JP6224354B2

JP6224354B2 - スペクトル画像取得装置及びスペクトル画像取得方法

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Publication number: JP6224354B2
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Inventors: 大友　文夫; 文夫大友; 熊谷　薫; 薫熊谷; 籾内　正幸; 正幸籾内; 大佛　一毅; 一毅大佛
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Description

本発明は、所定の波長領域のスペクトル画像を取得するスペクトル画像取得装置及びスペクトル画像取得方法に関するものである。

一般に、物体の波長特性を測定する場合には分光器が用いられるが、通常の分光器は特定点の測定であり、対象物全体の分光測定を行うことはできない。又、測定対象物全体の分光測定を行い、スペクトル画像を取得する場合には、スペクトル画像取得装置、例えばハイパースペクトルメータが用いられる。

然し乍ら、ハイパースペクトルメータは、ライン上の分光特性をスキャンしてスペクトル画像を取得する装置となっているので、スペクトル画像が取得可能であるのは測定対象物が静止状態の場合に限定される。又、分光器やハイパースペクトルメータは、波長分解能は高いが、測定対象物全体の波長特性を瞬間的に測定することができず、又高価である。

一方、動きのある特定物体の認識や、農作物等の育成状態を観察する場合には、特定の波長を瞬間的に測定可能であることが求められている。

特開２０１１−８９８９５号公報特開２００６−１０３７６号公報

本発明は斯かる実情に鑑み、予め定められた波長特性を安定して瞬間的に測定可能なスペクトル画像取得装置及びスペクトル画像取得方法を提供するものである。

本発明は、対物レンズと、該対物レンズを透過して結像した像の大きさを制限する視野絞り部材と、前記対物レンズの光軸上に配置され、複数の波長選択面を有し該波長選択面毎に異なった波長選択特性を有する波長選択部材と、前記波長選択面を透過した部分光束毎にそれぞれ偏向させる偏向部材と、該偏向部材に偏向された前記部分光束を撮像素子に前記部分光束毎に集光して結像させる結像レンズとを具備するスペクトル画像取得装置に係るものである。

又本発明は、前記偏向部材は、各前記波長選択面に対応し、該各波長選択面を透過した前記部分光束をそれぞれ偏向させる複数の偏向要素を有し、該偏向要素は前記部分光束が１箇所で交差する様該部分光束をそれぞれ偏向させるスペクトル画像取得装置に係るものである。

又本発明は、前記結像レンズは、前記部分光束の交差位置に配置されたスペクトル画像取得装置に係るものである。

又本発明は、前記偏向部材はプリズムであるスペクトル画像取得装置に係るものである。

又本発明は、制御装置を更に具備し、該制御装置は、所定のフレーム数だけ連続撮影されたフレーム画像間の変位ベクトルを検出し、検出した変位ベクトルを基に各フレーム画像を重ね合せて各画素毎の値を積算するスペクトル画像取得装置に係るものである。

又本発明は、全てのスペクトル画像について特徴点を抽出し、前記フレーム画像間で比較可能な特徴点を有する前記スペクトル画像を選択して重ね合せるスペクトル画像取得装置に係るものである。

又本発明は、波長選択部材保持板と該波長選択部材保持板を回転駆動させる駆動部とを更に具備し、前記波長選択部材保持板にはそれぞれ複数の前記波長選択面を有する前記波長選択部材が所定の角度ピッチで複数設けられ、前記駆動部の回転により所望の前記波長選択部材が前記光束の光路上に配置されるスペクトル画像取得装置に係るものである。

又本発明は、前記波長選択面の内の１つが全波長透過面であり、該全波長透過面を透過して前記撮像素子に結像された画像から特徴点を抽出するスペクトル画像取得装置に係るものである。

又本発明は、それぞれ異なった波長特性を有する複数の波長選択面により光束を複数の部分光束に分割する工程と、偏向部材により前記波長選択面を透過した前記部分光束毎にそれぞれ偏向させる工程と、結像レンズにより前記偏向部材に偏向された前記部分光束毎に集光させる工程と、前記結像レンズにより集光された前記部分光束を撮像素子に結像させ複数波長のスペクトル画像を有するフレーム画像を取得する工程とを有するスペクトル画像取得方法に係るものである。

