JP2007135951A

JP2007135951A - ２板撮像装置

Info

Publication number: JP2007135951A
Application number: JP2005335251A
Authority: JP
Inventors: Tsutomu Igarashi; 勉五十嵐
Original assignee: Olympus Medical Systems Corp
Current assignee: Olympus Medical Systems Corp
Priority date: 2005-11-21
Filing date: 2005-11-21
Publication date: 2007-06-07
Anticipated expiration: 2025-11-21
Also published as: US20070115376A1; JP5086535B2

Abstract

【課題】内視鏡先端部への実装可能なサイズと品質を確保しつつ、簡素なプリズム構成を維持したままで、色シェーディングを抑制できる分光設計を有し、環境耐性と組立性が良く、固体撮像素子に対する投資効率の良い２板撮像装置。
【解決手段】緑色光を反射する色分解コーティングを有するプリズム群４、５、色分解コーティング反射光を撮像する第１固体撮像素子２、赤色透過と青色透過のオンチップフィルタを有し色分解コーティング透過光を撮像する第２固体撮像素子３を備え、色分解コーティングの分光透過率特性の青色境界側、赤色境界側の波長、第２固体撮像素子の青色透過オンチップフィルタを有する画素の分光感度特性における緑色との境界波長、赤色透過オンチップフィルタを有する画素の分光感度特性における緑色との境界波長に関しての条件を満足する。
【選択図】図１

Description

本発明は、２板撮像装置に関し、特に、医療用内視鏡先端部への搭載を主な用途とする２板撮像装置に関するものである。

挿入部先端に固体撮像素子を配置した内視鏡、いわゆるビデオスコープの画質は固体撮像素子に強く依存しており、これまでは固体撮像素子のユニットセル縮小による画素数向上で高画質化を図ってきた。しかし、ユニットセルサイズが略物理的限界まで到達した現状では、別観点での高画質化技術が要求されている。その一案として固体撮像素子を複数用いた多板撮像装置の採用が考えられるが、多板撮像装置は単板式に比べてサイズが非常に大きいため、ビデオスコープへの採用は困難とみなされていた。しかし、多板式として３板式のビデオスコープ搭載は不可能に近いが、３板式よりも小型化できる２板式ならば工夫の余地がある。

２板撮像装置の従来技術として以下の特許文献１〜９のものが知られている。
特開昭５９−１２７４９２号公報特開平２００５−２１０３５９号公報特開平５−１２２７１０号公報特許第２，９２９，６５５号公報特開２００４−２５８４９７号公報特公昭５７−５５３７号公報特開平１０−３０４３８８号公報特開平１０−３４１４４９号公報特開平８−６８９０４号公報特開平５−２４４６１０号公報

すなわち、主に撮像論理構成に関しては特許文献１〜２が、色シェーディング関連では特許文献３〜４が、また、プリズム形状・サイズでは特許文献５〜９が知られている。

特許文献３には、薄板からなるダイクロイックミラーを用いることで、入射角変動による分光特性変動に配慮した構成が開示されている。しかし、斜めに配した薄板型ミラーは透過光路側で偏心収差を生じる問題がある。また、薄板型ミラーはプリズムと比較して信頼性の高い枠構造の採用が難しく、温度変化等による変形や位置ずれを生じやすいため、２板間の相対位置精度を長期的に維持することが困難である。加えて、様々な場面で湿気に曝される内視鏡においては、固体撮像素子前側の空間に湿気が侵入しやすく、品質劣化を生じやすい。

特許文献４には、色シェーディング低減を目的としたフィルタ配置の工夫が開示されており、いわゆるトリミング機能を有する干渉膜を所定の条件で配置する構成である。この構成では、傾斜した干渉膜を配置する関係でプリズム構成が複雑化し、小型実装が困難である。

特許文献５には、プリズム形状を小型化する工夫が開示されている。ただし、その構成のプリズム形状は、内視鏡用としては径方向に大きすぎる問題がある。

特許文献６には、内視鏡用として径方向サイズの小さいプリズム構成が開示されている。その構成のプリズムは光軸方向に長いため、先端湾曲機構を有する内視鏡の先端硬質長増大を招く欠点がある。

特許文献７〜８には、２個の３角プリズムを立方体状に貼り合わせたプリズム構成、特許文献９には、ゴースト対策を目的とした３角プリズム型の変形例が示されている。特許文献９の構成はプリズムの構成が複雑であり、特許文献７〜８のプリズム構成は最もシンプルかつ小型であるが、各種品質確保の面での工夫がない。

内視鏡では、サイズ・耐性面での要求に応えるために簡素な構成のプリズムとした上で、色シェーディング対策や組立性確保を行わねばならないが、以上の特許文献群に示される２板撮像装置構成では、それらの技術課題に対する考慮が足りない。さらに、２板固有の課題として、固体撮像素子開発に要する投資が大きいことがあげられる。最も画質を高められる緑色光とマゼンタ色光を分離する構成の場合、通常は専用設計の固体撮像素子２種が必要となるため、単板式や３板式撮像装置に比べて開発費用と期間が増大する。

