撮像装置、リレー光学系、及び計測システム
【課題】メージ増倍装置によって形成された微弱な蛍光像を高速かつ高精度でより確実に検出できる撮像装置等を提供すること。
【解決手段】イメージ増倍装置１１と信号変換装置１２との間に配置されるリレー光学系１３がイメージ増倍装置１１の出力面１１ｂ側すなわち物体側でテレセントリックであるので、出力面１１ｂから射出される光束が中心集中性を示す配光分布であることと相まって、出力面１１ｂにおける蛍光像を、撮像面１２ａ上において歪等の収差を低減した高精度な状態かつ明るい状態で再結像させることができ、イメージ増倍装置１１によって形成された微弱な蛍光像を高精度で確実に検出することができる。
【解決手段】イメージ増倍装置１１と信号変換装置１２との間に配置されるリレー光学系１３がイメージ増倍装置１１の出力面１１ｂ側すなわち物体側でテレセントリックであるので、出力面１１ｂから射出される光束が中心集中性を示す配光分布であることと相まって、出力面１１ｂにおける蛍光像を、撮像面１２ａ上において歪等の収差を低減した高精度な状態かつ明るい状態で再結像させることができ、イメージ増倍装置１１によって形成された微弱な蛍光像を高精度で確実に検出することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自然界等において不規則に発生する事象を高速で検知し、その事象を記録できる撮像装置、並びに、この撮像装置に用いられるリレー光学系、及びこの撮像装置を用いる計測システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
撮像対象となる事象を蛍光像に変換し、その蛍光像を光分配部により２つの蛍光像に分配した一方を用いて、残りの一方の蛍光像を撮像する撮像部のためのシャッター信号等を得ることで、撮像対象の事象を、高いＳ／Ｎで撮像可能である光分配型撮像装置が、本願の発明者によって提案されている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−２０７９８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記のような光分配型撮像装置は、不規則に発生する事象、例えば微弱な電磁波の到来、微弱な光の発生等をナノ秒オーダーで撮像可能にする技術であるが、光量、速度、分解能等に関する検出限界の更なる向上が望まれている。
【０００５】
本発明者は、上記のような検出限界に大きな影響を及ぼす要因について検討した結果、微弱な蛍光像を高いＳ／Ｎ比でより確実に検出するためには、イメージ増倍管の蛍光面に形成された蛍光像を固体撮像素子に少ないロスで正確に伝送する必要があることに着目し、イメージ増倍管の蛍光像を高精度かつ高効率で固体撮像素子の撮像面に結像できるリレー光学系について検討した。
【０００６】
なお、結像用のレンズとして、例えば液晶パネルの像を投射するための様々な投射レンズが存在するが（特開２００１−１１６９９０号公報、特開２００９−１８６７９０号公報、特開２００９−２５８３９５号公報等参照）、いずれのレンズもかなりな高倍率での拡大投射を前提としており、等倍に近い結像を前提とするリレー光学系にそのまま適用することはできない。また、上記のような投射レンズは、一般に可視光全域で一様に収差を抑えるものであり、特有の分光輝度分布を有する蛍光像を固体撮像素子の撮像面に高精度で結像するような事態について配慮されていない。
【０００７】
本発明の目的は、微弱な蛍光像を高速かつ高精度でより確実に検出できる撮像装置を提供することである。
【０００８】
また、本発明の目的は、上記のような撮像装置に用いられ、イメージ増倍装置の蛍光像を高精度かつ高効率で固体撮像素子等の撮像面に結像できるリレー光学系を提供することである。
【０００９】
また、本発明の目的は、上記のような撮像装置を用いて、不規則に発生する事象等を高速かつ高精度で確実に計測可能な計測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】
【００１０】
上記課題を解決するため、本発明に係る撮像装置は、微弱な事象を蛍光像に変換するイメージ増倍装置と、イメージ増倍装置から出力された蛍光像を電気的な画像信号に変換する信号変換装置と、イメージ増倍装置の出力面における蛍光像を信号変換装置の撮像面に投射するともに、出力面側でテレセントリックであるリレー光学系とを備える。
【００１１】
上記撮像装置によれば、リレー光学系が出力面側すなわち物体側でテレセントリックであるので、出力面から射出される光束が中心集中性を示す配光分布であることと相まって、出力面における蛍光像を、撮像面上において歪等の収差を低減した高精度な状態かつ明るい状態で再結像させることができ、イメージ増倍装置によって形成された微弱な蛍光像を高精度で確実に検出することができる。
【００１２】
本発明の具体的な側面又は態様では、上記撮像装置において、リレー光学系が、イメージ増倍装置の出力面を信号変換装置の撮像面に略等倍で投射する。この場合、出力面の蛍光像を少ない歪で効率良く信号変換装置の撮像面上に結像させることができる。
【００１３】
本発明の別の側面では、リレー光学系が、出力面から順に第１レンズ群と第２レンズ群とを備え、第１レンズ群と第２レンズ群との間隔を調整することによって結像倍率を修正可能である。この場合、イメージ増倍装置の出力面上の蛍光像を撮像面上に適正な倍率で結像させることができ、高精度の撮像が可能になる。
【００１４】
本発明のさらに別の側面では、リレー光学系が、イメージ増倍装置の出力面に対向して設けられ、イメージ増倍装置から出力された蛍光像を、第１蛍光像と第２蛍光像とに分離するとともに、第１蛍光像を信号変換装置に向かう光路に導くディストリビューターを有し、ディストリビューターにより分離された第２蛍光像から信号変換装置を動作させるための撮像タイミングを規定するタイミング設定装置とをさらに備える。この場合、タイミング設定装置によって撮像すべき像（事象）を検出した際に、信号変換装置を動作させることができ、不規則に発生する事象に同期又は予測させてその事象の撮像を行うことができ、高速の事象を的確に記録することが可能になる。
【００１５】
本発明のさらに別の側面では、タイミング設定装置が、イメージ増倍装置の出力面を構成する区分領域からの第２蛍光像を個別に検出する光電子増倍装置を含む。この場合、出力面を構成する区分領域のうちいずれの区分領域で蛍光像が形成されているかを特定することができ、信号変換装置を適切に動作させることができる。
【００１６】
本発明のさらに別の側面では、タイミング設定装置は、光電子増倍装置から出力される区分領域に対応する検出信号に基づいて、光電子増倍装置の区分領域に対応する信号変換装置の局所領域を選択的に動作させる駆動信号を出力する。この場合、駆動信号に基づいて信号変換装置の局所領域を選択的に動作させることができるので、イメージ増倍装置の出力面のうち蛍光像が形成されている現出領域に対応する信号変換装置の局所領域における撮像を、出力面のうち上記現出領域の蛍光像の状態に適合させた高感度で高精細なものとすることができる。
【００１７】
本発明のさらに別の側面では、イメージ増倍装置は、入力段に配置される光電変換部と、光電変換部の後段に配置される近接型増倍素子と、近接型増倍素子の後段に配置される出力面とを有する。この場合、光電変換部の検出出力を近接型増倍素子で増倍した高輝度の蛍光像を計測することができる。
【００１８】
本発明のさらに別の側面では、信号変換装置は、ＣＭＯＳ型撮像素子及びＣＣＤ型撮像素子のいずれか一方である固体撮像素子を含み、タイミング設定装置から出力されるタイミング信号に基づいて固体撮像素子を動作させる。この場合、タイミング設定装置を介してイメージ増倍装置と固体撮像素子とを高速で同期させて動作させることができる。
【００１９】
上記課題を解決するため、本発明に係るリレー光学系は、検出装置の出力面に形成された像を電気的な画像信号に変換する信号変換装置を有する撮像装置に組み込まれるリレー光学系であって、検出装置の出力面に形成された像を信号変換装置の撮像面に略等倍で投射するともに、対象像側でテレセントリックである。
【００２０】
上記リレー光学系によれば、検出装置の出力面すなわち物体側に形成された像を信号変換装置の撮像面に略等倍で投射するともに、出力面側でテレセントリックであるので、出力面に形成された像を、撮像面上において歪等の収差を低減した高精度かつ明るい状態で効率良く再結像させることができ、出力面に形成された像が微弱な像であっても、高精度で確実に検出することができる。
【００２１】
本発明の具体的な側面では、検出装置は、微弱な事象を出力面において蛍光像に変換するイメージ増倍装置である。この場合、イメージ増倍装置によって形成された微弱な蛍光像を高精度で確実に検出することができる。
【００２２】
本発明の別の側面では、上記リレー光学系において、イメージ増倍装置の出力面に対向して設けられ、イメージ増倍装置から出力された蛍光像を、第１蛍光像と第２蛍光像とに分離するとともに、第１蛍光像を信号変換装置に向かう光路に導き、第２蛍光像を信号変換装置を動作させるための撮像タイミングを規定するタイミング設定装置に向かう光路に導くディストリビューターをさらに備える。この場合、ディストリビューターで分岐した第２蛍光像をトリガーとして信号変換装置を動作させることができ、高速の事象を的確に記録することが可能になる。
【００２３】
本発明のさらに別の側面では、イメージ増倍装置の出力面を構成する蛍光体の分光輝度分布特性に合わせて信号変換装置の撮像面におけるスポット特性を調整した。この場合、イメージ増倍装置の蛍光体に適合した色収差のリレー光学系によって撮像面におけるスポット特性を最適化することができる。
【００２４】
本発明のさらに別の側面では、出力面から順に第１レンズ群と第２レンズ群とを備え、第１レンズ群と第２レンズ群との間隔を調整することによって結像倍率を修正可能である。この場合、この場合、出力面上の像を撮像面上に適正な倍率で結像させることができ、高精度の撮像が可能になる。
【００２５】
本発明のさらに別の側面では、第１レンズ群の開口数をＮＡ１とし、第２レンズ群の開口数をＮＡ２とした場合に、以下の条件式（１）
１．１５≦ＮＡ２／ＮＡ１≦１．８ … （１）
を満足する。この条件式（１）の範囲内とすることで、イメージ増倍装置の出力面を信号変換装置の撮像面に略等倍で投射する際の光損失を抑えることができる。
【００２６】
本発明のさらに別の側面では、第１レンズ群の焦点距離をｆ１とし、第２レンズ群の焦点距離をｆ２とした場合に、以下の条件式（２）
０．５≦ｆ２／ｆ１≦２．０ … （２）
を満足し、より好ましくは
０．５≦ｆ２／ｆ１≦０．９ … （２）'
を満足する。この条件式（２）の範囲内とすることで、イメージ増倍装置の出力面を信号変換装置の撮像面に略等倍で歪を抑えて投射することができる。
【００２７】
本発明のさらに別の側面では、結像倍率は、結像特性を略維持した状態で±１．５％の範囲で調整される。この場合、リレー光学系を構成する光学素子等の製造誤差を吸収できる仕上の調整が可能になる。
【００２８】
上記課題を解決するため、本発明に係る計測システムは、レーザー光を出力する照明部と、照明部を動作させる照明駆動部と、上述の撮像装置と、照明部と同期して撮像装置を動作させる撮像駆動部とを備える。
【００２９】
上記計測システムによれば、レーザー光の照射に応答する微弱で受動的な現象を空間的に特定して計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の一実施形態に係る撮像装置を説明する概略図である。
【図２】図１の撮像装置に組み込まれるリレー光学系の第１実施例を説明する断面図である。
【図３】図１の撮像装置で用いられる蛍光体の分光輝度分布を示すグラフである。
【図４】（Ａ）は、第１実施例のリレー光学系の低倍率時における諸収差を示し、（Ｂ）は、標準倍率時における諸収差を示す。
【図５】第１実施例のリレー光学系の高倍率時における諸収差を示す。
【図６】（Ａ）及び（Ｂ）は、第１実施例のリレー光学系の低倍率時における横収差を示す。
【図７】（Ａ）及び（Ｂ）は、第１実施例のリレー光学系の標準倍率時における横収差を示す。
【図８】（Ａ）及び（Ｂ）は、第１実施例のリレー光学系の高倍率時における横収差を示す。
【図９】（Ａ）〜（Ｃ）は、第１実施例のリレー光学系によるスポットダイアグラムを示す。
【図１０】（Ａ）及び（Ｂ）は、第１実施例のリレー光学系の低倍率時におけるエンサークルドエネルギーダイアグラムを示す。
【図１１】（Ａ）及び（Ｂ）は、第１実施例のリレー光学系の標準倍率時におけるエンサークルドエネルギーダイアグラムを示す。
【図１２】（Ａ）及び（Ｂ）は、第１実施例のリレー光学系の高倍率時におけるエンサークルドエネルギーダイアグラムを示す。
【図１３】リレー光学系の第２実施例を説明する断面図である。
【図１４】リレー光学系の第３実施例を説明する断面図である。
【図１５】リレー光学系の第４実施例を説明する断面図である。
【図１６】図１の撮像装置を組み込んだ計測装置の構成を説明する概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
〔１．撮像装置の構造等〕
以下、本発明の一実施形態に係る撮像装置の構造等について説明する。図１に示す撮像装置１０は、微弱な事象を蛍光像に変換するイメージ増倍装置１１と、イメージ増倍装置１１からの蛍光像出力（以下、単に蛍光像と表記する）を電気的な画像信号に変換する信号変換装置１２と、イメージ増倍装置１１の出力面１１ｂにおける蛍光像を信号変換装置１２の撮像面１２ａに投射するリレー光学系１３と、リレー光学系１３に設けたディストリビューター１５により分離された第２蛍光像から信号変換装置１２を動作させるための撮像タイミングを規定するタイミング設定装置１７とを備える。
【００３２】
