特許 6087705 多機能画像取得装置およびケスタープリズム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6087705

(24)【登録日】2017年2月10日

(45)【発行日】2017年3月1日

(54)【発明の名称】多機能画像取得装置およびケスタープリズム

(51)【国際特許分類】

   G02B 5/04 20060101AFI20170220BHJP

   H04N 9/09 20060101ALI20170220BHJP

【ＦＩ】

   G02B5/04 B

   G02B5/04 A

   H04N9/09 A

【請求項の数】10

【全頁数】13

(21)【出願番号】特願2013-82866(P2013-82866)

(22)【出願日】2013年4月11日

(65)【公開番号】特開2013-238850(P2013-238850A)

(43)【公開日】2013年11月28日

【審査請求日】2016年4月8日

(31)【優先権主張番号】特願2012-96688(P2012-96688)

(32)【優先日】2012年4月20日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】504157024

【氏名又は名称】国立大学法人東北大学

(73)【特許権者】

【識別番号】000227375

【氏名又は名称】日東光器株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100080768

【弁理士】

【氏名又は名称】村田 実

(72)【発明者】

【氏名】圓山 重直

(72)【発明者】

【氏名】庄司 衛太

(72)【発明者】

【氏名】岡島 淳之介

(72)【発明者】

【氏名】川村 博

(72)【発明者】

【氏名】千布 善行

【審査官】 植野 孝郎

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１２−２７２２８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−３１５５８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１−１２８６６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平９−２６５１０６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６４−９１４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−２８１６６５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６１−１１６４９１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−３５４２５１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平８−２１１２０７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０２Ｂ ５／００−５／１３６

Ｇ０２Ｂ２７／００−２７／６４

Ｈ０４Ｎ ９／０９

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１の面と第２の面と第３の面とを有する正三角柱状とされたケスタープリズムと、
入射画像光を互いに平行な第１光束と第２光束とに分光して該２つの光束を前記第１の面に垂直に入射させる分光プリズムと、
前記第２の面に臨ませて配置された１つの撮像装置と、
を備え、
前記ケスタープリズムは、複数のプリズムを接合することにより、前記第２の面と垂直に伸びる第１分割面を有し、
前記第１分割面には、反射膜と第１の内部光学フィルタが設定され、
前記第１光束が、前記第１の面から前記第１の内部光学フィルタに入射されることにより反射光と直進光との２つの光束に分割されて、該２つの光束が最終的に出射画像光としてそれぞれ前記第２の面から垂直に出射され、
前記第２光束が、前記第１の面から前記反射膜に入射されることにより反射光とされて、最終的に前記第２の面から垂直に出射される出射画像光とされ、
前記撮像装置が、前記各出射画像光を同時に撮像して複数の画像を同時に取得する、
ことを特徴とする多機能画像取得装置。

【請求項2】

請求項１において、
前記ケスタープリズムは、前記第１分割面を挟んで前記第１の面とは反対側に、前記第２の面と垂直に伸びると共に第２の内部光学フィルタが設定された第３分割面をさらに有し、
前記第１光束が、前記第１の面から前記第１の内部光学フィルタに入射されることにより反射光と直進光との２つの光束に分割されて、該反射光が第１出射画像光として前記第２の面から垂直に出射され、
前記第１の内部光学フィルタを直進した前記直進光が、前記第２の内部光学フィルタに入射されることにより反射光と直進光との２つの光束に分割されて、それぞれ前記第２の面から垂直に出射される第２出射画像光および第３出射画像光とされ、
前記第２光束に対応した出射画像光が第４出射画像光とされて、前記撮像装置が前記第１〜第４出射画像光を同時に撮像して４つの画像を同時に取得する、
ことを特徴とする多機能画像取得装置。

【請求項3】

請求項２において、
前記第１出射画像光〜第３出射画像光と前記撮像装置との間に、それぞれ外部光学フィルタが配設されている、ことを特徴とする多機能画像取得装置。

【請求項4】

請求項３において、
前記外部光学フィルタが、偏光板、カラーフィルタ、バンドパスフィルタ、位相板、ＲＧＢフィルタ、ＵＶ／ＩＲカットフィルタ、ダイクロイックフィルタ、ＮＤフィルタ、反射防止膜、ハーフミラーのいずれか或いはその組合せとされている、ことを特徴とする多機能画像取得装置。

【請求項5】

請求項３において、
前記第１〜第３出射画像光に対して設けられる前記外部光学フィルタが互いに偏光角の異なる偏光板とされて、前記撮像装置により撮像される画像が互いに位相シフトされた関係とされ、
前記第４出射画像光は、偏光作用を受けることなく前記撮像装置に入射される、
ことを特徴とする多機能画像取得装置。

