JP2011199570A - カメラ - Google Patents

Abstract

【課題】可視光と赤外光とを分離して撮像するカメラにおいて、撮像する赤外光の帯域を広く確保し、可視光のノイズ成分を低減することを目的とする。
【解決手段】本発明のカメラは、被写体光のうち、赤外光を透過し、可視光を反射する光学系と、前記光学系で反射された可視光を撮像する第１の撮像素子と、前記光学系で反射された赤外光を撮像する第２の撮像素子と、前記第１の撮像素子で得られた映像を静止画又は動画として記録する記録手段と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、ビデオカメラやスチルカメラ、監視カメラ等のカメラに関する。特に、本発明は、光学系に、可視光と赤外光とを分離する手段を有するものである。

従来より、固体撮像素子前に配置した赤外光カットフィルタを退避させて赤外光を受光し、暗所でも撮影できるビデオカメラが知られている。このようなカメラでは、赤外光カットフィルタを進退する必要があると共に、可視光画像信号、及び、赤外光画像信号を個別に扱うことができなかった。そこで、可視光と赤外光とを分離して個別または同時に活用する特許がいくつか出願され、プリズムもしくはミラーによって可視光と赤外光を分離する構成のものが知られている（特に、特許文献１参照）。

特許文献１の具体的事例に基づく分光構成について説明する。特許文献１では、撮像光学系を通ってきた入射光が分光プリズムに入射し、第１プリズムに施された赤外光反射膜によって赤外光が反射され、第１プリズムの射出面の後方に配置された赤外光受光素子で赤外光が受光もしくは撮像される。また第１プリズムで分離されなかった可視光はそのまま通り抜け、第２プリズム以降に配置された受光素子で撮像される。

このように、分光プリズムに赤外光反射膜を構成することにより、赤外光と可視光を分離し、各々に活用することができる。

特開２００３−１６９２６０号公報

しかしながら、特許文献１では、プリズム上に施された赤外光反射膜によって赤外光が反射されるように構成されているため、以下の２つの問題を同時に解決することが困難である。１つ目は、広い帯域幅（例えば、６００ｎｍよりも広い帯域幅）での赤外光の反射を実現するのが困難であるという問題である。また、２つ目は、可視光、及び、赤外光のリップル成分が映像のノイズ成分になるという問題である。

より詳しく説明する。１つ目の問題は、赤外光反射膜の特性により発生する（図４、５）。通常、赤外光反射膜は、確保できる赤外光の反射帯域幅が３００〜５００ｎｍ程度となる。赤外光反射膜は、広い帯域幅で赤外波長を反射しようとすると、可視光透過帯域幅が狭くなるという問題を有している。この問題は角度をもったプリズムに施された赤外光反射膜に顕著な現象である。

また、２つ目の問題は、赤外光反射膜の構成により、透過する可視光に影響を与えるため発生する。例えば、赤外光反射膜で広い帯域幅（例えば、６００ｎｍよりも広い帯域幅）の赤外光の反射を実現しようとした場合、可視光透過帯域幅が狭くなると共に、可視光領域でのリップル成分が大きくなる。一方、赤外光反射膜で反射する赤外光の帯域幅を狭くした場合、赤外光反射膜を透過する赤外光の量が多くなるので、可視光を撮像する撮像素子に、赤外光カットフィルタが必要となる。

そこで本発明は、上記課題を解決するために、可視光と赤外光とを分離して撮像するカメラにおいて、撮像した赤外光の帯域を広く確保できると共に、可視光のノイズ成分を低減できる装置を提供することを目的とする。

本発明のカメラは、被写体光のうち、赤外光を透過し、可視光を反射する光学系と、前記光学系で反射された可視光を撮像する第１の撮像素子と、前記光学系で反射された赤外光を撮像する第２の撮像素子と、前記第１の撮像素子で得られた映像を静止画又は動画として記録する記録手段と、を備える。

