JP2010026312A - 色分解光学系 - Google Patents

Abstract

【目的】赤色光射出面における固体撮像素子からの戻り光により生じるゴーストやフレアを大幅低減させるとともに、この色分解光学系を搭載するカメラの実用性の低下を防止し得る色分解光学系を提供する。
【解決手段】色分解プリズム部１０の入射プリズム面１１ｃよりも光入射側の光路Ｌ中に、赤外光カットフィルタ２０を備え、赤色分解プリズム１２の赤色光射出面１２ａには、光反射防止膜３０を付設してなる。赤外光カットフィルタ２０の光入射面側に設けた赤外光カット用ダイクロイック膜２２の特性は、少なくとも波長450nm〜630nmの範囲の光を80%以上透過し、波長650nm〜750nmの範囲内に、この範囲内における最大透過率の1/2の透過率となる波長が存在し、750nmより長波長となる所定値以上の波長域において、透過率が5%以下とされてなる、ものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、主にテレビカメラやビデオカメラ等の撮像装置において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、青色光を含む短波長域の光（以下、「青色域光」という）、緑色光を含む中間波長域の光（以下、「緑色域光」という）および赤色光を含む長波長域の光（以下、「赤色域光」という）の３つの光に分解して、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（以下、単に「フィルタ」という）の組み合わせ方の特徴により、フィリップス型と称されるタイプのものやクロスダイクロイック型と称されるタイプのものなど、種々のものが知られている。

ところで、従来多く用いられていた撮像管による映像撮影時には、撮像管の、いわゆる「やきつき」現象を回避する必要があることから、撮像管の電気的飽和点を超える光量の光を取り込むことは極めて稀な撮影手法だった。しかし、現在主流となっている固体撮像素子による映像撮影では上記「やきつき」現象は発生しないので、例えば真夏の太陽の直接撮影により、気温の高さや、日差しの強さを映像的に表現する目的で、固体撮像素子の電気的飽和点を超える光を取り込むことも、一般的な撮影手法となっている。

しかし、このような撮影手法をとった場合、この固体撮像素子と、この固体撮像素子に対向するように各色光の射出面に配されたダイクロイックフィルタと、の間に生じる光の再反射に伴ってゴーストやフレアが発生し映像品質が劣化するという、問題が発生している。

固体撮像素子を使用する場合、固体撮像素子の多くは人間の目では感知できない、赤色よりも長波長の光（赤外線）にも感度を有しており、その赤外線についても赤色として認識されてしまうので、通常の青、緑、赤の３色分解処理を行う場合には、人間の視感度と合致させるために上記赤外線を遮断することが必須となる。

赤色光を分割して取り出す赤色光用プリズムの射出面から、赤外線が同時に射出されるのを防止するため、この赤外線のみを遮断する手法として、下記特許文献１に記載の技術が知られている。すなわち、下記特許文献１に記載の技術は、プリズムの光入射面側に赤外カットフィルタを配置して赤外線を遮断するか、赤色光が射出される赤色光用プリズムの射出面にダイクロイックフィルタを配置して赤外線を遮断するものである。

特開平７−２７９０８号公報

しかしながら、前述したように、固体撮像素子の電気的飽和点をはるかに超える光を取り込む場合には、例えば図５に示す如き透過特性（波長700nm以上の長波長域の赤外線透過率を5%以下とする）を有する吸収型赤外カットフィルタを、プリズムの光入射側に配置して赤外線を遮断するようにしたとしても、透過特性曲線の立ち下がりが矩形的に変化するわけではなく、ある程度の傾斜をもって変化することから、波長700nm以上の光における、赤色光用の固体撮像素子と赤色プリズム射出面に配されたダイクロイックフィルタとの間で往復する光の遮断が充分ではなく、取得した画像に、ゴーストやフレアが発生してしまう。

また、プリズムの光入射側に配置する上記吸収型赤外カットフィルタを、図５に示すとおりの上述した特性を有する吸収型の赤外カットフィルタと、さらに他の透過特性を有する（波長700nmにおける光透過率を、最大透過率の1/2とする）ダイクロイックフィルタと、の複合タイプ（１）、あるいは波長700nmにおける光透過率を、最大透過率の1/2とするような透過特性を有する単独ダイクロイックフィルタ（２）、とした場合において、赤色光プリズム射出面に、波長700nmより短波長の光に対して、最大透過率の1/2となる透過特性を有するダイクロイックフィルタを配置することが考えられるが、このような場合には、固体撮像素子と赤色光プリズム射出面に配されたダイクロイックフィルタとの間で往復する光を充分に遮断することができず、ゴーストやフレアが発生してしまう。

