JP2008145889A - 調光装置、レンズ装置および撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複雑化、高コスト化することなく、光透過率の低下を防止しながら光量を減衰させることができる調光装置を提供する。
【解決手段】光学系１０８の開口部を通過する光の光路中に、光学系の光軸１１０を中心として回転可能に配置された、入射光を直線偏光に変換する第１光学手段１０２と、第１光学手段と撮像素子１０５の間の位置に配置された、入射光の偏光角変化にて通過光減衰可能な第２光学手段１０３とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、入射光の透過率を調節するための調光装置、この調光装置を有するレンズ装置および撮像装置に関するものである．

従来、ビデオカメラ用の絞り装置は、絞り羽根と、絞り羽根の中央に取り付けられたＮＤ（Ｎｅｕｔｒａｌ Ｄｅｎｓｉｔｙ）フィルタとにより構成されていた。絞りの小口径付近で絞り羽根の動きに応じてＮＤフィルタを挿入し、ハンチング現像が発生することを防ぐ構成となっている。

この種の絞り装置を用い、高輝度被写体を適正な露光量で撮影する場合には、絞り開口径が小さく設定される。この絞り開口径を小さくしすぎると、光の回折現象によって解像度の低下を招く恐れがある。近年、撮像装置の小型化に伴い、使用される固体撮像素子のチップサイズが縮小され、さらに高精細化により画素サイズの縮小化が進んでいる。このことから、回折現象の発生する絞り径が大きくなり、解像度低下の問題を回避する手段が検討されてきている。

解像度低下の問題を回避する手段として、光の通過面積を制御する絞り羽根とは別に、ＮＤフィルタを開口部に出し入れできるようにしたものが知られている。しかし、ＮＤフィルタの濃度が均一であると、露出の制御範囲は限られてしまう。一方、ＮＤフィルタを多段濃度に製作し、絞り羽根と独立して制御できれば比較的露出の制御範囲が広くなるが、コストアップの要因となってしまう。

そこで、特許文献１には、光の通過面積を制御する絞り羽根とは別に、絞り開口部内に２つの偏光板を備える。そして、一方の偏光板を相対的に回転させることで、回折現象を起こすことなく連続的に露光量を調整するカメラが提案されている。また、一枚の偏光板の代わりに、光シャッタとして液晶シャッタ（ＬＣＤシャッタ）を用いて、偏光板と組み合わせて同様の効果を得る例も知られている。

しかし、上記のような調光装置では、一枚目の偏光板が常に光の有効光路中に固定されて設置される。そのため、この偏光板によって例えば入射した円偏光あるいはランダム偏光（自然光）のうち、５０％以上の光が常に吸収されてしまう。従って、偏光板を透過する最大光透過率は、例えば５０％を超えることができず、光量低下が著しくなる。この光量低下は、偏光板を用いた調光装置の実用化を困難にしている要因の一つになっていた。

また、ＬＣＤシャッタを用いるものでも、ＬＣＤの構成上、液晶（ＬＣ）を透過状態にしてもＬＣと組み合わされる偏光板の透過率分（理想的な状態でも５０％まで落ちる）だけ光量は減衰する。撮像素子がいくら高感度になっても、この１段分（光量５０％）の減衰は現実的には使用できない。

また、上記問題を解決可能な例として、特許文献２に開示されているように、光量低下時には２枚の偏光板ないしはＬＣＤシャッタを光路から退避させることができるようにした構成のものがある。
特開２００４−１１８０３３号公報 特開平５−３２３２６４号公報

しかしながら、特許文献２に記載されているような構成をとろうとすると、以下の１）ないし３）のような欠点がある。
１）２枚の偏光板を光路から退避させるための駆動源が必要となり、機構が複雑で高コストとなる。
２）退避時に光路中に偏光板が光路に対して半掛かりとなる状態がある。この状態においては偏光板による画面上の影（シェーディング現象）の発生、および、光路の素通し部と半掛かり部との屈折率の差に起因する濃度段差や厚み段差によるピント面移動による焦点ボケ発生が避けられない。さらに、偏光板の端面が光路中に存在することによるフレア現象の発生が懸念される。
３）被写体輝度が大きく変化するときには、偏光板全退避、偏光板挿入、そして偏光板回転のステップを順に踏まざるを得ない。そのため、応答性が著しく劣化し、高速応答を要求されるビデオカメラでの使用には不向きである。

