WO2012066741A1 - マルチバンドカメラ及びマルチバンド画像撮像方法 - Google Patents

マルチバンドカメラ及びマルチバンド画像撮像方法 Download PDF

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conversion element
bandpass filter
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児玉　賢一
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株式会社ニコン
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    • G01J3/12—Generating the spectrum; Monochromators
    • G01J2003/1213—Filters in general, e.g. dichroic, band

Definitions

  • the present invention relates to a multiband camera and a multiband image imaging method for obtaining a multiband two-dimensional spectral image by one imaging.
  • Patent Document 1 is disclosed as a method for obtaining a two-dimensional spectral image.
  • a multiband image is an image for each spectrum divided by an objective lens, a color filter array divided into a plurality of imaging wavelength regions, a microlens array composed of a plurality of microlenses, and a color filter array.
  • the image is picked up by a multi-band camera comprising a two-dimensional detector for picking up images.
  • Patent Document 1 shows a multiband camera in which a color filter array is disposed between a microlens array and a two-dimensional detector.
  • the second embodiment discloses a multiband camera in which a color filter array is arranged in the vicinity of an objective lens apart from a microlens array.
  • the multiband camera captures an imaging wavelength region in a wavelength band divided into four or more different from each other when imaging a subject.
  • the multiband camera has a two-dimensional arrangement of a bandpass filter having four or more optical filters arranged at the pupil position of the optical system and transmitting four or more wavelength bands, respectively, and a positive microlens.
  • the microlens array is arranged near the focal point of the microlens array and at a conjugate position or in the vicinity of the conjugate position with the bandpass filter.
  • a photoelectric conversion element including a plurality of pixels, and a measurement unit that measures the spectral intensity of the light beam from the subject based on a signal output from the pixel corresponding to the optical filter.
  • P1 is a pitch in a predetermined direction between microlenses of the microlens array
  • Ps is a pitch in a predetermined direction of pixels of the photoelectric conversion element
  • n is a number of pixels in a predetermined direction corresponding to one microlens.
  • the number of microlenses arranged in a predetermined direction where u is the effective dimension of the pixel in a predetermined direction, t is the dimension in the predetermined direction of the real image of the bandpass filter formed on the two-dimensionally arranged pixels.
  • a multiband image capturing method includes a bandpass filter having an optical filter corresponding to a wavelength band divided into four or more arranged at a pupil position of an optical system, and a light beam transmitted through the bandpass filter.
  • the subject is imaged with a photoelectric conversion element composed of pixels arranged two-dimensionally through the microlens array.
  • the multiband image capturing method includes a preparation step of preparing a microlens array having a microlens satisfying the following mathematical formula, a sensitivity calibration step of calibrating the sensitivity of each pixel of the photoelectric conversion element, a bandpass filter, An imaging process for imaging a subject with a photoelectric conversion element via a microlens array, and a measurement process for measuring the spectral intensity for each wavelength band divided based on the signal output imaged in the imaging process.
  • Pl represents a pitch in a predetermined direction between microlenses of the microlens array
  • Ps represents a pitch in a predetermined direction of pixels of the photoelectric conversion element
  • n represents the number of pixels in a predetermined direction corresponding to one microlens.
  • U represents an effective dimension of a pixel in a predetermined direction
  • t represents a dimension of a real image of a bandpass filter formed on a plurality of pixels arranged two-dimensionally
  • Na represents a micro lens The number arranged in a predetermined direction is indicated
  • L is the distance from the exit pupil to the microlens
  • f is the focal length of the microlens.
  • the present invention is a multiband camera and a multiband image capturing method capable of obtaining a multiband two-dimensional spectral image by a single image capturing.
  • FIG. 3 is a plan view of a bandpass filter unit 13.
  • FIG. (A) is the top view which showed the micro lens array 15 of 1st Embodiment.
  • FIG. 2B is a sectional view taken along the line AA in FIG. 3 is an explanatory diagram showing a relationship among a bandpass filter array 132, a microlens array 15, and a pixel 16 of the photoelectric conversion element 17.
  • FIG. FIG. 5 is an enlarged view of a portion surrounded by a broken line C in FIG. 4.
  • FIG. 4 is an explanatory diagram showing a relationship between a pixel 16 of a photoelectric conversion element 17 and a real image 132 ′ of a band pass filter array 132 as viewed from a microlens array 15.
  • 4 is a diagram for explaining a pitch relationship between a microlens ML of a microlens array 15 and a pixel 16 of a photoelectric conversion element 17.
  • FIG. (A) shows the positional relationship between the microlens ML, the pixel 16, and the real image of the bandpass filter formed thereon.
  • (B) shows a case where the pitch alignment between the microlens ML and the pixel 16 and the alignment of both are correctly performed.
  • FIG. (C) has shown the case where the shift
  • FIG. It is the figure which expanded and showed the microlens array 15 and the photoelectric conversion element 17.
  • FIG. (A) has shown alignment with the micro lens array 15 and the photoelectric conversion element 17 in case the pixel 16 of the Y-axis direction with respect to one micro lens ML is an odd number.
  • (B) shows the alignment of the microlens array 15 and the photoelectric conversion element 17 in the case where the number of pixels 16 in the Y-axis direction with respect to one microlens ML is an even number. The rotation adjustment of the pixel 16 of the photoelectric conversion element 17 is shown.
  • FIG. 4A is a plan view of a bandpass filter array 232 having a light shielding band 233.
  • FIG. 7B is a plan view of the pixel 46 of the photoelectric conversion element having the dead zone 47.
  • 1 is a schematic diagram illustrating an overall configuration of a multiband camera 100.
  • FIG. 6 is a graph showing the wavelength characteristics of a point P on the subject 11 obtained by the multiband camera 100.
  • 5 is a flowchart illustrating a multiband image capturing method by the multiband camera 100. It is the flowchart explaining position alignment step S13 with the micro lens array 15 and the photoelectric conversion element 17.
  • FIG. 4A is a plan view of a bandpass filter array 232 having a light shielding band 233.
  • FIG. 7B is a plan view of the pixel 46 of the photoelectric conversion element having the dead zone 47.
  • 1 is a schematic diagram illustrating an overall configuration of a multiband camera 100.
  • FIG. 6 is a graph showing the wavelength characteristics of a point
  • 5 is a flowchart illustrating a sensitivity calibration step S13 performed on each pixel 16 of the photoelectric conversion element 17. It is explanatory drawing of the preparatory process before calculating
  • 6 is a graph showing the relationship between each pixel 16 and the output of a calibration bandpass filter BPFj (1 to ⁇ ). It is the schematic of imaging part 50 'which is a modification of a 1st embodiment.
  • 3 is a perspective view illustrating a configuration of a light amount adjustment unit 21. FIG. 3 is a graph showing the characteristics of the light amount adjustment unit 21. It is the schematic of the imaging part 60 of 2nd Embodiment.
  • Imaging Unit 50 (First embodiment) ⁇ Configuration of Imaging Unit 50> The configuration of the imaging unit 50 will be described with reference to FIGS. 1 and 2.
  • the direction of the optical axis Ax will be described as a Z-axis direction
  • a plane perpendicular to the Z-axis direction will be described as an XY plane.
  • the same coordinate system is used in the following modified examples and the second embodiment.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of the imaging unit 50 of the first embodiment.
  • the imaging unit 50 includes an imaging optical system 10 including two lenses 12 and a lens 14 arranged along the optical axis Ax.
  • the focal length of the imaging optical system 10 is, for example, about 5 mm to several 100 mm in the case of a camera lens, and the lenses 12 and 14 are a lens group composed of a plurality of lenses.
  • a band pass filter unit 13 is arranged at the position of the pupil between the lens 12 and the lens 14.
  • the focus of the imaging optical system 10 can be adjusted by moving only the lens 12 on the subject 11 side along the optical axis Ax.
  • the real image of the subject 11 is adjusted so as to form an image on a microlens array 15 described later.
  • the lens 14 since the lens 14 does not move, the relative relationship among the bandpass filter unit 13, the lens 14, and the microlens array 15 does not change at all.
  • the imaging unit 50 includes a microlens array 15 disposed on the + Z side of the imaging optical system 10 and at a conjugate position of the subject 11.
  • the microlens array 15 includes tens of thousands to millions of positive microlenses ML on the XY plane.
  • Each microlens ML is, for example, circular, square, or hexagonal, and its focal length is about several tens to several hundreds ⁇ m.
  • the imaging unit 50 includes the photoelectric conversion element 17 at the + Z side of the microlens array 15 and at or near the conjugate position of the bandpass filter unit 13.
  • the photoelectric conversion element 17 includes hundreds of thousands to tens of millions of pixels 16 arranged on the XY plane.
  • the photoelectric conversion element 17 is, for example, a two-dimensional CCD (Charge-Coupled Device) image sensor or a two-dimensional CMOS image sensor.
  • each pixel 16 has a shape similar to that of the bandpass filters 132a to 132i.
  • FIG. 2 is a plan view of the bandpass filter unit 13 as viewed from the Z-axis direction.
  • the circular band-pass filter unit 13 includes a rectangular band-pass filter array 132 disposed in the center and a light-shielding unit 131 around it.
  • the band pass filter array 132 is composed of nine rectangular band pass filters 132a to 132i arranged in a 3 ⁇ 3 shape.
  • the bandpass filter 132a transmits light having a wavelength region of 390 nm to 430 nm
  • the bandpass filter 132b transmits light having a wavelength region of 430 nm to 470 nm.
  • the bandpass filter 132c is 470 nm to 510 nm light
  • the bandpass filter 132d is 510 nm to 550 nm light
  • the bandpass filter 132e is 550 nm to 590 nm light
  • the bandpass filter 132f is 590 nm to 630 nm light
  • the bandpass filter 132g the bandpass filter 132g.
  • the bandpass filter 132h Transmits light of 630 nm to 670 nm, and the bandpass filter 132h transmits light of 670 nm to 710 nm.
  • the bandpass filter 132i transmits light having a wavelength region of 710 nm to 750 nm. That is, the entire bandpass filter array 132 can transmit light having a wavelength region of 390 nm to 750 nm divided into 9 bands.
  • the light shielding unit 131 is chrome plated, for example, and shields light from the subject 11 (see FIG. 1). Thereby, light incident on the photoelectric conversion element 17 (see FIG. 1) without passing through the band-pass filter array 132 from the subject 11 (see FIG. 1) can be shielded.
  • the band-pass filter array 132 is configured by nine band-pass filters arranged in a 3 ⁇ 3 shape, but is not limited to this, for example, four bands arranged in a 2 ⁇ 2 shape. You may be comprised by 16 band pass filters arrange
  • the wavelength region of the bandpass filter array 132 is not limited to the visible light region (390 nm to 750 nm), and may include an ultraviolet region or an infrared region.
  • FIG. 3A is a plan view showing a part of the microlens array 15 of the first embodiment
  • FIG. 3B is a sectional view taken along the line AA.
  • the microlens array 15 includes a plurality of circular microlenses ML arranged in a straight line along the X-axis and Y-axis directions.
  • each microlens ML has a predetermined width with its light incident side on a plane, and its light emitting side is formed in an arc.
  • the imaging plane IR of the subject 11 is formed on the microlens ML.
  • the imaging unit 50 is disposed between the microlens array 15 and the photoelectric conversion element 17 and determines the distance in the Z direction between the microlens array 15 and the photoelectric conversion element 17.
  • a pair of spacers SC is provided. The spacer SC will be described in detail later with reference to FIG.
  • optical path in the imaging unit 50 will be described by taking light beams L1 and L2 from a certain point P on the subject 11 shown in FIGS. 1, 4, and 5 as an example. Here, only the chief rays of the light beams L1 and L2 will be described for the sake of understanding.
  • light beams L1 and L2 from a point P of the subject 11 are refracted by the lens 12 of the imaging optical system 10 and enter the bandpass filter unit 13.
  • the light beam L1 passes through the bandpass filter 132b (see FIG. 2) of the bandpass filter unit 13
  • the light beam L2 passes through the bandpass filter 132h (see FIG. 2) of the bandpass filter unit 13. That is, only light having a wavelength region of 430 nm to 470 nm included in the light beam L1 passes through the bandpass filter unit 13.
