JP6923897B2 - Filters, imaging devices and imaging systems - Google Patents
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本発明は、光学機器のフィルタ、画像撮影装置および画像撮影システムに関する。 The present invention relates to filters for optical instruments, imaging devices and imaging systems.
近年、カラー画像すなわちRGB画像よりも多くのスペクトル情報を持つマルチスペクトル画像(Multispectral Image:MSI)が注目されている。MSIは、照明によらない忠実な色再現や、人間の目視では認識できない分光レベルでの物体認識を可能とする。そのため、リモートセンシングでの利用や病理診断、青果物の糖度測定など、様々な分野でのMSIの応用が期待されている。例えば、肝病理標本のMSIにおいて組織分類を行い、分類精度の向上を図る試みもなされている。 In recent years, a multispectral image (MSI) having more spectral information than a color image, that is, an RGB image has attracted attention. MSI enables faithful color reproduction without illumination and object recognition at a spectral level that cannot be visually recognized by humans. Therefore, MSI is expected to be applied in various fields such as remote sensing, pathological diagnosis, and sugar content measurement of fruits and vegetables. For example, attempts have been made to improve the classification accuracy by performing tissue classification in MSI of liver pathological specimens.
MSIの撮影システムには、様々なものが提案されている。例えば、マルチスペクトルフィルタアレイ(Multispectral Filter Array:MSFA)を用いた撮影システムは、機器コストが小さく簡便な撮影が可能であることから、産業界における普及が期待されている。具体的には、受光器の入射側にMSFAを備えたワンショット分光イメージングカメラが提案されている(例えば、非特許文献1参照)。 Various MSI imaging systems have been proposed. For example, an imaging system using a Multispectral Filter Array (MSFA) is expected to be widely used in the industrial world because the equipment cost is low and simple imaging is possible. Specifically, a one-shot spectroscopic imaging camera provided with an MSFA on the incident side of the receiver has been proposed (see, for example, Non-Patent Document 1).
一方では、近年、光学部品や薄膜製品、生体組織の偏光特性、すなわち複屈折を測定し、測定によって得られた偏光特性をふまえて測定対象物の詳細な物性やふるまい等を解明したいという要望がある。 On the other hand, in recent years, there has been a demand to measure the polarization characteristics of optical parts, thin film products, and biological tissues, that is, birefringence, and to clarify the detailed physical properties and behavior of the object to be measured based on the polarization characteristics obtained by the measurement. be.
従来の主な偏光特性の測定方法に、回転検光子法がある。ところが、回転検光子法では、偏光フィルタを回転させるための回転モータや回転角の検出センサ、筐体等を用意する必要があるため、測定光学系が複雑になり、計測面の面上のデータにおける位置ずれが生じやすいという問題があった。 The rotary photon method is a conventional method for measuring the main polarization characteristics. However, in the rotary photon method, it is necessary to prepare a rotary motor, a rotation angle detection sensor, a housing, etc. for rotating the polarizing filter, which complicates the measurement optical system and data on the surface of the measurement surface. There was a problem that misalignment was likely to occur.
そこで、測定対象物から透過した透過光の偏光状態を変える、すなわちCCD(Charge Coupled Device)等の受光器の入射側に受光素子、すなわち画素と同じサイズで、画素と同数の偏光子を備えたワンショット偏光イメージングカメラが提案されている(例えば、非特許文献2参照)。 Therefore, the polarization state of the transmitted light transmitted from the object to be measured is changed, that is, a light receiving element such as a CCD (Charge Coupled Device) is provided on the incident side with a light receiving element, that is, a polarizer having the same size as the pixel and the same number as the pixel. A one-shot polarized imaging camera has been proposed (see, for example, Non-Patent Document 2).
従来のワンショット分光イメージングカメラは、ワンショットで、画素ごとに異なる分光情報を取得することでMSIを取得することができる。しかしながら、偏光(すなわち、偏光方位)情報については、それぞれの画素のマルチスペクトルフィルタの偏光透過特性に一致する偏光状態での取得に限られ、ワンショットで、測定対象物のあらゆる方位の偏光情報を取得することはできない。 The conventional one-shot spectroscopic imaging camera can acquire MSI by acquiring different spectroscopic information for each pixel in one shot. However, the polarization (that is, polarization orientation) information is limited to acquisition in a polarization state that matches the polarization transmission characteristics of the multispectral filter of each pixel, and the polarization information in all orientations of the object to be measured can be obtained with one shot. You can't get it.
一方、従来のワンショット偏光イメージングカメラは、画素ごとに異なる4方向の偏光情報を取得することで、ワンショットで、4方向の偏光ごとの画像を取得することができる。しかしながら、スペクトル(すなわち、波長)情報については、それぞれの画素の偏光子の分光透過特性を有する波長帯域の範囲内での取得に限定されており、ワンショットで、測定対象物のカラー画像や分光情報を得ることは難しい。そのため、例えば医療用にはコラーゲンの可視化のために偏光顕微鏡が実用化されているが、このような偏光顕微鏡は通常の光学顕微鏡とは異なる構成となるため、診断やRGB画像またはMSIの撮影には別途、光学顕微鏡やその他の光学機材が必要となる。 On the other hand, the conventional one-shot polarized light imaging camera can acquire an image for each of the four directions of polarization in one shot by acquiring polarization information in four directions different for each pixel. However, the spectrum (that is, wavelength) information is limited to the acquisition within the wavelength band having the spectral transmission characteristics of the polarizer of each pixel, and the color image and spectroscopy of the object to be measured can be obtained in one shot. It is difficult to get information. Therefore, for example, for medical purposes, a polarizing microscope has been put into practical use for visualizing collagen, but since such a polarizing microscope has a different configuration from a normal optical microscope, it is used for diagnosis and imaging of RGB images or MSI. Separately requires an optical microscope and other optical equipment.
すなわち、従来のワンショット分光イメージングカメラやワンショット偏光イメージングカメラの何れを用いた場合でも、MSIと偏光情報とをワンショットで同時に取得することは難しく、MSIと偏光情報の両方を取得するためには、複数回の撮影を必要とするので、手間と時間がかかるという問題があった。 That is, regardless of whether a conventional one-shot spectroscopic imaging camera or a one-shot polarization imaging camera is used, it is difficult to acquire MSI and polarization information at the same time in one shot, and in order to acquire both MSI and polarization information. Has a problem that it takes time and effort because it requires multiple shootings.
以下、本明細書では、ワンショット分光イメージングカメラやワンショット偏光イメージングカメラ等(光学機器)の計測面において、方位が配向されている最小単位や所定の分光透過特性を有する最小単位を「セル」と称する。複数の「セル」は、個々に分離されているものや、互いに隣接し、外周にフレーム等が設けられているもの等を全て含んでいる。 Hereinafter, in the present specification, on the measurement surface of a one-shot spectroscopic imaging camera, a one-shot polarized imaging camera, or the like (optical equipment), the smallest unit whose orientation is oriented or the smallest unit having a predetermined spectral transmission characteristic is referred to as a "cell". It is called. The plurality of "cells" include all those that are individually separated, those that are adjacent to each other and have a frame or the like on the outer periphery, and the like.
MSIと偏光情報とをワンショットで同時に取得する場合、原理的には、MSFAと偏光フィルタアレイとを重ねればよいと想到される。
しかしながら、本発明者は、従来のマルチスペクトルアレイと偏光フィルタアレイとを単に重ね合わせても、MSIと偏光情報とをワンショットで同時に、かつ良好に取得することが難しいという点に着目した。そして、本発明者は、セル毎の分光透過特性と偏光透過特性との相関関係が所定の条件を満たすことが重要であることを見い出し、本発明を完成させるに至った。
When acquiring MSI and polarization information at the same time in one shot, it is conceivable that the MSFA and the polarizing filter array should be overlapped in principle.
However, the present inventor has focused on the fact that it is difficult to obtain MSI and polarization information in one shot at the same time and in a good manner even if the conventional multispectral array and the polarizing filter array are simply superposed. Then, the present inventor has found that it is important that the correlation between the spectral transmission characteristic and the polarization transmission characteristic for each cell satisfies a predetermined condition, and has completed the present invention.
本発明は、上述の問題を解決するためになされたものであって、MSIと偏光情報とをワンショットで同時に取得可能とするフィルタ、画像撮影装置および画像撮影システムを提供する。 The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and provides a filter, an image capturing apparatus, and an imaging system capable of simultaneously acquiring MSI and polarization information in one shot.