本発明によれば、可視光と赤外光とを分離して撮像するカメラにおいて、撮像した赤外光の帯域を広く確保できると共に、可視光のノイズ成分を低減できる。

本実施形態１に係る、入射光を可視光と赤外光とに分離するカメラを示す図 本実施形態１に係る、第１プリズムに施した可視光反射膜の分光特性を示す 図 本実施形態１に係る、第１プリズムに施した可視光反射膜により分離された可視光、及び、赤外光の相対感度を示す図 従来の赤外光反射膜の分光特性を示す図 従来の赤外光反射膜により分離された可視光、及び、赤外光の相対感度を示す図 本実施形態２に係る、入射光を可視光、短波長側の赤外光、長波長側の赤外光の３波長帯域に分離するカメラを示す図 本実施形態２に係る、第１プリズムに施した可視光反射膜の分光特性を示す図 本実施形態２に係る、第２プリズムに施した赤外光分離膜の分光特性を示す図 本実施形態２に係る、第１プリズムに施した可視光反射膜、及び、第２プリズムに施した赤外光分離膜により分離された可視光、短波長側の赤外光、及び、長波長側の赤外光の相対感度を示す図

（実施の形態１）
本実施の形態１について、以下図面を参照しながら説明する。図１は、カメラの概要を示す図である。

＜撮像デバイス１の構成＞
以下、カメラの構成を具体的に説明する。

カメラは、撮像デバイス１と、画像処理ＬＳＩ３、画像処理ＬＳＩ４と、ＣＰＵ６と、メモリインタフェース７と、を有する。メモリインタフェース７は、ＳＤカードのような記録媒体と接続可能である。

撮像デバイス１は、撮像レンズｅと、第１プリズムａと、第２プリズムｂと、可視光反射膜ａ２と、撮像素子ｆと、撮像素子ｇと、を備える。なお、撮像素子ｇは、１又は複数のフォトディテクターで構成される。

撮影レンズｅは、１枚又は複数枚の光学レンズで構成される。

可視光反射膜ａ２は、接合する第１プリズムａと第２プリズムｂとの間に設けられる。可視光反射膜ａ２の構成例を、表１に示す。また、可視光反射膜ａ２の分光特性例を図２に示す。
表１の可視光反射膜ａ２は、第１プリズムａの入射面ａ１に対して２６．５ｄｅｇの角度をもった可視光反射面ａ２に施されるもので、第１プリズムの屈折率を１．６として設計した例である。
図２の可視光反射膜ａ２の分光特性例は、Ｓ偏光とＰ偏光の平均透過率特性を示している。

つまり、撮像デバイス１では、赤外光が、可視光反射膜ａ２を透過して、撮像素子ｇに入射する。また、撮像デバイス１では、可視光が、可視光反射膜ａ２で反射されて、撮像素子ｆに入射する。

＜撮像デバイス１での光路＞
図１に示す撮像光学系ｅより入射光Ｌが、第1プリズムａの入射面ａ１に入射する。第1プリズムａに入射した入射光Ｌは、第1プリズムａ内を通過し、第1プリズムａと第２プリズムｂとの隣接面において、第1プリズムａ側に施された図２に示す分光特性をもつ可視光反射膜ａ２により可視光Ｌａが反射し、赤外光Ｌｂは透過して分離される。

可視光反射膜ａ２により反射して分離された可視光Ｌａは、可視光用光路である第1プリズムａ内を通過し、全反射面ａ１により全反射した後に撮像素子ｆにて受光される。一方、可視光反射膜ａ２により透過して分離された赤外光Ｌｂは赤外光用光路である第２プリズムｂ内を通過し、撮像素子ｇにて受光される。

なお、図３の可視光のグラフは、撮像素子ｆに入射した可視光の分光特性を示している。また、図３の赤外光のグラフは、撮像素子ｇに入射した赤外光の分光特性を示している。

＜カメラの動作＞
カメラは、撮像デバイス１で撮像された可視光による電気信号（可視）を、デジタルデータとして、メモリインタフェースを介した記録媒体に記録可能である。このデジタルデータが、静止画又は動画の撮影データとなる。

また、カメラは、撮像デバイス１で撮像された赤外光による電気信号（赤外）を、以下のように用いることが可能である。
カメラは、電気信号（赤外）を、暗所における撮影データとして、記録媒体に記録する。このようにすれば、カメラは、使用者に暗所における撮影写真又は映像を提供できる。
また、カメラは、電気信号（赤外）を、電気信号（可視）を補正するためのデータとして用いる。このようにすれば、カメラは、暗所においてもノイズの少ない撮影写真又は映像をカラーで提供できる。

