(57)【要約】【課題】撮像システムが近赤外スペクトルを利用して有機物等の物質を分析、同定する場合に、分光フィルタを設定するに当たり有機物等の近赤外スペクトルの特性が考慮されていなかった。【解決手段】近赤外光の一部または全てに感度を有し、被写体からの近赤外光を受光する撮像素子と、少なくとも一部の波数帯域を異ならせて近赤外光を通過させる第１及び第２のバンドパスフィルタと、第１及び第２のバンドパスフィルタのそれぞれを介して近赤外光を受光した撮像素子から、それぞれのバンドパスフィルタに対応する波数帯域のスペクトル信号を出力する信号出力部と、それぞれのスペクトル信号に基づいて被写体を判別する判別部を備え、第１のバンドパスフィルタの波数帯域におけるピーク波数が、第２のバンドパスフィルタにおける波数帯域のピーク波数よりも低いとともに、第１のバンドパスフィルタの半値幅が第２のバンドパスフィルタの半値幅よりも狭い。【選択図】図８
2018201177.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
波数１００００ｃｍ−１から４０００ｃｍ−１の波数帯域の近赤外光の一部または全てに感度を有し、被写体からの前記近赤外光を受光する撮像素子と、
前記近赤外光を通過させる通過波数帯域の少なくとも一部が異なる第１及び第２のバンドパスフィルタと、
前記第１及び第２のバンドパスフィルタのそれぞれを介して前記近赤外光を受光した前記撮像素子から、それぞれの前記バンドパスフィルタに対応する前記通過波数帯域のスペクトル信号を出力する出力部と、
それぞれの前記スペクトル信号に基づいて前記被写体を判別する判別部を備え、
前記第１のバンドパスフィルタにおいて透過率がピークとなる波数が、前記第２のバンドパスフィルタにおいて透過率がピークとなる波数よりも低波数側にあるとともに、前記第１のバンドパスフィルタの透過特性における半値幅の幅が、前記第２のバンドパスフィルタの透過特性における半値幅の幅よりも狭い撮像装置。
【請求項２】
前記第１及び第２のバンドパスフィルタに対して、前記通過波数帯域の少なくとも一部が異なる第３のバンドパスフィルタを備え、
前記第２のバンドパスフィルタにおいて透過率がピークとなる波数が、前記第３のバンドパスフィルタにおいて透過率がピークとなる波数よりも低波数側にあるとともに、前記第２のバンドパスフィルタの透過特性における半値幅の幅が、前記第３のバンドパスフィルタの透過特性における半値幅の幅よりも狭い請求項１に記載の撮像装置。
【請求項３】
波長１．０μｍから２．５μｍの波長帯域の近赤外光の一部または全てに感度を有し、被写体からの前記近赤外光を受光する撮像素子と、
前記近赤外光を通過させる通過波長帯域の少なくとも一部が異なる第１及び第２のバンドパスフィルタと、
前記第１及び第２のバンドパスフィルタのそれぞれを介して前記近赤外光を受光した前記撮像素子から、それぞれの前記バンドパスフィルタに対応する前記通過波長帯域のスペクトル信号を出力する出力部と、
それぞれの前記スペクトル信号に基づいて前記被写体を判別する判別部を備え、
前記第１のバンドパスフィルタにおいて透過率がピークとなる波長が、前記第２のバンドパスフィルタにおいて透過率がピークとなる波長よりも長波長側にあるとともに、前記第１のバンドパスフィルタの透過特性における半値幅の幅が、前記第２のバンドパスフィルタの透過特性における半値幅よりも狭い撮像装置。
【請求項４】
前記第１及び第２のバンドパスフィルタに対して、前記通過波長帯域の少なくとも一部が異なる第３のバンドパスフィルタを備え、
前記第２のバンドパスフィルタにおいて透過率がピークとなる波長が、前記第３のバンドパスフィルタにおいて透過率がピークとなる波長よりも長波長側にあるとともに、前記第２のバンドパスフィルタの透過特性における半値幅の幅が、前記第３のバンドパスフィルタの透過特性における半値幅の幅よりも狭い請求項３に記載の撮像装置。
【請求項５】
前記第１のバンドパスフィルタにおける前記透過率のピーク値が、前記第２のバンドパスフィルタにおける前記透過率のピーク値よりも高い請求項１または３に記載の撮像装置。
【請求項６】
前記第１及び前記第２のバンドパスフィルタは、それぞれの透過特性の積分値が互いに等しくなるように、それぞれの前記ピーク値及び半値幅が設定される請求項５に記載の撮像装置。
【請求項７】
前記第１のバンドパスフィルタの前記通過波数帯域が、前記被写体の対象となる物質の第１結合音の吸収波数帯域を含むとともに、前記第２のバンドパスフィルタの前記通過波数帯域が、前記物質の第１倍音、第２結合音、第２倍音のいずれかの吸収波数帯域を含むように設定される請求項１に記載の撮像装置。
【請求項８】
前記第１のバンドパスフィルタの前記通過波数帯域が、前記被写体の対象となる物質の第１倍音の吸収波数帯域を含むとともに、前記第２のバンドパスフィルタが前記赤外光を通過させる波数帯域が、前記物質の第２結合音、第２倍音のいずれかの吸収波数帯域を含むように設定される請求項１に記載の撮像装置。
【請求項９】
前記第１のバンドパスフィルタが前記赤外光を通過させる波数帯域が、前記被写体の対象となる物質の第２結合音の吸収波数帯域を含むとともに、前記第２のバンドパスフィルタが前記赤外光を通過させる波数帯域が、前記物質の第２倍音の吸収波数帯域を含むように設定される請求項１に記載の撮像装置。
【請求項１０】
前記第１及び第２のバンドパスフィルタは、ＣＨ結合を有する物質を前記被写体の対象として前記波数帯域が設定される請求項７から９のいずれか一項に記載の撮像装置。
【請求項１１】
前記第１及び第２のバンドパスフィルタは、ＯＨ結合を有する物質を前記被写体の対象として前記波数帯域が設定される請求項７から９のいずれか一項に記載の撮像装置。
【請求項１２】
前記撮像素子は、複数の画素が２次元配列された画像を出力する請求項１または請求項３に記載の撮像装置。
【請求項１３】
前記撮像素子は、２次元的に配置された複数の画素を有し、
それぞれの前記画素は、前記第１及び第２のバンドパスフィルタのうち何れかが被覆されている請求項１２に記載の撮像装置。
【請求項１４】
波数１００００ｃｍ−１から４０００ｃｍ−１の波数帯域の一部または全ての近赤外光を、被写体から第１のバンドパスフィルタを通過して受光し、前記第１のバンドパスフィルタ    に対応する波数帯域のスペクトル信号を出力するステップと、
前記第１のバンドパスフィルタの波数帯域におけるピーク波数よりも高いピーク波数を有するとともに、前記第１のバンドパスフィルタの半値幅よりも広い半値幅を有する第２のバンドパスフィルタを通過した前記近赤外光を受光し、前記第２のバンドパスフィルタ    に対応する波数帯域のスペクトル信号を出力するステップと、
それぞれの前記スペクトル信号に基づいて前記被写体を判別するステップと、
をコンピュータに実行させるプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、撮像装置、撮像素子、画像処理装置、およびプログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
互いに中心波長が異なる非可視の３波長帯のそれぞれを可視の３原色（ＲＧＢ）に割り当てる撮像システムが知られている。
［先行技術文献］
［特許文献］
［特許文献１］国際公開番号ＷＯ２００７／０８３４３７号公報
【０００３】
この種の撮像システムは物質の構造分析、物質の同定等に利用される。しかし、撮像システムが近赤外スペクトルを利用して有機物等の物質を分析、同定する場合に、分光フィルタを設定するに当たり有機物等の近赤外スペクトルの特性が考慮されていなかった。
【発明の概要】
