(57)【要約】【課題】有限遠補正光学系に光学部材を配置すると、濃度むらが生じたり、波長分布精度の低下したりする。【解決手段】光学装置は、結像レンズと、前記結像レンズの焦点面に設けられた波長可変干渉フィルターと、前記波長可変干渉フィルターを透過した光を平行光にする平行化レンズと、前記平行化レンズを透過した光のうち、所定波長以上の光を第一光路に導き、前記所定波長未満の光を前記第一光路とは異なる第二光路に導くビームスプリッターと、前記第一光路に導かれた光を結像する第一レンズと、前記第一レンズを透過した光を受光する第一受光素子と、前記第二光路に導かれた光を結像する第二レンズと、前記第二レンズを透過した光を受光する第二受光素子と、を備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
結像レンズと、
前記結像レンズの焦点面に設けられた波長可変干渉フィルターと、
前記波長可変干渉フィルターを透過した光を平行光にする平行化レンズと、
前記平行化レンズを透過した光のうち、所定波長以上の光を第一光路に導き、前記所定波長未満の光を前記第一光路とは異なる第二光路に導くビームスプリッターと、
前記第一光路に導かれた光を受光する第一受光素子と、
前記第二光路に導かれた光を受光する第二受光素子と、
前記平行化レンズとの間で無限遠補正光学系を構成し、前記第一光路に導かれた光を前記第一受光素子に結像する第一レンズと、
前記平行化レンズとの間で無限遠補正光学系を構成し、前記第二光路に導かれた光を前記第二受光素子に結像する第二レンズと、
を備えることを特徴とする光学装置。
【請求項２】
請求項１に記載の光学装置において、
前記ビームスプリッターと前記第一レンズとの間の前記第一光路に、第一波長域の光を透過させる第一フィルターが設けられている
ことを特徴とする光学装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の光学装置において、
前記ビームスプリッターと前記第二レンズとの間の前記第二光路に、第二波長域の光を透過させる第二フィルターが設けられている
ことを特徴とする光学装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、結像レンズと、結像レンズの焦点近傍に設けられた波長可変干渉フィルターと、撮像素子とを備えた光学装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１では、結像レンズとして、テレセントリック光学系が用いられ、テレセントリック光学系により導かれた光を波長可変干渉フィルターに入射させ、波長可変干渉フィルターを透過した光を撮像素子で受光している。また、波長可変干渉フィルターとテレセントリック光学系との間には、所定波長域の光を通過させるバンドパスフィルター等の光学部材が配置されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１２−１０３２０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に記載の光学装置では、テレセントリック光学系により有限遠補正光学系が構成され、この有限遠補正光学系にバンドパスフィルター等の光学部材が配置されている。このため、光学部材への光の入射位置によって、当該光学部材に入射する光の入射角度が微小に変動する。これにより、光学部材を透過する光の波長が、光学部材への光の入射位置によって微小に変動し、撮像素子により撮像される画像に濃度むらが生じたり、波長分布精度が低下したりする、との課題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
一適用例の光学装置は、結像レンズと、前記結像レンズの焦点面に設けられた波長可変干渉フィルターと、前記波長可変干渉フィルターを透過した光を平行光にする平行化レンズと、前記平行化レンズを透過した光のうち、所定波長以上の光を第一光路に導き、前記所定波長未満の光を前記第一光路とは異なる第二光路に導くビームスプリッターと、前記第一光路に導かれた光を受光する第一受光素子と、前記第二光路に導かれた光を受光する第二受光素子と、前記平行化レンズとの間で無限遠補正光学系を構成し、前記第一光路に導かれた光を前記第一受光素子に結像する第一レンズと、前記平行化レンズとの間で無限遠補正光学系を構成し、前記第二光路に導かれた光を前記第二受光素子に結像する第二レンズと、を備える。
【０００６】
本適用例の光学装置において、前記ビームスプリッターと前記第一レンズとの間の前記第一光路に、第一波長域の光を透過させる第一フィルターが設けられていることが好ましい。
【０００７】
