(57)【要約】  マルチバンドカメラは、４以上の光学フィルタを有するバンドパスフィルタと、マイクロレンズが配列されたマイクロレンズアレイと、複数の画素からなる光電変換素子と、分光強度を測定する測定部と、を備える。マルチバンドカメラは、マイクロレンズのピッチをＰｌとし、画素のピッチをＰｓとし、１つのマイクロレンズに対応する画素の数をｎとし、画素の所定方向の有効寸法をｕとし、バンドパスフィルタが二次元状に配列された複数の画素上に形成する実像の所定方向の寸法をｔとし、マイクロレンズが所定方向に配列される個数をＮａとし、射出瞳からマイクロレンズまでの距離をＬとし、マイクロレンズの焦点距離をｆとすると、下記の数式を満たす。【数１４】2012066741.tif 000016
2012066741.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検体を撮像する際に撮像波長領域を互いに異なる４以上に分割された波長バンドで撮像するマルチバンドカメラにおいて、
光学系の瞳の位置に配置され、前記４以上に分割された波長バンドをそれぞれ透過させる４以上の光学フィルタを有するバンドパスフィルタと、
正のマイクロレンズが二次元状に配列されたマイクロレンズアレイと、
前記マイクロレンズアレイの焦点付近かつ前記バンドパスフィルタと共役位置もしくは共役位置近傍に配置され、前記バンドパスフィルタを透過し前記マイクロレンズアレイにより導かれた光束が入射する二次元状に配列された複数の画素からなる光電変換素子と、
前記光学フィルタに対応する前記画素からの信号出力に基づいて、前記被検体からの前記光束の分光強度を測定する測定部と、を備え、
前記マイクロレンズアレイの前記マイクロレンズ間の所定方向のピッチをＰｌとし、
前記光電変換素子の前記画素の前記所定方向のピッチをＰｓとし、
１つの前記マイクロレンズに対応する前記所定方向の前記画素の数をｎとし、
前記画素の所定方向の有効寸法をｕとし、
前記二次元状に配列された複数の画素上に形成される前記バンドパスフィルタの実像の所定方向の寸法をｔとし、
前記マイクロレンズが所定方向に配列される個数をＮａとし、
前記瞳に対応する射出瞳から前記マイクロレンズまでの距離をＬとし、
前記マイクロレンズの焦点距離をｆ（≪Ｌ）とすると、
下記の数式を満たすマルチバンドカメラ。
【数１１】
2012066741.tif 000013
【請求項２】
前記被検体の実像が前記マイクロレンズ上に形成されることを特徴とする請求項１に記載のマルチバンドカメラ。
【請求項３】
前記画素は矩形形状で、
前記バンドパスフィルタの各光学フィルタも矩形形状であり、前記各光学フィルタは光を遮る遮光領域がなく隣り合うように並べて配置される請求項１又は請求項２に記載のマルチバンドカメラ。
【請求項４】
前記画素は矩形形状で、
前記バンドパスフィルタの各光学フィルタも矩形形状であり、
前記バンドパスフィルタは、前記フィルタの隣り合う同士の間に光を遮る遮光領域を介して並べて配置される請求項１又は請求項２に記載のマルチバンドカメラ。
【請求項５】
前記光電変換素子は、前記画素の隣り合う同士の間に光束が入射しても電気信号を出力しない不感帯を有している請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のマルチバンドカメラ。
【請求項６】
前記マイクロレンズ１個に対応する前記光電変換素子の画素数を、前記光学フィルタの数の整数倍とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のマルチバンドカメラ。
【請求項７】
前記光学系は前記被検体の第１実像を形成する撮像光学系又は前記撮像光学系の前記第１実像から第２実像を形成するリレー光学系を含む請求項１から請求項６のいずれか一項に記載のマルチバンドカメラ。
【請求項８】
前記バンドパスフィルタが前記リレー光学系に配置されている請求項７に記載のマルチバンドカメラ。
【請求項９】
前記マイクロレンズアレイと前記光電変換素子との間には、下記の数式を満たす厚さＴのスペーサが配置されている請求項１から請求項８に記載のマルチバンドカメラ。
【数１２】
2012066741.tif 000014
【請求項１０】
前記光電変換素子からの信号出力に基づいて、前記被検体を表示する表示部を備える請求項１から請求項９のいずれか一項に記載のマルチバンドカメラ。
【請求項１１】
前記被検体と前記光電変換素子とを結ぶ光軸上に配置される一対の偏光子を備え、
前記一対の偏光子中、少なくとも１枚の偏光子が前記光軸の周りを相対的に回転可能である請求項１から請求項１０のいずれか一項に記載のマルチバンドカメラ。
【請求項１２】
前記光学系を構成するレンズのうち、前記瞳よりも前記被写体側の前記レンズのみを前記被検体と前記光電変換素子とを結ぶ光軸方向に移動させることにより、前記被検体の実像が前記マイクロレンズ上に結像するように調整される請求項１から請求項１１のいずれか一項に記載のマルチバンドカメラ。
【請求項１３】
光学系の瞳の位置に配置された４以上に分割された波長バンドに対応する光学フィルタを有するバンドパスフィルタと、前記バンドパスフィルタを透過した光束を導くマイクロレンズアレイとを介して、被検体を二次元に配列された画素からなる光電変換素子で撮像するマルチバンド画像撮像方法であって、
下記の数式を満たした前記マイクロレンズを有する前記マイクロレンズアレイを用意する用意工程と、
前記光電変換素子の各前記画素に対して感度の校正を行う感度校正工程と、
前記バンドパスフィルタと前記マイクロレンズアレイとを介して、前記被検体を前記光電変換素子で撮像する撮像工程と、
前記撮像工程で撮像された信号出力に基づいて、前記分割された波長バンド毎の分光強度を測定する測定工程と、を備えるマルチバンド画像撮像方法。
【数１３】
2012066741.tif 000015
ここで、Ｐｌは前記マイクロレンズアレイの前記マイクロレンズ間の所定方向のピッチを示し、
Ｐｓは前記光電変換素子の前記画素の前記所定方向のピッチを示し、
ｎは１つの前記マイクロレンズに対応する前記所定方向の前記画素の数を示し、
ｕは前記画素の所定方向の有効寸法を示し、
ｔは前記二次元状に配列された複数の画素上に形成される前記バンドパスフィルタの実像の所定方向の寸法を示し、
Ｎａは前記マイクロレンズが所定方向に配列される個数を示し、
Ｌは前記瞳に対応する射出瞳から前記マイクロレンズまでの距離を示し、
ｆは前記マイクロレンズの焦点距離を示している。
【請求項１４】
前記用意工程後、及び前記感度校正工程前に、
前記所定方向に前記マイクロレンズアレイの真ん中に位置したマイクロレンズに入射した平行光により前記光電変換素子上に形成されたスポットが、前記所定方向に前記マイクロレンズアレイの真ん中に位置したマイクロレンズに対応する前記光電変換素子の複数の画素の前記所定方向における真ん中に位置するように、前記マイクロレンズアレイと前記光電変換素子との前記光電変換素子面内での位置合わせを行う位置合わせ工程を備える請求項１３に記載のマルチバンド画像撮像方法。
【請求項１５】
前記撮像工程で撮像された信号出力に基づいて、表示部に前記被検体の像、又は像の各部位のスペクトルを表示する表示工程を備える請求項１３又は請求項１４に記載のマルチバンド画像撮像方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一回の撮像でマルチバンドの二次元分光画像を得るマルチバンドカメラ及びマルチバンド画像撮像方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
二次元分光画像を得る方式として、特許文献１が開示されている。特許文献１において、マルチバンド画像は、対物レンズと、複数の撮像波長領域に分割されたカラーフィルタアレイと、複数のマイクロレンズからなるマイクロレンズアレイと、カラーフィルタアレイで分割されたスペクトル毎の画像を撮像する二次元検出器と、からなるマルチバンドカメラによって撮像される。【０００３】
