JP2012138652A - Tunable filter camera and scanner - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、チューナブルフィルタカメラ及びチューナブルフィルタカメラを用いたスキャン装置に関し、詳細には、チューナブルフィルタを受光部の前に設けたマルチスペクトル画像情報を取得するカメラ及びスキャン装置に関する。 The present invention relates to a tunable filter camera and a scanning device using the tunable filter camera, and more particularly to a camera and a scanning device that acquire multispectral image information in which a tunable filter is provided in front of a light receiving unit.
従来、マルチスペクトルカメラとしては、２次元モノクロイメージセンサを用い、可視光波長域４００〜９００ｎｍ程度の周波数帯域のうち必要とする特定バンドのみ通過させる回転式バンドパスフィルタを光路に設置し、複数の特定スペクトルイメージを取得する手法がある。
また、１次元ラインセンサ素子を用いて、カラーＲＧＢカメラを構成する場合もあり、例えば、３板式ＲＧＢラインセンサ方式（図８参照）と並行配列ラインセンサ方式（図９参照）などがある。
Conventionally, as a multispectral camera, a two-dimensional monochrome image sensor is used, and a rotary bandpass filter that passes only a specific band that is required in a visible light wavelength range of about 400 to 900 nm is installed in an optical path. There is a technique for acquiring a specific spectrum image.
In some cases, a color RGB camera is configured by using a one-dimensional line sensor element. For example, there are a three-plate RGB line sensor system (see FIG. 8) and a parallel array line sensor system (see FIG. 9).
３板式ＲＧＢラインセンサ方式は、ダイクロックミラーで分光したイメージを、それぞれ光学的同位置に配置したＲＧＢ別の各センサに入力する方式であり、イメージのずれが生じることはなく同時刻同位置の１次元情報が得られる。
並行配列ラインセンサ方式は、並行に配置したＲＧＢ別の各ラインセンサに分光イメージとして順次入力する方式である。
The three-plate RGB line sensor method is a method in which an image dispersed by a dichroic mirror is input to each sensor for each RGB arranged at the same optical position, and there is no image shift and the same position at the same time. One-dimensional information is obtained.
The parallel array line sensor method is a method in which a spectral image is sequentially input to each of the RGB line sensors arranged in parallel.
しかしながら、上記、３板式ＲＧＢラインセンサ方式は、実際には、数千ビットに及ぶ１次元素子の機械的な同位置調整はかなり困難で、各素子ピクセル間には１ピクセルから２ピクセル程度以上の調整誤差が生じ、ダイクロックプリズム自身の持つ歪み誤差や３つの光路に分離するため顕著な感度低下も無視できず、タクトを上げるためには大光量の光源も必要となるなど問題がある。 However, in the above-mentioned three-plate RGB line sensor system, in fact, it is quite difficult to adjust the same position of one-dimensional elements extending over several thousand bits. Adjustment errors occur, and the dichroic prism itself has a distortion error and is separated into three optical paths, so that a significant decrease in sensitivity cannot be ignored, and a large amount of light source is required to increase tact.
また、上記、並行配列ラインセンサ方式は、配列ピッチ分視野位置がずれるため、同時刻に同一場所のＲＧＢ色情報が得られず、２次元方向のスキャン動作で時間軸を合わせるためクロック同期信号によって同一場所の色情報として再合成する必要が生じる（図１０参照）。
但し、３板式ＲＧＢラインセンサ方式と比べ、ダイクロックミラーなどを使用しないため減光は比較的に少ないが、それでもセンサ前面に貼り付けた広域のＲＧＢカラーフィルタによる減光は避けられず、特に、資料の劣化を恐れ高感度とするためスキャンレートを落とし蓄積時間を増やすか、あるいは照度を極端に高輝度にするなど工夫が必要である。
なお、本発明に関する従来技術としては以下の文献がある。
Also, the parallel array line sensor method described above shifts the visual field position by the array pitch, so that RGB color information at the same place cannot be obtained at the same time, and the clock synchronization signal is used to adjust the time axis in a two-dimensional scan operation. It is necessary to re-synthesize the color information at the same place (see FIG. 10).
However, compared to the three-plate RGB line sensor method, the dichroic mirror is not used, so the light attenuation is relatively small, but still the light attenuation by the wide-area RGB color filter attached to the front of the sensor is inevitable. There is a need to devise measures such as reducing the scan rate to increase the accumulation time or making the illuminance extremely high in order to increase the sensitivity because of fear of deterioration of the material.
In addition, there are the following documents as conventional techniques related to the present invention.
マルチスペクトルカメラは、計測対象物の分光反射率を、帯域内に設定された多バンド（波長域）複数の特徴点を精密に捉えることができることから、高レベルの計測を行う手法としては極めて有用であり、マルチスペクトル画像情報取得の重要性が改め認識され、高度なマルチスペクトルカメラの出現が待たれていたが、従来方式で高分解能のマルチスペクトルカメラを構成しようとすれば、図１１に示すように、モノクロの１次元ラインセンサカメラを用意し、目的のバンドパスフィルタを必要枚数貼り付けた回転機構を有するカメラとしていた。 The multispectral camera is very useful as a high-level measurement method because it can accurately capture the spectral reflectance of the measurement object from multiple feature points (wavelength range) set within the band. The importance of acquiring multispectral image information has been recognized again, and the advent of an advanced multispectral camera has been awaited. If an attempt is made to construct a high-resolution multispectral camera by the conventional method, FIG. As described above, a monochrome one-dimensional line sensor camera is prepared, and the camera has a rotation mechanism in which a required number of bandpass filters are pasted.
