(57)【要約】      （修正有）【課題】高感度で高い波長分解能を持つ被写体の２次元的な分光情報を取得できる光電変換モジュール及びデータ処理装置を提供する。【解決手段】被写体からの光を、主光線が光軸と略平行になるように透過させる像側テレセントリック光学系と、像側テレセントリック光学系を透過した光の少なくとも一部を選択して透過する特殊フィルターと、特殊フィルターを透過した光を入射する光電変換素子とを有し、特殊フィルターが、広波長帯域の波長を持つ基準光を透過する基準光透過部と、基準光の波長に含まれる狭波長帯域の光を反射し且つ残りの光を透過する複数の特定波長光反射部とを配列してなり、光電変換素子が、基準光透過部を通過した光を電気信号に変換する第１領域と、特定波長光反射部を通過した光を電気信号に変換する第２領域とを有し、第１領域から出力された画像信号と、第２領域から出力された画像信号との差分をとることで、狭波長帯域の光を検出する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被写体からの光を、主光線が光軸と略平行になるように透過させる像側テレセントリックの光学系と、該像側テレセントリックの光学系を透過した光の少なくとも一部を選択して透過する特殊フィルターと、該特殊フィルターを透過した光を入射する光電変換素子とを有し、
前記特殊フィルターが、広波長帯域の波長を持つ基準光を透過する基準光透過部と、前記基準光の波長に含まれる狭波長帯域の光を反射し且つ残りの光を透過する複数の特定波長光反射部とを配列してなり、
前記光電変換素子が、前記基準光透過部を通過した光を電気信号に変換する第１領域と、前記特定波長光反射部を通過した光を電気信号に変換する第２領域とを有し、
前記第１領域から出力された画像信号と、前記第２領域から出力された画像信号との差分をとることにより、前記狭波長帯域の光を検出する光電変換モジュール。
【請求項２】
前記特殊フィルターが体積ホログラムフィルターである請求項１に記載の光電変換モジュール。
【請求項３】
前記光電変換素子が、１個の前記第１領域と、（ｎ2−１）［但しｎは２以上の整数］個の前記第２領域とを有し、前記第１領域と前記第２領域とはｎ行ｎ列に正方配列されている請求項２に記載の光電変換モジュール。
【請求項４】
前記像側テレセントリックの光学系が絞りとレンズを備え、該絞りの孔直径をｄとし、前記体積ホログラムフィルターに光が入射する角度をαとした時に、２ｆ・ｓｉｎα＝ｄが成立する場合において、更に以下の式を満たす請求項２又は３に記載の光電変換モジュール。
｜２°｜＜α＜｜１０°｜      （１）
【請求項５】
前記体積ホログラムフィルターと前記光電変換素子の間に、マイクロレンズアレイを備え、該マイクロレンズアレイが、前記体積ホログラムフィルターを通過した光を集光して光電変換素子に入射する請求項２〜４のいずれかに記載の光電変換モジュール。
【請求項６】
所定波長の光の入射を制限するバンドパスフィルターを有する請求項１〜５のいずれかに記載の光電変換モジュール。
【請求項７】
請求項１から６のいずれかに記載の光電変換モジュールと、
該光電変換モジュールの前記第１領域からの出力信号に基づいて基準光画像情報を生成する基準光画像情報生成部と、
前記光電変換モジュールの複数の前記第１領域からの出力信号に基づいて狭帯域画像情報を生成する狭帯域画像情報生成部と、
前記狭帯域画像情報と前記基準光画像情報とを出力する画像表示部とを備えるデータ処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光電変換モジュール及びデータ処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
農業や医療など様々な分野で、人の眼で判別しにくい特定スペクトルを抽出することで、利用価値のある分光情報を取得できる事が知られている。例えば特許文献１では、皮膚を被写体として撮影して得られたマルチスペクトル画像を用いて、乾癬やざ瘡（にきび）などの各種皮膚疾患の状態を定量化して表示することによって、皮膚科医による診断を支援する技術が開示されている。しかしながら特許文献１の技術では、特定スペクトルの分光情報を、複数色の照明光を順次照射する必要があるため、動く被写体の分光情報を取得する場合には、被写体の形態が変化してしまい、精度が高い分光情報を取得できないという問題があった。
