JP6693284B2 - 光学測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、光学測定装置に関する。

測定光を照射することによる測定対象物からの出射光を検出して測定を行う光学測定装置において、測定対象物に照射する測定光の波長を切り替えながら測定を行う手法が知られている（例えば、特許文献１）。

特表２０１３−５２１９００号公報

上記の手法を用いる場合には、測定光の波長の切り替えが正確に行われないことが考えられる。しかしながら、従来は、波長の切り替えが適切に行われているか否かを確認することは検討されていなかった。

本発明は上記を鑑みてなされたものであり、測定光のモードの切り替え動作を確認すること可能な光学測定装置を提供することを目的とする。

本願発明は、
（１） 測定対象物に対して光を出射する光源部と、
波長選択素子を複数有し、前記光源部から出射された光の光路上に配置する前記波長選択素子を所定のパターンで変更することで、前記測定対象物に対して照射する光のモードを変更するモード選択機構と、
前記モード選択機構を経た前記光源部からの光が照射された前記測定対象物を撮像する撮像部と、
前記モード選択機構の動作を制御すると共に、前記撮像部による前記測定対象物の撮像結果を取得して、前記モード選択機構の動作が適切であるか判定する制御部と、
を有し、
前記モード選択機構から前記測定対象物に対して照射する光のモードには、モード選択機構の動作確認に用いられる基準モードが含まれ、
前記制御部は、前記基準モードでの前記撮像部による前記測定対象物の撮像結果と、前記基準モードとは異なるモードでの前記撮像部による前記測定対象物の撮像結果と、を比較して、前記モード選択機構の動作が適切であるか判定する光学測定装置、
である。

本発明によれば、測定光のモードの切り替え動作を確認することが可能な光学測定装置が提供される。

本実施形態に係る光学測定装置の概略構成図である。 光学測定装置の動作例について説明するフローチャートである。

［本願発明の実施形態の説明］
最初に本願発明の実施態様を列記して説明する。

本願の光学測定装置は、（１）測定対象物に対して光を出射する光源部と、波長選択素子を複数有し、前記光源部から出射された光の光路上に配置する前記波長選択素子を所定のパターンで変更することで、前記測定対象物に対して照射する光のモードを変更するモード選択機構と、前記モード選択機構を経た前記光源部からの光が照射された前記測定対象物を撮像する撮像部と、前記モード選択機構の動作を制御すると共に、前記撮像部による前記測定対象物の撮像結果を取得して、前記モード選択機構の動作が適切であるか判定する制御部と、を有し、前記モード選択機構から前記測定対象物に対して照射する光のモードには、モード選択機構の動作確認に用いられる基準モードが含まれ、前記制御部は、前記基準モードでの前記撮像部による前記測定対象物の撮像結果と、前記基準モードとは異なるモードでの前記撮像部による前記測定対象物の撮像結果と、を比較して、前記モード選択機構の動作が適切であるか判定する。

上記の光学測定装置によれば、モード選択機構が基準モードである際の撮像部による測定対象物の撮像結果と、モード選択機構が基準モードとは異なるモードである際の撮像部による測定対象物の撮像結果と、を比較して、モード選択機構の動作が適切であるか判定することができるため、モード選択機構の動作が適切であるか、すなわち、測定光のモードの切り替え動作を確認すること可能となる。

（２）また、本願発明は上述の（１）に記載の光学測定装置において、前記基準モードには、前記光源部からの光を遮断するモードが含まれる態様とすることができる。

上記のように、基準モードとして光源部からの光を遮断するモードが含まれる場合、基準モードが他のモードと比較して分かりやすくなり、測定光のモードの切り替え動作を確認することが容易になる。

（３）また、本願発明は上述の（１）〜（２）に記載の光学測定装置において、前記基準モードには、前記光源部からの光を全て前記測定対象物に対して出射するモードが含まれる態様とすることができる。

上記のように、基準モードとして光源部からの光を全て測定対象物に対して出射するモードが含まれる場合、基準モードが他のモードと比較して分かりやすくなり、測定光のモードの切り替え動作を確認することが容易になる。

