(57)【要約】      （修正有）【課題】安価、小型、且つ簡易な構成でありながら、所定の面積を有する被計測物の計測範囲の全ての位置からの光を均一な拡散光として受光し、高精度に分光計測可能な分光計測システムを提供する。【解決手段】被計測物２０から発した光を結像する結像光学系１と、結像光学系１の光軸Ｏに垂直な面上における、光軸Ｏを中心とする被計測物２０の計測範囲Ｒｏを設定する計測範囲設定部２と、受光面Ｒｓが光軸に対し垂直に設けられ、且つ、受光面Ｒｓ内の全ての有効画素が、被計測物２０の計測範囲Ｒｏから発して結像光学系１を通過した、計測範囲Ｒｏ内における全ての位置からの光束が重なる空間領域（断面が△ＡＢＧで示される円錐体形状の領域）の内側に位置するように配置される、分光センサ部３と、分光センサ部３からの出力信号を取得して分光計測演算を行う分光計測部４と、を有する。【選択図】図１
2014169957.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被計測物から発した光を結像する結像光学系と、
前記結像光学系の光軸に垂直な面上における、該光軸を中心とする前記被計測物の計測範囲を設定する計測範囲設定部と、
受光面が前記光軸に対し垂直に設けられ、且つ、前記受光面内の全ての有効画素が、前記被計測物の計測範囲から発して前記結像光学系を通過した、該計測範囲内における全ての位置からの光束が重なる空間領域の内側に位置するように配置される、分光センサ部と、
前記分光センサ部からの出力信号を取得して分光計測演算を行う分光計測部と、
を有することを特徴とする分光計測システム。
【請求項２】
前記分光センサ部は、前記光軸に垂直な同一面内における、前記被計測物の計測範囲から発して前記結像光学系を通過した、該計測範囲内における１つの点からの光束の面積に対する前記空間領域の面積の比率が６０％以上となる、該結像光学系近傍の所定位置に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の分光計測システム。
【請求項３】
前記分光センサ部の前記受光面内の全ての有効画素が、４バンド以上の分光センサをタイル状に配置してなることを特徴とする請求項１又は２に記載の分光計測システム。
【請求項４】
前記分光センサ部の前記受光面内の全ての有効画素が、複数種類の波長の異なる単バンドのセンサ及び／又は複数バンドの分光センサをタイル状に配置してなることを特徴とする請求項１又は２のいずれかに記載の分光計測システム。
【請求項５】
さらに、前記結像光学系の結像位置に配置された前記被計測物の計測範囲の画像を取得するイメージセンサと、
前記イメージセンサが取得した画像を処理する画像処理部を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の分光計測システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、分光計測システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、分光計測システムとしては、例えば、次の特許文献１に被計測光を分割して複数の受光器に均一に導く光分割装置がある。
特許文献１に記載の光分割装置は、例えば、図８に示すように、多数本の光ファイバ素線を含む複数の出射端５１ｂ1，５１ｂ2，５１ｂ3を備え、各出射端５１ｂ1，５１ｂ2，５１ｂ3に導かれる多数本の光ファイバ素線を入射端５１ａにおいてランダムに束ねてなる多分割ファイバ５１と、多分割ファイバ５１の各出射端５１ｂ1，５１ｂ2，５１ｂ3に夫々配された複数の受光器５２1，５２2，５２3と、被測定面を結像させる光学系５３を有し、多分割ファイバ５１の入射端５１ａを光学系５３における非結像位置に配置しており、光学系５３によるデフォーカス効果と多分割ファイバ５１のランダム性との相乗効果により、被計測物からの光を均等に分割して受光器５２1，５２2，５２3に導くようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開昭６３−１２８２３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、特許文献１に記載の光分割装置では、被計測物の計測範囲が所定の面積を有する場合、計測範囲における光軸上の一点Ｐからの光は多分割ファイバ５１の入射端５１ａの全領域に入射するが、計測範囲における光軸から離れた周辺部からの光は多分割ファイバ５１の入射端５１ａの一部の領域にしか入射しない。