JP7230540B2 - 分光システム - Google Patents

Description

本発明は、分光システムに関するものである。

従来から、分光素子によって分光された光を撮像素子で受光し、受光量を取得することで分光測定を行う分光カメラ、すなわち、分光測定装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１に記載されている分光測定装置は、測定対象である液体を収納する液体収納部と、液体収納部に向って光を出射する光源と、液体を透過した光を分光する分光部と、分光された光を受光する受光部とを備えている。また、受光部が受光した光において、測定範囲の全域をスキャンすることで、特定波長やスペクトル形状を取得し、例えば液体の構成材料を特定するものである。

特開２００８－２０９２８０号公報

しかしながら、特許文献１に記載されている装置は、測定対象を測定するための装置であり、用途が限定されてしまい、汎用性に乏しい。また、その他の機能を付与して対象物の測定以外の目的で用いたとしても、液体収納部が邪魔になる。すなわち、液体収納部が存在している分、大型化を招いてしまう。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の適用例として実現することが可能である。

本発明の適用例に係る分光システムは、光透過性を有する測定対象に光を照射する光源と、前記測定対象を透過した透過光に基づいた画像を撮像する撮像素子と、前記光源と前記撮像素子との間の光路上に設けられ、特定の波長域の光を選択的に透過させる分光部とを有する本体と、
前記光源が出射した光の光路の方向を変える光路変更部を有し、前記光路変更部と前記本体との間に前記測定対象の設置空間が形成されるように前記本体に装着される装着部材と、を備えることを特徴とする。

本発明の分光システムの第１実施形態の分解斜視図である。 図１に示す分光システムの本体を背面側から見た図である。 図２中のＡ－Ａ線断面図である。 図１に示す分光システムの概略構成を示すブロック図である。 図１に示す分光システムが備える分光部が有する波長可変干渉フィルターをファブリーペローエタロンフィルターに適用した一例を示す断面図である。 図１に示す分光システムにより測定対象の分光測定を行う測定方法を示すフローチャートである。 本発明の分光システムの第２実施形態の断面図である。 本発明の分光システムの第３実施形態の断面図である。 本発明の分光システムの第４実施形態の断面図である。

以下、本発明の分光システムを添付図面に示す好適な実施形態に基づいて詳細に説明する。
＜第１実施形態＞
図１は、本発明の分光システムの第１実施形態の分解斜視図である。図２は、図１に示す分光システムの本体を背面側から見た図である。図３は、図２中のＡ－Ａ線断面図である。図４は、図１に示す分光システムの概略構成を示すブロック図である。図５は、図１に示す分光システムが備える分光部が有する波長可変干渉フィルターをファブリーペローエタロンフィルターに適用した一例を示す断面図である。図６は、図１に示す分光システムにより測定対象の分光測定を行う測定方法を示すフローチャートである。

なお、図１～図３および図５において上側を「上側」と言い、下側を「下側」と言う。また、図２において右側を「右側」と言い、左側を「左側」と言う。なお、図３および図４（図７～図９においても同様）では、光源から出射して撮像素子に入射するまでの光の中心、すなわち、光軸を矢印で示している。また、説明の便宜上、この光軸を光路とも言うことがある。

図１～図４に示す分光システム１０は、撮像素子２と、光源３と、分光部４と、これらの作動を制御する制御部５を有する本体１と、光路変更部６を有し、本体１に対して装着される装着部材７と、を備える。また、装着部材７が本体１に対して装着された状態では、光路変更部６と本体１との間に測定対象Ｘが設置される設置空間Ｓが形成される。そして、分光システム１０は、設置空間Ｓに設置された測定対象Ｘの特定を行い、そのものの特徴や、成分や、撮像領域における存在の有無等を本体１が備えるディスプレイ１１１に表示することができる。以下、分光システム１０の各部について説明する。

［本体１］
（筐体１１）
本体１は、撮像機能を備えた電子機器であり、一例としてスマートフォンに適用し、分光部４を設ける等の改変を行った場合について図示している。本体１は、筐体１１を有し、撮像素子２、光源３、分光部４および制御部５等が筐体１１に収納されている。

筐体１１は、平面視で略長方形をなしており、正面側にディスプレイ１１１を有し、背面側に、撮像素子２および光源３に光が出入りする入出射部１１２を有する。入出射部１１２は、後述する撮像素子２の入射部２１および光源３の出射部３１を有する。

また、ディスプレイ１１１は、タッチ感知面と、このタッチ感知面との接触の強度を検出するためのセンサーとを備えるタッチパネルで構成され、ユーザー（操作者）による入力操作を受け付ける。すなわち、本実施形態では、ディスプレイ１１１は、表示部１５と入力部１６とを兼ねたものである。なお、センサーは、静電気を検出するものであってもよく、圧力を検出するものであってもよい。
この筐体１１には、後述するように、装着部材７が着脱自在に装着される。

（撮像素子２）
撮像素子２は、測定対象Ｘを透過した透過光に基づいた画像を撮像することで、透過光を検出する検出部として機能するものである。撮像素子２は、例えば、ＣＣＤやＣＭＯＳ等で構成され、筐体１１内に配置された回路基板５１上に搭載されている。また、撮像素子２は、その入射部２１が筐体１１の背面側を向いている。これにより、筐体１１の背面側から入射する光を受光し、画像として撮像することができる。このような撮像素子２は、制御部５と電気的に接続されており、その作動が制御される。

