JPWO2014157709A1 - 撮像光学系及び撮像装置 - Google Patents

Abstract

結像系の開口数が大きくても、光学フィルターの特性が劣化することを防止できる撮像光学系等を提供する。レンズアレイ３２が２次元的に配列されたレンズ要素３８を有し、各レンズ要素３８が射出角を入射角よりも減少させて主光線光軸ＥＡに平行に近い状態に近づける角度変換を行うので、光学フィルター３５へ入射させる光線Ｌ１，Ｌ２の入射角を減少させることができ、例えば干渉型のバンドパスフィルターである光学フィルター３５を所期の透過特性で動作させることができる。

Description

本発明は、対象物の像を高感度で計測するための撮像光学系及びこれを用いた撮像装置に関する。

撮像光学系を備える撮像装置として、補正レンズ及び結像ミラーによって光電撮像装置の光電変換面上に対象の像を形成し、光電撮像装置の出力として増倍された高輝度の像を得るものが存在する（例えば特許文献１参照）。これにより、物体の発光、物体からの反射光等の微弱光を高感度で撮像し、計測又は観測することができる。

上記のような撮像装置では、広い波長範囲の像に限らず、光学フィルターを利用して特定の波長域に限った計測を行うことがある。この場合、結像系の開口数（ＮＡ）が大きいと、光学フィルターに入射する光線角度範囲が広くなって角度の偏りも生じやすく、光学フィルターが干渉型光学フィルターのように角度特性を有するものであると、光学フィルターの機能が損なわれることになる。

なお、マイクロレンズアレイと光学フィルターとを組み合わせた技術が存在するが（例えば特許文献２、３参照）、これら特許文献２、３において、マイクロレンズアレイは、受光部への集光のために用いられている。

国際公開第２０１２／１６５３５７号 特開２００９−２９４３０１号公報 特開２００９−２２５４５４号公報

本発明は、上記背景技術に鑑みてなされたものであり、結像系その他の光学系の開口数が大きくても、光学フィルターその他の光学要素の特性が劣化することを防止できる撮像光学系及びこれを用いた撮像装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る撮像光学系は、２次元的な広がりを有する入射面を形成するレンズ要素を有するレンズアレイを備え、レンズ要素は、通過する光の射出角を入射角よりも減少させ、射出ＮＡを入射ＮＡよりも減少させ平行光に近づけるよう、角度変換を行う。ここで、レンズ要素は、入射光の主光線光軸に対する傾斜角を減少させるものであり、レンズ要素を通過させる光線に関して開口数を減少させるように変換する光学系であるといえる。

上記撮像光学系では、射出角を入射角よりも減少させる角度変換を行うレンズ要素が設けられているので、光フィルタリング部、撮像面等への高効率伝送結合が可能になる。例えば、レンズアレイの後段に光学フィルターを配置した場合、光学フィルターへ入射させる光の入射角を減少させることができ、光学フィルターを所期の透過特性で動作させることができる。

本発明の具体的な側面では、前記レンズアレイの射出面側に配置されて所定波長の光を選択的に透過させる光学フィルターをさらに備える。この場合、入射角の減少によって光学フィルターの透過特性を向上させることができる。

本発明の別の側面では、対象の像を形成する反射鏡をさらに備え、レンズアレイは、反射鏡よる像の形成位置に配置される。

本発明のさらに別の側面では、レンズ要素は、第１レンズと第２レンズとを光路に沿って配置した組レンズであり、反射鏡の光軸に垂直な方向に関して２次元的に配列されている。この場合、第１レンズと第２レンズとを利用して角度変換に際しての収差を低減することができる。なお、レンズ要素は、光軸に垂直な平面に限らず、これを変形させた曲面上に２次元的に配列されることで、より収差の少ない画像を得ることができる。

本発明のさらに別の側面では、レンズ要素は、格子点に対応して配置され、第１レンズと第２レンズとは、それぞれ円柱状及び多角柱状のいずれかのレンズである。この場合、レンズ要素を２次元的に高密度で充填することができる。なお、レンズ要素が例えば矩形（正方形を含む）断面の四角柱状であるとき、レンズ要素は、矩形格子点上に配置される。

本発明のさらに別の側面では、第１レンズと第２レンズとは、互いに嵌合する嵌合部をそれぞれ有する。この場合、第１レンズと第２レンズとを簡易に連結してレンズ要素を省スペースで配置することができる。

