一ノ瀬、
宮原： 画 像 ラ ボ ,vo.11,no.5,pp7-12(1999)、宮原：赤外線イメージスキャナの開発
アイメジャー有限会社 一ノ瀬 修一（財）京都市埋蔵文化財研究所 宮原 健吾

凡
例

はじめに

光
電気信号 アナログ
電気信号 デジタル原稿

赤外線イメージスキャナの開発を行ったので、その取り込み原理や、特徴について報告する。通常市販されているフラットベット型イメージスキャナを赤外線を用いて取り込みを行うように専用に改造したものである。また、実際に考古学研究分野での応用を検証したので併せて報告する。

■イメージスキャナ■
A/Dコンバータ
光源

シェーディング補正

レンズ

アンプ

CCD

キャリッジ

ガンマ変換
メカニカル走査■パーソナルコンピュータ■

インターフェース
（USBなど）TWAIN
Data
SourceTWAIN Data
SourceManagerアプリケーション（Photoshop）

イメージスキャナ v s
カメラOS

ディスプレイ【第１図 赤外線イメージスキャナの概観図】

プリンターWeb【第２図 イメージスキャナの画像取り込
みフロー】イメージスキャナの赤外線イメージス
取り込み原理まず、最初に既存のメージスキャナのキャナへの改造取り込み原理をおさらいする。第２図に示すとおり、画像は次ぎのプロセスを経て、取り込まれる。原稿を照らす光源、原稿からの拡散反射光をセンサ上に結像するレンズ、像の濃淡を光電変換する CCD
リニアイメージセンサ、センサのアナロ
グ出力をデジタル信号に変える A/D コン
バータ、後述するシェーディング補正を経て、インターフェースを通じて、接続したパーソナルコンピュータに画像を送る。
CCD リニアイメージセンサは、リニアという名の由来の通り、フォトダイオードを１次元配列したセンサであり、同時に短冊状の画像をサンプリングする。そして、このセンサをまるごと、短冊の長手方向とは垂直の方向にメカニカル走査により移動しながらサンプリングを続けることで、２次元画像を得る。

一般的なCCDリニアイメージセンサの分光感度を第３図に示す。眼の分光感度
域は、380 〜 780nm と考えられているか
ら、780nm 〜 1100nm の「赤外線」領域の光は、イメージスキャナとしては不要光となる。通常はこの領域の光は、色再現性劣化やコントラスト低下を招くため、センサにたどりつかないように分光学的に遮断する。また光源においては、赤外線を発生するほど発光効率は低下するため、投入した電力がなるべく可視光となるように改良を続ける。
今回、イメージスキャナを構成する光学要素部品において、赤外線ランプを利用し、またセンサの赤外線感度領域のみを使うことで、赤外線イメージスキャナを構成することに成功した。

Page-1【第３図 CCD リニアイメージセンサの分光感度】1)

ここで、赤外線イメージスキャナの特徴について説明する。まず、赤外線 vs 可視光という議論に入る前に、イメージスキャナという画像入力装置の特徴について述べてみたい。200 万画素を越える低価格なデジタルスチルカメラが普及している現在でも、画像入力装置の１つとしてイメージスキャナは手放すことができない装置である。その理由は次のような５つの特徴を有しているためである。
a) テカリを排した光源を内蔵した接写専用暗箱である
デジタルスチルカメラもストロボを内蔵しているではないか。と思われるかも知れない。しかし、イメージスキャナの特徴は、内蔵する光源のレイアウトにある。
陶器や、印画紙写真などの表面の性状を表す言葉として、「光沢度」という指標がある。光沢とは、平滑性のある物体表面の反射特性から生まれる「正反射光（鏡面反射光とも言う）」成分が産み出している。
物体に書かれた文字などを読み取るためには、地と文字領域との反射率の違い、すなわちコントラストが十分確保されている必要がある。正反射光は、物体内部の性状から来る反射率の違いを消失し、鏡の様な強い反射を生む。その結果、コントラストは無くなり、そこに書かれてあるハ

一ノ瀬、
宮原
： 画 像 ラ ボ ,vo.11,no.5,pp7-12(1999)、宮原：ズの文字などは識別不可能となる。
イメージスキャナの光源レウアウトを設計する際には、通常この正反射光を取り込まないように留意する。具体的には、第４図に示すとおり、斜め 45 度の角度から照明光を照射し、資料に垂直な方向にて画像を取り込むことで、正反射光を回避する照射レイアウトとする。

