(57)【要約】【課題】波長帯域の変更に伴う色収差を、簡単かつ安価な構成で、迅速かつ正確に補正できる結像光学装置を提供する。【解決手段】複数の波長帯域１２−１〜１２−８の画像を結像光学系２，６により順次結像する結像光学装置において、結像光学系の光路中に、波長帯域１２−１〜１２−８の変更に伴う色収差を補正する形状可変ミラー４，５を配置する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の波長帯域の画像を結像光学系により順次結像する結像光学装置において、
上記結像光学系の光路中に、波長帯域の変更に伴う色収差を補正する形状可変ミラーを配置したことを特徴とする結像光学装置。
【請求項２】
上記形状可変ミラーは、上記複数の波長帯域における画像の結像位置が基準位置に一致するように、波長帯域の変更に伴う色収差を補正するよう構成したことを特徴とする請求項１に記載の結像光学装置。
【請求項３】
上記複数の波長帯域の各々について、上記撮像光学系の焦点距離および画像の撮影距離に対応する上記形状可変ミラーの変形情報をテーブルとして予め格納する記憶手段を有し、上記波長帯域、上記焦点距離および上記撮影距離の少なくとも一つの変更に応じて上記記憶手段から対応する変形情報を読み出して、上記形状可変ミラーの形状を変形させるよう構成したことを特徴とする請求項１または２に記載の結像光学装置。
【請求項４】
複数の波長帯域の画像を結像光学系により順次結像する結像光学装置において、
上記結像光学系の光路中に、波長帯域の変更に伴う色収差を補正する可変自由曲面レンズを配置したことを特徴とする結像光学装置。
【請求項５】
上記可変自由曲面レンズは、上記複数の波長帯域における画像の結像位置が基準位置に一致するように、波長帯域の変更に伴う色収差を補正するよう構成したことを特徴とする請求項４に記載の結像光学装置。
【請求項６】
上記複数の波長帯域の各々について、上記撮像光学系の焦点距離および画像の撮影距離に対応する上記可変自由曲面レンズの変形情報をテーブルとして予め格納する記憶手段を有し、上記波長帯域、上記焦点距離および上記撮影距離の少なくとも一つの変更に応じて上記記憶手段から対応する変形情報を読み出して、上記可変自由曲面レンズの形状を変形させるよう構成したことを特徴とする請求項４または５に記載の結像光学装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、透過波長帯域の異なる複数の狭帯域フィルタを有し、その一つのフィルタを撮像光学系の光路中に順次切り替え挿入して分光画像を撮像するマルチスペクトルカメラ等の結像光学装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
マルチスペクトルカメラにおいては、透過波長帯域の異なる複数の狭帯域フィルタを用いることから、フィルタ間の波長の相違に起因する撮像光学系の軸上色収差が問題となる。
【０００３】
この軸上色収差を改善する方法として、例えば、フィルタの切り替え毎に、撮像素子や撮像レンズを光軸方向に移動させて焦点調整を行うことが知られている。
【０００４】
また、複数の狭帯域フィルタの各々を、透過状態と遮光状態とを切り替え可能に撮像光学系の光軸を中心に同心円状に配列し、これら複数のフィルタに関して撮像光学系が有する軸上色収差を打ち消すように撮像光学系の球面収差を調整して、一つのフィルタのみを順次透過状態に切り替えることにより、各波長帯域の分光画像を得るようにしたものも知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
一方、可視／赤外両用撮像装置として、撮像光学系に、２つの櫛形プリズムを相対移動させて厚みを可変する厚み可変フィルタ、或いは２枚の平板内部に充填された液体を移動させて厚みを可変する厚み可変フィルタを配置して、撮像条件に応じて発生する軸上色収差による焦点位置の移動を補正するようにしたものが知られている（例えば、特許文献２参照）。
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−１５７０５９号公報
【特許文献２】特開２００１−２７２７０８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、フィルタの切り替え毎に、撮像素子や撮像レンズを光軸方向に移動させて焦点調整を行う構成にあっては、撮像素子や撮像レンズを駆動するためのモータ等の駆動源やギア等の動力伝達部材を要すると共に、ガタやバックラッシュが生じ易いため、迅速かつ正確な焦点調整が困難である。
