特許 6576084 多機能画像取得装置およびそのプリズム

(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】6576084

(24)【登録日】2019年8月30日

(45)【発行日】2019年9月18日

(54)【発明の名称】多機能画像取得装置およびそのプリズム

(51)【国際特許分類】

   H04N 9/09 20060101AFI20190909BHJP

   G02B 5/04 20060101ALI20190909BHJP

   G03B 11/00 20060101ALI20190909BHJP

   G01J 3/40 20060101ALI20190909BHJP

【ＦＩ】

   H04N9/09 A

   G02B5/04 B

   G02B5/04 G

   G03B11/00

   G01J3/40

【請求項の数】12

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2015-84731(P2015-84731)

(22)【出願日】2015年4月17日

(65)【公開番号】特開2016-208136(P2016-208136A)

(43)【公開日】2016年12月8日

【審査請求日】2018年2月16日

(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】江目 宏樹

(72)【発明者】

【氏名】川村 博

【審査官】 大室 秀明

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００５−０３１５５８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−０２７２２８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−２３８８５０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０８−１５２５０６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｊ ３／００−４／０４

Ｇ０１Ｊ ７／００−９／０４

Ｇ０２Ｂ ５／００−５／１３６

Ｇ０３Ｂ１１／００−１１／０６

Ｈ０４Ｎ ５／２２２−５／２５７

Ｈ０４Ｎ ９／０４−９／１１

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１の面と、該第１の面の一端に６０度の頂角を形成するように連なる第２の面と、該第１の面の他端に６０度の頂角を形成するように連なると共に該第２の面に対しても６０度の角度をなす第３の面と、を有する第１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つの分光を前記第１の面に垂直に入射させる第２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、
前記第１プリズムは、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の面と直交する分割面を有するように、該分割面でもって互いに接合された２つの分割プリズムで構成されており、
前記分割面に、前記第１光束を第１直進光と第１反射光とに分光する第１内部光学フィルタと、前記第２光束を第２直進光と第２反射光とに分光する第２内部光学フィルタとが設定され、
前記第１直進光と前記第２直進光とが、それぞれ前記第１プリズム内で全反射されることなく前記第３の面でのみ全反射された後、前記第２の面から垂直に出射される２つの出射画像光とされ、
前記第１反射光と前記第２反射光とが、それぞれ前記第１プリズム内で全反射されることなく前記第１の面でのみ全反射された後、前記第２の面から垂直に出射される２つの出射画像光とされ、
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、
前記第２の面と前記撮像装置との間に、任意の１つまたは２以上の前記出射画像光に対応させて外部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3】

請求項１において、
前記第２プリズムによって分光される前記第１光束と前記第２光束とが、黄色光と青色光とに色分離され、
前記黄色光が、前記分割面でもって赤色光と緑色光とに色分離され、
前記複数の出射画像光が、赤色光、青色光および緑色光とされている、
ことを特徴とする多機能画像取得装置。

【請求項4】

請求項１ないし請求項３のいずれか１項において、
前記第１プリズムが、正三角柱状とされている、ことを特徴とする多機能画像取得装置。

【請求項5】

第１の面と、該第１の面の一端に６０度の頂角を形成するように連なる第２の面と、該第１の面の他端に６０度の頂角を形成するように連なると共に該第２の面に対しても６０度の角度をなす第３の面と、を有する第１プリズムと、
入射画像光を互いに平行な青色光と黄色光とに分光して、該２つの分光を前記第１の面に垂直に入射させる第２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、
前記第１プリズムは、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の面と直交する分割面を有するように、該分割面でもって互いに接合された２つの分割プリズムで構成されており、
前記分割面には、前記青色光を反射する反射膜と、前記黄色光を直進光と反射光とに分光すると共に赤色光と緑色光とに色分離する内部光学フィルタとが設定され、
前記第１の面に入射された青色光が、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の面から垂直に出射される出射画像光とされ、
前記直進光が、前記第３の面で全反射された後、前記第２の面から垂直に出射される出射画像光とされ、
前記反射光が、前記第１の面で全反射された後、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、青色光、赤色光、緑色光の出射画像光を同時に撮像する、
ことを特徴とする多機能画像取得装置。

