(57)【要約】  撮像装置（１）が、物体からの光を透過させる前置光学系（１０）と、前置光学系（１０）からの光を複数の分光フィルタで透過させる分光フィルタアレイ（２０）と、複数の分光フィルタからの光をそれぞれ複数の小レンズで透過させて複数の物体像を結像させる小レンズアレイ（３０）と、複数の物体像をそれぞれ撮像する撮像素子（５０）と、撮像素子（５０）から出力された画像信号に基づいて、物体像の二次元分光情報を求める画像処理部（６０）とを備え、前置光学系（１０）は、合焦した物体からの光を透過させて平行光にするように構成される。
2013179620.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
物体からの光を透過させる前置光学系と、
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、前記前置光学系からの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、
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小レンズからなり、前記複数の光学素子からの光をそれぞれ前記複数の小レンズで透過させて前記複数の物体像を結像させる小レンズアレイと、
前記複数の小レンズの焦平面上に撮像面が配置されて前記複数の物体像をそれぞれ撮像する撮像素子と、
前記撮像素子から出力された画像信号に基づいて、前記光学素子の光学特性に応じた前記物体像の情報を求める画像処理部とを備え、
前記前置光学系は、合焦した物体からの光を透過させて平行光にすることを特徴とする撮像装置。
【請求項２】
前記前置光学系は、光軸に沿って移動することにより無限遠物体から有限距離物体への合焦を行う合焦レンズ群を有し、前記合焦した物体からの光を透過させて平行光にすることを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
【請求項３】
前記光学素子アレイを着脱可能に保持する保持部をさらに備えることを特徴とする請求項１または２に記載の撮像装置。
【請求項４】
前記前置光学系を着脱可能に保持する鏡筒部をさらに備えることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の撮像装置。
【請求項５】
前記小レンズアレイと前記撮像素子との間に配設され、前記複数の小レンズからそれぞれ前記撮像面上に達する光が互いに重なるのを防ぐ仕切り部材をさらに備えることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の撮像装置。
【請求項６】
前記前置光学系は、光軸に沿って移動することにより無限遠物体から有限距離物体への合焦を行う合焦レンズ群を有し、前記合焦した物体からの光を透過させて平行光にするように構成されており、
前記前置光学系は、負の屈折力を有する負レンズ群と、正の屈折力を有する正レンズ群とを有し、
前記合焦レンズ群は、前記負レンズ群および前記正レンズ群のうち少なくともいずれかであることを特徴とする請求項５に記載の撮像装置。
【請求項７】
前記前置光学系は、光軸に沿って移動することにより無限遠物体から有限距離物体への合焦を行う合焦レンズ群を有し、前記合焦した物体からの光を透過させて平行光にするように構成されており、
前記前置光学系は、内部に物体の中間像を形成し、
前記複数の小レンズからそれぞれ前記撮像面上に達する光が互いに重なるのを防ぐ視野絞りが前記中間像の形成位置に配置され、
前記合焦レンズ群は、前記前置光学系における前記視野絞りより物体側のレンズからなることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の撮像装置。
【請求項８】
前記小レンズの中心軸と該中心軸が交わる前記撮像素子の画素との相対位置関係が前記複数の小レンズ同士で異なるように、前記複数の小レンズが配列されることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の撮像装置。
【請求項９】
前記光学素子アレイは、前記複数の光学素子として、互いに分光特性の異なる複数の光学フィルタを有し、
前記画像処理部は、前記撮像素子から出力された、前記互いに異なる分光特性に応じた物体像の画像信号に基づいて、前記物体の二次元的な分光特性を求めることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の撮像装置。
【請求項１０】
前記光学素子アレイは、前記複数の光学素子として、第１の直線偏光が得られる第１光学素子と、前記第１の直線偏光に対して偏光方向が直交する第２の直線偏光が得られる第２光学素子と、前記第１の直線偏光および前記第２の直線偏光に対して偏光方向が４５度傾く第３の直線偏光が得られる第３光学素子と、円偏光が得られる第４光学素子とを有し、
前記画像処理部は、前記撮像素子から出力された、前記第１の直線偏光に基づく物体像の画像信号と、前記第２の直線偏光に基づく物体像の画像信号と、前記第３の直線偏光に基づく物体像の画像信号と、前記円偏光に基づく物体像の画像信号とに基づいて、前記物体像におけるストークスパラメータの二次元的な分布を求めることを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の撮像装置。
【請求項１１】
前記複数の小レンズの焦平面がそれぞれ同一平面上に形成されるように、前記複数の小レンズが配列されることを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項に記載の撮像装置。
【請求項１２】
前記小レンズは、正レンズと、前記正レンズよりも屈折率が高くてアッベ数が小さい負レンズとが接合された、全体として正の屈折力を有する接合レンズからなり、
前記接合レンズは、所定の波長範囲において色収差が補正されるように構成され、
前記接合レンズにおける物体側の面および像側の面のうち一方が平面状に形成され、
前記複数の前記接合レンズにおける前記一方の面に、光軸と垂直な平面に沿って延びる平行平面板が接合されることを特徴とする請求項１から１１のいずれか一項に記載の撮像装置。
【請求項１３】
前記接合レンズにおける物体側の面が平面状に形成され、
前記複数の前記接合レンズにおける物体側の面に、前記平行平面板が接合されることを特徴とする請求項１２に記載の撮像装置。
【請求項１４】
前記複数の光学素子が配置される面上に開口絞りが設けられることを特徴とする請求項１２または１３に記載の撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物体像におけるスペクトラム、ストークスパラメータ等の光学情報を、一回の撮像で取得する撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
撮像装置の一つに、いわゆるマルチバンドカメラがある（例えば、特許文献１を参照）。マルチバンドカメラの一形態として、光学系の光軸に対して異なる方向に法線を有する複数の光屈折面が設けられたプリズムを、光学系の開口絞り相当位置に配置するように構成されたものがある。このような構成により、分割された複数の光束に対しそれぞれ異なる方向に偏角を与えることで、同一物体に対して、撮像面上における異なる結像位置に、複数の光屈折面と等しい数の複数の物体像を形成する。プリズムの直後には、複数の物体像にそれぞれ対応するように、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撮像素子で撮像し、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。【０００３】
このようなマルチバンドカメラでは、プリズムは非平行光束中に配置されているが、非平行光束をウェッジプリズムの屈折作用によって偏向させると、非点収差やコマ収差、また波長によって屈折角度が異なることによる色収差などの諸収差が発生し、画質を低下させてしまう。また、ウェッジプリズムでの屈折によるアナモルフィック効果によって、物体像の投影倍率が屈折方向と屈折直交方向とで異なるので、物体像に歪みが生じてしまう。しかもこの歪みは、プリズムの複数の入射面（屈折面）が平行でなく、屈折面ごとに異なる方向に光束を偏向させるため、複数の物体像ごとに異なる光学的性質を呈することになる。そのため、画像処理で複数の物体像を厳密に合成させようとすると、複数の物体像ごとに異なる歪み除去処理が必要になり、余計な手間がかかることになる。仮に平行光束中にプリズムを配置しても、非点収差やコマ収差は解消するが、色収差と物体像の歪みの問題は依然残ってしまう。【０００４】
また、マルチバンド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撮像素子で撮像し、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。【０００５】
このようなマルチバンドカメラでは、小レンズアレイ中の各小レンズによって形成される複数の物体像は、互いにパララックス（視差）を有する。物体像の後に直接小レンズアレイを配置する場合には、物体との距離に応じてパララックスの量が変化し、画像処理によって画像を合わせることに余計な手間がかかってしまう。【０００６】
また、マルチバンドカメラの一形態として、複数のレンズ系を二次元的に配列したレンズアレイだけを撮像光学系として用いた複眼カメラも実用化されている。この種のカメラでは、近距離物体を撮像する際に、レンズアレイ中のレンズ間で生ずる大きな視差によって、視野に差異が生じ、画像端部が使えなくなってしまう。また、同一仕様のカメラを複数並べてマルチバンドカメラとする簡易な方法も以前からよく用いられているが、この方法では個々のカメラごとに焦点調整を行わなければならず、煩雑である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平８−２３３６５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
このように、マルチバンドカメラ等の撮像装置では、画像処理に大きな負担が掛かっていた。【０００９】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、画像処理の負担を軽減させた撮像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】
【００１０】
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る前置光学系と、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、前記前置光学系からの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、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小レンズからなり、前記複数の光学素子からの光をそれぞれ前記複数の小レンズで透過させて前記複数の物体像を結像させる小レンズアレイと、前記複数の小レンズの焦平面上に撮像面が配置されて前記複数の物体像をそれぞれ撮像する撮像素子と、前記撮像素子から出力された画像信号に基づいて、前記光学素子の光学特性に応じた前記物体像の情報を求める画像処理部とを備え、前記前置光学系は、合焦した物体からの光を透過させて平行光にすることを特徴とする撮像装置が提供される。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、画像処理の負担を軽減させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】第１実施形態に係る撮像装置の概要構成図である。
