分光撮像装置
【課題】焦点合わせに要する時間を短縮できる分光撮像装置を提供する。
【解決手段】被写体からの光を集光する集光レンズ１０と、集光された光のうち、被写体のライン状領域からの光を通過させるスリット２１ａが形成された遮光部材２１と、分光手段２２と、光の強度をライン状領域の長手方向の位置及び波長ごとに検出することにより、ライン状領域の画像を取得する光検出手段２６と、光検出手段からライン状領域の画像を順次受け付けて、撮像領域の画像を取得する画像取得部４１と、被写体に対する集光レンズ、スリット、分光手段又は光検出手段の光軸方向の相対距離を変更して、画像の焦点を合わせる焦点合わせ手段３０とを具備し、画像取得部が、焦点を合わせようとする部分を含み被写体における撮像領域よりも狭い領域の画像を、相対距離を設定して取得し、狭い領域の画像の焦点が合うときの相対距離で、撮像領域の画像を取得するようにした。
【解決手段】被写体からの光を集光する集光レンズ１０と、集光された光のうち、被写体のライン状領域からの光を通過させるスリット２１ａが形成された遮光部材２１と、分光手段２２と、光の強度をライン状領域の長手方向の位置及び波長ごとに検出することにより、ライン状領域の画像を取得する光検出手段２６と、光検出手段からライン状領域の画像を順次受け付けて、撮像領域の画像を取得する画像取得部４１と、被写体に対する集光レンズ、スリット、分光手段又は光検出手段の光軸方向の相対距離を変更して、画像の焦点を合わせる焦点合わせ手段３０とを具備し、画像取得部が、焦点を合わせようとする部分を含み被写体における撮像領域よりも狭い領域の画像を、相対距離を設定して取得し、狭い領域の画像の焦点が合うときの相対距離で、撮像領域の画像を取得するようにした。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被写体からの光を分光して検出することにより、被写体の分光反射率、分光透過率及び分光放射輝度といった分光情報を記録した画像（以下、分光画像ともいう）を取得する分光撮像装置に関する。
【０００２】
この種の分光撮像装置として、被写体の画像を一度に取得するのではなく、あたかもスキャナで読み取るかのように、被写体のライン状領域の画像を順次取得して、被写体の画像を取得するものが考えられている（特許文献１）。
【０００３】
具体的に説明する。被写体からの光は、集光レンズによって集光される。集光された光のうち、被写体のライン状領域からの光が、遮光部材に形成されたスリットを通過して、分光手段で波長ごとに分光され、二次元イメージセンサに到達する。二次元イメージセンサは、分光された光の強度を、ライン状領域の長手方向の位置及び波長ごとに検出する。これにより、被写体のライン状領域の分光画像が取得される。
【０００４】
さらに、被写体を支持するステージが、光軸方向と直交する走査方向に１ライン分駆動した後、前記同様に被写体の別のライン状領域の分光画像が取得される。この動作を繰り返して、被写体の複数のライン状領域の分光画像が取得され、これら各ライン状領域の分光画像を合わせて被写体の分光画像が取得される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−２１６５３１号公報
【特許文献２】特開２００９−３９２８０号公報
【特許文献３】特開２００６−３２２７１０号公報
【発明の概要】
【０００６】
しかしながら、このような分光画像には、焦点合わせに非常に時間がかかるという問題がある。焦点を合わせるには、例えばレンズやスリット等の位置を調整し、その度に被写体の分光画像を取得して確認することが考えられる。しかしながら、上述したように、被写体の分光画像を取得するには、被写体のライン状領域の分光画像を順次取得する必要があり、時間がかかる。従って、焦点が合うまで被写体の分光画像を何枚も取得するとなると、非常に時間がかかってしまうのである。
【０００７】
本発明は、上記の問題を解決すべく図ったものであり、焦点合わせに要する時間を短縮できる分光撮像装置を提供することをその主たる所期課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
すなわち、本発明に係る分光撮像装置は、被写体からの光を集光する集光レンズと、当該集光レンズによって集光された光のうち、前記被写体のライン状領域からの光を通過させるスリットが形成された遮光部材と、当該スリットを通過した前記ライン状領域からの光を分光する分光手段と、当該分光手段によって分光された光の強度を、前記ライン状領域の長手方向の位置及び波長ごとに検出することにより、前記ライン状領域の画像を取得する光検出手段と、当該光検出手段から前記ライン状領域の画像を順次受け付けて、受け付けた前記各ライン状領域の画像を合わせた撮像領域の画像を取得する画像取得部とを具備するものであって、前記被写体に対する前記集光レンズ、前記スリット、前記分光手段又は前記光検出手段の光軸方向の相対距離を変更して、前記画像取得部が取得する前記撮像領域の画像の焦点を合わせる焦点合わせ手段をさらに具備し、前記画像取得部が、焦点を合わせようとする部分を含み前記被写体における前記撮像領域よりも狭い領域の画像を、前記相対距離を設定して取得し、前記狭い領域の画像の焦点が合うときの前記相対距離で、前記撮像領域の画像を取得するものであることを特徴とするものである。
【０００９】
このようなものであれば、画像取得部が、焦点を合わせようとする部分を含み被写体における撮像領域よりも狭い領域の画像を、前記相対距離を設定して取得し、当該狭い領域の画像の焦点が合うときの前記相対距離で、撮像領域の画像を取得するので、撮像領域全体の画像で焦点を合わせる場合よりも画像の取得に要する時間を短縮でき、焦点合わせに要する時間を短縮できる。また、画像のデータ量を低減することができ、その画像を処理する演算装置への負荷を抑制できる。本発明に係る分光撮像装置と特許文献１−３に記載の発明とを比較すると、少なくとも焦点合わせに要する時間を短縮する機構が設けられている点において、本発明に係る分光撮像装置は、特許文献１−３に記載の発明と全く異なる。
【００１０】
前記狭い領域を適切に設定して、確実に焦点を合わせるには、前記画像取得部が、前記相対距離を任意の距離とした状態で、前記被写体の一部又は全部の画像をプリ画像として取得するものであり、当該プリ画像に基づいて前記狭い領域が設定されるものが望ましい。
【００１１】
焦点が合っているかどうかを自動的に判別して、焦点合わせに要する時間をさらに短縮するには、前記画像取得部が、前記被写体における撮像領域よりも狭い領域の各画像上の距離に対する、光の強度の変化が最も急激であるときの前記相対距離を、前記狭い領域の画像の焦点が合うときの前記相対距離とするものが望ましい。
【００１２】
前記遮光部材、前記分光手段、及び前記光検出手段を有する分光撮像系をさらに具備し、前記焦点合わせ手段が、当該分光撮像系を光軸方向に駆動させて、前記被写体に対する前記分光撮像系の光軸方向の相対距離を変更するものであれば、特許文献２のように集光レンズとして焦点合わせ機能を有するレンズを用いる必要がなく、様々なレンズを用いることができる。また、特許文献１のように、被写体を支持するステージを駆動して、画像を撮像する撮像装置では、風景や重量物等のように、ステージに載せたり移動させたりすることが困難な被写体を撮像することが難しい。これに対し、このようなものであれば、様々な被写体を容易に撮像することができる。
【００１３】
