JP2005165298A - 撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】分光プリズム方式光学系ユニットを備えた撮像装置において、通常撮像と、低輝度環境下での撮影とを両立させる。
【解決手段】撮影光を結像可能に光束調整するレンズ群１ａ〜１ｄにより光束調整された撮影光の結像領域Ｒに設けられた分光プリズム９で撮影光を分光する。分光プリズム９で分光された各光をそれぞれ撮像素子２で撮像する。光束調整中の撮影光の赤外線成分を赤外線カットフィルタ８で除去する。赤外線カットフィルタ８を、撮影光光路上の位置と当該光路から離間する位置との間で機構ユニット１４ａにより進退移動させる。この構成において、赤外線カットフィルタ８と機構ユニット１４ａとを、レンズ群に１ａ〜１ｄより光束調整中の撮影光の光束集光領域Ｒに配置する。
【選択図】図６

Description

本発明は、レンズ系、光学フィルタ、撮影素子等をからなる光学系ユニットを有する撮像装置に関する。

ＶＣＲ一体型ビデオカメラなどの撮像装置が有する光学系ユニットは、主として複数のレンズ、撮影素子(ＣＣＤ)、および分光器から構成される。分光器は、分光カラーフィルタまたは分光プリズムから構成される。このような光学系ユニットでは、照度調整や偽色発生防止を目的として、通常、アイリス、光学ローパスフィルタ、赤外線カットフィルタ等の光学構成部品が撮影光光路上またはその周辺に設けられる。

ＣＣＤからなる撮像素子による可視光領域での通常の撮像では、赤外線領域は撮像にとって邪魔な帯域光となる。赤外線領域まで撮像すると、視聴者が正常映像として認識できない映像となるためである。そのため、特許文献１に示されるように、赤外線カットフィルタを撮影光光路上に配置して赤外線領域を除去することで、良好な可視光領域撮像を実現している。しかしながら、夜間や暗所撮影などの低照度環境下での撮影では、赤外線領域の映像は、映像の明瞭化にとって極めて有効となる。

そこで従来から、通常撮影時においては、撮影光光路上に赤外線カットフィルタを配置させ、低輝度環境下における撮影時においては、赤外線カットフィルタを撮影光光路上から退避させることで、通常撮像と低輝度環境下での撮影とを両立させた撮像装置がある。

この撮像装置を実現するうえでは、撮像素子周辺に、赤外線カットフィルタ、およびその進退機構を配置する空間が必要となる。そのため、このような構成は、分光カラーフィルタと撮像素子との組み合わせによる光学系ユニット(以下、単板方式光学系ユニットと呼ぶ)を有しており、撮像素子周辺空間に比較的余裕のある撮像装置において実施されている。

図１は、赤外線カットフィルタおよびその進退機構を有する撮像装置の光学系（単板方式光学系ユニット）を示す図である。図１において、１ａ〜１ｄは各レンズ群、２は撮像素子、３は分光カラーフィルタ、４はダミーガラス等、５はローパスフィルタ、６は赤外線カットフィルタ、７は各種フィルタ、８はアイリスを示す。また、Ｌ１は、レンズ群１ａ〜１ｄの最先端位置から撮影素子２までの光路長を示す。Ｚは撮影光光路の中心軸を示す。さらに、Ｐ１はレンズ群１ａ〜１ｄの最後端位置から撮影素子２までの空間長を示す。

図１に示す光学系（単板方式光学系ユニット）では、空間長Ｐ１は、比較的容易に大きく確保することができる（１０ｍｍ程度以上）。そのため、赤外線カットフィルタ６を撮影光光路に対して進退させる機構を空間長Ｐ１に設けることが可能となる。図１において赤外線カットフィルタおよびその進退機構は図示省略されている。
特開昭６３−８７８８９号公報

しかしながらこの構成の実現には、赤外線カットフィルタ６の進退機構を配置する空間的余裕が撮像素子周辺に存在することが条件となる。この条件は上述した単板方式光学系ユニットでは満足させることができるものの、分光プリズムと複数撮像素子とを組み合わせてなる光学系ユニット（以下、分光プリズム方式光学系ユニットと呼ぶ）では十分に満足させることができるとはいい難い。

