JP7355008B2 - 分光計測装置、および分光計測方法 - Google Patents
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Description
物体の表面の各点の組成を解析するためには、物体の空間情報と波長情報との対応データを取得することが必要となる。
しかし、これらの文献に記載された装置や、その他の従来の分光計測装置は、空間分解能と波長分解能を独立に調整可能な構成を有しておらず、計測対象や計測用途が異なる場合には、装置全体を交換して目的の空間分解能や波長分解能を持つ装置を再構成する等の処理を行う必要があった。
分光計測装置の空間分解能を調整する空間分解能調整部と、
前記分光計測装置の波長分解能を調整する波長分解能調整部を有し、
前記空間分解能調整部は、
前記分光計測装置の波長分解能を変更することなく空間分解能を変更する分光計測装置にある。
分光計測装置において実行する分光計測方法であり、
空間分解能調整部が、前記分光計測装置の空間分解能を調整する空間分解能調整ステップと、
波長分解能調整部が、前記分光計測装置の波長分解能を調整する波長分解能調整ステップと、
計測対象の出力光を前記分光計測装置の集光部と分光部を介してセンサに受光させる画像撮影ステップと、
演算処理部が、前記センサの画素値に基づいて、前記計測対象の空間方向(XY)と、波長方向(λ)の3次元データからなるデータキューブを生成するデータキューブ生成ステップを有し、
前記空間分解能調整部による前記空間分解能調整ステップは、
前記分光計測装置の波長分解能を変更することなく空間分解能を変更するステップである分光計測方法にある。
具体的には、例えば、分光計測装置の空間分解能を調整する空間分解能調整部と、分光計測装置の波長分解能を調整する波長分解能調整部を有し、空間分解能調整部は、分光計測装置の集光部から分光撮影部に対する出力光を平行光に維持し、集光部の構成要素のパラメータを調整して、分光計測装置の波長分解能を変更することなく空間分解能を変更する。波長分解能調整部は、分光計測装置の分光撮影部のパラメータを調整して、分光計測装置の空間分解能を変更することなく波長分解能を変更する。
本構成により、分光計測装置の空間分解能と波長分解能を独立に調整可能とした構成が実現される。
なお、本明細書に記載された効果はあくまで例示であって限定されるものではなく、また付加的な効果があってもよい。
1.分光計測装置の概要について
2.回折格子を用いたスナップショット方式の分光計測装置の構成例について
3.本開示の分光計測装置の構成と処理について
4.演算処理部におけるデータキューブ復元処理について
5.本開示の分光計測装置の実行する処理のシーケンスについて
6.本開示の構成のまとめ
まず、分光計測装置の概要について説明する。光は、例えば、赤外光(infrared radiation)、可視光(visible light)、紫外線(Ultraviolet)などが知られているが、これらの光は電磁波の一種であり、図1に示すように光の種類によって異なる波長(振動周期)を持っている。
すなわち、物体が不明であっても、その物体からの光に含まれる波長成分を解析することで、その物体の組成を解析することが可能となる。
このスペクトル強度解析結果と、予め様々な物質について解析済みのスペクトル強度解析結果データとを比較することで、物質Aと物質Bが何であるかを判定することが可能となり、食品の組成を解析することができる。
しかし、集光レンズとセンサを有する一般的なカメラでは、センサの各画素にすべての波長が入り混じった光が入射してしまうため、各波長単位の強度を解析することが困難となる。
そこで、分光計測の観測系には、カメラに飛び込んでくる光から各波長の光を分離するための分光素子(分光デバイス)が設けられる。
δ=θ1-φ1+θ2-φ2=θ1+θ2-α ・・・(式1)
なお、上記(式1)の各パラメータは以下の通りである。
α:プリズムの頂角
θ1:プリズム入射面に対する入射角、
θ2:プリズム出射面に対する出射角、
φ1:プリズム入射面の屈折角、
φ2:プリズム出射面の屈折角、
δ:偏角(入射光と出射光との角度)
δ=θ1+sin-1(n・sin(α-φ1)) ・・・(式2)
n:プリズムの屈折率
であり、屈折率nは波長に依存する。また、
