JP7112223B2

JP7112223B2 - 光学装置

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Publication number: JP7112223B2
Application number: JP2018057975A
Authority: JP
Inventors: 正博秋葉; 誠瀬田
Original assignee: Topcon Corp
Current assignee: Topcon Corp
Priority date: 2018-03-26
Filing date: 2018-03-26
Publication date: 2022-08-03
Anticipated expiration: 2038-03-26
Also published as: JP2019168404A

Description

本発明は、ＬＶＦ(Linear Variable Filter)を用いた光学装置に関する。

ＬＶＦ(Linear Variable Filter)という光学フィルタが知られている（例えば、特許文献１参照）。ＬＶＦは、入射箇所によって異なる波長の透過・反射・吸収特性を有し、白色光を入射させると、ある場所では赤色の波長の光が透過し、他の場所では緑色の波長が透過するなど、入射箇所により対象となる波長がリニアに変化する特性を有する。透過型ＬＶＦは主に、ＢＰＦ（バンドパスフィルタ），ＳＰＦ（ショートパスフィルタ），ＬＰＦ（ロングパスフィルタ）などを組み合わせることで所定の光学特性を得ている。

各フィルタは、屈折率の異なる光学薄膜を基材となる光透過部材（例えばガラス基板）上に多層に積層することで得ている。そして、光学薄膜の屈性率の選択、膜厚、組み合わせにより、ＢＰＦ，ＳＰＦ，ＬＰＦの特性を得ている。ＬＶＦは、入射箇所によってＢＰＦの中心波長が異なるが、この機能は、上記の光学薄膜の膜厚を特定の方向でリニアに変化させることで得ている。

ＬＶＦを用いた光学装置としてＨＳＣ(Hyper Spectral camera)が知られている。ＨＳＣは、数十以上の波長帯域別の画像を取得するカメラである。ＨＳＣを用いると、例えば、中心波長５８０ｎｍの画像、中心波長５９０ｎｍの画像、中心波長６００ｎｍの画像、・・・といった複数の単一波長画像が得られる。ＨＳＣが取得した画像は、撮影対象の素材の識別、物性や組成の解析、植物の育成状態の解析等に利用される。例えば、特許文献２には、マルチスペクトル画像とフレームカメラ画像の対応関係を求める技術について記載されている。

特開平１１－３２６６３２号公報特表２０１３－５１４５７２号公報

上述したように、ＬＶＦは、ＢＰＦ特性の中心波長の位置がリニアに変化している。よって、ＬＶＦの特定の位置に着目した場合、そこは特定の中心波長のＢＰＦ特性を有している。上述したように、ＬＶＦは主に、ＢＰＦ（バンドパスフィルタ），ＳＰＦ（ショートパスフィルタ），ＬＰＦ（ロングパスフィルタ）を組み合わせて構成されている。これは、ＢＰＦだけでは目的としない不要な波長帯域の透過光があり、それをＳＰＦとＬＰＦでカットする必要があるからである。

ところで、ＬＶＦでは、特定の波長に着目した場合、波長帯域が絞られているので、特定波長の画像（以下、単一波長画像）に係る光量が少なく、単一波長画像は光量の少ない暗い画像（コントラストの弱い画像）となる。

このため、特定の色に関して対象の画像の形状が把握し難くなる等の問題が生じる。この問題に対しては、光量の弱い単一波長画像のコントラストをデジタル補正する方法等が考えられる。しかしながら、元々の光量が足りない画像を補正する手法には限界があり、また画質が不自然になる等の問題がある。

特許文献２には、ハイパースペクトル画像取得用の第１の２次元センサとは別に、２次元画像を取得する第２の２次元センサを用いる技術が記載されている。この技術では、第２の２次元センサにより通常の画像も取得できる。しかしながら、２つの２次元センサが得た画像の対応関係を特定する処理が必要であり、その分、ハードウェアが複雑化し、また処理の負担が増大する。このため、装置のコストが高くなる問題がある。