上記ゴーストやフレアが、従来、仮に問題視されない程度であったとしても、特に、ここ数年の表示画面の高精細化および放送方式の変更等に伴い、映像品質の深刻な劣化を招来することとなるため、その改善が強く求められていた。

さらに、上述した吸収型赤外カットフィルタや、赤外光を遮断するダイクロイックフィルタを、例えば700nm以上の波長域で1% 以下の透過率となるように遮断することも全く不可能なことではないが、このように、フィルタにおいてきわめて厳格に赤外線を遮断する手法は、カメラの赤色光領域の感度を低下させるとともに、700nm付近にも分光感度を有している人間の目の分光感度特性との隔たりが発生してくるので、カメラとしての実用性が低下してしまう。

本発明は、かかる事情に鑑みなされたもので、プリズムの赤色光射出面における固体撮像素子からの戻り光によって生じるゴーストやフレアを大幅低減させるとともに、この色分解光学系を搭載するカメラの実用性の低下を防止し得る色分解光学系を提供することを目的とするものである。

上記課題を解決するため、本発明による色分解光学系は、
相異なる複数のプリズムと、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、光入射面から入射した光を前記各プリズムおよび前記各波長選択フィルタにより青色光を含む短波長光域の光、緑色光を含む中間波長光域の光、赤色光を含む長波長光域の光の３つに分解し、該分解した各光を青色、緑色、赤色の各光射出面から射出する色分解プリズム部と、
前記色分解プリズム部の前記光入射面よりも光入射側の光路中に配された、所定の特性を有する赤外光カットフィルタとを備えるとともに、
前記赤色の光射出面には、光反射防止膜を付設してなり、
前記所定の特性は、少なくとも波長450nm〜630nmの範囲の波長の光を80%以上透過し、波長650nm〜750nmの範囲内に、この範囲内における最大透過率の1/2の透過率となる波長が存在し、波長750nmより長波長となる所定値以上の波長域において、透過率が5%以下とされてなる、ことを特徴とするものである。

また、前記所定の特性において、波長720nm以上の波長域において透過率が5%以下とされてなることが好ましい。

また、前記赤外光カットフィルタは、板状光学部材にダイクロイック膜を付設してなることが好ましい。

なお、上記分解された、青色光を含む短波長光域の光、緑色光を含む中間波長光域の光、赤色光を含む長波長光域の光、の各範囲は、互いに重複していても良いし、いずれにも含まれない領域が間に配されていても良い。

以上詳細に説明したように、本発明による色分解光学系によれば、分光特性として、少なくとも波長450nm〜630nmの範囲の光を80%以上透過し、波長650nm〜750nmの範囲内に、この範囲内における最大透過率の1/2の透過率となる波長が存在し、波長750nmより長波長となる所定値以上の波長域において、透過率が5%以下となるように設定された赤外光カットフィルタを、色分解プリズム部の光入射面よりも光入射側の光路中に配置するとともに、色分解プリズム部の赤色光射出面には、光反射防止膜を付設するようにしているから、固体撮像素子と上記赤色光射出面との間で往復する光の発生を確実に阻止することができ、従来、赤色光用固体撮像素子によって撮像された映像において生じていた、ゴーストやフレアの発生を大幅に抑制することができる。

また、フィルタにおいてきわめて厳格に赤外線を遮断する手法を採用せずともよいことから、カメラの赤色光領域の感度を低下させること、および波長700nm付近にも分光感度を有する人間の目の分光感度特性との間で不一致が生じることを回避することができるので、この色分解光学系を搭載するカメラの実用性の低下を招来することがない。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
図１は本発明の実施形態に係る色分解光学系の構成を示す図である。この色分解光学系は、一般には、カメラ等の撮像装置に搭載されるものである。

図１に示すように、本発明の実施形態に係る色分解光学系は、色分解プリズム部１０と、この色分解プリズム部１０の入射プリズム面１１ｃよりも光入射側の光路中に、所定の特性を有する、赤外波長域の光をカットする赤外光カットフィルタ２０とから構成される。

まず、色分解プリズム部１０は、被写体からの光の光路Ｌ上に配置されたフィリップス型の色分解プリズムであり、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。青色分解プリズム１１の青色光射出面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、それぞれ配置されている。

