スペクトル画像取得装置
【課題】簡単な構成で所定の波長領域に於けるスペクトル画像を取得可能なスペクトル画像取得装置を提供する。
【解決手段】対物レンズを含む第１光学系４７，４８と、該第１光学系を介する光束の一部を選択的に通過させる光束選択部材５５と、該光束選択部材が物側焦点位置又は略物側焦点位置となる様配置されると共に干渉膜が形成され、前記光束選択部材の位置に応じて該光束選択部材を通過する光束の波長領域を選択する光学部材５８と、該光学部材へ光束を導く第２光学系４９と、前記光学部材により選択される波長領域の光を受光する撮像素子５２とを具備する。
【解決手段】対物レンズを含む第１光学系４７，４８と、該第１光学系を介する光束の一部を選択的に通過させる光束選択部材５５と、該光束選択部材が物側焦点位置又は略物側焦点位置となる様配置されると共に干渉膜が形成され、前記光束選択部材の位置に応じて該光束選択部材を通過する光束の波長領域を選択する光学部材５８と、該光学部材へ光束を導く第２光学系４９と、前記光学部材により選択される波長領域の光を受光する撮像素子５２とを具備する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、所定の波長領域のスペクトル画像を取得するスペクトル画像取得装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
スペクトル画像を取得するスペクトル画像取得装置の１つとしてハイパースペクトルカメラがあり、該ハイパースペクトルカメラは、被測定物からの光をハイパースペクトルで定義される複数の波長領域に分光し、波長領域毎の画像を取得する撮像装置である。ハイパースペクトルセンサは、主に衛星や航空機に搭載され、農業や環境等の分野に使用されている。又、将来的には、医療や食品等の分野での活用が期待されている。
【０００３】
ハイパースペクトルカメラは、視野の絞りとして機能するスリットを通った光を回折格子により分光させ、前記スリットの視野についての分光画像を取得する。又、前記スリットを移動させることにより、カメラ視野のスペクトル画像を取得するものとなっている。
【０００４】
然し乍ら、従来のハイパースペクトルカメラは、視野の絞りにより限定領域の光を回折格子により分光させ、撮像する為、１度に１次元のスペクトル画像を得ることしかできない。更に、回折格子が非常に高価である為、コストが掛る。
【０００５】
尚、被写体からの光をスリットより透過させ、スリットを透過した光を回折格子にて複数の波長領域に分光させ、分光された波長領域毎の光を撮像素子に受光させ、該撮像素子に受光された光を基に２次元画像を生成するハイパースペクトル撮像装置及びハイパースペクトル撮像方法として、特許文献１に示されるものがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１１−８９８９５号公報
【特許文献２】特開２００６−１０３７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は斯かる実情に鑑み、簡単な構成で所定の波長領域に於けるスペクトル画像を取得可能なスペクトル画像取得装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、対物レンズを含む第１光学系と、該第１光学系を介する光束の一部を選択的に通過させる光束選択部材と、該光束選択部材が物側焦点位置又は略物側焦点位置となる様配置されると共に干渉膜が形成され、前記光束選択部材の位置に応じて該光束選択部材を通過する光束の波長領域を選択する光学部材と、該光学部材へ光束を導く第２光学系と、前記光学部材により選択される波長領域の光を受光する撮像素子とを具備するスペクトル画像取得装置に係るものである。
【０００９】
又本発明は、前記光束選択部材はスリットを有し、該スリットと前記第２光学系とによりテレセントリック光学系が構成されるスペクトル画像取得装置に係り、又前記光学部材は、前記テレセントリック光学系の結像位置又は略結像位置に配置されるスペクトル画像取得装置に係り、又前記光学部材は前記第２光学系の光軸に対して傾斜された状態で配置されるスペクトル画像取得装置に係るものである。
【００１０】
又本発明は、前記スリットの位置により前記光学部材へ入射する光の入射角が変更されるスペクトル画像取得装置に係るものである。
【００１１】
又本発明は、前記光学部材は透過式の干渉フィルタであるスペクトル画像取得装置に係り、又前記光学部材は反射式の干渉フィルタであるスペクトル画像取得装置に係るものである。
【００１２】
又本発明は、前記光学部材は複数の部位に分割され、分割された部位には波長特性が異なる干渉膜が形成されたスペクトル画像取得装置に係り、又前記複数の部位の切替えによる波長特性の切替えと、前記光束選択部材の位置変更とが同期されるスペクトル画像取得装置に係るものである。
【００１３】
又本発明は、前記光学部材の少なくとも一部に全透過領域を有し、前記撮像素子は前記全透過領域からの光の少なくとも一部をリアル画像としてスペクトル画像と同時に取得するスペクトル画像取得装置に係るものである。
【００１４】
又本発明は、前記光学部材の少なくとも一部に全反射領域を有し、前記撮像素子は前記全反射領域からの光の少なくとも一部をリアル画像としてスペクトル画像と同時に取得するスペクトル画像取得装置に係るものである。
【００１５】
更に又本発明は、前記リアル画像とスペクトル画像が同時に取得され、リアル画像間で画像マッチングが行われ、画像マッチングに基づき複数のスペクトル画像間の位置合せを行うスペクトル画像取得装置に係るものである。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、対物レンズを含む第１光学系と、該第１光学系を介する光束の一部を選択的に通過させる光束選択部材と、該光束選択部材が物側焦点位置又は略物側焦点位置となる様配置されると共に干渉膜が形成され、前記光束選択部材の位置に応じて該光束選択部材を通過する光束の波長領域を選択する光学部材と、該光学部材へ光束を導く第２光学系と、前記光学部材により選択される波長領域の光を受光する撮像素子とを具備するので、所定の波長領域に於ける特定波長の光スペクトルを容易に取得できると共に、特定波長の変更が容易であり、更に構造の簡易化が図れ、コストの低減を図ることができる。
【００１７】
又本発明によれば、前記光束選択部材はスリットを有し、該スリットと前記第２光学系とによりテレセントリック光学系が構成されるので、前記光学部材に導かれる光束の入射角が常に等しくなる。
【００１８】
又本発明によれば、前記光学部材は、前記テレセントリック光学系の結像位置又は略結像位置に配置されるので、前記光学部材の位置設定に厳密さが要求されない。
【００１９】
又本発明によれば、前記光学部材は前記第２光学系の光軸に対して傾斜された状態で配置されるので、前記光束選択部材の変位に対する選択波長の変化を効率的に得ることができる。
【００２０】
又本発明によれば、前記スリットの位置により前記光学部材へ入射する光の入射角が変更されるので、所定の波長領域に於ける特定波長の変更が容易である。
【００２１】
又本発明によれば、前記光学部材は透過式の干渉フィルタであるので、高コストの回折格子を用いる必要がなく、コストの低減を図ることができる。
【００２２】
又本発明によれば、前記光学部材は反射式の干渉フィルタであるので、高コストの回折格子を用いる必要がなく、コストの低減を図ることができると共に、光学系自体の長さを縮小することができ、コンパクト化を図ることができる。
【００２３】
又本発明によれば、前記光学部材は複数の部位に分割され、分割された部位には波長特性が異なる干渉膜が形成されたので、特定波長の変更が容易である。
【００２４】
又本発明によれば、前記複数の部位の切替えによる波長特性の切替えと、前記光束選択部材の位置変更とが同期されるので、前記撮像素子に受光させる光の波長の変更が容易となる。
【００２５】
又本発明によれば、前記光学部材の少なくとも一部に全透過領域を有し、前記撮像素子は前記全透過領域からの光の少なくとも一部をリアル画像としてスペクトル画像と同時に取得するので、別途写真撮影用のカメラを設けることなくリアル画像を取得することができる。
【００２６】
又本発明によれば、前記光学部材の少なくとも一部に全反射領域を有し、前記撮像素子は前記全反射領域からの光の少なくとも一部をリアル画像としてスペクトル画像と同時に取得するので、別途写真撮影用のカメラを設けることなくリアル画像を取得することができる。
【００２７】