本発明に係るフィルタは、透過させる波長帯域の種類と偏光の方位の種類とがそれぞれ割り当てられた分光偏光セルを複数備え、前記偏光の方位の種類は4種類以上であり、前記分光偏光セルは、割り当てられた前記波長帯域の種類の光を透過可能とする格子ピッチと、割り当てられた前記偏光の方位の種類に合った格子方向と、を有する単一のフォトニック結晶で構成されていることを特徴とする。
ここで、透過させる光の波長帯域の種類が複数あり、透過させる偏光の方位の種類も複数ある。隣り合う分光偏光セル同士の波長帯域の種類、および隣り合う分光偏光セル同士の偏光の方位の種類は、それぞれ互いに一致していてもよく、互いに異なっていてもよい。
Filter according to the present invention includes a plurality and variety of orientations of the type and the polarization of the wavelength band that transmits the spectral polarization cell assigned respectively, the type of orientation of the
Here, there are a plurality of types of wavelength bands of light to be transmitted, and there are also a plurality of types of polarization directions to be transmitted. The types of wavelength bands between adjacent spectrally polarized cells and the types of polarization directions between adjacent spectrally polarized cells may be the same as each other or may be different from each other.
本発明に係る画像撮影装置は、上述のフィルタを受光部に備えていることを特徴とする。 The image capturing apparatus according to the present invention is characterized in that the above-mentioned filter is provided in the light receiving unit.
本発明に係る画像撮影システムは、上述の画像撮影装置と、前記分光偏光セルのそれぞれを透過可能な光の前記波長帯域の種類及び前記偏光の方位の種類と、前記分光偏光セルのそれぞれを透過し、前記画像撮影装置によって取得された前記分光偏光セルごとの光強度と、を記憶する記憶装置と、前記記憶装置に記憶された前記分光偏光セルのそれぞれの前記波長帯域の種類と前記光強度に基づいて前記分光偏光セルごとのスペクトル情報を算出すると共に、前記記憶装置に記憶された前記分光偏光セルのそれぞれの前記偏光の方位の種類と前記光強度に基づいて前記分光偏光セルごとの偏光情報を算出する演算装置と、前記演算装置で演算された前記分光偏光セルごとのスペクトル情報を画像として表示すると共に、前記演算装置で演算された前記分光偏光セルごとの偏光情報を画像として表示する表示装置と、を備えていることを特徴とする。 Image capturing system according to the present invention includes the above image imaging apparatus, respectively the type and kind of orientation of the polarization of the wavelength band of permeable light of the spectral polarization cell, each of the spectral polarization cell A storage device that transmits and stores the light intensity of each of the spectrally polarized cells acquired by the imaging device, and the type of the wavelength band of each of the spectrally polarized cells stored in the storage device and the light. The spectral information for each of the spectrally polarized cells is calculated based on the intensity, and for each of the spectrally polarized cells based on the type of the polarization orientation of each of the spectrally polarized cells stored in the storage device and the light intensity. The calculation device that calculates the polarization information and the spectrum information for each spectrally polarized cell calculated by the calculation device are displayed as an image, and the polarization information for each spectrally polarized cell calculated by the calculation device is displayed as an image. It is characterized in that it is provided with a display device for polarizing.
本発明に係る画像撮影システムは、上述の画像撮影装置と、前記分光偏光セルのそれぞれに割り当てられた光の前記波長帯域の種類及び前記偏光の方位の種類と、前記分光偏光セルのそれぞれを透過し、前記画像撮影装置によって取得された前記分光偏光セルごとの光強度と、を記憶する記憶装置と、前記記憶装置に記憶された前記分光偏光セルのそれぞれに割り当てられた前記波長帯域の種類と前記光強度に基づいて前記分光偏光セルごとのスペクトル情報を算出すると共に、前記記憶装置に記憶された前記分光偏光セルのそれぞれに割り当てられた前記偏光の方位の種類と前記光強度に基づいて前記分光偏光セルごとの偏光情報を算出する演算装置と、前記演算装置で演算された前記分光偏光セルごとのスペクトル情報を画像として表示すると共に、前記演算装置で演算された前記分光偏光セルごとの偏光情報を画像として表示する表示装置と、を備えていることを特徴とする。 Image capturing system according to the present invention includes the above image imaging apparatus, the type and the type of orientation of the polarization of the wavelength band of light that are assigned to each of the spectral polarization cell, each of the spectral polarization cell The type of the wavelength band assigned to each of the storage device that transmits and stores the light intensity of each spectrally polarized cell acquired by the imaging device and the spectrally polarized cell stored in the storage device. And the spectral information for each of the spectrally polarized cells is calculated based on the light intensity, and based on the type of polarization orientation assigned to each of the spectrally polarized cells stored in the storage device and the light intensity. An arithmetic device that calculates polarization information for each spectrally polarized cell and spectrum information for each spectrally polarized cell calculated by the arithmetic apparatus are displayed as an image, and each spectrally polarized cell calculated by the arithmetic apparatus is displayed. It is characterized by including a display device that displays polarization information as an image.
上述の画像撮像システムにおいて、前記分光偏光セルのそれぞれに割り当てられた前記波長帯域の種類および前記偏光の方位の種類は、記憶装置に記憶されずに、演算装置に直接導入されてもよい。 In the above-mentioned image imaging system, the type of the wavelength band and the type of the direction of the polarization assigned to each of the spectrally polarized cells may be directly introduced into the arithmetic unit without being stored in the storage device.
本発明に係るフィルタ、画像撮影装置および画像撮影システムによれば、従来のワンショット分光イメージングカメラやワンショット偏光イメージングカメラと同程度の機材構成および機材コストによって、MSIと偏光情報とをワンショットで同時に取得することができる。 According to the filter, the imaging apparatus and the imaging system according to the present invention, MSI and polarization information can be obtained in one shot with the same equipment configuration and equipment cost as the conventional one-shot spectroscopic imaging camera and one-shot polarization imaging camera. Can be acquired at the same time.
以下、本発明に係るフィルタ、画像撮影装置および画像撮影システムの実施形態(以下、本実施形態とする)について、図面を参照して説明する。なお、以下の説明で用いる図面は模式的なものであり、長さ、幅、及び厚みの比率等は実際のものと同一とは限らず、適宜変更できる。 Hereinafter, embodiments of the filter, image capturing apparatus, and imaging system according to the present invention (hereinafter referred to as the present embodiment) will be described with reference to the drawings. The drawings used in the following description are schematic, and the length, width, thickness ratio, etc. are not always the same as the actual ones and can be changed as appropriate.
図1に示すように、本発明を適用した一実施形態の画像撮影装置2は、受光部4を備えて撮像可能なものであれば、特に限定されないが、例えばカメラや撮像用の光学機器等である。受光部4には、複数の画素Pを有する受光素子5が設けられている。本実施形態のマルチスペクトル偏光フィルタアレイ(フィルタ、以下、フィルタアレイとする)6Aは、受光素子5において光が入射する側に設けられている。
As shown in FIG. 1, the
図1に示すフィルタアレイ6Aは、本発明を適用したフィルタの第一の態様であり、複数の分光偏光セルC1,C2,…,Cnが配列されたものである。複数の分光偏光セルC1,C2,…,Cnはそれぞれ、受光素子5の画素P1,P2,…,Pq(ただし、図1において、画素P1,P2はフィルタアレイ6Aに隠れている)のそれぞれに対向配置できるように形成されている。受光素子5の全ての画素Pに対してフィルタアレイ6Aが対向可能となるように、複数の分光偏光セルCの数nは、受光素子5の画素Pの数qに応じて適宜設定されている。図1に示すように、1つの分光偏光セルCに対して1つの画素Pが対向する場合は、n=qである。
The
なお、本明細書では、分光偏光セルCの個数と、分光偏光セルCに関係するパラメータおよび分光偏光セルCに対向し得る構成要素の個数をnとして説明する。また、分光偏光セルCでいえば、1番目の分光偏光セルCをC1、2番目の分光偏光セルCをC2、…と表し、不特定のx,y番目の分光偏光セルCをCx,Cyと表し、分光偏光セルCに関係するパラメータおよび分光偏光セルCに対向し得る構成要素にも同様の表現を援用する。それぞれの分光偏光セルCxは、図示していないが特定の波長帯域Wxおよび偏光の方位φxが割り当てられ、波長帯域Wxの範囲内の波長の光を透過させると共に、配向された方位φxの光を透過させることができる。 In this specification, the number of spectrally polarized cells C, the parameters related to the spectrally polarized cells C, and the number of components that can face the spectrally polarized cells C will be described as n. Further, in terms of the spectrally polarized cell C, the first spectrally polarized cell C is represented by C1, the second spectrally polarized cell C is represented by C2, ..., And the unspecified x, yth spectrally polarized cell C is Cx, Cy. The same expression is applied to the parameters related to the spectrally polarized cell C and the components that can face the spectrally polarized cell C. Although not shown, each spectral polarization cell Cx is assigned a specific wavelength band Wx and a polarization direction φx, transmits light having a wavelength within the wavelength band Wx, and transmits light having an oriented direction φx. It can be made transparent.
