多波長蛍光計測装置及び対象物識別方法
【課題】広い範囲の対象物に対して高い識別性をもつ小型の多波長蛍光計測装置を得る。
【解決手段】海面１００上の漂流物２００にこのレーザー光１２が照射されると、漂流物２００の表面でこのレーザー光１２が反射された反射光１３の他に、漂流物２００の表面を構成する物質は、蛍光１４を発する。光電子増倍管２１ａ〜２１ｃは、各々がフィルター２２ａ〜２２ｄ、受光光学系２３ａ〜２３ｄを介して蛍光１４を受光し、これを電気信号として出力する。この４つのフィルター２２ａ〜２２ｄとしては、帯域の中心をそれぞれ４００ｎｍ、４５０ｎｍ、５００ｎｍ、５５０ｎｍとし、その半値幅を４０ｎｍ以上とした広帯域のフィルターが用いられている。
【解決手段】海面１００上の漂流物２００にこのレーザー光１２が照射されると、漂流物２００の表面でこのレーザー光１２が反射された反射光１３の他に、漂流物２００の表面を構成する物質は、蛍光１４を発する。光電子増倍管２１ａ〜２１ｃは、各々がフィルター２２ａ〜２２ｄ、受光光学系２３ａ〜２３ｄを介して蛍光１４を受光し、これを電気信号として出力する。この４つのフィルター２２ａ〜２２ｄとしては、帯域の中心をそれぞれ４００ｎｍ、４５０ｎｍ、５００ｎｍ、５５０ｎｍとし、その半値幅を４０ｎｍ以上とした広帯域のフィルターが用いられている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザー光を対象物に照射して対象物から発せられた多数の波長帯域の光を検出することによって対象物の検出を行う多波長蛍光計測装置、及びこれを用いた対象物識別方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のレーダーでは、電波を対象物に照射し、対象物から散乱、反射されて戻ってくる電磁波から対象物の情報を得る。この電波の代わりにレーザー光を用いて同様の計測を行う技術はレーザーレーダー（ライダー：ＬＩＤＡＲ（Ｌｉｇｈｔ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｒａｎｇｉｎｇ））として知られている。
【０００３】
レーザー光は空気中、水中を問わず伝搬するため、ライダー技術は、特に海洋観測等に有効に利用されており、単に対象物までの距離を測定するだけでなく、対象物に関する様々な情報が得られる。例えば、特許文献１には、パルス形状のレーザー光を空中から海面に照射し、反射光や散乱光及び蛍光をマイクロチャンネルプレートで受光するタイミングを制御して画像を得る技術が記載されている。この技術においては、海面からの反射光や、海中深度に対応する散乱光及び蛍光を同時に測定することができるため、海水中の懸濁物やプランクトンの濃度を測定することができる。
【０００４】
ここで、この蛍光は、海面あるいは海中においてレーザー光に照射された物体が発する、レーザー光とは異なった波長の光である。この蛍光の波長は、この物体（物質）に固有のものとなるため、この蛍光のスペクトルを分析することによって、この物質を同定することが可能である。ただし、このスペクトルを分析するためには分光器等、大型の設備が必要となる。一方で、こうしたライダー装置は、例えばヘリコプター等に搭載して用いられる場合が多いため、装置全体を小型化、軽量化することが必要である。
【０００５】
このため、特許文献２には、単一のレーザー発振器を用い、複数の種類のフィルターを用いて複数の波長域の蛍光を同時に受光するライダー装置が記載されている。ここでは、レーザー発振器の発する特定の波長（例えば３５５ｎｍ）の光を空中から海面に照射し、複数のフィルターに対応した複数の光電子増倍管で同時に蛍光を受光する。フィルターと光電子増倍管は例えば４組用いることができ、どちらも大型の機器ではないために、ライダー装置全体を小型、軽量とすることが可能である。この際、例えば４種類のうちの一つとして、３５５ｎｍの波長の光が水ラマン散乱を受けた光として、４０５ｎｍの波長の光を受光するようにすることができる。この場合、４０５ｎｍの波長における強度を水（海水）に起因したものと考えることができるため、他の３種類の光強度の基準として、この水ラマン散乱の光強度を使用することができる。他の３種類の光強度の比率から、この蛍光を発した物質の種類を推定することができるため、例えば油が漂流していることを検知することができる。
【０００６】
また、光電子増倍管の代わりに、イメージインテンシファイアとＣＣＤカメラを組み合わせて用いれば、各波長域に対応した２次元蛍光画像を得ることができる。これにより、例えば油が漂流している分布を可視化することも可能である。イメージインテンシファイアやＣＣＤも大型の機器ではないために、この場合においてもライダー装置全体を小型、軽量とすることが可能である。
【０００７】
このように、レーザー発振器と、複数の波長域で蛍光を同時に受光できる受光装置を用いることにより、対象物を識別する能力の高い、小型、軽量のライダー装置を得ることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平４−６９５４６号公報
【特許文献２】特許第３４５３５９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上記の構成のライダー装置は、漂流する油等に対しては有効であったが、その他の対象物（漂流物）、例えば救命具や小型船舶等に対する識別性は必ずしも高くなかった。
【００１０】
すなわち、広い範囲の対象物に対して高い識別性をもつ小型の多波長蛍光計測装置を得ることは困難であった。
【００１１】
本発明は、斯かる問題点に鑑みてなされたものであり、上記問題点を解決する発明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】
【００１２】
本発明は、上記課題を解決すべく、以下に掲げる構成とした。
本発明の請求項１に係る多波長蛍光計測装置は、レーザー光を対象物の側に向かって照射し、前記対象物の側から戻る前記レーザー光と異なる波長をもつ光を受光することによって前記対象物を検出する多波長蛍光計測装置であって、前記レーザー光を発振するレーザー光照射部と、各々がフィルターで制限された波長帯域の前記レーザー光と異なる波長の光を同時に受光する４つ以上の受光部と、前記４つ以上の受光部のうちの１つの受光部の出力に対する他の受光部のそれぞれの出力の比率を算出することによって前記対象物を検出する算出部と、を具備し、前記４つ以上の受光部における各フィルターの透過波長帯域は、中心波長が異なる４つ以上の帯域であり、当該４つの帯域において隣接するいずれの帯域同士においても端部で重複部分が存在する、ことを特徴とする。
この発明においては、レーザー光とは異なる波長をもち、対象物の側から発せられた光が４つ以上の受光部で同時に検出される。このうち、１つの受光部の出力に対する他の受光部の出力の比率を用いた出力が、この多波長蛍光計測装置からなされる。
本発明の請求項２に係る多波長蛍光計測装置は、前記レーザー光照射部における発振タイミングと、前記受光部における検出タイミングが同期して行われることを特徴とする。
この発明においては、レーザー光の発振と光検出とが同期して行われる。ここで、同期とは、必ずしも同時ではなく、例えばレーザー光の発振から一定時間経過後に光検出を行う場合も含む。
本発明の請求項３に係る多波長蛍光計測装置において、前記受光部は、イメージインテンシファイアと半導体撮像素子とで構成されたことを特徴とする。
この発明においては、各受光部において、ＣＣＤの半導体撮像素子が光を検出する。この際、微弱な光信号を増倍するために、イメージインテンシファイアが用いられる。
【００１３】
本発明の請求項４に係る多波長蛍光計測装置において、前記対象物は、水上あるいは水中に存在し、前記１つの受光部は、前記レーザー光の水によるラマン散乱光を検出することを特徴とする。
この発明においては、特に水上あるいは水中に存在する対象物を検出する際に、１つの受光部が水のラマン散乱光を検出し、この出力が他の受光部の出力の参照値として用いられる。
本発明の請求項５に係る多波長蛍光計測装置は、前記受光部を４つ具備し、前記レーザー光の波長は３５０〜３７０ｎｍの範囲であり、前記４つの受光部における各フィルターの透過波長帯域は、それぞれ４００ｎｍ、４５０ｎｍ、５００ｎｍ、５５０ｎｍを中心波長とし、それぞれの半値幅を４０ｎｍ以上としたことを特徴とする。
