JP6825231B2 - 撮像光学系及び撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、撮像光学系及び撮像装置に関する。

結像光学系の像側位置にレンズアレイを配置して、光線の位置情報と方向情報とを取得して撮影後に画像のピント位置を変えることができるプレノプティックカメラと呼ばれる撮像装置が知られている（例えば特許文献１、２等参照）。
このような撮像装置の応用技術として、分光フィルタを光路上に挿入して波長別に光を分割して複数の分光が像を同時に取得する分光カメラと呼ばれる技術がある（例えば特許文献３〜６等参照）。

分光カメラでは、光線の位置情報をレンズアレイのレンズの位置、光線の方向情報を色情報として撮像素子のセンサ面に受光することでそれぞれ記録する。開口絞りとセンサ面とは互いに共役関係にあり、開口絞りにおける中間像が共役像としてセンサ面に投影される。
ところで、色情報の分解能を向上させるためには、センサ面上になるべく多くの画像を投影する必要があるが、位置情報の分解能は共役像の大きさに反比例して減少する。
そのため、撮像素子の持つ画素数を最大限有効利用する技術が求められていた。

本発明は、以上のような問題点に鑑みてなされたものであり、撮像素子の持つ画素数を有効利用する撮像光学系の提供を目的とする。

上述した課題を解決するため、本発明の撮像光学系は、被写体からの光束を集光して結像位置に結像する結像光学系と、前記結像位置に配置された開口絞りと、前記開口絞りよりも像側に配置され、複数のレンズを備えるレンズアレイと、前記レンズアレイを挟んで前記開口絞りと共役な位置に配置されて、前記レンズアレイを透過した光束を受光する受光面を備える撮像素子と、前記レンズアレイの像側もしくは物体側に配置され、互いに異なる波長透過特性を持つ２つ以上の分光フィルタを備える分光部と、を有し、前記レンズは、当該レンズの光軸に垂直な平面上に配列され、当該光軸に垂直で互いに直交する２方向において、互いに異なるレンズ間隔を有し、前記レンズのうち前記レンズアレイの中心となる光軸の近傍に配置されたレンズと、前記レンズアレイの周縁部に配置されたレンズとが、互いに異なる焦点距離と光束有効径と、を有する。

本発明の撮像光学系によれば、撮像素子の持つ画素数を有効利用することができる。

本発明の実施形態に係る撮像装置の全体構成の一例を示す図である。 図１に示した開口絞りの構成の一例を示す平面図である。 本発明の実施形態に係るレンズアレイの構成の一例を示す平面図である。 本発明の実施形態に係るフィルタアレイの構成の一例を示す平面図である。 本発明の実施形態に係る撮像素子の構成の一例を示す平面図である。 本発明の実施形態に係る光路の一例を示す模式図である。 本発明の実施形態における各レンズ位置での光路長の差を示す図である。 本発明の実施形態におけるレンズの入射波長による焦点距離の変化を示す相関図である。 本発明の実施形態におけるレンズの波長の長さを考慮した実効焦点距離の一例を示す相関図である。 レンズ径の違いを誇張して一例として示す平面図である。

本発明の実施形態の一例として図１に撮像装置たる分光カメラ１００の概略構成を示す。

分光カメラ１００は、図１に示すように、第１群１と、第２群２と、第３群３とを有する撮像光学系１０１を有している。
分光カメラ１００は、被写体Ｑからの光束たる光Ｌを集光して結像位置１５に結像する結像光学系１０を備える第１群１と、結像位置１５に配置された開口絞り２０と開口絞り２０の像側に配置されたフィールドレンズ２２とを備えた第２群２と、を有している。
分光カメラ１００は、開口絞り２０よりも像側に配置された第３群３と、第３群３を挟んで開口絞り２０と共役な位置に配置されて、第３群３を透過した光束を受光する受光面４１を備える撮像素子４０を有している。
なお、以降の説明では、結像光学系１０の光軸Ｏ’が延びる方向をＺ方向とし、Ｚ方向に垂直な方向のうち、鉛直上方をＹ方向、Ｚ方向とＹ方向とに垂直な方向である水平方向をＸ方向とする。また、撮像素子４０の中心と結像光学系１０の光軸Ｏ’とは一致するように配置されることが望ましい。

