JPH11304591A - 分光画像取得装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 この発明は、色収差が小さくぼけの小さい分
光画像取得装置を得る。 【解決手段】 所定の波長帯域の入射光を透過する集光
光学系１と、透過波長帯が異なる複数のフィルタ３ａ，
３ｂからなるフィルタ群５と、撮像素子２とを備え、フ
ィルタ３ａ，３ｂを交換することにより波長帯の異なる
分光画像を取得する分光画像取得装置において、少なく
とも１枚のフィルタに回折面４ａ，４ｂを設けた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、たとえば物体の
波長特性を利用したリモートセンシング等に用いる分光
画像取得装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】分光画像とは波長帯域を分けて撮像して
取得した画像のことである。たとえば、草葉は緑色、土
は茶色というように物体は固有の波長特性を有してい
る。分光画像は、撮像する物体が何に属するかを識別し
たり、物体がどのような状態であるのかを調べるのに有
効であり、リモートセンシングの分野において広く活用
されている。

【０００３】分光画像を取得する方法には様々な方法が
あるが、図７は例えば米国特許第５，５３４，６９４号
明細書に示された従来の分光画像取得装置の構成図であ
る。この分光画像取得装置は、所定の波長帯域の入射光
を透過する集光光学系１と、集光光学系１によって形成
された物体像の光強度分布を電気信号に変換するＣＣＤ
等の撮像素子２と、この撮像素子２と集光光学系１との
間に設けられ透過波長帯が異なる複数のフィルタ１３
ａ，１３ｂからなるフィルタ群１５とを備え、上記フィ
ルタ１３ａ，１３ｂを交換することにより波長帯の異な
る分光画像を取得するようになっている。撮像素子２に
よって電気信号として得られた分光画像は信号処理手段
６によって処理され、画像として表示したり、画像間で
演算処理される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記構成の分光画像取
得装置では、集光光学系１の特性としては波長に依存し
ないことが望ましい。光の反射作用は波長に依存しない
ので、分光画像取得装置には反射型の集光光学系が理想
的であるが、反射型の場合にはレンズ面数が制限される
のに伴い自由度が制限されるので視野角を広くすること
ができない。一方、広い視野範囲の分光画像を取得する
ためには、上記したように透過型の集光光学系１を使用
するのが一般的である。

【０００５】光の屈折は空気の屈折率とレンズ材料の屈
折率との違いにより起こるが、レンズ材料は光分散とい
う性質を有し、屈折率は波長に大きく依存する。このた
めに、単一レンズ材料で構成される屈折レンズの屈折力
（焦点距離の逆数）は、波長により異なる色収差を引き
起こすので、物体像がぼけてしまい有効な分光画像が取
得できない。そこで、通常の透過型の集光光学系は、分
散特性が異なる２種類以上のレンズ材料を使用して色収
差を低減するようにしている。

【０００６】以下に２種類のレンズ材料を使用した色収
差補正の一般的原理について説明する。波長λにおける
屈折レンズの焦点距離ｆは近軸理論により、 １／ｆ＝｛１／（ｎ−１）｝・｛（１／ｒ1）−（１／
ｒ2）｝ で表される。ここで、ｎは波長λでの屈折率、ｒ1とｒ2
とはレンズ表裏面のそれぞれの曲率半径である。この関
係により、 ∂ｆ／∂λ＝｛１／（ｎ−１）｝・（∂ｎ／∂λ）・ｆ が得られる。これは、焦点距離の波長特性はレンズ材料
の特性と焦点距離により定まることを示している。

【０００７】波長帯域をΔλ＝λ２ーλ１＞０、中心波
長をλcとしたときに、２つのレンズＡ，Ｂを用いて色
収差を補正する原理を図８を用いて説明する。横軸を波
長λ、縦軸を焦点距離ｆで示している。一般に∂ｎ／∂
λはレンズ材料によって異なるので、２つの焦点距離の
波長特性は異なった振る舞いを示す。図では、λ１を基
準として焦点距離を相対値として表し、波長λ２におい
て両者が打ち消し合うようにそれぞれの焦点距離を定め
ている。図において、レンズＡ，Ｂのそれぞれの焦点距
離を足し合わせたものが２つのレンズの合成焦点距離と
なり、これが所定の波長帯域で一定値であれば色収差が
補正された状態であり、一定値でない場合には色収差が
発生する。図に示すように、波長λ２とλ１とでは色収
差が補正されているが、その他の波長帯では色収差が存
在していることが分かる。この色収差は残存色収差と呼
ばれている。この残存色収差は、分光画像を取得する全
波長帯域が広いほど大きくなる。

