CN114514447A - 光学元件、光学装置、摄像装置及光学元件的制造方法 - Google Patents

光学元件、光学装置、摄像装置及光学元件的制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明的技术所涉及的一个实施方式提供一种用于拍摄多光谱图像的光学元件、光学装置、摄像装置及光学元件的制造方法。本发明的一个方式所涉及的光学元件具备：多个滤光器，包括使至少一部分波长范围不同的光透射的两个以上的滤光器；及框体，具有以光轴中心为顶点的斜面部，并且多个滤光器设置于斜面部。

Description

光学元件、光学装置、摄像装置及光学元件的制造方法
技术领域
本发明涉及一种用于拍摄多光谱图像的光学元件、光学装置、摄像装置及光学元件的制造方法。
背景技术
专利文献1中记载了一种偏振彩色摄像装置，其通过使用偏振传感器和光瞳分割实现了多光谱摄像。并且，专利文献2中记载了一种多模式摄像系统，其中，相对于摄像系统移动滤波器模块。
以往技术文献
专利文献
专利文献1：国际公开2014/020791号公报
专利文献2：日本特开2014-132266号公报
发明内容
本发明的技术所涉及的一个实施方式提供一种能够轻易获取画质良好的多光谱图像的光学元件、光学装置、摄像装置及光学元件的制造方法。
用于解决技术课题的手段
本发明的第1方式所涉及的光学元件具备：多个滤光器，包括使至少一部分波长范围不同的光透射的两个以上滤光器；及框体，具有以光轴中心为顶点的斜面部，并且多个滤光器设置于斜面部。
第2方式所涉及的光学元件在第1方式中，框体具有多个斜面部。
第3方式所涉及的光学元件在第1或第2方式中，还具备固定部件，该固定部件固定滤光器和框体。
第4方式所涉及的光学元件在第3方式中，固定部件为粘接剂，粘接剂将多个滤光器固定于框体，多个滤光器的受光区域当中未被粘接剂覆盖的部分形成透光区域。
第5方式所涉及的光学元件在第4方式中，与根据多个滤光器的波长范围而决定的透光区域的面积对应的量的粘接剂填充于多个窗部。
第6方式所涉及的光学元件在第1至第5方式中的任一方式中，其还具备倾斜度调整部件，该倾斜度调整部件调整多个滤光器相对于斜面部的倾斜度。
第7方式所涉及的光学元件在第6方式中，倾斜度调整部件的与多个滤光器的接触面为斜面。
第8方式所涉及的光学元件在第6或第7方式中，倾斜度调整部件固定于框体。
第9方式所涉及的光学元件在第1至第8方式中的任一方式中，多个窗部分别具有使透射多个窗部的光偏振的偏振部。
第10方式所涉及的光学元件在第9方式中，偏振方向为多种。
第11方式所涉及的光学元件在第9或第10方式中，偏振部为根据偏振方向而形成于多个窗部的线栅或狭缝。
第12方式所涉及的光学元件在第1至第11方式中的任一方式中，框体是透光性的。
第13方式所涉及的光学元件在第1至第12方式中的任一方式中，框体的设置多个滤光器的部分为开口，光学元件具备调整开口的面积的开口面积调整部件。
第14方式所涉及的光学元件在第1至第13方式中的任一方式中，多个滤光器以与各个滤光器允许透射的光的波长范围对应的倾斜角度设置于斜面部。
第15方式所涉及的光学装置具备：第1至第14方式中的任一方式所涉及的光学元件；及透镜，使被摄体的光学像成像，在光学元件的光轴与透镜的光轴一致的状态下，光学元件配置于透射透镜的光的光路上。
第16方式所涉及的摄像装置具备：第15方式所涉及的光学装置；成像元件，包括选择性地接收透射过多个滤光器中的任一个滤光器的光的多个像素组；及信号处理部，根据从成像元件输出的信号来生成与多个滤光器的波长范围分别对应的多个图像。
第17方式所涉及的摄像装置在第16方式中，成像元件在像素上具备透射波长范围不同的多种滤光器和偏振方向不同的多种偏振部。
第18方式所涉及的光学元件的制造方法为光学元件的制造方法，该光学元件具备：多个滤光器，包括使至少一部分波长范围不同的光透射的两个以上的滤光器；及框体，具有以光轴中心为顶点的斜面部，并且多个滤光器设置于斜面部，该光学元件的制造方法包括：设置工序，将多个滤光器设置于多个窗部；倾斜度调整工序，调整滤光器相对于斜面部的倾斜度；及固定工序，通过固定部件将滤光器固定于框体。
附图说明
图1是表示第1实施方式所涉及的摄像装置的概略结构的图。
图2是表示框体的结构的立体图。
图3是表示偏振部的结构的图。
图4是表示带通滤波器及倾斜度调整部件的配置的图。
图5是表示光瞳区域的配置的图。
图6是表示调整倾斜度的状况的图。
图7是表示粘接剂的填充量的状况的图。
图8是表示粘接剂的填充量的状况的另一图。
图9是表示滤波器单元的另一结构的图。
图10是表示成像元件的像素的排列的图。
图11是表示成像元件的结构的图。
图12是表示成像元件的结构的剖视图。
图13是表示偏振滤波元件的排列图案的图。
图14是表示光谱滤波元件的排列图案的图。
图15是表示光谱滤波元件的透射波长特性的图。
图16是表示信号处理部的概略结构的框图。
图17是图像生成的概念图。
图18是通过摄像装置进行的图像生成的概念图。
图19是表示倾斜度调整部件的另一方式的图。
图20是表示滤波器单元的另一方式的图。
