JP2015104058A - 撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の光学特性に応じた高精度な物体の画像を得ることが可能な撮像装置を提供する。
【解決手段】撮像装置１が、物体ＯＢ１の中間像Ｉｍ１を結像させる結像光学系１０と、結像光学系１０からの光を略平行光にするコリメータ光学系２１と、コリメータ光学系２１により略平行光になった光を複数の光学フィルタで透過させる光学フィルタアレイ２５と、光学フィルタアレイ２５を通過した光を屈折させるレンズアレイ３０と、レンズアレイ３０により光学フィルタアレイ２５と共役関係になる平面上に配設され、レンズアレイ３０からの光を検出するイメージセンサ３５と、イメージセンサ３５から出力された検出信号に基づいて、各光学フィルタの光学特性に応じた物体ＯＢ１に関する情報を求める画像処理部４０とを備え、結像光学系１０の像面上に、結像光学系１０からの光をコリメータ光学系２１に向けて拡散させる光拡散素子１５が配設される。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の光学特性に応じた物体の画像を一回の撮像で取得可能な撮像装置に関する。

撮像装置の一つに、いわゆるマルチイメージングカメラがある（例えば、特許文献１を参照）。マルチイメージングカメラの一形態として、物体の中間像の後、または直接物体像の後に小レンズアレイを配置し、小レンズの数に対応した複数の物体像を撮像面上に形成するように構成されたものがある。各小レンズにはそれぞれ異なる分光フィルタが設置されており、複数の物体像それぞれが所定の波長成分によって形成される。これら所定の波長成分によって形成された複数の物体像をイメージセンサで撮像し、画像処理することによって、物体の二次元的な分光特性を一回の撮像で取得することが可能となる。

国際公開第２０１２／０６６７４１号パンフレット

このようなマルチイメージングカメラでは、物体が合焦位置からずれると視差が生じるため、物体の像が単純にぼけるだけでなく、色ずれも生じてしまう。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、複数の光学特性に応じた高精度な物体の画像を得ることが可能な撮像装置を提供することを目的とする。

このような目的達成のため、本発明を例示する態様に従えば、物体からの光を透過させて前記物体の中間像を結像させる結像光学系と、前記結像光学系からの光を略平行光にするコリメータ光学系と、光軸と垂直な平面に沿って二次元的に配列された複数の光学素子からなり、前記コリメータ光学系により略平行光になった光を前記複数の光学素子で通過させる光学素子アレイと、前記コリメータ光学系および前記光学素子アレイを通過した光を屈折させるレンズアレイと、前記レンズアレイにより前記光学素子アレイと共役を成す平面上、もしくは前記結像光学系の前記中間像と共役な平面上に配設され、前記レンズアレイからの光を検出するイメージセンサと、前記イメージセンサから出力された検出信号に基づいて、前記光学素子の光学特性に応じた前記物体に関する情報を求める画像処理部とを備え、前記結像光学系の像面上に、前記結像光学系からの光を前記コリメータ光学系に向けて拡散させる光拡散素子が配設されることを特徴とする撮像装置が提供される。

本発明によれば、複数の光学特性に応じた高精度な物体の画像を得ることができる。

第１実施形態に係る撮像装置の概要構成図である。 第１実施形態に係る光学フィルタアレイの拡大図である。 レンズアレイおよびイメージセンサの拡大図である。 ９個の光学フィルタにおける分光特性を示すグラフである。 結像光学系の像側がテレセントリックでない例を示す光路図である。 結像光学系の像側をテレセントリックにした例を示す光路図である。 第２実施形態に係る撮像装置の概要構成図である。 第２実施形態に係る光学フィルタアレイの拡大図である。 イメージセンサの検出面上における物体像を示す模式図である。 第３実施形態に係る撮像装置の概要構成図である。 拡散光の配光特性を示すグラフである。 顕微鏡の一部を示す概要構成図である。

以下、図面を参照して本発明の好ましい実施形態について説明する。第１実施形態に係る撮像装置（マルチイメージングカメラ）１が図１に示されている。第１実施形態の撮像装置１は、結像光学系１０と、光拡散素子１５と、検出部２０と、画像処理部４０とを備えて構成される。結像光学系１０は、結像レンズ１１と、絞り１２とを有し、物体ＯＢ１からの光を透過させて物体ＯＢ１の中間像Ｉｍ１（実像）を結像させる。結像レンズ１１は、図１において概略的に単レンズとして描かれているが、複数のレンズから構成されてもよい。絞り１２は、中央に開口１２ａを有する円板状に形成され、結像レンズ１１が単レンズの場合、結像レンズ１１の物体側近傍に配置される。結像レンズ１１が複数のレンズから構成されている場合、絞り１２を複数のレンズの間に配置してもよい。

