JPH0730793A

JPH0730793A - 画像撮影装置

Info

Publication number: JPH0730793A
Application number: JP5172860A
Authority: JP
Inventors: Keiji Umetani; 啓二梅谷; Kageyoshi Katakura; 景義片倉; Takeshi Ueda; 健植田; Hisatake Yokouchi; 久猛横内
Original assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Medical Corp
Current assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Healthcare Manufacturing Ltd
Priority date: 1993-07-13
Filing date: 1993-07-13
Publication date: 1995-01-31

Abstract

(57)【要約】【目的】光学レンズとファイバー光学素子を用いた光
学系により光学レンズのみでの光学系の原理的な解像度
の限界を超える解像度を有する画像撮影装置を提供す
る。【構成】光学レンズ９０により可視光線９１の像を、
ファイバー光学素子１０の画像結像面１１に結像する。
ファイバー光学素子１０はテーパーファイバー束から成
り、画像結像面１１の寸法に対して画像検出器７０の画
像検出面に接するファイバー光学素子面の寸法が小さ
い。画像結像面１１に結像された画像は、縮小されて画
像検出器７０により検出される。【効果】高解像度画像の高速撮影が可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は高解像度画像撮影を行な
う、放送用や印刷用や医学診断用などの一般産業用の画
像入力装置、及び画像撮影を目的とする一般の民生用機
器での画像入力装置に使用できる好適な画像撮影装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、光学レンズにより被写体の可視光
像を結像し、結像された可視光像を画像検出器で検出す
る画像撮影装置においては、撮影画像の空間解像度が光
学レンズの解像度と画像検出器の解像度で制限されてい
た。特に、画像検出器の解像度を向上しても、光学レン
ズの解像度の向上には制限があり、この解像度以上の高
解像度化を達成することは原理的に不可能である。高解
像度画像撮影装置として、画像検出器を高解像度化し
て、画像検出器に２００万画素を有するＣＣＤを用いた
撮影装置が従来あった。しかし、画素数の大規模化に伴
い、素子価格の高騰や、高速読み出しに伴う回路ノイズ
の増大などの問題がある。また、高解像度画像撮影装置
として、大口径の撮像管を用い走査線数を大幅に増して
高解像度化した撮影装置があったが、撮像管の口径の増
大に伴い、用いる光学レンズが大型化すると共に加工精
度が厳しくなるなどの問題がある。画像検出器の高解像
度化を目的とし、複数個の画像検出器を組み合わせて、
分割撮影により高解像度化した装置としては、特公平４
−３６６３２号公報に記載の装置のように、撮影する画
像を光学レンズとハーフミラーで分割し独立した複数個
の画像検出器で同時に検出する撮影装置があった。しか
し、この装置では、画像の分割撮影のために光学レンズ
とハーフミラーを用いており、光学系の規模が大きくな
り、さらに、各光学部品間の調整が難しいという問題が
ある。

【０００３】分岐型のファイバー光学素子を使ったファ
イバー光学系を用いて、画像の分割撮影により高解像度
化した装置としては、特開昭６０−１９４４４０号公報
に記載の装置があった。しかし、この装置ではＸ線イメ
ージインテンシファイヤの出力蛍光面に直接にファイバ
ー光学素子の端面が位置しており、光量調整のための絞
り機能を装着することができないという問題がある。Ｃ
ＣＤなどの画像検出器においては、画像検出器としての
解像度が画像検出器を構成する検出画素の数で決まる。
このため画像検出器を高解像度化するために検出画素を
増すには、検出画素の寸法を小さくし検出画素の密度を
増す必要がある。しかし、検出画素の寸法を小さくして
も光学レンズの限界空間解像度に対応する検出画素の寸
法よりも小さくできない。このため、高解像度化するた
めには、画像検出器自体の寸法を大きくし、検出画素数
を増さなければならないという問題があった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、光学
レンズの空間解像度以上の解像度を有する高解像度画像
を高速で撮影する撮影装置を提供することにあり、さら
に、光学系が小型であり光学レンズの設計に対する制約
を緩和し、設計の自由度を飛躍的に増すことができる撮
影装置を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】光学レンズによる画像結
像面と画像検出器の画像検出面との間をファイバー束か
ら成るファイバー光学系で結合し、光学レンズの空間解
像度以上の解像度を有する画像撮影装置に特徴がある。
また、光学レンズで結像された可視光像を分岐型ファイ
バー光学系で分割し、複数個の画像検出器で検出し、光
学レンズの空間解像度以上の高解像度画像の高速撮影を
行なうことに特徴がある。さらに、結像面に相当するフ
ァイバー光学素子の端面を凹面にして、可視光像を結像
する光学レンズの収差の影響を小さくすることに特徴が
ある。結像面をもつファイバー光学素子にテーパーファ
イバー束から成るファイバー光学素子を用い、結像面寸
法を小さくして、可視光像を結像する光学レンズを設計
する上での制約を小さくして、小型の光学検出系におい
ても使用できることにも特徴がある。複数個の画像検出
器を独立に駆動して、各素子が検出した画像を同時に読
み出し高速撮影が実現できることにも特徴がある。