更に又本発明によれば、前記リアル画像とスペクトル画像が同時に取得され、リアル画像間で画像マッチングが行われ、画像マッチングに基づき複数のスペクトル画像間の位置合せを行うので、別途位置合せ用のリアル画像を取得するカメラを設ける必要がなく、コストの低減を図ることができるという優れた効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の第１の実施例に係るスペクトル画像取得装置の光学系を示す説明図であり、（Ａ）は絞り孔が光軸と一致した状態を示し、（Ｂ）は絞り孔が光軸と離反した状態を示している。
【図２】入射角と透過するピーク波長の関係を示すグラフである。
【図３】干渉フィルタへの入射角に対応する波長透過特性を示すグラフである。
【図４】本発明の第２の実施例に係るスペクトル画像取得装置の光学系を示す説明図であり、（Ａ）は絞り孔が光軸と一致した状態を示し、（Ｂ）は絞り孔が光軸と離反した状態を示している。
【図５】本発明の第２の実施例の干渉フィルタを示す正面図である。
【図６】本発明の第３の実施例の干渉フィルタを示す正面図である。
【図７】本発明の第２の実施例に係るスペクトル画像の取得処理を説明するフローチャートである。
【図８】本発明の第３の実施例に係るスペクトル画像の取得処理を説明するフローチャートである。
【図９】本発明の第４の実施例に係るスペクトル画像取得装置の光学系を示す説明図であり、（Ａ）は絞り孔が光軸と一致した状態を示し、（Ｂ）は絞り孔が光軸と離反した状態を示している。
【図１０】本発明の第５の実施例に係るスペクトル画像取得装置の光学系を示す説明図であり、（Ａ）は絞り孔が光軸と一致した状態を示し、（Ｂ）は絞り孔が光軸と離反した状態を示している。
【図１１】本発明の第５の実施例の干渉フィルタを示す正面図である。
【図１２】本発明の第６の実施例の干渉フィルタを示す正面図である。
【図１３】本発明の第７の実施例に係るスペクトル画像取得装置の光学系を示す説明図であり、（Ａ）は絞り孔が光軸と一致した状態を示し、（Ｂ）は絞り孔が光軸と離反した状態を示している。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施例を説明する。
【００３０】
図１（Ａ）、図１（Ｂ）に於いて、本発明の第１の実施例に係るスペクトル画像取得装置であるスペクトルカメラの光学系４５について説明する。
【００３１】
図１（Ａ）、図１（Ｂ）中、４６は該光学系４５の光軸を示し、該光軸４６上に対物レンズ４７、第１リレーレンズ４８、第２リレーレンズ４９、第３リレーレンズ５０、結像レンズ５１、ＣＣＤやＣＭＯＳセンサ等の撮像素子５２が配設される。又、図１中、５３は前記対物レンズ４７によって結像された像を示し、ｆは前記第２リレーレンズ４９の焦点距離を示している。尚、前記対物レンズ４７及び前記第１リレーレンズ４８は第１光学系を模式的に示しており、又前記第２リレーレンズ４９は第２光学系を模式的に示している。
【００３２】
前記第１リレーレンズ４８の前記第２リレーレンズ４９側に、光束選択部材である絞り５５が配設される。該絞り５５は、図１中紙面に対して垂直なスリットである絞り孔５５ａを有している。又、該絞り５５は前記第２リレーレンズ４９の物側焦点位置又は略物側焦点位置に配設され、前記絞り５５は前記光軸４６に対して垂直な方向で、且つ前記絞り孔５５ａと直交する方向に移動可能に支持されている。
【００３３】
ここで、前記絞り５５、前記第２リレーレンズ４９はテレセントリック光学系５６を構成する。前記第１リレーレンズ４８を透過した光束は、前記テレセントリック光学系５６によって平行な多数の光束（主光線５７）に分割される。
【００３４】
該主光線５７の集光位置（前記第２リレーレンズ４９による結像位置）に光学部材である干渉フィルタ５８が配設される。該干渉フィルタ５８は波長選択フィルタとして機能し、前記干渉フィルタ５８を通過した特定波長の光線が前記第３リレーレンズ５０及び前記結像レンズ５１によって前記撮像素子５２上に結像され、スペクトル画像を取得できる。
【００３５】
前記干渉フィルタ５８は、該干渉フィルタ５８に入射する光線の入射角によって波長選択特性が変化する性質を有する。図２は、入射角と透過するピーク波長の関係（ピーク波長の入射角依存性）を示しており、入射角を変化させることでピーク波長が変化していることが分る。
【００３６】
又、図１（Ａ）は、前記絞り５５の前記絞り孔５５ａが前記光軸４６上に位置しており、この場合前記主光線５７は前記光軸４６と平行となる。次に、図１（Ｂ）に示す様に前記絞り５５を移動させた場合、例えば図示の様に、上方に移動させると、前記絞り孔５５ａが前記光軸４６から離反し、前記絞り５５によって選択される光束が前記光軸４６から離反した位置となる。この為、前記主光線５７は前記光軸４６に対して傾斜する。即ち、前記干渉フィルタ５８に対する入射角が変化する。従って、前記絞り５５を移動させることで、所定の波長領域に於ける前記干渉フィルタ５８を透過する波長を変化させることが可能となる。
【００３７】
例えば、図２を参照すれば、前記干渉フィルタ５８に対する入射角を０°〜５０°に変化させると、透過する波長のピークは６００ｎｍ〜５２０ｎｍに変化する。即ち、前記干渉フィルタ５８は、６００ｎｍ〜５２０ｎｍの波長選択範囲Ｗを有することになる。図３は、前記干渉フィルタ５８への入射角に対応する波長透過特性を示している。
【００３８】
次に、図１（Ａ）、図１（Ｂ）では、前記干渉フィルタ５８を前記光軸４６に対して傾斜させているが、図２に示される様に、入射依存性は入射角が１０°を超えた辺りからリニアとなる。従って、予め前記干渉フィルタ５８を傾斜させておくことで、前記絞り５５の変位に対する選択波長の変化が効率的に得られる。
【００３９】
従って、前記絞り５５を変位させる度に、前記撮像素子５２より画像を取得することで、又図２の波長透過特性を有する干渉フィルタ５８を使用すれば、６００ｎｍ〜５２０ｎｍの範囲でのスペクトル画像を取得することができる。又、６００ｎｍ〜５２０ｎｍを超える波長領域でのスペクトル画像を取得する場合は、異なる波長選択範囲Ｗ′を有する干渉フィルタに交換すればよい。
【００４０】
上述の様に、第１の実施例では、前記絞り５５を移動させるだけで、前記干渉フィルタ５８への入射角が変化し、取得するスペクトル画像の選択波長を変更することができる。従って、所定の波長選択範囲に於いては、取得するスペクトル画像の選択波長を変更する際に、干渉フィルタを交換する等の前記光学系４５自体の構成を変更する必要がない。従って、構造の簡易化が図れ、又高価な回折格子を使用する必要がなく、コストの低減を図ることができる。
【００４１】
図４（Ａ）、図４（Ｂ）、図５に於いて、本発明の第２の実施例に於ける光学系４５について説明する。第２の実施例に於いては、干渉フィルタ５８′が回転軸５９を中心として回転可能に支持され、更にモータ等の回転手段により回転可能となっている。
【００４２】
前記干渉フィルタ５８′は、図５で示す様に形状が円板であり、透過面が円周方向に所要角度に等分（図示では６等分）された分割透過面６０ａ〜６０ｆが形成され、各分割透過面６０ａ〜６０ｆ毎に波長選択λ１〜λ６の波長選択特性の異なる透過干渉膜が形成されている。
【００４３】
例えば、分割透過面６０ａには選択波長λ１が４００ｎｍ〜４５０ｎｍ、分割透過面６０ｂには選択波長λ２が４５０ｎｍ〜５２５ｎｍ、分割透過面６０ｃには選択波長λ３が５２５ｎｍ〜６５０ｎｍ、分割透過面６０ｄには選択波長λ４が６５０ｎｍ〜７５０ｎｍ、分割透過面６０ｅには選択波長λ５が７５０ｎｍ〜８７０ｎｍ、分割透過面６０ｆには選択波長λ６が８７０ｎｍ〜９５０ｎｍの透過干渉膜がそれぞれ形成される。
【００４４】
前記干渉フィルタ５８′で透過された光束は、第３リレーレンズ５０、結像レンズ５１を経て撮像素子５２に結像される様になっている。尚、図５中、５７ａは前記主光線５７が前記干渉フィルタ５８′で結像した像を示している。
【００４５】
次に、図７のフローチャートを参照して、前記干渉フィルタ５８′が用いられる第２の実施例のスペクトル画像取得処理について説明する。
【００４６】
ＳＴＥＰ：０１ 先ず、スペクトル画像取得処理が開始されると、所要のスペクトル画像の波長領域に合致する様、例えば前記分割透過面６０ａと前記光軸４６とが合致する様前記干渉フィルタ５８′が回転される。
【００４７】
ＳＴＥＰ：０２ ＳＴＥＰ：０１の該干渉フィルタ５８′の回転と同期して、絞り５５が移動され、絞り孔５５ａが基準位置に復帰される。
【００４８】
ＳＴＥＰ：０３ 前記絞り孔５５ａが基準位置へと復帰された後、前記絞り５５を所定量移動（ステップ送り）させる。
【００４９】
