(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
断面において格子状に配列された複数の光ファイバからなり、分光対象となる２次元画像を入射し得るイメージファイバと、分光作用及び各分光の集光作用を有するグレーティングレンズとを用い、
分光対象となる２次元画像を前記イメージファイバの入射端から入射し、  該イメージファイバの出射端からは、前記グレーティングレンズによる分光回折方向に垂直な方向に直線状に並ぶファイバ群からの光を該グレーティングレンズに向けて出射し、
該グレーティングレンズによる回折光をイメージセンサに結像させると共に、光出射位置を前記ファイバ群の並び方向に垂直に走査する分光方法であって、
前記イメージファイバとして、出射端が、前記グレーティングレンズによる分光回折方向に垂直な方向において、中央部が前記グレーティングレンズから遠ざかるように湾曲した凹曲面とされたものを用い、
該凹曲面は、前記出射光の前記グレーティングレンズによる結像時の収差を小さくするように決められることを特徴とする２次元画像の分光方法。
【請求項２】
断面において直線状に配列された複数の光ファイバからなり、分光対象となる２次元画像を入射し得るイメージファイバと、分光作用及び各分光の集光作用を有するグレーティングレンズとを用い、
分光対象となる２次元画像を前記イメージファイバの入射端から入射し、該イメージファイバの出射端においては、光ファイバの直線状配列を前記グレーティングレンズによる分光回折方向に垂直な方向とし、
該出射端からの光を該グレーティングレンズに向けて出射し、
該グレーティングレンズによる回折光をイメージセンサに結像させると共に、分光対象画像に対する前記入射端の位置を、前記ファイバ群の並び方向を横切る方向に相対移動する分光方法であって、
前記イメージファイバとして、出射端が、前記グレーティングレンズによる分光回折方向に垂直な方向において、中央部が前記グレーティングレンズから遠ざかるように湾曲した凹曲面とされたものを用い、
該凹曲面は、前記出射光の前記グレーティングレンズによる結像時の収差を小さくするように決められることを特徴とする２次元画像の分光方法。
【請求項３】
分光作用及び各分光の集光作用を有するグレーティングレンズと、
断面において格子状に配列された複数の光ファイバからなり、分光対象となる２次元画像を入射し得る入射端及び前記グレーティングレンズに臨む位置に配置された出射端を有するイメージファイバと、
前記イメージファイバの出射端に面して配置され、前記グレーティングレンズによる分光回折方向に垂直な方向に直線状に並ぶファイバ群からの光を出射させ得るスリットを有したマスクと、
前記グレーティングレンズによる回折光の結像位置に配置されたイメージセンサと、
前記イメージファイバの出射端を前記マスク、グレーティングレンズ及びイメージセンサに対して前記ファイバ群の並び方向に垂直に相対移動させるための操作部とを備え、
前記イメージファイバの出射端が、前記グレーティングレンズによる分光回折方向に垂直な方向において、中央部が前記グレーティングレンズから遠ざかるように湾曲した凹曲面とされており、
該凹曲面は、前記出射光の前記グレーティングレンズによる結像時の収差を小さくするように決められていることを特徴とする２次元画像の分光装置。
【請求項４】
分光作用及び各分光の集光作用を有するグレーティングレンズと、
断面において直線状に配列された複数の光ファイバからなり、分光対象となる２次元画像を入射し得る入射端及び前記グレーティングレンズに臨む位置に配置された出射端を有するイメージファイバと、
前記グレーティングレンズによる回折光の結像位置に配置されたイメージセンサと、
分光対象画像に対する前記入射端の位置を、前記ファイバ群の並び方向を横切る方向に相対移動させるための操作部とを備え、
前記イメージファイバの出射端が、前記グレーティングレンズによる分光回折方向に垂直な方向において、中央部が前記グレーティングレンズから遠ざかるように湾曲した凹曲面とされており、
該凹曲面は、前記出射光の前記グレーティングレンズによる結像時の収差を小さくするように決められていることを特徴とする２次元画像の分光装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、２次元画像の分光方法及び分光装置に関する。
【０００２】
【従来技術】
例えば、絵画に使用されている絵具の顔料を分析するために、対象点領域の反射光の分光を行なうことがある。また、医療の分野では、皮膚の色を分析することにより、血中酸素濃度等の生体状況を知ることが可能となる。
【０００３】
このような点状の領域（２次元画像）の反射光又は透過光の分光を行なうことにより、色彩を通して、諸データを得ることができる。
