JP2011089895A - Device and method of hyperspectral imaging - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a hyperspectral imaging device achieving photographing of a moving image by increasing the number of photographed images of hyperspectral image data per unit time, and a hyperspectral imaging method. <P>SOLUTION: The hyperspectral imaging device includes: a variable slit member 104 constituting a slit 104A for forming light from an object into linear light parallel to a first direction, allowing the light to pass therethrough, and moving the position of the slit from one end side to the other end side in a second direction within the member; a spectral optical element 106 for dividing light having passed through the slit into a plurality of wavelength regions defined by hyperspectra; an imaging element 110 for receiving light of each wavelength region divided by the spectral optical element; and an image generating part 112 for calculating the intensity of light for each wavelength region based on an electric signal and generating a single two-dimensional image for each wavelength region based on the relationship between the position of the slit and the position of the light of each wavelength region received by the imaging element at the imaging element when the slit is moved from the one end side to the other end side once. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、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に関する。   The present invention relates to a hyperspectral imaging apparatus and a hyperspectral imaging method.

ハイパースペクトルカメラは、被写体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て、波長領域ごと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ーは、衛星及び航空機に搭載されて農業分野、環境分野などに使用されてきた。また、将来的にも医療分野、食品分野などでの活用が期待されている。   A hyperspectral camera is an imaging device that obtains an image for each wavelength region by splitting light from a subject into a plurality of wavelength regions defined by the hyperspectrum. Hyperspectral sensors have been used in agricultural fields, environmental fields, etc., mounted on satellites and aircraft. In the future, it is expected to be used in the medical field and food field.

ハイパースペクトル技術によれば、従来の色の概念をスペクトル領域に拡張でき、人間の目には見えない現象を可視化することができる。特許文献１では、ハイパースペクトル技術を内視鏡システムに応用した技術が開示されている。   According to the hyperspectral technology, the conventional color concept can be extended to the spectral region, and phenomena that are invisible to the human eye can be visualized. Patent Document 1 discloses a technique in which hyperspectral technology is applied to an endoscope system.

特開２００９−３９２８０号公報JP 2009-39280 A

ハイパースペクトルカメラによって取得される画像を使用できる技術分野は、上述した分野に限定されない。例えば、移動する物体や、形状が時間と共に変化する物体などを被写体として撮影し、ハイパースペクトル技術を用いてこれらの物体を計測することで従来にない物体認識や特性解析が可能となる可能性がある。   The technical field in which an image acquired by the hyperspectral camera can be used is not limited to the above-described field. For example, moving objects or objects whose shapes change over time can be photographed as subjects, and measurement of these objects using hyperspectral technology may enable unprecedented object recognition and characteristic analysis. is there.

ところで、従来のハイパースペクトルカメラは、波長領域ごとの２次元空間で表される画像を取得できたが、静止画像のみしか取得できなかった。例えば、従来のハイパースペクトルカメラは、１組のスペクトル画像データを取得するのに１０数秒〜数十秒、又は数分のオーダーの時間がかかった。従って、移動する物体や、形状が時間と共に変化する物体などを認識したり解析したりするためには、時間軸方向の画像（動画像）の取得が要求されるが、従来のハイパースペクトルカメラではリアルタイム性のある動画像を取得することが困難だった。   By the way, the conventional hyperspectral camera can acquire an image represented in a two-dimensional space for each wavelength region, but can only acquire a still image. For example, in the conventional hyperspectral camera, it takes ten to several tens of seconds or several minutes to acquire a set of spectral image data. Therefore, in order to recognize and analyze a moving object or an object whose shape changes with time, it is required to acquire an image (moving image) in the time axis direction. It was difficult to obtain moving images with real-time characteristics.

そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、ハイパースペクトル画像データの単位時間当たりの撮像枚数を増加させることができ、ハイパースペクトル画像データの動画撮影を実現することが可能な、新規かつ改良された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を提供することにある。   Therefore, the present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to increase the number of hyperspectral image data captured per unit time, and to move a moving image of hyperspectral image data. It is an object of the present invention to provide a novel and improved hyperspectral imaging apparatus and hyperspectral imaging method capable of realizing imaging.

上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、被写体からの光を第一の方向に平行な線状の光にして透過させるスリットを形成し、第一の方向に対して垂直な第二の方向に一端側から他端側にスリットの位置を部材内で移動する可変スリット部材と、スリットを透過した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する分光光学素子と、分光光学素子で分光された波長領域ごとの光を受光し、光電変換して電気信号を生成する複数の画素を有する撮像素子と、電気信号に基づいて波長領域ごとの光の強度を算出し、スリットの可変スリット部材における位置と、撮像素子で受光された波長領域ごとの光の撮像素子における位置との関係に基づいて、スリットが一端側から他端側に一回移動したとき、一つの２次元画像を波長領域ごとに生成する画像生成部とを備えることを特徴とするハイパースペクトル撮像装置が提供される。   In order to solve the above-described problem, according to one aspect of the present invention, a slit is formed that transmits light from a subject as linear light parallel to the first direction, and is perpendicular to the first direction. A variable slit member that moves the position of the slit within the member from one end side to the other end side in the second direction, and a spectroscopic optical element that splits light transmitted through the slit into a plurality of wavelength regions defined by a hyperspectrum, An image sensor having a plurality of pixels that receive light for each wavelength region spectrally separated by the spectroscopic optical element and photoelectrically convert it to generate an electrical signal, and calculates the intensity of light for each wavelength region based on the electrical signal. Based on the relationship between the position of the slit in the variable slit member and the position of the light for each wavelength region received by the image sensor in the image sensor, when the slit moves once from the one end side to the other end side, 2D image Hyperspectral imaging apparatus characterized by comprising an image generator for generating for each wavelength region is provided.

上記可変スリット部材は、電圧の印加に応じた液晶による光の透過及び遮断によって、スリットを形成し、スリットの位置を電気的に移動してもよい。   The variable slit member may form a slit by electrically transmitting and blocking light by liquid crystal in response to voltage application, and may electrically move the position of the slit.

上記分光光学素子で分光された波長領域ごとの光の強度を増幅させ、増幅した光を撮像素子に照射する光増幅部を更に備えてもよい。   You may further provide the optical amplification part which amplifies the intensity | strength of the light for every wavelength range spectrally divided by the said spectroscopic optical element, and irradiates an image pick-up element with the amplified light.

上記可変スリット部材、分光光学素子及び撮像素子に向けて光を照射する発光ダイオードと、発光ダイオードが照射する光のピーク波長を通過させるバンドパスフィルタと、
を有する波長校正光源を更に備えてもよい。 A light-emitting diode that emits light toward the variable slit member, the spectroscopic optical element, and the imaging element; a band-pass filter that passes the peak wavelength of the light emitted by the light-emitting diode;
A wavelength calibration light source having the following may be further provided.

上記波長校正光源のバンドパスフィルタを通過した光を拡散し透過させる拡散板を更に備えてもよい。   You may further provide the diffusion plate which diffuses and permeate | transmits the light which passed the band pass filter of the said wavelength calibration light source.