イメージ増倍装置１１は、例えば自然界でランダムに発生する事象、すなわち微弱な電磁波の到来又は光の発生及び消失、或いはそれらの移動等を、蛍光およびその集合体である蛍光像に変換する。つまり、イメージ増倍装置１１は、所定波長の電磁波の到来（光電変換部２１への電磁波の入射）や移動（主要な成分が光電変換部２１とは異なる方向に定義されている電磁波の時間的な変位）を検出し、検出した電磁波の強度分布に対応する蛍光像を出力面１１ｂから出力する。このため、イメージ増倍装置１１は、入力段に配置される光電変換部２１と、その後段に配置される近接型増倍素子２３と、出力段に配置されるファイバーオプティックプレート２４とを有する。
【００３３】
イメージ増倍装置１１において、光電変換部２１は、電磁波が到来する入力側に配置され、入射した電磁波を光電変換する光電子変換面２１ａと、光電子変換面２１ａから射出される電子を加速しつつ収束させる電極部２１ｂとを有する。近接型増倍素子２３は、光電変換部２１で加速等された電子を増倍するマイクロチャネルプレート（ＭＣＰ）であり、ＭＣＰを複数段に重ねたものとすることもできる。ファイバーオプティックプレート２４は、入力側に設けられて近接型増倍素子２３で増倍された電子を蛍光像に変換する蛍光面２４ａと、蛍光面２４ａから射出され溶融によって一体化されたファイバ束の一端から入射した蛍光像をそのまま他端から射出する出力面１１ｂとを備える。
【００３４】
なお、光電変換部２１に設けた光電子変換面２１ａは、例えば直径１０ｃｍとされ、ファイバーオプティックプレート２４に設けた出力面１１ｂは、例えば直径２．５ｃｍとされる。この場合、イメージ増倍装置１１の倍率は０．２５となる。
【００３５】
信号変換装置１２は、例えばＣＭＯＳ型撮像素子である固体撮像素子３１と、固体撮像素子３１に撮像動作を行わせる駆動回路３２とを有し、タイミング設定装置１７から出力されるタイミング信号に基づいて固体撮像素子３１に撮像動作を行わせることができる。固体撮像素子３１は、撮像面１２ａを有しており、撮像面１２ａを格子状に分割するように、Ｙ方向にｍ（例えば１２）行で、Ｘ方向にｎ（例えば１２）列で、全体としてｍ行×ｎ列＝Ａ（例えば１４４）チャンネルの局所領域ＡＲ１を有する。各局所領域ＡＲ１は、単独でＣＭＯＳ型撮像素子として機能し、２次元的な画像検出がそれぞれ可能になっている。各局所領域ＡＲ１は、個別の異なるタイミングで撮像動作を行うことができ、上記のタイミング設定装置１７から出力される個別のタイミング信号に基づいて独立して撮像動作を行う。つまり、イメージ増倍装置１１の出力面１１ｂは、固体撮像素子３１を構成する局所領域ＡＲ１によって、仮想的にｍ行×ｎ列＝Ａチャンネルに区分して個別に観察可能になっている。
【００３６】
リレー光学系１３は、光軸ＯＡに沿った光路上流側に配置されるディストリビューター１５と、ディストリビューター１５よりも光路下流側に配置される本体光学系１４とを備える。リレー光学系１３は、イメージ増倍装置１１の出力面１１ｂの像を、信号変換装置１２の撮像面１２ａ上に略等倍で投射する。リレー光学系１３は、イメージ増倍装置１１の出力面１１ｂすなわち物体側でテレセントリックであり、信号変換装置１２の撮像面１２ａすなわち像側で非テレセントリックである。
【００３７】
ディストリビューター１５は、一種のハーフミラーであるビームスプリットミラー１５ｃを内蔵するプリズムである。ディストリビューター１５は、イメージ増倍装置１１の出力面１１ｂにおける蛍光像を所定強度の２つの蛍光像すなわち第１及び第２蛍光像に分配する。ディストリビューター１５のビームスプリットミラー１５ｃを透過して直進する第１蛍光像の光束は、第１光路ＯＰ１に導かれ、本体光学系１４を通過して信号変換装置１２の撮像面１２ａに入射する。ディストリビューター１５のビームスプリットミラー１５ｃで反射されて折り曲げられた第２蛍光像の光束は、第２光路ＯＰ２に導かれ、タイミング設定装置１７の光電撮像管４１の撮像面４１ａに入射する。ディストリビューター１５は、ビームスプリットミラー１５ｃを透過する光の強度と、透過されずに反射される光の強度とが、α（透過率）対β（反射率）となるように設定されている。具体的には、ディストリビューター１５自身の吸収による透過率の低下を考慮しない場合、例えば透過率α＝７０％、反射率β＝３０％に設定されている。なお、α／βの比は、信号変換装置１２の撮像面１２ａに入射する第１蛍光像の光束の光量を多くする観点で、１よりも大きくすることが一般に望ましい。
【００３８】
本体光学系１４は、ディストリビューター１５を介してイメージ増倍装置１１の出力面１１ｂに対向する第１レンズ群１４ａと、第１レンズ群１４ａよりも光路下流側に配置される第２レンズ群１４ｂとを備える。第１レンズ群１４ａと第２レンズ群１４ｂとの間には、間隔調整部材１４ｃが設けられている。間隔調整部材１４ｃは、第１レンズ群１４ａと第２レンズ群１４ｂとの間隔を調整することで、リレー光学系１３の投射倍率を例えば±１．５％程度の範囲で微調整する。具体的には、第１レンズ群１４ａの鏡筒と第２レンズ群１４ｂの鏡筒とを互いに接続する際に、接続面間に挿入するシート状の部材（例えば金属製箔）の厚みを変更することで、第１レンズ群１４ａと第２レンズ群１４ｂとの距離をミクロンオーダーで調整することができ、上記のような倍率調整が可能になる。倍率調整により、ディストリビューター１５や本体光学系１４を構成する各光学要素の公差又は製造誤差を吸収させることができ、精密な倍率等での結像が可能になると考えられる。
【００３９】
本体光学系１４を構成する第１レンズ群１４ａは、後に詳述するが、物体側から像側への順で、例えば正屈折力のレンズと、物体側に凸の正屈折力のメニスカスレンズと、負屈折力のレンズと、像側に凸の接合レンズと、２つの正屈折力のレンズとで構成される。第２レンズ群１４ｂは、物体側から像側への順で、物体側に凸の接合レンズと、負屈折力のレンズと、正屈折力のレンズと、物体側に凸の正屈折力のレンズとで構成される。
【００４０】
本体光学系１４を構成する第１レンズ群１４ａの具体的な焦点距離ｆ１は、例えば５０ｍｍ〜９０ｍｍ程度の範囲に設定され、第２レンズ群１４ｂの具体的な焦点距離ｆ２は、例えば１６ｍｍ〜５９ｍｍ程度の範囲に設定された。また、第１レンズ群１４ａの具体的な瞳径は、例えば２６ｍｍ〜４３ｍｍ程度の範囲に設定され、第２レンズ群１４ｂの具体的な瞳径は、例えば２６ｍｍ〜４３ｍｍ程度の範囲に設定された。
【００４１】
結果的に、第１レンズ群１４ａの開口数をＮＡ１とし、第２レンズ群１４ｂの開口数１４ｂをＮＡ２とした場合、開口数の比ＮＡ２／ＮＡ１は、１．１５〜１．８程度の範囲内に収まり、特に高性能を達成した本体光学系１４では、ＮＡ２／ＮＡ１が１．１５〜１．４５程度の範囲内に収まった。つまり、本体光学系１４は、以下の条件式（１）
１．１５≦ＮＡ２／ＮＡ１≦１．８ … （１）
を満足する。この条件式（１）の範囲内とすることで、イメージ増倍装置１１の出力面１１ｂを信号変換装置１２の撮像面１２ａに略等倍で投射する際の歪及び光損失を抑えることができる。つまり、ＮＡ２／ＮＡ１が上記のような下限や上限を超えると、本体光学系１４の光軸ＯＡに沿った対称性が低下する。具体的には、本体光学系１４の集光率を保存するならば、物体面である出力面１１ｂから像面である撮像面１２ａまでの距離が長くなってしまい、出力面１１ｂから撮像面１２ａまでの距離を保存するならば、レンズ径が小さくなってしまい、本体光学系１４の集光率を下げることになる。
【００４２】
一方、本体光学系１４では、第１レンズ群１４ａに対する第２レンズ群１４ｂの焦点距離の比ｆ２／ｆ１が０．５５〜０．９程度の範囲内に収まり、特に高性能を達成した本体光学系１４では、ｆ２／ｆ１が０．７〜０．９程度の範囲内に収まった。ここで、本体光学系１４は、仕様の関係上幾分の縮小系になっているが、幾分の拡大系となる場合や厳密な等倍系となる場合も考慮すると、ｆ２／ｆ１の範囲は、その逆数を含めた範囲とすることが考えられる。つまり、本体光学系１４は、以下の条件式（２）
０．５≦ｆ２／ｆ１≦２．０ … （２）
を満足し、より好ましくは
０．５≦ｆ２／ｆ１≦０．９ … （２） '
を満足する。以上の条件式（２）の範囲内とすることで、イメージ増倍装置１１の出力面１１ｂを信号変換装置１２の撮像面１２ａに略等倍で歪及び光損失を抑えて投射することができる。つまり、ｆ２／ｆ１が上記のような下限や上限を超えると、本体光学系１４の光軸ＯＡに沿った対称性が低下する。
【００４３】
タイミング設定装置１７は、ディストリビューター１５で反射されることにより第２光路ＯＰ２に導かれた第２蛍光像の光束が入射する光電撮像管４１と、第２光路ＯＰ２に導かれた第２蛍光像を光電撮像管４１の撮像面４１ａ上に投射するトリガー用光学系４２と、光電撮像管４１の検出信号に基づいて動作する論理回路部４３と、論理回路部４３の出力に基づいて動作する位置／タイミング制御回路４４とを備える。タイミング設定装置１７は、リレー光学系１３のディストリビューター１５で分配された第２蛍光像の光束を監視して、信号変換装置１２の固体撮像素子３１による第１蛍光像の撮影を適切なものとする。
【００４４】
光電撮像管４１は、マルチアノードフォトマルチプライヤであり、その撮像面４１ａは、Ｙ方向にｍ（例えば１２）行で、Ｘ方向にｎ（例えば１２）列で、全体としてｍ行×ｎ列＝Ａ（例えば１４４）チャンネルの区分領域ＡＲ２を有する。つまり、光電撮像管４１は、Ａチャンネルの区分領域ＡＲ２に対応してメッシュダイノードを有し、第２蛍光像が所定以上の強度で入力されたダイノードのアノードからのみ、撮像面４１ａ上の第２蛍光像を光電変換して得られた電流が出力される。なお、撮像面４１ａ上に第２蛍光像の光束が入射して電流が出力されるまでに要する時間は、１ナノ秒程度である。光電撮像管４１は、各アノードから出力された電流に基づいて、いずれの区分領域ＡＲ２に第２蛍光像の光束が入射したかを、その現出タイミングとともに特定できるようになっている。つまり、イメージ増倍装置１１の出力面１１ｂは、光電撮像管４１の撮像面４１ａを構成する区分領域ＡＲ２によって、仮想的にｍ行×ｎ列＝Ａチャンネルに区分されて個別に監視可能になっている。なお、このような区分領域ＡＲ２に対応するイメージ増倍装置１１の出力面１１ｂ上の仮想的な区分領域は、固体撮像素子３１の局所領域ＡＲ１にも対応するものとなっている。ここで、出力面１１ｂのうち微弱な事象が現出した区分領域を現出領域と呼ぶものとする。
【００４５】
トリガー用光学系４２は、イメージ増倍装置１１の出力面１１ｂの像を、光電撮像管４１の撮像面４１ａ上に略等倍で投射する。トリガー用光学系４２は、明るさを最も重視しており、物体側にも像側にも非テレセントリックである。なお、ディストリビューター１５は、トリガー用光学系４２の一部にもなっている。
【００４６】
論理回路部４３は、例えば波高弁別器を備えており、光電撮像管４１の各アノードから出力される電流が所定の閾値を超えたか否か、すなわち微弱な事象の現出タイミングを例えば２値的な情報として検出する。具体的には、論理回路部４３は、光電撮像管４１を構成する任意の行のアノードから出力される電流と、任意の列のアノードから出力される電流とをスレショルドしており、光電撮像管４１によって検出した第２蛍光像を、Ｙ方向（ｍ行）とＸ方向（ｎ列）とのそれぞれに関する位置情報及びタイミング情報に変換する。つまり、光電撮像管４１の特定の区分領域ＡＲ２に第２蛍光像の光束が入射した場合、論理回路部４３は、その時間、位置等に関する情報を出力することにより、イメージ増倍装置１１によって検出した微弱な事象について、この事象が現出している時間、位置、移動方向等を求めることを可能にする。
【００４７】
位置／タイミング制御回路４４は、例えばフィルター、遅延回路等を備えており、論理回路部４３から出力された情報、すなわち微弱な事象の現出に関する位置情報及びタイミング情報に基づいて信号変換装置１２を動作させる。具体的には、光電撮像管４１の区分領域ＡＲ２と、固体撮像素子３１の局所領域ＡＲ１との相関がとられており、位置／タイミング制御回路４４は、区分領域ＡＲ２のうち第２蛍光像が検出された現出領域に対応する固体撮像素子３１の局所領域ＡＲ１等において選択的に同期して第１蛍光像の撮像を行わせるべく、信号変換装置１２の駆動回路３２駆動信号を出力する。つまり、光電撮像管４１によって検出された微弱な事象が現出している時間、位置、移動方向等に応じて、信号変換装置１２による撮像動作を必要最小限に制限することができるので、イメージ増倍装置１１の出力から高速で微弱な事象のみを抽出して高いＳ／Ｎ比で撮像することを可能にする。この際、位置／タイミング制御回路４４は、光電撮像管４１の出力に基づいて、固体撮像素子３１による撮像の露光時間を調整することもできる。
【００４８】
以上の説明から明らかなように、本実施形態の撮像装置１０によれば、イメージ増倍装置１１と信号変換装置１２との間に配置されるリレー光学系１３がイメージ増倍装置１１の出力面１１ｂ側すなわち物体側でテレセントリックであるので、出力面１１ｂから射出される光束が中心集中性を示す配光分布であることと相まって、出力面１１ｂにおける蛍光像を、撮像面１２ａ上において歪等の収差を低減した高精度な状態かつ明るい状態で再結像させることができ、イメージ増倍装置１１によって形成された微弱な蛍光像を高精度で確実に検出することができる。
【００４９】
〔２．リレー光学系〕
〔２ａ．リレー光学系の第１実施例〕
以下、図２を参照して、第１実施例のリレー光学系１３の具体的なレンズ構成等について説明する。第１実施例のリレー光学系１３は、入射側のディストリビューター１５と、全体として正の屈折力を有する第１レンズ群１４ａと、全体として正の屈折力を有する第２レンズ群１４ｂと、出射側のプリズム部１４ｄとを備える。ディストリビューター１５と、第１レンズ群１４ａと、第２レンズ群１４ｂと、プリズム部１４ｄとは、イメージ増倍装置１１のある物体側から信号変換装置１２のある像側に向けて光軸ＯＡに沿って順に設けられている。これらのうち、第１及び第２レンズ群１４ａ，１４ｂとプリズム部１４ｄとは、本体光学系１４を構成している。
【００５０】