（光源３）
光源３は、測定対象Ｘに向かって光Ｌを照射するものである。光源３は、本体１の筐体１１内に配置された回路基板５１上に搭載されており、その出射部３１が筐体１１の背面側を向いている。これにより、光源３は、光Ｌを背面側に向って照射することができる。そして、光源３を出射した光Ｌは、測定対象Ｘを透過し、後述する光路変更部６にて光路が変更されて撮像素子２に入射する。

このような光源３としては、例えば、ＬＥＤ光源、ＯＬＥＤ光源、キセノンランプ、ハロンゲンランプ等が挙げられ、波長可変干渉フィルターで構成される分光部４により分光測定を行う波長領域の全体に光強度を持つ、白色光を照射可能な光源が好ましく用いられる。また、光源３は、白色光源以外にも、例えば、赤外光等の所定波長の光を照射可能な光源を備えていてもよい。

また、図２に示すように、筐体１１を背面側から見たとき、撮像素子２の入射部２１および光源３の出射部３１は、並んで配置されている。また、光源３および撮像素子２は、同一方向、すなわち、背面側を向いて配置されている。また、光源３が光を出射する方向と、撮像素子２に光が入射する方向とは、反対方向である。これにより、筐体１１を一方向に向けた状態で、光Ｌの出射と撮像との双方の動作を行うことができる。
このような光源３は、制御部５と電気的に接続されており、その作動が制御される。

（分光部４）
分光部４は、入射光から特定波長である分光波長の光を選択的に出射させ、かつ出射させる出射光の波長領域を変更可能なものである。すなわち、分光部４は、特定の波長域の光を選択的に透過させるものである。

分光部４は、図３に示すように、筐体１１内に配置された回路基板５２上に配置されている。回路基板５２は、回路基板５１よりも背面側でかつ回路基板５１と離間して配置されている。この分光部４は、出射させる出射光の波長領域を変更可能なように、波長可変干渉フィルターで構成されている。この波長可変干渉フィルターとしては、特に限定されないが、例えば、静電アクチュエーターにより２つのフィルター（ミラー）間のギャップの大きさを調整することで透過する反射光の波長を制御する、波長可変型のファブリーペローエタロンフィルター、音響光学チューナブルフィルター（ＡＯＴＦ）、リニアバリアブルフィルター（ＬＶＦ）、液晶チューナブルフィルター（ＬＣＴＦ）等が挙げられるが、中でも、ファブリーペローエタロンフィルターであるのが好ましい。

ファブリーペローエタロンフィルターは、２つのフィルターによる多重干渉を利用して所望波長の反射光を取り出すものである。そのため、厚み寸法を極めて小さくすることができ、具体的には、２．０ｍｍ以下に設定することが可能となるため、分光部４ひいては分光システム１０をより小型なものとし得る。したがって、波長可変フィルターとして、ファブリーペローエタロンフィルターを用いることにより、分光システム１０のさらなる小型化を実現することができる。

以下、波長可変干渉フィルターとして波長可変型のファブリーペローエタロンが適用された分光部４について、図５を参照しつつ説明する。

ファブリーペローエタロンフィルターは、平面視において、矩形板状の光学部材であり、固定基板４１０と、可動基板４２０と、固定反射膜４１１と、可動反射膜４２１と、固定電極４１２と、可動電極４２２と、接合膜４１４とを備えている。そして、固定基板４１０と可動基板４２０とが積層した状態で、接合膜４１４を介して一体的に接合されている。

固定基板４１０は、その中央部に反射膜設置部４１５が形成されるように、中央部を取り囲んで、厚さ方向に対するエッチングにより溝４１３が形成されている。かかる構成の固定基板４１０において、反射膜設置部４１５の可動基板４２０側に固定反射膜４１１で構成される固定光学ミラーが設けられ、溝４１３の可動基板４２０側に固定電極４１２が設けられている。

また、可動基板４２０は、その中央部に可動部である反射膜設置部４２５が形成されるように、中央部を取り囲んで、厚さ方向に対するエッチングにより溝４２３である保持部が形成されている。かかる構成の可動基板４２０において、反射膜設置部４２５の固定基板４１０側すなわち下面側に可動反射膜４２１で構成される可動光学ミラーが設けられ、固定基板４１０側に可動電極４２２が設けられている。

この可動基板４２０は、反射膜設置部４２５と比較して、溝４２３の厚み寸法が小さく形成されており、これにより、溝４２３は、固定電極４１２および可動電極４２２間に電圧を印加した際の静電引力により撓むダイアフラムとして機能する。

これら固定基板４１０と可動基板４２０とは、０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下程度の厚みであれば作製可能である。よって、ファブリーペローエタロンフィルターの全体としての厚みを、２．０ｍｍ以下に設定し得るため、分光システム１０の小型化を実現することができる。

このような固定基板４１０と可動基板４２０との間において、固定反射膜４１１と可動反射膜４２１とは、固定基板４１０および可動基板４２０のほぼ中央部で、ギャップを介して対向配置されている。また、固定電極４１２と可動電極４２２とは、前記中央部を取り囲む溝部に、ギャップを介して対向配置されている。これらのうち、固定電極４１２と可動電極４２２とにより、固定反射膜４１１と可動反射膜４２１との間のギャップの大きさを調整する静電アクチュエーターが構成される。

