JP6667153B2 - 撮像装置、およびそれを用いた分析装置 - Google Patents

Description

本開示は、カメラ等の撮像装置、およびそれを用いた分析機器に関する。

カラー画像を取得するだけでなく、他の機能を備えた撮像装置へのニーズが高まっている。特に近年では複数の波長に対して、それぞれ画像取得を行う、分光イメージング分野の研究、開発が盛んになっている。

分光イメージングでは複数の波長または波長帯域に対する被写体の２次元の輝度情報を取得することで、被写体を目視しただけでは検知しにくい、あるいは検知できない有益な情報をセンシングすることができる。これらの情報としては、例えば、野菜または果物の鮮度または糖度、あるいは各種製品検査ラインにおける異物の抽出、あるいは励起光を被写体に照射することで発生する蛍光を分析することによる病変組織の特定などがある。

分光イメージングを行う方法は主に２つにある。１つは、特定の波長を有する照明光源を複数準備し、これらの照明を交互に切り替えて被写体に照射しながら、個々の照明の発光ごとに撮像装置で撮影する方法である。もう一つは、白色光源など、幅広い波長帯域をもつ光源を被写体に照射し、所望の波長のみを透過する分光フィルタを介して撮像装置で画像を取得するものである。

上記２つの方法は計測する対象または測定する環境、状況に応じて適したものが選択されるが、後者の方法は取得できる波長数または波長帯域幅に対する自由度が高く、比較的簡単に分光イメージングを行えるメリットがある。具体例としては、撮像装置の前に異なる透過波長帯域を持つ、複数の分光フィルタを備えたフィルタホイールを設置し、分光フィルタを切り替えることで波長帯域の異なる複数の画像を順次取得することができる。

特許文献１、２は一つの撮像装置で複数の波長画像を同時に取得する例を開示している。

米国特許第７４３３０４２号明細書 特開２０１１−７５５６２号公報

一般に分光フィルタにて透過する波長は、分光フィルタへの光線入射角度とともに変化する。そのため、所望の狭い波長帯域で広い画角で分光イメージングをすることが困難であるという問題がある。

本開示における非制限的かつ例示的な実施の形態は、広い画角で狭い波長帯域の分光イメージングを可能とする撮像装置および分析装置を提供する。

本開示の一態様に係る撮像装置は、レンズ、および絞りを有する光学系と、前記光学系を通過した光が入射する第１の画素および第２の画素を有する撮像素子と、前記光学系と前記撮像素子との間に配置されたアレイ状光学素子とを備え、前記光学系は、光学特性の互いに異なる第１の領域および第２の領域を含み、前記絞りの近傍に配置された光学フィルタを有し、前記アレイ状光学素子は、前記第１の領域を透過した光を前記第１の画素に入射させ、前記第２の領域を透過した光を前記第２の画素に入射させ、前記光学系の入射瞳は、前記絞りと前記被写体との間にある。

開示された実施の形態が提供する更なる利益及び利点は、明細書および図面から明らかになる。それらの利益及び利点は、さまざまな実施の形態、明細書および図面の特徴によって個々にもたらされる場合があり、１つ以上の利益及び利点を得るために、全てが必ずしも提供される必要はない。

本開示における撮像装置によれば、広い画角で狭い波長帯域の分光イメージングを可能とする。

実施の形態１における撮像装置の構成を示す模式図である。 実施の形態１における撮像装置にて、異なる波長を透過する光学面領域を備えた光学フィルタＬ２を被写体側から見た正面図である。 実施の形態１における撮像装置のアレイ状光学素子の斜視図である。 実施の形態１における撮像装置の撮像面近傍の拡大図である。 実施の形態１におけるアレイ状光学素子と撮像素子上の画素との位置関係を示す図である。 一般的なファブリペロー型干渉フィルタを示す図である。 狭帯域フィルタへの入射角変化による透過波長シフトを示すグラフである。 本実施の形態１において、被写体から撮像装置に入射する光束Ｂが光学フィルタＬ２に入射する部分の拡大図である。 実施の形態２における撮像装置にて、異なる波長を透過する光学面領域を備えた光学フィルタＬ２を被写体側から見た正面図である。 実施の形態２における撮像装置のアレイ状光学素子の斜視図である。 実施の形態２における撮像装置の撮像面近傍の拡大図である。 アレイ状光学素子と撮像素子上の画素との位置関係を示す図である。 実施の形態３における、アレイ状光学素子Ｍｄを有する撮像素子Ｎの断面図である。 実施の形態３における、マイクロレンズＭｓ及びアレイ状光学素子Ｍｄを有する撮像素子Ｎの断面図である。 比較例の撮像装置の構成を示す模式図である。 実施の形態４における撮像装置の構成を示す模式図である。 実施の形態５における撮像装置の構成を示す模式図である。 実施の形態５において、被写体から撮像装置に入射する光束Ｂが光学フィルタＬ２に入射する部分の拡大図である。 実施の形態６における撮像装置の構成を示す模式図である。 実施の形態７の食品分析装置の全体構造の模式図である。 実施の形態７の表示部に表示されるカロリーの分布画像の表示例を示す正面図である。 実施の形態７の表示部に表示される成分の分布画像の表示例を示す正面図である。 特許文献１にて開示された撮像装置の一実施例を示す図である。 特許文献１にて開示されたカラーフィルタアレイ１０２を示す図である。 特許文献２にて開示された、マルチモードの光照射野結像システムの構成図である。

（本開示の基礎となった知見）
本発明者は、「背景技術」の欄において記載した、分光イメージングにおける波長帯域と画角に関し、以下の問題が生じることを見出した。

「背景技術」で述べたように、特許文献１、２は一つの撮像装置で複数の波長画像を同時に取得することを開示している。

図２０Ａは特許文献１にて開示された撮像装置の一実施例を示す図である。図２０Ｂは、当該撮像装置のカラーフィルタアレイ１０２を示す図である。図２０Ｂのように４×４、すなわち１６種類のカラーフィルタからなるカラーフィルタアレイ１０２はレンズ１０４の入射瞳の位置にある。マイクロレンズアレイ１０３の直下にはイメージセンサ１０１が存在し、個々のマイクロレンズの下に４×４の画素が配置され、それぞれの画素に、異なるカラーフィルタを通過した光線が取り込まれる。これにより１６種類の波長情報を有する画像を同時に取得するものが開示されている。

図２１は特許文献２にて開示された、マルチモードの光照射野結像システムの構成図である。光学的なモジュール１０５により、被写体１５０の光学的な像１６０が像平面１２５に形成される。フィルタアレイ１１０を通過した光はマイクロレンズアレイ１２０で分離され、検出器アレイ１３０にて、フィルタアレイ１１０の個々のフィルタを透過した光線が分かれて結像する。これにより、フィルタアレイ１１０に設けられたフィルタの透過波長情報を有する画像を同時に取得することができ、フィルタアレイ１１０をアクチュエータ１４０で動かすことで、異なる分光特性をもつフィルタに変更できるものが示されている。

一般に分光フィルタにて透過する波長は、分光フィルタへの光線入射角度とともに変化する。このため、狭い波長帯域の分光イメージングを広い画角で行うことが困難であるという問題がある。

分光フィルタとしては吸収特性に波長依存性を持つ材料を用いたカラーフィルタ、及び屈折率の異なる材料からなる膜を積層した光学多層膜からなる干渉フィルタが代表的である。特に光学多層膜による干渉フィルタでは特定波長のみを透過する狭帯域フィルタが実現できる。さらにバンドパスフィルタ、ハイパスフィルタ、ローパスフィルタなど各種のフィルタ特性が実現できるもので、吸収型の分光フィルタよりも光利用効率が高く、分光透過特性の設定自由度も高い。その一方で、光線入射角に対して透過、または反射によって分離される波長は顕著にシフトする。撮像装置においては被写体から発する光線を集めるが、撮像装置の画角が大きいほど、光学系に対して斜めに光線が入射する傾向が強くなるため、所望の分光特性が得られないという課題が生じていた。特に撮像装置の前に干渉フィルタを配置するレイアウトでは、広い画角で撮像できない課題を顕著に生じていた。

