(57)【要約】【課題】アスペクト比の大きい対象物を高解像度で撮像する。【解決手段】対象物１に相似な形状に光ファイバー束５の入射端（光ファイバー入射端）４の面形状を変形させ、対物レンズ２、結像レンズ３にて拡大投影する。結像レンズ３による像は光ファイバー入射端４より入射し、光ファイバー束５の出射端では、各光ファイバーの配列を撮像素子６の面形状に合わせて適宜並び替えて撮像素子６で記録する。撮像素子６の受光面の各光ファイバーの位置と光ファイバー入射端４における各光ファイバーの位置関係を予め参照表として求めておき、コンピュータ７によって、光ファイバー入射端４における画素配置に再構築することで、対象物１の画像を得る。【選択図】図１
2006345124.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対物レンズを有する結像光学系と、前記結像光学系による対象物の結像画像を撮像するための撮像手段と、前記結像光学系による前記結像画像を複数の画素に分割し、画素配置を変えて前記撮像手段に伝送する伝送手段と、前記結像光学系の結像面と前記撮像手段の受光面のそれぞれの画素配置を対比させて、前記撮像手段が撮像した画像を前記結像光学系の前記結像面の画素配置に再構築する再構築手段と、を有することを特徴とする撮像装置。
【請求項２】
前記撮像手段の前記受光面が、前記結像光学系の前記結像面と異なる面形状を有することを特徴とする請求項１記載の撮像装置。
【請求項３】
前記伝送手段が、光軸方向に光ファイバーの配列位置が変化する光ファイバー束を有することを特徴とする請求項１または２記載の撮像装置。
【請求項４】
前記結像面に結像した参照画像と、前記伝送手段を通して前記撮像手段に撮像された参照画像を比較し、前記画素配置を対比させるための参照表を記憶する記憶手段を有することを特徴とする請求項３記載の撮像装置。
【請求項５】
前記光ファイバー束が、形状可変である結束材または可塑性充填材を用いて束ねられていることを特徴とする請求項３または４記載の撮像装置。
【請求項６】
請求項１ないし５いずれか１項記載の撮像装置を用いて、液体吐出ヘッドの飛翔液滴を撮像する工程を有する液体吐出ヘッドの性能評価方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高速度ビデオカメラ等を用いて、液体吐出ヘッドの飛翔液滴等の対象物を高解像度で観察できる撮像装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年の高速度ビデオカメラを用いた顕微鏡観察では、高速かつ微小な領域を撮影することが可能となっている。最新の機種では１０万フレーム／秒から１００万フレーム／秒で撮影できる高速度ビデオカメラも開発されている。高速度ビデオカメラは撮影速度を優先させて設計してあるため、解像度はそれ程高くなく、一般的には数万〜数十万画素程度である。良く使われる例としては、インクジェットプリンタのインク滴飛翔観察等がある。これは、動作中のインクの吐出速度が数十ｍ／秒で、インク滴は１００ｐｌ以下と、高速で微小な現象であり、顕微鏡で拡大し、高速度ビデオカメラで撮影をする。
【０００３】
しかし、インク滴飛翔の軌跡は直線状であるため、撮影したい領域はアスペクト比が大きいものとなる。多くのカメラの撮像素子はアスペクト比が１〜１．５程度であるから、それ以上にアスペクト比が大きい観察対象を撮影する場合には、投影倍率を下げなければ全てが写らない。つまり、対象物は小さく、背景（不要な部分）が多くを占めてしまう。このように、元々解像度の低い高速度カメラで計測精度を下げてしまうことは大きな問題である。
【０００４】
アスペクト比が大きい観察対象を撮影する第１の方法として、シリンドリカルレンズを用いて、アスペクト比が小さくなるように縦、横方向を縮小または拡大して撮影する方法がよく知られている。また、第２の方法として、撮像素子を複数使用する方法（特許文献１参照）、第３の方法として、ズームレンズで高分解能化したカメラに首振り等の移動機構または回転機構をつける方法（特許文献２参照）、第４の方法として、撮影対象を予め分割して撮影し、撮影後に画像を合わせる方法（特許文献３、特許文献４参照）、第５の方法として、１つの対象物から２つの画像を撮影し１つに再構築する方法（特許文献５、特許文献６参照）、第６の方法として、ミラーを用いて観察対象を分割しアスペクト比が小さくなるように再構築する方法（特許文献７参照）等が提案されている。
【０００５】