【０００８】
また、特許文献１に開示のように、撮像光学系の光軸を中心に同心円状に配列した複数のフィルタに関して撮像光学系が有する軸上色収差を打ち消すように、撮像光学系の球面収差を調整する構成にあっては、撮像光学系の設計および製作が困難となり、コストアップを招くことが懸念される。
【０００９】
さらに、特許文献２に開示のように、厚み可変フィルタを用いる構成にあっては、２つの櫛形プリズムを相対移動させるための駆動機構、或いは２枚の平板内部に充填した液体を移動させるための駆動機構を要することから、構成が複雑になることが懸念されると共に、迅速かつ正確な焦点調整が困難になることが懸念される。
【００１０】
したがって、かかる事情に鑑みてなされた本発明の目的は、波長帯域の変更に伴う色収差を、簡単かつ安価な構成で、迅速かつ正確に補正できる結像光学装置を提供することにある。
【００１１】
なお、本発明において、色収差とは、軸上色収差、色球面収差、色コマ収差等を総称するもので、軸上色収差、色球面収差、色コマ収差等の少なくとも１つを含むものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成する請求項１に係る発明は、複数の波長帯域の画像を結像光学系により順次結像する結像光学装置において、
上記結像光学系の光路中に、波長帯域の変更に伴う色収差を補正する形状可変ミラーを配置したことを特徴とするものである。
【００１３】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の結像光学装置において、
上記形状可変ミラーは、上記複数の波長帯域における画像の結像位置が基準位置に一致するように、波長帯域の変更に伴う色収差を補正するよう構成したことを特徴とするものである。
【００１４】
請求項３に係る発明は、請求項１または２に記載の結像光学装置において、
上記複数の波長帯域の各々について、上記撮像光学系の焦点距離および画像の撮影距離に対応する上記形状可変ミラーの変形情報をテーブルとして予め格納する記憶手段を有し、上記波長帯域、上記焦点距離および上記撮影距離の少なくとも一つの変更に応じて上記記憶手段から対応する変形情報を読み出して、上記形状可変ミラーの形状を変形させるよう構成したことを特徴とするものである。
【００１５】
請求項４に係る発明は、複数の波長帯域の画像を結像光学系により順次結像する結像光学装置において、
上記結像光学系の光路中に、波長帯域の変更に伴う色収差を補正する可変自由曲面レンズを配置したことを特徴とするものである。
【００１６】
請求項５に係る発明は、請求項４に記載の結像光学装置において、
上記可変自由曲面レンズは、上記複数の波長帯域における画像の結像位置が基準位置に一致するように、波長帯域の変更に伴う色収差を補正するよう構成したことを特徴とするものである。
【００１７】
請求項６に係る発明は、請求項４または５に記載の結像光学装置において、
上記複数の波長帯域の各々について、上記撮像光学系の焦点距離および画像の撮影距離に対応する上記可変自由曲面レンズの変形情報をテーブルとして予め格納する記憶手段を有し、上記波長帯域、上記焦点距離および上記撮影距離の少なくとも一つの変更に応じて上記記憶手段から対応する変形情報を読み出して、上記可変自由曲面レンズの形状を変形させるよう構成したことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、結像光学系の光路中に形状可変ミラー或いは可変自由曲面レンズを配置して、波長帯域の変更に伴う色収差を補正するようにしたので、簡単かつ安価に構成できると共に、迅速かつ正確に色収差を補正することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明に係る結像光学装置の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００２０】
（第１実施の形態）
図１〜図５は本発明の第１実施の形態を示すもので、図１は結像光学系の構成を示す断面図、図２は図１に示すフィルタターレットの構成を示す正面図、図３は図１に示す形状可変ミラーの一例の概略構成を示す断面図、図４（ａ），（ｂ）は図３に示す基板電極の二つの例を示す平面図、図５は波長帯域の異なるフィルタによる軸上色収差を説明するための図である。
【００２１】