【請求項6】

請求項５において、
前記第１プリズムが、正三角柱状のプリズムのうち前記第１の面とは遠い側の頂点部分がカットされた形状とされて、前記分割面と略平行に延びる第４の面を有している、ことを特徴とする多機能画像取得装置。

【請求項7】

第１の面と、該第１の面の一端に６０度の頂角を形成するように連なる第２の面と、該第１の面の他端に６０度の頂角を形成するように連なると共に該第２の面に対しても６０度の角度をなす第３の面と、を有するプリズムであって、
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の面と直交する分割面を有するように、該分割面でもって互いに接合された２つの分割プリズムで構成されており、
前記分割面に、前記第１の面に垂直に入射される第１光束を第１直進光と第１反射光とに分光する第１内部光学フィルタと、前記第１光束と平行に前記第１の面に入射される第２光束を第２直進光と第２反射光とに分光する第２内部光学フィルタとが設定され、
前記第１直進光と前記第２直進光とが、内部で全反射されることなく前記第３の面でのみ全反射された後、前記第２の面から垂直に出射される互いに平行な２つの出射画像光とされ、
前記第１反射光と前記第２反射光とが、内部で全反射されることなく前記第１の面でのみ全反射された後、前記第２の面から垂直に出射される互いに平行な２つの出射画像光とされる、
ことを特徴とするプリズム。

【請求項8】

第１の面と、該第１の面の一端に６０度の頂角を形成するように連なる第２の面と、該第１の面の他端に６０度の頂角を形成するように連なると共に該第２の面に対しても６０度の角度をなす第３の面と、を有するプリズムであって、
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の面と直交する分割面を有するように、該分割面でもって互いに接合された２つの分割プリズムで構成されており、
前記分割面に、前記第１の面に垂直に入射される黄色光とされた第１光束を直進光と反射光とに分光すると共に赤色光と緑色光とに色分離する内部光学フィルタと、前記第１光束と平行に前記第１の面に入射される青色光とされた第２光束を反射させる反射膜とが設定され、
前記直進光が、内部で全反射されることなく前記第３の面でのみ全反射された後、前記第２の面から垂直に出射され、
前記反射光と前記反射膜で反射された前記第２光束とが、内部で全反射されることなく前記第１の面で全反射された後、前記第２の面から垂直に出射される、
ことを特徴とするプリズム。

【請求項9】

請求項８において。
正三角柱状のプリズムのうち前記第１の面とは遠い側の頂点部分がカットされた形状とされて、前記分割面と略平行に延びる第４の面を有している、ことを特徴とするプリズム。

【請求項10】

請求項２において、
前記外部フィルタが遅延用とされている、ことを特徴とする多機能画像取得装置。

【請求項11】

請求項１または請求項２において、
前記第１プリズムの分割面に、前記第２プリズムからの前記２つの分光に作用して、第１波長と該第１波長よりも大きい第２波長との間の中間域波長のみを通過させる第１フィルタが配設され、
前記第２プリズムに、入射画像光を前記第１波長と前記第２波長との間の波長となる第３波長以上の長波長のみを通過させる第２フィルタが配設され、
前記第２の面から出射される出射画像光が、互いに波長域の異なる４つの出射画像光とされる、
ことを特徴とする多機能画像取得装置。