【図２】分光フィルタアレイの正面図である。
【図３】第１分光フィルタから第９分光フィルタまでのそれぞれの分光特性図である。
【図４】小レンズアレイの正面図である。
【図５】仕切り部材がない場合の撮像面上における結像光束を示す模式図である。
【図６】仕切り部材の斜視図である。
【図７】仕切り部材がある場合の撮像面上における物体像を示す模式図である。
【図８】小レンズの中心軸と撮像ピクセルとの交点を示す模式図である。
【図９】第２実施形態に係る撮像装置の概要構成図である。
【図１０】撮像面上における視野絞りの効果を示す模式図である。
【図１１】第３実施形態に係る撮像装置の概要構成図である。
【図１２】光学素子アレイの正面図である。
【図１３】第１光学素子の側面図である。
【図１４】（ａ）は第４光学素子の側面図であり、（ｂ）は偏光フィルタの正面図であり、（ｃ）は１／４波長板の正面図である。
【図１５】第４実施形態に係る撮像装置の概要構成図である。
【図１６】小レンズアレイの正面図である。
【図１７】遮光板の正面図である。
【図１８】分光フィルタアレイの正面図である。
【図１９】仕切り部材の正面図である。
【図２０】第４実施形態の小レンズを含む撮像光学系のレンズ構成図である。
【図２１】第４実施形態の撮像光学系の諸収差図である。
【図２２】第４実施形態の撮像光学系におけるＭＴＦと焦点ずれとの関係を示すグラフである。
【図２３】第１の変形例の小レンズを含む撮像光学系のレンズ構成図である。
【図２４】第１の変形例の撮像光学系の諸収差図である。
【図２５】第１の変形例の撮像光学系におけるＭＴＦと焦点ずれとの関係を示すグラフである。
【図２６】第２の変形例の小レンズを含む撮像光学系のレンズ構成図である。
【図２７】第２の変形例の撮像光学系の諸収差図である。
【図２８】第２の変形例の撮像光学系におけるＭＴＦと焦点ずれとの関係を示すグラフである。
【図２９】第３の変形例の小レンズを含む撮像光学系のレンズ構成図である。
【図３０】第３の変形例の撮像光学系の諸収差図である。
【図３１】第３の変形例の撮像光学系におけるＭＴＦと焦点ずれとの関係を示すグラフである。
【図３２】第５実施形態に係る撮像装置の概要構成図である。
【図３３】仕切り部材がある場合の撮像面上における物体像を示す模式図である。
【図３４】参考例の小レンズを含む撮像光学系のレンズ構成図である。
【図３５】参考例の撮像光学系の諸収差図である。
【図３６】参考例の撮像光学系におけるＭＴＦと焦点ずれとの関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
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１が図１に示されている。第１実施形態の撮像装置１は、前置光学系１０と、分光フィルタアレイ２０と、小レンズアレイ３０と、仕切り部材４０と、撮像素子５０と、画像処理部６０とを備えて構成される。前置光学系１０は、鏡筒部２の内部に収容保持される。一方、分光フィルタアレイ２０、小レンズアレイ３０、仕切り部材４０、撮像素子５０、および画像処理部６０は、カメラ本体３の内部に収容保持される。前置光学系１０を保持する鏡筒部２は、カメラ本体３に対して着脱交換可能に取り付けられる。これにより、前置光学系１０は、撮像装置１の視野角や撮影距離に応じて、最適なものが取り付けられる。
【００１４】
前置光学系１０は、光軸Ａｘに沿って物体側から順に並んだ、負の屈折力を有する第１レンズ群１１と、正の屈折力を有する第２レンズ群１２とから構成される。第１レンズ群１１および第２レンズ群１２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、通常は双方とも複数のレンズから構成される。第１レンズ群１１は、光軸Ａｘに沿って移動可能な合焦レンズ群となっている。一方、第２レンズ群１２は固定されている。そして、前置光学系１０は、第１レンズ群１１を光軸Ａｘに沿って移動させることで、有限距離にある有限距離物体ＯＢ１からの光束についても、無限遠にある無限遠物体ＯＢ２からの光束についても、第２レンズ群１２から射出するときには平行光束となるようにする。
【００１５】
前置光学系１０（第２レンズ群１２）の像側に、分光フィルタアレイ２０が配置される。分光フィルタアレイ２０は、図３に示すように、前置光学系１０の光軸Ａｘと垂直な平面に沿って二次元的に配列された第１分光フィルタ２１から第９分光フィルタ２９までの９個の分光フィルタと、これらを保持する保持部材７１とから構成される。なお、各分光フィルタ２１〜２９を保持する保持部材７１は、カメラ本体３の内部に設けられた保持機構４に着脱交換可能に取り付けられる。第１分光フィルタ２１から第９分光フィルタ２９は、いずれも多層膜干渉フィルタである。光軸方向から見た分光フィルタアレイ２０を図２に示す。前置光学系１０から射出した平行光束は、全ての分光フィルタ２１〜２９に対してケラレなく照射される。各分光フィルタ２１〜２９の分光特性は、全て互いに異なっている。各分光フィルタ２１〜２９の透過分光特性を図３に重ねて示す。図３からわかるように、第１分光フィルタ２１から第９分光フィルタ２９は、第１波長λ１から第９波長λ９までの等間隔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。
【００１６】
分光フィルタアレイ２０の像側に、小レンズアレイ３０が配置される。小レンズアレイ３０は、図４に示すように、全て正の屈折力を有する同一仕様の、撮像素子５０よりも小さな第１小レンズ３１から第９小レンズ３９までの９個の小レンズから構成される。第１小レンズ３１から第９小レンズ３９は、第１分光フィルタ２１から第９分光フィルタ２９と同等の大きさを有し、前置光学系１０の光軸Ａｘと垂直な平面に沿って二次元的に配列される。なお、第１小レンズ３１から第９小レンズ３９は、それぞれの無限遠物体に対する焦平面が光軸Ａｘ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。光軸方向から見た小レンズアレイ３０を図４に示す。
【００１７】
第１小レンズ３１は第１分光フィルタ２１に、第２小レンズ３２は第２分光フィルタ２２に、第３小レンズ３３は第３分光フィルタ２３に、第４小レンズ３４は第４分光フィルタ２４に、第５小レンズ３５は第５分光フィルタ２５に、第６小レンズ３６は第６分光フィルタ２６に、第７小レンズ３７は第７分光フィルタ２７に、第８小レンズ３８は第８分光フィルタ２８に、第９小レンズ３９は第９分光フィルタ２９にそれぞれ位置対応している。そして、第１小レンズ３１から第９小レンズ３９は、第１分光フィルタ２１から第９分光フィルタ２９をそれぞれ通過した光束を受け、それぞれ独立に有限距離物体ＯＢ１または無限遠物体ＯＢ２の像を形成する。
【００１８】
小レンズアレイ３０の像側に、撮像素子５０が配置される。また、小レンズアレイ３０と撮像素子５０との間に、仕切り部材４０が配置される。撮像素子５０は、図５に示すように、複数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撮像面５１を有している。撮像面５１は各小レンズ３１〜３９の焦平面上に配置され、撮像面５１に対し第１小レンズ３１から第９小レンズ３９によってそれぞれ第１結像光束Ｌ３１から第９結像光束Ｌ３９が照射される。
【００１９】
仮に、仕切り部材４０が配置されていない場合、図５に示すように、第１結像光束Ｌ３１から第９結像光束Ｌ３９が撮像面５１上で互いに重なり合ってしまう。そこで、図１に示すように、仕切り部材４０が撮像面５１上に密着配置される。仕切り部材４０は、図６に示すように、９個の矩形開口部を有する格子状に形成され、各開口部が第１小レンズ３１から第９小レンズ３９のそれぞれに一対一で位置対応している。仕切り部材４０を撮像面５１上に密着配置することによって、図５に示すような第１結像光束Ｌ３１から第９結像光束Ｌ３９の重なり合いが解消され、図７に示すように、第１小レンズ３１から第９小レンズ３９による９個の物体像Ｉｍ１〜Ｉｍ９が撮像面５１上で区分けされて形成される。なお、仕切り部材４０の表面には、光の反射を防止する処理（例えば、黒色にする処理）が行われる。
【００２０】
撮像素子５０は、撮像面５１上に形成された９個の物体像Ｉｍ１〜Ｉｍ９を撮像し、画像信号を画像処理部６０へ出力する。画像処理部６０は、撮像素子５０から出力された、各分光フィルタ２１〜２９の分光特性に応じた物体像Ｉｍ１〜Ｉｍ９の画像信号に基づいて、有限距離物体ＯＢ１または無限遠物体ＯＢ２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。
【００２１】
撮像面５１は複数の撮像ピクセルから形成されるが、第１小レンズ３１から第９小レンズ３９の各中心軸Ｂｘ１〜Ｂｘ９（図４を参照）が撮像ピクセルのどの位置に交点を持つかを図８に示す。なお、撮像ピクセルは長方形である。図８では、撮像ピクセル５２に対するｘｙ座標の取り方と、第１小レンズ３１の中心軸Ｂｘ１との交点Ｐ１から第９小レンズ３９の中心軸Ｂｘ９との交点Ｐ９までの９個の交点Ｐ１〜Ｐ９の位置を示している。図８に示す撮像ピクセル５２は、１つの撮像ピクセル上に全ての交点Ｐ１〜Ｐ９を図示するために、９つの撮像ピクセルを重ねて１つで表した架空の撮像ピクセルである。
【００２２】
図８に示すように、９個の交点Ｐ１〜Ｐ９が全て互いに異なるｘｙ座標値の組を有するように、第１小レンズ３１から第９小レンズ３９が配列されている。そのため、第１小レンズ３１から第９小レンズ３９によってそれぞれ形成される９個の物体像Ｉｍ１〜Ｉｍ９は、撮像面５１の撮像ピクセル配列に対して全て異なるずれ方で形成される。本実施形態では、撮像素子５０により、撮像ピクセル５２に対し縦横斜め方向にそれぞれ３ポジションずれた状態で各物体像Ｉｍ１〜Ｉｍ９が撮像される。
【００２３】
第１実施形態の撮像装置１において、不図示のレンズ駆動装置により、第１レンズ群１１を光軸Ａｘに沿って移動させることで、有限距離物体ＯＢ１または無限遠物体ＯＢ２に合焦させる。以下、有限距離物体ＯＢ１に合焦させた場合の作動について説明する。なお、無限遠物体ＯＢ２に合焦させた場合も、有限距離物体ＯＢ１に合焦させた場合と同様の作動であるため、説明を省略する。
【００２４】
合焦した有限距離物体ＯＢ１からの光束は、第１レンズ群１１および第２レンズ群１２を透過し、第２レンズ群１２から射出するときには平行光束となる。前置光学系１０から射出した平行光束は、分光フィルタアレイ２０における第１分光フィルタ２１から第９分光フィルタ２９のいずれかを通過し、小レンズアレイ３０に達する。小レンズアレイ３０の第１小レンズ３１から第９小レンズ３９は、第１分光フィルタ２１から第９分光フィルタ２９をそれぞれ通過した光束を受け、それぞれ独立に有限距離物体ＯＢ１の像を形成する。
【００２５】
合焦した有限距離物体ＯＢ１からの光束は、第１レンズ群１１（合焦レンズ群）による合焦動作によって、分光フィルタアレイ２０に入射するときに平行光束になっているため、各小レンズ３１〜３９により形成される９個の物体像はすべて同一平面（焦平面）上に位置する。また、分光フィルタアレイ２０への光線入射角度が物体距離に応じて変動することがないため、各分光フィルタ２１〜２９の分光特性は物体距離によって変動することがない。なお、画角に応じて分光フィルタアレイ２０への入射光線角度が変化することによる分光透過特性変動は、最初に較正しておく。
【００２６】
また、前置光学系１０の作用によって、小レンズアレイ３０からは有限距離物体ＯＢ１が無限遠に存在するように見えている。したがって、第１小レンズ３１から第９小レンズ３９によってそれぞれ形成される有限距離物体ＯＢ１の９個の像の間には、パララックスが生じない。