この発明においては、この範囲内のレーザー光の発振波長に応じて、この４つの透過波長帯域をもったフィルターが各受光部で用いられる。
本発明の請求項６に係る多波長蛍光計測装置において、前記算出部は、前記１つの受光部の出力に対する他の３つの受光部のそれぞれの出力の比率をそれぞれＲＧＢ値に換算し、色信号として出力することを特徴とする。
この発明においては、１つの受光部の出力に対する他の３つの受光部のそれぞれの出力の比率が、それぞれＲＧＢのＲ（赤色）信号強度、Ｇ（緑色）信号強度、Ｂ（青色）信号強度に変換して出力される。
本発明の請求項７に係る多波長蛍光計測装置において、前記算出部は、前記１つの受光部の出力をＩ０、前記他の３つの受光部のそれぞれの出力をＩ１、Ｉ２、Ｉ３とし、（Ｉ１÷Ｉ０）ｍａｘ、（Ｉ２÷Ｉ０）ｍａｘ、（Ｉ３÷Ｉ０）ｍａｘをそれぞれ測定データにおける（Ｉ１÷Ｉ０）の最大値、（Ｉ２÷Ｉ０）の最大値、（Ｉ３÷Ｉ０）の最大値として、ＲＧＢの各信号強度を以下の式で算出することを特徴とする。
【数１】
この発明においては、Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３がＩ０を用いてそれぞれ２５６階調のＲＧＢ信号に変換されて出力される。
【００１４】
本発明の請求項８に係る対象物識別方法は、前記多波長蛍光計測装置を用いて予め特定物質の色信号を測定し、対象物を識別することを特徴とする。
この発明においては、予め特定物質に対応する色信号が作成され、これを用いて、前記の多波長蛍光計測装置によって対象物の識別が行われる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の多波長蛍光計測装置は以上のように構成されているので、装置を小型とし、かつ広い範囲の対象物に対して高い識別性をもつ。すなわち、蛍光強度の極めて弱い対象物に対して、重複部分が存在するように設定された４つ以上の広帯域のフィルターを用いることにより、極めて弱い蛍光を抜けなく積分でき、今まで検出が不可能であった蛍光強度の極めて弱い対象物の検出を可能とし、また識別できるものである。
この際、レーザー光照射部における発振タイミングと、受光部における検出タイミングを同期させれば、蛍光の検出効率が高くなるため、更に高い識別性を得ることができる。
また、受光部に、イメージインテンシファイアと半導体撮像素子を用いれば、発散したレーザー光を用いた場合でも対象物に対する２次元データを得ることができる。
また、１つの受光部で水によるラマン散乱光を検出するようなフィルターの設定とすれば、この出力を参照値として用いることができるため、特に水上又は水中の対象物に対する識別性が高くなる。
また、レーザー光の波長を３５０〜３７０ｎｍの範囲とし、４つの受光部における各フィルターの透過波長帯域において、４００ｎｍ、４５０ｎｍ、５００ｎｍ、５５０ｎｍをそれぞれの中心波長とし、それぞれの半値幅を４０ｎｍ以上とした場合には、実際に存在する固形形状の水上又は水中の対象物に特に広く対応することが可能である。
また、１つの受光部の出力に対する他の３つの受光部のそれぞれの出力の比率をそれぞれＲＧＢ値に換算して、色信号として出力した場合には、利用者にとって特に容易にその識別が可能となる。この際、（Ｉ１÷Ｉ０）ｍａｘ、（Ｉ２÷Ｉ０）ｍａｘ、（Ｉ３÷Ｉ０）ｍａｘを用いた場合には、常にこの色信号の作成が適正に行われる。
また、予め特定物質の色信号を測定しておけば、これを用いて対象物を識別することが特に容易となる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施の形態となる多波長蛍光計測装置の構成を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態となる多波長蛍光計測装置において用いられる４つのフィルターの透過スペクトルを示す図である。
【図３】液状物質の蛍光スペクトルの一例を示す図である。
【図４】漂流物として存在する場合が多い固形物体の蛍光スペクトルの一例を示す図である。
【図５】固形物体の表面を構成する代表的物質の蛍光スペクトルを示す図である。
【図６】固形物体の表面を構成する代表的物質の蛍光スペクトルを示す図（続き）である。
【図７】シリコン・アクリル塗装鋼板についての２通りの４つのフィルターを適用した場合の蛍光の検出結果である。
【図８】蛍光強度の時間変化の波長依存性の実測値の一例である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明を実施するための形態となる多波長蛍光計測装置について説明する。図１は、この多波長蛍光計測装置１０の構成を示す図である。この多波長蛍光計測装置１０は、例えばヘリコプターに搭載され、海面１００上の漂流物２００を対象物として検出する。これにより、この多波長蛍光計測装置１０を漂流物検出装置として使用することができる。ここで、漂流物２００の代表例としては、救命具、衣類、樹木、合成ゴム、プラスチック、塗装鋼板等の固形物があるが、油や海面着色溶液等の液体も含む。また、対象物としては、必ずしも海上に漂流しているものだけでなく、定置網やポール等の固定物、浮体やブイ等の係留物、船舶やボート(小型船舶)等の航行物も含むものとする。さらに、人間や海中や海上の生物、航跡等も含む。
【００１８】
この多波長蛍光計測装置１０においては、一つのレーザー発振器（レーザー光照射部）１１が使用される。レーザー発振器１１は、単一の波長、例えば波長３５５ｎｍの紫外光であるレーザー光１２を発振する。なお、図示を省略しているが、レーザー発振器１１の出力側には、レーザー光１２が海面１００上で適正な強度となるべく集光させる集光光学系が用いられている。また、この集光点が海面１００上を２次元的に走査できるような構成とされる。
【００１９】
海面１００上の漂流物２００にこのレーザー光１２が照射されると、漂流物２００の表面でこのレーザー光１２が反射された反射光１３の他に、漂流物２００の表面を構成する物質は、蛍光１４を発する。海面１００に対しても同様である。反射光１３の波長は反射前のレーザー光１２の波長と同一である。蛍光１４は、漂流物２００の表面を構成する物質がレーザー光１２を一旦吸収した直後に発する、レーザー光１２とは異なる波長をもつ光である。なお、レーザー光１２は単色であるが、一般には蛍光１４は単色とはならず、あるスペクトルをもつ。このスペクトルは、漂流物２００の表面を構成する物質の組成を反映する。
【００２０】
なお、実際には、蛍光１４以外にも、レーザー光１２と異なる波長の光が海面１００側から発せられる。この代表例が、レーザー光１２が水（海水）によってラマン散乱されたラマン散乱光である。ラマン散乱光は、波長３５５ｎｍのレーザー光１２が用いられた場合には、４０５ｎｍの波長をもつ。以下では、照射したレーザー光１２の波長と異なる波長をもつ、海面側から発せられた光を広義の「蛍光」と呼称し、ラマン散乱光（水以外の物質によるラマン散乱も含む）もこれに含むものとする。レーザー光１２の波長が一定であれば、ラマン散乱光の波長（スペクトル）は物質によって定まる。
【００２１】
光電子増倍管２１ａ〜２１ｄは、各々がフィルター２２ａ〜２２ｄ、受光光学系２３ａ〜２３ｄを介して蛍光１４を受光し、これを電気信号として出力する。光電子増倍管２１ａ、フィルター２２ａ、受光光学系２３ａは、受光部２０ａを、光電子増倍管２１ｂ、フィルター２２ｂ、受光光学系２３ｂは、受光部２０ｂを、光電子増倍管２１ｃ、フィルター２２ｃ、受光光学系２３ｃは、受光部２０ｃを、光電子増倍管２１ｄ、フィルター２２ｄ、受光光学系２３ｄは、受光部２０ｄを、それぞれ構成する。受光部２０ａ〜２０ｄは、それぞれフィルター２２ａ〜２２ｄで規定された波長帯域の光を検出する。
【００２２】
受光光学系２３ａ〜２３ｄは、蛍光１４が光電子増倍管２１ａ〜２１ｄの各々の受光面で結像するように設定される。なお、この際には、レーザー光１２の水によるラマン散乱光も蛍光１４と区別なく受光される。この多波長蛍光計測装置１０は、受光部を４組具備するために、各フィルターに対応する波長帯域の蛍光１４等を、同時に検出することができる。このため、漂流物２００と多波長蛍光計測装置１０の相対速度が大きな場合であっても、漂流物２００の同一箇所から発せられた蛍光１４等を光電子増倍管２１ａ〜２１ｄが同時に検出することが可能である。
【００２３】
