JP7238385B2 - 分光フィルターモジュール、分光カメラおよび電子機器 - Google Patents

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Description

本発明は、分光フィルターモジュール、分光カメラおよび電子機器に関する。
従来、入射光から所定波長の光を分光して出力する分光フィルターモジュールが知られている(例えば特許文献1参照)。
特許文献1に記載された分光フィルターモジュール(測色センサー)は、測定対象物で反射された反射光のうちの所定波長の光を透過させる分光フィルター(波長可変干渉フィルター)と、分光フィルターに駆動電圧を印加する駆動部(電圧印加部)とを備えている。この分光フィルターモジュールを制御する制御装置は、目的波長を指示する制御信号を駆動部に対して出力する。駆動部が制御信号に基づいて駆動電圧を分光フィルターに印加することにより、分光フィルターは目的波長の光を透過させる。
特開2014-56072号公報
しかしながら、特許文献1に記載された分光フィルターモジュールは、分光フィルターの透過波長を複数の波長に切り替える場合、例えばUSBなどの制御線を用いて制御信号を送信する必要がある。具体的には、分光フィルターモジュールは、制御装置から各目的波長を指示する制御信号を一つ一つ受信し、受信した制御信号に基づいた演算処理を行う必要がある。このため、分光フィルターモジュールの透過波長を高速で切り替えることが困難である。
本発明の分光フィルターモジュールは、入力される駆動電圧に応じた波長の光を入射光から分光して出力する分光フィルターと、入力される波長指令値に基づいて前記駆動電圧を出力する駆動部と、前記波長指令値を出力し、外部からトリガー信号が入力される毎に前記波長指令値を変更する駆動制御部と、を備えることを特徴とする。
本発明の分光フィルターモジュールは、複数の前記波長指令値を一覧にした波長リストを記憶する記憶部をさらに備え、前記駆動制御部は、前記波長リストから選択した前記波長指令値を出力し、前記トリガー信号が入力される毎に選択する前記波長指令値を切り替えることが好ましい。
本発明の分光カメラは、上述の分光フィルターモジュールと、前記分光フィルターから分光された光を受光して当該光の強度に応じた受光信号を出力する受光部と、前記トリガー信号を出力すると共に、前記トリガー信号の出力タイミングに応じて前記受光信号を取り込む受光制御部と、を備えることを特徴とする。
本発明の電子機器は、上述の分光フィルターモジュールと、前記トリガー信号を出力するトリガー信号出力部と、を備えることを特徴とする。
本発明の一実施形態に係る分光測定装置の概略構成を示すブロック図。 前記実施形態の分光フィルターの概略構成を示す断面図。 前記実施形態の波長リストを例示する図。 前記実施形態の駆動制御部の処理を示すフローチャート。 トリガー信号と分光フィルターの透過波長とを示すタイムチャートの一例。 前記実施形態の受光制御部の処理を示すフローチャート。 前記実施形態の変形例に係る電子装置の概略構成を示すブロック図。 トリガー信号と分光フィルターの透過波長とを示すタイムチャートの他の例。
以下、本発明の一実施形態に係る分光測定装置100について説明する。
図1に示すように、本実施形態の分光測定装置100は、所定波長の光を検出する分光カメラ1と、分光カメラ1を制御する制御部6とを備えている。分光カメラ1は、対象物で反射された反射光Lrのうち、所定波長の光Lsを分光し、分光された光Lsに基づいて取得される受光値Diを制御部6に送信する。制御部6は、分光カメラ1から入力された受光値Diに基づいてスペクトル情報を分析する。これにより、分光測定装置100は、対象物の色の測定や物質分析が可能である。このような分光測定装置100は、例えばプリンターやプロジェクターなどの電子機器に組み込まれて利用可能である。
[分光カメラ1の構成]
