 A spectral imaging unit is a device that can analyze the characteristics of physical properties by receiving light from a plurality of measurement locations and forming an image on a sensor along a spatial axis and a wavelength axis.
例えば、特許文献1には、入射用ファイバ及び出射用ファイバの他方の先端は測定対象物の表面に対して垂直に当てられるように構成し、複数の出射用ファイバの他方の先端位置は、入射用ファイバの先端位置に対して異なる距離でそれぞれ配置されており、分光イメージングユニットは、複数の前記出射用ファイバから得られた光を光センサに結像し、処理装置は、光センサが得た結像結果に基づき透過特性を算出する特性測定システムが開示されている。
For example, in
一方、最近は、可視光の波長帯域だけでなく、可視光の波長帯域に加えて近赤外光の波長帯域もカバーできるセンサ等、広い範囲の波長域に対応できるセンサの開発が行われている。 On the other hand, recently, sensors that can handle a wide range of wavelengths have been developed, such as sensors that can cover not only the wavelength band of visible light but also the wavelength band of near-infrared light in addition to the visible light wavelength band. There is.
しかしながら、可視光から近赤外光をカバーできるセンサを用いる場合に、従来の分光イメージングユニットの方式でセンサを設置しても像が綺麗に結ばれないケースがある。これは、光の波長の範囲が450~1700nmと広範囲に及ぶ影響のためである。この場合、短い波長と長い波長の像をぴったりと合わせることができない事象が生じる。 However, when using a sensor capable of covering visible light to near-infrared light, there are cases in which an image cannot be formed clearly even if the sensor is installed using a conventional spectral imaging unit method. This is because the wavelength range of light is wide ranging from 450 to 1700 nm. In this case, a phenomenon occurs in which images of short wavelength and long wavelength cannot be precisely aligned.
このとき、センサを傾ける方法が考えられるが、傾き角度が大きくなると、センサを保護するカバーガラスの影響により、結像特性が悪くなる原因となる。また、広い範囲の波長域であると二次光の影響も生じ、測定結果に悪影響を及ぼす可能性がでてくる。 At this time, a method of tilting the sensor may be considered, but if the tilt angle becomes large, the imaging characteristics will deteriorate due to the influence of the cover glass that protects the sensor. Furthermore, if the wavelength range is wide, the influence of secondary light may occur, which may adversely affect the measurement results.
本発明は、上記課題に鑑みて、より広範囲の光の波長帯域においても、より的確な測定が可能な分光イメージングユニットを提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a spectroscopic imaging unit capable of more accurate measurement even in a wider wavelength band of light.
上記目的を達成するため、代表的な本発明の分光イメージングユニットの一つは、光を入射する入射口と、板ガラスと、結像光学系と、センサとを有し、前記センサは、撮像素子と、前記撮像素子の光の入射側に設けられたセンサカバーとを備え、前記センサは、光の進行方向に直角な面に対して所定角度傾斜して備えられ、前記板ガラスは、前記センサカバーと光学的特性が同じ材料で同じ厚さで構成され、前記板ガラスは、前記センサカバーに対して光の進行方向を中心軸として90°回転した傾き状態で設けられ、前記入射口からの光は、前記板ガラスと、前記結像光学系と、前記センサカバーを介して、前記撮像素子に結像されることを特徴とする。 In order to achieve the above object, one of the typical spectral imaging units of the present invention has an entrance for light to enter, a plate glass, an imaging optical system, and a sensor, and the sensor includes an imaging device. and a sensor cover provided on the light incident side of the image sensor, the sensor being inclined at a predetermined angle with respect to a plane perpendicular to the traveling direction of the light, and the plate glass being provided on the sensor cover. The plate glass is made of the same material and has the same thickness and has the same optical characteristics as the sensor cover, and the plate glass is tilted by 90 degrees with respect to the sensor cover about the direction in which the light travels as a central axis, and the light from the input aperture is , the image is formed on the image sensor via the plate glass, the imaging optical system, and the sensor cover.
本発明によれば、分光イメージングユニットにおいて、広い範囲の光の波長帯域においてもより的確に測定ができる。
上記以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態により明らかにされる。
According to the present invention, in the spectroscopic imaging unit, it is possible to more accurately measure even in a wide range of light wavelength bands.
Problems, configurations, and effects other than those described above will be clarified by the following embodiments.
本発明を実施するための形態を説明する。 A mode for carrying out the present invention will be described.