また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、可変スリット部材が、被写体からの光を第一の方向に平行な線状の光にして透過させるスリットを形成し、第一の方向に対して垂直な第二の方向に一端側から他端側にスリットの位置を部材内で移動するステップと、分光光学素子が、スリットを透過した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するステップと、撮像素子が、分光光学素子で分光された波長領域ごとの光を受光し、光電変換して電気信号を生成する複数の画素を有するステップと、画像生成部が、電気信号に基づいて波長領域ごとの光の強度を算出し、スリットの可変スリット部材における位置と、撮像素子で受光された波長領域ごとの光の撮像素子における位置との関係に基づいて、スリットが一端側から他端側に一回移動したとき、一つの２次元画像を波長領域ごとに生成するステップとを備えることを特徴とするハイパースペクトル撮像方法が提供される。   In order to solve the above problem, according to another aspect of the present invention, the variable slit member forms a slit that transmits light from the subject as linear light parallel to the first direction, and transmits the slit. The step of moving the position of the slit within the member from one end side to the other end side in the second direction perpendicular to the first direction, and the spectroscopic optical element is defined by hyperspectral light transmitted through the slit A step of splitting the light into a plurality of wavelength regions, a step of having an image sensor having a plurality of pixels that receive light for each wavelength region dispersed by the spectroscopic optical element and photoelectrically convert the light to generate an electrical signal, and an image generation unit However, based on the electrical signal, calculate the intensity of light for each wavelength region, based on the relationship between the position of the slit in the variable slit member and the position of the light for each wavelength region received by the image sensor in the image sensor, Pickpocket When bets are moved once from one end to the other end, hyperspectral imaging method characterized by comprising the steps of generating a single two-dimensional image for each wavelength region is provided.

本発明によれば、ハイパースペクトル画像データの単位時間当たりの撮像枚数を増加させることができ、ハイパースペクトル画像データの動画撮影を実現することができる。   According to the present invention, the number of captured hyperspectral image data per unit time can be increased, and moving image capturing of hyperspectral image data can be realized.

本発明の一実施形態に係るハイパースペクトルカメラ１００の構成及び動作を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the structure and operation | movement of the hyperspectral camera 100 which concern on one Embodiment of this invention. 同実施形態に係るハイパースペクトルカメラ１００の構成を示すブロック図である。2 is a block diagram illustrating a configuration of a hyperspectral camera 100 according to the embodiment. FIG. 同実施形態に係るハイパースペクトルカメラ１００の光学系を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the optical system of the hyperspectral camera 100 concerning the embodiment. 同実施形態に係る電子スリット１０４を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the electronic slit 104 which concerns on the same embodiment. 同実施形態に係るイメージインテンシファイア１０８を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the image intensifier 108 which concerns on the embodiment. 同実施形態に係る波長校正部１１６を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the wavelength calibration part 116 which concerns on the same embodiment. 同実施形態に係る波長校正光源１７０を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the wavelength calibration light source 170 which concerns on the same embodiment. 図８（Ａ）は、ＬＥＤ１７４の発光強度と波長の関係を示すグラフであり、図８（Ｂ）は、ＢＰＦ１７６の透過率と波長の関係を示すグラフであり、図８（Ｃ）は、ＬＥＤ１７４の発光強度と波長の関係を示すグラフである。8A is a graph showing the relationship between the emission intensity of the LED 174 and the wavelength, FIG. 8B is a graph showing the relationship between the transmittance of the BPF 176 and the wavelength, and FIG. 8C is a graph showing the relationship between the LED 174 and FIG. It is a graph which shows the relationship between the emitted light intensity of this, and a wavelength. 同実施形態に係るハイパースペクトルカメラ１００の動作を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows operation | movement of the hyperspectral camera 100 which concerns on the same embodiment. ハイパースペクトルデータの定義を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the definition of hyperspectral data. ハイパースペクトルデータの定義を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the definition of hyperspectral data. 従来のハイパースペクトルカメラ１０を示す構成図である。It is a block diagram which shows the conventional hyperspectral camera.

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。   Exemplary embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings. In addition, in this specification and drawing, about the component which has the substantially same function structure, duplication description is abbreviate | omitted by attaching | subjecting the same code | symbol.

［１．一実施形態の構成］
まず、本発明の一実施形態に係るハイパースペクトルカメラ１００の構成について説明する。図１は、本実施形態に係るハイパースペクトルカメラ１００の構成及び動作を示す説明図である。図２は、本実施形態に係るハイパースペクトルカメラ１００の構成を示すブロック図である。図３は、本実施形態に係るハイパースペクトルカメラ１００の光学系を示す説明図である。 [1. Configuration of Embodiment]
First, the configuration of the hyperspectral camera 100 according to an embodiment of the present invention will be described. FIG. 1 is an explanatory diagram showing the configuration and operation of a hyperspectral camera 100 according to the present embodiment. FIG. 2 is a block diagram illustrating a configuration of the hyperspectral camera 100 according to the present embodiment. FIG. 3 is an explanatory diagram showing an optical system of the hyperspectral camera 100 according to the present embodiment.

本実施形態に係るハイパースペクトルカメラ１００は、ハイパースペクトル撮像装置の一例であり、ハイパースペクトルで定義される複数の波長領域ごとの画像を動画として取得できる撮像装置である。   The hyperspectral camera 100 according to the present embodiment is an example of a hyperspectral imaging apparatus, and is an imaging apparatus that can acquire images for a plurality of wavelength regions defined by the hyperspectrum as moving images.

ハイパースペクトルカメラ１００は、ＰＣ（パーソナルコンピュータ）１４０等の情報処理装置やビデオモニタ１５０等に画像データを送信でき、撮像した画像をＰＣ１４０で処理したり、ビデオ出力変換回路１５２を介してビデオモニタ１５０で表示したりできる。ハイパースペクトルカメラ１００と、ＰＣ１４０やビデオモニタ１５０等は、Camera Link規格等によって接続され、Ｉ／Ｆ回路１３０を介してデータの送受信が行われる。   The hyperspectral camera 100 can transmit image data to an information processing apparatus such as a PC (personal computer) 140, a video monitor 150, and the like. The captured image is processed by the PC 140, and the video monitor 150 is connected via the video output conversion circuit 152. Can be displayed. The hyperspectral camera 100, the PC 140, the video monitor 150, and the like are connected according to the Camera Link standard or the like, and data is transmitted / received via the I / F circuit 130.

ハイパースペクトルカメラ１００は、例えば受光レンズ１０２と、レンズ１０３と、電子スリット１０４と、電子スリット駆動回路１０５と、回折格子１０６と、イメージインテンシファイア１０８と、制御回路１０９と、ＣＭＯＳイメージセンサ１１０と、ＦＰＧＡ１１２と、ＲＡＭ１１４と、波長校正部１１６と、感度校正光源１１８と、ＣＰＵ１２０と、Ｉ／Ｆ回路１３０と、照度センサ１６０などからなる。   The hyperspectral camera 100 includes, for example, a light receiving lens 102, a lens 103, an electronic slit 104, an electronic slit driving circuit 105, a diffraction grating 106, an image intensifier 108, a control circuit 109, and a CMOS image sensor 110. , FPGA 112, RAM 114, wavelength calibration unit 116, sensitivity calibration light source 118, CPU 120, I / F circuit 130, illuminance sensor 160, and the like.

受光レンズ１０２は、被写体からの光が入射され、入射された光を電子スリット１０４に照射する。受光レンズ１０２は、例えばフォーカス駆動部によって駆動され、被写体像をＣＭＯＳイメージセンサ１１０のセンサ本体部１１３上に合焦させることができる。なお、受光レンズ１０２はフレネルレンズに置き換えてもよい。   The light receiving lens 102 receives light from the subject and irradiates the electronic slit 104 with the incident light. The light receiving lens 102 is driven by, for example, a focus driving unit, and can focus the subject image on the sensor main body 113 of the CMOS image sensor 110. The light receiving lens 102 may be replaced with a Fresnel lens.

