(57)【要約】【課題】  加工精度の影響を大きく受けない原理に基づく波長可変フィルタを用いてスペクトル画像分析ができる撮像装置を提供する。【解決手段】  物体からの光によりその物体の像を再結像させるための撮像装置５０であって、物体を再結像する撮像素子４と、撮像素子の前方に位置し、第１および第２の回折格子５，６ならびにその第１の回折格子と第２の回折格子との間隔を変えるための間隔調節機構を有する波長可変フィルタ１０とを備える。【選択図】        図１
2005308643.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
物体からの光によりその物体の像を再結像させるための撮像装置であって、
前記物体を再結像する撮像素子と、
前記撮像素子の前方に位置し、第１および第２の回折格子ならびにその第１の回折格子と第２の回折格子との間隔を変えるための間隔調節機構を有する波長可変フィルタとを備える、撮像装置。
【請求項２】
前記物体からの光を受けるための第１のレンズと、前記第１のレンズの後方に位置し、前記物体像を前記撮像素子に再結像させるための第２のレンズとを有し、前記撮像素子は、前記第２のレンズの後方に位置し、前記波長可変フィルタは前記第１と第２のレンズとの間に位置する、請求項１に記載の撮像装置。
【請求項３】
前記物体からの光は第１および第２の帯域を含み、前記第１の回折格子と第２の回折格子との間隔を第１の間隔として得た撮像素子における第１の画像出力と、前記第１の回折格子と第２の回折格子との間隔を第２の間隔として得た撮像素子における第２の画像出力とを入力し、前記第１および第２の帯域に分光した光強度を演算して得るための演算部を備える、請求項１または２に記載の撮像装置。
【請求項４】
前記波長可変フィルタを構成する第１の回折格子を半透明とし、光の位相により回折パターンを発生させる、請求項１〜３のいずれかに記載の撮像装置。
【請求項５】
前記第１のレンズからの光が主光軸となす角θと、前記波長可変フィルタを構成する回折格子の開口ピッチｄと、前記第１の回折格子と第２の回折格子との距離ｚとが、θ≦tan-1(ｄ/ｚ)を満たすように構成された、請求項２〜４のいずれかに記載の撮像装置。
【請求項６】
前記第２の回折格子と第２のレンズとの距離Ｌ3および前記第２のレンズと前記撮像素子との距離Ｌ4の配置において、｛ｄ（Ｌ3＋Ｌ4）/ｚ｝の周期で前記撮像素子側に生じる光の強度の干渉縞に対応して、相対する撮像素子の画素において光の強度補正がなされている、請求項１〜４のいずれかに記載の撮像装置。
【請求項７】
前記波長可変フィルタを構成する第１および第２の回折格子の開口ピッチｄと、前記第２のレンズから前記撮像素子までの距離Ｌ4と、前記撮像素子の寸法Ｒと、分光対象の波長λとが、ｄＬ4/λ≦Ｒの関係を満たす、請求項１〜６のいずれかに記載の撮像装置。
【請求項８】
前記第１および第２の回折格子の開口部が２次元的に配列されている、請求項１〜７のいずれかに記載の撮像装置。
【請求項９】
光学系に第１および第２の回折格子を配置して、撮像素子に物体の像を再結像させる撮像装置の使用方法であって、
第１の測定波長域および第２の測定波長域ごとに、
前記第１および第２の回折格子間の間隔を第１間隔として、前記撮像素子に物体像を再結像させる第１結像工程と、
前記第１および第２の回折格子間の間隔を前記第１間隔と異なる第２間隔として、前記撮像素子に物体像を再結像させる第２結像工程とを行い、
前記第１および第２結像工程における撮像素子の出力をもとにして前記第１および第２の測定波長域の光の強度を求める工程とを備える、撮像装置の使用方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、撮像装置およびその使用方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の波長可変フィルタを用いたスペクトル画像分析装置は、代表的にはファブリーペロー型の干渉フィルタを波長可変フィルタとして用い、２つの反射層間の間隔を精密に制御することにより波長を可変としている（例えば特許文献１-４参照）。上記のような精密な反射層の間隔制御に支えられるファブリーペロー型の干渉フィルタは、わずかなスペクトル差を識別する場合に適している。