このような回転機構バンドパスフィルタ方式のマルチスペクトルカメラは、チャンネル数だけ同位置のスキャンを繰り返す必要からタクト時間がチャンネル数分大幅に増すなどの問題があり、前記図９に示す並行配列ラインセンサの場合では、低感度を改善するため、良好なスペクトル画像を得ようとすれば、ハロゲン光源やメタルハライド光源を使用し、更に、スキャンレートを遅くするなどし、積算照明強度を相対的に得るか、あるいは高輝度ＬＥＤ照明装置を用いるなどして、撮影対象である資料を高輝度で照明する必要があった。 Such a multi-spectral camera of the band-pass filter type rotating mechanism has a problem that the tact time greatly increases by the number of channels because it is necessary to repeat scanning at the same position by the number of channels, and the parallel array line sensor shown in FIG. In this case, in order to improve the low sensitivity, if a good spectral image is to be obtained, use a halogen light source or a metal halide light source, and further reduce the scan rate, etc. Alternatively, it is necessary to illuminate the material to be photographed with high luminance by using a high luminance LED illumination device.
しかし、従来のマルチスペクトルカメラは、可視光波長域４００〜９００ｎｍの周波数帯域をモノクロイメージセンサで、必要とする特定バンドのみ通過させる、回転式バンドパスフィルタを光路に設置し、複数の特定スペクトルイメージを取得するなどの手法を取ってきた。
この方式で１次元ラインセンサを使用する場合、バンドパスフィルタ回転機構のみならず、１軸の移動機構が必要で、チャンネル数だけ同位置のスキャンを繰り返す必要もあった。その結果、タクト時間が大幅に増加し、更にバンドパスフィルタによる減光も無視できず低感度になるなど、問題が多かった。
本発明は、従来の問題点を解決するものであり、高速、高分解能、高感度で、撮影対象のマルチスペクトル画像情報を得ることのできるチューナブルフィルタカメラを提供することを目的とする。
また、本発明の他の目的は、撮影対象を１回スキャンするだけで撮影対象のマルチスペクトル画像情報を得ることができるスキャン装置を提供することである。
However, the conventional multispectral camera is a monochrome image sensor that allows only a specific band to pass through a frequency band of visible light wavelength range of 400 to 900 nm. Have taken the techniques such as.
When a one-dimensional line sensor is used in this method, not only the band-pass filter rotation mechanism but also a uniaxial movement mechanism is required, and it is necessary to repeat scanning at the same position by the number of channels. As a result, there were many problems such as the tact time increased significantly, and further, the light attenuation due to the bandpass filter could not be ignored and the sensitivity was low.
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to solve the conventional problems and to provide a tunable filter camera capable of obtaining multispectral image information of a subject to be photographed with high speed, high resolution and high sensitivity.
Another object of the present invention is to provide a scanning device that can obtain multispectral image information of an imaging target by scanning the imaging target only once.
（１）本発明のチューナブルフィルタカメラは、
レンズを通過して入射された光束を分光するビームスプリッタと、
該ビームスプリッタで分光された光束を任意の波長帯域を選択して透過させるチューナブルフィルタと、
該チューナブルフィルタを透過した光束を受光する受光部と、
を備えたことを特徴とする。
（２）本発明のチューナブルフィルタカメラは、前記（１）において、
前記受光部が、
ＣＣＤイメージング素子やＣＭＯＳイメージング素子などのフォトダイオードアレイの多数個を１列に並べた１次元ラインセンサであることを特徴とする。
（３）本発明のチューナブルフィルタカメラは、前記（１）において、
前記受光部が、ＣＣＤイメージング素子やＣＭＯＳイメージング素子などのフォトダイオードアレイの多数個を１列に並べた１次元ラインセンサをさらに並行に複数列配列したものであることを特徴とする。
（４）本発明のチューナブルフィルタカメラは、前記（１）〜（３）のいずれかにおいて、
前記チューナブルフィルタが２台設置され、
一方のチューナブルフィルタが光束を透過している間に、
他方のチューナブルフィルタが透過する光束の波長帯域を切替えていることを特徴とする。
（５）本発明のスキャン装置は、前記（１）〜（４）のいずれかのチューナブルフィルタカメラを備えており、
スキャン対象物を該チューナブルフィルタカメラに対して移動させる移動手段を備え、
スキャン中にチューナブルフィルタカメラの受光部に蓄積されたデータをリードアウトするようにしたことを特徴とする。
（６）本発明のスキャン装置は、前記（５）において、
前記チューナブルフィルタカメラの受光部が１次元ラインセンサであり、
該１次元ラインセンサの配列方向に対し、
スキャン対象物を直交方向に移動させる移動手段を備え、
スキャン中にチューナブルフィルタカメラの受光部に蓄積されたデータをリードアウトするようにしたことを特徴とする。
(1) The tunable filter camera of the present invention is
A beam splitter that splits the incident light beam through the lens;
A tunable filter that transmits a light beam split by the beam splitter by selecting an arbitrary wavelength band;
A light receiving portion for receiving the light beam transmitted through the tunable filter;
It is provided with.
(2) The tunable filter camera of the present invention is the above (1).
The light receiving unit is
It is a one-dimensional line sensor in which a large number of photodiode arrays such as a CCD imaging element and a CMOS imaging element are arranged in a line.
(3) The tunable filter camera of the present invention is the above (1).
The light receiving unit is characterized in that a plurality of one-dimensional line sensors in which a large number of photodiode arrays such as a CCD imaging element and a CMOS imaging element are arranged in a row are arranged in a plurality of rows in parallel.
(4) The tunable filter camera of the present invention is any one of the above (1) to (3),
Two tunable filters are installed,
While one tunable filter is transmitting the luminous flux,
The wavelength band of the light beam transmitted through the other tunable filter is switched.
(5) A scanning device according to the present invention includes the tunable filter camera according to any one of (1) to (4),
Moving means for moving a scan object relative to the tunable filter camera;
The data accumulated in the light receiving unit of the tunable filter camera is read out during scanning.
(6) In the scanning device of the present invention described in (5),
The light receiving part of the tunable filter camera is a one-dimensional line sensor,
With respect to the arrangement direction of the one-dimensional line sensor,
A moving means for moving the scan object in the orthogonal direction;
The data accumulated in the light receiving unit of the tunable filter camera is read out during scanning.