静電アクチュエーターを構成する、固定電極４１２および可動電極４２２間に電圧を印加することで生じる静電引力により、溝４２３である保持部に撓みが生じる。その結果、固定反射膜４１１と可動反射膜４２１との間のギャップの大きさすなわち距離を変化させることができる。そして、このギャップの大きさを適宜設定することにより、透過する光の波長を選択すること、入射光から所望の波長（波長領域）の光を選択的に出射させることができる。また、固定反射膜４１１および可動反射膜４２１の構成を変えることにより、透過する光の半値幅、すなわちファブリーペローエタロンフィルターの分解能を制御することができる。

なお、固定基板４１０および可動基板４２０は、それぞれ、例えば、ソーダガラス、結晶性ガラス、石英ガラス、鉛ガラス、カリウムガラス、ホウケイ酸ガラス、無アルカリガラス等の各種ガラスや、水晶等により構成され、接合膜４１４は、例えば、シロキサンを主材料とするプラズマ重合膜等により構成され、また、固定反射膜４１１および可動反射膜４２１は、例えば、Ａｇ等の金属膜や、Ａｇ合金等の合金膜で構成される他、高屈折層としてＴｉＯ_２、低屈折層としてＳｉＯ_２を備える誘電体多層膜で構成され、さらに、固定電極４１２および可動電極４２２は、各種導電性材料で構成される。

また、分光システム１０は、図２～図４に示すように、分光部４を、光源３側に位置する第１の位置Ｐ１と、撮像素子２側に位置する第２の位置Ｐ２とに移動させる移動機構８を有する。分光部４が第１の位置Ｐ１に位置しているときには、筐体１１を背面側から見たとき、分光部４が光源３と重なっており、光源３から出射した光を分光してこの分光光を測定対象Ｘに照射することができる。この分光光が測定対象Ｘを透過して光路変更部６によって光路が変更されて撮像素子２に入射することにより、いわゆる前分光方式で測定対象Ｘの測定を行うことができる。

一方、分光部４が第２の位置Ｐ２に位置しているときには、筐体１１を背面側から見たとき、分光部４が撮像素子２と重なっており、光源３から出射した光が測定対象Ｘを透過し、光路変更部６によって光路が変更された後に分光部４が撮像素子２に入射する直前で光を分光して撮像素子２に分光光を入射させることができ、いわゆる後分光方式で測定対象Ｘの測定を行うことができる。

このように、分光システム１０は、分光部４を、光源３と光路変更部６との間の光路上の第１の位置Ｐ１と、光路変更部６と撮像素子２との間の光路上の第２の位置Ｐ２とに移動させる移動機構８を有することにより、状況に応じて前分光方式および後分光方式のいずれかを選択することができる。

このような移動機構８は、例えば、分光部４を移動させる駆動源であるソレノイド等を有する構成とすることができ、本実施形態では、図示はしないが、この駆動源が制御部５と電気的に接続されており、その作動が制御される構成である。これにより、位置合わせの精度を高めることができる。なお、例えば、分光部４に操作つまみ等を連結し、この操作つまみを手動で操作して第１の位置Ｐ１と第２の位置Ｐ２とを選択する構成であってもよい。

（制御部５）
制御部５は、筐体１１内に設けられ、例えば、ＣＰＵやメモリー等が組み合わせられたプロセッサーにより構成され、光源３、撮像素子２、分光部４および移動機構８等の各部の作動を制御する。制御部５は、記憶部１７と、光源制御部５０１と、分光制御部５０２と、分光画像取得部５０３と、分析処理部５０４と、表示制御部５０５と、を有する。

前分光方式の分光カメラを作動させる前分光モードが選択されると、制御部５は、入力部１６に入力されたユーザーの操作指示に基づいて、本体１が備える記憶部１７に記憶されたプログラム等のソフトウェアを読み込むことで、制御部５は、分光部４を第１の位置Ｐ１に移動させて、光源３、分光部４および撮像素子２の作動を制御して分光画像を取得する。そして、これに基づいて、測定対象Ｘの特徴、成分等を、表示部１５において表示する。これに対して、後分光方式の後分光モードが選択されると、分光部４を第２の位置Ｐ２に移動させて、光源３、分光部４および撮像素子２の作動を制御する。そして、これにより得られた分光画像に基づいて、例えば、撮像された測定対象Ｘの特定を行い、そのものの特徴、成分等を表示部１５に表示する。

なお、本体１では、前述したように、ディスプレイ１１１が表示部１５と入力部１６の双方の機能を兼ね備える。

光源制御部５０１は、入力部１６に入力されたユーザーの操作指示に基づいて、光源３の点灯、消灯を制御するものである。

分光制御部５０２は、記憶部１７に記憶されているＶ－λデータに基づいて、出射させる分光波長に対応する駆動電圧の電圧値（入力値）を取得する。そして、取得した電圧値を、分光部４としてのファブリーペローエタロンフィルターの静電アクチュエーターに印加させるために指令信号を出力する。また、分光制御部５０２は、記憶部１７に記憶されている各種データに基づいて、測定波長の変更タイミングの検出、測定波長の変更、測定波長の変更に応じた駆動電圧の変更、および測定終了の判断等を行い、当該判断に基づいて指令信号を出力する。

分光画像取得部５０３は、測定対象Ｘを反射した反射光に基づいた光量測定データ（受光量）を分光画像として、撮像素子２において取得（撮像）し、その後、取得された分光画像を記憶部１７に記憶させる。なお、分光画像取得部５０３は、分光画像を記憶部１７に記憶させる際に、分光画像とともに測定波長も併せて記憶部１７に記憶させる。

