【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、例えばレーザ光を使った光切断法などの結像光学系への使用に適した狭帯域透過フィルタに関する。
【０００２】
【従来の技術】
被写体を撮像するに際して、外乱光による光学的なノイズの影響を低減するために被写体から発せられる特定の波長の光のみを検出する様々な方法が従来から知られている。このとき、測定対象光のスペクトルが予め分かっている場合には、外乱光との間でのＳ／Ｎ比を向上させるために、透過光の帯域制限を行う光学フィルタを用いることが多い。
【０００３】
これに用いる一定範囲の波長の光だけを透過させる光学フィルタとして例えば色ガラスフィルタがある。これは色ガラスフィルタに含まれる色素によってある波長帯域の光が吸収される原理を利用したもので、例えば赤い色ガラスフィルタであると赤に関連するかなり広い範囲の波長の光を透過する。このように光の透過波長帯域が広くても問題ない場合には色ガラスフィルタなども使われるが、透過波長帯域が狭い場合にはもっぱら干渉フィルタが用いられる。測定対象光の帯域が狭い場合の例としては、例えば測定対象物を照らす光源としてレーザ光など単一スペクトルもしくは狭帯域の光源を用いる場合や、測定対象物から発せられる特定の波長の光のみを観測したい場合などがある。
【０００４】
干渉フィルタを使う上での問題点として、干渉フィルタへの入射角に応じて透過波長帯域が変化してしまうことが挙げられる。通常、干渉フィルタは入射角φ＝０°として設計されるが、入射角φが大きくなるにつれて、入射角φ＝０°の場合に比べて透過波長帯域が短波長側へシフトする性質がある。具体的には入射角φに対する透過中心波長λφは次のように表される。
λφ＝λ０｛１−（ｎ／ｎ’）２ｓｉｎ２φ｝１／２…（１）
λ０：入射角が０°の時の透過中心波長
ｎ：干渉フィルタの周囲の屈折率（通常は空気のためｎ＝１）
ｎ’：干渉フィルタの干渉膜の屈折率
例えば、天体望遠鏡のように画角が極めて狭い場合には対物レンズの外側に干渉フィルタを置くだけで干渉フィルタの設計値どおりの透過波長帯域を得ることができる。
【０００５】
しかしながら、カメラの広角レンズのように、画角が数十度にも及ぶ場合、光学系の内部に干渉フィルタを設置しようとしても、干渉フィルタへ入る光線の入射角を０°若しくは十分小さいとみなされるように配置できる場所は、通常の広角光学系には存在しない。従って、干渉フィルタをこの光学系の何れかの部分に無理に挿入したとしても、上述のように透過波長がシフトしてしまう部分が残るため、撮像光学系全体において目的とする狭帯域の波長のみを透過させることが不可能となる。なお、このような問題点を解決する従来技術としていくつかの方法が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００６】
【特許文献１】
特開平７−４９４１７号公報（第２−３頁、図１）
【発明が解決しようとする課題】
上述した広角の結像光学系で干渉フィルタを用いながら透過波長を所望の波長に狭帯域化する公知の具体的構成とその欠点について以下に説明する。
【０００７】
第１の従来構成としては、図８に示すように、光学系を像側テレセントリックに設計することで像側の光をほぼ平行光にし、この平行光となっている部分に干渉フィルタを配置した構成が挙げられる。
【０００８】
第１の従来構成は、被写体Ｍから出た光をピンホール１０１を介してピンホール１０１から焦点距離ｆの位置に配置されたレンズ１０２に入光させ、これによって光を平行光とし、この平行光を干渉フィルタ１０３を透過させながら撮像素子１０４に結像させる構成をとっている。
【０００９】
しかしながら、第１の従来構成では、光軸と平行光を形成するに当って必ずピンホール１０１を用いなければならず、画像が暗くなるという欠点がある。従って、常に強い光を対象物に当てながら撮像すれば良いが、実際の撮像条件は常にこのような好条件にあるとはいえず、対象物が暗くて明るい光学系が必要とされる場合には使用に適さないという欠点がある。
【００１０】
一方、特許文献１に記載の第２の従来構成としては、図９及び図１０に示すように、マイクロレンズアレイを使って像からの光線を平行光にし、この平行光となっている部分に干渉フィルタを配置した構成が挙げられる。具体的には、図９に示すように、結像用レンズ２０１と可視部検出素子アレイ（撮像素子）２０５との間に第１のマイクロレンズ２０２、干渉フィルタ２０３、及び第２のマイクロレンズ２０４を配置した構成を備えている。そして、被写体（図示せず）から出た光を結像用レンズ２０１を介して第１のマイクロレンズ２０２に入光することで平行光化し、この平行光を干渉フィルタ２０３を介して第２のマイクロレンズ２０４に入光させ、これによって再び可視部検出素子アレイ２０５に結像させるようになっている。
【００１１】
なお、図１０に示すように、第１のマイクロレンズ２０２は、厚さ１．５λ（λは透過すべき光の波長）のマイクロレンズエレメント２０２ａを多数互いに密着させた状態で平行配置した構成をとっており、第２のマイクロレンズ２０４は、厚さ１．２λのマイクロレンズエレメント２０４ａを多数互いに密着させた状態で平行配置した構成をとっている。
【００１２】
かかる第２の従来構成では、所望の特性の結像光学系とするためには可視部検出素子アレイ２０５の画素よりもマイクロレンズ２０２，２０４の各レンズエレメント２０２ａ，２０４ａの径を十分小さくする必要がある。具体的には、この従来構成によると像が一本一本のマイクロレンズエレメント２０２ａ，２０４ａごとに離散化される（粒々になる）。その為、マイクロレンズエレメント２０２ａ，２０４ａのピッチが撮像素子の解像度より十分に細かいとはいえない場合、撮像素子に写る像が空間的に離散化してしまい撮像素子の解像度が損なわれることになる。
【００１３】
その為、細かい撮像素子を備えた高解像度のカメラを用いる場合、マイクロレンズのレンズエレメント径を極めて小さくしなければならず、コスト高を招くとともに技術的な限界も生じる場合がある。
【００１４】
本発明の目的は、結像光学系において画像の明るさを損なわずに、かつ結像側での空間解像度を高く保ったまま透過波長を狭帯域化できる狭帯域透過フィルタを提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上述の課題を解決するために、本発明にかかる狭帯域透過フィルタは、少なくとも２つのレンズで構成されたリレーレンズの間に干渉フィルタを介在させたことを特徴としている。
【００１６】
本発明にかかる狭帯域透過フィルタは像側テレセントリックレンズやマイクロレンズを用いる代わりにリレーレンズを用いて、このリレーレンズの間に干渉フィルタを介在させている。そのため、像側テレセントリックレンズによる従来例のように被写体を常に明るく照射する必要はなく、撮像条件に制約を受けない。また、マイクロレンズアレイのような解像度を原理的に制限するものが無いため、マイクロレンズのエレメント径に起因する解像度の制約を受けなくて済む。これによって光学系の設計次第では理論的な限界まで解像度を上げることが可能となり、かつ所望の狭帯域透過特性を得ることができる。
【００１７】
また、本発明の請求項２に記載の狭帯域透過フィルタは、少なくとも２つのレンズで構成されたリレーレンズの間に干渉フィルタを介在させた狭帯域透過フィルタであって、当該狭帯域透過フィルタを介して透過させたい光線の波長帯域の上限が、光線最大入射角度における干渉フィルタの透過中心波長と干渉フィルタの許容透過率に対応する透過波長帯域の半幅との和以下であり、かつ当該狭帯域透過フィルタを介して透過させたい光線の波長帯域の下限が、光線入射角度０°における干渉フィルタの透過中心波長と干渉フィルタの許容透過率に対応する透過波長帯域の半幅との差以上であることを特徴としている。
【００１８】
請求項１に記載の作用に加えて以下の作用を有している。具体的には、リレーレンズを用いた結像光学系において、リレーレンズの間に干渉フィルタを介在させた場合、干渉フィルタへの入射角を完全に０°にすることができない。しかしながら、請求項２に記載の条件を満足するような狭帯域透過フィルタとすることで、光線の入射角度が光軸と厳密に一致せず、これに伴って干渉フィルタの透過波長帯域がシフトしても、狭帯域透過フィルタを介して透過させたい光線の波長帯域のみを透過することができる。
【００１９】
また、入射角、帯域幅、及び干渉フィルタの干渉膜の屈折率を上記条件を満たすように設計することで透過可能な狭帯域幅を任意に設計でき、所望の狭帯域透過フィルタを用途に応じて得ることができる。
【００２０】
また、本発明の請求項３に記載の狭帯域透過フィルタアッセンブリは、請求項１に記載の狭帯域透過フィルタをマウント付きレンズアッセンブリとして構成したことを特徴としている。