本発明のチューナブルフィルタカメラは、レンズを通して入射された光束を分光するビームスプリッタと、該ビームスプリッタで分光された光束から任意の波長帯域を選択して透過させるチューナブルフィルタと、該チューナブルフィルタを透過した光束を受光する受光部と、を備えているので、目的によって、ビームスプリッタで分光した光束をチューナブルフィルタを透過させる波長帯域の選定を任意に行え、画像の反射光をマルチスペクトル画像情報として、高分解能、高速、しかも超高感度で取得できる。
また、前記チューナブルフィルタカメラを用いたスキャン装置は、１スキャンで、画像の反射光を、高分解能、高速、しかも自動化で、マルチスペクトル画像情報として取得できる。
本発明のチューナブルフィルタカメラやスキャン装置を用いることにより、資源探査を始め、成分分析等の、従来不可能だったマルチスペクトル分析が高速高感度で実現できる。
A tunable filter camera according to the present invention includes a beam splitter that splits a light beam incident through a lens, a tunable filter that selectively transmits an arbitrary wavelength band from the light beam dispersed by the beam splitter, and the tunable filter. And a light-receiving unit that receives the light beam transmitted through the tunable filter according to the purpose. Information can be acquired with high resolution, high speed, and ultra-high sensitivity.
The scanning apparatus using the tunable filter camera can acquire reflected light of an image as multispectral image information with high resolution, high speed, and automation in one scan.
By using the tunable filter camera and the scanning device of the present invention, it is possible to realize multispectral analysis, such as resource exploration and component analysis, which has been impossible in the past with high speed and high sensitivity.
本発明の実施形態のチューナブルフィルタカメラは、ビームスプリッタで分光された光束から任意の波長帯域を選択して透過させるチューナブルフィルタと、チューナブルフィルタを透過した光束を受光する受光部とを備えた、画像情報取得カメラである。
すなわち、入射する光をビームスプリッタで光路を分光し、各受光部の前面に設置したそれぞれのチューナブルフィルタを透過させる波長帯域を選択し、各チューナブルフィルタの後方に設置した各受光部に撮影対象の画像の反射光をマルチスペクトル画像情報として蓄積するようにしたことを特徴とする。
また、２台の受光部と２台のチューナブルフィルタとを、同期させながら交互に切替使用することで、チューナブルフィルタの透過波長帯域切替時間中に発生するイメージデータのロスを無くし、連続的なマルチスペクトル画像情報を取得することができる。
A tunable filter camera according to an embodiment of the present invention includes a tunable filter that selects and transmits an arbitrary wavelength band from a light beam dispersed by a beam splitter, and a light receiving unit that receives the light beam transmitted through the tunable filter. It is an image information acquisition camera.
In other words, incident light is split in the optical path by a beam splitter, a wavelength band that transmits each tunable filter installed in front of each light receiving unit is selected, and photographed on each light receiving unit installed behind each tunable filter The reflected light of the target image is stored as multispectral image information.
In addition, by switching and using two light receiving units and two tunable filters alternately, there is no loss of image data that occurs during the transmission wavelength band switching time of the tunable filter, and continuous Multispectral image information can be acquired.
本発明の実施形態のチューナブルフィルタカメラを、図面を用いて以下に詳細に説明する。図１は、実施形態のチューナブルフィルタカメラの構成を示す概略ブロック図である。
図示するように、実施形態のチューナブルフィルタカメラ１０は、レンズ１１、ビームスプリッタ１２、チューナブルフィルタ１３、受光部１４、制御部１５を備えており、マルチスペクトル画像情報を取得する対象を、レンズ１１、ビームスプリッタ１２、チューナブルフィルタ１３を通して受光部１４上に照射して結像させ、ビデオ信号に変換してチューナブルフィルタカメラ１０からＣＰＵ５１に出力するように構成されている。
すなわち、チューナブルフィルタカメラ１０の受光部１４に光が照射されると、電荷が時間とともに露光蓄積され、外部よりの並列転送パルスによって、リードアウトレジスターに順次加算した後、一括転送され、ビデオ信号として出力され、ビデオ信号は、時系列パルスと同期させて取り出されるようになっている。
本実施形態のチューナブルフィルタカメラ１０では、２台の受光部１４ａ、１４ｂのそれぞれの前面に、液晶複屈折偏光干渉方式のチューナブルフィルタ１３ａ、１３ｂを２台設置するとともに、制御部１５によってチューナブルフィルタ１３ａ、１３ｂの波長帯域の切替と、受光部１４ａ、１４ｂでのマルチスペクトル画像情報取得とを、タイミング良くクロック同期させるようにした。
これにより、チューナブルフィルタ１３の波長帯域切替時間（例えば５０ｍｓ）中に発生するマルチスペクトル画像情報取得のロスを無くすことができる。
A tunable filter camera according to an embodiment of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic block diagram illustrating a configuration of a tunable filter camera according to an embodiment.
As shown in the figure, a tunable filter camera 10 according to the embodiment includes a lens 11, a beam splitter 12, a tunable filter 13, a light receiving unit 14, and a control unit 15. A target for acquiring multispectral image information is a lens. 11, a beam splitter 12 and a tunable filter 13 are irradiated onto the light receiving unit 14 to form an image, converted into a video signal, and output from the tunable filter camera 10 to the CPU 51.
That is, when the light receiving unit 14 of the tunable filter camera 10 is irradiated with light, the charge is exposed and accumulated over time, and is sequentially added to the lead-out register by a parallel transfer pulse from the outside, and then transferred in a lump. The video signal is extracted in synchronization with the time-series pulse.
In the tunable filter camera 10 of the present embodiment, two liquid crystal birefringence polarization interference type tunable filters 13a and 13b are installed on the front surface of each of the two light receiving units 14a and 14b. The switching of the wavelength bands of the bull filters 13a and 13b and the acquisition of the multispectral image information by the light receiving units 14a and 14b are clock-synchronized with good timing.