本発明のさらに別の側面では、レンズ要素は、湾曲する光透過基板上に貼り付けられて、もしくは隣接するレンズ要素に連結することによって相互に支持しあって、一体的に固定される。レンズ要素が光透過基板上に貼り付けられる場合、多数のレンズ要素を精密に連結したレンズアレイを簡易に得ることができる。なお、隣接するレンズ要素が相互に支持しあう場合、これらの間に連結部、接着剤等を介在させる必要もなくなり、レンズ要素のみでレンズアレイを構成することができる。

本発明のさらに別の側面では、レンズアレイの射出面側に、光ガイドアレイをさらに備える。この場合、レンズアレイからの射出光を断面サイズ及び射出方向等を変更しつつ別の箇所に導くことができる。

本発明のさらに別の側面では、光ガイドアレイは、射出面側で細くなるようなテーパー面を有するロッド要素を有する。この場合、レンズアレイからの射出光をより狭めた面又は領域から射出させることができる。

本発明のさらに別の側面では、レンズアレイの射出面側に配置されて所定波長の光を選択的に透過させる光学フィルターをさらに備え、光学フィルターは、レンズアレイと光ガイドアレイとの間に配置される。この場合、レンズアレイからの射出光をそのまま光学フィルターに入射させることができる。

本発明のさらに別の側面では、光学フィルターは、波長特性が異なる複数のフィルター領域を有するとともに変位可能に構成され、複数のフィルター領域は、光学フィルターの変位によってレンズアレイに対する配置を切り換えられる。この場合、異なる波長帯域の像を並列的に検出することができる。

上記目的を達成するため、本発明に係る撮像装置は、上述の撮像光学系と、レンズアレイの射出面側に設けられてレンズアレイの射出面のパターンを検出する検出部とを備える。

上記撮像装置では、上述の撮像光学系を用いており、光学フィルターを適正に活用することができ、所望の波長域で高精度かつ高感度の計測等が可能になる。

本発明の一実施形態に係る撮像光学系を用いた撮像装置を説明する側方断面の概念図である。 撮像装置のうち撮像光学系等を含む部分を説明する拡大断面図である。 図３Ａは、撮像光学系に含まれる伝達部のうちレンズアレイを説明する部分拡大正面図であり、図３Ｂは、撮像光学系に含まれる伝達部の構成要素を説明する部分拡大断面図である。 撮像光学系に含まれる伝達部のうち光学フィルターを説明する正面図である。 図５Ａ及び５Ｂは、レンズ要素を構成するレンズを説明する斜視図である。 図６Ａ〜６Ｃは、光ガイドアレイを構成する光ガイド要素を説明する側面図、入射面、及び射出図である。 変形例の撮像光学系等を説明する拡大断面図である。 別の変形例の撮像光学系等を説明する拡大断面図である。

以下、本発明の一実施形態である撮像光学系を組み込んだ撮像装置の構造等について説明する。

図１に示す撮像装置１００は、例えばシュミットカメラ型の望遠鏡装置或いは広角光学装置であり、結像ミラー１０と、補正板２０と、伝達部３０と、イメージインテンシファイア部４０と、検出部５０とを備える。ここで、結像ミラー１０と、補正板２０と、伝達部３０とは、観測又は計測対象の縮小像を得るための撮像光学系２００となっている。

撮像光学系２００において、結像ミラー１０は、結像用の反射鏡として、球面、放物面その他の非球面等である反射面１０ａを有し、対象からの光線ＬＬを集光して像形成位置ＩＳ上に観察対象の像を形成する。補正板２０は、光入射面２１ａと光射出面２１ｂとを有する薄いレンズである。光入射面２１ａ及び光射出面２１ｂの少なくとも一方は、球面、非球面等となっており、結像ミラー（反射鏡）１０への光線ＬＬの光路を補正する。補正板２０は、図示のように１枚構成のものに限らず、複数枚の構成とできる。伝達部３０は、２次元的に広がる像形成位置ＩＳ上に形成された像をイメージインテンシファイア部４０の光学窓４１に導く役割を有するとともに、後述する光学フィルター３５（図４参照）によって対象からの光線ＬＬを特定の波長域の計測光に制限することができる。

図２に示すように、伝達部３０は、光透過基板３１と、レンズアレイ３２と、光ガイドアレイ３３と、光学フィルター３５とを備える。伝達部３０を構成する光透過基板３１、レンズアレイ３２、光ガイドアレイ３３等の部分は、光軸ＯＡに垂直な面に沿って配置される枠状の支持体３０ａ，３０ｂに支持されて一体的に固定されている。

