JP2001165775A

JP2001165775A - スペクトルイメージセンサ

Info

Publication number: JP2001165775A
Application number: JP34831099A
Authority: JP
Inventors: Tetsuya Nagashima; 哲也長島; Masanori Okuyama; 雅則奥山
Original assignee: Hochiki Corp
Current assignee: Hochiki Corp
Priority date: 1999-12-08
Filing date: 1999-12-08
Publication date: 2001-06-22

Abstract

(57)【要約】【課題】被写対象の移動や、照明等の影響を受けること
なく、正しい微分スペクトルイメージを生成する。【解決手段】ＣＣＤ等の撮像素子４上に２分割された実
像を光学系２で同時に結像し、光学系２に各々異なる透
過スペクトル特性の領域３ａ，３ｂをもつ光学フィルタ
３を配置して撮像素子上にスペクトル画像Ａ，Ｂを結像
し、スペクトル画像Ａ，Ｂの相対する位置の画素間の差
分値をとって被写対象の微分スペクトル画像を生成す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、複数のスペクトル
画像の相対する位置の差分をとることで監視対象の微分
スペクトル画像を生成して異常等を判断するスペクトル
イメージセンサに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、種々のスペクトルイメージングが
高度情報認識に非常に有効であることが注目されてい
る。特に、医学、生物学、リモートセンジング、食品の
品質管理、火災監視等のさまざまな分野で、簡便に高度
な分光解析が二次元画像として行える分光画像処理技術
が求められている。

【０００３】これまで開発された分光画像処理技術とし
ては、液晶フィルタを用いた高空間分解能カラーカメラ
や分光器一体型マルチスペクトルカメラ、またフーリエ
変換型マルチスペクトルイメージング等があるしかし、
これらは光学系の超精密制御が必要である、スペクトル
の整合に手間がかかる、空間分解能が悪い、装置が大き
すぎる等の問題点があり、この問題を解決する微分スペ
クトルイメージセンサを本願発明者等は提案している。

【０００４】この微分スペクトルイメージセンサは、分
光透過率を変化させることのできる波長可変干渉フィル
タ（特開平８−２８５６８８号）とカラーＣＣＤカメラ
及びコンピュータからなり、波長可変干渉フィルタによ
り得られる複数の狭帯域スペクトル特性を周期的に変化
させ、変化前と変化後の狭帯域スペクトル画像の差分を
とる画像間演算をすることにより、微分スペクトル画像
を簡単且つ迅速に得ることができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この微
分スペクトルイメージセンサでは、被写対象が高速で移
動したり、照明が高周波的に変化したりすると、波長可
変干渉フィルタの特性を周期的に変化させる間に被写対
象の位置や明度が変化してしまい、正しいスペクトル画
像が取得できないという問題があった。

【０００６】本発明は、被写対象の移動や、照明等の影
響を受けることなく、正しい微分スペクトルイメージを
得ることができるスペクトルイメージセンサを提供する
ことを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
本発明は、次のように構成する。本発明のスペクトルイ
メージセンサは、１つの撮像素子と、撮像素子上に複数
個に分割された実像を結像させる光学系と、この光学系
により分割される実像の結像系に配置されて各々異なる
透過スペクトル特性をもつ光学フィルタと、撮像素子で
同時に撮像した複数のスペクトル画像から、相対する位
置の画素間の差分値をとることで、被写対象の微分スペ
クトル画像を生成する差分画像生成部とを備えたことを
特徴とする。

【０００８】このような本発明のイメージスペクトルセ
ンサによれば、撮像素子上に同時に異なるスペクトル特
性をもつ複数の画像が結像されており、微分画像を生成
するために差分をとる元の画像に時間的なずれがなく、
被写対象が高速で移動したり、照明が変化しても、常に
正しい微分スペクトル画像を取得することができる。同
時に、画像処理系の演算速度が遅くても、正しい微分ス
ペクトル画像が得られる。

【０００９】ここでスペクトルイメージセンサの光学系
は、撮像素子上に複数個に分割された実像を結像させる
複数の光軸を持つレンズ系で構成される。

【００１０】またスペクトルイメージセンサの光学系し
て、撮像素子の前方に配置され、撮像素子に複数個に分
割された実像を結像させるビームスプリッターを設けて
もよい。

【００１１】更に、スペクトルイメージセンサの光学系
及び光学フィルタとして、撮像素子上を複数分割した微
小領域に対応して異なるスペクトル特性を持つ微小光学
フィルタを分散配置し、撮像素子に同一被写対象物の異
なるスペクトル特性の像を撮像させてもよい。この場
合、光学フィルタは、異なるスペクトル特性を持つ微小
光学フィルタを千鳥状又はライン状に配置する。

