JP2007295326A - 多焦点撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】撮像装置での１回の撮像操作により異なる遠近位置の複数の画像が得られ、かつ撮像装置の構成が簡易であり、コストが少なくなるようにする。
【解決手段】１つの対物レンズ（１）により導かれた被撮像体Ｂからの光をビームスプリッタ（２ａ）、（２ｂ）により複数の光路の光に分光し、ビームスプリッタ（２ａ）、（２ｂ）により分光された光がそれぞれ結像面（１０ａ）、（１０ｂ）、（１０ｃ）に結像するようにし、対物レンズ（１）からそれぞれの結像面（１０ａ）、（１０ｂ）、（１０ｃ）までの光路中における光路長が互いに異なるようにし、それにより結像面（１０ａ）、（１０ｂ）、（１０ｃ）において被撮像体Ｂの異なる遠近位置（Ｐ３）、（Ｐ２）、（Ｐ１）の部分がそれぞれ合焦結像する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、撮像装置に関するものであり、より詳細には、被写体における複数の遠近位置に合焦した画像を一度の撮像操作により取得できる多焦点撮像装置に関する。

現在、撮像装置は、画像認識装置と組み合わせて用いることを含めて、製品の検査、品質の管理、製造工程の管理のような製造業分野をはじめ、情報提示のための画像取得、建造物の管理等、さまざまな形で利用されている。

例えば製造工程において利用するものにおいて、一般に製品は３次元形状をもっているが、微細な部品の検査を行う場合に、より正確な検査を行うために、撮像レンズとして高いＮＡをもったものを使用するようになってきている。高いＮＡの撮像レンズを用いることにより、光量が多く取り込まれて、微細な部品の状況がより鮮明になるのであるが、一方において、被写界深度が浅くなり、被写体の合焦点いがいの遠近位置はぼけてくる。そのため、部品の特定の遠近位置だけでなく、全体的な状況を見ようとすると、他の遠近位置に再度合焦させる必要があり、一つの合焦位置における一度の撮像では、微細な部品の検査を的確に行うことは難しい。

顕微鏡で立体画像を得るためには複数の焦点位置における画像を合成する必要があり、何回かに分けて異なる焦点位置の画像をそれぞれ取得し合成するということになり、一度の撮像操作でこのような画像を取得することはできない。画像処理により、デコンボリューションを用いて行う手法もあるが、それによっても、点応答関数を求める必要があり、複雑な画像処理過程になり、処理時間が長くなるため、簡易に３次元画像が求められるというわけではない。

多焦点画像形成について、次のような文献に開示されている。
特開平６−７０２１２号公報 特開平４−３２９７７５号公報 特開平１１−３１１８３２号公報 特開平１０−２５４０５５号公報 特開平１０−２６０４７１号公報

特許文献１は、同一画枠内でフォーカス位置の相異なる複数枚の原画像について、画素または領域毎に画像データの変化量を検出し、この変化量を基準にしてフォーカスの合った画像データを選択するし、この画像データを用いて画面全体としてフォーカスの合った合成画像を生成する画像処理装置に関するものである。しかしながら、撮像装置としてフォーカス位置の異なる複数枚の画像をどのように取得するかということについて特に開示してはおらず、一般的な撮像手段としてみれば、複数回の撮像を行うことになり、それに基づいた画像処理の手法を示したものであって、多焦点の複数の画像を取得するための撮像装置として新たな特徴を与えるものではない。

特許文献２は、同一被写体からの光を光学系を介して導き、その光を分光手段により複数に分光し、各分光された光に対して露光量や焦点位置等の撮影条件を互いに異ならせて同時に撮影し、各分光路に配置された個体撮像素子により得られた画像を記憶した上で、複数の画像を撮影条件に応じて合成するようにした個体撮像装置に関するものである。しかしながら、この撮影条件のうち、露光量については各分光路について条件を異ならせ、同時に撮像を行うことができるにしても、光学系（対物レンズ）としては共通のものを用いているので、焦点位置を異ならせた複数の画像を同時に撮像することについては、具体的な手法を開示しておらず、一般的な撮像の手法を用いたとすれば、焦点位置毎に対物レンズを調整する等により、複数回の撮像を行わざるを得ないものである。

