(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被写体からの光を結像させる結像光学系と、
前記結像光学系により結像された光を受光する撮像部と、
前記撮像部の撮像領域において、所定の領域を覆う反射型分光素子と、
前記反射型分光素子により反射された光の分光スペクトルを検出するスペクトル検出部と、
を含む
光学装置。
【請求項２】
前記撮像部及び前記スペクトル検出部と前記結像光学系との間に配置され、かつ、少なくとも前記スペクトル検出部のスペクトル検出領域に接して設けられ、前記反射型分光素子により反射された光を前記スペクトル検出部に導く導波路部を備える請求項１に記載の光学装置。
【請求項３】
前記導波路部は、前記反射型分光素子により反射された光の少なくとも一部を全反射させ、前記スペクトル検出部に導く請求項２に記載の光学装置。
【請求項４】
前記反射型分光素子により反射された光のうち、所望とする前記分光スペクトルの波長範囲よりも短波長側の光は前記導波路部を透過し、所望とする前記分光スペクトルよりも長波長側の光は、前記導波路部内で全反射することにより、前記スペクトル検出部のスペクトル検出領域外に導かれる請求項３に記載の光学装置。
【請求項５】
前記反射型分光素子は、前記導波路部または前記撮像部の表面に一体して形成されている請求項２〜４のいずれか１項に記載の光学装置。
【請求項６】
前記結像光学系は可変絞りを備え、前記可変絞りは、前記分光スペクトルの検出時における前記結像光学系のＦ値を、前記撮像部での撮像時における前記結像光学系のＦ値よりも大きくする請求項１〜５のいずれか１項に記載の光学装置。
【請求項７】
前記結像光学系の光軸に対して、前記撮像部を傾けて配設する請求項１〜６のいずれか１項に記載の光学装置。
【請求項８】
前記撮像部の撮像領域上面に対して、前記導波路部の全反射面の一部または全面を傾けて形成する請求項１〜７のいずれか１項に記載の光学装置。
【請求項９】
前記反射型分光素子は、回折格子またはプリズムである請求項１〜８のいずれか１項に記載の光学装置。
【請求項１０】
被写体からの光を結像させる結像光学系と、前記結像光学系により結像された光を受光する撮像部と、前記撮像部の撮像領域において、所定の領域を覆う反射型分光素子と、前記反射型分光素子により反射された光の分光スペクトルを検出するスペクトル検出部と、を含む光学装置を備えた
電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被写体の画像及び分光スペクトルの両方を取得する光学装置及びそれを用いた電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、被写体の分光スペクトルと被写体の画像データを取得する分光画像カメラの開発が進められ、様々な分野への応用が進められている。
例えば、下記特許文献１では、臓器内を観察する内視鏡において、癌等の患部からの放射光や反射光のスペクトルを測定することにより、被写体の患部を同定することが記載されている。
この内視鏡では、レンズによって集光された被写体からの光は、スリットを通して回折格子に入射される。そして、回折格子によって分光された光をその後段に配置されたレンズによって撮像部上に結像させることで、被写体からの光の分光スペクトルを取得している。
【０００３】
また、下記特許文献２では、画像の取得用と分光スペクトルの取得用とで、それぞれ別々の受光領域を設けることが記載されている。すなわち、被写体からの光を回折格子に入射させ、その０次光を０次光専用の受光領域上に結像させることで被写体の画像を取得するものである。また、回折格子の１次光は、１次光専用の受光領域によって受光され、分光スペクトルが検出される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−３９２８０号公報
【特許文献２】特開２００５−３３７７９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、上記特許文献１では、被写体側に配置されたレンズによる被写体の結像位置にスリットが配置されている。したがって、その結像面においてスリットの開口が配置された箇所に対応する一次元方向の被写体領域のデータしか取得することができない。
【０００６】
このため、被写体全体の２次元的な画像データを取得しようとすると、上記特許文献１に記載されているように、スリットから撮像部までの光路中の構成全体をスキャン移動させて各部位のデータを取得した後、２次元データへと合成する必要がある。したがって、得られるデータはリアルタイム性に欠けたものとなり、また、スキャン機構を要するため、装置の小型化に不利である。
また、一度結像させた被写体の像をスリットによって回折させ、回折された光を別のレンズで撮像素子上に再び結像させている。すなわち、被写体の像を２度結像させる必要があるため、光学系が複雑となる。
【０００７】
また、上記特許文献２では、被写体上のスペクトルデータを取得したい箇所のみに照明光を照らす必要がある。
上記特許文献２では、被写体からの光を分光させる回折格子がフーリエ面近傍、すなわち絞りの近傍に配置されている。
