(57)【要約】【課題】分光画像の撮像を高速で実現できるようにする。【解決手段】偏光板２１，２３および可変波長板２２は、可視光および非可視光を含む入射光を設定された分光透過率で変調し、撮像素子２４は、変調された光を撮像し、分光輝度メモリ２８は、前記既知の分光輝度からなる入射光と、前記既知の分光輝度からなる入射光が変調されて撮像された撮像結果とを記憶し、変換係数生成部２９は、記憶された既知の分光輝度と撮像結果より一般化逆行列を含む線形式を生成して変換係数を求める演算を行い、変換係数メモリ３０は、前記変換係数を記憶し、分光画像生成部２５は、前記未知の分光輝度からなる入射光が変調されて撮像された撮像結果と、記憶された変換係数との積和により、前記帯域毎の分光画像を生成する。本発明は、分光撮像装置に適用することができる。【選択図】図１
2009186448.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を設定された分光透過率で変調する変調手段と、
前記変調手段により変調された光を撮像する撮像手段と、
既知の分光輝度からなる入射光の分光輝度と、前記既知の分光輝度からなる入射光が前記変調手段により変調されて前記撮像手段により撮像された撮像結果とを記憶する分光輝度記憶手段と、
前記分光輝度記憶手段により記憶された情報から第一式を生成し、帯域毎の係数を変換係数として演算する変換係数演算手段と、
未知の分光輝度からなる入射光が前記変調手段により変調されて前記撮像手段により撮像された撮像結果と、前記変換係数演算手段により計算された変換係数とから第二式を生成し演算することにより、前記未知の分光輝度からなる入射光の帯域毎の分光画像を生成する分光画像生成手段と
を含む画像処理装置。
【請求項２】
前記第一式は一般化逆行列を含む式である
請求項１に記載の画像処理装置。
【請求項３】
前記第二式は積和演算である
請求項１に記載の画像処理装置。
【請求項４】
前記変換係数を記憶する変換係数記憶手段を有する
請求項１に記載の画像処理装置。
【請求項５】
前記変調手段は、電気光学素子、および、前記電気光学素子の入射側および出射側に所定の偏向角に設定された偏光板から構成され、前記電気光学素子の印加電圧により複屈折率が変化することで、分光透過率を変化させ、
前記印加電圧により前記変調手段の複屈折率を制御する複屈折率制御手段をさらに含む
請求項１に記載の画像処理装置。
【請求項６】
前記複屈折率制御手段は、前記印加電圧を上昇させながら変調手段の複屈折率を制御する
請求項５に記載の画像処理装置。
【請求項７】
前記複屈折率制御手段は、前記印加電圧を下降させながら変調手段の複屈折率を制御する
請求項５に記載の画像処理装置。
【請求項８】
光を設定された分光透過率で変調する変調手段を備える画像処理装置の画像処理方法において、
前記変調手段の分光透過率を設定する分光透過率設定ステップと、
前記変調手段により変調された光を撮像する撮像ステップと、
既知の分光輝度からなる入射光の分光輝度と、前記既知の分光輝度からなる入射光が前記変調手段により変調されて前記撮像ステップの処理により撮像された撮像結果とを記憶する分光輝度記憶ステップと、
前記分光輝度記憶ステップの処理により記憶された情報から前記第一式を生成し、帯域毎の係数を変換係数として演算する変換係数演算ステップと、
未知の分光輝度からなる入射光が前記変調手段により変調されて前記撮像ステップの処理により撮像された撮像結果と、前記変換係数とから前記第二式を生成し演算することにより、前記未知の分光輝度からなる入射光の帯域毎の分光画像を生成する分光画像生成ステップと
を含む画像処理方法。
【請求項９】
前記変換係数を記憶する変換係数記憶ステップを有し、前記分光画像生成ステップにおいて前記変換係数記憶ステップの処理により記憶された変換係数を用いる
請求項８記載の画像処理方法。
【請求項１０】
光を設定された分光透過率で変調する変調手段を備える画像処理装置を制御するコンピュータに、
前記変調手段の分光透過率を設定する分光透過率設定ステップと、
前記変調手段により変調された光を撮像する撮像ステップと、
既知の分光輝度からなる入射光の分光輝度と、前記既知の分光輝度からなる入射光が前記変調手段により変調されて前記撮像ステップの処理により撮像された撮像結果とを記憶するする分光輝度記憶ステップと、
前記分光輝度記憶ステップの処理により記憶された情報から前記第一式を生成し、帯域毎の係数を変換係数として演算する変換係数演算ステップと、
未知の分光輝度からなる入射光が前記変調手段により変調されて前記撮像ステップの処理により撮像された撮像結果と、前記変換係数とから前記第二式を生成し演算することにより、前記未知の分光輝度からなる入射光の帯域毎の分光画像を生成する分光画像生成ステップと
を含む処理を実行させるプログラム。
【請求項１１】
前記変換係数を記憶する変換係数記憶ステップを有し、前記分光画像生成ステップにおいて前記変換係数記憶ステップの処理により記憶された変換係数を用いる
請求項１０記載のプログラム。
【請求項１２】
請求項１０に記載のプログラムが格納されているプログラム格納媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、画像処理装置および方法、並びにプログラムに関し、特に、高速で分光画像を撮像できるようにした画像処理装置および方法、並びにプログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