このような背景において、本発明は、ＬＶＦを用いたＨＳＣ（ハイパースペクトルカメラ）のコントラストを低コストで改善できる技術の提供を目的とする。

本発明は、格子状に離間して配置された矩形の形状を有する複数の光学薄膜、および前記光学薄膜が配置されておらず、単位面積当たりにおける透過光量が前記光学薄膜よりも多い光透過領域を備える光学フィルタと、前記光学フィルタを撮像対象に対して相対的に移動させつつ、前記光学フィルタを透過した光を受光して撮像を行う撮像装置とを備え、前記光学薄膜は、バンドパスフィルタ，ショートパスフィルタおよびロングパスフィルタを構成し、前記矩形の形状を有する光学薄膜のそれぞれは、中心に向かって傾斜した膜厚分布となる多層薄膜パターンであり、前記撮像装置は、前記光学薄膜を透過した光に基づき複数の異なる単一波長の画像の撮像と、前記光透過領域を透過した光に基づき前記複数の異なる単一波長を含む波長帯域の広帯域画像を撮像する光学装置である。

本発明において、前記広帯域画像は、前記複数の異なる単一波長の画像よりも高いコントラストを有する態様が挙げられる。

本発明によれば、ＬＶＦを用いたＨＳＣ（ハイパースペクトルカメラ）のコントラストを低コストで改善できる技術が得られる。

実施形態のブロック図である。実施形態のＬＶＦの概念断面図である。ＢＰＦ単体の光学特性を示す図である。ＳＰＦの光学特性を示す図である。ＬＰＦの光学特性を示す図である。ＬＶＦの特定の位置におけるＢＰＦ特性を示す図である。ＬＶＦの光学特性を示す図である。ＬＶＦの光学特性を示す図である。実施形態のＨＳＣ（ハイパースペクトルカメラ）で得られる画像を示す図面代用写真である。実施形態のＨＳＣ（ハイパースペクトルカメラ）で得られる画像を示す図面代用写真である。実施形態のＨＳＣ（ハイパースペクトルカメラ）で得られる画像を示す図面代用写真である。実施形態のＨＳＣ（ハイパースペクトルカメラ）で得られる画像を示す図面代用写真である。

（構成）
図１は、発明を利用したハイパースペクトルカメラ（ＨＳＣ）のブロック図である。図１には、ハイパースペクトルカメラ１００が示されている。ハイパースペクトルカメラ１００は、撮像対象物からの光が入射する光学系１０１を備えている。撮像対象物に照射される光は、特に限定されないが、なるべく広い波長帯域の光が好ましい。ここでは、可視光帯域の光を扱う場合を説明するが、紫外光や赤外光を対象とすることも可能である。

光学系１０１は、対物レンズ、フォーカスを行うための光学系、光学絞り、熱吸収フィルタ、その他レンズ系を含んでいる。

光学系を通過した入射光は、ＬＶＦ(Linear Variable Filter) １０２に入射する。図２は、ＬＶＦ１０２の断面構造を示す概念図である。ＬＶＦ１０２は、可視光に対して光透過性であり四角形のガラス基板１１１を基材としている。ＬＶＦ１０２は、一般的なＬＶＦとして機能するＬＶＦ領域１１３と、光学フィルタとして機能せず、入射光をそのまま透過させる全波長透過領域１１４を有している。符号１１５は、光学フィルタとしての特性が乱れ、光学フィルタとして利用するのに適切でない領域である。

ガラス基板１１１の上面および下面には、ＬＶＦ領域１１３を構成する多層薄膜１１２，１１２’が成膜されている。ＬＶＦ領域１１３は、ＢＰＦ（バンドパスフィルタ），ＳＰＦ（ショートパスフィルタ），ＬＰＦ（ロングパスフィルタ）を組み合わせて構成されている。各フィルタは、ＳｉＯ_２薄膜やＴａ_２Ｏ_５薄膜等の誘電体薄膜を多層に積層した構造を有している。ここで、薄膜の種類と厚みの組み合わせを調整することで必要とする光学フィルタの特性（ＢＰＦ特性、ＳＰＦ特性、ＬＰＦ特性）を得ている。