結像光学系１０は、少なくとも１つの正のパワーのレンズを有する集光光学系であり、結像位置１５に中間像を結像する。

第２群２は、結像位置１５に配置された開口絞り２０と開口絞り２０の像側に配置されたフィールドレンズ２２とを有している。
開口絞り２０は、図２に示すように、縦横比Ｘ：Ｙ＝４：３の矩形の視野画定領域たる開口２１を有する視野絞りである。開口絞り２０は、結像光学系１０によって集光された光Ｌの入射光量を制限するための光量制限部としての機能を有している。
フィールドレンズ２２は、開口２１を通過した光Ｌの集光効率を向上させるために、結像位置１５の＋Ｚ方向側の近傍に配置された凸レンズである。
フィールドレンズ２２は、開口２１を通過した光Ｌを、Ｚ方向に平行な方向へと近づけるように偏向することで、光Ｌが不必要に散乱することを防いで、光Ｌの利用効率を向上させるための集光手段である。なお、フィールドレンズ２２は本実施形態では単凸レンズであるとしたが、複数のレンズで構成するとしても良い。また、本実施形態ではフィールドレンズとしたが、フィールドレンズではなくコリメートレンズなどを用いて平行光へと変えるとしても良い。
なお、かかるフィールドレンズ２２は、開口絞り２０とレンズアレイ３１との間に配置されれば良いが、開口２１を通過した光Ｌを、Ｚ方向に平行な方向へと近づけるように偏向するためには、開口絞り２０の近傍であることが望ましい。

なお、以降の説明において、近傍とは光学的設計を変更しない程度の範囲で近しいことを指し、例えば結像位置１５の近傍と言ったときには、結像位置１５を含んで±Ｚ方向に、光学設計上の誤差や公差を含んだ位置の範囲内であることを示す。

図１に示すように、第３群３は、ＸＹ平面に複数のレンズ３２が並べて配置されたレンズアレイ３１と、レンズアレイ３１の＋Ｚ側に配置されて互いに異なる波長透過特性を備えた複数の分光フィルタ３４を有する分光部たるフィルタアレイ３３と、を有している。

レンズ３２は、図３に示すように、ＸＹ平面上に２次元的に配列された態様でレンズアレイ３１に支持された非球面レンズである。レンズ３２のレンズ光軸Ｏは、何れもＺ軸に平行である。
レンズ３２は、Ｘ方向には互いにレンズ光軸Ｏ間の距離Ｌ_１だけ離れて配置され、Ｙ方向には互いにレンズ光軸Ｏ間の距離Ｌ_２だけ離れて配置されている。言い換えると、レンズ３２のＸ方向におけるレンズ間隔がＬ_１であり、レンズ３２のＹ方向におけるレンズ間隔がＬ_２である。
また、本実施形態でのレンズ間隔の縦横比は、開口２１の縦横比と等しく、さらに後述する撮像素子４０の受光面４１の縦横比とも等しく、縦横比Ｌ_１：Ｌ_２＝４：３である。
レンズ３２は本実施形態では４行４列の１６個配置されており、それぞれ図３に示すようにＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄのそれぞれのグループに分けられている。

レンズ３２は、後述する表１に示すように、それぞれのレンズ３２が対応する分光フィルタ３４の波長透過特性によって、個々のレンズ３２の−Ｚ方向側のレンズ面Ｒ１と、＋Ｚ方向側のレンズ面Ｒ２との曲率によって、焦点距離ｆが異なるように設定されている。

