JP5709040B2 - 分光画像撮像装置 - Google Patents
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Description
また、分散素子を用いる方式において、分光画像を得るには、上記イメージング分光器を走査しながら撮像する必要があるため、その走査時間が必要な分だけ分光画像を得るのに要する処理時間が長くなる。
また、フーリエ分光法を用いる方式において、分光画像を得るには、2つの光路又は2つの偏光成分に与える位相差を変化させながら検出を行う必要があり、その検出に時間がかかる結果、分光画像を得るのに時間を要する。
また、請求項2の発明は、請求項1の分光画像撮像装置において、上記遮光領域の溝が伸びる方向に対して45°傾斜した方向に伸びる偏光部材を、光路上に設けたことを特徴とするものである。
また、請求項3の発明は、請求項1の分光画像撮像装置において、偏光解消部材を光路上に配置したことを特徴とするものである。
また、請求項4の発明は、所定の撮像領域内における各地点の波長成分をそれぞれの地点に対応づけて2次元表現した分光画像を得るために、該所定の撮像領域からの光を、光学フィルタを介して、2次元配置された画素アレイを有する画像センサで検出し、その検出結果を出力する分光画像撮像装置であって、上記光学フィルタとして、上記画像センサ上における1つの画素又は2以上の画素群で構成される単位領域に対応した格子パターンであって、非偏光を透過する透過領域と前記非偏光を遮光する遮光領域とを交互に配置した格子パターンを有する回析格子を用い、該回析格子を通過した光の回析角度に応じた上記画像センサ上の干渉地点の違いにより、隣接する2つの単位領域間における受光量の差分値が異なるように構成し、隣接する2つの単位領域間における受光量の差分値を上記画像センサの検出結果に基づいて算出し、算出した各差分値に基づく差分値画像を出力することを特徴とするものである。
また、請求項5の発明は、所定の撮像領域内における各地点の波長成分をそれぞれの地点に対応づけて2次元表現した分光画像を得るために、該所定の撮像領域からの光を、光学フィルタを介して、2次元配置された画素アレイを有する画像センサで検出し、その検出結果を出力する分光画像撮像装置であって、上記光学フィルタとして、上記画像センサ上における1つの画素又は2以上の画素群で構成される単位領域に対応した格子パターンであって、第1の偏光成分の光と第2の偏光成分の光の双方を透過する透過領域と前記第1の偏光成分は透過し前記第2の偏光成分の光は遮光する半透過領域とを交互に配置した格子パターンを有する回析格子を用い、該回析格子を通過した光の回析角度に応じた上記画像センサ上の干渉地点の違いにより、隣接する2つの単位領域間における受光量の差分値が異なるように構成し、隣接する2つの単位領域間における受光量の差分値を上記画像センサの検出結果に基づいて算出し、算出した各差分値に基づく差分値画像を出力することを特徴とするものである。
そして、本発明によれば、1回の撮像動作で、分光画像として用いることができる差分値画像を得ることができるので、波長選択フィルタを用いる方式を利用した従来の分光画像撮像装置と比較して、分光画像を得るのに要する処理時間が短い。また、その撮像動作に際して、分散素子を用いる方式を利用した従来の分光画像撮像装置のように機器を走査したり、フーリエ分光法を用いる方式を利用した従来の分光画像撮像装置のように2つの光路又は2つの偏光成分に与える位相差を変化させながら検出を行ったりする必要がないので、これらの従来装置と比較しても分光画像を得るのに要する処理時間が短い。
図1は、本実施形態における撮像装置の概略構成を示す説明図である。