このため、画角内における被写体の各部位からの光全てが絞りを通った後回折格子に入射し、その回折光が受光されるので、被写体全体の２次元的なデータを取得することは可能である。ところが、被写体の全領域からの全ての光を同一回折格子にて同時に回折させることになるので、得られるスペクトルデータは、被写体の各領域のスペクトルが混じったものとなる。
【０００８】
したがって、被写体上の任意の箇所におけるスペクトルを判別することは困難であり、上述のように被写体のスペクトルデータを取得したい箇所のみに光のスポット照射を行うことで、その他の領域のスペクトルが混じることを防がなければならない。
また、被写体全体の画像データを取得する場合には、逆に被写体の全領域に照明光を照らす必要があり、照明光のスポット照射と、照明光の全体照射の２つの構成を要するためコストも高くなる。
【０００９】
また、上記特許文献１,２では、回折格子と撮像部が別部品として構成されるため、回折格子と撮像部との間の位置精度には限界があり、計測誤差が生じやすい。また、装置の組み立て時に較正を行ったとしても、構造的に回折格子と撮像部が離れて配置されていることから、経時変化によるズレが生じることは避けられない。
【００１０】
本発明は上記課題に鑑み、被写体の画像と被写体の任意の箇所におけるスペクトルデータの両方を、簡易な構成で精度良く取得可能な光学装置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】
【００１１】
上記課題を解決するために、本発明による光学装置は、被写体からの光を結像させる結像光学系と、結像光学系により結像された光を受光する撮像部と、撮像部の撮像領域において、所定の領域を覆う反射型分光素子と、反射型分光素子により反射された光の分光スペクトルを検出するスペクトル検出部と、を含んで構成される。
【００１２】
本発明によれば、被写体からの光を受光する撮像領域の所定の領域上を反射型分光素子が覆う。このため、反射型分光素子が覆う所定領域に対応する被写体の特定領域のみからの光を反射させて取り出し、分光させることができる。また、その他の光は撮像部によってそのまま受光される。
また、撮像領域上を覆って反射型分光素子を配設することにより、撮像部と反射型分光素子とを一体化することが可能となる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、撮像部の撮像領域上において反射型分光素子が覆う領域に対応した被写体の特定領域のみからの光が取り出され、分光される。また、それ以外の光は撮像部によって受光される。このため、被写体全体の画像と、被写体の任意の箇所におけるスペクトルを精度良く取得することが可能である。
また、撮像領域上を覆って反射型分光素子を配設することにより、撮像部と反射型分光素子を一体化することが可能となるため、位置精度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る光学装置を示す概略構成図である。
【図２】反射型分光素子と撮像部とスペクトル検出部を示す概略上面図である。
【図３】撮像部とスペクトル検出部を示す概略上面図である。
【図４】３個の反射型分光素子を撮像部の撮像領域上に設けた場合の撮像部とスペクトル検出部の構成を示す概略上面図である。
【図５】３個の反射型分光素子を撮像部の撮像領域上に設けた場合の撮像部とスペクトル検出部の構成を示す概略上面図である。
【図６】撮像部の撮像領域と反射型分光素子と導波路部を示す概略断面図である。
【図７】撮像部の撮像領域と反射型分光素子と導波路部を示す概略断面図である。
【図８】撮像部の撮像領域と反射型分光素子と導波路部を示す概略断面図である。
【図９】Ａは被写体を示す説明図であり、Ｂは撮像部の撮像領域上に形成される被写体の像を示す説明図であり、Ｃは反射型分光素子によって反射、分光された光を受光するスペクトル検出領域を示す説明図である。
【図１０】異なる波長の光であっても、同じ方向に分光、回折される様子を示す説明図である。
【図１１】本発明の第２の実施の形態に係る光学装置を示す概略構成図である。
【図１２】本発明の第３の実施の形態に係る電子機器を示す概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下本発明を実施するための最良の形態の例を説明するが、本発明は以下の例に限定されるものではない。説明は以下の順序で行う。
１．第１の実施の形態（導波路部と撮像部とスペクトル検出部が一体化されている例）
２．第２の実施の形態（撮像部とスペクトル検出部を別々に配置する例）
３．第３の実施の形態（カメラ等の電子機器に用いる例）
【００１６】
１．第１の実施の形態（導波路部と撮像部とスペクトル検出部が一体化されている例）
図１は、第１の実施の形態による光学装置１００の構成を示す概略構成図である。本実施の形態による光学装置１００は、被写体からの光を結像させる結像光学系１と、結像光学系１によって結像される光を受光する撮像部２と、撮像部２の撮像領域の所定領域上を覆って配設された反射型分光素子４を備える。
【００１７】
被写体からの光は、結像光学系１によって撮像部２の撮像領域上に結像される。結像光学系１は、ここでは負の屈折力を有する平凹形状の第１レンズ１１と、正の屈折力を有するメニスカス形状の第２レンズ１３と、正の屈折力を有する合成レンズである第３レンズ１４と、絞り１２を含んで構成されている。