  • only light with a wavelength region of 670 nm to 710 nm included in the light beam L2 passes through the bandpass filter unit 13.
  • the light beams L1 and L2 transmitted through the bandpass filter unit 13 are refracted by the lens 14 of the imaging optical system 10 and enter the microlens array 15.
  • the microlens array 15 is arranged at a conjugate position with the subject 11, a real image of the subject 11 is formed on the microlens array 15.
  • the focus of the imaging optical system 10 can be adjusted by moving only the lens 12 on the subject 11 side along the optical axis Ax. Therefore, the light beam L1 and the light beam L2 from the same point P are incident on the same microlens ML1 (see FIG. 4) of the microlens array 15.
  • FIG. 4 is an explanatory diagram showing the relationship among the bandpass filter array 132 of the bandpass filter unit 13, the microlens array 15, and the pixel 16 of the photoelectric conversion element 17.
  • FIG. 5 is an enlarged view of a portion surrounded by a broken line A in FIG. As shown in FIGS. 4 and 5, the pixel 16 of the photoelectric conversion element 17 is arranged in a conjugate position with the band pass filter or in the vicinity of the conjugate position.
  • the focal length of the microlens ML1 is orders of magnitude shorter than the focal length of the lens 14, the position conjugate with the bandpass filters 132b and 132h is near the focal point of the microlens ML1.
  • the pixel 16 of the photoelectric conversion element 17 is disposed at or near the focal plane of the microlens ML, the real images 132b ′ and 132h ′ are formed on the pixel 16 of the photoelectric conversion element 17. .
  • the light beam L1 and the light beam L2 are condensed at different positions of the pixel 161 and the pixel 162, respectively.
  • the real image of the bandpass filter unit 13 is not necessarily focused on only one pixel, but may be focused on a plurality of pixels.
  • FIGS. 6A and 6B are diagrams for explaining the relationship between the pixel 16 viewed from the microlens array 15 side and the real image 132 ′ of the bandpass filter array 132.
  • the difference between FIGS. 6A and 6B is that a pixel on which a real image 132 ′ is formed by the size of the bandpass filter array 132 and the imaging magnification of the real image 132 ′ by the lens 14 and the microlens ML.
  • the 16 areas have changed.
  • the real image 132 ' is formed in the area of 49 pixels 16 of 7 ⁇ 7.
  • a real image 132b 'shown in a bold rectangle is formed on nine pixels (3 ⁇ 3) including the pixels 16a to 16i.
  • the light beam L1 transmitted through the band-pass filter 132b forms an image on the pixel 16e.
  • a real image 132a 'and a real image 132b' composed of light beams transmitted through the two bandpass filters 132a and 132b are formed on the image 16a.
  • a real image 132b ', a real image 132c', and a real image 132e 'a real image 132f' composed of light beams that have passed through four band-pass filters 132b, 132c, 132e, and 132f are formed on the image 16i.
  • the characteristic of the light beam L1 transmitted through the bandpass filter 132b at the pixel 16e into which only the light beam L1 transmitted through the bandpass filter 132b is incident is obtained.
  • the wavelength characteristic of the light flux is obtained using the middle pixel 16 of the nine pixels (3x3).
  • the real image 132 ′ is formed in the area of 36 pixels 16 of 6 ⁇ 6.
  • the real image 132b 'of the bandpass filter 132b is formed on four pixels including the pixels 16p to 16s.
  • any one of the four pixels 16p to 16s may be used, or all outputs may be added together.
  • the real images 132 a ′ and 132 c ′ to 132 i ′ of the other eight bandpass filters are formed on the four pixel 16 regions. For this reason, when calculating
  • FIG. 7 is a diagram for explaining the pitch relationship between the microlens ML of the microlens array 15 and the pixel 16 of the photoelectric conversion element 17.
  • Yl is the distance from the center of the optical axis Ax to the center of the microlens ML.
  • Ys is the distance from the optical axis Ax to the point on the pixel 16 of the photoelectric conversion element 17 that the light beam LL reaches through the center of the microlens ML.
  • L is a distance from the virtual image 132 ′′ (exit pupil of the imaging optical system 10) of the bandpass filter array to the microlens array 15.
  • T is the distance between the microlens array 15 and the photoelectric conversion element 17, and f is the focal length of the microlens ML.
  • the image side is a non-telecentric optical system. Since the image side is non-telecentric, the light beam LL that passes through the bandpass filter array 132 and passes through the center of the microlens ML reaches the pixel 16 of the photoelectric conversion element 17 while spreading outward.
  • the following formula (1) is obtained from the basic formula of imaging.
  • the distance T between the microlens array 15 and the photoelectric conversion element 17 is substantially the same as the focal length f of the microlens ML, and is represented by the right formula in Formula (2). It is as follows. That is, the real image of the bandpass filter array 132 is formed at a position substantially at the focal length f from the microlens array 15.
  • Equation (4) Since the relationship of Equation (4) is established for all the microlenses ML of the microlens array 15, the following Equation (5) is obtained.
  • Equation (5) Pl is the microlens pitch of the microlens array 15, Ps is the pixel pitch of the photoelectric conversion element 17, and n is the one-dimensional direction (X or Y axis direction) corresponding to one microlens ML. This is the number of pixels 16. That is, the microlens pitch Pl and the pixel pitch Ps need to satisfy Expression (5).
  • the microlens pitch Pl of the microlens array 15 is slightly small.
  • L ⁇ ⁇ may be considered, and the following formula (6) is obtained from formula (5).
  • FIG. 8A shows the positional relationship between the microlens ML, the pixel 16, and the real image of each bandpass filter formed thereon.
  • FIG. 8B shows a case where the pitch alignment between the microlens ML and the pixel 16 is correctly performed.
  • FIG. 8C shows a case where a shift occurs in the pitch alignment between the microlens ML and the pixel 16.
  • a real image 132y ′ of the bandpass filter is formed at the normal position on the two pixels 163 and 164 as shown in FIG. 8B.
  • a real image 132y 'of the bandpass filter covers the adjacent pixel 165. If this happens, interference between the bandpass filters may occur, and the spectral characteristics may not be measured correctly.
  • the distance in the predetermined direction from the real image 132y ′ of the bandpass filter to the adjacent pixel 165 is ⁇
  • the pitch in the predetermined direction of the pixel 16 of the light conversion element 17 is Ps
  • the pitch Pl in the predetermined direction between the microlenses ML has an error
  • the accumulated value becomes larger toward the outermost peripheral portion.
  • the number of microlenses ML arranged in a predetermined direction is Na
  • ⁇ needs to be divided by Na / 2
  • the error allowed for the pitch Pl is (3Ps ⁇ u ⁇ t) / Na.
  • the error of the pitch Pl needs to be considered as ⁇ .
  • it is desirable that the pitch Pl in the predetermined direction between the microlenses ML is designed to satisfy the following formula (9).
  • FIG. 9 is an enlarged view of the microlens array 15 and the photoelectric conversion element 17.
  • FIG. 10A shows alignment between the microlens array 15 and the photoelectric conversion element 17 in the case where the number of pixels 16 in the Y-axis direction with respect to one microlens ML is odd.
  • FIG. 10B shows alignment between the microlens array 15 and the photoelectric conversion element 17 in the case where the number of pixels 16 in the Y-axis direction with respect to one microlens ML is an even number.
  • FIG. 11 shows the in-plane rotation adjustment of the pixel 16 of the photoelectric conversion element 17.
  • a spacer SC that determines the distance between the microlens array 15 and the photoelectric conversion element 17 is disposed between the microlens array 15 and the photoelectric conversion element 17.
  • the distance T between the microlens array 15 and the photoelectric conversion element 17, that is, the thickness of the spacer SC is a value obtained by Expression (2).
  • the output of the odd number of central pixels 26b is maximized.
  • positioning is performed by moving the photoelectric conversion element 17 relative to the microlens array 15. That is, positioning is performed so that the spot SP is positioned at the pixel 26b.
  • Positioning is performed by moving the photoelectric conversion element 17 relative to the microlens array 15 so that the outputs of the pixel 36b and the next lower pixel 36c, or the pixel 36f and the pixel 36g are suspended. That is, positioning is performed so that the spot SP is located between the pixel 36b and the pixel 36c, or between the pixel 36f and the pixel 36g.
  • the positioning of the microlens array 15 and the photoelectric conversion element 17 in the Y-axis direction has been described. Similarly, the positioning is also performed in the X-axis direction.
  • FIG. 9 the case where one microlens ML is irradiated with light PL equivalent to the diameter of the microlens ML has been described as an example. However, a plurality of microlenses ML may be irradiated with light PL having a large diameter. . In this case, it is only necessary to detect a signal obtained from the pixel 16 at the center of the photoelectric conversion element 17.
  • the microlens array 15 includes 9 ⁇ 9 81 microlenses ML.
  • the parallel light PL as shown in FIG. 9 is irradiated to the three microlenses ML of the microlens array 15.
  • the microlens ML51 located on the center line in the X-axis direction of the microlens array 15 and the microlenses ML15 and ML95 located on the centerline in the Y-axis direction of the microlens array 15 are selected.
  • a spot corresponding to the microlens ML51 is Sx
  • a spot corresponding to the microlens ML15 is Sy1
  • a spot corresponding to the microlens ML95 is Sy2.
  • the spot Sx is the center line Wx in the X-axis direction of the photoelectric conversion element 17, and the spots Sy1 and Sy2 are the center lines in the Y-axis direction of the photoelectric conversion element 17.
  • the position of the photoelectric conversion element 17 is adjusted so as to be positioned at Wy. Thereby, the center line of the microlens array 15 in the XY direction and the center line of the photoelectric conversion element 17 in the XY direction are overlapped. That is, the rotation adjustment of the microlens array 15 and the photoelectric conversion element 17 and the alignment in the XY directions are performed simultaneously.
  • FIG. 12 shows the displacement of the real image 132 ′ of the bandpass filter array 132.
  • 13A is a plan view of a band-pass filter array 232 having a light shielding band 233
  • FIG. 13B is a plan view of a pixel 46 of a photoelectric conversion element having a dead zone 47.
  • a real image 132 ′ of the bandpass filter array 132 is formed at the position of the bold line shown in FIG. Is done.
  • the real image 132 ′ is formed on exactly four pixels 16 as shown in FIG. 6B.
  • the real image of the bandpass filter array 132 is shifted from the normal position as shown by the dotted line, and an image 132z ′ is formed. Accordingly, there is a possibility that interference between the band-pass filters 132a to 132i (see FIG. 2) occurs and the spectral characteristics cannot be measured correctly.
  • the real image 132 ′ of the bandpass filter array 132 may be blurred and spread. Accordingly, interference between the bandpass filters 132a to 132i (see FIG. 2) occurs, and the spectral characteristics cannot be measured correctly.
  • a dead zone 47 that does not output an electrical signal even if light enters between the pixels 46 of the photoelectric conversion element 17 may be formed.
  • the real image 132 ′ of the bandpass filter array 132 is blurred
  • the blurred portion is located in the dead zone 47 and does not affect the measurement of spectral characteristics.
  • the error reduction in the case where an error has occurred in the alignment in the XY directions has been described. Even when an error has occurred in the pitch alignment, the error can be reduced by a method of providing a light shielding band or a dead body.
  • FIG. 14 is a schematic diagram illustrating the overall configuration of the multiband camera 100.
  • the multiband camera 100 includes an imaging unit 50 and a central processing unit (CPU (Central Processing Unit)) 51 that processes data from the imaging unit 50.
  • the CPU 51 includes a calibration coefficient calculation unit 511, an internal memory 512, a spectroscopic measurement unit 513, and an image generation unit 514.
  • the multiband camera 100 further includes an image memory 52 that stores the two-dimensional spectral image captured by the imaging unit 50, and a display 53 that serves as a display unit that displays the two-dimensional spectral image recorded in the image memory 52. I have.
  • the CPU 51, the image memory 52, and the display 53 are connected via a bus 55.
  • the calibration coefficient calculation unit 511 obtains a calibration coefficient for each wavelength region by imaging a reference subject (not shown). At this time, for example, white paper with a clear spectral reflectance and a white light source with a clear emission spectrum are used as the reference subject.
  • the internal memory 512 stores the calibration coefficient obtained by the calibration coefficient calculation unit 511.
