JP5793219B1 - Imaging apparatus and imaging method - Google Patents
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Abstract
【課題】 複雑な演算処理、機構及び装置の制御及び調整を必要とすることなく鮮明なハイパースペクトル画像を取得することが可能な、ハイパースペクトル撮像装置を提供する。【解決手段】 本装置は、被写体からの光が入射するレンズと、透過させる光の波長を時間経過とともに変化させることによって、被写体からの光を複数の波長の光に分光する、光学フィルタ部と、レンズからの光の焦点位置に受光面が配置され、光学フィルタ部によって分光された光を受光して電気信号に変換する複数の画素を有する、撮像素子と、撮像素子によって生成された電気信号から、撮像素子の画素ごとに、画素の位置情報、波長情報及び時間情報と関連付けられた光の強度又は光の強度に基づく物理量のデータを生成し、これらのデータを画素の位置情報及び波長情報と関連付けられた光の強度又は光の強度に基づく物理量のデータに変換する、演算処理部とを備える。【選択図】 図1PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a hyperspectral imaging apparatus capable of acquiring a clear hyperspectral image without requiring complicated arithmetic processing, control and adjustment of mechanism and apparatus. The apparatus includes a lens on which light from a subject is incident, an optical filter unit that splits light from the subject into light having a plurality of wavelengths by changing the wavelength of light to be transmitted with time. An image sensor having a light receiving surface disposed at a focal position of light from the lens, and having a plurality of pixels that receive the light dispersed by the optical filter unit and convert the light into an electric signal, and an electric signal generated by the image sensor For each pixel of the image sensor, data of physical quantities based on the light intensity or light intensity associated with the pixel position information, wavelength information, and time information is generated, and these data are used as pixel position information and wavelength information. And an arithmetic processing unit for converting the data into physical quantity data based on the intensity of light or the intensity of light. [Selection] Figure 1
Description
本発明は、被写体のハイパースペクトルデータを取得する撮像装置及び撮像方法に関する。 The present invention relates to an imaging apparatus and an imaging method for acquiring hyperspectral data of a subject.
ハイパースペクトルデータ(以下、「HSD」ということもある)を取得する撮像装置(以下「ハイパースペクトル撮像装置」という。)は、被写体からの光(被写体が自ら発する光や被写体が反射する光)を複数の波長の光に分光し、分光された光を複数の画素を有する撮像素子によって受光して電気信号に変換することにより、被写体の2次元画像を構成する画素ごとに、画素の位置情報及び波長情報と関連付けられた光の強度又は光の強度に基づく物理量(例えば、反射率)のデータであるハイパースペクトルデータを取得する装置である。ハイパースペクトル撮像装置は、衛星及び航空機に搭載されて農業分野、環境分野などに使用されている。また、将来的にも医療分野、食品分野などでの活用が期待される。ハイパースペクトル撮像装置によれば、従来の色の概念をスペクトル領域に拡張することができるため、人間の目には見えない現象を可視化することができる。 An imaging device (hereinafter, also referred to as “hyperspectral imaging device”) that acquires hyperspectral data (hereinafter, also referred to as “HSD”) uses light from a subject (light emitted from the subject itself or light reflected from the subject). By separating the light into a plurality of wavelengths and receiving the separated light by an imaging device having a plurality of pixels and converting the light into an electrical signal, pixel position information and It is a device that acquires hyperspectral data, which is data of physical quantity (for example, reflectance) based on light intensity or light intensity associated with wavelength information. Hyperspectral imaging devices are mounted on satellites and aircraft and are used in the agricultural and environmental fields. In the future, it is expected to be used in the medical field and food field. According to the hyperspectral imaging apparatus, since the conventional color concept can be extended to the spectral region, a phenomenon that is invisible to the human eye can be visualized.
図7は、ハイパースペクトル撮像装置によって取得されたハイパースペクトルデータの一例である。ハイパースペクトルデータは、x及びyを画像平面の位置、λを波長とすると、各画素の位置(x,y)における波長λの光の強度又は光の強度に基づく物理量I(x,y,λ)である。 FIG. 7 is an example of hyperspectral data acquired by the hyperspectral imaging apparatus. The hyperspectral data includes the physical quantity I (x, y, λ based on the intensity of light of the wavelength λ or the intensity of light at the position (x, y) of each pixel, where x and y are positions on the image plane and λ is a wavelength. ).
こうしたハイパースペクトル撮像装置の従来技術として、スリットの移動によって順次取り込まれる被写体からの光を、波長毎に分光して撮像素子に受光させることによって、被写体を撮像するものが提案されている。こうした装置として、例えば特許文献1(特開2009−039280号)に記載される技術が提案されている。この技術は、一般にステージ走査方式と呼ばれる。この技術においては、微細な幅のスリット、回折格子、CCDなどの撮像素子を搭載した光学ステージ全体を上下に移動させることによって、被写体画像を走査する。スリットを通過した光は、回折格子によって複数の波長の光に分光され、分光された光は撮像素子の撮像面に結像する。結像した光は、電気信号に変換され、解析部に入力される。この技術においては、一次元(x)のスリットを通過した光は、2次元の分光スペクトルデータI(x,λ)となり、y方向への連続的な走査によって最終的に3次元のハイパースペクトルデータI(x,y,λ)に変換されることになる。 As a prior art of such a hyperspectral imaging apparatus, a technique has been proposed in which light from a subject that is sequentially taken in by movement of a slit is dispersed for each wavelength and received by an imaging device to receive an image of the subject. As such an apparatus, for example, a technique described in Patent Document 1 (Japanese Patent Laid-Open No. 2009-039280) has been proposed. This technique is generally called a stage scanning method. In this technique, a subject image is scanned by moving the entire optical stage on which an image sensor such as a slit having a fine width, a diffraction grating, and a CCD is moved up and down. The light that has passed through the slit is split into light having a plurality of wavelengths by the diffraction grating, and the split light is imaged on the imaging surface of the imaging device. The imaged light is converted into an electrical signal and input to the analysis unit. In this technique, light passing through a one-dimensional (x) slit becomes two-dimensional spectral spectrum data I (x, λ), and finally three-dimensional hyperspectral data is obtained by continuous scanning in the y direction. It is converted to I (x, y, λ).
しかし、特許文献1に記載されるようなステージ走査方式を用いた技術においては、光学ステージ全体を機械的に移動させるため、装置の移動による振動の影響を受け、画像がぶれやすく、鮮明な画像を得にくい。また、光学ステージ全体を機械的に移動させる機構を必要とするため、装置の小型化が難しい。 However, in the technique using the stage scanning method described in Patent Document 1, since the entire optical stage is mechanically moved, the image is easily blurred due to the influence of vibration due to the movement of the apparatus, and a clear image is obtained. Hard to get. Further, since a mechanism for mechanically moving the entire optical stage is required, it is difficult to reduce the size of the apparatus.
この問題を解決することを目的として、例えば特許文献2(特開2011−89895号公報)に記載のハイパースペクトル撮像装置が提案されている。この装置は、光学ステージ全体を上下させることなくスリット位置のみを移動させることができる可変スリットを用いてハイパースペクトルデータを取得するものである。 In order to solve this problem, for example, a hyperspectral imaging apparatus described in Patent Document 2 (Japanese Patent Laid-Open No. 2011-89895) has been proposed. This apparatus acquires hyperspectral data using a variable slit that can move only the slit position without moving the entire optical stage up and down.
しかし、特許文献2に記載された装置においては、スリットを上下させて画像を走査するため、スリットの移動に伴って、撮像素子上の分光スペクトルの結像位置も変化する。このため、撮像素子のy座標と、撮像素子に投影される波長との対応関係を示す波長テーブルを、スリットの位置ごとに事前に多数用意しておく必要があるとともに、スリットをy方向に移動させるたびにこれらの波長テーブルを用いてy座標を波長に変換しなければならない。したがって、この装置においては、複雑なデータ処理を必要とし、データ処理に時間がかかる。また、液晶スリットは、スリット部分とスリット以外の部分とのコントラストに限界があり、スリット以外の部分からの光漏れ(迷光)のために、取得されるデータの精度が低下する。 However, in the apparatus described in Patent Document 2, since the image is scanned by moving the slit up and down, the imaging position of the spectral spectrum on the image sensor also changes as the slit moves. For this reason, it is necessary to prepare a large number of wavelength tables indicating the correspondence between the y coordinate of the image sensor and the wavelength projected on the image sensor in advance for each slit position, and the slit is moved in the y direction. Each time, the y coordinate must be converted to a wavelength using these wavelength tables. Therefore, this apparatus requires complicated data processing and takes time for data processing. In addition, the liquid crystal slit has a limit in contrast between the slit portion and a portion other than the slit, and the accuracy of acquired data decreases due to light leakage (stray light) from a portion other than the slit.
