JP2016036024A - 撮像装置および分析装置 - Google Patents

Abstract

【課題】被写体の特性をより精度良く分析可能な撮像装置および分析装置を提供する。【解決手段】レンズＬ１、絞りＳ、第１から第ｎの分割光学素子（ｎは５以上の整数）を含む光学素子Ｆを含み第１から第ｎの光学領域を有するレンズ光学系と、第１から第ｎの複数の画素を含む撮像素子Ｎと、第１から第ｎの光学領域を透過した光を第１から第ｎの複数の画素にそれぞれ入射させるマイクロレンズアレイＫとを備える。レンズ光学系、撮像素子、およびマイクロレンズアレイを用い所定の照明条件下で所定の被写体を撮影したときに第１から第ｎの複数の画素から得られる画像の平均輝度をそれぞれｓ1、・・・、ｓnとした場合、ｓ1、・・・、ｓnのうち少なくとも３つは互いに異なる値であり、１≦ｉ≦ｎ−１なるすべてのｉに対してｓi≧ｓi+1の関係を満たし、第１の光学領域と第ｎの光学領域とは光軸に対し互いに点対称以外の位置にある。【選択図】図１

Description

本願はカメラ等の撮像装置、およびカメラ等を用いた分析装置に関する。

光学的特性（例えば波長、偏光、露出）の異なる複数の画像を、単一の撮像系で一度に撮影する装置が提案されている。特許文献１は、このような撮像装置の一形態を開示している。この装置では、レンズ光学系の絞り付近に分割された領域を設け、各領域にそれぞれ異なる光学的特性を有する素子を配置している。レンズ光学系と撮像素子との間には、マイクロレンズアレイが配置され、絞り付近の異なる素子を透過した光が撮像素子上の異なる画素に入射する。

特許第５００１４７１号明細書

上述した従来の技術を用いて、被写体の特性をより精度良く分析可能な撮像装置および分析装置が求められていた。

本願の、限定的ではない例示的なある実施の形態は、被写体の特性をより精度良く分析可能な撮像装置および分析装置を提供する。

本願の一態様である撮像装置は、
レンズ、
絞り、および
第１から第ｎの分割光学素子（ｎは５以上の整数）を含み、かつ第１から第ｎの光学領域を有する光学素子を含むレンズ光学系と、
前記第１から第ｎの光学領域を透過した光が入射し、第１から第ｎの複数の画素を含む撮像素子と、
前記レンズ光学系と前記撮像素子との間に配置され、前記第１から第ｎの光学領域を透過した前記光を前記第１から第ｎの複数の画素にそれぞれ入射させるマイクロレンズアレイとを備え、
前記第１から第ｎの光学領域は、前記第１から第ｎの分割光学素子のそれぞれに規定され、
前記第１から第ｎの光学領域は、前記光軸と垂直な面内において前記光軸に対して点対称に位置しており、
前記レンズ光学系、前記撮像素子、および前記マイクロレンズアレイを用いて、所定の照明条件下で所定の被写体を撮影したときに前記第１から第ｎの複数の画素から得られる画像の平均輝度をそれぞれｓ₁、ｓ₂、・・・、ｓ_nとした場合、
ｓ₁、ｓ₂、・・・、ｓ_nのうち少なくとも３つは互いに異なる値であり、かつ
１≦ｉ≦ｎ−１なるすべてのｉに対して、ｓ_i≧ｓ_i+1の関係を満たし、
前記第１の光学領域と前記第ｎの光学領域とは、前記光軸に対して互いに点対称以外の位置にある。

本願に開示された撮像装置によれば、光学的特性の異なる複数の画像をより正確に取得することができる。また、被写体の特性についてより正確な分析値を得ることができる。

第１の実施形態にかかる撮像装置の構成を示す模式図である。 （ａ）は本開示の第１の実施形態における領域の正面図、（ｂ）は光学素子の正面図である。 第１の実施形態におけるマイクロレンズアレイおよび撮像素子の拡大図である。 第１の実施形態におけるマイクロレンズアレイおよび撮像素子の断面拡大図である。 第１の実施形態において、分割光学素子の配置を決定する方法を説明するフローチャートである。 第１の実施形態において、分割光学素子の配置を決定する前の、各光学素子の配置を示す図である。 第１の実施形態における分割光学素子の配置を示す図である。 比較例である従来の分割光学素子の配置を示す図である。 第２の実施形態における領域の正面図である。 第２の実施形態において、分割光学素子の配置を決定する方法を説明するフローチャートである。 第２の実施形態において、分割光学素子の配置を決定する前の、各光学素子の配置を示す図である。 （ａ）〜（ｃ）は、別の実施形態における分割光学素子の配置を示す図である。 （ａ）〜（ｂ）は、別の実施形態における分割光学素子の配置を示す図である。 従来の撮像装置の構成と光線を示す図である。 従来の撮像装置における、光学素子上の光線の透過位置を示す図である。 従来の撮像装置における、撮像素子上の光線の入射位置を示す図である。 （ａ）は従来の撮像装置による撮影画像、（ｂ）は従来の撮像装置における各バンドパスフィルタの透過波長帯域に対する正規の画像を示す図である。

（本開示の一態様に至った経緯）
本願発明者が特許文献１に開示された従来の撮像装置を詳細に検討した結果、第１の波長帯域の画像に第２の波長帯域のゴースト像が混入し、第２の波長帯域の画像に第１の波長帯域のゴースト像が混入するという課題を見いだした。領域の数（すなわちバンドパスフィルタの種類）を２より多くした場合でも、ゴースト像の混入は発生していた。

また、光学的特性の異なる互いの画像が混入しているため、これらの画像を用いて被写体の特性を分析しても、分析値の精度が不足する課題があることがわかった。このような課題に鑑みゴースト像が混入する原因を究明した結果、本願発明者は、ゴースト像の影響を抑制して被写体の正確な分析値を取得することが可能な新規な撮像装置を想到した。本開示の一態様の概要は以下の通りである。