【０００４】
本発明の第１の態様における撮像装置は、波数１００００ｃｍ−１から４０００ｃｍ−１の波数帯域の近赤外光の一部または全てに感度を有し、被写体からの近赤外光を受光する撮像素子と、少なくとも一部の波数帯域を異ならせて近赤外光を通過させる第１及び第２のバンドパスフィルタと、第１及び第２のバンドパスフィルタのそれぞれを介して近赤外光を受光した撮像素子から、それぞれのバンドパスフィルタに対応する波数帯域のスペクトル信号を出力する出力部と、それぞれのスペクトル信号に基づいて被写体を判別する判別部を備え、第１のバンドパスフィルタの波数帯域におけるピーク波数が、第２のバンドパスフィルタにおける波数帯域のピーク波数よりも低いとともに、第１のバンドパスフィルタの半値幅が第２のバンドパスフィルタの半値幅よりも狭い。
【０００５】
本発明の第２の態様における撮像装置は、波長１．０μｍから２．５μｍの波長帯域の近赤外光の一部または全てに感度を有し、被写体からの近赤外光を受光する撮像素子と、少なくとも一部の波長帯域を異ならせて近赤外光を通過させる第１及び第２のバンドパスフィルタと、第１及び第２のバンドパスフィルタのそれぞれを介して近赤外光を受光した撮像素子から、それぞれのバンドパスフィルタに対応する波長帯域のスペクトル信号を出力する出力部と、それぞれのスペクトル信号に基づいて被写体を判別する判別部を備え、第１のバンドパスフィルタの波長帯域におけるピーク波長が、第２のバンドパスフィルタの波長帯域におけるピーク波長よりも長波長側にあるとともに、第１のバンドパスフィルタの半値幅が第２のバンドパスフィルタの半値幅よりも狭い。
【０００６】
本発明の第３の態様におけるプログラムは、波数１００００ｃｍ−１から４０００ｃｍ−１の波数帯域の一部または全ての近赤外光を、被写体から第１のバンドパスフィルタを通過して受光し、第１のバンドパスフィルタに対応する波数帯域のスペクトル信号を出力するステップと、第１のバンドパスフィルタの波数帯域におけるピーク波数よりも高いピーク波数を有するとともに、第１のバンドパスフィルタの半値幅よりも広い半値幅を有する第２のバンドパスフィルタを通過した近赤外光を受光し、第２のバンドパスフィルタに対応する波数帯域のスペクトル積分信号を出力するステップと、それぞれのスペクトル積分信号に基づいて被写体を判別するステップと、をコンピュータに実行させる。
【０００７】
なお、上記の発明の概要は、本発明の特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】デジタルカメラの構成を説明する図である。
【図２】撮像素子の各光電変換部上に配置されたバンドパスフィルタを説明する図である。
【図３】ヘプタン（ＣＨ３(ＣＨ２)５ＣＨ３）の近赤外スペクトルを示す図である。
【図４】ＥＶＯＨ中のエチレン成分の状態およびＯＨの状態の組成による変化による近赤外スペクトルの変化を説明する図である。
【図５】ＥＶＯＨ中のエチレン成分の状態およびＯＨの状態の組成による変化による近赤外スペクトルの変化を説明する図である。
【図６】有機溶媒の近赤外スペクトルの一例を示す図である。
【図７】有機溶媒の近赤外スペクトルの他の例を示す図である。
【図８】バンドパスフィルタ、および撮像素子の受光感度の一例を説明する図である。
【図９】バンドパスフィルタ、および撮像素子の受光感度の一例を説明する図である。
【図１０】バンドパスフィルタと撮像素子の受光感度によって定まる感度分布の一例を説明する図である。
【図１１】バンドパスフィルタと撮像素子の受光感度によって定まる感度分布の一例を説明する図である。
【図１２】６つの有機物の成分の近赤外におけるスペクトルを説明する図である。
【図１３】バンドパスフィルタの一例を説明する図である。
【図１４】バンドパスフィルタの他の例を説明する図である。
【図１５】デジタルカメラの画像処理に関する処理の流れを示すフロー図である。
【図１６】バンドパスフィルタの他の例を説明する図である。
【図１７】フィルタユニットの構成を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
【００１０】
図１は、本実施形態に係る撮像装置の一例としてのデジタルカメラ１０の構成を説明する図である。デジタルカメラ１０は、撮影光学系としての撮影レンズ２０と、撮像素子１００とを備える。撮影レンズ２０は、光軸２１に沿って入射する被写体光束を撮像素子１００へ導く。デジタルカメラ１０は、撮影レンズ２０および撮像素子１００に加えて、制御部２０１、Ａ／Ｄ変換回路２０２、ワークメモリ２０３、駆動部２０４、画像処理部２０５、システムメモリ２０６、メモリカードＩＦ２０７、操作部２０８、表示部２０９、およびＬＣＤ駆動回路２１０を備える。
【００１１】
なお、図示するように、撮像素子１００へ向かう光軸２１に平行な方向をＺ軸プラス方向と定め、Ｚ軸と直交する平面において紙面奥へ向かう方向をＸ軸プラス方向、紙面上へ向かう方向をＹ軸プラス方向と定める。撮影における構図との関係は、Ｘ軸が水平方向、Ｙ軸が垂直方向となる。以降のいくつかの図においては、図１の座標軸を基準として、それぞれの図の向きがわかるように座標軸を表示する。
【００１２】
撮影レンズ２０は、複数の光学レンズ群から構成され、シーンからの被写体光束をその焦点面近傍に結像させる。撮影レンズ２０は、デジタルカメラ１０に対して着脱できる交換式レンズであっても構わない。この場合には、カメラボディが撮像装置として機能する。なお、図１では撮影レンズ２０を説明の都合上、瞳近傍に配置された仮想的な１枚のレンズで代表して表している。
【００１３】
撮像素子１００は、撮影レンズ２０の焦点面近傍に配置されている。撮像素子１００は、近赤外波数帯に受光感度を有する近赤外用のイメージセンサである。近赤外波数帯は、近赤外の波長帯域に相当する波数帯域であり、具体的には、１００００ｃｍ−１から４０００ｃｍ−１の範囲である。なお、光子エネルギーは波数に比例するので、本明細書においては、波数帯域をエネルギー幅の帯域またはエネルギー領域と記す場合がある。詳しくは後述するが、波数は波長の逆数で表され、波数１００００ｃｍ−１から４０００ｃｍ−１の範囲は、波長１．０μｍから２．５μｍの範囲に対応する。本実施形態では、近赤外スペクトルの発生原理の観点から波数でバンドを表現するが、説明の便宜上、波長を用いる場合もある。なお、近赤外波数帯は上記の範囲に限定されず、例えば、１２５００ｃｍ−１から４０００ｃｍ−１の範囲を近赤外波数帯と捉えてもよい。さらに、撮像素子１００は、近赤外波数帯の全てではなく一部の範囲に受光感度を有してもよい。
【００１４】
撮像素子１００は、二次元的に配列された複数の画素を備える。複数の画素のそれぞれは、光電変換部を有し、受光した被写体光束の光量に応じた電荷を蓄積する。撮像素子１００には、それぞれの光電変換部に対応して光透過フィルタであるバンドパスフィルタが設けられる。詳しくは後述するが、本実施形態においては、３種類のバンドパスフィルタが存在し、複数の光電変換部のそれぞれには、いずれかのバンドパスフィルタが設けられている。撮像素子１００は、駆動部２０４によりタイミング制御されて、受光面上に結像された被写体像を画素信号に変換してＡ／Ｄ変換回路２０２へ出力する。撮像素子１００から出力される画素信号は、バンドパスフィルタに対応する波数帯域で積分されたスペクトル信号を示しており、撮像素子１００は、その出力部分が、スペクトル信号（画素信号）を出力する出力部として機能する。
【００１５】