可変スリットを用いてハイパースペクトルデータを取得する装置と同様の考え方の技術として、光選択部材を用いてライン状の光を生成するハイパースペクトル撮像装置が、特許文献3において提案されている。この装置においては、複数の光選択部材の制御が複雑であるとともに、製造の精度が異なる複数の光選択部材の各々において別個に精密な位置だし(キャリブレーション)を要するため、装置ごとの事前の複雑な調整及び制御が必要となる。 As a technique based on the same concept as an apparatus that acquires hyperspectral data using a variable slit, a hyperspectral imaging apparatus that generates line-shaped light using a light selection member is proposed in Patent Document 3. In this apparatus, the control of the plurality of light selection members is complicated, and each of the plurality of light selection members having different manufacturing accuracy requires a precise position (calibration) separately. Complex adjustments and controls are required.
上記の課題に鑑み、本発明は、複雑な演算処理も、機構及び装置の制御及び調整も必要とすることなく、鮮明なハイパースペクトル画像を取得することができる、小型化が容易なハイパースペクトル撮像装置及びハイパースペクトル撮像方法を提供することを目的とする。 In view of the above problems, the present invention is capable of obtaining a clear hyperspectral image without requiring complicated arithmetic processing, control and adjustment of a mechanism and an apparatus, and easy-to-miniaturize hyperspectral imaging. An object is to provide an apparatus and a hyperspectral imaging method.
上記の課題は、被写体全体からの光を時間の経過とともに順次走査して分光スペクトル情報を得る時間走査方式を採用することによって、解決される。 The above problem is solved by adopting a time scanning method in which light from the entire subject is sequentially scanned over time to obtain spectral spectrum information.
本発明の第1の態様においては、被写体からの光を複数の波長の光に分光し、分光された光を撮像素子に受光させることによって、被写体を撮像するハイパースペクトル撮像装置が提供される。本ハイパースペクトル撮像装置は、被写体からの光が入射するレンズと、透過させる光の波長を時間の経過とともに変化させることによって、被写体からの光を複数の波長の光に分光する、光学フィルタ部と、レンズからの光の焦点位置に受光面が配置され、光学フィルタ部によって分光された光を受光して電気信号に変換する複数の画素を有する、撮像素子と、撮像素子によって生成された電気信号から、撮像素子の画素ごとに、画素の位置情報、波長情報及び時間情報と関連付けられた光の強度のデータ又は光の強度に基づく物理量のデータを生成し、これらのデータを画素の位置情報及び波長情報と関連付けられた光の強度のデータ又は光の強度に基づく物理量のデータに変換する、演算処理部とを備える。 In a first aspect of the present invention, there is provided a hyperspectral imaging device that images a subject by splitting light from the subject into light having a plurality of wavelengths and causing the image sensor to receive the split light. The hyperspectral imaging device includes a lens on which light from a subject is incident, and an optical filter unit that splits light from the subject into light of a plurality of wavelengths by changing the wavelength of light to be transmitted over time. An image sensor having a light receiving surface disposed at a focal position of light from the lens, and having a plurality of pixels that receive the light dispersed by the optical filter unit and convert the light into an electric signal, and an electric signal generated by the image sensor For each pixel of the imaging device, light intensity data associated with the pixel position information, wavelength information, and time information or physical quantity data based on the light intensity is generated, and these data are used as pixel position information and An arithmetic processing unit that converts light intensity data associated with the wavelength information or physical quantity data based on the light intensity.
一実施形態においては、光学フィルタ部は、透過させる光の波長が一方向に連続的に変化するように構成されたリニア可変バンドパスフィルタと、リニア可変バンドパスフィルタを、時間の経過とともに一方向に沿って、受光面の法線方向に対して垂直に移動させる機械的駆動部とを備えるものとすることができる。駆動部は、リニアモータであることがより好ましい。 In one embodiment, the optical filter unit includes a linear variable bandpass filter configured to continuously change the wavelength of transmitted light in one direction and a linear variable bandpass filter in one direction over time. , And a mechanical drive unit that moves perpendicularly to the normal direction of the light receiving surface. The drive unit is more preferably a linear motor.
別の実施形態においては、光学フィルタ部は、透過させる光の波長が一方向に連続的に変化するように構成されたリニア可変バンドパスフィルタと、リニア可変バンドパスフィルタに対して光の進行方向上流側に配置され、屈折率を変化させることによって入射した光の進行方向に対する出射する光の進行方向の角度を任意に変化させることが可能な屈折率可変材料と、屈折率可変材料の屈折率を時間の経過とともに変化させる電圧を屈折率可変材料に加えるための電気的駆動部とを備えるものとすることができる。屈折率可変材料は、KTN結晶であることがより好ましく、電気的駆動部は、KTN結晶の屈折率を制御する電圧をKTN結晶に印加する電源及び駆動回路を有することがより好ましい。 In another embodiment, the optical filter unit includes a linear variable bandpass filter configured such that the wavelength of transmitted light continuously changes in one direction, and a light traveling direction with respect to the linear variable bandpass filter. A refractive index variable material disposed upstream and capable of arbitrarily changing the angle of the traveling direction of outgoing light with respect to the traveling direction of incident light by changing the refractive index, and the refractive index of the refractive index variable material And an electric drive unit for applying a voltage for changing the refractive index to the refractive index variable material. The refractive index variable material is more preferably a KTN crystal, and the electrical drive unit more preferably has a power supply and a drive circuit for applying a voltage for controlling the refractive index of the KTN crystal to the KTN crystal.
本発明の第2の態様においては、被写体からの光を複数の波長に分光し、分光された光を撮像素子に受光させることによって、被写体を撮像する撮像方法が提供される。本方法は、被写体からの光を、受光した光を電気信号に変換する複数の画素を有する撮像素子の受光面に合焦させるステップと、被写体からの光を、時間の経過とともに複数の波長の光に分光するステップと、分光された光を撮像素子によって受光して、画素ごとに電気信号に変換するステップと、電気信号に変換するステップによって生成された電気信号から、撮像素子の画素ごとに、画素の位置情報、波長情報及び時間情報と関連付けられた光の強度のデータ又は光の強度に基づく物理量のデータを生成し、これらのデータを画素の位置情報及び波長情報と関連付けられた光の強度のデータ又は光の強度に基づく物理量のデータに変換するステップとを含む。 In the second aspect of the present invention, there is provided an imaging method for imaging a subject by splitting light from the subject into a plurality of wavelengths and causing the imaging device to receive the split light. The method includes focusing light from a subject on a light receiving surface of an imaging device having a plurality of pixels that convert the received light into an electrical signal, and light from the subject with a plurality of wavelengths over time. For each pixel of the image sensor, from the step of splitting the light into light, the step of receiving the dispersed light by the image sensor and converting it to an electrical signal for each pixel, and the electrical signal generated by the step of converting to the electrical signal Generating light intensity data associated with pixel position information, wavelength information and time information, or physical quantity data based on light intensity, and using these data for light associated with pixel position information and wavelength information. Converting to intensity data or physical quantity data based on light intensity.
一実施形態においては、分光するステップは、透過させる光の波長が一方向に連続的に変化するように構成されたリニア可変バンドパスフィルタを、時間の経過とともに一方向に沿って、受光面に対して平行に移動させるステップと、被写体からの光を、リニア可変バンドパスフィルタを透過させるステップとを含むものとすることができる。 In one embodiment, the spectroscopic step is performed by applying a linear variable bandpass filter configured so that the wavelength of transmitted light continuously changes in one direction to the light receiving surface along one direction over time. And moving the light from the subject through the linear variable bandpass filter.
