(57)【要約】【課題】食品を適切に検出することができ、正確な食品情報を算出可能な食品分析装置を提供する。【解決手段】食品分析装置１０は、食品により反射された光を複数波長の光に分光する波長可変干渉フィルター５と、分光された各波長の光を撮像し、各波長のそれぞれに対応した分光画像を取得する撮像部１２３と、各波長に対する分光画像から画素毎のスペクトルを取得し、水の光吸収スペクトルを含む画素を検出して、検出した画素の前記スペクトルに基づいて複数の前記成分を検出する制御部１６と、を備えている。【選択図】図３
2014126493.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
食品に含まれる複数の成分を検出する食品分析装置であって、
前記食品により反射された光を、複数波長の光に分光する分光素子と、
分光された各波長の光を撮像し、各波長のそれぞれに対応した分光画像を取得する撮像素子と、
各波長に対する前記分光画像から画素毎のスペクトルを取得して、水の光吸収スペクトルを含む画素を検出し、前記複数の成分を検出する処理部と、
を備えていることを特徴とする食品分析装置。
【請求項２】
請求項１に記載の食品分析装置において、
前記分光素子は、前記食品により反射された光を面分光し、
前記撮像素子は、前記分光素子により面部光された光を、それぞれ独立した画素単位で受光して、複数画素により構成された前記分光画像を取得する
ことを特徴とする食品分析装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の食品分析装置において、
前記分光素子は、波長可変型ファブリーペローエタロン素子である
ことを特徴とする食品分析装置。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれかに記載の食品分析装置において、
前記処理部は、検出された複数の前記成分に基づいて、前記食品のカロリーを算出する
ことを特徴とする食品分析装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、食品分析装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、食品に含まれる成分（栄養素）を検出する食品分析装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
この特許文献１のカメラ（食品分析装置）は、食品毎の形状特徴を示す形状パターン、色パターンなどを含む食物特徴データと、その食品に含まれる成分含有量、その食品の総カロリー等を含む食物データ（食品基準データ）とを有する食物辞書を記憶するフラッシュメモリを備える。そして、この食品分析装置は、撮像部で食品が撮像されると、その撮像画像と食物特徴データとから食品の種類を認識し、距離センサー等により取得される距離情報やカメラの画角、器の形状等から、実際の食品の量を算出する。そして、その食品の食品基準データに基づいて、食品の成分含有量や総カロリーを算出する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−２１７７０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上述の食品分析装置では、食物辞書に記録された食物特徴データに基づいて食品を特定する。したがって、食物特徴データに記録されていない食品を特定することができないという課題がある。また、より多くの食品を特定するためには、非常に多くのデータを予め登録しておく必要が生じ、大容量の記憶領域も必要となる。
また、上述の食品分析装置では、食品基準データに記録された基準の成分含有量やカロリーを用いて食品の成分含有量やカロリーの大凡の値を算出する。しかし、食品基準データに記録された単位量当たりの成分含有量やカロリーと、実際の食品の単位当たりの成分含有量やカロリーが異なるので、正確な成分含有量やカロリーを算出することができないという課題がある。
【０００５】
本発明は、食品を適切に検出することができ、当該食品に含まれる成分を正確に検出可能な食品分析装置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】
【０００６】
本発明の食品分析装置は、食品に含まれる複数の成分を検出する食品分析装置であって、前記食品により反射された光を、複数波長の光に分光する分光素子と、分光された各波長の光を撮像し、各波長のそれぞれに対応した分光画像を取得する撮像素子と、各波長に対する前記分光画像から画素毎のスペクトルを取得して、水の光吸収スペクトルを含む画素を検出し、前記複数の成分を検出する処理部と、備えていることを特徴とする。
【０００７】
