JP2006178264A - 色分解光学系 - Google Patents

Abstract

【課題】 緑色域光を透過させる波長選択フィルタの分光特性を適切に調整することにより、光射出面における固体撮像素子からの戻り光の反射量を低減させ、ゴーストやフレアがなく、色バランスの良好な画像を得る。
【解決手段】 複数のプリズム１１，１２，１３と、該プリズム１１，１２，１３の所定のプリズム面に配置され、所定の波長範囲の光を選択的に透過または反射させる相異なる分光特性を有する複数の波長選択フィルタ（ダイクロイック膜１５，１６）とを備える。緑色域光を透過させる波長選択フィルタ（ダイクロイック膜１６または１５）に対して、その分光透過率曲線が、緑色域光の短波長側で、青色域光と緑色域光の境界に沿って立ち上がる透過特性を付加する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、テレビカメラやビデオカメラ等の撮像装置に用いられる色分解光学系に関し、詳しくは、複数のプリズムおよび波長選択フィルタを組み合わせて構成され、入射光をこれら各光学素子の分光特性により、複数の波長範囲の光（例えば、青色域光、緑色域光、および赤色域光）に分解して、分解した各光を固体撮像素子等に向けて射出する色分解光学系に関するものである。

従来、この種の色分解光学系として、複数のプリズムおよび色分解用の光学フィルタ膜の組み合わせ方の特徴により、フィリップス型と呼ばれるタイプのものやクロスダイクロイック型と呼ばれるタイプのものなど、種々のものが知られている。

近年、この種の色分解光学系を組み込んだテレビカメラ等の撮像装置では、取り込んだ光学像を電気信号に変換する撮像素子として、撮像管に替わりＣＣＤ等の固体撮像素子が用いられるようになっている。そして、いわゆる焼き付きなどの問題が発生しやすい撮像管を用いた場合には困難であった手法、すなわち、高輝度な被写体像を色分解光学系に取り込んで色分解した後、各光を高輝度な状態のまま各固体撮像素子の撮像面に射出する手法も容易に行ない得るようになった。

しかし、固体撮像素子の撮像面は金属のコーティング膜が施されるなど反射率が高く、高輝度な光が撮像面に入射した場合に、この光が撮像面で反射して色分解光学系の光射出面に反射光として戻り、この反射光が再び光射出面で反射して固体撮像素子の撮像面に再度入射する現象が起きやすい。このような色分解光学系の光射出面と固体撮像素子の撮像面との間で生じる光の往復現象は、ゴーストやフレアを引き起こして画像に悪影響を及ぼす原因となる。

そこで、色分解光学系の光射出面に不要な成分光を除去するための色ガラスからなるトリミングフィルタを配設して、ゴーストやフレアを制御する手段が提案されている（例えば特許文献１参照）。

また、色分解光学系の光射出面ではなく、ＣＣＤ等からなる固体撮像素子の保護ガラスの表面に不要な成分光を除去するための色ガラスからなるトリミングフィルタを配設する技術も提案されている（例えば、特許文献２参照）
特開平１０−２３４０４９号公報 特開平９−３７１１６号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載された技術では、色ガラスの分光特性が当該色ガラスの厚みに依存するため、色ガラスに求められる分光特性と厚みに関する機械的な制約とを同時に満足させることが困難であった。また、仮に色ガラスに求められる分光特性と厚みに関する機械的な制約とを同時に満足させることができたとしても、色ガラスを製造するための材料の成分が限定されてしまい、色ガラスの熱膨張係数や屈折率などの他の物性に関する自由度が小さなものとなっていた。
このような不都合に対処するため、本願発明者等は、色ガラスの代わりに色素を含む光吸収層を有するトリミングフィルタを用いた色分解光学系を開発した。

