JP2019082412A

JP2019082412A - 撮像装置

Info

Publication number: JP2019082412A
Application number: JP2017210154A
Authority: JP
Inventors: 児玉　賢一; Kenichi Kodama; 賢一児玉
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2017-10-31
Filing date: 2017-10-31
Publication date: 2019-05-30

Abstract

【課題】好適な撮像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ＯＢの中間像を結像させる結像光学系１０と、前記中間像の結像位置に備えられ結像光学系１０からの光を通過させるレンズアレイユニット３０と、第１光学特性を有しレンズアレイユニット３０から射出される光の一部を通過させる第１光学素子と、第２光学特性を有しレンズアレイユニット３０から射出される光の他の一部を通過させる第２光学素子とを有する光学素子ユニット（分光フィルタアレイ６１）と、第１光学素子を通過した光を受光する第１受光領域と、第２光学素子を通過した光を受光する第２受光領域とを有する撮像素子９１とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、撮像装置に関する。

マルチイメージングカメラの一形態として、物体（被写体）からの光束を結像光学系の瞳の位置で分割するように構成されたものがある（例えば、特許文献１を参照）。このような瞳分割型のマルチイメージングカメラにおいて、分割された光束毎に異なる光学特性を有する分光フィルタを配置するようにすれば、分光フィルタの数に応じた複数種の分光画像を得ることができる。

特開平８−２３３６５８号公報

しかしながら、瞳分割型のマルチイメージングカメラでは、絞りを調節することができなかった。また、分光画像のさらなる画質向上が望まれていた。

第１の態様に係る撮像装置は、物体の中間像を結像させる結像光学系と、前記中間像の結像位置に備えられ前記結像光学系からの光を通過させるレンズアレイユニットと、第１光学特性を有し前記レンズアレイユニットから射出される光の一部を通過させる第１光学素子と、第２光学特性を有し前記レンズアレイユニットから射出される光の他の一部を通過させる第２光学素子とを有する光学素子ユニットと、前記第１光学素子を通過した光を受光する第１受光領域と、前記第２光学素子を通過した光を受光する第２受光領域とを有する撮像素子とを備える。

第２の態様に係る撮像装置は、結像光学系の中間像の結像位置に備えられ前記結像光学系からの光を通過させるレンズアレイユニットと、第１光学特性を有し前記レンズアレイユニットから射出される光の一部を通過させる第１光学素子と、第２光学特性を有し前記レンズアレイユニットから射出される光の他の一部を通過させる第２光学素子とを有する光学素子ユニットを固定する固定部と、前記第１光学素子を通過した光を受光する第１受光領域と、前記第２光学素子を通過した光を受光する第２受光領域とを有する撮像素子とを備える。

第１実施形態に係る撮像装置の概要構成図である。レンズアレイユニットの拡大図である。マイクロレンズに入射する主光線を説明するための模式図である。第１実施形態に係る分光フィルタアレイの拡大図である。小レンズアレイの拡大図である。仕切り部材の斜視図である。撮像面上における物体像を示す模式図である。第２実施形態に係る撮像装置の概要構成図である。第２実施形態に係る撮像装置の断面図である。第３実施形態に係る撮像装置の概要構成図である。第３実施形態に係る分光フィルタアレイの拡大図である。分光用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４実施形態に係る撮像装置の概要構成図である。レンズアレイユニットの各マイクロレンズと撮像素子の画素との配列関係を示す模式図である。レンズアレイユニットの第１変形例を示す模式図である。レンズアレイユニットの第２変形例を示す模式図である。レンズアレイユニットの第３変形例を示す模式図である。光学素子アレイの変形例を示す模式図である。

以下、図面を参照して本願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、レンズアレイユニット３０と、画像生成ユニット５０とを備えて構成される。結像光学系１０は、鏡筒部（図示せず）の内部に収容保持される。一方、レンズアレイユニット３０および画像生成ユニット５０は、カメラ本体（図示せず）の内部に収容保持される。結像光学系１０を保持する鏡筒部は、カメラ本体に対して着脱交換可能に取り付けられる。これにより、結像光学系１０は、撮像装置１の視野角や撮影距離に応じて、最適なものが取り付けられる。

結像光学系１０は、結像レンズ１１と、絞り（開口絞り）１２とを有し、物体ＯＢからの光束を透過させて物体ＯＢの中間像（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。

結像光学系１０による中間像の結像位置に、レンズアレイユニット３０が配置される。レンズアレイユニット３０は、図２に示すように、物体側から順に並んだ、第１マイクロレンズアレイ３１と、第２マイクロレンズアレイ４１とを有して構成される。図２は、図１のレンズアレイユニット３０における破線の円Ｒａで囲んだ部分の拡大図である。

第１マイクロレンズアレイ３１は、結像光学系１０から延びる光軸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〜数百万個の第１マイクロレンズ３２から構成される。第１マイクロレンズアレイ３１は、複数の第１マイクロレンズ３２の物体側のレンズ面に結像光学系１０による中間像が形成されるように、当該中間像の結像位置に配置される。第１マイクロレンズアレイ３１は、結像光学系１０からの光を複数の第１マイクロレンズ３２で透過させる。

第２マイクロレンズアレイ４１は、結像光学系１０から延びる光軸Ａｘ１と垂直な平面に沿って二次元的に配列された、第１マイクロレンズ３２と同じ個数の第２マイクロレンズ４２から構成される。第２マイクロレンズアレイ４１は、第１マイクロレンズアレイ３１と平行に配置され、第１マイクロレンズアレイ３１の複数の第１マイクロレンズ３２からの光を複数の第２マイクロレンズ４２で透過させる。

第２マイクロレンズ４２は、第１マイクロレンズ３２と焦点距離が同じ正の屈折力を有し、第２マイクロレンズ４２と相対する第１マイクロレンズ３２に対し、第１マイクロレンズ３２の光軸Ａｘｍに沿って所定の間隔だけ離れて配置される。第１マイクロレンズ３２と第２マイクロレンズ４２との間隔とは、第１マイクロレンズ３２の後側主点と第２マイクロレンズ４２の前側主点との間の距離であり、第１マイクロレンズ３２および第２マイクロレンズ４２の焦点距離と等しい。但し、第１マイクロレンズ３２および第２マイクロレンズ４２がともに薄肉レンズであるとして、互いのレンズ中心（主点）間の距離を所定の間隔としてもよい。第２マイクロレンズ４２の光軸は、第１マイクロレンズ３２の光軸Ａｘｍと一致しており、第１マイクロレンズ３２（および第２マイクロレンズ４２）の光軸Ａｘｍは、結像光学系１０から延びる光軸Ａｘ１と平行に延びている。

画像生成ユニット５０は、図１に示すように、コリメータレンズ５１と、分光フィルタアレイ６１と、小レンズアレイ７１と、撮像素子９１と、画像処理部９６とを有して構成される。コリメータレンズ５１は、レンズアレイユニット３０の第２マイクロレンズアレイ４１から射出された光束を透過させて平行光束にする。コリメータレンズ５１は、第２マイクロレンズアレイ４１における複数の第２マイクロレンズ４２の像側のレンズ面（光束の射出面）に対して合焦するように調整される。コリメータレンズ５１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。なお、各実施形態における平行光束は、設計的に平行な光束であり、略平行な光束であってもよい。

コリメータレンズ５１の像側に、光学素子ユニットに対応する分光フィルタアレイ６１が配置される。分光フィルタアレイ６１は、図４に示すように、結像光学系１０（コリメータレンズ５１）から延びる光軸Ａｘ１と垂直な平面に沿って二次元的に配列された９個の分光フィルタ６２ａ〜６２ｉと、これらを保持する保持部材６３とから構成される。分光フィルタアレイ６１は、コリメータレンズ５１から小レンズアレイ７１までの光学系における瞳位置もしくはその近傍に配置される。なお、保持部材６３は、第１〜第９分光フィルタ６２ａ〜６２ｉを保持した状態で、カメラ本体の内部に設けられた保持機構（図示せず）に固定される。固定部に対応する保持機構は、保持部材６３を着脱可能であり、所定の分光フィルタ６２ａ〜６２ｉを有する保持部材６３を取り外し、分光フィルタ６２ａ〜６２ｉとは異なる分光フィルタを有する保持部材（図示せず）を装着することができる。光軸方向から見た分光フィルタアレイ６１を図４に示す。コリメータレンズ５１から射出される平行光束は、全ての分光フィルタ６２ａ〜６２ｉに対してケラレなく照射される。コリメータレンズ５１から射出される光の一部は分光フィルタ６２ａを通過し、コリメータレンズ５１から射出される光の他の一部は分光フィルタ６２ｂを通過する。その他の分光フィルタ６２ｃ〜６２ｉも同様に、コリメータレンズ５１から射出される光のうち、互いに異なる一部が通過する。第１〜第９分光フィルタ６２ａ〜６２ｉは、所定の第１〜第９波長までの等間隔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。すなわち、第１〜第９分光フィルタ６２ａ〜６２ｉの分光特性は、全て互いに異なっている。例えば、第１分光フィルタ６２ａは第１光学素子に対応し、第２分光フィルタ６２ｂは第２光学素子に対応する。