Ａ／Ｄ変換回路２０２は、撮像素子１００が出力する画素信号をデジタル信号に変換する。そして、デジタル変換により得られた撮像データをワークメモリ２０３へ出力する。なお、このデジタル信号も上記のスペクトル信号を示しているため、Ａ／Ｄ変換回路２０２が、スペクトル信号を出力する出力部として機能してもよい。制御部２０１は、撮像素子１００が出力する画素信号、すなわち複数の光電変換部のそれぞれが出力する画素信号に応じた撮像データを、出力元の光電変換部に設けられたバンドパスフィルタを示すフィルタ識別情報および出力元の画素を示す画素識別情報に関連付ける。そして、メモリカードＩＦ２０７に装着されているメモリカード２２０に記録する。このように、画素毎に撮像データをフィルタ識別情報および画素識別情報に関連付けて記憶しておけば、他の画像処理装置で後述する画像処理を行うことにより、画像データを生成することができる。また、制御部２０１は、判別部として機能し、ワークメモリ２０３から出力された撮像データに基づいて被写体を判別する。被写体の判別方法については後述する。
【００１６】
画像処理部２０５は、ワークメモリ２０３をワークスペースとして種々の処理を施し、画像データを生成する。具体的には、３種類のバンドパスフィルタの波数帯域のそれぞれに互いに異なる可視帯域を割り当てることにより、近赤外波数帯域に基づく画素信号を可視波数帯域に変換して画像データを生成することができる。可視波数帯域としてＲＧＢを割り当てれば、あたかも可視波数帯域に受光感度を有する撮像素子と、ＲＧＢのカラーフィルタとを備えたデジタルカメラで撮影したかのように、カラー画像データを得ることができる。生成された画像データは、ＬＣＤ駆動回路２１０により表示信号に変換され、表示部２０９に表示される。表示部２０９には、各種設定のためのメニュー画面も表示される。また、生成された画像データは、メモリカードＩＦ２０７に装着されているメモリカード２２０に記録される。
【００１７】
システムメモリ２０６は、デジタルカメラ１０を制御するプログラム、各種パラメータなどを記録する。本実施形態においては、画素毎に画素識別情報とフィルタ識別情報とを関連付けて記憶している。なお、一連の撮影シーケンスは、操作部２０８がユーザの操作を受け付けて、制御部２０１へ操作信号を出力することにより開始される。
【００１８】
図２は、撮像素子１００の各光電変換部上に配置されたバンドパスフィルタの説明図である。３種類のバンドパスフィルタのそれぞれは、被写体光束のうち近赤外波数帯域の一部を通過させる。ただし、通過させる波数帯域は、３種類のバンドパスフィルタで少なくとも一部の波数帯域が互いに異なる。図示されるように、本実施形態においては、３種類のバンドパスフィルタとしてＩＲ１フィルタ、ＩＲ２フィルタ、およびＩＲ３フィルタが設けられている。より詳細には、ＩＲ１フィルタが設けられた列、ＩＲ２フィルタが設けられた列、およびＩＲ３フィルタが設けられた列が、この順に繰り返し配置されている。なお、バンドパスフィルタの配置は、本例に限られない。また、本実施形態では、３種類のバンドパスフィルタを用いているが、少なくとも２種類のバンドパスフィルタがあれば、フルカラーではないもののカラー画像データを生成することが可能であり、また、後述する被写体の判別も可能である。２種類のバンドパスフィルタを用いる場合、たとえば、撮像素子１００の各光電変換部上にＩＲ１フィルタ、ＩＲ２フィルタが交互に配置されている構成であればよい。
【００１９】
撮像素子１００の全体としては、２次元的に配列された複数の画素のそれぞれが離散的にＩＲ１フィルタ、ＩＲ２フィルタ、およびＩＲ３フィルタのいずれかを備えることになる。したがって、撮像素子１００は、入射する被写体光束をそれぞれの波数帯域に分離して検出すると言える。換言すれば、撮像素子１００は、受光面に結像する被写体像を近赤外波数帯域であって互いに異なる３つの波数帯域に分離して光電変換する。
【００２０】
以上説明したように、本実施形態に係るデジタルカメラ１０は、近赤外波数帯域の被写体光束を撮像する撮像装置である。ここで、非特許文献１（岩本令吉著、「近赤外スペクトル法」（講談社サイエンティフィク、２００８年））には、近赤外光のスペクトルと物質分析との関係が示されている。特に、近赤外光（１．０μｍから２．５μｍ）に関しては、物体の吸収スペクトルを分析すると、従来の赤外（２．５μｍから２５μｍ）スペクトル法、あるいはラマン分光よりも、物質同定能力の利用価値が存在する可能性も指摘されている。
【００２１】
＜赤外スペクトル分光＞
有機高分子化合物における、分子振動の基準振動エネルギーは、赤外光の波数帯域である４０００ｃｍ−１から４００ｃｍ−１（２．５μｍから２５μｍ）の範囲にあたる。したがって、赤外線の吸収スペクトルを観測すれば、有機高分子化合物の構造を分析し同定することができる。分子振動は、有機物のＣＨ２結合やＯＨ結合のような特定の原子グループが集団で振動モードを形成することにより、グループ固有の吸収スペクトルを持つ。これをグループ振動あるいはグループ吸収と呼ぶ。グループ吸収はいろいろな化合物で似た吸収波数（吸収エネルギー）をもつが、化合物の吸収波数や吸収強度は、原子グループの周辺構造によって微妙に変化する。これが、赤外線の吸収スペクトルを物質の構造分析に使える根拠となっており、赤外スペクトルの吸収スペクトルのピークの立つ位置と強度のスペクトル形状とから、データベースとの比較により物質の同定を可能にする。赤外スペクトルは、基準振動エネルギーの位置に、極めて孤立したピークが立つ様相を示す。
【００２２】
分子振動の吸収スペクトルのエネルギー準位の遷移は、調和振動子の量子化エネルギーとして解釈される。分子が伸縮する場合に、原子同士が近づきすぎると原子間を離そうとする力が働き、原子同士が離れすぎると共有結合を維持しようと戻す力が働く。振動のポテンシャルエネルギーは、分子振動のない状態の基底状態の平衡点近傍で２次関数として表される。したがって、調和振動子モデルのエネルギー準位が形成され、基準振動は±１のエネルギー準位遷移に相当する。すなわち、次式で現すことができる。
2018201177.tif 000003
ここで、ｎｉは量子数、
2018201177.tif 000004
は量子化エネルギーを表す。なお、
2018201177.tif 000005
である。これが赤外吸収スペクトルとして現れる。
【００２３】
なお、光の吸収エネルギーＥ、吸収波数ω（＝２πν)、吸収波長λの間には次の関係がある。波数ｋはｃｍ−１（１０２ｍ−１）の単位で、波長λはμｍの単位で記述される。
2018201177.tif 000006
【００２４】
分子振動には、複数の異なる振動モードがある。例えば、ＣＨ２結合の場合、分子振動は、２つのＣＨ結合が同時に伸び縮みする対称伸縮や一方が伸びてもう一方が縮む反対称伸縮の伸縮モードの振動波数を表す伸縮振動ν（ＣＨ）と、２本のＣＨ結合がハサミのように振動したり、同じ方向に回転したりするように揺れて横揺れする振動モードの振動波数を表す変角振動δ（ＣＨ）という部類に分けられる。それぞれの振動で異なるエネルギー準位をとるが、エネルギー準位の近接度合から、大まかには伸縮振動の部類と変角振動の部類に分けられる。
【００２５】
＜近赤外スペクトル分光＞
有機高分子化合物の赤外吸収スペクトルは、上述の調和振動子モデルで記述されたが、近赤外吸収スペクトルは、１つの量子遷移しか許されない調和振動子モデルでは記述できない。近赤外吸収スペクトルは、２つ以上の振動が同時に励起される非調和振動子モデルによって記述される。原子間の結合距離が平衡点から近づきすぎたり、遠ざかりすぎたりすると、原子間の伸縮振動のポテンシャルエネルギーは、２次関数のポテンシャルエネルギーからずれる。原子間の伸縮振動のポテンシャルエネルギーは、モース関数により、ある程度正確に表すことができる。モース関数では、原子間距離が近づきすぎると２次関数よりも大きなポテンシャル障壁となり、離れすぎると２次関数よりも小さなポテンシャル障壁となり、平衡点から離れるほどその励起エネルギーが高くなる。すなわち、平衡点から離れるほど非調和性が強くなり、２量子以上の同時遷移が非調和項によって誘起される。このモース関数の形の違いが、物質によって異なるので、近赤外スペクトルには物質による違いが大きく現れる。