Thereby, the loss of multispectral image information acquisition that occurs during the wavelength band switching time (for example, 50 ms) of the tunable filter 13 can be eliminated.
＜ビームスプリッタ＞
本実施形態のチューナブルフィルタカメラでは、撮影対象からの反射光をビームスプリッタを介して分光して、２台のチューナブルフィルタにそれぞれ入射するようにするようにしている。ビームスプリッタ１２は、光束を二つに分割する光学分野の装置をいい、ビームスプリッタに入射した光束の一部は透過してチューナブルフィルタ１３ａを透過して受光部１４ａに到達し、一部は反射してチューナブルフィルタ１３ｂを透過して受光部１４ｂに到達する。
これにより、１つの光束を分光させて複数のチューナブルフィルタカメラを使用することが可能となる。
<Beam splitter>
In the tunable filter camera of this embodiment, the reflected light from the object to be imaged is split through a beam splitter so as to enter each of the two tunable filters. The beam splitter 12 refers to a device in the optical field that splits a light beam into two parts. A part of the light beam incident on the beam splitter is transmitted through the tunable filter 13a and reaches the light receiving unit 14a. The light is reflected and transmitted through the tunable filter 13b to reach the light receiving unit 14b.
This makes it possible to use a plurality of tunable filter cameras by dispersing one light beam.
＜チューナブルフィルタ＞
チューナブルフィルタ１３は、選択した波長帯域の光束を透過し、それ以外の波長帯域の光束を反射や吸収により透過させない帯域透過フィルタをいう。これにより、撮影対象の反射光をマルチスペクトル画像情報として受光部に取得することができ、撮影対象の反射光の特徴点を精密に捉えることができる。
本実施形態において用いるチューナブルフィルタの原理を図２を用いて説明する。
チューナブルフィルタは、偏光子とネマティック液晶セルを積層することにより構成されており、印加電圧を可変することにより、液晶複屈折偏光干渉を利用して、ピーク波長を任意に高速で可変することができ、任意の波長成分の光を１ｎｍごとに取り出すことができる。
<Tunable filter>
The tunable filter 13 is a band transmission filter that transmits a light flux in a selected wavelength band and does not transmit a light flux in other wavelength bands by reflection or absorption. Thereby, the reflected light of the imaging target can be acquired as multispectral image information in the light receiving unit, and the feature point of the reflected light of the imaging target can be accurately captured.
The principle of the tunable filter used in this embodiment will be described with reference to FIG.
The tunable filter is configured by laminating a polarizer and a nematic liquid crystal cell. By varying the applied voltage, the peak wavelength can be varied arbitrarily at high speed using liquid crystal birefringence polarization interference. In addition, light having an arbitrary wavelength component can be extracted every 1 nm.
液晶複屈折偏光干渉とは液晶材料の複屈折を利用した偏光干渉をいう。
すなわち、図２に示すように、チューナブルフィルタにおいて、液晶分子を平行に配向させた層を生成し、両面に透明電極を配置することにより、液晶分子の長軸方向と短軸方向とでは屈折率の差を利用して、長軸方向に偏光した光と、それに直交する偏光方向の光の間に光路長の差を生じさせる。
そして、透明電極に電圧を印加して、液晶分子を長軸の面に対し垂直方向に傾かせ、直交する両方の光成分の間で光路長の差を小さくし、これを利用し電圧を変化させることによりフーリエ分光を適用することができる。
このような原理を利用したチューナブルフィルタは、ＰＣ等からの操作で、可視域から近赤外域の任意の波長を瞬時に選び出すことが可能な光学フィルタであり、可動部品を使用せずに電気的に透過する光の波長をチューニングし制御することが可能である。
このようなチューナブルフィルタとしては、例えば、米国ＣＲＩ社（Ｃａｎｂｒｉｄｇｅ Ｒｅｓｅｒａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ社）のバリスペック（ＶａｒｉＳｐｅｃ）液晶チューナブルフィルタ（ＬＣＴＦ）があり、Ｌｙｏｔ Ｆｉｌｔｅｒチューニングステージとして、光学系を複数積層し、各層に印加する電圧を調整し透過する波長帯域を変化させるチューナブルフィルタ光学ユニットを提供している。
本実施形態では、この液晶チューナブルフィルタをビームスプリッタで分光した光路に２台組み込んでマルチスペクトル画像情報を取得できるチューナブルフィルタカメラとした。
Liquid crystal birefringence polarization interference refers to polarization interference utilizing the birefringence of a liquid crystal material.
That is, as shown in FIG. 2, in a tunable filter, a layer in which liquid crystal molecules are aligned in parallel is generated, and transparent electrodes are arranged on both sides, so that the major axis direction and the minor axis direction of the liquid crystal molecules are refracted. Using the difference in rate, a difference in optical path length is caused between light polarized in the major axis direction and light in the polarization direction orthogonal thereto.
A voltage is applied to the transparent electrode to tilt the liquid crystal molecules in the direction perpendicular to the plane of the long axis, reducing the difference in optical path length between both orthogonal light components, and using this to change the voltage By doing so, Fourier spectroscopy can be applied.
A tunable filter using such a principle is an optical filter that can instantaneously select an arbitrary wavelength from the visible range to the near infrared range by operating from a PC or the like. It is possible to tune and control the wavelength of transmitted light.
As such a tunable filter, for example, there is a VariSpec liquid crystal tunable filter (LCTF) manufactured by CRI Corporation (Canbridge Research Institute), and a plurality of optical systems are stacked as a Lyot Filter tuning stage. There is provided a tunable filter optical unit that adjusts a voltage applied to the light and changes a wavelength band to transmit the voltage.
In the present embodiment, two liquid crystal tunable filters are incorporated in an optical path that is split by a beam splitter to obtain a multispectral image information.