  • the internal memory 512 may be anything that can read and write data.
  • the spectroscopic measurement unit 513 obtains the wavelength characteristics of each wavelength region based on the image data of the subject 11 (see FIG. 1) imaged by the imaging unit 50 and the calibration coefficient recorded in the internal memory 512. Further, based on the wavelength characteristic obtained by the spectroscopic measurement unit 513, an intensity graph of each wavelength region is displayed on the display 53 serving as a display unit as shown in FIG.
  • FIG. 15 is a spectral intensity graph of one point on the subject 11 (see FIG. 1) captured by the multiband camera 100. Light emitted from a point P on the subject 11 (see FIG. 1) passes through nine band pass filters 132a to 132i of the band pass filter array 132.
  • the spectral intensity graph is a graph showing the intensity of light having the wavelength characteristics.
  • the image generation unit 514 displays the subject 11 on the display 53 serving as a display unit based on the image data of the subject 11 (see FIG. 1) captured by the imaging unit 50.
  • the display 53 is a display element of three primary colors of RGB
  • the bandpass filter array 132 is nine bandpass filters.
  • the image generation unit 514 associates the image outputs of the real images 132a ′ to 132c ′ with R, associates the image outputs of the real images 132d ′ to 132f ′ with G, and converts the image outputs of the real images 132g ′ to 132i ′ to B. Or make it correspond.
  • FIG. 16 is a flowchart illustrating a multiband image capturing method by the multiband camera 100.
  • step S11 a microlens array 15 including a microlens ML that satisfies Equation (5) is prepared.
  • step S12 the microlens array 15 and the photoelectric conversion element 17 are aligned.
  • Step S12 will be described with reference to FIGS. 9 to 11 and FIG.
  • FIG. 17 is a flowchart for explaining the alignment step S13 between the microlens array 15 and the photoelectric conversion element 17.
  • step T122 the number of pixels in the Y-axis (or X-axis) direction corresponding to the center microlens is an odd number based on the pitch relationship between the microlens ML obtained in step S11 and the pixel 16 of the photoelectric conversion element 17. If it is, the process proceeds to step T123. If the number of pixels in the Y-axis direction corresponding to the central microlens is an even number, the process proceeds to step T124.
  • step T123 when the number of pixels in the Y-axis (or X-axis) direction corresponding to the center microlens is an odd number, for example, the microlens array 15 and the photoelectric conversion element 17 are formed so that the spot SP is formed in the middle pixel. Are adjusted (see FIG. 10A).
  • the X-axis direction, the Y-axis direction, and the rotation adjustment of the microlens array 15 and the photoelectric conversion element 17 are detected by detecting a positional shift at the center positions Sy1, Sy2 in the Y-axis direction and the center position Sx in the X-axis direction. Is performed (see FIG. 11).
  • step T124 when the number of pixels in the Y-axis (or X-axis) direction corresponding to the center microlens is an even number, the microlens array 15 and the microlens array 15 are formed so that the spot SP is formed between the two middle pixels.
  • the photoelectric conversion element 17 is adjusted (see FIG. 10B).
  • the X-axis direction, the Y-axis direction, and the rotation adjustment of the microlens array 15 and the photoelectric conversion element 17 are detected by detecting a positional shift at the center positions Sy1 and Sy2 in the Y-axis direction and the center position Sx in the X-axis direction. Is performed (see FIG. 11).
  • steps T123 and T124 positioning in the X-axis direction is performed at one location and positioning in the Y-axis direction is performed at two locations. However, positioning in the X-axis direction is performed at two locations and positioning in the Y-axis direction is performed at one location. Is the same.
  • step S ⁇ b> 13 sensitivity calibration is performed on each pixel 16 of the photoelectric conversion element 17.
  • Step S13 will be described with reference to FIGS.
  • FIG. 18 is a flowchart for explaining the sensitivity calibration step S ⁇ b> 13 performed for each pixel 16 of the photoelectric conversion element 17.
  • FIG. 19 is an explanatory diagram of a preparation process before obtaining a calibration coefficient
  • FIG. 20 is an explanatory diagram for obtaining a calibration coefficient
  • FIG. 21 is a relationship between each pixel 16 and the output of the calibration bandpass filter BPFj (1 to ⁇ ). It is the graph which showed.
  • step T131 shown in FIG. 18 the complete diffusion plate DP, the calibration bandpass filter BPFj, and the power meter PM are arranged as shown in FIG.
  • step S ⁇ b> 12 of FIG. 16 after the alignment of the microlens array 15 and the photoelectric conversion element 17, sensitivity calibration is performed on each pixel 16.
  • sensitivity calibration is performed on each pixel 16.
  • the spectral transmittance of each bandpass filter, the characteristics of the microlens array, the spectral sensitivity of the photoelectric conversion element, and the like are known, calibration can be performed by calculation. However, since various errors are included, it is desirable to obtain the calibration coefficient experimentally.
  • the distance between the complete diffusion plate DP and the calibration bandpass filter BPFj is set within a range where the imaging optical system 10 is in focus from the complete diffusion plate DP (see FIG. 20).
  • Step T132 the power meter PM disposed on the rear side of the calibration bandpass filter BPFj is reflected by the complete diffuser plate DP and transmitted through the calibration bandpass filter BPFj. Record ⁇ ⁇ ).
  • step T133 the calibration bandpass filter BPFj is replaced.
  • the calibration band-pass filter BPFj that was not used in step T132 is replaced with the ⁇ calibration band-pass filters BPFj.
  • step T134 while repeating steps T132 and T133, the light amount Ij (1 to ⁇ ) is measured and recorded with respect to each calibration bandpass filter BPFj.
  • step T135 as shown in FIG. 20, the multiband camera 100 is installed so that the imaging unit 50 is positioned at the position of the power meter PM.
  • the imaging unit 50 and the CPU 51 are drawn to help explain.
  • step T136 the multiband camera 100 captures an image by adjusting the focus to the complete diffusion plate DP.
  • step T137 the output is read out for each pixel 16 of the photoelectric conversion element 17.
  • step T138 an output exceeding the threshold is extracted for the calibration bandpass filter BPFj. Since the output EX2 from the pixel 16 corresponding to the calibration bandpass filter BPFj and the output EX1 from the other pixels 16 are greatly different as shown in FIG. 21, the threshold value is set to a low value. It is preferable. Thereafter, the output value EX2 from the pixel 16 corresponding to the calibration bandpass filter BPFj is recorded in the CPU 51.
  • ⁇ represents the number of pixels 16 corresponding to the calibration bandpass filter BPFj, and is equal to or an integral multiple of the number of microlenses ML.
  • step T140 as described in step T133, steps T137 and T139 are repeated while exchanging the calibration bandpass filter BPFj. Thereby, all the calibration coefficients Rjk are obtained.
  • sunlight SL is used as illumination light for calibration of the sensitivity of each pixel 16, but lamp light may be irradiated.
  • lamp light may be irradiated.
  • unevenness in the amount of light tends to occur on the diffusion plate. Therefore, it is desirable to separately measure the unevenness in the amount of light in advance and calibrate it.
  • the sensitivity between each pixel is the same, for simplicity, only the relative sensitivity ratio of the output to another band pass filter is used with reference to the output to one band pass filter. May be used as a correction value.
  • step S14 calibration coefficients for the pixels 16 in the respective wavelength regions that pass through the respective bandpass filters 132a to 132i obtained in step S13 are stored in the internal memory 512. Once the calibration coefficient is obtained, it is not always necessary to perform the steps S11 to S14 thereafter.
  • step S15 the operator presses a release button (not shown) and images the subject 11 (see FIG. 1). Image data of the subject 11 is sent from the photoelectric conversion element 17 to the image memory 52.
  • step S16 the image data of the subject 11 obtained in step S15 is stored in the image memory 52.
  • step S17 based on the calibration coefficient obtained in step S13 and the image data of the subject 11 stored in step S16, the spectroscopic measurement unit 513 transmits the wavelength of the light flux in each wavelength region that passes through each bandpass filter 132a to 132i. Find characteristics.
  • one band is selected from nine (3 ⁇ 3) pixels 16 formed by the real images 132a ′ to 132i ′ of the bandpass filters 132a to 132i.
  • the wavelength characteristic of the light flux in each wavelength region is obtained.
  • each of the real images 132a ′ to 132i ′ of the band-pass filters 132a to 132i is formed using at least one pixel 16 among the four pixels 16 formed. The wavelength characteristic of the light flux in the wavelength region is required.
  • step S18 the wavelength characteristic obtained in step S17 by the image generation unit 514 is displayed on the display 53 in the form of a graph (see FIG. 15).
  • step S19 based on the image data of the subject 11 stored in the image memory 52, the image generation unit 514 displays the entire image of the subject 11 on the display 53. Note that steps S17 and S18 and step S19 may be performed in parallel.
  • FIG. 22 is a schematic diagram of an imaging unit 50 ′ that is a modification of the first embodiment
  • FIG. 23 is a perspective view showing the configuration of the light quantity adjustment unit 21
  • FIG. 24 is a graph showing the characteristics of the light quantity adjustment unit 21. It is.
  • the bandpass filter unit 13 is disposed at the pupil position of the imaging optical system 10. For this reason, it is difficult to arrange a stop made up of stop blades at the position of the pupil. Therefore, a light amount adjusting unit 21 made of a polarizer is arranged.
  • the light amount adjustment unit 21 is added to the imaging unit 50 described in the first embodiment.
  • the light amount adjusting unit 21 is disposed between the lens 12 of the imaging optical system 10 and the bandpass filter unit 13 so that the axis thereof is aligned with the optical axis Ax.
  • the light amount adjusting unit 21 may be disposed anywhere from the subject 11 to the photoelectric conversion element 17.
  • the light amount adjusting unit 21 is composed of a pair of polarizers 21a and 21b.
  • the polarizer 21b can be rotated along the arrow Ar relative to the polarizer 21a. For this reason, the incident light Li that has entered the polarizer 21a becomes emission light Lo that exits the polarizer 21b by the rotation of the polarizer 21b. Thereby, the light quantity of the emitted light Lo is changed into the sine wave shape shown in FIG.
  • the polarizer 21b is rotated relative to the polarizer 21a.
  • the same effect can be obtained even if the polarizer 21a rotates with respect to the polarizer 21b, and the polarizer 21a and the polarizer 21b only need to rotate relatively.
  • FIG. 25 is a schematic diagram of the imaging unit 60 of the second embodiment.
  • the same constituent elements as those in the first embodiment will be described with the same reference numerals.
  • the imaging unit 60 shown in FIG. 25 includes an imaging optical system 10 composed of a lens 12 and a lens 14 arranged on the optical axis Ax, and a relay optical system 31 composed of a relay lens 31a and a relay lens 31b. .
  • a band pass filter unit 13 (see FIG. 2) is arranged.
  • a microlens array 15 composed of a plurality of microlenses ML is disposed at the conjugate position of the subject 11.
  • a photoelectric conversion element 17 composed of a plurality of pixels 16 is provided at the + Z side of the microlens array 15 and at the conjugate position of the bandpass filter unit 13.
  • the bandpass filter unit 13 is arranged in the relay optical system 31. For this reason, it can replace
  • the light amount adjusting unit 21 configured by a pair of polarizers 21a and 21b is added to the imaging unit 60. Also good.
  • ⁇ Optical path in the imaging unit 60> The light beams L1 and L2 from the point P of the subject 11 are refracted by the lenses 12 and 14 of the imaging optical system 10 and formed on the plane H where the real image P ′ of the subject 11 is drawn by a dotted line. Then, the light beams L1 and L2 enter the relay optical system 31. Further, the light beams L 1 and L 2 refracted by the lens 31 a of the relay optical system 31 enter the band pass filter unit 13.
  • the light beam L1 passes through the bandpass filter 132h (see FIG. 2) of the bandpass filter unit 13, and the light beam L2 passes through the bandpass filter 132b (see FIG. 2) of the bandpass filter unit 13. That is, only light with a wavelength region of 670 nm to 710 nm included in the light beam L1 passes through the bandpass filter unit 13. Similarly, only light having a wavelength region of 430 nm to 470 nm included in the light beam L2 passes through the bandpass filter unit 13.