【００２７】
撮像面５１上に形成された９個の物体像Ｉｍ１〜Ｉｍ９（図７を参照）は、それぞれ第１分光フィルタ２１から第９分光フィルタ２９のうち対応する分光特性をもって形成される。撮像素子５０は、撮像面５１上に形成された９個の物体像Ｉｍ１〜Ｉｍ９を撮像し、画像信号を画像処理部６０へ出力する。画像処理部６０は、撮像素子５０から出力された、各分光フィルタ２１〜２９の分光特性に応じた物体像Ｉｍ１〜Ｉｍ９の画像信号に基づいて、有限距離物体ＯＢ１のマルチ波長バンド画像を生成する。
【００２８】
なおこのとき、撮像素子５０により、撮像ピクセル５２（図８を参照）に対し縦横斜め方向にそれぞれ３ポジションずれた状態で各物体像Ｉｍ１〜Ｉｍ９が撮像される。画像処理部６０は、撮像ピクセル５２に対し縦横斜め方向にそれぞれ３ポジションずれた状態で取得された各物体像Ｉｍ１〜Ｉｍ９の画像信号から、所定の画像処理を行うことにより、撮像サイズで決まるナイキスト周波数よりも高い空間周波数の解像情報を得ることができる。
【００２９】
第１実施形態によれば、前置光学系１０からの平行光束中に小レンズアレイ３０が配置されるため、各小レンズ３１〜３９ごとに形成される物体像間にパララックスが生じない。これにより、物体像についての画像処理が容易になり、画像処理の負担を軽減させることができる。また、撮像された複数の物体像の間で視野範囲のずれが生じないため、死角が発生せず、画像情報を無駄なく利用することができる。
【００３０】
また、前置光学系１０は、第１レンズ群１１と第２レンズ群１２とからなり、第１レンズ群１１が合焦レンズ群となっている。これにより、光学系の途中にプリズム屈折による偏向作用がないため、プリズム屈折作用による非点収差、コマ収差、色収差などの諸収差や、像の歪みが発生するのを抑えることができる。また、焦点調整機構（合焦機構）を一箇所だけ設ければよいので、一般的なカメラと同様の高速な焦点合わせが可能となる。
【００３１】
また、小レンズアレイ３０と撮像素子５０との間に、仕切り部材４０が配置されている。これにより、各小レンズ３１〜３９からの結像光束Ｌ３１〜Ｌ３９が撮像面５１上で互いに重なり合うことがないため、撮像素子５０における物体像間のクロストークを防止することができる。
【００３２】
また、光学素子アレイとして分光フィルタアレイ２０が保持機構４によって着脱可能に保持される。これにより、画像処理に負担を掛けることなく、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できる。また例えば、バンドパスフィルタ（各分光フィルタ２１〜２９）の透過波長等、光学特性について異なる仕様のものを交換使用することができる。
【００３３】
また、前置光学系１０が鏡筒部２によって着脱可能に保持される。これにより、異なる倍率の前置光学系を用意して交換使用すれば、撮像視野を変えることができる。
【００３４】
また、各小レンズ３１〜３９の中心軸Ｂｘ１〜Ｂｘ９と該中心軸Ｂｘ１〜Ｂｘ９が交わる撮像ピクセル（撮像素子５０の画素）との相対位置関係が小レンズ同士で異なるようになっている。これにより、複数の小レンズ３１〜３９によって形成された複数の物体像を撮像する撮像ピクセル配列（画素配列）が、物体像ごとにずれるため、得られた複数の物体像の画像信号を画像処理することにより、ナイキスト周波数以上の解像を有する超解像画像を得ることができる。
【００３５】
なお、第１実施形態において、第１レンズ群１１が合焦レンズ群となっているが、これに限られるものではない。例えば、第２レンズ群１２が合焦レンズ群であってもよく、第１レンズ群１１と第２レンズ群１２の両方が合焦レンズ群であってもよい。また、前置光学系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。
【００３６】
また、第１実施形態において、前置光学系１０は、光軸Ａｘに沿って物体側から順に並んだ、負の屈折力を有する第１レンズ群１１と、正の屈折力を有する第２レンズ群１２とから構成されているが、これに限られるものではない。例えば、負の屈折力を有する第１レンズ群１１と正の屈折力を有する第２レンズ群１２の配置は逆であってもよい。また、前置光学系は、光軸に沿って物体側から順に並んだ、正の屈折力を有する第１レンズ群と、負の屈折力を有する第２レンズ群と、正の屈折力を有する第３レンズ群とからなり、第２レンズ群が合焦レンズ群となるように構成されてもよい。また、前置光学系は、光軸に沿って物体側から順に並んだ、正の屈折力を有する第１レンズ群と、負の屈折力を有する第２レンズ群と、負の屈折力を有する第３レンズ群と、正の屈折力を有する第４レンズ群とからなり、第２レンズ群と第４レンズ群とが合焦レンズ群となるように構成されてもよい。
【００３７】
次に、撮像装置の第２実施形態について、図９を参照しながら説明する。第２実施形態の撮像装置１０１は、前置光学系１１０と、分光フィルタアレイ２０と、小レンズアレイ３０と、撮像素子５０と、画像処理部６０とを備えて構成される。なお、第２実施形態において、分光フィルタアレイ２０、小レンズアレイ３０、撮像素子５０、および画像処理部６０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。
【００３８】
前置光学系１１０は、鏡筒部１０２の内部に収容保持される。一方、分光フィルタアレイ２０、小レンズアレイ３０、撮像素子５０、および画像処理部６０は、カメラ本体１０３の内部に収容保持される。前置光学系１１０を保持する鏡筒部１０２は、カメラ本体１０３に対して着脱交換可能に取り付けられる。これにより、前置光学系１１０は、撮像装置１０１の視野角や撮影距離に応じて、最適なものが取り付けられる。
【００３９】
前置光学系１１０は、光軸Ａｘに沿って物体側から順に並んだ、正の屈折力を有する第１レンズ群１１１と、正の屈折力を有する第２レンズ群１１２とから構成される。第１レンズ群１１１および第２レンズ群１１２は、図９において概略的に単レンズとして描かれているが、通常は双方とも複数のレンズから構成される。第１レンズ群１１１は、光軸Ａｘに沿って移動可能な合焦レンズ群となっており、前置光学系１１０内の所定位置（以下、中間結像位置と称する）に、合焦した有限距離物体ＯＢ１または無限遠物体ＯＢ２の中間像を形成する。一方、第２レンズ群１１２は固定されており、中間像が形成される第１レンズ群１１１からの光束を平行光束にコリメートし、分光フィルタアレイ２０へ入射させる。
【００４０】
なお、第１実施形態と同様に、前置光学系１１０（第２レンズ群１１２）の像側に、分光フィルタアレイ２０が配置され、分光フィルタアレイ２０の像側に、小レンズアレイ３０が配置される。また、小レンズアレイ３０の像側に、撮像素子５０が配置される。
【００４１】
前置光学系１１０における中間結像位置に、視野絞り１１５が配置される。視野絞り１１５は、撮像面５１の形状と相似な長方形の開口を有している。そして、第２レンズ群１１２および小レンズアレイ３０（各小レンズ３１〜３９）によって、図１０に示すように、第１視野絞り像Ｓｍ１から第９視野絞り像Ｓｍ９までの９個の視野絞り像（視野絞り１１５によって視野が制限された物体像）が撮像面５１上に形成される。第２レンズ群１１２および小レンズアレイ３０による開口絞り１１５の投影倍率は、第１視野絞り像Ｓｍ１から第９視野絞り像Ｓｍ９が互いに重なり合わない大きさになるように決められている。これにより、第１小レンズ３１から第９小レンズ３９のそれぞれによって形成される物体像は、第１視野絞り像Ｓｍ１から第９視野絞り像Ｓｍ９によって区分けされるので、第１実施形態のように仕切り部材４０を設けた場合と同様の効果を得ることができる。
【００４２】
第２実施形態の撮像装置１０１において、不図示のレンズ駆動装置により、第１レンズ群１１１を光軸Ａｘに沿って移動させることで、有限距離物体ＯＢ１または無限遠物体ＯＢ２に合焦させる。以下、有限距離物体ＯＢ１に合焦させた場合の作動について説明する。なお、無限遠物体ＯＢ２に合焦させた場合も、有限距離物体ＯＢ１に合焦させた場合と同様の作動であるため、説明を省略する。
【００４３】
合焦した有限距離物体ＯＢ１からの光束は、第１レンズ群１１１および第２レンズ群１１２を透過し、第２レンズ群１１２から射出するときには平行光束となる。前置光学系１０から射出した平行光束は、分光フィルタアレイ２０における第１分光フィルタ２１から第９分光フィルタ２９のいずれかを通過し、小レンズアレイ３０に達する。小レンズアレイ３０の第１小レンズ３１から第９小レンズ３９は、第１分光フィルタ２１から第９分光フィルタ２９をそれぞれ通過した光束を受け、それぞれ独立に有限距離物体ＯＢ１の像を形成する。
【００４４】
合焦した有限距離物体ＯＢ１からの光束は、第１レンズ群１１１（合焦レンズ群）による合焦動作によって、分光フィルタアレイ２０に入射するときに平行光束になっているため、各小レンズ３１〜３９により形成される９個の物体像はすべて同一平面（焦平面）上に位置する。また、前置光学系１１０の作用によって、小レンズアレイ３０からは有限距離物体ＯＢ１が無限遠に存在するように見えている。したがって、第１実施形態と同様に、第１小レンズ３１から第９小レンズ３９によってそれぞれ形成される有限距離物体ＯＢ１の９個の像の間には、パララックスが生じない。
【００４５】
撮像面５１上に形成された９個の物体像（第１視野絞り像Ｓｍ１から第９視野絞り像Ｓｍ９）は、それぞれ第１分光フィルタ２１から第９分光フィルタ２９のうち対応する分光特性をもって形成される。撮像素子５０は、撮像面５１上に形成された９個の物体像（第１視野絞り像Ｓｍ１から第９視野絞り像Ｓｍ９）を撮像し、画像信号を画像処理部６０へ出力する。画像処理部６０は、撮像素子５０から出力された、各分光フィルタ２１〜２９の分光特性に応じた物体像の画像信号に基づいて、有限距離物体ＯＢ１のマルチ波長バンド画像を生成する。
【００４６】
なおこのとき、撮像素子５０により、撮像ピクセル５２（図８を参照）に対し縦横斜め方向にそれぞれ３ポジションずれた状態で各物体像（第１視野絞り像Ｓｍ１から第９視野絞り像Ｓｍ９）が撮像される。画像処理部６０は、撮像ピクセル５２に対し縦横斜め方向にそれぞれ３ポジションずれた状態で取得された各物体像の画像信号から、所定の画像処理を行うことにより、撮像サイズで決まるナイキスト周波数よりも高い空間周波数の解像情報を得ることができる。
【００４７】
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、第２実施形態では、前置光学系１１０における中間結像位置に、視野絞り１１５が配置されている。これにより、各小レンズ３１〜３９からの結像光束が撮像面５１上で互いに重なり合うことがないため、撮像素子５０における物体像間のクロストークを防止することができる。また、前置光学系１１０における視野絞り１１５よりも物体側の第１レンズ群１１１が合焦レンズ群となっている。これにより、焦点調整機構（合焦機構）を一箇所だけ設ければよいので、一般的なカメラと同様の高速な焦点合わせが可能となる。
【００４８】
なお、第２実施形態において、視野絞り１１５に加え、小レンズアレイ３０と撮像素子５０との間に、第１実施形態の仕切り部材４０を配置してもよい。これにより、撮像素子５０における物体像間のクロストークをより確実に防止することができる。また、視野絞り１１５を設けずに、小レンズアレイ３０と撮像素子５０との間に、第１実施形態の仕切り部材４０を配置してもよい。
【００４９】
また、第２実施形態において、第１レンズ群１１１が合焦レンズ群となっているが、これに限られるものではない。例えば、第２レンズ群１１２が合焦レンズ群であってもよく、第１レンズ群１１１と第２レンズ群１１２の両方が合焦レンズ群であってもよい。また、前置光学系１１０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。
