JPH02226028A

JPH02226028A - 分光演算装置

Info

Publication number: JPH02226028A
Application number: JP4615789A
Authority: JP
Inventors: Yu Koishi; 結小石; Motoyuki Watanabe; 渡辺　元之
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 1989-02-27
Filing date: 1989-02-27
Publication date: 1990-09-07
Anticipated expiration: 2011-03-04
Also published as: JPH0820309B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は被測定物の光学特性を特定の波長に着口して分
析し、演算する分光演算装置に関するものである。

〔従来の技術〕

従来、被測定物の分光解析にはフィルタが用いられてい
た。すなわち、光源によって照明された被７Ｐ１定物と
ＴＶ左カメラ間に、特定波長の光のみを透過するフィル
タを配設し、ＴＶ左カメラ出力から特定波長の光の二次
元的画像を得ていた。

〔発明が解決しようとする３ＷＪ）しかしながら、従来技術によれば、測定すべき先の中心
波長あるいは波長幅が異なるごとに、異なる透過特性を
有するフィルタを用いなければならなかった。このため
、分光方式によって画像演算をしようとするときには、
フィルタを何回も交換して波長ごとの分光画像を得た後
に、これらの演算をしなければならなかった。例えば、
第９図（ａ）のような光学像において、波長λ　、λ　
。

ｅ λ、における第９図（ｂ）〜（ｄ）の分光像を得て、同
図（ｅ）のような減算（λ、−λＣ）や、同図（ｆ）の
ような割算（λｂ／λ、）をするときは、それぞれ波長
λ　、λ０．λ、を透過するフィルタを用いる必要があ
った。このため、被７１ＰＩ定物と測定目的に応じて、
任意の中心波長と任意の波長幅で分光画像を得て、これ
らに所定の画像演算を施すことは、極めて困難なことで
あった。

そこで本発明は、被測定物の分光方式による画像演算を
所望の中心波長および波長幅で、簡単に行なうことので
きる分光演算装置を提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

本発明に係る分光演算装置は、被測定物からの反射、透
過、発光あるいは螢光等による光を受光して光学像を形
成する結像手段と、この光学像の１ラインまたは１点か
らなる分光対象領域を選択的に分光して分光像を形成す
る分光手段と、この分光像の分光対象領域における少な
くとも２つの波長の光強度を検出する強度検出手段と、
分光対象領域を光学像のＯｆ定対象領域で移動させる領
域移動手段と、強度検出手段の出力にもとづき測定対象
領域内の少なくとも２つの波長の光強度分布を求め、こ
れら光強度分布の相互間で和算、減算、乗算、割算等の
所定の演算を行なう演算手段とを備えることを特徴とす
る。

ここで、分光手段は無収差分光器からなるようにしでも
よく、演算手段は光強度分布相互間の演算結果を二次元
平面で表示する表示手段を備えるようにしてもよい。

〔作用〕

本発明によれば、分光手段によってライン状もしくは点
状の分光対象領域の分光像が形成され、強度検出手段に
よって分光対象領域における少なくとも２つの特定波長
の光強度が得られる。そして、領域移動手段によって分
光対象領域は測定対象領域の範囲に実質的に広げられる
ので、この測定対象領域における被測定物の光学特性が
、これら特定波長の光強度分布として得られることにな
る。従って、演算手段により、上記の少なくとも２つの
特定波長において光強度分布を相互に演算することがで
きる。また、表示手段を設けるようにすれば、この演算
結果を視覚的に解析することもできる。

〔実施例〕

以下、添付図面を参照して本発明の詳細な説明する。

第１図は本発明の第１実施例に係る分光演算装置の構成
図である。図示の通り、被７Ｐ１定物１を照明する光源
は、被測定物１の裏面側に配設される透過照明部２Ａも
しくは表面側に配設される反射照明部２Ｂから構成され
、これら照明部２Ａ。

２Ｂはそれぞれ光源としてのランプ、投光レンズなどを
有している。被測定物１からの光は結像レンズ３に受光
され、これによって被測定物１の光学像が無収差分光器
４の入射面４１に結像される。