本適用例の光学装置において、前記ビームスプリッターと前記第二レンズとの間の前記第二光路に、第二波長域の光を透過させる第二フィルターが設けられていることが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】一実施形態の光学装置の概略構成を示す模式図。
【図２】本実施形態の光学系の概略構成を示す図。
【図３】本実施形態の波長可変干渉フィルターの概略構成を示す断面図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、一実施形態について説明する。
［光学装置１の全体構成］
図１は、本実施形態の光学装置１の概略構成を示す模式図である。
この光学装置１は、図１に示すように、分光器２と、制御装置３と、を備えている。そして、この光学装置１は、制御装置３により分光器２を制御し、測定対象Ａに対する分光画像を撮像する。
【００１０】
［分光器２の構成］
図２は、分光器２の光学系の概略構成を示す図である。
分光器２は、測定対象Ａからの光を導く光学系として、図２に示すように、入射光学系４と、波長可変干渉フィルター５と、撮像光学系６と、を備えている。また、図１に示すように、分光器２は、波長可変干渉フィルター５を制御するための駆動回路２１、撮像光学系６に設けられた第一撮像素子６５１及び第二撮像素子６５２を制御するための撮像処理回路２２を備えている。
【００１１】
［入射光学系４の説明］
入射光学系４は、測定対象Ａからの光を波長可変干渉フィルター５に導く光学系であり、結像レンズ４１を備えている。入射光学系４としては、複数のレンズを備える構成としてもよく、複数のレンズを組み合わせた組み合わせレンズとして結像レンズ４１が構成されていてもよい。
【００１２】
［波長可変干渉フィルター５の説明］
図３は、波長可変干渉フィルター５の概略構成を示す断面図である。
波長可変干渉フィルター５は、図３に示すように、第一基板５１、及び第二基板５２を備え、第一基板５１及び第二基板５２が接合層５３により接合されることで、一体的に構成されている。
第一基板５１の第二基板５２に対向する対向面には、電極溝５１１及び反射膜固定部５１２が設けられている。反射膜固定部５１２の第二基板５２に対向する面には、第一反射膜５４が固定されている。また、電極溝５１１には、静電アクチュエーター５６を構成する第一電極５６１が設けられている。
【００１３】
第二基板５２は、第一反射膜５４及び第一電極５６１に対向する位置に設けられる可動部５２１と、可動部５２１を囲って設けられたダイヤフラム部５２２とを備える。可動部５２１の第一基板５１に対向する面には、エアギャップを介して第一反射膜５４に対向する第二反射膜５５が固定されている。また、可動部５２１の第一基板５１に対向する面で、第一電極５６１に対向する位置には、第二電極５６２が固定されている。
ダイヤフラム部５２２は、第二基板５２の第一基板５１とは反対側の面がエッチング等によって凹状に加工されることで構成されている。
【００１４】
第一反射膜５４及び第二反射膜５５は、誘電体多層膜であってもよく、金属膜や金属合金膜等により構成されてもよい。また、誘電体多層膜と金属膜との双方が積層された構成であってもよい。
第一電極５６１及び第二電極５６２は、静電アクチュエーター５６を構成する。これらの第一電極５６１及び第二電極５６２は、駆動回路２１に電気的に接続されている。
【００１５】
このような波長可変干渉フィルター５では、駆動回路２１により第一電極５６１及び第二電極５６２の間に駆動電圧が印加されることで、第一基板５１及び第二基板５２の間に静電引力が作用する。これにより、第一反射膜５４と第二反射膜５５との間のエアギャップの距離が変動し、エアギャップの距離に応じた波長の光が、波長可変干渉フィルター５を透過する。
【００１６】
そして、波長可変干渉フィルター５は、図２に示すように、分光器２において、結像レンズ４１の焦点面または焦点面近傍に配置されている。また、波長可変干渉フィルター５の光軸、つまり、第一反射膜５４の中心と第二反射膜５５の中心を通る軸が、結像レンズ４１の光軸と一致するように、波長可変干渉フィルター５の姿勢が維持されている。
【００１７】
［撮像光学系６の説明］
撮像光学系６は、図２に示すように、波長可変干渉フィルター５に対して入射光学系４とは反対側に設けられている。撮像光学系６は、平行化レンズ６１、ビームスプリッター６２、第一レンズ６３１、第二レンズ６３２、第一フィルター６４１、第二フィルター６４２、第一撮像素子６５１、及び第二撮像素子６５２を備えている。
【００１８】
平行化レンズ６１は、波長可変干渉フィルター５を透過した光を平行光にするコリメーターレンズである。
