(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも第１の方向に配列された複数の光源を含む光源アレイと、
前記光源アレイに対向する位置に配置され、前記複数の光源に対向する複数の位置のそれぞれにおいて、特定の波長帯域の光を選択的に透過させ、前記第１の方向に透過波長帯域が変化している光学フィルタと、
前記複数の光源の各々に制御電流を供給することによって前記複数の光源の各々の発光強度を制御する制御回路と、
を備え、
前記複数の光源の各々の発光強度は、前記透過波長帯域において波長依存性を有し、
前記制御回路は、前記光学フィルタのうち、前記発光強度が相対的に低い波長の光を透過させる部分に対向する光源に供給する前記制御電流を相対的に高くし、前記光学フィルタのうち、前記発光強度が相対的に高い波長の光を透過させる部分に対向する光源に供給する前記制御電流を相対的に低くすることにより、前記光学フィルタを透過する光のスペクトルを所望のスペクトルに近づける、
マルチスペクトル照明装置。
【請求項２】
前記複数の光源は、前記第１の方向、および前記第１の方向に交差する第２の方向に２次元的に配列されている、請求項１に記載のマルチスペクトル照明装置。
【請求項３】
前記複数の光源の各々は、ＬＥＤ光源である、請求項１または２に記載のマルチスペクトル照明装置。
【請求項４】
前記複数の光源の各々は、白、赤、緑、および青のいずれかの光を発する光源である、請求項３に記載のマルチスペクトル照明装置。
【請求項５】
前記光学フィルタは、各々が異なる特定の波長帯域の光を透過させる複数の部分が前記第１の方向に配列された多層膜フィルタである、請求項１から４のいずれかに記載のマルチスペクトル照明装置。
【請求項６】
前記光学フィルタの透過波長帯域は、前記第１の方向に単調に変化している、請求項１から５のいずれかに記載のマルチスペクトル照明装置。
【請求項７】
前記光学フィルタの透過波長帯域は、前記第１の方向に、青の波長帯域から赤の波長帯域に至るまで、単調に変化している、請求項１から６のいずれかに記載のマルチスペクトル照明装置。
【請求項８】
前記光学フィルタにおいて、前記複数の光源の少なくとも１つに対向する部分は、近赤外線を透過させる、請求項１から６のいずれかに記載のマルチスペクトル照明装置。
【請求項９】
前記光学フィルタは、前記光源アレイに接している、請求項１から８のいずれかに記載のマルチスペクトル照明装置。
【請求項１０】
前記複数の光源から出射され前記光学フィルタを透過した光の経路上に配置された光拡散フィルタをさらに備える、請求項１から９のいずれかに記載のマルチスペクトル照明装置。
【請求項１１】
前記複数の光源から出射され前記光学フィルタを透過した光の経路上に配置されたコンデンサレンズと、
前記コンデンサレンズを透過した前記光の経路上に配置されたプロジェクションレンズと、
をさらに備える、請求項１から９のいずれかに記載のマルチスペクトル照明装置。
【請求項１２】
第１の方向、および前記第１の方向に交差する第２の方向に、２次元的に配列された複数の光源を含む光源アレイと、
前記光源アレイに対向し、前記第２の方向に配列された複数の光学フィルタと、
前記複数の光源の各々の発光強度を制御する制御回路と、
を備え、
前記複数の光学フィルタの各々は、前記光源アレイのうち、前記第１の方向に並ぶ複数の光源に対向し、前記複数の光源に対向する複数の位置のそれぞれにおいて、特定の波長帯域の光を選択的に透過させ、前記第１の方向に透過波長帯域が変化している、
マルチスペクトル照明装置。
【請求項１３】
第１の方向に配列された複数の光源を含む光源アレイと、
前記光源アレイに対向する位置に配置され、前記複数の光源に対向する複数の位置のそれぞれにおいて、特定の波長帯域の光を選択的に透過させ、前記第１の方向に透過波長帯域が変化している光学フィルタと、
前記複数の光源の各々の発光強度を制御する制御回路と、
を備え、
前記複数の光源は、複数の赤色光源と、複数の緑色光源と、複数の青色光源とを含み、
前記光学フィルタにおける前記複数の赤色光源に対向する部分は、赤色光を透過させ、
前記光学フィルタにおける前記複数の緑色光源に対向する部分は、緑色光を透過させ、
前記光学フィルタにおける前記複数の青色光源に対向する部分は、青色光を透過させる、
マルチスペクトル照明装置。
【請求項１４】
第１の方向に配列された複数の光源を含む光源アレイと、
前記光源アレイに対向する位置に配置され、前記第１の方向に並ぶ２つの光学フィルタと、
前記複数の光源の各々の発光強度を制御する制御回路と、
を備え、
前記複数の光源は、複数の近赤外光源と、複数の赤色光源と、複数の緑色光源と、複数の青色光源とを含み、
前記複数の近赤外光源は、前記複数の赤色光源に隣り合い、
前記複数の緑色光源は、前記複数の青色光源に隣り合い、
前記２つの光学フィルタの一方は、前記複数の近赤外光源および前記複数の赤色光源に対向し、前記複数の近赤外光源に対向する部分においては近赤外光を透過させ、前記赤色光源に対向する部分においては赤色光を透過させ、
前記２つの光学フィルタの他方は、前記複数の緑色光源および前記複数の青色光源に対向し、前記複数の緑色光源に対向する部分においては緑色光を透過させ、前記青色光源に対向する部分においては青色光を透過させる、
マルチスペクトル照明装置。
【請求項１５】
請求項１から１４のいずれかに記載のマルチスペクトル照明装置と、
イメージセンサと、
前記イメージセンサの撮像面に、前記マルチスペクトル照明装置から出射された光による被写体の像を形成する光学系と、
を備える撮像システム。
【請求項１６】
前記イメージセンサから出力された電気信号を処理する信号処理回路をさらに備え、
前記制御回路は、前記マルチスペクトル照明装置における前記複数の光源および前記イメージセンサを制御して、前記マルチスペクトル照明装置から出射される光のスペクトルを変化させながら前記イメージセンサで複数回の撮像を実行させ、
前記信号処理回路は、前記複数回の撮像によって前記イメージセンサの１つの画素から順次出力された複数の画素信号を用いた演算により、前記被写体の一点における反射分光特性を示す関数を直交関数系で展開したときの展開係数を求める、
請求項１５に記載の撮像システム。
【請求項１７】
各回の撮像時における前記マルチスペクトル照明装置から出射される光のスペクトルは、所定の波長帯域に関して波長の周期関数で表される、請求項１６に記載の撮像システム。
【請求項１８】
前記所定の波長帯域の幅をＷとするとき、前記周期関数の周期の逆数は、１／Ｗの整数倍である、請求項１７に記載の撮像システム。
【請求項１９】
前記周期関数は、独立変数を波長とする余弦関数または正弦関数を用いて表される、請求項１７または１８に記載の撮像システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、照明光のスペクトルを変化させることができるマルチスペクトル照明装置、および当該マルチスペクトル照明装置を備える撮像システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