様々な帯域の分光画像を分光強度に応じて撮像する技術が一般に普及しつつある。
【０００３】
分光強度を得る技術として、電気光学効果をもつ材料の可変波長板と２枚の偏光板からなり、印加電圧を可変波長板に印加することにより光の透過率を変化させ、複数の印加電圧に順次変化させつつ入射光の測定を行い、逆フーリエ変換を用いて入射光の分光強度を求める技術が提案されている（特許文献１参照）。
【０００４】
この手法は、マイケルソン干渉計の機械的な可動部分を電気光学素子に置き換えることで、機械的な部分を排除し、装置の小型化やメンテナンスの軽減を実現している。
【０００５】
【特許文献１】特開昭６３−２６６３２１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、マイケルソン干渉計はミラーとハーフミラーで構成されており、理想に近い光の干渉を実現できる。
【０００７】
しかしながら、マイケルソン干渉計は、装置構成そのものが大きいため、分光測定すること自体が難しい。これに対して、電気光学素子を使った分光測定の場合、マイケルソン干渉計を用いるよりも分光測定を行うこと自体は容易であるが、一般的に光学的な特性は劣り、電気光学素子の材質の特性のばらつきなどが問題になるため、単にマイケルソン干渉計を電気光学素子に置き換えただけでは、電気光学素子によって新たに生じる問題に対処することができない。
【０００８】
また、一般的に利用可能な電気光学素子である液晶パネルを使用する場合、通常、液晶の状態変化は低速であり、印加電圧の時間方向の変化によってその速度は非対称である。つまり、液晶に電圧を印加した場合、電気光学素子は高速で変化することができるが、印加していた電圧を停止させる場合は比較的ゆっくり元の状態に変化する。このように電気光学素子に対して電圧を印加無しから印加ありに変化させた時と、または、印加有りから印加無しに変化させた時とで液晶の複屈折率の変化速度の特性が異なるにもかかわらず、このような特性について考慮されていなかったため、効率よく短時間に高品質の分光画像を撮像することができなかった。
【０００９】
本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、特に、分光画像の撮像において使用される電気光学素子の材質の特性のばらつきなどの問題を考慮すると共に、印加電圧の変化における液晶の複屈折率の変化速度の特性を考慮することにより、効率よく短時間に高品質の分光画像の撮像を実現できるようにするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一側面の画像処理装置は、光を設定された分光透過率で変調する変調手段と、前記変調手段により変調された光を撮像する撮像手段と、既知の分光輝度からなる入射光の分光輝度と、前記既知の分光輝度からなる入射光が前記変調手段により変調されて前記撮像手段により撮像された撮像結果とを記憶する分光輝度記憶手段と、前記分光輝度記憶手段により記憶された情報から第一式を生成し、帯域毎の係数を変換係数として演算する変換係数演算手段と、未知の分光輝度からなる入射光が前記変調手段により変調されて前記撮像手段により撮像された撮像結果と、前記変換係数演算手段により計算された変換係数とから第二式を生成し演算することにより、前記未知の分光輝度からなる入射光の帯域毎の分光画像を生成する分光画像生成手段とを含む。
【００１１】
前記第一式は一般化逆行列を含む式とすることができる。
【００１２】
前記第二式は積和演算とすることができる。
【００１３】
前記変換係数を記憶する変換係数記憶手段を設けるようにさせることができる。
【００１４】
前記変調手段は、電気光学素子、および、前記電気光学素子の入射側および出射側に所定の偏向角に設定された偏光板から構成されるようにすることができ、前記電気光学素子の印加電圧により複屈折率が変化することで、分光透過率を変化させるようにすることができ、前記印加電圧により前記変調手段の複屈折率を制御する複屈折率制御手段をさらに設けるようにさせることができる。
【００１５】
前記複屈折率制御手段には、前記印加電圧を上昇させながら変調手段の複屈折率を制御させるようにすることができる。
【００１６】
前記複屈折率制御手段には、前記印加電圧を下降させながら変調手段の複屈折率を制御させるようにすることができる。
【００１７】
本発明の一側面の画像処理方法は、光を設定された分光透過率で変調する変調手段を備える画像処理装置の画像処理方法であって、前記変調手段の分光透過率を設定する分光透過率設定ステップと、前記変調手段により変調された光を撮像する撮像ステップと、既知の分光輝度からなる入射光の分光輝度と、前記既知の分光輝度からなる入射光が前記変調手段により変調されて前記撮像ステップの処理により撮像された撮像結果とを記憶する分光輝度記憶ステップと、前記分光輝度記憶ステップの処理により記憶された情報から前記第一式を生成し、帯域毎の係数を変換係数として演算する変換係数演算ステップと、未知の分光輝度からなる入射光が前記変調手段により変調されて前記撮像ステップの処理により撮像された撮像結果と、前記変換係数とから前記第二式を生成し演算することにより、前記未知の分光輝度からなる入射光の帯域毎の分光画像を生成する分光画像生成ステップとを含む。
【００１８】