隣接する分光偏光セルCx,Cyのぞれぞれに割り当てられた波長帯域Wx,Wyの種類は、基本的に互いに異なっている。「基本的に」という意味は、隣接する分光偏光セルCx,Cyが互いに特定の波長帯域Wx,Wyを透過させることができればよいことを示している。例えば、分光偏光セルCxには、400nm以上450nmの波長帯域が割り当てられ、分光偏光セルCyには450nm以上500nm未満の波長帯域が割り当てられている。ただし、後述する偏光の方位φが互いに異なって割り当てられれば、分光偏光セルCx,Cyの両方に450nm以上500nm未満の波長帯域が割り当てられていても構わない。
上述のように、フィルタアレイ6Aは、波長帯域Wx,Wyのそれぞれの範囲内の波長の光を通過させるフィルタを交換することによって通過させる光の波長を変えるのに替えて、フィルタアレイ6Aの板面(すなわち、画像撮影装置2の受光部4の受光面)を空間分割し、複数の波長の分光情報をワンショットで取得可能としたものである。
The types of wavelength bands Wx and Wy assigned to the adjacent spectrally polarized cells Cx and Cy are basically different from each other. The meaning of "basically" indicates that adjacent spectrally polarized cells Cx and Cy should be able to transmit each other in a specific wavelength band Wx and Wy. For example, the spectral polarization cell Cx is assigned a wavelength band of 400 nm or more and 450 nm, and the spectral polarization cell Cy is assigned a wavelength band of 450 nm or more and less than 500 nm. However, if the polarization directions φ described later are assigned differently from each other, a wavelength band of 450 nm or more and less than 500 nm may be assigned to both the spectral polarization cells Cx and Cy.
As described above, the
隣接する分光偏光セルCx,Cyのそれぞれに割り当てられた偏光の方位φx,φyの種類も、互いに異なっている。
図2には、紙面の縦方向および横方向(すなわち、フィルタアレイ6Aの行と列の各方向)に隣接する4つの分光偏光セルCに対向する画素Pで受光した光の情報をそれぞれ比較及び演算し、不図示の測定対象物の偏光情報および分光情報を取得する構成例を示している。そのため、例えば4つの分光偏光セルCx,Cx+1,Cy,Cy+1のそれぞれに割り当てられた偏光の方位φx,φx+1,φy,φy+1は、−45°,0°,45°,90°に設定されている。すなわち、フィルタアレイ6Aは、偏光子を回転させることによって通過させる光の方位を変えることに替えて、フィルタアレイ6Aの板面(すなわち、画像撮影装置2の受光面)を空間分割し、複数の方位の偏光情報をワンショットで取得可能としたものでもある。
The types of polarization directions φx and φy assigned to the adjacent spectral polarization cells Cx and Cy are also different from each other.
FIG. 2 compares and compares the information of the light received by the pixel P facing the four spectrally polarized cells C adjacent to each other in the vertical direction and the horizontal direction (that is, each direction of the row and column of the
例えば、フィルタアレイ6Aにおいて、波長帯域Wの種類がm個あり、偏光の方位φの種類がk個あり、複数の分光偏光セルCにこれらの何れかの種類が割り当てられる場合、図2に示す構成例では、m=16,k=4である。別の例として、m=6,k=4(偏光の方位φの種類は、−45°,0°,45°,90°の4種類である)の場合は、図3に示すように、4種類の方位φの偏光につき、6種類の波長帯域Wのスペクトル情報が得られる。
なお、波長帯域Wの種類の数と、偏光の方位φの種類の数は、一致していてもよく、上述の例のように一致していなくてもよい。何れの場合でも、分光偏光セルCのそれぞれに割り当てられた波長帯域Wの種類と偏光の方位φの種類がわかっていれば、後述する処理方法等を用いることによって、波長帯域Wと偏光の方位φとに基づく分光偏光セルCごとの分光情報および偏光情報が得られる。
For example, in the
The number of types of wavelength band W and the number of types of polarization direction φ may or may not match as in the above example. In any case, if the type of the wavelength band W assigned to each of the spectroscopic polarization cells C and the type of the polarization direction φ are known, the wavelength band W and the polarization direction can be used by using the processing method or the like described later. Spectral information and polarization information for each spectroscopic polarization cell C based on φ can be obtained.
フィルタアレイ6Aを構成するものは、複数の分光偏光セルCを有し、それぞれの分光偏光セルCに波長帯域Wの種類と偏光の方位φの種類を割り当てることが可能なものであれば、特に限定されない。このようなフィルタアレイ6Aを構成するものとしては、例えば、フォトニック結晶等が挙げられる。
The
フォトニック結晶は、図4に示すような多層干渉膜からなり、優れた透過率を有するデバイスである。それぞれの分光偏光セルCをフォトニック結晶で構成した場合、分光偏光セルCごとに格子ピッチを変化させることで分光透過特性、すなわち透過波長帯域を変えることができる。言い換えれば、分光偏光セルCを構成するフォトニック結晶の格子ピッチは、分光偏光セルCを透過させる波長帯域Wの種類に合わせて適宜設定されている。 A photonic crystal is a device composed of a multilayer interference film as shown in FIG. 4 and having excellent transmittance. When each spectrally polarized cell C is composed of a photonic crystal, the spectral transmission characteristic, that is, the transmission wavelength band can be changed by changing the lattice pitch for each spectrally polarized cell C. In other words, the lattice pitch of the photonic crystal constituting the spectrally polarized cell C is appropriately set according to the type of the wavelength band W through which the spectrally polarized cell C is transmitted.
また、フォトニック結晶は、格子方向によって偏光特性を制御することが可能なデバイスでもある。言い換えれば、それぞれの分光偏光セルCを構成するフォトニック結晶の格子方向は、分光偏光セルCを透過させる偏光の方位φの種類に合わせて適宜設定されている。
よって、図4に示すように、石英等からなる基板の上に形成された多層干渉膜において、分光偏光セルCごとに格子方向および間隔を変えることによって、分光偏光セルCごとに透過させる光の分光特性および偏光特性が容易に調整可能となっている。このように、フォトニック結晶が用いられた場合、単一デバイスによるフィルタアレイ6Aが実現される。1つの分光偏光セルCの平面サイズは、例えば5μm×5μmである。多層干渉膜としては、例えば、二酸化ニオブ(Nb2O2)と二酸化シリコン(SiO2)との積層膜が挙げられる。また、格子ピッチは、約300nm以下とされているが、これらの数値は特に限定されない。
The photonic crystal is also a device capable of controlling the polarization characteristics depending on the lattice direction. In other words, the lattice directions of the photonic crystals constituting each spectroscopic polarization cell C are appropriately set according to the type of polarization direction φ passing through the spectral polarization cell C.