特許文献１の第１実施例ではカラーフィルタアレイがマイクロレンズアレイと二次元検出器との間に配置されたマルチバンドカメラを示している。第２実施例ではカラーフィルタアレイがマイクロレンズアレイと離れて対物レンズの近傍に配置されたマルチバンドカメラを開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許公報７，４３３，０４２Ｂ１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１の第２実施例ではカラーフィルタアレイがディテクタアレイの直前ではなく対物レンズの近傍に配置されたマルチバンドカメラは、カラーフィルタアレイを光学系と合わせることが困難であると記載している。【０００６】
本発明はバンドパスフィルタが撮像光学系内部に配置された場合にも実施可能であるマルチバンドカメラ及びマルチバンド画像撮像方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
第１観点のマルチバンドカメラは、被検体を撮像する際に撮像波長領域を互いに異なる４以上に分割された波長バンドで撮像する。また、マルチバンドカメラは、光学系の瞳の位置に配置され４以上に分割された波長バンドをそれぞれ透過させる４以上の光学フィルタを有するバンドパスフィルタと、正のマイクロレンズが二次元状に配列されたマイクロレンズアレイと、マイクロレンズアレイの焦点付近かつバンドパスフィルタと共役位置もしくは共役位置近傍に配置されバンドパスフィルタを透過しマイクロレンズアレイにより導かれた光束が入射する二次元状に配列された複数の画素からなる光電変換素子と、光学フィルタに対応する画素からの信号出力に基づいて被検体からの光束の分光強度を測定する測定部と、を備える。ここで、マイクロレンズアレイのマイクロレンズ間の所定方向のピッチをＰｌとし、光電変換素子の画素の所定方向のピッチをＰｓとし、１つのマイクロレンズに対応する所定方向の画素の数をｎとし、画素の所定方向の有効寸法をｕとし、二次元状に配列された複数の画素上に形成されるバンドパスフィルタの実像の所定方向の寸法をｔとし、マイクロレンズが所定方向に配列される個数をＮａとし、射出瞳からマイクロレンズまでの距離をＬとし、マイクロレンズの焦点距離をｆ（≪Ｌ）とすると、下記の数式を満たす。【０００８】
【数１】
2012066741.tif 000003
【０００９】
第２観点のマルチバンド画像撮像方法は、光学系の瞳の位置に配置された４以上に分割された波長バンドに対応する光学フィルタを有するバンドパスフィルタと、バンドパスフィルタを透過した光束を導くマイクロレンズアレイとを介して、被検体を二次元に配列された画素からなる光電変換素子で撮像する。マルチバンド画像撮像方法は、下記の数式を満たしたマイクロレンズを有するマイクロレンズアレイを用意する用意工程と、光電変換素子の各画素に対して感度の校正を行う感度校正工程と、バンドパスフィルタとマイクロレンズアレイとを介して被検体を光電変換素子で撮像する撮像工程と、撮像工程で撮像された信号出力に基づいて分割された波長バンド毎の分光強度を測定する測定工程と、を備える。【００１０】
【数２】
2012066741.tif 000004
ここで、Ｐlはマイクロレンズアレイのマイクロレンズ間の所定方向のピッチを示し、Ｐｓは光電変換素子の画素の所定方向のピッチを示し、ｎは１つのマイクロレンズに対応する所定方向の画素の数を示し、ｕは画素の所定方向の有効寸法を示し、ｔは二次元状に配列された複数の画素上に形成されるバンドパスフィルタの実像の所定方向の寸法を示し、Ｎａはマイクロレンズが所定方向に配列される個数を示し、Ｌは射出瞳からマイクロレンズまでの距離を示し、ｆはマイクロレンズの焦点距離を示している。
【発明の効果】
【００１１】
本発明は、一回の撮像でマルチバンドの二次元分光画像が得られるマルチバンドカメラ及びマルチバンド画像撮像方法である。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】第１実施形態の撮像部５０の概略図である。
【図２】バンドパスフィルタ部１３の平面図である。
【図３】（ａ）は、第１実施形態のマイクロレンズアレイ１５を示した平面図である。（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
【図４】バンドパスフィルタアレイ１３２と、マイクロレンズアレイ１５と、光電変換素子１７の画素１６との関係を示した説明図である。
【図５】図４の破線Ｃに囲まれた部分の拡大図である。
【図６】マイクロレンズアレイ１５から見た、光電変換素子１７の画素１６とバンドパスフィルタアレイ１３２の実像１３２’との関係を示した説明図である。
【図７】マイクロレンズアレイ１５のマイクロレンズＭＬと光電変換素子１７の画素１６とのピッチ関係を説明するための図である。
【図８】（ａ）は、マイクロレンズＭＬと画素１６、またその上に形成されるバンドパスフィルタの実像との位置関係を示している。（ｂ）は、マイクロレンズＭＬと画素１６とのピッチ合わせと両者の位置合わせが正しく行われた場合を示している。（ｃ）は、マイクロレンズＭＬと画素１６とのピッチ合わせにずれが生じた場合を示している。
【図９】マイクロレンズアレイ１５と光電変換素子１７と拡大して示した図である。
【図１０】（ａ）は、１つのマイクロレンズＭＬに対するＹ軸方向の画素１６が奇数個の場合におけるマイクロレンズアレイ１５と光電変換素子１７との位置合わせを示している。（ｂ）は、１つのマイクロレンズＭＬに対するＹ軸方向の画素１６が偶数個の場合におけるマイクロレンズアレイ１５と光電変換素子１７との位置合わせを示している。
【図１１】光電変換素子１７の画素１６の回転調整を示している。
【図１２】バンドパスフィルタアレイ１３２の実像１３２’の位置ずれを示している。
【図１３】（ａ）は、遮光帯２３３を有するバンドパスフィルタアレイ２３２の平面図である。（ｂ）は、不感帯４７を有する光電変換素子の画素４６の平面図である。
【図１４】マルチバンドカメラ１００の全体構成を示した概略図である。
【図１５】マルチバンドカメラ１００により得られた被写体１１上の点Ｐの波長特性を示したグラフである。
【図１６】マルチバンドカメラ１００によるマルチバンド画像撮像方法を示したフローチャートである。
【図１７】マイクロレンズアレイ１５と光電変換素子１７との位置合わせステップＳ１３を説明したフローチャートである。
【図１８】光電変換素子１７の各画素１６に対して行われる感度の校正ステップＳ１３を説明したフローチャートである。
【図１９】校正係数を求める前の準備工程の説明図である。
【図２０】校正係数を求める説明図である。
【図２１】各画素１６と校正用バンドパスフィルタＢＰＦｊ（１〜α）の出力との関係を示したグラフである。
【図２２】第１実施形態の変形例である撮像部５０’の概略図である。
【図２３】光量調整部２１の構成を示した斜視図である。
【図２４】光量調整部２１の特性を示したグラフである。
【図２５】第２実施形態の撮像部６０の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
（第１実施形態）
＜撮像部５０の構成＞
撮像部５０の構成について、図１及び図２を参照しながら説明する。第１実施形態において、光軸Ａｘの方向をＺ軸方向とし、そのＺ軸方向に垂直な平面をＸＹ平面として説明する。また、以降の変形例及び第２実施形態でも同じ座標系が用いられる。
【００１４】
図１は、第１実施形態の撮像部５０の概略図である。なお、理解を助けるために図１に被写体１１が描かれているが撮像部５０に付属されたものではない。図１に示されたように、撮像部５０は、光軸Ａｘに沿って配置された２つのレンズ１２とレンズ１４とから構成された撮像光学系１０を備える。ここで、撮像光学系１０の焦点距離は例えばカメラレンズの場合５ｍｍ〜数１００ｍｍ程度で、レンズ１２、１４は複数のレンズからなるレンズ群である。また、レンズ１２とレンズ１４との間における瞳の位置にバンドパスフィルタ部１３が配置されている。これにより、被写体１１側のレンズ１２のみを光軸Ａｘに沿って動かすことで、撮像光学系１０の焦点の調整が可能である。すなわち、被検体１１の実像が後述のマイクロレンズアレイ１５上に結像するように調整される。この時、レンズ１４は動かさないので、バンドパスフィルタ部１３、レンズ１４、マイクロレンズアレイ１５の相対関係は全く変化しない。
【００１５】
