(57)【要約】分光計測装置の空間分解能と波長分解能を独立に調整可能とした構成を実現する。分光計測装置の空間分解能を調整する空間分解能調整部と、分光計測装置の波長分解能を調整する波長分解能調整部を有し、空間分解能調整部は、分光計測装置の集光部から分光撮影部に対する出力光を平行光に維持し、集光部の構成要素のパラメータを調整して、分光計測装置の波長分解能を変更することなく空間分解能を変更する。波長分解能調整部は、分光計測装置の分光撮影部のパラメータを調整して、分光計測装置の空間分解能を変更することなく波長分解能を変更する。
2019216213.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
分光計測装置の空間分解能を調整する空間分解能調整部と、
前記分光計測装置の波長分解能を調整する波長分解能調整部を有し、
前記空間分解能調整部は、
前記分光計測装置の波長分解能を変更することなく空間分解能を変更する分光計測装置。
【請求項２】
前記波長分解能調整部は、
前記分光計測装置の空間分解能を変更することなく波長分解能を変更する請求項１に記載の分光計測装置。
【請求項３】
前記空間分解能調整部は、
前記分光計測装置の集光部から分光撮影部に対する出力光を平行光に維持するという条件を満たすように空間分解能を変更する請求項１に記載の分光計測装置。
【請求項４】
前記空間分解能調整部は、
前記分光計測装置の集光部の構成要素のパラメータを調整して空間分解能を変更する請求項１に記載の分光計測装置。
【請求項５】
前記空間分解能調整部は、
前記分光計測装置の集光部の構成要素のパラメータである、
（ａ）対物レンズ焦点距離と、
（ｂ）対物レンズ−コリメートレンズ間距離と、
（ｃ）コリメートレンズ焦点距離、
上記（ａ）〜（ｃ）の少なくともいずれかのパラメータを調整して空間分解能を変更する請求項１に記載の分光計測装置。
【請求項６】
前記波長分解能調整部は、
前記分光計測装置の分光撮影部の構成要素のパラメータを調整して波長分解能を変更する請求項１に記載の分光計測装置。
【請求項７】
前記波長分解能調整部は、
前記分光計測装置の分光撮影部の構成要素のパラメータである、
分光素子−結像レンズ間距離、
を調整して波長分解能を変更する請求項１に記載の分光計測装置。
【請求項８】
前記分光計測装置は、さらに、
前記分光計測装置のセンサの受光信号値を入力して演算処理を実行する演算処理部を有し、
前記演算処理部は、
前記センサの各画素の画素値を取得して、計測対象の位置（ｘ，ｙ）と各位置対応の波長光（λ：スベクトル情報）を復元する演算処理を実行する請求項１に記載の分光計測装置。
【請求項９】
前記演算処理部は、
前記計測対象の空間方向（ＸＹ）と、波長方向（λ）の３次元データからなるデータキューブを生成する請求項８に記載の分光計測装置。
【請求項１０】
分光計測装置において実行する分光計測方法であり、
空間分解能調整部が、前記分光計測装置の空間分解能を調整する空間分解能調整ステップと、
波長分解能調整部が、前記分光計測装置の波長分解能を調整する波長分解能調整ステップと、
計測対象の出力光を前記分光計測装置の集光部と分光部を介してセンサに受光させる画像撮影ステップと、
演算処理部が、前記センサの画素値に基づいて、前記計測対象の空間方向（ＸＹ）と、波長方向（λ）の３次元データからなるデータキューブを生成するデータキューブ生成ステップを有し、
前記空間分解能調整部による前記空間分解能調整ステップは、
前記分光計測装置の波長分解能を変更することなく空間分解能を変更するステップである分光計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、分光計測装置、および分光計測方法に関する。さらに詳細には、様々な計測対象物の組成等を解析する分光計測装置、および分光計測方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
物体の組成解析手法として分光計測手法が知られている。分光計測手法は物体からの放射光あるいは反射光あるいは透過光を解析することでその物体の組成（元素、分子構造など）を解析する手法である。【０００３】
物体からの放射光や反射光あるいは透過光は、物体の組成（元素、分子構造など）により、光波長成分が異なり、この波長成分を解析することで、物体の組成を解析することが可能となる。一般に、波長ごとの分量を示すデータを波長スペクトルと呼び、波長スペクトルを計測する処理を分光計測処理と呼ぶ。【０００４】
しかし、物体のある一点からの光（放射光、または反射光、あるいは透過光）の波長情報を解析しても、その一点の組成を解析することしかできない。すなわち、物体の表面の各点の組成を一回の観測で解析するためには、表面の各点からの光を全て解析することが必要となる。
物体の表面の各点の組成を解析するためには、物体の空間情報と波長情報との対応データを取得することが必要となる。【０００５】
物体の空間情報と波長情報との対応データを１回の処理、すなわち分光計測装置による１回の撮影処理のみで、物体の空間情報と波長情報との対応データを取得する方式としてスナップショット方式が知られている。スナップショット方式を適用した分光計測装置は、複数のレンズやスリット（視野絞り）、分光素子等からなる光学系とセンサの組み合わせによって構成される。分光計測装置の空間分解能や波長分解能は、これらの光学系やセンサの構成によって決定される。【０００６】
なお、スナップショット方式を適用した分光計測装置については、例えば、非特許文献１（Practical Spectral Photography Ralf Habel, Michael Kudenov, Michael Wimmer, EUROGRAPHICS 2012）、非特許文献２（A Tunable Snapshot Imaging Spectrometer Tebow, Christopher, Degree thesis of doctor of philosophy of the university of Arisona, 2005）、非特許文献３（Lenslet Array Tunable Snapshot Imaging Spectrometer(LATIS) for Hyperspectral Fluorescence Microscope JASON G. DWIGHT, TOMASZ S. TKACZYK, BIOMEDICAL OPTICS EXPRESS, Vol. 8, No. 3, 1 Mar 2017）等に記載がある。
しかし、これらの文献に記載された装置や、その他の従来の分光計測装置は、空間分解能と波長分解能を独立に調整可能な構成を有しておらず、計測対象や計測用途が異なる場合には、装置全体を交換して目的の空間分解能や波長分解能を持つ装置を再構成する等の処理を行う必要があった。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Practical Spectral Photography Ralf Habel, Michael Kudenov, Michael Wimmer, EUROGRAPHICS 2012
【非特許文献２】A Tunable Snapshot Imaging Spectrometer Tebow, Christopher, Degree thesis of doctor of philosophy of the university of Arisona, 2005
【非特許文献３】Lenslet Array Tunable Snapshot Imaging Spectrometer(LATIS) for Hyperspectral Fluorescence Microscope JASON G. DWIGHT, TOMASZ S. TKACZYK, BIOMEDICAL OPTICS EXPRESS, Vol. 8, No. 3, 1 Mar 2017
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本開示は、例えば、上記問題点に鑑みてなされたものであり、空間分解能や波長分解能を独立に調整可能とした分光計測装置、および分光計測方法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】
【０００９】
本開示の第１の側面は、
分光計測装置の空間分解能を調整する空間分解能調整部と、
前記分光計測装置の波長分解能を調整する波長分解能調整部を有し、
前記空間分解能調整部は、
