JP6237161B2 - Imaging device - Google Patents
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Description
本発明は、複数の光学特性に応じた物体の画像を一回の撮像で取得可能な撮像装置に関する。 The present invention relates to an imaging apparatus capable of acquiring an image of an object corresponding to a plurality of optical characteristics by a single imaging.
撮像装置の一つに、いわゆるマルチイメージングカメラがある(例えば、特許文献1を参照)。マルチイメージングカメラの一形態として、物体の中間像の後、または直接物体像の後に小レンズアレイを配置し、小レンズの数に対応した複数の物体像を撮像面上に形成するように構成されたものがある。各小レンズにはそれぞれ異なる分光フィルタが設置されており、複数の物体像それぞれが所定の波長成分によって形成される。これら所定の波長成分によって形成された複数の物体像をイメージセンサで撮像し、画像処理することによって、物体の二次元的な分光特性を一回の撮像で取得することが可能となる。 One imaging device is a so-called multi-imaging camera (see, for example, Patent Document 1). As one form of multi-imaging camera, a small lens array is arranged after the intermediate image of the object or directly after the object image, and a plurality of object images corresponding to the number of small lenses are formed on the imaging surface. There is something. Each small lens is provided with a different spectral filter, and each of a plurality of object images is formed by a predetermined wavelength component. By capturing a plurality of object images formed by these predetermined wavelength components with an image sensor and performing image processing, it is possible to acquire a two-dimensional spectral characteristic of the object with a single imaging.
このようなマルチイメージングカメラでは、物体が合焦位置からずれると視差が生じるため、物体の像が単純にぼけるだけでなく、色ずれも生じてしまう。 In such a multi-imaging camera, parallax occurs when the object deviates from the in-focus position, so that not only the object image is simply blurred but also color misregistration occurs.
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、複数の光学特性に応じた高精度な物体の画像を得ることが可能な撮像装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such a problem, and an object thereof is to provide an imaging apparatus capable of obtaining a highly accurate image of an object corresponding to a plurality of optical characteristics.
このような目的達成のため、本発明を例示する態様に従えば、物体からの光を透過させて前記物体の中間像を結像させる結像光学系と、前記結像光学系からの光を略平行光にするコリメータ光学系と、光軸と垂直な平面に沿って二次元的に配列された複数の光学素子からなり、前記コリメータ光学系により略平行光になった光を前記複数の光学素子で通過させる光学素子アレイと、前記コリメータ光学系および前記光学素子アレイを通過した光を屈折させるレンズアレイと、前記レンズアレイにより前記光学素子アレイと共役を成す平面上、もしくは前記結像光学系の前記中間像と共役な平面上に配設され、前記レンズアレイからの光を検出するイメージセンサと、前記イメージセンサから出力された検出信号に基づいて、前記光学素子の光学特性に応じた前記物体に関する情報を求める画像処理部とを備え、前記結像光学系の像面上に、前記結像光学系からの光を前記コリメータ光学系に向けて拡散させる光拡散素子が配設されることを特徴とする撮像装置が提供される。 In order to achieve such an object, according to an embodiment of the present invention, an imaging optical system that forms an intermediate image of the object by transmitting the light from the object, and the light from the imaging optical system. A collimator optical system that makes substantially parallel light and a plurality of optical elements that are two-dimensionally arranged along a plane perpendicular to the optical axis, and the light that has become substantially parallel light by the collimator optical system. An optical element array that passes through the element, a lens array that refracts the light that has passed through the collimator optical system and the optical element array, and a plane that is conjugated with the optical element array by the lens array, or the imaging optical system An image sensor that is disposed on a plane conjugate with the intermediate image and detects light from the lens array, and light of the optical element based on a detection signal output from the image sensor. A light diffusing element for diffusing light from the imaging optical system toward the collimator optical system on an image plane of the imaging optical system. An imaging device is provided that is arranged.
本発明によれば、複数の光学特性に応じた高精度な物体の画像を得ることができる。 According to the present invention, it is possible to obtain a highly accurate image of an object corresponding to a plurality of optical characteristics.
以下、図面を参照して本発明の好ましい実施形態について説明する。第1実施形態に係る撮像装置(マルチイメージングカメラ)1が図1に示されている。第1実施形態の撮像装置1は、結像光学系10と、光拡散素子15と、検出部20と、画像処理部40とを備えて構成される。結像光学系10は、結像レンズ11と、絞り12とを有し、物体OB1からの光を透過させて物体OB1の中間像Im1(実像)を結像させる。結像レンズ11は、図1において概略的に単レンズとして描かれているが、複数のレンズから構成されてもよい。絞り12は、中央に開口12aを有する円板状に形成され、結像レンズ11が単レンズの場合、結像レンズ11の物体側近傍に配置される。結像レンズ11が複数のレンズから構成されている場合、絞り12を複数のレンズの間に配置してもよい。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. An imaging apparatus (multi-imaging camera) 1 according to the first embodiment is shown in FIG. The imaging apparatus 1 according to the first embodiment includes an imaging optical system 10, a light diffusing element 15, a detection unit 20, and an image processing unit 40. The imaging optical system 10 includes an imaging lens 11 and a diaphragm 12 and forms an intermediate image Im1 (real image) of the object OB1 by transmitting light from the object OB1. The imaging lens 11 is schematically depicted as a single lens in FIG. 1, but may be composed of a plurality of lenses. The diaphragm 12 is formed in a disk shape having an opening 12a in the center, and is disposed in the vicinity of the object side of the imaging lens 11 when the imaging lens 11 is a single lens. When the imaging lens 11 is composed of a plurality of lenses, the diaphragm 12 may be disposed between the plurality of lenses.
結像光学系10(結像レンズ11)の像側に、光拡散素子15が設けられる。光拡散素子15は、例えば、光を拡散させることが可能な凸形状の複数の拡散用マイクロレンズ(図示せず)からなる拡散用レンズアレイ(図示せず)を用いて構成され、結像レンズ11からの光を検出部20に向けて拡散させる。光拡散素子15は、光拡散素子15に形成された拡散面16が結像光学系10の像面上に位置するように配設される。 A light diffusing element 15 is provided on the image side of the imaging optical system 10 (imaging lens 11). The light diffusing element 15 is configured using, for example, a diffusing lens array (not shown) including a plurality of convex diffusing microlenses (not shown) capable of diffusing light, and an imaging lens. 11 diffuses light toward the detection unit 20. The light diffusing element 15 is disposed such that the diffusing surface 16 formed on the light diffusing element 15 is positioned on the image plane of the imaging optical system 10.
光拡散素子15の像側に、検出部20が設けられる。検出部20は、コリメータ光学系21と、光学フィルタアレイ25と、レンズアレイ30と、イメージセンサ35とを有して構成される。コリメータ光学系21は、コリメータレンズ22と、集光レンズ23とを有している。コリメータレンズ22は、結像光学系10および光拡散素子15と光学フィルタアレイ25との間に設けられ、結像光学系10および光拡散素子15からの光を略平行光にすることができるようになっている。集光レンズ23は、光学フィルタアレイ25とレンズアレイ30との間に設けられ、光学フィルタアレイ25からの光を透過させて物体OB1の像(実像)を結像させることができるようになっている。コリメータレンズ22および集光レンズ23は、図1において概略的に単レンズとして描かれているが、複数のレンズから構成されてもよい。 The detection unit 20 is provided on the image side of the light diffusing element 15. The detection unit 20 includes a collimator optical system 21, an optical filter array 25, a lens array 30, and an image sensor 35. The collimator optical system 21 includes a collimator lens 22 and a condenser lens 23. The collimator lens 22 is provided between the imaging optical system 10 and the light diffusing element 15 and the optical filter array 25 so that the light from the imaging optical system 10 and the light diffusing element 15 can be made substantially parallel light. It has become. The condensing lens 23 is provided between the optical filter array 25 and the lens array 30, and can transmit the light from the optical filter array 25 to form an image (real image) of the object OB1. Yes. Although the collimator lens 22 and the condensing lens 23 are schematically depicted as single lenses in FIG. 1, they may be composed of a plurality of lenses.