この場合、多分割ファイバ５１の入射端５１ａに分光的な分布があると、被計測物の計測範囲の全領域について正確な分光計測ができない。
【０００５】
所定の面積を有する被計測物の計測範囲の全領域についての正確な分光計測を行なうためには、被計測物の計測範囲の全ての位置からの光を均一に拡散して投影する光学系が必要であり、従来、光を均一に拡散して投影する光学系としては、拡散光学系やフライアイレンズがある。
しかし、拡散光学系やフライアイレンズを用いると、光学系が大型、複雑化し、高価なものとなってしまう。
【０００６】
本発明は、このような従来の問題点に鑑みてなされたものであり、安価、小型、且つ簡易な構成でありながら、所定の面積を有する被計測物の計測範囲の全ての位置からの光を均一な拡散光として受光し、高精度に分光計測可能な分光計測システムを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため、本発明による分光計測システムは、被計測物から発した光を結像する結像光学系と、前記結像光学系の光軸に垂直な面上における、該光軸を中心とする前記被計測物の計測範囲を設定する計測範囲設定部と、受光面が前記光軸に対し垂直に設けられ、且つ、前記受光面内の全ての有効画素が、前記被計測物の計測範囲から発して前記結像光学系を通過した、該計測範囲内における全ての位置からの光束が重なる空間領域の内側に位置するように配置される、分光センサ部と、前記分光センサ部からの出力信号を取得して分光計測演算を行う分光計測部と、を有することを特徴としている。
【０００８】
また、本発明の分光計測システムにおいては、前記分光センサ部は、前記光軸に垂直な同一面内における、前記被計測物の計測範囲から発して前記結像光学系を通過した、該計測範囲内における１つの点からの光束の面積に対する前記空間領域の面積の比率が６０％以上となる、該結像光学系近傍の所定位置に配置されているのが好ましい。
【０００９】
また、本発明の分光計測システムにおいては、前記分光センサ部の前記受光面内の全ての有効画素が、４バンド以上の分光センサをタイル状に配置してなるのが好ましい。
【００１０】
また、本発明の分光計測システムにおいては、前記分光センサ部の前記受光面内の全ての有効画素が、複数種類の波長の異なる単バンドのセンサ及び／又は複数バンドの分光センサをタイル状に配置してなるのが好ましい。
【００１１】
また、本発明の分光計測システムにおいては、さらに、前記結像光学系の結像位置に配置された前記被計測物の計測範囲の画像を取得するイメージセンサと、前記イメージセンサが取得した画像を処理する画像処理部を有するのが好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、安価、小型、且つ簡易な構成でありながら、所定の面積を有する被計測物の計測範囲の全ての位置からの光を均一な拡散光として受光し、高精度に分光計測可能な分光計測システムが得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第１実施形態にかかる分光計測システムの概略構成を示す説明図である。
【図２】本発明の第２実施形態にかかる分光計測システムの概略構成を示す説明図である。
【図３】本発明の第３実施形態にかかる分光計測システムの要部構成を示す説明図である。
【図４】本発明の第４実施形態にかかる分光計測システムの要部構成を示す説明図である。
【図５】第４実施形態の一変形例にかかる分光計測システムの要部構成を示す説明図である。