別の実施形態においては、分光するステップは、屈折率を変化させることによって入射した光の進行方向に対する出射する光の進行方向の角度を任意に変化させることが可能な屈折率可変材料に、時間の経過とともに屈折率を変化させるための電圧を加えるステップと、被写体からの光を、屈折率可変材料を透過させるステップと、屈折率可変材料を透過した光を、透過させる光の波長領域が一方向に連続的に変化するように構成されたリニア可変バンドパスフィルタを透過させるステップとを含むものとすることができる。 In another embodiment, the spectroscopic step is performed on the refractive index variable material capable of arbitrarily changing the angle of the traveling direction of the outgoing light with respect to the traveling direction of the incident light by changing the refractive index. The step of applying a voltage for changing the refractive index as time passes, the step of transmitting the light from the subject through the refractive index variable material, and the wavelength range of the light that transmits the light transmitted through the refractive index variable material are the same. And passing through a linear variable bandpass filter configured to continuously change in direction.
本発明によれば、装置の調整、制御及び小型化が容易で、装置が振動や光漏れの影響を受けないため鮮明な画像を得ることが可能なハイパースペクトル撮像装置を実現することができる。 According to the present invention, it is possible to realize a hyperspectral imaging apparatus capable of obtaining a clear image because the apparatus is easily adjusted, controlled, and downsized and the apparatus is not affected by vibration or light leakage.
以下、本発明に係るハイパースペクトル撮像装置及びハイパースペクトル撮像方法を具体化した第1の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。 Hereinafter, a first embodiment embodying a hyperspectral imaging apparatus and a hyperspectral imaging method according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(第1の実施形態)
[装置の概要]
図1は、本発明の第1の実施形態に係るハイパースペクトル撮像装置1の概略構成を示す図である。図2は、ハイパースペクトル撮像装置1の演算処理部20及び記憶部22を示すブロック図である。
図1に示されるように、ハイパースペクトル撮像装置1は、被写体10が発する光や反射光が入射するレンズ12と、透過させる光の波長を時間の経過とともに変化させることによって、被写体10からの光を複数の波長の光に分光することができる光学フィルタ部13と、光学フィルタ部13を透過することによって分光された光を受光する受光面17を有する撮像素子18とを備える。撮像素子18は、受光した光を電気信号に変換して出力する。ハイパースペクトル撮像装置1は、さらに、変換された電気信号を取り込んでハイパースペクトルデータを生成する演算処理部20と、各種データ及びプログラム等を記憶するための記憶部22と、必要に応じてディスプレイ等の表示部24とを備える。
(First embodiment)
[Outline of device]
FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a hyperspectral imaging apparatus 1 according to the first embodiment of the present invention. FIG. 2 is a block diagram illustrating the arithmetic processing unit 20 and the storage unit 22 of the hyperspectral imaging apparatus 1.
As shown in FIG. 1, the hyperspectral imaging device 1 changes the wavelength of light transmitted from a lens 12 through which light emitted from or reflected from the subject 10 enters and the wavelength of transmitted light over time, thereby allowing light from the subject 10. Is provided with an optical filter unit 13 that can split the light into a plurality of wavelengths of light, and an image sensor 18 having a light receiving surface 17 that receives the light split by passing through the optical filter unit 13. The image sensor 18 converts the received light into an electrical signal and outputs it. The hyperspectral imaging apparatus 1 further includes an arithmetic processing unit 20 that takes in the converted electrical signal and generates hyperspectral data, a storage unit 22 for storing various data, programs, and the like, and a display as necessary. The display part 24 is provided.
本発明に係るハイパースペクトル撮像装置は、例えば、食品分野(例えば、野菜、肉、魚などの鮮度の可視化)、医療分野(例えば、悪性腫瘍の可視化)、リモートセンシング分野(例えば、上空からの植生の観察)、工業分野(例えば、電子回路の配線チェック)、化粧品分野(例えば、顔のしみや肌水分量の可視化)、セキュリティ分野(例えば、侵入者の検知)、農業分野(例えば、収穫時期の予測)などといった、さまざまな分野における用途に適用可能であり、こうした用途に適した構成及び出力手段(例えば、測定結果としてのスペクトル画像を表示する画像表示手段や、スペクトルデータを印刷する印刷手段など)を備えたスペクトル計測器として構成して用いることができる。 The hyperspectral imaging apparatus according to the present invention is, for example, a food field (for example, visualization of freshness of vegetables, meat, fish, etc.), a medical field (for example, visualization of malignant tumors), a remote sensing field (for example, vegetation from above). Observation), industrial field (for example, electronic circuit wiring check), cosmetic field (for example, visualization of facial stains and skin moisture), security field (for example, detection of intruders), agricultural field (for example, harvest time) For example, image display means for displaying a spectrum image as a measurement result, and printing means for printing spectrum data. Etc.) can be configured and used.
[各構成の説明]
以下、図1に示される各構成について、詳細に説明する。
[Description of each configuration]
Hereinafter, each configuration shown in FIG. 1 will be described in detail.
レンズ12は、被写体10からの光を受光し、その光を光学フィルタ部13に向ける。レンズ12は、レンズ駆動部(図示せず)によって光軸方向に駆動され、被写体10からの光を撮像素子18の受光面17に合焦させることができる。 The lens 12 receives light from the subject 10 and directs the light to the optical filter unit 13. The lens 12 is driven in the optical axis direction by a lens driving unit (not shown), and the light from the subject 10 can be focused on the light receiving surface 17 of the image sensor 18.
光学フィルタ部13は、透過させる光の波長を時間の経過とともに変化させることができるように構成されている。本実施形態においては、光学フィルタ部13は、リニア可変バンドパスフィルタ14と、このリニア可変バンドパスフィルタ14を移動させる機械的駆動部16とを含むものとすることができる。 The optical filter unit 13 is configured to change the wavelength of light to be transmitted with the passage of time. In the present embodiment, the optical filter unit 13 may include a linear variable bandpass filter 14 and a mechanical drive unit 16 that moves the linear variable bandpass filter 14.
リニア可変バンドパスフィルタ14は、撮像素子18の受光面17に対応するサイズ又はそれより大きいサイズの光学フィルタであり、透過させることができる光の波長が、一方の端部から他方の端部に向かって、λ1〜λnまで一方向に(以下、この方向を「波長変化方向」という。)、連続的に変化するスペクトル特性を備えている。図1の上方において示されているリニア可変バンドパスフィルタは、下方のリニア可変バンドパスフィルタ14を光の進行方向上流側からみた状態を表すものである。したがって、リニア可変バンドパスフィルタ14に入射した光のうちの特定の波長の光が、リニア可変バンドパスフィルタ14の一方の端部から他方の端部までの位置(すなわち、一方の端部からの波長変化方向の長さ)に応じて、リニア可変バンドパスフィルタ14を透過することになる。本発明の一実施形態においては、リニア可変バンドパスフィルタ14として、例えば、エドモンド・オプティクス・ジャパン株式会社のリニア可変バンドパスフィルタなどといった市販の光学フィルタを用いることができる。 The linear variable bandpass filter 14 is an optical filter having a size corresponding to or larger than the light receiving surface 17 of the image sensor 18, and the wavelength of light that can be transmitted from one end to the other end. On the other hand, it has spectral characteristics that continuously change in one direction from λ1 to λn (hereinafter, this direction is referred to as “wavelength change direction”). The linear variable bandpass filter shown in the upper part of FIG. 1 represents a state in which the lower linear variable bandpass filter 14 is viewed from the upstream side in the light traveling direction. Accordingly, light having a specific wavelength out of the light incident on the linear variable bandpass filter 14 is positioned from one end of the linear variable bandpass filter 14 to the other end (that is, from one end. Depending on the length of the wavelength change direction, the linear variable bandpass filter 14 is transmitted. In one embodiment of the present invention, a commercially available optical filter such as a linear variable bandpass filter manufactured by Edmund Optics Japan, Inc. can be used as the linear variable bandpass filter 14.
リニア可変バンドパスフィルタ14は、波長分解能Δλをより高くすることが可能となるように、受光面17との距離をできるだけ近づけることが好ましい。また、リニア可変バンドパスフィルタ14が、例えばガラスなどの基板に光学薄膜をコーティングしたものである場合には、波長分解能Δλをより高くすることが可能となるように、受光面17に近い方の面に光学薄膜がコーティングされたリニア可変バンドパスフィルタ14を用いることが好ましい。 The linear variable bandpass filter 14 is preferably as close as possible to the light receiving surface 17 so that the wavelength resolution Δλ can be further increased. Further, when the linear variable bandpass filter 14 is formed by coating an optical thin film on a substrate such as glass, the one closer to the light receiving surface 17 so that the wavelength resolution Δλ can be further increased. It is preferable to use a linear variable bandpass filter 14 whose surface is coated with an optical thin film.