分光フィルタアレイ６１の像側に、小レンズアレイ７１が配置される。小レンズアレイ７１は、図５に示すように、結像光学系１０（コリメータレンズ５１）から延びる光軸Ａｘ１と垂直な平面に沿って二次元的に配列された９個の小レンズ７２ａ〜７２ｉと、これらを保持するレンズ保持部７３とから構成される。第１〜第９小レンズ７２ａ〜７２ｉは、全て正の屈折力を有する同一仕様の、撮像素子９１よりも小さいレンズであり、第１〜第９分光フィルタ６２ａ〜６２ｉと同等の大きさを有している。なお、第１〜第９小レンズ７２ａ〜７２ｉは、それぞれの無限遠物体に対する焦平面が光軸Ａｘ１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。光軸方向から見た小レンズアレイ７１を図５に示す。

第１小レンズ７２ａは第１分光フィルタ６２ａに、第２小レンズ７２ｂは第２分光フィルタ６２ｂに、第３小レンズ７２ｃは第３分光フィルタ６２ｃに、第４小レンズ７２ｄは第４分光フィルタ６２ｄに、第５小レンズ７２ｅは第５分光フィルタ６２ｅに、第６小レンズ７２ｆは第６分光フィルタ６２ｆに、第７小レンズ７２ｇは第７分光フィルタ６２ｇに、第８小レンズ７２ｈは第８分光フィルタ６２ｈに、第９小レンズ７２ｉは第９分光フィルタ６２ｉにそれぞれ位置対応している。そして、第１〜第９小レンズ７２ａ〜７２ｉは、第１〜第９分光フィルタ６２ａ〜６２ｉをそれぞれ通過した光束を受け、それぞれ独立に物体ＯＢの像を形成する。

小レンズアレイ７１の像側に、撮像素子９１が配置される。撮像素子９１は、図７に示すように、数十万〜数千万個の撮像ピクセル（以下、説明の便宜上、画素９２と称する場合がある）が平面上に二次元的に配列された長方形の撮像面９３を有している。このような撮像素子９１として例えば、モノクロＣＣＤやＣＭＯＳ等が用いられる。撮像面９３は各小レンズ７２ａ〜７２ｉの焦平面上に配置され、撮像面９３に対し第１〜第９小レンズ７２ａ〜７２ｉによってそれぞれ第１〜第９の結像光束が照射される。第１〜第９の結像光束は、撮像面９３の互いに異なる領域に照射される。例えば、撮像面９３の一部である第１受光領域は、第１分光フィルタ６２ａ（第１光学素子）を通過した光を、第１小レンズ７２ａを介して受光する。また、撮像面９３の他の一部である第２受光領域は、第２分光フィルタ６２ｂ（第２光学素子）を通過した光を、第２小レンズ７２ｂを介して受光する。撮像面９３におけるその他の互いに異なる第３〜第９受光領域も同様に、第３〜第９分光フィルタ６２ｃ〜６２ｉを通過した光を、第３〜第９小レンズ７２ｃ〜７２ｉを介して受光する。

図１において図示を省略するが、小レンズアレイ７１と撮像素子９１との間に、仕切り部材８１が配置されてもよい。仕切り部材８１は、図６に示すように、９個の矩形開口部を有する格子状に形成され、各開口部が第１〜第９小レンズ７２ａ〜７２ｉのそれぞれに一対一で位置対応している。仕切り部材８１の表面には、光の反射を防止する処理（例えば、黒色にする処理）が行われる。仕切り部材８１は、撮像素子９１の撮像面９３上に密着配置される。これにより、第１〜第９小レンズ７２ａ〜７２ｉからの（第１〜第９の）結像光束の重なり合いが解消され、第１〜第９小レンズ７２ａ〜７２ｉによる第２マイクロレンズアレイ４１の９個の像（実像）が撮像面９３上で区分けされて結像される。第２マイクロレンズアレイ４１の像側のレンズ面に映る像は、物体ＯＢの中間像（実像）とほぼ一致しているため、撮像面９３上には物体ＯＢの像が形成されると考えてよい。そこで、図７に示すように、説明の便宜上、第１〜第９小レンズ７２ａ〜７２ｉにより形成される９個の物体ＯＢの像をそれぞれ、第１〜第９物体像Ｉａ〜Ｉｉと称することにする。

撮像素子９１は、撮像面９３上に形成された９個の物体像Ｉａ〜Ｉｉを撮像し、出力信号を画像処理部９６へ出力する。画像処理部９６は、撮像素子９１から出力された、第１〜第９分光フィルタ６２ａ〜６２ｉの分光特性に応じた第１〜第９物体像Ｉａ〜Ｉｉに関する出力信号に基づいて、物体ＯＢ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、図１に示すように、物体ＯＢからの光束は、結像光学系１０の結像レンズ１１および絞り１２を通過して第１マイクロレンズアレイ３１に達し、第１マイクロレンズアレイ３１における複数の第１マイクロレンズ３２の物体側のレンズ面に、物体ＯＢの中間像（実像）を形成する。第１マイクロレンズ３２（および第２マイクロレンズ４２）は、結像光学系１０に対して微小なため、物体ＯＢにおける任意の点から射出されて結像レンズ１１および絞り１２を通過する光束Ｂ0は、第１マイクロ
レンズ３２に入射する細い平行光束の集合とみなすことができる。

図２に示すように、第１マイクロレンズアレイ３１における或る一つの第１マイクロレンズ３２に入射する平行光束Ｂ1を考える。平行光束Ｂ1の主光線Ｂ1pは、第１マイクロレンズ３２の中心を通り、第１マイクロレンズ３２と相対する第２マイクロレンズアレイ４１の第２マイクロレンズ４２に入射する。このとき、第１マイクロレンズ３２の後側主点と第２マイクロレンズ４２の前側主点との間の距離が、第１マイクロレンズ３２および第２マイクロレンズ４２の焦点距離と等しいため、平行光束Ｂ1の主光線Ｂ1pは、第２マイ
クロレンズ４２の物体側の焦点を通過する。そのため、第２マイクロレンズ４２の内部を通って像側のレンズ面から射出される光束Ｂ2の主光線Ｂ2pは、平行光束Ｂ1の入射角θに
拘わらず、第１マイクロレンズ３２（および第２マイクロレンズ４２）の光軸Ａｘｍと平行になる。

第１マイクロレンズ３２に入射する平行光束Ｂ1は、第１マイクロレンズ３２によって
第２マイクロレンズ４２の内部に集光される。平行光束Ｂ1の主光線Ｂ1pに対する上側の
集光角度をφ1iとし、主光線Ｂ1pに対する下側の集光角度をφ2iとする。第２マイクロレンズ４２の内部に集光されて像側のレンズ面から射出される光束Ｂ2の主光線Ｂ2pに対す
る下側の広がり角度をφ1oとし、主光線Ｂ2pに対する上側の広がり角度をφ2oとする。第１マイクロレンズ３２および第２マイクロレンズ４２の有効半径（光が通過する部分の半径）をｒとし、第１マイクロレンズ３２および第２マイクロレンズ４２の焦点距離をｆとする。レンズの性質より、次式（Ａ），（Ｂ）が成立する。