照明光のスペクトルを変化させることができるマルチスペクトル照明装置が、例えば特許文献１に開示されている。特許文献１に開示されたマルチスペクトル照明装置は、互いに異なる波長の光を発光する複数の光源と、複数本の光学ファイバーを束ねることによって構成されたファイバーユニットとを有している。対象物を観察する際には、複数のＬＥＤの全てを点灯させ、対象物の測色を行う際には、ＬＥＤの任意の１つ、または任意の２つ以上を点灯させることが開示されている。また、複数のＬＥＤに供給する電流値を変化させて光量を制御することにより、対象物を適度な照度で観察できることが開示されている（段落００５１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−０８９５９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本開示は、従来技術とは異なる構造を有する新規なマルチスペクトル照明装置、および当該マルチスペクトル照明装置を備えた撮像システムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本開示のマルチスペクトル照明装置の一態様は、少なくとも第１の方向に配列された複数の光源を含む光源アレイと、前記光源アレイに対向する位置に配置され、前記複数の光源に対向する複数の位置のそれぞれにおいて、特定の波長帯域の光を選択的に透過させ、前記第１の方向に透過波長帯域が変化している光学フィルタと、前記複数の光源の各々の発光強度を制御する制御回路と、を備える。
【０００６】
上記の包括的または具体的な態様は、システム、方法、集積回路、コンピュータプログラム、記録媒体、またはこれらの任意の組み合わせで実現されてもよい。
【発明の効果】
【０００７】
本開示の実施形態におけるマルチスペクトル照明装置によれば、ある方向に透過波長帯域が変化している光学フィルタを用いて、それに対向する複数の光源の各々の発光強度を調整することにより、照明光のスペクトルを変化させることができる。これにより、例えば複雑な機械的機構を用いることなく、多様なマルチスペクトル発光を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１Ａ】図１Ａは、本開示の例示的な実施形態によるマルチスペクトル照明装置１０の構成を模式的に示す斜視図である。
【図１Ｂ】マルチスペクトル照明装置１０の他の構成例を示す斜視図である。
【図２Ａ】図１Ｂに示すマルチスペクトル照明装置１０のＸＺ面に平行な断面を模式的に示す図である。
【図２Ｂ】光源１１からの斜め光の影響をさらに低減することが可能な構成の例を示す断面図である。
【図３Ａ】複数の光源１１が２次元的に配列された例を模式的に示す斜視図である。
【図３Ｂ】光学フィルタ１２がｙ方向に配列された３枚のフィルタの組み合わせである例を示している。
【図４Ａ】複数の光源１１がｘ方向にのみ配列された構成例を示している。
【図４Ｂ】複数の光源１１がｘ方向およびｙ方向に２次元的に配列された構成例を示している。
【図４Ｃ】複数の光源１１が、第１の方向（ｘ方向）および、第１の方向に交差する第２の方向に２次元的に配列された例を示している。
【図５Ａ】マルチスペクトル照明装置１０の他の構成例を模式的に示す断面図である。
【図５Ｂ】図５Ａの構成における光の経路の例を示す図である。
【図５Ｃ】コンデンサレンズ１６およびプロジェクションレンズ１７に用いられ得るレンズの一例を模式的に示す図である。
【図６】白色ＬＥＤおよびハロゲンランプのスペクトルの例を示す図である。
【図７】各ＬＥＤに供給する制御電流を調整する方法を説明するための図である。
【図８】マルチスペクトル照明装置１０の他の構成例を示す斜視図である。
【図９】マルチスペクトル照明装置１０のさらに他の構成例を示す斜視図である。
【図１０】透過特性の異なる複数のフィルタを機械的に切り替えて光のスペクトルを変化させる例（比較例）を模式的に示す図である。
【図１１Ａ】実施形態２におけるマルチスペクトル撮像システムの構成図である。
【図１１Ｂ】被写体からの光が結像レンズ１を透過してイメージセンサ３の撮像面３ａに結像される様子を模式的に示した図である。
【図１２】多層膜フィルタ１２ａの外観を模式的に示す図である。
【図１３】多層膜フィルタ２ａの分光透過特性の例を示す図である。
【図１４Ａ】本実施形態における照明装置１０からの光の分光特性（スペクトル）のパターンを示す第１の図である。
【図１４Ｂ】本実施形態における照明装置１０からの光の分光特性（スペクトル）のパターンを示す第２の図である。
【図１５】本実施形態におけるマルチスペクトル撮像システムの動作の流れを示すフローチャートである。
【図１６Ａ】色見本の反射分光特性を示す第１の図である。
【図１６Ｂ】色見本の反射分光特性を示す第２の図である。
【図１７Ａ】算出した被写体の分光特性を示している。
【図１７Ｂ】被写体であるカラーチェッカの実際の分光特性を示している。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本開示の実施形態を説明する。ただし、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。なお、発明者は、当業者が本開示を十分に理解するために添付図面および以下の説明を提供するのであって、これらによって特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図するものではない。以下の説明において、同一または類似する構成要素については、同じ参照符号を付している。
【００１０】
（実施形態１）
図１Ａは、本開示の例示的な実施形態によるマルチスペクトル照明装置１０の構成を模式的に示す斜視図である。図１Ａには、互いに直交するｘ、ｙ、ｚ方向を示すｘｙｚ座標が示されている。以下、図中に示すｘｙｚ座標を用いて説明する。なお、本願の図面に示される構造物の向きは、説明のわかり易さを考慮して設定されており、本開示の実施形態が現実に実施されるときの向きをなんら制限するものではない。また、図面に示されている構造物の全体または一部分の形状および大きさも、現実の形状および大きさを制限するものではない。
【００１１】
マルチスペクトル照明装置１０は、少なくとも第１の方向（ｘ方向とする。）に配列された複数の光源１１を含む光源アレイと、光源アレイに対向する位置に配置された光学フィルタ１２と、複数の光源１１の各々の発光強度を制御する制御回路１３とを備えている。本実施形態における複数の光源１１および制御回路１３は、プリント基板１５上に配置されている。図１Ａでは、わかり易さのため、光源アレイと光学フィルタ１２との間が極端に離れた状態を示しているが、典型的には、光源アレイと光学フィルタ１２とは、接触または近接して配置される。
【００１２】
光学フィルタ１２は、複数の光源１１に対向する複数の位置のそれぞれにおいて、特定の波長帯域の光を選択的に透過させる特性を有している。より具体的には、光学フィルタ１２は、第１の方向に透過波長帯域が変化している。特定の波長帯域の光を「選択的に透過させる」とは、当該波長帯域の光を、同程度の幅をもつ他の波長帯域の光よりも高い透過率で透過させる特性を有することを意味する。「特定の波長帯域」は、特定の色（例えば、赤、黄、緑、シアン、青、紫など）に関連付けられる。特定の波長帯域の光を選択的に透過させることは、特定の色の光を選択的に透過させることと同様の意義を有する。
【００１３】