Therefore, as shown in FIG. 4, in the multilayer interference film formed on the substrate made of quartz or the like, the light transmitted to each spectrally polarized cell C is transmitted by changing the lattice direction and the interval for each spectrally polarized cell C. The spectral characteristics and polarization characteristics can be easily adjusted. As described above, when the photonic crystal is used, the
以上説明した第一の態様のフィルタアレイ6Aによれば、図示しない測定対象物からの光のように、分光情報および偏光情報を含む光が入射した際に、分光偏光セルC1,C2,…,Cnのそれぞれにおいて、割り当てられた所定の波長帯域W1,W2,…,Wnの範囲内かつ所定の偏光の方位φ1,φ2,…,φnの光を分光偏光セルCごとに並列で透過させることができる。また、フォトニック結晶を用いることで、波長帯域W1,W2,…,Wnの範囲内であって、かつ所定の偏光の方位φ1,φ2,…,φnの光を単一のデバイスで分光偏光セルCごとに並列で透過させることができる。
According to the
本発明を適用したフィルタの第二の態様として、フィルタアレイ6Bが挙げられる。フィルタアレイ6Bは、フィルタアレイ6Aの分光偏光セルCに替えて、複数の複合セルc1,c2,…,cnが配列されたものである。複数の複合セルc1,c2,…,cnはそれぞれ、図1に示すような画像撮影装置2の受光部4の画素P1,P2,…,Pqのそれぞれに対向可能になるように形成されている。
A second aspect of the filter to which the present invention is applied is a
フィルタアレイ6Bは、図5に示すMSFA(分光フィルタアレイ)11と、偏光フィルタアレイ12と、を一体的に備え、具体的にはMSFA11と偏光フィルタアレイ12とを積層したものである。
The
MSFA11では、波長帯域Wの種類が割り当てられた分光セルSC1,SC2,…,SCnが複数配列されている。一方、偏光フィルタアレイ12では、偏光の方位φの種類が割り当てられた偏光セルPC1,PC2,…,PCnが複数配列されている。
すなわち、フィルタアレイ6Bの複合セルc1,c2,…,cnは、分光セルSC1,SC2,…,SCnのそれぞれと、偏光セルPC1,PC2,…,PCnのそれぞれが積層されたものである。なお、透過する光の光学特性に影響を与えないものであれば、MSFA11と偏光フィルタアレイ12との間に介在するものがあっても構わない。
In MSFA11, a plurality of spectroscopic cells SC1, SC2, ..., SCn to which the type of wavelength band W is assigned are arranged. On the other hand, in the
That is, the composite cells c1, c2, ..., Cn of the
ただし、MSFA11と偏光フィルタアレイ12とを重ねる場合の条件として、MSFA11の偏光特性が十分弱いこと、および、偏光フィルタアレイ12の分光特性が測定対象範囲において十分な感度があることが重要である。
However, as conditions for overlapping the
すなわち、分光セルSC1,SC2,…,SCnが透過させる偏光の方位は、対向配置される偏光セルPC1,PC2,…,PCnが透過させる偏光の方位φ1,φ2,…,φnに少なくとも等しく、偏光の方位φ1,φ2,…,φnを含んでいればよい。一方、偏光セルPC1,PC2,…,PCnが透過させる光の波長帯域は、対向配置される分光セルSC1,SC2,…,SCnが透過させる光の波長帯域W1,W2,…,Wnに少なくとも一致し、波長帯域W1,W2,…,Wnを含んでいればよい。具体的には、図5に例示するように、偏光セルPCxが透過させる光の波長帯域W´は、少なくとも分光セルSCxが透過させる光の波長帯域Wを含んでいる。また、波長帯域W´の半値幅ω(PCx)は、波長帯域Wの半値幅ω(SCx)以上とされている。 That is, the polarization directions transmitted by the spectroscopic cells SC1, SC2, ..., SCn are at least equal to the polarization directions φ1, φ2, ..., φn transmitted by the polarized cells PC1, PC2, ... It suffices to include the directions φ1, φ2, ..., Φn. On the other hand, the wavelength band of the light transmitted by the polarizing cells PC1, PC2, ..., PCn is at least one in the wavelength bands W1, W2, ..., Wn of the light transmitted by the spectroscopic cells SC1, SC2, ... However, the wavelength bands W1, W2, ..., Wn may be included. Specifically, as illustrated in FIG. 5, the wavelength band W'of light transmitted by the polarizing cell PCx includes at least the wavelength band W of light transmitted by the spectroscopic cell SCx. Further, the half-value width ω (PCx) of the wavelength band W'is set to be equal to or larger than the half-value width ω (SCx) of the wavelength band W.
上述の条件が満たされることで、分光セルSC1,SC2,…,SCnのそれぞれを透過する光が偏光セルPC1,PC2,…,PCnのそれぞれの分光特性によって遮られることがなく、偏光セルPC1,PC2,…,PCnのそれぞれを透過する光が分光セルSC1,SC2,…,SCnのそれぞれの偏光特性によって遮られることもない。 When the above conditions are satisfied, the light transmitted through each of the spectral cells SC1, SC2, ..., SCn is not blocked by the spectral characteristics of the polarizing cells PC1, PC2, ..., PCn, and the polarized cells PC1, The light transmitted through each of the PC2, ..., PCn is not blocked by the polarization characteristics of the spectroscopic cells SC1, SC2, ..., SCn.
図6には、m=4,k=4のフィルタアレイ6Bの例を示している。MSFA11では、隣接する分光セルSCごとに透過させる波長帯域Wの種類が異なり、4種類のフィルタを用いるのと同様に構成されている。偏光の方位φの種類と構成については、フィルタアレイ6Aで説明したとおりである。
FIG. 6 shows an example of a
MSFA11の感度および配置最適化については、公知の文献(例えば、柳悠大,篠田一馬,長谷川まどか,加藤茂夫,石川雅浩,駒形英樹,小林直樹:「観測波長とフィルタ配置を考慮したマルチスペクトルフィルタアレイの最適化手法」,電子情報通信学会論文誌,Vol.J99-D,No.8,pp.794-804,Aug. 2016等を参照)で提案されている。例示した公知の文献においては、何らかのオリジナルの画像を用意し、シミュレーション上でフィルタアレイによる撮影と画像復元を行うことが開示されている。その際に、MSFA11の分光感度を可能な限り、総当りで画像復元を行い、最も復元精度が高い分光感度を選ぶことでフィルタ設計を行うことも開示されている。
Regarding the sensitivity and placement optimization of MSFA11, known literature (for example, Yudai Yanagi, Kazuma Shinoda, Madoka Hasegawa, Shigeo Kato, Masahiro Ishikawa, Hideki Komagata, Naoki Kobayashi: "Multispectrum considering observation wavelength and filter placement" Filter Array Optimization Method ”, Journal of the Institute of Electronics, Information and Communication Engineers, Vol.J99-D, No.8, pp.794-804, Aug.2016, etc.). In the illustrated known literature, it is disclosed that some original image is prepared, and the image is photographed and restored by the filter array on the simulation. At that time, it is also disclosed that the image restoration is performed by brute force the spectral sensitivity of the
MSFA11を構成するものは、複数の分光セルSCを有し、それぞれの分光セルSCに波長帯域Wの種類を割り当てることが可能なものであれば、特に限定されない。このようなMSFA11を構成するものとしては、例えば、染料、顔料色素(以下、単に顔料という場合がある)、合成樹脂、多層干渉膜等が挙げられる。
The
特に、染料は、特定の偏光特性を持たないため、偏光セルPC1,PC2,…,PCnのいずれかを透過した光を遮る可能性が低く、MSFA11に用いるものとして好適である。
現在主流となっているMSFAには主に顔料が用いられているが、顔料には偏光を打ち消す作用(消偏性)がある。そのため、顔料については、上述の条件をふまえ、偏光セルPC1,PC2,…,PCnを透過する光の偏光の方位φの種類を勘案し、粒子の微細化によって消偏性を抑制することで、MSFA11に用いられることが好ましい。
合成樹脂や多層干渉膜についても、上述のように、適用する分光セルSC1,SC2,…,SCnのそれぞれに対向する偏光セルPC1,PC2,…,PCnのそれぞれを透過する方位φ1,φ2,…,φnの偏光を遮らず、透過させるように各種パラメータを設定することが好ましい。
In particular, since the dye does not have a specific polarization characteristic, it is unlikely to block the light transmitted through any of the polarizing cells PC1, PC2, ..., PCn, and is suitable for use in the MSFA11.
Pigments are mainly used in MSFA, which is currently the mainstream, but pigments have an action of canceling polarized light (distortion property). Therefore, for pigments, based on the above conditions, considering the type of polarization direction φ of the light transmitted through the polarizing cells PC1, PC2, ..., PCn, the depolarization property is suppressed by miniaturizing the particles. It is preferably used for MSFA11.
As for the synthetic resin and the multilayer interference film, as described above, the orientations φ1, φ2, ... It is preferable to set various parameters so as to transmit the polarized light of φn without blocking it.
