JP7434743B2

JP7434743B2 - 検出装置及び検出方法

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Publication number: JP7434743B2
Application number: JP2019135010A
Authority: JP
Inventors: 拓耶野間; 範明石河
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2019-07-23
Filing date: 2019-07-23
Publication date: 2024-02-21
Anticipated expiration: 2039-07-23
Also published as: JP2021019317A

Description

本発明は、検出装置及び検出方法に関し、特に、物体の特定波長における画像の取得に関する。

近年、物体の特定波長における画像、特に、物体のマルチスペクトル画像を取得するための様々な検出装置が開発されている。特許文献１には、この検出装置の一例について記載されている。この検出装置は、チューナブルフィルタ及びラインセンサを備えている。チューナブルフィルタは、物体から発せられる光に含まれる一部の波長の光を透過する。ラインセンサは、チューナブルフィルタを透過した光を検出する。

特許文献２には、赤外線撮像装置の一例が記載されている。この赤外線撮像装置は、可動反射部及びポイントセンサを備えている。可動反射部は、物体の各位置からの赤外線を物体の各位置に応じて異なるタイミングで反射する。ポイントセンサは、可動反射部によって反射された赤外線を検出する。ポイントセンサによって検出された赤外線に基づいて、物体の赤外線画像が生成される。

特開２０１２－１３８６５２号公報特開昭６１－２１９０１７号公報

本発明者は、物体の特定波長における画像（例えば、物体の複数波長におけるマルチスペクトル画像）を取得するための新規な方法を検討した。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、新規な方法によって物体の特定波長における画像を取得することにある。

本発明に係る検出装置は、可動反射部、抽出部及び検出部を備えている。可動反射部は、物体の各位置から発せられる光を物体の各位置に応じて異なるタイミングで反射する。抽出部は、可動反射部によって反射された光に含まれる一部の波長の光を抽出する。検出部は、抽出部によって抽出された光を検出する。

本発明に係る検出方法では、物体の各位置から発せられる光を物体の各位置に応じて異なるタイミングで可動反射部によって反射する。さらに、可動反射部によって反射された光に含まれる一部の波長の光を抽出部によって抽出する。さらに、抽出部によって抽出された光を検出部によって検出する。

本発明によれば、新規な方法によって物体の特定波長における画像を取得することができる。

実施形態１に係る検出装置を説明するための図である。実施形態２に係る検出装置を説明するための図である。可動反射部の向き（回転角度）を特定する方法の一例を説明するための図である。可動反射部の向き（回転角度）を特定する方法の他の一例を説明するための図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。

（実施形態１）
図１は、実施形態１に係る検出装置を説明するための図である。

図１を用いて、検出装置の概要を説明する。検出装置は、可動反射部２００、抽出部３００及び検出部４００を備えている。可動反射部２００は、物体Ｏの各位置から発せられる光を物体Ｏの各位置に応じて異なるタイミングで反射する。抽出部３００は、可動反射部２００によって反射された光に含まれる一部の波長の光を抽出する。検出部４００は、抽出部３００によって抽出された光を検出する。

本実施形態によれば、新規な方法によって、物体Ｏの特定波長における画像が取得される。具体的には、本実施形態においては、物体Ｏの各位置から発せられる光を可動反射部２００によって反射することで、物体Ｏの特定波長における一次元又は二次元の画像が取得される。言い換えると、検出部４００が一次元又は二次元の画像を検出するための高価なセンサ（例えば、ラインセンサ）でなくても、物体Ｏの特定波長における一次元又は二次元の画像が取得される。本実施形態によれば、検出部４００は、例えば、安価な単一フォトダイオード、すなわち、ポイントセンサにすることができる。

図１を用いて、検出装置の詳細を説明する。

検出装置は、光源１００、可動反射部２００、抽出部３００、検出部４００、電流電圧変換回路５００、信号処理部６００、レンズ９１０、スリット９２０及びバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）９３０を備えている。本実施形態において、検出装置とは、光源１００を備える検出装置を意味してもよいし、又は光源１００を備えない検出装置を意味してもよい。例えば、検出装置の工場出荷時において検出装置が光源１００を備えず検出装置の使用場所において光源１００が設けられる場合であっても、工場出荷時における検出装置は、本実施形態の技術的範囲に含まれる。