ビームスプリッター６２は、平行化レンズ６１を透過した光のうち、所定波長以上の光を第一光路６Ａに分離し、所定波長未満の光を第二光路６Ｂに分離する。本実施形態では、ビームスプリッター６２は、可視光域の波長の光を透過させ、赤外域の波長の光を反射させる。例えば、本実施形態のビームスプリッター６２は、７４０ｎｍ以上の赤外域の光を反射させ、７４０ｎｍ未満の可視光域の光を透過させる。すなわち、本実施形態では、第一光路６Ａは、ビームスプリッター６２により反射された光の光路であり、第二光路６Ｂは、ビームスプリッター６２を透過した光の光路である。
【００１９】
第一レンズ６３１、第一フィルター６４１、及び第一撮像素子６５１は、ビームスプリッター６２によって反射された光の光路である第一光路６Ａに設けられている。
第一レンズ６３１は、ビームスプリッター６２により反射された平行光を第一撮像素子６５１上に結像するレンズである。第一レンズ６３１と平行化レンズ６１との間は、無限遠補正光学系が構成され、平行化レンズ６１から第一レンズ６３１の間では、光が平行光として進行する。
【００２０】
第一フィルター６４１は、第一レンズ６３１とビームスプリッター６２との間の第一光路６Ａ上に配置される。第一フィルター６４１は、入射光から所定の第一波長域の光を透過させるフィルターである。
第一フィルター６４１としては、例えば、所定波長域の光を透過させ、当該波長域外の光を遮光するバンドパスフィルターや、所定波長以下の光を透過させ、所定波長を超える光を遮光するローパスフィルター等を用いることができる。例えば、第一フィルター６４１として、１０００ｎｍ以下の光を透過させ、１０００ｎｍを超える光は遮光するローパスフィルターを用いてもよい。この場合、第一撮像素子６５１には、７４０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の光を受光させることが可能となる。
また、第一フィルター６４１としては、８００ｎｍから１０００ｎｍの波長域の光を透過させるバンドパスフィルターを用いてもよい。この場合、第一撮像素子６５１には、８００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の光を受光させることが可能となる。
【００２１】
このような第一フィルター６４１は、光入射面及び光出射面が、第一光路６Ａに対して垂直となるように配置される。上述のように、平行化レンズ６１及び第一レンズ６３１の間は、無限遠補正光学系が構成されている。よって、第一フィルター６４１への光の入射位置によらず、光の入射角も垂直となる。このため、光の入射角度が光入射位置によって変動することがなく、波長シフトや濃度むらも抑制できる。
【００２２】
第一撮像素子６５１は、第一光路６Ａを進み第一レンズ６３１を透過した光を受光する第一受光素子である。第一撮像素子６５１としては、例えばＣＣＤやＣＭＯＳに加え、より波長の長い近赤外域に感度を持つＩｎＧａＡｓ等のイメージセンサーを用いることができ、第一光路６Ａに沿って進行する赤外域の光を受光して、分光画像を撮像する。
【００２３】
第二レンズ６３２、第二フィルター６４２、及び第二撮像素子６５２は、ビームスプリッター６２を透過した光の光路である第二光路６Ｂに設けられている。
第二レンズ６３２は、ビームスプリッター６２を透過した平行光を第二撮像素子６５２上に結像するレンズである。第二レンズ６３２と平行化レンズ６１との間は、無限遠補正光学系が構成され、平行化レンズ６１から第二レンズ６３２の間では、光が平行光として進行する。
【００２４】
第二フィルター６４２は、第二レンズ６３２とビームスプリッター６２との間の第二光路６Ｂ上に配置される。第二フィルター６４２は、入射光から第二波長域の光を透過させるフィルターであり、第一フィルター６４１と同様、ローパスフィルターやバンドパスフィルターを用いることができる。
また、第一フィルター６４１と同様に、第二フィルター６４２は、光入射面及び光出射面が、第二光路６Ｂに対して垂直となるように配置されている。また、上述のように、平行化レンズ６１及び第二レンズ６３２の間は、無限遠補正光学系の第二光路６Ｂが構成されている。よって、第二フィルター６４２への光の入射位置によらず、光の入射角も垂直となる。このため、光の入射角度が光入射位置によって変動することがなく、波長シフトや濃度むらも抑制できる。
【００２５】
第二撮像素子６５２は、第二光路６Ｂを進み第二レンズ６３２を透過した光を受光する第二受光素子である。第二撮像素子６５２としては、例えばＣＣＤやＣＭＯＳ等のイメージセンサーを用いることができ、第二光路６Ｂに沿って進行する可視光域の光を受光して、分光画像を撮像する。
【００２６】