＜チューナブルフィルタの波長帯域切替＞
２台の受光部の前にそれぞれ設置されたチューナブルフィルタの波長帯域切替時間は、チューナブルフィルタの波長帯域切替えに要する時間を勘案して定められる。現状では、チューナブルフィルタにおいて電圧を調整し波長帯域を変化させる動作は比較的時間を要するため、この切替時間はチューナブルフィルタの特性に左右される。
この動作について図３を用いて、実施形態の受光部において取得するマルチスペクトル画像情報の構造を説明する。
すなわち、チューナブルフィルタの波長帯域切替のタイミングは、一方の受光部側で画像取得中は、他方の受光部の画像取得を休止状態とし、この間、他方の受光部側のチューナブルフィルタは、次の画像情報取得への切替準備（波長帯域切替）を行ようにする。
このように、チューナブルフィルタ、受光部をそれぞれ２台用意することにより、チューナブルフィルタの波長帯域切替動作に要する時間が比較的遅い（例えば５０ｍｓ）のをカバーし、マルチスペクトル画像情報取得のロスを無くすことができる。
<Switching wavelength band of tunable filter>
The wavelength band switching time of the tunable filter installed in front of the two light receiving units is determined in consideration of the time required for switching the wavelength band of the tunable filter. At present, the operation of adjusting the voltage and changing the wavelength band in the tunable filter requires a relatively long time, so this switching time depends on the characteristics of the tunable filter.
With respect to this operation, the structure of the multispectral image information acquired by the light receiving unit of the embodiment will be described with reference to FIG.
That is, the wavelength band switching timing of the tunable filter is such that the image acquisition of the other light receiving unit is in a pause state while the image acquisition is being performed on one light receiving unit side, and the tunable filter on the other light receiving unit side is Preparation for switching to acquisition of image information (wavelength band switching).
Thus, by preparing two each of the tunable filter and the light receiving unit, the time required for the wavelength band switching operation of the tunable filter is relatively slow (for example, 50 ms), and the loss of multispectral image information acquisition is covered. Can be eliminated.
＜受光部＞
受光部１４としては、ＣＣＤイメージング素子やＣＭＯＳイメージング素子などのフォトダイオードアレイを１次元又は２次元に配設した集合体が挙げられる。
なお、実施形態のチューナブルフィルタカメラを、移動する撮影対象をスキャンするスキャン装置として用いる場合は、受光部１４としては、多数個を１列に並べた１次元ラインセンサや、それらを並行に複数列配列したものを基本バンドとしたものが好適に用いられる。
また、この基本バンドをさらに並行に複数バンド配設してマルチバンドとして構成したものも用いることができる。
これにより、画像の反射光をマルチスペクトル画像情報として、高分解能、高速、しかも超高感度で取得できる。
<Light receiver>
Examples of the light receiving unit 14 include an assembly in which photodiode arrays such as a CCD imaging element and a CMOS imaging element are arranged one-dimensionally or two-dimensionally.
When the tunable filter camera according to the embodiment is used as a scanning device that scans a moving object to be scanned, the light receiving unit 14 includes a plurality of one-dimensional line sensors arranged in a row or a plurality of them in parallel. What used the basic band as what was arranged in a row | line | column is used suitably.
Further, it is also possible to use a multiband configuration in which a plurality of basic bands are arranged in parallel.
As a result, the reflected light of the image can be acquired as multispectral image information with high resolution, high speed, and ultra-high sensitivity.
なお、受光部に用いるＣＣＤイメージング素子は、可視光域を広げ、新たなたスペクトル応用解析を目的に、裏面入射型ＣＣＤ（Back-Thinned CCD)を採用することもできる。
裏面入射型ＣＣＤは、受光部（裏面）に、保護膜を含む酸化膜や、ポリシリコン電極など、多数の薄膜を形成する必要がなく、高感度広域な理想的な入射面を形成できる。
また、裏面入射型ＣＣＤは、従来の表面入射型ＣＣＤでは検出できなかった近赤外〜紫外域の広域な入射光を高い量子効率で検出することができるという利点を有するので好ましく採用される。
The CCD imaging element used in the light receiving unit can adopt a back-thinned CCD for the purpose of expanding the visible light range and performing a new spectrum application analysis.
The back-illuminated CCD does not need to form a large number of thin films such as an oxide film including a protective film or a polysilicon electrode on the light receiving portion (rear surface), and can form an ideal incident surface with a high sensitivity and a wide area.
The back-illuminated CCD is preferably employed because it has an advantage that it can detect a wide range of incident light in the near infrared to ultraviolet region that could not be detected by a conventional front-illuminated CCD with high quantum efficiency.
＜制御部＞
制御部１５は、受光部１４ａ、１４ｂを制御する受光制御部との間で、チューナブルフィルタのタイミング制御、ＬｉｎｅＣＣＤ制御、マルチバンド制御などの信号をやりとりする信号ドライバー・コントロール回路として用いられる。
<Control unit>
The control unit 15 is used as a signal driver / control circuit for exchanging signals such as tunable filter timing control, Line CCD control, and multiband control with the light reception control unit that controls the light reception units 14a and 14b.
＜スキャン装置＞
スキャン装置は、前記のチューナブルフィルタカメラの１次元ラインセンサの配列方向に対し、スキャン対象物を直交方向に移動させる移動手段を備え、該スキャン対象物からの反射光を１次元ラインセンサ上に多重の露光を行い、１次元ラインセンサに蓄積された情報をリードアウトするようにしている。
そして、１次元ラインセンサによって得られた１次元情報を、２次元的なカメラ画像に再現させるため、撮影対象物を移動させる機構（移動体）を備え、一定速度でラインセンサ列方向と直角に移動させ、１次元ラインセンサ１列分のビデオ信号を組み合わせて２次元イメージとして組み立てる構成としている。
<Scanning device>
The scanning apparatus includes moving means for moving the scan target in a direction orthogonal to the arrangement direction of the one-dimensional line sensor of the tunable filter camera, and the reflected light from the scan target is placed on the one-dimensional line sensor. Multiple exposure is performed to read out information stored in the one-dimensional line sensor.