<分光イメージングユニットの構成>
図1は、本発明の分光イメージングユニットの第1の適用例を示す透視斜視図である。図2は、本発明の分光イメージングユニットの第2の適用例を示す透視斜視図である。
図3は、本発明の分光イメージングユニットの一実施形態を示す透視側面図である。図4は、本発明の分光イメージングユニットの一実施形態を示す透視上面図である。図1~4の左右方向が分光イメージングユニット20の長手方向(Z方向)であり、図1~3の上下方向が分光イメージングユニット20の上下方向(Y方向)であり、図4の上下方向が分光イメージングユニット20の横方向(X方向)である。なお分光イメージングユニット20の長手方向(Z方向)は、光の進行方向(光軸方向)でもある。
<Configuration of spectroscopic imaging unit>
FIG. 1 is a transparent perspective view showing a first application example of the spectral imaging unit of the present invention. FIG. 2 is a transparent perspective view showing a second application example of the spectral imaging unit of the present invention.
FIG. 3 is a perspective side view showing an embodiment of the spectroscopic imaging unit of the present invention. FIG. 4 is a perspective top view showing an embodiment of the spectroscopic imaging unit of the present invention. The horizontal direction in FIGS. 1 to 4 is the longitudinal direction (Z direction) of the
図1は、分光イメージングユニット20にスリット14を備える例を示す。このとき、対物レンズ13を介した光が分光イメージングユニット20のZ方向の側面に設けられたスリット14に入射するように設定されている。スリット14は、分光イメージングユニット20のX方向(横方向)を長手方向として、X方向(横方向)に延びて設けられ、Y方向(上下方向)が狭くなっている。このときスリット14は、2次元のセンサ26の上下の中心の位置で横方向に延びるように設定される。これにより、図1では横方向に延びるスリット14が入射口10となる。対物レンズ13は、例えば、積分球に備えられた鏡筒等に保持されて構成することができる。また、測定対象物体に対して分光イメージングユニット20や対物レンズ13がY方向(上下方向)に相対移動するようにしてもよい。
FIG. 1 shows an example in which the
図2は、複数のファイバ15は、一端15aが分光イメージングユニット20と接続される例を示す。このとき複数のファイバ15の一端15aの先端は、2次元のセンサ26の上下の中心の位置で横方向に並ぶように設定される。これにより、図2では横方向に並ぶ複数のファイバ15の一端15aが入射口10となる。複数のファイバ15の数としては、例えば4本以上、さらには、8本以上などである。また、複数のファイバ15の他端は、所望の位置に設置されそこにおいて光を受光する。
FIG. 2 shows an example in which one
図1~4に示すように、分光イメージングユニット20は、Z方向(光軸方向)の入射側端部に入射口10を備え、ガラス板28、組合せ凸レンズ21、プリズム22、グレーティング23、プリズム24、組合せ凸レンズ25、センサ26を長手方向にこの順で備えている無収差分光器である。また、分光イメージングユニット20は、画像処理部27を備えており、センサ26で受光した情報を画像情報とする等の処理を行う。なお、組合せ凸レンズ21、プリズム22、グレーティング23、プリズム24、組合せ凸レンズ25は、入射した光を結像のために用いる結像光学系となる。
As shown in FIGS. 1 to 4, the
プリズム22は、垂直面22bがグレーティング23側で、斜面22aが組合せ凸レンズ21側の向きで配置されている。プリズム24は、垂直面24bがグレーティング23側で、斜面24aが組合せ凸レンズ25側の向きで配置されている。プリズム22、24は、角度補正用のプリズムである。グレーティング23は、波長分散のためのグレーティングである。
The
センサ26は2次元の光センサ(イメージセンサ)である。例えば、CCD(Charge Coupled Device)やCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)等の撮像素子を有するモノクロカメラによるセンサを適用できる。ここでのセンサは、可視光から近赤外光をカバーできるセンサを用いることができる。例えば、光の波長の範囲が450nm~1700nmを感知できるセンサである。また、これ以外の範囲を感知するセンサであってもよい。センサ26は、光軸方向(Z方向)に垂直な面に対して、上側が入射口10から離れる方向に傾いて設置されている。センサ26の詳細については後述する。
The
ガラス板28は、入射口10と組合せ凸レンズ21の間に設置されている。ガラス板28は、センサ26のカバーガラスと同質で同じ厚さのものを使用する。さらに、ガラス板28は、光軸方向(Z方向)に垂直な面に対して、上から見て図1、2の奥側の上下側面が、入射口10から離れる方向に傾いて設置されている。ガラス板28の詳細については後述する。
The
入射口10からの光線は、ガラス板28を通過する。その後は、組合せ凸レンズ21、プリズム22、グレーティング23、プリズム24を通して、分散され、最後に組合せ凸レンズ25を通して、光が水平にセンサ26に集光される様に設計されている。センサ26では、後述するカバーガラスが設けられており、このカバーガラスを介して画像素子に光が結像する。
The light beam from the
また、分光イメージングユニット20は、取得する光の特定の波長範囲に分散されるように光学設計されている。例えば可視領域及び近赤外領域の分光イメージングユニットの場合、波長の範囲が450nm~1700nmは2次元センサ縦軸の端から端まで、またがるように設計される。このため、それぞれの波長の光は、それぞれの波長位置に合致したセンサ位置に集光される様になっている。さらに、グレーティング23の選択、プリズム24の形状、組合せ凸レンズ21、25の形状を、分光器設計理論に則って、設計を行うことにより、センサ26に投影できる光の波長帯域を上記以外にも変更できる。
Further, the
<センサの詳細>
図5は、本発明の分光イメージングユニットにおけるセンサの断面図である。ここでの断面は横方向(X方向)に垂直な断面(YZ平面)で切断した断面を示している。
<Sensor details>
FIG. 5 is a cross-sectional view of the sensor in the spectroscopic imaging unit of the present invention. The cross section here shows a cross section cut along a cross section (YZ plane) perpendicular to the lateral direction (X direction).