图21是表示通过棒状部件的推拉进行的倾斜度的调整的图。
图22是表示偏振部的另一方式的图。
具体实施方式
本发明所涉及的光学元件、光学装置、摄像装置及光学元件的制造方法的一个实施方式如下。在说明中，根据需要参考附图。
<第1实施方式>
<摄像装置的结构>
图1是表示第1实施方式所涉及的摄像装置的概略结构的图。第1实施方式所涉及的摄像装置1(摄像装置)为拍摄4频带的多光谱图像的摄像装置，其主要具备摄像光学系统10(光学装置)、成像元件100(成像元件)及信号处理部200(信号处理部)。
<摄像光学系统>
摄像光学系统10组合多个使被摄体的光学像成像的透镜12(透镜)而构成，其在光路上具有滤波器单元16(光学元件)。在透镜12的光轴L与滤波器单元16的光轴L2(参考图2)一致的状态下，滤波器单元16配置于透射透镜12的光的光路上(例如，光瞳位置或其附近)。并且，摄像光学系统10具有未图示的焦点调节机构。焦点调节机构通过使摄像光学系统10所包括的聚焦透镜沿着光轴L前后移动来调节焦点。
<滤波器单元的结构>
滤波器单元16由框体、带通滤波器(带通滤波器50A～50D、参考图4：滤光器)及固定部件(粘接剂52；参考图7～8)构成，其通过倾斜度调整部件(倾斜度调整部件30：参考图4～7)来调整带通滤波器的倾斜度。以下，对这些部件的具体结构进行说明。
图2是框体20的外观立体图。框体20具有透光性，并且具有多个矩形的斜面部22(斜面部)(图2的例子中为四个)。四个斜面部22为以与光轴L2相交的点即光轴中心21(光轴中心)为顶点的多棱锥状。另外，“透光性”表示使所期望的波长范围(例如，在可见光至近红外的范围内确定的波长范围)的光透射。斜面部22上设置有四个窗部24A、24B、24C、24D(多个窗部)，该窗部分别设置有带通滤波器50A～50D(参考图4)。在本实施方式中，窗部24A～24D为在光轴中心21的附近形成有一个角(顶点)的矩形，形成于窗部24A～24D的侧面的壁部26限制带通滤波器50A～50D的位移。并且，在窗部24A～24D的端部(与光轴中心21相反的一侧的角)设置有插入口28，用于插入倾斜度调整部件30(参考图4、6～8)(后述)。另外，图2中示出了框体20具有多个斜面部22，但在本发明所涉及的光学元件中，斜面部也可以为一个。
<偏振部>
窗部24A～24D上粘贴有形成有线栅的偏振膜40，由此窗部24A～24D发挥偏振部的功能。图3是偏振膜40的概念图。线栅是通过压印等在透明的树脂薄膜上形成线42的图案(例如，100nm～150nm左右的间距)而成的。在与栅格正交的方向(图3的Wp方向)上振动的光被透射，在与栅格平行(图3的Ws方向)上振动的光被反射。改变这种偏振膜40的方向，并将其粘贴于窗部24A～24D，由此能够在多个窗部(窗部24A～24D)中实现分别不同的偏振方向。具体而言，当将窗部24A～24D中的偏振方向(偏振角度)分别设为θ1～θ4时，可以为θ1＝0deg、θ2＝45deg、θ3＝90deg、θ4＝135deg。
另外，也可以由多个狭缝(狭缝)而不是线来形成图案，并由该图案形成偏振部。在设置狭缝的情况下，通过改变窗部24A～24D中狭缝的方向，能够改变偏振方向。
<滤波器单元的制造>
<带通滤波器的配置>
图4是表示在窗部24A配置有带通滤波器50A及倾斜度调整部件30(倾斜度调整部件)的状况的图。带通滤波器50A～50D为包括使至少一部分波长范围不同的光透射的两个以上的滤光器的多个滤光器，其分别配置于窗部24A～24D(设置工序)。当将带通滤波器50A～50D的透射波长范围分别设为λ1～λ4时，例如，λ1可以为蓝色波长范围，λ2可以为绿色波长范围、λ3可以为红色波长范围，λ4可以为近红外波长范围。透射波长范围的一部分可以重叠。然而，透射波长范围并不限于该组合，也可以根据要拍摄的光谱而设为不同的波长范围(或其组合)。
<光瞳区域>
如图5所示，上述窗部和带通滤波器的组合形成特性互不相同的多个光瞳区域Z1～Z4。光瞳区域Z1由带通滤波器50A及窗部24A形成，偏振方向＝θ1，波长范围＝λ1。光瞳区域Z2由带通滤波器50B及窗部24B形成，偏振方向＝θ2，波长范围＝λ2。光瞳区域Z3由带通滤波器50C及窗部24C形成，偏振方向＝θ3，波长范围＝λ3。光瞳区域Z4由带通滤波器50D及窗部24D形成，偏振方向＝θ4，波长范围＝λ4。
<通过倾斜度调整部件进行的倾斜度的调整>
图6是表示倾斜度调整的状况的图。倾斜度调整部件30与带通滤波器50A的接触面为斜面30A(斜面)，通过将该倾斜度调整部件30插入到插入口28中，并沿着箭头方向(图中的左右方向)进行推拉，能够轻易调整带通滤波器50A相对于斜面部22的倾斜度(倾斜度调整工序)。图6(a)部分表示倾斜角度为负值的状态(推入量较少)，图6(b)部分表示倾斜角度几乎为0deg的状态(推入量较多)(角度的正负参考图6的右侧)。并且，通过从图6(b)部分进一步推入倾斜度调整部件30，也可以如图6(c)部分那样使倾斜角度成为正值。如此，在滤波器单元16中，也可以将带通滤波器50A～50D的倾斜角度调整为正值、负值、零中的任一个。带通滤波器50A～50D被调整为与各滤波器的透射波长范围对应的倾斜角度，并设置于斜面部22。