前記分光計測装置の波長分解能を変更することなく空間分解能を変更する分光計測装置にある。【００１０】
さらに、本開示の第２の側面は、
分光計測装置において実行する分光計測方法であり、
空間分解能調整部が、前記分光計測装置の空間分解能を調整する空間分解能調整ステップと、
波長分解能調整部が、前記分光計測装置の波長分解能を調整する波長分解能調整ステップと、
計測対象の出力光を前記分光計測装置の集光部と分光部を介してセンサに受光させる画像撮影ステップと、
演算処理部が、前記センサの画素値に基づいて、前記計測対象の空間方向（ＸＹ）と、波長方向（λ）の３次元データからなるデータキューブを生成するデータキューブ生成ステップを有し、
前記空間分解能調整部による前記空間分解能調整ステップは、
前記分光計測装置の波長分解能を変更することなく空間分解能を変更するステップである分光計測方法にある。【００１１】
本開示のさらに他の目的、特徴や利点は、後述する本開示の実施例や添付する図面に基づくより詳細な説明によって明らかになるであろう。なお、本明細書においてシステムとは、複数の装置の論理的集合構成であり、各構成の装置が同一筐体内にあるものには限らない。
【発明の効果】
【００１２】
本開示の一実施例の構成によれば、分光計測装置の空間分解能と波長分解能を独立に調整可能とした構成が実現される。
具体的には、例えば、分光計測装置の空間分解能を調整する空間分解能調整部と、分光計測装置の波長分解能を調整する波長分解能調整部を有し、空間分解能調整部は、分光計測装置の集光部から分光撮影部に対する出力光を平行光に維持し、集光部の構成要素のパラメータを調整して、分光計測装置の波長分解能を変更することなく空間分解能を変更する。波長分解能調整部は、分光計測装置の分光撮影部のパラメータを調整して、分光計測装置の空間分解能を変更することなく波長分解能を変更する。
本構成により、分光計測装置の空間分解能と波長分解能を独立に調整可能とした構成が実現される。
なお、本明細書に記載された効果はあくまで例示であって限定されるものではなく、また付加的な効果があってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】光の種類と波長の関係について説明する図である。
【図２】発光物体の分光計測例について説明する図である。
【図３】ある食品の出力光の分光解析結果であるスペクトル強度解析結果の一例を示す図である。
【図４】分光素子であるプリズムについて説明する図である。
【図５】分光素子である解説格子について説明する図である。
【図６】計測対象物の空間方向（ＸＹ）と波長方向（λ）の３次元からなるデータであるデータキューブの例について説明する図である。
【図７】点計測方式（スペクトロメータ）について説明する図である。
【図８】波長スキャン方式について説明する図である。
【図９】空間スキャン方式について説明する図である。
【図１０】スナップショット方式について説明する図である。
【図１１】本開示の分光計測装置１００の構成例について説明する図である。
【図１２】空間分解能について説明する図である。
【図１３】波長分解能について説明する図である。
【図１４】本開示の分光計測装置の集光部、および分光撮影部について説明する図である。
【図１５】分光撮影部における光線の挙動について説明する図である。
【図１６】スナップショット方式におけるデータキューブとセンサの受光データとの対応関係について説明する図である。
【図１７】本開示の分光計測装置の空間分解能調整部と波長分解能調整部が調整する光学パラメータについて説明する図である。
【図１８】本開示の分光計測装置の空間分解能調整部と波長分解能調整部が調整する光学パラメータについて説明する図である。
【図１９】本開示の分光計測装置の空間分解能調整部と波長分解能調整部が調整する光学パラメータについて説明する図である。
【図２０】本開示の分光計測装置の実行する処理のシーケンスについて説明するフローチャートを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面を参照しながら本開示の分光計測装置、および分光計測方法の詳細について説明する。なお、説明は以下の項目に従って行なう。
１．分光計測装置の概要について
２．回折格子を用いたスナップショット方式の分光計測装置の構成例について
３．本開示の分光計測装置の構成と処理について
４．演算処理部におけるデータキューブ復元処理について
５．本開示の分光計測装置の実行する処理のシーケンスについて
６．本開示の構成のまとめ
【００１５】
［１．分光計測装置の概要について］
まず、分光計測装置の概要について説明する。光は、例えば、赤外光（ｉｎｆｒａｒｅｄ  ｒａｄｉａｔｉｏｎ）、可視光（ｖｉｓｉｂｌｅ  ｌｉｇｈｔ）、紫外線（Ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ）などが知られているが、これらの光は電磁波の一種であり、図１に示すように光の種類によって異なる波長（振動周期）を持っている。
【００１６】
可視光（ｖｉｓｉｂｌｅ  ｌｉｇｈｔ）の波長は約４００ｎｍ〜７００ｎｍの範囲であり、赤外光（ｉｎｆｒａｒｅｄ  ｒａｄｉａｔｉｏｎ）は、可視光（ｖｉｓｉｂｌｅ  ｌｉｇｈｔ）より波長が長く、一方、紫外線（Ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ）は可視光（ｖｉｓｉｂｌｅ  ｌｉｇｈｔ）より波長が短いという特性を持つ。
【００１７】
前述したように、物体からの放射光や反射光あるいは透過光は、物体の組成（元素、分子構造など）により光波長成分が異なり、この波長成分を解析することで物体の組成を解析することが可能となる。一般に、波長ごとの分量を示すデータを波長スペクトルと呼び、波長スペクトルを計測する処理を分光計測処理と呼ぶ。
【００１８】
図２は、発光物体の分光計測例を示す図である。図２には、太陽、電灯、ネオン、水素、水銀、ナトリウムから出力される光が、可視光の波長範囲（約４００ｎｍ〜７００ｎｍ）のどの波長の光であるかを示している。出力のある領域が白っぽく表示され、出力の無い領域が黒く示されている。図２は、太陽光、電灯や熱せられた各種物質からの出力光を分光計測した結果である。
【００１９】
図２に示すように、太陽、電灯、ネオン、水素、水銀、ナトリウム、これらの各物体は、それぞれの物体固有の波長光を出力する。
すなわち、物体が不明であっても、その物体からの光に含まれる波長成分を解析することで、その物体の組成を解析することが可能となる。
【００２０】
例えば、ある加工食品の組成が不明である場合、その食品の出力光（放射光や反射光あるいは透過光）を解析することで、その食品を構成している物質を解析することが可能となる。図３は、ある食品の出力光の分光解析結果であるスペクトル強度解析結果の一例を示す図である。この食品からは２種類の異なるスペクトル解析結果が得られている。
このスペクトル強度解析結果と、予め様々な物質について解析済みのスペクトル強度解析結果データとを比較することで、物質Ａと物質Ｂが何であるかを判定することが可能となり、食品の組成を解析することができる。
【００２１】
上述のように、分光計測ができれば、計測対象物に関する様々な情報を取得することが可能となる。
しかし、集光レンズとセンサを有する一般的なカメラでは、センサの各画素にすべての波長が入り混じった光が入射してしまうため、各波長単位の強度を解析することが困難となる。
そこで、分光計測の観測系には、カメラに飛び込んでくる光から各波長の光を分離するための分光素子（分光デバイス）が設けられる。
【００２２】
最も一般的に知られている分光素子として図４に示すプリズムがある。プリズムに対して入射する光、すなわち入射光に含まれる様々な波長の光は、入射光の波長と、入射角度と、プリズム形状に対応した出射角でプリズムから出射される。分光計測の観測系にはこのプリズムのような分光素子が設けられ、波長単位の光をセンサで個別に受光可能とした構成を持つ。
【００２３】
なお、屈折率ｎのプリズムによる分光において、プリズムによる光の進行方向の変化を示す式は下式（式１）として示すことができる。
δ＝θ１−φ１＋θ２−φ２＝θ１＋θ２−α  ・・・（式１）
なお、上記（式１）の各パラメータは以下の通りである。
α：プリズムの頂角
θ１：プリズム入射面に対する入射角、
θ２：プリズム出射面に対する出射角、
φ１：プリズム入射面の屈折角、
φ２：プリズム出射面の屈折角、
δ：偏角（入射光と出射光との角度）
【００２４】