又本発明は、前記フレーム画像を取得する工程では、撮像部により前記フレーム画像を所定のフレーム数だけ撮影する工程と、各前記フレーム画像に共通する特徴点を抽出する工程と、時間的に隣接する前記フレーム画像間で前記特徴点を比較して前記フレーム画像間の変位ベクトルを検出する工程と、検出した変位ベクトルを基に該フレーム画像間の位置を補正して重ね合せる工程と、各該フレーム画像の重なり合った部分の各画素毎の値を積算する工程とを有するスペクトル画像取得方法に係るものである。

更に又本発明は、前記撮像部が複数の波長選択面を有する波長選択部材が所定の角度ピッチで複数設けられた回転可能な波長選択板を有し、前記フレーム画像を撮影する工程では、前記波長選択板の回転により所望の波長選択部材が選択され、所望の波長範囲のスペクトル画像を有する前記フレーム画像が取得されるスペクトル画像取得方法に係るものである。

本発明によれば、対物レンズと、該対物レンズを透過して結像した像の大きさを制限する視野絞り部材と、前記対物レンズの光軸上に配置され、複数の波長選択面を有し該波長選択面毎に異なった波長選択特性を有する波長選択部材と、前記波長選択面を透過した部分光束毎にそれぞれ偏向させる偏向部材と、該偏向部材に偏向された前記部分光束を撮像素子に前記部分光束毎に集光して結像させる結像レンズとを具備するので、同一の前記撮像素子により複数波長分のスペクトル画像を同時に且つ瞬間的に取得可能であり、スペクトル画像の測定の安定性を向上させることができる。

又本発明によれば、前記偏向部材は、各前記波長選択面に対応し、該各波長選択面を透過した前記部分光束をそれぞれ偏向させる複数の偏向要素を有し、該偏向要素は前記部分光束が１箇所で交差する様該部分光束をそれぞれ偏向させるので、結像レンズの口径を小さくすることができ、装置の小型化及び製作コストの低減を図ることができる。

又本発明によれば、制御装置を更に具備し、該制御装置は、所定のフレーム数だけ連続撮影されたフレーム画像間の変位ベクトルを検出し、検出した変位ベクトルを基に各フレーム画像を重ね合せて各画素毎の値を積算するので、受光の際に前記撮像素子で発生するノイズを低減することができる。

又本発明によれば、全てのスペクトル画像について特徴点を抽出し、前記フレーム画像間で比較可能な特徴点を有する前記スペクトル画像を選択して重ね合せるので、該スペクトル画像同士を高精度に重ね合せることができる。

又本発明によれば、波長選択部材保持板と該波長選択部材保持板を回転駆動させる駆動部とを更に具備し、前記波長選択部材保持板にはそれぞれ複数の前記波長選択面を有する前記波長選択部材が所定の角度ピッチで複数設けられ、前記駆動部の回転により所望の前記波長選択部材が前記光束の光路上に配置されるので、用途や測定対象物に応じた波長領域の前記波長選択部材を選択することができると共に、広い波長範囲でスペクトル画像を取得することができる。

又本発明によれば、前記波長選択面の内の１つが全波長透過面であり、該全波長透過面を透過して前記撮像素子に結像された画像から特徴点を抽出するので、前記全波長透過面による画像を取得することができ、該画像によりフレーム画像間のずれを容易に検出することができる。

又本発明によれば、それぞれ異なった波長特性を有する複数の波長選択面により光束を複数の部分光束に分割する工程と、偏向部材により前記波長選択面を透過した前記部分光束毎にそれぞれ偏向させる工程と、結像レンズにより前記偏向部材に偏向された前記部分光束毎に集光させる工程と、前記結像レンズにより集光された前記部分光束を撮像素子に結像させ複数波長のスペクトル画像を有するフレーム画像を取得する工程とを有するので、同一の前記撮像素子により複数波長分のスペクトル画像を同時に且つ瞬間的に取得可能であり、スペクトル画像の測定の安定性を向上させることができる。

又本発明によれば、前記フレーム画像を取得する工程では、撮像部により前記フレーム画像を所定のフレーム数だけ撮影する工程と、各前記フレーム画像に共通する特徴点を抽出する工程と、時間的に隣接する前記フレーム画像間で前記特徴点を比較して前記フレーム画像間の変位ベクトルを検出する工程と、検出した変位ベクトルを基に該フレーム画像間の位置を補正して重ね合せる工程と、各該フレーム画像の重なり合った部分の各画素毎の値を積算する工程とを有するので、前記フレーム画像を撮影した際に発生するノイズを低減することができる。