前記変換係数を記憶する変換係数記憶ステップをさらに含ませるようにすることができ、前記分光画像生成ステップにおいて前記変換係数記憶ステップの処理により記憶された変換係数を用いるようにさせることができる。
【００１９】
本発明の一側面のプログラムは、光を設定された分光透過率で変調する変調手段を備える画像処理装置を制御するコンピュータに、前記変調手段の分光透過率を設定する分光透過率設定ステップと、前記変調手段により変調された光を撮像する撮像ステップと、既知の分光輝度からなる入射光の分光輝度と、前記既知の分光輝度からなる入射光が前記変調手段により変調されて前記撮像ステップの処理により撮像された撮像結果とを記憶するする分光輝度記憶ステップと、前記分光輝度記憶ステップの処理により記憶された情報から前記第一式を生成し、帯域毎の係数を変換係数として演算する変換係数演算ステップと、未知の分光輝度からなる入射光が前記変調手段により変調されて前記撮像ステップの処理により撮像された撮像結果と、前記変換係数とから前記第二式を生成し演算することにより、前記未知の分光輝度からなる入射光の帯域毎の分光画像を生成する分光画像生成ステップとを含む処理を実行させる。
【００２０】
前記変換係数を記憶する変換係数記憶ステップをさらに含ませるようにすることができ、前記分光画像生成ステップにおいて前記変換係数記憶ステップの処理により記憶された変換係数を用いるようにさせることができる。
【００２１】
本発明のプログラム格納媒体は、請求項１０に記載のプログラムが格納されている。
【００２２】
本発明の一側面の画像処理装置および方法、並びにプログラムにおいては、光が設定された分光透過率で変調され、変調された光が撮像され、既知の分光輝度からなる入射光の分光輝度と、前記既知の分光輝度からなる入射光が変調されて撮像された撮像結果とが記憶され、記憶された情報から第一式が生成され、帯域毎の係数が変換係数として演算され、未知の分光輝度からなる入射光が変調されて撮像された撮像結果と、計算された変換係数とから第二式が生成され演算されることにより、前記未知の分光輝度からなる入射光の帯域毎の分光画像が生成される。
【発明の効果】
【００２３】
本発明の一側面によれば、特に、分光画像の撮像において使用される電気光学素子の材質の特性のばらつきなどの問題を考慮すると共に、印加電圧の変化における液晶の複屈折率の変化速度の特性を考慮することにより、効率よく短時間に高品質の分光画像の撮像を実現することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
図１は、本発明を適用した一実施の形態の構成を示す分光撮像装置である。
【００２５】
図１の分光撮像装置１１は、動画または静止画の可視光および非可視光を含む分光画像を撮像する。分光画像とは、画素毎に複数の周波数帯域毎の輝度を記録した画像である。また、発光部１２は、分光撮像装置１１に対して、分光輝度が既知の複数の異なる分光輝度を有する光を発する。さらに、発光部１２がp種類の分光輝度の光を発行可能である場合、図示しない内部もしくは外部にあるカウンタの操作によって順次異なる分光輝度の光を発光することができるものとする。発光部１２が発する複数の異なる分光輝度を有する光は、可視光および非可視光を含む。さらに、分光輝度とは、分光される光の各帯域の強度を表している。なお、発光部１２を所定の光源と複数の所定の色表で構成し、その光源から発し、複数の各色表で反射し、分光撮像装置１１に向かう光の各分光輝度を校正済みの分光測定器で測定して、その各測定結果を分光輝度メモリ２８に記憶させて、さらに分光撮像装置１１に対して、それらの反射光を発光部１２を発光した場合と同様に入光させてもよい。
【００２６】
偏光板２１は、入射光を所定の角度に直線偏光して可変波長板２２に出射させる。可変波長板２２は、２枚のガラス板に挟まれた空間に満たされた液晶などの電気光学素子から構成され、例えば、２KHzの交流矩形波発信機などからなる可変波長板制御部２７により印加される電圧により複屈折量が変化することにより、偏光板２１より垂直に入射される直線偏光された入射光を、電圧に応じた角度で楕円偏光して、偏光板２３に出射させる。尚、可変波長板２２は、同様の機能を備えたものであれば液晶以外のものであってもよいし、複屈折量を電圧ではなく音波などで変化させる音響光学素子などにより構成するようにしてもよい。
【００２７】
偏光板２３は、可変波長板２２より入射される楕円偏光された入射光を所定の角度に直線偏光して撮像素子２４に向かって出射させる。撮像素子２４は、CCD（Charge Coupled Devices）、またはCMOS（Complementary Metal-Oxide Semiconductor）などから構成されており、偏光板２３からの入射光を撮像し、画像データとして分光画像生成部２５および分光輝度メモリ２８に供給する。偏光板２１，２３は、相互にクロスニコルまたはパラニコルに配置する。なお、光学レンズ３１は一般的なカメラを構成する時に使われる像を結像させるためのレンズまたはレンズの組で良い。さらに、光学レンズ３１には、絞りや特定の波長の光をさえぎる光学フィルタを含めて考えても良い。また、偏光板２１、２３および可変波長板２２に対する光学レンズ３１の位置は、カメラの光学系が正しく機能する限り任意である。
【００２８】
