特開2018-200257IP Force 特許公報全文掲載

技術分野

時分割分光イメージング分析システム及び時分割分光イメージング分析法に関するものである。

要約特許出願時に添付された[要約書]

【課題】小型・軽量・低価格・動画対応・高性能な分光イメージング分析システムまたは装置を提供する。
【解決手段】時分割分光手段100と、イメージセンサと、を備えた分光イメージングシステムであり、イメージセンサの全画素の蓄積期間と同期させてN−1個の液晶セル103a、103b、103cに印加する電圧の組み合わせを変化させて各液晶セルの透過特性を調整し、入射光107に含まれる光波長成分について、バンドパスフィルター101のN個の透過光波長から時分割で1波長ずつ選択してイメージセンサでN回の信号を取得することで入射光に含まれるN個の波長成分の光情報を時分割で取得する。
【選択図】図1

発明が解決しようとする課題[発明の詳細な説明]から抜粋

しかしながら、した分光イメージング技術を採用した装置には、下記の課題が存在していた。
(1)プリズム、グレーティング、AOTF(光音響素子)、分散光学系などの光学素子の収差をなくす光学設計が難しい。
(2)従来の複数の液晶セルを組み合わせた液晶リオフィルターを用いる場合は、半値幅を小さくしようとすると液晶セルの個数を増やす必要があり、小型化が困難である。また動作温度によって中心波長、半値幅が変動する。又、液晶に加える電圧を変化させて時分割で中心波長を切り替える際に中心波長の変動が起こりやすい。また、液晶セルの個数が多いと選択波長の透過率が低くなるという問題がある。
(3)前分光法を用いるものは、外光の影響を直接受ける為,暗箱等による対策が必要。
(4)RGBフィルター方式は、面の解析は可能だが、データはR(赤)G(緑)B(青)の強度(データ数:3個)だけなので微妙な色の違いの識別が困難。
(5)ImSpectorは線状エリアを同時多点分光するので、面状イメージの各点を分光解析するには、対象物(被検体)または分光カメラを相対的に移動させる必要がある。
(6)複数のバンドパスフィルターを機械的に回転するなどして時分割で切り替える分光フィルターを使用する分光分析装置では、機械駆動部分が存在するため信頼性を高めることに難点があると共に小型化するのが困難である。また、バンドパスフィルターを切り替えに要する時間が長く、動画対応が困難である。
(7)従来のイメージセンサオンチップのバンドパスフィルターを用いる場合は、イメージセンサの複数画素を複数のバンドパスフィルターで分割するため、解像度が低下する。また、一度作成したイメージセンサについて光波長の組み合わせを代えることができず、用途毎によって中心波長を適宜切り替えることができない。
(8)発光波長の異なる複数のLED光源などを用いる時分割光源切換型の分光手段では、明るい環境では用いることが出来ず、例えばドローンを用いた空撮等には向かない。また、半値幅を小さくすることが困難であり、分光分析の精度を高めるのが困難。 本発明は、点に鑑み鋭意なされたものであって、その目的の一つは、小型・軽量・低価格・動画対応・高性能な分光イメージング分析システムまたは装置を提供することである。
本発明のもう一つの目的は、非破壊・非接触・迅速に分光分析を行うことが出来る分光イメージングシステムまたは装置を提供することである。
本発明の更にもう一つの目的は、食品の安全や農作物の成育状況、人体の健康状態のモニターのために簡便に分光分析を行うことのできる小型・ポータブル・低価格な分光イメージングシステムまたは装置を提供することである。
本発明の更に別の目的は、空間的に二次元の分光情報を容易に取得することができる分光イメージングシステムまたは装置を提供することである。
本発明の更にもう一つ別の目的は、人体の血糖値を検出するセンサ用途では、血管の特定と、血液中に含まれる白血球等の血糖値の分析を阻害する因子を排除しながら分析を行うことが出来る分光イメージングシステムまたは装置を提供することである。

