(57)【要約】【課題】物体の可視光情報と成分情報との関係を直感的に把握することが可能な光学機器を提供する。【解決手段】光学機器（２００）は、光学系（２０１）を介して物体に関する情報を取得する撮像手段（２０２）と、物体に関する情報を処理して、物体の可視光情報と成分情報とを生成する処理手段（２０３）と、可視光情報と成分情報とを重畳して表示する表示手段（２０４）とを有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学系を介して物体に関する情報を取得する撮像手段と、
前記物体に関する情報を処理して、該物体の可視光情報と成分情報とを生成する処理手段と、
前記可視光情報と前記成分情報とを重畳して表示する表示手段と、を有することを特徴とする光学機器。
【請求項２】
前記可視光情報は、前記物体のＲＧＢ画像であり、
前記成分情報は、前記物体の特徴に関する情報であり、
前記表示手段は、前記可視光情報と前記成分情報とを対応付けて同時に表示することを特徴とする請求項１に記載の光学機器。
【請求項３】
前記処理手段は、前記物体に関する情報としてのスペクトル情報と、該スペクトル情報と前記成分情報との関係を示すデータテーブルとを用いて、該成分情報を生成することを特徴とする請求項１または２に記載の光学機器。
【請求項４】
前記物体を照明する照明手段を更に有し、
前記撮像手段は、前記照明手段により前記物体を照明した状態で前記物体に関する前記情報を取得することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光学機器。
【請求項５】
前記照明手段は、７００〜１０００ｎｍの範囲の波長を含む赤外光を用いて前記物体を照明し、
前記成分情報は、前記照明手段により前記物体を照明した状態で、前記撮像手段により取得されることを特徴とする請求項４に記載の光学機器。
【請求項６】
前記照明手段は、７００〜２５００ｎｍの範囲の波長を含む前記赤外光を用いて前記物体を照明することを特徴とする請求項５に記載の光学機器。
【請求項７】
前記照明手段により照明される前記光は、４００〜７００ｎｍの範囲の波長の可視光を含まないことを特徴とする請求項５または６に記載の光学機器。
【請求項８】
前記撮像手段は、一回の撮像動作により、前記物体に関する前記情報を取得し、
前記処理手段は、前記物体に関する前記情報から、前記可視光情報と前記成分情報とを分離することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の光学機器。
【請求項９】
前記処理手段は、前記物体に関する前記情報としてのスペクトル情報から前記可視光情報を生成することを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の光学機器。
【請求項１０】
前記撮像手段は、前記物体に関する前記情報として、
第１の撮像動作により、前記可視光情報に対応する情報を取得し、
第２の撮像動作により、前記成分情報に対応する情報を取得することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の光学機器。
【請求項１１】
前記光学系は、第１の光学系と第２の光学系とを有し、
前記撮像手段は、
前記第１の光学系を介して前記可視光情報に対応する情報を取得し、
前記第２の光学系を介して前記成分情報に対応する情報を取得することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の光学機器。
【請求項１２】
前記光学系は２回結像系であり、
前記撮像手段は、前記光学系を介して形成された２次結像光を波長に応じて重畳することによりインターフェログラムを取得することを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の光学機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物体の成分分布を取得することが可能な光学機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、ＲＧＢの三色を空間的に保存し、人が視認した物体を記録することが可能な光学機器が知られている。一方、物体の色以外の成分情報を知るため、赤外分光法やラマン分光法などの手法が知られている。これらの手法は、光の波長に対する応答を計測することにより、物体（物質）の成分分析に利用されている。
【０００３】
特許文献１には、分光特性測定装置が開示されている。特許文献１に開示された分光特性測定装置は、物体からの反射光の光束の一部の位相を変調し、その変調量に対する輝度値を取得することにより、インターフェログラムを取得することができる。そのインターフェログラムをフーリエ変換することにより、波長に対するスペクトルグラフを取得することができる。そして、そのスペクトルグラフを解析することにより、物体の成分情報を取得することが可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−１８４９６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に開示された分光特性測定装置では、人が視認する物体（物体の可視光情報）とその物体の成分情報との関係を直感的に把握することが困難である。