制御部３０は、例えばパーソナルコンピュータであり、パルス状の出力をするレーザー発振器１１の発振タイミングを制御する。また、蛍光１４やラマン散乱光は、レーザー光１２が発振された直後に発せられるため、光電子増倍管２１ａ〜２１ｄの検出タイミングは、この発振タイミングと同期させることができる。このタイミングの制御も、制御部３０が行うことができる。ここで、同期とは、必ずしも同時タイミングではなく、海面１００間での距離やレーザー光１２を漂流物２００が吸収してから蛍光１４を発するまでの遅延時間も考慮した上での同期である。すなわち、受光部２０ａ〜２０ｄが最も高効率に蛍光１４を検出できるタイミングとするように制御することを意味する。
【００２４】
蛍光１４等を検出した光電子増倍管２１ａ〜２１ｄの出力は、それぞれ別個に制御部３０に入力し、制御部２０は、この出力から演算処理を行い、その結果を表示部３１で表示する。表示部３１としては、カラー表示が可能であるディスプレイが用いられる。
【００２５】
また、制御部３０は、レーザー光１２を海面１００上で走査する制御も行うことができる。この場合、走査に応じた光電子増倍管２１ａ〜２１ｄの出力を各々２次元画像化して表示部３１で出力することができる。あるいは、光電子増倍管２１ａ〜２１ｄの出力から演算処理した結果を２次元画像化して表示部３１で出力することもできる。
【００２６】
なお、上記の例では、蛍光１４等を４つの光電子増倍管２１ａ〜２１ｄで受光する構成としたが、光電子増倍管２１ａ〜２１ｄの代わりに、各々をＣＣＤ等の半導体撮像素子としてもよい。この場合には、低強度の蛍光に対応するために、ＣＣＤの前段にイメージインテンシファイアを設置することが好ましい。この場合には、例えばレーザー光１２を海面１００上で集光してこれを走査せず、レーザー光１２を発散光とした場合でも、蛍光１４等の２次元画像が得られる。また、ジャイロコンパスを制御部３０と接続させ、この多波長蛍光計測装置１０が搭載された移動体（ヘリコプター、船舶等）の姿勢変化をフィードバックして、レーザー光１２の走査を適正に行わせることも可能である。
【００２７】
上記の構成において、光電子増倍管２１ａ〜２１ｄが受光する蛍光１４等の波長は、フィルター２２ａ〜２２ｄによって定まる。これらの透過波長帯域については後述する。
【００２８】
フィルター２２ａ〜２２ｄ以外の上記の構成については特許文献２に記載のものと同様である。なお、図１は、構成を模式化して示しているが、特許文献２と同様に、レーザー光１２の光軸を中心としてレーザー発振器１１を中心に、光電子増倍管２１ａ〜２１ｄをその周囲に配置した構成が、小型化のためには好ましい。
【００２９】
次に、４つのフィルター２２ａ〜２２ｄの透過波長帯域について説明する。この多波長蛍光計測装置１０においては、これらの透過波長帯域に特徴がある。この４つのフィルター２２ａ〜２２ｄの透過スペクトルを図２に示す。ここでは、帯域の中心をそれぞれ４００ｎｍ、４５０ｎｍ、５００ｎｍ、５５０ｎｍとし、その半値幅を４０ｎｍ以上とした広帯域のフィルターが用いられている。以下では、この各フィルターを、各々の中心波長によって４００ｎｍフィルター等と呼称する。実際にはこの透過特性は、この半値幅の両外側で裾を引いた形状となるために、隣接する各帯域間（４００ｎｍフィルターと４５０ｎｍフィルター間、４５０ｎｍフィルターと５００ｎｍフィルター間、５００ｎｍフィルターと５５０ｎｍフィルター間）においては、重複部分が存在するように設定される。なお、上記の例ではレーザー光１２の波長を３５５ｎｍとしたが、これを３５０〜３７０ｎｍの範囲内とした場合においても同様の設定とすることが好ましい。
【００３０】
こうした透過波長帯域をもつ４つのフィルターを用いる理由について以下に説明する。検出する対象（物質）が予め定まっていれば、この物質の発する蛍光のピーク波長に適合した狭帯域のフィルターを用いることが有効であることは明らかである。例えば、図３は、波長３５５ｎｍのレーザー光を照射した場合における、３種類の海面着色剤（ａ）（ｂ）（ｃ）、重油（ｄ）、軽油（ｅ）、潤滑油（ｆ）の蛍光スペクトルである。これらの液状物質は一般に、単一の高いピークをもつ。例えば、着色剤（ａ）（ｂ）（ｃ）のピークは５３０ｎｍ付近であり、油類（ｄ）（ｅ）（ｆ）のピークは４００ｎｍ付近である。このため、着色剤と油類の識別を行うためには、中心波長がそれぞれ５３０ｎｍと４００ｎｍの２種類の狭帯域フィルターを用いることが有効である。
【００３１】
一方、液状物質ではない固形物体として、天幕（ａ）、ＦＲＰ（ｂ）、ウレタンゴム（ｃ）、天然ゴム（ｄ）、発泡スチロール（ｅ）、ポリエチレンシート（ｆ）、アクリル樹脂塗装鋼板（ｇ）、錆びた鋼板（ｈ）、米ヒバ材（ｉ）、チーク材（ｊ）の同様の蛍光スペクトルを図４に示す。ここで、液状物質（図３）と比較すると、その縦軸の値より、蛍光の強度自体が極めて低いことがわかる。また、天幕（ａ）、ＦＲＰ（ｂ）、ウレタンゴム（ｃ）等のピークは明瞭であるものの、ポリエチレンシート（ｆ）やアクリル樹脂塗装鋼板（ｇ）等のピークは不明瞭であり、蛍光強度がさらに低い。また、これらにおけるピーク波長も様々である。
【００３２】
これらの固形物体の表面を構成する代表的な物質の蛍光スペクトルを詳細に測定した結果が図５、６である。ここでは、代表的な１５種類について示している。液状物質（図３）とは異なり、単一のピークをもたない場合が大半であり、ピークをもった場合でも、鋭いピークとはなっていない場合が大半である。このため、これらの物質を識別するためには、各ピークに対応した狭帯域フィルターをもった多数の受光部を具備することが有効となる。しかしながら、フィルターや光電子増倍管の個数が多くなれば、装置が大型化する。
【００３３】
また、狭帯域フィルターを用いた場合には、その蛍光が全く検出することのできない場合が発生する。図７は、図５（ｃ）に示したシリコン・アクリル塗装鋼板についての例である。図７（ａ）に示されたように、従来用いられていた４０５ｎｍ、４４２ｎｍ、４８６ｎｍ、５１０ｎｍの中心波長をもつ狭帯域フィルター（いずれも半値幅１０ｎｍ）を用いた場合において蛍光が検出されたか（受光部が有意にこの波長帯域での光を検出できたか）否かを示す。この場合においては、４０５ｎｍのフィルターのみによって検出が可能であり、他のフィルターでは検出ができなかった。錆止め塗装鋼板、天然ゴム、ポリプロピレン板についても同様の傾向であった。
【００３４】
これに対して、図２の特性の４種類のフィルター（４００ｎｍ、４５０ｎｍ、５００ｎｍ、５５０ｎｍとし、その半値幅を４０ｎｍ以上とした広帯域のフィルター）を用いた場合の結果を図７（ｂ）に示す。どのフィルターを用いた場合においても、検出が可能となっていた。
【００３５】
また、図７（ａ）に示した４種類の狭帯域フィルターを用いた場合では、アクリル・ウレタン塗装鋼板、アクリル板の検出はいずれによっても不可能であった。また、松樹皮、フッ素樹脂塗装鋼板、ネオプレーンゴム（ウェットスーツの素材）、ブチルゴム、ポリエチレン板、ナイロンシート、ポリ塩化ビニールシート、ポリエステル（救命胴衣の素材）、ウレタンコーティング（救命胴衣）の検出は、４８６ｎｍ、５１０ｎｍの狭帯域フィルターによっては不可能であった。シリコンゴム、ポリスチレンシート、フッ素樹脂シートの検出は、５１０ｎｍの狭帯域フィルターによっては不可能であった。これらのいずれもが、図２の構成のフィルターを用いることによって、検出可能となった。
【００３６】
このように、こうした固形物体を識別するためには、図３のような場合とは逆に、フィルターの帯域幅を広げることにより、積分信号量を増大させることが有効である。すなわち、狭帯域ではなく、逆に、図２に示されたような、隣接する帯域間の隙間をなくして各帯域を広げた４種類のフィルターが有効となる。すなわち、蛍光強度の極めて弱い対象物に対して、重複部分が存在するように設定された４種類の広帯域のフィルターを用いることにより、極めて弱い蛍光を抜けなく積分でき、今まで検出が不可能であった蛍光強度の極めて弱い対象物の検出を可能にできるものとなる。
【００３７】
実際に図２に示された透過帯域をもつ４種類のフィルターを用いて漂流物２００を識別する手法について説明する。制御部３０は、この計算を行う算出部としても機能する。
【００３８】