本開示の一態様である撮像装置は、レンズ、絞り、および第１から第ｎの分割光学素子（ｎは５以上の整数）を含み、かつ第１から第ｎの光学領域を有する光学素子を含むレンズ光学系と、前記第１から第ｎの光学領域を透過した光が入射し、第１から第ｎの複数の画素を含む撮像素子と、前記レンズ光学系と前記撮像素子との間に配置され、前記第１から第ｎの光学領域を透過した前記光を前記第１から第ｎの複数の画素にそれぞれ入射させるマイクロレンズアレイとを備え、前記第１から第ｎの光学領域は、前記第１から第ｎの分割光学素子のそれぞれに規定され、前記第１から第ｎの光学領域は、前記光軸と垂直な面内において前記光軸に対して点対称に位置しており、前記レンズ光学系、前記撮像素子、および前記マイクロレンズアレイを用いて、所定の照明条件下で所定の被写体を撮影したときに前記第１から第ｎの複数の画素から得られる画像の平均輝度をそれぞれｓ₁、ｓ₂、・・・、ｓ_nとした場合、ｓ₁、ｓ₂、・・・、ｓ_nのうち少なくとも３つは互いに異なる値であり、かつ１≦ｉ≦ｎ−１なるすべてのｉに対して、ｓ_i≧ｓ_i+1の関係を満たし、前記第１の光学領域と前記第ｎの光学領域とは、前記光軸に対して互いに点対称以外の位置にある。

本開示において、前記第１から第ｎの光学領域を光学領域ＡＦ₁、ＡＦ₂、・・・、ＡＦ_nとし、前記第１から第ｎの複数の画素を、複数の画素ｆ₁、複数の画素ｆ２、・・・、複数の画素ｆ_nとする。前記第１から第ｎの光学領域は、前記絞りによって前記第１から第ｎの分割光学素子のそれぞれに規定されてもよい。

本開示の他の一態様である撮像装置は、レンズ、絞り、および第１から第ｎの分割光学素子（ｎは５以上の整数）を含み、かつ第１から第ｎの光学領域を有する光学素子を含むレンズ光学系と、前記第１から第ｎの光学領域を透過した光が入射し、第１から第ｎの複数の画素を含む撮像素子と、前記レンズ光学系と前記撮像素子との間に配置され、前記第１から第ｎの光学領域を透過した前記光を前記第１から第ｎの複数の画素にそれぞれ入射させるマイクロレンズアレイとを備え、前記第１から第ｎの光学領域は、前記第１から第ｎの分割光学素子のそれぞれに規定され、前記第１から第ｎの光学領域は、前記光軸と垂直な面内において前記光軸に対して点対称に位置しており、前記第１から第ｎの光学領域の面積をそれぞれＤ₁、Ｄ₂、・・・、Ｄ_nとし、所定の照明条件下における、前記第１から第ｎの光学領域の透過率を、それぞれＴ₁、Ｔ₂、・・・、Ｔ_nとし、前記第１から第ｎの光学領域を透過した光がそれぞれ前記第１から第ｎの複数の画素に入射したときの、各画素における感度を、それぞれＲ₁、Ｒ₂、・・・、Ｒ_nとし、Ｂ_m＝Ｄ_m×Ｔ_m×Ｒ_m（ｍ＝１〜ｎ）とすると、Ｂ₁、Ｂ₂、・・・、Ｂ_nのうち少なくとも３つは互いに異なる値であり、かつ１≦ｉ≦ｎ−１なるすべてのｉに対して、Ｂ_i≧Ｂ_i+1の関係を満たし、前記第１の光学領域と前記領域第ｎのとは、前記光軸に対して互いに点対称以外の位置にある。

本開示の一態様である撮像装置において、前記第１から第ｎの光学領域の面積のうち少なくとも２つの面積は互いに異なっていてもよい。

本開示の他の一態様である撮像装置において、前記第１から第ｎの光学領域の面積のうち少なくとも２つの面積は互いに異なっていてもよい。

本願の一態様である撮像装置において、前記第１から第ｎの光学領域を透過した光が前記第１から第ｎの複数の画素に入射したときの、各画素における感度のうち少なくとも２つは互いに異なっていてもよい。

本願の他の一態様である撮像装置において、Ｒ₁、Ｒ₂、・・・、Ｒ_nのうち少なくとも２つは互いに異なっていてもよい。

前記所定の被写体は、白色標準板であってもよい。

前記第ｎ−１の光学領域と前記第ｎの光学領域とは、前記光軸に対して、互いに点対称の位置にあってもよい。

前記第１の光学領域と前記第２の光学領域とは、前記光軸に対して、互いに点対称の位置にあってもよい。

前記第１の光学領域と前記第ｎの光学領域とは、互いに隣接しない位置にあってもよい。

前記所定の照明条件は、ハロゲンランプを照射した条件であってもよい。

前記第１から第ｎの分割光学素子のうちすくなくとも１つはバンドパスフィルタであってもよい。

前記バンドパスフィルタの透過波長帯域の中心は７００ｎｍ以上かつ１１００ｎｍ以下であってもよい。

前記第１から第ｎの分割光学素子のうち少なくとも１つは偏光フィルタであってもよい。

前記第１から第ｎの分割光学素子のうち少なくとも１つは、ＮＤフィルタであってもよい。

本願の一態様である分析装置は、上記いずれかに記載の撮像装置と、前記第１から第ｎの複数の画素から得られる画像に基づいて、前記被写体の分析値を得る算出部とを備える。

本願発明者が想到した新規の撮像装置は、ゴースト像が発生する原因を究明した結果に基づく。図１４〜図１７を参照しながら、その原因を以下に述べる。

図１４は、従来の撮像装置における光線の一例を示している。特許文献１に開示された装置によれば、波長λ₁の光線Ｒλ₁はバンドパスフィルタＦλ₁（波長λ₁を透過波長とする）上の点Ｘを透過してレンズＬ₁で集束させられ、マイクロレンズアレイＫを経て撮像素子Ｎ上の点Ｙに至り、バンドパスフィルタＦλ₁に対応する画素に入射する。

