(57)【要約】【課題】結像光学系において画像の明るさを損なわずに、かつ結像側での空間解像度を高く保ったまま透過波長を狭帯域化できる狭帯域透過フィルタを提供する。【解決手段】少なくとも２つのレンズ１１，１２で構成されたリレーレンズ１０の間に干渉フィルタ２０を介在させた狭帯域透過フィルタ１とすることで、像側テレセントリックによる従来例のように被写体を常に明るく照射する必要はなく、またマイクロレンズアレイのように解像度を原理的に制限するようなものも無くなる。これによって光学系の設計次第では理論的な限界まで解像度を上げることが可能となり、かつ所望の狭帯域透過特性を得ることができる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも２つのレンズで構成されたリレーレンズの間に干渉フィルタを介在させたことを特徴とする狭帯域透過フィルタ。
【請求項２】
少なくとも２つのレンズで構成されたリレーレンズの間に干渉フィルタを介在させた狭帯域透過フィルタであって、
当該狭帯域透過フィルタを介して透過させたい光線の波長帯域の上限が、光線最大入射角度における干渉フィルタの透過中心波長と干渉フィルタの許容透過率に対応する透過波長帯域の半幅との和以下であり、かつ  当該狭帯域透過フィルタを介して透過させたい光線の波長帯域の下限が、光線入射角度０°における干渉フィルタの透過中心波長と干渉フィルタの許容透過率に対応する透過波長帯域の半幅との差以上であることを特徴とする狭帯域透過フィルタ。
【請求項３】
請求項１に記載の狭帯域透過フィルタをマウント付きレンズアッセンブリとして構成したことを特徴とする狭帯域透過フィルタアッセンブリ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、例えばレーザ光を使った光切断法などの結像光学系への使用に適した狭帯域透過フィルタに関する。
【０００２】
【従来の技術】
被写体を撮像するに際して、外乱光による光学的なノイズの影響を低減するために被写体から発せられる特定の波長の光のみを検出する様々な方法が従来から知られている。このとき、測定対象光のスペクトルが予め分かっている場合には、外乱光との間でのＳ／Ｎ比を向上させるために、透過光の帯域制限を行う光学フィルタを用いることが多い。
【０００３】
これに用いる一定範囲の波長の光だけを透過させる光学フィルタとして例えば色ガラスフィルタがある。これは色ガラスフィルタに含まれる色素によってある波長帯域の光が吸収される原理を利用したもので、例えば赤い色ガラスフィルタであると赤に関連するかなり広い範囲の波長の光を透過する。このように光の透過波長帯域が広くても問題ない場合には色ガラスフィルタなども使われるが、透過波長帯域が狭い場合にはもっぱら干渉フィルタが用いられる。測定対象光の帯域が狭い場合の例としては、例えば測定対象物を照らす光源としてレーザ光など単一スペクトルもしくは狭帯域の光源を用いる場合や、測定対象物から発せられる特定の波長の光のみを観測したい場合などがある。
【０００４】
干渉フィルタを使う上での問題点として、干渉フィルタへの入射角に応じて透過波長帯域が変化してしまうことが挙げられる。通常、干渉フィルタは入射角φ＝０°として設計されるが、入射角φが大きくなるにつれて、入射角φ＝０°の場合に比べて透過波長帯域が短波長側へシフトする性質がある。具体的には入射角φに対する透過中心波長λφは次のように表される。
λφ＝λ０｛１−（ｎ／ｎ’）２ｓｉｎ２φ｝１／２…（１）
λ０：入射角が０°の時の透過中心波長
ｎ：干渉フィルタの周囲の屈折率（通常は空気のためｎ＝１）
ｎ’：干渉フィルタの干渉膜の屈折率
例えば、天体望遠鏡のように画角が極めて狭い場合には対物レンズの外側に干渉フィルタを置くだけで干渉フィルタの設計値どおりの透過波長帯域を得ることができる。
【０００５】
しかしながら、カメラの広角レンズのように、画角が数十度にも及ぶ場合、光学系の内部に干渉フィルタを設置しようとしても、干渉フィルタへ入る光線の入射角を０°若しくは十分小さいとみなされるように配置できる場所は、通常の広角光学系には存在しない。従って、干渉フィルタをこの光学系の何れかの部分に無理に挿入したとしても、上述のように透過波長がシフトしてしまう部分が残るため、撮像光学系全体において目的とする狭帯域の波長のみを透過させることが不可能となる。なお、このような問題点を解決する従来技術としていくつかの方法が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００６】