更に又本発明によれば、前記撮像部が複数の波長選択面を有する波長選択部材が所定の角度ピッチで複数設けられた回転可能な波長選択板を有し、前記フレーム画像を撮影する工程では、前記波長選択板の回転により所望の波長選択部材が選択され、所望の波長範囲のスペクトル画像を有する前記フレーム画像が取得されるので、用途や測定対象物に応じた波長領域の前記波長選択部材を選択することができると共に、広い波長範囲でスペクトル画像を取得することができるという優れた効果を発揮する。

本発明の第１の実施例に係るスペクトル画像取得装置の光学系を示す説明図である。該光学系を説明する説明図であり、（Ａ）は視野絞りの拡大図の正面図を示し、（Ｂ）は波長選択部材の正面図を示し、（Ｃ）は偏向部材の正面図を示し、（Ｄ）は撮像素子の正面図を示し、（Ｅ）は（Ｄ）の拡大図を示している。本発明の第１の実施例に係る偏向プリズムに代えて偏向ミラーを用いる場合の光学系を示す説明図である。本発明の第１の実施例に係るスペクトル画像取得装置の制御装置を示す概略構成図である。本発明の第１の実施例に係るスペクトル画像取得装置によるスペクトル画像の取得を説明するフローチャートである。本発明の第１の実施例に係るスペクトル画像取得装置により連続撮影されたフレーム画像を示す説明図である。（Ａ）〜（Ｃ）は該フレーム画像の合成を説明する説明図である。本発明の第２の実施例に係るスペクトル画像取得装置の光学系を示す説明図である。該光学系の波長選択部材を示す正面図である。本発明の第２の実施例に係るスペクトル画像取得装置の制御装置を示す概略構成図である。本発明の第２の実施例に係るスペクトル画像取得装置によるスペクトル画像の取得を説明するフローチャートである。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施例を説明する。

先ず、本発明の第１の実施例に係るスペクトル画像取得装置の概略構成を説明する。

図１、図２（Ａ）〜（Ｅ）に於いて、該スペクトル画像取得装置の基本的な光学系１の概略について説明する。

図１中、２は該光学系１の光軸を示し、該光軸２上に対物レンズ３、リレーレンズ４、偏向プリズム５、結像レンズ６、ＣＣＤやＣＭＯＳセンサ等の撮像素子７が配設されている。尚、前記リレーレンズ４、前記結像レンズ６は縮小系となっており、例えば１／３に縮小されて前記撮像素子７に投影される様になっている。

前記対物レンズ３と前記リレーレンズ４との間には、視野絞り部材である視野絞り８が配設されている。図２（Ａ）に示される様に、該視野絞り８は、中心部に矩形、例えば正方形の絞り孔９を有している。又、前記視野絞り８は前記リレーレンズ４の物側焦点位置又は略物側焦点位置に配設され、前記視野絞り８は前記光軸２に対して垂直に支持されている。

ここで、前記視野絞り８、前記リレーレンズ４はテレセントリック光学系１１を構成する。前記リレーレンズ４を透過した主光束１２は、前記テレセントリック光学系１１によって平行な多数の光束に分割される。

該主光束１２の光路上の前記リレーレンズ４と前記偏向プリズム５との間に、波長選択部材である円板状の干渉フィルタ１３が配設され、該干渉フィルタ１３は波長選択フィルタとして機能する。図２（Ｂ）に示される様に、該干渉フィルタ１３はそれぞれ異なる波長選択特性を有する複数の波長選択面、例えばマトリクス状に９つの波長選択面１３ａ〜１３ｉに分割されている。該波長選択面１３ａ〜１３ｉはそれぞれ異なる波長λ1 〜λ9 を選択的に透過させ、前記波長選択面１３ａ〜１３ｉを透過した前記主光束１２は、波長λ1 〜λ9 を有する９つの部分光束１４に分割される様になっている。

又、前記偏向プリズム５は、前記干渉フィルタ１３により分割された前記部分光束１４を偏向させる為の偏向要素の集合体であり、各偏向要素により各部分光束１４を個別に偏向させる様になっている。

具体的には、図２（Ｃ）に示される様に、前記偏向プリズム５は前記干渉フィルタ１３の前記波長選択面１３ａ〜１３ｉに対応して区分され、各区分はプリズム要素５ａ〜５ｉとなっている。前記偏向プリズム５は、前記結像レンズ６側の面が前記光軸２に対して垂直な平面となっており、又前記干渉フィルタ１３側は中央が該干渉フィルタ１３に向って盛上がっており、断面形状は台形となっている。

