特許 5793219 撮像装置及び撮像方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】5793219

(24)【登録日】2015年8月14日

(45)【発行日】2015年10月14日

(54)【発明の名称】撮像装置及び撮像方法

(51)【国際特許分類】

   G01J 3/36 20060101AFI20150928BHJP

   G01J 3/26 20060101ALI20150928BHJP

   H04N 5/225 20060101ALI20150928BHJP

【ＦＩ】

   G01J3/36

   G01J3/26

   H04N5/225 Z

【請求項の数】3

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2014-103106(P2014-103106)

(22)【出願日】2014年5月19日

【審査請求日】2014年5月21日

(73)【特許権者】

【識別番号】507268813

【氏名又は名称】佐鳥 新

(74)【代理人】

【識別番号】110000316

【氏名又は名称】特許業務法人ピー・エス・ディ

(72)【発明者】

【氏名】佐鳥 新

【審査官】 喜々津 徳胤

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１１−２２６８７６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｊ３／００−３／５２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

被写体からの光を複数の波長の光に分光し、分光された光を撮像素子に受光させることによって、前記被写体を撮像する撮像装置であって、
被写体からの光が入射するレンズと、
透過させる光の波長を時間の経過とともに変化させることによって、前記被写体からの光を複数の波長の光に分光する、光学フィルタ部と、
前記レンズからの光の焦点位置に受光面が配置され、前記光学フィルタ部によって分光された光を受光して電気信号に変換する複数の画素を有する、撮像素子と、
前記撮像素子によって生成された電気信号から、前記撮像素子の画素ごとに、画素の位置情報、波長情報及び時間情報と関連付けられた光の強度又は光の強度に基づく物理量のデータを生成し、これらのデータを画素の位置情報及び波長情報と関連付けられた光の強度又は光の強度に基づく物理量のデータに変換する、演算処理部と
を備え、
前記光学フィルタ部は、
透過させる光の波長が一方向に連続的に変化するように構成されたリニア可変バンドパスフィルタと、
前記リニア可変バンドパスフィルタに対して光の進行方向上流側に配置され、屈折率を変化させることによって入射した光の進行方向に対する出射する光の進行方向の角度を任意に変化させることが可能な屈折率可変材料と、
前記屈折率可変材料の屈折率を時間の経過とともに変化させる電圧を前記屈折率可変材料に加えるための電気的駆動部と
を有する、撮像装置。

【請求項2】

前記屈折率可変材料は、ＫＴＮ結晶であり、前記電気的駆動部は、前記ＫＴＮ結晶の屈折率を制御する電圧を前記ＫＴＮ結晶に印加する電源及び駆動回路を有する、請求項１に記載の撮像装置。

【請求項3】

被写体からの光を複数の波長に分光し、分光された光を撮像素子に受光させることによって、前記被写体を撮像する撮像方法であって、
被写体からの光を、受光した光を電気信号に変換する複数の画素を有する撮像素子の受光面に合焦させるステップと、
前記被写体からの光を、時間の経過とともに複数の波長の光に分光するステップと、
前記分光された光を前記撮像素子によって受光して、画素ごとに電気信号に変換するステップと、
電気信号に変換する前記ステップによって生成された電気信号から、前記撮像素子の画素ごとに、画素の位置情報、波長情報及び時間情報と関連付けられた光の強度又は光の強度に基づく物理量のデータを生成し、これらのデータを画素の位置情報及び波長情報と関連付けられた光の強度又は光の強度に基づく物理量のデータに変換するステップと
を含み、
前記分光するステップは、
屈折率を変化させることによって入射した光の進行方向に対する出射する光の進行方向の角度を任意に変化させることが可能な屈折率可変材料に、時間の経過とともに屈折率を変化させるための電圧を加えるステップと、
前記被写体からの光を、前記屈折率可変材料を透過させるステップと、
前記屈折率可変材料を透過した光を、透過させる光の波長領域が一方向に連続的に変化するように構成されたリニア可変バンドパスフィルタを透過させるステップと
を含む、撮像方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、被写体のハイパースペクトルデータを取得する撮像装置及び撮像方法に関する。

【背景技術】

【0002】

ハイパースペクトルデータ（以下、「ＨＳＤ」ということもある）を取得する撮像装置（以下「ハイパースペクトル撮像装置」という。）は、被写体からの光（被写体が自ら発する光や被写体が反射する光）を複数の波長の光に分光し、分光された光を複数の画素を有する撮像素子によって受光して電気信号に変換することにより、被写体の２次元画像を構成する画素ごとに、画素の位置情報及び波長情報と関連付けられた光の強度又は光の強度に基づく物理量（例えば、反射率）のデータであるハイパースペクトルデータを取得する装置である。ハイパースペクトル撮像装置は、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いる。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る。ハイパースペクトル撮像装置によれば、従来の色の概念をスペクトル領域に拡張することができるため、人間の目には見えない現象を可視化することができる。

