JP2004328133A - カラーカメラ用色分解光学系 - Google Patents

Abstract

【課題】隣接した３本の独立したカラーラインセンサーを１個のパッケージに内蔵するカラーラインセンサーを使用して、自然界の予測不可能な動きを高画質で撮影するためのカラーラインセンサーカメラは従来存在しなかった。
本発明は、この課題を解決するための色分解光学系を提供するものである。
【解決手段】特定の色光成分のみを反射し、他の成分は透過する特性を持つダイクロイックミラーを３層に積層し、これを２等辺直角３角形のプリズムの２等辺に構成する。このとき、反射する色の順序は、第１の辺はＲ，Ｇ，Ｂとすると第２の辺は、Ｂ，Ｇ，Ｒとなるように構成する。また、各層の間には、一定の厚さを確保するための光学材を配置する。
入射光軸は、長辺に直角にかつ第１の辺の中央部付近に入射する。
出射光は、長辺に直角にかつ第２の辺の中央部付近から得られる。
この出射光は、Ｒ，Ｇ，Ｂに色分解され、かつ一定の間隔を置いて得られる。
この出射光を３本の独立したカラーラインセンサーをパッケージに内蔵するカラーラインセンサーに結像させる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、カラーテレビジョンカメラに属し、かつセンサーにラインセンサーまたはエリアセンサーを使用したものに関するものであって、カラーカメラに必要な特性を具備した色分解光学系に関するものである。
本発明で述べるセンサーとは、ＣＣＤまたはＭＯＳなどの固体画像センサーを意味する。
【０００２】
【従来の技術】
画像を撮影する方法として、エリアセエンサにより撮影対象の部分を面で捉え、１枚の画像として同一タイミングで露光し撮影する方法と、ラインセンサにより１ラインのみを同時に捉え、カメラまたは被写体を移動することにより、撮影したデータを一旦メモリに蓄積し、１枚の静止画として表示する方法がある。本発明はこれらに必要な色分解光学系の構造に関する。
本発明は、これらのいずれにも応用が可能であるが、説明の簡単のため、主としてラインセンサを用いた場合について説明する。
【０００３】
ラインセンサーはセンサーとしての最小単位である画素が一列に並んだ構造をしており、カラー画像とするためには、何らかの方法で入射光を３色に分解する機能が必要である。代表的なカラーラインセンサーは、独立したラインセンサーが隣接して３本並んでおり、これらの３本は、夫々赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）のフィルターが画素の上に構成されており、カラーテレビカメラに必要な信号が得られるように動作する。例えばスキャナー、ファクシミリなどに多用されている。この場合は、固定した印刷物などに対してラインセンサーが等速で移動する構造となっており、隣接したラインセンサーから得られる画像データは時間差をもって同一個所を撮影することになる。
従って、メモリ等により時間差を補正することが可能であり、３色の画像を完全に重ね合わせることが可能である。
【０００４】
これに対して、本発明が対象とする被写体は、屋外などの自然物体や人物などであり、不規則に変形し、予測不可能な移動をするために、時間差を持って補正することが不可能な対象物の場合に本発明の効果を発揮する。
従来の方法によって、隣接する３色型のカラーラインセンサーでこれらの自然物体を撮影すると、３色が完全に重ね合わせることができないために、画像に乱れが生ずる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
以上説明した画像の乱れはレンズを含む光学系の光軸が３色とも同一の位置にあるのに対し、カラーラインセンサーは、３色が異なる位置に光軸を持っているためである。従って、何らかの方法によって、入射光の光軸とカラーラインセンサーの光軸を一致させれば問題が解決される。
このときに問題となるのは、カラーラインセンサーの３色の光軸が非常に接近していることである。
現在多用されているカラーラインセンサの具体的な寸法例をあげると、３本の間隔は中心から中心までの距離が約１０〜６０μｍ程度である。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記に鑑み研究の結果、次の手段によりこの問題を解決した。
（１）第１及び第２のダイクロイックミラーを有し、レンズの光軸に対して、反射面が４５°の傾斜を持ちかつ光軸が中央部に入射する位置に第１のダイクロイックミラーを配置し、更に別の第２のダイクロイックミラーを第１のダイクロイックミラーと直角になるように配置し、第１のダイクロイックミラーによって反射された入射光が、更に第２のダイクロイックミラーによって反射され、レンズからの入射光と平行に出射するような位置関係にある光学系において、第１及び第２のダイクロイックミラーは、３種類のダイクロイックミラーが夫々の間隔がスペーサーによって狭小な一定に保たれ、夫々のダイクロイックミラーはカラーテレビジョンカメラに必要な３原色に相当する特性を持ち、第２のダイクロイックミラーからの出射光は、該３原色が一定の間隔を持っており、更に第一のダイクロイックミラーの反射の色順と第２のダイクロイックミラーの反射の色順は逆になることを特徴とするカラーカメラ用色分解光学系
（２）第２のダイクロイックミラーの反射率をわずかに、例えば５〜１０％程度低下させその分が透過し、該透過した入射光が、結像するための結像板を有することを特徴とする上記（１）記載のカラーカメラ用色分解光学系
（３）第１のダイクロイックミラーと第２のダイクロイックミラーの空間を透明な光学材で満たし、レンズからの入射面が光軸と直角になり、入射面と第１及び第２ダイクロイックミラー面と合わせて直角２等辺３角形となるように構成したことを特徴とする上記（１）または（２）記載のカラーカメラ用色分解光学系
（４）第１及び第２のダイクロイックミラーを適度な厚みを持つ平面ガラスにより構成し、ダイクロイックミラー面が内側になるように構成したことを特徴とする上記（１）及び（２）記載のカラーカメラ用色分解光学系
【０００７】
【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。
図１は、本発明に関わる部分を全体的に表したものである。被写体の光軸１は、レンズ２によってラインセンサー６に結像されるが、光学プリズム５の壁面３及び壁面４によってカラーカメラに必要な３原色、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）に分解されかつラインセンサー６の上で、３本の独立したカラーセンサーが近接して配置されており、この各々のカラーセンサー上に、上に述べたＲ，Ｇ，Ｂに分解された画像が結像する。ちなみに図１はラインセンサーの長手方向から見た状態を示している。
