JP3979535B2 - Ｌｃｔｆとｃｃｄの交換が可能な液晶光学計測装置 - Google Patents

Description

本発明は対象物からの反射光の分光偏光特性を利用して、対象物の認識や特徴を抽出する光学計測分野に属し、特に対象物を地球表面とした場合、植生計測、水質汚染度計測等の地球環境リモートセンシングに適した光学計測技術に関する。

本発明者等は対象物からの反射光の分光偏光特性を利用して、対象物の認識や特徴を抽出する光学センサとして、液晶同調フィルタ(ＬＣＴＦ：Liquid Crystal Tunable Filter）を用いた分光偏光放射計である「液晶光学計測装置」を研究開発し、先に特許出願（特許文献１）をしている。この分光偏光放射計は、直線偏光子の機能を有するＬＣＴＦを用いた光学センサであり、ＬＣＴＦに印加される直流電圧によって透過光の波長を任意に選択可能にする性能を有している。この光学センサは、ＬＣＴＦに印加する直流電圧を変化させることで透過光の波長について連続分光を行うことができるので、連続分光／偏光可能な放射計であり、ＬＣＴＦ分光偏光放射計と称されている。

この光学センサは、その分光特性からして、特に可視域・近赤外域中心での観測、即ち太陽光の被反射対象物の観測に適している。太陽光の被反射対象物としては、湖水、海、河川、森林等の自然対象物が考えられ、特に、植物に含まれる葉緑素（クロロフィル）等からの光の分光特性の観測を可能とするものである。葉緑素（クロロフィル）等の分光偏光特性をデータとして備えておけば、被反射対象物の分光偏光特性を測定することで、地上における植物の繁茂の程度及び分布、湖水や海洋における植物プランクトンの繁殖の程度及び分布を観測することが可能となり、植物相の観点から地球環境観測用として用いることができる。これらの自然対象物は、地上や海上に設置したり或いは車両や船舶に搭載して直接に観測することができるのは勿論のこと、光学センサを航空機や宇宙機に搭載することにより、短時間で且つ広範囲に観測することもできる。

放射計の中心部分を構成するＬＣＴＦの原理を、図４に基づいて簡単に説明する。図４に示されるように、ＬＣＴＦ２０は、構造的には、入力偏光子２１と出力偏光子２４との２枚の偏光子の間で複屈折結晶板２２と液晶素子２３とを前後として平行に挟んだサンドイッチ構造となっている。ＬＣＴＦ２０は、そのようなサンドイッチ構造を複数層にして重ね合わせたものであり、各層は液晶位相器（遅相器）の要素を挟んだ、互いに平行な直線偏光子から成っている。ＬＣＴＦは、透過波長を電子的に制御できるバンドパスフィルタであり、リオフィルタ（Lyot Filter）の設計に基づいている。図４において左からの入射光は、入力偏光子２１を通り、次に偏光子の偏光軸に対して結晶軸が４５度に設置された複屈折結晶板２２でそれぞれ位相速度の異なった常光、異常光の２成分に等量に分割される。液晶素子２３に加える電圧（Ｖ）により、液晶結晶軸の一方の屈折係数が変化するので、一方の光は他方の光に比較して遅延する。このように、結晶素子２３は、液晶遅相器としての働きをする。結晶素子２３を出た２つの成分は出力偏光子２４で合成されるが、干渉により波長に関して周期的な透過特性となる。これらを１ステージとして、次々に複屈折結晶板２２の厚さが前段の２倍になるステージを重ねることで、入射光の最終透過特性は狭帯域となる。

特許文献１に開示された液晶光学計測装置は、多種方向の偏光画像から特徴抽出を行うことを可能にして抽出精度を向上させることを図ると共に、センサ出力としてＣＣＤ面に得られる対象物の結像画像データの計測精度を高めて、対象物の特徴抽出の精度を向上させることができる液晶光学計測装置を提供することを目的としたもので、図５に示すように対象物からの反射光がカメラレンズ(対物レンズ)２に入射し、前側リレーレンズ４、ＬＣＴＦ２０、後側リレーレンズ５を透過し、ＣＣＤセンサ６で対象物の画像が検出される構成になっている。前側リレーレンズで平行光線束となり、このままＬＣＴＦ２０を透過するので、ＣＣＤ６の結像面位置は後側リレーレンズ５の焦点となっている。