【００２１】
狭帯域透過フィルタをマウント付のレンズアッセンブリとして構成することにより、市販のカメラ（撮像装置）に容易に組み付けることができる。また、結像レンズを取り替えることで画角（焦点距離）を変えたり、カメラを取り替えることにより解像度やフレームレートを変更するなど使用上の自由度を高めることができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第１の実施形態にかかる狭帯域透過フィルタについて図面に基いて説明する。なお、以下の説明に伴う図面に関して干渉フィルタやレンズの断面図は、光路の明確化を図るためにハッチングを省略してある。
【００２３】
本発明の第１の実施形態にかかる狭帯域透過フィルタ１は、図１に示すように所定間隔離間して平行に配置された第１のレンズ１１と第２のレンズ１２からなるリレーレンズ１０と、第１のレンズ１１と第２のレンズ１２の間に介在された干渉フィルタ２０を備えている。
【００２４】
そして、広角レンズなどの結像光学系により結像された像Ａを焦点距離が十分長い第１のレンズ１１と、第２のレンズ１２を通して像Ａ’として再度結像させるようになっている。即ち、像Ａは第１のレンズ１１に対して焦点距離ｆだけ離れた位置にあり、像Ａからの光線は第１のレンズ１１を介して互いに平行光となり、この平行光のうち、特定狭帯域の波長の光線のみが干渉フィルタ２０を透過して第２のレンズ１２に入光し、当該レンズ１２から焦点距離ｆ’だけ離れた位置で第２の像Ａ’が結像するようになっている。なお、第１のレンズ１１の焦点距離ｆと第２のレンズ１２の焦点距離ｆ’は同じであっても良いし、異なっていても良い。
【００２５】
そして、第１のレンズ１１の焦点距離ｆは焦点距離が十分長く取られている。このように焦点距離ｆを長くした理由は、リレーレンズ１０の場合は干渉フィルタ２０への入射角φを完全に０°にすることができないが、第１のレンズ１１の焦点距離を長くすることにより入射角をなるべく小さくして後述する所望の入射角範囲内に収まるようにするためである。すなわち、平行光線が光軸となす角度を十分小さくすることで後述する干渉フィルタ２０の透過波長帯域がシフトする量も小さくすることができ、透過すべき光の波長を干渉フィルタ２０の狭い透過帯域幅の中に含めることができる。
【００２６】
図１からも明らかなように、リレーレンズ内、即ち第１のレンズ１１と第２のレンズ１２の間では、結像光学系により結像された像Ａからの光線は、光軸に対してある角度（入射角）を持った平行光となっている。なお、像Ａの位置が同じである場合、リレーレンズの焦点距離ｆが長いと、リレーレンズ間での平行光線が光軸となす角度が小さくなることが同図から分かる。
【００２７】
図中矢印で示されている像Ａはある程度の大きさを有したレーザ光により照らされた対象物の像からなる。かかるレーザ光の像の具体例として、例えば三次元計測の一手法である光切断法におけるレーザ光の像が例示できる。より具体的には携帯電話などの立体形状を測定する際に携帯電話に照射されたライン状のレーザ光などが例示できる。
【００２８】
ここで本実施形態においてレーザ光を例示した理由は、様々な外乱光が存在する室内環境であっても明るいライン状の光を発光するレーザ光の像だけを鮮明にフィルタリングする必要がある場合に本実施形態のような狭帯域透過フィルタの使用が特に適しているためである。即ち、光学的なノイズが多い環境下における結像系において特定の波長の光だけを透過させてＳ／Ｎ比を向上させるのに伴う本実施形態の優位点を十分に説明するためにレーザ光を例示したものであり、本実施形態にかかる狭帯域フィルタの適用対象をレーザ光の結像光学系に限定するものではない。すなわち、レーザ光と例示したのは狭帯域波長を発する光源の典型であるからであり、レーザ光以外の狭帯域波長を発する光源を使った場合にも同様な効果が得られる。
【００２９】
干渉フィルタ２０は、上述した通りリレーレンズ１０の第１のレンズ１１と第２のレンズ１２との間、即ち、リレーレンズ１０に入った光線が互いに平行になると共に光線と光軸が略平行となる位置に配置されている。そして、干渉フィルタ２０は、図２に示す断面構造から明らかなように、ガラス基板２１と、ガラス基板２１の一側に形成された干渉膜２２とから構成されている。干渉膜２２は数百ナノメートル程度（光の波長程度）の膜厚を有し、干渉膜２２の厚みに応じて干渉フィルタ２０を透過させる光の狭波長帯を任意に選択できるようになっている。
【００３０】
続いて、本実施形態にかかる狭帯域透過フィルタ１によって選択的に透過できる波長について説明する。なお、以下に記載する一連の式は文献名「光学」、サイエンスライブラリ物理学＝９（サイエンス社出版、村田和美著）から抜粋したものである。ここで、干渉フィルタ２０の透過中心波長は以下の式で表される。λｍ＝２ｎ’ｈｃｏｓφ’／ｍ・・・（２）
ｎ’：干渉膜の屈折率
ｈ：干渉膜の厚み
φ’：干渉膜内部の屈折角
ｍ：干渉次数（１，２，３，・・・）である。
【００３１】
従って、干渉膜への入射角φ＝０°のとき、屈折角φ’＝０°となるので、入射角φ＝０°のときの透過中心波長λ０は以下の式で表される。
λ０＝２ｎ’ｈ／ｍ・・・（３）
式（３）から明らかなように、干渉膜の厚みｈ、干渉膜の屈折率ｎ’、干渉次数ｍから透過中心波長λ０を一義的に求めることができる。
【００３２】
また、入射角０°の時の透過波長全幅Δλ０は、透過中心波長λ０における干渉フィルタ２０の波長と透過率の関係を表した特性図に基づいて求めることができる。すなわち、この特性図における予め定めた許容透過率ｔに対応する部分の透過波長全幅が求めたい透過波長全幅Δλ０となる。具体的には、図３に示すように許容透過率が７０％とすると、縦軸ｔ＝０．７における干渉フィルタ２０の透過波長全幅Δλ０を同図の特性図から一義的に求めることができる。
【００３３】
即ち、式（３）に示す透過中心波長λ０及び図３の特性図から求まる透過波長全幅Δλ０は全て設計事項であると言え、設計者は特定の透過中心波長λ０及び透過波長全幅Δλ０を有する干渉フィルタ２０を選択的に入手したり自ら設計することが可能である。
【００３４】
続いて、入射角の変化による干渉フィルタ２０の透過波長帯域のシフトについて説明する。通常、干渉フィルタ２０は入射角φ＝０°とした場合の透過波長帯域を基準として設計されるが、干渉フィルタ２０の特性として入射角が大きくなるに従って入射角φ＝０°の場合に比べて透過波長帯域が短波長側へシフトする性質がある。以下に入射角φに対する透過中心波長λφがどのように求まるかを説明する。
【００３５】
干渉膜への入射角と屈折角との関係はスネルの法則より以下の式で表される。
ｎｓｉｎφ＝ｎ’ｓｉｎφ’・・・（４）
ｎ：干渉フィルタの周囲（手前部分）の屈折率（空気の場合は１）
φ：干渉膜への入射角
ｎ’：干渉膜の屈折率
φ’：干渉膜内部の屈折角
以上より、入射角φにおける干渉フィルタの透過中心波長λφを表すと以下の通りとなる。
λφ＝λ０ｃｏｓφ’＝λ０｛１−（ｎ／ｎ’）２ｓｉｎ２φ｝１／２・・・（５）
λ０：入射角が０°の時の透過中心波長
ｎ：干渉フィルタの周囲の屈折率（通常は空気のためｎ＝１）
φ：干渉膜への入射角
ｎ’：干渉フィルタの干渉膜の屈折率
φ’：干渉膜内部の屈折角
式（５）から明らかなように、λφは入射角φ＝０°のときに最大値をとり、入射角度が大きくなるに従い、λφは小さな値となる。
また、透過波長全幅Δλφは許容透過率ｔとの関係で透過中心波長λφに比例するため以下の式で表される。
Δλφ＝Δλ０ｃｏｓφ’＝Δλ０｛１−（ｎ／ｎ’）２ｓｉｎ２φ｝１／２・・（６）
Δλ０：入射角０°の時の透過波長全幅
ｎ：干渉フィルタの周囲の屈折率（通常は空気のためｎ＝１）
φ：干渉膜への入射角
ｎ’：干渉フィルタの干渉膜の屈折率
φ’：干渉膜内部の屈折角
また、干渉フィルタへの最大入射角φｍａｘは、図１に示した像の、高さＨの位置から出た光が焦点距離ｆを有する第１のレンズを介して干渉フィルタに入射する際の角度であるため、以下の式で表される。
φｍａｘ＝ｔａｎ−１Ｈ／ｆ・・・（７）
ｆ：焦点距離
Ｈ：像の高さ
なお、像の高さＨと第１のレンズの焦点距離ｆは設計事項であるので、これらの設計事項からφｍａｘを一義的に求めることができる。
【００３６】
従って、干渉フィルタ２０への最大入射角φｍａｘにおける透過中心波長λφ ｍａｘは、式（７）で求めたφｍａｘを式（５）に代入することで以下のように求まる。
λφ ｍａｘ＝λ０｛１−（ｎ／ｎ’）２ｓｉｎ２φｍａｘ｝１／２・・・（８）
ｎ：空気の屈折率＝１
ｎ’：干渉膜の屈折率＝１．５
Δλ０：入射角０°の時の透過波長全幅
φｍａｘ：最大入射角
また、入射角φｍａｘのときの透過波長全幅Δλφ ｍａｘは式（７）で求めたφｍａｘを式（６）に代入することで以下のように求まる。
Δλφ ｍａｘ＝Δλ０｛１−（ｎ／ｎ’）２ｓｉｎ２φｍａｘ｝１／２・・・（９）
