特開 2023-180758 照明装置、撮像システム、及び評価方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023180758

(43)【公開日】2023-12-21

(54)【発明の名称】照明装置、撮像システム、及び評価方法

(51)【国際特許分類】

   A01G 7/00 20060101AFI20231214BHJP

   G01N 21/64 20060101ALI20231214BHJP

   G01N 21/65 20060101ALI20231214BHJP

【ＦＩ】

A01G7/00 603

G01N21/64 Z

G01N21/65

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022094313

(22)【出願日】2022-06-10

(71)【出願人】

【識別番号】504132272

【氏名又は名称】国立大学法人京都大学

(74)【代理人】

【識別番号】110000970

【氏名又は名称】弁理士法人 楓国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】小川 雄一

(72)【発明者】

【氏名】近藤 直

【テーマコード（参考）】

2G043

【Ｆターム（参考）】

2G043AA03

2G043BA16

2G043CA05

2G043EA01

2G043EA03

2G043EA14

2G043FA01

2G043HA01

2G043HA03

2G043KA01

2G043KA02

2G043KA03

2G043KA09

2G043LA03

(57)【要約】

【課題】蛍光等を用いて、農作物の生育のモニタリング等の用途に適した照明を可能にする照明装置を提供する。
【解決手段】照明装置１１は、レーザ３１、コリメートレンズ３２、及び２軸ガルバノスキャナ３３を備える。レーザ３１は励起光２１を出射する。コリメートレンズ３２は、レーザ３１から出射された励起光２１を受け、励起光２１を平行光にする。２軸ガルバノスキャナ３３は、ガルバノミラー３３１によって、コリメートレンズ３２を通過した励起光２１の方向を制御する。照明装置１１は平行な励起光２１で対象物をスキャンする。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

光源と、
前記光源から出射された光を受けるコリメータと、
前記コリメータから出射された光を照射する領域を移動させる照射領域移動機構と、を備え、
植物を生育するための場所に光を照射するように構成される、照明装置。

【請求項2】

対象物に、略平行な光を照射するように構成される、請求項１に記載の照明装置。

【請求項3】

前記コリメータはコリメートレンズであり、
前記照射領域移動機構は、回転可能なミラーを有し、前記コリメータから出射された光を前記ミラーで反射する、請求項１又は２に記載の照明装置。

【請求項4】

前記光源は、光を受けて発光する発光体を有し、
前記コリメータは、前記発光体から放出された光を受ける反射型コリメータであり、
前記照射領域移動機構は、前記コリメータを取り付けられた移動体である、請求項１又は２に記載の照明装置。

【請求項5】

請求項１又は２に記載の照明装置と、
前記照明装置によって光を照射された対象物の画像を撮像により取得するカメラと、を備える、撮像システム。

【請求項6】

前記照明装置を複数備え、
前記複数の照明装置は、異なる位置に配置され、同じ領域をスキャンする、請求項５に記載の撮像システム。

【請求項7】

請求項５に記載の撮像システムを用いて対象物の画像を撮像により取得し、
前記撮像により取得された画像に基づいて、前記撮像された対象物の状態を評価する、評価方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、照明装置、その照明装置を備える撮像システム、及びその撮像システムを用いた評価方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、可視光を農作物に照射して撮像により取得された農作物の可視画像を用いて、ほ場の農作物の生育をモニタリングすることが一般に行われている。例えば、特許文献１には、白色光等を照射する照明光源と、ハウス内に発生する陰影部分を観察するための観察用広角カメラとを備え、観察データを用いてハウス内の農作物の栽培を管理する農作物栽培管理システムが開示されている。

【0003】

一方、比較的新しい技術として、紫外線等を農作物に照射して撮像により取得された農作物の蛍光画像を用いて、ほ場の農作物の生育をモニタリングすることが研究されている。蛍光画像を用いることで、可視光又は近赤外線で観察できない、農作物の光合成能力、病害虫の痕跡、異常部位等を検出できる可能性が報告されている。

【0004】

また、特許文献２には、収穫後の農作物の蛍光画像を用いて、その農作物の腐敗検査を行う検査装置が開示されている。特許文献３には、収穫後の農作物の蛍光画像を用いて、その農作物の変質を判定する画像解析装置が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０１７－２３０２１号公報

【特許文献2】特開２０１５－１８４０７１号公報

【特許文献3】特開２０１６－２０５８３９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかし、農作物の生育をモニタリングする場合、照明装置から農作物までの距離はほ場における農作物の位置によって異なる。また、農作物自体が成長することで、照明装置から農作物の部位までの距離が変化する。このため、従来のような広がった照明、即ち出射口からの光ビームの広がり角が例えば３０°以上である照明を用いた蛍光観察では、農作物の位置によって、また農作物の成長によって、農作物又はその部位の表面上における励起光のエネルギー密度が変化してしまう。それ故、農作物の生育の状態を同じ条件で評価することができない。さらに、広がった照明を用いた蛍光観察では、農作物の位置が照明装置の位置から遠いほど、農作物の受ける励起光が弱くなるため、農作物の放出する蛍光自体も弱くなる。それ故、農作物の蛍光画像を取得することが困難になる。

【0007】

本発明の目的は、農作物の生育のモニタリング等の用途に適した照明を可能にする照明装置、その照明装置を備える撮像システム、及びその撮像システムを用いた評価方法を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明の照明装置は、光源と、前記光源から出射された光を受けるコリメータと、前記コリメータから出射された光を照射する領域を移動させる照射領域移動機構と、を備え、植物を生育するための場所に光を照射するように構成される。

