JP2011107285A

JP2011107285A - 光量分割プリズムおよび撮像装置

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Publication number: JP2011107285A
Application number: JP2009260484A
Authority: JP
Inventors: Arihiro Saida; 有宏斎田
Original assignee: Fujifilm Corp
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 2009-11-13
Filing date: 2009-11-13
Publication date: 2011-06-02

Abstract

【課題】入射光束に対する角度依存性が低く安定した光量分割性能を発揮し得る光量分割プリズムおよび撮像装置を得る。
【解決手段】第１プリズム１０の第１の界面１１と第２プリズム２０の第２の界面２１との間に、第１プリズム１０の屈折率とは異なる屈折率を有する接着層３１を、第１の界面１１と密接するように形成し、第１プリズム１０に入射された光束Ｌ_０を、第１の界面１１と接着層３１との境界部において、屈折率の差に起因するフレネル反射によって、該境界部で反射する第１光束Ｌ_１と該境界部を透過する第２光束Ｌ_２とに分割する。
【選択図】図１

Description

本発明は、入射された光束を複数の光束に分割して出射する光量分割プリズムに関し、特に、明暗差の大きい被写体からの光束を光量が互いに異なる複数の出力光束に分割するのに好適な光量分割プリズムおよびこれを備えた撮像装置に関する。

従来の光量分割プリズムとしては、デジタル方式のスチルカメラやビデオカメラ等の撮像装置に搭載される色分割プリズムが良く知られている。この色分割プリズムは、２つのプリズムの接合部にダイクロイックフィルタ（ダイクロイック膜）が形成されており、該接合部に入射した光束をダイクロイックフィルタで反射される所定波長帯域の光束と、ダイクロイックフィルタを透過する別の波長帯域の光束とに分割し、分割された各光束を波長帯域別の各撮像素子に導くように構成されている。

ところで、デジタル方式の撮像装置において用いられるＣＣＤ等の撮像素子は、再生処理可能な画像の階調に関するダイナミックレンジが、従来の銀塩フィルムに比べて一般的に狭いという傾向がある。このため、明暗差の大きい被写体を撮像した場合、画面内の明領域が露出オーバーで階調が無くなってしまう、いわゆる白トビの現象や、これとは逆に、画面内の暗領域が露出アンダーで階調が無くなってしまう、いわゆる黒ツブレの現象が発生し易いという問題がある。

従来、このような明暗差の大きい被写体を撮影する場合でも、白トビや黒ツブレが生じていない画像を得るための技術が提案されている。例えば下記特許文献１には、明暗差の大きい被写体からの光束を、光量小の光束と光量大の光束に分割するための光量分割プリズムを搭載した撮像装置が提案されている。この撮像装置は、光量分割プリズムにより分割された光量小の光束から明領域の画像情報を取得するとともに、光量大の光束から暗領域の画像情報を取得し、これらの画像情報を合成することによって、白トビや黒ツブレが生じていない画像を形成するように構成されている。

この撮像装置における光量分割プリズムは、上述の色分割プリズムにおけるダイクロイックフィルタに替えて、２つのプリズムの接合部に反射型ＮＤフィルタを配置したものであり、該接合部に入射した光束を反射型ＮＤフィルタにより光量小の光束と光量大の光束に分割し、分割された各光束を明領域撮像用および暗領域撮像用の各撮像素子に導くように構成されている。

特開２００７−２８１８１６号公報

上述した色分割プリズムや上記特許文献１に記載の光量分割プリズムは、ダイクロイックフィルタや反射型ＮＤフィルタにおける誘電体薄膜または金属薄膜の膜厚を調整することによって光量の分割比を調整することが可能なものであるが、これらのフィルタにおける膜厚の精度を確保することは難しく、また、これらのフィルタが、光束の入射角度の違いによって反射／透過率が大きく変化してしまうという角度依存性を有しているため、安定した光量分割性能を発揮することが難しいという問題を有している。