図２における中心波長４００ｎｍのフィルターを介した光電子増倍管の出力をＩ０、中心波長４５０ｎｍのフィルターを介した光電子増倍管の出力をＩ１、中心波長５００ｎｍのフィルターを介した光電子増倍管の出力をＩ２、中心波長５５０ｎｍのフィルターを介した光電子増倍管の出力をＩ３とする。ここで、Ｉ０には前記の水ラマン散乱光が含まれるため、Ｉ０は水（海水）の信号強度に対応する。このため、他の信号をＩ０で規格化した値を評価に用いることが有効である。このため、結局、Ｉ３／Ｉ０、Ｉ２／Ｉ０、Ｉ１／Ｉ０の３種類の値が解析に用いられる。ここで、この３種類をそれぞれＲ（赤色）、Ｇ（緑色）、Ｂ（青色）信号として色を合成すれば、結果を色で表示することができる。赤色信号強度Ｒ、緑色信号強度Ｇ、青色信号強度Ｂを以下の式で定義する。
【００３９】
【数２】
【００４０】
ここで、ＦＲの定義における（Ｉ３÷Ｉ０）ｍａｘは、測定時の全データにおける（Ｉ３÷Ｉ０）の最大値である。このＦＲを用いることにより、Ｒは必ず０〜２５５の値となる。ＦＧとＧ、ＦＢとＢの関係についても同様である。このため、上記の式を用いて、測定結果を色で表示することが確実に行われる。特に、例えば実際の海上における探査においては、漂流物（対象物）２００の表面状態は、様々な要因によって変化する。例えば、漂流物２００の油等による汚染や、波浪等、気象条件によってもＩ０〜Ｉ３は変動する。このため、（Ｉ３÷Ｉ０）ｍａｘ等も、一定値とはせずに、測定の度にその都度の全データにおける最大値を用いて設定することが特に好ましい。なお、Ｒ＝Ｇ＝Ｂ＝２５５の場合は白色となり、Ｒ＝Ｇ＝Ｂ＝０の場合には黒色となる。このため、例えば水のラマン散乱光以外の光が検出されなかった場合（Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３＝０）には、白色となる。
【００４１】
制御部（算出部）３０は、この色を表示部３１に表示させる。利用者は、この色を見て、漂流物２００が何であるかを容易に判断することができる。この際、レーザー光１２を海面１００上で走査した場合には、この色をマッピングした結果を表示部３１で表示させることもできる。この場合には、この漂流物２００の平面形状も確認することができる。受光部２０ａ〜２０ｄにおいてＣＣＤとイメージインテンシファイアを用いた場合においても同様である。
【００４２】
実際にこの方式で図４に示された固形物体の測定を行ったところ、例えば天幕（ａ）は水色、ＦＲＰ（ｂ）は茶色となる。すなわち、図４における天幕（ａ）、ＦＲＰ（ｂ）のピーク波長は５０ｎｍも離れていないが、上記の方法によってその識別を目視で容易に行うことができる。
【００４３】
このように、上記の多波長蛍光計測装置１０においては、４つのフィルターを用いて、従来は困難であった固形物体の識別を容易に行うことができる。特に、４つのフィルターにおける透過帯域を図２の構成とすることにより、この識別を特に容易に行うことができる。
【００４４】
特に、参照用に予め各種の特定物質の色信号（色）を上記の多波長蛍光計測装置１０を用いて作成しておき、その後で実際の海面上で上記の多波長蛍光計測装置１０を使用するという対象物識別方法は、漂流物２００の識別において極めて有効である。
【００４５】
なお、図１の構成においては、４組の受光部２０ａ〜２０ｄを用いて同時に４種類の波長帯域の蛍光を検出する。ここで検出する蛍光は、ある時定数で減衰するが、この時定数には波長依存性がある。図８は、この蛍光の強度の時間変化の波長依存性を測定した結果であり、濃部が強度の高い箇所を示している。この結果より、４５０ｎｍ付近をピークとして、短波長側でも長波長側でも短い時間で蛍光強度が減衰する。このため、正確に蛍光のスペクトルの情報を得て、正確に漂流物の検出を行うためには、４組の受光部２０ａ〜２０ｄの検出タイミングを同時とすることが特に好ましい。なお、図８の結果より、ここでいう同時とは、蛍光スペクトルが有意に変化していないと認定できる程度の時間内という意味である。例えば、図８の場合においては、蛍光強度が最も高い点から１０ｎｓ以内であれば同時とみなせる。
【００４６】
ただし、例えばレーザー光１２のパルスを４回発振し、１つ目で受光部２０ａ、２つ目で受光部２０ｂ、３つ目で受光部２０ｃ、４つ目で受光部２０ｄにおける検出を、それぞれの蛍光強度が最も高い点から１０ｎｓ以内で行う設定としてもよい。この場合には、厳密には同時測定ではないが、この４つのパルスの間に漂流物２００が移動していないとみなせる場合には、実質的には同時とみなせることは明らかである。
【００４７】
なお、上記の例では、４つの受光部（４つの波長帯域）を用い、これから算出された３つの比率を用いてＲＧＢ信号を作成する例について記載したが、同様に、利用者が目視で識別できるような色信号を作成できる構成（例えば、４原色や５原色等の表示部）であれば、５つ以上の受光部（５つ以上の波長帯域）を用いることもできる。こうした場合であっても、上記と同様の広帯域フィルターを同時に用いることにより、幅広い対象物を検出することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
上記の多波長蛍光計測装置及び対象物識別方法は、上記の通り、水上の様々な対象物を検出することができる。海上に限らず、河川においても同様の効果を奏することは明らかである。また、これ以外の環境下においても、上記と同様の対象物を検出するのに有効であることは明らかである。
【符号の説明】
【００４９】
１０ 多波長蛍光計測装置
１１ レーザー発振器（レーザー光照射部）
１２ レーザー光
１３ 反射光
１４ 蛍光
２０ａ〜２０ｄ 受光部
２１ａ〜２１ｄ 光電子増倍管（受光部）
２２ａ〜２２ｄ フィルター（受光部）
２３ａ〜２３ｄ 受光光学系（受光部）
３０ 制御部（算出部）
３１ 表示部
１００ 海面
２００ 漂流物（対象物）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザー光を対象物に照射して対象物から発せられた多数の波長帯域の光を検出することによって対象物の検出を行う多波長蛍光計測装置、及びこれを用いた対象物識別方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のレーダーでは、電波を対象物に照射し、対象物から散乱、反射されて戻ってくる電磁波から対象物の情報を得る。この電波の代わりにレーザー光を用いて同様の計測を行う技術はレーザーレーダー（ライダー：ＬＩＤＡＲ（Ｌｉｇｈｔ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｒａｎｇｉｎｇ））として知られている。
【０００３】
レーザー光は空気中、水中を問わず伝搬するため、ライダー技術は、特に海洋観測等に有効に利用されており、単に対象物までの距離を測定するだけでなく、対象物に関する様々な情報が得られる。例えば、特許文献１には、パルス形状のレーザー光を空中から海面に照射し、反射光や散乱光及び蛍光をマイクロチャンネルプレートで受光するタイミングを制御して画像を得る技術が記載されている。この技術においては、海面からの反射光や、海中深度に対応する散乱光及び蛍光を同時に測定することができるため、海水中の懸濁物やプランクトンの濃度を測定することができる。
【０００４】
ここで、この蛍光は、海面あるいは海中においてレーザー光に照射された物体が発する、レーザー光とは異なった波長の光である。この蛍光の波長は、この物体（物質）に固有のものとなるため、この蛍光のスペクトルを分析することによって、この物質を同定することが可能である。ただし、このスペクトルを分析するためには分光器等、大型の設備が必要となる。一方で、こうしたライダー装置は、例えばヘリコプター等に搭載して用いられる場合が多いため、装置全体を小型化、軽量化することが必要である。
【０００５】
このため、特許文献２には、単一のレーザー発振器を用い、複数の種類のフィルターを用いて複数の波長域の蛍光を同時に受光するライダー装置が記載されている。ここでは、レーザー発振器の発する特定の波長（例えば３５５ｎｍ）の光を空中から海面に照射し、複数のフィルターに対応した複数の光電子増倍管で同時に蛍光を受光する。フィルターと光電子増倍管は例えば４組用いることができ、どちらも大型の機器ではないために、ライダー装置全体を小型、軽量とすることが可能である。この際、例えば４種類のうちの一つとして、３５５ｎｍの波長の光が水ラマン散乱を受けた光として、４０５ｎｍの波長の光を受光するようにすることができる。この場合、４０５ｎｍの波長における強度を水（海水）に起因したものと考えることができるため、他の３種類の光強度の基準として、この水ラマン散乱の光強度を使用することができる。他の３種類の光強度の比率から、この蛍光を発した物質の種類を推定することができるため、例えば油が漂流していることを検知することができる。