従来のＬＣＴＦを用いた液晶光学計測装置においては、図５に示すようにＬＣＴＦはその前後を２つの装着用円筒８ａ，８ｂを介して挟持され、２つの装着用円筒８ａ，８ｂはそれぞれ支柱９ａ，９ｂによって筐体７に固定となっている。カメラレンズ２ヘの入射光は、前側リレーレンズ４、前側円筒８ａ、ＬＣＴＦ２０、後側円筒８ｂ、後側リレーレンズ５の順に透過し、ＣＣＤセンサ６に達する。支柱９ａにはステッピングモータ１２、歯車機構１３が装着されており、前側円筒８ａの歯車機構１１とともに、ステッピングモータ１２によってＬＣＴＦ２０を回転させ、透過する光の偏光面が光軸まわりに回転可能となっている。このような従来型の装置のＬＣＴＦ装着系、すなわち支柱と装着用円筒は、使用するＬＣＴＦの形状、重量に応じて設計製作されると共に、筐体内の支柱の位置間隔は選択したＬＣＴＦの大きさに対応して決定されてしまう。ところでＬＣＴＦは透過する光の波長帯域に応じて、また、波長分解能に応じて、各種いろいろのものが製作されており、計測のニーズに対応しつつ、各種ＬＣＴＦの中からそれに応じたものを選択する必要がある。しかし、所持している液晶光学計測装置において、取り付けられているＬＣＴＦに換えて他種のものを装着しようとする場合には支柱の取り付け位置を変更する修理改造が必要となる。

また、ＬＣＴＦを用いた液晶光学計測装置においては対象物の偏光スペクトル画像がＣＣＤセンサの受光面に結ばれるようになっており、その受光面位置は後側リレーレンズの焦点でなければならない。しかし、計測対象、計測条件等に応じてカメラレンズ、前側、後側リレーレンズを交換して使用することが求められることがあるが、従来型の装置では、ＣＣＤが筐体に固定されているので、結像位置のズレを起こす光学系の交換に対応することが出来ないし、光の波長帯域に基づいて異なる収差に起因する結像面の誤差が発生した場合にもＣＣＤの受光面位置を調整することができない。手持ちの装置で強いてこれに対応できるようにするには、大幅な改造が必要になる。計測の現場でこのようなニーズに対応する改造は事実上不可能であり、結局は必要な条件のＬＣＴＦや光学系の液晶光学計測装置を別個に準備しなければならないという状況にある。
特開２００３−２１５５３０号公報 平成１５年７月３０日公開 「液晶光学計測装置及びそれを用いた光学計測測定システム」

本発明が解決しようとする課題は、ＬＣＴＦを用いた液晶光学計測装置において、各種波長帯域、波長分解能、各種計測対象、計測条件に対応して選択したＬＣＴＦに交換取り付け可能であって、かつ、光学系の交換や収差による結像位置の変動に対応できる機能を備えた液晶光学計測装置を提供することにある。

本発明の液晶光学計測装置は、カメラ対物レンズ、前側リレーレンズ、ＬＣＴＦ、後側リレーレンズおよびＣＣＤ検出素子を入射光の通過順に配置してなる液晶光学計測装置において、前記ＬＣＴＦの片面端部を装着用円筒の端部に取り付け、他端面を自由とすると共に、該装着用円筒を介してモータの回転駆動を前記ＬＣＴＦに伝達する手段を備えるようにした。
また本発明の液晶光学計測装置の１形態として、上記ＬＣＴＦの片面端部は装着用円筒の前方側端部に取り付けるようにした。
また本発明の液晶光学計測装置の１形態として、装着用円筒は装置筐体に固定された支柱によって回転自在に保持され、前方端にＬＣＴＦを後方部にモータに結合された歯車機構を配置したものとした。
また本発明の液晶光学計測装置の１形態として、前記ＣＣＤを筐体外に取り付けると共に、光軸方向にスライド可能とする手段を備えるものとした。
また本発明の液晶光学計測装置の１形態として、前側リレーレンズおよび後側リレーレンズには非球面レンズを配置するものとした。