【００５０】
次に、撮像装置の第３実施形態について、図１１を参照しながら説明する。第３実施形態の撮像装置２０１は、前置光学系１０と、光学素子アレイ２２０と、小レンズアレイ３０と、仕切り部材４０と、撮像素子５０と、画像処理部２６０とを備えて構成される。第３実施形態の撮像装置２０１は、物体像のストークスパラメータを２つの波長帯域について取得するマルチ画像カメラである。なお、第３実施形態において、前置光学系１０、小レンズアレイ３０、仕切り部材４０、および撮像素子５０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。
【００５１】
前置光学系１０は、第１実施形態と同様の鏡筒部２の内部に収容保持される。一方、光学素子アレイ２２０、小レンズアレイ３０、仕切り部材４０、撮像素子５０、および画像処理部２６０は、カメラ本体２０３の内部に収容保持される。前置光学系１０を保持する鏡筒部２は、カメラ本体２０３に対して着脱交換可能に取り付けられる。これにより、前置光学系１０は、撮像装置２０１の視野角や撮影距離に応じて、最適なものが取り付けられる。
【００５２】
前置光学系１０（第２レンズ群１２）の像側に、光学素子アレイ２２０が配置される。光学素子アレイ２２０は、図１２に示すように、前置光学系１０の光軸Ａｘと垂直な平面に沿って二次元的に配列された第１光学素子２２１から第８光学素子２２８までの８個の光学素子を有し、保持部材２７１に保持されている。なお、各光学素子２２１〜２２８を保持する保持部材２７１は、カメラ本体２０３の内部に設けられた保持機構２０４に着脱交換可能に取り付けられる。光軸方向から見た光学素子アレイ２２０を図１２に示す。前置光学系１０から射出した平行光束は、各光学素子２２１〜２２８に対してケラレなく照射される。
【００５３】
第１光学素子２２１、第２光学素子２２２、第３光学素子２２３、および第４光学素子２２４は、第１波長帯域用の光学素子である。第１光学素子２２１は、偏光方向が図１２にける横方向の直線偏光（以下、第１の直線偏光と称する）のみを通過させる。第２光学素子２２２は、図１２における縦方向の直線偏光（以下、第２の直線偏光と称する）のみを通過させる。なお、第２の直線偏光は、第１の直線偏光に対して偏光方向が直交する。第３光学素子２２３は、図１２における４５度方向の直線偏光（以下、第３の直線偏光と称する）のみを通過させる。なお、第３の直線偏光は、第１の直線偏光および第２の直線偏光に対して偏光方向が４５度傾く。第４光学素子２２４は、第１波長帯域の円偏光のみを通過させる。
【００５４】
第５光学素子２２５、第６光学素子２２６、第７光学素子２２７、および第８光学素子２２８は、第２波長帯域用の光学素子である。第５光学素子２２５は、第２波長帯域の円偏光のみを通過させる。第６光学素子２２６は、図１２における４５度方向の直線偏光（第２波長帯域の第３の直線偏光）のみを通過させる。第７光学素子２２７は、図１２における縦方向の直線偏光（第２波長帯域の第２の直線偏光）のみを通過させる。第８光学素子２２８は、偏光方向が図１２にける横方向の直線偏光（第２波長帯域の第１の直線偏光）のみを通過させる。また、保持部材２７１の中央に形成された中心孔２７２には光学素子が配置されず、変調を受けない物体像の撮像に使用される。
【００５５】
なお、第１光学素子２２１は、図１３に示すように、光の進行方向に沿って、第１の直線偏光のみを通過させるように透過軸の向きが調整された偏光フィルタ２２１ａと、第１波長帯域の第１の直線偏光のみを通過させるバンドパスフィルタ２２１ｂとから構成される。第２光学素子２２２は、光の進行方向に沿って、第２の直線偏光のみを通過させるように透過軸の向きが調整された偏光フィルタと、第１波長帯域の第２の直線偏光のみを通過させるバンドパスフィルタとから構成される。第３光学素子２２３は、光の進行方向に沿って、第３の直線偏光のみを通過させるように透過軸の向きが調整された偏光フィルタと、第１波長帯域の第３の直線偏光のみを通過させるバンドパスフィルタとから構成される。第２光学素子２２２および第３光学素子２２３は、第１光学素子２２１と同様の構成のため、詳細な図示を省略する。
【００５６】
第４光学素子２２４は、図１４（ａ）に示すように、光の進行方向に沿って、偏光フィルタ２２４ａと、１／４波長板２２４ｂと、第１波長帯域の円偏光のみを通過させるバンドパスフィルタ２２４ｃとから構成される。第４光学素子２２４の偏光フィルタ２２４ａは、図１４（ｂ）の４５度方向に透過軸が向くように調整される。第４光学素子２２４の１／４波長板２２４ｂは、図１４（ｃ）の横方向に進相軸、図１４（ｃ）の縦方向に遅相軸が向くように、すなわち、偏光フィルタ２２４ａの透過軸に対して遅相軸が４５度傾くように調整される。
【００５７】
第５光学素子２２５は、光の進行方向に沿って、偏光フィルタと、１／４波長板と、第２波長帯域の円偏光のみを通過させるバンドパスフィルタとから構成される。第５光学素子２２５は、第４光学素子２２４と同様の構成のため、詳細な図示を省略する。なお、第５光学素子２２５の１／４波長板は、偏光フィルタの透過軸に対して遅相軸が４５度傾くように調整される。
【００５８】
第６光学素子２２６は、光の進行方向に沿って、第３の直線偏光のみを通過させるように透過軸の向きが調整された偏光フィルタと、第２波長帯域の第３の直線偏光のみを通過させるバンドパスフィルタとから構成される。第７光学素子２２７は、光の進行方向に沿って、第２の直線偏光のみを通過させるように透過軸の向きが調整された偏光フィルタと、第２波長帯域の第２の直線偏光のみを通過させるバンドパスフィルタとから構成される。第８光学素子２２８は、光の進行方向に沿って、第１の直線偏光のみを通過させるように透過軸の向きが調整された偏光フィルタと、第２波長帯域の第１の直線偏光のみを通過させるバンドパスフィルタとから構成される。第６光学素子２２６、第７光学素子２２７、および第８光学素子２２８は、第１光学素子２２１と同様の構成のため、詳細な図示を省略する。
【００５９】
光学素子アレイ２２０の像側に、小レンズアレイ３０が配置される。第１小レンズ３１は第１光学素子２２１に、第２小レンズ３２は第２光学素子２２２に、第３小レンズ３３は第３光学素子２２３に、第４小レンズ３４は第４光学素子２２４に、第５小レンズ３５は中心孔２７２に、第６小レンズ３６は第５光学素子２２５に、第７小レンズ３７は第６光学素子２２６に、第８小レンズ３８は第７光学素子２２７に、第９小レンズ３９は第８光学素子２２８にそれぞれ位置対応している。そして、第１小レンズ３１から第９小レンズ３９は、第１光学素子２２１から第４光学素子２２４、中心孔２７２、第５光学素子２２５から第８光学素子２２８をそれぞれ通過した光束を受け、それぞれ独立に有限距離物体ＯＢ１または無限遠物体ＯＢ２の像を形成する。
【００６０】
第１実施形態と同様に、小レンズアレイ３０の像側に、撮像素子５０が配置される。また、第１実施形態と同様に、小レンズアレイ３０と撮像素子５０との間に、仕切り部材４０が配置される。
【００６１】
画像処理部２６０は、撮像素子５０から出力された、第１光学素子２２１から第４光学素子２２４の光学特性に応じた物体像Ｉｍ１〜Ｉｍ４の画像信号に基づいて、（変調を受けない）物体像における第１波長帯域でのストークスパラメータの二次元的な分布を求める。また、画像処理部２６０は、撮像素子５０から出力された、第５光学素子２２５から第８光学素子２２８の光学特性に応じた物体像Ｉｍ６〜Ｉｍ９の画像信号に基づいて、（変調を受けない）物体像における第２波長帯域でのストークスパラメータの二次元的な分布を求める。
【００６２】
なお、光の偏光状態として、第１光学素子２２１（第８光学素子２２８）を通過した第１の直線偏光の強度と、第２光学素子２２２（第７光学素子２２７）を通過した第２の直線偏光の強度と、第３光学素子２２３（第６光学素子２２６）を通過した第３の直線偏光の強度と、第４光学素子２２４（第５光学素子２２５）を通過した円偏光の強度を測定することにより、これらに基づいてストークスパラメータを求めることができる。ストークスパラメータの算出方法については、例えば「光学技術ハンドブック」（朝倉書店、１９８８年）等に記載されている。
【００６３】
第１実施形態の撮像装置１において、不図示のレンズ駆動装置により、第１レンズ群１１を光軸Ａｘに沿って移動させることで、有限距離物体ＯＢ１または無限遠物体ＯＢ２に合焦させる。以下、有限距離物体ＯＢ１に合焦させた場合の作動について説明する。なお、無限遠物体ＯＢ２に合焦させた場合も、有限距離物体ＯＢ１に合焦させた場合と同様の作動であるため、説明を省略する。
【００６４】
合焦した有限距離物体ＯＢ１からの光束は、第１レンズ群１１および第２レンズ群１２を透過し、第２レンズ群１２から射出するときには平行光束となる。前置光学系１０から射出した平行光束は、光学素子アレイ２２０における、第１光学素子２２１から第４光学素子２２４、中心孔２７２、第５光学素子２２５から第８光学素子２２８のいずれかを通過し、小レンズアレイ３０に達する。小レンズアレイ３０の第１小レンズ３１から第９小レンズ３９は、第１光学素子２２１から第４光学素子２２４、中心孔２７２、第５光学素子２２５から第８光学素子２２８をそれぞれ通過した光束を受け、それぞれ独立に有限距離物体ＯＢ１の像を形成する。
【００６５】
合焦した有限距離物体ＯＢ１からの光束は、第１レンズ群１１（合焦レンズ群）による合焦動作によって、分光フィルタアレイ２０に入射するときに平行光束になっているため、各小レンズ３１〜３９により形成される９個の物体像はすべて同一平面（焦平面）上に位置する。また、前置光学系１０の作用によって、小レンズアレイ３０からは有限距離物体ＯＢ１が無限遠に存在するように見えている。したがって、第１実施形態と同様に、第１小レンズ３１から第９小レンズ３９によってそれぞれ形成される有限距離物体ＯＢ１の９個の像の間には、パララックスが生じない。
【００６６】
撮像面５１上には、第１波長帯域用の第１光学素子２２１から第４光学素子２２４の光学特性に応じた、第１の直線偏光に基づく物体像Ｉｍ１と、第２の直線偏光に基づく物体像Ｉｍ２と、第３の直線偏光に基づく物体像Ｉｍ３と、円偏光に基づく物体像Ｉｍ４とが形成される（図７を参照）。また、撮像面５１上には、中心孔２７２を通過した光に基づく物体像Ｉｍ５が形成される（図７を参照）。また、撮像面５１上には、第２波長帯域用の第５光学素子２２５から第８光学素子２２８の光学特性に応じた、円偏光に基づく物体像Ｉｍ６と、第３の直線偏光に基づく物体像Ｉｍ７と、第２の直線偏光に基づく物体像Ｉｍ８と、第１の直線偏光に基づく物体像Ｉｍ９とが形成される（図７を参照）。
【００６７】
撮像素子５０は、撮像面５１上に形成された９個の物体像Ｉｍ１〜Ｉｍ９を撮像し、画像信号を画像処理部２６０へ出力する。画像処理部２６０は、撮像素子５０から出力された、第１光学素子２２１から第４光学素子２２４の光学特性に応じた物体像Ｉｍ１〜Ｉｍ４の画像信号に基づいて、（変調を受けない）物体像における第１波長帯域でのストークスパラメータの二次元的な分布を求める。また、画像処理部２６０は、撮像素子５０から出力された、第５光学素子２２５から第８光学素子２２８の光学特性に応じた物体像Ｉｍ６〜Ｉｍ９の画像信号に基づいて、（変調を受けない）物体像における第２波長帯域でのストークスパラメータの二次元的な分布を求める。
【００６８】
なおこのとき、撮像素子５０により、撮像ピクセル５２（図８を参照）に対し縦横斜め方向にそれぞれ３ポジションずれた状態で各物体像Ｉｍ１〜Ｉｍ９が撮像される。画像処理部２６０は、撮像ピクセル５２に対し縦横斜め方向にそれぞれ３ポジションずれた状態で取得された各物体像Ｉｍ１〜Ｉｍ９の画像信号から、所定の画像処理を行うことにより、撮像サイズで決まるナイキスト周波数よりも高い空間周波数の解像情報を得ることができる。