この撮像装置は、主に、撮像レンズ1と、光学フィルタ2と、2次元配置された画素アレイを有する画像センサ4を含んだセンサ基板3と、センサ基板3から出力されるアナログ電気信号をデジタル電気信号に変換した撮像画像データを生成して出力する信号処理部5と、信号処理部5から出力された撮像画像データから分光画像データを生成して出力する分光画像処理部6とから構成されている。被写体(被検物)を含む撮像領域からの光は、撮像レンズ1を通り、光学フィルタ2を透過して、画像センサ4でその光強度に応じた電気信号に変換される。信号処理部5では、画像センサ4から出力される電気信号(アナログ信号)が入力されると、その電気信号から、撮像画像データとして、画像センサ4上における各画素の明るさ(輝度)を示すデジタル信号を、画像の水平・垂直同期信号とともに後段の機器へ出力する。分光画像処理部6での画像処理の詳細については後述する。
画像センサ4は、CCD(Charge Coupled Device)やCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)などを用いたイメージセンサであり、その受光素子にはフォトダイオード4aを用いている。フォトダイオード4aは、画素ごとに2次元的にアレイ配置されており、フォトダイオード4aの集光効率を上げるために、各フォトダイオード4aの入射側にはマイクロレンズ4bが設けられている。この画像センサ4がワイヤボンディングなどの手法によりPWB(printed wiring board)に接合されてセンサ基板3が形成されている。画像センサ4のマイクロレンズ4b側の面には、光学フィルタ2が近接配置されている。光学フィルタ2の画像センサ4側の面には、図3に示すように、光を透過する透過領域2aと光を遮蔽する遮光領域2bとが2次元方向で交互に隣接するように格子状に配置されて市松状に領域分割された格子パターン(領域分割パターン)を有している。個々の透過領域2a及び遮光領域2bは、図3に示すように、それぞれ、画像センサ4上の一画素(1つのフォトダイオード4a)に対応するように配置されている。
以下、本実施形態における光学フィルタ2の一構成例(以下、本構成例を「構成例1」という。)について説明する。
図5は、本構成例1における光学フィルタ2の説明図である。
本構成例1に係る光学フィルタ2は、P偏光成分もS偏光成分も透過する透過領域2aと、P偏光成分は透過するがS偏光成分は遮光する偏光領域2cとが、2次元方向で交互に隣接するように格子状に配置されて市松状に領域分割された格子パターンを有している。格子パターンの周期(格子幅)は、画像センサ4の画素ピッチに合わせて形成されている。
以下、本実施形態における光学フィルタ2の他の構成例(以下、本構成例を「構成例2」という。)について説明する。
図7は、本構成例2における光学フィルタ2の説明図である。
本構成例2に係る光学フィルタ2は、P偏光成分もS偏光成分も透過する透過領域2aと、P偏光成分は透過するがS偏光成分は遮光する偏光領域2cとが、1次元方向で交互に隣接するように格子状に配置されてストライプ状に領域分割された格子パターンを有している。格子パターンの周期(格子幅)は、画像センサ4の画素ピッチに合わせて形成されている。このようなストライプ状の格子パターンを有する光学フィルタ2であれば、画像センサ4との位置調整を行うにあたって、X方向のみの位置調整を行えばよく、市松状の格子パターンを有する光学フィルタ2と比べて、実装精度が緩和されるという利点がある。
本構成例2における光学フィルタ2は、ガラス平板上にワイヤグリッドが形成された凹凸の周期構造を有するものであり、凸部はワイヤグリッドのサブ波長凹凸構造が形成されてなる。
以下、本実施形態における光学フィルタ2の更に他の構成例(以下、本構成例を「構成例3」という。)について説明する。
図10は、本構成例3における光学フィルタ2の偏光領域2cを、画像センサ4上に重ねて示した説明図である。
本構成例3に係る光学フィルタ2は、透過領域2aと偏光領域2cとが1次元方向で交互に隣接するように格子状に配置されてストライプ状に領域分割された格子パターンを有している点で上記構成例2と同様である。しかしながら、上記構成例2では、偏光領域2cの長尺方向がY方向に並ぶ画素列の列方向と一致していたのに対し、本構成例3では、偏光領域2cの長尺方向が、Y方向に並ぶ画素列の列方向にもX方向に並ぶ画素列の列方向にも一致していない点で異なっている。