センサ26は、撮像素子26a、設置台26b、センサカバー26c、取付部26dを備えている。
The
撮像素子26aは、2次元に受光素子が多数並んでおり、正方向又は長方形の形状を有する。各受光素子は、受光素子ごとに受光した光を電気信号に変換する。撮像素子26aは、設置台26b上に平面に設置されている。
The
設置台26bは、撮像素子26aを配置する設置面26a1と、撮像素子26aの周囲を囲む側面26a2を備えている。側面26a2の一端は開口しているため、設置台26bにおける撮像素子26aの受光側は開口している構成である。
The
センサカバー26cは、設置台26bの開口側側面に開口を覆うように設置され撮像素子26aを保護する。センサカバー26cは透明なガラス材を適用できる。ガラス材の材質としては、センサカバー26cとして適したガラス材となる。センサカバー26cは基本的に撮像素子26aの受光面と平行に設置される。
The
取付部26dは、設置台26bの撮像素子26aとは反対側に分光イメージングユニット20の本体に固定する部分である。センサカバー26cの厚さTは、強度やコスト、ガラスの物性などをふまえて決定される。また、センサカバー26cと設置台26bの間はガスが密封されていてもよい。
The
センサ26は、図5に示すようにXY平面に対して上側を入射口10から離れる方向に傾いて設置されている。XY平面は分光イメージングユニット20の長手方向(光軸方向)に対して垂直な平面である。ここで、光軸方向に垂直な平面に対する横から見た傾き角度θは、受光する光の波長の範囲に応じて決めることができる。例えば、波長の範囲が450nm~1700nmであれば、15°以上45°以下、さらには、20°以上45°以下、さらには、25°以上40°以下、さらには30°以上35°以下等とすることが可能である。
As shown in FIG. 5, the
光の波長の範囲を広くした場合、センサ26に上記のような傾きがない場合は像が綺麗に結ばれず、波長の異なる地点でのぼけが発生してしまう。このため、上記の傾きを設定し撮像素子26aを傾斜させることで、短い波長と長い波長における光の結像にはぼけが生じず、像を合わせることが可能となる。
When the wavelength range of light is widened, if the
一方、光の波長の範囲を広くすればするほど、図5のθの角度を大きくする必要がある。しかし、この場合、センサカバー26cも同時に傾きが生じ、この傾きの影響も大きくなる。透明なセンサカバー26cは、光の通過の際に、角度がついていることで、光の垂直軸(Tangential(T))と水平軸(Horizontal(H))の長さが異なってくる。これは角度がつくほどその違いは大きくなる。さらに、センサカバー26cの厚さTの影響もあり、厚さが厚いほど、上記の光の垂直軸(縦波)と水平軸(横波)の長さの違いが大きくなってくる。これにより、結像特性が悪化して、綺麗な結像を行えない可能性が生じる。
On the other hand, the wider the wavelength range of light, the larger the angle θ in FIG. 5 needs to be. However, in this case, the
この場合の対応として、センサカバー26cの厚さを薄くすることも考えられる。しかし、この場合、センサカバー26cを高価な材質にして、センサ26の構成を製造の段階から変更する必要があり、大きなコストが生じる。
As a countermeasure for this case, it may be possible to reduce the thickness of the
図6は、本発明の分光イメージングユニットにおけるセンサを水平な面に置いた場合の平面図である。このようにセンサ26を図6のように設置した場合、撮像素子26aの横方向(図6のAの方向)が空間軸となり、撮像素子26aの縦方向(図6のB方向)が波長軸となる。すなわち、横方向に延びる入射口10からの光の各情報は横方向の空間軸に結像される。さらに、入射口10からの光は、縦方向に波長毎の情報が結像される。図1~4の分光イメージングユニット20を使用した場合、縦方向の上に行くほど波長が長くなる場合の特性が示される。
FIG. 6 is a plan view of the spectral imaging unit of the present invention when the sensor is placed on a horizontal surface. When the
図1の例の場合は、対物レンズ13は、光を受光して横方向に沿って受光した光をスリット14(入射口10)に入射する。すなわち、横方向(X方向)に沿って、受光した光の位置に対応して光を入射する。これにより、撮像素子26aにおいて横方向は対物レンズ13が受光した横方向の位置に対応した空間軸となる。
In the example of FIG. 1, the
図2の例の場合は、複数のファイバ15の他端は場所を変えて受光するため、各位置でファイバ15に入射した光が横方向に並んで出力される。このため、撮像素子26aにおいて横方向はファイバ15が受光した光の位置に対応した空間軸となる。
In the case of the example shown in FIG. 2, the other ends of the plurality of
<ガラス板の詳細>
図7は、本発明の分光イメージングユニットにおけるガラス板の上面図である。
<Details of glass plate>
FIG. 7 is a top view of the glass plate in the spectroscopic imaging unit of the present invention.