【００６９】
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。なお、第３実施形態では、第１の直線偏光が得られる第１光学素子２２１（第８光学素子２２８）と、第２の直線偏光が得られる第２光学素子２２２（第７光学素子２２７）と、第３の直線偏光が得られる第３光学素子２２３（第６光学素子２２６）と、円偏光が得られる第４光学素子２２４（第５光学素子２２５）とを有した光学素子アレイ２２０が、保持部材２７１によって着脱可能に保持される。これにより、画像処理に負担を掛けることなく、単一波長帯域もしくは複数波長帯域での物体像におけるストークスパラメータの二次元分布を一回の撮像で取得することができる。また例えば、バンドパスフィルタの透過波長等、光学特性について異なる仕様のものを交換使用することができる。
【００７０】
なお、第３実施形態において、第１実施形態と同様の前置光学系１０の代わりに、第２実施形態と同様の前置光学系１１０を備えてもよい。なおこの場合、小レンズアレイ３０と撮像素子５０との間に、仕切り部材４０を配置してもよく、仕切り部材４０を配置しなくてもよい。また、小レンズアレイ３０と撮像素子５０との間に、仕切り部材４０を配置する場合、前置光学系１１０に視野絞り１１５を設けなくてもよい。
【００７１】
また、第３実施形態において、画像処理部２６０が第３実施形態の機能と第１実施形態の機能とを切り替えて使用することができれば、第３実施形態の光学素子アレイ２２０と第１実施形態の分光フィルタアレイ２０とを着脱交換して使用することも可能である。
【００７２】
次に、撮像装置の第４実施形態について、図１５を参照しながら説明する。第４実施形態の撮像装置３０１は、第１実施形態と同様に、前置光学系１０と、分光フィルタアレイ３２０と、小レンズアレイ３３０と、仕切り部材３４５と、撮像素子３５０と、画像処理部６０とを備えて構成される。なお、前置光学系１０および画像処理部６０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、詳細な説明および図示を省略する。また、前置光学系１０は、第１実施形態と同様に鏡筒部（図示せず）の内部に収容保持される。一方、分光フィルタアレイ３２０、小レンズアレイ３３０、仕切り部材３４５、撮像素子３５０、および画像処理部６０は、第１実施形態と同様にカメラ本体（図示せず）の内部に収容保持される。
【００７３】
第１実施形態と同様、前置光学系１０の像側に、分光フィルタアレイ３２０が配置される。分光フィルタアレイ３２０は、図１８に示すように、前置光学系１０の光軸と垂直な平面に沿って二次元的に配列された第１分光フィルタ３２１から第９分光フィルタ３２９までの９個の分光フィルタと、これらを保持する保持部材３７１とから構成される。保持部材３７１には、９個の分光フィルタ３２１〜３２９をそれぞれ保持する９個の枠部３７１ａ〜３７１ｉが形成され、それぞれが開口絞りとしても機能している。なお、保持部材３７１は、第１実施形態と同様に、カメラ本体（図示せず）の内部に設けられた保持機構（図示せず）に着脱交換可能に取り付けられる。第１分光フィルタ３２１から第９分光フィルタ３２９は、第１実施形態の第１分光フィルタ２１から第９分光フィルタ２９と同様の構成であり、詳細な説明を省略する。
【００７４】
分光フィルタアレイ３２０の像側に、小レンズアレイ３３０が配置される。小レンズアレイ３３０は、図１５および図１６に示すように、透明な平行平面板３４１と、第１小レンズ３３１から第９小レンズ３３９までの９個の小レンズとを有して構成される。平行平面板３４１は、前置光学系１０の光軸と垂直な平面に沿って延びる板状に形成される。平行平面板３４１における像側の面に、全て正の屈折力を有する同一仕様の、撮像素子３５０よりも小さな９個の小レンズ３３１〜３３９が接合される。
【００７５】
第１小レンズ３３１から第９小レンズ３３９は、第１分光フィルタ３２１から第９分光フィルタ３２９と同等の大きさを有し、第１実施形態と同様に、前置光学系１０の光軸と垂直な平面に沿って二次元的に配列される。すなわち、９個の小レンズ３３１〜３３９は、縦３行横３列に配置されている。
【００７６】
第１小レンズ３３１は第１分光フィルタ３２１に、第２小レンズ３３２は第２分光フィルタ３２２に、第３小レンズ３３３は第３分光フィルタ３２３に、第４小レンズ３３４は第４分光フィルタ３２４に、第５小レンズ３３５は第５分光フィルタ３２５に、第６小レンズ３３６は第６分光フィルタ３２６に、第７小レンズ３３７は第７分光フィルタ３２７に、第８小レンズ３３８は第８分光フィルタ３２８に、第９小レンズ３３９は第９分光フィルタ３２９にそれぞれ位置対応している。そして、第１小レンズ３３１から第９小レンズ３３９は、第１分光フィルタ３２１から第９分光フィルタ３２９（および平行平面板３４１）をそれぞれ通過した光束を受け、それぞれ独立に有限距離物体または無限遠物体（図示せず）の像を形成する。
【００７７】
平行平面板３４１における物体側の面に、遮光板３４２が密着配置される。遮光板３４２は、図１７に示すように、９個の小レンズ３３１〜３３９の受光範囲だけ光を通過させる９個の開口部３４２ａ〜３４２ｉを有した板状に形成され、９個の小レンズ３３１〜３３９の受光範囲以外の部分を遮光するように構成される。
【００７８】
小レンズアレイ３３０の像側に、撮像素子３５０が配置される。また、小レンズアレイ３３０と撮像素子３５０との間に、仕切り部材３４５が配置される。図１５に示すように、撮像素子３５０は、第１実施形態と同様の撮像面３５１を有しており、第１小レンズ３３１から第９小レンズ３３９によって撮像面３５１上に９個の物体像（有限距離物体または無限遠物体（図示せず）の像）が形成される。そして、撮像素子３５０は、撮像面３５１上に形成された９個の物体像を撮像し、画像信号を画像処理部６０へ出力する。なお、撮像素子３５０の撮像面３５１の近傍に、カバーガラス３５２が配設される。また、撮像面３５１は複数の撮像ピクセルから形成されるが、第１小レンズ３３１から第９小レンズ３３９の各中心軸と撮像ピクセルとの位置関係は、第１実施形態の場合と同様に設定される。
【００７９】
仕切り部材３４５は、図１９.に示すように、９個の矩形開口部を有する格子状に形成され、各開口部が第１小レンズ３３１から第９小レンズ３３９のそれぞれに一対一で位置対応している。これにより、第１小レンズ３３１から第９小レンズ３３９を透過した９つの結像光束の重なり合いが解消され、第１小レンズ３３１から第９小レンズ３３９による９個の物体像が撮像面３５１上で区分けされて形成される。なお、仕切り部材３４５の表面には、光の反射を防止する処理（例えば、黒色にする処理）が行われる。また、仕切り部材３４５を構成する板材は、撮像面３５１における９個の物体像の境界線上に配置される。
【００８０】
第４実施形態の撮像装置３０１では、第１実施形態と同様にして、有限距離物体または無限遠物体（図示せず）に合焦させることが可能である。合焦した有限距離物体または無限遠物体（図示せず）からの光束は、第１実施形態と同様に前置光学系１０を通過して平行光束となる。前置光学系１０から射出した平行光束は、分光フィルタアレイ３２０における第１分光フィルタ３２１から第９分光フィルタ３２９のいずれかを通過し、小レンズアレイ３３０に達する。小レンズアレイ３３０の第１小レンズ３３１から第９小レンズ３３９は、第１分光フィルタ３２１から第９分光フィルタ３２９（および平行平面板３４１）をそれぞれ通過した光束を受け、それぞれ独立に有限距離物体または無限遠物体（図示せず）の像（物体像）を形成する。
【００８１】
撮像面３５１上に形成された９個の物体像は、それぞれ第１分光フィルタ３２１から第９分光フィルタ３２９のうち対応する分光特性をもって形成される。撮像素子３５０は、撮像面３５１上に形成された９個の物体像を撮像し、画像信号を画像処理部６０へ出力する。画像処理部６０は、第１実施形態と同様に、撮像素子３５０から出力された、各分光フィルタ３２１〜３２９の分光特性に応じた物体像の画像信号に基づいて、有限距離物体または無限遠物体（図示せず）のマルチ波長バンド画像を生成する。
【００８２】
次に、小レンズアレイ３３０の９個の小レンズ３３１〜３３９についてさらに詳しく説明する。なお、９個の小レンズ３３１〜３３９は同一仕様であるため、第１小レンズ３３１の詳細な説明のみを行い、第２小レンズ３３２から第９小レンズ３３９の詳細な説明を省略する。第１小レンズ３３１は、図２０に示すように、物体側から順に、平凸形状の正レンズ３３１ａと、物体側に凹面を向けたメニスカス形状の負レンズ３３１ｂとが接合された、全体として正の屈折力を有する接合レンズから構成される。そして、平面状に形成された正レンズ３３１ａにおける物体側の面に、前述の平行平面板３４１が接合される。すなわち、第１小レンズ３３１から第９小レンズ３３９の各接合レンズにおける物体側の面に、前述の平行平面板３４１が接合される。接合レンズにおいて、負レンズ３３１ｂは正レンズ３３１ａよりも屈折率が高くてアッベ数が小さいレンズ材料を用いて形成される。
【００８３】
なお、図２０は第４実施形態の第１小レンズ３３１を含む光学系（以下、便宜的に撮像光学系３４０Ａと称する）の光路図であり、この撮像光学系３４０Ａは３８０ｎｍ〜１０００ｎｍの波長範囲での使用を想定している（第２小レンズ３３２から第９小レンズ３３９についても同様である）。また、この撮像光学系３４０Ａにおいて、前述したように、第１小レンズ３３１（および平行平面板３４１）の物体側に、分光フィルタアレイ３２０の第１分光フィルタ３２１が配置され、第１小レンズ３３１の像側に、（仕切り部材３４５を介して）撮像素子３５０の撮像面３５１およびカバーガラス３５２が配置される。また、第１分光フィルタ３２１（分光フィルタアレイ３２０の枠部３７１ａ）における物体側の面上に、開口絞りが配置される。
【００８４】
以下の表１に、第４実施形態の撮像光学系３４０Ａのレンズデータを示す。表１のレンズデータにおいて、面番号は物体側から数えた各レンズ面の番号を、Ｒは各レンズ面の曲率半径を、Ｄは各レンズ面の間隔を、Ｅは各レンズ面の有効径を、ｎｄはｄ線（波長λ＝５８７．６ｎｍ）に対する屈折率を、νｄはｄ線（波長λ＝５８７．６ｎｍ）に対するアッベ数をそれぞれ示す。なお、曲率半径Ｒ＝∞は平面を示し、空気の屈折率ｎｄ＝1.0000はその記載を省略している。また、曲率半径Ｒ、面間隔Ｄ、有効径Ｅの単位は、「mm」とする。また、表１における第１面〜第１０面の曲率半径Ｒは、図２０における第１面〜第１０面に付した符号Ｒ１〜Ｒ１０に対応している。
【００８５】
（表１）
面番号    Ｒ      Ｄ      Ｅ    ｎｄ      νｄ
1       ∞     1.00    4.0    1.5168    63.9（分光フィルタ）
2       ∞    14.00    4.0
3       ∞     1.00    4.0    1.5168    63.9
4       ∞     0.01    4.0    1.6              （接着剤層）
5       ∞     1.30    4.0    1.5168    63.9
6  -11.0130    0.01    4.0    1.6              （接着剤層）
7  -11.0130    1.00    4.0    1.834     37.2
8  -17.3464   49.61    4.0
9       ∞     0.70           1.5168    63.9（カバーガラス）
10      ∞     0.70
【００８６】