  • the light beams L1 and L2 transmitted through the bandpass filter unit 13 are refracted by the lens 31b of the relay optical system 31 and enter the microlens array 15.
  • the microlens array 15 is arranged at a conjugate position with the subject 11 and the surface H, a real image P ′′ of the real image P ′ is formed on the microlens array 15. Therefore, from one point P of the subject 11 Light beams L1 and L2 are incident on the same microlens ML1 of the microlens array 15.
  • the pixel 16 of the photoelectric conversion element 17 is arranged at a conjugate position or in the vicinity of the conjugate position with the band pass filter. Since the focal length of the micro lens ML1 is orders of magnitude shorter than the focal length of the lens 31b, the position conjugate with the bandpass filters 132b and 132h is near the focal point of the micro lens ML1 (see FIG. 5).
  • a CPU, an image memory, an LCD, and the like are attached to the multiband camera, but may be provided in an external personal computer or the like.

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Abstract

　マルチバンドカメラは、４以上の光学フィルタを有するバンドパスフィルタと、マイクロレンズが配列されたマイクロレンズアレイと、複数の画素からなる光電変換素子と、分光強度を測定する測定部と、を備える。マルチバンドカメラは、マイクロレンズのピッチをＰｌとし、画素のピッチをＰｓとし、１つのマイクロレンズに対応する画素の数をｎとし、画素の所定方向の有効寸法をｕとし、バンドパスフィルタが二次元状に配列された複数の画素上に形成する実像の所定方向の寸法をｔとし、マイクロレンズが所定方向に配列される個数をＮａとし、射出瞳からマイクロレンズまでの距離をＬとし、マイクロレンズの焦点距離をｆとすると、下記の数式を満たす。

Description

マルチバンドカメラ及びマルチバンド画像撮像方法
　本発明は、一回の撮像でマルチバンドの二次元分光画像を得るマルチバンドカメラ及びマルチバンド画像撮像方法に関する。
　二次元分光画像を得る方式として、特許文献１が開示されている。特許文献１において、マルチバンド画像は、対物レンズと、複数の撮像波長領域に分割されたカラーフィルタアレイと、複数のマイクロレンズからなるマイクロレンズアレイと、カラーフィルタアレイで分割されたスペクトル毎の画像を撮像する二次元検出器と、からなるマルチバンドカメラによって撮像される。
　特許文献１の第１実施例ではカラーフィルタアレイがマイクロレンズアレイと二次元検出器との間に配置されたマルチバンドカメラを示している。第２実施例ではカラーフィルタアレイがマイクロレンズアレイと離れて対物レンズの近傍に配置されたマルチバンドカメラを開示している。
米国特許公報７，４３３，０４２Ｂ１
　しかし、特許文献１の第２実施例ではカラーフィルタアレイがディテクタアレイの直前ではなく対物レンズの近傍に配置されたマルチバンドカメラは、カラーフィルタアレイを光学系と合わせることが困難であると記載している。
　本発明はバンドパスフィルタが撮像光学系内部に配置された場合にも実施可能であるマルチバンドカメラ及びマルチバンド画像撮像方法を提供することを目的とする。
　第１観点のマルチバンドカメラは、被検体を撮像する際に撮像波長領域を互いに異なる４以上に分割された波長バンドで撮像する。また、マルチバンドカメラは、光学系の瞳の位置に配置され４以上に分割された波長バンドをそれぞれ透過させる４以上の光学フィルタを有するバンドパスフィルタと、正のマイクロレンズが二次元状に配列されたマイクロレンズアレイと、マイクロレンズアレイの焦点付近かつバンドパスフィルタと共役位置もしくは共役位置近傍に配置されバンドパスフィルタを透過しマイクロレンズアレイにより導かれた光束が入射する二次元状に配列された複数の画素からなる光電変換素子と、光学フィルタに対応する画素からの信号出力に基づいて被検体からの光束の分光強度を測定する測定部と、を備える。ここで、マイクロレンズアレイのマイクロレンズ間の所定方向のピッチをＰｌとし、光電変換素子の画素の所定方向のピッチをＰｓとし、１つのマイクロレンズに対応する所定方向の画素の数をｎとし、画素の所定方向の有効寸法をｕとし、二次元状に配列された複数の画素上に形成されるバンドパスフィルタの実像の所定方向の寸法をｔとし、マイクロレンズが所定方向に配列される個数をＮａとし、射出瞳からマイクロレンズまでの距離をＬとし、マイクロレンズの焦点距離をｆ（≪Ｌ）とすると、下記の数式を満たす。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　第２観点のマルチバンド画像撮像方法は、光学系の瞳の位置に配置された４以上に分割された波長バンドに対応する光学フィルタを有するバンドパスフィルタと、バンドパスフィルタを透過した光束を導くマイクロレンズアレイとを介して、被検体を二次元に配列された画素からなる光電変換素子で撮像する。マルチバンド画像撮像方法は、下記の数式を満たしたマイクロレンズを有するマイクロレンズアレイを用意する用意工程と、光電変換素子の各画素に対して感度の校正を行う感度校正工程と、バンドパスフィルタとマイクロレンズアレイとを介して被検体を光電変換素子で撮像する撮像工程と、撮像工程で撮像された信号出力に基づいて分割された波長バンド毎の分光強度を測定する測定工程と、を備える。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
 　ここで、Ｐlはマイクロレンズアレイのマイクロレンズ間の所定方向のピッチを示し、Ｐｓは光電変換素子の画素の所定方向のピッチを示し、ｎは１つのマイクロレンズに対応する所定方向の画素の数を示し、ｕは画素の所定方向の有効寸法を示し、ｔは二次元状に配列された複数の画素上に形成されるバンドパスフィルタの実像の所定方向の寸法を示し、Ｎａはマイクロレンズが所定方向に配列される個数を示し、Ｌは射出瞳からマイクロレンズまでの距離を示し、ｆはマイクロレンズの焦点距離を示している。
　本発明は、一回の撮像でマルチバンドの二次元分光画像が得られるマルチバンドカメラ及びマルチバンド画像撮像方法である。
第１実施形態の撮像部５０の概略図である。 バンドパスフィルタ部１３の平面図である。 （ａ）は、第１実施形態のマイクロレンズアレイ１５を示した平面図である。（ｂ）は、（ａ）のＡ－Ａ断面図である。 バンドパスフィルタアレイ１３２と、マイクロレンズアレイ１５と、光電変換素子１７の画素１６との関係を示した説明図である。 図４の破線Ｃに囲まれた部分の拡大図である。 マイクロレンズアレイ１５から見た、光電変換素子１７の画素１６とバンドパスフィルタアレイ１３２の実像１３２’との関係を示した説明図である。 マイクロレンズアレイ１５のマイクロレンズＭＬと光電変換素子１７の画素１６とのピッチ関係を説明するための図である。 （ａ）は、マイクロレンズＭＬと画素１６、またその上に形成されるバンドパスフィルタの実像との位置関係を示している。（ｂ）は、マイクロレンズＭＬと画素１６とのピッチ合わせと両者の位置合わせが正しく行われた場合を示している。（ｃ）は、マイクロレンズＭＬと画素１６とのピッチ合わせにずれが生じた場合を示している。 マイクロレンズアレイ１５と光電変換素子１７と拡大して示した図である。 （ａ）は、１つのマイクロレンズＭＬに対するＹ軸方向の画素１６が奇数個の場合におけるマイクロレンズアレイ１５と光電変換素子１７との位置合わせを示している。（ｂ）は、１つのマイクロレンズＭＬに対するＹ軸方向の画素１６が偶数個の場合におけるマイクロレンズアレイ１５と光電変換素子１７との位置合わせを示している。 光電変換素子１７の画素１６の回転調整を示している。 バンドパスフィルタアレイ１３２の実像１３２’の位置ずれを示している。 （ａ）は、遮光帯２３３を有するバンドパスフィルタアレイ２３２の平面図である。（ｂ）は、不感帯４７を有する光電変換素子の画素４６の平面図である。 マルチバンドカメラ１００の全体構成を示した概略図である。 マルチバンドカメラ１００により得られた被写体１１上の点Ｐの波長特性を示したグラフである。 マルチバンドカメラ１００によるマルチバンド画像撮像方法を示したフローチャートである。 マイクロレンズアレイ１５と光電変換素子１７との位置合わせステップＳ１３を説明したフローチャートである。 光電変換素子１７の各画素１６に対して行われる感度の校正ステップＳ１３を説明したフローチャートである。 校正係数を求める前の準備工程の説明図である。 校正係数を求める説明図である。 各画素１６と校正用バンドパスフィルタＢＰＦｊ（１～α）の出力との関係を示したグラフである。 第１実施形態の変形例である撮像部５０’の概略図である。 光量調整部２１の構成を示した斜視図である。 光量調整部２１の特性を示したグラフである。 第２実施形態の撮像部６０の概略図である。
　（第１実施形態）
　＜撮像部５０の構成＞
　撮像部５０の構成について、図１及び図２を参照しながら説明する。第１実施形態において、光軸Ａｘの方向をＺ軸方向とし、そのＺ軸方向に垂直な平面をＸＹ平面として説明する。また、以降の変形例及び第２実施形態でも同じ座標系が用いられる。
　図１は、第１実施形態の撮像部５０の概略図である。なお、理解を助けるために図１に被写体１１が描かれているが撮像部５０に付属されたものではない。図１に示されたように、撮像部５０は、光軸Ａｘに沿って配置された２つのレンズ１２とレンズ１４とから構成された撮像光学系１０を備える。ここで、撮像光学系１０の焦点距離は例えばカメラレンズの場合５ｍｍ～数１００ｍｍ程度で、レンズ１２、１４は複数のレンズからなるレンズ群である。また、レンズ１２とレンズ１４との間における瞳の位置にバンドパスフィルタ部１３が配置されている。これにより、被写体１１側のレンズ１２のみを光軸Ａｘに沿って動かすことで、撮像光学系１０の焦点の調整が可能である。すなわち、被検体１１の実像が後述のマイクロレンズアレイ１５上に結像するように調整される。この時、レンズ１４は動かさないので、バンドパスフィルタ部１３、レンズ１４、マイクロレンズアレイ１５の相対関係は全く変化しない。
　撮像部５０は、撮像光学系１０の＋Ｚ側、且つ被写体１１の共役位置に配置されたマイクロレンズアレイ１５を備える。マイクロレンズアレイ１５はＸＹ平面に数万～数百万個の正のマイクロレンズＭＬから構成されている。各マイクロレンズＭＬは例えば円形、四角形又は六角形で、その焦点距離は数十～数百μｍ程度である。