しかしながら、色素を含む光吸収層は、色ガラスと比較して分光透過率が低いという特性を有している。人間の目は緑色域光に対して特に感度が高いため、光射出面から緑色域光を射出させるプリズムに対して色素を含む光吸収層を用いた場合には、色バランスの良好な色分解光学系とすることができない場合もあった。

図３を参照して、従来の色分解光学系における緑色域光の分光透過率を説明する。図３は、従来の色分解光学系において、赤色域光を反射するとともに緑色域光を透過するダイクロイック膜（以下、赤反射／緑透過のダイクロイック膜と称する）、色ガラス、および色素を含み光吸収層の分光透過率曲線を示す説明図である。なお、図３において、赤反射／緑透過のダイクロイック膜の分光透過率曲線を実線で示し、色ガラスの分光透過率曲線を一点鎖線で示し、色素を含む光吸収層の分光透過率曲線を破線で示している。

図３に示すように、従来の色分解光学系に用いる赤反射／緑透過のダイクロイック膜は、緑色域光に関して波長５７５ｎｍ付近に分光透過率曲線の立ち下がり半値を有しているが、短波長側では緑色域光の分光透過範囲を規定することができない。したがって、色ガラス、あるいは色素を含む光吸収層を用いることにより、緑色域光に関して波長４９０ｎｍ付近に分光透過率曲線の立ち上がり半値を有するようにして、緑色域光の透過範囲（赤色域光の反射範囲）を規定している。

ところで、図３に示すように、色ガラスを用いた場合には、緑色域の短波長側において、分光透過率曲線が急峻に立ち上がるとともに、波長５２０ｎｍ付近からは光透過率がほぼ１００％に近い状態となり、良好な光学性能を発揮することができていた。
しかし、上述したように、色素を含む光吸収層を用いた場合には、緑色域の長波長側における分光透過率の最大値が８８％程度となってしまい、人間の目の感度が特に高い緑色域光に対して色バランスの良好な色分解光学系とすることができなかった。

また、色分解光学系を構成する波長選択フィルタ（例えば、ダイクロイック膜）の特性によっては、プリズムへの入射光に若干の不要域光が残存する場合もある。例えば、光射出面から赤色域光を射出させるプリズムに入射する光には、青色域光側に若干の不要域光が残存している場合があり、この不要域光を除去するためには、当該プリズムの光射出面側にトリミングフィルタを配設する必要がある。

上述したように、特許文献２に記載された従来の色分解光学系では、固体撮像素子の保護ガラスの表面に色ガラスを貼り付けていたが、色ガラスはある程度の厚みがあるため、プリズムと固体撮像素子との間に十分なスペースが必要であり、色分解光学系を小型化することが難しかった。また、色ガラスに用いる材料の選択自由度が小さいという問題を有していた。

本発明は、上述した事情に鑑み提案されたもので、緑色域光を透過させるとともに赤色域光を反射させる波長選択フィルタの分光特性を調整することにより、光射出面から緑色域光を射出させるプリズムにおいて、色ガラスや色素を含む光吸収層を用いることなく、ゴーストやフレアを抑制するとともに、色バランスの良好な色分解光学系を提供することを目的とする。

また、本発明は、不要域光を除去するために、その光射出面側にトリミングフィルタを配設する必要があるプリズムが存在する場合であっても、ゴーストやフレアを抑制するとともに、色バランスが良好で小型化を図ることが可能な色分解光学系を提供することを目的とする。

本発明の色分解光学系は、上述した目的を達成するため、複数のプリズムと、該プリズムの所定のプリズム面に配置され、所定の波長範囲の光を選択的に透過または反射させる相異なる分光特性を有する複数の波長選択フィルタとを備えた色分解光学系において、
前記波長選択フィルタのうち、緑色域光を透過させる波長選択フィルタに対して、その分光透過率曲線が、緑色域光の短波長側で、青色域光と緑色域光の境界に沿って立ち上がる透過特性を付加してなることを特徴とするものである。