特に、角度依存性が高いことよる影響は、開口数の大きい明るいレンズを搭載した撮像装置において顕著となり、良好な画像を得ることを妨げる要因の１つとなっている。

本発明は、このような事情に鑑みなされたものであり、入射光束に対する角度依存性が低く、安定した光量分割性能を発揮し得る光量分割プリズムおよびこのような光量分割プリズムを備えた撮像装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため本発明に係る光量分割プリズムは、光軸に沿って入射された光束を複数の光束に分割して出射する光量分割プリズムであって、
前記光軸上に配された第１の界面を有し、かつ第１の屈折率を有する材料により形成された第１プリズムと、該第１の屈折率とは異なる第２の屈折率を有する接着剤を用いて、該第１の界面に密接するように形成された接着層と、該接着層を介して該第１の界面と対向する第２の界面を有し、かつ該接着層により該第１プリズムと接着された第２プリズムとを備え、
前記第１プリズムに入射された光束を、前記第１の界面と前記接着層との境界部において、前記第１の屈折率と前記第２の屈折率との差によって、該境界部で反射する第１光束と該境界部を透過する第２光束とに分割することを特徴とする。

本発明の光量分割プリズムにおいては、前記第２の界面に、前記第２光束の反射を防止する反射防止膜が形成されていることが好ましい。

また、本発明に係る撮像装置は、本発明の光量分割プリズムと、該光量分割プリズムから出射された前記第１光束を受光する第１撮像素子と、該光量分割プリズムから出射された前記第２光束を受光する第２撮像素子と、該第１撮像素子および該第２撮像素子からの各出力信号に基づき、該第１光束に担持された画像情報と該第２光束に担持された画像情報とを含む合成画像を形成する画像形成手段と、を備えてなることを特徴とする。

本発明に係る光量分割プリズムは、上述のように、第１プリズムの屈折率（第１の屈折率）と接着層の屈折率（第２の屈折率）との差によって、第１の界面と接着層との境界部において、入射光束を分割するように構成されており、これにより、以下のような効果を奏する。

すなわち、第１の界面と前記接着層との境界部における光束の反射／透過率は、光束の入射角度により変化するものの、第１の屈折率と第２の屈折率との差を調整することにより、所定の入射角度範囲内における角度依存性を極めて小さくすることが可能となる。また、現在一般的に使用されている光学硝材や光学部品用の接着剤は、屈折率の精度が十分に保証されたものとなっている。

したがって、本発明の光量分割プリズムによれば、第１および第２の屈折率と光軸に対する第１の界面の角度を適宜設定することにより、第１の界面に入射された光束に対する角度依存性を低くすることができるので、入射光束を構成する各光線の入射角度のばらつきに影響されることなく、安定した光量分割性能を発揮することが可能となる。

また、本発明に係る撮像装置によれば、このような本発明の光量分割プリズムを備えていることにより、開口数の大きい明るいレンズを搭載して、明暗差の大きい被写体を撮像するような場合でも、被写体からの光束を光量分割プリズムにより良好に分割することができるので、第１撮像素子に入射される第１光束と第２撮像素子に入射される第２光束の各光量を調整することにより、白トビや黒ツブレが生じていない良好な画像を形成することが可能となる。

実施例１に係る光量分割プリズムを備えた撮像装置の構成図である。実施例２に係る光量分割プリズムの構成図である。実施例１に係る光量分割プリズムの角度依存性を示す図である。実施例２に係る光量分割プリズムの角度依存性を示す図である。

以下、本発明の実施形態について、上述の図面を用いて説明する。なお、図１、２は、各実施形態の構成を概略的に示すものであり、各部材の大きさや形状、位置関係等を正確に表したものではない。

図１に示す撮像装置は、明暗差の大きい被写体を撮影する場合でも、白トビや黒ツブレが生じていない画像を形成し得るように構成されているものであり、実施例１に係る光量分割プリズム１と、この光量分割プリズム１から出射された第１光束Ｌ_１を受光する第１撮像素子４１と、光量分割プリズム１から出射された第２光束Ｌ_２を受光する第２撮像素子４２と、これら第１撮像素子４１および第２撮像素子４２からの各出力信号に基づき、第１光束Ｌ_１に担持された画像情報と第２光束Ｌ_２に担持された画像情報とを含む画像（合成画像）を形成する画像形成部４３と、を備えてなる。また、光量分割プリズム１の図中左側（被写体側）には、入射された光束Ｌ_０の偏光状態を解消する（Ｐ偏光成分（Ｐ波）とＳ偏光成分（Ｓ波）が互いに等しくなるようにする）偏光解消板４４と、赤外光をカットするＩＲカットフィルタ４５とが配置されている。さらに、偏光解消板４４の図中左側には、図示せぬ結像光学系が適宜配置される。