電子スリット１０４は、例えば透過型モノクロ液晶からなり、印加される電圧に応じて液晶の方向が変化し、図４（Ａ）に示すようにスリット１０４Ａを形成する。図４は、本実施形態に係る電子スリット１０４を示す説明図である。電子スリット１０４は、スリット１０４Ａが形成された部分において受光レンズ１０２を経由した被写体からの光を透過させることができる。一方、電子スリット１０４は、スリット１０４Ａが形成された部分以外の遮光部分１０４Ｂにおいて被写体からの光を遮断する。電子スリット１０４に形成されるスリット１０４Ａは、微細な幅を有する開口である。   The electronic slit 104 is made of, for example, a transmissive monochrome liquid crystal, and the direction of the liquid crystal changes according to the applied voltage to form a slit 104A as shown in FIG. FIG. 4 is an explanatory diagram showing the electronic slit 104 according to the present embodiment. The electronic slit 104 can transmit light from the subject that has passed through the light receiving lens 102 at a portion where the slit 104A is formed. On the other hand, the electronic slit 104 blocks light from the subject in the light shielding portion 104B other than the portion where the slit 104A is formed. The slit 104A formed in the electronic slit 104 is an opening having a fine width.

スリット１０４Ａは、電子スリット１０４の平面をＸＹ座標で表したとき、例えばＸ軸方向（第一の方向）に平行な開口であり、被写体からの光をＸ軸方向に平行な線状の光に絞って透過させる。そして、スリット１０４Ａは、図４（Ｂ）に示すように、Ｘ軸方向に垂直なＹ軸方向（第二の方向）に一端側から他端側に向けて位置を移動する。スリット１０４Ａの移動は液晶の方向の変化によるもので電気的に制御される。   The slit 104A is, for example, an opening parallel to the X-axis direction (first direction) when the plane of the electronic slit 104 is represented by XY coordinates, and converts light from the subject into linear light parallel to the X-axis direction. Squeeze and transmit. Then, as shown in FIG. 4B, the slit 104A moves in the Y-axis direction (second direction) perpendicular to the X-axis direction from one end side to the other end side. The movement of the slit 104A is electrically controlled by a change in the direction of the liquid crystal.

電子スリット１０４の動作例を説明すると、まず、起動時に液晶に電圧を印加し電子スリット１０４の全ピクセルを黒色に反転させる。その後、任意ラインのピクセルを透明にしてスリット１０４Ａを形成する。そして、画像取得後、スリット１０４Ａが形成されていた部分を黒に反転し、１ピクセル上のラインのピクセルを透明にする。このように、スリット１０４Ａの位置を可変させることによって、被写体（対象物体）のスキャンニングを行う。本実施形態による電気的なスキャン方式は、速度に限界がある従来の機械的スキャン方式に比べて、高速化が可能である。また、振動が生じる環境にも影響を受けにくいという利点がある。   An example of the operation of the electronic slit 104 will be described. First, a voltage is applied to the liquid crystal at the time of activation to invert all pixels of the electronic slit 104 to black. Thereafter, the slit 104A is formed by making the pixels of an arbitrary line transparent. Then, after the image is acquired, the portion where the slit 104A has been formed is inverted to black, and the pixels on the line one pixel above become transparent. In this way, the subject (target object) is scanned by changing the position of the slit 104A. The electrical scanning method according to the present embodiment can be speeded up as compared with the conventional mechanical scanning method with a limited speed. In addition, there is an advantage that it is hardly affected by the environment in which vibration occurs.

電子スリット１０４を透過した光は、回折格子１０６に照射される。電子スリット１０４は、例えば強誘電性液晶（ferroelectric liquid crystal）によって構成される。これにより、スリット位置の高速な切り替えによる被写体の高速スキャンを実現できる。また、単位時間当たりに取得できる１組のハイパースペクトルデータ（ＨＳＤ）の数は、電子スリット１０４の応答速度が速くなるほど多くなり、撮影された対象物体をより滑らかな動きで再生できるようになる。なお、ハイパースペクトルデータ（ＨＳＤ）は、２次元画像の各ピクセルに分光スペクトル強度の情報を持った３次元データセットである。   The light transmitted through the electronic slit 104 is irradiated to the diffraction grating 106. The electronic slit 104 is made of, for example, a ferroelectric liquid crystal. As a result, high-speed scanning of the subject can be realized by switching the slit position at high speed. Further, the number of sets of hyperspectral data (HSD) that can be acquired per unit time increases as the response speed of the electronic slit 104 increases, and the captured target object can be reproduced with smoother motion. Note that hyperspectral data (HSD) is a three-dimensional data set in which each pixel of a two-dimensional image has spectral spectrum intensity information.

電子スリット１０４は、可変スリット部材の一例である。なお、本発明では、可変スリット部材は電子スリット１０４に限定されない。可変スリット部材は、例えばボイスコイルによる駆動によって、スリットを磁力で１次元方向に移動させる構成を有するものでもよい。また、可変スリット部材のスリットの移動は、超音波リニアアクチュエータ又は超小型リニアモーターによる駆動でもよいし、回転ミラーを用いた構成によるものでもよい。   The electronic slit 104 is an example of a variable slit member. In the present invention, the variable slit member is not limited to the electronic slit 104. The variable slit member may have a configuration in which the slit is moved in a one-dimensional direction by a magnetic force, for example, by driving by a voice coil. Further, the movement of the slit of the variable slit member may be driven by an ultrasonic linear actuator or a micro linear motor, or may be configured by using a rotating mirror.

電子スリット駆動回路１０５は、駆動信号を電子スリット１０４に出力して、電子スリット１０４を駆動する。   The electronic slit driving circuit 105 outputs a driving signal to the electronic slit 104 to drive the electronic slit 104.

回折格子１０６は、例えば多数の溝が平行に等間隔で形成された基板であり、電子スリット１０４を通過したＸ軸方向に平行な線状の光を複数の波長領域に分光する。本実施形態では、例えば、４００〜８００ｎｍの可視光から近赤外までの領域を適用範囲とし、回折格子１０６がその領域を複数のバンド（波長領域）に分光する。回折格子１０６は、分光光学素子の一例である。回折格子１０６は、例えば、透過型回折格子を用いることができる。なお、回折格子は、機械刻線回折格子やホログラフィック回折格子などの反射型回折格子を用いてもよい。なお、本実施形態では、分光光学素子が回折格子１０６であるとしたが、本発明はかかる例に限定されない。分光光学素子は、例えば、入射した光をスペクトル分解することができるプリズムや光音響素子（ＡＯＭ：Acousto-Optic Modulator）でもよい。   The diffraction grating 106 is, for example, a substrate on which a large number of grooves are formed in parallel at equal intervals, and the linear light parallel to the X-axis direction that has passed through the electronic slit 104 is split into a plurality of wavelength regions. In the present embodiment, for example, a region from visible light of 400 to 800 nm to the near infrared is used as an application range, and the diffraction grating 106 separates the region into a plurality of bands (wavelength regions). The diffraction grating 106 is an example of a spectroscopic optical element. As the diffraction grating 106, for example, a transmission diffraction grating can be used. The diffraction grating may be a reflective diffraction grating such as a mechanical engraved diffraction grating or a holographic diffraction grating. In the present embodiment, the spectroscopic optical element is the diffraction grating 106, but the present invention is not limited to this example. The spectroscopic optical element may be, for example, a prism or a photoacoustic element (AOM: Acousto-Optic Modulator) that can spectrally decompose incident light.

