特許 6667570 マルチバンドパス液晶チューナブルフィルタ

(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】6667570

(24)【登録日】2020年2月27日

(45)【発行日】2020年3月18日

(54)【発明の名称】マルチバンドパス液晶チューナブルフィルタ

(51)【国際特許分類】

   G02B 27/28 20060101AFI20200309BHJP

   G02F 1/13 20060101ALI20200309BHJP

   G02B 5/20 20060101ALI20200309BHJP

   G02B 5/30 20060101ALI20200309BHJP

   G01J 3/51 20060101ALI20200309BHJP

【ＦＩ】

   G02B27/28 Z

   G02F1/13 505

   G02B5/20 101

   G02B5/30

   G01J3/51

【請求項の数】11

【外国語出願】

【全頁数】17

(21)【出願番号】特願2018-75624(P2018-75624)

(22)【出願日】2018年4月10日

(65)【公開番号】特開2018-180539(P2018-180539A)

(43)【公開日】2018年11月15日

【審査請求日】2018年4月10日

(31)【優先権主張番号】17166085.5

(32)【優先日】2017年4月11日

(33)【優先権主張国】EP

(73)【特許権者】

【識別番号】516114695

【氏名又は名称】ライカ インストゥルメンツ （シンガポール） プライヴェット リミテッド

【氏名又は名称原語表記】Ｌｅｉｃａ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ （Ｓｉｎｇａｐｏｒｅ） Ｐｔｅ． Ｌｔｄ．

(74)【代理人】

【識別番号】100114890

【弁理士】

【氏名又は名称】アインゼル・フェリックス＝ラインハルト

(74)【代理人】

【識別番号】100098501

【弁理士】

【氏名又は名称】森田 拓

(74)【代理人】

【識別番号】100116403

【弁理士】

【氏名又は名称】前川 純一

(74)【代理人】

【識別番号】100135633

【弁理士】

【氏名又は名称】二宮 浩康

(74)【代理人】

【識別番号】100162880

【弁理士】

【氏名又は名称】上島 類

(72)【発明者】

【氏名】ゲオルゲ テメリス

【審査官】 右田 昌士

(56)【参考文献】

【文献】 特表２００８−５２９０９２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１４／００９８３０９（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 国際公開第２００８／０４２７６６（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２０１７−０３２５３７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第０７６３００２１（ＵＳ，Ｂ２）

【文献】 特開平０３−２８２４１７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１１−５１４５４６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−０６６４３４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１２／０３００１４３（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 国際公開第２００７／０５６１０２（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０２Ｂ ２７／２８

Ｇ０２Ｆ １／１３

Ｇ０２Ｂ ５／２０ − ５／３０

Ｇ０１Ｊ ３／００ − ３／５２

Ｇ０１Ｎ ２１／３１

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

通過波長（１７）の光（１３）を伝達する光学フィルタ（１）であって、
前記光学フィルタ（１）は、伝達方向（１１）に沿って配置された少なくとも２つの光学フィルタ段（３）を備えており、前記伝達方向（１１）に沿って、前記通過波長（１７）の光（１３）が前記光学フィルタ（１）を介して伝達され、
前記少なくとも２つの光学フィルタ段（３）各々は、少なくとも１つの入射側偏光子（５）と、少なくとも１つの固定リターディング素子（７）と、可変リターディング素子（１９）と、を備えている光学フィルタ（１）において、
前記少なくとも２つの光学フィルタ段（３）各々における固定リターディング素子（７）と可変リターディング素子（１９）とは、異なる厚さを有し、
複数の固定リターディング素子（７）は、互いに平行であり、
前記少なくとも２つの光学フィルタ段（３）各々は、動作波長範囲（４１）にわたって広がる周期的伝達特性（３５）を有しており、
各伝達特性（３５）は、他の伝達特性（３５）各々の少なくとも１つのピーク（４３ｃ〜４３ｅ）とそれぞれオーバラップした少なくとも２つのピーク（４３ｃ〜４３ｅ）を有しており、
前記光学フィルタ（１）の総合伝達特性（２９）は、スペクトル的に互いに分離された少なくとも２つのスペクトル通過帯域（４５）を有することを特徴とする、
光学フィルタ（１）。

【請求項2】

少なくとも３つの通過帯域（４５）が設けられており、前記少なくとも３つの通過帯域（４５）は、波数スペクトルにおいて互いに等間隔に離間されていることを特徴とする、
請求項１記載の光学フィルタ（１）。

【請求項3】

可変リターディング素子（１９）の少なくとも１つは、液晶素子（２１）として具現化されていることを特徴とする、
請求項１または２記載の光学フィルタ（１）。

【請求項4】

少なくとも２つの光学フィルタ段（３）は、同一のリターデーション（３７ａ〜３７ｅ）を有しており、２つの前記光学フィルタ段（３）の周期的伝達特性（３５）は、互いにシフトされていることを特徴とする、
請求項１から３までのいずれか１項記載の光学フィルタ（１）。

【請求項5】

少なくとも１つの光学フィルタ段（３）は、少なくとも１つの他の光学フィルタ段（３）のリターデーション（３７ａ〜３７ｅ）とは異なるリターデーション（３７ａ〜３７ｅ）を有することを特徴とする、
請求項１から４までのいずれか１項記載の光学フィルタ（１）。

【請求項6】

少なくとも１つの光学フィルタ段（３）は、少なくとも１つの他の光学フィルタ段（３）のリターデーション（３７ａ〜３７ｅ）とは２倍異なるリターデーション（３７ａ〜３７ｅ）を有することを特徴とする、
請求項１から４までのいずれか１項記載の光学フィルタ（１）。