【請求項6】

請求項２ないし請求項５のいずれか１項において、
前記ケスタープリズムは、前記複数のプリズムの接合面となる分割面として、（１）前記第１の面と前記第３の面との交点を通って前記第２の面と直交する前記第１分割面と、（２）前記第１分割面と前記第２の面との交点を通って、前記第１の面と平行な第２分割面と、（３）前記第２分割面と前記第３の面との交点を通って、前記第２の面と直交する前記第３分割面と、を有し、
前記第１の面を通過した前記第１光束は、前記第１の内部光学フィルタで第１直進光束と第１反射光束とに分岐されて、該第１反射光束が前記第１の面で全反射された後前記第２の面から出射される第１出射画像光とされ、
前記第１直進光束が、前記第２分割面を通過して前記第２の内部光学フィルタで第２直進光束と第２反射光束とに分岐されて、前記第２反射光束が前記第２分割面で全反射されて前記第２の面から出射される第２出射画像光とされ、
前記第２直進光束が、前記第３の面で全反射されて前記第２の面から出射される第３出射画像光とされ、
前記第２光束が前記反射膜で反射された後、前記第１の面で全反射されて、前記第２の面から前記第４出射画像光として出射される、
ことを特徴とする多機能画像取得装置。

【請求項7】

請求項６において、
前記第１の面と前記第３の面と前記第２反射光束が前記第２分割面で全反射される面とに対して、それぞれ全反射時発生する位相変化を減少させる位相制御膜が施されている、ことを特徴とする多機能画像取得装置。

【請求項8】

請求項２において、
前記第１の内部光学フィルタおよび前記第２の内部光学フィルタがそれぞれ色分離膜とされて、前記第１出射画像光〜前記第３出射画像光が互いに３色に色分けされた状態で前記第２の面から出射され、
前記第４出射画像光は、色分けされることなく前記第２の面から出射される、
ことを特徴とする多機能画像取得装置。

【請求項9】

請求項８において、
前記第２の面と前記撮像装置との間に、前記第４出射画像光が通過されると共に前記第１〜第３出射画像光が通過されない位置において、前記第１〜第３出射画像光の色とは異なる色を通過させるカラーフィルタが設けられている、ことを特徴とする多機能画像取得装置。

【請求項10】

複数のプリズムを接合することにより構成されて、第１の面と第２の面と第３の面とを有する正三角柱状とされたケスタープリズムであって、
前記ケスタープリズムは、前記複数のプリズムの接合面となる分割面として、（１）前記第１の面と前記第３の面との交点を通って前記第２の面と直交する第１分割面と、（２）前記第１分割面と前記第２の面との交点を通って、前記第１の面と平行な第２分割面と、（３）前記第２分割面と前記第３の面との交点を通って、前記第２の面と直交する第３分割面と、を有し、
前記第１分割面には、反射膜と第１の内部光学フィルタが設定され、
前記第３分割面には第２の内部光学フィルタが設定され、
前記第１の面を垂直に通過した第１光束が、前記第１の内部光学フィルタで第１直進光束と第１反射光束とに分岐されて、該第１反射光束が前記第１の面で全反射された後前記第２の面から出射される第１出射画像光とされ、
前記第１直進光束が、前記第２分割面を通過して前記第２の内部光学フィルタで第２直進光束と第２反射光束とに分岐されて、前記第２反射光束が前記第２分割面で全反射されて前記第２の面から出射される第２出射画像光とされ、
前記第２直進光束が、前記第３の面で全反射されて前記第２の面から出射される第３出射画像光とされ、
前記第１光束と平行に前記第１の面に入射される第２光束が、前記反射膜で反射された後、前記第１の面で全反射されて、前記第２の面から出射される第４出射画像光とされる、
ことを特徴とするケスタープリズム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、カラー画像を含む多機能画像取得装置およびケスタープリズムに関するものである。

【背景技術】

【0002】

画像処理によってある画像から情報を引き出すときに、ある画像を光学フィルタを通すことにより特定の機能を持たせる一方、特定の機能が互いに異なる複数の画像に基づいて演算処理を行うことがある。

【0003】

特許文献１では、位相の異なる３つの画像が３方向に分割された形態で得るようにして、３つの分割画像それぞれを個別のカメラ（つまり合計３台のカメラ）で取得するものが開示されている。しかしながら、この場合は、複数のカメラ間での同期を別途行う必要があり、カメラ設置台数の増大のみならず、同期処理を含めた画像処理に多大の手間を要することになる。特許文献２には、画像を２またはそれ以上の空間的に分離したスペクトル画像に分割するものが開示されているが、この分割は偏光ビームスプリッタを利用しているため、入射光が必ず特定の直線偏光に分割されてしまうことになる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開平９−２８１４４１号公報（特許第３０００５１８号公報）

