光学元件、光学装置及摄像装置的制作方法

1.本发明涉及一种用于拍摄多光谱图像的光学元件、光学装置及摄像装置。


背景技术：

2.专利文献1中记载了一种具有旋转对称地配置的滤色器的色轮及使用该色轮的投射装置。并且，专利文献2中记载了一种具备第1～第3滤波区域的滤色器。第3滤波区域相对于中心对称地配置。并且，专利文献3中记载了一种在扇形区域配置有偏振滤波器的偏振滤色片及具备该滤色片的摄像装置。进而，如专利文献4中记载那样，像偏离量根据开口的重心位置而增减。
3.以往技术文献
4.专利文献
5.专利文献1：日本特开2016-177060号公报
6.专利文献2：日本特开2016-102733号公报
7.专利文献3：日本专利6124079号公报
8.专利文献4：日本特开2013-57761号公报


技术实现要素：

9.本发明的技术所涉及的一个实施方式提供一种能够获取画质良好的多光谱图像的光学元件、光学装置及摄像装置。
10.用于解决技术课题的手段
11.本发明的第1方式所涉及的光学元件具备：框体，具有多个开口区域；及多个滤光器，安装于多个开口区域，并且包括透射光的波段不同的至少两种滤波器，其中，关于至少两种滤波器，开口区域的重心的位置一致。
12.第2方式所涉及的光学元件在第1方式中，重心为由开口区域生成的像的重心。
13.第3方式所涉及的光学元件在第1或第2方式中，多个滤光器安装于具有与波段相应的开口面积的开口区域。
14.第4方式所涉及的光学元件在第3方式中，多个滤光器中，波段的中心的波长越长的滤波器安装于开口面积越大的开口区域的方式安装。
15.第5方式所涉及的光学元件在第1至第4方式中的任一方式中，框体具有从正面观察框体时与重心一致的特征点，开口区域越位于远离特征点的位置，开口面积越小。
16.第6方式所涉及的光学元件在第1至第5方式中的任一方式中，关于至少一个波段，波段为相同的多个滤光器分别安装于多个开口区域。
17.第7方式所涉及的光学元件在第1至第6方式中的任一方式中，多个开口区域按安装的滤光器的每个波段具有不同的开口形状，多个滤光器按每个波段具有不同的形状，该形状与开口形状对应。
18.第8方式所涉及的光学元件在第1至第7方式中的任一方式中，在多个开口区域中，
多个滤光器的至少一组具有两种以上的波段。
19.第9方式所涉及的光学元件在第1至第8方式中的任一方式中，还具备偏振方向不同的多个偏振滤波器。
20.第10方式所涉及的光学元件在第9方式中，偏振方向按每个波段为相同。
21.第11方式所涉及的光学装置具备：第1至第8方式中的任一方式所涉及的光学元件；及透镜，使被摄体的光学像成像，光学元件以使重心与透镜的光轴一致的方式配置于透镜的光瞳位置。
22.第12方式所涉及的光学装置在第11方式中，还具备偏振方向不同的多个偏振滤波器，多个偏振滤波器中偏振方向相同的偏振滤波器配置于安装有波段相同的滤光器的开口区域。
23.第13方式所涉及的光学装置在第12方式中，光学元件和多个偏振滤波器中的至少一者被插入到入射于透镜的光的光路上或从光路退避。
24.第14方式所涉及的摄像装置具备：第11至第13方式中的任一方式所涉及的光学装置；成像元件，包括选择性地接收透射了多个滤光器中的任意滤光器的光的多个像素组；及信号处理部，根据从成像元件输出的信号来生成与多个滤光器的波段分别对应的多个图像。
25.第15方式所涉及的摄像装置在第14方式中，成像元件在像素上具备透射波段不同的多种滤光器和透射偏振方向不同的多种偏振部。
附图说明
26.图1是表示第1实施方式所涉及的摄像装置的概略结构的图。
27.图2是表示带通滤波器单元的结构的主视图。
28.图3是表示偏振滤波器单元的结构的主视图。
29.图4是表示开口形状与散焦时的画质之间的关系的图。
30.图5是表示开口形状与散焦时的画质之间的关系的另一图。
31.图6是表示开口形状与散焦时的画质之间的关系的又一图。
32.图7是表示开口形状与散焦时的画质之间的关系的又一图。
33.图8是表示开口形状与散焦时的画质之间的关系的又一图。
34.图9是表示开口形状与散焦时的画质之间的关系的又一图。
35.图10是表示开口形状与散焦时的画质之间的关系的又一图。
36.图11是表示开口形状与散焦时的画质之间的关系的又一图。
37.图12是表示开口形状与散焦时的画质之间的关系的又一图。
38.图13是表示成像元件的像素的排列的图。
39.图14是表示成像元件的结构的图。
40.图15是表示成像元件的结构的剖视图。
41.图16是表示偏振滤波元件的排列图案的图。
42.图17是表示光谱滤波元件的排列图案的图。
43.图18是表示光谱滤波元件的透射波长特性的图。
44.图19是表示信号处理部的概略结构的框图。
45.图20是图像生成的概念图。
46.图21是表示遮光板的结构的图。
47.图22是通过摄像装置进行的图像生成的概念图。
48.图23是表示带通滤波器单元的另一方式的图。
49.图24是表示带通滤波器单元的又一方式的图。
50.图25是表示带通滤波器单元的又一方式的图。
51.图26是表示带通滤波器单元的又一方式的图。
52.图27是表示带通滤波器单元的又一方式的图。
53.图28是表示现有技术中的散焦时的像偏离的状况的图。
具体实施方式
54.本发明所涉及的光学元件、光学装置及摄像装置的制造方法的一个实施方式如下。在说明中，根据需要参考附图。
55.《第1实施方式》
56.《摄像装置的结构》
57.图1是表示第1实施方式所涉及的摄像装置的概略结构的图。第1实施方式所涉及的摄像装置1(摄像装置)为拍摄4频带的多光谱图像的摄像装置，其主要具备摄像光学系统10(光学装置)、成像元件100(成像元件)及信号处理部200(信号处理部)。
58.《摄像光学系统》
59.摄像光学系统10通过组合多个使被摄体的光学像成像的透镜12(透镜)而构成，其光路中具有带通滤波器单元16(光学元件)及偏振滤波器单元18(偏振滤波器)。带通滤波器单元16及偏振滤波器单元18在透镜12的光轴l与带通滤波器单元16及偏振滤波器单元18的光轴重合的状态(框体19的重心19g及框体20的重心20g与透镜12的光轴l重合的状态)下配置于透射透镜12的光的光路上(例如，光瞳位置或其附近)。并且，摄像光学系统10具有未图示的焦点调节机构。焦点调节机构通过使摄像光学系统10所包括的聚焦透镜沿着光轴l前后移动来调节焦点。