ここで、光線Ｒλ₁の一部は、撮像素子Ｎの表面で反射される。この光線はマイクロレンズアレイＫとレンズＬ₁を経て、バンドパスフィルタＦλ₂上の点Ｘ’に至る。バンドパスフィルタＦλ₂の透過波長帯域が波長λ₁を含まない場合、光線Ｒλ₁の一部はバンドパスフィルタＦλ₂の表面で反射されて、レンズＬ₁で集束させられ、マイクロレンズアレイＫを経て撮像素子Ｎ上の点Ｙ’に至り、バンドパスフィルタＦλ₂に対応する画素に入射する。その結果、第２の波長帯域の画像に第１の波長帯域のゴースト像が混入する。

逆に、波長λ₂の光線がバンドパスフィルタＦλ₂（波長λ₂を透過波長とする）に入射するときには、第１の波長帯域の画像には第２の波長帯域のゴースト像が混入する。

図１５はバンドパスフィルタＦλ₁およびＦλ₂を正面から見たときに、光線Ｒλ₁の透過位置を示す図である。図１５に示すように、点ＸとＸ’は光軸Ｖ₀に対して点対称に位置する。このことから、光軸Ｖ₀に対して点対称に位置する光学素子（すなわちバンドパスフィルタ）は、互いにゴースト像の発生に寄与することがわかる。

図１６は撮像素子Ｎを正面から見たときに、光線Ｒλ₁の入射位置を示す図である。図１６に示すように、点ＹとＹ’は光軸Ｖ₀に対して点対称に位置する。このことから、撮像素子Ｎの中心と光軸Ｖ₀が一致する場合には、ゴースト像は画像中心に対して点対称の像として発生することがわかる。

図１７（ａ）は従来の撮像装置で得られる画像の例であり、図１７（ｂ）は従来の撮像装置における各バンドパスフィルタの透過波長帯域に対する正規の画像の図である。撮像素子表面で反射する光線がなければ、図１７（ｂ）に示すように各透過波長帯域に対する正規像だけを撮影することができる。しかし実際には図１７（ａ）に示すように、撮像素子表面の反射および、光軸に対して点対称の位置にある光学素子の反射によって、画像にゴースト像が含まれてしまう課題が存在していた。

本開示の撮像装置は、上記従来の撮像装置の課題を解決し、ゴースト像の影響を抑制して、被写体の正確な分析値を取得できるようにする。

以下、図面を参照しながら、撮像装置の実施形態を具体的に説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本開示の撮像装置の第１の実施形態の構成を示す図である。本実施形態の撮像装置は、Ｖ₀を光軸とするレンズ光学系Ｌと、レンズ光学系Ｌの焦点位置近傍に配置されたマイクロレンズアレイＫと、撮像素子Ｎとを備える。

本実施形態ではレンズ光学系Ｌは、絞りＳと、絞りＳを透過した光を撮像素子Ｎ上に結像する対物レンズＬ₁とを含む。領域Ａは絞りＳの近傍で、光軸Ｖ₀に垂直な面内に配置する。また領域Ａの大きさは絞りＳと同等であり、形状は例えば円形である。

また、レンズ光学系Ｌは領域Ａに位置する光学素子Ｆを含む。

図２（ａ）は領域Ａの正面図である。図２に示すように、領域Ａは領域Ａ₁から領域Ａ₆までの６つに分割されている。Ａ₁〜Ａ₆の領域は、光軸Ｖ₀に対して点対称に配置されている。

図２（ｂ）は光学素子Ｆの正面図である。光学素子ＦはＡ₁〜Ａ₆の各領域に対応した形状で分割されている。つまり、光学素子Ｆは６つの分割光学素子を含む。６つの分割光学素子のうち、少なくとも３つは互いに異なる光学特性を有する。各分割光学素子内では、光学特性はそれぞれほぼ均一である。図１および図２（ｂ）に示すように、光学素子Ｆのサイズは領域Ａよりも大きくてもよい（すなわち、光学素子Ｆの一部が絞りＳに隠れる）。

本実施形態では、光学素子Ｆは、領域Ａ₁〜Ａ₆において、互いに異なる透過波長帯域特性を備える。より具体的には、領域Ａ₁〜Ａ₆に位置する分割光学素子は、すべて透過波長帯域が異なるバンドパスフィルタである。分割光学素子は、偏光フィルタであっても良く、ＮＤ（Ｎｅｕｔｒａｌ Ｄｅｎｓｉｔｙ）フィルタであってもよい。つまり、光学特性が異なるとは、透過波長帯域、偏光特性および透過率から選ばれる少なくとも１つが異なることを意味する。

バンドパスフィルタは、例えば光学ガラス基板上に誘電体多層膜を成膜したものを用いることができる。光学特性の異なるバンドパスフィルタは、例えば各領域の形状（本実施形態では扇形）の基板に、異なる構成の誘電体多層膜を成膜して、円形に並べる方法で作製したものであってもよい。いずれの作製方法であっても、各領域の境界付近は所望の光学特性から外れやすいので、領域Ａ₁〜Ａ₆の境界付近は遮光帯で覆われていてもよい。

絞りＳに入射する光線Ｒは、図２（ａ）に示すＡ₁〜Ａ₆のいずれかの領域（すなわち、光学素子Ｆ）を透過して、レンズＬ₁によって収束させられ、マイクロレンズアレイＫを通って、撮像素子Ｎに入射する。