【０００３】
これに対し特許文献２には、ＲＧＢスペクトルと１以上の狭帯域特定スペクトルとを同時に撮影することができる撮像モジュールおよび撮像装置が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−８４４２５号公報
【特許文献２】特許第６０２１４６２号
【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２に開示された撮像モジュールでは、狭帯域特定スペクトル情報を取得する為にバンドパスフィルターを用いており、分光精度を高めようとするほど、光電変換素子に入射する光の量が少なくなるという課題があった。
【０００６】
本発明は、上述した課題に鑑みてなされたものであり、１ショットの撮像により、高感度で高い波長分解能を持つ被写体の特定スペクトルの２次元的な分光情報を取得できる光電変換モジュール及びデータ処理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】
【０００７】
本発明の光電変換モジュールは、被写体からの光を、主光線が光軸と略平行になるように透過させる像側テレセントリックの光学系と、該像側テレセントリックの光学系を透過した光の少なくとも一部を選択して透過する特殊フィルターと、該特殊フィルターを透過した光を入射する光電変換素子とを有し、
前記特殊フィルターが、広波長帯域の波長を持つ基準光を透過する基準光透過部と、前記基準光の波長に含まれる狭波長帯域の光を反射し且つ残りの光を透過する複数の特定波長光反射部とを配列してなり、
前記光電変換素子が、前記基準光透過部を通過した光を電気信号に変換する第１領域と、前記特定波長光反射部を通過した光を電気信号に変換する第２領域とを有し、
前記第１領域から出力された画像信号と、前記第２領域から出力された画像信号との差分をとることにより、前記狭波長帯域の光を検出するものである。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、１ショットの撮像により、高感度で高い波長分解能を持つ被写体の特定スペクトルの２次元的な分光情報を取得できる光電変換モジュール及びデータ処理装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本実施形態に係る光電変換モジュール１０を備えたデータ処理装置２０のブロック図である。
【図２】光電変換モジュール１０の概略構成図である。
【図３】体積ホログラムフィルター５とマイクロレンズアレイ６と光電変換素子７とを、光軸に沿った断面で切断した拡大図である。
【図４】体積ホログラムフィルター５を物体側から見た図である。
【図５】領域５ｃの反射特性の例を示す図である。
【図６】領域５ｂ、５ｃ、５ｄの入射光に対する角度依存特性の例を示す図であり、体積ホログラムフィルターの各フィルター部における絶対値入射光角度(°）と回折波長範囲を示す図である。
【図７】本実施携帯のデータ処理装置により取得された基準画像に、狭帯域画像を重畳した合成画像例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１は、本実施形態に係る光電変換モジュール１０を備えたデータ処理装置２０のブロック図である。データ処理装置２０は、図１に示されるように、光学系１と、光電変換素子７と、Ａ／Ｄ変換器２１と、画像結合処理部２２と、バッファ２３と、表示画像生成部２４と、ファインダー２７と、モニター２８と、観察条件設定部２９と、光電変換素子制御部３０とを備えている。表示画像生成部２４は、基準光画像処理部２５と、狭帯域画像処理部２６とを有する。尚、ファインダー２７とモニター２８とで、画像表示部を構成する。
【００１１】