【０００６】
そこで本発明は、物体の可視光情報と成分情報との関係を直感的に把握することが可能な光学機器を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一側面としての光学機器は、光学系を介して物体に関する情報を取得する撮像手段と、前記物体に関する情報を処理して、該物体の可視光情報と成分情報とを生成する処理手段と、前記可視光情報と前記成分情報とを重畳して表示する表示手段とを有する。
【０００８】
本発明の他の目的及び特徴は、以下の実施形態において説明される。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、物体の可視光情報と成分情報との関係を直感的に把握することが可能な光学機器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本実施形態における光学機器の表示部に表示される画像の一例である。
【図２】本実施形態における光学機器の概略図である。
【図３】本実施形態における光学系の構成図である。
【図４】本実施形態における位相変調素子の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明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。
【００１２】
図１および図２を参照して、本実施形態における光学機器および光学機器の表示画面について説明する。図１は、画像１００（表示画像）の一例である。図２は、光学機器２００（撮像装置）の概略図である。図１において、画像１００には、りんご１０１とみかん１０２（いずれも物体に関する可視光情報）、および、マーク１０５（物体に関する成分情報）が表示されている。図２において、２０１は光学系（撮像光学系）である。２０２は、光学系２０１を介して形成された物体像（光学像）を受光するＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサなどの撮像素子（光電変換素子を含む撮像手段）であり、撮像素子２０２は検出系を構成する。２０３は、撮像素子２０２により取得されたデータ（画像情報）を解析し、画像情報の補完および形成や、成分情報を解析および保存する処理部（処理手段）である。２０４は、液晶ディスプレイパネルなどを備え、撮像素子２０２上に形成された物体像を観察するための表示部（表示手段）である。２０５は、物体を照明する照明手段である。２０６は、メモリ（記憶手段）であり、処理部２０３が各処理を実行するのに必要な各種のデータ（後述の辞書データなど）を記憶している。
【００１３】
光学機器２００は、光学系２０１を介して形成された光の情報（物体に関する情報）を撮像素子２０２（検出系）で取得する。このとき光学系２０１は、種々の方法で光を操ることができる。本実施形態において、光学機器２００は、光学系２０１および撮像素子２０２により、可視光から近赤外光（赤外光）までの情報を取得することができる。可視光の情報は、人が視認している光と同等であるため、人が見ている物体の状態そのものを記録することができる。一方、近赤外の波長の光には、物質の分子振動による倍音や三倍音の吸収スペクトルが見られることが知られている。この吸収スペクトル（スペクトル情報）を観察することにより、物体（被写体）の物質の成分（成分情報）を分析することが可能である。
【００１４】
本実施形態において、表示部２０４は、図１に示されるように、物体に関する可視光情報（りんご１０１）と成分情報（マーク１０５）とを重畳して表示する。すなわち表示部２０４は、物体に関する可視光情報と成分情報とを対応付けて同時に表示する。これにより、ユーザが光学機器２００の表示部２０４を介して物体（物質）の成分情報を知る際において、目視で見る物体（の色）と表示部２０４に表示される物体（の色）とが整合するため、どの物体（物質）の成分を表示しているかを視認（把握）しやすい。このような構成は、特定の物体に関して特異成分の有無を知る用途に適して用いられる。
【００１５】
好ましくは、照明手段２０５は、環境光とは異なる光（赤外光、近赤外光）で物体を照明する。また好ましくは、可視光情報は、環境光で取得された物体に関する情報（ＲＧＢ画像）に相当する。環境光とは、光学機器２００のユーザが物体を視認する際に利用する光（可視光）である。このような光は、屋内であれば蛍光灯、白熱球、ＬＥＤなど、屋外では太陽光や街灯などである。これらの光には輝線が含まれていることが知られている。輝線とは、特定の波長に特徴的なピークが発生することであり、人の目で視認するには問題ないが成分情報を分析する際には影響が大きい。後述のように、成分情報の分析の精度を向上させるため、環境光の輝線の影響を除去（または低減）した照明手段を利用することが好ましい。また、このような照明手段を用いる場合でも、可視光情報は、環境光またはそれに相当する光で取得された情報であることが好ましい。環境光は人が視認している状態を示すため、表示部２０４に表示される表示が実際の色と整合していることにより、ユーザの理解度を向上させることができる。