結像光学系１０（結像レンズ１１）の像側に、光拡散素子１５が設けられる。光拡散素子１５は、例えば、光を拡散させることが可能な凸形状の複数の拡散用マイクロレンズ（図示せず）からなる拡散用レンズアレイ（図示せず）を用いて構成され、結像レンズ１１からの光を検出部２０に向けて拡散させる。光拡散素子１５は、光拡散素子１５に形成された拡散面１６が結像光学系１０の像面上に位置するように配設される。

光拡散素子１５の像側に、検出部２０が設けられる。検出部２０は、コリメータ光学系２１と、光学フィルタアレイ２５と、レンズアレイ３０と、イメージセンサ３５とを有して構成される。コリメータ光学系２１は、コリメータレンズ２２と、集光レンズ２３とを有している。コリメータレンズ２２は、結像光学系１０および光拡散素子１５と光学フィルタアレイ２５との間に設けられ、結像光学系１０および光拡散素子１５からの光を略平行光にすることができるようになっている。集光レンズ２３は、光学フィルタアレイ２５とレンズアレイ３０との間に設けられ、光学フィルタアレイ２５からの光を透過させて物体ＯＢ１の像（実像）を結像させることができるようになっている。コリメータレンズ２２および集光レンズ２３は、図１において概略的に単レンズとして描かれているが、複数のレンズから構成されてもよい。

光学フィルタアレイ２５は、光学フィルタアレイ２５の中心が光軸Ａｘ１上に位置するように、コリメータレンズ２２と集光レンズ２３との間に設けられる。光学フィルタアレイ２５は、例えば、図２に示すように、光軸Ａｘ１と垂直な平面に沿って二次元的に配列された第１光学フィルタ２６ａから第９光学フィルタ２６ｉまでの９個の光学フィルタと、これらを保持する保持部材（図示せず）とから構成される。第１光学フィルタ２６ａから第９光学フィルタ２６ｉは、図４に示すように、第１波長λ１から第９波長λ９までの９種類の波長をそれぞれ中心波長とするバンドパスフィルタである。

集光レンズ２３の像面上に、レンズアレイ３０が配設される。レンズアレイ３０は、図３に示すように、光軸Ａｘ１と垂直な平面に沿って二次元的に配列された、正の屈折力を有する数万〜数百万個のマイクロレンズ３１から構成される。

複数のマイクロレンズ３１により、光学フィルタアレイ２５と共役関係になる平面上に、イメージセンサ３５が配設される。イメージセンサ３５は、図３に示すように、数十万〜数千万個の撮像ピクセルが平面上に二次元的に配列された長方形の検出面３６を有している。イメージセンサ３５の検出面３６が複数のマイクロレンズ３１により光学フィルタアレイ２５と共役関係になる面上に配置され、複数のマイクロレンズ３１による複数の光学フィルタアレイ２５の像（実像）が検出面３６上に形成される。なお、単数もしくは複数の撮像ピクセル毎に、光学フィルタアレイ２５を構成する光学フィルタ２６ａ〜２６ｉの像（実像）がそれぞれ形成されるように、レンズアレイ３０とイメージセンサ３５との相対位置等が調整される。また、このようなイメージセンサ３５として例えば、ＣＣＤやＣＭＯＳ等が用いられる。

イメージセンサ３５は、検出面３６上に形成された複数の光学フィルタアレイ２５の像（すなわち、複数組の光学フィルタ２６ａ〜２６ｉの像）を検出し、検出信号を画像処理部４０へ出力する。画像処理部４０は、イメージセンサ３５から出力された検出信号に基づいて、第１光学フィルタ２６ａから第９光学フィルタ２６ｉの各波長特性に応じた物体ＯＢ１のマルチ波長バンド画像（すなわち、所定の波長範囲における物体の二次元的な分光特性情報）を生成する。

第１実施形態の撮像装置１において、離れた場所にある物体ＯＢ１からの光束Ｒ１は、結像光学系１０の結像レンズ１１を透過して光拡散素子１５の拡散面１６上で結像し、光拡散素子１５の拡散面１６に物体ＯＢ１の中間像Ｉｍ１（実像）が形成される。このとき、物体ＯＢ１からの光束Ｒ１は、絞り１２の開口１２ａによって広がり角が制限される。また、物体ＯＢ１の中間像Ｉｍ１が形成される光拡散素子１５の拡散面１６において、物体ＯＢ１からの光束Ｒ１が拡散して射出されるため、拡散面１６上に物体ＯＢ１が存在することと等価になる。これにより、光拡散素子１５の拡散面１６に形成された物体ＯＢ１の中間像Ｉｍ１を検出部２０で検出することができる。