若倾斜角度通过上述调整而发生变化，则光相对于带通滤波器50A～50D的入射角发生变化，其结果，光路长度发生变化。在第1实施方式所涉及的滤波器单元16(光学元件)及摄像光学系统10(光学装置)中，能够利用该光路长度的变化来校正摄像光学系统10的像差(后述)，从而获取画质良好的多光谱图像。
另外，在图6之后的附图中，以带通滤波器50A为例子对带通滤波器的设置和倾斜度的调整及固定进行说明，但这也可以同样地对应于其他带通滤波器50B～50D。
<通过固定部件进行的带通滤波器的固定>
在第1实施方式中，将粘接剂用作将带通滤波器50A～50D(滤光器)固定于框体20的固定部件。该粘接剂将带通滤波器50A～50D及倾斜度调整部件30固定于框体20，并且带通滤波器50A～50D的受光区域中未被粘接剂覆盖的部分形成开口(透光区域)。粘接剂优选具有不透光性，但也可以不是完全不透光的。另外，粘接剂以与根据带通滤波器50A～50D的透射波长范围而决定的透光区域的面积对应的量填充于窗部。另外，透光区域的面积可以根据被摄体、光源、带通滤波器的各波长范围下的透射率、成像元件的光谱灵敏度特性等条件来确定(例如，对于由这些条件而定的“灵敏度”较低的波长范围，扩大透射区域的面积)。因此，粘接剂的填充量可以根据带通滤波器(根据窗部)而不同。
图7是表示粘接剂的填充状况的图。在将倾斜度调整部件30推入到插入口28中而调整了带通滤波器50A的倾斜度的状态下，利用注射器或滴管等从插入口28与带通滤波器50A之间的间隙填充粘接剂(固定工序)。粘接剂在填充量较少的状态下例如到达填充线52A，随着填充量增加，到达填充线52B、52C。图8是表示粘接剂的填充状况的另一图，示出了从框体20的截面方向观察时的粘接剂52。图8(a)部分～图8(c)部分中的粘接剂52的前端(接近框体20的中心的一侧；图的左侧)与图7中的填充线52A～52C分别对应。
如上所述，在第1实施方式所涉及的滤波器单元16(光学元件)中，通过改变粘接剂的填充量，能够在组装时轻易调整开口面积，从而容易进行组装。
另外，所注入的粘接剂固化之后，可以如图8所示保持倾斜度调整部件30固定于框体20的状态，也可以如图9所示去除倾斜度调整部件30。
另外，上述带通滤波器50A～50D的设置(向窗部24A～24D的设置；设置工序)和倾斜度的调整(倾斜度调整部件30的推拉；倾斜度调整工序)及固定(粘接剂52的注入；固定工序)可以使用各种机器和装置来进行。
<成像元件的结构>
图10是表示成像元件的像素排列的概略结构的图。如图10所示，成像元件100在其受光面上具有多种像素(像素P1～像素P16)。这些像素P1～像素P16沿着水平方向(x轴方向)及垂直方向(y轴方向)以规定间距有规律地排列。在第1实施方式所涉及的摄像装置1中，成像元件100由相邻的16个(4×4个)像素P1～像素P16构成一个像素块PB(X，Y)，并且该像素块PB(X，Y)沿着水平方向(x轴方向)及垂直方向(y轴方向)有规律地排列。(X，Y)分别表示x轴方向、y轴方向上的位置。
图11是表示成像元件100的概略结构的图。并且，图12是表示一个像素(图11的虚线部分)的概略结构的剖视图。成像元件100具有像素阵列层110、偏振滤波元件阵列层120(偏振部)、光谱滤波元件阵列层130(滤光器)及微透镜阵列层140。即，成像元件100在像素上具备透射波长范围不同的多种滤光器和偏振方向不同的多种偏振部。各层从像面侧朝向物体侧依次配置有像素阵列层110、偏振滤波元件阵列层120、光谱滤波元件阵列层130、微透镜阵列层140。
像素阵列层110通过二维地排列多个光电二极管112而构成。一个光电二极管112构成一个像素。各光电二极管112沿着水平方向(x方向)及垂直方向(y方向)有规律地配置。偏振滤波元件阵列层120通过二维地排列所透射的光的偏振方向不同的四种偏振滤波元件122A～122D而构成。各偏振滤波元件122A～122D以与光电二极管112相同的间隔配置，并且针对每个像素设置。在各像素块PB(X，Y)中，有规律地排列有各偏振滤波元件122A～122D。
图13是表示一个像素块中的偏振滤波元件的排列图案的一例的图。如图13所示，在第1实施方式所涉及的摄像装置1中，像素P1、像素P3、像素P9、像素P11中设置有偏振滤波元件122A。并且，像素P2、像素P4、像素P10、像素P12中设置有偏振滤波元件122B。并且，像素P3、像素P7、像素P13、像素P15中没置有偏振滤波元件122C。并且，像素P4、像素P8、像素P14、像素P16中设置有偏振滤波元件122D。
各偏振滤波元件122A～122D使互不相同的偏振方向的光透射。具体而言，偏振滤波元件122A使偏振方向θA(例如，θA＝45°)的光透射。偏振滤波元件122B使偏振方向θB(例如，θB＝90°)的光透射。偏振滤波元件122C使偏振方向θC(例如，θA＝135°)的光透射。偏振滤波元件122D使偏振方向θD(例如，θD＝0°)的光透射。