上記欠点はＬＣＤシャッタを使用する場合においても同様である。

（発明の目的）
本発明の目的は、複雑化、高コスト化することなく、光透過率の低下を防止しながら光量を減衰させることのできる調光装置、レンズ装置および撮像装置を提供しようとするものである。

上記目的を達成するために、本発明は、光学系の開口部を通過する光の光路中に、前記光学系の光軸を中心として回転可能に配置された、入射光を直線偏光に変換する第１光学手段と、前記第１光学手段と前記撮像素子の間の位置に配置された、入射光の偏光角変化にて通過光減衰可能な第２光学手段とを有する調光装置とするものである。

同じく上記目的を達成するために、本発明は、光学系の開口部を通過する光の光路中に配置された、入射光を直線偏光に変換する第１光学手段と、前記第１光学手段と前記撮像素子の間の位置に、前記光学系の光軸を中心として回転可能に配置された、回転による相対偏光角変化に応じて通過光減衰可能な第２光学手段とを有する調光装置とするものである。

同じく上記目的を達成するために、本発明は、光学系の開口部を通過する光の光路中に配置された、入射光を直線偏光に変換する第１光学手段と、前記第１光学手段と前記撮像素子の間の位置に配置された、駆動電圧変化による偏光角変化に応じて通過光減衰可能な第２光学手段とを有する調光装置とするものである。

同じく上記目的を達成するために、本発明は、本発明の上記調光装置と、絞りとを有するレンズ装置とするものである。

同じく上記目的を達成するために、本発明は、本発明の上記レンズ装置を有する撮像装置とするものである。

本発明によれば、複雑化、高コスト化することなく、光透過率の低下を防止しながら光量を減衰させることのできる調光装置、レンズ装置または撮像装置を提供できるものである。

本発明を実施するための最良の形態は、以下の実施例１および２に示す通りである。

本発明の実施例１は、光学的機能が向上した調光装置、レンズ装置や撮像装置を提供しようとするものであり、上記特許文献１との違いは、一対の偏光板の一方の、入射光の入射側に位置する偏光板を、入射光を全て直線偏光に変換する光学手段とした点で異なる。

このような光学手段として、広帯域波長板が挙げられるが、先ずは光の偏光について簡単に説明する。光を波として捉えると、光の進行方向と磁場を含む面を偏光面といい、一方、光の進行方向と電場を含む面を振動面という。そして、偏光面の方向が揃っている場合の光が偏光であり、偏光面が一つの平面に限られるような偏光を直線偏光と呼ぶ。直線偏光には、入射光線と入射面の法線とを含む平面に対して、水平に振動する成分のＰ偏光と、垂直に振動する成分のＳ偏光とがある。また、ある位置でみた電場ベクトルが、時間とともに回転するような偏光を一般に楕円偏光という。そして、特に、光の進行方向に垂直な平面上に電場ベクトルの先端を投影したとき、その軌跡が円となるものを円偏光という。

一般的に波長板（位相レターデーションプレートとも呼ばれる）は、光学材料の複屈折性を利用し光の位相変調を行う光学素子である。中でも、直線偏光を円偏光に変換する１／４波長板は、光ディスク装置や、ディジタルビデオカメラなどに使用するＯＬＰＦ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｌｏｗ Ｐａｓｓ Ｆｉｌｔｅｒ）の偏光解消板として用いられている。