【発明の効果】

【0009】

本発明によれば、農作物の生育のモニタリング等の用途に適した照明が可能になる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】図１は第１実施形態に係る撮像システム１０の模式図である。

【図2】図２は照明装置１１の模式図である。

【図3】図３（Ａ）及び図３（Ｂ）は、照明装置が対象物に照射する略平行な光を説明するための模式図である。

【図4】図４（Ａ）は、平行な励起光を蛍光体に照射して蛍光画像を撮像により取得する実験装置の模式図である。図４（Ｂ）は、広がった励起光を蛍光体に照射して蛍光画像を撮像により取得する実験装置の模式図である。

【図5】図５（Ａ）は、図４（Ａ）の実験装置によって取得された蛍光画像を示す図である。図５（Ｂ）は、図４（Ｂ）の実験装置によって取得された蛍光画像を示す図である。

【図6】図６は、照明装置１１のスキャン可能な領域を例示する模式図である。

【図7】図７は照明装置１１の配置を例示する模式図である。

【図8】図８はほ場で栽培されている農作物６５の模式図である。

【図9】図９（Ａ）は撮像及び画像処理方法の第１例を説明するための模式図である。図９（Ｂ）は撮像及び画像処理方法の第１例によって取得される蛍光画像の模式図である。

【図10】図１０（Ａ）は撮像及び画像処理方法の第２例を説明するための模式図である。図１０（Ｂ）、図１０（Ｃ）、及び図１０（Ｄ）は、撮像及び画像処理方法の第２例によって取得される蛍光画像の模式図である。図１０（Ｅ）は、撮像及び画像処理方法の第２例によって最終的に生成される蛍光画像の模式図である。

【図11】図１１（Ａ）は健全な葉の蛍光特性を示す励起－蛍光マトリクス図である。図１１（Ｂ）は葉焼けした葉の蛍光特性を示す励起－蛍光マトリクス図である。

【図12】図１２（Ａ）は、白色光を照射された健全な葉の可視画像を示す図である。図１２（Ｂ）は、３６５ｎｍの波長の紫外線を照射された健全な葉の蛍光画像を示す図である。図１２（Ｃ）は、白色光を照射された、葉焼けした葉の可視画像を示す図である。図１２（Ｄ）は、３６５ｎｍの波長の紫外線を照射された、葉焼けした葉の蛍光画像を示す図である。図１２（Ｅ）は、白色光を照射された、モザイク病に罹患した葉の可視画像を示す図である。図１２（Ｆ）は、３６５ｎｍの波長の紫外線を照射された、モザイク病に罹患した葉の蛍光画像を示す図である。

【図13】図１３はダイズの可視画像及び蛍光画像を示す図である。

【図14】図１４（Ａ）、図１４（Ｂ）、及び図１４（Ｃ）は、それぞれ、化学肥料、有機肥料、及び消石灰の蛍光特性を示す励起－蛍光マトリクス図である。

【図15】図１５は、ほ場７１の土壌に含まれる肥料の分布を例示する模式図である。

【図16】図１６は第２実施形態に係る撮像システム８０の模式図である。

【図17】図１７は照明装置８１の模式図である。

【図18】図１８は第２実施形態の変形例に係る照明装置１０１の模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以降、本発明の複数の実施形態を示す。それぞれの実施形態は例示であり、異なる実施形態で示した構成の部分的な置換又は組み合わせが可能である。それぞれの実施形態では、その実施形態以前に説明した点と異なる点について説明する。特に、同様の構成による同様の作用効果については実施形態毎には逐次言及しない。

【0012】

《第１実施形態》
図１は第１実施形態に係る撮像システム１０の模式図である。撮像システム１０は、複数の照明装置１１及びカメラ１２を備え、例えば農作物１４が栽培されているほ場に設けられる。ほ場は本発明の「植物を生育するための場所」の一例である。農作物１４は本発明の「対象物」の一例である。照明装置１１は、例えば、支柱１３で支持されて農作物１４の上方に配置される。カメラ１２は、例えば、別の支柱１３に支持されて農作物１４の上方に配置される。照明装置１１は、ほ場の農作物１４に、平行な励起光２１を照射し、ほ場の農作物１４をその励起光２１でスキャンする。カメラ１２は、特定の波長の光のみを通す光学フィルタを有し、農作物１４から放出された蛍光を受け、農作物１４の蛍光画像を撮像により取得する。複数の照明装置１１は、異なる位置に配置され、同じ領域をスキャンする。

【0013】

照明装置１１は光源としてレーザを備えてもよく、そのレーザは、ほ場内又は周辺に建てられた小屋に配置され、光ファイバーによって照明装置１１の他の構成要素と接続され、複数の照明装置１１で共用されてもよい。

【0014】

また、照明装置１１は、農作物が植えられたほ場に限らず、農作物が植えられる前のほ場、山、森林、その他の植物を生育するための場所に励起光を照射してもよい。換言すれば、照明装置１１は、ほ場の農作物に限らず、ほ場の土壌、管理されている樹木、その他の管理されている植物に励起光を照射してもよい。

【0015】

また、変形例において、１つの照明装置１１が対象の領域をスキャンしてもよい。しかし、蛍光の検出性を高めるために、複数の照明装置１１が同じ領域をスキャンすることが好ましい。