前記偏向プリズム５の中央に位置する前記プリズム要素５ｅは、前記干渉フィルタ１３側の面は正方形であり、且つ前記光軸２に対して垂直な平面となっており、入射面と透過面が平行なプリズムとなっている。又、前記プリズム要素５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ，５ｆ，５ｇ，５ｈ，５ｉは、それぞれ前記プリズム要素５ｅの平面から外周に向って傾斜する傾斜面を有している。

前記波長選択面１３ｅを透過した前記部分光束１４は前記プリズム要素５ｅに入射し、前記波長選択面１３ａを透過した前記部分光束１４は前記プリズム要素５ａに入射し、更に前記波長選択面１３ｂを透過した前記部分光束１４は前記プリズム要素５ｂに入射する。同様にして、前記波長選択面１３ｃ，１３ｄ，１３ｆ，１３ｇ，１３ｈ，１３ｉを透過した前記部分光束１４は、それぞれ前記プリズム要素５ｃ，５ｄ，５ｆ，５ｇ，５ｈ，５ｉに入射する様になっている。

各プリズム要素５ａ〜５ｉは、入射した９波長分の前記部分光束１４を１箇所で交差する様偏向し、偏向された各部分光束１４は交差位置に配置された前記結像レンズ６に入射し、該結像レンズ６によって各部分光束１４毎に集光され、前記撮像素子７に結像される様になっている。

尚、９波長分の前記部分光束１４が１箇所で交差する様それぞれ偏向できればよいので、前記偏向プリズム５に代えて偏向ミラー１０等を用いてもよい。該偏向ミラー１０は図３に示される様に、傾斜の異なる反射面を有する部分ミラーの集合体であり、各部分ミラーが前記部分光束１４の偏向要素となっている。

前記偏向プリズム５によって偏向された９波長分の前記部分光束１４は、前記結像レンズ６により前記撮像素子７の前記光軸２に対して点対称な位置に結像される。図２（Ｅ）は図２（Ｄ）の拡大図であり、図２（Ｄ）（Ｅ）に示される様に、前記プリズム要素５ａに偏向された前記部分光束１４によりスペクトル画像１５ａが結像され、前記プリズム要素５ｂに偏向された前記部分光束１４によりスペクトル画像１５ｂが結像される。更に前記プリズム要素５ｃ〜５ｉに偏向された前記部分光束１４によりスペクトル画像１５ｃ〜１５ｉが結像される。従って、前記撮像素子７上に９波長分のスペクトル画像１５ａ〜１５ｉが結像され、９波長分のスペクトル画像１５ａ〜１５ｉを有するフレーム画像１６を取得できる。

尚、前記絞り孔９の大きさは、前記撮像素子７上に結像される前記スペクトル画像１５ａ〜１５ｉが重ならない大きさとなる様適宜設定される。又、前記絞り孔９の形状は円形でもよいが、前記スペクトル画像１５ａ〜１５ｉの大きさを確保できる様、又前記撮像素子７の受光面を有効に利用できる様矩形であることが望ましい。

前記光学系１、前記視野絞り８、前記干渉フィルタ１３、前記偏向プリズム５、前記撮像素子７等により、撮像部１７（図４参照）が構成される。

次に、図４に於いて、本発明の第１の実施例に係るスペクトル画像取得装置の制御装置１８について説明する。

該制御装置１８は、前記撮像部１７と、主にＣＰＵに代表される制御演算部１９と、メモリやＨＤＤ等の記憶部２１と、前記撮像部１７により得られた画像データを処理する画像処理部２２と、前記撮像素子７の受光光量を調整し前記スペクトル画像１５ａ〜１５ｉの明るさを調整する光量調整部２３と、モニタ等の表示部２４と、キーボード等の操作部２５等を具備している。

前記記憶部２１には、スペクトル画像を取得するスペクトル画像取得処理を実行させる為のシーケンスプログラム等の各種プログラムが格納されると共に、前記撮像部１７により撮像された前記フレーム画像１６が取得時間と関連付けられ、取得順序に対応した状態で画像データとして格納される。

又、前記画像処理部２２は、特徴点抽出部２６、移動ベクトル検出部２７、ずれ補正部２８、積算処理部２９から構成される。

前記特徴点抽出部２６は、前記スペクトル画像１５の中から特徴点を抽出する機能を有している。前記移動ベクトル検出部２７は、時間的に隣接する前記スペクトル画像１５中に於いて、前記特徴点抽出部２６により抽出された特徴点の位置を比較することで、時間的に隣接する前記スペクトル画像１５間の変位ベクトル（ずれの方向及び距離）を検出する機能を有している。