【図６】上記各実施形態の分光計測システムに用いる計測範囲設定部の変形例を示す説明図で、(a)は被計測物における計測範囲を示す平面図、(b)はその一例を示す図、(c)は他の例を示す図である。
【図７】本発明の第５実施形態にかかる分光計測システムの概略構成を示す説明図である。
【図８】特許文献１に記載の光分割装置の概略構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
実施例の説明に先立ち、本発明の作用効果について説明する。
図１は本発明の分光計測システムの概略構成を概念的に示す説明図である。
本発明の分光計測システムのように、被計測物から発した光を結像する結像光学系と、受光面が光軸に対し垂直に設けられ、且つ、受光面内の全ての有効画素が、被計測物の計測範囲から発して結像光学系を通過した、計測範囲内における全ての位置からの光束が重なる空間領域の内側に位置するように配置される、分光センサ部と、分光センサ部からの出力信号を取得して分光計測演算を行う分光計測部と、を有すれば、計測範囲全体の均一な拡散光を分光センサ部の受光面内の有効画素で受光することができ、簡易な構成でありながら高精度な分光計測システムが実現できる。
【００１５】
また、本発明の分光計測システムにおいて、分光センサ部を、光軸に垂直な同一面内における、被計測物の計測範囲から発して結像光学系を通過した、計測範囲内における１つの点からの光束の面積に対する空間領域の面積の比率が６０％以上となる、結像光学系近傍の所定位置に配置すれば、結像光学系を通過して分光センサ部に入射する計測範囲全体の均一な拡散光の光量が増えるので、分光センサ部の受光面内の有効画素の受光ロスが少ない、高感度な分光計測が可能となる。
【００１６】
また、本発明の分光計測システムにおいて、分光センサ部の受光面内の全ての有効画素を、４バンド以上の分光センサをタイル状に配置して構成すれば、４バンド以上の分光センサにおける各バンドに対応する有効画素を密集した配置とすることができるので、その分、分光センサ部の受光面内の有効画素の受光ロスが少ない、高感度な分光計測が可能となる。
【００１７】
また、本発明の分光計測システムにおいて、分光センサ部の受光面内の全ての有効画素を、複数種類の波長の異なる単バンドのセンサ及び／又は複数バンドの分光センサをタイル状に配置して構成すれば、既存のセンサを任意に組み合わせて円形配置等、自由なレイアウトに配置し易く、受光面上での受光領域を増やすことができるので、その分、分光センサ部の受光面内の有効画素の受光ロスが少ない、高感度な分光計測が可能となる。
【００１８】
また、本発明の分光計測システムにおいて、さらに、結像光学系の結像位置に配置された被計測物の計測範囲の画像を取得するイメージセンサと、イメージセンサが取得した画像を処理する画像処理部を有すれば、高感度な分光計測と同時に、被計測物の計測範囲の画像を取得でき、計測範囲における被計測物の状態や計測範囲の位置を確認することが可能となる。
【００１９】
以下、本発明の実施形態を説明する。
第１実施形態
図１は本発明の第１実施形態にかかる分光計測システムの概略構成を示す説明図である。なお、図１中、１０は被計測物に対し照明光を照射する光源、２０は被計測物、３０は被計測物を載置し所定の方向に移動可能なステージである。なお、説明の便宜上、図１においては、結像光学系１の光軸Ｏに沿う方向を基準として示している。また、図１中、ｆは結像光学系１の焦点距離、Ｘｏは被計測物２０から結像光学系１の前側焦点位置までの距離、Ｘｉは結像光学系１の後側焦点位置から結像位置までの距離、Ｒｏは被計測物２０の計測範囲、Ｒｉは結像位置における像の範囲、Ｒｓは分光センサ部の受光面、Ｄｏは被計測物２０の計測範囲Ｒｏの直径、Ｄｉは結像位置における像の範囲Ｒｉの直径、Ｄｓは分光センサ部の受光面Ｒｓの直径である。
【００２０】
本実施形態の分光計測システムは、結像光学系１と、計測範囲設定部２と、分光センサ部３と、分光計測部４とを有する。