ガラス板28は、上述したセンサカバー26cの取付角度による結像の悪影響を相殺する目的で設置される。センサカバー26cの厚さTと同じ厚さのガラス板であり、材質も同じ光学的特性のものを適用する。角度は長手方向(Z方向)に直角なXZ平面に対して、上から見た角度θ分だけ傾ける。このθは図5に示したθと同じ角度である。このガラス板28により、故意に垂直軸(縦波)と水平軸(横波)の長さをずらす。すなわち、縦波と横波の光路長を合わせる。これにより、センサカバー26cのガラスを通過したときに光の垂直軸と水平軸の長さのずれが相殺されて、収差特性が改善する。
The
ガラス板28の傾き角度θは、垂直面であるXY平面に対して、X方向の端部のいずれ側をセンサ26側に傾けてもよい。このとき、回転軸は垂直方向(Y方向)の軸となる。すると、図7の実線と2点鎖線に示すように、ガラス板28、28’のいずれかを適用することが可能となる。
The inclination angle θ of the
センサカバー26cとガラス板28は同じ材質を適用でき、ここでは光学的特性が同じガラス材料であればよい。特に、屈折率nDとアッベ数Vdが同じか略同じ材料である。アッベ数は、波長ごとの屈折率の違いの度合いを表す数である。例えば、BK7(ホウケイ酸塩クラウン光学ガラス)を用いれば、センサカバー26cとガラス板28のどちらもBK7を用いる。
The
図8は、本発明の分光イメージングユニットにおけるセンサカバーとガラス板の角度の関係を示す図である。図8に示すように、センサカバー26cに対して、光軸(Z方向の軸)Pを中心として、90°回転させる。回転方向は反時計方向R1、時計方向R2どちらでもよい。センサカバー26cを反時計方向R1に90°回転させると傾き状態が図7の実線で示すガラス板28となる。センサカバー26cを時計方向R2に90°回転させると傾き状態が図7の二点鎖線で示すガラス板28’となる。なお、光軸は、光の進行方向の軸である。
FIG. 8 is a diagram showing the angular relationship between the sensor cover and the glass plate in the spectroscopic imaging unit of the present invention. As shown in FIG. 8, the
<測定システムの一例>
図9は、本発明の分光イメージングユニットが適用する測定システムの一例を示す概略図である。
<Example of measurement system>
FIG. 9 is a schematic diagram showing an example of a measurement system to which the spectroscopic imaging unit of the present invention is applied.
図9に示すように、分光イメージングユニット20と処理装置30は、接続線31を介して接続されている。ここでの接続線31により、分光イメージングユニット20から処理装置30へデータを転送するためのケーブルである。そして、分光イメージングユニット20の画像処理部27から、センサ26で受光した画像情報が処理装置30へ送られる。なお、接続線31に換えて無線による通信方式でも適用することができる。
As shown in FIG. 9, the
処理装置30は、分光イメージングユニット20のセンサ26が取得した情報に基づき、解析することができる装置である。例えば、パソコン等のデータ処理を行えるコンピュータを適用でき、このコンピュータにプログラムを導入して、そのための処理を行わせる。ここで、処理部は、CPU(Central Processing Unit)等のマクロプロセッサやメモリ等で構成される。
The
処理装置30は、表示部30aを備えていてもよく、ここに測定結果等を表示させる。表示部30aは、例えば、液晶や有機EL等によるディスプレイが適用できる。また、表示部30aは、別体でもよい。また、処理装置30は、記憶部を内部に備えていてもよく、ここに、画像処理部27からの画像データや解析結果を記憶させる。記憶部としては、例えば、HDD(ハードディスクドライブ)やSSD(ソリッドステートドライブ)等、必要に応じて様々な方式の記憶装置が適用される。
The
また、処理装置30は、タブレット、スマートフォン等でも適用できる。図9に示すように、分光イメージングユニット20と無線でデータの転送が可能なタブレット35やスマートフォン36を、処理装置30として使用することも可能である。
Further, the
<作用>
図1~8で説明した分光イメージングユニット20において、入射口10から出力された光は、ガラス板28をすべて通過する。そして、ガラス板28を通過した光は、組合せ凸レンズ21、プリズム22、グレーティング23、プリズム24、組合せ凸レンズ25、の結像光学系を通して、センサ26に結像される。このとき、センサ26では、光は、最初にセンサカバー26cを通過して、その後に撮像素子26aが受光して結像する。ここでの結像は、横方向が空間軸となり、縦方向が波長軸となる。撮像素子26aで受光した光を電気信号に変換され、図9で説明した処理装置30に送られる。処理装置30では、受信した電気信号に基づきで解析の処理が行われ、表示部30a等で解析結果が表示される。
<Effect>
In the
<2次光や3次光の影響>
図10は、センサへの2次光と3次光の影響を説明するための図である。分光イメージングユニットでは、N次回折光(Nは整数)が重なり測定に支障をきたす場合がある。
<Influence of secondary and tertiary light>
FIG. 10 is a diagram for explaining the influence of secondary light and tertiary light on the sensor. In the spectroscopic imaging unit, Nth-order diffracted light (N is an integer) may overlap and interfere with measurement.
