JP3682834B2 - 波長可変干渉フィルタを用いた光学装置 - Google Patents
波長可変干渉フィルタを用いた光学装置 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一対の光学基板を微小間隔を隔てて配置したファブリ・ペロー型等の波長可変干渉フィルタを用いた光学装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ファブリ・ペロー型干渉フィルタにおいて、２枚の基板の微小間隔を可変することにより、その透過特性を変化させることのできる波長可変干渉フィルタが知られている（特開平８−２８５６８８号）。
【０００３】
図９は、このような波長可変干渉フィルタを用いた光学装置であり、ＣＣＤカメラ１は、波長可変型の干渉フィルタ２、結像レンズ系３及びＣＣＤ等のイメージセンサ４で構成され、イメージセンサ４上に対象物体６の倒立像６ａが結像される倒立光学系統を例にとっている。
【０００４】
ＣＣＤカメラ１のイメージセンサ４で撮像された例えばＲＧＢカラー画像データは、パーソナルコンピュータ等の画像処理装置５に読み込まれ、透過波長帯域の異なる２枚の画像の差分画像（微分画像）等を生成し、対象物体の波長帯域における特徴などを抽出解析する。
【０００５】
図１０は、図９のＣＣＤカメラ１の光学系を取り出している。対象物体６の１点から発した光線は、波長可変干渉フィルタ２を透過した後、結像レンズ系３によってイメージセンサ４上に実像を結ぶ。
【０００６】
図１１は、図９の波長可変型干渉フィルタ２を取り出して構造を示している。波長可変干渉フィルタ３は、例えば２００〜３００オングストローム程度の厚みを有するＡｕ等の反射膜となる透光性の金属膜２１ａ，２１ｂを、対向する面に蒸着した一対のガラス基板２０ａ，２０ｂを間に圧電素子２２を介して対向配置し、その間に微小間隔Ｘを設定している。圧電素子２２は駆動電圧源２３による直流電圧の印加を受けて、基板間隔Ｘを変化させることができる。
【０００７】
この波長可変干渉フィルタ２は、ガラス基板２０ｂからの入射光に対し、透光性をもつ金属膜２１ａ，２１ｂ間での多重反射によって生ずる干渉作用に起因して複数の透過スペクトルピークが分布して光を透過する。
【０００８】
図１２は、図１１の波長可変干渉フィルタ２の波長スペクトルであり、例えば基板間隔Ｘ＝１４．４μｍで実線の特性となり、基板間隔Ｘ＝１５．１μｍで波長方向にシフトした破線の特性となる。またＲ、Ｇ、Ｂは図９のイメージセンサ４におけるカラーフィルタの透過特性である。
【０００９】
図１３は、正立光学系のＣＣＤカメラ１を用いた従来装置であり、ＣＣＤカメラ１は、対物レンズ７、波長可変干渉フィルタ２、結像レンズ系３及びＣＣＤ等のイメージセンサ４で構成され、イメージセンサ４上に対象物体６の正立像６ｂが結像される。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような波長可変干渉フィルタを用いた光学装置にあっては、図１０に示すように、対象物体６からの光線は、波長可変干渉フィルタ２のあらゆる点をあらゆる角度をもって透過するため、イメージセンサ４上に結像した実像は、位相差及び透過スペクトルの異なる光線の合成となり、位相差に起因してモアレ縞（干渉縞）を生じる。
【００１１】
図１４（Ａ）は、波長可変透過フィルタ２の基板間隔Ｘ＝１４．４μｍとした場合の図１２の実線で示す複数のピークスペクトルによる撮影画像であり、また図１４（Ｂ）は基板間隔Ｘ＝１５．１μｍとした図１２の破線で示す複数のピークスペクトラムによる撮影画像であり、対象物体として植物の葉を撮影している。尚、この撮影画像は白黒であるが、実際にはカラー画像である。
【００１２】
このような撮影画像ではモアレ縞はそれほど目立たないが、図９の画像処理処理装置５で、例えば透過スペクトルの異なる２つの撮影画像につき、微分スペクトルを見るために差分画像を生成すると、図１４（Ｃ）のようになる。この差分画像（微分スペクトル画像）にあっては、葉の輪郭部分に白く見えるように波長変化の大きな特徴部分が見られる。しかし、葉の周囲に波長可変干渉フィルタ２を通過した光線の位相差に起因し、多重リング状のモアレ縞（干渉縞）が出てしまい、測定結果に悪影響を及ぼす問題があった。
【００１３】
本発明は、このような従来の問題点に鑑みてなされたもので、波長可変干渉フィルタを透過した光線を結像した際の干渉縞の発生を防止するようにした波長可変干渉フィルタを用いた光学装置を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するため本発明は次のように構成する。まず本発明は、光の透過特性を可変できる波長可変干渉フィルタを透過した対象物体からの光線をイメージセンサや光センサに結像する波長可変干渉フィルタを用いた光学装置を対象とする。
【００１５】
このような波長可変干渉フィルタを用いた光学装置につき、本発明にあっては、波長可変干渉フィルタを透過する光線を平行光線として結像面に生じる干渉縞を防止する干渉縞防止光学構造を設けたことを特徴とする。
【００１６】
このような干渉縞防止光学構造を設けたことで、波長可変干渉フィルタを透過する光線の方向が揃えられ、波長可変干渉フィルタを通った対象物体からの光線の位相差に起因した結像面での干渉縞を防ぐことができ、クリアな画像が得られる。
【００１８】