（４）また、本願発明は上述の（１）〜（３）に記載の光学測定装置において、前記制御部は、前記基準モードでの前記撮像部による前記測定対象物の撮像結果と、前記基準モードとは異なるモードでの前記撮像部による前記測定対象物の撮像結果と、を比較して、前記モード選択機構における前記波長選択素子の変更動作の前記所定のパターンからのずれを検知する態様とすることができる。

上記のように、モード選択機構による波長選択素子の変更動作の所定のパターンからのずれを検知する構成とすることで、モード選択機構の動作が適切ではない場合にどのようにずれているかを確認することが可能となり、復帰等の事後の対応も適切に行うことができる。

（５）また、本願発明は上述の（１）〜（４）に記載の光学測定装置において、前記モード選択機構は、前記波長選択素子として機能するフィルタが複数取り付けられたフィルタホイールである態様とすることができる。

モード選択機構としてフィルタホイールを用いることで、より簡単な装置により、測定光のモードの切り替え動作を確認する構成を実現することができる。

（６）また、本願発明は上述の（１）〜（５）に記載の光学測定装置において、前記光源部から出射する光には、可視光が含まれ、前記波長選択素子には、前記測定対象物に対して照射する光の成分に可視光を含めることが可能な素子が含まれている態様とすることができる。

上記のように、光源部から出射する光に可視光が含まれ、測定対象物に対して照射する光の成分に可視光を含めることが可能な波長選択素子が含まれることで、測定対象物に対して照射する光の光路を視覚的に確認することができ、装置の位置調整等を容易に行うことが可能となる。

（７）また、本願発明は上述の（１）〜（６）に記載の光学測定装置において、前記制御部は、前記モード選択機構の動作が適切ではないと判定した場合に、前記モード選択機構の動作を適切な状態に復帰させる態様とすることができる。

上記のように、制御部がモード選択機構の動作を適切な状態に復帰させる構成を備えることで、モード選択機構の動作が適切ではない場合であっても復帰までの時間を短くすることができる。

［本願発明の実施形態の詳細］
本発明に係る光学測定装置の具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

図１は、本発明の一実施形態に係る光学測定装置１の構成を示す図である。図１に示される光学測定装置１は、測定対象物Ｏに対して測定光を照射し、測定対象物Ｏから出射されて撮像部２０に入射する光を撮像部２０で検出することで、測定対象物Ｏに係る測定を行う装置である。光学測定装置１は、光源部１０と、撮像部２０と、制御部３０と、を備える。また、光学測定装置１では、光源部１０と測定対象物Ｏとの間にモード選択機構４０を備え、モード選択機構４０の動作により、測定対象物Ｏに対して照射する光の波長を変化させる機能を有する。光学測定装置１により測定が行われる測定対象物Ｏは、例えば、食品、薬品、工業製品や、生体組織等が挙げられるが特に限定されない。

光源部１０は、光源１１と、光源１１から出射される光をコリメートするコリメートレンズ１２と、コリメートレンズ１２によりコリメートされた光の照射領域を規制するアパーチャ１３とを有する。光源１１としては、ハロゲンランプ、キセノンランプ、ＬＥＤ、広帯域レーザー等を用いることができる。光源１１から出射された光が、コリメートレンズ１２によりコリメートされた後、アパーチャ１３により規制された所定の照射領域Ｒへ向けて照射される。

光源部１０から出射される光の波長範囲は、測定対象物Ｏによって適宜選択される。光源部１０から出射される光として、波長範囲が９００ｎｍ〜２５００ｎｍの近赤外光が好適に用いられ、特に波長範囲が１０００ｎｍ〜２３００ｎｍの光が好適に用いられるが、近赤外光とは異なる波長範囲の光が用いられていてもよい。なお、光源部１０から出射される光には波長範囲が３８０ｎｍ〜７８０ｎｍの可視光が含まれている構成とすることができる。光源部１０から出射される光に可視光成分が含まれていると、光源部１０から出射される光の照射範囲を視覚的に確認することが容易となる。この場合、後述のモード選択機構４０においても、所定の波長の光を出射することができる波長選択素子として可視光を出射可能な素子が含まれていると、モード選択機構４０の後段においても光の照射範囲を視覚的に確認することが容易となる。