拡散した拡散面１６からの光束Ｒ１´は、コリメータ光学系２１のコリメータレンズ２２を透過して、主光線が光軸Ａｘ１側に曲げられた略平行光束になる。コリメータレンズ２２により略平行光束になった拡散面１６からの光束Ｒ１´は、光学フィルタアレイ２５における第１光学フィルタ２６ａから第９光学フィルタ２６ｉのいずれかを透過する。光学フィルタアレイ２５を透過した拡散面１６からの光束Ｒ１´は、コリメータ光学系２１の集光レンズ２３を透過してレンズアレイ３０上に集光され、レンズアレイ３０における複数のマイクロレンズ３１のいずれかを透過してイメージセンサ３５の検出面３６に入射する。

前述したように、イメージセンサ３５の検出面３６は、複数のマイクロレンズ３１により光学フィルタアレイ２５と共役関係になる面上に配置されている。そのため、イメージセンサ３５の検出面３６には、複数のマイクロレンズ３１による複数の光学フィルタアレイ２５の像が結像される。また、イメージセンサ３５の各撮像ピクセルに対し、第１光学フィルタ２６ａから第９光学フィルタ２６ｉのうちいずれか一つからの光が入射するように、レンズアレイ３０とイメージセンサ３５との相対位置等が調整されている。そのため、イメージセンサ３５の各撮像ピクセル毎に、第１光学フィルタ２６ａから第９光学フィルタ２６ｉのうち、どれを透過した光の検出信号かを特定することができる。

イメージセンサ３５は、検出面３６上に形成された複数の光学フィルタアレイ２５の像（すなわち、複数組の光学フィルタ２６ａ〜２６ｉの像）を検出し、検出信号を画像処理部４０へ出力する。第１光学フィルタ２６ａから第９光学フィルタ２６ｉは、９種類の波長をそれぞれ中心波長とするバンドパスフィルタであるため、レンズアレイ３０に集光された光束を９種類の波長バンドに分光して検出することができる。これにより、１つのマイクロレンズ３１に対応する撮像ピクセル毎に、図４に示すような分光分布を得ることができる。

画像処理部４０は、イメージセンサ３５から出力された検出信号に基づいて、物体ＯＢ１のマルチ波長バンド画像を生成する。このとき、画像処理部４０は、第１光学フィルタ２６ａから第９光学フィルタ２６ｉにそれぞれ対応する撮像ピクセルの検出信号毎に、物体ＯＢ１の画像を生成する。このようにして、第１光学フィルタ２６ａから第９光学フィルタ２６ｉの各波長特性に応じた物体ＯＢ１のマルチ波長バンド画像が撮像取得される。なお、画像処理部４０により生成された物体ＯＢ１のマルチ波長バンド画像は、不図示の画像表示装置等を用いて観察される。

従来のマルチイメージングカメラでは、以下のような問題が生じる。第１に、物体（被写体）が合焦位置からずれると視差が生じるため、物体の像が単純にぼけるだけでなく、色ずれも生じてしまう。第２に、光学系の瞳のどの位置に光束が入射するかで、イメージセンサに到達する光束の波長が定まる。そのため、例えば、自動車のメタリック塗装やパール塗装のように指向性の高い反射光が生じる物体（被写体）においては、正確なマルチ波長バンド画像が得られないこともある。第３に、顕微鏡にマルチイメージングカメラを用いる場合、十分な大きさの瞳が得られないため、瞳の位置において光束を分割することができない。

ここで、第３の問題について詳細に説明する。図１２に、微小物体ＯＢ２を顕微鏡により拡大して観察する場合の様子を示す。図１２に示す顕微鏡においては、対物レンズ５０１によって微小物体ＯＢ２の拡大された実像Ｉ１が形成され、接眼レンズ５０２によって実像Ｉ１の拡大された虚像Ｉ２が形成される。このとき、対物レンズ５０１の開口数ＮＡは、空気の屈折率を１とすると、次式（１）で表される。

sinθ１＝ＮＡ …（１）

また、微小物体ＯＢ２に対する虚像Ｉ２の倍率をｒ倍とすると、次式（２）の関係が成立する。

sinθ２≒ＮＡ／ｒ …（２）

そのため、虚像Ｉ２からの光束が集まるアイポイント面Ｅにおいて、光束の直径ｄは近似的に次式（３）で表される。

ｄ≒２×Ｌ×sinθ２≒２×Ｌ×ＮＡ／ｒ …（３）

なお、距離Ｌは、虚像Ｉ２からアイポイント面Ｅまでの距離であり、通常２５０mm程である。ここで、顕微鏡の倍率ｒが高い場合を考える。例として、Ｌ＝２５０mm、ＮＡ＝０．９、ｒ＝１００と仮定する。そうすると、式（３）より、ｄ＝４．５mmとなる。式（３）から、顕微鏡の倍率ｒがさらに高倍率の場合には、光束の直径ｄがより小さくなることがわかる。そのため、瞳分割方式のマルチイメージングカメラでは、瞳を分割してそれぞれに異なる光学フィルタを配置するのが困難になる。