【請求項7】

制限されたスペクトル帯域（４４）内の光（１３）に各々制限されている少なくとも２つの像を同時にキャプチャするカメラ（５３）において、
前記カメラ（５３）は、請求項１から６までのいずれか１項記載の光学フィルタ（１）を備えており、
前記フィルタの総合伝達特性（２９）の少なくとも１つのスペクトル通過帯域（４５）は、前記スペクトル帯域（４４）各々の中に位置していることを特徴とする、
カメラ（５３）。

【請求項8】

前記スペクトル帯域（４４）は、ＲＧＢカラーコーディング（６０ａ）またはＧＣＭＹカラーコーディング（５８ａ）に対応していることを特徴とする、
請求項７記載のカメラ（５３）。

【請求項9】

マルチスペクトル撮像システム（８７）において、
同時撮像のために請求項７または８記載の少なくとも１つのカメラ（５３）が設けられていることを特徴とする、
マルチスペクトル撮像システム（８７）。

【請求項10】

少なくとも２つのカメラ（５３）が設けられており、前記少なくとも２つのカメラ（５３）各々の少なくとも２つの通過帯域（４５）は、スペクトル的に互いにシフトされていることを特徴とする、
請求項９記載のマルチスペクトル撮像システム（８７）。

【請求項11】

少なくとも２つの異なるスペクトル帯域（４４）の光（１３）によって試料（７９）を照射する照射システム（７３）であって、
広帯域光源（７５）と請求項１から６までのいずれか１項記載の光学フィルタ（１）とを備えている、
照射システム（７３）。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、通過波長の光を伝達する光学フィルタに関する。このフィルタは、伝達方向に沿って配置された少なくとも２つの光学フィルタ段を備えており、この伝達方向に沿って、通過波長の光が光学フィルタを介して伝達され、少なくとも２つの光学フィルタ段各々は、少なくとも１つの入射側偏光子と少なくとも１つの固定リターディング（位相遅延）素子とを備えている。

【0002】

本発明はさらに、制限されたスペクトル帯域内の光に各々が制限されている少なくとも２つの像を同時にキャプチャするカメラ、マルチスペクトル撮像システム、および照射システムに関する。

【背景技術】

【0003】

各々が複屈折材料を含む多数のフィルタ段をベースとする光学フィルタは、従来技術において知られている。これらのフィルタ段を、SolcまたはLyotによる設計で配置することができる。どのような構成が使用されるにせよ、従来技術の光学フィルタは、特に慣用の固定波長光学フィルタに比べてピーク伝達値が低い、という欠点を有している。したがって、カメラまたは撮像システムに適用する場合には、従来技術の光学フィルタは高感度のカメラを必要とする。また、従来技術の光学フィルタを適用した照射システムの場合には、高い照射強度が必要とされる。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

よって、本発明の課題は、伝達値が改善された光学フィルタ、カメラ、マルチスペクトル撮像システムおよび照射システムを提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0005】

冒頭で述べた光学フィルタは、上述の問題点を以下のようにして解決する。すなわち少なくとも２つの光学フィルタ段各々は、動作波長範囲にわたって広がる周期的伝達特性を有しており、各伝達特性は、他の伝達特性各々の少なくとも１つのピークとそれぞれオーバラップした少なくとも２つのピークを有しており、光学フィルタの総合伝達特性は、スペクトル的に互いに分離された少なくとも２つのスペクトル通過帯域を有する。

【0006】

冒頭で述べた形式のカメラは上述の問題点を、本発明による光学フィルタを備えることによって解決する。この場合、フィルタの総合伝達特性の少なくとも１つのスペクトル通過帯域は、スペクトル帯域各々の中に位置している。

【0007】

同時撮像のための本発明によるマルチスペクトル撮像システムは上述の問題点を、少なくとも１つの本発明によるカメラを備えることによって解決する。

【0008】

少なくとも２つの異なるスペクトル帯域の光によって試料を照射する本発明による照射システムは、広帯域光源と本発明による光学フィルタとを備えることによって、上述の問題点を解決する。

【0009】

通過波長とは、波長依存性の伝達カーブの中心波長のことであると解されたい。この場合、伝達カーブは特定のパルス形状を有することができる。

【0010】

よって、通過波長とは、対応する光学フィルタの最大伝達波長のことであると解されたい。この場合、通過波長と隣り合った波長を伝達することもできるが、その場合の伝達率は通過波長よりも低い。

【0011】

光学フィルタ段とは、波長依存性の伝達率を有する複数の光学部品から成るアセンブリのことであると解されたい。光学フィルタ段各々の伝達特性により、伝達方向に沿って光学フィルタ段へ入射される光に作用が及ぼされる。

【0012】

光学フィルタの総合伝達特性を得るために、全ての光学フィルタ段の伝達特性が掛け合わせられる。

【0013】

入射側偏光子を、予め定められた直線偏光をほぼ１００％伝達する直線偏光子として具現化することができ、この場合、予め定められた上述の偏光とは異なる偏光の光は、偏光子によって減衰させられる。

【0014】

予め定められた偏光方向に対し垂直に偏光された光は、好ましくは完全に阻止される。入射される偏光と偏光子の予め定められた偏光方向との間の角度に関して、伝達率はコサインカーブを辿り、その際にコサインカーブの負の半波を辿る。

【0015】

光学フィルタ段各々の固定リターディング素子を、固定の複屈折を有する複屈折材料として具現化することができる。複屈折の結果、垂直に偏光された光成分相互間にリターデーションが生じるので、複屈折材料はリターダまたはリターディング素子とも呼ばれる。