【０００６】
また、光電子増倍管の代わりに、イメージインテンシファイアとＣＣＤカメラを組み合わせて用いれば、各波長域に対応した２次元蛍光画像を得ることができる。これにより、例えば油が漂流している分布を可視化することも可能である。イメージインテンシファイアやＣＣＤも大型の機器ではないために、この場合においてもライダー装置全体を小型、軽量とすることが可能である。
【０００７】
このように、レーザー発振器と、複数の波長域で蛍光を同時に受光できる受光装置を用いることにより、対象物を識別する能力の高い、小型、軽量のライダー装置を得ることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平４−６９５４６号公報
【特許文献２】特許第３４５３５９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上記の構成のライダー装置は、漂流する油等に対しては有効であったが、その他の対象物（漂流物）、例えば救命具や小型船舶等に対する識別性は必ずしも高くなかった。
【００１０】
すなわち、広い範囲の対象物に対して高い識別性をもつ小型の多波長蛍光計測装置を得ることは困難であった。
【００１１】
本発明は、斯かる問題点に鑑みてなされたものであり、上記問題点を解決する発明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】
【００１２】
本発明は、上記課題を解決すべく、以下に掲げる構成とした。
本発明の請求項１に係る多波長蛍光計測装置は、レーザー光を対象物の側に向かって照射し、前記対象物の側から戻る前記レーザー光と異なる波長をもつ光を受光することによって前記対象物を検出する多波長蛍光計測装置であって、前記レーザー光を発振するレーザー光照射部と、各々がフィルターで制限された波長帯域の前記レーザー光と異なる波長の光を同時に受光する４つ以上の受光部と、前記４つ以上の受光部のうちの１つの受光部の出力に対する他の受光部のそれぞれの出力の比率を算出することによって前記対象物を検出する算出部と、を具備し、前記４つ以上の受光部における各フィルターの透過波長帯域は、中心波長が異なる４つ以上の帯域であり、当該４つの帯域において隣接するいずれの帯域同士においても端部で重複部分が存在する、ことを特徴とする。
この発明においては、レーザー光とは異なる波長をもち、対象物の側から発せられた光が４つ以上の受光部で同時に検出される。このうち、１つの受光部の出力に対する他の受光部の出力の比率を用いた出力が、この多波長蛍光計測装置からなされる。
本発明の請求項２に係る多波長蛍光計測装置は、前記レーザー光照射部における発振タイミングと、前記受光部における検出タイミングが同期して行われることを特徴とする。
この発明においては、レーザー光の発振と光検出とが同期して行われる。ここで、同期とは、必ずしも同時ではなく、例えばレーザー光の発振から一定時間経過後に光検出を行う場合も含む。
本発明の請求項３に係る多波長蛍光計測装置において、前記受光部は、イメージインテンシファイアと半導体撮像素子とで構成されたことを特徴とする。
この発明においては、各受光部において、ＣＣＤの半導体撮像素子が光を検出する。この際、微弱な光信号を増倍するために、イメージインテンシファイアが用いられる。
【００１３】
本発明の請求項４に係る多波長蛍光計測装置において、前記対象物は、水上あるいは水中に存在し、前記１つの受光部は、前記レーザー光の水によるラマン散乱光を検出することを特徴とする。
この発明においては、特に水上あるいは水中に存在する対象物を検出する際に、１つの受光部が水のラマン散乱光を検出し、この出力が他の受光部の出力の参照値として用いられる。
本発明の請求項５に係る多波長蛍光計測装置は、前記受光部を４つ具備し、前記レーザー光の波長は３５０〜３７０ｎｍの範囲であり、前記４つの受光部における各フィルターの透過波長帯域は、それぞれ４００ｎｍ、４５０ｎｍ、５００ｎｍ、５５０ｎｍを中心波長とし、それぞれの半値幅を４０ｎｍ以上としたことを特徴とする。
この発明においては、この範囲内のレーザー光の発振波長に応じて、この４つの透過波長帯域をもったフィルターが各受光部で用いられる。
本発明の請求項６に係る多波長蛍光計測装置において、前記算出部は、前記１つの受光部の出力に対する他の３つの受光部のそれぞれの出力の比率をそれぞれＲＧＢ値に換算し、色信号として出力することを特徴とする。
この発明においては、１つの受光部の出力に対する他の３つの受光部のそれぞれの出力の比率が、それぞれＲＧＢのＲ（赤色）信号強度、Ｇ（緑色）信号強度、Ｂ（青色）信号強度に変換して出力される。
本発明の請求項７に係る多波長蛍光計測装置において、前記算出部は、前記１つの受光部の出力をＩ０、前記他の３つの受光部のそれぞれの出力をＩ１、Ｉ２、Ｉ３とし、（Ｉ１÷Ｉ０）ｍａｘ、（Ｉ２÷Ｉ０）ｍａｘ、（Ｉ３÷Ｉ０）ｍａｘをそれぞれ測定データにおける（Ｉ１÷Ｉ０）の最大値、（Ｉ２÷Ｉ０）の最大値、（Ｉ３÷Ｉ０）の最大値として、ＲＧＢの各信号強度を以下の式で算出することを特徴とする。
【数１】
この発明においては、Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３がＩ０を用いてそれぞれ２５６階調のＲＧＢ信号に変換されて出力される。
【００１４】
本発明の請求項８に係る対象物識別方法は、前記多波長蛍光計測装置を用いて予め特定物質の色信号を測定し、対象物を識別することを特徴とする。
この発明においては、予め特定物質に対応する色信号が作成され、これを用いて、前記の多波長蛍光計測装置によって対象物の識別が行われる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の多波長蛍光計測装置は以上のように構成されているので、装置を小型とし、かつ広い範囲の対象物に対して高い識別性をもつ。すなわち、蛍光強度の極めて弱い対象物に対して、重複部分が存在するように設定された４つ以上の広帯域のフィルターを用いることにより、極めて弱い蛍光を抜けなく積分でき、今まで検出が不可能であった蛍光強度の極めて弱い対象物の検出を可能とし、また識別できるものである。
この際、レーザー光照射部における発振タイミングと、受光部における検出タイミングを同期させれば、蛍光の検出効率が高くなるため、更に高い識別性を得ることができる。
また、受光部に、イメージインテンシファイアと半導体撮像素子を用いれば、発散したレーザー光を用いた場合でも対象物に対する２次元データを得ることができる。
また、１つの受光部で水によるラマン散乱光を検出するようなフィルターの設定とすれば、この出力を参照値として用いることができるため、特に水上又は水中の対象物に対する識別性が高くなる。
また、レーザー光の波長を３５０〜３７０ｎｍの範囲とし、４つの受光部における各フィルターの透過波長帯域において、４００ｎｍ、４５０ｎｍ、５００ｎｍ、５５０ｎｍをそれぞれの中心波長とし、それぞれの半値幅を４０ｎｍ以上とした場合には、実際に存在する固形形状の水上又は水中の対象物に特に広く対応することが可能である。
また、１つの受光部の出力に対する他の３つの受光部のそれぞれの出力の比率をそれぞれＲＧＢ値に換算して、色信号として出力した場合には、利用者にとって特に容易にその識別が可能となる。この際、（Ｉ１÷Ｉ０）ｍａｘ、（Ｉ２÷Ｉ０）ｍａｘ、（Ｉ３÷Ｉ０）ｍａｘを用いた場合には、常にこの色信号の作成が適正に行われる。
また、予め特定物質の色信号を測定しておけば、これを用いて対象物を識別することが特に容易となる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施の形態となる多波長蛍光計測装置の構成を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態となる多波長蛍光計測装置において用いられる４つのフィルターの透過スペクトルを示す図である。
【図３】液状物質の蛍光スペクトルの一例を示す図である。
【図４】漂流物として存在する場合が多い固形物体の蛍光スペクトルの一例を示す図である。
【図５】固形物体の表面を構成する代表的物質の蛍光スペクトルを示す図である。