上述した第１の問題に対し、本実施形態によれば、結像光学系１０により物体ＯＢ１の中間像Ｉｍ１（実像）を光拡散素子１５上に形成して、その中間像Ｉｍ１を検出部２０で検出する。このとき、光拡散素子１５に入射した光束は、光拡散素子１５を透過した後に拡散するため、光拡散素子１５上に物体ＯＢ１があるのと等価となる。そのため、検出部２０の合焦位置を光拡散素子１５上に合わせておけば、デフォーカスによる色ずれが生じることはない。これにより、物体（被写体）が合焦位置からずれた場合に、物体の像が単純にぼけるだけで、色ずれが生じ難くなることから、高精度なマルチ波長バンド画像を得ることができる。

また、上述した第２の問題に対し、本実施形態によれば、指向性の高い光束が結像光学系１０に入射しても、その光束が光拡散素子１５で広く拡散されて、拡散後の光束は指向性が低くなる。そのため、指向性の高い反射光が生じる物体（被写体）に対しても、高精度なマルチ波長バンド画像を得ることができる。

また、上述した第３の問題に対し、本実施形態によれば、光拡散素子１５に細い光束が入射しても、光拡散素子１５により光束が拡大されるため、光学フィルタアレイ２５を用いて分光することが可能となる。そのため、物体（被写体）の拡大像を検出する場合でも、高精度なマルチ波長バンド画像を得ることができる。また、結像光学系として魚眼レンズのように光束が比較的細く絞られるレンズを用いる場合でも、高精度なマルチ波長バンド画像を得ることができる。

このように、第１実施形態によれば、結像光学系１０の像面上に光拡散素子１５が配設されるため、第１光学フィルタ２６ａから第９光学フィルタ２６ｉの各波長特性に応じた高精度な物体ＯＢ１のマルチ波長バンド画像を得ることができる。

また、光拡散素子１５は、複数の拡散用マイクロレンズからなる拡散用レンズアレイを用いて構成される。これにより、拡散面１６がきめ細かくなり、拡散面１６において均一な角度特性で光を拡散させることができるため、物体ＯＢ１の微細な部分を良好に観察可能なマルチ波長バンド画像を得ることができる。

上述の第１実施形態において、多層膜干渉フィルタを用いる場合等、光束の入射角度によって各光学フィルタ２６ａ〜２６ｉの光学特性が変化することがあるため、なるべく平行光束で、且つ、垂直に近い角度で、拡散面１６からの光束Ｒ１´が各光学フィルタ２６ａ〜２６ｉに入射することが望ましい。そのためには、光拡散素子１５の拡散面１６がコリメータレンズ２２の焦平面上にあり、さらに、拡散面１６からの光束Ｒ１´の主光線が光軸Ａｘ１と平行であるとよい。すなわち、結像光学系１０と光拡散素子１５とを含む光学系がテレセントリックとなるように構成されることが望ましい。

しかしながら、結像光学系１０がカメラレンズとして用いられる場合、図５に示すように、結像光学系１０の像側がテレセントリックでないことが多い。このような場合、図６に示すように、フィールドレンズ１８を光拡散素子１５の像側（もしくは物体側）近傍に配置して、テレセントリックとなるようにしてもよい。

次に、撮像装置の第２実施形態について、図７を参照しながら説明する。第２実施形態の撮像装置（マルチイメージングカメラ）５１は、結像光学系１０と、光拡散素子１５と、検出部７０と、画像処理部９０とを備えて構成される。なお、第２実施形態において、結像光学系１０および光拡散素子１５は、第１実施形態と同様の構成であるため、第１実施形態と同一の符号を付して詳細な説明を省略する。

第１実施形態と同様、結像光学系１０の像側に光拡散素子１５が設けられ、光拡散素子１５の像側に検出部７０が設けられる。検出部７０は、コリメータ光学系７１と、光学フィルタアレイ７５と、レンズアレイ８０と、イメージセンサ８５とを有して構成される。コリメータ光学系７１は、コリメータレンズ７２を有している。コリメータレンズ７２は、結像光学系１０および光拡散素子１５と光学フィルタアレイ７５との間に設けられ、結像光学系１０および光拡散素子１５からの光を略平行光にすることができるようになっている。コリメータレンズ７２は、図７において概略的に単レンズとして描かれているが、複数のレンズから構成されてもよい。

光学フィルタアレイ７５は、図８に示すように、光軸Ａｘ２と垂直な平面に沿って二次元的に配列された第１光学フィルタ７６ａから第９光学フィルタ７６ｉまでの９個の光学フィルタと、これらを保持する保持部材（図示せず）とから構成される。第１光学フィルタ７６ａから第９光学フィルタ７６ｉは、第１実施形態と同様、第１波長λ１から第９波長λ９までの９種類の波長をそれぞれ中心波長とするバンドパスフィルタである。