上記光量分割プリズム１は、光軸Ｘ上に配された第１の界面１１を有し、かつ第１の屈折率Ｎ_１（実施例１ではＮ_１＝1.71）を有する光学硝材により形成された第１プリズム１０と、第１の屈折率Ｎ_１とは異なる第２の屈折率Ｎ_２（実施例１ではＮ_２＝1.52）を有する接着剤を用いて、第１の界面１１に密接するように形成された接着層３１と、該接着層３１を介して第１の界面１１と対向する第２の界面２１を有し、かつ接着層３１により第１プリズム１０と接着された第２プリズム２０とを備えてなる。

この光量分割プリズム１は、上記偏光解消板４４および上記ＩＲカットフィルタ４５を透過した後に第１プリズム１０の入射側端面１２から該第１プリズム１０に入射された光束Ｌ_０を、上記第１の界面１１と上記接着層３１との境界部において、上述の第１の屈折率Ｎ_１と第２の屈折率Ｎ_２との差に起因するフレネル反射によって、該境界部で反射する第１光束Ｌ_１と該境界部を透過する第２光束Ｌ_２（該境界部において屈折する）とに分割するように構成されている。なお、上記第２の界面２１には、第２光束Ｌ_２の反射を防止する反射防止膜３２が形成されている。

上述のフレネル反射による反射率Ｒおよび透過率Ｔは、一般に、下式（１）および下式（２）によりそれぞれ求められる。ここで、下式（１）、（２）における入射角θ_Ｉおよび透過角θ_Ｔは、下式（３）のスネルの法則を満たすとしている。また、下式（３）の入射側の屈折率Ｎ_Ｉおよび透過側の屈折率Ｎ_Ｔは、上述の第１の屈折率Ｎ_１（後述する第２実施例における第１の屈折率Ｎ_１´も同じ）および第２の屈折率Ｎ_２（第２実施例における第２の屈折率Ｎ_２´も同じ）にそれぞれ相当するものである。

上式（１）に基づき、実施例１において、上記第１の界面１１と上記接着層３１との境界部における反射率の角度依存性を求めた結果を図３に示す。なお、実施例１において、Ｐ波とは、上記光軸Ｘと上記第１の界面１１の垂線とを含む入射面（図１の紙面に平行）に対し電場の振動面が平行となる偏光成分を意味し、Ｓ波とは、電場の振動面が上記入射面に対し垂直となる偏光成分を意味する。

図３に示すように実施例１では、上記光束Ｌ_０（Ｐ波の光量とＳ波の光量が互いに等しいとする）に対する反射率の角度依存性が、上記第１の界面１１に対する入射角度が０〜
３６度の範囲内において極めて小さくなっている（反射率が略0.4％で一定）。そこで、実施例１では、上記光軸Ｘと上記第１の界面１１の垂線とのなす角度を２４度に設定し（上記範囲内の他の角度に設定しても良い）、これにより、上記第１の界面１１に入射した上記光束Ｌ_０が開口数の大きい明るい光束である場合でも、この光束Ｌ_０の光量を、該光束Ｌ_０を構成する各光線の入射角度のばらつきに影響されることなく、上記第１光束Ｌ_１の光量と上記第２光束Ｌ_２の光量（光量比0.4：99.6）に、安定して分割することが可能となっている。

上記第１の界面１１と上記接着層３１との境界部において、光量小の第１光束Ｌ_１と光量大の第２光束Ｌ_２とに分割された後、第１光束Ｌ_１は、上記第１プリズム１０の入射側端面１２で全反射され、さらに該第１プリズム１０の出射側端面１３から上記第１撮像素子４１に向けて出射される。一方、第２光束Ｌ_２は、上記接着層３１および上記反射防止膜３２を透過して、上記第２の界面２１から第２プリズム２０に入射した後、該第２プリズム２０の出射側端面２２から上記第２撮像素子４２に向けて出射される。