この場合、光線の入射側から順に、第１のプリズム、第２のプリズムおよび第３のプリズムを配設し、
前記第の２プリズムと前記第３のプリズムとの境界面に、緑色域光を透過させる分光特性を有する波長選択フィルタを設け、
前記緑色域光を透過させる分光特性を有する波長選択フィルタは、その分光透過率曲線において、短波長側の立ち上がり半値波長が４８０ｎｍ〜５１０ｎｍの範囲内に設定されるとともに、該立ち上がり半値波長を挟んで、短波長側において１５％の透過率を有する波長と、長波長側において８０％の透過率を有する波長との差が３０ｎｍ以内に設定されるように構成することが可能である。

また、前記緑色域光を透過させる分光特性を有する波長選択フィルタは、赤色域光を反射する分光特性を併せ持つように構成することが可能である。

また、光線の入射側から順に、第１のプリズム、第２のプリズムおよび第３のプリズムを配設し、
前記第１のプリズムは、前記第２のプリズムの光入射面に対向する光反射面に、緑色域光を透過させる分光特性を有する波長選択フィルタを備え、
前記緑色域光を透過させる分光特性を有する波長選択フィルタは、その分光透過率曲線において、緑色域光の短波長側の立ち上がり半値波長が４８０ｎｍ〜５１０ｎｍの範囲内に設定されるとともに、該立ち上がり半値波長を挟んで、短波長側において１５％の透過率を有する波長と、長波長側において８０％の透過率を有する波長との差が３０ｎｍ以内に設定されるように構成することが可能である。

また、光線の入射側から順に、第１のプリズム、第２のプリズムおよび第３のプリズムを配設し、
前記第の１プリズムは、前記第２のプリズムの光入射面に対向する光反射面に、青色域光を反射するとともに赤色域光および緑色域光を透過させる分光特性を有する波長選択フィルタを備え、
前記第２のプリズムと前記の第３プリズムとの境界面に、赤色域光を反射するとともに緑色域光を透過させる分光特性を有する波長選択フィルタを設け、
前記青色域光を反射するとともに赤色域光および緑色域光を透過させる分光特性を有する波長選択フィルタは、その分光透過率曲線において、短波長側の立ち上がり半値波長が４８０ｎｍ〜５１０ｎｍの範囲内に設定されるとともに、該立ち上がり半値波長を挟んで、短波長側において１５％の透過率を有する波長と、長波長側において８０％の透過率を有する波長との差が３０ｎｍ以内に設定されるように構成することが可能である。

また、前記複数のプリズムの光射出面に対向させてそれぞれ固体撮像素子を配設し、
前記複数のプリズムのうち、その光射出面から赤色域光を射出するプリズムに対向して配設された固体撮像素子の受光面までの間に、前記固体撮像素子への入射光に含まれる不要な波長域の光を除去する分光特性を持つ色素を含むコーティング層を設けることが可能である。

本発明の色分解光学系によれば、緑色域光を透過させる波長選択フィルタに対して、その分光透過率曲線が、緑色域光の短波長側で、青色域光と緑色域光の境界に沿って立ち上がるような透過特性を付加したことにより、色ガラスや色素を含む光吸収層を用いることなく分光特性を適切に調整して不要域光を除去することができ、ゴーストやフレアを抑制するとともに、色バランスを良好なものとすることができる。

また、緑色域光を透過させる分光特性を有する波長選択フィルタにおける分光透過率曲線について、短波長側の立ち上がり半値を４８０ｎｍ〜５１０ｎｍの範囲内に設定するとともに、該立ち上がり半値波長を挟んで、短波長側において１５％の透過率を有する波長と、長波長側において８０％の透過率を有する波長との差が３０ｎｍ以内に設定することにより、より確実かつ効果的にゴーストやフレアを抑制するとともに、色バランスを良好なものとすることができる。