【００１２】スペクトルイメージセンサの撮像素子とし
ては、ＣＣＤ又は２以上の素子を備えた受光素子を用い
ることができる。

【００１３】

【発明の実施の形態】図１は、本発明によるスペクトル
イメージセンサの実施形態のブロック図である。

【００１４】図１において、本発明のスペクトルイメー
ジセンサは、監視カメラ１、信号処理装置５及びモニタ
１０で構成される。監視カメラ１には光学系２、光学フ
ィルタ３及びＣＣＤ等の撮像素子４が設けられる。光学
系２は撮像素子４上に、例えば２個に分割された被写対
象の実像を結像させる。

【００１５】光学フィルタ３は、光学系２により分割さ
れる２つの実像の結像系に各々異なる透過スペクトル特
性を持つフィルタ部を配置し、撮像素子４上に透過スペ
クトル特性の異なる２分割された実像を結像させる。

【００１６】信号処理装置５は、ＭＰＵ６、ＡＤ変換器
７、画像メモリ８及び出力インタフェース９で構成され
る。ＡＤ変換器７は、監視カメラ１の撮像素子４に同時
に結像された透過スペクトル特性の異なる２分割された
実像の画像信号をディジタルデータに変換し、画像メモ
リ８に画像データとして記憶する。

【００１７】このため、画像メモリ８の画像データに
は、同時に取得された透過スペクトル特性の異なる同じ
被写対象についてのスペクトル画像ＡとＢが格納される
ことになる。ＭＰＵ６は、画像メモリ８に記憶された透
過スペクトル特性の異なる同一被写対象の２つのスペク
トル画像Ａ，Ｂについて、両者の相対する位置の画素間
の差分値をとることで、被写対象の微分スペクトル画像
Ｃを生成し、出力インタフェース９を介して出力してモ
ニタ１０に表示する。更にＭＰＵ６にあっては、生成し
た微分スペクトル画像Ｃに基づいて、例えば火災判定等
の異常判定を行う。

【００１８】図２は、図１の監視カメラ１の第１実施形
態の説明図である。図２において、本発明で使用する監
視カメラ１は、光学系２として２つの結像レンズ２ａ，
２ｂを備え、撮像素子４の上下に分けたエリア４ａ，４
ｂのそれぞれに、独立した光軸を持つ結像レンズ２ａ，
２ｂによって被写対象１１の実像Ａ，Ｂを独立に結像し
ている。

【００１９】この２つの光軸を持つ結像レンズ２ａ，２
ｂによる光学系２に対し、結像レンズ２ａ，２ｂと撮像
素子４との間に光学フィルタ３を配置している。光学フ
ィルタ３は、結像レンズ２ａからの光を透過する第１フ
ィルタ部３ａと、結像レンズ２ｂからの光を透過する第
２フィルタ部３ｂに分けられている。

【００２０】第１フィルタ部３ａは、中心波長λ１の狭
帯域透過スペクトル特性を持ち、これに対し第２フィル
タ部３ｂは異なる中心波長λ２の狭帯域透過スペクトル
特性を持っている。

【００２１】このため撮像素子４の分割されたエリア４
ａには、第１フィルタ部３ａの中心波長λ１の狭帯域透
過スペクトル特性を持った被写対象１１の実像Ａが結像
され、同時にエリア４ｂには第２フィルタ部３ｂの中心
波長λ２の狭帯域透過スペクトル特性を持った実像Ｂが
結像される。

【００２２】図２の狭帯域透過スペクトル特性を持つ第
１フィルタ部３ａ及び第２フィルタ部３ｂとしては、特
開平８−２８５６８８号に示される波長可変フィルタを
使用することができる。波長可変フィルタを使用するこ
とで、透過スペクトルの帯域を任意に可変することがで
きる。

【００２３】図３は本発明の光学フィルタ３の２分割さ
れたフィルタ部３ａ，３ｂに使用する波長可変干渉フィ
ルタの構造説明図である。波長可変干渉フィルタ１３
は、Ａｕ等の金属膜１５，１７を蒸着した一対のガラス
基板１４，１６を上下に配置した圧電素子１８を介して
対向配置し、その間にｄ１の空隙を形成している。圧電
素子１８は駆動電圧源１９による直流電圧の印加を受け
て間隙ｄ１を変化させることができる。

