JP5928076B2 - 分析方法、撮像装置 - Google Patents
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Description
上記特許文献1に記載された方法を活用すれば、被写体である食品(上記の物質に相当する)からの光を複数の波長域に分光し、分光した波長域ごとに撮像して分光画像を取得することによって、光に対する食品の特性を把握することができる。つまり、複数の分光画像を解析することにより、食品や食品の成分に吸収されやすい光の波長が把握されるので、吸収されやすい光の波長に対応する物質として特定したり、食品の成分を分析したりすることができる。
つまり、従来の分析方法では、分析における精度を向上させることが困難であるという課題がある。
スペクトル特性を分析するステップでは、それぞれの分光画像の被写像を複数の領域に分割し、領域ごとにスペクトル特性を分析する。スペクトル特性は、分光光の波長に対するスペクトルの特性である。
被写体の成分を分析するステップでは、複数の領域のうちの少なくとも1つの領域におけるスペクトル特性に基づいて、被写体の成分を分析する。
ここで、被写体の撮像において、被写体からの光に正反射光が含まれると、被写体のスペクトル特性を正確に把握することが困難となる。このような場合、被写体の成分の分析における精度が低下しやすくなる。
そこで、この分析方法では、光源からの光についてのスペクトル特性と同じスペクトル特性を有する領域を、成分の分析の対象から除外する方法が採用されている。被写像のうち光源からの光が正反射した領域では、スペクトル特性が光源からの光についてのスペクトル特性と同じになる。このため、光源からの光についてのスペクトル特性と同じスペクトル特性を有する領域を、成分の分析の対象から除外することによって、複数の領域のうち正反射光を含む領域を成分の分析の対象から除外することができる。これにより、被写体のスペクトル特性を正確に把握しやすくすることができるので、被写体の成分の分析における精度を向上させやすくすることができる。
ここで、被写体の撮像において、被写体からの光に正反射光が含まれると、被写体のスペクトル特性を正確に把握することが困難となる。このような場合、被写体の成分の分析における精度が低下しやすくなる。
そこで、この撮像装置では、成分分析部によって、光源からの光についてのスペクトル特性と同じスペクトル特性を有する領域が、成分の分析の対象から除外される。被写像のうち光源からの光が正反射した領域では、スペクトル特性が光源からの光についてのスペクトル特性と同じになる。このため、光源からの光についてのスペクトル特性と同じスペクトル特性を有する領域を、成分の分析の対象から除外することによって、複数の領域のうち正反射光を含む領域を成分の分析の対象から除外することができる。これにより、被写体のスペクトル特性を正確に把握しやすくすることができるので、被写体の成分の分析における精度を向上させやすくすることができる。
本実施形態における撮像装置1は、ブロック図である図1に示すように、光源装置2と、撮像光学系3と、分光素子5と、撮像デバイス7と、信号処理部8と、表示装置9と、制御装置11と、を有している。この撮像装置1は、食物などの被写体Wを撮像した結果に基づいて、被写体Wの成分を分析することができる。
光源装置2は、撮像装置1を示す斜視図である図2に示すように、複数の光源2aを有している。本実施形態では、光源2aとしてLED(Light Emitting Diode)が採用されている。複数の光源2aは、撮像光学系3の撮像レンズ3aの外側において、環状に配列しており、撮像レンズ3aを囲んでいる。
撮像光学系3は、撮像レンズ3aを有している。被写体Wからの反射光Lrは、撮像レンズ3aに入射してから撮像光学系3を介して分光素子5に入射する。
本実施形態では、分光素子5は、分光する波長域ごとに、その波長域に対応する分光光Ldを射出する。つまり、分光素子5は、反射光Lrを網羅する波長域よりも狭い範囲の波長域の分光光Ldを、反射光Lrの中から選択的に射出することができる。換言すれば、分光素子5は、反射光Lrを網羅する波長域において、射出する分光光Ldの波長を変化させることができる。干渉フィルターにおいて、射出する分光光Ldの波長を変化させることができるものは、波長可変干渉フィルターと呼ばれる。本実施形態では、波長可変干渉フィルターとしてエタロンが採用されている。
分光素子5は、平面図である図3に示すように、平面視で正方形状の板状の光学部材であり、一辺が例えば10mmに形成されている。分光素子5は、図3中のA−A線における断面図である図4に示すように、第1基板13、第2基板15を備えている。
これらの第1基板13、第2基板15は、それぞれ例えば、石英ガラス、ソーダガラス、結晶性ガラス、鉛ガラス、カリウムガラス、ホウケイ酸ガラス、無アルカリガラスなどの各種ガラス、水晶などの透光性の基材からなり、板状の基材をエッチングすることにより形成されている。