φ1:プリズム入射面の屈折角
であり、プリズムの屈折率nと、プリズム入射面に対する入射角θ1に依存する。
よって、偏角(入射光と出射光との角度)δは、入射角θ1と波長に依存する。
β=sin-1(((m・λ)/d)-sinα) ・・・(式3)
なお、上記(式3)において、
d:格子間隔、
α:入射角、
β:出射角、
m:回折次数
である。
すなわち、計測対象物の表面の各点の組成を解析するためには、計測対象物の空間方向(XY)と波長方向(λ)の3次元からなるデータを一回の観測で取得することが必要となる。
図6は、計測対象物の空間方向(XY)と波長方向(λ)の3次元からなるデータ、すなわちデータキューブの例を示している。
なお、立方体の数8×8×8は一例であり、分光計測装置の空間分解能や、波長分解能に応じてこの数は変動することになる。
計測対象物の空間方向(XY)と波長方向(λ)の3次元データを取得する既存の分光計測システムは、下記の4種類に分類される。
(a)点計測方式(スペクトロメータ)
(b)波長スキャン方式
(c)空間スキャン方式
(d)スナップショット方式
以下、これらの各方式の概要について説明する。
図7を参照して点計測方式(スペクトロメータ)について説明する。
図7(a1)に示すように、点計測方式は、計測対象の1点から出た光を、分光素子であるプリズムで分光し、1方向にのみ素子が配置されているリニアセンサに分光を投影する構成である。この構成により、異なる波長光がリニアセンサ上の異なる素子(画素)に記録される。
次に、図8を参照して波長スキャン方式について説明する。
図8(b1)に示すように、波長スキャン方式は、異なる波長通過特性を持つ複数の光学フィルタを時間ごとにカメラ(エリアセンサ(2次元センサ))の前で切り替えて撮影する。
次に、図9を参照して空間スキャン方式について説明する。
図9(c1)に示すように、空間スキャン方式は、分光素子(プリズム、回折格子など)によって分光された計測対象からの光に対して、空間の1方向をエリアセンサのX方向に、波長方向をエリアセンサのY方向に記録する。さらに、図9(c2)に示すように、計測装置を計測対象に対して残りの1方向に走査(スキャン)する。この処理により、先に図6を参照して説明したデータキューブ、すなわち、計測対象物の空間方向(XY)と波長方向(λ)の3次元からなるデータキューブを取得することができる。
次に、図10を参照してスナップショット方式について説明する。
図10(d1)に示すように、スナップショット方式は、計測対象からの光を対物レンズで集光し、さらにコリメートレンズで平行光に変換し、分光素子を透過させセンサ(エリアセンサ)面上に投影する構成である。この構成により、計測対象上の異なる点からの異なる波長成分の光がセンサ(エリアセンサ)面の異なる素子(画素)に記録される。
ただし、上記4種類の方式は、いずれも、空間分解能や波長分解能の制御が困難であるという問題がある。特に空間分解能と波長分解能を個別に独立して制御することは不可能であるという問題がある。
本開示の分光計測装置は、図10を参照して説明した回折格子を用いたスナップショット方式と同様の構成要素を有し、かつ、空間分解能と波長分解能を個別に独立して制御可能としたことを特徴とする。本開示の分光計測装置の一例は、スナップショット方式を適用した計算トモグラフィ撮像分光計(CTIS:Computed Tomography Imaging Spectrometer)を利用して、さらに空間分解能と波長分解能を個別に制御可能とした構成を有する。
以下の各文献に記載された構成について、順次、説明する。
(1)非特許文献1 「Practical Spectral Photography Ralf Habel, Michael Kudenov, Michael Wimmer, EUROGRAPHICS 2012」
(2)非特許文献2 「A Tunable Snapshot Imaging Spectrometer Tebow, Christopher, Degree thesis of doctor of philosophy of the university of Arisona, 2005」