カメラにおいて、使用レンズの焦点距離を固定し、原稿＝レンズ間の接写距離も固定することで可能となる。には撮影した複数の画像を切り貼りしなければならない。カメラタイプで得た複数の画像を切り貼りする場合、原稿の明るさや繋ぎ合わせの画像寸法などの整合作業は、困難を極める。
逆に、イメージスキャナタイプの画像は、もし原稿台のサイズ（例えば、A4 サ
イズ）よりも大きな試料であっても、複数枚の画像として取り込みを行った後、デジタル画像データのスチッティング（切り貼り）作業は容易である。それは先に述
べた、反射率測定器として校正された濃度値を得られる点と、画像歪みの少ないデジタイザ機能も併せ持つためである。
その結果、繋ぎ併せるべき画像端部の整合性は非常に良い。

正反射光c) A4 サイズの反射率測定器である
肉眼で見る写真では、撮影した画像の中央と周辺の値の違いに気づきにくいが、レンズを使う限り幾何光学的な理由で「周辺減光」が発生している。レンズの光軸中心の明るさに比べて周辺に行く程、画像読み光量が低下する。これはレンズの絞りを取り方向照射明るくする程顕著となる。イメージス
光
キャナもレンズを内蔵しており、同じ現象が発生している。しかし画像の取り込みに先立ち、内蔵した「白基準板」の取り込みを行い、「シェーディング補正」と呼ばれるデジタルデータの演算による濃度校正を行うことで、次に示す構成要素部e) デジタル画像入力装置である品の固体バラツキを矯正し、規格化した
この点は、パーソナルコンピュータの【第４図 照射光、正反射光と読み取り方値を自動的に出力できる。
周辺機器としての画像入力装置の特徴で
向】2)i) レンズの周辺減光あり、デジタルスチルカメラにも共通しii) ランプの照明ムラた特徴である。USB インターフェースな
また通常は原稿を下向きにして、フタiii) センサの画素ごとの感度ムラどが近年周辺機器のインターフェースとを閉めて取り込みを行う構造となっていこのことで、原稿の反射率に比例した値して普及し、どのパーソナルコンピューる。このことで簡易的な暗箱での写真撮を、取り込み領域の場所に依存せず、中央タにもこのインターフェースが用意され影と同等となる。外部から差し込む光にでも、周辺でも得ることが可能となる。すている。いつでもどこでもイメージスよる影響を受けにくくなり、原稿を照明
なわち、イメージスキャナは簡易的な、A4キャナをコンピュータに接続、取り込んする光を完全に装置のみで制御できる。
サイズの反射率測定器として扱うことがだデータは直ちにデジタル画像ファイル
もし、カメラにて同じことをやろうとできる。
として保存、さらに DTP、メール送付やすれば、まず部屋を真っ暗にして、かつ照また、近年、Windows98 や、Mac OS な
Web Site への張りつけが可能となる。
明する光源のライティングの角度を調節
どのパーソナルコンピュータの OS が正
一方、現在普及している赤外線カメラして、原稿からの正反射光を取り込まな式に「カラーマネージメントシステム」をの場合、いったん NTSC 信号として TV 出いように注意しなければならない。カメ
サポートし始めたことにより、「プロファ
力されている画像情報をデジタル画像ラで光沢性のある印画紙の接写撮影をさイル」と称するデバイス特有の入出力特データに変換するためには、キャプチャれた事のある方ならご存知だと思うが、 性を記述するファイルを使って、被写体リングという作業が必要となる。このかなり注意を要する難しい作業である。の色を定量化することも可能となってき 「キャプチャリング機能」を持たないパーている。すなわち、測定器としての精度はソナルコンピュータには、画像を取り込低いものの、A4 サイズの色彩色度計としむことができない。
b) A4 サイズのデジタイザである寸法の校正作業が不要となる。もちろて活用することも可能である。
ん、スキャナの取り込み精度の範囲内のことである。もし同じことをカメラで行d) 画素数が非常に多い
うとすれば、被写体の中にスケールを一市販されているデジタルスチルカメラ緒に映し込み、寸法の校正を行う作業がの主流は、現在 300 万画素となりつつあ可視光に対する赤外線の長所は次の点必要となる。イメージスキャナで画像をる。それでも、同時に A4 サイズの画像があげられる。
取り込む作業は、画像をデジタイズした （30cm くらい）を得ようとすると、インア) 散乱が少なく透過性が高いことと同じである。例えば、スキャン解像
チあたり 150 pixel を割り当てる(150dpi)
可視光に較べて資料内部の情報を得る
度が 300dpi であれば、スキャン画像ののがやっとである。イメージスキャナは、 ことができる。薄手の資料であれば、透過300pixel は、1 インチの長さに相当する。 600dpiの解像度でスキャンした場合でも、 光モードにおいて内部の構造を見ること
スキャン時に設定した解像度情報は、そA4 サイズの画素数は、3 千 500 万画素をができる。例えば、紙において光の透過性の保存ファイルに自動的に書き込まれる。 越える。1200dpi でスキャニングすれば、 が低下する理由は、本来素材としては透Photoshop など市販のアプリケーション
ゆうに 1 憶 4 千万画素を越える。
明なセルロースが、空気と折り混ざってソフトウェアで画像を開けば、ものさしカメラを使って、600dpi の解像度を得
微細な繊維構造となっており、光が散乱ツールなどで、いつでも寸法を測定するるためにマクロ撮影をする作業は非常にされやすいためである。
ことも可能である。つまり、取り込み作業困難を極める。何故なら、まず照明ムラが波長が短くなる程、光は散乱されやすを行う中で自然と寸法に対するキャリブ一番の問題となる。更に、レンズ歪みが多い性質を持つ。良く知られる空が青くなレーション作業も行っていることになる
くなり撮影箇所により拡大率が異なる度る理由である。よって、赤外線は可視光にので、いちいち寸法を意識することなく合が大きくなる。そのため、寸法校正が難
比べ波長が長いため散乱されにくい特徴効率的な取り込み作業が可能となる。
しくなる。
を持つ。そのため、紙の繊維や、陶器など
もし、カメラタイプの画像入力装置にまた、拡大しようとしてマクロ撮影をの微粉末による散乱を受けずに、奥にあて、毎回校正を行わずに済ませるためにすると、今度は逆に全体を同時に得るこる画像情報を引き出すことが可能となる。
は、接写台に取りつけたデジタルスチルとができなくなり、全体を表現するため赤外線 vs 可視光