偏光フィルタアレイ12の感度および配置最適化については、市販されているものでは、2×2の複合セルで4種類の偏光の方位の情報を取得するフィルタが一般的となっている。特に方位φ=0°での画像とφ=90°での画像とを足すことで、元の光強度が復元できるため、製造上の簡便さと画像復元の簡便さの観点から、実用上は、偏光の方位φは、0°,90°,45°,−45°のように4種類以上確保されていることが好ましい。
Regarding the sensitivity and arrangement optimization of the
偏光フィルタアレイ12を構成するものは、複数の偏光セルPCを有し、それぞれの偏光セルPCに偏光の方位φの種類を割り当てることが可能なものであれば、特に限定されない。このような偏光フィルタアレイ12を構成するものとしては、例えば、フォトニック結晶、ワイヤーグリッド構造、合成樹脂、多層干渉膜等が挙げられる。
The
それぞれの偏光セルPCをフォトニック結晶で構成した場合、図5に示すように、偏光セルPCごとに割り当てられた偏光の方位φの種類に合わせて格子方向を変化させることで、偏光特性を制御することができる。この場合、それぞれの偏光セルPCを構成するフォトニック結晶の格子ピッチは、対向する分光セルSC1,SC2,…,SCnのそれぞれを透過する波長帯域W1,W2,…,Wnの光を少なくとも遮らず、透過させるように、均一に設定されている。 When each polarization cell PC is composed of a photonic crystal, as shown in FIG. 5, the polarization characteristics are controlled by changing the lattice direction according to the type of polarization direction φ assigned to each polarization cell PC. can do. In this case, the lattice pitch of the photonic crystals constituting the respective polarizing cell PCs does not block at least the light of the wavelength bands W1, W2, ..., Wn transmitted through each of the opposing spectroscopic cells SC1, SC2, ..., SCn. , It is set uniformly so that it is transparent.
ワイヤーグリッド構造は、例えば、溶融石英等からなるガラス基板の間に挟まれ、互いに平行に複数並べられた金属ワイヤーで構成されたデバイスである。ワイヤーグリッド構造は、もともと広い透過波長帯域を有している。例えば、可視域ワイヤーグリッド偏光子であれば、400nmから700nmに対応した反射防止コーティング等が施されることもあり、波長帯域Wの全種類を透過波長帯域として設定することができる。 The wire grid structure is, for example, a device sandwiched between glass substrates made of fused quartz or the like and composed of a plurality of metal wires arranged in parallel with each other. The wire grid structure originally has a wide transmission wavelength band. For example, in the case of a visible region wire grid polarizer, an antireflection coating corresponding to 400 nm to 700 nm may be applied, and all types of wavelength bands W can be set as transmission wavelength bands.
また、ワイヤーグリッド構造は、金属ワイヤーが張られる方向によって偏光特性を制御することが可能なデバイスである。したがって、それぞれの偏光セルPCをワイヤーグリッド構造で構成した場合、金属ワイヤーが張られる方向がそれぞれの偏光セルPCに割り当てられた偏光の方位φに合っている。言い換えれば、偏光セルPCを構成するワイヤーグリッド構造のグリッド方向は、偏光セルPCを透過させる偏光の方位φに合わせて適宜設定されている。 Further, the wire grid structure is a device capable of controlling the polarization characteristics depending on the direction in which the metal wire is stretched. Therefore, when each polarized cell PC is configured with a wire grid structure, the direction in which the metal wire is stretched matches the direction φ of the polarized light assigned to each polarized cell PC. In other words, the grid direction of the wire grid structure constituting the polarized cell PC is appropriately set according to the direction φ of the polarized light transmitted through the polarized cell PC.
以上説明した第二の態様のフィルタアレイ6Bによれば、図示しない測定対象物の情報を含む光が入射した際に、分光セルSC1,SC2,…,SCnのそれぞれにおいて、割り当てられた種類の波長帯域W1,W2,…,Wnの光を並列に一括して透過させることができる。また、分光セルSC1,SC2,…,SCnのそれぞれに対向可能な偏光セルPC1,PC2,…,PCnのそれぞれにおいて、割り当てられた種類の方位φ1,φ2,…,φnの光を並列に一括して透過させることができる。したがって、フィルタアレイ6Bによれば、フィルタアレイ6Aと同様の作用効果が得られる。
According to the
また、フィルタアレイ6A,6Bを備えた画像撮影装置2によれば、測定対象物の情報を含む光等を受光した際に、複数の画素Pのそれぞれに対向する分光偏光セルCまたは、分光セルSCおよび偏光セルPCに割り当てられた種類の波長帯域Wおよび偏光の方位φにおける測定対象物の光学情報を一括し、ワンショットで取得することができる。例えば、受光素子5のそれぞれの画素Pには、前述の光学情報が反映された光強度が取得される。
Further, according to the
ここで、フィルタアレイ6Aを備えた画像撮影装置2で撮影された画像と、その画像から各種画像を復元する方法の一例について、説明する。言うまでもなく、フィルタアレイ6Bを備えた画像撮影装置2においても、フィルタアレイ6Aを備えた画像撮影装置2と同様の画像復元方法を適用可能である。
Here, an example of an image taken by the
例として、図6に示すように構成されたフィルタアレイ6Aによって撮影した画像を想定する。フィルタアレイ6Aの分光偏光セルC1,C2,…,Cnのそれぞれに割り当てられた波長帯域Wの種類は、450nm(図6に示す「1」、図7に示すBand1)、550nm(図6に示す「2」、図7に示すBand2)、650nm(図6に示す「3」、図7に示すBand3)、750nm(図6に示す「4」、図7に示すBand4)、の4種類である。一方、フィルタアレイ6Aの分光偏光セルC1,C2,…,Cnのそれぞれに割り当てられた偏光の方位φの種類は、−45°(図6に示す「\」)、0°(図6に示す「―」)、45°(図6に示す「/」)、90°(図6に示す「|」)、の4種類である。
As an example, assume an image taken by the
図6に示すフィルタアレイ6Aを用いて撮影された画像は、図7に示す意味をもつ画像となる。例えば、波長帯域Wの種類のうち、450nmについては、太い破線で囲んだ範囲内に図示している4つの分光偏光セルC(紙面左上から右側に数え、次の行に連続する数え方でいえば、分光偏光セルC1,C3,C9,C11)で測定対象物の情報を含む光を受光する。一方、偏光の方位φの種類のうち、0°については、細い破線で囲んだ範囲内に図示している4つの分光偏光セルC(紙面左上から右側に数え、次の行に連続する数え方でいえば、分光偏光セルC1,C7,C10,C16)で測定対象物の情報を含む光を受光する。
The image taken by using the
例示したフィルタアレイ6Aは、図7に示すように、4種類の波長帯域Wおよび4種類の偏光の方位φに基づく画像を取得することができる。ただし、特定の波長帯域Wの種類と特定の偏光の方位φの種類とが割り当てられた分光偏光セルCは互いに離間しているので、実際に測定対象物からの光を受光すると、特定の波長帯域Wの種類と偏光の方位φの種類とを取得可能な分光偏光セルC以外の画素(図8に示す白い画素)Pはデータが欠損している。そのため、実用上は復元処理が必要と考えられるが、復元処理には既存の画素補間手法をそのまま適用することができる。このような復元処理として最も簡単な方法として、図8に示すように、解像度が実質上小さくなるものの、未補間の分光偏光セルCで受光した光強度(すなわち、光学情報)を削除して観測対象の分光偏光セルCのみで受光した光強度をまとめる方法が挙げられる。
As shown in FIG. 7, the illustrated
また、撮影された画像の補完を行う場合には、最近傍補間、内挿補間、最小二乗法等の従来の画素補間方法をそのまま適用することができる。マルチスペクトル画像のための画素補間方法もこれまでいくつか提案されているため、それらの画素補間方法を偏光の方位φの種類が割り当てられた分光偏光セルCでの情報取得に適用することでも補間することができる。 Further, when complementing the captured image, conventional pixel interpolation methods such as nearest neighbor interpolation, interpolation interpolation, and least squares method can be applied as they are. Since several pixel interpolation methods for multispectral images have been proposed so far, it is also possible to apply these pixel interpolation methods to information acquisition in the spectroscopic polarization cell C to which the type of polarization direction φ is assigned. can do.