(3)非特許文献3 「Lenslet Array Tunable Snapshot Imaging Spectrometer(LATIS) for Hyperspectral Fluorescence Microscope JASON G. DWIGHT, TOMASZ S. TKACZYK, BIOMEDICAL OPTICS EXPRESS, Vol. 8, No. 3, 1 Mar 2017」
この課題を解決しようとして、非特許文献2「A Tunable Snapshot Imaging Spectrometer Tebow, Christopher, Degree thesis of doctor of philosophy of the university of Arisona, 2005」や、非特許文献3「Lenslet Array Tunable Snapshot Imaging Spectrometer(LATIS) for Hyperspectral Fluorescence Microscope JASON G. DWIGHT, TOMASZ S. TKACZYK, BIOMEDICAL OPTICS EXPRESS, Vol. 8, No. 3, 1 Mar 2017」に記載の構成が考案された。
しかし、非特許文献2の構成は、波長分解能を調整可能としたものの、空間分解能については調整できないという問題がある。
本開示の分光計測装置は上記のような問題を解決するものである。すなわち、空間分解能と波長分解能をそれぞれ独立して調整できるようにし、様々な用途に適応した空間分解能と波長分解能での分光計測を実現するものである。
図11に示すように、本開示の分光計測装置100は、対物レンズ101、スリット(視野絞り)102、コリメートレンズ103、分光素子(回折格子)104、結像レンズ105、センサ(エリアセンサ)106、さらに、空間分解能調整部151、波長分解能調整部152、演算処理部153、記録部154を有する。
演算処理部153は、センサ(エリアセンサ)106の各素子(画素)の出力値(画素値)を取得して、各素子(画素)の出力値に基づいて、計測対象の位置(x,y)と各位置対応の波長光(λ:スベクトル情報)を復元する演算処理を実行する。
すなわち、演算処理部153は、先に図6を参照して説明した計測対象物の空間方向(XY)と、波長方向(λ)の3次元からなるデータキューブを生成して、記録部154に記録する。
波長分解能調整部152は、結像レンズ105、センサ(エリアセンサ)106を制御して波長分解能を制御する。
具体的な制御例については後段で詳細に説明する。
まず、図12を参照して空間分解能について説明する。
一般的に、図12で示したようなレンズとセンサから構成されるカメラの場合、被写体のある領域(D1)がセンサ上のある領域(d)に記録される。
この構成の場合、空間分解能rsは下式(式4)のように表される。
rs=D1/d ・・・(式4)
このような構成において、λ1からλ3の波長範囲の光がセンサ面上でd個分の画素に記録された場合、波長分解能rwは下式(式5)として示される。
rw=(λ3-λ1)/d ・・・(式5)
図11に示す本開示の分光計測装置100は、コリメートレンズ103を基準に光学的に2つの部分に分割することが可能となる。すなわち、図14に示すように、対物レンズ101とスリット(視野絞り)102とコリメートレンズ103からなる集光部210と、分光素子104と結像レンズ105とセンサ(エリアセンサ)106からなる分光撮影部220に分けられる。
集光部210と分光撮影部220の間は光学的に平行な光で結ばれているのでお互いに独立であり、機能の干渉が起きない、つまり空間分解能と波長分解能はそれぞれ独立に調整することが可能となる。
rs=D1/d ・・・(式4)
上記(式4)に従って、センサ面での投影像の範囲(d)を一定に保ちながら、視野範囲(D)を変更することで空間分解能を独立に調整する。
図11に示す構成を持つ本開示の分光計測装置100において、空間分解能(rs)は下式(式6)で示すことができる。
rs=D/d(f1/(a-f1))・・・(式6)
ただし、
D:計測対象物の撮影範囲(視野範囲)
d:センサ面での投影範囲(例えば投影画素数)
f1:対物レンズの焦点距離
a:計測対象物までの距離(対物レンズ101からの距離)
である。