以下、リレー光学系１３の具体的なレンズ構成等について説明する。まず、ディストリビューター１５は、厚い平行平板と同様に機能する。また、第１レンズ群１４ａは、物体側から順に、第１レンズＬ１と、第２レンズＬ２と、第３レンズＬ３と、第４レンズＬ４と、第５レンズＬ５と、第６レンズＬ６と、第７レンズＬ７とで構成される。第２レンズ群１４ｂは、物体側から順に、第８レンズＬ８と、第９レンズＬ９と、第１０レンズＬ１０と、第１１レンズＬ１１と、第１２レンズＬ１２とで構成される。プリズム部１４ｄは、厚い平行平板と同様に機能する。なお、第１レンズ群１４ａにおいて、第６レンズＬ６と第７レンズＬ７との間には、絞りＳＴが配置されている。
【００５１】
リレー光学系１３の第１レンズ群１４ａにおいて、第１レンズＬ１は、両凸レンズである。また、第２レンズＬ２は、入射側が凸で出射側が凹のメニスカスレンズである。第３レンズＬ３は、入射側が凸で出射側が凹のメニスカスレンズである。第４レンズＬ４は、両凹レンズである。第５レンズＬ５は、両凸レンズであり、入射側で第４レンズＬ４に接合されており、第４レンズＬ４とともに接合レンズを構成している。第６レンズＬ６は、入射側が凹で出射側が凸のメニスカスレンズである。第７レンズＬ７は、両凸レンズである。
【００５２】
リレー光学系１３の第２レンズ群１４ｂにおいて、第８レンズＬ８は、両凸レンズである。また、第９レンズＬ９は、両凹レンズであり、入射側で第８レンズＬ８に接合されており、第８レンズＬ８とともに接合レンズを構成している。第１０レンズＬ１０は、両凹レンズである。第１１レンズＬ１１は、両凸レンズである。第１２レンズＬ１２は、入射側が凸で出射側が凹のメニスカスレンズである。
【００５３】
表１に、第１実施例のリレー光学系１３のレンズデータ等を示す。この表１の上欄において、「面番号」は、出力面（ＯＢＪ）１１ｂ側から順に各レンズの面に付した番号である。また、「ＲＤＹ」は、曲率半径を示し、「ＴＨＩ」は、次の面との間のレンズ厚み或いは空気空間を表している。さらに、「材質」は、レンズ材料（記号は、株式会社オハラの硝種名）を示し、「光線有効径」は、レンズを通る光束の最大径を意味する。
【表１】
【００５４】
表２に、第１実施例のリレー光学系１３の近軸諸量を示す。表２の列を構成する３区分は、低倍率（−１．５％）、標準倍率、高倍率（＋１．５％）の場合をそれぞれ示している。
【表２】
【００５５】
図２に示す第１実施例のリレー光学系１３の設計に際しては、物体側でテレセントリックとなるようにして、イメージ増倍装置１１の出力面１１ｂの蛍光像が信号変換装置１２の撮像面１２ａ上に少ない収差で投射されるようにしている。リレー光学系１３による投射倍率は、厳密には等倍でないが、出力面１１ｂと撮像面４１ａとが１対１で対応するように配慮している。以上のようにリレー光学系１３を物体側でテレセントリックとすることにより、撮像面４１ａ上に結像される蛍光像が歪みやボケの少ないものとなる。ただし、撮像面４１ａ上に結像される蛍光像の輝度を確保するため、リレー光学系１３を像側で非テレセントリックとしている。なお、出力面１１ｂから射出される光束は、中心集中性の配光分布又は角度分布を示すため、出力面１１ｂの蛍光像を物体側でテレセントリックなリレー光学系１３に比較的高率良く取り込める。
【００５６】
リレー光学系１３の結果的な仕様は、共役長が２５０ｍｍとなっており、投射倍率が１８／２５倍であり、物体側ＮＡが０．２４であり、解像度（スポットＲＭＳ直径）が１４μｍであり、ディストーションが０．１％であり、波長重み付きの積分値としての透過率が７２％であり、±１．５％の倍率調整を可能にしている。なお、第１レンズ群１４ａと第２レンズ群１４ｂの開口数の比ＮＡ２／ＮＡ１は、１．３７となっており、第１レンズ群１４ａと第２レンズ群１４ｂの焦点距離の比は、０．７４となっている。
【００５７】
図３は、リレー光学系１３の仕様決定に利用した入射光特性を説明するためのグラフであり、イメージ増倍装置１１の蛍光面２４ａを構成する蛍光体の分光輝度分布を示している。図２に示すリレー光学系１３は、蛍光体Ｐ４７を使用することを前提として設計されている。具体的には、以下の表３に示すように、蛍光体Ｐ４７の分光輝度分布を細かく読み取るとともに複数のバンドに分割し、各バンド毎に重心波長を求めた（表３参照）。
【表３】
上記表３を活用して波長ごとに重み付けをすることにより、図２に示すリレー光学系１３では、イメージ増倍装置１１の出力面１１ｂ上のスポットを信号変換装置１２の撮像面１２ａ上に極小サイズで集光させることとしている。
【００５８】
図４（Ａ）は、低倍率（−１．５％）にした場合における第１実施例のリレー光学系の諸収差（球面収差と非点収差と歪みと）を示しており、図４（Ｂ）は、標準倍率（±０％）にした場合における諸収差（球面収差と非点収差と歪みと）を示しており、図５は、高倍率（＋１．５％）にした場合における諸収差（球面収差と非点収差と歪みと）を示している。
【００５９】
図６（Ａ）及び６（Ｂ）は、第１実施例のリレー光学系の低倍率（−１．５％）にした場合における横収差を示しており、図７（Ａ）及び７（Ｂ）は、標準倍率（±０％）にした場合における横収差を示しており、図８（Ａ）及び８（Ｂ）は、高倍率（＋１．５％）にした場合における横収差を示している。
【００６０】
図９（Ａ）〜９（Ｃ）は、第１実施例のリレー光学系の低倍率（−１．５％）、標準倍率、高倍率（＋１．５％）におけるスポットダイアグラムを示す。以下の表４は、標準倍率でのＲＭＳスポット直径を示している。
【表４】
表４からも明らかなように、物体高が変化しても、ＲＭＳスポット直径があまり大きく変化しないことが分かる。
【００６１】
図１０（Ａ）及び１０（Ｂ）は、低倍率（−１．５％）にした場合における第１実施例のエンサークルドエネルギーダイアグラム(encircled energy diagram)を示しており、図１１（Ａ）及び１１（Ｂ）は、標準倍率（±０％）にした場合におけるエンサークルドエネルギーダイアグラムを示しており、図１２（Ａ）及び１２（Ｂ）は、高倍率（＋１．５％）にした場合におけるエンサークルドエネルギーダイアグラムを示している。各倍率のスポットにおいて、横軸の半径が増大した場合に滑らかにエネルギー分布が減少していることが分かり、第１実施例のリレー光学系によって信号変換装置１２の撮像面１２ａ上に回折等によるボケの少ないシャープな蛍光像が投射されていることが分かる。
【００６２】
〔２ｂ．リレー光学系の第２実施例〕
以下、図１３を参照して、第２実施例のリレー光学系１３の具体的なレンズ構成等について説明する。第２実施例のリレー光学系１３は、物体側から順に、入射側のディストリビューター１５と、全体として正の屈折力を有する第１レンズ群１４ａと、全体として正の屈折力を有する第２レンズ群１４ｂと、出射側のプリズム部１４ｄとを備える。
【００６３】
以下、リレー光学系１３の具体的なレンズ構成等について説明する。第１レンズ群１４ａは、物体側から順に、第１レンズＬ１と、第２レンズＬ２と、第３レンズＬ３と、第４レンズＬ４と、第５レンズＬ５と、第６レンズＬ６と、第７レンズＬ７とで構成される。第２レンズ群１４ｂは、物体側から順に、第８レンズＬ８と、第９レンズＬ９と、第１０レンズＬ１０と、第１１レンズＬ１１と、第１２レンズＬ１２とで構成される。図示のリレー光学系１３において、物体側のディストリビューター１５と、像側のプリズム部１４ｄとは、厚い平行平板と同様に機能する。なお、第１レンズ群１４ａにおいて、第６レンズＬ６と第７レンズＬ７との間には、絞りＳＴが配置されている。
【００６４】
リレー光学系１３の第１レンズ群１４ａにおいて、第１レンズＬ１は、両凸レンズである。また、第２レンズＬ２は、入射側が凸で出射側が凹のメニスカスレンズである。第３レンズＬ３は、両凹レンズである。第４レンズＬ４は、両凹レンズである。第５レンズＬ５は、両凸レンズであり、入射側で第４レンズＬ４に接合されており、第４レンズＬ４とともに接合レンズを構成している。第６レンズＬ６は、入射側が凹で出射側が凸のメニスカスレンズである。第７レンズＬ７は、両凸レンズである。
【００６５】
リレー光学系１３の第２レンズ群１４ｂにおいて、第８レンズＬ８は、入射側が凸で出射側が凹のメニスカスレンズである。また、第９レンズＬ９は、入射側が凸で出射側が凹のメニスカスレンズであり、入射側で第８レンズＬ８に接合されており、第８レンズＬ８とともに接合レンズを構成している。第１０レンズＬ１０は、両凹レンズである。第１１レンズＬ１１は、両凸レンズである。第１２レンズＬ１２は、入射側が凸で出射側が凹のメニスカスレンズである。
【００６６】
表５に、第２実施例のリレー光学系１３のレンズデータ等を示す。この表５の上欄において、「面番号」は、出力面（ＯＢＪ）１１ｂ側から順に各レンズの面に付した番号である。また、「ＲＤＹ」は、曲率半径を示し、「ＴＨＩ」は、次の面との間のレンズ厚み或いは空気空間を表している。さらに、「材質」は、レンズ材料を示し、「光線有効半径」は、レンズを通る光束の最大半径を意味する。
【表５】
【００６７】
図１３に示す第２実施例のリレー光学系１３の設計に際しては、物体側でテレセントリックとなるようにして、イメージ増倍装置１１の出力面１１ｂの蛍光像が信号変換装置１２の撮像面１２ａ上に少ない収差で投射されるようにしている。ただし、撮像面４１ａ上に結像される蛍光像の輝度を確保するため、リレー光学系１３を像側で非テレセントリックとしている。なお、出力面１１ｂから射出される光束は、中心集中性の配光分布又は角度分布を示すため、出力面１１ｂの蛍光像を物体側でテレセントリックなリレー光学系１３に比較的高率良く取り込める。
【００６８】
第２実施例のリレー光学系１３の場合、第１レンズ群１４ａと第２レンズ群１４ｂの開口数の比ＮＡ２／ＮＡ１は、１．３０となっており、第１レンズ群１４ａと第２レンズ群１４ｂの焦点距離の比ｆ２／ｆ１は、０．７７となっている。
【００６９】
〔２ｃ．リレー光学系の第３実施例〕
以下、図１４を参照して、第３実施例のリレー光学系１３の具体的なレンズ構成等について説明する。第３実施例のリレー光学系１３は、物体側から順に、入射側のディストリビューター１５と、全体として正の屈折力を有する第１レンズ群１４ａと、全体として正の屈折力を有する第２レンズ群１４ｂと、出射側のプリズム部１４ｄとを備える。
【００７０】
以下、リレー光学系１３の具体的なレンズ構成等について説明する。第１レンズ群１４ａは、物体側から順に、第１レンズＬ１と、第２レンズＬ２と、第３レンズＬ３と、第４レンズＬ４と、第５レンズＬ５と、第６レンズＬ６と、第７レンズＬ７とで構成される。第２レンズ群１４ｂは、物体側から順に、第８レンズＬ８と、第９レンズＬ９と、第１０レンズＬ１０と、第１１レンズＬ１１と、第１２レンズＬ１２とで構成される。図示のリレー光学系１３において、物体側のディストリビューター１５と、像側のプリズム部１４ｄとは、厚い平行平板と同様に機能する。なお、第１レンズ群１４ａにおいて、第６レンズＬ６と第７レンズＬ７との間には、絞りＳＴが配置されている。
【００７１】
リレー光学系１３の第１レンズ群１４ａにおいて、第１レンズＬ１は、両凸レンズである。また、第２レンズＬ２は、入射側が凸で出射側が凹のメニスカスレンズである。第３レンズＬ３は、入射側が凸で出射側が凹のメニスカスレンズである。第４レンズＬ４は、両凹レンズである。第５レンズＬ５は、両凸レンズであり、入射側で第４レンズＬ４に接合されており、第４レンズＬ４とともに接合レンズを構成している。第６レンズＬ６は、入射側が凹で出射側が凸のメニスカスレンズである。第７レンズＬ７は、両凸レンズである。
【００７２】
リレー光学系１３の第２レンズ群１４ｂにおいて、第８レンズＬ８は、両凸レンズである。また、第９レンズＬ９は、両凹レンズであり、入射側で第８レンズＬ８に接合されており、第８レンズＬ８とともに接合レンズを構成している。第１０レンズＬ１０は、両凹レンズである。第１１レンズＬ１１は、両凸レンズである。第１２レンズＬ１２は、入射側が凸で出射側が凹のメニスカスレンズである。
【００７３】
表６に、第３実施例のリレー光学系１３のレンズデータ等を示す。この表６の上欄において、「面番号」は、出力面（ＯＢＪ）１１ｂ側から順に各レンズの面に付した番号である。また、「ＲＤＹ」は、曲率半径を示し、「ＴＨＩ」は、次の面との間のレンズ厚み或いは空気空間を表している。さらに、「材質」は、レンズ材料を示し、「光線有効半径」は、レンズを通る光束の最大半径を意味する。
【表６】
【００７４】
図１４に示す第３実施例のリレー光学系１３の設計に際しては、物体側でテレセントリックとなるようにして、イメージ増倍装置１１の出力面１１ｂの蛍光像が信号変換装置１２の撮像面１２ａ上に少ない収差で投射されるようにしている。ただし、撮像面４１ａ上に結像される蛍光像の輝度を確保するため、リレー光学系１３を像側で非テレセントリックとしている。なお、出力面１１ｂから射出される光束は、中心集中性の配光分布又は角度分布を示すため、出力面１１ｂの蛍光像を物体側でテレセントリックなリレー光学系１３に比較的高率良く取り込める。
【００７５】
第３実施例のリレー光学系１３の場合、第１レンズ群１４ａと第２レンズ群１４ｂの開口数の比ＮＡ２／ＮＡ１は、１．４０となっており、第１レンズ群１４ａと第２レンズ群１４ｂの焦点距離の比ｆ２／ｆ１は、０．７２となっている。
【００７６】
〔２ｄ．リレー光学系の第４実施例〕
以下、図１５を参照して、第４実施例のリレー光学系１３の具体的なレンズ構成等について説明する。第４実施例のリレー光学系１３は、物体側から順に、ディストリビューター１５と、第１レンズ群１４ａと、第２レンズ群１４ｂと、プリズム部１４ｄと、第３レンズ群１１４ａと、ミラー１３ｒと、第４レンズ群１１４ｂとを備える。
【００７７】
以下、リレー光学系１３の具体的なレンズ構成等について説明する。第１レンズ群１４ａは、物体側から順に、第１レンズＬ１と、第２レンズＬ２と、第３レンズＬ３と、第４レンズＬ４と、第５レンズＬ５と、第６レンズＬ６と、第７レンズＬ７とで構成される。第２レンズ群１４ｂは、物体側から順に、第８レンズＬ８と、第９レンズＬ９と、第１０レンズＬ１０と、第１１レンズＬ１１と、第１２レンズＬ１２とで構成される。第３レンズ群１１４ａは、物体側から順に、第１３レンズＬ１３と、第１４レンズＬ１４と、第１５レンズＬ１５と、第１６レンズＬ１６とで構成される。第４レンズ群１１４ｂは、物体側から順に、第１７レンズＬ１７と、第１８レンズＬ１８と、第１９レンズＬ１９と、第２０レンズＬ２０と、第２１レンズＬ２１と、第２２レンズＬ２２と、第２３レンズＬ２３と、第２４レンズＬ２４と、第２５レンズＬ２５と、第２６レンズＬ２６とで構成される。図示のリレー光学系１３において、物体側のディストリビューター１５と、中間位置のプリズム部１４ｄとは、厚い平行平板と同様に機能する。なお、第４レンズ群１１４ｂにおいて、第２０レンズＬ２０と第２１レンズＬ２１との間には、絞りＳＴが配置されている。