【0016】

また、励起光は、上記のように平行光であることが好ましいが、多少、広がってもよいし、集まってもよい。

【0017】

また、励起光は、例えば、紫外線、短波長の可視光線である。励起光が紫外線の場合、その波長は、例えば、２００～３８０ｎｍの範囲内にある。植物に含まれる蛍光物質、例えば、クロロフィル、アントシアニン（色素）、芳香族アミノ酸（例えば、トリプトファン、チロシン、フェニルアラニン）等は、２００～３８０ｎｍの範囲内の波長の励起光により励起することができる。

【0018】

また、撮像システム１０は、蛍光に代えて、散乱光、特にラマン散乱光、中赤外線で励起された物質から放出される赤外発光、又は光を受けた物質から放出されるその他の光を検出して画像を撮像により取得してもよい。

【0019】

本明細書及び特許請求の範囲では、「光」は、電磁波一般を意味し、必ずしも可視光を意味するものではない。

【0020】

また、蛍光画像の撮像は、夜間に行われてもよいし、日中に屋外で行われてもよい。

【0021】

また、撮像により取得された蛍光画像に対して、積算処理、差分処理等を施してもよい。これにより、蛍光の高感度計測が可能になる。

【0022】

また、撮像システム１０は、複数の異なる波長の励起光を照射し、それぞれの励起光を照射された対象物の蛍光画像を撮像により取得してもよい。それらの蛍光画像データを用いて、複数の種類の蛍光物質が現れた画像を生成することができる。

【0023】

照明装置１１が複数の異なる波長の励起光を照射する場合、第１方法として、それぞれの照明装置１１が複数の異なる波長の励起光を照射してもよい。あるいは、第２方法として、１つの照明装置１１は単一波長の励起光しか照射しないが、複数の照明装置１１が互いに異なる波長の励起光を照射してもよい。それぞれの場合について、照明装置１１は、第３方法として、１回のスキャンの間に同時に複数の異なる波長の励起光を照射してもよく、又は、第４方法として、スキャン毎に励起光の波長を切り替えてもよい。即ち、照明装置１１は、第１方法かつ第３方法、第１方法かつ第４方法、第２方法かつ第３方法、又は第２方法かつ第４方法を行ってもよい。カメラ１２の構成又は動作は上記方法に応じて適宜変更される。

【0024】

農作物のような植物に含まれる蛍光物質は、例えば、トリプトファン（ＥＸ／ＥＭ：２３０ｎｍ／３３０ｎｍ、２９０ｎｍ／３３０ｎｍ）、ＮＡＤＨ（ＥＸ／ＥＭ：３２０ｎｍ／４４０ｎｍ）、ポルフィリン（ＥＸ／ＥＭ：３６５ｎｍ／６００ｎｍ、４３０ｎｍ／６００ｎｍ）、リボフラビン（ＥＸ／ＥＭ：３７０ｎｍ／５２５ｎｍ、４６０ｎｍ／５２５ｎｍ）、ビタミンＢ６（ＥＸ／ＥＭ：３２０ｎｍ／３８０ｎｍ）、コラーゲン（ＥＸ／ＥＭ：３５０ｎｍ／４７０ｎｍ）、酸化生成物（ＥＸ／ＥＭ：３８０ｎｍ／４７０ｎｍ）である。ここで、Ａ（ＥＸ／ＥＭ：Ｘ１／Ｙ１、Ｘ２／Ｙ２）という形式の記載は、蛍光物質Ａは、波長Ｘ１の励起光により波長Ｙ１の蛍光を放出し、波長Ｘ２の励起光により波長Ｙ２の蛍光を放出することを意味する。同様に、Ａ（ＥＸ／ＥＭ：Ｘ１／Ｙ１）という形式の記載は、蛍光物質Ａは波長Ｘ１の励起光により波長Ｙ１の蛍光を放出することを意味する。

【0025】

図２は照明装置１１の模式図である。照明装置１１は、レーザ３１、コリメートレンズ３２、及び２軸ガルバノスキャナ３３を備える。レーザ３１は本発明の「光源」の一例である。コリメートレンズ３２は本発明の「コリメータ」の一例である。２軸ガルバノスキャナ３３は本発明の「照射領域移動機構」の一例である。

【0026】

レーザ３１は励起光２１を出射する。コリメートレンズ３２は、レーザ３１から出射された励起光２１を受け、励起光２１を平行光にする、即ち励起光２１のビームの広がり角を実質的に０°にする、換言すれば励起光２１のビーム内の全ての光線を互いに平行にする。２軸ガルバノスキャナ３３は、互いに異なる方向の回動軸を有して回動し、互いに異なる方向のスキャンを担う２つのガルバノミラー３３１を有する。２軸ガルバノスキャナ３３は、ガルバノミラー３３１によって、コリメートレンズ３２を通過した励起光２１の方向を制御する。即ち、２軸ガルバノスキャナ３３は、回転可能なガルバノミラー３３１を有し、コリメートレンズ３２から出射された励起光２１をガルバノミラー３３１で反射する。これにより、２軸ガルバノスキャナ３３は、コリメートレンズ３２から出射された励起光２１を照射する領域を移動させる。ガルバノミラー３３１は本発明の「ミラー」の一例である。このような構成によって、照明装置１１は平行な励起光２１で農作物をスキャンする。

【0027】

レーザ３１は、例えば、気体レーザ、固体レーザ、半導体レーザである。さらに、照明装置１１は、レーザ３１に代えて、別の光源を備えてもよい。

【0028】

また、照明装置１１は、２軸ガルバノスキャナ３３に代えて、２軸ＭＥＭＳミラー、又はその他のビームステアリング機構を備えてもよい。

【0029】

また、コリメートレンズ３２を通過した励起光２１は、上記のように平行光であることが好ましいが、多少、広がってもよいし、集まってもよい。

【0030】

図３（Ａ）及び図３（Ｂ）は、照明装置が対象物に照射する略平行な光を説明するための模式図である。照明装置は、その出射口から光ビームを出射し、光ビームの照射領域を所定の領域内で移動させる。照明装置が対象物に照射する略平行な光は、下記の式（１）～（３）で表される条件の全てを満たす。