図1~3で示した分光イメージングユニット20において、波長範囲を広くとるような光学系を設計した場合、+2次光、+3次光等が同時に、センサ上に投影される。この影響は、例えば、センサの感度領域が近赤外領域(900~1700nm)等の広いものでなければ、その影響は小さいものであった。しかしながら、例えば、可視~近赤外領域(450~1700nm)をセンサで捉える場合は、2次光ならびに3次光が、センサ上に投影される。その一例を図10に示す。図10はフィルタを用いない場合の波長が450~1700nmの光の投影を示す図である。
In the
図10(a)は、+1次光のセンサ26への投影を示す。1次光は実際の測定に用いる光であるため、センサ26の撮像素子26aに投影されるように設計される。図10(b)は、+2次光のセンサ26への投影を示す。+2次光は+1次光よりもセンサの上側に投影される。図10(c)は、+3次光のセンサ26への投影を示す。+3次光は+2次光よりもセンサの上側に投影される。このため、2次光の影響は3次光よりも大きい。
FIG. 10(a) shows the projection of +1st-order light onto the
このように、2次光、3次光がセンサに入射されると、偽データとして、正確な測定を阻害する存在になる。このため、2次光等の1次光以外の高次光をカットするカットフィルタを設ける必要性が生じる。ただし、このようなカットフィルタは厳密には1次光にも影響を及ぼし、1次光も多少カットしてしまうケースが多い。このため、例えば、対物レンズ13や入射口10、組合せ凸レンズ21よりも前にカットフィルタを入れて、光全体にカットフィルタを通す場合、可視域そのものの1次光も多少カットしてしまう。この影響を除去するには、1回目はカットフィルタ無しで測定し、2回目はカットフィルタを挿入して、その後、データ処理で結合を行う必要が生じる。ただし、このような手法では、2回の測定が必要となり、測定の手間がかかる。さらに、そのための処理システムも必要となる。
In this way, when the secondary light and the tertiary light are incident on the sensor, they become false data and obstruct accurate measurement. Therefore, it becomes necessary to provide a cut filter that cuts high-order light other than first-order light such as secondary light. However, strictly speaking, such a cut filter also affects the primary light, and there are many cases in which the primary light is also cut to some extent. For this reason, for example, if a cut filter is inserted before the
<カットフィルタを用いた第1の例>
図11は、本発明の分光イメージングユニットのカットフィルタを用いた第1の例を示すセンサ付近の断面図である。図12は、本発明の分光イメージングユニットのフィルタを用いた第1の例を示すセンサ付近の正面図である。ここでは、図1~8の分光イメージングユニット20に対して、カットフィルタ40を追加する例を示し、特に説明がない部分は同じ説明を省略している。基本的に同一の構成には同一の符号を付してある。
<First example using a cut filter>
FIG. 11 is a cross-sectional view of the vicinity of a sensor showing a first example using a cut filter of the spectral imaging unit of the present invention. FIG. 12 is a front view of the vicinity of the sensor showing a first example using the filter of the spectroscopic imaging unit of the present invention. Here, an example is shown in which a
図11、12のセンサ26’は、図5のセンサ26に対して、設置台26bが設置台26b’となり、センサカバー26cが存在しない。ここでの設置台26b’は、図5の設置台26bに対して側面26a2をなくした構成である。このため、設置台26b’は、撮像素子26aを配置する設置面26a1のみを備えている。図11、12のセンサ26’の傾き角度θは図5のセンサ26と同様である。
The sensor 26' in FIGS. 11 and 12 differs from the
カットフィルタ40は、1次光以外の光をカットするフィルタである。少なくとも2次光をカットするフィルタであり、3次光、4次光等の高次光をカットしてもよい。このため、カットフィルタ40は、このための光学的な特性を備えるフィルタである。
The
カットフィルタ40の配置は、撮像素子26aよりも光の入射側に設置される。具体的には、2つの要素がある。1つめは、撮像素子26aの受光面の下端よりもカットフィルタ40の下端が距離Sだけ上側に配置される。これにより、波長が短い方の光を受光する側の撮像素子26aはカットフィルタ40を介さないこととなる。2つは撮像素子26aに対して、カットフィルタ40を距離G分だけ空けて配置する。このとき、撮像素子26aの受光面とカットフィルタ40は平行に配置され、撮像素子26aの受光面とカットフィルタ40の撮像素子26a側の側面との距離がGとなる。
The
距離Sについて説明する。距離Sは、撮像素子26aの下側では、カットフィルタ40を通過しないで光を受光できるようにするためのものである。図10でも示したように、2次光以降の光は、撮像素子26aの下側には到達しない。このため、カットフィルタ40を下側まで備える必要はない。一方で、カットフィルタ40を下側まで備えると、上述したようにカットフィルタ40の影響で多少なりとも1次光の正確な測定に影響を及ぼす。このため、距離Sを設ける構成としている。距離Sは、2次光又は2次光以降の高次光の測定に影響がないか少ない範囲で選択すればよい。これにより距離Sの範囲では、撮像素子26aは、カットフィルタ40を通過しない光を受光する。
