(57)【要約】      （修正有）【課題】自然光下、もしくはスペクトル等の情報が不明な光源下において非接触で分光画像を取得し、正確なスペクトル解析を行うことができる非接触レーザスキャニング分光画像取得装置及びその方法を提供する。【解決手段】制御装置１０１Ａは、設定された動作モードに従って、光源１０４、及び２軸ガルバノミラードライバ１０２を制御することで、スキャニングを実行する。制御装置１０１Ａは、先ず、光源１０４からのレーザ光を遮断することで、分光器１０８から背景光の分光スペクトルを取得する。制御装置１０１Ａは、次に、光源１０４からのレーザ光をスキャニング対象位置に照射し、分光器１０８から反射光の分光スペクトルを取得する。制御装置１０１Ａは、背景光及び反射光の分光スペクトルを取得すると、反射光の分光スペクトルから背景光の分光スペクトルを差し引くことで、正味の反射光の分光スペクトルを取得する。【選択図】図３
2015230229.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を射出する光源と、
前記光源より射出されるレーザ光を照射位置に調整する照射位置調整手段と、
前記照射位置調整手段により調整された照射位置からの測定対象物体の反射光の分光スペクトル、及び背景光の分光スペクトルを検出する分光器と、
前記分光器により検出された反射光の分光スペクトルから、背景光の分光スペクトルを除去するスペクトル除去手段と、
を有する非接触レーザスキャニング分光画像取得装置。
【請求項２】
請求項１に記載された非接触レーザスキャニング分光画像取得装置において、
測定対象物体を撮像する撮像手段と、
前記撮像手段により撮像された前記測定対象物体の画像より、前記測定対象物体の位置を認識する画像認識手段と、
を有し、
前記照射位置調整手段が、前記画像認識手段により認識された前記測定対象物体の位置に基づいて、照射位置を調整する非接触レーザスキャニング分光画像取得装置。
【請求項３】
請求項２に記載された非接触レーザスキャニング分光画像取得装置において、
前記撮像手段により撮像された前記測定対象物体の画像より、前記照射位置調整手段により調整された前記測定対象物体の照射位置を認識し、前記照射位置調整手段が前記認識された照射位置に基づいて、照射位置を調整する非接触レーザスキャニング分光画像取得装置。
【請求項４】
請求項１に記載された非接触レーザスキャニング分光画像取得装置において、
前記光源よりレーザ光が射出される射出時刻と、前記照射位置からの反射光の分光スペクトルが前記分光器において検出される検出時刻を計測する時刻計測手段と、
前記時刻計測手段により計測された時刻より、前記照射位置までの距離を算出する距離算出手段と、
を有する非接触レーザスキャニング分光画像取得装置。
【請求項５】
請求項１に記載された非接触レーザスキャニング分光画像取得装置において、
前記光源からの出力を制御する出力制御手段又は前記光源からの出力を遮断する手段を有する非接触レーザスキャニング分光画像取得装置。
【請求項６】
レーザ光を射出する光源と、前記光源より射出されるレーザ光を照射位置に調整する照射位置調整手段と、を有する非接触レーザスキャニング分光画像取得装置における分光画像取得方法であって、
測定対象物体の背景光の分光スペクトルを検出する背景光分光スペクトル検出工程と、
前記照射位置調整手段によりレーザ光を照射位置に調整し、測定対象物体の照射位置からの反射光の分光スペクトルを検出する反射光分光スペクトル検出工程と、
前記反射光の分光スペクトルから、前記背景光の分光スペクトルを除去するスペクトル除去工程と、
を有する分光画像取得方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、測定対象物体の分光画像を取得する分光画像取得装置及び分光画像取得方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
分光画像解析は、物質の特性情報を取得する上で効果的な手段である。
ここで、分光画像とは画像の各画素が分光分布で示される画像のことであり、また、分光分布とは各波長域における光の強度分布を示したものである。
【０００３】
従来から、分光画像を撮影（取得）する装置が提案されており、その一例として、回転式フィルタと、所定の光源、さらに分光情報を補正するための測色計を備えた分光画像撮影装置が知られている（特許文献１）。
特許文献１に記載された分光画像撮影装置では、測色計により取得した測色値と、複数の分光画像取得条件の各々において求められた測定対象物の色の推定値との比較結果に基づいて、分光画像取得時に適した分光画像取得条件を選択することで、分光画像の精度を向上させている。
【０００４】
しかしながら、特許文献１に記載された分光画像撮影装置では、画像を撮影（取得）する上で、デジタルカメラを使用している。そのため、測定対象物体の分解能はデジタルカメラに依存することとなり、広角撮影時、又は遠方撮影時においては測定対象物体の分解能が低くなり、また自然光下では、正確なスペクトル解析を行うことができない。さらに、照明を用いた解析では、照明光が届く範囲に撮影距離が制限されるという問題もある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、測定対象物体が遠方に位置する場合であっても、自然光下、もしくはスペクトル等の情報が不明な光源下において、非接触で分光画像を取得し、正確なスペクトル解析を行うことを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、レーザ光を射出する光源と、前記光源より射出されるレーザ光を照射位置に調整する照射位置調整手段と、前記照射位置調整手段により調整された照射位置からの測定対象物体の反射光の分光スペクトル、及び背景光の分光スペクトルを検出する分光器と、前記分光器により検出された反射光の分光スペクトルから、背景光の分光スペクトルを除去するスペクトル除去手段と、を有する非接触レーザスキャニング分光画像取得装置に関する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、測定対象物体が遠方に位置する場合であっても、自然光下、もしくはスペクトル等の情報が不明な光源下において、非接触で分光画像を取得し、正確なスペクトル解析を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施形態１に係る非接触レーザスキャニング分光画像取得装置の斜視図である。