【0003】

図７は、ハイパースペクトル撮像装置によって取得されたハイパースペクトルデータの一例である。ハイパースペクトルデータは、ｘ及びｙを画像平面の位置、λを波長とすると、各画素の位置（ｘ，ｙ）における波長λの光の強度又は光の強度に基づく物理量Ｉ（ｘ，ｙ，λ）である。

【0004】

こうしたハイパースペクトル撮像装置の従来技術として、スリットの移動によって順次取り込まれる被写体からの光を、波長毎に分光して撮像素子に受光させることによって、被写体を撮像するものが提案されている。こうした装置として、例えば特許文献１（特開２００９−０３９２８０号）に記載される技術が提案されている。この技術は、一般にステージ走査方式と呼ばれる。この技術においては、微細な幅のスリット、回折格子、ＣＣＤなどの撮像素子を搭載した光学ステージ全体を上下に移動させることによって、被写体画像を走査する。スリットを通過した光は、回折格子によって複数の波長の光に分光され、分光された光は撮像素子の撮像面に結像する。結像した光は、電気信号に変換され、解析部に入力される。この技術においては、一次元（ｘ）のスリットを通過した光は、２次元の分光スペクトルデータＩ（ｘ，λ）となり、ｙ方向への連続的な走査によって最終的に３次元のハイパースペクトルデータＩ（ｘ，ｙ，λ）に変換されることになる。

【0005】

しかし、特許文献１に記載されるようなステージ走査方式を用いた技術においては、光学ステージ全体を機械的に移動させるため、装置の移動による振動の影響を受け、画像がぶれやすく、鮮明な画像を得にくい。また、光学ステージ全体を機械的に移動させる機構を必要とするため、装置の小型化が難しい。

【0006】

この問題を解決することを目的として、例えば特許文献２（特開２０１１−８９８９５号公報）に記載のハイパースペクトル撮像装置が提案されている。この装置は、光学ステージ全体を上下させることなくスリット位置のみを移動させることができる可変スリットを用いてハイパースペクトルデータを取得するものである。

【0007】

しかし、特許文献２に記載された装置においては、スリットを上下させて画像を走査するため、スリットの移動に伴って、撮像素子上の分光スペクトルの結像位置も変化する。このため、撮像素子のｙ座標と、撮像素子に投影される波長との対応関係を示す波長テーブルを、スリットの位置ごとに事前に多数用意しておく必要があるとともに、スリットをｙ方向に移動させるたびにこれらの波長テーブルを用いてｙ座標を波長に変換しなければならない。したがって、この装置においては、複雑なデータ処理を必要とし、データ処理に時間がかかる。また、液晶スリットは、スリット部分とスリット以外の部分とのコントラストに限界があり、スリット以外の部分からの光漏れ（迷光）のために、取得されるデータの精度が低下する。

【0008】

可変スリットを用いてハイパースペクトルデータを取得する装置と同様の考え方の技術として、光選択部材を用いてライン状の光を生成するハイパースペクトル撮像装置が、特許文献３において提案されている。この装置においては、複数の光選択部材の制御が複雑であるとともに、製造の精度が異なる複数の光選択部材の各々において別個に精密な位置だし（キャリブレーション）を要するため、装置ごとの事前の複雑な調整及び制御が必要となる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0009】

【特許文献1】特開２００９−０３９２８０号公報

【特許文献2】特開２０１１−０８９８９５号公報

【特許文献3】特開２０１２−０５８０３７号公報

【非特許文献】

【0010】

【非特許文献1】藤浦ら、「高効率電気光学結晶KTNを用いた光デバイスの開発」、ＮＴＴ技術ジャーナル、ＮＴＴフォトニクス研究所、2004年1月、P56-59

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0011】

上記の課題に鑑み、本発明は、複雑な演算処理も、機構及び装置の制御及び調整も必要とすることなく、鮮明なハイパースペクトル画像を取得することができる、小型化が容易な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を目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0012】

上記の課題は、被写体全体からの光を時間の経過とともに順次走査して分光スペクトル情報を得る時間走査方式を採用することによって、解決される。

【0013】

本発明の第１の態様においては、被写体からの光を複数の波長の光に分光し、分光された光を撮像素子に受光させることによって、被写体を撮像するハイパースペクトル撮像装置が提供される。本ハイパースペクトル撮像装置は、被写体からの光が入射するレンズと、透過させる光の波長を時間の経過とともに変化させることによって、被写体からの光を複数の波長の光に分光する、光学フィルタ部と、レンズからの光の焦点位置に受光面が配置され、光学フィルタ部によって分光された光を受光して電気信号に変換する複数の画素を有する、撮像素子と、撮像素子によって生成された電気信号から、撮像素子の画素ごとに、画素の位置情報、波長情報及び時間情報と関連付けられた光の強度のデータ又は光の強度に基づく物理量のデータを生成し、これらのデータを画素の位置情報及び波長情報と関連付けられた光の強度のデータ又は光の強度に基づく物理量のデータに変換する、演算処理部とを備える。