前記ずれ補正部２８は、前記移動ベクトル検出部２７により検出された変位ベクトルに基づき、前記スペクトル画像１５の位置を補正し、該スペクトル画像１５同士を重ね合せる機能を有している。前記積算処理部２９は、重ね合せた前記スペクトル画像１５について各画素毎に値を積算する機能を有し、前記撮像素子７で生じるノイズを低減させる様になっている。

次に、図５のフローチャート及び図６、図７を参照し、第１の実施例に係るスペクトル画像取得装置を用いたスペクトル画像取得処理について説明する。

ＳＴＥＰ：０１前記操作部２５を介してスペクトル画像取得処理が実行されると、先ず前記光量調整部２３が、前記撮像素子７から受光される前記スペクトル画像１５ａ〜１５ｉの明るさが適正となる様、前記撮像素子７の受光光量を調整する。

ＳＴＥＰ：０２次に、前記撮像部１７が、予め設定されたフレーム数、例えば図６に示される様に、４フレーム分のフレーム画像１６ａ〜１６ｄを連続して取得し、時間と関連付けると共に取得順序に対応して前記記憶部２１に格納する。この時、前記フレーム画像１６ａ〜１６ｄのそれぞれは、前記波長選択面１３ａ〜１３ｉを透過し、λ1 〜λ9 の波長を有する９つの前記部分光束１４により得られる、９波長分の前記スペクトル画像１５ａ〜１５ｉを含んでいる。

ＳＴＥＰ：０３前記フレーム画像１６ａ〜１６ｄが取得されると、次に特徴点抽出部２６が、前記フレーム画像１６ａ〜１６ｄのそれぞれの前記スペクトル画像１５ａ〜１５ｉの中から特徴点を抽出し、前記フレーム画像１６ａ〜１６ｄ間で共通且つ比較可能な特徴点３１を少なくとも１つ選択する。

尚、同一のフレーム画像１６中の前記スペクトル画像１５ａ〜１５ｉに於いては、前記特徴点３１の画像中の位置は全て一致しているので、該特徴点３１を抽出するのは前記スペクトル画像１５ａ〜１５ｉのうちの１枚でもよい。又、前記フレーム画像１６間の比較が容易になる様、前記特徴点３１の抽出には前記スペクトル画像１５ａ〜１５ｉ中最も明るい画像を選択するのが好ましく、図７では例えば該スペクトル画像１５ａから前記特徴点３１を抽出した場合を示している。

ＳＴＥＰ：０４前記特徴点抽出部２６により前記特徴点３１が抽出されると、前記移動ベクトル検出部２７が、例えば４番目に取得された前記フレーム画像１６ｄに於ける前記特徴点３１の画素上の位置と、時間的に隣接する３番目に取得された前記フレーム画像１６ｃに於ける前記特徴点３１の画素上の位置を比較し、該特徴点３１，３１間の距離及び方向、即ち変位ベクトルを検出する。

ＳＴＥＰ：０５前記移動ベクトル検出部２７による変位ベクトルの検出後、前記ずれ補正部２８は、検出した変位ベクトルを基に、前記フレーム画像１６ｄの位置を補正し、該フレーム画像１６ｄに於ける前記特徴点３１と、前記フレーム画像１６ｃに於ける前記特徴点３１の位置が一致する様、前記フレーム画像１６ｃに前記フレーム画像１６ｄを重ね合せる。

ＳＴＥＰ：０６前記フレーム画像１６ｃに前記フレーム画像１６ｄを重ね合せた後、前記積算処理部２９が重なり合った部分について、各画素毎の値を積算することで、前記フレーム画像１６ｃ，１６ｄに於いて、特徴点は強調され、特徴点以外は平均化され、前記撮像素子７で発生するノイズが低減される。

前記フレーム画像１６ｃと前記フレーム画像１６ｄの場合と同様に、前記フレーム画像１６ａ，１６ｂについてもＳＴＥＰ：０３〜ＳＴＥＰ：０６の処理を行うことで、前記フレーム画像１６ｂに前記フレーム画像１６ｃが重ねられ、又前記フレーム画像１６ａに前記フレーム画像１６ｂが重ねられる。

ＳＴＥＰ：０７取得した４枚の前記フレーム画像１６ａ〜１６ｄが全て重ね合されたかどうかが判断され、前記フレーム画像１６ａ〜１６ｄが全て重ね合されたと判断されることで処理を終了する。