【特許文献2】特表２００５−５２３４４７号公報（特許第４３９８７３５号公報）

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ところで、例えば流体の乱れを画像処理によって可視化する際に、参照光と流体を通過した後の画像光との干渉により形成される干渉縞を利用した画像処理によって可視化を行なうことが可能である。この場合、可視化のために位相の異なる（位相シフトされた）複数の画像を取得することが要求され、しかも複数の画像が互いに同期していることが要求される。特許文献１のものでは、カメラの台数増大と、同期のための処理が別途必要になってしまうことになる。また、特許文献２のものでは、偏光ビームスプリッタを利用しているために直線偏光しか得られず、特定の機能が限定されてしまうことになり、汎用性の低いものとなる。

【0006】

本発明は以上のような事情を勘案してなされたもので、その第１の目的は、１台の撮像装置によって、特定の機能を持たせた複数の画像を互いに同期した状態で取得できるようにし、しかも特定の機能を種々選択できるようにした多機能画像取得装置を提供することにある。本発明の第２の目的は、上記多機能画像取得装置等に用いて好適なケスタープリズムを提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

前記第１の目的を達成するため、本発明にあっては次のような解決手法を採択してある。すなわち、請求項１に記載のように、
第１の面と第２の面と第３の面とを有する正三角柱状とされたケスタープリズムと、 入射画像光を互いに平行な第１光束と第２光束とに分光して該２つの光束を前記第１の面に垂直に入射させる分光プリズムと、
前記第２の面に臨ませて配置された１つの撮像装置と、
を備え、
前記ケスタープリズムは、複数のプリズムを接合することにより、前記第２の面と垂直に伸びる第１分割面を有し、
前記第１分割面には、反射膜と第１の内部光学フィルタが設定され、
前記第１光束が、前記第１の面から前記第１の内部光学フィルタに入射されることにより反射光と直進光との２つの光束に分割されて、該２つの光束が最終的に出射画像光としてそれぞれ前記第２の面から垂直に出射され、
前記第２光束が、前記第１の面から前記反射膜に入射されることにより反射光とされて、最終的に前記第２の面から垂直に出射される出射画像光とされ、
前記撮像装置が、前記各出射画像光を同時に撮像して複数の画像を同時に取得する、
ようにしてある。

【0008】

上記解決手法によれば、第１の内部光学フィルタを経由した出射画像光と第１の内部光学フィルタを経由しない出射画像光との複数の出射画像光に対応した複数の画像を完全に同期した状態で取得することができる。また、全体として低コストかつ小型化することができる。そして、出射画像光に対応した光学フィルタを適宜選択することにより、各出射画像光に対して異なる特定の機能を個別に与えることができる。本発明は、例えば、干渉縞を利用した画像処理を行う場合に、光学フィルタとして特定方向に偏波した光束だけを通過させる偏光板を用いると共にその偏光角を互いに相違させることにより、位相シフトされた複数枚の画像を完全に同期した状態で取得して、その後の画像処理を行う上で極めて好適となる。なお、複数の出射画像光に対して特定の機能を付与できる光学フィルタは、１つの出射画像光のみに光学フィルタを設けた場合であってもよく、２つの出射画像光に対してそれぞれ光学フィルタを設けた場合であってもよく、出射画像光全てに光学フィルタを設けた場合であってもよいものである。このように、本発明は、光学フィルタを設ける出射画像光の数を任意に選択できるという利点も有する。

【0009】

上記解決手法を前提とした好ましい態様は、特許請求の範囲における請求項２以下に記載のとおりである。すなわち、
前記ケスタープリズムは、前記第１分割面を挟んで前記第１の面とは反対側に、前記第２の面と垂直に伸びると共に第２の内部光学フィルタが設定された第３分割面をさらに有し、
前記第１光束が、前記第１の面から前記第１の内部光学フィルタに入射されることにより反射光と直進光との２つの光束に分割されて、該反射光が第１出射画像光として前記第２の面から垂直に出射され、
前記第１の内部光学フィルタを直進した前記直進光が、前記第２の内部光学フィルタに入射されることにより反射光と直進光との２つの光束に分割されて、それぞれ前記第２の面から垂直に出射される第２出射画像光および第３出射画像光とされ、
前記第２光束に対応した出射画像光が第４出射画像光とされて、前記撮像装置が前記第１〜第４出射画像光を同時に撮像して４つの画像を同時に取得する、
ようにしてある（請求項２対応）。この場合、互いに平行な４つの出射画像光に対応して、４つの画像を同時に取得することができる。