【0031】

１≦Ｓ１／Ｓ≦２ （１）
１≦Ｓ２／Ｓ≦２ （２）
（１／１．５）≦Ｓ１／Ｓ２≦１．５ （３）
図３（Ａ）に例示するように、Ｓ１は、照明装置の出射口から光ビームの光軸の方向に距離Ｌ１離れた位置における光ビームの光軸に垂直な光ビームの断面の面積である。Ｓ２は、照明装置の出射口から光ビームの光軸の方向に距離Ｌ２離れた位置における光ビームの光軸に垂直な光ビームの断面の面積である。Ｓは、照明装置の出射口から光ビームの光軸の方向に距離Ｌ離れた位置における光ビームの光軸に垂直な光ビームの断面の面積である。図３（Ｂ）に例示するように、距離Ｌ１は、照明装置の出射口から、上記所定の領域内で照明装置の出射口に最も近い位置Ｐ１までの距離に等しい。距離Ｌ２は、照明装置の出射口から、上記所定の領域内で照明装置の出射口から最も遠い位置Ｐ２までの距離に等しい。距離Ｌは（Ｌ１＋Ｌ２）／２に等しい。

【0032】

照明装置１１が照射する励起光はこのような略平行な光でもよい。また、照明装置１１が照射する励起光は上記条件を満たす範囲内で可変でもよい。これは、例えば、コリメートレンズ３２と２軸ガルバノスキャナ３３の間の光路（図２参照）に配置された空間光変調器（ＳＬＭ）によって実現される。

【0033】

図４（Ａ）は、平行な励起光を蛍光体に照射して蛍光画像を撮像により取得する実験装置の模式図である。図４（Ｂ）は、広がった励起光、即ち出射口からの光ビームの広がり角が例えば３０°以上である励起光を蛍光体に照射して蛍光画像を撮像により取得する実験装置の模式図である。図４（Ａ）に示すように、照明装置４１１は、支持材４３上の蛍光体４４に、平行な励起光４５１を照射する。カメラ４２は励起光４５１を照射された蛍光体４４の蛍光画像を撮像により取得する。図４（Ｂ）に示すように、照明装置４１２は、支持材４３上の蛍光体４４に、広がった励起光４５２を照射する。カメラ４２は励起光４５２を照射された蛍光体４４の蛍光画像を撮像により取得する。

【0034】

図５（Ａ）は、図４（Ａ）の実験装置によって取得された蛍光画像を示す図である。図５（Ｂ）は、図４（Ｂ）の実験装置によって取得された蛍光画像を示す図である。図５（Ａ）に示すように、平行な励起光が蛍光体に照射された場合、手前の蛍光体も後方の蛍光体も同じように蛍光画像に鮮明に現れている。一方、図５（Ｂ）に示すように、広がった励起光が蛍光体に照射された場合、手前の蛍光体も後方の蛍光体も蛍光画像にほとんど現れていない。このように、平行な励起光の場合、広がった励起光の場合と比較して、対象物の鮮明な蛍光画像を取得することができる。

【0035】

図６は、照明装置１１のスキャン可能な領域を例示する模式図である。図６に示すスキャン可能な領域５１は平面視で正方形である。より具体的に、照明装置１１は、＋ｘ軸方向にａ、＋ｙ軸方向にａ／２、－ｙ軸方向にａ／２、照射領域を移動させることができる。

【0036】

図７は照明装置１１の配置を例示する模式図である。照明装置１１は、農作物１４が栽培されているほ場５５に設けられてもよい。ほ場５５は複数の正方形のモニタリング区画５６を有する。モニタリング区画５６は、ほ場５５の一部にのみ設定されており、ほ場で育成されている農作物１４の一部のみがモニタリング対象とされる。

【0037】

複数の照明装置１１は、例えば、それぞれのモニタリング区画５６の正方形の辺の中央に配置され、そのモニタリング区画５６内の農作物１４をスキャンする。例えば、照明装置１１をモニタリング区画５６の正方形の頂点に配置すると、図６に示すような照明装置１１のスキャン可能な領域の一部はモニタリング区画５６に重ならない。一方、上記のように、照明装置１１をモニタリング区画５６の正方形の辺の中央に配置すると、図６に示すような照明装置１１のスキャン可能な領域をモニタリング区画５６に一致させることができる。このため、照明装置１１をモニタリング区画５６の正方形の辺の中央に配置することで、照明装置１１のスキャン可能な領域をより有効にモニタリングに利用できる。

【0038】

カメラ１２（図１参照）は、１つのモニタリング区画５６毎に１つ割り当てられ、割り当てられたモニタリング区画５６の蛍光画像を撮像により取得してもよい。あるいは、カメラ１２は、幾つかのモニタリング区画５６毎に１つ割り当てられ、割り当てられた全てのモニタリング区画５６を含む蛍光画像を撮像により取得してもよい。

【0039】

複数の照明装置１１は、同じモニタリング区画５６に割り当てられたカメラ１２との同期を介して互いに関連することを除いて、互いに独立してスキャンする。

【0040】

モニタリング区画は、例えば、約１０ｍ四方である。このような面積のモニタリング区画は、照明装置１１を、農作物、土壌等の対象物から高さ２ｍの位置に配置し、スキャン角を±４０°まで許容することで実現される。照明装置１１を配置する高さをより高くすれば、より小さなスキャン角でも同じ面積のモニタリング区画をカバーできる。