分光カメラ1は、一点からの光に対する分光測定を実施するものでもよいし、分光画像を取得するものであってもよい。この分光カメラ1は、入射光から所定波長の光を分光する分光フィルターモジュール2と、分光フィルターモジュール2により分光された光を受光して受光信号Siを出力する受光センサー3とを備えている。
(分光フィルターモジュール2)
分光フィルターモジュール2は、分光フィルター5、記憶部21、駆動制御部22および駆動回路23を備えている。
分光フィルター5は、例えば波長可変干渉フィルターである。この分光フィルター5は、図2に示すように、第一基板51および第二基板52を有する。第一基板51は、第二基板52に対向する面に、例えばエッチングにより形成された電極配置溝511と、反射膜設置部512とを有する。第二基板52は、可動部521と、可動部521の外周に設けられ、可動部521よりも厚み寸法が小さいダイアフラム部522とを有している。この第二基板52は、ダイアフラム部522の外周において、接着層53を介して第一基板51に固定されている。
分光フィルター5において、第一基板51の反射膜設置部512に設けられた第一反射膜54と、第二基板52の可動部521に設けられた第二反射膜55とは、ギャップGを介して対向配置されている。第一反射膜54および第二反射膜55は、それぞれ導電性を有しており、ギャップGの容量を検出するための容量検出部を構成する。
また、第一基板51に設けられた第一電極561と、第二基板52に設けられた第二電極562とは、互いに対向して配置され、静電アクチュエーター56を構成している。第一電極561および第二電極562の間に駆動電圧Vが印加された場合、第二基板52のダイアフラム部522が撓み、可動部521が第一基板51側に変位する。これにより、ギャップGの寸法が変動し、当該ギャップGの寸法に応じた波長の光が分光フィルター5から透過する。ここで、分光フィルター5が透過させる光の波長(透過波長)は、印加される駆動電圧Vの値に対応している。
図1に戻って、記憶部21は、分光フィルター5を制御するためのデータとして、波長リストLを記憶している。
図3は、波長リストLの例を示す図である。波長リストLには、複数の測定波長にそれぞれ対応する複数の波長指令値Vc(1)~Vc(n)の一覧が、測定番号に対応付けられた状態で記憶されている。なお、本実施形態における波長指令値Vcは、分光フィルター5のギャップGで検出される静電容量に関する指令値である。
駆動制御部22は、例えばマイコンによって構成され、駆動回路23に対して波長指令信号Swを出力する。波長指令信号Swには、波長リストLに記憶されている波長指令値Vc(1)~Vc(n)のうち、いずれかの波長指令値Vc(i)が含まれる。この駆動制御部22は、トリガー信号Stを入力される毎に、波長指令信号Swに含まれる波長指令値Vc(i)を波長リストLに従って切り替える。具体的には、駆動制御部22は、トリガー信号Stを入力される毎に、波長リストLにおいて、現在選択している波長指令値Vc(i)の次の測定番号に位置する波長指令値Vc(i+1)を選択して波長指令信号Swとして出力する。
また、駆動制御部22は、リセット信号Srを入力された場合、現在選択している波長指令値Vcに関わらず、波長リストLにおいて最初の測定番号に対応する波長指令値Vc(1)を選択して出力する。
駆動回路23は、本発明の駆動部であり、駆動制御部22から入力される波長指令信号Swに含まれる波長指令値Vcに基づいて、静電アクチュエーター56に駆動電圧Vを印加する。
また、駆動回路23は、フィードバック制御系を構成しており、分光フィルター5のギャップGで検出された静電容量が、波長指令値Vcに対応する静電容量になるように、静電アクチュエーター56に印加する駆動電圧Vを増減させる。これにより、分光フィルター5におけるギャップGが測定波長に対応した寸法に調整される。
(受光センサー3)
受光センサー3は、受光部31と、受光部31を制御する受光制御部32とを有している。
受光部31は、分光フィルター5により分光された光Lsを受光し、受光した光Lsの光強度に応じた受光信号Siに変換して出力する。受光部31は、例えばCMOSによって構成される。