本発明では、食品で反射された光を分光素子により各波長の光に分光し、分光した光を撮像素子で撮像する。ここで、撮像素子は、画素単位で独立して光を受光することで、複数画素により構成された分光画像（撮像画像）を取得する。そして、処理部は、これらの各波長に対応する分光画像の各画素の光量から画素毎の所定波長帯域のスペクトルを取得し、スペクトルに水の光吸収スペクトルが含まれる画素を、食品に対応した画素として検出する。そして、処理部は検出された画素のスペクトルに基づいて食品に含まれる各成分を検出する。
このような本発明では、各画素のスペクトルから、画素単位で食品に含まれる各成分を検出することができる。したがって、食品に対応する全ての画素に対して各成分の含有量を検出することで、食品に含まれる各成分の含有量を正確に求めることが可能となる。
また、本発明では、水の有無を検出することで、分光画像のうちの食品に対応する画素を検出している。水の吸光スペクトルは、近赤外域において複数の光吸収波長（ピーク波長）を有し、各ピークにおいて広い波長範囲で吸光特性を示す。これにより、分光スペクトルから容易かつ高精度で水の有無を検出することができる。つまり、狭い波長範囲で（ピーキーな）ピーク波長を有する成分を用いて、食品に対応した画素を検出する場合、当該ピーク波長に対する光量をピンポイントで測定する必要があり、検出精度が低下する。これに対して、上記のように水の吸光スペクトルを用いる場合では、一定間隔（例えば１０ｎｍ間隔）毎の波長を順次測定すれば、水の検出が可能となるので、容易かつ高精度に食品に対応した画素を検出することができる。
【０００８】
本発明の食品分析装置では、前記分光素子は、前記食品により反射された光を面分光し、前記撮像素子は、前記分光素子により面部光された光を、独立した画素単位で受光して、複数画素により構成された前記分光画像を取得することが好ましい。
ここで、本発明で述べる面分光とは、光の入射方向に対して直交する光断面内の所定領域内に含まれる光を一括して分光することを意味する。
一般に、分光素子における光入射領域のうちの所定の一点に入射した入射光のみを分光する構成とした場合、各画素に対する光量を取得して撮像画像を得るために、例えば分光素子を移動させる等して、入射光の分光が可能な前記一点を移動させ、各画素の光量を個別に検出する必要が生じる。これに対して、本発明では、面分光可能な分光素子を用いることで、光入射領域に入射した入射光を、一括で分光することができる。したがって、撮像素子においても、分光された光を画素単位で受光することで、容易に分光画像を取得することができる。
【０００９】
本発明の食品分析装置では、前記分光素子は、波長可変型ファブリーペローエタロン素子であることが好ましい。
波長可変型ファブリーペローエタロン素子は、一対の反射膜を対向配置させ、これらの反射膜間のギャップ寸法を変更することで容易に分光波長を変化させることができる素子である。このような波長可変型ファブリーペローエタロン素子を用いることで、例えばＡＯＴＦ（音響光学チューナブルフィルター）やＬＣＴＦ（液晶チューナブルフィルター）等のような大型の分光素子を用いた食品分析装置に比べて、小型化が可能となる。
また、装置の小型化により携帯性も向上するため、例えば、外食時等においても容易に食品の成分を検出することができる。また、携帯性の向上により、食品が分光画像内に収まるように、かつ、食品以外の背景画素を減らすように、食品分析装置の姿勢を変更することも容易となる。
【００１０】
本発明の食品分析装置では、前記処理部は、検出された複数の前記成分に基づいて、前記食品のカロリーを算出することが好ましい。
本発明では、食品の各成分の検出に加え、さらに食品のカロリーを算出する。上記のように、本発明の食品分析装置では、食品の各成分を正確に検出でき、正確な成分含有量を求めることができるので、これらの成分含有量に基づいて正確なカロリーを算出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一実施形態に係る食品分析装置の概略構成を示す図。
【図２】第一実施形態の波長可変干渉フィルターの概略構成を示す断面図。
【図３】第一実施形態の食品分析装置の概略構成を示すブロック図。
【図４】第一実施形態の食品分析装置を用いた成分分析処理を示すフローチャート。
【図５】本実施形態において撮像された分光画像の一例を示す図。
【図６】水の光吸収スペクトルを示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の一実施形態に係る食品分析装置（食品分析装置）について、図面に基づいて説明する。
[食品分析装置の概略構成]
図１は、本実施形態の食品分析装置である食品分析装置の概略構成を示す図である。