【請求項12】

請求項１において、
前記第２プリズムと前記撮像装置との間に、前記第１プリズムが２以上の複数段に渡って配設されて、該第２プリズムと複数の該第１プリズムとの総個数をｎ個としたとき（ｎ≧３）、前記撮像装置の直前に位置する最終段の該第１プリズムから出射される互いに平行な出射画像光の数が２nとされる、ことを特徴とする多機能画像取得装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、多機能画像取得装置およびその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（の図２）には、第１の面と第２の面と第３の面とを有する正三角柱状の第１プリズムと、１つの入射画像光を互いに平行な２つの光束に分光する第２プリズムとを用いて、４つの互いに平行な出射画像光を得て、この４つの出射画像光を１つの撮像装置でもって同時に撮像するものが開示されている。具体的には、第２プリズムで分光された平行な２つの光束を、第１プリズムの第１の面から垂直に入射させて、第１プリズムの第２の面から垂直に出射される互いに平行な４つの出射画像光を得るようにしている。そして、第２の面と撮像装置との間に、任意の出射画像光に対応させて適宜の外部光学フィルタを介在させることにより、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することができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１３−２３８８５０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

前述した特許文献１に開示のものは、１つの撮像装置でもって、特定機能をもたせた複数の画像を同時に取得できるという点において、極めて好ましいものとなる。しかしながら、各出射画像光の光路長のうち、一部の出射画像光の光路長が他の出射画像光の光路長に比してわずかに相違してしまうものとなっていた。すなわち、特許文献１において、出射画像光Ｗ２の光学経路は、第１プリズム内において、第２の面と第３の面とが交差する頂点部に近い領域において設定された分割面（特許文献１における分割面Ｂ２）でもって全反射されることから、この分割面にエアギャップを設定する必要がある。しかしながら、エアギャップを形成することは、製作に手間取り、強度にも不安があり、さらにエアギャップへのクリーニング液を浸透させるなど取り扱いがデリケートになってしまうことになる。また、エアギャップに相当する光路長分だけ、他の出射画像光（Ｗ１、Ｗ３、Ｗ４）の光路長と相違してしまうことになっていた。また、特許文献１における分割面Ｂ１においては、分割面内の一部に金属面を作成して光を完全に反射させていた。しかし、金属面を精度よく蒸着するのは困難であり、さらに金属面の端部において光が回折してしまい、結果的に出力画像の画質の低下を招いていた。

【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、金属膜やエアギャップを形成することなく、１つの入射画像光から互いに平行な複数の出射画像光を同時に取得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。

【0007】

本発明の第２の目的は、上記多機能画像取得装置に用いて好適なプリズムを提供することにある。

【0008】

前記第１の目的を達成するため、本発明における多機能画像取得装置にあっては次のような第１の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、該第１の面の一端に６０度の頂角を形成するように連なる第２の面と、該第１の面の他端に６０度の頂角を形成するように連なると共に該第２の面に対しても６０度の角度をなす第３の面と、を有する第１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つの分光を前記第１の面に垂直に入射させる第２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、
前記第１プリズムは、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の面と直交する分割面を有するように、該分割面でもって互いに接合された２つの分割プリズムで構成されており、
前記分割面に、前記第１光束を第１直進光と第１反射光とに分光する第１内部光学フィルタと、前記第２光束を第２直進光と第２反射光とに分光する第２内部光学フィルタとが設定され、
前記第１直進光と前記第２直進光とが、それぞれ前記第１プリズム内で全反射されることなく前記第３の面でのみ全反射された後、前記第２の面から垂直に出射される２つの出射画像光とされ、
前記第１反射光と前記第２反射光とが、それぞれ前記第１プリズム内で全反射されることなく前記第１の面でのみ全反射された後、前記第２の面から垂直に出射される２つの出射画像光とされ、
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。上記解決手法によれば、エアギャップを形成する必要がないので、エアギャップの形成に伴う製作の手間、強度的不安、取り扱いのデリケートという問題をなんら生じさせることなく、各出射画像光の光路長を完全に等しく設定して、撮像装置で同時に取得される複数の画像を完全に同期したものとすることができる。さらに、分割面の一部に金属膜を設ける必要がないため、分割面への成膜が容易になる。結果として、構成する光学素子の数を減らすことができ、形状もシンプルになる。

【0009】

上記第１の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〜請求項４に記載のとおりである。すなわち、
前記第２の面と前記撮像装置との間に、任意の１つまたは２以上の前記出射画像光に対応させて外部フィルタが配設されている、ようにしてある（請求項２対応）。この場合、外部光学フィルタを利用して、機能の異なる画像を完全に同期した状態で同時に取得することができる。