図３は撮像素子Ｎを正面から見たときの拡大図、およびマイクロレンズアレイＫとの位置関係を示す図である。マイクロレンズアレイＫは、レンズ面をそれぞれ有する複数の微小光学要素Ｍ₁を含む。撮像素子Ｎは複数の画素ｆ₁、複数の画素ｆ₂、複数の画素ｆ₃、複数の画素ｆ₄、複数の画素ｆ₅および複数の画素ｆ₆を有する。図３に示すように、図の垂直方向にはｆ₆とｆ₄とｆ₂、またはｆ₅とｆ₃とｆ₁が周期的に配列されている。また、図の水平方向にはｆ₆とｆ₅、またはｆ₄とｆ₃、またはｆ₂とｆ₁が交互に配列されている。したがって、複数の画素ｆ₁〜ｆ₆のそれぞれ１個の画素が近接して配置され、画素群Ｎ₁を構成している。画素群Ｎ₁は、マイクロレンズアレイＫの一つの微小光学要素Ｍ₁に対応している。

図４は、図１に示したマイクロレンズアレイＫおよび撮像素子Ｎの断面拡大図である。

図４に示すように、各微小光学要素Ｍ₁において、絞りＳに入射する光線Ｒのうち、領域Ａ₂を透過した光線Ｒ₂の大部分は、複数の画素ｆ₂のうちの一つの画素に入射し、領域Ａ₄を透過した光線Ｒ₄の大部分は、複数の画素ｆ₄のうちの一つの画素に入射し、領域Ａ₆を透過した光線Ｒ₆の大部分は、複数の画素ｆ₆のうちの一つの画素に入射する。同様にして、領域Ａ₁、Ａ₃、Ａ₅を透過した光線の大部分は、それぞれ対応する複数の画素ｆ₁、ｆ₃、ｆ₅のうちの一つの画素にそれぞれ入射する。

撮像素子Ｎは画素ｆ₁〜ｆ₆に入射した光を光電変換し、図１に示すように画像信号Ｑを信号処理部Ｐに送出する。信号処理部Ｐは、画像信号Ｑに基づいて、複数の画素ｆ₁による画像Ｑ₁、複数の画素ｆ₂による画像Ｑ₂を生成する。画像Ｑ₃〜Ｑ₆も同様である。

このようにして、領域Ａ₁〜Ａ₆を透過した光線による画像をそれぞれ取得することができる。画像Ｑ₁〜Ｑ₆は、領域Ａ₁〜Ａ₆の位置の違いによる視差が含まれるが、実質的には同じ被写体を同時に撮影した画像である。ここで「同時に撮影」とは画像Ｑ₁〜Ｑ₆を構成する光が同時に得られていることを意味している。画像Ｑ₁〜Ｑ₆の信号処理部Ｐにおける生成は同時でなくてもよい。

なお、上述の例では、画素ｆ₁〜ｆ₆が１個ずつ近接して配置された６つの画素が画素群Ｎ₁を構成する形態を示したが、これに限らない。例えば、画素群Ｎ₁は６ｎ（ｎは２以上の整数）個の画素で構成されてもよい。このとき、各微小光学要素Ｍ₁において、絞りＳに入射する光線Ｒのうち、領域Ａ₂を透過した光線Ｒ₂の大部分は、ｎ個の画素ｆ₂に入射し、領域Ａ₄を透過した光線Ｒ₄の大部分は、ｎ個の画素ｆ₄に入射し、領域Ａ₆を透過した光線Ｒ₆の大部分は、ｎ個の画素ｆ₆に入射する。同様にして、領域Ａ₁、Ａ₃、Ａ₅を透過した光線の大部分は、それぞれ対応するｎ個の画素ｆ₁、ｆ₃、ｆ₅にそれぞれ入射する。

次に、領域Ａ₁〜Ａ₆に対して、分割光学素子の配置を対応させる方法について、図５のフローチャートを参照しながら説明する。

６つの分割光学素子をそれぞれＦ_a、Ｆ_b、Ｆ_c、Ｆ_d、Ｆ_e、Ｆ_fとする。配置工程５０１において、分割光学素子Ｆ_a〜Ｆ_fのそれぞれを、図６に示すように撮像装置の領域Ａ₁〜Ａ₆（図２（ａ）も参照のこと）に配置する。

撮影工程５０２では、その撮像装置を用いて、所定の照明条件の下で所定の被写体を撮影し、画像Ｑ₁〜Ｑ₆を取得する。所定の照明としては、実際にその撮像装置を使用する環境の照明と同じ分光スペクトルを有する照明であることが、より正確に光学素子Ｆの配置を決定できる点でより好ましい。また所定の照明としてハロゲンランプを用いてもよい。ハロゲンランプは可視光帯域から近赤外帯域にわたって比較的平滑な分光スペクトルを有しているので、これらの帯域を利用する分析が容易にできる利点がある。

また所定の被写体として白色標準板を用いてもよい。白色標準板は、撮影の対象とする波長帯域で反射率がほぼ一定（例えば１００％）である、拡散反射板である。白色標準板を用いた場合、実際の分析対象物として分光反射特性が異なる種々の被写体を撮影したときに、ゴースト像の影響を平均として最小化できる利点がある。なお、実際の分析対象物の分光反射率特性がおおよそ同じであるときには、白色標準板に代えてその分析対象物を所定の被写体としてもよい。

算出工程５０３では、取得した画像Ｑ₁〜Ｑ₆から所定の被写体の部分を抽出して、その部分の平均輝度を算出する。より正確に平均輝度を算出するには、所定の被写体の部分から、ゴースト像の重なった部分を除外して抽出することが好ましい。あるいは、ゴースト像を発生させないために、取得したい画像に対応する領域以外の領域を遮光して撮影した画像を用いてもよい（例えば画像Ｑ₁を取得するときに、領域Ａ₂、Ａ₃、Ａ₄、Ａ₅、Ａ₆を遮光する）。

工程５０１〜５０３までを実施すると、領域Ａ₁〜Ａ₆と、それらの領域に対応する分割光学素子を透過した光線から得られた、所定の被写体の画像の平均輝度との関係が、表１に示すように得られる。なお、表１の平均輝度の算出値は本実施形態の一例である。