【０００６】

【作用】光学レンズにより被写体の可視光像を結像し、
結像された可視光像を検出する画像撮影装置の空間解像
度は、光学レンズの解像度の原理的な限界で決まる。こ
れは光学レンズの解像度が光の波長とレンズの口径で決
まるためである。図３に、光学レンズの空間解像度であ
る空間変調度伝達関数を示す。空間変調度伝達関数と
は、白黒ラインの組のパターンを光学レンズで結像した
場合のコントラストの低下を表す。白黒ラインのパター
ンの白と黒の輝度レベルのコントラストを１００％とす
ると、光学レンズで結像した像のコントラストは、解像
度で制限されるため１００％以下となる。このコントラ
ストの低下が空間変調度である。また空間変調度は、白
黒ラインのパターンの各ラインの幅に依存し、１ｍｍ当
たりの白黒ラインの組の数（ラインペア／ｍｍ）で表し
た空間周波数（白黒ラインの組の各ラインの幅に対応）
の関数として表される。このため空間解像度を、ここで
は空間変調度伝達関数として表す。図３において、縦軸
はレンズにより結像された画像の空間変調度を示し、横
軸は１ｍｍ当たりの白黒ラインの組の数（ラインペア／
ｍｍ）で表した空間周波数である。なお、ラインペア／
ｍｍで表した空間周波数は、一組の白黒ラインの幅の和
の逆数に対応する。図中で、光学レンズの空間変調度伝
達関数を実線７１’に示す。空間変調度が０％である空
間周波数ω₀は、光の波長とレンズの口径で決まる解像
度の限界であり、空間変調度伝達関数は空間周波数０で
の空間変調度１００％から単調減少する関数である。

【０００７】図４に光学レンズ９５により被写体９２
を、画像検出器７０の画像検出面７１に結像する様子を
示す。図において、結像された像９６は見やすさのため
画像検出面７１と離して描いているが、実際には、結像
された像９６は画像検出面７１の上にある。画像検出器
の画像検出面上には画像を検出する最小単位である検出
画素が２次元的に配列されている。ここで、画像検出器
の画像検出面上の検出画素の配列ピッチの周波数をω₁
とすると、この画像検出器には光学レンズにより図３の
ｂ点の空間変調度の解像度の画像が結像される。このた
め、検出画素の配列ピッチの周波数がω₁である画像検
出器で検出する画像の空間変調度は、光学レンズの解像
度により、ｂ点の空間変調度に制限される。図５に本発
明のテーパーファイバー束から成るファイバー光学素子
１０を用いた光学系による被写体の結像する様子を示
す。光学レンズ９０により被写体９２は、ファイバー光
学素子１０の画像結像面１１に結像される。この像は、
ファイバー光学素子により縮少されて、画像検出器７０
の画像検出面７１に結像する。図において、結像された
像９３は見やすさのため画像結像面１１と離して描いて
いるが、実際には、結像された像９３は画像結像面１１
の上にある。また、結像された像９４も見やすさのため
画像検出面７１と離して描いているが、実際には、結像
された像９４は画像検出面７１の上にある。また、結像
された像９４を描くため画像検出面はファイバー光学素
子の端面から離して描いているが、実際には、画像検出
面はファイバー光学素子の端面に接している。この光学
系では、光学レンズによる画像結像面と画像検出器の画
像検出面との間をテーパーファイバー束から成るファイ
バー光学素子により結合することで、画像結像面寸法を
画像検出面寸法よりも大きくできる。これは、実質的に
画像検出器の検出画素の配列ピッチの周波数が小さくな
ることを意味する。

【０００８】ファイバー光学素子を用いた場合の画像検
出器の検出画素の配列ピッチの実質的な周波数を図３に
おいてω₂とすると、光学レンズによりファイバー光学
素子の画像結像面に、図の実線７１’上のａ点の空間変
調度の解像度の画像が結像できる。そして、結像された
画像は、ファイバー光学素子により縮少されて、検出画
素の配列ピッチの周波数がω₁の画像検出器で検出され
る。光学レンズだけでは空間解像度が原理的にｂ点の空
間変調度に制限されるが、ファイバー光学素子を用いる
ことによりａ点の空間変調度を達成できる。図３におい
て、光学レンズとファイバー光学素子を組み合わせた図
５の光学系の空間変調度伝達関数を点線１１’に示す。
点線１１’は光学レンズとファイバー光学素子を組み合
わせて、検出画素の配列ピッチの周波数がω₁の画像検
出器に結像する光学系の空間変調度伝達関数を表す。点
線１１’上で周波数ω₁での空間変調度は、実線７１’
上のａ点と同じ値であるｃ点となる。つまり、光学レン
ズのみでの空間変調度伝達関数である実線７１’に対し
て、光学レンズとファイバー光学素子を組み合わせた場
合の空間変調度伝達関数は点線１１’となり、光学レン
ズのみでの原理的な解像度を超える高解像度を達成する
ことができる。

【０００９】次に、図３における点線１１’を高周波側
に延長し、横軸に接するまで延ばした図を、図１４に示
す。図において、光学レンズのみの場合では、空間変調
度が０％となる限界空間周波数はω₀であるが、光学レ
ンズとファイバー光学系を組み合わせた場合の限界空間
周波数はω₃となり、大幅に限界周波数を向上すること
ができる。そして、この結果として、検出画素寸法が非
常に小さな画像検出器を用いることができ、画像検出器
を非常に小型とすることができる。光学系がファイバー
光学系のみの場合は、レンズやミラーを用いた光学系に
比べて格段に小型化及び簡略化できるという長所をも
つ。しかし、ファイバー光学系は、光量調節のための絞
り機能を光学系に組み込めないという大きな欠点を有す
る。このファイバー光学系の長所を活かして、欠点を補
うために、光学レンズの結像面が位置する場所に、分岐
型ファイバー光学素子の端面を置く。ファイバー光学系
に入射した可視光像をファイバー光学素子の各分岐で分
割して、ファイバー光学素子の各分岐の端面に装着して
ある画像検出器で分割されたそれぞれの分割成分画像を
同時に検出する。これにより、ファイバー光学系とレン
ズを組み合わせた小型の光学系のよる高解像度画像の撮
影が可能となる。