【0010】

前記第２プリズムによって分光される前記第１光束と前記第２光束とが、黄色光と青色光とに色分離され、
前記黄色光が、前記分割面でもって赤色光と緑色光とに色分離され、 前記複数の出射画像光が、赤色光、青色光および緑色光とされている、
ようにしてある（請求項３対応）。この場合、青色光と赤色光と緑色光との光の３原色に分離された出射画像光を、完全に同期した状態でもって同時に取得することができる。特に、高速マルチカラーカメラ用として好適である。

【0011】

前記第１プリズムが、正三角柱状とされている、ようにしてある（請求項４対応）。この場合、一般的な直角三角柱状体のプリズムを２個用いて、第１プリズムを構成することができる。

【0012】

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第２の解決手法を採択してある。すなわち、請求項５に記載のように、
第１の面と、該第１の面の一端に６０度の頂角を形成するように連なる第２の面と、該第１の面の他端に６０度の頂角を形成するように連なると共に該第２の面に対しても６０度の角度をなす第３の面と、を有する第１プリズムと、
入射画像光を互いに平行な青色光と黄色光とに分光して、該２つの分光を前記第１の面に垂直に入射させる第２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、
前記第１プリズムは、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の面と直交する分割面を有するように、該分割面でもって互いに接合された２つの分割プリズムで構成されており、
前記分割面には、前記青色光を反射する反射膜と、前記黄色光を直進光と反射光とに分光すると共に赤色光と緑色光とに色分離する内部光学フィルタとが設定され、
前記第１の面に入射された青色光が、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の面から垂直に出射される出射画像光とされ、
前記直進光が、前記第３の面で全反射された後、前記第２の面から垂直に出射される出射画像光とされ、
前記反射光が、前記第１の面で全反射された後、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、青色光、赤色光、緑色光の出射画像光を同時に撮像する、
ようにしてある（請求項５対応）。この場合、青色光と赤色光と緑色光との光の３原色に分離された出射画像光を、その光路長を完全に等しくして、完全に同期した状態でもって同時に取得することができる。特に、高速マルチカラーカメラ用として好適である。

【0013】

上記第２の解決手法を前提として、次のような解決手法を採択することができる。すなわち、
前記第１プリズムが、正三角柱状のプリズムのうち前記第１の面とは遠い側の頂点部分がカットされた形状とされて、前記分割面と略平行に延びる第４の面を有している、ようにしてある（請求項６対応）。この場合、第１プリズムの小型、軽量化やプリズム材料の使用量低減等の上で好ましいものとなる。

【0014】

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第３の解決手法を採択してある。すなわち、請求項７に記載のように、
第１の面と、該第１の面の一端に６０度の頂角を形成するように連なる第２の面と、該第１の面の他端に６０度の頂角を形成するように連なると共に該第２の面に対しても６０度の角度をなす第３の面と、を有するプリズムであって、
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の面と直交する分割面を有するように、該分割面でもって互いに接合された２つの分割プリズムで構成されており、
前記分割面に、前記第１の面に垂直に入射される第１光束を第１直進光と第１反射光とに分光する第１内部光学フィルタと、前記第１光束と平行に前記第１の面に入射される第２光束を第２直進光と第２反射光とに分光する第２内部光学フィルタとが設定され、
前記第１直進光と前記第２直進光とが、内部で全反射されることなく前記第３の面でのみ全反射された後、前記第２の面から垂直に出射される互いに平行な２つの出射画像光とされ、
前記第１反射光と前記第２反射光とが、内部で全反射されることなく前記第１の面でのみ全反射された後、前記第２の面から垂直に出射される互いに平行な２つの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１〜請求項４に記載の多機能画像取得装置における第１プリズムとし使用されるプリズムを提供することができる。