【特許文献１】
特開平７−４９４１７号公報（第２−３頁、図１）
【発明が解決しようとする課題】
上述した広角の結像光学系で干渉フィルタを用いながら透過波長を所望の波長に狭帯域化する公知の具体的構成とその欠点について以下に説明する。
【０００７】
第１の従来構成としては、図８に示すように、光学系を像側テレセントリックに設計することで像側の光をほぼ平行光にし、この平行光となっている部分に干渉フィルタを配置した構成が挙げられる。
【０００８】
第１の従来構成は、被写体Ｍから出た光をピンホール１０１を介してピンホール１０１から焦点距離ｆの位置に配置されたレンズ１０２に入光させ、これによって光を平行光とし、この平行光を干渉フィルタ１０３を透過させながら撮像素子１０４に結像させる構成をとっている。
【０００９】
しかしながら、第１の従来構成では、光軸と平行光を形成するに当って必ずピンホール１０１を用いなければならず、画像が暗くなるという欠点がある。従って、常に強い光を対象物に当てながら撮像すれば良いが、実際の撮像条件は常にこのような好条件にあるとはいえず、対象物が暗くて明るい光学系が必要とされる場合には使用に適さないという欠点がある。
【００１０】
一方、特許文献１に記載の第２の従来構成としては、図９及び図１０に示すように、マイクロレンズアレイを使って像からの光線を平行光にし、この平行光となっている部分に干渉フィルタを配置した構成が挙げられる。具体的には、図９に示すように、結像用レンズ２０１と可視部検出素子アレイ（撮像素子）２０５との間に第１のマイクロレンズ２０２、干渉フィルタ２０３、及び第２のマイクロレンズ２０４を配置した構成を備えている。そして、被写体（図示せず）から出た光を結像用レンズ２０１を介して第１のマイクロレンズ２０２に入光することで平行光化し、この平行光を干渉フィルタ２０３を介して第２のマイクロレンズ２０４に入光させ、これによって再び可視部検出素子アレイ２０５に結像させるようになっている。
【００１１】
なお、図１０に示すように、第１のマイクロレンズ２０２は、厚さ１．５λ（λは透過すべき光の波長）のマイクロレンズエレメント２０２ａを多数互いに密着させた状態で平行配置した構成をとっており、第２のマイクロレンズ２０４は、厚さ１．２λのマイクロレンズエレメント２０４ａを多数互いに密着させた状態で平行配置した構成をとっている。
【００１２】
かかる第２の従来構成では、所望の特性の結像光学系とするためには可視部検出素子アレイ２０５の画素よりもマイクロレンズ２０２，２０４の各レンズエレメント２０２ａ，２０４ａの径を十分小さくする必要がある。具体的には、この従来構成によると像が一本一本のマイクロレンズエレメント２０２ａ，２０４ａごとに離散化される（粒々になる）。その為、マイクロレンズエレメント２０２ａ，２０４ａのピッチが撮像素子の解像度より十分に細かいとはいえない場合、撮像素子に写る像が空間的に離散化してしまい撮像素子の解像度が損なわれることになる。
【００１３】
その為、細かい撮像素子を備えた高解像度のカメラを用いる場合、マイクロレンズのレンズエレメント径を極めて小さくしなければならず、コスト高を招くとともに技術的な限界も生じる場合がある。
【００１４】
本発明の目的は、結像光学系において画像の明るさを損なわずに、かつ結像側での空間解像度を高く保ったまま透過波長を狭帯域化できる狭帯域透過フィルタを提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上述の課題を解決するために、本発明にかかる狭帯域透過フィルタは、少なくとも２つのレンズで構成されたリレーレンズの間に干渉フィルタを介在させたことを特徴としている。
【００１６】
本発明にかかる狭帯域透過フィルタは像側テレセントリックレンズやマイクロレンズを用いる代わりにリレーレンズを用いて、このリレーレンズの間に干渉フィルタを介在させている。そのため、像側テレセントリックレンズによる従来例のように被写体を常に明るく照射する必要はなく、撮像条件に制約を受けない。また、マイクロレンズアレイのような解像度を原理的に制限するものが無いため、マイクロレンズのエレメント径に起因する解像度の制約を受けなくて済む。これによって光学系の設計次第では理論的な限界まで解像度を上げることが可能となり、かつ所望の狭帯域透過特性を得ることができる。
【００１７】