図４は、本実施形態における干渉フィルタ２０の入射角φと透過波長帯域との関係を示した図である。同図から明らかなように、入射角φ＝０°における干渉フィルタ２０の透過波長帯域は以下の通りである（図中、下段太線部参照）。
λ０−Δλ０／２≦λ＝０°≦λ０＋Δλ０／２・・・（１０）
また、入射角φにおける干渉フィルタ２０の透過波長帯域λは以下の通りである（図中、中段太線部参照）。
λφ−Δλφ／２≦λ≦λφ＋Δλφ／２・・・（１１）
また、入射角φｍａｘにおける干渉フィルタ２０の透過波長帯域λは以下の通りである（図中、上段太線部参照）。
λφ ｍａｘ−Δλφ ｍａｘ／２≦λ≦λφ ｍａｘ＋Δλφ ｍａｘ／２・・・（１２）
以上の式（１０）〜式（１２）と図４より、最大入射角φｍａｘ以下の全ての入射角φに対して透過率ｔ以上で入射された光が透過する波長帯域λは、全ての透過波長帯域において重複する波長帯域（図中、３本の太線部が重なる範囲）である以下の範囲となる。
λ０−Δλ０／２≦λ≦λφ ｍａｘ＋Δλφ ｍａｘ／２・・・（１３）
なお、透過させたい光の波長λはごく僅かの幅を有していることを前提とする必要がある。これは、例えば、レーザ光を光源とした場合、光源の温度変化や半導体レーザ自体の公差、干渉フィルタ自体の公差等、様々な公差が実際には存在するため、これらの公差を考慮して実用上問題ない範囲での透過波長λの上限値λｍａｘ及び下限値λｍｉｎを決めておく必要がある。
【００３７】
従って、式（１３）と上述した透過波長λの上限値λｍａｘ、下限値λｍｉｎが以下の条件を満たすことが本実施形態にかかる狭帯域透過フィルタ１の光透過作用を十分に発揮させるための条件となる。
λｍａｘ≦λφ ｍａｘ＋Δλφ ｍａｘ／２・・・（１４）
λ０−Δλ０／２≦λｍｉｎ・・・（１５）
上記式（１４）、式（１５）の条件を満たすような透過中心波長干渉λ０と透過波長全幅Δλ０を有する干渉フィルタ２０を選択的に入手するか設計することにより、所望の透過波長帯域を有する狭帯域透過光学系を実現することが可能となる。
【００３８】
以上説明したように、本実施形態にかかる狭帯域透過フィルタ１は、像側テレセントリックやマイクロレンズを用いる代わりにリレーレンズ１０を用い、リレーレンズ１０の間に干渉フィルタ２０を介在させている。そのため、像側テレセントリックによる従来構成のように被写体を常に明るく照射する必要はなく、撮像条件に制約を受けなくて済む。
【００３９】
また、マイクロレンズアレイのように解像度を原理的に制限するようなものが無く、マイクロレンズのエレメント径に起因する解像度の制約を受けなくて済む。これによって光学系の設計次第では理論的な限界まで解像度を上げることが可能となり、かつ所望の狭帯域透過特性を得ることができる。
【００４０】
続いて、上述した本実施形態にかかる狭帯域透過フィルタ１の具体的設計手順の一例について説明する。なお、この設計手順は上述の記載を簡略化したものである。
【００４１】
まず、例えばレーザ光を光源とした場合、光源の温度変化や半導体レーザ自体の公差等、干渉フィルタの公差等様々な公差を考慮してそのレーザ光に関する実用上問題ない範囲での透過波長λの上限値λｍａｘ、及び下限値λｍｉｎを決定する。
【００４２】
次いで、狭帯域透過フィルタのスペックを決定する。このスペック決定に当たって、まず干渉膜の厚みｈ、干渉膜の屈折率ｎ’、干渉次数ｍ（通常はｍ＝１）から入射角０°の時の透過中心波長λ０を式（３）を用いて一義的に求める。続いて、入射角０°の時の透過波長全幅Δλ０を、図３に示した特性図と許容透過率ｔとの関係から求める。続いて、像の高さＨと焦点距離ｆとの関係から式（７）を用いて最大入射角φｍａｘを求める。なお、この像の高さＨと焦点距離ｆとを適当に選択することで狭帯域透過フィルタ１の全長を長くしたり短くしたりすることができる。
【００４３】
そして、干渉フィルタの周囲の屈折率ｎと干渉フィルタの干渉膜の屈折率ｎ’とから式（８）を用いて最大入射角φｍａｘにおける透過中心波長λφ ｍａｘを求めると共に、式（９）を用いて最大入射角φｍａｘにおける透過波長全幅Δλφ ｍａｘを求める。
【００４４】
以上の過程で求めた入射角０°の時の透過中心波長λ０、透過波長全幅Δλ０、最大入射角φｍａｘにおける透過中心波長λφ ｍａｘ、透過波長全幅Δλφ ｍａｘから式（１３）を用いて全ての入射角φにおける透過可能な狭波長帯域を求める。
【００４５】
最後に、光源であるレーザ光についての透過波長の全範囲（λｍｉｎ〜λｍａｘ）が式（１３）を用いて求めた全ての入射角φにおける透過可能な狭波長帯域に含まれることを検証する。これによって、この狭帯域透過フィルタが予め規定した波長帯域を有するレーザ光の像のみを撮像可能であることを確認することができる。
【００４６】
なお、本実施形態にかかる狭帯域透過フィルタの構成は原理的には上述の通りであるが、図５に示す本実施形態の変形例に示すように、結像光学系により結像された像から出る光線をリレーレンズに効率よく送り込むために、像の位置に結像レンズ３５、及びフィールドレンズ（視野レンズ）３６を挿入することも可能である。なお、フィールドレンズ３６の設計については、一般に広く知られているためここでは詳細には説明しないが、例えば結像光学系の最も像に近い側の結像レンズ３５の像が、リレーレンズ３０の第１のレンズ３１における位置で第１のレンズ３１の大きさと同じかそれより小さくなるようにフィールドレンズ３６を付加的に設計することが本実施形態の好適な変形例として考えられる。これによって、結像光学系より出力されたすべての光線をリレーレンズ３０へ送り込むことが可能となり、干渉フィルタ４０で透過されかつ第２のレンズ３２でイメージセンサ等に結像される像を明るくはっきりと写し出すことが可能となる。即ち、視野レンズ（フィールドレンズ３６）は本発明の作用効果を発揮する上での必須要件ではないが、視野レンズを用いることでリレーレンズによって結像される像の明るさをより明るく鮮明にする付加的な作用効果を発揮する。
【００４７】
続いて、本発明の第２の実施形態にかかる狭帯域透過フィルタについて説明する。第２の実施形態にかかる狭帯域透過フィルタ５は、図６に示すように、第１のレンズ５１と第２のレンズ５２からなるリレーレンズ５０と、リレーレンズ５０の第１のレンズ５１と第２のレンズ５２との間に配置された干渉フィルタ６０と、第１のレンズ５１からこのレンズの焦点距離だけ離間した位置に配置された視野レンズ５５と、これらの構成要素を収容し、両端部にいわゆるＣマウント面７０ａ，７０ｂが形成された円筒状のハウジング７０を備えている。
【００４８】
そして、ハウジング７０の一方のＣマウント面７０ａにはＣマウントレンズ８１が結合されるようになっており、他方のＣマウント面７０ｂにはＣマウントカメラ８２が結合されるようになっている。
【００４９】
なお、第２のレンズ５２の焦点距離は、ハウジング７０のＣマウント面７０ｂにＣマウントカメラ８２を結合した際、第２のレンズ５２の焦点距離だけ離間した位置にＣマウントカメラの撮像素子（ＣＣＤ）８３がちょうど位置するような焦点距離を有している。なお、本実施形態においてはマウント形式をＣマウントと紹介したが、必ずしもこれに限定されるものではなく市販の結像レンズや撮像装置を結合可能であれば如何なるマウント方式も適用可能なことは言うまでもない。
【００５０】
このように、本実施形態にかかる狭帯域透過フィルタアッセンブリ５は、Ｃマウントで例示したマウント付のレンズアッセンブリとして構成されることで、市販のカメラ（撮像装置）に容易に組み付けることができる。また、Ｃマウントレンズ（結像レンズ）を取り替えることで画角（焦点距離）を変えたり、Ｃマウントカメラ（撮像装置）を取り替えることにより解像度やフレームレートを変更すること等も可能となる。
【００５１】
続いて、上述した第２の実施形態に関連して具体的な設計数値を例示し、本発明にかかる狭帯域透過フィルタの有用性を、実施例的説明を行うことで以下に明らかにする。
【００５２】
本発明にかかる狭帯域透過フィルタを設計する一実施例として、対象物に６３５ｎｍの波長のレーザ光が当っており、このレーザ光に照らされた部分だけＣＣＤカメラで写す場合について考えた。また、干渉フィルタの透過中心波長λ０は、式（３）において干渉膜の屈折率ｎ’、干渉膜の厚みｈ、干渉次数ｍの適当な設計値を代入することで、λ０＝６３６ｎｍ（Ｚｎ線用干渉フィルタ）とした。なお、レーザ光の波長は光源の温度変化や半導体レーザ自体の公差、干渉フィルタ自体の公差等を考慮して６３５ｎｍ±３ｎｍのふれを有するとした。従って、レーザ光の最小波長λｍｉｎ＝６３５−３＝６３２ｎｍ、レーザ光の最大波長λｍａｘ＝６３５＋３＝６３８ｎｍとなった。
【００５３】
一方、リレーレンズの焦点距離ｆ＝４０ｍｍ、視野レンズにおける像の大きさ（中心からの距離）Ｈ＝４ｍｍと設計した（図６参照）。よって、φｍａｘは式（７）から以下の角度となった。