フィルタアレイ３３は、図４に示すように、互いに波長透過特性の異なる分光フィルタ３４がＸＹ平面にアレイ状に並べて配置される。なお、各分光フィルタ３４は、レンズ３２のＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄそれぞれのグループに対応して配置され、同一の符号が付された各レンズ３２からの光Ｌが入射するように位置が決定される。
すなわち分光フィルタ３４は、対応するレンズ３２を通過したそれぞれの光Ｌを分光して、分光フィルタ３４の波長透過特性に従って特定の波長域のみを透過する分光手段である。
分光フィルタ３４は、例えばバンドパスフィルタなどの光学フィルタが望ましい。なお、本実施形態では、分光フィルタ３４を設けた場合についてのみ示すが、かかる分光フィルタ３４を設けなくとも良い。その場合には、後述する撮像素子４０の受光面４１には、波長λに差のない複数画像が結像されることとなるので、色情報の代わりに被写体Ｑまでの距離情報を取得できる。

撮像素子４０は、図５に示すように、縦横の長さの比すなわち縦横比が４：３の矩形形状の受光素子である。
撮像素子４０は、撮像素子４０の−Ｚ方向側の表面に並べて配置され、レンズ３２を透過した光Ｌを受光する矩形形状の複数の受光面４１を有している。
受光面４１は、分光フィルタ３４あるいはレンズ３２と同様に、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄの各グループに分けられて配置されている。また、各受光面４１は、撮像素子４０の表面を１６分割した態様で並べて配置されている。すなわち受光面４１の縦横比は何れも、撮像素子４０の縦横比４：３と等しい。
このように受光面４１の縦横比と、レンズ３２のレンズ間隔Ｌ_１、Ｌ_２の比とが一致することで、レンズ３２と受光面４１とが互いに対向して配置されることとなる。
従って受光面４１には、それぞれ、対応するレンズ３２のＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄでグループ分けされた光Ｌが入射する。受光面４１は、結像位置１５において形成された中間像が、レンズ３２を含む第３群３によって再度集光されて結像する焦点Ｆの近傍に配置されている。

かかる構成の分光カメラ１００を用いて、被写体Ｑの色情報を含む画像情報を取得する方法について説明する。

被写体Ｑから広がった光Ｌは、分光カメラ１００の第１群１に入射し、結像光学系１０の結像位置１５において中間像を形成する。
結像位置１５の近傍には、開口絞り２０が配置されており、開口絞り２０によって結像されない不要光は排除される。
開口２１を透過した光Ｌは、フィールドレンズ２２によって第１群１の光軸Ｏ’に沿った方向へと偏向される。

光Ｌがレンズアレイ３１に入射すると、光Ｌは、レンズアレイ３１上に配列されたレンズ３２のそれぞれの位置に従って分割される。
それぞれのレンズ３２を透過した光Ｌは、分光フィルタ３４によって特定の波長λ（ｎｍ）の成分だけが透過されて、それぞれのレンズ３２に対応する位置に配置された受光面４１上で結像する。
言い換えると、レンズアレイ３１と撮像素子４０との間には互いに異なる波長透過特性を備える分光フィルタ３４が配置されて受光面４１のそれぞれへ向けて互いに異なる波長λ（ｎｍ）の帯域を持つ光束Ｌ’を照射する。

光束Ｌ’は受光面４１において結像されるから、撮像素子４０の受光面４１上には、図６に示すように、同一の被写体Ｑについて、波長λ（ｎｍ）が異なる像が形成される。
例えば本実施形態においては、撮像素子４０には、受光面４１が１６個形成されているから、１６個の異なる波長λ（ｎｍ）の被写体Ｑの像が形成されることとなる。
分光カメラ１００は、かかる構成により、被写体Ｑの異なる色情報を持った複数の画像を撮影することができる。