光源部１０から出射された光は、モード選択機構４０へ入射する。モード選択機構４０を通過することにより、所定の波長の光のみが選択して透過されて、測定対象物Ｏの所定の照射領域Ｒに到達する。

モード選択機構４０は、フィルタホイール、音響光学フィルタ（Acousto-OpticTunable Filter：ＡＯＴＦ）、液晶フィルタ等により実現することができ、所定の波長の光を出射することができる波長選択素子を複数有し、これらを所定の順序で光路Ｌ１上に配置することで、測定対象物Ｏに対して照射する光のモードを切り替える機能を有する。

本実施形態では、モード選択機構４０が所謂フィルタホイール型であり、所定の波長の光を透過させるフィルタ部を複数有している場合について説明している。フィルタホイール型は、簡便な構成でモード選択機構４０を実現することができる構成である。本実施形態では、モード選択機構４０は、４つのフィルタ部４１〜４４が円盤状のホイール４５に対して取り付けられていて、ホイール４５が軸心Ａを中心に回転することで、光源部１０からの光の光路Ｌ１上に特定のフィルタ部４１〜４４が移動する。フィルタ部の数は限定されない。その結果、フィルタ部４１〜４４により規定された所定の波長の光が透過する。光源部１０からの光の光路Ｌ１上に設けられるフィルタ部が変更されることで、モード選択機構４０から出射される光の波長及び強度等が変化する。この、モード選択機構４０から出射される光の状態を、本実施形態では「光のモード」という。すなわち、光源部１０からの光は、光路Ｌ１上に設けられたフィルタ部４１〜４４に応じてモードが変更されて、モード選択機構４０から出射される。

測定光は、照射領域Ｒ上に載置された測定対象物Ｏにより拡散反射される。そして、その一部が、拡散反射光として撮像部２０に入射する。

撮像部２０は、測定光が測定対象物Ｏにおいて拡散反射された拡散反射光をレンズ２１から入射して、カメラ２２において受光することで、測定対象物Ｏの撮像を行う。カメラ２２は、ライン状又は２次元に配置された画素により構成される受光面による受光により発生する電荷をＡ／Ｄ変換器によってデジタル変換し、波長領域ごとに光強度の分布を示すデジタル情報を生成する。生成されたデジタル情報は、図示しない分析部へ送られて、所望の演算処理等を行った後に出力する構成としてもよい。また、デジタル情報は、撮像部２０から制御部３０にも送られる。制御部３０ではモード選択機構４０の動作の検証のために撮像部２０での撮像結果が用いられる。なお、本実施形態では、図１に示すように、カメラ２２の視野領域がカメラ２２の真下にあるが、この配置は適宜変更することができる。

撮像部２０は、後述の制御部３０からの指示信号に基づいて撮像を行う。また、撮像後には、撮像部２０から制御部３０に対して撮像が完了した旨の信号を送信する。

撮像部２０は、画像を取得するイメージセンサであるが、ハイパースペクトルセンサであってもよい。ハイパースペクトル画像とは、一画素がＮ個の波長データにより構成されている画像であり、画素毎にそれぞれ複数の波長に対応した反射強度データからなるスペクトル情報が含まれている。すなわち、ハイパースペクトル画像は、画像を構成する画素毎に、それぞれ複数波長の強度データを持つという特徴から、画像としての二次元的要素と、スペクトルデータとしての要素をあわせ持った三次元的構成のデータである。なお、本実施形態では、ハイパースペクトル画像とは、１画素あたり少なくとも３つの波長帯域における強度データを保有している画素によって構成された画像のことをいう。

なお、本システムはハイパースペクトル画像取得装置としての例を示すが、選択するモードは波長以外にも偏光方向などの選択が可能であり、取得データもハイパースペクトル画像に限定されない。また、撮像部２０もイメージンセンサ及びハイパースペクトルセンサには限定されない。ハイパースペクトル画像取得装置とする場合であっても、撮像部２０は、画素毎に単一波長又は複数波長の光強度情報を取得する機能を有していればよく、その構成は適宜変更することができる。

