(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源部と、
前記光源部は、
広帯域光又は広帯域の波長掃引光を出射する点光源と、
前記点光源から出射された光を線状の線状光に変換する光学系と、
第１の開口を有し前記線状光を成形する第1のスリットと、を有し、
前記光源部から出射された前記線状光を照明光と参照光に分割する分割部と、
被写体からの  反射光を結像させる撮像光学系と、
前記撮像光学系の結像面に設置され第2の開口を有する第２のスリットと、前記第２のスリットと共役に配置され、前記参照光を生成する反射板と、を有する反射部と、
前記反射光と前記参照光を干渉させて干渉光を生成する合成部と、
前記干渉光を、前記第２の開口の長手方向に対し交差する交差方向に分光する分光部と、
前記第２のスリット及び前記反射板と共役に配置され、前記分光部により生成される2次元の干渉縞を受光する受光センサと、を備え、
前記反射板が前記第2の開口の長手方向長さに対応する長さを有することを特徴とする撮像装置。
【請求項２】
前記交差方向に前記撮像装置の撮像範囲を走査するように前記被写体及び前記撮像範囲の少なくとも一方を移動するための走査機構と、を備えることを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
【請求項３】
前記受光センサが、シャッター機能を有することを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
【請求項４】
前記反射板に置換可能な吸収帯を備えることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の撮像装置。
【請求項５】
前記干渉光から、所定の波長帯域成分を取り出し、フーリエ変換を行い、前記所定の波長帯域成分における画像を生成する信号処理部を備えることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の撮像装置。
【請求項６】
前記信号処理部は、前記干渉光から３原色に対応する波長帯域成分を取り出し、フーリエ変換を行い、３原色の画像信号を生成し、前記３原色の画像信号に基づき、ＲＧＢ画像信号を生成する信号処理部を備えることを特徴とする請求項５に記載の撮像装置。
【請求項７】
クラスタが既知の被写体の反射スペクトルからフィッシャー・レシオが大きい順に複数のスペクトル成分を算出し、前記スペクトル成分を用い、クラスタが未知の被写体の反射スペクトルから識別を行う識別手段を備えることを特徴とする請求項１〜６の何れか一項に記載の撮像装置。
【請求項８】
前記反射部は、前記参照光をコリメートするコリメートレンズを有することを特徴とする請求項１〜７の何れか一項に記載の撮像装置。
【請求項９】
前記撮像光学系は、前記照明光を、前記被写体上の線状の照射領域に結像し、
前記分光部は、前記干渉光を波長成分に応じて分割し、
前記受光センサは、
前記照射領域を構成する一の反射点に対応し、第１の波長成分を有する第１の干渉縞が結像され、第１の方向に配列される第１の画素と、
前記一の反射点に対応し、前記第１の波長成分とは異なる第２の波長成分を有する第１の干渉縞が結像され、前記第１の方向に交差する第２の方向に配列される第２の画素と、を有することを特徴とする請求項１〜８の何れか一項に記載の撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、3次元の撮像及び分光処理を実現できる撮像装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
被写体を3次元に解像し、その情報から、被写体の表面や内部の画像（断面像、断層像、透過像）を検出したり、3次元の被写体の形状を測定したりするニーズが、工業用途、医療用途を問わず強い。そのため、後述するように、様々な撮像技術や測定技術が存在している。
【０００３】
（3次元形状検出技術）
非接触に3次元形状を測定する技術として、焦点移動方式、共焦点移動方式、光干渉方式、フリンジ投影法式などがある。
【０００４】
焦点移動方式は、焦点深度の浅い顕微鏡を用いて撮像を行い、Z軸（光軸）方向（撮像面と垂直方向）に走査を行ないながら撮像を繰返し、 焦点が合う画素のZ軸の位置を検出して、撮像と同時に3次元の形状を測定する方式である。