結像光学系１の構成は、被写体からの光を撮像部２の撮像領域上に結像させるものであれば、特に限定するものではない。また、後述するように、絞り１２に可変絞りを用い、結像光学系１のＦ値が変更可能とされることが好ましい。
【００１８】
例えば、結像光学系１によって集光された被写体からの光線群Ｌ１,Ｌ２は、撮像部２及びスペクトル検出部３上に配設された導波路部５を透過し、撮像部２の撮像領域上に結像する。これにより、被写体の２次元画像が取得される。
また、撮像部２の撮像領域上の任意の領域を覆うように、反射型分光素子４が配設されている。この反射型分光素子４は、撮像部２の表面に接して配設されていてもよいし、撮像部２の表面に一体化して形成されていてもよい。また、後述するように、撮像部２の表面から離れていてもよい。この反射型分光素子４には、例えば反射型回折格子や、ホログラム素子、プリズム等を用いることができる。
【００１９】
また、結像光学系１によって集光された被写体からの光のうち、反射型分光素子４に入射した光は、例えば光線群Ｌ３に示すように反射されるとともに分光され、導波路部５内を進む。反射型分光素子４によって反射された光は、導波路部５の結像光学系１側の面５１によって全反射されることによりスペクトル検出部３の検出領域上に導かれ、受光される。これにより、被写体のスペクトルが検出される。
【００２０】
特に本実施の形態では、必要とするスペクトルの波長範囲よりも短波長側の光は、矢印Ａ１に示すように導波路部５の面５１において全反射されることなく透過する。また、必要とするスペクトルの波長範囲よりも長波長側の光は、矢印Ａ２に示すように導波路部５の面５１において全反射された後、導波路部５の側面５２を透過して導波路部５の外に出射される。
【００２１】
導波路部５の面５１に対して全反射条件を満たす波長λの光の入射角度Θは、スネルの法則により、下記式１によって決定される。
ｓｉｎΘ＝Ｎλ’／Ｎλ      ・・・（式１）
Ｎλ：波長λの光に対する導波路部５の屈折率
Ｎ’λ：波長λの光に対する導波路部５外部の屈折率
例えば、導波路部５に屈折率１．５程度のガラスを用いた場合には、所望の波長範囲における最短波長の光が面５１に入射する角度を４１．８１度よりも大きくする。これにより、その波長よりも短い波長成分は全反射条件を満たさないため、導波路部５の外に出射される。したがって、不要な波長の光が導波路部５内を伝播しないので、スペクトル検出部３では、ノイズが抑制される。
【００２２】
導波路部５の上面をミラー加工することにより、反射型分光素子４からの光を反射させることも可能である。しかし、ミラー加工においては少なからず光の吸収が生じるのに対し、全反射では理論的に１００％の光が反射されるので、光の利用効率が高い。また、結像系の有効エリア内においてミラー加工を行うと、そこで全てまたは一部の光が反射されてしまう。したがって、レンズの有効径が大きい場合には、撮像部２での撮像がさまたげられるが、全反射によって光を反射させる場合には、結像光学系１から導波路部５に入射する光を全て透過させることが可能なので、こうした制約を受けない。
【００２３】
また、導波路部５の側面５２には、例えば黒塗りを行う等、吸光体を設けることが好ましい。これにより、側面５２によって光が反射されたり、導波路部５の外に出射された光が迷光となって再び導波路部５内に侵入し、撮像部２上に結像するのが抑制され、ゴーストの発生を防止できる。
撮像部２やスペクトル検出部３、導波路部５を覆う遮光部６を設け、外部からの不要な光を遮断することが好ましい。また、遮光部６の内壁面にも同様に吸光体を設けることにより、矢印Ａ１,Ａ２等に示した光がゴーストを生じるのを抑制できる。
【００２４】
図２は、撮像部２及びスペクトル検出部３を上方から見た概略上面図である。本実施の形態では、撮像部２とスペクトル検出部３は一体して形成されており、同一基板上に撮像領域２１とスペクトル検出領域が配設されている。
このように、撮像部２とスペクトル検出部３とが一体して形成されている場合には、さらに導波路部５を撮像部２とスペクトル検出部３上に一体化して形成することが可能となるので、よりコンパクト化を図ることが可能である。
撮像領域２１には、複数の光電変換素子が例えばマトリックス状に２次元配列されている。また、スペクトル検出領域３１には、光電変換素子が１次元配列されている。
【００２５】
撮像領域２１の例えば中央には反射型分光素子４が配設されている。反射型分光素子４に入射した光は、反射されるとともに分光され、図示しない導波路部５の上面にて全反射された後、スペクトル検出領域３１に到達する。ここでは、例えば波長６２０ｎｍから８６０ｎｍｍまで４０ｎｍ刻みの光が、スペクトル検出領域３１上に形成するスポットＳ１〜Ｓ７を模式的に示している。ただし、実際には、波長６２０ｎｍ〜８６０ｎｍまで波長の連続した光が、スペクトル検出領域３１に入射する。
スペクトル検出領域において、１次元配列された光電変換素子は、同じ大きさのものが等間隔に配置されている。したがって、例えばスポットＳ７に示す波長８６０ｎｍ付近の光強度を検出したい時には、スポットＳ７が形成されている領域下の光電変換素子の出力を積算することで、スペクトルが検出されることになる。
【００２６】
また、スペクトル検出領域３１に配設される光電変換素子は、等間隔で配置される必要はなく、例えば図３に示すように、少しずつサイズを変えて配置してもよい。図３の例では、波長６２０ｎｍから８６０ｎｍｍまで４０ｎｍ刻みの光が形成するスポットの大きさに合わせて、光電変換素子の大きさを変えている。