【0016】

本発明による光学フィルタは少なくとも２つの光学フィルタ段を備えており、これらの光学フィルタ段の双方は、動作波長範囲にわたって広がる周期的伝達特性を有している。動作波長範囲とは、この範囲内で光学フィルタが少なくとも１つの通過波長の光を伝達する波長範囲のことである、と解されたい。

【0017】

光学フィルタ内に設けられる偏光子、固定リターディング素子、あるいは場合によっては反射防止層または保護層などといった、光学フィルタ内で適用される光学素子の個々の伝達特性によって、動作波長範囲が制限される可能性がある。

【0018】

本発明によればフィルタ段各々は、動作波長範囲内に少なくとも２つのピークを含む伝達特性を有する。複数の光学フィルタ段の少なくとも２つの伝達特性はオーバラップしており、この場合、各光学フィルタ段の伝達特性における少なくとも第１および第２の最大伝達率が、他の光学フィルタ段の伝達特性各々の少なくとも１つの最大伝達率とオーバラップしている。

【0019】

光学フィルタの総合伝達特性は、個々の伝達特性の乗算によって得られるが、このことは非線形作用を伴わない線形の光相互作用の場合にのみ当てはまる。

【0020】

光学フィルタの総合伝達特性は、スペクトル的に分離された少なくとも２つのスペクトル通過帯域を有しており、このスペクトル通過帯域内で、光学フィルタに入射される光が光学フィルタの最大伝達率で伝達されることになる。

【0021】

好ましくは、少なくとも２つのスペクトル通過帯域のスペクトルポジションとは異なるいかなる波長の光も、特に少なくとも２つのスペクトル通過帯域各々のスペクトル帯域幅外の波長は、光学フィルタによって完全に阻止される。少なくとも２つのスペクトル通過帯域間のスペクトル分離は好ましくは、それらのスペクトル通過帯域のスペクトル帯域幅の少なくとも２倍になる。

【0022】

光学フィルタの総合伝達特性は、複数の光学フィルタ段の個々の伝達特性を含むので、スペクトル通過帯域のスペクトル帯域幅および形状は、光学フィルタの全てのスペクトル通過帯域について同一である。

【0023】

以下では、本発明のさらに別の有利な実施形態について説明する。それらの実施形態の技術的特徴は、任意に組み合わせ可能または省略可能である。

【0024】

本発明による光学フィルタの１つの実施形態によれば、少なくとも２つの光学フィルタ段は、類似したまたはそれどころか同一である個々の伝達特性を有することができ、その際、少なくとも１つの個々の伝達特性は、第２の光学フィルタ段の少なくとも１つの他の個々の伝達特性に対して、スペクトル的にシフトされている。オーバラップした、ただしシフトされた個々の伝達特性から結果として生じるスペクトル通過帯域を、１つの伝達特性のスペクトルのシフトなしで得られたスペクトル通過帯域に対して、スペクトル的に狭めることができる。

【0025】

本発明による光学フィルタのさらに別の実施形態によれば、少なくとも３つの通過帯域が設けられており、その際に少なくとも３つの通過帯域は、波数スペクトル内においてスペクトル的に互いに等間隔で離間されている。この場合、波数は波長の逆数である。したがって結果として得られる光学フィルタの通過帯域によって、スペクトル通過帯域により規定される３つ以上の最大伝達率を有する光学櫛が形成される。

【0026】

各通過帯域間のスペクトルの離間を、実際に各通過帯域の中心波長間で測定することができる。

【0027】

なお、スペクトル通過帯域カーブの外観すなわち通過帯域の帯域幅とピーク・トゥー・ピーク距離とは、波長と対比してプロットした場合、動作波長範囲における短い波長の側と長い波長の側とで異なる可能性がある、ということに留意されたい。波数（波長の逆数）と対比してプロットした場合、スペクトル通過帯域の帯域幅とピーク・トゥー・ピーク距離とは同一である。

【0028】

本発明による光学フィルタのさらに別の有利な実施形態によれば、複数の光学フィルタ段のうちの少なくとも１つは、対応する光学フィルタ段の波長依存性の周期的伝達特性をシフトするために、可変リターディング素子を備えている。

【0029】

この実施形態によれば、光学フィルタ段の少なくとも１つは、固定量の複屈折を加える、すなわち入射光をリターディングする固定リターディング素子を備えていると共に、可変の複屈折ないしはリターデーションを加える素子も備えている。かかる可変のリターデーションによって、波長依存性の周期的伝達特性が波長軸に沿ってシフトされ、その結果、少なくとも２つの個々の伝達特性のオーバラップした最大値が、場合によっては異なるスペクトルポジションをとるようになり、他方、これによって光学フィルタの少なくとも２つのスペクトル通過帯域も同様にシフトされる。

【0030】

したがってこの実施形態の光学フィルタは、チューナブルマルチバンドパスフィルタであり、これによってこのフィルタを介して少なくとも２つのスペクトル通過帯域を伝達できるようになり、その際に少なくとも２つのスペクトル通過帯域のスペクトルポジションをユーザが変更可能である。

【0031】

光学フィルタ段各々が可変リターディング素子を備えていれば、本発明による光学フィルタをさらに改善することができる。この実施形態によれば、設けられた複数の光学フィルタ段における個々の周期的伝達特性の全てを、スペクトル的にシフトすることができる。よって、周期的伝達特性のオーバラップした最大値のポジションを、したがってスペクトル通過帯域のスペクトルポジションを、光学フィルタの動作波長範囲内のほぼ任意の波長に合わせてチューニングすることができる。

【0032】

このため本発明による光学フィルタの上述の実施形態によれば、従来技術では１つのスペクトル帯域であったのに、複数のスペクトル帯域のリアルタイム撮像が可能になることから、従来技術の光学フィルタを凌ぐさらなる利点が得られるようになる。他方、このことにより結果として、スループット効率の改善と合わせて、相応に高速化されたスキャニング速度が得られるようになり、すなわち損失が減少しかつコストおよびサイズが小さくなる。