図２は、上記条件が分光プリズム方式光学系ユニットで満足しないことを示す図である。図２において、各部品に付された符号は、図１と同様である。ただし、９は、分光カラーフィルタ３に替えて設けられた分光プリズムを示す。Ｌ２は、レンズ群１ａ〜１ｄの最先端位置から撮影素子２までの光路長を示す。Ｒは当該光学系の結像領域を示し、Ｐ２は、レンズ群１ａ〜１ｄの最後端位置から分光プリズム９までの空間長を示す。空間長Ｐ２は、結像領域Ｒ内の一部の空間長であり、この空間長内に赤外線カットフィルタ６が収納される。

分光プリズム方式光学系ユニットでは、入射光を３原色に分光する分光プリズム９をこの光学系の結像領域Ｒに設けるとともに、分光した３原色光それぞれを撮像する撮像素子２をさらに結像領域Ｒに設ける必要がある。このような理由により、分光プリズム方式光学系ユニットにおける空間長Ｐ２は、単板方式光学系ユニットにおける空間長Ｐ１より狭くなり、その結果、分光プリズム方式光学系ユニットでは、赤外線カットフィルタ６の進退機構を設けることができない。

分光プリズム方式光学系ユニットにおいて赤外線カットフィルタ６の進退機構を設けるスペースを確保するために、その光学全長Ｌ２を延長することが考えられる。これにより、結像領域Ｒを光路後方に移動させて空間長Ｐ２を大きくすることができる。しかしながら、光学全長Ｌ２の延長は相対的な性能・製品力の低下につながるため、実際上、そのような対策は実現不可能である。

分光プリズム方式光学系ユニットは、相対的に分光性がよく且つ感度がよい。そのため、このような特徴を備えた分光プリズム方式光学系ユニットにおいて、赤外線カットフィルタ等の光学部品を撮影光光路に対して進退させる機構を、光学全長Ｌ２を延長させることなく設置することが要望されている。

したがって、本発明の主たる目的は、分光プリズム方式光学系ユニットを備えた撮像装置において、通常撮像と、低輝度環境下での撮影とを両立させることである。

上記の課題を解決するために本発明の撮像装置は、赤外線カットフィルタと、赤外線カットフィルタを撮影光光路上の位置と当該撮影光光路から離間する位置との間で進退移動させると機構ユニットとを、前記レンズ群により光束調整中の前記撮影光の光束集光領域に配置することを最も主要な特徴とする。

これにより、赤外線カットフィルタおよびその機構ユニットを、既存の撮像装置の構造において当該機構ユニットを追加配置するのが比較的容易である場所（光束集光領域）に配置することで、光路全長を延長させることなく、赤外線カットフィルタの進退構成を実現することができる。なお、光束集光領域が機構ユニットを追加配置するのに適した領域であるのは以下の理由による。

光束集光領域は、撮影光の光束が絞り込まれた領域であってその光束面積は小さい。そのため、この領域に赤外線カットフィルタを設ければ、その進退ストロークを小さくすることが可能となる。このような理由により、赤外線カットフィルタを進退させる機構ユニットの構造も簡単なものとなってその小型化が図れる。また、光束が絞り込まれた光束集光領域では、撮影光に対して光学調整を加える部品ユニット（例えば、アイリス機構等）が従来から設置されている。光束集光領域およびその周辺の構造は、これらの部品ユニットの構造部品を動作させる機構が組み込み可能となるように既に設計がなされている。このような構造設計がなされている光束集光領域は、赤外線カットフィルタおよびその機構ユニットを組み込む領域としては最良であって、この領域にこれらの部品を組み込めば、最低限の設計変更で精度高く組み込むことが可能となる。反対に、前記撮影光の結像領域では、設計上、機械的な機構構造物を配置するのは結像状態を高精度に維持するうえで好ましくない。

また、赤外線カットフィルタを光束集光領域に設けることで、撮影光光路上の傷やごみの映像を撮像素子に結像させにくくなる。これは、光束集光領域内に位置する傷、ごみ等の映像は、撮像素子に明確に合焦しないことに起因する。