【0010】

前記第１出射画像光〜第３出射画像光と前記撮像装置との間に、それぞれ外部光学フィルタが配設されている、ようにしてある（請求項３対応）。この場合、外部光学フィルタで処理された３つの処理画像と、外部光学フィルタで処理されない生画像とを同時に取得することができる。

【0011】

前記外部光学フィルタが、偏光板、カラーフィルタ、バンドパスフィルタ、位相板、ＲＧＢフィルタ、ＵＶ／ＩＲカットフィルタ、ダイクロイックフィルタ、ＮＤフィルタ、反射防止膜、ハーフミラーのいずれか或いはその組合せとされている、ようにしてある（請求項４対応）。この場合、特定の機能を与えるための具体的例が提供される。

【0012】

前記第１〜第３出射画像光に対して設けられる前記外部光学フィルタが互いに偏光角の異なる偏光板とされて、前記撮像装置により撮像される画像が互いに位相シフトされた関係とされ、
前記第４出射画像光は、偏光作用を受けることなく前記撮像装置に入射される、
ようにしてある（請求項５対応）。この場合、互いに位相シフト３枚の画像の他に、出射光の強度（明るさ）を第４出射光により取得することができ、その後の画像処理の上で極めて好ましいものとなる。

【0013】

前記ケスタープリズムは、前記複数のプリズムの接合面となる分割面として、（１）前記第１の面と前記第３の面との交点を通って前記第２の面と直交する前記第１分割面と、（２）前記第１分割面と前記第２の面との交点を通って、前記第１の面と平行な第２分割面と、（３）前記第２分割面と前記第３の面との交点を通って、前記第２の面と直交する前記第３分割面と、を有し、
前記第１の面を通過した前記第１光束は、前記第１の内部光学フィルタで第１直進光束と第１反射光束とに分岐されて、該第１反射光束が前記第１の面で全反射された後前記第２の面から出射される第１出射画像光とされ、
前記第１直進光束が、前記第２分割面を通過して前記第２の内部光学フィルタで第２直進光束と第２反射光束とに分岐されて、前記第２反射光束が前記第２分割面で全反射されて前記第２の面から出射される第２出射画像光とされ、
前記第２直進光束が、前記第３の面で全反射されて前記第２の面から出射される第３出射画像光とされ、
前記第２光束が前記反射膜で反射された後、前記第１の面で全反射されて、前記第２の面から前記第４出射画像光として出射される、
ようにしてある（請求項６対応）。この場合、第４出射画像光を得るためのケスタープリズムの具体的な構造が提供される。また、全体として１つのブロックとして構成されるので、取扱いが容易となり、しかも小型化の上でも好ましいものとなる。さらに、ケスタープリズム内での光路長を、第１〜第４出射画像光間で互いに等しくすることができる。以上に加えて、反射面を第１分割面の割り面を利用して構成するので、割り面以外の部分で反射面を構成する場合に比して、ケスタープリズムを構成するプリズムの形状を極力単純な形状のものとする上で好ましいものとなる。

【0014】

前記第１の面と前記第３の面と前記第２反射光束が前記第２分割面で全反射される面とに対して、それぞれ全反射時発生する位相変化を減少させる位相制御膜が施されている、ようにしてある（請求項７対応）。この場合、各出射光の位相ずれを防止する上で好ましいものとなる。また、位相制御膜によって、反射防止膜の機能を果たすことができ、このことは、反射に起因する強度低下の防止や迷光低減の上でも好ましいものとなる。

【0015】

前記第１の内部光学フィルタおよび前記第２の内部光学フィルタがそれぞれ色分離膜とされて、前記第１出射画像光〜前記第３出射画像光が互いに３色に色分けされた状態で前記第２の面から出射され、
前記第４出射画像光は、色分けされることなく前記第２の面から出射される、
ようにしてある（請求項８対応）。この場合、第１〜第３出射画像光により、３色に色分けされたカラー画像が同時に撮像されることになる。このとき同時に、第４出射画像光に対応した画像も撮像されることになるが、第４出射画像光は波長帯域の広いものとなるので、例えば所望の波長を選択する光学フィルタを選択することにより、４色による鮮やかなカラー画像を取得することが可能となる。

【0016】

前記第２の面と前記撮像装置との間に、前記第４出射画像光が通過されると共に前記第１〜第３出射画像光が通過されない位置において、前記第１〜第３出射画像光の色とは異なる色を通過させるカラーフィルタが設けられている、ようにしてある（請求項９対応）。この場合、４色による鮮やかなカラー画像を取得する上で好ましいものとなる。