本発明の液晶光学計測装置は、カメラ対物レンズ、前側リレーレンズ、ＬＣＴＦ、後側リレーレンズおよびＣＣＤ検出素子を入射光の通過順に配置してなるものにおいて、前記ＬＣＴＦの片面端部を装着用円筒の端部に取り付けると共に、該装着用円筒を介してモータ駆動を前記ＬＣＴＦに伝達する手段を備えるようにしたものであるから、ＬＣＴＦの大きさや形状に左右されず装置に取り付けることが出来る。このことによって、１台の装置でありながら所望の光の波長帯域、波長分解能のＬＣＴＦに交換して広く使用することができるようになった。しかも従来の両面支持構造のものに比べ交換作業が容易となった。
また、ＬＣＴＦの片面端部が装着用円筒の前方側端部に取り付けられた構成を採用することにより、レンズ系間の光軸合わせが容易となり、光学的精度が向上する。
また、本発明の液晶光学計測装置は、カメラ対物レンズ、前側リレーレンズ、ＬＣＴＦ、後側リレーレンズおよびＣＣＤ検出素子を入射光の通過順に配置してなるものにおいて、前記ＣＣＤを筐体外に取り付けると共に、光軸方向にスライド可能とする手段を備えるようにしたものであるから、測定条件にあったレンズ系を選択してもＣＣＤの受光面をそのレンズ系の焦点位置に位置調整することが出来る。このことによって、１台の装置でありながら所望の光学特性のレンズ系に交換して広く使用することができるようになった。すなわち、地上設置の場合でも、航空機、衛星等搭載の場合でも、計測対象を特定しつつ、対象の最適な特長抽出が可能となり、地球観測の精度、性能の向上が図られ、地球環境問題の解決に必要な高性能データが得られるようになる。
更に、前側リレーレンズおよび後側リレーレンズに非球面レンズを配置する構成を採用することにより、周辺減光など各種収差を補償することができ均一画面を実現できる。

この発明による液晶光学計測装置は、有効波長帯域、波長分解能の異なる各種ＬＣＴＦ、焦点距離の異なる各種レンズを交換しつつ、使用することができるので、その出力である対象物の画像データの計測精度を高め、対象物の特徴抽出の精度を向上することができる。また、対象物からの反射光に含まれる任意方向の偏光特性が観測され、対象物の特徴抽出も任意方向の偏光画像から高い抽出精度で得ることができる。更に、ＬＣＴＦ分光偏光放射計での反射光の分光特性を把握することにより、本液晶光学計測装置を地上や海上において据付けたり、車両、船舶、航空機、宇宙機等の移動体に搭載することで、ニーズ、目的に対応しつつ異種の光学部品の構成を換えて地上、海洋、河川等の植物相の繁茂の状態を広く観測することができる。

本発明は、ＬＣＴＦの型式が規格化されること無く、波長帯域、波長分解能の異なるＬＣＴＦ毎にそれぞれに形と大きさが作られている現状の中で、観察対象によって適した波長帯域、波長分解能のＬＣＴＦを選択しても、そのＬＣＴＦを容易に取り付けることができる液晶光学計測装置を提供するため、その装着機構を改良することに想到したものである。すなわち、従来の装着機構は前述したようにＬＣＴＦの前後を２つの装着用円筒８ａ，８ｂを介して挟持し、２つの装着用円筒８ａ，８ｂはそれぞれ支柱９ａ，９ｂによって筐体に固定された構造となっているので、２つの装着用円筒８ａ，８ｂの間隔は採用されたＬＣＴＦの寸法に合わされており、他のＬＣＴＦが取り付けられないことに鑑み、基本構造としてＬＣＴＦの両面支持を止め、片面支持させる方式を採用するものとした。
また、本発明は天候具合や時刻といった計測条件によって光学系を交換した場合や収差による結像位置の変動に対応できる機能を備える構成として、ＣＣＤの軸方向位置を調整可能な機構とすることでそれに対応するようにした。

上記の基本思想に基づき、本発明では図１に示されるような構造の液晶光学計測装置を提案する。この装置の特長は、前側リレーレンズ４を筐体７の外に取り付けることによって、筐体７部分の小型軽量化を図ったことも考えられるが、基本的には、装着系(支柱９、装着用円筒８)を片もち梁のような構成にして、ＬＣＴＦ２０の片方端部だけを装着用円筒８に取り付けていることであり、また、ＣＣＤ６を筐体７外に取り付けて、収差に対応して可動機構を設けたことにある。なお、ステッピングモータ１２、歯車機構１１，１３によってＬＣＴＦ２０を装着用円筒８とともに光軸周りの回転可能な構造となっている点はこの改良型のものでも同様である。
また、図１に示すようにＬＣＴＦ２０の片面端部が装着用円筒８の前方側端部に取り付けられた構成を採ることにより、ＬＣＴＦ２０は前側リレーレンズ４に接近して配置できるためその光軸合わせは容易となり、光学的精度が向上することになる。