【００２４】この波長可変干渉フィルタ１３は、ガラス
基板１６側からの入射光に対し金属膜１５，１７を光が
透過することによって生ずる多重干渉に起因して、複数
種類のスペクトルを有する光が間隙Ｄ１に対応して選択
的に透過されるようになる。

【００２５】図４は、図３の波長可変干渉フィルタ１３
について、波長帯域を例えば火災時の炎特有のＣＯ₂ に
共鳴放射の中心波長λ１＝４．３μｍを持つ波長帯域
と、中心波長λ１＝４．３μｍを含まない中心波長λ２
＝３．８μｍの波長帯域を設定した場合のスペクトル特
性である。

【００２６】即ち図４（Ａ）は火災による炎特有の波長
スペクトルであり、中心波長λ１＝４．３μｍ付近に炎
に特有のＣＯ₂ の共鳴放射によるピークを持っている。
図４（Ｂ）は、図３の波長可変干渉フィルタ１３によっ
て図２の第１フィルタ部３ａ及び第２フィルタ部３ｂに
使用されるフィルタの帯域通過特性である。

【００２７】例えば駆動電圧０Ｖの状態で実線のように
中心波長４．３μｍの波長帯域を持つ多重干渉による狭
帯域透過スペクトル特性を設定することで、図１の第１
フィルタ部３ａの機能を実現する。これに対し、駆動電
圧源１９による圧電素子１８の駆動電圧の変化により、
図４（Ｂ）の破線のように中心波長λ２＝３．８μｍの
波長帯域の通過特性となるように波長軸上でシフトさせ
た多重干渉による複数の狭帯域透過スペクトル特性を設
定することで、図１の第２フィルタ部３ｂの機能を実現
できる。

【００２８】もし図４（Ａ）の炎のように予め被写対象
の波長スペクトルが分かっている場合には、フィルタ部
３ａ，３ｂの中心波長λ１，λ２が定まることで波長可
変干渉フィルタの図３における間隙ｄ１は一義的に決ま
ることから、この場合には駆動電圧源１９による圧電素
子１８の代わりに、中心波長λ１，λ２に対応した間隙
ｄ１を与える部材を介在することで、固定的に狭帯域透
過スペクトル特性を決めれば良い。

【００２９】また、いずれか一方のフィルタ部について
図３のような波長可変干渉フィルタを設け、駆動電圧源
１９により間隙ｄ１を変えることで一方のフィルタ部に
よる実像の波長スペクトル特性を変えるようにしても良
い。

【００３０】図５は、図１の信号処理装置５に設けたＭ
ＰＵ６のプログラム制御により実現される処理機能のブ
ロック図である。図５において、画像メモリ８には、図
２の構造を持つ監視カメラ１で撮像素子４上の分割した
エリア４ａ，４ｂに結像された透過スペクトル特性の異
なる２つの画像Ａ，Ｂが同時に得られており、ＡＤ変換
器７により撮像素子４の画像信号を画像メモリ８により
取り込むことで、透過スペクトル特性の異なる２つの画
像データＡ，Ｂが得られる。

【００３１】差分画像生成部１２ａは、画像メモリ８に
格納された画像データＡとＢの画素ごとの差分の絶対値
を演算して差分画像データＳを生成する。このようにし
て生成された差分画像データＳは、火災判定処理部１２
ｂに与えられ、差分画像データＳ即ち微分スペクトル画
像データＳから火災による炎の有無を判定する。

【００３２】図６は、図５の信号処理における処理画像
の具体例を示している。図６（Ａ）は監視カメラの光学
フィルタ３を通さないで撮像した可視画像であり、可視
画像には例えば高温物体の例として電球４０、火災によ
る炎４１及び、室温と同じ物体の例として家具４２が含
まれている。

【００３３】このような可視画像について、図２の第１
フィルタ部３ａの持つ炎に特有のＣＯ₂ 共鳴放射の中心
波長λ１＝４．３μｍの波長帯域の赤外線を通過させて
撮像素子４から得られた出力画像Ａは、図６（Ｂ）のよ
うになる。この出力画像Ａは、λ１＝４．３μｍを中心
波長とした波長帯域に波長スペクトルを持つ電球４０及
び火災による炎４１の画像が明瞭に得られ、家具４２は
画像としてほとんど得られない。