ＳＴＥＰ：０４ 前記干渉フィルタ５８′、前記絞り５５の位置が設定されると、撮像が開始され、前記干渉フィルタ５８′で透過され、特定波長に選択された光束が前記撮像素子５２に結像され、所定の選択波長λ１領域での前記絞り５５の前記設定された位置に於けるスペクトル画像が取得される。
【００５０】
ＳＴＥＰ：０５ スペクトル画像が取得されると、前記絞り５５の全ての位置に於けるスペクトル画像が取得されたかどうかが判断され、全て取得されていない場合には、再度ＳＴＥＰ：０３の処理に基づき前記絞り５５の位置を所定量移動させ、ＳＴＥＰ：０４のスペクトル画像取得処理が行われる。全ての位置に於けるスペクトル画像が取得されたと判断されると、ＳＴＥＰ：０６に移行する。
【００５１】
ＳＴＥＰ：０６ 前記絞り５５の全ての位置に於けるスペクトル画像が取得された後、所望の波長領域のスペクトル画像を取得したかどうかが判断され、所望の波長領域のスペクトル画像の取得が終了していない、即ち得たいスペクトル画像の波長領域がλ１の選択波長領域を超えている場合には、例えば前記干渉フィルタ５８′が前記光軸４６と前記分割透過面６０ｂとが合致する様回転され、ＳＴＥＰ：０２〜ＳＴＥＰ：０５の処理が再度行われる。
【００５２】
所望の波長領域のスペクトル画像を全て取得すると、全てのスペクトル画像を合成し、スペクトル画像の取得処理を終了する。
【００５３】
尚、例えば該干渉フィルタ５８′を間欠送り回転させ、該干渉フィルタ５８′の回転に応じて前記絞り孔５５ａを基準位置に復帰させ、次にステップ送りし、各ステップ毎にスペクトル画像を取得する等、ＳＴＥＰ：０１の前記干渉フィルタ５８′の回転と、ＳＴＥＰ：０２の前記絞り５５の移動とを機械的に同期させる様にしてもよい。
【００５４】
又、上記第２の実施例によれば、干渉フィルタを交換することなく、前記干渉フィルタ５８′を回転させるだけで６００ｎｍ〜５２０ｎｍ（図２参照）を超える波長領域でのスペクトル画像を取得することができるので、別途干渉フィルタ５８′を複数用意する必要がなくコストの低減を図ることができ、広範囲の波長領域のスペクトル画像を迅速に取得することができる。
【００５５】
更に、前記干渉フィルタ５８′は円板とし、回転可能としたが、長矩形形状とし、干渉フィルタ５８′を長手方向に分割して、分割透過面６０ａ〜６０ｆを形成し、リニアモータ等の位置変更手段により前記干渉フィルタ５８′を長手方向にスライドさせ、分割透過面６０ａ〜６０ｆの切替えを行ってもよい。
【００５６】
次に、本発明の第３の実施例について説明する。第３の実施例は、第２の実施例に於ける干渉フィルタ５８′を干渉フィルタ５８′′に変更した構成であり、ヘリコプタ等の振動が生じる移動体にスペクトルカメラを搭載する際に好適な実施例である。尚、第３の実施例に於いては、前記干渉フィルタ５８′′以外の構成は第２の実施例と同様であるので、図４（Ａ）、図４（Ｂ）、図６を参照して説明する。
【００５７】
該干渉フィルタ５８′′では、分割透過面６０ａ〜６０ｆの内、分割透過面６０ｆが全ての波長を透過する全透過面となっており、更に各分割透過面６０ａ〜６０ｅは外周部６０ａ′〜６０ｅ′と内周部６０ａ′′〜６０ｅ′′が全透過面となっている。前記干渉フィルタ５８′′上に結像される結像５７ａは、外周側の一部が前記外周部６０ａ′〜６０ｅ′にオーバラップし、内周側の一部が前記内周部６０ａ′′〜６０ｅ′′にオーバラップする様になっている。
【００５８】
前記干渉フィルタ５８′′を用いた場合では、前記分割透過面６０ｆを選択し、該分割透過面６０ｆに前記光軸４６を合致させた場合は、波長選択されずに全透過され、リアル画像が取得される。又、前記分割透過面６０ａ〜６０ｅのいずれかが選択された場合、例えば分割透過面６０ｅが選択された場合、分割透過面６０ｅの透過干渉膜で波長選択されると共に、前記結像５７ａの内、前記外周部６０ｅ′を透過する部分αと前記内周部６０ｅ′′を透過する部分βとで部分的に全透過される。
【００５９】
次に、図８のフローチャートを参照して、前記干渉フィルタ５８′′が用いられる第３の実施例のスペクトル画像取得処理について説明する。尚、ＳＴＥＰ：１１〜ＳＴＥＰ：１３については、図７中のＳＴＥＰ：０１〜ＳＴＥＰ：０３と同様であるので説明を省略する。
【００６０】
ＳＴＥＰ：１４ 前記干渉フィルタ５８′′、絞り５５の位置が設定されると、撮像が開始され、分割透過面６０ａ〜６０ｆで透過され、特定波長に選択された光束が撮像素子５２に結像されるスペクトル画像が取得されると共に、外周部６０ａ′〜６０ｅ′及び内周部６０ａ′′〜６０ｅ′′の全透過部α及びβで透過された光束によりリアル画像が取得される。
【００６１】
ＳＴＥＰ：１５ スペクトル画像及びリアル画像が取得されると、リアル画像をエッジ処理する等により特徴点が抽出され、抽出された特徴点を基に時間的に隣接するリアル画像間でトラッキングが行われ、次画像に特徴点が特定される。抽出された特徴点及び特定された特徴点に基づき画像のマッチングが行われる。ここで、リアル画像とスペクトル画像は１つの画像を形成しているので、リアル画像で画像マッチングを行えば、同時にスペクトル画像のマッチングも完了する。尚、画像トラッキングについては特許文献２に記載されている。
【００６２】
ＳＴＥＰ：１６ 画像間のマッチングを行った後、抽出したスペクトル画像の特徴点を画像座標変換し、該座標を基にマッチングさせたスペクトル画像の画像位置を補正する。
【００６３】
ＳＴＥＰ：１７ スペクトル画像の画像位置を補正した後、前記絞り５５の全ての位置に於けるスペクトル画像が取得されたかどうかが判断され、全て取得されていない場合には、ＳＴＥＰ：１３〜ＳＴＥＰ：１７の処理が再度行われる。
【００６４】
ＳＴＥＰ：１８ 前記絞り５５の全ての位置に於けるスペクトル画像が取得された後、所望の波長領域のスペクトル画像を取得したかどうかが判断され、所望の波長領域のスペクトル画像が取得されていない場合には、更に前記干渉フィルタ５８′′が回転され（ＳＴＥＰ：１１）、ＳＴＥＰ：１２〜ＳＴＥＰ：１７の処理が再度行われる。
【００６５】
上述の様に、第３の実施例に於いては、分割透過面６０ａ〜６０ｆに、全透過面である外周部６０ａ′〜６０ｅ′と内周部６０ａ′′〜６０ｅ′′が形成されているので、スペクトル画像だけではなく外周部６０ａ′〜６０ｅ′と内周部６０ａ′′〜６０ｅ′′を透過した光束によりリアル画像を取得できる。従って、特徴点の抽出やスペクトル画像同士のトラッキングを行う為の、リアル画像を取得し、写真撮影用のカメラを別途設ける必要がなく、コストの低減を図ることができる。
【００６６】
又、取得したスペクトル画像同士を容易にマッチング可能であるので、振動によりブレが生じるヘリコプタ等の移動体にスペクトルカメラを搭載する場合にも適用することができる。
【００６７】
次に、図９（Ａ）、図９（Ｂ）に於いて、本発明の第４の実施例について説明する。尚、図９（Ａ）、図９（Ｂ）中、図１（Ａ）、図１（Ｂ）中で示したものと同等のものには同符号を付してあり、その説明を省略する。
【００６８】
第１の実施例に於ける光学系４５では透過式の干渉フィルタ５８を用いたが、図９（Ａ）、図９（Ｂ）で示される様に、第４の実施例では反射式の干渉フィルタ６１を用いて光学系４５′を構成している。該光学系４５′では、前記干渉フィルタ６１が光を反射することで波長が選択される。
【００６９】
光軸４６上に対物レンズ４７、第１リレーレンズ４８、絞り５５が配設され、第２リレーレンズ４９が配設され、該第２リレーレンズ４９に対向して前記干渉フィルタ６１が傾斜して設けられている。又、該干渉フィルタ６１により偏向された前記光軸４６上に第３リレーレンズ５０、結像レンズ５１、撮像素子５２が配設され、前記干渉フィルタ６１で反射された光束は、前記結像レンズ５１を経て前記撮像素子５２に結像され、該撮像素子５２によってスペクトル画像が取得される。
【００７０】
又、前記絞り５５を移動させ、絞り孔５５ａの位置を変位させることで、前記干渉フィルタ６１に対する入射角を変化させることができ、該干渉フィルタ６１に反射される波長を変化させることができる。尚、スペクトル画像を取得する作用については第１の実施例と同様であるので説明を省略する。
【００７１】
次に、図１０（Ａ）、図１０（Ｂ）、図１１に於いて、本発明の第５の実施例について説明する。第５の実施例に於いては、干渉フィルタ６１′が回転軸５９を中心として回転可能に支持され、更にモータ等の回転手段により回転可能となっている。尚、図１０（Ａ）、図１０（Ｂ）、図１１中、図９（Ａ）、図９（Ｂ）中と同等のものには同符号を付し、その説明を省略する。
【００７２】