分析処理部５０４は、記憶部１７に記憶された、分光画像（分光スペクトル）および測定波長を取得し、これらの分析処理を行う。そして、この分析処理による処理結果に基づいて、例えば、撮像された測定対象Ｘの特定を、記憶部１７に記憶されたデータベースと比較することで実施する。

なお、分析処理部５０４による分光画像および測定波長の取得は、記憶部１７を介することなく、分光画像取得部５０３から、直接、実施することもできる。

表示制御部５０５は、分析処理部５０４で特定された測定対象Ｘの情報を可視化画像として表示部１５に表示させる。

表示部１５の可視化画像としては、例えば、特定された測定対象Ｘの組成を示す文字列の他、測定対象Ｘの特徴、成分、濃度、性質等の情報、さらには、測定対象Ｘの認識精度（％）が挙げられる。

（表示部１５、入力部１６、記憶部１７）
本体１では、ディスプレイ１１１が表示部１５と入力部１６の双方の機能を兼ね備えており、表示部１５は、例えば、液晶ディスプレイや有機ＥＬディスプレイ等の各種表示装置で構成される。この表示部１５は、図１に示すように、本体１の正面側、すなわち、表側に設けられ、各種の画像を表示する。

また、入力部１６は、例えば、表示部１５の表面に設けられ、タッチ感知面と、このタッチ感知面との接触の強度を検出するためのセンサーとを備えるタッチパネルで構成され、ユーザー（操作者）による入力操作を受け付ける。

記憶部１７は、ＲＯＭやＲＡＭ等の各種記憶装置（メモリー）により構成され、本体１の制御に必要な各種データやプログラム等を記憶する。当該データは、例えば、制御部５の各機能を実現させるためのアプリケーション、プログラム等の他、ファブリーペローエタロンフィルターが備える静電アクチュエーターに印加する駆動電圧に対する透過光の波長を示す相関データＶ－λデータ等が挙げられる。
以上、本体１について説明した。

なお、本体１内には、図示はしないが、入射レンズや投射レンズ等の光学系が内蔵されているのが好ましい。また、これらの光学系は、分光部４の入射側に位置しているのが好ましく、分光部４の位置移動に合わせてともに移動してもよく、第１の位置Ｐ１および第２の位置Ｐ２の双方に設置されていてもよい。

［装着部材７］
装着部材７は、本体１に対して装着される装着機構７１と、光路変更部６とを有する。
装着機構７１は、測定対象Ｘが収納された収納ボックス１００を保持する凹部７１２を有する板片７１１と、板片７１１の両端部に設けられたアーム７１３とを有する。この装着機構７１は、光路変更部６と本体１との間に測定対象Ｘが設置される設置空間Ｓが形成されるように本体１に装着される。

凹部７１２は、収納ボックス１００が十分に挿入される程度の深さを有しており、板片７１１の中央部から一方側に偏在して設けられている。装着部材７を本体１に装着した装着状態では、凹部７１２の底部が本体１と離間しており、この離間して形成された部分が前述した設置空間Ｓとなる。また、板片７１１は、本体１の筐体１１の幅方向と略同じ長さを有し、筐体１１の幅方向と板片７１１の長手方向とが略一致した状態で装着される。

なお、板片７１１は、各アーム７１３を連結するものであり、板片７１１の長さは、各アーム７１３の離間距離のことを言う。従って、板片７１１の長さには、凹部７１２が形成された部分も含まれる。

各アーム７１３の先端部、すなわち、板片７１１の反対側の端部には、係合爪７１４が設けられている。各係合爪７１４は、互いに接近する方向にアーム７１３から突出形成されている。

このような装着部材７を本体１に装着する際、各アーム７１３を離間する方向に撓ませて本体１を背面側からアーム７１３の間に挿入する。そして、各アーム７１３が離間する方向への外力を解除することにより各アーム７１３は、自然状態に戻り、本体１の幅方向の縁部と当接する。この際、各係合爪７１４が本体１の正面側の面と係合し、安定的に装着される。なお、この装着状態から再度各アーム７１３が離間する方向への外力を付与することにより、各係合爪７１４と本体１との係合を解除することができ、離脱状態とすることができる。

また、装着状態では、凹部７１２は、本体１の入出射部１１２を覆う位置に位置している。これにより、測定対象Ｘの測定を行うことができる。

なお、本実施形態では、板片７１１の長手方向が本体１の幅方向に沿った状態で装着する構成であったが、これに限定されず、例えば、本体１の長手方向に沿った状態で装着する構成であってもよい。また、本体１に係合爪７１４と係合する係合部が設けられていてもよく、また、装着機構自体が本体１側に設けられていてもよい。

（光路変更部６）
図３に示すように、光路変更部６は、光源３が出射した光の光路の方向を変えて、撮像素子２に入射させる機能を有する。本実施形態では、光路変更部６は、光を反射させて光路を変更する反射部材６１および反射部材６２を有する。これにより、以下に述べるように、光を反射させるという簡単な構成によって光の光路を変えて測定対象Ｘを透過した透過光を撮像素子２に入射させることができる。

反射部材６１は、第１反射面６１１を有し、凹部７１２の底部の光源３に対応する位置、すなわち、光源３から出射した光の光軸上に設けられている。このため、光源３を出射して測定対象Ｘを透過した光は、第１反射面６１１にて反射される。また、第１反射面６１１は、反射部材６２の第２反射面６２１に向って光を反射する。