結像光学系１は、被計測物２０から発した光を結像する。
計測範囲設定部２は、被計測物２０に載置された所定形状の開口部を備えた遮光部材で構成されており、光源１０からの照明光を開口部の範囲でのみ通過させ、開口部の周囲の照明光を遮光することで、結像光学系１の光軸Ｏに垂直な面上における、光軸Ｏを中心とする被計測物２０の計測範囲Ｒｏを設定する。
分光センサ部３は、受光面Ｒｓが光軸Ｏに対し垂直に設けられ、且つ、受光面Ｒｓ内の全ての有効画素（センサ受光部）が、被計測物２０の計測範囲Ｒｏから発して結像光学系１を通過した計測範囲Ｒｏ内における全ての位置からの光束が重なる空間領域（断面が△ＡＢＧで示される円錐体形状の領域）の内側に位置するように配置されている。
分光計測部４は、分光センサ部３からの出力信号を取得して分光計測演算を行うコンピュータで構成されている。
【００２１】
このように構成された第１実施形態の分光計測装置においては、光源１０から出射した照明光は、計測範囲設定部２により被計測物２０の計測範囲Ｒｏの周囲の光が遮光され、被計測物２０の計測範囲Ｒｏに入射する。
被計測物２０の計測範囲Ｒｏからの光は、結像光学系１を経て結像位置に向かう。
このとき、例えば、図１における計測範囲Ｒｏの上端の点Ｈからの光束は、結像位置における点Ｅに結像する。また、計測範囲Ｒｏの光軸Ｏ上の点Ｋからの光束は、結像位置における点Ｊに結像する。また、計測範囲Ｒｏの下端の点Ｉからの光束は、結像位置における点Ｃに結像する。また、計測範囲Ｒｏにおけるこれらの点Ｈ，Ｋ，Ｉからの光束の全てが重なる領域は、図１における断面が△ＡＢＧで示される円錐体形状の領域となる。
【００２２】
しかるに、第1実施形態の分光計測装置では、分光センサ部３が、被計測物２０の計測範囲Ｒｏから発して結像光学系１を通過した計測範囲Ｒｏ内における全ての位置からの光束が重なる空間領域（△ＡＢＧで示される円錐体形状の領域）をセンサ配置領域としており、受光面Ｒｓ内の全ての有効画素（センサ受光部）がセンサ配置領域の内側に配置されるので、被計測物２０の計測範囲Ｒｏにおける全ての位置からの均一な拡散光が分光センサ部３に入射し、分光センサ部３の受光Ｒｓ面に配置されているセンサ受光部で受光される。分光センサ部３は、センサ受光部で受光した光を画像信号に変換して出力する。分光計測部４は、分光センサ部３が出力した信号を取得して分光計測演算を行う。
【００２３】
第1実施形態の分光計測システムによれば、分光センサ部３の受光面Ｒｓ内の有効画素に被計測物２０の計測範囲Ｒｏにおける全ての位置からの均一な拡散光が入射するので、高感度な分光計測システムが実現できる。しかも、分光センサ部３が、計測範囲Ｒｏ内における全ての位置からの光束が重なる空間領域（△ＡＢＧで示される円錐体形状の領域）の内側に位置するように、受光面Ｒｓ内の全ての有効画素（センサ受光部）を配置して構成されているので、拡散光学系やフライアイレンズを用いない安価、小型、且つ簡易な構成とすることができる。
なお、センサ配置領域内において、分光センサ部３は、結像光学系１に極力近づけて配置し、且つ、受光面Ｒｓ内の有効画素（センサ受光部）の面積を大きくするのが好ましい。そのようにすれば、被計測物２０の計測範囲Ｒｏにおける全ての位置から均一な拡散光をよりロスなく受光できるので、システムの小型化を実現しながら受光効率を向上させることができ、より高感度な分光計測が可能となる。
また、被計測物が発光体の場合は、光源１０を必要とせず、さらなるシステムの簡易化、小型化が可能となる。
【００２４】
第２実施形態
図２は本発明の第２実施形態にかかる分光計測システムの概略構成を示す説明図である。
本実施形態の分光システムでは、分光センサ部３が、光軸Ｏに垂直な同一面内における、被計測物２０の計測範囲Ｒｏから発して結像光学系１を通過した、計測範囲Ｒｏ内における１つの点からの光束の面積に対する空間領域の面積の比率が６０％以上となる結像光学系近傍１の所定位置に配置されている。以下に、より具体的な分光センサ部３の配置を説明する。
【００２５】