60.《带通滤波器单元的结构》
61.图2是带通滤波器单元16的主视图。如图2的(a)部分所示，带通滤波器单元16具备框体20(框体)和带通滤波器50a～50d(滤光器)。带通滤波器50a～50d分别安装在形成于框体20的开口区域52a～52d(多个开口区域；参考图2的(b)部分)。另外，开口区域52b～52d分别由多个(两个)开口构成，而在这些开口区域52b～52d分别安装有透射光的波段相同的带通滤波器50b～50d。并且，关于带通滤波器50a～50d，开口区域52b～52d的重心与框体20的重心20g一致。
62.在第1实施方式中，带通滤波器50a～50d的透射光的波段分别可以为近红外、红色、绿色、蓝色。即，带通滤波器50a～50d包括透射光的波段不同的至少两种滤波器。另外，带通滤波器的透射光的波段并不限定于上述组合，可以根据想要获取的图像的光谱来选择波段。
63.另外，上述带通滤波器50a～50d分别使一种波长的光透射，但也可以使带通滤波器中的至少一组具有两种以上的波段。多个带通滤波器中，至少一组带通滤波器可以具有
两种以上的波段。在此，“一组”是指开口区域52b～52d的重心与重心20g一致的组合，例如为带通滤波器50b。另外，在重心20g处存在开口区域时的一组例如是指带通滤波器50a。并且，“具有两种以上的波段”是指透射的波段为两种以上，例如，在带通滤波器50b中透射红色和蓝色这两种波段的情况适用于此。
64.如图2的(b)部分所示，框体20具有多个开口区域52a～52d。开口区域52a为包围框体20的重心20g的单一的开口区域，开口区域52b～52d为相对于框体20的重心20g对称地配置的多个开口区域。具体而言，两个开口区域52b相对于重心20g(特征点)对称地配置，两个开口区域52c相对于重心20g对称地配置，两个开口区域52d相对于重心20g对称地配置。
65.并且，开口区域52a～52d的重心(对于如开口区域52b～52d那样具有多个开口的开口区域而言是针对所有多个开口的重心)的位置一致。但是，重心的位置也可以不必针对所有开口区域一致，只要针对至少两种开口区域一致即可。并且，当从正面观察框体20时，与开口区域对应地生成的像的重心与开口区域的重心(特征点)重合。另外，针对开口区域生成的像的重心是指位于摄像光学系统的光轴上的对焦位置。
66.带通滤波器50a～50d安装于具有对应于透射光的波段的开口面积的开口区域。即，波段的中心的波长越长的滤波器安装于开口面积越大的开口区域。并且，带通滤波器50a～50d中，越远离框体20的重心20g安装的滤波器安装于开口面积越小的开口区域。这些开口区域越位于远离框体的特征点即重心(从正面观察框体时与被摄体像的重心重合)的位置，开口面积越小。
67.在第1实施方式中，开口区域52a～52d中，开口面积按开口区域52a～52d的顺序变小。并且，开口区域52a与重心20g之间的距离(开口区域的重心与重心20g之间的距离)最近(距离为零)，之后，以开口区域52b～52d的顺序远离重心20g。因此，透射光的波段的中心的波长最长的带通滤波器50a(近红外光用)安装于开口面积最大且距重心20g的距离最近的开口区域52a。以下，同样地，带通滤波器50b(红色光用)、50c(绿色光用)、50d(蓝色光用)分别安装于远离重心20g且开口面积小的开口区域52b～52d。
68.《偏振滤波器单元的结构》
69.图3是偏振滤波器单元18的主视图。上述带通滤波器单元和偏振滤波器单元18中的至少一个通过未图示的操作机构插入到入射于透镜12(摄像光学系统10)的光的光路上或从光路退避。偏振滤波器单元18具有以重心19g为重心的框体19，该框体19具有位置、大小及形状与上述开口区域52a～52d对应的开口区域19a～19d(参考图3的(a)部分)。与上述开口区域52a～52d相同地，开口区域19a为包围框体19的重心19g的单一的开口区域，开口区域19b～19d为相对于重心19g对称地配置的多个开口区域。并且，在开口区域19a～19d安装有偏振滤波器21a～21d(参考图3的(b)部分)。偏振滤波器21a～21d为偏振方向不同的多个偏振滤波器。当将开口区域19a～19d中的偏振方向(偏振角度)分别设为θ1～θ4时，例如可以为θ1＝0deg、θ2＝45deg、θ3＝90deg、θ4＝135deg。
70.另外，偏振滤波器21a～21d中，偏振方向相同的偏振滤波器配置于安装有波段相同的带通滤波器的开口区域。具体而言，两个偏振滤波器21b(偏振方向均为45deg而相同)安装于与两个开口区域52b(安装有带通滤波器50b)对应的两个开口区域19b。并且，两个偏振滤波器21c(偏振方向均为90deg而相同)安装于与两个开口区域52c(安装有带通滤波器50c)对应的两个开口区域19c。进而，两个偏振滤波器21d(偏振方向均为135deg而相同)安
装于与两个开口区域52d(安装有带通滤波器50d)对应的两个开口区域19d。即，偏振方向针对每个波段相同。
71.《光瞳分割》
72.摄像光学系统10根据上述结构的带通滤波器单元16及偏振滤波器单元18将光瞳区域分割为四个光瞳区域z1～z4(参考图2、图3)(光瞳分割)。光瞳区域z1与带通滤波器50a、开口区域52a、开口区域19a及偏振滤波器21a对应。光瞳区域z2与带通滤波器50b、开口区域52b、开口区域19b及偏振滤波器21b对应。光瞳区域z3与带通滤波器50c、开口区域52c、开口区域19c及偏振滤波器21c对应。光瞳区域z4与带通滤波器50d、开口区域52d、开口区域19d及偏振滤波器21d对应。
73.《现有技术中的散焦时的像偏离》
