(57)【要約】【課題】撮像装置の構成に関わらず分光画像を取得可能とする光学モジュール及び撮像システムを提供する。【解決手段】光学モジュール２０は、互いに対向する一対の反射膜を有し、当該一対の反射膜のギャップ寸法に応じた波長の光を出射する波長可変干渉フィルター５と、入射光束を波長可変干渉フィルター５に導く負のパワーレンズ群としての入射側光学系２１１と、波長可変干渉フィルター５を透過した光束が入射される正のパワーレンズ群としての導光光学系２１２と、を備え、入射側光学系２１１は、入射光束を、一対の反射膜に直交する光軸Ｌ１（中心光軸）に対して主光線Ｌ２が平行で、かつ、当該主光線Ｌ２に対して拡散する光束として波長可変干渉フィルター５に導き、導光光学系２１２は、主光線Ｌ２に対して拡散する光束を平行光束とする。【選択図】図３
2015212750.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに対向する一対の反射膜を有し、前記一対の反射膜のギャップ寸法に応じた波長の光を出射する干渉フィルターと、
入射光束を前記干渉フィルターに導く負のパワーレンズ群と、
前記干渉フィルターを透過した光束が入射される正のパワーレンズ群と、を備え、
前記負のパワーレンズ群は、前記入射光束を、前記一対の反射膜に直交する中心光軸に対して主光線が平行で、かつ、当該主光線に対して拡散する光束として前記干渉フィルターに導き、
前記正のパワーレンズ群は、前記主光線に対して拡散する光束を平行光束とする
ことを特徴とする光学モジュール。
【請求項２】
請求項１に記載の光学モジュールにおいて、
前記負のパワーレンズ群は、前記主光線に対して所定角度以内で拡散する光束を前記干渉フィルターに導くことを特徴とする光学モジュール。
【請求項３】
請求項２に記載の光学モジュールにおいて、
前記所定角度は、５度であることを特徴とする光学モジュール。
【請求項４】
互いに対向する一対の反射膜を有し、前記一対の反射膜のギャップ寸法に応じた波長の光を出射する干渉フィルター、入射光束を前記干渉フィルターに導く負のパワーレンズ群、及び、前記干渉フィルターを透過した光束が入射される正のパワーレンズ群、を備える光学モジュールと、
画像を撮像する撮像素子、及び前記光学モジュールからの光を撮像素子に結像させる結像光学系を備え、前記光学モジュールが着脱可能に取り付けられる撮像装置と、を具備し、
前記負のパワーレンズ群は、前記入射光束を、前記一対の反射膜に直交する中心光軸に対して主光線が平行で、かつ、当該主光線に対して拡散する光束として前記干渉フィルターに導き、
前記正のパワーレンズ群は、前記主光線に対して拡散する光束を平行光束とする
ことを特徴とする撮像システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学モジュール及び撮像システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、一対の反射膜を互いに対向させ、入射光のうち一対の反射膜により多重干渉されて強め合った所定波長を透過させるファブリーペロー干渉フィルター（干渉フィルター）が知られている。また、このような干渉フィルターと、撮像素子と、干渉フィルターを透過した光を撮像素子に結像させる撮像光学系とを備え、分光画像を撮像する撮像装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−１４１８４２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に記載されるような撮像装置は、干渉フィルターが内蔵されており、当該干渉フィルターの特性に対して撮像光学系を設計しなければならなかった。すなわち、干渉フィルターは、入射される光の角度に応じて干渉光のピーク波長がシフトするため、干渉フィルターの分光精度を向上させるために干渉フィルターに対して所定の角度（例えば９０度）で光を入射させる必要がある。したがって、干渉フィルターに対して所定の角度で入射され、当該干渉フィルターを透過した光を撮像素子に結像させるための撮像光学系を設計しなければならず、撮像装置の設計及び製造に係るコストが増大するという問題があった。
【０００５】
また、撮像光学系が干渉フィルターの特性に対して設計されているため、分光画像を撮像する以外の用途（例えば、分光を行わない状態での撮像）には適しておらず、汎用性が低くなるおそれがあった。このように、撮像装置で、分光画像を取得可能としつつも、コストの増大や、汎用性の低下を抑制することは困難であった。
【０００６】
本発明は、撮像装置の構成に関わらず分光画像を取得可能とする光学モジュール及び撮像システム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】
【０００７】
