撮像装置
【課題】撮像素子によって受光される光が少ないといった課題がある。
【解決手段】撮像装置は、被写体が配される被写体領域の一方側に配され、受光面での受光量に応じた電気信号を出力する撮像素子が複数個整列した撮像素子アレイと、前記被写体領域の前記一方側において、前記撮像素子アレイの各々の前記撮像素子に対応して前記受光面側に配され、前記撮像素子の前記受光面の面積よりも小さいピンホールを複数個整列したピンホールアレイと、前記被写体領域の他方側において、前記ピンホールアレイの各々の前記ピンホールに対応して配され、前記ピンホールに集光する集光素子が複数配列した集光素子アレイとを備え、前記被写体および前記ピンホールアレイの少なくともいずれか一方を移動させつつ前記撮像素子アレイにより複数の画像を撮像して出力する。
【解決手段】撮像装置は、被写体が配される被写体領域の一方側に配され、受光面での受光量に応じた電気信号を出力する撮像素子が複数個整列した撮像素子アレイと、前記被写体領域の前記一方側において、前記撮像素子アレイの各々の前記撮像素子に対応して前記受光面側に配され、前記撮像素子の前記受光面の面積よりも小さいピンホールを複数個整列したピンホールアレイと、前記被写体領域の他方側において、前記ピンホールアレイの各々の前記ピンホールに対応して配され、前記ピンホールに集光する集光素子が複数配列した集光素子アレイとを備え、前記被写体および前記ピンホールアレイの少なくともいずれか一方を移動させつつ前記撮像素子アレイにより複数の画像を撮像して出力する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、撮像素子と、撮像素子と被写体との間に配置されたピンホールを備える顕微鏡が開示されている。
［先行技術文献］
［特許文献］
［特許文献１］ 特表２００８−５０１９９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上述の技術では、ピンホールによって多くの光が遮られるので、撮像素子によって受光される光が少ないといった課題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記課題を解決するために、本発明の第１の態様の撮像装置においては、被写体が配される被写体領域の一方側に配され、受光面での受光量に応じた電気信号を出力する撮像素子が複数個整列した撮像素子アレイと、前記被写体領域の前記一方側において、前記撮像素子アレイの各々の前記撮像素子に対応して前記受光面側に配され、前記撮像素子の前記受光面の面積よりも小さいピンホールを複数個整列したピンホールアレイと、前記被写体領域の他方側において、前記ピンホールアレイの各々の前記ピンホールに対応して配され、前記ピンホールに集光する集光素子が複数配列した集光素子アレイとを備え、前記被写体および前記ピンホールアレイの少なくともいずれか一方を移動させつつ前記撮像素子アレイにより複数の画像を撮像して出力する。
【０００５】
なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】実施形態による撮像装置の全体構成図である。
【図２】撮像素子アレイ、ピンホールアレイ、及び、集光素子アレイの拡大斜視図である。
【図３】図２の一部を更に拡大した斜視図である。
【図４】撮像装置の制御系を説明するブロック図である。
【図５】高画質撮像モードを説明する図である。
【図６】集光素子にアキシコンレンズを適用した実施形態を説明する斜視図である。
【図７】アキシコンレンズによる集光を説明する概略図である。
【図８】集光素子に位相格子部材を適用した実施形態を説明する斜視図である。
【図９】撮像素子アレイ、ピンホールアレイ、及び、集光素子アレイの配置を変更した実施形態である。
【図１０】ピンホールアレイのピンホールの配置を変更した実施形態の斜視図である。
【図１１】図１０の実施形態におけるピンホールアレイ及び撮像素子アレイの平面図である。
【図１２】波長変換部を更に備えた撮像装置を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
【０００８】
図１は、実施形態による撮像装置の全体構成図である。図１に示すように、撮像装置１０は、ベース１２と、光源１４と、撮像素子アレイ１６と、ピンホールアレイ１８と、集光素子アレイ２０と、一対のスペーサ２２、２２と、ＸＹ方向駆動部２４と、Ｚ方向駆動部２６と、被写体保持部２８と、画像出力部３０と、制御部３２とを備えている。
【０００９】
ベース１２は、台状に形成されている。ベース１２の上面には、光源１４と、ＸＹ方向駆動部２４と、Ｚ方向駆動部２６と、被写体保持部２８とが載置されている。これにより、ベース１２は、光源１４と、撮像素子アレイ１６と、ピンホールアレイ１８と、集光素子アレイ２０と、スペーサ２２、２２と、ＸＹ方向駆動部２４と、Ｚ方向駆動部２６と、被写体保持部２８とを直接的または間接的に支持する。
【００１０】
光源１４は、赤、緑、青の３色の平行光を−Ｚ方向へと照射する。尚、光源１４が照射する光は、平行光でなく拡散光であってもよい。ここで、光源１４は、３色の光を同時にまたは異なるタイミングで照射する。光源１４は、四隅に設けられた脚部３４を介して、ベース１２に支持されている。光源１４は、集光素子アレイ２０の＋Ｚ方向側に配置されている。光源１４は、集光素子アレイ２０のＸＹ方向の移動領域を覆うように配置されている。
【００１１】
スペーサ２２、２２は、ピンホールアレイ１８のＹ方向の両端部の上面と、集光素子アレイ２０のＹ方向の両端部の下面とにわたって設けられている。これにより、ピンホールアレイ１８と集光素子アレイ２０とのＺ方向の間隔が、一定に保たれる。
【００１２】
ＸＹ方向駆動部２４は、撮像素子アレイ１６、ピンホールアレイ１８、及び、集光素子アレイ２０を一体的にまたは個別にＸＹ方向に駆動させる。ＸＹ方向駆動部２４は、駆動力の発生源としてボイスコイルモータ等の小型モータ、または、ピエゾ素子を有する。ＸＹ方向駆動部２４は、制御部３２からの駆動信号によって制御される。
【００１３】
Ｚ方向駆動部２６は、撮像素子アレイ１６、ピンホールアレイ１８、及び、集光素子アレイ２０を、一体的にまたは個別にＺ方向に駆動させる。Ｚ方向駆動部２６は、駆動力の発生源としてボイスコイルモータ等の小型モータ、または、ピエゾ素子を有する。Ｚ方向駆動部２６は、制御部３２からの駆動信号によって制御される。
【００１４】
被写体保持部２８は、被写体ケース３６と、４本の脚部３８とを有する。被写体ケース３６は、光源１４から照射される波長の光を透過可能な材料からなる。尚、被写体３９に蛍光材料を含ませる場合には、被写体ケース３６は、蛍光材料から照射される蛍光を透過可能な材料によって構成される。被写体ケース３６は、ＸＹ平面に水平な直方体形状に形成されている。被写体ケース３６には、被写体３９が配される中空状の被写体領域４０が形成されている。４本の脚部３８は、被写体ケース３６の四隅の下面とベース１２の上面との間に配置されている。これにより、４本の脚部３８は、ピンホールアレイ１８と集光素子アレイ２０との間で被写体ケース３６を支持する。
【００１５】
画像出力部３０は、制御部３２によって生成された画像を表示する。画像出力部３０の一例は、液晶ディスプレイである。
【００１６】
制御部３２は、撮像装置１０の制御全般を司る。
【００１７】
図２は、撮像素子アレイ１６、ピンホールアレイ１８、及び、集光素子アレイ２０の拡大斜視図である。図３は、図２の一部を更に拡大した斜視図である。
【００１８】