74.在此，对现有技术中的散焦时的像偏离进行说明。考虑利用图28的(b)部分所示的带通滤波器单元91及未图示的摄影光学系统拍摄图28的(a)部分所示的被摄体90(字母“a”的形状)。带通滤波器单元91为在框体92上安装有透射波段不同的四个带通滤波器90r、90g、90m、90b的滤波器单元。
75.如图28的(c)部分所示，将被摄体90在带通滤波器单元91及摄影光学系统的光轴上对焦的位置设为点q0，将比点q0更靠近被摄体90的位置设为点q1，将比点q0更远离被摄体90的位置设为点q2。在该情况下，如图28的(d)部分所示，如被摄体像93那样，在点q0处不会发生像偏离。相对于此，点q1处的被摄体像94与带通滤波器90r、90g、90m、90b的透射波段对应地生成像偏离的四个被摄体像94r、94g、94m、94b。同样地，点q2处的被摄体像95与带通滤波器90r、90g、90m、90b的透射波段对应地生成像偏离的四个被摄体像95r、95g、95m、95b(偏离方向与被摄体像94相反)。然而，现有技术并不是抑制这种散焦时的像偏离的技术。
76.《开口区域的面积及配置带来的影响》
77.在此，对开口区域的形状、配置以及配置与散焦及像偏离之间的关系进行说明。具体而言，对设想使用各种开口及未图示的摄影光学系统来拍摄被摄体(具有字母“a”的形状的物体及点光源)的情况的模拟的结果进行说明。
78.《事例1：没有重心偏离的开口的情况》
79.图4是表示使用开口1001时的结果的图。开口1001为圆形，其重心1001g位于摄像光学系统的光轴上。在图4的上段，符号1011a的部分表示对焦状态的被摄体像(上述物体及点光源的像，右上部分为点光源的像；在事例1～9中相同)，随着向图的右侧前进表示远离对焦位置的位置(摄影光学系统的光轴上的位置)上的被摄体像。随着远离对焦位置，被摄体像逐渐变得模糊(散焦)。另一方面，图4的下段是表示位于与图4的上段相同的位置上的点光源的像的亮度分布的曲线图。例如，符号1021a的部分为位于与符号1011a相同的位置(对焦位置)时的曲线图。随着远离对焦位置，亮度分布的宽度变宽，并且逐渐变得平缓。
80.《事例2：存在重心偏离的开口的情况》
81.图5是表示使用开口1002时的结果的图。开口1002为扇形，其重心1002g偏离摄像光学系统的光轴。在这种事例中，被摄体像对应于散焦而位移。例如，如符号1012b那样，只要略微脱离对焦状态(用符号1012a、1022a表示)，亮度的峰也会向图(符号1022b的曲线图)的左侧位移。另外，用曲线图中的点线表示对焦状态下的亮度的峰(在以下事例中相同)。
82.《事例3：重心对齐的多个开口的情况(开口尺寸：中)》
83.图6是表示使用开口1003时的结果的图。开口1003由两个扇形区域构成，其重心1003g位于摄像光学系统的光轴上。在这种事例的情况下，被摄体像在略微脱离对焦状态(用符号1013a、1023a表示)的状态(符号1013b、1023b)下是不会位移的。然而，当从对焦状态的偏离量变大时(自符号1013c、1023c起右侧的状态)，被摄体像与开口1003的两个区域分别对应地位移，从而被摄体像会变为双重(与产生两个亮度的峰的状态对应)。
84.《事例4：重心对齐的多个开口的情况(开口尺寸：小)》
85.图7是表示使用开口1004时的结果的图。与图6所示的开口1003相同地，开口1004由两个扇形区域构成，其重心1004g位于摄像光学系统的光轴上，但开口面积小于开口1003。在这种事例的情况下，脱离对焦状态(用符号1014a、1024a表示)的状态下的被摄体像比事例3更容易在保持清晰的状态同时位移。例如，即使在最远离对焦状态的位置(用符号1014h、1024h表示)，被摄体像(图的上段)也会比事例3更清晰，亮度的曲线图中的峰也更明显。
86.《事例5：多个纵形开口的情况(开口尺寸：大)》
87.图8是表示使用开口1005时的结果的图。开口1005由沿着图的上下方向扩展的两个纵形区域构成，其重心1005g位于摄像光学系统的光轴上。在这种开口的情况下，也与两个扇形开口(事例3、4)的情况相同地，被摄体像随着远离对焦状态(用符号1015a、1025a表示)(对应于散焦)逐渐位移，在自用符号1015c、1025c表示的状态起右侧的状态下产生重影。
88.《事例6：多个纵形开口的情况(开口尺寸：中)》
89.图9是表示使用开口1006时的结果的图。与事例5中的开口1005相同地，开口1006由沿着图的上下方向扩展的两个纵形区域构成，其重心1006g位于摄像光学系统的光轴上，但开口面积小于开口1005。在这种开口的情况下，被摄体像也会随着远离对焦状态(用符号1016a、1026a表示)而逐渐位移，但被摄体像的二重性的程度比事例5的情况降低。例如，在事例5的符号1015c、1025c所示的状态下产生了重影(参考图8)，但在事例6中的与此对应的状态(从对焦状态的偏离量相同；在图9中，符号1016c、1026c所示的状态)下未产生重影(亮度的曲线图的峰为一个)。
90.《事例7：多个纵形开口的情况(开口尺寸：小)》
91.图10是表示使用开口1007时的结果的图。与上述开口1005、1006相同地，开口1007也由沿着图的上下方向扩展的两个纵形的区域构成，其重心1007g位于摄像光学系统的光轴上，但开口面积小于开口1005、1006。在这种开口的情况下，被摄体像也会随着远离对焦状态(用符号1017a、1027a表示)而逐渐位移，但被摄体像的二重性的程度比事例5、6的情况进一步降低。具体而言，在事例7中，在自符号1017e、1027e所示的状态起右侧(进一步散焦的状态)产生重影。
92.《事例8：将纵形开口靠拢到中心部的情况(开口尺寸：中)》
93.图11是表示使用开口1008时的结果的图。开口1008具有与事例6中的开口1006相同的形状及大小，但将两个开口比事例6的情况更靠近(重心1008g的附近)配置。在这种开口的情况下，被摄体像也会随着远离对焦状态(用符号1018a、1028a表示)而逐渐位移，但被摄体像的二重性的程度比事例6的情况降低。具体而言，在事例8中，在自符号1018e、1028e所示的状态起右侧(进一步散焦的状态)产生重影。