ある例では、光学フィルタ１２は、透過波長帯域が第１の方向に単調に変化（増加または減少）するように設計される。透過波長域がある方向に「単調に変化する」とは、その方向に位置がシフトするにつれて、透過波長帯域が長波長側にシフトする（増加する）、または短波長側にシフトする（減少する）ことを意味する。ある例では、光学フィルタ１２の透過波長帯域は、第１の方向に、青または紫の波長帯域から赤の波長帯域に至るまで、単調に変化する。そのような光学フィルタ１２においては、例えば、第１の方向に関して、一方の端部が青または紫の波長帯域（例えば、３８０ｎｍ〜４５０ｎｍに含まれる比較的狭い帯域）の光を選択的に透過させ、中央部が緑の波長帯域（例えば５００ｎｍ〜５７０ｎｍに含まれる比較的狭い帯域）の光を選択的に透過させ、他方の端部が赤の波長帯域（例えば６００ｎｍ〜７００ｎｍに含まれる比較的狭い帯域）の光を選択的に透過させる。そのような光学フィルタ１２を用いることにより、例えば、可視光の波長域の全体をカバーすることができる。光学フィルタ１２は、その少なくとも一部が、近赤外線（約７００ｎｍ〜約２５００ｎｍの波長範囲に含まれる電磁波）または近紫外線（約２００ｎｍ〜約３８０ｎｍの波長範囲に含まれる電磁波）を透過させるように設計されていてもよい。本明細書では、可視光だけでなく、赤外線および紫外線を含めて、「光」の用語を用いる。なお、上記の波長帯域を示す数値範囲は例示であり、本開示の技術を限定するものではない。
【００１４】
光学フィルタ１２は、典型的には、誘電体多層膜を含む多層膜フィルタであり得る。多層膜フィルタの各層の材料および膜厚を調整することにより、ｘ方向の各位置において、特定の波長帯域の光のみを透過させ、他の波長帯域の光が吸収または反射されるようにすることができる。光学フィルタ１２は、例えば、各々が異なる特定の波長帯域の光を透過させる複数の部分が第１の方向に配列されたものと考えることができる。複数の部分の各々は、例えば、ｙ方向に長く、ｘ方向に短い帯状色フィルタであると考えることもできる。
【００１５】
各光源１１は、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）による光源であり得る。ただし、光源１１はＬＥＤに限定されず、他の種類の光源であってもよい。例えば、レーザー光源および有機発光素子なども光源１１として利用され得る。以下の説明では、各光源１１は主にＬＥＤ光源であるものとする。
【００１６】
複数の光源１１の各々は、例えば白色ＬＥＤであるが、白以外の色の光を発するＬＥＤであってもよい。ある例では、複数の光源１１は、発光色の異なる複数のＬＥＤの組み合わせであり得る。例えば、複数の光源１１は、青色光を発する複数のＬＥＤ、緑色光を発する複数のＬＥＤ、および赤色光を発する複数のＬＥＤの組み合わせであり得る。
【００１７】
複数の光源１１は、制御回路１３に接続されている。各光源１１がＬＥＤである場合、制御回路１３は、ＬＥＤ駆動回路を含む。各ＬＥＤは、制御回路１３から供給される電流の大きさに応じて異なる発光強度で発光する。光源１１がＬＥＤ以外の光源である場合、制御回路１３は、当該光源に適合した駆動回路を含む。
【００１８】
以上の構成により、マルチスペクトル照明装置１０は、所望のスペクトルの発光を安定して行うことが可能である。例えば、複数の光源１１の各々が白色ＬＥＤであり、光学フィルタ１２が、青の波長帯域から赤の波長帯域に至るまで、ｘ方向に連続的に波長帯域が単調に増加または減少する特性を有しているとする。光学フィルタ１２における特定の波長の光を選択的に透過させる部分に対向するＬＥＤのみを点灯させれば、その特定の波長に対応する単色光が得られる。例えば、所望のスペクトルの光が青の光である場合、制御回路１３は、青の光を透過させる光学フィルタ１２の部分に対向する１つまたは複数のＬＥＤのみを発光させる。これにより、光学フィルタ１２から、青の光を取り出すことができる。一方、所望のスペクトルの光が赤および青の混色であるマゼンタの光である場合、制御回路１３は、光学フィルタ１２における赤の光のみを透過させる部分、および青の光のみを透過させる部分に対向する複数のＬＥＤのみを発光させる。これにより、光学フィルタ１２からマゼンタの光を取り出すことができる。また、全てのＬＥＤを点灯させれば、白色光が得られる。このように、発光させるＬＥＤの組み合わせ、および各ＬＥＤの発光強度を適切に調整することにより、所望のスペクトルの発光を実現することができる。
【００１９】
本実施形態におけるマルチスペクトル照明装置１０は、実施形態２において説明するように、直交関数展開を用いた信号処理によって被写体の反射分光特性を測定する撮像システムにも好適に用いることができる。そのような撮像システムでは、照明装置１０からの光のスペクトルが波長に関して余弦関数または正弦関数などの周期関数で表される。個々の光源１１の発光強度を適切に調整することにより、そのような周期関数のスペクトルを得ることができる。
【００２０】
図１Ｂは、マルチスペクトル照明装置１０の他の構成例を示す斜視図である。この照明装置１０は、前述の構成要素に加えて、光を拡散させる拡散フィルタ１４をさらに備えている。拡散フィルタ１４は、光学フィルタ１２を透過した光の経路上に配置される。拡散フィルタ１４を配置することにより、光が照射される範囲を広げることができる。
【００２１】
図２Ａは、図１Ｂに示すマルチスペクトル照明装置１０のＸＺ面に平行な断面を模式的に示す図である。この例では、複数の光源１１と光学フィルタ１２とが接触している。このような構成により、ある光源１１に対向する光学フィルタ１２の部分に、当該光源に隣接する他の光源からの光（斜め光）が入射する可能性を低減することができる。なお、本明細書において「対向する」ことには、直接接することも含まれる。
【００２２】
図２Ｂは、光源１１からの斜め光の影響をさらに低減することが可能な構成の例を示す断面図である。この例では、複数の光源１１のうちの隣接する２つの光源１１の間に、光を吸収する遮光板１８が設けられている。このような遮光板１８は、隣接する任意の２つの光源１１の間に配置され得る。このような構成により、斜め光の影響をさらに低減することができる。
【００２３】
以上の例では、複数の光源１１が１次元的に（第１の方向のみに）配列されているが、複数の光源１１は２次元的に配列されていてもよい。言い換えれば、複数の光源１１は、第１の方向、および第１の方向に交差する第２の方向に配列されていてもよい。
【００２４】
図３Ａは、複数の光源１１が２次元的に配列された例を模式的に示す斜視図である。この例では、ｘ方向に並ぶ複数の光源１１の列が、ｙ方向に３列並んでいる。この例では、ｘ方向が第１の方向であり、これに直交するｙ方向が第２の方向である。このように光源１１の数を増加させることにより、光量を増加させることができる。なお、各列の光源１１の数および列数は、図示される例に限定されず、任意に設定してよい。光源１１の数の増加に伴い、面積の大きい光学フィルタ１２が用いられ得る。光学フィルタ１２の面積が大きく、光源１１の数が多いほど、光量を増加させることができる。光学フィルタ１２は、１枚のフィルタである必要はなく、複数枚のフィルタ（例えば多層膜フィルタ）の組み合わせであってもよい。
【００２５】