一般的には計測対象までの距離a(図14に示す距離a)と、対物レンズ101の焦点距離(図14に示すf1)に合わせて、コリメートレンズ103の焦点距離(図14に示すf2)と、対物レンズ101とコリメートレンズ103間の距離(図14に示すd1)を固定している。従って、対物レンズ101の焦点距離f1を、一方的に変更するとコリメートレンズ103からの出射光が平行光でなくなる。
d1=(a・f1)/(a-f1) ・・・(式7)
f2=d1 ・・・(式8)
上記(式6)に従って算出される目的の空間分解能設定値(rs)に設定するための対物レンズ101の焦点距離(f1)と、
上記(式7)、(式8)に従って算出される、
対物レンズ101とコリメートレンズ103間の距離(d1)と、
コリメートレンズ103の焦点距離(f2)、
これらを併せて調整する。
つまり波長分解能に対する影響を発生させることなく、空間分解能を調整することができる。
図14に示す分光撮影部220における光線の挙動を図15に示す。
前提条件は、集光部210のコリメートレンズ103から、分光撮影部220の分光素子104への入射光が平行光であることである。分光素子104からの出射光は0次光と各波長に対応した出射角θを持ったn次回折光に分けられる。
また、図に示すように上方向にX軸を設定し、分光素子104への光線(集光部210からの入力平行光)端部の入射位置x0の光が、距離d2だけ離れた位置にある焦点距離がf3の結像レンズ105上のxに到達し、結像レンズ105を通過後、距離d3だけ離れた位置にあるセンサ106上のx'に到達するとする。
x'=((f3-d3)/f3)・x+d3tanθ ・・・(式9)
ただし、
x=d2・tanθ+x0 ・・・(式10)
である。
なお、上記(式9),(式10)において、
x0:分光素子(回折格子)104への入射光(平行光)端部の入射位置
θ:分光素子(回折格子)104の回折角、
f3:結像レンズ105の焦点距離、
d2:分光素子(回折格子)104と結像レンズ105の間隔、
d3:結像レンズ105とセンサ106の間隔、
x:結像レンズ105上の光の位置、
である。
x0:分光素子(回折格子)104への入射光(平行光)端部の入射位置
θ:分光素子(回折格子)104の回折角、
f3:結像レンズ105の焦点距離、
d2:分光素子(回折格子)104と結像レンズ105の間隔、
d3:結像レンズ105とセンサ106の間隔、
従って、分光素子(回折格子)104と結像レンズ105の間隔d2を調整すれば、集光部210からの入力平行光の端部の光が入射するセンサ106上の位置x'を制御することが可能となる。
rw=(λ3-λ1)/d ・・・(式5)
従って、分光素子(回折格子)104と結像レンズ105の間隔d2を調整すれば、集光部210から入力する平行光端部の光が入射するセンサ106上の位置x'を制御可能となり、結果として、波長分解能(rw)を制御することが可能となる。
x'=((f3-d3)/f3)・x+d3tanθ ・・・(式9)
上記(式9)のx'に相当する。
ただし、
x=d2・tanθ+x0 ・・・(式10)
である。
x0:分光素子(回折格子)104への入射光(平行光)端部の入射位置
θ:分光素子(回折格子)104の回折角、
f3:結像レンズ105の焦点距離、
d3:結像レンズ105とセンサ106の間隔、
これらの値を代入し、
分光素子(回折格子)104と結像レンズ105の間隔(d2)を算出する。
このようにして、波長分解能調整部152は、分光計測装置100の波長分解能を調整する。
先に図11を参照して説明したように、センサ(エリアセンサ)106の各素子(画素)には、計測対象の様々な位置からの様々な波長光が重畳した光が記録される。
演算処理部153は、センサ(エリアセンサ)106の各素子(画素)の出力値(画素値)を取得して、各素子(画素)の出力値に基づいて、計測対象の位置(x,y)と各位置対応の波長光(λ:スベクトル情報)を復元する演算処理を実行する。
すなわち、演算処理部153は、先に図6を参照して説明した計測対象物の空間方向(XY)と、波長方向(λ)の3次元データからなるデータキューブを生成して、記録部154に記録する。
g=H・f+n ・・・(式11)
上記(式11)において、
g:センサ(エリアセンサ)106の各素子(画素)の出力値(画素値)によって構成される1×総画素数の画像行列、
f:データキューブの構成ブロックの各値によって構成される1×データキューブサイズの行列、