本発明は上記の従来技術に鑑みてなされたものであり、その目的は、内視鏡先端部への実装可能なサイズと品質を、複雑な構造や特殊な素子を用いずに実現できる２板撮像装置構成であって、以下の課題を解決可能な構成を提供することである。

課題１：色シェーディングを抑制できる分光設計。

課題２：環境変化に強く、組立性の良い構成。

課題３：固体撮像素子に対する投資効率を改善するために必要な構成。

本発明の課題１に対応した２板撮像装置は、緑色光を反射する色分解コーティングを有するプリズム群、前記色分解コーティング反射光を撮像する第１固体撮像素子、赤色透過と青色透過のオンチップフィルタを有し前記色分解コーティング透過光を撮像する第２固体撮像素子を備え、下記条件式を満足することを特徴とする。

（１）５ｎｍ≦λ_iR−λ_cR≦３５ｎｍ
（２） −２０ｎｍ≦λ_cB−λ_iB≦２０ｎｍ
（３） λ_iR−λ_cR＞λ_cB−λ_iB
ただし、各記号の定義は、
λ_cB：前記色分解コーティングの光軸入射に対する分光透過率特性において、青色境界側で平均透過率が５０％となる波長、
λ_cR：前記色分解コーティングの光軸入射に対する分光透過率特性において、赤色境界側で平均透過率が５０％となる波長、
λ_iB：前記第２固体撮像素子の青色透過オンチップフィルタを有する画素の分光感度特性において、緑色との境界波長付近での分光感度が４５０ｎｍ比で５０％となる波長、
λ_iR：前記第２固体撮像素子の赤色透過オンチップフィルタを有する画素の分光感度特性において、緑色との境界波長付近での分光感度が６００ｎｍ比で５０％となる波長、
である。

以下では、説明を簡潔にするため、ＲＧＢ３原色の各色バンドを単にＲ、Ｇ、Ｂと表記する。また、第２固体撮像素子のオンチップフィルタでは、赤色透過をＲフィルタ、青色透過をＢフィルタと表記する。

本発明の２板撮像装置では、輝度情報への寄与度の高いＧバンドを１枚の固体撮像素子で撮像する。この際、色分解コーティングとしてはＧ反射型とＧ透過型の２種類が考えられるが、本発明では、干渉膜設計の自由度の高いＧ反射型を用いる。また、色分解コーティングを透過したマゼンタ光をＲとＢに分離するために、もう一方の固体撮像素子には、原色のＲフィルタ、Ｂフィルタを用いる。一般に、Ｒフィルタ、Ｂフィルタは原色ベイヤー配列を有するデジタルスチルカメラ用固体撮像素子に広く採用されているが、有機顔料の光吸収特性を利用するため分光特性選択の自由度が光学多層膜程高くない。しかし、吸収型であることにより、干渉型で生じやすいフレア・ゴーストのリスクが低いというメリットがある。よって、本発明では、一般的に実現容易なＲフィルタ、Ｂフィルタ自身がトリミング機能を果たせるような分光特性を色分解コーティングに持たせることで、フレアゴーストの発生しやすい干渉型トリミングフィルタや光学ユニット形状・サイズを複雑化させる固体撮像素子外部の吸収型トリミングフィルタを用いずに、色シェーディングを実用可能なレベルに低減させる。

図１は、本発明の後記の第１実施例の２板撮像装置を斜め方向から見た図である。本発明の２板撮像装置１の主要構成要素は、第１固体撮像素子２、第２固体撮像素子３、第１プリズム４、第２プリズム５である。第１プリズム４、第２プリズム５はそれらが結合（接合）される面の何れか一方に緑色光を反射する色分解コーティングを配置し、第１固体撮像素子２がＧバンド画像を撮像する構成とする。第２固体撮像素子３はオンチップフィルタを有し、色分解コーティングを透過したマゼンタ光をＲバンドとＢバンドに分離して撮像できるようにする。例えば、図２に示すように、ＲＢ２色を垂直ストライプ状に交互に配列したものである。

図３は、第１実施例の構成要素の分光特性を示す図であり、これを用いて本発明の色シェーディング回避策について説明する。図３には、Ｒフィルタ画素分光感度５１、Ｂフィルタ画素分光感度５２、色分解コーティングの光軸入射に対する分光透過率５３、吸収型赤外カットフィルタ分光透過率５４を表示してある。なお、本発明では、色分解コーティングの分光透過率５３としてＰ偏光・Ｓ偏光の平均値を用いる。

Ｒフィルタ画素分光感度５１は原色ベイヤー型固体撮像素子用としては標準的なものであり、Ｇバンド境界側に上記で定義済みのλ_iRを有する。Ｂフィルタ画素分光感度５２も原色ベイヤー型固体撮像素子用として標準的なものであり、Ｇバンド境界側に上記で定義済みのλ_iBを有する。色分解コーティングのＧ光を反射させるため分光透過率５３はマゼンタ光透過型となり、Ｒバンド境界側に上記で定義済みのλ_cRを有し、Ｂバンド境界側に上記で定義済みのλ_cBを有する。

