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日本一わかりやすい? ハイパースペクトルカメラとは

2.そもそもハイパースペクトルカメラとは?

海の青色

何故ハイパースペクトルカメラで撮影すると違いが分かるのでしょうか?
そもそも、人間の目は赤・緑・青の3色を感知する事ができ、対象物からの反射光を感知して色を識別しています。
この海の画像は皆さん何色に見えますか?
一般的には青に見えると思います。
海が青いと感じるのは、光の情報を目で受け、脳の中で青だと認識しているからです。

その光の情報の一部は、波長と呼ばれます。
波長には種類があり、長さ(λラムダ)の違いによって見える色が変わってきます。
海が出す波長は青を表す短い波長のため、人間には青に見えるということです。

そして、ハイパースペクトルカメラは、人間よりもはるかに細かい種類の波長を認識することが出来ます。これにより、細かい違いが正確にわかるようになるのです。

波長について

波長の種類の違いを表しているのが、スペクトルです。
スペクトルは、波長の種類を特に目立つ7色(赤、だいだい、黄、緑、青、あい、紫)に分け、はっきりと境界をつけずに表示した帯として表示されます。身近なところでは、虹がそれにあたります。

RGBカメラ、マルチスペクトルカメラ、ハイパースペクトルカメラ
RGBカメラは3バンド、マルチバンド(フィルター)観察でも10バンドしか認識できないが、ハイパースペクトルカメラは100~200バンドもの波長情報を取得できる

ハイパースペクトルカメラは、二次元の位置情報を持った画像に加えて、波長の情報を取得する事が出来ます。従来の技術でも、画像情報と波長情報を得る方法として、RGBカメラ(デジタルカメラ)や顕微鏡におけるマルチバンド(フィルター)観察が存在します。

RGBカメラが3バンド(種類)のみしか識別できないことに比べ、ハイパースペクタルカメラは100~200バンド以上の波長情報を取得できる高度な分光カメラです。従来の製品に比べて数十倍細かく波長情報が取得できるため、見えない情報を可視化することできるのです。それにより、細かな色の情報の判別、もしくはサンプルの特性、材質などの判別を行う事が出来ます。

ハイパースペクトルカメラで撮影し得られるデータを「データキューブ」と言います。
これは一つの波長の強度を示すグレースケール画像が何十~何百にも重なったものです。

葉のデータキューブ

データキューブの例を図に示します。
(X、Y)が画像の位置情報、(λ)が波長情報を示しています。
画像の1画素に注目するとその画素におけるスペクトル曲線が得られていることがわかります

どうやって撮影するのか?

ハイパースペクトルカメラには様々な種類がありますが、その用途によって撮影方法は異なります。

撮影方式としては「スナップショット方式」「フィルター方式」「ラインスキャン方式」などの方式がありますが、ここではカメラかサンプルを走査させる「ラインスキャン形式」を例にあげます。

ラインスキャン形式 撮影の様子

ラインスキャンタイプはカメラかサンプルを走査することによりデータ取得を行います。図はハイパースペクトルカメラを固定設置し、走査ステージのサンプルをスキャンして二次元画像を取得します。

スナップショット形式 撮影の様子

スナップショットタイプは空間掃引の必要がありません。そのため、ワンショット・短時間で撮影が可能です。この特性から動画撮影にも利用可能です。
ただし物によっては撮影できるバンド数が少ない等の課題がある場合があります。
数バンドしか無いものはマルチスペクトルカメラに区分されます。

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