この分光撮像装置の分光撮像方法もまた、本発明の一形態である。具体的にこの分光撮像方法は、被写体からの光を集光する集光レンズと、当該集光レンズによって集光された光のうち、前記被写体のライン状領域からの光を通過させるスリットが形成された遮光部材と、当該スリットを通過した前記ライン状領域からの光を分光する分光手段と、当該分光手段によって分光された光の強度を前記ライン状領域の長手方向の位置及び波長ごとに検出することにより、前記ライン状領域の画像を取得する光検出手段と、当該光検出手段から前記ライン状領域の画像を順次受け付けて、受け付けた前記各ライン状領域の画像を合わせた撮像領域の画像を取得する画像取得部とを具備する分光撮像装置の動作方法であって、前記被写体に対する前記集光レンズ、前記スリット、前記分光手段又は前記光検出手段の光軸方向の相対距離を変更して、前記画像取得部が取得する前記撮像領域の画像の焦点を合わせる焦点合わせステップと、前記画像取得部が、焦点を合わせようとする部分を含み前記被写体における前記撮像領域よりも狭い領域の画像を、前記相対距離を設定して取得し、前記狭い領域の画像の焦点が合うときの前記相対距離で、前記撮像領域の画像を取得する画像取得ステップとを具備することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１４】
上述した構成の本発明によれば、被写体の撮像領域よりも狭い領域の画像で、画像の焦点を合わせるので、焦点合わせに要する時間を短縮できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施形態における分光撮像装置の全体斜視図。
【図２】同実施形態における分光撮像装置を模式的に示す構成図。
【図３】同実施形態における分光撮像装置の動作を示すフローチャート。
【図４】同実施形態における分光撮像装置の動作を示すフローチャート。
【図５】同実施形態における分光撮像装置により取得された画像を示す図。
【図６】同実施形態における分光撮像装置により取得された画像及び各画像の光強度の変化を示す図。
【図７】他の実施形態における分光撮像装置を模式的に示す構成図。
【図８】さらに他の実施形態における分光撮像装置を模式的に示す構成図。
【図９】さらに他の実施形態における分光撮像装置を模式的に示す構成図。
【図１０】さらに他の実施形態における分光撮像装置により取得された画像を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明の一実施形態に係る分光撮像装置１００について、図面を参照して説明する。この分光撮像装置１００は、例えば果実の成熟度の測定、工業製品の検査、生体の病巣の分析、細胞や天体の分析等、種々の分光測定に用いられるものである。分光撮像装置１００は、図１、図２に示すように、集光レンズ１０と、分光撮像系２０と、駆動機構３０と、演算機構４０と、これら各部材を収容する概略直方体形状をなし遮光性材料からなる筺体５０とを具備する。
【００１７】
集光レンズ１０は、被写体Ｓと分光撮像系２０との間に設けられており、被写体Ｓが反射する光、被写体Ｓを透過する光及び被写体Ｓが発する光等の、被写体Ｓからの光を集光して分光撮像系２０に導くものである。ここでは集光レンズ１０を単一のレンズとしたが、複数のレンズを組み合わせて構成してもよい。
【００１８】
分光撮像系２０は、概略直方体形状をなし、被写体Ｓのライン状領域からのライン状の光を一度に分光して検出し、被写体Ｓのライン状領域の画像を取得するものである。分光撮像系２０は、筺体５０内の収容空間に収容されている。筺体５０内の収容空間は、後述する画像取得及び焦点合わせに支障がない程度に分光撮像系２０を駆動できるように、分光撮像系２０と比較して大きく設定されている。分光撮像系２０は、スリット２１ａが形成された遮光部材２１と、分光手段２２と、光検出手段２６とを有している。
【００１９】
遮光部材２１は、概略直方体形状をなし遮光性材料からなるケースである。遮光部材２１は、集光レンズ１０によって集光された光のうち、被写体Ｓのライン状領域からの光を通過させるスリット２１ａと、集光レンズ１０によって集光された光の他の部分及び迷光を遮光して、内部に収容した分光手段２２及び光検出手段２６に入射しないようにする遮光壁２１ｂとを有する。スリット２１ａは、集光レンズ１０によって光が集光する位置に配置された細長い矩形状の孔である。スリット２１ａは被写体Ｓからの光の光軸と直交する方向に所定長さ延びており、また光軸及びスリット２１ａの長手方向と直交する方向（以下、走査方向ともいう）に所定幅開口している。
【００２０】
分光手段２２は、スリット２１ａを通過した光を分光して波長ごとに集光するものである。具体的にこの分光手段２２は、スリット２１ａを通過した光を平行化する平行化レンズ２３と、平行化された光を分光する回折格子２４と、分光された光を波長ごとに集光して光検出手段２６の受光面に結像させる結像レンズ２５とを有する。この結像レンズ２５は、スリット２１ａの長手方向と直交する方向（以下、波長方向ともいう）に沿って、波長の短い光から波長の長い光をそれぞれ集光する。
【００２１】
光検出手段２６は、分光手段２２によって分光された光の強度を、ライン状領域の長手方向の位置及び波長ごとに検出することにより、ライン状領域の画像を取得するものである。具体的にこの光検出手段２６は、光検出素子を平面状に並べた２次元イメージセンサであり、ここではＣＣＤイメージセンサとしたが、ＣＭＯＳイメージセンサや、近赤外領域の光の検出に適したＩｎＧａＡｓイメージセンサ等であってもよい。光検出手段２６の受光面は、波長方向及びスリット２１ａの長手方向に沿って配置されている。そして、異なる波長の光が、波長方向に沿ってそれぞれ異なる光検出素子に入射するようにしてある。また、被写体Ｓのライン状領域における異なる位置からの光が、波長方向に沿ってそれぞれ異なる光検出素子に入射するようにしてある。
【００２２】
駆動機構３０は、分光撮像系２０を走査方向及び光軸方向に駆動するものであり、ここではアクチュエータである。駆動機構３０は、分光撮像系２０を光軸方向に駆動することにより、被写体Ｓに対する分光撮像系２０の光軸方向の相対距離を変更して、被写体Ｓの画像の焦点を合わせる焦点合わせ手段として機能する。駆動機構３０を用いた焦点合わせについては後述する。
【００２３】
演算機構４０は、汎用又は専用のコンピュータであり、メモリに所定のプログラムを格納し、当該プログラムに従ってＣＰＵがその周辺機器を協働動作させることによって、画像取得部４１としての機能を発揮する。この画像取得部４１には、分光画像を、例えば数値、グラフ又は波長ごとの画像として、あるいは分光画像から変換されたＲＧＢ画像として表示する表示部４２たるディスプレイが接続されている。
【００２４】
画像取得部４１は、光検出手段２６から被写体Ｓのライン状領域の画像を順次受け付けて、受け付けた各ライン状領域の画像を合わせた撮像領域Ａ１の画像を取得するものである。より詳しくは、画像取得部４１が、光検出手段２６から１の被写体Ｓのライン状領域の画像を受け付けて、メモリ（図示しない）に格納する。次に、画像取得部４１が駆動機構３０に制御信号を送信し、駆動機構３０が分光撮像系２０を走査方向に１又は複数のライン分駆動した後、画像取得部４１が別のライン状領域の画像を受け付けて、メモリに格納する。この動作を繰り返して、被写体Ｓの複数のライン状領域の画像が取得され、撮像領域Ａ１の画像が取得される。
【００２５】
しかして、本実施形態では、画像取得部４１が、焦点を合わせる機能を有している。画像取得部４１は、被写体Ｓの撮像領域Ａ１全ての画像で焦点を合わせるのではなく、焦点を合わせようとする部分を含み被写体Ｓにおける撮像領域Ａ１よりも狭い領域である焦点合わせ領域Ａ２の画像を用いて、焦点を合わせるものである。画像取得部４１は、被写体Ｓに対する分光撮像系２０の光軸方向の相対距離を設定して、焦点合わせ領域Ａ２の画像を１又は複数取得し、焦点合わせ領域Ａ２の画像の焦点が合うときの前記相対距離で、撮像領域Ａ１の画像を取得する。
【００２６】