図２及び図３に示すように、撮像素子アレイ１６は、被写体領域４０の一方側の一例である−Ｚ側に配される。撮像素子アレイ１６は、複数個の撮像素子４２を有する。複数の撮像素子４２は、Ｘ方向に沿って数個から数千個整列されている。尚、整列される撮像素子４２の数は限定されるものでない。撮像素子アレイ１６の一例は、ＣＣＤイメージセンサまたはＣＭＯＳイメージセンサであって、撮像素子４２はそれらの画素である。個々の撮像素子４２は、平面視において、例えば、一辺が約１０μｍの正方形状に形成されている。撮像素子４２の＋Ｚ面には、光を受光するための受光面４４が形成されている。撮像素子４２は、被写体３９を透過した光を受光面４４によって受光する。そして、撮像素子４２は、受光面４４での受光量に応じた電気信号を出力する。
【００１９】
ピンホールアレイ１８は、被写体領域４０の−Ｚ側に配されている。ピンホールアレイ１８と撮像素子アレイ１６との間には、所定の間隔が形成されている。これにより、ピンホールアレイ１８と撮像素子アレイ１６とは、別々に駆動できる。ピンホールアレイ１８は、複数個のピンホール４８が形成された遮光板４６を備えている。遮光板４６は、光を遮蔽可能な材料からなる。遮光板４６は、撮像素子アレイ１６の受光面４４側に配されている。遮光板４６は、平面視において、撮像素子アレイ１６と略同じ長方形状に形成されている。
【００２０】
複数のピンホール４８は、Ｘ方向に延びる撮像素子アレイ１６の中心線上に整列されている。複数のピンホール４８は、撮像素子アレイ１６の各々の撮像素子４２に対応して配されている。各ピンホール４８は、平面視において、円形状に形成されている。ピンホール４８は、撮像素子４２の受光面４４の面積よりも小さい。撮像素子４２が一辺１０μｍの正方形状である場合、ピンホール４８の直径の一例は、１μｍである。ピンホール４８は、Ｚ方向において、遮光板４６を貫いている。ピンホール４８は、光が透過可能に構成されている。ピンホール４８は、空間としてもよく、光を透過可能な樹脂等の材料によって埋設されていてもよい。
【００２１】
集光素子アレイ２０は、被写体領域４０の他方側の一例である＋Ｚ側に配されている。集光素子アレイ２０は、ピンホール４８に集光する複数の集光素子５０を有する。集光素子５０は、光源１４からの光を透過可能なガラスまたは樹脂によって構成されている。集光素子５０は、平面視において、撮像素子４２と略同じ正方形状に形成されている。複数の集光素子５０は、互いに固定されて一体化されている。複数の集光素子５０は、Ｘ方向に沿って一直線上に配列されている。複数の集光素子５０は、ピンホールアレイ１８の各々のピンホール４８に対応して配されている。これにより、撮像素子４２、ピンホール４８、及び、集光素子５０は、光の進行方向であるＺ軸上に沿って配列される。例えば、集光素子５０が一辺１０μｍの正方形状である場合、集光素子５０とピンホール４８との距離は３０μｍ程度である。
【００２２】
集光素子５０の一例は、リング状の凹部５２を用いたゾーンプレートであり、光をピンホール４８に集光する。被写体領域４０は、集光素子５０によって集光された光の焦点深度５４に配される。これにより、被写体３９は、焦点深度５４内に配される。更に、被写体領域４０のみならずピンホール４８が焦点深度５４内に配されている。
【００２３】
図４は、撮像装置の制御系を説明するブロック図である。次に、撮像装置１０の制御系について説明する。
【００２４】
制御部３２は、コンピュータ等からなる。制御部３２は、各撮像素子４２と、ＸＹ方向駆動部２４と、Ｚ方向駆動部２６と、光源１４と、画像出力部３０とに信号を送受信可能に接続されている。
【００２５】
詳細には、制御部３２は、各撮像素子４２から出力される撮像信号を受信する。これにより、制御部３２は、受信した撮像信号に基づいて被写体３９の画像を生成する。
【００２６】
制御部３２は、光源１４にオン・オフ信号を送信する。これにより、光源１４のオン・オフ状態が切り替えられる。ここで、制御部３２は、光源１４の３色を同時にオン状態にできるとともに、光源１４の３色を異なるタイミングでオン状態にすることもできる。
【００２７】
制御部３２は、ＸＹ方向駆動部２４を制御して、撮像素子アレイ１６、ピンホールアレイ１８、及び、集光素子アレイ２０をＸ方向及びＹ方向に移動させる。ここで、制御部３２は、ＸＹ方向駆動部２４を制御して、ピンホールアレイ１８、及び、集光素子アレイ２０を一体的に被写体３９に対してＸ方向及びＹ方向に移動させることができる。また、制御部３２は、ＸＹ方向駆動部２４を制御して、撮像素子アレイ１６を固定して、ピンホールアレイ１８及び集光素子アレイ２０をＸ方向及びＹ方向に移動させることもできる。これにより、ピンホールアレイ１８を撮像素子４２の受光面４４内で移動させることにより、画素数を増加させることができる。
【００２８】
制御部３２は、Ｚ方向駆動部２６を制御して、撮像素子アレイ１６、ピンホールアレイ１８、及び、集光素子アレイ２０をＺ方向に移動させる。これにより、制御部３２は、Ｚ方向において、光の波長が異なることに起因する焦点深度のずれに対応する。
【００２９】
制御部３２は、生成した画像信号を画像出力部３０に送信する。画像出力部３０は、画像信号に基づいて、画像を表示する。
【００３０】
次に、上述した撮像装置１０の撮像動作を説明する。撮像動作は、通常撮像モード、高画質撮像モード、カラー撮像モードに分けて説明する。
【００３１】
通常撮像モードでは、制御部３２は、光源１４にオン信号を送信する。これにより、光源１４から３色の平行光の白色の光が照射される。この光は、集光素子アレイ２０の各集光素子５０に達する。光は、集光素子５０の凹部５２とそれ以外の領域を透過することによって、回折される。そして、回折された光の一部は、被写体３９を透過、または被写体３９の回りを通過した後、互いに干渉して、ピンホール４８へと集光される。一方、回折された光の一部は、被写体３９によって遮られる。
【００３２】
ピンホール４８へと集光されて達した光は、ピンホール４８を通過して、撮像素子４２の受光面４４に達する。光を受光した撮像素子４２は、受光量に応じた電気信号である撮像信号を制御部３２へ送信する。この後、制御部３２は、ＸＹ方向駆動部２４を制御して、撮像素子アレイ１６、ピンホールアレイ１８、及び、集光素子アレイ２０を、撮像素子４２の一辺の長さである約１０μｍＹ方向に移動させる。次に、上述した同じ動作によって、光を受光した撮像素子４２が撮像信号を制御部３２へと送信する。この後、制御部３２は、ＸＹ方向駆動部２４を制御して、撮像素子アレイ１６、ピンホールアレイ１８、及び、集光素子アレイ２０を約１０μｍずつＹ方向に移動させつつ、同じ撮像動作を繰り返す。制御部３２は、所定の距離、撮像素子アレイ１６、ピンホールアレイ１８、及び、集光素子アレイ２０をＹ方向に移動させると、撮像動作を終了する。
【００３３】
次に、制御部３２は、撮像信号を合成して、画像を生成する。この後、制御部３２は、生成した画像を画像信号として、画像出力部３０に送信する。画像出力部３０は、受信した画像信号に基づいて、画像を表示する。尚、画像生成は、撮像動作と平行して実行してもよい。
【００３４】
図５は、高画質撮像モードを説明する図である。高画質撮像モードでは、制御部３２は、ＸＹ方向駆動部２４を制御して、撮像素子４２の受光面４４内でピンホール４８及び集光素子５０を移動させつつ、撮像素子アレイ１６によって複数の画像を撮像する。この際、撮像素子アレイ１６は、移動させなくてもよい。例えば、図５に示すように、ピンホール４８を受光面４４内でＸ方向に３個所、Ｙ方向に３個所、撮像素子４２のピッチよりも小さく、例えば３μｍずつ移動させる。そして、それぞれの場所において撮像素子アレイ１６によって画像を撮像して電気信号を制御部３２へと出力する。そして、制御部３２が撮像素子４２から撮像信号を得て画像を生成することによって、撮像素子４２のピッチの９倍の分解能にすることができる。ピンホール４８を受光面４４内で移動させた後、制御部３２は、撮像素子アレイ１６、ピンホールアレイ１８、及び、集光素子アレイ２０を、それぞれが整列された方向と直交する方向であるＹ方向に１０μｍ移動させて同じ動作を繰り返して、被写体３９の全体を撮像する。