なお、光束集光領域とは、撮影光がレンズ群によって最も集光される領域を示し、本発明では、光束集光領域を次のように規定する。すなわち、光束集光領域における光束直径をｄ’とし、レンズ群によって最も集光された点（最集光点）における光束直径をｄとした場合、ｄ’≦ｄ×１．３となる領域を光束集光領域と規定する。

赤外線カットフィルタはその光学特性を維持できる範囲において、薄型フィルタ（厚み０．１〜２ｍｍ）を用いるのが好ましい。そうすれば、機構ユニットの負荷低減と装着スペースの削減が促進されるうえ、機構ユニットそのものの薄型化が促進されて光路全長の短縮化が図れる。

本発明によれば、赤外線カットフィルタおよびその機構ユニットを、既存の撮像装置の構造において当該機構ユニットを追加配置するのが比較的容易である場所（光束集光領域）に配置することで、光路全長を延長させることなく、赤外線カットフィルタの進退構成を実現することができる。

以下、本発明の好ましい具体例について図面を参照して説明する。

図３〜図７は本発明の具体例１である撮影装置１を示す。これらの図において、１０は分光プリズム方式光学系ユニットを示し、１１は通常撮影時と低輝度撮影時とを切り替える切り替えスイッチを示し、１２は低輝度撮影時の赤外線発光補助照明ユニット（赤外線発光器）を示し、１ａは前玉レンズ群を示し、１ｂはズームレンズ群を示し、１ｃは手ブレ補正レンズ群を示し、１ｄはピント合わせレンズ群を示し、２は撮像素子を示し、５は光学ローパスフィルタを示し、７は任意の光学フィルタを示し、８はアイリス本体を示し、９は分光プリズムを示し、１３は赤外線カットフィルタを示し、１４ａは機構ユニットを示し、１４ｂはアイリス機構ユニットを示し、Ｌは当該光学系の光路全長を示し、Ｑは当該光学系の光束集光領域を示し、Ｒは当該光学系の結像領域を示し、Ｚは当該光学系の光路中心軸を示す。

前玉レンズ群１ａと、ズームレンズ群１ｂと、手ブレ補正レンズ群１ｃと、ピント合わせレンズ群１ｄとは、撮影光を結像可能に光束調整するレンズ群を構成する。分光プリズム９は、上記レンズ群により光束調整された撮影光を分光する。

本具体例では、光束集光領域Ｑは当該光学系の光路中央位置（光路全長Ｌにおける長手方向中央位置）に設定される。しかしながら、光束集光領域Ｑの位置は、光学系の設計変更に基づいて光路前後に移動可能である。結像領域Ｒは当該光学系の撮影光光路の後端位置（光路全長Ｌにおける最後端位置）に設定される。

前玉レンズ群１ａは光学系の光路最前端に配置される。分光プリズム９は結像領域Ｒに配置される。撮像素子２は、分光プリズム９により分光された３原色に対応して３つ設けられる。各撮像素子２は、分光プリズム９の分光出力端それぞれに設けられる。撮像素子２は、分光プリズム９で分光された各光をそれぞれ撮像する。

ピント合わせレンズ群１ｄは、撮影光光路の最後端であって結像領域Ｒの直前位置に配置される。光学フィルタ７とアイリス本体８と赤外線カットフィルタ１３とは、光束集光領域Ｑに配置される。光赤外線カットフィルタ１３は光束調整中の撮影光の赤外線成分を除去する機能を有する。ズームレンズ群１ｂは、光束集光領域Ｑの光路直前位置に配置される。手ブレ補正レンズ群１ｃは、光束集光領域Ｑの光路直後位置に配置される。

機構ユニット１４ａは、光束集光領域Ｑに配置された赤外線カットフィルタ１３を撮影光光路の直交方向（径方向）に沿って、撮影光光路上の位置と撮影光光路から離間した位置との間で往復進退させる機構ユニットである。アイリス機構ユニット１４ｂは、光束集光領域Ｑに配置されたアイリス本体８の絞り具合を調整する機構ユニットである。アイリス機構ユニット１４ｂは、撮影光光路に対して直交する方向（絞り半径方向）に沿って配置されて、分光プリズム方式光学系ユニット１０のケーシング１０ａに固着される。機構ユニット１４ａは、アイリス機構ユニット１４ｂの一方の主面１４ｂ_１に固着される。