φ1o＝φ1i …（Ａ）
φ2o＝φ2i …（Ｂ）

本願の発明者は、本実施形態において、第１マイクロレンズ３２に入射する平行光束Ｂ1の入射角θが変化しても、光束Ｂ2の主光線Ｂ2pが光軸Ａｘｍと平行で、かつ、平行光束Ｂ1の主光線Ｂ1pに対する上下の集光角度φ1i，φ2iがほぼ一定であること、すなわち、
第２マイクロレンズ４２の像側のレンズ面から射出される光束Ｂ2の主光線Ｂ2pに対する
上下の広がり角度φ1o，φ2oがほぼ一定であることを発見した。結像光学系１０の絞り１２を調節する（絞り１２の径（開口径）を変化させる）と、平行光束Ｂ1の入射角θの範
囲が変化するが、第２マイクロレンズ４２から射出される光束Ｂ2の上下の広がり角度φ1o，φ2oがほぼ一定であるため、画像生成ユニット５０により生成される物体ＯＢのマル
チ波長バンド画像（分光画像）同士の光量比は変化しない。これにより、物体ＯＢから射出される光の分光強度を正確に求めることが可能になる。

ここで、平行光束Ｂ1の主光線Ｂ1pの入射角θと、主光線Ｂ1pに対する上側の集光角度
φ1iとの関係について、図３を参照して説明する。図３に示す角度αと入射角θとの関係より、次式（Ｃ）が成立する。

角度αと、入射角θと、集光角度φ1iとの関係について、次式（Ｄ）が成立する。

式（Ｄ）をtanφ1iについて解くと、式（Ｃ）を代入することで、次式（Ｅ）が得られ
る。

−ｒ／ｆ≦tanθ≦ｒ／ｆであるから、tanθ＝−ｒ／ｆ、tanθ＝０、tanθ＝ｒ／ｆの場合について、φ1iの大きさを比較する。例えば、第１マイクロレンズ３２（および第２マイクロレンズ４２）の焦点距離ｆが、第１マイクロレンズ３２（および第２マイクロレンズ４２）の有効半径ｒの６倍（ｆ＝６ｒ）であると仮定する。この場合において、tan
θ＝−ｒ／ｆのとき、式（Ｅ）より、φ1i＝９．５°となる。tanθ＝０のとき、式（Ｅ
）より、φ1i＝９．５°となる。tanθ＝ｒ／ｆのとき、式（Ｅ）より、φ1i＝９．０°
となる。このように、主光線Ｂ1pの入射角θが変化しても、主光線Ｂ1pに対する上側の集光角度φ1iがほぼ一定であることがわかる。主光線Ｂ1pに対する下側の集光角度φ2iについても、上述と同様にして求めることができる。

以上からわかるように、第１マイクロレンズアレイ３１における複数の第１マイクロレンズ３２の物体側のレンズ面に入射するいずれの（入射角の）光束も、第２マイクロレンズアレイ４１における複数の第２マイクロレンズ４２の像側のレンズ面から、主光線が光軸Ａｘｍと平行で、かつ、均一な広がり角度を持って射出される。

第２マイクロレンズアレイ４１における複数の第２マイクロレンズ４２の像側のレンズ面から射出された光束は、コリメータレンズ５１を透過して平行光束となる。コリメータレンズ５１から射出された平行光束は、分光フィルタアレイ６１における第１〜第９分光フィルタ６２ａ〜６２ｉのいずれかを通過し、小レンズアレイ７１に達する。小レンズアレイ７１の第１〜第９小レンズ７２ａ〜７２ｉは、第１〜第９分光フィルタ６２ａ〜６２ｉをそれぞれ通過した光束を受け、それぞれ独立に９個の物体像Ｉａ〜Ｉｉを形成する。

撮像面９３上に形成された９個の物体像Ｉａ〜Ｉｉは、それぞれ第１〜第９分光フィルタ６２ａ〜６２ｉのうち対応する分光特性をもって形成される。撮像素子９１は、撮像面９３上に形成された９個の物体像Ｉａ〜Ｉｉを撮像し、出力信号を画像処理部９６へ出力する。画像処理部９６は、撮像素子９１から出力された、第１〜第９分光フィルタ６２ａ〜６２ｉの分光特性に応じた第１〜第９物体像Ｉａ〜Ｉｉに関する出力信号に基づいて、物体ＯＢのマルチ波長バンド画像を生成する。

従来の瞳分割型のマルチイメージングカメラでは、以下のような問題があった。第１に、瞳位置で光束を分割するので、絞りを調節することができない。第２に、一般的なカメラのレンズは、絞りが可変のため使用することができない。第３に、物体（被写体）からの光束の指向性が強い場合、瞳位置で光束が均等に分割されないので、分光画像同士の光量比が一定とならず、正確な色表現ができない。第４に、ピントがずれると、瞳位置を通過する光束の向きが変化するため、分光画像同士の相対位置にもずれが生じる。この相対位置のずれが色ずれとなって表れる。第５に、マルチイメージングカメラを顕微鏡に適用する場合、瞳径が小さいため、光束の分割が困難である。

第１実施形態によれば、第１マイクロレンズ３２と第２マイクロレンズ４２との間隔が、第１マイクロレンズ３２および第２マイクロレンズ４２の焦点距離と等しくなっている。これにより、結像光学系１０の絞り１２の径（開口径）が変化して、第１マイクロレンズ３２に入射する光束の入射角が変化しても、第２マイクロレンズ４２から射出される光束の広がり角度がほぼ一定であるため、小レンズアレイ７１の第１〜第９小レンズ７２ａ
〜７２ｉにより形成される９個の物体像Ｉａ〜Ｉｉ同士の光量比がほぼ一定となる。すなわち、９個の物体像Ｉａ〜Ｉｉに応じて撮像面９３上に区画される９つの受光領域で受光する光の光量比がほぼ一定となる。さらに、瞳位置とは異なる位置で光束を分割することが可能なため、撮像素子９１が、複数の分光フィルタ６２ａ〜６２ｉの分光特性に応じて形成された複数の物体像Ｉａ〜Ｉｉを、当該複数の物体像Ｉａ〜Ｉｉに応じて撮像面９３上に区画される複数の受光領域で受光して撮像する構成であっても、結像光学系１０の絞り１２を調節することができる。また、本実施形態の結像光学系１０のような一般的なカメラのレンズを交換レンズとして使用することができる。

分光フィルタアレイ６１の第１〜第９分光フィルタ６２ａ〜６２ｉは、異なる分光特性を有するバンドパスフィルタであり、第１マイクロレンズ３２に入射する光束の入射角が変化しても、上述したように、小レンズアレイ７１の第１〜第９小レンズ７２ａ〜７２ｉにより形成される９個の物体像Ｉａ〜Ｉｉ同士の光量比がほぼ一定となる。従って、物体ＯＢ（被写体）からの光束の指向性が強くても、正確な色表現が可能である。また、レンズアレイユニット３０と画像生成ユニット５０との位置関係が一定であるため、物体ＯＢに対するピントがずれても、上述した９個の物体像Ｉａ〜Ｉｉに基づいて生成される分光画像同士で位置ずれが生じることはなく、色ずれが生じることもない。

第１マイクロレンズ３２に入射する光束の入射角が変化しても、第２マイクロレンズ４２から射出される光束の広がり角度がほぼ一定であるため、結像光学系１０の絞り１２の径が小さくても、画像生成ユニット５０に十分な広がり角度を有する光束を入射させることができる。そのため、結像光学系として、顕微鏡等のように瞳径が小さな光学系を用いることが可能である。

本実施形態において、第２マイクロレンズ４２は、設計的な焦点距離（および、有効半径や屈折率等）が第１マイクロレンズ３２と同じであるが、実際の焦点距離（および、有効半径や屈折率等）が第１マイクロレンズ３２と略同じであってもよい。略同じには、設計的に等しいことに加えて、加工誤差や設置誤差等によるずれが含まれる。第１マイクロレンズ３２と第２マイクロレンズ４２との間隔Ｌは、設計的に第１マイクロレンズ３２（および第２マイクロレンズ４２）の焦点距離ｆと等しいが、次の条件式（１）を満足していればよい。但し、第１マイクロレンズ３２および第２マイクロレンズ４２の（光学材料の）屈折率をｎとする。