【００２７】
また、図４に示すように、撮像領域２１上に配設する反射型分光素子は複数個であってもよい。撮像部２の撮像領域２１上には、３個の反射型分光素子４１，４２，４３が配設されている。
スペクトル検出部３のスペクトル検出領域３１には、この３個の反射型分光素子４１，４２，４３に対応して、３行の１次元配列された光電変換素子群３２，３３，３４が配列されている。この光電変換素子群３２，３３，３４には、反射型分光素子４１，４２，４３によって反射、分光された光がそれぞれ受光され、例えば図示するようなスポットを形成する。
ここでは、形成されるスポットの大きさに対応して光電変換素子の大きさを変化させる例としてあるが、等間隔に同じ大きさの光電変換素子を配設してもよい。
【００２８】
また、図５では、撮像領域２１上に配設された３つの反射型分光素子４１，４２，４３によって反射、分光された光を受光するスペクトル検出領域が３つの領域に分けて配置されている。
反射型分光素子４１，４３からの光を受光するスペクトル検出領域３５，３７は、撮像領域２１に対して同一側に配設されている。一方、反射型分光素子４１，４３の間に配設されている反射型分光素子４２からの光を受光するスペクトル検出領域３６は、撮像領域２１に対してスペクトル検出領域３５，３７とは反対側に配設されている。
このように、複数のスペクトル検出領域を、撮像領域に対してそれぞれ交互に反対側に配設してもよい。これにより、隣り合うスペクトル検出領域３５，３７間の距離を大きくとることが可能となる。したがって、例えば反射型分光素子４１によって反射、分光された光が破線Ｌ４に示すように広がったとしても、隣の撮像領域３７に侵入するのを抑制できる。また、隣り合う反射型分光素子４１，４２からの反射光同士が重なることもない。
【００２９】
図６に、撮像部２の撮像領域２１と、導波路部５、反射型分光素子４の概略断面図を示す。
撮像部２の撮像領域２１には、受光量に応じた電気信号を発する例えばＳｉフォトダイオード等の光電変換素子２２が二次元配列されている。この光電変換素子２２上には、例えばＲＧＢのカラーフィルタ２３ａ，２３ｂ，２３ｃがそれぞれ配設されている。
また、カラーフィルタ２３ａ，２３ｂ，２３ｃ上には、光電変換素子２２に光を集光させる集光レンズ２４が形成される。この撮像領域２１の構成は特に限定するものではなく、既知の撮像素子に用いられる種々の形態をとってよい。また、光電変換素子として例えばＩｎＧａＡｓ系のフォトダイオードも一緒に配列し、赤外光も受光するようにしてもよい。
【００３０】
集光レンズ２４上には、集光レンズ２４を覆い、導波路部５との接合層となるカバー層２５が配設される。カバー層２５は例えばガラスや樹脂等によって形成される。このカバー層２５を設けることにより集光レンズ２４による凹凸が平面化され、撮像領域２１上に空気層を介在させることなく、導波路部５を密着させて配設することが可能となる。
【００３１】
カバー層２５上には、導波路部５がカバー層２５の表面と接して配設されている。導波路部５は、測定対象の波長の光に対する十分な透過率と、光の全反射を起こすための屈折率を考慮してその材料が選択される。例えばガラスや樹脂等を用いてよい。
【００３２】
導波路部５において撮像領域２１と接触する側の表面には、反射型分光素子４として、例えば反射型回折格子４４が形成されている。この回折格子の凹凸は、例えば導波路部５の成形時に同時に形成してもよいし、切削により形成してもよい。この凹凸の表面に、例えばＡｌ等をコーティングすることにより反射型回折格子４４が形成される。このように、導波路部５表面に反射型分光素子４を一体に形成することで、組立後の経時精度変化の向上加え、部品点数も削減され、装置の小型化が図れる。
【００３３】
また、反射型回折格子４４の凸部の表面高さは、導波路部５の表面と一致または低くさせている。これにより、導波路部５を撮像部２やスペクトル検出部３（図示せず）の表面に接して密着配置することが可能となる。したがって、撮像部２とスペクトル検出部３と導波路部５とを一体化して配設することができるので、よりコンパクトな構成を実現できる。
【００３４】
反射型回折格子４４を配設する面積は、スペクトル検出部３においてスペクトルを検出できるだけの光量を反射させるものであれば、特に限定しない。例えば、反射型回折格子４４が配設される長さＬは、少なくとも測定対象とする光の波長以上の長さであれば、光の回折を生じさせる。
【００３５】
また、図７に示すように、撮像領域２１のカバー層２５の表面に一体化して反射型回折格子４４を設けてもよい。この場合には、反射型回折格子４４の凸部の表面高さがカバー層２５の表面高さに一致させることにより、導波路部５とカバー層２５を密着して配設させる。
【００３６】
なお、図６，７に示すように、反射型回折格子４４が配設される箇所には、導波路部５とカバー層２５との間に空層４５が介在することになる。しかし、図６のように、導波路部５表面に反射型回折格子４４を形成する場合には、反射型回折格子４４表面のＡｌ等による反射コーティングによって、光は空層４５を経由することなく反射される。
図７のように、カバー層２５の表面に反射型回折格子４４を設ける場合には、空層４５は例えば樹脂やガラス等の導波路部５と同じ材料で埋められ、その界面での反射や散乱が抑制される。
【００３７】