アイリス機構ユニット１４ｂは、ケーシング１０ａに装着された状態において、主面１４ｂ_１が撮影光光路に対して直交する方向（絞り半径方向）に沿った平面形状となるように成形される。機構ユニット１４ａの装着面となる主面１４ａ_１は平面形状に成形される。そのため、主面１４ａ_１を主面１４ｂ_１に当接させた状態で機構ユニット１４ａをアイリス機構ユニット１４ｂに取り付けると、機構ユニット１４ａは、別途、配置位置調整を受けることなく撮影光光路に対して直交する方向（絞り半径方向）に沿って配置される。機構ユニット１４ａは、例えば、ねじ止めによりアイリス機構ユニット１４ｂに装着される。

機構ユニット１４ａは、赤外線カットフィルタ１３を保持する平板プレート１９と、平板プレート１９を駆動する電動アクチュエータ１５と、電動アクチュエータ１５の回転駆動を平板プレート１９に伝動するアーム１８とを備える。これら赤外線カットフィルタ１３、平板プレート１９、電動アクチュエータ１５、およびアーム１８は、平板状のケーシング２０に収納される。ケーシング２０には、開口１７が形成される。開口１７は、機構ユニット１４ｂが機構ユニット１４ａに装着された状態で撮影光光路に配置されるように、ケーシング２０に設けられる。開口１７は、光束集光領域Ｑにおいて撮影光光路上で撮影光光束が通過する有効径以上の直径を有する。

平板プレート１９は、アーム１８を介して電動アクチュエータ１５から伝動される駆動を受けて平板プレート１９内で、プレート平面方向に沿って反復直線移動する。平板プレート１９に装着された赤外線カットフィルタ１３は、平板プレート１９の反復直線移動により、開口１７上の位置（フィルタ装着位置）と開口１７から離間する位置（フィルタ離脱位置）との間で反復移動する。平板プレート１９は、機構ユニット１４ａの主面（装着面）１４ａ_１と平行に配置されており、さらには、平板プレート１９は主面（装着面）１４ａ_１と平行に反復直線移動する。

機構ユニット１４ａと、アイリス機構ユニット１４ｂとは、その平面方向に沿って、アイリス本体８や赤外線カットフィルタ１３を駆動する構造上、撮影光光路上における厚み寸法を１ｍｍ〜５ｍｍ程度に抑えることができる。

以下、この分光プリズム方式光学系ユニット１０を有する撮像装置１の動作を説明する。

撮像装置１の操作者による切り替えスイッチ１１に対する入力操作によって、撮影モードが低輝度撮影モードに切り替えられると、その切り替え信号を受けた撮像装置１の制御部（図示省略）は赤外線発光補助照明ユニット１２と光学系ユニット１０とに低輝度撮影モード指示信号を送る。この指示信号を受けた赤外線発光補助照明ユニット１２は、赤外線を発光させて被写体を赤外線照明し、分光プリズム方式光学系ユニット１０の機構ユニット１４ａは、電動アクチュエータ１５によって平板プレート１９を駆動させて赤外線カットフィルタ１３を撮影光光路から離脱する位置に移動させる。これにより赤外線撮像が可能となる。

一方、切り替えスイッチ１１によって、撮影モードが通常撮影モードに切り替えられると、その切り替え信号を受けた撮像装置１の制御部（図示省略）は赤外線発光補助照明ユニット１２と光学系ユニット１０とに通常撮影モード指示信号を送る。この指示信号を受けた赤外線発光補助照明ユニット１２は、赤外線の照射を停止し、分光プリズム方式光学系ユニット１０の機構ユニット１４ａは、電動アクチュエータ１５によって平板プレート１９を駆動させて赤外線カットフィルタ１３を撮影光光路上に移動させる。これにより通常撮像が可能となる。

なお、切り替えスイッチ１１に替えて、撮影環境の輝度を検出するセンサ２１を設け、このセンサ２１が測定した撮影環境の輝度に基づいて、通常撮影と低輝度撮影とを切り替えてもよい。