【０００４】
このような２次元領域の分光を行なうための代表的な手段として、以下のものがある。
ａ）所定周波数毎にフィルタリングした２次元画像を検出する。
ｂ）対象２次元領域に照射する照射光の波長をスキャンする。
ｃ）対象２次元領域にフーリエ分光法を適用する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記ａ）の手段では、周波数（波長）フィルタを多数用意して入れ替える必要があり、分光分析の高速化と小型化が困難である。上記ｂ）の手段では、分光対象物が照射光に対して周波数シフトを生じる場合や自ら発光をする場合には、適用できない。また、上記ｃ）の手段では、干渉光学系、駆動装置、フーリエ逆変換の計算等を必要とし、装置全体が大型化し、使用が煩雑となる。
【０００６】
本発明は、これら従来の技術の問題点を解決し、簡便で装置全体の小型化が可能な２次元画像の分光方法及び分光装置を提供することを目的とする
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記目的を達成するため、以下の方法及び装置を提供するものである。
【０００８】
１）断面において格子状に配列された複数の光ファイバからなり、分光対象となる２次元画像を入射し得るイメージファイバと、分光作用及び各分光の集光作用を有するグレーティングレンズとを用い、
分光対象となる２次元画像を前記イメージファイバの入射端から入射し、該イメージファイバの出射端からは、前記グレーティングレンズによる分光回折方向に垂直な方向に直線状に並ぶファイバ群からの光を該グレーティングレンズに向けて出射し、該グレーティングレンズによる回折光をイメージセンサに結像させると共に、光出射位置を前記ファイバ群の並び方向に垂直に走査することを特徴とする２次元画像の分光方法。
【０００９】
２）断面において直線状に配列された複数の光ファイバからなり、分光対象となる２次元画像を入射し得るイメージファイバと、分光作用及び各分光の集光作用を有するグレーティングレンズとを用い、
分光対象となる２次元画像を前記イメージファイバの入射端から入射し、該イメージファイバの出射端は、光ファイバの直線状配列を前記グレーティングレンズによる分光回折方向に垂直な方向とし、該出射端からの光を該グレーティングレンズに向けて出射し、該グレーティングレンズによる回折光をイメージセンサに結像させると共に、分光対象画像に対する前記入射端の位置を前記ファイバ群の並び方向を横切る方向に相対移動することを特徴とする２次元画像の分光方法。
【００１０】
３）分光作用及び各分光の集光作用を有するグレーティングレンズと、
断面において格子状に配列された複数の光ファイバからなり、分光対象となる２次元画像を入射し得る入射端及び前記グレーティングレンズに臨む位置に配置された出射端を有するイメージファイバと、
前記イメージファイバの出射端に面して配置され、前記グレーティングレンズによる分光回折方向に垂直な方向に直線状に並ぶファイバ群からの光を出射させ得るスリットを有したマスクと、前記グレーティングレンズによる回折光の結像位置に配置されたイメージセンサと、前記イメージファイバの出射端を前記マスク、グレーティングレンズ及びイメージセンサに対して前記ファイバ群の並び方向に垂直に相対移動させるための操作部とを備えたことを特徴とする２次元画像の分光装置。
【００１１】
４）分光作用及び各分光の集光作用を有するグレーティングレンズと、
断面において直線状に配列された複数の光ファイバからなり、分光対象となる２次元画像を入射し得る入射端及び前記グレーティングレンズに臨む位置に配置された出射端を有するイメージファイバと、
前記グレーティングレンズによる回折光の結像位置に配置されたイメージセンサと、
分光対象画像に対する前記入射端の位置を前記ファイバ群の並び方向を横切る方向に相対移動させるための操作部とを備えたことを特徴とする２次元画像の分光装置。
【００１２】
前記イメージファイバの出射端は、前記グレーティングレンズによる分光回折方向に垂直な方向において、中央部が前記グレーティングレンズから遠ざかるように湾曲した凹曲面とされており、該凹曲面は、前記出射光の前記グレーティングレンズによる結像時の収差を小さくするように決められているのが望ましい。
【００１３】
本明細書においては、分光の対象となる２次元領域を２次元画像と称することとする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態について添付図面に示す２次元画像の分光装置を参照しつつ、分光方法についても説明する。
【００１５】