光学フィルタアレイ７５の像側に、レンズアレイ８０が設けられる。レンズアレイ８０は、図８に示すように、光軸Ａｘ２と垂直な平面に沿って二次元的に配列された、正の屈折力を有する第１小レンズ８１ａから第９小レンズ８１ｉまでの９個の小レンズから構成される。第１小レンズ８１ａから第９小レンズ８１ｉは、第１光学フィルタ７６ａから第９光学フィルタ７６ｉと同等の大きさを有し、それぞれの無限遠物体に対する焦平面が光軸Ａｘ２と垂直な同一平面上にできるように、光軸方向について位置合わせされる。

第１小レンズ８１ａは第１光学フィルタ７６ａに、第２小レンズ８１ｂは第２光学フィルタ７６ｂに、第３小レンズ８１ｃは第３光学フィルタ７６ｃに、第４小レンズ８１ｄは第４光学フィルタ７６ｄに、第５小レンズ８１ｅは第５光学フィルタ７６ｅに、第６小レンズ８１ｆは第６光学フィルタ７６ｆに、第７小レンズ８１ｇは第７光学フィルタ７６ｇに、第８小レンズ８１ｈは第８光学フィルタ７６ｈに、第９小レンズ８１ｉは第９光学フィルタ７６ｉにそれぞれ位置対応している。そして、第１小レンズ８１ａから第９小レンズ８１ｉは、第１光学フィルタ７６ａから第９光学フィルタ７６ｉをそれぞれ通過した光束を受け、それぞれ独立に物体ＯＢ１の像を形成する。

結像光学系１０の像面（中間像Ｉｍ１）と共役な複数の小レンズ８１ａ〜８１ｉの焦平面上に、イメージセンサ８５が配設される。イメージセンサ８５は、図９に示すように、数十万〜数千万個の撮像ピクセルが平面上に二次元的に配列された長方形の検出面８６を有している。イメージセンサ８５の検出面８６が複数の小レンズ８１ａ〜８１ｉの焦平面上に配置され、第１小レンズ８１ａから第９小レンズ８１ｉによる９個の物体像Ｉａ〜Ｉｉ（物体ＯＢ１の像）が検出面８６上に並んで形成される。なお、このようなイメージセンサ８５として例えば、ＣＣＤやＣＭＯＳ等が用いられる。

イメージセンサ８５は、検出面８６上に形成された９個の物体像Ｉａ〜Ｉｉを検出し、検出信号を画像処理部９０へ出力する。画像処理部９０は、イメージセンサ８５から出力された検出信号に基づいて、第１光学フィルタ７６ａから第９光学フィルタ７６ｉの各波長特性に応じた物体ＯＢ１のマルチ波長バンド画像を生成する。

第２実施形態の撮像装置５１において、離れた場所にある物体ＯＢ１からの光束Ｒ２は、結像光学系１０の結像レンズ１１を透過して光拡散素子１５の拡散面１６上で結像し、光拡散素子１５の拡散面１６に物体ＯＢ１の中間像Ｉｍ１（実像）が形成される。このとき、物体ＯＢ１からの光束Ｒ２は、絞り１２の開口１２ａによって広がり角が制限される。また、物体ＯＢ１の中間像Ｉｍ１が形成される光拡散素子１５の拡散面１６において、物体ＯＢ１からの光束Ｒ２が拡散して射出されるため、拡散面１６上に物体ＯＢ１が存在することと等価になる。これにより、光拡散素子１５の拡散面１６に形成された物体ＯＢ１の中間像Ｉｍ１を検出部７０で検出することができる。

拡散した拡散面１６からの光束Ｒ２´は、コリメータ光学系７１のコリメータレンズ７２を透過して、主光線が光軸Ａｘ２側に曲げられた略平行光束になる。コリメータレンズ７２により略平行光束になった拡散面１６からの光束Ｒ２´は、光学フィルタアレイ７５における第１光学フィルタ７６ａから第９光学フィルタ７６ｉのいずれかを透過し、レンズアレイ８０に達する。レンズアレイ８０の第１小レンズ８１ａから第９小レンズ８１ｉは、第１光学フィルタ７６ａから第９光学フィルタ７６ｉをそれぞれ通過した光束を受け、それぞれ独立に物体ＯＢ１の像を形成する。