【００３５】
カラー撮像モードでは、制御部３２は、光源１４の３色の光を異なるタイミングで照射する。例えば、制御部３２は、赤色の光を照射して撮像した後、緑色の光、青色の光を照射して撮像する。この後、制御部３２は、ＸＹ方向駆動部２４を制御して、撮像素子アレイ１６、ピンホールアレイ１８、及び、集光素子アレイ２０をＹ方向に１０μｍ移動させて、３色の光を異なるタイミングで照射して撮像する。制御部３２は、この動作を繰り返して、被写体３９の全体のカラー画像を撮像する。尚、異なる色の光の焦点深度５４が異なり、被写体３９が焦点深度５４から外れる場合は、制御部３２が、Ｚ方向駆動部２６を介して、撮像素子アレイ１６及びピンホールアレイ１８、または、集光素子アレイ２０をＺ方向に移動させ、ピンホールアレイ１８と集光素子アレイ２０との間隔を変えてもよい。これにより、被写体３９及びピンホールアレイ１８を焦点深度５４内に設定することができる。
【００３６】
上述したように撮像装置１０では、ピンホール４８に光を集光する集光素子５０を有するので、光源１４から照射される光が弱くても、鮮明な画像を得ることができる。また、集光素子５０によって光を集光することにより、光源１４からの光を弱くすることができる。この結果、被写体３９が細胞等の場合であっても、被写体３９の破損を抑制できる。更に、撮像装置１０では、被写体３９がＺ方向に分厚い場合であっても、集光素子５０によって光を集光することにより、Ｚ方向の分解能の低下を抑制できる。
【００３７】
撮像装置１０では、ピンホール４８を、撮像素子４２の受光面４４内で移動させることによって解像度を上げることができる。ここで、撮像素子４２の受光面４４と比較して、ピンホール４８は、容易に微細化することができる。これにより、撮像装置１０は、容易に解像度を上げることができる。
【００３８】
撮像装置１０では、光源１４から異なる色の光を異なるタイミングで照射して、撮像することにより、カラーの画像を撮像することができる。更に、Ｚ方向駆動部２６によって、それぞれの色に対応させて撮像素子アレイ１６、ピンホールアレイ１８、及び、集光素子アレイ２０をＺ方向に移動させることができる。これにより、被写体３９を焦点深度５４内に維持して、鮮明な画像を撮像することができる。
【００３９】
撮像装置１０では、被写体３９の像を光学的に拡大することなく、直接的に撮像しつつ、撮像素子４２のピッチよりも細かい分解能の画像を得ることができる。
【００４０】
図６は、変更した実施形態における集光素子にアキシコンレンズを適用した実施形態を説明する斜視図である。次に、上述した撮像装置の集光素子を変更した実施形態について説明する。尚、同様の構成には、同じ符号を付与して説明を省略する。
【００４１】
図６に示すように、この実施形態では、集光素子アレイ１２０の集光素子１５０として円錐状のレンズ部１５１を有するアキシコンレンズを適用している。レンズ部１５１は、ピンホール４８に向かって細くなるように構成されている。レンズ部１５１の頂点は、ピンホール４８の中心の＋Ｚ方向上に配置されている。
【００４２】
図７は、アキシコンレンズによる集光を説明する概略図である。図７に示すように、集光素子１５０に平行光である光が入射すると、レンズ部１５１によって光が集光される。集光された光は、一対の円錐形状の底面を合わせた形状に集光され、ベッセルビーム形成領域が形成される。このため、集光された光の焦点深度１５４は長くなる。ピンホールアレイ１８は、集光された光の焦点深度１５４の領域内に配置すればよい。これにより、この実施形態では、ピンホールアレイ１８と集光素子アレイ１２０とのＺ方向の相対位置の許容範囲を大きくすることができるので、ピンホールアレイ１８と集光素子アレイ１２０の組み立て工程を簡略化することができる。
【００４３】
尚、アキシコンレンズのレンズ部１５１を構成する材料の屈折率が１．５であって、光の集光領域の直径を２μｍ以下にする場合、Ｚ軸と外周面との間の角度であるθは８０°以下であることが好ましい。更に、レンズ部１５１とピンホール４８との間の距離が３０μｍ以下の場合、レンズ部１５１の＋Ｚ側端面の直径は１０μｍ以上であることが好ましい。
【００４４】
図８は、集光素子に位相格子部材を適用した実施形態を説明する斜視図である。集光素子アレイ２２０の集光素子２５０として位相格子部材２６０を適用してもよい。位相格子部材２６０は、一対の零領域２６２と、一対のπ領域２６４とを有する。一対の零領域２６２は、集光素子２５０の一方の対角線上に配置されている。一対の零領域２６２は、集光素子２５０の中心を対称点とする点対称の位置に配置されている。一対のπ領域２６４は、集光素子２５０の他方の対角線上に配置されている。一対のπ領域２６４は、集光素子２５０の中心を対称点とする点対称の位置に配置されている。π領域２６４を透過する光の位相は、零領域２６２を透過する光の位相に対して、πずれる。これにより、集光素子２５０を透過する光は、互いに干渉して集光する。
【００４５】
ここで、位相格子部材２６０を有する集光素子２５０の一辺がｄ、光源１４から照射される光の波長がλの場合、ピンホールアレイ１８と集光素子アレイ２２０との距離Ｌは、以下の式が好ましい。
Ｌ＝Ｄ／１２＝（２ｄ２／λ）／１２
尚、Ｄは、回折格子がタルボ（Ｔａｌｂｏｔ）効果を奏するタルボ距離である。これにより、集光素子２５０によって集光された光の焦点深度内にピンホール４８が配置される。例えば、位相格子部材２６０を有する集光素子２５０の一辺が２０μｍの場合、集光素子２５０とピンホールアレイ１８との距離は、７０μｍ程度が好ましい。
【００４６】
図９は、撮像素子アレイ、ピンホールアレイ、及び、集光素子アレイの配置を変更した実施形態である。次に、上述した撮像装置の撮像素子アレイ、ピンホールアレイ、及び、集光素子アレイの配置を変更した実施形態について説明する。
【００４７】
図９に示すように、この実施形態では、撮像素子アレイ３１６、ピンホールアレイ３１８、および、集光素子アレイ３２０が数行数列のマトリックス状に配置されている。ここで、マトリックスの行、及び、列の数は、適宜変更してもよいが、本実施形態では、被写体３９を覆う程度に配列されているとする。
【００４８】
この実施形態において、上述した高画質撮像モードを実行すると、ピンホール４８を受光面４４内の９個所に移動させて、それぞれで撮像素子４２によって撮像する。ここで、撮像素子アレイ１６、ピンホールアレイ１８、および、集光素子アレイ２０は、被写体３９を覆う程度に配列されている。従って、この後、撮像素子アレイ１６、ピンホールアレイ１８、および、集光素子アレイ２０を撮像素子４２の一辺の長さである１０μｍ移動させることなく、被写体３９の撮像が終了する。このように、本実施形態では、高画質の画像を短時間で撮像できる。
【００４９】
尚、撮像素子アレイ３１６、ピンホールアレイ３１８、および、集光素子アレイ３２０は、それぞれ同数の行及び同数の列によって構成しなくてもよい。例えば、撮像素子アレイ３１６の撮像素子４２のみを数行数列のマトリックス状に配列して、ピンホールアレイ１８及び集光素子アレイ２０は、上述の実施形態と同様にＸ方向に延びる一列に配列してもよい。この場合、撮像素子アレイ３１６を固定して、ピンホールアレイ１８及び集光素子アレイ２０をＹ方向に移動させることにより、撮像することができる。