課題を解決するための手段[発明の詳細な説明]から抜粋

本発明の一つの側面は、 N(2以上の整数)個の光波長に透過率ピークを有するバンドパスフィルターと「N-1」個の液晶セルから構成される時分割分光手段と、 イメージセンサと、 を備えた分光イメージングシステムであり、 前記イメージセンサの全画素の蓄積期間と同期させて前記「N-1」個の液晶セルに印加する電圧の組み合わせを変化させて各液晶セルの透過特性を調整し、入射光に含まれる光波長成分について、前・・・ 続きを知財ポータルサイト IP Force にログインして見る
【発明の効果】
本発明によれば、一つには、小型・軽量・低価格・高性能な分光イメージング分析システムまたは装置を提供することができる。
もう一つは、非破壊・非接触・迅速に分光分析を行うことが出来る分光イメージングシステムまたは装置を提供することができる。
更にもう一つは、食品の安全や農作物の成育状況、人体の健康状態のモニターのために簡便に分光分析を行うことのできる小型・ポータブル・低価格な分光イメージングシステムまたは装置を提供することができる。
の他にも後述されるように従来に比べ優位性と進歩性のある多くの分光イメージングシステムまたは装置を提供することができる。

この発明についての権利主張の範囲[特許請求の範囲]

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この特許公報に記載されている図面[図面の簡単な説明]から抜粋

【図1】図1は、本発明において使用される時分割分光手段の好適な実施態様の一つの構成を説明するための模式的構成説明図である。

【図2】図2は、液晶セル104の構成を説明するための模式的構成説明図である。

【図3】図3は、図1に示す時分割分光手段を備えた分光イメージングシステムの構成例を説明するためのブロック図である。

【図4】図4は、図3に示す分光イメージングシステムを使用して時分割分光分析する際の測定フローチャートである。

【図5】図5は、バンドパスフィルターの透過特性と波長1050nmの光を選択した際の液晶セルの透過特性と分光手段の透過特性の好適な例を説明するためのグラフである。

【図6A】図6Aは各波長を選択する際の液晶セルに印加する電圧の組み合わせ例を示す表である。

【図6B】図6Bは各波長を選択している際の透過特性の測定結果の一例を示すグラフである。

【図7】図7は、時分割分光のタイミングの一例を示すタイミングチャートである。

【図8】図8は、本発明をグルコースの分光分析に適用させた場合の分光イメージングシステムの構成の模式的説明図である。

【図9】図9は、本発明を血糖値の分光分析に適用させた場合の分光イメージングシステムの構成の模式的説明図である。

【図10】図10は、図9に示すシステムで血糖値を測定した例の画像を説明するための模式的説明図である。

【図11】図11は、本発明に係るイメージセンサの分好感度特性の一例を示す図である。

選択図 図1出願人が指定した本件の代表的な図

100・・・分光手段   101・・・バンドフィルター   102(102a〜102d)・・・偏光板   103(103a〜103c)・・・波長板   104(104a〜104c)・・・液晶セル   105(105a〜105c)・・・電圧印加手段   106・・・透過光   107・・・入射光   108・・・透過光   201(201a、201b)・・・ガラス板   202(202a,202b)・・・透明電極   203(203a,203b)・・・配向膜   204・・・液晶   300・・・分光イメージングシステム   301・・・光学レンズ   302・・・時分割分光手段   303・・・イメージセンサ   304・・・信号格納/処理部   305・・・表示部   306・・・光軸   307・・・制御部   308・・・操作部   309・・・被検体   310・・・光源   311・・・照射光   312・・・入射光   401〜412・・・ステップ   800、900・・・時分割分光イメージングデバイス   801、901・・・(光学)レンズ   802、902・・・分光手段   803、903・・・イメージセンサ   804、904・・・光源   805・・・拡散板   806・・・(被検体)セル   807・・・スポット   808・・・生理食塩水   809、906・・・照射光   810・・・拡散工   811、907・・・透過光   905・・・被検体   1000・・・取得画像   1001・・・測定対象領域   1002・・・周辺領域   1003・・・血管壁   1004・・・血糖値分析疎外因子    

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