図１は、分光装置を概略的に示している。この装置は、分光対象画像を有した対象物Ｓに入射端を臨ませたイメージファイバ１と、該イメージファイバの出射端１０に臨むように配置されたグレーティングレンズ２と、該グレーティングレンズによる回折光を受光する位置に配置されたイメージセンサ３とを備えている。
【００１６】
イメージファイバ１は、断面において格子状に配列された多数の光ファイバを束ねたものであり、その束の形態は、断面矩形状とするのが望ましい。これは、後述する直線状光束の走査の際に、直線状光束の幅が変わらないようにするためである。使用する光ファイバの直径及びイメージファイバの断面寸法は、分光対象とする領域の大きさ等に応じて適宜決められる。通常は、光ファイバは、直径１００μm〜２００μmのものを用い、それを束ねて、１辺が５ｍｍ〜１０ｍｍの矩形のイメージファイバが構成される。但し、分光対象等に応じてこれら以外の寸法、形状を採用することも可能である。イメージファイバ１の入射端は平坦面とされ、測定対象物の面に接するか接近して配置される。図示の例では分光対象物は光透過性を有したものであり、光源からの光は、図１に示すように分光対象物に対し、イメージファイバ１の入射端とは反対側から光Ｌ１が入射する。
【００１７】
イメージファイバの出射端１１の凹曲面は、グレーティングレンズ２による分光回折方向に垂直な方向（ｘ軸方向）における中央部が前記グレーティングレンズから遠ざかるように湾曲した凹曲面とされている。この凹曲面は、イメージファイバ１からスリット４０を経て出射される光が、グレーティングレンズ２により回折され、できるだけ小さい収差で結像するように決められる。
【００１８】
グレーティングレンズ２は、入射光の分光作用及び集光作用を有する。このため、グレーティングレンズ２は、入射方向とは反対側に凸の湾曲状回折縞を有する。この湾曲状回折縞の湾曲曲線・湾曲度は、レンズの焦点距離、コマ収差や非点収差の解消性等に応じて適宜決められる。
【００１９】
これらイメージファイバの出射端１１の凹曲面形状及びグレーティングレンズの回折縞の形状を最適化し収差を小さくすることにより、結像特性の劣化が抑制される。
【００２０】
グレーティングレンズの出射端には、その端面に面してマスク４が配置されている（図２参照）。マスク４は、グレーティングレンズ２による分光回折方向（図２におけるｙ軸方向）に垂直な方向に並ぶファイバ群から該並びに沿う直線状の光を出射させ得るスリット４０を有している。このためマスク４は、グレーティングレンズの出射端１１と同様の凹曲面をなしている。イメージファイバ１は、図外の支持部により前記ファイバ群の並び方向に垂直に移動可能に支持されている（図２の矢印方向）。また、イメージファイバ１の移動を行なうために、電磁駆動、エア圧、モータ等による操作部を該支持部に結合するのが望ましい。
【００２１】
イメージセンサ３は、平面上の受光面を有し、グレーティングレンズ２による回折光の結像位置に配置されている。イメージセンサ３は、ＣＣＤカメラ等、受光素子を備えたものとすることができる。
【００２２】
次に、以下の仕様を有した分光装置を用いた分光方法の実施例について説明する（図３参照）。
分光装置の仕様：
分光波長（λ）：  ５１０〜６１０ｎｍ
入射角（θIN）：７０°
入射距離（ｆIN）：２１ｍｍ
検出幅：１０ｍｍ
出射角（θOUT )：０°又は０°付近
出射集光距離（ｆOUT）：１０ｍｍ
ＣＣＤ面傾斜角（θPD ）：４２°
図１に示すように、光源からの光Ｌ１を分光対象物Ｓに照射し、その透過光をイメージファイバ１の入射端１０から入射させる。入射した光Ｌ２は、各光ファイバ中を伝搬され、出射端１１に到達する。出射端１１から出射する光は、マスク４のスリット４０を経て、直線状の光Ｌ３（詳細には、直線状に配列された点状出射端からの光）として出射され、グレーティングレンズ２に到達する。グレーティングレンズ２に入射した光は、回折により分光され各分光は集光されて、図２のＬ４となり、イメージセンサ３上に結像する。この結像点の並びは、グレーティングレンズによる分光回折方向に沿って得られる。この例では、前述のグレーティングレンズの設定に従い、図２のｙ軸方向となる。イメージセンサ３は、分光された光の強度を感知する。図２では、１つの光ファイバからの出射光を見たが、図４は、スリット４０内に並ぶ２つの光ファイバからの出射光の経路を示している。図の向こう側及び手前側の点Ａ，Ｂからの出射光Ｌ３ａ、Ｌ３ｂは、各々図の手前側及び向こう側の回折光Ｌ４ａ、Ｌ４ｂとなって、イメージセンサ３に達する。イメージセンサは、例えば、分光強度分布を図のＩ−λ軸線上に表示する。
【００２３】