【００５０】
図１０は、ピンホールアレイのピンホールの配置を変更した実施形態の斜視図である。図１１は、図１０の実施形態におけるピンホールアレイ及び撮像素子アレイの平面図である。
【００５１】
図１０及び図１１に示すように、ピンホール４８１、４８２、４８３が遮光板４４６に３×３のマトリックス状に配置されている。尚、Ｘ方向及びＹ方向に配列するピンホール４８１、４８２、４８３の数は適宜変更してよい。ここで、Ｙ方向に延びる同じ列に配列されたピンホール４８１、４８２、４８３では、ピンホール４８１、４８２、４８３のＸ方向の位置が異なる。最も＋Ｙ側の列のピンホール４８１は、受光面４４の内側において、−Ｘ端部に配置されている。真ん中の列のピンホール４８２は、受光面４４の内側において、中心部に配置されている。最も−Ｙ側の列のピンホール４８３は、受光面４４の内側において、＋Ｘ端部に配置されている。即ち、ピンホール４８１、４８２、４８３は、−Ｙ側にいくに連れて、＋Ｘ側へと配置される。また、集光素子アレイ４２０の集光素子５０の凹部５２の中心が、ピンホール４８１、４８２、４８３の中心の＋Ｚ方向上となるように、各集光素子５０は配置される。
【００５２】
この実施形態において被写体を撮像する場合、まず、最も＋Ｙ側の列の撮像素子４２によって被写体を撮像する。次に、撮像素子４２のピッチと同じ距離だけＹ方向に、撮像素子アレイ１６、ピンホールアレイ４１８、及び、集光素子アレイ４２０を移動させる。この後、真ん中の列によって被写体が撮像される。次に、更に、撮像素子４２の一辺と同じ距離だけＹ方向に、撮像素子アレイ１６、ピンホールアレイ４１８、及び、集光素子アレイ４２０を移動させる。そして、最も−Ｙ側の列の撮像素子４２によって撮像する。これにより、被写体の同じ場所をＸ方向の位置が異なる３つのピンホール４８１、４８２、４８３を介して撮像するので、Ｘ方向の解像度を３倍に向上させることができる。
【００５３】
尚、上述した撮像素子アレイ、ピンホールアレイ、及び、集光素子アレイの配置は一例であり、適宜変更してよい。
【００５４】
図１２は、波長変換部を更に備えた撮像装置を説明する図である。光源１４は、撮像素子４２によって電気信号に変換不能な紫外線等の光を照射する。この場合、図１２に示すように、撮像素子アレイ１６とピンホールアレイ１８との間に、波長変換部７０を設けてもよい。波長変換部７０は、撮像素子４２が電気信号に変換不能な光を、撮像素子４２が電気信号に変換可能な波長の光に変換する。尚、光源１４が照射する紫外線以外の光を撮像素子４２が電気信号に変換可能な光に変換する波長変換部７０であってもよい。尚、波長変換部７０を構成する材料として、セラミック結晶にＥｕ（ユウロピウム）またはＣｅ（セリウム）などの金属を添加した材料を適用することができる。
【００５５】
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
【００５６】
特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。
【００５７】
例えば、上述した撮像素子アレイ１６、ピンホールアレイ１８、及び、集光素子アレイ２０の配列数は適宜変更してもよい。
【００５８】
カラー撮像モードにおいて、上述の実施形態では異なる色の光を時分割して照射することによって実現したが下記の異なる方法によってもカラー撮像はできる。例えば、撮像素子アレイ１６に含まれる撮像素子４２を３つのグループに分けてもよい。この場合、赤色の光源と赤色の光を受光可能な撮像素子と、緑色の光源と緑色の光を受光可能な撮像素子と、青色の光源と青色の光を受光可能な撮像素子とを設けることによって、カラー画像を撮像してもよい。また、フォビオン（Ｆｏｖｅｏｎ）方式のように、１個の撮像素子に三層の受光層を設け、各受光層で異なる色の光を受光するように構成してもよい。例えば、最上層の受光層で最も吸収されやすい青色の光を受光して、次の受光層で緑色の光を受光して、最下層の受光層で最も吸収されにくい赤色の光を受光するように構成してもよい。
【００５９】
また、被写体３９の全部または一部に蛍光材料を含ませてもよい。この場合、光源１４は、被写体３９に含まれた蛍光材料を蛍光させる光を集光素子アレイ２０に照射する。これにより、被写体３９の全部または一部が、集光素子アレイ２０により集光された光によって蛍光された状態で撮像される。尚、光源１４から照射される光は、蛍光材料を２光子励起可能な光であってもよい。この場合、被写体３９の破損を抑制できる。
【００６０】
また、上述の実施形態では、撮像素子アレイ１６、ピンホールアレイ１８、集光素子アレイ２０を移動させつつ撮像したが、被写体３９を移動させつつ撮像してもよい。この場合、被写体ケース３６とともに、被写体３９を移動させてもよく、水流等によって被写体３９を被写体ケース３６の内部で、ピンホール４８の配列方向と交差する方向に移動させてもよい。
【符号の説明】
【００６１】
１０ 撮像装置
１２ ベース
１４ 光源
１６ 撮像素子アレイ
１８ ピンホールアレイ
２０ 集光素子アレイ
２２ スペーサ
２４ ＸＹ方向駆動部
２６ Ｚ方向駆動部
２８ 被写体保持部
３０ 画像出力部
３２ 制御部
３４ 脚部
３６ 被写体ケース
３８ 脚部
３９ 被写体
４０ 被写体領域
４２ 撮像素子
４４ 受光面
４６ 遮光板
４８ ピンホール
５０ 集光素子
５２ 凹部
５４ 焦点深度
７０ 波長変換部
１２０ 集光素子アレイ
１５０ 集光素子
１５１ レンズ部
１５４ 焦点深度
２２０ 集光素子アレイ
２５０ 集光素子
２６０ 位相格子部材
２６２ 零領域
２６４ π領域
３１６ 撮像素子アレイ
３１８ ピンホールアレイ
３２０ 集光素子アレイ
４１８ ピンホールアレイ
４２０ 集光素子アレイ
４４６ 遮光板
４８１ ピンホール
４８２ ピンホール
４８３ ピンホール
【技術分野】
【０００１】
本発明は、撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、撮像素子と、撮像素子と被写体との間に配置されたピンホールを備える顕微鏡が開示されている。
［先行技術文献］
［特許文献］
［特許文献１］ 特表２００８−５０１９９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上述の技術では、ピンホールによって多くの光が遮られるので、撮像素子によって受光される光が少ないといった課題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記課題を解決するために、本発明の第１の態様の撮像装置においては、被写体が配される被写体領域の一方側に配され、受光面での受光量に応じた電気信号を出力する撮像素子が複数個整列した撮像素子アレイと、前記被写体領域の前記一方側において、前記撮像素子アレイの各々の前記撮像素子に対応して前記受光面側に配され、前記撮像素子の前記受光面の面積よりも小さいピンホールを複数個整列したピンホールアレイと、前記被写体領域の他方側において、前記ピンホールアレイの各々の前記ピンホールに対応して配され、前記ピンホールに集光する集光素子が複数配列した集光素子アレイとを備え、前記被写体および前記ピンホールアレイの少なくともいずれか一方を移動させつつ前記撮像素子アレイにより複数の画像を撮像して出力する。
【０００５】
なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】実施形態による撮像装置の全体構成図である。
【図２】撮像素子アレイ、ピンホールアレイ、及び、集光素子アレイの拡大斜視図である。
【図３】図２の一部を更に拡大した斜視図である。