なお、本実施形態では説明を省略するが、分光カメラ１００はかかる複数の画像を合成することで、被写体の色情報が正確に再現された画像を得ることが出来る。また、本実施形態では、受光面４１は４行４列の１６個としたが、複数であれば３×３の９個でも良いし、その他の個数であっても良い。

上述したように、分光カメラ１００が正確に被写体Ｑの画像を得るためには、受光面４１にそれぞれのレンズ３２を通過した光束Ｌ’が像を結ぶ必要がある。
この点についてさらに詳しく説明する。
まず、図１に示すように、レンズアレイ３１と撮像素子４０とは互いに対向して配置されており、レンズアレイ３１と撮像素子４０との間の距離Ｚ_１は一定である。

しかしながら、図６に誇張して示すように、レンズアレイ３１を透過した光束Ｌ’は、撮像素子４０の中心付近である光軸Ｏ’近傍と、撮像素子４０の周縁部とでは、光束Ｌ’が光軸Ｏ’から傾斜する分だけ光路長Ｚ_２が異なる。
具体的には、撮像素子４０の光軸Ｏ’近傍である中心部分、グループＡの受光面４１に入射する光束Ｌ’と、グループＢ、Ｃ、Ｄの受光面４１に入射する光束Ｌ’とでは、光路長Ｚ_２が図７に示すように異なっている。

さらに、レンズ３２の屈折率Ｎは、ナトリウムのｄ線（波長λ＝５８９．３ｎｍ）に対してＮ＝１．５３であるが、かかる屈折率Ｎには波長依存性がある。すなわち、レンズ３２の焦点距離ｆは、透過する光束Ｌ’の波長λによって図８に示すように異なってしまう。

以上のような問題に鑑みて、レンズ３２の焦点Ｆまでの距離すなわち焦点距離ｆは、表１に示すように、それぞれのグループＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄと、当該レンズ３２に対応する分光フィルタ３４の波長透過特性とを考慮して決定されることが望ましい。
本実施形態ではさらに、それぞれのグループＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄに配置された分光フィルタ３４の透過する光束Ｌ’の波長λを考慮しており、実効焦点距離は、図９に示すように設定される。

また、このようにレンズ３２の個々の焦点距離ｆを変える場合には、単に焦点距離ｆを変えるのみでは、レンズ３２のＦ値、すなわち焦点距離ｆと光束有効径たるレンズ径φとの比が異なってしまう。

かかるＦ値は、レンズ３２に入射する光Ｌの集光の度合いを示す値であり、像の面積あたりの光量（照度）の指標となる値である。
つまり、レンズ３２のそれぞれにおいて、かかるＦ値が大きく異なってしまうと、受光面４１に結像される像は、面積あたりの光量差が著しく異なってしまうので、正確な色情報が得られないことになる。
かかる問題を解決するために、レンズ３２の焦点距離ｆを個々に変える場合には、図１０に誇張して示すように、レンズ径φを互いに異ならせることが望ましい。
本実施形態においては特に、表１に有効径として表示したとおりにレンズ径φを設定することで、かかる光量差を補正する。

ところで、このような分光カメラ１００において、被写体Ｑの色情報の分解能を向上させるためには、撮像素子４０の表面の分割数を多くして、なるべく多くの画像を投影する必要がある。すなわち、受光面４１の数は多ければ多いほど望ましい。
しかしながら、被写体Ｑの位置情報の分解能は共役像の大きさに反比例して減少するから、単に受光面４１の数を増やすだけでは、被写体Ｑの画像そのものの再現性が悪化してしまう問題がある。
撮像素子４０の表面にある画素数は有限であるから、かかる画素を最大限有効利用するように、レンズ３２が配置されることが望ましい。