【００７８】
リレー光学系１３の第１レンズ群１４ａにおいて、第１レンズＬ１は、両凸レンズである。また、第２レンズＬ２は、入射側が凸で出射側が凹のメニスカスレンズである。第３レンズＬ３は、入射側が凸で出射側が凹のメニスカスレンズである。第４レンズＬ４は、両凹レンズである。第５レンズＬ５は、両凸レンズであり、入射側で第４レンズＬ４に接合されており、第４レンズＬ４とともに接合レンズを構成している。第６レンズＬ６は、入射側が凹で出射側が凸のメニスカスレンズである。第７レンズＬ７は、両凸レンズである。
【００７９】
第２レンズ群１４ｂにおいて、第８レンズＬ８は、両凸レンズである。また、第９レンズＬ９は、両凹レンズであり、入射側で第８レンズＬ８に接合されており、第８レンズＬ８とともに接合レンズを構成している。第１０レンズＬ１０は、両凹レンズである。第１１レンズＬ１１は、両凸レンズである。第１２レンズＬ１２は、入射側が凸で出射側が凹のメニスカスレンズである。
【００８０】
第３レンズ群１１４ａにおいて、第１３レンズＬ１３は、両凹レンズである。また、第１４レンズＬ１４は、入射側が凸で出射側が凹のメニスカスレンズであり、入射側で第１３レンズＬ１３に接合されており、第１３レンズＬ１３とともに接合レンズを構成している。第１５レンズＬ１５は、入射側が凹で出射側が凸のメニスカスレンズである。第１６レンズＬ１６は、両凸レンズである。
【００８１】
第４レンズ群１１４ｂにおいて、第１７レンズＬ１７は、両凹レンズである。また、第１８レンズＬ１８は、両凹レンズである。第１９レンズＬ１９は、両凸レンズであり、入射側で第１８レンズＬ１８に接合されており、第１８レンズＬ１８とともに接合レンズを構成している。第２０レンズＬ２０は、両凸レンズである。第２１レンズＬ２１は、入射側が凸で出射側が凹のメニスカスレンズである。第２２レンズＬ２２は、両凸レンズである。第２３レンズＬ２３は、両凹レンズであり、入射側で第２２レンズＬ２２に接合されており、第２２レンズＬ２２とともに接合レンズを構成している。第２４レンズＬ２４は、両凹レンズである。第２５レンズＬ２５は、入射側が凹で出射側が凸のメニスカスレンズである。第２６レンズＬ２６は、入射側が凸で出射側が凹のメニスカスレンズである。
【００８２】
表７に、第４実施例のリレー光学系１３のレンズデータ等を示す。この表７の上欄において、「面番号」は、出力面（ＯＢＪ）１１ｂ側から順に各レンズの面に付した番号である。また、「ＲＤＹ」は、曲率半径を示し、「ＴＨＩ」は、次の面との間のレンズ厚み或いは空気空間を表している。さらに、「材質」は、レンズ材料を示し、「光線有効半径」は、レンズを通る光束の最大半径を意味する。
【表７】
【００８３】
図１５に示す第４実施例のリレー光学系１３の設計に際しては、物体側でテレセントリックとなるようにして、イメージ増倍装置１１の出力面１１ｂの蛍光像が信号変換装置１２の撮像面１２ａ上に少ない収差で投射されるようにしている。ただし、撮像面４１ａ上に結像される蛍光像の輝度を確保するため、リレー光学系１３を像側で非テレセントリックとしている。なお、出力面１１ｂから射出される光束は、中心集中性の配光分布又は角度分布を示すため、出力面１１ｂの蛍光像を物体側でテレセントリックなリレー光学系１３に比較的高率良く取り込める。
【００８４】
第４実施例のリレー光学系１３の場合、第１レンズ群１４ａと第２レンズ群１４ｂの開口数の比ＮＡ２／ＮＡ１は、１．１５となっており、第１レンズ群１４ａと第２レンズ群１４ｂの焦点距離の比ｆ２／ｆ１は、０．８７となっている。
【００８５】
以下の表８は、第１〜第４実施例等に関して、第１レンズ群１４ａと第２レンズ群１４ｂとについて、焦点距離の比ｆ２／ｆ１と開口数の比ＮＡ２／ＮＡ１とをまとめたものである。なお、表９中の第５〜第８実施例については、具体的なレンズ構成の説明を省略したが、第１〜第４実施例と類似するレンズ構成を有する。
【表８】
【００８６】
〔３．計測システムの構造等〕
以下、図１６を参照して、本発明の一実施形態に係る計測システムの構造等について説明する。
【００８７】
この計測システム１００は、レーザー光を出力する照明部８１と、照明部８１を動作させる照明駆動部８２と、計測対象からの電磁波を集光して結像させる結像光学系８３と、照明部８１の動作を制御する照明制御部８５と、結像光学系８３によって集光された電磁波を撮影する撮像装置１０と、撮像装置１０に付随する可視化・記憶装置８４とを備える。
【００８８】
照明部８１は、照明用のレーザー光を発生するパルスレーザーを有するレーザー光源８１ａと、レーザー光を２次元的に走査する２つのポリゴンミラーを有する照射光学系８１ｂとを備える。なお、照射光学系８１ｂには、ポリゴンミラーを回転させるためのモーター８１ｄが付随して設けられており、モーター８１ｄには、モーター８１ｄの回転角を検出するエンコーダー８１ｅが付随して設けられている。
【００８９】
照明駆動部８２は、レーザー光源８１ａをパルス発光させるトリガー回路等を有しており、制御部８５からの参照信号に基づいてレーザー光源８１ａから射出させる照明用のレーザー光の射出タイミングを調整する。
【００９０】
照明部８１等に付随する照明制御部８５は、照明駆動部８２の動作を制御しており、照明駆動部８２のトリガー回路に参照信号を出力するパルスジェネレーター等を有する。また、照明制御部８５は、パルスジェネレーターからの参照信号に基づいて、照明部８１に設けたエンコーダー８１ｅを監視しつつモーター８１ｄの動作を制御しており、照明駆動部８２を介して照明部８１にレーザー光の走査を行わせている。
【００９１】
撮像装置１０は、計測対象からの電磁波を結像光学系８３を介して撮影するものであるが、図１等に示した構造を有しており、詳細な説明は省略する。
【００９２】
可視化・記憶装置８４は、撮像装置１０の信号変換装置１２から不定期に出力される画像信号をその強度等に応じて可視化したデータに変換するとともに、このように可視化したデータを随時記憶装置に保管する。また、可視化・記憶装置８４は、撮像装置１０の動作状態を制御しており、結像光学系８３を介して撮像装置１０によって撮影すべき対象の撮影方向等を調整する。なお、撮像装置１０による撮像領域は、照明部８１によるレーザー光の照射範囲をカバーするものとなっている。
【００９３】
以上実施形態に即して本発明を説明したが、本発明は、上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００９４】
すなわち、イメージ増倍装置１１の構成は、図１に例示するものに限らず、様々なものとすることができる。
【００９５】
また、信号変換装置１２を構成する固体撮像素子３１としては、ＣＭＯＳ型撮像素子に限らず、ＣＣＤ型撮像素子を用いることができる。ＣＣＤ型撮像素子を用いる場合、そのシャッター機能を活用することができる。
【００９６】
タイミング設定装置１７を構成する光電撮像管４１、トリガー用光学系４２、論理回路部４３、制御回路４４等も単なる例示であり、様々な変形が可能である。例えば、光電撮像管４１は、ハイブリッド光検出器とすることができる。ハイブリッド光検出器とは、真空管中にＣＣＤ、ＣＭＯＳといったシリコン多画素センサーを封入したものであり、光電撮像管のように真空管表面で光電子への変換を行い、その光電子を真空中の静電レンズで伝播させ、直接シリコン多画素センサーに入射させることで光検出信号を得るものである。
【００９７】
上記計測システム１００において、照明部８１の動作と撮像装置１０の動作とを統括的に制御する制御部を設けることができる。このような制御部により、撮像装置１０による観察方向と、照明部８１によるレーザー光の照射方向とを一致させて正確な関連付けを行うことができ、また、撮像装置１０による観察タイミングと、照明部８１によるレーザー光のタイミングとの差すなわち遅延を検出することもできる。
【００９８】
上記実施形態の撮像装置１０は、その仕様を適宜修正することにより、各種用途、例えば検査、監視、医療等の各種分野に適用可能である。
【符号の説明】
【００９９】
ＡＲ１…局所領域、 ＡＲ２…区分領域、 Ｌ１〜Ｌ１２…レンズ、 ＯＡ…光軸、 ＯＰ１…光路、 ＯＰ２…光路、 １０…撮像装置、 １１…イメージ増倍装置、 １１ｂ…出力面、 １２…信号変換装置、 １２ａ…撮像面、 １３…リレー光学系、 １４…本体光学系、 １４ａ，１４ｂ…第１及び第２レンズ群、 １４ｃ…間隔調整部材、 １４ｄ…プリズム部、 １５…ディストリビューター、 １５ｃ…ビームスプリットミラー、 １７…タイミング設定装置、 ２１…光電変換部、 ２１ａ…光電子変換面、 ２１ｂ…電極部、 ２３…近接型増倍素子、 ２４…ファイバーオプティックプレート、 ２４ａ…蛍光面、 ３１…固体撮像素子、 ３２…駆動回路、 ４１…光電撮像管、 ４１ａ…撮像面、 ４２…トリガー用光学系 ４３…論理回路部、 ４４…タイミング制御回路、 ４４…制御回路
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自然界等において不規則に発生する事象を高速で検知し、その事象を記録できる撮像装置、並びに、この撮像装置に用いられるリレー光学系、及びこの撮像装置を用いる計測システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
撮像対象となる事象を蛍光像に変換し、その蛍光像を光分配部により２つの蛍光像に分配した一方を用いて、残りの一方の蛍光像を撮像する撮像部のためのシャッター信号等を得ることで、撮像対象の事象を、高いＳ／Ｎで撮像可能である光分配型撮像装置が、本願の発明者によって提案されている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−２０７９８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記のような光分配型撮像装置は、不規則に発生する事象、例えば微弱な電磁波の到来、微弱な光の発生等をナノ秒オーダーで撮像可能にする技術であるが、光量、速度、分解能等に関する検出限界の更なる向上が望まれている。
【０００５】
本発明者は、上記のような検出限界に大きな影響を及ぼす要因について検討した結果、微弱な蛍光像を高いＳ／Ｎ比でより確実に検出するためには、イメージ増倍管の蛍光面に形成された蛍光像を固体撮像素子に少ないロスで正確に伝送する必要があることに着目し、イメージ増倍管の蛍光像を高精度かつ高効率で固体撮像素子の撮像面に結像できるリレー光学系について検討した。
【０００６】
なお、結像用のレンズとして、例えば液晶パネルの像を投射するための様々な投射レンズが存在するが（特開２００１−１１６９９０号公報、特開２００９−１８６７９０号公報、特開２００９−２５８３９５号公報等参照）、いずれのレンズもかなりな高倍率での拡大投射を前提としており、等倍に近い結像を前提とするリレー光学系にそのまま適用することはできない。また、上記のような投射レンズは、一般に可視光全域で一様に収差を抑えるものであり、特有の分光輝度分布を有する蛍光像を固体撮像素子の撮像面に高精度で結像するような事態について配慮されていない。
【０００７】
本発明の目的は、微弱な蛍光像を高速かつ高精度でより確実に検出できる撮像装置を提供することである。
【０００８】
また、本発明の目的は、上記のような撮像装置に用いられ、イメージ増倍装置の蛍光像を高精度かつ高効率で固体撮像素子等の撮像面に結像できるリレー光学系を提供することである。
【０００９】
また、本発明の目的は、上記のような撮像装置を用いて、不規則に発生する事象等を高速かつ高精度で確実に計測可能な計測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】
【００１０】
上記課題を解決するため、本発明に係る撮像装置は、微弱な事象を蛍光像に変換するイメージ増倍装置と、イメージ増倍装置から出力された蛍光像を電気的な画像信号に変換する信号変換装置と、イメージ増倍装置の出力面における蛍光像を信号変換装置の撮像面に投射するともに、出力面側でテレセントリックであるリレー光学系とを備える。
【００１１】
上記撮像装置によれば、リレー光学系が出力面側すなわち物体側でテレセントリックであるので、出力面から射出される光束が中心集中性を示す配光分布であることと相まって、出力面における蛍光像を、撮像面上において歪等の収差を低減した高精度な状態かつ明るい状態で再結像させることができ、イメージ増倍装置によって形成された微弱な蛍光像を高精度で確実に検出することができる。
【００１２】
本発明の具体的な側面又は態様では、上記撮像装置において、リレー光学系が、イメージ増倍装置の出力面を信号変換装置の撮像面に略等倍で投射する。この場合、出力面の蛍光像を少ない歪で効率良く信号変換装置の撮像面上に結像させることができる。
【００１３】
本発明の別の側面では、リレー光学系が、出力面から順に第１レンズ群と第２レンズ群とを備え、第１レンズ群と第２レンズ群との間隔を調整することによって結像倍率を修正可能である。この場合、イメージ増倍装置の出力面上の蛍光像を撮像面上に適正な倍率で結像させることができ、高精度の撮像が可能になる。
【００１４】
本発明のさらに別の側面では、リレー光学系が、イメージ増倍装置の出力面に対向して設けられ、イメージ増倍装置から出力された蛍光像を、第１蛍光像と第２蛍光像とに分離するとともに、第１蛍光像を信号変換装置に向かう光路に導くディストリビューターを有し、ディストリビューターにより分離された第２蛍光像から信号変換装置を動作させるための撮像タイミングを規定するタイミング設定装置とをさらに備える。この場合、タイミング設定装置によって撮像すべき像（事象）を検出した際に、信号変換装置を動作させることができ、不規則に発生する事象に同期又は予測させてその事象の撮像を行うことができ、高速の事象を的確に記録することが可能になる。