光源１００は、物体Ｏに向けて光を照射する。光源１００は、例えば、ハロゲンランプである。本実施形態において、光源１００から照射される光は、近赤外線以上の波長の光である。ただし、この光は、近赤外線以上の波長以外の光、例えば、赤外線、可視光又は紫外線であってもよい。また、光源１００から照射される光は、パルス光であってもよいし、又は連続光であってもよい。光源１００は、物体Ｏの少なくとも一部分（照射領域）に光を照射し、可動反射部２００は、物体Ｏの照射領域の各部分から発せられる光を反射する。

光源１００は、物体Ｏに向けて照射する光を走査するための走査部（例えば、ＭＥＭＳ（ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍｓ）ミラー、ポリゴンミラー又はガルバノミラー）を有していてもよい。光源１００は、物体Ｏの各位置に光を照射し、可動反射部２００は、光源１００の走査部と同期して動き、光源１００から照射された光によって物体Ｏの各位置から発せられる光を反射する。

光源１００から発せられた光は、物体Ｏに照射される。この際、光源１００から発せられた光は、レンズ９１０を透過して物体Ｏに照射されてもよい。この光は、物体Ｏによって反射され、又は散乱される。物体Ｏからの反射光又は散乱光は、レンズ９１０を透過して、可動反射部２００に入射する。レンズ９１０は、例えば、ｆθレンズである。

一例において、可動反射部２００は、物体Ｏのうちの一次元に並んだ各位置から発せられる光を各位置に応じて異なるタイミングで反射する。この例において、可動反射部２００は、単一の回転軸に関して回転可能にしてもよく、例えば、１軸ＭＥＭＳミラー又はポリゴンミラーにしてもよい。この例においては、物体Ｏを搬送部（例えば、搬送ローラ）によって一方向（例えば、図１の左右方向）に移動させ、この一方向に交わる方向（例えば、図１の紙面に垂直な方向）に並んだ各位置から発せられる光を可動反射部２００によって反射して、物体Ｏの二次元の画像を取得してもよい。

他の例において、可動反射部２００は、物体Ｏのうちの二次元に並んだ各位置から発せられる光を各位置に応じて異なるタイミングで反射する。この例において、可動反射部２００は、異なる方向を向いた複数の回転軸に関して回転可能にしてもよく、例えば、２軸ＭＥＭＳミラーにしてもよい。或いは、それぞれが互いに異なる方向に回転可能な複数の可動反射部２００（例えば、互いに異なる方向に回転可能な、２つの１軸ＭＥＭＳミラー又は２つのガルバノミラー）を用いてもよい。この例においては、物体Ｏを移動させることなく、物体Ｏの二次元の画像を取得することができる。

ＭＥＭＳミラー、ポリゴンミラー又はガルバノミラーを可動反射部２００として用いるとき、可動反射部２００を安価に実現することができる。さらに、ＭＥＭＳミラーを可動反射部２００として用いるとき、検出装置を小型化することができる。

可動反射部２００によって反射された光は、スリット９２０及びＢＰＦ９３０を順に通過して、抽出部３００に入射する。

抽出部３００は、例えば、波長可変フィルタであり、具体的には、例えば、ファブリペロー干渉計である。抽出部３００によって抽出可能な光の波長は、制御部３１０によって制御されている。可動反射部２００は、制御部３１０によって切り替えられた異なる複数の波長ごとに、物体Ｏの各位置から発せられる光を反射する。このようにして、検出装置は、物体Ｏのマルチスペクトル画像を取得することができる。すなわち、検出装置は、分光装置として機能することができる。

検出装置によって取得される画像は、物体Ｏのマルチスペクトル画像に限定されず、物体Ｏの特定波長（例えば、単一波長）における画像であってもよい。例えば、物体Ｏの画像について抽出すべき所望の波長が予め決定されているとき、制御部３１０は、抽出部３００によって抽出可能な光の波長を切り替えることなく、抽出部３００によって抽出可能な光をこの所望の波長に固定してもよい。或いは、検出装置は、抽出部３００及び制御部３１０を備えていなくてもよく、ＢＰＦ９３０によって上記所望の波長の光を抽出してもよい。言い換えると、ＢＰＦ９３０が抽出部３００として機能してもよい。