また、光射出面から赤色域光を射出するプリズムに対向して配設された固体撮像素子の受光面に、入射光に含まれる不要な青色域光を除去する分光特性を持つ色素を含むコーティング層を設けることにより、さらに一層、ゴーストやフレアを抑制するとともに、色バランスを良好なものとし、小型化を図ることが可能な色分解光学系とすることができる。

以下、図面を参照して、本発明の色分解光学系の実施形態を説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る色分解光学系を示す概略構成図である。

本発明の実施形態に係る色分解光学系は、図１に示すように、被写体（図示せず）の画像情報を担持した入射光の光路Ｌ上に配置されたフィリップス型の色分解プリズム１０を備えてなり、色分解プリズム１０は、青色分解プリズム１１、赤色分解プリズム１２および緑色分解プリズム１３の３つのプリズムから構成されている。

また、青色分解プリズム１１の青色域光射出面１１ａと対向する位置には、青色用固体撮像素子１４Ｂが、赤色分解プリズム１２の赤色域光射出面１２ａと対向する位置には、赤色用固体撮像素子１４Ｒが、緑色分解プリズム１３の緑色域光射出面１３ａと対向する位置には、緑色用固体撮像素子１４Ｇが、それぞれ配設されている。

また、青色分解プリズム１１の反射プリズム面には、青色域光を含む短波長光域の光（青色域光）のみを反射し、緑色域光を含む中間波長域の光（緑色域光）および赤色域光を含む長波長域の光（赤色域光）は透過する第１のダイクロイック膜１５が配設されている。さらに、赤色分解プリズム１２と緑色分解プリズム１３との境界に位置する反射プリズム面には、赤色分解プリズム１２に入射してきた光のうち、赤色域光の波長域内の光は反射して、赤色域光の波長域外の光（主として緑色域光）は透過する分光特性を持つ第２のダイクロイック膜１６が配設されている。

第１のダイクロイック膜１５および第２のダイクロイック膜１６は、所定の分光特性を有するように調整された周知のダイクロイック膜からなり、例えば、ＴｉＯ₂およびＳｉＯ₂からなる複数の膜層を交互に積層した構造となっている。

また、赤色分解プリズム１２の赤色域光射出面１２ａと、この赤色域光射出面１２ａに対向して配設された赤色用固体撮像素子１４Ｒの撮像面との間には、赤色域光射出面１２ａからの射出光に微量含まれる不要な波長域光を除去する分光特性を持つ色素を含むコーティング層１２１が形成されている。このコーティング層１２１は、光学ガラス１２０の表面に色素をスピンコート法や真空蒸着法などにより付着させたものである。また、この色素を含むコーティング層をＣＣＤのカバーガラス等に設けることにより、部品点数を削減することができる。

被写体（図示せず）からの光は、光路Ｌに沿って青色分解プリズム１１の入射プリズム面１１ｂから入射して第１のダイクロイック膜１５に到り、この第１のダイクロイック膜１５において、青色域光Ｂのみが反射され、緑色域光Ｇおよび赤色域光Ｒは透過される。第１のダイクロイック膜１５において反射された青色域光Ｂは、入射プリズム面１１ｂにおいて全反射された後、青色域光射出面１１ａから射出され、青色用固体撮像素子１４Ｂにおいて撮像される。

一方、第１のダイクロイック膜１５を透過した緑色域光Ｇおよび赤色域光Ｒは、第２のダイクロイック膜１６において赤色域光Ｒが反射され、緑色域光Ｇが透過される。透過した緑色域光Ｇは、緑色分解プリズム１３を経て緑色域光射出面１３ａから射出され、緑色用固体撮像素子１４Ｇにおいて撮像される。

また、第２のダイクロイック膜１６で反射された赤色域光Ｒは、青色分解プリズム１１と赤色分解プリズム１２との間にエアギャップが設けられているため、赤色分解プリズム１２の全反射プリズム面１２ｂにおいて全反射され、赤色光射出面１２ａから射出されて、赤色用固体撮像素子１４Ｒにおいて撮像される。