分光計測システムのコンパクト化を考慮すると、結像光学系１のレンズ有効径ＤＬと被写体計測範囲Ｒｏの直径Ｄｏとの関係は、
０．５ＤＬ≦Ｄｏ≦ＤＬ
を満足するのが好ましい。
そこで、例えば、Ｄｏ＝０．５ＤＬとして、仮に、光軸Ｏ上の任意の位置での、被計測物２０の計測範囲Ｒｏ内の任意の１点（例えば、点Ｋ）からの光束の径の大きさに対する、計測範囲Ｒｏ内における全ての位置からの光束が重なる空間領域（△ＡＢＧで示される円錐体形状の領域）の径の比が７５%とすると、面積比は５６．２５％となる。
分光センサ部３での受光効率を向上させるには、上記の面積比が６０％以上となる結像光学系１近傍の所定位置に、分光センサ部３の受光面Ｒｓ内に全ての有効画素（センサ受光部）を配置するのが望まれる。
【００２６】
そこで、第２実施形態の分光計測システムでは、結像光学系１のレンズ有効径ＤＬ×０．５≦被計測物２０の計測範囲Ｒｏの直径Ｄｏを満足する関係において、例えば、図２のΔＡＢＪとΔＡＢＧを、光軸Ｏを中心として回転したときにできる円錐体を、光軸Ｏ上の結像光学系１からの距離ｙの位置において光軸Ｏに垂直な面で切断したときの円ａ、ｂの面積を夫々α、βとしたとき、面積比β／αが、
６０％≦β／α
を満足する結像光学系１の近傍の所定位置に分光センサ部３を配置している。そして、分光センサ部３は、受光面Ｒｓ内において全ての有効画素（センサ受光部）を含む外接円の径が円ｂの径と一致するように、全ての有効画素（センサ受光部）を配置して構成されている。
【００２７】
第２実施形態の分光計測システムによれば、結像光学系１を通過して分光センサ部３に入射する計測範囲Ｒｏ全体の均一な拡散光の光量が増えるので、分光センサ部３の受光面Ｒｓ内の有効画素の受光ロスが少ない、高感度な分光計測が可能となる。
その他の作用効果は、第１実施形態の分光計測システムと略同じである。
【００２８】
第３実施形態
図３は本発明の第３実施形態にかかる分光計測システムの要部構成を示す説明図である。
本実施形態の分光計測システムは、分光センサ部３の受光面Ｒｓ内の全ての有効画素であるセンサ受光部３ａが、４バンド以上の分光センサをタイル状に配置して構成されている。
その他の構成は、第１実施形態の分光計測システムと略同じである。
【００２９】
第３実施形態の分光計測システムによれば、センサ受光部３ａにおいて、４バンド以上の分光センサにおける各バンドに対応する有効画素を密集した配置とすることができるので、その分、分光センサ部３の受光面Ｒｓ内の有効画素の受光ロスが少ない、高感度な分光計測が可能となる。
その他の作用効果は、第１実施形態の分光計測システムと略同じである。
【００３０】
第４実施形態
図４は本発明の第４実施形態にかかる分光計測システムの要部構成を示す説明図、図５は第４実施形態の一変形例にかかる分光計測システムの要部構成を示す説明図である。
本実施形態の分光計測システムは、図４に示すように、分光センサ部３の受光面Ｒｓ内の全ての有効画素であるセンサ受光部３ａ’が、複数種類の波長の異なる単バンドのセンサ３ａ−１’〜３ａ−ｎ’をタイル状に配置して構成されている。また、一変形例の分光計測システムは、図５に示すように、分光センサ部３の受光面Ｒｓ内の全ての有効画素であるセンサ受光部３ａ”が、複数種類の波長の異なる単バンドのセンサ３ａ−１”〜３ａ−ｎ”とＲＧＢセンサなどの複数バンドの分光センサ３ｂ−１”〜３ｂ−ｎ”を組み合わせてタイル状に配置して構成されている。
その他の構成は、第１実施形態の分光計測システムと略同じである。
【００３１】
第４実施形態の分光計測システムによれば、既存のセンサを任意に組み合わせて円形配置等、自由なレイアウトに配置し易く、受光面Ｒｓ上での受光領域を増やすことができるので、その分、分光センサ部３の受光面Ｒｓ内の有効画素の受光ロスが少ない、高感度な分光計測が可能となる。
その他の作用効果は、第１実施形態の分光計測システムと略同じである。
【００３２】
なお、上記各実施形態の分光計測システムに用いる計測範囲設定部は、図１を用いて説明したような、被計測物２０に載置された所定形状の開口部を備えた遮光部材の構成に限定されるものではない。