反射部材６２は、第２反射面６２１を有し、凹部７１２の底部の撮像素子２に対応する位置、すなわち、撮像素子２の光軸上に設けられており、第１反射面６１１で反射された光を撮像素子２に向って反射させる。

このように、反射部材６１は、光源３が出射した光を反射させる第１反射面６１１を有し、反射部材６２は、第１反射面６１１が反射した光を撮像素子２に向けて反射する第２反射面６２１を有する。

このような光路変更部６によれば、光源３から出射した光が反射部材６１および反射部材６２で反射されて撮像素子２に入射することができる。また、図示の構成では、その過程で、光源３から反射部材６１の間で収納ボックス１００、すなわち、測定対象Ｘを透過し、かつ、反射部材６２および撮像素子２の間で測定対象Ｘを透過する。さらに、前分光モードの場合には、光源３と測定対象Ｘとの間で光が分光されてその分光光が上述した光路を経て撮像素子２に入射する。一方、後分光モードの場合には、測定対象Ｘと撮像素子２との間で光が分光されて、その分光光が撮像素子２に入射する。

このように、分光システム１０は、光透過性を有する測定対象Ｘに光を照射する光源３と、測定対象Ｘを透過した透過光に基づいた画像を撮像する撮像素子２と、光源３と撮像素子２との間の光路上に設けられ、特定の波長域の光を選択的に透過させる分光部４とを有する本体１と、光源３が出射した光の光路の方向を変える光路変更部６を有し、光路変更部６と本体１との間に測定対象Ｘの設置空間Ｓが形成されるように本体１に装着される装着部材７と、を備える。また、装着部材７は、本体１に対して着脱可能である。

これにより、装着部材７の凹部７１２に測定対象Ｘが収納された収納ボックス１００を設置し、その状態で装着部材７を本体１に装着するという簡単な方法によって、測定対象Ｘの各種測定を行うことができる。また、装着部材７を本体１に装着していない状態では、本体１を例えばスマートフォンとして用いることができる。すなわち、本体１を測定装置として用いないときは、装着部材７を本体１から離脱させておくことにより、本体１の小型化を実現することができる。

また、設置空間Ｓには、気体または液体が収納された容器である収納ボックス１００が設置される。これにより、気体または液体の特徴、成分、性質等を特定することができる。

なお、本実施形態では、第１反射面６１１を有する反射部材６１と、第２反射面６２１を有する反射部材６２とは、別体で構成されていたが、これに限定されず、例えば、反射部材６１および反射部材６２が一体的に構成されていてもよい。すなわち、１つの反射部材が第１反射面６１１および第２反射面６２１を有していてもよい。

また、本実施形態では、光源３および光路変更部６の間、すなわち往路と、光路変更部６および撮像素子２の間、すなわち復路の双方で、光が測定対象Ｘを透過する構成であったが、本発明ではこれに限定されず、往路および復路のうちの一方で光が測定対象Ｘを透過する構成であってもよい。すなわち、装着状態において設置空間Ｓが光源３側または撮像素子２側のいずれかに偏在していてもよい。

また、分光システム１０では、移動機構８が省略されて、前分光方式または後分光方式のいずれかの方式に特化した装置であってもよい。

［測定対象Ｘの特定方法］
次に、分光システム１０を用いた測定対象Ｘの特定方法を、図６等を用いて以下に詳述する。すなわち、本体１において、記憶装置に記憶されたプログラムを、制御部５により実行することで、制御部５が測定対象Ｘを特定することを命令し、この命令に基づいて、測定対象Ｘを特定する特定方法について、以下で説明する。

なお、以下では、測定対象Ｘを撮像し、撮像された分光画像に基づいて、測定対象Ｘの特定を行い、その後、特定された測定対象Ｘの画像をディスプレイ１１１に表示する場合を一例に説明する。

＜１＞ まず、ユーザーは、入力部１６の操作により、測定対象Ｘの撮像を行うアプリケーションを起動させた後、このアプリケーションの指示に従って、撮影モード等の条件の選択を行う（Ｓ１）。

すなわち、前分光モードおよび後分光モードのうち、いずれか一方のモードの選択を行う。

なお、以下では、まず、後分光モードを選択した場合について説明し、その後、前分光モードを選択した場合について説明する。

（後分光モード）
＜２Ａ＞ 次いで、入力部１６における、ユーザーによる後分光モードを選択する入力指示により、分光部４を第２の位置Ｐ２に移動させて、この状態で、光源制御部５０１は、光源３を点灯させる（Ｓ２Ａ）。

この光源３の点灯により、光源３から出射された出射光（照明光）が、測定対象Ｘに対して、直接、照射される。そして、照射された光が測定対象Ｘを透過して、この透過光が反射部材６１および反射部材６２で反射されて、撮像素子２に向う。本モードでは、光が撮像素子２に入射する直前で分光部４に入射する。

＜３Ａ＞ 次いで、分光制御部５０２は、記憶部１７に記憶されているＶ－λデータに基づいて、出射させる分光波長に対応する駆動電圧の電圧値（入力値）を取得する。そして、取得した電圧値を、分光部４としてのファブリーペローエタロンフィルターの静電アクチュエーターに印加させるために指令信号を出力する（Ｓ３Ａ）。