次に、本実施形態における分光画像の生成方法の一例(以下「分光画像生成例1」という。)について説明する。
ここでは、透過領域2aと遮光領域2bとが2次元方向で交互に隣接するように格子状に配置された市松状の格子パターンを有する光学フィルタ2を用いた場合を例に挙げて説明する。
この光学フィルタ2は、格子状に領域分割された各領域(透過領域2aと遮光領域2b)が画像センサ4の各画素に1対1で対応しているため、撮像画像中の明暗パターンは画素単位の繰り返しパターンである。図12(a)〜(c)に示すように、撮像画像の明暗パターンのコントラストは、入射光の波長によって変化していることが確認できる。なお、3種類の単一波長(450nm、550nm、650nm)の光は、白色光を、市販されているバンドパスフィルタに白色光を通過させて得たものである。これらのバンドパスフィルタは、650nm、550nm、450nmをそれぞれ中心波長とするものであり、いずれも透過波長幅は±40nmである。
図13(a)〜(c)に示すように、いずれも、遮光領域2bに対応する画素(暗部の画素)の輝度値(低い方の輝度値)と、透過領域2aに対応する画素(明部の画素)の輝度値(高い方の輝度値)とで、ピークを示している。しかしながら、これらのピーク間における輝度差は、光学フィルタ2を通過した光の波長ごとに異なっている。具体的には、透過領域2aを通過した光の波長が長いほど、2つのピーク間の輝度差が小さくなっていることがわかる。
Ic = (I1−I2)/(I1+I2) ・・・(1)
図14に示すように、コントラスト指標値Icは、波長依存性を示していることが確認できる。したがって、明部に対応する画素と暗部に対応する画素との間の輝度差分値を示すコントラスト指標値Icを演算することでこれらの画素に向けて入射している光の波長を算出することができる。
次に、本実施形態における分光画像の生成方法の他の例(以下「分光画像生成例2」という。)について説明する。
ここでは、透過領域2aと偏光領域2cとが2次元方向で交互に隣接するように格子状に配置された市松状の格子パターンを有する光学フィルタ2を用いた場合を例に挙げて説明する。
図16は、図15(a)〜(c)中の破線で囲った部分について、コントラスト指標値SPc=(S−P)/(S+P)の分布を計測した結果を示すヒストグラムである。
図16に示すように、コントラスト指標値SPcは、波長依存性を有しており、具体的には、長い波長ほどコントラスト指標値SPcがマイナス方向へシフトする傾向がある。したがって、隣接する2つの画素の輝度値を利用してコントラスト指標値SPcを算出することにより、当該隣接する2つの画素に入射する光の波長を把握することができる。したがって、撮像画像全体について、隣接する2つの画素のコントラスト指標値SPcを算出し、当該隣接する2つの画素に対応する位置に当該コントラスト指標値SPcを配置してコントラスト指標値SPcの2次元分布を作成すれば、その2次元分布は、撮像領域内における各地点の波長成分をそれぞれの地点に対応づけたものとなる。したがって、この2次元分布を、例えばコントラスト指標値SPcの違いを階調の違いで表現した画像(差分値画像)で示せば、その画像を分光画像として用いることができる。
図18は、図17中のRで示す箇所、Gで示す箇所、Bで示す箇所について、コントラスト指標値SPc=(S−P)/(S+P)の分布を計測した結果を示すヒストグラムである。
図17に示す分光画像上では、色の違い(波長の違い)が階調の違いによって現れていることが確認できる。また、図18に示すヒストグラムを見ても、色の違い(波長の違い)によってコントラスト指標値SPcが異なっていることがわかる。したがって、隣接する2つの画素の輝度値を利用してコントラスト指標値SPcを算出し、そのコントラスト指標値SPcの違いを階調の違いで表現した図17に示す画像は、所定の撮像領域内における各地点の波長成分をそれぞれの地点に対応づけて2次元表現した分光画像として用いることができる。