【００２６】
分子振動には、幾つかの伸縮振動のモードと幾つかの変角振動のモードの基準振動が存在すると述べたが、ポテンシャルエネルギーの非調和性により、互いの独立性がなくなり、両者が相互作用した混合状態を作るようになる。ν（ＣＨ）振動は対称および反対称という２つの基準振動成分を持ち、δ（ＣＨ）はハサミ、ねじれ、縦揺れおよび横揺れという４つの基準振動成分を持つが、これらが混合すると、多くの結合音成分が近赤外スペクトルとして重なるように現れる。
【００２７】
近赤外スペクトルにおける２量子以上の同時遷移（２つ以上の振動モードの同時励起）は、次のような群で命名、解釈される。すなわち、同じ振動モード同士の２量子遷移を倍音、異なる振動モード同士の２量子遷移を結合音と呼び、遷移量子数が１つ増えるに従い、その次数が高くなる。具体的には、ν＋δを第１結合音の振動エネルギー、２νおよび２δのそれぞれを第１倍音の振動エネルギーと呼ぶ。２ν＋δおよびν＋２δのそれぞれを第２結合音の振動エネルギー、３νおよび３δのそれぞれを第２倍音の振動エネルギーと呼ぶ。
【００２８】
なお、次数が１つ増えるたびに、吸収確率は１／１０から１／５０のオーダーで減る。したがって、高エネルギー側（短波長側）ほど吸収スペクトルのピークは小さくなる。それと同時に、近赤外吸収スペクトルは、高エネルギー側ほどブロードになる事実がある。すなわち、高エネルギー側ほどピークが立たず、広いエネルギー範囲に渡って吸収エネルギーが緩やかに推移する。
【００２９】
本願の発明者はこの事実を次のように解釈する。すなわち、分子振動が激しくなって、平衡点からのずれが大きくなり、モース関数による非調和性が大きくなるに従い、高次励起の振動状態がこの非調和項によって基準振動間で更に多数の混合状態を形成し、一種のエネルギーバンド構造を形成するに至る。非特許文献１では、この考えとは異なる解釈で説明されている。すなわち、セクション１．２．２に記述されるように、高励起状態では混合状態であるカップリングモードは形成されず、１つ１つの振動モードが独立に振動するローカルモードに移行し、振動モードが著しく単純化すると述べている。しかしながら、何れの解釈にしても、結合音、倍音の吸収の次数が小さい間は、基準振動モードのエネルギー準位差の足し算で解釈できるようなピークが立ちやすく、次数が高くなるに従い基準振動モードのエネルギー準位差の足し算では解釈できないブロードな吸収スペクトルとなる性質を持つ。
【００３０】
＜フィルタ設計の基本方針＞
本実施形態においては、物質の近赤外吸収スペクトルを微小なエネルギー区間を順次スキャンして分析するのではなく、３種類の分光フィルタを用いてスペクトル積分された３成分の信号出力を得ることにより分析する。ここで言う分光フィルタとは、バンドパスフィルタと撮像素子１００の受光感度とによって定まるフィルタである。分光フィルタの受光感度は、バンドパスフィルタと撮像素子１００の受光感度との合成系の受光感度、すなわち、バンドパスフィルタと撮像素子１００の受光感度との掛け算により算出される受光感度のことを指す。詳しくは後述するが、信号出力を得るに当たり、有機物の物質や生体の状態の違いを区別し易いように、３種類の分光フィルタを設計する。そして、これらの信号出力から物質の違いを反映した視覚的な２次元分布画像を得る。なお、上述したように、本実施形態においては、撮像素子１００は近赤外波数帯の全体に受光感度を持つ。近赤外波数帯の全体にわたり略一定の受光感度を持つのであれば、バンドパスフィルタの通過波数帯を変化させることにより、分光フィルタの受光感度を変化させることができる。
【００３１】
そのような状況で、前述の有機高分子化合物の近赤外吸収スペクトルにおける個別物質単位の性質を考えると、スペクトル積分する分光フィルタの設計として、以下のように設定することが最適と考えられる。すなわち、近赤外線のエネルギー領域において、低エネルギー側では低次の結合音および倍音のスペクトルのピーク形状の違いを捉えるために狭いエネルギー範囲を積分するバンドパスフィルタを割り当て、高エネルギー側では高次の結合音および倍音のスペクトルのブロードな形状の違いを捉えるために広いエネルギー範囲を積分するバンドパスフィルタを割り当てる。すなわち、赤外線に近い側では狭いバンドパスフィルタを、可視光に近い側では広いバンドパスフィルタを割り当てる。このように割り当てると、低エネルギー側では、吸収スペクトルのピーク位置が重なるか否かで、その信号出力が出るか出ないかの情報が得られ、高エネルギー側では、吸収スペクトルのブロードな形状の積分量が、低エネルギー、あるいは中間エネルギー側の出力値に比べてどの程度出力されるかによって、高エネルギー側のスペクトル情報が反映されることになる。
【００３２】
言い換えると、近赤外吸収スペクトルにおいて離散的に現れる低エネルギー側ほど分解能の高いバンドパスフィルタを用い、連続的に現れる高エネルギー側ほど分解能の低いバンドパスフィルタを用いて、スペクトル積分による情報圧縮の影響を最小化する。これにより、スペクトル積分されたマルチバンドの信号出力の差異から、有機物、水分等の物質の検出、あるいは同定の分析能力を高めることができる。
【００３３】
具体的には、制御部２０１は、それぞれのバンドパスフィルタを用いてスペクトル積分された信号出力と、システムメモリ２０６に予め記録されている、物質ごとのスペクトル情報や分光フィルタ情報に基づいて算出される積分値とを比較することによって物質を判別する。この際、近赤外のエネルギー領域における低エネルギー側から高エネルギー側までのスペクトルの形状を考慮して判別することにより、物質ごとに異なるスペクトル形状の違いを判別する精度を高めることができる。なお、制御部２０１は、上述したように、それぞれの近赤外波数帯域に基づく画素信号を可視波数帯域に変換して画像データを生成したうえで、物質を判別してもよい。
【００３４】
なお、強度が波数帯域ごとにほぼ一定の光を同じ露光時間で受光する場合、高エネルギー側の広いエネルギーバンドを範囲とするバンドパスフィルタが設けられた画素の方が、低エネルギー側の狭いエネルギーバンドを範囲とするバンドパスフィルタが設けられた画素よりも飽和光量に達する時間が早い。そこで、画素によって飽和してしまうことを防ぐため、各バンドパスフィルタの透過率は、同一露光時間で各画素が受光する受光量が同程度となるように設定することが好ましい。具体的には、低エネルギー側の狭いエネルギーバンドを範囲とするバンドパスフィルタの方が、高エネルギー側の広いエネルギーバンドを範囲とするバンドパスフィルタよりも最大透過率を高く設定する。これにより、一定時間で各画素が受光する受光量の差がなくなる。換言すれば、広いエネルギーバンドを範囲とするバンドパスフィルタが設けられた画素と、狭いエネルギーバンドを範囲とするバンドパスフィルタが設けられた画素は、受光フォトン数がほぼ等しい。なお、ほぼ等しいとは、種々の誤差やばらつきを含んで実質的に等しいという意味である。
【００３５】
＜単物質の近赤外スペクトル＞