前記干渉フィルタ６１′は、図１１で示す様に形状が円板であり、反射面に円周方向に所要角度に等分（図示では６等分）された分割反射面６３ａ〜６３ｆが形成され、各分割反射面６３ａ〜６３ｆ毎に波長選択λ１〜λ６の波長選択特性の異なる反射干渉膜が形成されている。
【００７３】
前記干渉フィルタ６１′で反射された光束は、第３リレーレンズ５０、結像レンズ５１を経て撮像素子５２に結像される様になっており、第２の実施例と同様に前記分割反射面６３ａ〜６３ｆを順次切替え、各分割反射面６３ａ〜６３ｆ毎に絞り５５を移動させ、撮像処理を行うことで、前記分割反射面６３ａ〜６３ｆを反射した光束が所望の波長領域に於けるスペクトル画像として取得される。
【００７４】
第５の実施例では、干渉フィルタ６１′により透過ではなく反射する構成となっているので、光学系４５′の全長を短くすることができ、スペクトルカメラのコンパクト化を図ることができる。尚、第５の実施例の作用については第２の実施例と同様であるので説明を省略する。
【００７５】
次に、本発明の第６の実施例について説明する。第６の実施例は、第５の実施例に於ける干渉フィルタ６１′を干渉フィルタ６１′′に変更した構成であり、ヘリコプタ等の振動が生じる移動体にスペクトルカメラを搭載する際に好適な実施例である。尚、第６の実施例に於いては、前記干渉フィルタ６１′′以外の構成は第５の実施例と同様であるので、図１０（Ａ）、図１０（Ｂ）、図１２を参照して説明する。
【００７６】
前記干渉フィルタ６１′′では、前記分割反射面６３ａ〜６３ｆの内、分割反射面６３ｆが全ての波長を反射する全反射面となっており、更に各分割反射面６３ａ〜６３ｅは外周部６３ａ′〜６３ｅ′と内周部６３ａ′′〜６３ｅ′′が全反射面となっている。前記干渉フィルタ６１′′上に結像される結像５７ａは、外周側の一部が前記外周部６３ａ′〜６３ｅ′とオーバラップし、内周側の一部が前記内周部６３ａ′′〜６３ｅ′′にオーバラップする様になっている。
【００７７】
前記干渉フィルタ６１′′を用いた場合では、前記分割反射面６３ｆを選択し、該分割反射面６３ｆに光軸４６を合致させた場合は、波長選択されずに全反射され、リアル画像が取得される。又、前記分割反射面６３ａ〜６３ｅのいずれかが選択された場合、例えば分割反射面６３ｅが選択された場合、分割反射面６３ｅの反射干渉膜で波長選択されると共に、前記結像５７ａの内、前記外周部６３ｅ′を反射する部分αと、前記内周部６３ｅ′′を反射する部分βとで部分的に全反射される。
【００７８】
前記干渉フィルタ６１′′で反射された光束は、第３リレーレンズ５０、結像レンズ５１を経て撮像素子５２に結像される様になっており、前記分割反射面６３ａ〜６３ｆを反射した光束が所望の波長領域に於けるスペクトル画像として取得され、外周部６３ａ′〜６３ｅ′及び内周部６３ａ′′〜６３ｅ′′に反射された光束がリアル画像として取得される様になっている。従って、取得されたリアル画像を用いてスペクトル画像同士のトラッキング及び画像位置の補正を行うことができ、振動が生ずるヘリコプタ等の移動体にスペクトルカメラを搭載する場合にも本実施例を適用することができる。尚、第６の実施例の作用については第３の実施例と同様であるので、説明を省略する。
【００７９】
次に、図１３（Ａ）、図１３（Ｂ）に於いて、本発明の第７の実施例について説明する。尚、図１３（Ａ）、図１３（Ｂ）中、図１（Ａ）、図１（Ｂ）中で示したものと同等のものには同符号を付してあり、その説明を省略する。
【００８０】
第７の実施例に於ける光学系４５′′は、光軸４６上に対物レンズ４７、第１リレーレンズ４８、絞り５５が配設され、前記光軸４６と平行で所定量離反した光軸上に第２リレーレンズ４９が配設され、該第２リレーレンズ４９に対向して干渉フィルタ６２が設けられている。該干渉フィルタ６２で反射された光束は、前記第２リレーレンズ４９を透過した後、反射鏡６４によって偏向され、偏向された光束は結像レンズ５１を経て撮像素子５２に結像される。
【００８１】
第７の実施例では、前記第１リレーレンズ４８、前記絞り５５が前記第２リレーレンズ４９の光軸とはずれた位置にあるので、テレセントリック光学系５６によって分割された主光線５７は前記干渉フィルタ６２に傾斜して入射する。更に、図１３（Ｂ）に示される様に、前記絞り５５を前記光軸４６より離反する様に移動させれば、前記主光線５７の入射角は更に大きくなる。従って、前記絞り５５を移動させることで選択波長を変更することができる。
【００８２】
又、得たいスペクトル画像の波長領域が、例えば４００ｎｍ〜９５０ｎｍに及ぶ時は、前記干渉フィルタ６２を第５の実施例の干渉フィルタ６１′（図１１参照）、或は第６の実施例の干渉フィルタ６１′′（図１２参照）に変更することもできる。
【００８３】
例えば前記干渉フィルタ６１′を適用した場合、前記分割反射面６３ａから前記分割反射面６３ｆ迄、順次分割反射面６３ａ〜６３ｆを切替え、切替えられた分割反射面６３毎に前記絞り５５を移動させ、該絞り５５の移動位置毎の波長で画像を取得する。又、前記分割反射面６３ａ〜６３ｆの切替えと、前記絞り５５の移動は同期して行われ、前記分割反射面６３の切替えが行われる毎に、スリット孔が前記光軸４６の位置から該光軸４６から離反する様に前記絞り５５が移動される。
【００８４】
而して、４００ｎｍ〜９５０ｎｍ迄の波長が連続して選択され、選択した波長毎に前記撮像素子５２で画像が取得され、４００ｎｍ〜９５０ｎｍの全域でのスペクトル画像を取得することができる。
【００８５】
尚、得たいスペクトル画像の範囲が限られている場合は、該当する波長選択特性を有する分割反射面を選択してスペクトル画像を取得すればよい。
【００８６】
第７の実施例では、反射式の前記干渉フィルタ６２を使用しているので、前記光学系４５′′のコンパクト化が図れると共に、第１〜第６の実施例に於ける第３リレーレンズ５０を前記第２リレーレンズ４９が兼用している為、部品点数が削減でき、コストの低減を図ることができる。
【符号の説明】
【００８７】
４５ 光学系
４７ 対物レンズ
４８ 第１リレーレンズ
４９ 第２リレーレンズ
５０ 第３リレーレンズ
５１ 結像レンズ
５２ 撮像素子
５５ 絞り
５６ テレセントリック光学系
５７ 主光線
５８ 干渉フィルタ
６０ 分割透過面
６１ 干渉フィルタ
６２ 干渉フィルタ
６３ 分割反射面
６４ 反射鏡
【技術分野】
【０００１】
本発明は、所定の波長領域のスペクトル画像を取得するスペクトル画像取得装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
スペクトル画像を取得するスペクトル画像取得装置の１つとしてハイパースペクトルカメラがあり、該ハイパースペクトルカメラは、被測定物からの光をハイパースペクトルで定義される複数の波長領域に分光し、波長領域毎の画像を取得する撮像装置である。ハイパースペクトルセンサは、主に衛星や航空機に搭載され、農業や環境等の分野に使用されている。又、将来的には、医療や食品等の分野での活用が期待されている。
【０００３】
ハイパースペクトルカメラは、視野の絞りとして機能するスリットを通った光を回折格子により分光させ、前記スリットの視野についての分光画像を取得する。又、前記スリットを移動させることにより、カメラ視野のスペクトル画像を取得するものとなっている。
【０００４】
然し乍ら、従来のハイパースペクトルカメラは、視野の絞りにより限定領域の光を回折格子により分光させ、撮像する為、１度に１次元のスペクトル画像を得ることしかできない。更に、回折格子が非常に高価である為、コストが掛る。
【０００５】
尚、被写体からの光をスリットより透過させ、スリットを透過した光を回折格子にて複数の波長領域に分光させ、分光された波長領域毎の光を撮像素子に受光させ、該撮像素子に受光された光を基に２次元画像を生成するハイパースペクトル撮像装置及びハイパースペクトル撮像方法として、特許文献１に示されるものがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１１−８９８９５号公報
【特許文献２】特開２００６−１０３７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は斯かる実情に鑑み、簡単な構成で所定の波長領域に於けるスペクトル画像を取得可能なスペクトル画像取得装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、対物レンズを含む第１光学系と、該第１光学系を介する光束の一部を選択的に通過させる光束選択部材と、該光束選択部材が物側焦点位置又は略物側焦点位置となる様配置されると共に干渉膜が形成され、前記光束選択部材の位置に応じて該光束選択部材を通過する光束の波長領域を選択する光学部材と、該光学部材へ光束を導く第２光学系と、前記光学部材により選択される波長領域の光を受光する撮像素子とを具備するスペクトル画像取得装置に係るものである。