また、観察対象の画像を、光ファイバーを用いて分割して撮影する方法が考えられる。すなわち、撮影領域を分割し、それぞれ光ファイバーで別々の撮像素子へ結像させる第７の方法（特許文献８参照）がある。光ファイバーで画像を転送する手法は良く知られており、内視鏡等で使用されている（特許文献９参照）。
【特許文献１】特開平５−１６４５２１号公報
【特許文献２】特開平６−７６１０６号公報
【特許文献３】特開平６−２５８５９２号公報
【特許文献４】特開平８−２６３６２６号公報
【特許文献５】特開平５−３０２８２３号公報
【特許文献６】特開平５−６０５３８号公報
【特許文献７】特開平１１−２８１３３２号公報
【特許文献８】特開平８−２１５１９０号公報
【特許文献９】特許第３２５５３７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、上記第１の方法では、縦方向と横方向で解像度が異なってしまい、縮小した方向はその分だけ解像度が悪くなってしまう。第２や第７の方法では複数の撮像素子が必要になり、各撮像素子間のばらつきを抑えること、撮影の同期を合わせること等が必要となる。特に処理速度が必要な高速度ビデオカメラでは、撮影の同期をとるのは難しく、そのための回路によって装置が大きくなる。また繋ぎ目を合わせることも、特に観察の対象物が微小である場合は大きな誤差の原因となる。
【０００７】
第３の方法は、移動または回転機構が必要でありコストが高くなるうえに、対象物が微小で、撮影時間が短い場合は、移動機構、回転機構を精度良く高速に動作させなければならず、高速度カメラに用いるのは困難である。第４の方法は観察対象が静止物であれば有効だが、動くものには適用できない。
【０００８】
第５や第６の方法はミラーを用いて２つ以上の像を１つの撮像素子上に結像させるものである。しかし、インジェットプリンタのインク滴飛翔観察では、全ノズルの挙動を調べる時と１つのノズルからの液滴の飛翔を観察する時など、状況によって、観察対象の縦と横の比率が逆転する場合も少なくない。特に全ノズルの不良検査を行い、不良ノズルの挙動を調べる場合には、まずノズルが横１列に並ぶ横に長い領域を観察し、不良箇所発見後は、その場所のインク滴飛翔経路となる縦に長い領域を観察することになる。
【０００９】
このように１つの観察対象領域が状況によって大きく変化する場合は、第５や第６の方法では、観察対象の状況を変化させずに、装置、光学系を丸ごと取り替えなければならない。これは大変な手間であり、複数の装置を用意するためのコストや、スペースの問題も発生する。
【００１０】
本発明は、上記従来の技術の有する未解決の課題に鑑みてなされたものであり、液体吐出ヘッドの飛翔液滴等のアスペクト比が高い対象物を高解像度で撮影することのできる撮像装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の目的を達成するため、本発明の撮像装置は、対物レンズを有する結像光学系と、前記結像光学系による対象物の結像画像を撮像するための撮像手段と、前記結像光学系による前記結像画像を複数の画素に分割し、画素配置を変えて前記撮像手段に伝送する伝送手段と、前記結像光学系の結像面と前記撮像手段の受光面のそれぞれの画素配置を対比させて、前記撮像手段が撮像した画像を前記結像光学系の前記結像面の画素配置に再構築する再構築手段と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
上記装置によれば、観察対象領域が撮像手段の受光面の形状と大きく異なる場合、より具体的にはアスペクト比が高い対象物などを、高解像度で撮影することができる。特に、高速度カメラを使用して、観察対象領域を分割することなく、１つの撮像手段による１回の撮影で全体画像を得ることができる。
【００１３】
伝送手段として光ファイバー束を用いる場合は、例えば、光ファイバー入射端を任意の形状に変形できるように構成する。観察対象領域の面形状に合わせて光ファイバー入射端を変形させることで、任意の形状の観察対象領域を高解像度で撮像することができる。
【００１４】
従来の顕微鏡撮影では、アスペクト比が大きい観察対象領域の全てを撮影するためには、投影倍率を小さくし観察対象領域以外の無駄な部分（背景部分）も撮影しなければならなかったものが、上記の構成を用いることで、背景部分を除いた観察対象領域のみを撮影できるようになる。従って、その分だけ投影倍率を大きくすることで、高解像度撮影が可能となる。
【００１５】
光ファイバー入射端を任意の形状に変形自在とすることで、観察対象領域の形状が変わった場合にも対応できるように構成すれば、装置を入れ替える必要がない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