図３は、有機化合物の代表的な（ＣＨ２）結合の連鎖からなるヘプタン（ＣＨ３(ＣＨ２)５ＣＨ３）の近赤外スペクトルを示す図である。横軸は波数［ｃｍ−１］を示し、縦軸は吸光度を示す。図３では、１００００ｃｍ−１から４５００ｃｍ−１の波数帯域の縦軸を１８倍に拡大した近赤外スペクトルを併記している。なお、本明細書における吸光度は、透過率（Ｉ／Ｉ０）の逆数の常用対数（ｌｏｇ（Ｉ０／Ｉ））で表される。ここで、Ｉ０は原試料に光を入射させたときの入射光の強度であり、Ｉは透過光の強度である。
【００３６】
図示されるように、４５００ｃｍ−１から３５００ｃｍ−１の波数帯域には、第１結合音ν（ＣＨ）＋δ（ＣＨ）のピーク形状を残した吸収スペクトルが現れ、５５００ｃｍ−１から４５００ｃｍ−1の波数帯域には、第２結合音ν（ＣＨ）＋２δ（ＣＨ）のブロードな吸収スペクトルが現れ、６０００ｃｍ−１から５５００ｃｍ−１の波数帯域には、第１倍音２ν（ＣＨ）のピーク形状を残した吸収スペクトルが現れる。更に高エネルギー側の７４００ｃｍ−１から６８００ｃｍ−１の波数帯域には、第２結合音２ν（ＣＨ）＋δ（ＣＨ）の不明瞭な吸収帯が現れ、８５００ｃｍ−１から８０００ｃｍ−１の波数帯域には、第２倍音３ν（ＣＨ）の不明瞭な吸収帯が現れる。
【００３７】
図４および図５は、疎水性のエチレン（ＣＨ２ＣＨ２）と親水性のビニルアルコール（ＣＨ２ＣＨＯＨ）の共重合体（ＥＶＯＨ）の疎水性のビニル成分の割合を変化させた吸収スペクトルを示す。より詳細には、図４（ａ）がＥＶＯＨ３３の近赤外スペクトルを示し、図４（ｂ）がＥＶＯＨ４９の近赤外スペクトルを示す図である。図５（ａ）がＥＶＯＨ７５の近赤外スペクトルを示し、図５（ｂ）がＥＶＯＨ８９の近赤外スペクトルを示す図である。各図において、横軸は波数［ｃｍ−１］を示し、縦軸は吸光度を示す。図４（ａ）では、１００００ｃｍ−１から６０００ｃｍ−１の波数帯域の縦軸を５倍に拡大した近赤外スペクトルを併記し、図４（ｂ）では、１００００ｃｍ−１から６０００ｃｍ−１の波数帯域の縦軸を９倍に拡大した近赤外スペクトルを併記している。図５（ａ）では、１００００ｃｍ−１から６０００ｃｍ−１の波数帯域の縦軸を１０倍に拡大した近赤外スペクトルを併記し、図５（ｂ）では、１００００ｃｍ−１から６０００ｃｍ−１の波数帯域の縦軸を１１倍に拡大した近赤外スペクトルを併記している。なお、ＥＶＯＨの末尾の数字は、エチレン組成の含有率（％）を表す。
【００３８】
吸収スペクトルの主な分類は以下のように考えられる。４５００ｃｍ−１から３７００ｃｍ−１の波数帯域には、ＣＨ基の第１結合音ν（ＣＨ）＋δ（ＣＨ）の吸収スペクトルが現れる。波数４７８０ｃｍ−１近辺における吸収は、ＯＨ基の第１結合音ν（ＯＨ）＋δ（ＯＨ）によるものである。波数５８００ｃｍ−１から５６００ｃｍ−１付近の吸収は、ＣＨ基の第１倍音２ν（ＣＨ）に該当する。波数６３００ｃｍ−１と６７００ｃｍ−１付近のＥＶＯＨ３３のブロードな吸収帯は、ＯＨ基の第１倍音２ν（ＯＨ）に該当する。７２００ｃｍ−１から７０００ｃｍ−１付近の波数帯域は、ＣＨ基の第２結合音２ν（ＣＨ）＋δ（ＣＨ）に該当する。８５００ｃｍ−１から７８００ｃｍ−１の波数帯域の吸収帯は、ＣＨ基の第２倍音３ν（ＣＨ）に相当する。ＯＨ基の濃度が増えたＥＶＯＨ３３で、次数の低いＯＨ基の第１結合音と第１倍音が、ＣＨ基の第１結合音と第１倍音に比べてブロードな吸収帯を持つのは、ＯＨ基が分子単独で結合状態を作るのではなく、密に存在する周りの分子のＯＨ基とも会合することによって、より複雑な混合状態を作るからと考えられる。すなわち、分子振動の状態混合によってエネルギーバンド化する、ということもできる。
【００３９】
図６は、有機溶媒の近赤外スペクトルの一例を示す図である。図６（ａ）は、トルエンの近赤外スペクトルを示し、図６（ｂ）は、３−デカノンの近赤外スペクトルを示す。各図において、横軸は波数［ｃｍ−１］を示し、縦軸は吸光度を示す。各図において、１００００から６５００ｃｍ−１波数帯域の縦軸を２０倍に拡大した近赤外スペクトルを併記している。
【００４０】
図７は、有機溶媒の近赤外スペクトルの他の例を示す図である。図７（ａ）は、シクロヘキサンの近赤外スペクトルを示し、図７（ｂ）は、シクロペンテンの近赤外スペクトルを示す。各図において、横軸は波数［ｃｍ−１］を示し、縦軸は吸光度を示す。図７（ａ）では、１００００ｃｍ−１から６５００ｃｍ−１の波数帯域の縦軸を１８倍に拡大した近赤外スペクトルを併記し、図７（ｂ）では、１００００ｃｍ−１から６５００ｃｍ−１の波数帯域の縦軸を２２倍に拡大した近赤外スペクトルを併記している。
【００４１】
図６および図７に示されるように、有機溶媒の近赤外スペクトルは、相互に似た特徴を持つ。特に、ＣＨ基の第１結合音ν（ＣＨ）＋δ（ＣＨ）が基本音振動の性質を保持し、構造に大きく影響する。このことから、第１結合音ν（ＣＨ）＋δ（ＣＨ）の吸収は、有機高分子化合物の構造分析に有効であると言える。ただし、近赤外スペクトルの詳細は、化学構造によって変化する。
【００４２】
トルエンは、ベンゼン環の一つのＨがＣＨ３で置換されている。ベンゼン環のＣＨ振動の結合音および倍音が主要吸収を占める。図６（ａ）に示されるように、４０３６ｃｍ−１付近に強い、シャープな吸収がある。図６（ｂ）に示されるように、３−デカノンでは、４３４０ｃｍ−１付近に強い、シャープな吸収がある。図７（ａ）に示されるように、シクロヘキサンでは、４２６２ｃｍ−１付近に強い、シャープな吸収がある。図７（ｂ）に示されるように、シクロペンテンでは、４３２９ｃｍ−１および４２５５ｃｍ−１付近に強い、シャープな吸収がある。
【００４３】
＜実施例１＞
―エネルギースペクトル表示におけるフィルタ特性１―
ここでは、近赤外域の全域を３バンドに分割する場合を説明する。図３から図７に示した物質は、相互に似た特徴を持つ。したがって、図３から図７に示した物質の近赤外スペクトルに合わせて分光フィルタを決定することにより、これらの物質の有無を見分けることができる。図８、図９および図１０を用いて、図３から図７に示した物質を見分けるのに適した３バンドの分光フィルタの一例を説明する。
【００４４】
図８および図９は、バンドパスフィルタ、および撮像素子１００の受光感度の一例を説明する図である。図８（ａ）および図９（ａ）は、バンドパスフィルタの一例を説明する図である。横軸は波数［ｃｍ−１］を示し、縦軸は透過率［％］を示す。波数４０００ｃｍ−１付近をピーク波数として、半値幅±１００から±２００ｃｍ−１程度の狭いバンドパスフィルタとしてＩＲ１フィルタを割り当てる。これにより、当該波数帯において、ＣＨ基の第１結合音ν（ＣＨ）＋δ（ＣＨ）の吸収スペクトルの有無を調べることができ、結果として、図３から図７に示した物質の有無を見分け易くなる。ここで、半値幅は、最大透過率の５０％となる透過率における透過率曲線の幅である。図８（ａ）および図９（ａ）に示すように、単峰性かつ対称性を有するバンドパスフィルタの場合、最大透過率を有するピーク波長を中心波長としてそこからの＋側の幅と−側の幅を示している。なお、半値幅は、これに限らず、例えば、透過率が５０％における透過率曲線の幅を示してもよい。
【００４５】
次に、波数５０００ｃｍ−１付近をピーク波数として、半値幅±５００から±１０００ｃｍ−１程度の中程度のバンドパスフィルタとしてＩＲ２フィルタを割り当てる。これにより、当該波長帯において、ＯＨ基の第１結合音ν（ＯＨ）＋δ（ＯＨ）のような吸収帯が反応するかを調べることができる。
【００４６】
そして、波数７８００ｃｍ−１付近をピーク波数として、半値幅±２０００から２５００ｃｍ−１程度の広帯域のバンドパスフィルタとしてＩＲ３フィルタを割り当てる。これにより、高次励起の吸収スペクトルの違いを広く反映させることができる。
【００４７】