図３Ｂは、光学フィルタ１２がｙ方向に配列された３枚のフィルタの組み合わせである例を示している。３枚のフィルタは、３列の光源１１のそれぞれに対向している。このような構成であっても、１枚のフィルタを用いた場合と同様の効果を実現できる。面積の大きいフィルタを作製することが困難な場合には、このような構成が適している。
【００２６】
以下、図４Ａから図４Ｃを参照しながら、光源１１の配置のいくつかの例と、その特徴を説明する。図４Ａから図４Ｃにおいては、複数の光源１１の配列方向（第１の方向および第２の方向）が点線で示されている。
【００２７】
図４Ａは、複数の光源１１がｘ方向にのみ配列された構成例を示している。この例では、発光量は小さいが、コストおよび消費電力を低く抑えられるという利点がある。この場合、使用される光学フィルタ１２は、ｘ方向に長くｙ方向に短い帯形状を有し得る。光学フィルタ１２のサイズの一例は、５０ｍｍ×１０ｍｍ程度である。一列に並ぶ光源１１の数は、図示されている１２個に限らず、さらに少数またはさらに多数であってもよい。ある例では、第１の方向に３０個以上の光源１１が並ぶ構成が採用され得る。
【００２８】
図４Ｂは、複数の光源１１がｘ方向およびｙ方向に２次元的に配列された構成例を示している。この例では、ｘ方向に並ぶ１２個の光源１１の列が、ｙ方向に４列並んでいる。このような構成により、図３Ａおよび図３Ｂに示す例と同様、光学フィルタ１２から出射される全体の光量を増加させることができる。この例では、前述のように、光学フィルタ１２は、１枚のフィルタであってもよいし、複数枚のフィルタの組み合わせであってもよい。例えば、ｘ方向に長くｙ方向に短い帯状の多層膜フィルタが、ｙ方向に複数枚並べられ得る。各フィルタは、１つの列の光源に対向するように配置され得る。
【００２９】
図４Ｃは、複数の光源１１が、第１の方向（ｘ方向）および、第１の方向に交差する第２の方向に２次元的に配列された例を示している。第１の方向と第２の方向とがなす角度は、９０度とは異なっている。この例では、ｘ方向に並ぶ複数の光源１１の列と、その列にｙ方向において隣接する他の列とで、光源１１のｘ方向の位置が異なっている。例えば、図４Ｃに示す２列目の光源１１ｃおよび３列目の光源１１ｄのｘ方向の位置は、１列目においてｘ方向に隣接する２つの光源１１ａ、１１ｂのｘ方向の位置の間にある。光学フィルタ１２には、ｙ方向に透過波長域が変わらず、ｘ方向に透過波長域が変化する１枚または複数枚の多層膜フィルタ等が使用され得る。このような構成にすることにより、発光波長の調整をより細やかに行うことができる。
【００３０】
光源１１として、例えば大電流が流せるＬＥＤを用いた場合、大きな光量が得られる一方で、光源１１のサイズが大きくなる。その結果、隣接する２つの光源に対向する光学フィルタ１２の２つの部分の距離が長くなり、発光波長を細やかに調整することが難しくなる。図４Ｃに示すように、列によって各光源１１のｘ方向の位置をシフトさせることにより、この課題を解決できる。図４Ｃの構成では、発光波長の調整の階調（分解能とも表現する）を約３倍に向上させることができる。
【００３１】
図５Ａは、マルチスペクトル照明装置１０の他の構成例を模式的に示す断面図である。この例では、図１Ｂに示す拡散フィルタ１４に代えて、ケーラー光学系が用いられている。ケーラー光学系は、複数の光源１１から出射され光学フィルタ１２を透過した光の経路上に配置されたコンデンサレンズ１６と、コンデンサレンズ１６を透過した光の経路上に配置されたプロジェクションレンズ１７とを含む。図５Ｂは、図５Ａの構成における光の経路の例を示している。図５Ｂに示すように、光学フィルタ１２において複数の光源１１に対向する全ての部分から出た光が照射面上の１点に向かい、光学フィルタ１２の各点から出た光は、照射面上の広い範囲に亘って拡がる。このような光学系を用いることにより、光量の増加が期待できる。さらに、照明のむらが減少するため、より均一なスペクトルの照明が得られる。
【００３２】
図５Ｃは、コンデンサレンズ１６およびプロジェクションレンズ１７に用いられ得るレンズの一例を模式的に示す図である。図示されるレンズは、フレネルレンズである。一般に、フレネルレンズは精度が低く、画像撮影用のレンズとしては不向きであるが、照明の高輝度化および均一化には適している。コンデンサレンズ１６およびプロジェクションレンズ１７にフレネルレンズを用いることにより、光学系の薄型化、軽量化、およびコストダウンなどが期待できる。
【００３３】
次に、光源１１としてＬＥＤを用いる場合に、スペクトル分析に適した発光を実現するための構成例を説明する。
【００３４】
図６は、白色ＬＥＤと、スペクトル分析に適していると考えられているハロゲンランプのスペクトルの計測結果の例を示す図である。一般的な白色ＬＥＤは、青色ＬＥＤと、その補色である黄色の光を発する蛍光体との組み合わせによって実現される。このため、図６に示すように、白色ＬＥＤからの光は、長波長側の成分および５００ｎｍ付近の成分が少ない。よって、ハロゲンランプに比べて、スペクトル分析には不向きであるといえる。
【００３５】
この課題を解決するためには、例えば以下のような方法が考えられる。
（ａ）各ＬＥＤに供給する電流を調整することによって補償する。
（ｂ）発光波長帯域の異なる複数種類のＬＥＤを用いる。
【００３６】
以下、方法（ａ）、（ｂ）について説明する。
【００３７】
図７は、（ａ）の各ＬＥＤに供給する制御電流を調整する方法を説明するための図である。図７に示すように、ＬＥＤの発光強度が低い波長に対応する位置に配置されたＬＥＤほど、多くの電流を供給することで、上記課題を解決できる。そのような構成では、ＬＥＤの分光特性（発光強度の波長依存性）が予め測定され、その分光特性に応じて、各ＬＥＤに供給される電流が調整される。これにより、光量が少ない波長の光が増強され、ハロゲン光またはスペクトルが均一な自然光に近い白色光を得ることができる。
【００３８】
図８は、上記（ｂ）の方法を適用した構成の例を示す斜視図である。この例では、複数の光源１１は、複数の赤色ＬＥＤ１１Ｒと、複数の緑色ＬＥＤ１１Ｇと、複数の青色ＬＥＤ１１Ｂとを含む。ＬＥＤ１１Ｒは、光学フィルタ１２における赤色の光を透過させる領域に対向する位置に配置される。ＬＥＤ１１Ｇは、光学フィルタ１２における緑色の光を透過させる領域に対向する位置に配置される。ＬＥＤ１１Ｂは、光学フィルタ１２における青色の光を透過させる領域に対向する位置に配置される。ただし、各ＬＥＤの発光波長と、それに対向する光学フィルタ１２の部分の透過波長とが厳密に一致している必要はない。各ＬＥＤおよび光学フィルタ１２は、全てのＬＥＤを点灯させたときに、全体として白色光が得られるように配置され得る。このように、発光波長の異なる複数種類のＬＥＤを、そのＬＥＤの発光波長の光を透過させる光学フィルタ１２の部分に対向して配置することにより、幅広い帯域に亘って発光エネルギーを分布させることができる。
【００３９】