また、青色分解プリズム１１の反射プリズム面１１ｂには、青色光を含む短波長光域の光（青色域光）のみを反射し、緑色光を含む中間波長域の光（緑色域光）および赤色光を含む長波長域の光（赤色域光）は透過する青反射のダイクロイック膜が配置されている。さらに、赤色分解プリズム１２の緑色分解プリズム１３との境界に位置する反射プリズム面１２ｂには、赤色分解プリズム１２に入射してきた光のうち、赤色可視光の、波長域内の光は反射して波長域外の光は透過する、分光特性を有する赤反射のダイクロイック膜からなる赤色反射フィルタ１５が配置され、一方、赤色分解プリズム１２の赤色光射出面１２ａには、赤色用固体撮像素子１４Ｒ表面からの戻り光が、再び赤色用固体撮像素子１４Ｒ方向に反射されるのを防止するための光反射防止膜３０がコーティングされている。なお、本実施形態のものは、赤色用固体撮像素子１４Ｒ表面からの戻り光が、再び赤色用固体撮像素子１４Ｒ方向に反射されるのを排除するものであるから、この赤色光射出面１２ａには、赤外光を遮断する目的のダイクロイックフィルタを有するトリミングフィルタは配設されていない。

次に、赤外光カットフィルタ２０は、透明な平行平面板（一般には各種フィルタ）２１の光入射側（光出射側とすることも可能）に、所定の特性を有する赤外光カット用ダイクロイック膜２２をコーティングされてなるものである。

このダイクロイック膜２２の特性は、少なくとも波長450nm〜630nmの範囲の光を80%以上透過し、波長650nm〜750nmの範囲内に、この範囲内における最大透過率の1/2の透過率となる波長が存在し、波長750nmより長波長となる所定値以上の波長域において、透過率が5%以下とされてなる、ものである。

このように構成された色分解光学系に対して、被写体からの光束が光路Ｌに沿って図中左方から入射した場合、この光束はまず赤外光カットフィルタ２０に入射する。
赤外光カットフィルタ２０の光入射側には、赤外光カット用ダイクロイック膜２２が配されているので、この赤外光カットフィルタ２０を通過して色分解プリズム部１０に到達する光束は、上述したダイクロイック膜２２の特性に応じて、赤外波長域の光が確実にカットされたものとなっている。

次に、上記光束は、青色分解プリズム１１の入射プリズム面１１ｃから入射して反射プリズム面１１ｂに到り、反射プリズム面１１ｂにおいて、青色域光のみが反射され、緑色域光および赤色域光は透過する。反射プリズム面１１ｂにおいて反射された青色域光は、入射プリズム面１１ｃにおいて全反射された後、青色光射出面１１ａから射出され、青色用固体撮像素子１４Ｂにて撮像される。

一方、青色分解プリズム１１の反射プリズム面１１ｂを透過した緑色域光および赤色域光は、反射プリズム面１２ｂにおいて、赤色域光が反射され、緑色域光は透過される。透過した緑色域光は、緑色分解プリズム１３を透過して緑色光射出面１３ａから射出され、緑色用固体撮像素子１４Ｇにて撮像される。

また、赤色分解プリズム１２の反射プリズム面１２ｂで反射された赤色域光は、赤色分解プリズム１２の全反射プリズム面１２ｃにおいて全反射されて赤色光射出面１２ａに到り、光反射防止膜３０を介して、赤色光射出面１２ａから射出され、赤色用固体撮像素子１４Ｒにて撮像される。

図２に、赤外光カット用ダイクロイック膜２２（赤外光カットフィルタ２０）の分光特性の一例を示す。本実施例において、ダイクロイック膜２２は、図２の透過特性曲線が示すように、波長685nm程度以下の光を80%以上透過し、波長695nm程度で、最大透過率の1/2の透過率となり、波長720nm以上の光について、透過率が5%以下となるような特性に構成されている。

なお、図２に示す分光特性は、上記赤外光カット用ダイクロイック膜２２を表１に示す膜構成により形成することにより得られる。すなわち、ＴｉＯ_２とＳｉＯ_２の交互層を４０層に亘って積層して構成される。また、製膜方法としては、周知の種々の方法、例えば、蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法等を用いることができる。

また、図３に示すように、赤色光射出面１２ａから出射される光の分光特性は、赤外光カット用ダイクロイック膜２２の透過特性曲線（図３中の点線で示す曲線：図２の曲線に対応する）と、赤色反射フィルタ１５における反射特性曲線と、の重複部分となる。

