JP2002040515A

JP2002040515A - 撮像用可変減光フィルターおよび撮像装置

Info

Publication number: JP2002040515A
Application number: JP2000231595A
Authority: JP
Inventors: Hideo Fujikake; 英夫藤掛; Atsushi Yoneuchi; 淳米内; Hiroto Sato; 弘人佐藤; Yuzuru Tsuchiya; 譲土屋
Original assignee: Nippon Hoso Kyokai NHK; Japan Broadcasting Corp
Current assignee: Japan Broadcasting Corp
Priority date: 2000-07-31
Filing date: 2000-07-31
Publication date: 2002-02-06

Abstract

(57)【要約】【課題】撮影される被写体の映像信号強度を、色調変
化なしで高速かつ連続的に制御できる撮像用可変減光フ
ィルターと撮像装置を提供する。【解決手段】２色性色素入りの液晶セル６を少なくと
も１個含み、その透過光における色温度の変動が５００
Ｋ以下とする。２個の液晶セル６はそれぞれの液晶配向
が９０度をなすように配置される。電圧制御部１１は、
撮像素子９から出力される映像信号強度が一定になるよ
うに、撮像用可変減光フィルター１に加える電圧強度を
制御する。撮像用可変減光フィルター１は、光学レンズ
の前、もしくは該光学レンズと撮像素子９との間に配置
される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、撮像用可変減光フ
ィルターおよび撮像装置に関し、更に詳しくは、撮影さ
れる被写体の映像信号強度を、色調変化を伴わないで高
速かつ連続的に制御可能な撮像用可変減光フィルターお
よびその減光フィルターを用いた撮像装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】テレビ撮影やビデオ撮影など被写体の映
像を撮像する際は、多様な照明環境のもとで被写体の明
るさが大きく変動することが多い。例えば、被写体もし
くはカメラが室内から野外に移動する際は、照明光源が
比較的輝度の低い室内灯から輝度の強力な太陽光に変わ
るため、その照度変化は数十倍に達する。その場合、Ｃ
ＣＤ（電荷結合素子）などの撮像素子に入射する光量が
撮像素子の動作領域（ダイナミックレンジ）を超えてし
まうため、映像の正確な階調や色調を再現できなくな
る。特に、カメラの撮像素子への入射光が極端に強い場
合は、ＣＣＤで光キャリアが溢れて、筋状の映像ノイズ
（スミア）が発生し、画質が著しく損なわれる。

【０００３】その対策として、従来では、光を吸収する
顔料入りのガラスフィルターを、撮像光学系に機械的に
挿入して、撮像素子への入射光量（入射光強度）を光学
的に適正化していた。また、撮像光学系の光学絞り（ア
イリス）を機械的に制御する方法も用いられてきた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
ガラスフィルターを用いる従来方法には、次のような解
決すべき点があった。まず、ガラスフィルターを機械的
に撮像光学系に挿入しなければならず、時間がかかるた
め、撮影中の切り替えができない。また、ガラスフィル
ターの光吸収率は固定のため、輝度が異なる様々な光源
のもとで撮影する場合、光吸収率が異なる複数のガラス
フィルターを用意しなければならないばかりか、連続的
に照度が変化する撮影に対処できない。

【０００５】一方、光学絞りを用いる従来方法でも、光
量を下げた場合、被写体を撮影する場合の焦点深度（被
写界深度）が大きく変動してしまうため、フォーカス
（焦点位置）などの撮影条件の再設定が必要となる。ま
た、機械的に開口を制御するため、速い光量変化に追随
できない、などの問題が生じ、使用できる撮影に制限が
あった。

【０００６】本発明は、かかる課題を解決するためにな
されたものであり、その目的とするところは、撮像素子
に入射する光量を、色調変化を伴わないで高速かつ連続
的に制御でき、撮影される被写体の映像信号強度を自在
に制御できる撮像用可変減光フィルターおよび撮像装置
を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１の撮像用可変減光フィルターの発明は、可
視波長域でほぼ平坦な吸収分光特性を有する２色性色素
入りの液晶を透明電極付きの透明基板で挟んだ液晶セル
を少なくとも１個備え、前記液晶セルの前記透明電極に
電圧を印加した際に、透過光の色温度変動が５００Ｋ以
下であることを特徴とする。