特許文献１に開示された撮像装置においては、撮像装置の内部に分光フィルタを設けている例が開示されている。しかしながら、分光フィルタアレイは入射瞳の位置に配置されているために、分光フィルタに入る光線は角度幅を持ち、特定の狭い波長幅の光線情報、画像を取得することが困難になる問題が生じる。また、特許文献２においても分光フィルタへの光線入射角度は配慮されておらず、特に広い画角で被写体像を撮像する場合には同様の問題が生じる。

このような課題を解決するために本開示の一態様に係る撮像装置は、レンズ、および絞りを有する光学系と、前記光学系を通過した光が入射する第１の画素および第２の画素を有する撮像素子と、前記光学系と前記撮像素子との間に配置されたアレイ状光学素子とを備え、前記光学系は、光学特性の互いに異なる第１の領域および第２の領域を含む光学フィルタを有し、前記アレイ状光学素子は、前記第１の領域を透過した光を前記第１の画素に入射させ、前記第２の領域を透過した光を前記第２の画素に入射させ、前記光学系の入射瞳は、前記絞りと前記被写体との間にある。

この構成によれば、広い画角で狭い波長帯域の分光イメージングを可能とする。より具体的には、広角画像を取得時も分光波長を高精度に維持する撮像装置を実現できる。広角であるため被写体対象エリアを拡大でき、撮像装置の台数を削減できる。また、近距離にて対象被写体を撮影できるため、本撮像装置を搭載したシステム、分析機器を小型化することができる。

以下本開示による撮像装置の実施形態を、図面を参照しながら説明する。

なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも包括的または具体的な例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、ステップ、ステップの順序などは、一例であり、請求の範囲を限定する主旨ではない。また、以下の実施の形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。

（実施の形態１）
図１は、実施の形態１の撮像装置Ａを示す模式図である。本実施形態の撮像装置Ａは、光軸Ｖを有するレンズ光学系Ｌと、レンズ光学系Ｌの焦点近傍に配置されたアレイ状光学素子Ｋと、撮像素子Ｎと、信号処理部Ｃとを備える。

レンズ光学系Ｌは、少なくとも１枚のレンズを有する第１の要素光学系Ｌ１、絞りＳ、光学フィルタＬ２、第２の要素光学系Ｌ３から構成されている。被写体（図示せず）から入射した光は、第１の要素光学系Ｌ１により光線方向が屈曲され、絞りＳで不要な光線は排除される。光学フィルタＬ２は、それぞれ異なる波長であるλ１、λ２をピークとする狭波長帯域を透過する領域Ｄ１、Ｄ２を有しており、絞りＳ近傍に配置している。

このレンズ光学系Ｌは、入射瞳Ｅが絞りＳより被写体側にあるように構成されている。ここで、入射瞳とは、被写体側からレンズを見たときの絞りの像、つまり、絞りから被写体側にあるレンズ群による絞りの像をいう。簡単にいうと、入射瞳とは、絞りによって決まるレンズの有効な口径のことである。このため、入射瞳は有効口径と呼ばれることもある。また、入射瞳の位置は、被写体空間上での主光線をそのまま延長し、光軸と交わる位置と定義される。被写体空間とは、被写体から撮像装置Ａに入射するまで（図１では、第１の要素光学系Ｌ１に入射するまで）の空間を指す。ここで主光線とは、絞りの中心を通過する光線をいい、通常、画角を持った光束の中心を通過する光線を指す。

図２は、光学フィルタＬ２を被写体側から見た正面図であり、領域Ｄ１とＤ２は光軸Ｖを境界中心として上下に２分割されている。また、図２には、絞りＳが示されている。光学フィルタＬ２は、光軸に実質的に垂直な面内に光学特性の互いに異なる領域を含んでいる。

図３は、アレイ状光学素子Ｋの斜視図である。アレイ状光学素子Ｋの１つの光学要素Ｍ１は、断面が円弧状になっているため、アレイ状光学素子Ｋは、レンチキュラレンズとなっている。

また、図１において、光束Ｂ０は撮像装置Ａの正面、すなわち光軸Ｖの延長線上にある被写体から撮像装置Ａに入射する光束、光束Ｂは斜め方向（光軸Ｖとなす角ω）にある被写体から撮像装置Ａに入射する任意の光束、光束Ｂｍａｘは撮像装置Ａの最大画角（光軸Ｖとなす角ωｍａｘ）で被写体から撮像装置Ａに入射する光束を示す。

光束Ｂ０は第１の要素光学系Ｌ１を通過し、絞りＳ、光学フィルタＬ２に至る。図１において、光束Ｂ０のうち、光軸Ｖよりも上方の光束は領域Ｄ１を通過する。また光軸Ｖより下方の光束は領域Ｄ２を通過する。その後、第２の要素光学系Ｌ３、アレイ状光学素子Ｋの順に通過し、撮像素子Ｎ上の撮像面Ｎｉに到達する。光束Ｂ、Ｂｍａｘも同様である。

図４Ａは、図１に示すアレイ状光学素子Ｋと撮像素子Ｎの拡大図であり、図４Ｂは、アレイ状光学素子Ｋと撮像素子Ｎ上の画素との位置関係を示す図である。アレイ状光学素子Ｋは、レンズ光学系Ｌの焦点近傍に配置されており、撮像面Ｎｉから所定の距離だけ離れた位置に配置されている。また、撮像面Ｎｉ上の画素Ｐ１、Ｐ２上にはマイクロレンズＭｓが設けられている。

また、アレイ状光学素子Ｋの光学要素Ｍ１は、撮像面Ｎｉ側になるように配置されており、撮像面Ｎｉ上の画素Ｐ１と画素Ｐ２の２列の画素に対して、光学要素Ｍ１の１つが対応するように構成されている。

このような構成により、図２で示した光学フィルタＬ２上の領域Ｄ１を通過した光束（図４Ａの実線）の大部分は、撮像面Ｎｉ上の画素Ｐ１に到達し、領域Ｄ２を通過した光束（図４Ａの破線）の大部分は、撮像面Ｎｉ上の画素Ｐ２に到達する。

ここで、図１で示した信号処理部Ｃにより、画素Ｐ１のみで形成された第１の画像Ｉ１と、画素Ｐ２のみで形成された第２の画像Ｉ２が出力される。

第１の画像Ｉ１と第２の画像Ｉ２は、それぞれ光学フィルタＬ２の領域Ｄ１と領域Ｄ２を通過して得られた画像であり、異なる波長λ１、λ２の画像を同時に取得することができる。

光学フィルタＬ２は狭い波長帯域をもつフィルタが形成されている。以下代表的な例として、図５に示す、誘電体多層膜によるファブリペロー型干渉フィルタについて説明する。このファブリペロー型干渉フィルタは、透明なガラス基板５３上に、厚さｄ、屈折率ｎのスペーサ層５２を挟んで、反射干渉面５１ａ、５１ｂが平行に対向した多層膜構造を備えている。反射干渉面５１ａ、５１ｂは、図示していないが、それぞれ光学的厚さがλ０／４である高屈折率膜と低屈折率膜を交互に積層した構造を有する。λ０はフィルタを透過する設計波長である。