４（ｎ−１）−｛４（ｎ−１）²−（ｒ／ｆ）²｝^1/2＜Ｌ／ｆ＜２．０ …（１）

条件式（１）の下限値は、第１マイクロレンズ３２および第２マイクロレンズ４２の光軸上の厚さを規定する式であり、条件式（１）の下限値に達すると、第１マイクロレンズ３２と第２マイクロレンズ４２とが干渉する。一方、条件式（１）の上限値に達すると、第２マイクロレンズ４２の像側のレンズ面から射出される光束は、片側の広がり角度が最小になって平行光束となり、本実施形態の効果が得られない。なお、第１マイクロレンズ３２および第２マイクロレンズ４２の加工誤差等に応じて、条件式（１）の下限値を０．８（もしくは０．９）に設定してもよく、条件式（１）の上限値を１．２（もしくは１．１）に設定してもよい。このようにすれば、第１マイクロレンズ３２と第２マイクロレンズ４２との間隔Ｌが焦点距離ｆと等しくない場合（Ｌ≠ｆの場合）でも、絞り値毎に校正を行うことで、第１マイクロレンズ３２に入射する光束の入射角が変化しても、第２マイクロレンズ４２の像側のレンズ面から射出される光束の広がり角度のばらつきを一定の範囲に抑えることができ、９個の物体像Ｉａ〜Ｉｉ同士の光量比に差が生じることを低減できる。さらに、瞳位置とは異なる位置で光束を分割することが可能なため、結像光学系１０の絞り１２を調節することができる。

なお、本実施形態では、第１〜第９分光フィルタ６２ａ〜６２ｉを設けることで９個の物体像Ｉａ〜Ｉｉを形成しているが、得られる物体像の数は任意に設定してもよい。例えば、２個の物体像Ｉａ，Ｉｂを形成するために、２個の分光フィルタである第１および第２分光フィルタ６２ａ，６２ｂを設けてもよい。この場合、２個の物体像Ｉａ，Ｉｂから２種類の分光画像が得られる。このように、得たい分光画像の種類の数に応じて、分光フィルタの数を決定すればよい。

次に、撮像装置の第２実施形態について、図８を参照しながら説明する。第２実施形態の撮像装置１０１は、図８に示すように、結像光学系１０と、フィールドレンズ１２０と、レンズアレイユニット３０と、画像生成ユニット５０とを備えて構成される。第２実施形態において、結像光学系１０、レンズアレイユニット３０、および画像生成ユニット５０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１０は、鏡筒部１０２（図９を参照）の内部に収容保持される。一方、フィールドレンズ１２０、レンズアレイユニット３０、および画像生成ユニット５０は、カメラ本体１０５（図９を参照）の内部に収容保持される。結像光学系１０を保持する鏡筒部１０２は、カメラ本体１０５に対して着脱交換可能に取り付けられる。これにより、結像光学系１０は、撮像装置１０１の視野角や撮影距離に応じて、最適なものが取り付けられる。

フィールドレンズ１２０は、結像光学系１０とレンズアレイユニット３０との間におけるレンズアレイユニット３０の近傍に配置される。フィールドレンズ１２０は、図８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。結像光学系１０の射出瞳の位置に、フィールドレンズ１２０の前側の（図９における左側の）焦平面が形成されるようになっている。なお、第１マイクロレンズアレイ３１における複数の第１マイクロレンズ３２の物体側のレンズ面に、結像光学系１０の焦平面が形成されるものとする。フィールドレンズ１２０は、結像光学系１０の絞り１２の中心を通過した物体ＯＢからの主光線Ｂ0pを光軸Ａｚ１と略平行にする。なお、フィールドレンズ１２０は、物体ＯＢにおける任意の点から射出された光束の主光線を光軸Ａｚ１と略平行にすることは言うまでもない。これにより、結像光学系１０の絞り１２の中心を通過した物体ＯＢからの主光線Ｂ0pは、フィールドレンズ１２０を通って第１マイクロレンズアレイ３１に対して垂直に入射し、第１マイクロレンズアレイ３１の物体側のレンズ面に結像光学系１０による中間像が形成される。

図２に示すように、第１マイクロレンズアレイ３１における或る一つの第１マイクロレンズ３２に入射する平行光束Ｂ1は、第１マイクロレンズ３２（および第２マイクロレン
ズ４２）の光軸Ａｘｍに対して大きく傾斜した場合、第２マイクロレンズアレイ４１において、第１マイクロレンズ３２と相対する第２マイクロレンズ４２ではなく、この隣に位置する第２マイクロレンズ４２に入射する可能性がある。

そのため、第１マイクロレンズ３２の中心を通る平行光束Ｂ1の主光線Ｂ1pの入射角θ
は、次式（Ｆ）で表される条件を満たさなければならない。

図２において、入射角θの絶対値が最大になるのは、視野の上端から絞り１２の上端を通るか、逆に、視野の下端から絞り１２の下端を通る光束である。入射角θ（絶対値）の最大値を最も小さくするためには、絞り１２の中心を通る主光線が第１マイクロレンズアレイ３１に対し垂直に入射すればよい。

第２実施形態の撮像装置１０１において、図８に示すように、物体ＯＢからの光束は、結像光学系１０の結像レンズ１１および絞り１２と、フィールドレンズ１２０を通過して第１マイクロレンズアレイ３１に達し、第１マイクロレンズアレイ３１における複数の第１マイクロレンズ３２の物体側のレンズ面に、物体ＯＢの中間像（実像）を形成する。このとき、結像光学系１０の絞り１２の中心を通過した物体ＯＢからの主光線Ｂ0pは、フィールドレンズ１２０を通って第１マイクロレンズアレイ３１に対して略垂直に入射する。

これにより、第１マイクロレンズアレイ３１における或る一つの第１マイクロレンズ３２に入射する平行光束Ｂ1の主光線Ｂ1pは、第１マイクロレンズ３２（および第２マイク
ロレンズ４２）の光軸Ａｘｍに対して大きく傾斜することなく第１マイクロレンズ３２の中心を通り、第１マイクロレンズ３２と相対する第２マイクロレンズアレイ４１の第２マイクロレンズ４２に入射する。そのため、第１実施形態と同様に、第１マイクロレンズアレイ３１における複数の第１マイクロレンズ３２の物体側のレンズ面に入射するいずれの光束も、第２マイクロレンズアレイ４１における複数の第２マイクロレンズ４２の像側のレンズ面から均一な広がり角度を持って射出される。

撮像面９３上に形成された９個の物体像Ｉａ〜Ｉｉは、それぞれ第１〜第９分光フィルタ６２ａ〜６２ｉのうち対応する分光特性をもって形成される。撮像素子９１は、撮像面９３上に形成された９個の物体像Ｉａ〜Ｉｉを撮像し、出力信号を画像処理部９６へ出力する。画像処理部９６は、撮像素子９１から出力された、第１〜第９分光フィルタ６２ａ〜６２ｉの分光特性に応じた第１〜第９物体像Ｉａ〜Ｉｉの出力信号に基づいて、物体ＯＢのマルチ波長バンド画像を生成する。なお、画像処理部９６により生成された物体ＯＢ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。

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。さらに、結像光学系１０の絞り１２の中心を通過した物体ＯＢからの主光線Ｂ0pを光軸Ａｚ１と略平行にするフィールドレンズ１２０が設けられるため、当該物体ＯＢからの主光線Ｂ0pは、第１マイクロレンズアレイ３１に対して垂直に入射する。これにより、絞り１２の径（開口径）に拘わらず、第１マイクロレンズ３２の中心を通る平行光束Ｂ1の主光線Ｂ1pの入射
角θの最大値を、最も小さくすることができる。従って、絞り１２の径を大きくすることができ、Ｆナンバーの小さい（明るい）結像光学系１０を交換レンズとして使用することが可能になる。

なお、図９に示すように、カメラ本体１０５の内部には、前述したフィールドレンズ１２０、レンズアレイユニット３０、および画像生成ユニット５０の他に、オートフォーカス用レンズ１５１と、オートフォーカスセンサ１５２と、ファインダー用レンズ１６１と、ファインダー用イメージセンサ１６２とが収容されている。オートフォーカス用レンズ
１５１、オートフォーカスセンサ１５２、ファインダー用レンズ１６１、およびファインダー用イメージセンサ１６２は、他の実施形態の撮像装置に設けられてもよい。図９においては、図を見やすくするため、光路の一部を省略して記載している。