また、カメラは、撮像デバイス１で撮像された赤外光による電気信号（赤外）を、以下のように用いることも可能である。カメラは、特定の被写体に装着された赤外発光素子の赤外光を受光し、撮像エリア内における位置を検出する。つまり、カメラは、その位置情報を電子ファインダーに表示することにより、撮影者に特定の被写体の位置を知らせることができると共に、その位置情報から特定の被写体に可視光のピントや露出を合わせ続けることができる。
（実施の形態２）
本実施の形態２は、実施の形態１に対して、撮像デバイスの構成が異なる。そこで、本実施の形態２の撮像デバイス２を中心に説明する。図６は、カメラの概要を示す図である。

＜撮像デバイス２の構成＞
実施の形態２のカメラは、実施の形態１のカメラと比べ、可視光反射膜ａ２２を透過した赤外光をさらに短波長側の赤外光と長波長側の赤外光とに分光する赤外光分離膜ｂ２を備える点で異なる。
以下、カメラの構成を具体的に説明する。
撮像デバイス２と、画像処理ＬＳＩ３、画像処理ＬＳＩ４、画像処理ＬＳＩ５と、ＣＰＵ６と、メモリインタフェース７と、を有する。メモリインタフェース７は、ＳＤカードのような記録媒体と接続可能である。

撮像デバイス２は、撮像レンズｅと、第１プリズムａと、第２プリズムｂと、可視光反射膜ａ２２と、赤外光分離膜ｂ２と、撮像素子ｆと、撮像素子ｇと、撮像素子ｈと、を備える。なお、撮像素子ｇ、及び、撮像素子ｈは、１又は複数のフォトディテクターで構成される。第１プリズムａと第２プリズムｂの間には、１０μｍ程のエアギャップが設けられている。

撮影レンズｅは、１枚又は複数枚の光学レンズで構成される。

可視光反射膜ａ２２は、第１プリズムａと第２プリズムｂとの隣接面において、第１プリズム側に設けられる。可視光反射膜ａ２２の構成例を、表２に示す。また、可視光反射膜ａ２２の分光特性例を図７に示す。
表２の可視光反射膜ａ２２は、第１プリズムａの入射面ａ１に対して２６．５ｄｅｇの角度をもった可視光反射面ａ２２に施されるもので、第１プリズムの屈折率を１．６として設計した例である。
図７の可視光反射膜ａ２２の分光特性例は、Ｓ偏光とＰ偏光の平均透過率特性を示している。
赤外光分離膜ｂ２は、第２プリズムｂと第３プリズムｃとの間に設けられる。赤外光分離膜ｂ２の構成は、表１に示した実施の形態１の可視光反射膜ａ２の全層の膜厚を１．２２倍厚くしたものである。また、赤外光分離膜ｂ２の分光特性を図８に示す。
赤外光分離膜ｂ２は、第２プリズムｂの入射面ｂ１に対して１２．０ｄｅｇの角度をもった赤外光分離面ｂ２に施されるもので、第２プリズムの屈折率を１．６として設計した例である。
なお、図７の赤外光分離膜ｂ２の分光特性例は、Ｓ偏光とＰ偏光の平均透過率特性を示している。

つまり、撮像デバイス２では、赤外光が、可視光反射膜ａ２２を透過し、さらに、可視光反射膜ｂ２により短波長側の赤外光と長波長側の赤外光とに分離する。可視光反射膜ｂ２により分離された長波長側の赤外光は撮像素子ｇに入射する。可視光反射膜ｂ２により分離された短波長側の赤外光は撮像素子ｈに入射する。
また、撮像デバイス２では、可視光が、可視光反射膜ａ２２で反射されて、撮像素子ｆに入射する。

＜撮像デバイス２の光路＞
図６に示す撮像光学系ｅより入射光Ｌが、第1プリズムａの入射面ａ１に入射する。第1プリズムａに入射した入射光Ｌは、第1プリズムａ内を通過し、第1プリズムａと第２プリズムｂとの隣接面において、第1プリズムａ側に施された図２示す分光特性をもつ可視光反射膜ａ２２により可視光Ｌａが反射し、赤外光Ｌｂは透過して分離される。

可視光反射膜ａ２２により反射して分離された可視光Ｌａは、可視光用光路である第1プリズムａ内を通過し、全反射面ａ１により全反射した後に撮像素子ｆにて受光される。
一方、可視光反射膜ａ２２により透過して分離された赤外光Ｌｂは、空気層を通過し、赤外光用光路である第２プリズムｂ内を通過し、赤外光分離膜ｂ２において短波長側の赤外光Ｌｃと長波長側の赤外光Ｌｃとに分光される。
赤外光分離膜ｂ２において反射して分離された短波長側の赤外光Ｌｃは短波長側の赤外光用光路である第2プリズムｂ内を通過し、全反射面ｂ１により全反射され、撮像素子ｇにより受光される。一方、赤外光分離膜ｂ２において透過して分離された長波長側の赤外光Ｌｄは長波長側の赤外光用光路である第３プリズムｃ内を通過し、撮像素子ｈにより受光される。