【０００３】
また、上記の文献とは別に、２組の干渉フィルタを直列に連結することにより特定波長を高い分解能で識別する構成も開示されている（特許文献５）。たとえば５００ｎｍの波長と５５５ｎｍの波長とを識別するシステムにおいて、５００ｎｍを取り出すために一つの干渉フィルタを構成する反射層間の間隔を１５００ｎｍとし、他方の干渉フィルタの反射層間の間隔を１７５０ｎｍとする構成が開示されている。
【特許文献１】特開平８−２８５６８８号公報
【特許文献２】特開平１１−３０４５８８号公報
【特許文献３】特開２０００−１６２０４４号公報
【特許文献４】特開２００１−１６５７７５号公報
【特許文献５】特開平１１−３０４５８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記のように構成された干渉フィルタをスペクトル画像分析装置に用いる場合、結像レンズなどセンチメートルオーダのレンズ径に対し、干渉フィルタの間隔を数百ｎｍオーダーで制御する必要がある。たとえば上記特許文献１では、上記の間隔制御に圧電素子を用いて数十ｎｍのオーダで上記間隔を精密に制御する機構が開示されている。このため、干渉フィルタを構成する反射層など薄膜の平面度などに非常に高い加工精度が要求される。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、加工精度の影響を大きく受けない原理に基づく波長可変フィルタを用いてスペクトル画像分析ができる撮像装置およびその使用方法を提供することを目的とする。
【０００６】
本発明の撮像装置は、物体からの光によりその物体の像を再結像させるための撮像装置である。この撮像装置は、物体を再結像する撮像素子と、撮像素子の前方に位置し、第１および第２の回折格子ならびにその第１の回折格子と第２の回折格子との間隔を変えるための間隔調節機構を有する波長可変フィルタとを備える。
【０００７】
上記構成において、波長可変フィルタは２つの同じピッチの回折格子を用い、第１の回折格子で干渉縞を作り、第２の回折格子との間隔を調整することにより、所望の波長帯の透過率を変えることができる。本方式では回折格子間の間隔は、選択したい波長域の１０００倍程度の大きさとなること、またこの間隔の変化に対する各波長の透過率の変動が比較的緩やかであることから、回折格子の平面度および回折格子間隔の精度の影響は小さい。したがって回折格子の間隔を調整するリニアモーションにはモータ方式やソレノイド方式のリニアモーションを使用することができる。
【０００８】
また本発明の撮像装置における波長可変フィルタは、電磁波であればどの波長帯域でも有効であり、物質からの反射率がゼロに近いＸ線領域においても波長を可変とすることができる。
【０００９】
また、本発明の撮像装置の使用方法は、光学系に第１および第２の回折格子を配置して、撮像素子に物体の像を再結像させる撮像装置の使用方法である。この使用方法は、第１の測定波長域および第２の測定波長域ごとに、第１および第２の回折格子間の間隔を第１間隔として、撮像素子に物体像を再結像させる第１結像工程と、第１および第２の回折格子間の間隔を第１間隔と異なる第２間隔として、撮像素子に物体像を再結像させる第２結像工程とを行う。そして、第１および第２結像工程における撮像素子の出力をもとにして第１および第２の測定波長域の光の強度を求める工程とを備える。
【００１０】
このような方法により、高い分解能のスペクトル画像分析を迅速かつ容易に行なうことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