前述したように、イメージセンサ８５の検出面８６は、結像光学系１０の像面（中間像Ｉｍ１）と共役な複数の小レンズ８１ａ〜８１ｉの焦平面上に配置されている。そのため、イメージセンサ８５の検出面８６には、第１小レンズ８１ａから第９小レンズ８１ｉによる９個の物体像Ｉａ〜Ｉｉが結像される。検出面８６上に形成された９個の９個の物体像Ｉａ〜Ｉｉは、それぞれ第１光学フィルタ７６ａから第９光学フィルタ７６ｉのうち対応する分光特性をもって形成される。イメージセンサ８５は、検出面８６上に形成された９個の物体像Ｉａ〜Ｉｉを検出し、検出信号を画像処理部９０へ出力する。

画像処理部９０は、イメージセンサ８５から出力された、各光学フィルタ７６ａ〜７６ｉの波長特性に応じた物体像Ｉａ〜Ｉｉの画像信号に基づいて、物体ＯＢ１のマルチ波長バンド画像を生成する。このようにして、第１光学フィルタ７６ａから第９光学フィルタ７６ｉの各波長特性に応じた物体ＯＢ１のマルチ波長バンド画像が撮像取得される。なお、画像処理部９０により生成された物体ＯＢ１のマルチ波長バンド画像は、不図示の画像表示装置等を用いて観察される。

このように、第２実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。なお、拡散面１６からの光束Ｒ２´がコリメータレンズ７２により平行光束になることで、各小レンズ８１ａ〜８１ｉに入射する主光線が互いに平行となる。そのため、物体ＯＢ１に対して合焦した状態では、イメージセンサ８５の検出面８６に、波長は異なるが、大きさと形状が同一の９個の物体像Ｉａ〜Ｉｉ（実像）が形成される。

上述の第２実施形態において、多層膜干渉フィルタを用いる場合等、光束の入射角度によって各光学フィルタ７６ａ〜７６ｉの光学特性が変化することがあるため、なるべく平行光束で、且つ、垂直に近い角度で、拡散面１６からの光束Ｒ２´が各光学フィルタ７６ａ〜７６ｉに入射することが望ましい。そのためには、光拡散素子１５の拡散面１６がコリメータレンズ７２の焦平面上にあり、さらに、拡散面１６からの光束Ｒ２´の主光線が光軸Ａｘ２と平行であるとよい。すなわち、結像光学系１０と光拡散素子１５とを含む光学系がテレセントリックとなるように構成されることが望ましい。

しかしながら、結像光学系１０がカメラレンズとして用いられる場合、第１実施形態で述べたように、結像光学系１０の像側がテレセントリックでないことが多い。このような場合、第１実施形態と同様、フィールドレンズ１８を光拡散素子１５の像側（もしくは物体側）近傍に配置して、テレセントリックとなるようにしてもよい。

また、上述の第１および第２実施形態において、結像光学系１０の一部を合焦レンズ群としてもよい。また、結像光学系１０は、焦点距離が固定の単焦点レンズであってもよく、焦点距離が可変のズームレンズであってもよい。

次に、撮像装置の第３実施形態について、図１０を参照しながら説明する。第３実施形態の撮像装置（マルチイメージングカメラ）１０１は、結像光学系１１０と、光拡散素子１５と、検出部２０と、画像処理部４０とを備えて構成される。なお、第３実施形態において、光拡散素子１５、検出部２０、および画像処理部４０は、第１実施形態と同様の構成であるため、第１実施形態と同一の符号を付して詳細な説明を省略する。

結像光学系１１０は、対物レンズ１１１と、レンズ１１２と、結像レンズ１１３と、絞り１１４とを有している。結像光学系１１０は、顕微鏡として用いられる光学系であり、微小物体ＯＢ２からの光を透過させて微小物体ＯＢ２の拡大された中間像Ｉｍ２（実像）を結像させる。対物レンズ１１１、レンズ１１２、および結像レンズ１１３は、図１０において概略的に単レンズとして描かれているが、複数のレンズから構成されてもよい。

対物レンズ１１１は、微小物体ＯＢ２からの光を透過させて微小物体ＯＢ２の拡大された実像Ｉ１を結像させる。レンズ１１２は、対物レンズ１１１からの光を透過させて結像レンズ１１３に導く。結像レンズ１１３は、レンズ１１２からの光を透過させて微小物体ＯＢ２の中間像Ｉｍ２を結像させる。絞り１１４は、中央に開口１１４ａを有する円板状に形成され、結像レンズ１１３の物体側近傍に配置される。

なお、結像光学系１１０の対物レンズ１１１を顕微鏡の対物レンズ５０１（図１２を参照）とし、結像光学系１１０のレンズ１１２を顕微鏡の接眼レンズ５０２（図１２を参照）とし、結像光学系１１０の絞り１１４の位置を顕微鏡のアイポイント面Ｅ（図１２を参照）として考える。そうすると、結像レンズ１１３を介して前述の虚像Ｉ２を観察するのと等価になる。