【０００５】
共焦点方式の代表として、レーザー走査顕微鏡が挙げられる。共焦点方式によれば、スポット光を2次元（X、Y)に走査して撮像を行い、それを更にZ軸方向に移動させながら繰り返すことで、焦点が合う画素のZ軸の位置を検出して3次元の形状を測定する。照明と受光の3次元のPSF（point spread function）が掛け算されるため、焦点移動方式と比べると測定の精度が高くなる。 ただし、3次元の走査が必要になり、検出時間が長くなる。
【０００６】
光干渉方式の代表として、白色干渉顕微鏡が挙げられる。光干渉方式によれば、照明光と参照光との干渉で生じる干渉縞のパターンを2次元受光素子で検出し、Z軸方向に走査を行ないながら干渉縞の変化を解析することで、3次元の形状を測定する（特許文献１参照。）。前述の焦点移動方式や共焦点移動方式に比べて、光干渉方式によれば、光学系のNA（開口数）や倍率に影響されず、Z軸方向の分解能が照明光の波長帯域幅と中心波長で決まるため、広視野（低倍率）においてもZ軸方向に高い分解能が得られる。光干渉方式は、被写体面の凹凸が大きい場合や傾斜している場合についての測定を得意としない。
【０００７】
フリンジ投影方式は、被写体に特定のパターンを投影し、被写体面の凹凸によって変化した投影パターンを解析し、3次元の形状を測定する方式である。前記３つの方式と比べて、Z軸方向の走査を必要としないため、ワンショットでの検出が可能である。フリンジ投影方式は、投影パターンの精度の限界から高い精度が得られないが、広視野での計測を得意とする。
【０００８】
（分光画像検出技術）
多数のカラーフィルタを搭載した撮像素子を使用し、分光画像を検出する方式がある。撮像素子の画素数の限界から、検出できる分光画像の数は少ない。
【０００９】
照明光の波長帯域を撮像ごとに切換え撮像し、分光画像を検出する方式がある。検出時間が長くなり、分光画像の数が制限される。
【００１０】
被写体の水平な１ライン部分の画像を検出し、その画素ごとに垂直方向に分光を行い、イメージセンサなどの二次元受光素子に結像することで、水平１ラインの解像と同時に、画素ごとの分光情報を検出する方式がある。被写体、もしくは、カメラを前記水平１ラインと直交する方向に走査して測定を繰り返すことで、分光画像を検出する方式である。本方式は、ライン分光方式と言われ、その検出装置はハイパースペクトルカメラと呼ばれている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開2011-110290号公報
【特許文献２】特開2006-153654号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
近年、上記の３次元の撮像と同時に、3次元の画素ごとの組成成分を、反射スペクトルの解析によって非接触に分析したいというニーズが、工業用途、医療用途を問わず強くなっている（特許文献２参照。）。
【００１３】
反射スペクトルの解析によって被写体の組成成分を分析するために、分光画像を検出する技術も、背景技術の項に記載したように、様々な撮像技術や測定技術が存在する。
【００１４】
ところが、これら２つの技術を組合せて3次元の解像と分光画像の検出を同時に行える撮像装置を構成しようとすると、いずれの組合せにおいても、原理的に不可能であったり、ハードウエアの規模、もしくは、処理時間が膨大になったり、検出精度が大幅に落ちたりして、実現性に乏しい。そのためか、精度の高い3次元の解像と分光精度の高い分光画像の検出を同時に可能とする撮像装置、検査装置は現存しない。
【００１５】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものである。すなわち、本発明は、構造が複雑化することなく、被写体に対し3次元の解像と分光画像の検出を実現できる撮像装置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】
【００１６】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の撮像装置の第１の態様は、光源から出射された光を分割し、照明光と参照光を生成する分割部と、
被写体からの反射光と前記参照光を干渉させて干渉光を生成する合成部と、
前記反射光を結像させる撮像光学系と、