【図２】本発明の実施形態１に係る非接触レーザスキャニング分光画像取得装置によるスキャニング処理を示す図である。
【図３】本発明の実施形態１に係る非接触レーザスキャニング分光画像取得装置の内部構成を示す図である。
【図４】本発明の実施形態１に係る非接触レーザスキャニング分光画像取得装置の内部構成（外部接続の場合）を示す図である。
【図５】本発明の実施形態１に係る非接触レーザスキャニング分光画像取得装置の処理手順を示すフロー図である。
【図６】分光スペクトルデータのイメージ図である。
【図７】分光スペクトルデータより特定のスペクトルの強度を可視化したイメージ図である。
【図８】分光スペクトルデータより最も大きなスペクトルを可視化したイメージ図である。
【図９】本発明の実施形態２に係る非接触レーザスキャニング分光画像取得装置の斜視図である。
【図１０】本発明の実施形態２に係る非接触レーザスキャニング分光画像取得装置によるスキャニング処理を示す図である。
【図１１】本発明の実施形態２に係る非接触レーザスキャニング分光画像取得装置の内部構成を示す図である。
【図１２】本発明の実施形態２に係る非接触レーザスキャニング分光画像取得装置の処理手順を示すフロー図である。
【図１３】本発明の実施形態３に係る非接触レーザスキャニング分光画像取得装置の内部構成を示す図である。
【図１４】本発明の実施形態３に係る非接触レーザスキャニング分光画像取得装置の処理手順を示すフロー図である。
【図１５】カメラの画角とガルバノミラーの照射位置の関係を示す図である。
【図１６】照射予定位置と実際の照射位置の関係を示す図である。
【図１７】本発明の実施形態４に係る非接触レーザスキャニング分光画像取得装置の内部構成を示す図である。
【図１８】本発明の実施形態４に係る非接触レーザスキャニング分光画像取得装置の処理手順を示すフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
【００１０】
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１に係る非接触レーザスキャニング分光画像取得装置１Ａの斜視図である。
図１に示すように、非接触レーザスキャンニング分光画像取得装置１Ａは、測定対象物体３Ａにレーザ光を照射するために、その側面に窓１０９を有する。
【００１１】
図２は、本発明の実施形態１に係る非接触レーザスキャニング分光画像取得装置１Ａによるスキャニング処理を示す図である。
図２に示すように、非接触レーザスキャニング分光画像取得装置１Ａは、測定対象物体３Ａに対して測定対象範囲を所定の範囲に分割してレーザ光を照射し、その分割した各スキャニング範囲（分割領域）における背景光及び測定対象物体３Ａの反射光の分光スペクトルを取得する。
次に、図３から図５を用いて、非接触レーザスキャニング分光画像取得装置１Ａの動作原理及び処理手順について説明する。
【００１２】
図３は、本発明の実施形態１に係る非接触レーザスキャニング分光画像取得装置１Ａの内部構成を示す図である。
図３に示すように、非接触レーザスキャニング分光画像取得装置１Ａは、制御装置１０１Ａ、２軸ガルバノミラードライバ１０２、２軸ガルバノミラー１０３、光源１０４、コリメートレンズ１０５、ビームスプリッタ１０６、フォーカッシングレンズ１０７、分光器１０８、窓１０９、記憶装置１１０を備える。
また、非接触レーザスキャニング分光画像取得装置１Ａには、外部接続機器２が接続される。外部接続機器２は、例えば、ＰＣ（Personal Computer）等であり、表示機能及び入力機能を有する。
【００１３】
制御装置１０１Ａは、主に光源１０４、及び２軸ガルバノミラードライバ１０２等を制御する。具体的には、制御装置１０１Ａは、記憶装置１１０に記憶されたプログラムの所定のパラメータに従って、光源１０４からの出力を調整し、さらに２軸ガルバノミラードライバ１０２（レーザスキャンの位置及び範囲）を制御することで、レーザスキャンを実行する。なお、光源１０４からの出力、また、レーザスキャンの位置及び範囲は、外部接続機器２から設定することもできる。
また、制御装置１０１Ａは、背景光（例えば、太陽光、自然光、未知の光源等）を計測するために、光源１０４からの出力を遮断するように制御することもできる。
【００１４】
２軸ガルバノミラードライバ１０２は、２軸ガルバノミラー１０３を制御（調整）し、２次元レーザスキャニングを実行する。
２軸ガルバノミラー１０３は、単数、又は複数のいずれで構成されていてもよく、また２次元レーザスキャニング機能を有するＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）ミラー等を用いてもよい。
【００１５】
光源１０４は、レーザ光源であり、任意の波長の光源、例えば、チューナブルレーザ、白色レーザ等を出力する。
コリメートレンズ１０５は、光源１０４より出力されたレーザ光を平行にする機能、またアイソレータとしての機能を有する。
ビームスプリッタ１０６は、コリメートレンズ１０５を透過したレーザ光（平行光）と、フォーカッシングレンズ１０７の集光方向を一致させ、反射光をフォーカッシングレンズ１０７に入射させる。
【００１６】
フォーカッシングレンズ１０７は、コリメートレンズ１０５を透過したレーザ光の照射範囲に限定した集光を可能にする。本実施形態において、フォーカッシングレンズ１０７として、テレセントリックレンズを用いるが、単焦点レンズ、又はズーム機能を有するレンズを用いてもよい。