次に図面を用いて本発明の実施の形態について説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１におけるスペクトル画像装置（撮像装置）５０を示す図である。図１において、物体像１から発した光７は、第１のレンズ２および第２のレンズ３を経て、複数の画素を有する撮像素子４に到達する。第１のレンズ２と第２のレンズ３との間には、第１の回折格子５と第２の回折格子６とを含む波長可変フィルタ１０が配置されている。この第１の回折格子５と第２の回折格子６とには両者の間隔が変えられるような間隔調節機構が設けられている。この間隔調節機構を用いて２つの回折格子５，６の間の間隔を制御することにより、取り出す波長を変え、波長可変フィルタとして機能させることができる。撮像素子４としては各種の電荷結合素子（ＣＣＤ:Charge Coupled Devices）を用いることができる。撮像素子の寸法Ｒは、一辺の長さを表わし、ここでは長辺側の長さとする。
【００１２】
図１において、Ｌ1は物体像１から第１のレンズ２までの距離、Ｌ2は第１のレンズ２から第１の回折格子５までの距離、Ｌ3は第２の回折格子６から第２のレンズ３までの距離、Ｌ4は第２のレンズ３から撮像素子４までの距離である。また上記光学系は主光軸１１を有するように配置されている。
【００１３】
図２は、波長可変フィルタ１０の動作原理図である。上記波長可変フィルタ１０に入射光１２が入射する。第１および第２の回折格子５，６の開口ピッチをともにｄとし、第１の回折格子５と第２の回折格子６との距離（間隔）をｚとし、上記開口ピッチの方向をｘ方向とする。第１の回折格子から出射される波長λの光のｘ方向の強度分布は、下記（１）式のようになる。（１）式において、ｋは波数、ｈはフーリエ成分の次数、Fhはフーリエ係数を表す。Σはフーリエ成分の次数ｈについて０から無限大（∞）まで和をとることを意味する。
【００１４】
u(x)=exp(-ikz)ΣFhexp(iπλh2z/d2)cos(2πhx/d)・・・・・（１）
ここで、２つの回折格子の間隔ｚとして次の特定の距離を考える。
【００１５】
z=nd2/λ    (n=1,2,・・・)                  ・・・・・・・（２）
ｎが偶数の場合（ｎ＝２ｍ：ｍ整数）、（１）式のｅｘｐの指数部分はｉ２πｍｈ2となる。Ｎ＝ｍｈ2は整数であるから（１）式においてｅｘｐ(ｉπλｈ2ｚ/ｄ2)＝１となる。このため、（１）式はつぎの（３）式のようになる。
【００１６】
u(x)=exp(-ikz)ΣFhcos(2πhx/d)           ・・・・・・・（３）
上記（３）式に従えば、第１の回折格子の開口下が明るく、開口間の部分の下は暗くなる。
【００１７】
またｎが奇数の場合、（１）式の指数部は（２Ｎ＋１）πと表すことができるので、つぎの（４）式を得る。
【００１８】
u(x)=exp(-ikz)ΣFhcos((2πh/d)(x±d/2))  ・・・・・・・（４）
上記（４）式は各フーリエ成分の周期をｘ方向に１／２ピッチ分だけずらしたものである。（４）式に従えば、開口下は暗く、開口間の下が明るくなるという（３）式が表す像の反転像が形成される。
【００１９】
上記性質から、２つの回折格子の間隔を可変とする間隔調節機構を設けることにより、２つの回折格子の距離を変えて、ある特定波長についてのみ、第２の回折格子上に反転像を形成することができる。第２の回折格子６に光を吸収したり反射させたりする材料を用いた場合、その特定波長はカットされることになる。
【００２０】
２つの回折格子間隔を変える間隔調節機構として、モータ方式あるいは電磁ソレノイド方式などによるリニアモーションが知られている。また動かす範囲が１００μｍ以下であるような場合は、バルクのアクチュエータやばね式のアクチュエータでもよい。
【００２１】
上記のような原理で動作するために、第１のレンズ２から第１の回折格子５に到達するまでの光が主光軸１２となす角がほぼゼロ、すなわち略平行になるように第１のレンズ２の焦点距離を選ぶのが望ましい。場合によっては、本システムの前段に光学系を設け、第１の回折格子へ到達する光の入射角を調整してもよい。具体的には第１のレンズを透過した光の入射角θが次の関係を満たすようにするのがよい。
【００２２】
θ≦tan-1(d/z)    ・・・・・・・・・・・・・・・・・・（５）
また、第２の回折格子６を通過した光も回折を起し、（ｄＬ4/λ）の周期で、ゴーストパターンを生じる。この場合、受光（撮像）素子４の寸法をＲとするとき、つぎの不等式が成り立つようにすればよい。