Page-2

一ノ瀬、宮原： 画 像 ラ ボ ,vo.11,no.5,pp7-12(1999)、宮原：イ）染料、顔料などに吸収されにくい。
染料、顔料などは、可視光の特定の波長を吸収することで色を出す。しかし、これらの材料も多くの場合、赤外線を吸収しない。一方、古くから記録用に使われる墨は炭素からできており、可視光域から赤外線領域までの広い範囲で光吸収特性を持つ。その結果、彩色した土器や色印刷された資料の中に墨文字があると、墨の部分だけ赤外線を吸収し他は反射するために、墨の部分のコントラストが上がり、文字認識が容易になる。
そもそも、見やすい画像の状態とは、注目するパターンと無視したいパターンとの間に濃度コントラストがある状態となっている。したがって、見えにくい画像を見やすくするためには、文字領域など注目するパターンを更に濃くするか、周辺の無視したいパターンの反射率を上げたり、その領域の持つ特有のパターンノイズを滑らかにすることである。
上述した赤外線の２つの特徴は、どちらも、墨や鉛筆などで書かれた文字と母体となる地とのコントラストを上げることが可能となり、可視光では見えない画像を発見することが可能となる。

第5図

木簡を既存のイメージスキャナを用いてスキャニングした例

考古学研究への応用
発掘調査において出土する遺物は非常に多種多様であるが、その中でも木簡や墨書土器、漆紙文書などの文字の書かれている遺物は、土器や石器では決定出来ない絶対年代を決める重要な基準資料となりえる。しかし、それらの遺物は長い期間土中にあり、汚れや変色、劣化により、当初に書かれていた文字が肉眼では判読し難くなって いることが多く、そのような遺物を判読するときは、赤外線写真を撮影したり赤外線カメラを使うのが一般的である。その理由は、文字を書くために使用した墨（不定形炭素）が赤外線領域で資料のベースである木材や紙と比べると高い吸収率を持ち、かつ表面に付着している汚れも赤外線に対して高い透過率を持つからである。
しかし、赤外線カメラなどを用いた資料の判読は、ライティングなど撮影に特殊な技能を要求され使い易いとはいい難く、得られる画像もアナログ情報なので、最近のようにコンピュータでの画像処理を前提としたデータ取得には本質的に不向きだという欠点があった。さらに重大な問題点は、貴重な文化財を長時間にわたり熱線（赤外線）下にさらすことである。これは資料の観察時に、通常の室内光源では赤外線量が不足しているので「赤第６図 木簡を赤外線イメージスキャナを用いてスキャニングした例