H:投影変換行列、
n:センサノイズ
である。
しかし、図11に示す本開示の分光計測装置100は、先に図14を参照して説明したように、空間分解能調整部151と、波長分解能調整部152の各々が、複数の光学パラメータを調整して、空間分解能と、波長分解能を独立に調整可能としている。
対物レンズ101の焦点距離(f1)、
対物レンズ101とコリメートレンズ103間の距離(図14に示すd1)
コリメートレンズ103の焦点距離(f2)
これらの光学パラメータを調整して、空間分解能のみを独立に調整することができる。
分光素子(回折格子)104と結像レンズ105の間隔(図14に示すd2)
この光学パラメータを調整して、波長分解能のみを独立に調整することができる。
図17には、分光計測装置の構成を規定する以下の9種類のパラメータを示している。
(1)対物レンズ焦点距離f1
(2)対物レンズ-コリメートレンズ間距離d1
(3)スリット開口部径p
(4)コリメートレンズ焦点距離f2
(5)分光素子(回折格子)開口部径g
(6)分光素子-結像レンズ間距離d2
(7)コリメートレンズ-結像レンズ間距離d21
(8)結像レンズ焦点距離f3
(9)結像レンズ-センサ間距離d3
(1)対物レンズ焦点距離f1
(2)対物レンズ-コリメートレンズ間距離d1
(4)コリメートレンズ焦点距離f2
これらの3種類のパラメータを調整する。
先に説明した空間分解能(rs)算出式、すなわち、
rs=D/d(f1/(a-f1))・・・(式6)
上記(式6)に従って算出される目的の空間分解能設定値(rs)に設定するための対物レンズ101の焦点距離(f1)を算出する。さらに、
分光撮影部220への入力光を平行光にするための条件式である先に説明した(式7)、(式8)、すなわち、
d1=(a・f1)/(a-f1) ・・・(式7)
f2=d1 ・・・(式8)
上記(式7)、(式8)に従って、対物レンズ101とコリメートレンズ103間の距離(d1)と、コリメートレンズ103の焦点距離(f2)を算出する。
(1)対物レンズ焦点距離f1
(2)対物レンズ-コリメートレンズ間距離d1
(4)コリメートレンズ焦点距離f2
これら3種類のパラメータを調整する。
(6)分光素子-結像レンズ間距離d2
このパラメータを調整する。
先に説明した波長分解能(rw)算出式、すなわち、
rw=(λ3-λ1)/d ・・・(式5)
上記(式5)に従って算出される目的の波長分解能設定値(rw)に設定するためのセンサ106面での分光像の投影範囲(d)を算出する。
x'=((f3-d3)/f3)・x+d3tanθ ・・・(式9)
上記(式9)のx'に相当する。
ただし、
x=d2・tanθ+x0 ・・・(式10)
である。
x0:分光素子(回折格子)104への入射光(平行光)端部の入射位置
θ:分光素子(回折格子)104の回折角、
f3:結像レンズ105の焦点距離、
d3:結像レンズ105とセンサ106の間隔、
これらの値を代入し、
分光素子(回折格子)104と結像レンズ105の間隔(d2)を算出する。
(6)分光素子-結像レンズ間距離d2
このパラメータを調整する。
(1)対物レンズ焦点距離f1
(2)対物レンズ-コリメートレンズ間距離d1
(4)コリメートレンズ焦点距離f2
これらの3種類のパラメータを調整し、
波長分解能調整部152は、
(6)分光素子-結像レンズ間距離d2
この1種類のパラメータを調整する例を示しているが、空間分解能調整部151や、波長分解能調整部152が、これら以外のパラメータを調整する構成としてもよい。
(1)対物レンズ焦点距離f1
(2)対物レンズ-コリメートレンズ間距離d1
(3)スリット開口部径p
(4)コリメートレンズ焦点距離f2
これらの4種類のパラメータを調整する設定としてもよい。
これらのパラメータは、いずれも空間分解能を変更することが可能なパラメータである。
(1)対物レンズ焦点距離f1
(6)分光素子-結像レンズ間距離d2
(8)結像レンズ焦点距離f3
(9)結像レンズ-センサ間距離d3
これらの4種類のパラメータを調整する設定としてもよい。
これらのパラメータは、いずれも波長分解能を変更することが可能なパラメータである。
集光部210から分光撮影部220への出射光を平行光に維持するためには、先に説明した条件式(式7)、(式8)、すなわち、