しかも、本実施形態によれば、走査機構等の移動手段や液晶等のアクティブデバイスなどの動的な機構(分光画像の撮像に際して動作制御が必要となる機構)を用いず、スタティックな機構だけの構成で分光画像を撮像できる。したがって、耐候性、耐振動などに対して高信頼性のある撮像装置が実現できることに加える。しかも、アクティブデバイスを用いる場合には駆動回路なども必要となるが、本実施形態であればこのような駆動回路が必要ないので、安価でシンプルな構成を実現できる。その結果、従来に比べて小型な構成で分光画像が撮影できる。
逆に、分光情報を排除して偏光情報のみから分光画像を生成したい場合、特定の波長成分のみを透過するバンドパスフィルタを撮像レンズ1の前段に配置すればよい。
具体的には、農作物の成長状態、収穫予測などを目的とした農業リモートセンシングに利用できる。この場合、基礎データとして、まず農場に植えられている葉の先端部のスペクトルデータを採取し、その位置でのタンパク含有量や収穫量などをサンプリング的に測定し、衛星画像から得られる分光画像から相関情報に基づき成長状態などを判断する。
また、食材の鮮度や味覚情報、可視化あるいは数値化して簡単に知るための用途にも利用できる。消費者においては、品質管理や食品としての安全性の確認のみならず、生産および流通技術面で鮮度や風味などに関する情報を生かすことも必要になっている。このような食品は主に近赤外域にスペクトル情報をもつことが知られているため、事前に食品情報或いはその状態変化に応じたスペクトル情報のテーブルを用意しておき、本実施形態の撮像装置で取得した分光画像と照らし合わせて、被検物情報として出力することが可能である。
また、近年、車両制御や運転者への警告などのために車両に撮像装置が搭載されてなる。このような車両搭載用の撮像装置として本実施形態の分光画像撮像装置を用いてもよい。例えば、本実施形態の分光画像撮像装置で得られる分光画像を用いれば、対向車及び先行車と、それ以外の反射体や発光帯のスペクトルとの違いを認識できるので、それぞれの光源の種類を識別して、対向車や先行車にはヘッドランプを当てないで、それ以外の対象にヘッドランプを当てるなど、夜間のヘッドランプの配光制御に利用できる。
また、近年、製造ラインの自動化が進んでおり、ロボットアームが物体認識してライン上を流れてきた多品種の部品から適宜判別の上、ピッキングするという技術が進化しているが、所謂モノクロ画像だけでは同一形状で色が異なる部品の判別はできない。そのような場合において、本実施形態の分光画像撮像装置を用いれば、そのような部品についても分類可能となる。
また、光学フィルタ2として、所定の偏光成分であるS偏光成分を遮光する偏光領域2cとS偏光成分を透過する透過領域2aとを交互に配置した格子パターンを有する回析格子を用いてもよい。この場合、偏光領域2cに対応した単位領域で受光したP偏光成分についての受光量Pと、これに隣接する単位領域で受光した受光量から得られるS偏光成分についての受光量Sとの差分値に相当するコントラスト指標値SPc=(S−P)/(S+P)を、画像センサ4の検出結果に基づいて算出し、算出したコントラスト指標値SPcに基づく差分値画像(当該隣接する2つの単位領域のコントラスト指標値SPcの違いを階調の違いで表現した画像)を出力する。上記分光画像生成方法2で説明したとおり、出力される差分値画像において、コントラスト指標値SPcの2次元分布は、撮像領域内における各地点の波長成分をそれぞれの地点に対応づけたものであるため、例えばコントラスト指標値SPcの違いを階調の違いで表現した差分値画像は、分光画像として用いることができる。
また、本実施形態において、上記光学フィルタ2としては、上記偏光領域2cが、S偏光成分の偏光方向に沿って延びる多数の溝であるワイヤグリッドを当該偏光方向に対して直交する方向に並べて配置した偏光子で構成された回析格子を用いることができる。この場合、偏光情報と分光情報の両方を反映させた分光画像を得ることが可能となる。