分光プリズム方式光学系ユニット１０では、結像領域Ｒに分光プリズム９が配置されているため、光路全長Ｌを延長することなく、結像領域Ｒに赤外線カットフィルタ１３や機構ユニット１４ａを配置することはできない。

そこで、分光プリズム方式光学系ユニット１０では、機構ユニット１４ａと赤外線カットフィルタ１３とを結像領域Ｒ以外の領域である光束集光領域Ｑに配置している。そのため、光路全長Ｌを延長させることなく、赤外線カットフィルタ１３を反復進退移動させることができる。

上述した具体例では、機構ユニット１４ａとアイリス機構ユニット１４ｂとを別体としたが、電動アクチュエータ１５をアイリス本体８の開閉駆動源として共用したうえでアーム１８をアイリス機構ユニット１４ｂに組み込むことで、両機構１４ａ、１４ｂを同一の機構とすることも可能である。そうすれば、構成部品点数の減少、機構１４ａ、１４ｂの配置領域の縮小も可能である。

また、赤外線カットフィルタ１３としては、機構ユニット１４ａの厚み寸法の縮小および電動アクチュエータ１５への駆動負荷を下げるために、フィルタ特性を維持可能な範囲で０．１〜２．０ｍｍ程度まで薄型化するのが好ましい。

以上のような構成によって、分光プリズム方式光学系ユニットを有する撮像装置１では、赤外線カットフィルタおよびこのフィルタを進退させる機構ユニットを光束集光領域Ｑに設けることで、夜間や暗所撮影における良好な撮像を、撮像装置の光路全長を延ばすことなく実現できる。これにより、相対的に分光性がよく且つ感度がよい分光プリズム方式光学系ユニットを備えた撮像装置において、日中に加えて夜間や暗所撮影を精度高く実施することが可能となる。

また、撮像装置１は、赤外線カットフィルタ１３を光束集光領域Ｑに設けることで、撮影光光路上の傷やごみの映像を撮像素子２に結像させにくいという効果を有する。以下、その理由を説明する。

赤外線カットフィルタ１３では、その表面に傷が付いたりごみが付着することがある。特に、機構ユニット１４ａにより反復進退移動する本発明の構成では、反復移動することで傷やごみが形成されやすい。結像領域Ｒの間近に赤外線カットフィルタを配置する場合、赤外線カットフィルタに形成された傷やごみの映像は撮像素子２に明瞭に結像される。このことは、前玉レンズ群１ａの直後に赤外線カットフィルタを配置する場合も同様である。この場合、傷やごみの映像は分光プリズム方式光学系ユニット１０の合焦範囲に可及的に近づくために、結像画像が明瞭になる。

これに対して、光束集光領域Ｑに位置する被写体（傷、ごみ）の映像は、撮像素子２に明瞭に合焦しない。そのため、赤外線カットフィルタ１３を光束集光領域Ｑに配置している本発明の構成では、赤外線カットフィルタ１３に傷やごみが形成されたとしても、その傷やごみの映像は撮像素子２上での大きくボケたものとなる。そのため、それらの傷やごみに起因する映像上の影響はほとんど生じない。

また、撮像装置１では、アイリス８およびアイリス８を駆動する機構ユニット１４ｂは、赤外線カットフィルタ１３と同様、光束集光領域Ｑに設けられる。このような構成を備えた撮像装置１では、赤外線カットフィルタ１３を反復進退移動させる機構ユニット１４ａを、アイリス機構ユニット１４ｂに装着している。アイリス機構ユニット１４ｂは撮像装置１にとって必須の機構であって、その取り付け構造は、撮像装置の従来品において、精度の高い取り付けが可能となるように設計がなされている。

撮像装置１では、従前の設計済構成において、高精度の取り付けが既に実現されているアイリス機構ユニット１４ｂにおいてその主面１４ｂ_１を平面形状に設計変更している。そのうえで、機構ユニット１４ａの主面１４ａ_１を平板形状に設計し、主面１４ｂ_１、１４ａ_１どうしを当接させた状態で、機構ユニット１４ａをアイリス機構ユニット１４ｂに装着している。