第1基板13と第2基板15との接合方法は、上記に限定されない。接合方法としては、接着剤などの粘着性材料による接合、金属膜と金属膜による接合など、種々の接合方法が採用され得る。
第1基板13は、例えば、厚みが500μmの基材をエッチング加工することによって形成され得る。この第1基板13には、エッチングにより円形状に窪んだ第1凹部19が設けられている。
第1凹部19の反射膜形成部21には第1反射膜23が設けられている。第1反射膜23は、光の反射特性と透過特性とを有している。
第1反射膜23としては、例えばAg等の金属膜や、Ag合金等の合金膜を用いることができる。また、第1反射膜23を構成する膜としては、例えば、酸化チタンなどの高屈折層と、酸化シリコンなどの低屈折層とを積層した構成の誘電体多層膜も採用され得る。さらに、第1反射膜23としては、誘電体多層膜上に金属膜(又は合金膜)を積層した膜や、金属膜(又は合金膜)上に誘電体多層膜を積層した膜、単層の屈折層(酸化チタンや酸化シリコン等)と金属膜(又は合金膜)とを積層した膜などの構成も採用され得る。
第1駆動電極27及び引き出し電極29は導電膜であり、例えばITO(Indium Tin Oxide)膜などが用いられる。また、これらの導電膜はCr膜を下地とし、その上にAu膜を積層したCr/Au膜などを用いても良い。
引き出し電極29は、第1基板13の四隅のうちの一つの隅部に形成された接続パッド31aに接続されている。つまり、第1駆動電極27は、引き出し電極29を介して接続パッド31aと電気的導通が図られている。
第2凹部33によって、ダイアフラム35が構成されている。ダイアフラム35は、可動部35aと、薄肉部35bと、を有している。可動部35aは、基板中央を中心として円柱状に形成されている。薄肉部35bは、可動部35aの周囲に設けられており、可動部35aを保持している。薄肉部35bの厚みは、可動部35aの厚みより薄く形成されている。
第2凹部33によって、ダイアフラム35の薄肉部35bが構成され、可動部35aが第2基板15の厚み方向に移動しやすいように構成されている。
第2反射膜37は、平面視で、円形状に設けられており、可動部35aに重なる領域に設けられている。つまり、平面視で、可動部35aと第2反射膜37とは、重なっている。また、第2反射膜37は、ギャップ(隙間)を介して第1反射膜23に対面している。第2反射膜37は、光の反射特性と透過特性とを有している。第2反射膜37としては、第1反射膜23と同様な材料及び構成が採用され得る。
第2駆動電極39は、平面視で、環状に設けられており、第2反射膜37を囲んでいる。第2駆動電極39は、平面視で薄肉部35bに重なる領域に設けられている。つまり、平面視で、薄肉部35bと第2駆動電極39は、重なっている。また、第2駆動電極39は、隙間を介して第1駆動電極27に対面している。
分光素子5において、隙間を介して互いに対面する第1駆動電極27と第2駆動電極39とが静電アクチュエーター40を構成している。
第2駆動電極39及び引き出し電極43は、導電膜であり、例えばITO膜などが用いられる。また、これらの導電膜はCr膜を下地とし、その上にAu膜を積層したCr/Au膜などを用いても良い。
引き出し電極43は、Agペーストなどの導電性接着剤(図示せず)により第1基板13の四隅のうちの一つの隅部に形成された接続パッド31bに接続され、第1基板13と第2基板15との間の電気的導通が図られている。
上記の構成を有する分光素子5では、第1駆動電極27と第2駆動電極39との間に電圧を印加することによって静電アクチュエーター40を駆動させると、静電力により第1駆動電極27と第2駆動電極39との間に吸引力が作用する。この吸引力により、第2基板15の薄肉部35bが撓んで、可動部35aが第1基板13に近づく。これにより、第1反射膜23と第2反射膜37との間のギャップが変化する(小さくなる)。つまり、分光素子5では、静電アクチュエーター40を駆動させることによって、第1反射膜23と第2反射膜37との間のギャップ寸法を変化させることができる。そして、このギャップ寸法に応じて、分光素子5から射出される光の波長を変化させることができる。
撮像デバイス7は、画素ごとに受光した分光光Ldの光量に応じた検出信号Skを、画素ごとに出力する。撮像デバイス7から出力された検出信号Skは、信号処理部8に入力される。信号処理部8は、検出信号Skに種々の処理を施してから、検出信号Skを制御装置11に出力する。信号処理部8が検出信号Skに対して実施する処理としては、例えば、検出信号Skに示される電流や電圧を電気的に相互に変換する変換処理や、検出信号Skを増幅する増幅処理、アナログ値とデジタル値とを相互に変換するA/D変換処理などが挙げられる。
撮像デバイス7によって撮像された画像は、表示装置9に表示され得る。表示装置9としては、例えば、液晶表示装置や、有機EL(Electro Luminescence)表示装置などが採用され得る。