また、本発明の請求項２に記載の狭帯域透過フィルタは、少なくとも２つのレンズで構成されたリレーレンズの間に干渉フィルタを介在させた狭帯域透過フィルタであって、当該狭帯域透過フィルタを介して透過させたい光線の波長帯域の上限が、光線最大入射角度における干渉フィルタの透過中心波長と干渉フィルタの許容透過率に対応する透過波長帯域の半幅との和以下であり、かつ当該狭帯域透過フィルタを介して透過させたい光線の波長帯域の下限が、光線入射角度０°における干渉フィルタの透過中心波長と干渉フィルタの許容透過率に対応する透過波長帯域の半幅との差以上であることを特徴としている。
【００１８】
請求項１に記載の作用に加えて以下の作用を有している。具体的には、リレーレンズを用いた結像光学系において、リレーレンズの間に干渉フィルタを介在させた場合、干渉フィルタへの入射角を完全に０°にすることができない。しかしながら、請求項２に記載の条件を満足するような狭帯域透過フィルタとすることで、光線の入射角度が光軸と厳密に一致せず、これに伴って干渉フィルタの透過波長帯域がシフトしても、狭帯域透過フィルタを介して透過させたい光線の波長帯域のみを透過することができる。
【００１９】
また、入射角、帯域幅、及び干渉フィルタの干渉膜の屈折率を上記条件を満たすように設計することで透過可能な狭帯域幅を任意に設計でき、所望の狭帯域透過フィルタを用途に応じて得ることができる。
【００２０】
また、本発明の請求項３に記載の狭帯域透過フィルタアッセンブリは、請求項１に記載の狭帯域透過フィルタをマウント付きレンズアッセンブリとして構成したことを特徴としている。
【００２１】
狭帯域透過フィルタをマウント付のレンズアッセンブリとして構成することにより、市販のカメラ（撮像装置）に容易に組み付けることができる。また、結像レンズを取り替えることで画角（焦点距離）を変えたり、カメラを取り替えることにより解像度やフレームレートを変更するなど使用上の自由度を高めることができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第１の実施形態にかかる狭帯域透過フィルタについて図面に基いて説明する。なお、以下の説明に伴う図面に関して干渉フィルタやレンズの断面図は、光路の明確化を図るためにハッチングを省略してある。
【００２３】
本発明の第１の実施形態にかかる狭帯域透過フィルタ１は、図１に示すように所定間隔離間して平行に配置された第１のレンズ１１と第２のレンズ１２からなるリレーレンズ１０と、第１のレンズ１１と第２のレンズ１２の間に介在された干渉フィルタ２０を備えている。
【００２４】
そして、広角レンズなどの結像光学系により結像された像Ａを焦点距離が十分長い第１のレンズ１１と、第２のレンズ１２を通して像Ａ’として再度結像させるようになっている。即ち、像Ａは第１のレンズ１１に対して焦点距離ｆだけ離れた位置にあり、像Ａからの光線は第１のレンズ１１を介して互いに平行光となり、この平行光のうち、特定狭帯域の波長の光線のみが干渉フィルタ２０を透過して第２のレンズ１２に入光し、当該レンズ１２から焦点距離ｆ’だけ離れた位置で第２の像Ａ’が結像するようになっている。なお、第１のレンズ１１の焦点距離ｆと第２のレンズ１２の焦点距離ｆ’は同じであっても良いし、異なっていても良い。
【００２５】
そして、第１のレンズ１１の焦点距離ｆは焦点距離が十分長く取られている。このように焦点距離ｆを長くした理由は、リレーレンズ１０の場合は干渉フィルタ２０への入射角φを完全に０°にすることができないが、第１のレンズ１１の焦点距離を長くすることにより入射角をなるべく小さくして後述する所望の入射角範囲内に収まるようにするためである。すなわち、平行光線が光軸となす角度を十分小さくすることで後述する干渉フィルタ２０の透過波長帯域がシフトする量も小さくすることができ、透過すべき光の波長を干渉フィルタ２０の狭い透過帯域幅の中に含めることができる。
【００２６】
図１からも明らかなように、リレーレンズ内、即ち第１のレンズ１１と第２のレンズ１２の間では、結像光学系により結像された像Ａからの光線は、光軸に対してある角度（入射角）を持った平行光となっている。なお、像Ａの位置が同じである場合、リレーレンズの焦点距離ｆが長いと、リレーレンズ間での平行光線が光軸となす角度が小さくなることが同図から分かる。
【００２７】
図中矢印で示されている像Ａはある程度の大きさを有したレーザ光により照らされた対象物の像からなる。かかるレーザ光の像の具体例として、例えば三次元計測の一手法である光切断法におけるレーザ光の像が例示できる。より具体的には携帯電話などの立体形状を測定する際に携帯電話に照射されたライン状のレーザ光などが例示できる。