図１に示す結像光学系は、鏡枠１に保持された、対物レンズ２、フィルタターレット３、形状可変ミラー４，５、結像レンズ６、および例えばＣＣＤからなる撮像素子７を有しており、図示しない被写体の分光画像を、対物レンズ２、フィルタターレット３、形状可変ミラー４，５および結像レンズ６を経て撮像素子７に結像するようになっている。
【００２２】
フィルタターレット３は、モータ１１により回転自在に鏡枠１に保持されている。このフィルタターレット３には、図２に示すように、同一円周上に複数（図２では８個）の透過波長帯域の異なる狭帯域のフィルタ１２−１〜１２−８が装填されており、モータ１１によるフィルタターレット３の回転によって、一つのフィルタが撮像光学系の光路中に順次切り替え挿入され、これにより撮像素子７に各波長帯域の被写体の分光画像を形成するようになっている。
【００２３】
形状可変ミラー４，５の各々は、例えば図３に概略断面図を示すように、基板１５に支持された可変ミラー膜１６を有している。基板１５には、可変ミラー膜１６と対向する面に基板電極１７が、例えば図４（ａ）に示す放射状、或いは図４（ｂ）に示すマトリックス状に多数配列されている。
【００２４】
また、可変ミラー膜１６は、ポリイミド等からなる基材上にアルミニウム等の反射膜をコーティングして形成されていると共に、この可変ミラー膜１６には基板電極１７と対向するように可変ミラー電極１８が設けられおり、この可変ミラー電極１８と基板電極１７との間の所要の部位に所要の電圧を印加することにより、静電気力によって可変ミラー膜１６の面形状を変化させて自由曲面を創生できるようになっている。
【００２５】
本実施の形態では、フィルタターレット３に装填されたフィルタ１２−１〜１２−８の一つを基準フィルタとし、フィルタターレット３の回転により撮像光学系の光路中に基準フィルタとは異なるフィルタを挿入した場合に、その挿入したフィルタ、すなわち透過波長帯域に応じて、形状可変ミラー４，５を変形させて、その場合のピント位置を、基準フィルタを挿入した場合のピント位置、すなわち撮像素子７の位置に一致させると共に、結像光学系の色球面収差が最小となるように、波長帯域の変更に伴う軸上色収差および色球面収差を補正する。
【００２６】
すなわち、フィルタターレット３を回転させて撮像光学系の光路中に基準フィルタ以外のフィルタを挿入すると、その場合の結像光学系のピント位置は軸上色収差によって、例えば図５に示すように、基準フィルタを挿入した場合のピント位置からずれ、また色球面収差も、基準フィルタを挿入した場合の色球面収差とは異なったものとなる。
【００２７】
そこで、本実施の形態では、形状可変ミラー４，５を変形させて、基準フィルタ以外のフィルタを挿入した場合のピント位置Ｏ′を、基準フィルタを挿入した場合のピント位置Ｏに一致させるように軸上色収差を補正すると共に、色球面収差も最小となるように補正する。なお、図５では、基準フィルタを挿入した場合の色球面収差を、他のフィルタを挿入した場合の色球面収差と同様に表示しているが、この基準フィルタを挿入した場合の色球面収差も、形状可変ミラー４，５を変形させて最小となるように補正する。
【００２８】
なお、本実施の形態において、形状可変ミラー４，５は、それぞれ一方向の電圧の印加によって形状を可変するので、基準フィルタは、フィルタ１２−１〜１２−８の全てをカバーできるように、最小の電圧の印加によってピント位置を撮像素子７の位置に一致でき、かつ色球面収差を最小に補正できるフィルタに設定する。
【００２９】
以上のように、本実施の形態では、フィルタターレット３に装填されたフィルタ１２−１〜１２−８の一つを基準フィルタに設定して、他のフィルタを撮像光学系の光路中に挿入した場合には、挿入したフィルタ、焦点距離および撮影距離に応じて形状可変ミラー４，５を変形させて、その場合のピント位置を、基準フィルタを挿入した場合のピント位置に一致させると共に、色球面収差が最小となるように、軸上色収差および色球面収差を補正するようにしたので、透過波長帯域の異なるフィルタ１２−１〜１２−８の全てについて、波長帯域の変更に伴う色収差を、簡単かつ安価な構成で、迅速かつ正確に補正でき、撮像光学系のピント位置を撮像素子７の位置に一致させることができると共に、色球面収差も最小な値にほぼ一致させることができる。
【００３０】
（第２実施の形態）
図６は、本発明の第２実施の形態に係る結像光学装置の結像光学系の構成を示す断面図である。
【００３１】