さらに、複数の遠近位置に合焦した画像を取得するための多焦点撮像装置として、特許文献３〜５に開示されるようなものがあるが、いずれも異なる遠近位置の画像を得るために、複数の対物レンズを備え、各撮像レンズ毎に焦点位置を異ならせて撮像するものであり、複数の対物レンズからいずれかを選択して、所望の対物レンズによる撮像を行うのである。そのため、撮像装置としては、対物レンズを複数備えるという構成になり、また異なる遠近位置の画像を同時に撮像するものでもない。

如上のように、従来の異なる遠近位置の画像を取得する撮像装置ないし画像形成装置は、通常の撮像装置を用い、異なる遠近位置について複数回の撮像を行い、それをもとに画像の合成を行うというように画像処理を行うもの、あるいは、１つの撮像装置内に異なる遠近位置の画像を得るための対物レンズを複数備え、撮像レンズを選択的に用いて所望の遠近位置の画像を得るというものなどがあった。

画像処理によるものでは、複数回の撮像を行った上で画像処理を行うというように、複数の遠近位置の画像を得るために時間と人手を要するのに加え、画像処理のためのハードウェア及びソフトウェアの手段を備えることが必要とされる。

特許文献３〜５のように、１つの撮像装置内に複数の対物レンズを備えるものは、実質的に複数の撮像装置を合わせたものに近くなり、装置が大規模なものになるとともに、遠近位置の異なる複数の画像を得るには、複数回の撮像を行う必要があった。

特許文献２のように、１つの対物レンズからの光を分光するものにおいても、対物レンズが１つであれば、異なる遠近位置の画像を選るには、複数回の撮像を行う必要があった。

このように、従来の多焦点画像を得るための手法、装置は、１回の撮像により異なる遠近位置の画像を得ることができず、また、撮像装置や画像処理装置の規模が大きくなるものであったため、１回の撮像操作により異なる遠近位置の複数の画像が得られ、かつ簡易な構成で、コストが少なくてすむ撮像装置を提供することが求められていた。

本発明は、前述の課題を解決すべくなしたものであり、１つの対物レンズと、該対物レンズにより導かれた被撮像体からの光を複数の光路の光に分光するビームスプリッタと、該ビームスプリッタにより分光された光がそれぞれ結像面に結像するようにした撮像装置において、前記対物レンズからそれぞれの前記結像面までの光路中において光路長が互いに異なるようにするための光路長変更手段を備え、それによって各結像面において前記被撮像体の異なる遠近位置の部分をそれぞれ合焦結像する多焦点撮像装置としたものである。

前記光路長変更手段が前記対物レンズからそれぞれの前記結像面までの複数の光路のうちの１つ以上の光路中に配設された光路長変更用光学素子であり、該光路長変更用光学素子の厚さの差異によって前記結像面までの光路長が互いに異なるようにしてもよい。

前記光路長変更手段が前記対物レンズからそれぞれの前記結像面までの複数の光路のうちの１つ以上の光路中にそれぞれ配設され光路を変更する複数個のミラーからなり、該複数個のミラーが調節可能であるようにしてもよい。

また、本発明は、１つの対物レンズと、該対物レンズにより導かれた被撮像体からの光を複数の光路の光に分光する第１のビームスプリッタと、該ビームスプリッタにより分光されたそれぞれの光の色成分光を取り出すフィルタと、該フィルタを通った光を合成する第２のビームスプリッタと、該第２のビームスプリッタにより合成された光の結像面に配設された撮像素子と、該撮像素子により得られた画像に対し画像処理を行って複数の色成分画像に分割する画像分割装置とそれらの色成分画像から複数の位置に焦点が合った画像を構成する手段とを備えてなる撮像装置であって、前記第１のビームスプリッタと第２のビームスプリッタとの間の複数の光路のうちの１つ以上の光路中において光路長が互いに異なるようにするための光路長変更手段をさらに備えたものとしてもよい。