また、反射型回折格子４４等の反射型分光素子は、撮像部２に対して接していなくてもよい。例えば図８では、図６におけるカバー層２５を無くし、撮像領域２１と反射型回折格子４４（導波路部５）との間に空層２６を設けたものである。
ここでは、撮像領域２１上において導波路部５に切欠き部を設けることで、カバー２層５と撮像領域２１との間に空層２６を配設している。また、この切欠き部における導波路部５の表面に反射型回折格子４４を形成している。
【００３８】
なお、スペクトル検出領域３１上においては、空層２６を設けないことが好ましい。スペクトル検出領域３１に到達する光は、光路Ｌｐに示すように、導波路部５の上面を全反射しており、全反射条件を満たしたまま導波路部５の下面に入射する。したがって、導波路部５とスペクトル検出領域３１との間に空層が存在すると、導波路部５と空層との境界においても光の全反射が生じてしまい、スペクトル検出領域３１に光を入射させることができない。
【００３９】
このように、反射型回折格子４４は撮像部２に接していなくてもよいが、撮像部２から離れすぎると、被写体上のスペクトルを取得したい領域以外からの光も反射型回折格子４４に入射することになる。したがって、ある程度光束が収束している位置に反射型回折格子４４を配置することが望ましいが、結像光学系１の構成や所望とするスペクトル検出の精度等に合わせて、結像光学系１と撮像部２の間における配置位置を適宜定めてよい。
例えば、反射型回折格子４４と撮像部２との間の距離は、結像光学系１の焦点深度の２００倍以内の位置に配置することが好ましい。この場合、結像光学系１のＦ値が２．８で、光電変換素子２２のサイズが１μｍとすると、反射型回折格子４４と撮像部２との間の距離は１ｍｍ以下とすることになる。少なくとも、反射型回折格子４４と撮像部２との間の距離が５ｍｍ以内であれば、被写体の特定領域からの光のみを反射型回折格子４４上に入射させる結像光学系１の設計自由度を大きくとれる。
【００４０】
また、ここでは、反射型回折格子４４として、矩形状の溝を有するラミナーグレーティング型の回折格子を示したが、測定対称とする光の波長に応じてその他のタイプのものを用いてよい。
例えば、紫外域から可視域の特定の波長に対しては、鋸歯状の溝を有するブレーズド・ホログラフィック・グレーティング型の反射型回折格子を用いることにより、高い回折効率が得られる。また、広い波長域や近赤外域の光に対しては、正弦波状の溝を有するホログラフィック・グレーティング型の反射型回折格子を用いることができる。製造上の制約がある場合には、上述の曲面形状や斜面形状を近似したステップ構造により構成してもよい。
また、反射型分光素子としては、上述の反射型回折格子以外にもプリズムやホログラム素子を用いることも可能である。
【００４１】
例えば、ラミナーグレーティング型の反射型回折格子を用いる場合、回折格子周期（格子ピッチ）と、光の波長と、回折次数が決まると、光の入射角αと回折角βの関係は下記式２により一義的に定まる。
ｎ（ｓｉｎα±ｓｉｎβ）＝Ｎｍλ      （式２）
Ｎ：１ｍｍあたりのスリット数（溝本数）＝１／（回折格子周期）
ｍ：回折次数（ｍ＝０，±１，±２，・・・）
λ：光の波長
ｎ：媒質の屈折率
【００４２】
表１に、図１及び図６に示した構成で、導波路部５の硝材にボロシリケートクラウンガラス（ＢＫ７）を用い、回折格子周期を５００ｎｍ，６２０ｎｍ，６００ｎｍ，７００ｎｍとした場合の入射角度α＝０度のときの波長４００ｎｍから９００ｎｍの光に対する回折角を示す。なお、回折次数が１次の光に対して回折角を求めている。また、各波長の光に対して導波路部５が全反射を起こす臨界角も示してある。
【００４３】
【表１】
0005538194.tif 000002
【００４４】
例えば、入射角度α＝０度で回折格子周期が５００ｎｍの場合、波長５００ｎｍの光に対する１次光の回折角は約４０．０９度であり、臨界角と略等しい。したがって、波長５００ｎｍ未満の光は導波路部５の外に出射され、５００ｎｍ以上の光が全反射を起こして導波路内を伝播し、スペクトル検出部３に到達することになる。
【００４５】
これに対して、回折格子周期が６００ｎｍの場合には、波長６００ｎｍの光に対する１次光の回折角は約４１．２６度であり、臨界角と略等しい。したがって、波長６００ｎｍ未満の光は導波路部５の外に出射され、６００ｎｍ以上の光が導波路内を伝播する。
また、回折格子周期が７００ｎｍの場合は、波長７００ｎｍの光に対する１次光の回折角は約４１．３７度であり、波長７００ｎｍの光に対する導波路部５の臨界角に略等しくなる。したがって、波長７００ｎｍ未満の光が導波路部５の外に出射され、７００ｎｍ以上の光が導波路部５内を伝播する。
【００４６】
このように、反射型回折格子の回折格子周期を変え、各波長の光に対する回折角を調整することにより、短波長側の不要な光が導波路部５内を伝播し、スペクトル検出部３に到達するのを抑制することが可能である。
例えば、図２のように波長５２０ｎｍ以上の光のスペクトルを検出したい場合には、反射回折格子の回折格子周期を６２０ｎｍにして設ければよい。これにより、波長５００ｎｍ〜６２０ｎｍの光は導波路部５の外に出射され、６２０ｎｍ〜９００ｎｍの光が導波路部５を伝播しスペクトル検出部３に到達することになる。
【００４７】