【0033】

従来技術の光学フィルタは、たとえ従来技術のチューナブルフィルタであったとしても、リアルタイムでは単色像を供給することしかできない。本発明の光学フィルタによれば、少なくとも２つのスペクトル通過帯域をリアルタイムで、すなわち同時に、考慮することができる。

【0034】

本発明による光学フィルタのさらに別の実施形態によれば、可変リターディング素子の少なくとも１つは液晶素子として具現化されている。液晶素子は、電界内に配置したときに指向性をもたせることができる等方性液晶に基づくものである。電界の電界強度を変化させることによって液晶が回転させられ、それらの液晶に入射される光に対して加えられるそれらの液晶の複屈折ないしはリターデーションを変化させる。したがって可変リターディング素子によって加えられる可変のリターデーションを、容易に制御し変更することができる。

【0035】

本発明による光学フィルタのさらに別の実施形態によれば、少なくとも２つの光学フィルタ段は等しいリターデーションを有しており、この場合、２つの光学フィルタ段の周期的伝達特性は互いにシフトされている。本発明による光学フィルタのこの実施形態が有する利点とは、スペクトル通過帯域の光学的な帯域幅を変化させることができる、ということである。帯域幅のこのような変化を、光学フィルタのスペクトル通過帯域のチューナビリティに対する代案として、またはそれに加えて、適用することができる。スペクトル通過帯域の狭いスペクトル帯域幅を達成する目的で、２つ以上の光学フィルタ段が同一のリターデーションを有することができる。

【0036】

本発明による光学フィルタを、少なくとも１つの光学フィルタ段が、少なくとも１つの他の光学フィルタ段のリターデーションとは異なるリターデーションを有することによって、さらに改善することができる。固定リターディング素子のリターデーションがそれぞれ異なる結果として、個々の伝達特性においてそれぞれ異なる周期性が生じるようになる。

【0037】

複屈折材料すなわち液晶が適用される場合、伝達方向に沿って測定される液晶の厚さと共にリターデーションが大きくなる。したがって、比較的厚い固定リターディング素子を備えた光学フィルタ段は、周期性が低減された、すなわち周期的伝達特性のスペクトル周波数が高められた伝達特性を有することができる。また、比較的厚い固定リターディング素子を備えた光学フィルタ段の最大伝達率は、比較的薄い固定リターディング素子を適用した光学フィルタ段の周期的伝達特性の最大伝達率よりも、互いに密に位置している。

【0038】

低いスペクトル周波数を有する個々の伝達特性は、広いスペクトル帯域幅を有することができ、高いスペクトル周波数を有する伝達特性は、それに応じていっそう狭いスペクトル帯域幅を有することができる。よって、達成される総合伝達特性は、高いスペクトル周波数の個々の伝達特性のスペクトル帯域幅によって決定されるスペクトル帯域幅を有することができ、この場合、スペクトル通過帯域の中心波長を、低いスペクトル周波数の伝達特性の最大伝達率によって決定することができる。

【0039】

本発明による光学フィルタのさらに別の実施形態によれば、少なくとも１つの光学フィルタ段は、少なくとも１つの他の光学フィルタ段のリターデーションとは２倍異なるリターデーションを有する。リターデーションが２倍異なることから結果として、やはりそれぞれ２倍異なる対応する周期的伝達特性における最大伝達率のスペクトル周波数が生じることになる。

【0040】

よって、比較的小さいリターデーションの結果として生じた伝達特性の１つの半波内に、好ましくは、２倍のリターデーションの結果として生じた第２の周期的伝達特性の２つの半波が含まれる。

【0041】

このため、リターデーションがそれぞれ異なる複数の光学フィルタ段の少なくとも２つの周期的伝達特性におけるピーク（最大伝達率）間のオーバラップが保証される。

【0042】

さらに別の実施形態によれば、光学フィルタ内に一連の光学フィルタ段１，２，．．．Ｎを含めることができ、この場合、光学フィルタ段２のリターデーションは光学フィルタ段１のリターデーションの２倍であり、光学フィルタ段３のリターデーションは光学フィルタ段２のリターデーションの２倍であり、．．．、光学フィルタ段Ｎのリターデーションは光学フィルタ段Ｎ−１のリターデーションの２倍である。

【0043】

この実施形態によれば、個々の伝達特性の最大伝達率のオーバラップも保証される。光学フィルタ段１の周期的伝達特性によって、光学フィルタのスペクトル通過帯域の個数が決定され、この場合、スペクトル通過帯域の個数は、動作波長範囲内に位置する周期的伝達特性の最大伝達率の個数に相応する。

【0044】

さらに光学フィルタ段Ｎのスペクトル帯域幅によって、光学フィルタにおいて結果として生じるスペクトル通過帯域のスペクトル帯域幅を決定することができる。よって、この実施形態の光学フィルタは、少なくとも２つのスペクトル通過帯域を含む櫛形スペクトルを有することができ、この場合、櫛形スペクトル全体を、可変リターディング素子を用いてスペクトル的にシフトすることができる。

【0045】

櫛形スペクトルのスペクトル通過帯域を特に、スペクトル的に互いに等間隔に離間させることができる。このため結果として得られる光学フィルタによって、少なくとも２つの波長を同時に伝達させることができるようになり、それによってマルチスペクトルアプリケーションをリアルタイムに実施できるようになる。