【０００９】
又本発明は、前記光束選択部材はスリットを有し、該スリットと前記第２光学系とによりテレセントリック光学系が構成されるスペクトル画像取得装置に係り、又前記光学部材は、前記テレセントリック光学系の結像位置又は略結像位置に配置されるスペクトル画像取得装置に係り、又前記光学部材は前記第２光学系の光軸に対して傾斜された状態で配置されるスペクトル画像取得装置に係るものである。
【００１０】
又本発明は、前記スリットの位置により前記光学部材へ入射する光の入射角が変更されるスペクトル画像取得装置に係るものである。
【００１１】
又本発明は、前記光学部材は透過式の干渉フィルタであるスペクトル画像取得装置に係り、又前記光学部材は反射式の干渉フィルタであるスペクトル画像取得装置に係るものである。
【００１２】
又本発明は、前記光学部材は複数の部位に分割され、分割された部位には波長特性が異なる干渉膜が形成されたスペクトル画像取得装置に係り、又前記複数の部位の切替えによる波長特性の切替えと、前記光束選択部材の位置変更とが同期されるスペクトル画像取得装置に係るものである。
【００１３】
又本発明は、前記光学部材の少なくとも一部に全透過領域を有し、前記撮像素子は前記全透過領域からの光の少なくとも一部をリアル画像としてスペクトル画像と同時に取得するスペクトル画像取得装置に係るものである。
【００１４】
又本発明は、前記光学部材の少なくとも一部に全反射領域を有し、前記撮像素子は前記全反射領域からの光の少なくとも一部をリアル画像としてスペクトル画像と同時に取得するスペクトル画像取得装置に係るものである。
【００１５】
更に又本発明は、前記リアル画像とスペクトル画像が同時に取得され、リアル画像間で画像マッチングが行われ、画像マッチングに基づき複数のスペクトル画像間の位置合せを行うスペクトル画像取得装置に係るものである。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、対物レンズを含む第１光学系と、該第１光学系を介する光束の一部を選択的に通過させる光束選択部材と、該光束選択部材が物側焦点位置又は略物側焦点位置となる様配置されると共に干渉膜が形成され、前記光束選択部材の位置に応じて該光束選択部材を通過する光束の波長領域を選択する光学部材と、該光学部材へ光束を導く第２光学系と、前記光学部材により選択される波長領域の光を受光する撮像素子とを具備するので、所定の波長領域に於ける特定波長の光スペクトルを容易に取得できると共に、特定波長の変更が容易であり、更に構造の簡易化が図れ、コストの低減を図ることができる。
【００１７】
又本発明によれば、前記光束選択部材はスリットを有し、該スリットと前記第２光学系とによりテレセントリック光学系が構成されるので、前記光学部材に導かれる光束の入射角が常に等しくなる。
【００１８】
又本発明によれば、前記光学部材は、前記テレセントリック光学系の結像位置又は略結像位置に配置されるので、前記光学部材の位置設定に厳密さが要求されない。
【００１９】
又本発明によれば、前記光学部材は前記第２光学系の光軸に対して傾斜された状態で配置されるので、前記光束選択部材の変位に対する選択波長の変化を効率的に得ることができる。
【００２０】
又本発明によれば、前記スリットの位置により前記光学部材へ入射する光の入射角が変更されるので、所定の波長領域に於ける特定波長の変更が容易である。
【００２１】
又本発明によれば、前記光学部材は透過式の干渉フィルタであるので、高コストの回折格子を用いる必要がなく、コストの低減を図ることができる。
【００２２】
又本発明によれば、前記光学部材は反射式の干渉フィルタであるので、高コストの回折格子を用いる必要がなく、コストの低減を図ることができると共に、光学系自体の長さを縮小することができ、コンパクト化を図ることができる。
【００２３】
又本発明によれば、前記光学部材は複数の部位に分割され、分割された部位には波長特性が異なる干渉膜が形成されたので、特定波長の変更が容易である。
【００２４】
又本発明によれば、前記複数の部位の切替えによる波長特性の切替えと、前記光束選択部材の位置変更とが同期されるので、前記撮像素子に受光させる光の波長の変更が容易となる。
【００２５】
又本発明によれば、前記光学部材の少なくとも一部に全透過領域を有し、前記撮像素子は前記全透過領域からの光の少なくとも一部をリアル画像としてスペクトル画像と同時に取得するので、別途写真撮影用のカメラを設けることなくリアル画像を取得することができる。
【００２６】
又本発明によれば、前記光学部材の少なくとも一部に全反射領域を有し、前記撮像素子は前記全反射領域からの光の少なくとも一部をリアル画像としてスペクトル画像と同時に取得するので、別途写真撮影用のカメラを設けることなくリアル画像を取得することができる。
【００２７】
更に又本発明によれば、前記リアル画像とスペクトル画像が同時に取得され、リアル画像間で画像マッチングが行われ、画像マッチングに基づき複数のスペクトル画像間の位置合せを行うので、別途位置合せ用のリアル画像を取得するカメラを設ける必要がなく、コストの低減を図ることができるという優れた効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の第１の実施例に係るスペクトル画像取得装置の光学系を示す説明図であり、（Ａ）は絞り孔が光軸と一致した状態を示し、（Ｂ）は絞り孔が光軸と離反した状態を示している。
【図２】入射角と透過するピーク波長の関係を示すグラフである。
【図３】干渉フィルタへの入射角に対応する波長透過特性を示すグラフである。
【図４】本発明の第２の実施例に係るスペクトル画像取得装置の光学系を示す説明図であり、（Ａ）は絞り孔が光軸と一致した状態を示し、（Ｂ）は絞り孔が光軸と離反した状態を示している。
【図５】本発明の第２の実施例の干渉フィルタを示す正面図である。
【図６】本発明の第３の実施例の干渉フィルタを示す正面図である。
【図７】本発明の第２の実施例に係るスペクトル画像の取得処理を説明するフローチャートである。
【図８】本発明の第３の実施例に係るスペクトル画像の取得処理を説明するフローチャートである。
【図９】本発明の第４の実施例に係るスペクトル画像取得装置の光学系を示す説明図であり、（Ａ）は絞り孔が光軸と一致した状態を示し、（Ｂ）は絞り孔が光軸と離反した状態を示している。
【図１０】本発明の第５の実施例に係るスペクトル画像取得装置の光学系を示す説明図であり、（Ａ）は絞り孔が光軸と一致した状態を示し、（Ｂ）は絞り孔が光軸と離反した状態を示している。
【図１１】本発明の第５の実施例の干渉フィルタを示す正面図である。
【図１２】本発明の第６の実施例の干渉フィルタを示す正面図である。
【図１３】本発明の第７の実施例に係るスペクトル画像取得装置の光学系を示す説明図であり、（Ａ）は絞り孔が光軸と一致した状態を示し、（Ｂ）は絞り孔が光軸と離反した状態を示している。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施例を説明する。
【００３０】
図１（Ａ）、図１（Ｂ）に於いて、本発明の第１の実施例に係るスペクトル画像取得装置であるスペクトルカメラの光学系４５について説明する。
【００３１】
図１（Ａ）、図１（Ｂ）中、４６は該光学系４５の光軸を示し、該光軸４６上に対物レンズ４７、第１リレーレンズ４８、第２リレーレンズ４９、第３リレーレンズ５０、結像レンズ５１、ＣＣＤやＣＭＯＳセンサ等の撮像素子５２が配設される。又、図１中、５３は前記対物レンズ４７によって結像された像を示し、ｆは前記第２リレーレンズ４９の焦点距離を示している。尚、前記対物レンズ４７及び前記第１リレーレンズ４８は第１光学系を模式的に示しており、又前記第２リレーレンズ４９は第２光学系を模式的に示している。
【００３２】
前記第１リレーレンズ４８の前記第２リレーレンズ４９側に、光束選択部材である絞り５５が配設される。該絞り５５は、図１中紙面に対して垂直なスリットである絞り孔５５ａを有している。又、該絞り５５は前記第２リレーレンズ４９の物側焦点位置又は略物側焦点位置に配設され、前記絞り５５は前記光軸４６に対して垂直な方向で、且つ前記絞り孔５５ａと直交する方向に移動可能に支持されている。
【００３３】
ここで、前記絞り５５、前記第２リレーレンズ４９はテレセントリック光学系５６を構成する。前記第１リレーレンズ４８を透過した光束は、前記テレセントリック光学系５６によって平行な多数の光束（主光線５７）に分割される。