光谱滤波元件阵列层130通过二维地排列透射波长特性不同的四种光谱滤波元件132A～132D而构成。各光谱滤波元件132A～132D以与光电二极管112相同的间隔配置，并且针对每个像素设置。在各像素块PB(X，Y)中，有规律地排列有各光谱滤波元件132A～132D。
图14是表示一个像素块中的光谱滤波元件的排列图案的一例的图。如图14所示，在第1实施方式所涉及的摄像装置1中，像素P1、像素P2、像素P5及像素P6中设置有光谱滤波元件132A。并且，像素P3、像素P4、像素P7及像素P8中设置有光谱滤波元件132B。并且，像素P9、像素P10、像素P13及像素P14中设置有光谱滤波元件132C。并且，像素P11、像素P12、像素P15及像素P16中设置有光谱滤波元件132D。
图15是表示各光谱滤波元件的透射波长特性的一例的曲线图。在图15中，A表示光谱滤波元件132A的透射波长特性。B表示光谱滤波元件132B的透射波长特性。C表示光谱滤波元件132C的透射波长特性。D表示光谱滤波元件132D的透射波长特性。各光谱滤波元件132A～132D具有互不相同的透射波长特性。另外，图15中示出了光谱滤波元件132A由使蓝色(Blue，B)的光透射的光谱滤波元件构成、光谱滤波元件132B由使绿色(Green，G)的光透射的光谱滤波元件构成、光谱滤波元件132C由使红色(Red，R)的光透射的光谱滤波元件构成，光谱滤波元件132D由使红外光(Infrared，IR)透射的光谱滤波元件构成时的例子。
在此，如图15所示，上述带通滤波器50A～50D允许透射的光的波长范围λ1～λ4设定在光谱滤波元件132A～132D允许透射的波长范围的范围内。即，各带通滤波器50A～50D允许透射的光的波长范围λ1～λ4设定在各光谱滤波元件132A～132D允许透射的波长范围重叠的区域。换言之，各光谱滤波元件132A～132D的透射波长范围设定为覆盖摄像各带通滤波器50A～50D的透射波长范围。因此，各光谱滤波元件132A～132D使用使宽带的光透射的滤波器。
微透镜阵列层140通过二维地排列多个微透镜142而构成。各微透镜142以与光电二极管112相同的间隔配置，并且针对每个像素设置。微透镜142以将来自摄像光学系统10的光高效地会聚于光电二极管112上为目的而设置。
如上构成的成像元件100中，各像素块PB(X，Y)中的各像素P1～P16如下接收来自摄像光学系统10的光。
即，像素P1经由光谱滤波元件132A(透射波长特性A)及偏振滤波元件122A(偏振方向θA)接收来自摄像光学系统10的光。并且，像素P2经由光谱滤波元件132A(透射波长特性A)及偏振滤波元件122B(偏振方向θB)接收来自摄像光学系统10的光。并且，像素P3经由光谱滤波元件132B(透射波长特性B)及偏振滤波元件122A(偏振方向θA)接收来自摄像光学系统10的光。并且，像素P4经由光谱滤波元件132B(透射波长特性B)及偏振滤波元件122B(偏振方向θB)接收来自摄像光学系统10的光。并且，像素P5经由光谱滤波元件132A(透射波长特性A)及偏振滤波元件122C(偏振方向θC)接收来自摄像光学系统10的光。并且，像素P6经由光谱滤波元件132A(透射波长特性A)及偏振滤波元件122D(偏振方向θD)接收来自摄像光学系统10的光。并且，像素P7经由光谱滤波元件132B(透射波长特性B)及偏振滤波元件122C(偏振方向θC)接收来自摄像光学系统10的光。并且，像素P8经由光谱滤波元件132B(透射波长特性B)及偏振滤波元件122D(偏振方向θD)接收来自摄像光学系统10的光。并且，像素P9经由光谱滤波元件132C(透射波长特性C)及偏振滤波元件122A(偏振方向θA)接收来自摄像光学系统10的光。并且，像素P10经由光谱滤波元件132C(透射波长特性C)及偏振滤波元件122B(偏振方向θB)接收来自摄像光学系统10的光。并且，像素P11经由光谱滤波元件132D(透射波长特性D)及偏振滤波元件122A(偏振方向θA)接收来自摄像光学系统10的光。并且，像素P12经由光谱滤波元件132D(透射波长特性D)及偏振滤波元件122B(偏振方向θB)接收来自摄像光学系统10的光。并且，像素P13经由光谱滤波元件132C(透射波长特性C)及偏振滤波元件122C(偏振方向θC)接收来自摄像光学系统10的光。并且，像素P14经由光谱滤波元件132C(透射波长特性C)及偏振滤波元件122D(偏振方向θD)接收来自摄像光学系统10的光。并且，像素P15经由光谱滤波元件132D(透射波长特性D)及偏振滤波元件122C(偏振方向θC)接收来自摄像光学系统10的光。并且，像素P16经由光谱滤波元件132D(透射波长特性D)及偏振滤波元件122D(偏振方向θD)接收来自摄像光学系统10的光。
如此，像素P1～P16通过具有互不相同的光学特性而分别接收特性(波长范围及偏振方向)不同的光。即，像素P1～P16构成通过光谱滤波元件及偏振滤波元件选择性地接收透射了带通滤波器50A～50D(多个滤光器)中的任一个的光的多个像素组。
[信号处理部的结构]
信号处理部200(信号处理部)通过对从成像元件100输出的信号进行处理来生成4频带的多光谱图像的图像数据。即，生成透射上述滤波器单元16的四种波长范围λ1～λ4的图像数据(与多个滤光器的波长范围分别对应的多个图像)。