【００１５】
本発明のさらに別の側面では、タイミング設定装置が、イメージ増倍装置の出力面を構成する区分領域からの第２蛍光像を個別に検出する光電子増倍装置を含む。この場合、出力面を構成する区分領域のうちいずれの区分領域で蛍光像が形成されているかを特定することができ、信号変換装置を適切に動作させることができる。
【００１６】
本発明のさらに別の側面では、タイミング設定装置は、光電子増倍装置から出力される区分領域に対応する検出信号に基づいて、光電子増倍装置の区分領域に対応する信号変換装置の局所領域を選択的に動作させる駆動信号を出力する。この場合、駆動信号に基づいて信号変換装置の局所領域を選択的に動作させることができるので、イメージ増倍装置の出力面のうち蛍光像が形成されている現出領域に対応する信号変換装置の局所領域における撮像を、出力面のうち上記現出領域の蛍光像の状態に適合させた高感度で高精細なものとすることができる。
【００１７】
本発明のさらに別の側面では、イメージ増倍装置は、入力段に配置される光電変換部と、光電変換部の後段に配置される近接型増倍素子と、近接型増倍素子の後段に配置される出力面とを有する。この場合、光電変換部の検出出力を近接型増倍素子で増倍した高輝度の蛍光像を計測することができる。
【００１８】
本発明のさらに別の側面では、信号変換装置は、ＣＭＯＳ型撮像素子及びＣＣＤ型撮像素子のいずれか一方である固体撮像素子を含み、タイミング設定装置から出力されるタイミング信号に基づいて固体撮像素子を動作させる。この場合、タイミング設定装置を介してイメージ増倍装置と固体撮像素子とを高速で同期させて動作させることができる。
【００１９】
上記課題を解決するため、本発明に係るリレー光学系は、検出装置の出力面に形成された像を電気的な画像信号に変換する信号変換装置を有する撮像装置に組み込まれるリレー光学系であって、検出装置の出力面に形成された像を信号変換装置の撮像面に略等倍で投射するともに、対象像側でテレセントリックである。
【００２０】
上記リレー光学系によれば、検出装置の出力面すなわち物体側に形成された像を信号変換装置の撮像面に略等倍で投射するともに、出力面側でテレセントリックであるので、出力面に形成された像を、撮像面上において歪等の収差を低減した高精度かつ明るい状態で効率良く再結像させることができ、出力面に形成された像が微弱な像であっても、高精度で確実に検出することができる。
【００２１】
本発明の具体的な側面では、検出装置は、微弱な事象を出力面において蛍光像に変換するイメージ増倍装置である。この場合、イメージ増倍装置によって形成された微弱な蛍光像を高精度で確実に検出することができる。
【００２２】
本発明の別の側面では、上記リレー光学系において、イメージ増倍装置の出力面に対向して設けられ、イメージ増倍装置から出力された蛍光像を、第１蛍光像と第２蛍光像とに分離するとともに、第１蛍光像を信号変換装置に向かう光路に導き、第２蛍光像を信号変換装置を動作させるための撮像タイミングを規定するタイミング設定装置に向かう光路に導くディストリビューターをさらに備える。この場合、ディストリビューターで分岐した第２蛍光像をトリガーとして信号変換装置を動作させることができ、高速の事象を的確に記録することが可能になる。
【００２３】
本発明のさらに別の側面では、イメージ増倍装置の出力面を構成する蛍光体の分光輝度分布特性に合わせて信号変換装置の撮像面におけるスポット特性を調整した。この場合、イメージ増倍装置の蛍光体に適合した色収差のリレー光学系によって撮像面におけるスポット特性を最適化することができる。
【００２４】
本発明のさらに別の側面では、出力面から順に第１レンズ群と第２レンズ群とを備え、第１レンズ群と第２レンズ群との間隔を調整することによって結像倍率を修正可能である。この場合、この場合、出力面上の像を撮像面上に適正な倍率で結像させることができ、高精度の撮像が可能になる。
【００２５】
本発明のさらに別の側面では、第１レンズ群の開口数をＮＡ１とし、第２レンズ群の開口数をＮＡ２とした場合に、以下の条件式（１）
１．１５≦ＮＡ２／ＮＡ１≦１．８ … （１）
を満足する。この条件式（１）の範囲内とすることで、イメージ増倍装置の出力面を信号変換装置の撮像面に略等倍で投射する際の光損失を抑えることができる。
【００２６】
本発明のさらに別の側面では、第１レンズ群の焦点距離をｆ１とし、第２レンズ群の焦点距離をｆ２とした場合に、以下の条件式（２）
０．５≦ｆ２／ｆ１≦２．０ … （２）
を満足し、より好ましくは
０．５≦ｆ２／ｆ１≦０．９ … （２）'
を満足する。この条件式（２）の範囲内とすることで、イメージ増倍装置の出力面を信号変換装置の撮像面に略等倍で歪を抑えて投射することができる。
【００２７】
本発明のさらに別の側面では、結像倍率は、結像特性を略維持した状態で±１．５％の範囲で調整される。この場合、リレー光学系を構成する光学素子等の製造誤差を吸収できる仕上の調整が可能になる。
【００２８】
上記課題を解決するため、本発明に係る計測システムは、レーザー光を出力する照明部と、照明部を動作させる照明駆動部と、上述の撮像装置と、照明部と同期して撮像装置を動作させる撮像駆動部とを備える。
【００２９】
上記計測システムによれば、レーザー光の照射に応答する微弱で受動的な現象を空間的に特定して計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の一実施形態に係る撮像装置を説明する概略図である。
【図２】図１の撮像装置に組み込まれるリレー光学系の第１実施例を説明する断面図である。
【図３】図１の撮像装置で用いられる蛍光体の分光輝度分布を示すグラフである。
【図４】（Ａ）は、第１実施例のリレー光学系の低倍率時における諸収差を示し、（Ｂ）は、標準倍率時における諸収差を示す。
【図５】第１実施例のリレー光学系の高倍率時における諸収差を示す。
【図６】（Ａ）及び（Ｂ）は、第１実施例のリレー光学系の低倍率時における横収差を示す。
【図７】（Ａ）及び（Ｂ）は、第１実施例のリレー光学系の標準倍率時における横収差を示す。
【図８】（Ａ）及び（Ｂ）は、第１実施例のリレー光学系の高倍率時における横収差を示す。
【図９】（Ａ）〜（Ｃ）は、第１実施例のリレー光学系によるスポットダイアグラムを示す。
【図１０】（Ａ）及び（Ｂ）は、第１実施例のリレー光学系の低倍率時におけるエンサークルドエネルギーダイアグラムを示す。
【図１１】（Ａ）及び（Ｂ）は、第１実施例のリレー光学系の標準倍率時におけるエンサークルドエネルギーダイアグラムを示す。
【図１２】（Ａ）及び（Ｂ）は、第１実施例のリレー光学系の高倍率時におけるエンサークルドエネルギーダイアグラムを示す。
【図１３】リレー光学系の第２実施例を説明する断面図である。
【図１４】リレー光学系の第３実施例を説明する断面図である。
【図１５】リレー光学系の第４実施例を説明する断面図である。
【図１６】図１の撮像装置を組み込んだ計測装置の構成を説明する概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
〔１．撮像装置の構造等〕
以下、本発明の一実施形態に係る撮像装置の構造等について説明する。図１に示す撮像装置１０は、微弱な事象を蛍光像に変換するイメージ増倍装置１１と、イメージ増倍装置１１からの蛍光像出力（以下、単に蛍光像と表記する）を電気的な画像信号に変換する信号変換装置１２と、イメージ増倍装置１１の出力面１１ｂにおける蛍光像を信号変換装置１２の撮像面１２ａに投射するリレー光学系１３と、リレー光学系１３に設けたディストリビューター１５により分離された第２蛍光像から信号変換装置１２を動作させるための撮像タイミングを規定するタイミング設定装置１７とを備える。
【００３２】
イメージ増倍装置１１は、例えば自然界でランダムに発生する事象、すなわち微弱な電磁波の到来又は光の発生及び消失、或いはそれらの移動等を、蛍光およびその集合体である蛍光像に変換する。つまり、イメージ増倍装置１１は、所定波長の電磁波の到来（光電変換部２１への電磁波の入射）や移動（主要な成分が光電変換部２１とは異なる方向に定義されている電磁波の時間的な変位）を検出し、検出した電磁波の強度分布に対応する蛍光像を出力面１１ｂから出力する。このため、イメージ増倍装置１１は、入力段に配置される光電変換部２１と、その後段に配置される近接型増倍素子２３と、出力段に配置されるファイバーオプティックプレート２４とを有する。
【００３３】
イメージ増倍装置１１において、光電変換部２１は、電磁波が到来する入力側に配置され、入射した電磁波を光電変換する光電子変換面２１ａと、光電子変換面２１ａから射出される電子を加速しつつ収束させる電極部２１ｂとを有する。近接型増倍素子２３は、光電変換部２１で加速等された電子を増倍するマイクロチャネルプレート（ＭＣＰ）であり、ＭＣＰを複数段に重ねたものとすることもできる。ファイバーオプティックプレート２４は、入力側に設けられて近接型増倍素子２３で増倍された電子を蛍光像に変換する蛍光面２４ａと、蛍光面２４ａから射出され溶融によって一体化されたファイバ束の一端から入射した蛍光像をそのまま他端から射出する出力面１１ｂとを備える。
【００３４】
なお、光電変換部２１に設けた光電子変換面２１ａは、例えば直径１０ｃｍとされ、ファイバーオプティックプレート２４に設けた出力面１１ｂは、例えば直径２．５ｃｍとされる。この場合、イメージ増倍装置１１の倍率は０．２５となる。
【００３５】
信号変換装置１２は、例えばＣＭＯＳ型撮像素子である固体撮像素子３１と、固体撮像素子３１に撮像動作を行わせる駆動回路３２とを有し、タイミング設定装置１７から出力されるタイミング信号に基づいて固体撮像素子３１に撮像動作を行わせることができる。固体撮像素子３１は、撮像面１２ａを有しており、撮像面１２ａを格子状に分割するように、Ｙ方向にｍ（例えば１２）行で、Ｘ方向にｎ（例えば１２）列で、全体としてｍ行×ｎ列＝Ａ（例えば１４４）チャンネルの局所領域ＡＲ１を有する。各局所領域ＡＲ１は、単独でＣＭＯＳ型撮像素子として機能し、２次元的な画像検出がそれぞれ可能になっている。各局所領域ＡＲ１は、個別の異なるタイミングで撮像動作を行うことができ、上記のタイミング設定装置１７から出力される個別のタイミング信号に基づいて独立して撮像動作を行う。つまり、イメージ増倍装置１１の出力面１１ｂは、固体撮像素子３１を構成する局所領域ＡＲ１によって、仮想的にｍ行×ｎ列＝Ａチャンネルに区分して個別に観察可能になっている。
【００３６】
リレー光学系１３は、光軸ＯＡに沿った光路上流側に配置されるディストリビューター１５と、ディストリビューター１５よりも光路下流側に配置される本体光学系１４とを備える。リレー光学系１３は、イメージ増倍装置１１の出力面１１ｂの像を、信号変換装置１２の撮像面１２ａ上に略等倍で投射する。リレー光学系１３は、イメージ増倍装置１１の出力面１１ｂすなわち物体側でテレセントリックであり、信号変換装置１２の撮像面１２ａすなわち像側で非テレセントリックである。
【００３７】
ディストリビューター１５は、一種のハーフミラーであるビームスプリットミラー１５ｃを内蔵するプリズムである。ディストリビューター１５は、イメージ増倍装置１１の出力面１１ｂにおける蛍光像を所定強度の２つの蛍光像すなわち第１及び第２蛍光像に分配する。ディストリビューター１５のビームスプリットミラー１５ｃを透過して直進する第１蛍光像の光束は、第１光路ＯＰ１に導かれ、本体光学系１４を通過して信号変換装置１２の撮像面１２ａに入射する。ディストリビューター１５のビームスプリットミラー１５ｃで反射されて折り曲げられた第２蛍光像の光束は、第２光路ＯＰ２に導かれ、タイミング設定装置１７の光電撮像管４１の撮像面４１ａに入射する。ディストリビューター１５は、ビームスプリットミラー１５ｃを透過する光の強度と、透過されずに反射される光の強度とが、α（透過率）対β（反射率）となるように設定されている。具体的には、ディストリビューター１５自身の吸収による透過率の低下を考慮しない場合、例えば透過率α＝７０％、反射率β＝３０％に設定されている。なお、α／βの比は、信号変換装置１２の撮像面１２ａに入射する第１蛍光像の光束の光量を多くする観点で、１よりも大きくすることが一般に望ましい。
【００３８】
本体光学系１４は、ディストリビューター１５を介してイメージ増倍装置１１の出力面１１ｂに対向する第１レンズ群１４ａと、第１レンズ群１４ａよりも光路下流側に配置される第２レンズ群１４ｂとを備える。第１レンズ群１４ａと第２レンズ群１４ｂとの間には、間隔調整部材１４ｃが設けられている。間隔調整部材１４ｃは、第１レンズ群１４ａと第２レンズ群１４ｂとの間隔を調整することで、リレー光学系１３の投射倍率を例えば±１．５％程度の範囲で微調整する。具体的には、第１レンズ群１４ａの鏡筒と第２レンズ群１４ｂの鏡筒とを互いに接続する際に、接続面間に挿入するシート状の部材（例えば金属製箔）の厚みを変更することで、第１レンズ群１４ａと第２レンズ群１４ｂとの距離をミクロンオーダーで調整することができ、上記のような倍率調整が可能になる。倍率調整により、ディストリビューター１５や本体光学系１４を構成する各光学要素の公差又は製造誤差を吸収させることができ、精密な倍率等での結像が可能になると考えられる。
【００３９】
本体光学系１４を構成する第１レンズ群１４ａは、後に詳述するが、物体側から像側への順で、例えば正屈折力のレンズと、物体側に凸の正屈折力のメニスカスレンズと、負屈折力のレンズと、像側に凸の接合レンズと、２つの正屈折力のレンズとで構成される。第２レンズ群１４ｂは、物体側から像側への順で、物体側に凸の接合レンズと、負屈折力のレンズと、正屈折力のレンズと、物体側に凸の正屈折力のレンズとで構成される。
【００４０】