前記撮像光学系の結像面に設置されるスリットと、
前記干渉光を、前記スリットの開口の長手方向に対し交差する交差方向に分光する分光部と、を備える。
【００１７】
本発明の撮像装置の第２の態様は、第１の態様に係る撮像装置であって、前記交差方向に撮像範囲を走査するように前記被写体及び前記撮像装置の少なくとも一方を移動するための走査機構と、を備える。
【００１８】
本発明の撮像装置の第３の態様は、第１の態様に係る撮像装置であって、前記撮像光学系が、光軸に対して焦点位置が斜めに配置されるシリンドリカル光学系の要素を備える。
【００１９】
本発明の撮像装置の第４の態様は、第１〜第３の態様の何れかに係る撮像装置であって、広帯域光又は広帯域の波長掃引光を生成する光源を備える。
【００２０】
本発明の撮像装置の第５の態様は、第１〜第４の態様の何れかに係る撮像装置であって、前記干渉光から、所定の波長帯域成分を取り出し、フーリエ変換を行い、前記所定の波長帯域成分における画像を生成する信号処理部を備える。
【００２１】
本発明の撮像装置の第６の態様は、第５の態様に係る撮像装置であって、前記信号処理部は、前記干渉光から３原色に対応する波長帯域成分を取り出し、フーリエ変換を行い、３原色の画像信号を生成し、前記３原色の画像信号に基づき、ＲＧＢ画像信号を生成する信号処理部を備える。
【００２２】
本発明の撮像装置の第７の態様は、第１〜第６の態様の何れかに係る撮像装置であって、クラスタが既知の被写体の反射スペクトルからフィッシャー・レシオが大きい順に複数のスペクトル成分を算出し、前記スペクトル成分を用い、クラスタが未知の被写体の反射スペクトルから識別を行う識別手段を備える。
【００２３】
本発明の撮像装置の第８の態様は、第３の態様に係る撮像装置であって、前記スリットの代わりにピンホールを有する前記撮像装置を複数備え、隣り合う撮像装置による撮像の重複部分の画像をブロックに分割し、前記ブロック間の相関を取ることによりずれ量を検出し、前記画像を張り合わせる。
【００２４】
本発明の撮像装置の第９の態様は、第８の態様に係る撮像装置であって、前記複数の撮像装置は、ライン状に配置され、前記ライン状に隣り合う位置関係の撮像装置は、異なるタイミングで駆動される。
【発明の効果】
【００２５】
本発明は、ライン分光方式の分光画像の検出する技術と光干渉解像処理の技術を組合せることにより、被写体に対し3次元の解像と分光画像の検出を実施できる撮像装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の実施例１に係る撮像装置の構成を示す構成図である。
【図２】図１の撮像装置により撮像処理を説明するための説明図である。
【図３】RGBとスペクトル画像の検出を示すブロック図である。
【図４】フーリエ変換の範囲を説明する図である。
【図５】FS（Foley Sammon）変換を説明する図である。
【図６】本発明の実施例２に係る撮像装置の構成を示す構成図である。
【図７】観察画像を説明するための図である。
【図８】本発明の実施例３に係る撮像装置の構成を示す構成図である。
【００２７】
以下に、本発明の実施例に係る撮像装置について図面を参照しつつ説明する。尚、図面において同一部分は同一符号で示されている。
【００２８】
図1は、実施例１に係る撮像装置1001を示し、撮像装置1001は、3次元空間の解像と、その画素ごとにスペクトル解析が可能である。図２に、撮像装置1001の理解を助けるために、図1の撮像装置1001が立体的に示されている。
【００２９】
点光源1039から出射された光はシリンドリカル光学系1017と第１のスリット1015を介し、第１のコリメート光学系1013及びミラー1031によって第１のビームスプリッタ1011に投入される。第１のビームスプリッタ1011で分離された照明光は、分割部である第２のビームスプリッタ1008を介して第１のコリメート光学系1007に投入され、第２のスリット1006を介して、対物光学系1005によって被写体1003を照明する。光路の途中、第２のビームスプリッタ1008で分離された照明光は、第２のコリメート光学系1009を介して反射板1010に照射され、参照光が生成される。
【００３０】