【００１０】分岐型ファイバー光学系に複数個の画像検
出器を組み合わせた光学系では、レンズで結像するファ
イバー光学素子の結像面の寸法が、ファイバー光学素子
の分岐部の断面積の和となる。このため、画像検出器の
数を増大させると、これに比例して、ファイバー光学素
子の結像面の面積が増大する。これにより、レンズの結
像面寸法が大きくなり、高解像度画像の結像が可能とな
る。しかし、結像面寸法の増大は光学レンズの設計にと
って大きな負担となる。このため、本発明では、結像面
寸法を調整するために、ファイバー光学素子の結像面部
分をテーパーファイバー束から成るファイバー光学素子
にすることで、画像検出器の数の増大に係らず、ファイ
バー光学素子の結像面の面積を任意に選択できるため、
光学レンズの設計上の制約を軽減できる。光学レンズに
は像面湾曲とよばれる収差のため、レンズによる結像面
は球面に近い曲面である。このため、ファイバー光学素
子の画像結像面を凹面とすれば、レンズの収差の影響を
低減でき、高解像度で画像検出ができる。これらの作用
により小型で簡略な光学系にも係らず、光学レンズの空
間解像度以上の高解像度画像に対して、多数の画像検出
器による分割撮影ができ、また多数の画像検出器により
分割された画像を同時に検出することで、高解像度画像
の高速撮影が実現できる。

【００１１】

【実施例】（第１の実施例）本発明の第１の実施例を図
１に示す。図において、被写体からの可視光線９１は光
学レンズ９０により、ファイバー光学素子１０の画像結
像面１１に被写体像として結像される。ファイバー光学
素子１０は、テーパーファイバー束から成るファイバー
光学素子であり、画像結像面１１の寸法に対して画像検
出器７０の画像検出面７１に接するファイバー光学素子
面の寸法が小さい。このため、画像検出器の画像検出面
に光学レンズで直接に結像する場合に比べて、本実施例
ではファイバー光学素子を用いることにより結像面寸法
が大きくでき、高解像度の画像結像ができる。なお、画
像検出器はＣＣＤなどの撮像素子であり、撮像素子の画
像検出面に接したファイバー光学素子によって画像が入
力される。光学レンズにより被写体の可視光像を結像
し、結像された可視光像を検出する画像撮影装置の空間
解像度は、光学レンズの解像度の原理的な限界で決ま
る。これは、光学レンズの解像度が光の波長とレンズの
口径で決まるためである。図３に、光学レンズの空間解
像度である空間変調度伝達関数を示す。図４に光学レン
ズ９５により被写体９２を、画像検出器７０の画像検出
面７１に結像する様子を示す。画像検出器の画像検出面
上には画像を検出する最小単位である検出画素が２次元
的に配列されている。この場合にも、検出画素の配列ピ
ッチの周波数がω₁である画像検出器で検出する画像の
空間変調度は、光学レンズの解像度により、ｂ点の空間
変調度に制限される。図５に本実施例による、テーパー
ファイバー束から成るファイバー光学素子１０を用いて
結像する様子を示す。光学レンズ９０により被写体９２
は、ファイバー光学素子１０の画像結像面１１に結像さ
れる。この像は、ファイバー光学素子により縮少され
て、画像検出器７０の画像検出面７１に結像する。この
光学系では、光学レンズによる画像結像面と画像検出器
の画像検出面との間をテーパーファイバー束から成るフ
ァイバー光学素子により結合することで、画像結像面寸
法を画像検出面寸法よりも大きくできる。これは、実質
的に画像検出器の検出画素の配列ピッチの周波数が小さ
くなることを意味する。光学レンズのみでの空間変調度
伝達関数である実線７１’に対して、光学レンズとファ
イバー光学素子を組み合わせた本実施例の場合は空間変
調度伝達関数は点線１１’となり、光学レンズのみでの
原理的な解像度を超える高解像度を達成することができ
る。なお、図３、図４、図５に関する詳細については既
に説明したとおりである。

【００１２】（第２の実施例）次に、本発明の第２の実
施例を図２により説明する。光学レンズの解像度の原理
的な限界を超えた高解像度の画像撮影では、結像面の寸
法を大きくする必要がある。このため、本実施例では結
像面に結像された画像を分割し複数個の画像検出器で検
出する。図２においてファイバー光学系は、画像結像面
用ファイバー光学素子２０と画像検出面に接するファイ
バー光学素子１０の２種類のファイバー光学素子で構成
される。画像結像面用ファイバー光学素子２０の画像結
像面２１に結像された画像は、複数個のファイバー光学
素子１０に分割され、それぞれの複数個の画像検出器７
０で各分割画像が検出される。本実施例によれば、光学
レンズの解像度の原理的な限界を超えた高解像度の画像
を得るために、画像結像面寸法を大きくできると共に、
複数個の画像検出器で画像検出するため検出器としての
実質的な解像度も向上することができる。このため、画
像撮影装置として光学系の解像度及び検出器系の解像度
を同時に向上することができ、撮影画像の大幅な高解像
度化を達成できる。画像検出器としてＣＣＤなどを用い
た場合は、画像検出器７０の画像検出面７１に対して、
画像検出器のパッケージ寸法が大きい。このため、図２
の実施例では、画像検出面に接するファイバー光学素子
１０の画像検出面側の面の面積に対して、画像結像面用
ファイバー光学素子との接合面の面積が大きい。そし
て、画像検出器のパッケージ寸法よりも大きな寸法に、
画像結像面用ファイバー光学素子との接合面の寸法を設
定する。これにより、図２のように画像検出面に接する
ファイバー光学素子と画像検出器との組合せを複数個配
列しても、各画像検出器のパッケージ間の干渉がなくな
り、画像検出器のパッケージ寸法が大きくても、多数の
画像検出器を画像撮影装置に装着できる。ファイバー光
学素子１０は第１の実施例と同様のテーパーファイバー
束から成るファイバー光学素子である。