光学フィルタアレイ25は、光学フィルタアレイ25の中心が光軸Ax1上に位置するように、コリメータレンズ22と集光レンズ23との間に設けられる。光学フィルタアレイ25は、例えば、図2に示すように、光軸Ax1と垂直な平面に沿って二次元的に配列された第1光学フィルタ26aから第9光学フィルタ26iまでの9個の光学フィルタと、これらを保持する保持部材(図示せず)とから構成される。第1光学フィルタ26aから第9光学フィルタ26iは、図4に示すように、第1波長λ1から第9波長λ9までの9種類の波長をそれぞれ中心波長とするバンドパスフィルタである。 The optical filter array 25 is provided between the collimator lens 22 and the condenser lens 23 so that the center of the optical filter array 25 is positioned on the optical axis Ax1. For example, as shown in FIG. 2, the optical filter array 25 includes nine optical filters from a first optical filter 26a to a ninth optical filter 26i arranged two-dimensionally along a plane perpendicular to the optical axis Ax1. And a holding member (not shown) for holding them. As shown in FIG. 4, the first optical filter 26a to the ninth optical filter 26i are band-pass filters each having nine wavelengths from the first wavelength λ1 to the ninth wavelength λ9 as center wavelengths.
集光レンズ23の像面上に、レンズアレイ30が配設される。レンズアレイ30は、図3に示すように、光軸Ax1と垂直な平面に沿って二次元的に配列された、正の屈折力を有する数万〜数百万個のマイクロレンズ31から構成される。 A lens array 30 is disposed on the image plane of the condenser lens 23. As shown in FIG. 3, the lens array 30 includes tens of thousands to millions of microlenses 31 having a positive refractive power and two-dimensionally arranged along a plane perpendicular to the optical axis Ax1. The
複数のマイクロレンズ31により、光学フィルタアレイ25と共役関係になる平面上に、イメージセンサ35が配設される。イメージセンサ35は、図3に示すように、数十万〜数千万個の撮像ピクセルが平面上に二次元的に配列された長方形の検出面36を有している。イメージセンサ35の検出面36が複数のマイクロレンズ31により光学フィルタアレイ25と共役関係になる面上に配置され、複数のマイクロレンズ31による複数の光学フィルタアレイ25の像(実像)が検出面36上に形成される。なお、単数もしくは複数の撮像ピクセル毎に、光学フィルタアレイ25を構成する光学フィルタ26a〜26iの像(実像)がそれぞれ形成されるように、レンズアレイ30とイメージセンサ35との相対位置等が調整される。また、このようなイメージセンサ35として例えば、CCDやCMOS等が用いられる。 The image sensor 35 is disposed on a plane having a conjugate relationship with the optical filter array 25 by the plurality of microlenses 31. As shown in FIG. 3, the image sensor 35 has a rectangular detection surface 36 in which hundreds of thousands to tens of millions of imaging pixels are two-dimensionally arranged on a plane. The detection surface 36 of the image sensor 35 is disposed on a surface conjugate with the optical filter array 25 by a plurality of microlenses 31, and images (real images) of the plurality of optical filter arrays 25 by the plurality of microlenses 31 are detection surfaces 36. Formed on top. The relative position of the lens array 30 and the image sensor 35 is adjusted so that an image (real image) of the optical filters 26a to 26i constituting the optical filter array 25 is formed for each of one or a plurality of imaging pixels. Is done. As such an image sensor 35, for example, a CCD or a CMOS is used.
イメージセンサ35は、検出面36上に形成された複数の光学フィルタアレイ25の像(すなわち、複数組の光学フィルタ26a〜26iの像)を検出し、検出信号を画像処理部40へ出力する。画像処理部40は、イメージセンサ35から出力された検出信号に基づいて、第1光学フィルタ26aから第9光学フィルタ26iの各波長特性に応じた物体OB1のマルチ波長バンド画像(すなわち、所定の波長範囲における物体の二次元的な分光特性情報)を生成する。 The image sensor 35 detects images of a plurality of optical filter arrays 25 formed on the detection surface 36 (that is, images of a plurality of sets of optical filters 26 a to 26 i), and outputs detection signals to the image processing unit 40. Based on the detection signal output from the image sensor 35, the image processing unit 40 multi-band image (that is, a predetermined wavelength) of the object OB1 corresponding to each wavelength characteristic of the first optical filter 26a to the ninth optical filter 26i. 2D spectral characteristic information of the object in the range) is generated.
第1実施形態の撮像装置1において、離れた場所にある物体OB1からの光束R1は、結像光学系10の結像レンズ11を透過して光拡散素子15の拡散面16上で結像し、光拡散素子15の拡散面16に物体OB1の中間像Im1(実像)が形成される。このとき、物体OB1からの光束R1は、絞り12の開口12aによって広がり角が制限される。また、物体OB1の中間像Im1が形成される光拡散素子15の拡散面16において、物体OB1からの光束R1が拡散して射出されるため、拡散面16上に物体OB1が存在することと等価になる。これにより、光拡散素子15の拡散面16に形成された物体OB1の中間像Im1を検出部20で検出することができる。 In the imaging device 1 of the first embodiment, the light beam R1 from the object OB1 located at a distant place passes through the imaging lens 11 of the imaging optical system 10 and forms an image on the diffusion surface 16 of the light diffusing element 15. The intermediate image Im1 (real image) of the object OB1 is formed on the diffusion surface 16 of the light diffusing element 15. At this time, the spread angle of the light beam R1 from the object OB1 is limited by the opening 12a of the diaphragm 12. Further, since the light beam R1 from the object OB1 is diffused and emitted on the diffusion surface 16 of the light diffusing element 15 where the intermediate image Im1 of the object OB1 is formed, this is equivalent to the presence of the object OB1 on the diffusion surface 16. become. Thereby, the intermediate image Im1 of the object OB1 formed on the diffusing surface 16 of the light diffusing element 15 can be detected by the detecting unit 20.
拡散した拡散面16からの光束R1´は、コリメータ光学系21のコリメータレンズ22を透過して、主光線が光軸Ax1側に曲げられた略平行光束になる。コリメータレンズ22により略平行光束になった拡散面16からの光束R1´は、光学フィルタアレイ25における第1光学フィルタ26aから第9光学フィルタ26iのいずれかを透過する。光学フィルタアレイ25を透過した拡散面16からの光束R1´は、コリメータ光学系21の集光レンズ23を透過してレンズアレイ30上に集光され、レンズアレイ30における複数のマイクロレンズ31のいずれかを透過してイメージセンサ35の検出面36に入射する。 The diffused light beam R1 ′ from the diffusing surface 16 is transmitted through the collimator lens 22 of the collimator optical system 21, and becomes a substantially parallel light beam whose principal ray is bent to the optical axis Ax1 side. The light beam R1 ′ from the diffusing surface 16 that has become a substantially parallel light beam by the collimator lens 22 passes through one of the first optical filter 26a to the ninth optical filter 26i in the optical filter array 25. The light beam R 1 ′ from the diffusing surface 16 that has passed through the optical filter array 25 passes through the condenser lens 23 of the collimator optical system 21 and is condensed on the lens array 30, and any of the plurality of microlenses 31 in the lens array 30. The light passes through the light and enters the detection surface 36 of the image sensor 35.