前記フレーム画像１６ａ〜１６ｄについてＳＴＥＰ：０３〜ＳＴＥＰ：０６の処理が行われ、更に該フレーム画像１６ａ〜１６ｄ間で重なった部分について各画素毎の値が積算され、特徴点以外の部分が平均化されることで、前記撮像素子７で発生するノイズが低減された９波長分の前記スペクトル画像１５ａ〜１５ｉが取得される。

上述の様に、第１の実施例に於いては、それぞれ波長選択特性が異なる前記波長選択面１３ａ〜１３ｉを有する前記干渉フィルタ１３により前記主光束１２を前記部分光束１４に分割し、前記撮像素子７に受光させており、同一の該撮像素子７上で９波長分の前記スペクトル画像１５ａ〜１５ｉを同時に取得でき、更に前記フレーム画像１６ａ〜１６ｄについても瞬時に取得可能であるので、前記スペクトル画像１５ａ〜１５ｉの測定の安定性を向上させることができる。

又、前記主光束１２の光路上にそれぞれ傾斜の異なる前記プリズム要素５ａ〜５ｉを有する前記偏向プリズム５を配置し、該偏向プリズム５により前記波長選択面１３ａ〜１３ｉを透過した９波長分の各部分光束１４を、１箇所で交差する様偏向させ、各部分光束１４が交差する位置に前記結像レンズ６を設けているので、該結像レンズ６の口径を小さくでき、装置の小型化及び製作コストの低減を図ることができる。

又、複数フレーム、第１の実施例に於いては４フレーム分の前記フレーム画像１６ａ〜１６ｄを連続して取得し、各フレーム画像１６ａ〜１６ｄ間のずれを補正した上で各フレーム画像１６ａ〜１６ｄを重ね合せ、重なり合った部分について各画素毎の値を積算しているので、該フレーム画像１６ａ〜１６ｄの特徴点以外の部分が平均化され、受光の際に前記撮像素子７で発生するノイズを低減することができる。

又、前記絞り孔９の大きさ、前記偏向プリズム５の偏向の状態を、前記撮像素子７上に結像される前記スペクトル画像１５ａ〜１５ｉが重ならない大きさとしているので、前記スペクトル画像１５ａ〜１５ｉが前記撮像素子７上で重なり、測定精度が低下するのを防止することができる。

尚、第１の実施例に於いては、前記干渉フィルタ１３が、それぞれ波長選択特性が異なる前記波長選択面１３ａ〜１３ｉで９分割されているが、該波長選択面１３ａ〜１３ｉのうちの１つを全波長を透過させる全波長透過面とし、該全波長透過面により取得された画像から前記特徴点３１を抽出する様にしてもよい。

次に、図８、図９に於いて、本発明の第２の実施例に係るスペクトル画像取得装置について説明する。尚、図８は該スペクトル画像取得装置の光学系３２の概略構成を示したものであり、図１中と同等のものには同符号を付し、その説明を省略する。

第２の実施例に於ける前記光学系３２では、リレーレンズ４と偏向プリズム５の間に、波長選択部材保持板である円板状のフィルタ板３３が配設され、該フィルタ板３３は駆動部であるパルスモータ３４により間欠回転可能となっている。前記フィルタ板３３は、基準位置を示すマーク、或はパターン、或はピンホールが設けられている。

又、前記フィルタ板３３には、図９に示される様に、所定の角度ピッチで、例えば９０°ピッチで４箇所に波長選択部材である干渉フィルタ部３５〜３８が形成され、該干渉フィルタ部３５〜３８は波長選択フィルタとして機能する。該干渉フィルタ部３５〜３８は、前記パルスモータ３４により間欠回転されることで、それぞれ主光束１２の光路上に配置される様になっており、該主光束１２の光路上に配置された際には、前記干渉フィルタ部３５〜３８の中心が前記光学系３２の光軸２と一致する様になっている。

又、前記干渉フィルタ部３５は複数の波長選択面、例えば９つの波長選択面３５ａ〜３５ｉに分割され、該波長選択面３５ａ〜３５ｉはそれぞれ異なる波長λ1 〜λ9 を選択的に透過させる。又、前記干渉フィルタ部３６は、９つの波長選択面３６ａ〜３６ｉに分割され、該波長選択面３６ａ〜３６ｉはそれぞれ異なる波長λ10〜λ18を選択的に透過させる。又、前記干渉フィルタ部３７は、９つの波長選択面３７ａ〜３７ｉに分割され、該波長選択面３７ａ〜３７ｉはそれぞれ異なる波長λ19〜λ27を選択的に透過させる。更に、前記干渉フィルタ部３８は、９つの波長選択面３８ａ〜３８ｉに分割され、該波長選択面３８ａ〜３８ｉは、それぞれ異なる波長λ28〜λ36を選択的に透過させる様になっている。