これにより、測定対象Ｘから分光部４に入射光として入射された光のうち、特定波長を有する光が出射光として、選択的に撮像素子２側に向かって出射される。

なお、分光制御部５０２は、分光部４により特定波長を有する光を出射させるのに先立って、分光部４のキャリブレーションを行う調整処理を施すことが好ましい。

＜４Ａ＞ 次いで、分光画像取得部５０３は、撮像素子２の作動を制御することで、分光部４から出射光として出射された、特定波長を有する光を、分光画像として、撮像素子２により取得する。すなわち、測定対象Ｘを透過した透過光のうち、特定波長を有する光における光量測定データ（受光量）を分光画像として撮像素子２により取得する。そして、分光画像取得部５０３は、取得された分光画像を測定波長とともに記憶部１７に記憶させる（Ｓ４Ａ）。

このような後分光モードでは、分光部４は、測定対象Ｘと撮像素子２との間において、撮像素子２の受光光の光軸上に配置される。これにより、分光部４で測定対象Ｘを透過した光が有する特定波長の光のみが透過され、この波長の光の強度が撮像素子２により分光測定される。

＜５Ａ＞ 次いで、１回目の波長を有する光における分光画像の取得の後に、１回目の波長とは異なる２回目の波長を有する光における分光画像の取得が必要か否かを、前記工程＜１＞において、ユーザーによって選択された条件に基づいて判定する。すなわち、１回目の波長とは異なる２回目の波長を有する光における分光画像を、続けて取得する必要があるのか否かを判定する（Ｓ５Ａ）。

この判定（Ｓ５Ａ）において、２回目の波長を有する光における分光画像の取得の必要がある場合には、１回目の波長を有する光に代わり、２回目の波長を有する光について、前記工程＜３Ａ＞～本工程＜５Ａ＞を繰り返して実施する。これにより、２回目の波長を有する光における分光画像を取得する。このような２回目の波長、すなわち、異なる波長を有する光における分光画像の取得を、１、２～ｎ回目まで、繰り返して実施する。上記の通り、前記工程＜３Ａ＞～本工程＜５Ａ＞を繰り返して実施することで、各波長と光強度との関係を示す２次元スペクトル情報を得ることができる。

一方、次の波長を有する光における分光画像を取得する必要がない場合には、後分光モードによる分光画像の取得を終了し、次工程＜６＞である分光画像の分析に移行する。

以上のような後分光モードでは、前記工程＜３Ａ＞～本工程＜５Ａ＞を繰り返して、ある測定範囲の全域（所定領域）の波長をスキャンすることで、特定波長やスペクトル形状を取得して、測定対象Ｘの特性を把握することが可能である。そのため、特定波長が不明な測定対象Ｘを測定（撮影）する場合に有効となる測定モードであると言える。

（前分光モード）
＜２Ｂ＞入力部１６における、ユーザーによる前分光モードを選択する入力指示により、分光部４を第１の位置Ｐ１に移動させて、この状態で、光源制御部５０１は、光源３を点灯させる（Ｓ２Ｂ）。

この光源３の点灯により、光源３から出射された出射光（照明光）が、直接、入射光として、分光部４に入射する。

＜３Ｂ＞ 次いで、分光制御部５０２は、記憶部１７に記憶されているＶ－λデータに基づいて、出射させる分光波長に対応する駆動電圧の電圧値（入力値）を取得する。そして、取得した電圧値を、分光部４としてのファブリーペローエタロンフィルターの静電アクチュエーターに印加させるために指令信号を出力する（Ｓ３Ｂ）。

これにより、光源３から分光部４に入射光として入射された光のうち、特定波長を有する光が出射光として、選択的に測定対象Ｘ側に向かって出射されることで、測定対象Ｘに照射される。そして、照射された特定波長を有する光が測定対象Ｘを透過し、反射部材６１および反射部材６２で反射されて撮像素子に入射する。

このような前分光モードでは、分光部４は、光源３と測定対象Ｘとの間において、光源３の出射光の光軸上に配置される。これにより、分光部４で光源３から射出される光が有する特定波長の光が選択的に透過されるため、測定対象Ｘには、この波長の光が選択的に照射される。

なお、分光制御部５０２は、分光部４により特定波長を有する光を出射させるのに先立って、分光部４のキャリブレーションを行う調整処理を施すことが好ましい。

＜４Ｂ＞ 次いで、分光画像取得部５０３は、撮像素子２の作動を制御することで、測定対象Ｘにより反射された特定波長を有する光（入射光）を、分光画像として、撮像素子２により取得する。すなわち、測定対象Ｘを反射した、特定波長を有する光における光量測定データ（受光量）を分光画像として、撮像素子２により取得する。そして、分光画像取得部５０３は、取得された分光画像を、測定波長とともに記憶部１７に記憶させる（Ｓ４Ｂ）。

＜５Ｂ＞ 次いで、１回目の波長を有する光における分光画像の取得の後に、１回目の波長とは異なる２回目の波長を有する光における分光画像の取得が必要か否かを、前記工程＜１＞において、ユーザーによって選択された条件に基づいて判定する。すなわち、１回目の波長とは異なる２回目の波長を有する光における分光画像を、続けて取得する必要があるのか否かを判定する（Ｓ５Ｂ）。