伝達部３０のうち光透過基板３１は、湾曲し薄い球面状の外観を有する球殻状部材であり、凸の球面である入射面３１ａと凹の球面である射出面３１ｂとを備える。入射面３１ａは、結像ミラー１０の像形成位置ＩＳに対応するものとなっている。射出面３１ｂには、レンズアレイ３２の入射面３２ａが接着されている。つまり、光透過基板３１は、レンズアレイ３２を球殻状又はドーム状に配列した状態で支持している。光透過基板３１は、例えばガラスで形成されるが、プラスチック材料で形成されてもよい。

図３Ａに部分的に拡大して示すように、レンズアレイ３２は、矩形格子点に対応して最密に配置された多数のレンズ要素３８を備える。つまり、レンズ要素３８は、光軸ＯＡに垂直な平面又は方向に関して、すなわち光軸ＯＡに沿った方向から見て、２次元のマトリクス状に等間隔で一様に配列されている。ただし、隣接するレンズ要素３８間には、マージン等を考慮して入射側で僅かな隙間が形成されているが、射出側で殆ど隙間がなく密着した状態となっている。各レンズ要素３８は、四角柱状の部材であり、計測光又は像光である光線ＬＬの発散角又は収束角について角度変換を行う役割を有する。つまり、レンズ要素３８は、これを通過する光線ＬＬ光の射出角を入射角よりも減少させる役割を有し、射出ＮＡを入射ＮＡよりも減少させ平行光に近づけることで、入射側よりも射出側で光線ＬＬの主光線光軸ＥＡに対する傾き角を減少させて平行に近い状態にする役割を有し、このレンズ要素３８内において開口数を減少させる開口数変換を行う。これにより、次段の光学フィルター３５に入射させる光線ＬＬ（計測）の入射角を小さくすることができる。図２に戻って、レンズアレイ３２の入射面３２ａは、光透過基板３１の射出面３１ｂに沿って配列される結果として不連続であるが２次元的な広がりを有し、全体として凸の球状面を形成している。一方、レンズアレイ３２の射出面３２ｂは、入射面３２ａに略平行であり、全体として凹の球状面を形成している。

光ガイドアレイ３３は、レンズアレイ３２に対向して配置され、多数の細長い光ガイド要素３９を束ねた構造を有する。これらの光ガイド要素３９は、レンズアレイ３２を構成する多数のレンズ要素３８と同様に、矩形格子点又は主光線光軸ＥＡに対応して配置されている（図３Ｂ参照）。つまり、各光ガイド要素３９は、個々のレンズ要素３８に対応して１対１で配置されている。光ガイド要素３９は、四角形の断面を有するロッド状の部材であり、一端から他端に向けて光を伝送する役割を有する。光ガイドアレイ３３の入射面３３ａは、レンズアレイ３２の射出面３２ｂに沿って配列され、全体として凸の球状面を形成している。一方、光ガイドアレイ３３の射出面３３ｂは、イメージインテンシファイア部４０の光学窓４１に対向しており、全体として凹の球状面を形成している。光ガイドアレイ３３を構成する多数の光ガイド要素３９は、支持体３０ａ，３０ｂに支持され、相互に位置決めされている。

光学フィルター３５は、レンズアレイ３２と光ガイドアレイ３３との間に形成された薄い空隙ＧＡに挿入されるように配置されている。光学フィルター３５は、レンズアレイ３２の射出面３２ｂ又は光ガイドアレイ３３の入射面３３ａに沿って延びており、入射側で凸の球状面を成し、射出側で凹の球状面を成している。光学フィルター３５は、所定波長の光を選択的に透過させるものであり、例えば特定の紫外光や赤外光を狭帯域で通過させるバンドパスフィルターである。光学フィルター３５は、支持体３０ａに自転可能な状態で保持されている。光学フィルター３５は、伝達部３０に付随して設けた回転駆動装置６４に駆動されて光軸ＯＡのまわりに所望の速度で回転させることができる。図３Ｂに示すように、光学フィルター３５は、光透過性の基板３５ｆ上に誘電体多層膜３５ｇを成膜した構造を有する干渉型光学フィルターである。また、図４に示すように、光学フィルター３５は、波長特性が異なる複数のフィルター領域Ａ１〜Ａ３を有するものとできる。この場合、回転駆動装置６４によって光学フィルター３５を適当な回転速度で回転させることにより、フィルター領域Ａ１〜Ａ３のレンズアレイ３２に対する相対的な配置を順次周期的に切り換えることができる。これにより、異なる波長帯域の像を多少の時間差をもって並列的に検出することができる。