【００２３】
（ｄＬ4/λ）≦Ｒ      ・・・・・・・・・・・・・・・・・・（６）
例として波長域３μｍ〜５μｍに感度を持つ赤外線イメージセンサへの適用について述べる。第１、第２のレンズには、ともに同じ焦点距離２４ｍｍの平凸レンズを用いる。ただし、レンズは平凸レンズに限る必要はなく、前方と後方とにそれぞれ焦点を持つような凸レンズでもよい。Ｌ1、Ｌ4を各々第１、第２のレンズの焦点距離と一致させる。
【００２４】
第１、第２の回折格子のピッチｄは８０μｍとし、材料としては金属、セラミックス、高分子材料等の光を透過させないもので構成する。これらの回折格子を置く位置は第１のレンズの焦点位置付近とするが、第１のレンズ２からの光が平行光であれば、高い位置精度は必要としない。
【００２５】
図３は、上記のように構成した場合において、撮像素子４上で観測した光の波長帯域特性、すなわち透過率の波長依存性を示す図である。同図において、２つの回折格子５，６の間隔を８００μｍから３６００μｍまで８００μｍステップで変化させた場合を示している。同図より、透過率の波長依存性が緩やかであること、格子間隔の変動幅が波長に対して２桁以上大きいことなどから、リニアモーションによる位置が数μｍずれたとしても、透過率にはほとんど影響を与えないことがわかる。
【００２６】
次にスペクトル画像の取り込み方について説明する。まず調べたい波長帯の範囲および調べたい波長帯域の分割数を決める。ここで、例えば波長３μｍ〜５μｍの範囲を８分割した分光スペクトル画像を得る場合について説明する。この場合、２つの回折格子の間隔８００μｍから３６００μｍまで、４００μｍおきに８ステップの画像を取ればよい。２つの回折格子の間隔を変えたときの各波長の透過率は図３より求めることができ、既知の量である。
【００２７】
各波長をλ1，λ2，・・・，λ8とし、その強度をI1，I2，・・・I8とする。また、回折格子の所定の間隔での各波長の光の透過率をＴijとする。図４はある回折格子の間隔での透過率の波長依存性を示すグラフから、各波長λiおよびその波長での透過率Ｔijを決める方法を説明する図である。Ｔijは分割した波長帯域内の平均の透過率で代表させることとする。２つの回折格子の間隔が８００μｍの場合（第１ステップ）の各波長に対する透過率をＴ11，Ｔ12，・・・，Ｔ18とし、この時の撮像素子の出力をＳ1とするとつぎの変数Ｉiに対する連立１次方程式（７）式が成立する。
【００２８】
Ｉ1Ｔ11＋Ｉ2Ｔ12＋....＋Ｉ8Ｔ18＝Ｓ1      ・・・・・・・・・・（７）
同様にして２つの回折格子間隔が１２００μｍの場合（第２ステップ）は、Ｉiに対して次の連立方程式（８）式が成り立つ。
【００２９】
Ｉ1Ｔ21＋Ｉ2Ｔ22＋....＋Ｉ8Ｔ28＝Ｓ2      ・・・・・・・・・・（８）
２つの回折格子の間隔をさらに４００μｍずつ順次増やしながら、上記（７）式、（８）式を含む８ステップすべての測定を行なうことにより、次の（９）式の連立方程式を得ることができる。
【００３０】
【数１】
2005308643.tif 000003
上記（９）式にまとめられた８行８列の連立方程式をＩiについて解くことにより、各波長の強度を知ることができる。
【００３１】
なお上記の例では、８回測定する例をあげたが、最低限、光の波長帯域を２つに分け、２つの回折格子の間隔を第１の間隔として測定した撮像素子における第１の画像出力と、上記間隔を第２の間隔として測定した撮像素子における第２の画像出力とを入力し、分光した画像を演算することにより、スペクトル分析画像を得ることができる。
【００３２】
図５に上記の撮像装置の構成例を示す。波長可変フィルタ３０は、２つの回折格子５，６を間隔調節機構１３に一体に組み込んだ構成とする。間隔調節機構１３による間隔調節のデータと、撮像素子４からの各画素からの出力データとは、計算機２１に導入され、ここで必要な演算や次のステップの指示が出される。一連の測定が終了したあと、スペクトル画像が画像表示装置２２の画面に表示される。
【００３３】
（実施の形態２）