リレーレンズ１０７は、複数のレンズから構成される光学系部材であり、回折格子１０６で分光された光が入射される。リレーレンズ１０７は、例えばイメージインテンシファイア１０８の前段及び後段に設けられる。リレーレンズ１０７は、分光された光をＣＭＯＳイメージセンサ１１０のセンサ本体部１１３に照射し、センサ本体部１１３の撮像面に被写体からの分光された光を結像させる。なお、リレーレンズ１０７はフレネルレンズを組み合わせて構成してもよい。   The relay lens 107 is an optical system member composed of a plurality of lenses, and the light split by the diffraction grating 106 is incident thereon. The relay lens 107 is provided, for example, before and after the image intensifier 108. The relay lens 107 irradiates the dispersed light to the sensor main body 113 of the CMOS image sensor 110 and forms an image of the dispersed light from the subject on the imaging surface of the sensor main body 113. Note that the relay lens 107 may be configured by combining Fresnel lenses.

イメージインテンシファイア（I.I: image intensifier）１０８は、映像増強管であり、受光した光を増幅させる。その結果、ＣＭＯＳイメージセンサ１１０は、増幅された光を受光でき、明暗に対する感度帯域幅を広げることができる。イメージインテンシファイア１０８は、光を例えば数千倍のオーダーで増倍できる。イメージインテンシファイア１０８は、光増幅部の一例である。イメージインテンシファイア１０８は、高圧電源から電力の供給を受ける。   An image intensifier (I.I) 108 is an image intensifier tube and amplifies received light. As a result, the CMOS image sensor 110 can receive the amplified light and can widen the sensitivity bandwidth with respect to light and dark. The image intensifier 108 can multiply the light, for example, on the order of several thousand times. The image intensifier 108 is an example of an optical amplification unit. The image intensifier 108 is supplied with power from a high voltage power source.

制御回路１０９は、制御信号をイメージインテンシファイア１０８に出力する。制御信号は、イメージインテンシファイア１０８の動作を制御する。イメージインテンシファイア１０８は、制御信号によって例えばゲート（光シャッター）の開放又は遮断といった動作をする。   The control circuit 109 outputs a control signal to the image intensifier 108. The control signal controls the operation of the image intensifier 108. The image intensifier 108 performs an operation such as opening or blocking of a gate (light shutter) according to a control signal.

ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）イメージセンサ１１０は、センサ本体部１１３を有し、センサ本体部１１３はリレーレンズ１０７を通過し撮像面に結像された光を光電変換によって電気信号に変換する複数の画素を有する。ＣＭＯＳイメージセンサ１１０は、撮像素子の一例である。ＣＭＯＳイメージセンサ１１０は、生成された電気信号を例えばＦＰＧＡ１１２に出力する。ＣＭＯＳイメージセンサ１１０の撮像面には、回折格子１０６で分光された光が結像される。ＣＭＯＳイメージセンサ１１０は駆動回路１１１を有し、駆動回路１１１はデータの読み出しなどを行う。   A CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) image sensor 110 has a sensor main body 113, and the sensor main body 113 passes through a relay lens 107 and converts a plurality of light images formed on an imaging surface into electric signals by photoelectric conversion. It has a pixel. The CMOS image sensor 110 is an example of an image sensor. The CMOS image sensor 110 outputs the generated electrical signal to the FPGA 112, for example. On the imaging surface of the CMOS image sensor 110, the light split by the diffraction grating 106 is imaged. The CMOS image sensor 110 has a drive circuit 111, and the drive circuit 111 reads data and the like.

ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）１１２は、プログラミング可能なＬＳＩ（集積回路）であり、取得された画像に関するデータ処理を行う。ＦＰＧＡ１１２は、ＲＡＭ１１４にデータを書き込んだりＲＡＭ１１４からデータを読み出したりする。ＦＰＧＡ１１２は、複数存在するＲＡＭ１１４のうちどのＲＡＭ１１４に対してデータ処理をするかという選択も行う。ＦＰＧＡ１１２は、ＣＭＯＳイメージセンサ１１０で生成された電気信号を受信し、ハイパースペクトルデータ（ＨＳＤ）としてＲＡＭ１１４に被写体のスペクトルデータを記録させる。   An FPGA (Field Programmable Gate Array) 112 is a programmable LSI (integrated circuit), and performs data processing on the acquired image. The FPGA 112 writes data to the RAM 114 and reads data from the RAM 114. The FPGA 112 also selects which RAM 114 out of a plurality of RAMs 114 is to perform data processing. The FPGA 112 receives the electrical signal generated by the CMOS image sensor 110 and causes the RAM 114 to record the spectral data of the subject as hyperspectral data (HSD).

ＲＡＭ１１４は、取得された画像に関するデータを一時的に記憶する。ＲＡＭ１１４は、被写体のスペクトルデータをＨＳＤとして記録する。ＨＳＤは、例えば、６４０×８００ピクセルの画像領域を有しており、それぞれのピクセルごとに複数のバンド（波長領域）のスペクトル情報が含まれている。即ち、各ピクセルは（ｘ，ｙ，λ）の３次元のデータセットを有する。ここで、ｘ、ｙは画像平面の位置を表し、λは波長を表す。そして、ピクセルごとのスペクトル情報は、個々に読み出しが可能である。   The RAM 114 temporarily stores data related to the acquired image. The RAM 114 records subject spectral data as HSD. The HSD has an image area of 640 × 800 pixels, for example, and includes spectral information of a plurality of bands (wavelength areas) for each pixel. That is, each pixel has a three-dimensional data set of (x, y, λ). Here, x and y represent the position of the image plane, and λ represents the wavelength. The spectral information for each pixel can be read out individually.

ＦＰＧＡ１１２は、ＣＭＯＳイメージセンサ１１０から出力された電気信号に基づいて各ピクセルの画像平面の位置（ｘ，ｙ）を算出する。また、ＦＰＧＡ１１２は、ピクセルの画像平面の位置（ｘ，ｙ）と、波長λとの対応付けを行う。なお、スリット１０４ＡがＹ軸方向に移動するにつれて、波長λの位置も撮像面上でＹ軸方向に移動するため、ピクセルの画像平面の位置（ｘ，ｙ）と、波長λとの対応付けは、電子スリット１０４におけるスリット１０４Ａの位置情報と関連付けて行う。   The FPGA 112 calculates the position (x, y) of the image plane of each pixel based on the electrical signal output from the CMOS image sensor 110. The FPGA 112 associates the position (x, y) of the image plane of the pixel with the wavelength λ. Note that, as the slit 104A moves in the Y-axis direction, the position of the wavelength λ also moves in the Y-axis direction on the imaging surface. Therefore, the correspondence between the position (x, y) of the pixel image plane and the wavelength λ is as follows. This is performed in association with the position information of the slit 104A in the electronic slit 104.

ＦＰＧＡ１１２は、各ピクセルの（ｘ，ｙ，λ）の３次元のデータセットに基づいて、複数の波長領域ごとに画像平面上の物理量の分布を算出する。そして、ＦＰＧＡ１１２は、波長λのピクセルの画像平面の位置（ｘ，ｙ）と、電子スリット１０４におけるスリット１０４Ａの位置に基づいて、複数の波長領域ごとに動画像を生成する。ＦＰＧＡ１１２は画像生成部の一例である。   The FPGA 112 calculates a physical quantity distribution on the image plane for each of a plurality of wavelength regions based on a three-dimensional data set of (x, y, λ) of each pixel. Then, the FPGA 112 generates a moving image for each of a plurality of wavelength regions, based on the position (x, y) of the image plane of the pixel having the wavelength λ and the position of the slit 104A in the electronic slit 104. The FPGA 112 is an example of an image generation unit.