制御部51は、例えば、CPU(Central Processing Unit)などで構成され、撮像装置1の動作を統括的に制御する。
駆動制御部53は、分光制御部61と、光源制御部63と、撮像制御部67と、表示制御部69と、を有している。分光制御部61は、制御部51からの指令に基づいて、分光素子5の駆動を制御する。光源制御部63は、制御部51からの指令に基づいて、光源装置2の駆動を制御する。撮像制御部67は、制御部51からの指令に基づいて、撮像デバイス7の駆動を制御する。表示制御部69は、制御部51からの指令に基づいて、表示装置9の駆動を制御する。
データベース57には、被写体Wの分析にかかる種々のデータが保存されている。データベース57に保存されているデータには、分光素子5の静電アクチュエーター40に印加する電圧Vと射出される分光光Ldの波長λとの対比を表すV−λデータや、分光スペクトルと成分量との対比を表す検量線を示す検量線データなどが含まれる。
分光分析では、まず、光源装置2からの光Lkを被写体Wに照射した状態で、分光素子5に入射する反射光Lrを複数の波長域に分光し、波長域ごとに被写体Wを撮像する。なお、反射光Lrの分光は、V−λデータに基づいて、分光素子5の静電アクチュエーター40を駆動することによって行われる。
次に、波長域ごとに撮像した結果(以下、波長域ごとの分光画像と呼ぶ)に基づいて、被写体Wにおける分光光Ldの強度(分光スペクトル)を測定する。
そして、波長域ごとに分光スペクトルを測定した結果に基づいて、分光光Ldの波長に対する分光スペクトルの特性(スペクトル特性)を分析する。
この分光分析により、被写体Wに吸収されやすい光の波長が把握され得る。これにより、被写体Wを構成する物質を、吸収されやすい光の波長に対応する物質として特定したり、被写体Wの成分を分析したりすることができる。
本実施形態における分析方法では、まず、撮像ステップS1において、反射光Lrの波長域ごとに被写体Wの分光画像を撮像する。
なお、本実施形態では、撮像ステップS1において、600nm〜1200nmの波長の範囲で反射光Lrを複数の波長域に分光する方法が採用されている。本実施形態では、600nmから1200nmまでの600nmの波長域を、10nmの刻み幅で60個の波長域に分割する。そして、60個の波長域のそれぞれについて、反射光Lrを各波長域内の所定の波長の分光光Ldに分光する。複数の波長域ごとに分光された複数の分光光Ldの波長間隔は、等間隔でも、等間隔でなくてもよい。
次に、画素選定ステップS3において、被写像71にかかる複数の画素75の中から、成分分析(本例では、糖度分析)に適合する画素75を選定する。画素選定ステップS3では、まず、被写像71にかかる複数の画素75のそれぞれについて、画素75のスペクトル特性が光源装置2からの光Lkのスペクトル特性と同じであるか否かを判定する。そして、光源装置2からの光Lkのスペクトル特性と同じであると判定された画素75を除外する(不適合とする)ことによって、糖度分析に適合する画素75が適合画素75aとして選定される。
そこで、本実施形態では、光源装置2からの光Lkのスペクトル特性と同じであると判定された画素75を、成分分析の対象から除外する方法が採用されている。なお、光源装置2からの光Lkのスペクトル特性に関するデータ(以下、光源スペクトルデータと呼ぶ)は、データベース57に保存されている。画素選定ステップS3では、データベース57から読み出した光源スペクトルデータを参照することによって、画素75のスペクトル特性が光源装置2からの光Lkのスペクトル特性と同じであるか否かが判定される。
被写体Wに含まれる糖質には、吸収しやすい光の波長(以下、吸光波長と呼ぶ)が存在する。糖質ついて、吸光波長における分光光Ldの吸光度を、データベース57に保存されている検量線データに照合することによって、成分量が演算され得る。
糖質の吸光波長λsにおける適合画素75aの分光スペクトルをIgとし、光源装置2からの光Lkについての吸光波長における分光スペクトルをIoとすると、適合画素75aについての分光光Ldの吸光度Asは、下記(1)式によって算出され得る。
吸光度As=−log(Ig/Io)・・・(1)
(1)式により算出された吸光度Asは、被写体W中の糖質の濃度と比例する。このため、吸光度Asを検量線データに照合することによって、被写体Wの糖度を演算することができる。
被写体Wの全体における糖度を分析する場合には、例えば、複数の適合画素75aにおける糖度の平均値を採用することができる。
光源スペクトル特性の把握方法では、まず、撮像ステップS21において、撮像装置1でリファレンス体の分光画像を撮像する。リファレンス体は、少なくとも600nm〜1200nmの波長域にわたる光を正反射させる性質を有するものである。このようなリファレンス体には、白色校正板とか、白色標準板などと呼ばれるものが含まれる。