受光制御部32は、受光部31から受光信号Siを取り込むタイミングを制御するために、図5の上部に示すようなパルス信号(トリガー信号St)を出力している。すなわち、受光制御部32は、トリガー信号Stに応じたタイミングで受光部31から受光信号Siを取り込み、取り込んだ受光信号Siの値(受光値Di)を制御部6に出力する。本実施形態では、受光信号Siは、トリガー信号Stがローレベルからハイレベルに切り替わったタイミングで取り込まれる。
また、受光制御部32は、トリガー信号Stを、自身で利用するだけでなく、分光フィルター5の駆動制御部22に対して出力している。
なお、本実施形態において、受光制御部32は、ローレベルまたはハイレベルのトリガー信号Stを継続して出力している。このため、本実施形態において「トリガー信号Stの出力(または入力)」とは、トリガー信号Stがローレベルからハイレベルに、または、ハイレベルからローレベルに切り替わることに相当する。
以上の構成を有する受光センサー3は、トリガー信号Stを送信するための信号線によって分光フィルターモジュール2と接続されており、また、受光値Diを送信するための制御線によって制御部6と接続されている。
[制御部6]
制御部6は、パーソナルコンピューターなどによって構成可能である。また、分光測定装置100がプリンターまたはプロジェクターなどの電子機器に組み込まれる場合、制御部6は、当該電子機器の全体動作を制御するコントローラーとして構成されてもよい。
制御部6は、図1に示すように、リスト生成部61、リセット部62および受光値処理部63を含んでいる。また、制御部6は、図示を省略するが、外部機器と接続するインターフェースまたはユーザーによる操作を受け付ける操作部を有してもよい。
リスト生成部61は、外部機器または操作部を介してユーザーが測定を所望する波長情報を取得し、当該波長情報に基づいて波長リストLを生成する。このリスト生成部61は、生成した波長リストLを分光カメラ1に送信し、記憶部21に記憶させる。ここで、記憶部21に波長リストLが既に記憶されている場合、リスト生成部61は、記憶部21に記憶された波長リストLを更新してもよい。
なお、リスト生成部61は、分光カメラ1に送信した波長リストLを、制御部6内の記憶部(図示省略)にも記憶させる。
リセット部62は、所定条件が成立した場合、分光カメラ1に対してリセット信号Srを出力する。なお、所定条件は、任意に設定可能であるが、外部機器または操作部からリセットを指示する操作信号が入力されることや、受光値処理部63が受光値Diを適切に取得できないことなどが挙げられる。また、リセット信号Srは、トリガー信号Stと同様、パルス信号であればよい。
受光値処理部63は、制御部6内の記憶部に記憶された波長リストLと、受光センサー3から入力される受光値Diとに基づいて、測定波長と受光値Diの組み合わせであるスペクトル情報を分析する。
以上の構成を有する制御部6は、リセット信号Srを送信するための信号線と、波長リストLなどを送信するための制御線とによって、分光フィルターモジュール2と接続されている。
[分光測定装置100の動作]
本実施形態の分光測定装置100が分光測定動作を行う例について説明する。なお、以下の説明では、記憶部21が波長リストLを記憶しているものとする。
まず、制御部6は、外部機器または操作部から入力される操作信号に基づき、分光カメラ1に測定開始信号を出力する。これにより、分光カメラ1では、駆動制御部22および受光制御部32がそれぞれ処理を開始する。
図4を参照して、駆動制御部22が行う波長切替処理を説明する。
まず、駆動制御部22は、波長指令値Vcを示す変数iを初期化(i=1)する(ステップS11)。
その後、駆動制御部22は、トリガー信号Stに基づく波長切替タイミングを検出する(ステップS12)。なお、本実施形態において、波長切替タイミングは、トリガー信号Stがハイレベルからローレベルに立ち下がるタイミングに設定されている。
次いで、駆動制御部22は、検出した波長切替タイミングにおいて、波長リストLから波長指令値Vc(i)を選択し、この波長指令値Vc(i)を含む波長指令信号Swを駆動回路23に出力する(ステップS13)。