このような構成に光線が入射した場合、反射干渉面５１ａ、５１ｂで光線は反射を繰り返して、お互い干渉しあい、スペーサ層５２内で共振する波長の光のみが、フィルタを透過する。透過波長をλとすると次の（式１）で表せる。

ｋλ ＝２ｎｄ ｃｏｓθ （式１)

ここで、ｋは自然数、θはフィルタ法線と入射光線とがなす角である。

図６は狭帯域フィルタへの入射角変化による透過波長シフトを示すグラフである。図６からわかるように、光線が斜め入射すると膜のみかけの厚さがｃｏｓθ分だけ薄くなり、透過波長が短波長側にシフトする。特に入射角が大きくなると波長シフトは顕著となる。

図７は被写体から撮像装置に入射する光束Ｂが光学フィルタＬ２に入射する部分の拡大図である。光学フィルタＬ２に入射する光線の角度は、絞りの中央を通過する主光線Ｂｃ、絞りの上端を通過する光線Ｂｔ、絞りの下端を通過する光線Ｂｂそれぞれに対して、θｃ、θｔ、θｂで表される。角度θｃ、θｔ、θｂはそれぞれ異なる角度であり、θｔ＞θｃ＞θｂの関係となる。このため、光学フィルタＬ２の領域Ｄ１にはθｃ、θｔの間の角度、領域Ｄ２にはθｃ、θｂの間の角度で光線が入射する。光学フィルタＬ２の領域Ｄ１及びＤ２に入射した光線は、光学フィルタＬ２を通過後はそれぞれ異なる波長の光線となるが、画素Ｐ１、Ｐ２に到達する際に集光されることにより混合される。絞りＳの開口形状は円形、矩形等が用いられるが、いずれの場合も、絞り中央を通過する主光線の光線割合が大きく、画素に到達する際には最も重み付けが大きくなる。このため、見かけ上、光束Ｂは領域Ｄ１、領域Ｄ２にそれぞれ主光線Ｂｃの角度θｃ相当で光学フィルタＬ２に入射していると考えても、実用上問題ない。

本実施の形態の撮像装置は、図１に示すように入射瞳Ｅの位置が、絞りＳ、およびその近傍の光学フィルタＬ２よりも被写体側に位置している。このとき、被写体空間上での主光線Ｂｃが光軸Ｖとなす角ω（すなわち、画角）と、絞りの中央を通過後に光学フィルタＬ２に入射する主光線Ｂｃが光軸Ｖとなす角θｃとの間に、ω＞θｃの関係が成り立つ。つまり、入射瞳Ｅの位置が絞りＳより被写体側にあることは、ω＞θｃが成り立つ必要十分条件である。これにより、被写体から撮像装置に入る光束の角度を光軸Ｖ、すなわち光学フィルタＬ２の法線に近づける効果を有するものである。入射瞳Ｅが絞りＳから離れ、被写体側に近づくほどθｃは小さくなり、被写体側から最も大きな角度で撮像装置に入射する光束Ｂｍａｘが光軸Ｖとなす角度ωｍａｘを大きくすることができるため、撮像装置の広角化が可能となる。

なお、第１の要素光学系Ｌ１において、少なくとも一つのレンズは負の集光パワーを持つ光学系であることが望ましい。入射瞳Ｅを絞りＳよりも被写体側に近づけることが容易となる。

また、第２の要素光学系Ｌ３がなく、第１の要素光学系Ｌ１と絞りＳで撮像する構成とした撮像装置としてもよい。

また、光学フィルタＬ２は平面である必要はなく、曲面であってもよい。領域Ｄ１、Ｄ２の形状を異ならせてもよい。領域Ｄ１、Ｄ２の形状を適宜異ならせると、色収差等の収差低減が可能となる。

本実施の形態では図２のように、光学フィルタＬ２は絞りＳよりもセンサ側に配置されているが、光学フィルタＬ２が絞りＳよりも被写体側に配置されてもよい。

本実施の形態では光学フィルタＬ２は異なる波長であるλ１、λ２をピークとする狭波長帯域を透過する領域Ｄ１、Ｄ２を有しているが、領域Ｄ１、Ｄ２が異なる光学特性であればこれに限定されるものではない。特に、光学フィルタＬ２への光線入射角に対して、光学特性の変化が大きいものほど効果的である。例えば偏光フィルタは入射角に対して透過光量が変化し、入射角が大きくなるほど減少し、カメラ画像に輝度分布が生じる。本開示における撮像装置はこのような偏光フィルタを用いた場合にも効果が高く、分光、偏光フィルタ以外に、入射角度によって光学特性の変化する素子全般に有効である。また、分光手段もファブリペロー型干渉フィルタに限定するものではない。

また、光学フィルタＬ２の領域Ｄ１、領域Ｄ２は光軸Ｖに対して対称な形状を有しているがこれに限定されない。光学フィルタＬ２の領域Ｄ１、領域Ｄ２は光軸Ｖに対して非対称な形状であってもよく、それぞれの面積が異なっていてもよい。その際は撮像面の各画素との対応を考慮した画像生成を行う。

（実施の形態２）
本実施の形態２は、光学フィルタＬ２が４つの領域に分割されている点と、アレイ状光学素子をレンチキュラレンズからマイクロレンズに置き換えた点で、実施の形態１と異なっている。

図８は、光学フィルタＬ２を被写体側から見た正面図である。図８に示すように、領域Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、およびＤ４は、光軸Ｖを境界中心として、光学フィルタＬ２を上下左右に４分割した形状を有している。また、それぞれの領域は透過する波長帯域が異なっている。また、図８には、絞りＳが示されている。

図９は、アレイ状光学素子Ｋの斜視図である。アレイ状光学素子Ｋの１つの光学要素Ｍ２は、各断面が円弧状になっているマイクロレンズであり、アレイ状光学素子Ｋは、マイクロレンズアレイとなっている。

図１０Ａは、アレイ状光学素子Ｋと撮像素子Ｎの拡大図であり、図１０Ｂは、アレイ状光学素子Ｋと撮像素子Ｎ上の画素との位置関係を示す図である。アレイ状光学素子Ｋは、実施の形態１と同様に、レンズ光学系Ｌの焦点近傍に配置されており、かつ撮像面Ｎｉから所定の距離だけ離れた位置に配置されている。また、撮像面Ｎｉ上の画素Ｐ１〜Ｐ４上にはマイクロレンズＭｓが設けられている。

また、アレイ状光学素子Ｋの光学要素Ｍ２は、撮像面Ｎｉ側になるように配置されており、撮像面Ｎｉ上の画素Ｐ１〜Ｐ４の４つの画素に対して、光学要素Ｍ２の１つが対応するように構成されている。

このような構成により、図８で示した光学フィルタＬ２上の領域Ｄ１、領域Ｄ２、領域Ｄ３、および領域Ｄ４を通過した光束の大部分は、それぞれ撮像面Ｎｉ上の画素Ｐ１、画素Ｐ２、画素Ｐ３、および画素Ｐ４に到達する。

ここで、実施の形態１と同様に信号処理部Ｃにより、第１の画像Ｉ１、第２の画像Ｉ２、第３の画像Ｉ３、および第４の画像Ｉ４が出力される。

第１の画像Ｉ１、第２の画像Ｉ２、第３の画像Ｉ３、および第４の画像Ｉ４は、それぞれ光学フィルタＬ２の領域Ｄ１、領域Ｄ２、領域Ｄ３、および領域Ｄ４の透過波長を異ならせているため、撮像装置Ａは、異なる波長情報の４つの画像を同時に取得することができる。

本実施の形態においても、実施の形態１と同様に撮像装置に入射する光束Ｂｍａｘが光軸Ｖとなす角度ωｍａｘを大きくすることができるため、所望の波長からずれることなく、撮像装置の広角化が可能となり、同様の効果を有する。