ただし、偏光情報を排除して分光情報のみから分光画像を生成したい場合には、ワイヤグリッドが伸びる方向(S偏光成分の偏光方向)に対して45°傾斜した方向に伸びる偏光部材を光路上に設けたり、偏光解消部材を光路上に配置したりすればよい。
2 光学フィルタ
2a 透過領域
2b 遮光領域
2c 偏光領域
3 センサ基板
4 画像センサ
4a フォトダイオード
4b マイクロレンズ
5 信号処理部
6 分光画像処理部
Ic,SPc コントラスト指標値
Claims (5)
- 所定の撮像領域内における各地点の波長成分をそれぞれの地点に対応づけて2次元表現した分光画像を得るために、該所定の撮像領域からの光を、光学フィルタを介して、2次元配置された画素アレイを有する画像センサで検出し、その検出結果を出力する分光画像撮像装置であって、
上記光学フィルタとして、上記画像センサ上における1つの画素又は2以上の画素群で構成される単位領域に対応した格子パターンであって、所定の偏光成分を遮光する遮光領域と該所定の偏光成分を透過する透過領域とを交互に配置した格子パターンを有する回析格子を用い、
上記遮光領域は、上記所定の偏光成分の偏光方向に沿って延びる多数の溝を該偏光方向に対して直交する方向に並べて配置した偏光子で構成されており、
上記回析格子を通過した光の回析角度に応じた上記画像センサ上の干渉地点の違いにより、隣接する2つの単位領域間における受光量の差分値が異なるように構成し、
隣接する2つの単位領域間における受光量の差分値を上記画像センサの検出結果に基づいて算出し、算出した各差分値に基づく差分値画像を出力することを特徴とする分光画像撮像装置。 - 請求項1の分光画像撮像装置において、
上記遮光領域の溝が伸びる方向に対して45°傾斜した方向に伸びる偏光部材を、光路上に設けたことを特徴とする分光画像撮像装置。 - 請求項1の分光画像撮像装置において、
偏光解消部材を光路上に配置したことを特徴とする分光画像撮像装置。 - 所定の撮像領域内における各地点の波長成分をそれぞれの地点に対応づけて2次元表現した分光画像を得るために、該所定の撮像領域からの光を、光学フィルタを介して、2次元配置された画素アレイを有する画像センサで検出し、その検出結果を出力する分光画像撮像装置であって、
上記光学フィルタとして、上記画像センサ上における1つの画素又は2以上の画素群で構成される単位領域に対応した格子パターンであって、非偏光を透過する透過領域と前記非偏光を遮光する遮光領域とを交互に配置した格子パターンを有する回析格子を用い、
該回析格子を通過した光の回析角度に応じた上記画像センサ上の干渉地点の違いにより、隣接する2つの単位領域間における受光量の差分値が異なるように構成し、
隣接する2つの単位領域間における受光量の差分値を上記画像センサの検出結果に基づいて算出し、算出した各差分値に基づく差分値画像を出力することを特徴とする分光画像撮像装置。 - 所定の撮像領域内における各地点の波長成分をそれぞれの地点に対応づけて2次元表現した分光画像を得るために、該所定の撮像領域からの光を、光学フィルタを介して、2次元配置された画素アレイを有する画像センサで検出し、その検出結果を出力する分光画像撮像装置であって、
上記光学フィルタとして、上記画像センサ上における1つの画素又は2以上の画素群で構成される単位領域に対応した格子パターンであって、第1の偏光成分の光と第2の偏光成分の光の双方を透過する透過領域と前記第1の偏光成分は透過し前記第2の偏光成分の光は遮光する半透過領域とを交互に配置した格子パターンを有する回析格子を用い、
該回析格子を通過した光の回析角度に応じた上記画像センサ上の干渉地点の違いにより、隣接する2つの単位領域間における受光量の差分値が異なるように構成し、
隣接する2つの単位領域間における受光量の差分値を上記画像センサの検出結果に基づいて算出し、算出した各差分値に基づく差分値画像を出力することを特徴とする分光画像撮像装置。
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