前記光路長変更手段が前記第１のビームスプリッタと第２のビームスプリッタとの間の複数の光路のうちの１つ以上の光路中に配設された光路長変更用光学素子であり、該光路長変更用光学素子の厚さの差異によって前記結像面までの光路長が互いに異なるようにしてもよい。

前記光路長変更手段が前記第１のビームスプリッタと第２のビームスプリッタとの間の複数の光路のうちの１つ以上の光路中に配設され光路を変更する複数個のミラーからなり、該複数個のミラーが調節可能であるようにしてもよい。

前記画像分割装置により分割された複数の色成分画像をモニターするモニター手段をさらに備えてもよく、また、前記画像分割装置により分割された複数の色成分画像を白黒変換する手段をさらに備え、複数の色成分画像を白黒画像としてモニターするようにしてもよい。

時間差をおいたＲ、Ｇ、Ｂのパルス発光を行う被撮像体の照明手段をさらに備え、前記撮像素子が前記照明手段のＲ、Ｇ、Ｂのパルス発光と同期して撮像を行う白黒撮像装置であって、前記照明手段のＲ、Ｇ、Ｂのパルス発光による照明に同期して撮像された画像を画像合成することによって、複数の焦点に合った白黒画像をモニターするようにしてもよい。

本発明の多焦点撮像装置では、ビームスプリッタにより分光された複数の光路中において光路長が互いに異なるようにするための光路長変更手段を備えることにより、１回の撮像操作により異なる遠近位置の複数の画像が得られ、かつ簡易な構成で、コストが少なくてすむという効果が奏される。

図１は、本発明による多焦点撮像装置の基本的な形態を示すものであり、多焦点撮像装置Ａは、対物レンズ１から取り込まれた被撮像体Ｂからの光がビームスプリッタ２ａ、２ｂ、ミラー３により３つの光路に分けられ、ビームスプリッタ２ａを通って直進する光はフィルタ５ａを通って結像面１０ａ上に結像し、ビームスプリッタ２ａで反射した後ビームスプリッタ２ｂでさらに反射した光はフィルタ５ｂを通って結像面１０ｂ上に結像し、ビームスプリッタ２ｂを通過しミラー３で反射した光はフィルタ５ｃを通って結像面１０ｃ上に結像するように構成されている。

フィルタ５ａ、５ｂ、５ｃによる分光感度は図２に示すようなものである。ビームスプリッタ２ａを透過した光はＲの帯域を透過するフィルタ５ａを通りＲの帯域の光が結像面１０ａ上に結像し、ビームスプリッタ２ｂで反射した光はＧの帯域を透過するフィルタ５ｂを通りＧの帯域の光が結像面１０ｂ上に結像し、ミラー３で反射した光はＢの帯域を透過するフィルタを通りＢの帯域の光が結像面１０ｃ上に結像する

図１のように、結像面１０ａ、１０ｂ、１０ｃが同一平面上にある場合、対物レンズ１から結像面１０ａ、１０ｂ、１０ｃにそれぞれ達する光路長は異なり、ビームスプリッタ２ａと２ｂとの間隔、ビームスプリッタ２ｂとミラー３との間隔の差がある。そのため、この光路長の差により、結像面１０ａ上には被撮像体Ｂの位置Ｐ３の部分が合焦し、結像面１０ｂ上には被撮像体Ｂの位置Ｐ２の部分が合焦し、結像面１０ｃ上には被撮像体Ｂの位置Ｐ１の部分が合焦する、という形になる。

逆に言えば、被撮像体Ｂの異なる遠近位置Ｐ３、Ｐ２、Ｐ１の部分をそれぞれ結像面１０ａ、１０ｂ、１０ｃ上に合焦した状態で結像させるには、図１に示すものにおいて、ビームスプリッタ２ａ、２ｂ、ミラー３の相互間隔を、そのための光路長を与えるように設定しておけばよい。被撮像体Ｂの遠近位置Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３を可変にする必要がある場合には、撮像装置Ａにおいて、ビームスプリッタ（またはミラー）、フィルタ、結像面をユニットとして、例えばピニオン−ギアの機構等により調整可能に取り付けておき、外部操作によりそれらの間隔を調整することにより光路長を調節できるようにした構成とすればよい。