【0046】

冒頭で述べた少なくとも２つの像を同時にキャプチャするカメラを、光学フィルタの動作波長範囲である伝達された全てのスペクトル通過帯域を検出するように、具現化することができる。この場合、光学フィルタの動作波長範囲は、好ましくはカメラが入射光に感応する範囲を示すカメラ波長範囲と一致する。カメラは、ＣＣＤ検出器またはＣＭＯＳ検出器として具現化可能な検出器を備えることができ、この場合、検出器の画素各々が１つのマイクロフィルタを備えることができる。

【0047】

少なくとも２つの像を同時にキャプチャする本発明によるカメラの第１の実施形態によれば、個々の画素に適用されるマイクロフィルタを、対応するマイクロフィルタの下限波長と上限波長との間の波長の光のみを伝達するバンドパスフィルタとして、具現化することができる。

【0048】

下限波長よりも短い波長または上限波長よりも長い波長は、マイクロフィルタによって好ましくは完全に阻止される。

【0049】

第２のマイクロフィルタのスペクトル帯域を、第１のマイクロフィルタのスペクトル帯域にスペクトル的に隣り合うように位置させることができ、この場合、第２のマイクロフィルタの帯域の下限波長は、第１のマイクロフィルタの帯域の上限波長以上である。

【0050】

したがって、カラーコーディングを規定するために、隣り合う画素に２つ以上のマイクロフィルタを適用することができる。レッド−グリーン−ブルー（ＲＧＢ）カラーコーディングのケースであれば、３つの異なるマイクロフィルタから成るセットを適用することができ、グリーン−シアン−マゼンタ−イエロー（ＧＣＭＹ）カラーコーディングのケースであれば、４つの異なるマイクロフィルタから成るセットを隣り合う画素に適用することができる。

【0051】

このようにしてカメラの複数のマイクロフィルタによって、１つの波長範囲を予め選択することができ、この場合、光学フィルタのただ１つのスペクトル通過帯域が上述の波長範囲内にスペクトル的に位置しており、このスペクトル通過帯域はフィルタのスペクトル帯域の下位の波長範囲を形成する。したがって、上述の画素により測定される入射光の強度を、光学フィルタの対応するスペクトル通過帯域の強度に一義的に関連づけることができる。

【0052】

本発明によるカメラのその他の想定可能な実施形態によれば、それぞれ特有の伝達スペクトルを有する複数のマイクロフィルタが適用され、この場合、光学フィルタの少なくとも２つのスペクトル通過帯域は、マイクロフィルタ各々についてそれぞれ異なる伝達値を有する。このカメラはさらに、各画素の測定された強度をただ１つのスペクトル通過帯域に関連づけるために、後処理用のプロセッサを備えている。

【0053】

冒頭で述べたマルチスペクトル撮像システムを、少なくとも２つのカメラを設けることによってさらに改善することができ、この場合、少なくとも２つのカメラ各々の少なくとも２つの通過帯域は、スペクトル的に互いにシフトされている。

【0054】

一般にマルチスペクトル撮像システムは、複数のスペクトル通過帯域間のスペクトル距離が一定である、という制約を有しており、したがって通過帯域を互いに無関係に選択することはできない。本発明によるマルチスペクトル撮像システムのこの実施形態によれば、各カメラにより測定される通過帯域を互いに無関係に選択できることから、このような制約が緩和される。

【0055】

冒頭で述べた本発明による照射システムのために、広帯域連続光源または広帯域離散光源を適用することができる。このため照射システムは、少なくとも２つの異なるスペクトル通過帯域をフィルタリングして、この少なくとも２つの通過帯域によって試料を照射する。

【0056】

さらに考えられるのは、選択されたスペクトル通過帯域を得るために、広帯域離散光源のフィルタリングを適用できる、ということである。この通過帯域を、試料の個々の吸収特性に対応する照射波長に合わせてチューニングすることができる。したがって、２つの異なる蛍光チャネルにおける蛍光励起を実現させることができる。

【0057】

次に、本発明について添付の図面を参照しながら説明する。同じ技術的特徴および同じ技術的作用を有する特徴には、同じ参照符号を付すものとする。

【図面の簡単な説明】

【0058】

【図1】従来技術の光学フィルタの概略的な構成を示す図である。

【図2】複数の光学フィルタ段の個々の伝達特性と、結果として生じる光学フィルタの総合伝達特性とを示す図である。

【図3】本発明による光学フィルタを適用して少なくとも２つの像を同時にキャプチャするカメラの動作原理を示す図である。

【図4】光学フィルタを適用した本発明の照射システムの動作原理を示す図である。

【図5】本発明によるカメラの詳細な動作原理を示す図である。

【図6】本発明によるマルチスペクトル撮像システムの動作原理を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0059】

図１には、従来技術の光学フィルタ１の概略的な動作原理が示されている。光学フィルタ１は、図示の実施形態では６つの光学フィルタ段３を備えており、この場合、光学フィルタ段３の各々は、入射側偏光子５と１つの固定リターディング素子７とを備えており、このリターディング素子７の厚さ９は、図１の左側の光学フィルタ段から右側の光学フィルタ段３に向かって増加している。

【0060】

さらに各光学フィルタ段３は可変リターディング素子１９を備えており、これは液晶素子２１として具現化されている。各液晶素子２１は、光透過性の電極２７を備えた２つのガラスプレート２５の間に設けられた液晶２３を備えている。液晶２３、ガラスプレート２５および導電性の電極２７は、左側の光学フィルタ段３についてのみ参照符号で表されている。

【0061】

各光学フィルタ段３は、以下のように配向された２つの偏光子を備えている。すなわち、これら２つの偏光子のうち第１の偏光子を通って通過する直線偏光された光が、これら２つの偏光子４のうち第２の偏光子を通って伝達される光に対し垂直に配向されている。