図１に示すように、対象物１の画像を対物レンズ２および結像レンズ３を有する結像光学系によって拡大して光ファイバー入射端４に投影する。結像レンズ３による結像画像は、光ファイバー入射端４において複数の画素に分割されて伝送手段である光ファイバー束５の各光ファイバーに入射し、光ファイバー束５の出射端では、各光ファイバーの配列を並び替えた状態で、撮像手段である撮像素子６によって撮像される。撮像素子６の受光面の各光ファイバーの位置（画素配置）と、結像レンズ３の結像面における光ファイバー入射端４の各光ファイバーの位置（画素配置）を対比するための、参照画像による参照表を予め求めて記憶手段に記憶しておき、再構築手段であるコンピュータ７によって、撮像素子６による画像を光ファイバー入射端４の画素配置に再構築することで、高解像度の画像を得る。
【実施例】
【００１７】
図１に示すように、観察の対象物１の、光軸に垂直な撮像面（観察対象領域）８における任意の点Ａ１、Ｂ１、Ｃ１は、光ファイバー入射端４における結像面９においてはＡ２、Ｂ２、Ｃ２、撮像素子６の受光面１０においてはＡ３、Ｂ３、Ｃ３となる。光ファイバー束５の入射端である光ファイバー入射端４における結像面９は対象物１の撮像面８に相似な形とし、光ファイバー束５の照射端に位置する撮像素子６の受光面１０は撮像面８、結像面９とは別の形状である。
【００１８】
観察前に、光ファイバー束５の入射端と照射端における光ファイバーの配列関係を１対１に決定付けるキャリブレーションを行う。例えば、光ファイバー入射端４における結像面９上のＡ２の位置に相当するのが撮像素子６の受光面１０上のＡ３である、といった具合に全ての点（画素）に対して各光ファイバーの入射端と照射端の位置関係を表す参照表を作成する。
【００１９】
観察の対象物１は対物レンズ２および結像レンズ３によって拡大投影され、その時の結像面９が光ファイバー入射端４に位置する。結像面９は光ファイバー束５の入射端でもある。結像面９は光ファイバー入射端４の位置における、光軸に垂直な面である。撮像面８は結像面９に示すように拡大投影される。つまり、撮像面８上のＡ１、Ｂ１、Ｃ１の位置は、この時点で結像面９上のＡ２、Ｂ２、Ｃ２の位置に対応する。ただし、光学系によっては、上下反転、左右反転、および回転した位置になるが、何れの場合も両者は相似な形状である。この時、拡大投影された結像面９における対象物１の観察対象領域の面積を、撮像素子６の受光面１０の面積と等しくなるように結像させる。拡大投影された結像面９は光ファイバー入射端４より光ファイバー束５に入射し、撮像素子６の受光面１０に投影される。この時点で結像面９上のＡ２、Ｂ２、Ｃ２各点は、撮像素子６の受光面１０上のランダムな位置Ａ３、Ｂ３、Ｃ３に対応する。このように、光ファイバー束５の入射端での各光ファイバーの配列と照射端での光ファイバーの配列は一致しない。
【００２０】
撮像素子６に投影された像は電子情報としてコンピュータ７に送られる。ここで、ランダムに配置された撮像素子６の受光面１０のＡ３、Ｂ３、Ｃ３の各点を予め作成しておいた参照表に基づき、コンピュータ画面１１において、拡大投影された結像面９と同じ位置Ａ４、Ｂ４、Ｃ４に置き換える。全ての点を同様に再構築し、その結果得られた画像を記録する。これによって、撮像素子６と形状の異なる結像面９に拡大投影された画像の全てを、縮小することなく記録したこととなる。
【００２１】
図２は、画素配置を対比させて撮像素子６の画像を再構築する方法について説明する図である。図２の（ａ）が観察の対象物の撮像面である。この場合、光ファイバー入射端の面形状は図２の（ｂ）に示すように観察の対象物の形状に合わせるのが好ましい。ここで、図２の（ｂ）に示す格子（画素）の１つは光ファイバー１本を意味する。光ファイバー入射端に対象物が像を結ぶと、（ｃ）に示すように各光ファイバーにその位置の色情報が光として入射する。光ファイバー束の照射端は撮像素子の受光面の面形状であり、例えば図２の（ｄ）に示す方形である。図２の（ｃ）に示す面形状の画素配置が（ｄ）に示す面形状の画素配置へ並び替わるため、対象物の画像が（ａ）に示す形を保っていない状態となる。
【００２２】
ここで、図２の（ｄ）に示す色情報をコンピュータに取り込み、（ｃ）に示す形状へ再び並び替えるいわゆる再構築のために参照表が必要である。参照表は、図２の（ｃ）における各光ファイバーの位置が（ｄ）上で何処の位置にあたるかを示すものである。
【００２３】