ここで、波長指令信号Swを入力された駆動回路23は、波長指令値Vc(i)に基づく駆動電圧Vを分光フィルター5に印加する。これにより、分光フィルター5は、波長指令値Vc(i)が対応する測定波長λ(i)の光を透過させ、受光センサー3は、測定波長λ(i)の光強度に応じた受光値Diを出力する。
その後、駆動制御部22は、変数iがnであるか否かを判定し(ステップS14)、Noと判定した場合は、変数iに「1」を加算してステップS12に戻る。一方、Yesの場合には、受光制御部32に測定終了信号を出力し(ステップS15)、フローを終了する。
以上の処理によれば、駆動制御部22は、トリガー信号Stが入力される毎に(具体的にはトリガー信号Stがハイレベルからローレベルに立ち下がる毎に)、波長指令信号Swが含む波長指令値Vcを、波長リストLに記憶された波長指令値Vc(1)から波長指令値Vc(n)まで順に切り替える。これにより、図5に示すように、分光フィルター5の透過波長は、波長指令値Vc(1)に対応する波長λ(1)から波長指令値Vc(n)に対応する波長λ(n)まで順に切り替えられる。
また、以上の処理において、駆動制御部22は、図4に示すフローの途中でリセット信号Srが入力された場合には、ステップS11に戻り、波長指令値Vcを示す変数iを初期化(i=1)する。これにより、駆動制御部22は、波長リストLの最初から波長指令値Vcの選択をやり直す。
次に、図6を参照して、受光制御部32が行う受光制御処理を説明する。
まず、受光制御部32は、トリガー信号Stを所定間隔で出力することを開始する(ステップS21)。
次いで、受光制御部32は、トリガー信号Stに基づく信号取込タイミングを検出する(ステップS22)。なお、本実施形態において、信号取込タイミングは、トリガー信号Stがローレベルからハイレベルに立ち上がるタイミングに設定されている。これにより、トリガー信号Stの立ち下がりから立ち上がりまでの時間分、分光フィルター5の透過波長が変更されて安定することを待つことができる。
次いで、受光制御部32は、検出した信号取込タイミングにおいて受光部31から受光信号Siを取り込む(ステップS23)。そして、受光制御部32は、取り込んだ受光信号Siの出力値である受光値Diを制御部6に出力する(ステップS24)。
その後、受光制御部32は、ステップS22に戻って処理を継続するが、駆動制御部22から測定終了信号が入力された場合には、フローを終了する。
以上の処理によれば、分光フィルターモジュール2において、分光フィルター5の透過波長の変更タイミングと、受光信号Siの取り込みタイミングとが連携される。これにより、制御部6は、分光フィルター5の透過波長が安定しているときの受光値Diを取得できる。
[本実施形態の効果]
本実施形態の分光フィルターモジュール2は、入力される駆動電圧Vに応じた波長の光を透過させる分光フィルター5と、入力される波長指令値Vcに基づいて駆動電圧Vを出力する駆動回路23と、波長指令値Vcを出力し、外部からトリガー信号Stが入力される毎に波長指令値Vcを切り替える駆動制御部22と、を備えている。ここで、分光フィルター5の透過波長を切り替えるためのトリガーとなるトリガー信号Stは、パルス信号などの1ビット信号でよい。すなわち、本実施形態の分光フィルターモジュール2では、分光フィルター5の透過波長を切り替えるために、単純なトリガー信号Stを受信するため、複雑な演算処理を必要としない。このため、分光フィルター5の透過波長を切り替えるためにかかる時間を短縮できる。また、分光フィルターモジュール2と外部との間で波長切替のための制御線を必要としないため、分光フィルターモジュール2の構成を簡素化することも可能である。
また、本実施形態の分光フィルターモジュール2において、駆動制御部22は、記憶部21に記憶された波長リストLに従って波長指令値Vcを切り替えるように構成されている。このため、ユーザーの所望する測定波長に対応する波長指令値Vcを波長リストLに記憶させておくことにより、分光フィルター5の透過波長をユーザーの所望する測定波長に容易に切り替えることができる。