以下、説明のため、ＲＧＢ各バンド毎の光エネルギーをＥ_R、Ｅ_G、Ｅ_Bと表記する。色分解コーティングへの入射角変動により生じる波長シフトは、概念的には分光透過率５３が図３の左右方向に平行移動することに相当する。よって、Ｇバンドに関しては、波長シフトによる波長幅の変動が少ない。撮像装置に一般的に用いられる吸収型赤外カットフィルタの分光透過率５４によりＧバンド波長帯の長波長側からの透過率低下傾向は軽微であり、Ｅ_Gの変化は小さい。これに対し、Ｒバンドでは、分光感度５１のＧ側有感度波長域に分光透過率５３の低透過率波長域が重なるとＥ_Rが低下し、Ｂバンドでは、分光感度５２の有感度波長域に分光透過率５３の低透過率波長域が重なるとＥ_Bが低下する。このようなＥ_R、Ｅ_Bの変化は各バンド間の光エネルギー比率を変動させ、画像の色調変化を生じる。光軸上を入射する光に対し入射角が減少した場合は、長波長シフトにより赤み（Ｅ_R／Ｅ_G）が低下し、青み（Ｅ_B／Ｅ_G）が増加する。逆に、入射角が増加した場合は、短波長シフトにより赤み（Ｅ_R／Ｅ_G）が増加し、青み（Ｅ_B／Ｅ_G）が減少する。このように傾けて配置した色分解コーティング面で分光された光には、色シェーディングを誘発する分光特性のムラが生じやすい。

以上を踏まえ、本発明では、（１）〜（３）式を満足させることで、主目的である色シェーディングを複雑な構成を用いずに抑制し、同時に、暗黙として要求される明るさ確保に配慮したものである。

（１）式は、色分解コーティングのＲ側半値波長をＲフィルタよりも所定量短波長側に設定することで、色分解コーティングが長波長側にシフトした際のＲ側色差変動を減らすためのものである。一般に、Ｒフィルタ画素の分光感度５１はＧ側端で急峻であるため、波長シフトで重なりが生じた場合の変化が大きい。λ_iR−λ_cRはＲバンドとＧバンド境界の低感度波長帯とみなせるため、λ_iR−λ_cRを正の所定量にして適度な低感度波長帯を確保してやることで、Ｅ_R変動を抑制する。なお、医療用内視鏡の主機能である生体観察では、λ_cR〜λ_iRの波長帯に特異な分光特性を有する被写体がないため、この帯域を低感度波長帯とすることに問題はない。ただし、Ｅ_Gをできるだけ大きくして明るさを低下させないためには、λ_iR−λ_cRが大きすぎないことが望ましい。（１）式は以上の観点で範囲を定めたものであり、下限の５ｎｍを下回ると、Ｅ_R変動が大きくなり、上限の３５ｎｍを上回ると、Ｅ_Gが不足して明るさが低下するため望ましくない。なお、下記条件式を満足すると、より一層望ましい。

（４）１０ｎｍ≦λ_iR−λ_cR≦２５ｎｍ
（２）式は、ＢバンドとＧバンド境界に関する条件式であるが、（１）式の場合とは多少事情が異なる。一般に、Ｂフィルタ画素の分光感度５２はＧ側端でさほど急峻ではないため、波長シフトで重なりが生じた場合の変化は比較的小さい。このため、λ_cBとλ_iBを近い波長にしてやることで、色シェーディング抑制とＥ_G確保のバランスが取れる。また、この波長帯はヘモグロビンの吸光度が高く生体観察時の血管コントラスト強調に必要な波長域であり、（１）式のように低感度波長帯を積極的に設けるのは望ましくない。（２）式は以上の観点で範囲を定めたものであり、（２）式の下限の−２０ｎｍを下回ると、Ｅ_B変動が大きくなり、上限の２０ｎｍを上回ると、Ｅ_Gが不足して明るさが低下するため望ましくない。

（３）式は、（１）式、（２）式の説明で示した、低感度波長帯についての重み付けを不等式で示したものである。（３）式を満足しないと、色シェーディング抑制とＥ_G確保による明るさ確保のバランスが取れなくなり望ましくない。さらに、下記条件式を満足すると、より一層望ましい。