【0014】

一実施形態においては、光学フィルタ部は、透過させる光の波長が一方向に連続的に変化するように構成されたリニア可変バンドパスフィルタと、リニア可変バンドパスフィルタを、時間の経過とともに一方向に沿って、受光面の法線方向に対して垂直に移動させる機械的駆動部とを備えるものとすることができる。駆動部は、リニアモータであることがより好ましい。

【0015】

別の実施形態においては、光学フィルタ部は、透過させる光の波長が一方向に連続的に変化するように構成されたリニア可変バンドパスフィルタと、リニア可変バンドパスフィルタに対して光の進行方向上流側に配置され、屈折率を変化させることによって入射した光の進行方向に対する出射する光の進行方向の角度を任意に変化させることが可能な屈折率可変材料と、屈折率可変材料の屈折率を時間の経過とともに変化させる電圧を屈折率可変材料に加えるための電気的駆動部とを備えるものとすることができる。屈折率可変材料は、ＫＴＮ結晶であることがより好ましく、電気的駆動部は、ＫＴＮ結晶の屈折率を制御する電圧をＫＴＮ結晶に印加する電源及び駆動回路を有することがより好ましい。

【0016】

本発明の第２の態様においては、被写体からの光を複数の波長に分光し、分光された光を撮像素子に受光させることによって、被写体を撮像する撮像方法が提供される。本方法は、被写体からの光を、受光した光を電気信号に変換する複数の画素を有する撮像素子の受光面に合焦させるステップと、被写体からの光を、時間の経過とともに複数の波長の光に分光するステップと、分光された光を撮像素子によって受光して、画素ごとに電気信号に変換するステップと、電気信号に変換するステップによって生成された電気信号から、撮像素子の画素ごとに、画素の位置情報、波長情報及び時間情報と関連付けられた光の強度のデータ又は光の強度に基づく物理量のデータを生成し、これらのデータを画素の位置情報及び波長情報と関連付けられた光の強度のデータ又は光の強度に基づく物理量のデータに変換するステップとを含む。

【0017】

一実施形態においては、分光するステップは、透過させる光の波長が一方向に連続的に変化するように構成されたリニア可変バンドパスフィルタを、時間の経過とともに一方向に沿って、受光面に対して平行に移動させるステップと、被写体からの光を、リニア可変バンドパスフィルタを透過させるステップとを含むものとすることができる。

【0018】

別の実施形態においては、分光するステップは、屈折率を変化させることによって入射した光の進行方向に対する出射する光の進行方向の角度を任意に変化させることが可能な屈折率可変材料に、時間の経過とともに屈折率を変化させるための電圧を加えるステップと、被写体からの光を、屈折率可変材料を透過させるステップと、屈折率可変材料を透過した光を、透過させる光の波長領域が一方向に連続的に変化するように構成されたリニア可変バンドパスフィルタを透過させるステップとを含むものとすることができる。

【発明の効果】

【0019】

本発明によれば、装置の調整、制御及び小型化が容易で、装置が振動や光漏れの影響を受けないため鮮明な画像を得ることが可能なハイパースペクトル撮像装置を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】リニア可変バンドパスフィルタを用いた第１の実施形態によるハイパースペクトル撮像装置の概略的な構成を示す図である。

【図2】本発明の一実施形態に係るハイパースペクトル撮像装置における演算処理部及び記憶部を示すブロック図である。

【図3】第１の実施形態によるハイパースペクトル撮像装置において、撮像素子の受光面に受光される光の波長が時間の経過とともにどのように変化するかを模式的に示す図である。

【図4】第１の実施形態によるハイパースペクトル撮像装置において取得される画像データのイメージを示す図である。

【図5】光の屈折率を任意に変化させることが可能な屈折率可変材料を用いた第２の実施形態によるハイパースペクトル撮像装置の概略的な構成を示す図である。

【図6】第２の実施形態によるハイパースペクトル撮像装置において取得される画像データのイメージを示す図である。

【図7】ハイパースペクトルデータの一例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0021】

以下、本発明に係る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具体化した第１の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

【0022】

（第１の実施形態）
［装置の概要］
図１は、本発明の第１の実施形態に係るハイパースペクトル撮像装置１の概略構成を示す図である。図２は、ハイパースペクトル撮像装置１の演算処理部２０及び記憶部２２を示すブロック図である。
図１に示されるように、ハイパースペクトル撮像装置１は、被写体１０が発する光や反射光が入射するレンズ１２と、透過させる光の波長を時間の経過とともに変化させることによって、被写体１０からの光を複数の波長の光に分光することができる光学フィルタ部１３と、光学フィルタ部１３を透過することによって分光された光を受光する受光面１７を有する撮像素子１８とを備える。撮像素子１８は、受光した光を電気信号に変換して出力する。ハイパースペクトル撮像装置１は、さらに、変換された電気信号を取り込んでハイパースペクトルデータを生成する演算処理部２０と、各種データ及びプログラム等を記憶するための記憶部２２と、必要に応じてディスプレイ等の表示部２４とを備える。