なお、図９の可視光のグラフは、撮像素子ｆに入射した可視光の分光特性を示している。また、図９の短波長側の赤外光のグラフは、撮像素子ｈに入射した短波長側の赤外光の分光特性を示している。また、図９の長波長側の赤外光のグラフは、撮像素子ｇに入射した長波長側の赤外光の分光特性を示している。

＜カメラの動作＞
カメラは、撮像デバイス２で撮像された可視光による電気信号（可視）を、デジタルデータとして、メモリインタフェースを介した記録媒体に記録可能である。このデジタルデータが、静止画又は動画の撮影データとなる。

また、カメラは、撮像デバイス２で撮像された短波長側の赤外光による電気信号（短波長赤外）、及び、撮像デバイス２で撮像された長波長側の赤外光による電気信号（長波長赤外）を、以下のように用いることが可能である。
カメラは、電気信号（短波長赤外）と電気信号（長波長赤外）とを、撮影データとして、記録媒体に記録する。これにより、カメラは、撮影された複数の被写体の分光特性の違いにより、短波長側の赤外光の撮影データと長波長側の赤外光の撮影データとが異なる。この違いを利用して特定の被写体のみを検出することが可能である。つまり、カメラは、特定の被写体に可視光のピントや露出を合わせ続けることができる。
（他の実施の形態）
本発明の実施の形態として、実施の形態１、２を例示した。しかし、本発明はこれには限らない。つまり、本発明は、これらには限定されず、適宜修正された実施の形態に対しても適用可能である。

本発明は赤外線カメラ、監視カメラ、デジタルスチルカメラ、及び、デジタルビデオカメラ等に適用可能である。

また、赤外光を広帯域に確保できるので、使用する赤外光の波長帯域を選択すれば測熱（サーモグラフィー）にも応用が可能である。

１ 撮像デバイス（２波長分離）
２ 撮像デバイス（３波長分離）
３ 画像処理ＬＳＩ（可視）
４ 画像処理ＬＳＩ（赤外）
５ 画像処理ＬＳＩ（赤外）
６ ＣＰＵ
７ メモリインターフェース
ａ 第１プリズム
ａ１ 第１プリズムにおける入射面、及び、全反射面
ａ２ 第１プリズム可視光反射膜
ａ２２ 第１プリズム可視光反射膜
ｂ 第２プリズム
ｂ１ 第２プリズムにおける入射面、及び、全反射面
ｂ２ 第２プリズム赤外光分離膜
ｃ 第３プリズム
ｅ 撮像光学系
ｆ 撮像素子（可視）
ｇ 撮像素子（赤外）
ｈ 撮像素子（赤外）
Ｌ 入射光
Ｌａ 可視光
Ｌｂ 赤外光
Ｌｃ 赤外光（短波長側）
Ｌｄ 赤外光（長波長側）

Claims (5)

1. 被写体光のうち、赤外光を透過し、可視光を反射する光学系と、
   前記光学系で反射された可視光を受光する撮像素子と、
   前記光学系で透過された赤外光を受光する撮像素子と、
   前記可視光を受光する撮像素子で得られた映像を静止画又は動画として記録する記録手段と、
   を備えるカメラ。
2. 前記光学系は、可視光反射膜を備える光学素子を備え、当該光学素子によって、前記可視光を反射する、
   請求項１に記載のカメラ。
3. 前記可視光反射膜は、波長450nm〜600nmの可視光を70%以上反射し、波長750nm〜900nmの赤外光を70%以上透過する、
   請求項１に記載のカメラ。
4. 前記光学素子は、少なくとも２個以上のプリズムによって構成され、
   前記可視光反射膜は、前記一方のプリズムに成膜され、
   前記可視光反射膜は、波長450nm〜600nmの可視光を70%以上反射し、波長750nm〜900nmの赤外光を70%以上透過する、
   請求項２に記載のカメラ。
5. 前記光学系において、透過した赤外光を、短波長側の赤外光と、長波長側の赤外光と、に分離する、赤外光分離膜を、さらに備える、
   請求項１又は請求項４に記載のカメラ。

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