さらに、フィルタアレイ6Aを備えた画像撮影装置2で撮影された画像から各種画像を復元する方法の他の例について、説明する。
フィルタアレイへの入射光の列ベクトル表現をx, フィルタアレイの感度行列をΦ,撮影された画像をyとすると,撮影された画像yはy=Φxという式(すなわち、行列による計算式)でモデル化することができる。
Further, another example of a method of restoring various images from an image taken by the
Assuming that the column vector representation of the light incident on the filter array is x, the sensitivity matrix of the filter array is Φ, and the captured image is y, the captured image y is the formula y = Φx (that is, the calculation formula by the matrix). Can be modeled.
上述のモデル化により、入射光の復元は、撮影された画像yを既知として、|y−Φx|を最小化するxを求めることになる。したがって、最も単純な復元方法は、Φ+を一般化疑似逆行列として、x^=Φ+yの関係式によって、xの推定値を求める方法である。なお、本明細書では、xの推定値を「x^」と表記する。 According to the above modeling, the restoration of the incident light is to obtain x that minimizes | y−Φx |, assuming that the captured image y is known. Therefore, the simplest restoration method is to obtain the estimated value of x by the relational expression of x ^ = Φ + y, using Φ + as the generalized pseudo-inverse matrix. In this specification, the estimated value of x is referred to as “x ^”.
また,波長帯域Wのそれぞれの種類において偏光の方位φのそれぞれの種類の画像を、それぞれ独立にbilinear補間することで、x^を求めることもできる。x^は分光偏光画像(すなわち、図3に示す画像)となるため、各画像は以下のようにして算出することができる。なお、以下の求め方は、分光偏光画像から各種画像を算出する方法の一例であって、以下の内容に限定されるわけではない。 It is also possible to obtain x ^ by independently bilinear interpolating the images of each type of polarization direction φ in each type of wavelength band W. Since x ^ is a spectropolarized image (that is, the image shown in FIG. 3), each image can be calculated as follows. The following method is an example of a method of calculating various images from a spectropolarized image, and is not limited to the following contents.
例えば、分光画像は、x^の方位0°の画像に方位90°の画像(または、方位45°に画像と−45°の画像)を加えることで得られる。
また、RGB画像については、分光画像をrとし、照明光強度の対角行列をEとし、XYZ等色関数をTとし、XYZ-RGB色変換行列をCとすると、線形RGB画像gがg=CTErという行列計算によって求められる。このような行列計算の後、得られた線形RGB画像gに対して、表示装置や再生機器に応じた適切な色域変換やガンマ補正を行うことで、RGB画像が得られる。
さらに、直線偏光強度画像は、x^の各波長帯の画像において、次に示す計算:
{(方位0°の画像−方位90°の画像)2+(方位45°の画像−方位−45°の画像)2}/(方位0°の画像+方位90°の画像)、
を実行することで得られる。
For example, a spectroscopic image is obtained by adding an image with an orientation of 90 ° (or an image with an orientation of 45 ° and an image with −45 °) to an image with an orientation of 0 ° of x ^.
For RGB images, if the spectral image is r, the diagonal matrix of illumination light intensity is E, the XYZ color matching function is T, and the XYZ-RGB color transformation matrix is C, then the linear RGB image g is g = It is obtained by a matrix calculation called CTER. After such matrix calculation, the obtained linear RGB image g is subjected to appropriate color gamut conversion and gamma correction according to the display device and the reproduction device to obtain an RGB image.
Further, the linearly polarized light intensity image is obtained in the image of each wavelength band of x ^ by the following calculation:
{(Image with 0 ° direction-Image with 90 ° direction) 2 + (Image with 45 ° direction-Image with -45 ° direction) 2 } / (Image with 0 ° direction + Image with 90 ° direction),
Obtained by executing.
次いで、本発明を適用した一実施形態の画像撮影システムについて、説明する。
第一の態様の画像撮影システム20Aは、図9に示すように、受光部4にフィルタアレイ6Aを備えた画像撮影装置2と、記憶装置22Aと、演算装置24Aと、表示装置26と、を備えている。
Next, an image capturing system according to an embodiment to which the present invention is applied will be described.
As shown in FIG. 9, the
記憶装置22Aは、いわゆるメモリであって、分光偏光セルC1,C2,…,Cnのそれぞれに割り当てられた光の波長帯域Wの種類及び偏光の方位φの種類と、分光偏光セルC1,C2,…,Cnのそれぞれを透過し、画像撮影装置2によって取得された分光偏光セルC1,C2,…,Cnごとの光強度と、を記憶する装置である。
なお、記憶装置22Aは、図9に示すように画像撮影装置2の外部に設けられていてもよく、図示していないが画像撮影装置2に内蔵されていてもよい。
The
The
演算装置24Aは、記憶装置22Aに記憶されている、分光偏光セルC1,C2,…,Cnのそれぞれに割り当てられた波長帯域Wの種類と画像撮影装置2によって取得された光強度に基づいて、分光偏光セルC1,C2,…,Cnごとのスペクトル情報を算出する。また、演算装置24Aは、記憶装置22Aに記憶されている、分光偏光セルC1,C2,…,Cnのそれぞれに割り当てられた偏光の方位φの種類と画像撮影装置2によって取得された光強度に基づいて、分光偏光セルC1,C2,…,Cnごとの偏光情報を算出する。
なお、演算装置24Aについても、図9に示すように画像撮影装置2の外部に設けられていてもよく、図示していないが画像撮影装置2に内蔵されていてもよい。
The
The
演算装置24Aにおいては、上述の画像復元方法や公知の画像復元方法や補完方法を用いて、分光偏光セルC1,C2,…,Cnごとの分光情報や偏光情報を算出することができる。
In the
表示装置26は、再生装置ともいえるものであり、演算装置24Aで演算された分光偏光セルC1,C2,…,Cnごとのスペクトル情報を画像として表示すると共に、演算装置24Aで演算された分光偏光セルC1,C2,…,Cnごとの偏光情報を画像として表示する。
なお、表示装置26は、図9に示すように画像撮影装置2の外部に設けられていてもよく、図示していないが画像撮影装置2の外装体に付設されていてもよい。
The
The
以上説明した第一の態様の画像撮影システム20Aでは、分光偏光セルC1,C2,…,Cnのそれぞれに割り当てられた波長帯域Wの種類および偏光の方位φの種類等の物性データが記憶装置22Aに保有され、光強度のデータに含まれる波長帯域Wおよび偏光の方位φのそれぞれの種類が演算装置24Aで活用される。
In the
第一の態様の画像撮影システム20Aによれば、フィルタアレイ6Aの分光偏光セルC1,C2,…,Cnのそれぞれに割り当てられた波長帯域Wの種類および偏光の方位φの種類に基づいて、ワンショットで、測定対象物Bの偏光情報と分光情報を同時取得し、取得した測定対象物の偏光情報と分光情報を画像として表示することができる(図3参照)。したがって、画像撮影システム20Aの使用者に対して測定対象物の偏光情報と分光情報とを瞬時に、わかりやすく見せることができる。
According to the
なお、図9に示すように、第一の態様の画像撮影システム20Aの変形例として、受光部4にフィルタアレイ6Bを備えた画像撮影装置2と、記憶装置22Aと、演算装置24Aと、表示装置26と、を有する画像撮影システム20Bが挙げられる。画像撮影システム20Bについては、画像撮影システム20Aに関する説明において、分光偏光セルC1,C2,…,Cnを複合セルc1,c2,…,cnに置き換えて適用すればよいので、説明は省略する。
As shown in FIG. 9, as a modification of the
第二の態様の画像撮影システム20Cは、図10に示すように、受光部4にフィルタアレイ6Aを備えた画像撮影装置2と、記憶装置22Cと、演算装置24Cと、表示装置26と、を備えている。なお、画像撮影装置2と表示装置26については、画像撮影システム20Aの画像撮影装置2と表示装置26と同様であるため、説明を省略する。
As shown in FIG. 10, the
記憶装置22Cは、いわゆるメモリであって、分光偏光セルC1,C2,…,Cnのそれぞれを透過し、画像撮影装置2によって取得された分光偏光セルC1,C2,…,Cnごとの光強度のみを、いわゆるメタデータとして記憶する装置である。
なお、記憶装置22Cは、図10に示すように画像撮影装置2の外部に設けられていてもよく、図示していないが画像撮影装置2に内蔵されていてもよい。
The
The
演算装置24Cには、フィルタアレイ6Aの分光偏光セルC1,C2,…,Cnのそれぞれに割り当てられた波長帯域Wの種類と偏光の方位φの種類が導入されている。波長帯域Wの種類と偏光の方位φの種類は、演算装置24Cに予め入力されてもよく、演算装置24Cに対して画像撮影システム20Cの外部から直接入力されてもよい。
演算装置24Cは、導入された分光偏光セルC1,C2,…,Cnごとの波長帯域Wの種類と、記憶装置22Aに記憶されている光強度に基づいて、分光偏光セルC1,C2,…,Cnごとのスペクトル情報を算出する。また、演算装置24Cは、導入された分光偏光セルC1,C2,…,Cnのそれぞれに割り当てられた偏光の方位φの種類と、記憶装置22Aに記憶されている光強度に基づいて、分光偏光セルC1,C2,…,Cnごとの偏光情報を算出する。
なお、演算装置24Cについても、図10に示すように画像撮影装置2の外部に設けられていてもよく、図示していないが画像撮影装置2に内蔵されていてもよい。
In the
The
The
以上説明した第二の態様の画像撮影システム20Cでは、分光偏光セルC1,C2,…,Cnのそれぞれで取得された光強度のデータが記憶装置22Aに保有され、分光偏光セルC1,C2,…,Cnのそれぞれに割り当てられた波長帯域Wおよび偏光の方位φのそれぞれの種類が演算装置24Aで入手された後、光強度のデータが活用される。