本実施形態の分光カメラ1は、上述したような分光フィルターモジュール2と、分光フィルター5を透過した波長の光Lsを受光して当該光Lsの強度に応じた受光信号Siを出力する受光部31と、トリガー信号Stを出力すると共にトリガー信号Stの出力タイミングに応じた信号取込タイミングで受光信号Siを取り込む受光制御部32と、を備えている。
一般に、分光フィルターの透過波長が切り替えられた直後において、受光センサーから出力される受光信号は安定しない。このため、従来技術では、分光カメラを制御する制御装置において、波長指令値を切り替えるタイミングと、受光センサーから受光信号を取り込むタイミングとの連携を図ることで、安定した受光値を取得している。
これに対して、本実施形態では、受光制御部32は、トリガー信号Stに応じた信号取込タイミングで受光信号Siを取り込むように構成されている。これにより、分光カメラ1を制御する制御部6は、自身の構成を簡素化しつつ、安定した受光値Diを取得することができる。
[変形例]
なお、本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
(変形例1)
前記実施形態では、分光測定装置100について説明しているが、本発明の電子機器はこれに限定されず、分光測定装置100を組み込まれたプロジェクターやプリンターなどであってもよい。
また、本発明の電子機器は、受光センサー3を備えなくてもよい。
図7は、例えば分光照明装置や可視光通信装置として構成される電子機器200の概略構成を示す図である。なお、図7では、前記実施形態と同様の構成には同じ符号を付している。
図7に示すように、電子機器200は、分光フィルターモジュール2と、光源71と、トリガー信号出力部72と、を備えている。この電子機器200において、駆動制御部22は、トリガー信号出力部72からトリガー信号Stが入力される毎に波長指令値Vcを切り替える。これにより、光源71から出射された光は、分光フィルター5によって、順次、異なる波長に分光される。
このような電子機器200においても、前記実施形態と同様、分光フィルター5が分光させる波長の切り替えにかかる時間を短縮できるという効果を奏することができる。
(変形例2)
前記実施形態において、トリガー信号Stとして、所定間隔で出力されるパルス信号が例示されているが、本発明はこれに限られず、任意の信号を利用可能である。例えば、任意の間隔でオン(ハイレベル)およびオフ(ローレベル)を切り替えられる1ビット信号を利用できる。
(変形例3)
前記実施形態において、駆動制御部22は、波長リストLに従って波長指令値Vcを切り替えているが、本発明はこれに限られない。例えば、駆動制御部22は、トリガー信号Stが入力される毎に、予め設定された波長ずつ波長指令値Vcを段階的に増加または減少させてもよい。
(変形例4)
前記実施形態の波長指令値Vcは、分光フィルター5のギャップGにおける静電容量の値であるが、本発明はこれに限定されない。例えば、本発明の波長指令値は、静電アクチュエーター56に印加される駆動電圧Vの値であってもよいし、測定を行う波長の値であってもよい。
具体的には、本発明の波長指令値が駆動電圧Vの値である場合、前記実施形態のようなフィードバック制御を行わずともよい。また、本発明の波長指令値が波長の値である場合、駆動制御部22が波長の値から分光フィルター5のギャップGにおける静電容量の値を計算(変換)して、当該値を駆動回路23に送ってもよい。
また、波長リストLは、測定番号1~nおよび波長指令値Vcだけでなく、他の様々な情報を含んでいてもよい。
例えば、本発明の分光フィルターにおいて、特開2017-187799号公報などに記載された2電極駆動を行う場合、波長リストLは、駆動電圧Vに加算されるバイアス電圧を含んでいてもよい。
また、波長リストLは、フィードバック制御の応答性を調節するパラメーター(具体的にはPID制御のP、I、Dの数値)を含んでいてもよい。