（５） λ_iR−λ_cR＞λ_cB−λ_iB＋１０ｎｍ
本発明の前記課題２に対応した２板撮像装置は、光経路順に第１入射面、第１中間面、第１出射面を有し、前記第１中間面が前記第１入射面に対し４０°から５０°の範囲内で傾斜している第１プリズム、
第２入射面、第２出射面を有し、前記第２入射面を前記第１プリズムの前記第１中間面に接合する第２プリズム、
前記第１中間面に配置した緑色光を反射する色分解コーティング、
第１封止ガラス板を介して前記第１出射面に接合し前記色分解コーティング反射光を撮像する第１固体撮像素子、
第２封止ガラス板を介して前記第２出射面に接合し前記色分解コーティング透過光を撮像する赤色透過と青色透過のオンチップフィルタを有する第２固体撮像素子を備え、
前記第１プリズムと前記第２プリズムは屈折率１．７６以下、アッベ数５２以上の同一硝材Ｇ_pからなり、前記第１封止ガラス板、前記第２封止ガラス板は前記硝材Ｇ_pよりも紫外線透過率の低い同一硝材Ｇ_iからなり、前記硝材Ｇ_pとの屈折率差が０．１５以下の紫外線硬化性を有する光学接着剤を用いて、前記第１プリズムと前記第２プリズム、前記第１プリズムと前記第１固体撮像素子、前記第２プリズムと前記第２固体撮像素子とを接合したことを特徴とする。

なお、本発明で説明に用いる屈折率、アッベ数は全てｄ線での値である。

上記構成は、図１に示す概略構造を有し、側面図では図４の構造となるが、詳細な説明は後記の第１実施例の説明に譲る。本構成では、２個のプリズムと２個の固体撮像素子が空気間隔を挟まずに一体化される。内視鏡では、消毒・滅菌耐性を確保することが不可欠であり、挿入部内にも湿気や高温の負荷がかかる。特に、オートクレーブ滅菌では、約１３５℃の高圧水蒸気に挿入部を介して曝されることになる。複雑な形状となる２板撮像装置は、これを受ける枠構造で十分に封止することができないため、２板撮像装置自身に湿気や高温に対する十分な耐性を持たせねばならない。湿気による光学面への結露とガラス表面劣化を防止するためには、２板撮像装置内には空気間隔を設けないようにする必要がある。また、空気層を設けた場合、プリズム・固体撮像素子間の相対位置を枠経由で保証することになるが、３．５ｍｍ以下のプリズムを保持する枠構造でオートクレーブの１３５℃から輸送環境等の極低温までの温度範囲に対し、値μｍ単位のレジストレーションずれを品質保証することは事実上不可能である。よって、プリズム・固体撮像素子間に空気層を設ける構造は、内視鏡用の２板撮像装置では採用できない。

プリズムと固体撮像素子を全て光学接着剤で貼り合わせる本構成では、接着硬化工程でのレジストレーションずれに対する考慮も重要である。硬化前にレジストレーション調整を行い、その状態を維持しながら短時間で接着硬化するためには、紫外線硬化性を有する接着剤を用いる必要がある。しかし、固体撮像素子への過度の紫外線照射は固体撮像素子内部のマイクロレンズやオンチップフィルタ等の有機素材に損傷を与え、紫外線照射不足は接着剤の硬化不備を招くというトレードオフの関係にあり、設計上の配慮なしで製造工程設定できる保証がない。

よって、本構成では、紫外線硬化に配慮した２板撮像装置の設計を明らかにしている。プリズムの硝材Ｇ_pを屈折率が１．７６以下でアッベ数５２以上に限定することで、３００ｎｍまでの紫外線透過率を高く確保している。これにより、プリズム同士、及び、プリズムと固体撮像素子とを紫外線硬化するに際し、プリズム内を透過させる照射光路が使用可能となり、紫外線照射装置の照射方向と工程設定の自由度が大きくなる。また、アッベ数の高い低分散ガラスを用いることで、プリズムの軸上色収差により発生する色バンド毎のピントずれを軽減できる効果もある。さらに、封止ガラス板の硝材Ｇ_iの紫外線透過率をプリズムの硝材Ｇ_pよりも低くすることにより、固体撮像素子の紫外線損傷防止と接着剤完全硬化を両立させることができる紫外線照射条件を設定可能となる。硝材Ｇ_pの透過率が高く硝材Ｇ_iの透過率が低い紫外線波長帯は、プリズムを透過し封止ガラス板で吸収される波長帯となるため、この波長帯を紫外線照射の主波長帯とすることにより、照射エネルギー・時間を高めても固体撮像素子の損傷なしに接着剤の完全硬化を行うことが可能となる。接着剤と硝材Ｇ_pの屈折率差を小さくすることは、４０°から５０°の傾斜した接着剤層を光が透過する際に発生する偏心収差の低減に寄与する。

本発明の前記課題３に対応した２板撮像装置は、緑色光を反射する色分解コーティングを有するプリズム群、前記色分解コーティング反射光を撮像する第１固体撮像素子、赤色透過と青色透過のオンチップフィルタを有し前記色分解コーティング透過光を撮像する第２固体撮像素子を備え、前記第２固体撮像素子のオンチップフィルタ配列を垂直ストライプ型とし、かつ、前記第１固体撮像素子、前記第２固体撮像素子を同画素数、同画素寸法、かつ、垂直２画素混合でフィールド読み出し可能としたことを特徴とする。