94.《事例9：将单一的纵形开口配置于中心部的情况》
95.图12是表示使用开口1009时的结果的图。开口1009为其重心1009g与摄像光学系统的光轴中心重合的单一的开口。在这种开口的情况下，与事例1的开口1001的情况相同地，即使远离对焦状态(用符号1019a、1029a表示)，被摄体像也不会发生位移，从而不会产生重影。
96.《汇总事例1～9》
97.由事例1～9可知，通过使针对透镜的中心部(靠近摄影光学系统的光轴的部分)的开口较大且使周边部的开口较小，能够在较宽的散焦范围内(在脱离对焦状态的程度较大的位置)抑制被摄体像发生位移且产生重影。在本发明所涉及的光学元件、摄像光学系统及摄像装置中，通过考虑这一点来设定开口的形状大小及配置，能够抑制散焦时的被摄体像位移(像偏离)，从而获取画质良好的多光谱图像。
98.《成像元件的结构》
99.图13是表示成像元件的像素排列的概略结构的图。如图13所示，成像元件100在其受光面上具有多种像素(像素p1～像素p16)。这些像素p1～像素p16沿着水平方向(x轴方向)及垂直方向(y轴方向)以规定间距有规律地排列。在第1实施方式所涉及的摄像装置1中，成像元件100由相邻的16个(4
×
4个)像素p1～像素p16构成一个像素块pb(x，y)，并且该像素块pb(x，y)沿着水平方向(x轴方向)及垂直方向(y轴方向)有规律地排列。(x，y)分别表示x轴方向、y轴方向上的位置。
100.图14是表示成像元件100的概略结构的图。并且，图15是表示一个像素(图14的虚线部分)的概略结构的剖视图。成像元件100具有像素阵列层110、偏振滤波元件阵列层120(偏振部)、光谱滤波元件阵列层130(滤光器)及微透镜阵列层140。即，成像元件100在像素上具备透射波段不同的多种滤光器和透射偏振方向不同的多种偏振部。各层从像面侧朝向物体侧依次配置有像素阵列层110、偏振滤波元件阵列层120、光谱滤波元件阵列层130、微透镜阵列层140。
101.像素阵列层110通过二维地排列多个光电二极管112而构成。一个光电二极管112构成一个像素。各光电二极管112沿着水平方向(x方向)及垂直方向(y方向)有规律地配置。偏振滤波元件阵列层120通过二维地排列所透射的光的偏振方向不同的四种偏振滤波元件122a～122d而构成。各偏振滤波元件122a～122d以与光电二极管112相同的间隔配置，并且针对每个像素设置。在各像素块pb(x，y)中，有规律地排列有各偏振滤波元件122a～122d。
102.图16是表示一个像素块中的偏振滤波元件的排列图案的一例的图。如图16所示，在第1实施方式所涉及的摄像装置1中，像素p1、像素p3、像素p9、像素p11中设置有偏振滤波元件122a。并且，像素p2、像素p4、像素p10、像素p12中设置有偏振滤波元件122b。并且，像素p3、像素p7、像素p13、像素p15中设置有偏振滤波元件122c。并且，像素p4、像素p8、像素p14、像素p16中设置有偏振滤波元件122d。
103.各偏振滤波元件122a～122d使偏振方向互不相同的光透射。具体而言，偏振滤波元件122a使偏振方向θa(例如，θa＝45
°
)的光透射。偏振滤波元件122b使偏振方向θb(例如，θb＝90
°
)的光透射。偏振滤波元件122c使偏振方向θc(例如，θa＝135
°
)的光透射。偏振滤波元件122d使偏振方向θd(例如，θd＝0
°
)的光透射。
104.光谱滤波元件阵列层130通过二维地排列透射波长特性不同的四种光谱滤波元件
132a～132d而构成。各光谱滤波元件132a～132d以与光电二极管112相同的间隔配置，并且针对每个像素设置。在各像素块pb(x，y)中，有规律地排列有各光谱滤波元件132a～132d。
105.图17是表示一个像素块中的光谱滤波元件的排列图案的一例的图。如图17所示，在第1实施方式所涉及的摄像装置1中，像素p1、像素p2、像素p5及像素p6中设置有光谱滤波元件132a。并且，像素p3、像素p4、像素p7及像素p8中设置有光谱滤波元件132b。并且，像素p9、像素p10、像素p13及像素p14中设置有光谱滤波元件132c。并且，像素p11、像素p12、像素p15及像素p16中设置有光谱滤波元件132d。
106.图18是表示各光谱滤波元件的透射波长特性的一例的曲线图。在图18中，a表示光谱滤波元件132a的透射波长特性。b表示光谱滤波元件132b的透射波长特性。c表示光谱滤波元件132c的透射波长特性。d表示光谱滤波元件132d的透射波长特性。各光谱滤波元件132a～132d具有互不相同的透射波长特性。另外，图18中示出了光谱滤波元件132a由使蓝色(blue，b)的光透射的光谱滤波元件构成、光谱滤波元件132b由使绿色(green，g)的光透射的光谱滤波元件构成、光谱滤波元件132c由使红色(red，r)的光透射的光谱滤波元件构成、光谱滤波元件132d由使红外光(infrared，ir)透射的光谱滤波元件构成时的例子。
107.在此，如图18所示，上述带通滤波器50a～50d允许透射的光的波段λ1～λ4设定在光谱滤波元件132a～132d允许透射的波段的范围内。即，各带通滤波器50a～50d允许透射的光的波段λ1～λ4设定在各光谱滤波元件132a～132d允许透射的波段重叠的区域。换言之，各光谱滤波元件132a～132d的透射波段设定为覆盖摄像各带通滤波器50a～50d的透射波段。因此，各光谱滤波元件132a～132d使用使宽带的光透射的滤波器。
108.微透镜阵列层140通过二维地排列多个微透镜142而构成。各微透镜142以与光电二极管112相同的间隔配置，并且针对每个像素设置。微透镜142以将来自摄像光学系统10的光高效地会聚于光电二极管112上为目的而设置。
109.如上构成的成像元件100中，各像素块pb(x，y)中的各像素p1～p16如下接收来自摄像光学系统10的光。