波長校正部１１６は、波長校正用の光を出力して、その光を上述した受光レンズ１０２と、電子スリット１０４などの光学系に照射する。   The wavelength calibration unit 116 outputs wavelength calibration light and irradiates the light receiving lens 102 and the optical system such as the electronic slit 104 with the light.

ＣＰＵ１２０は、波長校正部１１６が出力した光を用いて取得される校正用スペクトルデータと、予め記憶された参照用スペクトルデータを比較し、比較結果に基づいて、撮影時に得られるスペクトルデータを補正する。波長校正部１１６を用いることによって、振動や各素子の経時変化によって生じる波長のずれを補正できる。   The CPU 120 compares the calibration spectrum data acquired using the light output from the wavelength calibration unit 116 with the reference spectrum data stored in advance, and corrects the spectrum data obtained at the time of photographing based on the comparison result. . By using the wavelength calibrating unit 116, it is possible to correct a wavelength shift caused by vibration or a change with time of each element.

波長校正部１１６の光源は、例えば、波長分布がシャープな基準波長を含む離散スペクトル光源であり、本実施形態ではＬＥＤ１７４を使用する。なお、波長校正は、吸収スペクトルを基準にした校正をしてもよい。   The light source of the wavelength calibration unit 116 is, for example, a discrete spectrum light source including a reference wavelength having a sharp wavelength distribution, and the LED 174 is used in this embodiment. The wavelength calibration may be performed based on the absorption spectrum.

感度校正光源１１８は、ハロゲンランプ等の連続スペクトル光源である。感度校正をする際、感度校正光源１１８は、感度校正用の光を出力して、その光を上述した受光レンズ１０２と、電子スリット１０４などの光学系に照射する。ＣＭＯＳイメージセンサ１１０は、付着する汚れ、素子の経時変化、温度変化のため感度が変化する。感度校正をすることによって、特性のずれを補正できる。   The sensitivity calibration light source 118 is a continuous spectrum light source such as a halogen lamp. When performing sensitivity calibration, the sensitivity calibration light source 118 outputs light for sensitivity calibration and irradiates the light receiving lens 102 and the optical system such as the electronic slit 104 with the light. The sensitivity of the CMOS image sensor 110 changes due to adhering dirt, device aging, and temperature change. By calibrating the sensitivity, deviations in characteristics can be corrected.

ＣＰＵ１２０（Central Processing Unit）は、プログラムによって演算処理装置及び制御装置として機能し、ハイパースペクトルカメラ１００内に設けられた各構成要素の処理を制御することができる。   A CPU 120 (Central Processing Unit) functions as an arithmetic processing device and a control device according to a program, and can control processing of each component provided in the hyperspectral camera 100.

Ｉ／Ｆ回路１３０は、例えばCamera Link、Gigabit Ethernet（登録商標）等の規格によってデータの送受信を行う。   The I / F circuit 130 transmits and receives data according to a standard such as Camera Link and Gigabit Ethernet (registered trademark).

照度センサ１６０は、周辺環境の光を受光する。受光量に基づいて、ハイパースペクトルカメラ１００の観測環境のフィードバックを行い、イメージインテンシファイア１０８の増倍率を調整する。ＣＭＯＳイメージセンサ１１０を用いた系統とは別に環境光を受光する系統を設けることによって、ＣＭＯＳイメージセンサ１１０における長時間露光が不要となり、劣化を防止できる。   The illuminance sensor 160 receives light from the surrounding environment. Based on the amount of received light, feedback of the observation environment of the hyperspectral camera 100 is performed, and the multiplication factor of the image intensifier 108 is adjusted. By providing a system for receiving ambient light separately from the system using the CMOS image sensor 110, long-time exposure in the CMOS image sensor 110 becomes unnecessary, and deterioration can be prevented.

ビデオモニタ１５０は、ＦＰＧＡ１１２で算出された結果を視覚的に表示することができる。ビデオモニタ１５０は、複数の波長領域ごとに画像平面上の物理量（光の強度）の分布などを表示することができる。   The video monitor 150 can visually display the result calculated by the FPGA 112. The video monitor 150 can display the distribution of physical quantities (light intensity) on the image plane for each of a plurality of wavelength regions.

次に、イメージインテンシファイア１０８について説明する。図５は、本実施形態に係るイメージインテンシファイア１０８を示す説明図である。イメージインテンシファイア１０８は、極微弱な光を検知し、増倍してコントラストのある像として可視化することができる。イメージインテンシファイア１０８は、端部に光が入射する入射窓１８１と光が出射する出力窓１８５をそれぞれ備える。   Next, the image intensifier 108 will be described. FIG. 5 is an explanatory diagram showing the image intensifier 108 according to the present embodiment. The image intensifier 108 can detect extremely weak light, and can multiply and visualize it as a contrasted image. The image intensifier 108 includes an incident window 181 through which light enters an end and an output window 185 through which light exits.

イメージインテンシファイア１０８において、光電面１８２上に結像された光は電子に変換される。そして、電子は光電面１８２とＭＣＰ（Micro Channel Plate）１８３と間の電圧によって加速され、ＭＣＰ１８３の各チャンネルに入射する。入射した電子は、ＭＣＰ１８３の両端の電圧勾配によって数十回の衝突を繰り返すことで、２次電子が増加し、ＭＣＰ１８３の出力端から多数の電子が放出される。更に、ＭＣＰ１８３の出力面と蛍光面１８４との間の電圧によって、電子が加速され蛍光面１８４に衝突する。最終的に、イメージインテンシファイア１０８によれば、入射した光学像に対して約１〜１０００万倍（ＭＣＰ１８３の段数による）に増強された出力像を得ることができる。   In the image intensifier 108, the light imaged on the photocathode 182 is converted into electrons. The electrons are accelerated by the voltage between the photocathode 182 and the MCP (Micro Channel Plate) 183 and enter each channel of the MCP 183. The incident electrons are repeatedly collided several tens of times by the voltage gradient at both ends of the MCP 183, thereby increasing secondary electrons and releasing a large number of electrons from the output end of the MCP 183. Furthermore, electrons are accelerated by the voltage between the output surface of the MCP 183 and the phosphor screen 184 and collide with the phosphor screen 184. Finally, according to the image intensifier 108, it is possible to obtain an output image enhanced by about 1 to 10 million times (depending on the number of stages of the MCP 183) with respect to the incident optical image.

次に波長校正部１１６について説明する。
波長校正部１１６は、図６に示すように、異なる波長を出力する複数の波長校正光源１７０と拡散板１７２などを有する。波長校正光源１７０は、図７に示すように、例えばＬＥＤ（Light Emitting Diode）１７４と、ＢＰＦ（バンドパスフィルタ）１７６と、レンズ１７８などからなる。図６は、本実施形態に係る波長校正部１１６を示す説明図である。図７は、本実施形態に係る波長校正光源１７０を示す説明図である。波長校正光源１７０のＬＥＤ１７４から出力された光はＢＰＦ１７６を通過し、レンズ１７８を介して外部に照射される。拡散板１７２は波長校正光源１７０から出力された光を拡散しながら透過させる板部材である。 Next, the wavelength calibration unit 116 will be described.
As shown in FIG. 6, the wavelength calibration unit 116 includes a plurality of wavelength calibration light sources 170 that output different wavelengths, a diffusion plate 172, and the like. As shown in FIG. 7, the wavelength calibration light source 170 includes, for example, an LED (Light Emitting Diode) 174, a BPF (Band Pass Filter) 176, a lens 178, and the like. FIG. 6 is an explanatory diagram showing the wavelength calibration unit 116 according to the present embodiment. FIG. 7 is an explanatory diagram showing the wavelength calibration light source 170 according to this embodiment. The light output from the LED 174 of the wavelength calibration light source 170 passes through the BPF 176 and is irradiated to the outside through the lens 178. The diffusion plate 172 is a plate member that allows light output from the wavelength calibration light source 170 to pass through while diffusing.