ＬＶＦ領域１１３は、Ｘ軸に沿って中心透過波長がリニアに変化する設定とされている。図２（Ｂ）に示すように、ＬＶＦ領域１１３は、積層膜の膜厚分布に従って、透過する単波長光の波長が漸次長くなる光学特性を有している。

以下、ＬＶＦ領域１１３について説明する。図３には、ＢＰＦ単体の光学特性の一例が示されている。図３に示すように、ＢＰＦ単体の場合、両側（長波長側と短波長側）に不要な透過光が存在する。この不要な透過光を図４のＳＰＦ（短波長側パス）と図５のＬＰＦ（長波長側パス）で遮断することで、図６の単峰性のＢＰＦ特性を得る。

すなわち、ＬＶＦ領域１１３は、図３のＢＰＦ特性を有する多層薄膜、図４のＳＰＦ特性を有する多層薄膜、図５のＬＰＦ特性を有する多層薄膜を積層し、不要な透過成分のない図６に例示するようなＢＰＦ特性を得ている。ここで、多層薄膜の膜厚分布を調整することで、ＳＰＦとＬＰＦのカットオフ波長とＢＰＦの中心波長の値を調整できる。そこで、図２に示すＬＶＦ領域１１３は、Ｘ軸方向における膜厚分布を漸次変化させることで、Ｘ軸に沿ってＢＰＦ特性の中心透過波長がリニアに変化する光学特性を得ている。

図７には、ＬＶＦ領域１１３のＸ軸上における複数の部分に着目した場合に得られる透過光のスペクトルの一例が示されている。図７には、単波長のスペクトルが離散的に分布しているかのように記載されているが、実際には、Ｘ軸に沿って単波長光の中心波長がリニアに変化している光学特性が得られる。

図８は、ＬＶＦ領域１１３における図２のＸ軸方向における位置（横軸）と、透過する単波長光の中心波長（縦軸）の関係の一例を示すグラフである。図８に示すように、ＬＶＦ領域１１３では、特定の方向（Ｘ軸）に沿って透過する単波長光の波長がリニアに変化する。図８の例では、Ｘ軸方向に沿って、単波長光（ＢＰＦ特性の光）の中心波長がリニアに変化する。図８に示す波長変化量は一例であり、その値は、膜厚分布等により調整可能である。

ここで、ＬＶＦ領域１１３は、Ｙ軸方向（図２のＹ－Ｚ面に垂直な方向）の膜厚勾配は小さく、Ｙ軸方向における透過光の波長依存性は小さい。よって、図２のＬＶＦ領域１１３の全体に白色光を当てると、Ｙ軸方向に延在する細い帯状の単波長光が透過光として得られる。そして、この透過光の中心波長（ピークの波長）は、Ｘ軸に沿って、例えば図８のグラフに従って変化したものとなる。

なお、この例では、ガラス基板１１１の両面に光学多層薄膜１１２と１１２’を成膜し、ＬＶＦ領域１１３を構成しているが、ガラス基板１１１の片面のみに光学多層薄膜を成膜してＬＶＦ領域１１３を構成することも可能である。

全波長透過領域１１４では、Ｙ軸方向に延在する帯状を有している。全波長透過領域１１４は、透過光に影響する部材がガラス基板１１１のみであるので、ＬＶＦ１０２が対象とする波長帯域の光（この場合は、可視光帯域の光）を透過する。単位面積当たりで考えて、全波長透過領域１１４は、ＬＶＦ領域１１３に比較して透過する光の透過光量が大きい。すなわち、この例では、可視光帯域で考えて、単位面積当たりの全波長透過領域１１４の透過率は、ＬＶＦ領域１１３よりも高い。

撮像動作時において、ＬＶＦ１０２はＸ軸方向に移動する。この移動は、ＬＶＦ駆動系１０３（図１参照）により行われる。ＬＶＦ駆動系１０３は、駆動源となるモータとその制御系を備えている。

