(57)【要約】      （修正有）【課題】二次元的に分布する分光対象物に対して各々の位置における分光強度スペクトルを迅速かつ簡便に測定すること。【解決手段】分光対象物から受光素子に至る光路中に、外部信号によりスペクトルを変更することの可能な可変色フィルターを設置し、該可変色フィルターのスペクトルを変化させながら分光対象物を撮像し、撮像素子上の各受光素子において得られた一連の受光強度データと、あらかじめ本発明のデータ処理部に保存されていた該可変色フィルターのスペクトル情報と受光素子の受光感度スペクトルの情報とから演算処理によって、該受光素子に到達する光の分光強度スペクトルを求める。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一つ以上の受光面を有する受光素子列と、分光対象物の像を受光素子列上に結像させる光学系と、分光対象物から受光素子に至る光路中に設置された、外部信号によりスペクトルを変更することの可能な可変色フィルターと、該受光素子および該可変色フィルターを制御する機構と、該可変色フィルターのスペクトル情報および該受光素子の受光感度スペクトルの情報を記録しかつ得られた信号を演算処理するためのデータ処理機構とを有する装置であって、該分光対象物から該受光素子に至る光路上で該可変色フィルターのスペクトルを変更しながら該分光対象物の像を撮像し、データ処理機構内に記憶された該可変色フィルタのスペクトルと該受光素子の受光感度スペクトルに関する情報を用いて一連の受光強度のデータから演算処理することにより、各受光素子に到達する光の分光強度スペクトルを求めることを特徴とする撮像分光器。
【請求項２】
請求項１における撮像分光器のうち、該可変色フィルターはフィルター上の位置によって異なるスペクトルを有する色フィルターであり、かつ該色フィルターは請求項１に規定された制御機構により空間的に移動することにより、該分光対象物から該受光素子に至る光路上における色フィルターのスペクトルを変更可能としたもの。
【請求項３】
請求項１における撮像分光器のうち、該可変色フィルターは液晶素子で作製された色フィルターであり、かつ該色フィルターは請求項１に規定された制御機構によりスペクトルを変更可能としたもの。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、発光、吸収、反射等の分光解析システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
本発明は、二次元画像として得られる分光対象物に対して、分光対象物の位置を走査することも光学分散素子も用いることなく、各々の画像位置における分光情報を迅速に取得することを可能ならしめる分光装置を安価に提供することを目的としている。
【０００３】
画像は多くの情報を有している。中でも色の情報、すなわちスペクトルは対象物のさまざまな情報を抽出する上で非常に重要なデータを与える。
たとえば天体観測では天体から到達する光のスペクトルを詳細に解析することで表面温度や組成が決定される。しかし、望遠鏡の視野内には多くの星が存在しているために、特定
の星のスペクトルを得るにはその星から到達する光のみを分光器に取り込まねばならない。
【０００４】
これら多数の星のスペクトルを得るためには、通常は図１に示すように、望遠鏡から到達する光を適当なマスク２によって視野制限し、観測したい星からの光のみを空間的に切り出して分光器に取り込むことが行われる。この場合、視野１内で異なる位置に存在する星のスペクトルを調べるためにはマスクの位置をずらしながら、該当する星から到達する光を弁別して取り込む必要がある。このため、視野１内に見える全ての星のスペクトルを調べようとすると、対象とする視野上で星の数だけマスクの位置を移動してスペクトルを取りこむ必要がある。このような操作は多大な手間と時間を要する。
【０００５】
以上の問題点を緩和するためには、視野内を画像として一括して取りこみ、画像上で並列に分光するシステムが望ましい。通常は受光素子８として二次元撮像素子を用い、図２のように入力画像を線上のマスクであるスリット６を通して一旦一次元データとし、それを光学分散素子７に通すことで、一次元位置情報と分光情報を持つ二次元データ９として撮像し、さらにスリット６を走査することで、入力二次元画像上の各点における分光情報を取得することが行われる。この方法にもとづいて、たとえば特許文献１では光学分散素子として零分散型分光器を利用した２次元像分光装置を提案している。