検出部４００は、例えば、単一フォトダイオード、すなわち、ポイントセンサである。検出部４００が近赤外線以上の波長の光を検出するとき、検出部４００は、例えば、ＩｎＧａＡｓフォトダイオードである。本実施形態においては、可動反射部２００のため、検出部４００がラインセンサでなくても、物体Ｏの一次元又は二次元の画像が得られる。すなわち、近赤外線以上の波長の光の画像を得るときであっても、高価なＩｎＧａＡｓフォトダイオードアレイ（ラインセンサ）を用いる必要がない。

電流電圧変換回路５００は、アンプ５１０及び帰還抵抗５２０を有している。検出部４００に光が照射されると、検出部４００に電流が流れる。検出部４００に流れた電流は、電流電圧変換回路５００によって電圧に変換される。電流電圧変換回路５００の増幅率は、帰還抵抗５２０によって決定される。

信号処理部６００は、電流電圧変換回路５００から出力された電圧をアナログ－デジタル変換し、検出部４００によって検出された光に基づいて、物体Ｏの画像を生成する。信号処理部６００は、検出部４００によって検出された光が物体Ｏのどの位置から発せられたかを特定して、物体Ｏの画像を生成することができる。検出部４００によって検出された光が物体Ｏのどの位置から発せられたかは、例えば、可動反射部２００の向き（回転角度）に基づいて特定することができる。可動反射部２００の向き（回転角度）は、例えば、可動反射部２００自体の測定（例えば、可動電極と検出電極との間の静電容量の変化又は可動電極を支持する梁に設けられた圧電素子の抵抗の変化の測定）から特定してもよいし、又は図３若しくは図４を用いて後述する方法によって特定してもよい。

（実施形態２）
図２は、実施形態２に係る検出装置を説明するための図である。実施形態２に係る検出装置は、以下の点を除いて、実施形態１に係る検出装置と同様である。

可動反射部２００は、光源１００から照射された光を反射して、物体Ｏの各位置にこの光を物体Ｏの各位置に応じて異なるタイミングで照射する。さらに、可動反射部２００は、光源１００から照射された光によって物体Ｏの各位置から発せられる光を反射する。したがって、物体Ｏを可動反射部２００によって一次元又は二次元に走査することができる。

検出装置は、光分離部７００を備えている。光分離部７００は、例えば、ハーフミラーである。光分離部７００は、光源１００から物体Ｏに向かう光を反射し、物体Ｏから抽出部３００に向かう光を透過する。具体的には、光分離部７００は、可動反射部２００と抽出部３００との間の光路上に位置している。光源１００から照射された光は、光分離部７００によって可動反射部２００に向けて反射される。物体Ｏから発せられて可動反射部２００によって反射された光は、光分離部７００を透過して抽出部３００に入射する。このような構成においては、同軸落射照明によって物体Ｏに光を照射することができる。したがって、物体Ｏが例えば金属等の鏡面であったとしても、正反射による影響を抑えて十分な量の光を物体Ｏから検出することができる。

図３は、可動反射部２００の向き（回転角度）を特定する方法の一例を説明するための図である。

図３では、光源１００から照射された光が可動反射部２００によって物体Ｏ及びその周辺に向けて反射され、検出素子８１０（例えば、フォトダイオード）が物体Ｏの周辺に設けられている。図３の左側図内の破線は、可動反射部２００によって反射された光の照射位置を示している。図３の右側図は、可動反射部２００の回転角度θの推移を示すグラフである。可動反射部２００は、周期Ｔで振動しており、可動反射部２００によって反射された光は、可動反射部２００の回転角度θ１において検出素子８１０によって検出される。