ＬＥＤ１７４は、温度に応じて発光する波長が変化する。図８（Ａ）は、ＬＥＤ１７４の発光強度と波長の関係を示すグラフであり、温度変化によってＬＥＤ１７４の波長分布が変化する様子を示している。図８（Ｂ）は、ＢＰＦ１７６の透過率と波長の関係を示すグラフである。ＢＰＦ１７６は、ＬＥＤ１７４の基準波長（例えばピーク波長）を透過させ、基準波長（例えばピーク波長）の低域側と高域側の波長分布をカットする特性を有する。波長校正光源１７０において、ＬＥＤ１７４とＢＰＦ１７６を組み合わせることで、図８（Ｃ）に示すように、温度変化によって波長分布が変化した場合でも、一定の波長領域の光を出力させることができる。図８（Ｃ）は、ＬＥＤ１７４の発光強度と波長の関係を示すグラフである。その結果、本実施形態では、ＬＥＤ１７４の温度特性を抑制して波長変化の少ないスペクトル光源を実現できる。   The wavelength of the LED 174 changes depending on the temperature. FIG. 8A is a graph showing the relationship between the emission intensity of the LED 174 and the wavelength, and shows how the wavelength distribution of the LED 174 changes due to a temperature change. FIG. 8B is a graph showing the relationship between the transmittance of the BPF 176 and the wavelength. The BPF 176 has a characteristic of transmitting the reference wavelength (for example, peak wavelength) of the LED 174 and cutting the wavelength distribution on the low frequency side and high frequency side of the reference wavelength (for example, peak wavelength). By combining the LED 174 and the BPF 176 in the wavelength calibration light source 170, as shown in FIG. 8C, light in a certain wavelength region can be output even when the wavelength distribution changes due to a temperature change. FIG. 8C is a graph showing the relationship between the emission intensity of the LED 174 and the wavelength. As a result, in this embodiment, it is possible to realize a spectral light source with less wavelength change by suppressing the temperature characteristics of the LED 174.

ハイパースペクトルカメラ１００が、管理者やユーザーによる定期的なメンテナンスが不可能な車載センサなど組み込み型である場合は、波長校正部１１６による校正が自動的に行われるようにするとよい。ハイパースペクトルカメラ１００が、管理者やユーザーによる定期的なメンテナンスが可能な計測器として使用される場合は、管理者やユーザーによる校正操作が可能な構成を有する。   When the hyperspectral camera 100 is a built-in type such as an in-vehicle sensor that cannot be regularly maintained by an administrator or a user, calibration by the wavelength calibration unit 116 may be performed automatically. When the hyperspectral camera 100 is used as a measuring instrument that can be regularly maintained by an administrator or a user, the hyperspectral camera 100 has a configuration that allows the administrator or the user to perform a calibration operation.

［２．一実施形態の動作］
次に、本発明の一実施形態に係るハイパースペクトルカメラ１００の動作について説明する。図９は、本実施形態に係るハイパースペクトルカメラ１００の動作を示すフローチャートである。 [2. Operation of one embodiment]
Next, the operation of the hyperspectral camera 100 according to an embodiment of the present invention will be described. FIG. 9 is a flowchart showing the operation of the hyperspectral camera 100 according to the present embodiment.

まず、電子スリット１０４のスリット１０４Ａを、最下端Ｙ＝ｙ０にセットする（ステップＳ１１）。そして、スリット１０４Ａがｙ０にあるときのＣＭＯＳイメージセンサ１１０上の画像データを取得する（ステップＳ１２）。スリット１０４Ａのｘ方向の線状の光は、回折格子１０６によってｙ方向に分光され、ＣＭＯＳイメージセンサ１１０の撮像面上に２次元的に結像する。この結像した画像の画像データを取得できる。   First, the slit 104A of the electronic slit 104 is set to the lowest end Y = y0 (step S11). Then, image data on the CMOS image sensor 110 when the slit 104A is at y0 is acquired (step S12). The linear light in the x direction from the slit 104 </ b> A is dispersed in the y direction by the diffraction grating 106, and forms a two-dimensional image on the imaging surface of the CMOS image sensor 110. Image data of the formed image can be acquired.

次に、波長テーブルを使用して、ＣＭＯＳイメージセンサ１１０上のｙ方向の座標を波長λに変換する（ステップＳ１３）。ある指定されたスリット１０４Ａの位置に対し、ＣＭＯＳイメージセンサ１１０には、ｙ方向に波長方向の分光スペクトル強度が投影される。波長テーブルはｙ方向のピクセル位置と、投影される波長との対応関係を示す表であり、スリット１０４Ａの位置ごとにテーブルデータを有する。   Next, using the wavelength table, the coordinates in the y direction on the CMOS image sensor 110 are converted into the wavelength λ (step S13). A spectral spectrum intensity in the wavelength direction is projected in the y direction on the CMOS image sensor 110 at a certain position of the slit 104A. The wavelength table is a table showing a correspondence relationship between pixel positions in the y direction and projected wavelengths, and has table data for each position of the slit 104A.

従来は、撮像素子に対してスリット位置が固定されていたため、波長テーブルは一つであった。一方、本実施形態のハイパースペクトルカメラ１００では、スリット１０４Ａを電子的に移動させることから、各スリット位置に対して一つずつ波長テーブルを対応させる。   Conventionally, since the slit position is fixed with respect to the image sensor, there is only one wavelength table. On the other hand, in the hyperspectral camera 100 of the present embodiment, since the slit 104A is moved electronically, one wavelength table is associated with each slit position.

そして、スリット１０４Ａがｙ０にあるときの分光スペクトルによるハイパースペクトルデータ（ｘ，ｙ０，ｌ（λ））を取得する（ステップＳ１４）。ハイパースペクトルデータ（ＨＳＤ）は、２次元画像の各ピクセルに分光スペクトル強度の情報を持った３次元データセット（ｘ，ｙ０，ｌ（λ））である。   Then, hyperspectral data (x, y0, l (λ)) based on the spectrum when the slit 104A is at y0 is acquired (step S14). Hyperspectral data (HSD) is a three-dimensional data set (x, y0, l (λ)) having spectral spectral intensity information at each pixel of a two-dimensional image.

次に、スリット１０４Ａの位置をｙ軸方向にΔｙ分移動させる（ステップＳ１５）。そして、上述したステップＳ１２からステップＳ１５を繰り返して、スリット１０４Ａの位置がＹ＝ｙｍａｘまでのＨＳＤ（ｘ，ｙｎ，ｌ（λ））のデータセットとして蓄積していく。ここでｎは０からｍａｘまでの整数である。   Next, the position of the slit 104A is moved by Δy in the y-axis direction (step S15). Then, Steps S12 to S15 described above are repeated to accumulate as a data set of HSD (x, yn, l (λ)) until the position of the slit 104A is Y = ymax. Here, n is an integer from 0 to max.