撮像部５０は、撮像光学系１０の＋Ｚ側、且つ被写体１１の共役位置に配置されたマイクロレンズアレイ１５を備える。マイクロレンズアレイ１５はＸＹ平面に数万〜数百万個の正のマイクロレンズＭＬから構成されている。各マイクロレンズＭＬは例えば円形、四角形又は六角形で、その焦点距離は数十〜数百μｍ程度である。
【００１６】
また、撮像部５０は、マイクロレンズアレイ１５の＋Ｚ側、且つバンドパスフィルタ部１３の共役位置又はその近傍に光電変換素子１７を備える。光電変換素子１７はＸＹ平面に配置された数十万〜数千万個の画素１６から構成されている。光電変換素子１７は、例えば二次元ＣＣＤ（Charge Coupled Device）イメージセンサ、または二次元ＣＭＯＳイメージセンサである。また、例えば各画素１６はバンドパスフィルタ１３２ａ〜１３２ｉと相似形の形状である。
【００１７】
図２はバンドパスフィルタ部１３のＺ軸方向からみた平面図である。図２に示されたように、円形のバンドパスフィルタ部１３は、中央に配置された矩形のバンドパスフィルタアレイ１３２と、その周囲の遮光部１３１とを有している。
【００１８】
バンドパスフィルタアレイ１３２は、３×３形状に配置された９個の矩形のバンドパスフィルタ１３２ａ〜１３２ｉから構成されている。バンドパスフィルタ１３２ａは例えば波長領域が３９０ｎｍ〜４３０ｎｍの光を透過し、バンドパスフィルタ１３２ｂは波長領域が４３０ｎｍ〜４７０ｎｍの光を透過する。同様にバンドパスフィルタ１３２ｃは４７０ｎｍ〜５１０ｎｍの光、バンドパスフィルタ１３２ｄは５１０ｎｍ〜５５０ｎｍの光、バンドパスフィルタ１３２ｅは５５０ｎｍ〜５９０ｎｍの光、バンドパスフィルタ１３２ｆは５９０ｎｍ〜６３０ｎｍの光、バンドパスフィルタ１３２ｇは６３０ｎｍ〜６７０ｎｍの光、バンドパスフィルタ１３２ｈは６７０ｎｍ〜７１０ｎｍの光を透過する。バンドパスフィルタ１３２ｉは波長領域が７１０ｎｍ〜７５０ｎｍの光を透過することとなる。すなわち、全体のバンドパスフィルタアレイ１３２は波長領域が３９０ｎｍ〜７５０ｎｍの光を９バンドに分けて透過することができる。
【００１９】
遮光部１３１は、例えばクロムメッキされ、被写体１１（図１を参照）からの光を遮光する。これにより、被写体１１（図１を参照）からのバンドパスフィルタアレイ１３２を透過せずに光電変換素子１７（図１を参照）に入射する光を遮光することができる。
【００２０】
本明細書では、バンドパスフィルタアレイ１３２は３×３形状に配置された９個のバンドパスフィルタから構成されているが、これに限らず、例えば２×２形状に配置された４個のバンドパスフィルタ又は４×４形状に配置された１６個のバンドパスフィルタで構成されてもよい。また、バンドパスフィルタアレイ１３２の波長領域は可視光領域（３９０ｎｍ〜７５０ｎｍ）に限られず、紫外線領域又は赤外線領域を含めてもよい。
【００２１】
図３（ａ）は第１実施形態のマイクロレンズアレイ１５の一部を示した平面図で、（ｂ）はそのＡ−Ａ断面図である。図３（ａ）に示されたように、マイクロレンズアレイ１５は複数の円形のマイクロレンズＭＬがＸ軸及びＹ軸方向に沿って一直線に並んで構成されている。また、図３（ｂ）に示されたように各マイクロレンズＭＬはその光の入射側が平面上となって所定の幅を有し、光の射出側が円弧に形成されている。ここで、被写体１１の結像面ＩＲはマイクロレンズＭＬ上に形成されている。
【００２２】
さらに、後述の図１に示されたように、撮像部５０はマイクロレンズアレイ１５と光電変換素子１７との間に配置され、マイクロレンズアレイ１５と光電変換素子１７とのＺ方向の距離を決める一対のスペーサＳＣを備えている。スペーサＳＣについては後述の図９で詳しく説明する。
【００２３】
＜撮像部５０内の光路＞
撮像部５０内の光路について、図１、図４及び図５に示された被写体１１上のある一点Ｐからの光束Ｌ１、Ｌ２を一例として説明する。ここで、理解を助けるために光束Ｌ１、Ｌ２の主光線のみを描いて説明する。
【００２４】
図１に示されるように、被写体１１の一点Ｐからの光束Ｌ１、Ｌ２は、撮像光学系１０のレンズ１２で屈折されてバンドパスフィルタ部１３に入射する。例えば、光束Ｌ１がバンドパスフィルタ部１３のバンドパスフィルタ１３２ｂ（図２を参照）を透過し、光束Ｌ２がバンドパスフィルタ部１３のバンドパスフィルタ１３２ｈ（図２を参照）を透過する。すなわち、光束Ｌ１に含まれた波長領域が４３０ｎｍ〜４７０ｎｍの光のみがバンドパスフィルタ部１３を透過する。同様に、光束Ｌ２に含まれた波長領域が６７０ｎｍ〜７１０ｎｍの光のみがバンドパスフィルタ部１３を透過する。
【００２５】
バンドパスフィルタ部１３を透過した光束Ｌ１、Ｌ２は、撮像光学系１０のレンズ１４で屈折されてマイクロレンズアレイ１５に入射する。ここで、マイクロレンズアレイ１５が被写体１１と共役位置に配置されているので、被写体１１の実像がマイクロレンズアレイ１５に結像される。なお、被写体１１側のレンズ１２のみを光軸Ａｘに沿って動かすことで、撮像光学系１０の焦点の調整が可能である。このため、同じ一点Ｐからの光束Ｌ１と光束Ｌ２とはマイクロレンズアレイ１５の同一のマイクロレンズＭＬ１（図４を参照）に入射する。
【００２６】
また、図４はバンドパスフィルタ部１３のバンドパスフィルタアレイ１３２と、マイクロレンズアレイ１５と、光電変換素子１７の画素１６との関係を示した説明図である。図５は図４中の破線Ａで囲まれた部分を拡大した図である。図４及び図５に示されたように、光電変換素子１７の画素１６はバンドパスフィルタと共役位置もしくは共役位置近傍に配置されている。ここで、マイクロレンズＭＬ１の焦点距離はレンズ１４の焦点距離よりも桁違いに短いので、バンドパスフィルタ１３２ｂ、１３２ｈと共役な位置はマイクロレンズＭＬ１の焦点近傍である。
【００２７】
さらに、マイクロレンズＭＬの焦点面、若しくはその近傍に光電変換素子１７の画素１６が配置されているので、実像１３２ｂ’、１３２ｈ’は光電変換素子１７の画素１６の上に形成されることになる。
【００２８】
図５に示されたように、光束Ｌ１と光束Ｌ２は、それぞれ異なる画素１６１と画素１６２との位置に集光する。但し、バンドパスフィルタアレイ１３２の大きさ又はマイクロレンズＭＬの倍率などによって、バンドパスフィルタ部１３の実像は１画素のみに集光するとは限らず、複数の画素上に集光することもある。
【００２９】
図６（ａ）、（ｂ）は、マイクロレンズアレイ１５側から見た画素１６と、バンドパスフィルタアレイ１３２の実像１３２’との関係を説明する図である。図６（ａ）と（ｂ）との違いは、バンドパスフィルタアレイ１３２の大きさ、及び、レンズ１４とマイクロレンズＭＬによる、実像１３２’の結像倍率により、実像１３２’が結像する画素１６の領域が変わっている点である。
【００３０】
図６（ａ）において、実像１３２’は７×７の４９個の画素１６の領域に結像している。図６（ａ）に示されたように、例えば太線の矩形に示された実像１３２ｂ’は画素１６ａ〜１６ｉを含んだ９つの画素（３×３）に結像されている。ここで、画素１６ｅにはバンドパスフィルタ１３２ｂを透過した光束Ｌ１のみが結像している。一方、例えば画像１６ａには２つのバンドパスフィルタ１３２ａ、１３２ｂを透過した光束からなる実像１３２ａ’、実像１３２ｂ’が結像している。また例えば画像１６ｉには４つのバンドパスフィルタ１３２ｂ、１３２ｃ、１３２ｅ、１３２ｆを透過した光束からなる実像１３２ｂ’、実像１３２ｃ’、実像１３２ｅ’実像１３２ｆ’が結像している。
【００３１】
このため、被写体１１の波長特性を求めるときには、例えばバンドパスフィルタ１３２ｂを透過した光束Ｌ１のみが入射した画素１６ｅでバンドパスフィルタ１３２ｂを透過した光束Ｌ１の特性を求める。同様に、ほかの８つのバンドパスフィルタの実像１３２ａ’、１３２ｃ’〜１３２ｉ’においても、９つの画素（３×３）の真ん中の画素１６を用いて光束の波長特性を求める。
【００３２】
図６（ｂ）において、実像１３２’は６×６の３６個の画素１６の領域に結像している。図６（ｂ）に示されたようにバンドパスフィルタ１３２ｂの実像１３２ｂ’は画素１６ｐ〜１６ｓを含んだ４つの画素に結像される。このとき、例えばバンドパスフィルタ１３２ｂを透過した光束Ｌ１の特性を求める際には、４つの画素１６ｐ〜１６ｓのいずれか一つを用いてもよく、すべての出力を合算してもよい。同様に、ほかの８つのバンドパスフィルタの実像１３２ａ’、１３２ｃ’〜１３２ｉ’も４つの画素１６の領域に結像される。このため、各光束の波長特性を求めるときには、それぞれの画素１６を用いる。