【００３４】一方、図２の第２フィルタ部３ｂの持つ炎
特有の中心波長λ１＝４．３μｍを含まない隣接した中
心波長λ２＝３．８μｍの波長帯域を通過した赤外線に
より得られた画像の出力画像Ｂは、中心波長λ２＝３．
８μｍを含む広い波長帯域に亘り分布する電球４０の画
像は明瞭に得られる。これに対し、炎による赤外線の強
度は炎固有の中心波長λ１に比べると少ないことから、
不明瞭な炎４１の画像となる。更に家具４２は画像とし
てはほとんど得られない。

【００３５】このように出力画像Ａと出力画像Ｂについ
て、図５の差分画像生成部１２ａで画素ごとの差分の絶
対値を演算することで、図６（Ｄ）のような差分画像Ｓ
を生成する。この差分画像Ｓにあっては、出力画像Ａ，
Ｂの両方で同様な出力となる電球４０及び家具４２の画
像は除去され、出力画像Ａと出力画像Ｂの差分による絶
対値が大きい炎４１は、出力画像Ａよりは若干劣るが差
分画像Ｓの中に明瞭に得ることができる。

【００３６】このようにして生成された差分画像データ
Ｓは、図５の火災判定処理部１２ｂに与えられ、火災に
よる炎か否かの判定処理が行われる。

【００３７】図７は、図１に示した信号処理装置５によ
る火災監視処理のフローチャートである。まずステップ
Ｓ１で撮像素子４より画像メモリ８に画像データを転送
する。このとき撮像素子には、図２の２分割したエリア
４ａ，４ｂのそれぞれに被写対象１１の透過スペクトル
特性の異なる実像Ａ，Ｂが結像されており、この実像
Ａ，Ｂが画像メモリ８に画像データＡ，Ｂとして記憶さ
れる。

【００３８】次にステップＳ２で画像メモリ８に格納し
た画像データの中から中心波長λ１の領域（エリア４
ａ）を画像データＡとして抽出する。続いてステップＳ
３で画像メモリ８の画像データの中から中心波長λ２の
領域（エリア４ｂ）を画像データＢとして抽出する。続
いてステップＳ４で画像データＡ，Ｂについて各画素ご
とに差の絶対値を求めて差分画像データＳを生成する。

【００３９】続いてステップＳ５で差分画像データＳに
基づく異常判定処理、例えば火災判定処理を行う。ステ
ップＳ６で異常の有無をチェックし、異常があればステ
ップＳ７で警報出力等を行う。

【００４０】ここで生成された差分画像データＳは、同
時に撮像された画像データＡ，Ｂから生成されており、
炎のちらつきによる影響を受けることなく正しい微分ス
ペクトルイメージを表すことができる。

【００４１】本発明の微分スペクトルイメージセンサに
よる具体的な実施形態として、果実の自動選別装置を説
明する。

【００４２】従来より近赤外線分光法は、果実の糖度を
非破壊的に測定する有効な方法として用いられている
（文献：「光センサによるモモの糖度選別」，木村美紀
夫，果実日本，46(2) '91 ）近赤外線分光法とは、物質中の特定の分子による、特定
の波長の近赤外線吸収を測定することにより、物質の成
分分析を行なうものである。糖の場合、１２００ｎｍ,
１７５０ｎｍ, ２２７０ｎｍに吸収が認められる（文
献：「近赤外分光法」、図4.2.38(P155)、平成１０年３
月２０日、（株）アイピーシー発行）。

【００４３】モモ等の果実に対しランプ等により光を当
て、この際の散乱反射光をレンズ等の光学系で集光し、
分光器で解析して必要な波長の光を取り出し、それぞれ
の波長における反射強度（吸収度）を測定することで、
検査された果実の糖度が測定できる。木村はこれを反射
法もしくは透過法により測定している。

【００４４】しかしながら、木村の方法ではモモの部位
による糖度の違いを防止するため、モモの位置をあらか
じめそろえてから測定する必要があった。さらにモモの
大きさ、形状なども品質検査上の重要項目となるが、こ
れについては別途の測定原理による手段を講じなければ
ならなかった。

【００４５】本発明の微分スペクトルイメージセンサを
モモ等の果実の品質検査に応用することにより、糖度、
大きさ、形状、さらには変色、汚れといった全ての検査
項目を一度に検査することが可能となる。

【００４６】糖度測定はモモの原スペクトルにおける１
２００ｎｍ付近の微分スペクトルイメージをとることで
測定される。モモの平均的な糖度を表している部位は、
縫合線横９０度の赤道上の部分であることから、微分ス
ペクトルイメージセンサによりまずこの部位を特定す
る。これは測定されたイメージの内、モモの頂頭部と縫
合線の形状的特徴から特定できる。