制御部３０は、モード選択機構４０の動作を制御する機能を有する。また、撮像部２０とも直接信号のやり取りが可能であり、モード選択機構４０の動作を示す信号（光路Ｌ１上のフィルタ部が変更された旨を示す信号）を直接撮像部２０に対して送信する。撮像部２０は、この信号を受けて、撮像を行う。また、撮像部２０からの撮像完了を示す信号を受信すると、制御部３０は、モード選択機構４０のホイール４５を回転させ、次の撮像のためのモードに変化させる。また、制御部３０は、モード選択機構４０の動作が適切であるかを確認する機能を有する。この点については後述する。

制御部３０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、主記憶装置であるＲＡＭ（Random Access Memory）やＲＯＭ（Read Only Memory）、撮像部２０等の他の機器との間の通信を行う通信モジュール、並びにハードディスク等の補助記憶装置等のハードウェアを備えるコンピュータとして構成される。そして、これらの構成要素が動作することにより、制御部３０としての機能が発揮される。

上記の構成を有する光学測定装置１による測定方法では、光源部１０から光を出射した状態で、制御部３０がモード選択機構４０のホイール４５を所定の方向に回転させることで、所定のフィルタ部が光源部１０からの光の光路Ｌ１上に配置されるように移動させる。その状態で、制御部３０から撮像部２０に対して信号を送信することで、撮像部２０が測定対象物Ｏに係る撮像を行う。撮像部２０の撮像が終了すると、撮像部２０から制御部３０に対して信号が送信されるので、制御部３０は当該信号に基づいて、モード選択機構４０のホイール４５を回転させて、次のフィルタ部が光路Ｌ１上に配置するように移動させる。これらを繰り返すことで、測定対象物Ｏに係る撮像が行われる。ホイール４５を所定の方向に回転するため、光路Ｌ１上に配置されるフィルタ部の配置順序はホイール４５上でのフィルタ部４１〜４４の配置に基づいた順序となり、周期的に繰り返される。図１では、フィルタ部４４が光路Ｌ１上に配置されている状態を示しているが、この後ホイール４５を右回りに回転すると、フィルタ部４１，４２，４３，４４がこの順に光路Ｌ１上に移動する。そして、フィルタ部が光路Ｌ１上に移動する度に撮像部２０が測定対象物Ｏの撮像を行う。この結果、測定対象物Ｏに係る撮像を４つのモードで行うことができる。

ここで、本実施形態に係る光学測定装置１では、モード選択機構４０に含まれる複数のフィルタ部４１〜４４のうちの一部が光路Ｌ１上に配置されている状態を基準モードとして、モード選択機構４０によるモードの変更が適切に行われているかを確認できる構成を有することを特徴とする。基準モードとは、測定対象物Ｏからの光を撮像部２０が検出した際の光の強度若しくは分布等が既知であるモードである。基準モードとしては、例えば、フィルタ部に遮光板を配置して、光源部１０からの光を全て遮断する状態を用いることができる。この場合、特定波長の光を透過するフィルタをフィルタ部に配置した場合と比較して、遮光板を配置した状態では、撮像部２０で検出される光の強度が低くなる。また、基準モードとして、フィルタ部をブランク（ガラス等の透明板を配置するかフィルタ部に何も置かない状態）とした状態を用いることができる。この場合、特定波長の光を透過するフィルタをフィルタ部に配置した場合と比較して、ブランク状態では、撮像部２０で検出される光の強度が大きくなる。

このように、フィルタ部４１〜４４の少なくとも一部を基準モードとし、ホイール４５を回転しながら撮像を繰り返す構成とすると、基準モードとは異なるモードで撮像した場合と、基準モードで撮像した場合との撮像部２０で検出された光の強度の関係に基づいて、ホイール４５が適切であるか、すなわち、設定された通りのフィルタ部の移動及び配置が実現されているかを容易に検証することができる。この検証は、制御部３０において行うことができる。

モード選択機構４０の動作が適切であるかを確認しながら測定対象物Ｏに係る測定を行う際の具体的な手順を、図２を参照しながら説明する。ここでは、モード選択機構４０のフィルタ部４１はブランクであるとする。また、モード選択機構４０のフィルタ部４２には遮光板が取り付けられ、フィルタ部４３及びフィルタ部４４には所定の波長の光を透過させるフィルタ１及びフィルタ２がそれぞれ取り付けられているとする。このような構成の場合、フィルタ部４１，４２が光路Ｌ１上に配置された状態が基準モードに相当する。