画像取得部４１の動作説明を兼ねて、図３、４のフローチャート及び図５、６に示す画像を参照して、分光撮像装置１００の動作を説明する。ここでは、分光撮像系２０の光軸方向の位置Ｌが、０からＬｔまで駆動可能であるとして説明する。まず、図３に示すように、画像取得部４１が、分光撮像系２０を任意の位置（ここでは分光撮像系２０の駆動可能範囲における中央位置Ｌｔ／２）に配置する（Ｓ１）。次に、被写体Ｓの一部の画像（ここでは、被写体Ｓにおけるライン状領域と平行なストライプ状の領域の画像）を、プリ画像として取得して表示部４２に表示する（Ｓ２、図５Ａ）。ここでは、画像取得部４１は、取得した画像からＲＧＢ３波長における画像を抜き出し、ＲＧＢ画像を合成して表示部４２に表示する。ユーザは、プリ画像で被写体Ｓの全体像を確認し、焦点を合わせようとする焦点合わせ領域Ａ２を設定する（Ｓ３、図５Ｂ）。
【００２７】
焦点合わせ領域Ａ２の入力を受け付けると、画像取得部４１は、分光撮像系２０を被写体Ｓに最も近い開始位置に配置し（Ｓ４）、焦点合わせ領域Ａ２の一部の画像（ここでは、焦点合わせ領域Ａ２のうち、プリ画像として画像を取得した領域の画像)を取得し、メモリに格納する（Ｓ５、図５Ｃ）。続いて、画像取得部４１は、分光撮像系２０を予め定められた第１ステップ幅（ここではＬｔ／ｎ）だけ、被写体Ｓから離間する方向に駆動した後（Ｓ６）、同様に焦点合わせ領域Ａ２の一部の画像を取得して格納する。これを繰り返して、分光撮像系２０が被写体Ｓから最も遠い終了位置までくると（Ｓ７）、画像の取得は一旦終了する。
【００２８】
画像取得部４１は、取得した各焦点合わせ領域Ａ２の一部の画像を比較して、最も焦点が合っている画像を選び出し、その画像を取得したときの分光撮像系２０の光軸方向の位置を、大まかに焦点が合う位置である粗焦点位置として算出する（Ｓ８）。ここでは、画像取得部４１が、各焦点合わせ領域Ａ２の一部の画像について、画像上の距離に対する光の強度の変化を算出し、その変化が最も急激であるときの分光撮像系２０の光軸方向の位置を、粗焦点位置として算出する。
【００２９】
具体的に説明する。画像取得部４１は、取得した各焦点合わせ領域Ａ２の一部の画像から、任意の画像（ここでは、分光撮像系２０の駆動した範囲における中央位置（Ｌｔ／２）での画像）を選び、その画像の各ライン状領域から、光強度の変化幅が最も大きいものを抽出する。画像取得部４１は、抽出されたライン状領域の画像について、光強度が最大値となる座標近傍での、光の強度の変化を算出する（図６）。同様に、画像取得部４１は、他の各焦点合わせ領域Ａ２の一部の画像における、同一座標近傍での光の強度の変化をそれぞれ算出する。画像取得部４１は、それらの変化を比較して、変化を示す波形が最も矩形波に近い形状であり、つまり変化が最も急激であるときの画像（ここでは、図６Ｃ）を取得したときの、分光撮像系２０の位置（ここではＬ＝２Ｌｔ／ｎ）を、粗焦点位置として算出する。
【００３０】
さらに、図４に示すように、画像取得部４１は、分光撮像系２０を、粗焦点位置よりも第１ステップ幅だけ被写体Ｓに近い位置から、粗焦点位置よりも第１ステップ幅だけ被写体Ｓから遠い位置まで、移動させながら、同様に焦点合わせ領域Ａ２の一部の画像を取得して格納する（Ｓ９〜Ｓ１２、図５Ｃ）。このとき、画像取得部４１は、分光撮像系２０を第１ステップ幅（Ｌｔ／ｎ）よりも短い第２ステップ幅ずつ（Ｌｔ／（ｎ×ｍ））移動させながら、画像を取得するので、より細かく焦点を合わせることができる。なお、粗焦点位置が開始位置である場合には、分光撮像系２０の駆動する範囲を、開始位置から、第１ステップ幅だけ被写体Ｓよりも遠い位置までとする（０＜Ｌ＜Ｌｔ／ｎ）。また、粗焦点位置が終了位置である場合には、分光撮像系２０の駆動する範囲を、終了位置から第１ステップ幅だけ被写体Ｓに近い位置から、終了位置までとする（Ｌｔ（ｎ−１）／ｎ＜Ｌ＜Ｌｔ）。焦点合わせ領域Ａ２の一部の画像の取得が終了すると、Ｓ８での手順と同様に、画像取得部４１は、各焦点合わせ領域Ａ２の一部の画像に基づいて、粗焦点位置よりも精度よく焦点が合う位置である高精度焦点位置を算出する（Ｓ１３）。
【００３１】
画像取得部４１は、分光撮像系２０を高精度焦点位置に配置して（Ｓ１４）、焦点合わせ領域Ａ２全ての画像を取得して、表示部４２に表示する（Ｓ１５、図５Ｄ）。ユーザは、表示された画像の焦点が合っているかどうかを確認する（Ｓ１６）。表示された画像の焦点が合っている場合には、画像取得部４１は被写体Ｓの撮像領域Ａ１全ての画像（ここでは被写体Ｓ全ての画像）を取得し、分光撮像装置の画像取得フローが終了する（Ｓ１７、図５Ｅ）。このとき、集光レンズ１０によって光が集光する位置と、スリット２１ａの位置とが略一致しているとともに、分光手段２２の結像レンズ２５によって光が集光する位置と、光検出手段２６の受光面とが略一致している。
【００３２】
表示された画像の焦点が合っていない場合には、マニュアルモードに入る。ユーザが、入力インターフェースたる入力バー（図示しない）を操作することにより、分光撮像系２０の位置を入力すると（Ｓ１８）、画像取得部４１は、分光撮像系２０を入力された位置に配置して、焦点合わせ領域Ａ２の一部の画像を取得して表示する（Ｓ１９）。表示された画像の焦点が合っていなければ、再びユーザが分光撮像系２０の位置を設定して、焦点合わせ領域Ａ２の一部の画像を取得する。表示された画像の焦点が合っていれば、画像取得部４１は被写体Ｓの撮像領域Ａ１全ての画像を取得し、画像取得フローが終了する（Ｓ１７）。
【００３３】
本実施形態の分光撮像装置１００によれば、画像取得部４１が、焦点を合わせようとする部分を含み被写体Ｓにおける撮像領域Ａ１よりも狭い焦点合わせ領域Ａ２の画像を、前記相対距離を設定して取得し、当該焦点合わせ領域Ａ２の画像の焦点が合うときの前記相対距離で、撮像領域Ａ１の画像を取得するので、撮像領域Ａ１全体の画像で焦点を合わせる場合よりも画像の取得に要する時間を短縮でき、焦点合わせに要する時間を短縮できる。また、画像のデータ量を低減することができ、その画像を処理する演算機構４０への負荷を抑制できる。
【００３４】
さらに、粗く焦点位置の見当をつけてから、細かく焦点位置を探すようにして、複数段階で画像の焦点を合わせているので、１段階で画像の焦点を合わせる場合と比較して、より少ない枚数の画像で精度良く焦点を合わせることができる。
【００３５】
なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。例えば、分光手段２２は回折格子２４を用いたものに限られない。例えば、プリズム２７を用いた分光手段２２（図７）や、回折格子２８ａ及びプリズム２８ｂを組み合わせた光学部材２８を用いた分光手段２２を用いてもよい。この光学部材２８としては、例えば、図８に示すように、グリズムとも呼ばれる、２つのプリズム２８ｂの間に回折格子２８ａを組み合わせたものがある。これにより、光学部材２８から射出される光の光軸が屈折することなく、元の光軸に沿って進むようにしてある。また、透過型の分光手段２２ではなく、２つの凹面鏡２９及び回折格子２４を用いた分光手段２２のような、反射型の分光手段２２を用いてもよい（図９）。また、収差を低減するためには、凹面鏡ではなく放物面鏡等を用いることが好ましい。
【００３６】
前記実施形態では、焦点合わせ領域の画像の焦点を合わせるときに、画像取得部が、各焦点合わせ領域の一部の画像における、１の座標近傍での光の強度の変化をそれぞれ算出して、それら変化を比較するようにしたが、これに限られるものではない。例えば、画像取得部が、複数の座標近傍での光の強度の変化を示す値を算出して、それらの値を比較してもよい。複数の座標は、焦点合わせ領域の一部の画像における、同一のライン状領域の画像から選択してもよいし、異なるライン状領域の画像から選択してもよい。また、変化を示す値を比較するときには、各座標における光強度の変化を示す値の平均値を用いてもよいし、座標の重要度ごとに適宜重み付けした値を用いてもよい。
【００３７】
また、画像取得部は、ライン状領域と平行な画像上の距離に対する光の強度の変化ではなく、ライン状領域に対して斜め又は直交する画像上の距離に対する光の強度の変化を算出するようにしてもよい。
【００３８】