また、以下の表２に、表１に示すレンズデータにおいて像距離のばらつきの要因となるパラメータに微小変化を与えたときの像距離変動量を示す。表２の変動量データにおいて、面番号は物体側から数えた各レンズ面の番号を、ΔＲは曲率半径Ｒの変化量を、ΔＤは面間隔Ｄの変化量を、Δｎｄは屈折率ｎｄの変化量を、ΔＩは像距離変動量をそれぞれ示す。なお、像距離および像距離のばらつきの要因については後述する。また、曲率半径Ｒの変化量ΔＲ、面間隔Ｄの変化量ΔＤ、像距離変動量ΔＩの単位は、「mm」とする。
【００８７】
（表２）
［曲率半径の微小変化に対する像距離変動量］
面番号        ΔＲ            ΔＩ
3        +7325.0          -0.175
4        +7325.0          -0.018
5        -7325.0          -0.018
6        +0.016171        +0.028
7        +0.016171        +0.078
8        -0.040765        +0.291
［面間隔の微小変化に対する像距離変動量］
面番号        ΔＤ            ΔＩ
6          +0.01          +0.001
7          +0.01          -0.011
［屈折率の微小変化に対する像距離変動量］
面番号        Δｎｄ          ΔＩ
5          +0.001          -0.225
6          +0.001          -0.000
7          +0.001          +0.079
【００８８】
図２１に、第４実施形態の撮像光学系３４０Ａの諸収差図を示す。図２１の球面収差図では、波長が左から順に、５００ｎｍ、７００ｎｍ、３８０ｎｍ、１０００ｎｍの場合における縦収差曲線を示す。図２１の非点収差図および歪曲収差図では、波長が７００ｎｍの場合における縦収差曲線を示す。
【００８９】
図２２に、第４実施形態の撮像光学系３４０Ａについて、像面上空間周波数が４０本／ｍｍのＭＴＦ（Modulation  Transfer  Function）と焦点ずれとの関係を示す。図２２のグラフの横軸は光軸方向の焦点ずれを示し、横軸のプラス（＋）方向が第１小レンズ３３１から離れる方向となる。図２２のグラフの縦軸は、白色ＭＴＦのコントラストを示す。なお、図２２のグラフでは、波長が、３８０ｎｍ、５００ｎｍ、７００ｎｍ、１０００ｎｍの場合におけるＭＴＦ曲線を示す。
【００９０】
図２１に示すように、第４実施形態の撮像光学系３４０Ａでは、２枚の接合レンズ（ダブレット）からなる第１小レンズ３３１でありながら、非点収差と像面湾曲収差が抑えられている（第２小レンズ３３２から第９小レンズ３３９についても同様である）。これは、開口絞りとして機能する分光フィルタアレイ３２０の枠部３７１ａ（第１分光フィルタ３２１）の光軸上位置の設定が大きく寄与している。なお、占有空間を節約しようとして開口絞り（第１分光フィルタ３２１）を平行平面板３４１に近づけすぎると、特に非点収差が悪化し、撮像範囲の四隅の領域におけるサジタル方向のＭＴＦが急激に悪化してしまう。
【００９１】
ところで、従来の撮像装置として、例えば特開２００４−３４４５８３号公報（以下、従来文献と称する）で開示されるように、多眼光学系を構成する複数の撮像光学系にそれぞれ異なる波長帯域の光を受光させ、１ショットで複数の異なる波長帯域の物体像を取得するマルチバンドカメラが知られている。従来文献に記載の技術では、撮像光学系を簡単化するため、撮像光学系として色収差を補正していないレンズ系を用いる場合に、個々の撮像光学系ごとに最適な焦点設定を行う構成となっている。
【００９２】
しかしながら、このような技術においては、個々の撮像光学系について独立的な焦点調整機構を持たない限り、一群の撮像光学系に組み合わせるバンドパスフィルタセットが固定化されてしまう。そのため、バンドパスフィルタセットを交換することによって分光特性を変えることが難しく柔軟性に欠ける。また、撮像光学系が密に配列されていて十分な空間を確保できない等の場合には、個々の撮像光学系について独立的な焦点調整機構を備えるのは非常に困難となる。仮に、個々の撮像光学系について独立的な焦点調整機構を備えたとしても、バンドパスフィルタセットを交換する際に個々の撮像光学系について焦点調整をやり直すのは極めて煩雑である。さらに、バンドパスフィルタセットに代えて、広い波長帯域を通過させるような分光特性を持った光学フィルタセットを使うことができないという制約もある。
【００９３】
一方、色収差を補正した撮像光学系を用いれば、所定の波長帯域ならばどの波長でも同一平面上（撮像面上）に焦点（合焦位置）を合わせることができる。そのため、マルチバンドカメラとして多眼光学系を用いた場合、個々の撮像光学系の再焦点調整なしで光学フィルタを交換することが可能となり、さまざまな分光特性における撮像が容易となる。また、限定された空間内で複数列に配列することを前提にすると、大きさの点で撮像光学系を屈折光学系で構成することが現実的である。屈折光学系の色収差を補正するためには、異なる種類のレンズ材料を最低２種類組み合わせて撮像レンズを構成しなければならない。ところが、色収差を補正した屈折光学系を備える複数の撮像光学系を、独立的な焦点調整機構を設けずに、焦点面をそろえて配列しようとする場合、個々の撮像光学系の最終レンズ面から像面までの距離の公差、すなわち像距離の公差管理が重要となる。像距離のばらつきの要因には以下のものがある。
【００９４】
（１）レンズの曲率半径のばらつき
（２）レンズの中心厚さのばらつき
（３）撮像光学系が複数群から構成される場合のレンズ間隔のばらつき
（４）レンズ材料の屈折率のばらつき
【００９５】
像距離の公差管理の他には、限定された空間内での複数の撮像光学系の保持方法が問題となる。通常の鏡筒を使ったレンズ保持方法では、限定された空間内で鏡筒の肉厚分のスペースを振り分けなければならず、その分レンズ径を制約しなければならない。その結果、受光量も制約を受けてしまう。
【００９６】
仮に、常識的な光学設計を行うならば、複数のレンズ群からなる光学系が考えられる。例えば、参考例として図３４に示すような、２群３枚構成の屈折光学系８１１が考えられる。この屈折光学系８１１は、正レンズと負レンズとが接合された接合レンズからなる第１レンズ群８１１ａと、正レンズからなる第２レンズ群８１１ｂとから構成される。なお、図３４は２群３枚構成の屈折光学系８１１を含む撮像光学系８１０の光路図である。この撮像光学系８１０において、屈折光学系８１１の物体側に、第４実施形態と同様の分光フィルタ８４１が配置され、屈折光学系８１１の像側に、第４実施形態と同様の撮像素子（図示せず）の撮像面８５１およびカバーガラス８５２が配置される。また、分光フィルタ８４１（分光フィルタアレイの枠部）における物体側の面上に、開口絞りが配置される。
【００９７】
以下の表３に、参考例の撮像光学系８１０のレンズデータを示す。表３のレンズデータにおいて、面番号、曲率半径Ｒ、面間隔Ｄ、有効径Ｅ、屈折率ｎｄ、アッベ数νｄ等は、表１のレンズデータと同様である。また、表３における第１面〜第１０面の曲率半径Ｒは、図２８における第１面〜第１０面に付した符号Ｒ１１〜Ｒ２０に対応している。
【００９８】
（表３）
面番号    Ｒ      Ｄ      Ｅ    ｎｄ      νｄ
1       ∞     1.00    4.0    1.5168    63.9（分光フィルタ）
2       ∞     0.30    4.0
3    8.2919    1.70    4.0    1.58913   61.2
4  -23.3125    0.01    4.0    1.6              （接着剤層）
5  -23.3125    1.30    4.0    1.7432    49.3
6    8.7081    1.80    4.0
7    35.2239   1.70    4.0    1.58913   61.2
8  -35.2239   43.22    4.0
9       ∞     0.70           1.5168    63.9（カバーガラス）
10      ∞     0.70
【００９９】
また、以下の表４に、表３に示すレンズデータにおいて像距離のばらつきの要因となるパラメータに微小変化を与えたときの像距離変動量を示す。表４の変動量データにおいて、曲率半径Ｒの変化量ΔＲ、面間隔Ｄの変化量ΔＤ、像距離変動量ΔＩは、表２の変動量データと同様である。
【０１００】
（表４）
［曲率半径の微小変化に対する像距離変動量］
面番号        ΔＲ            ΔＩ
3        +0.008985        +0.193
4        +0.074020        +0.003
5        +0.074020        +0.042
6        -0.009953        +0.187
7        +0.169789        +0.160
8        -0.169789        +0.158
［面間隔の微小変化に対する像距離変動量］
面番号        ΔＤ            ΔＩ
3          +0.01          -0.079
4          +0.01          -0.078
5          +0.01          -0.060
6          +0.01          -0.002
7          +0.01          -0.000
［屈折率の微小変化に対する像距離変動量］
面番号        Δｎｄ          ΔＩ
3          +0.001          -0.381
4          +0.001          +0.000
5          +0.001          +0.317
7          +0.001          -0.112
【０１０１】
図３５に、参考例の撮像光学系８１０の諸収差図を示す。図３５の諸収差図で用いられる波長は、図２１と同様である。図３６に、参考例の撮像光学系８１０について、像面上空間周波数が４０本／ｍｍのＭＴＦと焦点ずれとの関係を示す。図３６のグラフの横軸および縦軸等は、図２２と同様である。
【０１０２】
図３５および図３６からわかるように、２群３枚構成の屈折光学系８１１の光学性能は十分であるが、上述した像距離のばらつきの要因を多数含んでいる。表４を見ると、例えば、空気に面しているいずれかの光学面の曲率半径Ｒがニュートン縞１本分ずれただけでも、０．２ｍｍ弱もの像距離の変動を引き起こすことがわかる。また、面間隔Ｄの誤差についても、少なからず像距離の変動に影響を与えることがわかる。表４の像距離変動量ΔＩと図３６のＭＴＦとを参照すると、像距離のばらつきの要因となるレンズの寸法公差（曲率半径や中心厚さの寸法公差）を厳しくしても、像距離のばらつきを光学性能として十分なＭＴＦを確保できる範囲に収めることは難しい。
【０１０３】
また、２群構成の屈折光学系８１１の場合、第１レンズ群８１１ａと第２レンズ群８１１ｂとの間の偏芯を抑えながら保持するためには、鏡筒内に各レンズ群を収めることになる。ところが、小レンズアレイにおけるレンズ配列（複数の屈折光学系８１１）の間隔を鏡筒の肉厚分だけ余計に取らなければならず、なるべく密なレンズ配列とし、その分だけレンズ開口を大きくしてより多くの光量を取り込むことが難しくなる。
【０１０４】