本体光学系１４を構成する第１レンズ群１４ａの具体的な焦点距離ｆ１は、例えば５０ｍｍ〜９０ｍｍ程度の範囲に設定され、第２レンズ群１４ｂの具体的な焦点距離ｆ２は、例えば１６ｍｍ〜５９ｍｍ程度の範囲に設定された。また、第１レンズ群１４ａの具体的な瞳径は、例えば２６ｍｍ〜４３ｍｍ程度の範囲に設定され、第２レンズ群１４ｂの具体的な瞳径は、例えば２６ｍｍ〜４３ｍｍ程度の範囲に設定された。
【００４１】
結果的に、第１レンズ群１４ａの開口数をＮＡ１とし、第２レンズ群１４ｂの開口数１４ｂをＮＡ２とした場合、開口数の比ＮＡ２／ＮＡ１は、１．１５〜１．８程度の範囲内に収まり、特に高性能を達成した本体光学系１４では、ＮＡ２／ＮＡ１が１．１５〜１．４５程度の範囲内に収まった。つまり、本体光学系１４は、以下の条件式（１）
１．１５≦ＮＡ２／ＮＡ１≦１．８ … （１）
を満足する。この条件式（１）の範囲内とすることで、イメージ増倍装置１１の出力面１１ｂを信号変換装置１２の撮像面１２ａに略等倍で投射する際の歪及び光損失を抑えることができる。つまり、ＮＡ２／ＮＡ１が上記のような下限や上限を超えると、本体光学系１４の光軸ＯＡに沿った対称性が低下する。具体的には、本体光学系１４の集光率を保存するならば、物体面である出力面１１ｂから像面である撮像面１２ａまでの距離が長くなってしまい、出力面１１ｂから撮像面１２ａまでの距離を保存するならば、レンズ径が小さくなってしまい、本体光学系１４の集光率を下げることになる。
【００４２】
一方、本体光学系１４では、第１レンズ群１４ａに対する第２レンズ群１４ｂの焦点距離の比ｆ２／ｆ１が０．５５〜０．９程度の範囲内に収まり、特に高性能を達成した本体光学系１４では、ｆ２／ｆ１が０．７〜０．９程度の範囲内に収まった。ここで、本体光学系１４は、仕様の関係上幾分の縮小系になっているが、幾分の拡大系となる場合や厳密な等倍系となる場合も考慮すると、ｆ２／ｆ１の範囲は、その逆数を含めた範囲とすることが考えられる。つまり、本体光学系１４は、以下の条件式（２）
０．５≦ｆ２／ｆ１≦２．０ … （２）
を満足し、より好ましくは
０．５≦ｆ２／ｆ１≦０．９ … （２） '
を満足する。以上の条件式（２）の範囲内とすることで、イメージ増倍装置１１の出力面１１ｂを信号変換装置１２の撮像面１２ａに略等倍で歪及び光損失を抑えて投射することができる。つまり、ｆ２／ｆ１が上記のような下限や上限を超えると、本体光学系１４の光軸ＯＡに沿った対称性が低下する。
【００４３】
タイミング設定装置１７は、ディストリビューター１５で反射されることにより第２光路ＯＰ２に導かれた第２蛍光像の光束が入射する光電撮像管４１と、第２光路ＯＰ２に導かれた第２蛍光像を光電撮像管４１の撮像面４１ａ上に投射するトリガー用光学系４２と、光電撮像管４１の検出信号に基づいて動作する論理回路部４３と、論理回路部４３の出力に基づいて動作する位置／タイミング制御回路４４とを備える。タイミング設定装置１７は、リレー光学系１３のディストリビューター１５で分配された第２蛍光像の光束を監視して、信号変換装置１２の固体撮像素子３１による第１蛍光像の撮影を適切なものとする。
【００４４】
光電撮像管４１は、マルチアノードフォトマルチプライヤであり、その撮像面４１ａは、Ｙ方向にｍ（例えば１２）行で、Ｘ方向にｎ（例えば１２）列で、全体としてｍ行×ｎ列＝Ａ（例えば１４４）チャンネルの区分領域ＡＲ２を有する。つまり、光電撮像管４１は、Ａチャンネルの区分領域ＡＲ２に対応してメッシュダイノードを有し、第２蛍光像が所定以上の強度で入力されたダイノードのアノードからのみ、撮像面４１ａ上の第２蛍光像を光電変換して得られた電流が出力される。なお、撮像面４１ａ上に第２蛍光像の光束が入射して電流が出力されるまでに要する時間は、１ナノ秒程度である。光電撮像管４１は、各アノードから出力された電流に基づいて、いずれの区分領域ＡＲ２に第２蛍光像の光束が入射したかを、その現出タイミングとともに特定できるようになっている。つまり、イメージ増倍装置１１の出力面１１ｂは、光電撮像管４１の撮像面４１ａを構成する区分領域ＡＲ２によって、仮想的にｍ行×ｎ列＝Ａチャンネルに区分されて個別に監視可能になっている。なお、このような区分領域ＡＲ２に対応するイメージ増倍装置１１の出力面１１ｂ上の仮想的な区分領域は、固体撮像素子３１の局所領域ＡＲ１にも対応するものとなっている。ここで、出力面１１ｂのうち微弱な事象が現出した区分領域を現出領域と呼ぶものとする。
【００４５】
トリガー用光学系４２は、イメージ増倍装置１１の出力面１１ｂの像を、光電撮像管４１の撮像面４１ａ上に略等倍で投射する。トリガー用光学系４２は、明るさを最も重視しており、物体側にも像側にも非テレセントリックである。なお、ディストリビューター１５は、トリガー用光学系４２の一部にもなっている。
【００４６】
論理回路部４３は、例えば波高弁別器を備えており、光電撮像管４１の各アノードから出力される電流が所定の閾値を超えたか否か、すなわち微弱な事象の現出タイミングを例えば２値的な情報として検出する。具体的には、論理回路部４３は、光電撮像管４１を構成する任意の行のアノードから出力される電流と、任意の列のアノードから出力される電流とをスレショルドしており、光電撮像管４１によって検出した第２蛍光像を、Ｙ方向（ｍ行）とＸ方向（ｎ列）とのそれぞれに関する位置情報及びタイミング情報に変換する。つまり、光電撮像管４１の特定の区分領域ＡＲ２に第２蛍光像の光束が入射した場合、論理回路部４３は、その時間、位置等に関する情報を出力することにより、イメージ増倍装置１１によって検出した微弱な事象について、この事象が現出している時間、位置、移動方向等を求めることを可能にする。
【００４７】
位置／タイミング制御回路４４は、例えばフィルター、遅延回路等を備えており、論理回路部４３から出力された情報、すなわち微弱な事象の現出に関する位置情報及びタイミング情報に基づいて信号変換装置１２を動作させる。具体的には、光電撮像管４１の区分領域ＡＲ２と、固体撮像素子３１の局所領域ＡＲ１との相関がとられており、位置／タイミング制御回路４４は、区分領域ＡＲ２のうち第２蛍光像が検出された現出領域に対応する固体撮像素子３１の局所領域ＡＲ１等において選択的に同期して第１蛍光像の撮像を行わせるべく、信号変換装置１２の駆動回路３２駆動信号を出力する。つまり、光電撮像管４１によって検出された微弱な事象が現出している時間、位置、移動方向等に応じて、信号変換装置１２による撮像動作を必要最小限に制限することができるので、イメージ増倍装置１１の出力から高速で微弱な事象のみを抽出して高いＳ／Ｎ比で撮像することを可能にする。この際、位置／タイミング制御回路４４は、光電撮像管４１の出力に基づいて、固体撮像素子３１による撮像の露光時間を調整することもできる。
【００４８】
以上の説明から明らかなように、本実施形態の撮像装置１０によれば、イメージ増倍装置１１と信号変換装置１２との間に配置されるリレー光学系１３がイメージ増倍装置１１の出力面１１ｂ側すなわち物体側でテレセントリックであるので、出力面１１ｂから射出される光束が中心集中性を示す配光分布であることと相まって、出力面１１ｂにおける蛍光像を、撮像面１２ａ上において歪等の収差を低減した高精度な状態かつ明るい状態で再結像させることができ、イメージ増倍装置１１によって形成された微弱な蛍光像を高精度で確実に検出することができる。
【００４９】
〔２．リレー光学系〕
〔２ａ．リレー光学系の第１実施例〕
以下、図２を参照して、第１実施例のリレー光学系１３の具体的なレンズ構成等について説明する。第１実施例のリレー光学系１３は、入射側のディストリビューター１５と、全体として正の屈折力を有する第１レンズ群１４ａと、全体として正の屈折力を有する第２レンズ群１４ｂと、出射側のプリズム部１４ｄとを備える。ディストリビューター１５と、第１レンズ群１４ａと、第２レンズ群１４ｂと、プリズム部１４ｄとは、イメージ増倍装置１１のある物体側から信号変換装置１２のある像側に向けて光軸ＯＡに沿って順に設けられている。これらのうち、第１及び第２レンズ群１４ａ，１４ｂとプリズム部１４ｄとは、本体光学系１４を構成している。
【００５０】
以下、リレー光学系１３の具体的なレンズ構成等について説明する。まず、ディストリビューター１５は、厚い平行平板と同様に機能する。また、第１レンズ群１４ａは、物体側から順に、第１レンズＬ１と、第２レンズＬ２と、第３レンズＬ３と、第４レンズＬ４と、第５レンズＬ５と、第６レンズＬ６と、第７レンズＬ７とで構成される。第２レンズ群１４ｂは、物体側から順に、第８レンズＬ８と、第９レンズＬ９と、第１０レンズＬ１０と、第１１レンズＬ１１と、第１２レンズＬ１２とで構成される。プリズム部１４ｄは、厚い平行平板と同様に機能する。なお、第１レンズ群１４ａにおいて、第６レンズＬ６と第７レンズＬ７との間には、絞りＳＴが配置されている。
【００５１】
リレー光学系１３の第１レンズ群１４ａにおいて、第１レンズＬ１は、両凸レンズである。また、第２レンズＬ２は、入射側が凸で出射側が凹のメニスカスレンズである。第３レンズＬ３は、入射側が凸で出射側が凹のメニスカスレンズである。第４レンズＬ４は、両凹レンズである。第５レンズＬ５は、両凸レンズであり、入射側で第４レンズＬ４に接合されており、第４レンズＬ４とともに接合レンズを構成している。第６レンズＬ６は、入射側が凹で出射側が凸のメニスカスレンズである。第７レンズＬ７は、両凸レンズである。
【００５２】
リレー光学系１３の第２レンズ群１４ｂにおいて、第８レンズＬ８は、両凸レンズである。また、第９レンズＬ９は、両凹レンズであり、入射側で第８レンズＬ８に接合されており、第８レンズＬ８とともに接合レンズを構成している。第１０レンズＬ１０は、両凹レンズである。第１１レンズＬ１１は、両凸レンズである。第１２レンズＬ１２は、入射側が凸で出射側が凹のメニスカスレンズである。
【００５３】
表１に、第１実施例のリレー光学系１３のレンズデータ等を示す。この表１の上欄において、「面番号」は、出力面（ＯＢＪ）１１ｂ側から順に各レンズの面に付した番号である。また、「ＲＤＹ」は、曲率半径を示し、「ＴＨＩ」は、次の面との間のレンズ厚み或いは空気空間を表している。さらに、「材質」は、レンズ材料（記号は、株式会社オハラの硝種名）を示し、「光線有効径」は、レンズを通る光束の最大径を意味する。
【表１】
【００５４】
表２に、第１実施例のリレー光学系１３の近軸諸量を示す。表２の列を構成する３区分は、低倍率（−１．５％）、標準倍率、高倍率（＋１．５％）の場合をそれぞれ示している。
【表２】
【００５５】
図２に示す第１実施例のリレー光学系１３の設計に際しては、物体側でテレセントリックとなるようにして、イメージ増倍装置１１の出力面１１ｂの蛍光像が信号変換装置１２の撮像面１２ａ上に少ない収差で投射されるようにしている。リレー光学系１３による投射倍率は、厳密には等倍でないが、出力面１１ｂと撮像面４１ａとが１対１で対応するように配慮している。以上のようにリレー光学系１３を物体側でテレセントリックとすることにより、撮像面４１ａ上に結像される蛍光像が歪みやボケの少ないものとなる。ただし、撮像面４１ａ上に結像される蛍光像の輝度を確保するため、リレー光学系１３を像側で非テレセントリックとしている。なお、出力面１１ｂから射出される光束は、中心集中性の配光分布又は角度分布を示すため、出力面１１ｂの蛍光像を物体側でテレセントリックなリレー光学系１３に比較的高率良く取り込める。
【００５６】
リレー光学系１３の結果的な仕様は、共役長が２５０ｍｍとなっており、投射倍率が１８／２５倍であり、物体側ＮＡが０．２４であり、解像度（スポットＲＭＳ直径）が１４μｍであり、ディストーションが０．１％であり、波長重み付きの積分値としての透過率が７２％であり、±１．５％の倍率調整を可能にしている。なお、第１レンズ群１４ａと第２レンズ群１４ｂの開口数の比ＮＡ２／ＮＡ１は、１．３７となっており、第１レンズ群１４ａと第２レンズ群１４ｂの焦点距離の比は、０．７４となっている。
【００５７】
図３は、リレー光学系１３の仕様決定に利用した入射光特性を説明するためのグラフであり、イメージ増倍装置１１の蛍光面２４ａを構成する蛍光体の分光輝度分布を示している。図２に示すリレー光学系１３は、蛍光体Ｐ４７を使用することを前提として設計されている。具体的には、以下の表３に示すように、蛍光体Ｐ４７の分光輝度分布を細かく読み取るとともに複数のバンドに分割し、各バンド毎に重心波長を求めた（表３参照）。
【表３】
上記表３を活用して波長ごとに重み付けをすることにより、図２に示すリレー光学系１３では、イメージ増倍装置１１の出力面１１ｂ上のスポットを信号変換装置１２の撮像面１２ａ上に極小サイズで集光させることとしている。
【００５８】
図４（Ａ）は、低倍率（−１．５％）にした場合における第１実施例のリレー光学系の諸収差（球面収差と非点収差と歪みと）を示しており、図４（Ｂ）は、標準倍率（±０％）にした場合における諸収差（球面収差と非点収差と歪みと）を示しており、図５は、高倍率（＋１．５％）にした場合における諸収差（球面収差と非点収差と歪みと）を示している。
【００５９】
図６（Ａ）及び６（Ｂ）は、第１実施例のリレー光学系の低倍率（−１．５％）にした場合における横収差を示しており、図７（Ａ）及び７（Ｂ）は、標準倍率（±０％）にした場合における横収差を示しており、図８（Ａ）及び８（Ｂ）は、高倍率（＋１．５％）にした場合における横収差を示している。
【００６０】
図９（Ａ）〜９（Ｃ）は、第１実施例のリレー光学系の低倍率（−１．５％）、標準倍率、高倍率（＋１．５％）におけるスポットダイアグラムを示す。以下の表４は、標準倍率でのＲＭＳスポット直径を示している。
【表４】
表４からも明らかなように、物体高が変化しても、ＲＭＳスポット直径があまり大きく変化しないことが分かる。
【００６１】
図１０（Ａ）及び１０（Ｂ）は、低倍率（−１．５％）にした場合における第１実施例のエンサークルドエネルギーダイアグラム(encircled energy diagram)を示しており、図１１（Ａ）及び１１（Ｂ）は、標準倍率（±０％）にした場合におけるエンサークルドエネルギーダイアグラムを示しており、図１２（Ａ）及び１２（Ｂ）は、高倍率（＋１．５％）にした場合におけるエンサークルドエネルギーダイアグラムを示している。各倍率のスポットにおいて、横軸の半径が増大した場合に滑らかにエネルギー分布が減少していることが分かり、第１実施例のリレー光学系によって信号変換装置１２の撮像面１２ａ上に回折等によるボケの少ないシャープな蛍光像が投射されていることが分かる。