The distance S will be explained. The distance S allows light to be received below the
距離Gについて説明する。上記のようにカットフィルタ40を距離Sだけ上側にずらして構成する。すると、撮像素子26aには、上側ではカットフィルタ40を通過した光を受光し、下側ではカットフィルタ40を通過しない光を受光する。この場合、カットフィルタ40を通過した光と、通過しない光の境界が生じる。もしも、カットフィルタ40と撮像素子26aの距離が近い場合は、境界線がデッドスペースとなり結像の結果に悪影響を及ぼす。一方、カットフィルタ40と撮像素子26aの距離が離れている場合は、カットフィルタ40の部分では結像までには至らないぼけが生じている部分となる。このため、このような場合は、結像の悪影響を抑えて、的確な測定が可能となる。
The distance G will be explained. As described above, the
距離Gについては、図3に示す、入射口10からセンサ26の撮像素子26aの中心までの長さLに対して、3%以上10%以下、さらには、2%以上8%以下の範囲の長さが好ましい。例えば、長さLが10cm程度であれば、距離Gは3mm以上10mm以下、さらには2mm以上8mm以下の範囲となる。
The distance G is within the range of 3% to 10%, more preferably 2% to 8%, of the length L from the
このように、フィルタを用いた第1の例では、カットフィルタ40を、撮像素子26aに対して、上記距離Sと距離Gをとって設置することにより、2次光や高次光の影響を抑えた良好な測定が可能となる。
In this way, in the first example using a filter, the influence of secondary light and higher order light is suppressed by installing the
<フィルタを用いた第2の例>
図13は、本発明の分光イメージングユニットのフィルタを用いた第2の例を示すセンサ付近の断面図である。図14は、本発明の分光イメージングユニットのフィルタを用いた第2の例を示すセンサ付近の正面図である。ここでは、図1~8の分光イメージングユニット20に対して、カットフィルタ40を追加する例を示し、特に説明がない部分は同じ説明を省略している。基本的に同一の構成には同一の符号を付してある。
<Second example using a filter>
FIG. 13 is a sectional view of the vicinity of the sensor showing a second example using the filter of the spectroscopic imaging unit of the present invention. FIG. 14 is a front view of the vicinity of the sensor showing a second example using the filter of the spectral imaging unit of the present invention. Here, an example is shown in which a
図13、14のセンサ26’’は、図5のセンサ26と基本的には同じ構成であり、撮像素子26a、設置台26b、センサカバー26c、取付部26dを備えている。また、設置台26bは、撮像素子26aを配置する設置面26a1と、撮像素子26aの周囲を囲む側面26a2を備えている。ただし、図11、12で説明した距離Gを確保するため、撮像素子26aの受光面とセンサカバー26cの光の入射側の側面で距離Gを確保する構成となっている。このため、センサカバー26cの厚さや側面26a2の高さは、この距離Gを保つための寸法構成となっている。図13、14のセンサ26’’の傾き角度θは図5のセンサ26と同様である。
The sensor 26'' in FIGS. 13 and 14 basically has the same configuration as the
カットフィルタ40は、センサカバー26cの光の入射側の表面に貼り合わせて設置される。カットフィルタ40は、図11、12の第1の例で説明した距離Sを確保するように貼り付ける。また、上述したようにセンサ26’’の構成により距離Gも確保される。
The
このようにフィルタを用いた第2の例では、センサ26’’の構成を変更することなくそのままカットフィルタ40を設置できつつ、フィルタを用いた第1の例と同様の効果も発揮する。
In the second example using a filter in this way, the
<フィルタを用いた第3の例>
図15は、本発明の分光イメージングユニットのフィルタを用いた第3の例を示すセンサ付近の断面図である。図16は、本発明の分光イメージングユニットのフィルタを用いた第3の例を示すセンサ付近の正面図である。ここでは、図1~8の分光イメージングユニット20に対して、カットフィルタ40を追加する例を示し、特に説明がない部分は同じ説明を省略している。基本的に同一の構成には同一の符号を付してある。
<Third example using a filter>
FIG. 15 is a sectional view of the vicinity of the sensor showing a third example using the filter of the spectroscopic imaging unit of the present invention. FIG. 16 is a front view of the vicinity of the sensor showing a third example using the filter of the spectroscopic imaging unit of the present invention. Here, an example is shown in which a