前述したように、イメージセンサ35の検出面36は、複数のマイクロレンズ31により光学フィルタアレイ25と共役関係になる面上に配置されている。そのため、イメージセンサ35の検出面36には、複数のマイクロレンズ31による複数の光学フィルタアレイ25の像が結像される。また、イメージセンサ35の各撮像ピクセルに対し、第1光学フィルタ26aから第9光学フィルタ26iのうちいずれか一つからの光が入射するように、レンズアレイ30とイメージセンサ35との相対位置等が調整されている。そのため、イメージセンサ35の各撮像ピクセル毎に、第1光学フィルタ26aから第9光学フィルタ26iのうち、どれを透過した光の検出信号かを特定することができる。 As described above, the detection surface 36 of the image sensor 35 is arranged on a surface that is conjugate with the optical filter array 25 by the plurality of microlenses 31. Therefore, the images of the plurality of optical filter arrays 25 formed by the plurality of microlenses 31 are formed on the detection surface 36 of the image sensor 35. Also, the relative position of the lens array 30 and the image sensor 35 so that light from any one of the first optical filter 26a to the ninth optical filter 26i is incident on each imaging pixel of the image sensor 35. Has been adjusted. Therefore, for each imaging pixel of the image sensor 35, it is possible to specify which of the first optical filter 26a to the ninth optical filter 26i is the detection signal of the transmitted light.
イメージセンサ35は、検出面36上に形成された複数の光学フィルタアレイ25の像(すなわち、複数組の光学フィルタ26a〜26iの像)を検出し、検出信号を画像処理部40へ出力する。第1光学フィルタ26aから第9光学フィルタ26iは、9種類の波長をそれぞれ中心波長とするバンドパスフィルタであるため、レンズアレイ30に集光された光束を9種類の波長バンドに分光して検出することができる。これにより、1つのマイクロレンズ31に対応する撮像ピクセル毎に、図4に示すような分光分布を得ることができる。 The image sensor 35 detects images of a plurality of optical filter arrays 25 formed on the detection surface 36 (that is, images of a plurality of sets of optical filters 26 a to 26 i), and outputs detection signals to the image processing unit 40. Since the first optical filter 26a to the ninth optical filter 26i are band-pass filters having nine types of wavelengths as the central wavelengths, the light beams collected on the lens array 30 are spectrally detected into nine types of wavelength bands and detected. can do. Thereby, a spectral distribution as shown in FIG. 4 can be obtained for each imaging pixel corresponding to one microlens 31.
画像処理部40は、イメージセンサ35から出力された検出信号に基づいて、物体OB1のマルチ波長バンド画像を生成する。このとき、画像処理部40は、第1光学フィルタ26aから第9光学フィルタ26iにそれぞれ対応する撮像ピクセルの検出信号毎に、物体OB1の画像を生成する。このようにして、第1光学フィルタ26aから第9光学フィルタ26iの各波長特性に応じた物体OB1のマルチ波長バンド画像が撮像取得される。なお、画像処理部40により生成された物体OB1のマルチ波長バンド画像は、不図示の画像表示装置等を用いて観察される。 The image processing unit 40 generates a multi-wavelength band image of the object OB1 based on the detection signal output from the image sensor 35. At this time, the image processing unit 40 generates an image of the object OB1 for each detection signal of the imaging pixels corresponding to the first optical filter 26a to the ninth optical filter 26i. In this way, a multi-wavelength band image of the object OB1 corresponding to each wavelength characteristic of the first optical filter 26a to the ninth optical filter 26i is acquired and acquired. Note that the multi-wavelength band image of the object OB1 generated by the image processing unit 40 is observed using an image display device (not shown) or the like.
従来のマルチイメージングカメラでは、以下のような問題が生じる。第1に、物体(被写体)が合焦位置からずれると視差が生じるため、物体の像が単純にぼけるだけでなく、色ずれも生じてしまう。第2に、光学系の瞳のどの位置に光束が入射するかで、イメージセンサに到達する光束の波長が定まる。そのため、例えば、自動車のメタリック塗装やパール塗装のように指向性の高い反射光が生じる物体(被写体)においては、正確なマルチ波長バンド画像が得られないこともある。第3に、顕微鏡にマルチイメージングカメラを用いる場合、十分な大きさの瞳が得られないため、瞳の位置において光束を分割することができない。 The conventional multi-imaging camera has the following problems. First, parallax occurs when the object (subject) deviates from the in-focus position, so that not only the object image is simply blurred but also color misregistration occurs. Second, the wavelength of the light beam reaching the image sensor is determined by the position of the pupil of the optical system where the light beam is incident. Therefore, an accurate multi-wavelength band image may not be obtained for an object (subject) in which reflected light with high directivity, such as metallic paint or pearl paint for automobiles, is generated. Third, when a multi-imaging camera is used for a microscope, a sufficiently large pupil cannot be obtained, and thus the light beam cannot be divided at the position of the pupil.
ここで、第3の問題について詳細に説明する。図12に、微小物体OB2を顕微鏡により拡大して観察する場合の様子を示す。図12に示す顕微鏡においては、対物レンズ501によって微小物体OB2の拡大された実像I1が形成され、接眼レンズ502によって実像I1の拡大された虚像I2が形成される。このとき、対物レンズ501の開口数NAは、空気の屈折率を1とすると、次式(1)で表される。 Here, the third problem will be described in detail. FIG. 12 shows a state in which the minute object OB2 is magnified and observed with a microscope. In the microscope shown in FIG. 12, an enlarged real image I1 of the minute object OB2 is formed by the objective lens 501, and an enlarged virtual image I2 of the real image I1 is formed by the eyepiece 502. At this time, the numerical aperture NA of the objective lens 501 is expressed by the following equation (1), where the refractive index of air is 1.
sinθ1=NA …(1) sinθ1 = NA (1)
また、微小物体OB2に対する虚像I2の倍率をr倍とすると、次式(2)の関係が成立する。 Further, when the magnification of the virtual image I2 with respect to the minute object OB2 is r, the relationship of the following expression (2) is established.
sinθ2≒NA/r …(2) sinθ2≈NA / r (2)
そのため、虚像I2からの光束が集まるアイポイント面Eにおいて、光束の直径dは近似的に次式(3)で表される。 Therefore, in the eye point plane E where the light beam from the virtual image I2 gathers, the diameter d of the light beam is approximately expressed by the following equation (3).
d≒2×L×sinθ2≒2×L×NA/r …(3) d≈2 × L × sin θ2≈2 × L × NA / r (3)
なお、距離Lは、虚像I2からアイポイント面Eまでの距離であり、通常250mm程である。ここで、顕微鏡の倍率rが高い場合を考える。例として、L=250mm、NA=0.9、r=100と仮定する。そうすると、式(3)より、d=4.5mmとなる。式(3)から、顕微鏡の倍率rがさらに高倍率の場合には、光束の直径dがより小さくなることがわかる。そのため、瞳分割方式のマルチイメージングカメラでは、瞳を分割してそれぞれに異なる光学フィルタを配置するのが困難になる。 The distance L is a distance from the virtual image I2 to the eye point plane E, and is usually about 250 mm. Here, consider a case where the magnification r of the microscope is high. As an example, assume L = 250 mm, NA = 0.9, r = 100. If it does so, it will be set to d = 4.5mm from Formula (3). From formula (3), it can be seen that when the magnification r of the microscope is higher, the diameter d of the light beam becomes smaller. Therefore, in the pupil division type multi-imaging camera, it is difficult to divide the pupil and arrange different optical filters for each.
上述した第1の問題に対し、本実施形態によれば、結像光学系10により物体OB1の中間像Im1(実像)を光拡散素子15上に形成して、その中間像Im1を検出部20で検出する。このとき、光拡散素子15に入射した光束は、光拡散素子15を透過した後に拡散するため、光拡散素子15上に物体OB1があるのと等価となる。そのため、検出部20の合焦位置を光拡散素子15上に合わせておけば、デフォーカスによる色ずれが生じることはない。これにより、物体(被写体)が合焦位置からずれた場合に、物体の像が単純にぼけるだけで、色ずれが生じ難くなることから、高精度なマルチ波長バンド画像を得ることができる。 With respect to the first problem described above, according to the present embodiment, the imaging optical system 10 forms an intermediate image Im1 (real image) of the object OB1 on the light diffusing element 15, and the intermediate image Im1 is detected by the detection unit 20. Detect with. At this time, since the light beam incident on the light diffusing element 15 is diffused after passing through the light diffusing element 15, it is equivalent to the presence of the object OB1 on the light diffusing element 15. Therefore, if the in-focus position of the detection unit 20 is matched with the light diffusing element 15, no color shift due to defocusing occurs. As a result, when the object (subject) is deviated from the in-focus position, the object image is simply blurred, and color misregistration hardly occurs, so that a highly accurate multi-wavelength band image can be obtained.