図１の撮像装置Ａの構成で、結像面１０ａ、１０ｂ、１０ｃには、それぞれ被撮像体の位置Ａ１、Ａ２、Ａ３の部分に合焦したＲ、Ｇ、Ｂの帯域の画像が結像する。各結像面にそれぞれ撮像素子を配置すれば、それぞれの遠近位置のＲ、Ｇ、Ｂの画像が得られる。Ｒ、Ｇ、Ｂの色成分画像としても、一応求める画像にはなっているが、色成分画像の信号を白黒画像信号に変換して、白黒画像としてもよい。図１に示した撮像装置は結像面に感光フィルムを配置し露光することによっても異なる遠近位置の画像が得られる。カラーフィルムであれば、色成分画像が得られ、白黒フィルムであれば、白黒画像が得られる。

図３は、他の形態のビームスプリッタ２を用いた撮像装置Ａの例を示すものであり、ビームスプリッタ２により、対物レンズ１を通った光はビームスプリッタ２により、これを透過する１つの光路と、反射する２つの光路とに分光され、ミラー３ａで反射した光はフィルタ５ａを介して結像面１０ａ上に、ビームスプリッタ２を透過した光はフィルタ５ｂを介して結像面１０ｂ上に、ミラー３ｂで反射した光はフィルタ５ｃを介して結像面１０ｃ上にそれぞれ結像する。ビームスプリッタ２の分光面から各結像面１０ａ、１０ｂ、１０ｃまでの光路長を均一にした構成としとすれば、各結像面上には被撮像体の同じ遠近位置の画像が形成されることになる。

被撮像体の異なる遠近位置の部分の画像を形成するためには、例えば結像面１０ｂへの光路中に光路長変更用光学素子４ｂを、また、結像面１０ｃへの光路中に光路長変更用光学素子４ｃを配置する。光路長変更用光学素子４ｂ、４ｃは屈折率の大きい透明な板状部材からなるものであり、その厚さをそれぞれｄ_１、ｄ_２、屈折率をｎ_１、ｎ_２とした場合に光路長はそれぞれｎ_１ｄ_１、ｎ_２ｄ_２（ｎ_１ｄ_１＜ｎ_２ｄ_２）となる。このような光路長変更用光学素子を配置することよって、光路長変更用光学素子がない結像面１０ａ上には被撮像体Ｂの位置Ｐ３の部分が合焦結像し、結像面１０ｂ上には光路長変更用光学素子４ｂを通った光により被撮像体Ｂの位置Ｐ２の部分が合焦結像し、結像面１０ｃ上には光路長変更用光学素子４ｃを通った光により被撮像体の位置Ｐ１の部分が合焦結像するようにしておく。

図４は、他の形態による光路長変更手段を備えた撮像装置Ａの例を示すものであり、ビームスプリッタとして光を２分割するものとして示してある。対物レンズ１を通った光はビームスプリッタ２で２分され、図で左方への光はミラー３ａ、３ｂ、３ｃで順次反射しフィルタを介して結像面１０ａ上に結像し、図で右方への光はミラー３ｄ、３ｅ、３ｆで順次反射しフィルタを介して結像面１０ｂ上に結像する。各反射面３ａ〜３ｆで光は直角に反射する。ここで、ミラー３ａ、３ｂを一体的に基台に取り付け、ミラー３ｄ、３ｅを一体的に基台に取り付けて構成し、それぞれラック−ピニオン機構等により移動可能にし、外部からねじ６、６′を回してミラー３ａ、３ｂの組と、ミラー３ｄ、３ｅとが別個に図で左右方向に調整可能になるようにしておく。このようなミラーの組の左右方向への変位によりビームスプリッタから各結像面までの光路長が調整可能になる。このような光路長変更手段によれば、各光路において外部操作により光路長を調節することにより、被撮像体の撮像したい部分の遠近位置を必要に応じて可変調節することができる。図４では、ビームスプリッタにより光路を２分割する例を示したが、３分割する場合でも同様に構成できる。ただし、ミラーの組は図４のように同一平面内ではなくなる。