分光器１０８は、分光機能を有する計測器である。分光器１０８により出力される情報は分光情報であり、情報（データ）の次元数はいくつでもよい。
窓１０９は、レーザ光の波長帯域を透過させる特性を有する材料で覆って構成される。なお、窓１０９は必ずしも覆わなくともよい。
記憶装置１１０は、スキャニング処理を実行する上で必要な制御プログラム、また後述の分光スペクトルデータを記憶するための装置であり、非接触レーザスキャニング分光画像取得装置１Ａに内蔵、又は外付けすることができる。
【００１７】
次に、非接触レーザスキャニング分光画像取得装置１Ａの動作原理について説明する。非接触レーザスキャニング分光画像取得装置１Ａを動作させるに当たり、ユーザは外部接続機器２により動作モードを選択する。
動作モードには、例えば、光源１０４の出力や周波数スペクトル、（全域、又は任意の範囲の選択が可能な）スキャニング範囲、背景光取得の有無、反射光取得の有無、データの出力形式等が、選択的、又は任意に設定される。なお、本実施形態における動作モードでは、光源１０４を白色レーザ光源、スキャニング範囲を全域、また背景光及び反射光の取得を有りに設定する。
【００１８】
ユーザにより動作モードが設定されると、制御装置１０１Ａは、設定された動作モードに従って、光源１０４、及び２軸ガルバノミラードライバ１０２を制御することで、スキャニングを実行する。
制御装置１０１Ａは、スキャニングを実行させるに当たり、先ず、スキャニング範囲の左上のスキャニング位置に光源１０４のレーザ光が照射されるように、（２軸ガルバノミラードライバ１０２を制御することで）２軸ガルバノミラー１０３を調整する。ここで、２軸ガルバノミラードライバ１０２、及び２軸ガルバノミラー１０３は、光源１０４からレーザ光を照射位置に調整する照射位置調整手段として機能する。
また、本実施形態におけるスキャニングでは、図２において、スキャニング範囲の最上段の左端より右方向に走査し、右端まで走査すると一段下の範囲を同様に走査し、最下段まで走査すると、再び最上段に戻るように設定しているが、走査方向及び走査手順は必ずしもこれに限定されない。
【００１９】
なお、スキャニングでは、背景光及び反射光の両方の分光スペクトルの取得を実行する。本実施形態においては、背景光の分光スペクトルから取得を開始するが、背景光及び反射光の分光スペクトルの取得に関して、いずれを先に取得してもよい。また、動作モードにおいて背景光の分光スペクトルを取得しない設定にしている場合には、反射光の分光スペクトルのみ取得する。
背景光の分光スペクトルを取得する際には、光源１０４からの出力を無効にするように制御する必要があるが、制御装置１０１Ａにより光源１０４からのレーザ光の射出を停止するよう制御してもよい（この場合、制御装置１０１Ａは、本発明の光源出力制御手段として機能する）。また強度変調器などを用いて機械的に遮断してもよい。
【００２０】
制御装置１０１Ａは、光源１０４からのレーザ光を遮断すると、分光器１０８から背景光の分光スペクトルを取得する。この分光スペクトルは、フォーカッシングレンズ１０７によって空間上のある一方向（スキャニング方向）の背景光に限定されたスペクトルである。そのため、背景光スペクトルが空間的に異なる状況下（例えば、照明位置により背景光に斑、影がある場合など）においても、スキャニング位置の背景スペクトルを正確に取得することができる。
【００２１】
制御装置１０１Ａは、背景光の分光スペクトルを取得すると、次に、反射光の分光スペクトルを取得する。制御装置１０１Ａは、光源１０４からのレーザ光を、スキャニング対象位置に照射する。その後に、制御装置１０１Ａは、分光器１０８から反射光の分光スペクトルを取得する。
制御装置１０１Ａは、背景光及び反射光の分光スペクトルを取得すると、反射光の分光スペクトルから背景光の分光スペクトルを差し引くことで、正味の、つまり背景光の分光スペクトルを除いた反射光の分光スペクトルを取得する。
【００２２】
制御装置１０１Ａは、正味の反射光の分光スペクトルを取得すると、次に、スキャニング位置を右方向にシフトさせ（２軸ガルバノミラー１０３を調整し）、同様の手順でスキャニングを実行する。
そして、スキャニング範囲の右下（即ち、最下段の右端）のスキャニングが完了すると（即ち、１フレーム分の分光画像を計測すると）、制御装置１０１Ａは、外部接続機器２に分光画像（分光スペクトルデータ）を送信する。なお、画像情報のファイル形式、画像取得のタイミング等は事前に動作モードに設定することができる。また、分光画像の計測は、外部接続機器２からの指示に基づき実行されるものであるが、事前に動作モードに計測時間等を設定することもできる。
【００２３】
なお、上記の非接触レーザスキャニング分光画像取得装置１Ａの動作原理に関する説明は、図３に基づく内容であるが、図４に示すように、光源１０４及び分光器１０８を非接触レーザスキャニング分光画像取得装置１Ａの外部に配置して、光ファイバ等で接続してもよく、それらの制御を外部接続機器２から直接、行うこともできる。
また、以上の説明では、スキャニングの際に、各スキャニング位置において背景光及び反射光の分光スペクトルを取得する手順を採っているが、始めにスキャニング範囲全域の背景光の分光スペクトルを取得し、その後にスキャニング範囲全域の反射光の分光スペクトルを取得してもよい。
【００２４】
図５は、本発明の実施形態１に係る非接触レーザスキャニング分光画像取得装置１Ａの処理手順を示すフロー図である。
非接触レーザスキャニング分光画像取得装置１Ａは、外部接続機器２より動作モードの選択及びスキャニング開始の指示を受けると（Ｓ１０１）、計測（スキャニング）を開始する（Ｓ１０２）。
ここで、動作モードの選択とは、前述のように、スキャニングの範囲、背景光の取得の有無、反射光の取得の有無、データの出力形式等を選択的、又は任意に設定することである。また、データの出力形式に関しては、ユーザが任意に設定することができるが、ここでは、スキャニング位置の分光情報のピーク周波数の値のみを用いて作成した２次元データ（画像）、又はスキャニング位置の分光情報（１次元配列データ）を２次元的に保持した３次元データとする。