φｍａｘ＝ｔａｎ−１（４／４０）＝５．７°
そして、φｍａｘ＝５．７°のときの透過中心波長λφ ｍａｘは式（８）から以下の通りとなった。
λφ ｍａｘ＝λ０｛１−（ｎ／ｎ’）２ｓｉｎ２φｍａｘ｝１／２＝６３４．６ｎｍ
また、許容透過率ｔ＝０．７（７０％）とすると、干渉フィルタの透過中心波長λ０（６３６ｎｍ）の場合の許容透過率ｔに対応する透過波長帯域の全幅Δλ０は、図３に相当する特性図から、以下のように求まった。
Δλ０≒１０ｎｍ
なお、入射角φｍａｘ＝５．７°における許容透過率ｔに対応する透過波長帯域の全幅Δλφ ｍａｘもΔλ０と実質上等しいとみなせるので、Δλφ ｍａｘ≒１０ｎｍとした。
【００５４】
従って、入射角φｍａｘ＝５．７°では、入射角φ＝０°のときの透過中心波長λ０よりも若干シフトしてλφ ｍａｘ＝６３４．６ｎｍとなる。その為、入射角φｍａｘ＝５．７°における透過波長帯域は６２９．６ｎｍ〜６３９．６ｎｍ（６３４．５±５ｎｍ）となる。
【００５５】
一方、φ＝０°のときの透過波長範囲は６３１．０ｎｍ〜６４１．０ｎｍ（６３６±５ｎｍ）であることから、この光学系はこれらの共通透過波長帯域である６３１．０ｎｍ〜６３９．６ｎｍの波長の光を透過できることが分かる。この波長範囲は発光波長の温度変化や半導体レーザ自体の公差、干渉フィルタの公差を考慮した波長範囲λｍｉｎ＝６３２ｎｍ〜λｍａｘ＝６３８ｎｍを含むため、この狭帯域透過フィルタを使えば、外乱光をキャンセルしてレーザに照らされた部分の撮像したい画像のみを撮像素子に写せることが確認できた。以上の説明から本発明にかかる狭帯域透過フィルタを用いれば、結像光学系における特定のレーザ光で形成された像のみを外乱光の影響を受けずに明るく鮮明に撮像可能であることが検証できた。
【００５６】
なお、上述の実施形態においてはリレーレンズを互いに平行に離間して配置された第１のレンズと第２のレンズから構成されると紹介したが、必ずしもこれに限定されず、第１のレンズと第２のレンズの一方もしくは両方がレンズ群により構成されていても良い。この場合、干渉フィルタは第１のレンズと第２のレンズの間にサンドイッチ状態で挟まれる構成を有することで本発明の作用効果を発揮することが可能となる。
【００５７】
また、例えば図７に示すようにリレーレンズの中心部に間隙が無いリレーレンズ９０を使用しても良い。この場合、干渉フィルタは何れかのレンズの組み合わせで挟まれた部分に配置されるが、干渉フィルタ９６を一枚だけ各レンズの配列方向中心に対して非対称に配置しても良く、２枚の干渉フィルタ９６，９７を各レンズの配列方向中心に対して対称に配置しても良い。
【００５８】
なお、図７に示すように複数枚の凹レンズと凸レンズ間の光線は厳密な意味で光軸に対し平行光となっていない。しかしながら、このような場合であっても上述した光軸とずれた入射角による干渉フィルタの透過波長帯域のシフト及び入射角０°における干渉フィルタの透過波長帯域の重複部分が透過させるべき光の波長帯域を完全に含んでいれば何ら問題はない。即ち、本発明におけるリレーレンズ間の光線が光軸に対し平行になった領域に干渉フィルタを介在させることにおける「光軸に平行」の技術的意義は、厳密な意味での「平行」に限定されるものではなく、「ほぼ平行」も含まれることにも留意すべきである。
【００５９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る狭帯域透過フィルタは、像側テレセントリックレンズやマイクロレンズを用いる代わりにリレーレンズを用いて、このリレーレンズの間に干渉フィルタを介在させている。そのため、像側テレセントリックレンズによる従来例のように被写体を常に明るく照射する必要はなく、撮像条件に制約を受けない。また、マイクロレンズアレイのような解像度を原理的に制限するものが無いため、マイクロレンズのエレメント径に起因する解像度の制約を受けなくて済む。これによって光学系の設計次第では理論的な限界まで解像度を上げることが可能となり、かつ所望の狭帯域透過特性を得ることが可能となる。
【００６０】
また、本発明の請求項２に記載の狭帯域透過フィルタは、請求項１に記載の作用に加えて以下の作用を有している。具体的には、リレーレンズを用いた結像光学系において、リレーレンズの間に干渉フィルタを介在させた場合、干渉フィルタへの入射角を完全に０°にすることができない。しかしながら、請求項２に記載の条件を満足するような狭帯域透過フィルタとすることで、光線の入射角度が光軸と厳密に一致せず、これに伴って干渉フィルタの透過波長帯域がシフトしても、狭帯域透過フィルタを介して透過させたい光線の波長帯域のみを透過することが可能となる。
【００６１】
また、入射角、帯域幅、及び干渉フィルタの干渉膜の屈折率を上記条件を満たすように設計することで透過可能な狭帯域幅を任意に設計でき、所望の狭帯域透過フィルタを用途に応じて得ることが可能となる。
【００６２】
また、本発明の請求項３に記載の狭帯域透過フィルタアッセンブリは、狭帯域透過フィルタをマウント付のレンズアッセンブリとして構成することにより、市販のカメラ（撮像装置）に容易に組み付けることができる。また、結像レンズを取り替えることで画角（焦点距離）を変えたり、カメラを取り替えることにより解像度やフレームレートを変更することなども可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態にかかる狭帯域透過フィルタの概略構成を示す図である。
【図２】干渉フィルタの一部断面及びこれに光線が透過する状態を示した説明図である。
【図３】入射角度０°における干渉フィルタの透過波長と透過率との関係を示す図である。
【図４】干渉フィルタの透過波長と入射角との関係を示す説明図である。
【図５】図１の変形例にかかる狭帯域透過フィルタの概略構成を示す図である。
【図６】本発明の第２の実施形態にかかる狭帯域透過フィルタアッセンブリの概略構成を示す図である。
【図７】図１に示す狭帯域透過フィルタ及び図６に示す狭帯域透過フィルタアッセンブリに示したリレーレンズの変形例を示す図である。
【図８】従来から用いられているテレセントリック光学系と干渉フィルタを組み合わせた概略構成を示す図である。
【図９】マイクロレンズと干渉フィルタを組み合わせた従来型の撮像光学系を示す全体構成図である。
【図１０】図９に示す撮像光学系のマイクロレンズと撮像素子の部分のみを拡大して示した図である。
【符号の説明】
１，５ 狭帯域透過フィルタ
１０ リレーレンズ
１１ 第１のレンズ
１２ 第２のレンズ
２０ 干渉フィルタ
２１ ガラス基板
２２ 干渉膜
３５ 結像レンズ
３６ フィールドレンズ（視野レンズ）
５１ 第１のレンズ
５２ 第２のレンズ
５５ 視野レンズ
６０ 干渉フィルタ
７０ ハウジング
７０ａ，７０ｂ Ｃマウント面
８１ Ｃマウントレンズ
８３ 撮像素子（ＣＣＤ）
９０ リレーレンズ
９１〜９５ レンズ
９６，９７ 干渉フィルタ
１０１ ピンホール
１０２ レンズ
１０３ 干渉フィルタ
１０４ 撮像素子
２０１ 結像用レンズ
２０２ 第１のマイクロレンズ
２０３ 干渉フィルタ
２０４ 第２のマイクロレンズ
２０４ａ マイクロレンズエレメント
２０５ 可視部検出素子アレイ（撮像素子）
Ａ，Ａ’ 像
Ｍ 被写体[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a narrow band transmission filter suitable for use in an imaging optical system such as a light cutting method using a laser beam.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art When imaging a subject, various methods for detecting only light of a specific wavelength emitted from the subject in order to reduce the influence of optical noise due to disturbance light are conventionally known. At this time, if the spectrum of the light to be measured is known in advance, an optical filter that limits the band of the transmitted light is often used in order to improve the S / N ratio with the disturbance light.