通常の波長板の位相差は波長の関数であるため、使用する波長が変わると位相差も変化してしまう特性がある。このため、光ディスク装置のピックアップに使用する場合は、使用する半導体レーザー光の波長に応じて、その厚みを厳密に管理し、位相差を１／４波長に維持する手法が取られる。また、ディジタルビデオカメラなどの撮像素子の、光学的なサンプリング折り返しを防止するために通常挿入されるＯＬＰＦの組み合わせでは、その複屈折分離パターンを創出するための直線偏光解消板として波長板が必要となる場合がある。この場合、扱う波長周波数帯は可視光領域の広帯域となる。しかし、ある厚みにて製作された波長板に対して入射する直線偏光の出射光は、その波長によって、連続して円偏光、楕円偏光、直線偏光、楕円偏光、円偏光の変換を繰り返すことになる。この繰り返しの中で、入射直線偏光が出射円偏光あるいは直線偏光となる場合は、波長板の厚みにより位相差９０度または１８０度が成り立つ場合のみであり、大部分の波長は楕円偏光に変換される。しかし、最終的に撮像素子の光電変換部に入射する広帯域光は、その波長による偏光成分がどのような位相をもって入射したとしても、光電変換部における積分効果により、結果的に円偏光として入射したものと等価となり、全体として偏光解消がなされる。すなわち、この場合は、波長板の厚みは、厳密に規定する必要はなく、しばしば、光路長調整のための光学ガラスの代わりとして波長板が用いられる場合がある。

ところで近年、複屈折光の位相差が１／４波長である水晶波長板と、複屈折光の位相差が１／２波長である水晶波長板とを同一材料にて作製し、この二つの波長板を光軸が交差するよう張り合わせる。このことにより、ある波長範囲において、ほぼ１／４波長の位相差で機能する広帯域波長板が製作されている。この目的とするところは、上記光ディスク装置の一つのピックアップにて、数種類の波長の半導体レーザー光の波長を選択して、光ディスクの記録波長が切り替え可能な装置を構成する場合に有用であるためである。さらに、水晶等の複屈折性光学材料の一部（主に単結晶からなる材料）の旋光能のために光軸方向に伝搬する直線偏光の振動面が光の進行につれてねじれる問題がある。この問題を補正した、可視光領域全域の波長をカバーする、広域に位相差の波長依存性を抑えたな広帯域１／４波長板が実用に供されている。

図４は、上記水晶広帯域波長板の特性例である。この波長板の特性によれば、通常のビデオカメラで扱う可視光波長領域である４２０ｎｍ〜６５５ｎｍの範囲で、円偏光入射時に、プラスマイナス数ｄｅｇ．の位相差が現れるのみで、直線偏光変換が可能となる。また、その可視光透過率は、入射面、出射面に反射防止膜（ＡＲコート）を施すことで、通常のＯＬＰＦと同様の、透過率９８％の高透過率を得られる。すなわち、例えばＰ偏光角を０度としたとき、可視光帯域の中心波長５５５ｎｍのグリーンチャンネルの入射円偏光が水晶広帯域波長板を介して出射する直線偏光の位相を、９０度の直線Ｓ偏光となるように水晶広帯域波長板を設置するとする。こうすれば、可視光波長帯域は全体として、ほぼ損失を伴わず、９０度プラスマイナス数ｄｅｇ．の直線Ｓ偏光に変換できる。

よって、水晶広帯域波長板を第１光学手段とし、第２光学手段である偏光板あるいは液晶シャッタと組み合わせる。このようにすれば、従来例のように、調光装置の設置に伴う光透過率の大きな低下を発生させることがない。さらに、光量低下時にも、この装置の退避機構など、複雑で高コストな構成を必要とせずに、かつ絞り口径を小絞りにすることなく、光量を減衰させることができる。さらには、透明時の最大光透過率が高くて光学濃度比（コントラスト比）の大幅な向上を図ることができる装置を実現可能となる。

以下、本発明の実施例１に係る調光装置を具備する撮像装置の構成例を、図１を用いて詳述する。

調光装置１０１は、例えば図１に示すように、ズームレンズのように複数のレンズで構成されるレンズ群１０８と撮像素子１０５の前面側にある撮像素子面１０４との間に配置される。レンズ群１０８に入射した光成分のうち、レンズ群１０８を透過することで紫外成分が吸収される。そして、次段の赤外カットガラス（赤外カットフィルタ）１０７にて赤外成分が除かれて、可視光成分のみが弁別抽出される。その後は、可視光成分が撮像素子面１０４と平行な位置に設置された、モータ１０９及び回転機構１０６による駆動にて光学系の光軸１１０を中心として撮像素子面１０４と平行に回転可能であるように構成されている広帯域１／４波長板１０２に入射する。