外線投光器」を使用して大量に赤外線を資料に照射することに起因し、結果的に不要な温度上昇を資料に与え、資料の劣化を加速させる。また、実際の作業環境においても、真夏に「赤外線投光器」を使っての撮影は厳しく、さらに赤外線が赤外線白内障や網膜障害などの健康障害を引き起こすことも確認されている。

Page-3

今回、筆者らは、普及型のフラットベット型イメージスキャナを赤外線イメージ専用に改造し、従来の赤外観察装置とは全く異なる斬新な発想で「赤外線イメージスキャナ」を開発したので、その有効性をここに紹介するものである。

一ノ瀬、
宮原
： 画 像 ラ ボ ,vo.11,no.5,pp7-12(1999)、宮原：a) 使いやすさ
今回の開発で一番念頭に置いたのは、「Easy to Use」である。過去に筆者らのように赤外線写真を撮影したり、赤外線カメラを操作したした経験がある方には良く理解できると思うのだが、赤外線自体が不可視であるということもあり、これらの作業は非常に面倒で、ある程度電磁波の特性を理解し、それなりの経験を積まないとなかなか思うような結果が得られない。赤外線カメラを所有していても、あまり木簡などの赤外線カメラを必要とする遺物が出土しないと、使い方もなかなか上達しない。
多くの場合、一番苦労するのは赤外線投光器のライティングである。赤外線は不可視光なので、なかなか資料に均一に照射するのが難しく、外光の混入などもあるので、いつも同じ条件で観察するのはほとんど不可能である。その点、今回開発した赤外線イメージスキャナは、安定した光源をスキャナの内部に持っており、いつでも反復精度の高い条件の整った観察が可能である。さらに赤外線イメージスキャナ自体は可搬性が高く、ノートパソコンと組み合わせることより、今までのように出土した遺物をはるばる赤外線カメラのあるところに持って行かなくても、遺物の出土した地点においての観察が可能になり、いつでもどこでも誰にでも赤外線を用いた文化財の研究が可能になった。
(第５図、第６図の木簡のスキャン画像を参照のこと。赤外線イメージスキャナで得た画像は、墨文字のコントラストが上がっている。また木目のコントラストは低下し、ザラツキが消えている。
その結果、墨文字が読みやすくなっていることがわかる。
)
b) 高画質赤外線カメラの短所としては、獲得されたイメージの品質の低さが上げられる。
これは走査線の少なさから来るもので、報告書などの図版に赤外線カメラの画像が使われない大きな理由である。しかし、高精度な走査系と光学系を持つスキャナを使ったスキャングでは、赤外線カメラから得られた画像とは比較にならない精細で高画質な画像の入力が可能である。
さらに、通常のカメラレンズを使う赤外線カメラ場合、資料の拡大率が等倍程度であるのに比べ、赤外線イメージスキャ
ナは任意の部分が自由な倍率で拡大できる。また、赤外線カメラは通常の写真用レンズを使用していることもあり、レンズ自体の持つ収差と走査線に変換された画像では図形歪みが著しくとても計測には利用できないが、赤外線イメージスキャ
ナで得られたイメージは、高精細でありかつ画像の幾何精度が非常に高いので、実測図と赤外線写真を兼用できるメリッ