このような構成により、偏光板２１，２３および可変波長板２２は、入射光を、例えば、図２で示されるように変調処理し、撮像素子２４に入射させる。尚、図２においては、偏光板２１，２３は、可変波長板２２を構成する電気光学素子の配向方向に対して45°の角度をなしている。また、図２の上段の枠内において実線で示されるのは、比較的波長の長い入射光の直線偏光および楕円偏光を示しており、中段の枠内において点線で示されるのは、波長が中程度の入射光の直線偏光および楕円偏光を示しており、下段の枠内において一点鎖線で示されるのは、比較的波長が短い入射光の直線偏光および楕円偏光を示している。さらに、図２において、直線、点線、および一点鎖線で示される枠内の形状は、直線偏光および楕円偏光のそれぞれの図２の紙面に対して垂直方向に進行する光の電場ベクトルの軌跡を紙面上に投影したものである。
【００２９】
すなわち、図中左から２番目の枠で示されるように、偏光板２１は、波長に関わらず図２の実線、点線、および一点鎖線で示されるようにいずれも、入射光を45°に直線偏光して可変波長板２２に入射させる。そして、可変波長板２２は、可変波長板制御部２７により印加される電圧に応じて、楕円偏光させる。この際、波長の長さに応じて、発生する位相差が異なるため、図中右から２番目の枠で示されるように、楕円形の長半径方向の角度が異なる楕円偏光を生じさせ、偏光板２３に入射させる。図中右から１番目の枠で示されるように、偏光板２３は、可変波長板２２により楕円偏光された光を45°の角度に直線偏光させて出力する。図２で示されるように、楕円偏光により入射光の波長毎に楕円偏光を形成する楕円形の長半径方向の角度が異なるため、偏光板２３の出射光の強度は、波長により異なる。図２においては、最も短波長の入射光に対応する一点鎖線の直線偏光による波形は大きいため、最も強い光となる。これに対して、最も長い波長の入射光に対応する実線の直線偏光による波形は小さいため、最も弱い光となる。このような原理により、図２においては、図中の下段の波長が比較的短い入射光の周波数帯域に属する光が最も良く透過し、図中の上段の波長が比較的長い入射光の周波数帯域に属する光が最も透過されない様に変調されて、撮像素子２４の各画素により撮像されることになる。また、可変波長板２２は、印加される電圧により複屈折が変化することで、楕円偏光により生じる長半径の角度が異なる。このため、印加電圧を切り替えることで様々な波長に依存した透過特性で光を変調することができる。
【００３０】
分光輝度メモリ２８は、変換係数生成処理がなされるときにのみ動作し、発光部１２から入力される分光輝度と、撮像素子２４により撮像された変調信号からなる画像信号と画素ごとに対応付けて記憶して、変換係数生成部２９に供給する。
【００３１】
変換係数生成部２９は、一般化逆行列演算部２９ａを制御して、分光輝度メモリ２８より供給されてきた画素ごとに対応付けられた分光輝度および画像信号より変換係数を求めて、変換係数メモリ３０に記憶させる。変換係数メモリ３０は、未知物体を撮影するたびに、変換係数生成部２９が同じ変換係数を毎回計算する無駄を省くために用いられる。
【００３２】
分光画像生成部２５は、撮像素子２４より供給されてくる変調光の強度の情報と、変換係数の積和演算により、分光画像を生成し、CRT（Cathode Ray Tube）やLCD（Liquid Crystal Display）などからなる表示部２６に表示させる。なお、生成した分光画像データは他の画像処理等の用途に当然活用できる。また、データをハードディスク等にファイル等の形式でそのデータを保存して再利用してもよい。
【００３３】
次に、図３のフローチャートを参照して、変換係数メモリ３０に登録される変換係数生成処理について説明する。
【００３４】
ステップＳ１において、発光部１２は、ｐ種類の異なる既知の分光輝度の光を発光できるものとし、そのp種類の内の最初の光を発すると共に、分光輝度の情報を分光輝度メモリ２８に供給する。分光輝度メモリ２８は、発光部１２により発せられている光の分光輝度の情報を取得する。すなわち、発光部１２が発する光の分光輝度の情報とは、例えば、光の波長を帯域幅200nm乃至800nmで10nm単位で区切った範囲を分光輝度の１つのバンドとみなす場合、全部で59バンドあり、波長が200nm以上210nm未満の帯域は、強度ｘ１であり、波長が210nm以上220nm未満の帯域は、強度ｘ２であり、・・・波長が790nm以上800nm未満の帯域は、ｍ＝５９とすると強度ｘｍといった帯域毎のｘ１乃至ｘｍの強度の情報である。
【００３５】
これらのｘ１乃至ｘｍの情報に基づいて、以下の式（１）で示されるベクトルを生成し、分光輝度メモリ２８に供給する。
【００３６】
【数１】
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・・・（１）
【００３７】
また、このとき、発光部１２により発光された光は、偏光板２１に入射する。尚、ここでは、帯域幅は、200nm乃至800nmであるものとするが、発光部１２、光学レンズ３１、偏光板２１、偏光板２３、可変波長板２２、撮像素子２４、および可変波長板制御部２７の性能により、当然のことながらそれ以外の帯域幅であってもよい。
【００３８】
ステップＳ２において、可変波長板制御部２７は、可変波長板２２に対して印加する電圧を最低電圧に設定する。
【００３９】
ステップＳ３において、可変波長板制御部２７は、可変波長板２２に対して、設定された電圧を印加する。これにより、図２で説明したように、可変波長板２２は、偏光板２１、偏光板２３と共に組み合わされた光学系によって、印加電圧に応じた分光透過率が設定され、光を変調することができる。