【0017】

前記第２の目的を達成するため、本発明にあっては次のような解決手法を採択してある。すなわち、請求項１０に記載のように、
複数のプリズムを接合することにより構成されて、第１の面と第２の面と第３の面とを有する正三角柱状とされたケスタープリズムであって、
前記ケスタープリズムは、前記複数のプリズムの接合面となる分割面として、（１）前記第１の面と前記第３の面との交点を通って前記第２の面と直交する第１分割面と、（２）前記第１分割面と前記第２の面との交点を通って、前記第１の面と平行な第２分割面と、（３）前記第２分割面と前記第３の面との交点を通って、前記第２の面と直交する第３分割面と、を有し、
前記第１分割面には、反射膜と第１の内部光学フィルタが設定され、
前記第３分割面には第２の内部光学フィルタが設定され、
前記第１の面を垂直に通過した第１光束が、前記第１の内部光学フィルタで第１直進光束と第１反射光束とに分岐されて、該第１反射光束が前記第１の面で全反射された後前記第２の面から出射される第１出射画像光とされ、
前記第１直進光束が、前記第２分割面を通過して前記第２の内部光学フィルタで第２直進光束と第２反射光束とに分岐されて、前記第２反射光束が前記第２分割面で全反射されて前記第２の面から出射される第２出射画像光とされ、
前記第２直進光束が、前記第３の面で全反射されて前記第２の面から出射される第３出射画像光とされ、
前記第１光束と平行に前記第１の面に入射される第２光束が、前記反射膜で反射された後、前記第１の面で全反射されて、前記第２の面から出射される第４出射画像光とされる、
ようにしてある。上記解決手法によれば、請求項２に対応した多機能画像取得装置に用いて好適なケスタープリズムが提供される。

【発明の効果】

【0018】

本発明によれば、特定の機能が与えられた少なくとも３枚の画像を完全に同期した状態で１つの画面に取得することができる。また、光学フィルタを適宜選択することにより、各出射光に対応した画像に特定の機能を個別に与えることができ、極めて汎用性の高いものとなる。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】本発明の一実施形態を示す全体説明図。

【図2】本発明のケスタープリズム部分の詳細を示すもので、図１のＤで囲った部分の詳細図。

【図3】図２に示すケスタープリズムの分解図。

【図4】本発明の第２の実施形態を示すもので、図２に対応した図。

【発明を実施するための形態】

【0020】

図１において、１はレーザ発信器である（例えばＨｅ−Ｎｅ系）。レーザ発信器１から発信されたレーザは、スペイシャルフィルタ２、レンズ３、反射ミラー４を経て、平行光としてビームスプリッタ５に入射され、このビームスプリッタ５で２つの光束に分割される。

【0021】

ビームスプリッタ５による一方の光束がＰ波とされて、反射ミラー６を経て、ビームスプリッタ７に入射される。また、ビームスプリッタ５を通過する他方の光束はＳ波とされて、反射ミラー８を経て、ビームスプリッタ７に入射される。これらの光束が後述するケスタープリズムに対する入射画像光とされる。

【0022】

ビームスプリッタ５を通過した一方の光束は、例えば参照光とされ、他方の光束は、被検対象物質中を通過する検知光とされる。すなわち、例えば、ある物体による空気の乱れ状態を計測するとき、層流空気が流れる風洞中に設置されたある物体の後方を、検知光が通過するようにその光路が設定される。また、風洞内を加温して、例えば上下方向に温度差を有するような温度分布状態が形成される。風洞中のある物体を層流状態の空気が流れるとき、ある物体によって空気が乱れることにより、ある物体の後方における温度分布状態が変化する。温度変化があると、空気の屈折率が変化し検知光の位相が変化することになる。そして、参照光と位相変化された検知光との間で干渉が生じて、干渉縞を形成することが可能となるが、参照光はＳ波、検知光がＰ波とされているので、この両方の光を単に集光させただけでは、干渉縞を画像で確認出来にくいものとなり、後述する光路形成によって、コントラストの大きい干渉縞の画像が取得されることになる。なお、Ｐ波を参照光とし、Ｓ波を検知光とすることもできる。