表２は、例えば図２に示したように、反射型分光素子４から、反射型分光素子４によって反射された光が導波路部５を伝播してスペクトル検出領域３１に到達した位置までの距離（以降到達距離と呼ぶ）を求めたものである。なお、反射型分光素子４には、回折格子周期が６００ｎｍの反射型回折格子を用い、導波路部５の厚さを０．９５ｍｍ、１ｍｍ、１．０５ｍｍとした場合の距離を光の波長毎に求めている。
【００４８】
【表２】
0005538194.tif 000003
【００４９】
例えば反射型分光素子４が撮像領域２１の中央に配設され、撮像領域２１の幅Ｗ１が３．６ｍｍであるとすると、反射型分光素子４によって反射された光がスペクトル検出領域３１に到達するためには、到達距離を少なくとも１．８ｍｍ以上にする必要がある。
導波路部５の厚さが０．９５ｍｍの場合、波長６２０ｎｍの光の到達距離は１．７７ｍｍである。したがって、波長６２０ｎｍの光はスペクトル検出領域３１に到達しないためスペクトルを検出することができない。また、こうした光が撮像領域２１内に到達することによりノイズとして検出されてしまう。
【００５０】
一方、導波路部５の厚さを１ｍｍとした場合には、波長６２０ｎｍの光の到達距離は約１．８６ｍｍであり、波長６２０ｎｍの光をスペクトル検出領域３１まで導くことが可能である。したがって、波長６２０ｎｍの光のスペクトル検出を行うには、導波路部５の厚さを１ｍｍ以上とすればよいと言える。
さらに、長波長側の不要な光の到達距離を求め、この光がスペクトル検出領域３１上に到達せず、例えば導波路部５の面５２（図１参照）に導かれるように導波路部５の厚さが設定される。面５２には、黒塗りを行う等の処理が施され、面５２に到達した長波長側の光を吸収する。
【００５１】
また、ここでは、撮像部２の光受光面が、結像光学系１の光軸に対して垂直となる配置としたが、撮像部２を結像光学系１の光軸に対して傾けて配設してもよい。例えば、撮像部２を傾けて配置することにより、反射型分光素子４に入射する光の入射角度を変え、回折角を調整してもよい。これにより、任意の波長の光を導波路部５の面５１において全反射または透過させることができる。
また、導波路部５の面５１の少なくとも一部を結像光学系１の光軸に対して傾けて形成することにより、面５１への光の入射角度を調整し、光の到達距離や全反射を起こす光の波長を設定することも可能である。
【００５２】
このように、本実施の形態の光学装置１００では、撮像部２の撮像領域上に反射型分光素子４を配設している。反射型分光素子４の配置されていない撮像領域上に結像された光は、そのまま２次元の画像データとして取得されるため、従来のようにデータの再合成等を行うことなく被写体全体の画像が得られる。
【００５３】
また、撮像領域上に結像される光の一部を、反射型分光素子４により取り出すことでスペクトルを検出する。したがって、被写体の画像とともに、被写体のスペクトルも同時に取得することが可能である。
反射型分光素子４は、撮像部２の撮像領域上、すなわち結像光学系１の結像面上に配設されている。したがって、反射型分光素子４に入射する光は、反射型分光素子４が配置された箇所に対応する被写体の特定領域からの光のみである。このように、スペクトル検出部には被写体全体からの光が混じることが無いので、被写体上の特定の領域のみにおけるスペクトルを検出することが可能となる。
【００５４】
また、被写体の画像と、被写体上の特定の領域のスペクトルとを同時に取得可能であるので、被写体の画像をリアルタイムに確認しながら、スペクトルの検出を行うこともできる。
例えば、手の平の静脈におけるスペクトルを検出する場合について図９の模式図を用いて説明する。
ここでは、被写体として、図９Ａに示す手の平を写し、その領域Ｔ１における静脈のスペクトルを検出する場合を例に挙げる。領域Ｔ１を本実施の形態による光学装置１００によって撮像すると、撮像部２の撮像領域２１には図９Ｂに示す指の像が結像され、画像が取得される。
【００５５】
また、ここでは撮像領域２１の中央に反射型分光素子４が配置されており、例えば撮像される画像（動画）をリアルタイムで視認しながら、スペクトルを取得したい静脈上に画像中心を合わせる。すると、静脈からの光は反射型分光素子４によって反射され、例えば光束Ｌ５に示すように広がりながら図示しない導波路部５内を全反射して伝播し、図２Ｃに示すスペクトル検出部３のスペクトル検出領域３１に受光される。これにより、指の静脈のスペクトルが検出される。
【００５６】
なお、照射される特定の波長の光に対して特定のスペクトルを放射または反射させる被写体の測定を行う場合には、例えば発光波長幅の狭いＬＥＤ光源によって被写体を照らすようにしてもよい。
また、特定の波長に限らず白色光源を備えていてもよい。専用の発光源を備えることにより、周囲環境に関わらず安定した画像データ及びスペクトルデータが取得される。
【００５７】
反射型分光素子４が配置される箇所は任意であってよい。例えば光学装置１００の向きや位置を合わせて、その配置箇所に、スペクトル検出の対象とする箇所からの光を入射させることで、被写体の任意の箇所のスペクトルを検出できる。
例えば、反射型分光素子４が配置された箇所に対応する画像の表示領域には、アライメントマーク表示等をしておいてもよい。撮像された画像を視認しながら、アライメントマークが目標とする被写体の領域上に配置されるように光学装置１００の向きや位置を合わせることで、容易に所望の箇所におけるスペクトルを検出できる。
【００５８】