上述のようにデータの入手と活用の流れが異なるが、第二の態様の画像撮影システム20Cによれば、画像撮影システム20Aと同様の作用効果が得られる。
In the
Although the flow of data acquisition and utilization is different as described above, according to the
なお、図10に示すように、第二の態様の画像撮影システム20Cについても、その変形例として、受光部4にフィルタアレイ6Bを備えた画像撮影装置2と、記憶装置22Cと、演算装置24Cと、表示装置26と、を有する画像撮影システム20Dが挙げられる。画像撮影システム20Dについては、画像撮影システム20Cに関する説明において、分光偏光セルC1,C2,…,Cnを複合セルc1,c2,…,cnに置き換えて適用すればよいので、説明は省略する。
As shown in FIG. 10, the
上述のように、本発明を適用したフィルタ、画像撮影装置および画像撮影システムによれば、従来のワンショット分光イメージングカメラやワンショット偏光イメージングカメラと同程度の機材構成および機材コストによって、MSIと偏光情報とをワンショットで同時に取得することができる。
また、本発明を適用したフィルタ、画像撮影装置および画像撮影システムによれば、取得されたマルチスペクトル偏光画像、すなわち測定対象物の分光情報と偏光情報を含むマルチスペクトル画像から、偏光情報を持たない通常のマルチスペクトル画像や、RGB画像、偏光強度画像を得ることができるため、従来のRGBイメージセンサ、マルチスペクトルイメージセンサ、偏光イメージセンサの役割を1つのセンサに集約することができる。
As described above, according to the filter, the imaging apparatus and the imaging system to which the present invention is applied, MSI and polarization are carried out with the same equipment configuration and equipment cost as the conventional one-shot spectroscopic imaging camera and one-shot polarized imaging camera. Information and information can be acquired at the same time in one shot.
Further, according to the filter, the image capturing apparatus and the imaging system to which the present invention is applied, the acquired multispectral polarized image, that is, the multispectral image including the spectral information and the polarization information of the measurement object, does not have the polarization information. Since a normal multispectral image, an RGB image, and a polarization intensity image can be obtained, the roles of the conventional RGB image sensor, multispectral image sensor, and polarized image sensor can be integrated into one sensor.
以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。 Although the preferred embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to the specific embodiments, and various aspects of the present invention are described within the scope of the claims. It can be transformed and changed.
例えば、図1等には、行と列の各方向にわたって各種セル(すなわち、分光偏光セルC、分光セルSC、偏光セルPC)が隣接するように配列されたフィルタアレイ6A,6Bを例示して説明したが、フィルタアレイ6A,6Bの各種セルは、必ずとも互いに隣接していなくてもよく、配列されていなくてもよい。つまり、フィルタアレイ6A,6Bの各種セルは、それぞれに割り当てられている波長帯域Wと偏光の方位φとがわかっていれば、任意の相対位置に配されていても構わない。
For example, FIG. 1 and the like
また、分光偏光セルCや分光セルSC、偏光セルPCに割り当てられる波長帯域Wの種類および偏光の方位φの種類と各種類の数は、上述の実施形態で記載した種類や数に限定されない。例えば、偏光の方位φが4種類である場合、0°,45°,90°,−45°以外の4種類であってもよい。偏光の方位φの種類の数は、4つに限らず、3つ以下でもよく、5つ以上であってもよい。
さらに、複数の各種セルのそれぞれは、受光素子5の複数の画素Pに亘って対向可能となるようにタイル状に構成されていても構わない。
Further, the type of the wavelength band W assigned to the spectroscopic polarization cell C, the spectroscopic cell SC, and the polarization cell PC, the type of the polarization direction φ, and the number of each type are not limited to the types and numbers described in the above-described embodiment. For example, when there are four types of polarization directions φ, there may be four types other than 0 °, 45 °, 90 °, and −45 °. The number of types of polarization directions φ is not limited to four, and may be three or less, or five or more.
Further, each of the plurality of various cells may be configured in a tile shape so as to be able to face each other over the plurality of pixels P of the
次いで、本発明に係る実施形態のフィルタ、画像撮影装置および画像撮影システムの効果を裏付けるために行った実施例について説明する。なお、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。 Next, an example performed to support the effects of the filter, the image capturing device, and the image capturing system according to the embodiment of the present invention will be described. The present invention is not limited to the following examples.
4種類の波長帯域Wと4種類の偏光の方位φのマルチスペクトル画像の撮影および復元を行った。光源には、ハロゲンライト投光機(型番:CHP-500-0.3、サイズ名:500W、製造元:Caster)を2個使用した。測定対象物は、市販の色鉛筆、金属製のステイプラー、陶器製の置物とポット、液晶画面を有する携帯端末の並べて置いたものとした。波長帯域Wの種類は、450nm,550nm,650nm,750nmの4種類とした。また、偏光の方位φの種類は、−45°,0°,45°,90°の4種類とし、方位φを変えるために偏光板(型番:TEG1465DU、製造元:日東電工株式会社)を使用した。また、測定対象物の撮影および波長帯域Wの分光を行うために、ハイパースペクトルカメラ(型番:NH-7、画素数:1280×1024pixels、製造元:エバ・ジャパン株式会社)を使用した。 Multispectral images of four types of wavelength bands W and four types of polarized light directions φ were photographed and restored. Two halogen light floodlights (model number: CHP-500-0.3, size name: 500W, manufacturer: Caster) were used as the light source. The objects to be measured were a commercially available colored pencil, a metal stapler, a pottery figurine and a pot, and a mobile terminal having an LCD screen placed side by side. There were four types of wavelength bands W: 450 nm, 550 nm, 650 nm, and 750 nm. In addition, there are four types of polarization azimuth φ, −45 °, 0 °, 45 °, 90 °, and a polarizing plate (model number: TEG1465DU, manufacturer: Nitto Denko KK) was used to change the azimuth φ. .. In addition, a hyperspectral camera (model number: NH-7, number of pixels: 1280 × 1024 pixels, manufacturer: Eva Japan Co., Ltd.) was used to photograph the object to be measured and to disperse the wavelength band W.
本実施例では、偏光板の角度(すなわち、方位φの種類)を変えながら、マルチスペクトルカメラを使用してマルチスペクトル画像を4回撮影した。撮影したマルチスペクトル画像をオリジナルとし、シミュレーション上でフイルタアレイによる間引きを行い、グレイスケール画像を取得した。その後、内挿補間により、いわゆる4バンド4偏光方位のマルチスペクトル画像を復元し、復元画像からRGB画像と直線偏光強度画像を取得した。 In this embodiment, a multispectral image was taken four times using a multispectral camera while changing the angle of the polarizing plate (that is, the type of the orientation φ). The captured multispectral image was used as the original, and a grayscale image was acquired by thinning out with a filter array on the simulation. Then, by interpolation interpolation, a so-called 4-band 4-polarization azimuth multispectral image was restored, and an RGB image and a linearly polarized light intensity image were acquired from the restored image.