【００４７】微分スペクトルイメージセンサの光学フィ
ルタの透過波長は、糖度による微分スペクトルイメージ
を取得するために、図２に示されたフィルタ部λ１を１
２００ｎｍに、λ２を１１００ｎｍに設定する。この部
位についての微分スペクトルイメージを取得すると、糖
度に応じた明るさの微分スペクトルイメージが現れる。
同時に、得られたイメージにより、果実の大きさ、形状
が検査される。

【００４８】更に光学フィルタとして波長可変フィルタ
を用いて、可視光域での画像を撮像することにより、変
色、汚れ等の検査が可能となる。即ち図２において、波
長可変フィルタ３ａの波長λ１を１２００ｎｍに、波長
可変フィルタ３ｂの波長λ２を１１００ｎｍに設定する
ことにより糖度の測定を行った後、フィルタ３ａの波長
λ１を例えば６００ｎｍ、フィルタ３ｂの波長λ２を５
００ｎｍに設定することで可視光域における変色、汚れ
等の検査が行われる。

【００４９】図８は本発明のイメージセンサによるモモ
の糖度測定処理のフローチャートである。まずステップ
Ｓ１で撮像素子４より画像メモリ８にモモの画像データ
を転送する。このときフィルタ３ａの波長λ１を１２０
０ｎｍに設定され、フィルタ３ｂの波長λ２を１１００
ｎｍに設定されており、図２の２分割したエリア４ａ，
４ｂのそれぞれに透過スペクトル特性が１２００ｎｍと
１１００ｎｍで異なるモモの画像が結像され、この画像
が画像メモリ８に画像データとして記憶される。尚、測
定に当っては、被写対象となるモモに対しランプ等によ
り光が投射され、この際の散乱反射光が結像レンズ２
ａ，２ｂにより撮像素子４ａ，４ｂに結像される。

【００５０】次ステップＳ２で画像中からモモの縫合線
横９０°の糖度測定部位を特定する。次にステップＳ３
で画像メモリ８に格納した画像データの中から波長λ１
が１２００ｎｍの領域（エリア４ａ）を画像データＡと
して抽出する。

【００５１】次にステップＳ４で画像メモリ８の画像デ
ータの中から波長λ２が１１００ｎｍの領域（エリア４
ｂ）を画像データＢとして抽出する。続いてステップＳ
５で画像データＡ，Ｂについて各画素ごとに差の絶対値
を求めて差分画像データＳを生成し、ステップＳ６で糖
度測定部位の差分画像データＳによりモモの糖度を判定
する。

【００５２】図９は本発明のイメージセンサによるモモ
の可視光検査処理のフローチャートである。この可視光
検査処理は、図８の糖度測定処理の直後に行われる。

【００５３】まずステップＳ１で図２のフィルタ３ａの
波長λ１を６００ｎｍに設定し、次にステップＳ２で図
２のフィルタ３ｂの波長λ２を５００ｎｍに設定し、ス
テップＳ３で撮像素子４より画像メモリ８にモモの画像
データを転送する。このため画像メモリには、透過スペ
クトル特性が６００ｎｍと５００ｎｍで異なるモモの画
像データが画像メモリ８に記憶される。

【００５４】次ステップＳ４でで画像メモリ８に格納し
た画像データの中から波長λ１が６００ｎｍの領域（エ
リア４ａ）を画像データＣとして抽出し、ステップＳ５
で画像メモリ８の画像データの中から波長λ２が５００
ｎｍの領域（エリア４ｂ）を画像データＤとして抽出す
る。続いてステップＳ６で画像データＣによりモモの大
きさ、形状を選別する。

【００５５】続いてステップＳ７で画像データＣ，Ｄの
各画素につき差の絶対値を求めて差分画像データＳ２を
生成し、ステップＳ８で差分画像データＳにより変色、
汚れを識別する。そしてステップＳ９で変色や汚れのあ
るモモを取り除き、ステップＳ１０で糖度、大きさ別に
仕分して出荷する。

【００５６】尚、図８の糖度測定と図９の可視光測定
は、図２のイメージセンサにおける光学フィルタ３ａ，
３ｂの設定波長を切替えることで１台で行ってもよい
し、同じ撮影位置となるように本発明のイメージセンサ
を２台設置して別々に行ってもよい。

【００５７】このように本発明のイメージセンサを用い
た果実の自動選別装置によれば、ベルトコンベア上を高
速で流れるモモ等の果実を、その速度に惑わされること
なく、糖度、形状等の検査、選別を行うことができる。