本実施の形態では光学フィルタＬ２は４つの異なる領域に分割されているが、さらに分割数を増やし、各光学要素Ｍ２に対応する画素数を適宜変更しても構わない。

また、光学フィルタＬ２の領域Ｄ１、領域Ｄ２、領域Ｄ３、および領域Ｄ４は光軸Ｖに対して対称な形状を有しているがこれに限定されない。光学フィルタＬ２の領域Ｄ１、領域Ｄ２、領域Ｄ３、および領域Ｄ４は光軸Ｖに対して非対称な形状であってもよく、それぞれの面積が異なっていてもよい。各光学要素に対応する画素数と、光学フィルタＬ２の分割数は異なってもよい。

（実施の形態３）
本実施の形態３は、アレイ状光学素子であるレンチキュラレンズまたはマイクロレンズアレイを撮像素子内に形成したという点で、実施の形態１、２と異なる。

図１１Ａおよび図１１Ｂは、撮像面Ｎｉ上に形成されたアレイ状光学素子Ｍｄを有する撮像素子Ｎの断面図である。アレイ状光学素子Ｍｄは、レンチキュラレンズもしくはマイクロレンズアレイであり、複数の画素Ｐ１〜Ｐ４に対して１つのレンチキュラレンズの光学要素あるいは、マイクロレンズが対応している。このような構成であっても、実施の形態１、２と同様に、光学フィルタＬ２上の異なる領域を通過した光束を、それぞれ異なる画素に導くことができる。また、図１１Ｂは、アレイ状光学素子ＭｄとマイクロレンズＭｓとが積層された構成である。このような構成にすることにより、図１１Ａの構成よりも集光効率を高めることができる。

（比較例）
本開示における撮像装置に対する比較例として、図１２の撮像装置を説明する。比較例の撮像装置Ａは、光軸Ｖを有するレンズ光学系Ｌと、レンズ光学系Ｌの焦点近傍に配置されたアレイ状光学素子Ｋと、撮像素子Ｎと、信号処理部Ｃとを備える。

レンズ光学系Ｌは、絞りＳ、光学フィルタＬ２、少なくとも１枚のレンズを有する第２の要素光学系Ｌ３から構成されている。被写体（図示せず）からの入射した光は、絞りＳで不要な光線は排除された後、光学フィルタＬ２に入射する。光学フィルタＬ２はそれぞれ異なる波長であるλ１、λ２をピークとする狭波長帯域を透過する領域Ｄ１、Ｄ２を有しており、絞りＳ近傍に配置している。

図１２の撮像装置はレンズ光学系Ｌより被写体側に絞りＳが配置する前絞り構成であり、入射瞳Ｅの位置が、絞りＳと同じ位置にある。このような配置であるため、被写体側から入射する光線は絞りＳの近傍の光学フィルタＬ２に対して、屈折することなく直進して入射する。従って、最大画角の光線が光軸Ｖとなす角ωｍａｘが光学フィルタＬ２への入射角となる。このため、撮像装置Ａの画角が大きくなると、角度依存性の大きな光学特性を有する分光フィルタ、または偏光フィルタが光学フィルタＬ２に設けられている場合、分光波長のずれ及び画像上の輝度ムラが発生してしまう。すなわち、撮像装置を広角化することができなくなる。

（実施の形態４）
本実施の形態の撮像装置は、実施の形態１の撮像装置と異なる点は、レンズ光学系の中にミラーを備えている点にある。以下、実施の形態１との差異のある構成要素について説明する。図１３は、実施の形態４の撮像装置Ａを示す模式図である。本実施形態の撮像装置Ａは、ミラーＭｒを含むレンズ光学系Ｌと、レンズ光学系Ｌの焦点近傍に配置されたアレイ状光学素子Ｋと、撮像素子Ｎと、信号処理部Ｃとを備える。

レンズ光学系Ｌは、ミラーＭｒと、絞りＳ、光学フィルタＬ２、第２の要素光学系Ｌ３から構成されている。被写体（図示せず）からの入射した光は、ミラーＭｒにより光線方向が屈曲され、絞りＳで不要な光線は排除される。光学フィルタＬ２は、それぞれ異なる波長であるλ１、λ２をピークとする狭波長帯域を透過する領域Ｄ１、Ｄ２を有しており、絞りＳ近傍に配置している。

また、図１３において、撮像素子Ｎの対角中心に結像する光束Ｂ０は、被写体から光軸Ｖｍに沿って進み、ミラーＭｒで反射された後、光軸Ｖに沿って進む。光軸Ｖｍの延長線上が撮像装置Ａの正面となる。光束ＢＬ、ＢＲは斜め方向（いずれも光軸Ｖｍとなす角ωｍ）にある被写体から撮像装置Ａに入射する任意の光束であり、光束ＢＬｍａｘ、ＢＲｍａｘは撮像装置Ａの最大画角（いずれも光軸Ｖｍとなす角ωｍｍａｘ）で被写体から撮像装置Ａに入射する光束である。光束Ｂ０はミラーＭｒで反射され、絞りＳ、光学フィルタＬ２に至る。図１３において、光束Ｂ０のうち、光軸Ｖｍよりも左側の光束は領域Ｄ１を通過する。また光軸Ｖｍより右側の光束は領域Ｄ２を通過する。その後、第２の要素光学系Ｌ３、アレイ状光学素子Ｋの順に通過し、撮像素子Ｎ上の撮像面Ｎｉに到達する。光束ＢＬ、ＢＲ、ＢＬｍａｘ、ＢＲｍａｘも同様である。

本実施の形態の撮像装置は、図１３に示すように入射瞳Ｅの位置が、絞りＳ、およびその近傍の光学フィルタＬ２よりも被写体側に位置しているため、光束ＢＬ、およびＢＲにおいて、絞りの中央を通過するそれぞれの主光線ＢＬｃ、ＢＲｃが光学フィルタＬ２に入射する角度をθＬｃ、θＲｃとすると、ωｍ＞θＬｃ、ωｍ＞θＲｃが成り立つ。つまり、入射瞳Ｅの位置が絞りＳより被写体側にあることは、ωｍ＞θＬｃ、ωｍ＞θＲｃが成り立つ必要十分条件である。これにより、被写体から光学フィルタＬ２に入る光束の角度を光軸Ｖ、すなわち光学フィルタＬ２の法線に近づける効果を有するものである。入射瞳Ｅが絞りＳから離れ、被写体側に近づくほどθｃは小さくなり被写体側から最も大きな角度で撮像装置に入射する光束ＢＬｍａｘ、ＢＲｍａｘが光軸Ｖｍとなす角度ωｍａｘを大きくすることができるため、撮像装置の広角化が可能となる。

なお、ミラーＭｒは凸面ミラーであることが望ましい。入射瞳Ｅを絞りＳよりも被写体側に近づけることが容易となる。また、ミラーＭｒと光学フィルタＬ２の間にレンズまたは別のミラーを設けても良い。また、第２の要素光学系Ｌ３がなく、少なくともミラーＭｒを含む要素光学系と絞りＳで撮像する構成とした撮像装置としてもよい。

なお、本実施の形態はミラーを用いているために光軸Ｖに対して非対称な撮像光学系となっている。第２の要素光学系に軸対称の光学系を用いると、同じ画角で入射した光束ＢＬ、ＢＲであっても撮像素子Ｎ上の撮像面Ｎｉでの像高が異なる。画像の歪に対して非対称な補正を信号処理部Ｃで行うことによって左右、あるいは上下対称な画像を得ることができる。