入射した可視光成分は、広帯域１／４波長板１０２を介して、全て直線偏光に変換され、撮像素子面１０４に密着配置された偏光板１０３に入射する。そして、偏光板１０３を透過した光は、撮像素子面１０４に映像として映し出される。

ここで、入射光線と入射面の法線とを含む平面に対して、垂直に振動する成分をＳ偏光とする。図１において、偏光板１０３は、このＳ偏光成分を全透過する位置にて撮像素子面１０４に密着配置されている。また、広帯域１／４波長板１０２は、Ｐ偏光角を０度としたとき、入射した可視光帯域の円偏光を、図４に示したように、全て位相差９０度プラスマイナス数ｄｅｇ．の直線Ｓ偏光に変換する回転位置に停止されている。

すなわち、図１は、入射した可視光帯域の円偏光を、広帯域１／４波長板１０２にて全て直線Ｓ偏光を中心とした位相角を有する直線偏光成分に変換し、この直線偏光成分を、偏光板１０３がほぼ全透過する位置関係を図示している。

ここで、図４によれば、入射した可視光帯域のうち、その波長によっては完全に位相差９０度の直線Ｓ偏光には変換されず、プラスマイナス数ｄｅｇ．の位相差が現れる。このことから、偏光板１０３にて若干の波長成分の吸収が発生し、撮像素子１０５に入射する入射光の可視光成分の分光特性が若干変化する。

しかし、上記調光装置１０１を、ビデオカメラのような撮像装置に応用する場合は、ビデオカメラに通常備わっているホワイトバランス機能によって、分光特性の変化は補正可能である。

また、図１の配置の場合が、調光装置１０１の最大透過率を発生する透明配置状態であり、偏光板１０３にて若干の波長成分の吸収が発生する。そのため、全ての可視光成分を完全に損失しない状態で撮像素子１０５の表面に到達させることはできないが、従来に比べれば、大幅な透明時の透過率の改善が可能である。

将来、広帯域１／４波長板１０２の位相差波長依存性が改善され、直線Ｓ偏光への変換効率がより大きくなれば、さらに透明配置時の透過率の向上が期待できる。

図１の状態から、モータ１０９と回転機構１０６の駆動にて、広帯域１／４波長板１０２を回転させ、出射直線偏光の位相角を変化させて、偏光板１０３での通過光を減衰させる。このことにより、透明時の最大光透過率が高くて、光学濃度比（コントラスト比）の大幅な向上を図った調光装置１０１を実現できる。

図２は、実際のビデオカメラに着脱可能に使用される、撮像素子１０５が取り付けられたレンズユニットに、図１の調光装置１０１を組み込んだ例を図示したものである。図１と同じ機能を有する部分は同一符号を付してある。

図２において、１１１は光学ローパスフィルタ（ＯＬＰＦ）、１１２はカバーガラス、１１３はズームモータ、１１４はフォーカスモータ、１１５は絞り羽根である。

光学ローパスフィルタ（ＯＬＰＦ）１１１は、撮像素子１０５に入射する光学像から不要な高周波成分を光学的に除去し、サンプリング折り返しを防止するための複屈折分離パターンを創出する。同時に、入射光を円偏光に変換する。

通常、上記複屈折分離パターンは、撮像素子１０５の撮像画素の間隔に応じて決定される。単板カラー撮像方式の撮像素子の場合には、撮像画素の水平２画素単位の繰り返しにて、繰り返し単位の画素上に別の組み合わせのカラーフィルタをオンチップで貼り付けるよう構成することで色を分離する。よって、もっとも一般的な複屈折分離パターン構成としては、この繰り返し周期と同じ周期の無彩色パターンが被写体として撮像素子に結像したときの色偽信号の発生を防止する。このため、図５に示したように、撮像画素の水平１画素間隔の複屈折分離パターンが得られるように、光学ローパスフィルタ１１１を構成する。

図５に示したように、例えば入射光Ｂ点の無偏光あるいはランダム偏光または円偏光の入射光束の成分のうち、Ｓ偏光成分はそのままＢ点位置に残留し、直進してＢ’点より出射する。しかし、Ｐ偏光成分は複屈折分離幅分、水平方向にスライドしてＣ’点より出射する。Ｂ’点には、Ａ点からＰ偏光成分がスライド合成される。よって、光学ローパスフィルタ１１１の複屈折分離出射光は円偏光と等価となる。