また、第１実施形態と同様、結像光学系１１０（結像レンズ１１３）の像側に光拡散素子１５が設けられ、光拡散素子１５の像側に検出部２０が設けられる。

第３実施形態の撮像装置１０１において、微小物体ＯＢ２からの光束Ｒ３は、結像光学系１１０の対物レンズ１１１、レンズ１１２、および結像レンズ１１３を透過して光拡散素子１５の拡散面１６上で結像し、光拡散素子１５の拡散面１６に微小物体ＯＢ２の中間像Ｉｍ２（実像）が形成される。このとき、微小物体ＯＢ２からの光束Ｒ３は、絞り１１４の開口１１４ａによって広がり角が制限される。また、微小物体ＯＢ２の中間像Ｉｍ２が形成される光拡散素子１５の拡散面１６において、微小物体ＯＢ２からの光束Ｒ３が拡散して射出されるため、拡散面１６上に微小物体ＯＢ２が存在することと等価になる。これにより、第１実施形態と同様、光拡散素子１５の拡散面１６に形成された微小物体ＯＢ２の中間像Ｉｍ２を検出部２０で検出することができる。

拡散した拡散面１６からの光束Ｒ３´は、コリメータ光学系２１のコリメータレンズ２２を透過して、主光線が光軸Ａｘ３側に曲げられた略平行光束になる。コリメータレンズ２２により略平行光束になった拡散面１６からの光束Ｒ３´は、光学フィルタアレイ２５における第１光学フィルタ２６ａから第９光学フィルタ２６ｉのいずれかを透過する。光学フィルタアレイ２５を透過した拡散面１６からの光束Ｒ３´は、コリメータ光学系２１の集光レンズ２３を透過してレンズアレイ３０上に集光され、レンズアレイ３０における複数のマイクロレンズ３１のいずれかを透過してイメージセンサ３５の検出面３６に入射する。

第１実施形態と同様に、イメージセンサ３５の検出面３６には、複数のマイクロレンズ３１による複数の光学フィルタアレイ２５の像が結像される。イメージセンサ３５は、検出面３６上に形成された複数の光学フィルタアレイ２５の像（すなわち、複数組の光学フィルタ２６ａ〜２６ｉの像）を検出し、検出信号を画像処理部４０へ出力する。画像処理部４０は、第１実施形態と同様に、イメージセンサ３５から出力された検出信号に基づいて、物体ＯＢ１のマルチ波長バンド画像を生成する。このようにして、第１光学フィルタ２６ａから第９光学フィルタ２６ｉの各波長特性に応じた微小物体ＯＢ２のマルチ波長バンド画像が撮像取得される。なお、画像処理部４０により生成された微小物体ＯＢ２のマルチ波長バンド画像は、不図示の画像表示装置等を用いて観察される。

このように、第３実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。特に、微小物体ＯＢ２の拡大像を検出する場合でも、高精度なマルチ波長バンド画像を得ることができる。

上述の第３実施形態において、第１実施形態と同様、結像光学系１１０と光拡散素子１５とを含む光学系がテレセントリックとなるように構成されることが望ましい。しかしながら、結像光学系１１０がテレセントリックでない場合、第１実施形態および第２実施形態と同様、フィールドレンズ１８を光拡散素子１５の像側（もしくは物体側）近傍に配置して、テレセントリックとなるようにしてもよい。

上述の第３実施形態において、第１実施形態と同様な構成の検出部２０および画像処理部４０に代えて、第２実施形態と同様な構成の検出部７０および画像処理部９０を用いることも可能である。

また、上述の第１〜第３実施形態において、光拡散素子１５で拡散する光の配光特性は、図１１に示すように、中央部で明るく、周辺部で暗くなりやすい。このような場合、光学フィルタアレイ２５，７５の９つの光学フィルタの光学特性を同じにしても、イメージセンサ３５，８５に対する９つの結像光束の入射光量が互いに異なることになる。そこで、画像処理部４０，９０がマルチ波長バンド画像を生成する際、光拡散素子１５で拡散する光の配光特性に応じた画像補正を行うようにしてもよい。

また、上述の第１〜第３実施形態において、光学フィルタアレイ２５，７５の光学フィルタとして、バンドパスフィルタを用いているが、透過波長帯域として、紫外域や、可視域、赤外域など、所望の波長帯域に設定することができる。

また、上述の第１〜第３実施形態において、光学フィルタアレイ２５，７５の光学フィルタとして、バンドパスフィルタを用いているが、これに限られるものではない。光学フィルタアレイの光学フィルタとして、例えば、任意の分光透過率を有するフィルタや、偏光フィルタ、波長板、ＮＤフィルタ、およびこれらの組み合わせ等、各種光学フィルタを用いることが可能である。また、光学フィルタアレイの光学フィルタは、９つに限らず、複数設けられていればよい。