【００３３】
＜マイクロレンズＭＬと画素１６とのピッチ関係＞
バンドパスフィルタアレイ１３２を透過した光束が効率的に活用されるためには、図６（ｂ）に示すように、光電変換素子１７の画素１６と、その上に形成されるバンドパスフィルタ１３２ａ〜１３２ｉの像が正しく合致する方が好ましい。このため、マイクロレンズアレイ１３と光電変換素子１７とのＸＹ方向の位置を合わせるだけでなく、両者のピッチを相対的に補正する。このようなピッチ関係について、図７を参照しながら説明する。
【００３４】
図７は、マイクロレンズアレイ１５のマイクロレンズＭＬと光電変換素子１７の画素１６とのピッチ関係を説明するための図である。図７において、Ｙｌは光軸Ａｘ中心からマイクロレンズＭＬの中心までの距離である。次に、バンドパスフィルタアレイ１３２の射出瞳位置に見る虚像１３２’’の光軸Ａｘ上の点から射出する光束ＬＬを考える。この時、Ｙｓは光軸Ａｘから、光束ＬＬがマイクロレンズＭＬの中心を透過して到達する光電変換素子１７の画素１６上の点までの距離である。また、Ｌはバンドパスフィルタアレイの虚像１３２’’（撮像光学系１０の射出瞳）からマイクロレンズアレイ１５までの距離である。Ｔはマイクロレンズアレイ１５と光電変換素子１７との距離で、ｆはマイクロレンズＭＬの焦点距離である。
【００３５】
また図７に示されたように、像側が非テレセントリックな光学系になっている。なお、像側が非テレセントリックであるため、バンドパスフィルタアレイ１３２を透過し、マイクロレンズＭＬ中心を透過する光束ＬＬは外側へ広がりながら光電変換素子１７の画素１６上に到達する。ここで、結像の基本公式より以下の数式（１）が得られる。
【００３６】
【数３】
2012066741.tif 000005
…  （１）
【００３７】
数式（１）をＴについて解くと、数式（２）の左式が得られる。
【００３８】
【数４】
2012066741.tif 000006
…  （２）
【００３９】
数式（２）において、ｆ≪Ｌであるので、マイクロレンズアレイ１５と光電変換素子１７との距離ＴはマイクロレンズＭＬの焦点距離ｆとほぼ同じとなり、数式（２）の右式に示されたとおりである。つまり、バンドパスフィルタアレイ１３２の実像はマイクロレンズアレイ１５からほぼ焦点距離ｆの位置に形成されている。
【００４０】
また、図７に示された幾何関係により、ＹｌとＹｓとは数式（３）を満たしている。
【００４１】
【数５】
2012066741.tif 000007
…  （３）
【００４２】
数式（２）の左式を数式（３）に代入すると、数式（４）が得られる。
【００４３】
【数６】
2012066741.tif 000008
…  （４）
【００４４】
数式（４）の関係はマイクロレンズアレイ１５の全てのマイクロレンズＭＬに対して成立するので、以下の数式（５）が得られる。
【００４５】
【数７】
2012066741.tif 000009
…  （５）
【００４６】
数式（５）において、Ｐｌはマイクロレンズアレイ１５のマイクロレンズピッチで、Ｐｓは光電変換素子１７の画素ピッチで、ｎは１つのマイクロレンズＭＬに対応する一次元方向（Ｘ或いはＹ軸方向）の画素１６の数である。つまり、マイクロレンズピッチＰｌと画素ピッチＰｓとは数式（５）を満たす必要がある。
【００４７】
上述のように、像側が非テレセントリックな光学系の場合、マイクロレンズアレイ１５のマイクロレンズピッチＰｌをやや小さ目に設計するほうが好ましい。
【００４８】
一方、像側がテレセントリックな光学系の場合はＬ→∞と考えれば良く、数式（５）から以下の数式（６）が得られる。
【００４９】
【数８】
2012066741.tif 000010
…  （６）
【００５０】
数式（６）から分かるように、マイクロレンズアレイ１５のマイクロレンズピッチＰｌは、以下の数式（７）を満たすように設計するほうが望ましい。
【００５１】
Ｐｌ＝ｎＰｓ  …  （７）
【００５２】
上述のように、マイクロレンズアレイ１５のマイクロレンズＭＬと光変換素子１７の画素１６のピッチ関係について説明した。しかし、実際のピッチ合わせでは、誤差が生じることがある。以下、マイクロレンズＭＬと画素１６とのピッチ合わせに誤差が生じた場合でも、分光特性の測定に影響を与えない方法について、図８（ａ）〜（ｃ）を参照しながら説明する。図８（ａ）はマイクロレンズＭＬと画素１６、またその上に形成される各バンドパスフィルタの実像との位置関係を示す。なお、ここでは、１つのバンドパスフィルタの実像（１３２ｙ’）に、２つの画素（１６３，１６４）が対応する場合を例にしている。図８（ｂ）はマイクロレンズＭＬと画素１６とのピッチ合わせが正しく行われた場合を示す。図８（ｃ）はマイクロレンズＭＬと画素１６とのピッチ合わせにずれが生じた場合を示す。
【００５３】
マイクロレンズＭＬと画素１６とのピッチ合わせが正しく行われると、図８（ｂ）に示すように、バンドパスフィルタの実像１３２ｙ’が、２つの画素１６３，１６４上の正規の位置に形成される。しかし、マイクロレンズＭＬと画素１６とのピッチ合わせにずれが生じると、図８（ｃ）に示すように、バンドパスフィルタの実像１３２ｙ’が、隣接する画素１６５に被ることになる。このようになると、各バンドパスフィルタ間での干渉が生じて、分光特性が正しく測定できないおそれがある。
【００５４】
このような状況に対応するため、予めずれを考慮して、マイクロレンズアレイ１５のマイクロレンズＭＬと光変換素子１７の画素１６とのピッチ合わせをする必要がある。図８（ｂ）に示すように、バンドパスフィルタの実像１３２ｙ’から隣接する画素１６５までの所定方向の距離をσとし、光変換素子１７の画素１６の所定方向のピッチをＰｓとし、画素１６の所定方向の有効寸法をｕとし、バンドパスフィルタが二次元状に配列された複数の画素１６３，１６４上に形成する実像１３２ｙ’の所定方向の寸法をｔとしたとき、以下の式（８）が得られる。
【００５５】
【数９】
2012066741.tif 000011
…  （８）
【００５６】
マイクロレンズＭＬ間の所定方向のピッチＰｌが誤差を有する場合、最外周部ほど累積値が大きくなる。このため、ピッチＰｌに許容される誤差は、マイクロレンズＭＬが所定方向に配列される個数をＮａとしたとき、σをNa/2で割る必要があり、(3Ps−u−t)/Naとなる。さらに、このピッチＰｌの誤差は、±で考える必要がある。その結果、マイクロレンズＭＬ間の所定方向のピッチＰｌは、以下の数式（９）を満たすように設計されることが望ましい。
【００５７】
【数１０】
2012066741.tif 000012
…  （９）
【００５８】
数式（９）を満足すれば、マイクロレンズアレイ１５のマイクロレンズＭＬと光変換素子１７の画素１６とのピッチ合わせにずれが生じた場合でも、そのずれが分光特性の測定に影響を与えることがない。
【００５９】
＜マイクロレンズアレイ１５と光電変換素子１７とのＸＹ方向の位置合わせ＞
以下、マイクロレンズアレイ１５と光電変換素子１７とのＸＹ方向の位置合わせについて、図９〜図１１を参照しながら説明する。図９は、マイクロレンズアレイ１５と光電変換素子１７とを拡大して示した図である。図１０（ａ）は、１つのマイクロレンズＭＬに対するＹ軸方向の画素１６が奇数個の場合におけるマイクロレンズアレイ１５と光電変換素子１７との位置合わせを示している。図１０（ｂ）は、１つのマイクロレンズＭＬに対するＹ軸方向の画素１６が偶数個の場合におけるマイクロレンズアレイ１５と光電変換素子１７との位置合わせを示している。図１１は、光電変換素子１７の画素１６の面内回転調整を示している。
【００６０】
図９に示されたように、マイクロレンズアレイ１５と光電変換素子１７との間にはマイクロレンズアレイ１５と光電変換素子１７との距離を決めるスペーサＳＣが配置されている。マイクロレンズアレイ１５と光電変換素子１７との距離Ｔ、すなわちスペーサＳＣの厚さは数式（２）で得られる値とする。
【００６１】
また、Ｙ軸方向の位置決めを一例として説明する場合では、マイクロレンズアレイ１５に対して垂直、且つＹ軸方向の中心部に平行な光ＰＬを照射する。このとき、光電変換素子１７の画素と光電変換素子１７の画素上に形成されるスポットＳＰとの関係を図１０にしている。