図２において、広帯域１／４波長板１０２は、赤外カットガラス１０７と密着接合される構成となっており、合わせて回転機構１０６により回転可能となっている。このように構成すれば、反射迷走光を防止するため必要な反射防止膜（ＡＲコート）を、赤外カットガラス１０７と広帯域１／４波長板１０２の組み合わせの、その両面にのみ施せばよいので、コート面数の削減が可能となる。

光学ローパスフィルタ１１１にて円偏光に変換された出射光が、広帯域１／４波長板１０２を介して直線偏光に変換され、さらに偏光板１０３を通過するときに、広帯域１／４波長板１０２の回転角に応じて調光される。そして、その後に撮像素子１０５に到達するのは、上記に説明した通りである。

上記図１においては、偏光板１０３は反射迷走光防止の目的のため、撮像素子１０５の撮像素子面１０４上に密着配置とした。しかし、広帯域１／４波長板１０２と撮像素子１０５の間に個別に偏光板を設置しても良い（図示せず）。また、図１においては、通過光減衰時に回転させるのは広帯域１／４波長板１０２とした。しかし、偏光板１０３を広帯域１／４波長板１０２と撮像素子１０５の間に個別に設置する場合には、広帯域１／４波長板１０２は固定設置とし、偏光板１０３を回転させる構成にしても良い（図示せず）。

以上の実施例１における調光装置１０１は、以下の構成よりなる。

開口部を通過する光の光路中の撮像素子面１０４と平行な位置に、光軸１１０を中心として撮像素子面１０４と平行に回転可能に配置された、入射光を全て直線偏光に変換する広帯域１／４波長板１０２（第１光学手段）を有する。さらに、広帯域１／４波長板１０２と撮像素子１０５の間の撮像素子面１０４と平行な位置、つまり撮像素子１０５の表面前方に、入射光の偏光角変化にて通過光減衰可能な偏光板１０３（第２光学手段）を配置している。

または、開口部を通過する光の光路中の撮像素子面１０４と平行な位置に入射光を全て直線偏光に変換する広帯域１／４波長板１０２（第１光学手段）を有する。さらに、広帯域１／４波長板１０２と撮像素子１０５の間の撮像素子面１０４と平行な位置に、光軸１１０を中心として撮像素子面１０４と平行に回転可能に、回転による相対偏光角変化に応じて通過光減衰可能な偏光板１０３（第２光学手段）を有する。

よって、従来例のように調光装置の設置に伴う光透過率の大きな低下を発生させることがない。さらに、光量低下時にも調光装置の退避機構などの、複雑で高コストな構成を必要としない。したがって、絞り口径を小絞りにすることなく光量を減衰させ得る、透明時の最大光透過率が高くて光学濃度比（コントラスト比）の大幅な向上を図った調光装置１０１とすることができる。

図３は、実際のビデオカメラに着脱可能に使用される、撮像素子が取り付けられたレンズユニットに、調光装置を組み込んだ本発明の実施例２を示す図である。図２と同じ部分は同一符号を付し、その説明は省略する。

図３において、本実施例２に係わる調光装置１０１は、広帯域１／４波長板１０２と、ＬＣＤシャッタユニット（電極を含む）１１６と、ＬＣＤシャッタ駆動回路１１７により構成されている。

ＬＣＤシャッタ駆動回路１１７からＬＣＤシャッタユニット１１６の透明電極に与えられる駆動電圧を変化させることにより、液晶（ＬＣ）の偏光角を変化させて、通過光の減衰量を制御できる。

図３の構成であれば、図２に示した実施例１のように、広帯域１／４波長板１０２を回転して通過光の減衰量を変化させる必要はない。このため、図３における広帯域１／４波長板１０２は、光学ローパスフィルタ１１１と赤外カットガラス１０７とを一体構成として、反射防止膜（ＡＲコート）コート面数の削減を図っている。