【図６】固形物体の表面を構成する代表的物質の蛍光スペクトルを示す図（続き）である。
【図７】シリコン・アクリル塗装鋼板についての２通りの４つのフィルターを適用した場合の蛍光の検出結果である。
【図８】蛍光強度の時間変化の波長依存性の実測値の一例である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明を実施するための形態となる多波長蛍光計測装置について説明する。図１は、この多波長蛍光計測装置１０の構成を示す図である。この多波長蛍光計測装置１０は、例えばヘリコプターに搭載され、海面１００上の漂流物２００を対象物として検出する。これにより、この多波長蛍光計測装置１０を漂流物検出装置として使用することができる。ここで、漂流物２００の代表例としては、救命具、衣類、樹木、合成ゴム、プラスチック、塗装鋼板等の固形物があるが、油や海面着色溶液等の液体も含む。また、対象物としては、必ずしも海上に漂流しているものだけでなく、定置網やポール等の固定物、浮体やブイ等の係留物、船舶やボート(小型船舶)等の航行物も含むものとする。さらに、人間や海中や海上の生物、航跡等も含む。
【００１８】
この多波長蛍光計測装置１０においては、一つのレーザー発振器（レーザー光照射部）１１が使用される。レーザー発振器１１は、単一の波長、例えば波長３５５ｎｍの紫外光であるレーザー光１２を発振する。なお、図示を省略しているが、レーザー発振器１１の出力側には、レーザー光１２が海面１００上で適正な強度となるべく集光させる集光光学系が用いられている。また、この集光点が海面１００上を２次元的に走査できるような構成とされる。
【００１９】
海面１００上の漂流物２００にこのレーザー光１２が照射されると、漂流物２００の表面でこのレーザー光１２が反射された反射光１３の他に、漂流物２００の表面を構成する物質は、蛍光１４を発する。海面１００に対しても同様である。反射光１３の波長は反射前のレーザー光１２の波長と同一である。蛍光１４は、漂流物２００の表面を構成する物質がレーザー光１２を一旦吸収した直後に発する、レーザー光１２とは異なる波長をもつ光である。なお、レーザー光１２は単色であるが、一般には蛍光１４は単色とはならず、あるスペクトルをもつ。このスペクトルは、漂流物２００の表面を構成する物質の組成を反映する。
【００２０】
なお、実際には、蛍光１４以外にも、レーザー光１２と異なる波長の光が海面１００側から発せられる。この代表例が、レーザー光１２が水（海水）によってラマン散乱されたラマン散乱光である。ラマン散乱光は、波長３５５ｎｍのレーザー光１２が用いられた場合には、４０５ｎｍの波長をもつ。以下では、照射したレーザー光１２の波長と異なる波長をもつ、海面側から発せられた光を広義の「蛍光」と呼称し、ラマン散乱光（水以外の物質によるラマン散乱も含む）もこれに含むものとする。レーザー光１２の波長が一定であれば、ラマン散乱光の波長（スペクトル）は物質によって定まる。
【００２１】
光電子増倍管２１ａ〜２１ｄは、各々がフィルター２２ａ〜２２ｄ、受光光学系２３ａ〜２３ｄを介して蛍光１４を受光し、これを電気信号として出力する。光電子増倍管２１ａ、フィルター２２ａ、受光光学系２３ａは、受光部２０ａを、光電子増倍管２１ｂ、フィルター２２ｂ、受光光学系２３ｂは、受光部２０ｂを、光電子増倍管２１ｃ、フィルター２２ｃ、受光光学系２３ｃは、受光部２０ｃを、光電子増倍管２１ｄ、フィルター２２ｄ、受光光学系２３ｄは、受光部２０ｄを、それぞれ構成する。受光部２０ａ〜２０ｄは、それぞれフィルター２２ａ〜２２ｄで規定された波長帯域の光を検出する。
【００２２】
受光光学系２３ａ〜２３ｄは、蛍光１４が光電子増倍管２１ａ〜２１ｄの各々の受光面で結像するように設定される。なお、この際には、レーザー光１２の水によるラマン散乱光も蛍光１４と区別なく受光される。この多波長蛍光計測装置１０は、受光部を４組具備するために、各フィルターに対応する波長帯域の蛍光１４等を、同時に検出することができる。このため、漂流物２００と多波長蛍光計測装置１０の相対速度が大きな場合であっても、漂流物２００の同一箇所から発せられた蛍光１４等を光電子増倍管２１ａ〜２１ｄが同時に検出することが可能である。
【００２３】
制御部３０は、例えばパーソナルコンピュータであり、パルス状の出力をするレーザー発振器１１の発振タイミングを制御する。また、蛍光１４やラマン散乱光は、レーザー光１２が発振された直後に発せられるため、光電子増倍管２１ａ〜２１ｄの検出タイミングは、この発振タイミングと同期させることができる。このタイミングの制御も、制御部３０が行うことができる。ここで、同期とは、必ずしも同時タイミングではなく、海面１００間での距離やレーザー光１２を漂流物２００が吸収してから蛍光１４を発するまでの遅延時間も考慮した上での同期である。すなわち、受光部２０ａ〜２０ｄが最も高効率に蛍光１４を検出できるタイミングとするように制御することを意味する。
【００２４】
蛍光１４等を検出した光電子増倍管２１ａ〜２１ｄの出力は、それぞれ別個に制御部３０に入力し、制御部２０は、この出力から演算処理を行い、その結果を表示部３１で表示する。表示部３１としては、カラー表示が可能であるディスプレイが用いられる。
【００２５】
また、制御部３０は、レーザー光１２を海面１００上で走査する制御も行うことができる。この場合、走査に応じた光電子増倍管２１ａ〜２１ｄの出力を各々２次元画像化して表示部３１で出力することができる。あるいは、光電子増倍管２１ａ〜２１ｄの出力から演算処理した結果を２次元画像化して表示部３１で出力することもできる。
【００２６】
なお、上記の例では、蛍光１４等を４つの光電子増倍管２１ａ〜２１ｄで受光する構成としたが、光電子増倍管２１ａ〜２１ｄの代わりに、各々をＣＣＤ等の半導体撮像素子としてもよい。この場合には、低強度の蛍光に対応するために、ＣＣＤの前段にイメージインテンシファイアを設置することが好ましい。この場合には、例えばレーザー光１２を海面１００上で集光してこれを走査せず、レーザー光１２を発散光とした場合でも、蛍光１４等の２次元画像が得られる。また、ジャイロコンパスを制御部３０と接続させ、この多波長蛍光計測装置１０が搭載された移動体（ヘリコプター、船舶等）の姿勢変化をフィードバックして、レーザー光１２の走査を適正に行わせることも可能である。
【００２７】
上記の構成において、光電子増倍管２１ａ〜２１ｄが受光する蛍光１４等の波長は、フィルター２２ａ〜２２ｄによって定まる。これらの透過波長帯域については後述する。
【００２８】
フィルター２２ａ〜２２ｄ以外の上記の構成については特許文献２に記載のものと同様である。なお、図１は、構成を模式化して示しているが、特許文献２と同様に、レーザー光１２の光軸を中心としてレーザー発振器１１を中心に、光電子増倍管２１ａ〜２１ｄをその周囲に配置した構成が、小型化のためには好ましい。
【００２９】
次に、４つのフィルター２２ａ〜２２ｄの透過波長帯域について説明する。この多波長蛍光計測装置１０においては、これらの透過波長帯域に特徴がある。この４つのフィルター２２ａ〜２２ｄの透過スペクトルを図２に示す。ここでは、帯域の中心をそれぞれ４００ｎｍ、４５０ｎｍ、５００ｎｍ、５５０ｎｍとし、その半値幅を４０ｎｍ以上とした広帯域のフィルターが用いられている。以下では、この各フィルターを、各々の中心波長によって４００ｎｍフィルター等と呼称する。実際にはこの透過特性は、この半値幅の両外側で裾を引いた形状となるために、隣接する各帯域間（４００ｎｍフィルターと４５０ｎｍフィルター間、４５０ｎｍフィルターと５００ｎｍフィルター間、５００ｎｍフィルターと５５０ｎｍフィルター間）においては、重複部分が存在するように設定される。なお、上記の例ではレーザー光１２の波長を３５５ｎｍとしたが、これを３５０〜３７０ｎｍの範囲内とした場合においても同様の設定とすることが好ましい。
【００３０】
こうした透過波長帯域をもつ４つのフィルターを用いる理由について以下に説明する。検出する対象（物質）が予め定まっていれば、この物質の発する蛍光のピーク波長に適合した狭帯域のフィルターを用いることが有効であることは明らかである。例えば、図３は、波長３５５ｎｍのレーザー光を照射した場合における、３種類の海面着色剤（ａ）（ｂ）（ｃ）、重油（ｄ）、軽油（ｅ）、潤滑油（ｆ）の蛍光スペクトルである。これらの液状物質は一般に、単一の高いピークをもつ。例えば、着色剤（ａ）（ｂ）（ｃ）のピークは５３０ｎｍ付近であり、油類（ｄ）（ｅ）（ｆ）のピークは４００ｎｍ付近である。このため、着色剤と油類の識別を行うためには、中心波長がそれぞれ５３０ｎｍと４００ｎｍの２種類の狭帯域フィルターを用いることが有効である。