ここで、図４（Ａ）に比較例１の分光特性曲線を示す。この比較例１は、赤色分解プリズム（１２）の反射プリズム面（１２ｂ）に、赤色反射フィルタ（１５）が設置され、赤色光射出面（１２ａ）に、トリミングフィルタが設置されたものである。この赤色反射フィルタ（１５）の分光特性は、図４（Ａ）の反射特性曲線ａに示すように、赤色可視光波長域の短波長側境界波長が半値点５７０ｎｍ付近に設定されているが、長波長側境界波長は特に設定されていない一般的なものである。すなわち、この赤色反射フィルタ（１５）は、５７０ｎｍより大なる波長域の光を反射する。一方、トリミングフィルタの分光特性は、図４（Ａ）の透過特性曲線ｂに示すように、赤色可視光波長域の長波長側境界波長が半値点６９０ｎｍ付近に設定されており、６９０ｎｍより大なる波長域の光を反射し、小なる波長域の光は透過する。

このような比較例１では、赤色可視光が、反射プリズム面（１２ｂ）で反射され、赤色光射出面（１２ａ）を透過し、赤色用固体撮像素子（１４Ｒ）の撮像面で反射して、赤色光射出面（１２ａ）で再反射される過程において、図４（Ａ）に示すトリミングフィルタの反射特性曲線ｃ（透過特性曲線ｂと裏返しの関係にある）と、トリミングフィルタの透過特性曲線ｂとの重なり部分Ｐの領域における、上記両特性曲線ｂ、ｃの透過率、反射率の積の大きさの影響を受けるので、Ｐの領域が大きいほどゴーストやフレアが大きくなる。

次に、図４（Ｂ）に、比較例２（特開2002-365413号公報参照）の分光特性曲線を示す。この比較例２は、比較例１と同様に、赤色分解プリズム（１２）の反射プリズム面（１２ｂ）に、赤反射のダイクロイック膜が設置され、赤色光射出面（１２ａ）に、トリミングフィルタからなるダイクロイックフィルタが設置されたものである。

反射プリズム面（１２ｂ）に設けた、赤反射のダイクロイック膜は、その反射特性曲線ｄが示すように、赤色可視光波長域の短波長側境界波長が半値点５７３ｎｍに、長波長側境界波長が半値点６８８ｎｍに設定され、その波長域内の赤色可視光は反射して、その波長域外の光は透過するように構成されている。

一方、赤色光射出面（１２ａ）に設けた、トリミングフィルタからなるダイクロイックフィルタは、その透過特性曲線ｅが示すように、このダイクロイックフィルタの長波長側境界波長よりも例えば半値点で４０ｎｍ大きい７２８ｎｍに第２の境界波長が設定され、この第２の境界波長よりも大なる波長域の光は反射し、小なる波長域の光は透過するように構成されている。

また、比較例２では、赤色可視光が、反射プリズム面（１２ｂ）で反射され、赤色光射出面（１２ａ）を透過し、赤色用固体撮像素子（１４Ｒ）の撮像面で反射して、赤色光射出面（１２ａ）で再反射される過程において、図４（Ｂ）に示す、ダイクロイックフィルタの反射特性曲線ｆ（透過特性曲線ｅと裏返しの関係にある）と、上記反射プリズム面（１２ｂ）に設けた、赤反射のダイクロイック膜の反射特性曲線ｄとの重なり部分Ｑ（図４（Ｂ）のハッチング部分）における、両特性曲線ｄ、ｆの反射率の積の大きさの影響を受けるので、Ｑの領域が大きいほどゴーストやフレアが大きくなる。

その理由として、赤色光射出面（１２ａ）を透過する、赤外域に隣接する赤色光が存在すること、また、上記トリミングフィルタにおいて、赤色用固体撮像素子（１４Ｒ）の撮像面からの反射光のうち上記赤外域に隣接する赤色光の再反射率が０とはならないこと、が前提となっている。

上述した比較例を検討した結果、本願発明者は、上記２つの比較例のいずれにおいても、２つの特性曲線が重なり合う部分Ｐ、Ｑが存在することによってゴーストやフレアが発生することに着目し、この重なり合う部分をなくせばゴーストやフレアを確実に抑制することができるとの知見を得るに至った。この知見に基づき、色分解プリズム部１０の光入射面側に、赤外光を確実にカットし得る赤外光カットフィルタ２０を配置するとともに、赤外光射出面１２ａの付近における、光反射を排除すべく、この赤外光射出面１２ａに光反射防止膜３０を付設することで、本願発明をなすに至った。なお、本願発明と一見類似する技術として、特開平7-27908号公報に記載された技術が知られているが、この技術は、赤色光射出面に赤のトリミングフィルタを配設し得るものであり（当該公報の段落0020を参照）、また、赤外カットフィルタ（５）の赤外光遮断特性が明確に規定されていないから、本願発明における目的を達成することは困難であり、基本的な構成が相違するものといえる。