第１及び第２のスリット1006、1015は、図１の紙面と垂直の方向（Ｘ方向）にライン状（略矩形状）の開口1006aを備え、第１及び第２のスリット1015、1006の開口1006aを通る照明光は、被写体1003に対し線状に照射される。第２のスリット1006の光路上の位置は、対物光学系1005の結像位置にあり、第２のスリット1006の位置、反射板1010の位置、2次元受光センサ1019の受光面の位置は、共役である。
【００３１】
本実施例は、照明光が第２のスリット1006を介し照射される構成であるので、撮像装置1001の用途に応じて、対物光学系1005、もしくは、第２のスリット1006の右側（光路における上流側）の撮像系の構成要素を交換できる。
【００３２】
被写体1003からの反射光は、対物光学系1005と第２のスリット1006と第１のコリメート光学系1007を介し、第２のビームスプリッタ1008によって、反射板1010からの反射光である参照光に干渉される。ここで、図１の紙面に対し垂直方向（矢印Ｘ方向）に関する反射板1010の長さは、図１の紙面に対し垂直方向に関し第２のスリット1006の開口1006aのＸ方向の長さに対応している。また、第２のビームスプリッタ1008から反射板1010までの光路長は、第２のビームスプリッタ1008から第２のスリット1006までの光路長に対応している。
【００３３】
ちなみに、図１中の破線ＩＩで示す照明を行う照明光学系と干渉を行う干渉光学系の構成要素は、分光器1014と被写体1003の間の光路上であれば、どこに設置されていてもよい。また、照明光学系の構成要素と干渉光学系の構成要素を分けて設置してもよい。干渉光学系の構成要素が第２のスリット1006より被写体1003側（光路上の下流側）に設置されると、第２のスリット1006を含め右側（光路上の上流側）に配置される構成要素は、既知のハイパースペクトルカメラを使用することができる。
【００３４】
参照光と干渉させられた反射光（干渉光）は、分光器1014に投入される。本実施例では、図１中の分光器1014は、小型化に有利な透過型の回折格子を利用しているが、反射型の分光器でもよい。分光器1014によって波長成分に分光された反射光は、結像光学系1016によって2次元受光センサ1019に結像される。2次元受光センサ1019としては、既知のCCDイメージセンサやグローバルシャッタ方式のCMOSイメージセンサを利用できる。
【００３５】
図１の紙面に垂直な方向（図２のＸ方向参照。）の2次元受光センサ1019の素子列には、被写体1003に対し線状に照明された被写体部分が結像され、図１の縦方向（図２のＹ方向参照。）の2次元受光センサ1019の素子列には、その画素（図２のＰＸ参照。）ごとに分光された波長成分が結像される。そして、この分光された波長成分の光には、対物光学系1005から被写体1003上の反射点までの光学距離に対応した周波数の干渉縞が発生していて、それが反射点の数だけ重畳されている。ゆえに、図２の縦方向（Ｙ方向）の干渉縞の信号についてフーリエ変換を行なえば、OCT（Optical Coherence Tomography）の光干渉解像処理と同じ原理によって、光軸OA方向の解像を行うことができる。
【００３６】
光が被写体1003の各画素（図２のｐｘ参照。）に到達する僅かな時間差（位相差）を電気的に検出することは困難であるが、反射光に参照光を加え、分光を行って生じた干渉縞をフーリエ変換すると、光学距離差に応じた時間差を空間周波数成分の違いに変換することができ、各画素（図２のｐｘ参照。）までの光学距離とその反射率を電気的に検出することが可能になる。また、分光した波長ごとに、結像光学系1016によって2次元受光センサ1019の素子列（図２のＰＸ参照。）に結像することと、さらに，その素子列が受光した信号の波長帯域成分についてフーリエ変換を行うため、光の波長帯域成分の位相を整合して加算した（マッチドフィルタ）ことにより、レーダーにおけるパルス圧縮と同様の結果が得られる。あたかも、短いパルス幅（波長帯域幅と中心波長で決まる）の光を用いて、電波を送受信することで対象物を測定するレーダーと同じ解像効果を光軸OA方向に得られる。  
【００３７】
ちなみに、光源1039には、解像度とスペクトル解析に必要な帯域を満足させるために、広帯域光源が使用される。将来、掃引型の広帯域光源が出現すれば、分光器1014と2次元受光（エリア）センサ1019の代わりに、1次元受光センサを紙面と垂直の方向（X方向）に配置すればよいことになる。ただし、広帯域光源には、広帯域波長掃引の高い直線性や周波数安定度が必要であり、1次元受光センサには、各素子の出力を並列に読み出せる機能と、その出力を記憶して、順次読み出しながらフーリエ変換を行う機能が必要になる。