番号付け工程５０４では、算出した平均輝度の高い順に、各平均輝度に対応する分割光学素子Ｆ_a〜Ｆ_fの順番を並べ替えて番号を付ける。すなわち、平均輝度の大小関係をｓ₁＞ｓ₂＞ｓ₃＞ｓ₄＞ｓ₅＞ｓ₆のように記号化した場合、対応する分割光学素子にＦ₁、Ｆ₂、・・・、Ｆ₆のように番号付けする。その結果、分割光学素子Ｆ_a〜Ｆ_fは、表２に示すようにＦ₁〜Ｆ₆と番号付けできる。

再配置工程５０５では、少なくとも、分割光学素子Ｆ₁（すなわち、平均輝度が最大となる分割光学素子）と、分割光学素子Ｆ₆（すなわち、平均輝度が最小となる光学素子）が光軸Ｖ₀に対して点対称以外の位置となるように、分割光学素子Ｆ₁〜Ｆ₆を図２に示す領域Ａ₁〜Ａ₆に再配置する。分割光学素子Ｆ₁〜Ｆ₆を再配置した例を図７に示す。分割光学素子Ｆ₁〜Ｆ₆が再配列された領域Ａ₁〜Ａ₆をそれぞれ、分割光学素子Ｆ₁〜Ｆ₆の光学特性を備えた光学領域ＡＦ₁〜ＡＦ₆と呼ぶ。光学領域ＡＦ₁〜ＡＦ₆を透過した光線が入射する複数の画素をそれぞれｆ₁〜ｆ₆とすれば、領域Ａ₁〜Ａ₆に再配置した分割光学素子と、光学領域ＡＦ₁〜ＡＦ₆と、対応する複数の画素と、記号化した平均輝度との関係は表３に示すようになる。この場合、画素ｆ₁〜ｆ₆は、図３に示す各画素群の、画素ｆ₁、ｆ₆、ｆ₄、ｆ₃、ｆ₂、ｆ₅に対応する。

以上述べたように本実施形態に係る撮像装置の構成は、複数の分割光学素子を光軸に対して点対称に配置し、所定の照明条件の下で所定の被写体を撮影したときに平均輝度が最大となる画像が得られる画素に入射する光学領域と、平均輝度が最小となる画像が得られる画素に入射する光学領域とを光軸に対して点対称以外の位置に配置することを特徴とする。図７はそのような分割光学素子および光学領域の配置の一例である。

次に、上記のような分割光学素子の再配置によって、ゴースト像の影響をどれだけ低減できるのかを、計算を用いて述べる。

従来の比較例として、図８に示すような分割光学素子の配置（すなわち、本実施形態における再配置前の分割光学素子の配置）を与える。この比較例は、所定の照明条件の下で所定の被写体を撮影したときに平均輝度が最大となる分割光学素子Ｆ₁と、平均輝度が最小となる分割光学素子Ｆ₆とが点対称の位置に配置されている。

今、ある分割光学素子ＦαおよびＦβ（αおよびβは１以上で領域数以下の整数）が光軸に対して点対称の位置に配置されているとして、これらの光学素子の相互によるゴースト像の混入を考え、ゴースト像の混入率を（ゴースト像の平均輝度÷正規像の平均輝度）で定義する。分割光学素子Ｆαを透過して撮像素子Ｎに入射する光の光量をＰα、分割光学素子Ｆβを透過して撮像素子Ｎに入射する光の光量をＰβ、分割光学素子Ｆαを透過した光に対する撮像素子Ｎの感度をＲα、光学素子Ｆβを透過した光に対する撮像素子Ｎの感度をＲβとすると、分割光学素子Ｆαに対応する画像のゴースト像の混入率Ｍｘ（Ｆα，Ｆβ）は次のように表される。

ここでＣはゴースト像の発生率（すなわち撮像素子表面の反射率×光学素子の反射率）である。

分割光学素子Ｆαに対応する画像の正規像の平均輝度をｓα、分割光学素子Ｆβに対応する画像の正規像の平均輝度をｓβとすると、画像の輝度は光量と感度との積で表されるので、数１のＭｘ（Ｆα，Ｆβ）は下式のように表せる。

同様にして、分割光学素子Ｆβに対応する画像のゴースト像の混入率Ｍｘ（Ｆβ，Ｆα）は次のように表される。

ゴースト像の発生率を仮にＣ＝０．２とおいて、本実施形態の分割光学素子の配置（すなわち図７の配置）でゴースト像の混入率を計算した結果を、表４に示す。

すべての分割光学素子からの画像が被写体の分析に均等に用いられるとすると、ゴースト像が被写体の分析値の精度に与える影響は、分割光学素子に対応するゴースト像の混入率Ｍｘ（Ｆβ，Ｆα）をすべての光学素子について２乗和した値で見積もることができる。その２乗和の値を計算すると０．３０となった。

一方、従来の比較例について同様の計算をした結果を表５に示す。

比較例では２乗和は１．４０となり、本実施形態の混入率の２乗和と比べて４．７倍大きかった。ゆえに本実施形態で述べた分割光学素子および光学領域の配置では、従来よりもゴースト像の混入の影響を低減でき、その結果として被写体の分析値の精度を向上させることが可能であると言える。

本実施形態のポイントは、平均輝度が最大となる画像に対応する分割光学素子および光学領域と、平均輝度が最小となる分割光学素子および光学領域とを光軸に対して点対称以外の位置に配置することである。

このような配置が好ましい理由を定性的に説明すると、平均輝度が最低の正規像に平均輝度が最高のゴースト像が混入すると混入率が最も大きくなり、その画像から被写体の特性を分析するときの分析誤差も大きくなるからである。一方、平均輝度が高い正規像に、比較的平均輝度が高いゴースト像が混入しても混入率は高くならないので、その画像から被写体の特性を分析するときの誤差は許容範囲に収まる可能性が高い。