図15、16のセンサ26’’’は、撮像素子26a、設置台26b、センサカバー26c’、取付部26dを備えている。撮像素子26a、取付部26dは、図5と同様である。設置台26bは、図5と同様に、撮像素子26aを配置する設置面26a1と、撮像素子26aの周囲を囲む側面26a2を備えている。また、図15、16のセンサカバー26c’は、図5のセンサカバー26cに対して、薄肉部26c2を備えている点が、図5や図13、14とは異なる。
The sensor 26''' in FIGS. 15 and 16 includes an
薄肉部26c2は、センサカバー26c’のベース部26c1に対して板厚を薄くするため光の入射側側面から所定厚さだけ削除した構成である。これにより段部を形成している。薄肉部26c2の大きさはカットフィルタ40の大きさに合わせた大きさとなる。またベース部26c1と薄肉部c2の板厚の差の寸法(削除した分の厚さ)は、カットフィルタ40の板厚の寸法と同じである。図11、12で説明した距離Gを確保するため、撮像素子26aの受光面と、センサカバー26c’の薄肉部26c2における光の入射側側面と、により距離Gを確保する構成となっている。このため、センサカバー26c’の薄肉部26c2の厚さや側面26a2の高さは、この距離Gを保つための寸法構成となっている。
The thin portion 26c2 has a structure in which a predetermined thickness is removed from the light incident side surface to make the plate thinner than the base portion 26c1 of the
カットフィルタ40は、センサカバー26c’の薄肉部26c2の光の入射側の表面に貼り合わせて設置される。これにより、カットフィルタ40が、センサカバー26c’の薄肉部26c2における段部にぴったり収まる大きさとなる。このことで、センサカバー26c’とカットフィルタ40との間は段部が存在しないようにできる。こうして、カットフィルタ40は、図11、12の第1の例で説明した距離Sを確保するように貼り付けることができる。また、上述したようにセンサ26’’’の構成により距離Gも確保される。
The
このようにフィルタを用いた第3の例では、カットフィルタ40による突起がない構成とすることができつつ、フィルタを用いた第1の例と同様の効果も発揮する。
In the third example using a filter in this way, it is possible to have a configuration in which there is no protrusion due to the
図17は、本発明の分光イメージングユニットのカットフィルタが有りの場合と無しの場合の2次光の影響を比較するグラフを示す。このグラフは、図13、14の構成を適用した例である。図17では、横軸が波長で、縦軸が光りの強さである。カットフィルタ40が無しの場合はAで示され、カットフィルタ40が有りの場合はBで示される。Aの場合は、800nm~1500nm付近では強い出力を示している。これに対して、Bの場合は、800nm~1500nm付近では、ほとんど出力はなく、2次光はカットされていることが分かる。
FIG. 17 shows a graph comparing the influence of secondary light when the spectral imaging unit of the present invention has a cut filter and when it does not have a cut filter. This graph is an example to which the configurations of FIGS. 13 and 14 are applied. In FIG. 17, the horizontal axis is the wavelength, and the vertical axis is the intensity of light. The case where the
<効果>
図1~9で説明した分光イメージングユニット20では、センサ26を所定角度傾けて設置することで、広い範囲の光の波長に対しても、光の結像にはぼけが生じず、像を合わせることが可能となる。さらに、斜めに設置したセンサ26のセンサカバー26cによる結像特性の悪化を抑えるため、ガラス板28を設置することで、収差特性を改善することができる。このため、広い範囲の光の波長帯域においてもより的確に測定ができる。
<Effect>
In the
さらに、図11~17で説明したカットフィルタ40を用いることで、2次光等の1次光以外の高次光の影響を抑えることができる。このとき、カットフィルタ40の位置を撮像素子26aに対する所定の位置に決定することで、カットフィルタ40による結像への悪影響を抑えることができ、的確な測定を可能とする。
Furthermore, by using the
以上の様に、本発明の実施形態について説明してきたが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、上述した以外の様々な変形例も含まれる。例えば、上記した実施形態に設けられた全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を削除したり、他の構成に置き換えたりすることも可能である。 Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and includes various modifications other than those described above. For example, the present invention is not limited to having all the configurations provided in the embodiments described above. It is also possible to delete a part of the configuration of a certain embodiment or replace it with another configuration.