【００３８】
そして、以上の一連の処理を繰返しながら、走査機構1004によって図１上の縦方向（Ｓ方向）に走査を行なうことで、被写体1003の３次元の解像と、その画素ｐｘごとのスペクトル強度分布を検出することができる。
【００３９】
以下に、RGB画像を生成する処理について説明する。図１に示す２次元受光センサ1019の出力は、信号処理部1051内にあって図3に示すFFT61に入力し、図4に示す可視光帯域80についてのフーリエ変換が行われ、図4に示すW（white）信号81が生成される。被写体が生体で、生体表面からある程度深い部分を透過像として描出する場合は、図4に示した透過性の良い近赤外領域85にW信号81を含めた範囲についてフーリエ変換を行い、W信号として生成される。
【００４０】
W信号81の生成に並行して、FFT62によって、図4に示すR帯域のフーリエ変換が先ず行われ、R信号82が生成される。R信号82は、図3に示す補間メモリ部63によって画素の補間が行われ、W信号（輝度信号）81と時間軸（画素位置）の同期がなされる。続いて、図3に示すFFT62によって、図4に示すB帯域のフーリエ変換が行なわれ、B信号83が生成される。B信号83も同じく図3に示す補間メモリ部64によって画素の補間が行われ、W信号81と画素位置の同期がなされる。
【００４１】
次に、これらのW、R、Bの信号をマトリクス変換器65でマトリクス変換を行い、RGBの映像信号が生成される。
【００４２】
また、正確な色再現の情報が必要な場合、2次元受光センサ1019（図２参照。）の出力に、XYZ等色関数に応じた係数を乗じて、フーリエ変換を行なえば、XYZの信号を得ることができる。
【００４３】
R信号82とB信号83は、W信号81よりも波長帯域幅が狭く、中心波長も異なるため、R信号82とB信号83の解像度は、W信号82の1／3程度になるが、人の目の解像度が同じく1／3程度であるため問題ない。
【００４４】
このように、図４に示すように、分割されたR帯域とB帯域に対応した範囲のフーリエ変換を行うことで、R信号82とB信号83を生成することができる。その信号生成処理は、線形な系における重ね合わせの原理に基づいている。すなわち、広帯域光源は、R、G、Bと赤外線を含めて、波長帯域を分割した複数の光源の線形和から成り立っていると考えられ、照明、反射、参照光との干渉、分光、フーリエ変換のすべての処理が、線形処理である。よって、2次元受光センサ1019の出力の内、RやBの帯域に相当する部分の時系列信号を抜き出して、フーリエ変換を行うことで、RやBの単独光源を用いて信号生成処理を行ったのと同じ画像が得られることになる。
【００４５】
以下に、撮像装置1001で得たマルチスペクトルデータを使用して行なうマルチスペクトル解析について説明する。
【００４６】
撮像装置1001は、反射板1008を矢印Ｈ方向にスライドし、吸収帯1012によって参照光が生じないようにすれば、既知のハイパースペクトルカメラとして使用することができる。
【００４７】
または、撮像装置1001の2次元受光センサ1019の分光出力に、画素（図２の符号ｐｘ参照。）までの光路長に対応する干渉縞の周波数成分をコンボリューション（畳み込み積分）を行うことで、その画素におけるマルチスペクトルデータ（分光特性）を検出することができる。
【００４８】
マルチスペクトルデータを使用して物質を特定するためには、先ず、撮像装置1001によって、目的物質の特定に必要なマルチスペクトルデータを出来るだけ多く取得する。次に、目的物質の名称、組成、前処理（クラスタの分散を小さくする正規化処理）に必要な情報（本情報は、照明光の輝度のバラツキ、照明光の波長帯域のバラツキ、画像の切出し情報などを含み、タグと呼ぶ。）を、取得されたマルチスペクトルデータにデータフォーマット作成部70によって付加して、オフラインのコンピュータにRAWデータとして蓄積する。
【００４９】