【００５８】さらには果実を採取する以前の栽培状態に
おいて、果実の熟度測定を行うことが可能である。これ
により適切な時期に適切な熟度の果実のみを採取、出荷
する事ができ、いわゆる精密農業（プレシジョンファー
ミング）の実現を視点する有力な技術となりうる。

【００５９】図１０は、図１の監視カメラ１の第２実施
形態の説明図であり、この実施形態にあっては、ビーム
スプリッタを用いて被写対象を２つの画像に分割して結
像するようにしたことを特徴とする。

【００６０】図１０において、まず光学系２は、図２の
２つの光軸を持ったレンズ系に対し、１つの光軸のみを
もったレンズ系を構成する結像レンズ１４を使用し、結
像レンズ１４の画像をビームスプリッタ２０により２つ
に分割して、撮像素子４のエリア４ａ，４ｂのそれぞれ
に実像Ａ，Ｂを結像している。

【００６１】また撮像素子４の直前には光学フィルタ３
が配置され、光学フィルタ３はフィルタ部３ａ，３ｂに
分けられており、フィルタ部３ａは中心波長λ１の狭帯
域透過スペクトル特性を持ち、またフィルタ部３ｂは異
なる中心波長λ２の狭帯域透過スペクトル特性を持って
おり、例えばλ１，λ２としては図４のような波長が設
定される。

【００６２】またフィルタ部３ａ，３ｂとしては、図３
のような波長可変干渉フィルタとするかあるいは駆動電
圧源１９を持たずに固定的に各波長λ１，λ２に対応し
た間隙ｄ１を持つ干渉フィルタを使用する。

【００６３】図１１は、図１０のビームスプリッタ２０
を取り出している。ビームスプリッタ２０は、フレネル
レンズと同様なライン状フィルタで構成されており、ビ
ームスプリッタ２０に対する入射光２１を、下向きの偏
向方向を持つ出射光２２と上向きの偏向方向を持つ出射
光２３に２分割して出射する。

【００６４】これによって、図１０のように結像レンズ
１４からの光を２分割して、撮像素子４のエリア４ａ，
４ｂのそれぞれに、直前に配置した光学フィルタ３のフ
ィルタ部３ａ，３ｂの異なる透過スペクトル特性を持っ
た実像Ａ，Ｂを同時に結像することができる。

【００６５】図１２は図１の監視カメラの第３実施形態
であり、この実施形態にあっては被写対象を２分割する
と共に分割した画像に異なる波長スペクトル特性を与え
る光学系２及び光学フィルタ３の機能を、１つのフィル
タユニットで実現するようにしたことを特徴とする。

【００６６】図１２において、監視カメラ１の光学系２
は、図１０の第２実施形態と同様、１つの光軸のみを持
ったレンズ系を構成する結像レンズ２ｃで実現してお
り、撮像素子４の直前に微小光学フィルタ２４を配置し
ている。微小光学フィルタ２４は、ＣＣＤ等の撮像素子
４に１対１に対応する微小狭帯域フィルタ素子を縦及び
横方向に配列している。

【００６７】この微小狭帯域フィルタ素子は例えば中心
波長λ１，λ２，λ３の各狭帯域透過スペクトル特性を
持っており、千鳥状に均等配置される。

【００６８】図１３（Ａ）は、カラーカメラに使用され
るＲＧＢフィルタ２５である。このＲＧＢフィルタ２５
には、撮像素子としてのＣＣＤの受光画素に対応して、
Ｒフィルタ素子２５ａ、Ｇフィルタ素子２５ｂ、及びＢ
フィルタ素子２５ｃを千鳥状に均等配置している。

【００６９】そこで、このようなＲＧＢフィルタ２５に
ついて本発明の微小光学フィルタ２４のフィルタ構造を
適用すると、例えば図１３（Ｂ）のようになる。図１３
（Ｂ）の微小光学フィルタ２４は、図１３（Ａ）のＲＧ
Ｂフィルタ２５のＲ，Ｇ，Ｂフィルタ素子２５ａ〜２５
ｃに対応して、それぞれのフィルタ素子に中心波長λ
１，λ２，λ３の異なる特性の微小狭帯域フィルタ素子
２４ａ，２４ｂ，２４ｃを配置している。