10 入射口
13 対物レンズ
14 スリット
15 ファイバ
15a 一端
20 分光イメージングユニット
21、25 組合せ凸レンズ
22、24 プリズム
23 グレーティング
26、26’、26’’、26’’’ センサ
26a 撮像素子
26a1 設置面
26a2 側面
26b、26b’ 設置台
26c、26c’ センサカバー
26c1 ベース部
26c2 薄肉部
27 画像処理部
28、28’ ガラス板
30 処理装置
30a 表示部
10
Claims (9)
前記センサは、撮像素子と、前記撮像素子の光の入射側に設けられたセンサカバーとを備え、
前記センサは、光の進行方向に直角な面に対して所定角度傾斜して備えられ、
前記板ガラスは、前記センサカバーと光学的特性が同じ材料で同じ厚さで構成され、
前記板ガラスは、前記センサカバーに対して光の進行方向を中心軸として90°回転した傾き状態で設けられ、
前記入射口からの光は、前記板ガラスと、前記結像光学系と、前記センサカバーを介して、前記撮像素子に結像されることを特徴とする分光イメージングユニット。 It has an entrance through which light enters, a plate glass, an imaging optical system, and a sensor,
The sensor includes an image sensor and a sensor cover provided on a light incident side of the image sensor,
The sensor is provided to be inclined at a predetermined angle with respect to a plane perpendicular to the traveling direction of the light,
The plate glass is made of a material having the same optical properties and the same thickness as the sensor cover,
The plate glass is provided in an inclined state rotated by 90 degrees with respect to the sensor cover about the direction in which light travels as a central axis,
A spectral imaging unit characterized in that light from the entrance port is imaged on the image pickup element via the plate glass, the imaging optical system, and the sensor cover.
前記光学的特性が同じ材料は、屈折率とアッベ数が同じか略同じ材料であることを特徴とする分光イメージングユニット。 The spectroscopic imaging unit according to claim 1,
The spectroscopic imaging unit is characterized in that the materials having the same optical properties are materials having the same or substantially the same refractive index and Abbe number.
前記センサの傾斜角度は、15°以上45°以下の範囲で設定されていることを特徴とする分光イメージングユニット。 The spectroscopic imaging unit according to claim 1 or 2,
A spectroscopic imaging unit characterized in that the inclination angle of the sensor is set in a range of 15° or more and 45° or less.
カットフィルタを備え、前記カットフィルタは、前記撮像素子に一部の光は当該カットフィルタを通過しないで達するように、前記撮像素子に対してずらして配置されるとともに、前記カットフィルタは、前記撮像素子から所定距離離れた位置に配置され、
前記所定距離は、前記入射口から前記撮像素子の中心までの長さに対して、3%以上10%以下の範囲であることを特徴とする分光イメージングユニット。 The spectroscopic imaging unit according to any one of claims 1 to 3,
A cut filter is provided, and the cut filter is arranged to be shifted from the image sensor so that a part of the light reaches the image sensor without passing through the cut filter, and the cut filter placed at a predetermined distance from the element,
The spectroscopic imaging unit is characterized in that the predetermined distance is in a range of 3% or more and 10% or less of a length from the entrance port to the center of the image sensor.
前記所定距離は、前記入射口から前記撮像素子の中心までの長さに対して、2%以上8%以下の範囲であることを特徴とする分光イメージングユニット。 The spectroscopic imaging unit according to claim 4,
The spectroscopic imaging unit is characterized in that the predetermined distance is in a range of 2% or more and 8% or less of a length from the entrance port to the center of the image sensor.
前記カットフィルタは、前記センサカバーに貼り合わせて設置することを特徴とする分光イメージングユニット。 In the spectroscopic imaging unit according to claim 4 or 5,
The spectral imaging unit is characterized in that the cut filter is attached and installed on the sensor cover.
対物レンズを介して光が入射するスリットを備え、前記入射口は、前記スリットであることを特徴とする分光イメージングユニット。 The spectroscopic imaging unit according to any one of claims 1 to 6,
A spectral imaging unit comprising a slit through which light enters through an objective lens, the entrance opening being the slit.
前記分光イメージングユニットは光を伝搬させる複数のファイバの一端側と接続され、前記入射口は、前記複数のファイバの一端であることを特徴とする分光イメージングユニット。 The spectroscopic imaging unit according to any one of claims 1 to 6,
The spectroscopic imaging unit is characterized in that the spectroscopic imaging unit is connected to one end side of a plurality of fibers that propagate light, and the entrance port is one end of the plurality of fibers.
前記結像光学系は、第1の組合せ凸レンズと、第1のプリズムと、グレーティングと、第2のプリズムと、第2の組合せ凸レンズとを備えることを特徴とする分光イメージングユニット。 The spectroscopic imaging unit according to any one of claims 1 to 8,
A spectral imaging unit characterized in that the imaging optical system includes a first combined convex lens, a first prism, a grating, a second prism, and a second combined convex lens.
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