又、前記フィルタ板３３には、０検出器３９が設けられ、該０検出器３９により前記フィルタ板３３の基準位置を示すマーク、或はパターン、或はピンホールが検出され、回転方向に於ける基準位置である０位置を検出可能となっている。

図１０は、本発明の第２の実施例に係るスペクトル画像取得装置の制御装置４１を示している。尚、図１０中、図４中と同等のものには同符号を付し、その説明を省略する。

該制御装置４１は、前記０検出器３９からの信号を基に前記フィルタ板３３の回転方向に於ける基準位置である０位置を検出し、該フィルタ板３３を０位置迄回転させる０検出処理部４２と、前記パルスモータ３４を駆動させ、前記フィルタ板３３を回転させることで、所望の前記干渉フィルタ部３５〜３８を前記主光束１２の光路上に配置させるフィルタ板回転処理部４３とを更に具備している。

次に、図１１のフローチャートを参照し、第２の実施例に係るスペクトル画像取得装置を用いたスペクトル画像取得処理について説明する。

ＳＴＥＰ：１１スペクトル画像取得処理が開始されると、先ず前記０検出処理部４２により、前記０検出器３９が０位置を示すマーク、パターン或はピンホール等を検出し、該０検出器３９から０位置の検出信号が出力される迄前記フィルタ板３３が回転される。

ＳＴＥＰ：１２該フィルタ板３３を０位置に位置させた後、所望の前記干渉フィルタ部３５〜３８が前記主光束１２の光路上に配置される様、前記フィルタ板回転処理部４３により、前記パルスモータ３４を介して前記フィルタ板３３が所定量だけ回転される。

尚、ＳＴＥＰ：１３〜ＳＴＥＰ：１９については、第１の実施例に於けるＳＴＥＰ：０１〜ＳＴＥＰ：０７と同様であるので説明を省略する。

上記処理が行われることで、複数フレーム分、例えば４フレーム分のフレーム画像１６ａ〜１６ｄ（図６参照）がずれを補正された状態で全て重ね合され、更に重ね合された部分について各画素毎の値が積算されることで、前記フレーム画像１６ａ〜１６ｄの特徴点以外の部分が平均化される。これにより、ＳＴＥＰ：１２にて選択された干渉フィルタ部に於ける波長選択面で選択された９波長分のスペクトル画像１５ａ〜１５ｉ（図６参照）を取得できると共に、取得されるスペクトル画像のノイズを低減させることができる。

上述の様に、第２の実施例では、複数の前記干渉フィルタ部３５〜３８を有する前記フィルタ板３３を設け、各前記干渉フィルタ部３５〜３８によりそれぞれ異なった９波長分の前記スペクトル画像１５ａ〜１５ｉを取得可能となっている。

従って、用途や測定対象物に応じた波長領域の前記干渉フィルタ部３５〜３８を選択することができると共に、広い波長範囲の前記スペクトル画像１５ａ〜１５ｉを取得することができる。

尚、第２の実施例に於いては、前記干渉フィルタ部３５〜３８が、それぞれ波長選択特性が異なる波長選択面３５ａ〜３５ｉ、３６ａ〜３６ｉ、３７ａ〜３７ｉ、３８ａ〜３８ｉで９分割されているが、該波長選択面３５ａ〜３５ｉのうちの１つを全波長を透過させる全波長透過面とし、前記波長選択面３６ａ〜３６ｉ、３７ａ〜３７ｉ、３８ａ〜３８ｉについても、該波長選択面３５ａ〜３５ｉの全波長透過面と対応する波長選択面をそれぞれ全波長透過面としてもよい。該全波長透過面を介して画像を取得し、前記干渉フィルタ部３５〜３８を切替えた際に、前記画像から抽出した特徴点３１（図７参照）同士を比較して移動量を求めることで、移動量に基づき前記干渉フィルタ部３５〜３８の切替え時の位置補正を行うことができる。