図１、３、４にそれぞれ示す例において、フィルタはビームスプリッタ２ａ、２ｂ（図３、４においてはビームスプリッタ２）により分光されたそれぞれの光から色成分光を取り出すために設けられるものである。異なる遠近位置の画像を得ること自体は、ビームスプリッタ２ａ、２ｂにより分光されたそれぞれの光の光路長を異ならせることにより達せられるのであるり、その点ではフィルタはかならずしも不可欠な要素ではなく、適宜備えられるものである。

図５は、１つの撮像素子を用いて構成した多焦点撮像装置の形態を示すものである。この撮像装置Ａでは、撮像レンズ１により導かれた被撮像体Ｂからの光がビームスプリッタ２ａ、２ｂにより３つに分光され、３つの光がそれぞれフィルタ５ａ、５ｂ、５ｃを通ってＲ、Ｇ、Ｂの成分光とされた後にミラー３、ビームスプリッタ２ｃ、２ｄにより合成された光とされ、結像面に配置された１つの結像素子７において結像する。このような撮像光学系において分光されたそれぞれの光の光路長は本来同じであるが、図示のように、ビームスプリッタ２ｂで反射した光の光路中に光路長変更用光学素子４ｂを配設し、また、ミラー３で反射した光の光路中に光路長変更用光学素子４ｃを配設しておき、それにより分光された光の光路長を異ならせ、それぞれの光によって被撮像体Ｂの遠近位置Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３の部分が結像面にある撮像素子７において合焦結像するように設定しておく。

このようにして、撮像素子７により被撮像体Ｂの遠近位置Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３の部分が合焦したＲ、Ｇ、Ｂの成分光による画像を合成した画像が得られる。この合成した画像を画像分解装置８によりＲ、Ｇ、Ｂの各成分光の画像に分解すれば、モニター９ａ、９ｂ、９ｃにそれぞれ被撮像体Ｂの遠近位置Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３の部分が合焦した画像が表示される。この分解した画像は成分光で表示してもよいが、白黒変換して表示してもよい。

図５に示す例で、撮像素子７はカラー撮像素子であり、外光により照明された被撮像体からの光を同時に分光して撮像する形態であるが、被撮像体を時間差をおいて照明することにより白黒撮像素子を用いて撮像する形態として実施することもできる。そのためには、図５における撮像素子７を白黒撮像素子とし、図示しない時間差をおいてＲ、Ｇ、Ｂのパルス発光を行う被撮像体の照明手段をさらに備え、撮像素子７が照明手段のＲ、Ｇ、Ｂのパルス発光と同期して撮像を行い、得られた画像を画像合成する手段をさらに備え、画像分解手段８により複数の焦点に合った白黒画像をモニター９ａ、９ｂ、９ｃに表示することができるようにする。

ここで、Ｒ、Ｇ、Ｂのパルス光で時間差をおいて被撮像体を照明することにより、各色のパルス光での照明による被撮像体からの光はビームスプリッタ２ａ、２ｂで分光された対応する光路を進むことになり、その光路の光路長に対応する被撮像体の遠近位置の部分の画像を同期して白黒画像素子７で撮像することにより、その画像がどの遠近位置のものであるかを判別することができる。このように、時分割での色成分パルス光による被撮像体の照明と、それに同期した撮像により、白黒撮像素子でも多焦点画像が得られる。

また、各色のパルス光と色フィルタの代わりに、偏光方向が互いに垂直なパルス光と偏光フィルタを用いて多焦点画像を得ることもできる。

ここでは代表的な実施形態について説明したが、本発明においては、これらの形態に限られることはなく、本発明の趣旨に基づいてさらに多様な形態として実施されるものである。

本発明による多焦点撮像装置の基本的な形態を示す図である。 多焦点撮像装置において用いられるビームスプリッタの分光感度を示す図である。 他の形態のビームスプリッタを用いた本発明による多焦点撮像装置の例を示す図である。 他の形態による光路長変更手段を備えた本発明による多焦点撮像装置の例を示す図である。 １つの撮像素子を用いて構成した本発明による多焦点撮像装置の例を示す図である。