【００６２】
図１０（ａ）に示されたように、例えば中心のマイクロレンズＭＬに対するＹ軸方向の画素が奇数個（２６ａ〜２６ｃ）である場合では、奇数個の中心部の画素２６ｂの出力が最大になるようにマイクロレンズアレイ１５に対して光電変換素子１７を相対的に移動させて位置決めが行われる。すなわち、スポットＳＰが画素２６ｂに位置するように位置決めを行う。
【００６３】
図１０（ｂ）に示されたように、例えば中心のマイクロレンズＭＬに対するＹ軸方向の画素が偶数個（３６ａ〜３６ｄ又は３６ｅ〜３６ｈ）である場合では、偶数個の中心の一つ上の画素３６ｂと一つ下の画素３６ｃと、又は画素３６ｆと画素３６ｇとの出力が吊り合うようにマイクロレンズアレイ１５に対して光電変換素子１７を相対的に移動させて位置決めが行われる。すなわち、スポットＳＰが画素３６ｂと画素３６ｃとの間、又は画素３６ｆと画素３６ｇとの間に位置するように位置決めを行う。
【００６４】
以上マイクロレンズアレイ１５と光電変換素子１７とのＹ軸方向の位置決めに関して説明してきたが、同様に、Ｘ軸方向に対しても位置決めが行われる。また、図９では１つのマイクロレンズＭＬにマイクロレンズＭＬの径と同等な光ＰＬを照射する場合を一例として説明したが、複数のマイクロレンズＭＬに大きな径を有する光ＰＬを照射してもよい。この場合では、光電変換素子１７の中心にある画素１６から得られる信号のみを検出すればよい。
【００６５】
＜マイクロレンズアレイ１５と光電変換素子１７との回転調整＞
マイクロレンズアレイ１５と光電変換素子１７との回転調整（位置決め）について、図１１を参照しながら説明する。ここで、回転調整は図９及び図１０で説明されたＸＹ方向の位置合わせも含めて同時に行うことにする。
【００６６】
図１１の点線に示されたように、例えばマイクロレンズアレイ１５が９×９個の８１個のマイクロレンズＭＬで構成されている。なお、マイクロレンズアレイ１５と光電変換素子１７との回転調整を行うために、マイクロレンズアレイ１５の３つのマイクロレンズＭＬに図９に示されたような平行な光ＰＬを照射する。例えば、マイクロレンズアレイ１５のＸ軸方向の中心線に位置したマイクロレンズＭＬ５１、並びマイクロレンズアレイ１５のＹ軸方向の中心線に位置したマイクロレンズＭＬ１５及びＭＬ９５が選ばれる。また、マイクロレンズＭＬ５１に対応するスポットをＳｘとし、マイクロレンズＭＬ１５に対応するスポットをＳｙ１とし、マイクロレンズＭＬ９５に対応するスポットをＳｙ２とする。
【００６７】
マイクロレンズアレイ１５と光電変換素子１７との回転調整を行うとき、スポットＳｘが光電変換素子１７のＸ軸方向の中心線Ｗｘに、スポットＳｙ１及びＳｙ２が光電変換素子１７のＹ軸方向の中心線Ｗｙに位置するように、光電変換素子１７の位置を調整する。これにより、マイクロレンズアレイ１５のＸＹ方向の中心線と光電変換素子１７のＸＹ方向の中心線とが重ねる。すなわち、マイクロレンズアレイ１５と光電変換素子１７との回転調整、およびＸＹ方向の位置合わせが同時に行われる。
【００６８】
ここで、スポットＳｙ１及びＳｙ２で光電変換素子１７のＹ軸方向の中心線Ｗｙの位置を決定するので、スポットＳｙ１とＳｙ２とが互いに大きく離れている方が回転調整の精度は向上する。また、図１１では、Ｘ軸方向の位置決めを１箇所で行いＹ軸方向の位置決めを２箇所で行ったが、Ｘ軸方向の位置決めを２箇所で行いＹ軸方向の位置決めを１箇所で行っても同様である。
【００６９】
＜マイクロレンズアレイ１５と光電変換素子１７との位置合わせ誤差の影響低減＞
上述のように、マイクロレンズアレイ１５と光電変換素子１７とに関してピッチ合わせ、ＸＹ方向の位置合わせ、及び回転調整について説明した。しかし、実際のピッチ合わせＸＹ方向の位置合わせでは誤差が生じことがある。以下、ＸＹ方向の位置合わせに誤差が生じた場合の誤差の影響低減について、図１２及び図１３を参照しながら説明する。図１２はバンドパスフィルタアレイ１３２の実像１３２’の位置ずれを示している。図１３（ａ）は遮光帯２３３を有するバンドパスフィルタアレイ２３２の平面図で、（ｂ）は不感帯４７を有する光電変換素子の画素４６の平面図である。
【００７０】
マイクロレンズアレイ１５と光電変換素子１７とのピッチ合わせ、ＸＹ方向の位置合わせ、及び回転調整が正しく行われると、図１２に示された太線の位置にバンドパスフィルタアレイ１３２の実像１３２’が形成される。ここで、実像１３２’は図６（ｂ）に示されたように各バンドパスフィルタの実像はちょうど４つの画素１６に結像される。しかし、実際にＸＹ方向の位置合わせに誤差が生じると、点線に示されたようにバンドパスフィルタアレイ１３２の実像が正規の位置からずれて像１３２ｚ’が形成される。したがって、バンドパスフィルタ１３２ａ〜１３２ｉ（図２を参照）同士の干渉が生じて分光特性が正しく測定できない可能性がある。
【００７１】
また、マイクロレンズＭＬの結像性能が悪い場合には、バンドパスフィルタアレイ１３２の実像１３２’がボケることにより広がってしまう場合もある。したがって、バンドパスフィルタ１３２ａ〜１３２ｉ（図２を参照）同士の干渉が生じて分光特性が正しく測定できない。
【００７２】
このような状況に対応して、バンドパスフィルタ１３２ａ〜１３２ｉの実像同士に隙間を持たせることが望ましい。このためには、図１３（ａ）に示されたようにバンドパスフィルタ１３２ａ〜１３２ｉ同士の間に光を遮る遮光帯２３３を形成することが好ましい。このような構成によれば、バンドパスフィルタ１３２ａ〜１３２ｉ同士の間から光が漏れて分光特性の測定に影響を与えることも防止できる。
【００７３】
このような状況に対応して、図１３（ｂ）に示されたように光電変換素子１７の各画素４６同士の間に光が入射しても電気信号を出力しない不感帯４７を形成することが好ましい。このような構成によれば、バンドパスフィルタアレイ１３２の実像１３２’がボケてもそのボケた部分（図では太線に示す）が不感帯４７に位置して分光特性の測定に影響を与えない。以上、ＸＹ方向の位置合わせに誤差が生じた場合の誤差の低減について説明したが、ピッチ合わせに関して誤差が生じた場合も、遮光帯又は不感体を設けるような方法で、誤差を低減できる。
【００７４】
＜マルチバンドカメラ１００の全体構成＞
図１４は、マルチバンドカメラ１００の全体構成を示した概略図である。図１４に示されたように、マルチバンドカメラ１００は、撮像部５０と、撮像部５０からのデータの処理を行う中央演算処理装置（ＣＰＵ（Central Processing Unit））５１とを備えている。なお、ＣＰＵ５１は、校正係数演算部５１１と、内部メモリ５１２と、分光測定部５１３と、画像生成部５１４とを有している。
【００７５】
またマルチバンドカメラ１００は、撮像部５０により撮像された二次元分光画像を記憶する画像メモリ５２と、その画像メモリ５２に記録された二次元分光画像を表示する表示部となるディスプレイ５３とをさらに備えている。
【００７６】
マルチバンドカメラ１００において、ＣＰＵ５１と画像メモリ５２及びディスプレイ５３とはバス５５を介して接続されている。
【００７７】
マルチバンドカメラ１００により各波長領域の波長特性を測定するとき、バンドパスフィルタ部１３及びマイクロレンズアレイ１５の感度の校正を行うことが好ましい。この感度の校正は、校正係数演算部５１１により行われる。
【００７８】
すなわち、校正係数演算部５１１は、基準被写体（図示しない）を撮像することで各波長領域に関する校正係数を求める。このとき、基準被写体として例えば分光反射率が明確な真っ白な紙と発光スペクトルが明確な白色光源が用いられる。
【００７９】
内部メモリ５１２は、校正係数演算部５１１により求められた校正係数を記憶する。内部メモリ５１２はデータの読み書き可能なものであればよい。
【００８０】
分光測定部５１３は、撮像部５０により撮像された被写体１１（図１を参照）の画像データと内部メモリ５１２に記録された校正係数とに基づいて、各波長領域の波長特性を求める。また分光測定部５１３で求められた波長特性に基づいて、図１５に示されたように各波長領域の強度グラフを表示部となるディスプレイ５３に表示する。
【００８１】