第７図 方眼紙に描いた遺物の実測図を既存のイメージスキャナを用いてスキャニングした例

第８図 方眼紙に描いた遺物の実測図を赤外線イメージスキャナを用いてスキャニングした例

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一ノ瀬、
宮原： 画 像 ラ ボ ,vo.11,no.5,pp7-12(1999)、宮原：トがある。
c) 資料の安全性
赤外線イメージスキャナでのスキャニングはスリットで行われるため、観察時に資料に対して必要最小限しか赤外線の照射が行われない。赤外線カメラを使用した時には、ほとんど赤外線投光器を消さないで作業を行うことを考えると、資料に照射する累積赤外線量は圧倒的に微量であり、貴重な文化財が極端に嫌う不要な熱はほとんど与えず、資料に含まれる水分が蒸発にすることによる資料の劣化も皆無である。
さらに、赤外線カメラを用いた撮影では資料の真上にカメラを設置する必要があるので、常に落下による破損の危険に資料が晒されることになる。しかし、赤外線イメージスキャナではそのような必要性はなく、資料に及ぼす危険性は非常に小さい。
d) データの汎用性
赤外線カメラ得られた画像は基本的にアナログデータだったので、そのイメージを画像処理したり印刷するには、ブラウン管面をポラロイド写真で撮影したり、ＴＶから出てくるＮＴＳＣの信号をＡ／Ｄ変換してコンピュータに持ちこむ必要があり、手間が掛かる割りに得られる画像の品質も低かった。しかし赤外線イメージスキャナから得られるデータは、当然のことながら高精細なデジタルイメージなので、そのまま画像処理ソフトに持ち込んで、画像処理や画像解析が可能である。また、その画像は報告書や出版物にそのまま利用できる。さらにデータベース化も容易である。

ス目や、色インクペンで書き込んだ文字は消失し、鉛筆で書き込んだ図柄のみが浮き出て取り込まれていることがわかる。
）【著者紹介】
一ノ瀬 修一（１９５９年生・埼玉県出身）
アイメジャー有限会社 代表取締役〒 399-0023 長野県松本市内田 2941-4
TEL:0263-85-0051
FAX:0263-85-0052
E-Mail:info@imeasure.co.jp< 主なる業務歴および資格 >1985 年、筑波大学理工学研究科物質工学修士課程了。同年、エプソン株式会社へ入社。1986 〜 1999 年、カラーイメージスキャナの設計、要素開発に従事。
1999年、セイコーエプソン株式会社退社。
同年、アイメジャー有限会社を設立。

f) 今後の開発予定
赤外線イメージスキャナで読む資料は、あらかじめ文字の書かれている、もしくは書かれていると思わしき文化財であって、墨書土器や木簡が選別の際に洩れている可能性は高い。それを解消するには、非接触で迅速に文字の有無を確認できる、赤外線イメージスキャナにとってプリプロセッサの役目をする装置が必要である。
また、立体物や表面の状態によっては、非接触での観察が必要な資料もあるので、それには手軽にデジタルイメージとして赤外イメージが得られる、赤外線デジタ
ルカメラ、もしくは、赤外線デジタルビデ
宮原 健吾
オカメラを開発する必要がある。
（１９６２年生・佐賀県出身）
財団法人 京都市埋蔵文化財研究所〒 602-8435
京都市上京区今出川通大宮東入貴重な木簡の画像を提供して頂いた関TEL:075-415-0521
西文化財調査会の吉川義彦氏、ならびにFAX:075-431-3307
遺物の実測図を提供頂いた佐賀県多久市
E-mail:MGG01063@nifty.ne.jp
教育委員会に感謝します。また、今回の論文作成や市場調査にあたり資料を提供頂いた(株)埋蔵文化財サポートシステムの武広正純氏、有限会社ダットの小川紋弘氏、赤外線イメージスキャナの試作に尽力して頂いたセイコーエプソン株式会社の百瀬喜代治氏に心から感謝致します。

おわりに

引用文献
１）東芝,CCDリニアイメージセンサ TCD
シリーズデータブック ,1993 年
２）応用物理学会光学懇話会編 , 朝倉書店
, 色の性質と技術 ,1986 年e) その他の応用例
考古学では、遺物などを精密に記録するために実測図と呼ばれる投影図を書く。
これは寸法精度が重視されるので方眼紙に書かれることが多い。しかし、その実測図を報告書などの書籍に掲載するときは、方眼紙に書かれている方眼が邪魔になり、そのままでは掲載できないので再度出版用にトレースをし直す。これは非常に時間と手間がかかり、結果として報告書作成のコストと期間に大きな比重を占めることになる。しかし、その実測図を赤外線イメージスキャナで読み取ると、染料系の塗料で印刷されている方眼は赤外線に対して透明なために、通常の鉛筆で描かれた絵だけを取り出 すことが可能になり、上記の問題は見事に解決する。これは鉛筆の芯に使われている炭素の同素体である黒鉛（グラファイト）が赤外線に対して高い吸収率を持つからである。（第７図、第８図 の方眼紙に描いた遺物の実測図のスキャン画像を参照のこと。方眼紙のマ

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