【００１６】
照明手段２０５は、一般的なデジタルカメラに利用されるストロボ、ＬＥＤ照明、黒体輻射などである。本実施形態において、照明手段２０５の光は、近赤外の光量を稼ぐために利用することができ、可視光を必ずしも照明する必要はない。ただし前述のように、可視光情報は環境光により取得された情報であることが好ましいため、照明手段２０５の照明光と環境光とを弁別・推定する手法を併用する。例えば、撮像素子２０２を用いて複数回撮像して照明手段２０５のＯＮ／ＯＦＦを切り替える方法、反射特性が既知である参照板を常に参照する方法、環境光を別途取得するセンサを利用する方法などが挙げられる。ただし本実施形態では、これらの手法に限定されるものではなく、種々の手法を利用することができる。
【００１７】
照明手段２０５のＯＮ／ＯＦＦを切り替える方法では、撮像素子２０２は、物体に関する情報として、第１の撮像動作により可視光情報に対応する情報（ＲＧＢ画像データ）を取得し、第２の撮像動作により成分情報に対応する情報（スペクトル情報）を取得する。ここで、第１の撮像動作は、照明手段２０５をＯＦＦした状態での撮像動作であり、第２の撮像動作は、照明手段２０５をＯＮした状態での撮像動作である。
【００１８】
本実施形態では、ユーザの視認性を向上させるため、環境光を利用して可視光情報を取得する。このため、撮影環境によっては、暗室などの環境光がない場合や環境光が変化する場合もある。このような場合、視認性を向上させるために環境光を利用すると、物体の認識に差異が出ることもあり得る。このため、照明手段２０５を利用して可視光情報を形成（取得）してもよい。また、照明手段２０５が近赤外光のみを照明するように構成されている場合など、照明手段２０５そのものが人の視認性に大きな影響を与えないこともあり得る。このような場合、照明手段２０５の光を含めた形で可視光情報を表示部２０４に表示してもよい。
【００１９】
図１に示される画像１００は、表示部２０４の表示画面に表示される画像の一例である。りんご１０１とみかん１０２は、可視光情報として画像１００に表示されている。一方、光学機器２００により取得された成分情報により、成分情報としてマーク１０５がりんご１０１を囲むように表示されている。光学機器２００の処理部２０３は、りんご１０１に含まれる成分を光学系２０１および撮像素子２０２により取得された情報（物体に関する情報）に基づいて同定し、物体１０１がりんごであること（物体の成分情報）を判定する。このとき、表示部２０４に表示される画像１００には、成分情報として、りんご１０１の周辺にマーク１０５が表示されている。なお、成分情報の表示形態は、マーク１０５に限定されるものではなく、他の形態を用いてもよい。例えば、点滅、矢印などの指示マーク、文字の挿入などの手法を用いることができる。また、成分の有無について表示することができれば、他の表記を用いてもよい。
【００２０】
本実施形態では、光学系２０１および撮像素子２０２を介して、可視光から近赤外光の範囲の情報を取得する。可視光は、例えば４００〜７００ｎｍの波長の光である。近赤外光（赤外光）は、例えば、７００〜１０００ｎｍの波長の光である。また光学系２０１および撮像素子２０２は、近赤外光として７００〜２５００ｎｍの波長の光を取得するように構成してもよい。
【００２１】
次に、図３を参照して、光学系２０１および撮像素子２０２（検出系）の構成について説明する。図３は、光学系２０１および撮像素子２０２の構成図である。図３に示されるように、光学系２０１は、結像レンズ３０１、コリメータレンズ３０２、位相変調素子３０３、および、集光レンズ３０４を備えて構成される。３１０は、光学系２０１の光軸である。なお図３において、簡略的に各レンズが１枚のレンズからなるものとして示しているが、各レンズは複数枚のレンズを含んでいてもよい。光学系２０１は、位相変調素子３０３および集光レンズ３０４を除いて、光軸３１０に関して回転対象である。
【００２２】
物体は、図３中の左側に配置される。物体からの光は、結像レンズ３０１により、一度結像される。結像レンズ３０１による結像光は、コリメータレンズ３０２により平行光となり、位相変調素子３０３に入射する。位相変調素子３０３は、光軸３１０を基準として上部分と下部分との間で厚みが互いに異なる。このため、上部分と下部分との間で光の光路長は変化する。集光レンズ３０４は、位相変調素子３０３からの両方の光（上部分の光と下部分の光）を撮像素子２０２に集光する。
【００２３】