図１５は、マルチバンドカメラ１００で撮像された被写体１１（図１を参照）上の１点の分光強度グラフである。被写体１１（図１を参照）上の点Ｐから出た光はバンドパスフィルタアレイ１３２の９個のバンドパスフィルタ１３２ａ〜１３２ｉを通過する。分光強度グラフは、それらの波長特性の光の強度を示したグラフである。
【００８２】
画像生成部５１４は、撮像部５０により撮像された被写体１１（図１を参照）の画像データに基づいて、被検体１１を表示部となるディスプレイ５３に表示する。ディスプレイ５３がＲＧＢの三原色の表示素子であり、バンドパスフィルタアレイ１３２が９個のバンドパスフィルタであるとする。この場合、画像生成部５１４は、実像１３２ａ’〜１３２ｃ’の画像出力をＲに対応させ、実像１３２ｄ’〜１３２ｆ’の画像出力をＧに対応させ、実像１３２ｇ’〜１３２ｉ’の画像出力をＢに対応させたりする。
【００８３】
＜マルチバンドカメラ１００によるマルチバンド画像撮像方法＞
マルチバンドカメラ１００によるマルチバンド画像撮像方法について、図１６を参照しながら説明する。図１６は、マルチバンドカメラ１００によるマルチバンド画像撮像方法を示したフローチャートである。
【００８４】
ステップＳ１１では、数式（５）を満たしているマイクロレンズＭＬを含んだマイクロレンズアレイ１５が用意される。
【００８５】
ステップＳ１２では、マイクロレンズアレイ１５と光電変換素子１７との位置合わせが行われる。ステップＳ１２については、図９〜図１１及び図１７を参照しながら説明する。図１７は、マイクロレンズアレイ１５と光電変換素子１７との位置合わせステップＳ１３を説明したフローチャートである。
【００８６】
図１７に示されたステップＴ１２１において、図９に示されたように、マイクロレンズアレイ１５に対して垂直、且つほぼ平行光束である光ＰＬが入射する。すると、図１０に示されたように中心のマイクロレンズに対応する光電変換素子１７の画素にはスポットＳＰが形成される。
【００８７】
ステップＴ１２２において、ステップＳ１１で求められたマイクロレンズＭＬと光電変換素子１７の画素１６とのピッチ関係に基づいて、中心のマイクロレンズに対応するＹ軸（又はＸ軸）方向の画素の数が奇数個である場合にステップＴ１２３に進む。また、中心のマイクロレンズに対応するＹ軸方向の画素の数が偶数個である場合にステップＴ１２４に進む。
【００８８】
ステップＴ１２３において、中心のマイクロレンズに対応する例えばＹ軸（又はＸ軸）方向の画素の数が奇数個のとき、スポットＳＰが真ん中の画素に形成するようにマイクロレンズアレイ１５と光電変換素子１７とが調整される（図１０（ａ）を参照）。同時に、Ｙ軸方向の中心位置Ｓｙ１、Ｓｙ２、及びＸ軸方向の中心位置Ｓｘで位置ずれを検出することでマイクロレンズアレイ１５と光電変換素子１７とのＸ軸方向、Ｙ軸方向、回転の調整が行われる（図１１を参照）。
【００８９】
ステップＴ１２４において、中心のマイクロレンズに対応する例えばＹ軸（又はＸ軸）方向の画素の数が偶数個のとき、スポットＳＰが真ん中の２つの画素の間に形成するようにマイクロレンズアレイ１５と光電変換素子１７とが調整される（図１０（ｂ）を参照）。同時に、Ｙ軸方向の中心位置Ｓｙ１、Ｓｙ２、及びＸ軸方向の中心位置Ｓｘで位置ずれを検出することでマイクロレンズアレイ１５と光電変換素子１７とのＸ軸方向、Ｙ軸方向、回転の調整が行われる（図１１を参照）。
【００９０】
ステップＴ１２３及びＴ１２４では、Ｘ軸方向の位置決めを１箇所で行いＹ軸方向の位置決めを２箇所で行ったが、Ｘ軸方向の位置決めを２箇所で行いＹ軸方向の位置決めを１箇所で行っても同様である。
【００９１】
図１６のフローチャートに戻り、ステップＳ１３では、光電変換素子１７の各画素１６に対して感度の校正が行われる。ステップＳ１３については、図１８〜図２１を参照しながら説明する。図１８は、光電変換素子１７の各画素１６に対して行われる感度の校正ステップＳ１３を説明したフローチャートである。図１９は校正係数を求める前の準備工程の説明図で、図２０は校正係数を求める説明図で、図２１は各画素１６と校正用バンドパスフィルタＢＰＦｊ（１〜α）の出力との関係を示したグラフである。
【００９２】
図１８に示されたステップＴ１３１において、図１９に示されたように完全拡散板ＤＰ、校正用バンドパスフィルタＢＰＦｊ及びパワーメータＰＭが配置される。ここで、図１６のステップＳ１２で説明されたようにマイクロレンズアレイ１５と光電変換素子１７との位置合わせ後に、各画素１６に対して感度の校正を行う。理想的には、各バンドパスフィルタの分光透過率や、マイクロレンズアレイの特性、光電変換素子の分光感度等が既知であれば計算により校正できる。しかし、種々の誤差が含まれてしまうため、実験的に校正係数を求めることが望ましい。
【００９３】
また、実験的に校正係数を求めるためには、全てのバンドパスフィルタの波長域のスペクトルを含み、撮像光学系１０の視野角内で均一な光を照射できる光源が好ましい。そこで、図１９及び後述の図２０では光源として太陽光ＳＬが用いられている。さらに、校正用バンドパスフィルタＢＰＦｊ（ｊ＝１〜α、αはバンドパスフィルタアレイのバンドパスフィルタ数）は、バンドパスフィルタアレイ１３２内の一つのバンドパスフィルタの特性に等しい分光透過率特性を有している。また、完全拡散板ＤＰと校正用バンドパスフィルタＢＰＦｊとの距離は、完全拡散板ＤＰから撮像光学系１０のピントが合う範囲内とする（図２０を参照）。
【００９４】
ステップＴ１３２において、校正用バンドパスフィルタＢＰＦｊの後側に配置されたパワーメータＰＭは、完全拡散板ＤＰに反射され校正用バンドパスフィルタＢＰＦｊを透過した太陽光ＳＬの単位面積当たりの光量Ｉｊ（１〜α）を記録する。
【００９５】
ステップＴ１３３において、校正用バンドパスフィルタＢＰＦｊが交換される。α枚の校正用バンドパスフィルタＢＰＦｊ中にステップＴ１３２で使われなかった校正用バンドパスフィルタＢＰＦｊを交換する。
【００９６】
ステップＴ１３４において、ステップＴ１３２及びＴ１３３を繰り返しながら各校正用バンドパスフィルタＢＰＦｊに対して光量Ｉｊ（１〜α）を測定して記録する。
【００９７】
ステップＴ１３５において、図２０に示されたように、撮像部５０がパワーメータＰＭの位置に位置するようにマルチバンドカメラ１００が設置される。図２０では説明を助けるために、撮像部５０及びＣＰＵ５１のみが描かれている。
【００９８】
ステップＴ１３６において、マルチバンドカメラ１００はそのピントを完全拡散板ＤＰに合わせて撮像する。
ステップＴ１３７において、光電変換素子１７の各画素１６に対して出力が読み出される。
【００９９】
ステップＴ１３８において、校正用バンドパスフィルタＢＰＦｊに対して閾値を越す出力が抽出される。なお、図２１に示されたように校正用バンドパスフィルタＢＰＦｊに対応する画素１６からの出力ＥＸ２とそれ以外の画素１６からの出力ＥＸ１とは大きな差が生じるので、閾値は低い値に設定することが好ましい。その後、校正用バンドパスフィルタＢＰＦｊに対応する画素１６からの出力値ＥＸ２がＣＰＵ５１に記録される。
【０１００】
ステップＴ１３９において、ステップＴ１３８で抽出された校正用バンドパスフィルタＢＰＦｊに対応する画素１６の出力値ＥＸ２をステップＴ１３４で記録された光量Ｉｊで除算して各画素に対する校正係数Ｒｊｋ（ｋ＝１〜β）が求められる。なお、βは校正用バンドパスフィルタＢＰＦｊに対応する画素１６の数を示し、マイクロレンズＭＬの数に等しいか又はその整数倍である。
【０１０１】
ステップＴ１４０において、ステップＴ１３３で説明されたように、校正用バンドパスフィルタＢＰＦｊを交換しながらステップＴ１３７及びＴ１３９を繰り返す。これにより、全ての校正係数Ｒｊｋが求められる。
【０１０２】
図１９及び図２０において各画素１６の感度の校正には照明光として太陽光ＳＬを使用しているが、ランプの光を照射してもよい。但し、ランプを使用する場合は、拡散板上で光量ムラが生じやすいので、予め光量ムラを別途測定して、その校正を行うことが望ましい。しかし、各画素間の感度が揃っていることが確認されていれば、簡易的には、ある一つのバンドパスフィルタに対する出力を基準として、他のバンドパスフィルタに対する出力の相対的な感度比のみを補正値として使用してもよい。
【０１０３】