符号の説明

１…対物レンズ
２（２ａ，２ｂ）…ビームスプリッタ
３（３ａ〜３ｆ）…ミラー
４ａ，４ｂ…光路長変更用光学素子
５ａ〜５ｃ…フィルタ
６，６′…ねじ
７…撮像素子
８…画像分解装置
９ａ，９ｂ，ｃ…モニター
１０ａ〜１０ｃ…結像面
Ａ…撮像装置
Ｂ…被撮像体
Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３…遠近位置

Claims (9)

1. １つの対物レンズと、該対物レンズにより導かれた被撮像体からの光を複数の光路の光に分光するビームスプリッタと、該ビームスプリッタにより分光された光がそれぞれ結像面に結像するようにした撮像装置において、前記対物レンズからそれぞれの前記結像面までの光路中において光路長が互いに異なるようにするための光路長変更手段を備え、それによって各結像面において前記被撮像体の異なる遠近位置の部分をそれぞれ合焦結像するようにしたことを特徴とする多焦点撮像装置。
2. 前記光路長変更手段が前記対物レンズからそれぞれの前記結像面までの複数の光路のうちの１つ以上の光路中に配設された光路長変更用光学素子であり、該光路長変更用光学素子の厚さの差異によって前記結像面までの光路長が互いに異なるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の多焦点撮像装置。
3. 前記光路長変更手段が前記対物レンズからそれぞれの前記結像面までの複数の光路のうちの１つ以上の光路中にそれぞれ配設され光路を変更する複数個のミラーからなり、該複数個のミラーが調節可能であることを特徴とする請求項１に記載の多焦点撮像装置。
4. １つの対物レンズと、該対物レンズにより導かれた被撮像体からの光を複数の光路の光に分光する第１のビームスプリッタと、該ビームスプリッタにより分光されたそれぞれの光の色成分光を取り出すフィルタと、該フィルタを通った光を合成する第２のビームスプリッタと、該第２のビームスプリッタにより合成された光の結像面に配設された撮像素子と、該撮像素子により得られた画像に対し画像処理を行って複数の色成分画像に分割する画像分割装置とそれらの色成分画像から複数の位置に焦点が合った画像を構成する手段とを備えてなる撮像装置であって、前記第１のビームスプリッタと第２のビームスプリッタとの間の複数の光路のうちの１つ以上の光路中において光路長が互いに異なるようにするための光路長変更手段をさらに備えていることを特徴とする多焦点撮像装置。
5. 前記光路長変更手段が前記第１のビームスプリッタと第２のビームスプリッタとの間の複数の光路のうちの１つ以上の光路中に配設された光路長変更用光学素子であり、該光路長変更用光学素子の厚さの差異によって前記結像面までの光路長が互いに異なるようにしたことを特徴とする請求項４に記載の多焦点撮像装置。
6. 前記光路長変更手段が前記第１のビームスプリッタと第２のビームスプリッタとの間の複数の光路のうちの１つ以上の光路中に配設され光路を変更する複数個のミラーからなり、該複数個のミラーが調節可能であることを特徴とする請求項４に記載の多焦点撮像装置。
7. 前記画像分割装置により分割された複数の色成分画像をモニターするモニター手段をさらに備えていることを特徴とする請求項４〜６のいずれかに記載の多焦点撮像装置。
8. 前記画像分割装置により分割された複数の色成分画像を白黒変換する手段をさらに備え、複数の色成分画像を白黒画像としてモニターするようにしたことを特徴とする請求項７に記載の多焦点撮像装置。
9. 時間差をおいたＲ、Ｇ、Ｂのパルス発光を行う被撮像体の照明手段をさらに備え、前記撮像素子が前記照明手段のＲ、Ｇ、Ｂのパルス発光と同期して撮像を行う白黒撮像装置であって、前記照明手段のＲ、Ｇ、Ｂのパルス発光による照明に同期して撮像された画像を画像合成することによって、複数の焦点に合った白黒画像をモニターすることを特徴とする請求項４〜６のいずれかに記載の多焦点撮像装置。

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