リニア可変バンドパスフィルタ14には、機械的駆動部16が接続される。本実施形態においては、図1に示されるように、リニア可変バンドパスフィルタ14を、機械的駆動部16を用いて、撮像素子18の受光面17の法線方向に対して垂直に、波長変化方向に沿って移動させることによって、ある時点で受光面17の前(すなわち、被写体10からの光の進行方向上流側)に位置するリニア可変バンドパスフィルタ14の長さに対応する波長領域を透過した光が、受光面17によって受光される。なお、図1においては、リニア可変バンドパスフィルタ14を、波長変化方向が受光面17の上下方向になるように受光面17の法線方向に対して垂直に移動させているが、リニア可変バンドパスフィルタ14の移動方向はこの方向に限定されるものではなく、例えば、リニア可変バンドパスフィルタ14を、波長変化方向が受光面17の左右方向になるようにして受光面17の法線方向に対して垂直に移動させてもよい。 A mechanical drive unit 16 is connected to the linear variable bandpass filter 14. In the present embodiment, as shown in FIG. 1, the linear variable bandpass filter 14 is wavelength-changed perpendicularly to the normal direction of the light receiving surface 17 of the image sensor 18 using the mechanical drive unit 16. By moving along the direction, it passes through the wavelength region corresponding to the length of the linear variable bandpass filter 14 located in front of the light receiving surface 17 (that is, upstream in the traveling direction of light from the subject 10) at a certain point in time. The received light is received by the light receiving surface 17. In FIG. 1, the linear variable bandpass filter 14 is moved perpendicularly to the normal direction of the light receiving surface 17 so that the wavelength change direction is the vertical direction of the light receiving surface 17. The moving direction of the pass filter 14 is not limited to this direction. For example, the linear variable bandpass filter 14 is moved in the normal direction of the light receiving surface 17 so that the wavelength change direction is the left-right direction of the light receiving surface 17. However, it may be moved vertically.
例えば、図1に示されるように、透過させる光の波長が波長変化方向(すなわち、図1の上下方向)にλ1〜λnまで変化するように形成されたリニア可変バンドパスフィルタ14を用い、このリニア可変バンドパスフィルタ14を、撮像素子18の受光面17の下方から上方に向かって移動させることによって、被写体10からの光のうち波長λ1〜λnの光が、時間の経過ととともに順次、リニア可変バンドパスフィルタ14を透過して、受光面17によって受光される。機械的駆動部16は、演算処理部20の駆動部制御部203からの制御信号によって制御され、この制御信号によって、リニア可変バンドパスフィルタ14の移動速度が制御される。リニア可変バンドパスフィルタ14の動作と受光面17において受光される光の波長との関係については、図3を用いて後述する。 For example, as shown in FIG. 1, a linear variable bandpass filter 14 formed so that the wavelength of light to be transmitted changes from λ1 to λn in the wavelength change direction (that is, the vertical direction in FIG. 1) is used. By moving the linear variable bandpass filter 14 from the lower side to the upper side of the light receiving surface 17 of the image sensor 18, light of wavelengths λ1 to λn among the light from the subject 10 is linearly sequentially with time. The light passes through the variable bandpass filter 14 and is received by the light receiving surface 17. The mechanical drive unit 16 is controlled by a control signal from the drive unit control unit 203 of the arithmetic processing unit 20, and the moving speed of the linear variable bandpass filter 14 is controlled by this control signal. The relationship between the operation of the linear variable bandpass filter 14 and the wavelength of light received by the light receiving surface 17 will be described later with reference to FIG.
機械的駆動部16は、リニアモータを用いることも、回転式モータとボールねじとの組み合わせを用いることもできるが、リニアモータを用いることがより好ましい。リニアモータは、軸受けが無く、駆動系を小さくすることができるため、リニアモータを用いた装置は、回転式モータを用いた装置より小型化することができる。本発明の一実施形態においては、リニアモータとして、例えば、テクノハンズ株式会社の超音波モータTULAシリーズなどといった市販のリニアモータを用いることができる。本発明の別の実施形態においては、回転式モータとボールねじとの組み合わせとして、例えば、ゼイバー・テクノロジーズ社のリニアステージT−LSRシリーズなどを用いることができる。 The mechanical drive unit 16 can use a linear motor or a combination of a rotary motor and a ball screw, but it is more preferable to use a linear motor. Since the linear motor does not have a bearing and the drive system can be made smaller, a device using the linear motor can be made smaller than a device using a rotary motor. In one embodiment of the present invention, a commercially available linear motor such as an ultrasonic motor TULA series manufactured by Techno Hands Co., Ltd. can be used as the linear motor. In another embodiment of the present invention, as a combination of a rotary motor and a ball screw, for example, a linear stage T-LSR series manufactured by Zaber Technologies can be used.
撮像素子18は、 例えばCCDイメージセンサやCMOSイメージセンサを用いて構成することができ、撮像素子18の受光面17に結像された光を、画素ごとに電気信号に変換する。撮像素子18のサイズは、用いられる用途や装置の大きさによって適宜選択することができる。撮像素子18において変換された電気信号(デジタル信号)は、演算処理部20に取り込まれる。 The image sensor 18 can be configured using, for example, a CCD image sensor or a CMOS image sensor, and converts the light imaged on the light receiving surface 17 of the image sensor 18 into an electrical signal for each pixel. The size of the image sensor 18 can be appropriately selected depending on the application used and the size of the apparatus. The electric signal (digital signal) converted by the image sensor 18 is taken into the arithmetic processing unit 20.
演算処理部20は、図2に示されるように、駆動部制御部203、画像データ生成部204、データ変換部206、CPU210を含む。また、記憶部22は、演算処理部20において処理を行うのに必要なデータ、処理後のデータ、ワーキングデータ、各種プログラム等を記憶するものであり、画像データ記憶部222、HSD記憶部224、及びプログラム記憶部226を含む。 As illustrated in FIG. 2, the arithmetic processing unit 20 includes a drive unit control unit 203, an image data generation unit 204, a data conversion unit 206, and a CPU 210. The storage unit 22 stores data necessary for processing in the arithmetic processing unit 20, data after processing, working data, various programs, and the like. The image data storage unit 222, the HSD storage unit 224, And a program storage unit 226.
駆動部制御部203は、リニア可変バンドパスフィルタ14を受光面17の法線方向に対して垂直に、好ましくは一定の速度で移動させるように、機械的駆動部16を制御する。画像データ生成部204は、撮像素子18において変換された電気信号を取得するとともに、駆動部制御部203からリニア可変バンドパスフィルタ14の移動速度に関するデータを取得し、上述の電気信号と移動速度データとを用いて、画素ごとに光の強度又は光の強度に基づく物理量(例えば、反射率など)Iを表す画像データを生成する。ある時間tにおいて受光面17で受光される光の波長λは、時間tにおいて受光面17の前に位置する、リニア可変バンドパスフィルタ14の波長変化方向の長さによって、決まる。この長さは、時間tとリニア可変バンドパスフィルタ14の移動速度vとから算出することができる。画像データ生成部204は、各々の画素の位置情報x、yと、各々の画素において受光された光の波長情報λと、光が受光された時間の情報tとの対応付けを行い、画像データI(t,x,y,λ)を生成する。 The drive unit control unit 203 controls the mechanical drive unit 16 so as to move the linear variable bandpass filter 14 perpendicular to the normal direction of the light receiving surface 17, preferably at a constant speed. The image data generation unit 204 acquires the electrical signal converted by the image sensor 18 and also acquires data related to the moving speed of the linear variable bandpass filter 14 from the drive unit control unit 203, and the above-described electric signal and moving speed data. Are used to generate image data representing the intensity of light or a physical quantity (for example, reflectance) I based on the intensity of light for each pixel. The wavelength λ of the light received by the light receiving surface 17 at a certain time t is determined by the length of the linear variable bandpass filter 14 in the wavelength changing direction located before the light receiving surface 17 at the time t. This length can be calculated from the time t and the moving speed v of the linear variable bandpass filter 14. The image data generation unit 204 associates the positional information x, y of each pixel, the wavelength information λ of the light received at each pixel, and the information t of the time when the light is received, and the image data I (t, x, y, λ) is generated.