図９は、マルチスペクトル照明装置１０の他の構成例を示す斜視図である。この例では、ＬＥＤ１１Ｒ、１１Ｇ、１１Ｂに加えて、近赤外線を発する複数のＬＥＤ１１ＩＲが設けられている。さらに、光学フィルタ１２が、赤外から赤の波長帯域の光を透過させる多層膜フィルタ１２Ｌと、緑から青の波長帯域の光を透過させる多層膜フィルタ１２Ｓとを含んでいる。多層膜フィルタ１２Ｌにおいて、複数の近赤外ＬＥＤ１１ＩＲに対向する部分は、近赤外光を主に透過させ、複数の赤色ＬＥＤ１１Ｒに対向する部分は、赤色光を主に透過させる。多層膜フィルタ１２Ｓにおいて、複数の緑色ＬＥＤ１１Ｇに対向する部分は、緑色光を主に透過させ、複数の青色ＬＥＤ１１Ｂに対向する部分は、青色光を主に透過させる。このような構成により、近赤外から青色に至る広帯域の発光が可能である。前述のように、発光波長の異なる複数種類のＬＥＤを用いることで、光源のスペクトルの平均化と広帯域化が図れる。しかし、１枚のフィルタで、近赤外から青色に至る広帯域の透過特性を持たせることは一般に困難である。そこで、図９に示すように、透過波長域の異なる複数のフィルタを用いることにより、比較的容易に広帯域化を図ることができる。なお、透過特性の異なる光学フィルタ１２の数は、３つ以上でもよい。
【００４０】
次に、本実施形態のマルチスペクトル照明装置１０の効果を説明する。
【００４１】
マルチスペクトル照明を実現するための構成には、本実施形態の構成以外に、例えば図１０に示すような構成が考えられる。図１０は、透過特性の異なる複数のフィルタを機械的に切り替えて光のスペクトルを変化させる例（比較例）を模式的に示している。このような構成では、フィルタの切替のための動作に時間を要する上に、可動部の存在に起因して寿命の短縮化および故障可能性の増加などの課題がある。さらに、予め決められたスペクトルパターン（最大で１０種類程度）の発光しかできないという課題もある。本実施形態では、機械的な可動部分がないため、高速での動作が可能であり、機械的な摩耗による劣化のおそれがない。さらに、複数の光源の発光強度の組み合わせは多様であるため、様々なパターンのスペクトルの発光が可能である。
【００４２】
また、例えば白色のバックライトと、多層膜フィルタとの間に液晶層を設け、液晶を制御して必要な部分のみ光を透過させることで発光スペクトルを制御する構成も考えられる。本実施形態では、液晶を用いていないため、液晶に起因する光の損失を回避し、光の利用効率を高めることができる。また、光源として単一のバックライトを用いるのではなく、複数のＬＥＤなどの光源を用いるため、光源の発光スペクトルによらずに柔軟にスペクトルを補償することができる。
【００４３】
（実施形態２）
次に、本開示の実施形態２におけるマルチスペクトル撮像システムを説明する。
【００４４】
本実施形態の撮像システムは、実施形態１において説明したいずれかのマルチスペクトル照明装置と、イメージセンサ（撮像素子）と、イメージセンサの撮像面に、マルチスペクトル照明装置から出射された光による被写体の像を形成する光学系とを備える。これにより、実施形態１におけるマルチスペクトル照明装置を用いた被写体の撮像（検査など）を行うことができる。
【００４５】
本実施形態における撮像システムは、イメージセンサから出力された電気信号を処理する信号処理回路をさらに備える。マルチスペクトル照明装置における制御回路は、各光源およびイメージセンサを制御する。より具体的には、照明装置から出射される光のスペクトルを変化させながらイメージセンサで複数回の撮像を実行させる。信号処理回路は、当該複数回の撮像によってイメージセンサの１つの画素から順次出力された複数の画素信号を用いた演算により、被写体の一点における反射分光特性を示す関数を直交関数系で展開したときの展開係数を求める。求めた展開係数から、被写体の反射分光特性を求めることができる。なお、画素信号とは、イメージセンサが有する各光検出セル（例えばフォトダイオードを含む）から出力される電気信号（光電変換信号とも称する）を意味する。
【００４６】
ここで、本実施形態におけるマルチスペクトル撮像の基本原理を説明する。被写体のある１点からの反射光エネルギーを表す波長の関数が、所定の波長帯域λ１〜λ２（但しλ２−λ１＝Ｗ）で存在するとして、その関数を波長λ１からのシフト波長Ｘ（０≦Ｘ≦Ｗ）を用いてＦ（Ｘ）で表す。すると、Ｆ（Ｘ）は、次の式１で示される有限のフーリエ級数で近似できる。なお、シフト波長Ｘを、以下では単に波長Ｘと表現することがある。
【数１】
0006339133.tif 000002
但し、式１におけるａ（ｉ）、ｂ（ｉ）は下記の式２、式３で表され、ｉは０から予め設定された最大自然数Ｎまでの整数である。式１におけるΣはｉ＝１からｉ＝Ｎまでの総和を表す。また、式２、式３における積分範囲はＸ＝０〜Ｗである。
【数２】
0006339133.tif 000003
【数３】
0006339133.tif 000004
【００４７】
式２および式３で示されるa(i)およびb(i)をイメージセンサの画素信号から作り出すことができれば、被写体の反射分光特性（被写体から反射される光の強度の波長依存性）を近似的に算出できる。そこで、本実施形態では、出射光の分光特性を波長変化に対して周期的に（例えば余弦関数的または正弦関数的に）変化させることのできるマルチスペクトル照明装置を用いて、発光スペクトルを変えながら撮像する。これにより、イメージセンサの画素信号に基づいて、フーリエ係数a(i)およびb(i)を算出できる。
【００４８】
例えば、撮像システムは、上記所定の波長帯域Ｗにおいて、照明装置から照射される光の強度がどの波長についても一定値になるように各光源の発光強度を調整して第１回目の撮像を行う。外部光の影響を無視すれば、画素信号Sdは、∫F(X)dXに比例した信号値となり、Sd×(2/Ｗ)の演算により、a(0)を算出できる。さらに、照明装置からの光の分光特性を(1/2)(1+cos(2πiX/W))または(1/2)(1+sin(2πiX/W)のような特性に変えて撮像すれば、画素信号Saは∫(1/2)(1+cos(2πiX/W))F(X)dXまたは∫(1/2)(1+sin(2πiX/W))F(X)dXに比例した信号値となる。この画素信号Saと１回目の撮像時に得られた画素信号Sdとを用いて、(2Sa-Sd)×(2/W)の演算を行えば、a(i)またはb(i)が算出できる。
【００４９】
このように、照明装置からの光の分光特性を変えて複数回撮像し、撮像した画像信号を用いてa(i)、b(i)を算出すれば、被写体の反射分光特性を画素単位で算出できる。
【００５０】
以上が本実施形態の基本原理である。以下、この基本原理を利用した、本実施形態の撮像システムをより詳細に説明する。
【００５１】
図１１Ａは、本実施形態におけるマルチスペクトル撮像システムの構成図である。この撮像システムは、撮像装置２０と、マルチスペクトル照明装置１０とを備えている。撮像装置２０は、広帯域光学フィルタ９と、結像レンズ（光学系）１と、イメージセンサ（撮像素子）３と、信号発生／受信回路４と、制御回路５と、画像処理回路６と、画像メモリー７と、信号出力部８と、を備えている。
【００５２】
広帯域光学フィルタ９は、所定の波長帯域の光のみを透過させるフィルタである。広帯域光学フィルタ９は、本実施形態では３８０ｎｍ〜７６０ｎｍの光のみを透過させ、他の波長域の光（紫外線および赤外線を含む。）をカットする。広帯域光学フィルタ９は、光学系１の前に配置されている。
【００５３】
光学系１は、少なくとも１つのレンズを含む結像光学系である。光学系１は、入射光を集光し、イメージセンサ３の撮像面に被写体の像を形成する。
【００５４】
イメージセンサ３は、例えばＣＭＯＳ型またはＣＣＤ型等の任意のイメージセンサであり得る。イメージセンサ３は、複数の光検出セル（例えばフォトダイオードを含む。）を有している。各光検出セルは、光電変換によって受光量に応じた電気信号（画素信号）を出力する。これにより、イメージセンサ３は、光学系１を透過した光による像に応じた画像信号を出力する。