d1=(a・f1)/(a-f1) ・・・(式7)
f2=d1 ・・・(式8)
上記(式7)、(式8)を満足するように、
対物レンズ101とコリメートレンズ103間の距離(d1)、
コリメートレンズ103の焦点距離(f2)、
これらのパラメータが設定されればよい。
(1)対物レンズ焦点距離f1
(2)対物レンズ-コリメートレンズ間距離d1
(3)スリット開口部径p
(4)コリメートレンズ焦点距離f2
これらの4種類のパラメータを調整し、
波長分解能調整部152が、
(1)対物レンズ焦点距離f1
(6)分光素子-結像レンズ間距離d2
(8)結像レンズ焦点距離f3
(9)結像レンズ-センサ間距離d3
これらのパラメータを調整した場合であっても、最終的に、上記(式7)、(式8)を満足するように、
対物レンズ101とコリメートレンズ103間の距離(d1)、
コリメートレンズ103の焦点距離(f2)、
これらのパラメータが調整されれば、集光部210から分光撮影部220への出射光を平行光に維持することが可能となる。
次に、図20に示すフローチャートを参照して、本開示の分光計測装置100の実行する処理のシーケンスについて説明する。
以下、図20に示すフローチャートの各ステップの処理について説明する。
まず、ステップS101において、空間分解能の調整処理を実行する。
この処理は、図11に示す分光計測装置100の空間分解能調整部151が実行する。
rs=D/d(f1/(a-f1))・・・(式6)
上記(式6)に従って算出される目的の空間分解能設定値(rs)に設定するための対物レンズ101の焦点距離(f1)を算出する。さらに、
分光撮影部220への入力光を平行光にするための条件式である先に説明した(式7)、(式8)、すなわち、
d1=(a・f1)/(a-f1) ・・・(式7)
f2=d1 ・・・(式8)
上記(式7)、(式8)に従って、対物レンズ101とコリメートレンズ103間の距離(d1)と、コリメートレンズ103の焦点距離(f2)を算出する。
対物レンズ焦点距離f1
対物レンズ-コリメートレンズ間距離d1
コリメートレンズ焦点距離f2
これら3種類のパラメータを調整する。
ステップS102の処理は、ステップS101の処理と並列に実行可能な処理である。
ステップS102では、波長分解能の調整処理を実行する。
この処理は、図11に示す分光計測装置100の波長分解能調整部152が実行する。
rw=(λ3-λ1)/d ・・・(式5)
上記(式5)に従って算出される目的の波長分解能設定値(rw)に設定するためのセンサ106面での分光像の投影範囲(d)を算出する。
x'=((f3-d3)/f3)・x+d3tanθ ・・・(式9)
上記(式9)のx'に相当する。
ただし、
x=d2・tanθ+x0 ・・・(式10)
である。
x0:分光素子(回折格子)104への入射光(平行光)端部の入射位置
θ:分光素子(回折格子)104の回折角、
f3:結像レンズ105の焦点距離、
d3:結像レンズ105とセンサ106の間隔、
これらの値を代入し、
分光素子(回折格子)104と結像レンズ105の間隔(d2)を算出する。
波長分解能調整部152は、この算出値に基づいて、
分光素子-結像レンズ間距離d2
このパラメータを調整する。
次に、ステップS103において、計測対象を撮影する。
この処理は、図11に示す分光計測装置100による画像撮影処理である。
次に、ステップS104において、画素値読出し処理を実行する。
この処理は、図11に示す分光計測装置100のセンサ106の各画素の画素値を演算処理部153に出力する処理である。
次に、ステップS105において、復元処理を実行する。
この処理は、図11に示す分光計測装置100の演算処理部153が実行する処理である。
すなわち、演算処理部153は、先に図6を参照して説明した計測対象物の空間方向(XY)と、波長方向(λ)の3次元からなるデータキューブを生成する。
g=H・f+n ・・・(式11)
上記(式11)において、
g:センサ(エリアセンサ)106の各素子(画素)の出力値(画素値)によって構成される1×総画素数の画像行列、
f:データキューブの構成ブロックの各値によって構成される1×データキューブサイズの行列、
H:投影変換行列、
n:センサノイズ
である。
最後に、演算処理部153は、ステップS106において、撮影された計測対象物の空間方向(XY)と、波長方向(λ)の3次元データからなるデータキューブを記録部154に記録する。