第１撮像素子４１は、第１プリズム１０から出射された第１光束Ｌ_１を受光し、該第１光束Ｌ_１に担持された画像情報（被写体の明領域の画像情報）を取得して、その画像信号を上記画像形成部４３に出力するように構成されている。一方、第２撮像素子４２は、第２プリズム２０から出射された第２光束Ｌ_２を受光し、該第２光束Ｌ_２に担持された画像情報（被写体の暗領域の画像情報）を取得して、その画像信号を上記画像形成部４３に出力するように構成されている。なお、第１撮像素子４１および第２撮像素子４２は、モノクロ用のＣＣＤやＣＭＯＳ等の固体撮像素子から構成されている。

上記画像形成部４３は、被写体の明暗差が通常の撮像素子のダイナミックレンジを超えている場合でも、第１撮像素子４１により撮像された画像信号を増幅させ、第２撮像素子４２により撮像された画像信号を減衰させるなどの処理をして合成することにより、最終的に、明領域では画像信号が減衰され、暗領域では画像信号が増幅されるので、明暗差が圧縮されて、モニタ等の出力媒体が表示可能なダイナミックレンジの中に入り、これにより、白トビや黒ツブレが生じていない被写体全域の画像（モノクロ画像）を形成し得る。

次に、図２を参照しながら、本発明に係る光量分割プリズムの第２実施例について説明する。この第２実施例の光量分割プリズム２は、図２に示すようにキューブ型のものであり、光軸Ｙ上に配された第１の界面５１を有し、かつ第１の屈折率Ｎ_１´（実施例２ではＮ_１´＝1.52）を有する光学硝材により形成された第１プリズム５０と、第１の屈折率Ｎ_１´とは異なる第２の屈折率Ｎ_２´（実施例２ではＮ_２´＝1.70）を有する接着剤を用いて、第１の界面５１に密接するように形成された接着層７１と、該接着層７１を介して第１の界面５１と対向する第２の界面６１を有し、かつ接着層７１により第１プリズム５０と接着された第２プリズム６０とを備えてなる。

この光量分割プリズム２は、第１プリズム５０の入射側端面５２から該第１プリズム５０に入射された光束Ｌ_０´を、上記第１の界面５１と上記接着層７１との境界部において、上述の第１の屈折率Ｎ_１´と第２の屈折率Ｎ_２´との差に起因するフレネル反射によって、該境界部で反射する第１光束Ｌ_１´と該境界部を透過する第２光束Ｌ_２´（該境界部において屈折する）とに分割するように構成されている。なお、上記第２の界面６１には、第２光束Ｌ_２´の反射を防止する反射防止膜７２が形成されている。

また、この光量分割プリズム２は、実施例１の光量分割プリズム１と同様に、撮像装置に搭載することが可能であり、その場合、光量分割プリズム２の図中左側（被写体側）には、実施例１の態様に準じて、偏光解消板やＩＲカットフィルタ、結像光学系が適宜配置される。さらに、第１光束Ｌ_１´が出射される第１プリズム５０の出射側端面５３の後段（図中上方）および第２光束Ｌ_２´が出射される第２プリズム６０の出射側端面６２の後段（図中右方）には、実施例１の態様に準じて、第１撮像素子および第２撮像素子がそれぞれ配置される。

前掲の式（１）に基づき、実施例２において、上記第１の界面５１と上記接着層７１との境界部における反射率の角度依存性を求めた結果を図４に示す。なお、実施例２において、Ｐ波とは、上記光軸Ｙと上記第１の界面５１の垂線とを含む入射面（図２の紙面に平行）に対し電場の振動面が平行となる偏光成分を意味し、Ｓ波とは、電場の振動面が上記入射面に対し垂直となる偏光成分を意味する。