【００５５】
信号発生／受信回路４は、イメージセンサ３からの画像信号を受信すると共にイメージセンサ３等を駆動するための信号を発生してイメージセンサ３に送信する。信号発生／受信回路４は、例えばＣＭＯＳドライバなどのＬＳＩから構成され得る。画像処理回路６は、信号発生／受信回路４からの画像信号を画像メモリー７に送信すると共に画像メモリー７からの画像信号を読み出して処理する。画像処理回路６は、例えば公知の信号処理プロセッサ（ＤＳＰ）などの信号処理回路と、画像処理を実行するソフトウェアとの組み合わせによって実現され得る。あるいは、画像処理回路６は、専用のハードウェアから構成されていてもよい。画像メモリー７は、例えばＤＲＡＭまたはＳＲＡＭ等の公知の半導体メモリーであり得る。信号出力部（出力インターフェース）８は、画像処理回路６からの信号を外部に出力する。
【００５６】
制御回路５は、マルチスペクトル照明装置１０における制御回路１３（図１等）と協働して、照明装置１０における各光源の発光とイメージセンサ３による撮像とを同期させる。制御回路５は、信号発生／受信回路４に、イメージセンサ３を駆動させるための制御信号を送る。制御回路５と信号発生／受信回路４とは、１つの回路によって実現されていてもよい。制御回路５、１３は、例えば、メモリーとＣＰＵとを備えるマイクロコントローラユニット（ＭＣＵ）によって実現され得る。制御回路５、１３が１つの回路によって実現されていてもよい。
【００５７】
図１１Ｂは、被写体からの光が結像レンズ１を透過してイメージセンサ３の撮像面３ａに結像される様子を模式的に示した図である。結像された画像はイメージセンサ３で光電変換され電気信号になり、信号発生／受信回路４および画像処理回路６を介して画像メモリーに記録される。
【００５８】
再び図１１Ａを参照する。マルチスペクトル照明装置１０は、実施形態１におけるいずれかの構成を備えている。本実施形態では、マルチスペクトル照明装置１０における光学フィルタ１２は、多層膜フィルタであり、複数の光源１１の各々は、ＬＥＤ光源であるものとする。
【００５９】
本実施形態における多層膜フィルタは、可視光に含まれる複数の色（レインボー色と表現する。）の光をそれぞれ透過させる複数の部分を有する。多層膜フィルタは、一方向に透過波長が虹のように変化する特性を有している。多層膜フィルタと、複数のＬＥＤとの組み合わせにより、多層膜フィルタを透過する光の分光分布（光強度の波長依存性）を自由に変化させることができる。
【００６０】
図１２は、多層膜フィルタ１２ａの外観を模式的に示す図である。レインボー色の多層膜フィルタ２ａが、複数のＬＥＤに対向して配置されている。本実施形態における多層膜フィルタ２ａはｙ方向（画像の垂直方向に相当）には分光特性が変化しないが、ｘ方向（画像の水平方向に相当）にはその位置に応じて透過波長が連続的に変化する。
【００６１】
図１３は、多層膜フィルタ２ａの分光透過特性の例を示す図である。図１３では、１４個の透過波長帯域のみを例示しているが、実際の多層膜フィルタ２ａは、さらに多数の透過波長帯域の部分を含み得る。多層膜フィルタ２ａは、水平方向（ｘ方向）のある位置では狭帯域の細長い光学フィルタであるといえる。その位置が水平方向に連続的に変わると当該位置の透過波長帯域も連続的に変化する。なお、実際にはこの変化は離散的であるが、透過波長帯域の変化量を小さくすることにより、連続的であるとみなせる。本実施形態では、少なくとも波長帯域３８０ｎｍ〜７６０ｎｍでは各々の位置で当該透過波長のピーク透過率はほぼ１００％（図では１．０の値）である。多層膜フィルタ２ａの透過波長帯域は、ｘ座標に対して単調に増加または減少するように設計してもよいし、各々が特定の透過波長帯域を有する複数のストライプ状の部分がｘ方向にランダムに配列されていてもよい。後者の場合も、全体として上記の波長帯域の全域がほぼ連続的にカバーされるように設計され得る。一次元に限らず、２次元的に透過波長帯域が変化する多層膜フィルタを利用してもよい。
【００６２】
多層膜フィルタ２ａとして、例えば、エドモンド・オプティクス社のリニア可変バンドパスフィルタや、ニコン社のリニアバリアブルフィルタ等を好適に用いることができる。
【００６３】
このような多層膜フィルタ２ａに密接させて複数のＬＥＤのアレイを配置することにより、照明装置１０は、所望のスペクトルの発光が可能である。
【００６４】
図１４Ａおよび図１４Ｂは、本実施形態における照明装置１０からの光の分光特性（スペクトル）のパターンを示す。図１４Ａは波長帯域０．３８μｍ〜０．７６μｍ（３８０ｎｍ〜７６０ｎｍ）において、余弦関数に従った１周期から８周期の８つのスペクトルのパターンを示している。図１４Ｂは同波長帯域において、正弦関数に従った１周期から８周期の８つのスペクトルのパターンを示している。なお、図１４Ａおよび図１４Ｂに示す１６のスペクトルのパターン以外に、上記波長帯域において波長によらず強度が一定のパターンもある。よって、照明装置１０からの発光パターンは総計１７パターンである。ここで、上記波長帯域において波長によらず強度が一定のパターンをＰＴＮ０と呼び、図１４Ａに示すパターンを長周期から短周期の順にＰＴＮ１、ＰＴＮ２、・・・、ＰＴＮ８と呼び、図１４Ｂに示すパターンを長周期から短周期の順にＰＴＮ９、ＰＴＮ１０、・・・、ＰＴＮ１６と呼ぶことにする。
【００６５】
ここで、ＰＴＮｎ（ｎ＝０，１，・・・１６）の発光スペクトルを表す波長の関数をＰｎ（Ｘ）と表現する。Ｘは、前述のように、基準波長（本実施形態では０．３８μｍ）からのシフト波長を表す。各パターンにおけるＰｎ（Ｘ）は、近似的に以下のように表される。なお、Ｗは、広帯域光学フィルタ９が透過させる光の波長帯域を示し、本実施形態では０．３８（＝０．７６−０．３８）μｍである。
ＰＴＮ０：  Ｐ０（Ｘ）＝１
ＰＴＮ１：  Ｐ１（Ｘ）＝（１／２）（１＋ｃｏｓ（２πＸ／Ｗ））
ＰＴＮ２：  Ｐ２（Ｘ）＝（１／２）（１＋ｃｏｓ（４πＸ／Ｗ））
ＰＴＮ３：  Ｐ３（Ｘ）＝（１／２）（１＋ｃｏｓ（６πＸ／Ｗ））
ＰＴＮ４：  Ｐ４（Ｘ）＝（１／２）（１＋ｃｏｓ（８πＸ／Ｗ））
ＰＴＮ５：  Ｐ５（Ｘ）＝（１／２）（１＋ｃｏｓ（１０πＸ／Ｗ））
ＰＴＮ６：  Ｐ６（Ｘ）＝（１／２）（１＋ｃｏｓ（１２πＸ／Ｗ））
ＰＴＮ７：  Ｐ７（Ｘ）＝（１／２）（１＋ｃｏｓ（１４πＸ／Ｗ））
ＰＴＮ８：  Ｐ８（Ｘ）＝（１／２）（１＋ｃｏｓ（１６πＸ／Ｗ））
ＰＴＮ９：  Ｐ９（Ｘ）＝（１／２）（１＋ｓｉｎ（２πＸ／Ｗ））
ＰＴＮ１０：  Ｐ１１（Ｘ）＝（１／２）（１＋ｓｉｎ（４πＸ／Ｗ））
ＰＴＮ１１：  Ｐ１２（Ｘ）＝（１／２）（１＋ｓｉｎ（６πＸ／Ｗ））
ＰＴＮ１２：  Ｐ１３（Ｘ）＝（１／２）（１＋ｓｉｎ（８πＸ／Ｗ））
ＰＴＮ１３：  Ｐ１４（Ｘ）＝（１／２）（１＋ｓｉｎ（１０πＸ／Ｗ））
ＰＴＮ１４：  Ｐ１５（Ｘ）＝（１／２）（１＋ｓｉｎ（１２πＸ／Ｗ））
ＰＴＮ１５：  Ｐ１６（Ｘ）＝（１／２）（１＋ｓｉｎ（１４πＸ／Ｗ））
ＰＴＮ１６：  Ｐ１７（Ｘ）＝（１／２）（１＋ｓｉｎ（１６πＸ／Ｗ））
【００６６】