【図４】撮像装置の制御系を説明するブロック図である。
【図５】高画質撮像モードを説明する図である。
【図６】集光素子にアキシコンレンズを適用した実施形態を説明する斜視図である。
【図７】アキシコンレンズによる集光を説明する概略図である。
【図８】集光素子に位相格子部材を適用した実施形態を説明する斜視図である。
【図９】撮像素子アレイ、ピンホールアレイ、及び、集光素子アレイの配置を変更した実施形態である。
【図１０】ピンホールアレイのピンホールの配置を変更した実施形態の斜視図である。
【図１１】図１０の実施形態におけるピンホールアレイ及び撮像素子アレイの平面図である。
【図１２】波長変換部を更に備えた撮像装置を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
【０００８】
図１は、実施形態による撮像装置の全体構成図である。図１に示すように、撮像装置１０は、ベース１２と、光源１４と、撮像素子アレイ１６と、ピンホールアレイ１８と、集光素子アレイ２０と、一対のスペーサ２２、２２と、ＸＹ方向駆動部２４と、Ｚ方向駆動部２６と、被写体保持部２８と、画像出力部３０と、制御部３２とを備えている。
【０００９】
ベース１２は、台状に形成されている。ベース１２の上面には、光源１４と、ＸＹ方向駆動部２４と、Ｚ方向駆動部２６と、被写体保持部２８とが載置されている。これにより、ベース１２は、光源１４と、撮像素子アレイ１６と、ピンホールアレイ１８と、集光素子アレイ２０と、スペーサ２２、２２と、ＸＹ方向駆動部２４と、Ｚ方向駆動部２６と、被写体保持部２８とを直接的または間接的に支持する。
【００１０】
光源１４は、赤、緑、青の３色の平行光を−Ｚ方向へと照射する。尚、光源１４が照射する光は、平行光でなく拡散光であってもよい。ここで、光源１４は、３色の光を同時にまたは異なるタイミングで照射する。光源１４は、四隅に設けられた脚部３４を介して、ベース１２に支持されている。光源１４は、集光素子アレイ２０の＋Ｚ方向側に配置されている。光源１４は、集光素子アレイ２０のＸＹ方向の移動領域を覆うように配置されている。
【００１１】
スペーサ２２、２２は、ピンホールアレイ１８のＹ方向の両端部の上面と、集光素子アレイ２０のＹ方向の両端部の下面とにわたって設けられている。これにより、ピンホールアレイ１８と集光素子アレイ２０とのＺ方向の間隔が、一定に保たれる。
【００１２】
ＸＹ方向駆動部２４は、撮像素子アレイ１６、ピンホールアレイ１８、及び、集光素子アレイ２０を一体的にまたは個別にＸＹ方向に駆動させる。ＸＹ方向駆動部２４は、駆動力の発生源としてボイスコイルモータ等の小型モータ、または、ピエゾ素子を有する。ＸＹ方向駆動部２４は、制御部３２からの駆動信号によって制御される。
【００１３】
Ｚ方向駆動部２６は、撮像素子アレイ１６、ピンホールアレイ１８、及び、集光素子アレイ２０を、一体的にまたは個別にＺ方向に駆動させる。Ｚ方向駆動部２６は、駆動力の発生源としてボイスコイルモータ等の小型モータ、または、ピエゾ素子を有する。Ｚ方向駆動部２６は、制御部３２からの駆動信号によって制御される。
【００１４】
被写体保持部２８は、被写体ケース３６と、４本の脚部３８とを有する。被写体ケース３６は、光源１４から照射される波長の光を透過可能な材料からなる。尚、被写体３９に蛍光材料を含ませる場合には、被写体ケース３６は、蛍光材料から照射される蛍光を透過可能な材料によって構成される。被写体ケース３６は、ＸＹ平面に水平な直方体形状に形成されている。被写体ケース３６には、被写体３９が配される中空状の被写体領域４０が形成されている。４本の脚部３８は、被写体ケース３６の四隅の下面とベース１２の上面との間に配置されている。これにより、４本の脚部３８は、ピンホールアレイ１８と集光素子アレイ２０との間で被写体ケース３６を支持する。
【００１５】
画像出力部３０は、制御部３２によって生成された画像を表示する。画像出力部３０の一例は、液晶ディスプレイである。
【００１６】
制御部３２は、撮像装置１０の制御全般を司る。
【００１７】
図２は、撮像素子アレイ１６、ピンホールアレイ１８、及び、集光素子アレイ２０の拡大斜視図である。図３は、図２の一部を更に拡大した斜視図である。
【００１８】
図２及び図３に示すように、撮像素子アレイ１６は、被写体領域４０の一方側の一例である−Ｚ側に配される。撮像素子アレイ１６は、複数個の撮像素子４２を有する。複数の撮像素子４２は、Ｘ方向に沿って数個から数千個整列されている。尚、整列される撮像素子４２の数は限定されるものでない。撮像素子アレイ１６の一例は、ＣＣＤイメージセンサまたはＣＭＯＳイメージセンサであって、撮像素子４２はそれらの画素である。個々の撮像素子４２は、平面視において、例えば、一辺が約１０μｍの正方形状に形成されている。撮像素子４２の＋Ｚ面には、光を受光するための受光面４４が形成されている。撮像素子４２は、被写体３９を透過した光を受光面４４によって受光する。そして、撮像素子４２は、受光面４４での受光量に応じた電気信号を出力する。
【００１９】
ピンホールアレイ１８は、被写体領域４０の−Ｚ側に配されている。ピンホールアレイ１８と撮像素子アレイ１６との間には、所定の間隔が形成されている。これにより、ピンホールアレイ１８と撮像素子アレイ１６とは、別々に駆動できる。ピンホールアレイ１８は、複数個のピンホール４８が形成された遮光板４６を備えている。遮光板４６は、光を遮蔽可能な材料からなる。遮光板４６は、撮像素子アレイ１６の受光面４４側に配されている。遮光板４６は、平面視において、撮像素子アレイ１６と略同じ長方形状に形成されている。
【００２０】
複数のピンホール４８は、Ｘ方向に延びる撮像素子アレイ１６の中心線上に整列されている。複数のピンホール４８は、撮像素子アレイ１６の各々の撮像素子４２に対応して配されている。各ピンホール４８は、平面視において、円形状に形成されている。ピンホール４８は、撮像素子４２の受光面４４の面積よりも小さい。撮像素子４２が一辺１０μｍの正方形状である場合、ピンホール４８の直径の一例は、１μｍである。ピンホール４８は、Ｚ方向において、遮光板４６を貫いている。ピンホール４８は、光が透過可能に構成されている。ピンホール４８は、空間としてもよく、光を透過可能な樹脂等の材料によって埋設されていてもよい。
【００２１】
集光素子アレイ２０は、被写体領域４０の他方側の一例である＋Ｚ側に配されている。集光素子アレイ２０は、ピンホール４８に集光する複数の集光素子５０を有する。集光素子５０は、光源１４からの光を透過可能なガラスまたは樹脂によって構成されている。集光素子５０は、平面視において、撮像素子４２と略同じ正方形状に形成されている。複数の集光素子５０は、互いに固定されて一体化されている。複数の集光素子５０は、Ｘ方向に沿って一直線上に配列されている。複数の集光素子５０は、ピンホールアレイ１８の各々のピンホール４８に対応して配されている。これにより、撮像素子４２、ピンホール４８、及び、集光素子５０は、光の進行方向であるＺ軸上に沿って配列される。例えば、集光素子５０が一辺１０μｍの正方形状である場合、集光素子５０とピンホール４８との距離は３０μｍ程度である。
【００２２】
集光素子５０の一例は、リング状の凹部５２を用いたゾーンプレートであり、光をピンホール４８に集光する。被写体領域４０は、集光素子５０によって集光された光の焦点深度５４に配される。これにより、被写体３９は、焦点深度５４内に配される。更に、被写体領域４０のみならずピンホール４８が焦点深度５４内に配されている。
【００２３】
図４は、撮像装置の制御系を説明するブロック図である。次に、撮像装置１０の制御系について説明する。
【００２４】