【0023】

ビームスプリッタ７を通過した入射画像光は、後述するように、分光プリズム１０およびケスタープリズム２０を経て、撮像手段としてのＣＣＤカメラ３０に入射される。

【0024】

図２は、図１のビームスプリッタ７を通過した後の部分（図１のＤ部分）を拡大して示すものである。分光プリズム１０は、ビームスプリッタ７からの入射画像光を、出射状態において互いに平行な第１光束Ｖ１と第２光束Ｖ２との２つに分岐して、各光束Ｖ１、Ｖ２をそれぞれケスタープリズム２０に入射させる。各光束Ｖ１、Ｖ２の強度（明るさ）は互いにほぼ等しくなるように設定され、かつ、この分光プリズム１０は、入射光の偏光状態を維持しつつ２等分する無偏光ビームスプリッタ膜を具備している。なお、このような分光プリズム１０自体はよく知られているので、その詳細な説明は省略する。

【0025】

ケスタープリズム２０は後述するように、上記第１光束Ｖ１を３つの光束に分岐すると共に、この３つの光束を、互いに平行で同一方向に向かう第１〜第３の３つの出射画像光Ｗ１〜Ｗ３として出射させる機能を有する。また、ケスタープリズム２０は、上記第２光束Ｖ２を、分岐させることなく、上記第１〜第３出射画像光Ｗ１〜Ｗ３と平行で同一方向に向かう第４出射画像光Ｗ４として出射させる機能を有する。

【0026】

ケスタープリズム２０の詳細について、図２、図３を参照しつつ説明する。まず、ケスタープリズム２０は、全体的に、断面正三角形とされた正三角柱状とされて、第１の面Ｍ１と、第２の面Ｍ２と、第３の面Ｍ３とを有する。ケスタープリズム２０の３つの頂点（各面Ｍ１〜Ｍ３との間での交点）が、α１，α２，α３として示される。

【0027】

ケスタープリズム２０は、図３に示すように、それぞれ三角柱状とされた合計４つのプリズムＰ１〜Ｐ４を接合することにより構成され、その接合面が分割面となる。この分割面は、次のように設定されることになる。まず、第１の面Ｍ１と前記第３の面Ｍ３との交点となる頂点α２を通って第２の面Ｍ２と直交する第１分割面Ｂ１を有する。また、第１分割面Ｂ１と第２の面Ｍ２との交点β１を通って、第１の面Ｍ１と平行な第２分割面Ｂ２を有する。この第２分割面Ｂ２には微少なエアーギャップを設けている。さらに、第２分割面Ｂ２と第３の面Ｍ３との交点β２を通って、第２の面Ｍ２と直交する第３分割面Ｂ３を有する。第１分割面Ｂ１と第３分割面Ｂ３は、内部光学フィルタとなるハーフミラー面としての機能を果たすようになっている。この２つの分割面であるＢ１(反射面Ｈを除く)とＢ３面は無偏光ビームスプリッタ膜で構成されている。

【0028】

前記第１の面Ｍ１と第３の面Ｍ３と第２分割面Ｂ２の全反射面には、全反射で発生する位相変化を減少させる位相制御膜が施されている。この位相制御膜は、垂直入射においては反射防止機能を有し、迷光を低減する効果を併せ持つ。

【0029】

分光プリズム１０からの第１光束Ｖ１は、１／４波長板１５によって円偏光状態とされた後、ケスタープリズム２０の第１の面Ｍ１に対して垂直に入射される（１／４波長板１５は無くてもよい）。第１光束Ｖ１は、第１分割面Ｂ１において、反射光Ｖ２１と、直進光Ｖ２２とに偏光方向も含め２等分される。反射光Ｖ２１は、第１の面Ｍ１で全反射された後、第２の面Ｍ２から垂直に出射され、この出射光が、第１出射画像光Ｗ１とされる。

【0030】

第１光束Ｖ１のうち第１分割面Ｂ１を通過した直進光Ｖ２２は、第２分割面Ｂ２に垂直に入射されてそのまま通過した後、第３分割面Ｂ３において、反射光Ｖ３１と直進光Ｖ３２に分岐される。反射光Ｖ３１は、第２分割面Ｂ２で全反射された後、第２の面Ｍ２から垂直に出射され、この出射光が、第２出射画像光Ｗ２とされる。

【0031】

第３分割面Ｂ３を通過した直進光Ｖ３２は、第３の面Ｍ３で全反射された後、第２の面Ｍ２から垂直に出射され、この出射光が、第３出射画像光Ｗ３とされる。

【0032】

分光プリズム１０からの第２光束Ｖ２もケスタープリズム２０に入射されるが、この第２光束Ｖ２のために、ケスタープリズム２０の第１分割面Ｂ１の一部には、反射面Ｈを形成するための反射膜が施されている（図２、図３においては、反射膜をその存在を明確にするために太線で描いてあるが、実際には薄膜である）。反射面Ｈを形成する位置は、第２光束Ｖ２が入射される位置付近（頂点α２付近）とされて、第１光束Ｖ１の光路以外の部分が選択される。なお、反射面Ｈは、図３ではプリズムＰ２に施してあるが、プリズムＰ１に施すこともできる。