本実施形態では、発光スペクトルをＰＴＮ０からＰＴＮ１６まで変化させながら、その都度被写体を撮影する。これにより、取得した画素信号から、式１に示す関数Ｆ（Ｘ）のフーリエ係数（式２、３）を推定できる。それらのフーリエ係数を用いて式１の右辺に示すフーリエ級数展開を計算することにより、Ｆ（Ｘ）を推定できる。外部光が存在しない場合はＦ（Ｘ）そのものが被写体の反射分光特性を示す。しかし、一般には外部光が存在し得るため、外部光の影響を除去する必要がある。求めたＦ（Ｘ）を、外部光の分光特性を示す関数Ｏ（Ｘ）で波長毎に除算することにより、被写体の反射分光特性を示す関数を求めることができる。
【００６７】
次に、本実施形態のマルチスペクトル撮像システムの動作を説明する。
【００６８】
図１５は、本実施形態におけるマルチスペクトル撮像システムの動作の流れを示すフローチャートである。ここでは、複数の色見本を用いたシミュレーションを例に、本実施形態の動作を説明する。予め、外部光、レンズを含む光学系、およびイメージセンサ３の分光感度を合わせた分光特性を計測しておき、それをＯ（Ｘ）とする。
【００６９】
被写体はＸ−Ｒｉｔｅ社製のマクベスカラーチェッカーＮｏ１３〜Ｎｏ１８の色見本である。これらの反射分光特性をＦ（Ｘ）で表す。これらの色見本Ｎｏ１３〜Ｎｏ１８は、番号順に青（Ｂ）、緑（Ｇ）、赤（Ｒ）、黄（Ｙｅ）、マゼンタ（Ｍｇ）、シアン（Ｃｙ）である。図１６Ａおよび図１６Ｂは、それらの色見本の反射分光特性を示している。図１６ＡはＮｏ１３〜Ｎｏ１５の反射分光特性を示し、番号順に実線、破線、一点鎖線で表している。図１６ＢはＮｏ１６〜Ｎｏ１８の反射分光特性を示し、番号順に実線、破線、一点鎖線で表している。
【００７０】
図１１Ａに示す制御回路５および照明装置１０における制御回路１３（図１）は、照明装置１０からの光のスペクトルをＰＴＮ０からＰＴＮ１６まで順次変えてイメージセンサ３によってそれぞれ撮像する。それらの画像信号値をＥ（０）〜Ｅ（１６）とする。
【００７１】
まず第１ステップとして、Ｎｏ１３〜Ｎｏ１８の６個の色見本を撮像したとして、それらの分光特性と、Ｏ（Ｘ）およびＰＴＮ０〜ＰＴＮ１６の分光特性との離散的な積分演算を行う。これにより、各色見本に関して相対的な画素信号値Ｅ（０）〜Ｅ（１６）を算出する（ステップＳ１）。実際の計算では、例えば１０ｎｍ毎の数値データを用いて離散的な積分を行い、１つの色見本につき１７個の信号値を算出する。従って、総計６×１７＝１０２個の信号値を算出する。
【００７２】
次に第２のステップとして、以下の式４、５、６を用いて画素信号値Ｅ（０）〜Ｅ（１６）から各色見本のフーリエ係数ａ（０）〜ａ（８）とｂ（１）〜ｂ（８）とを算出する（ステップＳ２）。但し、式５および式６において、ｉは１以上８以下の整数である。なお、以下の計算では波長帯域Ｗの１／２をπとして計算している。
（式４）ａ(０)＝E(0)/π
（式５）ａ(ｉ)＝(2E(i)−E(0))/π
（式６）ｂ(ｉ)＝(2E(i+8)−E(0))/π
【００７３】
次に第３ステップとして、算出したフーリエ係数ａ（０）〜ａ（８）とｂ（１）〜ｂ（８）を用いて、被写体の反射分光特性Ｆ（Ｘ）を式１に示すフーリエ級数で表す（ステップＳ３）。ただし、本計算ではＷ／２をπとして計算しているため、以下のフーリエ級数を用いる。
【数４】
0006339133.tif 000005
【００７４】
算出されたＦ（Ｘ）は撮像画像のスペクトルであるが、これには上述した分光特性Ｏ（Ｘ）の影響が含まれている。そこで、第４ステップとして、Ｆ（Ｘ）をさらにＯ（Ｘ）で除算し、被写体の分光特性を算出する（ステップＳ４）。この除算は、例えば１０ｎｍ毎の数値データのそれぞれについて行われる。
【００７５】
図１７Ａは、算出した被写体の分光特性を示している。図１７Ｂは、被写体であるカラーチェッカの実際の分光特性を示している。図１７Ａおよび図１７Ｂの中で、太い実線は青（算出結果：Ｃａｌ＿Ｎｏ１３、実際の特性：Ｎｏ１３）、太い破線は緑（算出結果：Ｃａｌ＿Ｎｏ１４、実際の特性：Ｎｏ１４）、太い一点鎖線は赤（算出結果：Ｃａｌ＿Ｎｏ１５、実際の特性：Ｎｏ１５）、細い実線は黄（算出結果：Ｃａｌ＿Ｎｏ１６、実際の特性：Ｎｏ１６）、細い破線はマゼンタ（算出結果：Ｃａｌ＿Ｎｏ１７、実際の特性：Ｎｏ１７）、細い一点鎖線はシアン（算出結果：Ｃａｌ＿Ｎｏ１８、実際の特性：Ｎｏ１８）のカラーチェッカの分光特性を表している。図１７Ａおよび図１７Ｂにおいて波長範囲は４００ｎｍ〜７００ｎｍである。算出した被写体の分光特性はカラーチェッカの実際の分光特性と概ね同じであることがわかる。
【００７６】
最後に、算出した被写体の分光特性から、予め指定された特定の波長における分光特性値を取り出し、それらのデータを画素信号とした特定波長画像と、画素信号の平均値を算出し、それらを画素信号とした白黒画像とを信号出力部８から外部に出力する（ステップＳ５）。なお、特定波長画像および白黒画像の一方のみを生成・出力してもよい。白黒画像は、画素信号の平均値ではなく、合算値またはＰＴＮ０の画素信号のみから生成してもよい。
【００７７】
このように、画像処理回路６から信号出力部８を介して特定波長画像と白黒画像とが出力される。指定波長を変えることにより、設定された計測波長帯域内の任意の波長についての画像を得ることができる。また、照明装置１０からの光のスペクトル（図１４Ａおよび図１４Ｂ）は、発光強度のピークを複数有しているため、ピークを１つしか有していない従来のＲＧＢフィルタを用いた構成よりも光利用率が高い。それ故、出力される白黒画像の明度を高くすることができる。
【００７８】
以上のように、本実施形態のマルチスペクトル撮像システムは、照明装置１０からの光のスペクトルのパターンを変えながら撮像し、撮像によって取得した画素信号を用いて被写体画像の各点における反射分光特性をフーリエ級数で表現することにより、画素単位で被写体画像の分光特性を算出できる。また、撮像システムから得られる撮像画像の明度が高いという長所も有する。
【００７９】
なお、本実施形態では、発光スペクトルのパターンを余弦的なパターンＰＴＮ１〜ＰＴＮ８と正弦的なパターンＰＴＮ９〜ＰＴＮ１６にしたが、これに限定されるものではない。例えば、余弦的なパターンだけでも良く、またパターン数も１６に限定するものではない。余弦的なパターンだけを利用する場合は、式１〜式３に代えて、フーリエ余弦級数展開が利用され得る。さらに、被写体の分光特性の波形（交流成分）だけを計測するのであれば、ＰＴＮ０のパターンを用いる必要はない。加えて、分光特性のパターンに関して、ＰＴＮ１〜ＰＴＮ１６では発光強度のアンダーピークを０（０％透過）と変調性の高い特性にしたが、これに限るものではない。ピークとアンダーピークとの差が小さい変調性の低い特性でも問題はない。さらに、本実施形態では、計測対象の波長帯域を３８０ｎｍ〜７６０ｎｍに設計したが、これに限るものではなく、さらに範囲の広い波長帯域またはさらに範囲の狭い波長帯域であっても構わない。可視光に限らず、近赤外線または近紫外線などの波長帯域を用いてもよい。
【００８０】
本実施形態では、被写体の反射分光特性Ｆ（Ｘ）を式１に示すフーリエ級数展開で表したが、フーリエ級数展開に限らず、他の直交関数系を用いてＦ（Ｘ）を展開してもよい。その場合でも、出力された複数の画素信号を用いた演算処理によって展開係数を算出することができる場合には、被写体の反射分光特性を求めることができる。
【００８１】