以上の実施例２における調光装置１０１は、以下の構成よりなる。

開口部を通過する光の光路中の撮像素子面１０４と平行な位置に入射光を全て直線偏光に変換する広帯域１／４波長板１０２（第１光学手段）を有する。さらに、広帯域１／４波長板１０２と撮像素子１０５の間の撮像素子面１０４と平行な位置に、駆動電圧変化による偏光角変化に応じて通過光減衰可能なＬＣＤシャッタ駆動回路１１７からＬＣＤシャッタユニット１１６（第２光学手段）を有する。

よって、上記実施例１と同様の効果を得ることができる。

上記の実施例１および２によれば、第１光学手段を、従来例の偏光板とは異なり、入射光を全て直線偏光に変換する光学手段としている。そして、第１光学手段に入射する入射光を全て直線偏光に変換した後に、第２光学手段である偏光板あるいは液晶光学手段である液晶シャッタを通過させるように構成している。このため、従来例のように調光装置の設置に伴う光透過率の大きな低下を発生させることがない。さらに、光量低下時にも調光装置の退避機構などの複雑で高コストな構成を必要とせずに、絞り口径を小絞りにすることなく光量を減衰させることができる。つまり、透明時の最大光透過率が高くて、光学濃度比の大幅な向上を図った調光装置１０１、さらには、該調光装置１０１が具備されるレンズユニット（レンズ装置）や撮像装置、もしくは、前記レンズユニットが着脱可能な撮像装置とすることができる。

本発明の実施例１に係わる調光装置、およびこの調節装置を用いた撮像装置の構成を説明する図である。 本発明の実施例１に係わる調光装置を、実際のビデオカメラに使用される、撮像素子が取り付けられたレンズユニットに組み込んだ様子を示す断面図である。 本発明の実施例２に係わる調光装置を、実際のビデオカメラに使用される、撮像素子が取り付けられたレンズユニットに組み込んだ様子を示す断面図である。 広帯域波長板の円偏光／直線偏光の変換位相差波長特性例を示す図である。 光学ローパスフィルタ（ＯＬＰＦ）の、複屈折分離パターンを説明する図である。

符号の説明

１０１ 調光装置
１０２ 広帯域１/４波長板
１０３ 偏光板
１０４ 撮像素子面
１０５ 撮像素子
１０６ 回転機構
１０７ 赤外カットガラス
１０８ レンズ群
１０９ モータ
１１１ 光学ローパスフィルタ（ＯＬＰＦ）
１１５ 絞り羽根
１１６ ＬＣＤシャッタ
１１７ ＬＣＤシャッタ駆動回路

Claims (8)

1. 光学系の開口部を通過する光の光路中に、前記光学系の光軸を中心として回転可能に配置された、入射光を直線偏光に変換する第１光学手段と、
   前記第１光学手段と前記撮像素子の間の位置に配置された、入射光の偏光角変化にて通過光を減衰可能な第２光学手段とを有することを特徴とする調光装置。
2. 前記第１光学手段は、位相差１／４波長を有する広帯域波長板であり、前記第２光学手段は、前記撮像素子の前面に位置する偏光板であることを特徴とする請求項１に記載の調光装置。
3. 光学系の開口部を通過する光の光路中に配置された、入射光を直線偏光に変換する第１光学手段と、
   前記第１光学手段と前記撮像素子の間の位置に、前記光学系の光軸を中心として回転可能に配置された、回転による相対偏光角変化に応じて通過光減衰可能な第２光学手段とを有することを特徴とする調光装置。
4. 前記第１光学手段は、位相差１／４波長を有する広帯域波長板であり、前記第２光学手段は、前記撮像素子の表面前方に配置された偏光板であることを特徴とする請求項３に記載の調光装置。
5. 光学系の開口部を通過する光の光路中に配置された、入射光を直線偏光に変換する第１光学手段と、
   前記第１光学手段と前記撮像素子の間の位置に配置された、駆動電圧変化による偏光角変化に応じて通過光減衰可能な第２光学手段とを有することを特徴とする調光装置。
6. 前記第１光学手段は、位相差１／４波長を有する広帯域波長板であり、前記第２光学手段は、前記撮像素子の前面に位置する液晶光学手段であることを特徴とする請求項５に記載の調光装置。
7. 請求項１ないし６のいずれかに記載の調光装置と、絞りとを有することを特徴とするレンズ装置。
8. 請求項７に記載のレンズ装置を有することを特徴とする撮像装置。

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