【０００８】
図２は、ダイクロイックミラー部分を拡大した図である。プリズム５の壁面３及び壁面４には、詳細に見ると微細加工がされてある。
壁面３は３種類のダイクロイックミラーから構成されており、Ｒ光の反射は層３−１、Ｇ光の反射は層３−２、Ｂ光の反射は層３−３によってなされる。ダイクロイックミラーとは、光の干渉を利用して、入射光を特定の波長域について、反射又は透過の特性となるように膜厚の異なる層を多重化して構成したものである。ダイクロイックミラーそのものは、本発明に直接の関係はないので、詳細な説明は割愛する。
また、各ダイクロイックミラーの間には、一定の厚みの光学材が配置されている。
ダイクロイックミラーは、反射する成分以外は透過することが特徴である。従って、層３−１ではＲを反射し、Ｇ、Ｂを透過する。また、層３−２では、Ｇ光を反射し、Ｂ光を透過する。層３−３では、Ｂ光を反射する。
このとき層３−３は、ダイクロイックミラーでもよいが簡単のために、全光反射ミラーとしてもよい。
【０００９】
かくして壁面３からは、Ｒ、Ｇ、Ｂ、夫々が光路長の異なる状態で反射され、壁面４に入射する。壁面４では、壁面３で生じた光路長の差を補正し、同一の光路長とする機能がある。壁面４も同様にダイクロイックミラー構成となっており、層４−１はＲ、層４−２はＧ、層４−３はＢを夫々反射する。夫々の層の間には、壁面３と同じ厚みの光学材が配置されている。
このとき、層４−１はダイクロイックミラーの代わりに全光反射ミラーでもよい。壁面４からのＲ、Ｇ、Ｂ光は、カラーセンサー６上の隣接した３本のセンサーに入射する。このとき、光軸１から出発した光は、壁面３によってＲ、Ｇ、Ｂに分解され、壁面４によって光路長が同一になるよう修正されて、Ｒ光１−１、Ｇ光１−２、Ｂ光１−３として隣接した３本のカラーセンサー６に入射する。
カラーセンサー６には、それぞれの色成分のみを透過するフィルターが装着されているので、入射時には同一の光軸上にあった３原色Ｒ、Ｇ、Ｂ光が、カラーセンサー上に分離されて結像される。結果として被写体の同一地点が、Ｒ、Ｇ、Ｂ光に分解されて、カラーセンサー上に同じでタイミングで入射し、正しいカラー画像を得ることが出来る。
壁面３と壁面４で反射される色の順序は、上の説明とは反対でも良い。結果的にカラーラインセンサと同じ順序に色の順序が得られればよい。
【００１０】
図３は、カラーカメラに必要な一般的な分光特性を示したものであり、前述したＲ光１−１はＲ７を、Ｇ光１−２はＧ８を、Ｂ光１−３はＢ９を夫々意味する。
ここで、カラーラインセンサーの構造について説明する。
図４は、カラーラインセンサーの概要を示す図である。センサー６は、ラインセンサーとして、３本の独立したセンサー部から構成され、Ｒ受光部１０、Ｇ受光部１１、Ｂ受光部１２からなっている。Ｒ受光部とＧ受光部並びにＧ受光部とＢ受光部とは例えば４０μｍの距離をおいて平行に配置されている。このセンサー対して図２で示したＲ光１−１、Ｇ光１−２、Ｂ光１−３が入射するように配置する。前述ののＲ光１−１とＧ光１−２並びにＧ光１−２とＢ光１−３とは夫々例えば４０μｍとなるように設計する。当然であるが、レンズ２による焦点は、カラーラインセンサーに結像するように全体の寸法を設計する。
【００１１】
また、以上の説明の他に本発明では、以下に説明する機能を追加することが可能である。ラインセンサーカメラを使用する場合に、被写体の確認、焦点状態の確認が必要となることがある。
エリアセンサーを使用したカメラでは、画像がリアルタイムで監視できるので、これらの確認は比較的容易であるが、ラインセンサーカメラでは、ラインセンサーからの信号を一旦メモリに記録し、画像を構成した後で表示することになるので、被写体の確認、焦点状態の確認は困難である。
そのために、光学的なビューファインダーを設けることが必要である。これは、ラインセンサーに結像する光の一部を利用して目視により確認する。本発明では簡単にこれを実現することができる。
【００１２】
図５はその原理を示す図である。
プリズム５にプリズム１３を追加することにより、光軸１からの光は、壁面４からの洩れた光が、壁面４を透過し、すりガラス等の結像板１４に画像を結像する。
この像を、肉眼１６によりレンズ１５を通して観察する。
当然であるが、肉眼の変わりに、エリアセンサーを用いたテレビカメラで置きかえることも何ら問題ない。
壁面４は、理想的にはすべての光が反射され、センサー６に入射されるが、必要に応じて反射率をわずかに低下させ、例えば反射率９０％、透過率１０％程度に設定することにより、性能を大幅に低下させることなく、ビューファインダーを追加することが可能である。プリズム５とプリズム１３の接合面は、密着することでダイクロイックミラーを反射しない光が、透過することになる。
【００１３】
【実施例】
また、別の実施例としては、プリズムの変わりに薄板ガラスを使用する方法もある。図６は、この方法を示すものである。ガラス１７の１面に３種類のダイクロイックミラーを構成し、入射光を３色に分解する。ガラス１８の一面に同じく３種類のダイクロイックミラーを構成する。ただし色の順序は、ガラス１７とは逆となる。必要に応じてガラス１８の透過率を設定することも可能である。
図１に示すような全プリズム方式との差異は、構造的なものの他に、レンズ２との相性の問題もある。レンズ２がプリズム用に設計されているかどうかによって選択することも可能である。
【００１４】
【発明の効果】
本発明によれば、次のような効果がある。
現在最も一般的なカラーラインセンサーを使用して、屋外での自然物の撮影が可能なカラーラインセンサーカメラを安価に製作することが可能である。
また被写体の状態を観察するためのビューファインダーを追加することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理を示す図
【図２】反射面の動作を説明する図
【図３】カラーカメラに必要な色特性図
【図４】本発明に使用するカラーラインセンサーの概念図
【図５】本発明の実施例
【図６】本発明の他の実施例
【符号の説明】
１：光軸
１−１：Ｒ光
１−２：Ｇ光
１−３：Ｂ光
２：レンズ
３：壁面
３−１：Ｒ反射ダイクロイックミラー
３−２：Ｇ反射ダイクロイックミラー
３−３：Ｂ反射ダイクロイックミラー
４：壁面
４−１：Ｒ反射ダイクロイックミラー
４−２：Ｇ反射ダイクロイックミラー
４−３：Ｂ反射ダイクロイックミラー
５：プリズム
６：カラーラインセンサーパッケージ
７：Ｒ特性
８：Ｇ特性
９：Ｂ特性
１０：Ｒラインセンサー
１１：Ｇラインセンサー
１２：Ｂラインセンサー
１３：プリズム
１４：結像板
１５：レンズ
１６：肉眼
１７：ガラス
１８：ガラス