なお、マルチスペクトル照明装置１０の構成は、図１Ａから図９を参照して説明した構成に限定されない。例えば、複数の光源１１の数は任意であり、数十から数千、場合によってはそれ以上であってもよい。そのような多数の光源１１を用いる場合には、それらに対向する光学フィルタ１２も、多数のフィルタによって実現され得る。
【００８２】
以上のように、本開示は、以下の項目に記載のマルチスペクトル照明装置および撮像システムを含む。
【００８３】
［項目１］
少なくとも第１の方向に配列された複数の光源を含む光源アレイと、
前記光源アレイに対向する位置に配置され、前記複数の光源に対向する複数の位置のそれぞれにおいて、特定の波長帯域の光を選択的に透過させ、前記第１の方向に透過波長帯域が変化している光学フィルタと、
前記複数の光源の各々の発光強度を制御する制御回路と、
を備えるマルチスペクトル照明装置。
【００８４】
［項目２］
前記複数の光源は、前記第１の方向、および前記第１の方向に交差する第２の方向に２次元的に配列されている、項目１に記載のマルチスペクトル照明装置。
【００８５】
［項目３］
前記複数の光源の各々は、ＬＥＤ光源である、項目１または２に記載のマルチスペクトル照明装置。
【００８６】
［項目４］
前記複数の光源の各々は、白、赤、緑、および青のいずれかの光を発する光源である、項目３に記載のマルチスペクトル照明装置。
【００８７】
［項目５］
前記光学フィルタは、各々が異なる特定の波長帯域の光を透過させる複数の部分が前記第１の方向に配列された多層膜フィルタである、項目１から４のいずれかに記載のマルチスペクトル照明装置。
【００８８】
［項目６］
前記光学フィルタの透過波長帯域は、前記第１の方向に単調に変化している、項目１から５のいずれかに記載のマルチスペクトル照明装置。
【００８９】
［項目７］
前記光学フィルタの透過波長帯域は、前記第１の方向に、青の波長帯域から赤の波長帯域に至るまで、単調に変化している、項目１から６のいずれかに記載のマルチスペクトル照明装置。
【００９０】
［項目８］
前記光学フィルタにおいて、前記複数の光源の少なくとも１つに対向する部分は、近赤外線を透過させる、項目１から６のいずれかに記載のマルチスペクトル照明装置。
【００９１】
［項目９］
前記光学フィルタは、前記光源アレイに接している、項目１から８のいずれかに記載のマルチスペクトル照明装置。
【００９２】
［項目１０］
前記複数の光源から出射され前記光学フィルタを透過した光の経路上に配置された光拡散フィルタをさらに備える、項目１から９のいずれかに記載のマルチスペクトル照明装置。
【００９３】
［項目１１］
前記複数の光源から出射され前記光学フィルタを透過した光の経路上に配置されたコンデンサレンズと、
前記コンデンサレンズを透過した前記光の経路上に配置されたプロジェクションレンズと、
をさらに備える、項目１から９のいずれかに記載のマルチスペクトル照明装置。
【００９４】
［項目１２］
項目１から１１のいずれかに記載のマルチスペクトル照明装置と、
イメージセンサと、
前記イメージセンサの撮像面に、前記マルチスペクトル照明装置から出射された光による被写体の像を形成する光学系と、
を備える撮像システム。
【００９５】
［項目１３］
前記イメージセンサから出力された電気信号を処理する信号処理回路をさらに備え、
前記制御回路は、前記マルチスペクトル照明装置における前記複数の光源および前記イメージセンサを制御して、前記マルチスペクトル照明装置から出射される光のスペクトルを変化させながら前記イメージセンサで複数回の撮像を実行させ、
前記信号処理回路は、前記複数回の撮像によって前記イメージセンサの１つの画素から順次出力された複数の画素信号を用いた演算により、前記被写体の一点における反射分光特性を示す関数を直交関数系で展開したときの展開係数を求める、
項目１２に記載の撮像システム。
【００９６】
［項目１４］
各回の撮像時における前記マルチスペクトル照明装置から出射される光のスペクトルは、所定の波長帯域に関して波長の周期関数で表される、項目１３に記載の撮像システム。
【００９７】
［項目１５］
前記所定の波長帯域の幅をＷとするとき、前記周期関数の周期の逆数は、１／Ｗの整数倍である、項目１４に記載の撮像システム。
【００９８】
［項目１６］
前記周期関数は、独立変数を波長とする余弦関数または正弦関数を用いて表される、項目１４または１５に記載の撮像システム。
【産業上の利用可能性】
【００９９】
本発明のマルチスペクトル照明装置およびマルチスペクトル撮像装置は、例えば薬品、食品、生体、製造物などの被検体の組成、構造、外観、記載されている文字などの検査の用途に好適に利用され得る。検査の用途に限定されず、一般の照明装置またはカメラとしても利用され得る。
【符号の説明】
【０１００】
１  結像レンズ
３  イメージセンサ
３ａ  撮像部
４  信号発生／受信回路
５  液晶コントローラ
６  画像処理回路
７  画像メモリー
８  信号出力部
９  広帯域光学フィルタ
１０  マルチスペクトル照明装置
１１  光源（ＬＥＤ）
１２  光学フィルタ（多層膜フィルタ）
１３  制御回路
１４  光拡散フィルタ
１５  プリント基板
１６  コンデンサレンズ
１７  プロジェクションレンズ
１８  遮光板
２０  撮像装置
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
0006339133.tif 000007
【図２Ａ】
0006339133.tif 000008
【図２Ｂ】
0006339133.tif 000009
【図３Ａ】
0006339133.tif 000010
【図３Ｂ】
0006339133.tif 000011
【図４Ａ】
0006339133.tif 000012
【図４Ｂ】
0006339133.tif 000013
【図４Ｃ】
0006339133.tif 000014
【図５Ａ】
0006339133.tif 000015
【図５Ｂ】
0006339133.tif 000016
【図５Ｃ】
0006339133.tif 000017
【図６】
0006339133.tif 000018
【図７】
0006339133.tif 000019
【図８】
0006339133.tif 000020
【図９】
0006339133.tif 000021
【図１０】
0006339133.tif 000022
【図１１Ａ】
0006339133.tif 000023
【図１１Ｂ】
0006339133.tif 000024
【図１２】
0006339133.tif 000025
【図１３】
0006339133.tif 000026
【図１４Ａ】
0006339133.tif 000027
【図１４Ｂ】
0006339133.tif 000028
【図１５】
0006339133.tif 000029
【図１６Ａ】
0006339133.tif 000030
【図１６Ｂ】
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【図１７Ａ】
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【図１７Ｂ】
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