【0033】

第２光束Ｖ２は、反射面Ｈの近くにおいて、第１の面Ｍ１に対して垂直に入射される。そして、反射面Ｈで反射された後、第１の面Ｍ１で全反射されて、第２の面Ｍ２から垂直に出射され、この出射光が第４出射画像光Ｗ４とされる。

【0034】

第２の面Ｍ２と垂直に出射される各出射画像光Ｗ１〜Ｗ４は、互いに平行で、かつ第２の面Ｍ２に沿って互いにずれた位置からそれぞれＣＣＤカメラ３０に入射される。すなわち、ＣＣＤカメラ３０のＣＣＤを符合３１で示してあり、このＣＣＤ３１は、第２の面Ｍ２に沿って細長く伸びている。各出射画像光Ｗ１〜Ｗ４に対応した画像が、ＣＣＤ３１において単一平面上に並べて４つの画像として取得される。このため１つのＣＣＤに映し出された４つの画像は、同一ＣＣＤ内のピクセル間の演算を施すことができる。ＣＣＤ３１の画素位置によって、各出射画像光Ｗ１〜Ｗ４に対応した画像を明確に区別することができる。各出射画像光Ｗ１〜Ｗ４に対応した画像の区切り位置が、符合３１ａ〜３１ｃで示される。

【0035】

ケスタープリズム２０とＣＣＤカメラ３０との間は、複数の外部光学フィルタとなる光学フィルタ４１〜４３が配設される。光学フィルタ４１は、出射画像光Ｗ１に対応して配設されて、出射画像光Ｗ１のみが通過するものである。光学フィルタ４２は、出射画像光Ｗ２に対応して配設されて、出射画像光Ｗ２のみが通過するものである。光学フィルタ４３は、出射画像光Ｗ３に対応して配設されて、出射画像光Ｗ３のみが通過するものである。そして、出射画像光Ｗ４に対しては、光学フィルタが設けられていない。

【0036】

上記各光学フィルタ４１〜４３は、第２図の一実施形態では偏光板とし、その偏光角（偏光方向）は互いに１２０度ずれた関係とされている。この偏光板としての光学フィルタ４１〜４３の偏光角を、図２において丸枠内に示した矢印で示している。これにより、ＣＣＤカメラ３０には、位相が１２０度ずつずれた干渉縞の画像が取得されることになる。また、第４出射画像光Ｗ４には光学フィルタが配設されておらず、出射光の強度（明るさ）が取得される。なお、ケスタープリズム２０における入射から出射までの光路長は、各出射光Ｗ１〜Ｗ４間において互いに等しくなっている。

【0037】

ＣＣＤカメラ３０として、高速のものを用いることにより（例えば毎秒数十フレーム以上で、数百〜数千フレームのものを用いることもできる）、非常に短い時間内で変化する現象を、機能を持たせた複数枚の画像を同時に取得することができる。本発明のケスタープリズム方式を採用すれば、フレームレートに関しては何ら限界値が存在しない。従って本発明方式では、高速撮影に関しては上限がＣＣＤカメラの性能に起因し、本発明システムには起因しない。勿論、撮像手段としても、ＣＣＤカメラ３０以外のもの、例えばハイスピードカメラに使用されるＣＭＯＳイメージセンサを使用したカメラ、フィルム式カメラ等を適宜用いることができる。

【0038】

図４は、本発明の第２の実施形態を示すものであり、前記実施形態と同一構成要素には同一符号を付してその重複した説明は省略する。本実施形態では、カラー用の多機能画像取得装置として応用したもので、第２の面Ｍ２から互いに平行に出射される３つの出射画像光Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３として、赤色、緑色、青色の３色に分解された色彩光としてある。すなわち、ケスタープリズム２０の第１分割面Ｂ１には、ハーフミラー面に代えて色分離膜が用いられている。これにより、分光プリズム１０のハーフミラー面を直進した第１光束Ｖ１が、第１分割面Ｂ１で、青色の反射光Ｖ２１（つまり第１出射光Ｗ１）と青色の波長成分が除去された直進光Ｖ２２とに分光される。

【0039】

また、第３分割面Ｂ３も、ハーフミラーに代えて色分離膜が施されて、上記直進光Ｖ２２が、第３分割面Ｂ３で、緑色の反射光Ｖ３１（つまり第２出射画像光Ｗ２）と赤色の直進光Ｖ３２（つまり第３出射画像光Ｗ３）とに分光される。