【０００８】以上では透過型の集光光学系のレンズ作用
として屈折作用を利用したものについて説明したが、次
に回折作用を利用したものについて説明を加える。回折
作用はレンズ表面に例えば輪帯溝の微細加工を施して得
られるもので、屈折の場合と同様に分散特性を有する。
また、回折面は１面だけでも存在することができる。波
長λにおける回折面の焦点距離ｆは近軸理論により、 ｆ＝Ｄ²／４λ で表される。ここで、Ｄは第１輪帯の直径である。この
関係より、 ∂ｆ／∂λ＝−ｆ／λ が得られる。焦点距離ｆの波長特性は波長λと焦点距離
ｆにより定まり、レンズ材料の特性には依存しない。つ
まり、屈折面と回折面とを備えたような構成にすれば、
単一のレンズ材料でも色収差を、図８のように補正する
ことは可能となる。言い換えれば、単一のレンズ材料で
屈折面と回折面とを備えた光学系の色収差補正の考え方
は、レンズ材料が異なる２つの屈折レンズから構成され
る光学系と同様とみなすことができる。

【０００９】以上の考え方を踏まえて、図９を用いて全
波長帯域にわたって色収差を補正した集光光学系と帯域
制限のためのフィルタとの関係を考える。分光画像取得
装置は一般に全波長域を広く取るので、集光光学系に残
存色収差が存在する。そのために、図９のようにフィル
タ１３ａで制限した波長帯域にも色収差が残り、フィル
タ１３ａで取得した分光画像はぼけたものとなってしま
うという問題点があった。

【００１０】また、図１０のように特定のフィルタ（例
えば１３ａ）の波長域で色収差を補正するように集光光
学系を構成しておけば、その波長帯域の色収差を低減す
ることができ、ぼけの少ない分光画像が得られるが、一
方でその他のフィルタ（例えば１３ｂ）の波長帯域では
色収が大きくなり、やはり分光画像がぼやけたものにな
ってしまうという問題点があった。

【００１１】この発明は、上記のような問題点を解決す
ることを課題とするものであって、色収差が小さく良質
の分光画像を取得することができる分光画像取得装置を
提供することを目的とするものである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】この発明の請求項１に係
る分光画像取得装置は、少なくとも１枚のフィルタに集
光光学系による色収差を補正するための回折面を設けた
ものである。

【００１３】また、請求項２に係る分光画像取得装置で
は、それぞれのフィルタの波長帯で集光光学系と撮像素
子との間の光路長がほぼ一定になるようにフィルタの厚
さが定められている。

【００１４】また、請求項３に係る分光画像取得装置で
は、少なくとも１枚のフィルタに集光光学系に比べて小
さな屈折力の屈折レンズを備えたものである。

【００１５】また、請求項４に係る分光画像取得装置で
は、集光光学系はシリコンで構成され、撮像素子は白金
シリサイドで構成されたものである。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下に、この発明の実施の形態を
図面を参照して説明する。 実施の形態１．図１はこの発明の実施の形態１に係る分
光画像取得装置の構成図を示すもので、図７に示した従
来例と同一または相当部分には同一符号を付して説明す
る。この分光画像取得装置は、所定の波長帯域の入射光
を透過する集光光学系１と、この集光光学系１によって
形成された物体像の光強度分布を電気信号に変換するＣ
ＣＤ等の撮像素子２と、この撮像素子２と集光光学系１
との間に設けられ透過波長帯が異なる複数のフィルタ３
ａ，３ｂからなるフィルタ群５とを備え、上記フィルタ
３ａ，３ｂを交換することにより波長帯の異なる分光画
像を取得するものである。撮像素子２によって得られた
各分光画像の電気信号は、信号処理手段６に伝送され、
画像として表示したり、画像間で演算処理される。

【００１７】集光光学系１は、例えばレンズがシリコン
で構成され、屈折作用と回折作用とを利用して全波長帯
１〜６μｍにわたり色収差を補正したものである。しか
し、従来例で説明したように全波長帯が広いので残存色
収差が存在している。図では簡単のために、単レンズと
して表現しているが、通常は複数のレンズから構成され
る。撮像素子２は例えば白金シリサイドで構成されてお
り、全波長帯１〜６μｍにわたり好感度を有するもので
ある。フィルタ群５は複数のフィルタ３ａ，３ｂを備え
ており、以下の説明ではフィルタ数を２個として説明す
る。各フィルタ３ａ，３ｂの片面は平面であり、もう片
面には平面形状の上にたとえば輪帯溝等の微細な加工を
施してある回折面４ａ，４ｂが形成されている。この回
折面４ａ，４ｂの回折作用はそれぞれのフィルタの波長
帯域で、集光光学系１の色収差を補正するように異なっ
て定められている。