【００２８】
ここで本実施形態においてレーザ光を例示した理由は、様々な外乱光が存在する室内環境であっても明るいライン状の光を発光するレーザ光の像だけを鮮明にフィルタリングする必要がある場合に本実施形態のような狭帯域透過フィルタの使用が特に適しているためである。即ち、光学的なノイズが多い環境下における結像系において特定の波長の光だけを透過させてＳ／Ｎ比を向上させるのに伴う本実施形態の優位点を十分に説明するためにレーザ光を例示したものであり、本実施形態にかかる狭帯域フィルタの適用対象をレーザ光の結像光学系に限定するものではない。すなわち、レーザ光と例示したのは狭帯域波長を発する光源の典型であるからであり、レーザ光以外の狭帯域波長を発する光源を使った場合にも同様な効果が得られる。
【００２９】
干渉フィルタ２０は、上述した通りリレーレンズ１０の第１のレンズ１１と第２のレンズ１２との間、即ち、リレーレンズ１０に入った光線が互いに平行になると共に光線と光軸が略平行となる位置に配置されている。そして、干渉フィルタ２０は、図２に示す断面構造から明らかなように、ガラス基板２１と、ガラス基板２１の一側に形成された干渉膜２２とから構成されている。干渉膜２２は数百ナノメートル程度（光の波長程度）の膜厚を有し、干渉膜２２の厚みに応じて干渉フィルタ２０を透過させる光の狭波長帯を任意に選択できるようになっている。
【００３０】
続いて、本実施形態にかかる狭帯域透過フィルタ１によって選択的に透過できる波長について説明する。なお、以下に記載する一連の式は文献名「光学」、サイエンスライブラリ物理学＝９（サイエンス社出版、村田和美著）から抜粋したものである。ここで、干渉フィルタ２０の透過中心波長は以下の式で表される。λｍ＝２ｎ’ｈｃｏｓφ’／ｍ・・・（２）
ｎ’：干渉膜の屈折率
ｈ：干渉膜の厚み
φ’：干渉膜内部の屈折角
ｍ：干渉次数（１，２，３，・・・）である。
【００３１】
従って、干渉膜への入射角φ＝０°のとき、屈折角φ’＝０°となるので、入射角φ＝０°のときの透過中心波長λ０は以下の式で表される。
λ０＝２ｎ’ｈ／ｍ・・・（３）
式（３）から明らかなように、干渉膜の厚みｈ、干渉膜の屈折率ｎ’、干渉次数ｍから透過中心波長λ０を一義的に求めることができる。
【００３２】
また、入射角０°の時の透過波長全幅Δλ０は、透過中心波長λ０における干渉フィルタ２０の波長と透過率の関係を表した特性図に基づいて求めることができる。すなわち、この特性図における予め定めた許容透過率ｔに対応する部分の透過波長全幅が求めたい透過波長全幅Δλ０となる。具体的には、図３に示すように許容透過率が７０％とすると、縦軸ｔ＝０．７における干渉フィルタ２０の透過波長全幅Δλ０を同図の特性図から一義的に求めることができる。
【００３３】
即ち、式（３）に示す透過中心波長λ０及び図３の特性図から求まる透過波長全幅Δλ０は全て設計事項であると言え、設計者は特定の透過中心波長λ０及び透過波長全幅Δλ０を有する干渉フィルタ２０を選択的に入手したり自ら設計することが可能である。
【００３４】
続いて、入射角の変化による干渉フィルタ２０の透過波長帯域のシフトについて説明する。通常、干渉フィルタ２０は入射角φ＝０°とした場合の透過波長帯域を基準として設計されるが、干渉フィルタ２０の特性として入射角が大きくなるに従って入射角φ＝０°の場合に比べて透過波長帯域が短波長側へシフトする性質がある。以下に入射角φに対する透過中心波長λφがどのように求まるかを説明する。
【００３５】
干渉膜への入射角と屈折角との関係はスネルの法則より以下の式で表される。
ｎｓｉｎφ＝ｎ’ｓｉｎφ’・・・（４）
ｎ：干渉フィルタの周囲（手前部分）の屈折率（空気の場合は１）
φ：干渉膜への入射角
ｎ’：干渉膜の屈折率
φ’：干渉膜内部の屈折角
以上より、入射角φにおける干渉フィルタの透過中心波長λφを表すと以下の通りとなる。
λφ＝λ０ｃｏｓφ’＝λ０｛１−（ｎ／ｎ’）２ｓｉｎ２φ｝１／２・・・（５）
λ０：入射角が０°の時の透過中心波長
ｎ：干渉フィルタの周囲の屈折率（通常は空気のためｎ＝１）
φ：干渉膜への入射角
ｎ’：干渉フィルタの干渉膜の屈折率
φ’：干渉膜内部の屈折角
式（５）から明らかなように、λφは入射角φ＝０°のときに最大値をとり、入射角度が大きくなるに従い、λφは小さな値となる。
また、透過波長全幅Δλφは許容透過率ｔとの関係で透過中心波長λφに比例するため以下の式で表される。