【００４０】
ステップＳ４において、撮像素子２４は、発光部１２が発した光が偏光板２１、可変波長板２２、偏光板２３、光学レンズ３１を通過して入射されてくる、変調された変調光に基づいて画像を撮像し、撮像結果となる変調信号を分光輝度メモリ２８および分光画像生成部２５に供給する。
【００４１】
ステップＳ５において、分光輝度メモリ２８は、撮像素子２４より供給されてきた変調信号からなる撮像結果を画素毎に記憶する。
【００４２】
ステップＳ６において、分光画像生成部２５は、直前の設定電圧で印加された可変波長板２２により変調された変調光の撮像が終了したことを可変波長板制御部２７に通知する。これに応じて、可変波長板制御部２７は、今現在設定されている印加電圧が最大値であるか、すなわち、印加可能な最大電圧であるか否かを判定し、例えば、最大値ではないと判定された場合、処理は、ステップＳ７に進む。
【００４３】
ステップＳ７において、可変波長板制御部２７は、所定電圧だけ印加電圧を上昇させて設定し、処理は、ステップＳ３に戻る。そして、ステップＳ６において、印加電圧が最大値であると判定されるまで、ステップＳ３乃至Ｓ７の処理が繰り返される。そして、ステップＳ６において、印加電圧が最大値であると判定された場合、処理は、ステップＳ８に進む。
【００４４】
すなわち、所定電圧とは、複屈折率を１段階変化させるための印加電圧の上昇電圧であり、可変波長板２２に印加される電圧が、例えば、最低電圧で撮像素子２４により撮像された撮像結果ｙ１を分光輝度メモリ２８に供給して記憶させると、印加電圧を所定電圧だけ上昇させることにより、再び撮像素子２４により撮像された撮像結果ｙ２を分光輝度メモリ２８に供給して記憶させる。そして、この処理が順次繰り返され、最高電圧において撮像素子２４により撮像された撮像結果ｙｎが分光輝度メモリ２８に供給されて記憶されるまで繰り返される。この結果、ｙ１乃至ｙｎの撮像結果、すなわち、変調信号からなる観測結果に基づいて、以下の式（２）で示されるベクトルを生成し、これが画素単位で分光輝度メモリ２８に供給される。
【００４５】
【数２】
2009186448.tif 000004
・・・（２）
【００４６】
なお、この繰り返し毎の印加電圧の上昇間隔を、アプリケーションに応じて分光撮像結果が正しく得られる限りにおいて密にしたり疎にしたり可変にする校正を行い、この繰り返し回数が最小になるように調整してもよい。
【００４７】
ステップＳ８において、分光画像生成部２５は、発光部１２が発した直前の光での撮像が終了したことを発光部１２に通知する。これに応じて、発光部１２は図示しない内部または外部にあるカウンタを1増加させる。このカウンタを1増加させる時にこのカウンタの最大値を超えたか、すなわち、発光可能なp種類の光をすべて発行済みか否かが判定され、例えば、最大値を超えてないと判定された場合、処理は、ステップＳ９に進む。
【００４８】
ステップＳ９において、図示しない内部または外部にあるカウンタの直前とは異なる現在のカウンタ値に対応した次の既知の分光輝度の光の発光を開始し、処理は、ステップＳ２に戻る。そして、ステップＳ８において、カウンタ値が最大を超えたと判定されるまで、ステップＳ２乃至ステップＳ９の処理が繰り返される。そして、ステップＳ８において、カウンタ値が最大を超えたと判定された場合、処理は、ステップＳ１０に進む。
【００４９】
ステップＳ１０において、変換係数生成部２９は、発光部１２の分光輝度の式（１）の情報と、画素毎の観測結果である式（２）に基づいて、以下の式（３）で示される線形式を生成し、一般化逆行列演算部２９aに供給する。
【００５０】
【数３】
2009186448.tif 000005
・・・（３）
【００５１】
式（３）の右辺の行列Ｙの右上にマイナス記号はその行列が一般化逆行列であることを表す。変換係数生成部２９は、一般化逆行列演算部２９ａを制御して、供給されてきた式（３）の行列Ｙについて例えば、最小二乗法により、その一般化逆行列の数値解を求め、そして左辺のベクトルｂ１乃至ｂｍからなる行列Bを行列Ｘと行列Ｙの積の演算により求める。
【００５２】
求められた一般化逆行列である行列Ｙは、最小二乗法を応用した演算により逆行列に近い尤もらしい行列として求められる。行列Ｙは、一般化逆行列であるため、図３のフローチャートの例においては、また、測定回数nと既知の分光輝度の数ｐが一致しない場合でも、帯域毎のベクトルｂ１乃至ｂｍとして求めることが可能である。
【００５３】
ステップＳ１１において、変換係数生成部２９は、求められた帯域毎のベクトルｂ１乃至ｂｍからなる行列Ｂを変換係数メモリ３０に記憶する。なお、変換係数メモリ３０は、未知物体を撮影するたびに、ステップＳ１からステップＳ１０によって同じ変換係数を毎回計算する無駄を省くために用いられる。
【００５４】
以上の処理により可変波長板２２の特性に応じた既知の分光輝度の画像と撮像素子２４による撮像結果との対応関係を示す変換係数が、画素単位で求められて変換係数メモリ３０に登録される。すなわち、変換係数は、撮像素子２４により撮像された全帯域の撮像結果を用いて分光輝度を求める逆問題を解くための係数として求められる。
【００５５】
次に、図４のフローチャートを参照して、静止画撮像時の分光画像撮像処理について説明する。
【００５６】