　また、撮像部５０は、マイクロレンズアレイ１５の＋Ｚ側、且つバンドパスフィルタ部１３の共役位置又はその近傍に光電変換素子１７を備える。光電変換素子１７はＸＹ平面に配置された数十万～数千万個の画素１６から構成されている。光電変換素子１７は、例えば二次元ＣＣＤ（Charge Coupled Device）イメージセンサ、または二次元ＣＭＯＳイメージセンサである。また、例えば各画素１６はバンドパスフィルタ１３２ａ～１３２ｉと相似形の形状である。
　図２はバンドパスフィルタ部１３のＺ軸方向からみた平面図である。図２に示されたように、円形のバンドパスフィルタ部１３は、中央に配置された矩形のバンドパスフィルタアレイ１３２と、その周囲の遮光部１３１とを有している。
　バンドパスフィルタアレイ１３２は、３×３形状に配置された９個の矩形のバンドパスフィルタ１３２ａ～１３２ｉから構成されている。バンドパスフィルタ１３２ａは例えば波長領域が３９０ｎｍ～４３０ｎｍの光を透過し、バンドパスフィルタ１３２ｂは波長領域が４３０ｎｍ～４７０ｎｍの光を透過する。同様にバンドパスフィルタ１３２ｃは４７０ｎｍ～５１０ｎｍの光、バンドパスフィルタ１３２ｄは５１０ｎｍ～５５０ｎｍの光、バンドパスフィルタ１３２ｅは５５０ｎｍ～５９０ｎｍの光、バンドパスフィルタ１３２ｆは５９０ｎｍ～６３０ｎｍの光、バンドパスフィルタ１３２ｇは６３０ｎｍ～６７０ｎｍの光、バンドパスフィルタ１３２ｈは６７０ｎｍ～７１０ｎｍの光を透過する。バンドパスフィルタ１３２ｉは波長領域が７１０ｎｍ～７５０ｎｍの光を透過することとなる。すなわち、全体のバンドパスフィルタアレイ１３２は波長領域が３９０ｎｍ～７５０ｎｍの光を９バンドに分けて透過することができる。
　遮光部１３１は、例えばクロムメッキされ、被写体１１（図１を参照）からの光を遮光する。これにより、被写体１１（図１を参照）からのバンドパスフィルタアレイ１３２を透過せずに光電変換素子１７（図１を参照）に入射する光を遮光することができる。
　本明細書では、バンドパスフィルタアレイ１３２は３×３形状に配置された９個のバンドパスフィルタから構成されているが、これに限らず、例えば２×２形状に配置された４個のバンドパスフィルタ又は４×４形状に配置された１６個のバンドパスフィルタで構成されてもよい。また、バンドパスフィルタアレイ１３２の波長領域は可視光領域（３９０ｎｍ～７５０ｎｍ）に限られず、紫外線領域又は赤外線領域を含めてもよい。
　図３（ａ）は第１実施形態のマイクロレンズアレイ１５の一部を示した平面図で、（ｂ）はそのＡ－Ａ断面図である。図３（ａ）に示されたように、マイクロレンズアレイ１５は複数の円形のマイクロレンズＭＬがＸ軸及びＹ軸方向に沿って一直線に並んで構成されている。また、図３（ｂ）に示されたように各マイクロレンズＭＬはその光の入射側が平面上となって所定の幅を有し、光の射出側が円弧に形成されている。ここで、被写体１１の結像面ＩＲはマイクロレンズＭＬ上に形成されている。
　さらに、後述の図１に示されたように、撮像部５０はマイクロレンズアレイ１５と光電変換素子１７との間に配置され、マイクロレンズアレイ１５と光電変換素子１７とのＺ方向の距離を決める一対のスペーサＳＣを備えている。スペーサＳＣについては後述の図９で詳しく説明する。
　＜撮像部５０内の光路＞
　撮像部５０内の光路について、図１、図４及び図５に示された被写体１１上のある一点Ｐからの光束Ｌ１、Ｌ２を一例として説明する。ここで、理解を助けるために光束Ｌ１、Ｌ２の主光線のみを描いて説明する。
　図１に示されるように、被写体１１の一点Ｐからの光束Ｌ１、Ｌ２は、撮像光学系１０のレンズ１２で屈折されてバンドパスフィルタ部１３に入射する。例えば、光束Ｌ１がバンドパスフィルタ部１３のバンドパスフィルタ１３２ｂ（図２を参照）を透過し、光束Ｌ２がバンドパスフィルタ部１３のバンドパスフィルタ１３２ｈ（図２を参照）を透過する。すなわち、光束Ｌ１に含まれた波長領域が４３０ｎｍ～４７０ｎｍの光のみがバンドパスフィルタ部１３を透過する。同様に、光束Ｌ２に含まれた波長領域が６７０ｎｍ～７１０ｎｍの光のみがバンドパスフィルタ部１３を透過する。
　バンドパスフィルタ部１３を透過した光束Ｌ１、Ｌ２は、撮像光学系１０のレンズ１４で屈折されてマイクロレンズアレイ１５に入射する。ここで、マイクロレンズアレイ１５が被写体１１と共役位置に配置されているので、被写体１１の実像がマイクロレンズアレイ１５に結像される。なお、被写体１１側のレンズ１２のみを光軸Ａｘに沿って動かすことで、撮像光学系１０の焦点の調整が可能である。このため、同じ一点Ｐからの光束Ｌ１と光束Ｌ２とはマイクロレンズアレイ１５の同一のマイクロレンズＭＬ１（図４を参照）に入射する。
　また、図４はバンドパスフィルタ部１３のバンドパスフィルタアレイ１３２と、マイクロレンズアレイ１５と、光電変換素子１７の画素１６との関係を示した説明図である。図５は図４中の破線Ａで囲まれた部分を拡大した図である。図４及び図５に示されたように、光電変換素子１７の画素１６はバンドパスフィルタと共役位置もしくは共役位置近傍に配置されている。ここで、マイクロレンズＭＬ１の焦点距離はレンズ１４の焦点距離よりも桁違いに短いので、バンドパスフィルタ１３２ｂ、１３２ｈと共役な位置はマイクロレンズＭＬ１の焦点近傍である。
　さらに、マイクロレンズＭＬの焦点面、若しくはその近傍に光電変換素子１７の画素１６が配置されているので、実像１３２ｂ’、１３２ｈ’は光電変換素子１７の画素１６の上に形成されることになる。
　図５に示されたように、光束Ｌ１と光束Ｌ２は、それぞれ異なる画素１６１と画素１６２との位置に集光する。但し、バンドパスフィルタアレイ１３２の大きさ又はマイクロレンズＭＬの倍率などによって、バンドパスフィルタ部１３の実像は１画素のみに集光するとは限らず、複数の画素上に集光することもある。
　図６（ａ）、（ｂ）は、マイクロレンズアレイ１５側から見た画素１６と、バンドパスフィルタアレイ１３２の実像１３２’との関係を説明する図である。図６（ａ）と（ｂ）との違いは、バンドパスフィルタアレイ１３２の大きさ、及び、レンズ１４とマイクロレンズＭＬによる、実像１３２’の結像倍率により、実像１３２’が結像する画素１６の領域が変わっている点である。
　図６（ａ）において、実像１３２’は７×７の４９個の画素１６の領域に結像している。図６（ａ）に示されたように、例えば太線の矩形に示された実像１３２ｂ’は画素１６ａ～１６ｉを含んだ９つの画素（３×３）に結像されている。ここで、画素１６ｅにはバンドパスフィルタ１３２ｂを透過した光束Ｌ１のみが結像している。一方、例えば画像１６ａには２つのバンドパスフィルタ１３２ａ、１３２ｂを透過した光束からなる実像１３２ａ’、実像１３２ｂ’が結像している。また例えば画像１６ｉには４つのバンドパスフィルタ１３２ｂ、１３２ｃ、１３２ｅ、１３２ｆを透過した光束からなる実像１３２ｂ’、実像１３２ｃ’、実像１３２ｅ’実像１３２ｆ’が結像している。
　このため、被写体１１の波長特性を求めるときには、例えばバンドパスフィルタ１３２ｂを透過した光束Ｌ１のみが入射した画素１６ｅでバンドパスフィルタ１３２ｂを透過した光束Ｌ１の特性を求める。同様に、ほかの８つのバンドパスフィルタの実像１３２ａ’、１３２ｃ’～１３２ｉ’においても、９つの画素（３×３）の真ん中の画素１６を用いて光束の波長特性を求める。
　図６（ｂ）において、実像１３２’は６×６の３６個の画素１６の領域に結像している。図６（ｂ）に示されたようにバンドパスフィルタ１３２ｂの実像１３２ｂ’は画素１６ｐ～１６ｓを含んだ４つの画素に結像される。このとき、例えばバンドパスフィルタ１３２ｂを透過した光束Ｌ１の特性を求める際には、４つの画素１６ｐ～１６ｓのいずれか一つを用いてもよく、すべての出力を合算してもよい。同様に、ほかの８つのバンドパスフィルタの実像１３２ａ’、１３２ｃ’～１３２ｉ’も４つの画素１６の領域に結像される。このため、各光束の波長特性を求めるときには、それぞれの画素１６を用いる。
　＜マイクロレンズＭＬと画素１６とのピッチ関係＞
　バンドパスフィルタアレイ１３２を透過した光束が効率的に活用されるためには、図６（ｂ）に示すように、光電変換素子１７の画素１６と、その上に形成されるバンドパスフィルタ１３２ａ～１３２ｉの像が正しく合致する方が好ましい。このため、マイクロレンズアレイ１３と光電変換素子１７とのＸＹ方向の位置を合わせるだけでなく、両者のピッチを相対的に補正する。このようなピッチ関係について、図７を参照しながら説明する。
　図７は、マイクロレンズアレイ１５のマイクロレンズＭＬと光電変換素子１７の画素１６とのピッチ関係を説明するための図である。図７において、Ｙｌは光軸Ａｘ中心からマイクロレンズＭＬの中心までの距離である。次に、バンドパスフィルタアレイ１３２の射出瞳位置に見る虚像１３２’’の光軸Ａｘ上の点から射出する光束ＬＬを考える。この時、Ｙｓは光軸Ａｘから、光束ＬＬがマイクロレンズＭＬの中心を透過して到達する光電変換素子１７の画素１６上の点までの距離である。また、Ｌはバンドパスフィルタアレイの虚像１３２’’（撮像光学系１０の射出瞳）からマイクロレンズアレイ１５までの距離である。Ｔはマイクロレンズアレイ１５と光電変換素子１７との距離で、ｆはマイクロレンズＭＬの焦点距離である。
　また図７に示されたように、像側が非テレセントリックな光学系になっている。なお、像側が非テレセントリックであるため、バンドパスフィルタアレイ１３２を透過し、マイクロレンズＭＬ中心を透過する光束ＬＬは外側へ広がりながら光電変換素子１７の画素１６上に到達する。ここで、結像の基本公式より以下の数式（１）が得られる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
 　…　（１）
　数式（１）をＴについて解くと、数式（２）の左式が得られる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
 　…　（２）
　数式（２）において、ｆ≪Ｌであるので、マイクロレンズアレイ１５と光電変換素子１７との距離ＴはマイクロレンズＭＬの焦点距離ｆとほぼ同じとなり、数式（２）の右式に示されたとおりである。つまり、バンドパスフィルタアレイ１３２の実像はマイクロレンズアレイ１５からほぼ焦点距離ｆの位置に形成されている。
　また、図７に示された幾何関係により、ＹｌとＹｓとは数式（３）を満たしている。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
 　…　（３）
　数式（２）の左式を数式（３）に代入すると、数式（４）が得られる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
 　…　（４）
　数式（４）の関係はマイクロレンズアレイ１５の全てのマイクロレンズＭＬに対して成立するので、以下の数式（５）が得られる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
 　…　（５）
　数式（５）において、Ｐｌはマイクロレンズアレイ１５のマイクロレンズピッチで、Ｐｓは光電変換素子１７の画素ピッチで、ｎは１つのマイクロレンズＭＬに対応する一次元方向（Ｘ或いはＹ軸方向）の画素１６の数である。つまり、マイクロレンズピッチＰｌと画素ピッチＰｓとは数式（５）を満たす必要がある。
　上述のように、像側が非テレセントリックな光学系の場合、マイクロレンズアレイ１５のマイクロレンズピッチＰｌをやや小さ目に設計するほうが好ましい。
　一方、像側がテレセントリックな光学系の場合はＬ→∞と考えれば良く、数式（５）から以下の数式（６）が得られる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
 　…　（６）
　数式（６）から分かるように、マイクロレンズアレイ１５のマイクロレンズピッチＰｌは、以下の数式（７）を満たすように設計するほうが望ましい。