Δλφ＝Δλ０ｃｏｓφ’＝Δλ０｛１−（ｎ／ｎ’）２ｓｉｎ２φ｝１／２・・（６）
Δλ０：入射角０°の時の透過波長全幅
ｎ：干渉フィルタの周囲の屈折率（通常は空気のためｎ＝１）
φ：干渉膜への入射角
ｎ’：干渉フィルタの干渉膜の屈折率
φ’：干渉膜内部の屈折角
また、干渉フィルタへの最大入射角φｍａｘは、図１に示した像の、高さＨの位置から出た光が焦点距離ｆを有する第１のレンズを介して干渉フィルタに入射する際の角度であるため、以下の式で表される。
φｍａｘ＝ｔａｎ−１Ｈ／ｆ・・・（７）
ｆ：焦点距離
Ｈ：像の高さ
なお、像の高さＨと第１のレンズの焦点距離ｆは設計事項であるので、これらの設計事項からφｍａｘを一義的に求めることができる。
【００３６】
従って、干渉フィルタ２０への最大入射角φｍａｘにおける透過中心波長λφｍａｘは、式（７）で求めたφｍａｘを式（５）に代入することで以下のように求まる。
λφｍａｘ＝λ０｛１−（ｎ／ｎ’）２ｓｉｎ２φｍａｘ｝１／２・・・（８）
ｎ：空気の屈折率＝１
ｎ’：干渉膜の屈折率＝１．５
Δλ０：入射角０°の時の透過波長全幅
φｍａｘ：最大入射角
また、入射角φｍａｘのときの透過波長全幅Δλφｍａｘは式（７）で求めたφｍａｘを式（６）に代入することで以下のように求まる。
Δλφｍａｘ＝Δλ０｛１−（ｎ／ｎ’）２ｓｉｎ２φｍａｘ｝１／２・・・（９）
図４は、本実施形態における干渉フィルタ２０の入射角φと透過波長帯域との関係を示した図である。同図から明らかなように、入射角φ＝０°における干渉フィルタ２０の透過波長帯域は以下の通りである（図中、下段太線部参照）。
λ０−Δλ０／２≦λ＝０°≦λ０＋Δλ０／２・・・（１０）
また、入射角φにおける干渉フィルタ２０の透過波長帯域λは以下の通りである（図中、中段太線部参照）。
λφ−Δλφ／２≦λ≦λφ＋Δλφ／２・・・（１１）
また、入射角φｍａｘにおける干渉フィルタ２０の透過波長帯域λは以下の通りである（図中、上段太線部参照）。
λφｍａｘ−Δλφｍａｘ／２≦λ≦λφｍａｘ＋Δλφｍａｘ／２・・・（１２）
以上の式（１０）〜式（１２）と図４より、最大入射角φｍａｘ以下の全ての入射角φに対して透過率ｔ以上で入射された光が透過する波長帯域λは、全ての透過波長帯域において重複する波長帯域（図中、３本の太線部が重なる範囲）である以下の範囲となる。
λ０−Δλ０／２≦λ≦λφｍａｘ＋Δλφｍａｘ／２・・・（１３）
なお、透過させたい光の波長λはごく僅かの幅を有していることを前提とする必要がある。これは、例えば、レーザ光を光源とした場合、光源の温度変化や半導体レーザ自体の公差、干渉フィルタ自体の公差等、様々な公差が実際には存在するため、これらの公差を考慮して実用上問題ない範囲での透過波長λの上限値λｍａｘ及び下限値λｍｉｎを決めておく必要がある。
【００３７】
従って、式（１３）と上述した透過波長λの上限値λｍａｘ、下限値λｍｉｎが以下の条件を満たすことが本実施形態にかかる狭帯域透過フィルタ１の光透過作用を十分に発揮させるための条件となる。
λｍａｘ≦λφｍａｘ＋Δλφｍａｘ／２・・・（１４）
λ０−Δλ０／２≦λｍｉｎ・・・（１５）
上記式（１４）、式（１５）の条件を満たすような透過中心波長干渉λ０と透過波長全幅Δλ０を有する干渉フィルタ２０を選択的に入手するか設計することにより、所望の透過波長帯域を有する狭帯域透過光学系を実現することが可能となる。
【００３８】
以上説明したように、本実施形態にかかる狭帯域透過フィルタ１は、像側テレセントリックやマイクロレンズを用いる代わりにリレーレンズ１０を用い、リレーレンズ１０の間に干渉フィルタ２０を介在させている。そのため、像側テレセントリックによる従来構成のように被写体を常に明るく照射する必要はなく、撮像条件に制約を受けなくて済む。
【００３９】
また、マイクロレンズアレイのように解像度を原理的に制限するようなものが無く、マイクロレンズのエレメント径に起因する解像度の制約を受けなくて済む。これによって光学系の設計次第では理論的な限界まで解像度を上げることが可能となり、かつ所望の狭帯域透過特性を得ることができる。
【００４０】
続いて、上述した本実施形態にかかる狭帯域透過フィルタ１の具体的設計手順の一例について説明する。なお、この設計手順は上述の記載を簡略化したものである。
【００４１】
まず、例えばレーザ光を光源とした場合、光源の温度変化や半導体レーザ自体の公差等、干渉フィルタの公差等様々な公差を考慮してそのレーザ光に関する実用上問題ない範囲での透過波長λの上限値λｍａｘ、及び下限値λｍｉｎを決定する。