【００６２】
〔２ｂ．リレー光学系の第２実施例〕
以下、図１３を参照して、第２実施例のリレー光学系１３の具体的なレンズ構成等について説明する。第２実施例のリレー光学系１３は、物体側から順に、入射側のディストリビューター１５と、全体として正の屈折力を有する第１レンズ群１４ａと、全体として正の屈折力を有する第２レンズ群１４ｂと、出射側のプリズム部１４ｄとを備える。
【００６３】
以下、リレー光学系１３の具体的なレンズ構成等について説明する。第１レンズ群１４ａは、物体側から順に、第１レンズＬ１と、第２レンズＬ２と、第３レンズＬ３と、第４レンズＬ４と、第５レンズＬ５と、第６レンズＬ６と、第７レンズＬ７とで構成される。第２レンズ群１４ｂは、物体側から順に、第８レンズＬ８と、第９レンズＬ９と、第１０レンズＬ１０と、第１１レンズＬ１１と、第１２レンズＬ１２とで構成される。図示のリレー光学系１３において、物体側のディストリビューター１５と、像側のプリズム部１４ｄとは、厚い平行平板と同様に機能する。なお、第１レンズ群１４ａにおいて、第６レンズＬ６と第７レンズＬ７との間には、絞りＳＴが配置されている。
【００６４】
リレー光学系１３の第１レンズ群１４ａにおいて、第１レンズＬ１は、両凸レンズである。また、第２レンズＬ２は、入射側が凸で出射側が凹のメニスカスレンズである。第３レンズＬ３は、両凹レンズである。第４レンズＬ４は、両凹レンズである。第５レンズＬ５は、両凸レンズであり、入射側で第４レンズＬ４に接合されており、第４レンズＬ４とともに接合レンズを構成している。第６レンズＬ６は、入射側が凹で出射側が凸のメニスカスレンズである。第７レンズＬ７は、両凸レンズである。
【００６５】
リレー光学系１３の第２レンズ群１４ｂにおいて、第８レンズＬ８は、入射側が凸で出射側が凹のメニスカスレンズである。また、第９レンズＬ９は、入射側が凸で出射側が凹のメニスカスレンズであり、入射側で第８レンズＬ８に接合されており、第８レンズＬ８とともに接合レンズを構成している。第１０レンズＬ１０は、両凹レンズである。第１１レンズＬ１１は、両凸レンズである。第１２レンズＬ１２は、入射側が凸で出射側が凹のメニスカスレンズである。
【００６６】
表５に、第２実施例のリレー光学系１３のレンズデータ等を示す。この表５の上欄において、「面番号」は、出力面（ＯＢＪ）１１ｂ側から順に各レンズの面に付した番号である。また、「ＲＤＹ」は、曲率半径を示し、「ＴＨＩ」は、次の面との間のレンズ厚み或いは空気空間を表している。さらに、「材質」は、レンズ材料を示し、「光線有効半径」は、レンズを通る光束の最大半径を意味する。
【表５】
【００６７】
図１３に示す第２実施例のリレー光学系１３の設計に際しては、物体側でテレセントリックとなるようにして、イメージ増倍装置１１の出力面１１ｂの蛍光像が信号変換装置１２の撮像面１２ａ上に少ない収差で投射されるようにしている。ただし、撮像面４１ａ上に結像される蛍光像の輝度を確保するため、リレー光学系１３を像側で非テレセントリックとしている。なお、出力面１１ｂから射出される光束は、中心集中性の配光分布又は角度分布を示すため、出力面１１ｂの蛍光像を物体側でテレセントリックなリレー光学系１３に比較的高率良く取り込める。
【００６８】
第２実施例のリレー光学系１３の場合、第１レンズ群１４ａと第２レンズ群１４ｂの開口数の比ＮＡ２／ＮＡ１は、１．３０となっており、第１レンズ群１４ａと第２レンズ群１４ｂの焦点距離の比ｆ２／ｆ１は、０．７７となっている。
【００６９】
〔２ｃ．リレー光学系の第３実施例〕
以下、図１４を参照して、第３実施例のリレー光学系１３の具体的なレンズ構成等について説明する。第３実施例のリレー光学系１３は、物体側から順に、入射側のディストリビューター１５と、全体として正の屈折力を有する第１レンズ群１４ａと、全体として正の屈折力を有する第２レンズ群１４ｂと、出射側のプリズム部１４ｄとを備える。
【００７０】
以下、リレー光学系１３の具体的なレンズ構成等について説明する。第１レンズ群１４ａは、物体側から順に、第１レンズＬ１と、第２レンズＬ２と、第３レンズＬ３と、第４レンズＬ４と、第５レンズＬ５と、第６レンズＬ６と、第７レンズＬ７とで構成される。第２レンズ群１４ｂは、物体側から順に、第８レンズＬ８と、第９レンズＬ９と、第１０レンズＬ１０と、第１１レンズＬ１１と、第１２レンズＬ１２とで構成される。図示のリレー光学系１３において、物体側のディストリビューター１５と、像側のプリズム部１４ｄとは、厚い平行平板と同様に機能する。なお、第１レンズ群１４ａにおいて、第６レンズＬ６と第７レンズＬ７との間には、絞りＳＴが配置されている。
【００７１】
リレー光学系１３の第１レンズ群１４ａにおいて、第１レンズＬ１は、両凸レンズである。また、第２レンズＬ２は、入射側が凸で出射側が凹のメニスカスレンズである。第３レンズＬ３は、入射側が凸で出射側が凹のメニスカスレンズである。第４レンズＬ４は、両凹レンズである。第５レンズＬ５は、両凸レンズであり、入射側で第４レンズＬ４に接合されており、第４レンズＬ４とともに接合レンズを構成している。第６レンズＬ６は、入射側が凹で出射側が凸のメニスカスレンズである。第７レンズＬ７は、両凸レンズである。
【００７２】
リレー光学系１３の第２レンズ群１４ｂにおいて、第８レンズＬ８は、両凸レンズである。また、第９レンズＬ９は、両凹レンズであり、入射側で第８レンズＬ８に接合されており、第８レンズＬ８とともに接合レンズを構成している。第１０レンズＬ１０は、両凹レンズである。第１１レンズＬ１１は、両凸レンズである。第１２レンズＬ１２は、入射側が凸で出射側が凹のメニスカスレンズである。
【００７３】
表６に、第３実施例のリレー光学系１３のレンズデータ等を示す。この表６の上欄において、「面番号」は、出力面（ＯＢＪ）１１ｂ側から順に各レンズの面に付した番号である。また、「ＲＤＹ」は、曲率半径を示し、「ＴＨＩ」は、次の面との間のレンズ厚み或いは空気空間を表している。さらに、「材質」は、レンズ材料を示し、「光線有効半径」は、レンズを通る光束の最大半径を意味する。
【表６】
【００７４】
図１４に示す第３実施例のリレー光学系１３の設計に際しては、物体側でテレセントリックとなるようにして、イメージ増倍装置１１の出力面１１ｂの蛍光像が信号変換装置１２の撮像面１２ａ上に少ない収差で投射されるようにしている。ただし、撮像面４１ａ上に結像される蛍光像の輝度を確保するため、リレー光学系１３を像側で非テレセントリックとしている。なお、出力面１１ｂから射出される光束は、中心集中性の配光分布又は角度分布を示すため、出力面１１ｂの蛍光像を物体側でテレセントリックなリレー光学系１３に比較的高率良く取り込める。
【００７５】
第３実施例のリレー光学系１３の場合、第１レンズ群１４ａと第２レンズ群１４ｂの開口数の比ＮＡ２／ＮＡ１は、１．４０となっており、第１レンズ群１４ａと第２レンズ群１４ｂの焦点距離の比ｆ２／ｆ１は、０．７２となっている。
【００７６】
〔２ｄ．リレー光学系の第４実施例〕
以下、図１５を参照して、第４実施例のリレー光学系１３の具体的なレンズ構成等について説明する。第４実施例のリレー光学系１３は、物体側から順に、ディストリビューター１５と、第１レンズ群１４ａと、第２レンズ群１４ｂと、プリズム部１４ｄと、第３レンズ群１１４ａと、ミラー１３ｒと、第４レンズ群１１４ｂとを備える。
【００７７】
以下、リレー光学系１３の具体的なレンズ構成等について説明する。第１レンズ群１４ａは、物体側から順に、第１レンズＬ１と、第２レンズＬ２と、第３レンズＬ３と、第４レンズＬ４と、第５レンズＬ５と、第６レンズＬ６と、第７レンズＬ７とで構成される。第２レンズ群１４ｂは、物体側から順に、第８レンズＬ８と、第９レンズＬ９と、第１０レンズＬ１０と、第１１レンズＬ１１と、第１２レンズＬ１２とで構成される。第３レンズ群１１４ａは、物体側から順に、第１３レンズＬ１３と、第１４レンズＬ１４と、第１５レンズＬ１５と、第１６レンズＬ１６とで構成される。第４レンズ群１１４ｂは、物体側から順に、第１７レンズＬ１７と、第１８レンズＬ１８と、第１９レンズＬ１９と、第２０レンズＬ２０と、第２１レンズＬ２１と、第２２レンズＬ２２と、第２３レンズＬ２３と、第２４レンズＬ２４と、第２５レンズＬ２５と、第２６レンズＬ２６とで構成される。図示のリレー光学系１３において、物体側のディストリビューター１５と、中間位置のプリズム部１４ｄとは、厚い平行平板と同様に機能する。なお、第４レンズ群１１４ｂにおいて、第２０レンズＬ２０と第２１レンズＬ２１との間には、絞りＳＴが配置されている。
【００７８】
リレー光学系１３の第１レンズ群１４ａにおいて、第１レンズＬ１は、両凸レンズである。また、第２レンズＬ２は、入射側が凸で出射側が凹のメニスカスレンズである。第３レンズＬ３は、入射側が凸で出射側が凹のメニスカスレンズである。第４レンズＬ４は、両凹レンズである。第５レンズＬ５は、両凸レンズであり、入射側で第４レンズＬ４に接合されており、第４レンズＬ４とともに接合レンズを構成している。第６レンズＬ６は、入射側が凹で出射側が凸のメニスカスレンズである。第７レンズＬ７は、両凸レンズである。
【００７９】
第２レンズ群１４ｂにおいて、第８レンズＬ８は、両凸レンズである。また、第９レンズＬ９は、両凹レンズであり、入射側で第８レンズＬ８に接合されており、第８レンズＬ８とともに接合レンズを構成している。第１０レンズＬ１０は、両凹レンズである。第１１レンズＬ１１は、両凸レンズである。第１２レンズＬ１２は、入射側が凸で出射側が凹のメニスカスレンズである。
【００８０】
第３レンズ群１１４ａにおいて、第１３レンズＬ１３は、両凹レンズである。また、第１４レンズＬ１４は、入射側が凸で出射側が凹のメニスカスレンズであり、入射側で第１３レンズＬ１３に接合されており、第１３レンズＬ１３とともに接合レンズを構成している。第１５レンズＬ１５は、入射側が凹で出射側が凸のメニスカスレンズである。第１６レンズＬ１６は、両凸レンズである。
【００８１】
第４レンズ群１１４ｂにおいて、第１７レンズＬ１７は、両凹レンズである。また、第１８レンズＬ１８は、両凹レンズである。第１９レンズＬ１９は、両凸レンズであり、入射側で第１８レンズＬ１８に接合されており、第１８レンズＬ１８とともに接合レンズを構成している。第２０レンズＬ２０は、両凸レンズである。第２１レンズＬ２１は、入射側が凸で出射側が凹のメニスカスレンズである。第２２レンズＬ２２は、両凸レンズである。第２３レンズＬ２３は、両凹レンズであり、入射側で第２２レンズＬ２２に接合されており、第２２レンズＬ２２とともに接合レンズを構成している。第２４レンズＬ２４は、両凹レンズである。第２５レンズＬ２５は、入射側が凹で出射側が凸のメニスカスレンズである。第２６レンズＬ２６は、入射側が凸で出射側が凹のメニスカスレンズである。
【００８２】
表７に、第４実施例のリレー光学系１３のレンズデータ等を示す。この表７の上欄において、「面番号」は、出力面（ＯＢＪ）１１ｂ側から順に各レンズの面に付した番号である。また、「ＲＤＹ」は、曲率半径を示し、「ＴＨＩ」は、次の面との間のレンズ厚み或いは空気空間を表している。さらに、「材質」は、レンズ材料を示し、「光線有効半径」は、レンズを通る光束の最大半径を意味する。
【表７】
【００８３】
図１５に示す第４実施例のリレー光学系１３の設計に際しては、物体側でテレセントリックとなるようにして、イメージ増倍装置１１の出力面１１ｂの蛍光像が信号変換装置１２の撮像面１２ａ上に少ない収差で投射されるようにしている。ただし、撮像面４１ａ上に結像される蛍光像の輝度を確保するため、リレー光学系１３を像側で非テレセントリックとしている。なお、出力面１１ｂから射出される光束は、中心集中性の配光分布又は角度分布を示すため、出力面１１ｂの蛍光像を物体側でテレセントリックなリレー光学系１３に比較的高率良く取り込める。
【００８４】
第４実施例のリレー光学系１３の場合、第１レンズ群１４ａと第２レンズ群１４ｂの開口数の比ＮＡ２／ＮＡ１は、１．１５となっており、第１レンズ群１４ａと第２レンズ群１４ｂの焦点距離の比ｆ２／ｆ１は、０．８７となっている。
【００８５】
以下の表８は、第１〜第４実施例等に関して、第１レンズ群１４ａと第２レンズ群１４ｂとについて、焦点距離の比ｆ２／ｆ１と開口数の比ＮＡ２／ＮＡ１とをまとめたものである。なお、表９中の第５〜第８実施例については、具体的なレンズ構成の説明を省略したが、第１〜第４実施例と類似するレンズ構成を有する。
【表８】
【００８６】
〔３．計測システムの構造等〕
以下、図１６を参照して、本発明の一実施形態に係る計測システムの構造等について説明する。
【００８７】
この計測システム１００は、レーザー光を出力する照明部８１と、照明部８１を動作させる照明駆動部８２と、計測対象からの電磁波を集光して結像させる結像光学系８３と、照明部８１の動作を制御する照明制御部８５と、結像光学系８３によって集光された電磁波を撮影する撮像装置１０と、撮像装置１０に付随する可視化・記憶装置８４とを備える。
【００８８】
照明部８１は、照明用のレーザー光を発生するパルスレーザーを有するレーザー光源８１ａと、レーザー光を２次元的に走査する２つのポリゴンミラーを有する照射光学系８１ｂとを備える。なお、照射光学系８１ｂには、ポリゴンミラーを回転させるためのモーター８１ｄが付随して設けられており、モーター８１ｄには、モーター８１ｄの回転角を検出するエンコーダー８１ｅが付随して設けられている。
【００８９】
照明駆動部８２は、レーザー光源８１ａをパルス発光させるトリガー回路等を有しており、制御部８５からの参照信号に基づいてレーザー光源８１ａから射出させる照明用のレーザー光の射出タイミングを調整する。
【００９０】
照明部８１等に付随する照明制御部８５は、照明駆動部８２の動作を制御しており、照明駆動部８２のトリガー回路に参照信号を出力するパルスジェネレーター等を有する。また、照明制御部８５は、パルスジェネレーターからの参照信号に基づいて、照明部８１に設けたエンコーダー８１ｅを監視しつつモーター８１ｄの動作を制御しており、照明駆動部８２を介して照明部８１にレーザー光の走査を行わせている。