[0003]
For example, a color glass filter is used as an optical filter that transmits only light of a certain wavelength range. This is based on the principle that light in a certain wavelength band is absorbed by a dye contained in a color glass filter. For example, a red color glass filter transmits light in a wide range of wavelengths related to red. If there is no problem even if the transmission wavelength band of light is wide, a color glass filter or the like is used, but if the transmission wavelength band is narrow, an interference filter is used exclusively. As an example of the case where the band of the measurement target light is narrow, for example, when using a single spectrum or a narrow band light source such as a laser beam as a light source for illuminating the measurement target, or only a specific wavelength light emitted from the measurement target is used. There are times when you want to observe.
[0004]
A problem in using the interference filter is that the transmission wavelength band changes according to the angle of incidence on the interference filter. Usually, the interference filter is designed with an incident angle φ = 0 °, but as the incident angle φ increases, the transmission wavelength band shifts to a shorter wavelength side as compared with the case where the incident angle φ = 0 °. Specifically, the transmission center wavelength λ with respect to the incident angle φφIs expressed as follows.
λφ= Λ0｛1- (n / n ')2sin2φ｝1/2… (1)
λ0: Transmission center wavelength when the incident angle is 0 °
n: Refractive index around interference filter (normally n = 1 because of air)
n ': refractive index of the interference film of the interference filter
For example, when the angle of view is extremely narrow as in an astronomical telescope, a transmission wavelength band as designed for the interference filter can be obtained only by placing the interference filter outside the objective lens.
[0005]
However, when the angle of view is as large as several tens of degrees, such as a wide-angle lens of a camera, the angle of incidence of light rays entering the interference filter is considered to be 0 ° or sufficiently small even when an interference filter is installed inside the optical system. There is no place that can be arranged in a normal wide-angle optical system. Therefore, even if the interference filter is forcibly inserted into any part of this optical system, the part where the transmission wavelength shifts as described above remains, so that only the target narrow-band wavelength in the entire imaging optical system is obtained. Cannot be transmitted. Note that several methods are known as conventional techniques for solving such a problem (for example, see Patent Document 1).
[0006]
[Patent Document 1]
JP-A-7-49417 (page 2-3, FIG. 1)
[Problems to be solved by the invention]
A known specific configuration for narrowing the transmission wavelength to a desired wavelength while using an interference filter in the above-described wide-angle imaging optical system and its disadvantage will be described below.
[0007]
As a first conventional configuration, as shown in FIG. 8, the optical system is designed to be telecentric on the image side so that the light on the image side is made almost parallel, and an interference filter is arranged in the part where the parallel light is present. Configuration.
[0008]
In the first conventional configuration, light emitted from a subject M enters a lens 102 disposed at a focal distance f from the pinhole 101 via the pinhole 101, thereby converting the light into parallel light. In this configuration, light is focused on the image sensor 104 while transmitting light through the interference filter 103.
[0009]
However, in the first conventional configuration, the pinhole 101 must be used for forming light parallel to the optical axis, and there is a disadvantage that an image becomes dark. Therefore, it is sufficient to always perform imaging while irradiating the target with strong light.However, the actual imaging conditions are not always in such favorable conditions, and when the target requires a dark and bright optical system. Has the disadvantage that it is not suitable for use.
[0010]
On the other hand, as a second conventional configuration described in Patent Document 1, as shown in FIGS. 9 and 10, light rays from an image are converted into parallel light by using a microlens array, and a portion where the parallel light is applied There is a configuration in which an interference filter is arranged. Specifically, as shown in FIG. 9, a first micro lens 202, an interference filter 203, and a second micro lens 204 are provided between an imaging lens 201 and a visible part detection element array (imaging element) 205. Is provided. Then, light emitted from a subject (not shown) enters the first microlens 202 via the imaging lens 201 to be parallelized, and this parallel light is converted into the second light via the interference filter 203. The light enters the microlens 204, whereby an image is formed on the visible part detection element array 205 again.
[0011]
As shown in FIG. 10, the first microlens 202 has a configuration in which a large number of microlens elements 202a each having a thickness of 1.5λ (λ is the wavelength of light to be transmitted) are closely attached to each other. The second microlenses 204 have a configuration in which a large number of microlens elements 204a having a thickness of 1.2λ are arranged in parallel in a state of being closely attached to each other.
[0012]
In the second conventional configuration, the diameter of each lens element 202a, 204a of the microlenses 202, 204 needs to be sufficiently smaller than the pixels of the visible part detection element array 205 in order to form an imaging optical system having desired characteristics. There is. Specifically, according to this conventional configuration, an image is discretized (granulated) for each microlens element 202a, 204a. Therefore, if the pitch of the micro lens elements 202a and 204a cannot be said to be sufficiently finer than the resolution of the image sensor, the image shown on the image sensor is spatially discretized, and the resolution of the image sensor is impaired.
[0013]
Therefore, when using a high-resolution camera provided with a fine image sensor, the diameter of the lens element of the microlens must be extremely small, resulting in high costs and technical limitations.
[0014]
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a narrow-band transmission filter capable of narrowing a transmission wavelength band without deteriorating the brightness of an image in an imaging optical system and maintaining a high spatial resolution on an imaging side. .
[0015]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-described problem, a narrow-band transmission filter according to the present invention is characterized in that an interference filter is interposed between a relay lens including at least two lenses.
[0016]
The narrow-band transmission filter according to the present invention uses a relay lens instead of using an image-side telecentric lens or micro lens, and an interference filter is interposed between the relay lenses. Therefore, it is not necessary to always illuminate the subject brightly as in the conventional example using the image side telecentric lens, and there is no restriction on the imaging conditions. In addition, since there is no such thing as a microlens array that limits the resolution in principle, there is no need to be limited by the resolution due to the element diameter of the microlens. This makes it possible to increase the resolution to a theoretical limit depending on the design of the optical system, and to obtain a desired narrow-band transmission characteristic.