【0041】

モニタリング区画は、ほ場の一部ではなく、ほ場の全体を覆うように定められてもよい。

【0042】

また、変形例において、複数の照明装置１１は、略平面状の表面を形成するほ場の土壌に励起光を照射する場合、同じ場所に同時に励起光を照射して励起光の照射領域を重ねてもよい。そして、カメラ１２は異なる励起強度でほ場の土壌の蛍光画像を撮像により取得してもよい。

【0043】

図８はほ場で栽培されている農作物６５の模式図である。変形例において、図８に示すような背の高くなる農作物６５の蛍光画像を撮像により取得する場合、農作物６５の側方から励起光を照射して農作物６５の蛍光画像を撮像により取得してもよい。

【0044】

次に、撮像及び画像処理方法について説明する。ここでは、説明を簡単にするために、１つの照明装置１１のスキャンのみに着目する。

【0045】

図９（Ａ）は撮像及び画像処理方法の第１例を説明するための模式図である。図９（Ｂ）は撮像及び画像処理方法の第１例によって取得される蛍光画像の模式図である。図９（Ａ）に示すように、蛍光物質６２を含む農作物６１を夜間に撮像する場合を考える。励起光の照射領域６３を移動させて農作物６１をスキャンする間、カメラのシャッターを開けたままにし、１回のスキャンで１枚の蛍光画像を撮像により取得する。これにより、図９（Ｂ）に示すような蛍光画像が取得される。

【0046】

変形例において、次のような方法によって蛍光画像を取得してもよい。即ち、スキャン中一定時間カメラのシャッターを開けたままにして蛍光画像を撮像により取得することを繰り返すことで、１回のスキャンで複数枚の蛍光画像を取得する。次に、それらの蛍光画像に合成処理を施して、スキャンされた領域全体の蛍光画像を生成する。

【0047】

図１０（Ａ）は撮像及び画像処理方法の第２例を説明するための模式図である。図１０（Ｂ）、図１０（Ｃ）、及び図１０（Ｄ）は、撮像及び画像処理方法の第２例によって撮像される蛍光画像の模式図である。図１０（Ｅ）は、撮像及び画像処理方法の第２例によって最終的に生成される蛍光画像の模式図である。図１０（Ａ）に示すように、蛍光物質６２を含む農作物６１を夜間に撮像する場合を考える。まず、励起光の照射領域６３を所定の距離移動させる毎に蛍光画像を撮像により取得する。即ち、励起光の照射領域６３を移動させ、次にカメラのシャッターを一定時間開き、次にカメラのシャッターを閉じる。カメラのシャッターを開いてから閉じるまで間にカメラで蛍光を受けることで蛍光画像を取得する。励起光の照射領域６３を移動させてから蛍光画像を取得するまでの動作を繰り返す。図１０（Ａ）に示す１番目、２番目、３番目の位置に励起光の照射領域６３を移動させたときに蛍光画像を撮像により取得すると、図１０（Ｂ）、図１０（Ｃ）、図１０（Ｄ）に示すような蛍光画像が撮像により取得される。次に、撮像により取得された蛍光画像に合成処理を施すことで、スキャンされた領域全体の蛍光画像を生成する。図１０（Ｂ）、図１０（Ｃ）、図１０（Ｄ）に示すような蛍光画像に合成処理を施すと、図１０（Ｅ）に示すような蛍光画像が生成される。

【0048】

蛍光画像を昼間に屋外で撮像により取得する場合、次のような方法によって行ってもよい。即ち、照明装置１１側とカメラ１２側の間で同期を取り、励起光を照射する直前の第１画像と、励起光を照射中の第２画像とを撮像により取得する。照射領域を移動させて第１画像及び第２画像を撮像により取得することを繰り返す。次に、第１画像と第２画像の間の差分を取り、第３画像を生成する。最後に、それぞれの照射領域における第３画像に合成処理を施し、スキャンされた領域全体の蛍光画像を生成する。このように、レーザを用いて強い励起光を照射して蛍光画像を撮像により取得し、蛍光画像の差分処理を行うことで、外乱光によって明るい時に蛍光画像を撮像により取得する場合でも、蛍光情報を抽出することができる。

【0049】

なお、第１実施形態のように、複数の照明装置１１が同じ領域をスキャンする場合、上記のどの撮像及び画像処理方法でも、最終的に得られる蛍光画像には、複数の照明装置１１からの励起光に起因する蛍光の検出量を足し合したものが現れる。

【0050】

次に、撮像システム１０を用いた農作物の虫害又は病害の評価方法について説明する。まず、撮像システム１０を用いて、対象の虫害又は病害の蛍光特性に応じた波長の励起光を照射し、その農作物の蛍光画像を撮像により取得する。次に、その農作物の蛍光画像において蛍光の観察される農作物の部位が虫害又は病害に罹患していると評価する。作業者は、例えば、評価結果に基づいて、虫害に罹患している農作物に農薬を散布する。

【0051】

図１１（Ａ）は健全な葉の蛍光特性を示す励起－蛍光マトリクス図である。図１１（Ｂ）は葉焼けした葉の蛍光特性を示す励起－蛍光マトリクス図である。図１１（Ａ）に示すように、健全な葉では、例えば３６５ｎｍの励起波長に対して、蛍光はほとんど放出されない。一方、図１１（Ｂ）に示すように、葉焼けした葉では、３３０ｎｍの励起波長に対して、非常に強い蛍光が放出され、例えば３６５ｎｍの励起波長に対しても、強い蛍光が放出される。このため、蛍光画像を用いて葉焼けを検出することができる。