图16是表示信号处理部的概略结构的框图。如图16所示，信号处理部200包括模拟信号处理部200A、图像生成部200B及系数存储部200C。模拟信号处理部200A读入从成像元件100的各像素输出的模拟像素信号，实施信号处理(例如，相关双采样处理、扩增处理等)之后，转换为数字信号进行输出。图像生成部200B通过对转换为数字信号之后的像素信号实施信号处理来生成各波长范围(λ1～λ4)的图像数据。
图17是图像生成的概念图。如上所述，各像素块PB(X，Y)包括16个像素P1～P16。因此，通过从各像素块PB(X，Y)中分离并提取各像素P1～P16的像素信号，可生成16个图像数据D1～D16。然而，在该16个图像数据D1～D16中发生了干扰(串扰)。即，由于各波长范围的光入射于各像素P1～P16，因此所生成的图像会成为混合有各波长范围的图像的图像。因此，图像生成部200B通过进行干扰去除处理来生成各波长范围(λ1～λ4)的图像数据。
以下，对信号处理部200中进行的干扰去除处理进行说明。
将由各像素块PB(X，Y)的像素P1获得的像素信号(信号值)设为α1，以下，同样地将由像素P2～像素P16获得的像素信号分别设为α2～a16。从而，从各像素块PB(X，Y)可获得16个像素信号α1～α16。图像生成部200B根据该16个像素信号α1～α16来计算与各波长范围λ1～λ4的光对应的四个像素信号β1～β4，去除干扰。具体而言，通过使用下述矩阵A的式1来计算与各波长范围λ1～λ4的光对应的四个像素信号β1～β4，去除干扰。
[数式1]
Figure BDA0003562711890000111
[数式2]
Figure BDA0003562711890000121
另外，像素信号β1为与波长范围λ1的光对应的像素信号，像素信号β2为与波长范围λ2的光对应的像素信号，像素信号β3为与波长范围λ3的光对应的像素信号，像素信号β4为与波长范围λ4的光对应的像素信号。因此，由像素信号β1生成波长范围λ1的图像数据，由像素信号β2生成波长范围λ2的图像数据，由像素信号β3生成波长范围λ3的图像数据，由像素信号β4生成波长范围λ4的图像数据。以下，对能够通过上述式1去除干扰的理由进行说明。
干扰因各波长范围λ1～λ4的光混入到各像素P1～P16中而发生。将从摄像光学系统10射出的各波长范围λ1～λ4的光被各像素P1～P16接收的比例(干扰比率)设为bij(i＝1～16、j＝1～4)。例如，b11为波长范围λ1的光被像素P1接收的比例，b12为波长范围λ2的光被像素P1接收的比例，b13为波长范围λ3的光被像素P1接收的比例，b14为波长范围λ4的光被像素P1接收的比例。以下，同样地规定b21～b164。该比例bij(b11～b164)根据滤波器单元16的带通滤波器50A～50D允许透射的光的波长范围λ1～λ4的设定、窗部24A～24D允许透射的光的偏振方向θ1～θ4的设定、成像元件100的各像素P1～P16的透射波长特性A～D(参考图15)及由成像元件100的各像素P1～P16接收的光的偏振方向θA～θC(参考图13)的设定唯一地确定，从而可以事先求出。
以下关系在由各像素块PB(X，Y)的各像素P1～P16获得的像素信号α1～α16和与各波长范围λ1～λ4的光对应的像素信号β1～β4之间成立。
关于由像素P1获得的像素信号α1，“b11*β1+b12*β2+b13*β3+b14*β4＝α1……式2”成立(“*”为积算的符号)。
关于由像素P2获得的像素信号α2，“b21*β1+b22*β2+b23*β3+b24*β4＝α2……式3”成立。
关于由像素P3获得的像素信号α3，“b31*β1+b32*β2+b33*β3+b34*β4＝α3……式4”成立。
关于由像素P4获得的像素信号α4，“b41*β1+b42*β2+b43*β3+b44*β4＝α4……式5”成立。
关于由像素P5获得的像素信号α5，“b51*β1+b52*β2+b53*β3+b54*β4＝α5……式6”成立。
关于由像素P6获得的像素信号α6，“b61*β1+b62*β2+b63*β3+b64*β4＝α6……式7”成立。
关于由像素P7获得的像素信号α7，“b71*β1+b72*β2+b73*β3+b74*β4＝α7……式8”成立。
关于由像素P8获得的像素信号α8，“b81*β1+b82*β2+b83*β3+b84*β4＝α8……式9”成立。
关于由像素P9获得的像素信号α9，“b91*β1+b92*β2+b93*β3+b94*β4＝α9……式10”成立。
关于由像素P10获得的像素信号a10，“b101*β1+b102*β2+b103*β3+b104*β4＝α10……式11”成立。
关于由像素P11获得的像素信号α11，“b111*β1+b112*β2+b113*β3+b114*β4＝a11……式12”成立。
关于由像素P12获得的像素信号α12，“b121*β1+b122*β2+b123*β3+b124*β4＝α12……式13”成立。
关于由像素P13获得的像素信号α13，“b131*β1+b132*β2+b133*β3+b134*β4＝α13……式14”成立。