本発明で使用する干渉縞防止光学構造は、対物レンズ系により対象物体からの光線を平行光線に変換して波長可変干渉フィルタに入射し、波長可変干渉フィルタを透過する光線を平行光線とする。この場合、波長可変干渉フィルタを光ファイバプレートで挟むことにより、波長可変干渉フィルタを透過する光線を平行光線とする。
【００２１】
【発明の実施の形態】
図１は本発明による波長可変干渉フィルタを用いた光学装置の実施形態である。図１において、本発明の光学装置は、ＣＣＤカメラ１と画像処理装置５で構成される。ＣＣＤカメラ１には波長可変干渉フィルタ２が設けられ、図１１に示した透光性の金属膜２１ａ，２１ｂを対向面に蒸着した一対のガラス基板２０ａ，２０ｂを、圧電素子２２に対する駆動電圧源２３からの直流電圧の印加で基板間隔Ｘを変化できるようにしている。
【００２２】
このＣＣＤカメラ１には干渉縞防止光学構造として、対物レンズ７、波長可変干渉フィルタ２の前後に配置された光ファイバプレート８，９、及び結像レンズ３が設けられ、イメージセンサ４上の結像面に対象物６の正立像６ｂを結像するようにしている。イメージセンサ４としては例えばＲＧＢ対応のカラーイメージセンサが設けられ、イメージセンサ４に結像した正立像６ｂのＲＧＢカラー信号を画像処理装置５に出力し、画像処理装置５でデジタルＲＧＢデータに変換してフレームメモリ等に記憶するようにしている。
【００２３】
画像処理装置５におけるＣＣＤカメラ１を用いて撮影した撮影画像の処理は、例えば波長可変干渉フィルタ２の基板間隔Ｘを２段階に変えて、それぞれの異なる波長スペクトル特性での撮影画像をフレームメモリに記憶した後に、差分画像（微分スペクトル画像）を求め、対象物体６の特有の特徴を捕える処理等を行う。
【００２４】
図２は図１のＣＣＤカメラ１に設けられた干渉縞防止光学構造を取り出している。まず本発明の干渉縞防止光学構造における波長可変干渉フィルタを透過した対象物体からの光線の結像面における光学像の干渉縞を防止するためには、少なくとも
「▲１▼波長可変干渉フィルタを透過する光線の方向を揃えること」
の条件が必要となる。
【００２５】
更に、波長可変干渉フィルタの各通過点での波長スペクトル特性を同一にするためには、
「▲２▼全ての光線が波長可変干渉フィルタに対し垂直に入射すること」
の条件が必要となる。
【００２６】
このような条件▲１▼，▲２▼を実現するため、図２の干渉縞防止光学構造にあっては、波長可変干渉フィルタ２の前後に光ファイバプレート８，９を配置している。尚、波長可変干渉フィルタ２は図１１の構造をもつが、その内のガラス基板２０ａ，２０ｂを概略的に示している。
【００２７】
光ファイバプレート８，９は光軸１５の方向に微小な長さを持つ光ファイバを光軸１５に平行に並べて一体化した例えばレンズと同様な円盤状の光学素子であり、どのような方向からの入射光であっても、光ファイバプレート８，９内を通過する場合には光ファイバの配置方向となる光軸１５の方向と平行に光線を透過し、これによって光ファイバプレート８，９から出射する光線の方向も光軸１５の方向に揃えることができる。
【００２８】
ここで光ファイバプレート８は、入射面が例えば対物レンズ７の焦点位置となるように配置される。このため例えば対象物体６からの光線は、対物レンズ７を通って様々な方向から光ファイバプレート８に入射する。例えば実線のように光ファイバプレート８に斜め方向から入射する光線もあるし、破線のように光軸１５と平行に入射する光線もある。
【００２９】
このような光ファイバプレート８に対する対象物体６からの入射光線は、入射方向の如何に関わらず、光軸１５と平行に組み込んでいる多数の光ファイバによって平行に透過し、波長可変干渉フィルタ２に入射する。即ち、光ファイバプレート８を通過した対象物体６からの光線は光線の方向が光軸１５に平行な方向に揃えられ、且つ波長可変干渉フィルタ２の各透過位置に対し垂直に入射する。
【００３０】
このため波長可変干渉フィルタ２を通過する対象物体６からの光線は位相を揃えることができ、且つフィルタ各点でのスペクトル特性を同一にでき、光ファイバプレート９から出射して結像レンズ３でイメージセンサ４の結像面４ａに結像しても、位相差と透過スペクトルの異なる光線の合成とならず、干渉縞を生ずることはない。
【００３１】
波長可変干渉フィルタ２の出射側に設けた光ファイバプレート９からの光線は、光ファイバプレート８に対する入射角と同じ出射角で光を出力する。この光ファイバプレート９の出射面は例えば結像レンズ３の焦点位置に設けられる。同時にイメージセンサ４の結像面４ａも結像レンズ３の反対側の焦点位置に設けられている。
【００３２】
図３は図２の光ファイバプレート８，９で波長可変干渉フィルタ２を挟み込んだ干渉縞防止光学構造を用いた図１の実施形態において、図１４（Ａ）（Ｂ）と同様に対象物体６として植物の葉を波長可変干渉フィルタ２の基板間隔Ｘ＝１４．４μｍとして撮像した場合と基板間隔Ｘ＝１５．１μｍとして撮像した場合の２枚の撮影画像を画像処理装置５に記憶し、記憶後に撮像した２つの画像の差分画像を生成したものである。
【００３３】
この図３の差分画像にあっては、図１４（Ｃ）の従来の差分画像に見られるような干渉縞はなく、葉の輪郭部分が白く光った波長特徴をもつクリアな差分画像が得られている。
【００３４】
図４は、図１のＣＣＤカメラ１に使用する干渉縞防止光学構造の他の実施形態であり、この実施形態にあっては、対物レンズ系によって波長可変干渉フィルタを通過する対象物体からの光線を光軸に平行な光線に変換するようにしたことを特徴とする。
【００３５】