そして、オフラインのコンピュータで、このRAWデータの前処理を行った後、マルチスペクトルの波形をAIに学習（教師あり）させたり、スペクトル成分を多次元直交軸とした座標空間で、主成分分析やFS（Foley−Sammon）変換などの多変量解析による特徴軸の絞り込みを行ったりする。そして、この処理よって得た学習済みのAIのデータ（ニューロン係数）や、マルチスペクトルデータを特徴軸へ射影変換するためのマトリクス変換係数が、図3に示すコントロール部71に送られ、コントロール部71が有するメモリに記憶される。
【００５０】
特定する物質が複数の場合、それぞれの物質に対応したマルチスペクトルデータを、直接、AIに学習（教師あり）させて、複数の物質を特定してもよい。AIによる識別は、図５に示すように、非線形な仕切りZにより可能である。
【００５１】
または、図５に示すように、主成分分析やFS（Foley−Sammon）変換などの多変量解析によって、データ圧縮と同様に、スペクトル成分の特徴軸EU1〜EUnに絞り込んでおいて（経験上、1000軸のスペクトルデータを多くても5〜6の特徴軸に絞り込める）、AIに学習させると、AIの規模を大幅に縮小することができる。このAIの構成は、本実施例の撮像装置1001に内装してある図3のAI75と同じ構成である。特徴軸EU1〜EUnへの射影変換は、外部コンピュータから図3のコントロール部71に送られて記憶されたマトリクス変換係数72-1〜72-nを、乗算器73-1〜73-nによって2次元受光センサ1019の出力に乗ずることでなされる。
【００５２】
ただし、上記の特定方式は、二つのクラスタを識別する方式のため、複数の物質を特定する際は、その都度、特徴軸を切換える必要がある。その切換えをツリー状に組合せて複数回行なったとしても、回路規模が大幅に縮小されているので、高速に物質特定を行なうことができる。
【００５３】
図1に示す実施例１の撮像装置1001による完像時間は、2次元受光センサ1019の読み出し時間と走査方向のライン数を掛け合わせた値になるため、高速に撮像を行うためには、高速のイメージセンサが必要である。例えば、現存する200万画素で1万フレーム／秒のイメージセンサを使用した場合、実施例1の撮像装置1001におけるフレームレートは10フレーム／秒になる。ゆえに、実施例１の撮像装置1001は、静止している被写体や、動きの少ない被写体の検出に向いている。ただし、スペクトル数を256程度に抑えることができる撮像装置の場合、 200万画素で1万フレーム／秒のイメージセンサを使用すると、 60フレーム／秒のフレームレートで検出が可能である。
【００５４】
具体的な用途として、コンピュータグラフィックス（CG）用の3次元計測装置がある。撮像した画像データからCGによって、自由な視点と方向から観察した画像、透過像、断面像（断層像）を表示することが可能である。スペクトルの分光情報から、正確な色再現や照明色に適合した表示が可能になる。また、本実施例の撮像装置1001は、画素ごとの成分分析が可能であるので、Z軸方向の分解能が高い顕微鏡装置や、表面形状の測定と測色が可能な表面検査装置、断層像の検出と組成分析が可能な眼底カメラなどへ応用できる。
【００５５】
実施例２．ワンショットで、被写体表面の撮像とスペクトル解析が可能な撮像装置
図６は、ライン分光方式の分光画像の検出（発明の概要の項を参照。）と光干渉解像処理（光干渉断層法の撮像原理に基づく処理：実施例１を参照。）の技術を組合せることで、被写体1003の撮像とスペクトルの解析を動的計測に適したワンショット撮像で行える撮像装置1101の実施例を示す。実施例２の撮像装置1101では、実施例1（図１参照。）の対物光学系1005が、特殊なシリンドリカル光学系1025の要素を備える。図６の紙面と垂直方向（X方向）の解像（結像）は、シリンドリカル光学系1025によって行われ、集光線1022の長手方向の解像は、サイドルッキングレーダーと同様に、被写体1003を斜めから（光軸ＯＡに関し傾斜する方向に）照明し撮像することで、図６の紙面の水平方向（矢印Z方向）の光干渉解像処理による解像を利用して行なわれる。本実施例では、3次元の形状測定はできないが、ワンショットで動いている被写体1003の撮像とスペクトルの解析が可能である。
【００５６】