In order to reproduce the one-dimensional information obtained by the one-dimensional line sensor into a two-dimensional camera image, a mechanism (moving body) for moving the object to be photographed is provided, which is perpendicular to the line sensor array direction at a constant speed. The two-dimensional image is assembled by combining the video signals for one row of the one-dimensional line sensor.
＜実施例１＞
以下、実施例により、本発明のチューナブルフィルタカメラをさらに詳細に説明する。
実施例１のチューナブルフィルタカメラは、受光部１４として、ＣＣＤイメージング素子多数個を１列に並べた１次元ラインセンサを、並行に複数列配列したものを基本バンド１６とし、この基本バンド１６を、さらに並行に複数バンド配設してマルチバンド１７として構成し、レンズ１１を通して入射した光束をビームスプリッタ１２で分光して２光束とし、チューナブルフィルタ１３ａ、１３ｂを透過させ、受光部１４ａ、１４ｂのそれぞれにマルチスペクトル画像情報を蓄積するようになっている。
<Example 1>
Hereinafter, the tunable filter camera of the present invention will be described in more detail by way of examples.
In the tunable filter camera according to the first embodiment, as the light receiving unit 14, a one-dimensional line sensor in which a large number of CCD imaging elements are arranged in one row is arranged as a plurality of parallel rows, and the basic band 16 is used. Further, a plurality of bands are arranged in parallel to form a multiband 17, and the light beam incident through the lens 11 is split by the beam splitter 12 into two light beams, which are transmitted through the tunable filters 13a and 13b, and the light receiving units 14a and 14b. Multispectral image information is stored in each of the two.
図４に示すように、実施例１において、画素サイズ：８．５μｍのＣＣＤイメージング素子を、画素数：４０９６ｂｉｔ、１列（１−Ｌｉｎｅ）に配列して、素子長：３４．８ｍｍのラインセンサとし、この１列のラインセンサを素子長方向（Ｙ方向）と直角に９６−ｓｔａｇｅ（９６−Ｌｉｎｅ）ＴＤＩ方式に並べたものを、４０Ｍｈｚ・４Ｔａｐ総合転送速度１６０Ｍｈｚの基本バンド１６とした（９６段ＴＤＩ−ｂｌｏｃｋ）。
そして、この基本バンド１６を、ダイ上に８バンド（８−ｂｌｏｃｋ）を並行に配設したものをマルチバンド１７の受光部１４とし、
このマルチバンド１７の受光部１４を組み込んでチューナブルフィルタカメラとした。
As shown in FIG. 4, in Example 1, CCD imaging elements having a pixel size of 8.5 μm are arranged in a number of pixels: 4096 bits and one line (1-Line), and a line sensor having an element length of 34.8 mm. A line band of this line sensor arranged in a 96-stage (96-Line) TDI system at right angles to the element length direction (Y direction) is defined as a basic band 16 having a total transfer rate of 40 Mhz and 4 Tap (160 Mhz). Stage TDI-block).
Then, the basic band 16 is a light receiving unit 14 of a multiband 17 in which eight bands (8-block) are arranged in parallel on a die.
A tunable filter camera was obtained by incorporating the light receiving unit 14 of the multiband 17.
＜実施例２＞
次に、実施例２として、図４に示した実施例１のチューナブルフィルタカメラを備えたスキャン装置を説明する。
実施例２のスキャン装置２０は、図５に示すように、チューナブルフィルタカメラ１０の１次元ラインセンサの配列方向Ｙに対し、スキャン対象物（画像情報取得対象）２１を直交方向Ｘに移動させる移動手段（回転保持ローラー）２２を備えており、スキャン対象物２１を移動させてその反射光をマルチスペクトル画像情報としてマルチバンド１７からなる受光部１４上に取得するようにしている。
<Example 2>
Next, as a second embodiment, a scanning device including the tunable filter camera of the first embodiment shown in FIG. 4 will be described.
As illustrated in FIG. 5, the scanning device 20 according to the second embodiment moves the scan target (image information acquisition target) 21 in the orthogonal direction X with respect to the arrangement direction Y of the one-dimensional line sensors of the tunable filter camera 10. A moving means (rotation holding roller) 22 is provided, and the scanning object 21 is moved so that the reflected light is acquired as multispectral image information on the light receiving unit 14 including the multiband 17.
この実施例２のスキャン装置２０においては、受光部１４で取得するマルチスペクトル画像情報の取得と、チューナブルフィルタ１３の波長帯域切替とのタイミングの時間設定を予め計算しておく。
すなわち、図４に示すように、受光部１４は、９６段ＴＤＩ構造のラインセンサを用い、
加えてＴＤＩ−ｂｌｏｃｋの設置間隔を４Ｌｉｎｅに設定しているため、合計９６段＋４Ｌｉｎｅ＝１００ＬｉｎｅのＬｉｎｅ Ｒａｔｅ時間内に、一方の受光部の前に設置されたチューナブルフィルタの切替を実行してしまう必要がある。
言い換えれば、実施例のチューナブルフィルタカメラは、チューナブルフィルタを使用するために、この切替時間、アクセス時間より短い設定は動作できない。このため、この切替時間以下にならないカメラ動作時間・Ｌｉｎｅ Ｒａｔｅである必要がある。
In the scanning device 20 according to the second embodiment, the time setting of the timing between the acquisition of the multispectral image information acquired by the light receiving unit 14 and the switching of the wavelength band of the tunable filter 13 is calculated in advance.
That is, as shown in FIG. 4, the light receiving unit 14 uses a 96-stage TDI structure line sensor,
In addition, since the installation interval of the TDI-block is set to 4 Line, switching of the tunable filter installed in front of one of the light receiving units is executed within the Line Rate time of 96 stages + 4 Line = 100 Line in total. There is a need.
In other words, since the tunable filter camera according to the embodiment uses the tunable filter, the setting shorter than the switching time and the access time cannot be operated. For this reason, it is necessary that the camera operating time / line rate is not less than the switching time.