生成された画像データは、画像データ記憶部222に記憶される。データ変換部206は、画像データ記憶部222から画像データを読み出し、ハイパースペクトルデータ(HSD)に変換する。変換されたハイパースペクトルデータは、HSD記憶部224に記憶される。こうして変換されたハイパースペクトルデータは、演算処理部20の外部出力部208によって必要に応じて加工され、外部モニタに画像として視覚的に出力したり、プリンタ装置によってデータや画像を印刷したりすることができる。 The generated image data is stored in the image data storage unit 222. The data conversion unit 206 reads the image data from the image data storage unit 222 and converts it into hyperspectral data (HSD). The converted hyperspectral data is stored in the HSD storage unit 224. The hyperspectral data thus converted is processed as necessary by the external output unit 208 of the arithmetic processing unit 20, and is visually output as an image on an external monitor, or the data or image is printed by a printer device. Can do.
以下に、光学フィルタ部13の動作と、ハイパースペクトルデータの生成について、詳細に説明する。 Hereinafter, the operation of the optical filter unit 13 and the generation of hyperspectral data will be described in detail.
[光学フィルタ部の動作及びHSDの生成]
図3は、リニア可変バンドパスフィルタ14を用いた本実施形態において、撮像素子18の受光面17に受光される光の波長が時間の経過とともにどのように変化するかを、模式的に示したものである。リニア可変バンドパスフィルタ14は、図1に示されるように、撮像素子18の受光面17の前に配置されており、機械的駆動部16によって、受光面17の法線方向に対して垂直に移動する。リニア可変バンドパスフィルタ14の移動方向は、波長変化方向である。
[Operation of optical filter section and generation of HSD]
FIG. 3 schematically shows how the wavelength of light received by the light receiving surface 17 of the image sensor 18 changes with time in the present embodiment using the linear variable bandpass filter 14. Is. As shown in FIG. 1, the linear variable bandpass filter 14 is disposed in front of the light receiving surface 17 of the image sensor 18, and is perpendicular to the normal direction of the light receiving surface 17 by the mechanical drive unit 16. Moving. The moving direction of the linear variable bandpass filter 14 is the wavelength changing direction.
リニア可変バンドパスフィルタ14の上端14aが撮像素子18の受光面17の下端17bと一致しているときを時刻T=t0とする。リニア可変バンドパスフィルタ14のこの基準位置は、装置の製造時に正確に位置出しされる。次に、フィルタ14の上端14aは、T=t0〜t1の間に、受光面17の下端17bから上端17aの方向に向かって一定の移動速度vで移動し、時刻T=t1において、図3(a)に示されるように、例えば受光面17の下端17bからL1の距離に位置する。L1の長さは、移動速度vと時間t1とを用いて算出することができる。このとき、リニア可変バンドパスフィルタ14は、(長さL1)×(受光面の横の長さ)から求められる受光面17の面積を覆っていることになる。時刻T=t1の時点では、リニア可変バンドパスフィルタ14は、波長変化方向の長さL1内の位置に対応する複数の波長、例えばλ1〜λ2の光を透過させる。T=t0〜t1の間に、リニア可変バンドパスフィルタ14は、波長変化方向の長さL1内の位置に対応する複数の波長(ここでは、λ1〜λ2)の光を、時間の経過とともに順次透過させ、その結果、受光面17においては、時間の経過とともに、透過した波長λ1及びλ2の光が順次受光される。 A time T = t0 is defined when the upper end 14a of the linear variable bandpass filter 14 is coincident with the lower end 17b of the light receiving surface 17 of the image sensor 18. This reference position of the linear variable bandpass filter 14 is accurately located when the device is manufactured. Next, the upper end 14a of the filter 14 moves from the lower end 17b of the light receiving surface 17 toward the upper end 17a at a constant moving speed v between T = t0 and t1, and at time T = t1, FIG. As shown in (a), for example, it is located at a distance L1 from the lower end 17b of the light receiving surface 17. The length of L1 can be calculated using the moving speed v and time t1. At this time, the linear variable bandpass filter 14 covers the area of the light receiving surface 17 obtained from (length L1) × (the lateral length of the light receiving surface). At time T = t1, the linear variable bandpass filter 14 transmits light having a plurality of wavelengths, for example, λ1 to λ2, corresponding to positions within the length L1 in the wavelength change direction. During T = t0 to t1, the linear variable bandpass filter 14 sequentially receives light of a plurality of wavelengths (here, λ1 to λ2) corresponding to positions within the length L1 in the wavelength change direction as time passes. As a result, the light receiving surface 17 sequentially receives the transmitted light of wavelengths λ1 and λ2 over time.
リニア可変バンドパスフィルタ14は、一定の移動速度vでさらに移動し、時刻T=tmのときに、図3(b)に示されるように、フィルタ14の上端14aは、例えば受光面17の上端17aと一致する位置、すなわち受光面17の下端17bからL2の距離に達する。L2の長さは、移動速度vと時間tmとを用いて算出することができる。時刻T=tmの時点では、リニア可変バンドパスフィルタ14は、波長変化方向の長さL2内の位置に対応する複数の波長、例えばλ1〜λm〜λn−rの光を透過させる。T=t1〜tmの間に、リニア可変バンドパスフィルタ14は、波長変化方向の長さL2内の位置に対応する複数の波長(ここでは、λ1〜λm〜λn−r)の光を、時間の経過とともに順次透過させ、その結果、受光面17においては、時間の経過とともに、透過した波長の光が順次受光される。 The linear variable bandpass filter 14 further moves at a constant moving speed v. When time T = tm, the upper end 14a of the filter 14 is, for example, the upper end of the light receiving surface 17, as shown in FIG. A position corresponding to 17a, that is, a distance L2 from the lower end 17b of the light receiving surface 17 is reached. The length of L2 can be calculated using the moving speed v and time tm. At time T = tm, the linear variable bandpass filter 14 transmits light having a plurality of wavelengths, for example, λ1 to λm to λn−r, corresponding to positions within the length L2 in the wavelength change direction. During T = t1 to tm, the linear variable bandpass filter 14 transmits light of a plurality of wavelengths (in this case, λ1 to λm to λn−r) corresponding to positions within the length L2 in the wavelength change direction over time. As a result, the light receiving surface 17 sequentially receives light having the transmitted wavelengths as time passes.
リニア可変バンドパスフィルタ14は、一定の移動速度vでさらに移動し、時刻T=tnのときには、図3(c)に示されるように、フィルタ14の下端14bは、例えば受光面17の上端17aからL3の距離に位置する。時刻T=tnの時点では、リニア可変バンドパスフィルタ14は、波長変化方向の長さL3内の位置に対応する複数の波長、例えばλn−2〜λnの光を透過させる。T=tm〜tnの間に、リニア可変バンドパスフィルタ14は、この間に受光面17の前に位置する波長変化方向の長さに対応する複数の波長(ここでは、λ1〜λn)の光を、時間の経過とともに順次透過させ、その結果、受光面17においては、時間の経過とともに、透過した波長領域の光が順次受光される。すべての波長についてデータの取得を終えると、リニア可変バンドパスフィルタ14は、基準位置に戻される。 The linear variable bandpass filter 14 further moves at a constant moving speed v. When time T = tn, the lower end 14b of the filter 14 is, for example, the upper end 17a of the light receiving surface 17 as shown in FIG. To L3. At time T = tn, the linear variable bandpass filter 14 transmits light having a plurality of wavelengths, for example, λn−2 to λn, corresponding to positions within the length L3 in the wavelength changing direction. During T = tm to tn, the linear variable bandpass filter 14 emits light of a plurality of wavelengths (here, λ1 to λn) corresponding to the length in the wavelength changing direction located in front of the light receiving surface 17 during this period. As a result, the light is sequentially transmitted with the passage of time. As a result, the light receiving surface 17 sequentially receives the light in the transmitted wavelength region with the passage of time. When the acquisition of data for all wavelengths is completed, the linear variable bandpass filter 14 is returned to the reference position.