まず、制御部３０による制御によって、フィルタ部４１が光路Ｌ１上に配置された状態で撮像を行う（Ｓ０１）。このときの結果をＩ（ｂｌａｎｋ）とする。次に、モード選択機構４０のホイール４５を回転し、フィルタ部４２の遮光板が光路Ｌ１上に配置された状態で撮像を行う（Ｓ０２）。このときの結果をＩ（ｂｌａｃｋ）とする。次に、モード選択機構４０のホイール４５を回転し、フィルタ部４３のフィルタ１が光路Ｌ１上に配置された状態で撮像を行う（Ｓ０３）。このときの結果をＩ（λ１）とする。次に、モード選択機構４０のホイール４５を回転し、フィルタ部４４のフィルタ２が光路Ｌ１上に配置された状態で撮像を行う（Ｓ０４）。このときの結果をＩ（λ２）とする。

その後、制御部３０において、４つの値Ｉ（ｂｌａｎｋ）、Ｉ（ｂｌａｃｋ）、Ｉ（λ１）、Ｉ（λ２）の数値関係が適切であるかを確認する（Ｓ０５）。具体的には所定の波長の光を透過するフィルタ１又はフィルタ２を用いた場合に撮像部２０で検出される光の強度は、ブランク状態と遮光板を配置した状態でとの間になるはずである。すなわち、以下の関係：
Ｉ（ｂｌａｃｋ）＜Ｉ（λ１）＜Ｉ（ｂｌａｎｋ）
Ｉ（ｂｌａｃｋ）＜Ｉ（λ２）＜Ｉ（ｂｌａｎｋ）
を満たすはずである。制御部３０は、ホイール４５を一周して全てのフィルタ部を光路Ｌ１上に配置して測定を行った後に、測定結果が上記の関係を満たしているかを確認する。

この結果、数値関係が適切である場合（Ｓ０５−ＹＥＳ）には、終了するまで、上記の測定を繰り返す（Ｓ０６）。一方、数値関係が適切ではない場合（Ｓ０５−ＮＯ）には、モード選択機構４０の動作が設定された状態とは異なっている可能性が考えられるため、エラーを通知する（Ｓ０７）。なお、制御部３０では、４つのモードにおける測定結果に基づいて、モード選択機構４０の動作を適切に復帰させる機能を備えていてもよい。上記のように、基準モード（ブランク、又は、遮光板）とそれ以外のフィルタを配置したモードとの測定結果の関係性は予め規定されているため、想定されている関係性からどのように外れているかを検証することで、モード選択機構４０のフィルタ部の位置がどのようにずれているかを推定することができる。また、フィルタ部の位置ずれが生じている場合には、例えば、モード選択機構４０におけるホイール４５の回転は繰り返しつつ、撮像のタイミングをずらす処理を行う等により、モード選択機構４０の動作を設定された状態に復帰させることができる。このようにモード選択機構４０の動作を復帰させる機能を有している場合には、エラー通知（Ｓ０７）を行うと同時にモード選択機構４０の動作を復帰させたうえで、撮像を継続することができる。

このように、本実施形態に係る光学測定装置１によれば、モード選択機構４０が基準モードである際の撮像部２０による測定対象物の撮像結果と、モード選択機構４０が基準モードとは異なるモードである際の撮像部２０による測定対象物の撮像結果と、を比較して、モード選択機構４０の動作が適切であるか判定することができるため、モード選択機構４０の動作が適切であるか、すなわち、測定光のモードの切り替え動作を確認すること可能となる。

また、基準モードとして光源部１０からの光を遮断するモードが含まれる場合、基準モードが他のモードと比較して分かりやすくなり、測定光のモードの切り替え動作を確認することが容易になる。

また、基準モードとして光源部１０からの光を全て測定対象物に対して出射するモードが含まれる場合についても、基準モードが他のモードと比較して分かりやすくなり、測定光のモードの切り替え動作を確認することが容易になる。