そこで分光カメラ１００は、被写体Ｑからの光Ｌを集光して結像位置１５に結像する結像光学系１０と、結像位置１５に配置された開口絞り２０と、開口絞り２０よりも＋Ｚ方向側に配置され、複数のレンズ３２を備えるレンズアレイ３１と、レンズアレイ３１を挟んで開口絞り２０と共役な位置に配置されて、レンズアレイ３１を透過した光束Ｌ’を受光する受光面４１を備える撮像素子４０と、を有している。
また、レンズ３２は、レンズ３２のレンズ光軸Ｏに垂直なＸＹ平面上に配列され、レンズ光軸Ｏに垂直で互いに直交する２方向であるＸ方向とＹ方向とにおいて、互いに異なるレンズ間隔Ｌ_１、Ｌ_２を有している。
かかる構成により、撮像素子４０の表面にある画素を最大限有効利用できて、光Ｌの利用効率が良い。

さらに、本実施形態では、受光面４１は、縦横比が異なる矩形形状で撮像素子４０の表面に複数形成されている。また、レンズ間隔Ｌ_１、Ｌ_２は、受光面４１のそれぞれと対向してレンズ３２が配置されるように、設定される。具体的にはレンズ間隔の比Ｌ_１：Ｌ_２は、撮像素子４０の受光面４１の縦横比と同様に、縦横比Ｌ_１：Ｌ_２＝４：３である。
かかる構成により、撮像素子４０の表面にある画素を最大限有効利用できて、光Ｌの利用効率が良い。

また、分光カメラ１００においては、開口絞り２０と受光面４１とは共役であるから、受光面４１において結像される画像は、開口絞り２０の開口２１の形状と同一形状の画像である。

そこで本実施形態では、開口絞り２０は、撮像素子４０の縦横比４：３と等しい矩形形状の開口２１を有している。
かかる構成により、受光面４１において結像される画像は、開口絞り２０の開口２１の形状と同一形状の画像となって、縦横比４：３の画像が得られるので、解像度の向上が図れる。

本実施形態では、分光カメラ１００は、開口絞り２０とレンズアレイ３１との間に配置されたフィールドレンズ２２を有している。
かかる構成により、レンズアレイ３１に入射する光Ｌの利用効率が高まる。

また本実施形態では、レンズアレイ３１の像側、言い換えると＋Ｚ方向側の近傍に、互いに異なる波長透過特性を持つ２つ以上の分光フィルタ３４を備えるフィルタアレイ３３が配置されている。
かかる構成により、レンズアレイ３１を透過した光Ｌは分光フィルタ３４によって特定の波長λの波長帯域を取り出されるから、撮像素子４０の受光面４１には、被写体Ｑの異なる色情報を持った複数の画像が投影される。

また、本実施形態では、レンズ３２のうち少なくとも一部のレンズ３２が互いに異なる焦点距離を有している。
かかる構成により、撮像素子４０の光軸Ｏ’の近傍と撮像素子４０の周縁部との間の光路長を補正して、光Ｌが受光面４１に正しく結像されるから、被写体Ｑの正確な撮影が可能となる。
さらに、互いに焦点距離が異なるレンズ３２は、分光フィルタ３４が透過する波長λの光Ｌが受光面４１において結像されるように焦点距離ｆを決定される。
かかる構成により、レンズ３２を透過する光Ｌは、波長λによる焦点距離への影響が、それぞれのレンズ３２の焦点距離ｆの違いによって補正されるので、波長λの違いによらず受光面４１上に結像される。

さらに、焦点距離ｆが異なるレンズ３２は、互いに異なるレンズ径を有している。
かかる構成により、焦点距離ｆの差によって生じるＦ値の違いを補正して、受光面４１上に結像される被写体Ｑのそれぞれの画像における光量差が抑制される。

本実施形態では、開口絞り２０の開口２１が矩形形状の場合についてのみ述べたが、開口２１の長径と短径の比が撮像素子４０の縦横比４：３と等しい楕円形状としても良い。
かかる構成により、受光面４１において結像される画像は、開口絞り２０の開口２１の形状と同一形状の画像となって、縦横比４：３の画像が得られるので、解像度の向上が図れる。