この判定（Ｓ５Ｂ）において、次の波長を有する光における分光画像の取得の必要がある場合には、１回目の波長を有する光に代わり、２回目の波長を有する光について、前記工程＜３Ｂ＞～本工程＜５Ｂ＞を繰り返して実施する。これにより、２回目の波長を有する光における分光画像を取得する。このような２回目の波長、すなわち、異なる波長を有する光における分光画像の取得を、１、２～ｎ回目まで、繰り返して実施する。上記の通り、前記工程＜３Ｂ＞～本工程＜５Ｂ＞を繰り返して実施することで、各波長と光強度との関係を示す２次元スペクトル情報を得ることができる。

一方、次の波長を有する光における分光画像を取得する必要がない場合には、前分光モードによる分光画像の取得を終了し、次工程＜６＞である分光画像の分析に移行する。

以上のような前分光モードは、前記工程＜３Ｂ＞～本工程＜５Ｂ＞において、特定波長の光を照射することで、測定対象Ｘの特性を把握することが可能な方式である。したがって、特定波長が明らかになっている測定対象Ｘを測定する場合に有効な方式であり、前述した後分光方式よりも情報量を減らせることから、計測時間の短縮が図られる測定モードであると言える。

＜６＞ 次いで、分析処理部５０４は、記憶部１７に記憶された、分光画像（分光スペクトル）および測定波長に基づいて、分光画像の分析を実施する。

すなわち、分析処理部５０４は、上述した後分光モードまたは前分光モードで記憶部１７に記憶された、分光画像（分光スペクトル）および測定波長を取得する。そして、これらの分析処理を行い、この分析処理による処理結果に基づいて、測定対象Ｘの特徴量を抽出することで、例えば、撮像された測定対象Ｘの特定を、記憶部１７に記憶された基準スペクトルや学習データ等のデータを有するデータベースと比較することで実施する。

＜７＞ 次いで、表示制御部５０５は、分析処理部５０４で特定された測定対象Ｘの情報を可視化画像として作成し、その後、この可視化画像を、表示部１５を備えるディスプレイ１１１に表示させる（Ｓ７）。

以上のような工程＜１＞～工程＜７＞を経ることで、分光システム１０を用いて、測定対象Ｘの特定が実施される。

このように、本体１は、表示部１５とタッチ感知面とを兼ねるディスプレイ１１１と、ディスプレイ１１１との接触を検出するための少なくとも１つのセンサーと、少なくとも１つのプロセッサーと、メモリーである記憶部１７と、少なくとも１つのプログラムと、を備える。また、この少なくとも１つのプログラムは、記憶部１７に記憶され、少なくとも１つのプロセッサーによって実行されるように構成されており、少なくとも１つのプログラムが、いずれかを実行するための命令を含む。これにより、前述したような、測定対象Ｘの測定を行うことができる。

＜第２実施形態＞
次に、分光システムの第２実施形態について説明する。
図７は、本発明の分光システムの第２実施形態の断面図である。

以下、第２実施形態の分光システム１０について、前記第１実施形態の分光システム１０との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。

図７に示すように、本実施形態では、光路変更部６は、反射部材６３を有する。反射部材６３は、設置空間Ｓ側に反射面６３１を有している。また、本実施形態では、光源３は、反射面６３１の略中央部に向って光を出射し、反射面６３１によって反射された光は、撮像素子２に入射する。すなわち、光源３の光軸と、撮像素子２の光軸とは、反射面６３１で交わる構成となっている。

このような本実施形態によれば、光路変更部６にて光を反射させる回数を１回にすることができ、すなわち、光路変更部６にて光を反射させる回数を可及的に少なくすることができる。よって、反射によって光量が減衰するのを可及的に抑制することができ、より正確な測定を行うことができる。

＜第３実施形態＞
次に、分光システムの第３実施形態について説明する。
図８は、本発明の分光システムの第３実施形態の断面図である。

以下、第３実施形態の分光システム１０について、前記第１実施形態の分光システム１０との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。

図８に示すように、本実施形態では、光路変更部６は、プリズム６４を有する。プリズム６４は、第１反射面６４１と、第２反射面６４２とを有し、断面形状が三角形をなしている。

第１反射面６４１は、凹部７１２の底部の光源３に対応する位置、すなわち、光源３から出射した光の光軸上に設けられている。このため、光源３を出射した光は、プリズム６４に入射し、第１反射面６４１にて反射される。また、第１反射面６４１は、第２反射面６４２に向って光を反射する。

第２反射面６４２は、凹部７１２の底部の撮像素子２に対応する位置、すなわち、撮像素子２の光軸上に設けられており、第１反射面６４１で反射されてプリズム６４内を通過する光を撮像素子２に向って反射させる。

このような本実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果を奏することができるとともに、第１実施形態よりも部品点数を減らすことができる。なお、プリズム６４は、光源３からの光が入射する入射部と、撮像素子２に向けて光を出射する出射部とを備える導光部材ということができる。

＜第４実施形態＞
次に、分光システムの第４実施形態について説明する。
図９は、本発明の分光システムの第４実施形態の断面図である。

以下、第４実施形態の分光システム１０について、前記第１実施形態の分光システム１０との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。

図９に示すように、本実施形態では、光路変更部６は、光源３からの光が入射する入射部６５１と、撮像素子２に向けて光を出射する出射部６５２とを備える導光部材６５を有する。導光部材６５は、長尺状をなし、その長手方向の途中で湾曲または屈曲した形状をなす光ファイバーまたは光導波路等で構成される。また、導光部材６５の光源３からの光が入射する端面が入射部６５１であり、他端面が出射部６５２である。