【0023】

本発明に係るハイパースペクトル撮像装置は、例えば、食品分野（例えば、野菜、肉、魚などの鮮度の可視化）、医療分野（例えば、悪性腫瘍の可視化）、リモートセンシング分野（例えば、上空からの植生の観察）、工業分野（例えば、電子回路の配線チェック）、化粧品分野（例えば、顔のしみや肌水分量の可視化）、セキュリティ分野（例えば、侵入者の検知）、農業分野（例えば、収穫時期の予測）などといった、さまざまな分野における用途に適用可能であり、こうした用途に適した構成及び出力手段（例えば、測定結果としてのスペクトル画像を表示する画像表示手段や、スペクトルデータを印刷する印刷手段など）を備えたスペクトル計測器として構成して用いることができる。

【0024】

［各構成の説明］
以下、図１に示される各構成について、詳細に説明する。

【0025】

レンズ１２は、被写体１０からの光を受光し、その光を光学フィルタ部１３に向ける。レンズ１２は、レンズ駆動部（図示せず）によって光軸方向に駆動され、被写体１０からの光を撮像素子１８の受光面１７に合焦させることができる。

【0026】

光学フィルタ部１３は、透過させる光の波長を時間の経過とともに変化させることができるように構成されている。本実施形態においては、光学フィルタ部１３は、リニア可変バンドパスフィルタ１４と、このリニア可変バンドパスフィルタ１４を移動させる機械的駆動部１６とを含むものとすることができる。

【0027】

リニア可変バンドパスフィルタ１４は、撮像素子１８の受光面１７に対応するサイズ又はそれより大きいサイズの光学フィルタであり、透過させることができる光の波長が、一方の端部から他方の端部に向かって、λ１〜λｎまで一方向に（以下、この方向を「波長変化方向」という。）、連続的に変化するスペクトル特性を備えている。図１の上方において示されているリニア可変バンドパスフィルタは、下方のリニア可変バンドパスフィルタ１４を光の進行方向上流側からみた状態を表すものである。したがって、リニア可変バンドパスフィルタ１４に入射した光のうちの特定の波長の光が、リニア可変バンドパスフィルタ１４の一方の端部から他方の端部までの位置（すなわち、一方の端部からの波長変化方向の長さ）に応じて、リニア可変バンドパスフィルタ１４を透過することになる。本発明の一実施形態においては、リニア可変バンドパスフィルタ１４として、例えば、エドモンド・オプティクス・ジャパン株式会社のリニア可変バンドパスフィルタなどといった市販の光学フィルタを用いることができる。

【0028】

リニア可変バンドパスフィルタ１４は、波長分解能Δλをより高くすることが可能となるように、受光面１７との距離をできるだけ近づけることが好ましい。また、リニア可変バンドパスフィルタ１４が、例えばガラスなどの基板に光学薄膜をコーティングしたものである場合には、波長分解能Δλをより高くすることが可能となるように、受光面１７に近い方の面に光学薄膜がコーティングされたリニア可変バンドパスフィルタ１４を用いることが好ましい。

【0029】

リニア可変バンドパスフィルタ１４には、機械的駆動部１６が接続される。本実施形態においては、図１に示されるように、リニア可変バンドパスフィルタ１４を、機械的駆動部１６を用いて、撮像素子１８の受光面１７の法線方向に対して垂直に、波長変化方向に沿って移動させることによって、ある時点で受光面１７の前（すなわち、被写体１０からの光の進行方向上流側）に位置するリニア可変バンドパスフィルタ１４の長さに対応する波長領域を透過した光が、受光面１７によって受光される。なお、図１においては、リニア可変バンドパスフィルタ１４を、波長変化方向が受光面１７の上下方向になるように受光面１７の法線方向に対して垂直に移動させているが、リニア可変バンドパスフィルタ１４の移動方向はこの方向に限定されるものではなく、例えば、リニア可変バンドパスフィルタ１４を、波長変化方向が受光面１７の左右方向になるようにして受光面１７の法線方向に対して垂直に移動させてもよい。

【0030】

例えば、図１に示されるように、透過させる光の波長が波長変化方向（すなわち、図１の上下方向）にλ１〜λｎまで変化するように形成されたリニア可変バンドパスフィルタ１４を用い、このリニア可変バンドパスフィルタ１４を、撮像素子１８の受光面１７の下方から上方に向かって移動させることによって、被写体１０からの光のうち波長λ１〜λｎの光が、時間の経過ととともに順次、リニア可変バンドパスフィルタ１４を透過して、受光面１７によって受光される。機械的駆動部１６は、演算処理部２０の駆動部制御部２０３からの制御信号によって制御され、この制御信号によって、リニア可変バンドパスフィルタ１４の移動速度が制御される。リニア可変バンドパスフィルタ１４の動作と受光面１７において受光される光の波長との関係については、図３を用いて後述する。