さらに、画像取得部は、所定波長での光の強度の変化を算出するようにしてもよいし、複数波長での光の強度の合計値の変化を算出するようにしてもよい。
【００３９】
加えて言えば、画像取得部は、焦点合わせ領域の画像を取得したときの分光撮像系の位置（Ｌ＝０、Ｌｔ／ｎ、２Ｌｔ／ｎ、３Ｌｔ／ｎ、・・・、Ｌｔ）の中から、粗焦点位置又は高精度焦点位置を選択するのではなく、それら各位置の間にある位置（例えばＬ＝２．１３Ｌｔ／ｎなど）を、光の強度の変化を示す値から粗焦点位置又は高精度焦点位置として算出するようにしてもよい。
【００４０】
焦点位置を算出する際に、画像取得部は、焦点合わせ領域の一部の画像として、焦点合わせ領域の複数のライン状領域の画像を取得したが、焦点合わせ領域の１のライン状領域の画像のみを取得するようにしてもよい。また、焦点位置を算出する際に、画像取得部が、焦点合わせ領域全ての画像を取得するようにしてもよい。
【００４１】
参照位置を算出する際、画像取得部は、分光撮像系を被写体から離れる方向に駆動するようにしたが、近づく方向に駆動するようにしてもよい。
【００４２】
画像取得部は、粗焦点位置及び高精度焦点位置を算出することにより、２段階で画像の焦点を合わせるようにしたが、３以上の複数段階や１段階で焦点を合わせるようにしてもよい。
【００４３】
表示された画像の焦点が十分に合っていない場合には、画像取得部はマニュアルモードに入るようにしたが、第２ステップ幅よりもさらに短いステップ幅で分光撮像系を駆動したり、分光撮像系の駆動範囲を変更又は広げたりして、焦点合わせ領域の画像を取得し、焦点位置を算出するようにしてもよい。
【００４４】
実施形態では、被写体Ｓの全ての領域を撮像領域Ａ１としたが、撮像領域Ａ１を被写体Ｓの一部の領域としてもよい。例えば、図１０に示すように、被写体Ｓであるリンゴの果皮の一部を撮像領域Ａ１として、リンゴの軸部を焦点合わせ領域Ａ２としてもよい。このとき、焦点合わせ領域Ａ２は、撮像領域Ａ１外に設定してもよいし、撮像領域Ａ１内に設定してもよいし、撮像領域Ａ１内から撮像領域Ａ１外にかけて設定してもよい。要は、焦点合わせ領域Ａ２が、撮像領域Ａ１の焦点を合わせようとする部分、又は焦点を合わせようとする部分と光軸方向の位置が略一致する部分を含んでいるとともに、撮像領域Ａ１よりも狭い領域であればよい。
【００４５】
前記実施形態では、駆動機構が分光撮像系を駆動するようにしたが、集光レンズや被写体を支持するステージを駆動することにより、被写体に対する集光レンズ、スリット、分光手段、又は／及び光検出手段の光軸方向の相対位置を変更するようにしてもよい。
【００４６】
例えば、被写体が白い紙のような色や明るさの差が乏しいものである場合、白黒の棒のような、色や明るさの差が大きい焦点合わせ補助部材を、被写体近傍に配置したり、被写体を支持するステージに設けたりすることが望ましい。
【００４７】
前記筐体に、集光レンズを交換可能に保持するレンズ保持部を設けてもよい。このようなものであれば、例えば森林の風景の分光画像と、その森林から採取した葉の分光画像とを同一の分光撮像装置１００で取得することができ、分光撮像装置の個体差による誤差を低減することができる。このとき、マクロ撮像用のレンズとスリットとの距離（例えば２０ｍｍ）よりも、ミクロ撮像用のレンズとスリットとの距離（例えば１５０ｍｍ）を大きく設定することが望ましい。
【００４８】
画像取得部は、プリ画像として、被写体の一部の画像を取得するようにしたが、被写体全ての画像を取得するようにしてもよい。また、ユーザがプリ画像を確認して焦点合わせ領域を設定するのではなく、プリ画像の中央領域等が焦点合わせ領域として自動的に設定されるようにしてもよい。
【００４９】
さらに、スリットの長さと比較して、集光レンズのレンズ径が大きい場合では、集光レンズが集光する領域すべてを撮像することはできず、特にスリットの長手方向について撮像可能な領域が制限されてしまうという問題がある。これに対し、駆動機構が互いに直交する３つの方向に分光撮像系を駆動するものとし、つまり、走査方向及び光軸方向に加えて、スリットの長手方向に分光撮像系を駆動するものとすることが望ましい。このようなものであれば、スリットの長手方向に撮像可能な領域を広げることができ、集光レンズが集光する領域すべてを撮像することも可能となる。この効果は、特に分光撮像系を小型化した場合に顕著である。その他、本発明は上記の各実施形態に限られず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、前述した種々の構成の一部又は全部を適宜組み合わせて構成してもよい。
【符号の説明】
【００５０】
１００・・・分光撮像装置
１０・・・集光レンズ
２０・・・分光撮像系
２１・・・遮光部材
２１ａ・・・スリット
２２・・・分光手段
２６・・・光検出手段
３０・・・駆動機構（焦点合わせ手段）
４１・・・画像取得部
Ｓ・・・被写体
Ａ１・・・撮像領域
Ａ２・・・焦点合わせ領域（狭い領域）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被写体からの光を分光して検出することにより、被写体の分光反射率、分光透過率及び分光放射輝度といった分光情報を記録した画像（以下、分光画像ともいう）を取得する分光撮像装置に関する。
【０００２】
この種の分光撮像装置として、被写体の画像を一度に取得するのではなく、あたかもスキャナで読み取るかのように、被写体のライン状領域の画像を順次取得して、被写体の画像を取得するものが考えられている（特許文献１）。
【０００３】
具体的に説明する。被写体からの光は、集光レンズによって集光される。集光された光のうち、被写体のライン状領域からの光が、遮光部材に形成されたスリットを通過して、分光手段で波長ごとに分光され、二次元イメージセンサに到達する。二次元イメージセンサは、分光された光の強度を、ライン状領域の長手方向の位置及び波長ごとに検出する。これにより、被写体のライン状領域の分光画像が取得される。
【０００４】
さらに、被写体を支持するステージが、光軸方向と直交する走査方向に１ライン分駆動した後、前記同様に被写体の別のライン状領域の分光画像が取得される。この動作を繰り返して、被写体の複数のライン状領域の分光画像が取得され、これら各ライン状領域の分光画像を合わせて被写体の分光画像が取得される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−２１６５３１号公報
【特許文献２】特開２００９−３９２８０号公報
【特許文献３】特開２００６−３２２７１０号公報
【発明の概要】
【０００６】
しかしながら、このような分光画像には、焦点合わせに非常に時間がかかるという問題がある。焦点を合わせるには、例えばレンズやスリット等の位置を調整し、その度に被写体の分光画像を取得して確認することが考えられる。しかしながら、上述したように、被写体の分光画像を取得するには、被写体のライン状領域の分光画像を順次取得する必要があり、時間がかかる。従って、焦点が合うまで被写体の分光画像を何枚も取得するとなると、非常に時間がかかってしまうのである。
【０００７】
本発明は、上記の問題を解決すべく図ったものであり、焦点合わせに要する時間を短縮できる分光撮像装置を提供することをその主たる所期課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