【０００６】
この方法は、複数の画素における情報を一括して分光することが可能であるために、測定が極めて迅速に実行できる。またこの方法では紫外可視域の任意の波長を連続的に選択可能であるが、グレーティングやプリズムといった分散素子が必要であるために、装置が大型で比較的高価となり、また注意深い光学系の調整を必要とするという問題点がある。
【０００７】
より簡便には、調整の面倒な光学分散素子のかわりに特定の波長領域の光のみを透過させるバンドパスフィルターを用いて波長情報を有する画像情報を一括して計測することも可能である。このような装置はバンドパスフィルターを交換することで異なる波長における情報を取得することが可能であるが、広帯域の分光を行おうとすると帯域に応じた多数の光学フィルターと、それらを入れ替える機構が必要となる。
【０００８】
そこで特許文献２では干渉フィルターを用いた２次元像分光装置を提案している。特許文献２では、干渉フィルターの傾きを変えることで透過光の波長選択を行っているが、この方法では透過光の波長を大きく変化させることは不可能で、広帯域の分光を行おうとするとやはり帯域に応じた多数の光学フィルターと、それらを入れ替える機構が必要となり大がかりな装置とならざるを得ない。
【特許文献１】特開平2−165022
【特許文献２】特開平3−197845
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
二次元的に分布する分光対象物に対して各々の位置における分光強度スペクトルを迅速かつ簡便に測定可能な装置を提供すること。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
近年、誘電体多層膜作製技術等の進歩により、非常に高性能のフィルターが作製されるようになってきた。そこで本発明では高価で扱いの面倒な光学分散素子の代わりに、外部信号によりスペクトルを変更することの可能な可変色フィルターを設置し、該可変色フィルターのスペクトルを変化させながら分光対象物を用いて撮像し、得られた二次元画像上の各画素における一連の受光強度データと、あらかじめ、本発明のデータ処理部に保存されていた該可変色フィルターのスペクトル情報と受光素子の受光感度スペクトル情報から演算処理によって各画素に到達する光の分光強度スペクトルを求める。この演算は全ての画素において独立に実行できるので、適切なアルゴリズムを用いることで二次元画像上の分光強度スペクトルを極めて迅速に求めることを可能ならしめる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば二次元画像として得られる分光対象物に対して、安価な構成部材を用い、対象物の位置を走査することなく、また面倒な調整を必要とする光学分散素子を用いることなく、異なる位置における分光情報を同時に計測することができる。これにより二次元的に分布した分光対象物に対して迅速かつ簡便な分光測定が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００１３】
図３は、本発明における装置の基本構成を示す図である。
本発明は測定対象物の画像を受光素子に結像するための撮像部と、機器の動作の制御を行う制御部およびデータ処理部とから構成される。撮像部は少なくとも二次元受光素子１５と、フィルター上の位置によって透過スペクトルが異なるような可変色フィルタ１３と、該色フィルターを空間的に移動させる機構１４と、分光対象物の像を二次元受光素子上に結像させるための光学系１１，１２とからなる。また、制御部１６は受光素子の制御、フィルターの可動機構の制御、および必要に応じてその周辺機器の制御と、二次元撮像素子から出力される画像情報を処理するためのハードウェアとソフトウェアからなり、また、データ処理部には該色フィルタの空間的位置と透過スペクトルに関する情報と受光素子の受光感度スペクトルに関する情報が記録されている。
【００１４】
図４は本発明において使用される望ましい可変色フィルターの例である。望ましい形態としてｘ方向に漸次吸収端が移動してゆく、低周波数光透過のシャープカットフィルターを例示した。またここで例示した色フィルターはフィルター上の各位置において階段状に透過スペクトルが変化しているが、後述するスペクトルの再構成の計算手順から、フィルター位置を変えて独立な透過スペクトルが得られるという条件の下でスペクトル形状に任意性があり、必ずしも低周波数光透過のシャープカットフィルターである必要はない。本発明を成立させる上でフィルターのスペクトルに求められる特性は後述される。また図４では矩形のフィルターとして表示されているが、フィルターの形状も任意であってかまわない。たとえば円周方向に透過スペクトルが変化するような円形フィルターを用いることも可能である。