信号処理部６００は、可動反射部２００の振動周期Ｔ又は振動周波数１／Ｔと、可動反射部２００によって反射された光の検出素子８１０の検出タイミングと、を用いて、可動反射部２００の向き（回転角度）を特定することができる。可動反射部２００の振動周期Ｔが既知で一定のとき、検出素子８１０の検出タイミングの間隔Δｔ１は、可動反射部２００の振動の振幅に応じて変動する。すなわち、可動反射部２００の振動周期Ｔが既知で一定のとき、間隔Δｔ１を用いて、可動反射部２００の回転の振幅を推定することができる。これによって、可動反射部２００の向き（回転角度）を特定することができる。

図４は、可動反射部２００の向き（回転角度）を特定する方法の他の一例を説明するための図である。図４に示す例は、以下の点を除いて、図３に示す例と同様である。

図４では、検出素子８１０（図３）に代えて発光素子８２０（例えば、発光ダイオード）が物体Ｏの周辺に設けられている。可動反射部２００は、図４の左側図内の破線の各位置から発せられる光を反射する。図４の右側図は、可動反射部２００の回転角度θの推移を示すグラフである。可動反射部２００は、周期Ｔで振動しており、発光素子８２０から発せられた光は、可動反射部２００の回転角度θ２において可動反射部２００に入射する。

信号処理部６００は、可動反射部２００の振動周期Ｔ又は振動周波数１／Ｔと、発光素子８２０から発せられた光の可動反射部２００の受信タイミングと、を用いて、可動反射部２００の向き（回転角度）を特定することができる。可動反射部２００の振動周期Ｔが既知で一定のとき、可動反射部２００の受信タイミングの間隔Δｔ２は、可動反射部２００の振動の振幅に応じて変動する。すなわち、可動反射部２００の振動周期Ｔが既知で一定のとき、間隔Δｔ２を用いて、可動反射部２００の回転の振幅を推定することができる。これによって、可動反射部２００の向き（回転角度）を特定することができる。

発光素子８２０から発せられて可動反射部２００によって受信された光は、検出部４００によって検出してもよいし、又はビームスプリッタを用いて、検出部４００とは異なる検出部によって検出してもよい。

図４に示す例においては、光源１００から照射された光を可動反射部２００によって走査しない場合であっても、可動反射部２００の向き（回転角度）を特定することができる。

１００光源
２００可動反射部
３００抽出部
３１０制御部
４００検出部
５００電流電圧変換回路
５１０アンプ
５２０帰還抵抗
６００信号処理部
７００光分離部
８１０検出素子
８２０発光素子
９１０レンズ
９２０スリット
９３０バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）
Ｏ物体

Claims

物体の各位置から発せられる光を前記物体の各位置に応じて異なるタイミングで反射する可動反射部と、
前記可動反射部によって反射された前記光に含まれる一部の波長の光を抽出する抽出部と、
前記抽出部によって抽出された前記一部の波長の光を検出する検出部と、
前記抽出部によって抽出される前記一部の波長の光の波長を切り替える制御部と、
を備える検出装置。
請求項１に記載の検出装置において、
前記可動反射部は、前記制御部によって切り替えられた異なる複数の前記波長ごとに、前記物体の各位置から発せられる前記光を反射する、検出装置。
請求項１又は２に記載の検出装置において、
前記可動反射部は、光源から照射された光を反射して、前記物体の各位置に前記光を前記物体の各位置に応じて異なるタイミングで照射する、検出装置。
請求項３に記載の検出装置において、
前記光源から前記物体に向かう光を反射し、前記物体から前記抽出部に向かう光を透過する光分離部をさらに備える検出装置。
請求項１から４までのいずれか一項に記載の検出装置において、
前記検出部によって検出された前記一部の波長の光に基づいて、前記物体の画像を生成する信号処理部をさらに備える検出装置。
物体の各位置から発せられる光を前記物体の各位置に応じて異なるタイミングで可動反射部によって反射することと、
前記可動反射部によって反射された前記光に含まれる一部の波長の光を抽出部によって抽出することと、
前記抽出部によって抽出された前記一部の波長の光を検出部によって検出することと、
前記抽出部によって抽出される前記一部の波長の光の波長を制御部によって切り替えることと、
を含む検出方法。