次に、撮像装置の第３実施形態について、図１０〜図１２を参照しながら説明する。第３実施形態の撮像装置２０１は、図１０に示すように、結像光学系１０と、レンズアレイユニット３０と、画像生成ユニット２５０とを備えて構成される。第３実施形態において、結像光学系１０およびレンズアレイユニット３０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１０は、鏡筒部（図示せず）の内部に収容保持される。一方、レンズアレイユニット３０および画像生成ユニット２５０は、カメラ本体（図示せず）の内部に収容保持される。結像光学系１０を保持する鏡筒部は、カメラ本体に対して着脱交換可能に取り付けられる。これにより、結像光学系１０は、撮像装置２０１の視野角や撮影距離に応じて、最適なものが取り付けられる。

画像生成ユニット２５０は、コリメータレンズ２５１と、分光フィルタアレイ２６１と、集光レンズ２７１と、分光用マイクロレンズアレイ２８１と、撮像素子２９１と、画像処理部２９６とを有して構成される。コリメータレンズ２５１は、第２マイクロレンズアレイ４１の像側レンズ面（光束の射出面）に対して合焦するように調整される。コリメータレンズ２５１は、レンズアレイユニット３０の第２マイクロレンズアレイ４１から射出された光束を透過させて平行光束にする。コリメータレンズ２５１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。

コリメータレンズ２５１の像側に、光学素子ユニットに対応する分光フィルタアレイ２６１が配置される。分光フィルタアレイ２６１は、図１１に示すように、結像光学系１０（コリメータレンズ２５１）から延びる光軸Ａｘ１と垂直な平面に沿って二次元的に配列された９個の分光フィルタ２６２ａ〜２６２ｉと、これらを保持する保持部材２６３とから構成される。分光フィルタアレイ２６１は、コリメータレンズ２５１から集光レンズ２７１までの光学系における瞳位置に配置される。なお、保持部材２６３は、第１〜第９分光フィルタ２６２ａ〜２６２ｉを保持した状態で、カメラ本体の内部に設けられた保持機構（図示せず）に着脱交換可能に取り付けられる。光軸方向から見た分光フィルタアレイ２６１を図１１に示す。コリメータレンズ２５１から射出される平行光束は、全ての分光フィルタ２６２ａ〜２６２ｉに対してケラレなく照射される。第１〜第９分光フィルタ２６２ａ〜２６２ｉは、所定の第１〜第９波長までの等間隔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。すなわち、第１〜第９分光フィルタ２６２ａ〜２６２ｉの分光特性は、全て互いに異なっている。

分光フィルタアレイ２６１の像側に、集光レンズ２７１が配置される。集光レンズ２７１は、分光フィルタアレイ２６１（第１〜第９分光フィルタ２６２ａ〜２６２ｉ）からの光を透過させて第２マイクロレンズアレイ４１の像（実像）を結像させる。第２マイクロレンズアレイ４１の像側のレンズ面に映る像は、物体ＯＢの中間像（実像）とほぼ一致しているため、集光レンズ２７１の像面には物体ＯＢの像が形成されると考えてよい。集光レンズ２７１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。

集光レンズ２７１の像側に、分光用マイクロレンズアレイ２８１が配置される。分光用マイクロレンズアレイ２８１は、図１２に示すように、結像光学系１０（コリメータレンズ２５１）から延びる光軸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〜数百万個の分光用マイクロレンズ２８２から構成される。複数の分光用
マイクロレンズ２８２は、集光レンズ２７１の像面上の位置（第２マイクロレンズアレイ４１の像の結像位置）に配置される。

分光用マイクロレンズアレイ２８１の像側に、撮像素子２９１が配置される。撮像素子２９１は、図１２に示すように、数十万〜数千万個の撮像ピクセル（以下、説明の便宜上、画素２９２と称する場合がある）が平面上に二次元的に配列された長方形の撮像面２９３を有している。このような撮像素子２９１として例えば、モノクロＣＣＤやＣＭＯＳ等が用いられる。撮像素子２９１の撮像面２９３は、複数の分光用マイクロレンズ２８２により分光フィルタアレイ２６１と共役関係になる面に配置され、複数の分光用マイクロレンズ２８２による複数の分光フィルタアレイ２６１の像（実像）が撮像面２９３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、分光フィルタアレイ２６１を構成する第１〜第９分光フィルタ２６２ａ〜２６２ｉの像（実像）がそれぞれ形成されるように、分光用マイクロレンズアレイ２８１と撮像素子２９１との相対位置等が調整される。

撮像素子２９１は、撮像面２９３上に形成された複数の分光フィルタアレイ２６１の像（すなわち、複数組の分光フィルタ２６２ａ〜２６２ｉの像）を撮像し、出力信号を画像処理部２９６へ出力する。画像処理部２９６は、撮像素子２９１から出力された出力信号に基づいて、第１〜第９分光フィルタ２６２ａ〜２６２ｉの各波長特性に応じた物体ＯＢ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３実施形態の撮像装置２０１において、図１０に示すように、物体ＯＢからの光束は、結像光学系１０の結像レンズ１１および絞り１２を通過して第１マイクロレンズアレイ３１に達し、第１マイクロレンズアレイ３１における複数の第１マイクロレンズ３２の物体側のレンズ面に、物体ＯＢの中間像（実像）を形成する。第１実施形態と同様に、第１マイクロレンズアレイ３１における複数の第１マイクロレンズ３２の物体側のレンズ面に入射するいずれの光束も、第２マイクロレンズアレイ４１における複数の第２マイクロレンズ４２の像側のレンズ面から均一な広がり角度を持って射出される。

第２マイクロレンズアレイ４１における複数の第２マイクロレンズ４２の像側のレンズ面から射出された光束は、コリメータレンズ２５１を透過して平行光束となる。コリメータレンズ２５１から射出された平行光束は、分光フィルタアレイ２６１における第１〜第９分光フィルタ２６２ａ〜２６２ｉのうちいずれか一つを通過する。分光フィルタアレイ２６１を通過した平行光束は、集光レンズ２７１を透過して分光用マイクロレンズアレイ２８１上に集光され、分光用マイクロレンズアレイ２８１における複数の分光用マイクロレンズ２８２のいずれかを透過して撮像素子２９１の撮像面２９３に入射する。

前述したように、撮像素子２９１の撮像面２９３は、複数の分光用マイクロレンズ２８２により分光フィルタアレイ２６１と共役関係になる面に配置されている。そのため、撮像面２９３には、複数の分光用マイクロレンズ２８２による複数の分光フィルタアレイ２６１の像が結像される。また、撮像素子２９１の各撮像ピクセルに対し、第１〜第９分光フィルタ２６２ａ〜２６２ｉのうちいずれか一つからの光が入射するように、分光用マイクロレンズアレイ２８１と撮像素子２９１との相対位置等が調整されている。そのため、撮像素子２９１の各撮像ピクセル毎に、第１〜第９分光フィルタ２６２ａ〜２６２ｉのうち、どれを透過した光の出力信号かを特定することができる。

撮像素子２９１は、撮像面２９３上に形成された複数の分光フィルタアレイ２６１の像（すなわち、複数組の分光フィルタ２６２ａ〜２６２ｉの像）を撮像し、出力信号を画像処理部２９６へ出力する。第１〜第９分光フィルタ２６２ａ〜２６２ｉ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、分光用マイクロレンズアレイ
２８１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つの分光用マイクロレンズ２８２に対応する撮像ピクセル毎に、（第１〜第９分光フィルタ２６２ａ〜２６２ｉに応じた）分光分布を得ることができる。

画像処理部２９６は、撮像素子２９１から出力された出力信号に基づいて、物体ＯＢ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２９６は、第１〜第９分光フィルタ２６２ａ〜２６２ｉにそれぞれ対応する撮像ピクセルの出力信号毎に、物体ＯＢの画像を生成する。このようにして、第１〜第９分光フィルタ２６２ａ〜２６２ｉの各波長特性に応じた物体ＯＢのマルチ波長バンド画像が生成される。なお、画像処理部２９６により生成された物体ＯＢ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。