【0015】

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第４の解決手法を採択してある。すなわち、請求項８に記載のように、
第１の面と、該第１の面の一端に６０度の頂角を形成するように連なる第２の面と、該第１の面の他端に６０度の頂角を形成するように連なると共に該第２の面に対しても６０度の角度をなす第３の面と、を有するプリズムであって、
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の面と直交する分割面を有するように、該分割面でもって互いに接合された２つの分割プリズムで構成されており、
前記分割面に、前記第１の面に垂直に入射される黄色光とされた第１光束を直進光と反射光とに分光すると共に赤色光と緑色光とに色分離する内部光学フィルタと、前記第１光束と平行に前記第１の面に入射される青色光とされた第２光束を反射させる反射膜とが設定され、
前記直進光が、内部で全反射されることなく前記第３の面でのみ全反射された後、前記第２の面から垂直に出射され、
前記反射光と前記反射膜で反射された前記第２光束とが、内部で全反射されることなく前記第１の面で全反射された後、前記第２の面から垂直に出射される、
ようにしてある。上記解決手法によれば、請求項５、請求項６に記載の多機能画像取得装置における第１プリズムとして使用されるプリズムを提供することができる。

【0016】

上記第４の解決手法を前提として、次のような解決手法採択することがができる。すなわち、
正三角柱状のプリズムのうち前記第１の面とは遠い側の頂点部分がカットされた形状とされて、前記分割面と略平行に延びる第４の面を有している、ようにしてある（請求項９対応）。この場合、小型、軽量化やプリズム材料の使用量低減等の上で好ましいものとなる。

【0017】

前記第１の解決手法を前提として、次のような解決手法を採択することができる。すなわち、
前記外部フィルタが遅延用とされている、ようにしてある（請求項１０対応）。この場合、入射画像光を例えばパルスビームとして、互いに時間がわずかにずれた複数の出射画像光を同時に取得することができる。

【0018】

前記第１の解決手法を前提として、次のような解決手法を採択することができる。すなわち、
前記第１プリズムの分割面に、前記第２プリズムからの前記２つの分光に作用して、第１波長と該第１波長よりも大きい第２波長との間の中間域波長のみを通過させる第１フィルタが配設され、
前記第２プリズムに、入射画像光を前記第１波長と前記第２波長との間の波長となる第３波長以上の長波長のみを通過させる第２フィルタが配設され、
前記第２の面から出射される出射画像光が、互いに波長域の異なる４つの出射画像光とされる、
ようにしてある（請求項１１対応）。この場合、互いに波長域の異なる４つの出射画像光を同時に取得することができる。例えば、青色光、緑色光、赤色光、近赤外光の４つの出射画像光を得ることも可能となって、色画像と熱画像との同時取得する等の上で好ましいものとなる。

【0019】

前記第２プリズムと前記撮像装置との間に、前記第１プリズムが２以上の複数段に渡って配設されて、該第２プリズムと複数の該第１プリズムとの総個数をｎ個としたとき（ｎ≧３）、前記撮像装置の直前に位置する最終段の該第１プリズムから出射される互いに平行な出射画像光の数が２nとされる、ようにしてある（請求項１２対応）。この場合、互いに平行な互いに同期した出射画像光の数を飛躍的に増加させることができる。

【発明の効果】

【0020】

本発明の多機能画像取得装置によれば、第２の面からそれぞれ垂直に出射される複数の出射画像光の光路長を互いに等しくすることができ、これにより１つの撮像装置で取得される複数の画像を完全に同期したものとすることができる。また、本発明のプリズムによれば、上記多機能画像取得装置における第１プリズムとして好適なものを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0021】

【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】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。

【図4】本発明の第３の実施形態を示す図。

【図5】本発明の第４の実施形態を示すもので、図２に対応した図。

【図6】図５の実施形態におけるフィルタの特性を示す図。

【発明を実施するための形態】

【0022】

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。

【0023】

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第１プリズムに対する入射画像光とされる。

【0024】

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。

【0025】

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、分光プリズムとしての第２プリズム１０および第１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。

【0026】

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。第２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をそれぞれ第１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、この第２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としての第２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。