また、本実施形態の特徴をより一般化すると、平均輝度の差が大きい画像が得られる画素に入射する２つの光学領域（２種類の分割光学素子）を光軸Ｖ₀に対して点対称以外の位置に配置させる、といえる。このことを別の観点から見れば、平均輝度が近い画像が得られる画素に入射する２つの光学領域（２種類の分割光学素子）を光軸Ｖ₀に対して点対称の位置に配置させる、ともいえる。なぜなら、平均輝度の差が大きい画像に対応する２つの光学領域（２種類の分割光学素子）を光軸Ｖ₀に対して点対称以外の位置に配置すると、平均輝度が近い画像に対応する２つの光学領域（分割光学素子）は、結果として光軸Ｖ₀に対して点対称の位置に配置することになるからである。

したがって、本実施形態のように領域が６つある場合、光軸Ｖ₀に対して点対称である分割光学素子Ｆ₁〜Ｆ₆および光学領域ＡＦ₁〜ＡＦ₆の配置の形態は以下のような配置となる。図７に示した配置はこれらのすべてを満たしている。
（１） Ｆ₁とＦ₆（ＡＦ₁とＡＦ₆）とを光軸Ｖ₀に対して点対称以外の位置とする。
（２） より好ましくは、Ｆ₁とＦ₂（ＡＦ₁とＡＦ₂）とを光軸Ｖ₀に対して点対称の位置とする。
（３） より好ましくは、Ｆ₅とＦ₆（ＡＦ₅とＡＦ₆）とを光軸Ｖ₀に対して点対称の位置とする。

本実施形態におけるさらに好ましい形態は、分割光学素子Ｆ₁とＦ₆（つまり、光学領域ＡＦ₁とＡＦ₆）とを隣接しない位置に配置することである。その理由は、ある領域を透過した光の一部は、隣接する領域に対応する複数の画素にクロストーク成分として入射するからである。もし分割光学素子Ｆ₁とＦ₆が隣接していると、Ｆ₆に対応する複数の画素ｆ₆にＦ₁を透過した光の一部が入射する。Ｆ₆に対応する画像は平均輝度が最低であり、Ｆ₁に対応する画像は平均輝度が最高なので、ｆ₆に対応する画像に対するクロストークの影響が最大となり、被写体の分析値の精度が低下する。ゆえに、分割光学素子Ｆ₁とＦ₆とを隣接しない位置に配置するのが好ましい。なお、図７に示した分割光学素子の配置では、Ｆ₁とＦ₆は隣接しない位置にある。

以上述べたように、本開示の実施形態によれば、平均輝度が最大となる画像に対応する分割光学素子と、平均輝度が最小となる画像に対応する分割光学素子とを光軸Ｖ₀に対して点対称以外の位置に配置する。この構成により、ゴースト像の影響を抑制して被写体の正確な分析値を取得することが可能となる。

（第２の実施形態）
上述の第１の実施形態では領域の面積がすべて等しい場合の分割光学素子の配置について述べたが、領域によって面積が異なることもあり得る。例えば図９に示す領域Ａは、Ａ₃、Ａ₄と、Ａ₁、Ａ₂、Ａ₅、Ａ₆とで面積が異なる。分割された領域ごとに面積が異なると、同じ分割光学素子でもどこに配置するかによって、対応する画像の平均輝度が異なることになる。このような場合に分割光学素子の配置を決定する方法について、図１０のフローチャートを用いて説明する。

第１の実施形態と同様に、６つの分割光学素子をそれぞれＦ_a、Ｆ_b、Ｆ_c、Ｆ_d、Ｆ_e、Ｆ_fとする。配置工程１１０１において、分割光学素子Ｆ_a〜Ｆ_fのそれぞれを、図１１に示すように撮像装置の領域Ａに配置する。

撮影工程１１０２では、その撮像装置を用いて、所定の照明条件の下で所定の被写体を撮影し、画像Ｑ₁〜Ｑ₆を取得する。算出工程１１０３では、取得した画像Ｑ₁〜Ｑ₆から所定の被写体の部分を抽出して、その部分の平均輝度を算出する。番号付け工程１１０４では、算出した平均輝度の高い順に、各平均輝度に対応する分割光学素子Ｆ_a〜Ｆ_fの順番を並べ替えて番号を付ける。ここまでは、第１の実施形態と同様の工程である。

判定工程１１０５では、分割光学素子Ｆ₁とＦ₆とが光軸Ｖ₀に対して点対称の位置に配置されているかどうかを判定する。もし点対称の位置であれば、再配置工程１１０６により、分割光学素子Ｆ_a〜Ｆ_fを先と異なる配列で、領域Ａ₁〜Ａ₆に再配置する。その後、撮影工程１１０２から判定工程１１０５までを繰り返す。分割光学素子Ｆ₁と分割光学素子Ｆ₆が点対称以外の位置に配置されれば終了である。

なお、上述の実施形態では領域が６つあるものとしたが、平均輝度が最大の画像に対応する分割光学素子と平均輝度が最小の画像に対応する分割光学素子を点対称以外の位置に配置できる領域数であれば、６つ以外でもかまわない。ただ、上記のようにクロストーク成分の影響を避けるために、平均輝度が最大の画像に対応する分割光学素子と平均輝度が最小の画像に対応する分割光学素子を光軸Ｖ₀に対して点対称以外かつ隣接以外の位置に配置するのであれば、領域の数は６以上とするのがより好ましい。領域が６以上である別の実施形態として、図１２（ａ）に領域数が８のときの分割光学素子および光学領域の配置の例を示す。また図１２（ｂ）および（ｃ）に、領域数が９のときの分割光学素子および光学領域の配置の例を示した。

領域がｎ個で、分割光学素子をＦ₁、Ｆ₂、・・・、Ｆ_nと平均輝度の順に番号付けした場合の、分割光学素子の配置を一般化して表現すると、以下のようになる。
（１） Ｆ₁とＦ_n（ＡＦ₁とＡＦ_n）とを光軸Ｖ₀に対して点対称以外の位置とする。
（２） より好ましくは、Ｆ₁とＦ₂（ＡＦ₁とＡＦ₂）とを光軸Ｖ₀に対して点対称の位置とする。
（３） より好ましくは、Ｆ_n-1とＦｎ（ＡＦ_n-1とＡＦ_n）とを光軸Ｖ₀に対して点対称の位置とする。