以下、添付図面に基づいて、この発明による液晶光学計測装置の実施例を説明する。図２はこの発明による液晶光学計測装置の原理の概略を示すブロック図、図３は本発明に係る液晶光学計測装置のシステム構成図である。図１〜図３において、図５に示した構成要素と同様の機能を奏する要素については同じ符号を付すことにより、再度の詳細な説明を省略する。
図２に示すように液晶光学計測装置は、入射する光の通過順に、対物レンズとしてのカメラレンズ２、フィールドレンズ３、前側リレーレンズ４、ＬＣＴＦ２０、後側リレーレンズ５及びＣＣＤ検出素子としてのＣＣＤカメラ６を同一光軸線上に配置して構成されている。装置の筐体としてのカメラ筐体７の内部にはＬＣＴＦ２０、その装着系である支柱９と装着用円筒８、ステッピングモータ１２と歯車１１，１３及び後側リレーレンズ５が配置された構造となっており、前記支柱９は筐体７に固着され、前記装着用円筒８はラジアル軸受け９ａを介して前記支柱９に対し回転自在に支承されている。前記ステッピングモータ１２も筐体７に固着され、該ステッピングモータ１２の回転は連結歯車１１，１３を介して前記装着用円筒８を回転駆動する機構となっている。この回転により、ＬＣＴＦ２０の偏光面が変更されるのは従来装置と同様である。筐体７の前面板７ａにはフランジ付き円筒部材１０がボルトを介して固定され、該フランジ付き円筒部材１０内にはフィールドレンズ３と前側リレーレンズ４が配置されており、更に該フランジ付き円筒部材１０の前方にはカメラレンズ２が装着される。前記筐体７の後方にはＣＣＤカメラ６が装着されるが、このＣＣＤカメラ６には撮像位置調整用のネジ機構１４が備えられ、該撮像位置調整用のネジ機構１４が回動されるとＣＣＤ撮像面が筐体７に対して軸方向に前後に変位し、撮像位置が調整できる機構となっている。

図３のシステム構成図において、光学計測システム３０は、液晶光学計測装置１を用いて被反射対象物の分光特性を計測するときに、液晶光学計測装置１を光学センサとして駆動制御する。光学計測システム３０は、ＬＣＴＦ放射計である液晶光学計測装置１に制御装置を結びつけ、波長制御、画像データ取得の自動的に行う機能を有しており、ＣＰＵボード３２、内部記憶装置を有するハードディスク（ＨＤＤ）３３、制御ユニット３４、ＬＣＴＦ回転コントローラ３５、画像取込みボード３６等と共に構成されるパーソナルコンピュータ３１を主体としたハードウエアシステムから成っている。パーソナルコンピュータ３１には、付属モニタとしての液晶モニタ３７、キーボード３８、マウス３９、外部モニタとしてのビデオモニタ４０、外部記憶装置としてのビデオデッキ４１等の周辺機器も接続されている。画像データ記録用の外部記憶装置としては、その他にＦＤＤ、ビデオカード、ＣＤ−ＲＷ、ＭＯ、リムーバブルＨＤＤ等が挙げられる。制御ユニット３４には、液晶光学計測装置１及びこれら周辺機器を動作させるドライブ用のソフトウエアが予めインストールされている。

制御ユニット３４の機能として、第一に、液晶光学計測装置１の光学センサ本体のシリアルＲＳ−２３２Ｃドライバを駆動する制御が挙げられる。制御ユニット３４は、また、液晶素子２３への印加電圧を変更することによるＬＣＴＦ２０の透過光の波長選択（分光）と、波長選択と同時にＬＣＴＦ２０に回転角度を指定し、ＬＣＴＦ回転コントローラ３５からの駆動信号をＬＣＴＦ回転機構２５に送ってＬＣＴＦ回転機構２５を駆動することにより、波長に対して偏光面（透過光の偏波面）を連続的に変化させる機能を有する。光学計測システム３０の作動としては、ＬＣＴＦ２０の分光波長を掃引するための設定項目であるＬＣＴＦ２０にある回転角度と掃引開始波長（スタート波長）、掃引終了波長（エンド波長）、波長を変えるときの波長間隔（ステップ波長）、次の波長へ移るときの待ち時間（インターバル時間）等でスイープし、連続して指定信号を与え、それらに対応したデータがファイル名を付けてハードディスク３３等の記録媒体に記録される。