ステップＳ２１において、可変波長板制御部２７は、可変波長板２２に対して印加する電圧を最低電圧に設定する。
【００５７】
ステップＳ２２において、可変波長板制御部２７は、可変波長板２２に対して、設定された電圧を印加する。これにより、図２で説明したように、可変波長板２２は、偏光板２１、偏光板２３と共に組み合わされた光学系によって、印加電圧に応じた分光透過率が設定され、光を変調することができる。
【００５８】
ステップＳ２３において、撮像素子２４には、発光部１２が発した光が偏光板２１、可変波長板２２、偏光板２３、光学レンズ３１を通過して入射されてくる、変調光に基づいて画像を撮像し、撮像結果となる変調信号を画素毎に分光画像生成部２５に供給する。
【００５９】
ステップＳ２４において、分光画像生成部２５は、撮像素子２４より供給されてきた変調信号からなる撮像結果を観測結果として画素毎に記憶する。
【００６０】
ステップＳ２５において、分光画像生成部２５は、直前の設定電圧で印加された可変波長板２２により変調された光の撮像が終了したことを可変波長板制御部２７に通知する。これに応じて、可変波長板制御部２７は、今現在設定されている印加電圧が最大値であるか、すなわち、印加可能な最大電圧であるか否かを判定し、例えば、最大値ではないと判定された場合、処理は、ステップＳ２６に進む。
【００６１】
ステップＳ２６において、可変波長板制御部２７は、所定電圧だけ印加電圧を上昇させて設定し、処理は、ステップＳ２２に戻る。そして、ステップＳ２５において、印加電圧が最大値であると判定されるまで、ステップＳ２２乃至Ｓ２６の処理が繰り返される。すなわち、印加電圧を切り替えながら、複屈折率を変化させ、変調光により画像を撮像する。そして、ステップＳ２５において、印加電圧が最大値であると判定された場合、すなわち、全ての撮像が完了したとみなされた場合、処理は、ステップＳ２７に進む。
【００６２】
なお、この繰り返し毎の印加電圧の上昇間隔は、図３のフローチャートにおける変換係数生成処理と同じ間隔を再現するように行う。これにより、可変波長板２２の透過特性を、変換係数生成処理を行う時と分光画像撮像処理を行う時と同一にすることができ、それによって同一条件で撮像することができる。
【００６３】
ステップＳ２７において、分光画像生成部２５は、図３のフローチャートを参照して説明した処理により、分光係数メモリ３０に記憶されている分光係数を読み出す。
【００６４】
ステップＳ２８において、分光画像生成部２５は、ステップＳ２２乃至Ｓ２６の処理により記憶された変調信号からなる観測結果ｙ１乃至ｙｎと、読み出した変換係数であるベクトルｂ１乃至ｂｍとを用いて、以下の式（４）に示す積和演算により、画素毎に各バンドの分光強度ｘ１乃至ｘｍを求め、表示部２６に供給する。すなわち、例えば、上述の例と同様の場合、行列Ｂの各帯域に対応する要素がベクトルｂ１乃至ｂｍであるので、分光画像生成部２５は、所定の画素の200nm以上210nm未満の帯域の分光強度ｘ１を、ベクトルｂ１の各要素と全帯域の変調信号である観測結果ｙ１乃至ｙｎとの積和により演算し、所定の画素の210nm以上220nm未満の帯域の分光強度ｘ２を、ベクトルｂ２の各要素と全帯域の変調信号である観測結果ｙ１乃至ｙｎとの積和により演算し、・・・所定の画素の790nm以上800nm未満の帯域の分光強度ｘｍを、ベクトルｂｍの各要素と全帯域の変調信号である観測結果ｙ１乃至ｙｎとの積和により演算する。
【００６５】
【数４】
2009186448.tif 000006
・・・（４）
【００６６】
ステップＳ２９において、表示部２６は、分光画像生成部２５より供給されてきた画素毎の分光結果を表示する。この際、表示部２６は、例えば、表示する分光強度のうち、図示せぬ入力装置が使用者に操作されることにより指定された特定の帯域の分光強度のみからなる１枚の画像を全画面表示するようにしても良いし、全ての帯域の分光強度により生成される画面をマルチウィンドウのように全て表示するようにしても良い。なお、生成した分光画像データは他の画像処理等の用途に当然活用できる。また、データをハードディスク等にファイル等の形式でそのデータを保存して再利用してもよい。
【００６７】
ステップＳ３０において、分光画像生成部２５は、次の画像が存在するか否かを判定し、次の画像が存在する場合、処理は、ステップＳ２１に戻り、それ以降の処理が繰り返される。また、ステップＳ３０において、次の画像が存在しないと判定された場合、処理は、終了する。
【００６８】
以上の処理により従来行われていたような逆フーリエ変換を用いることなく、光学素子の特性のばらつき等があっても柔軟に分光画像を撮像することが可能となる。また、例えば、マイケルソン干渉計などのような大型の装置を動作させることなく容易に分光画像を撮像することが可能となる。
【００６９】
ここで、マイケルソン干渉計は、例えば、図５で示されるように、ハーフミラーＨＭＩ、固定型ミラーＭ１、可動型ミラーＭ２、およびディテクタＤより構成される。図５で示されるようなマイケルソン干渉計を用いた分光計測を行う場合、点光源Ｌ１により発せられた光は、光路ｒ１乃至ｒ４、および光路ｒ１＋ｒ１１乃至ｒ１３を介してディテクタＤにより観測される。この際、ハーフミラーＨＭＩと固定型ミラーＭ１との距離はｄ１で一定であるが、ハーフミラーＨＭＩと可動型ミラーＭ２との距離は可変のｄ２となる。そこで、光路差は、（２×｜ｄ２−ｄ１｜）として表現される。この光路差により生じる光の干渉によりディテクタＤにより観測される強度が逆フーリエ変換されることにより分光強度が求められることになる。しかしながら、図５で示されるようなマイケルソン干渉計を用いた場合、光路差を精密に実現する機械的な装置構成が大きくなると共に、点光源から１画素ごとにマイケルソン干渉計を構成する必要があるため、装置の構成が大型化すると共に、極めて煩雑な動作をさせる必要があった。