以上、特定の実施例を参照しながら、本開示の実施例について詳解してきた。しかしながら、本開示の要旨を逸脱しない範囲で当業者が実施例の修正や代用を成し得ることは自明である。すなわち、例示という形態で本発明を開示してきたのであり、限定的に解釈されるべきではない。本開示の要旨を判断するためには、特許請求の範囲の欄を参酌すべきである。
(1) 分光計測装置の空間分解能を調整する空間分解能調整部と、
前記分光計測装置の波長分解能を調整する波長分解能調整部を有し、
前記空間分解能調整部は、
前記分光計測装置の波長分解能を変更することなく空間分解能を変更する分光計測装置。
前記分光計測装置の空間分解能を変更することなく波長分解能を変更する(1)に記載の分光計測装置。
前記分光計測装置の集光部から分光撮影部に対する出力光を平行光に維持するという条件を満たすように空間分解能を変更する(1)または(2)に記載の分光計測装置。
前記分光計測装置の集光部の構成要素のパラメータを調整して空間分解能を変更する(1)~(3)いずれかに記載の分光計測装置。
前記分光計測装置の集光部の構成要素のパラメータである、
(a)対物レンズ焦点距離と、
(b)対物レンズ-コリメートレンズ間距離と、
(c)コリメートレンズ焦点距離、
上記(a)~(c)の少なくともいずれかのパラメータを調整して空間分解能を変更する(1)~(4)いずれかに記載の分光計測装置。
前記分光計測装置の分光撮影部の構成要素のパラメータを調整して波長分解能を変更する(1)~(5)いずれかに記載の分光計測装置。
前記分光計測装置の分光撮影部の構成要素のパラメータである、
分光素子-結像レンズ間距離、
を調整して波長分解能を変更する(1)~(6)いずれかに記載の分光計測装置。
前記分光計測装置のセンサの受光信号値を入力して演算処理を実行する演算処理部を有し、
前記演算処理部は、
前記センサの各画素の画素値を取得して、計測対象の位置(x,y)と各位置対応の波長光(λ:スベクトル情報)を復元する演算処理を実行する(1)~(7)いずれかに記載の分光計測装置。
前記計測対象の空間方向(XY)と、波長方向(λ)の3次元データからなるデータキューブを生成する(8)に記載の分光計測装置。
空間分解能調整部が、前記分光計測装置の空間分解能を調整する空間分解能調整ステップと、
波長分解能調整部が、前記分光計測装置の波長分解能を調整する波長分解能調整ステップと、
計測対象の出力光を前記分光計測装置の集光部と分光部を介してセンサに受光させる画像撮影ステップと、
演算処理部が、前記センサの画素値に基づいて、前記計測対象の空間方向(XY)と、波長方向(λ)の3次元データからなるデータキューブを生成するデータキューブ生成ステップを有し、
前記空間分解能調整部による前記空間分解能調整ステップは、
前記分光計測装置の波長分解能を変更することなく空間分解能を変更するステップである分光計測方法。
具体的には、例えば、分光計測装置の空間分解能を調整する空間分解能調整部と、分光計測装置の波長分解能を調整する波長分解能調整部を有し、空間分解能調整部は、分光計測装置の集光部から分光撮影部に対する出力光を平行光に維持し、集光部の構成要素のパラメータを調整して、分光計測装置の波長分解能を変更することなく空間分解能を変更する。波長分解能調整部は、分光計測装置の分光撮影部のパラメータを調整して、分光計測装置の空間分解能を変更することなく波長分解能を変更する。
本構成により、分光計測装置の空間分解能と波長分解能を独立に調整可能とした構成が実現される。
101 対物レンズ
102 スリット(視野絞り)
103 コリメートレンズ
104 分光素子(回折格子)
105 結像レンズ
106 センサ(エリアセンサ)
151 空間分解能調整部
152 波長分解能調整部
153 演算処理部
154 記録部
210 集光部
220 分光撮影部
Claims (7)
- 分光計測装置の空間分解能を調整する空間分解能調整部と、
前記分光計測装置の波長分解能を調整する波長分解能調整部を有し、
前記空間分解能調整部は、
前記分光計測装置の集光部から分光撮影部に対する出力光を平行光に維持するという条件を満たすように、前記分光計測装置の集光部の構成要素のパラメータである、
(a)対物レンズ焦点距離、