入射部６５１は、凹部７１２の底部の光源３に対応する位置、すなわち、光源３から出射した光の光軸上に設けられている。また、出射部６５２は、凹部７１２の底部の撮像素子２に対応する位置、すなわち、撮像素子２の光軸上に設けられている。このため、入射部６５１に入射した光は、導光部材６５の内部で多数回反射を繰り返して出射部６５２に到達し、すなわち、導光され、出射部６５２から出射する。

このような本実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果を奏することができるとともに、第１実施形態よりも部品点数を減らすことができる。また、前述した光ファイバーや光導波路は、可撓性を有しているため、入射部６５１や出射部６５２の位置調整が容易であるという利点がある。

例えば、前記実施形態では、光源３、撮像素子２、分光部４等の作動は、本体１に内蔵された制御部５により制御されるが、これに限定されず、これらのうちの少なくとも１つは、例えば、本体１に対し、外付けの機器にある制御部や、通信可能な、あるいはネットワークを介した先方にある任意の制御部により制御されていてもよい。

また、本体は、表示部と、入力部と、記憶部とを備える場合について説明したが、かかる構成のものに限定されず、表示部と入力部とは、本体とは異なる他のスマートフォンやコンピューター等の外部端末が備え、さらに記憶部は、外部サーバーが備え、撮像素子を備えるスマートフォンと、外部端末および外部サーバーとのデータの受け渡しを、通信部を介して実施する構成をなすものであってもよい。

さらに、本体は、スマートフォンに限定されず、デジタルカメラ、タブレットＰＣ（Personal Computer）、ドローン、ロボット、キャッシュディスペンサーおよび顔認証センサー、ＨＭＤ（Head Mounted Display）等の撮像機能を有する各種装置であってもよい。

また、光源と測定対象との間の光路および測定対象と撮像素子との間の光路に、反射面等で構成された、光路を変更する補助光路変更部を有していてもよい。これにより、設計の自由度が向上する。

１０…分光システム、１００…収納ボックス、１…本体、１１…筐体、１１１…ディスプレイ、１１２…入出射部、２…撮像素子、２１…入射部、３…光源、３１…出射部、４…分光部、４１０…固定基板、４１１…固定反射膜、４１２…固定電極、４１３…溝、４１４…接合膜、４１５…反射膜設置部、４２０…可動基板、４２１…可動反射膜、４２２…可動電極、４２３…溝、４２５…反射膜設置部、５…制御部、５１…回路基板、５２…回路基板、５０１…光源制御部、５０２…分光制御部、５０３…分光画像取得部、５０４…分析処理部、５０５…表示制御部、６…光路変更部、６１…反射部材、６１１…第１反射面、６２…反射部材、６２１…第２反射面、６３…反射部材、６３１…反射面、６４…プリズム、６４１…第１反射面、６４２…第２反射面、６５…導光部材、６５１…入射部、６５２…出射部、７…装着部材、７１…装着機構、７１１…板片、７１２…凹部、７１３…アーム、７１４…係合爪、８…移動機構、１５…表示部、１６…入力部、１７…記憶部、Ｌ…光、Ｐ１…第１の位置、Ｐ２…第２の位置、Ｓ…設置空間、Ｘ…測定対象

Claims (8)

1. 光透過性を有する測定対象に光を照射する光源と、前記測定対象を透過した透過光に基づいた画像を撮像する撮像素子と、前記光源と前記撮像素子との間の光路上に設けられ、特定の波長域の光を選択的に透過させる分光部とを有する本体と、
   前記光源が出射した光の光路の方向を変える光路変更部を有し、前記光路変更部と前記本体との間に前記測定対象の設置空間が形成されるように前記本体に装着される装着部材と、を備え、
   前記設置空間には、前記測定対象が収納された容器が設置され、
   前記光源から出射した光は、前記光源と前記光路変更部との間で、前記容器内の前記測定対象を透過し、かつ、前記光路変更部により光路の方向が変えられた光は、前記光路変更部と前記撮像素子との間で、前記容器内の前記測定対象を透過することを特徴とする分光システム。
2. 前記装着部材は、前記本体に対して着脱可能である請求項１に記載の分光システム。
3. 前記光源および前記撮像素子は、同一方向を向いて配置されている請求項１または２に記載の分光システム。
4. 前記光源が光を出射する方向と、前記撮像素子に光が入射する方向とは、反対方向である請求項３に記載の分光システム。
5. 前記光路変更部は、光を反射させて光路を変更する反射部材を有する請求項１ないし４のいずれか１項に記載の分光システム。
6. 前記反射部材は、前記光源が出射した光を反射させる第１反射面と、前記第１反射面が反射した光を前記撮像素子に向けて反射する第２反射面とを有する請求項５に記載の分光システム。
7. 前記光路変更部は、前記光源からの光が入射する入射部と、前記撮像素子に向けて光を出射する出射部とを備える導光部材を有する請求項１ないし６のいずれか１項に記載の分光システム。
8. 前記本体は、表示部と、タッチ感知面と、前記タッチ感知面との接触を検出するための少なくとも１つのセンサーと、少なくとも１つのプロセッサーと、メモリーと、少なくとも１つのプログラムと、を備え、
   前記少なくとも１つのプログラムは、前記メモリーに記憶され、前記少なくとも１つのプロセッサーによって実行されるように構成されており、前記少なくとも１つのプログラムが、いずれかを実行するための命令を含む請求項１ないし７のいずれか１項に記載の分光システム。

Images