本発明の光学モジュールは、互いに対向する一対の反射膜を有し、前記一対の反射膜のギャップ寸法に応じた波長の光を出射する干渉フィルターと、入射光束を前記干渉フィルターに導く負のパワーレンズ群と、前記干渉フィルターを透過した光束が入射される正のパワーレンズ群と、を備え、前記負のパワーレンズ群は、前記入射光束を、前記一対の反射膜に直交する中心光軸に対して主光線が平行で、かつ、当該主光線に対して拡散する光束として前記干渉フィルターに導き、前記正のパワーレンズ群は、前記主光線に対して拡散する光束を平行光束とすることを特徴とする。
【０００８】
本発明では、負のパワーレンズ群によって、干渉フィルターの中心光軸に対して、主光線の光軸が平行となるように光束を導くことにより、入射された光から対象波長を中心とした光を取り出すことができる。
また、負のパワーレンズ群によって、干渉フィルターの中心光軸に対して、主光線の光軸が平行となるように干渉フィルターに導かれた後、干渉フィルターを透過した光束を、正のパワーレンズ群により主光線に対して拡散した光束を平行光束とする。なお、この際、各光束は、負のパワーレンズ群に入射される際の中心光軸に対する角度に応じた角度の平行光束として、正のパワーレンズ群から出射される。このような構成により、光学モジュールの像側に接続する撮像装置の結像光学系の構成に関わらず、光学モジュールの入射光から対象波長について分光した光を当該撮像装置の結像光学系によって結像させることができる。
以上のように、本発明の光学モジュールを撮像装置の結像光学系の物体側に取り付けることにより、撮像装置の構成に関わらず、当該撮像装置によって分光画像を取得することができる。
【０００９】
本発明の光学モジュールにおいて、前記負のパワーレンズ群は、前記主光線に対して所定角度以内で拡散する光束を前記干渉フィルターに導くことが好ましい。
ここで、主光線に対して拡散する光束における上記角度とは、当該光束の主光線に対する拡がり角度（片側勾配）である。また、所定角度とは、干渉フィルターの干渉光のピークの半値幅の値が許容値以上となる角度の上限値である。干渉フィルターでは、拡散する光束の拡がり角度が大きくなると、半値幅が大きくなる。すなわち、所望の分解能に応じて半値幅の上限値が設定され、当該半値幅の上限値に応じて拡がり角度の上限値が設定される。
本発明では、光束の拡がり角度を所定角度以内とすることにより、干渉フィルターの干渉光のピークの半値幅を許容値以上とすることができる。これにより、半値幅の増大による測定波長の分解能の低下を抑制できる。
【００１０】
本発明の光学モジュールにおいて、前記所定角度は、５度であることが好ましい。
本発明では、上記拡がり角度（片側勾配）を５度以下とすることで、赤色波長域や、赤外波長域において、半値幅を許容値以上（例えば拡がり角度が０度の時に対する変化量が数パーセント以下）とすることができる。これにより、上記波長域において、半値幅の増大による測定波長の分解能の低下をより確実に抑制できる。
【００１１】
本発明の撮像システムは、互いに対向する一対の反射膜を有し、前記一対の反射膜のギャップ寸法に応じた波長の光を出射する干渉フィルター、入射光束を前記干渉フィルターに導く負のパワーレンズ群、及び、前記干渉フィルターを透過した光束が入射される正のパワーレンズ群、を備える光学モジュールと、画像を撮像する撮像素子、及び前記光学モジュールからの光を撮像素子に結像させる結像光学系を備え、前記光学モジュールが着脱可能に取り付けられる撮像装置と、を具備し、前記負のパワーレンズ群は、前記入射光束を、前記一対の反射膜に直交する中心光軸に対して主光線が平行で、かつ、当該主光線に対して拡散する光束として前記干渉フィルターに導き、前記正のパワーレンズ群は、前記主光線に対して拡散する光束を平行光束とすることを特徴とする。
【００１２】
本発明では、上記光学モジュールの発明と同様に、光学モジュールを撮像装置の結像光学系の物体側に取り付けることにより、撮像装置の構成に関わらず、当該撮像装置によって分光画像を取得することができる。すなわち、撮像装置の結像光学系を干渉フィルターに対して設計しなくてもよく、撮像装置としては、デジタルカメラやスマートフォン等の一般的に普及している撮像機能を有する装置を用いることができる。したがって、汎用性が高く、コストの増大を抑制可能な撮像システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一実施形態に係る分光カメラの概略構成を示す図。
【図２】本発明の一実施形態に係る分光カメラの概略構成を示すブロック図。
【図３】分光光学系及び結像光学系により導光された光束の光路を示す図。
【図４】波長可変干渉フィルターの概略構成を示す平面図。
【図５】波長可変干渉フィルターの概略構成を示す断面図。
【図６】入射側光学系から射出された逆コーン型の光束の光線形状を模式的に示す図。
【図７】逆コーン型の光束の片側勾配に対する、波長可変干渉フィルターを透過した透過光のピークの半値幅を示す図。
【図８】中心光軸に対して主光線が傾斜した逆コーン型の光束を模式的に示す図。
【図９】主光線の傾斜角度に対する、波長可変干渉フィルターの透過光のピーク波長変動量を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明に係る一実施形態について、図面に基づいて説明する。
［分光カメラの概略構成］