【0031】

機械的駆動部１６は、リニアモータを用いることも、回転式モータとボールねじとの組み合わせを用いることもできるが、リニアモータを用いることがより好ましい。リニアモータは、軸受けが無く、駆動系を小さくすることができるため、リニアモータを用いた装置は、回転式モータを用いた装置より小型化することができる。本発明の一実施形態においては、リニアモータとして、例えば、テクノハンズ株式会社の超音波モータＴＵＬＡシリーズなどといった市販のリニアモータを用いることができる。本発明の別の実施形態においては、回転式モータとボールねじとの組み合わせとして、例えば、ゼイバー・テクノロジーズ社のリニアステージＴ−ＬＳＲシリーズなどを用いることができる。

【0032】

撮像素子１８は、 例えばＣＣＤイメージセンサやＣＭＯＳイメージセンサを用いて構成することができ、撮像素子１８の受光面１７に結像された光を、画素ごとに電気信号に変換する。撮像素子１８のサイズは、用いられる用途や装置の大きさによって適宜選択することができる。撮像素子１８において変換された電気信号（デジタル信号)は、演算処理部２０に取り込まれる。

【0033】

演算処理部２０は、図２に示されるように、駆動部制御部２０３、画像データ生成部２０４、データ変換部２０６、ＣＰＵ２１０を含む。また、記憶部２２は、演算処理部２０において処理を行うのに必要なデータ、処理後のデータ、ワーキングデータ、各種プログラム等を記憶するものであり、画像データ記憶部２２２、ＨＳＤ記憶部２２４、及びプログラム記憶部２２６を含む。

【0034】

駆動部制御部２０３は、リニア可変バンドパスフィルタ１４を受光面１７の法線方向に対して垂直に、好ましくは一定の速度で移動させるように、機械的駆動部１６を制御する。画像データ生成部２０４は、撮像素子１８において変換された電気信号を取得するとともに、駆動部制御部２０３からリニア可変バンドパスフィルタ１４の移動速度に関するデータを取得し、上述の電気信号と移動速度データとを用いて、画素ごとに光の強度又は光の強度に基づく物理量（例えば、反射率など）Ｉを表す画像データを生成する。ある時間ｔにおいて受光面１７で受光される光の波長λは、時間ｔにおいて受光面１７の前に位置する、リニア可変バンドパスフィルタ１４の波長変化方向の長さによって、決まる。この長さは、時間ｔとリニア可変バンドパスフィルタ１４の移動速度ｖとから算出することができる。画像データ生成部２０４は、各々の画素の位置情報ｘ、ｙと、各々の画素において受光された光の波長情報λと、光が受光された時間の情報ｔとの対応付けを行い、画像データＩ（ｔ，ｘ，ｙ，λ）を生成する。

【0035】

生成された画像データは、画像データ記憶部２２２に記憶される。データ変換部２０６は、画像データ記憶部２２２から画像データを読み出し、ハイパースペクトルデータ（ＨＳＤ）に変換する。変換されたハイパースペクトルデータは、ＨＳＤ記憶部２２４に記憶される。こうして変換されたハイパースペクトルデータは、演算処理部２０の外部出力部２０８によって必要に応じて加工され、外部モニタに画像として視覚的に出力したり、プリンタ装置によってデータや画像を印刷したりすることができる。

【0036】

以下に、光学フィルタ部１３の動作と、ハイパースペクトルデータの生成について、詳細に説明する。

【0037】

［光学フィルタ部の動作及びＨＳＤの生成］
図３は、リニア可変バンドパスフィルタ１４を用いた本実施形態において、撮像素子１８の受光面１７に受光される光の波長が時間の経過とともにどのように変化するかを、模式的に示したものである。リニア可変バンドパスフィルタ１４は、図１に示されるように、撮像素子１８の受光面１７の前に配置されており、機械的駆動部１６によって、受光面１７の法線方向に対して垂直に移動する。リニア可変バンドパスフィルタ１４の移動方向は、波長変化方向である。

【0038】

リニア可変バンドパスフィルタ１４の上端１４ａが撮像素子１８の受光面１７の下端１７ｂと一致しているときを時刻Ｔ＝ｔ０とする。リニア可変バンドパスフィルタ１４のこの基準位置は、装置の製造時に正確に位置出しされる。次に、フィルタ１４の上端１４ａは、Ｔ＝ｔ０〜ｔ１の間に、受光面１７の下端１７ｂから上端１７ａの方向に向かって一定の移動速度ｖで移動し、時刻Ｔ＝ｔ１において、図３（ａ）に示されるように、例えば受光面１７の下端１７ｂからＬ１の距離に位置する。Ｌ１の長さは、移動速度ｖと時間ｔ１とを用いて算出することができる。このとき、リニア可変バンドパスフィルタ１４は、（長さＬ１）×（受光面の横の長さ）から求められる受光面１７の面積を覆っていることになる。時刻Ｔ＝ｔ１の時点では、リニア可変バンドパスフィルタ１４は、波長変化方向の長さＬ１内の位置に対応する複数の波長、例えばλ１〜λ２の光を透過させる。Ｔ＝ｔ０〜ｔ１の間に、リニア可変バンドパスフィルタ１４は、波長変化方向の長さＬ１内の位置に対応する複数の波長（ここでは、λ１〜λ２）の光を、時間の経過とともに順次透過させ、その結果、受光面１７においては、時間の経過とともに、透過した波長λ１及びλ２の光が順次受光される。