关于由像素P14获得的像素信号α14，“b141*β1+b142*β2+b143*β3+b144*β4＝α14……式15”成立。
关于由像素P15获得的像素信号α15，“b151*β1+b152*β2+b153*β3+b154*β4＝α15……式16”成立。
关于由像素P16获得的像素信号α16，“b161*β1+b162*β2+b163*β3+b164*β4＝α16……式17”成立。
在此，上述式2～17的联立方程式可以由使用矩阵B的下述式18表示。
[数式3]
Figure BDA0003562711890000141
[数式4]
Figure BDA0003562711890000142
式2～17的联立方程式的解即β1～β4可通过在式18的两边乘以矩阵B的逆矩阵B-1来计算。
[数式5]
Figure BDA0003562711890000151
如此，与各波长范围λ1～λ4对应的像素信号β1～β4可以根据从摄像光学系统10射出的各波长范围λ1～λ4的光被像素块PB(X，Y)的各像素P1～P16接收的比例由各像素P1～P16的信号值(像素信号α1～α16)计算。
上述式1中，将式19的逆矩阵B-1设为A(B-1＝A)。因此，式1中的矩阵A的各要素aij可以通过求出矩阵B的逆矩阵B-1来获取。
系数存储部200C存储用于进行干扰去除处理的矩阵A的各要素aij作为系数组。
图像生成部200B从系数存储部200C获取系数组，根据从各像素块PB(X，Y)的各像素P1～P16获得的像素信号α1～α16，通过上述式1计算与各波长范围λ1～λ4对应的像素信号β1～β4，生成各波长范围λ1～λ4的图像数据。
由图像生成部200B生成的各波长范围λ1～λ4的图像数据输出至外部，并根据需要存储于存储装置(未图示)中。并且，根据需要显示于显示器(未图示)。
<图像生成>
图18是通过摄像装置1进行的图像生成的概念图。
入射于摄像光学系统10的光成为不同特性的四种光入射于成像元件100。具体而言，成为偏振方向θ1且波长范围λ1的光(第1光)、偏振方向θ2且波长范围λ2的光(第2光)、偏振方向θ3且波长范围λ3的光(第3光)及偏振方向θ4且波长范围λ4的光(第4光)入射于成像元件100。
在成像元件100的各像素块PB(X，Y)中，从摄像光学系统10射出的各波长范围的光以上述比例bij被各像素P1～P16接收。即，通过设置于各像素P1～P16的偏振滤波元件122A～122D及光谱滤波元件132A～132D的作用以比例bij接收各波长范围λ1～λ4的光。
信号处理部200根据从成像元件100的各像素块PB(X，Y)的各像素P1～P16获得的像素信号α1～α16来计算与各波长范围λ1～λ4的光对应的像素信号β1～β4，生成各波长范围λ1～λ4的图像数据。即，进行基于使用矩阵A的式1的运算处理(干扰去除处理)，根据从成像元件100获得的各像素P1～P16的像素信号α1～α16来计算与各波长范围λ1～λ4的光对应的像素信号β1～β4，生成各波长范围λ1～λ4的图像数据。
如此，根据第1实施方式所涉及的摄像装置1，能够通过一个摄像光学系统10和一个(单板)成像元件100来拍摄四种波长范围的图像(4频带的多光谱图像)。
<摄像光学系统的像差校正>
在一般的摄像光学系统中，像差根据波长而不同。因此，即使单纯地对一般的摄像光学系统进行光瞳分割并将其用于拍摄，也无法获得画质良好的多光谱图像。另外，这里的“一般的摄像光学系统”表示并未特别校正每个波长的像差的摄像光学系统(即，残留有每个波长的像差的摄像光学系统)。
并且，在上述专利文献1中，通过使用偏振传感器和光瞳分割实现了多光谱摄像，但并未讨论透镜所具有的像差，仅设想了理想的透镜。因此，在将具有像差的一般的透镜适用于专利文献1的系统的情况下，会产生意料外的像差，有时会使分辨性能劣化。另一方面，为了对专利文献1的系统设计专用的透镜来抑制像差，透镜数量和尺寸、所使用的玻璃种类等会受到限制。
相对于这种以往的技术，第1实施方式所涉及的摄像装置1通过将摄像光学系统10的光瞳区域分割(光瞳分割)为多个区域(光瞳区域Z1～Z4)，并在各区域中限制波长区域(使特定的波长范围的光透射)，实现了多光谱图像的拍摄。并且，在第1实施方式所涉及的摄像装置1中，带通滤波器50A～50D具有单独校正与各光瞳区域Z1～Z4对应的区域的像差的功能。具体而言，通过单独调整各带通滤波器50A～50D的倾斜度来单独调整透射各光瞳区域Z1～Z4的光的光路长度，从而校正像差。例如，通过光路长度的调整使透射各光瞳区域Z1～Z4的光的成像位置在光轴L上前后移动，由此校正轴上色差。其结果，摄像光学系统10中与各光瞳区域Z1～Z4对应的区域的像差特性变得互不相同。
根据第1实施方式所涉及的摄像装置1，能够单独控制与各光瞳区域Z1～Z4对应的区域的像差，因此能够按波长控制像差。由此，即使在具有像差的一般的透镜中也能够获取良好的分辨力，从而能够拍摄画质良好的多光谱图像。
<变形例>
对上述第1实施方式所涉及的摄像装置1的变形例进行说明。
<倾斜度调整部件的变形例>