上記構成は、２板撮像装置に採用する固体撮像素子を単板カラー固体撮像素子に容易に転用可能とすることにより、固体撮像素子に対する投資効率を改善するものである。補色単板カラー型の固体撮像素子は画質よりもサイズ、コスト、明るさを優先する普及型内視鏡においては現在の主流であり、今後も使用されていくと思われる。補色単板カラー型の固体撮像素子は垂直２画素混合しフィールド読み出しを行う方式（例えば特許文献１０）が主流であるため、２板撮像装置の２種の固体撮像素子を同様の読み出し構成にした上で、画素数、画素寸法の共通化を図れば、光電変換部前側の光学構造物を除いた半導体ウェファ構造を共通化できる。なお、オンチップフィルタ配列を有する第２固体撮像素子で垂直２画素混合を行うためには、垂直方向に同色のフィルタが配列される垂直ストライプ型である必要がある。

以上の構成を採用すれば、普及型内視鏡向けに開発した単板カラー固体撮像素子の小変更（オンチップマイクロレンズとフィルタ、平坦化層等に限定された変更）による２板撮像装置への転用、若しくは、高画質内視鏡向けに開発した２板撮像装置用固体撮像素子の小変更による単板カラー固体撮像素子開発が可能となり、投資額削減と開発期間短縮が図れる。このような構成を採用しない場合は、前述のような転用が投資効率低下と開発期間増大の障害により困難となる。

以上の本発明の２板撮像装置によると、内視鏡先端部への実装可能なサイズと品質を確保しつつ、簡素なプリズム構成を維持したままで、色シェーディングを抑制できる分光設計を有し、環境耐性と組立性が良く、固体撮像素子に対する投資効率の良い２板撮像装置を提供することが可能となる。

以下、本発明の２板撮像装置を実施例に基づいて説明する。

図１は、第１実施例の２板撮像装置１を斜め方向から見た図である。ビデオフォーマットの固体撮像素子の撮像面は、通常４：３若しくは１６：９等のアスペクト比を有しており、横長である。２板撮像装置１に撮像面が横長の固体撮像素子を用いる場合は、図１の側面図の固体撮像素子２の左右方向が垂直方向、固体撮像素子３の上下方向が垂直方向になるようにする。

図４は、第１実施例の側面図である。２板撮像装置１は対物レンズ６と組み合わせて使用する。通常の可視光カラー観察の場合は、赤外カットフィルタ７を対物レンズ６に含める。なお、内視鏡の場合、深部血管観察のための赤外観察や、粘膜表面の毛細血管を強調する観察機能を撮像系の分光特性操作を含めて実装する場合がある。このような特殊光観察の場合、２板撮像装置１内に観察形態に依存するフィルタを配置することは２板撮像装置１の汎用性を下げるため、対物レンズ６内のフィルタ配置で対応する。対物レンズ６と２板撮像装置（図１）の間にはフレア絞り１８を配置する。

２板撮像装置１の主要構成要素は、第１固体撮像素子２、第２固体撮像素子３、第１プリズム４、第２プリズム５である。第１固体撮像素子２、第２固体撮像素子３にはＣＣＤやＣＭＯＳ構造を有する２次元イメージャを用い、それぞれ第１封止ガラス板８、第２封止ガラス板９により撮像面を保護したものを使用する。第１プリズム４は、第１入射面１３、第１中間面１４、第１出射面１５の３つの光学鏡面を有し、第１中間面１４は第１入射面１３に対し４５°傾斜し、第１中間面１４は緑色光を反射する色分解コーティングを有する。第２プリズム５は、第２入射面１６、第２出射面１７の２つの光学鏡面を有する。第１プリズム４、第２プリズム５は、中程度以下の屈折率で低分散の同一ガラスを用いる。例えばオハラ（株）のＳ−ＢＳＬ７（屈折率１．５１６、アッベ数６４．１）を使用する。以上の４つの主要構成要素は、屈折率１．５１で紫外線硬化性を有する同一の接着剤１０、１１、１２により一体に結合する。第１固体撮像素子２、第２固体撮像素子３は１／６インチサイズで画素ピッチ２μｍ程度であり、レジストレーションずれ許容値は１μｍ以下となる。また、第１プリズム４と第２プリズム５を合わせたサイズは一辺２ｍｍ〜３．５ｍｍ程度であり、民生用の多板撮像装置に用いられるプリズムと比べて格段に小さい。色分解コーティングはＹ₂ Ｏ₃ （屈折率１．８６）とＴａ₂ Ｏ₅ （屈折率２．２１）を交互に積層したものからなり、２４層以上のものを用いる。

第１固体撮像素子２は、対物レンズ６側から入射し第１中間面１４上の色分解コーティングで反射された緑色光（図のＧ光路）を撮像し、Ｇバンド画像を撮像する。第１固体撮像素子２は、特にオンチップフィルタを有さない所謂白黒タイプの固体撮像素子を用いる。ただし、Ｇ光以外の迷光混入を厳しく防止する場合は、緑色を透過するオンチップフィルタを第１固体撮像素子に設置してもよい。