【0027】

第１プリズム２０は後述するように、上記第１光束Ｖ１を２つの光束に分光すると共に、この２つの光束を、互いに平行で同一方向に向かう第１、第２の２つの出射画像光Ｗ１、Ｗ２として出射させる機能を有する。また、第１プリズム２０は、上記第２光束Ｖ２を、２つに分光して、上記第１、第２の出射画像光Ｗ１、Ｗ２と平行で同一方向に向かう第３、第４の２つの出射画像光Ｗ３、Ｗ４として出射させる機能を有する。

【0028】

第１プリズム２０の詳細について説明する。まず、第１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。第１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。各頂点でのなす角度は６０度である。

【0029】

第１プリズム２０は、それぞれ直角三角柱状とされた２つのプリズムＰ１とＰ２とを接合することにより構成され、その接合面が分割面Ｂ１となる。この２つのプリズムＰ１とＰ２が、特許請求の範囲における２つの分割プリズムに対応している。すなわち、分割面Ｂ１は、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と直交するように設定されている。この分割面Ｂ１には、前述した第２プリズム１０からの２つの光束をそれぞれ２つに分光するための第１、第２の内部光学フィルタが設定されている（無偏光ビームスプリッタ膜で構成）。

【0030】

前記第１の面Ｍ１と第３の面Ｍ３との全反射面には、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。

【0031】

第１プリズム２０の第１の面Ｍ１に垂直に入射された第１光束Ｖ１は、分割面Ｂ１（の第１内部光学フィルタ）でもって反射光Ｖ１１と直進光Ｖ１２とに分光される。反射光Ｖ１１は、第１の面Ｍ１でのみ全反射されて、第２の面Ｍ２から垂直に出射される第１の出射画像光Ｗ１とされる。また、直進光Ｖ１２は、第３の面Ｍ３でのみ全反射されて、第２の面Ｍ２から垂直に出射される第２の出射画像光Ｗ２とされる。

【0032】

第１プリズム２０の第１の面Ｍ１に垂直に入射された第２光束Ｖ２は、分割面Ｂ１（の第２内部光学フィルタ）でもって反射光Ｖ２１と直進光Ｖ２２とに分光される。反射光Ｖ２１は、第１の面Ｍ１でのみ全反射されて、第２の面Ｍ２から垂直に出射される第３の出射画像光Ｗ３とされる。また、直進光Ｖ１２は、第３の面Ｍ３でのみ全反射されて、第２の面Ｍ２から垂直に出射される第２の出射画像光Ｗ２とされる。

【0033】

第２の面Ｍ２から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ＣＣＤ３１に映し出された４つの画像は、同一ＣＣＤ３１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。

【0034】

第１プリズム２０とＣＣＤカメラ３０との間には、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、出射光Ｗ１に対応して配設されて、出射光Ｗ１のみが通過するものである。光学フィルタ４２は、出射光Ｗ２に対応して配設されて、出射光Ｗ２のみが通過するものである。光学フィルタ４３は、出射光Ｗ３に対応して配設されて、出射光Ｗ３のみが通過するものである。そして、出射光Ｗ４に対しては、光学フィルタが設けられていない。

【0035】

上記各光学フィルタ４１〜４３は、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。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。なお、外部光学フィルタ４１〜４３は、任意の１つあるいは２以上の出射画像光に対して設けることができる。

【0036】

ここで、第１プリズム２０における入射から出射までの光路長は、各出射画像光Ｗ１〜Ｗ４間において互いに等しくなっている。特に、各出射画像光Ｗ１〜Ｗ４に対応した第１プリズム２０内での光学経路中には、全反射のためのエアギャップが設定されていないので、各出射画像光Ｗ１〜Ｗ４の光路長を完全に等しく設定することができる（ＣＣＤカメラ３０で取得された４つの画像の完全な同期を確保）。

【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。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】