例えば、図６(b)に示すように、光源１０の出射位置に、照明光の光束径を限定する遮光部材を配置した構成の計測範囲設定部２’であってもよい。
また、例えば、図６(c)に示すように、光源１０の出射近傍に位置に、照明光を所定の光束径で被計測物２０に導く導光部材を配置した構成の計測範囲設定部２”であってもよい。
【００３３】
第５実施形態
図７は本発明の第５実施形態にかかる分光計測システムの概略構成を示す説明図である。
本実施形態の分光計測システムは、例えば、図１に示した第１実施形態の分光計測システムの構成に加えて、さらに、結像光学系１の結像位置に被計測物２０の計測範囲Ｒｏの画像を取得するイメージセンサ５と、イメージセンサ５が取得した画像を処理する画像処理部６を有している。
その他の構成は、図１に示した第１実施形態の分光計測システムと略同じである。
【００３４】
第５実施形態の分光計測システムでは、被計測物２０の計測範囲Ｒｏからの光で結像光学系１を通過した光のうち、計測範囲Ｒｏ内における全ての位置からの光束が重なる空間領域を通る均一な拡散光が分光センサ部３に入射し、分光センサ部３の受光面Ｒｓに配置されている受光センサで受光され、分光センサ部３で遮蔽されない光が、イメージセンサ５の撮像面に結像する。
第５実施形態の分光計測システムによれば、高感度な分光計測と同時に、被計測物２０の計測範囲Ｒｏの画像を取得でき、画像表示装置等を介して、計測範囲Ｒｏにおける被計測物２０の状態や計測範囲Ｒｏの位置を確認することができる。
その他の作用効果は、第１実施形態の分光計測システムと略同じである。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明の分光計測システムは、安価、小型、且つ簡易な構成で高精度な多バンドの分光計測が求められる分野に有用である。
【符号の説明】
【００３６】
１            結像光学系
２,２'，２”  計測範囲設定部
３            分光センサ
３ａ，３ａ’，３ａ”          センサ受光部
３ａ−１’〜３ａ−ｎ’，３ａ−１”〜３ａ−ｎ”          単バンドのセンサ
３ｂ−１”〜３ｂ−ｎ”        複数バンドの分光センサ
４            分光計測部
５            イメージセンサ
６            画像処理部
１０          光源
２０          被計測物
３０          ステージ
Ｄｏ          被計測物２０の計測範囲の直径
Ｄｉ          結像位置における像の範囲の直径
Ｄｓ          分光センサ部３の受光面の直径
ｆ            結像光学系１の焦点距離
Ｏ            結像光学系１の光軸
Ｒｏ          被計測物２０の計測範囲
Ｒｉ          結像位置における像の範囲
Ｒｓ          分光センサ部３の受光面
Ｘｉ          結像光学系１の後側焦点位置から結像位置までの距離
Ｘｏ          被計測物２０から結像光学系１の前側焦点位置までの距離
５１          多分割ファイバ
５１ａ        入射端
５１ｂ1，５１ｂ2，５１ｂ3    出射端
５２1，５２2，５２3          受光器
５３          被測定面を結像させる光学系
【図１】
2014169957.tif 000003
【図２】
2014169957.tif 000004
【図３】
2014169957.tif 000005
【図４】
2014169957.tif 000006
【図５】
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【図６】
2014169957.tif 000008
【図７】
2014169957.tif 000009
【図８】
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