以上本発明の好ましい実施の形態について説明したが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、上述の説明で特に限定していない限り、特許請求の範囲に記載された本発明の趣旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

例えば、第３群の分光フィルタは、レンズの−Ｚ方向側に配置されてもよい。
また、分光フィルタが屈折率を有していたとしても良い。
また、フィールドレンズはなくても良い。その場合には、光の広がり角が大きくなるので、撮像素子やレンズ等が大型化する一方、部品数を減らしてコスト削減に寄与する。
本実施形態では特に、撮像素子のアスペクト比を４：３としたが、１６：９などのその他の比率であっても良い。

また、上記実施形態においては、分光フィルタを備えた分光カメラについてのみ述べたが、その他の撮像光学系を用いた撮像装置に本実施形態を適用したとしても良い。

本発明の実施の形態に記載された効果は、本発明から生じる最も好適な効果を列挙したに過ぎず、本発明による効果は、本発明の実施の形態に記載されたものに限定されるものではない。

１ 第１群
２ 第２群
３ 第３群
１０ 結像光学系
１５ 結像位置
２０ 開口絞り
２１ 開口
２２ 凸レンズ（フィールドレンズ）
３１ レンズアレイ
３２ レンズ
３３ 分光部（フィルタアレイ）
３４ 分光フィルタ
４０ 撮像素子
４１ 受光面
１００ 撮像装置（分光カメラ）
１０１ 撮像光学系
ｆ 焦点距離
φ 有効径（レンズ径）
Ｑ 被写体

特開２０１４−２０６４９４号公報 特開２０１５−５０２５２３号公報 特許第５６４９７０２号公報 特開２０１５−１０９６６７号公報 ＷＯ２０１３−１７９６２０号公報 特開２００６−３４４８８０号公報

Claims (6)

1. 被写体からの光束を集光して結像位置に結像する結像光学系と、
   前記結像位置に配置された開口絞りと、
   前記開口絞りよりも像側に配置され、複数のレンズを備えるレンズアレイと、
   前記レンズアレイを挟んで前記開口絞りと共役な位置に配置されて、前記レンズアレイを透過した光束を受光する受光面を備える撮像素子と、
   前記レンズアレイの像側もしくは物体側に配置され、互いに異なる波長透過特性を持つ２つ以上の分光フィルタを備える分光部と、
   を有し、
   前記レンズは、当該レンズの光軸に垂直な平面上に配列され、当該光軸に垂直で互いに直交する２方向において、互いに異なるレンズ間隔を有し、
   前記レンズのうち前記レンズアレイの中心となる光軸の近傍に配置されたレンズと、前記レンズアレイの周縁部に配置されたレンズとが、互いに異なる焦点距離と光束有効径と、を有することを特徴とする撮像光学系。
2. 請求項１記載の撮像光学系において、
   前記受光面は、縦横比が異なる矩形形状で前記撮像素子の表面に複数形成され、
   前記レンズ間隔は、前記受光面のそれぞれと対向して前記レンズが配置されるように設定されることを特徴とする撮像光学系。
3. 請求項２に記載の撮像光学系において、
   前記開口絞りは、前記撮像素子の前記縦横比と等しい矩形形状もしくは前記縦横比と長径と短径の比が等しい楕円形状の開口を有することを特徴とする撮像光学系。
4. 請求項１乃至３の何れか１つに記載の撮像光学系において、
   前記開口絞りと前記レンズアレイとの間に配置された凸レンズを有することを特徴とする撮像光学系。
5. 請求項１乃至４の何れか１つに記載の撮像光学系において、
   前記レンズの焦点距離は、当該レンズに入射する光束が前記受光面において結像されるように、前記分光部において透過する前記分光フィルタの波長透過特性によって定められることを特徴とする撮像光学系。
6. 請求項１乃至５の何れか１つに記載の撮像光学系を備える撮像装置。

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