図３Ｂに示すように、レンズアレイ３２を構成する個々のレンズ要素３８は、第１レンズ７１と第２レンズ７２とを光路に沿って配置した組レンズである。第１レンズ７１と第２レンズ７２とは、プラスチック材料で形成されている。光学的に上流の第１レンズ７１は、四角柱状又はブロック状の肉厚レンズであり、平面の入射面７１ａと、凸の射出面７１ｂとを有する。ここで、射出面７１ｂは、球面に近いが非球面となっている。光学的に下流の第２レンズ７２も、第１レンズ７１と同様の横断面を有する四角柱状又はブロック状の肉厚レンズであり、平面の入射面７２ａと、凸の射出面７２ｂとを有する。ここで射出面７２ｂは、球面に近いが非球面となっている。

図５Ａに示すように、第１レンズ７１の射出面７１ｂ側には、その外側に４つの突起７１ｄからなる嵌合部７１ｅが形成されている。図５Ｂに示すように、第２レンズ７２の入射面７２ａ側には、その外側に４つの切欠き状の凹部７２ｄからなる嵌合部７２ｅが形成されている。第１レンズ７１の嵌合部７１ｅと第２レンズ７２の嵌合部７２ｅとを嵌合させ接着剤で固定することにより、第１レンズ７１と第２レンズ７２とがアライメントされ、両レンズ７１，７２に設けた面７１ａ，７１ｂ，７２ａ，７２ｂがアライメントされて適切に配置される。なお、嵌合部７１ｅの突起７１ｄと嵌合部７２ｅの凹部７２ｄとは、側面の稜に対応する四隅に形成されており、第１レンズ７１と第２レンズ７２とを簡易に連結できるだけでなく、第１レンズ７１と第２レンズ７２とを省スペースで配置することができる。

光ガイドアレイ３３を構成する多数の光ガイド要素３９は、隣接するものと互いに密着しないように配置することが望ましい。このため、網と網との間にロッド状の光ガイド要素３９を通して、これらを宙吊り状態に保持している。また、光ガイド要素３９の射出側の端面を薄いガラスボール状の表面に接着することで、光ガイド要素３９の支持を安定化させている。なお、隣接する複数の光ガイド要素３９間の適所を低屈折率の接着材で接続することもできるが、隣接する複数の光ガイド要素３９である隣接する複数のプラスチックロッドに小さな凹凸からなる嵌め合い部を設けることによっても、これらを互いに接続可能であり支持を安定化させることができる。

図６Ａ〜６Ｃ等に示すように、光ガイドアレイ３３を構成する個々の光ガイド要素３９は、第１ロッド部８１と、第２ロッド部８２と、第３ロッド部８３とを備える。第１ロッド部８１は、入射側に配置され、図３Ｂに示すようにレンズ要素３８の第２レンズ７２に対向して配置される。入射側の第１ロッド部８１は、入射面３９ａを有し、細長い四角柱状の部材であり、第２ロッド部８２に向けて細くなるように断面サイズが減少する。つまり、第１ロッド部８１は、光射出側に向けて細くなるテーパー状の側面８１ｓを有する。射出側の第３ロッド部８３は、射出面３９ｂを有し、断面サイズが一様な細長い四角柱状の部材であり、非テーパー状の側面８３ｓを有する。第２ロッド部８２は、第１ロッド部８１と第３ロッド部８３とを段差なく連続的に連結する細長い四角柱状の部材であり、第３ロッド部８３に向けて細くなるように断面サイズが減少する。つまり第２ロッド部８２は、光射出側に向けて細くなるテーパー状の側面８２ｓを有する。なお、図６Ｃにおいて、一点鎖線は、第１及び第２ロッド部８１,８２間の境界を示している。