本発明の実施の形態２は、第１の回折格子を測定対象の波長に対してほぼ透明な材料で構成する点に特徴がある。たとえば撮像素子４に波長３μｍ〜５μｍの赤外線撮像素子を用いる場合、第１の回折格子を、ＺｎＳｅ板に深さ１μｍの溝を彫り込み、位相シフト型の回折格子とすることができる。
【００３４】
図６は、第１の回折格子に、ＺｎＳｅ板に深さ１μｍの溝を彫り込んだ回折格子を用いた場合の撮像素子４上で観測した光の透過率の波長依存性を示す図である。図３に示す透過率に比べ、光の最大透過率が２倍程度増大することが分かる。一方、最小透過率はほとんど同じなので、フィルタ効果による光強度のダイナミックレンジが約２倍となる。
【００３５】
（実施の形態３）
本発明の実施の形態３では撮像素子の各位置の画像素子に固有の透過率Ｔijを与えることにより補正を行なうという特徴を有する。上記本発明の実施の形態１では第１の回折格子へ入射する光の角度に制約を加えた。しかし、大きな開口率を必要とする場合、入射角がθ＝tan-1(d/z)以上となる。このような場合、第１、第２の回折格子の間隔ｚに依存して、撮像素子４上に｛ｄ（Ｌ3＋Ｌ4）/ｚ｝の周期で干渉縞が現れる。この干渉縞が現れる位置と強度とが分かっているので、上記のように撮像素子の各位置すなわち各画像素子（ピクセル）に対して固有の透過率Ｔijを与えることにより補正を加えることができる。
【００３６】
補正は、図７に示す補正係数が撮像素子の出力に加味されるように行なう。この補正は、撮像素子の前に上記補正係数を与えるフィルタを配置してもよいし、図５の中の計算機２１に予め組み込まれたデータにより上記補正係数を加味するように構成してもよい。
【００３７】
（実施の形態４）
本発明の実施の形態４では、回折格子として２次元の格子を用いる点に特徴を有する。すなわち上述の実施の形態１では回折格子として一次元の格子を用いた。しかし、図８に示すように、回折格子に二次元の格子あるいは市松模様などの矩形パターンを用いてもよい。
【００３８】
次に上記本発明の実施の形態を含めて、本発明の実施の形態の変形例を羅列的に説明する。
【００３９】
上記物体からの光を受けるための第１のレンズと、第１のレンズの後方に位置し、物体像を撮像素子に再結像させるための第２のレンズとを有し、撮像素子は、第２のレンズの後方に位置し、波長可変フィルタは第１と第２のレンズとの間に位置するようにできる。
【００４０】
この構成により、非常に簡単な構造により、集光レンズおよび結像レンズを含む光学系を得ることができる。
【００４１】
上記の物体からの光は第１および第２の帯域を含み、第１の回折格子と第２の回折格子との間隔を第１の間隔として得た撮像素子における第１の画像出力と、第１の回折格子と第２の回折格子との間隔を第２の間隔として得た撮像素子における第２の画像出力とを入力し、第１および第２の帯域に分光した画像を演算して得るための演算部を備えることができる。
【００４２】
このような演算部を備えることにより高分解能のスペクトル画像分析を迅速かつ容易に行なうことができる。
【００４３】
また、上記の波長可変フィルタを構成する第１の回折格子を半透明とし、光の位相により回折パターンを発生させてもよい。
【００４４】
この構成により、暗い物体像であっても良好なスペクトル画像を得ることができるようになる。
【００４５】
上記第１のレンズからの光が主光軸となす角θと、波長可変フィルタを構成する回折格子の開口ピッチｄと、第１の回折格子と第２の回折格子との距離ｚとが、θ≦tan-1(ｄ/ｚ)を満たすように構成することができる。
【００４６】
この構成により、干渉縞を撮像素子上に発生させることがなく、スペクトル画像データを得ることができる。
【００４７】
また、第２の回折格子と第２のレンズとの距離Ｌ3および第２のレンズと撮像素子との距離Ｌ4の配置において、｛ｄ（Ｌ3＋Ｌ4）/ｚ｝の周期で撮像素子側に生じる光の強度の干渉縞に対応して、相対する撮像素子の画素において光の強度補正がなされるように構成できる。
【００４８】
この結果、開口率を大きくとった上で、干渉縞の影響を除くことができる。上記の構成は、第１のレンズからの光が主光軸となす角θと、前記波長可変フィルタを構成する回折格子のピッチｄと、前記第１の回折格子と第２の回折格子との距離ｚとが、θ>tan-1(ｄ/ｚ)の関係にある場合に、とくに有効である。