図３は参照表を作成するための第１の方法を示すもので、光ファイバー束５の照射端に撮像素子６が位置する。光ファイバー入射端４と結像レンズの間に、回転ミラー３０３、３０４を挿入し、レーザー光源３０１を設置する。レーザー光源３０１から出るレーザー光３０２は回転ミラー３０３によって水平方向に走査され、回転ミラー３０４によって垂直方向に走査される。回転ミラー３０３、３０４の制御はコンピュータにて行う。レーザー光３０２は光ファイバー束５の１本又は複数本の光ファイバーによって撮像素子６へ導かれる。撮像素子６から得られる輝度情報のうち最大値となる座標を求め、その座標と回転ミラー３０３、３０４の角度から求めた光ファイバー入射端４でのレーザー光３０２の座標をコンピュータにて記録する。光ファイバー入射端４上をレーザー光３０２で走査し、光ファイバー束５の入射端と照射端のファイバー位置の対応関係を表わす参照表を作成する。
【００２４】
図４は第２の方法で参照表を作成する場合に用いられるパターンプレート４００を示す。これは、ｘ軸方向とｙ軸方向で別の色のグラデーションがつけられたもので、例えば、ｘ軸方向には青色を輝度０％〜１００％でグラデーションをつけ、ｙ軸方向には赤色を輝度０％〜１００％でグラデーションをつける。この場合は両方０％と成る頂点では色がついていない状態で、その対角では２色が最も混ざった状態となる。
【００２５】
つまり、パターンプレート４００上の任意の点における色を数値化することで、パターンプレート４００上での座標を求めることができる。上述した赤と青のパターンプレートの例では、青の輝度がｘ座標を、赤の輝度がｙ座標を示す。具体的手順は以下の通りである。
【００２６】
パターンプレート４００を観察の対象物の位置、あるいは光ファイバー束の入射端に配置する。光ファイバー束を通して撮像素子にてパターンプレートを撮影する。この時、光ファイバー束の入射端にパターンプレートを配置する場合には、パターンプレートは透明な素材で、透過照明を用意しなければならない。観察の対象物の位置にパターンプレートを配置した場合は、不透明なパターンプレートと同軸落射照明、または透明なパターンプレートと透過照明の何れかの組合せで照明を用意する。パターンプレートが撮影できれば、コンピュータ上で撮影した画像の輝度を求め、輝度値から座標に換算し、参照表を作成する。
【００２７】
図５は、光ファイバー束の構成を示すもので、（ａ）は光ファイバー束の入射端面５０１が円形の場合、（ｂ）は光ファイバー束の入射端面５０１が長方形の場合である。何れも、光ファイバー束の照射端面５０４は、撮像素子の受光面の形状になるように結束金具５０３等によって固定されている。光ファイバー束の入射端面５０１は、形状可変の結束材である結束バンド５０２によって固定される。結束バンド５０２は任意に形状を変形できる素材で作られており、光ファイバー束の入射端面５０１の形状を（ａ）に示す円形、あるいは（ｂ）に示す方形等に自在に変更できる。
【００２８】
形状可変である結束バンドの素材として考えられるものは、例えば、鉛のような柔らかい金属の薄板である。光ファイバー入射端の外周を金属薄板で囲い、金属薄板を変形させることで光ファイバー入射端の面形状を変化させ、その形状を維持させる。
【００２９】
あるいは、形状可変な結束バンドの替わりに、例えば可塑性充填材である架橋された高分子ポリマーによって各光ファイバーを固める構成でもよい。この材料は一定の力を加えなければ形状を保つことが可能で、力を加えれば任意に変形自在であり、光ファイバー１本１本の隙間に充填される。
【産業上の利用可能性】
【００３０】
液体吐出ヘッドの飛翔液滴の画像を撮像して性能評価を行う以外にも、高アスペクト比の微小粒等の顕微鏡撮影等に広く適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】一実施例を説明する図である。
【図２】再構築手段の作用を説明する図である。
【図３】参照表を作成する方法を説明する図である。
【図４】別の参照表作成方法を説明する図である。
【図５】光ファイバー束の構成を説明する図である。
【符号の説明】
【００３２】
１    対象物
２    対物レンズ
３    結像レンズ
４    光ファイバー入射端
５、３０５    光ファイバー束
６    撮像素子
７    コンピュータ
８    対象物の撮像面
９    結像面
１０    受光面
１１    コンピュータ画面
【図１】
2006345124.tif 000003
【図２】
2006345124.tif 000004
【図３】
2006345124.tif 000005
【図４】
2006345124.tif 000006
【図５】
2006345124.tif 000007