110.即，像素p1经由光谱滤波元件132a(透射波长特性a)及偏振滤波元件122a(偏振方向θa)接收来自摄像光学系统10的光。并且，像素p2经由光谱滤波元件132a(透射波长特性a)及偏振滤波元件122b(偏振方向θb)接收来自摄像光学系统10的光。并且，像素p3经由光谱滤波元件132b(透射波长特性b)及偏振滤波元件122a(偏振方向θa)接收来自摄像光学系统10的光。并且，像素p4经由光谱滤波元件132b(透射波长特性b)及偏振滤波元件122b(偏振方向θb)接收来自摄像光学系统10的光。并且，像素p5经由光谱滤波元件132a(透射波长特性a)及偏振滤波元件122c(偏振方向θc)接收来自摄像光学系统10的光。并且，像素p6经由光谱滤波元件132a(透射波长特性a)及偏振滤波元件122d(偏振方向θd)接收来自摄像光学系统10的光。并且，像素p7经由光谱滤波元件132b(透射波长特性b)及偏振滤波元件122c(偏振方向θc)接收来自摄像光学系统10的光。并且，像素p8经由光谱滤波元件132b(透射波长特性b)及偏振滤波元件122d(偏振方向θd)接收来自摄像光学系统10的光。并且，像素p9经由光谱滤波元件132c(透射波长特性c)及偏振滤波元件122a(偏振方向θa)接收来自摄像光学系统10的光。并且，像素p10经由光谱滤波元件132c(透射波长特性c)及偏振滤波元件122b(偏振方向θb)接收来自摄像光学系统10的光。并且，像素p11经由光谱滤波元件132d(透射波长特性d)及偏振滤波元件122a(偏振方向θa)接收来自摄像光学系统10的光。并且，
像素p12经由光谱滤波元件132d(透射波长特性d)及偏振滤波元件122b(偏振方向θb)接收来自摄像光学系统10的光。并且，像素p13经由光谱滤波元件132c(透射波长特性c)及偏振滤波元件122c(偏振方向θc)接收来自摄像光学系统10的光。并且，像素p14经由光谱滤波元件132c(透射波长特性c)及偏振滤波元件122d(偏振方向θd)接收来自摄像光学系统10的光。并且，像素p15经由光谱滤波元件132d(透射波长特性d)及偏振滤波元件122c(偏振方向θc)接收来自摄像光学系统10的光。并且，像素p16经由光谱滤波元件132d(透射波长特性d)及偏振滤波元件122d(偏振方向θd)接收来自摄像光学系统10的光。
111.如此，像素p1～p16通过具有互不相同的光学特性而分别接收不同特性(波段及偏振方向)的光。即，像素p1～p16构成通过光谱滤波元件及偏振滤波元件选择性地接收透射了带通滤波器50a～50d(多个滤光器)中的任一个的光的多个像素组。
112.[信号处理部的结构]
[0113]
信号处理部200(信号处理部)通过对从成像元件100输出的信号进行处理来生成4频带的多光谱图像的图像数据。即，生成透射上述带通滤波器单元16的四种波段λ1～λ4的图像数据(与多个滤光器的波段分别对应的多个图像)。
[0114]
图19是表示信号处理部的概略结构的框图。如图19所示，信号处理部200包括模拟信号处理部200a、图像生成部200b及系数存储部200c。模拟信号处理部200a读入从成像元件100的各像素输出的模拟像素信号，实施信号处理(例如，相关双采样处理、扩增处理等)之后，转换为数字信号进行输出。图像生成部200b通过对转换为数字信号之后的像素信号实施信号处理来生成各波段(λ1～λ4)的图像数据。
[0115]
图20是图像生成的概念图。如上所述，各像素块pb(x，y)包括16个像素p1～p16。因此，通过从各像素块pb(x，y)中分离并提取各像素p1～p16的像素信号，可生成16个图像数据d1～d16。然而，在该16个图像数据d1～d16中发生了干扰(串扰)。即，由于各波段的光入射于各像素p1～p16，因此所生成的图像会成为混合有各波段的图像的图像。因此，图像生成部200b通过进行干扰去除处理来生成各波段(λ1～λ4)的图像数据。
[0116]
以下，对信号处理部200中进行的干扰去除处理进行说明。
[0117]
将由各像素块pb(x，y)的像素p1获得的像素信号(信号值)设为α1，以下，同样地将由像素p2～像素p16获得的像素信号分别设为α2～α16。从而，从各像素块pb(x，y)可获得16个像素信号α1～α16。图像生成部200b根据该16个像素信号α1～α16来计算与各波段λ1～λ4的光对应的四个像素信号β1～β4，去除干扰。具体而言，通过使用下述矩阵a的式1来计算与各波段λ1～λ4的光对应的四个像素信号β1～β4，去除干扰。
[0118]
[数式1]
[0119][0120]
[数式2]
[0121][0122]
另外，像素信号β1为与波段λ1的光对应的像素信号，像素信号β2为与波段λ2的光对应的像素信号，像素信号β3为与波段λ3的光对应的像素信号，像素信号β4为与波段λ4的光对应的像素信号。因此，由像素信号β1生成波段λ1的图像数据，由像素信号β2生成波段λ2的图像数据，由像素信号β3生成波段λ3的图像数据，由像素信号β4生成波段λ4的图像数据。以下，对能够通过上述式1去除干扰的理由进行说明。
[0123]
干扰因各波段λ1～λ4的光混入到各像素p1～p16中而发生。将从摄像光学系统10射出的各波段λ1～λ4的光被各像素p1～p16接收的比例(干扰比率)设为bij(i＝1～16、j＝1～4)。例如，b11为波段λ1的光被像素p1接收的比例，b12为波段λ2的光被像素p1接收的比例，b13为波段λ3的光被像素p1接收的比例，b14为波段λ4的光被像素p1接收的比例。以下，同样地定义b21～b164。该比例bij(b11～b164)根据带通滤波器单元16的带通滤波器50a～50d允许透射的光的波段λ1～λ4的设定、偏振滤波器21a～21d允许透射的光的偏振方向θ1～θ4的设定、成像元件100的各像素p1～p16的透射波长特性a～d(参考图18)及由成像元件100的各像素p1～p16接收的光的偏振方向θa～θc(参考图16)的设定唯一地确定，从而可以事先求出。
[0124]
以下关系在由各像素块pb(x，y)的各像素p1～p16获得的像素信号α1～α16和与各波段λ1～λ4的光对应的像素信号β1～β4之间成立。