バンドパスフィルタは、酸化チタン（TiO3）、酸化シリコン（SiO2）、ニオブ（Nb2O5）、タンタル（Ta2O5）フッ化マグネシウム（MgF2）等の材料が用いられ、真空蒸着法やスパッタ法等の公知の成膜方法によってガラス基板に上記の材料を成膜することで形成される。バンドパスフィルタは、屈折率の高い材料と低い材料で交互に膜を重ね合わせて成膜することで、光の干渉により特定の波長を透過させたり反射させたりすることが可能になる。そして、透過率がピークとなる波数（ピーク波数）およびその透過率、さらに半値幅が所望の値を有する分光特性となるように、最適化計算によって積層する膜の層数、および各々の膜の材料、厚さが決定される。すなわち、バンドパスフィルタのピーク波数とその透過率、および半値幅は、成膜する膜の層数、材料、厚さの組み合わせによって決定される。なお、最適化計算の際には、光を透過させる所望の分光特性以外の波数帯域、すなわち、光を透過させない阻止波数帯域で出来るだけ透過率を有さないように層数、材料、膜厚が決定される。阻止波数帯域の透過率は１％以下になることが望ましいが、これに限らない。
【００４８】
図８（ｂ）および図９（ｂ）は、撮像素子１００の受光感度の一例を説明する図である。横軸は波数［ｃｍ−１］を示し、縦軸は受光感度を示す。ここでは、最大感度波数での受光感度を１００として正規化した場合を示す。図８（ｂ）では、撮像素子１００は、近赤外波数帯域の全域にわたり、一定の受光感度を有する。一方、図９（ｂ）では、撮像素子１００は、近赤外波数帯域の全域にわたり、全体的に略一定の受光感度を有する。なお、説明を簡単にするべく、受光感度が１００の場合には、変換効率は１００％であるとする。既に説明したフィルタ設計の一例が、図８に示すものである。また、後述の実施例２では、図８で説明したフィルタ設計とは異なるフィルタ設計を説明する。
【００４９】
図１０は、図９に示したバンドパスフィルタと撮像素子１００の受光感度によって定まる感度分布の一例を説明する図である。横軸は波数［ｃｍ−１］を示し、縦軸は受光感度を示す。図示されるように、ＩＲ３フィルタと撮像素子１００の受光感度によって定まる感度分布は、図９（ａ）に示したＩＲ３フィルタの透過分布と一致する。すなわち、ＩＲ３フィルタと撮像素子１００の受光感度によって定まる感度分布の波数帯域に対する半値幅ｗｉｄ３'は、ＩＲ３フィルタの透過分布の波数帯域に対する半値幅ｗｉｄ３と一致する。同様に、ＩＲ２フィルタと撮像素子１００の受光感度によって定まる感度分布は、図９（ａ）に示したＩＲ２フィルタの透過分布と一致する。すなわち、ＩＲ２フィルタと撮像素子１００の受光感度によって定まる感度分布の波数帯域に対する半値幅ｗｉｄ２'は、ＩＲ２フィルタの透過分布の波数帯域に対する半値幅ｗｉｄ２と一致する。
【００５０】
一方、ＩＲ１フィルタと撮像素子１００の受光感度によって定まる感度分布は、図９（ａ）に示したＩＲ１フィルタの透過分布と一致しない。すなわち、ＩＲ１フィルタと撮像素子１００の受光感度によって定まる感度分布の波数帯域に対する半値幅ｗｉｄ１'は、ＩＲ１フィルタの透過分布の波数帯域に対する半値幅ｗｉｄ１と一致しない。撮像素子１００が４０００ｃｍ−１を超える波数帯域に受光感度を有しないので、ＩＲ１フィルタと撮像素子１００の受光感度との掛け算により算出される受光感度は、４０００ｃｍ−１を超える波数帯域では０になるからである。結果として、半値幅ｗｉｄ１'は、半値幅ｗｉｄ１よりも狭くなる。
【００５１】
図示されるように、半値幅ｗｉｄ２'は、半値幅ｗｉｄ１'よりも広く、半値幅ｗｉｄ３'よりも狭い。換言すると、分光フィルタの半値幅は、低波数側ほど狭くなる。なお、実際には変換効率は１００％ではないが、撮像素子１００が近赤外波数帯域の全域にわたり全体的に略一定の受光感度を有するのであれば、半値幅ｗｉｄ１'、半値幅ｗｉｄ２'、および半値幅ｗｉｄ３'の関係は維持される。以上のような半値幅に関する条件を満たすことにより、有機高分子化合物の構造分析に有効な分光フィルタを設定することができる。なお、観察対象の有機高分子化合物が予め決まっていれば、当該有機高分子化合物に合わせて分光フィルタを設計してもよい。例えば、３−デカノンを観察する場合には、４３４０ｃｍ−１付近に通過波数帯域のピークが来るように、ＩＲ１フィルタを割り当てるとよい。なお、実施例１では、観測しないエネルギー帯がないように相互の分光フィルタが互いに重なるように設計したが、相互の分光フィルタは互いに重ならずに離散的であってもよい。この場合には、特定のエネルギー吸収帯が見分け易くなる。なお、図８に示した例においては、３種類の分光フィルタの感度分布のそれぞれは、対応するバンドフィルタの透過分布と一致する。
【００５２】
＜実施例２＞
―エネルギースペクトル表示におけるフィルタ特性２―
ここでは、近赤外域の一部を３バンドに分割する場合を説明する。具体的には、近赤外波数帯域の低エネルギー側を、カバーする範囲から除いた場合を説明する。
【００５３】
図１１は、バンドパスフィルタと撮像素子１００の受光感度によって定まる感度分布の一例を説明する図である。横軸は波数［ｃｍ−１］を示し、縦軸は受光感度を示す。撮像素子１００の受光感度は、図９（ｂ）で説明した通りである。図示されるように、近赤外域の低エネルギー側の５３００ｃｍ−１から４０００ｃｍ−１付近の領域を除いた場合の３バンドの分光フィルタの例が示される。本実施例においては、３種類の分光フィルタの感度分布のそれぞれは、対応するバンドフィルタの透過分布と一致する。
【００５４】
波数５８００ｃｍ−１付近には、半値幅±１００から±２００ｃｍ−１程度の狭いバンドパスフィルタとしてＩＲ１フィルタを割り当てる。これにより、ＣＨ基の第１倍音２ν（ＣＨ）の吸収スペクトルの有無を調べられるようにする。次に、波数６８００ｃｍ−1付近には、半値幅±５００ｃｍ−１程度の中程度のバンドパスフィルタとしてＩＲ２フィルタを割り当てる。これにより、ＯＨ基の第１倍音２ν（ＯＨ）の吸収スペクトルとＣＨ基の第１結合音ν（ＣＨ）＋δ（ＣＨ）の吸収スペクトルの有無を調べられるようにする。最後に、波数８８００ｃｍ−１付近を中心として、半値幅±１０００ｃｍ−１程度の広帯域のバンドパスフィルタとしてＩＲ３フィルタを割り当てる。これにより、ＣＨ器の第２倍音３ν（ＣＨ）等のその他の分子振動の高次励起による吸収帯の性質を調べることができる。図１１の例においても、ｗｉｄ２'は、半値幅ｗｉｄ１'よりも広く、半値幅ｗｉｄ３'よりも狭い。すなわち、３つの分光フィルタによってカバーされる波数帯域が近赤外波数帯域の全域か否かに関わらず、分光フィルタの半値幅は、低波数側ほど狭い。
【００５５】
なお、実施例１、２では、近赤外スペクトルの発生原理に照らし合わせて、エネルギースペクトルの観点から分光フィルタのバンド幅を論じた。しかし、波長スペクトルの観点から分光フィルタのバンド幅が論じられることもしばしばある。分光フィルタの透過率特性が単峰性かつ対称性を有する場合、波数帯域におけるバンドパスフィルタのピーク波数をＥａとすると、バンドパスフィルタの半値幅δＥａの両端の点はそれぞれＥａ＋ａ、Ｅａ−ａとなる。バンドパスフィルタの半値幅δＥａは２ａで表すことができる。ここで、ａは波数帯域の幅を示す定数である。波数と波長は逆数の関係にあるので、波長帯域におけるバンドパスフィルタのピークλａは１／Ｅａとなり、半値幅δλａの両端の点はそれぞれ１／（Ｅａ−ａ）、１／（Ｅａ＋ａ）となる。そうすると、半値幅δλａは、以下の式で表される。
2018201177.tif 000007
半値幅に限らず、波長に関する分光フィルタのバンド幅は、式１の関係から、次式で表すことができる。ここで、δkはエネルギーのバンド幅、δλは波長のバンド幅を表す。ｋは波数である。なお、ここでは、バンド幅の両点の差を取る順序を入れ替えたので、δｋの符号とδλの符号が反転している。