【００７０】
これに対して、上述した手法によれば、観測に必要とされるのは、既存の２次元状の撮像素子で可能となるので、装置構成を安価で容易なものとすることが可能となる。さらに、可変波長板２２における電気光学素子の材質の特性のばらつきなどに起因する個体差が発生しても、変換係数生成処理により可変波長板２２の特性に応じた係数を求めることが可能となるので、可変波長板２２における特性による測定の誤差を小さくすることが可能となり、効率よく短時間に高品質の分光画像を撮像することが可能となる。
【００７１】
図４のフローチャートにおいては、ステップＳ２６の処理により、徐々に可変波長板２２への印加電圧が上昇されていく例について説明してきたが、全てのバンドに対して観測が行えればよいので、必ずしも徐々に上昇させる必要はなく、ランダムに電圧を変位させるようにしても良いし、下降させるようにしても良い。
【００７２】
ところで、可変波長板２２を構成する物質に液晶を用いた場合、電圧の印加無しから印加有りに変化させた時での液晶の特性変化の挙動と、印加有りから印加無しに変化させた時での液晶の特性変化の挙動とが異なる。すなわち、可変波長板２２は、図６の下部の時刻ｔａで示されるように、電圧の印加が印加有りから印加無しに変化すると、図６の上部の時刻ｔａで示されるように、緩やかに液晶の特性変化が起こる。一方、可変波長板２２は、図７の下部の時刻ｔｂで示されるように、電圧の印加が印加無しから印加有りに変化すると、図７の上部の時刻ｔｂで示されるように、急峻に液晶の状態は変化する。
【００７３】
尚、図６，図７においては、図中の上部が可変波長板２２における液晶の複屈折率Δｎを表している。また、図中の下部は、波長板２２に印加される電圧Ｖを表しており、上下の電圧は印加電圧を表しており、交流動作が示されている状態が印加状態を表し、０Ｖの状態が印加が停止されている状態を表している。
【００７４】
以上のような特性から、図４のフローチャートの処理において、ステップＳ２２乃至Ｓ２６の処理が繰り返されると、図８の下部で示されるように印加電圧Ｖは時刻ｔ１乃至ｔ４で示されるように徐々に上昇し、図８の上部で示されるように、印加電圧の電圧値に対応して可変波長板２２の複屈折率Δｎも変化していくことになる。例えば、時刻ｔ０乃至ｔ５の処理で、１枚の分光画像が撮像されるものとし、図８の下部の時刻ｔ５で示されるように、印加電圧を停止させた場合、図８の上部の時刻ｔ５乃至ｔ６で示されるように、可変波長板２２の複屈折率Δｎは、緩やかに減衰していく。この動作により、静止画撮影時には静止画を最小時間で撮影できる。一方、この動作は、静止画においては、次の画像が存在しないので、問題がないが、連続的に画像を切り替えて表示させるような場合、時刻ｔ５で示されるように、印加電圧Ｖが停止した後に、可変波長板２２の動作状態Δｎが一定値に戻るまでに撮影のための露光ができない時間ができるため、動画の時間的な連続性が損なわれ表示画像に動きがカクカクした印象の不連続性が現れる恐れがある。
【００７５】
そこで、印加電圧を最大値から所定電圧だけ降下させながら上述した動作を実行させることにより、動画に対応させるようにしても良い。
【００７６】
ここで、図９のフローチャートを参照して、印加電圧を最大値から所定電圧だけ降下させながら上述した動作を実行させるときの動画撮像時の分光画像撮像処理を説明する。尚、図９のフローチャートにおいては、ステップＳ４２乃至Ｓ４４，Ｓ４７乃至Ｓ５０の動作は、図４におけるフローチャートのステップＳ２２乃至Ｓ２４，Ｓ２７乃至Ｓ３０の動作と同様であるので、その説明は省略する。
【００７７】
すなわち、ステップＳ４１において、可変波長板制御部２７は、可変波長板２２に対して印加する電圧を最高電圧に設定する。
【００７８】
そして、ステップＳ４２乃至Ｓ４４において、所定の電圧において変調画像が測定され、ステップＳ４５において、可変波長板制御部２７が、最小値ではないと判定した場合、ステップＳ４６において、印加電圧を所定電圧だけ降下させ、処理は、ステップＳ４２に戻る。すなわち、可変波長板２２に印加される印加電圧が最高電圧から所定電圧ごとに降下しながらステップＳ４２乃至Ｓ４６の処理が繰り返される。そして、ステップＳ４５において、印加電圧が最小値であると判定された場合、ステップＳ４７乃至Ｓ５０の処理により、変換係数と観測結果との積和演算により、画素毎に分光強度が計算されて、分光画像が表示される。
【００７９】
このような処理により、図１０の下部の時刻ｔ１１乃至ｔ１６で示されるように、１フレーム分の分光画像が撮像される場合、図１０の上部で示されるように、時刻ｔ１２，ｔ１３，ｔ１４，ｔ１５のそれぞれの直後のタイミングにおいて印加電圧が変化するが、降下電圧が所定電圧分のみであることにより、液晶の複屈折率が緩やかに減衰する期間を短くすることが可能となり、印加電圧の変化による影響を小さくすることが可能となる。また、図１０の下部の時刻ｔ１６で示されるように、１フレーム分の画像を表示し終えるタイミングにおいては、その直前で印加電圧が最低電圧まで低下した状態となるので、さらに、次のフレームの分光画像を撮像するタイミングで印加電圧を最高電圧にしたとき、急峻に液晶の複屈折率を変化させることが可能となるため、短時間で次の分光画像の撮像を開始することが可能となる。