また、制御部３０においてモード選択機構４０による波長選択素子の変更動作の所定のパターンからのずれを検知する構成とすることで、モード選択機構４０の動作が適切ではない場合にどのようにずれているかを確認することが可能となり、復帰等の事後の対応も適切に行うことができる。

モード選択機構４０とし上記実施形態で説明したフィルタホイールを用いることで、より簡単な装置により、測定光のモードの切り替え動作を確認する構成を実現することができる。

また、光源部１０から出射する光に可視光が含まれ、測定対象物Ｏに対して照射する光の成分に可視光を含めることが可能な波長選択素子が含まれることで、測定対象物に対して照射する光の光路を視覚的に確認することができ、装置の位置調整等を容易に行うことが可能となる。

上記のように、制御部３０がモード選択機構４０の動作を適切な状態に復帰させる構成を備えることで、モード選択機構４０の動作が適切ではない場合に手動で復帰させる場合と比較して復帰までの時間を短くすることができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されず、種々の変更を行うことができる。

例えば、上記実施形態では、光学測定装置１のモード選択機構４０がフィルタホイールである場合について説明したが、光路Ｌ１上に配置される波長選択素子を所定のパターンで変更可能な構成であれば、モード選択機構が他の機構により実現されていてもよい。

また、光源部１０、撮像部２０についても、上記実施形態の構成に限定されない。また、制御部３０は、撮像部２０又はモード選択機構４０と一体化されていてもよい。

また、上記実施形態では、基準モードが２つのフィルタ部４１，４２により実現されている例について説明したが、基準モードは少なくとも１つあればよい。複数の基準モードが準備されていると、モード選択機構の動作確認をより正確に行うことができる場合がある。

１…光学測定装置、１０…光源部、２０…撮像部、３０…制御部、４０…モード選択機構、４１〜４４…フィルタ部、４５…ホイール。

Claims (7)

1. 測定対象物に対して光を出射する光源部と、
   波長選択素子を複数有し、前記光源部から出射された光の光路上に配置する前記波長選択素子を所定のパターンで変更することで、前記測定対象物に対して照射する光のモードを変更するモード選択機構と、
   前記モード選択機構を経た前記光源部からの光が照射された前記測定対象物を撮像する撮像部と、
   前記モード選択機構の動作を制御すると共に、前記撮像部による前記測定対象物の撮像結果を取得して、前記モード選択機構の動作が適切であるか判定する制御部と、
   を有し、
   前記モード選択機構から前記測定対象物に対して照射する光のモードには、モード選択機構の動作確認に用いられる基準モードが含まれ、
   前記制御部は、前記基準モードでの前記撮像部による前記測定対象物の撮像結果と、前記基準モードとは異なるモードでの前記撮像部による前記測定対象物の撮像結果と、を比較して、前記モード選択機構の動作が適切であるか判定する光学測定装置。
2. 前記基準モードには、前記光源部からの光を遮断するモードが含まれる請求項１に記載の光学測定装置。
3. 前記基準モードには、前記光源部からの光を全て前記測定対象物に対して出射するモードが含まれる請求項１又は２に記載の光学測定装置。
4. 前記制御部は、前記基準モードでの前記撮像部による前記測定対象物の撮像結果と、前記基準モードとは異なるモードでの前記撮像部による前記測定対象物の撮像結果と、を比較して、前記モード選択機構における前記波長選択素子の変更動作の前記所定のパターンからのずれを検知する請求項１〜３のいずれか一項に記載の光学測定装置。
5. 前記モード選択機構は、前記波長選択素子として機能するフィルタが複数取り付けられたフィルタホイールである請求項１〜４のいずれか一項に記載の光学測定装置。
6. 前記光源部から出射する光には、可視光が含まれ、
   前記波長選択素子には、前記測定対象物に対して照射する光の成分に可視光を含めることが可能な素子が含まれている請求項１〜５のいずれか一項に記載の光学測定装置。
7. 前記制御部は、前記モード選択機構の動作が適切ではないと判定した場合に、前記モード選択機構の動作を適切な状態に復帰させる請求項１〜６のいずれか一項に記載の光学測定装置。

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