すなわち、本発明に係る分光撮像装置は、被写体からの光を集光する集光レンズと、当該集光レンズによって集光された光のうち、前記被写体のライン状領域からの光を通過させるスリットが形成された遮光部材と、当該スリットを通過した前記ライン状領域からの光を分光する分光手段と、当該分光手段によって分光された光の強度を、前記ライン状領域の長手方向の位置及び波長ごとに検出することにより、前記ライン状領域の画像を取得する光検出手段と、当該光検出手段から前記ライン状領域の画像を順次受け付けて、受け付けた前記各ライン状領域の画像を合わせた撮像領域の画像を取得する画像取得部とを具備するものであって、前記被写体に対する前記集光レンズ、前記スリット、前記分光手段又は前記光検出手段の光軸方向の相対距離を変更して、前記画像取得部が取得する前記撮像領域の画像の焦点を合わせる焦点合わせ手段をさらに具備し、前記画像取得部が、焦点を合わせようとする部分を含み前記被写体における前記撮像領域よりも狭い領域の画像を、前記相対距離を設定して取得し、前記狭い領域の画像の焦点が合うときの前記相対距離で、前記撮像領域の画像を取得するものであることを特徴とするものである。
【０００９】
このようなものであれば、画像取得部が、焦点を合わせようとする部分を含み被写体における撮像領域よりも狭い領域の画像を、前記相対距離を設定して取得し、当該狭い領域の画像の焦点が合うときの前記相対距離で、撮像領域の画像を取得するので、撮像領域全体の画像で焦点を合わせる場合よりも画像の取得に要する時間を短縮でき、焦点合わせに要する時間を短縮できる。また、画像のデータ量を低減することができ、その画像を処理する演算装置への負荷を抑制できる。本発明に係る分光撮像装置と特許文献１−３に記載の発明とを比較すると、少なくとも焦点合わせに要する時間を短縮する機構が設けられている点において、本発明に係る分光撮像装置は、特許文献１−３に記載の発明と全く異なる。
【００１０】
前記狭い領域を適切に設定して、確実に焦点を合わせるには、前記画像取得部が、前記相対距離を任意の距離とした状態で、前記被写体の一部又は全部の画像をプリ画像として取得するものであり、当該プリ画像に基づいて前記狭い領域が設定されるものが望ましい。
【００１１】
焦点が合っているかどうかを自動的に判別して、焦点合わせに要する時間をさらに短縮するには、前記画像取得部が、前記被写体における撮像領域よりも狭い領域の各画像上の距離に対する、光の強度の変化が最も急激であるときの前記相対距離を、前記狭い領域の画像の焦点が合うときの前記相対距離とするものが望ましい。
【００１２】
前記遮光部材、前記分光手段、及び前記光検出手段を有する分光撮像系をさらに具備し、前記焦点合わせ手段が、当該分光撮像系を光軸方向に駆動させて、前記被写体に対する前記分光撮像系の光軸方向の相対距離を変更するものであれば、特許文献２のように集光レンズとして焦点合わせ機能を有するレンズを用いる必要がなく、様々なレンズを用いることができる。また、特許文献１のように、被写体を支持するステージを駆動して、画像を撮像する撮像装置では、風景や重量物等のように、ステージに載せたり移動させたりすることが困難な被写体を撮像することが難しい。これに対し、このようなものであれば、様々な被写体を容易に撮像することができる。
【００１３】
この分光撮像装置の分光撮像方法もまた、本発明の一形態である。具体的にこの分光撮像方法は、被写体からの光を集光する集光レンズと、当該集光レンズによって集光された光のうち、前記被写体のライン状領域からの光を通過させるスリットが形成された遮光部材と、当該スリットを通過した前記ライン状領域からの光を分光する分光手段と、当該分光手段によって分光された光の強度を前記ライン状領域の長手方向の位置及び波長ごとに検出することにより、前記ライン状領域の画像を取得する光検出手段と、当該光検出手段から前記ライン状領域の画像を順次受け付けて、受け付けた前記各ライン状領域の画像を合わせた撮像領域の画像を取得する画像取得部とを具備する分光撮像装置の動作方法であって、前記被写体に対する前記集光レンズ、前記スリット、前記分光手段又は前記光検出手段の光軸方向の相対距離を変更して、前記画像取得部が取得する前記撮像領域の画像の焦点を合わせる焦点合わせステップと、前記画像取得部が、焦点を合わせようとする部分を含み前記被写体における前記撮像領域よりも狭い領域の画像を、前記相対距離を設定して取得し、前記狭い領域の画像の焦点が合うときの前記相対距離で、前記撮像領域の画像を取得する画像取得ステップとを具備することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１４】
上述した構成の本発明によれば、被写体の撮像領域よりも狭い領域の画像で、画像の焦点を合わせるので、焦点合わせに要する時間を短縮できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施形態における分光撮像装置の全体斜視図。
【図２】同実施形態における分光撮像装置を模式的に示す構成図。
【図３】同実施形態における分光撮像装置の動作を示すフローチャート。
【図４】同実施形態における分光撮像装置の動作を示すフローチャート。
【図５】同実施形態における分光撮像装置により取得された画像を示す図。
【図６】同実施形態における分光撮像装置により取得された画像及び各画像の光強度の変化を示す図。
【図７】他の実施形態における分光撮像装置を模式的に示す構成図。
【図８】さらに他の実施形態における分光撮像装置を模式的に示す構成図。
【図９】さらに他の実施形態における分光撮像装置を模式的に示す構成図。
【図１０】さらに他の実施形態における分光撮像装置により取得された画像を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明の一実施形態に係る分光撮像装置１００について、図面を参照して説明する。この分光撮像装置１００は、例えば果実の成熟度の測定、工業製品の検査、生体の病巣の分析、細胞や天体の分析等、種々の分光測定に用いられるものである。分光撮像装置１００は、図１、図２に示すように、集光レンズ１０と、分光撮像系２０と、駆動機構３０と、演算機構４０と、これら各部材を収容する概略直方体形状をなし遮光性材料からなる筺体５０とを具備する。
【００１７】
集光レンズ１０は、被写体Ｓと分光撮像系２０との間に設けられており、被写体Ｓが反射する光、被写体Ｓを透過する光及び被写体Ｓが発する光等の、被写体Ｓからの光を集光して分光撮像系２０に導くものである。ここでは集光レンズ１０を単一のレンズとしたが、複数のレンズを組み合わせて構成してもよい。
【００１８】
分光撮像系２０は、概略直方体形状をなし、被写体Ｓのライン状領域からのライン状の光を一度に分光して検出し、被写体Ｓのライン状領域の画像を取得するものである。分光撮像系２０は、筺体５０内の収容空間に収容されている。筺体５０内の収容空間は、後述する画像取得及び焦点合わせに支障がない程度に分光撮像系２０を駆動できるように、分光撮像系２０と比較して大きく設定されている。分光撮像系２０は、スリット２１ａが形成された遮光部材２１と、分光手段２２と、光検出手段２６とを有している。
【００１９】
遮光部材２１は、概略直方体形状をなし遮光性材料からなるケースである。遮光部材２１は、集光レンズ１０によって集光された光のうち、被写体Ｓのライン状領域からの光を通過させるスリット２１ａと、集光レンズ１０によって集光された光の他の部分及び迷光を遮光して、内部に収容した分光手段２２及び光検出手段２６に入射しないようにする遮光壁２１ｂとを有する。スリット２１ａは、集光レンズ１０によって光が集光する位置に配置された細長い矩形状の孔である。スリット２１ａは被写体Ｓからの光の光軸と直交する方向に所定長さ延びており、また光軸及びスリット２１ａの長手方向と直交する方向（以下、走査方向ともいう）に所定幅開口している。
【００２０】
分光手段２２は、スリット２１ａを通過した光を分光して波長ごとに集光するものである。具体的にこの分光手段２２は、スリット２１ａを通過した光を平行化する平行化レンズ２３と、平行化された光を分光する回折格子２４と、分光された光を波長ごとに集光して光検出手段２６の受光面に結像させる結像レンズ２５とを有する。この結像レンズ２５は、スリット２１ａの長手方向と直交する方向（以下、波長方向ともいう）に沿って、波長の短い光から波長の長い光をそれぞれ集光する。
【００２１】