図４において、干渉縞防止光学構造は、波長可変干渉フィルタ２の前部に配置された対物レンズ（凸レンズ）７と凹レンズ１０の組合せにより構成される対物レンズ系、及び波長可変干渉フィルタ２の背後に配置された凹レンズ１１と結像レンズ（凹レンズ）３の組合せにより構成される結像レンズ系で構成される。対物レンズ７と凹レンズ１０の組合せにより構成される対物レンズ系は対象物体６のあらゆる方向から入射する実線あるいは破線の光線を光軸１５に平行な平行光線に変換し、波長可変干渉フィルタ２に対し垂直に入射させる。
【００３６】
このように波長可変干渉フィルタ２を通過する対象物体６からの光線は全て光軸１５に平行な光線となり、且つ波長可変干渉フィルタ２に対し垂直に入射されるため、フィルタ透過の際に位相差は起きず、また全てのフィルタ透過位置において、そのときの基板間隔Ｘに応じた同じ透過スペクトルが得られる。
【００３７】
波長可変干渉フィルタ２に続いて設けられた凹レンズ１１と結像レンズ３の組合せにより構成される結像レンズ系は、波長可変干渉フィルタ２を通過した対象物体６からの平行光線を両者の合成焦点位置を結像面４ａとしたイメージセンサ４に正立像６ｂを結像させる。
【００３８】
この図４の実施形態にあっては、対物レンズ系によって波長可変干渉フィルタ２を通過する対象物体６からの光線を全て平行光線とすることで、イメージセンサ４の結像面４ａにおける光学像の干渉縞を略完全になくすことができる。
【００３９】
尚、対物レンズ系及び結像レンズ系を構成する凸レンズと凹レンズの組合せは、それぞれ１個ずつの組合せに限定されるものではなく、それぞれ少なくとも１個以上の組合せであればどのような組合せであっても良い。
【００４０】
図５は、図１の図５は図１のＣＣＤカメラ１に設けられる干渉縞防止光学構造の他の実施形態であり、図４の簡略構造ということができる。
【００４１】
図５において、波長可変干渉フィルタ２の前部には対物レンズ７が配置され、後方のイメージセンサ４との間には結像レンズ３が配置される。ここで波長可変干渉フィルタ２の入射位置は対物レンズ７の焦点位置近傍に配置される。また波長可変干渉フィルタ２の出射面は結像レンズ３の手前側の焦点位置となる。更にイメージセンサ４の結像面４ａは結像レンズ３の反対側の焦点位置となる。
【００４２】
この図５の実施形態にあっては、例えば対象物体６の一点から実線のように出た三方向に向う光は、対物レンズ７を通過した後、同じ入射角もって平行に波長可変干渉フィルタ２に入射する。このため、対象物体６の一点から出た実線の光線は干渉縞を防ぐために必要なフィルタを通過する光線の方向を揃えるという条件 を満足しており、結像レンズ３によりイメージセンサ４の結像面４ａに実線の光線を結像した場合、一点において位相差に起因した干渉縞の発生はない。
【００４３】
一方、同じ対象物体６の光軸１５上の点から破線のように出た光線は、対物レンズ７を通過した後、光軸１５に平行な光線として波長可変干渉フィルタ２を通過する。このため、この対象物体６の別の一点から出た破線の光線の間に位相差はなく、結像レンズ３によりイメージセンサの結像面４ａに結像した際に破線の光線の合成による干渉縞の発生はない。
【００４４】
しかしながら、図５の実施形態にあっては、実線の光線と破線の光線の間では波長可変干渉フィルタ２に対する入射角が異なっており、その結果、波長可変干渉フィルタ２を通過した際の波長スペクトラム特性（ピークスペクトラムの間隔）が異なる。
【００４５】
このため図４の実施形態に比べると、波長可変干渉フィルタ２に入射する光の方向によって波長スペクトラムに相違が出る分だけ波長分解能に誤差を生ずるが、干渉縞の発生はない。
【００４６】
図６は、図１のＣＣＤカメラ１に使用する干渉縞防止光学構造の他の実施形態であり、この実施形態にあっては絞りを使用したことを特徴とする。
【００４７】
図６において、干渉縞防止光学構造は対物レンズ７の前方の焦点位置に絞り１２を配置し、対象物体６の一点からの光を絞り１２を通して対物レンズ７に入射することで平行光に変換し、波長可変干渉フィルタ２を透過させている。このため、波長可変干渉フィルタ２を透過する対象物体６からの光線は全てフィルタ面に対し垂直な光軸１５と平行な光線となり、波長可変干渉フィルタ２を通過する際の各点における位相差をなくし、且つ波長スペクトラムのずれを解消できる。図７は、絞りを用いた干渉縞防止光学構造の他の実施形態であり、この実施形態にあっては、対象物体６側の入射位置に波長可変干渉フィルタ２を配置し、続いて対物レンズ７を設け、対物レンズ７の背後の焦点位置に絞り１２を配置し、絞り１２を通して対象物体６からの光線をイメージセンサ４の結像面４ａに結像したことを特徴とする。
【００４８】
この図７の実施形態にあっても、絞り１２を通ってイメージセンサ４に結像される対象物体６からの光線は、対象物体６から出てくるあらゆる方向の光線のうち光軸１５に平行な光線のみが選択され、実質的に波長可変干渉フィルタ２に対し対象物体６から出た光軸１５に平行な光線のみを通過させてイメージセンサ４の結像面４ａに結像したと同じことになる。
【００４９】
したがって、波長可変干渉フィルタ２を通過する光軸１５に平行な対象物体６からの光線のみを結像させることから、波長可変干渉フィルタ２を通過する際の位相差や波長スペクトラムのずれが起きず、結像面４ａにおける光学像に干渉縞を発生することはない。
【００５０】
尚、図６，図７の絞り１２を用いた干渉縞防止光学構造は、図１，図４，図５の絞りを用いない開放光学系に比べるとイメージセンサ４の結像面における光量が少ないことから、十分な輝度を持つ対象物体の撮影に使用するのが望ましい。
【００５１】