食品分析装置１０は、図１に示すように、可視光撮像モジュール１１、近赤外撮像モジュール１２、入力部１３、表示部１４、温度センサー１５、及び制御部１６を備えている。この食品分析装置１０は、測定対象の食品を近赤外撮像モジュール１２で複数波長に対する分光画像を撮像し、その分光画像の各画素の光量から、各画素における分光スペクトルを取得する。そして、取得した各画素の分光スペクトルから、測定対象の食品に含まれる成分含有率、成分含有量、及びカロリーを測定する。以下に、食品分析装置１０の各構成について詳細に説明する。
【００１３】
［可視光撮像モジュールの構成］
可視光撮像モジュール１１は、可視光入射部１１１と、カラー撮像部１１２とを備えている。なお、図１では、可視光入射部１１１は、１つのレンズにより構成される例を示すが、実際には、複数のレンズにより構成されており、これらのレンズにより測定対象食品の虚像をカラー撮像部１１２に結像する。
カラー撮像部１１２は、カラー画像撮像用の撮像素子を備えて構成され、入射光のカラー撮像画像を撮像し、制御部１６に出力する。
【００１４】
［近赤外撮像モジュールの構成］
近赤外撮像モジュール１２は、光入射部１２１と、光源部１２２と、波長可変干渉フィルター５と、撮像部１２３と、モジュール基板１２４と、を備えている。
（光入射部の構成）
光入射部１２１は、図示は省略するが、複数のレンズにより構成されており、視野角内の測定対象食品の虚像を、波長可変干渉フィルター５を介して撮像部１２３に結像する。これらのレンズとして、テレセントリックレンズを用いることが好ましく、テレセントリックレンズを用いることで、入射光の光軸を主光線に対して平行な方向に揃えることができ、後述する波長可変干渉フィルター５の固定反射膜５４や可動反射膜５５に対して垂直に入射させることが可能となる。
【００１５】
（光源部の構成）
光源部１２２は、発光波長が異なる複数種類の光源を備える。具体的には、可視光を射出する可視光源と、近赤外光を射出する近赤外光源とを備える。また、近赤外光源として、発光波長が異なる複数種の光源により構成されていてもよく、この場合、制御部１６の制御の下、成分分析対象に応じて発光させる光源を切り替えてもよい。
【００１６】
（波長可変干渉フィルターの構成）
波長可変干渉フィルター５は、本発明における分光素子を構成する波長可変型ファブリーペローエタロン素子である。
図２は、波長可変干渉フィルター５の概略構成を示す断面図である。
この波長可変干渉フィルター５は、厚み寸法が例えば５００μｍ程度に形成される固定基板５１と、厚み寸法が例えば２００μｍ程度に形成される可動基板５２を備え、これらの固定基板５１及び可動基板５２が、例えばシロキサンを主成分とするプラズマ重合膜などにより構成された接合膜５３により接合されることで、一体的に構成されている。このような波長可変干渉フィルター５を用いることで、例えば分光素子としてＡＯＴＦやＬＩＴＦを用いる場合等に比べて、装置の小型化を促進でき、食品のカロリーを算出可能な携帯型の食品分析装置１０を構成することができる。
【００１７】
固定基板５１は、エッチングにより形成された電極配置溝５１１および反射膜設置部５１２を備えている。そして、電極配置溝５１１には、固定電極５６１が設けられ、反射膜設置部５１２には、固定反射膜５４が設けられている。
固定電極５６１は、電極配置溝５１１において、例えば反射膜設置部５１２を囲う環状に形成されている。
この固定反射膜５４としては、例えばＡｇ等の金属膜や、Ａｇ合金等の合金膜を用いることができる。また、例えば高屈折層をＴｉＯ２、低屈折層をＳｉＯ２とした誘電体多層膜を用いてもよい。さらに、誘電体多層膜上に金属膜（または合金膜）を積層した反射膜や、金属膜（または合金膜）上に誘電体多層膜を積層した反射膜、単層の屈折層（ＴｉＯ２やＳｉＯ２等）と金属膜（または合金膜）とを積層した反射膜などを用いてもよい。
【００１８】
可動基板５２は、図２に示すように、可動部５２１と、可動部５２１の外に設けられ、可動部５２１を保持する保持部５２２とを備えている。
可動部５２１は、保持部５２２よりも厚み寸法が大きく形成され、例えば、本実施形態では、可動基板５２の厚み寸法と同一寸法に形成されている。この可動部５２１は、フィルター平面視において、少なくとも反射膜設置部５１２の外周縁の径寸法よりも大きい径寸法に形成されている。そして、この可動部５２１には、可動電極５６２及び可動反射膜５５が設けられている。
【００１９】
可動電極５６２は、固定電極５６１に対向する位置に設けられている。また、可動反射膜５５は、固定反射膜５４に対向する位置に、反射膜間ギャップＧ１を介して配置されている。この可動反射膜５５としては、上述した固定反射膜５４と同一の構成の反射膜が用いられる。
【００２０】
保持部５２２は、可動部５２１の周囲を囲うダイアフラムであり、可動部５２１よりも厚み寸法が小さく形成されている。このような保持部５２２は、可動部５２１よりも撓みやすく、僅かな静電引力により、可動部５２１を固定基板５１側に変位させることが可能となる。これにより、固定反射膜５４及び可動反射膜５５の平行度を維持した状態で、反射膜間ギャップＧ１のギャップ寸法を変更することが可能となる。