図６において、第２のスリット1026の開口中心Ｃと光軸ＯＡが交わる点を通過した照明光に注目し、説明を行う。第２のスリット1026の開口中心Ｃ以外を通過する照明光も同じ原理に沿って説明することができる。集光線1022（破線）に示すように、光軸ＯＡに対して斜めに集光され、被写体1003を斜めから照明する。第２のスリット1026から集光線1022までの光路長が、集光線1022の長手方向の一端部1023から遠くなる（他端部1024に近づく）につれ、第２のシリンドリカル光学系1025の焦点位置が、集光度を一定に保ちながら漸次長くなるように、第２のシリンドリカル光学系1025の紙面と垂直方向（Ｘ方向）の曲率と開口が、集光線1022の長手方向に対して徐々に変化するように設定されている。また、第２のスリット1026の開口1026aのＸ方向に関する各点を通過した照明光の集光線が、被写体1033の面上に平行に照射（投影）されるように、第２のシリンドリカル光学系1025の、図６の紙面と垂直方向（Ｘ方向）の投影倍率が、集光線1022の長手方向に対して徐々に変化する光学系要素を備えている。また、第２のシリンドリカル光学系1025の縦方向（矢印Ｙ方向）に関する拡散と強度分布（レンズパワー）が、集光線1022の長手方向に応じて適宜設定されている。ゆえに、第２のシリンドリカル光学系1025の構成要素に自由曲面的な（光軸ＯＡに対して非対称な形状を有する）結像要素を含むことが望ましい。
【００５７】
集光線1022の長手方向の解像と感度について説明する。図６に示すように、第２のスリット1026の開口中心Ｃと光軸ＯＡが交わる点を通過した照明光の集光線1022を、第２のシリンドリカル光学系1025を通じて、斜め方向から被写体1003の表面上にライン状に収束させ、被写体1003から反射してきた反射光は、第２のシリンドリカル光学系1025、第２のスリット1026、第２のコリメート光学系1007を介し、第２のビームスプリッタ1008によって、反射板1010からの反射光である参照光に干渉される。集光線1022の長手方向の解像は、信号処理部1051に設置したOCI（Optical Coherence Imaging：以下、本明細書においてOCIと称す。）処理部にて行われる。OCI 処理は、OCT（Optical Coherence Tomography）の処理をベースとしている。OCI処理は、マイケルソン干渉法とフーリエ変換処理によって、ミクロンオーダーの短い光パルスを斜めから照射して、被写体表面から順次反射してくる光パルスを受光して1次元の画像を得る処理（光干渉解像処理）である。
【００５８】
第2のスリット1026から左側（光路の下流側）に位置する構成は、針孔写真機と同様な構成（縦方向（図６のＹ方向）において）であるため、感度が低いようにみえる。しかし、前述したように、光干渉解像処理においてフーリエ変換を行うことで、光の各波長成分の位相が整合されて加算されるため、レーダーにおけるパルス圧縮同様、フーリエ変換後の信号の強度は、集光線1022の長手方向の画素数分だけ倍増される。SN比は画素数の平方根の値となり、感度に関する懸念はない。
【００５９】
なお、反射光は、第２のスリット1026から集光線1022上の各反射点までの往復距離の違いに比例して（集光線1022上の反射点が離れるに従い）位相がずれ、それらが重畳された信号として受光される。当該重畳された反射光が、反射板1010からの参照光と干渉させられると、位相ずれに比例した周波数で干渉縞が発生し、それらが重畳された信号となる。干渉縞の周波数は、第２のスリット1026から集光線1022の反射位置までの光路長が長くなる反射点ほど高い。
【００６０】
図６の紙面と垂直な方向（矢印Ｘ）の解像は、シリンドリカル光学系1025を用いる結像によってなされる。第２のスリット1026より右側（光路の上流側）に図示された構成は、図１に示される実施例１の構成と同一であり、実施例1と同様に、画素ごとのスペクトル強度分布を検出する。
【００６１】
上記した実施例２の撮像方式によれば、被写体1003の表面の撮像とスペクトル解析が、ワンショットで行えるため、動きのある被写体の検出に向いている。また、本撮像方式により得られる画像は、図７に示されるように、被写体1003を斜めに照明し、被写体1003上の集光線1022と照明光の波面５が交わる反射点６を波面５の接線方向７から観察した画像と同じになる。さらに、被写体1003が半透明の場合、図７の左下の拡大図７Ａが示すように、被写体内部の同一波面からの反射信号が重畳され、光軸ＯＡが交差する波面５上の接線方向７から透過像を観察したのと同じ画像が得られる。本撮像方式の被写体が生体である場合には、透過性の高い近赤外領域（0.68μｍ〜1.5μｍ）を照明光に含めるとよい。なお、図７Ａの符号Ｔは、被写体1003が内部に血管などの組織を模式的に示している。