【0039】

リニア可変バンドパスフィルタ１４は、一定の移動速度ｖでさらに移動し、時刻Ｔ＝ｔｍのときに、図３（ｂ）に示されるように、フィルタ１４の上端１４ａは、例えば受光面１７の上端１７ａと一致する位置、すなわち受光面１７の下端１７ｂからＬ２の距離に達する。Ｌ２の長さは、移動速度ｖと時間ｔｍとを用いて算出することができる。時刻Ｔ＝ｔｍの時点では、リニア可変バンドパスフィルタ１４は、波長変化方向の長さＬ２内の位置に対応する複数の波長、例えばλ１〜λｍ〜λｎ−ｒの光を透過させる。Ｔ＝ｔ１〜ｔｍの間に、リニア可変バンドパスフィルタ１４は、波長変化方向の長さＬ２内の位置に対応する複数の波長（ここでは、λ１〜λｍ〜λｎ−ｒ）の光を、時間の経過とともに順次透過させ、その結果、受光面１７においては、時間の経過とともに、透過した波長の光が順次受光される。

【0040】

リニア可変バンドパスフィルタ１４は、一定の移動速度ｖでさらに移動し、時刻Ｔ＝ｔｎのときには、図３（ｃ）に示されるように、フィルタ１４の下端１４ｂは、例えば受光面１７の上端１７ａからＬ３の距離に位置する。時刻Ｔ＝ｔｎの時点では、リニア可変バンドパスフィルタ１４は、波長変化方向の長さＬ３内の位置に対応する複数の波長、例えばλｎ−２〜λｎの光を透過させる。Ｔ＝ｔｍ〜ｔｎの間に、リニア可変バンドパスフィルタ１４は、この間に受光面１７の前に位置する波長変化方向の長さに対応する複数の波長（ここでは、λ１〜λｎ）の光を、時間の経過とともに順次透過させ、その結果、受光面１７においては、時間の経過とともに、透過した波長領域の光が順次受光される。すべての波長についてデータの取得を終えると、リニア可変バンドパスフィルタ１４は、基準位置に戻される。

【0041】

このようにして受光面１７に受光された光は、撮像素子１８によって電気信号に変換され、変換された電気信号から、画像データ生成部２０４によって、受光された時刻ごとに複数の波長に分光された画像データが作成される。作成された画像データは、画像データ記憶部２２２に順次格納される。取得される光の波長の精度（波長分解能）Δλは、画像データのサンプリング時間間隔ΔＴと、リニア可変バンドパスフィルタ１４の移動速度ｖと、リニア可変バンドパスフィルタ１４の性能（波長変化方向における単位長さ当たりの透過波長幅）とによって決まる。したがって、サンプリング時間間隔ΔＴを短くするか、リニア可変バンドパスフィルタ１４の移動速度ｖを遅くすることによって、用途に応じて必要な波長分解能Δλでデータを取得することができる。本実施形態においてここで取得される画像データは、撮像素子１８の受光面１７の幅方向をｘ方向、当該ｘ方向に直交する方向をｙ方向とすると、時間ｔｉごとに各画素（ｘｉ，ｙｉ）において受光された波長λｉの光の強度ＩのデータセットＩ（ｔｉ，ｘｉ，ｙｉ，λｉ）であり、すなわち、撮像素子の画素ごとに取得された、画素の位置情報、波長情報及び時間情報と関連付けられた光の強度のデータ又は光の強度に基づく物理量のデータである。

【0042】

図４は、このデータセットのイメージを表している。図中において、升目の各々は撮像素子の画素を表し、画素内の斜線の高さが、光の強度を表す。なお、図４はデータセットのイメージを説明するためのものであるため、図における撮像素子の画素の数は、実際の撮像素子の数より大幅に少なく表されている。例えば、時刻Ｔ＝ｔ１のときに画素（ｘｎ，ｙ１）において受光された光（波長λ２）の強度のデータは、Ｉ（ｔ１，ｘｎ，ｙ１、λ２）となる。また、例えば、時刻Ｔ＝ｔｍのときに画素（ｘ１，ｙｎ）において受光された光（波長λ１）の強度のデータは、I（ｔｍ，ｘ１，ｙｎ、λ１）となり、画素（ｘｍ，ｙｍ）において受光された光（波長λｍ）の強度のデータは、I（ｔｍ，ｘｍ，ｙｍ、λｍ）となる。さらに、時刻Ｔ＝ｔｎのときに画素（ｘｍ，ｙｎ）において受光された光（波長λｎ−２）の強度のデータは、I（ｔｎ，ｘｍ，ｙｎ，λｎ−２）となる。