また、上述した第2の問題に対し、本実施形態によれば、指向性の高い光束が結像光学系10に入射しても、その光束が光拡散素子15で広く拡散されて、拡散後の光束は指向性が低くなる。そのため、指向性の高い反射光が生じる物体(被写体)に対しても、高精度なマルチ波長バンド画像を得ることができる。 Further, with respect to the second problem described above, according to the present embodiment, even if a highly directional light beam is incident on the imaging optical system 10, the light beam is widely diffused by the light diffusing element 15, and after diffusion. The luminous flux of becomes low in directivity. Therefore, a highly accurate multi-wavelength band image can be obtained even for an object (subject) in which reflected light with high directivity is generated.
また、上述した第3の問題に対し、本実施形態によれば、光拡散素子15に細い光束が入射しても、光拡散素子15により光束が拡大されるため、光学フィルタアレイ25を用いて分光することが可能となる。そのため、物体(被写体)の拡大像を検出する場合でも、高精度なマルチ波長バンド画像を得ることができる。また、結像光学系として魚眼レンズのように光束が比較的細く絞られるレンズを用いる場合でも、高精度なマルチ波長バンド画像を得ることができる。 Further, with respect to the third problem described above, according to the present embodiment, even if a thin light beam is incident on the light diffusing element 15, the light beam is expanded by the light diffusing element 15, so that the optical filter array 25 is used. Spectroscopy is possible. Therefore, even when an enlarged image of an object (subject) is detected, a highly accurate multi-wavelength band image can be obtained. In addition, even when a lens that narrows the light flux, such as a fisheye lens, is used as the imaging optical system, a highly accurate multi-wavelength band image can be obtained.
このように、第1実施形態によれば、結像光学系10の像面上に光拡散素子15が配設されるため、第1光学フィルタ26aから第9光学フィルタ26iの各波長特性に応じた高精度な物体OB1のマルチ波長バンド画像を得ることができる。 As described above, according to the first embodiment, since the light diffusing element 15 is disposed on the image plane of the imaging optical system 10, it corresponds to each wavelength characteristic of the first optical filter 26 a to the ninth optical filter 26 i. In addition, it is possible to obtain a multi-wavelength band image of the highly accurate object OB1.
また、光拡散素子15は、複数の拡散用マイクロレンズからなる拡散用レンズアレイを用いて構成される。これにより、拡散面16がきめ細かくなり、拡散面16において均一な角度特性で光を拡散させることができるため、物体OB1の微細な部分を良好に観察可能なマルチ波長バンド画像を得ることができる。 The light diffusing element 15 is configured using a diffusing lens array including a plurality of diffusing microlenses. As a result, the diffusing surface 16 becomes finer and light can be diffused with uniform angular characteristics on the diffusing surface 16, so that a multi-wavelength band image can be obtained in which fine portions of the object OB1 can be satisfactorily observed.
上述の第1実施形態において、多層膜干渉フィルタを用いる場合等、光束の入射角度によって各光学フィルタ26a〜26iの光学特性が変化することがあるため、なるべく平行光束で、且つ、垂直に近い角度で、拡散面16からの光束R1´が各光学フィルタ26a〜26iに入射することが望ましい。そのためには、光拡散素子15の拡散面16がコリメータレンズ22の焦平面上にあり、さらに、拡散面16からの光束R1´の主光線が光軸Ax1と平行であるとよい。すなわち、結像光学系10と光拡散素子15とを含む光学系がテレセントリックとなるように構成されることが望ましい。 In the first embodiment described above, when the multilayer interference filter is used, the optical characteristics of the optical filters 26a to 26i may change depending on the incident angle of the light beam. Therefore, it is desirable that the light beam R1 ′ from the diffusing surface 16 is incident on the optical filters 26a to 26i. For this purpose, the diffusing surface 16 of the light diffusing element 15 is preferably on the focal plane of the collimator lens 22, and the principal ray of the light beam R1 ′ from the diffusing surface 16 is preferably parallel to the optical axis Ax1. That is, it is desirable that the optical system including the imaging optical system 10 and the light diffusing element 15 is configured to be telecentric.
しかしながら、結像光学系10がカメラレンズとして用いられる場合、図5に示すように、結像光学系10の像側がテレセントリックでないことが多い。このような場合、図6に示すように、フィールドレンズ18を光拡散素子15の像側(もしくは物体側)近傍に配置して、テレセントリックとなるようにしてもよい。 However, when the imaging optical system 10 is used as a camera lens, the image side of the imaging optical system 10 is often not telecentric as shown in FIG. In such a case, as shown in FIG. 6, the field lens 18 may be arranged near the image side (or object side) of the light diffusing element 15 so as to be telecentric.
次に、撮像装置の第2実施形態について、図7を参照しながら説明する。第2実施形態の撮像装置(マルチイメージングカメラ)51は、結像光学系10と、光拡散素子15と、検出部70と、画像処理部90とを備えて構成される。なお、第2実施形態において、結像光学系10および光拡散素子15は、第1実施形態と同様の構成であるため、第1実施形態と同一の符号を付して詳細な説明を省略する。 Next, a second embodiment of the imaging device will be described with reference to FIG. An imaging apparatus (multi-imaging camera) 51 according to the second embodiment includes an imaging optical system 10, a light diffusing element 15, a detection unit 70, and an image processing unit 90. In the second embodiment, since the imaging optical system 10 and the light diffusing element 15 have the same configuration as that of the first embodiment, the same reference numerals as those in the first embodiment are used and detailed description thereof is omitted. .
第1実施形態と同様、結像光学系10の像側に光拡散素子15が設けられ、光拡散素子15の像側に検出部70が設けられる。検出部70は、コリメータ光学系71と、光学フィルタアレイ75と、レンズアレイ80と、イメージセンサ85とを有して構成される。コリメータ光学系71は、コリメータレンズ72を有している。コリメータレンズ72は、結像光学系10および光拡散素子15と光学フィルタアレイ75との間に設けられ、結像光学系10および光拡散素子15からの光を略平行光にすることができるようになっている。コリメータレンズ72は、図7において概略的に単レンズとして描かれているが、複数のレンズから構成されてもよい。 Similar to the first embodiment, the light diffusion element 15 is provided on the image side of the imaging optical system 10, and the detection unit 70 is provided on the image side of the light diffusion element 15. The detection unit 70 includes a collimator optical system 71, an optical filter array 75, a lens array 80, and an image sensor 85. The collimator optical system 71 has a collimator lens 72. The collimator lens 72 is provided between the imaging optical system 10 and the light diffusing element 15 and the optical filter array 75 so that the light from the imaging optical system 10 and the light diffusing element 15 can be made substantially parallel light. It has become. Although the collimator lens 72 is schematically depicted as a single lens in FIG. 7, it may be composed of a plurality of lenses.
光学フィルタアレイ75は、図8に示すように、光軸Ax2と垂直な平面に沿って二次元的に配列された第1光学フィルタ76aから第9光学フィルタ76iまでの9個の光学フィルタと、これらを保持する保持部材(図示せず)とから構成される。第1光学フィルタ76aから第9光学フィルタ76iは、第1実施形態と同様、第1波長λ1から第9波長λ9までの9種類の波長をそれぞれ中心波長とするバンドパスフィルタである。 As shown in FIG. 8, the optical filter array 75 includes nine optical filters from a first optical filter 76a to a ninth optical filter 76i arranged two-dimensionally along a plane perpendicular to the optical axis Ax2. It is comprised from the holding member (not shown) holding these. Similarly to the first embodiment, the first optical filter 76a to the ninth optical filter 76i are band-pass filters each having nine wavelengths from the first wavelength λ1 to the ninth wavelength λ9 as center wavelengths.