ここで、第２のダイクロイック膜１６の特性として、赤色分解プリズム１２に入射され、その赤色域光射出面１２ａから射出される光には、若干ではあるが不要な波長域光が含まれている。そこで、赤色域光射出面１２ａと、この赤色域光射出面１２ａと対向して配設された赤色用固体撮像素子１４Ｒの撮像面との間に設けたコーティング層１２１で不要な波長域光を吸収することにより、光学ガラス１２０の光射出面１２ｃと赤色用固体撮像素子１４Ｒの受光面との間における光の往復現象を防止して、ゴーストやフレアがないとともに、クロストークの少ない良好な画像を得ることができる。

次に、図２を参照して、本実施形態の色分解光学系における分光特性を説明する。
図２は、本発明の色分解光学系に用いる第２のダイクロイック膜の分光特性を示す説明図である。

本実施形態の色分解光学系において、第２のダイクロイック膜１６は、図２に示すように、分光透過率曲線の立ち上がりの半値波長が４９５ｎｍ程度、分光透過率曲線の立ち下がりの半値波長が５７５ｎｍ程度となるように設定されている。また、立ち上がり半値波長を挟んで、短波長側において１５％の透過率を有する波長は４９０ｎｍ程度であり、長波長側において８０％の透過率を有する波長は４９８ｎｍ程度である。したがって、両者の差は８ｎｍ程度となっている。

さらに、図２に示すように、緑色域光の分光透過率の最大領域において、９７％〜１００％程度の分光透過率を有している。したがって、本実施形態の色分解光学系によれば、人間の目の感度に対して色バランスを良好なものとすることができる。

また、他の実施形態に係る色分解光学系として、第１のダイクロイック膜１５において、上記第２のダイクロイック膜１６と同様に、分光透過率曲線の立ち上がりの半値が波長４９５ｎｍ程度となるように設定することにより、緑色域光の短波長側で、青色域光と緑色域光の境界に沿って立ち上がる透過特性を付加することができる。この場合にも、緑色域光の短波長側で、分光透過率曲線の立ち上がり半値波長を挟んで、短波長側において１５％の透過率を有する波長と８０％の透過率を有する波長との差が３０ｎｍ以内に設定される。

なお、本発明の色分解光学系では、分光透過率曲線において、短波長側の立ち上がり半値波長が４８０ｎｍ〜５１０ｎｍの範囲内に設定されるとともに、該立ち上がり半値波長を挟んで、短波長側において１５％の透過率を有する波長と、長波長側において８０％の透過率を有する波長との差が３０ｎｍ以内に設定されていれば、色バランスを良好なものとすることができる。

また、緑色域光を透過させる分光特性を有する波長選択フィルタにおける緑色域光の分光透過率曲線を、短波長側の立ち上がり半値波長が４９０ｎｍ〜５００ｎｍの範囲内となるように設定することにより、特に良好な色バランスを実現することができる。

また、上記実施形態では、フィリップス型の色分解プリズムを用いているが、本発明は、クロスダイクロイック型の色分解プリズム、あるいは４板式や２板式の色分解プリズム等、他の色分解プリズムに対して適用可能である。

本発明の実施形態に係る色分解光学系を示す概略構成図 本発明の実施形態に係る色分解光学系に用いる第２のダイクロイック膜の分光特性を示す説明図 従来の色分解光学系において、赤反射／緑透過のダイクロイック膜、色ガラス、および色素を含み光吸収層の分光透過率曲線を示す説明図

符号の説明

１０ 色分解プリズム
１１ 青色分解プリズム
１１ａ 青色域光射出面
１１ｂ 全反射プリズム面（青反射）
１２ 赤色分解プリズム
１２ａ 赤色域光射出面
１２ｂ 全反射プリズム面（赤反射）
１２ｃ 光学ガラスの光射出面
１２０ 光学ガラス
１２１ 色素を含むコーティング層
１３ 緑色分解プリズム
１３ａ 緑色域光射出面
１４Ｂ 青色用固体撮像素子
１４Ｒ 赤色用固体撮像素子
１４Ｇ 緑色用固体撮像素子
１５ 第１のダイクロイック膜
１６ 第２のダイクロイック膜