【０００８】ここで、前記液晶セルが、アゾ系色素もし
くはアントラキノン系色素を含むことを特徴とすること
ができる。

【０００９】また、前記液晶セルの液晶分子配列が、ホ
モジニアス配向、ホメオトロピック配向またはねじれ配
向を有することを特徴とすることができる。

【００１０】また、前記液晶セルの前面または背面に特
定方向の偏光を選択するための偏光フィルムが配置され
ることを特徴とすることができる。

【００１１】また、２個の前記液晶セルが、それぞれの
液晶配向が９０度をなすように配置されることを特徴と
することができる。

【００１２】上記目的を達成するため、請求項８の撮像
装置の発明は、請求項１から７のいずれかに記載の撮像
用可変減光フィルターと、該撮像用可変減光フィルター
の透明電極に交流もしくは直流電圧を印加する電圧制御
装置とを具備することを特徴とする。

【００１３】ここで、前記電圧制御部は、撮像素子から
出力される映像信号強度に応じて、前記撮像用減光フィ
ルターに加える電圧強度を制御することを特徴とするこ
とができる。

【００１４】また、前記電圧制御部は、撮像素子から出
力される映像信号強度が一定になるように、前記撮像用
可変減光フィルターに加える電圧強度を制御することを
特徴とすることができる。

【００１５】また、前記撮像用可変減光フィルターが、
撮像装置の光学レンズの前、もしくは該光学レンズと撮
像素子との間に配置されることを特徴とすることができ
る。

【００１６】また、前記電圧制御部と撮像用可変減光フ
ィルターとが、撮像素子と一体化されることを特徴とす
ることができる。

【００１７】

【作用】本発明による撮像用可変減光フィルターおよび
撮像装置は、上記構成のように、２色性色素を含んだ液
晶セルを備え、電圧駆動時の撮像素子に入射する光画像
の色温度の変動を５００Ｋ以下とすることで、色調変化
を伴わないで映像の信号強度を自在に制御できるように
している。

【００１８】すなわち、本発明の撮像用可変減光フィル
ターでは、液晶セルへの印加電圧を変えることにより、
液晶セル中の２色性色素の分子配向が高速に応答して光
の吸収率が変化するため（応答速度数１０ｍｓｅｃ）、
撮像素子に入射する光量を瞬時に制御できる。また、液
晶セルに印加する電圧強度を変えることにより、光吸収
率が連続的に変化するため、撮像素子への入射光量を連
続的に制御できる。撮像用可変減光フィルターにより光
量を変えても、被写界深度が変化しないため、フォーカ
スなどの撮影条件の再調整が不要となる。

【００１９】従って、本発明のこのような撮像用可変減
光フィルターおよび撮像装置は、光源輝度が変化する様
々な環境でも、優れた画質で映像撮影が可能である。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を詳細に説明する。

【００２１】（撮像用可変減光フィルターの構成）図１
に本発明の一実施形態における撮像用可変減光フィルタ
ーの構成例を示す。可変減光フィルター１は２枚の液晶
セル（液晶素子）６から構成され、これら液晶セル６は
それぞれ、分子配列によって光吸収率が異なる少なくと
も１種類の２色性色素（ゲスト）２が添加された液晶
（ホスト）３を、一対の透明電極４付きガラス基板５で
挟んだ構造を有する。２枚の液晶セル６を構成する各前
面側（入射側）の透明電極４は一方のリード線１０を介
して電圧制御装置１１の一方の端子に接続し、その各背
面側（出射側）の透明電極４は他方のリード線１０を介
して電圧制御装置１１の他方の端子に接続している。

【００２２】（撮像用可変減光フィルターの動作）液晶
３に添加する２色性色素２は、可視光全域をほぼ等しく
吸収する分光特性を有するため、入射光７に対してほぼ
等しいスペクトルの出射光８が、撮像素子９に入射す
る。液晶セル６の透明電極４には、リード線１０を介し
て、電圧制御装置１１から、交流もしくは直流の任意強
度の駆動電圧１２が印加される。