次に、複数の出射画像光を青色、赤色、緑色に分離させた状態で撮像する高速マルチカラーカメラ用として適用して好適な例について説明する。まず、第２プリズム１０での分光を青色光と黄色光とに色分離して分光する（色分離膜の利用）。例えば第１光束Ｖ１を黄色光とし、第２高速Ｖ２を青色光とする。また、分割面Ｂ１での分光に際しても、色分離膜を利用して、黄色光の第１光束Ｖ１を、緑色光の直進光と赤色光の反射光とに色分離した状態で分光する。これにより、出射画像光Ｗ１が赤色光とされ、出射画像光Ｗ２が緑色光とされる。また、青色光とされた第３および第４の出射画像光Ｗ３、Ｗ４は、それぞれ青色光とされる。なお、外部光学フィルタ４１〜４３は廃止される。このようにして、ＣＣＤカメラ３０は、入射画像光を、互いに同期された青色光と赤色光と緑色光とに分離した状態で撮像することができる（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）。なお、第１光束Ｖ１を青色光とし、第２光束Ｖ２を黄色光とすることもできる。

【0039】

図３は、本発明の第２の実施形態を示すもので、出射画像光として、青色光と赤色光と緑色光との３つを得て、高速マルチカラーカメラとして好適な例を示す。なお、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。

【0040】

本実施形態では、第２プリズム１０での色分離を、第１光束Ｖ１を青色光とし、第２光束Ｖ２を黄色光としてある。また、第１プリズム２０の分割面Ｍ１には、青色光を反射する反射膜Ｈを設定してある。青色光とされた第１光束Ｖ１は、反射膜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から垂直に青色光として出射される。

【0041】

黄色光とされた第２光束Ｖ２は、分割面Ｂ１に設定された色分離膜により、緑色光とされた反射光Ｖ２１と赤色光とされた直進光Ｖ２２とに分光される。反射光Ｖ２１は、第１の面Ｍ１で全反射されて、第２の面Ｍ２から垂直に緑色光として出射される。また、直進光Ｖ２２は、第３の面Ｍ３で全反射されて、第２の面Ｍ２から垂直に赤色光として出射される。これにより、ＣＣＤカメラ３０は、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の３色の波長毎に分解して撮像することになる
図３の実施形態では、出射画像光として３つのみであることから、第２プリズム２０の形状が、図２の場合を若干変更されている。すなわち、図３の実施形態では、図２に示す正三角柱状のプリズムにおける一部の角部領域をカットしてある（カット領域Ｃを一点鎖線で囲んで示してある）。すなわち、正三角柱状のプリズムから、第２の面Ｍ２と第３の面Ｍ３とを延長した交点付近の領域がカットされて、第４の面Ｍ４を有するものとなっている。第４の面Ｍ４は、分割面Ｂ１と略平行とされている（実施形態では完全に平行）。カット領域Ｃの分だけ、小型、軽量化され、また用いるプリズム材料も節約されることになる。

【0042】

ここで、図２の実施形態において、各出射画像光Ｗ１〜Ｗ４についての有効径を大きなものとしつつ、各出射画像光Ｗ１〜Ｗ４の間隔（撮像装置３０での撮像面において画像が存在しない境界領域）を極力小さくすることが望まれることになる。例えば、各出射画像光Ｗ１〜Ｗ４の有効径を例えば３．５ｍｍ、その間隔を例えば０．４〜０．５５ｍｍとする場合に、第１プリズム２０における３つの面Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３の長さ（例えば頂点α１とα２との間の１辺の長さ）は、例えば１６ｍｍ程度と極めて小さくすることができる（第２プリズム１０の１辺の長さは８ｍｍ程度）。

【0043】

図４は、本発明の第３の実施形態を示すものである。本実施形態では、図２に示すプリズム１０，２０を用いて、わずかに時間の異なる複数枚（実施形態では４枚）の画像を取得するものとなっている。すなわち、パルス発振レーザ５０からのパルスビームが被写体を通過した後にプリズム１０に入射されて、プリズム２０から４つのパルス状の出射光が出射される。