ここで、スネルの法則（ｓｉｎθｊ＝ｎｓｉｎΦｊ）に従うと、上記（式１）は下記の（式２）のように書き換えられる。
δ＝θ１＋ｓｉｎ−１（ｎ・ｓｉｎ（α−φ１））  ・・・（式２）
【００２５】
なお、上記（式２）において、
ｎ：プリズムの屈折率
であり、屈折率ｎは波長に依存する。また、
φ１：プリズム入射面の屈折角
であり、プリズムの屈折率ｎと、プリズム入射面に対する入射角θ１に依存する。
よって、偏角（入射光と出射光との角度）δは、入射角θ１と波長に依存する。
【００２６】
また、図５に示すように、光の波としての性質を利用した回折格子による分光も可能である。回折格子による光線の出射角βは下式（式３）で示すことができる。
β＝ｓｉｎ−１（（（ｍ・λ）／ｄ）−ｓｉｎα）  ・・・（式３）
なお、上記（式３）において、
ｄ：格子間隔、
α：入射角、
β：出射角、
ｍ：回折次数
である。
【００２７】
しかし、前述したように、物体のある一点からの光の波長情報を解析しても、その一点の組成を解析することしかできない。すなわち、物体の表面の各点の組成を一回の観測により解析するためには、表面の各点からの光を全て解析することが必要となる。
すなわち、計測対象物の表面の各点の組成を解析するためには、計測対象物の空間方向（ＸＹ）と波長方向（λ）の３次元からなるデータを一回の観測で取得することが必要となる。
図６は、計測対象物の空間方向（ＸＹ）と波長方向（λ）の３次元からなるデータ、すなわちデータキューブの例を示している。
【００２８】
データキューブは、計測対象物の空間方向（ＸＹ）と、波長方向（λ）の３次元からなるデータである。計測対象物の表面の各点の座標がＸＹ座標で示され、各座標位置（ｘ，ｙ）の各波長光の強度（λ）が記録されたデータである。図に示すデータキューブは８×８×８の立方体データから構成されており、１つの立方体が、特定の位置（ｘ，ｙ）の特定波長（λ）の光強度を示すデータである。
なお、立方体の数８×８×８は一例であり、分光計測装置の空間分解能や、波長分解能に応じてこの数は変動することになる。
【００２９】
この図６に示すような、データキューブ、すなわち、計測対象物の空間方向（ＸＹ）と波長方向（λ）の３次元からなるデータを取得する既存の分光計測システムの例について説明する。
計測対象物の空間方向（ＸＹ）と波長方向（λ）の３次元データを取得する既存の分光計測システムは、下記の４種類に分類される。
（ａ）点計測方式（スペクトロメータ）
（ｂ）波長スキャン方式
（ｃ）空間スキャン方式
（ｄ）スナップショット方式
以下、これらの各方式の概要について説明する。
【００３０】
（ａ）点計測方式（スペクトロメータ）
図７を参照して点計測方式（スペクトロメータ）について説明する。
図７（ａ１）に示すように、点計測方式は、計測対象の１点から出た光を、分光素子であるプリズムで分光し、１方向にのみ素子が配置されているリニアセンサに分光を投影する構成である。この構成により、異なる波長光がリニアセンサ上の異なる素子（画素）に記録される。
【００３１】
センサの各素子（画素）の値を読み取れば波長スペクトルを取得することが可能となる。この点計測方式（スペクトロメータ）の特徴は波長分解能がリニアセンサの素子サイズ（画素数）に依存することであり、素子の数（画素数）を増やせば増やすほど細かい波長情報を取得可能となることである。
【００３２】
しかし、点計測方式（スペクトロメータ）では、１回の撮影処理で、計測対象の１点から出た光のみを受光し、解析することが可能となるのみである。すなわち、図７（ａ２）に示すように、１回の撮影処理では、計測対象物の空間方向（ＸＹ）のある一点のみの波長情報（λ）しか得られない。従って、計測対象物の空間方向（ＸＹ）の様々な点の波長情報（λ）を得るためには、計測位置をずらしながら多数回の撮影と解析を行う必要がある。
【００３３】
（ｂ）波長スキャン方式
次に、図８を参照して波長スキャン方式について説明する。
図８（ｂ１）に示すように、波長スキャン方式は、異なる波長通過特性を持つ複数の光学フィルタを時間ごとにカメラ（エリアセンサ（２次元センサ））の前で切り替えて撮影する。
【００３４】
図８（ｂ２）に示すように、１回の撮影で複数の空間位置に対応する１つの波長の強度情報を取得することが可能となり、光学フィルタを切り替えて撮影することで、複数の異なる波長の強度情報を取得することが可能となる。
【００３５】
ただし、高い波長分解能を実現するには大量の異なるフィルタを用意し、切り替えて撮影する必要があるので計測時間が長くなるという問題がある。また、光学フィルタの特性により、取得できない波長帯域が存在するという問題がある。
【００３６】
（ｃ）空間スキャン方式
次に、図９を参照して空間スキャン方式について説明する。
図９（ｃ１）に示すように、空間スキャン方式は、分光素子（プリズム、回折格子など）によって分光された計測対象からの光に対して、空間の１方向をエリアセンサのＸ方向に、波長方向をエリアセンサのＹ方向に記録する。さらに、図９（ｃ２）に示すように、計測装置を計測対象に対して残りの１方向に走査（スキャン）する。この処理により、先に図６を参照して説明したデータキューブ、すなわち、計測対象物の空間方向（ＸＹ）と波長方向（λ）の３次元からなるデータキューブを取得することができる。
【００３７】
この空間スキャン方式では高い空間分解能と波長分解能を実現できるが、スキャンするのに大型な装置が必要なうえ、スキャン処理時間が必要で計測時間が長くなるという問題がある。
【００３８】
（ｄ）スナップショット方式
次に、図１０を参照してスナップショット方式について説明する。
図１０（ｄ１）に示すように、スナップショット方式は、計測対象からの光を対物レンズで集光し、さらにコリメートレンズで平行光に変換し、分光素子を透過させセンサ（エリアセンサ）面上に投影する構成である。この構成により、計測対象上の異なる点からの異なる波長成分の光がセンサ（エリアセンサ）面の異なる素子（画素）に記録される。
【００３９】
このスナップショット方式は、１回の撮影で、図６を参照して説明したデータキューブ、すなわち、図１０（ｄ２）に示すような計測対象物の空間方向（ＸＹ）と波長方向（λ）の３次元からなるデータキューブを取得することができる。
【００４０】
ただし、センサ（エリアセンサ）は有限であり、また波長方向の情報がセンサ面上で重なり合って記録されるため、撮影後は信号処理によってデータキューブを復元する処理が必要となる。また、信号処理に必要となるパラメータは、分光計測装置の光学系の構成や性能に連動しているため、従来の構成では光学系を固定にして使用する必要があり、応用目的に合わせて波長と空間分解能を調整することが困難であるという問題がある。
【００４１】
なお、図１０に示すスナップショット方式の応用例として、センサ上に異なる透過帯域を持つ光学フィルタを空間的に配置することでデータキューブを取得する構成も提案されている。しかし、センサ面積は有限であり、光学フィルタはセンサ上に装着することが必要となり、光学フィルタの装着によりセンサの空間分解能が低下するという問題がある。
【００４２】
図７〜図１０を参照して、計測対象物の空間方向（ＸＹ）と波長方向（λ）の３次元からなるデータを取得する既存の分光計測システムの例、すなわち、（ａ）点計測方式（スペクトロメータ）、（ｂ）波長スキャン方式、（ｃ）空間スキャン方式、（ｄ）スナップショット方式、これら４種類の方式について説明した。
【００４３】
これら４方式の中でも特に図１０を参照して説明した（ｄ）スナップショット方式は１回の撮影だけでデータキューブを取得できるため、利用価値が高い。
ただし、上記４種類の方式は、いずれも、空間分解能や波長分解能の制御が困難であるという問題がある。特に空間分解能と波長分解能を個別に独立して制御することは不可能であるという問題がある。
【００４４】
［２．回折格子を用いたスナップショット方式の分光計測装置の構成例について］
本開示の分光計測装置は、図１０を参照して説明した回折格子を用いたスナップショット方式と同様の構成要素を有し、かつ、空間分解能と波長分解能を個別に独立して制御可能としたことを特徴とする。本開示の分光計測装置の一例は、スナップショット方式を適用した計算トモグラフィ撮像分光計（ＣＴＩＳ：Ｃｏｍｐｕｔｅｄ  Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ  Ｉｍａｇｉｎｇ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ）を利用して、さらに空間分解能と波長分解能を個別に制御可能とした構成を有する。