【００２５】
計測を開始するにあたり（Ｓ１０２）、制御装置１０１Ａは、外部接続機器２から指示された動作モードに従って、スキャニングを開始する位置に２軸ガルバノミラー１０３を調整する（Ｓ１０３）。
制御装置１０１Ａは、２軸ガルバノミラー１０３を調整すると（Ｓ１０３）、分光器１０８から背景光の分光スペクトルを取得する（Ｓ１０４）。
【００２６】
制御装置１０１Ａは、次に、光源１０４及び２軸ガルバノミラー１０３を用いて、動作モードに設定されたレーザ光をスキャニング位置に照射し（Ｓ１０５）、分光器１０８から反射光の分光スペクトルを取得する（Ｓ１０６）。なお、制御装置１０１Ａは、分光スペクトル取得後、次のスキャニング時までに光源１０４の照射を終了する。
【００２７】
制御装置１０１Ａは、背景光及び反射光の分光スペクトルを取得すると（Ｓ１０４、Ｓ１０６）、反射光の分光スペクトルから背景光の分光スペクトルを差し引き、正味の反射光の分光スペクトルを減算する（Ｓ１０７）。
制御装置１０１Ａは、ステップＳ１０７において算出した正味の反射光の分光スペクトルを、スキャニング位置と組み合わせて、記憶装置１１０に記憶する（Ｓ１０８）。
したがって、制御装置１０１Ａは、ここではスペクトル除去手段として機能する。
【００２８】
制御装置１０１Ａは、ステップＳ１０３からステップＳ１０８までの処理を完了すると、スキャニング位置及びその他の動作モードを確認し（Ｓ１０９）、スキャニングを継続するか否かを判定する。具体的には、ステップＳ１０３からステップＳ１０８までの処理を実行したスキャニング位置がスキャニング範囲の最終位置（即ち、最下段の右端）である場合、又は他の動作モードの条件に該当する場合（Ｓ１０９ Ｎｏ）にステップＳ１１０に移行し、それ以外の場合（Ｓ１０９ Ｙｅｓ）には、ステップＳ１０３に戻り、スキャニングを継続する。
ここで、動作モードの設定等でスキャニングを途中で終了させない限り、記憶装置１１０には、（スキャニング範囲全域の）各スキャニング位置における分光スペクトルが分光スペクトルデータとして記憶される。そして、この（スキャニング範囲全域の）分光スペクトルデータが１フレーム分の分光スペクトルデータを構成する。
【００２９】
制御装置１０１Ａは、１フレーム分の分光スペクトルデータが生成されると、動作モードにおいて設定された出力形式に従って、分光スペクトルデータ、ピークスペクトルの画像情報、及び／又はＲＡＷデータ（何の処理も加えずに記録するデータ；スキャニング位置における全分光スペクトルを保持した３次元データ）等を外部接続機器２に送信する（Ｓ１１０）。
制御装置１０１Ａは、外部接続機器２からスキャニングの停止指示があるか否かを確認し（Ｓ１１１）、停止指示がある場合（Ｓ１１１ Ｙｅｓ）には処理を終了し、停止指示がない場合（Ｓ１１１ Ｎｏ）には次のフレームデータを取得するためにステップＳ１０３の処理を実行する。制御装置１０１Ａは、外部接続機器２から停止指示があるまで、ステップＳ１０３からステップＳ１１０までの処理を繰り返し実行する。
なお、ステップＳ１０４からステップＳ１０７までの処理は、外部接続機器２から指示される動作モードに従って実行される処理であることから、動作モードによっては実行されない場合がある。
【００３０】
次に、図６から図８を用いて、非接触レーザスキャニング分光画像取得装置１Ａより出力される分光スペクトルデータについて説明する。
なお、分光スペクトルデータのファイル形式に関しては、外部接続機器２から動作モードにおいて設定可能である。
【００３１】
図６は、分光スペクトルデータのイメージ図である。
図６Ａの分光スペクトルデータでは、スキャニング範囲を２次元としているが、各スキャニング位置における分光スペクトルデータ（波長と強度の２次元データ）を割り当てて、全体としては、ここでは、便宜上図６Ｂに示す３次元データとして表している。
また、図６Ｂでは、中央の４箇所のスキャニング位置にのみ分光スペクトルデータのイメージ波形を図示している。中央の４箇所のスキャニング位置のうち、上２箇所（図中、×印）と、下２箇所（図中、○印）は各々類似した分光スペクトルデータが割り当てられており、これは、実際のスキャニング対象物（測定対象物体３Ａ）の分光特性が類似していることを示している。
【００３２】
図７は、図６の分光スペクトルデータより、特定のスペクトルの強度を可視化したイメージ図である。
図７Ａのイメージ図は、図６Ａのような分光スペクトルデータが取得された後、特定の周波数スペクトルの値、及び特定の周波数帯域のスペクトルの値を積算した値を、２次元の輝度画像として生成したものである。
図７Ｂはスペクトルの強度を可視化したイメージ図であって、図７Ｂに示すように、中央の４箇所（分割領域）のスキャニング位置において特定のスペクトルの強度が高くなっており、また中央の４箇所（分割領域）に隣接する分割領域においても、特定のスペクトルが所定の強度で分布している。
【００３３】
図８は、図６の分光スペクトルデータより、最も大きなスペクトルを可視化したイメージ図である。
図８Ａのイメージ図は、図６に示す分光スペクトルデータが取得された後、各スキャニング位置において、そのピーク周波数を算出し、算出したピーク周波数を、テーブルを用いてＲＧＢ値に変換することで、２次元のカラー画像として生成したものである。
また、図８Ｂはスペクトルの強度を可視化したイメージ図である。
なお、２次元のカラー画像を生成する上で、分光器１０８の測定帯域を、カラーチャート（ピーク周波数をＲＧＢ値に変換するテーブル）に対応付けておく必要がある。
図８Ｂでは、＋４５度の斜線が青色、−４５度の斜線が赤色を示しており、また斜線の間隔により色の濃淡を示している。図８Ｂに示すように、中央の下部２箇所の分割領域において青色のスペクトルの強度が高くなっており、また中央の上部２箇所の分割領域において赤色のスペクトルの強度が高くなっている。
【００３４】
（実施形態２）