【００４２】
次いで、狭帯域透過フィルタのスペックを決定する。このスペック決定に当たって、まず干渉膜の厚みｈ、干渉膜の屈折率ｎ’、干渉次数ｍ（通常はｍ＝１）から入射角０°の時の透過中心波長λ０を式（３）を用いて一義的に求める。続いて、入射角０°の時の透過波長全幅Δλ０を、図３に示した特性図と許容透過率ｔとの関係から求める。続いて、像の高さＨと焦点距離ｆとの関係から式（７）を用いて最大入射角φｍａｘを求める。なお、この像の高さＨと焦点距離ｆとを適当に選択することで狭帯域透過フィルタ１の全長を長くしたり短くしたりすることができる。
【００４３】
そして、干渉フィルタの周囲の屈折率ｎと干渉フィルタの干渉膜の屈折率ｎ’とから式（８）を用いて最大入射角φｍａｘにおける透過中心波長λφｍａｘを求めると共に、式（９）を用いて最大入射角φｍａｘにおける透過波長全幅Δλφｍａｘを求める。
【００４４】
以上の過程で求めた入射角０°の時の透過中心波長λ０、透過波長全幅Δλ０、最大入射角φｍａｘにおける透過中心波長λφｍａｘ、透過波長全幅Δλφｍａｘから式（１３）を用いて全ての入射角φにおける透過可能な狭波長帯域を求める。
【００４５】
最後に、光源であるレーザ光についての透過波長の全範囲（λｍｉｎ〜λｍａｘ）が式（１３）を用いて求めた全ての入射角φにおける透過可能な狭波長帯域に含まれることを検証する。これによって、この狭帯域透過フィルタが予め規定した波長帯域を有するレーザ光の像のみを撮像可能であることを確認することができる。
【００４６】
なお、本実施形態にかかる狭帯域透過フィルタの構成は原理的には上述の通りであるが、図５に示す本実施形態の変形例に示すように、結像光学系により結像された像から出る光線をリレーレンズに効率よく送り込むために、像の位置に結像レンズ３５、及びフィールドレンズ（視野レンズ）３６を挿入することも可能である。なお、フィールドレンズ３６の設計については、一般に広く知られているためここでは詳細には説明しないが、例えば結像光学系の最も像に近い側の結像レンズ３５の像が、リレーレンズ３０の第１のレンズ３１における位置で第１のレンズ３１の大きさと同じかそれより小さくなるようにフィールドレンズ３６を付加的に設計することが本実施形態の好適な変形例として考えられる。これによって、結像光学系より出力されたすべての光線をリレーレンズ３０へ送り込むことが可能となり、干渉フィルタ４０で透過されかつ第２のレンズ３２でイメージセンサ等に結像される像を明るくはっきりと写し出すことが可能となる。即ち、視野レンズ（フィールドレンズ３６）は本発明の作用効果を発揮する上での必須要件ではないが、視野レンズを用いることでリレーレンズによって結像される像の明るさをより明るく鮮明にする付加的な作用効果を発揮する。
【００４７】
続いて、本発明の第２の実施形態にかかる狭帯域透過フィルタについて説明する。第２の実施形態にかかる狭帯域透過フィルタ５は、図６に示すように、第１のレンズ５１と第２のレンズ５２からなるリレーレンズ５０と、リレーレンズ５０の第１のレンズ５１と第２のレンズ５２との間に配置された干渉フィルタ６０と、第１のレンズ５１からこのレンズの焦点距離だけ離間した位置に配置された視野レンズ５５と、これらの構成要素を収容し、両端部にいわゆるＣマウント面７０ａ，７０ｂが形成された円筒状のハウジング７０を備えている。
【００４８】
そして、ハウジング７０の一方のＣマウント面７０ａにはＣマウントレンズ８１が結合されるようになっており、他方のＣマウント面７０ｂにはＣマウントカメラ８２が結合されるようになっている。
【００４９】
なお、第２のレンズ５２の焦点距離は、ハウジング７０のＣマウント面７０ｂにＣマウントカメラ８２を結合した際、第２のレンズ５２の焦点距離だけ離間した位置にＣマウントカメラの撮像素子（ＣＣＤ）８３がちょうど位置するような焦点距離を有している。なお、本実施形態においてはマウント形式をＣマウントと紹介したが、必ずしもこれに限定されるものではなく市販の結像レンズや撮像装置を結合可能であれば如何なるマウント方式も適用可能なことは言うまでもない。
【００５０】
このように、本実施形態にかかる狭帯域透過フィルタアッセンブリ５は、Ｃマウントで例示したマウント付のレンズアッセンブリとして構成されることで、市販のカメラ（撮像装置）に容易に組み付けることができる。また、Ｃマウントレンズ（結像レンズ）を取り替えることで画角（焦点距離）を変えたり、Ｃマウントカメラ（撮像装置）を取り替えることにより解像度やフレームレートを変更すること等も可能となる。