最後に、液晶光学計測装置１に備わるＣＣＤカメラ６の受光面で計測した画像データは、画像取込みボード３６でＡ／Ｄ変換され、その画像をビデオモニタ４０でリアルタイムに映し出される。画像データは、また、画像データ取得装置のメモリに一旦記憶され、その後初期設定された条件によりパーソナルコンピュータ３１の内部及び／又は外部記憶装置において、連続／単体のファイルに随時ファイリングされる。そのファイリングされたデータは、既存のソフトウエア等で処理される。

本発明の装置では図５に示す従来型の液晶光学計測装置と比較して、ＬＣＴＦ２０を１つの装着用円筒８および支柱９によって片持ち梁形態で保持させている点で、また、ＣＣＤに撮像位置調整用のネジ機構１４が備えられた構成を採ることにより光軸方向に移動可能にしている点で大きく相違しており、更に外付けのカメラレンズ２は適宜交換可能であり、筐体前面板７ａを外すことにより、ＬＣＴＦ２０が露出され、装着用円筒８に対して取り外し交換が容易な構造となっている。そして、これらの光学系を必要に応じて交換した場合に起こる結像面のズレと収差については、撮像位置調整用のネジ機構１４を回動することによりＣＣＤ撮像面の位置を調整することが容易に出来る。

上記の構成において、前側リレーレンズ４と後側リレーレンズ５に球面収差レンズを採用して例を示す。この種の液晶光学計測装置では撮像画像において、周辺部分が暗くなる所謂周辺減光の現象が生じる。本実施例では、前側リレーレンズ４と後側リレーレンズ５に球面収差レンズを採用するようにしてこの現象を解消することができた。

本発明の液晶光学計測装置の構成を示す図である。 本発明の液晶光学計測装置の基本構成を示すブロック図である。 本発明に係る液晶光学計測装置の全体システム図である。 本発明に係る液晶光学計測装置原理を示す概念図である。 従来の液晶光学計測装置の構成を示す図である。

符号の説明

１ 液晶光学計測装置 ２ カメラレンズ(対物レンズ)
３ フィールドレンズ ４ 前側リレーレンズ
５ 後側リレーレンズ ６ ＣＣＤ部材
７ 筐体 ８ 取付用円筒部材
９ 支柱 １０ フランジ付き円筒部材
１１，１３ 歯車 １２ ステッピングモータ
１４ 位置調整ネジ ２０ 液晶同調フィルタ(ＬＣＴＦ)
２１ 入力偏光子 ２２ 複屈折結晶板
２３ 液晶素子 ２４ 出力偏光子
２５ 回転機構 ３０ 光学計測システム
３１ パーソナルコンピュータ ３２ ＣＰＵボード
３３ ハードディスク ３４ 制御ユニット
３５ ＬＣＴＦ回転コントローラ ３６ 画像取込みボード
３７ 液晶モニタ ３８ キーボード
３９ マウス ４０ ビデオモニタ
４１ ビデオデッキ

Claims (5)

1. カメラ対物レンズ、前側リレーレンズ、ＬＣＴＦ、後側リレーレンズおよびＣＣＤ検出素子を入射光の通過順に配置してなる液晶光学計測装置において、前記ＬＣＴＦの片面端部を装着用円筒の端部に取り付け、他端面を自由とすると共に、該装着用円筒を介してモータの回転駆動を前記ＬＣＴＦに伝達する手段を備えたことを特徴とする液晶光学計測装置。
2. ＬＣＴＦの片面端部は装着用円筒の前方側端部に取り付けるようにした請求項１に記載の液晶光学計測装置。
3. 装着用円筒は装置筐体に固定された支柱によって回転自在に保持され、前方端にＬＣＴＦを後方部にモータに結合された歯車機構を配置したものである請求項１又は２に記載の液晶光学計測装置。
4. 前記ＣＣＤを筐体外に取り付けると共に、光軸方向にスライド可能とする手段を備えたことを特徴とする請求項１乃至３に記載の液晶光学計測装置。
5. 前側リレーレンズおよび後側リレーレンズには非球面レンズを配置することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の液晶光学計測装置。

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