第３実施形態によれば、第１実施形態と同様に、第１マイクロレンズ３２に入射する光束の入射角が変化しても、第２マイクロレンズ４２から射出される光束の広がり角度がほぼ一定であるため、分光用マイクロレンズアレイ２８１の複数の分光用マイクロレンズ２８２により形成される複数の分光フィルタアレイ２６１の像同士の光量比がほぼ一定となる。また、レンズアレイユニット３０と画像生成ユニット２５０との位置関係が一定であるため、物体ＯＢに対するピントがずれても、上述した複数の分光フィルタアレイ２６１の像に基づいて生成される分光画像同士で位置ずれが生じることはない。そのため、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

次に、撮像装置の第４実施形態について、図１３を参照しながら説明する。第４実施形態の撮像装置３０１は、結像光学系１０と、フィールドレンズ１２０と、レンズアレイユニット３０と、画像生成ユニット２５０とを備えて構成される。第４実施形態において、結像光学系１０およびレンズアレイユニット３０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。フィールドレンズ１２０は、第２実施形態と同様の構成であるため、第２実施形態と同一の符号を付して詳細な説明を省略する。画像生成ユニット２５０は、第３実施形態と同様の構成であるため、第３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１０は、鏡筒部（図示せず）の内部に収容保持される。一方、フィールドレンズ１２０、レンズアレイユニット３０、および画像生成ユニット２５０は、カメラ本体（図示せず）の内部に収容保持される。結像光学系１０を保持する鏡筒部は、カメラ本体に対して着脱交換可能に取り付けられる。これにより、結像光学系１０は、撮像装置３０１の視野角や撮影距離に応じて、最適なものが取り付けられる。

第４実施形態の撮像装置３０１において、図１３に示すように、物体ＯＢからの光束は、結像光学系１０の結像レンズ１１および絞り１２と、フィールドレンズ１２０を通過して第１マイクロレンズアレイ３１に達し、第１マイクロレンズアレイ３１における複数の第１マイクロレンズ３２の物体側のレンズ面に、物体ＯＢの中間像（実像）を形成する。このとき、結像光学系１０の絞り１２の中心を通過した物体ＯＢからの主光線Ｂ0pは、フィールドレンズ１２０を通って第１マイクロレンズアレイ３１に対して垂直に入射する。

これにより、第１マイクロレンズアレイ３１における或る一つの第１マイクロレンズ３２に入射する平行光束Ｂ1の主光線Ｂ1pは、第１マイクロレンズ３２（および第２マイク
ロレンズ４２）の光軸Ａｘｍに対して大きく傾斜することなく第１マイクロレンズ３２の中心を通り、第１マイクロレンズ３２と相対する第２マイクロレンズアレイ４１の第２マイクロレンズ４２に入射する。そのため、第１実施形態と同様に、第１マイクロレンズアレイ３１における複数の第１マイクロレンズ３２の物体側のレンズ面に入射するいずれの光束も、第２マイクロレンズアレイ４１における複数の第２マイクロレンズ４２の像側の
レンズ面から均一な広がり角度を持って射出される。

撮像素子２９１は、撮像面２９３上に形成された複数の分光フィルタアレイ２６１の像（すなわち、複数組の分光フィルタ２６２ａ〜２６２ｉの像）を撮像し、出力信号を画像処理部２９６へ出力する。第１〜第９分光フィルタ２６２ａ〜２６２ｉ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、分光用マイクロレンズアレイ２８１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つの分光用マイクロレンズ２８２に対応する撮像ピクセル毎に、（第１〜第９分光フィルタ２６２ａ〜２６２ｉに応じた）分光分布を得ることができる。

第４実施形態によれば、第１実施形態および第２実施形態と同様の効果を得ることができる。

上述の各実施形態において、図１４に示すように、レンズアレイユニット３０を構成する複数の第１マイクロレンズ３２および第２マイクロレンズ４２は、撮像素子９１（撮像素子２９１）の複数の画素９２（画素２９２）に対して、光軸方向から見て所定の傾斜角度だけ傾斜してずれるように配列されてもよい。複数の第１マイクロレンズ３２および第２マイクロレンズ４２が、複数の画素９２（画素２９２）に対して光軸方向から見て僅かに傾斜してずれる場合（傾斜角度γ≒０の場合）、画像処理部９６（画像処理部２９６）で生成される画像全体にモアレ縞が発生し易い。そのため、傾斜角度γの大きさをモアレ縞が発生し難い所定の傾斜角度（例えば、４５°の傾斜角度）まで大きくすれば、画像処理部９６（画像処理部２９６）で生成される画像にモアレ縞が発生するのを防止することができる。

また、レンズアレイユニット３０を構成する複数の第１マイクロレンズ３２および第２
マイクロレンズ４２は、図１４に示すような正方配列ではなく、正六角形型の配列（ハニカム構造のような配列）であってもよい。このようにしても、画像処理部９６（画像処理部２９６）で生成される画像にモアレ縞が発生するのを防止することができる。

上述の各実施形態において、第１マイクロレンズ３２および第２マイクロレンズ４２は、通常、半径が数μｍ〜数１０μｍであって、厚さが半径の数分の一程度であり、非常に小さくて薄い。このように小さくて薄い第１マイクロレンズ３２および第２マイクロレンズ４２からなる第１マイクロレンズアレイ３１および第２マイクロレンズアレイ４１を保持するのは、困難である。そこで、レンズアレイユニットの変形例について述べる。

第１変形例のレンズアレイユニット５３０は、図１５に示すように、第１マイクロレンズアレイ５３１と、第１レンズアレイ保持部材５３３と、第２マイクロレンズアレイ５４１と、第２レンズアレイ保持部材５４３と、スペーサ５４６とを有して構成される。第１マイクロレンズアレイ５３１は、結像光学系１０から延びる光軸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〜数百万個の第１マイクロレンズ５３２から構成される。複数の第１マイクロレンズ５３２の物体側のレンズ面は、第１レンズアレイ保持部材５３３に接合されている。第１レンズアレイ保持部材５３３は、透明の平行平面板である。これにより、第１マイクロレンズアレイ５３１は、第１レンズアレイ保持部材５３３の像側の面に保持される。第１マイクロレンズアレイ５３１の他の構成は、上述の各実施形態における第１マイクロレンズアレイ３１と同様である。

第２マイクロレンズアレイ５４１は、結像光学系１０から延びる光軸Ａｘ１と垂直な平面に沿って二次元的に配列された、第１マイクロレンズ５３２と同じ個数の第２マイクロレンズ５４２から構成される。複数の第２マイクロレンズ５４２の像側のレンズ面は、第２レンズアレイ保持部材５４３に接合されている。第２レンズアレイ保持部材５４３は、透明の平行平面板である。これにより、第２マイクロレンズアレイ５４１は、第２レンズアレイ保持部材５４３の物体側の面に保持される。第２マイクロレンズアレイ５４１の他の構成は、上述の各実施形態における第２マイクロレンズアレイ４１と同様である。

スペーサ５４６は、枠状に形成され、第１レンズアレイ保持部材５３３の外縁部と第２レンズアレイ保持部材５４３の外縁部とに結合される。第２マイクロレンズ５４２が、第２マイクロレンズ５４２と相対する第１マイクロレンズ５３２に対し、第１マイクロレンズ５３２の光軸に沿って所定の間隔だけ離れて配置されるように、スペーサ５４６の光軸方向の長さ（厚さ）が設定される。第１マイクロレンズ５３２と第２マイクロレンズ５４２との間隔とは、上述の各実施形態と同様に、第１マイクロレンズ５３２の後側主点と第２マイクロレンズ５４２の前側主点との間の距離であり、第１マイクロレンズ５３２および第２マイクロレンズ５４２の焦点距離と等しい。但し、第１マイクロレンズ５３２および第２マイクロレンズ５４２がともに薄肉レンズであるとして、互いのレンズ中心（主点）間の距離を所定の間隔としてもよい。また、第１マイクロレンズ５３２と第２マイクロレンズ５４２とは、互いの光軸が一致するように配置される。

このような構成によれば、第１マイクロレンズアレイ５３１および第２マイクロレンズアレイ５４１を容易に保持することができる。なお、第１レンズアレイ保持部材５３３および第２レンズアレイ保持部材５４３により光路長が変化するが、第１レンズアレイ保持部材５３３による光路長の変化は、結像光学系１０の絞り１２（もしくは、フィールドレンズ１２０）と第１レンズアレイ保持部材５３３との相対位置を調整することにより、光路長の補正が行われる。一方、第２レンズアレイ保持部材５４３による光路長の変化は、コリメータレンズ５１（２５１）と第２レンズアレイ保持部材５４３との相対位置を調整することにより、光路長の補正が行われる。