图19是表示倾斜度调整部件的变形例的图。在图4、6～8所示的例子中，通过推拉单一形状的倾斜度调整部件30来调整角度，相对于此，在图19所示的例子中，通过准备多个不同形状的倾斜度调整部件并分开使用它们，限定了所调整的角度。并且，图19(a)部分、图19(b)部分所示的倾斜度调整部件32、34上分别设置有斜面32A、34A，这些斜面32A、34A与带通滤波器50A进行面接触，由此使带通滤波器50A的姿势稳定。另外，代替这种面接触，也可以在倾斜度调整部件上形成多个突起(例如，三个)，并使其与带通滤波器接触。
<框体及固定部件的变形例>
图20是表示框体及固定部件的变形例的图(仅图示框体的单侧)。在图20所示的例子中，在框体60中，设置有带通滤波器50A～50D的部分成为开口39(开口)。该开口39的开口面积可以通过准备多个不同形状的开口面积调整部件(不透光性)并分开使用它们来进行调整。具体而言，在图20(a)部分、图20(b)部分所示的例子中，分别使用了不同形状的开口面积调整部件36、38，并通过这些开口面积调整部件36、38改变了开口39的开口面积。这些开口面积调整部件36、38可以使用透光性或不透光性粘接剂固定于其他部件。另外，在图20所示的例子中，框体60可以具有透光性，也可以具有不透光性。并且，可以在带通滤波器50A～50D上层叠偏振滤波器作为偏振部(参考图22)。
<倾斜度调整部件的另一变形例>
图21是表示倾斜度调整部件的另一变形例的图(仅图示框体的单侧)。在图21所示的例子中，通过沿着光轴L2的方向推拉插入于形成在框体62上的贯穿孔的棒状部件64(倾斜度调整部件)，如图21(a)部分、图21(b)部分所示，能够调整带通滤波器50A相对于窗部24A斜面部22)的倾斜度。
<偏振部的变形例>
图22是表示偏振部的变形例的图(仅图示框体的单侧)。在第1实施方式中，使用线栅或狭缝形成了偏振部(参考图3等)，但在图22所示的例子中，在带通滤波器50A上层叠偏振滤波器54A作为针对窗部24A的偏振部。另外，与使用线栅或狭缝的情况相同地，偏振方向相对于带通滤波器50A～50D为互不相同的方向。
<波长范围及偏振方向的数量的变形例>
在第1实施方式中，对滤波器单元16与四个波长范围及四个偏振方向对应的情况进行了说明，但波长范围及偏振方向也可以为不同的数量。例如，通过遮挡或省略带通滤波器50A～50D中的任一个(例如，带通滤波器50D)，能够使上述滤波器单元16与三个波长范围对应(也可以将带通滤波器50A～50C中的任一个设置两个)。并且，通过使偏振膜40的朝向在两个窗部中相同(例如，θ1＝0deg、θ2＝45deg、θ3＝90deg、θ4＝90deg)，能够使滤波器单元16与三个偏振方向对应。并且，也可以通过屏蔽窗部24A～24D中的任一个来实现三个波长范围及三个偏振方向。进而，也可以在框体中形成三个窗部。
<成像元件的结构的变形例>
成像元件可以如第1实施方式那样为具有光谱滤波元件阵列层的彩色成像元件，也可以为不具有光谱滤波元件阵列层的单色成像元件。这种滤光器的波长范围数及偏振方向数与成像元件的光谱数及偏振方向数的组合可以根据“要获取几个波长的图像(所获取的图像的光谱数)”来确定。
<用于选择性受光的其他结构>
也可以代替如第1实施方式那样的使用偏振滤波器的选择性受光而通过其他构件来实现选择性受光。例如，也可以为如下方式：对各像素设置微透镜，并且在成像元件的受光面上设置一部分开口的遮光掩模，并通过该掩模接收透射了某个光瞳区域的光，并遮挡透射了其他光瞳区域的光。
<其他变形例>
在第1实施方式中，斜面部22、窗部24A～24D及带通滤波器50A～50D为矩形，但也可以为矩形以外的多边形、圆形、扇形等其他形状。并且，在第1实施方式及变形例中，通过调整开口面积进行了各波长范围的光量调整，但也可以使用如ND滤波器(ND：NeutralDensity(中性密度))那样的减光滤波器来进行光量调整。在该情况下，可以根据波长范围来改变ND滤波器的减光度。
以上，对本发明的实施方式及其他例子进行了说明，但本发明并不限定于上述方式，可以在不脱离本发明的精神的范围内进行各种变形。
符号说明
1-摄像装置，10-摄像光学系统，12-透镜，16-滤波器单元，20-框体，21-光轴中心，22-斜面部，24A-窗部，24B-窗部，24C-窗部，24D-窗部，26-壁部，28-插入口，30-倾斜度调整部件，30A-斜面，32-倾斜度调整部件，32A-斜面，34-倾斜度调整部件，34A-斜面，36-开口面积调整部件，38-开口面积调整部件，39-开口，40-偏振膜，42-线，50A-带通滤波器，50B-带通滤波器，50C-带通滤波器，50D-带通滤波器，52-粘接剂，52A-填充线，52B-填充线，52C-填充线，54A-偏振滤波器，62-框体，64-棒状部件，100-成像元件，110-像素阵列层，112-光电二极管，120-偏振滤波元件阵列层，122A-偏振滤波元件，122B-偏振滤波元件，122C-偏振滤波元件，122D-偏振滤波元件，130-光谱滤波元件阵列层，132A-光谱滤波元件，132B-光谱滤波元件，132C-光谱滤波元件，132D-光谱滤波元件，140