【００７０】このような微小光学フィルタ２４を使用す
ることで、撮像素子４から画像を読み出す際に、例えば
中心波長λ１，λ２，λ３の順番に微小狭帯域フィルタ
素子２４ａ，２４ｂ，２４ｃに対応する画素を読み出せ
ば、画像メモリに中心波長λ１の狭帯域透過スペクトル
特性を持つ画像データＡ、中心波長λ２の狭帯域透過ス
ペクトル特性を持つ画像データＢ、更に中心波長λ３の
狭帯域透過スペクトル特性を持つ画像データＣを得るこ
とができる。

【００７１】この場合、図４に示したように炎判定のた
めの中心波長λ１，λ２を使用する場合には、微小狭帯
域フィルタ素子２４ａ，２４ｂのそれぞれについて撮像
素子４の読出しを行うことで、画像メモリ８に図５のよ
うに画像データＡ，Ｂを記憶し、ここから差分画像生成
部１２ａによって差分画像データＳを生成することがで
きる。

【００７２】図１４は、図１の監視カメラ１の第４実施
形態であり、図１２の微小光学フィルタ２４に代えて光
学ラインフィルタを使用したことを特徴とする。

【００７３】図１４において、光学系２は図１２の実施
形態と同様、１つの光軸のみを持ったレンズ系を構成す
る結像レンズ２ｃで構成され、撮像素子４の直前に被写
対象１１を２分割した画像データと各画像に異なる透過
スペクトル特性を与える光学ラインフィルタ２６を設け
ている。

【００７４】この光学ラインフィルタ２６は、中心波長
λ１の狭帯域透過スペクトル特性を持つ狭帯域ラインフ
ィルタ素子２６ａと、中心波長λ２の狭帯域透過スペク
トル特性を持つ狭帯域ラインフィルタ素子２６ｂを縦方
向に交互に配置している。

【００７５】図１５（Ａ）は、図１４の光学ラインフィ
ルタの一部を横から見ており、光学ラインフィルタ２６
は中心波長λ１，λ２が異なる狭帯域ラインフィルタ素
子２６ａ，２６ｂを上下に交互に配置している。

【００７６】このような光学ラインフィルタ２６に入射
光２７が入射すると、狭帯域ラインフィルタ素子２６ａ
では中心波長λ１の狭帯域透過スペクトル特性に従った
出射光２８が出射され、一方、狭帯域ラインフィルタ素
子２６ｂの部分からは中心波長λ２の狭帯域透過スペク
トル特性を持った出射光２９が出力される。

【００７７】図１５（Ｂ）は、光学ラインフィルタ２６
を横から見た構造であり、干渉フィルタを使用してい
る。狭帯域ラインフィルタ素子２６ａは基板３０の内部
に空隙３３を形成しており、空隙３３の内側に反射層３
１，３２を設けている。

【００７８】ここで狭帯域ラインフィルタ素子２６ａの
空隙３３の間隙ｄ１は干渉距離を与え、この干渉距離に
よって入射光が反射層３１，３２を通過するときに多重
干渉を起こし、図４に示したような特定波長λ１に中心
波長を持つ狭帯域透過スペクトル特性を一部に含む複数
種類のスペクトルが得られる。

【００７９】一方、狭帯域ラインフィルタ素子２６ｂ
は、空隙３３の間隙ｄ２で決まる干渉距離が、間隙ｄ１
とは異なっており、この干渉距離ｄ２によって中心波長
λ２の狭帯域透過スペクトル特性を含む複数のスペクト
ルを持つ特性となる。

【００８０】このような図１５（Ｂ）の干渉フィルタを
利用したフィルタ素子の構造は、図１３（Ｂ）の微小光
学フィルタ２４における微小狭帯域フィルタ素子２４ａ
〜２４ｃについて適用しても良い。

【００８１】この図１４の光学ラインフィルタ２６を使
用した場合にあっては、撮像素子４からの画像信号の読
出しを狭帯域ラインフィルタ素子２６ａ，２６ｂに分け
て行うことで、異なる透過スペクトル特性を持った同じ
被写対象１１の実像を画像データＡ，Ｂとして得て差分
画像データＳを生成することができる。

【００８２】更に上記の実施形態では、火災監視装置や
果実の自動選別装置に適用した場合を例にとっている
が、本発明はこれに限定されず、医学、生物学、リモー
トセンシング、食品管理等の様々な分野で行われる微分
スペクトルイメージングのセンサとしてそのまま適用す
ることができ、特に被写対象が時間的に変化したり動い
たりした場合に正確な微分スペクトル画像を生成でき
る。