（実施の形態５）
本実施の形態の撮像装置は、実施の形態１の撮像装置と異なる点は、被写体からの光線が第１の要素光学系Ｌ１にて略平行光に変換される、すなわちコリメート化されている点にある。以下、実施の形態１との差異のある構成要素について説明する。図１４は、実施の形態５の撮像装置Ａを示す模式図である。本実施形態の撮像装置Ａは、レンズ光学系Ｌと、レンズ光学系Ｌの焦点近傍に配置されたアレイ状光学素子Ｋと、撮像素子Ｎと、信号処理部Ｃとを備える。

本実施形態において、「略平行光」とは、例えば、光線方向の相違が５度以内の光を指す。

レンズ光学系Ｌは、少なくとも１枚のレンズを有する第１の要素光学系Ｌ１、絞りＳ、光学フィルタＬ２、第２の要素光学系Ｌ３から構成されている。被写体（図示せず）からの入射した光は、第１の要素光学系Ｌ１により光線方向が屈曲されて、絞りＳで不要な光線は排除される。

なお、図１４には絞りＳの被写体側に補助フィルタＦ２を備えている。これは光学フィルタＬ２で排除できない波長帯域の光を、反射、もしくは吸収して、光学フィルタＬ２に到達させない役割を有する。補助フィルタＦ２については、実施の形態１等、他の実施の形態でも活用できるものである。

また、図１４において、光束Ｂ０は撮像装置Ａの正面、すなわち光軸Ｖの延長線上にある被写体から撮像装置Ａに入射する光束、光束Ｂは斜め方向（光軸Ｖとなす角ω）にある被写体から撮像装置Ａに入射する任意の光束、光束Ｂｍａｘは撮像装置Ａの最大画角（光軸Ｖとなす角ωｍａｘ）で被写体から撮像装置Ａに入射する光束である。

光束Ｂ０は第１の要素光学系Ｌ１を通過し、ほぼ平行光となって、絞りＳ、光学フィルタＬ２に至る。図１４において、光束Ｂ０のうち、光軸Ｖよりも上方の光束は領域Ｄ１を通過する。また光軸Ｖより下方の光束は領域Ｄ２を通過する。その後、第２の要素光学系Ｌ３、アレイ状光学素子Ｋの順に通過し、撮像素子Ｎ上の撮像面Ｎｉに到達する。光束Ｂ、Ｂｍａｘも同様である。

図１５は被写体から撮像装置に入射する光束Ｂが光学フィルタＬ２に入射する部分の拡大図である。絞りの中央を通過する主光線Ｂｃ、絞りの上端を通過する光線Ｂｔ、絞りの下端を通過する光線Ｂｂそれぞれが、光学フィルタＬ２に入射する際の角度θｃ、θｔ、θｂはほぼ同じ角度となっている。このため、光学フィルタＬ２の領域Ｄ１、領域Ｄ２にはいずれもほぼθｃの角度で光線が入射する。よって、領域Ｄ１およびＤ２それぞれを通る光線は、当該領域内のどの位置を通過するかによって波長がシフトすることがほぼなく、画素Ｐ１、Ｐ２に到達する際に集光されることにより混同される。従って、狭い波長帯域の分光画像を得るのに適している。

また、図１４に示すように入射瞳Ｅの位置が、絞りＳ、およびその近傍の光学フィルタＬ２よりも被写体側に位置している。このときω＞θｃが成り立つ。つまり、入射瞳Ｅの位置が絞りＳより被写体側にあることは、ω＞θｃが成り立つ必要十分条件である。これにより、被写体から撮像装置に入る光束の角度を光軸Ｖに近づける効果を有するものである。入射瞳Ｅが絞りＳから離れ、被写体側に近づくほどθｃは小さくなり被写体側から最も大きな角度で撮像装置に入射する光束Ｂｍａｘが光軸Ｖとなす角度ωｍａｘを大きくすることができるため、撮像装置の広角化が可能となる。

被写体からの光束が光軸Ｖとなす角が大きいほど角度θｃは大きくなる。すなわち光束Ｂｍａｘで最大となり、光束Ｂ０で光軸Ｖと平行に近づく。（式１）からもわかるように、フィルタへの入射角度が大きいほど、フィルタを透過する波長λは短波長側にシフトする。これを考慮して、被写体から光軸Ｖに沿って、すなわちフィルタの法線に沿って撮像装置に入射する光束の透過波長と最大画角ωｍａｘで入射する透過波長の間の波長を、領域Ｄ１、Ｄ２の透過波長帯域として選択すれば、極めて狭帯域の波長の画像取得が可能となり好ましい。

本実施の形態の撮像装置は特に、高い波長精度を必要とする画像取得を行う際に、特に光軸方向の撮像装置のサイズを小型化できる特長を備える。例えば、図７のように光学フィルタＬ２への入射角θｃ、θｔ、θｂがそれぞれ異なる場合、θｃ、θｔ、θｂのいずれも小さくする必要があるため、必然的に光軸方向に撮像装置が長くなる。本実施の形態の撮像装置では入射角θｃ、θｔ、θｂがほぼ等しいため、そのような制約が緩和でき小型化できる。

なお、第１の要素光学系Ｌ１において、少なくとも一つのレンズは負の集光パワーを持つことが望ましい。入射瞳Ｅを絞りＳよりも被写体側に近づけることが容易となる。

本実施の形態では、第２の要素光学系Ｌ３は１枚のレンズよりなるが、複数のレンズ等の光学部品で構成されていてもよい。

また、本実施の形態では、例えば光線方向の相違が５度以内の略平行光に変換する例を示したが、この例に限らない。最大画角の光束が光学フィルタＬ２の第１の領域に入射する場合に、当該光束に含まれる光線の入射角度の差の最大値（例えば、図１５におけるθｔとθｃの差）が、当該光束に含まれる光線の入射角度の最大値（例えば、図１５におけるθｔまたはθｃの大きい方）よりも小さければよい。同様に、最大画角の光束が前記光学フィルタＬ２の第２の領域に入射する場合に、当該光束に含まれる光線の入射角度の差の最大値（例えば、図１５におけるθｃとθｂの差）が、当該第２の領域に入射する角度の最大値（例えば、図１５におけるθｃまたはθｂの大きい方）よりも小さければよい。このように、光学フィルタに入射する角度のばらつきが、入射角度の最大値よりも小さければ、当該最大入射角さえ小さくすればよいので、設計の際の制約を緩和でき小型化できる。

（実施の形態６）
本実施の形態の撮像装置は、実施の形態５の撮像装置と異なる点は、アレイ状光学素子はなく、レンズ光学系Ｌの焦点は撮像素子Ｎの撮像面Ｎｉ上に位置しており、光学素子は２つの光学フィルタＬ２ａと光学フィルタＬ２ｂから構成され、光学フィルタＬ２ａ、Ｌ２ｂは稼動可能なホルダＨに固定されている点にある。

図１６は光軸Ｖが光学フィルタＬ２ａを通過する状態であり、被写体から入射した光は第１の要素光学系Ｌ１により光線方向が屈曲され、絞りＳで不要な光線は排除され、光学フィルタＬ２ａに入射する。光学フィルタＬ２ａは、波長λａをピークとする狭波長帯域を透過するものである。斜め方向（光軸Ｖとなす角ω）にある被写体から撮像装置Ａに入射する任意の光束Ｂが光学フィルタＬ２ａに対して、実施の形態１の図７と同様のレイアウトで入射する。光学フィルタＬ２ａに入射する光線の角度は、絞りの中央を通過する主光線Ｂｃ、絞りの上端を通過する光線Ｂｔ、絞りの下端を通過する光線Ｂｂそれぞれに対して、θｃ、θｔ、θｂで表される。角度θｃ、θｔ、θｂはそれぞれ異なる角度であり、θｔ＞θｃ＞θｂの関係となる。このため、光学フィルタＬ２ａにはθｂ、θｔの間の角度で入射し、光学フィルタＬ２ａを通過後はそれぞれ入射角が異なることで、異なる波長の光線となるが、画素Ｐ１、Ｐ２に到達する際に集光されることにより混合される。絞りＳの開口形状は円形、矩形等が用いられるが、いずれの場合も、絞り中央を通過する主光線の光線割合が大きく、画素に到達する際には最も重み付けが大きくなる。このため、見かけ上、光束Ｂは主光線の角度θｃ相当で光学フィルタＬ２ａに入射していると考えても、実用上問題ない。