第２固体撮像素子３は、第１中間面１４上の色分解コーティングを透過したマゼンタ光（図のＲ／Ｂ光路）を撮像する。

第１固体撮像素子２と第２固体撮像素子３は垂直２画素混合によるフィールド読み出しを行う。これに伴い、第２固体撮像素子３は、図２にオンチップフィルタの配置を示すように、ＲＢ２色の垂直ストライプ型配列として垂直２画素混合を可能とするものである。ＲＢ各バンド画像をフレームメモリーに生成する際にはＢ画素アドレスへのＲ補間、Ｒ画素アドレスへのＢ補間が必要となるが、その際は、フレームメモリー上の左右隣接２画素の平均値を用いる。垂直２画素混合のフィールド読み出しは、全画素読み出しと比較して、垂直解像力と静止画画質が劣るが、内視鏡では先に述べた単板補色型との構造共通化、２画素混合による感度向上、及び、固体撮像素子の駆動周波数低減を優先してフィールド読み出しとするのが望ましい。なお、汎用の２板撮像装置としては単板補色型との構造共通化が不要な場合もあり、その場合は、画質・感度・駆動周波数のバランスを考慮してフィールド読み出しとするか全画素読み出しとするか決め、第２固体撮像素子３のフィルタ配列を決めればよい。

本発明の全実施例では、耐性品質確保のために、多板撮像装置１のプリズム群と固体撮像素子を空気間隔なしで一体化している。なお、円形のレンズやフィルタからなる対物レンズ６は、枠構造の工夫による封止性確保で湿気対策可能であり、また、熱膨張・収縮に対しても比較的寛容であるため、空気間隔があることに問題はない。

第１実施例のプリズム形状は、小型化のために４５°斜面を有する三角プリズム２個をベースに構成している。この形状が径・長さ両方向の小型化に最も有利であり、かつ、最も簡素である。

第１実施例の２板撮像装置１の組立では、以下の工程設定が可能である。
工程（１）：第１プリズム４と第１固体撮像素子２をＧ画像心出し調整後、接合する。
工程（２）：第１プリズム４に対し、第２プリズム５を２板間の光路差調整後、接合する。
工程（３）：第２プリズム５と第２固体撮像素子をレジストレーション調整後、接合する。

第１実施例では、色分解コーティングが第１中間面１４にあるため、第１プリズム４と第１固体撮像素子２の結像位置が第２プリズム５に依存せず、工程（１）完了時点でＧ画像側の像位置と光路長が確定する。このため、工程（２）以降により工程（１）の結果がずれることがない。なお、色分解コーティングを第２プリズム５の第１入射面６に配置することも可能であるが、この場合、接着剤１０の厚みに応じて像位置と光路長がシフトするため、工程（２）により工程（１）の結果がずれ、また、工程（２）の作業が複雑化する。このため、色分解コーティングは第１中間面１４に配置するのが望ましい。工程（２）では工程（１）で確定したＧ画像を基準とした調整が可能であり、２板間の光路差調整は、第２プリズム５を４５°傾斜方向にスライドさせることで行える。なお、工程（２）では、光路差調整時に封止ガラス板８、９の厚み誤差に関する配慮が必要であり、第２固体撮像素子３を第２プリズム近傍に仮固定して２つの固体撮像素子を撮像状態とし、画像処理による調整ずれ検出を行うのが望ましい。また、工程（３）でも、画像処理によるレジストレーションずれ検出が有効である。これら３つの接合工程全てにおいて、固体撮像素子が紫外線に曝されるため、本発明の課題２の構成を満足させることは、製造工程設定のためにも非常に重要である。

従来から知られるこのタイプの課題は、４５°斜面に配置した色分解コーティングの角度・偏光特性に起因する色シェーディングであるが、本発明では、課題１に対応する構成を採用することで不具合を回避できる。図３に示す第１実施例構成物の分光特性においてて、（１）〜（５）式に関連する数値データは以下の通りである。

λ_cB＝５００ｎｍ， λ_cR＝５６２ｎｍ
λ_iB＝５００ｎｍ， λ_iR＝５７７ｎｍ
λ_iR−λ_cR＝１５ｎｍ
λ_cB−λ_iB＝０ｎｍ
図５に本発明の第１実施例の分光エネルギー分布を示す。Ｒバンドの分光感度特性５５は、図３のＲフィルタ画素分光感度５１、色分解コーティングの光軸入射に対する分光透過率５３、吸収型赤外カットフィルタ分光透過率５４を掛け合わせたものである。Ｂバンドの分光感度特性５７は、図３のＢフィルタ画素分光感度５２、色分解コーティングの光軸入射に対する分光透過率５３、吸収型赤外カットフィルタ分光透過率５４を掛け合わせたものである。Ｇバンドの分光感度特性５６は、色分解コーティングの光軸入射に対する分光透過率５３を分光反射率に変換し、吸収型赤外カットフィルタ分光透過率５４を掛け合わせたものである。なお、本来であればＧバンドの分光感度特性５６には第１固体撮像素子２の分光感度特性を掛け合わせるべきだが、白黒固体撮像素子の分光感度はＧバンド波長域で比較的フラットであるため、ここでは考慮に含めない。