入射面４１にあらかじめ形成された入射スリット（後述
）を透過した光はグレーディング４３で分光され、分光
像が無収差分光器４の出射面４４に結像される。

この分光像はＴＶカメラ５により撮像され、撮像データ
はコンピュータなどの処理部６に送られて後述の処理が
施される。一方、被測定物１はＸ−Ｙステージ７によっ
て移動自在になっており、このＸ−Ｙステージ７はステ
ージ制御部８によって制御されている。従って、Ｘ−Ｙ
ステージ７による被測定物１の移動制御により、被測定
物１の測定範囲を入射スリットで定まる一次元的な分光
対象領域から二次元的な測定対象領域に広げれば、二次
元平面における分光画像を複数の波長ごとに得ることが
できる。そこで、例えば波長λ　と波長λ　　の分光画
像Ｉλ　、Ｉλ　　（波長幅：ｎｉｌ　　　　　　　　
ｎ　　　　ｎｉ１Δλ　、Δλ　　）について、和算（
Ｉλ　＋Ｉｎ　　　　　　　　ｎｉｌ　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　ｎλ　　）、減算（Ｉ
λ　−Ｉλ　　）、乗算（Ｉｎ＋１　　　　　　　　ｎ
　　　　ｎ−１λ　・工λ　　）、割算（Ｉλ　／Ｉλ
　　）等ｎ　　　　ｎ＋１　　　　　　　　ｎ　　　　
ｎ＋１の各種の画像演算を処理部６で計算してＣＲＴ９
で表示することにより、被測定物１の分光方式による画
像演算結果が観測できる。

次に、第１図の装置における分光光学系の要部を、第２
図を参照して説明する。

第２図は被測定物１、結像レンズ３および無収差分光器
４の関係を模式的に示す斜視図である。

図示の通り、７字状の光学模様を有する被測定物１の光
学像は、無収差分光器４の入射面４１に逆向きに形成さ
れる。ここで、入射面４１には１本のライン状の入射ス
リット４２が形成されており、従ってこの入射スリット
４２に対応する被測定物１の上のライン２が、選択的に
分光像を形成すべき分光対象領域となる。入射スリット
４２を通過した光は無収差分光器４内のグレーディング
４３で反射されて分光され、これによって出射面４４に
分光像が形成される。

ここで、図中の彼！＃１定物１上の点ｐ　　、ｐ　　。

ＩＰ　は入射スリット４２の点Ｐ、Ｐ１Ｐ２　に対応しており、この点Ｐ　　　＝　　Ｐ　ｔＰ
　２　’の分光像は出射面４４のラインＰ。′Ｐ、、Ｐ
　　　にり１応している。従って、被測定物１のライン
Ｉの光学情報は、そのｙ軸方向の位置情報を保ったまま
で出射面４４に表示され、その波長ごとの光強度はｙ軸
と直交する軸方向（λ軸方向）で得られる。そこで、後
述する分光像の処理の結果、例えば波長λ　、λ　にお
いて第９ｅ図（ｂ）、（Ｃ）のような分光画像が得られたときに、
減算（λ、−λＣ）を施せば、同図（ｅ）のような演算
結果が得られることになる。

次に、第１図および第２図の装置における分光像の処理
を、第３図を参照して説明する。

第２図に示す如く出射面４４に形成された分光像は、Ｃ
ＣＤカメラなどからなる第１図のＴＶカメラ５で撮像さ
れ、ビデオ信号はＡ／Ｄ変換されて処理部６におけるイ
メージメモリに記憶される。

第３図（ａ）はＭｘＮ画素の二次元イメージメモリに記
憶された分光像の一例を示している。ここで、Ｎ画素の
λ軸は波長に対応し、Ｍ画素のｙ軸は被測定物１のライ
ンｇにおけるｙ方向位置に対応している。このイメージ
メモリの光強度情報は、第３図（ｂ）に示すように、そ
れぞれ中心波長λ　５　λ　、・・・λ　、波長幅Δλ
　、Δλ２．・・・Δλ　で積分または平均化される。