なお、本実施形態では、ダイアフラム状の保持部５２２を例示するが、これに限定されず、例えば、平面中心点を中心として、等角度間隔で配置された梁状の保持部が設けられる構成などとしてもよい。
【００２１】
以上のような波長可変干渉フィルター５では、固定電極５６１及び可動電極５６２により静電アクチュエーター５６が構成されており、これらの電極５６１，５６２がモジュール基板１２４（ドライバ）を介して制御部１６に接続されている。そして、制御部１６の制御の下、電圧制御回路から静電アクチュエーター５６に電圧が印加されることで、電圧に応じた静電引力が電極５６１，５６２間に作用し、反射膜間ギャップＧ１のギャップ寸法が変更される。これにより、波長可変干渉フィルター５を透過する光の波長を変化させることが可能となる。
【００２２】
（撮像部の構成）
図１に戻り、撮像部１２３は、本発明の撮像素子であり、波長可変干渉フィルター５を透過した近赤外光を受光し、撮像画像（分光画像）に基づいた画像信号を出力する。このような撮像部１２３としては、例えばＣＣＤやＣＭＯＳ等のイメージセンサ等を用いることができる。また、本実施形態では、可視光撮像モジュール１１によりカラー画像を撮像するため、撮像部１２３は、赤外域の所定波長のモノクロ画像が撮像されればよく、モノクロ画像撮像用の撮像素子が用いることができる。この場合、１画素に対して１つの撮像素子が配置することができ、例えば１画素にＲ、Ｇ、Ｂに対応した撮像素子を配置する必要があるカラー画像撮像用の撮像部に比べ、１画素辺りの受光面を大きくでき、目的波長の光量をより効率よく受光することができる。これにより、成分分析に必要な十分な受光量を確保でき、分析精度を向上させることができる。
なお、光路内に近赤外ハイパスフィルターが設けられる構成では、撮像部１２３として、近赤外域から可視光域（または紫外域）の広範囲に対して感度特性を有するイメージセンサを用いることができる。一方、近赤外ハイパスフィルターが設けられない構成では、波長可変干渉フィルター５から２次ピークや３次ピークとして透過される可視光域または紫外域の光を受光させないために、紫外から可視光域に対して感度特性が低く、近赤外域に対して感度特性が高い、例えばGaAsフォトセンサー等の撮像素子を用いることができる。
そして、撮像部１２３は、分光画像の画像信号を、制御部１６に出力する。
【００２３】
また、本実施形態では、分光素子として、波長可変型ファブリーペローエタロン素子である波長可変干渉フィルター５を用いる。このような波長可変干渉フィルター５では、固定反射膜５４及び可動反射膜５５が対向する光干渉領域に入射した光を一括して分光する、いわゆる面分光が可能となる。したがって、面部光された光を撮像部１２３の画素単位で受光することで、一度の撮像処理で、１つの波長に対する分光画像を取得することができる。
【００２４】
（モジュール基板の構成）
モジュール基板１２４は、光源部１２２、撮像部１２３、及び波長可変干渉フィルター５を駆動制御するドライバ（制御回路）を備え、制御部１６からの指令を受けて近赤外撮像モジュールの各構成を制御する。
本実施形態では、波長可変干渉フィルター５及び撮像部１２３は、モジュール基板１２４を挟んで配置され、当該モジュール基板１２４に固定されている。波長可変干渉フィルターを透過した光は、モジュール基板１２４に設けられた光通過孔１２４Ａを通過して撮像部１２３に受光される。このような構成では、波長可変干渉フィルター５及び撮像部１２３の近接配置が可能となり、食品分析装置１０の小型化、薄型化を図ることができる。
【００２５】
なお、本実施形態では、カラー画像は、可視光撮像モジュール１１により撮像されるため、近赤外撮像モジュール１２において近赤外域における分光画像が撮像されればよい。したがって、波長可変干渉フィルター５を透過する光のうち、例えば２次以降のピーク波長として透過される可視光（及び紫外光）を遮光するために、近赤外域の波長の光のみを透過させる近赤外ハイパスフィルターが設けられていてもよい。このような近赤外ハイパスフィルターとしては、近赤外撮像モジュール１２における入射光の光路上であれば、いかなる位置に設けられていてもよく、例えば、撮像部１２３及び波長可変干渉フィルター５の間や、光入射部１２１及び波長可変干渉フィルター５の間、光入射部１２１のレンズ群の間などが例示できる。
【００２６】
［入力部、表示部、及び温度センサーの構成］
入力部１３は、例えば、入力ボタンやキーボード、マウス、表示部に設けられたタッチパネル等により構成され、ユーザーからの操作を受け付ける。また、入力部１３は、ユーザーの操作に基づいた操作信号を制御部１６に入力する。
表示部１４は、例えば液晶パネル等の表示デバイスにより構成され、制御部１６から入力される画像信号に基づいて画像を表示させる。