図１は、本発明の一実施形態に係る分光カメラの構成を示す概略図である。図２は、分光カメラの概略構成を示すブロック図である。
分光カメラ１は、本発明の撮像システムに相当し、撮像対象の複数波長に対する分光画像を撮像し、これらの分光画像に基づいて、分光スペクトルを取得する装置である。
本実施形態の分光カメラ１は、図１に示すように、撮像装置１０と、撮像装置１０に対して着脱可能に構成された光学モジュール２０とを備えている。分光カメラ１では、測定対象からの光（測定対象光）を光学モジュール２０で分光し、分光された光を撮像装置１０で撮像して分光画像を取得する。
【００１５】
［撮像装置の構成］
撮像装置１０は、図１に示すように、外装筐体１１と、撮像モジュール１２と、表示部１３と、操作部１４と、制御部１５と、を備えている。
外装筐体１１は、撮像装置１０を構成する各部材を収納する。また、外装筐体１１は、図示しないが、光学モジュール２０を着脱可能とする取付け部を備えている。
【００１６】
［撮像モジュールの構成］
撮像モジュール１２は、制御部１５の制御に応じて、入射光を受光し、画像を取得する。この撮像モジュール１２は、結像光学系１２１と、入射光を受光する撮像部１２２と、光源部１２３と、制御基板１２４と、を備えている。
【００１７】
結像光学系１２１は、後に詳述するが、複数のレンズにより構成され、対象物の像を撮像部１２２に結像する。なお、結像光学系１２１は、例えば制御部１５の制御やユーザー操作に応じて、レンズ間隔を調整可能に構成され、オートフォーカスや、画像の拡大縮小が可能である。
【００１８】
撮像部１２２は、本発明の撮像素子に相当し、例えばＣＣＤやＣＭＯＳ等のイメージセンサー等を用いることができる。撮像部１２２は、各画素に対応した光電素子を有し、各光電素子で受光された光量を各画素の光量とした分光画像（画像信号）を制御基板１２４を介して制御部１５に出力する。
光源部１２３は、測定対象波長を含む光を射出する例えばＬＥＤ等の光源である。光源部１２３は、制御基板１２４に接続され、制御部１５の制御やユーザー操作に応じて、点灯又は消灯される。
【００１９】
制御基板１２４は、撮像モジュール１２の動作を制御する回路基板であり、図２に示すように、結像光学系１２１、撮像部１２２、及び光源部１２３等に接続される。そして、制御基板１２４は、制御部１５から入力される制御信号に基づいて、各構成の動作を制御する。例えば、ユーザーによりズーム操作が行われると、制御基板１２４は、結像光学系１２１の所定のレンズを移動させたり、絞りの絞り径を変化させたりする。また、制御部１５からの制御信号に基づいて、光源部１２３の点灯制御や、撮像部１２２に撮像制御を実施する。
【００２０】
［表示部の構成］
表示部１３は、外装筐体１１の表示窓に面して設けられる。表示部１３としては、画像を表示可能な構成であればいかなるものであってもよく、例えば液晶パネルや有機ＥＬパネルなどを例示できる。また、本実施形態の表示部１３は、タッチパネルを備える構成とし、当該タッチパネルを操作部１４の一つとしてもよい。
【００２１】
［操作部の構成］
操作部１４は、上述のように、外装筐体１１に設けられるシャッターボタンや、表示部１３に設けられるタッチパネル等により構成される。ユーザーにより入力操作が行われると、操作部１４は、入力操作に応じた操作信号を制御部１５に出力する。なお、操作部１４としては、上記の構成に限られず、例えば、タッチパネルに代えて、複数の操作ボタン等が設けられる構成などとしてもよい。
【００２２】
［制御部の構成］
制御部１５は、例えばＣＰＵやメモリー等が組み合わされることで構成され、分光カメラ１の全体動作を制御する。この制御部１５は、図２に示すように、波長設定部１５１と、光量取得部１５２と、分光測定部１５３と、記憶部１５４と、を備えている。
【００２３】
波長設定部１５１は、後述する波長可変干渉フィルター５により取り出す光の目的波長を設定し、設定した目的波長を波長可変干渉フィルター５から取り出す旨の制御信号を後述する駆動制御部２２に出力する。
光量取得部１５２は、撮像部１２２により取得された分光画像に基づいて、波長可変干渉フィルター５を透過した目的波長の光の光量を取得する。
分光測定部１５３は、光量取得部１５２により取得された光量に基づいて、測定対象光のスペクトル特性を測定する。
【００２４】
記憶部１５４は、分光カメラ１の全体動作を制御するためのＯＳや、各種機能を実現するためのアプリケーション及びプログラムや、各種データが記憶される。また、記憶部１５４には、取得した分光画像、成分分析結果等を一時記憶する一時記憶領域を備える。
そして、記憶部１５４には、各種データとしては、波長可変干渉フィルター５の後述する静電アクチュエーター５６に印加する駆動電圧に対する、当該波長可変干渉フィルター５を透過する光の波長の関係を示すＶ−λデータが記憶される。また、記憶部１５４には、波長可変干渉フィルター５の測定対象波長を設定するためのプログラム等が記憶される。
【００２５】
［光学モジュールの構成］