光学フィルタアレイ75の像側に、レンズアレイ80が設けられる。レンズアレイ80は、図8に示すように、光軸Ax2と垂直な平面に沿って二次元的に配列された、正の屈折力を有する第1小レンズ81aから第9小レンズ81iまでの9個の小レンズから構成される。第1小レンズ81aから第9小レンズ81iは、第1光学フィルタ76aから第9光学フィルタ76iと同等の大きさを有し、それぞれの無限遠物体に対する焦平面が光軸Ax2と垂直な同一平面上にできるように、光軸方向について位置合わせされる。 A lens array 80 is provided on the image side of the optical filter array 75. As shown in FIG. 8, the lens array 80 includes 9 lenses from a first small lens 81a having a positive refractive power to a ninth small lens 81i arranged two-dimensionally along a plane perpendicular to the optical axis Ax2. Consists of small lenses. The first small lens 81a to the ninth small lens 81i have the same size as the first optical filter 76a to the ninth optical filter 76i, and the focal plane for each object at infinity is the same plane perpendicular to the optical axis Ax2. It is aligned with respect to the optical axis direction so that it can be formed above.
第1小レンズ81aは第1光学フィルタ76aに、第2小レンズ81bは第2光学フィルタ76bに、第3小レンズ81cは第3光学フィルタ76cに、第4小レンズ81dは第4光学フィルタ76dに、第5小レンズ81eは第5光学フィルタ76eに、第6小レンズ81fは第6光学フィルタ76fに、第7小レンズ81gは第7光学フィルタ76gに、第8小レンズ81hは第8光学フィルタ76hに、第9小レンズ81iは第9光学フィルタ76iにそれぞれ位置対応している。そして、第1小レンズ81aから第9小レンズ81iは、第1光学フィルタ76aから第9光学フィルタ76iをそれぞれ通過した光束を受け、それぞれ独立に物体OB1の像を形成する。 The first small lens 81a is the first optical filter 76a, the second small lens 81b is the second optical filter 76b, the third small lens 81c is the third optical filter 76c, and the fourth small lens 81d is the fourth optical filter 76d. The fifth small lens 81e is the fifth optical filter 76e, the sixth small lens 81f is the sixth optical filter 76f, the seventh small lens 81g is the seventh optical filter 76g, and the eighth small lens 81h is the eighth optical filter. The ninth small lens 81i corresponds to the position of the ninth optical filter 76i with respect to the filter 76h. The first small lens 81a to the ninth small lens 81i receive the light beams that have passed through the first optical filter 76a and the ninth optical filter 76i, respectively, and independently form an image of the object OB1.
結像光学系10の像面(中間像Im1)と共役な複数の小レンズ81a〜81iの焦平面上に、イメージセンサ85が配設される。イメージセンサ85は、図9に示すように、数十万〜数千万個の撮像ピクセルが平面上に二次元的に配列された長方形の検出面86を有している。イメージセンサ85の検出面86が複数の小レンズ81a〜81iの焦平面上に配置され、第1小レンズ81aから第9小レンズ81iによる9個の物体像Ia〜Ii(物体OB1の像)が検出面86上に並んで形成される。なお、このようなイメージセンサ85として例えば、CCDやCMOS等が用いられる。 An image sensor 85 is disposed on the focal plane of a plurality of small lenses 81a to 81i conjugate with the image plane (intermediate image Im1) of the imaging optical system 10. As shown in FIG. 9, the image sensor 85 has a rectangular detection surface 86 in which hundreds of thousands to tens of millions of imaging pixels are two-dimensionally arranged on a plane. The detection surface 86 of the image sensor 85 is disposed on the focal plane of the plurality of small lenses 81a to 81i, and nine object images Ia to Ii (images of the object OB1) by the first small lens 81a to the ninth small lens 81i are displayed. They are formed side by side on the detection surface 86. As such an image sensor 85, for example, a CCD or a CMOS is used.
イメージセンサ85は、検出面86上に形成された9個の物体像Ia〜Iiを検出し、検出信号を画像処理部90へ出力する。画像処理部90は、イメージセンサ85から出力された検出信号に基づいて、第1光学フィルタ76aから第9光学フィルタ76iの各波長特性に応じた物体OB1のマルチ波長バンド画像を生成する。 The image sensor 85 detects nine object images Ia to Ii formed on the detection surface 86 and outputs detection signals to the image processing unit 90. Based on the detection signal output from the image sensor 85, the image processing unit 90 generates a multi-wavelength band image of the object OB1 corresponding to each wavelength characteristic of the first optical filter 76a to the ninth optical filter 76i.
第2実施形態の撮像装置51において、離れた場所にある物体OB1からの光束R2は、結像光学系10の結像レンズ11を透過して光拡散素子15の拡散面16上で結像し、光拡散素子15の拡散面16に物体OB1の中間像Im1(実像)が形成される。このとき、物体OB1からの光束R2は、絞り12の開口12aによって広がり角が制限される。また、物体OB1の中間像Im1が形成される光拡散素子15の拡散面16において、物体OB1からの光束R2が拡散して射出されるため、拡散面16上に物体OB1が存在することと等価になる。これにより、光拡散素子15の拡散面16に形成された物体OB1の中間像Im1を検出部70で検出することができる。 In the imaging device 51 of the second embodiment, the light beam R2 from the object OB1 at a distant place passes through the imaging lens 11 of the imaging optical system 10 and forms an image on the diffusion surface 16 of the light diffusing element 15. The intermediate image Im1 (real image) of the object OB1 is formed on the diffusion surface 16 of the light diffusing element 15. At this time, the spread angle of the light beam R2 from the object OB1 is limited by the opening 12a of the stop 12. Further, since the light beam R2 from the object OB1 is diffused and emitted on the diffusing surface 16 of the light diffusing element 15 where the intermediate image Im1 of the object OB1 is formed, this is equivalent to the presence of the object OB1 on the diffusing surface 16. become. Thereby, the intermediate image Im1 of the object OB1 formed on the diffusion surface 16 of the light diffusing element 15 can be detected by the detection unit 70.
拡散した拡散面16からの光束R2´は、コリメータ光学系71のコリメータレンズ72を透過して、主光線が光軸Ax2側に曲げられた略平行光束になる。コリメータレンズ72により略平行光束になった拡散面16からの光束R2´は、光学フィルタアレイ75における第1光学フィルタ76aから第9光学フィルタ76iのいずれかを透過し、レンズアレイ80に達する。レンズアレイ80の第1小レンズ81aから第9小レンズ81iは、第1光学フィルタ76aから第9光学フィルタ76iをそれぞれ通過した光束を受け、それぞれ独立に物体OB1の像を形成する。 The diffused light beam R2 ′ from the diffusing surface 16 is transmitted through the collimator lens 72 of the collimator optical system 71 and becomes a substantially parallel light beam whose principal ray is bent toward the optical axis Ax2. The light beam R <b> 2 ′ from the diffusing surface 16 that has become a substantially parallel light beam by the collimator lens 72 passes through any of the first optical filter 76 a to the ninth optical filter 76 i in the optical filter array 75 and reaches the lens array 80. The first small lens 81a to the ninth small lens 81i of the lens array 80 receive the light beams that have passed through the first optical filter 76a and the ninth optical filter 76i, respectively, and form an image of the object OB1 independently.