【００５１】
続いて、上述した第２の実施形態に関連して具体的な設計数値を例示し、本発明にかかる狭帯域透過フィルタの有用性を、実施例的説明を行うことで以下に明らかにする。
【００５２】
本発明にかかる狭帯域透過フィルタを設計する一実施例として、対象物に６３５ｎｍの波長のレーザ光が当っており、このレーザ光に照らされた部分だけＣＣＤカメラで写す場合について考えた。また、干渉フィルタの透過中心波長λ０は、式（３）において干渉膜の屈折率ｎ’、干渉膜の厚みｈ、干渉次数ｍの適当な設計値を代入することで、λ０＝６３６ｎｍ（Ｚｎ線用干渉フィルタ）とした。なお、レーザ光の波長は光源の温度変化や半導体レーザ自体の公差、干渉フィルタ自体の公差等を考慮して６３５ｎｍ±３ｎｍのふれを有するとした。従って、レーザ光の最小波長λｍｉｎ＝６３５−３＝６３２ｎｍ、レーザ光の最大波長λｍａｘ＝６３５＋３＝６３８ｎｍとなった。
【００５３】
一方、リレーレンズの焦点距離ｆ＝４０ｍｍ、視野レンズにおける像の大きさ（中心からの距離）Ｈ＝４ｍｍと設計した（図６参照）。よって、φｍａｘは式（７）から以下の角度となった。
φｍａｘ＝ｔａｎ−１（４／４０）＝５．７°
そして、φｍａｘ＝５．７°のときの透過中心波長λφｍａｘは式（８）から以下の通りとなった。
λφｍａｘ＝λ０｛１−（ｎ／ｎ’）２ｓｉｎ２φｍａｘ｝１／２＝６３４．６ｎｍ
また、許容透過率ｔ＝０．７（７０％）とすると、干渉フィルタの透過中心波長λ０（６３６ｎｍ）の場合の許容透過率ｔに対応する透過波長帯域の全幅Δλ０は、図３に相当する特性図から、以下のように求まった。
Δλ０≒１０ｎｍ
なお、入射角φｍａｘ＝５．７°における許容透過率ｔに対応する透過波長帯域の全幅ΔλφｍａｘもΔλ０と実質上等しいとみなせるので、Δλφｍａｘ≒１０ｎｍとした。
【００５４】
従って、入射角φｍａｘ＝５．７°では、入射角φ＝０°のときの透過中心波長λ０よりも若干シフトしてλφｍａｘ＝６３４．６ｎｍとなる。その為、入射角φｍａｘ＝５．７°における透過波長帯域は６２９．６ｎｍ〜６３９．６ｎｍ（６３４．５±５ｎｍ）となる。
【００５５】
一方、φ＝０°のときの透過波長範囲は６３１．０ｎｍ〜６４１．０ｎｍ（６３６±５ｎｍ）であることから、この光学系はこれらの共通透過波長帯域である６３１．０ｎｍ〜６３９．６ｎｍの波長の光を透過できることが分かる。この波長範囲は発光波長の温度変化や半導体レーザ自体の公差、干渉フィルタの公差を考慮した波長範囲λｍｉｎ＝６３２ｎｍ〜λｍａｘ＝６３８ｎｍを含むため、この狭帯域透過フィルタを使えば、外乱光をキャンセルしてレーザに照らされた部分の撮像したい画像のみを撮像素子に写せることが確認できた。以上の説明から本発明にかかる狭帯域透過フィルタを用いれば、結像光学系における特定のレーザ光で形成された像のみを外乱光の影響を受けずに明るく鮮明に撮像可能であることが検証できた。
【００５６】
なお、上述の実施形態においてはリレーレンズを互いに平行に離間して配置された第１のレンズと第２のレンズから構成されると紹介したが、必ずしもこれに限定されず、第１のレンズと第２のレンズの一方もしくは両方がレンズ群により構成されていても良い。この場合、干渉フィルタは第１のレンズと第２のレンズの間にサンドイッチ状態で挟まれる構成を有することで本発明の作用効果を発揮することが可能となる。
【００５７】
また、例えば図７に示すようにリレーレンズの中心部に間隙が無いリレーレンズ９０を使用しても良い。この場合、干渉フィルタは何れかのレンズの組み合わせで挟まれた部分に配置されるが、干渉フィルタ９６を一枚だけ各レンズの配列方向中心に対して非対称に配置しても良く、２枚の干渉フィルタ９６，９７を各レンズの配列方向中心に対して対称に配置しても良い。
【００５８】
なお、図７に示すように複数枚の凹レンズと凸レンズ間の光線は厳密な意味で光軸に対し平行光となっていない。しかしながら、このような場合であっても上述した光軸とずれた入射角による干渉フィルタの透過波長帯域のシフト及び入射角０°における干渉フィルタの透過波長帯域の重複部分が透過させるべき光の波長帯域を完全に含んでいれば何ら問題はない。即ち、本発明におけるリレーレンズ間の光線が光軸に対し平行になった領域に干渉フィルタを介在させることにおける「光軸に平行」の技術的意義は、厳密な意味での「平行」に限定されるものではなく、「ほぼ平行」も含まれることにも留意すべきである。