図９は、本発明の実施形態２に係る非接触レーザスキャニング分光画像取得装置１Ｂの斜視図である。
図９に示すように、非接触レーザスキャニング分光画像取得装置１Ｂは、本発明の実施形態１に係る非接触レーザスキャニング分光画像取得装置１Ａに撮像装置（以下、カメラ１１１）を取り付けたものである。
カメラ１１１の取り付けに関して、カメラ１１１が非接触レーザスキャニング分光画像取得装置１Ｂに固定されていればよく、また取り付け方法は、内蔵、又は外付けのいずれでも構わない。
【００３５】
図１０は、本発明の実施形態２に係る非接触レーザスキャニング分光画像取得装置１Ｂによるスキャニング処理を示す図である。
図１０に示すように、非接触レーザスキャニング分光画像取得装置１Ｂは、カメラ１１１により撮像した画像に基づき、測定対象物体３Ｂの形状等の特徴量、また位置を確認した上で、測定対象物体３Ｂに対してレーザ光を照射し、各スキャニング位置における背景光及び反射光の分光スペクトルを取得する。
なお、非接触レーザスキャニング分光画像取得装置１Ｂの処理手順については、図１２を用いて後述する。
【００３６】
図１１は、本発明の実施形態２に係る非接触レーザスキャニング分光画像取得装置１Ｂの内部構成を示す図である。
前述のように、非接触レーザスキャニング分光画像取得装置１Ｂは、本発明の実施形態１に係る非接触レーザスキャニング分光画像取得装置１Ａに、カメラ１１１（及び、レンズ１１２）を取り付けたものである。
本実施形態において、レンズ１１２は、カメラ１１１に固定されており、２次元の画像の撮影を可能にする。また、制御装置１０１Ｂは、本発明の実施形態１に係る非接触レーザスキャニング分光画像取得装置１Ａの制御装置１０１Ａに、新規に、カメラ１１１からの画像データを取得する機能を組み込んだものである。
なお、図１１において、本発明の実施形態１に係る非接触レーザスキャニング分光画像取得装置１Ａと同じ機能（動作）を有する構成要素には、図３と同じ符号を付している。
【００３７】
本発明の実施形態２に係る非接触レーザスキャニング分光画像取得装置１Ｂでは、カメラ１１１を有することにより、測定対象物体３Ｂの形状等の特徴量、また画像認識技術により測定対象物体３Ｂの位置を特定した上で、スキャニングを実行することができる。なお、画像認識は、制御装置１０１Ｂ、又は外部接続機器２で実行する（即ち、制御装置１０１Ｂ又は外部接続機器２は、画像認識手段として機能する）。
【００３８】
図１２は、本発明の実施形態２に係る非接触レーザスキャニング分光画像取得装置１Ｂの処理手順を示すフロー図である。
非接触レーザスキャニング分光画像取得装置１Ｂは、外部接続機器２より動作モードの選択及びスキャニング開始の指示を受けると（Ｓ２０１）、計測（スキャニング）を開始する（Ｓ２０２）。
ここで、動作モードの選択とは、画像認識の有無、測定対象物体３Ｂの画像認識に必要な情報、スキャニングの範囲、背景光の取得の有無、反射光の取得の有無、データの出力形式等を選択的、又は任意に設定することである。また、データの出力形式に関しては、ユーザが任意に設定することができるが、ここでは、スキャニング位置の分光情報のピーク周波数の値のみを用いて作成した２次元データ（画像）、又はスキャニング位置の分光情報（１次元配列データ）を２次元的に保持した３次元データとする。
【００３９】
制御装置１０１Ｂは、計測を開始するに当たり（Ｓ２０２）、動作モードにおいて設定された、測定対象物体３Ｂの画像認識に関する情報を用いて画像認識を実行し、測定対象物体３Ｂを検出し、さらに、測定対象物体３Ｂの分光スペクトルを取得するために、測定対象物体３Ｂの位置及びスキャニング範囲を特定する（Ｓ２０３）。
なお、画像認識に関する処理は、外部接続機器２においても実行することができ、その場合、外部接続機器２が、認識結果に基づいて制御装置１０１Ｂに指示する。
【００４０】
制御装置１０１Ｂは、スキャニング範囲及び位置を特定すると（Ｓ２０３）、外部接続機器２から指示された動作モードに従って、スキャニングを開始する位置に２軸ガルバノミラー１０３を調整する（Ｓ２０４）。
制御装置１０１Ｂは、２軸ガルバノミラー１０３を調整すると（Ｓ２０４）、分光器１０８から背景光の分光スペクトルを取得する（Ｓ２０５）。
【００４１】
制御装置１０１Ｂは、次に、光源１０４及び２軸ガルバノミラー１０３を用いて、動作モードに設定されたレーザ光をスキャニング位置に照射し（Ｓ２０６）、分光器１０８から反射光の分光スペクトルを取得する（Ｓ２０７）。なお、制御装置１０１Ｂは、分光スペクトル取得後、次のスキャニング時までに光源１０４の照射を終了する。
【００４２】
制御装置１０１Ｂは、背景光及び反射光の分光スペクトルを取得すると（Ｓ２０５、Ｓ２０７）、反射光の分光スペクトルから背景光の分光スペクトルを差し引き、正味の反射光の分光スペクトルを減算する（Ｓ２０８）。
制御装置１０１Ｂは、ステップＳ２０８において、算出した正味の反射光の分光スペクトルを、スキャニング位置と組み合わせて、記憶装置１１０に記憶する（Ｓ２０９）。
【００４３】
制御装置１０１Ｂは、ステップＳ２０４からステップＳ２０９までの処理を完了すると、スキャニング位置及びその他の動作モードを確認し（Ｓ２１０）、スキャニングを継続するか否かを判定する。具体的には、ステップＳ２０４からステップＳ２０９までの処理を実行したスキャニング位置がスキャニング範囲の最終位置（即ち、図１０の最下段の右端）である場合、又は他の動作モードの条件に該当する場合（Ｓ２１０ Ｎｏ）にステップＳ２１１に移行し、それ以外の場合（Ｓ２１０ Ｙｅｓ）には、ステップＳ２０４に戻り、スキャニングを継続する。
ここで、動作モードの設定等でスキャニングを途中で終了させない限り、記憶装置１１０には、スキャニング範囲全域の各スキャニング位置における分光スペクトルが分光スペクトルデータとして記憶される。
【００４４】
制御装置１０１Ｂは、１フレーム分の分光スペクトルデータが生成されると、動作モードにおいて設定された出力形式に従って、分光スペクトルデータ、ピークスペクトルの画像情報、及び／又はＲＡＷデータ（スキャニング位置における全分光スペクトルを保持した３次元データ）等を外部接続機器２に送信する（Ｓ２１１）。