すると、第３図（Ｃ）に示す如く、ｙ軸方向における各
波長ごとの空間的な光強度分布が求められるので、これ
を第３図（ｄ）に示す如く、各波長ごとのイメージメモ
リＭ、Ｍ２．　・・・Ｍ　に記憶する。これにＩ　　　
　　　　　　　　　　ｎより、被測定物１におけるラインρが設定されたＸ方向
の位Ｒｘ　ｏにおいて、ｙ軸方向の光強度分布が、中心
波長λ　、λ　、・・・＾　ごとにイメー０　　１　　
　　ｎジメモリＭ　　、Ｍ２゜・・・Ｍ　に格納される。

ｔ　　　　　　　　　　　　　ｎ以上の処理が終了すると、−次元的な分光対象領域が二
次元的な広がりを有する測定対象領域で移動させられる
。すなわち、第１図の処理部６はステージ制御部８に指
令を与え、これによってステージ制御部８はＸ−Ｙステ
ージ７を駆動することになる。すると、第２図に示す入
射スリット４２がＸ軸方向に移動するので、先に示した
Ｘ方向の位置ＸＯとは異なる位Ｒｘ　ｔにおいて、同様
の分光分析がされる。これにより、第３図（ｄ）のイメ
ージメモリＭ　　、Ｍ　　、・・・Ｍ　には、次の１　
　２　　　　ｎ位置Ｘ　ｌでの分光強度分布が格納される。以下、同様
の処理をＸ方向の全ての位置について実行すると、イメ
ージメモＭ　　、Ｍ　　、・・・Ｍ　には、波１　　　
　　２　　　　　　　ｎ長λ　、λ　、・・・λ　の分光強度分布が、ｘ−ｙｏ
　　　　　１、　　　　　　　ｎの二次元平面において記憶される。このため、第１図の
処理部６において、各波長λ　９　λ１．・・・λ。ご
との分光器はを相互間で演算すれば、演算結果を第１図
のＣＲＴ９において、被測定物１と同一の二次元平面で
表示できることになる。

ここで、分光器として無収差分光器４を用いることの有
用性を、第４図面の簡単な説明する。

例えば第４ｅＵ　（ａ）のような分光スペクトルを持つ
光を、分光器の入射スリット４２に入射すると、従来の
分光器では出射面４４での分光像が同図（ｂ）のように
なる。すなわち、分光出力像に歪みとボケが生じてしま
う。これに対し、無収差分光器を用いると、同図（ｃ）
の如く出力像に歪みやボケは現れない。すなわち、入射
スリット４２に光が入射する位置Ｑ　　、Ｑ　　、Ｑ　
　により出力像が歪むことがなく、また波長軸（λ輪）
と直交する軸（空間軸）の分解能も向上する。

次に、第５図を参照して本発明の第２実施例を説明する
。

第５図はその要部を示す構成図である。そして、これが
前述の第１実施例と異なる点は、入射面４１にはスリッ
トではなく、入射ピンホールＰが設けられ、これによっ
て点状の分光対象領域が設定されていることである。そ
して、これに対応してＴＶカメラに変えて（ＴＶカメラ
でもよい）−次元のラインセンサ５１が出射面４４に対
向して設けられていることである。この実施例によれば
、被測定物１の座標（ｘ　　、ｙ□）の点Ｐの光学像は
入射面４１の入射ピンホールＰに形成され、これがグレ
ーディング４３で分光されて出射面４４に分光像が形成
される。この分光像の光強度はラインセンサ５１によっ
て波長ごとに読み出され、処理部６中のＡ／Ｄ変換器６
１でディジタルデータに変えられて処理部６中のライン
メモリ６２に格納される。従って、ラインメモリ６２に
は被１１ＰＪ定物１の点Ｐにおける分光された光強度信
号が記憶される。そこで、このラインメモリ６２のデー
タを、中心波長をλ　、λ２．・・・λ　とし、波長ｎ幅をΔλ　、Δλ　、・・・Δλ　としてインージメ１
　　　２　　　　　ｎモリＭ　　、Ｍ　　、・・・Ｍ　に転送すると、このイ
ン−ジメモリには光強度の空間分布がｘ−ｙ平面で得ら
れることになる。

以上の処理を被測定物１の点Ｐ（ｘ、ｙｏ）について行
なったら、ｘ−ｙステージにより被測定物１を移動させ
、分光対象領域をｘ−ｙ方向に走査して同様の処理を行
なう。すると、処理部６のイメージメモリＭ　　、Ｍ　
　、・・・Ｍ　には、第１１　　２　　　　ｎ実施例と同様の光強度分布が記憶される。従って、処理
部６によって分光画像演算を施し、結果をＣＲＴ９で表
示することができる。