また、領域の数は５つでもよい。この場合は分割光学素子Ｆ₁と分割光学素子Ｆ_nは光軸Ｖ₀に対して点対称以外かつ隣接以外の位置に配置することはできないので、図１３（ｂ）に示すように点対称以外の位置に配置することを優先する。ここで、各光学素子を透過した光に対する撮像素子の感度のうち、少なくとも２つが異なるものであってもよい。または、図１３（ｂ）に示すように、各領域の面積のうち、少なくとも２つが異なるものであってもよい。例えば図１３（ｂ）では、Ｆ₃に対応する領域の面積は他と異なる。いずれであっても、ゴースト像の影響を抑制して被写体の正確な分析値を取得するという効果を得ることができる。また、図１３（ａ）に示すように、領域の数が４つであり、かつ各領域の面積のうち、少なくとも２つが異なるものであってもよい。例えば図１３（ａ）では、Ｆ₃に対応する領域の面積は他と異なる。さらに、各光学素子を透過した光に対する撮像素子の感度のうち、少なくとも２つが異なるものであってもよい。この場合であっても、ゴースト像の影響を抑制して被写体の正確な分析値を取得するという効果を得ることができる。

また、上述の第１の実施形態では６つの光学領域に対応する画像の平均輝度がそれぞれ異なっていたが、平均輝度は少なくとも３種類あれば、平均輝度が最大の画像が得られる画素に入射する光学領域（分割光学素子）と平均輝度が最小の画像が得られる画素に入射する２つの光学領域（分割光学素子）を点対称以外の位置に配置することは可能である。これにより、ゴースト像の影響を抑制して被写体の正確な分析値を取得するという効果を得ることができる。

なお上述の実施形態では、所定の照明条件下で所定の被写体を撮影したときの画像の平均輝度ｓ₁、ｓ₂、・・・、ｓ₆に基づいて分割光学素子Ｆ₁〜Ｆ₆の配置を決定する方法
を述べたが、画像の平均輝度を推定できる別の方法を用いてもよい。例えば、所定の照明条件下における分割光学素子の透過率をＴ、分割光学素子に対応する領域の面積をＤ、分割光学素子を透過した光に対する撮像素子の感度をＲとすると、画像の平均輝度はＴ×Ｄ×Ｒに比例すると考えられる。したがって、照明の分光特性、分割光学素子の透過特性、領域の面積、撮像素子の分光感度特性が既知であれば、実際に画像の平均輝度を測定しなくても各分割光学素子の配置を決定することができる。

さらに、すべての分割光学素子の分光透過率特性が同じプロファイルを有する（透過率の絶対値は異なっていてもよい）ときには、照明の分光特性および撮像素子の分光感度特性を考慮する必要がなくなる。この場合には、分割光学素子の透過特性と領域の面積が既知であれば、実際に画像の平均輝度を測定しなくても各分割光学素子の配置を決定することができる。

加えて、すべての領域の面積が等しい場合には、分割光学素子の透過特性だけが既知であれば、実際に画像の平均輝度を測定しなくても各分割光学素子の配置を決定することができる。

また、図１に示す実施形態では、各光学素子に対応する画像Ｑ₁〜Ｑ₆を得る構成を説明したが、さらに被写体の画像Ｑ₁〜Ｑ₆に基づいて被写体の分析値を得る算出部を備える分析装置であってもよい。この分析装置は、例えば、被写体の画像の輝度と被写体の分析値との関係を記憶したメモリをさらに備えていてもよい。算出部は、メモリに記憶された上記関係を参照して、複数の画素から得られた被写体の画像の輝度を用いて、被写体の分析値を得てもよい。分析値は、例えば、被写体に含まれる成分の量であってもよい。

また、図３に示す実施形態では、Ｎ₁に含まれる画素の数（すなわち一つの微小光学要素Ｍ₁に対応する画素の数）と領域の数とを等しいものとしたが、Ｎ₁に含まれる画素の数を多くしてもよい。

また、本実施形態におけるバンドパスフィルタの透過帯域波長の中心はいずれも７００ｎｍ以上かつ１１００ｎｍ以下とするものであってもよい。一般的な撮像素子は、この波長帯域で感度が大きく変化するので、各分割光学素子（すなわちバンドパスフィルタ）に対応する画像の平均輝度の差が大きくなる傾向がある。したがって、上述の分割光学素子の配置を適用することで、ゴースト像の影響を抑制して被写体の正確な分析値を取得するという、特に大きな効果を得ることができる。

また、上記の実施形態および実施例で用いた撮像装置および分析装置の構成は上述のものに限るわけではなく、種々の変更が可能である。

本願に開示された撮像装置はデジタルスチルカメラ、ビデオカメラ、車載カメラ、セキュリティカメラ等の撮像装置として有用である。また、本開示の分析装置は、医療用、美容用、食品用、化学用等の分析に応用できる。

Ｌ レンズ光学系
Ａ 領域
Ｓ 絞り
Ｌ₁ レンズ
Ｆ 光学素子
Ｖ₀ 光軸
Ｒ 光線
Ｋ マイクロレンズアレイ
Ｎ 撮像素子
Ｑ 画像信号
Ｐ 信号処理部
Ｑ₁、Ｑ₂、Ｑ₃、Ｑ₄、Ｑ₅、Ｑ₆ 画像
Ａ₁、Ａ₂、Ａ₃、Ａ₄、Ａ₅、Ａ₆ （分割された）領域
Ｍ₁ 微小光学要素
ｆ₁、ｆ₂、ｆ₃、ｆ₄、ｆ₅、ｆ₆ （Ａ₁〜Ａ₆に対応する）複数の画素
Ｎ₁ （一つの微小光学要素に対応する）画素群
Ｒ₂、Ｒ₄、Ｒ₆ （Ａ₂、Ａ₄、Ａ₆を透過した）光線
Ｆ_a、Ｆ_b、Ｆ_c、Ｆ_d、Ｆ_e、Ｆ_f （分割された）光学素子
Ｆ₁、Ｆ₂、Ｆ₃、Ｆ₄、Ｆ₅、Ｆ₆、Ｆ₇、Ｆ₈、Ｆ₉ （番号付けした）光学素子
Ｆλ₁、Ｆλ₂ バンドパスフィルタ
Ｒλ₁ （波長λ₁の）光線
Ｘ 光線の通過点
Ｘ’、Ｙ 光線の反射点
Ｙ’ 光線の入射点