(b)対物レンズ-コリメートレンズ間距離、
(c)コリメートレンズ焦点距離、
上記(a)~(c)の各パラメータの調整処理を実行して、
前記分光計測装置の波長分解能を変更することなく空間分解能を変更する処理を実行し、
前記空間分解能調整部は、
空間分解能(rs)と対物レンズの焦点距離(f 1 )との関係式である以下の(式p)、すなわち、
rs=D/d(f 1 /(a-f 1 ))・・・(式p)
ただし、
D:計測対象物の撮影範囲
d:センサ面での投影範囲
f 1 :対物レンズの焦点距離
a:計測対象物までの距離(対物レンズからの距離)
上記(式p)に従って算出される値(f 1 )に対物レンズの焦点距離(f 1 )を調整し、
さらに、対物レンズとコリメートレンズ間の距離(d 1 )を以下の(式q)、すなわち、
d 1 =(a・f 1 )/(a-f 1 )・・・(式q)
上記(式q)に従って算出される値(d 1 )に調整し、
さらに、コリメートレンズの焦点距離(f 2 )を以下の(式r)、すなわち、
f 2 =d 1 ・・・(式r)
上記(式r)に従って算出される値(f 2 )に調整する処理を実行する分光計測装置。 - 前記波長分解能調整部は、
前記分光計測装置の空間分解能を変更することなく波長分解能を変更する請求項1に記載の分光計測装置。 - 前記波長分解能調整部は、
前記分光計測装置の分光撮影部の構成要素のパラメータを調整して波長分解能を変更する請求項1に記載の分光計測装置。 - 前記波長分解能調整部は、
前記分光計測装置の分光撮影部の構成要素のパラメータである、
分光素子-結像レンズ間距離、
を調整して波長分解能を変更する請求項1に記載の分光計測装置。 - 前記分光計測装置は、さらに、
前記分光計測装置のセンサの受光信号値を入力して演算処理を実行する演算処理部を有し、
前記演算処理部は、
前記センサの各画素の画素値を取得して、計測対象の位置(x,y)と各位置対応の波長光(λ:スベクトル情報)を復元する演算処理を実行する請求項1に記載の分光計測装置。 - 前記演算処理部は、
前記計測対象の空間方向(XY)と、波長方向(λ)の3次元データからなるデータキューブを生成する請求項5に記載の分光計測装置。 - 分光計測装置において実行する分光計測方法であり、
空間分解能調整部が、前記分光計測装置の空間分解能を調整する空間分解能調整ステップと、
波長分解能調整部が、前記分光計測装置の波長分解能を調整する波長分解能調整ステップと、
計測対象の出力光を前記分光計測装置の集光部と分光部を介してセンサに受光させる画像撮影ステップと、
演算処理部が、前記センサの画素値に基づいて、前記計測対象の空間方向(XY)と、波長方向(λ)の3次元データからなるデータキューブを生成するデータキューブ生成ステップを有し、
前記空間分解能調整部による前記空間分解能調整ステップは、
前記分光計測装置の集光部から分光撮影部に対する出力光を平行光に維持するという条件を満たすように、前記分光計測装置の集光部の構成要素のパラメータである、
(a)対物レンズ焦点距離、
(b)対物レンズ-コリメートレンズ間距離、
(c)コリメートレンズ焦点距離、
上記(a)~(c)の各パラメータの調整処理を実行して、
前記分光計測装置の波長分解能を変更することなく空間分解能を変更するステップであり、
空間分解能(rs)と対物レンズの焦点距離(f 1 )との関係式である以下の(式p)、すなわち、
rs=D/d(f 1 /(a-f 1 ))・・・(式p)
ただし、
D:計測対象物の撮影範囲
d:センサ面での投影範囲
f 1 :対物レンズの焦点距離
a:計測対象物までの距離(対物レンズからの距離)
上記(式p)に従って算出される値(f 1 )に対物レンズの焦点距離(f 1 )を調整し、
さらに、対物レンズとコリメートレンズ間の距離(d 1 )を以下の(式q)、すなわち、
d 1 =(a・f 1 )/(a-f 1 )・・・(式q)
上記(式q)に従って算出される値(d 1 )に調整し、
さらに、コリメートレンズの焦点距離(f 2 )を以下の(式r)、すなわち、
f 2 =d 1 ・・・(式r)
上記(式r)に従って算出される値(f 2 )に調整する処理を実行するステップである分光計測方法。
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