再び図１６のフローチャートに戻り、ステップＳ１４では、ステップＳ１３で求められた各バンドパスフィルタ１３２ａ〜１３２ｉを透過する各波長領域の画素１６に対する校正係数が内部メモリ５１２に記憶される。一度校正係数を取得すれば、その後ステップＳ１１〜Ｓ１４の各工程を必ずしも行う必要はない。
【０１０４】
ステップＳ１５では、操作者はレリーズボタン（不図示）を押して、被写体１１（図１を参照）を撮像する。光電変換素子１７から被写体１１の画像データが画像メモリ５２に送られる。
【０１０５】
ステップＳ１６では、ステップＳ１５で求められた被写体１１の画像データが画像メモリ５２に記憶される。
【０１０６】
ステップＳ１７では、ステップＳ１３で求められた校正係数及びステップＳ１６で記憶された被写体１１の画像データに基づいて、分光測定部５１３は各バンドパスフィルタ１３２ａ〜１３２ｉを透過する各波長領域の光束の波長特性を求める。
【０１０７】
図６（ａ）に示された場合には、各バンドパスフィルタ１３２ａ〜１３２ｉの実像１３２ａ’〜１３２ｉ’のそれぞれが結像する９個（３×３）の画素１６の中から、１つのバンドパスフィルタのみの実像が結像している画素１６を用いて各波長領域の光束の波長特性が求められる。一方、図６（ｂ）に示された場合には、各バンドパスフィルタ１３２ａ〜１３２ｉの実像１３２ａ’〜１３２ｉ’のそれぞれが結像する４つの画素１６中の少なくとも一つの画素１６を用いて各波長領域の光束の波長特性が求められる。
【０１０８】
ステップＳ１８では、画像生成部５１４によりステップＳ１７求められた波長特性がグラフの形でディスプレイ５３に表示される（図１５を参照）。
【０１０９】
ステップＳ１９では、画像メモリ５２に記憶された被写体１１の画像データに基づいて、画像生成部５１４は、被写体１１の全体画像をディスプレイ５３に表示する。なお、ステップＳ１７及びＳ１８とステップＳ１９とは並行に行われてもよい。
【０１１０】
（第１実施形態の変形例）
＜撮像部５０’の構成＞
図２２は第１実施形態の変形例である撮像部５０’の概略図で、図２３は光量調整部２１の構成を示した斜視図で、図２４は光量調整部２１の特性を示したグラフである。上述したように、バンドパスフィルタ部１３は撮像光学系１０の瞳の位置に配置されている。このため、絞り羽根からなる絞りを瞳の位置に配置することが困難である。そこで、偏光子からなる光量調整部２１を配置している。
【０１１１】
図２２に示されたように、撮像部５０’は第１実施形態で説明された撮像部５０に光量調整部２１が付加されている。本実施形態では光量調整部２１はその軸を光軸Ａｘに合わせるように撮像光学系１０のレンズ１２とバンドパスフィルタ部１３との間に配置されている。しかし、光量調整部２１は被検体１１から光電変換素子１７までの間であればどこに配置されてもよい。
【０１１２】
図２３に示されたように、光量調整部２１は一対の偏光子２１ａ及び２１ｂから構成されている。なお、偏光子２１ｂは偏光子２１ａに対して相対的に矢印Ａｒに沿って回転することができる。このため、偏光子２１ａに入射された入射光Ｌｉは偏光子２１ｂの回転により偏光子２１ｂを射出する射出光Ｌｏとなる。これにより、射出光Ｌｏの光量は図２４に示された正弦波状に変化される。
【０１１３】
第１実施形態の変形例では、偏光子２１ｂが偏光子２１ａに対して相対的に回転した。しかし、逆に偏光子２１ａが偏光子２１ｂに対して回転しても同じ効果が得られ、偏光子２１ａと偏光子２１ｂとが相対的に回転すれば良い。
【０１１４】
またこの偏光子には、波長依存性や角度依存性の少ない偏光特性を有するワイヤグリッドを用いることが好ましい。
【０１１５】
（第２実施形態）
＜撮像部６０の構成＞
図２５は、第２実施形態の撮像部６０の概略図である。図２５において第１実施形態と同じ構成要件には同じ符号を付して説明する。
【０１１６】
図２５に示された撮像部６０は光軸Ａｘに配置されたレンズ１２及びレンズ１４から構成された撮像光学系１０と、リレーレンズ３１ａ及びリレーレンズ３１ｂから構成されたリレー光学系３１とを備える。リレー光学系３１のリレーレンズ３１ａとリレーレンズ３１ｂとの間の瞳の位置には、バンドパスフィルタ部１３（図２を参照）が配置されている。また、被写体１１の共役位置には複数のマイクロレンズＭＬから構成されたマイクロレンズアレイ１５が配置されている。さらに、マイクロレンズアレイ１５の＋Ｚ側、且つバンドパスフィルタ部１３の共役位置に複数の画素１６から構成された光電変換素子１７を備える。
【０１１７】
このような構成にすると、バンドパスフィルタ部１３がリレー光学系３１の中に配置されている。このため、倍率の異なる他の撮像光学系１０に交換できる。これにより、マルチバンドカメラ１００の撮像倍率を調整することができる。
【０１１８】
第２実施形態においても、第１実施形態の変形例で説明されたように、撮像部６０に一対の偏光子２１ａ、２１ｂから構成された光量調整部２１（図２３を参照）が付加されてもよい。
【０１１９】
＜撮像部６０での光路＞
被写体１１の一点Ｐからの光束Ｌ１、Ｌ２は、撮像光学系１０のレンズ１２、１４で屈折されて被写体１１の実像Ｐ’が点線で描かれた面Ｈに結像される。そして、光束Ｌ１、Ｌ２はリレー光学系３１に入射する。また、リレー光学系３１のレンズ３１ａで屈折された光束Ｌ１、Ｌ２はバンドパスフィルタ部１３に入射する。
【０１２０】
例えば、光束Ｌ１がバンドパスフィルタ部１３のバンドパスフィルタ１３２ｈ（図２を参照）を透過し、光束Ｌ２がバンドパスフィルタ部１３のバンドパスフィルタ１３２ｂ（図２を参照）を透過する。すなわち、光束Ｌ１に含まれた波長領域が６７０ｎｍ〜７１０ｎｍの光のみがバンドパスフィルタ部１３を透過する。同様に、光束Ｌ２に含まれた波長領域が４３０ｎｍ〜４７０ｎｍの光のみがバンドパスフィルタ部１３を透過する。
【０１２１】
バンドパスフィルタ部１３を透過した光束Ｌ１、Ｌ２は、リレー光学系３１のレンズ３１ｂで屈折されてマイクロレンズアレイ１５に入射する。ここで、マイクロレンズアレイ１５が被写体１１及び面Ｈと共役位置に配置されているので、実像Ｐ’の実像Ｐ”がマイクロレンズアレイ１５に結像される。このため、被写体１１の一点Ｐからの光束Ｌ１、Ｌ２はマイクロレンズアレイ１５の同一のマイクロレンズＭＬ１に入射する。
【０１２２】
また第２実施形態においても、光電変換素子１７の画素１６はバンドパスフィルタと共役位置もしくは共役位置近傍に配置されてある。マイクロレンズＭＬ１の焦点距離はレンズ３１ｂの焦点距離よりも桁違いに短いので、バンドパスフィルタ１３２ｂ、１３２ｈと共役な位置はマイクロレンズＭＬ１の焦点近傍である（図５を参照）。
【産業上の利用可能性】
【０１２３】
以上、本発明の最適な実施形態について説明したが、当業者に明らかなように、本発明はその技術的範囲内において実施例に様々な変更を加えて実施することができる。
例えば、本発明ではＣＰＵ、画像メモリ及びＬＣＤなどがマルチバンドカメラに付属されているが、外部のパソコンなどに設けられてもよい。
【符号の説明】
【０１２４】
１０  …  撮像光学系
１１  …  被写体
１２、１４  …  レンズ
１３  …  バンドパスフィルタ部
１３１  …  遮光部
１３２、２３２  …  バンドパスフィルタアレイ
１３２ａ〜１３２ｉ、２３２ａ〜２３２ｉ  …  バンドパスフィルタ
１３２’  …  バンドパスフィルタアレイの実像
１３２ａ’〜１３２ｉ’  …  バンドパスフィルタの実像
１３２ｙ’  …  バンドパスフィルタの実像
１５  …  マイクロレンズアレイ
１６、１６１、１６２、１６３、１６４、１６５、１６ａ〜１６ｉ、１６ｐ〜１６ｓ、２６ａ〜２６ｃ、３６ａ〜３６ｈ、４６  …  光電変換素子の画素
１７  …  光電変換素子
２１  …  光量調整部
２１ａ、２１ｂ  …  偏光子
３１  …  リレー光学系
３１ａ、３１ｂ  …  レンズ
４７  …  不感帯
５０、５０’、６０  …  撮像部
５１  …  ＣＰＵ
５１１  …  校正係数演算部
５１２  …  内部メモリ
５１３  …  分光測定部
５１４  …  画像生成部
５２  …  画像メモリ
５３  …  ディスプレイ
５５  …  バス
１００  …  マルチバンドカメラ
２３３  …  遮光帯
Ａｘ  …  光軸
ＢＰＦｊ  …  校正用バンドパスフィルタ
ＤＰ  …  完全拡散板
ＥＸ１、ＥＸ２  …  各画素に対する出力
Ｈ  …  撮像光学系１０による被写体の像面