このようにして、スリット４０を経た直線状の光は、グレーティングレンズ２の回折により集光されてイメージセンサ３のｘ軸方向に結像し、ｙ軸方向に分光像が得られ、その強度が検知される。図５は、イメージファイバの出射端からの出射位置を示しており、図６は、これに対応してイメージセンサに得られた分光画像の強度を示している。このように、分光回折方向に垂直な方向に並ぶファイバ群からグレーティングレンズに入射した光は、相互に混在することなくイメージセンサで検知される。
【００２４】
１つの直線状出射光からは、図６のような分光された波長毎の強度分布が得られる。したがって、スリット４０を横切る方向にイメージファイバの出射端を移動することにより、各直線列からの出射に対応した分光強度分布が得られる。イメージセンサに出射端移動中に得られる分光強度分布をイメージセンサに記憶させておき、それを総合することにより、２次元画像の分光強度分布が得られる。
【００２５】
以上は、イメージファイバとして、断面において格子状に配列された複数の光ファイバからなるものを用い、直線状に並ぶファイバ群からの光照射を、該ファイバ群の並び方向に垂直に走査する場合についての説明である。これ以外に、イメージファイバは、断面において直線状（望ましくは一直線上）に配列された複数の光ファイバからなるものを用いることもできる。この場合は、イメージファイバの出射端は、光ファイバの直線状配列をグレーティングレンズによる分光回折方向に垂直な方向とする。また、分光対象画像に対する入射端の位置を、ファイバ群の並び方向を横切る方向（望ましくは該並び方向に垂直な方向）に相対移動する。このため、分光対象イメージ又はイメージファイバ入射端付近に、電磁駆動、エア圧、モータ等による操作部を設ける。これにより、光ファイバ群のグレーティングレンズに対する照射位置を一定に保って、光ファイバの入射端側で分光対象イメージとの相対移動に基づく所定領域の走査が行なわれることとなり、イメージセンサに分光強度の２次元分布が得られる。
【００２６】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、分光対象となる２次元画像を、複数の光ファイバからなるイメージファイバの入射端から入射し、グレーティングレンズによる分光回折方向に垂直な方向に直線状に並ぶファイバ群からの光を該グレーティングレンズに向けて出射し、回折光をイメージセンサに結像させる。したがって、直線状に並ぶ各光ファイバからの出射光はグレーティングレンズの回折方向に分光され、分光強度の判別を不能にするような相互間の混じり合いが防止される。
【００２７】
そして、断面において格子状に配列された複数の光ファイバからなるイメージファイバを用い、光出射位置をファイバ群の直線状並び方向に垂直に走査する場合には。この直線状の光の照射とこれに垂直な方向への走査とにより、分光強度の２次元分布をイメージセンサで検知することができる。
【００２８】
また、断面において直線状に配列された複数の光ファイバからなるイメージファイバを用い、分光対象画像に対する入射端の位置を、ファイバ群の並び方向を横切る方向に相対移動する場合は、光ファイバの入射端側で分光対象イメージとの相対移動に基づく所定領域の走査が行なわれ、イメージセンサに分光強度の２次元分布が得られる。
【００２９】
このように、本発明によれば、イメージファイバ、グレーティングレンズ及びイメージセンサ等を用いるという簡便な操作及び簡単な構造で、２次元画像の分光が可能となる。
【００３０】
特に、イメージファイバとして、出射端が、グレーティングレンズの分光回折方向に垂直な方向において、中央部がグレーティングレンズから遠ざかるように湾曲した凹曲面とされたものを用い、該凹曲面は、前記出射光の前記グレーティングレンズによる結像時の収差を小さくするようになるように決められるのが望ましい。これにより、簡便で小型化が可能であり、且つ分光精度の高い分光方法及び分光装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１実施例に係る装置を概略的に示す斜視図である。
【図２】図１に示す装置の要部の斜視図である。
【図３】図１に示す装置の要部の詳細説明図である。
【図４】図１に示す装置の作用を説明するための斜視図である。
【図５】図１に示す装置からの光出射状態を示すグラフである。
【図６】図５の光出射から得られたイメージセンサ上の画像をグラフ上に表したものである。
【符号の説明】
１  イメージファイバ
２  グレーティングレンズ
３  イメージセンサ
４  マスク
１０  入射端
１１  出射端
４０  スリット
【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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