以下、撮像の原理を説明する。例えば、図６の中心波長をもつ単一波長の光を考える。この場合、ＬＶＦ１０２がＸ軸方向に移行しつつ、２次元イメージセンサ１０５における撮像が行なわれる。この際、ＬＶＦ１０２のＸ軸方向への移動に同期させて２次元イメージセンサ１０５での画像情報のスキャンを行う。２次元イメージセンサとしては、ＣＣＤイメージセンサやＣＭＯＳイメージセンサが利用される。

上記のスキャンにより、Ｙ軸方向に延在した帯状の図６の単一波長光がＸ軸方向でスキャンされる。そしてこのスキャン情報に基づき、画像作成部１０６において、図６の中心波長の単一波長画像が作成される。

同様の原理で、ＬＶＦ１０２が対象とする波長帯域に含まれる複数の単一波長画像が得られる。単一波長画像の数は、任意であるが、数が多くなると、画像作成部１０６の負担が大きくなり、またスキャン速度の制約もあるので、それらに鑑みて単一波長画像の数が決定される。通常、単一波長画像の数は、数十～数百となる。

また、ＬＶＦ１０２では、全波長透過領域１１４がある関係で、全波長帯画像も得られる。すなわち、Ｙ軸方向に延在する帯状の全波長透過領域１１４が２次元イメージセンサ１０５の前をＸ軸方向に移動することで、可視光帯域光に係るスキャンが行なわれ、可視光帯域に係る全波長帯域画像が得られる。

図９は、ハイパースペクトルカメラ１００で撮像される単一波長画像と全波長帯域画像を示す図面代用写真である。図９には、３つ（３色）の単一波長画像と、全波長帯域画像であるモノクロ画像が示されている。この例では、２次元イメージセンサ１０５がカラーフィルタを備えていないので、全波長画像は、特に波長に対するフィルタリングがされておらず、モノクロ画像となる。

ここで、ＬＶＦ１０２と２次元イメージセンサ１０５の間にカラーフィルタを配置し、２次元イメージセンサ１０５がカラー画像を撮像する形態も可能である。この場合、図１１に示すように、全波長帯域画像はカラー画像となる。

また、ＬＶＦと２次元イメージセンサの位置関係を固定し、対象物が動く形態での撮像も可能である。この場合を図１０に示す。

以上述べたように、正面（Ｚ軸の方向）から見たガラス基板１１１の形状は四角形であり、全波長透過領域１１４は、Ｙ軸方向に延在する帯状の形状を有し、ＬＶＦ領域１１３は、Ｘ軸方向に沿って膜厚分布を有し、その方向で透過中心波長がリニアに変化する光学特性を有する。

すなわち、ＬＶＦ１０２は光軸方向から見て四角形を有し、ＬＶＦ１１３領域は、前記四角形の第１の辺から該第１の辺と平行な第２の辺に向かって（Ｘ軸方向に向って）連続的に当該領域を透過する単一波長の値が変化する領域であり、全波長透過領域１１４は、前記第１および第２の辺と直交する第３および第４の辺の間（Ｙ軸方向：Ｚ－Ｘ面に垂直な方向）に延在する帯状の領域であり、撮像時におけるＬＶＦ１０２の撮影対象に対する相対的な移動は、前記第３および第４の辺の延在方向（Ｘ軸方向）に沿って行われる。

（優位性）
課題の欄で述べたように、単一波長画像は、光量が少なくコントラストが低くなる。これに対して、全波長帯域画像は、単一波長画像に比較して相対的に広い波長域の光に基づく画像であるので、画像の基となる光の光量が単一波長画像の場合に比較して多い。そのため、高いコントラスト画像を得ることができる。これにより、単一波長画像による分光情報の取得と、全波長像による高精細で高コントラストの画像情報（細かい部分の形状等の情報）の取得が同時に行なえる。