図２は、光電変換モジュール１０の概略構成図である。光学系１は、図２に示されるように絞り２と、凸レンズ３と、バンドパスフィルター４と、体積ホログラムフィルター（特殊フィルター）５と、マイクロレンズアレイ６とを有する。光学系１は、被写体からの光を、主光線が光軸と略平行になるように透過させる像側テレセントリックの光学系である。光学系１と光電変換素子７とで、光電変換モジュール１０を構成する。尚、図２では理解しやすいように、バンドパスフィルター４と、体積ホログラムフィルター５と、マイクロレンズアレイ６と、光電変換素子７とを互いに離間させた状態で示しているが、これらは間隙を詰めていて略一体となっている。
【００１２】
バンドパスフィルター４は、使用しない余分な波長の光（例えば紫外光）をカットする事で体積ホログラムフィルター５に入射する光量を調節する機能をもつが、体積ホログラムフィルター５の像側に設けても良いし、無くても良い。又、光電変換素子７の受光量がある程度減少することを前提に、マイクロレンズアレイ６は無くても良い。
【００１３】
図３は、体積ホログラムフィルター５とマイクロレンズアレイ６と光電変換素子７とを、光軸に沿った断面で切断した拡大図である。図４は、体積ホログラムフィルター５を物体側から見た図である。
【００１４】
図４において、体積ホログラムフィルター５は、４つの矩形状の領域（５ａ〜５ｄ）からなるフィルター要素を、ｎ行ｎ列（ｎは２以上の整数）で２次元的に配置している。４つの領域のうちの１つの領域（第１領域）５ａは、無色透明であって基準光を透過する基準光透過部である。一方、残り３つの領域（第２領域）５ｂ、５ｃ、５ｄは、基準光の波長に含まれる、それぞれ異なる狭波長帯域の光を反射し且つ残りの光を透過する複数の特定波長光反射部である。つまり、２次元座標（Ｘｉ，Ｙｊ）（ｉ、ｊは１〜ｎの任意の値）毎に、４つの画素信号が得られることとなる。尚、基準光としては例えば可視光及び赤外光を含む広波長帯域の光であり、狭波長帯域の光は、それより狭い帯域を有し、例えば半値全幅で２０ｎｍ、好ましくは１５ｎｍ以下の光をいう。
【００１５】
図５は、領域５ｃの反射特性の例を示す図である。領域５ｃは、広波長帯域の光が入射した時に、７０５ｎｍをピーク波長として半値全幅で１１ｎｍの反射特性を有している。領域５ｂ、５ｄに関しては図示しないが、それぞれ６８５ｎｍ、７２５ｎｍをピーク波長とする以外、同様な狭波長帯域反射特性を有する。このような領域５ｂ、５ｃ、５ｄは、例えば特開２００５−００３７９０号公報に記載されている体積ホログラムの製造方法により形成できる。
【００１６】
図３に示すように、各領域５ａ〜５ｄの像側には、マイクロレンズアレイ６の各レンズが配置され、被写体光を集光して光電変換素子７における各領域５ａ〜５ｄに対応した光電変換部７ａ〜７ｄに結像させるようになっている。つまり、光電変換部７ａには、領域５ａを通過した広波長帯域の光が入射して，それに対応した光電変換が行われ、光電変換部７ｂ、７ｃ、７ｄには、領域５ｂ、５ｃ、５ｄで反射された狭波長帯域の光以外の光が入射して，それに対応した光電変換が行われるようになっている。光電変換部７ａ〜７ｄにより、１画素分に相当するデータが出力されるものとする。
【００１７】
図６は、領域５ｂ、５ｃ、５ｄの入射光に対する角度依存特性の例を示す図である。一般的に体積ホログラムは角度依存性を持ち、入射角が増大するにつれて反射光のピーク波長が変化する。ここで、図２に示すように、絞り２の孔の直径ｄと、凸レンズ３の焦点距離ｆと、体積ホログラムフィルター５に入射する光の入射角（光軸に対する傾き角）αとした時に、２ｆ・sinα＝ｄが成立する。その際の入射角αの好ましい範囲について以下、検討する。
【００１８】
図６（ａ）に示すように、領域５ｂが、光の入射角αが光軸に対して０度であるときに、波長６８５ｎｍをピーク波長とする反射特性を有する場合、光軸に対する入射角αが１０度を超えると、反射光のピーク波長が６８０ｎｍを下回る特性を持つ。
【００１９】
同様に図６（ｂ）に示すように、領域５ｃが、光の入射角αが光軸に対して０度であるときに、波長７０５ｎｍをピーク波長とする反射特性を有する場合、光軸に対する入射角αが１０度を超えると、反射光のピーク波長が７００ｎｍを下回る特性を持つ。
【００２０】
更に、図６（ｃ）に示すように、領域５ｄが、光の入射角αが光軸に対して０度であるときに、波長７２５ｎｍをピーク波長とする反射特性を有する場合、光軸に対する入射角αが１０度を超えると、反射光のピーク波長が７２０ｎｍを下回る特性を持つ。領域５ｃ〜５ｄにおけるピーク波長の変化は５ｎｍ未満に収めるのが、分解能を高める上で好ましい。よって、領域５ｃ〜５ｄへ入射する光の入射角αは、１０°未満とすることが望ましい。