【００３４】
該主光線５７の集光位置（前記第２リレーレンズ４９による結像位置）に光学部材である干渉フィルタ５８が配設される。該干渉フィルタ５８は波長選択フィルタとして機能し、前記干渉フィルタ５８を通過した特定波長の光線が前記第３リレーレンズ５０及び前記結像レンズ５１によって前記撮像素子５２上に結像され、スペクトル画像を取得できる。
【００３５】
前記干渉フィルタ５８は、該干渉フィルタ５８に入射する光線の入射角によって波長選択特性が変化する性質を有する。図２は、入射角と透過するピーク波長の関係（ピーク波長の入射角依存性）を示しており、入射角を変化させることでピーク波長が変化していることが分る。
【００３６】
又、図１（Ａ）は、前記絞り５５の前記絞り孔５５ａが前記光軸４６上に位置しており、この場合前記主光線５７は前記光軸４６と平行となる。次に、図１（Ｂ）に示す様に前記絞り５５を移動させた場合、例えば図示の様に、上方に移動させると、前記絞り孔５５ａが前記光軸４６から離反し、前記絞り５５によって選択される光束が前記光軸４６から離反した位置となる。この為、前記主光線５７は前記光軸４６に対して傾斜する。即ち、前記干渉フィルタ５８に対する入射角が変化する。従って、前記絞り５５を移動させることで、所定の波長領域に於ける前記干渉フィルタ５８を透過する波長を変化させることが可能となる。
【００３７】
例えば、図２を参照すれば、前記干渉フィルタ５８に対する入射角を０°〜５０°に変化させると、透過する波長のピークは６００ｎｍ〜５２０ｎｍに変化する。即ち、前記干渉フィルタ５８は、６００ｎｍ〜５２０ｎｍの波長選択範囲Ｗを有することになる。図３は、前記干渉フィルタ５８への入射角に対応する波長透過特性を示している。
【００３８】
次に、図１（Ａ）、図１（Ｂ）では、前記干渉フィルタ５８を前記光軸４６に対して傾斜させているが、図２に示される様に、入射依存性は入射角が１０°を超えた辺りからリニアとなる。従って、予め前記干渉フィルタ５８を傾斜させておくことで、前記絞り５５の変位に対する選択波長の変化が効率的に得られる。
【００３９】
従って、前記絞り５５を変位させる度に、前記撮像素子５２より画像を取得することで、又図２の波長透過特性を有する干渉フィルタ５８を使用すれば、６００ｎｍ〜５２０ｎｍの範囲でのスペクトル画像を取得することができる。又、６００ｎｍ〜５２０ｎｍを超える波長領域でのスペクトル画像を取得する場合は、異なる波長選択範囲Ｗ′を有する干渉フィルタに交換すればよい。
【００４０】
上述の様に、第１の実施例では、前記絞り５５を移動させるだけで、前記干渉フィルタ５８への入射角が変化し、取得するスペクトル画像の選択波長を変更することができる。従って、所定の波長選択範囲に於いては、取得するスペクトル画像の選択波長を変更する際に、干渉フィルタを交換する等の前記光学系４５自体の構成を変更する必要がない。従って、構造の簡易化が図れ、又高価な回折格子を使用する必要がなく、コストの低減を図ることができる。
【００４１】
図４（Ａ）、図４（Ｂ）、図５に於いて、本発明の第２の実施例に於ける光学系４５について説明する。第２の実施例に於いては、干渉フィルタ５８′が回転軸５９を中心として回転可能に支持され、更にモータ等の回転手段により回転可能となっている。
【００４２】
前記干渉フィルタ５８′は、図５で示す様に形状が円板であり、透過面が円周方向に所要角度に等分（図示では６等分）された分割透過面６０ａ〜６０ｆが形成され、各分割透過面６０ａ〜６０ｆ毎に波長選択λ１〜λ６の波長選択特性の異なる透過干渉膜が形成されている。
【００４３】
例えば、分割透過面６０ａには選択波長λ１が４００ｎｍ〜４５０ｎｍ、分割透過面６０ｂには選択波長λ２が４５０ｎｍ〜５２５ｎｍ、分割透過面６０ｃには選択波長λ３が５２５ｎｍ〜６５０ｎｍ、分割透過面６０ｄには選択波長λ４が６５０ｎｍ〜７５０ｎｍ、分割透過面６０ｅには選択波長λ５が７５０ｎｍ〜８７０ｎｍ、分割透過面６０ｆには選択波長λ６が８７０ｎｍ〜９５０ｎｍの透過干渉膜がそれぞれ形成される。
【００４４】
前記干渉フィルタ５８′で透過された光束は、第３リレーレンズ５０、結像レンズ５１を経て撮像素子５２に結像される様になっている。尚、図５中、５７ａは前記主光線５７が前記干渉フィルタ５８′で結像した像を示している。
【００４５】
次に、図７のフローチャートを参照して、前記干渉フィルタ５８′が用いられる第２の実施例のスペクトル画像取得処理について説明する。
【００４６】
ＳＴＥＰ：０１ 先ず、スペクトル画像取得処理が開始されると、所要のスペクトル画像の波長領域に合致する様、例えば前記分割透過面６０ａと前記光軸４６とが合致する様前記干渉フィルタ５８′が回転される。
【００４７】
ＳＴＥＰ：０２ ＳＴＥＰ：０１の該干渉フィルタ５８′の回転と同期して、絞り５５が移動され、絞り孔５５ａが基準位置に復帰される。
【００４８】
ＳＴＥＰ：０３ 前記絞り孔５５ａが基準位置へと復帰された後、前記絞り５５を所定量移動（ステップ送り）させる。
【００４９】
ＳＴＥＰ：０４ 前記干渉フィルタ５８′、前記絞り５５の位置が設定されると、撮像が開始され、前記干渉フィルタ５８′で透過され、特定波長に選択された光束が前記撮像素子５２に結像され、所定の選択波長λ１領域での前記絞り５５の前記設定された位置に於けるスペクトル画像が取得される。
【００５０】
ＳＴＥＰ：０５ スペクトル画像が取得されると、前記絞り５５の全ての位置に於けるスペクトル画像が取得されたかどうかが判断され、全て取得されていない場合には、再度ＳＴＥＰ：０３の処理に基づき前記絞り５５の位置を所定量移動させ、ＳＴＥＰ：０４のスペクトル画像取得処理が行われる。全ての位置に於けるスペクトル画像が取得されたと判断されると、ＳＴＥＰ：０６に移行する。
【００５１】
ＳＴＥＰ：０６ 前記絞り５５の全ての位置に於けるスペクトル画像が取得された後、所望の波長領域のスペクトル画像を取得したかどうかが判断され、所望の波長領域のスペクトル画像の取得が終了していない、即ち得たいスペクトル画像の波長領域がλ１の選択波長領域を超えている場合には、例えば前記干渉フィルタ５８′が前記光軸４６と前記分割透過面６０ｂとが合致する様回転され、ＳＴＥＰ：０２〜ＳＴＥＰ：０５の処理が再度行われる。
【００５２】
所望の波長領域のスペクトル画像を全て取得すると、全てのスペクトル画像を合成し、スペクトル画像の取得処理を終了する。
【００５３】
尚、例えば該干渉フィルタ５８′を間欠送り回転させ、該干渉フィルタ５８′の回転に応じて前記絞り孔５５ａを基準位置に復帰させ、次にステップ送りし、各ステップ毎にスペクトル画像を取得する等、ＳＴＥＰ：０１の前記干渉フィルタ５８′の回転と、ＳＴＥＰ：０２の前記絞り５５の移動とを機械的に同期させる様にしてもよい。
【００５４】
又、上記第２の実施例によれば、干渉フィルタを交換することなく、前記干渉フィルタ５８′を回転させるだけで６００ｎｍ〜５２０ｎｍ（図２参照）を超える波長領域でのスペクトル画像を取得することができるので、別途干渉フィルタ５８′を複数用意する必要がなくコストの低減を図ることができ、広範囲の波長領域のスペクトル画像を迅速に取得することができる。
【００５５】
更に、前記干渉フィルタ５８′は円板とし、回転可能としたが、長矩形形状とし、干渉フィルタ５８′を長手方向に分割して、分割透過面６０ａ〜６０ｆを形成し、リニアモータ等の位置変更手段により前記干渉フィルタ５８′を長手方向にスライドさせ、分割透過面６０ａ〜６０ｆの切替えを行ってもよい。
【００５６】
次に、本発明の第３の実施例について説明する。第３の実施例は、第２の実施例に於ける干渉フィルタ５８′を干渉フィルタ５８′′に変更した構成であり、ヘリコプタ等の振動が生じる移動体にスペクトルカメラを搭載する際に好適な実施例である。尚、第３の実施例に於いては、前記干渉フィルタ５８′′以外の構成は第２の実施例と同様であるので、図４（Ａ）、図４（Ｂ）、図６を参照して説明する。
【００５７】
該干渉フィルタ５８′′では、分割透過面６０ａ〜６０ｆの内、分割透過面６０ｆが全ての波長を透過する全透過面となっており、更に各分割透過面６０ａ〜６０ｅは外周部６０ａ′〜６０ｅ′と内周部６０ａ′′〜６０ｅ′′が全透過面となっている。前記干渉フィルタ５８′′上に結像される結像５７ａは、外周側の一部が前記外周部６０ａ′〜６０ｅ′にオーバラップし、内周側の一部が前記内周部６０ａ′′〜６０ｅ′′にオーバラップする様になっている。
【００５８】