このような取り付け構造を有する撮像装置１では、
・アイリス機構ユニット１４ｂの主面１４ｂ_１を精度高く平面にしたうえで撮影光光路に対して直交配置する、
・機構ユニット１４ａの主面１４ａ_１を精度高く平面にする、
という比較的簡単な構造を実現させるだけで、機構ユニット１４ａの取り付け精度を高く維持することができる。なお、この場合における取り付け精度とは、赤外線カットフィルタ１３を撮影光光路に対して直交する方向（半径方向）に沿って配置する取り付け精度のことである。

また、撮像装置１では、赤外線カットフィルタ１３をアイリス８より撮影光光路の直後位置に設けている。これにより、アイリス本体８の表面で生じる光の乱反射が撮像素子２に到達するのを抑制することができる。赤外線カットフィルタ１３をアイリス本体８より撮影光光路の直前位置に設けた場合、図８に示すように、アイリス本体８の表面で生じる光の乱反射は、光路逆方向に進行して赤外線カットフィルタ１３で光路順方向に再反射して進行し、アイリス本体８、手ブレ補正レンズ群１ｃ、およびピント合わせレンズ群１ｄを通過して分光プリズム９に到達して撮像素子２に入光する。なお、図８において、符号Ｓが乱反射光を示す。

これに対して、赤外線カットフィルタ１３をアイリス本体８より撮影光光路の直後位置に設けている撮像装置１は、アイリス本体８表面で生じる光の乱反射は、構造上、光路順方向に反射することがないため、乱反射光が撮像素子２に入光することは起きない。

単板方式光学系ユニットを有する撮像装置の要部を示す図。 分光プリズム方式光学系ユニットを有する撮像装置の要部を示す図。 本発明の一具体例の撮像装置の外観を示す図。 本発明の一具体例の撮像装置の要部の外観を示す図。 本発明の一具体例の撮像装置の要部の断面図。 本発明の一具体例の撮像装置の光学系を示す図。 本発明の一具体例の撮像装置の要部である機構ユニットを示し、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は側面図。 本発明の効果の説明図。

符号の説明

１ａ〜１ｄ レンズ群
２ 撮像素子
８ 赤外線カットフィルタ
９ 分光プリズム
１４ａ 機構ユニット
Ｒ 結像領域

Claims (6)

1. 撮影光を結像可能に光束調整するレンズ群と、
   前記レンズ群により光束調整された前記撮影光の結像領域に設けられて前記撮影光を分光する分光プリズムと、
   前記分光プリズムで分光された各光をそれぞれ撮像する撮像素子と、
   光束調整中の撮影光の赤外線成分を除去する赤外線カットフィルタと、
   前記赤外線カットフィルタを、撮影光光路上の位置と当該撮影光光路から離間する位置との間で進退移動させる機構ユニットと、
   を備え、
   前記赤外線カットフィルタと前記機構ユニットとを、前記レンズ群により光束調整中の前記撮影光の光束集光領域に配置する、
   撮像装置。
2. 前記光束集光領域に、前記撮影光の絞り調整を行うアイリス機構を設け、
   前記機構ユニットを当該アイリス機構を介して当該撮像装置に装着する、
   請求項１の撮像装置。
3. 前記赤外線カットフィルタを、前記アイリス機構の前記撮影光光路上の直後位置に設ける、
   請求項２の撮像装置。
4. 前記撮影光光路の中心軸に対してそれぞれ直交する前記アイリス機構の主面と前記機構ユニットの主面とをそれぞれ平面として、これら両主面を当接させることで、前記機構ユニットを前記アイリス機構に位置決めする、
   請求項３の撮像装置。
5. 被写体に向けて赤外線光を照射する赤外線発光器をさらに備え、
   前記機構ユニットは、前記赤外線発光器が発光している期間は、前記赤外線カットフィルタを、前記撮影光光路上に移動配置させる、
   請求項１の撮像装置。
6. 前記赤外線カットフィルタを厚み０．１ｍｍ〜２ｍｍの硝材から構成する、請求項１の撮像装置。

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