【００１３】（第３の実施例）本発明の第３の実施例を
図６に示す。図において、ファイバー光学系は、画像結
像面用ファイバー光学素子２０、分岐用ファイバー光学
素子３０、画像検出面用ファイバー光学素子４０の３種
類のファイバー光学素子で構成される。被写体からの可
視光線９１は光学レンズ９０により、画像結像面用ファ
イバー光学素子２０の端面に被写体像として結像され
る。画像結像面用ファイバー光学素子に入射した可視光
像は、４個の分岐用ファバー光学素子３０で４分割され
る。分割された画像は、画像検出面用ファイバー光学素
子４０により導かれて、４個の画像検出器７０の画像検
出面に達して、各画像検出器により同時に検出される。
画像検出器はＣＣＤなどの撮像素子であり、素子の画像
検出面に接した画像検出面用ファイバー光学素子によっ
て画像が入力される。本実施例では、画像を４分割した
例であるが、さらに画像検出器数を増して分割数を多く
することもでき、任意の数の画像検出器を装着すること
ができる。また、逆に画像検出器数を２個とし、画像結
像面用ファイバー光学素子に入射した可視光像を、２個
の分岐用ファバー光学素子で２分割して撮影することも
できる。これには、画像検出器の一つであるハイビジョ
ンカメラ用のＣＣＤ撮像素子を用いる。これは、ハイビ
ジョンカメラ用の素子の画像検出面が横長の長方形であ
るためである。この場合には、画像検出器を２個用いる
ことで、画像検出面が横長の長方形の２個の検出素子を
上下に配置することにより、ほぼ正方形の画像撮影がで
きるという特徴をもつ。

【００１４】図６に示す実施例ではファイバー光学系
が、画像結像面用、分岐用、画像検出面用に別れてお
り、これらの構造を図７に示す。図は、ファイバー光学
素子を構成する各ファイバーに平行な方向の断面図であ
る。ここで、画像結像面用ファイバー光学素子の分岐用
ファイバー光学素子との接合面３１は、ファイバー光学
素子を構成する各ファイバーの長さ方向に対して、直角
になっている。同様に、画像検出面用ファイバー光学素
子の分岐用ファイバー光学素子との接合面４１は、ファ
イバー光学素子を構成する各ファイバーの長さ方向に対
して、直角になっている。画像検出器としてＣＣＤなど
を用いた場合は、画像検出器７０の画像検出面７１に対
して、画像検出器のパッケージ寸法が大きい。このた
め、分岐用ファイバー光学素子の端面を、ファイバー光
学素子を構成する各ファイバーの長さ方向に対して直角
でない角度に設定する。これにより、各画像検出器間に
間隔が生じるためパッケージ間の干渉がなくなり、画像
検出器のパッケージ寸法が大きくても、多数の画像検出
器を画像撮影装置に装着できる。

【００１５】（第４の実施例）一般にファイバー光学素
子を接合する場合は、ファイバー光学素子の端面と各フ
ァイバーの長さ方向との成す角度が直角に近いほど、フ
ァイバー光学素子間における接合面での光の伝達効率が
増す。これを考慮した本発明の第４の実施例を図８に示
す。図において、画像結像面用ファイバー光学素子の分
岐用ファイバー光学素子との接合面３１は、ファイバー
光学素子を構成する各ファイバーの長さ方向に対して直
角ではない。画像結像面用ファイバー光学素子の分岐用
ファイバー光学素子との接合面、及び分岐用ファイバー
光学素子の画像結像面用ファイバー光学素子との接合面
は、両者共にファイバー光学素子を構成する各ファイバ
ーの長さ方向に対して、同一の角度を成している。同様
に、画像検出面用ファイバー光学素子の分岐用ファイバ
ー光学素子との接合面４１は、ファイバー光学素子を構
成する各ファイバーの長さ方向に対して直角ではない。
画像検出面用ファイバー光学素子の分岐用ファイバー光
学素子との接合面、及び分岐用ファイバー光学素子の画
像検出面用ファイバー光学素子との接合面は、両者共に
ファイバー光学素子を構成する各ファイバーの長さ方向
に対して、同一の角度を成している。これにより、ファ
イバー光学素子の接合において、すべてのファイバー光
学素子の接合面を一様に、各ファイバーの長さ方向との
成す角度を直角に近づけることができ、ファイバー光学
素子間における接合面での光の伝達効率を増すことがで
きる。

【００１６】なお、本発明の実施例において、画像結像
面用ファイバー光学素子の分岐用ファイバー光学素子と
の接合面、及び分岐用ファイバー光学素子の画像結像面
用ファイバー光学素子との接合面は、両者共にファイバ
ー光学素子を構成する各ファイバーの長さ方向に対し
て、完全に同一の角度を成していなくとも、近似的に両
者が等しい角度を有すれば実質的効果は得られる。同様
に、画像検出面用ファイバー光学素子の分岐用ファイバ
ー光学素子との接合面、及び分岐用ファイバー光学素子
の画像検出面用ファイバー光学素子との接合面は、両者
共にファイバー光学素子を構成する各ファイバーの長さ
方向に対して、完全に同一の角度を成していなくとも、
近似的に両者が等しい角度を有すれば実質的効果は得ら
れる。