第２変形例のレンズアレイユニット６３０は、図１６に示すように、第１マイクロレンズアレイ６３１と、第２マイクロレンズアレイ６４１と、レンズアレイ保持部材６４６とを有して構成される。第１マイクロレンズアレイ６３１は、結像光学系１０から延びる光軸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〜数百万個の第１マイクロレンズ６３２から構成される。複数の第１マイクロレンズ６３２の像側のレンズ面は、レンズアレイ保持部材６４６に接合されている。レンズアレイ保持部材６４６は、透明の平行平面板である。これにより、第１マイクロレンズアレイ６３１は、レンズアレイ保持部材６４６の物体側の面に保持される。第１マイクロレンズアレイ６３１の他の構成は、上述の各実施形態における第１マイクロレンズアレイ３１と同様である。

第２マイクロレンズアレイ６４１は、結像光学系１０から延びる光軸Ａｘ１と垂直な平面に沿って二次元的に配列された、第１マイクロレンズ６３２と同じ個数の第２マイクロレンズ６４２から構成される。複数の第２マイクロレンズ６４２の物体側のレンズ面は、レンズアレイ保持部材６４６に接合されている。これにより、第２マイクロレンズアレイ６４１は、レンズアレイ保持部材６４６の像側の面に保持される。第２マイクロレンズアレイ６４１の他の構成は、上述の各実施形態における第２マイクロレンズアレイ４１と同様である。

レンズアレイ保持部材６４６は、上述したように透明の平行平面板である。第２マイクロレンズ６４２が、第２マイクロレンズ６４２と相対する第１マイクロレンズ６３２に対し、第１マイクロレンズ６３２の光軸に沿って所定の間隔だけ離れて配置されるように、レンズアレイ保持部材６４６の光軸方向の長さ（厚さ）が設定される。第１マイクロレンズ６３２と第２マイクロレンズ６４２との間隔とは、上述の各実施形態と同様に、第１マイクロレンズ６３２の後側主点と第２マイクロレンズ６４２の前側主点との間の距離であり、第１マイクロレンズ６３２および第２マイクロレンズ６４２の焦点距離と等しい。但し、第１マイクロレンズ６３２および第２マイクロレンズ６４２がともに薄肉レンズであるとして、互いのレンズ中心（主点）間の距離を所定の間隔としてもよい。また、第１マイクロレンズ６３２と第２マイクロレンズ６４２とは、互いの光軸が一致するように配置される。

このような構成によれば、第１マイクロレンズアレイ６３１および第２マイクロレンズアレイ６４１を容易に保持することができる。

第３変形例のレンズアレイユニット７３０は、図１７に示すように、マイクロレンズアレイ７３１と、レンズアレイ保持部材７４６とを有して構成される。マイクロレンズアレイ７３１は、図１７における破線の円Ｒｃで囲んだ部分の拡大図に示すように、結像光学系１０から延びる光軸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７３２から構成される。マイクロレンズアレイ７３１は、複数のマイクロレンズ７３２の物体側のレンズ面に結像光学系１０による中間像が形成されるように、当該中間像の結像位置に配置される。マイクロレンズアレイ７３１は、結像光学系１０からの光を複数のマイクロレンズ７３２で透過させる。

複数のマイクロレンズ７３２の像側のレンズ面は、レンズアレイ保持部材７４６に接合されている。レンズアレイ保持部材７４６は、透明の平行平面板である。これにより、マイクロレンズ７３２は、レンズアレイ保持部材７４６の物体側の面に保持される。マイクロレンズ７３２の物体側のレンズ面に入射する平行光束が、マイクロレンズ７３２の像側のレンズ面上に集光するように、両側のレンズ面の間隔が設定される。なお、マイクロレンズ７３２における物体側のレンズ面部が第１マイクロレンズに対応し、像側のレンズ面部が第２マイクロレンズに対応し、両側のレンズ面部の間の部分が保持部に対応する。

このような構成によれば、マイクロレンズアレイ７３１を容易に保持することができる。なお、レンズアレイ保持部材７４６により光路長が変化するが、レンズアレイ保持部材７４６がコリメータレンズ５１（２５１）側に配置されている場合、コリメータレンズ５１（２５１）とマイクロレンズアレイ７３１との相対位置を調整することにより、光路長の補正が行われる。一方、レンズアレイ保持部材７４６が結像光学系１０側に配置されている場合、結像光学系１０の絞り１２（もしくは、フィールドレンズ１２０）とマイクロレンズアレイ７３１との相対位置を調整することにより、光路長の補正が行われる。

上述の各実施形態において、光学素子アレイとして、バンドパスフィルタである９個の分光フィルタ６２ａ〜６２ｉ（２６２ａ〜２６２ｉ）を有する分光フィルタアレイ６１（２６１）が用いられているが、これに限られるものではない。例えば、光学素子アレイとして、光学特性が異なる複数のＮＤフィルタを有する光学フィルタアレイが用いられてもよく、光学特性が異なる複数の偏光素子を有する偏光素子アレイが用いられるようにしてもよい。撮像装置が、分光フィルタ、光学フィルタアレイ、および偏光素子アレイのいずれかに着脱交換可能に構成されることで、光学特性について異なる仕様のものを交換使用することができる。

光学素子アレイの変形例として、図１８に偏光素子アレイ５６１を示す。偏光素子アレイ５６１は、結像光学系１０から延びる光軸Ａｘ１と垂直な平面に沿って二次元的に配列された８個の偏光素子５６２ａ〜５６２ｈと、これらを保持する保持部材５６３とから構成される。偏光素子アレイ５６１は、上述の各実施形態における分光フィルタアレイ６１（２６１）と同様に配置される。なお、保持部材５６３は、第１〜第８偏光素子５６２ａ〜５６２ｈを保持した状態で、カメラ本体の内部に設けられた保持機構（図示せず）に着脱交換可能に取り付けられる。

第１〜第４偏光素子５６２ａ〜５６２ｄは、第１波長帯域用の光学素子である。第１偏光素子５６２ａは、偏光方向が図１８における横方向の直線偏光（以下、第１の直線偏光と称する）のみを通過させる。第２偏光素子５６２ｂは、図１８における縦方向の直線偏光（以下、第２の直線偏光と称する）のみを通過させる。第３偏光素子５６２ｃは、図１８における４５度方向の直線偏光（以下、第３の直線偏光と称する）のみを通過させる。第４偏光素子５６２ｄは、第１波長帯域の円偏光のみを通過させる。

第５〜第８偏光素子５６２ｅ〜５６２ｈは、第２波長帯域用の光学素子である。第５偏光素子５６２ｅは、第２波長帯域の円偏光のみを通過させる。第６偏光素子５６２ｆは、図１８における４５度方向の直線偏光（第２波長帯域の第３の直線偏光）のみを通過させる。第７偏光素子５６２ｇは、図１８における縦方向の直線偏光（第２波長帯域の第２の直線偏光）のみを通過させる。第８偏光素子５６２ｈは、偏光方向が図１８における横方向の直線偏光（第２波長帯域の第１の直線偏光）のみを通過させる。また、保持部材５６３の中央に形成された透光部５６４には光学素子が配置されず、変調を受けない物体ＯＢの画像の取得に用いられる。例えば、変調を受けない物体ＯＢの画像として、ファインダー用の画像を生成することが可能である。

第１〜第８偏光素子５６２ａ〜５６２ｈは、図１８において概念的に示したものである。詳細な図示を省略するが、第１偏光素子５６２ａは、第１の直線偏光のみを通過させるように透過軸の向きが調整された偏光フィルタと、第１波長帯域の第１の直線偏光のみを通過させるバンドパスフィルタとから構成される。第２偏光素子５６２ｂは、第２の直線偏光のみを通過させるように透過軸の向きが調整された偏光フィルタと、第１波長帯域の第２の直線偏光のみを通過させるバンドパスフィルタとから構成される。第３偏光素子５６２ｃは、第３の直線偏光のみを通過させるように透過軸の向きが調整された偏光フィルタと、第１波長帯域の第３の直線偏光のみを通過させるバンドパスフィルタとから構成さ
れる。第４偏光素子５６２ｄは、偏光フィルタと、１／４波長板と、第１波長帯域の円偏光のみを通過させるバンドパスフィルタとから構成される。