このような光学系２０１において、位相変調素子３０３の位相変化量に合わせて、波長に応じて異なる干渉強度の積算値が検出される。次に位相変調素子３０３の位相変調量を変えると、波長に応じて干渉の程度が変化し、異なる強度が検出される。このように、複数の位相変調条件に合わせて光の強度を取得したグラフを、インターフェログラムと呼ぶ。インターフェログラムの各点には複数の波長の強度が積算されているが、位相に合わせて干渉の強度が変化する。このため、インターフェログラムをフーリエ変換することにより、各波長に対する強度を割り戻すことが可能となる。このように本実施形態において、光学系２０１は２回結像系であり、撮像素子２０２は光学系２０１を介して形成された２次結像光を波長に応じて重畳することによりインターフェログラムを取得する。
【００２４】
次に、図４を参照して、位相変調素子３０３は平板であり、光軸３１０の上部が平行平板、光軸３１０の下部がウェッジプリズムとなっている場合を考える。図４は、位相変調素子３０３の構成図である。図４において、４１０は位相変調素子３０３の側面、４０１は位相変調素子３０３のウェッジプリズム部、４０２は位相変調素子３０３の平行平板部である。
【００２５】
ウェッジプリズム部４０１は、側面４１０の奥行き方向（図４中の矢印Ａの方向）に関して斜めにカットされている。一方、平行平板部４０２は、側面４１０の奥行き方向に関して厚みは一定である。図４に示される側面４１０は、図３に示される位相変調素子３０３に対応する。位相変調素子３０３には、コリメータレンズ３０２からの平行光が入射する。位相変調素子３０３に平行光が入射する場合、ウェッジプリズム部４０１を通る光と平行平板部４０２を通る光との間の光路長は、位相変調素子３０３の奥行き方向に応じて変化する。集光レンズ３０４がシリンドリカルレンズである場合、位相変調素子３０３の奥行き方向に応じて異なる位相変調量となった光が撮像素子２０２（検出系）により検出される。光学系２０１の奥行き方向の空間に関して異なる位相変調量となり、その情報を奥行き方向にフーリエ変換することにより波数（波長の逆数）に対する光の強度を取得することが可能となる。
【００２６】
位相変調素子３０３は、入射する光束の半分の位相を変調することができれば、図４に示される形状に限定されるものではなく、他の形状であってもよい。例えば、屈折率を変調させる液晶素子、厚みを変化させる厚み変化素子、または、空間的に位相の異なる素子を利用し、空間的にインターフェログラムを作成してもよい。また本実施形態は、位相変調によりインターフェログラムを取得することが可能であれば、前述の構成に限定されるものではない。インターフェログラムにより波長特性を取得する方法は、波長分解能を高めることができるため、好ましい。
【００２７】
可視項から近赤外光の範囲のスペクトル情報を取得するには、前述の方法以外にも種々の方法を利用することが可能である。例えば、ツェルニターナー方式により回折格子で分解する手法、プリズムを利用して屈折率分散を利用する方法、または、複数色のカラーフィルタを利用する手法などがある。なお、本実施形態は、このような手法に限定されるものではなく、他の手法を用いて可視光および近赤外光の情報を取得してもよい。
【００２８】
取得した近赤外光の情報を利用して物体に含まれている成分（成分情報、成分分布）を同定する手法は、赤外分光法と呼ばれ、例えばＦＴＩＲ分析装置などに実装されている。物体に赤外光が入射すると、物質の分子振動由来の吸収スペクトルより、特定の波長・波数に特徴的な吸収スペクトルが発生する。そのスペクトルの波長・波数と強度とに基づいて、物質の成分を分析することができる。これが赤外分光光である。従来から、このスペクトル強度は非常に急峻で弱い。また、一般環境ではこのような波長帯の環境光が十分にあるとは限らない。このため、物質の成分を分析する波長帯の光量を増やす施策が必要となる。そこで本実施形態では、照明手段２０５を利用し、光量を増やすことが好ましい。また、環境光には特定の波長に特徴的な輝線が発生する。輝線は赤外分光法のスペクトル解析には邪魔であり、好ましくない。このため、環境光の輝線による影響を除去（低減）するためにも、既知情報である照明手段２０５を設けることが好ましい。
【００２９】
光学系２０１は、可視光から近赤外光までの波長範囲の情報（可視光情報および近赤外光情報）を取得する。この波長範囲であれば、同一の光学系２０１（同一の結像レンズ３０１、コリメータレンズ３０２、位相変調素子３０３、および、集光レンズ３０４）を利用することができる。また、赤外分光法でも倍音領域または三倍音領域である近赤外光を取得することができるため、成分分析（成分分布などの成分情報の分析）も可能となる。撮像素子２０２（検出系）は、この波長範囲の光を取得することが可能なセンサを備えて構成されている。撮像素子２０２として、ＳｉベースのＣＣＤやＣＭＯＳ、または、ＩｎＧａＡｓベースのＣＣＤなどを用いることができる。取得することが可能な波長帯が狭い場合、ブラックＳｉ技術なども利用することができる。このように、一つの光学系２０１で可視光から近赤外光までの波長範囲の光を取得することができれば、可視光情報と近赤外光情報との位置が互いに近いため、それぞれの情報を空間的に対応付けることは容易である。