前記干渉フィルタ５８′′を用いた場合では、前記分割透過面６０ｆを選択し、該分割透過面６０ｆに前記光軸４６を合致させた場合は、波長選択されずに全透過され、リアル画像が取得される。又、前記分割透過面６０ａ〜６０ｅのいずれかが選択された場合、例えば分割透過面６０ｅが選択された場合、分割透過面６０ｅの透過干渉膜で波長選択されると共に、前記結像５７ａの内、前記外周部６０ｅ′を透過する部分αと前記内周部６０ｅ′′を透過する部分βとで部分的に全透過される。
【００５９】
次に、図８のフローチャートを参照して、前記干渉フィルタ５８′′が用いられる第３の実施例のスペクトル画像取得処理について説明する。尚、ＳＴＥＰ：１１〜ＳＴＥＰ：１３については、図７中のＳＴＥＰ：０１〜ＳＴＥＰ：０３と同様であるので説明を省略する。
【００６０】
ＳＴＥＰ：１４ 前記干渉フィルタ５８′′、絞り５５の位置が設定されると、撮像が開始され、分割透過面６０ａ〜６０ｆで透過され、特定波長に選択された光束が撮像素子５２に結像されるスペクトル画像が取得されると共に、外周部６０ａ′〜６０ｅ′及び内周部６０ａ′′〜６０ｅ′′の全透過部α及びβで透過された光束によりリアル画像が取得される。
【００６１】
ＳＴＥＰ：１５ スペクトル画像及びリアル画像が取得されると、リアル画像をエッジ処理する等により特徴点が抽出され、抽出された特徴点を基に時間的に隣接するリアル画像間でトラッキングが行われ、次画像に特徴点が特定される。抽出された特徴点及び特定された特徴点に基づき画像のマッチングが行われる。ここで、リアル画像とスペクトル画像は１つの画像を形成しているので、リアル画像で画像マッチングを行えば、同時にスペクトル画像のマッチングも完了する。尚、画像トラッキングについては特許文献２に記載されている。
【００６２】
ＳＴＥＰ：１６ 画像間のマッチングを行った後、抽出したスペクトル画像の特徴点を画像座標変換し、該座標を基にマッチングさせたスペクトル画像の画像位置を補正する。
【００６３】
ＳＴＥＰ：１７ スペクトル画像の画像位置を補正した後、前記絞り５５の全ての位置に於けるスペクトル画像が取得されたかどうかが判断され、全て取得されていない場合には、ＳＴＥＰ：１３〜ＳＴＥＰ：１７の処理が再度行われる。
【００６４】
ＳＴＥＰ：１８ 前記絞り５５の全ての位置に於けるスペクトル画像が取得された後、所望の波長領域のスペクトル画像を取得したかどうかが判断され、所望の波長領域のスペクトル画像が取得されていない場合には、更に前記干渉フィルタ５８′′が回転され（ＳＴＥＰ：１１）、ＳＴＥＰ：１２〜ＳＴＥＰ：１７の処理が再度行われる。
【００６５】
上述の様に、第３の実施例に於いては、分割透過面６０ａ〜６０ｆに、全透過面である外周部６０ａ′〜６０ｅ′と内周部６０ａ′′〜６０ｅ′′が形成されているので、スペクトル画像だけではなく外周部６０ａ′〜６０ｅ′と内周部６０ａ′′〜６０ｅ′′を透過した光束によりリアル画像を取得できる。従って、特徴点の抽出やスペクトル画像同士のトラッキングを行う為の、リアル画像を取得し、写真撮影用のカメラを別途設ける必要がなく、コストの低減を図ることができる。
【００６６】
又、取得したスペクトル画像同士を容易にマッチング可能であるので、振動によりブレが生じるヘリコプタ等の移動体にスペクトルカメラを搭載する場合にも適用することができる。
【００６７】
次に、図９（Ａ）、図９（Ｂ）に於いて、本発明の第４の実施例について説明する。尚、図９（Ａ）、図９（Ｂ）中、図１（Ａ）、図１（Ｂ）中で示したものと同等のものには同符号を付してあり、その説明を省略する。
【００６８】
第１の実施例に於ける光学系４５では透過式の干渉フィルタ５８を用いたが、図９（Ａ）、図９（Ｂ）で示される様に、第４の実施例では反射式の干渉フィルタ６１を用いて光学系４５′を構成している。該光学系４５′では、前記干渉フィルタ６１が光を反射することで波長が選択される。
【００６９】
光軸４６上に対物レンズ４７、第１リレーレンズ４８、絞り５５が配設され、第２リレーレンズ４９が配設され、該第２リレーレンズ４９に対向して前記干渉フィルタ６１が傾斜して設けられている。又、該干渉フィルタ６１により偏向された前記光軸４６上に第３リレーレンズ５０、結像レンズ５１、撮像素子５２が配設され、前記干渉フィルタ６１で反射された光束は、前記結像レンズ５１を経て前記撮像素子５２に結像され、該撮像素子５２によってスペクトル画像が取得される。
【００７０】
又、前記絞り５５を移動させ、絞り孔５５ａの位置を変位させることで、前記干渉フィルタ６１に対する入射角を変化させることができ、該干渉フィルタ６１に反射される波長を変化させることができる。尚、スペクトル画像を取得する作用については第１の実施例と同様であるので説明を省略する。
【００７１】
次に、図１０（Ａ）、図１０（Ｂ）、図１１に於いて、本発明の第５の実施例について説明する。第５の実施例に於いては、干渉フィルタ６１′が回転軸５９を中心として回転可能に支持され、更にモータ等の回転手段により回転可能となっている。尚、図１０（Ａ）、図１０（Ｂ）、図１１中、図９（Ａ）、図９（Ｂ）中と同等のものには同符号を付し、その説明を省略する。
【００７２】
前記干渉フィルタ６１′は、図１１で示す様に形状が円板であり、反射面に円周方向に所要角度に等分（図示では６等分）された分割反射面６３ａ〜６３ｆが形成され、各分割反射面６３ａ〜６３ｆ毎に波長選択λ１〜λ６の波長選択特性の異なる反射干渉膜が形成されている。
【００７３】
前記干渉フィルタ６１′で反射された光束は、第３リレーレンズ５０、結像レンズ５１を経て撮像素子５２に結像される様になっており、第２の実施例と同様に前記分割反射面６３ａ〜６３ｆを順次切替え、各分割反射面６３ａ〜６３ｆ毎に絞り５５を移動させ、撮像処理を行うことで、前記分割反射面６３ａ〜６３ｆを反射した光束が所望の波長領域に於けるスペクトル画像として取得される。
【００７４】
第５の実施例では、干渉フィルタ６１′により透過ではなく反射する構成となっているので、光学系４５′の全長を短くすることができ、スペクトルカメラのコンパクト化を図ることができる。尚、第５の実施例の作用については第２の実施例と同様であるので説明を省略する。
【００７５】
次に、本発明の第６の実施例について説明する。第６の実施例は、第５の実施例に於ける干渉フィルタ６１′を干渉フィルタ６１′′に変更した構成であり、ヘリコプタ等の振動が生じる移動体にスペクトルカメラを搭載する際に好適な実施例である。尚、第６の実施例に於いては、前記干渉フィルタ６１′′以外の構成は第５の実施例と同様であるので、図１０（Ａ）、図１０（Ｂ）、図１２を参照して説明する。
【００７６】
前記干渉フィルタ６１′′では、前記分割反射面６３ａ〜６３ｆの内、分割反射面６３ｆが全ての波長を反射する全反射面となっており、更に各分割反射面６３ａ〜６３ｅは外周部６３ａ′〜６３ｅ′と内周部６３ａ′′〜６３ｅ′′が全反射面となっている。前記干渉フィルタ６１′′上に結像される結像５７ａは、外周側の一部が前記外周部６３ａ′〜６３ｅ′とオーバラップし、内周側の一部が前記内周部６３ａ′′〜６３ｅ′′にオーバラップする様になっている。
【００７７】
前記干渉フィルタ６１′′を用いた場合では、前記分割反射面６３ｆを選択し、該分割反射面６３ｆに光軸４６を合致させた場合は、波長選択されずに全反射され、リアル画像が取得される。又、前記分割反射面６３ａ〜６３ｅのいずれかが選択された場合、例えば分割反射面６３ｅが選択された場合、分割反射面６３ｅの反射干渉膜で波長選択されると共に、前記結像５７ａの内、前記外周部６３ｅ′を反射する部分αと、前記内周部６３ｅ′′を反射する部分βとで部分的に全反射される。
【００７８】
前記干渉フィルタ６１′′で反射された光束は、第３リレーレンズ５０、結像レンズ５１を経て撮像素子５２に結像される様になっており、前記分割反射面６３ａ〜６３ｆを反射した光束が所望の波長領域に於けるスペクトル画像として取得され、外周部６３ａ′〜６３ｅ′及び内周部６３ａ′′〜６３ｅ′′に反射された光束がリアル画像として取得される様になっている。従って、取得されたリアル画像を用いてスペクトル画像同士のトラッキング及び画像位置の補正を行うことができ、振動が生ずるヘリコプタ等の移動体にスペクトルカメラを搭載する場合にも本実施例を適用することができる。尚、第６の実施例の作用については第３の実施例と同様であるので、説明を省略する。
【００７９】
次に、図１３（Ａ）、図１３（Ｂ）に於いて、本発明の第７の実施例について説明する。尚、図１３（Ａ）、図１３（Ｂ）中、図１（Ａ）、図１（Ｂ）中で示したものと同等のものには同符号を付してあり、その説明を省略する。
【００８０】