制御部３２は、コンピュータ等からなる。制御部３２は、各撮像素子４２と、ＸＹ方向駆動部２４と、Ｚ方向駆動部２６と、光源１４と、画像出力部３０とに信号を送受信可能に接続されている。
【００２５】
詳細には、制御部３２は、各撮像素子４２から出力される撮像信号を受信する。これにより、制御部３２は、受信した撮像信号に基づいて被写体３９の画像を生成する。
【００２６】
制御部３２は、光源１４にオン・オフ信号を送信する。これにより、光源１４のオン・オフ状態が切り替えられる。ここで、制御部３２は、光源１４の３色を同時にオン状態にできるとともに、光源１４の３色を異なるタイミングでオン状態にすることもできる。
【００２７】
制御部３２は、ＸＹ方向駆動部２４を制御して、撮像素子アレイ１６、ピンホールアレイ１８、及び、集光素子アレイ２０をＸ方向及びＹ方向に移動させる。ここで、制御部３２は、ＸＹ方向駆動部２４を制御して、ピンホールアレイ１８、及び、集光素子アレイ２０を一体的に被写体３９に対してＸ方向及びＹ方向に移動させることができる。また、制御部３２は、ＸＹ方向駆動部２４を制御して、撮像素子アレイ１６を固定して、ピンホールアレイ１８及び集光素子アレイ２０をＸ方向及びＹ方向に移動させることもできる。これにより、ピンホールアレイ１８を撮像素子４２の受光面４４内で移動させることにより、画素数を増加させることができる。
【００２８】
制御部３２は、Ｚ方向駆動部２６を制御して、撮像素子アレイ１６、ピンホールアレイ１８、及び、集光素子アレイ２０をＺ方向に移動させる。これにより、制御部３２は、Ｚ方向において、光の波長が異なることに起因する焦点深度のずれに対応する。
【００２９】
制御部３２は、生成した画像信号を画像出力部３０に送信する。画像出力部３０は、画像信号に基づいて、画像を表示する。
【００３０】
次に、上述した撮像装置１０の撮像動作を説明する。撮像動作は、通常撮像モード、高画質撮像モード、カラー撮像モードに分けて説明する。
【００３１】
通常撮像モードでは、制御部３２は、光源１４にオン信号を送信する。これにより、光源１４から３色の平行光の白色の光が照射される。この光は、集光素子アレイ２０の各集光素子５０に達する。光は、集光素子５０の凹部５２とそれ以外の領域を透過することによって、回折される。そして、回折された光の一部は、被写体３９を透過、または被写体３９の回りを通過した後、互いに干渉して、ピンホール４８へと集光される。一方、回折された光の一部は、被写体３９によって遮られる。
【００３２】
ピンホール４８へと集光されて達した光は、ピンホール４８を通過して、撮像素子４２の受光面４４に達する。光を受光した撮像素子４２は、受光量に応じた電気信号である撮像信号を制御部３２へ送信する。この後、制御部３２は、ＸＹ方向駆動部２４を制御して、撮像素子アレイ１６、ピンホールアレイ１８、及び、集光素子アレイ２０を、撮像素子４２の一辺の長さである約１０μｍＹ方向に移動させる。次に、上述した同じ動作によって、光を受光した撮像素子４２が撮像信号を制御部３２へと送信する。この後、制御部３２は、ＸＹ方向駆動部２４を制御して、撮像素子アレイ１６、ピンホールアレイ１８、及び、集光素子アレイ２０を約１０μｍずつＹ方向に移動させつつ、同じ撮像動作を繰り返す。制御部３２は、所定の距離、撮像素子アレイ１６、ピンホールアレイ１８、及び、集光素子アレイ２０をＹ方向に移動させると、撮像動作を終了する。
【００３３】
次に、制御部３２は、撮像信号を合成して、画像を生成する。この後、制御部３２は、生成した画像を画像信号として、画像出力部３０に送信する。画像出力部３０は、受信した画像信号に基づいて、画像を表示する。尚、画像生成は、撮像動作と平行して実行してもよい。
【００３４】
図５は、高画質撮像モードを説明する図である。高画質撮像モードでは、制御部３２は、ＸＹ方向駆動部２４を制御して、撮像素子４２の受光面４４内でピンホール４８及び集光素子５０を移動させつつ、撮像素子アレイ１６によって複数の画像を撮像する。この際、撮像素子アレイ１６は、移動させなくてもよい。例えば、図５に示すように、ピンホール４８を受光面４４内でＸ方向に３個所、Ｙ方向に３個所、撮像素子４２のピッチよりも小さく、例えば３μｍずつ移動させる。そして、それぞれの場所において撮像素子アレイ１６によって画像を撮像して電気信号を制御部３２へと出力する。そして、制御部３２が撮像素子４２から撮像信号を得て画像を生成することによって、撮像素子４２のピッチの９倍の分解能にすることができる。ピンホール４８を受光面４４内で移動させた後、制御部３２は、撮像素子アレイ１６、ピンホールアレイ１８、及び、集光素子アレイ２０を、それぞれが整列された方向と直交する方向であるＹ方向に１０μｍ移動させて同じ動作を繰り返して、被写体３９の全体を撮像する。
【００３５】
カラー撮像モードでは、制御部３２は、光源１４の３色の光を異なるタイミングで照射する。例えば、制御部３２は、赤色の光を照射して撮像した後、緑色の光、青色の光を照射して撮像する。この後、制御部３２は、ＸＹ方向駆動部２４を制御して、撮像素子アレイ１６、ピンホールアレイ１８、及び、集光素子アレイ２０をＹ方向に１０μｍ移動させて、３色の光を異なるタイミングで照射して撮像する。制御部３２は、この動作を繰り返して、被写体３９の全体のカラー画像を撮像する。尚、異なる色の光の焦点深度５４が異なり、被写体３９が焦点深度５４から外れる場合は、制御部３２が、Ｚ方向駆動部２６を介して、撮像素子アレイ１６及びピンホールアレイ１８、または、集光素子アレイ２０をＺ方向に移動させ、ピンホールアレイ１８と集光素子アレイ２０との間隔を変えてもよい。これにより、被写体３９及びピンホールアレイ１８を焦点深度５４内に設定することができる。
【００３６】
上述したように撮像装置１０では、ピンホール４８に光を集光する集光素子５０を有するので、光源１４から照射される光が弱くても、鮮明な画像を得ることができる。また、集光素子５０によって光を集光することにより、光源１４からの光を弱くすることができる。この結果、被写体３９が細胞等の場合であっても、被写体３９の破損を抑制できる。更に、撮像装置１０では、被写体３９がＺ方向に分厚い場合であっても、集光素子５０によって光を集光することにより、Ｚ方向の分解能の低下を抑制できる。
【００３７】
撮像装置１０では、ピンホール４８を、撮像素子４２の受光面４４内で移動させることによって解像度を上げることができる。ここで、撮像素子４２の受光面４４と比較して、ピンホール４８は、容易に微細化することができる。これにより、撮像装置１０は、容易に解像度を上げることができる。
【００３８】
撮像装置１０では、光源１４から異なる色の光を異なるタイミングで照射して、撮像することにより、カラーの画像を撮像することができる。更に、Ｚ方向駆動部２６によって、それぞれの色に対応させて撮像素子アレイ１６、ピンホールアレイ１８、及び、集光素子アレイ２０をＺ方向に移動させることができる。これにより、被写体３９を焦点深度５４内に維持して、鮮明な画像を撮像することができる。
【００３９】
撮像装置１０では、被写体３９の像を光学的に拡大することなく、直接的に撮像しつつ、撮像素子４２のピッチよりも細かい分解能の画像を得ることができる。
【００４０】
図６は、変更した実施形態における集光素子にアキシコンレンズを適用した実施形態を説明する斜視図である。次に、上述した撮像装置の集光素子を変更した実施形態について説明する。尚、同様の構成には、同じ符号を付与して説明を省略する。
【００４１】
図６に示すように、この実施形態では、集光素子アレイ１２０の集光素子１５０として円錐状のレンズ部１５１を有するアキシコンレンズを適用している。レンズ部１５１は、ピンホール４８に向かって細くなるように構成されている。レンズ部１５１の頂点は、ピンホール４８の中心の＋Ｚ方向上に配置されている。