【００３０】
光学系２０１により可視光から近赤外光までの波長範囲の光を取得した場合、スペクトル特性は可視光から近赤外光までの波長範囲の光で構成される。一般的に、人の眼は、Ｌ、Ｍ、Ｓ錐体によって３色を弁別することで色を認識している。このため処理部２０３は、取得したスペクトル情報（物体に関する情報）から、電子的な再構成により、ＲＧＢ画像（可視光情報）を生成（取得）することが可能である。また処理部２０３は、取得したスペクトル情報に含まれる近赤外光の情報に基づいて成分（成分情報）を分析することにより、可視光情報と成分情報とを取得することができる。すなわち撮像素子２０２は、一回の撮像動作により物体に関する情報を取得し、処理部２０３は、物体に関する情報から可視光情報と成分情報とを分離する。そして表示部２０４は、可視光情報と成分情報とを重畳して表示することにより、ユーザは物体の可視光情報と成分情報との関係を直感的に把握することが可能となる。
【００３１】
本実施形態は、前述の構成や手法に限定されるものではい。例えば、光学系２０１（第２の光学系）を近赤外光のスペクトル情報の取得に利用し、可視光情報を取得するための別のカメラ（第１の光学系）を光学機器２００に設けてもよい。このような構成により、第１の光学系を介して可視光情報に対応する情報（ＲＧＢ画像データ）を取得し、第２の光学系を介して成分情報に対応する情報（スペクトル情報）を取得することができる。この場合、処理部２０３は、可視光情報と、近赤外光情報に基づく成分情報とを空間的に対応付ける処理を行う必要がある。
【００３２】
また、物質の成分を解析する際、内容物の詳細な分子構造よりも「その物体が何であるか」ということを知りたい場合が多い。例えばりんご１０１を撮影したとき、リンやカリウム、マグネシウムなどの情報よりも、りんご１０１が「りんごである」ことを同定したい。そこで本実施形態において、処理部２０３は、近赤外光で取得したスペクトル情報と、スペクトル情報と成分情報との関係を示す辞書データ（データテーブル）とを用いて、物体の成分情報を同定することが好ましい。辞書データは、例えばメモリ２０６に予め記憶されている。また、辞書データは、インターネットを介して外部のサーバなどからダウンロードしてメモリ２０６に記憶させてもよい。また、メモリ２０６に記憶された辞書データは、最新の辞書データが利用可能であるように、インターネットを介して適宜更新することもできる。
【００３３】
辞書データは、成分情報の詳細だけではなく、物体の特徴を紐付けする情報を含む。このため、光学機器２００は、りんご１０１の成分そのものではなく、りんご１０１の成分に基づいて、その物体が「りんごである」ことを判定することができる。すなわち、物体としてのりんご１０１が「りんごである」という情報（物体の特徴に関する情報）は、物体の成分情報である。なお、物体の特徴とは、物体の名称に限定されるものではなく、物体の状態（例えば、りんご１０１が新鮮であること）などを含む。
【００３４】
物体を同定するため、スペクトル特性の複数の波長帯に発生する成分情報が必要となる。例えば、農林水産消費安全技術センター  食品関係等調査研究報告ｖｏｌ．３６（２０１２）の「近赤外分光分析法による干しそばのそば粉と小麦粉の混合割合の推定法の検討」によれば、そばのたんぱく質およびルチンの吸収が近赤外領域で複数検出される。この複数の波長の対応などより、成分情報から物体を同定することができる。
【００３５】
本実施形態において、光学系２０１の各要素は、以下のように設計されている。位相変調素子３０３は、屈折率１．５０、ウェッジ角５度である。撮像素子２０２のスペクトル検出方向に沿った画素数を６０００、画素ピッチを３．７μｍとするとき、光学系２０１は、波長１６２ｎｍ〜９７１μｍの光を波数分解能１０．３ｃｍ−１で検出することが可能である。撮像素子２０２は、Ｓｉ系のＣＭＯＳで形成されており、波長３００〜１２００ｎｍの範囲の光を検出（取得）することが可能である。光学系２０１は、一次元方向における物体の可視光情報と成分情報とを形成する。このため、不図示の走査手段を用いて走査することにより、２次元画像（画像１００）を取得することができる。
【００３６】
本実施形態によれば、人が視認する物体（物体の可視光情報）とその物体の成分情報との関係を直感的に把握することが可能な光学機器を提供することができる。
【００３７】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。
【符号の説明】
【００３８】
２００  光学機器
２０２  撮像素子（撮像手段）
２０３  処理系（処理手段）
２０４  表示部（表示手段）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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