[0125]
关于由像素p1获得的像素信号α1，“b11*β1+b12*β2+b13*β3+b14*β4＝α1
……
式2”成立(“*”为积算的符号)。
[0126]
关于由像素p2获得的像素信号α2，“b21*β1+b22*β2+b23*β3+b24*β4＝α2
……
式3”成立。
[0127]
关于由像素p3获得的像素信号α3，“b31*β1+b32*β2+b33*β3+b34*β4＝α3
……
式4”成立。
[0128]
关于由像素p4获得的像素信号α4，“b41*β1+b42*β2+b43*β3+b44*β4＝α4
……
式5”成立。
[0129]
关于由像素p5获得的像素信号α5，“b51*β1+b52*β2+b53*β3+b54*β4＝α5
……
式6”成立。
[0130]
关于由像素p6获得的像素信号α6，“b61*β仕b62*β2+b63*β3+b64*β4＝α6
……
式7”成立。
[0131]
关于由像素p7获得的像素信号α7，“b71*β1+b72*β2+b73*β3+b74*β4＝α7
……
式8”成立。
[0132]
关于由像素p8获得的像素信号α8，“b81*β1+b82*β2+b83*β3+b84*β4＝α8
……
式9”成立。
[0133]
关于由像素p9获得的像素信号α9，“b91*β1+b92*β2+b93*β3+b94*β4＝α9
……
式10”成立。
[0134]
关于由像素p10获得的像素信号α10，“b101*β1+b102*β2+b103*β3+b104*β4＝α10
……
式11”成立。
[0135]
关于由像素p11获得的像素信号α11，“b111*β1+b112*β2+b113*β3+b114*β4＝α11
……
式12”成立。
[0136]
关于由像素p12获得的像素信号α12，“b121*β1+b122*β2+b123*β3+b124*β4＝α12
……
式13”成立。
[0137]
关于由像素p13获得的像素信号α13，“b131*β1+b132*β2+b133*β3+b134*β4＝α13
……
式14”成立。
[0138]
关于由像素p14获得的像素信号α14，“b141*β1+b142*β2+b143*β3+b144*β4＝α14
……
式15”成立。
[0139]
关于由像素p15获得的像素信号α15，“b151*β1+b152*β2+b153*β3+b154*β4＝α15
……
式16”成立。
[0140]
关于由像素p16获得的像素信号α16，“b161*β1+b162*β2+b163*β3+b164*β4＝α16
……
式17”成立。
[0141]
在此，上述式2～17的联立方程式可以由使用矩阵b的下述式18表示。
[0142]
[数式3]
[0143][0144]
[数式4]
[0145][0146]
式2～17的联立方程式的解即β1～β4可通过在式18的两边乘以矩阵b的逆矩阵b-1
来计算。
[0147]
[数式5]
[0148][0149]
如此，与各波段λ1～λ4对应的像素信号β1～β4可以根据从摄像光学系统10射出的各波段λ1～λ4的光被像素块pb(x，y)的各像素p1～p16接收的比例由各像素p1～p16的信号
值(像素信号α1～α16)计算。
[0150]
上述式1中，将式19的逆矩阵b-1
设为a(b-1
＝a)。因此，式1中的矩阵a的各要素aij可以通过求出矩阵b的逆矩阵b-1
来获取。
[0151]
系数存储部200c存储用于进行干扰去除处理的矩阵a的各要素aij作为系数组。
[0152]
《遮光板》
[0153]
另外，矩阵a的各要素可以根据将图21所示的遮光板中的任一个插入到摄像光学系统10的光路上进行拍摄而得的结果来计算。图21的(a)部分所示的遮光板40中，与安装于带通滤波器单元16的带通滤波器50a(参考图2)对应的部分为开口40a，与其他带通滤波器50b～50d对应的部分被屏蔽。同样地，图21的(b)部分所示的遮光板42中，与带通滤波器50b对应的部分为开口42b，与其他带通滤波器50a、50c、50d对应的部分被屏蔽。并且，图21的(c)部分所示的遮光板44中，与带通滤波器50c对应的部分为开口44c，与其他带通滤波器50a、50b、50d对应的部分被屏蔽。图21的(d)部分所示的遮光板46中，与带通滤波器50d对应的部分为开口46d，与其他带通滤波器50a～50c对应的部分被屏蔽。
[0154]
图像生成部200b从系数存储部200c获取系数组，根据从各像素块pb(x，y)的各像素p1～p16获得的像素信号α1～α16，通过上述式1计算与各波段λ1～λ4对应的像素信号β1～β4，生成各波段λ1～λ4的图像数据。
[0155]
由图像生成部200b生成的各波段λ1～λ4的图像数据输出至外部，并根据需要存储于存储装置(未图示)中。并且，根据需要显示于显示器(未图示)。
[0156]
《图像生成》
[0157]
图22是通过摄像装置1进行的图像生成的概念图。
[0158]
入射于摄像光学系统10的光成为不同特性的四种光入射于成像元件100。具体而言，成为偏振方向θ1且波段λ1的光(第1光)、偏振方向θ2且波段λ2的光(第2光)、偏振方向θ3且波段λ3的光(第3光)及偏振方向θ4且波段λ4的光(第4光)入射于成像元件100。
[0159]
在成像元件100的各像素块pb(x，y)中，从摄像光学系统10射出的各波段的光以上述比例bij被各像素p1～p16接收。即，通过设置于各像素p1～p16的偏振滤波元件122a～122d及光谱滤波元件132a～132d的作用以比例bij接收各波段λ1～λ4的光。
[0160]
信号处理部200根据从成像元件100的各像素块pb(x，y)的各像素p1～p16获得的像素信号α1～α16来计算与各波段λ1～λ4的光对应的像素信号β1～β4，生成各波段λ1～λ4的图像数据。即，进行基于使用矩阵a的式1的运算处理(干扰去除处理)，根据从成像元件100获得的各像素p1～p16的像素信号α1～α16来计算与各波段λ1～λ4的光对应的像素信号β1～β4，生成各波段λ1～λ4的图像数据。