【００１５】
なお、本発明の説明図３では２枚のレンズと透過型可変色フィルターを用いた光学系を提示しているが、本発明は分光対象物から受光素子に至る光路中に、外部信号によりスペクトルを変更することの可能な可変色フィルターを設置し、該可変色フィルターのスペクトルを変化させながら分光対象物を用いて撮像し、得られた一連の受光強度データと、あらかじめ本発明のデータ処理部に保存されていた該可変色フィルターのスペクトル情報と受光素子の受光感度スペクトルの情報とから演算処理によって、該受光素子に到達する光の分光強度スペクトルを求めることを特徴としており、用いられる光学系はここで説明した構成と異なる構成をとることも可能である。たとえばレンズのかわりに凹面鏡を用いた構成や、透過型可変色フィルターのかわりに反射型可変色フィルターを用いた構成も本発明の発明思想の範疇内であることは明らかである。
【００１６】
分光対象物の像１０を二枚のレンズ１１，１２を用いて二次元受光素子１５上に結像する。この際、最初の結像面上に移動可能な可変色フィルター１３を配置し、後段の結像面に二次元受光素子１５を配置する。可変色フィルター１３は本発明の制御部１６からの制御信号によって第一結像面上を任意の位置に移動可能である。
【００１７】
以下本発明によりスペクトルを求める手順を説明する。
制御部１６からの制御信号により色フィルター１３を移動させ、移動位置を記録するとともに、そのときの画像を二次元受光素子１５により撮影する。この操作はスペクトルを構成するのに必要な回数だけ実行される。
【００１８】
分光対象物の異なる位置からの光は可変色フィルター上の異なる位置を通過して受光素子の各画素に到達している。
この時、本発明の構成で説明したように、データ処理部には該可変色フィルター上の各々の位置における透過スペクトルの情報が記録されており、また制御部からは該可変色フィルターの移動位置を読み取ることができるので、全ての画素において、分光対象物から各々の画素に至る光路上における該可変色フィルターの透過スペクトルを逆算することが可能である。
【００１９】
以下では光の波長λのかわりに光の周波数ωを用いる。波長と周波数の間にはλ＝２πc/ωの関係がある。二次元受光素子のk番目の画素における受光感度スペクトルをS(ω)、可変フィルターのｊ番目の位置をx(j)とし、フィルターがx(j)の位置にある時、分光対象物からの光がk番目の画素位置に到達する際に通過する可変色フィルター上における透過スペクトルをT(ω,j,k)とする。また、フィルターがないときにk番目の画素上に到達する光のスペクトルをP(ω)とする。フィルターがj番目の位置にあるときのk番目の画素における受光強度  I(j,k)は
I(j,k)=A*Integral(P(ω)*T(ω,j,k)*S(ω),ω)
で表される。ここでIntegral(f(x),x)は関数f(x)をxに関して積分することを意味している。また、Aは適当な感度補正定数である。ここで積分を有限項の和に置き換える。周波数をNヶの等間隔区間に分割し添え字iを割り当てる。積分は有限項数列の和
I(j,k)=B*Sum(P(ω(i))*T(ω(i),j,k)*S(ω(i)),i)
で置き換えられる。ここでSum(g(i),i)はg(i)という数列をiについて和をとったものである。またBは適当な感度補正定数である。
I(j,k)=B*Sum(P(ω(i))*T(ω(i),j,k)*S(ω(i)),i)
は連立一次方程式であるから、適当な条件の下でT(ω,j,k)とS(ω)が与えられれば、該連立方程式を解くことによりP(ω)が求まる。この方程式は全ての画素で独立に構成される方程式であるので、以下では添え字kを省略して表記する。
該方程式はベクトルP(i)を未知数ベクトル、I(j)を既知ベクトル、R(j,i)=B*T(ω(i),j)*S(ω(i))を係数行列、とした時、
I(j)=Sum(R(j,i)*P(i),i)
と表記され、係数行列R(j,i)の行列式|R(j,i)|が０でなければ
P(i)=Sum(R'(i,j)*I(j),j)
によって当該画素におけるスペクトルであるP(i)が求められる。ここでR'(i,j)はR(j,i)の逆行列である。
【００２０】