以下、図３Ｂを参照して、単一のレンズ要素３８、光ガイド要素３９等における光路を説明する。結像ミラー（反射鏡）１０からの像光である光線ＬＬは、大きな収束角度でレンズアレイ３２等に入射する。いずれかのレンズ要素３８に入射した光線ＬＬは、第１レンズ７１の屈折率分だけ開口数（ＮＡ）が或る程度減少する。さらに、レンズ要素３８を通過する光線ＬＬは、第１レンズ７１の射出面７１ｂと第２レンズ７２の射出面７２ｂとによって断面積が増加するものの主光線光軸ＥＡに略平行に近い状態となって、見かけ上の開口数（ＮＡ）がさらに減少する。つまり、光学フィルター３５に入射する光線ＬＬの入射角は、レンズ要素３８が存在しない場合に比較してかなり小さなものとなっている。ただし、結像ミラー（反射鏡）１０の実効的な開口数（ＮＡ）、つまり光の取込み効率は、レンズ要素３８の有無に関わらず実質的に元のままに保たれている。ここで、結像ミラー１０で結像させる光線ＬＬは、例えば可視光域、赤外等の波長範囲に広がるものとなっている。具体的な例では、１０６４ｎｍ、５３２ｎｍ、３５５ｎｍ、３０８ｎｍ等の任意の波長から選択した３つの波長の光線ＬＬ（図４のフィルター領域Ａ１〜Ａ３に対応）を検出することが考えられる。この場合、光線ＬＬのＮＡは、波長ごとに多少異なるものとなるが、各波長の光線ＬＬについて、レンズ要素３８の通過前後でＮＡを減少させることができる。なお、第１レンズ７１と第２レンズ７２との間に十分な屈折率差等を与えるならば、ＮＡの波長依存性を低減することもできる。光線ＬＬは、観測又は計測の対象物自体が発生する光であってもよいが、特定波長の光で照明される観測又は計測の対象物によって反射される光ともできる。光ガイド要素３９は、入射面３９ａを経て入射した光線を側面８１ｓ，８２ｓ，８３ｓで全反射させながら内部で伝搬させる。光ガイド要素３９を伝搬する光線ＬＬは、側面８２ｓ等によって多少開口数が増加するが、一旦光学フィルター３５を通過した後は、ＮＡの増加によって波長選択性等の検出精度に影響が生じることはない。

図２に戻って、イメージインテンシファイア部４０は、結像ミラー１０によって結像され伝達部３０によって伝達された微弱な画像を増幅する。イメージインテンシファイア部４０は、結像光を光電変換するための入力部４２と、光電変換後の電子を収束させる静電収束系４３と、収束状態で入射した電子を光に変換して像を形成する出力部４４とを有する。イメージインテンシファイア部４０の入力部４２は、金属製の容器本体４８の開放側の一端に固定されている。入力部４２は、球殻状の外形を有するガラス製の光学窓４１を有しており、光学窓４１の内側には所定の特性を有する光電変換物質の蒸着によって光電変換面４２ａが形成されている。静電収束系４３は、容器本体４８の側壁内面に支持されている。静電収束系４３は、複数の電子収束用の電極部分４３ａ〜４３ｄを有している。出力部４４は、容器本体４８の底部に固定されている。出力部４４は、例えばファイバーオプティックプレート４９で形成され、入射面４９ａには、所定の特性を有する蛍光体が塗布されている。ファイバーオプティックプレート４９の入射面４９ａは、静電収束系４３の結像面の位置に配置されており、静電収束系４３の結像面と一致するような面形状を有している。

検出部５０は、イメージインテンシファイア部４０によって増幅された画像を電気的な信号として検出する。検出部５０は、リレー光学系５１と、精細像検出部５２と、粗像検出部５３と、駆動回路５４とを備える。リレー光学系５１は、光軸ＯＡに沿った光路上流側に配置されるディストリビューター５１ａと、ディストリビューター５１ａよりも光路下流側に配置される本体光学系５１ｂとを備える。リレー光学系５１のうちディストリビューター５１ａは、ビームスプリッターである。本体光学系５１ｂは、イメージインテンシファイア部４０の出力面４９ｂの像を、精細像検出部５２の撮像面（不図示）上に略等倍で投射する投射光学系となっている。精細像検出部５２は、例えばＣＭＯＳ型撮像素子である固体撮像素子と、固体撮像素子に撮像動作を行わせる駆動回路とを有し、駆動回路５４から出力されるタイミング信号に基づいて固体撮像素子に撮像動作を行わせる。精細像検出部５２は、イメージインテンシファイア部４０の光電変換面４２ａに入射した微弱な光の精細画像を、ビデオレートで画素デジタル信号化して出力する役割を有する。粗像検出部５３は、例えばマルチアノードタイプのフォトマルチプライヤーであり、駆動回路５４による制御下で動作する。粗像検出部５３は、光電変換面４２ａに入射した微弱な光の粗像を、測光信号として出力する。なお、光学フィルター３５を動作させる回転駆動装置６４からの同期信号を利用して、精細像検出部５２からの検出信号を弁別することにより、各フィルター領域Ａ１〜Ａ３に対応する色の画像を取得することができる。