光検出手段２６は、分光手段２２によって分光された光の強度を、ライン状領域の長手方向の位置及び波長ごとに検出することにより、ライン状領域の画像を取得するものである。具体的にこの光検出手段２６は、光検出素子を平面状に並べた２次元イメージセンサであり、ここではＣＣＤイメージセンサとしたが、ＣＭＯＳイメージセンサや、近赤外領域の光の検出に適したＩｎＧａＡｓイメージセンサ等であってもよい。光検出手段２６の受光面は、波長方向及びスリット２１ａの長手方向に沿って配置されている。そして、異なる波長の光が、波長方向に沿ってそれぞれ異なる光検出素子に入射するようにしてある。また、被写体Ｓのライン状領域における異なる位置からの光が、波長方向に沿ってそれぞれ異なる光検出素子に入射するようにしてある。
【００２２】
駆動機構３０は、分光撮像系２０を走査方向及び光軸方向に駆動するものであり、ここではアクチュエータである。駆動機構３０は、分光撮像系２０を光軸方向に駆動することにより、被写体Ｓに対する分光撮像系２０の光軸方向の相対距離を変更して、被写体Ｓの画像の焦点を合わせる焦点合わせ手段として機能する。駆動機構３０を用いた焦点合わせについては後述する。
【００２３】
演算機構４０は、汎用又は専用のコンピュータであり、メモリに所定のプログラムを格納し、当該プログラムに従ってＣＰＵがその周辺機器を協働動作させることによって、画像取得部４１としての機能を発揮する。この画像取得部４１には、分光画像を、例えば数値、グラフ又は波長ごとの画像として、あるいは分光画像から変換されたＲＧＢ画像として表示する表示部４２たるディスプレイが接続されている。
【００２４】
画像取得部４１は、光検出手段２６から被写体Ｓのライン状領域の画像を順次受け付けて、受け付けた各ライン状領域の画像を合わせた撮像領域Ａ１の画像を取得するものである。より詳しくは、画像取得部４１が、光検出手段２６から１の被写体Ｓのライン状領域の画像を受け付けて、メモリ（図示しない）に格納する。次に、画像取得部４１が駆動機構３０に制御信号を送信し、駆動機構３０が分光撮像系２０を走査方向に１又は複数のライン分駆動した後、画像取得部４１が別のライン状領域の画像を受け付けて、メモリに格納する。この動作を繰り返して、被写体Ｓの複数のライン状領域の画像が取得され、撮像領域Ａ１の画像が取得される。
【００２５】
しかして、本実施形態では、画像取得部４１が、焦点を合わせる機能を有している。画像取得部４１は、被写体Ｓの撮像領域Ａ１全ての画像で焦点を合わせるのではなく、焦点を合わせようとする部分を含み被写体Ｓにおける撮像領域Ａ１よりも狭い領域である焦点合わせ領域Ａ２の画像を用いて、焦点を合わせるものである。画像取得部４１は、被写体Ｓに対する分光撮像系２０の光軸方向の相対距離を設定して、焦点合わせ領域Ａ２の画像を１又は複数取得し、焦点合わせ領域Ａ２の画像の焦点が合うときの前記相対距離で、撮像領域Ａ１の画像を取得する。
【００２６】
画像取得部４１の動作説明を兼ねて、図３、４のフローチャート及び図５、６に示す画像を参照して、分光撮像装置１００の動作を説明する。ここでは、分光撮像系２０の光軸方向の位置Ｌが、０からＬｔまで駆動可能であるとして説明する。まず、図３に示すように、画像取得部４１が、分光撮像系２０を任意の位置（ここでは分光撮像系２０の駆動可能範囲における中央位置Ｌｔ／２）に配置する（Ｓ１）。次に、被写体Ｓの一部の画像（ここでは、被写体Ｓにおけるライン状領域と平行なストライプ状の領域の画像）を、プリ画像として取得して表示部４２に表示する（Ｓ２、図５Ａ）。ここでは、画像取得部４１は、取得した画像からＲＧＢ３波長における画像を抜き出し、ＲＧＢ画像を合成して表示部４２に表示する。ユーザは、プリ画像で被写体Ｓの全体像を確認し、焦点を合わせようとする焦点合わせ領域Ａ２を設定する（Ｓ３、図５Ｂ）。
【００２７】
焦点合わせ領域Ａ２の入力を受け付けると、画像取得部４１は、分光撮像系２０を被写体Ｓに最も近い開始位置に配置し（Ｓ４）、焦点合わせ領域Ａ２の一部の画像（ここでは、焦点合わせ領域Ａ２のうち、プリ画像として画像を取得した領域の画像)を取得し、メモリに格納する（Ｓ５、図５Ｃ）。続いて、画像取得部４１は、分光撮像系２０を予め定められた第１ステップ幅（ここではＬｔ／ｎ）だけ、被写体Ｓから離間する方向に駆動した後（Ｓ６）、同様に焦点合わせ領域Ａ２の一部の画像を取得して格納する。これを繰り返して、分光撮像系２０が被写体Ｓから最も遠い終了位置までくると（Ｓ７）、画像の取得は一旦終了する。
【００２８】
画像取得部４１は、取得した各焦点合わせ領域Ａ２の一部の画像を比較して、最も焦点が合っている画像を選び出し、その画像を取得したときの分光撮像系２０の光軸方向の位置を、大まかに焦点が合う位置である粗焦点位置として算出する（Ｓ８）。ここでは、画像取得部４１が、各焦点合わせ領域Ａ２の一部の画像について、画像上の距離に対する光の強度の変化を算出し、その変化が最も急激であるときの分光撮像系２０の光軸方向の位置を、粗焦点位置として算出する。
【００２９】
具体的に説明する。画像取得部４１は、取得した各焦点合わせ領域Ａ２の一部の画像から、任意の画像（ここでは、分光撮像系２０の駆動した範囲における中央位置（Ｌｔ／２）での画像）を選び、その画像の各ライン状領域から、光強度の変化幅が最も大きいものを抽出する。画像取得部４１は、抽出されたライン状領域の画像について、光強度が最大値となる座標近傍での、光の強度の変化を算出する（図６）。同様に、画像取得部４１は、他の各焦点合わせ領域Ａ２の一部の画像における、同一座標近傍での光の強度の変化をそれぞれ算出する。画像取得部４１は、それらの変化を比較して、変化を示す波形が最も矩形波に近い形状であり、つまり変化が最も急激であるときの画像（ここでは、図６Ｃ）を取得したときの、分光撮像系２０の位置（ここではＬ＝２Ｌｔ／ｎ）を、粗焦点位置として算出する。
【００３０】
さらに、図４に示すように、画像取得部４１は、分光撮像系２０を、粗焦点位置よりも第１ステップ幅だけ被写体Ｓに近い位置から、粗焦点位置よりも第１ステップ幅だけ被写体Ｓから遠い位置まで、移動させながら、同様に焦点合わせ領域Ａ２の一部の画像を取得して格納する（Ｓ９〜Ｓ１２、図５Ｃ）。このとき、画像取得部４１は、分光撮像系２０を第１ステップ幅（Ｌｔ／ｎ）よりも短い第２ステップ幅ずつ（Ｌｔ／（ｎ×ｍ））移動させながら、画像を取得するので、より細かく焦点を合わせることができる。なお、粗焦点位置が開始位置である場合には、分光撮像系２０の駆動する範囲を、開始位置から、第１ステップ幅だけ被写体Ｓよりも遠い位置までとする（０＜Ｌ＜Ｌｔ／ｎ）。また、粗焦点位置が終了位置である場合には、分光撮像系２０の駆動する範囲を、終了位置から第１ステップ幅だけ被写体Ｓに近い位置から、終了位置までとする（Ｌｔ（ｎ−１）／ｎ＜Ｌ＜Ｌｔ）。焦点合わせ領域Ａ２の一部の画像の取得が終了すると、Ｓ８での手順と同様に、画像取得部４１は、各焦点合わせ領域Ａ２の一部の画像に基づいて、粗焦点位置よりも精度よく焦点が合う位置である高精度焦点位置を算出する（Ｓ１３）。
【００３１】
画像取得部４１は、分光撮像系２０を高精度焦点位置に配置して（Ｓ１４）、焦点合わせ領域Ａ２全ての画像を取得して、表示部４２に表示する（Ｓ１５、図５Ｄ）。ユーザは、表示された画像の焦点が合っているかどうかを確認する（Ｓ１６）。表示された画像の焦点が合っている場合には、画像取得部４１は被写体Ｓの撮像領域Ａ１全ての画像（ここでは被写体Ｓ全ての画像）を取得し、分光撮像装置の画像取得フローが終了する（Ｓ１７、図５Ｅ）。このとき、集光レンズ１０によって光が集光する位置と、スリット２１ａの位置とが略一致しているとともに、分光手段２２の結像レンズ２５によって光が集光する位置と、光検出手段２６の受光面とが略一致している。
【００３２】