【００９１】
撮像装置１０は、計測対象からの電磁波を結像光学系８３を介して撮影するものであるが、図１等に示した構造を有しており、詳細な説明は省略する。
【００９２】
可視化・記憶装置８４は、撮像装置１０の信号変換装置１２から不定期に出力される画像信号をその強度等に応じて可視化したデータに変換するとともに、このように可視化したデータを随時記憶装置に保管する。また、可視化・記憶装置８４は、撮像装置１０の動作状態を制御しており、結像光学系８３を介して撮像装置１０によって撮影すべき対象の撮影方向等を調整する。なお、撮像装置１０による撮像領域は、照明部８１によるレーザー光の照射範囲をカバーするものとなっている。
【００９３】
以上実施形態に即して本発明を説明したが、本発明は、上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００９４】
すなわち、イメージ増倍装置１１の構成は、図１に例示するものに限らず、様々なものとすることができる。
【００９５】
また、信号変換装置１２を構成する固体撮像素子３１としては、ＣＭＯＳ型撮像素子に限らず、ＣＣＤ型撮像素子を用いることができる。ＣＣＤ型撮像素子を用いる場合、そのシャッター機能を活用することができる。
【００９６】
タイミング設定装置１７を構成する光電撮像管４１、トリガー用光学系４２、論理回路部４３、制御回路４４等も単なる例示であり、様々な変形が可能である。例えば、光電撮像管４１は、ハイブリッド光検出器とすることができる。ハイブリッド光検出器とは、真空管中にＣＣＤ、ＣＭＯＳといったシリコン多画素センサーを封入したものであり、光電撮像管のように真空管表面で光電子への変換を行い、その光電子を真空中の静電レンズで伝播させ、直接シリコン多画素センサーに入射させることで光検出信号を得るものである。
【００９７】
上記計測システム１００において、照明部８１の動作と撮像装置１０の動作とを統括的に制御する制御部を設けることができる。このような制御部により、撮像装置１０による観察方向と、照明部８１によるレーザー光の照射方向とを一致させて正確な関連付けを行うことができ、また、撮像装置１０による観察タイミングと、照明部８１によるレーザー光のタイミングとの差すなわち遅延を検出することもできる。
【００９８】
上記実施形態の撮像装置１０は、その仕様を適宜修正することにより、各種用途、例えば検査、監視、医療等の各種分野に適用可能である。
【符号の説明】
【００９９】
ＡＲ１…局所領域、 ＡＲ２…区分領域、 Ｌ１〜Ｌ１２…レンズ、 ＯＡ…光軸、 ＯＰ１…光路、 ＯＰ２…光路、 １０…撮像装置、 １１…イメージ増倍装置、 １１ｂ…出力面、 １２…信号変換装置、 １２ａ…撮像面、 １３…リレー光学系、 １４…本体光学系、 １４ａ，１４ｂ…第１及び第２レンズ群、 １４ｃ…間隔調整部材、 １４ｄ…プリズム部、 １５…ディストリビューター、 １５ｃ…ビームスプリットミラー、 １７…タイミング設定装置、 ２１…光電変換部、 ２１ａ…光電子変換面、 ２１ｂ…電極部、 ２３…近接型増倍素子、 ２４…ファイバーオプティックプレート、 ２４ａ…蛍光面、 ３１…固体撮像素子、 ３２…駆動回路、 ４１…光電撮像管、 ４１ａ…撮像面、 ４２…トリガー用光学系 ４３…論理回路部、 ４４…タイミング制御回路、 ４４…制御回路
【特許請求の範囲】
【請求項１】
微弱な事象を蛍光像に変換するイメージ増倍装置と、
前記イメージ増倍装置から出力された蛍光像を電気的な画像信号に変換する信号変換装置と、
前記イメージ増倍装置の出力面における前記蛍光像を前記信号変換装置の撮像面に投射するともに、前記出力面側でテレセントリックであるリレー光学系と
を備える撮像装置。
【請求項２】
前記リレー光学系は、前記イメージ増倍装置の前記出力面を前記信号変換装置の前記撮像面に略等倍で投射する、請求項１に記載の撮像装置。
【請求項３】
前記リレー光学系は、前記出力面から順に第１レンズ群と第２レンズ群とを備え、前記第１レンズ群と前記第２レンズ群との間隔を調整することによって結像倍率を修正可能である、請求項１及び請求項２のいずれか一項に記載の撮像装置。
【請求項４】
前記リレー光学系は、前記イメージ増倍装置の前記出力面に対向して設けられ、前記イメージ増倍装置から出力された前記蛍光像を、第１蛍光像と第２蛍光像とに分離するとともに、前記第１蛍光像を前記信号変換装置に向かう光路に導くディストリビューターを有し、
前記ディストリビューターにより分離された前記第２蛍光像から前記信号変換装置を動作させるための撮像タイミングを規定するタイミング設定装置をさらに備える、請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の撮像装置。
【請求項５】
前記タイミング設定装置は、前記イメージ増倍装置の前記出力面を構成する区分領域からの前記第２蛍光像を個別に検出する光電子増倍装置を含む、請求項４に記載の撮像装置。
【請求項６】
前記タイミング設定装置は、前記光電子増倍装置から出力される前記区分領域に対応する検出信号に基づいて、前記光電子増倍装置の前記区分領域に対応する前記信号変換装置の局所領域を選択的に動作させる駆動信号を出力する、請求項５に記載の撮像装置。
【請求項７】
前記イメージ増倍装置は、入力段に配置される光電変換部と、前記光電変換部の後段に配置される近接型増倍素子と、前記近接型増倍素子の後段に配置される前記出力面とを有する、請求項１から請求項６までのいずれか一項に記載の撮像装置。
【請求項８】
前記信号変換装置は、ＣＣＤ型撮像素子及びＣＭＯＳ型撮像素子のいずれか一方である固体撮像素子を含み、前記タイミング設定装置から出力されるタイミング信号に基づいて前記固体撮像素子を動作させる、請求項１から請求項７までのいずれか一項に記載の撮像装置。
【請求項９】
検出装置の出力面に形成された像を電気的な画像信号に変換する信号変換装置を有する撮像装置に組み込まれるリレー光学系であって、
前記検出装置の出力面に形成された像を前記信号変換装置の撮像面に略等倍で投射するともに、前記対象像側でテレセントリックであるリレー光学系。
【請求項１０】
前記検出装置は、微弱な事象を前記出力面において蛍光像に変換するイメージ増倍装置である、請求項９に記載のリレー光学系。
【請求項１１】
前記イメージ増倍装置の前記出力面に対向して設けられ、前記イメージ増倍装置から出力された前記蛍光像を、第１蛍光像と第２蛍光像とに分離するとともに、前記第１蛍光像を前記信号変換装置に向かう光路に導き、前記第２蛍光像を前記信号変換装置を動作させるための撮像タイミングを規定するタイミング設定装置に向かう光路に導くディストリビューターをさらに備える、請求項１０に記載のリレー光学系。
【請求項１２】
前記イメージ増倍装置の前記出力面を構成する蛍光体の分光輝度分布特性に合わせて前記信号変換装置の前記撮像面におけるスポット特性を調整した、請求項１０及び請求項１１のいずれか一項に記載のリレー光学系。
【請求項１３】
前記出力面から順に第１レンズ群と第２レンズ群とを備え、前記第１レンズ群と前記第２レンズ群との間隔を調整することによって結像倍率を修正可能である、請求項９から請求項１２までのいずれか一項に記載のリレー光学系。
【請求項１４】
前記第１レンズ群の開口数をＮＡ１とし、前記第２レンズ群の開口数をＮＡ２とした場合に、以下の条件式（１）
１．１５≦ＮＡ２／ＮＡ１≦１．８ … （１）
を満足する、請求項１３に記載のリレー光学系。
【請求項１５】
前記第１レンズ群の焦点距離をｆ１とし、前記第２レンズ群の焦点距離をｆ２とした場合に、以下の条件式（２）
０．５≦ｆ２／ｆ１≦２．０ … （２）
を満足する、請求項１３に記載のリレー光学系。
【請求項１６】
前記結像倍率は、結像特性を略維持した状態で±１．５％の範囲で調整される、請求項１３から請求項１５までのいずれか一項に記載のリレー光学系。
【請求項１７】
レーザー光を出力する照明部と、
前記照明部を動作させる照明駆動部と、
請求項１から請求項８までのいずれか一項に記載の撮像装置と、
前記照明部と同期して前記撮像装置を動作させる撮像駆動部と
を備える計測システム。
【請求項１】
微弱な事象を蛍光像に変換するイメージ増倍装置と、
前記イメージ増倍装置から出力された蛍光像を電気的な画像信号に変換する信号変換装置と、
前記イメージ増倍装置の出力面における前記蛍光像を前記信号変換装置の撮像面に投射するともに、前記出力面側でテレセントリックであるリレー光学系と
を備える撮像装置。
【請求項２】
前記リレー光学系は、前記イメージ増倍装置の前記出力面を前記信号変換装置の前記撮像面に略等倍で投射する、請求項１に記載の撮像装置。
【請求項３】
前記リレー光学系は、前記出力面から順に第１レンズ群と第２レンズ群とを備え、前記第１レンズ群と前記第２レンズ群との間隔を調整することによって結像倍率を修正可能である、請求項１及び請求項２のいずれか一項に記載の撮像装置。
【請求項４】
前記リレー光学系は、前記イメージ増倍装置の前記出力面に対向して設けられ、前記イメージ増倍装置から出力された前記蛍光像を、第１蛍光像と第２蛍光像とに分離するとともに、前記第１蛍光像を前記信号変換装置に向かう光路に導くディストリビューターを有し、
前記ディストリビューターにより分離された前記第２蛍光像から前記信号変換装置を動作させるための撮像タイミングを規定するタイミング設定装置をさらに備える、請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の撮像装置。
【請求項５】
前記タイミング設定装置は、前記イメージ増倍装置の前記出力面を構成する区分領域からの前記第２蛍光像を個別に検出する光電子増倍装置を含む、請求項４に記載の撮像装置。
【請求項６】
前記タイミング設定装置は、前記光電子増倍装置から出力される前記区分領域に対応する検出信号に基づいて、前記光電子増倍装置の前記区分領域に対応する前記信号変換装置の局所領域を選択的に動作させる駆動信号を出力する、請求項５に記載の撮像装置。
【請求項７】
前記イメージ増倍装置は、入力段に配置される光電変換部と、前記光電変換部の後段に配置される近接型増倍素子と、前記近接型増倍素子の後段に配置される前記出力面とを有する、請求項１から請求項６までのいずれか一項に記載の撮像装置。
【請求項８】
前記信号変換装置は、ＣＣＤ型撮像素子及びＣＭＯＳ型撮像素子のいずれか一方である固体撮像素子を含み、前記タイミング設定装置から出力されるタイミング信号に基づいて前記固体撮像素子を動作させる、請求項１から請求項７までのいずれか一項に記載の撮像装置。
【請求項９】
検出装置の出力面に形成された像を電気的な画像信号に変換する信号変換装置を有する撮像装置に組み込まれるリレー光学系であって、
前記検出装置の出力面に形成された像を前記信号変換装置の撮像面に略等倍で投射するともに、前記対象像側でテレセントリックであるリレー光学系。
【請求項１０】
前記検出装置は、微弱な事象を前記出力面において蛍光像に変換するイメージ増倍装置である、請求項９に記載のリレー光学系。
【請求項１１】
前記イメージ増倍装置の前記出力面に対向して設けられ、前記イメージ増倍装置から出力された前記蛍光像を、第１蛍光像と第２蛍光像とに分離するとともに、前記第１蛍光像を前記信号変換装置に向かう光路に導き、前記第２蛍光像を前記信号変換装置を動作させるための撮像タイミングを規定するタイミング設定装置に向かう光路に導くディストリビューターをさらに備える、請求項１０に記載のリレー光学系。
【請求項１２】
前記イメージ増倍装置の前記出力面を構成する蛍光体の分光輝度分布特性に合わせて前記信号変換装置の前記撮像面におけるスポット特性を調整した、請求項１０及び請求項１１のいずれか一項に記載のリレー光学系。
【請求項１３】
前記出力面から順に第１レンズ群と第２レンズ群とを備え、前記第１レンズ群と前記第２レンズ群との間隔を調整することによって結像倍率を修正可能である、請求項９から請求項１２までのいずれか一項に記載のリレー光学系。
【請求項１４】
前記第１レンズ群の開口数をＮＡ１とし、前記第２レンズ群の開口数をＮＡ２とした場合に、以下の条件式（１）
１．１５≦ＮＡ２／ＮＡ１≦１．８ … （１）
を満足する、請求項１３に記載のリレー光学系。
【請求項１５】
前記第１レンズ群の焦点距離をｆ１とし、前記第２レンズ群の焦点距離をｆ２とした場合に、以下の条件式（２）
０．５≦ｆ２／ｆ１≦２．０ … （２）
を満足する、請求項１３に記載のリレー光学系。
【請求項１６】
前記結像倍率は、結像特性を略維持した状態で±１．５％の範囲で調整される、請求項１３から請求項１５までのいずれか一項に記載のリレー光学系。
【請求項１７】
レーザー光を出力する照明部と、
前記照明部を動作させる照明駆動部と、
請求項１から請求項８までのいずれか一項に記載の撮像装置と、
前記照明部と同期して前記撮像装置を動作させる撮像駆動部と
を備える計測システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【公開番号】特開２０１１−２４４３５７（Ｐ２０１１−２４４３５７Ａ）
【公開日】平成２３年１２月１日（２０１１．１２．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１１６８０２（Ｐ２０１０−１１６８０２）
【出願日】平成２２年５月２０日（２０１０．５．２０）
【出願人】（５０４１３７９１２）国立大学法人 東京大学 (1,942)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１２月１日（２０１１．１２．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年５月２０日（２０１０．５．２０）
【出願人】（５０４１３７９１２）国立大学法人 東京大学 (1,942)
【Ｆターム（参考）】
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