図１に戻り、分光器２に設けられる駆動回路２１は、波長可変干渉フィルター５の静電アクチュエーター５６に接続されている。この駆動回路２１は、制御装置３から入力される制御信号に基づいて、静電アクチュエーター５６に駆動電圧を印加する。
また、分光器２に設けられる撮像処理回路２２は、第一撮像素子６５１、及び第二撮像素子６５２にそれぞれ接続されている。撮像処理回路２２は、第一撮像素子６５１の駆動を制御して撮像処理を実施させる第一撮像処理回路２２１と、第二撮像素子６５２の駆動を制御して撮像処理を実施させる第二撮像処理回路２２２と、を備えている。これらの第一撮像処理回路２２１及び第二撮像処理回路２２２は、第一撮像素子６５１及び第二撮像素子６５２から出力される受光信号に基づいて画像情報を生成して制御装置３に出力する。
【００２７】
［制御装置３の構成］
図１に戻り、制御装置３は、光学装置１の全体動作を制御する。
この制御装置３は、例えば、メモリー等により構成された記憶部３１や、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等により構成された演算部３２を含むコンピューターであり、例えば汎用パーソナルコンピューターや、携帯情報端末、その他、測定専用コンピューターなどを用いることができる。
【００２８】
記憶部３１は、演算部３２上で実施する各種プログラムや、各種データが記憶されている。また、記憶部３１は、静電アクチュエーター５６に印加する駆動電圧と、波長可変干渉フィルター５を透過する光の波長との関係を示す駆動テーブル等を記憶する。
【００２９】
演算部３２は、記憶部３１に記憶されたプログラムを読み出し実行することで、駆動制御部３２１、及び撮像制御部３２２等として機能する。
駆動制御部３２１は、記憶部３１に記憶された駆動テーブルに基づいて、分光器２の駆動回路２１に制御信号を出力し、波長可変干渉フィルター５を駆動させる。
撮像制御部３２２は、撮像制御回路に制御信号を出力して第一撮像素子６５１や第二撮像素子６５２を駆動させ、波長可変干渉フィルター５を透過した光の波長に対応する分光画像を取得する。
【００３０】
［本実施形態の作用効果］
本実施形態の光学装置１では、測定対象Ａからの光が入射する入射光学系４に結像レンズ４１が設けられ、結像レンズ４１の焦点面に波長可変干渉フィルター５が設けられている。そして、波長可変干渉フィルター５を透過した光は、撮像光学系６に設けられた平行化レンズ６１に入射されて平行光とされ、当該平行光は、ビームスプリッター６２に入射して、所定波長で第一光路６Ａと第二光路６Ｂに分割される。第一光路６Ａには、第一レンズ６３１、及び第一撮像素子６５１が設けられており、第一レンズ６３１は、第一光路６Ａに沿って進む平行光を第一撮像素子６５１に結像させる。また、第二光路６Ｂには、第二レンズ６３２、及び第二撮像素子６５２が設けられており、第二レンズ６３２は、第二光路６Ｂに沿って進む平行光を第二撮像素子６５２に結像させる。
【００３１】
このような構成では、波長可変干渉フィルター５が結像レンズ４１の焦点面に設けられているので、波長可変干渉フィルター５の小型化が可能となる。また、波長可変干渉フィルター５の極めて狭い領域に、入射光学系４からの光を入射させることができる。ダイヤフラム部５２２を撓ませて可動部５２１を変位させる場合、可動部５２１の外縁、つまりダイヤフラム部５２２との境界位置に大きな撓みが生じる。これに対して、上記のように、波長可変干渉フィルター５の狭い領域に光を入射させることで、可動部５２１の撓みの影響を抑制することができ、波長可変干渉フィルター５から所望波長の光を高精度に透過させることができる。
【００３２】
また、波長可変干渉フィルター５を透過した光は、平行化レンズ６１により平行光とされて、ビームスプリッター６２に入射し、第一レンズ６３１に向かう反射光の第一光路６Ａと、第二レンズ６３２に向かう透過光の第二光路６Ｂに分岐される。つまり、第一光路６Ａを含む平行化レンズ６１から第一レンズ６３１までの光路、及び、第二光路６Ｂを含む平行化レンズ６１から第二レンズ６３２までの光路は、それぞれ無限遠補正光学系となる。このような構成では、平行化レンズ６１から第一レンズ６３１までの距離、平行化レンズ６１から第二レンズ６３２までの距離を自由に設計することができ、分光器２の設計自由度を向上させることができる。
さらに、無限遠補正光学系にビームスプリッター６２が配置される。このため、ビームスプリッター６２への光の入射位置によって、光の入射角度が変わることがなく、入射角の差による波長シフトや濃度むらを抑制することができる。
【００３３】