表示された画像の焦点が合っていない場合には、マニュアルモードに入る。ユーザが、入力インターフェースたる入力バー（図示しない）を操作することにより、分光撮像系２０の位置を入力すると（Ｓ１８）、画像取得部４１は、分光撮像系２０を入力された位置に配置して、焦点合わせ領域Ａ２の一部の画像を取得して表示する（Ｓ１９）。表示された画像の焦点が合っていなければ、再びユーザが分光撮像系２０の位置を設定して、焦点合わせ領域Ａ２の一部の画像を取得する。表示された画像の焦点が合っていれば、画像取得部４１は被写体Ｓの撮像領域Ａ１全ての画像を取得し、画像取得フローが終了する（Ｓ１７）。
【００３３】
本実施形態の分光撮像装置１００によれば、画像取得部４１が、焦点を合わせようとする部分を含み被写体Ｓにおける撮像領域Ａ１よりも狭い焦点合わせ領域Ａ２の画像を、前記相対距離を設定して取得し、当該焦点合わせ領域Ａ２の画像の焦点が合うときの前記相対距離で、撮像領域Ａ１の画像を取得するので、撮像領域Ａ１全体の画像で焦点を合わせる場合よりも画像の取得に要する時間を短縮でき、焦点合わせに要する時間を短縮できる。また、画像のデータ量を低減することができ、その画像を処理する演算機構４０への負荷を抑制できる。
【００３４】
さらに、粗く焦点位置の見当をつけてから、細かく焦点位置を探すようにして、複数段階で画像の焦点を合わせているので、１段階で画像の焦点を合わせる場合と比較して、より少ない枚数の画像で精度良く焦点を合わせることができる。
【００３５】
なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。例えば、分光手段２２は回折格子２４を用いたものに限られない。例えば、プリズム２７を用いた分光手段２２（図７）や、回折格子２８ａ及びプリズム２８ｂを組み合わせた光学部材２８を用いた分光手段２２を用いてもよい。この光学部材２８としては、例えば、図８に示すように、グリズムとも呼ばれる、２つのプリズム２８ｂの間に回折格子２８ａを組み合わせたものがある。これにより、光学部材２８から射出される光の光軸が屈折することなく、元の光軸に沿って進むようにしてある。また、透過型の分光手段２２ではなく、２つの凹面鏡２９及び回折格子２４を用いた分光手段２２のような、反射型の分光手段２２を用いてもよい（図９）。また、収差を低減するためには、凹面鏡ではなく放物面鏡等を用いることが好ましい。
【００３６】
前記実施形態では、焦点合わせ領域の画像の焦点を合わせるときに、画像取得部が、各焦点合わせ領域の一部の画像における、１の座標近傍での光の強度の変化をそれぞれ算出して、それら変化を比較するようにしたが、これに限られるものではない。例えば、画像取得部が、複数の座標近傍での光の強度の変化を示す値を算出して、それらの値を比較してもよい。複数の座標は、焦点合わせ領域の一部の画像における、同一のライン状領域の画像から選択してもよいし、異なるライン状領域の画像から選択してもよい。また、変化を示す値を比較するときには、各座標における光強度の変化を示す値の平均値を用いてもよいし、座標の重要度ごとに適宜重み付けした値を用いてもよい。
【００３７】
また、画像取得部は、ライン状領域と平行な画像上の距離に対する光の強度の変化ではなく、ライン状領域に対して斜め又は直交する画像上の距離に対する光の強度の変化を算出するようにしてもよい。
【００３８】
さらに、画像取得部は、所定波長での光の強度の変化を算出するようにしてもよいし、複数波長での光の強度の合計値の変化を算出するようにしてもよい。
【００３９】
加えて言えば、画像取得部は、焦点合わせ領域の画像を取得したときの分光撮像系の位置（Ｌ＝０、Ｌｔ／ｎ、２Ｌｔ／ｎ、３Ｌｔ／ｎ、・・・、Ｌｔ）の中から、粗焦点位置又は高精度焦点位置を選択するのではなく、それら各位置の間にある位置（例えばＬ＝２．１３Ｌｔ／ｎなど）を、光の強度の変化を示す値から粗焦点位置又は高精度焦点位置として算出するようにしてもよい。
【００４０】
焦点位置を算出する際に、画像取得部は、焦点合わせ領域の一部の画像として、焦点合わせ領域の複数のライン状領域の画像を取得したが、焦点合わせ領域の１のライン状領域の画像のみを取得するようにしてもよい。また、焦点位置を算出する際に、画像取得部が、焦点合わせ領域全ての画像を取得するようにしてもよい。
【００４１】
参照位置を算出する際、画像取得部は、分光撮像系を被写体から離れる方向に駆動するようにしたが、近づく方向に駆動するようにしてもよい。
【００４２】
画像取得部は、粗焦点位置及び高精度焦点位置を算出することにより、２段階で画像の焦点を合わせるようにしたが、３以上の複数段階や１段階で焦点を合わせるようにしてもよい。
【００４３】
表示された画像の焦点が十分に合っていない場合には、画像取得部はマニュアルモードに入るようにしたが、第２ステップ幅よりもさらに短いステップ幅で分光撮像系を駆動したり、分光撮像系の駆動範囲を変更又は広げたりして、焦点合わせ領域の画像を取得し、焦点位置を算出するようにしてもよい。
【００４４】
実施形態では、被写体Ｓの全ての領域を撮像領域Ａ１としたが、撮像領域Ａ１を被写体Ｓの一部の領域としてもよい。例えば、図１０に示すように、被写体Ｓであるリンゴの果皮の一部を撮像領域Ａ１として、リンゴの軸部を焦点合わせ領域Ａ２としてもよい。このとき、焦点合わせ領域Ａ２は、撮像領域Ａ１外に設定してもよいし、撮像領域Ａ１内に設定してもよいし、撮像領域Ａ１内から撮像領域Ａ１外にかけて設定してもよい。要は、焦点合わせ領域Ａ２が、撮像領域Ａ１の焦点を合わせようとする部分、又は焦点を合わせようとする部分と光軸方向の位置が略一致する部分を含んでいるとともに、撮像領域Ａ１よりも狭い領域であればよい。
【００４５】
前記実施形態では、駆動機構が分光撮像系を駆動するようにしたが、集光レンズや被写体を支持するステージを駆動することにより、被写体に対する集光レンズ、スリット、分光手段、又は／及び光検出手段の光軸方向の相対位置を変更するようにしてもよい。
【００４６】
例えば、被写体が白い紙のような色や明るさの差が乏しいものである場合、白黒の棒のような、色や明るさの差が大きい焦点合わせ補助部材を、被写体近傍に配置したり、被写体を支持するステージに設けたりすることが望ましい。
【００４７】
前記筐体に、集光レンズを交換可能に保持するレンズ保持部を設けてもよい。このようなものであれば、例えば森林の風景の分光画像と、その森林から採取した葉の分光画像とを同一の分光撮像装置１００で取得することができ、分光撮像装置の個体差による誤差を低減することができる。このとき、マクロ撮像用のレンズとスリットとの距離（例えば２０ｍｍ）よりも、ミクロ撮像用のレンズとスリットとの距離（例えば１５０ｍｍ）を大きく設定することが望ましい。
【００４８】
画像取得部は、プリ画像として、被写体の一部の画像を取得するようにしたが、被写体全ての画像を取得するようにしてもよい。また、ユーザがプリ画像を確認して焦点合わせ領域を設定するのではなく、プリ画像の中央領域等が焦点合わせ領域として自動的に設定されるようにしてもよい。
【００４９】
さらに、スリットの長さと比較して、集光レンズのレンズ径が大きい場合では、集光レンズが集光する領域すべてを撮像することはできず、特にスリットの長手方向について撮像可能な領域が制限されてしまうという問題がある。これに対し、駆動機構が互いに直交する３つの方向に分光撮像系を駆動するものとし、つまり、走査方向及び光軸方向に加えて、スリットの長手方向に分光撮像系を駆動するものとすることが望ましい。このようなものであれば、スリットの長手方向に撮像可能な領域を広げることができ、集光レンズが集光する領域すべてを撮像することも可能となる。この効果は、特に分光撮像系を小型化した場合に顕著である。その他、本発明は上記の各実施形態に限られず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、前述した種々の構成の一部又は全部を適宜組み合わせて構成してもよい。
【符号の説明】
【００５０】
１００・・・分光撮像装置
１０・・・集光レンズ
２０・・・分光撮像系
２１・・・遮光部材
２１ａ・・・スリット