温度センサー１５は、検査対象物の温度を検出する。この温度センサー１５としては、例えばサーモパイルアレイや、非接触型ボロメーター等を用いることができる。
【００２７】
［制御部の構成］
図３は、本実施形態の食品分析装置の概略構成を示すブロック図である。
制御部１６は、記憶部１７及び演算部１８を備える。
記憶部１７は、例えばメモリーやハードディスクドライブ等により構成されている。この記憶部１７は、食品分析装置１０の全体動作を制御するためのＯＳ（Operating System）や、各種プログラム、各種データを記憶する。
そして、記憶部１７は、前記データとして、波長可変干渉フィルター５の静電アクチュエーター５６を駆動させるためのＶ−λデータ等が記憶される。
また、記憶部１７には、分析対象となる栄養素の各成分に対する吸光スペクトルから抽出された特徴量（特定波長における吸光度）と、成分含有率との相関を示す相関データ（例えば検量線等）が記憶される。
さらに、記憶部１７には、温度に対する各成分の吸光スペクトルの補正値が記憶されている。
【００２８】
演算部１８は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）等の演算回路や記憶回路により構成されている。この制御部１６は、記憶部１７に記憶された各種プログラムを読み込み、実行することで、図３に示すように、モジュール制御手段１８１、スペクトル取得手段１８２、補正手段１８３、領域検出手段１８４、成分分析手段１８５、及び表示制御手段１８６として機能する。
【００２９】
モジュール制御手段１８１は、可視光撮像モジュール１１及び近赤外撮像モジュール１２を制御する。つまり、モジュール制御手段１８１は、可視光撮像モジュール１１を制御して、カラー撮像画像を取得する。
また、モジュール制御手段１８１は、近赤外撮像モジュール１２を制御して、記憶部１７に記憶されたＶ−λデータに基づいて、静電アクチュエーター５６を制御し、所定波長間隔毎の分光画像を取得する。
【００３０】
スペクトル取得手段１８２は、近赤外撮像モジュール１２により得られる各波長に対する分光画像に基づいて、分光画像の各画素における分光スペクトルを取得する。
補正手段１８３は、温度センサー１５により検出された測定対象の食品の温度を検出し、各成分を判定するための吸光スペクトルを補正する。
領域検出手段１８４は、各画素の分光スペクトルに基づいて、撮像画像の各画素のうち、食品に対応した画素領域を判定する。
成分分析手段１８５は、含有率分析手段１８５Ａ、質量推定手段１８５Ｂ、及び成分算出手段１８５Ｃを備えている。
含有率分析手段１８５Ａは、各画素の分光スペクトルから、食品に含まれる成分を分析し、その含有率を分析する。
質量推定手段１８５Ｂは、撮像画像に基づいて、測定対象の食品の体積を推算し、推算した体積に基づいて質量を推算する。なお、本実施形態では、質量推定手段１８５Ｂにより、質量を推算する例を示すが、例えば、食品分析装置１０の一部にデジタル秤等が設けられ、デジタル秤により計測された質量を取得する構成としてもよい。
成分算出手段１８５Ｃは、食品に含まれる各成分の含有量、及び当該食品のカロリーを算出する。
【００３１】
表示制御手段１８６は、表示部１４を制御して、可視光撮像モジュール１１で撮像されたカラー画像や、近赤外撮像モジュール１２で撮像された分光画像、成分分析手段１８５の分析結果、その他、各種表示画像を表示部１４に表示させる。
なお、演算部１８の各構成の詳細な処理内容については後述する。
【００３２】
［食品分析装置１０による食品の成分分析処理］
次に、上述したような食品分析装置１０による成分分析処理について、図面に基づいて以下に説明する。
図４は、食品分析装置１０による成分分析処理のフローチャートである。
本実施形態では、ユーザーが測定対象の食品を所定位置にセットして、ユーザーの操作により近赤外撮像モジュール１２でセットされた食品を撮像することで、その食品に対する成分分析処理が実施される。
これには、まず、図４に示すように、モジュール制御手段１８１は、記憶部１７からＶ-λデータを読み込み、波長可変干渉フィルター５の静電アクチュエーター５６に印加する電圧を順次切り替え、波長可変干渉フィルター５を透過する光の波長を所定間隔（例えば１０ｎｍ）で切り替える。また、モジュール制御手段１８１は、撮像部１２３を駆動させて、波長可変干渉フィルター５を透過した各波長の光を撮像する。これにより、測定対象の食品の各波長に対する分光画像が得られる（ステップＳ１）。
【００３３】
図５は、本実施形態において撮像された分光画像の一例を示す図である。
ステップＳ１で食品分析装置１０により分光画像を取得すると、図５に示す例のように、食品に対応する食品画素領域２０Ａと、食品以外の皿やテーブル等に対応する背景画素領域２０Ｂとを含む分光画像２０が得られる。