図４に示すように実施例２では、上記光束Ｌ_０´（Ｐ波の光量とＳ波の光量が互いに等しいとする）に対する反射率の角度依存性が、上記第１の界面５１に対する入射角度が０〜５９度の範囲内において極めて小さくなっている（反射率が略0.5％で一定）。そこで、実施例１では、上記光軸Ｙと上記第１の界面５１の垂線とのなす角度を４５度に設定し（上記範囲内の他の角度に設定しても良い）、これにより、上記第１の界面５１に入射した上記光束Ｌ_０´が開口数の大きい明るい光束である場合でも、この光束Ｌ_０´の光量を、該光束Ｌ_０´を構成する各光線の入射角度のばらつきに影響されることなく、上記第１光束Ｌ_１´の光量と上記第２光束Ｌ_２´の光量（光量比0.5：99.5）に、安定して分割することが可能となっている。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の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可能である。

例えば、上述の実施形態では、第２の界面（２１，６１）に反射防止膜（３２，７２）が形成されており、これにより、第２の界面における第２光束（Ｌ_２，Ｌ_２´）の反射を防止し、反射光により生じるフレアやゴーストの発生を抑制しているが、このような反射防止膜は必ずしも必要ではない。

また、上述の実施形態では、モノクロ用の撮像素子（第１撮像素子４１，第２撮像素子４２）を用いてモノクロ画像を得るように構成されているが、モノクロ用の撮像素子に替えて単板式のカラー用撮像素子を用いたり、第１光束（Ｌ_１，Ｌ_１´）および第２光束（Ｌ_２，Ｌ_２´）の後段に、色分解手段および３板式のカラー用撮像素子を配置したりすることにより、カラー画像を得るように構成することも可能である。

さらに、上述の実施形態では、２つのプリズム（第１プリズム１０，５０、第２プリズム２０，６０）を組み合わせて、入射光束（Ｌ_０，Ｌ_０´）を２分割する態様を示しているが、より多くのプリズムを組み合わせることにより、入射光束を３以上の任意の数に分割するように構成することも可能である。その場合、各プリズムの接合部の全てに、本発明の構成を適用することもできるが、一部の接合部については他の構成（例えば、従来のハーフミラーの構成）を適用することもできる。

１，２光量分割プリズム
１０，５０第１プリズム
１１，５１第１の界面
１２，５２入射側端面
１３，５３（第１プリズムの）出射側端面
２０，６０第２プリズム
２１，６１第２の界面
２２，６２（第２プリズムの）出射側端面
３１，７１接着層
３２，７２反射防止膜
４１第１撮像素子
４２第２撮像素子
４３画像形成部
４４偏光解消板
４５ＩＲカットフィルタ
Ｌ_０，Ｌ_０´ 入射された光束
Ｌ_１，Ｌ_１´ 第１光束
Ｌ_２，Ｌ_２´ 第２光束
Ｘ，Ｙ光軸

Claims

光軸に沿って入射された光束を複数の光束に分割して出射する光量分割プリズムであって、
前記光軸上に配された第１の界面を有し、かつ第１の屈折率を有する材料により形成された第１プリズムと、該第１の屈折率とは異なる第２の屈折率を有する接着剤を用いて、該第１の界面に密接するように形成された接着層と、該接着層を介して該第１の界面と対向する第２の界面を有し、かつ該接着層により該第１プリズムと接着された第２プリズムとを備え、
前記第１プリズムに入射された光束を、前記第１の界面と前記接着層との境界部において、前記第１の屈折率と前記第２の屈折率との差によって、該境界部で反射する第１光束と該境界部を透過する第２光束とに分割することを特徴とする光量分割プリズム。
前記第２の界面に、前記第２光束の反射を防止する反射防止膜が形成されていることを特徴とする請求項１記載の光量分割プリズム。
請求項１または２記載の光量分割プリズムと、該光量分割プリズムから出射された前記第１光束を受光する第１撮像素子と、該光量分割プリズムから出射された前記第２光束を受光する第２撮像素子と、該第１撮像素子および該第２撮像素子からの各出力信号に基づき、該第１光束に担持された画像情報と該第２光束に担持された画像情報とを含む合成画像を形成する画像形成手段と、を備えてなることを特徴とする撮像装置。