また、上述の第１〜第３実施形態において、光拡散素子１５は、光を拡散させることが可能な凸形状の複数の拡散用マイクロレンズからなる拡散用レンズアレイを用いて構成されているが、これに限られるものではない。例えば、拡散用マイクロレンズが凹形状であってもよい。また例えば、光拡散素子が、光を拡散させることが可能な拡散板を用いて構成されてもよい。

１ 撮像装置（第１実施形態）
１０ 結像光学系
１５ 光拡散素子 ２０ 検出部
２１ コリメータ光学系
２２ コリメータレンズ ２３ 集光レンズ
２５ 光学フィルタアレイ
２６ａ 第１光学フィルタ ２６ｂ 第２光学フィルタ
２６ｃ 第３光学フィルタ ２６ｄ 第４光学フィルタ
２６ｅ 第５光学フィルタ ２６ｆ 第６光学フィルタ
２６ｇ 第７光学フィルタ ２６ｈ 第８光学フィルタ
２６ｉ 第９光学フィルタ
３０ レンズアレイ ３１ マイクロレンズ
３５ イメージセンサ ３６ 検出面
４０ 画像処理部
５１ 撮像装置（第２実施形態）
７０ 検出部
７１ コリメータ光学系 ７２ コリメータレンズ
７５ 光学フィルタアレイ
７６ａ 第１光学フィルタ ７６ｂ 第２光学フィルタ
７６ｃ 第３光学フィルタ ７６ｄ 第４光学フィルタ
７６ｅ 第５光学フィルタ ７６ｆ 第６光学フィルタ
７６ｇ 第７光学フィルタ ７６ｈ 第８光学フィルタ
７６ｉ 第９光学フィルタ
８０ レンズアレイ
８１ａ 第１小レンズ ８１ｂ 第２小レンズ
８１ｃ 第３小レンズ ８１ｄ 第４小レンズ
８１ｅ 第５小レンズ ８１ｆ 第６小レンズ
８１ｇ 第７小レンズ ８１ｈ 第８小レンズ
８１ｉ 第９小レンズ
８５ イメージセンサ ８６ 検出面
９０ 画像処理部
１０１ 撮像装置（第３実施形態）
１１０ 結像光学系

Claims (6)

1. 物体からの光を透過させて前記物体の中間像を結像させる結像光学系と、
   前記結像光学系からの光を略平行光にするコリメータ光学系と、
   光軸と垂直な平面に沿って二次元的に配列された複数の光学素子からなり、前記コリメータ光学系により略平行光になった光を前記複数の光学素子で通過させる光学素子アレイと、
   前記コリメータ光学系および前記光学素子アレイを通過した光を屈折させるレンズアレイと、
   前記レンズアレイにより前記光学素子アレイと共役を成す平面上、もしくは前記結像光学系の前記中間像と共役な平面上に配設され、前記レンズアレイからの光を検出するイメージセンサと、
   前記イメージセンサから出力された検出信号に基づいて、前記光学素子の光学特性に応じた前記物体に関する情報を求める画像処理部とを備え、
   前記結像光学系の像面上に、前記結像光学系からの光を前記コリメータ光学系に向けて拡散させる光拡散素子が配設されることを特徴とする撮像装置。
2. 前記コリメータ光学系は、前記結像光学系と前記光学素子アレイとの間に設けられ、前記結像光学系からの光を略平行光にするコリメータレンズと、前記光学素子アレイと前記レンズアレイとの間に設けられ、前記光学素子アレイからの光を透過させて前記物体の像を結像させる集光レンズとを有し、
   前記レンズアレイは、光軸と垂直な平面に沿って二次元的に配列された正の屈折力を有する複数のマイクロレンズからなり、前記集光レンズの像面上に配設されて、前記集光レンズからの光を前記複数のマイクロレンズで透過させ、
   前記イメージセンサは、前記レンズアレイにより前記光学素子アレイと共役を成す平面上に配設され、前記複数のマイクロレンズにより結像した前記複数の前記光学素子アレイの像を検出することを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
3. 前記レンズアレイは、光軸と垂直な平面に沿って二次元的に配列された正の屈折力を有する前記複数の小レンズからなり、前記光学素子アレイにおける前記複数の光学素子からの光をそれぞれ前記複数の小レンズで透過させ、
   前記イメージセンサは、前記結像光学系の像面と共役な前記複数の小レンズの焦平面上に配設され、前記複数の小レンズにより結像した前記複数の前記物体の像を検出することを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
4. 前記結像光学系は、前記中間像として前記物体の拡大像を結像させることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の撮像装置。
5. 前記結像光学系と前記光拡散素子とを含む光学系がテレセントリックとなるように構成されることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の撮像装置。
6. 前記光拡散素子は、光軸と垂直な平面に沿って二次元的に配列された複数の拡散用マイクロレンズからなる拡散用レンズアレイを用いて構成されることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の撮像装置。