また、制御装置１０１Ｂは、外部接続機器２に分光スペクトルデータ等を送信するとき、カメラ画像と併せて、又は別々に、若しくはカメラ画像に重ね合わせて、１枚の画像として送信することができる。なお、これらは、動作モードにより設定することができる。
【００４５】
制御装置１０１Ｂは、外部接続機器２からスキャニングの停止指示があるか否かを確認し（Ｓ２１２）、停止指示がある場合（Ｓ２１２ Ｙｅｓ）には処理を終了し、停止指示がない場合（Ｓ２１２ Ｎｏ）には次のフレームデータを取得するためにステップＳ２０３の処理を実行する。制御装置１０１Ｂは、外部接続機器２から停止指示があるまで、ステップＳ２０３からステップＳ２１１までの処理を繰り返し実行する。
なお、ステップＳ２０５からステップＳ２０８までの処理は、外部接続機器２から指示される動作モードに従って実行される処理であることから、動作モードによっては実行されない場合がある。
【００４６】
このように、非接触レーザスキャニング分光画像取得装置１Ｂでは、測定対象物体３Ｂの位置を特定し、その測定対象物体３Ｂの存在する範囲に限定したスキャニングを実行することで、不要な分光スペクトルデータの取得を制限することができる。そのため、スキャニング処理を高速化することができ、また、測定対象が特定された分光スペクトルデータを取得することができる。
【００４７】
（実施形態３）
図１３は、本発明の実施形態３に係る非接触レーザスキャニング分光画像取得装置１Ｃの内部構成を示す図である。
制御装置１０１Ｃは、本発明の実施形態１に係る非接触レーザスキャニング分光画像取得装置１Ａの制御装置１０１Ａに、新規に、光源１０４から光を射出する射出時刻と、スキャニング位置からの反射光を分光器１０８で検出する検出時刻を計測する機能（本発明の時刻計測手段に対応する）を組み込んだものである。
なお、反射光の検出に関して、特徴的なスペクトルの光を用いて検出してもよく、また閾値を用いて背景光と区別することで検出してもよい。
【００４８】
制御装置１０１Ｃは、さらに、射出時刻と検出時刻に基づいて、非接触レーザスキャニング分光画像取得装置１Ｃからスキャニング位置までの距離を算出する機能（本発明の距離算出手段に対応する）を有する。また、距離を計測するに当たり、より正確な距離（即ち、窓１０９からスキャニング位置までの距離）を計測するために、非接触レーザスキャニング分光画像取得装置１Ｃ内の光路長を差し引いてもよい。
なお、図１３において、本発明の実施形態１に係る非接触レーザスキャニング分光画像取得装置１Ａと同じ機能（動作）を有する構成要素には、図３と同じ符号を付している。
【００４９】
図１４は、本発明の実施形態３に係る非接触レーザスキャニング分光画像取得装置１Ｃの処理手順を示すフロー図である。
非接触レーザスキャニング分光画像取得装置１Ｃは、外部接続機器２より動作モードの選択及びスキャニング開始の指示を受けると（Ｓ３０１）、計測（スキャニング）を開始する（Ｓ３０２）。
ここで、動作モードの選択とは、距離計測機能の有無、スキャニングの範囲、背景光の取得の有無、反射光の取得の有無、データの出力形式等を選択的、又は任意に設定することである。また、データの出力形式に関しては、ユーザが任意に設定することができるが、ここでは、スキャニング位置の分光情報のピーク周波数の値のみを用いて作成した２次元データ（画像）、又はスキャニング位置の分光情報（１次元配列データ）を２次元的に保持した３次元データとする。
【００５０】
計測を開始するにあたり（Ｓ３０２）、制御装置１０１Ｃは、外部接続機器２から指示された動作モードに従って、スキャニングを開始する位置に２軸ガルバノミラー１０３を調整する（Ｓ３０３）。
制御装置１０１Ｃは、２軸ガルバノミラー１０３を調整すると（Ｓ３０３）、分光器１０８から背景光の分光スペクトルを取得する（Ｓ３０４）。
【００５１】
制御装置１０１Ｃは、次に、光源１０４及び２軸ガルバノミラー１０３を用いて、動作モードに設定されたレーザ光をスキャニング位置に照射する（Ｓ３０５）。また、レーザ光をスキャニング位置に照射させる際、制御装置１０１Ｃは、光源１０４からレーザ光が射出（発射）される時刻（射出時刻）を記憶装置１１０に記憶する。なお、制御装置１０１Ｃは、分光スペクトル取得後、次のスキャニング時までに光源１０４の照射を終了する。
【００５２】
そして、スキャニング位置に照射したレーザ光が反射し、その反射光が分光器１０８で検出されると、制御装置１０１Ｃは、反射光が検出された時刻（検出時刻）を記憶装置１１０に記憶し、また分光器１０８から反射光の分光スペクトルを取得する（Ｓ３０６）。
制御装置１０１Ｃは、ステップＳ３０４において背景光の分光スペクトルを取得し、またステップＳ３０６において反射光の分光スペクトルを取得すると、反射光の分光スペクトルから背景光の分光スペクトルを差し引き、正味の反射光の分光スペクトルを算出する（Ｓ３０７）。
また、制御装置１０１Ｃは、記憶装置１１０に記憶された射出時刻と検出時刻より、非接触レーザスキャニング分光画像取得装置１Ｃからスキャニング位置までの距離を算出する（Ｓ３０７）。
【００５３】
制御装置１０１Ｃは、ステップＳ３０７において、算出した正味の反射光の分光スペクトル、及び非接触レーザスキャニング分光画像取得装置１Ｃからスキャニング位置までの距離を、スキャニング位置と組み合わせて、記憶装置１１０に記憶する（Ｓ３０８）。
【００５４】
制御装置１０１Ｃは、ステップＳ３０３からステップＳ３０８までの処理を完了すると、スキャニング位置及びその他の動作モードを確認し（Ｓ３０９）、スキャニングを継続するか否かを判定する。具体的には、ステップＳ３０３からステップＳ３０８までの処理を実行したスキャニング位置がスキャニング範囲の最終位置（即ち、図１０の最下段の右端）である場合、又は他の動作モードの条件に該当する場合（Ｓ３０９ Ｎｏ）にステップＳ３１０に移行し、それ以外の場合（Ｓ３０９ Ｙｅｓ）には、ステップＳ３０３に戻り、スキャニングを継続する。