【００１７】（第５の実施例）本発明の第５の実施例を
図９により説明する。ファイバー光学素子を用いたファ
イバー光学系では、異なるファイバー光学素子間の接合
面が少ないほど、光の伝達効率が増す。このため本実施
例では、図７や図８の実施例のように画像結像面用、分
岐用、画像検出面用ファイバー光学素子に分割せずに、
一体型ファイバー光学素子５０を用いた。一体型ファイ
バー光学素子は、分岐部分でファイバー束を湾曲させる
ことにより作られる。本実施例の外に、図７や図８の画
像結像面用、分岐用、画像検出面用ファイバー光学素子
の内で、画像結像面用と分岐用ファイバー光学素子のみ
を一体化した構造や、分岐用と画像検出面用ファイバー
光学素子のみを一体化した構造でも光の伝達効率の向上
を達成できる。本発明の第２から第５の実施例では、光
学レンズの解像度の原理的な限界を超えた高解像度の画
像を得るために、画像結像面寸法を大きくすることを目
的として、結像画像を分割し複数個の画像検出器で画像
検出する。しかし、結像画像の分割数を増し、これに伴
い画像検出器数を増すと、画像結像面寸法が大きくなり
過ぎるという問題が生じる。これは、画像結像面寸法の
増大が、光学レンズの大型化や設計上の負担の増加につ
ながるためである。

【００１８】（第６の実施例）分岐型ファイバー光学素
子に複数個の画像検出器を組み合わせた光学系では、光
学レンズで結像するファイバー光学素子の結像面の寸法
が、ファイバー光学系の分岐部の分岐用ファイバー光学
素子の断面積の総和となる。このため、画像検出器の数
を増大させると、これに比例して、ファイバー光学素子
の結像面の面積が増大する。これに対応するための方策
を、図１０に示す第６の実施例により説明する。本実施
例において、画像結像面用ファイバー光学素子６０はテ
ーパーファイバー束から成るファイバー光学素子であ
る。画像結像面用ファイバー光学素子の分岐用ファイバ
ー光学素子５０との接合面の面積は、各分岐用ファイバ
ー光学素子の画像結像面用ファイバー光学素子との接合
面５１の面積の和である。しかし、画像結像面用ファイ
バー光学素子にテーパーファイバー束から成るファイバ
ー光学素子を用いているため、画像結像面の面積を接合
面５１の面積の和に対して、任意に小さく設定できる。
このため、光学レンズの設計が非常に容易になると同時
に、分岐数を増して多数の画像検出器を装着できるよう
になる。上記の実施例とは逆に、光学系によっては１０
０ｍｍ幅のフィルムによる撮影装置のように、画像結像
面の面積が非常に大きな場合がある。この場合にも、画
像結像面用ファイバー光学素子にテーパーファイバー束
から成るファイバー光学素子を用いれば、画像結像面の
面積を接合面５１の面積の和に対して、任意に大きく設
定できる。このように、テーパーファイバー束から成る
ファイバー光学素子を用いることにより、任意の画像結
像面の寸法をもつ光学系に、本発明は対応することがで
きるという特徴を有する。

【００１９】図１０に示す実施例において、画像結像面
用ファイバー光学素子にテーパーファイバー束から成る
ファイバー光学素子用いるだけでなく、図のように画像
結像面６１を、凹面とすることができる。光学レンズに
より結像される像は、一般にレンズの収差のひとつであ
る像面湾曲のため、曲面上の像となる。一般の画像撮影
装置では、光学レンズによる画像結像面と画像検出器の
画像検出面とが一致しており、平面の画像検出面上に結
像されるため、レンズ設計の最適化により、像面湾曲が
小さくなるように設計される。しかし、本発明によれば
ファイバー光学素子を用いることにより、画像結像面と
画像検出面が別れているため、画像結像面を曲面とする
ことが可能となる。この結果として、レンズ設計に対す
る制約が大幅に軽減される。以上の各実施例では、光学
レンズで結像された可視光像を、ファイバー光学系で分
割し、独立した複数個の画像検出器で分割撮影をする。
この分割撮影において、複数個の画像検出器による分割
画像の検出を同時に行う。これにより、１個の画像検出
器の画像検出時間で、光学レンズで結像された可視光像
全体を検出できるため、大幅な高速画像撮影が可能とな
る。また、ＣＣＤなどの画像検出器においては、１個の
素子からの画像読み出し時間を長くすることにより、画
像のノイズ成分を低減でき、撮影画像の画質を向上する
ことができる。この点に関しても、本発明の装置では、
画像全体が１個の画像検出器の画像検出時間で撮影でき
るため、素子からの画像読み出し時間を長くしても実質
的な問題はなく、高解像度画像を高画質で撮影できる。
さらに高画質画像撮影のために、構成する各画像検出器
をペルチエ素子などで冷却すれば、高いシグナル・ノイ
ス比が得られるため、高画質化をさらに進めることがで
きる。本発明による画像撮影装置において、独立した複
数個の画像検出器で分割撮影すると共に、各画像検出器
ごとに独立したアナログ・デジタル変換器を接続すれ
ば、高解像度画像を高速でアナログ・デジタル変換し、
画像メモリにデジタル信号として収集できる。このた
め、高解像度画像のデジタル画像を高速で収集可能とな
り、画像を扱う機器の分野においての広い応用が期待で
きる。

【００２０】（第７の実施例）次に、本発明の第７の実
施例を図１１により説明する。画像検出器によっては、
画像検出面が非常に大きな場合があり、光学レンズの設
計上の制約を軽減するために画像結像面を小さくする必
要がある。例えば、画像検出器として大口径の撮像管を
用いた場合にこの問題が生じる。図１１において、ファ
イバー光学素子６０は、撮像管８０の面板（フェースプ
レート）を兼ねており、ファイバー光学素子６０の片面
に画像検出面である光導電膜８１を形成した構造であ
る。光導電膜で検出された画像は、電子銃８２による電
子ビーム走査により画像信号として読み出される。本実
施例によれば、ファイバー光学素子としてテーパーファ
イバー束から成るファイバー光学素子を用いており、撮
像管の画像検出面の寸法に依存せず、任意の画像結像面
の寸法をもつ光学レンズを使用できる。また、ファイバ
ー光学素子の画像結像面を凹面に形成することができ、
用いる光学レンズの収差の影響を緩和できる。これらの
効果により本実施例によれば、画像検出器の画像検出面
寸法と、光学レンズの画像結像面寸法とに対して、組み
合わせの選択の余地が大きくなり、画像撮影装置の設計
が非常に容易になるという特徴をもつ。このため、画像
撮影装置の高性能を維持したままで、価格の低減を図る
ことができる。