以下、具体的な実施例について説明する。図１に示す結像ミラー１０の瞳直径は約１０００ｍｍであり、結像ミラー１０から焦点面である像形成位置ＩＳまでの距離は約６３０ｍｍであり、Ｆ値は０．６３であった。像形成位置ＩＳに配置された光透過基板３１（図２参照）の曲率半径、すなわちレンズアレイ３２の入射面３２ａ及び射出面３２ｂの曲率半径は、約７２０ｍｍであった。光透過基板３１の厚みは、２．７５ｍｍであった。レンズアレイ３２を構成するレンズ要素３８は、屈折率が約１．４９のアクリル樹脂製であり、４．７５ｍｍ×４．７５ｍｍの正方断面を有し、例えば６４×６４個を光透過基板３１に沿った縦横に配列したものとした。第１レンズ７１の主光線光軸ＥＡ方向の長さは、１０ｍｍ程度とし、第２レンズ７２の主光線光軸ＥＡ方向の長さは、７ｍｍ程度とした。また、第１レンズ７１の嵌合部７１ｅの段差量と、第２レンズ７２の嵌合部７２ｅの段差量とは、射出面７１ｂの突出量にもよるが、０．５ｍｍ程度とする。

第１レンズ７１の射出面７１ｂは、半径をｒとしサグ量をｚとして、以下の式で表すことができる。

ここで、ｃは曲率であり、ｋは円錐定数であり、Ａ、Ｂ、Ｃ、及びＤは、４次、６次、８次、及び１０次の補正係数である。具体的な数値は以下のようなものとした。
1/c=2.10859, k=-0.095498, A=-0.257210e-01, B=0.304803e-02,
C=0.275122e-02, D=-0.555852e-03
ここで、数値中の「e-x」は、１０^−ｘを意味する。

第２レンズ７２の射出面７２ｂも、上式で表すことができ、具体的な数値は以下のようなものとした。
1/c=300.5924, k=11847.723605, A=0.625647e-01, B=-0.115565e-01,
C=-0.368550e-03, D=0.456764e-04

光ガイドアレイ３３を構成する各光ガイド要素３９において、第１ロッド部８１は、入射側が４．９ｍｍ×４．９ｍｍの正方断面を有し、２０ｍｍの長さを有する。第２ロッド部８２は、入射側が４．７５ｍｍ×４．７５ｍｍの正方断面を有するとともに射出側が２．０ｍｍ×２．０ｍｍの正方断面を有し、２６０ｍｍの長さを有する。さらに、第３ロッド部８３は、全体で２．０ｍｍ×２．０ｍｍの正方断面を有し、２０ｍｍの長さを有する。つまり、第１ロッド部８１のテーパー状の側面８１ｓは、０．２°のテーパー角を有し、第２ロッド部８２のテーパー状の側面８２ｓは、約０．３°程度のテーパー角を有するものとなっている。

以上で説明した撮像光学系２００によれば、レンズアレイ３２が２次元的に配列されたレンズ要素３８を有し、各レンズ要素３８が光線の射出角を入射角よりも減少させて主光線光軸ＥＡに平行に近い状態に近づける角度変換を行うので、光学フィルター３５へ入射させる光線Ｌ１，Ｌ２の入射角を減少させることができ、光学フィルター３５を所期の透過特性で動作させることができる。この際、レンズアレイ３２を像形成位置ＩＳに対応する湾曲する曲面に沿って配置することで、より高精度の撮像が可能になり、光学フィルター３５による色分離も精密なものとなる。

以上実施形態に即して本発明を説明したが、本発明は、上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

上記実施形態では、レンズアレイ３２を構成するレンズ要素３８を矩形格子点上に配置したが、レンズ要素３８は、用途に応じて様々な配置とできる。例えば、レンズ要素３８をハニカム状に配列することもでき、この場合、レンズ要素３８は、断面が六角形の六角柱状とすることが望ましい。さらに、レンズ要素３８は、四角柱状や六角柱状に限らずその他の多角柱状等とすることができ、円柱状とすることもできる。