前述したように、イメージセンサ85の検出面86は、結像光学系10の像面(中間像Im1)と共役な複数の小レンズ81a〜81iの焦平面上に配置されている。そのため、イメージセンサ85の検出面86には、第1小レンズ81aから第9小レンズ81iによる9個の物体像Ia〜Iiが結像される。検出面86上に形成された9個の9個の物体像Ia〜Iiは、それぞれ第1光学フィルタ76aから第9光学フィルタ76iのうち対応する分光特性をもって形成される。イメージセンサ85は、検出面86上に形成された9個の物体像Ia〜Iiを検出し、検出信号を画像処理部90へ出力する。 As described above, the detection surface 86 of the image sensor 85 is disposed on the focal plane of the plurality of small lenses 81a to 81i conjugate with the image plane (intermediate image Im1) of the imaging optical system 10. Therefore, nine object images Ia to Ii are formed on the detection surface 86 of the image sensor 85 by the first small lens 81a to the ninth small lens 81i. Nine nine object images Ia to Ii formed on the detection surface 86 are respectively formed with corresponding spectral characteristics among the first optical filter 76a to the ninth optical filter 76i. The image sensor 85 detects nine object images Ia to Ii formed on the detection surface 86 and outputs detection signals to the image processing unit 90.
画像処理部90は、イメージセンサ85から出力された、各光学フィルタ76a〜76iの波長特性に応じた物体像Ia〜Iiの画像信号に基づいて、物体OB1のマルチ波長バンド画像を生成する。このようにして、第1光学フィルタ76aから第9光学フィルタ76iの各波長特性に応じた物体OB1のマルチ波長バンド画像が撮像取得される。なお、画像処理部90により生成された物体OB1のマルチ波長バンド画像は、不図示の画像表示装置等を用いて観察される。 The image processing unit 90 generates a multi-wavelength band image of the object OB1 based on the image signals of the object images Ia to Ii corresponding to the wavelength characteristics of the optical filters 76a to 76i output from the image sensor 85. In this way, a multi-wavelength band image of the object OB1 corresponding to each wavelength characteristic of the first optical filter 76a to the ninth optical filter 76i is acquired and acquired. Note that the multi-wavelength band image of the object OB1 generated by the image processing unit 90 is observed using an image display device (not shown) or the like.
このように、第2実施形態によれば、第1実施形態と同様の効果を得ることができる。なお、拡散面16からの光束R2´がコリメータレンズ72により平行光束になることで、各小レンズ81a〜81iに入射する主光線が互いに平行となる。そのため、物体OB1に対して合焦した状態では、イメージセンサ85の検出面86に、波長は異なるが、大きさと形状が同一の9個の物体像Ia〜Ii(実像)が形成される。 Thus, according to the second embodiment, the same effect as that of the first embodiment can be obtained. In addition, when the light beam R2 ′ from the diffusing surface 16 is converted into a parallel light beam by the collimator lens 72, chief rays incident on the small lenses 81a to 81i become parallel to each other. Therefore, in the state in which the object OB1 is focused, nine object images Ia to Ii (real images) having the same size and shape are formed on the detection surface 86 of the image sensor 85, although the wavelengths are different.
上述の第2実施形態において、多層膜干渉フィルタを用いる場合等、光束の入射角度によって各光学フィルタ76a〜76iの光学特性が変化することがあるため、なるべく平行光束で、且つ、垂直に近い角度で、拡散面16からの光束R2´が各光学フィルタ76a〜76iに入射することが望ましい。そのためには、光拡散素子15の拡散面16がコリメータレンズ72の焦平面上にあり、さらに、拡散面16からの光束R2´の主光線が光軸Ax2と平行であるとよい。すなわち、結像光学系10と光拡散素子15とを含む光学系がテレセントリックとなるように構成されることが望ましい。 In the second embodiment described above, when the multilayer interference filter is used, the optical characteristics of the optical filters 76a to 76i may change depending on the incident angle of the light beam. Therefore, it is desirable that the light beam R2 ′ from the diffusing surface 16 enters each of the optical filters 76a to 76i. For this purpose, the diffusing surface 16 of the light diffusing element 15 is preferably on the focal plane of the collimator lens 72, and the principal ray of the light beam R2 ′ from the diffusing surface 16 is preferably parallel to the optical axis Ax2. That is, it is desirable that the optical system including the imaging optical system 10 and the light diffusing element 15 is configured to be telecentric.
しかしながら、結像光学系10がカメラレンズとして用いられる場合、第1実施形態で述べたように、結像光学系10の像側がテレセントリックでないことが多い。このような場合、第1実施形態と同様、フィールドレンズ18を光拡散素子15の像側(もしくは物体側)近傍に配置して、テレセントリックとなるようにしてもよい。 However, when the imaging optical system 10 is used as a camera lens, the image side of the imaging optical system 10 is often not telecentric as described in the first embodiment. In such a case, similarly to the first embodiment, the field lens 18 may be arranged near the image side (or object side) of the light diffusing element 15 so as to be telecentric.
また、上述の第1および第2実施形態において、結像光学系10の一部を合焦レンズ群としてもよい。また、結像光学系10は、焦点距離が固定の単焦点レンズであってもよく、焦点距離が可変のズームレンズであってもよい。 In the first and second embodiments described above, a part of the imaging optical system 10 may be a focusing lens group. Further, the imaging optical system 10 may be a single focal lens having a fixed focal length or a zoom lens having a variable focal length.
次に、撮像装置の第3実施形態について、図10を参照しながら説明する。第3実施形態の撮像装置(マルチイメージングカメラ)101は、結像光学系110と、光拡散素子15と、検出部20と、画像処理部40とを備えて構成される。なお、第3実施形態において、光拡散素子15、検出部20、および画像処理部40は、第1実施形態と同様の構成であるため、第1実施形態と同一の符号を付して詳細な説明を省略する。 Next, a third embodiment of the imaging device will be described with reference to FIG. An imaging apparatus (multi-imaging camera) 101 according to the third embodiment includes an imaging optical system 110, a light diffusing element 15, a detection unit 20, and an image processing unit 40. In the third embodiment, the light diffusing element 15, the detection unit 20, and the image processing unit 40 have the same configurations as those in the first embodiment. Description is omitted.
結像光学系110は、対物レンズ111と、レンズ112と、結像レンズ113と、絞り114とを有している。結像光学系110は、顕微鏡として用いられる光学系であり、微小物体OB2からの光を透過させて微小物体OB2の拡大された中間像Im2(実像)を結像させる。対物レンズ111、レンズ112、および結像レンズ113は、図10において概略的に単レンズとして描かれているが、複数のレンズから構成されてもよい。 The imaging optical system 110 includes an objective lens 111, a lens 112, an imaging lens 113, and a diaphragm 114. The imaging optical system 110 is an optical system used as a microscope, and forms an enlarged intermediate image Im2 (real image) of the minute object OB2 by transmitting light from the minute object OB2. Although the objective lens 111, the lens 112, and the imaging lens 113 are schematically depicted as single lenses in FIG. 10, they may be composed of a plurality of lenses.
対物レンズ111は、微小物体OB2からの光を透過させて微小物体OB2の拡大された実像I1を結像させる。レンズ112は、対物レンズ111からの光を透過させて結像レンズ113に導く。結像レンズ113は、レンズ112からの光を透過させて微小物体OB2の中間像Im2を結像させる。絞り114は、中央に開口114aを有する円板状に形成され、結像レンズ113の物体側近傍に配置される。 The objective lens 111 transmits the light from the minute object OB2 and forms an enlarged real image I1 of the minute object OB2. The lens 112 transmits the light from the objective lens 111 and guides it to the imaging lens 113. The imaging lens 113 transmits the light from the lens 112 and forms an intermediate image Im2 of the minute object OB2. The diaphragm 114 is formed in a disk shape having an opening 114a in the center, and is disposed in the vicinity of the object side of the imaging lens 113.
なお、結像光学系110の対物レンズ111を顕微鏡の対物レンズ501(図12を参照)とし、結像光学系110のレンズ112を顕微鏡の接眼レンズ502(図12を参照)とし、結像光学系110の絞り114の位置を顕微鏡のアイポイント面E(図12を参照)として考える。そうすると、結像レンズ113を介して前述の虚像I2を観察するのと等価になる。 The objective lens 111 of the imaging optical system 110 is the microscope objective lens 501 (see FIG. 12), the lens 112 of the imaging optical system 110 is the eyepiece lens 502 of the microscope (see FIG. 12), and imaging optics is used. Consider the position of the stop 114 of the system 110 as the eye point plane E (see FIG. 12) of the microscope. This is equivalent to observing the virtual image I2 described above through the imaging lens 113.