　Ｐｌ＝ｎＰｓ　…　（７）
　上述のように、マイクロレンズアレイ１５のマイクロレンズＭＬと光変換素子１７の画素１６のピッチ関係について説明した。しかし、実際のピッチ合わせでは、誤差が生じることがある。以下、マイクロレンズＭＬと画素１６とのピッチ合わせに誤差が生じた場合でも、分光特性の測定に影響を与えない方法について、図８（ａ）～（ｃ）を参照しながら説明する。図８（ａ）はマイクロレンズＭＬと画素１６、またその上に形成される各バンドパスフィルタの実像との位置関係を示す。なお、ここでは、１つのバンドパスフィルタの実像（１３２ｙ’）に、２つの画素（１６３，１６４）が対応する場合を例にしている。図８（ｂ）はマイクロレンズＭＬと画素１６とのピッチ合わせが正しく行われた場合を示す。図８（ｃ）はマイクロレンズＭＬと画素１６とのピッチ合わせにずれが生じた場合を示す。
　マイクロレンズＭＬと画素１６とのピッチ合わせが正しく行われると、図８（ｂ）に示すように、バンドパスフィルタの実像１３２ｙ’が、２つの画素１６３，１６４上の正規の位置に形成される。しかし、マイクロレンズＭＬと画素１６とのピッチ合わせにずれが生じると、図８（ｃ）に示すように、バンドパスフィルタの実像１３２ｙ’が、隣接する画素１６５に被ることになる。このようになると、各バンドパスフィルタ間での干渉が生じて、分光特性が正しく測定できないおそれがある。
　このような状況に対応するため、予めずれを考慮して、マイクロレンズアレイ１５のマイクロレンズＭＬと光変換素子１７の画素１６とのピッチ合わせをする必要がある。図８（ｂ）に示すように、バンドパスフィルタの実像１３２ｙ’から隣接する画素１６５までの所定方向の距離をσとし、光変換素子１７の画素１６の所定方向のピッチをＰｓとし、画素１６の所定方向の有効寸法をｕとし、バンドパスフィルタが二次元状に配列された複数の画素１６３，１６４上に形成する実像１３２ｙ’の所定方向の寸法をｔとしたとき、以下の式（８）が得られる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
 　…　（８）
　マイクロレンズＭＬ間の所定方向のピッチＰｌが誤差を有する場合、最外周部ほど累積値が大きくなる。このため、ピッチＰｌに許容される誤差は、マイクロレンズＭＬが所定方向に配列される個数をＮａとしたとき、σをNa/2で割る必要があり、(3Ps－u－t)/Naとなる。さらに、このピッチＰｌの誤差は、±で考える必要がある。その結果、マイクロレンズＭＬ間の所定方向のピッチＰｌは、以下の数式（９）を満たすように設計されることが望ましい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000010
 　…　（９）
　数式（９）を満足すれば、マイクロレンズアレイ１５のマイクロレンズＭＬと光変換素子１７の画素１６とのピッチ合わせにずれが生じた場合でも、そのずれが分光特性の測定に影響を与えることがない。
　＜マイクロレンズアレイ１５と光電変換素子１７とのＸＹ方向の位置合わせ＞
　以下、マイクロレンズアレイ１５と光電変換素子１７とのＸＹ方向の位置合わせについて、図９～図１１を参照しながら説明する。図９は、マイクロレンズアレイ１５と光電変換素子１７とを拡大して示した図である。図１０（ａ）は、１つのマイクロレンズＭＬに対するＹ軸方向の画素１６が奇数個の場合におけるマイクロレンズアレイ１５と光電変換素子１７との位置合わせを示している。図１０（ｂ）は、１つのマイクロレンズＭＬに対するＹ軸方向の画素１６が偶数個の場合におけるマイクロレンズアレイ１５と光電変換素子１７との位置合わせを示している。図１１は、光電変換素子１７の画素１６の面内回転調整を示している。
　図９に示されたように、マイクロレンズアレイ１５と光電変換素子１７との間にはマイクロレンズアレイ１５と光電変換素子１７との距離を決めるスペーサＳＣが配置されている。マイクロレンズアレイ１５と光電変換素子１７との距離Ｔ、すなわちスペーサＳＣの厚さは数式（２）で得られる値とする。
　また、Ｙ軸方向の位置決めを一例として説明する場合では、マイクロレンズアレイ１５に対して垂直、且つＹ軸方向の中心部に平行な光ＰＬを照射する。このとき、光電変換素子１７の画素と光電変換素子１７の画素上に形成されるスポットＳＰとの関係を図１０にしている。
　図１０（ａ）に示されたように、例えば中心のマイクロレンズＭＬに対するＹ軸方向の画素が奇数個（２６ａ～２６ｃ）である場合では、奇数個の中心部の画素２６ｂの出力が最大になるようにマイクロレンズアレイ１５に対して光電変換素子１７を相対的に移動させて位置決めが行われる。すなわち、スポットＳＰが画素２６ｂに位置するように位置決めを行う。
　図１０（ｂ）に示されたように、例えば中心のマイクロレンズＭＬに対するＹ軸方向の画素が偶数個（３６ａ～３６ｄ又は３６ｅ～３６ｈ）である場合では、偶数個の中心の一つ上の画素３６ｂと一つ下の画素３６ｃと、又は画素３６ｆと画素３６ｇとの出力が吊り合うようにマイクロレンズアレイ１５に対して光電変換素子１７を相対的に移動させて位置決めが行われる。すなわち、スポットＳＰが画素３６ｂと画素３６ｃとの間、又は画素３６ｆと画素３６ｇとの間に位置するように位置決めを行う。
　以上マイクロレンズアレイ１５と光電変換素子１７とのＹ軸方向の位置決めに関して説明してきたが、同様に、Ｘ軸方向に対しても位置決めが行われる。また、図９では１つのマイクロレンズＭＬにマイクロレンズＭＬの径と同等な光ＰＬを照射する場合を一例として説明したが、複数のマイクロレンズＭＬに大きな径を有する光ＰＬを照射してもよい。この場合では、光電変換素子１７の中心にある画素１６から得られる信号のみを検出すればよい。
　＜マイクロレンズアレイ１５と光電変換素子１７との回転調整＞
　マイクロレンズアレイ１５と光電変換素子１７との回転調整（位置決め）について、図１１を参照しながら説明する。ここで、回転調整は図９及び図１０で説明されたＸＹ方向の位置合わせも含めて同時に行うことにする。
　図１１の点線に示されたように、例えばマイクロレンズアレイ１５が９×９個の８１個のマイクロレンズＭＬで構成されている。なお、マイクロレンズアレイ１５と光電変換素子１７との回転調整を行うために、マイクロレンズアレイ１５の３つのマイクロレンズＭＬに図９に示されたような平行な光ＰＬを照射する。例えば、マイクロレンズアレイ１５のＸ軸方向の中心線に位置したマイクロレンズＭＬ５１、並びマイクロレンズアレイ１５のＹ軸方向の中心線に位置したマイクロレンズＭＬ１５及びＭＬ９５が選ばれる。また、マイクロレンズＭＬ５１に対応するスポットをＳｘとし、マイクロレンズＭＬ１５に対応するスポットをＳｙ１とし、マイクロレンズＭＬ９５に対応するスポットをＳｙ２とする。
　マイクロレンズアレイ１５と光電変換素子１７との回転調整を行うとき、スポットＳｘが光電変換素子１７のＸ軸方向の中心線Ｗｘに、スポットＳｙ１及びＳｙ２が光電変換素子１７のＹ軸方向の中心線Ｗｙに位置するように、光電変換素子１７の位置を調整する。これにより、マイクロレンズアレイ１５のＸＹ方向の中心線と光電変換素子１７のＸＹ方向の中心線とが重ねる。すなわち、マイクロレンズアレイ１５と光電変換素子１７との回転調整、およびＸＹ方向の位置合わせが同時に行われる。
　ここで、スポットＳｙ１及びＳｙ２で光電変換素子１７のＹ軸方向の中心線Ｗｙの位置を決定するので、スポットＳｙ１とＳｙ２とが互いに大きく離れている方が回転調整の精度は向上する。また、図１１では、Ｘ軸方向の位置決めを１箇所で行いＹ軸方向の位置決めを２箇所で行ったが、Ｘ軸方向の位置決めを２箇所で行いＹ軸方向の位置決めを１箇所で行っても同様である。
　＜マイクロレンズアレイ１５と光電変換素子１７との位置合わせ誤差の影響低減＞
　上述のように、マイクロレンズアレイ１５と光電変換素子１７とに関してピッチ合わせ、ＸＹ方向の位置合わせ、及び回転調整について説明した。しかし、実際のピッチ合わせＸＹ方向の位置合わせでは誤差が生じことがある。以下、ＸＹ方向の位置合わせに誤差が生じた場合の誤差の影響低減について、図１２及び図１３を参照しながら説明する。図１２はバンドパスフィルタアレイ１３２の実像１３２’の位置ずれを示している。図１３（ａ）は遮光帯２３３を有するバンドパスフィルタアレイ２３２の平面図で、（ｂ）は不感帯４７を有する光電変換素子の画素４６の平面図である。
　マイクロレンズアレイ１５と光電変換素子１７とのピッチ合わせ、ＸＹ方向の位置合わせ、及び回転調整が正しく行われると、図１２に示された太線の位置にバンドパスフィルタアレイ１３２の実像１３２’が形成される。ここで、実像１３２’は図６（ｂ）に示されたように各バンドパスフィルタの実像はちょうど４つの画素１６に結像される。しかし、実際にＸＹ方向の位置合わせに誤差が生じると、点線に示されたようにバンドパスフィルタアレイ１３２の実像が正規の位置からずれて像１３２ｚ’が形成される。したがって、バンドパスフィルタ１３２ａ～１３２ｉ（図２を参照）同士の干渉が生じて分光特性が正しく測定できない可能性がある。
　また、マイクロレンズＭＬの結像性能が悪い場合には、バンドパスフィルタアレイ１３２の実像１３２’がボケることにより広がってしまう場合もある。したがって、バンドパスフィルタ１３２ａ～１３２ｉ（図２を参照）同士の干渉が生じて分光特性が正しく測定できない。
　このような状況に対応して、バンドパスフィルタ１３２ａ～１３２ｉの実像同士に隙間を持たせることが望ましい。このためには、図１３（ａ）に示されたようにバンドパスフィルタ１３２ａ～１３２ｉ同士の間に光を遮る遮光帯２３３を形成することが好ましい。このような構成によれば、バンドパスフィルタ１３２ａ～１３２ｉ同士の間から光が漏れて分光特性の測定に影響を与えることも防止できる。
　このような状況に対応して、図１３（ｂ）に示されたように光電変換素子１７の各画素４６同士の間に光が入射しても電気信号を出力しない不感帯４７を形成することが好ましい。このような構成によれば、バンドパスフィルタアレイ１３２の実像１３２’がボケてもそのボケた部分（図では太線に示す）が不感帯４７に位置して分光特性の測定に影響を与えない。以上、ＸＹ方向の位置合わせに誤差が生じた場合の誤差の低減について説明したが、ピッチ合わせに関して誤差が生じた場合も、遮光帯又は不感体を設けるような方法で、誤差を低減できる。
　＜マルチバンドカメラ１００の全体構成＞
　図１４は、マルチバンドカメラ１００の全体構成を示した概略図である。図１４に示されたように、マルチバンドカメラ１００は、撮像部５０と、撮像部５０からのデータの処理を行う中央演算処理装置（ＣＰＵ（Central Processing Unit））５１とを備えている。なお、ＣＰＵ５１は、校正係数演算部５１１と、内部メモリ５１２と、分光測定部５１３と、画像生成部５１４とを有している。
　またマルチバンドカメラ１００は、撮像部５０により撮像された二次元分光画像を記憶する画像メモリ５２と、その画像メモリ５２に記録された二次元分光画像を表示する表示部となるディスプレイ５３とをさらに備えている。
　マルチバンドカメラ１００において、ＣＰＵ５１と画像メモリ５２及びディスプレイ５３とはバス５５を介して接続されている。
　マルチバンドカメラ１００により各波長領域の波長特性を測定するとき、バンドパスフィルタ部１３及びマイクロレンズアレイ１５の感度の校正を行うことが好ましい。この感度の校正は、校正係数演算部５１１により行われる。
　すなわち、校正係数演算部５１１は、基準被写体（図示しない）を撮像することで各波長領域に関する校正係数を求める。このとき、基準被写体として例えば分光反射率が明確な真っ白な紙と発光スペクトルが明確な白色光源が用いられる。
　内部メモリ５１２は、校正係数演算部５１１により求められた校正係数を記憶する。内部メモリ５１２はデータの読み書き可能なものであればよい。