2018201177.tif 000008
【００５６】
したがって、既に説明した図３の波数１００００ｃｍ−１は、波長１．０μｍに相当する。同様に、波数８０００ｃｍ−１は波長１．２５μｍに相当し、波数６０００ｃｍ−１は波長１．６７μｍに相当し、波数４０００ｃｍ−１は波長２．５μｍに相当する。したがって、波数１００００ｃｍ−１から８０００ｃｍ−１の区間は、波長１．０μｍから１．２５μｍの区間に相当する。同様に、波数８０００ｃｍ−１から６０００ｃｍ−１の区間は波長１．２５μｍから１．６７μｍの区間に、波数６０００ｃｍ−１から４０００ｃｍ−１の区間は波長１．６７μｍから２．５μｍの区間に相当する。
【００５７】
＜実施例３＞
―波長スペクトル表示におけるフィルタ特性１―
実施例３は、実施例１、２の概念を積極的に利用し、波長スペクトルで表した場合でも３バンドの分光フィルタの関係が、長波長側で狭く、短波長側で広くなるように設定した例である。撮像素子１００の受光感度は、図９（ｂ）で説明した通りである。なお、既に説明したように、撮像素子１００が近赤外波数帯域の全域にわたり全体的に略一定の受光感度を有する場合には、近赤外波数帯域に割り当てられたバンドパスフィルタでの半値幅の大小関係は、分光フィルタでの半値幅の大小関係と一致する。すなわち、バンドパスフィルタにより、バンドパスフィルタと撮像素子１００の受光感度によって定まる感度分布が決定される。したがって、以下では、説明を簡単にするために、バンドパスフィルタの波長帯域について説明する。
【００５８】
図１２は、６つの有機物の成分の近赤外におけるスペクトルを説明する図である。具体的には、１１００ｎｍから２５００ｎｍの範囲における大豆、米、タンパク質、デンプン、水、および脂質のスペクトルを示す。横軸は波長［ｎｍ］を示し、縦軸は吸光度を示す。１１００ｎｍから１７００ｎｍの範囲では、ＯＨ基、ＣＨ基、ＮＨ基の倍音による吸収によって、ピーク形状は比較的緩やかである。一方、１７００ｎｍから２５００ｎｍの範囲では、結合音による吸収によって、ピーク形状は急峻である。図１２に示すスペクトル分布をみると、既に説明した基本概念、及び実施例１、２で述べた分子振動の成り立ちの原理が、波長スケールで見た場合も踏襲されることがわかる。したがって、波長スケールのバンド幅においても長波長側に狭い分光フィルタを割り当て、短波長側に広い分光フィルタを割り当てることによって、有機物の違いを適切に見分けることができる。
【００５９】
図１３は、バンドパスフィルタの一例を説明する図である。図１３（ａ）は、上記概念を導入した３つの異なるバンドパスフィルタを示し、図１３（ｂ）は、近赤外波長１．０μｍから２．５μｍまでを均等分割した、比較例としてのバンドパスフィルタを示す。各図において、横軸は波長［ｎｍ］を示し、縦軸は透過率［％］を示す。本実施形態では、例えば、図１３（ａ）に示したバンドパスフィルタを以下のように設定する。
【００６０】
長波長側バンドパスフィルタであるＩＲ１フィルタのピーク波長は２４００ｎｍである。ＩＲ１フィルタの通過波長帯は２４００±２００ｎｍである。
【００６１】
中波長側バンドパスフィルタであるＩＲ２フィルタのピーク波長は２０００ｎｍである。ＩＲ２フィルタの通過波長帯は２０００±４００ｎｍである。
【００６２】
短波長側バンドパスフィルタであるＩＲ３フィルタのピーク波長は１６００ｎｍである。ＩＲ３フィルタの通過波長帯は１６００±６００ｎｍである。
【００６３】
図１３（ｂ）に示した均等幅のバンドパスフィルタは次のような数値を仮定した。
【００６４】
長波長側バンドパスフィルタであるＩＲ４フィルタのピーク波長は２２００ｎｍである。ＩＲ４フィルタの通過波長帯は２２００±４００ｎｍである。
【００６５】
中波長側バンドパスフィルタであるＩＲ５フィルタのピーク波長は１８００ｎｍである。ＩＲ５フィルタの通過波長帯は１８００±４００ｎｍである。
【００６６】
短波長側バンドパスフィルタであるＩＲ６フィルタのピーク波長は１４００ｎｍである。ＩＲ６フィルタの通過波長帯は１４００±４００ｎｍである。
【００６７】
既に説明した図１２の短波長側では、物質の吸収スペクトルの差異があまりないのに対し、長波長側では、吸収スペクトルの差異が現れやすい。したがって、波長スケールの分解能においても、長波長側の積分範囲を狭くし、短波長側の積分範囲を広くすることによって、スペクトル積分による情報圧縮の影響を最小化することができる。
【００６８】
実施例３では、近赤外スペクトルの全範囲を例に挙げて説明したが、例えばＩｎＧａＡｓ固体撮像素子の近赤外感度範囲である１．０μｍから１．７μｍの狭い帯域の中でも、バンド幅を変えてスペクトル分解能を保持する考えは成り立つ。
【００６９】
以上の説明では、３種類のバンドパスフィルタの半値幅が隣接するバンドパスフィルタ間で連続的に変化した、すなわち、バンドパスフィルタの半値幅が低波数側ほど狭くなったが、必ずしも連続的に変化しなくてもよい。また、３種類のバンドパスフィルタが設けられたが、４種類以上、例えば５種類のバンドパスフィルタが設けられてもよい。以下に具体的に説明する。
【００７０】
＜実施例４＞
―波長スペクトル表示におけるフィルタ特性２―
図１４は、バンドパスフィルタの他の例を説明する図である。図１４（ａ）は、６つの有機物の成分の近赤外におけるスペクトルを説明する図であり、図１２と同一である。図１４（ｂ）は、５バンドのバンドパスフィルタを示す図である。横軸は波長［ｎｍ］を示し、縦軸は透過率［％］を示す。
【００７１】
上述のように、１１００ｎｍから１７００ｎｍの範囲ではピーク形状が比較的緩やかである一方、１７００ｎｍから２５００ｎｍの範囲では、ピーク形状は急峻である。そこで、実施例４では、１７００ｎｍを境にバンドパスフィルタの半値幅を変化させる。具体的には、１７００ｎｍから２５００ｎｍの範囲のバンドパスフィルタの半値幅を、１１００ｎｍから１７００ｎｍの範囲のバンドパスフィルタの半値幅よりも狭くする。
【００７２】
１７００ｎｍから２５００ｎｍには、３つのバンドパスフィルタとしてＩＲ１１フィルタ、ＩＲ１２フィルタおよびＩＲ１３フィルタが割り当てられる。ＩＲ１１フィルタとＩＲ１２フィルタとＩＲ１３フィルタとは、通過させる波長帯域が互いに異なる。ＩＲ１１フィルタの半値幅とＩＲ１２フィルタの半値幅とＩＲ１３フィルタの半値幅とは、実質的に同一である。すなわち、隣接するＩＲ１１フィルタおよびＩＲ１２フィルタとの間、並びにＩＲ１２フィルタおよびＩＲ１３フィルタとの間で、半値幅は変化しない。
【００７３】
一方、１１００ｎｍから１７００ｎｍの範囲には、２つのバンドパスフィルタとしてＩＲ１４フィルタおよびＩＲ１５フィルタが割り当てられる。ＩＲ１４フィルタとＩＲ１５フィルタとは、通過させる波長帯域が互いに異なる。ＩＲ１４フィルタの半値幅とＩＲ１５フィルタの半値幅とは実質的に同一である。すなわち、隣接するＩＲ１４フィルタおよびＩＲ１５フィルタとの間で、半値幅は変化しない。
【００７４】
以上の説明では、３種類以上のバンドパスフィルタが設けられたが、２種類のバンドパスフィルタが設けられていてもよい。この場合に、低波数側（長波長側）のバンドパスフィルタの半値幅が、高波数側（短波長側）のバンドパスフィルタの半値幅よりも狭くなっていればよい。
【００７５】
以上の説明では、図９、図１１等のいずれかに示される３種類のバンドパスフィルタが撮像素子１００に設けられたが、例えば、図９で説明した３種類のバンドパスフィルタと、図１１で説明した３種類のバンドパスフィルタとが１つの撮像素子１００に混在して設けられてもよい。この場合には、６種類のバンドパスフィルタが撮像素子１００に存在することになる。ここでは、図９で説明した３種類のバンドパスフィルタの組を全域フィルタセット、図１１で説明した３種類のバンドパスフィルタの組を部分フィルタセットと呼ぶ。