【0044】

プリズム２０の第２の面（出射面）Ｍ２には、３つの出射光Ｗ１〜Ｗ３が通過する位置において、遅延用フィルタとして互いに厚さの異なる厚さの遅延用ガラス５１〜５３が配置されている。これにより、時間の異なる４枚の画像がＣＣＤカメラ３０によって撮像されることになる。遅延用ガラスの屈折率が１．５で、その厚さが３ｍｍのとき、遅延用ガラスなしの場合に比して３．３ｐｓの時間だけ遅延されることになる。ちなみに、遅延用ガラス５１〜５３の厚さを３ｍｍ、２ｍｍ、１ｍｍに設定したときは、それぞれ、遅延用ガラスがない場合に比して、３．３ｐｓ、２．２ｐｓ、１．２ｐｓだけ遅延されることになる。

【0045】

図５，図６は、本発明の第４の実施形態を示すものである。本実施形態では、図２に示すプリズム１０，２０を用いて、互いに波長域の異なる４つの出射画像光を取得するようにしてある。すなわち、図５に示すように、第１プリズム２０の分割面Ｂ１に、中間域の波長のみを通過させる第１フィルタＨ１が設けられている。具体的には、第１フィルタＨ１は、図６の破線で示すように、第１波長λ１とλ１よりも大きい第２波長λ２との間の中間位置波長のみを通過させるように設定されている（中間域波長以外の光は反射させる）。

【0046】

一方、第２プリズム１０には、第２フィルタＨ２が設けられている。この第２フィルタＨ２は、図６実線で示すように、第３波長λ３以上の波長のみを通過させるように設定されている（第３波長未満の光は反射）。第３波長λ３は、前記第１波長λ１とλ２との中間の波長とされている。

【0047】

以上のような構成において、第２フィルタＨ２を通過する第１光束Ｖ１は、第３波長λ３以上の長波長の光となる。この第１光束Ｖ１は、第１フィルタＨ１で反射光と通過光とに分光されて、出射画像光Ｗ１，Ｗ２となる。反射光となる出射画像光Ｗ１は赤色光とされ、通過光となる出射画像光Ｗ２は近赤外光とされる。

【0048】

第２フィルタＨ２で反射された第２光束Ｖ２は、第３波長λ３未満の短波長となる、この第２光束Ｖ２は、第１フィルタ第Ｈ１で反射光と通過光とに分光されて、出射画像光Ｗ３，Ｗ４となる。反射光となる出射画像光Ｗ３は青色光とされ、通過光となる出射画像光Ｗ４は緑色光とされる。

【0049】

このように、本実施形態では、青色光、緑色光、赤色光と近赤外光とを同時に取得して、色画像と熱画像との同時取得が可能となる。勿論、図６に示す波長λ１、λ２，λ３の設定を変更することにより、任意の異なる４つの波長域に分解された４つの出射画像光を同時に取得することができる。

【0050】

本発明の応用例として、第１プリズム２０を２個以上設けて、ある第１プリズム２０の第２の面Ｍ２からの出射画像光を、次の第１プリズム２０の第１の面Ｍ１に垂直に入射させることにより、出射画像光の数を増大させることができる。すなわち、第１のプリズム２０の数が１の場合は、分光数は４となるが（図２の実施形態対応）、第１プリズム２０を２個設けた場合は、最終的な分光の数が８となり、第１プリズム２０を３個設けた場合は、最終的な分光の数が１６となる。すなわち、第２のプリズム１０を１個と第１プリズム２０の個数の加算値をｎ個とすれば、最終的に得られる分光数は「２のｎ乗」個となる。

【0051】

以上実施形態について説明したが、本発明はこれに限らず、適宜の変更が可能であり、特に特許文献１に開示された内容をそのまま適用（利用）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】

【0052】

本発明は、例えば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。

【符号の説明】

【0053】

１０：第２プリズム
２０：第１プリズム
３０：ＣＣＤカメラ（撮像手段）
３１：ＣＣＤ
４１〜４３：外部光学フィルタ
Ｓ波：検知光
Ｐ波：参照光
Ｈ：反射膜
Ｍ１：第１の面
Ｍ２：内２の面
Ｍ３：第３の面
Ｂ１：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

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】