【００２１】（第８の実施例）以上説明した各実施例で
は、光学レンズとファイバー光学素子を用いた光学系に
より、光学レンズのみでの光学系の原理的な解像度の限
界を超えた大幅な解像度の向上を目的としていた。さら
に、本発明では光学レンズの画像結像における解像度向
上に留まらず、被写体に対する対物解像度の向上も可能
である。次に、本発明の第８の実施例を図１２により説
明する。撮影する被写体に対する対物解像度は、当然な
がら被写体の大きさに依存する。本実施例では、被写体
１２１と光学レンズ９０の対物面との間を、ファイバー
光学素子１１０で結合した撮影装置である。ここで、フ
ァイバー光学素子１１０は、テーパーファイバー束から
成るファイバー光学素子である。被写体はファイバー光
学素子の被写体を置く面（被写体面と略す。）１１１上
に位置し、これに可視光線１２０を照射すると、被写体
像はファイバー光学素子のレンズ側面１１２から拡大像
として出力される。ファイバー光学素子のレンズ側面１
１２は、光学レンズ９０の対物面であり、この対物面上
の画像はレンズで画像撮影装置のファイバー光学素子１
０の画像結像面１１に被写体像として結像される。本実
施例によれば、被写体像をまずファイバー光学系により
拡大するため、光学レンズは実質的に大きな被写体像を
結像することになり、被写体撮影における大幅な解像度
向上を実現できる。

【００２２】（第９の実施例）次に本発明の第９の実施
例を図１３により説明する。本実施例では、ファイバー
光学素子の被写体面１１１に蛍光体膜１３２を形成す
る。この蛍光体膜は、Ｘ線などの放射線を吸収し可視光
に変換する。被写体１３１にＸ線などの放射線１３０を
照射すると、被写体の放射線像は蛍光体膜により、蛍光
体膜上の可視光像に変換される。この可視光像は、ファ
イバー光学素子１１０により拡大像としてファイバー光
学素子のレンズ側面１１２に出力される。ファイバー光
学素子のレンズ側面１１２は、光学レンズ９０の対物面
であり、この対物面上の画像はレンズで画像撮影装置の
ファイバー光学素子１０の画像結像面１１に被写体像と
して結像される。本実施例によれば、被写体の可視光化
した放射線像をまずファイバー光学系により拡大するた
め、光学レンズは実質的に大きな被写体像を結像するこ
とになる。このため、Ｘ線などの放射線像撮影における
大幅な解像度向上を実現でき、医学分野などでの放射線
像撮影において、診断能の高い画像撮影が可能となる。

【００２３】（第１０の実施例）次に、図３において、
光学レンズとファイバー光学素子を組み合わせた光学系
の空間変調度伝達関数を表す点線１１’を高周波側へ延
長して描いた図が、図１４である。図１４において、光
学レンズのみの場合では、空間変調度が０％となる限界
空間周波数はω₀であるが、光学レンズとファイバー光
学系を組み合わせた場合の限界空間周波数はω₃とな
り、大幅に限界周波数を向上することができる。この結
果として、画像検出器の画像検出面上の検出画素の配列
ピッチの周波数がω₀よりも大きくでき、検出画素寸法
が非常に小さな画像検出器を用いることができる。そし
て、検出画素寸法を小さくできるため画像検出器自体の
寸法を非常に小型とすることができる。図１５に本発明
の第１０の実施例の断面図を示す。ここでは、ファイバ
ー光学素子にテーパーファイバー束から成るファイバー
光学素子を用いるだけでなく、図１５のように画像結像
面２１１が凹面となっている。被写体２２２からの可視
光線２２１は、ファイバー光学素子の凹面の画像結像面
２１１に結像する。この結果として、像面湾曲の影響を
軽減でき、レンズ設計に対する制約が大幅に軽減され、
光学系を大幅に小型化できる。図１５において、画像撮
影装置２４０は、光学レンズ２２０、ファイバー光学素
子２１０、画像検出器２３０から構成され、被写体２２
２の像を撮影する。この画像撮影装置は、ケーブル２３
２を経由して、素子制御装置２３３で制御される。本実
施例によれば、画像撮影装置の寸法が、ファイバー光学
素子または画像検出器の外形寸法で決まる。このため、
検出画素寸法が非常に小さな画像検出器を用いることに
より、画像検出器の外形寸法が小型化できる。この結
果、画像撮影装置の寸法自体を大幅に小型化できるとい
う特徴をもつ。

【００２４】

【発明の効果】本発明によれば、光学レンズとファイバ
ー光学素子を用いた光学系により、光学レンズのみでの
光学系の原理的な解像度の限界を超えた大幅な解像度の
向上を達成する画像撮影装置が実現できる。このため、
従来にない高画質な画像の撮影が可能となる。さらに、
光学レンズで結像された可視光画像をファイバー光学系
により画像分割し、複数個の画像検出器で同時に検出す
るため、高解像度画像を高速で撮影できる。また、高解
像度画像撮影装置であるにもかかわらず、ファイバー光
学素子の画像結像面の形状を任意に選定できるため、結
像用の光学レンズの設計に対する制約が大幅に低減で
き、光学系全体の価格を低減することができる。また、
光学レンズとファイバー光学素子を用いた光学系によ
り、光学レンズの限界空間解像度に対応する画像検出器
の検出画素の寸法より小さい寸法の検出画素を有する画
像検出器が実現できる。このため、従来にない高密度で
配列された寸法が非常に小さい検出画素を有する画像検
出器を用いることが可能となる。そして、画像検出器自
体の寸法が小さくなり、非常に小型の画像撮影装置が実
現できる。このため、高解像度画像撮影を要求される放
送用や印刷用や医学診断用などの画像入力装置として一
般産業用での広い分野に適用できるだけでなく、画像撮
影を目的とする一般の民生用機器にも適用することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例の画像撮影装置の構成を
示す全体斜視図。