【0062】

図１に示されている構成によれば、入射側偏光子５は、対応する入射側偏光子５の左側に配置された光学フィルタ段３のための出射側偏光子６を成している。

【0063】

図１の左側に配置された光学フィルタ段３の入射側偏光子５は、全体の入射側偏光子５ａを成しており、光学フィルタ１はさらに、入射側偏光子５を成さない全体の出射側偏光子６ａを備えている。

【0064】

図１にはさらに伝達方向１１も示されており、図１に示されている光学フィルタ１を介した伝達によって、伝達方向１１または伝達方向１１とは逆方向で進行する光１３に対し同じように作用が及ぼされることから、図１には択一的な伝達方向１１ｂも示されている。

【0065】

伝達方向１１で光学フィルタ１に入射する光１３は、図１では通過波長１７である波長１５を有している。

【0066】

光学フィルタ１は、通過波長１７に対する最大伝達率３１によって特徴づけられる総合伝達特性２９を有している。つまり、通過波長１７の出射光３３が光学フィルタ１を介して伝達されるけれども、その一方で入射強度Ｉ_０は出射強度Ｉ_１よりも小さい。

【0067】

通過波長１７ではない波長１５の光１３は、光学フィルタ１を介して伝達されない。

【0068】

図２ａ、図２ｂおよび図２ｃには、それぞれ異なる伝達特性３５が示されている。図２ａには、図１の６つの光学フィルタ段について５つの伝達特性３５が示されているが、この場合には参照符号１の付された上方の枠は、図１の左側に配置された、すなわち図１の全体の入射側偏光子５ａのすぐ隣りに配置された光学フィルタ段３の伝達特性３５を表している。全体の出射側偏光子６ａと隣り合った対物フィルタ段３に関する６番目の伝達特性３５は、図２ａには示されていない。

【0069】

図示の伝達特性３５は、対応する光学フィルタ段３の伝達率３１を波長１５と対比してプロットしており、この場合、伝達特性３５は動作波長範囲４１内で示されている。

【0070】

この図は、液晶の厚さ９がそれぞれ異なることから、結果としてそれぞれ異なるリターデーション３７ａ〜３７ｅが生じることを示しており、ここでリターデーション３７ａ〜３７ｅは、第２のフィルタ段のスペクトル周波数３９ｂが第１のフィルタ段のスペクトル周波数３９ａの２倍となり、相応に第３のフィルタ段のスペクトル周波数３９ｃが第２のフィルタ段のスペクトル周波数３９ｂの２倍の値となる、といった具合に選定されている。

【0071】

本発明による光学フィルタ１によって、伝達特性３５ｃ、３５ｄおよび３５ｅが結合され、ここでは伝達特性３５ｃは実線でプロットされており、伝達特性３５ｄは破線でプロットされており、伝達特性３５ｅは点線でプロットされている。

【0072】

図２ａ〜図２ｃに概略的に描かれている本発明による光学フィルタ１の場合、伝達特性３５ａおよび３５ｂを有する光学フィルタ段３は省かれ、伝達特性３５ｃ〜３５ｅを有する光学フィルタ段３だけが、図２ｃに示されている総合伝達特性２９に寄与する。図２ｂおよび図２ｃのプロットによって、動作波長範囲４１内の波長１５全体にわたりプロットされた伝達率３１も表されている。

【0073】

図２ｂによれば、伝達ピーク４３ｃ、４３ｄおよび４３ｅ、ならびに伝達特性３５ｃ〜３５ｅにおけるその他の９つのピークが互いにオーバラップしている、ということがわかる。オーバラップしたピーク４３ｃ、４３ｄおよび４３ｅによって、１つのスペクトル通過帯域４５ａが形成されている。

【0074】

同様に、図２ａでは参照符号が付されていない９つのオーバラップしたピークが生じた結果として、その他の３つの通過帯域４５が形成され、光学フィルタ１の総合伝達特性２９が４つのスペクトル通過帯域４５を有するようになる。

【0075】

光学フィルタ１のこれらのスペクトル通過帯域４５によって、１つの櫛形スペクトル４７が形成され、これはスペクトル間隔４９により互いに等距離で離間された４つの同じスペクトル通過帯域４５により特徴づけられている。

【0076】

可変リターディング素子１９（図１参照）を本発明による光学フィルタに適用すれば、櫛形スペクトル４７全体を、図２ｃに示されているシフト方向５１に沿ってスペクトル的にシフトさせることができる。

【0077】

図３には、カメラ５３の概略的な動作原理が示されており、この場合、カメラ５３は、カラーフィルタ５７、本発明による光学フィルタ１および撮像センサ５９を備えている。撮像センサ５９を、ＣＭＯＳまたはＣＣＤとして具現化することができる。

【0078】

光１３は、伝達方向１１に沿ってカメラ５３に入射する。

【0079】

図３の大きい方の枠は、上述のカメラ５３の動作原理の概略であり、伝達率３１を波長１５と対比してプロットしている。図３にプロットされた総合伝達特性２９は、４つのスペクトル通過帯域４５を含む櫛形スペクトル４７を有している。

【0080】

カラーフィルタ５７は４つのマイクロフィルタ６１を備えており、これらのマイクロフィルタ６１各々は、撮像センサ５９の全ての画素（図示せず）のサブセットの前にポジショニングされている。特に各マイクロフィルタ６１は、１つの単一の画素の前にポジショニングされている。なお、「前に」という言い回しは、光学フィルタ１と撮像センサ５９との間のポジションのことであると解されたい。

【0081】

複数のマイクロフィルタ６１を、撮像センサ５９の対応する多数の画素に合わせたパターンで適用することができる。

【0082】

伝達率３１のプロットによって、４つのマイクロフィルタ特性６３ａ〜６３ｄが表されており、この場合、各マイクロフィルタ特性６３ａ〜６３ｄは、１つのバンドパスフィルタ６５に相応する。