図８は、図１のＣＣＤカメラ１に用いる他の実施形態であり、レンズ系による対象物体の結像面上に、マイクロ凹レンズアレイを配置して像の各点の光線を平行光に変換した後に、波長可変干渉フィルタ２を通過させるようにしたことを特徴とする。
【００５２】
図８において、対物レンズ７の結像面の位置にはマイクロ凹レンズアレイ１３が配置される。マイクロ凹レンズアレイ１３は、微小レンズを平面上に多数配置しており、各マイクロ凹レンズに入射するあらゆる光を光軸１５に平行な平行光線に変換している。
【００５３】
マイクロ凹レンズアレイ１３に続いては光ファイバプレート１４が配置され、マイクロ凹レンズアレイ１３で光軸１５に平行な平行光に変換された対象物体６からの光線は、更に光ファイバプレート１４の各光ファイバによって平行光に揃えられる。
【００５４】
光ファイバプレート１４の出射面には近接または密着して波長可変干渉フィルタ２が配置され、この波長可変干渉フィルタ２の出射側に近接してイメージセンサ４の結像面４ａが配置されている。
【００５５】
この実施形態において、対象物体６からの光は対物レンズ７により結像位置に配置したマイクロ凹レンズアレイ１３に入射され、光軸１５に平行な平行光線に変換された後、更に光ファイバプレート１４により光軸１５に平行な方向に揃えられ、波長可変干渉フィルタ２を光軸１５に平行な平行光線として透過した後、イメージセンサ４の結像面４ａに照射される。
【００５６】
このため、マイクロ凹レンズアレイ１３の結像面の像が、そのまま平行光線として光ファイバプレート１４から波長可変干渉フィルタ２を透過してイメージセンサ４に入射するため、干渉フィルタを通過する際の位相ずれや波長スペクトラムのずれは起きず、イメージセンサ４により撮影した像に干渉縞は生じない。
【００５７】
この図８の実施形態にあっては、マイクロ凹レンズアレイ１３に続いて光ファイバプレート１４を設けているが、光ファイバプレート１４を設けず、マイクロ凹レンズアレイ１３のみとして平行光線を直接、波長可変干渉フィルタ２に入射させてもよい。
【００５８】
尚、本発明の波長可変干渉フィルタを用いた光学装置は、上記の実施形態に示された干渉縞防止光学構造に限定されず、適宜の光学系を使用することができる。
【００５９】
また上記の実施形態は、波長可変干渉フィルタ２の基板間隔Ｘを２段階に変化させてＣＣＤカメラ１で撮像した２枚の画像データの差分画像を画像処理装置で生成する場合を例にとっているが、これ以外の適宜の画像処理であってもよいことはもちろんである。
【００６０】
更に、上記の実施形態にあっては、波長可変干渉フィルタを通過した対象物体の像を撮像するイメージセンサを例にとるものであったが、波長可変干渉フィルタを通過した光を焦電素子やフォトダイオードあるいはフォトトランジスタ等の受光素子に集光して電気信号に変換する光センサであってもよい。
【００６１】
【発明の効果】
以上説明してきたように本発明によれば、波長可変干渉フィルタを透過する対象物体からの光線方向を揃えることで、波長可変干渉フィルタを通過した対象物体からの光を結像した際の干渉縞の発生を確実に防止することができ、クリアな画像が得られる。
【００６２】
更に全ての光線を波長可変干渉フィルタ面に対し垂直に入射させて、各点での波長スペクトル特性を同一にすることで、波長可変干渉フィルタを通過した光線をイメージセンサで撮像した場合、干渉縞のないクリアな画像が得られ、対象物体の波長スペクトラム特性の特徴監視等において測定結果に悪影響を及ぼすことがない。
【００６３】
また波長可変干渉フィルタを通過した光を赤外線センサやフォトダイオード等の光センサで受光した場合、監視対象としている物体の位置による信号量の誤差やばらつきをなくし、精度の高い測定結果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の波長可変干渉フィルタを用いた光学装置の説明図
【図２】図１のＣＣＤカメラに設けられた干渉縞防止光学構造の説明図
【図３】図１のＣＣＤカメラで撮像した２つの画像の差分画像の説明図
【図４】対物レンズ系により波長可変干渉フィルタの入射光を平行光とする干渉縞防止光学構造の説明図
【図５】簡易的な対物レンズ系により対象物体の一点からの波長可変干渉フィルタの入射光を平行光とする干渉縞防止光学構造の説明図
【図６】絞りにより波長可変干渉フィルタの入射光を平行光とする干渉縞防止光学構造の説明図
【図７】絞りにより波長可変干渉フィルタの入射光を平行光とする他の干渉縞防止光学構造の説明図
【図８】マイクロ凹レンズアレイと光ファイバプレートを用いて波長可変干渉フィルタの入射光を平行光とする他の干渉縞防止光学構造の説明図
【図９】倒立光学系を用いた従来装置の説明図
【図１０】図９の結像光学系を取り出した説明図
【図１１】波長可変型の波長可変干渉フィルタの構造説明図
【図１２】基板間隔Ｘを変えたときの波長スペクトルの特性図
【図１３】正立光学系を用いた従来装置の説明図
【図１４】図９の従来装置で波長可変干渉フィルタの基板間隔を可変して撮影した画像とその差分画像の説明図
【符号の説明】
１：ＣＣＤカメラ
２：波長可変干渉フィルタ
３：結像レンズ
４：イメージセンサ
５：画像処理装置
６：対象物体
６ａ：倒立像
６ｂ：正立像
７：対物レンズ
８，９，１４：光ファイバプレート
１０，１１：凹レンズ
１２：絞り
１３：マイクロ凹レンズアレイ
【発明の属する技術分野】
本発明は、一対の光学基板を微小間隔を隔てて配置したファブリ・ペロー型等の波長可変干渉フィルタを用いた光学装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ファブリ・ペロー型干渉フィルタにおいて、２枚の基板の微小間隔を可変することにより、その透過特性を変化させることのできる波長可変干渉フィルタが知られている（特開平８−２８５６８８号）。