表１のレンズデータを用いて、像距離の変動について考察する。上述した第４実施形態の撮像光学系３４０Ａにおける像距離のばらつきの要因について、数値計算によりそれらの影響を明らかにする。なお、像距離のばらつきの要因のうち、撮像光学系が複数群から構成される場合のレンズ間隔のばらつきについては、本実施形態では１群構成のため考慮する必要がない。
【０１０５】
前掲の表２は、波長が５８７．５６２ｎｍの場合において、各ばらつきの要因が像距離の変動に与える影響をまとめたものである。表２において、レンズの曲率半径のばらつき（曲率半径の微小変化に対する像距離変動量）については、ニュートン縞１本分（波長：５８７．５６２ｎｍ）相当の変動が発生した場合を示している。像距離に大きな影響を与えるのが、平行平面板３４１における物体側の面（第３面）と、負レンズ３３１ｂにおける像側の面（第８面）であることがわかる。しかしながら、平行平面板３４１における物体側の面は、全面的に像距離のばらつきに影響を与えない程度の高精度な平面に仕上げることは容易であり、製造上の問題にならない。また、負レンズ３３１ｂにおける像側の面は、有効径が小さい分、正確な曲率半径に仕上げることが困難ではあるが、多数製作して像距離がそろうものを９個選別する等して対応すればよい。
【０１０６】
次に、レンズの中心厚さのばらつき（面間隔の微小変化に対する像距離変動量）について見てみる。平行平面板３４１の厚さは、像距離のばらつきには関係ない。正レンズ３３１ａの中心厚さの誤差は、個々のレンズだけで見るときには像距離の変動を招かないが、アレイ化したときは正レンズ３３１ａの中心厚さの誤差（ばらつき）が直接像距離のばらつき量となる。しかしながら、正レンズ３３１ａの中心厚さについては、図２２に示したＭＴＦと焦点ずれとの関係を参照しながら適切な厚さ公差で管理することと、多数製作して中心厚さのそろったものを９個の組にすることにより、像距離の変動に与える影響を低減させることができる。負レンズ３３１ｂの中心厚さの誤差は、正レンズ３３１ａの中心厚さとは異なり、像距離の変動が中心厚さの増減を打ち消す方向に発生していることが表２から見て取れる。こちらも、図２２に示したＭＴＦと焦点ずれとの関係を参照しながら適切な厚さ公差で管理することにより、像距離の変動に与える影響を低減させることができる。
【０１０７】
最後に、レンズ材料の屈折率のばらつき（屈折率の微小変化に対する像距離変動量）について見てみる。正レンズ３３１ａと負レンズ３３１ｂの両方とも、屈折率の誤差は像距離に少なからず影響を与えることがわかる。しかしながら、例えばアレイ化する９組のレンズエレメント（９個の小レンズ３３１〜３３９における正レンズ３３１ａおよび負レンズ３３１ｂ）すべてに同一溶解ロットのガラスを適用する等して、屈折率のばらつきを抑えることが可能である。
【０１０８】
第４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。さらに、第４実施形態においては、９個の小レンズ３３１〜３３９が、正レンズ３３１ａと負レンズ３３１ｂとが接合された、全体として正の屈折力を有する接合レンズからなり、当該接合レンズにおける物体側の面に平行平面板３４１が接合されている。このようにすれば、上述したように、製造上の誤差に基づく像距離の変動が少ないので、多眼光学系でありながら９個の撮像光学系（小レンズ３３１〜３３９）の焦点（合焦位置）を容易に高い精度で合わせることができる。また、９個の小レンズ３３１〜３３９の保持に鏡筒を必要としないので、９個の小レンズ３３１〜３３９同士の間隔を詰めて開口径を大きくし、より多くの撮像光量を確保することができる。
【０１０９】
また、９個の分光フィルタ３２１〜３２９が配置される面上に９個の開口絞りが設けられているが、９個の小レンズ３３１〜３３９と開口絞りとの間の距離を適切に設定することにより、非点収差等の諸収差を良好に補正することができる。
【０１１０】
また、各小レンズ３３１〜３３９を構成する接合レンズは、所定の波長範囲（例えば、３８０ｎｍ〜１０００ｎｍの波長範囲）において色収差が補正されている。そのため、所定の波長範囲内において任意の分光特性を持った分光フィルタを交換することが可能である。また、９個の小レンズ３３１〜３３９を構成する接合レンズは、色収差以外の諸収差も実用上十分に補正されているので、高い解像性能を得ることができる。
【０１１１】
なお、第４実施形態において、第１小レンズ３３１は、物体側から順に、正レンズ３３１ａと負レンズ３３１ｂとが接合された、全体として正の屈折力を有する接合レンズから構成されているが、これに限られるものではない（第２小レンズ３３２から第９小レンズ３３９についても同様である）。例えば、第１の変形例として、図２３に示すような小レンズ３８１を含む撮像光学系３８０が考えられる。この小レンズ３８１は、物体側から順に、平凹形状の負レンズ３８１ａと、両凸形状の正レンズ３８１ｂとが接合された、全体として正の屈折力を有する接合レンズから構成される。そして、平面状に形成された負レンズ３８１ａにおける物体側の面に、平行平面板３４１が接合される。すなわち、接合レンズを構成する正レンズと負レンズの順序が逆になってもよい。なお、第１の変形例の撮像光学系３８０において、小レンズ３８１（および平行平面板３４１）の物体側に、分光フィルタアレイ３２０の第１分光フィルタ３２１が配置され、小レンズ３８１の像側に、撮像素子３５０の撮像面３５１およびカバーガラス３５２（図２３では図示を省略）が配置されることになる。また、接合レンズにおいて、負レンズ３８１ａは正レンズ３８１ｂよりも屈折率が高くてアッベ数が小さいレンズ材料を用いて形成される。
【０１１２】
図２４に、第１の変形例の撮像光学系３８０の諸収差図を示す。図２４の諸収差図で用いられる波長は、図２１と同様である。図２４より、第１の変形例の撮像光学系３８０では、第４実施形態の撮像光学系３４０Ａよりも球面収差が劣ることがわかる。しかしながら、Ｆナンバーが大きいため解像性能には重大な影響を与えない。図２５に、第１の変形例の撮像光学系３８０について、像面上空間周波数が４０本／ｍｍのＭＴＦと焦点ずれとの関係を示す。図２５のグラフの横軸および縦軸等は、図２２と同様である。図２５より、第１の変形例の撮像光学系３８０では、第４実施形態の撮像光学系３４０Ａよりも解像性能が劣るものの、実用可能な性能を維持していることがわかる。
【０１１３】
一方、第２の変形例として、図２６に示すような小レンズ３９１を含む撮像光学系３９０が考えられる。この小レンズ３９１は、物体側から順に、両凸形状の正レンズ３９１ａと、平凹形状の負レンズ３９１ｂとが接合された、全体として正の屈折力を有する接合レンズから構成される。そして、平面状に形成された負レンズ３９１ｂにおける像側の面に、平行平面板３４１が接合される。すなわち、第２の変形例においては、平行平面板３４１における物体側の面に小レンズ３９１が接合されている。なお、第２の変形例の撮像光学系３９０において、小レンズ３９１の物体側に、分光フィルタアレイ３２０の第１分光フィルタ３２１が配置され、小レンズ３９１（および平行平面板３４１）の像側に、撮像素子３５０の撮像面３５１およびカバーガラス３５２（図２６では図示を省略）が配置されることになる。
【０１１４】
図２７に、第２の変形例の撮像光学系３９０の諸収差図を示す。図２７の諸収差図で用いられる波長は、図２１と同様である。図２７より、第２の変形例の撮像光学系３９０では、第４実施形態の撮像光学系３４０Ａよりも非点収差が劣ることがわかる。図２８に、第２の変形例の撮像光学系３９０について、像面上空間周波数が４０本／ｍｍのＭＴＦと焦点ずれとの関係を示す。図２８のグラフの横軸および縦軸等は、図２２と同様である。図２８より、第２の変形例の撮像光学系３９０では、第４実施形態の撮像光学系３４０ＡよりもＭＴＦの山がそろっていないことがわかる。したがって、第４実施形態の方が第２の変形例よりも実用に適している。
【０１１５】
また例えば、第３の変形例として、図２９に示すような小レンズ３９６を含む撮像光学系３９５が考えられる。この小レンズ３９６は、物体側から順に、物体側に凸面を向けたメニスカス形状の負レンズ３９６ａと、平凸形状の正レンズ３９６ｂとが接合された、全体として正の屈折力を有する接合レンズから構成される。そして、平面状に形成された正レンズ３９６ｂにおける像側の面に、平行平面板３４１が接合される。すなわち、第３の変形例においても、平行平面板３４１における物体側の面に小レンズ３９６が接合されている。なお、第３の変形例の撮像光学系３９５において、小レンズ３９６の物体側に、分光フィルタアレイ３２０の第１分光フィルタ３２１が配置され、小レンズ３９６（および平行平面板３４１）の像側に、撮像素子３５０の撮像面３５１およびカバーガラス３５２（図２９では図示を省略）が配置されることになる。
【０１１６】
図３０に、第３の変形例の撮像光学系３９５の諸収差図を示す。図３０の諸収差図で用いられる波長は、図２１と同様である。図３０より、第３の変形例の撮像光学系３９５では、第４実施形態の撮像光学系３４０Ａよりも非点収差が劣ることがわかる。図３１に、第３の変形例の撮像光学系３９５について、像面上空間周波数が４０本／ｍｍのＭＴＦと焦点ずれとの関係を示す。図３１のグラフの横軸および縦軸等は、図２２と同様である。図３１より、第３の変形例の撮像光学系３９５では、第４実施形態の撮像光学系３４０ＡよりもＭＴＦの山がそろっていないことがわかる。したがって、第４実施形態の方が第３の変形例よりも実用に適している。
【０１１７】
このように、平行平面板３４１における物体側の面に小レンズが接合された撮像光学系は、平行平面板３４１における像側の面に小レンズ３３１が接合された撮像光学系３４０Ａと比べて、非点収差が良好でなく、解像性能が低下する。これにより、第４実施形態の撮像光学系３４０Ａでは、平行平面板３４１における像側の面に第１小レンズ３３１が接合されていることも収差補正に寄与していることがわかる（第２小レンズ３３２から第９小レンズ３３９についても同様である）。なお、第１〜第３の変形例においては、第１分光フィルタ３２１（分光フィルタアレイ３２０の枠部３７１ａ）における物体側の面上に、開口絞りが配置される。
【０１１８】
また、第４実施形態では、第１実施形態と同様に、前置光学系１０において、第２レンズ群１２が合焦レンズ群であってもよく、第１レンズ群１１と第２レンズ群１２の両方が合焦レンズ群であってもよい。また、前置光学系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。
【０１１９】
また、第４実施形態では、第１実施形態と同様に、前置光学系１０において、負の屈折力を有する第１レンズ群１１と正の屈折力を有する第２レンズ群１２の配置は逆であってもよい。また、前置光学系は、光軸に沿って物体側から順に並んだ、正の屈折力を有する第１レンズ群と、負の屈折力を有する第２レンズ群と、正の屈折力を有する第３レンズ群とからなり、第２レンズ群が合焦レンズ群となるように構成されてもよい。また、前置光学系は、光軸に沿って物体側から順に並んだ、正の屈折力を有する第１レンズ群と、負の屈折力を有する第２レンズ群と、負の屈折力を有する第３レンズ群と、正の屈折力を有する第４レンズ群とからなり、第２レンズ群と第４レンズ群とが合焦レンズ群となるように構成されてもよい。また、第４実施形態において、第１実施形態と同様の前置光学系１０に限らず、第２実施形態と同様の前置光学系１１０を用いるようにしてもよい。
【０１２０】
次に、撮像装置の第５実施形態について、図３２を参照しながら説明する。第５実施形態の撮像装置４０１は、前置光学系４１０と、分光フィルタアレイ３２０と、小レンズアレイ３３０と、仕切り部材３４５と、撮像素子３５０と、画像処理部６０とを備えて構成される。なお、分光フィルタアレイ３２０、小レンズアレイ３３０、仕切り部材３４５、撮像素子３５０、および画像処理部６０は、第４実施形態と同様の構成であるため、第４実施形態と同一の符号を付して詳細な説明を省略する。前置光学系４１０は、鏡筒部４０２の内部に収容保持される。一方、分光フィルタアレイ３２０、小レンズアレイ３３０、仕切り部材３４５、撮像素子３５０、および画像処理部６０は、カメラ本体４０３の内部に収容保持される。前置光学系４１０を保持する鏡筒部４０２は、カメラ本体４０３に対して着脱交換可能に取り付けられる。これにより、前置光学系４１０は、撮像装置４０１の視野角や撮影距離に応じて、最適なものが取り付けられる。