この後、スペクトル取得手段１８２は、分光画像２０の各画素２０Ｃのそれぞれにおける分光スペクトルを取得する（ステップＳ２）。つまり、スペクトル取得手段１８２は、所定波長間隔（例えば１０ｎｍ間隔）となる各分光画像の画素毎の光量を取得し、各画素における分光スペクトルを取得する。
【００３４】
次に、補正手段１８３は、温度センサー１５により検出される測定対象の食品の温度分布から、各画素２０Ｃに対応した食品の各点の温度を検出し、各成分における特徴量が得られる波長（光吸収波長）を補正する（ステップＳ３）。ここで、各成分とは、食品分析装置１０により分析を実施する対象となる成分であり、例えば、水、糖質、脂質、蛋白質等が挙げられる。
具体的には、補正手段１８３は、各成分の吸光スペクトルに対して、記憶部１７に記憶された補正データの補正値をかけあわせる。
例えば、基準温度Ｔ０において、成分Ａの含有率によって波長λＡ０の吸光度が変化する場合、基準温度Ｔ０における成分Ａの特徴量は、波長λＡ０の吸光度となる。しかしながら、温度Ｔ１では、成分Ａの含有率によって波長λＡ１の吸光度が変化する場合があり、この場合、温度Ｔ１における成分Ａの特徴量は、波長λＡ１の吸光度となる。特に、水は、温度変化による吸光スペクトルの変化が大きいことが知られており、各成分の分析を行う上で、特徴量が検出される波長を補正する必要がある。
本実施形態の補正手段１８３は、記憶部１７に記憶される各成分の各温度に対する補正値を読み出し、波長λＡ０に補正値を掛けあわせ、温度Ｔ１に対して特徴量が検出される波長λＡ１を算出する。
【００３５】
次に、成分分析手段１８５の含有率分析手段１８５Ａは、ステップＳ２により得られた各画素に対する分光スペクトルに基づいて、各画素に対応する測定対象の水の含有率を算出する（ステップＳ４）。
より具体的には、含有率分析手段１８５Ａは、各画素における、水の吸光スペクトル波長λａｑに対する光量Ｉλａｑを取得し、以下の式（１）に基づいて吸光度Ａλａｑを算出する。なお、Ｉ０は、キャリブレーション時に得られる基本受光量であり、例えば近赤外撮像モジュール１２を用いて、白色板等の基準物に対する各波長に対する光量を予め測定しておくことで得られる。
【００３６】
Ａλａｑ＝−ｌｏｇ（Ｉλａｑ／Ｉ０）      …（１）
【００３７】
そして、含有率分析手段１８５Ａは、算出された吸光度Ａλａｑと、記憶部１７に記憶された相関データとに基づいて、水の含有率を分析する。この水の含有率の分析方法としては、従来用いられているケモメトリックス法により行うことができる。ケモメトリックス法としては、例えば、重回帰分析、主成分回帰分析、部分最小二乗法等の方法を用いることができる。なお、これらのケモメトリックス法を用いた各分析手法については、従来用いられている技術であるため、ここでの説明は省略する。
【００３８】
この後、領域検出手段１８４は、ステップＳ４により算出された水の含有率が、所定の閾値以上となる画素を食品画素領域２０Ａとして検出する（ステップＳ５）。一般に、食品を構成する成分には水が多く含まれており、これに対して、皿やテーブル、鉄板等の食品を載置する部位は水の含有量が少ない。したがって、上記のように、各画素に対して算出された水含有率が閾値以上となる画素を食品画素領域２０Ａの構成画素とし、閾値未満の画素を背景画素領域の構成画素とすることで、分光画像における食品部分と背景部分とを分離することができる。
【００３９】
また、水の含有率に基づいた食品画素領域２０Ａ及び背景画素領域２０Ｂの分離では、その他の成分を用いた場合よりも精度よく画素領域を分離することができる。
図６は、水の吸収スペクトルを示す図である。図６に示すように、水は、１５００ｎｍ近傍、２０００ｎｍ近傍、及び２５００ｎｍ近傍において、比較的広い波長範囲（例えば１００ｎｍ〜３００ｎｍ）に亘るブロードな光吸収特性を有する。したがって、例えば、所定の吸収波長を中心として狭範囲でピーキーな光吸収特性を有する成分に基づいて食品画素領域２０Ａを検出する場合に比べて、精度よく成分の有無を検出することができる。
【００４０】
その後、含有率分析手段１８５Ａは、食品画素領域２０Ａ内の各画素における分光スペクトルに基づいて、食品を構成する他の成分（糖質、脂質、蛋白質等）の成分含有率を分析する（ステップＳ６）。
ステップＳ６では、ステップＳ４と同様に、各成分の吸光スペクトル波長λに対する光量Ｉλから、吸光度Ａλを算出し、算出された吸光度Ａλと相関データとに基づいて、各成分の含有率を分析する。
なお、ステップＳ４において、水の含有率を分析する際に、同時に、他の成分の含有率を分析してもよい。
そして、含有率分析手段１８５Ａは、各成分に対して、食品画素領域２０Ａ内の各画素２０Ｃにおける含有率の平均値を算出し、食品全体における成分含有率とする。なお、食品全体の成分含有率としては、検出された食品画素領域２０Ａから、複数個の画素２０Ｃをピックアップし、これらの画素２０Ｃに対して分析された成分含有率を平均してもよい。
【００４１】
次に、質量推定手段１８５Ｂは、測定対象の食品の質量を推算する（ステップＳ７）。