本実施の形態の撮像装置は、図１６に示すように入射瞳Ｅの位置が、絞りＳ、およびその近傍の光学フィルタＬ２ａよりも被写体側に位置している。このときω＞θｃが成り立つ。つまり、入射瞳Ｅの位置が絞りＳより被写体側にあることは、ω＞θｃが成り立つ必要十分条件である。これにより、被写体から撮像装置に入る光束の角度を光軸Ｖ、すなわち光学フィルタＬ２ａの法線に近づける効果を有するものである。入射瞳Ｅが絞りＳから離れ、被写体側に近づくほどθｃは小さくなり被写体側から最も大きな角度で撮像装置に入射する光束Ｂｍａｘが光軸Ｖとなす角度ωｍａｘを大きくすることができるため、撮像装置の広角化が可能となる。

次にホルダＨを稼動することにより、光軸Ｖが光学フィルタＬ２ｂを通過する状態とする。光学フィルタＬ２ｂは、波長λｂをピークとする狭波長帯域を透過するものである。斜め方向（光軸Ｖとなす角ω）にある被写体から撮像装置Ａに入射する任意の光束Ｂが光学フィルタＬ２ｂに入射する角度は上記の光学フィルタＬ２ａと同じであり、取得される画像の波長が変わる違いがあるだけで効果も同様である。信号処理部ＣではホルダＨの稼動と連動して、２種の画像を撮影し、それぞれ第１の画像Ｉ１、第２の画像Ｉ２として出力する。

なお、本実施の形態では実施の形態１の撮像装置のレンズ光学系Ｌを用いたものであるが、実施の形態２以降を含む、別のレンズ光学系に対しても有効である。光学素子は２種類に限定するものではない。また、ホルダＨについてはスライド方式に限るものではなく、回転ホイール型のホルダであっても良い。

特に実施の形態５のレンズ光学系Ｌを用いれば、光学フィルタＬ２に入射する、それぞれの角度θc、θt、θbはほぼ同じ角度となるため、高い波長精度を必要とする画像取得を行う際に、光軸方向の撮像装置のサイズを小型化できる特長を備える。

（実施の形態７）
実施の形態１〜６に記載した撮像装置を用いた分析装置について以下に説明する。図１７は本実施の形態の食品分析装置の全体構造の模式図である。

食品分析装置１は筐体１１、テーブル１２、撮像装置Ａ、演算部３０、操作部４０、および表示部５０を有する。

テーブル１２、および、撮像装置Ａは、筐体１１の内部に配置される。テーブル１２には、測定対象物Ｓａが配置される。なお、食品分析装置１は、１つ、または、複数の食品を測定対象物Ｓａとして分析することができる。また、食品分析装置１は、容器等に入っている食品を測定対象物Ｓａとして分析することもできる。

撮像装置Ａは、テーブル１２上に配置される測定対象物Ｓａに光を照射する光源２１を有する。撮像装置Ａは、測定対象物Ｓａから反射した光を受光し撮像する機能を有する。

光源２１は、測定対象物Ｓａの全体に光を照射できる位置に配置される。光源２１から照射される光は、少なくとも７００ｎｍ〜２５００ｎｍの波長の一部の波長を含む。光源２１としては、例えばハロゲンランプ、ＬＥＤ、または、レーザー等が用いられる。

撮像装置Ａでは第１の特定波長、第２の特定波長、第３の特定波長の画像をそれぞれ取得する。

第１〜３の特定の波長は、成分が既知の複数の食品のスペクトル情報に基づいて実験等により決定される。具体的には、複数の食品における特定の成分の比率と吸光度との関係から、食品における特定の成分の比率をよく反映した波長を特定の波長として決定する。

第１の特定の波長としては、成分としてのたんぱく質とよく相関する波長が採用される。例えば、第１の特定の波長として９１０ｎｍおよびこの付近の波長を採用することができる。

第２の特定の波長としては、成分としての脂質とよく相関する波長が採用される。例えば、第２の特定の波長として、９３０ｎｍおよびこの付近の波長を採用することができる。

第３の特定の波長としては、成分としての炭水化物とよく相関する波長が採用される。例えば、第３の特定の波長として、９８０ｎｍおよびこの付近の波長を採用することができる。

撮像装置Ａのイメージセンサとしては、例えば、近赤外領域に幅広く感度をもつシリコン、および、インジウム・ガリウム・ヒ素を用いた、光の光量を電気信号に変換することができる素子を用いることができる。

図１７を参照して、食品分析装置１の電気的な構成について説明する。

操作部４０は、測定ボタン４１、および、切替ボタン４２を有する。操作部４０は、測定ボタン４１が押されたとき、測定ボタン４１が押された旨の信号を演算部３０に出力する。操作部４０は、切替ボタン４２が押されたとき、切替ボタン４２が押された旨の信号を演算部３０に出力する。

演算部３０は、測定ボタン４１が押された旨の信号を受信したとき、撮像装置Ａを制御して測定対象物Ｓａの分析を開始する。演算部３０は、切替ボタン４２が押された旨の信号を受信したとき、表示部５０に表示させる内容を変更する。

演算部３０は、光源２１から近赤外光を含む光を測定対象物Ｓａに瞬間的に照射させる。測定対象物Ｓａから散乱または反射した光は、撮像装置Ａに入射する。

撮像装置Ａでは第１の特定波長、第２の特定波長、第３の特定波長の各画像を位置ずれなく取得する。このため、第１の特定波長、第２の特定波長、第３の特定波長のそれぞれの画像を構成する各画素の出力は、測定対象物の一部のたんぱく質、脂質、および、炭水化物を反映している。すなわち、撮像装置Ａは、受光する光線の起点である測定対象物Ｓａの一部（以下、「測定部位」）のたんぱく質、脂質、および、炭水化物を反映した信号を演算部３０（図１７参照）に出力する。

演算部３０は、第１の特定波長での画像の出力と予め記憶されている関係式とに基づいてたんぱく質の比率、および、量を演算する。

演算部３０は、第２の特定波長での画像の出力と予め記憶されている関係式とに基づいて脂質の比率、および、量を演算する。

演算部３０は、第３の特定波長での画像の出力と予め記憶されている関係式とに基づいて炭水化物の比率、および、量を演算する。

なお、各関係式は、例えば、予め各成分が既知の複数の食品の各波長における吸光度（光量）と各成分の比率との関係から、ＰＬＳ法を用いて決定することができる。

食品のカロリーは、たんぱく質の量、脂質の量、および、炭水化物の量にそれぞれカロリー係数を乗算し、和することにより求められる。このため、演算部３０は、測定部位ごとのたんぱく質の量、脂質の量、および、炭水化物の量に基づいて、測定部位ごとのカロリーを演算する。なお、各測定部位のたんぱく質の比率、たんぱく質の量、脂質の比率、脂質の量、炭水化物の比率、炭水化物の量、および、カロリーは、「部分栄養情報」に相当する。