【００３１】
一方、液状物質ではない固形物体として、天幕（ａ）、ＦＲＰ（ｂ）、ウレタンゴム（ｃ）、天然ゴム（ｄ）、発泡スチロール（ｅ）、ポリエチレンシート（ｆ）、アクリル樹脂塗装鋼板（ｇ）、錆びた鋼板（ｈ）、米ヒバ材（ｉ）、チーク材（ｊ）の同様の蛍光スペクトルを図４に示す。ここで、液状物質（図３）と比較すると、その縦軸の値より、蛍光の強度自体が極めて低いことがわかる。また、天幕（ａ）、ＦＲＰ（ｂ）、ウレタンゴム（ｃ）等のピークは明瞭であるものの、ポリエチレンシート（ｆ）やアクリル樹脂塗装鋼板（ｇ）等のピークは不明瞭であり、蛍光強度がさらに低い。また、これらにおけるピーク波長も様々である。
【００３２】
これらの固形物体の表面を構成する代表的な物質の蛍光スペクトルを詳細に測定した結果が図５、６である。ここでは、代表的な１５種類について示している。液状物質（図３）とは異なり、単一のピークをもたない場合が大半であり、ピークをもった場合でも、鋭いピークとはなっていない場合が大半である。このため、これらの物質を識別するためには、各ピークに対応した狭帯域フィルターをもった多数の受光部を具備することが有効となる。しかしながら、フィルターや光電子増倍管の個数が多くなれば、装置が大型化する。
【００３３】
また、狭帯域フィルターを用いた場合には、その蛍光が全く検出することのできない場合が発生する。図７は、図５（ｃ）に示したシリコン・アクリル塗装鋼板についての例である。図７（ａ）に示されたように、従来用いられていた４０５ｎｍ、４４２ｎｍ、４８６ｎｍ、５１０ｎｍの中心波長をもつ狭帯域フィルター（いずれも半値幅１０ｎｍ）を用いた場合において蛍光が検出されたか（受光部が有意にこの波長帯域での光を検出できたか）否かを示す。この場合においては、４０５ｎｍのフィルターのみによって検出が可能であり、他のフィルターでは検出ができなかった。錆止め塗装鋼板、天然ゴム、ポリプロピレン板についても同様の傾向であった。
【００３４】
これに対して、図２の特性の４種類のフィルター（４００ｎｍ、４５０ｎｍ、５００ｎｍ、５５０ｎｍとし、その半値幅を４０ｎｍ以上とした広帯域のフィルター）を用いた場合の結果を図７（ｂ）に示す。どのフィルターを用いた場合においても、検出が可能となっていた。
【００３５】
また、図７（ａ）に示した４種類の狭帯域フィルターを用いた場合では、アクリル・ウレタン塗装鋼板、アクリル板の検出はいずれによっても不可能であった。また、松樹皮、フッ素樹脂塗装鋼板、ネオプレーンゴム（ウェットスーツの素材）、ブチルゴム、ポリエチレン板、ナイロンシート、ポリ塩化ビニールシート、ポリエステル（救命胴衣の素材）、ウレタンコーティング（救命胴衣）の検出は、４８６ｎｍ、５１０ｎｍの狭帯域フィルターによっては不可能であった。シリコンゴム、ポリスチレンシート、フッ素樹脂シートの検出は、５１０ｎｍの狭帯域フィルターによっては不可能であった。これらのいずれもが、図２の構成のフィルターを用いることによって、検出可能となった。
【００３６】
このように、こうした固形物体を識別するためには、図３のような場合とは逆に、フィルターの帯域幅を広げることにより、積分信号量を増大させることが有効である。すなわち、狭帯域ではなく、逆に、図２に示されたような、隣接する帯域間の隙間をなくして各帯域を広げた４種類のフィルターが有効となる。すなわち、蛍光強度の極めて弱い対象物に対して、重複部分が存在するように設定された４種類の広帯域のフィルターを用いることにより、極めて弱い蛍光を抜けなく積分でき、今まで検出が不可能であった蛍光強度の極めて弱い対象物の検出を可能にできるものとなる。
【００３７】
実際に図２に示された透過帯域をもつ４種類のフィルターを用いて漂流物２００を識別する手法について説明する。制御部３０は、この計算を行う算出部としても機能する。
【００３８】
図２における中心波長４００ｎｍのフィルターを介した光電子増倍管の出力をＩ０、中心波長４５０ｎｍのフィルターを介した光電子増倍管の出力をＩ１、中心波長５００ｎｍのフィルターを介した光電子増倍管の出力をＩ２、中心波長５５０ｎｍのフィルターを介した光電子増倍管の出力をＩ３とする。ここで、Ｉ０には前記の水ラマン散乱光が含まれるため、Ｉ０は水（海水）の信号強度に対応する。このため、他の信号をＩ０で規格化した値を評価に用いることが有効である。このため、結局、Ｉ３／Ｉ０、Ｉ２／Ｉ０、Ｉ１／Ｉ０の３種類の値が解析に用いられる。ここで、この３種類をそれぞれＲ（赤色）、Ｇ（緑色）、Ｂ（青色）信号として色を合成すれば、結果を色で表示することができる。赤色信号強度Ｒ、緑色信号強度Ｇ、青色信号強度Ｂを以下の式で定義する。
【００３９】
【数２】
【００４０】
ここで、ＦＲの定義における（Ｉ３÷Ｉ０）ｍａｘは、測定時の全データにおける（Ｉ３÷Ｉ０）の最大値である。このＦＲを用いることにより、Ｒは必ず０〜２５５の値となる。ＦＧとＧ、ＦＢとＢの関係についても同様である。このため、上記の式を用いて、測定結果を色で表示することが確実に行われる。特に、例えば実際の海上における探査においては、漂流物（対象物）２００の表面状態は、様々な要因によって変化する。例えば、漂流物２００の油等による汚染や、波浪等、気象条件によってもＩ０〜Ｉ３は変動する。このため、（Ｉ３÷Ｉ０）ｍａｘ等も、一定値とはせずに、測定の度にその都度の全データにおける最大値を用いて設定することが特に好ましい。なお、Ｒ＝Ｇ＝Ｂ＝２５５の場合は白色となり、Ｒ＝Ｇ＝Ｂ＝０の場合には黒色となる。このため、例えば水のラマン散乱光以外の光が検出されなかった場合（Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３＝０）には、白色となる。
【００４１】
制御部（算出部）３０は、この色を表示部３１に表示させる。利用者は、この色を見て、漂流物２００が何であるかを容易に判断することができる。この際、レーザー光１２を海面１００上で走査した場合には、この色をマッピングした結果を表示部３１で表示させることもできる。この場合には、この漂流物２００の平面形状も確認することができる。受光部２０ａ〜２０ｄにおいてＣＣＤとイメージインテンシファイアを用いた場合においても同様である。
【００４２】
実際にこの方式で図４に示された固形物体の測定を行ったところ、例えば天幕（ａ）は水色、ＦＲＰ（ｂ）は茶色となる。すなわち、図４における天幕（ａ）、ＦＲＰ（ｂ）のピーク波長は５０ｎｍも離れていないが、上記の方法によってその識別を目視で容易に行うことができる。
【００４３】
このように、上記の多波長蛍光計測装置１０においては、４つのフィルターを用いて、従来は困難であった固形物体の識別を容易に行うことができる。特に、４つのフィルターにおける透過帯域を図２の構成とすることにより、この識別を特に容易に行うことができる。
【００４４】
特に、参照用に予め各種の特定物質の色信号（色）を上記の多波長蛍光計測装置１０を用いて作成しておき、その後で実際の海面上で上記の多波長蛍光計測装置１０を使用するという対象物識別方法は、漂流物２００の識別において極めて有効である。
【００４５】
なお、図１の構成においては、４組の受光部２０ａ〜２０ｄを用いて同時に４種類の波長帯域の蛍光を検出する。ここで検出する蛍光は、ある時定数で減衰するが、この時定数には波長依存性がある。図８は、この蛍光の強度の時間変化の波長依存性を測定した結果であり、濃部が強度の高い箇所を示している。この結果より、４５０ｎｍ付近をピークとして、短波長側でも長波長側でも短い時間で蛍光強度が減衰する。このため、正確に蛍光のスペクトルの情報を得て、正確に漂流物の検出を行うためには、４組の受光部２０ａ〜２０ｄの検出タイミングを同時とすることが特に好ましい。なお、図８の結果より、ここでいう同時とは、蛍光スペクトルが有意に変化していないと認定できる程度の時間内という意味である。例えば、図８の場合においては、蛍光強度が最も高い点から１０ｎｓ以内であれば同時とみなせる。
【００４６】
ただし、例えばレーザー光１２のパルスを４回発振し、１つ目で受光部２０ａ、２つ目で受光部２０ｂ、３つ目で受光部２０ｃ、４つ目で受光部２０ｄにおける検出を、それぞれの蛍光強度が最も高い点から１０ｎｓ以内で行う設定としてもよい。この場合には、厳密には同時測定ではないが、この４つのパルスの間に漂流物２００が移動していないとみなせる場合には、実質的には同時とみなせることは明らかである。