【０００３】
図９は、このような波長可変干渉フィルタを用いた光学装置であり、ＣＣＤカメラ１は、波長可変型の干渉フィルタ２、結像レンズ系３及びＣＣＤ等のイメージセンサ４で構成され、イメージセンサ４上に対象物体６の倒立像６ａが結像される倒立光学系統を例にとっている。
【０００４】
ＣＣＤカメラ１のイメージセンサ４で撮像された例えばＲＧＢカラー画像データは、パーソナルコンピュータ等の画像処理装置５に読み込まれ、透過波長帯域の異なる２枚の画像の差分画像（微分画像）等を生成し、対象物体の波長帯域における特徴などを抽出解析する。
【０００５】
図１０は、図９のＣＣＤカメラ１の光学系を取り出している。対象物体６の１点から発した光線は、波長可変干渉フィルタ２を透過した後、結像レンズ系３によってイメージセンサ４上に実像を結ぶ。
【０００６】
図１１は、図９の波長可変型干渉フィルタ２を取り出して構造を示している。波長可変干渉フィルタ３は、例えば２００〜３００オングストローム程度の厚みを有するＡｕ等の反射膜となる透光性の金属膜２１ａ，２１ｂを、対向する面に蒸着した一対のガラス基板２０ａ，２０ｂを間に圧電素子２２を介して対向配置し、その間に微小間隔Ｘを設定している。圧電素子２２は駆動電圧源２３による直流電圧の印加を受けて、基板間隔Ｘを変化させることができる。
【０００７】
この波長可変干渉フィルタ２は、ガラス基板２０ｂからの入射光に対し、透光性をもつ金属膜２１ａ，２１ｂ間での多重反射によって生ずる干渉作用に起因して複数の透過スペクトルピークが分布して光を透過する。
【０００８】
図１２は、図１１の波長可変干渉フィルタ２の波長スペクトルであり、例えば基板間隔Ｘ＝１４．４μｍで実線の特性となり、基板間隔Ｘ＝１５．１μｍで波長方向にシフトした破線の特性となる。またＲ、Ｇ、Ｂは図９のイメージセンサ４におけるカラーフィルタの透過特性である。
【０００９】
図１３は、正立光学系のＣＣＤカメラ１を用いた従来装置であり、ＣＣＤカメラ１は、対物レンズ７、波長可変干渉フィルタ２、結像レンズ系３及びＣＣＤ等のイメージセンサ４で構成され、イメージセンサ４上に対象物体６の正立像６ｂが結像される。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような波長可変干渉フィルタを用いた光学装置にあっては、図１０に示すように、対象物体６からの光線は、波長可変干渉フィルタ２のあらゆる点をあらゆる角度をもって透過するため、イメージセンサ４上に結像した実像は、位相差及び透過スペクトルの異なる光線の合成となり、位相差に起因してモアレ縞（干渉縞）を生じる。
【００１１】
図１４（Ａ）は、波長可変透過フィルタ２の基板間隔Ｘ＝１４．４μｍとした場合の図１２の実線で示す複数のピークスペクトルによる撮影画像であり、また図１４（Ｂ）は基板間隔Ｘ＝１５．１μｍとした図１２の破線で示す複数のピークスペクトラムによる撮影画像であり、対象物体として植物の葉を撮影している。尚、この撮影画像は白黒であるが、実際にはカラー画像である。
【００１２】
このような撮影画像ではモアレ縞はそれほど目立たないが、図９の画像処理処理装置５で、例えば透過スペクトルの異なる２つの撮影画像につき、微分スペクトルを見るために差分画像を生成すると、図１４（Ｃ）のようになる。この差分画像（微分スペクトル画像）にあっては、葉の輪郭部分に白く見えるように波長変化の大きな特徴部分が見られる。しかし、葉の周囲に波長可変干渉フィルタ２を通過した光線の位相差に起因し、多重リング状のモアレ縞（干渉縞）が出てしまい、測定結果に悪影響を及ぼす問題があった。
【００１３】
本発明は、このような従来の問題点に鑑みてなされたもので、波長可変干渉フィルタを透過した光線を結像した際の干渉縞の発生を防止するようにした波長可変干渉フィルタを用いた光学装置を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するため本発明は次のように構成する。まず本発明は、光の透過特性を可変できる波長可変干渉フィルタを透過した対象物体からの光線をイメージセンサや光センサに結像する波長可変干渉フィルタを用いた光学装置を対象とする。
【００１５】
このような波長可変干渉フィルタを用いた光学装置につき、本発明にあっては、波長可変干渉フィルタを透過する光線を平行光線として結像面に生じる干渉縞を防止する干渉縞防止光学構造を設けたことを特徴とする。
【００１６】
このような干渉縞防止光学構造を設けたことで、波長可変干渉フィルタを透過する光線の方向が揃えられ、波長可変干渉フィルタを通った対象物体からの光線の位相差に起因した結像面での干渉縞を防ぐことができ、クリアな画像が得られる。
【００１８】
本発明で使用する干渉縞防止光学構造は、対物レンズ系により対象物体からの光線を平行光線に変換して波長可変干渉フィルタに入射し、波長可変干渉フィルタを透過する光線を平行光線とする。この場合、波長可変干渉フィルタを光ファイバプレートで挟むことにより、波長可変干渉フィルタを透過する光線を平行光線とする。
【００２１】
【発明の実施の形態】
図１は本発明による波長可変干渉フィルタを用いた光学装置の実施形態である。図１において、本発明の光学装置は、ＣＣＤカメラ１と画像処理装置５で構成される。ＣＣＤカメラ１には波長可変干渉フィルタ２が設けられ、図１１に示した透光性の金属膜２１ａ，２１ｂを対向面に蒸着した一対のガラス基板２０ａ，２０ｂを、圧電素子２２に対する駆動電圧源２３からの直流電圧の印加で基板間隔Ｘを変化できるようにしている。