【００４２】
図７は、アキシコンレンズによる集光を説明する概略図である。図７に示すように、集光素子１５０に平行光である光が入射すると、レンズ部１５１によって光が集光される。集光された光は、一対の円錐形状の底面を合わせた形状に集光され、ベッセルビーム形成領域が形成される。このため、集光された光の焦点深度１５４は長くなる。ピンホールアレイ１８は、集光された光の焦点深度１５４の領域内に配置すればよい。これにより、この実施形態では、ピンホールアレイ１８と集光素子アレイ１２０とのＺ方向の相対位置の許容範囲を大きくすることができるので、ピンホールアレイ１８と集光素子アレイ１２０の組み立て工程を簡略化することができる。
【００４３】
尚、アキシコンレンズのレンズ部１５１を構成する材料の屈折率が１．５であって、光の集光領域の直径を２μｍ以下にする場合、Ｚ軸と外周面との間の角度であるθは８０°以下であることが好ましい。更に、レンズ部１５１とピンホール４８との間の距離が３０μｍ以下の場合、レンズ部１５１の＋Ｚ側端面の直径は１０μｍ以上であることが好ましい。
【００４４】
図８は、集光素子に位相格子部材を適用した実施形態を説明する斜視図である。集光素子アレイ２２０の集光素子２５０として位相格子部材２６０を適用してもよい。位相格子部材２６０は、一対の零領域２６２と、一対のπ領域２６４とを有する。一対の零領域２６２は、集光素子２５０の一方の対角線上に配置されている。一対の零領域２６２は、集光素子２５０の中心を対称点とする点対称の位置に配置されている。一対のπ領域２６４は、集光素子２５０の他方の対角線上に配置されている。一対のπ領域２６４は、集光素子２５０の中心を対称点とする点対称の位置に配置されている。π領域２６４を透過する光の位相は、零領域２６２を透過する光の位相に対して、πずれる。これにより、集光素子２５０を透過する光は、互いに干渉して集光する。
【００４５】
ここで、位相格子部材２６０を有する集光素子２５０の一辺がｄ、光源１４から照射される光の波長がλの場合、ピンホールアレイ１８と集光素子アレイ２２０との距離Ｌは、以下の式が好ましい。
Ｌ＝Ｄ／１２＝（２ｄ２／λ）／１２
尚、Ｄは、回折格子がタルボ（Ｔａｌｂｏｔ）効果を奏するタルボ距離である。これにより、集光素子２５０によって集光された光の焦点深度内にピンホール４８が配置される。例えば、位相格子部材２６０を有する集光素子２５０の一辺が２０μｍの場合、集光素子２５０とピンホールアレイ１８との距離は、７０μｍ程度が好ましい。
【００４６】
図９は、撮像素子アレイ、ピンホールアレイ、及び、集光素子アレイの配置を変更した実施形態である。次に、上述した撮像装置の撮像素子アレイ、ピンホールアレイ、及び、集光素子アレイの配置を変更した実施形態について説明する。
【００４７】
図９に示すように、この実施形態では、撮像素子アレイ３１６、ピンホールアレイ３１８、および、集光素子アレイ３２０が数行数列のマトリックス状に配置されている。ここで、マトリックスの行、及び、列の数は、適宜変更してもよいが、本実施形態では、被写体３９を覆う程度に配列されているとする。
【００４８】
この実施形態において、上述した高画質撮像モードを実行すると、ピンホール４８を受光面４４内の９個所に移動させて、それぞれで撮像素子４２によって撮像する。ここで、撮像素子アレイ１６、ピンホールアレイ１８、および、集光素子アレイ２０は、被写体３９を覆う程度に配列されている。従って、この後、撮像素子アレイ１６、ピンホールアレイ１８、および、集光素子アレイ２０を撮像素子４２の一辺の長さである１０μｍ移動させることなく、被写体３９の撮像が終了する。このように、本実施形態では、高画質の画像を短時間で撮像できる。
【００４９】
尚、撮像素子アレイ３１６、ピンホールアレイ３１８、および、集光素子アレイ３２０は、それぞれ同数の行及び同数の列によって構成しなくてもよい。例えば、撮像素子アレイ３１６の撮像素子４２のみを数行数列のマトリックス状に配列して、ピンホールアレイ１８及び集光素子アレイ２０は、上述の実施形態と同様にＸ方向に延びる一列に配列してもよい。この場合、撮像素子アレイ３１６を固定して、ピンホールアレイ１８及び集光素子アレイ２０をＹ方向に移動させることにより、撮像することができる。
【００５０】
図１０は、ピンホールアレイのピンホールの配置を変更した実施形態の斜視図である。図１１は、図１０の実施形態におけるピンホールアレイ及び撮像素子アレイの平面図である。
【００５１】
図１０及び図１１に示すように、ピンホール４８１、４８２、４８３が遮光板４４６に３×３のマトリックス状に配置されている。尚、Ｘ方向及びＹ方向に配列するピンホール４８１、４８２、４８３の数は適宜変更してよい。ここで、Ｙ方向に延びる同じ列に配列されたピンホール４８１、４８２、４８３では、ピンホール４８１、４８２、４８３のＸ方向の位置が異なる。最も＋Ｙ側の列のピンホール４８１は、受光面４４の内側において、−Ｘ端部に配置されている。真ん中の列のピンホール４８２は、受光面４４の内側において、中心部に配置されている。最も−Ｙ側の列のピンホール４８３は、受光面４４の内側において、＋Ｘ端部に配置されている。即ち、ピンホール４８１、４８２、４８３は、−Ｙ側にいくに連れて、＋Ｘ側へと配置される。また、集光素子アレイ４２０の集光素子５０の凹部５２の中心が、ピンホール４８１、４８２、４８３の中心の＋Ｚ方向上となるように、各集光素子５０は配置される。
【００５２】
この実施形態において被写体を撮像する場合、まず、最も＋Ｙ側の列の撮像素子４２によって被写体を撮像する。次に、撮像素子４２のピッチと同じ距離だけＹ方向に、撮像素子アレイ１６、ピンホールアレイ４１８、及び、集光素子アレイ４２０を移動させる。この後、真ん中の列によって被写体が撮像される。次に、更に、撮像素子４２の一辺と同じ距離だけＹ方向に、撮像素子アレイ１６、ピンホールアレイ４１８、及び、集光素子アレイ４２０を移動させる。そして、最も−Ｙ側の列の撮像素子４２によって撮像する。これにより、被写体の同じ場所をＸ方向の位置が異なる３つのピンホール４８１、４８２、４８３を介して撮像するので、Ｘ方向の解像度を３倍に向上させることができる。
【００５３】
尚、上述した撮像素子アレイ、ピンホールアレイ、及び、集光素子アレイの配置は一例であり、適宜変更してよい。
【００５４】
図１２は、波長変換部を更に備えた撮像装置を説明する図である。光源１４は、撮像素子４２によって電気信号に変換不能な紫外線等の光を照射する。この場合、図１２に示すように、撮像素子アレイ１６とピンホールアレイ１８との間に、波長変換部７０を設けてもよい。波長変換部７０は、撮像素子４２が電気信号に変換不能な光を、撮像素子４２が電気信号に変換可能な波長の光に変換する。尚、光源１４が照射する紫外線以外の光を撮像素子４２が電気信号に変換可能な光に変換する波長変換部７０であってもよい。尚、波長変換部７０を構成する材料として、セラミック結晶にＥｕ（ユウロピウム）またはＣｅ（セリウム）などの金属を添加した材料を適用することができる。
【００５５】
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
【００５６】
特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。
【００５７】
例えば、上述した撮像素子アレイ１６、ピンホールアレイ１８、及び、集光素子アレイ２０の配列数は適宜変更してもよい。
【００５８】