このようにして受光面17に受光された光は、撮像素子18によって電気信号に変換され、変換された電気信号から、画像データ生成部204によって、受光された時刻ごとに複数の波長に分光された画像データが作成される。作成された画像データは、画像データ記憶部222に順次格納される。取得される光の波長の精度(波長分解能)Δλは、画像データのサンプリング時間間隔ΔTと、リニア可変バンドパスフィルタ14の移動速度vと、リニア可変バンドパスフィルタ14の性能(波長変化方向における単位長さ当たりの透過波長幅)とによって決まる。したがって、サンプリング時間間隔ΔTを短くするか、リニア可変バンドパスフィルタ14の移動速度vを遅くすることによって、用途に応じて必要な波長分解能Δλでデータを取得することができる。本実施形態においてここで取得される画像データは、撮像素子18の受光面17の幅方向をx方向、当該x方向に直交する方向をy方向とすると、時間tiごとに各画素(xi,yi)において受光された波長λiの光の強度IのデータセットI(ti,xi,yi,λi)であり、すなわち、撮像素子の画素ごとに取得された、画素の位置情報、波長情報及び時間情報と関連付けられた光の強度のデータ又は光の強度に基づく物理量のデータである。 The light received on the light receiving surface 17 in this manner is converted into an electrical signal by the image sensor 18, and the converted electrical signal is split into a plurality of wavelengths at each received time by the image data generation unit 204. Created image data. The created image data is sequentially stored in the image data storage unit 222. The accuracy (wavelength resolution) Δλ of the wavelength of the acquired light is the sampling time interval ΔT of the image data, the moving speed v of the linear variable bandpass filter 14, and the performance (unit in the wavelength change direction) of the linear variable bandpass filter 14. Transmission wavelength width per length). Therefore, by shortening the sampling time interval ΔT or slowing the moving speed v of the linear variable bandpass filter 14, data can be acquired with a required wavelength resolution Δλ depending on the application. In the present embodiment, the image data acquired here is each pixel (xi, yi) every time ti, where the width direction of the light receiving surface 17 of the image sensor 18 is the x direction and the direction orthogonal to the x direction is the y direction. ) Is the data set I (ti, xi, yi, λi) of the intensity I of the light having the wavelength λi received in (i.e., pixel position information, wavelength information, and time information acquired for each pixel of the image sensor). Data of light intensity associated with or a physical quantity data based on the light intensity.
図4は、このデータセットのイメージを表している。図中において、升目の各々は撮像素子の画素を表し、画素内の斜線の高さが、光の強度を表す。なお、図4はデータセットのイメージを説明するためのものであるため、図における撮像素子の画素の数は、実際の撮像素子の数より大幅に少なく表されている。例えば、時刻T=t1のときに画素(xn,y1)において受光された光(波長λ2)の強度のデータは、I(t1,xn,y1、λ2)となる。また、例えば、時刻T=tmのときに画素(x1,yn)において受光された光(波長λ1)の強度のデータは、I(tm,x1,yn、λ1)となり、画素(xm,ym)において受光された光(波長λm)の強度のデータは、I(tm,xm,ym、λm)となる。さらに、時刻T=tnのときに画素(xm,yn)において受光された光(波長λn−2)の強度のデータは、I(tn,xm,yn,λn−2)となる。 FIG. 4 shows an image of this data set. In the figure, each cell represents a pixel of the image sensor, and the height of the oblique line in the pixel represents the intensity of light. Since FIG. 4 is for explaining the image of the data set, the number of pixels of the image pickup element in the drawing is represented significantly smaller than the actual number of image pickup elements. For example, the intensity data of the light (wavelength λ2) received at the pixel (xn, y1) at time T = t1 is I (t1, xn, y1, λ2). For example, the intensity data of the light (wavelength λ1) received at the pixel (x1, yn) at time T = tm is I (tm, x1, yn, λ1), and the pixel (xm, ym) The intensity data of the light received at (wavelength λm) is I (tm, xm, ym, λm). Further, the intensity data of the light (wavelength λn−2) received at the pixel (xm, yn) at time T = tn is I (tn, xm, yn, λn−2).
画像データは、次に、データ変換部206によって画像データ記憶部222から読み出され、ハイパースペクトルデータ(HSD)に変換される。画像データ記憶部222に格納されている画像データは、上述のように、時間tiごとに各画素(xi,yi)における波長λiの光の強度のデータI(ti,xi,yi,λi)であり、データ変換部206は、これらのデータを読み出して、波長λiごとの各画素の位置(xi,yi)における光の強度のデータとして再配列することによって、ハイパースペクトルデータI(xi,yi,λi)を生成する。すなわち、このハイパースペクトルデータは、画素の位置情報及び波長情報と関連付けられた光の強度のデータ又は光の強度に基づく物理量のデータである。生成されたハイパースペクトルデータは、HSD記憶部224に格納される。 Next, the image data is read from the image data storage unit 222 by the data conversion unit 206 and converted into hyperspectral data (HSD). As described above, the image data stored in the image data storage unit 222 is the light intensity data I (ti, xi, yi, λi) at the wavelength λi at each pixel (xi, yi) at each time ti. Yes, the data conversion unit 206 reads out these data and rearranges them as light intensity data at the position (xi, yi) of each pixel for each wavelength λi, so that the hyperspectral data I (xi, yi, λi) is generated. That is, the hyperspectral data is light intensity data associated with pixel position information and wavelength information, or physical quantity data based on the light intensity. The generated hyperspectral data is stored in the HSD storage unit 224.
(第2の実施形態)
以下、本発明に係るハイパースペクトル撮像装置及びハイパースペクトル撮像方法を具体化した第2の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。図5は、第1の実施形態を示す図1に対応する図として、第2の実施形態に係るハイパースペクトル撮像装置1の概略構成を示す図である。本実施形態においては、光学フィルタ部13の構成が第1の実施形態と異なっている。なお、図5において、図1に示される各要素と同一の要素については、それぞれ同一の符号を付しており、重複する要素についてはここでは説明しない。
(Second Embodiment)
Hereinafter, a second embodiment that embodies the hyperspectral imaging apparatus and hyperspectral imaging method according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 5 is a diagram illustrating a schematic configuration of a hyperspectral imaging device 1 according to the second embodiment as a diagram corresponding to FIG. 1 illustrating the first embodiment. In the present embodiment, the configuration of the optical filter unit 13 is different from that of the first embodiment. In FIG. 5, the same elements as those shown in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and overlapping elements will not be described here.
[光学フィルタ部の構成]
本実施形態のハイパースペクトル撮像装置1は、光学フィルタ部13において、電圧を加えることによって透過する光の屈折率を任意に変化させることができ、それによって、入射光の進行方向に対する出射光の進行方向の角度を任意に変化させることが可能な、屈折率可変材料30を用いる。屈折率可変材料30は、光学フィルタ部13において、リニア可変バンドパスフィルタ14の前(すなわち、被写体10からの光の進行方向上流側)に設けられる。この実施形態においては、リニア可変バンドパスフィルタ14は、受光面17の前に、受光面17全体を覆うように固定されており、したがって、リニア可変バンドパスフィルタ14を移動させるための機械的駆動部16は不要である。リニア可変バンドパスフィルタ14は、取得することが必要な波長域全体が受光面17を覆うように配置される。
[Configuration of optical filter section]
The hyperspectral imaging device 1 of the present embodiment can arbitrarily change the refractive index of light that is transmitted by applying a voltage in the optical filter unit 13, thereby causing the outgoing light to travel in the traveling direction of the incident light. The refractive index variable material 30 capable of arbitrarily changing the direction angle is used. The refractive index variable material 30 is provided in the optical filter unit 13 in front of the linear variable bandpass filter 14 (that is, upstream in the traveling direction of light from the subject 10). In this embodiment, the linear variable bandpass filter 14 is fixed before the light receiving surface 17 so as to cover the entire light receiving surface 17, and therefore, a mechanical drive for moving the linear variable bandpass filter 14. The part 16 is not necessary. The linear variable bandpass filter 14 is arranged so that the entire wavelength range that needs to be acquired covers the light receiving surface 17.