【0043】

画像データは、次に、データ変換部２０６によって画像データ記憶部２２２から読み出され、ハイパースペクトルデータ（ＨＳＤ）に変換される。画像データ記憶部２２２に格納されている画像データは、上述のように、時間ｔｉごとに各画素（ｘｉ，ｙｉ）における波長λｉの光の強度のデータＩ（ｔｉ，ｘｉ，ｙｉ，λｉ）であり、データ変換部２０６は、これらのデータを読み出して、波長λｉごとの各画素の位置（ｘｉ，ｙｉ）における光の強度のデータとして再配列することによって、ハイパースペクトルデータＩ（ｘｉ，ｙｉ，λｉ）を生成する。すなわち、このハイパースペクトルデータは、画素の位置情報及び波長情報と関連付けられた光の強度のデータ又は光の強度に基づく物理量のデータである。生成されたハイパースペクトルデータは、ＨＳＤ記憶部２２４に格納される。

【0044】

（第２の実施形態）
以下、本発明に係る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具体化した第２の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。図５は、第１の実施形態を示す図１に対応する図として、第２の実施形態に係るハイパースペクトル撮像装置１の概略構成を示す図である。本実施形態においては、光学フィルタ部１３の構成が第１の実施形態と異なっている。なお、図５において、図１に示される各要素と同一の要素については、それぞれ同一の符号を付しており、重複する要素についてはここでは説明しない。

【0045】

［光学フィルタ部の構成］
本実施形態のハイパースペクトル撮像装置１は、光学フィルタ部１３において、電圧を加えることによって透過する光の屈折率を任意に変化させることができ、それによって、入射光の進行方向に対する出射光の進行方向の角度を任意に変化させることが可能な、屈折率可変材料３０を用いる。屈折率可変材料３０は、光学フィルタ部１３において、リニア可変バンドパスフィルタ１４の前（すなわち、被写体１０からの光の進行方向上流側）に設けられる。この実施形態においては、リニア可変バンドパスフィルタ１４は、受光面１７の前に、受光面１７全体を覆うように固定されており、したがって、リニア可変バンドパスフィルタ１４を移動させるための機械的駆動部１６は不要である。リニア可変バンドパスフィルタ１４は、取得することが必要な波長域全体が受光面１７を覆うように配置される。

【0046】

屈折率可変材料３０には、屈折率可変材料３０の屈折率を変化させるための電気的駆動部３２が接続され、電気的駆動部３２の動作は、演算処理部２０の駆動部制御部２０３によって制御される。こうした屈折率可変材料３０とリニア可変バンドパスフィルタ１４とを用いて光学フィルタ部１３を構成することによって、第１の実施形態とは異なり、機械的駆動部の存在しない構成が可能となるため、装置をさらに小型化することができるとともに、装置自体が振動の影響を受けないため画像がぶれにくく、より鮮明な画像を得ることができる。

【0047】

本実施形態における屈折率可変材料３０として、典型的には、ＫＴＮ結晶（ＫＴａ_１−ｘＮｂ_ｘＯ_３）を用いることができるが、これに限定されるものではなく、屈折率可変材料３０として、例えばニオブ酸リチウム結晶（ＬｉＮｂＯ_３）、タンタル酸リチウム結晶（ＬｉＴａＯ_３）、ニオブ酸カリウム（ＫＮｂＯ_３）などといった、電気光学効果を有する他の材料を用いることもできる。「電気光学効果」は、電圧を加えることにより材料の屈折率が変化する現象をいい、加えた電圧に屈折率変化が比例する効果は「１次の電気光学効果」（ポッケルス効果）、加えた電圧の二乗に屈折率変化が比例する効果は「２次の電気光学効果」（カー効果）と呼ばれている。例えばＫＴＮ結晶は、カリウム、タンタル、ニオブ及び酸素からなる透明な電気光学結晶であり、２次の電気光学効果が極めて大きい材料として知られている。ＫＴＮ結晶の詳細は、例えば非特許文献１に記載されている。

【0048】

［光学フィルタ部の動作及びＨＳＤの生成］
このように屈折率可変材料３０は、電気的駆動部３２からの制御電圧の大きさによってその屈折率を任意に変化させることができる。したがって、屈折率可変材料３０を透過する際に屈折によって進行方向が変化した光が、リニア可変バンドパスフィルタ１４の波長変化方向全体を順次網羅するように、電気的駆動部３２から屈折率可変材料３０に加える制御電圧の大きさを時間の経過とともに変化させることによって、被写体１０からの光を複数の波長の光に分光することができる。透過した光がリニア可変バンドパスフィルタ１４の波長変化方向全体を網羅するように屈折率を変化させることができるようにするための制御電圧の大きさは、屈折率可変材料３０の種類に応じて変わるものであり、装置の製造時には、制御電圧の大きさと光の屈折角度との関係が調整される。

【0049】

例えば、時刻Ｔ＝ｔ１において、電気的駆動部３２からの電圧によって、屈折率可変材料３０の屈折率が、該屈折率可変材料３０から出射した光が図５（ａ）において一点鎖線で示される光路（Ｐｔ１）を進むように制御されたときには、当該光のうち、当該光の光路上にあるリニア可変バンドパスフィルタ１４の位置（すなわちリニア可変バンドパスフィルタ１４の下方）における透過波長に対応する複数の波長、例えばλ１〜λ２の光が、リニア可変バンドパスフィルタ１４を透過し、撮像素子１８の受光面１７において受光される。このときの受光面１７における受光状態は、例えば図５（ｂ）においてＴ＝ｔ１として示される状態となる。なお、本実施形態においては、リニア可変バンドパスフィルタ１４は、図１に示される第１の実施形態とは上下逆に配置されている。