【００４７】
なお、上記の例では、４つの受光部（４つの波長帯域）を用い、これから算出された３つの比率を用いてＲＧＢ信号を作成する例について記載したが、同様に、利用者が目視で識別できるような色信号を作成できる構成（例えば、４原色や５原色等の表示部）であれば、５つ以上の受光部（５つ以上の波長帯域）を用いることもできる。こうした場合であっても、上記と同様の広帯域フィルターを同時に用いることにより、幅広い対象物を検出することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
上記の多波長蛍光計測装置及び対象物識別方法は、上記の通り、水上の様々な対象物を検出することができる。海上に限らず、河川においても同様の効果を奏することは明らかである。また、これ以外の環境下においても、上記と同様の対象物を検出するのに有効であることは明らかである。
【符号の説明】
【００４９】
１０ 多波長蛍光計測装置
１１ レーザー発振器（レーザー光照射部）
１２ レーザー光
１３ 反射光
１４ 蛍光
２０ａ〜２０ｄ 受光部
２１ａ〜２１ｄ 光電子増倍管（受光部）
２２ａ〜２２ｄ フィルター（受光部）
２３ａ〜２３ｄ 受光光学系（受光部）
３０ 制御部（算出部）
３１ 表示部
１００ 海面
２００ 漂流物（対象物）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザー光を対象物の側に向かって照射し、前記対象物の側から戻る前記レーザー光と異なる波長をもつ光を受光することによって前記対象物を検出する多波長蛍光計測装置であって、
前記レーザー光を発振するレーザー光照射部と、
各々がフィルターで制限された波長帯域の前記レーザー光と異なる波長の光を同時に受光する４つ以上の受光部と、
前記４つ以上の受光部のうちの１つの受光部の出力に対する他の受光部のそれぞれの出力の比率を算出することによって前記対象物を検出する算出部と、
を具備し、
前記４つ以上の受光部における各フィルターの透過波長帯域は、中心波長が異なる４つ以上の帯域であり、当該４つ以上の帯域において隣接するいずれの帯域同士においても端部で重複部分が存在する、
ことを特徴とする多波長蛍光計測装置。
【請求項２】
前記レーザー光照射部における発振タイミングと、前記受光部における検出タイミングが同期して行われることを特徴とする請求項１に記載の多波長蛍光計測装置。
【請求項３】
前記受光部は、イメージインテンシファイアと半導体撮像素子とで構成されたことを特徴とする請求項１又は２に記載の多波長蛍光計測装置。
【請求項４】
前記対象物は、水上あるいは水中に存在し、
前記１つの受光部は、前記レーザー光の水によるラマン散乱光を検出することを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の多波長蛍光計測装置。
【請求項５】
前記受光部を４つ具備し、
前記レーザー光の波長は３５０〜３７０ｎｍの範囲であり、
前記４つの受光部における各フィルターの透過波長帯域は、それぞれ４００ｎｍ、４５０ｎｍ、５００ｎｍ、５５０ｎｍを中心波長とし、それぞれの半値幅を４０ｎｍ以上としたことを特徴とする請求項４に記載の多波長蛍光計測装置。
【請求項６】
前記算出部は、前記１つの受光部の出力に対する他の３つの受光部のそれぞれの出力の比率をそれぞれＲＧＢ値に換算し、色信号として出力することを特徴とする請求項５に記載の多波長蛍光計測装置。
【請求項７】
前記算出部は、前記１つの受光部の出力をＩ０、前記他の３つの受光部のそれぞれの出力をＩ１、Ｉ２、Ｉ３とし、（Ｉ１÷Ｉ０）ｍａｘ、（Ｉ２÷Ｉ０）ｍａｘ、（Ｉ３÷Ｉ０）ｍａｘをそれぞれ測定データにおける（Ｉ１÷Ｉ０）の最大値、（Ｉ２÷Ｉ０）の最大値、（Ｉ３÷Ｉ０）の最大値として、ＲＧＢの各信号強度を以下の式で算出することを特徴とする請求項６に記載の多波長蛍光計測装置。
【数１】
【請求項８】
請求項６又は７に記載の多波長蛍光計測装置を用いて予め特定物質の色信号を測定し、対象物を識別することを特徴とする対象物識別方法。
【請求項１】
レーザー光を対象物の側に向かって照射し、前記対象物の側から戻る前記レーザー光と異なる波長をもつ光を受光することによって前記対象物を検出する多波長蛍光計測装置であって、
前記レーザー光を発振するレーザー光照射部と、
各々がフィルターで制限された波長帯域の前記レーザー光と異なる波長の光を同時に受光する４つ以上の受光部と、
前記４つ以上の受光部のうちの１つの受光部の出力に対する他の受光部のそれぞれの出力の比率を算出することによって前記対象物を検出する算出部と、
を具備し、
前記４つ以上の受光部における各フィルターの透過波長帯域は、中心波長が異なる４つ以上の帯域であり、当該４つ以上の帯域において隣接するいずれの帯域同士においても端部で重複部分が存在する、
ことを特徴とする多波長蛍光計測装置。
【請求項２】
前記レーザー光照射部における発振タイミングと、前記受光部における検出タイミングが同期して行われることを特徴とする請求項１に記載の多波長蛍光計測装置。
【請求項３】
前記受光部は、イメージインテンシファイアと半導体撮像素子とで構成されたことを特徴とする請求項１又は２に記載の多波長蛍光計測装置。
【請求項４】
前記対象物は、水上あるいは水中に存在し、
前記１つの受光部は、前記レーザー光の水によるラマン散乱光を検出することを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の多波長蛍光計測装置。
【請求項５】
前記受光部を４つ具備し、
前記レーザー光の波長は３５０〜３７０ｎｍの範囲であり、
前記４つの受光部における各フィルターの透過波長帯域は、それぞれ４００ｎｍ、４５０ｎｍ、５００ｎｍ、５５０ｎｍを中心波長とし、それぞれの半値幅を４０ｎｍ以上としたことを特徴とする請求項４に記載の多波長蛍光計測装置。
【請求項６】
前記算出部は、前記１つの受光部の出力に対する他の３つの受光部のそれぞれの出力の比率をそれぞれＲＧＢ値に換算し、色信号として出力することを特徴とする請求項５に記載の多波長蛍光計測装置。
【請求項７】
前記算出部は、前記１つの受光部の出力をＩ０、前記他の３つの受光部のそれぞれの出力をＩ１、Ｉ２、Ｉ３とし、（Ｉ１÷Ｉ０）ｍａｘ、（Ｉ２÷Ｉ０）ｍａｘ、（Ｉ３÷Ｉ０）ｍａｘをそれぞれ測定データにおける（Ｉ１÷Ｉ０）の最大値、（Ｉ２÷Ｉ０）の最大値、（Ｉ３÷Ｉ０）の最大値として、ＲＧＢの各信号強度を以下の式で算出することを特徴とする請求項６に記載の多波長蛍光計測装置。
【数１】
【請求項８】
請求項６又は７に記載の多波長蛍光計測装置を用いて予め特定物質の色信号を測定し、対象物を識別することを特徴とする対象物識別方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１２−１４５３９０（Ｐ２０１２−１４５３９０Ａ）
【公開日】平成２４年８月２日（２０１２．８．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２７２７（Ｐ２０１１−２７２７）
【出願日】平成２３年１月１１日（２０１１．１．１１）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 安全工学シンポジウム２０１０講演予稿集、日本学術会議（共催：電気学会、日本船舶海洋工学会等）、平成２２年７月８日
【出願人】（５０１２０４５２５）独立行政法人海上技術安全研究所 (185)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年８月２日（２０１２．８．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１月１１日（２０１１．１．１１）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 安全工学シンポジウム２０１０講演予稿集、日本学術会議（共催：電気学会、日本船舶海洋工学会等）、平成２２年７月８日
【出願人】（５０１２０４５２５）独立行政法人海上技術安全研究所 (185)
【Ｆターム（参考）】
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