ここで、動作モードの設定等でスキャニングを途中で終了させない限り、記憶装置１１０には、（スキャニング範囲全域の）各スキャニング位置における分光スペクトルが分光スペクトルデータとして記憶される。
【００５５】
制御装置１０１Ｃは、１フレーム分の分光スペクトルデータが生成されると、動作モードにおいて設定された出力形式に従って、分光スペクトルデータ、ピークスペクトルの画像情報、及び／又はＲＡＷデータ（スキャニング位置における全分光スペクトルを保持した３次元データ）等を外部接続機器２に送信する（Ｓ３１０）。
制御装置１０１Ｃは、外部接続機器２からスキャニングの停止指示があるか否かを確認し（Ｓ３１１）、停止指示がある場合（Ｓ３１１ Ｙｅｓ）には処理を終了し、停止指示がない場合（Ｓ３１１ Ｎｏ）には次のフレームデータを取得するためにステップＳ３０３の処理を実行する。制御装置１０１Ｃは、外部接続機器２から停止指示があるまで、ステップＳ３０３からステップＳ３１０までの処理を繰り返し実行する。
なお、ステップＳ３０４からステップＳ３０７までの処理は、外部接続機器２から指示される動作モードに従って実行される処理であることから、動作モードによっては実行されない場合がある。
【００５６】
このように、非接触レーザスキャニング分光画像取得装置１Ｃでは、スキャニング位置までの距離を計測することで、測定対象物体３Ｃの分析対象範囲を３次元的に限定することができる。そのため、分析時において、不要なデータを予め除外することができ、測定データの信頼性も高めることができる。
また、非接触レーザスキャニング分光画像取得装置１Ｃからスキャニング位置までの距離を計測することができれば、その後のスキャニング処理を、測定距離を限定して実行することもできる。
【００５７】
（実施形態４）
本発明の実施形態４に係る非接触レーザスキャニング分光画像取得装置１Ｄは、本発明の実施形態２に係る非接触レーザスキャニング分光画像取得装置１Ｂの測定精度を向上させたものである。
非接触レーザスキャニング分光画像取得装置１Ｂでは、カメラ１１１の画角と２軸ガルバノミラー１０３の照射位置が一致していることを前提としているが、実際には、図１５に示すように、カメラ１１１の画角と２軸ガルバノミラー１０３の照射位置は、非接触レーザスキャニング分光画像取得装置１Ｂからの距離によって異なる。そのため、非接触レーザスキャニング分光画像取得装置１Ｂでは、事前に調整された距離、又は、照射位置とカメラ画像上の位置誤差が比較的小さい距離内に使用が制限される。
【００５８】
非接触レーザスキャニング分光画像取得装置１Ｄでは、図１６に示すようにカメラ１１１の画角（照射予定位置）と２軸ガルバノミラー１０３の照射位置（実際の照射位置）が一致していない場合においても、実際の照射位置を照射予定位置に補正することができる。
【００５９】
図１７は、本発明の実施形態４に係る非接触レーザスキャニング分光画像取得装置１Ｄの内部構成を示す図である。
制御装置１０１Ｄは、本発明の実施形態２に係る非接触レーザスキャニング分光画像取得装置１Ｂの制御装置１０１Ｂに、新規に、実際の照射位置を照射予定位置に補正する機能を組み込んだものである。
なお、図１７において、本発明の実施形態２に係る非接触レーザスキャニング分光画像取得装置１Ｂと同じ機能（動作）を有する構成要素には、図１１と同じ符号を付している。
【００６０】
以下、照射位置の補正方法に関して、簡単に説明する。
先ず、制御装置１０１Ｄは、カメラ１１１により測定対象物体３Ｄを撮像し、撮像画像より測定対象物体３Ｄの位置を特定する。
次に、制御装置１０１Ｄは、２軸ガルバノミラー１０３により照射予定位置にレーザ光を照射し、レーザ光が実際に照射されている位置を、カメラ１１１により撮像した画像で確認する。
その後に、制御装置１０１Ｄは、撮像画像を認識することにより照射予定位置と実際の照射位置とのずれを算出し、実際の照射位置を照射予定位置に補正（調整）する。具体的には、撮像画像において、実際の照射位置の座標と照射予定位置の座標との差分を計算し、その計算結果に基づき、制御装置１０１Ｄが、２軸ガルバノミラー１０３を制御することで、実際の照射位置を照射予定位置に補正する。
なお、制御装置１０１Ｄは、照射位置を補正した後に、再度レーザ光を照射予定位置に照射し、実際の照射位置と照射予定位置とが一致することを、カメラ１１１の撮像画像より確認してもよい。この場合、制御装置１０１Ｄは、照射位置確認手段として機能する。
【００６１】
図１８は、本発明の実施形態４に係る非接触レーザスキャニング分光画像取得装置１Ｄの処理手順を示すフロー図である。
非接触レーザスキャニング分光画像取得装置１Ｄは、外部接続機器２より動作モードの選択及びスキャニング開始の指示を受けると（Ｓ４０１）、計測（スキャニング）を開始する（Ｓ４０２）。
ここで、動作モードの選択とは、画像認識の有無、測定対象物体３Ｄの画像認識に必要な情報、スキャニングの範囲、スキャニング位置の補正の有無、背景光の取得の有無、反射光の取得の有無、データの出力形式等を選択的、又は任意に設定することである。また、データの出力形式に関しては、ユーザが任意に設定することができるが、ここでは、スキャニング位置の分光情報のピーク周波数の値のみを用いて作成した２次元データ（画像）、又はスキャニング位置の分光情報（１次元配列データ）を２次元的に保持した３次元データとする。
【００６２】
制御装置１０１Ｄは、計測を開始するにあたり（Ｓ４０２）、動作モードにおいて設定された、測定対象物体３Ｄの画像認識に関する情報を用いて画像認識を実行し、測定対象物体３Ｄを検出し、さらに測定対象物体３Ｄの分光スペクトルを取得するために、スキャニング範囲及び位置を特定する（Ｓ４０３）。
なお、画像認識に関する処理は、外部接続機器２においても実行することができ、その場合、外部接続機器２が、認識結果に基づいて制御装置１０１Ｄに指示する。
【００６３】
制御装置１０１Ｄは、スキャニング位置を特定すると（Ｓ４０３）、実際の照射位置を照射予定位置に補正する（Ｓ４０４）。