【図２】本発明の第２の実施例の画像撮影装置における
ファイバー光学系の断面図。

【図３】本発明の画像撮影装置の空間解像度の向上を説
明する空間変調度伝達関数を表すグラフ。

【図４】光学レンズによる被写体の結像を説明するため
の断面図。

【図５】本発明の光学系による被写体の結像を説明する
ための断面図。

【図６】本発明の第３の実施例の画像撮影装置の構成を
示す全体斜視図。

【図７】本発明の第３の実施例におけるファイバー光学
系の断面図。

【図８】本発明の第４の実施例におけるファイバー光学
系の断面図。

【図９】本発明の第５の実施例におけるファイバー光学
系の断面図。

【図１０】本発明の第６の実施例におけるファイバー光
学系の断面図。

【図１１】本発明の第７の実施例の画像撮影装置の構成
を示す断面図。

【図１２】本発明の第８の実施例の画像撮影装置の構成
を示す断面図。

【図１３】本発明の第９の実施例の画像撮影装置の構成
を示す断面図。

【図１４】本発明の画像撮影装置の空間解像度の向上を
説明する空間変調度伝達関数を表すグラフ。

【図１５】本発明の第１０の実施例の画像撮影装置の構
成を示す断面図。

【符号の説明】

１０…ファイバー光学素子、１１…画像結像面、１１’
…空間変調度伝達関数、２０…画像結像面用ファイバー
光学素子、２１…画像結像面、３０…分岐用ファバー光
学素子、３１…接合面、４０…画像検出面用ファイバー
光学素子、４１…接合面、５０…一体型ファイバー光学
素子、６０…テーパーファイバー束から成る光学素子、
６１…画像結像面、７０…画像検出器、７１…画像検出
面、７１’…空間変調度伝達関数、８０…撮像管、８１
…光導電膜、８２…電子銃、９０…光学レンズ、９１…
可視光線、９２…被写体、９３…結像された像、９４…
結像された像、９５…光学レンズ、９６…結像された
像、１１０…ファイバー光学素子、１１１…被写体面、
１１２…レンズ側面、１２０…可視光線、１２１…被写
体、１３０…放射線、１３１…被写体、１３２…蛍光体
膜、２１０…ファイバー光学素子、２１１…画像結像
面、２２０…光学レンズ、２２１…可視光線、２２２…
被写体、２３０…画像検出器、２３２…ケーブル、２３
３…素子制御装置、２４０…画像撮影装置。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者植田健東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者横内久猛東京都千代田区内神田一丁目１番14号株式会社日立メディコ内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光学レンズにより被写体の可視光像を画像
結像面に結像し、結像された可視光像を検出する画像検
出器を有する画像撮影装置において、前記画像結像面と
前記画像検出器の画像検出面との間を結合するファイバ
ー束から成るファイバー光学系を有し、前記光学レンズ
の有する空間解像度以上の解像度を有する画像撮影を行
うことを特徴とする画像撮影装置。
【請求項２】光学レンズにより被写体の可視光像を画像
結像面に結像し、結像された可視光像を検出する画像検
出器を有する画像撮影装置において、前記画像結像面と
前記画像検出器の画像検出面との間を結合するためのフ
ァイバー束から成るファイバー光学系を有し、前記画像
結像面の寸法と前記画像検出面の寸法とが異なることを
特徴とする画像撮影装置。
【請求項３】光学レンズにより被写体の可視光像を画像
結像面に結像し、結像された可視光像を検出する画像検
出器を有する画像撮影装置において、前記画像結像面と
前記画像検出器の画像検出面との間を結合するためのフ
ァイバー束から成るファイバー光学系を有し、前記ファ
イバー光学系を構成するファイバー光学素子の一方の面
が前記画像結像面であり、他方の面が前記画像検出面に
接することを特徴とする画像撮影装置。
【請求項４】前記ファイバー光学系がテーパーファイバ
ー束から成るファイバー光学素子であることを特徴とす
る請求項１から請求項３のいずれかに記載の画像撮影装
置。
【請求項５】前記テーパーファイバー束から成るファイ
バー光学素子において、前記画像検出面の側の面積が、
前記画像結像面の側の面積よりも小さいことを特徴とす
る請求項４に記載の画像撮影装置。
【請求項６】前記ファイバー光学系が、前記画像結像面
の側で使用する画像結像面用ファイバー光学素子と、前
記画像検出面の側で使用する画像検出面用ファイバー光
学素子の２種類のファイバー光学素子から構成されるこ
とを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載
の画像撮影装置。
【請求項７】１個の前記画像結像面用ファイバー光学素
子に対して、複数個の前記画像検出面用ファイバー光学
素子及び複数個の画像検出器を有することを特徴とする
請求項６に記載の画像撮影装置。
【請求項８】前記画像検出面用ファイバー光学素子にお
いて、前記画像検出面の側のファイバー光学素子面の面
積が、前記画像結像面用ファイバー光学素子側の面の面
積よりも小さいことを特徴とする請求項６に記載の画像
撮影装置。
【請求項９】前記画像検出面用ファイバー光学素子の前
記画像検出面の側と反対側の面である前記画像結像面用
ファイバー光学素子側の面のファイバー光学素子面の大
きさが、前記画像検出器の外形寸法よりも大きいことを
特徴とする請求項８に記載の画像撮影装置。
【請求項１０】前記ファイバー光学系の形状が前記画像