光学モジュール２０は、図１に示すように、波長可変干渉フィルター５を備え、入射光を分光する分光光学系２１と、波長可変干渉フィルター５を透過する光の波長を設定する駆動制御部２２と、分光光学系２１及び駆動制御部２２を収納するモジュール筐体２３と、を備えている。
【００２６】
［分光光学系の構成］
図３は、光学モジュール２０に設けられた分光光学系２１、及び撮像モジュール１２に設けられた結像光学系１２１の概略構成を示す図である。
図３に示す分光光学系２１は、上述のように、波長可変干渉フィルター５と、入射側光学系２１１と、導光光学系２１２と、を備えたアフォーカル光学系として構成される。この分光光学系２１は、入射側光学系２１１により、波長可変干渉フィルター５の後述する各反射膜５４，５５に直交する光軸Ｌ１（本発明の中心光軸に相当）に対して入射光束の主光線を平行にした状態で波長可変干渉フィルター５に入射させる。その後、分光光学系２１は、導光光学系２１２により波長可変干渉フィルター５の透過光束を平行光束として、撮像装置１０側の結像光学系１２１に入射させる。なお、入射側光学系２１１及び導光光学系２１２については後に詳述する。
【００２７】
［波長可変干渉フィルターの構成］
図４は、波長可変干渉フィルターの概略構成を示す平面図である。図５は、図４のＶ−Ｖ線を断面した際の波長可変干渉フィルターの断面図である。
波長可変干渉フィルター５は、本発明の分光フィルターに相当し、波長可変型のファブリーペローエタロンである。この波長可変干渉フィルター５は、例えば矩形板状の光学部材であり、厚み寸法が例えば５００μｍ程度に形成される固定基板５１と、厚み寸法が例えば２００μｍ程度に形成される可動基板５２を備えている。これらの固定基板５１及び可動基板５２は、それぞれ例えば、ソーダガラス、結晶性ガラス、石英ガラス、鉛ガラス、カリウムガラス、ホウケイ酸ガラス、無アルカリガラスなどの各種ガラスや、水晶などにより形成されている。そして、これらの固定基板５１及び可動基板５２は、固定基板５１の第一接合部５１３及び可動基板の第二接合部５２３が、例えばシロキサンを主成分とするプラズマ重合膜などにより構成された接合膜５３（第一接合膜５３１及び第二接合膜５３２）により接合されることで、一体的に構成されている。
【００２８】
固定基板５１には、固定反射膜５４が設けられ、可動基板５２には、可動反射膜５５が設けられている。これらの固定反射膜５４及び可動反射膜５５は、ギャップＧ１を介して対向配置されている。そして、波長可変干渉フィルター５には、このギャップＧ１の寸法を調整（変更）するのに用いられる静電アクチュエーター５６が設けられている。
また、波長可変干渉フィルター５を固定基板５１（可動基板５２）の基板厚み方向から見た図４に示すような平面視（以降、フィルター平面視と称する）において、固定基板５１及び可動基板５２の平面中心点Ｏは、固定反射膜５４及び可動反射膜５５の中心点と一致し、かつ後述する可動部５２１の中心点と一致するものとする。
【００２９】
（固定基板の構成）
固定基板５１には、エッチングにより電極配置溝５１１及び反射膜設置部５１２が形成されている。この固定基板５１は、可動基板５２に対して厚み寸法が大きく形成されており、固定電極５６１及び可動電極５６２間に電圧を印加した際の静電引力や、固定電極５６１の内部応力による固定基板５１の撓みはない。
また、固定基板５１の頂点Ｃ１には、切欠部５１４が形成されており、波長可変干渉フィルター５の固定基板５１側に、後述する可動電極パッド５６４Ｐが露出する。
【００３０】
電極配置溝５１１は、フィルター平面視で、固定基板５１の平面中心点Ｏを中心とした環状に形成されている。反射膜設置部５１２は、前記平面視において、電極配置溝５１１の中心部から可動基板５２側に突出して形成されている。この電極配置溝５１１の溝底面は、固定電極５６１が配置される電極設置面５１１Ａとなる。また、反射膜設置部５１２の突出先端面は、反射膜設置面５１２Ａとなる。
また、固定基板５１には、電極配置溝５１１から、固定基板５１の外周縁の頂点Ｃ１，頂点Ｃ２に向かって延出する電極引出溝５１１Ｂが設けられている。
【００３１】
電極配置溝５１１の電極設置面５１１Ａには、静電アクチュエーター５６を構成する固定電極５６１が設けられている。より具体的には、固定電極５６１は、電極設置面５１１Ａのうち、後述する可動部５２１の可動電極５６２に対向する領域に設けられている。また、固定電極５６１上に、固定電極５６１及び可動電極５６２の間の絶縁性を確保するための絶縁膜が積層される構成としてもよい。
そして、固定基板５１には、固定電極５６１の外周縁から、頂点Ｃ２方向に延出する固定引出電極５６３が設けられている。この固定引出電極５６３の延出先端部（固定基板５１の頂点Ｃ２に位置する部分）は、駆動制御部２２に接続される固定電極パッド５６３Ｐを構成する。
なお、本実施形態では、電極設置面５１１Ａに１つの固定電極５６１が設けられる構成を示すが、例えば、平面中心点Ｏを中心とした同心円となる２つの電極が設けられる構成（二重電極構成）などとしてもよい。
【００３２】
反射膜設置部５１２は、上述したように、電極配置溝５１１と同軸上で、電極配置溝５１１よりも小さい径寸法となる略円柱状に形成され、当該反射膜設置部５１２の可動基板５２に対向する反射膜設置面５１２Ａを備えている。