【００２３】透明電極４に電圧１２が印加されていない
か、もしくは印加電圧１２が小さい場合には、細長い分
子構造の液晶３および２色性色素２は、ガラス基板５に
対して平行に配向しており（ホモジニアス配向）、色素
分子２の長軸方向に振動する偏光成分を強く吸収する
（ハイルマイヤー型ゲストホスト動作方式）ので出射光
８が減少する。一方、透明電極４に十分な電圧１２を加
えると、液晶分子３とともに色素分子２が電界方向に再
配向し、基板５に対して垂直に立ち上がり、色素による
光吸収が減少するため、光が透過するようになり、出射
光８の光強度が増加する。そして、透明電極４への電圧
１２の強度を変えていくことにより、液晶分子３および
色素分子２の配列方向が連続的に変化するため、可変減
光フィルター１の吸収率がアナログ的に制御される。そ
れによって、撮像素子９に入射する光８の強度が連続的
に制御され、撮像素子９から出力する被写体の映像信号
１３の強度が連続的に制御される。

【００２４】２色性色素２は分子長軸方向の光７の振動
成分（偏光成分）を強く吸収するため、図１の構成例に
おいては、無偏光の入射光７が効率的に吸収されるよう
に、液晶３の分子配向が直交する液晶セル６を積層し
て、光吸収の偏光依存性を解消している。また、両液晶
セル６の透明電極４間に、等しい電圧１２が印加される
ように電圧制御装置１１が接続されている。このような
構成を採用しているので、入射光７の全ての偏光成分に
対して吸収および透過が起きる。

【００２５】（液晶セルの変形例）上記の一実施形態で
は２枚の液晶セル６を用いているが、１枚の液晶セル６
を用いて、可変減光フィルター１を構成することも可能
である。ただし、その場合は、偏光フィルムを１枚の液
晶セル６の前方もしくは後方に配置する必要がある。ま
た、その場合、無偏光の入射光７に対して一方の偏光成
分しか利用できなくなり、透過光８の光損失が増大する
ので、実効的な撮影感度の低下を招き、図１の構成に比
べて不利である。

【００２６】また、液晶分子３の配向をねじり、それら
のねじれ軸をガラス基板５に対して水平もしくは垂直方
向にしたホワイトテーラー型液晶セルを構成することも
可能であり、その場合は、偏光フィルムなしで１枚の液
晶セル６だけで可変減光フィルター１を実現でき、入射
光７の利用効率を高めることができる。

【００２７】また、図１の構成例では、液晶セル６がホ
モジニアス配向のため、液晶３は誘電率異方性が正のも
のを用いる。だが、印加電圧１２のない状態で液晶分子
３が基板５に対して立っているホメオトロピック配向も
適用可能であり、その場合は、液晶３に誘電率異方性が
負のものを用いる。

【００２８】（液晶および２色性色素）液晶３の材料の
種類としては、ネマティック液晶、コレステリック液
晶、スメクティック液晶を用いることができるが、高速
応答を得るためにはネマティック液晶が有用である。な
お、スメクティック液晶の一種である強誘電性液晶を用
いることも可能である。

【００２９】一方、２色性色素２は、可視波長域でほぼ
平坦な吸収分光特性（すなわち黒色）を有することが望
ましい。通常、２色性色素２は、π電子共役系を含む独
特な分子構造に起因した固有の吸収波長を有するため、
黒色色素を得るためには、互いに吸収ピークの異なる複
数の色素材料を調合することが望ましい。特に、可視光
における短波長域を吸収するアゾ系色素や、長波長光
（赤色光）を吸収するアントラキノン系色素は有用であ
る。なお、黒色を構成する各色素２は、吸光度（光学密
度）が添加濃度に比例し（Ｌａｍｂｅｒｔ−Ｂｅｅｒの
法則）、材料固有の不透過／透過状態の吸光度比（２色
性比）を有する。２色性比が大きく異なる２色性色素２
を混合して電圧駆動すると、各波長での透過率の比率が
大きく崩れるため、可能な限り２色性比の揃った異なる
色素２を選択するとともに、それらを可能な限り等量だ
け混ぜて用いることが望ましい。

【００３０】（撮像用可変減光フィルターの特性）液晶
セル６の透明電極４に電圧１２を印加しても、太陽光
（色温度５６００Ｋ）の下で透過光８における赤色波長
域（波長６００ｎｍ〜７００ｎｍ）と青色波長域（４０
０ｎｍ〜５００ｎｍ）の光強度比の変動が３０％以下、
色温度で表現すればその変動が５００Ｋ以下であれば、
撮影される映像の色調がほぼ確保されて違和感がないこ
とを撮影実験により確認しており、映像撮影に実用的で
ある。

【００３１】一般に、映像撮影用の高輝度放電ランプ
（約６５００Ｋ）の色温度変化の許容範囲は、−７５０
Ｋ，＋１０００Ｋとされる。本フィルターの色温度変動
もそれに準ずることが望まれる。