Claims (6)

1. 複数のプリズムと、該プリズムの所定のプリズム面に配置され、所定の波長範囲の光を選択的に透過または反射させる相異なる分光特性を有する複数の波長選択フィルタとを備えた色分解光学系において、
   前記波長選択フィルタのうち、緑色域光を透過させる波長選択フィルタに対して、その分光透過率曲線が、緑色域光の短波長側で、青色域光と緑色域光の境界に沿って立ち上がる透過特性を付加してなることを特徴とする色分解光学系。
2. 光線の入射側から順に、第１のプリズム、第２のプリズムおよび第３のプリズムを配設し、
   前記第の２プリズムと前記第３のプリズムとの境界面に、緑色域光を透過させる分光特性を有する波長選択フィルタを設け、
   前記緑色域光を透過させる分光特性を有する波長選択フィルタは、その分光透過率曲線において、短波長側の立ち上がり半値波長が４８０ｎｍ〜５１０ｎｍの範囲内に設定されるとともに、該立ち上がり半値波長を挟んで、短波長側において１５％の透過率を有する波長と、長波長側において８０％の透過率を有する波長との差が３０ｎｍ以内に設定されていることを特徴とする請求項１記載の色分解光学系。
3. 前記緑色域光を透過させる分光特性を有する波長選択フィルタは、赤色域光を反射する分光特性を併せ持つことを特徴とする請求項２記載の色分解光学系。
4. 光線の入射側から順に、第１のプリズム、第２のプリズムおよび第３のプリズムを配設し、
   前記第１のプリズムは、前記第２のプリズムの光入射面に対向する光反射面に、緑色域光を透過させる分光特性を有する波長選択フィルタを備え、
   前記緑色域光を透過させる分光特性を有する波長選択フィルタは、その分光透過率曲線において、緑色域光の短波長側の立ち上がり半値波長が４８０ｎｍ〜５１０ｎｍの範囲内に設定されるとともに、該立ち上がり半値波長を挟んで、短波長側において１５％の透過率を有する波長と、長波長側において８０％の透過率を有する波長との差が３０ｎｍ以内に設定されていることを特徴とする請求項１記載の色分解光学系。
5. 光線の入射側から順に、第１のプリズム、第２のプリズムおよび第３のプリズムを配設し、
   前記第の１プリズムは、前記第２のプリズムの光入射面に対向する光反射面に、青色域光を反射するとともに赤色域光および緑色域光を透過させる分光特性を有する波長選択フィルタを備え、
   前記第２のプリズムと前記の第３プリズムとの境界面に、赤色域光を反射するとともに緑色域光を透過させる分光特性を有する波長選択フィルタを設け、
   前記青色域光を反射するとともに赤色域光および緑色域光を透過させる分光特性を有する波長選択フィルタは、その分光透過率曲線において、短波長側の立ち上がり半値波長が４８０ｎｍ〜５１０ｎｍの範囲内に設定されるとともに、該立ち上がり半値波長を挟んで、短波長側において１５％の透過率を有する波長と、長波長側において８０％の透過率を有する波長との差が３０ｎｍ以内に設定されていることを特徴とする請求項１記載の色分解光学系。
6. 前記複数のプリズムの光射出面に対向させてそれぞれ固体撮像素子を配設し、
   前記複数のプリズムのうち、その光射出面から赤色域光を射出するプリズムに対向して配設された固体撮像素子の受光面までの間に、前記固体撮像素子への入射光に含まれる不要な波長域の光を除去する分光特性を持つ色素を含むコーティング層が設けられてなることを特徴とする請求項１〜５のうちいずれか１項記載の色分解光学系。

Images