-微透镜阵列层，142-微透镜，200-信号处理部，200A-模拟信号处理部，200B-图像生成部，200C-系数存储部，A-透射波长特性，B-透射波长特性，C-透射波长特性，D-透射波长特性，D1-图像数据，D2-图像数据，D3-图像数据，D4-图像数据，D5-图像数据，D6-图像数据，D7-图像数据，D8-图像数据，D9-图像数据，D10-图像数据，D11-图像数据，D12-图像数据，D13-图像数据，D14-图像数据，D15-图像数据，D16-图像数据，L-光轴，L2-光轴，P1-像素，P2-像素，P3-像素，P4-像素，P5-像素，P6-像素，P7-像素，P8-像素，P9-像素，P10-像素，P11-像素，P12-像素，P13-像素，P14-像素，P15-像素，P16-像素，PB-像素块，Z1-光瞳区域，Z2-光瞳区域，Z3-光瞳区域，Z4-光瞳区域，α1-像素信号，α2-像素信号，α3-像素信号，α4-像素信号，α5-像素信号，α6-像素信号，α7-像素信号，α8-像素信号，α9-像素信号，α10-像素信号，α11-像素信号，α12-像素信号，α13-像素信号，α14-像素信号，α15-像素信号，α16-像素信号，β1-像素信号，β2-像素信号，β3-像素信号，β4-像素信号，θ1-偏振方向，θ2-偏振方向，θ3-偏振方向，θ4-偏振方向，θA-偏振方向，θB-偏振方向，θC-偏振方向，θD-偏振方向，λ1-波长范围，λ2-波长范围，λ3-波长范围，λ4-波长范围。

Claims (18)

1.一种光学元件，其具备：
多个滤光器，包括使至少一部分波长范围不同的光透射的两个以上滤光器；及
框体，具有以光轴中心为顶点的斜面部，并且所述多个滤光器设置于所述斜面部。
2.根据权利要求1所述的光学元件，其中，
所述框体具有多个所述斜面部。
3.根据权利要求1或2所述的光学元件，其中，
所述光学元件还具备固定部件，所述固定部件固定所述滤光器和所述框体。
4.根据权利要求3所述的光学元件，其中，
所述固定部件为粘接剂，
所述粘接剂将所述多个滤光器固定于所述框体，
所述多个滤光器的受光区域当中未被所述粘接剂覆盖的部分形成透光区域。
5.根据权利要求4所述的光学元件，其中，
与根据所述多个滤光器的所述波长范围而决定的所述透光区域的面积对应的量的所述粘接剂填充于所述多个窗部。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的光学元件，其还具备倾斜度调整部件，所述倾斜度调整部件调整所述多个滤光器相对于所述斜面部的倾斜度。
7.根据权利要求6所述的光学元件，其中，
所述倾斜度调整部件的与所述多个滤光器的接触面为斜面。
8.根据权利要求6或7所述的光学元件，其中，
所述倾斜度调整部件固定于所述框体。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的光学元件，其中，
所述多个窗部分别具有使透射所述多个窗部的光偏振的偏振部。
10.根据权利要求9所述的光学元件，其中，
所述偏振方向为多种。
11.根据权利要求9或10所述的光学元件，其中，
所述偏振部为根据所述偏振方向而形成于所述多个窗部的线栅或狭缝。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的光学元件，其中，
所述框体是透光性的。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的光学元件，其中，
所述框体的设置所述多个滤光器的部分为开口，所述光学元件具备调整所述开口的面积的开口面积调整部件。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的光学元件，其中，
所述多个滤光器以与各个滤光器允许透射的光的波长范围对应的倾斜角度设置于所述斜面部。
15.一种光学装置，其具备：
权利要求1至14中任一项所述的光学元件；及
透镜，使被摄体的光学像成像，
在所述光学元件的光轴与所述透镜的光轴一致的状态下，所述光学元件配置于透射所述透镜的光的光路上。
16.一种摄像装置，其具备：
权利要求15所述的光学装置；
成像元件，包括选择性地接收透射过所述多个滤光器中的任一个滤光器的光的多个像素组；及
信号处理部，根据从所述成像元件输出的信号来生成与所述多个滤光器的所述波长范围分别对应的多个图像。
17.根据权利要求16所述的摄像装置，其中，
所述成像元件在像素上具备透射波长范围不同的多种滤光器和偏振方向不同的多种偏振部。
18.一种制造方法，其为光学元件的制造方法，所述光学元件具备：
多个滤光器，包括使至少一部分波长范围不同的光透射的两个以上的滤光器；及框体，具有以光轴中心为顶点的斜面部，并且所述多个滤光器设置于所述斜面部，所述制造方法包括：
设置工序，将所述多个滤光器设置于所述多个窗部；
倾斜度调整工序，调整所述滤光器相对于所述斜面部的倾斜度；及
固定工序，通过固定部件将所述滤光器固定于所述框体。
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