【００４５】
図１０を参照して説明した回折格子を用いたスナップショット方式の分光計測装置自体は、すでに公知であり、いくつかの構成が提案されている。まず、これらについて、その概要を簡単に説明する。
以下の各文献に記載された構成について、順次、説明する。
（１）非特許文献１  「Practical Spectral Photography Ralf Habel, Michael Kudenov, Michael Wimmer, EUROGRAPHICS 2012」
（２）非特許文献２  「A Tunable Snapshot Imaging Spectrometer Tebow, Christopher, Degree thesis of doctor of philosophy of the university of Arisona, 2005」
（３）非特許文献３  「Lenslet Array Tunable Snapshot Imaging Spectrometer(LATIS) for Hyperspectral Fluorescence Microscope JASON G. DWIGHT, TOMASZ S. TKACZYK, BIOMEDICAL OPTICS EXPRESS, Vol. 8, No. 3, 1 Mar 2017」
【００４６】
（１）非特許文献１  「Practical Spectral Photography Ralf Habel, Michael Kudenov, Michael Wimmer, EUROGRAPHICS 2012」に記載の分光計測装置は、上述のＣＴＩＳ方式の光学構成を採用しており、固定された分解能でデータキューブを１回の撮影で取得することを可能とした構成を持つ。
【００４７】
この非特許文献１の開示構成は、データキューブを１ショットで取得することを可能としているが、空間分解能と波長分解能は固定されている。すなわち、空間分解能や波長分解能を変更したいといった利用場面の変化に応じて光学系全体を取り換える必要がある。
この課題を解決しようとして、非特許文献２「A Tunable Snapshot Imaging Spectrometer Tebow, Christopher, Degree thesis of doctor of philosophy of the university of Arisona, 2005」や、非特許文献３「Lenslet Array Tunable Snapshot Imaging Spectrometer(LATIS) for Hyperspectral Fluorescence Microscope JASON G. DWIGHT, TOMASZ S. TKACZYK, BIOMEDICAL OPTICS EXPRESS, Vol. 8, No. 3, 1 Mar 2017」に記載の構成が考案された。
【００４８】
非特許文献２に記載された分光計測装置は、分光素子として、一般的な回折格子の代わりに。光学位相アレイ（Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｐｈａｓｅ  Ａｒｒａｙ）を利用することで、格子間隔を電気的に変更することを可能としている。これにより、波長ごとの画像のセンサ面上への投影位置を動的に変更できるようにした。これによって、波長分解能を調整できるようにした構成を持つ。
しかし、非特許文献２の構成は、波長分解能を調整可能としたものの、空間分解能については調整できないという問題がある。
【００４９】
また、非特許文献３に記載された分光計測装置は、は、非特許文献１の構成中の対物レンズを複数のレンズからなるレンズアレイで置き換えた構成を持つ。このレンズアレイ構成を利用して、撮影時にコリメートレンズと結像レンズの焦点距離を同時に変更することでセンサ面上での波長ごとの投影像のサイズを調整可能とした。また、レンズアレイを回転することで投影像の間の重畳を避けられる。この構成によって、空間分解能と波長分解能を同時に調整することができるようになった。
【００５０】
この非特許文献３の構成では、空間分解能と波長分解能を同時に調整することが可能である。しかし、コリメートレンズと結像レンズのフォーカスを同時に調整するため、空間分解能と波長分解能をそれぞれ独立して調整することはできないという問題がある。
【００５１】
［３．本開示の分光計測装置の構成と処理について］
本開示の分光計測装置は上記のような問題を解決するものである。すなわち、空間分解能と波長分解能をそれぞれ独立して調整できるようにし、様々な用途に適応した空間分解能と波長分解能での分光計測を実現するものである。
【００５２】
図１１は、本開示の分光計測装置１００の構成例を示す図である。
図１１に示すように、本開示の分光計測装置１００は、対物レンズ１０１、スリット（視野絞り）１０２、コリメートレンズ１０３、分光素子（回折格子）１０４、結像レンズ１０５、センサ（エリアセンサ）１０６、さらに、空間分解能調整部１５１、波長分解能調整部１５２、演算処理部１５３、記録部１５４を有する。
【００５３】
対物レンズ１０１、スリット（視野絞り）１０２、コリメートレンズ１０３、分光素子（回折格子）１０４、結像レンズ１０５、センサ（エリアセンサ）１０６0これらの基本構成は、先に図１０を参照して説明したスナップショット方式の分光計測装置と同様の構成である。
【００５４】
図１１に示す分光計測装置１００は、計測対象からの光を対物レンズ１０１で集光し、スリット（視野絞り）１０２を介して透過した光をコリメートレンズ１０３で平行光に変換し、さらに、分光素子（回折格子）１０４を透過させた光を結像レンズ１０５で波長単位の光に分光してセンサ（エリアセンサ）１０６面上に投影する構成である。この構成により、計測対象上の異なる点からの異なる波長成分の光がセンサ（エリアセンサ）１０６面の異なる素子（画素）に記録される。
【００５５】
ただし、センサ（エリアセンサ）１０６の各素子（画素）には、計測対象の様々な位置からの様々な波長光が重畳した光が記録される。
演算処理部１５３は、センサ（エリアセンサ）１０６の各素子（画素）の出力値（画素値）を取得して、各素子（画素）の出力値に基づいて、計測対象の位置（ｘ，ｙ）と各位置対応の波長光（λ：スベクトル情報）を復元する演算処理を実行する。
すなわち、演算処理部１５３は、先に図６を参照して説明した計測対象物の空間方向（ＸＹ）と、波長方向（λ）の３次元からなるデータキューブを生成して、記録部１５４に記録する。
【００５６】
空間分解能調整部１５１は、分光計測装置１００の空間分解能を調整する処理部である。空間分解能調整部１５１は、対物レンズ１０１、スリット（視野絞り）１０２、コリメートレンズ１０３を制御して分光計測装置１００の空間分解能を調整する。
波長分解能調整部１５２は、結像レンズ１０５、センサ（エリアセンサ）１０６を制御して波長分解能を制御する。
具体的な制御例については後段で詳細に説明する。
【００５７】
図１１に示す本開示の分光計測装置１００は、先に図１０を参照して説明した構成と同様、スナップショット方式による分光計測を行うものであり、１回の撮影で、図６を参照して説明したデータキューブ、すなわち、図１０（ｄ２）に示すような計測対象物の空間方向（ＸＹ）と波長方向（λ）の３次元からなるデータキューブを取得することができる。
【００５８】
なお、図１１に示す本開示の分光計測装置１００は、通常の画像と分光された画像を同時に撮影できる構成を有する。本来、空間情報も波長情報も連続量として存在しているが、センサ（エリアセンサ）１０６には、離散的なデータが記録されるため、センサ（エリアセンサ）１０６の出力値からは、空間方向も波長方向も離散的な値しか得られない。そこで分解能という概念が発生し、空間方向と波長方向をどこまで細かく記録できるかを表す量として空間分解能、波長分解能がある。
【００５９】
図１２、図１３を参照して、空間分解能と波長分解能について説明する。
まず、図１２を参照して空間分解能について説明する。
一般的に、図１２で示したようなレンズとセンサから構成されるカメラの場合、被写体のある領域（Ｄ１）がセンサ上のある領域（ｄ）に記録される。
この構成の場合、空間分解能ｒｓは下式（式４）のように表される。
ｒｓ＝Ｄ１／ｄ  ・・・（式４）
【００６０】
また、本発開示のスナップショット方式の分光カメラ、すなわち図１１に示すように分光素子１０４として回折格子を有する分光計測装置１００では、図１３に示すように、回折格子を通過した出射光は波長ごとに異なる出射角度を持ち、センサ面上の異なる位置に記録される。この構成により、分光情報が記録可能になる。