【0050】

次いで、時刻Ｔ＝ｔｍにおいて、電気的駆動部３２からの電圧によって、屈折率可変材料３０の屈折率が、該屈折率可変材料３０から出射した光が図５（ａ）において実線で示される光路（Ｐｔｍ）を進むように制御されたときには、当該光のうち、当該光の光路上にあるリニア可変バンドパスフィルタ１４の位置（すなわちリニア可変バンドパスフィルタ１４の中央付近）における透過波長に対応する複数の波長、例えばλｍ−１〜λｍ＋１の光が、リニア可変バンドパスフィルタ１４を透過し、受光面１７において受光される。このときの受光面１７における受光状態は、例えば図５（ｂ）においてＴ＝ｔｍとして示される状態となる。同様に、時刻Ｔ＝ｔｎにおいて、電気的駆動部３２からの電圧によって、屈折率可変材料３０の屈折率が、該屈折率可変材料３０から出射した光が図５（ａ）において点線で示される光路（Ｐｔｎ）を進むように制御されたときには、受光面１７の状態は、図５（ｂ）においてＴ＝ｔｎとして示される状態となる。

【0051】

このようにして受光面１７に受光された光は、撮像素子１８によって電気信号に変換され、変換された電気信号から、画像データ生成部２０４によって、受光された時刻ごとに複数の波長に分光された画像データが作成される。作成された画像データは、画像データ記憶部２２２に順次格納される。本実施形態においてここで取得される画像データは、第１の実施形態と同様に、時間ｔｉごとに各画素（ｘｉ，ｙｉ）において受光された波長λｉの光の強度ＩのデータセットＩ（ｔｉ，ｘｉ，ｙｉ，λｉ）であり、すなわち、撮像素子の画素ごとに取得された、画素の位置情報、波長情報及び時間情報と関連付けられた光の強度のデータ又は光の強度に基づく物理量のデータである。

【0052】

図６は、このデータセットのイメージを表している。図中において、升目の各々は撮像素子の画素を表し、画素内の斜線の高さが、光の強度を表す。なお、図６はデータセットのイメージを説明するためのものであるため、図における撮像素子の画素の数は、実際の撮像素子の数より大幅に少なく表されている。例えば、時刻Ｔ＝ｔ１のときに画素（ｘ１，ｙ２）において受光された光（波長λ２）の強度のデータは、Ｉ（ｔ１，ｘ１，ｙ２、λ２）となる。また、例えば、時刻Ｔ＝ｔｍのときに画素（ｘ２，ｙｍ）において受光された光（波長λｍ）の強度のデータは、Ｉ（ｔｍ，ｘ２，ｙｍ、λｍ）となる。さらに、例えば時刻Ｔ＝ｔｎのときに画素（ｘ１，ｙｎ−１）において受光された光（波長λｎ−１）の強度のデータは、Ｉ（ｔｎ，ｘ１，ｙｎ−１，λｎ−１）となる。取得された画像データは、第１の実施形態と同様に、データ変換部２０６によってハイパースペクトルデータに変換される。

【符号の説明】

【0053】

１ ハイパースペクトル撮像装置
１０ 被写体
１２ レンズ
１３ 光学フィルタ部
１４ リニア可変バンドパスフィルタ
１６ 機械的駆動部
１７ 受光面
１８ 撮像素子
２０ 演算処理部
２０３ 駆動部制御部
２０４ 画像データ生成部
２０６ データ変換部
２０８ 外部出力部
２１０ ＣＰＵ
２２２ 画像データ記憶部
２２４ ＨＳＤ記憶部
２２６ プログラム記憶部
２２ 記憶部
２４ 表示部
３０ 屈折率可変材料
３２ 電気的駆動部

【要約】

【課題】 複雑な演算処理、機構及び装置の制御及び調整を必要とすることなく鮮明なハイパースペクトル画像を取得することが可能な、ハイパースペクトル撮像装置を提供する。
【解決手段】 本装置は、被写体からの光が入射するレンズと、透過させる光の波長を時間経過とともに変化させることによって、被写体からの光を複数の波長の光に分光する、光学フィルタ部と、レンズからの光の焦点位置に受光面が配置され、光学フィルタ部によって分光された光を受光して電気信号に変換する複数の画素を有する、撮像素子と、撮像素子によって生成された電気信号から、撮像素子の画素ごとに、画素の位置情報、波長情報及び時間情報と関連付けられた光の強度又は光の強度に基づく物理量のデータを生成し、これらのデータを画素の位置情報及び波長情報と関連付けられた光の強度又は光の強度に基づく物理量のデータに変換する、演算処理部とを備える。
【選択図】 図１

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】