反射型分光素子４の直下に配設された光電変換素子は、反射型分光素子４により光が遮光された領域となる。取得される画像において、この光電変換素子に対応する位置には、被写体が表示されない。この被写体が表示されない表示領域を逆にアライメントマークとして利用してもよい。
【００５９】
また、反射型分光素子４は、撮像部２上に接して設けられるので、製造時における反射型分光素子の位置精度を容易に向上させることができ、経時的な位置ズレも抑制される。
また、従来のように回折格子を光学系のフーリエ面近傍に配置する場合には、絞りを通った直後の全光束を回折格子に入射させるため、そのサイズも大きくなる。しかし、本実施の形態では、反射型分光素子４を撮像部２上に接して設けているので、撮像領域上のスペクトルを取得する箇所にのみ反射型分光素子４を配置すればよい。したがって、反射型分光素子４のサイズを小さくすることが可能であり、装置のコンパクト化が図れる。
【００６０】
なお、結像光学系１の絞り１２（図１参照）を可変絞りとすることにより、測定環境に応じて結像光学系１のＦ値を変化させてもよい。例えば、図１０の模式図に示すように、結像光学系１によって反射型分光素子４のある一点上に集光される光は、主光線Ｌ６に対して角度＋Θ，−Θ傾いた光線Ｌ７，Ｌ８等による光錐を形成している。すなわち、同じ一点上に集光される光であっても、反射型分光素子４に入射する入射角度には幅が存在する。
【００６１】
例えば反射型分光素子４が反射型回折格子である場合、このように反射型回折格子への入射角度に幅があると、その回折方向にも幅が生じることになる。図１０では、例えば波長７００ｎｍの光が、光線Ｌ９，１０，１１に示すように回折方向に幅をもって反射され、波長８００ｎｍの光が光線Ｌ１２，１３，１４に示すように回折方向に幅をもって反射されている。
すると、領域Ｔ１においては、波長７００ｎｍの光と波長８００ｎｍの光が混在することになり、正確な分光を行うことができない。また、異なる波長の光が混在したまま受光されることにより、スペクトル検出において波長７００ｎｍの光に対する信号と、波長８００ｎｍの光に対する信号とのクロストークが生じる。
【００６２】
表３に、参考値としてレンズのＦ値と、そのレンズに平行光を入射し集光させた場合の光錐において、最外周の光線が主光線となす角度を示す。
【００６３】
【表３】
0005538194.tif 000004
【００６４】
このように、Ｆ値が大きい場合には、結像光学系１による光錐の頂角は小さくなるので、上述のクロストークを抑制することが可能である。しかし、Ｆ値を大きくし過ぎると、光量が小さくなり画像が暗くなるので、被写体の確認を行うことができない。
これに対し、本実施の形態では、絞り１２を可変絞りとし、被写体の撮像時とスペクトルの検出時とで、結像光学系１のＦ値を変更可能としてもよい。
【００６５】
例えば、結像光学系１のＦ値を１．２〜８程度に小さくして被写体を撮像し、得られる明るい画像でリアルタイムに確認しながら被写体上のスペクトルを検出したい箇所に位置合わせを行う。
位置合わせを終えた後、絞り１２を絞って結像光学系１のＦ値を大きくし、スペクトルの検出を行うことで、クロストークを抑制した正確な測定を行うことが可能である。
この場合には、撮像とスペクトル検出とを別々に行うことになるが、絞りを変えるという非常に簡易な作業でより精度の高いデータの取得を行うことができる。
【００６６】
２．第２の実施の形態（撮像部とスペクトル検出部を別々に配置する例）
第１の実施の形態においては、撮像部とスペクトル検出部とが一体とされている例を示したが、別々に配設されていてもよい。
【００６７】
図１１は第２の実施の形態に係る光学装置２００を示す概略構成図である。本実施の形態による光学装置２００は、被写体からの光を結像させる結像光学系６０と、結像光学系６０によって結像される光を受光する撮像部８０と、撮像部８０の撮像領域の所定領域を覆う反射型分光素子７０を備える。
【００６８】
結像光学系６０の構成は、第１の実施の形態（図１参照）と同様、被写体からの光を撮像部８０の撮像領域上に結像させるものであれば、特に限定するものではない。ここでは第１の実施の形態と同様に、結像光学系６０は、負の屈折力を有する平凹形状の第１レンズ６１と、正の屈折力を有するメニスカス形状の第２レンズ６３と、正の屈折力を有する合成レンズである第３レンズ６４と、絞り６２を含んで構成したものを示している。
【００６９】
また、撮像部８０の撮像領域上の任意の箇所には、反射型分光素子７０が配設されている。この反射型分光素子７０は、撮像部８０の表面に接して配設されていてもよいし、撮像部８０の表面に一体化して形成されていてもよい。この反射型分光素子４には、例えば反射型回折格子や、ホログラム素子、プリズム等を用いることができる。
なお、反射型分光素子７０は、第１の実施の形態において示した図７のように、撮像部８０の光電変換素子上を覆うカバー層２５の表面に一体して形成されることが好ましいが、その際には導波路部５の有無は問わない。
また、第１の実施の形態と同様に、反射型分光素子７０と撮像部８０の表面は必ずしも接している必要はなく、間に空層や光透過性材料による層が介在されていてもよい。
【００７０】
例えば光線群Ｌ１４，１５に示すように、被写体からの光は結像光学系６０によって撮像部８０の撮像領域上に結像されることにより、被写体の画像が取得される。