【００２２】
このＣＣＤカメラ１には干渉縞防止光学構造として、対物レンズ７、波長可変干渉フィルタ２の前後に配置された光ファイバプレート８，９、及び結像レンズ３が設けられ、イメージセンサ４上の結像面に対象物６の正立像６ｂを結像するようにしている。イメージセンサ４としては例えばＲＧＢ対応のカラーイメージセンサが設けられ、イメージセンサ４に結像した正立像６ｂのＲＧＢカラー信号を画像処理装置５に出力し、画像処理装置５でデジタルＲＧＢデータに変換してフレームメモリ等に記憶するようにしている。
【００２３】
画像処理装置５におけるＣＣＤカメラ１を用いて撮影した撮影画像の処理は、例えば波長可変干渉フィルタ２の基板間隔Ｘを２段階に変えて、それぞれの異なる波長スペクトル特性での撮影画像をフレームメモリに記憶した後に、差分画像（微分スペクトル画像）を求め、対象物体６の特有の特徴を捕える処理等を行う。
【００２４】
図２は図１のＣＣＤカメラ１に設けられた干渉縞防止光学構造を取り出している。まず本発明の干渉縞防止光学構造における波長可変干渉フィルタを透過した対象物体からの光線の結像面における光学像の干渉縞を防止するためには、少なくとも
「▲１▼波長可変干渉フィルタを透過する光線の方向を揃えること」
の条件が必要となる。
【００２５】
更に、波長可変干渉フィルタの各通過点での波長スペクトル特性を同一にするためには、
「▲２▼全ての光線が波長可変干渉フィルタに対し垂直に入射すること」
の条件が必要となる。
【００２６】
このような条件▲１▼，▲２▼を実現するため、図２の干渉縞防止光学構造にあっては、波長可変干渉フィルタ２の前後に光ファイバプレート８，９を配置している。尚、波長可変干渉フィルタ２は図１１の構造をもつが、その内のガラス基板２０ａ，２０ｂを概略的に示している。
【００２７】
光ファイバプレート８，９は光軸１５の方向に微小な長さを持つ光ファイバを光軸１５に平行に並べて一体化した例えばレンズと同様な円盤状の光学素子であり、どのような方向からの入射光であっても、光ファイバプレート８，９内を通過する場合には光ファイバの配置方向となる光軸１５の方向と平行に光線を透過し、これによって光ファイバプレート８，９から出射する光線の方向も光軸１５の方向に揃えることができる。
【００２８】
ここで光ファイバプレート８は、入射面が例えば対物レンズ７の焦点位置となるように配置される。このため例えば対象物体６からの光線は、対物レンズ７を通って様々な方向から光ファイバプレート８に入射する。例えば実線のように光ファイバプレート８に斜め方向から入射する光線もあるし、破線のように光軸１５と平行に入射する光線もある。
【００２９】
このような光ファイバプレート８に対する対象物体６からの入射光線は、入射方向の如何に関わらず、光軸１５と平行に組み込んでいる多数の光ファイバによって平行に透過し、波長可変干渉フィルタ２に入射する。即ち、光ファイバプレート８を通過した対象物体６からの光線は光線の方向が光軸１５に平行な方向に揃えられ、且つ波長可変干渉フィルタ２の各透過位置に対し垂直に入射する。
【００３０】
このため波長可変干渉フィルタ２を通過する対象物体６からの光線は位相を揃えることができ、且つフィルタ各点でのスペクトル特性を同一にでき、光ファイバプレート９から出射して結像レンズ３でイメージセンサ４の結像面４ａに結像しても、位相差と透過スペクトルの異なる光線の合成とならず、干渉縞を生ずることはない。
【００３１】
波長可変干渉フィルタ２の出射側に設けた光ファイバプレート９からの光線は、光ファイバプレート８に対する入射角と同じ出射角で光を出力する。この光ファイバプレート９の出射面は例えば結像レンズ３の焦点位置に設けられる。同時にイメージセンサ４の結像面４ａも結像レンズ３の反対側の焦点位置に設けられている。
【００３２】
図３は図２の光ファイバプレート８，９で波長可変干渉フィルタ２を挟み込んだ干渉縞防止光学構造を用いた図１の実施形態において、図１４（Ａ）（Ｂ）と同様に対象物体６として植物の葉を波長可変干渉フィルタ２の基板間隔Ｘ＝１４．４μｍとして撮像した場合と基板間隔Ｘ＝１５．１μｍとして撮像した場合の２枚の撮影画像を画像処理装置５に記憶し、記憶後に撮像した２つの画像の差分画像を生成したものである。
【００３３】
この図３の差分画像にあっては、図１４（Ｃ）の従来の差分画像に見られるような干渉縞はなく、葉の輪郭部分が白く光った波長特徴をもつクリアな差分画像が得られている。
【００３４】
図４は、図１のＣＣＤカメラ１に使用する干渉縞防止光学構造の他の実施形態であり、この実施形態にあっては、対物レンズ系によって波長可変干渉フィルタを通過する対象物体からの光線を光軸に平行な光線に変換するようにしたことを特徴とする。
【００３５】
図４において、干渉縞防止光学構造は、波長可変干渉フィルタ２の前部に配置された対物レンズ（凸レンズ）７と凹レンズ１０の組合せにより構成される対物レンズ系、及び波長可変干渉フィルタ２の背後に配置された凹レンズ１１と結像レンズ（凹レンズ）３の組合せにより構成される結像レンズ系で構成される。対物レンズ７と凹レンズ１０の組合せにより構成される対物レンズ系は対象物体６のあらゆる方向から入射する実線あるいは破線の光線を光軸１５に平行な平行光線に変換し、波長可変干渉フィルタ２に対し垂直に入射させる。
【００３６】