即ち、制御装置１０１Ｄは、２軸ガルバノミラー１０３によりスキャニング予定位置にレーザ光を照射し、レーザ光が実際に照射されている位置をカメラ１１１の撮像画像から確認すると、実際の照射位置を照射予定位置に調整する。
なお、ステップＳ４０４における補正処理は、スキャニング範囲全域の分光スペクトルデータを取得するごとに実行してもよい。
【００６４】
制御装置１０１Ｄは、照射位置を補正すると（Ｓ４０４）、分光器１０８から背景光の分光スペクトルを取得する（Ｓ４０５）。
制御装置１０１Ｄは、次に、光源１０４及び２軸ガルバノミラー１０３を用いて、動作モードに設定されたレーザ光をスキャニング位置に照射し（Ｓ４０６）、分光器１０８から反射光の分光スペクトルを取得する（Ｓ４０７）。なお、制御装置１０１Ｄは、分光スペクトル取得後、次のスキャニング時までに光源１０４の照射を終了する。
【００６５】
制御装置１０１Ｄは、背景光及び反射光の分光スペクトルを取得すると（Ｓ４０５、Ｓ４０７）、反射光の分光スペクトルから背景光の分光スペクトルを差し引き、正味の反射光の分光スペクトルを減算する（Ｓ４０８）。
制御装置１０１Ｄは、ステップＳ４０８において、算出した正味の反射光の分光スペクトルを、スキャニング位置と組み合わせて、記憶装置１１０に記憶する（Ｓ４０９）。
【００６６】
制御装置１０１Ｄは、ステップＳ４０４からステップＳ４０９までの処理を完了すると、スキャニング位置及びその他の動作モードを確認し（Ｓ４１０）、スキャニングを継続するか否かを判定する。具体的には、ステップＳ４０４からステップＳ４０９までの処理を実行したスキャニング位置がスキャニング範囲の最終位置（即ち、最下段の右端）である場合、又は他の動作モードの条件に該当する場合（Ｓ４１０ Ｎｏ）にステップＳ４１１に移行し、それ以外の場合（Ｓ４１０ Ｙｅｓ）には、ステップＳ４０４に戻り、スキャニングを継続する。
ここで、動作モードの設定等でスキャニングを途中で終了させない限り、記憶装置１１０には、（スキャニング範囲全域の）各スキャニング位置における分光スペクトルが分光スペクトルデータとして記憶される。
【００６７】
制御装置１０１Ｄは、１フレーム分の分光スペクトルデータが生成されると、動作モードにおいて設定された出力形式に従って、分光スペクトルデータ、ピークスペクトルの画像情報、及び／又はＲＡＷデータ（スキャニング位置における全分光スペクトルを保持した３次元データ）等を外部接続機器２に送信する（Ｓ４１１）。
また、制御装置１０１Ｄは、外部接続機器２に分光スペクトルデータ等を送信するとき、カメラ画像と併せて、又は別々に、若しくはカメラ画像に重ね合わせて、１枚の画像として送信することができる。なお、これらは、動作モードにより設定することができる。
【００６８】
制御装置１０１Ｄは、外部接続機器２からスキャニングの停止指示があるか否かを確認し（Ｓ４１２）、停止指示がある場合（Ｓ４１２ Ｙｅｓ）には処理を終了し、停止指示がない場合（Ｓ４１２ Ｎｏ）には次のフレームデータを取得するためにステップＳ４０３の処理を実行する。制御装置１０１Ｄは、外部接続機器２から停止指示があるまで、ステップＳ４０３からステップＳ４１１までの処理を繰り返し実行する。
なお、ステップＳ４０５からステップＳ４０８までの処理は、外部接続機器２から指示される動作モードに従って実行される処理であることから、動作モードによっては実行されない場合がある。
【００６９】
このように、非接触レーザスキャニング分光画像取得装置１Ｄでは、画像認識技術により、実際の照射位置を照射予定位置に補正する機能を有することから、カメラ１１１と測定対象物体３Ｄとの距離に関係なく、信頼性を向上させた分光スペクトルデータを取得することができる。
【００７０】
以上、説明したように、本発明の実施形態にかかる非接触レーザスキャニング分光画像取得装置によれば、レーザ光により非接触でスキャニングし、また、スキャニング対象範囲を、測定対象物体の位置に応じた所定の範囲に分割することで、測定対象物体が遠方に位置する場合であっても、高い分解能を維持することができる。
また、レーザ光を遮断した状態で取得される分光スペクトルを背景光による分光スペクトルと見做し、反射光の分光スペクトルから背景光による分光スペクトルを差し引くことで、より精度の高いスペクトル解析を行うことができる。
【符号の説明】
【００７１】
１Ａ…非接触レーザスキャニング分光画像取得装置、２…外部接続機器、１０１Ａ…制御装置、１０２…２軸ガルバノミラードライバ、１０３…２軸ガルバノミラー、１０４…光源、１０５…コリメートレンズ、１０６…ビームスプリッタ、１０７…フォーカッシングレンズ、１０８…分光器、１０９…窓、１１０…記憶装置。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００７２】
【特許文献１】特開２００４−３３６６５７
【図１】
2015230229.tif 000003
【図２】
2015230229.tif 000004
【図３】
2015230229.tif 000005
【図４】
2015230229.tif 000006
【図５】
2015230229.tif 000007
【図６】
2015230229.tif 000008
【図７】
2015230229.tif 000009
【図８】
2015230229.tif 000010
【図９】
2015230229.tif 000011
【図１０】
2015230229.tif 000012
【図１１】
2015230229.tif 000013
【図１２】
2015230229.tif 000014
【図１３】
2015230229.tif 000015
【図１４】
2015230229.tif 000016
【図１５】
2015230229.tif 000017
【図１６】
2015230229.tif 000018
【図１７】
2015230229.tif 000019
【図１８】
2015230229.tif 000020