ところで、波長可変干渉フィルター５では、第一反射膜５４及び第二反射膜５５の間の距離に応じた所定波長の光が干渉により強め合って干渉光として透過され、この干渉光には、異なる次数に対応した複数のピーク波長の光が含まれる。これに対して、本実施形態では、ビームスプリッター６２は、７４０ｎｍ以上の光を第一光路６Ａに反射させ、７４０ｎｍ未満の光を第二光路６Ｂに透過させて分岐させる。このため、波長可変干渉フィルター５から、次数が異なる光として、赤外域の光と、可視光域の光とが含まれる場合に、これらの光を分岐させて、各々の波長に対する精度の高い分光画像を得ることができる。この場合、第一撮像素子６５１には、可視光域の光の入射が抑制されるので、赤外域の光の分光画像を精度よく撮像できる。同様に、第二撮像素子６５２には、赤外域の光の入射が抑制されるので、可視光域の光の分光画像を精度よく撮像できる。つまり、各分光画像における波長むらを抑制でき、波長分布精度の向上を図れる。
【００３４】
また、本実施形態では、ビームスプリッター６２と第一レンズ６３１との間の第一光路６Ａに、第一フィルター６４１が設けられている。同様に、ビームスプリッター６２と第二レンズ６３２との間の第二光路６Ｂに、第二フィルター６４２が設けられている。
このため、第一撮像素子６５１や第二撮像素子６５２に受光させる光の波長範囲をさらに絞り込むことができ、より精度高い分光画像を得ることができる。
また、第一フィルター６４１や第二フィルター６４２は、無限遠補正光学系の中に配置される構成となる。よって、第一フィルター６４１への光の入射位置によって第一フィルター６４１への光の入射角が変動することがなく、第二フィルター６４２への光の入射位置によって第二フィルター６４２への光の入射角が変動することがない。このため、入射角の差による波長シフトや濃度むらを抑制でき、波長分布精度の高い分光画像の撮像を実施できる。
【００３５】
［変形例］
なお、本発明は前述の各実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
【００３６】
上記実施形態では、光学装置１として、測定対象Ａ側から入射した光を、波長可変干渉フィルター５を介して第一撮像素子６５１及び第二撮像素子６５２に入射させ、分光画像を撮像する装置を例示したが、これに限定されない。例えば、測定対象Ａの所定の測定点の分光測定を実施する分光測定装置に適用してもよく、この場合、第一撮像素子６５１及び第二撮像素子６５２は、画像を撮像する必要がなく、例えば、１つの光電変換素子を備えた受光素子とすることができる。
【００３７】
上記実施形態では、分光器２に、第一フィルター６４１や第二フィルター６４２が設けられる構成を例示したが、これに限定されない。例えば、第一フィルター６４１が設けられず、第二フィルター６４２のみが設けられる構成としてもよい。また、第二フィルター６４２が設けられず、第一フィルター６４１のみが設けられる構成としてもよい。さらには、第一フィルター６４１及び第二フィルター６４２の双方が設けられない構成としてもよい。
【００３８】
上記実施形態では、ビームスプリッター６２は、７４０ｎｍ以上の波長の光を反射させ、７４０ｎｍ未満の波長の光を透過させる例を示したが、これに限定されない。例えば、ビームスプリッター６２は、７４０ｎｍ以上の波長の光を透過させ、７４０ｎｍ未満の光を反射させてもよい。
【００３９】
また、上記実施形態では、ビームスプリッター６２は、入射光を波長に応じて２分岐させる構成であるが、２つ以上のビームスプリッターを設けて、入射光を３つ以上の光路に分岐させる構成などとしてもよい。
【００４０】
上記実施形態では、平行化レンズ６１から第一レンズ６３１までの間、及び平行化レンズ６１から第二レンズ６３２までの間の無限遠補正光学系に、ビームスプリッター６２、第一フィルター６４１、及び第二フィルター６４２を配置する構成を示した。これに対して、上記無限遠補正光学系に、さらに、偏光板などのその他の光学部材を配置してもよい。
【符号の説明】
【００４１】
１…光学装置、２…分光器、４…入射光学系、５…波長可変干渉フィルター、６…撮像光学系、６Ａ…第一光路、６Ｂ…第二光路、４１…結像レンズ、５１…第一基板、５２…第二基板、５３…接合層、５４…第一反射膜、５５…第二反射膜、５６…静電アクチュエーター、６１…平行化レンズ、６２…ビームスプリッター、５２１…可動部、５２２…ダイヤフラム部、５６１…第一電極、５６２…第二電極、６３１…第一レンズ、６３２…第二レンズ、６４１…第一フィルター、６４２…第二フィルター、６５１…第一撮像素子、６５２…第二撮像素子、Ａ…測定対象。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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