このように波長可変干渉フィルタ２を通過する対象物体６からの光線は全て光軸１５に平行な光線となり、且つ波長可変干渉フィルタ２に対し垂直に入射されるため、フィルタ透過の際に位相差は起きず、また全てのフィルタ透過位置において、そのときの基板間隔Ｘに応じた同じ透過スペクトルが得られる。
【００３７】
波長可変干渉フィルタ２に続いて設けられた凹レンズ１１と結像レンズ３の組合せにより構成される結像レンズ系は、波長可変干渉フィルタ２を通過した対象物体６からの平行光線を両者の合成焦点位置を結像面４ａとしたイメージセンサ４に正立像６ｂを結像させる。
【００３８】
この図４の実施形態にあっては、対物レンズ系によって波長可変干渉フィルタ２を通過する対象物体６からの光線を全て平行光線とすることで、イメージセンサ４の結像面４ａにおける光学像の干渉縞を略完全になくすことができる。
【００３９】
尚、対物レンズ系及び結像レンズ系を構成する凸レンズと凹レンズの組合せは、それぞれ１個ずつの組合せに限定されるものではなく、それぞれ少なくとも１個以上の組合せであればどのような組合せであっても良い。
【００４０】
図５は、図１の図５は図１のＣＣＤカメラ１に設けられる干渉縞防止光学構造の他の実施形態であり、図４の簡略構造ということができる。
【００４１】
図５において、波長可変干渉フィルタ２の前部には対物レンズ７が配置され、後方のイメージセンサ４との間には結像レンズ３が配置される。ここで波長可変干渉フィルタ２の入射位置は対物レンズ７の焦点位置近傍に配置される。また波長可変干渉フィルタ２の出射面は結像レンズ３の手前側の焦点位置となる。更にイメージセンサ４の結像面４ａは結像レンズ３の反対側の焦点位置となる。
【００４２】
この図５の実施形態にあっては、例えば対象物体６の一点から実線のように出た三方向に向う光は、対物レンズ７を通過した後、同じ入射角もって平行に波長可変干渉フィルタ２に入射する。このため、対象物体６の一点から出た実線の光線は干渉縞を防ぐために必要なフィルタを通過する光線の方向を揃えるという条件 を満足しており、結像レンズ３によりイメージセンサ４の結像面４ａに実線の光線を結像した場合、一点において位相差に起因した干渉縞の発生はない。
【００４３】
一方、同じ対象物体６の光軸１５上の点から破線のように出た光線は、対物レンズ７を通過した後、光軸１５に平行な光線として波長可変干渉フィルタ２を通過する。このため、この対象物体６の別の一点から出た破線の光線の間に位相差はなく、結像レンズ３によりイメージセンサの結像面４ａに結像した際に破線の光線の合成による干渉縞の発生はない。
【００４４】
しかしながら、図５の実施形態にあっては、実線の光線と破線の光線の間では波長可変干渉フィルタ２に対する入射角が異なっており、その結果、波長可変干渉フィルタ２を通過した際の波長スペクトラム特性（ピークスペクトラムの間隔）が異なる。
【００４５】
このため図４の実施形態に比べると、波長可変干渉フィルタ２に入射する光の方向によって波長スペクトラムに相違が出る分だけ波長分解能に誤差を生ずるが、干渉縞の発生はない。
【００４６】
図６は、図１のＣＣＤカメラ１に使用する干渉縞防止光学構造の他の実施形態であり、この実施形態にあっては絞りを使用したことを特徴とする。
【００４７】
図６において、干渉縞防止光学構造は対物レンズ７の前方の焦点位置に絞り１２を配置し、対象物体６の一点からの光を絞り１２を通して対物レンズ７に入射することで平行光に変換し、波長可変干渉フィルタ２を透過させている。このため、波長可変干渉フィルタ２を透過する対象物体６からの光線は全てフィルタ面に対し垂直な光軸１５と平行な光線となり、波長可変干渉フィルタ２を通過する際の各点における位相差をなくし、且つ波長スペクトラムのずれを解消できる。図７は、絞りを用いた干渉縞防止光学構造の他の実施形態であり、この実施形態にあっては、対象物体６側の入射位置に波長可変干渉フィルタ２を配置し、続いて対物レンズ７を設け、対物レンズ７の背後の焦点位置に絞り１２を配置し、絞り１２を通して対象物体６からの光線をイメージセンサ４の結像面４ａに結像したことを特徴とする。
【００４８】
この図７の実施形態にあっても、絞り１２を通ってイメージセンサ４に結像される対象物体６からの光線は、対象物体６から出てくるあらゆる方向の光線のうち光軸１５に平行な光線のみが選択され、実質的に波長可変干渉フィルタ２に対し対象物体６から出た光軸１５に平行な光線のみを通過させてイメージセンサ４の結像面４ａに結像したと同じことになる。
【００４９】
したがって、波長可変干渉フィルタ２を通過する光軸１５に平行な対象物体６からの光線のみを結像させることから、波長可変干渉フィルタ２を通過する際の位相差や波長スペクトラムのずれが起きず、結像面４ａにおける光学像に干渉縞を発生することはない。
【００５０】
尚、図６，図７の絞り１２を用いた干渉縞防止光学構造は、図１，図４，図５の絞りを用いない開放光学系に比べるとイメージセンサ４の結像面における光量が少ないことから、十分な輝度を持つ対象物体の撮影に使用するのが望ましい。
【００５１】
図８は、図１のＣＣＤカメラ１に用いる他の実施形態であり、レンズ系による対象物体の結像面上に、マイクロ凹レンズアレイを配置して像の各点の光線を平行光に変換した後に、波長可変干渉フィルタ２を通過させるようにしたことを特徴とする。
【００５２】
図８において、対物レンズ７の結像面の位置にはマイクロ凹レンズアレイ１３が配置される。マイクロ凹レンズアレイ１３は、微小レンズを平面上に多数配置しており、各マイクロ凹レンズに入射するあらゆる光を光軸１５に平行な平行光線に変換している。
【００５３】