質量推定手段１８５Ｂは、まず、撮像画像に基づいて食品の体積を推算する。撮像画像としては、取得された分光画像のうちの１つであってもよく、撮像中のカラー画像であってもよい。
本実施形態では、測定対象の食品は、サイズが既知である皿（基準物質）に載置された状態で撮像されることが好ましい。この場合、質量推定手段１８５Ｂは、撮像画像に基づいて、皿のサイズと食品のサイズとを比較することで、検査対象物の大凡の体積を推算する。なお、皿以外にも、例えばスケールやマーカーを基準物質として、食品とともに撮像して体積を推算する処理をしてもよい。
また、基準物質を用いた体積の推算に限定されず、例えば、画像処理により検査対象物の体積を推算してもよい。例えば、検査対象物を異なる角度から撮像した撮像画像を用い、３次元分析処理により検査対象物の体積を求める処理を行ってもよい。
そして、質量推定手段１８５Ｂは、ステップＳ４及びステップＳ６により分析された各成分の含有率、及び推算された体積から食品の質量を推算する。
なお、食品の質量の測定としては、上記のように、撮像画像に基づいて推算する構成の他、ユーザーの入力部１３の操作により入力された質量を取得する処理をしてもよい。また、食品分析装置１０に、デジタル秤等の質量計測手段が設けられる構成としてもよい。この場合、質量計測手段により計測された正確な質量を取得することができる。
【００４２】
この後、成分算出手段１８５Ｃは、ステップＳ７で推算した質量と、ステップＳ６により分析された各成分の含有率とに基づいて、各成分の含有量を算出する（ステップＳ８）。
また、成分算出手段１８５Ｃは、算出された脂質、糖質、タンパク質の含有量から、式（２）に基づいて、食品のカロリーを算出する。
【００４３】
カロリー（kcal）＝脂質量(g)×９＋タンパク質量(g)×４＋糖質量(g)×４  …（２）
【００４４】
この後、表示制御手段１８６は、食品の成分分析結果（各成分の含有率、含有量、カロリー）を表示部１４に表示させる。
【００４５】
［本実施形態の作用効果］
本実施形態の食品分析装置１０では、近赤外撮像モジュール１２により測定対象の食品の各波長の分光画像を撮像して、スペクトル取得手段１８２は、その分光画像２０の各画素２０Ｃの光量から、当該各画素２０Ｃのそれぞれにおける分光スペクトルを取得する。また、領域検出手段１８４は、これらの画素２０Ｃから、水の吸収スペクトルが含まれる画素２０Ｃを食品画素領域２０Ａとして検出し、その他の背景画素領域２０Ｂと分離する。そして、成分分析手段１８５は、食品画素領域２０Ａ内の各画素２０Ｃの分光スペクトルに基づいて、各成分の含有量、カロリーを算出する。
このように、本実施形態では、食品画素領域２０Ａと背景画素領域２０Ｂとを分離することで、食品画素領域２０Ａの画素単位の分光スペクトルに基づいて、食品に含まれる成分含有量を検出することができるので、食品に含まれる各成分の総含有量を正確に算出することができる。
また、水の吸収スペクトルが含まれるか否かによって、食品画素領域２０Ａと背景画素領域２０Ｂとを分離している。水の吸収スペクトルは、近赤外領域において、複数のピークを有し、かつこれらのピークは比較的広い範囲で現れるため、各画素の分光スペクトルにおいて、水の有無を容易、かつ高精度で検出することができる。したがって、食品画素領域２０Ａと背景画素領域２０Ｂとを高精度に分離することができ、分光画像における食品に対応する領域を正確に検出できる。
【００４６】
また、本実施形態では、食品の温度分布を計測する温度センサー１５を備え、温度分布に基づいて水の吸収スペクトルを補正する。一般に水の吸収スペクトルは温度の影響を受けて変動しやすい。これに対して、本実施形態では、このような温度変化がある場合でも、吸収スペクトルを適切に補正することができるので、精度よく水の有無を検出でき、食品画素領域２０Ａと背景画素領域２０Ｂとを高精度に分離することができる。
【００４７】
本実施形態では、分光素子として波長可変型ファブリーペローエタロン素子である波長可変干渉フィルター５を用いている。波長可変干渉フィルター５は、固定反射膜５４を有する固定基板５１と、可動反射膜５５を有する可動基板５２を対向配置させて、静電アクチュエーター５６により反射膜間のギャップ寸法を変化させることで、ギャップ寸法に応じた波長の光を透過させる。このような波長可変干渉フィルター５は、各基板５１，５２を例えば１〜２ｍｍ程度の厚みで形成することができ、小型化及び薄型化に適している。したがって、分光素子として波長可変干渉フィルター５を用いることで、例えばＡＯＴＦやＬＣＴＦ等の分光素子を用いる場合に比べて、食品分析装置１０の小型化、薄型化を図ることできる。
また、このような波長可変干渉フィルター５では、固定反射膜５４及び可動反射膜５５が対向する光干渉領域に入射した光を一括して分光する、いわゆる面分光が可能となる。このため、例えば、光干渉領域中の所定の一点に対して分光処理を実施するフィルター等を用いる場合に比べて、迅速かつ容易に各波長に対する分光画像を取得することができる。