Claims (4)

1. 第１及び第２のダイクロイックミラーを有し、レンズの光軸に対して、反射面が４５°の傾斜を持ちかつ光軸が中央部に入射する位置に第１のダイクロイックミラーを配置し、更に別の第２のダイクロイックミラーを第１のダイクロイックミラーと直角になるように配置し、第１のダイクロイックミラーによって反射された入射光が、更に第２のダイクロイックミラーによって反射され、レンズからの入射光と平行にかつ反対方向に出射するような位置関係にある光学系において、第１及び第２のダイクロイックミラーは、３種類のダイクロイックミラーが夫々の間隔が狭小な一定に保たれ、夫々のダイクロイックミラーはカラーテレビジョンカメラに必要な３原色に相当する特性を持ち、第２のダイクロイックミラーからの出射光は、該３原色が一定の間隔を持っていることを特徴とするＣＣＤカラーカメラ用色分解光学系
2. 第２のダイクロイックミラーの反射率をわずかに低下させ、その分が透過し、該透過した入射光が、結像するための結像板を有することを特徴とする請求項１記載のカラーカメラ用色分解光学系
3. 第１のダイクロイックミラーと第２のダイクロイックミラーの空間を透明な光学材で満たし、レンズからの入射面が光軸と直角になり、第１及び第２のダイクロイックミラー面と合わせて直角２等辺３角形となるように構成したことを特徴とする請求項１及び２記載のカラーカメラ用色分解光学系
4. 第１及び第２のダイクロイックミラーを適度な厚みを持つ平面ガラスに構成し、ダイクロイックミラー面が内側になるように構成したことを特徴とする請求項１及び２記載のカラーカメラ用色分解光学系

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