結像面の側に対して前記画像検出面の側のファイバー束
が分岐したファイバー光学系であり、前記画像検出面の
側に複数の前記画像検出器を有することを特徴とする請
求項１から請求項３のいずれかに記載の画像撮影装置。
【請求項１１】前記ファイバー光学系が、前記画像結像
面の側で使用する画像結像面用ファイバー光学素子と、
前記画像検出面の側で使用する画像検出面用ファイバー
光学素子と、前記画像結像面用ファイバー光学素子と前
記画像検出面用ファイバー光学素子との間を結合しその
形状が前記画像結像面の側に対して前記画像検出面の側
のファイバー束が分岐した分岐用ファイバー光学素子と
の３種類から構成されることを特徴とする請求項１０に
記載の画像撮影装置。
【請求項１２】前記画像結像面用及び前記画像検出面用
ファイバー光学素子おいて、前記分岐用ファイバー光学
素子との接合面が、ファイバー光学素子を構成する各フ
ァイバーの長さ方向と直角をなし、前記分岐用ファイバ
ー光学素子の前記画像結像面用及び前記画像検出面用フ
ァイバー光学素子との接合面がファイバー光学素子を構
成する各ファイバーの長さ方向に対して、直角でないこ
とを特徴とする請求項１１に記載の画像撮影装置。
【請求項１３】前記画像結像面用ファイバー光学素子の
前記分岐用ファイバー光学素子との接合面、及び前記分
岐用ファイバー光学素子の前記画像結像面用ファイバー
光学素子との接合面において、ファイバー光学素子を構
成する各ファイバーの長さ方向に対して成す角度が両者
共に等しく、前記画像検出面用ファイバー光学素子の前
記分岐用ファイバー光学素子との接合面、及び前記分岐
用ファイバー光学素子の前記画像検出面用ファイバー光
学素子との接合面において、ファイバー光学素子を構成
する各ファイバーの長さ方向に対して成す角度が両者共
に等しことを特徴とする請求項１１に記載の画像撮影装
置。
【請求項１４】前記ファイバー光学系を構成するファイ
バー光学素子が一体構造のファイバー光学素子であるこ
とを特徴とする請求項１０に記載の画像撮影装置。
【請求項１５】前記ファイバー光学系の前記画像結像面
が凹面であることを特徴とする請求項１から請求項３の
いずれかに記載の画像撮影装置。
【請求項１６】前記画像結像面用ファイバー光学素子と
して、テーパーファイバー束から成るファイバー光学素
子を用いることを特徴とする請求項６もしくは請求項１
１に記載の画像撮影装置。
【請求項１７】前記画像結像面用ファイバー光学素子と
して、前記画像結像面の側のファイバー光学素子面の面
積がファイバー光学素子の反対側の面の面積よりも小さ
いテーパーファイバー束から成るファイバー光学素子を
用いることを特徴とする請求項１６に記載の画像撮影装
置。
【請求項１８】前記画像検出器が、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇ
ｅＣｏｕｐｌｅｄＤｅｖｉｃｅ）または撮像管を用
いることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか
に記載の画像撮影装置。
【請求項１９】複数の前記画像検出器が検出した画像信
号の読み出しにおいて、すべての前記画像検出器から同
時に前記画像信号を読み出すことを特徴とする請求項７
もしくは請求項１０に記載の画像撮影装置。
【請求項２０】光学レンズにより被写体の可視光像を画
像結像面に結像し、結像された可視光像を検出する画像
検出器を有する画像撮影装置において、前記被写体を置
く被写体面と前記光学レンズの対物面との間を結合する
ためのファイバー束から成るファイバー光学系を有し、
前記光学レンズの空間解像度以上の解像度を有する画像
撮影を行うことを特徴とする画像撮影装置。
【請求項２１】光学レンズにより被写体の可視光像を画
像結像面に結像し、結像された可視光像を検出する画像
検出器を有する画像撮影装置において、前記被写体を置
く被写体面と前記光学レンズの対物面との間を結合する
ためのファイバー束から成るファイバー光学系を有し、
前記被写体面の寸法と前記光学レンズの対物面の寸法と
が異なることを特徴とする画像撮影装置。
【請求項２２】前記ファイバー光学系がテーパーファイ
バー束から成るファイバー光学素子であることを特徴と
する請求項２０もしくは請求項２１に記載の画像撮影装
置。
【請求項２３】前記テーパーファイバー束から成るファ
イバー光学素子において、前記被写体面の側のファイバ
ー光学素子面の面積が、前記光学レンズの対物面側のフ
ァイバー光学素子面の面積よりも小さいことを特徴とす
る請求項２２に記載の画像撮影装置。
【請求項２４】前記ファイバー光学系の前記被写体面の
側の面上に放射線を吸収する蛍光体膜を形成し、放射線
画像撮影を行うことを特徴とする請求項２０もしくは請
求項２１に記載の画像撮影装置。
【請求項２５】光学レンズにより被写体の可視光像を画
像結像面に結像し、結像された可視光像を検出する画像
検出器を有する画像撮影装置において、前記光学レンズ
による画像結像面と前記画像検出器の画像検出面との間
を結合するテーパーファイバー束から成るファイバー光
学系を有し、前記光学レンズの限界空間解像度に対応す
る検出器の検出画素の寸法より小さい寸法の検出画素を
有する画像検出器で前記被写体の像を検出することを特
徴とする画像撮影装置。
【請求項２６】前記画像検出器がＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ
ＣｏｕｐｌｅｄＤｅｖｉｃｅ）であることを特徴と
する請求項２５に記載の画像撮影装置。