ＭＬ、ＭＬ１  …  マイクロレンズ
Ｐ  …  被写体上の一点
Ｐ’  …  一点Ｐの実像
Ｐ”  …  実像Ｐ’の実像
ＰＭ  …  パワーメータ
ＳＣ  …  スペーサ
ＳＬ  …  太陽光
ＳＰ  …  スポット
【図１】
2012066741.tif 000017
【図２】
2012066741.tif 000018
【図３】
2012066741.tif 000019
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2012066741.tif 000023
【図８】
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【図９】
2012066741.tif 000025
【図１０】
2012066741.tif 000026
【図１１】
2012066741.tif 000027
【図１２】
2012066741.tif 000028
【図１３】
2012066741.tif 000029
【図１４】
2012066741.tif 000030
【図１５】
2012066741.tif 000031
【図１６】
2012066741.tif 000032
【図１７】
2012066741.tif 000033
【図１８】
2012066741.tif 000034
【図１９】
2012066741.tif 000035
【図２０】
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【図２１】
2012066741.tif 000037
【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
2012066741.tif 000041
【手続補正書】
【提出日】平成25年5月17日(2013.5.17)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検体を撮像する際に撮像波長領域を互いに異なる４以上に分割された波長バンドで撮像するマルチバンドカメラにおいて、
光学系の瞳の位置に配置され、前記４以上に分割された波長バンドをそれぞれ透過させる４以上の光学フィルタを有するバンドパスフィルタと、
正のマイクロレンズが二次元状に配列されたマイクロレンズアレイと、
前記マイクロレンズアレイの焦点付近かつ前記バンドパスフィルタと共役位置もしくは共役位置近傍に配置され、前記バンドパスフィルタを透過し前記マイクロレンズアレイにより導かれた光束が入射する二次元状に配列された複数の画素からなる光電変換素子と、
前記光学フィルタに対応する前記画素からの信号出力に基づいて、前記被検体からの前記光束の分光強度を測定する測定部と、を備え、
前記マイクロレンズアレイの前記マイクロレンズ間の所定方向のピッチをＰｌとし、
前記光電変換素子の前記画素の前記所定方向のピッチをＰｓとし、
１つの前記マイクロレンズに対応する前記所定方向の前記画素の数をｎとし、
前記画素の所定方向の有効寸法をｕとし、
前記二次元状に配列された複数の画素上に形成される前記バンドパスフィルタの実像の所定方向の寸法をｔとし、
前記マイクロレンズが所定方向に配列される個数をＮａとし、
前記瞳に対応する射出瞳から前記マイクロレンズまでの距離をＬとし、
前記マイクロレンズの焦点距離をｆ（≪Ｌ）とすると、
下記の数式を満たすマルチバンドカメラ。
【数１１】
2012066741.tif 000042
【請求項２】
前記被検体の実像が前記マイクロレンズ上に形成されることを特徴とする請求項１に記載のマルチバンドカメラ。
【請求項３】
前記画素は矩形形状で、
前記バンドパスフィルタの各光学フィルタも矩形形状であり、前記各光学フィルタは光を遮る遮光領域がなく隣り合うように並べて配置される請求項１に記載のマルチバンドカメラ。
【請求項４】
前記画素は矩形形状で、
前記バンドパスフィルタの各光学フィルタも矩形形状であり、
前記バンドパスフィルタは、前記フィルタの隣り合う同士の間に光を遮る遮光領域を介して並べて配置される請求項１に記載のマルチバンドカメラ。
【請求項５】
前記光電変換素子は、前記画素の隣り合う同士の間に光束が入射しても電気信号を出力しない不感帯を有している請求項１に記載のマルチバンドカメラ。
【請求項６】
前記マイクロレンズ１個に対応する前記光電変換素子の画素数を、前記光学フィルタの数の整数倍とする請求項１に記載のマルチバンドカメラ。
【請求項７】
前記光学系は前記被検体の第１実像を形成する撮像光学系又は前記撮像光学系の前記第１実像から第２実像を形成するリレー光学系を含む請求項１に記載のマルチバンドカメラ。
【請求項８】
前記バンドパスフィルタが前記リレー光学系に配置されている請求項７に記載のマルチバンドカメラ。
【請求項９】
前記マイクロレンズアレイと前記光電変換素子との間には、下記の数式を満たす厚さＴのスペーサが配置されている請求項１に記載のマルチバンドカメラ。
【数１２】
2012066741.tif 000043
【請求項１０】
前記光電変換素子からの信号出力に基づいて、前記被検体を表示する表示部を備える請求項１に記載のマルチバンドカメラ。
【請求項１１】
前記被検体と前記光電変換素子とを結ぶ光軸上に配置される一対の偏光子を備え、
前記一対の偏光子中、少なくとも１枚の偏光子が前記光軸の周りを相対的に回転可能である請求項１に記載のマルチバンドカメラ。
【請求項１２】
前記光学系を構成するレンズのうち、前記瞳よりも前記被写体側の前記レンズのみを前記被検体と前記光電変換素子とを結ぶ光軸方向に移動させることにより、前記被検体の実像が前記マイクロレンズ上に結像するように調整される請求項１に記載のマルチバンドカメラ。
【請求項１３】
光学系の瞳の位置に配置された４以上に分割された波長バンドに対応する光学フィルタを有するバンドパスフィルタと、前記バンドパスフィルタを透過した光束を導くマイクロレンズアレイとを介して、被検体を二次元に配列された画素からなる光電変換素子で撮像するマルチバンド画像撮像方法であって、
下記の数式を満たした前記マイクロレンズを有する前記マイクロレンズアレイを用意する用意工程と、
前記光電変換素子の各前記画素に対して感度の校正を行う感度校正工程と、
前記バンドパスフィルタと前記マイクロレンズアレイとを介して、前記被検体を前記光電変換素子で撮像する撮像工程と、
前記撮像工程で撮像された信号出力に基づいて、前記分割された波長バンド毎の分光強度を測定する測定工程と、を備えるマルチバンド画像撮像方法。
【数１３】
2012066741.tif 000044
ここで、Ｐｌは前記マイクロレンズアレイの前記マイクロレンズ間の所定方向のピッチを示し、
Ｐｓは前記光電変換素子の前記画素の前記所定方向のピッチを示し、
ｎは１つの前記マイクロレンズに対応する前記所定方向の前記画素の数を示し、
ｕは前記画素の所定方向の有効寸法を示し、
ｔは前記二次元状に配列された複数の画素上に形成される前記バンドパスフィルタの実像の所定方向の寸法を示し、
Ｎａは前記マイクロレンズが所定方向に配列される個数を示し、
Ｌは前記瞳に対応する射出瞳から前記マイクロレンズまでの距離を示し、
ｆは前記マイクロレンズの焦点距離を示している。
【請求項１４】
前記用意工程後、及び前記感度校正工程前に、
前記所定方向に前記マイクロレンズアレイの真ん中に位置したマイクロレンズに入射した平行光により前記光電変換素子上に形成されたスポットが、前記所定方向に前記マイクロレンズアレイの真ん中に位置したマイクロレンズに対応する前記光電変換素子の複数の画素の前記所定方向における真ん中に位置するように、前記マイクロレンズアレイと前記光電変換素子との前記光電変換素子面内での位置合わせを行う位置合わせ工程を備える請求項１３に記載のマルチバンド画像撮像方法。
【請求項１５】
前記撮像工程で撮像された信号出力に基づいて、表示部に前記被検体の像、又は像の各部位のスペクトルを表示する表示工程を備える請求項１３に記載のマルチバンド画像撮像方法。
【国際調査報告】
2012066741.tif 000045
2012066741.tif 000046
2012066741.tif 000047
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