また、第1実施形態と同様、結像光学系110(結像レンズ113)の像側に光拡散素子15が設けられ、光拡散素子15の像側に検出部20が設けられる。 Similarly to the first embodiment, the light diffusing element 15 is provided on the image side of the imaging optical system 110 (imaging lens 113), and the detection unit 20 is provided on the image side of the light diffusing element 15.
第3実施形態の撮像装置101において、微小物体OB2からの光束R3は、結像光学系110の対物レンズ111、レンズ112、および結像レンズ113を透過して光拡散素子15の拡散面16上で結像し、光拡散素子15の拡散面16に微小物体OB2の中間像Im2(実像)が形成される。このとき、微小物体OB2からの光束R3は、絞り114の開口114aによって広がり角が制限される。また、微小物体OB2の中間像Im2が形成される光拡散素子15の拡散面16において、微小物体OB2からの光束R3が拡散して射出されるため、拡散面16上に微小物体OB2が存在することと等価になる。これにより、第1実施形態と同様、光拡散素子15の拡散面16に形成された微小物体OB2の中間像Im2を検出部20で検出することができる。 In the imaging apparatus 101 of the third embodiment, the light beam R3 from the minute object OB2 passes through the objective lens 111, the lens 112, and the imaging lens 113 of the imaging optical system 110 and is on the diffusion surface 16 of the light diffusing element 15. And an intermediate image Im2 (real image) of the minute object OB2 is formed on the diffusion surface 16 of the light diffusing element 15. At this time, the spread angle of the light beam R3 from the minute object OB2 is limited by the opening 114a of the stop 114. Further, since the light beam R3 from the minute object OB2 is diffused and emitted on the diffusion surface 16 of the light diffusing element 15 where the intermediate image Im2 of the minute object OB2 is formed, the minute object OB2 exists on the diffusion surface 16. Is equivalent to that. Thereby, similarly to the first embodiment, the intermediate image Im2 of the minute object OB2 formed on the diffusion surface 16 of the light diffusing element 15 can be detected by the detection unit 20.
拡散した拡散面16からの光束R3´は、コリメータ光学系21のコリメータレンズ22を透過して、主光線が光軸Ax3側に曲げられた略平行光束になる。コリメータレンズ22により略平行光束になった拡散面16からの光束R3´は、光学フィルタアレイ25における第1光学フィルタ26aから第9光学フィルタ26iのいずれかを透過する。光学フィルタアレイ25を透過した拡散面16からの光束R3´は、コリメータ光学系21の集光レンズ23を透過してレンズアレイ30上に集光され、レンズアレイ30における複数のマイクロレンズ31のいずれかを透過してイメージセンサ35の検出面36に入射する。 The diffused light beam R3 ′ from the diffusing surface 16 is transmitted through the collimator lens 22 of the collimator optical system 21, and becomes a substantially parallel light beam whose principal ray is bent to the optical axis Ax3 side. The light beam R3 ′ from the diffusing surface 16 that has become a substantially parallel light beam by the collimator lens 22 passes through one of the first optical filter 26a to the ninth optical filter 26i in the optical filter array 25. The light beam R 3 ′ from the diffusion surface 16 that has passed through the optical filter array 25 passes through the condenser lens 23 of the collimator optical system 21 and is condensed on the lens array 30, and any of the plurality of microlenses 31 in the lens array 30. The light passes through the light and enters the detection surface 36 of the image sensor 35.
第1実施形態と同様に、イメージセンサ35の検出面36には、複数のマイクロレンズ31による複数の光学フィルタアレイ25の像が結像される。イメージセンサ35は、検出面36上に形成された複数の光学フィルタアレイ25の像(すなわち、複数組の光学フィルタ26a〜26iの像)を検出し、検出信号を画像処理部40へ出力する。画像処理部40は、第1実施形態と同様に、イメージセンサ35から出力された検出信号に基づいて、物体OB1のマルチ波長バンド画像を生成する。このようにして、第1光学フィルタ26aから第9光学フィルタ26iの各波長特性に応じた微小物体OB2のマルチ波長バンド画像が撮像取得される。なお、画像処理部40により生成された微小物体OB2のマルチ波長バンド画像は、不図示の画像表示装置等を用いて観察される。 Similar to the first embodiment, images of the plurality of optical filter arrays 25 by the plurality of microlenses 31 are formed on the detection surface 36 of the image sensor 35. The image sensor 35 detects images of a plurality of optical filter arrays 25 formed on the detection surface 36 (that is, images of a plurality of sets of optical filters 26 a to 26 i), and outputs detection signals to the image processing unit 40. Similar to the first embodiment, the image processing unit 40 generates a multi-wavelength band image of the object OB1 based on the detection signal output from the image sensor 35. In this manner, a multi-wavelength band image of the minute object OB2 corresponding to each wavelength characteristic of the first optical filter 26a to the ninth optical filter 26i is captured and acquired. Note that the multi-wavelength band image of the minute object OB2 generated by the image processing unit 40 is observed using an image display device (not shown) or the like.
このように、第3実施形態によれば、第1実施形態と同様の効果を得ることができる。特に、微小物体OB2の拡大像を検出する場合でも、高精度なマルチ波長バンド画像を得ることができる。 Thus, according to the third embodiment, the same effect as that of the first embodiment can be obtained. In particular, even when an enlarged image of the minute object OB2 is detected, a highly accurate multi-wavelength band image can be obtained.
上述の第3実施形態において、第1実施形態と同様、結像光学系110と光拡散素子15とを含む光学系がテレセントリックとなるように構成されることが望ましい。しかしながら、結像光学系110がテレセントリックでない場合、第1実施形態および第2実施形態と同様、フィールドレンズ18を光拡散素子15の像側(もしくは物体側)近傍に配置して、テレセントリックとなるようにしてもよい。 In the third embodiment, as in the first embodiment, it is desirable that the optical system including the imaging optical system 110 and the light diffusing element 15 is configured to be telecentric. However, when the imaging optical system 110 is not telecentric, the field lens 18 is arranged near the image side (or object side) of the light diffusing element 15 so as to be telecentric, as in the first and second embodiments. It may be.
上述の第3実施形態において、第1実施形態と同様な構成の検出部20および画像処理部40に代えて、第2実施形態と同様な構成の検出部70および画像処理部90を用いることも可能である。 In the third embodiment described above, instead of the detection unit 20 and the image processing unit 40 having the same configuration as in the first embodiment, the detection unit 70 and the image processing unit 90 having the same configuration as in the second embodiment may be used. Is possible.
また、上述の第1〜第3実施形態において、光拡散素子15で拡散する光の配光特性は、図11に示すように、中央部で明るく、周辺部で暗くなりやすい。このような場合、光学フィルタアレイ25,75の9つの光学フィルタの光学特性を同じにしても、イメージセンサ35,85に対する9つの結像光束の入射光量が互いに異なることになる。そこで、画像処理部40,90がマルチ波長バンド画像を生成する際、光拡散素子15で拡散する光の配光特性に応じた画像補正を行うようにしてもよい。 In the first to third embodiments described above, the light distribution characteristics of the light diffused by the light diffusing element 15 are likely to be bright at the central portion and dark at the peripheral portion, as shown in FIG. In such a case, even if the optical characteristics of the nine optical filters of the optical filter arrays 25 and 75 are the same, the incident light amounts of the nine imaging light beams with respect to the image sensors 35 and 85 are different from each other. Therefore, when the image processing units 40 and 90 generate a multi-wavelength band image, image correction according to the light distribution characteristics of the light diffused by the light diffusing element 15 may be performed.
また、上述の第1〜第3実施形態において、光学フィルタアレイ25,75の光学フィルタとして、バンドパスフィルタを用いているが、透過波長帯域として、紫外域や、可視域、赤外域など、所望の波長帯域に設定することができる。 In the first to third embodiments described above, a bandpass filter is used as the optical filter of the optical filter arrays 25 and 75. However, as a transmission wavelength band, an ultraviolet region, a visible region, an infrared region, or the like is desired. Can be set to the wavelength band.