図11には、オリジナルの4バンド4偏光方位のマルチスペクトル画像のうち、φ=90°におけるマルチスペクトル画像をRGB画像化したものを示す。なお、図11に示すオリジナルの画像は、本来フルカラーの画像であるが、本図面ではグレースケールで表示している。図12には、上述のようにシミュレーションによって作成したワンショット撮像画像を示す。図13には、4種類の偏光の方位φの一例として、φ=90°において、4種類の波長帯域W(すなわち、4バンド)のマルチスペクトル画像をRGB画像化したものを示す。さらに、図14には、4種類の波長帯域Wの一例として、W=650nmにおいて、4種類の偏光の方位φに基づいて直線偏光強度画像を求めたものを示す。 FIG. 11 shows an RGB image of a multispectral image at φ = 90 ° among the original multispectral images with 4 bands and 4 polarization directions. The original image shown in FIG. 11 is originally a full-color image, but is displayed in gray scale in this drawing. FIG. 12 shows a one-shot captured image created by the simulation as described above. FIG. 13 shows an RGB image of a multispectral image of four types of wavelength bands W (that is, four bands) at φ = 90 ° as an example of the four types of polarization directions φ. Further, FIG. 14 shows, as an example of the four types of wavelength bands W, obtained linearly polarized light intensity images based on the directions φ of the four types of polarized light at W = 650 nm.
図11から図14に示すように、オリジナルのマルチスペクトル画像から、特定の偏光の方位φでのRGB画像や特定の波長帯域Wでの偏光強度画像が復元されていることがわかる。特に、図14に示す偏光強度画像では、偏光特性が強い携帯端末画面や光沢の強いステイプラーが白く表示され、良好な偏光強度画像が復元されている。 As shown in FIGS. 11 to 14, it can be seen that the RGB image in the specific polarization direction φ and the polarization intensity image in the specific wavelength band W are restored from the original multispectral image. In particular, in the polarization intensity image shown in FIG. 14, a mobile terminal screen having strong polarization characteristics and a stapler having strong gloss are displayed in white, and a good polarization intensity image is restored.
以上説明した実施例の結果から、本発明を適用したフィルタアレイ6A,6Bの実現により、各種セル(すなわち、分光偏光セルC、分光セルSC、偏光セルPC)のそれぞれにおいて、割り当てられた波長帯域Wの種類かつ所定の偏光の方位φの種類の光を一括して各種セルごとに透過させ、ワンショットで、分光情報と偏光情報を同時に取得することができるといえる。
From the results of the examples described above, by realizing the
本発明を適用したフィルタ、画像撮影装置および画像撮影システムによれば、上述のように、ワンショットで、分光情報と偏光情報を同時に取得することができる。本発明を適用したフィルタの実機実装は、既存技術の組み合わせによって実現可能である。また、本発明を適用したフィルタ、画像撮影装置および画像撮影システムを用いて取得したデータからのマルチスペクトル偏光画像の復元、および得られたマルチスペクトル偏光画像からのRGB画像、マルチスペクトル画像、偏光強度画像等の計算も既存技術により実現することができる。このように本発明を適用したフィルタ、画像撮影装置および画像撮影システムは、種々の利点を持ち、分光情報と偏光情報の取得を必要とする様々な産業分野での幅広い利用が期待される。 According to the filter, the image capturing apparatus and the imaging system to which the present invention is applied, it is possible to acquire the spectral information and the polarization information at the same time in one shot as described above. The actual implementation of the filter to which the present invention is applied can be realized by combining existing technologies. In addition, restoration of a multispectral polarized image from data acquired using a filter, an image capturing device and an imaging system to which the present invention is applied, and an RGB image, a multispectral image, and a polarization intensity from the obtained multispectral polarized image. Calculation of images and the like can also be realized by existing technology. As described above, the filter, the imaging apparatus and the imaging system to which the present invention is applied have various advantages, and are expected to be widely used in various industrial fields that require acquisition of spectroscopic information and polarization information.
2…画像撮影装置
6A,6B…フィルタアレイ(フィルタ)
20A,20B,20C,20D…画像撮影システム
22A,22C…記憶装置
24A,24C…演算装置
26…表示装置
C…分光偏光セル
c…複合セル
PC…偏光セル
SC…分光セル
W,W1,W2,…,Wn…波長帯域
φ,φ1,φ2,…,φn…偏光の方位
2 ...
20A, 20B, 20C, 20D ...
Claims (4)
前記偏光の方位の種類は4種類以上であり、
前記分光偏光セルは、割り当てられた前記波長帯域の種類の光を透過可能とする格子ピッチと、割り当てられた前記偏光の方位の種類に合った格子方向と、を有する単一のフォトニック結晶で構成されている、
フィルタ。 It is equipped with a plurality of spectrally polarized cells to which the type of wavelength band to be transmitted and the type of polarization direction are assigned to each.
The type of orientation of polarization Ri der 4 or more,
The spectrally polarized cell is a single photonic crystal having a lattice pitch that allows light of the assigned wavelength band type to pass through and a lattice direction that matches the allocated polarization orientation type. It is configured,
filter.
画像撮影装置。 The filter according to claim 1 is provided in the light receiving unit.
Imaging device.
前記分光偏光セルのそれぞれに割り当てられた光の前記波長帯域の種類及び前記偏光の方位の種類と、前記分光偏光セルのそれぞれを透過し、前記画像撮影装置によって取得された前記分光偏光セルごとの光強度と、を記憶する記憶装置と、
前記記憶装置に記憶された前記分光偏光セルのそれぞれに割り当てられた前記波長帯域の種類と前記光強度に基づいて前記分光偏光セルごとのスペクトル情報を算出すると共に、前記記憶装置に記憶された前記分光偏光セルのそれぞれに割り当てられた前記偏光の方位の種類と前記光強度に基づいて前記分光偏光セルごとの偏光情報を算出する演算装置と、
前記演算装置で演算された前記分光偏光セルごとのスペクトル情報を画像として表示すると共に、前記演算装置で演算された前記分光偏光セルごとの偏光情報を画像として表示
する表示装置と、
を備える、
画像撮影システム。 And images capturing apparatus according to請Motomeko 2,
The type of the wavelength band of light assigned to each of the spectrally polarized cells, the type of the direction of the polarized light, and each of the spectrally polarized cells transmitted through each of the spectrally polarized cells and acquired by the imaging apparatus. A storage device that stores light intensity and
The spectral information for each spectrally polarized cell is calculated based on the type of the wavelength band assigned to each of the spectrally polarized cells stored in the storage device and the light intensity, and the said stored in the storage device. An arithmetic device that calculates polarization information for each spectrally polarized cell based on the type of polarization orientation assigned to each of the spectrally polarized cells and the light intensity.
A display device that displays the spectral information for each spectrally polarized cell calculated by the arithmetic unit as an image, and displays the polarization information for each spectrally polarized cell calculated by the arithmetic unit as an image.
To prepare
Imaging system.
前記分光偏光セルのそれぞれを透過し、前記画像撮影装置によって取得された前記分光偏光セルごとの光強度を記憶する記憶装置と、
前記分光偏光セルのそれぞれに割り当てられた前記波長帯域の種類と前記記憶装置に記憶された前記光強度に基づいて前記分光偏光セルごとのスペクトル情報を算出すると共に、前記分光偏光セルのそれぞれに割り当てられた前記偏光の方位の種類と前記記憶装置に記憶された前記光強度に基づいて前記分光偏光セルごとの偏光情報を算出する演算装置と、
前記演算装置で演算された前記分光偏光セルごとのスペクトル情報を画像として表示すると共に、前記演算装置で演算された前記分光偏光セルごとの偏光情報を画像として表示する表示装置と、
を備える、
画像撮影システム。 And images capturing apparatus according to請Motomeko 2,
A storage device that transmits light through each of the spectrally polarized cells and stores the light intensity of each of the spectrally polarized cells acquired by the imaging device.
The spectral information for each spectrally polarized cell is calculated based on the type of the wavelength band assigned to each of the spectrally polarized cells and the light intensity stored in the storage device, and is assigned to each of the spectrally polarized cells. An arithmetic device that calculates polarization information for each spectroscopic polarization cell based on the type of polarization orientation and the light intensity stored in the storage device.
A display device that displays the spectral information for each spectrally polarized cell calculated by the arithmetic unit as an image, and displays the polarization information for each spectrally polarized cell calculated by the arithmetic unit as an image.
To prepare
Imaging system.
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