第５偏光素子５６２ｅは、偏光フィルタと、１／４波長板と、第２波長帯域の円偏光のみを通過させるバンドパスフィルタとから構成される。第６偏光素子５６２ｆは、第３の直線偏光のみを通過させるように透過軸の向きが調整された偏光フィルタと、第２波長帯域の第３の直線偏光のみを通過させるバンドパスフィルタとから構成される。第７偏光素子５６２ｇは、第２の直線偏光のみを通過させる偏光フィルタと、第２波長帯域の第２の直線偏光のみを通過させるように透過軸の向きが調整されたバンドパスフィルタとから構成される。第８偏光素子５６２ｈは、第１の直線偏光のみを通過させるように透過軸の向きが調整された偏光フィルタと、第２波長帯域の第１の直線偏光のみを通過させるバンドパスフィルタとから構成される。

なお、他の変形例として、光学素子アレイは、バンドパスフィルタである分光フィルタと、偏光素子と、ＮＤフィルタとのうち、いずれかを組み合わせた構成であってもよい。例えば、上述の各実施形態のように、光学素子アレイが縦３列、横３行の９つの光学素子を有する場合に、上から一行目の３つの光学素子を異なる波長帯域の分光フィルタとし、上から二行目の３つの光学素子を異なる偏光状態の偏光素子とし、上から三行目の３つの光学素子を異なる光学特性のＮＤフィルタとしてもよい。なお、光学素子の組み合わせはこれに限らない。

上述の各実施形態において、撮像波長範囲は、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。

１撮像装置（第１実施形態）
１０結像光学系
１１結像レンズ１１１２絞り１２
３０レンズアレイユニット
３１第１マイクロレンズアレイ３２第１マイクロレンズ
４１第２マイクロレンズアレイ４２第２マイクロレンズ
５０画像生成ユニット
５１コリメータレンズ
６１分光フィルタアレイ６２ａ〜６２ｉ分光フィルタ
７１小レンズアレイ７２ａ〜７２ｉ小レンズ
９１撮像素子９２画素
９６画像処理部
１０１撮像装置（第２実施形態）
１２０フィールドレンズ
２０１撮像装置（第３実施形態）
２５０画像生成ユニット
２５１コリメータレンズ
２６１分光フィルタアレイ２６２ａ〜２６２ｉ分光フィルタ
２７１集光レンズ
２８１分光用マイクロレンズアレイ２８２分光用マイクロレンズ
２９１撮像素子２９２画素
２９６画像処理部
３０１撮像装置（第４実施形態）
５３０レンズアレイユニット（第１変形例）
５３１第１マイクロレンズアレイ５３２第１マイクロレンズ
５４１第２マイクロレンズアレイ５４２第２マイクロレンズ
５６１偏光素子アレイ（変形例）５６２ａ〜５６２ｇ偏光素子
６３０レンズアレイユニット（第２変形例）
６３１第１マイクロレンズアレイ６３２第１マイクロレンズ
６４１第２マイクロレンズアレイ６４２第２マイクロレンズ
７３０レンズアレイユニット（第３変形例）
７３１マイクロレンズアレイ７３２マイクロレンズ

Claims

物体の中間像を結像させる結像光学系と、
前記中間像の結像位置に備えられ前記結像光学系からの光を通過させるレンズアレイユニットと、
第１光学特性を有し前記レンズアレイユニットから射出される光の一部を通過させる第１光学素子と、第２光学特性を有し前記レンズアレイユニットから射出される光の他の一部を通過させる第２光学素子とを有する光学素子ユニットと、
前記第１光学素子を通過した光を受光する第１受光領域と、前記第２光学素子を通過した光を受光する第２受光領域とを有する撮像素子とを備える撮像装置。
請求項１に記載された撮像装置であって、
前記レンズアレイユニットは、光軸と交差する方向に備えられ正の屈折力を有する複数の第１マイクロレンズと、前記複数の第１マイクロレンズのそれぞれに対向して前記第１マイクロレンズよりも像側に備えられ正の屈折力を有する複数の第２マイクロレンズとを有する撮像装置。
請求項２に記載された撮像装置であって、
前記第１マイクロレンズと、前記第２マイクロレンズとは、焦点距離が等しい撮像装置。
請求項３に記載された撮像装置であって、
前記第１マイクロレンズと前記第２マイクロレンズとの間隔は、前記第１マイクロレンズ及び前記第２マイクロレンズの焦点距離と等しい撮像装置。
請求項３に記載された撮像装置であって、
前記第１マイクロレンズと、前記第２マイクロレンズとは、屈折率及び半径が等しく、
以下の条件式を満足する撮像装置。
４（ｎ−１）−｛４（ｎ−１）²−（ｒ／ｆ）²｝^1/2＜Ｌ／ｆ＜２．０
但し、Ｌ：前記第１マイクロレンズと前記第２マイクロレンズとの間隔、
ｆ：前記焦点距離、
ｎ：前記屈折率、
ｒ：前記半径。
請求項２から請求項５の何れか１項に記載された撮像装置であって、
前記第１マイクロレンズは、前記中間像の結像位置に備えられている撮像装置。
請求項１から請求項６の何れか１項に記載された撮像装置であって、
前記結像光学系は、絞り径を変更可能な絞りを有する撮像装置。
請求項１から請求項７の何れか１項に記載された撮像装置であって、
前記光学素子ユニットは、前記第１光学素子と前記第２光学素子とが光軸と交差する方向に備えられている撮像装置。
請求項１から請求項８の何れか１項に記載された撮像装置であって、
前記レンズアレイユニットから射出される光を略平行光にするコリメータレンズを備え、
前記光学素子ユニットは、前記コリメータレンズからの光を通過させる撮像装置。
請求項１から請求項９の何れか１項に記載された撮像装置であって、
前記結像光学系と前記レンズアレイユニットとの間に配置され、前記結像光学系の絞りの中心を通過した物体からの主光線を光軸と略平行にするフィールドレンズを備える撮像装置。
請求項１から請求項１０の何れか１項に記載された撮像装置であって、
前記光学素子ユニットを通過した光が入射する第３のマイクロレンズを複数有する分光用マイクロレンズアレイを備え、
前記撮像素子は、前記第３のマイクロレンズのそれぞれに対応して複数の画素を有する撮像装置。
請求項１から請求項１１の何れか１項に記載された撮像装置であって、
前記撮像素子は、前記光学素子ユニットを通過した光を受光する複数の画素が２次元的に配列され、
前記レンズアレイユニットは、前記結像光学系の光軸方向から見て、複数のマイクロレンズが前記複数の画素の配列方向に対して傾斜して配列される撮像装置。
請求項１から請求項１２の何れか１項に記載された撮像装置であって、
前記第１光学素子及び前記第２光学素子は、光学特性の異なる複数のバンドパスフィルタ、光学特性の異なる複数のＮＤフィルタ、及び光学特性の異なる複数の偏光素子から選択された少なくとも１つである撮像装置。
請求項１から請求項１３の何れか１項に記載された撮像装置であって、
前記レンズアレイユニットは、
光軸と交差する方向に備えられ正の屈折力を有する複数の第１マイクロレンズと、
前記複数の第１マイクロレンズのそれぞれに対向して前記第１マイクロレンズよりも像側に備えられ正の屈折力を有する複数の第２マイクロレンズと、
前記第１マイクロレンズと前記第２マイクロレンズとを接続し、透過性を有する保持部とを有する撮像装置。
結像光学系の中間像の結像位置に備えられ前記結像光学系からの光を通過させるレンズアレイユニットと、
第１光学特性を有し前記レンズアレイユニットから射出される光の一部を通過させる第１光学素子と、第２光学特性を有し前記レンズアレイユニットから射出される光の他の一部を通過させる第２光学素子とを有する光学素子ユニットを固定する固定部と、
前記第１光学素子を通過した光を受光する第１受光領域と、前記第２光学素子を通過した光を受光する第２受光領域とを有する撮像素子とを備える撮像装置。