そして、蓄積されたＨＳＤ（ｘ，ｙｎ，ｌ（λ））を用いることで、各λに対応する（ｘ，ｙ）画像を再構成することができる。例えば、図１０では、Ｘ軸方向とＹ軸方向に配列される画素を示し、各画素において波長領域と光の強度の関係からなるスペクトル情報が含まれることを示している。また、図１１に示すように、各波長領域λにおける光の強度の平面上の分布を表示することができる。図１１では、波長領域λが４００ｎｍから８００ｎｍの間の任意の波長領域に対応する平面分布を示している。また、図５では、任意の波長領域の平面分布を合成できることを説明している。任意の波長領域の平面分布を合成することで、ＰＣ１４０やビデオモニタ１５０に確度の高い表示を行うことが可能となる。なお、図１０及び図１１は、ハイパースペクトルデータの定義を示す説明図である。   Then, by using the accumulated HSD (x, yn, l (λ)), (x, y) images corresponding to each λ can be reconstructed. For example, FIG. 10 shows pixels arranged in the X-axis direction and the Y-axis direction, and shows that each pixel includes spectral information that includes the relationship between the wavelength region and the light intensity. Moreover, as shown in FIG. 11, the distribution on the plane of the light intensity in each wavelength region λ can be displayed. FIG. 11 shows a planar distribution corresponding to an arbitrary wavelength region in which the wavelength region λ is between 400 nm and 800 nm. FIG. 5 illustrates that a plane distribution in an arbitrary wavelength region can be synthesized. By combining the planar distributions of arbitrary wavelength regions, it is possible to display on the PC 140 or the video monitor 150 with high accuracy. 10 and 11 are explanatory diagrams showing the definition of hyperspectral data.

以上の通り、本実施形態によれば、電子スリット１０４においてスリット１０４Ａの位置を高速にスキャンすることができるため、１組のＨＳＤを短時間で取得することができる。その結果、単位時間当たりに取得できる１組のＨＳＤを増加させることができるため、ハイパースペクトル画像を動画像として得ることができる。   As described above, according to the present embodiment, since the position of the slit 104A can be scanned at high speed in the electronic slit 104, one set of HSD can be acquired in a short time. As a result, since a set of HSDs that can be acquired per unit time can be increased, a hyperspectral image can be obtained as a moving image.

従来、ハイパースペクトルカメラ１０は、図１２に示すようにスリット４とＣＣＤ１１が同一のステージに搭載されたスキャン機構２０を有する。そして、スキャン機構２０が、デジタルサーボモータによって一の方向に移動されることによって、２次元画像を取得していた。図１２は、従来のハイパースペクトルカメラ１０を示す構成図である。ハイパースペクトルカメラ１０は、受光レンズ２と、スリット４と、回折格子６と、リレーレンズ７と、ＣＣＤセンサ１１と、スキャン機構２０と、デジタルサーボモータ２２などからなる。そして、ハイパースペクトルカメラ１０から画像データがＰＣ４０などに出力される。   Conventionally, the hyperspectral camera 10 has a scanning mechanism 20 in which the slit 4 and the CCD 11 are mounted on the same stage as shown in FIG. The scanning mechanism 20 is moved in one direction by the digital servo motor, thereby acquiring a two-dimensional image. FIG. 12 is a block diagram showing a conventional hyperspectral camera 10. The hyperspectral camera 10 includes a light receiving lens 2, a slit 4, a diffraction grating 6, a relay lens 7, a CCD sensor 11, a scanning mechanism 20, a digital servo motor 22, and the like. Then, image data is output from the hyperspectral camera 10 to the PC 40 or the like.

従来のハイパースペクトルカメラ１０は、機械的なスキャン方式であったため、１組のハイパースペクトルデータを得るのに時間がかかり、単位時間当たりに取得できるハイパースペクトルデータの数に限界があった。例えば、従来のハイパースペクトルカメラ１０は、１組のハイパースペクトルデータを取得するのに１０数秒〜数十秒、又は数分のオーダーの時間がかかった。一方、本実施形態によれば、上述した通り、電子スリット１０４を用いることで、ハイパースペクトルデータは２次元空間、波長情報という立体的情報に加え、時間情報を含むことになり、動画像として再生可能なハイパースペクトルデータを得ることができる。   Since the conventional hyperspectral camera 10 is a mechanical scanning method, it takes time to obtain a set of hyperspectral data, and the number of hyperspectral data that can be acquired per unit time is limited. For example, the conventional hyperspectral camera 10 takes 10 to several tens of seconds or several minutes on the order to acquire a set of hyperspectral data. On the other hand, according to the present embodiment, as described above, by using the electronic slit 104, the hyperspectral data includes time information in addition to three-dimensional information such as two-dimensional space and wavelength information, and is reproduced as a moving image. Possible hyperspectral data can be obtained.

その結果、従来、ハイパースペクトルカメラ１０は限られた分野に使用されていたが、本実施形態のハイパースペクトルカメラ１００によれば、活用できる分野を広げることができる。即ち、移動する物体や、形状が時間と共に変化する物体などを被写体として撮影し、ハイパースペクトル技術を用いてこれらの物体を計測することで従来にない物体認識や特性解析が可能となる。例えば、移動物体の空間的形状とスペクトル計測による物体認識、火炎等のスペクトル計測とその分布変化の観測、細菌の特性とその広がりの可視化などに適用できる。   As a result, conventionally, the hyperspectral camera 10 has been used in a limited field, but according to the hyperspectral camera 100 of the present embodiment, the fields that can be utilized can be expanded. That is, it is possible to perform unprecedented object recognition and characteristic analysis by photographing moving objects or objects whose shapes change with time as subjects and measuring these objects using hyperspectral technology. For example, the present invention can be applied to object recognition based on spatial shape and spectrum measurement of moving objects, spectrum measurement of flames and the like, observation of distribution changes thereof, visualization of bacterial characteristics and spread thereof, and the like.

また、ハイパースペクトルカメラ１００は、自動車産業における安全運行支援用センサや運転手の体調モニタリング、航空宇宙分野におけるハイパースペクトルリモートセンシング、惑星探査用スペクトルセンサーとして使用できる。更に、ハイパースペクトルカメラ１００は、バイオ分野における蛍光たんぱく質の識別、医療分野におけるスペクトル内視鏡や癌の可視化、セキュリティシステムにおける人物認証に使用できる。また更に、軍事産業において、ハイパースペクトルカメラ１００は兵士向け対象物識別用特殊カメラ、ミサイル搭載センサ、無人偵察用センサに使用できる。   Further, the hyperspectral camera 100 can be used as a safe operation support sensor in the automobile industry, a driver's physical condition monitoring, a hyperspectral remote sensing in the aerospace field, and a spectrum sensor for planetary exploration. Furthermore, the hyperspectral camera 100 can be used for identification of fluorescent proteins in the bio field, visualization of spectrum endoscopes and cancers in the medical field, and human authentication in security systems. Furthermore, in the military industry, the hyperspectral camera 100 can be used as a special camera for object identification for soldiers, a sensor mounted on a missile, and a sensor for unmanned reconnaissance.

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。   The preferred embodiments of the present invention have been described in detail above with reference to the accompanying drawings, but the present invention is not limited to such examples. It is obvious that a person having ordinary knowledge in the technical field to which the present invention pertains can come up with various changes or modifications within the scope of the technical idea described in the claims. Of course, it is understood that these also belong to the technical scope of the present invention.