上記実施形態では、レンズ要素３８を第１レンズ７１と第２レンズ７２とで構成しているが、レンズ要素３８を単一のレンズで構成することもでき、３つ以上のレンズで構成することもできる。ただし、２つ以上のレンズを用いることで収差補正が容易になり、３つ以下とすることで組み立て工程が煩雑なることを回避できる。２つ以上のレンズを用いる場合、各レンズを異なる材料で形成することで波長依存性の低減又は色収差の補正が可能である。なお、レンズ要素３８を単一の波長のみに適合させたものとすることもできる。

上記実施形態では、第１レンズ７１と第２レンズ７２とに嵌合部７１ｅ，７２ｅを設けているが、これらを省略することもできる。この場合、第１レンズ７１と第２レンズ７２とを外的な手段によってアライメントしつつ接合することになる。

上記実施形態では、第１レンズ７１の射出面７１ｂである光学面７０ｏを矩形の輪郭領域７１ｐの一部である円形領域に形成し、第２レンズ７２の射出面７２ｂである光学面を矩形の輪郭領域に形成している。この場合、第１レンズ７１において、射出面７１ｂを通過する際に光線Ｌ１，Ｌ２の径が減少しているので、射出面７１ｂで光線のケラレは生じず光量減少といった問題が生じない。ただし、射出面７１ｂは、矩形の輪郭領域全体に形成することもできる。第２レンズ７２において、射出面７２ｂは、矩形の輪郭領域の一部である円形領域に形成することもできる。

レンズアレイ３２は、複数のレンズ要素３８を連結したものに限らず、複数のレンズ要素３８を一体成形した製品とすることができる。この場合、複数の第１レンズ７１を２次元的に配列した第１アレイ層と複数の第２レンズ７２を２次元的に配列した第２アレイ層とを積み重ねることになる。

上記実施形態において、光ガイドアレイ３３を省略することもできる。この場合、光学フィルター３５を介してレンズアレイ３２の射出面３２ｂに対向するように、イメージインテンシファイア部４０を近接配置する。

上記実施形態において、光学フィルター３５は、３つのフィルター領域Ａ１〜Ａ３に限らず、２つ又は４つのフィルター領域に分割することができる。この際、フィルター領域の形状も扇型に限らず、目的に応じて様々な形状とできる。さらに、光学フィルター３５をターレットレボルバー状として、これを構成する複数のフィルター領域のうち各フィルター領域によってレンズアレイ３２全体を一括して覆う構成とすることもできる。この場合、特定波長の像を一括して取得することができる。また、光学フィルター３５を複数のフィルター領域に分割しないで、光学フィルター３５全体を単一の波長特性を有するものとでき、この場合、レンズ要素３８を単一の波長のみに適合させれば良くなる。さらに、光学フィルター３５において、基板３５ｆと誘電体多層膜３５ｇとの順番を入れ替えることができ、基板３５ｆを入射側に配置した場合、光学フィルター３５をターレットレボルバー状とすれば、基板３５ｆの表面に補正レンズアレイを形成することもできる。

上記実施形態において、光学フィルター３５として受動的な干渉型のフィルターを用いる例を説明したが、本発明はこれに限らず、光学フィルター３５として能動的な空間変調装置型の光学フィルター（例えば液晶パネル）を配置することもできる。空間変調装置型の光学フィルターの場合、光量を空間的及び経時的に切り替えることができ、さらに波長選択性のローテーターフィルム及び偏光フィルターと組み合わせることで透過色を空間的及び経時的に切り替えることもできる。

上記実施形態において、光ガイドアレイ３３の次段にイメージインテンシファイア部４０を配置しているが、図７に示すように光ガイドアレイ３３の次段に精細像検出部２５２を直接配置することもできる。この場合、光ガイドアレイ３３の射出面３３ｂに対向して、例えばＣＭＯＳ型撮像素子である固体撮像素子２５２ａを配置することになる。