又、第１の実施例及び第２の実施例に於いては、取得した前記フレーム画像１６ａ〜１６ｄ間のずれを補正した上で重ね合せているが、スペクトル画像取得装置が静止された状態でスペクトル画像を取得する場合には、取得したフレーム画像１６ａ〜１６ｄ間にずれが存在しないので、変位ベクトルの検出やずれの補正を行うことなく該フレーム画像１６ａ〜１６ｄを重ね合せることができ、更に該フレーム画像１６ａ〜１６ｄ間で加算平均処理することで前記撮像素子７で発生するノイズを低減させることができる。

１光学系
３対物レンズ
５偏向プリズム
６結像レンズ
７撮像素子
８視野絞り
９絞り孔
１２主光束
１３干渉フィルタ
１４部分光束
１５スペクトル画像
１６フレーム画像
１７撮像部
１８制御装置
２２画像処理部
３１特徴点
３２光学系
３３フィルタ板
３４パルスモータ
３５〜３８干渉フィルタ部
４１制御装置
４２０検出処理部

Claims

対物レンズと、該対物レンズを透過して結像した像の大きさを制限する矩形の絞り孔を有する視野絞り部材と、該視野絞り部材とテレセントリック光学系を構成し、前記絞り孔を通過した光束を平行光束とするリレーレンズと、前記対物レンズの光軸上に配置され、マトリクス状に分割された９つの波長選択面を有し該波長選択面毎に異なった波長選択特性を有する波長選択部材と、前記波長選択面を透過した９つの部分光束に対応し、前記光軸に対して垂直な平面を有する１つの偏向要素と、前記平面から外周に向って傾斜する傾斜面を有する８つの偏向要素を有し、各偏向要素により前記部分光束を１箇所で交差する様それぞれ偏向させる偏向部材と、該偏向部材に偏向された前記部分光束の交差位置に配置され、撮像素子に前記部分光束毎に集光して結像させる結像レンズとを具備することを特徴とするスペクトル画像取得装置。
前記偏向部材はプリズムである請求項１のスペクトル画像取得装置。
制御装置を更に具備し、該制御装置は、所定のフレーム数だけ連続撮影されたフレーム画像間の変位ベクトルを検出し、検出した変位ベクトルを基に各フレーム画像を重ね合せて各画素毎の値を積算する請求項１又は請求項２のスペクトル画像取得装置。
全てのスペクトル画像について特徴点を抽出し、前記フレーム画像間で比較可能な特徴点を有する前記スペクトル画像を選択して重ね合せる請求項３のスペクトル画像取得装置。
波長選択部材保持板と該波長選択部材保持板を回転駆動させる駆動部とを更に具備し、前記波長選択部材保持板にはそれぞれ複数の前記波長選択面を有する前記波長選択部材が所定の角度ピッチで複数設けられ、前記駆動部の回転により所望の前記波長選択部材が前記光束の光路上に配置される請求項１〜請求項４のうちいずれかのスペクトル画像取得装置。
前記波長選択面の内の１つが全波長透過面であり、該全波長透過面を透過して前記撮像素子に結像された画像から特徴点を抽出する請求項４又は請求項５のスペクトル画像取得装置。
それぞれ異なった波長特性を有する複数の波長選択面により光束を複数の部分光束に分割する工程と、偏向部材により前記波長選択面を透過した前記部分光束毎にそれぞれ偏向させる工程と、結像レンズにより前記偏向部材に偏向された前記部分光束毎に集光させる工程と、前記結像レンズにより集光された前記部分光束を撮像素子に結像させ複数波長のスペクトル画像を有するフレーム画像を取得する工程とを有することを特徴とするスペクトル画像取得方法。
前記フレーム画像を取得する工程では、撮像部により前記フレーム画像を所定のフレーム数だけ撮影する工程と、各前記フレーム画像に共通する特徴点を抽出する工程と、時間的に隣接する前記フレーム画像間で前記特徴点を比較して前記フレーム画像間の変位ベクトルを検出する工程と、検出した変位ベクトルを基に該フレーム画像間の位置を補正して重ね合せる工程と、各該フレーム画像の重なり合った部分の各画素毎の値を積算する工程とを有する請求項７のスペクトル画像取得方法。
前記撮像部が複数の波長選択面を有する波長選択部材が所定の角度ピッチで複数設けられた回転可能な波長選択板を有し、前記フレーム画像を撮影する工程では、前記波長選択板の回転により所望の波長選択部材が選択され、所望の波長範囲のスペクトル画像を有する前記フレーム画像が取得される請求項８のスペクトル画像取得方法。