【００４８】
本実施形態では、食品に含まれる各成分の含有量に加え、食品のカロリーを算出する。上述したように、本実施形態では、分光画像内の食品画素領域２０Ａを正確に検出することができ、かつ、この食品画素領域２０Ａ内の各画素２０Ｃの分光スペクトルに基づいて、食品の正確な成分含有量を算出できる。したがって、このような成分含有量に基づいて正確なカロリーを算出することができる。これにより、正確なカロリーに基づいたユーザーの健康管理を促進できる。
【００４９】
〔他の実施形態〕
なお、本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
例えば、上記実施形態では、波長可変干渉フィルター５がモジュール基板１２４に固定される構成を示したが、これに限定されず、例えば波長可変干渉フィルター５がパッケージに格納されており、このパッケージをモジュール基板１２４に固定する構成などとしてもよい。また、波長可変干渉フィルター５が、モジュール基板１２４以外の基板や、装置筐体に設けられた固定部に固定されていてもよい。
【００５０】
上記各実施形態では、食品分析装置１０は、可視光撮像モジュール１１を備え、可視光撮像モジュール１１により、カラー画像が撮像される例を示した。これに対して、可視光撮像モジュール１１が設けられない構成としてもよい。
【００５１】
上記実施形態では、近赤外域に対して特徴量を有する成分に対しての成分分析を実施したが、波長可変干渉フィルター５により可視光域から近赤外域の光を分光可能な構成とすることで、可視光域に対して特徴量を有する成分の分析をも実施することができる。同様に、波長可変干渉フィルター５を紫外域の光をも分光可能な構成としてもよく、この場合、さらに紫外域に対して特徴量を有する成分に対する分析や、紫外光に反応する物質の検出や、当該物質の分布状態の分析等を実施することができる。
【００５２】
波長可変干渉フィルター５は、電圧印加により反射膜間ギャップＧ１のギャップ量を変動させる静電アクチュエーター５６を備える構成としたが、これに限定されない。
例えば、固定電極５６１の代わりに、第一誘電コイルを配置し、可動電極５６２の代わりに第二誘電コイルまたは永久磁石を配置した誘電アクチュエーターを用いる構成としてもよい。
更に、静電アクチュエーター５６の代わりに圧電アクチュエーターを用いる構成としてもよい。この場合、例えば保持部５２２に下部電極層、圧電膜、及び上部電極層を積層配置させ、下部電極層及び上部電極層の間に印加する電圧を入力値として可変させることで、圧電膜を伸縮させて保持部５２２を撓ませることができる。
【００５３】
上記実施形態では、温度センサー１５を備え、補正手段１８３は、検出された温度に基づいて、分析対象の成分の特徴量を取得可能な波長を補正し、測定対象波長とした。
これに対して、温度センサー１５が設けられない構成などとしてもよい。この場合でも、温度による吸光スペクトルの変化が小さい成分に対しては、誤差の少ない成分分析を実施することができる。
【００５４】
上記実施形態では、分光素子として波長可変干渉フィルター５が用いられる例を示したが、ＡＯＴＦやＬＣＴＦを用いてもよい。また、面分光が可能な分光素子に限られず、所定の一点に対する分光のみを行う分光素子を用いてもよい。この場合、例えば分光素子において入射光を分光させる分光測定点を透過した光が撮像素子を構成する各画素のうち、分光測定点に対向する画素に入射し、当該画素における光量が検出される。したがって、例えば、分光素子を移動させて前記分光測定点を移動させることで、各画素に対する光量を検出でき、これらの各画素の光量から分光画像を取得することが可能となる。
上記実施形態では、成分分析手段１８５は、食品のカロリーを算出する例を示したが、カロリーの算出を行わない構成としてもよい。
【００５５】
その他、本発明の実施の際の具体的な構造は、本発明の目的を達成できる範囲で他の構造等に適宜変更できる。
【符号の説明】
【００５６】
５…波長可変干渉フィルター（波長可変型ファブリーペローエタロン素子、分光素子）、１０…食品分析装置、１２…近赤外撮像モジュール、１５…温度センサー、１６…制御部（処理部）、１７…記憶部、１８…演算部、２０…分光画像、２０Ａ…食品画素領域、２０Ｂ…背景画素領域、２０Ｃ…画素、１２３…撮像部、１８１…モジュール制御手段、１８２…スペクトル取得手段、１８３…補正手段、１８４…領域検出手段、１８５…成分分析手段、１８５Ａ…含有率分析手段、１８５Ｂ…質量推定手段、１８５Ｃ…成分算出手段。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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