【００３２】

【実施例】図１に示した可変減光フィルター１を試作し
た。まず、厚さ０．７ｍｍのソーダガラス基板５上にＩ
ｎ₂Ｏ₃：Ｓｎからなる厚さ０．０７μｍの透明電極４を
蒸着した。次いで、透明電極４上に厚さ０．０５μｍの
ポリイミド（日本合成ゴム社、ＡＬ−１２５４）膜を塗
布した後、レーヨンロールで摩擦（ラビング）すること
により、液晶分子３を基板５に平行に配向（ホモジニア
ス配向）させる配向膜を形成した（図１ではラビング配
向膜の図示を省略）。

【００３３】次に、この配向膜付きの基板５を２枚、配
向膜を向き合わせて球状の硬質プラスティックスペーサ
（１０μｍ径）を介して張り合わせた。２枚の基板５の
ギャップは１０μｍであった。このギャップの中に、吸
光度（光学密度）の高い黒色色素（２色性色素）２を含
むネマティック液晶３（メルクジャパン社、ＺＬＩ−１
４７４／３）を充填した。この試作した可変減光フィル
ター１の動作面積は、図６の既存の電動ズームレンズ１
４（富士写真光機社、Ａ１５×８）のフィルターホルダ
ーに装着できるように８０ｍｍ径とした。

【００３４】（色温度特性）このようにして試作した可
変減光フィルター１に、１００Ｗのキセノンランプから
の白色光７（色温度５７００Ｋ）を入射した場合の光透
過率を図２に示す。０Ｖから２０Ｖまでの電圧１２を可
変減光フィルター１に印加することにより、透過率を連
続的に制御でき、その消光比は７０：１に達し、その応
答時間は５０ｍｓと高速であった。

【００３５】図３は、調光時の透過光８における分光特
性の変化を示す。映像撮影では、撮影される被写体の映
像の色調変化を防ぐため、可変減光フィルター１の透過
率が変化しても、３原色（赤、緑、青）の各波長域にお
ける光強度バランスが一定でなければならない。図３の
吸収分光特性は、電圧駆動時にその条件をほぼ満たして
いる。

【００３６】さらに、図４は、試作した可変減光フィル
ター１における印加電圧に対する透過光８の色温度変化
を示す。試作した可変減光フィルター１では、調光時の
色温度変化が、５０００Ｋ付近で２００Ｋ以内に留まっ
ているため、映像撮影に実用的であることが確認でき
た。図５に示す透過光８の色度測定からも、印加電圧を
変えてもほぼ透過光は無彩色が確保されることが分かっ
た。実際のビデオカメラに可変減光フィルター１を取り
付けて撮影した場合でも、調光時において撮影される映
像に色調変化はほとんど認められなかった。

【００３７】（自動露出補正）可変減光フィルター１を
電圧駆動する場合、電圧制御装置１１を手動操作するこ
とも可能であるが、図６に示すように、撮影される映像
信号１３のレベルをもとに、可変減光フィルター１に印
加する電圧１１を電圧制御装置１１で自動的に決定する
ことが可能な撮像装置１５を構成することも可能であ
る。

【００３８】図６は、上記の可変減光フィルター１を用
いて、強い光７が入射しても瞬時に露出を自動補正でき
る撮像装置１５の実施例を示す。ここでは、電圧制御装
置１１で検出される映像信号１３の強度が一定になるよ
うに、可変減光フィルター１への印加電圧１２が電圧制
御装置１１で自動的に調整される撮像装置（ビデオカメ
ラ）１５を試作した。そのコンパクトな電圧制御ユニッ
ト１１（１２５×７０×４０ｍｍ）は、ビデオカメラ内
の電源（ＤＣ１２Ｖ）で動作し、カメラ本体に容易に装
着可能で一体化できるものである。

【００３９】被写体の明るさが変化した場合、従来のオ
ートアイリス機能では、被写界深度の変化に伴って背景
などのぼけ具合が変わるため、映像表現上、フォーカス
や画角などの撮影パラメータの変更が余儀なくされる。
それに対して、本発明の撮像装置１５を用いれば、それ
らの撮影パラメータの再調整が不要となる。逆に、アイ
リス調整による光量変化を可変減光フィルター１で補え
ば、被写界深度を光量と切り離して制御できるため、背
景の遠近感を駆使した新しい映像演出も可能となる。