先に定義したＲＧＢ各バンド毎の光エネルギーＥ_R、Ｅ_G、Ｅ_Bは図５の分光感度曲線の積分値として算出できるため、色シェーディングを反映するデータとして、第１実施例のＥ_R／Ｅ_G、Ｅ_B／Ｅ_Gを以下に示す。

波長シフトＥ_B／Ｅ_G Ｅ_R／Ｅ_G
−１５ｎｍ１．０７（−１２％）０．６２（±０％）
設計１．２１０．６２
＋１５ｎｍ１．３４（＋１１％）０．６０（−３％）
なお、上記の（）内は、設計値に対する変動率を示す。第１実施例では、λ_iR−λ_cRを正の値に大きくとっているため、Ｅ_R／Ｅ_G設計値変動率が非常に小さく、色シェーディングはＥ_B／Ｅ_Gの変動として現れることになる。ただし、色シェーディングの許容値はＥ_B／Ｅ_G設計値変動率とＥ_R／Ｅ_G設計値変動率の絶対値単純和で１５％程度である。第１実施例の場合、波長シフト−１５ｎｍでの絶対値単純和が１２％、波長シフト＋１５ｎｍでの絶対値単純和が１４％であり、１５％以内に入るため、第１実施例では±１５ｎｍ程度の波長シフトを許容できる。

続いて、本発明の（１）〜（３）式を同時に満足しない場合の例として、λ_cB、λ_cRを第１実施例に対して＋２０ｎｍシフトした設計例をあげる。

λ_cB＝５２０ｎｍ， λ_cR＝５８２ｎｍ
λ_iR−λ_cR＝−５ｎｍ
λ_cB−λ_iB＝２０ｎｍ

波長シフトＥ_B／Ｅ_G Ｅ_R／Ｅ_G
−１５ｎｍ１．２６（−９％）０．６２（＋５％）
設計１．３８０．５９
＋１５ｎｍ１．５１（＋９％）０．５３（−１０％）
この場合は、第１実施例に比較して、Ｅ_R／Ｅ_G設計値変動率が大きく、Ｅ_B／Ｅ_G設計値変動率が小さい。ただし、波長シフト−１５ｎｍでの絶対値単純和が１４％、波長シフト＋１５ｎｍでの絶対値単純和が１９％であり、第１実施例よりも色シェーディングの発生量が大きい。このため、第１実施例で許容できる波長シフト＋１５ｎｍが許容できなくなり、望ましくない。

図６に本発明の第２実施例の側面図を示す。第２実施例は、２板撮像装置１内にプリズム保持ガラス１９を有する点が特徴である。プリズム保持ガラス１９は、第１プリズム４の第１入射面１３に接着剤２０で固定する。接着剤２０は接着剤１０〜１２と同じものであり、第１実施例の２板撮像装置１の全接合が終了した後に接合する。第１実施例のプリズム群は何らかの枠で保持する必要があるが、プリズムを直接保持する枠形状は一般に複雑となる。これに対し、第２実施例の構造は、プリズム保持ガラス１９を枠で受ける構造とすれば、プリズムを枠で保持する必要がない。このため、枠構造を簡略化できる。さらには、主に金属部材からなる枠とプリズム間に発生する熱応力を気にかけずにプリズム形状を決められるメリットがある。この場合も、本発明の課題２に対応した構成をとることで、固体撮像素子への紫外線による損傷を回避できる。フレア絞り１８は、プリズム保持ガラス１９上の第１プリズム４側の面にクロム蒸着で形成する。この構造により、空気間隔なしで２板撮像装置１を維持した上で、２板撮像装置１内にフレア絞り１８を実装でき、第１入射面１３端部でのバリ等に起因するフレアを回避することができる。

図７に本発明の第３実施例の側面図を示す。第１入射面１３に対する第１中間面１４の角度が第１実施例と異なり４２°である。第１実施例と比べて、色分解コーティング面への光入射角がわずかながら垂直に近づくため、角度変動に強く、また、偏光特性もＰ偏光・Ｓ偏光成分の差が縮まり改善される。

図８に本発明の第４実施例の側面図を示す。第１入射面１３に対する第１中間面１４の角度が第１・第２実施例と異なり４８°である。第１入射面１３の有効径を他の実施例に比べて大きくとれるメリットがある。

このように、第１入射面１３に対する第１中間面１４の角度は４５°を中心として多少の変更が許される。ただし、４０°未満若しくは５０°以上になると、第１固体撮像素子２の傾きが大きくなり、それに伴って径方向の寸法が増大するため好ましくない。

本発明の第１実施例の２板撮像装置１を斜め方向から見た図である。第２固体撮像素子のオンチップフィルタの配置を示す図である。本発明の第１実施例の構成要素の分光特性を示す図である。本発明の第１実施例の側面図である。本発明の第１実施例の分光エネルギー分布を示す図である。本発明の第２実施例の側面図である。本発明の第３実施例の側面図である。本発明の第４実施例の側面図である。