このような構成において、λ１からλ３の波長範囲の光がセンサ面上でｄ個分の画素に記録された場合、波長分解能ｒｗは下式（式５）として示される。
ｒｗ＝（λ３−λ１）／ｄ  ・・・（式５）
【００６１】
先に説明した通り、本開示の分光計測装置１００は、空間分解能と波長分解能をそれぞれ独立に調整可能とした構成を有する。
図１１に示す本開示の分光計測装置１００は、コリメートレンズ１０３を基準に光学的に２つの部分に分割することが可能となる。すなわち、図１４に示すように、対物レンズ１０１とスリット（視野絞り）１０２とコリメートレンズ１０３からなる集光部２１０と、分光素子１０４と結像レンズ１０５とセンサ（エリアセンサ）１０６からなる分光撮影部２２０に分けられる。
【００６２】
空間分解能調整部１５１は、集光部２１０の対物レンズ１０１、スリット（視野絞り）１０２、コリメートレンズ１０３を制御して分光計測装置１００の空間分解能を調整する。一方、波長分解能調整部１５２は、分光撮影部２２０の結像レンズ１０５、センサ（エリアセンサ）１０６を制御して波長分解能を制御する。
集光部２１０と分光撮影部２２０の間は光学的に平行な光で結ばれているのでお互いに独立であり、機能の干渉が起きない、つまり空間分解能と波長分解能はそれぞれ独立に調整することが可能となる。
【００６３】
次に、空間分解能調整部１５１による処理、すなわち、空間分解能調整部１５１が、集光部２１０の対物レンズ１０１、スリット（視野絞り）１０２、コリメートレンズ１０３を制御して分光計測装置１００の空間分解能を調整する処理の具体例について説明する。
【００６４】
空間分解能調整部１５１は、計測対象までの距離（ａ）（＝対物レンズ１０１から計測対象までの距離）が不変であることを前提に、前述した空間分解能（ｒｓ）算出式、すなわち、
ｒｓ＝Ｄ１／ｄ  ・・・（式４）
上記（式４）に従って、センサ面での投影像の範囲（ｄ）を一定に保ちながら、視野範囲（Ｄ）を変更することで空間分解能を独立に調整する。
【００６５】
一般的なカメラでは、対物レンズの焦点距離（ｆ１）を調整すれば、レンズの倍率が変化し、空間分解能を調整することが可能である。
図１１に示す構成を持つ本開示の分光計測装置１００において、空間分解能（ｒｓ）は下式（式６）で示すことができる。
ｒｓ＝Ｄ／ｄ（ｆ１／（ａ−ｆ１））・・・（式６）
ただし、
Ｄ：計測対象物の撮影範囲（視野範囲）
ｄ：センサ面での投影範囲（例えば投影画素数）
ｆ１：対物レンズの焦点距離
ａ：計測対象物までの距離（対物レンズ１０１からの距離）
である。
【００６６】
図１１に示す構成を持つ本開示の分光計測装置１００において、空間分解能調整部１５１は、まず、例えば、入力部から目的とする空間分解能設定値（ｒｓ）を入力する。次に、空間分解能調整部１５１は、上記（式６）に従って、入力した空間分解能設定値（ｒｓ）に設定するための対物レンズ１０１の焦点距離（ｆ１）を算出する。
【００６７】
しかし、図１１に示す構成を持つ本開示の分光計測装置１００では、分光素子（回折格子）１０４への入射光を平行光にする必要がある。
一般的には計測対象までの距離ａ（図１４に示す距離ａ）と、対物レンズ１０１の焦点距離（図１４に示すｆ１）に合わせて、コリメートレンズ１０３の焦点距離（図１４に示すｆ２）と、対物レンズ１０１とコリメートレンズ１０３間の距離（図１４に示すｄ１）を固定している。従って、対物レンズ１０１の焦点距離ｆ１を、一方的に変更するとコリメートレンズ１０３からの出射光が平行光でなくなる。
【００６８】
本開示の分光計測装置１００の空間分解能調整部１５１は、コリメートレンズ１０３からの出射光を平行光に維持するため、図１４に示すように、対物レンズ１０１の焦点距離（ｆ１）に併せて、対物レンズ１０１とコリメートレンズ１０３間の距離（ｄ１）と、コリメートレンズ１０３の焦点距離（ｆ２）を同時に調整する。
【００６９】
対物レンズ１０１の焦点距離（ｆ１）を調整しても分光撮影部２２０への入力光を平行光にするために、対物レンズ１０１とコリメートレンズ１０３間の距離（ｄ１）を以下の式（式７）の算出値とする。また、コリメートレンズ１０３の焦点距離（ｆ２）を、以下の式（式８）の算出値とする。
ｄ１＝（ａ・ｆ１）／（ａ−ｆ１）  ・・・（式７）
ｆ２＝ｄ１  ・・・（式８）
【００７０】
本開示の分光計測装置１００の空間分解能調整部１５１は、
上記（式６）に従って算出される目的の空間分解能設定値（ｒｓ）に設定するための対物レンズ１０１の焦点距離（ｆ１）と、
上記（式７）、（式８）に従って算出される、
対物レンズ１０１とコリメートレンズ１０３間の距離（ｄ１）と、
コリメートレンズ１０３の焦点距離（ｆ２）、
これらを併せて調整する。
【００７１】
これによって、集光部２１０から分光撮影部２２０への入力光を平行光に維持しながら空間分解能を調整することができる。
つまり波長分解能に対する影響を発生させることなく、空間分解能を調整することができる。
【００７２】
次に、波長分解能を独立して調整する方法について説明する。
図１４に示す分光撮影部２２０における光線の挙動を図１５に示す。
前提条件は、集光部２１０のコリメートレンズ１０３から、分光撮影部２２０の分光素子１０４への入射光が平行光であることである。分光素子１０４からの出射光は０次光と各波長に対応した出射角θを持ったｎ次回折光に分けられる。
また、図に示すように上方向にＸ軸を設定し、分光素子１０４への光線（集光部２１０からの入力平行光）端部の入射位置ｘ０の光が、距離ｄ２だけ離れた位置にある焦点距離がｆ３の結像レンズ１０５上のｘに到達し、結像レンズ１０５を通過後、距離ｄ３だけ離れた位置にあるセンサ１０６上のｘ'に到達するとする。
【００７３】
この場合、集光部２１０からの入力平行光端部の光（分光素子１０４の入射位置ｘ０）の光のセンサ１０６上の入射位置ｘ'は、以下に示す（式９）によって示される。
ｘ'＝（（ｆ３−ｄ３）／ｆ３）・ｘ＋ｄ３ｔａｎθ  ・・・（式９）
ただし、
ｘ＝ｄ２・ｔａｎθ＋ｘ０  ・・・（式１０）
である。
なお、上記（式９），（式１０）において、
ｘ０：分光素子（回折格子）１０４への入射光（平行光）端部の入射位置
θ：分光素子（回折格子）１０４の回折角、
ｆ３：結像レンズ１０５の焦点距離、
ｄ２：分光素子（回折格子）１０４と結像レンズ１０５の間隔、
ｄ３：結像レンズ１０５とセンサ１０６の間隔、
ｘ：結像レンズ１０５上の光の位置、
である。
【００７４】
上記（式９）から理解されるように、分光素子１０４への光線（集光部２１０からの入力平行光）端部の光が入射するセンサ１０６上の位置ｘ'は、以下の各値に依存する値となる。
ｘ０：分光素子（回折格子）１０４への入射光（平行光）端部の入射位置
θ：分光素子（回折格子）１０４の回折角、
ｆ３：結像レンズ１０５の焦点距離、
ｄ２：分光素子（回折格子）１０４と結像レンズ１０５の間隔、
ｄ３：結像レンズ１０５とセンサ１０６の間隔、
【００７５】
これらの各値中、分光素子（回折格子）１０４の回折角θ、すなわち、波長ごとの分光角度θは分光素子１０４の仕様によって決められている固定値である。また、分光素子（回折格子）１０４への入射光の入射位置ｘ０は集光部２１０の構成で決まる位置である。
【００７６】
ここで結像レンズ１０５の焦点距離ｆ３と、結像レンズ１０５とセンサ１０６の間隔ｄ３を固定にすれば、分光素子１０４への光線（集光部２１０からの入力平行光）端部の光が入射するセンサ１０６上の位置ｘ'は、分光素子（回折格子）１０４と結像レンズ１０５の間隔ｄ２のみの関数となる。
従って、分光素子（回折格子）１０４と結像レンズ１０５の間隔ｄ２を調整すれば、集光部２１０からの入力平行光の端部の光が入射するセンサ１０６上の位置ｘ'を制御することが可能となる。
【００７７】
集光部２１０から入力する平行光端部の光が入射するセンサ１０６上の位置ｘ'を制御することで、先に図１２を参照して説明したセンサ１０６面での分光像の投影範囲（ｄ）を調整することができる。
【００７８】
センサ１０６面での分光像の投影範囲（ｄ）は、以下に示すように、先に説明した波長分解能（ｒｗ）算出式（式５）の算出パラメータである。
ｒｗ＝（λ３−λ１）／ｄ  ・・・（式５）
従って、分光素子（回折格子）１０４と結像レンズ１０５の間隔ｄ２を調整すれば、集光部２１０から入力する平行光端部の光が入射するセンサ１０６上の位置ｘ'を制御可能となり、結果として、波長分解能（ｒｗ）を制御することが可能となる。
【００７９】