本実施の形態は、第１実施の形態において形状可変ミラー５を省略し、一つの形状可変ミラー４によって、透過波長帯域の異なるフィルタ１２−１〜１２−８の全てについて、撮像光学系のピント位置を撮像素子７の位置に一致させると共に、色球面収差が最小となるように補正するようにしたものである。その他の構成は、第１実施の形態とほぼ同様であるので、詳細な説明は省略する。
【００３２】
このように、本実施の形態では、一つの形状可変ミラー４によって、フィルタ１２−１〜１２−８の全てについて、撮像光学系の軸上色収差および色球面収差を補正するようにしたので、第１実施の形態と比較して、より簡単かつ安価にできる利点がある。
【００３３】
（第３実施の形態）
図７は本発明の第３実施の形態に係る結像光学装置の結像光学系の構成を示す断面図である。
【００３４】
本実施の形態は、第１実施の形態における形状可変ミラー４，５および結像レンズ６、或いは第２実施の形態における形状可変ミラー４および結像レンズ６に代えて、可変自由曲面レンズ２０を設け、この可変自由曲面レンズ２０により、透過波長帯域の異なるフィルタ１２−１〜１２−８の全てについて、撮像光学系のピント位置を撮像素子７の位置に一致させると共に、色球面収差が最小となるように補正するようにしたものである。その他の構成は、第１実施の形態とほぼ同様であるので、詳細な説明は省略する。
【００３５】
なお、このような可変自由曲面レンズ２０は、例えば特開２００２−１９０９７１号公報や特開２００４−２４７９４７号公報に開示されているような光学特性可変光学素子を、軸上色収差および色球面収差を補正できる形状を創生できるように改良して構成することができる。したがって、可変自由曲面レンズ２０は、自由曲面を有する可変焦点レンズや、可変収差レンズと言うこともできる。
【００３６】
本実施の形態によれば、一つの可変自由曲面レンズ２０により、フィルタ１２−１〜１２−８の全てについて、撮像光学系の軸上色収差および色球面収差を補正して分光画像を撮像素子７に結像させるようにしたので、第１実施の形態や第２実施の形態と比較して、構成をより簡略化でき、簡単かつ安価にできる利点がある。なお、可変自由曲面レンズ２０の面形状としては、自由曲面に加え、回転対称な非球面も含まれるものとする。
【００３７】
（第４実施の形態）
図８および図９は本発明の第４実施の形態を示すもので、図８は結像光学系の構成を示す断面図、図９は制御系の概略構成を示すブロック図である。
【００３８】
本実施の形態は、第１実施の形態において、形状可変ミラー４，５および結像レンズ６を鏡枠２１に保持し、この鏡枠２１をモータ２２により、対物レンズ２および撮像素子７を保持する鏡枠１内で光軸方向に往復摺動させて、対物レンズ２と結像レンズ６との距離を変化させることにより、焦点距離を調整可能とすると共に、任意の焦点距離における軸上色収差および色球面収差を形状可変ミラー４，５で補正するようにしたものである。すなわち、結像レンズ６の移動によりピント合わせの粗調整を行い、形状可変ミラー４，５によりピント合わせの微調整（軸上色収差補正）と色球面収差補正とを行うようにしたものである。
【００３９】
このため、本実施の形態では、鏡枠２１が摺動する部分の鏡枠１に、光軸方向に延在してガイド穴１ａを形成し、このガイド穴１ａを通して鏡枠２１にカムピン２１ａを取り付ける。また、鏡枠１の外周には、周方向に延在して回転用突起１ｂを形成し、この回転用突起１ｂに係合して、光軸を中心に回転自在にカム環２３を設ける。
【００４０】
カム環２３には、カムピン２１ａに係合する螺旋状のカム部２３ａを形成すると共に、外周には周方向に延在してギア２３ｂを形成し、このギア２３ｂをモータ２２の回転軸２２ａに設けたピニオンギア２４に噛合させる。なお、カム環２３には、その内周面に鏡枠１の回転用突起１ｂに係合する回転用溝２３ｃを形成する。
【００４１】
このようにして、モータ２２によりピニオンギア２４を介してカム環２３を正逆方向に回転させることにより、カム部２３ａによりカムピン２１ａをガイド穴１ａに沿って光軸方向に往復移動させて、鏡枠２１を鏡枠１内で光軸方向に往復摺動させるよう構成する。
【００４２】
次に、本実施の形態に係る結像光学装置の制御系の構成について、図９に示すブロック図を参照して説明する。
【００４３】
本実施の形態に係る結像光学装置は、結像光学系の焦点距離を検出する焦点距離検出部３１と、撮影する被写体までの撮影距離を検出する撮影距離検出部３２と、例えばモータ１１の回転角に基づいて撮像光学系の光路中に挿入されているフィルタを識別するフィルタ識別部３３と、形状可変ミラー４，５の変形情報として、フィルタ毎すなわち波長帯域毎に焦点距離および撮影距離に応じて、形状可変ミラー４，５の各電極間に印加する電圧をテーブルとして予め格納する記憶部３４と、形状可変ミラー４，５を駆動する形状可変ミラー駆動部３５と、全体の動作を制御する制御部３６とを有している。