　分光測定部５１３は、撮像部５０により撮像された被写体１１（図１を参照）の画像データと内部メモリ５１２に記録された校正係数とに基づいて、各波長領域の波長特性を求める。また分光測定部５１３で求められた波長特性に基づいて、図１５に示されたように各波長領域の強度グラフを表示部となるディスプレイ５３に表示する。
　図１５は、マルチバンドカメラ１００で撮像された被写体１１（図１を参照）上の１点の分光強度グラフである。被写体１１（図１を参照）上の点Ｐから出た光はバンドパスフィルタアレイ１３２の９個のバンドパスフィルタ１３２ａ～１３２ｉを通過する。分光強度グラフは、それらの波長特性の光の強度を示したグラフである。
　画像生成部５１４は、撮像部５０により撮像された被写体１１（図１を参照）の画像データに基づいて、被検体１１を表示部となるディスプレイ５３に表示する。ディスプレイ５３がＲＧＢの三原色の表示素子であり、バンドパスフィルタアレイ１３２が９個のバンドパスフィルタであるとする。この場合、画像生成部５１４は、実像１３２ａ’～１３２ｃ’の画像出力をＲに対応させ、実像１３２ｄ’～１３２ｆ’の画像出力をＧに対応させ、実像１３２ｇ’～１３２ｉ’の画像出力をＢに対応させたりする。
　＜マルチバンドカメラ１００によるマルチバンド画像撮像方法＞
　マルチバンドカメラ１００によるマルチバンド画像撮像方法について、図１６を参照しながら説明する。図１６は、マルチバンドカメラ１００によるマルチバンド画像撮像方法を示したフローチャートである。
　ステップＳ１１では、数式（５）を満たしているマイクロレンズＭＬを含んだマイクロレンズアレイ１５が用意される。
　ステップＳ１２では、マイクロレンズアレイ１５と光電変換素子１７との位置合わせが行われる。ステップＳ１２については、図９～図１１及び図１７を参照しながら説明する。図１７は、マイクロレンズアレイ１５と光電変換素子１７との位置合わせステップＳ１３を説明したフローチャートである。
　図１７に示されたステップＴ１２１において、図９に示されたように、マイクロレンズアレイ１５に対して垂直、且つほぼ平行光束である光ＰＬが入射する。すると、図１０に示されたように中心のマイクロレンズに対応する光電変換素子１７の画素にはスポットＳＰが形成される。
　ステップＴ１２２において、ステップＳ１１で求められたマイクロレンズＭＬと光電変換素子１７の画素１６とのピッチ関係に基づいて、中心のマイクロレンズに対応するＹ軸（又はＸ軸）方向の画素の数が奇数個である場合にステップＴ１２３に進む。また、中心のマイクロレンズに対応するＹ軸方向の画素の数が偶数個である場合にステップＴ１２４に進む。
　ステップＴ１２３において、中心のマイクロレンズに対応する例えばＹ軸（又はＸ軸）方向の画素の数が奇数個のとき、スポットＳＰが真ん中の画素に形成するようにマイクロレンズアレイ１５と光電変換素子１７とが調整される（図１０（ａ）を参照）。同時に、Ｙ軸方向の中心位置Ｓｙ１、Ｓｙ２、及びＸ軸方向の中心位置Ｓｘで位置ずれを検出することでマイクロレンズアレイ１５と光電変換素子１７とのＸ軸方向、Ｙ軸方向、回転の調整が行われる（図１１を参照）。
　ステップＴ１２４において、中心のマイクロレンズに対応する例えばＹ軸（又はＸ軸）方向の画素の数が偶数個のとき、スポットＳＰが真ん中の２つの画素の間に形成するようにマイクロレンズアレイ１５と光電変換素子１７とが調整される（図１０（ｂ）を参照）。同時に、Ｙ軸方向の中心位置Ｓｙ１、Ｓｙ２、及びＸ軸方向の中心位置Ｓｘで位置ずれを検出することでマイクロレンズアレイ１５と光電変換素子１７とのＸ軸方向、Ｙ軸方向、回転の調整が行われる（図１１を参照）。
　ステップＴ１２３及びＴ１２４では、Ｘ軸方向の位置決めを１箇所で行いＹ軸方向の位置決めを２箇所で行ったが、Ｘ軸方向の位置決めを２箇所で行いＹ軸方向の位置決めを１箇所で行っても同様である。
　図１６のフローチャートに戻り、ステップＳ１３では、光電変換素子１７の各画素１６に対して感度の校正が行われる。ステップＳ１３については、図１８～図２１を参照しながら説明する。図１８は、光電変換素子１７の各画素１６に対して行われる感度の校正ステップＳ１３を説明したフローチャートである。図１９は校正係数を求める前の準備工程の説明図で、図２０は校正係数を求める説明図で、図２１は各画素１６と校正用バンドパスフィルタＢＰＦｊ（１～α）の出力との関係を示したグラフである。
　図１８に示されたステップＴ１３１において、図１９に示されたように完全拡散板ＤＰ、校正用バンドパスフィルタＢＰＦｊ及びパワーメータＰＭが配置される。ここで、図１６のステップＳ１２で説明されたようにマイクロレンズアレイ１５と光電変換素子１７との位置合わせ後に、各画素１６に対して感度の校正を行う。理想的には、各バンドパスフィルタの分光透過率や、マイクロレンズアレイの特性、光電変換素子の分光感度等が既知であれば計算により校正できる。しかし、種々の誤差が含まれてしまうため、実験的に校正係数を求めることが望ましい。
　また、実験的に校正係数を求めるためには、全てのバンドパスフィルタの波長域のスペクトルを含み、撮像光学系１０の視野角内で均一な光を照射できる光源が好ましい。そこで、図１９及び後述の図２０では光源として太陽光ＳＬが用いられている。さらに、校正用バンドパスフィルタＢＰＦｊ（ｊ＝１～α、αはバンドパスフィルタアレイのバンドパスフィルタ数）は、バンドパスフィルタアレイ１３２内の一つのバンドパスフィルタの特性に等しい分光透過率特性を有している。また、完全拡散板ＤＰと校正用バンドパスフィルタＢＰＦｊとの距離は、完全拡散板ＤＰから撮像光学系１０のピントが合う範囲内とする（図２０を参照）。
　ステップＴ１３２において、校正用バンドパスフィルタＢＰＦｊの後側に配置されたパワーメータＰＭは、完全拡散板ＤＰに反射され校正用バンドパスフィルタＢＰＦｊを透過した太陽光ＳＬの単位面積当たりの光量Ｉｊ（１～α）を記録する。
　ステップＴ１３３において、校正用バンドパスフィルタＢＰＦｊが交換される。α枚の校正用バンドパスフィルタＢＰＦｊ中にステップＴ１３２で使われなかった校正用バンドパスフィルタＢＰＦｊを交換する。
　ステップＴ１３４において、ステップＴ１３２及びＴ１３３を繰り返しながら各校正用バンドパスフィルタＢＰＦｊに対して光量Ｉｊ（１～α）を測定して記録する。
　ステップＴ１３５において、図２０に示されたように、撮像部５０がパワーメータＰＭの位置に位置するようにマルチバンドカメラ１００が設置される。図２０では説明を助けるために、撮像部５０及びＣＰＵ５１のみが描かれている。
　ステップＴ１３６において、マルチバンドカメラ１００はそのピントを完全拡散板ＤＰに合わせて撮像する。
　ステップＴ１３７において、光電変換素子１７の各画素１６に対して出力が読み出される。
　ステップＴ１３８において、校正用バンドパスフィルタＢＰＦｊに対して閾値を越す出力が抽出される。なお、図２１に示されたように校正用バンドパスフィルタＢＰＦｊに対応する画素１６からの出力ＥＸ２とそれ以外の画素１６からの出力ＥＸ１とは大きな差が生じるので、閾値は低い値に設定することが好ましい。その後、校正用バンドパスフィルタＢＰＦｊに対応する画素１６からの出力値ＥＸ２がＣＰＵ５１に記録される。
　ステップＴ１３９において、ステップＴ１３８で抽出された校正用バンドパスフィルタＢＰＦｊに対応する画素１６の出力値ＥＸ２をステップＴ１３４で記録された光量Ｉｊで除算して各画素に対する校正係数Ｒｊｋ（ｋ＝１～β）が求められる。なお、βは校正用バンドパスフィルタＢＰＦｊに対応する画素１６の数を示し、マイクロレンズＭＬの数に等しいか又はその整数倍である。
　ステップＴ１４０において、ステップＴ１３３で説明されたように、校正用バンドパスフィルタＢＰＦｊを交換しながらステップＴ１３７及びＴ１３９を繰り返す。これにより、全ての校正係数Ｒｊｋが求められる。
　図１９及び図２０において各画素１６の感度の校正には照明光として太陽光ＳＬを使用しているが、ランプの光を照射してもよい。但し、ランプを使用する場合は、拡散板上で光量ムラが生じやすいので、予め光量ムラを別途測定して、その校正を行うことが望ましい。しかし、各画素間の感度が揃っていることが確認されていれば、簡易的には、ある一つのバンドパスフィルタに対する出力を基準として、他のバンドパスフィルタに対する出力の相対的な感度比のみを補正値として使用してもよい。
　再び図１６のフローチャートに戻り、ステップＳ１４では、ステップＳ１３で求められた各バンドパスフィルタ１３２ａ～１３２ｉを透過する各波長領域の画素１６に対する校正係数が内部メモリ５１２に記憶される。一度校正係数を取得すれば、その後ステップＳ１１～Ｓ１４の各工程を必ずしも行う必要はない。
　ステップＳ１５では、操作者はレリーズボタン（不図示）を押して、被写体１１（図１を参照）を撮像する。光電変換素子１７から被写体１１の画像データが画像メモリ５２に送られる。
　ステップＳ１６では、ステップＳ１５で求められた被写体１１の画像データが画像メモリ５２に記憶される。
　ステップＳ１７では、ステップＳ１３で求められた校正係数及びステップＳ１６で記憶された被写体１１の画像データに基づいて、分光測定部５１３は各バンドパスフィルタ１３２ａ～１３２ｉを透過する各波長領域の光束の波長特性を求める。
　図６（ａ）に示された場合には、各バンドパスフィルタ１３２ａ～１３２ｉの実像１３２ａ’～１３２ｉ’のそれぞれが結像する９個（３×３）の画素１６の中から、１つのバンドパスフィルタのみの実像が結像している画素１６を用いて各波長領域の光束の波長特性が求められる。一方、図６（ｂ）に示された場合には、各バンドパスフィルタ１３２ａ～１３２ｉの実像１３２ａ’～１３２ｉ’のそれぞれが結像する４つの画素１６中の少なくとも一つの画素１６を用いて各波長領域の光束の波長特性が求められる。
　ステップＳ１８では、画像生成部５１４によりステップＳ１７求められた波長特性がグラフの形でディスプレイ５３に表示される（図１５を参照）。
　ステップＳ１９では、画像メモリ５２に記憶された被写体１１の画像データに基づいて、画像生成部５１４は、被写体１１の全体画像をディスプレイ５３に表示する。なお、ステップＳ１７及びＳ１８とステップＳ１９とは並行に行われてもよい。
　（第１実施形態の変形例）
　＜撮像部５０’の構成＞
　図２２は第１実施形態の変形例である撮像部５０’の概略図で、図２３は光量調整部２１の構成を示した斜視図で、図２４は光量調整部２１の特性を示したグラフである。上述したように、バンドパスフィルタ部１３は撮像光学系１０の瞳の位置に配置されている。このため、絞り羽根からなる絞りを瞳の位置に配置することが困難である。そこで、偏光子からなる光量調整部２１を配置している。
　図２２に示されたように、撮像部５０’は第１実施形態で説明された撮像部５０に光量調整部２１が付加されている。本実施形態では光量調整部２１はその軸を光軸Ａｘに合わせるように撮像光学系１０のレンズ１２とバンドパスフィルタ部１３との間に配置されている。しかし、光量調整部２１は被検体１１から光電変換素子１７までの間であればどこに配置されてもよい。
　図２３に示されたように、光量調整部２１は一対の偏光子２１ａ及び２１ｂから構成されている。なお、偏光子２１ｂは偏光子２１ａに対して相対的に矢印Ａｒに沿って回転することができる。このため、偏光子２１ａに入射された入射光Ｌｉは偏光子２１ｂの回転により偏光子２１ｂを射出する射出光Ｌｏとなる。これにより、射出光Ｌｏの光量は図２４に示された正弦波状に変化される。
　第１実施形態の変形例では、偏光子２１ｂが偏光子２１ａに対して相対的に回転した。しかし、逆に偏光子２１ａが偏光子２１ｂに対して回転しても同じ効果が得られ、偏光子２１ａと偏光子２１ｂとが相対的に回転すれば良い。
　またこの偏光子には、波長依存性や角度依存性の少ない偏光特性を有するワイヤグリッドを用いることが好ましい。
　（第２実施形態）
　＜撮像部６０の構成＞