[0161]
如此，根据第1实施方式所涉及的摄像装置1，能够通过一个摄像光学系统10和一个(单板)成像元件100来拍摄四种波段的图像(4频带的多光谱图像)。
[0162]
《变形例》
[0163]
对上述第1实施方式所涉及的摄像装置1的变形例进行说明。
[0164]
《带通滤波器单元的另一例(其1)》
[0165]
图23是表示带通滤波器单元的另一例(其1)的图。在图23所示的方式中，在带通滤波器单元22中，框体23上安装有透射光的波段不同的带通滤波器22r、22g、22c、22m(多个带通滤波器)(各两个)(参考图23的(a)部分)。框体23上设置有圆形的开口区域23r、23g、23c、
23m(各两个)(参考图23的(b)部分)。这些开口区域分别相对于框体23的重心23p对称地配置。并且，关于各波段，波段相同的多个带通滤波器分别安装于多个开口区域。另外，在图23中，开口区域及带通滤波器与透射波段无关地具有相同的形状及面积，但也可以与第1实施方式相同地设为对应于透射波段的面积。
[0166]
图23所示的方式的带通滤波器单元具有“每个颜色(透射光的频带)的开口区域的重心不会偏离”、“能够在每个颜色的重心不偏离的状态下会聚光束”、“容易制造”、“容易校正每个颜色的像差”、“容易获取干扰去除矩阵”、“旋转对称”等特征。
[0167]
《带通滤波器单元的另一例(其2)》
[0168]
图24是表示带通滤波器单元的另一例(其2)的图。在图24所示的方式中，在带通滤波器单元24中，以带通滤波器的基本图案26在图24的水平方向及水平方向上重复的方式安装于框体25(共16个；参考图24的(a)部分)。如图24的(b)部分所示，基本图案26由透射光的波段不同的四个带通滤波器26r、26g、26c、26m构成。另外，在图24所示的方式中省略了开口区域的图示，但开口区域具有与带通滤波器的排列对应的配置、形状、大小。另外，也可以与第1实施方式相同地将透射光的波段的中心的波长越长的滤波器安装于开口面积越大的开口区域。
[0169]
图24所示的方式的带通滤波器单元具有“每个颜色(透射光的频带)的开口区域的重心不会偏离”、“能够在每个颜色的重心不偏离的状态下会聚光束”、“每个颜色的周边光量对称”、“旋转对称”等特征。
[0170]
《带通滤波器单元的另一例(其3)》
[0171]
图25是表示带通滤波器单元的另一例(其3)的图。在图25所示的方式中，在带通滤波器单元27中，框体28上安装有透射光的波段不同的扇形带通滤波器27r、27g、27c、27m(各两个)。这些带通滤波器安装于相对于框体28的重心28g对称地配置的开口区域(未图示)。另外，带通滤波器(及对应的开口区域)中，带通滤波器27r的面积最大。与第1实施方式及“另一例(其2)”相同地，开口区域及带通滤波器可以设为对应于透射波段的面积。
[0172]
《带通滤波器单元的另一例(其4)》
[0173]
在上述第1实施方式及图23～25的方式中，带通滤波器单元具有透射光的波段互不相同的四种带通滤波器。然而，在本发明所涉及的光学元件中，带通滤波器单元的波段并不限定于四种。在图26所示的带通滤波器单元的另一例(其4)中，带通滤波器单元具有三种带通滤波器。
[0174]
在图26的(a)部分所示的带通滤波器单元30中，框体31上安装有透射光的波段不同的带通滤波器30r、30g、30c(带通滤波器30r为一个，带通滤波器30g、30c为两个)。带通滤波器30r的面积最大，带通滤波器30g、30c的面积小于带通滤波器30r的面积(带通滤波器30g、30c的面积相等)。带通滤波器30r安装于包围框体31的重心31g的单一的开口区域(未图示)，带通滤波器30g、30c安装于相对于重心31g对称地配置的多个开口区域(未图示)。另外，在图26的(a)部分所示的方式中，也可以将带通滤波器安装于具有对应于波段的开口面积的开口区域。并且，也可以以将带通滤波器中波段的中心的波长越长的滤波器安装于开口面积越大的开口区域。进而，也可以将带通滤波器中越远离框体31的重心31g(特征点)安装的滤波器安装于开口面积越小的开口区域。
[0175]
图26的(a)部分所示的方式的带通滤波器单元具有“每个颜色(透射光的频带)的
开口区域的重心不会偏离”、“能够在每个颜色的重心不偏离的状态下会聚光束”、“容易制造”、“容易校正每个颜色的像差”、“容易获取干扰去除矩阵”等特征。
[0176]
在图26的(b)部分所示的带通滤波器单元32中，框体33上安装有透射光的波段不同的带通滤波器32r、32g、32c。在图26的(b)部分所示的方式中，也可以将带通滤波器安装于具有对应于波段的开口面积的开口区域。并且，也可以与上述方式相同地将带通滤波器中波段的中心的波长越长的滤波器安装于开口面积越大的开口区域。进而，也可以以将带通滤波器中越远离框体33的重心33g(特征点)安装的滤波器安装于开口面积越小的开口区域。
[0177]
图26的(b)部分所示的方式的带通滤波器单元具有“每个颜色(透射光的频带)的开口区域的重心不会偏离”、“每个颜色的周边光量对称”、“旋转对称”等特征。
[0178]
在图26的(c)部分所示的带通滤波器单元34中，框体35上安装有透射光的波段不同的带通滤波器34r、34g、34c(带通滤波器34r、34g、34c分别为一个、三个、三个)。带通滤波器34r安装于包围框体35的重心35g的单一的开口区域(未图示)，带通滤波器34g、34c安装于相对于重心35g对称地配置的多个开口区域(未图示)。与上述方式相同地，在图26的(b)部分所示的方式中，也可以将带通滤波器安装于具有对应于波段的开口面积的开口区域。并且，也可以以将带通滤波器中波段的中心的波长越长的滤波器安装于开口面积越大的开口区域。
[0179]
图26的(c)部分所示的方式的带通滤波器单元具有“每个颜色(透射光的频带)的开口区域的重心不会偏离”、“容易校正每个颜色的像差”、“每个颜色的周边光量对称”、“旋转对称”等特征。
[0180]