【００１８】図２はフィルタに回折面を施すことによる
色収差補正の原理を説明するための図である。分光画像
は、フィルタ３ａ，３ｂを交換することにより波長帯域
を制限して得られるので、回折面４ａ，４ｂによりそれ
ぞれの波長帯で色収差を発生することができる。この回
折面４ａ，４ｂによる色収差を集光光学系１の残存色収
差と相殺するように設定すれば、各波長帯域で色収差の
小さい分光画像を得ることができる。

【００１９】一般に回折作用による光分散は、屈折作用
による分散よりも大きいので、残存色収差の補正に用い
た回折面４ａ，４ｂを加えることによる焦点距離の変化
は小さい。従って、分光画像の撮像範囲が回折面４ａ，
４ｂの影響で大きく変わることはない。

【００２０】次に、この発明の他の実施の形態について
説明する。以下の各実施の形態においては、実施の形態
１との相違点についてのみ説明するものとし、同一の構
成または相当部分については同一符号を付してその説明
を省略するものとする。 実施の形態２．図３はこの発明における分光画像取得装
置の実施の形態２の構成を示すものである。この実施の
形態では、１つのフィルタ３ａには回折面を設けず、表
裏面が平面的となった形状であり、このフィルタ３ａか
らは色収差は発生しない。一方、残るフィルタ３ｂの片
面には回折面４ｂを施してある。集光光学系１は、回折
面の無いフィルタ３ａの透過波長帯域で色収差が補正さ
れるように構成されている。

【００２１】図４は図２と同様に色収差補正の原理を説
明するための図である。フィルタ３ｂを用いる場合、集
光光学系１で発生する残存色収差は大きい。これを相殺
するようにフィルタ３ｂの回折面４ｂの焦点距離を設定
すれば、各波長帯域で色収差の小さい分光画像を得るこ
とができる。この実施の形態においても、それぞれの波
長帯で色収差を低減することができ、ぼけの無い分光画
像を取得することができる。また、必ずしも全部のフィ
ルタに回折面を施すことはないので、加工作業も少なく
てすむ。

【００２２】実施の形態３．図５はこの発明の実施の形
態３に係る分光画像取得装置の構成を示すものである。
これまでの説明のように、集光光学系１の焦点距離は波
長帯により僅かに変化し、これが残存色収差の原因とな
っている。回折面４ａ，４ｂを設けたフィルタ３ａ，３
ｂにより、それぞれの波長帯域で色収差を低減すること
はできるが、集光光学系１の焦点距離が波長帯域毎にわ
ずかに変化するために、集光光学系１が物体像を結ぶ位
置もわずかに移動する。そのために、フィルタ３を交換
するごとにピントを調整する必要がある。分光画像の取
得の連続性を要求される場合には、このようなピント調
整は無い方が望ましい。

【００２３】ピント調整は集光光学系１と像面との間隔
調整と考えられる。また、フィルタ材料の屈折率は空気
の屈折率と異なるので、フィルタ３ａ、３ｂの厚さの変
化は、集光光学系１と像面との光学長の変化に対応す
る。従って、各波長帯のフィルタの厚さを、常に物体像
の結像位置と撮像素子２とを一致させるような所望の値
に設定すれば、ピント調整の必要はなくなり、ぼけのな
い分光画像を取得することができるとともに、ピント調
整の必要がないので連続して分光画像を取得できる。そ
のため、この実施の形態ではフィルタ３ｂの厚みがフィ
ルタ３ａの厚みより大きくして、集光光学系１と撮像素
子２との光路長がフィルタ３ｂを用いた場合と、フィル
タ３ａを用いた場合とではほぼ同じになっている。

【００２４】実施の形態４．図６は実施の形態４に係る
分光画像取得装置を示すものである。実施の形態３で示
したように集光光学系１の焦点距離は、波長帯によりわ
ずかに変化する。回折面４ａ，４ｂを設けたフィルタ３
ａ，３ｂにより、それぞれの波長帯域で色収差を低減す
ることはできるが、集光光学系１とフィルタ３ａ，３ｂ
とを組み合わせた焦点距離も波長帯毎に僅かに変化する
ために、物体像の倍率も波長帯域毎とに変わることにな
る。波長帯により物体像の大きさがわずかだが変化する
ために、高精細な分光画像を画像演算する場合には、こ
のような焦点距離の変化はなく波長帯によって一定であ
ることが望ましい。

【００２５】回折面４の形状は波長と同程度であるの
で、これまで説明したフィルタ３の形状はほぼ平板形状
である。図６に示したこの実施の形態のフィルタ３ｂ面
には、局面として屈折レンズ作用を付加させている。こ
のフィルタ３ｂの屈折レンズの焦点距離を常に同一の焦
点距離となるように設定すれば、同じ倍率の分光画像が
取得できる。焦点距離調整に必要なフィルタの屈折レン
ズ作用はわずかであり、また、屈折レンズ作用の分散は
回折面４ｂの分散に比べて充分に小さいので、このフィ
ルタ３ｂの屈折レンズ作用による色収差は小さく、これ
により分光画像がぼけることはない。以上のようにこの
実施の形態では、ぼけのない同じ倍率の分光画像を取得
することができとともに、ピント調整の必要がないの
で、連続して分光画像を取得できる。