【００２１】
一方、光軸に対する入射角αが２度を下回ると、同じ焦点距離のレンズを使って角度範囲が広い場合に比べて、光量が低下し、ノイズが大きくなる。そこで、入射角αは以下の式（１）を満たすのが好ましい。また、被写体とのピントを合わせる場合は、ホログラムフィルターとマイクロレンズアレイと光電変換素子をセットで移動させる事により調節することができる。
｜２°｜＜α＜｜１０°｜      （１）
【００２２】
次に、本実施の形態のデータ処理装置２０の動作について説明する。例えば稲を被写体ＯＢＪとして１ショットで撮像したものとする。このとき図２において、絞り２や凸レンズ３が像側テレセントリックの光学配置をしているので、これら及びバンドパスフィルター４を通過した被写体ＯＢＪからの光が体積ホログラムフィルター５に到達した際に、主光線が光軸と平行になる光になっており、角度依存性がある体積ホログラムフィルター５に対して垂直に近い光が入射する構成となっている。また体積ホログラムフィルター５の領域５ｂ〜５ｄで反射された光は、まっすぐ反射する。体積ホログラムフィルター５を通過した光は、マイクロレンズアレイ６により集光された後、光電変換素子７に入射する。
【００２３】
このとき、上述したように、光電変換部７ａには、領域５ａを通過した広波長帯域の光が入射して，それに対応した光電変換が行われ、光電変換部７ｂ、７ｃ、７ｄには、領域５ｂ、５ｃ、５ｄで反射された狭波長帯域の光以外の光が入射して，それに対応した光電変換が行われ、対応する画像信号が出力される。
【００２４】
更に、光電変換素子７により出力された一連の画像信号（データ）は、Ａ／Ｄ変換器２１によってデジタル信号に変換された後、画像結合処理部２２に送信される。画像結合処理部２２では、光電変換部７ａから出力された画像信号と、光電変換部７ｂから出力された画像信号との差分をとって第１の合成信号を得る。これにより、被写体ＯＢＪから波長６８５ｎｍ近傍の狭波長帯域の光が入射した場合、第１の合成信号は有意な値となるが、それ以外の光が入射した場合、第１の合成信号は略ゼロとなる。これにより波長６８５ｎｍ近傍の狭波長帯域の光を検出できる。
【００２５】
同様に、画像結合処理部２２では、光電変換部７ａから出力された画像信号と、光電変換部７ｂから出力された画像信号との差分をとって第２の合成信号を得る。これにより、被写体ＯＢＪから波長７０５ｎｍ近傍の狭波長帯域の光が入射した場合、第２の合成信号は有意な値となるが、それ以外の光が入射した場合、第２の合成信号は略ゼロとなる。これにより波長７０５ｎｍ近傍の狭波長帯域の光を検出できる。
【００２６】
更に、画像結合処理部２２では、光電変換部７ａから出力された画像信号と、光電変換部７ｂから出力された画像信号との差分をとって第３の合成信号を得る。これにより、被写体ＯＢＪから波長７２５ｎｍ近傍の狭波長帯域の光が入射した場合、第３の合成信号は有意な値となるが、それ以外の光が入射した場合、第３の合成信号は略ゼロとなる。これにより波長７２５ｎｍ近傍の狭波長帯域の光を検出できる。得られた３つの合成信号は、２次元座標（Ｘｉ，Ｙｊ）毎に、光電変換部７ａから出力された画像信号と組み合わされて４個のデータを持つ１セットの画素信号となり、これらを統合して１フレーム分のデータとしてバッファ２３内に蓄積される。
【００２７】
バッファ２３から読み出されたデータは、表示画像生成部２４へと入力されて表示用の画像情報を生成される。具体的には、表示画像生成部２４における基準光画像処理部２５が、光電変換部７ａから出力された画像信号のみに基づいて可視光又は赤外光に対応した基準画像情報を作成する。この基準画像情報は、ファインダー２７に送信されて、ユーザーが視認可能な基準画像として表示される。
【００２８】
一方、表示画像生成部２４における狭帯域画像処理部２６は、３つの合成信号の少なくとも１つに基づいて狭帯域画像情報を作成する。この狭帯域画像情報は、モニター２８に送信されて固有の狭帯域画像として表示される。又、モニター２８に、後述するように基準画像と狭帯域画像とを重ねて表示することもできる。尚、観察条件設定部２９は、光電変換素子制御部３０を介して光電変換素子７による画角や露出等の撮像条件を変更し、また表示画像生成部２４を介して、３個の合成信号のいずれの波長での狭帯域画像情報を合成する等を、ユーザーによって指定できるものである。