１００Ｌｉｎｅの送信時間は、ｌｉｎｅ Ｒａｔｅ ３６Ｋｈｚ（４０Ｍｈｚ）の場合、約１０ｍｓ程度であり、１８Ｋｈｚ（２０Ｍｈｚ）の場合では、約２０ｍｓ程度と計算できる。
切替・アクセス時間は５０ｍｓの液晶チューナブルフィルタを用いた場合は、動作クロックを１０Ｍｈｚ以下に調整し、スキャンスピードを抑えて液晶切替時間以下とならないようにした。
最近では、液晶チューナブルフィルタの切替・アクセス時間が１０ｍｓ以下の物が現れ始め、更なるカメラ動作時間・Ｌｉｎｅ Ｒａｔｅの高速化が行えるようになってきた。
The transmission time of 100 Line is about 10 ms in the case of line rate 36 Khz (40 Mhz), and can be calculated to be about 20 ms in the case of 18 Khz (20 Mhz).
When a liquid crystal tunable filter with a switching / access time of 50 ms was used, the operation clock was adjusted to 10 Mhz or less so that the scan speed was suppressed so as not to be less than the liquid crystal switching time.
Recently, switching and access times of liquid crystal tunable filters have started to appear for 10 ms or less, and it has become possible to further increase the camera operating time and the line rate.
次に、実施例２のスキャン装置で取得した画像のデータフォーマットを図６に示す。
図６に、ＴＤＩ平行配列８バンドからなる受光部１４ａと受光部１４ｂとにおいて、交互にチューナブルフィルタ１３ａ、１３ｂを切替えて取得したマルチスペクトル画像情報のデータ構造、及びその画像情報データの転送(再配置)タイミングを示す。
すなわち、ＴＤＩ平行配列８バンドからなる受光部１４ａと受光部１４ｂにおいては、スキャン対象物からの画像情報を交互に取得するので、データ構造からすると、１００Ｌｉｎｅ分の設置ずれを含んだ構造として記録されている。
この取得したデータ構造を理解しやすいように、図６ではずらして展開図のように表現している。
Next, FIG. 6 shows a data format of an image acquired by the scanning apparatus according to the second embodiment.
FIG. 6 shows the data structure of multispectral image information acquired by alternately switching the tunable filters 13a and 13b in the light receiving unit 14a and the light receiving unit 14b each having eight TDI parallel arrays, and transfer of the image information data ( Relocation) timing.
That is, in the light receiving unit 14a and the light receiving unit 14b, which are composed of 8 bands of TDI parallel arrangement, image information from the scan target is alternately obtained, and therefore, from the data structure, it is recorded as a structure including an installation deviation of 100 Lines. ing.
In order to facilitate understanding of the acquired data structure, the acquired data structure is shifted in FIG. 6 and expressed as a development view.
ＣＰＵでメモリに記録された画像データの再配置は、先ず、受光部１４ａ側の１００Ｌｉｎｅ分の画像情報を読み込みする（１−１）。次に、受光部１４ｂ側の１００Ｌｉｎｅ分の画像情報を読み込みする（２−１）。次に、受光部１４ａ側の１００Ｌｉｎｅ分の画像情報を読み込みする（１−２）。
以上のような繰り返しデータ構造のデータフォーマットで、各ＴＤＩ−ｂｌｏｃｋがマルチスペクトル画像情報の取得を行ってＣＰＵのメモリ配列とし、これをプログラムで各番号ごとに再配列する事で連続したマルチスペクトル画像情報とすることができる。
To rearrange the image data recorded in the memory by the CPU, first, image information for 100 Lines on the light receiving unit 14a side is read (1-1). Next, image information for 100 Lines on the light receiving unit 14b side is read (2-1). Next, the image information for 100 Lines on the light receiving unit 14a side is read (1-2).
In the data format having the above repeated data structure, each TDI-block obtains multispectral image information to form a memory array of the CPU, and this is rearranged for each number by a program, thereby consecutive multispectral images. It can be information.
このような実施例２のスキャン装置におけるマルチスペクトル画像情報の取得の動作の流れを説明した一連の動作フローを図７に示す。
図７に示すように、スキャン装置２０は、制御部１５からの指示により、ＣＣＵ、各受光部を初期化し、画像取得開始パルスを受信したら、受光部１４ａ側で画像取得を開始するとともに受光部１４ｂ側のチューナブルフィルタの波長帯域切替を開始し、受光部１４ａ側のチャンネル１（バンド１）で１００Ｌｉｎｅ分の画像情報を取得する。
次に、受光部１４ｂ側で画像取得を開始するとともに受光部１４ａ側のチューナブルフィルタの波長帯域切替を開始し、受光部１４ｂ側のチャンネル１（バンド１）で１００Ｌｉｎｅ分の画像情報を取得する。
チューナブルフィルタカメラにおいてはこのような動作を繰り返すことによってスキャン対象物のマルチスペクトル画像情報を取得するが、スキャン装置２０において、上記の画像取得のタイミングに合わせて制御部１５からの指示により回転保持ローラー２２を回転駆動させることにより、スキャン対象物の全部のマルチスペクトル画像情報を取得することができる。
FIG. 7 shows a series of operation flows for explaining the flow of operations for acquiring multispectral image information in the scanning apparatus of the second embodiment.
As shown in FIG. 7, the scanning device 20 initializes the CCU and each light receiving unit according to an instruction from the control unit 15 and receives an image acquisition start pulse, starts image acquisition on the light receiving unit 14 a side and receives the light receiving unit. Switching of the wavelength band of the tunable filter on the 14b side is started, and image information for 100 Lines is acquired by channel 1 (band 1) on the light receiving unit 14a side.
Next, image acquisition is started on the light receiving unit 14b side, and wavelength band switching of the tunable filter on the light receiving unit 14a side is started, and image information for 100 Lines is acquired on channel 1 (band 1) on the light receiving unit 14b side. .