この反射膜設置部５１２には、図５に示すように、固定反射膜５４が設置されている。この固定反射膜５４としては、例えばＡｇ等の金属膜や、Ａｇ合金等の合金膜を用いることができる。また、例えば高屈折層をＴｉＯ２、低屈折層をＳｉＯ２とした誘電体多層膜を用いてもよい。さらに、誘電体多層膜上に金属膜（又は合金膜）を積層した反射膜や、金属膜（又は合金膜）上に誘電体多層膜を積層した反射膜、単層の屈折層（ＴｉＯ２やＳｉＯ２等）と金属膜（又は合金膜）とを積層した反射膜などを用いてもよい。
【００３３】
また、固定基板５１の光入射面（固定反射膜５４が設けられない面）には、固定反射膜５４に対応する位置に反射防止膜を形成してもよい。この反射防止膜は、低屈折率膜及び高屈折率膜を交互に積層することで形成することができ、固定基板５１の表面での可視光の反射率を低下させ、透過率を増大させる。
【００３４】
そして、固定基板５１の可動基板５２に対向する面のうち、エッチングにより、電極配置溝５１１、反射膜設置部５１２、及び電極引出溝５１１Ｂが形成されない面は、第一接合部５１３を構成する。この第一接合部５１３には、第一接合膜５３１が設けられ、この第一接合膜５３１が、可動基板５２に設けられた第二接合膜５３２に接合されることで、上述したように、固定基板５１及び可動基板５２が接合される。
【００３５】
（可動基板の構成）
可動基板５２は、図４に示すフィルター平面視において、平面中心点Ｏを中心とした円形状の可動部５２１と、可動部５２１と同軸であり可動部５２１を保持する保持部５２２と、保持部５２２の外側に設けられた基板外周部５２５と、を備えている。
また、可動基板５２には、図４に示すように、頂点Ｃ２に対応して、切欠部５２４が形成されており、波長可変干渉フィルター５を可動基板５２側から見た際に、固定電極パッド５６３Ｐが露出する。
【００３６】
可動部５２１は、保持部５２２よりも厚み寸法が大きく形成され、例えば、本実施形態では、可動基板５２の厚み寸法と同一寸法に形成されている。この可動部５２１は、フィルター平面視において、少なくとも反射膜設置面５１２Ａの外周縁の径寸法よりも大きい径寸法に形成されている。そして、この可動部５２１には、可動電極５６２及び可動反射膜５５が設けられている。
なお、固定基板５１と同様に、可動部５２１の固定基板５１とは反対側の面には、反射防止膜が形成されていてもよい。このような反射防止膜は、低屈折率膜及び高屈折率膜を交互に積層することで形成することができ、可動基板５２の表面での可視光の反射率を低下させ、透過率を増大させることができる。
【００３７】
可動電極５６２は、ギャップＧ２を介して固定電極５６１に対向し、固定電極５６１と同一形状となる環状に形成されている。この可動電極５６２は、固定電極５６１とともに静電アクチュエーター５６を構成する。また、可動基板５２には、可動電極５６２の外周縁から可動基板５２の頂点Ｃ１に向かって延出する可動引出電極５６４を備えている。この可動引出電極５６４の延出先端部（可動基板５２の頂点Ｃ１に位置する部分）は、駆動制御部２２に接続される可動電極パッド５６４Ｐを構成する。
可動反射膜５５は、可動部５２１の可動面５２１Ａの中心部に、固定反射膜５４とギャップＧ１を介して対向して設けられる。この可動反射膜５５としては、上述した固定反射膜５４と同一の構成の反射膜が用いられる。
なお、本実施形態では、上述したように、ギャップＧ２がギャップＧ１の寸法よりも大きい例を示すがこれに限定されない。例えば、測定対象光として赤外線や遠赤外線を用いる場合等、測定対象光の波長域によっては、ギャップＧ１の寸法が、ギャップＧ２の寸法よりも大きくなる構成としてもよい。
【００３８】
保持部５２２は、可動部５２１の周囲を囲うダイアフラムであり、可動部５２１よりも厚み寸法が小さく形成されている。このような保持部５２２は、可動部５２１よりも撓みやすく、僅かな静電引力により、可動部５２１を固定基板５１側に変位させることが可能となる。この際、可動部５２１が保持部５２２よりも厚み寸法が大きく、剛性が大きくなるため、保持部５２２が静電引力により固定基板５１側に引っ張られた場合でも、可動部５２１の形状変化が起こらない。したがって、可動部５２１に設けられた可動反射膜５５の撓みも生じず、固定反射膜５４及び可動反射膜５５を常に平行状態に維持することが可能となる。
なお、本実施形態では、ダイアフラム状の保持部５２２を例示するが、これに限定されず、例えば、平面中心点Ｏを中心として、等角度間隔で配置された梁状の保持部が設けられる構成などとしてもよい。
【００３９】
基板外周部５２５は、上述したように、フィルター平面視において保持部５２２の外側に設けられている。この基板外周部５２５の固定基板５１に対向する面は、第一接合部５１３に対向する第二接合部５２３を備えている。そして、この第二接合部５２３には、第二接合膜５３２が設けられ、上述したように、第二接合膜５３２が第一接合膜５３１に接合されることで、固定基板５１及び可動基板５２が接合されている。
【００４０】