屈折率可変材料30には、屈折率可変材料30の屈折率を変化させるための電気的駆動部32が接続され、電気的駆動部32の動作は、演算処理部20の駆動部制御部203によって制御される。こうした屈折率可変材料30とリニア可変バンドパスフィルタ14とを用いて光学フィルタ部13を構成することによって、第1の実施形態とは異なり、機械的駆動部の存在しない構成が可能となるため、装置をさらに小型化することができるとともに、装置自体が振動の影響を受けないため画像がぶれにくく、より鮮明な画像を得ることができる。 The refractive index variable material 30 is connected to an electrical drive unit 32 for changing the refractive index of the refractive index variable material 30, and the operation of the electrical drive unit 32 is performed by the drive unit control unit 203 of the arithmetic processing unit 20. Be controlled. Unlike the first embodiment, by configuring the optical filter unit 13 using such a refractive index variable material 30 and the linear variable bandpass filter 14, a configuration without a mechanical drive unit is possible. The apparatus can be further reduced in size, and the apparatus itself is not affected by vibration, so that the image is less likely to be blurred and a clearer image can be obtained.
本実施形態における屈折率可変材料30として、典型的には、KTN結晶(KTa1−xNbxO3)を用いることができるが、これに限定されるものではなく、屈折率可変材料30として、例えばニオブ酸リチウム結晶(LiNbO3)、タンタル酸リチウム結晶(LiTaO3)、ニオブ酸カリウム(KNbO3)などといった、電気光学効果を有する他の材料を用いることもできる。「電気光学効果」は、電圧を加えることにより材料の屈折率が変化する現象をいい、加えた電圧に屈折率変化が比例する効果は「1次の電気光学効果」(ポッケルス効果)、加えた電圧の二乗に屈折率変化が比例する効果は「2次の電気光学効果」(カー効果)と呼ばれている。例えばKTN結晶は、カリウム、タンタル、ニオブ及び酸素からなる透明な電気光学結晶であり、2次の電気光学効果が極めて大きい材料として知られている。KTN結晶の詳細は、例えば非特許文献1に記載されている。 As the refractive index variable material 30 in the present embodiment, typically, a KTN crystal (KTa 1-x Nb x O 3 ) can be used, but is not limited to this, and the refractive index variable material 30 is For example, other materials having an electro-optic effect such as lithium niobate crystal (LiNbO 3 ), lithium tantalate crystal (LiTaO 3 ), potassium niobate (KNbO 3 ), and the like can also be used. “Electro-optic effect” refers to a phenomenon in which the refractive index of a material changes when a voltage is applied. The effect that the refractive index change is proportional to the applied voltage is the “first-order electro-optic effect” (Pockels effect). The effect in which the refractive index change is proportional to the square of the voltage is called “second-order electro-optic effect” (Kerr effect). For example, the KTN crystal is a transparent electro-optic crystal made of potassium, tantalum, niobium and oxygen, and is known as a material having a very large secondary electro-optic effect. Details of the KTN crystal are described in Non-Patent Document 1, for example.
[光学フィルタ部の動作及びHSDの生成]
このように屈折率可変材料30は、電気的駆動部32からの制御電圧の大きさによってその屈折率を任意に変化させることができる。したがって、屈折率可変材料30を透過する際に屈折によって進行方向が変化した光が、リニア可変バンドパスフィルタ14の波長変化方向全体を順次網羅するように、電気的駆動部32から屈折率可変材料30に加える制御電圧の大きさを時間の経過とともに変化させることによって、被写体10からの光を複数の波長の光に分光することができる。透過した光がリニア可変バンドパスフィルタ14の波長変化方向全体を網羅するように屈折率を変化させることができるようにするための制御電圧の大きさは、屈折率可変材料30の種類に応じて変わるものであり、装置の製造時には、制御電圧の大きさと光の屈折角度との関係が調整される。
[Operation of optical filter section and generation of HSD]
Thus, the refractive index variable material 30 can arbitrarily change its refractive index according to the magnitude of the control voltage from the electric drive unit 32. Therefore, the refractive index variable material is supplied from the electric drive unit 32 so that the light whose traveling direction has changed due to refraction when passing through the refractive index variable material 30 sequentially covers the entire wavelength changing direction of the linear variable bandpass filter 14. By changing the magnitude of the control voltage applied to 30 over time, the light from the subject 10 can be split into light of a plurality of wavelengths. The magnitude of the control voltage for allowing the transmitted light to change the refractive index so as to cover the entire wavelength changing direction of the linear variable bandpass filter 14 depends on the type of the refractive index variable material 30. In the manufacture of the device, the relationship between the magnitude of the control voltage and the light refraction angle is adjusted.
例えば、時刻T=t1において、電気的駆動部32からの電圧によって、屈折率可変材料30の屈折率が、該屈折率可変材料30から出射した光が図5(a)において一点鎖線で示される光路(Pt1)を進むように制御されたときには、当該光のうち、当該光の光路上にあるリニア可変バンドパスフィルタ14の位置(すなわちリニア可変バンドパスフィルタ14の下方)における透過波長に対応する複数の波長、例えばλ1〜λ2の光が、リニア可変バンドパスフィルタ14を透過し、撮像素子18の受光面17において受光される。このときの受光面17における受光状態は、例えば図5(b)においてT=t1として示される状態となる。なお、本実施形態においては、リニア可変バンドパスフィルタ14は、図1に示される第1の実施形態とは上下逆に配置されている。 For example, at time T = t1, the refractive index of the refractive index variable material 30 is indicated by a one-dot chain line in FIG. 5A due to the refractive index of the refractive index variable material 30 by the voltage from the electrical drive unit 32. When controlled to travel along the optical path (Pt1), it corresponds to the transmission wavelength of the light at the position of the linear variable bandpass filter 14 on the optical path of the light (ie, below the linear variable bandpass filter 14). Light having a plurality of wavelengths, for example, λ1 to λ2, passes through the linear variable bandpass filter 14 and is received by the light receiving surface 17 of the image sensor 18. The light receiving state on the light receiving surface 17 at this time is, for example, a state shown as T = t1 in FIG. In the present embodiment, the linear variable bandpass filter 14 is disposed upside down with respect to the first embodiment shown in FIG.
次いで、時刻T=tmにおいて、電気的駆動部32からの電圧によって、屈折率可変材料30の屈折率が、該屈折率可変材料30から出射した光が図5(a)において実線で示される光路(Ptm)を進むように制御されたときには、当該光のうち、当該光の光路上にあるリニア可変バンドパスフィルタ14の位置(すなわちリニア可変バンドパスフィルタ14の中央付近)における透過波長に対応する複数の波長、例えばλm−1〜λm+1の光が、リニア可変バンドパスフィルタ14を透過し、受光面17において受光される。このときの受光面17における受光状態は、例えば図5(b)においてT=tmとして示される状態となる。同様に、時刻T=tnにおいて、電気的駆動部32からの電圧によって、屈折率可変材料30の屈折率が、該屈折率可変材料30から出射した光が図5(a)において点線で示される光路(Ptn)を進むように制御されたときには、受光面17の状態は、図5(b)においてT=tnとして示される状態となる。 Next, at time T = tm, the refractive index of the refractive index variable material 30 is changed by the voltage from the electric drive unit 32, and the light emitted from the refractive index variable material 30 is indicated by a solid line in FIG. When controlled to travel (Ptm), it corresponds to the transmission wavelength of the light at the position of the linear variable bandpass filter 14 on the optical path of the light (that is, near the center of the linear variable bandpass filter 14). Light having a plurality of wavelengths, for example, λm−1 to λm + 1, passes through the linear variable bandpass filter 14 and is received by the light receiving surface 17. The light receiving state on the light receiving surface 17 at this time is, for example, a state shown as T = tm in FIG. Similarly, at time T = tn, the refractive index of the refractive index variable material 30 is indicated by a dotted line in FIG. 5A due to the refractive index of the refractive index variable material 30 by the voltage from the electrical drive unit 32. When controlled to travel along the optical path (Ptn), the state of the light receiving surface 17 becomes a state shown as T = tn in FIG. 5B.