なお、上述した一実施形態のハイパースペクトルカメラ１００では、可変スリット部材として電子スリット１０４を用いるとしたが、本実施形態では可変スリット部材としてＭＥＭＳ（Micro-electro-mechanical systems）スリットを用いてもよい。ＭＥＭＳスリットを設置する場合、ハイパースペクトルカメラ２００にはＭＥＭＳスリットと連動するＭＥＭＳミラーが更に設けられる。   In the hyperspectral camera 100 of the above-described embodiment, the electronic slit 104 is used as the variable slit member. However, in this embodiment, a micro-electro-mechanical systems (MEMS) slit may be used as the variable slit member. . When installing the MEMS slit, the hyperspectral camera 200 is further provided with a MEMS mirror that works in conjunction with the MEMS slit.

１００、２００ ハイパースペクトルカメラ
１０２ 受光レンズ
１０３，１７８ レンズ
１０４ 電子スリット
１０４Ａ スリット
１０４Ｂ 遮光部分
１０５ 電子スリット駆動回路
１０６ 回折格子
１０７ リレーレンズ
１０８ イメージインテンシファイア
１０９ 制御回路
１１０ ＣＭＯＳイメージセンサ
１１１ 駆動回路
１１２ ＦＰＧＡ
１１３ センサ本体部
１１４ ＲＡＭ
１１６ 波長校正部
１１８ 感度校正光源
１２０ ＣＰＵ
１３０ Ｉ／Ｆ回路
１４０ ＰＣ
１５０ ビデオモニタ
１５２ ビデオ出力変換回路
１６０ 照度センサ
１７０ 波長校正光源
１７２ 拡散板
１７４ ＬＥＤ
１７６ ＢＰＦ（バンドパスフィルタ）
１８１ 入射窓
１８２ 光電面
１８３ ＭＣＰ（Micro Channel Plate）
１８４ 蛍光面
１８５ 出力窓
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100, 200 Hyperspectral camera 102 Light-receiving lens 103,178 Lens 104 Electronic slit 104A Slit 104B Light-shielding part 105 Electronic slit drive circuit 106 Diffraction grating 107 Relay lens 108 Image intensifier 109 Control circuit 110 CMOS image sensor 111 Drive circuit 112 FPGA
113 Sensor body 114 RAM
116 Wavelength calibration unit 118 Sensitivity calibration light source 120 CPU
130 I / F circuit 140 PC
150 Video Monitor 152 Video Output Conversion Circuit 160 Illuminance Sensor 170 Wavelength Calibration Light Source 172 Diffuser 174 LED
176 BPF (band pass filter)
181 Incident window 182 Photocathode 183 MCP (Micro Channel Plate)
184 phosphor screen 185 output window

Claims (6)

被写体からの光を第一の方向に平行な線状の光にして透過させるスリットを形成し、前記第一の方向に対して垂直な第二の方向に一端側から他端側に前記スリットの位置を部材内で移動する可変スリット部材と、
前記スリットを透過した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する分光光学素子と、
前記分光光学素子で分光された前記波長領域ごとの光を受光し、光電変換して電気信号を生成する複数の画素を有する撮像素子と、
前記電気信号に基づいて前記波長領域ごとの光の強度を算出し、前記スリットの前記可変スリット部材における位置と、前記撮像素子で受光された前記波長領域ごとの光の前記撮像素子における位置との関係に基づいて、前記スリットが前記一端側から前記他端側に一回移動したとき、一つの２次元画像を前記波長領域ごとに生成する画像生成部と
を備えることを特徴とする、ハイパースペクトル撮像装置。 A slit is formed to transmit light from the subject as linear light parallel to the first direction, and the slit is formed from one end to the other end in a second direction perpendicular to the first direction. A variable slit member whose position moves within the member;
A spectroscopic optical element that splits light transmitted through the slit into a plurality of wavelength regions defined by a hyperspectrum;
An image sensor having a plurality of pixels that receive light for each wavelength region dispersed by the spectroscopic optical element and photoelectrically convert it to generate an electrical signal;
The light intensity for each wavelength region is calculated based on the electrical signal, and the position of the slit in the variable slit member and the position of the light for each wavelength region received by the image sensor in the image sensor. A hyperspectrum, comprising: an image generation unit configured to generate one two-dimensional image for each wavelength region when the slit moves once from the one end side to the other end side based on a relationship; Imaging device. 前記可変スリット部材は、電圧の印加に応じた液晶による光の透過及び遮断によって、前記スリットを形成し、前記スリットの位置を電気的に移動することを特徴とする、ハイパースペクトル撮像装置。   The hyper-spectral imaging apparatus, wherein the variable slit member forms the slit by electrically transmitting and blocking light by liquid crystal according to voltage application, and electrically moves the position of the slit. 前記分光光学素子で分光された前記波長領域ごとの光の強度を増幅させ、増幅した光を前記撮像素子に照射する光増幅部を更に備えることを特徴とする、請求項１又は２に記載のハイパースペクトル撮像装置。   The optical amplifying unit that amplifies the intensity of the light for each wavelength region spectrally separated by the spectroscopic optical element and irradiates the image pickup element with the amplified light is further provided. Hyperspectral imaging device. 前記可変スリット部材、前記分光光学素子及び前記撮像素子に向けて光を照射する発光ダイオードと、
前記発光ダイオードが照射する光のピーク波長を通過させるバンドパスフィルタと、
を有する波長校正光源を更に備えることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載のハイパースペクトル撮像装置。 A light emitting diode that emits light toward the variable slit member, the spectroscopic optical element, and the imaging element;
A bandpass filter that passes the peak wavelength of the light emitted by the light emitting diode;
The hyperspectral imaging device according to any one of claims 1 to 3, further comprising a wavelength calibration light source having: 前記波長校正光源の前記バンドパスフィルタを通過した光を拡散し透過させる拡散板を更に備えることを特徴とする、請求項４に記載のハイパースペクトル撮像装置。   The hyperspectral imaging apparatus according to claim 4, further comprising a diffusion plate that diffuses and transmits light that has passed through the bandpass filter of the wavelength calibration light source. 可変スリット部材が、被写体からの光を第一の方向に平行な線状の光にして透過させるスリットを形成し、前記第一の方向に対して垂直な第二の方向に一端側から他端側に前記スリットの位置を部材内で移動するステップと、
分光光学素子が、前記スリットを透過した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するステップと、
撮像素子が、前記分光光学素子で分光された前記波長領域ごとの光を受光し、光電変換して電気信号を生成する複数の画素を有するステップと、
画像生成部が、前記電気信号に基づいて前記波長領域ごとの光の強度を算出し、前記スリットの前記可変スリット部材における位置と、前記撮像素子で受光された前記波長領域ごとの光の前記撮像素子における位置との関係に基づいて、前記スリットが前記一端側から前記他端側に一回移動したとき、一つの２次元画像を前記波長領域ごとに生成するステップと
を備えることを特徴とする、ハイパースペクトル撮像方法。 The variable slit member forms a slit that transmits light from the subject as linear light parallel to the first direction and transmits the slit in a second direction perpendicular to the first direction from the other end to the other end. Moving the position of the slit to the side within the member;
A spectroscopic optical element splits the light transmitted through the slit into a plurality of wavelength regions defined by a hyper spectrum;
An imaging device having a plurality of pixels that receive light in each wavelength region spectrally separated by the spectroscopic optical element and photoelectrically convert the pixel to generate an electrical signal;
The image generation unit calculates the intensity of light for each wavelength region based on the electrical signal, and the position of the slit in the variable slit member and the imaging of the light for each wavelength region received by the imaging device A step of generating one two-dimensional image for each wavelength region when the slit moves once from the one end side to the other end side based on a relationship with a position in the element. Hyperspectral imaging method.
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