また、波長リストLは、制御には利用しないが、ユーザーに対して表示する値として、波長の値を含んでいてもよい。
(変形例5)
前記実施形態において、駆動制御部22は、トリガー信号Stが立ち下がるタイミングを波長切替タイミングとして検出し、この波長切替タイミングで波長指令値Vcを切り替えているが、本発明はこれに限られない。
例えば、駆動制御部22は、図8に示すように、トリガー信号Stが立ち上がるタイミングを波長切替タイミングとして検出し、この波長切替タイミングで波長指令値Vcを切り替えてもよい。このような例においても、駆動制御部22は、トリガー信号Stが入力される毎に波長指令値Vcを切り替えることになる。
また、図8に示す例において、受光制御部32は、トリガー信号Stが立ち下がるタイミングを信号取込タイミングとして検出することが好ましい。これにより、トリガー信号Stの立ち上がりから立ち下がりまでの時間分、分光フィルター5の透過波長が変更されて安定することを待つことができる。
さらに、信号取込タイミングは、トリガー信号Stがローレベルからハイレベルに立ち上がってから指定した時間をあけたタイミングであってもよいし、トリガー信号Stがハイレベルからローレベルに立ち下がってから指定した時間をあけたタイミングであってもよい。
(変形例6)
前記実施形態において、駆動制御部22は、波長リストLの最後の波長指令値Vc(n)を出力した後に波長切替処理を終了しているが、波長リストLの最初の波長指令値Vc(1)に戻って、波長切替処理を繰り返してもよい。
(変形例7)
前記実施形態では、分光フィルター5として、所望の波長の光を透過させる透過型分光フィルターを例示しているが、所望の波長の光を反射させる反射型分光フィルターであってもよい。すなわち、前記実施形態における分光フィルター5の透過波長とは、反射型分光フィルターの反射波長であってもよい。
1…分光カメラ、2…分光フィルターモジュール、21…記憶部、22…駆動制御部、23…駆動回路、3…受光センサー、31…受光部、32…受光制御部、5…分光フィルター、51…第一基板、52…第二基板、521…可動部、522…ダイアフラム部、53…接着層、54…第一反射膜、55…第二反射膜、56…静電アクチュエーター、561…第一電極、562…第二電極、6…制御部、61…リスト生成部、62…リセット部、63…受光値処理部、71…光源、72…トリガー信号出力部、100…分光測定装置、Di…受光値、G…ギャップ、L…波長リスト、Si…受光信号、St…トリガー信号、Sw…波長指令信号、V…駆動電圧、Vc…波長指令値。

Claims (4)

  1. 入力される駆動電圧に応じた波長の光を入射光から分光して出力する分光フィルターと、
    入力される波長指令値に基づいて前記駆動電圧を出力する駆動部と、
    前記波長指令値を出力し、外部から同一の信号線を介したトリガー信号が入力される毎に前記波長指令値を変更する駆動制御部と、
    を備えることを特徴とする分光フィルターモジュール。
  2. 請求項1に記載の分光フィルターモジュールにおいて、
    複数の前記波長指令値を一覧にした波長リストを記憶する記憶部をさらに備え、
    前記駆動制御部は、前記波長リストから選択した前記波長指令値を出力し、前記トリガー信号が入力される毎に選択する前記波長指令値を切り替えることを特徴とする分光フィルターモジュール。
  3. 請求項1または請求項2に記載の分光フィルターモジュールと、
    前記分光フィルターから分光された光を受光して当該光の強度に応じた受光信号を出力する受光部と、
    前記トリガー信号を出力すると共に、前記トリガー信号の出力タイミングに応じて前記受光信号を取り込む受光制御部と、を備えることを特徴とする分光カメラ。
  4. 請求項1または請求項2に記載の分光フィルターモジュールと、
    前記トリガー信号を出力するトリガー信号出力部と、を備えることを特徴とする電子機器。
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