【００７６】
デジタルカメラ１０は、全域フィルタセットおよび部分フィルタセットのいずれかを選択して、選択したフィルタセットに対応する撮像データから画像データを生成する。この場合には、デジタルカメラ１０は画像処理装置として機能する。なお、６種類のバンドパスフィルタが撮像素子１００に混在している場合には、バンドパスフィルタと撮像素子１００の受光感度とによって定まる感度分布の波数帯域に対する半値幅は、６種類の全てにおいて、半値幅に関する上記条件を満たしていなくてもよい。選択された３種類のバンドパスフィルタに対応する分光フィルタに関して、図９、図１１で既に説明したように、半値幅に関する上記条件が満たされていればよい。
【００７７】
システムメモリ２０６は、フィルタセットの種別を示す種別情報をバンドパスフィルタの識別情報に対応付けて記憶している。表示部２０９は、ユーザ操作に応じて、フィルタセットの種別を選択する設定画面を表示する。ユーザは、表示部２０９に表示された設定画面を確認しながら、操作部２０８を介してフィルタセットの種別を選択し設定することができる。すなわち、全域フィルタセットおよび部分フィルタセットのいずれかを選択し設定することができる。画像処理に関する処理の流れは以下の通りである。
【００７８】
図１５は、デジタルカメラ１０の画像処理に関する処理の流れを示すフロー図である。本フローは、ユーザによる撮影操作を受け付けた後、撮像データがワークメモリ２０３に格納された後に開始される。
【００７９】
制御部２０１は、設定されているフィルタセットの種別を示すフィルタセット情報を取得する（ステップＳ１０１）。制御部２０１は、フィルタセット情報により、バンドパスフィルタの組を決定する（ステップＳ１０２）。すなわち、全域フィルタセットおよび部分フィルタセットのいずれかを選択する。
【００８０】
制御部２０１は、設定されているフィルタセットの種別に従って、全画素の撮像データから全域フィルタセットおよび部分フィルタセットのいずれか一方に対応する撮像データを選択する。フィルタセット情報が全域フィルタセットを示す場合には、全域フィルタセットの３種類のバンドパスフィルタのいずれかが設けられた画素の撮像データを選択する。そして、選択した３種類の撮像データを画像処理部２０５に送信する。
【００８１】
画像処理部２０５は、送信された３種類の撮像データを受信することにより取得する（ステップＳ１０３）。画像処理部２０５は、取得した撮像データを用いて、カラー画像データを生成する（ステップＳ１０４）。例えば、既に説明したように、３種類の撮像データのそれぞれに互いに異なる可視帯域を対応付けるとよい。なお、選択されなかったフィルタセットに対応する画素の撮像データは、一旦除去される。その後、周辺画素の撮像データを用いて補間処理により算出される。そして、一連の処理を終了する。
【００８２】
＜実施例５＞  
―最大透過率の異なるフィルタ特性―
図１６は、バンドパスフィルタの他の例を説明する図である。図１６は、図８（ａ）の変形例を示しており、各フィルタの最大透過率が異なる以外は図８（ａ）と同じである。また、撮像素子１００の受光感度は図８（ｂ）と同じなので省略する。上述したように、光を露光している最中に画素によって飽和してしまうことを防ぐため、高エネルギー側になる程バンドパスフィルタの最大透過率が低くなるように設定されている。具体的には、ＩＲ１２フィルタよりも高エネルギー側であるＩＲ１３フィルタの方が最大透過率は低く、ＩＲ１２フィルタよりも低エネルギー側であるＩＲ１１フィルタの方が最大透過率は高い。この最大透過率の関係は、図１３のように、波長スペクトルで表示するバンドパスフィルタについても同様に適用できる。
【００８３】
以上の説明では、バンドパスフィルタは撮像素子１００に設けられたが、バンドパスフィルタの配置場所は撮像素子１００に限られない。バンドパスフィルタは、フィルタユニットとして、撮影レンズ２０の後段に光軸２１に交差して設けられてもよい。制御部２０１は、ユーザによる設定に従って、バンドパスフィルタを被写体光束の範囲に順に配置すると共に、それぞれの配置に同期して撮影動作を行う。以下に具体的に説明する。
【００８４】
フィルタユニットは、被写体光束を通過させる近赤外波数帯域がそれぞれ異なる複数のバンドパスフィルタを備える。ここでは、６種類のバンドパスフィルタを備える。６種類のバンドパスフィルタは、例えば図９および図１１で説明したバンドパスフィルタである。この場合には、既に説明したように、制御部２０１は、全域フィルタセットおよび部分フィルタセットのいずれかを選択することができる。
【００８５】
図１７は、フィルタユニット３００の構成を説明する図である。図１７（ａ）は光軸２１方向から見た正面図であり、図１７（ｂ）は側面図である。
【００８６】
フィルタユニット３００は、バンドパスフィルタを保持する保持枠３０１を備える。保持枠３０１は、全体として円形を成し、回転軸３１１を中心として互いに６０度の間隔を成す対称位置に、被写体光束と略同じ大きさの６つの開口を備えている。保持枠３０１は、図示する矢印方向へ回転自在に支持されている。保持枠３０１の外周部には、ギア３０６が全周にわたって設けられている。ギア３０６は、アクチュエータ３１０の駆動ギアと噛合する。
【００８７】
バンドパスフィルタは、６つの開口のそれぞれに張設される。すなわち、６つのバンドパスフィルタのそれぞれは、被写体光束と略同じ大きさである。本例においては、６つの開口のうち中央上部の開口にＩＲ２１フィルタが張設され、そこから時計回りに、ＩＲ２２フィルタ、ＩＲ２３フィルタ、ＩＲ２４フィルタ、ＩＲ２５フィルタ、およびＩＲ２６フィルタのそれぞれが順に張設される。
【００８８】
制御部２０１は、アクチュエータ３１０の駆動によりフィルタユニット３００を回転させる。これにより、６つのバンドパスフィルタのいずれかを、光軸２１を中心とする被写体光束中に配設することができる。制御部２０１は、設定されているフィルタセットの種別に従って、アクチュエータ３１０の駆動を制御する。具体的には、設定されているフィルタセットの種別に対応する３種類のバンドパスフィルタを順に被写体光束に配置させる。そして、制御部２０１は、それぞれの配置に同期して撮像動作を実行する。
【００８９】
画像処理部２０５は、フィルタセットの種別に応じた３つの撮像データを、全画素の撮像データから構成される撮像プレーンデータとして撮像素子１００から順次取得する。フィルタユニット３００を用いた構成によれば、全画素に対して３種類のバンドパスフィルタのそれぞれに対応した撮像データを得ることができるので、上述の補間処理をしなくてもよい。
【００９０】
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
【符号の説明】
【００９１】
１０  デジタルカメラ、２０  撮影レンズ、２１  光軸、１００  撮像素子、２０１  制御部、２０２  Ａ／Ｄ変換回路、２０３  ワークメモリ、２０４  駆動部、２０５  画像処理部、２０６  システムメモリ、２０７  メモリカードＩＦ、２０８  操作部、２０９  表示部、２１０  ＬＣＤ駆動回路、２２０  メモリカード、３００  フィルタユニット、３０１  保持枠、３０６  ギア、３１０  アクチュエータ、３１１  回転軸
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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