《带通滤波器单元的另一例(其5)》
[0181]
图27是表示开口区域及滤波器配置的另一例(其5)的图。在图27所示的方式中，在带通滤波器单元36中，安装有透射光的波段不同的带通滤波器36r、36g、36c、36m(多个带通滤波器)(各两个)。带通滤波器单元36具有框体37(框体)，框体37上设置有开口形状不同的开口区域37r、37g、37c、37m(各两个)。这些开口区域分别相对于框体37的重心37p对称地配置。并且，带通滤波器36r、36g、36c、36m按波段具有不同的形状，该形状与开口区域37r、37g、37c、37m的开口形状对应。如此，通过将开口区域及带通滤波器的形状按透射光的波段设为不同的形状，能够降低将带通滤波器安装到不适当的开口区域的可能性，从而使组装变得容易。
[0182]
与第1实施方式相同地，在图23～27所示的方式的带通滤波器单元的情况下，也能够抑制散焦时的像偏离，从而获取画质良好的多光谱图像。另外，对另一例(其1)～(其5)也可以与第1实施方式的情况相同地使用偏振滤波器单元(未图示)。安装于偏振滤波器单元的偏振滤波器(未图示)也优选设为与这些开口区域及带通滤波器的形状对应的配置、形状及大小。
[0183]
《本发明的适用》
[0184]
本发明的光学元件、光学装置及摄像装置可以适用于一般的单镜头式或紧凑型数码相机、用于测量装置或检查装置的数码相机以及智能手机、移动电话、平板终端等所具备的数码相机。
[0185]
以上，对本发明的实施方式及其他例子进行了说明，但本发明并不限定于上述方
式，可以在不脱离本发明的精神的范围内进行各种变形。
[0186]
符号说明
[0187]
1-摄像装置，10-摄像光学系统，12-透镜，16-带通滤波器单元，18-偏振滤波器单元，19-框体，19a-开口区域，19b-开口区域，19c-开口区域，19d-开口区域，19g-重心，20-框体，20g-重心，21a-偏振滤波器，21b-偏振滤波器，21c-偏振滤波器，21d-偏振滤波器，22-带通滤波器单元，22c-带通滤波器，22g-带通滤波器，22m-带通滤波器，22r-带通滤波器，23-框体，23c-开口区域，23g-开口区域，23m-开口区域，23p-重心，23r-开口区域，24-带通滤波器单元，25-框体，26-基本图案，26c-带通滤波器，26g-带通滤波器，26m-带通滤波器，26r-带通滤波器，27-带通滤波器单元，27c-带通滤波器，27g-带通滤波器，27m-带通滤波器，27r-带通滤波器，28-框体，28g-重心，30-带通滤波器单元，30c-带通滤波器，30g-带通滤波器，30r-带通滤波器，31-框体，31g-重心，32-带通滤波器单元，32c-带通滤波器，32g-带通滤波器，32r-带通滤波器，33-框体，33g-重心，34-带通滤波器单元，34c-带通滤波器，34g-带通滤波器，34r-带通滤波器，35-框体，35g-重心36-带通滤波器单元，36c-带通滤波器，36g-带通滤波器，36m-带通滤波器，36r-带通滤波器，37-框体，37c-开口区域，37g-开口区域，37m-开口区域，37p-重心，37r-开口区域，40-遮光板，40a-开口，42-遮光板，42b-开口，44-遮光板，44c-开口，46-遮光板，46d-开口，50a-带通滤波器，50b-带通滤波器，50c-带通滤波器，50d-带通滤波器，52a-开口区域，52b-开口区域，52c-开口区域，52d-开口区域，90-被摄体，90b-带通滤波器，90g-带通滤波器，90m-带通滤波器，90r-带通滤波器，91-带通滤波器单元，92-框体，93-被摄体像，94-被摄体像，94b-被摄体像，94g-被摄体像，94m-被摄体像，94r-被摄体像，95-被摄体像，95b-被摄体像，95g-被摄体像，95m-被摄体像，95r-被摄体像，100-成像元件，110-像素阵列层，112-光电二极管，120-偏振滤波元件阵列层，122a-偏振滤波元件，122b-偏振滤波元件，122c-偏振滤波元件，122d-偏振滤波元件，130-光谱滤波元件阵列层，132a-光谱滤波元件，132b-光谱滤波元件，132c-光谱滤波元件，132d-光谱滤波元件，140-微透镜阵列层，142-微透镜，200-信号处理部，200a-模拟信号处理部，200b-图像生成部，200c-系数存储部，1001-开口，1001g-重心，1002-开口，1002g-重心，1003-开口，1003g-重心，1004-开口，1004g-重心，1005-开口，1005g-重心，1006-开口，1006g-重心，1007-开口，1007g-重心，1008-开口，1008g-重心，1009-开口，1009g-重心，a-透射波长特性，b-透射波长特性，c-透射波长特性，d-透射波长特性，d1-图像数据，d2-图像数据，d3-图像数据，d4-图像数据，d5-图像数据，d6-图像数据，d7-图像数据，d8-图像数据，d9-图像数据，d10-图像数据，d11-图像数据，d12-图像数据，d13-图像数据，d14-图像数据，d15-图像数据，d16-图像数据，l-光轴，p1-像素，p2-像素，p3-像素，p4-像素，p5-像素，p6-像素，p7-像素，p8-像素，p9-像素，p10-像素，p11-像素，p12-像素，p13-像素，p14-像素，p15-像素，p16-像素，pb-像素块，z1-光瞳区域，z2-光瞳区域，z3-光瞳区域，z4-光瞳区域，α1-像素信号，α2-像素信号，α3-像素信号，α4-像素信号，α5-像素信号，α6-像素信号，α7-像素信号，α8-像素信号，α9-像素信号，α10-像素信号，α11-像素信号，α12-像素信号，α13-像素信号，α14-像素信号，α15-像素信号，α16-像素信号，β1-像素信号，β2-像素信号，β3-像素信号，θ1-偏振方向，θ2-偏振方向，θ3-偏振方向，θ4-偏振方向，θa-偏振方向，θb-偏振方向，θc-偏振方向，θd-偏振方向，λ1-波段，λ2-波段，λ3-波段，λ4-波段。