【0052】

図１２（Ａ）は、白色光を照射された健全な葉の可視画像を示す図である。図１２（Ｂ）は、３６５ｎｍの波長の紫外線を照射された健全な葉の蛍光画像を示す図である。図１２（Ｃ）は、白色光を照射された、葉焼けした葉の可視画像を示す図である。図１２（Ｄ）は、３６５ｎｍの波長の紫外線を照射された、葉焼けした葉の蛍光画像を示す図である。図１２（Ｅ）は、白色光を照射された、モザイク病に罹患した葉の可視画像を示す図である。図１２（Ｆ）は、３６５ｎｍの波長の紫外線を照射された、モザイク病に罹患した葉の蛍光画像を示す図である。

【0053】

図１２（Ａ）及び図１２（Ｃ）に示すように、葉焼けの初期段階において、健全な葉の可視画像と葉焼けした葉の可視画像との間には違いがあまり現れていない。このため、可視画像を用いて葉焼けを早期に発見することは難しい。一方、図１２（Ｂ）及び図１２（Ｄ）に示すように、葉焼けの初期段階においても、健全な葉の蛍光画像と葉焼けした葉の蛍光画像との間には違いがはっきり現れている。このため、蛍光画像を用いて葉焼けを早期に発見することができる。

【0054】

同様に、図１２（Ａ）及び図１２（Ｅ）に示すように、可視画像を用いてモザイク病を早期に発見することは難しい。一方、図１２（Ａ）及び図１２（Ｆ）に示すように、蛍光画像を用いてモザイク病を早期に発見することができる。

【0055】

次に、撮像システム１０を用いた農作物の熟度の評価方法について説明する。まず、撮像システム１０を用いて、農作物の熟度に応じた蛍光を放出させる励起光を農作物に照射し、その農作物の蛍光画像を撮像により取得する。次に、その農作物の蛍光画像に現れた蛍光強度に基づいて農作物の熟度を評価する。作業者は、評価結果に基づいて、農作物を適期に収穫し、生産物ロスを低減することができる。

【0056】

なお、変形例において、作業者は、収穫機に搭載された照明装置１１及びカメラ１２を用いて農作物の蛍光画像を撮像により取得しながら、適期の農作物を選別して収穫してもよい。

【0057】

図１３はダイズの可視画像及び蛍光画像を示す図である。図１３には、２０２１年１０月４日、２０２１年１０月１１日、２０２１年１０月１８日に収穫されたダイズの可視画像及び蛍光画像が示されている。可視画像には、日が経っても、変化があまり現れていない。一方、蛍光画像には、日が経つにつれて、蛍光が強くなることが現れている。このように、農作物の熟度が増すにつれて、農作物の蛍光は強くなる。このため、農作物の蛍光画像を用いて農作物の熟度を評価することができる。

【0058】

次に、撮像システム１０を用いたほ場の土壌の評価方法について説明する。まず、撮像システム１０を用いて、対象の肥料の蛍光特性に応じた複数の異なる波長の励起光をほ場の土壌に照射し、それぞれの励起光を照射されたほ場の土壌の蛍光画像を撮像により取得する。次に、ほ場の土壌の蛍光画像においてそれぞれの蛍光の強い領域がその蛍光に対応した肥料の多い領域であると評価する。

【0059】

肥料を撒いた後にほ場の土壌の蛍光画像データを撮像により取得することで、対象の肥料をどこにどれぐらいの量で撒いたかを確認することができる。

【0060】

また、耕うん前と耕うん後のほ場の土壌の蛍光画像データを撮像により取得することで、土壌表面ではなく、土壌中の肥料量の分布を定性的に評価することもできる。

【0061】

さらに、肥料を撒いた直後のほ場の土壌の蛍光画像データと、肥料を撒いてから、ある程度の時間、例えば数ヶ月が経過した後のほ場の土壌の蛍光画像データとを、例えば数年間取りためることで、肥料が外部に流出しやすい場所等、ほ場の特性を把握できるようになり、環境負荷を低減することにつなげることもできる。

【0062】

肥料の分布の偏りを把握した場合、肥料の分布を均一にし、ほ場の土壌を改良することもできる。

【0063】

図１４（Ａ）、図１４（Ｂ）、及び図１４（Ｃ）は、それぞれ、化学肥料、有機肥料、及び消石灰の蛍光特性を示す励起－蛍光マトリクス図である。化学肥料は、励起波長３２０ｎｍ、発光波長３９６ｎｍに蛍光スペクトルのピークを有する。有機肥料は、励起波長４２０ｎｍ、発光波長５０７ｎｍに蛍光スペクトルのピークを有する。消石灰は、励起波長２６５ｎｍ、発光波長２８０ｎｍに蛍光スペクトルのピークを有する。このため、対象の肥料の蛍光特性に応じた波長の励起光を照射されたほ場の土壌の蛍光画像を用いて、ほ場の土壌に含まれる肥料の分布を評価することができる。

【0064】

図１５は、ほ場７１の土壌に含まれる肥料の分布を例示する模式図である。図１５には、有機肥料が過多な領域７２、消石灰が過多な領域７３、及び化学肥料が過多な領域７４が示されている。このような分布は、それぞれの肥料に対応する蛍光画像データから生成することができる。