また、上述の第1〜第3実施形態において、光学フィルタアレイ25,75の光学フィルタとして、バンドパスフィルタを用いているが、これに限られるものではない。光学フィルタアレイの光学フィルタとして、例えば、任意の分光透過率を有するフィルタや、偏光フィルタ、波長板、NDフィルタ、およびこれらの組み合わせ等、各種光学フィルタを用いることが可能である。また、光学フィルタアレイの光学フィルタは、9つに限らず、複数設けられていればよい。 In the first to third embodiments described above, bandpass filters are used as the optical filters of the optical filter arrays 25 and 75. However, the present invention is not limited to this. As the optical filter of the optical filter array, for example, various optical filters such as a filter having an arbitrary spectral transmittance, a polarizing filter, a wave plate, an ND filter, and a combination thereof can be used. Further, the number of optical filters in the optical filter array is not limited to nine, and a plurality of optical filters may be provided.
また、上述の第1〜第3実施形態において、光拡散素子15は、光を拡散させることが可能な凸形状の複数の拡散用マイクロレンズからなる拡散用レンズアレイを用いて構成されているが、これに限られるものではない。例えば、拡散用マイクロレンズが凹形状であってもよい。また例えば、光拡散素子が、光を拡散させることが可能な拡散板を用いて構成されてもよい。 In the first to third embodiments described above, the light diffusing element 15 is configured using a diffusing lens array composed of a plurality of convex diffusing microlenses capable of diffusing light. However, it is not limited to this. For example, the diffusing microlens may be concave. Further, for example, the light diffusing element may be configured using a diffusion plate capable of diffusing light.
1 撮像装置(第1実施形態)
10 結像光学系
15 光拡散素子 20 検出部
21 コリメータ光学系
22 コリメータレンズ 23 集光レンズ
25 光学フィルタアレイ
26a 第1光学フィルタ 26b 第2光学フィルタ
26c 第3光学フィルタ 26d 第4光学フィルタ
26e 第5光学フィルタ 26f 第6光学フィルタ
26g 第7光学フィルタ 26h 第8光学フィルタ
26i 第9光学フィルタ
30 レンズアレイ 31 マイクロレンズ
35 イメージセンサ 36 検出面
40 画像処理部
51 撮像装置(第2実施形態)
70 検出部
71 コリメータ光学系 72 コリメータレンズ
75 光学フィルタアレイ
76a 第1光学フィルタ 76b 第2光学フィルタ
76c 第3光学フィルタ 76d 第4光学フィルタ
76e 第5光学フィルタ 76f 第6光学フィルタ
76g 第7光学フィルタ 76h 第8光学フィルタ
76i 第9光学フィルタ
80 レンズアレイ
81a 第1小レンズ 81b 第2小レンズ
81c 第3小レンズ 81d 第4小レンズ
81e 第5小レンズ 81f 第6小レンズ
81g 第7小レンズ 81h 第8小レンズ
81i 第9小レンズ
85 イメージセンサ 86 検出面
90 画像処理部
101 撮像装置(第3実施形態)
110 結像光学系
1 Imaging device (first embodiment)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Imaging optical system 15 Light diffusing element 20 Detection part 21 Collimator optical system 22 Collimator lens 23 Condensing lens 25 Optical filter array 26a 1st optical filter 26b 2nd optical filter 26c 3rd optical filter 26d 4th optical filter 26e 5th Optical filter 26f 6th optical filter 26g 7th optical filter 26h 8th optical filter 26i 9th optical filter 30 Lens array 31 Micro lens 35 Image sensor 36 Detection surface 40 Image processing part 51 Imaging device (2nd Embodiment)
70 detector 71 collimator optical system 72 collimator lens 75 optical filter array 76a first optical filter 76b second optical filter 76c third optical filter 76d fourth optical filter 76e fifth optical filter 76f sixth optical filter 76g seventh optical filter 76h Eighth optical filter 76i Ninth optical filter 80 Lens array 81a First small lens 81b Second small lens 81c Third small lens 81d Fourth small lens 81e Fifth small lens 81f Sixth small lens 81g Seventh small lens 81h Eighth Small lens 81i Ninth small lens 85 Image sensor 86 Detection surface 90 Image processing unit 101 Imaging device (third embodiment)
110 Imaging optical system
Claims (6)
前記結像光学系からの光を略平行光にするコリメータ光学系と、
光軸と垂直な平面に沿って二次元的に配列された複数の光学素子からなり、前記コリメータ光学系により略平行光になった光を前記複数の光学素子で通過させる光学素子アレイと、
前記コリメータ光学系および前記光学素子アレイを通過した光を屈折させるレンズアレイと、
前記レンズアレイにより前記光学素子アレイと共役を成す平面上、もしくは前記結像光学系の前記中間像と共役な平面上に配設され、前記レンズアレイからの光を検出するイメージセンサと、
前記イメージセンサから出力された検出信号に基づいて、前記光学素子の光学特性に応じた前記物体に関する情報を求める画像処理部とを備え、
前記結像光学系の像面上に、前記結像光学系からの光を前記コリメータ光学系に向けて拡散させる光拡散素子が配設されることを特徴とする撮像装置。 An imaging optical system that transmits light from the object and forms an intermediate image of the object;
A collimator optical system that makes light from the imaging optical system substantially parallel light;
An optical element array comprising a plurality of optical elements arranged two-dimensionally along a plane perpendicular to the optical axis, and allowing the plurality of optical elements to pass light that has become substantially parallel light by the collimator optical system;
A lens array that refracts light that has passed through the collimator optical system and the optical element array;
An image sensor arranged on a plane conjugate with the optical element array by the lens array or on a plane conjugate with the intermediate image of the imaging optical system, and detecting light from the lens array;
An image processing unit for obtaining information on the object according to the optical characteristics of the optical element based on the detection signal output from the image sensor;
An imaging apparatus comprising: a light diffusing element that diffuses light from the imaging optical system toward the collimator optical system on an image plane of the imaging optical system.
前記レンズアレイは、光軸と垂直な平面に沿って二次元的に配列された正の屈折力を有する複数のマイクロレンズからなり、前記集光レンズの像面上に配設されて、前記集光レンズからの光を前記複数のマイクロレンズで透過させ、
前記イメージセンサは、前記レンズアレイにより前記光学素子アレイと共役を成す平面上に配設され、前記複数のマイクロレンズにより結像した前記複数の前記光学素子アレイの像を検出することを特徴とする請求項1に記載の撮像装置。 The collimator optical system is provided between the imaging optical system and the optical element array, and collimator lenses that make light from the imaging optical system substantially parallel light; the optical element array; and the lens array; A condenser lens that transmits light from the optical element array and forms an image of the object,
The lens array is composed of a plurality of microlenses having a positive refractive power arranged two-dimensionally along a plane perpendicular to the optical axis, and is disposed on the image plane of the condenser lens. The light from the optical lens is transmitted through the plurality of microlenses,
The image sensor is disposed on a plane conjugate with the optical element array by the lens array, and detects images of the plurality of optical element arrays formed by the plurality of microlenses. The imaging device according to claim 1.
前記イメージセンサは、前記結像光学系の像面と共役な前記複数の小レンズの焦平面上に配設され、前記複数の小レンズにより結像した前記複数の前記物体の像を検出することを特徴とする請求項1に記載の撮像装置。 The lens array includes a plurality of small lenses having positive refractive power arranged two-dimensionally along a plane perpendicular to the optical axis, and each of the light from the plurality of optical elements in the optical element array Transmit through multiple small lenses,
The image sensor is disposed on a focal plane of the plurality of small lenses conjugate with an image plane of the imaging optical system, and detects the images of the plurality of objects formed by the plurality of small lenses. The imaging apparatus according to claim 1.
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