【0083】

バンドパスフィルタ６５は、１つのスペクトル帯域４４を形成する下限波長６７ａ〜６７ｄと上限波長６９ａ〜６９ｄによって特徴づけられている。このプロットにおいて、上限波長６９ａおよび下限波長６７ｂは、マイクロフィルタ特性６３ａがマイクロフィルタ特性６３ｂとオーバラップしないように、選定されている。別の実施形態によれば、上述の特性６３ａ〜６３ｄに多少のオーバラップがあってもよい。

【0084】

したがって、複数のスペクトル通過帯域４５のうちただ１つのスペクトル通過帯域だけが、スペクトル的に１つのマイクロフィルタ特性６３ａ〜６３ｄ内に位置する。光１３は４つの全てのスペクトル通過帯域４５から成るので、４つの全ての通過帯域４５がマイクロフィルタ６１各々に入射することになる。ただしマイクロフィルタ６１各々は、対応するマイクロフィルタ特性６３ａ〜６３ｄ内にスペクトル的に位置していない３つのスペクトル通過帯域４５を阻止することになる。

【0085】

このため、選択的に１つのパターンで配置された複数の画素にマイクロフィルタ６１を設ければ、各々が１つの単一のスペクトル通過帯域４５に制限された複数の像をキャプチャすることができる。

【0086】

よって、キャプチャされたスペクトル像は、対応するスペクトル通過帯域４５の帯域幅７１内の波長の光だけを考慮したものである。

【0087】

帯域幅７１は、スペクトル通過帯域４５ａに対してのみ示されており、半値全幅（ＦＷＨＭ）として定められているが、本発明の別の実施形態によれば、これとは異なるように定めることができる。

【0088】

図４には、本発明による照射システム７３の概略的な構成が示されており、この照射システム７３は広帯域光源７５と光学フィルタ１とを備えている。

【0089】

広帯域光源７５を、連続光源７５ａとして具現化してもよいし、広帯域離散光源（図示せず）として具現化してもよい。図４に示されている広帯域光源７５は、広帯域連続光源７５ａである。広帯域連続光源７５ａは、強度分布７７ａを有する光１３を送出する。

【0090】

光源の強度分布７７ａは光学フィルタ１に入射し、図３の総合伝達特性２９に従ってフィルタリングされ、その結果、フィルタリング後の強度分布７７ｂが得られる。フィルタリング後の強度分布７７ｂは、光学フィルタ１の複数のスペクトル通過帯域４５に対応する４つのスペクトル帯域４４を含んでいる。

【0091】

フィルタリングされた光１３ｂは、フィルタリング後の強度分布７７ｂを有しており、試料７９に入射する。試料７９は反射性であり、この場合、反射の度合いは試料７９に入射する波長に依存する。したがって反射光１３ｃは、いくつかのスペクトル特徴成分が減衰されているため、フィルタリング後の強度分布７７ｂとは異なる反射後の強度分布７７ｃを有する。

【0092】

次いで反射光１３ｃが、カメラ５３として具現化可能な検出システム８１によってキャプチャされる。

【0093】

総合伝達特性２９の櫛形スペクトル４７をシフトすることができるので、図４の試料７９をそれぞれ異なる波長１５で照射することができ、図示の実施形態によれば、リアルタイムで同時に４つの波長によって試料７９が照射される。

【0094】

図５には、本発明によるカメラの第２の実施形態に関する概略的な動作原理が示されている。

【0095】

図５に示されているカラーフィルタ５７は、４つのマイクロフィルタ６１によって特徴づけられたグリーン−シアン−マゼンタ−イエロー（ＧＣＭＹ）フィルタ５８として具現化されている。図５に示されているＧＣＭＹフィルタ５８の実施形態は、カラーコーディング５７ａを備えており、これはＧＣＭＹカラーコーディング５８ａである。

【0096】

相応に、ＲＧＢカラーコーディング６０ａ（図示せず）を備えたレッド−グリーン−ブルー（ＲＧＢ）フィルタ６０（図示せず）として、カラーフィルタ５７の異なる実施形態（図示せず）を具現化してもよい。

【0097】

マイクロフィルタ６１は、図３に示したマイクロフィルタ６１とは異なり、バンドパスフィルタ６５としては具現化されていない。ＧＣＭＹフィルタ５８のマイクロフィルタ６１はむしろ、波長１５に依存するマイクロフィルタ６１の伝達率３１を表す特定の伝達カーブ８３ａ〜８３ｄを有するマイクロフィルタ特性６３ａ〜６３ｄによって、特徴づけられている。

【0098】

かかるＧＣＭＹフィルタ５８を、総合伝達特性２９を有する本発明による光学フィルタ１と組み合わせれば、ＧＣＭＹフィルタ５８の各マイクロフィルタ６１は、光学フィルタ１によって供給される４つの全てのスペクトル通過帯域４５を伝達する。波長１５と対比させてプロットされたフィルタリング後の強度分布７７ｂは、ＧＣＭＹフィルタ５８の対応するマイクロフィルタ特性６３ａ〜６３ｄと、光学フィルタ１によって供給される櫛形スペクトル４７との乗算によって特徴づけられる。