【００５９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る狭帯域透過フィルタは、像側テレセントリックレンズやマイクロレンズを用いる代わりにリレーレンズを用いて、このリレーレンズの間に干渉フィルタを介在させている。そのため、像側テレセントリックレンズによる従来例のように被写体を常に明るく照射する必要はなく、撮像条件に制約を受けない。また、マイクロレンズアレイのような解像度を原理的に制限するものが無いため、マイクロレンズのエレメント径に起因する解像度の制約を受けなくて済む。これによって光学系の設計次第では理論的な限界まで解像度を上げることが可能となり、かつ所望の狭帯域透過特性を得ることが可能となる。
【００６０】
また、本発明の請求項２に記載の狭帯域透過フィルタは、請求項１に記載の作用に加えて以下の作用を有している。具体的には、リレーレンズを用いた結像光学系において、リレーレンズの間に干渉フィルタを介在させた場合、干渉フィルタへの入射角を完全に０°にすることができない。しかしながら、請求項２に記載の条件を満足するような狭帯域透過フィルタとすることで、光線の入射角度が光軸と厳密に一致せず、これに伴って干渉フィルタの透過波長帯域がシフトしても、狭帯域透過フィルタを介して透過させたい光線の波長帯域のみを透過することが可能となる。
【００６１】
また、入射角、帯域幅、及び干渉フィルタの干渉膜の屈折率を上記条件を満たすように設計することで透過可能な狭帯域幅を任意に設計でき、所望の狭帯域透過フィルタを用途に応じて得ることが可能となる。
【００６２】
また、本発明の請求項３に記載の狭帯域透過フィルタアッセンブリは、狭帯域透過フィルタをマウント付のレンズアッセンブリとして構成することにより、市販のカメラ（撮像装置）に容易に組み付けることができる。また、結像レンズを取り替えることで画角（焦点距離）を変えたり、カメラを取り替えることにより解像度やフレームレートを変更することなども可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態にかかる狭帯域透過フィルタの概略構成を示す図である。
【図２】干渉フィルタの一部断面及びこれに光線が透過する状態を示した説明図である。
【図３】入射角度０°における干渉フィルタの透過波長と透過率との関係を示す図である。
【図４】干渉フィルタの透過波長と入射角との関係を示す説明図である。
【図５】図１の変形例にかかる狭帯域透過フィルタの概略構成を示す図である。
【図６】本発明の第２の実施形態にかかる狭帯域透過フィルタアッセンブリの概略構成を示す図である。
【図７】図１に示す狭帯域透過フィルタ及び図６に示す狭帯域透過フィルタアッセンブリに示したリレーレンズの変形例を示す図である。
【図８】従来から用いられているテレセントリック光学系と干渉フィルタを組み合わせた概略構成を示す図である。
【図９】マイクロレンズと干渉フィルタを組み合わせた従来型の撮像光学系を示す全体構成図である。
【図１０】図９に示す撮像光学系のマイクロレンズと撮像素子の部分のみを拡大して示した図である。
【符号の説明】
１，５    狭帯域透過フィルタ
１０    リレーレンズ
１１    第１のレンズ
１２    第２のレンズ
２０    干渉フィルタ
２１    ガラス基板
２２    干渉膜
３５    結像レンズ
３６    フィールドレンズ（視野レンズ）
５１    第１のレンズ
５２    第２のレンズ
５５    視野レンズ
６０    干渉フィルタ
７０    ハウジング
７０ａ，７０ｂ    Ｃマウント面
８１    Ｃマウントレンズ
８３    撮像素子（ＣＣＤ）
９０    リレーレンズ
９１〜９５    レンズ
９６，９７    干渉フィルタ
１０１    ピンホール
１０２    レンズ
１０３    干渉フィルタ
１０４    撮像素子
２０１    結像用レンズ
２０２    第１のマイクロレンズ
２０３    干渉フィルタ
２０４    第２のマイクロレンズ
２０４ａ    マイクロレンズエレメント
２０５    可視部検出素子アレイ（撮像素子）
Ａ，Ａ’    像
Ｍ    被写体
【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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