本開示の分光計測装置１００の波長分解能調整部１５２は、まず、例えば、入力部から目的とする波長分解能設定値（ｒｗ）を入力する。次に、波長分解能調整部１５２は、上記（式５）に従って、入力した波長分解能設定値（ｒｗ）に設定するためのセンサ１０６面での分光像の投影範囲（ｄ）を算出する。
【００８０】
次に、算出したセンサ１０６面の分光像の投影範囲（ｄ）から、投影範囲の端部の位置ｘ'を求める。この算出値ｘ'は、先に説明した集光部２１０からの入力平行光端部の光（分光素子１０４の入射位置ｘ０）の光のセンサ１０６上の入射位置ｘ'の算出式（式９）、すなわち、
ｘ'＝（（ｆ３−ｄ３）／ｆ３）・ｘ＋ｄ３ｔａｎθ  ・・・（式９）
上記（式９）のｘ'に相当する。
ただし、
ｘ＝ｄ２・ｔａｎθ＋ｘ０  ・・・（式１０）
である。
【００８１】
次に、上記（式９）、（式１０）に算出したｘ'を代入し、さらに、固定値である、
ｘ０：分光素子（回折格子）１０４への入射光（平行光）端部の入射位置
θ：分光素子（回折格子）１０４の回折角、
ｆ３：結像レンズ１０５の焦点距離、
ｄ３：結像レンズ１０５とセンサ１０６の間隔、
これらの値を代入し、
分光素子（回折格子）１０４と結像レンズ１０５の間隔（ｄ２）を算出する。
【００８２】
波長分解能調整部１５２は、この算出パラメータ（ｄ２）を調整パラメータとして調整を行う。すなわち分光素子（回折格子）１０４と結像レンズ１０５の間隔を算出パラメータ（ｄ２）に一致するように調整する。
このようにして、波長分解能調整部１５２は、分光計測装置１００の波長分解能を調整する。
【００８３】
なお、結像レンズ１０５の焦点距離ｆ３と、結像レンズ１０５とセンサ１０６の間隔ｄ３が固定されているので、集光部２１０から平行光として入ってくる０次光成分の投影倍率は変化せず、センサ１０６上での投影範囲が変化しない、つまり空間分解能は変化しないことになる。
【００８４】
このように、本開示の分光計測装置１００の波長分解能調整部１５２は、分光素子（回折格子）１０４と結像レンズ１０５の間隔ｄ２を制御することで、空間分解能を変化させずに、波長分解能を制御することが可能となる。
【００８５】
［４．演算処理部におけるデータキューブ復元処理について］
先に図１１を参照して説明したように、センサ（エリアセンサ）１０６の各素子（画素）には、計測対象の様々な位置からの様々な波長光が重畳した光が記録される。
演算処理部１５３は、センサ（エリアセンサ）１０６の各素子（画素）の出力値（画素値）を取得して、各素子（画素）の出力値に基づいて、計測対象の位置（ｘ，ｙ）と各位置対応の波長光（λ：スベクトル情報）を復元する演算処理を実行する。
すなわち、演算処理部１５３は、先に図６を参照して説明した計測対象物の空間方向（ＸＹ）と、波長方向（λ）の３次元データからなるデータキューブを生成して、記録部１５４に記録する。
【００８６】
図１６に示すように、スナップショット方式において、計測対象物の空間方向（ＸＹ）と、波長方向（λ）の３次元からなるデータキューブの１つのブロックデータ（立方体）Ｃ１の値は、センサ１０６面の複数の画素の受光量から算出される。この画素には、計測対象の様々な位置からの様々な波長光が重畳した光が記録される。従って、演算処理部１５３は、センサ（エリアセンサ）１０６の各素子（画素）の出力値（画素値）を取得して、各素子（画素）の出力値に基づいて、計測対象の位置（ｘ，ｙ）と各位置対応の波長光（λ：スベクトル情報）を復元する演算処理を実行することが必要となる。
【００８７】
センサ（エリアセンサ）１０６の各素子（画素）の出力値（画素値）と、データキューブの構成ブロックの各値との関係式は、以下の（式１１）によって示される。
ｇ＝Ｈ・ｆ＋ｎ  ・・・（式１１）
上記（式１１）において、
ｇ：センサ（エリアセンサ）１０６の各素子（画素）の出力値（画素値）によって構成される１×総画素数の画像行列、
ｆ：データキューブの構成ブロックの各値によって構成される１×データキューブサイズの行列、
Ｈ：投影変換行列、
ｎ：センサノイズ
である。
【００８８】
投影変換行列（Ｈ）は、分光計測装置の光学系が決まっていれば事前のキャリブレーションで取得することが可能な行列である。従って、計測処理の開始前に取得することができる。事前に複数の分解能（空間分解能、波長分解能）に対応する投影変換行列（Ｈ）を取得しておく。また、センサ（エリアセンサ）１０６の各素子（画素）の出力値（画素値）によって構成される１×総画素数の画像行列（ｇ）は、撮影画像から取得可能な行列である。
【００８９】
従って、計測処理の実行後において、撮影データ（ｇ）は既知である。この条件の下、以下に示す（式１２）の計算を繰り返すことでデータキューブｆの復元、すなわち、計測対象の位置（ｘ，ｙ）と各位置対応の波長光（λ：スベクトル情報）を復元することが可能となる。
【００９０】
【数１】
2019216213.tif 000003
【００９１】
なお、（式１２）中のμは制御パラメータで０〜１の値域を持ち、反復演算の終息速度を制御する。
【００９２】
なお、データキューブｆを正しく復元するためには光学系（集光部＋分光撮影部）と１対１対応しているＨ行列を使う必要があるため、従来のシステムでは一旦光学系が構成されると２度と変更できないようにしてきた。
しかし、図１１に示す本開示の分光計測装置１００は、先に図１４を参照して説明したように、空間分解能調整部１５１と、波長分解能調整部１５２の各々が、複数の光学パラメータを調整して、空間分解能と、波長分解能を独立に調整可能としている。
【００９３】
具体的には、空間分解能調整部１５１は、
対物レンズ１０１の焦点距離（ｆ１）、
対物レンズ１０１とコリメートレンズ１０３間の距離（図１４に示すｄ１）
コリメートレンズ１０３の焦点距離（ｆ２）
これらの光学パラメータを調整して、空間分解能のみを独立に調整することができる。
【００９４】
また、波長分解能調整部１５２は、
分光素子（回折格子）１０４と結像レンズ１０５の間隔（図１４に示すｄ２）
この光学パラメータを調整して、波長分解能のみを独立に調整することができる。
【００９５】
なお、本開示の分光計測装置１００は、複数の光学パラメータを調整可能にし、空間分解能と波長分解能を独立に調整可能な構成であるので、上記（式１２）を用いたデータキューブｆの復元を行う際には、光学パラメータ調整後の構成に従った投影変換行列（Ｈ）を予め用意して利用することが必要である。
【００９６】
図１７に、本開示の分光計測装置１００において、空間分解能調整部１５１と、波長分解能調整部１５２が調整する光学パラメータについて説明する図を示す。
図１７には、分光計測装置の構成を規定する以下の９種類のパラメータを示している。
（１）対物レンズ焦点距離ｆ１
（２）対物レンズ−コリメートレンズ間距離ｄ１
（３）スリット開口部径ｐ
（４）コリメートレンズ焦点距離ｆ２
（５）分光素子（回折格子）開口部径ｇ
（６）分光素子−結像レンズ間距離ｄ２
（７）コリメートレンズ−結像レンズ間距離ｄ２１
（８）結像レンズ焦点距離ｆ３
（９）結像レンズ−センサ間距離ｄ３
【００９７】
これらの９種類のパラメータ中、本開示の分光計測装置１００の空間分解能調整部１５１は、
（１）対物レンズ焦点距離ｆ１
（２）対物レンズ−コリメートレンズ間距離ｄ１
（４）コリメートレンズ焦点距離ｆ２
これらの３種類のパラメータを調整する。
【００９８】
すなわち、本開示の分光計測装置１００の空間分解能調整部１５１は、
先に説明した空間分解能（ｒｓ）算出式、すなわち、
ｒｓ＝Ｄ／ｄ（ｆ１／（ａ−ｆ１））・・・（式６）
上記（式６）に従って算出される目的の空間分解能設定値（ｒｓ）に設定するための対物レンズ１０１の焦点距離（ｆ１）を算出する。さらに、
分光撮影部２２０への入力光を平行光にするための条件式である先に説明した（式７）、（式８）、すなわち、
ｄ１＝（ａ・ｆ１）／（ａ−ｆ１）  ・・・（式７）
ｆ２＝ｄ１  ・・・（式８）
上記（式７）、（式８）に従って、対物レンズ１０１とコリメートレンズ１０３間の距離（ｄ１）と、コリメートレンズ１０３の焦点距離（ｆ２）を算出する。
【００９９】
空間分解能調整部１５１は、これらの３つの算出値に基づいて、
（１）対物レンズ焦点距離ｆ１
（２）対物レンズ−コリメートレンズ間距離ｄ１
（４）コリメートレンズ焦点距離ｆ２
これら３種類のパラメータを調整する。
【０１００】
一方、波長分解能調整部１５２は、上記９種類のパラメータ中、
（６）分光素子−結像レンズ間距離ｄ２
このパラメータを調整する。
【０１０１】
すなわち、本開示の分光計測装置１００の波長分解能調整部１５２は、
先に説明した波長分解能（ｒｗ）算出式、すなわち、
ｒｗ＝（λ３−λ１）／ｄ  ・・・（式５）