【００４４】
本実施の形態では、焦点距離検出部３１で検出した焦点距離情報、撮影距離検出部３２で検出した撮影距離情報、およびフィルタ識別部３３で識別したフィルタ識別情報を制御部３６に取り込み、その取り込んだ情報に基づいて記憶部３４から対応する形状可変ミラー４，５の変形情報を読み出し、その読み出した変形情報に基づいて形状可変ミラー駆動部３５により形状可変ミラー４，５を駆動する。
【００４５】
本実施の形態によれば、形状可変ミラー４，５および結像レンズ６を、対物レンズ２および撮像素子７に対して光軸方向に移動可能にしたので、これによりフィルタ毎にピント合わせの粗調整を行うことができ、また、フィルタ毎に焦点距離および撮影距離に応じて形状可変ミラー４，５を駆動するようにしたので、これによりピント合わせの微調整すなわち軸上色収差を補正することができると共に、色球面収差を最小となるように補正することができる。したがって、波長帯域の変更に伴う色収差を、より正確に補正することができる。
【００４６】
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、幾多の変形または変更が可能である。例えば、上記実施の形態では、波長帯域の変更に伴う軸上色収差および色球面収差を補正するようにしたが、さらに色コマ収差等も同時に補正するようにして、さらに解像力に優れた分光画像を得るように構成することもできる。また、任意の複数種の色収差あるいは一種の色収差のみを補正するように構成することもできる。
【００４７】
さらに、結像光学系へのフィルタターレット３のフィルタの挿入位置は、第１実施の形態、第２実施の形態および第４実施の形態においては、対物レンズ２の前方、或いは結像レンズ６と撮像素子７との間とすることもでき、また、第３実施の形態においては、対物レンズ２の前方、或いは可変自由曲面レンズ２０と撮像素子７との間とすることもできる。
【００４８】
また、本発明は、特許文献１に開示のように、複数の狭帯域フィルタの各々を、透過状態と遮光状態とを切り替え可能に撮像光学系の光軸を中心に同心円状に配列した場合にも、有効に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の第１実施の形態に係る結像光学装置の結像光学系の構成を示す断面図である。
【図２】図１に示すフィルタターレットの構成を示す正面図である。
【図３】図１に示す形状可変ミラーの一例の概略構成を示す断面図である。
【図４】図３に示す基板電極の二つの例を示す平面図である。
【図５】波長帯域の異なるフィルタによる軸上色収差を説明するための図である。
【図６】本発明の第２実施の形態に係る結像光学装置の結像光学系の構成を示す断面図である。
【図７】同じく、第３実施の形態に係る結像光学装置の結像光学系の構成を示す断面図である。
【図８】同じく、第４実施の形態に係る結像光学装置の結像光学系の構成を示す断面図である。
【図９】第４実施の形態に係る結像光学装置の制御系の概略構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００５０】
１  鏡枠
１ａ  ガイド穴
１ｂ  回転用突起
２  対物レンズ
３  フィルタターレット
４，５  形状可変ミラー
６  結像レンズ
７  撮像素子
１１  モータ
１２−１〜１２−８  フィルタ
１５  基板
１６  可変ミラー膜
１７  基板電極
１８  可変ミラー電極
２０  可変自由曲面レンズ
２１  鏡枠
２１ａ  カムピン
２２  モータ
２２ａ  回転軸
２３  カム環
２３ａ  カム部
２３ｂ  ギア
２３ｃ  回転用溝
２４  ピニオンギア
３１  焦点距離検出部
３２  撮影距離検出部
３３  フィルタ識別部
３４  記憶部
３５  形状可変ミラー駆動部
３６  制御部
【図１】
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【図２】
2006234952.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2006234952.tif 000008
【図７】
2006234952.tif 000009
【図８】
2006234952.tif 000010
【図９】
2006234952.tif 000011