第７の実施例に於ける光学系４５′′は、光軸４６上に対物レンズ４７、第１リレーレンズ４８、絞り５５が配設され、前記光軸４６と平行で所定量離反した光軸上に第２リレーレンズ４９が配設され、該第２リレーレンズ４９に対向して干渉フィルタ６２が設けられている。該干渉フィルタ６２で反射された光束は、前記第２リレーレンズ４９を透過した後、反射鏡６４によって偏向され、偏向された光束は結像レンズ５１を経て撮像素子５２に結像される。
【００８１】
第７の実施例では、前記第１リレーレンズ４８、前記絞り５５が前記第２リレーレンズ４９の光軸とはずれた位置にあるので、テレセントリック光学系５６によって分割された主光線５７は前記干渉フィルタ６２に傾斜して入射する。更に、図１３（Ｂ）に示される様に、前記絞り５５を前記光軸４６より離反する様に移動させれば、前記主光線５７の入射角は更に大きくなる。従って、前記絞り５５を移動させることで選択波長を変更することができる。
【００８２】
又、得たいスペクトル画像の波長領域が、例えば４００ｎｍ〜９５０ｎｍに及ぶ時は、前記干渉フィルタ６２を第５の実施例の干渉フィルタ６１′（図１１参照）、或は第６の実施例の干渉フィルタ６１′′（図１２参照）に変更することもできる。
【００８３】
例えば前記干渉フィルタ６１′を適用した場合、前記分割反射面６３ａから前記分割反射面６３ｆ迄、順次分割反射面６３ａ〜６３ｆを切替え、切替えられた分割反射面６３毎に前記絞り５５を移動させ、該絞り５５の移動位置毎の波長で画像を取得する。又、前記分割反射面６３ａ〜６３ｆの切替えと、前記絞り５５の移動は同期して行われ、前記分割反射面６３の切替えが行われる毎に、スリット孔が前記光軸４６の位置から該光軸４６から離反する様に前記絞り５５が移動される。
【００８４】
而して、４００ｎｍ〜９５０ｎｍ迄の波長が連続して選択され、選択した波長毎に前記撮像素子５２で画像が取得され、４００ｎｍ〜９５０ｎｍの全域でのスペクトル画像を取得することができる。
【００８５】
尚、得たいスペクトル画像の範囲が限られている場合は、該当する波長選択特性を有する分割反射面を選択してスペクトル画像を取得すればよい。
【００８６】
第７の実施例では、反射式の前記干渉フィルタ６２を使用しているので、前記光学系４５′′のコンパクト化が図れると共に、第１〜第６の実施例に於ける第３リレーレンズ５０を前記第２リレーレンズ４９が兼用している為、部品点数が削減でき、コストの低減を図ることができる。
【符号の説明】
【００８７】
４５ 光学系
４７ 対物レンズ
４８ 第１リレーレンズ
４９ 第２リレーレンズ
５０ 第３リレーレンズ
５１ 結像レンズ
５２ 撮像素子
５５ 絞り
５６ テレセントリック光学系
５７ 主光線
５８ 干渉フィルタ
６０ 分割透過面
６１ 干渉フィルタ
６２ 干渉フィルタ
６３ 分割反射面
６４ 反射鏡
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対物レンズを含む第１光学系と、該第１光学系を介する光束の一部を選択的に通過させる光束選択部材と、該光束選択部材が物側焦点位置又は略物側焦点位置となる様配置されると共に干渉膜が形成され、前記光束選択部材の位置に応じて該光束選択部材を通過する光束の波長領域を選択する光学部材と、該光学部材へ光束を導く第２光学系と、前記光学部材により選択される波長領域の光を受光する撮像素子とを具備することを特徴とするスペクトル画像取得装置。
【請求項２】
前記光束選択部材はスリットを有し、該スリットと前記第２光学系とによりテレセントリック光学系が構成される請求項１のスペクトル画像取得装置。
【請求項３】
前記光学部材は、前記テレセントリック光学系の結像位置又は略結像位置に配置される請求項２のスペクトル画像取得装置。
【請求項４】
前記光学部材は前記第２光学系の光軸に対して傾斜された状態で配置される請求項１〜請求項３のうちいずれかのスペクトル画像取得装置。
【請求項５】
前記スリットの位置により前記光学部材へ入射する光の入射角が変更される請求項２〜請求項４のうちいずれかのスペクトル画像取得装置。
【請求項６】
前記光学部材は透過式の干渉フィルタである請求項１〜請求項５のうちいずれかのスペクトル画像取得装置。
【請求項７】
前記光学部材は反射式の干渉フィルタである請求項１〜請求項５のうちいずれかのスペクトル画像取得装置。
【請求項８】
前記光学部材は複数の部位に分割され、分割された部位には波長特性が異なる干渉膜が形成された請求項６又は請求項７のスペクトル画像取得装置。
【請求項９】
前記複数の部位の切替えによる波長特性の切替えと、前記光束選択部材の位置変更とが同期される請求項８のスペクトル画像取得装置。
【請求項１０】
前記光学部材の少なくとも一部に全透過領域を有し、前記撮像素子は前記全透過領域からの光の少なくとも一部をリアル画像としてスペクトル画像と同時に取得する請求項６のスペクトル画像取得装置。
【請求項１１】
前記光学部材の少なくとも一部に全反射領域を有し、前記撮像素子は前記全反射領域からの光の少なくとも一部をリアル画像としてスペクトル画像と同時に取得する請求項７のスペクトル画像取得装置。
【請求項１２】
前記リアル画像とスペクトル画像が同時に取得され、リアル画像間で画像マッチングが行われ、画像マッチングに基づき複数のスペクトル画像間の位置合せを行う請求項１０又は請求項１１のスペクトル画像取得装置。
【請求項１】
対物レンズを含む第１光学系と、該第１光学系を介する光束の一部を選択的に通過させる光束選択部材と、該光束選択部材が物側焦点位置又は略物側焦点位置となる様配置されると共に干渉膜が形成され、前記光束選択部材の位置に応じて該光束選択部材を通過する光束の波長領域を選択する光学部材と、該光学部材へ光束を導く第２光学系と、前記光学部材により選択される波長領域の光を受光する撮像素子とを具備することを特徴とするスペクトル画像取得装置。
【請求項２】
前記光束選択部材はスリットを有し、該スリットと前記第２光学系とによりテレセントリック光学系が構成される請求項１のスペクトル画像取得装置。
【請求項３】
前記光学部材は、前記テレセントリック光学系の結像位置又は略結像位置に配置される請求項２のスペクトル画像取得装置。
【請求項４】
前記光学部材は前記第２光学系の光軸に対して傾斜された状態で配置される請求項１〜請求項３のうちいずれかのスペクトル画像取得装置。
【請求項５】
前記スリットの位置により前記光学部材へ入射する光の入射角が変更される請求項２〜請求項４のうちいずれかのスペクトル画像取得装置。
【請求項６】
前記光学部材は透過式の干渉フィルタである請求項１〜請求項５のうちいずれかのスペクトル画像取得装置。
【請求項７】
前記光学部材は反射式の干渉フィルタである請求項１〜請求項５のうちいずれかのスペクトル画像取得装置。
【請求項８】
前記光学部材は複数の部位に分割され、分割された部位には波長特性が異なる干渉膜が形成された請求項６又は請求項７のスペクトル画像取得装置。
【請求項９】
前記複数の部位の切替えによる波長特性の切替えと、前記光束選択部材の位置変更とが同期される請求項８のスペクトル画像取得装置。
【請求項１０】
前記光学部材の少なくとも一部に全透過領域を有し、前記撮像素子は前記全透過領域からの光の少なくとも一部をリアル画像としてスペクトル画像と同時に取得する請求項６のスペクトル画像取得装置。
【請求項１１】
前記光学部材の少なくとも一部に全反射領域を有し、前記撮像素子は前記全反射領域からの光の少なくとも一部をリアル画像としてスペクトル画像と同時に取得する請求項７のスペクトル画像取得装置。
【請求項１２】
前記リアル画像とスペクトル画像が同時に取得され、リアル画像間で画像マッチングが行われ、画像マッチングに基づき複数のスペクトル画像間の位置合せを行う請求項１０又は請求項１１のスペクトル画像取得装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１３−７２７７１（Ｐ２０１３−７２７７１Ａ）
【公開日】平成２５年４月２２日（２０１３．４．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２１２４７８（Ｐ２０１１−２１２４７８）
【出願日】平成２３年９月２８日（２０１１．９．２８）
【出願人】（０００２２０３４３）株式会社トプコン (904)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月２２日（２０１３．４．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月２８日（２０１１．９．２８）
【出願人】（０００２２０３４３）株式会社トプコン (904)
【Ｆターム（参考）】
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