マイクロ凹レンズアレイ１３に続いては光ファイバプレート１４が配置され、マイクロ凹レンズアレイ１３で光軸１５に平行な平行光に変換された対象物体６からの光線は、更に光ファイバプレート１４の各光ファイバによって平行光に揃えられる。
【００５４】
光ファイバプレート１４の出射面には近接または密着して波長可変干渉フィルタ２が配置され、この波長可変干渉フィルタ２の出射側に近接してイメージセンサ４の結像面４ａが配置されている。
【００５５】
この実施形態において、対象物体６からの光は対物レンズ７により結像位置に配置したマイクロ凹レンズアレイ１３に入射され、光軸１５に平行な平行光線に変換された後、更に光ファイバプレート１４により光軸１５に平行な方向に揃えられ、波長可変干渉フィルタ２を光軸１５に平行な平行光線として透過した後、イメージセンサ４の結像面４ａに照射される。
【００５６】
このため、マイクロ凹レンズアレイ１３の結像面の像が、そのまま平行光線として光ファイバプレート１４から波長可変干渉フィルタ２を透過してイメージセンサ４に入射するため、干渉フィルタを通過する際の位相ずれや波長スペクトラムのずれは起きず、イメージセンサ４により撮影した像に干渉縞は生じない。
【００５７】
この図８の実施形態にあっては、マイクロ凹レンズアレイ１３に続いて光ファイバプレート１４を設けているが、光ファイバプレート１４を設けず、マイクロ凹レンズアレイ１３のみとして平行光線を直接、波長可変干渉フィルタ２に入射させてもよい。
【００５８】
尚、本発明の波長可変干渉フィルタを用いた光学装置は、上記の実施形態に示された干渉縞防止光学構造に限定されず、適宜の光学系を使用することができる。
【００５９】
また上記の実施形態は、波長可変干渉フィルタ２の基板間隔Ｘを２段階に変化させてＣＣＤカメラ１で撮像した２枚の画像データの差分画像を画像処理装置で生成する場合を例にとっているが、これ以外の適宜の画像処理であってもよいことはもちろんである。
【００６０】
更に、上記の実施形態にあっては、波長可変干渉フィルタを通過した対象物体の像を撮像するイメージセンサを例にとるものであったが、波長可変干渉フィルタを通過した光を焦電素子やフォトダイオードあるいはフォトトランジスタ等の受光素子に集光して電気信号に変換する光センサであってもよい。
【００６１】
【発明の効果】
以上説明してきたように本発明によれば、波長可変干渉フィルタを透過する対象物体からの光線方向を揃えることで、波長可変干渉フィルタを通過した対象物体からの光を結像した際の干渉縞の発生を確実に防止することができ、クリアな画像が得られる。
【００６２】
更に全ての光線を波長可変干渉フィルタ面に対し垂直に入射させて、各点での波長スペクトル特性を同一にすることで、波長可変干渉フィルタを通過した光線をイメージセンサで撮像した場合、干渉縞のないクリアな画像が得られ、対象物体の波長スペクトラム特性の特徴監視等において測定結果に悪影響を及ぼすことがない。
【００６３】
また波長可変干渉フィルタを通過した光を赤外線センサやフォトダイオード等の光センサで受光した場合、監視対象としている物体の位置による信号量の誤差やばらつきをなくし、精度の高い測定結果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の波長可変干渉フィルタを用いた光学装置の説明図
【図２】図１のＣＣＤカメラに設けられた干渉縞防止光学構造の説明図
【図３】図１のＣＣＤカメラで撮像した２つの画像の差分画像の説明図
【図４】対物レンズ系により波長可変干渉フィルタの入射光を平行光とする干渉縞防止光学構造の説明図
【図５】簡易的な対物レンズ系により対象物体の一点からの波長可変干渉フィルタの入射光を平行光とする干渉縞防止光学構造の説明図
【図６】絞りにより波長可変干渉フィルタの入射光を平行光とする干渉縞防止光学構造の説明図
【図７】絞りにより波長可変干渉フィルタの入射光を平行光とする他の干渉縞防止光学構造の説明図
【図８】マイクロ凹レンズアレイと光ファイバプレートを用いて波長可変干渉フィルタの入射光を平行光とする他の干渉縞防止光学構造の説明図
【図９】倒立光学系を用いた従来装置の説明図
【図１０】図９の結像光学系を取り出した説明図
【図１１】波長可変型の波長可変干渉フィルタの構造説明図
【図１２】基板間隔Ｘを変えたときの波長スペクトルの特性図
【図１３】正立光学系を用いた従来装置の説明図
【図１４】図９の従来装置で波長可変干渉フィルタの基板間隔を可変して撮影した画像とその差分画像の説明図
【符号の説明】
１：ＣＣＤカメラ
２：波長可変干渉フィルタ
３：結像レンズ
４：イメージセンサ
５：画像処理装置
６：対象物体
６ａ：倒立像
６ｂ：正立像
７：対物レンズ
８，９，１４：光ファイバプレート
１０，１１：凹レンズ
１２：絞り
１３：マイクロ凹レンズアレイ
Claims (1)
- 光の透過特性が可変できる波長可変干渉フィルタを透過した対象物体からの光線をイメージセンサや光センサに結像する波長可変干渉フィルタを用いた光学装置に於いて、
前記波長可変干渉フィルタを透過する光線を平行光線として結像面に生じる干渉縞を防止する干渉縞防止光学構造を設け、
前記干渉縞防止光学構造は、対物レンズ系により対象物体からの光線を平行光線に変換して前記波長可変干渉フィルタに入射し、前記波長可変干渉フィルタを透過する光線を平行光線とするために前記波長可変干渉フィルタを光ファイバプレートで挟むことを特徴とする波長可変干渉フィルタを用いた光学装置。
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