上記（式５）に従って算出される目的の波長分解能設定値（ｒｗ）に設定するためのセンサ１０６面での分光像の投影範囲（ｄ）を算出する。
【０１０２】
次に、算出したセンサ１０６面の分光像の投影範囲（ｄ）から、投影範囲の端部の位置ｘ'を求める。この算出値ｘ'は、先に説明した集光部２１０からの入力平行光端部の光（分光素子１０４の入射位置ｘ０）の光のセンサ１０６上の入射位置ｘ'の算出式（式９）、すなわち、
ｘ'＝（（ｆ３−ｄ３）／ｆ３）・ｘ＋ｄ３ｔａｎθ  ・・・（式９）
上記（式９）のｘ'に相当する。
ただし、
ｘ＝ｄ２・ｔａｎθ＋ｘ０  ・・・（式１０）
である。
【０１０３】
次に、上記（式９）、（式１０）に算出したｘ'を代入し、さらに、固定値である、
ｘ０：分光素子（回折格子）１０４への入射光（平行光）端部の入射位置
θ：分光素子（回折格子）１０４の回折角、
ｆ３：結像レンズ１０５の焦点距離、
ｄ３：結像レンズ１０５とセンサ１０６の間隔、
これらの値を代入し、
分光素子（回折格子）１０４と結像レンズ１０５の間隔（ｄ２）を算出する。
【０１０４】
波長分解能調整部１５２は、この算出値に基づいて、
（６）分光素子−結像レンズ間距離ｄ２
このパラメータを調整する。
【０１０５】
なお、図１７に示す例では、空間分解能調整部１５１が、
（１）対物レンズ焦点距離ｆ１
（２）対物レンズ−コリメートレンズ間距離ｄ１
（４）コリメートレンズ焦点距離ｆ２
これらの３種類のパラメータを調整し、
波長分解能調整部１５２は、
（６）分光素子−結像レンズ間距離ｄ２
この１種類のパラメータを調整する例を示しているが、空間分解能調整部１５１や、波長分解能調整部１５２が、これら以外のパラメータを調整する構成としてもよい。
【０１０６】
例えば、図１８に示すように、空間分解能調整部１５１が、
（１）対物レンズ焦点距離ｆ１
（２）対物レンズ−コリメートレンズ間距離ｄ１
（３）スリット開口部径ｐ
（４）コリメートレンズ焦点距離ｆ２
これらの４種類のパラメータを調整する設定としてもよい。
これらのパラメータは、いずれも空間分解能を変更することが可能なパラメータである。
【０１０７】
一方、波長分解能調整部１５２は、
（１）対物レンズ焦点距離ｆ１
（６）分光素子−結像レンズ間距離ｄ２
（８）結像レンズ焦点距離ｆ３
（９）結像レンズ−センサ間距離ｄ３
これらの４種類のパラメータを調整する設定としてもよい。
これらのパラメータは、いずれも波長分解能を変更することが可能なパラメータである。
【０１０８】
ただし、最終的には、図１９に示すように、集光部２１０から分光撮影部２２０への出射光が平行光に維持することが条件となる。
集光部２１０から分光撮影部２２０への出射光を平行光に維持するためには、先に説明した条件式（式７）、（式８）、すなわち、
ｄ１＝（ａ・ｆ１）／（ａ−ｆ１）  ・・・（式７）
ｆ２＝ｄ１  ・・・（式８）
上記（式７）、（式８）を満足するように、
対物レンズ１０１とコリメートレンズ１０３間の距離（ｄ１）、
コリメートレンズ１０３の焦点距離（ｆ２）、
これらのパラメータが設定されればよい。
【０１０９】
すなわち、図１８、図１９に示すように、空間分解能調整部１５１が、
（１）対物レンズ焦点距離ｆ１
（２）対物レンズ−コリメートレンズ間距離ｄ１
（３）スリット開口部径ｐ
（４）コリメートレンズ焦点距離ｆ２
これらの４種類のパラメータを調整し、
波長分解能調整部１５２が、
（１）対物レンズ焦点距離ｆ１
（６）分光素子−結像レンズ間距離ｄ２
（８）結像レンズ焦点距離ｆ３
（９）結像レンズ−センサ間距離ｄ３
これらのパラメータを調整した場合であっても、最終的に、上記（式７）、（式８）を満足するように、
対物レンズ１０１とコリメートレンズ１０３間の距離（ｄ１）、
コリメートレンズ１０３の焦点距離（ｆ２）、
これらのパラメータが調整されれば、集光部２１０から分光撮影部２２０への出射光を平行光に維持することが可能となる。
【０１１０】
集光部２１０から分光撮影部２２０への出射光を平行光に維持する条件を満足するという設定の下であれば、空間分解能調整部１５１と、波長分解能調整部１５２は、図１８、図１９に示すような様々なパラメータの調整が許容される。
【０１１１】
［５．本開示の分光計測装置の実行する処理のシーケンスについて］
次に、図２０に示すフローチャートを参照して、本開示の分光計測装置１００の実行する処理のシーケンスについて説明する。
以下、図２０に示すフローチャートの各ステップの処理について説明する。
【０１１２】
（ステップＳ１０１）
まず、ステップＳ１０１において、空間分解能の調整処理を実行する。
この処理は、図１１に示す分光計測装置１００の空間分解能調整部１５１が実行する。
【０１１３】
空間分解能調整部１５１は、先に説明した空間分解能（ｒｓ）算出式、すなわち、
ｒｓ＝Ｄ／ｄ（ｆ１／（ａ−ｆ１））・・・（式６）
上記（式６）に従って算出される目的の空間分解能設定値（ｒｓ）に設定するための対物レンズ１０１の焦点距離（ｆ１）を算出する。さらに、
分光撮影部２２０への入力光を平行光にするための条件式である先に説明した（式７）、（式８）、すなわち、
ｄ１＝（ａ・ｆ１）／（ａ−ｆ１）  ・・・（式７）
ｆ２＝ｄ１  ・・・（式８）
上記（式７）、（式８）に従って、対物レンズ１０１とコリメートレンズ１０３間の距離（ｄ１）と、コリメートレンズ１０３の焦点距離（ｆ２）を算出する。
【０１１４】
空間分解能調整部１５１は、これらの３つの算出値に基づいて、
対物レンズ焦点距離ｆ１
対物レンズ−コリメートレンズ間距離ｄ１
コリメートレンズ焦点距離ｆ２
これら３種類のパラメータを調整する。
【０１１５】
（ステップＳ１０２）
ステップＳ１０２の処理は、ステップＳ１０１の処理と並列に実行可能な処理である。
ステップＳ１０２では、波長分解能の調整処理を実行する。
この処理は、図１１に示す分光計測装置１００の波長分解能調整部１５２が実行する。
【０１１６】
波長分解能調整部１５２は、先に説明した波長分解能（ｒｗ）算出式、すなわち、
ｒｗ＝（λ３−λ１）／ｄ  ・・・（式５）
上記（式５）に従って算出される目的の波長分解能設定値（ｒｗ）に設定するためのセンサ１０６面での分光像の投影範囲（ｄ）を算出する。
【０１１７】
次に、算出したセンサ１０６面の分光像の投影範囲（ｄ）から、投影範囲の端部の位置ｘ'を求める。この算出値ｘ'は、先に説明した集光部２１０からの入力平行光端部の光（分光素子１０４の入射位置ｘ０）の光のセンサ１０６上の入射位置ｘ'の算出式（式９）、すなわち、
ｘ'＝（（ｆ３−ｄ３）／ｆ３）・ｘ＋ｄ３ｔａｎθ  ・・・（式９）
上記（式９）のｘ'に相当する。
ただし、
ｘ＝ｄ２・ｔａｎθ＋ｘ０  ・・・（式１０）
である。
【０１１８】
次に、上記（式９）、（式１０）に算出したｘ'を代入し、さらに、固定値である、
ｘ０：分光素子（回折格子）１０４への入射光（平行光）端部の入射位置
θ：分光素子（回折格子）１０４の回折角、
ｆ３：結像レンズ１０５の焦点距離、
ｄ３：結像レンズ１０５とセンサ１０６の間隔、
これらの値を代入し、
分光素子（回折格子）１０４と結像レンズ１０５の間隔（ｄ２）を算出する。
波長分解能調整部１５２は、この算出値に基づいて、
分光素子−結像レンズ間距離ｄ２
このパラメータを調整する。
【０１１９】
なお、ステップＳ１０１の空間分解能調整処理、およびステップＳ１０２の波長分解能調整処理ステップでは、図１８、図１９を参照して説明したように、集光部２１０から分光撮影部２２０への出射光を平行光に維持する条件を満足するという設定の下であれば、空間分解能調整部１５１と、波長分解能調整部１５２は、図１８、図１９に示すような様々なパラメータの調整が許容される。
【０１２０】
（ステップＳ１０３）
次に、ステップＳ１０３において、計測対象を撮影する。
この処理は、図１１に示す分光計測装置１００による画像撮影処理である。
【０１２１】
（ステップＳ１０４）
次に、ステップＳ１０４において、画素値読出し処理を実行する。
この処理は、図１１に示す分光計測装置１００のセンサ１０６の各画素の画素値を演算処理部１５３に出力する処理である。
【０１２２】
（ステップＳ１０５）
次に、ステップＳ１０５において、復元処理を実行する。
この処理は、図１１に示す分光計測装置１００の演算処理部１５３が実行する処理である。
【０１２３】
演算処理部１５３は、センサ（エリアセンサ）１０６の各素子（画素）の出力値（画素値）を取得して、各素子（画素）の出力値に基づいて、計測対象の位置（ｘ，ｙ）と各位置対応の波長光（λ：スベクトル情報）を復元する演算処理を実行する。