【０１２１】
前置光学系４１０は、光軸Ａｘに沿って物体側から順に並んだ、物体側に凹面を向けたメニスカス形状の第１レンズ４１１と、両凸形状の第２レンズ４１２と、両凹形状の第３レンズ４１３と、平凸形状の第４レンズ４１４とから構成される。そして、前置光学系４１０は、合焦した物体ＯＢ１１からの光束を平行光束にするコリメータとしての機能を有している。すなわち、前置光学系４１０によって物体ＯＢ１１の虚像が無限遠方に作られる。
【０１２２】
前置光学系４１０（第４レンズ４１４）の像側に、分光フィルタアレイ３２０が配置される。分光フィルタアレイ３２０は、カメラ本体４０３の内部に設けられた保持機構４０４に着脱交換可能に取り付けられる。第４実施形態と同様、分光フィルタアレイ３２０の像側に、小レンズアレイ３３０が配置され、小レンズアレイ３３０の像側に、撮像素子３５０が配置される。また、小レンズアレイ３３０と撮像素子３５０との間に、仕切り部材３４５が配置される。
【０１２３】
第５実施形態の撮像装置４０１において、合焦した有限距離物体ＯＢ１１からの光束は、前置光学系４１０の第１レンズ４１１、第２レンズ４１２、第３レンズ４１３、および第４レンズ４１４を透過し、第４レンズ４１４から射出するときには平行光束となる。前置光学系４１０から射出した平行光束は、分光フィルタアレイ３２０における第１分光フィルタ３２１から第９分光フィルタ３２９（図３２では図示せず）のいずれかを通過し、小レンズアレイ３３０に達する。小レンズアレイ３３０の第１小レンズ３３１から第９小レンズ３３９（図３２では図示せず）は、第１分光フィルタ３２１から第９分光フィルタ３２９をそれぞれ通過した光束を受け、それぞれ独立に物体ＯＢ１１の像を形成する。
【０１２４】
合焦した物体ＯＢ１１からの光束は、前置光学系４１０によって、分光フィルタアレイ３２０に入射するときに平行光束になっているため、各小レンズ３３１〜３３９により形成される９個の物体像はすべて同一平面（焦平面）上に位置する。すなわち、前置光学系４１０の作用によって、小レンズアレイ３３０からは物体ＯＢ１１が無限遠に存在するように見えている。したがって、第１小レンズ３３１から第９小レンズ３３９によってそれぞれ形成される物体ＯＢ１１の９個の像の間には、パララックスが生じない。
【０１２５】
撮像面３５１上に形成された９個の物体像Ｉｍ１１〜Ｉｍ１９（図３３を参照）は、それぞれ第１分光フィルタ３２１から第９分光フィルタ３２９のうち対応する分光特性をもって形成される。撮像素子３５０は、撮像面３５１上に形成された９個の物体像Ｉｍ１１〜Ｉｍ１９を撮像し、画像信号を画像処理部６０へ出力する。画像処理部６０は、第１および第４実施形態と同様に、撮像素子３５０から出力された、各分光フィルタ３２１〜３２９の分光特性に応じた物体像Ｉｍ１１〜Ｉｍ１９の画像信号に基づいて、物体ＯＢ１１のマルチ波長バンド画像を生成する。
【０１２６】
第５実施形態によれば、前置光学系４１０からの平行光束中に小レンズアレイ３３０が配置されるため、各小レンズ３３１〜３３９ごとに形成される物体像間にパララックスが生じない。これにより、物体像についての画像処理が容易になり、画像処理の負担を軽減させることができる。また、撮像された複数の物体像の間で視野範囲のずれが生じないため、死角が発生せず、画像情報を無駄なく利用することができる。
【０１２７】
また、小レンズアレイ３３０と撮像素子３５０との間に、仕切り部材３４５が配置されている。これにより、各小レンズ３３１〜３３９からの結像光束が撮像面３５１上で互いに重なり合うことがないため、撮像素子３５０における物体像間のクロストークを防止することができる。
【０１２８】
また、光学素子アレイとして分光フィルタアレイ３２０が保持機構４０４によって着脱可能に保持される。これにより、画像処理に負担を掛けることなく、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できる。また例えば、バンドパスフィルタ（各分光フィルタ３２１〜３２９）の透過波長等、光学特性について異なる仕様のものを交換使用することができる。
【０１２９】
また、前置光学系４１０が鏡筒部４０２によって着脱可能に保持される。これにより、異なる倍率の前置光学系を用意して交換使用すれば、撮像視野を変えることができる。
【０１３０】
また、第１実施形態と同様に、各小レンズ３３１〜３３９の中心軸と該中心軸が交わる撮像ピクセル（撮像素子３５０の画素）との相対位置関係が小レンズ同士で異なるようにすることで、ナイキスト周波数以上の解像を有する超解像画像を得ることができる。
【０１３１】
また、第４実施形態と同様に、９個の小レンズ３３１〜３３９が、正レンズ３３１ａと負レンズ３３１ｂとが接合された、全体として正の屈折力を有する接合レンズからなり、当該接合レンズにおける物体側の面に平行平面板３４１が接合されている（図３２では図示せず）。そのため、多眼光学系でありながら９個の撮像光学系（小レンズ３３１〜３３９）の焦点（合焦位置）を容易に高い精度で合わせることができる。また、９個の小レンズ３３１〜３３９同士の間隔を詰めて開口径を大きくし、より多くの撮像光量を確保することができる。
【０１３２】
また、第４実施形態と同様に、各小レンズ３３１〜３３９の物体側の適切な位置において、９個の分光フィルタ３２１〜３２９が配置される面上に９個の開口絞りが設けられている。そのため、非点収差等の諸収差を良好に補正することができる。
【０１３３】
また、第４実施形態と同様に、各小レンズ３３１〜３３９を構成する接合レンズは、所定の波長範囲（例えば、３８０ｎｍ〜１０００ｎｍの波長範囲）において色収差が補正されている。そのため、所定の波長範囲内において任意の分光特性を持った分光フィルタを交換することが可能である。また、９個の小レンズ３３１〜３３９を構成する接合レンズは、色収差以外の諸収差も実用上十分に補正されているので、高い解像性能を得ることができる。
【０１３４】
なお、第５実施形態では、合焦した任意の物点から小レンズアレイ３３０へ向う光束は、９本の独立した光束になるが、これら９本の光束を包括する１本の光束を考えたとき、物体側テレセントリックになるように構成されている。物体側ＮＡ（開口数）は小さいので、どの物点から発せられる光線もほぼ物体面に直交する。したがって、例えば第３実施形態のように、光学素子アレイに設けられた９個の光学素子が偏光フィルタとバンドパスフィルタとから構成されるような場合に、小レンズアレイ３３０から物体を見る角度が、物点、波長バンドを問わずほぼ９０度になるので、物体を斜めに見ることによる偏光方向のずれがほとんど発生しない。
【０１３５】
また、第５実施形態において、第４実施形態と同様に、前置光学系４１０のうち少なくともいずれかのレンズを、合焦レンズ群として光軸Ａｘに沿って移動可能に構成してもよい。
【０１３６】
また、上述の第１〜第５実施形態において、各小レンズ３１〜３９（３３１〜３３９）の中心軸と該中心軸が交わる撮像ピクセルとの相対位置関係が小レンズ同士で異なるように構成されているが、これに限られるものではない。例えば、９個の小レンズが、縦横に等間隔に並ぶ直交格子点を中心として、縦３行横３列に配置されるようにしてもよい。なおこの場合、画像処理部は、撮像素子から出力された９個の物体像の画像信号に基づいて個別に、物体のマルチ波長バンド画像を生成する。
【０１３７】
また、上述の第１〜第５実施形態において、撮像波長範囲は、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。
【符号の説明】
【０１３８】
１  撮像装置（第１実施形態）
２  鏡筒部                              ４  保持機構
１０  前置光学系
１１  第１レンズ群（負レンズ群）        １２  第２レンズ群（正レンズ群）
２０  分光フィルタアレイ
２１  第１分光フィルタ                  ２２  第２分光フィルタ
２３  第３分光フィルタ                  ２４  第４分光フィルタ
２５  第５分光フィルタ                  ２６  第６分光フィルタ
２７  第７分光フィルタ                  ２８  第８分光フィルタ
２９  第９分光フィルタ
３０  小レンズアレイ
３１  第１小レンズ                      ３２  第２小レンズ
３３  第３小レンズ                      ３４  第４小レンズ
３５  第５小レンズ                      ３６  第６小レンズ
３７  第７小レンズ                      ３８  第８小レンズ
３９  第９小レンズ
４０  仕切り部材
５０  撮像素子                          ５１  撮像面
６０  画像処理部
１０１  撮像装置（第２実施形態）
１０２  鏡筒部
１１０  前置光学系
１１１  第１レンズ群                    １１２  第２レンズ群
１１５  視野絞り
２０１  撮像装置（第３実施形態）
２０４  保持機構
２２０  光学素子アレイ
２２１  第１光学素子                    ２２２  第２光学素子
２２３  第３光学素子                    ２２４  第４光学素子
２２５  第５光学素子                    ２２６  第６光学素子
２２７  第７光学素子                    ２２８  第８光学素子
２６０  画像処理部
３０１  撮像装置（第４実施形態）
３２０  分光フィルタアレイ
３２１  第１分光フィルタ                ３２２  第２分光フィルタ
３２３  第３分光フィルタ                ３２４  第４分光フィルタ
３２５  第５分光フィルタ                ３２６  第６分光フィルタ
３２７  第７分光フィルタ                ３２８  第８分光フィルタ
３２９  第９分光フィルタ
３３０  小レンズアレイ
３３１  第１小レンズ（３３１ａ  正レンズ、３３１ｂ  負レンズ）
３３２  第２小レンズ                    ３３３  第３小レンズ
３３４  第４小レンズ                    ３３５  第５小レンズ
３３６  第６小レンズ                    ３３７  第７小レンズ
３３８  第８小レンズ                    ３３９  第９小レンズ
３４１  平行平面板
３４５  仕切り部材
３５０  撮像素子                        ３５１  撮像面
４０１  撮像装置（第５実施形態）
４０２  鏡筒部                          ４０４  保持機構
４１０  前置光学系
ＯＢ１  有限距離物体                    ＯＢ２  無限遠物体
ＯＢ１１  物体
Ｉｍ１〜Ｉｍ９  物体像
Ｉｍ１１〜Ｉｍ１９  物体像
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【国際調査報告】
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