【0040】

分光プリズム１０で分光された第２光束Ｖ２が、反射面Ｈで反射されて、色分解されることなく（つまり全ての波長を含む白色光として）、第４出射画像光Ｗ４として出射される。各出射画像光Ｗ１〜Ｗ４は、撮像装置３０で同時にカラー画像として撮像される。

【0041】

上述した第２の実施形態においては、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の３色の波長毎に分解して撮像されることになる。色彩の再現性をより改良するため、４色に拡張する試みが一部で行われている。本実施形態によれば、第４出射画像光Ｗ４が、全ての色成分の波長を含んでいるので、第４出射画像光Ｗ４に対して所定の波長特性を有する光学フィルタＣＦを用いることにより、中間色も含めてより鮮やかにカラー表示（カラー撮像）することが可能となる。

【0042】

図４の変形例として、分光プリズム１０の分割面に色分離膜を用いて、第１光束Ｖ１を、例えば緑色から赤色の波長成分を含むものとし、第２光束Ｖ２をそれ以外の波長成分を含むものとすることもできる。この場合、第４出射画像光Ｗ４は、全色の波長成分を含むものとはならないが、第４出射画像光Ｗ４となる光束はケスタープリズム２０ではそれ以上の色分け（分光）が行われないので、第４出射画像光Ｗ４は、広い波長帯域とすることができる。

【0043】

以上実施形態について説明したが、本発明は、実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載された範囲において適宜の変更が可能であり、例えば次のような場合をも含むものである。分光プリズム１０から出射される第２光束Ｖ２を、偏光板を通過させた後ケスタープリズム２０に入射させるようにしてもよい。ケスタープリズム２０には、第１光束Ｖ１に相当する入射画像光のみを入射させて、ＣＣＤカメラ３０では同期した３つの画像を横並びに取得するようにしたものであってもよい（この場合、分光プリズム１０，反射面Ｈが不要となる）。第４出射画像光Ｗ４に対しても光学フィルタを設けるようにしてもよい。

【0044】

内部光学フィルタあるいは外部光学フィルタとしては、偏光板の他、カラーフィルタ、バンドパスフィルタ、位相板、ＲＧＢフィルタ、ＵＶ／ＩＲカットフィルタ、ダイクロイックフィルタ、ＮＤフィルタ、反射防止膜、ハーフミラー等適宜のもの、或いはその組合せを用いることができる。例えば本発明では１つの画像を４つに複製し、任意の光学フィルタによりそれぞれに異なる光学的機能を持たせ、１ＣＣＤの単板方式で画像を取得できる。例えば、光学フィルタとしてカラーフィルタを用いることにより、１ＣＣＤ上に各色の画像を４枚並べて撮影することができる。

【0045】

また、３枚の画像に対し特定の偏光角を持たせて取得し、画像処理を行うことで位相シフト画像を得ることができる。また、バンドパスフィルタを用いると分光計測も可能となる。以上のような複数枚の画像取得を、既存のカメラシステム、例えば高速度カメラ等を利用して行うことができる。つまり、光学フィルタを交換することにより、高速度のカラー写真、位相シフト画像、分光画像など任意の特定の機能が与えられた画像を任意の組み合わせで同時に取得することができる（例えば位相シフト画像と分光画像を同時に取得等）。画像取得部として高速度カメラを用いることにより、高速度の撮影と光学フィルタの交換が可能となった。被検物質としては、空気や水等の流体に限らず、光が通過できる物質であれば適宜のものを選択することができる。勿論、本発明の目的は、明記されたものに限らず、実質的に好ましいあるいは利点として表現されたものを提供することをも暗黙的に含むものである。

【産業上の利用可能性】

【0046】

本発明は、流体の流れの解析を行う等のために利用される画像取得装置として、あるいは小型のカラー画像取得装置として好適である。特に、高速で非定常な流体現象、例えば、衝撃波や燃焼、プラズマなどに適する。

【符号の説明】

【0047】

１０：分光プリズム
２０：ケスタープリズム
３０：ＣＣＤカメラ（撮像手段）
３１：ＣＣＤ
４１〜４３：光学フィルタ
Ｓ波：検知光
Ｐ波：参照光
Ｈ：反射面
Ｍ１：第１の面
Ｍ２：内２の面
Ｍ３：第３の面
Ｂ１：第１分割面
Ｂ２：第２分割面
Ｂ３：第３分割面
Ｗ１：第１出射画像光
Ｗ２：第２出射画像光
Ｗ３：第３出射画像光
Ｗ４：第４出射画像光
Ｐ１〜Ｐ４：プリズム（ケスタープリズム構成用）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】