次に、第６図を参照して本発明の第３実施例を説明する
。

第６図はその要部構成図である。そして、これが第１実
施例と比較して特徴的なことは、無収差分光器４の出射
面４４の前面に、波長軸（λ軸）に直交するスリット４
４　を有する出射スリットＳ板４４　が設けられ、このスリット４４　に対向Ｓ　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　ＳＳしてラインセンサ５１が設けられて
いることである。この実施例によれば、無収差分光器４
により形成される分光像は第１実施例のものと同様であ
るが、無収差分光器４の出射面４４には上記のスリット
４４　があるので、特定波長の光のみがうＳＳインセンサ５１に届くことになる。従って、出射側のス
リット４４　のλ軸方向の中心位置によっＳＳてラインセンサ５１で検出される中心波長が定まり、ス
リット４４　の幅によって検出される波長Ｓ幅が定まることになる。

このため、スリット４４　およびラインセンサＳ５１を波長軸（λ軸）方向に走査して結果をイメージメ
モリＭ、Ｍ２．・・・ＭｌこＳ己録すれば、被ｎＭ１定物１のラインｇ′における光強度が、ｙ軸方向の
位置情報を保持したままで波長ごとに記録できる。よっ
て、第１実施例と同様に被測定物１を移動させて上記の
処理を繰り返せば、二次元平面で分光画像の演算結果を
観ＡｔＪできる。特に、この実施例においては、例えば
波長λ　とλ　　の分ｎ　　　ｎ＋１光画像についてのみ演算したいときには、その波長のみ
を走査すればよいので、処理が迅速になり必要となるイ
メージメモリも少なくできる。

第７図は上記第６図の第３実施例に係る変形例の要部を
示している。

これらの変形例に共通する特徴は、無収差分光器４の出
射面４４側には、それぞれ３つのスリット４４〜４４　
が設けられ、これによって中心ｓａ　　　　　　　　ｓ
ｃ波長の異なる（λ　、λ　、λ　）３つの光の強ａ　　
　ｂ　　　ｃ度を検出するようになっていることである。すなわち、
第７図（ａ）では出射スリット板４４　にＳおいて、３つのスリット４４〜４４　が波長軸Ｓａ　　
　　　　　　Ｓｅ方向に並べて形成され、これらにはそれぞれ光ファイバ
東５２ａ〜５２ｃが設けられている。そして、光ファイ
バ束５２ａ〜５２ｃの出射光はラインセンサ５１Ｊ１〜
５１ｃに導かれている。この例によれば、３つの異なる
波長の光を同時に検出し、これを処理部（図示せず）に
送って処理することができる。従って、３つの波長λ　
、λも、λ。

の）１１互間での演算を効率よく行なうことができる。

第７図（ｂ）の例では、１個のラインセンサ５１が設け
られ、これがスライドボックス５３の作用により矢印入
方向に移動可能になっている。

この例によれば、ラインセンサ５１をそれぞれスリット
４４〜４４　の位置に移動設定することｓａ　　　　　
　　　　ｓｃで、異なる波長の光を検出することができる。従って、
３つの波長λ　、λ　、２　の相互間でのａ　　　ｂ　
　　ｃ演算を効率よく行なうことができる。

第７図（Ｃ）の例では、スリット４４〜ａ４４　を透過した光を集光するレンズ５４と、こＳｅのレンズ５４からの光を反射させる回転ミラー５５とを
備えている。この例によれば、回転ミラー５５を軸５６
を中心に回転させることで、ラインセンサ５１に４４〜
４４　からの光を入Ｓａ　　　　　　　　ＳＣ射できる。なお、同図（Ｃ）において、符号５７はライ
ンセンサ５１への入射面を仮想的に示し、■　〜Ｉ　は
回転ミラー５５で反射されたスリブＣト４４〜４４　の像を示し、！　　　−１’　はｓａ　
　　　　　　　ｓｃ　　　　　　　　　　　　　　　　
　ａ　　　　　　　　　ｃ回転ミラー５５を５５′の位
置に回転させたときのスリット４４〜４４　での像を示
している。