このように構成された波長可変干渉フィルター５は、各反射膜５４，５５と分光光学系２１に設定されている光軸Ｌ１とが直交するように（図５参照）、当該分光光学系２１の光軸Ｌ１上の所定の位置に配置される。
なお、本実施形態では、図５に示すように、光軸Ｌ１が平面中心点Ｏを通過しているが、平面中心点Ｏを通過していなくてもよく、波長可変干渉フィルター５への入射光束の入射範囲が、各反射膜５４，５５が対向する領域に少なくとも重なるように、光軸Ｌ１に対して波長可変干渉フィルター５の位置を設定すればよい。
【００４１】
［駆動制御部］
駆動制御部２２は、制御部１５からの指令信号に基づいて、波長可変干渉フィルター５の静電アクチュエーター５６に対して駆動電圧を印加する。これにより、静電アクチュエーター５６の固定電極５６１及び可動電極５６２間で静電引力が発生し、可動部５２１が固定基板５１側に変位する。波長可変干渉フィルター５のギャップＧ１の寸法が、目的波長に対応する値に設定される。
【００４２】
［入射側光学系の構成］
図３に示すように、入射側光学系２１１は、複数のレンズ等の光学部品を含む負のパワーレンズ群である。この入射側光学系２１１は、撮像対象の各点に対応する光束を逆コーン型の光束（図６参照）に変換するとともに、光軸Ｌ１に対して各光束の主光線を略平行な状態に揃えて波長可変干渉フィルター５に導く。
【００４３】
図６は、逆コーン型の光束の一例を示す模式図である。また、図７は、逆コーン型の光束の片側勾配φと、波長可変干渉フィルター５から透過された透過光の半値幅（ｎｍ）との関係の一例を示すグラフである。なお、図７では、測定対象波長として６００ｎｍ、８００ｎｍ及び１１００ｎｍの各波長について示している。
入射側光学系２１１は、上述のように、撮像対象の各点からの光束を主光線に対して所定の拡がり角度（図６に示す片側勾配φ）で拡散する光束に変換する。
【００４４】
ここで、波長可変干渉フィルター５から透過された透過光のピークに対する半値幅は、図７に示すように、片側勾配φの値が５度以下の場合に変化が小さい。一方、当該半値幅は、片側勾配φの値が５度を超えると変化が大きくなる。したがって、片側勾配φの値が５度以下に設定することが好ましく、半値幅の変動による波長可変干渉フィルター５の分解能の低下を抑制できる。
【００４５】
なお、測定対象波長によって片側勾配φの許容範囲が異なる。例えば、測定対象波長が６００ｎｍの場合よりも１１００ｎｍの場合の方が、片側勾配φの変化に対する半値幅の変化量が大きい。図示例では、測定対象波長が６００ｎｍ及び８００ｎｍの場合は、片側勾配φが１０度の場合に半値幅の変動量が２０％以下となるのに対して、測定対象波長が１１００ｎｍの場合は、変動量が２０％を超えてしまう。
したがって、測定対象波長域や波長可変干渉フィルター５の特性等の測定条件に応じて、片側勾配φの値の上限値を設定することにより、当該測定条件において、透過光の半値幅を許容範囲に設定することができる。例えば、赤色波長域（例えば６００〜８００ｎｍの波長域）及び赤外域（例えば８００ｎｍ以上の波長域）の広い範囲において、片側勾配φの値が５度以下に設定することにより、透過光の半値幅を許容範囲に設定することができる。
【００４６】
図８は、光軸Ｌ１に対して主光線Ｌ２が傾いた状態の逆コーン型の光束を模式的に示す図である。また、図９は、主光線Ｌ２の光軸Ｌ１に対する傾斜角度θと、波長可変干渉フィルター５を透過した透過光のピーク波長の変動量との関係を示すグラフである。なお、図９において、波長可変干渉フィルターに入射する逆コーン型の光束の片側勾配φは図８に示すように５度に設定されているものとする。
入射側光学系２１１は、上述のように入射された光束の主光線を光軸Ｌ１に略平行とした状態で波長可変干渉フィルター５に導く。換言すると、入射側光学系２１１は、入射された光束を、主光線が固定反射膜５４に対して略直交するように波長可変干渉フィルター５に入射させる。図８に示すように、逆コーン型の光束の主光線Ｌ２が光軸Ｌ１に対して傾斜角度θの関係である場合、この主光線Ｌ２の光軸Ｌ１に対する傾斜角度θが波長可変干渉フィルター５への入射角度でもある。
【００４７】
図９に示すように、傾斜角度θ（すなわち入射角度）が大きくなるにしたがって、波長可変干渉フィルター５を透過する透過光のピーク波長の変動量が増大する。また、波長が大きくなるにしたがって、ピーク波長の変動量も増大する。したがって、入射側光学系２１１のレンズ設計においては、波長可変干渉フィルター５を透過させたい波長域に対して、どの程度のピーク波長の変動量を許容できるかにより、主光線Ｌ２の傾斜角度θを適宜設定すればよい。
例えば、１１００ｎｍの光を波長可変干渉フィルター５に入射させる場合、入射角度が２．７度ずれることで、ピーク波長が１ｎｍ変動してしまう。したがって、１１００ｎｍ以下の波長域に対して波長可変干渉フィルター５により分光させる際、主光線の入射角度によるピーク波長の変動量を１ｎｍ以下に抑えたい場合では、主光線の光軸Ｌ１の傾きを３．３５度以内に設定する。
【００４８】
［導光光学系の構成］
導光光学系２１２は、図３に示すように、複数のレンズ等の光学部品を含む正のパワーレンズ群である。この導光光学系２１２は、負のパワーレンズ群である入射側光学系２１１によって発散する光束とされた波長可変干渉フィルター５からの透過光を平行光束とする。