このようにして受光面17に受光された光は、撮像素子18によって電気信号に変換され、変換された電気信号から、画像データ生成部204によって、受光された時刻ごとに複数の波長に分光された画像データが作成される。作成された画像データは、画像データ記憶部222に順次格納される。本実施形態においてここで取得される画像データは、第1の実施形態と同様に、時間tiごとに各画素(xi,yi)において受光された波長λiの光の強度IのデータセットI(ti,xi,yi,λi)であり、すなわち、撮像素子の画素ごとに取得された、画素の位置情報、波長情報及び時間情報と関連付けられた光の強度のデータ又は光の強度に基づく物理量のデータである。 The light received on the light receiving surface 17 in this manner is converted into an electrical signal by the image sensor 18, and the converted electrical signal is split into a plurality of wavelengths at each received time by the image data generation unit 204. Created image data. The created image data is sequentially stored in the image data storage unit 222. In the present embodiment, the image data acquired here is the data set I (ti of the intensity I of the light of the wavelength λi received at each pixel (xi, yi) every time ti, as in the first embodiment. , Xi, yi, λi), that is, light intensity data or physical quantity data based on light intensity associated with pixel position information, wavelength information, and time information acquired for each pixel of the image sensor. It is.
図6は、このデータセットのイメージを表している。図中において、升目の各々は撮像素子の画素を表し、画素内の斜線の高さが、光の強度を表す。なお、図6はデータセットのイメージを説明するためのものであるため、図における撮像素子の画素の数は、実際の撮像素子の数より大幅に少なく表されている。例えば、時刻T=t1のときに画素(x1,y2)において受光された光(波長λ2)の強度のデータは、I(t1,x1,y2、λ2)となる。また、例えば、時刻T=tmのときに画素(x2,ym)において受光された光(波長λm)の強度のデータは、I(tm,x2,ym、λm)となる。さらに、例えば時刻T=tnのときに画素(x1,yn−1)において受光された光(波長λn−1)の強度のデータは、I(tn,x1,yn−1,λn−1)となる。取得された画像データは、第1の実施形態と同様に、データ変換部206によってハイパースペクトルデータに変換される。 FIG. 6 shows an image of this data set. In the figure, each cell represents a pixel of the image sensor, and the height of the oblique line in the pixel represents the intensity of light. Since FIG. 6 is for explaining the image of the data set, the number of pixels of the image sensor in the figure is represented significantly smaller than the actual number of image sensors. For example, the intensity data of the light (wavelength λ2) received at the pixel (x1, y2) at time T = t1 is I (t1, x1, y2, λ2). For example, the intensity data of the light (wavelength λm) received at the pixel (x2, ym) at time T = tm is I (tm, x2, ym, λm). Further, for example, the intensity data of the light (wavelength λn−1) received at the pixel (x1, yn−1) at time T = tn is I (tn, x1, yn−1, λn−1). Become. The acquired image data is converted into hyperspectral data by the data conversion unit 206 as in the first embodiment.
1 ハイパースペクトル撮像装置
10 被写体
12 レンズ
13 光学フィルタ部
14 リニア可変バンドパスフィルタ
16 機械的駆動部
17 受光面
18 撮像素子
20 演算処理部
203 駆動部制御部
204 画像データ生成部
206 データ変換部
208 外部出力部
210 CPU
222 画像データ記憶部
224 HSD記憶部
226 プログラム記憶部
22 記憶部
24 表示部
30 屈折率可変材料
32 電気的駆動部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Hyperspectral imaging device 10 Subject 12 Lens 13 Optical filter part 14 Linear variable band pass filter 16 Mechanical drive part 17 Light-receiving surface 18 Image sensor 20 Arithmetic processing part 203 Drive part control part 204 Image data generation part 206 Data conversion part 208 External Output unit 210 CPU
222 Image data storage unit 224 HSD storage unit 226 Program storage unit 22 Storage unit 24 Display unit 30 Refractive index variable material 32 Electrical drive unit
Claims (3)
被写体からの光が入射するレンズと、
透過させる光の波長を時間の経過とともに変化させることによって、前記被写体からの光を複数の波長の光に分光する、光学フィルタ部と、
前記レンズからの光の焦点位置に受光面が配置され、前記光学フィルタ部によって分光された光を受光して電気信号に変換する複数の画素を有する、撮像素子と、
前記撮像素子によって生成された電気信号から、前記撮像素子の画素ごとに、画素の位置情報、波長情報及び時間情報と関連付けられた光の強度又は光の強度に基づく物理量のデータを生成し、これらのデータを画素の位置情報及び波長情報と関連付けられた光の強度又は光の強度に基づく物理量のデータに変換する、演算処理部と
を備え、
前記光学フィルタ部は、
透過させる光の波長が一方向に連続的に変化するように構成されたリニア可変バンドパスフィルタと、
前記リニア可変バンドパスフィルタに対して光の進行方向上流側に配置され、屈折率を変化させることによって入射した光の進行方向に対する出射する光の進行方向の角度を任意に変化させることが可能な屈折率可変材料と、
前記屈折率可変材料の屈折率を時間の経過とともに変化させる電圧を前記屈折率可変材料に加えるための電気的駆動部と
を有する、撮像装置。 An imaging apparatus that images the subject by splitting light from the subject into light having a plurality of wavelengths and causing the imaging device to receive the split light,
A lens on which light from the subject is incident;
An optical filter unit that splits light from the subject into light of a plurality of wavelengths by changing the wavelength of light to be transmitted with the passage of time; and
An image sensor having a light receiving surface disposed at a focal position of light from the lens, and having a plurality of pixels that receive light dispersed by the optical filter unit and convert the light into an electrical signal;
From the electrical signal generated by the image sensor, for each pixel of the image sensor, generate physical quantity data based on the light intensity or light intensity associated with the pixel position information, wavelength information and time information, and An arithmetic processing unit that converts the data of the above into the data of the physical quantity based on the light intensity or the light intensity associated with the pixel position information and the wavelength information ,
The optical filter section is
A linear variable bandpass filter configured to continuously change the wavelength of light to be transmitted in one direction;
Arranged upstream of the linear variable bandpass filter in the light traveling direction, by changing the refractive index, the angle of the traveling direction of the emitted light with respect to the traveling direction of the incident light can be arbitrarily changed. A refractive index variable material;
An electric drive unit for applying a voltage to the refractive index variable material to change a refractive index of the refractive index variable material over time;
That having a, an imaging device.
被写体からの光を、受光した光を電気信号に変換する複数の画素を有する撮像素子の受光面に合焦させるステップと、
前記被写体からの光を、時間の経過とともに複数の波長の光に分光するステップと、
前記分光された光を前記撮像素子によって受光して、画素ごとに電気信号に変換するステップと、
電気信号に変換する前記ステップによって生成された電気信号から、前記撮像素子の画素ごとに、画素の位置情報、波長情報及び時間情報と関連付けられた光の強度又は光の強度に基づく物理量のデータを生成し、これらのデータを画素の位置情報及び波長情報と関連付けられた光の強度又は光の強度に基づく物理量のデータに変換するステップと
を含み、
前記分光するステップは、
屈折率を変化させることによって入射した光の進行方向に対する出射する光の進行方向の角度を任意に変化させることが可能な屈折率可変材料に、時間の経過とともに屈折率を変化させるための電圧を加えるステップと、
前記被写体からの光を、前記屈折率可変材料を透過させるステップと、
前記屈折率可変材料を透過した光を、透過させる光の波長領域が一方向に連続的に変化するように構成されたリニア可変バンドパスフィルタを透過させるステップと
を含む、撮像方法。
An imaging method for imaging the subject by splitting light from the subject into a plurality of wavelengths and causing the imaging device to receive the split light,
Focusing light from a subject on a light receiving surface of an imaging device having a plurality of pixels that convert the received light into an electrical signal;
Splitting the light from the subject into light of a plurality of wavelengths over time;
Receiving the dispersed light by the image sensor and converting the light into an electrical signal for each pixel;
From the electrical signal generated by the step of converting to an electrical signal, for each pixel of the image sensor, data of physical quantity based on the light intensity or light intensity associated with the pixel position information, wavelength information and time information is obtained. produced, see containing and converting these data into data of a physical quantity based on the intensity or the intensity of light of the light associated with the positional information and the wavelength information of the pixel,
The spectroscopic step includes:
A voltage for changing the refractive index over time is applied to the refractive index variable material that can arbitrarily change the angle of the outgoing light traveling direction with respect to the traveling direction of incident light by changing the refractive index. Adding steps,
Transmitting light from the subject through the refractive index variable material;
Transmitting the light transmitted through the refractive index variable material through a linear variable bandpass filter configured to continuously change the wavelength region of the transmitted light in one direction; and
Including, imaging methods.
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