【0065】

また、撮像システム１０は、農作物中の栄養成分、農作物中の残留農薬、又はその他の対象物の状態を評価する方法に使用されてもよい。

【0066】

上記のように、照明装置から農作物までの距離はほ場における農作物の位置によって異なる。特に、照明装置が中山間地にある段々畑、果樹園等、即ち起伏した土地にある広いほ場をスキャンする場合、照明装置から個々の農作物までの距離に差が生じやすい。また、照明装置から農作物の部位までの距離は農作物が成長することで変化する。

【0067】

第１実施形態によれば、照明装置１１は平行な励起光でほ場の農作物をスキャンする。このため、照明装置１１から農作物までの距離が異なっても、また照明装置１１から農作物の部位までの距離が変化しても、農作物又はその部位の表面上における励起光のエネルギー密度は変化しない。このため、照明装置１１から農作物又はその部位までの距離によらず、農作物の生育の状態を略同じ条件で評価することができる。

【0068】

また、農作物の位置が照明装置１１の位置から遠くても、農作物の受ける励起光、従って農作物の放出する蛍光が弱くなることはない。それ故、農作物の蛍光画像が撮像により得られる可能性が高まる。

【0069】

撮像システム１０が他の対象物の蛍光画像を撮像により取得する場合でも、同様に、対象物の状態を略同じ条件で評価することができ、また対象物の蛍光画像が撮像により得られる可能性が高まる。

【0070】

また、撮像システム１０は、異なる位置に配置され、同じ領域をスキャンする複数の照明装置１１を備える。これにより、励起光は、立体的な構造を有する農作物の異なる面に、例えばその一方側だけではなく反対側にも照射される。このため、農作物から放出される蛍光の検出性が高まる。それ故、農作物の虫害、病害等の検出性が高まる。

【0071】

撮像システム１０が、立体的な構造を有する他の対象物、例えば、緑化、鑑賞等の目的で植えられた草木の蛍光画像を撮像により取得する場合でも、同様に、対象物から放出される蛍光の検出性が高まる。

【0072】

また、撮像システム１０が略平面状の表面を形成するほ場の土壌の蛍光画像を撮像により取得する場合、地面に対する励起光の入射角によって、地面に照射される励起光の強度、従ってその励起光に起因する蛍光が変化する。第１実施形態では、複数の照明装置１１が、異なる位置に配置され、同じ領域をスキャンする。これにより、大まかに言えば、ある照明装置１１からある位置へ照射される励起光の入射角が、対象の地面に対する励起光の平均的な入射角より小さい場合、別の照明装置１１から当該位置へ照射される励起光の入射角が、当該平均的な入射角より大きくなる。このため、ある照明装置１１からある位置へ照射される励起光の強度が、対象の地面に照射される励起光の平均的な強度より高い場合、別の照明装置１１から当該位置へ照射される励起光の強度が、当該平均的な強度より低くなる。蛍光画像上のそれぞれの位置には、それぞれの照明装置１１からの励起光に起因する蛍光の検出量を足し合したものが現れる。それ故、励起光の入射角の違いに起因する蛍光画像上の蛍光の変化が軽減される。

【0073】

また、蛍光画像が夜間に撮像により取得される場合、励起光を受けて蛍光を放出した箇所のみが画像に現れる。このため、微弱な蛍光を検出しやすくなる。

【0074】

《第２実施形態》
図１６は、第２実施形態に係る撮像システム８０の模式図である。第２実施形態に係る撮像システム８０は第１実施形態に係る撮像システム１０と次の点で異なる。即ち、撮像システム８０は、照明装置１１に代えて、照明装置８１を備える。

【0075】

照明装置８１は、ドローン９１を備え、例えば、農作物１４の上方を水平方向に移動しながら、農作物１４に、平行な励起光２１を照射する。これにより、照明装置８１は農作物１４を平行な励起光２１でスキャンする。ドローン９１は本発明の「移動体」の一例である。

【0076】

照明装置８１は、例えば、風の影響を受けにくい高度まで上昇し、そこから農作物１４に励起光２１を照射する。この場合でも、平行な励起光２１が照射されるため、農作物１４の表面上における励起光２１のエネルギー密度はほとんど低下しない。

【0077】

また、照明装置８１が上下に移動しても、平行な励起光２１が照射されるため、農作物１４の表面上における励起光のエネルギー密度はほとんど変化しない。

【0078】

照明装置８１の光学系は、ドローン９１に代えて、農業機械のような別の移動体に搭載されてもよい。この場合、撮像システム８０は、土壌を管理するための土壌センサとして使用されてもよい。

【0079】

図１７は照明装置８１の模式図である。照明装置８１は、ドローン９１に加えて、レーザ９２、反射型コリメータ９３、及び発光体９４を備える。レーザ９２はドローン９１の外部に配置される。反射型コリメータ９３は、放物面ミラーを有し、ドローン９１に取り付けられ、特にドローン９１の下面に配置される。発光体９４は反射型コリメータ９３の放物面ミラーの焦点に配置される。

【0080】

レーザ９２は反射型コリメータ９３に向けてレーザ光を出射する。反射型コリメータ９３はレーザ光の一部を発光体９４に向けて反射する。発光体９４はレーザ光を受けて発光する。反射型コリメータ９３は、発光体９４から放出された光を受け、その光を反射して平行光にする。これにより、励起光２１が生成される。ドローン９１は、励起光２１で農作物をスキャンするように農作物の上方を水平方向に移動する。これにより、照明装置８１は平行な励起光２１で農作物をスキャンする。