【0099】

よって、マイクロフィルタ６１の伝達カーブ８３ａ〜８３ｄは、櫛形スペクトル４７に対する包絡線関数８５として振る舞う。

【0100】

図６には、本発明によるマルチスペクトル撮像システム８７の概略的な動作原理ならびに単純化されたその構成が示されている。

【0101】

マルチスペクトル撮像システム８７は、マルチスペクトル撮像システム８７に入射する光１３を反射するポリクロイックミラー８９を備えている。

【0102】

ポリクロイックミラー８９は、それぞれ異なる反射率の少なくとも３つのスペクトル領域を有する反射特性（図示せず）を有しており、この場合、それぞれ異なる反射率のスペクトル領域が波長軸に沿って交互に現れる。（高反射性のスペクトル帯域と非反射性のスペクトル帯域とを分離する帯域端を含むダイクロイックミラーとは対照的。）

【0103】

ポリクロイックミラー８９は、３つのプリズム素子９０の間の界面に配置されており、各々光学フィルタ１が設けられた３つのカメラ５３に向かって光１３を反射する。

【0104】

この場合、第１のカメラ５３ａに第１の櫛形スペクトル４７ａが照射され、第２のカメラ５３ｂに第２の櫛形スペクトル４７ｂが照射され、さらに第３のカメラ５３ｃに第３の櫛形スペクトル４７ｃが照射されるように、光学フィルタ１がチューナブルに具現化されている。

【0105】

図６には、櫛形スペクトル４７ａ〜４７ｃのシフトに左右されることなく、個々のスペクトル通過帯域４５が、各光学フィルタ１の総合伝達特性２９において互いに等間隔で離間されている、ということが示されている。よって、スペクトル通過帯域４５を別個には選択できない。

【0106】

（第１の櫛形スペクトル４７ａの総合伝達特性２９のプロットで表された）４つの測定波長９１ａ〜９１ｄにおいて、マルチスペクトル検出またはマルチスペクトル撮像をリアルタイムに実施したい場合もある。測定波長９１ａ〜９１ｄは互いに等間隔で離間されていないので、１つの櫛形スペクトル４７によって全ての測定波長９１ａ〜９１ｄをリアルタイムに検出することはできない。

【0107】

したがって、第２の櫛形スペクトル４７ｂを有する第２のカメラ５３ｂを適用することによって、測定波長９１ｃを検出することができ、第３の櫛形スペクトル４７ｃを生じさせる第３のカメラ５３ｃを適用することによって、測定波長９１ｂを測定波長９１ａおよび９１ｄと同時に検出することができる。

【0108】

図６の右側には、結果として生じたマルチスペクトル撮像システムの総合感度９３が、波長１５と対比させてプロットされている。マルチスペクトル撮像システムの上述の総合感度９３は、複数のスペクトル通過帯域間の等間隔の離間の制約を緩和するための１つの手法である。これによって、各撮像センサ５９により測定されるスペクトル通過帯域４５の独立した選択が可能となる。

【0109】

なお、図６は、本発明によるマルチスペクトル撮像システム８７の概略的な動作原理を描いたものにすぎず、実際に構築するにあたっては、プリズム素子９０と光学フィルタ１とカメラ５３との間にさらに光学素子を追加する必要がある場合もある、という点に留意されたい。

【符号の説明】

【0110】

１ 光学フィルタ
３ 光学フィルタ段
４ 偏光子
５ 入射側偏光子
５ａ 全体の入射側偏光子
６ 出射側偏光子
６ａ 全体の出射側偏光子
７ 固定リターディング素子
９ 厚さ
１１ 伝達方向
１１ｂ 択一的な伝達方向
１３ 光
１３ｂ フィルタリングされた光
１３ｃ 反射光
１５ 波長
１７ 通過波長
１９ 可変リターディング素子
２１ 液晶素子
２３ 液晶
２５ ガラスプレート
２７ 光透過性の電極
２９ 総合伝達特性
３１ 伝達率
Ｉ_０ 入射強度
Ｉ_１ 出射強度
３３ 出射光
３５ 伝達特性
３７ａ〜３７ｅ リターデーション
３９ａ 第１のフィルタ段のスペクトル周波数
３９ｂ 第２のフィルタ段のスペクトル周波数
３９ｃ 第３のフィルタ段のスペクトル周波数
３９ｄ 第４のフィルタ段のスペクトル周波数
３９ｅ 第５のフィルタ段のスペクトル周波数
４１ 動作波長範囲
４３ｃ〜４３ｅ ピーク
４４ スペクトル帯域
４５，４５ａ スペクトル通過帯域
４７ 櫛形スペクトル
４７ａ 第１の櫛形スペクトル
４７ｂ 第２の櫛形スペクトル
４７ｃ 第３の櫛形スペクトル
４９ スペクトル間隔
５１ シフト方向
５３ カメラ
５３ａ 第１のカメラ
５３ｂ 第２のカメラ
５３ｃ 第３のカメラ
５５ スペクトル帯域
５７ カラーフィルタ
５７ａ カラーコーディング
５８ ＧＣＭＹフィルタ
５８ａ ＧＣＭＹカラーコーディング
５９ 撮像センサ
６０ ＲＧＢフィルタ
６０ａ ＲＧＢカラーコーディング
６１ マイクロフィルタ
６３ａ〜６３ｄ マイクロフィルタ特性
６５ バンドパスフィルタ
６７ａ〜６７ｄ 下限波長
６９ａ〜６９ｄ 上限波長
７１ 帯域幅
７３ 照射システム
７５ 広帯域光源
７５ａ 広帯域連続光源
７７ａ 光源の強度分布
７７ｂ フィルタリング後の強度分布
７７ｃ 反射後の強度分布
７９ 試料
８１ 検出システム
８３ａ〜８３ｄ 伝達カーブ
８５ 包絡線関数
８７ マルチスペクトル撮像システム
８９ ポリクロイックミラー
９０ プリズム素子
９１ａ〜９１ｄ 測定波長
９３ マルチスペクトル撮像システムの総合感度

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】