ｓａ　　　　　　　　ｓｃ本発明は上記の実施例に限定されることなく、種々の変
形が可能である。

例えば、被測定物１を照明する透過型あるいは反射型の
光源は必須ではなく、被測定物１が発光性あるいは螢光
性の物体であるときは、無光源とできる。また、光源を
用いるときは、キセノンランプ等の白色源のほか、レー
ザ光源を用いてもよい。

入射スリットあるいは入射対ピンホール等で定められる
分光対象領域を、二次元的な広がりを持つ測定対象Ｍ域
で移動させる手法は、被測定物１をＸ−Ｙステージ７で
移動させるものに限らず、例えば第８図のようにしても
よい。同図において１ミラー３１は２本の軸３１，３２
を中心としてスキャン可能になっている。このようにす
れば、被１１ＰＩ定物１を移動させずにミラー３１を回
転させることで、入射スリット４２への結像位置を変え
ることができる。なお、光ファイバ束を用いたり、２枚
以上のミラーを用いたりしても、同様に結像位置の移動
が可能である。

また、分光画像のｅｒ算は３つ以上の波長の相互間で行
なってもよく、また複数種類の演算を複合させてもよい
。

〔発明の効果〕

以上、詳細に説明した通り本発明では、分光手段によっ
てライン状もしくは点状の分光対象領域の分光像が形成
され、強度検出手段によって分光対象領域における特定
波長の光強度が得られる。

そして、領域移動手段によって分光対象領域はＪ１定対
象領域の範囲に実質的に広げられるので、このｎ１定対
象領域における彼ｎ１定物の光学特性が、特定波長の光
強度分布として得られることになり、演算手段で所定の
演算が実行されることになる。

このため、被測定物の分光方式による画像演算を所望の
中心波長および波長幅で行ない、その結果をＣＲＴ等の
画面上で簡単に表示することができる。

本発明の分光ｆｊ′１算装置は、生物、物理、化学等の
基礎研究をはじめ、工業製品の検査等の幅広い分野に応
用できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る分光演算装置の第１実施例の構成
図、第２図は第１実施例の要部説明図、第３図は第１実
施例における分光像の処理を説明する図、第４図は無収
差分光器の特色を示す図、第５図は第２実施例の要部説
明図、第６図は第３実！！ｉ例の要部説明図、第７図は
第３実施例の変形例を示す図、第８図は本発明の詳細な
説明図、第９図は分光方式による画像演算の説明図であ
る。ｌ・・・被測定物、２・・・光源、３・・・結像レンズ
、４・・・無収差分光器、５・・・ＴＶカメラ、６・・
・処理部、７・・・Ｘ−Ｙステージ、８・・・ステージ
制御部、４１・・・入射面、４２・・・入射スリット、
４４・・・出射面、５１・・・ラインセンサ。

Claims

【特許請求の範囲】１、被測定物からの光を受光して光学像を形成する結像
手段と、前記光学像の１ラインまたは１点からなる分光
対象領域を選択的に分光して分光像を形成する分光手段
と、前記分光像における少なくとも２つの波長の光強度
を検出する強度検出手段と、前記分光対象領域を前記光
学像の測定対象領域で移動させる領域移動手段と、前記
強度検出手段の出力にもとづき前記測定対象領域内の前
記少なくとも２つの波長の光強度分布を求め、これら光
強度分布の相互間で所定の演算を行なう演算手段とを備
えることを特徴とする分光演算装置。２、前記被測定物を照明する光源を更に備える請求項１
記載の分光演算装置。３、前記分光手段は無収差分光器からなる請求項１記載
の分光演算装置。４、前記演算手段は加算、減算、乗算もしくは割算の少
なくともいずれかを含む画像演算を行なう請求項１記載
の分光演算装置。５、前記演算手段は前記光強度分布相互間の演算結果を
表示する表示手段を備える請求項１記載の分光演算装置
。６、前記被測定領域は前記光学像の二次元的領域であり
、前記表示手段は前記光学像の形状に対応した二次元平
面で前記演算結果を表示する請求項５記載の分光演算装
置。