【００４９】
また、導光光学系２１２は、各光束の光軸Ｌ１に対する角度を、入射側光学系２１１に入射する際の各光束の光軸Ｌ１に対する角度に応じた角度となるように、平行光束の角度を変更する。例えば、光軸Ｌ１に沿って入射側光学系２１１に入射した光束は、同様に光軸Ｌ１に沿った光束として導光光学系２１２から出射される。また、導光光学系２１２から出射される光束の光軸Ｌ１の角度は、入射側光学系２１１に入射される際の光軸Ｌ１に対する角度が大きいほど、大きくなる。
【００５０】
なお、結像光学系１２１は、図３に示すように、導光光学系２１２からの光を、対象物の像として撮像部１２２に結像させる。結像光学系１２１は、カバーガラス１２１Ａと、絞り及びレンズを含むレンズ群１２１Ｂと、を備え、複数の光学部品を含み構成される。この、結像光学系１２１は、例えば制御部１５の制御やユーザー操作に応じて、レンズ間隔を調整可能に構成され、オートフォーカスや、取得画像の拡大縮小が可能である。
【００５１】
［分光光学系の機能］
このように構成された分光光学系２１では、負のパワーレンズ群として構成される入射側光学系２１１により、波長可変干渉フィルター５に入射される各光束の主光線Ｌ２が光軸Ｌ１に略平行となる（すなわち波長可変干渉フィルター５に略直交する）。この際、各光束は、主光線に対して所定の拡がり角度で拡散する光束となる。そして、分光光学系２１では、正のパワーレンズ群として構成される導光光学系２１２により、上記のように拡散する光束を平行光束とする。
【００５２】
なお、本実施形態の分光光学系２１において、導光光学系２１２から出射される平行光束の光軸Ｌ１に対する角度は、入射側光学系２１１に入射される入射光束のうちの対応する入射光束の光軸Ｌ１に対する角度に応じた値となる。具体的には、入射側光学系２１１に入射される光束のうち、光軸Ｌ１に対する角度が大きい光束ほど、当該光軸Ｌ１に対する角度が大きい光束として導光光学系２１２から出射される。したがって、撮像装置１０の結像光学系１２１に、導光光学系２１２から出射される平行光束を入射させることで、対象物の像が撮像部１２２に結像される。
【００５３】
また、分光光学系２１において、負のパワーレンズ群として構成される入射側光学系２１１と、正のパワーレンズ群として構成される導光光学系２１２と、を備え、撮像装置１０の結像光学系の焦点距離を短縮している。これにより、撮像装置１０に予め設定されている画角よりも、分光カメラ１の画角が大きくなる。すなわち、分光光学系２１は、ワイドコンバージョンレンズとしても機能する。
【００５４】
［実施形態の作用効果］
上述のように構成された分光カメラ１において、光学モジュール２０は、負のパワーレンズ群としての入射側光学系２１１によって、光軸Ｌ１に対して、主光線の光軸が平行となるように光束を導くことにより、入射された光束から測定対象波長を中心とした光を取り出すことができる。
また、入射側光学系２１１によって、波長可変干渉フィルター５の光軸Ｌ１に対して、主光線の光軸が平行となるように波長可変干渉フィルター５に導かれた後、波長可変干渉フィルター５を透過した光束を、正のパワーレンズ群としての導光光学系２１２により主光線に対して拡散した光束を平行光束とする。なお、この際、各光束は、導光光学系２１２に入射される際の光軸Ｌ１に対する傾斜角度θに応じた角度（光軸Ｌ１に対する傾き）の平行光束として、導光光学系２１２から出射される。これにより、像側に接続される撮像装置１０の結像光学系１２１の構成に関わらず、当該撮像装置１０の結像光学系１２１によって結像可能となる。
以上のように、光学モジュール２０を撮像装置１０の結像光学系１２１の物体側に取り付けることにより、撮像装置１０の構成に関わらず、当該撮像装置１０によって分光画像を取得することができる。
また、撮像装置１０の結像光学系１２１を波長可変干渉フィルター５に対して設計しなくてもよく、撮像装置１０としては、デジタルカメラやスマートフォン等の一般的に普及している撮像機能を有する装置を用いることができる。したがって、汎用性の高く、コストの増大を抑制可能な撮像システムとしての分光カメラ１を提供することができる。
【００５５】
また、光学モジュール２０では、結像光学系１２１によって拡散される光束の拡がり角度（片側勾配φ）が所定角度以内となるように、結像光学系１２１を設計する。これにより、干渉フィルターの干渉光のピークの半値幅を許容値以上とすることができる。したがって、半値幅の増大による測定波長の分解能の低下を抑制できる。
特に、拡がり角度（片側勾配）を５度以下とすることで、赤色波長域や、赤外波長域において、半値幅を許容値とすることができる。これにより、上記波長域において、半値幅の増大による測定波長の分解能の低下をより確実に抑制できる。
【００５６】
［実施形態の変形］
本発明は上記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。