【００４９】
また、波長可変フィルタを構成する第１および第２の回折格子の開口ピッチｄと、第２のレンズから撮像素子までの距離Ｌ4と、撮像素子の寸法Ｒと、分光対象の波長λとが、ｄＬ4/λ≦Ｒの関係を満たしてもよい。
【００５０】
この構成により、撮像素子上に０次光のみを取り込むことができるようになる。
【００５１】
また、上記第１および第２の回折格子の開口部は２次元的に配列されることができる。
【００５２】
上記構成により、Ｘ方向の格子の周期とＹ方向の格子の周期とを適当な比率にすることにで、より狭い帯域の波長のみを透過させることができるようになる。
【００５３】
上記において、本発明の実施の形態について説明を行ったが、上記に開示された本発明の実施の形態は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれら発明の実施の形態に限定されない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
本発明によれば、加工精度の影響を大きく受けることなくスペクトル画像解析が可能な撮像装置およびその使用方法を得ることができる。また、透過型の回折格子を用いることにより透過率が５０％を超えるようにすることができるので暗い物体像でも良好な画像を得ることができる。また、回折格子からの干渉縞を受けないように近軸光線に限定してもよいし、開口率を大きくとり干渉縞が撮像素子に入射することが避けられない場合には、干渉縞に対応する画素の出力を補正することができる。上記のような利点を有するので、今後、スペクトル画像分析の分野で広範に利用されることが期待される。
【００５５】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の実施の形態１におけるスペクトル画像装置を説明する図である。
【図２】図１に示すスペクトル画像装置における波長可変フィルタの動作原理を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態１におけるスペクトル画像装置の波長帯域特性を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態１におけるスペクトル画像装置のデータ取り込み方法を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態１の撮像装置の構成例を示す図である。
【図６】本発明の実施の形態２におけるスペクトル画像装置の波長帯域特性を示す図である。
【図７】本発明の実施の形態３の撮像装置における撮像素子の補正の掛け方を示す図である。
【図８】本発明の実施の形態４の撮像装置における回折格子の開口パターンを示す図である。
【符号の説明】
【００５７】
１  物体像、２  第１のレンズ、３  第２のレンズ、４  撮像素子（撮像素子）、４ａ  画素、５  第１の回折格子、６  第２の回折格子、７  光、１０  波長可変フィルタ、１１  光学系の主光軸、１２  入射光、１３  間隔調節機構、２０  一体型波長可変フィルタ、２１  計算機、２２  表示装置、５０  撮像装置、ｄ，ｄ1，ｄ2  開口ピッチ、ｚ  ２つの回折格子の間隔、Ｌ1  物体像と第１のレンズとの距離、Ｌ2  第１のレンズと第１の回折格子との距離、Ｌ3  第２の回折格子と第２のレンズとの距離、Ｌ4  第２のレンズと撮像素子との距離、Ｒ  撮像素子の寸法（開口径）。
【図１】
2005308643.tif 000004
【図２】
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【図３】
2005308643.tif 000006
【図４】
2005308643.tif 000007
【図５】
2005308643.tif 000008
【図６】
2005308643.tif 000009
【図７】
2005308643.tif 000010
【図８】
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