演算部３０は、分布画像情報として、カロリーを表示する分布画像情報と、成分を表示する分布画像情報とを作成する。演算部３０は、分布画像情報を表示部５０に出力し、表示部５０に分布画像Ｐを表示させる。また、演算部３０は、操作部４０の出力に基づいて、表示部５０に出力するカロリーを表示する分布画像情報と、成分を表示する分布画像情報とを切り替える。

図１８および図１９を参照して、分布画像Ｐについて説明する。なお、図１８、および、図１９においては、点ハッチングの点の密度により表示色の濃さを示している。また、図１９においては、線ハッチングの有無、および、線の方向により表示色の違いを示している。

図１８に示されるように、カロリーの分布画像Ｐは、複数の部分領域ＰＸに区分されている。１つの部分領域ＰＸは、１つの部分栄養情報を表示する。分布画像Ｐ内での各部分領域ＰＸの相対的な位置は、測定対象物Ｓａ内での、各部分領域ＰＸに表示される部分栄養情報と対応する測定部位の相対的な位置に相当する。

カロリーの分布画像Ｐは、各部分領域ＰＸの表示色の濃さをカロリーの大きさと対応させることにより、各部分領域ＰＸのカロリーの大きさを視覚的に表現する。

図１９に示されるように、成分の分布画像Ｐは、各部分領域ＰＸにおいて炭水化物、脂質、たんぱく質のうちの最も比率の大きい成分を成分ごとに異なる表示色を用いて視覚的に表現する。また、各部分領域ＰＸの表示色の濃さを成分の比率と対応させることにより、各部分領域ＰＸの成分の比率を視覚的に表現する。

食品分析装置１の作用を説明する。

測定対象物Ｓａの全体のカロリー、および、成分を数値により表示する仮想の食品分析装置においては、例えば、測定対象物Ｓａのカロリー、または、成分が、使用者の目的とするカロリー、または、成分よりも大きいとき、使用者は、測定対象物Ｓａの一部を取り除き、再度食品分析装置による分析を行う動作を繰り返す。このため、使用者の手間が大きい。

食品分析装置１は、表示部５０に分布画像Ｐを表示するため、使用者が測定対象物Ｓａのカロリー、および、成分の分布を把握しやすい。このため、使用者は、測定対象物Ｓａのカロリー、または、成分が、使用者の目的とするカロリー、または、成分よりも大きいとき、測定対象物Ｓａのどの部分をどれくらい取り除けば目標とするカロリー、または、成分を達成できるかを把握しやすい。このため、使用者の利便性が向上する。また、短時間で目標とするカロリー、または、成分を達成させることができる。このため、調整に時間がかかることにより、食品が温度変化する等して味、および、形状等が変化することを抑制できる。

測定対象物Ｓａの全体のカロリー、および、成分を数値により表示する仮想の食品分析装置においては、例えば、複数の食品の分析を行うとき、使用者は、食品ごとに分析を行う動作を繰り返す。このため、使用者の手間が大きい。

食品分析装置１は、表示部５０に分布画像Ｐを表示するため、複数の食品のそれぞれのカロリー、および、成分を一度の測定で把握することができる。このため、使用者の利便性が向上する。

本実施形態の食品分析装置１は以下の効果を奏する。

（１）食品分析装置１は、表示部５０に分布画像Ｐを表示する。このため、測定対象物Ｓａにおけるカロリー、および、成分を含む部分栄養情報の分布を使用者が把握しやすい。

（２）食品分析装置１は、撮像装置Ａにより、測定対象物Ｓａの全体の部分栄養情報を短時間で演算することができる。実施の形態１〜６で述べたように撮像装置Ａは広角画像を取得時も近赤外分光波長を高精度に維持し、精度の高いカロリー分析を可能とする。広角であるため測定対象物Ｓａを近距離にて撮影できるため、食品分析装置１を小型化することができる。

（３）食品分析装置１は、光源２１から光を瞬間的に照射する。このため、測定対象物Ｓａが光により温まる、または、変性する等の変化を生じさせにくい。

（４）食品分析装置１は、測定対象物Ｓａを非破壊的に分析する。このため、測定後の測定対象物Ｓａをそのまま食用に利用することができる。

（５）食品分析装置１は、測定対象物Ｓａを近赤外光により分析する。このため、測定対象物Ｓａを破砕して化学分析する場合に用いる遠心機等の機材、および、試薬等を用いずに分析を行うことができる。

本実施の形態では、実施の形態１〜６に述べた撮像装置を搭載した食品分析装置を説明したが、撮像装置を搭載する機器はこれに限るものではなく、入射角依存性のある光学素子に対し、複数の光学情報を有する画像を取得してそれを活用する機器、システム全般において、小型で高精度に被写体情報を取得できるものである。

また、必要に応じて、実施の形態１〜６に述べた撮像装置を複数設置する、あるいはカラー画像を取得する等機能を有する、他のカメラを併用しても良い。あるいは撮像装置ＡにＲ、Ｇ、Ｂ等のカラー分光情報を取得する機能を複合してもよい。

以上説明してきたように本開示に係る撮像装置は、レンズＬ１、Ｌ３、および絞りＳを有する光学系（レンズ光学系Ｌ）と、前記光学系Ｌを通過した光が入射する複数の第１から第ｎの画素を有する撮像素子Ｎと、前記光学系と前記撮像素子Ｎとの間に配置されたアレイ状光学素子Ｋとを備える。前記光学系Ｌは、光学特性が互いに異なる第１の領域および第２の領域を含む光学フィルタＬ２を有する。前記アレイ状光学素子Ｋは、第１の領域を透過した光を第１の画素に入射させ、第２の領域を透過した光を第２の画素に入射させる。前記光学系Ｌの入射瞳Ｅは前記絞りＳと被写体との間にある。

これによれば、広い画角で狭い波長帯域の分光イメージングを可能とする。より具体的には、広角画像を取得時も分光波長を高精度に維持する撮像装置を実現できる。広角であるため被写体対象エリアを拡大でき、撮像装置の台数を削減できる。また、近距離にて対象被写体を撮影できるため、本撮像装置を搭載したシステム、分析機器を小型化することができる。

ここで、前記光学系Ｌは、入射光を前記絞りＳおよび前記光学フィルタＬ２に導く、負の集光パワーを持つ第１の要素光学系Ｌ１を有してもよい。

ここで、前記第１の要素光学系Ｌ１は、凹レンズを有してもよい。

ここで、前記第１の要素光学系Ｌ１は、前記入射光を前記絞りＳおよび前記光学フィルタＬ２に反射する凸曲面のミラーＭｒを有してもよい。

ここで、最大画角の光束が前記光学フィルタＬ２の前記第１の領域に入射する場合に、前記光束に含まれる光線の入射角度の差の最大値は、前記光束に含まれる光線の入射角度の最大値よりも小さく、最大画角の光束が前記光学フィルタＬ２の前記第２の領域に入射する場合に、前記光束に含まれる光線の入射角度の差の最大値が、前記光束に含まれる光線の入射角度の最大値よりも小さくてもよい。

ここで、前記光学フィルタＬ２における前記第１の領域および前記第２の領域のうち少なくとも１つを交換可能に前記光学系の光軸上に保持するホルダＨをさらに備えてもよい。

ここで、前記光学フィルタＬ２は、分光フィルタ、または偏光フィルタであってもよい。

ここで、前記アレイ状光学素子Ｋの、前記撮像素子Ｎと対向する面内にレンチキュラレンズが配置されていてもよい。

ここで、前記アレイ状光学素子Ｋの、前記撮像素子Ｎと対向する面内にマイクロレンズアレイが配置されていてもよい。

ここで、前記アレイ状光学素子Ｎｉは前記撮像素子Ｎ上に配置されてもよい。

ここで、前記アレイ状光学素子と前記撮像素子との間に設けられたマイクロレンズをさらに備え、前記アレイ状光学素子は、前記マイクロレンズを介して前記撮像素子上に配置されてもよい。