[0017]
The narrow-band transmission filter according to claim 2 of the present invention is a narrow-band transmission filter in which an interference filter is interposed between a relay lens including at least two lenses. The upper limit of the wavelength band of the light beam to be transmitted through is equal to or less than the sum of the transmission center wavelength of the interference filter at the maximum light incident angle and the half width of the transmission wavelength band corresponding to the allowable transmittance of the interference filter, and the narrow band. The lower limit of the wavelength band of the light beam to be transmitted through the transmission filter is equal to or greater than the difference between the transmission center wavelength of the interference filter at a light incident angle of 0 ° and the half width of the transmission wavelength band corresponding to the allowable transmittance of the interference filter. It is characterized by.
[0018]
The following functions are provided in addition to the functions described in claim 1. Specifically, in an image forming optical system using a relay lens, when an interference filter is interposed between the relay lenses, the angle of incidence on the interference filter cannot be completely set to 0 °. However, by using a narrow-band transmission filter that satisfies the condition described in claim 2, the incident angle of the light beam does not exactly coincide with the optical axis, and the transmission wavelength band of the interference filter shifts accordingly. However, only the wavelength band of the light beam to be transmitted through the narrow-band transmission filter can be transmitted.
[0019]
Further, by designing the incident angle, the bandwidth, and the refractive index of the interference film of the interference filter so as to satisfy the above conditions, a narrow band that can be transmitted can be arbitrarily designed. Can be obtained.
[0020]
According to a third aspect of the present invention, there is provided a narrow-band transmission filter assembly, wherein the narrow-band transmission filter according to the first aspect is configured as a mounted lens assembly.
[0021]
By configuring the narrow-band transmission filter as a lens assembly with a mount, it can be easily assembled to a commercially available camera (imaging device). In addition, the degree of freedom in use can be increased, for example, by changing the angle of view (focal length) by replacing the imaging lens, or by changing the resolution and frame rate by replacing the camera.
[0022]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, a narrow band transmission filter according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In the drawings accompanying the following description, hatching is omitted in the cross-sectional views of the interference filter and the lens in order to clarify the optical path.
[0023]
The narrow-band transmission filter 1 according to the first embodiment of the present invention includes a relay lens 10 including a first lens 11 and a second lens 12 that are arranged in parallel at predetermined intervals as shown in FIG. , An interference filter 20 interposed between the first lens 11 and the second lens 12.
[0024]
Then, an image A formed by an image forming optical system such as a wide-angle lens is formed again as an image A 'through a first lens 11 and a second lens 12 having a sufficiently long focal length. That is, the image A is located at a position apart from the first lens 11 by the focal length f, and the light rays from the image A are parallel to each other via the first lens 11, and among the parallel lights, a specific narrow Only the light having the wavelength in the band passes through the interference filter 20 and enters the second lens 12, and the second image A 'is formed at a position away from the lens 12 by the focal length f'. ing. Note that the focal length f of the first lens 11 and the focal length f 'of the second lens 12 may be the same or different.
[0025]
The focal length f of the first lens 11 is set to be sufficiently long. The reason why the focal length f is increased in this way is that, in the case of the relay lens 10, the incident angle φ to the interference filter 20 cannot be completely set to 0 °, but the focal length of the first lens 11 is increased. Thereby, the incident angle is made as small as possible so as to fall within a desired incident angle range described later. That is, by making the angle between the parallel light rays and the optical axis sufficiently small, the amount of shift of the transmission wavelength band of the interference filter 20 described later can also be reduced, and the wavelength of the light to be transmitted can be reduced by the narrow transmission band of the interference filter 20. Can be included in the width.
[0026]
As is clear from FIG. 1, in the relay lens, that is, between the first lens 11 and the second lens 12, the light beam from the image A formed by the imaging optical system is shifted with respect to the optical axis. It is a parallel light having a certain angle (incident angle). Note that, when the position of the image A is the same, when the focal length f of the relay lens is long, the angle formed by the parallel rays between the relay lenses and the optical axis becomes small from the figure.
[0027]
An image A indicated by an arrow in the figure is an image of an object illuminated by a laser beam having a certain size. As a specific example of the image of the laser light, for example, an image of the laser light in a light cutting method, which is a technique of three-dimensional measurement, can be exemplified. More specifically, a line-shaped laser beam applied to a mobile phone when measuring a three-dimensional shape of the mobile phone or the like can be exemplified.
[0028]
Here, the reason why the laser light is exemplified in the present embodiment is that it is necessary to clearly filter only the image of the laser light that emits a bright linear light even in an indoor environment where various disturbance lights exist. This is because the use of the narrow band transmission filter as in the present embodiment is particularly suitable. That is, in order to sufficiently explain the advantages of the present embodiment accompanying the improvement of the S / N ratio by transmitting only light of a specific wavelength in an imaging system in an environment with a lot of optical noise, However, the application of the narrow band filter according to the present embodiment is not limited to the laser light imaging optical system. That is, the laser light is exemplified as a typical light source that emits a narrow band wavelength, and a similar effect can be obtained when a light source that emits a narrow band wavelength other than the laser light is used.
[0029]
As described above, the interference filter 20 is provided between the first lens 11 and the second lens 12 of the relay lens 10, that is, the light rays entering the relay lens 10 are parallel to each other and the light rays are substantially parallel to the optical axis. It is located at a position. The interference filter 20 includes a glass substrate 21 and an interference film 22 formed on one side of the glass substrate 21, as is apparent from the cross-sectional structure shown in FIG. The interference film 22 has a thickness of about several hundred nanometers (about the wavelength of light), and a narrow wavelength band of light transmitted through the interference filter 20 can be arbitrarily selected according to the thickness of the interference film 22. I have.
[0030]
Next, wavelengths that can be selectively transmitted by the narrowband transmission filter 1 according to the present embodiment will be described. The series of equations described below is extracted from the document name "Optics" and Science Library Physics = 9 (published by Science Inc., written by Kazumi Murata). Here, the transmission center wavelength of the interference filter 20 is represented by the following equation. λm= 2n'hcosφ '/ m (2)
n ': refractive index of the interference film
h: Thickness of interference film
φ ': angle of refraction inside the interference film
m: interference order (1, 2, 3,...).
[0031]
Therefore, when the incident angle φ = 0 ° to the interference film, the refraction angle φ ′ = 0 °, so that the transmission center wavelength λ at the incident angle φ = 0 °0Is represented by the following equation.
λ0= 2n'h / m (3)
As is apparent from the equation (3), the transmission center wavelength λ is obtained from the thickness h of the interference film, the refractive index n ′ of the interference film, and the interference order m.0Can be uniquely determined.
[0032]
Further, the transmission wavelength full width Δλ at an incident angle of 0 °0Is the transmission center wavelength λ0Can be obtained based on the characteristic diagram showing the relationship between the wavelength and the transmittance of the interference filter 20 in the above. That is, the transmission wavelength full width Δλ at which the transmission wavelength full width of the portion corresponding to the predetermined allowable transmittance t in this characteristic diagram is desired to be obtained.0Becomes Specifically, assuming that the allowable transmittance is 70% as shown in FIG. 3, the transmission wavelength full width Δλ of the interference filter 20 at the vertical axis t = 0.70Can be uniquely obtained from the characteristic diagram of FIG.
[0033]
That is, the transmission center wavelength λ shown in Expression (3)0And the transmission wavelength full width Δλ obtained from the characteristic diagram of FIG.0Can be said to be all design items, and the designer can specify a specific transmission center wavelength λ0And transmission wavelength full width Δλ0Can be obtained selectively or designed by oneself.
[0034]
Next, the shift of the transmission wavelength band of the interference filter 20 due to the change in the incident angle will be described. Normally, the interference filter 20 is designed with reference to the transmission wavelength band when the incident angle φ = 0 °. There is a property that the transmission wavelength band shifts to the short wavelength side. Below is the transmission center wavelength λ for the incident angle φφExplain how is determined.
[0035]
The relationship between the angle of incidence on the interference film and the angle of refraction is expressed by the following equation according to Snell's law.
nsinφ = n′sinφ ′ (4)
n: Refractive index around the interference filter (at the front) (1 for air)
φ: Incident angle on the interference film
n ': refractive index of the interference film
φ ': angle of refraction inside the interference film
From the above, the transmission center wavelength λ of the interference filter at the incident angle φφIs as follows.
λφ= Λ0cos φ '= λ0｛1- (n / n ')2sin2φ｝1/2... (5)
λ0: Transmission center wavelength when the incident angle is 0 °
n: Refractive index around interference filter (normally n = 1 because of air)
φ: Incident angle on the interference film
n ': refractive index of the interference film of the interference filter
φ ': angle of refraction inside the interference film
As is apparent from equation (5), λφTakes a maximum value when the incident angle φ = 0 °, and as the incident angle increases, λφIs a small value.