すなわち、演算処理部１５３は、先に図６を参照して説明した計測対象物の空間方向（ＸＹ）と、波長方向（λ）の３次元からなるデータキューブを生成する。
【０１２４】
センサ（エリアセンサ）１０６の各素子（画素）の出力値（画素値）と、データキューブの構成ブロックの各値との関係式は、先に説明した以下の（式１１）によって示される。
ｇ＝Ｈ・ｆ＋ｎ  ・・・（式１１）
上記（式１１）において、
ｇ：センサ（エリアセンサ）１０６の各素子（画素）の出力値（画素値）によって構成される１×総画素数の画像行列、
ｆ：データキューブの構成ブロックの各値によって構成される１×データキューブサイズの行列、
Ｈ：投影変換行列、
ｎ：センサノイズ
である。
【０１２５】
投影変換行列（Ｈ）は、分光計測装置の光学系が決まっていれば事前のキャリブレーションで取得することが可能な行列である。従って、計測処理の開始前に取得することができる。また、センサ（エリアセンサ）１０６の各素子（画素）の出力値（画素値）によって構成される１×総画素数の画像行列（ｇ）は、撮影画像から取得可能な行列である。
【０１２６】
撮影データ（ｇ）と投影変換行列（Ｈ）、ノイズ（ｎ）は既知であり、演算処理部１５３は、先に説明した（式１２）の計算を繰り返すことでデータキューブｆの復元、すなわち、計測対象の位置（ｘ，ｙ）と各位置対応の波長光（λ：スベクトル情報）を復元する。
【０１２７】
（ステップＳ１０６）
最後に、演算処理部１５３は、ステップＳ１０６において、撮影された計測対象物の空間方向（ＸＹ）と、波長方向（λ）の３次元データからなるデータキューブを記録部１５４に記録する。
【０１２８】
以上、説明したように、本開示の分光計測装置１００は、ステップＳ１０１、ステップＳ１０２において、独立して空間分解能の調整と、波長分解能の調整を行い、所望の空間分解能と波長分解能を設定して計測対象物の空間方向（ＸＹ）と、波長方向（λ）の３次元データからなるデータキューブを生成して記録することが可能となる。
【０１２９】
［６．本開示の構成のまとめ］
以上、特定の実施例を参照しながら、本開示の実施例について詳解してきた。しかしながら、本開示の要旨を逸脱しない範囲で当業者が実施例の修正や代用を成し得ることは自明である。すなわち、例示という形態で本発明を開示してきたのであり、限定的に解釈されるべきではない。本開示の要旨を判断するためには、特許請求の範囲の欄を参酌すべきである。
【０１３０】
なお、本明細書において開示した技術は、以下のような構成をとることができる。
（１）  分光計測装置の空間分解能を調整する空間分解能調整部と、
前記分光計測装置の波長分解能を調整する波長分解能調整部を有し、
前記空間分解能調整部は、
前記分光計測装置の波長分解能を変更することなく空間分解能を変更する分光計測装置。
【０１３１】
（２）  前記波長分解能調整部は、
前記分光計測装置の空間分解能を変更することなく波長分解能を変更する（１）に記載の分光計測装置。
【０１３２】
（３）  前記空間分解能調整部は、
前記分光計測装置の集光部から分光撮影部に対する出力光を平行光に維持するという条件を満たすように空間分解能を変更する（１）または（２）に記載の分光計測装置。
【０１３３】
（４）  前記空間分解能調整部は、
前記分光計測装置の集光部の構成要素のパラメータを調整して空間分解能を変更する（１）〜（３）いずれかに記載の分光計測装置。
【０１３４】
（５）  前記空間分解能調整部は、
前記分光計測装置の集光部の構成要素のパラメータである、
（ａ）対物レンズ焦点距離と、
（ｂ）対物レンズ−コリメートレンズ間距離と、
（ｃ）コリメートレンズ焦点距離、
上記（ａ）〜（ｃ）の少なくともいずれかのパラメータを調整して空間分解能を変更する（１）〜（４）いずれかに記載の分光計測装置。
【０１３５】
（６）  前記波長分解能調整部は、
前記分光計測装置の分光撮影部の構成要素のパラメータを調整して波長分解能を変更する（１）〜（５）いずれかに記載の分光計測装置。
【０１３６】
（７）  前記波長分解能調整部は、
前記分光計測装置の分光撮影部の構成要素のパラメータである、
分光素子−結像レンズ間距離、
を調整して波長分解能を変更する（１）〜（６）いずれかに記載の分光計測装置。
【０１３７】
（８）  前記分光計測装置は、さらに、
前記分光計測装置のセンサの受光信号値を入力して演算処理を実行する演算処理部を有し、
前記演算処理部は、
前記センサの各画素の画素値を取得して、計測対象の位置（ｘ，ｙ）と各位置対応の波長光（λ：スベクトル情報）を復元する演算処理を実行する（１）〜（７）いずれかに記載の分光計測装置。
【０１３８】
（９）  前記演算処理部は、
前記計測対象の空間方向（ＸＹ）と、波長方向（λ）の３次元データからなるデータキューブを生成する（８）に記載の分光計測装置。
【０１３９】
（１０）  分光計測装置において実行する分光計測方法であり、
空間分解能調整部が、前記分光計測装置の空間分解能を調整する空間分解能調整ステップと、
波長分解能調整部が、前記分光計測装置の波長分解能を調整する波長分解能調整ステップと、
計測対象の出力光を前記分光計測装置の集光部と分光部を介してセンサに受光させる画像撮影ステップと、
演算処理部が、前記センサの画素値に基づいて、前記計測対象の空間方向（ＸＹ）と、波長方向（λ）の３次元データからなるデータキューブを生成するデータキューブ生成ステップを有し、
前記空間分解能調整部による前記空間分解能調整ステップは、
前記分光計測装置の波長分解能を変更することなく空間分解能を変更するステップである分光計測方法。
【０１４０】
なお、明細書に記載された各種の処理は、記載に従って時系列に実行されるのみならず、処理を実行する装置の処理能力あるいは必要に応じて並列的にあるいは個別に実行されてもよい。また、本明細書においてシステムとは、複数の装置の論理的集合構成であり、各構成の装置が同一筐体内にあるものには限らない。
【産業上の利用可能性】
【０１４１】
以上、説明したように、本開示の一実施例の構成によれば、分光計測装置の空間分解能と波長分解能を独立に調整可能とした構成が実現される。
具体的には、例えば、分光計測装置の空間分解能を調整する空間分解能調整部と、分光計測装置の波長分解能を調整する波長分解能調整部を有し、空間分解能調整部は、分光計測装置の集光部から分光撮影部に対する出力光を平行光に維持し、集光部の構成要素のパラメータを調整して、分光計測装置の波長分解能を変更することなく空間分解能を変更する。波長分解能調整部は、分光計測装置の分光撮影部のパラメータを調整して、分光計測装置の空間分解能を変更することなく波長分解能を変更する。
本構成により、分光計測装置の空間分解能と波長分解能を独立に調整可能とした構成が実現される。
【符号の説明】
【０１４２】
１００  分光計測装置
１０１  対物レンズ
１０２  スリット（視野絞り）
１０３  コリメートレンズ
１０４  分光素子（回折格子）
１０５  結像レンズ
１０６  センサ（エリアセンサ）
１５１  空間分解能調整部
１５２  波長分解能調整部
１５３  演算処理部
１５４  記録部
２１０  集光部
２２０  分光撮影部
【図１】
2019216213.tif 000004
【図２】
2019216213.tif 000005
【図３】
2019216213.tif 000006
【図４】
2019216213.tif 000007
【図５】
2019216213.tif 000008
【図６】
2019216213.tif 000009
【図７】
2019216213.tif 000010
【図８】
2019216213.tif 000011
【図９】
2019216213.tif 000012
【図１０】
2019216213.tif 000013
【図１１】
2019216213.tif 000014
【図１２】
2019216213.tif 000015
【図１３】
2019216213.tif 000016
【図１４】
2019216213.tif 000017
【図１５】
2019216213.tif 000018
【図１６】
2019216213.tif 000019
【図１７】
2019216213.tif 000020
【図１８】
2019216213.tif 000021
【図１９】
2019216213.tif 000022
【図２０】
2019216213.tif 000023
【国際調査報告】
2019216213.tif 000024
2019216213.tif 000025
2019216213.tif 000026
2019216213.tif 000027