In the tunable filter camera, the multispectral image information of the scan object is acquired by repeating such an operation. In the scanning device 20, the rotation is held in accordance with the instruction from the control unit 15 in accordance with the timing of the image acquisition. By rotating the roller 22, all multispectral image information of the scan target can be acquired.
本発明のチューナブルフィルタカメラは、従来不可能と思えた多数の革新的応用分野で、高速・高感度な高度アプリケーションに対応可能な、新発想のイメージングセンサとして中心的役割が大いに期待できる。
例えば、特に光や温度による劣化のおそれから、その扱いに当たって照明強度の制限が設けられた文化財のデジタルアーカイブなどに適用できる。
文化財デジタルアーカイブ応用では、顔料分析・文化財修復分析などに利用できる。
医用応用では病理診断・症例データベースなどに利用できる。
分光的色再現分析では、印刷照明メタメリズムの解消・照明下のカラーマネージメント、平面ディスプレイ照明メタメリズムの解消・忠実性・色再現性分析などに利用できる。
測色的分析では、忠実性・多原色表示分析などに利用できる。
高リアリティー映像表現分野では、臨場感重視の分析、その他資源探査・都市温度分布・人口分布解析などなどに利用できる。
また、前記チューナブルフィルタカメラを備えたスキャン装置は、上記の利用分野において、マルチスペクトル画像情報の取得を自動化できる。
このように本発明のチューナブルフィルタカメラ及びそれを備えたスキャン装置は、産業上の利用可能性が極めて高い。
The tunable filter camera of the present invention can be expected to play a central role as a new concept imaging sensor that can cope with high-speed and high-sensitivity advanced applications in many innovative application fields that have been considered impossible.
For example, it can be applied to digital archives of cultural properties that are restricted in illumination intensity for handling due to the possibility of deterioration due to light and temperature.
In cultural asset digital archive application, it can be used for pigment analysis and cultural property restoration analysis.
In medical applications, it can be used for pathological diagnosis and case database.
Spectral color reproduction analysis can be used to eliminate printing lighting metamerism, color management under lighting, and flat display illumination metamerism, fidelity, color reproducibility analysis.
In colorimetric analysis, it can be used for fidelity and multi-primary color display analysis.
In the field of high-reality video expression, it can be used for analysis that emphasizes realism, other resource exploration, urban temperature distribution, and population distribution analysis.
In addition, the scanning device provided with the tunable filter camera can automate the acquisition of multispectral image information in the above-described field of use.
As described above, the tunable filter camera of the present invention and the scanning device including the tunable filter camera have extremely high industrial applicability.
１０ チューナブルフィルタカメラ
１１ レンズ
１２ ビームスプリッタ
１３，１３ａ、１３ｂ チューナブルフィルタ
１４，１４ａ、１４ｂ 受光部
１５ 制御部
１６ 基本バンド
１７ マルチバンド
２０ スキャン装置
２１ スキャン対象物（画像情報取得対象）
２２ 移動手段（回転保持ローラー）
５１ ＣＰＵ
Ｘ 直交方向
Ｙ １次元ラインセンサの配列方向
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Tunable filter camera 11 Lens 12 Beam splitter 13, 13a, 13b Tunable filter 14, 14a, 14b Light-receiving part 15 Control part 16 Basic band 17 Multiband 20 Scan apparatus 21 Scan object (Image information acquisition object)
22 Moving means (rotary holding roller)
51 CPU
X orthogonal direction Y 1D line sensor array direction
Claims (6)
該ビームスプリッタで分光された光束を任意の波長帯域を選択して透過させるチューナブルフィルタと、
該チューナブルフィルタを透過した光束を受光する受光部と、
を備えたことを特徴とするチューナブルフィルタカメラ。 A beam splitter that splits the incident light beam through the lens;
A tunable filter that transmits a light beam split by the beam splitter by selecting an arbitrary wavelength band;
A light receiving portion for receiving the light beam transmitted through the tunable filter;
A tunable filter camera characterized by comprising:
ＣＣＤイメージング素子やＣＭＯＳイメージング素子などのフォトダイオードアレイの多数個を１列に並べた１次元ラインセンサであることを特徴とする請求項１に記載のチューナブルフィルタカメラ。 The light receiving unit is
2. The tunable filter camera according to claim 1, wherein the tunable filter camera is a one-dimensional line sensor in which a large number of photodiode arrays such as a CCD imaging element and a CMOS imaging element are arranged in a line.
一方のチューナブルフィルタが光束を透過している間に、
他方のチューナブルフィルタが透過する光束の波長帯域を切替えていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のチューナブルフィルタカメラ。 Two tunable filters are installed,
While one tunable filter is transmitting the luminous flux,
The tunable filter camera according to any one of claims 1 to 3, wherein a wavelength band of a light beam transmitted through the other tunable filter is switched.
スキャン対象物を該チューナブルフィルタカメラに対して移動させる移動手段を備え、
スキャン中にチューナブルフィルタカメラの受光部に蓄積されたデータをリードアウトするようにしたことを特徴とするスキャン装置。 A scanning apparatus including the tunable filter camera according to any one of (1) to (4),
Moving means for moving a scan object relative to the tunable filter camera;
A scanning apparatus characterized in that data stored in a light receiving unit of a tunable filter camera is read out during scanning.
該１次元ラインセンサの配列方向に対し、
スキャン対象物を直交方向に移動させる移動手段を備え、
スキャン中にチューナブルフィルタカメラの受光部に蓄積されたデータをリードアウトするようにしたことを特徴とする請求項５のスキャン装置。 The light receiving part of the tunable filter camera is a one-dimensional line sensor,
With respect to the arrangement direction of the one-dimensional line sensor,
A moving means for moving the scan object in the orthogonal direction;
6. The scanning apparatus according to claim 5, wherein the data accumulated in the light receiving unit of the tunable filter camera is read out during scanning.
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| CN103780844A (en) * | 2013-12-30 | 2014-05-07 | 华中科技大学 | Time-sharing two-path image acquiring device and calibration method thereof |
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