例えば、上記各実施形態では、分光システムとして、撮像装置に本発明の光学モジュールを取り付けることで構成された分光カメラを例示したが、本発明はこれに限定されない。例えば、測定結果に基づいて分光スペクトルを取得する分光測定装置や、撮像対象の成分分析等を実施する分析装置等にも本発明を適用することができる。
【００５７】
上記実施形態では、光学モジュール２０の分光光学系２１の光軸Ｌ１から波長可変干渉フィルター５を退避させる退避機構を備える構成としてもよい。このような構成では、上述のようにワイドコンバージョンレンズとしての機能を有する分光光学系２１の光軸Ｌ１から、波長可変干渉フィルター５を退避させることができる。これにより、分光光学系２１を分光機能を有さない、単なるワイドコンバージョンレンズとしても機能させることができる。また、分光光学系２１における分光機能の有無の切替が容易となる。これにより、分光カメラ１において、通常の撮像画像を撮像する通常モードと、分光画像を撮像する分光モードとの切り替えを容易とすることができる。これにより、分光カメラ１を通常のカメラとしても使用することが容易となり、汎用性を一層向上させることができる。
【００５８】
上記実施形態では、撮像装置１０が備える制御部１５が、波長可変干渉フィルター５の動作を制御する構成を例示したが、本発明はこれに限定されない。例えば、光学モジュール２０が、波長設定部１５１を備える構成でもよい。
また、上記実施形態では、波長可変干渉フィルター５に駆動電圧を印加する駆動制御部２２が光学モジュール２０に設けられる構成を例示したが、本発明はこれに限定されない。例えば、撮像装置１０が、駆動制御部２２を備える構成でもよい。
【００５９】
上記実施形態において、波長可変干渉フィルター５がパッケージ内に収納された状態で光学モジュール２０に組み込まれる構成としてもよい。この場合、パッケージ内を真空密閉することで、波長可変干渉フィルター５の静電アクチュエーター５６に電圧を印加した際の駆動応答性を向上させることができる。
【００６０】
上記実施形態では、固定電極５６１及び可動電極５６２の間に電圧が印加されることで、保持部５２２を撓ませて可動部５２１を変位させる静電アクチュエーター５６を例示したがこれに限らない。例えば、固定電極５６１の代わりに、第一誘導コイルを配置し、可動電極５６２の代わりに第二誘導コイル又は永久磁石を配置した誘導アクチュエーターを用いる構成としてもよい。
さらに、静電アクチュエーター５６の代わりに圧電アクチュエーターを用いる構成としてもよい。この場合、例えば保持部５２２に下部電極層、圧電膜、及び上部電極層を積層配置させ、下部電極層及び上部電極層の間に印加する電圧を入力値として可変させることで、圧電膜を伸縮させて保持部５２２を撓ませることができる。
【００６１】
上記実施形態において、ファブリーペローエタロンとして、固定基板５１及び可動基板５２が互いに対向する状態で接合され、固定基板５１に固定反射膜５４が設けられ、可動基板５２に可動反射膜５５が設けられる波長可変干渉フィルター５を例示したが、これに限らない。
例えば、固定基板５１及び可動基板５２が接合されておらず、これらの基板間に圧電素子等の反射膜間ギャップを変更するギャップ変更部が設けられる構成などとしてもよい。
また、２つ基板により構成される構成に限られない。例えば、１つの基板上に犠牲層を介して２つの反射膜を積層し、犠牲層をエッチング等により除去してギャップを形成した波長可変干渉フィルターを用いてもよい。
【００６２】
上記実施形態では、ダイアフラム状の保持部５２２を例示したが、例えば、梁構造の保持部を複数設け、これらの梁構造の保持部により可動部５２１を保持する構成としてもよい。この場合、梁構造の保持部の撓みバランスを均一にするため、平面中心点Ｏに対して点対称となる保持部を設けることが好ましい。
【００６３】
上記実施形態では、干渉フィルターとして、選択波長を変更可能な波長可変干渉フィルター５を例示したが、本発明はこれに限定されず、所定波長の光のみを選択的に取り出せるファブリーペローフィルターを用いてもよい。
【００６４】
その他、本発明の実施の際の具体的な構造は、本発明の目的を達成できる範囲で上記実施形態及び変形例を適宜組み合わせることで構成してもよく、また他の構造などに適宜変更してもよい。
【符号の説明】
【００６５】
１…分光カメラ（撮像システム）、５…波長可変干渉フィルター（干渉フィルター）、１０…撮像装置、２０…光学モジュール、５４…固定反射膜、５５…可動反射膜、１２１…結像光学系、１２２…撮像部（撮像素子）、２１１…入射側光学系（負のパワーレンズ群）、２１２…導光光学系（正のパワーレンズ群）。
【図１】
2015212750.tif 000003
【図２】
2015212750.tif 000004
【図３】
2015212750.tif 000005
【図４】
2015212750.tif 000006
【図５】
2015212750.tif 000007
【図６】
2015212750.tif 000008
【図７】
2015212750.tif 000009
【図８】
2015212750.tif 000010
【図９】
2015212750.tif 000011