符号の説明

１…２板撮像装置
２…第１固体撮像素子
３…第２固体撮像素子
４…第１プリズム
５…第２プリズム
６…対物レンズ
７…赤外カットフィルタ
８…第１封止ガラス板
９…第２封止ガラス板
１０、１１、１２…接着剤
１３…第１入射面
１４…第１中間面
１５…第１出射面
１６…第２入射面
１７…第２出射面
１８…フレア絞り
１９…プリズム保持ガラス
２０…接着剤
５１…Ｒフィルタ画素分光感度
５２…Ｂフィルタ画素分光感度
５３…色分解コーティングの光軸入射に対する分光透過率
５４…吸収型赤外カットフィルタ分光透過率
５５…Ｒバンドの分光感度特性
５６…Ｇバンドの分光感度特性
５７…Ｂバンドの分光感度特性

Claims

緑色光を反射する色分解コーティングを有するプリズム群、前記色分解コーティング反射光を撮像する第１固体撮像素子、赤色透過と青色透過のオンチップフィルタを有し前記色分解コーティング透過光を撮像する第２固体撮像素子を備え、下記条件式を満足することを特徴とする２板撮像装置。
（１）５ｎｍ≦λ_iR−λ_cR≦３５ｎｍ
（２） −２０ｎｍ≦λ_cB−λ_iB≦２０ｎｍ
（３） λ_iR−λ_cR＞λ_cB−λ_iB
ただし、
λ_cB：前記色分解コーティングの光軸入射に対する分光透過率特性において、青色境界側で平均透過率が５０％となる波長、
λ_cR：前記色分解コーティングの光軸入射に対する分光透過率特性において、赤色境界側で平均透過率が５０％となる波長、
λ_iB：前記第２固体撮像素子の青色透過オンチップフィルタを有する画素の分光感度特性において、緑色との境界波長付近での分光感度が４５０ｎｍ比で５０％となる波長、
λ_iR：前記第２固体撮像素子の赤色透過オンチップフィルタを有する画素の分光感度特性において、緑色との境界波長付近での分光感度が６００ｎｍ比で５０％となる波長、
である。
下記条件式を満足することを特徴とする請求項１記載の２板撮像装置。
（４）１０ｎｍ≦λ_iR−λ_cR≦２５ｎｍ
（５） λ_iR−λ_cR＞λ_cB−λ_iB＋１０ｎｍ
前記プリズム群は、光経路順に第１入射面、第１中間面、第１出射面を有し、前記第１中間面が前記第１入射面に対し４０°から５０°の範囲内で傾斜した第１プリズム、
第２入射面、第２出射面を有し、前記第２入射面を前記第１プリズムの前記第１中間面に接合する第２プリズム、
前記第１中間面に配置した緑色光を反射する色分解コーティング、
からなることを特徴とする請求項１又は２記載の２板撮像装置。
光経路順に第１入射面、第１中間面、第１出射面を有し、前記第１中間面が前記第１入射面に対し４０°から５０°の範囲内で傾斜している第１プリズム、
第２入射面、第２出射面を有し、前記第２入射面を前記第１プリズムの前記第１中間面に接合する第２プリズム、
前記第１中間面に配置した緑色光を反射する色分解コーティング、
第１封止ガラス板を介して前記第１出射面に接合し前記色分解コーティング反射光を撮像する第１固体撮像素子、
第２封止ガラス板を介して前記第２出射面に接合し前記色分解コーティング透過光を撮像する赤色透過と青色透過のオンチップフィルタを有する第２固体撮像素子を備え、
前記第１プリズムと前記第２プリズムは屈折率１．７６以下、アッベ数５２以上の同一硝材Ｇ_pからなり、前記第１封止ガラス板、前記第２封止ガラス板は前記硝材Ｇ_pよりも紫外線透過率の低い同一硝材Ｇ_iからなり、前記硝材Ｇ_pとの屈折率差が０．１５以下の紫外線硬化性を有する光学接着剤を用いて、前記第１プリズムと前記第２プリズム、前記第１プリズムと前記第１固体撮像素子、前記第２プリズムと前記第２固体撮像素子とを接合したことを特徴とする２板撮像装置。
緑色光を反射する色分解コーティングを有するプリズム群、前記色分解コーティング反射光を撮像する第１固体撮像素子、赤色透過と青色透過のオンチップフィルタを有し前記色分解コーティング透過光を撮像する第２固体撮像素子を備え、前記第２固体撮像素子のオンチップフィルタ配列を垂直ストライプ型とし、かつ、前記第１固体撮像素子、前記第２固体撮像素子を同画素数、同画素寸法、かつ、垂直２画素混合でフィールド読み出し可能としたことを特徴とする２板撮像装置。
請求項４記載の２板撮像装置の製造方法であって、第１の接合工程として前記第１プリズムと前記第１固体撮像素子を心出し調整して接合し、第２の接合工程として前記第１プリズムに対し前記第２プリズムを２板間の光路差調整して接合し、第３の接合工程として前記第２プリズムと前記第２固体撮像素子をレジストレーション調整して接合することを特徴とする２板撮像装置の製造方法。