図８に示すように、レンズ要素３８の各第１レンズ７１にファイバーバンドル３３１の各光ファイバー７５を結合させることもできる。図示の例では、光ファイバー７５の先端部７５ｅが第１レンズ７１の凹部７１ｈに埋め込まれている。光ファイバー７５の先端部７５ｅの端面と第１レンズ７１の凹部７１ｈの底面との間には、浸液、接着剤等を介在させることができる。ファイバーバンドル３３１を構成する光ファイバー７５は、レンズ７２と同様に２次元的に配列される。この場合、光ファイバー７５の射出面７５ｂからの光線ＬＬがレンズ要素３８を経て光学フィルター３５に入射する際に平行光化される。ファイバーバンドル３３１の入射側は、結像ミラー１０の焦点面等に相当する像形成位置ＩＳとなっている。この像形成位置ＩＳは、平面に限らず曲面とできる。像形成位置ＩＳが曲面の場合、光ファイバー７５の軸ＯＳ、すなわち主光線光軸に相当するものもこれに直交させることが望ましい。光ファイバー７５の入射側の先端部には、レンズその他の結合素子７５ｃを組み付けることができる。像形成位置ＩＳには、結像ミラー１０の焦点面を配置することができるが、これに限らず他の様々な光学系の焦点面等を配置することができる。

図８に示す装置において、ファイバーバンドル３３１を構成する各光ファイバー７５をガンマ線検出器のシンチレーションファイバーとすることもできる。この場合、光ファイバー７５は、２次元的に配列され、立方体状の空間を占有することになる。なお、像形成位置ＩＳには遮光用の部材を配置することになる。シンチレーションファイバーには、蛍光物質が添加されており、光ファイバー７５を通過したガンマ線を可視光等に変換する。ファイバーバンドル３３１からの光線ＬＬのうち特定波長の光線が光学フィルター３５によって選択され、精細像検出部５２により高速かつ高感度で検出される。

以上で説明した撮像光学系２００や撮像装置１００は、（１）例えば霧雨時に前方に存在する人間認知のような微弱光を高速度撮影可能な車載イメージセンシング装置の検出系、（２）レーザー散乱光を用いた大気監視技術、（３）セシウム１３７等の大気放射線源の同定、（４）突発事故等の災害や危機の監視技術、（５）医療等のリアルタイム診断観察技術、（６）Ｘ線やＰＥＴその他の検査診断技術等に応用することができる。

Claims (12)

1. 
   ２次元的な広がりを有する入射面を形成するレンズ要素を有するレンズアレイを備え、
   前記レンズ要素は、通過する光の射出角を入射角よりも減少させ、射出ＮＡを入射ＮＡよりも減少させ平行光に近づけるよう、角度変換を行う撮像光学系。
2. 前記レンズアレイの射出面側に配置されて所定波長の光を選択的に透過させる光学フィルターをさらに備える、請求項１に記載の撮像光学系。
3. 対象の像を形成する反射鏡をさらに備え、
   前記レンズアレイは、前記反射鏡よる像の形成位置に配置される、請求項１に記載の撮像光学系。
4. 前記レンズ要素は、第１レンズと第２レンズとを光路に沿って配置した組レンズであり、前記反射鏡の光軸に垂直な方向に関して２次元的に配列されている、請求項１に記載の撮像光学系。
5. 前記レンズ要素は、格子点に対応して配置され、前記第１レンズと前記第２レンズとは、それぞれ円柱状及び多角柱状のいずれかのレンズである、請求項４に記載の撮像光学系。
6. 前記第１レンズと前記第２レンズとは、互いに嵌合する嵌合部をそれぞれ有する、請求項５に記載の撮像光学系。
7. 前記レンズ要素は、湾曲する光透過基板上に貼り付けられて、もしくは隣接するレンズ要素に連結することによって相互に支持しあって、一体的に固定される、請求項１に記載の撮像光学系。
8. 前記レンズアレイの射出面側に、光ガイドアレイをさらに備える、請求項１に記載の撮像光学系。
9. 前記光ガイドアレイは、射出面側で細くなるようなテーパー面を有するロッド要素を有する、請求項８に記載の撮像光学系。
10. 前記レンズアレイの射出面側に配置されて所定波長の光を選択的に透過させる光学フィルターをさらに備え、
    前記光学フィルターは、前記レンズアレイと前記光ガイドアレイとの間に配置される、請求項８に記載の撮像光学系。
11. 前記光学フィルターは、波長特性が異なる複数のフィルター領域を有するとともに変位可能に構成され、前記複数のフィルター領域は、前記光学フィルターの変位によって前記レンズアレイに対する配置を切り換えられる、請求項１０に記載の撮像光学系。
12. 請求項１から１１までのいずれか一項に記載の撮像光学系と、
    前記レンズアレイの射出面側に設けられて、前記レンズアレイの射出面のパターンを検出する検出部と
    を備える撮像装置。

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