撮像ステップS21では、このようなリファレンス体に対して光Lkを照射したときの反射光Lrを複数の波長域に分光し、波長域ごとにリファレンス体を撮像することによってリファレンス体の分光画像を取得する。なお、分光方法については、前述した分析方法における分光方法と同様であるので、詳細な説明を省略する。
このとき、把握された光源スペクトル特性に関する光源スペクトルデータは、データベース57に保存される。
本実施形態では、光源スペクトル特性と同じスペクトル特性を有する画素75を、成分分析の対象から除外することによって、複数の画素75のうち正反射光を含む画素75を成分分析の対象から除外することができる。これにより、被写体Wのスペクトル特性を正確に把握しやすくすることができるので、被写体Wの成分分析における精度を向上させやすくすることができる。
図8に示す分析方法では、撮像ステップS1において、被写体Wとリファレンス体とを一緒に撮像する。そして、スペクトル特性分析ステップS2において、被写像71にかかるスペクトル特性を分析する。次に、光源スペクトル特性分析ステップS22において、光源スペクトル特性を分析する。
この場合、被写体Wを載置する皿81(図1)などをリファレンス体とすることができる。
なお、図8に示す分析方法では、スペクトル特性分析ステップS2の次に、光源スペクトル特性分析ステップS22を実施する順序が採用されている。しかしながら、ステップS2とステップ22との順序は、これに限定されず、ステップS22の次にステップS2を実施する順序も採用され得る。
Claims (8)
- 光源から被写体を経由した光を複数の波長域に分光し、分光された前記波長域ごとの光である分光光を受光して前記波長域ごとに前記被写体を撮像することによって、複数の分光画像を取得するステップと、
それぞれの前記分光画像において、前記被写体の画像である被写像を複数の領域に分割し、前記複数の分光画像について、前記領域ごとに前記分光光のスペクトルを分析することによって、前記分光光の波長に対する前記スペクトルの特性を示すスペクトル特性を分析するステップと、
前記複数の領域のうちの少なくとも1つの前記領域における前記スペクトル特性に基づいて、前記被写体の成分を分析するステップと、を含み、
前記被写体の成分を分析するステップでは、前記光源からの光についての前記スペクトル特性と同じ前記スペクトル特性を有する前記領域を、前記成分の分析の対象から除外する、
ことを特徴とする分析方法。 - 前記光源からの光を正反射させるリファレンス体で前記光源からの光を反射させたときの反射光を複数の波長域に分光し、前記波長域ごとの分光光を受光して前記波長域ごとに前記リファレンス体を撮像した結果に基づいて、前記光源からの光についての前記スペクトル特性を把握する、
ことを特徴とする請求項1に記載の分析方法。 - 前記複数の分光画像を取得するステップにおいて、前記被写体と前記リファレンス体とを一緒に撮像する、
ことを特徴とする請求項2に記載の分析方法。 - 前記複数の波長域に赤外光の波長域を含める、
ことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項に記載の分析方法。 - 前記被写体の成分を分析するステップでは、前記領域ごとに前記成分を分析する、
ことを特徴とする請求項1乃至4のいずれか一項に記載の分析方法。 - 複数の画素を有する撮像デバイスで前記分光光を受光することによって、前記複数の分光画像を取得し、
前記スペクトル特性を分析するステップでは、前記被写像を前記複数の領域に分割するときに、前記画素を前記領域の構成要素とする、
ことを特徴とする請求項1乃至5のいずれか一項に記載の分析方法。 - 前記スペクトル特性を分析するステップにおいて、前記被写像を前記画素ごとに分割することによって、前記被写像を前記複数の領域に分割する、
ことを特徴とする請求項6に記載の分析方法。 - 光源から被写体を経由した光を複数の波長域に分光する分光素子と、
分光された前記波長域ごとの光である分光光を受光して前記被写体を撮像する撮像デバイスと、
前記波長域ごとに前記被写体を撮像することによって得られる複数の分光画像のそれぞれにおいて、前記被写体の画像である被写像を複数の領域に分割し、前記複数の分光画像について、前記領域ごとに前記分光光のスペクトルを分析することによって、前記分光光の波長に対する前記スペクトルの特性を示すスペクトル特性を分析するスペクトル特性分析部と、
前記複数の領域のうちの少なくとも1つの前記領域における前記スペクトル特性に基づいて、前記被写体の成分を分析する成分分析部と、を含み、
前記成分分析部は、前記光源からの光についての前記スペクトル特性と同じ前記スペクトル特性を有する前記領域を、前記成分の分析の対象から除外する、
ことを特徴とする撮像装置。
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