【００８０】
以上によれば、分光画像の撮像において使用される電気光学素子の材質の特性のばらつきなどの問題を考慮すると共に、印加電圧の変化における液晶の複屈折率の変化速度の特性を考慮することにより、高品質な分光画像の撮像を静止画においては短時間で撮影し、動画撮影時においては時間的な連続性を保ちつつ撮影するが可能となる。
【００８１】
ところで、上述した一連の情報処理は、ハードウェアにより実行させることもできるが、ソフトウェアにより実行させることもできる。一連の処理をソフトウェアにより実行させる場合には、そのソフトウェアを構成するプログラムが、専用のハードウェアに組み込まれているコンピュータ、または、各種のプログラムをインストールすることで、各種の機能を実行することが可能な、例えば汎用のパーソナルコンピュータなどに、記録媒体からインストールされる。
【００８２】
図１１は、汎用のパーソナルコンピュータの構成例を示している。このパーソナルコンピュータは、CPU(Central Processing Unit)１００１を内蔵している。CPU１００１にはバス１００４を介して、入出力インタフェース１００５が接続されている。バス１００４には、ROM(Read Only Memory)１００２およびRAM(Random Access Memory)１００３が接続されている。
【００８３】
入出力インタフェース１００５には、ユーザが操作コマンドを入力するキーボード、マウスなどの入力デバイスよりなる入力部１００６、処理操作画面や処理結果の画像を表示デバイスに出力する出力部１００７、プログラムや各種データを格納するハードディスクドライブなどよりなる記憶部１００８、LAN（Local Area Network）アダプタなどよりなり、インターネットに代表されるネットワークを介した通信処理を実行する通信部１００９が接続されている。また、磁気ディスク（フレキシブルディスクを含む）、光ディスク（CD-ROM(Compact Disc-Read Only Memory)、DVD(Digital Versatile Disc)を含む）、光磁気ディスク（MD(Mini Disc)を含む）、もしくは半導体メモリなどのリムーバブルメディア１０１１に対してデータを読み書きするドライブ１０１０が接続されている。
【００８４】
CPU１００１は、ROM１００２に記憶されているプログラム、または磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスク、もしくは半導体メモリ等のリムーバブルメディア１０１１から読み出されて記憶部１００８にインストールされ、記憶部１００８からRAM１００３にロードされたプログラムに従って各種の処理を実行する。RAM１００３にはまた、CPU１００１が各種の処理を実行する上において必要なデータなども適宜記憶される。
【００８５】
尚、本明細書において、記録媒体に記録されるプログラムを記述するステップは、記載された順序に沿って時系列的に行われる処理は、もちろん、必ずしも時系列的に処理されなくとも、並列的あるいは個別に実行される処理を含むものである。
【図面の簡単な説明】
【００８６】
【図１】本発明を適用した分光撮像装置の構成例を示すブロック図である。
【図２】分光画像の撮像の原理を説明する図である。
【図３】変換係数生成処理を説明するフローチャートである。
【図４】静止画撮像時の分光画像撮像処理を説明するフローチャートである。
【図５】マイケルソン干渉計による分光測定を説明する図である。
【図６】可変波長板の動作特性を説明する図である。
【図７】可変波長板の動作特性を説明する図である。
【図８】図４の分光画像撮像処理における可変波長板の複屈折率の特性を説明する図である。
【図９】動画撮像時の分光画像撮像処理を説明するフローチャートである。
【図１０】図９の分光画像撮像処理における可変波長板の複屈折率の特性を説明する図である。
【図１１】パーソナルコンピュータの構成例を説明する図である。
【符号の説明】
【００８７】
１１  分光撮像装置，  １２  発光部，  ２１  偏光板，  ２２  可変波長板，  ２３  偏光板，  ２４  撮像素子，  ２５  分光画像生成部，  ２６  表示部，  ２７  可変波長板制御部，  ２８  分光輝度メモリ，  ２９  変換係数生成部，  ２９ａ  一般化逆行列演算部，  ３０  変換係数メモリ、３１  光学レンズ
【図１】
2009186448.tif 000007
【図２】
2009186448.tif 000008
【図３】
2009186448.tif 000009
【図４】
2009186448.tif 000010
【図５】
2009186448.tif 000011
【図６】
2009186448.tif 000012
【図７】
2009186448.tif 000013
【図８】
2009186448.tif 000014
【図９】
2009186448.tif 000015
【図１０】
2009186448.tif 000016
【図１１】
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