上述のように、ハイパースペクトルカメラ１００は、単波長画像と高コントラストの全波長帯域画像を同時に得られるが、利用するＬＶＦ１０２は１枚でよく、また２次元イメージセンサ１０５も一つでよい。また、全波長帯域画像の作成は、通常の画像処理技術であるので、面倒で誤差が発生し易い画像マッチング技術を必要としない。このため、画像作成部１０６での処理の負担も従来の場合から増大しない。これらの理由により、高コスト化せずに単波長画像と高コントラストの全波長帯域画像を同時に取得できる。

（変形例）
ＬＶＦとして、図１２のＬＶＦパターンフィルタ１２０を採用することもできる。ＬＶＦパターンフィルタ１２０は、光透過性基板であるガラス基板１２１、ガラス基板１２１上に形成された矩形状のＬＶＦパターン１２２を有している。

ＬＶＦパターン１２２は、格子状に複数が配置されている。ＬＶＦパターン１２２は、矩形状を有し、中心に向かって傾斜した膜厚分布となる多層薄膜パターンが形成されている。

ＬＶＦパターンフィルタ１２０は、複数配置されたＬＶＦパターン１２２の隙間が全波長透過領域（可視光全域波長透過領域）として機能する。この例では、複数配置されたＬＶＦパターン１２２の部分の透過光から単一波長画像が得られ、ＬＶＦパターン１２２がない部分を透過した光に基づき、全波長帯域画像が得られる。

（その他）
全波長透過領域１１５にＳＰＦ（ショートパスフィルタ）およびＬＰＦ（ロングパスフィルタ）の少なくとも一方を設け、不要な帯域の光をカットする構成も可能である。また、全波長透過領域１１５に反射防止膜を設ける構成も可能である。

基板は、ガラスに限定されず、対象とする波長帯域の光を透過する材質であれば、樹脂や半導体であってもよい。ＬＶＦ領域１１３と全波長透過領域１１４を別の光透過性基板上に形成し、それらを複合化した構成も可能である。

通常、ＣＣＤイメージセンサやＣＭＯＳイメージセンサ等の２次元イメージセンサの光入射面は、ガラス等の光透過性の保護膜で覆われている。この保護膜を基材として、ＬＶＦ領域１１３と全波長透過領域１１４を形成してもよい。この場合、ＬＶＦ１０２と２次元イメージセンサとが一体化される。

図１の構成において、ＬＶＦ１０２と２次元イメージセンサ１０５の間に光学系を配置する構成も可能である。

本発明を利用したＨＳＣ（ハイパースペクトルカメラ）は、単一波長画像から対象物に係る分光情報が得られ、全波長帯域画像から対象物に係る形状の情報が得られる。ここで、分光情報からは、対象物の質感やテクスチャの情報が得られる。これらの情報を基に３Ｄプリンタにより対象物の３Ｄモデルを作成する形態も可能である。

１００…ＨＳＣ（ハイパースペクトルカメラ）、１０２…ＬＶＦ(Linear Variable Filter) 、１１１…ガラス基板、１１２…光学多層薄膜、１１２’…光学多層薄膜、１１３…ＬＶＦ領域、１１４…全波長透過領域、１１５…フィルタとして利用できない領域。

Claims

格子状に離間して配置された矩形の形状を有する複数の光学薄膜、および前記光学薄膜が配置されておらず、単位面積当たりにおける透過光量が前記光学薄膜よりも多い光透過領域を備える光学フィルタと、
前記光学フィルタを撮像対象に対して相対的に移動させつつ、前記光学フィルタを透過した光を受光して撮像を行う撮像装置と
を備え、
前記光学薄膜は、バンドパスフィルタ，ショートパスフィルタおよびロングパスフィルタを構成し、
前記矩形の形状を有する光学薄膜のそれぞれは、中心に向かって傾斜した膜厚分布となる多層薄膜パターンであり、
前記撮像装置は、前記光学薄膜を透過した光に基づき複数の異なる単一波長の画像の撮像と、前記光透過領域を透過した光に基づき前記複数の異なる単一波長を含む波長帯域の広帯域画像を撮像する光学装置。
前記広帯域画像は、前記複数の異なる単一波長の画像よりも高いコントラストを有する請求項１に記載の光学装置。