また、撮像部２の撮像領域上に配設された反射型分光素子７０上に集光される光線群Ｌ１６は、反射型分光素子７０によって反射、分光され、そのままスペクトル検出部９０によって受光される。
【００７１】
本実施の形態の光学装置２００においても、撮像部８０の撮像領域の所定領域を覆って反射型分光素子７０が配設されており、撮像領域上に結像する光の一部を取り出すことでスペクトルが検出される。したがって、被写体の画像とともに、被写体のスペクトルも同時に取得することが可能である。
また、反射型分光素子７０は結像光学系６０の結像面上に配設されている。このことにより、反射型分光素子４に入射する光は、反射型分光素子４が配置された箇所に対応する被写体の特定領域からの光のみである。スペクトル検出部には被写体全体からの光が混じることが無いので、被写体上の特定の領域のみにおけるスペクトルを検出することが可能である。
【００７２】
図１１においては、反射型分光素子７０によって反射、分光された光をそのまま直接受光するために、スペクトル検出部９０は、撮像部８０の受光面に対してその受光面を傾けて別々に配置されている。このように、撮像部８０とスペクトル検出部９０を個々に構成し、配置してもよい。
また、反射型分光素子４によって反射、分光された光をスペクトル検出部９０で直接受光させることにより、導波路部を必要としないのでコスト低減を図れる。
【００７３】
また、本実施の形態においては、反射型分光素子４によって反射、分光された光をスペクトル検出部９０で直接受光させることにより導波路部を省いたこと以外は、第１の実施の形態（図１）と同様の構成をとることが可能である。
したがって、例えば絞り６２を可変絞りとすることにより、被写体の撮像時には結像光学系６０のＦ値を小さくし、スペクトルの検出時には結像光学系６０のＦ値を大きくさせてもよい。これにより、明るい画像で被写体を確認するとともに、クロストークを抑制した精度の高いスペクトル検出を行うことができる。
【００７４】
３．第３の実施の形態（カメラ等の電子機器に搭載する例）
図１２に、本発明による光学装置を例えばカメラ等の電子機器に適用する例を示す。本実施形態に係る電子機器は、静止画像又は動画撮影可能なカメラを例としたものである。本実施形態例の電子機器３００は、被写体からの光を受光する光学装置３１０と、光学装置３１０の動作を制御する制御部３２０と、光学装置３１０からの出力信号を処理する信号処理回路３３０を含んで構成される。
【００７５】
光学装置３１０には、第１の実施の形態（図１参照）や、第２の実施の形態（図１１参照）において示した光学装置１００，２００のいずれかが適用される。
制御部３２０は、例えば光学装置３１０内の撮像部やスペクトル検出部にタイミング信号を供給し、取得される信号の転送動作を指示する。
また、信号処理回路３３０は、光学装置３１０の撮像部やスペクトル検出部からの出力信号に対して例えば相関二重サンプリング等の信号処理を行う。そして、信号処理後の画像データやスペクトルデータ等を例えばメモリ等の記録媒体に記録したり、モニタ等の表示装置や外部機器へと出力する。
このように、カメラ等の電子機器に本発明の光学装置を適用することで、被写体の画像と、被写体の任意の箇所のスペクトルの両方を容易に取得することができる。
【００７６】
以上、本発明による光学装置の実施の形態について説明した。本発明は上記実施の形態にとらわれることなく、特許請求の範囲に記載した本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、考えられる種々の形態を含むものである。
【００７７】
１，６０・・・結像光学系、２，８０・・・撮像部、３，９０・・・スペクトル検出部、４，４１，４２，４３，７０・・・反射型分光素子、５・・・導波路部、６・・・遮光部、１１，１３，１４，２４，６１，６３，６４・・・レンズ、１２，６２・・・絞り、２１・・・撮像領域、２２・・・光電変換素子、２３ａ，２３ｂ，２３ｃ・・・カラーフィルタ、２５・・・カバー層、２６・・・空層、３１・・・スペクトル検出領域、３２，３３，３４，３５，３６，３７・・・光電変換素子群、４４・・・反射型回折素子、４５・・・空層、５１，５２・・・面、１００，２００，３１０・・・光学装置、３００・・・電子機器、３２０・・・制御部、３３０・・・信号処理部
【図１】
0005538194.tif 000005
【図２】
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【図３】
0005538194.tif 000007
【図４】
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【図５】
0005538194.tif 000009
【図６】
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【図７】
0005538194.tif 000011
【図８】
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【図９】
0005538194.tif 000013
【図１０】
0005538194.tif 000014
【図１１】
0005538194.tif 000015
【図１２】
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