Also, the transmission wavelength full width ΔλφIs the transmission center wavelength λ in relation to the allowable transmittance t.φIt is represented by the following equation because it is proportional to
Δλφ= Δλ0cos φ '= Δλ0｛1- (n / n ')2sin2φ｝1/2・ ・ (6)
Δλ0: Full width of transmission wavelength when incident angle is 0 °
n: Refractive index around interference filter (normally n = 1 because of air)
φ: Incident angle on the interference film
n ': refractive index of the interference film of the interference filter
φ ': angle of refraction inside the interference film
Also, the maximum incident angle φ to the interference filtermaxIs the angle at which the light emitted from the position of height H of the image shown in FIG. 1 enters the interference filter via the first lens having the focal length f, and is expressed by the following equation. You.
φmax= Tan-1H / f ... (7)
f: focal length
H: Image height
Since the height H of the image and the focal length f of the first lens are design items, φ HmaxCan be uniquely determined.
[0036]
Therefore, the maximum incident angle φ to the interference filter 20maxTransmission center wavelength λ atφ maxIs φ obtained by equation (7).maxIs obtained by substituting into the equation (5).
λφ max= Λ0｛1- (n / n ')2sin2φmax｝1/2... (8)
n: refractive index of air = 1
n ': refractive index of interference film = 1.5
Δλ0: Full width of transmission wavelength when incident angle is 0 °
φmax: Maximum incident angle
Also, the incident angle φmaxTransmission wavelength width Δλ whenφ maxIs φ obtained by equation (7).maxIs obtained by substituting into the equation (6).
Δλφ max= Δλ0｛1- (n / n ')2sin2φmax｝1/2... (9)
FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the incident angle φ of the interference filter 20 and the transmission wavelength band in the present embodiment. As is clear from the figure, the transmission wavelength band of the interference filter 20 at the incident angle φ = 0 ° is as follows (see the thick line at the bottom in the figure).
λ0−Δλ0/ 2 ≦ λ= 0 °≤λ0+ Δλ0/2...(10)
The transmission wavelength band λ of the interference filter 20 at the incident angle φ is as follows (see the middle thick line in the figure).
λφ−Δλφ/ 2 ≦ λ ≦ λφ+ Δλφ/2...(11)
Also, the incident angle φmaxThe transmission wavelength band λ of the interference filter 20 is as follows (see the upper thick line in the figure).
λφ max−Δλφ max/ 2 ≦ λ ≦ λφ max+ Δλφ max/2...(12)
From the above equations (10) to (12) and FIG. 4, the maximum incident angle φmaxThe wavelength band λ through which the light incident at the transmittance t or more is transmitted for all the following incident angles φ is a wavelength band that overlaps in all the transmission wavelength bands (in the drawing, a range in which three thick lines overlap). Is in the following range.
λ0−Δλ0/ 2 ≦ λ ≦ λφ max+ Δλφ max/2...(13)
It is necessary to assume that the wavelength λ of the light to be transmitted has a very small width. This is because, for example, when a laser beam is used as a light source, there are actually various tolerances such as a temperature change of the light source, a tolerance of the semiconductor laser itself, and a tolerance of the interference filter itself. Upper limit value λ of transmission wavelength λ within the range without any problemmaxAnd lower limit λminIt is necessary to decide.
[0037]
Therefore, Equation (13) and the upper limit value λ of the transmission wavelength λ described above are obtained.max, Lower limit λminSatisfying the following conditions is a condition for sufficiently exhibiting the light transmission effect of the narrow band transmission filter 1 according to the present embodiment.
λmax≤λφ max+ Δλφ max/2...(14)
λ0−Δλ0/ 2 ≦ λmin... (15)
Transmission center wavelength interference λ that satisfies the conditions of the above equations (14) and (15)0And transmission wavelength full width Δλ0By selectively obtaining or designing the interference filter 20 having the above-mentioned, it is possible to realize a narrow-band transmission optical system having a desired transmission wavelength band.
[0038]
As described above, the narrow band transmission filter 1 according to the present embodiment uses the relay lens 10 instead of using the image side telecentric or micro lens, and the interference filter 20 is interposed between the relay lenses 10. For this reason, it is not necessary to constantly illuminate the subject brightly as in the conventional configuration using the image side telecentric, and the imaging conditions do not have to be limited.
[0039]
In addition, there is no element that limits the resolution in principle like a microlens array, and there is no need to be limited by the resolution due to the element diameter of the microlens. This makes it possible to increase the resolution to a theoretical limit depending on the design of the optical system, and to obtain a desired narrow-band transmission characteristic.
[0040]
Next, an example of a specific design procedure of the narrow-band transmission filter 1 according to the above-described embodiment will be described. This design procedure is a simplification of the above description.
[0041]
First, for example, when a laser beam is used as a light source, the transmission wavelength λ within a range where there is no practical problem with respect to the laser beam in consideration of various tolerances such as a tolerance of an interference filter such as a temperature change of the light source and a tolerance of the semiconductor laser itself. Upper limit λmax, And the lower limit λminTo determine.
[0042]
Next, the specifications of the narrow band transmission filter are determined. In determining the specifications, first, the transmission center wavelength λ at an incident angle of 0 ° is obtained from the thickness h of the interference film, the refractive index n ′ of the interference film, and the interference order m (usually m = 1).0Is uniquely obtained by using the equation (3). Subsequently, the transmission wavelength full width Δλ at an incident angle of 0 °0From the characteristic diagram shown in FIG. 3 and the allowable transmittance t. Subsequently, the maximum incident angle φ is calculated from the relationship between the image height H and the focal length f using Expression (7).maxAsk for. By appropriately selecting the height H and the focal length f of the image, the overall length of the narrow band transmission filter 1 can be lengthened or shortened.
[0043]
Then, the maximum incident angle φ is calculated from the refractive index n around the interference filter and the refractive index n ′ of the interference film of the interference filter using Expression (8).maxTransmission center wavelength λ atφ maxAnd the maximum incident angle φ using equation (9).maxTransmission wavelength width Δλ atφ maxAsk for.
[0044]
Transmission center wavelength λ at an incident angle of 0 ° obtained in the above process0, Transmission wavelength full width Δλ0, Maximum incident angle φmaxTransmission center wavelength λ atφ max, Transmission wavelength full width Δλφ maxThen, a narrow wavelength band that can be transmitted at all incident angles φ is obtained using Expression (13).
[0045]
Finally, the entire range of transmission wavelengths (λmin~ Λmax) Are included in a narrow wavelength band that can be transmitted at all the incident angles φ obtained by using Expression (13). Thus, it can be confirmed that the narrow band transmission filter can capture only the image of the laser beam having the wavelength band defined in advance.
[0046]
The configuration of the narrow-band transmission filter according to the present embodiment is in principle as described above. However, as shown in a modified example of the present embodiment shown in FIG. 5, an image formed by the imaging optical system It is also possible to insert an image forming lens 35 and a field lens (field lens) 36 at the position of the image in order to efficiently send the light emitted from the relay lens to the relay lens. The design of the field lens 36 is generally well known and will not be described in detail here. For example, the image of the imaging lens 35 closest to the image of the imaging optical system is An additional design of the field lens 36 so as to be equal to or smaller than the size of the first lens 31 at the position on the first lens 31 is considered as a preferable modification of the present embodiment. As a result, all light beams output from the imaging optical system can be sent to the relay lens 30, and the image transmitted through the interference filter 40 and formed on the image sensor or the like by the second lens 32 can be brightly and clearly. Can be projected. That is, the field lens (field lens 36) is not an essential requirement for exhibiting the function and effect of the present invention, but by using the field lens, the brightness of the image formed by the relay lens is made brighter and sharper. Exhibits additional effects.
[0047]
Next, a narrow-band transmission filter according to a second embodiment of the present invention will be described. As shown in FIG. 6, the narrow band transmission filter 5 according to the second embodiment includes a relay lens 50 including a first lens 51 and a second lens 52, a first lens 51 of the relay lens 50, An interference filter 60 disposed between the first lens 51 and the second lens 52; a field lens 55 disposed at a position separated from the first lens 51 by the focal length of this lens; And a cylindrical housing 70 having so-called C-mount surfaces 70a, 70b formed thereon.
[0048]
A C-mount lens 81 is coupled to one C-mount surface 70a of the housing 70, and a C-mount camera 82 is coupled to the other C-mount surface 70b.
[0049]
When the C-mount camera 82 is coupled to the C-mount surface 70b of the housing 70, the focal length of the second lens 52 is set at a position separated by the focal length of the second lens 52. ) 83 has a focal length such that it is located exactly. In the present embodiment, the mount type is introduced as a C mount, but is not necessarily limited to this, and it goes without saying that any mount type can be applied as long as a commercially available imaging lens or imaging device can be connected. No.