上述したように、本実施形態の色分解光学系によれば、図４（Ｃ）に示すように、赤色光射出面１２ａから出射される光の分光特性は、赤外光カット用ダイクロイック膜２２の透過特性曲線ｇと、赤色分解プリズム１２の反射プリズム面１２ｂにおける反射特性曲線ｈと、の重複部分となり、また、この赤色光射出面１２ａから出射される光の、赤色用固体撮像素子１４Ｒからの反射光は、この赤色光射出面１２ａに設けた光反射防止膜３０によって、赤色用固体撮像素子１４Ｒ方向に再反射される虞がないので、比較例１、２と比べて、ゴーストやフレアの発生を確実に抑制することができるとともに、この色分解光学系を搭載するカメラの実用性の低下を防止することができる。

なお、上述した本実施例および比較例１、２で使用した赤色用撮像素子１４Ｒの反射率は互いに略同様なので、この反射率を図２〜図４の特性曲線に反映させることは省略した。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に態様が限定されるものではなく、種々に態様を変更することができる。

例えば、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などの色分解プリズムに対しても適用可能である。

また、フィリップス型の色分解プリズムの場合にも、上記実施形態のものでは入射側から順にＢ用―Ｇ用―Ｒ用の配列とされているが、これに替えて、Ｂ用―Ｒ用―Ｇ用、Ｇ用―Ｂ用―Ｒ用、Ｇ用―Ｒ用―Ｂ用、Ｒ用―Ｂ用―Ｇ用、Ｒ用―Ｇ用―Ｂ用、のいずれかを採用することも可能である。

また、上記実施形態においては、赤外光カットフィルタとして、透明な平行平面板の光入射側に、所定の特性を有する赤外光カット用ダイクロイックをコーティングしてなるものであるが、本願発明の色分解光学系においては、板状光学部材自体を赤外光カットフィルタとして機能させるようにしてもよい。

また、この板状光学部材は、色分解プリズム部よりも光入射側の光路中に配されている、他の光学部材として機能しているものと兼用するようにしてもよい。

本発明の実施形態に係る色分解光学系の構成を表す図 本実施形態に係る色分解光学系における、赤外光カット用ダイクロイック膜の分光特性の一例を示す図 本実施形態に係る色分解光学系における、赤色光射出面から出射される光の分光特性の一例を示す図 比較例１（Ａ）、比較例２（Ｂ）および本実施形態（Ｃ）の分光特性曲線を示す図 一般的な吸収型赤外カットフィルタの分光特性を示す図

符号の説明

１０ 色分解プリズム
１１ 青色分解プリズム
１１ａ 青色光射出面
１１ｂ 反射プリズム面
１１ｃ 入射プリズム面
１２ 赤色分解プリズム
１２ａ 赤色光射出面
１２ｂ 反射プリズム面
１２ｃ 全反射面
１３ 緑色分解プリズム
１３ａ 緑色光射出面
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 赤色反射フィルタ
２０ 赤外光カットフィルタ
２１ 平行平面板
２２ 赤外光カット用ダイクロイック膜
３０ 光反射防止膜
Ｌ 光路
Ｐ 比較例１の特性曲線の重なり部分
Ｑ 比較例２の特性曲線の重なり部分

Claims (3)

1. 相異なる複数のプリズムと、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、光入射面から入射した光を前記各プリズムおよび前記各波長選択フィルタにより青色光を含む短波長光域の光、緑色光を含む中間波長光域の光、赤色光を含む長波長光域の光の３つに分解し、該分解した各光を青色、緑色、赤色の各光射出面から射出する色分解プリズム部と、
   前記色分解プリズム部の前記光入射面よりも光入射側の光路中に配された、所定の特性を有する赤外光カットフィルタとを備えるとともに、
   前記赤色の光射出面には、光反射防止膜を付設してなり、
   前記所定の特性は、少なくとも波長450nm〜630nmの範囲の波長の光を80%以上透過し、波長650nm〜750nmの範囲内に、この範囲内における最大透過率の1/2の透過率となる波長が存在し、波長750nmより長波長となる所定値以上の波長域において、透過率が5%以下とされてなる、ことを特徴とする色分解光学系。
2. 前記所定の特性において、波長720nm以上の波長域において、透過率が5%以下とされてなる、ことを特徴とする請求項１記載の色分解光学系。
3. 前記赤外光カットフィルタは、板状光学部材にダイクロイック膜を付設してなることを特徴とする請求項１記載の色分解光学系。

Images