【００２６】図６の形態の分光画像取得装置では、すべ
てのフィルタに屈折レンズを設ける必要はなく、いずれ
か１つのフィルタは平板形状でもよい。また、図ではフ
ィルタに設けた回折面と屈折レンズとを別々の面に設け
たが、それぞれ同じ面に設けてもよい。

【００２７】なお、以上の各実施の形態では、波長帯を
１〜６μｍとしたが、他の波長帯であって同様の効果が
あることはいうまでもない。同様に、シリコンで構成さ
れた集光光学系について説明したが、他のレンズ材料を
用いたものであってよい。また、屈折レンズのみからな
る集光光学系でもよい。さらに、撮像素子２の材料とし
て１〜６μｍに感度を有する白金シリサイドを用いた
が、他の材料で構成された撮像素子を用いることができ
るのは勿論である。また、２つのフィルタを有するフィ
ルタ群として説明したが、３つ以上のフィルタを有する
高波長分解能をもつ分光画像取得の場合にも同様の効果
があることは言うまでもない。また、フィルタ群５を集
光光学系１と撮像素子２との間に配置したが、フィルタ
群は集光光学系の前側（撮像物体側）に配置してもよい
し、集光光学系内部に配置してもよい。また、フィルタ
３に設けた回折面を撮像素子側として図示しているが、
集光光学系側に設けてもよい。さらに、フィルタの両面
に回折面を設けてもよい。

【００２８】

【発明の効果】以上説明したように、この発明の請求項
１に係る分光画像取得装置によれば、少なくとも１枚の
フィルタに集光光学系による色収差を補正するための回
折面を設けたので、分光画像の色収差を低減することが
できる。

【００２９】また、請求項２に係る分光画像取得装置に
よれば、それぞれのフィルタの波長帯で集光光学系と撮
像素子との間の光路長がほぼ一定になるようにフィルタ
の厚さが定められているので、フィルタ交換に伴うピン
トぼけを低減することができる。

【００３０】また、請求項３に係る分光画像取得装置に
よれば、少なくとも１枚のフィルタに集光光学系に比べ
て小さな屈折力の屈折レンズを備えたので、フィルタ交
換に伴う物体像の大きさの変化を抑えることができる。

【００３１】また、請求項４に係る分光画像取得装置に
よれば、集光光学系はシリコンで構成され、撮像素子は
白金シリサイドで構成されているので、低コストで良質
の分光画像を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明の実施の形態１の分光画像取得装置
の構成図である。

【図２】 図１の分光画像取得装置における色収差補正
の説明図である。

【図３】 この発明の実施の形態２の分光画像取得装置
の構成図である。

【図４】 図３の分光画像取得装置における色収差補正
の説明図である。

【図５】 この発明の実施の形態３の分光画像取得装置
の構成図である。

【図６】 この発明の実施の形態４の分光画像取得装置
の構成図である。

【図７】 従来の分光画像取得装置の構成図である。

【図８】 従来の分光画像取得装置における色収差補正
の説明図である。

【図９】 従来の分光画像取得装置における色収差補正
の説明図である。

【図１０】 従来の分光画像取得装置における色収差補
正の説明図である。

【符号の説明】

１ 集光光学系、２ 撮像素子、３ フィルタ群、３
ａ，３ｂ フィルタ、４ａ，４ｂ 回折面、５ フィル
タ群。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 所定の波長帯域の入射光を透過する集光
   光学系と、この集光光学系によって形成された物体像を
   電気信号に変換する撮像素子と、透過波長帯が異なる複
   数のフィルタで構成されたフィルタ群とを備え、前記フ
   ィルタを交換することにより波長帯の異なる分光画像を
   取得する分光画像取得装置において、 少なくとも１枚の前記フィルタに前記集光光学系による
   色収差を補正するための回折面を設けたことを特徴とす
   る分光画像取得装置。
2. 【請求項２】 フィルタ群では、それぞれのフィルタ
   は、その波長帯で集光光学系と撮像素子との間の光路長
   がほぼ一定になるように厚さが定められている請求項１
   に記載の分光画像取得装置。
3. 【請求項３】 少なくとも１枚のフィルタは集光光学系
   に比べて小さな屈折力の屈折レンズを備えた請求項１ま
   たは請求項２に記載の分光画像取得装置。
4. 【請求項４】 集光光学系はシリコンで構成され、撮像
   素子は白金シリサイドで構成された請求項１ないし請求
   項３の何れかに記載の分光画像取得装置。