【００２９】
以上述べた本実施の形態によれば、基準光により全体光量を知る事ができ、その基準光と、基準光の一部の波長である狭波長帯域の光を反射した残りの光との差を求める（差分分光方式という）ことにより、分光した特定波長の光量を取得する事ができる。すなわち、被写体の特定スペクトルの分光２次元情報を１ショットで撮影し、かつ高感度で高い波長分解能の分光情報を取得する事ができる。
【００３０】
更に、体積ホログラムフィルターと差分分光方式を組み合わせる事で、被写体の特定スペクトルの分光２次元情報を１ショットで撮影し、かつ高感度で高い波長分解能の分光情報を取得できる。
【００３１】
本実施の形態にかかるデータ処理装置２０の好適な使用例について説明する。例えば稲作などにおいて、稲の生育は日光や土壌の影響を受けて場所によって差が生じる。従って、追肥等を行うべき時期に差が生じることになるが、従来は農業従事者の経験や勘によって追肥等の時期を決めていた。一方で、稲の生育に応じて特定の狭波長帯域の光を反射することが分かってきている。ここで、追肥が必要な時期になると、稲から波長７０５ｎｍの反射光が生じるものとする。
【００３２】
かかる場合、例えば空中に浮遊するドローンに搭載したデータ処理装置２０を用いて、稲作地を上空から１ショットで撮像する。データ処理装置２０は、撮像によって得られた基準画像情報に基づく基準画像に対して、波長７０５ｎｍの狭帯域画像情報に基づく狭帯域画像を重ねることができる。このような合成画像をユーザーが見ることで、稲作経験の有無に関わらず、現時点で追肥が必要な稲が一目で分かるようになる。また、狭帯域画像の対象となる波長をずらしてゆくことで、近い将来、追肥が必要となる場所の稲も分かるようになる。更にデータ処理装置２０を搭載したドローンが稲作地に対して相対移動した場合でも、基準画像と狭帯域画像とにずれは生じないので、追肥が必要な場所を正確に特定できる。
【００３３】
以上の情報に基づいて、図７に示すような追肥スケジュールを得ることができる。図７（ａ）に示すように、稲作地の全体画像に対して追肥が必要な場所を色づけ等で区分けしており、区分けした場所への追肥は、図７（ｂ）に対応づけられた日付で行うことを促すことができる。
【００３４】
以上、本発明を実施の形態を参照して説明してきたが、本発明はこれに限られない。例えば、体積ホログラムフィルターは、２×２の領域のうち１つを基準光透過領域とするフィルター要素を有するものを示したが、３×３，４×４又はそれ以上の領域のうち１つを基準光透過領域とするフィルター要素を有するものでも良い。又、特殊フィルターとしては、体積ホログラムフィルターに限られず、狭波長帯域の光を抽出できるものであれば良い。本発明は農業分野に限らず医療分野でも用いることができる。
【符号の説明】
【００３５】
１            光学系
２            絞り
３            凸レンズ
４            バンドパスフィルター
５            体積ホログラムフィルター
５ａ-５ｄ        各領域
６            マイクロレンズアレイ
７            光電変換素子
７ａ-７ｄ        光電変換部
１０            光電変換モジュール
２０            データ処理装置
２１            Ａ／Ｄ変換器
２２            画像結合処理部
２３            バッファ
２４            表示画像生成部
２５            基準光画像処理部
２６            狭帯域画像処理部
２７            ファインダー
２８            モニター
２９            観察条件設定部
３０            光電変換素子制御部
【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】
2018197730.tif 000009