　図２５は、第２実施形態の撮像部６０の概略図である。図２５において第１実施形態と同じ構成要件には同じ符号を付して説明する。
　図２５に示された撮像部６０は光軸Ａｘに配置されたレンズ１２及びレンズ１４から構成された撮像光学系１０と、リレーレンズ３１ａ及びリレーレンズ３１ｂから構成されたリレー光学系３１とを備える。リレー光学系３１のリレーレンズ３１ａとリレーレンズ３１ｂとの間の瞳の位置には、バンドパスフィルタ部１３（図２を参照）が配置されている。また、被写体１１の共役位置には複数のマイクロレンズＭＬから構成されたマイクロレンズアレイ１５が配置されている。さらに、マイクロレンズアレイ１５の＋Ｚ側、且つバンドパスフィルタ部１３の共役位置に複数の画素１６から構成された光電変換素子１７を備える。
　このような構成にすると、バンドパスフィルタ部１３がリレー光学系３１の中に配置されている。このため、倍率の異なる他の撮像光学系１０に交換できる。これにより、マルチバンドカメラ１００の撮像倍率を調整することができる。
　第２実施形態においても、第１実施形態の変形例で説明されたように、撮像部６０に一対の偏光子２１ａ、２１ｂから構成された光量調整部２１（図２３を参照）が付加されてもよい。
　＜撮像部６０での光路＞
　被写体１１の一点Ｐからの光束Ｌ１、Ｌ２は、撮像光学系１０のレンズ１２、１４で屈折されて被写体１１の実像Ｐ’が点線で描かれた面Ｈに結像される。そして、光束Ｌ１、Ｌ２はリレー光学系３１に入射する。また、リレー光学系３１のレンズ３１ａで屈折された光束Ｌ１、Ｌ２はバンドパスフィルタ部１３に入射する。
　例えば、光束Ｌ１がバンドパスフィルタ部１３のバンドパスフィルタ１３２ｈ（図２を参照）を透過し、光束Ｌ２がバンドパスフィルタ部１３のバンドパスフィルタ１３２ｂ（図２を参照）を透過する。すなわち、光束Ｌ１に含まれた波長領域が６７０ｎｍ～７１０ｎｍの光のみがバンドパスフィルタ部１３を透過する。同様に、光束Ｌ２に含まれた波長領域が４３０ｎｍ～４７０ｎｍの光のみがバンドパスフィルタ部１３を透過する。
　バンドパスフィルタ部１３を透過した光束Ｌ１、Ｌ２は、リレー光学系３１のレンズ３１ｂで屈折されてマイクロレンズアレイ１５に入射する。ここで、マイクロレンズアレイ１５が被写体１１及び面Ｈと共役位置に配置されているので、実像Ｐ’の実像Ｐ”がマイクロレンズアレイ１５に結像される。このため、被写体１１の一点Ｐからの光束Ｌ１、Ｌ２はマイクロレンズアレイ１５の同一のマイクロレンズＭＬ１に入射する。
　また第２実施形態においても、光電変換素子１７の画素１６はバンドパスフィルタと共役位置もしくは共役位置近傍に配置されてある。マイクロレンズＭＬ１の焦点距離はレンズ３１ｂの焦点距離よりも桁違いに短いので、バンドパスフィルタ１３２ｂ、１３２ｈと共役な位置はマイクロレンズＭＬ１の焦点近傍である（図５を参照）。
　以上、本発明の最適な実施形態について説明したが、当業者に明らかなように、本発明はその技術的範囲内において実施例に様々な変更を加えて実施することができる。
　例えば、本発明ではＣＰＵ、画像メモリ及びＬＣＤなどがマルチバンドカメラに付属されているが、外部のパソコンなどに設けられてもよい。
　１０　…　撮像光学系
　１１　…　被写体
　１２、１４　…　レンズ
　１３　…　バンドパスフィルタ部
　１３１　…　遮光部
　１３２、２３２　…　バンドパスフィルタアレイ
　１３２ａ～１３２ｉ、２３２ａ～２３２ｉ　…　バンドパスフィルタ
　１３２’　…　バンドパスフィルタアレイの実像
　１３２ａ’～１３２ｉ’　…　バンドパスフィルタの実像
　１３２ｙ’　…　バンドパスフィルタの実像
　１５　…　マイクロレンズアレイ
　１６、１６１、１６２、１６３、１６４、１６５、１６ａ～１６ｉ、１６ｐ～１６ｓ、２６ａ～２６ｃ、３６ａ～３６ｈ、４６　…　光電変換素子の画素
　１７　…　光電変換素子
　２１　…　光量調整部
　２１ａ、２１ｂ　…　偏光子
　３１　…　リレー光学系
　３１ａ、３１ｂ　…　レンズ
　４７　…　不感帯
　５０、５０’、６０　…　撮像部
　５１　…　ＣＰＵ
　５１１　…　校正係数演算部
　５１２　…　内部メモリ
　５１３　…　分光測定部
　５１４　…　画像生成部
　５２　…　画像メモリ
　５３　…　ディスプレイ
　５５　…　バス
　１００　…　マルチバンドカメラ
　２３３　…　遮光帯
　Ａｘ　…　光軸
　ＢＰＦｊ　…　校正用バンドパスフィルタ
　ＤＰ　…　完全拡散板
　ＥＸ１、ＥＸ２　…　各画素に対する出力
　Ｈ　…　撮像光学系１０による被写体の像面
　ＭＬ、ＭＬ１　…　マイクロレンズ
　Ｐ　…　被写体上の一点
　Ｐ’　…　一点Ｐの実像
　Ｐ”　…　実像Ｐ’の実像
　ＰＭ　…　パワーメータ
　ＳＣ　…　スペーサ
　ＳＬ　…　太陽光
　ＳＰ　…　スポット

Claims (15)

  1. 　被検体を撮像する際に撮像波長領域を互いに異なる４以上に分割された波長バンドで撮像するマルチバンドカメラにおいて、
    　光学系の瞳の位置に配置され、前記４以上に分割された波長バンドをそれぞれ透過させる４以上の光学フィルタを有するバンドパスフィルタと、
    　正のマイクロレンズが二次元状に配列されたマイクロレンズアレイと、
    　前記マイクロレンズアレイの焦点付近かつ前記バンドパスフィルタと共役位置もしくは共役位置近傍に配置され、前記バンドパスフィルタを透過し前記マイクロレンズアレイにより導かれた光束が入射する二次元状に配列された複数の画素からなる光電変換素子と、
    　前記光学フィルタに対応する前記画素からの信号出力に基づいて、前記被検体からの前記光束の分光強度を測定する測定部と、を備え、
    　前記マイクロレンズアレイの前記マイクロレンズ間の所定方向のピッチをＰｌとし、
    　前記光電変換素子の前記画素の前記所定方向のピッチをＰｓとし、
    　１つの前記マイクロレンズに対応する前記所定方向の前記画素の数をｎとし、
    　前記画素の所定方向の有効寸法をｕとし、
    　前記二次元状に配列された複数の画素上に形成される前記バンドパスフィルタの実像の所定方向の寸法をｔとし、
    　前記マイクロレンズが所定方向に配列される個数をＮａとし、
    　前記瞳に対応する射出瞳から前記マイクロレンズまでの距離をＬとし、
    　前記マイクロレンズの焦点距離をｆ（≪Ｌ）とすると、
    　下記の数式を満たすマルチバンドカメラ。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000011
  2. 　前記被検体の実像が前記マイクロレンズ上に形成されることを特徴とする請求項１に記載のマルチバンドカメラ。
  3. 　前記画素は矩形形状で、
    　前記バンドパスフィルタの各光学フィルタも矩形形状であり、前記各光学フィルタは光を遮る遮光領域がなく隣り合うように並べて配置される請求項１又は請求項２に記載のマルチバンドカメラ。
  4. 　前記画素は矩形形状で、
    　前記バンドパスフィルタの各光学フィルタも矩形形状であり、
    　前記バンドパスフィルタは、前記フィルタの隣り合う同士の間に光を遮る遮光領域を介して並べて配置される請求項１又は請求項２に記載のマルチバンドカメラ。
  5. 　前記光電変換素子は、前記画素の隣り合う同士の間に光束が入射しても電気信号を出力しない不感帯を有している請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のマルチバンドカメラ。
  6. 　前記マイクロレンズ１個に対応する前記光電変換素子の画素数を、前記光学フィルタの数の整数倍とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のマルチバンドカメラ。
  7. 　前記光学系は前記被検体の第１実像を形成する撮像光学系又は前記撮像光学系の前記第１実像から第２実像を形成するリレー光学系を含む請求項１から請求項６のいずれか一項に記載のマルチバンドカメラ。
  8. 　前記バンドパスフィルタが前記リレー光学系に配置されている請求項７に記載のマルチバンドカメラ。
  9. 　前記マイクロレンズアレイと前記光電変換素子との間には、下記の数式を満たす厚さＴのスペーサが配置されている請求項１から請求項８に記載のマルチバンドカメラ。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000012
  10. 　前記光電変換素子からの信号出力に基づいて、前記被検体を表示する表示部を備える請求項１から請求項９のいずれか一項に記載のマルチバンドカメラ。
  11. 　前記被検体と前記光電変換素子とを結ぶ光軸上に配置される一対の偏光子を備え、
    　前記一対の偏光子中、少なくとも１枚の偏光子が前記光軸の周りを相対的に回転可能である請求項１から請求項１０のいずれか一項に記載のマルチバンドカメラ。
  12. 　前記光学系を構成するレンズのうち、前記瞳よりも前記被写体側の前記レンズのみを前記被検体と前記光電変換素子とを結ぶ光軸方向に移動させることにより、前記被検体の実像が前記マイクロレンズ上に結像するように調整される請求項１から請求項１１のいずれか一項に記載のマルチバンドカメラ。
  13. 　光学系の瞳の位置に配置された４以上に分割された波長バンドに対応する光学フィルタを有するバンドパスフィルタと、前記バンドパスフィルタを透過した光束を導くマイクロレンズアレイとを介して、被検体を二次元に配列された画素からなる光電変換素子で撮像するマルチバンド画像撮像方法であって、
    　下記の数式を満たした前記マイクロレンズを有する前記マイクロレンズアレイを用意する用意工程と、
    　前記光電変換素子の各前記画素に対して感度の校正を行う感度校正工程と、
    　前記バンドパスフィルタと前記マイクロレンズアレイとを介して、前記被検体を前記光電変換素子で撮像する撮像工程と、
    　前記撮像工程で撮像された信号出力に基づいて、前記分割された波長バンド毎の分光強度を測定する測定工程と、を備えるマルチバンド画像撮像方法。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000013
     　ここで、Ｐｌは前記マイクロレンズアレイの前記マイクロレンズ間の所定方向のピッチを示し、
    　Ｐｓは前記光電変換素子の前記画素の前記所定方向のピッチを示し、
    　ｎは１つの前記マイクロレンズに対応する前記所定方向の前記画素の数を示し、
    　ｕは前記画素の所定方向の有効寸法を示し、
    　ｔは前記二次元状に配列された複数の画素上に形成される前記バンドパスフィルタの実像の所定方向の寸法を示し、
    　Ｎａは前記マイクロレンズが所定方向に配列される個数を示し、
    　Ｌは前記瞳に対応する射出瞳から前記マイクロレンズまでの距離を示し、
    　ｆは前記マイクロレンズの焦点距離を示している。
  14. 　前記用意工程後、及び前記感度校正工程前に、
    　前記所定方向に前記マイクロレンズアレイの真ん中に位置したマイクロレンズに入射した平行光により前記光電変換素子上に形成されたスポットが、前記所定方向に前記マイクロレンズアレイの真ん中に位置したマイクロレンズに対応する前記光電変換素子の複数の画素の前記所定方向における真ん中に位置するように、前記マイクロレンズアレイと前記光電変換素子との前記光電変換素子面内での位置合わせを行う位置合わせ工程を備える請求項１３に記載のマルチバンド画像撮像方法。
  15. 　前記撮像工程で撮像された信号出力に基づいて、表示部に前記被検体の像、又は像の各部位のスペクトルを表示する表示工程を備える請求項１３又は請求項１４に記載のマルチバンド画像撮像方法。
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