【0081】

なお、反射型コリメータ９３は、図１７に示すような放物面ミラーを有してもよいし、軸外し放物面ミラーを有してもよい。

【0082】

図１８は第２実施形態の変形例に係る照明装置１０１の模式図である。照明装置１０１は、レーザ９２に代えて、レーザ１１２を備える点で、照明装置８１と異なる。レーザ１１２は、反射型コリメータ９３の反射面に沿って配置され、発光体９４に向けてレーザ光を照射する。発光体９４はレーザ光を受けて発光する。反射型コリメータ９３は発光体９４から放出された光を反射して平行光にする。

【0083】

撮像システム８０は、照明装置８１に代えて、このような照明装置１０１を備えてもよい。

【0084】

第２実施形態によれば、照明装置８１、１０１は、それ自体移動することで、ほ場の農作物又は土壌をスキャンする。このため、ほ場全体のような広域にわたる農作物又は土壌を管理する場合でも、多くの照明装置を配置することを必要としない。

【0085】

また、照明装置８１、１０１は、励起光のビームが照射される位置にかかわらず、ほ場の地面に対して、一定の角度で、特に垂直に励起光のビームを照射する。このため、ほ場の農作物又は土壌が受ける励起光の強度は場所によって変化しにくい。

【0086】

さらに別の実施形態に係る照明装置は、植物工場に設けられ、蛍光観察のための励起光に代えて、農作物の光合成のために白色光を出射してもよい。この照明装置の構成は、光源の種類が異なることを除いて、本質的に第１実施形態に係る照明装置と同様である。照明装置は、平行なビームを出射し、そのビームスポットを移動させて農作物のみに光を照射する。これにより、農作物の光合成のための光の全体の照射面積を最小限し、農作物の生育に必要な電力を抑制することができる。

【0087】

また、さらに別の実施形態に係る照明装置は、蛍光観察のための励起光に代えて、特定の波長の光を所望の農作物に局所的に又は選択的に照射し、その農作物の成長を促してもよい。これにより、ほ場の農作物の成長を揃えることができる。この照明装置の構成は、光源の種類が異なることを除いて、本質的に第１実施形態に係る照明装置と同様である。

【0088】

なお、これらの実施形態に係る照明装置は、上記白色光又は特定の波長の光を出射するだけでなく、蛍光観察のための励起光を出射し、カメラと共に撮像システムを構成してもよい。

【0089】

さらに別の実施形態に係る照明装置は夜間の光のショーに使用されてもよい。この照明装置の構成は、本質的に第１実施形態に係る照明装置と同様であり、夜間の光のショーの用途に合うように適宜変更される。照明装置は、例えば、神社仏閣、広場等の木々に、平行光を照射する。例えば、観客が木々の側方から斜め下方向の範囲にいる場合、照明装置は、主として、略水平に又はある程度の仰角（例えば４５°以内）で、木々に光を照射する。観客が、木々の上方に、例えば建築物の高い位置にいる場合、照明装置は、主として、木々にその上方から光を照射する。観客が上記のどちらにもいる場合、照明装置は木々に略水平方向と木々の上方の双方から光を照射してもよい。照明装置は、ショーの演出に従って、照射した光で特定の領域を高速にスキャンし、またその領域を変化させる。また、照明装置は、異なる波長の光を照射し、ショーの演出に従ってそれらの光を瞬時に切り替える。木々は、照明装置からの光を受けて、蛍光、散乱光等を放出する。これにより、観客は、特定の領域の木々の葉が光ったり、その領域が様々に変わったり、木々の葉が様々な色に瞬時に変わったりする様子を鑑賞することができる。特に、照明装置は、白色光でライティングアップされた木々に励起光を照射してもよい。これにより、観客は、木々の葉が緑色から様々な色に変わる様子を鑑賞することができる。即ち、この実施形態では、葉の蛍光を利用して、葉の色が変わるように見える視覚的効果を奏することができる。

【0090】

なお、この照明装置は、ショーの演出に従って、励起光のビームの断面形状を変化させることが可能でもよい。これは、例えば、図２に示すような照明装置の構成において、コリメートレンズと２軸ガルバノスキャナの間の光路にＳＬＭを配置することよって実現される。

【0091】

上記のように、異なる実施形態で示した構成の部分的な置換又は組み合わせが可能である。例えば、第１実施形態で示したような照明装置において、コリメートレンズを、第２実施形態で示したような反射型コリメータで置き換えてもよい。また、第２実施形態に示したような照明装置において、レーザ、反射型コリメータ、及び発光体で構成される光学系を、第１実施形態で示したような、レーザ及びコリメートレンズで構成される光学系に置き換えてもよい。

【符号の説明】

【0092】

１０…撮像システム
１１…照明装置
１２…カメラ
１３…支柱
１４…農作物
２１…励起光
３１…レーザ
３２…コリメートレンズ
３３…２軸ガルバノスキャナ
４２…カメラ
４３…支持材
４４…蛍光体
５１…スキャン可能な領域
５５…ほ場
５６…モニタリング区画
６１…農作物
６２…蛍光物質
６３…照射領域
６５…農作物
７１…ほ場
７２…有機肥料が過多な領域
７３…消石灰が過多な領域
７４…化学肥料が過多な領域
８０…撮像システム
８１…照明装置
９１…ドローン
９２…レーザ
９３…反射型コリメータ
９４…発光体
１０１…照明装置
１１２…レーザ
３３１…ガルバノミラー
４１１…照明装置
４１２…照明装置
４５１…励起光
４５２…励起光

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】