【００８３】

【発明の効果】以上説明してきたように本発明によれ
ば、１つの撮像素子上に全く同時に異なるスペクトル特
性を持つ複数の画像を結像でき、これによって各画像の
差分から微分画像を生成する際に、元の画像に時間的な
ずれがなく、被写対象が高速で移動したり照明が変化し
ても、常に正しい微分スペクトル画像を取得することが
できる。同時に、画像処理系の演算速度が遅くとも、こ
の処理系の時間遅れに関係なく撮像素子から画像メモリ
に対する画像データの記憶が行われれば、常に正しい微
分スペクトル画像を生成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態のブロック図

【図２】２つのレンズ系を用いた図１における監視カメ
ラの第１実施形態の説明図

【図３】本発明で使用する波長可変干渉フィルタの構造
説明図

【図４】火災による炎の波長スペクトルとフィルタ透過
波長帯域の説明図

【図５】図１の信号処理装置の機能ブロック図

【図６】図１の信号処理装置に得られる波長帯域の異な
る２つの画像と差分画像を可視像と共に示した説明図

【図７】図１の信号処理装置の処理動作のフローチャー
ト

【図８】本発明のシメージセンサによるモモの糖度測定
処理のフローチャート

【図９】本発明のイメージセンサによるモモの可視光検
査処理のフローチャート

【図１０】ビームスプリッターを用いた図１における監
視カメラの第２実施形態の説明図

【図１１】図１０のビームスプリッターの説明図

【図１２】撮像素子上に微小光学フィルタを千鳥状に配
置した図１における監視カメラの第３実施形態の説明図

【図１３】図１２の微小光学フィルタの説明図

【図１４】撮像素子上に光学ラインフィルタを配置した
図１における監視カメラの第４実施形態の説明図

【図１５】図１４の光学ラインフィルタの説明図

【符号の説明】

１：監視カメラ２：光学系２ａ〜２ｃ，１４：結像レンズ３：光学フィルタ３ａ：第１フィルタ３ｂ：第２フィルタ４：撮像素子（ＣＣＤ）５：信号処理装置６：ＭＰＵ７：ＡＤ変換器８：画像メモリ９：出力インタフェース（出力ＩＦ）１０：モニタ１１：被写対象１２ａ：差分画像生成部１２ｂ：火災判定処理部１３：波長可変干渉フィルタ１４，１６：ガラス基板１５，１７：金属膜１８：圧電素子１９：駆動電圧言２０：ビームスプリッター２１：入射光２２，２３：偏向光２４：微小光学フィルタユニット２４ａ〜２４ｃ：微小狭帯域フィルタ素子２６：光学ラインフィルタ２６ａ，２６ｂ：狭帯域ラインフィルタ素子３０：ガラス基板３１，３２：反射層３３：空隙（干渉距離）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】１つの撮像素子と、前記撮像素子上に、複数個に分割された実像を結像させ
る光学系と、前記光学系により分割される実像の結像系に配置された
各々異なる透過スペクトル特性をもつ光学フィルタと、前記撮像素子で同時に撮像した複数のスペクトル画像か
ら、相対する位置の画素間の差分値をとることで、被写
対象の微分スペクトル画像を生成する差分画像生成部
と、を備えたことを特徴とするスペクトルイメージセン
サ。
【請求項２】請求項１記載のスペクトルイメージセンサ
に於いて、前記光学系は、前記撮像素子上に複数個に分
割された実像を結像させる複数の光軸を持つレンズ系で
構成されたことを特徴とするスペクトルイメージセン
サ。
【請求項３】請求項１記載のスペクトルイメージセンサ
に於いて、前記光学系は、前記撮像素子の前方に配置さ
れ、前記撮像素子に複数個に分割された実像を結像させ
るビームスプリッターを設けたことを特徴とするスペク
トルイメージセンサ。
【請求項４】請求項１記載のスペクトルイメージセンサ
に於いて、前記光学系及び光学フィルタは、前記撮像素
子上を複数分割した微小領域に対応して異なるスペクト
ル特性を持つ微小光学フィルタを分散配置し、前記撮像
素子に同一被写対象物の異なるスペクトル特性の像を撮
像させることを特徴とするスペクトルイメージセンサ。
【請求項５】請求項４記載のスペクトルイメージセンサ
に於いて、前記光学フィルタは、異なるスペクトル特性
を持つ微小光学フィルタを千鳥状又はライン状に配置し
たことを特徴とするスペクトルイメージセンサ。
【請求項６】請求項１乃至５に記載のスペクトルイメー
ジセンサに於いて、前記撮像素子としてＣＣＤを用いた
ことを特徴とするスペクトルイメージセンサ。