ここでT(ω(i),j,k)およびS(ω(i))は該可変色フィルターと受光素子の特性で決まるもので、測定対象物とは独立にあらかじめ測定しておいて、本発明の情報処理部に記録しておくことが可能である。
【００２１】
該連立方程式が解を持つ条件は線形代数学の定理から、ｊの最大値が周波数領域の分割数Nに等しく、
連立方程式の係数行列
R(i,j)=B*T(ω(i),j,k)*S(ω(i))の行列式|R(i,j)|が０でないことである。第一の条件はフィルターの移動距離を適当に選ぶことで実現可能である。また、第二の条件は可変色フィルターのスペクトルを適切に設計することで実現可能である。よって、上記方程式は容易に解くことができて、各画素における分光強度スペクトルが求まる。
【００２２】
図５は可変フィルターの位置を変えながら撮像した一連の画像のうちいくつかを例示したものである。測定対象物のスペクトルに応じて濃淡の異なる画像が得られる。
図６は図５中、A点とB点における画素の受光強度をフィルターの移動位置の関数としてグラフ表示した図である。フィルター位置の関数として得られた一連の受光強度のデータと、データ処理部に記録されている該可変色フィルターの位置と透過スペクトルの対応データと受光素子の受光感度スペクトルのデータをもとに上記の演算処理を行うことで当該位置における分光強度スペクトルP(ω)（図７）が求まる。この演算は全ての画素において独立に実行できるので、適切なアルゴリズムを用いれば極めて迅速に二次元画像上の分光強度スペクトルを求めることができる。またグレーティングやプリズムといった光学分散素子の代わりに色フィルターを用いているので装置の調整が容易である。
【００２３】
図３ではフィルター上の位置によって異なるスペクトルを有する色フィルターを用い、該色フィルターを空間的に移動することで分光強度スペクトルの計算に必要とされるT(ω,j,k)を与えたが、計算に用いるのに必要なスペクトル変化を与えることができるのであれば空間的に移動可能な色フィルターでなくとも、たとえば特許文献３に示されたような液晶を用いた可変色フィルターを用いることでT(ω,j,k)を与えることも可能である。なおこの場合添え字jは液晶フィルターの色制御信号を表す。
【特許文献３】特開平03-282417
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】マスクにより二次元画像から測定すべき領域を切り出す方法を示す図。
【図２】スリットを用いた撮像分光器の例を示す図。
【図３】本発明の基本的な構成の一例を示す図。
【図４】本発明で用いる可変色フィルターのスペクトルの例。        矢印で示される位置における透過スペクトルを下半図に示している。
【図５】可変フィルターの位置を変えながら撮像した一連の画像のうちいくつかを例示した図。
【図６】可変フィルターの位置を変えた時の、図５におけるA点およびB点における受光強度の変化を示すグラフ。
【図７】演算処理を行って求められたA点およびB点におけるスペクトルを示すグラフ。
【符号の説明】
【００２５】
１、  分光対象となる像。
２、  マスク。
３、  像１にマスク２を適当にずらして重ねることで分光すべき部分のみを切り出す。
４、  分光対象となる像。
５、  マスク。矢印方向に走査する事で二次元画像上の像を撮像する。
６、  スリット。
７、  光学分散素子。ここではプリズムを例示している。
８、  二次元撮像素子。
９、  スリットで視野制限された一次元画像のスペクトル。横軸は周波数、それぞれグラフは各々の位置における分光強度。
１０、分光対象となる像。
１１、１２、  レンズ。
１３、  可変色フィルター。
１４、  可変色フィルターを移動するための機構。
１５、  二次元撮像素子。
１６、  制御およびデータ処理装置。
１７、  可変色フィルター。
１８、  矢印位置における透過スペクトル。
１９、  可変フィルターの位置を変えながら撮像した像。
２０、  図５中A点およびB点における、可変フィルターの移動位置に対する受光強度の変化。
２１、  可変フィルター位置に対する受光強度の変化とデータ処理部に記録された可変フィルターのスペクトル情報とから求められた図５中A点およびB点におけるスペクトル。
【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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