[0050]
As described above, the narrow-band transmission filter assembly 5 according to the present embodiment can be easily assembled to a commercially available camera (imaging device) by being configured as a mount-equipped lens assembly exemplified by the C-mount. It is also possible to change the angle of view (focal length) by replacing the C-mount lens (imaging lens), and to change the resolution and frame rate by replacing the C-mount camera (imaging device).
[0051]
Subsequently, specific design numerical values will be exemplified in connection with the above-described second embodiment, and the usefulness of the narrowband transmission filter according to the present invention will be clarified below by giving an example description.
[0052]
As an example of designing a narrow-band transmission filter according to the present invention, a case where a target is irradiated with laser light having a wavelength of 635 nm and only a portion illuminated by the laser light is photographed by a CCD camera is considered. Also, the transmission center wavelength λ of the interference filter0By substituting appropriate design values of the refractive index n ′ of the interference film, the thickness h of the interference film, and the interference order m in the equation (3),0= 636 nm (interference filter for Zn lines). Note that the wavelength of the laser light has a deviation of 635 nm ± 3 nm in consideration of the temperature change of the light source, the tolerance of the semiconductor laser itself, the tolerance of the interference filter itself, and the like. Therefore, the minimum wavelength λ of the laser lightmin= 635-3 = 632 nm, maximum wavelength λ of laser lightmax= 635 + 3 = 638 nm.
[0053]
On the other hand, the design was such that the focal length f of the relay lens was 40 mm, and the size (distance from the center) H of the image in the field lens was 4 mm (see FIG. 6). Therefore, φmax is the following angle from equation (7).
φmax= Tan-1(4/40) = 5.7 °
And φmax= Transmission center wavelength λ at 5.7 °φ maxIs as follows from equation (8).
λφ max= Λ0｛1- (n / n ')2sin2φmax｝1/2= 634.6 nm
Also, assuming that the allowable transmittance t = 0.7 (70%), the transmission center wavelength λ of the interference filter0(636 nm), the total width Δλ of the transmission wavelength band corresponding to the allowable transmittance t.0Was obtained from the characteristic diagram corresponding to FIG. 3 as follows.
Δλ0≒ 10 nm
Note that the incident angle φmax== the total width Δλ of the transmission wavelength band corresponding to the allowable transmittance t at 5.7 °φ maxAlso Δλ0Is substantially equal to Δλφ maxと し た 10 nm.
[0054]
Therefore, the incident angle φmax= 5.7 °, the transmission center wavelength λ when the incident angle φ = 0 °0Slightly shifted than λφ max= 634.6 nm. Therefore, the incident angle φmaxThe transmission wavelength band at = 5.7 ° is 629.6 nm to 639.6 nm (634.5 ± 5 nm).
[0055]
On the other hand, since the transmission wavelength range when φ = 0 ° is 631.0 nm to 641.0 nm (636 ± 5 nm), this optical system has a common transmission wavelength band of 631.0 nm to 639.6 nm. It can be seen that light of the wavelength can be transmitted. This wavelength range is a wavelength range λ taking into account the temperature change of the emission wavelength, the tolerance of the semiconductor laser itself, and the tolerance of the interference filter.min= 632nm-λmax= 638 nm, it was confirmed that if this narrow band transmission filter was used, disturbance light could be canceled and only the image desired to be imaged in the portion illuminated by the laser could be captured on the image sensor. From the above description, it is verified that the use of the narrow-band transmission filter according to the present invention makes it possible to image only an image formed by a specific laser beam in the imaging optical system brightly and clearly without being affected by disturbance light. did it.
[0056]
In the above-described embodiment, the relay lens has been described as being configured to include the first lens and the second lens that are arranged parallel to and separated from each other. However, the present invention is not necessarily limited to this. One or both of the second lenses may be constituted by a lens group. In this case, the effect of the present invention can be exhibited by having the configuration in which the interference filter is sandwiched between the first lens and the second lens in a sandwich state.
[0057]
Further, for example, as shown in FIG. 7, a relay lens 90 having no gap at the center of the relay lens may be used. In this case, the interference filter is disposed at a portion sandwiched by any combination of lenses. However, only one interference filter 96 may be disposed asymmetrically with respect to the center in the arrangement direction of each lens. The interference filters 96 and 97 may be arranged symmetrically with respect to the center in the arrangement direction of each lens.
[0058]
As shown in FIG. 7, the light rays between the plurality of concave lenses and convex lenses are not strictly parallel to the optical axis. However, even in such a case, the shift of the transmission wavelength band of the interference filter due to the incident angle shifted from the optical axis described above and the wavelength of the light to be transmitted by the overlapping portion of the transmission wavelength band of the interference filter at the incident angle of 0 ° There is no problem if the band is completely included. That is, in the present invention, the technical significance of “parallel to the optical axis” in interposing an interference filter in a region where light rays between relay lenses are parallel to the optical axis is limited to “parallel” in a strict sense. It should also be noted that the term “substantially parallel” is also included.
[0059]
【The invention's effect】
As described above, the narrow-band transmission filter according to the present invention uses a relay lens instead of using an image-side telecentric lens or a micro lens, and interposes an interference filter between the relay lenses. Therefore, it is not necessary to always illuminate the subject brightly as in the conventional example using the image side telecentric lens, and there is no restriction on the imaging conditions. In addition, since there is no such thing as a microlens array that limits the resolution in principle, there is no need to be limited by the resolution due to the element diameter of the microlens. This makes it possible to increase the resolution to a theoretical limit depending on the design of the optical system, and to obtain a desired narrow-band transmission characteristic.
[0060]
The narrow-band transmission filter according to claim 2 of the present invention has the following operation in addition to the operation described in claim 1. Specifically, in an image forming optical system using a relay lens, when an interference filter is interposed between the relay lenses, the angle of incidence on the interference filter cannot be completely set to 0 °. However, by using a narrow-band transmission filter that satisfies the condition described in claim 2, the incident angle of the light beam does not exactly coincide with the optical axis, and the transmission wavelength band of the interference filter shifts accordingly. However, it is possible to transmit only the wavelength band of the light beam to be transmitted through the narrow band transmission filter.
[0061]
Further, by designing the incident angle, the bandwidth, and the refractive index of the interference film of the interference filter so as to satisfy the above conditions, a narrow band that can be transmitted can be arbitrarily designed. Can be obtained.
[0062]
Further, the narrow band transmission filter assembly according to the third aspect of the present invention can be easily assembled to a commercially available camera (imaging device) by configuring the narrow band transmission filter as a lens assembly with a mount. It is also possible to change the angle of view (focal length) by replacing the imaging lens, and to change the resolution and frame rate by replacing the camera.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram illustrating a schematic configuration of a narrow-band transmission filter according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an explanatory view showing a partial cross section of an interference filter and a state in which light rays are transmitted therethrough.
FIG. 3 is a diagram illustrating a relationship between a transmission wavelength and a transmittance of an interference filter at an incident angle of 0 °.
FIG. 4 is an explanatory diagram showing a relationship between a transmission wavelength of an interference filter and an incident angle.
FIG. 5 is a diagram showing a schematic configuration of a narrow band transmission filter according to a modification of FIG. 1;
FIG. 6 is a diagram showing a schematic configuration of a narrow band transmission filter assembly according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a diagram showing a modified example of the relay lens shown in the narrow band transmission filter shown in FIG. 1 and the narrow band transmission filter assembly shown in FIG.
FIG. 8 is a diagram showing a schematic configuration in which a conventionally used telecentric optical system and an interference filter are combined.
FIG. 9 is an overall configuration diagram showing a conventional imaging optical system combining a microlens and an interference filter.
FIG. 10 is an enlarged view showing only a microlens and an image sensor of the imaging optical system shown in FIG. 9;
[Explanation of symbols]
1,5 Narrowband transmission filter
10 relay lens
11 First lens
12 Second lens
20 Interference filter
21 Glass substrate
22 Interference film
35 Imaging lens
36 Field lens (field lens)
51 First lens
52 Second lens
55 field lens
60 interference filter
70 Housing
70a, 70b C mount surface
81 C-mount lens
83 Image sensor (CCD)
90 relay lens
91-95 lens
96,97 interference filter
101 Pinhole
102 lens
103 Interference filter
104 Image sensor
201 Imaging lens
202 First micro lens
203 interference filter
204 Second micro lens
204a micro lens element
205 Visible part detection element array (imaging element)
A, A 'image
M subject