【００６２】
実施例２の具体的な用途として、ハンディな検査装置、例えば、表面検査装置、測色計、マイクロスコープ、術中顕微鏡装置などが挙げられる。
【００６３】
実施例３．大画面の撮像とスペクトル解析が高速に行える撮像装置
図８は、撮像装置１２０１を複数備える実施例３を示す。実施例３の撮像装置１２０１は、実施例２の撮像装置１１０１が備える第２及び第１のスリット1026,1027を複数の既知のピンホールに置き換え、2次元受光センサ1053を既知のラインセンサに置き換えられている構成で、当該ラインセンサの素子列が縦方向（図６の矢印Ｙ方向参照。）に配置されている。そして、被写体1003を図８の紙面と垂直の方向（矢印Ｈ方向）に移動させつつ撮像装置１２０１による検出を行なう構成は、工場のライン生産（ベルトコンベア）で使用される高速検査装置などに応用することができる。
【００６４】
図８には、上記の撮像装置1201を多段に組合せる構成を採択することで、大画面を高速に検査できる検査装置の実施例が示されている。図８に示すように、隣り合う撮像装置1201による撮像により取得される重複部分1032の画像をブロックに分割し、ブロック間の相関を算出し3次元のズレ量を検出し、当該ズレ量に基づき画素の移動と補間を行って画像を張り合わせることで、大画面を検出することができる。加えて画素ごとの周波数成分分析を行うことができる。
【００６５】
撮像装置1〜ｎ（ｎは自然数）は、重複部分1032における照明光の相互干渉を防ぐために、奇数番目に配列される撮像装置と偶数番目に配列される撮像装置に分けて駆動され撮像を行い、2回の撮像から1ライン（図８の矢印Ｗ方向）の画像を検出する。
【００６６】
実施例３の具体的な用途として、シートや鉄板などの大画面を高速に検査する検査装置、血液分析や遺伝子検査のように、大量に並べられたピットの被検体を、スペクトル解析によって一括で検査する装置などが挙げられる。
【００６７】
上記した実施例は、光干渉解像処理及び分光画像の検出処理が同時に実施される構成であるが、本発明は、本実施例に限定されない。例えば、撮像装置の使用用途に応じて、光干渉解像処理、分光画像の検出処理等の各処理の実施タイミングを異ならせたり、各処理の一方のみを実施する構成とすることも可能であることは言うまでもない。
【００６８】
以上、本発明の実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。
【符号の説明】
【００６９】
1001  撮像装置
1003  被写体
1004  走査機構
1005  対物光学系
1006，1026  第２のスリット
1006a，1026a  開口
1007  第１のコリメート光学系
1008  第２のビームスプリッタ（分割部、合成部）
1009  第２のコリメート光学系
1010  反射板
1011  第１のビームスプリッタ
1012  吸収帯
1013  第１のコリメート光学系
1014  分光器（分光部）
1015，1027  第１のスリット
1016  結像光学系
1017，1025  シリンドリカル光学系
1019，1053  2次元受光センサ
1022  集光線
1023  一端部
1024  他端部
1031  ミラー
1032  重複部分
1101，1201  撮像装置
1039  点光源
OA  光軸
PX, px  画素
【要約】
【課題】被写体に対し3次元の解像と分光画像の検出を実行できる撮像装置を提供すること。
【解決手段】光源1039から出射された光を分割し、照明光と参照光を生成する分割部1008と、被写体1003からの反射光と前記参照光を干渉させて干渉光を生成する合成部1008と、反射光を結像させる撮像光学系1007と、撮像光学系1007の結像面に設置されるスリット1006,1026と、前記干渉光を、スリット1006,1026の開口1006a,1026 aの長手方向Ｘに対し交差する交差方向に分光する分光部1014と、を備える。
【選択図】図１【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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