カラー撮像モードにおいて、上述の実施形態では異なる色の光を時分割して照射することによって実現したが下記の異なる方法によってもカラー撮像はできる。例えば、撮像素子アレイ１６に含まれる撮像素子４２を３つのグループに分けてもよい。この場合、赤色の光源と赤色の光を受光可能な撮像素子と、緑色の光源と緑色の光を受光可能な撮像素子と、青色の光源と青色の光を受光可能な撮像素子とを設けることによって、カラー画像を撮像してもよい。また、フォビオン（Ｆｏｖｅｏｎ）方式のように、１個の撮像素子に三層の受光層を設け、各受光層で異なる色の光を受光するように構成してもよい。例えば、最上層の受光層で最も吸収されやすい青色の光を受光して、次の受光層で緑色の光を受光して、最下層の受光層で最も吸収されにくい赤色の光を受光するように構成してもよい。
【００５９】
また、被写体３９の全部または一部に蛍光材料を含ませてもよい。この場合、光源１４は、被写体３９に含まれた蛍光材料を蛍光させる光を集光素子アレイ２０に照射する。これにより、被写体３９の全部または一部が、集光素子アレイ２０により集光された光によって蛍光された状態で撮像される。尚、光源１４から照射される光は、蛍光材料を２光子励起可能な光であってもよい。この場合、被写体３９の破損を抑制できる。
【００６０】
また、上述の実施形態では、撮像素子アレイ１６、ピンホールアレイ１８、集光素子アレイ２０を移動させつつ撮像したが、被写体３９を移動させつつ撮像してもよい。この場合、被写体ケース３６とともに、被写体３９を移動させてもよく、水流等によって被写体３９を被写体ケース３６の内部で、ピンホール４８の配列方向と交差する方向に移動させてもよい。
【符号の説明】
【００６１】
１０ 撮像装置
１２ ベース
１４ 光源
１６ 撮像素子アレイ
１８ ピンホールアレイ
２０ 集光素子アレイ
２２ スペーサ
２４ ＸＹ方向駆動部
２６ Ｚ方向駆動部
２８ 被写体保持部
３０ 画像出力部
３２ 制御部
３４ 脚部
３６ 被写体ケース
３８ 脚部
３９ 被写体
４０ 被写体領域
４２ 撮像素子
４４ 受光面
４６ 遮光板
４８ ピンホール
５０ 集光素子
５２ 凹部
５４ 焦点深度
７０ 波長変換部
１２０ 集光素子アレイ
１５０ 集光素子
１５１ レンズ部
１５４ 焦点深度
２２０ 集光素子アレイ
２５０ 集光素子
２６０ 位相格子部材
２６２ 零領域
２６４ π領域
３１６ 撮像素子アレイ
３１８ ピンホールアレイ
３２０ 集光素子アレイ
４１８ ピンホールアレイ
４２０ 集光素子アレイ
４４６ 遮光板
４８１ ピンホール
４８２ ピンホール
４８３ ピンホール
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被写体が配される被写体領域の一方側に配され、受光面での受光量に応じた電気信号を出力する撮像素子が複数個整列した撮像素子アレイと、
前記被写体領域の前記一方側において、前記撮像素子アレイの各々の前記撮像素子に対応して前記受光面側に配され、前記撮像素子の前記受光面の面積よりも小さいピンホールを複数個整列したピンホールアレイと、
前記被写体領域の他方側において、前記ピンホールアレイの各々の前記ピンホールに対応して配され、前記ピンホールに集光する集光素子が複数配列した集光素子アレイと
を備え、
前記被写体および前記ピンホールアレイの少なくともいずれか一方を移動させつつ前記撮像素子アレイにより複数の画像を撮像して出力する撮像装置。
【請求項２】
前記集光素子の焦点深度内に前記被写体領域が配される
請求項１に記載の撮像装置。
【請求項３】
前記ピンホールが前記集光素子の焦点深度内に配される
請求項１または２に記載の撮像装置。
【請求項４】
前記撮像素子アレイ、前記ピンホールアレイ、および、前記集光素子アレイが一体的に前記被写体に対して移動しつつ、前記撮像素子アレイにより撮像する
請求項１〜３のいずれかに記載の撮像装置。
【請求項５】
前記ピンホールを、前記撮像素子の前記受光面内で移動させつつ、前記撮像素子アレイにより複数の画像を撮像する
請求項１〜４のいずれかに記載の撮像装置。
【請求項６】
前記被写体に含まれた蛍光材料を蛍光させる光を前記集光素子アレイに照射する光源を更に備える
請求項１〜５のいずれかに記載の撮像装置。
【請求項７】
異なる３色の光を照射する光源を更に備える
請求項１〜５のいずれかに記載の撮像装置。
【請求項８】
前記撮像素子が電気信号に変換不能な光を照射する光源と、
前記撮像素子と前記ピンホールとの間に配され、前記撮像素子が電気信号に変換可能な波長の光に変換する波長変換部を更に備える
請求項１〜５のいずれかに記載の撮像装置。
【請求項１】
被写体が配される被写体領域の一方側に配され、受光面での受光量に応じた電気信号を出力する撮像素子が複数個整列した撮像素子アレイと、
前記被写体領域の前記一方側において、前記撮像素子アレイの各々の前記撮像素子に対応して前記受光面側に配され、前記撮像素子の前記受光面の面積よりも小さいピンホールを複数個整列したピンホールアレイと、
前記被写体領域の他方側において、前記ピンホールアレイの各々の前記ピンホールに対応して配され、前記ピンホールに集光する集光素子が複数配列した集光素子アレイと
を備え、
前記被写体および前記ピンホールアレイの少なくともいずれか一方を移動させつつ前記撮像素子アレイにより複数の画像を撮像して出力する撮像装置。
【請求項２】
前記集光素子の焦点深度内に前記被写体領域が配される
請求項１に記載の撮像装置。
【請求項３】
前記ピンホールが前記集光素子の焦点深度内に配される
請求項１または２に記載の撮像装置。
【請求項４】
前記撮像素子アレイ、前記ピンホールアレイ、および、前記集光素子アレイが一体的に前記被写体に対して移動しつつ、前記撮像素子アレイにより撮像する
請求項１〜３のいずれかに記載の撮像装置。
【請求項５】
前記ピンホールを、前記撮像素子の前記受光面内で移動させつつ、前記撮像素子アレイにより複数の画像を撮像する
請求項１〜４のいずれかに記載の撮像装置。
【請求項６】
前記被写体に含まれた蛍光材料を蛍光させる光を前記集光素子アレイに照射する光源を更に備える
請求項１〜５のいずれかに記載の撮像装置。
【請求項７】
異なる３色の光を照射する光源を更に備える
請求項１〜５のいずれかに記載の撮像装置。
【請求項８】
前記撮像素子が電気信号に変換不能な光を照射する光源と、
前記撮像素子と前記ピンホールとの間に配され、前記撮像素子が電気信号に変換可能な波長の光に変換する波長変換部を更に備える
請求項１〜５のいずれかに記載の撮像装置。
【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２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１２−６５２６８（Ｐ２０１２−６５２６８Ａ）
【公開日】平成２４年３月２９日（２０１２．３．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２０９８４８（Ｐ２０１０−２０９８４８）
【出願日】平成２２年９月１７日（２０１０．９．１７）
【出願人】（０００００４１１２）株式会社ニコン (12,601)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年３月２９日（２０１２．３．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年９月１７日（２０１０．９．１７）
【出願人】（０００００４１１２）株式会社ニコン (12,601)
【Ｆターム（参考）】
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