また、本開示に係る分析装置は、光を分析対象物に照射する発光部と、前記分析対象物から反射された光、散乱された光、および前記分析対象物を透過した光のいずれかを受光する上記の撮像装置と、この撮像装置により受光された光を演算する演算部とを備える。

また、本開示に係る他の分析装置は、７００ｎｍ以上の近赤外の波長のうちの、少なくとも一部の波長を含む光を分析対象物に照射する光源と、前記分析対象物から反射された光および前記分析対象物を透過した光の少なくとも一方を受光する請求項１〜１２のいずれか１項に記載の撮像装置と、前記撮像装置により受光された光の吸光量を演算する演算部と、吸光量およびカロリーの相関関係と前記演算部により演算された吸光量とに基づいて、前記分析対象物のカロリーを算出すること、および前記吸光量および食品の成分量の相関関係と前記演算部により演算された吸光量とに基づいて、前記分析対象物の成分量を算出することのうちの少なくとも一方を実施する分析部とを備える。

以上、本開示の一態様に係る撮像装置および分析装置について、実施の形態に基づいて説明したが、本開示は、これらの実施の形態に限定されるものではない。本開示の趣旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を本実施の形態に施したもの、あるいは異なる実施の形態における構成要素を組み合わせて構築される形態も、本開示の１つまたは複数の態様の範囲内に含まれる。

本開示にかかる撮像装置は、分光画像または偏光画像を取得してセンシングする目的に対して特に有用である。適用範囲は食品分析装置、各種製品検査ライン、あるいは医療用など、幅広い用途に対して有益な情報をセンシングすることができ、機器及びシステムを小型化できる。また、本開示にかかる撮像装置は、車載用カメラ、セキュリティカメラ、生態認証用、顕微鏡用、天体望遠鏡用等の用途にも応用できる。

Ａ 撮像装置
Ｌ レンズ光学系
Ｌ１ 第１の要素光学系
Ｌ２、Ｌ２ａ、Ｌ２ｂ 光学フィルタ
Ｌ３ 第２の要素光学系
Ｖ、Ｖｍ 光軸
Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４ 領域
Ｓ 絞り
Ｋ、Ｍｄ アレイ状光学素子
Ｎ 撮像素子
Ｎｉ 撮像面
Ｍｓ マイクロレンズ
Ｍ１、Ｍ２ 光学要素
Ｂ０ 光束
Ｂ、ＢＬ、ＢＲ 光束
Ｂｍａｘ、ＢＬｍａｘ、ＢＲｍａｘ 光束
Ｅ 入射瞳Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４ 画素
Ｃ 信号処理部
Ｉ１ 第１の画像
Ｉ２ 第２の画像
５１ａ、５１ｂ 反射干渉面
５２ スペーサ層
５３ ガラス基板
Ｂｃ 主光線
Ｂｔ 絞りの上端を通過する光線
Ｂｂ 絞りの下端を通過する光線
Ｍｒ ミラー
Ｆ２ 補助フィルタ
Ｈ ホルダ
１ 食品分析装置
１１ 筐体
１２ テーブル
２１ 光源
３０ 演算部
４０ 操作部
４１ 測定ボタン
４２ 切替ボタン
５０ 表示部
Ｓａ 測定対象物
Ｐ 分布画像
ＰＸ 部分領域

Claims (15)

1. 被写体を撮像するための撮像装置であって、
   レンズ、および絞りを有する光学系と、
   前記光学系を通過した光が入射する第１の画素および第２の画素を有する撮像素子と、
   前記光学系と前記撮像素子との間に配置されたアレイ状光学素子とを備え、
   前記光学系は、光学特性の互いに異なる第１の領域および第２の領域を含み、前記絞りの近傍に配置された光学フィルタを有し、
   前記アレイ状光学素子は、前記第１の領域を透過した光を前記第１の画素に入射させ、前記第２の領域を透過した光を前記第２の画素に入射させ、
   前記光学系の入射瞳は、前記絞りと前記被写体との間にある撮像装置。
2. 前記光学系は、入射光を前記絞りおよび前記光学フィルタに導く、負の集光パワーを持つ第１の要素光学系を有する、請求項１に記載の撮像装置。
3. 前記第１の要素光学系は、凹レンズを有している、請求項２に記載の撮像装置。
4. 前記第１の要素光学系は、前記入射光を前記絞りおよび前記光学フィルタに反射する凸曲面状のミラーを有している、請求項２に記載の撮像装置。
5. 最大画角の光束が前記光学フィルタの前記第１の領域に入射する場合に、前記光束に含まれる光線の入射角度の差の最大値は、前記光束に含まれる光線の入射角度の最大値よりも小さく、
   最大画角の光束が前記光学フィルタの前記第２の領域に入射する場合に、前記光束に含まれる光線の入射角度の差の最大値が、前記光束に含まれる光線の入射角度の最大値よりも小さい、
   請求項１から４のいずれかに記載の撮像装置。
6. 前記撮像装置は、前記光学フィルタにおける前記第１の領域および前記第２の領域のうち少なくとも１つを交換可能に前記光学系の光軸上に保持するホルダをさらに備える、請求項１から４のいずれか１項に記載の撮像装置。
7. 前記光学フィルタは、分光フィルタ、または偏光フィルタである、請求項１から６のいずれか１項に記載の撮像装置。
8. 前記アレイ状光学素子の、前記撮像素子と対向する面内にレンチキュラレンズが配置されている、請求項１から７のいずれか１項に記載の撮像装置。
9. 前記アレイ状光学素子の、前記撮像素子と対向する面内にマイクロレンズアレイが配置されている、請求項１から７のいずれか１項に記載の撮像装置。
10. 前記アレイ状光学素子は前記撮像素子上に配置されている、請求項１から９のいずれか１項に記載の撮像装置。
11. 前記アレイ状光学素子と前記撮像素子との間に設けられたマイクロレンズをさらに備え、
    前記アレイ状光学素子は、前記マイクロレンズを介して前記撮像素子上に配置されている、請求項１０に記載の撮像装置。
12. 前記絞りと前記光学フィルタとの間にはレンズが配置されない、請求項１から１１のいずれか１項に記載の撮像装置。
13. 分析装置であって、
    光を分析対象物に照射する光源と、
    前記分析対象物から反射された光、散乱された光、および前記分析対象物を透過した光からなる群の少なくともいずれか１つを受光する請求項１から１２のいずれか１項に記載の撮像装置と、
    前記撮像装置により受光された光を演算する演算部とを備える分析装置。
14. 分析装置であって、
    ７００ｎｍ以上の近赤外の波長のうちの、少なくとも一部の波長を含む光を分析対象物に照射する光源と、
    前記分析対象物から反射された光および前記分析対象物を透過した光の少なくとも一方を受光する請求項１〜１２のいずれか１項に記載の撮像装置と、
    前記撮像装置により受光された光の吸光量を演算する演算部と、
    吸光量およびカロリーの相関関係と前記演算部により演算された吸光量とに基づいて、前記分析対象物のカロリーを算出すること、および前記吸光量および食品の成分量の相関関係と前記演算部により演算された吸光量とに基づいて、前記分析対象物の成分量を算出することのうちの少なくとも一方を実施する分析部とを備える分析装置。
15. 前記絞りを通過する主光線は、被写体空間上において、前記光学系の光軸と非平行である、請求項１に記載の撮像装置。