２２・・・分光手段
２６・・・光検出手段
３０・・・駆動機構（焦点合わせ手段）
４１・・・画像取得部
Ｓ・・・被写体
Ａ１・・・撮像領域
Ａ２・・・焦点合わせ領域（狭い領域）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被写体からの光を集光する集光レンズと、当該集光レンズによって集光された光のうち、前記被写体のライン状領域からの光を通過させるスリットが形成された遮光部材と、当該スリットを通過した前記ライン状領域からの光を分光する分光手段と、当該分光手段によって分光された光の強度を、前記ライン状領域の長手方向の位置及び波長ごとに検出することにより、前記ライン状領域の画像を取得する光検出手段と、当該光検出手段から前記ライン状領域の画像を順次受け付けて、受け付けた前記各ライン状領域の画像を合わせた撮像領域の画像を取得する画像取得部とを具備するものであって、
前記被写体に対する前記集光レンズ、前記スリット、前記分光手段又は前記光検出手段の光軸方向の相対距離を変更して、前記画像取得部が取得する前記撮像領域の画像の焦点を合わせる焦点合わせ手段をさらに具備し、
前記画像取得部が、焦点を合わせようとする部分を含み前記被写体における前記撮像領域よりも狭い領域の画像を、前記相対距離を設定して取得し、前記狭い領域の画像の焦点が合うときの前記相対距離で、前記撮像領域の画像を取得するものであることを特徴とする分光撮像装置。
【請求項２】
前記画像取得部が、前記相対距離を任意の距離とした状態で、前記被写体の一部又は全部の画像をプリ画像として取得するものであり、当該プリ画像に基づいて前記狭い領域が設定される請求項１記載の分光撮像装置。
【請求項３】
前記画像取得部が、前記各狭い領域の画像上の距離に対する、光の強度の変化が最も急激であるときの前記相対距離を、前記狭い領域の画像の焦点が合うときの前記相対距離とする請求項１又は２記載の分光撮像装置。
【請求項４】
前記遮光部材、前記分光手段、及び前記光検出手段を有する分光撮像系をさらに具備し、前記焦点合わせ手段が、当該分光撮像系を光軸方向に駆動させて、前記被写体に対する前記分光撮像系の光軸方向の相対距離を変更するものである請求項１乃至３いずれかに記載の分光撮像装置。
【請求項５】
前記集光レンズを、交換可能に保持するレンズ保持部をさらに具備する請求項１乃至４いずれかに記載の分光撮像装置。
【請求項６】
被写体からの光を集光する集光レンズと、当該集光レンズによって集光された光のうち、前記被写体のライン状領域からの光を通過させるスリットが形成された遮光部材と、当該スリットを通過した前記ライン状領域からの光を分光する分光手段と、当該分光手段によって分光された光の強度を前記ライン状領域の長手方向の位置及び波長ごとに検出することにより、前記ライン状領域の画像を取得する光検出手段と、当該光検出手段から前記ライン状領域の画像を順次受け付けて、受け付けた前記各ライン状領域の画像を合わせた撮像領域の画像を取得する画像取得部とを具備する分光撮像装置の動作方法であって、
前記被写体に対する前記集光レンズ、前記スリット、前記分光手段又は前記光検出手段の光軸方向の相対距離を変更して、前記画像取得部が取得する前記撮像領域の画像の焦点を合わせる焦点合わせステップと、
前記画像取得部が、焦点を合わせようとする部分を含み前記被写体における前記撮像領域よりも狭い領域の画像を、前記相対距離を設定して取得し、前記狭い領域の画像の焦点が合うときの前記相対距離で、前記撮像領域の画像を取得する画像取得ステップとを具備することを特徴とする分光撮像方法。
【請求項１】
被写体からの光を集光する集光レンズと、当該集光レンズによって集光された光のうち、前記被写体のライン状領域からの光を通過させるスリットが形成された遮光部材と、当該スリットを通過した前記ライン状領域からの光を分光する分光手段と、当該分光手段によって分光された光の強度を、前記ライン状領域の長手方向の位置及び波長ごとに検出することにより、前記ライン状領域の画像を取得する光検出手段と、当該光検出手段から前記ライン状領域の画像を順次受け付けて、受け付けた前記各ライン状領域の画像を合わせた撮像領域の画像を取得する画像取得部とを具備するものであって、
前記被写体に対する前記集光レンズ、前記スリット、前記分光手段又は前記光検出手段の光軸方向の相対距離を変更して、前記画像取得部が取得する前記撮像領域の画像の焦点を合わせる焦点合わせ手段をさらに具備し、
前記画像取得部が、焦点を合わせようとする部分を含み前記被写体における前記撮像領域よりも狭い領域の画像を、前記相対距離を設定して取得し、前記狭い領域の画像の焦点が合うときの前記相対距離で、前記撮像領域の画像を取得するものであることを特徴とする分光撮像装置。
【請求項２】
前記画像取得部が、前記相対距離を任意の距離とした状態で、前記被写体の一部又は全部の画像をプリ画像として取得するものであり、当該プリ画像に基づいて前記狭い領域が設定される請求項１記載の分光撮像装置。
【請求項３】
前記画像取得部が、前記各狭い領域の画像上の距離に対する、光の強度の変化が最も急激であるときの前記相対距離を、前記狭い領域の画像の焦点が合うときの前記相対距離とする請求項１又は２記載の分光撮像装置。
【請求項４】
前記遮光部材、前記分光手段、及び前記光検出手段を有する分光撮像系をさらに具備し、前記焦点合わせ手段が、当該分光撮像系を光軸方向に駆動させて、前記被写体に対する前記分光撮像系の光軸方向の相対距離を変更するものである請求項１乃至３いずれかに記載の分光撮像装置。
【請求項５】
前記集光レンズを、交換可能に保持するレンズ保持部をさらに具備する請求項１乃至４いずれかに記載の分光撮像装置。
【請求項６】
被写体からの光を集光する集光レンズと、当該集光レンズによって集光された光のうち、前記被写体のライン状領域からの光を通過させるスリットが形成された遮光部材と、当該スリットを通過した前記ライン状領域からの光を分光する分光手段と、当該分光手段によって分光された光の強度を前記ライン状領域の長手方向の位置及び波長ごとに検出することにより、前記ライン状領域の画像を取得する光検出手段と、当該光検出手段から前記ライン状領域の画像を順次受け付けて、受け付けた前記各ライン状領域の画像を合わせた撮像領域の画像を取得する画像取得部とを具備する分光撮像装置の動作方法であって、
前記被写体に対する前記集光レンズ、前記スリット、前記分光手段又は前記光検出手段の光軸方向の相対距離を変更して、前記画像取得部が取得する前記撮像領域の画像の焦点を合わせる焦点合わせステップと、
前記画像取得部が、焦点を合わせようとする部分を含み前記被写体における前記撮像領域よりも狭い領域の画像を、前記相対距離を設定して取得し、前記狭い領域の画像の焦点が合うときの前記相対距離で、前記撮像領域の画像を取得する画像取得ステップとを具備することを特徴とする分光撮像方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１３−２４６３７（Ｐ２０１３−２４６３７Ａ）
【公開日】平成２５年２月４日（２０１３．２．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１５７８２２（Ｐ２０１１−１５７８２２）
【出願日】平成２３年７月１９日（２０１１．７．１９）
【出願人】（５０５１２５９４５）学校法人光産業創成大学院大学 (49)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年２月４日（２０１３．２．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月１９日（２０１１．７．１９）
【出願人】（５０５１２５９４５）学校法人光産業創成大学院大学 (49)
【Ｆターム（参考）】
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