【００４０】なお、可変減光フィルター１は、撮像用レ
ンズ１４の前、もしくは撮像用レンズ１４と撮像素子９
との間に配置することが可能である。さらに、可変減光
フィルター１を撮像素子９と一体化することにより、よ
りコンパクトな撮像装置１５を構成することもできる。

【００４１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
２色性色素と液晶を含んだ液晶セルを用いて電圧駆動す
ることにより、色調（色温度）をほとんど変えずに連続
的に被写体の映像信号強度を制御できるため、多様な照
明環境下においてシームレスな撮影が可能である。ま
た、本発明の可変減光フィルターはその高速動作によ
り、スピーディなカメラ操作ににも対応可能である。

【００４２】従って、本発明による撮像用可変減光フィ
ルターおよび撮像装置は、テレビや映画などのビデオ撮
影はもとより、写真撮影などにも幅広く適用可能であ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態における撮像用可変減光フ
ィルターの基本構成を示す模式図である。

【図２】本発明による撮像用可変減光フィルターの印加
電圧と透過率の関係の一例を示す特性図である。

【図３】本発明による撮像用可変減光フィルターの入射
光の波長と透過率の関係の一例を示す特性図である。

【図４】本発明による撮像用可変減光フィルターの印加
電圧と色温度の関係の一例を示す特性図である。

【図５】本発明による撮像用可変減光フィルターの色度
特性の一例を示す特性図である。

【図６】本発明による撮像用可変減光フィルターを用い
た本発明の一施例の撮像装置の基本構成を示すブロック
図である。

【符号の説明】

１撮像用可変減光フィルター２液晶３２色性色素４透明電極５ガラス基板６液晶セル７入射光８出射光９撮像素子１０リード線１１電圧制御装置１２駆動電圧（交流電圧）１３映像信号１４撮像レンズ１５撮像装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者佐藤弘人東京都世田谷区砧一丁目10番11号日本放送協会放送技術研究所内 (72)発明者土屋譲東京都世田谷区砧一丁目10番11号日本放送協会放送技術研究所内Ｆターム(参考） 2H083 AA05 AA15 5C022 AA00 AB03 AB14 AC55

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】可視波長域でほぼ平坦な吸収分光特性を
有する２色性色素入りの液晶を透明電極付きの透明基板
で挟んだ液晶セルを少なくとも１個備え、前記液晶セルの前記透明電極に電圧を印加した際に、透
過光の色温度変動が５００Ｋ以下であることを特徴とす
る撮像用可変減光フィルター。
【請求項２】前記液晶セルが、アゾ系色素もしくはア
ントラキノン系色素を含むことを特徴とする請求項１に
記載の撮像用可変減光フィルター。
【請求項３】前記液晶セルの液晶分子配列が、ホモジ
ニアス配向、ホメオトロピック配向またはねじれ配向を
有することを特徴とする請求項１または２に記載の撮像
用可変減光フィルター。
【請求項４】前記液晶セルの前面または背面に特定方
向の偏光を選択するための偏光フィルムが配置されるこ
とを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の撮像
用可変減光フィルター。
【請求項５】２個の前記液晶セルが、それぞれの液晶
配向が９０度をなすように配置されることを特徴とする
請求項１から４のいずれかに記載の撮像用可変減光フィ
ルター。
【請求項６】請求項１から５のいずれかに記載の撮像
用可変減光フィルターと、該撮像用可変減光フィルター
の透明電極に交流もしくは直流電圧を印加する電圧制御
装置とを具備することを特徴とする撮像装置。
【請求項７】前記電圧制御部は、撮像素子から出力さ
れる映像信号強度に応じて、前記撮像用減光フィルター
に加える電圧強度を制御することを特徴とする請求項６
に記載の撮像装置。
【請求項８】前記電圧制御部は、撮像素子から出力さ
れる映像信号強度が一定になるように、前記撮像用可変
減光フィルターに加える電圧強度を制御することを特徴
とする請求項６または７に記載の撮像装置。
【請求項９】前記撮像用可変減光フィルターが、撮像
装置の光学レンズの前、もしくは該光学レンズと撮像素
子との間に配置されることを特徴とする請求項６から８
のいずれかに記載の撮像装置。
【請求項１０】前記電圧制御部と撮像用可変減光フィ
ルターとが、撮像素子と一体化されることを特徴とする
請求項６から９のいずれかに記載の撮像装置。