Claims (16)

1. レンズ、
   絞り、および
   第１から第ｎの分割光学素子（ｎは５以上の整数）を含み、かつ第１から第ｎの光学領域を有する光学素子を含むレンズ光学系と、
   前記第１から第ｎの光学領域を透過した光が入射し、第１から第ｎの複数の画素を含む撮像素子と、
   前記レンズ光学系と前記撮像素子との間に配置され、前記第１から第ｎの光学領域を透過した前記光を前記第１から第ｎの複数の画素にそれぞれ入射させるマイクロレンズアレイとを備え、
   前記第１から第ｎの光学領域は、前記第１から第ｎの分割光学素子のそれぞれに規定され、
   前記第１から第ｎの光学領域は、光軸と垂直な面内において前記光軸に対して点対称に位置しており、
   前記レンズ光学系、前記撮像素子、および前記マイクロレンズアレイを用いて、所定の照明条件下で所定の被写体を撮影したときに前記第１から第ｎの複数の画素から得られる画像の平均輝度をそれぞれｓ₁、ｓ₂、・・・、ｓ_nとした場合、
   ｓ₁、ｓ₂、・・・、ｓ_nのうち少なくとも３つは互いに異なる値であり、かつ
   １≦ｉ≦ｎ−１なるすべてのｉに対して、ｓ_i≧ｓ_i+1の関係を満たし、
   前記第１の光学領域と前記第ｎの光学領域とは、前記光軸に対して互いに点対称以外の位置にある、撮像装置。
2. レンズ、
   絞り、および
   第１から第ｎの分割光学素子（ｎは５以上の整数）を含み、かつ第１から第ｎの光学領域を有する光学素子を含むレンズ光学系と、
   前記第１から第ｎの光学領域を透過した光が入射し、第１から第ｎの複数の画素を含む撮像素子と、
   前記レンズ光学系と前記撮像素子との間に配置され、前記第１から第ｎの光学領域を透過した前記光を前記第１から第ｎの複数の画素にそれぞれ入射させるマイクロレンズアレイとを備え、
   前記第１から第ｎの光学領域は、前記第１から第ｎの分割光学素子のそれぞれに規定され、
   前記第１から第ｎの光学領域は、光軸と垂直な面内において前記光軸に対して点対称に位置しており、
   前記第１から第ｎの光学領域の面積をそれぞれＤ₁、Ｄ₂、・・・、Ｄ_nとし、
   所定の照明条件下における、前記第１から第ｎの光学領域の透過率を、それぞれＴ₁、Ｔ₂、・・・、Ｔ_nとし、
   前記第１から第ｎの光学領域を透過した光がそれぞれ前記第１から第ｎの複数の画素に入射したときの、各画素における感度を、それぞれＲ₁、Ｒ₂、・・・、Ｒ_nとし、
   Ｂ_m＝Ｄ_m×Ｔ_m×Ｒ_m（ｍ＝１〜ｎ）とすると、
   Ｂ₁、Ｂ₂、・・・、Ｂ_nのうち少なくとも３つは互いに異なる値であり、かつ
   １≦ｉ≦ｎ−１なるすべてのｉに対して、Ｂ_i≧Ｂ_i+1の関係を満たし、
   前記第１の光学領域と前記第ｎの光学領域とは、前記光軸に対して互いに点対称以外の位置にある、撮像装置。
3. 前記第１から第ｎの光学領域の面積のうち少なくとも２つの面積は互いに異なる、請求項１に記載の撮像装置。
4. 前記第１から第ｎの光学領域の面積のうち少なくとも２つの面積は互いに異なる、請求項２に記載の撮像装置。
5. 前記第１から第ｎの光学領域を透過した光が前記第１から第ｎの複数の画素に入射したときの、各画素における感度Ｒ_nのうち少なくとも２つは互いに異なる、請求項３に記載の撮像装置。
6. Ｒ₁、Ｒ₂、・・・、Ｒ_nのうち少なくとも２つは互いに異なる、請求項４に記載の撮像装置。
7. 前記所定の被写体は、白色標準板である、請求項１に記載の撮像装置。
8. 前記第ｎ−１の光学領域と前記第ｎの光学領域とは、前記光軸に対して、互いに点対称の位置にある、請求項１または２に記載の撮像装置。
9. 前記第１の光学領域と前記第２の光学領域とは、前記光軸に対して、互いに点対称の位置にある、請求項１または２に記載の撮像装置。
10. 前記第１の光学領域と前記第ｎの光学領域とは、互いに隣接しない位置にある、請求項１または２に記載の撮像装置。
11. 前記所定の照明条件は、ハロゲンランプを照射した条件である、請求項１または２に記載の撮像装置。
12. 前記第１から第ｎの分割光学素子のうち少なくとも１つはバンドパスフィルタである、請求項１または２に記載の撮像装置。
13. 前記バンドパスフィルタの透過波長帯域の中心は７００ｎｍ以上かつ１１００ｎｍ以下である、請求項１２に記載の撮像装置。
14. 前記第１から第ｎの分割光学素子のうち少なくとも１つは偏光フィルタである、請求項１または２に記載の撮像装置。
15. 前記第１から第ｎの分割光学素子のうち少なくとも１つは、ＮＤフィルタである、請求項１または２に記載の撮像装置。
16. 請求項１または２のいずれかに記載の撮像装置と、
    前記第１から第ｎの複数の画素から得られる被写体の画像に基づいて、前記被写体の分析値を得る算出部とを備える分析装置。

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