JP2012027228A

JP2012027228A - カラー撮像光学系

Info

Publication number: JP2012027228A
Application number: JP2010165651A
Authority: JP
Inventors: Akihiro Arai; 昭浩荒井; Shogo Horinouchi; 昇吾堀之内
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2010-07-23
Filing date: 2010-07-23
Publication date: 2012-02-09

Abstract

【課題】色分解プリズムと撮像素子との位置関係がずれても色成分の画像の相対位置をほとんど変化させず、解像度低下や色ずれなどの画質低下を防止するカラー撮像光学系を提供することを目的とする。
【解決手段】入射した光を複数の波長帯域の色成分別に分解するケスタータイプの色分解プリズム３と、色分解プリズムによって分解された色成分の複数の光を受光する１つの撮像素子を備え、複数の光は、１つの撮像素子４の異なる領域で各々受光されることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、入射する光を所定波長の光に分離し受光するカラー撮像光学系に関するものである。

従来のビデオカメラにおけるカラー撮像光学系の構成は、（特許文献１）の図１に示すものとなっていた。すなわち、３つの光学ブロックから形成され入射光を３つの波長帯域の色成分に分解する色分解プリズムと、３つに分解された色成分の光をそれぞれ受光するＣＣＤなどの撮像素子とを有し、色分解プリズムは３つに分解した光をそれぞれ異なる面から出射し、撮像素子は色分解プリズムの光出射面に対向して配置されていた。

このような構成のカラー撮像光学系は、入射光を複数のダイクロイック膜で各色成分の波長帯域に分解するため、マトリクス状のカラーフィルターを用いて色分解する、いわゆる単板式カラー撮像光学系に比べ、優れた色分解性を有するため、鮮やかでより忠実に色を再現するカラー画像を得ることができる。

特開平６−１０２４０３号公報

上記従来の構成では、３つに分解された光のそれぞれに対応する撮像素子を個別に準備し、準備した撮像素子を対応する色分解プリズムの光出射面に対向して配置しなければならない。この場合、それぞれの撮像素子と、それぞれの撮像素子に対応する色分解プリズムの光出射面との相対位置関係が重要であり、この位置関係を常に維持する必要がある。

しかしながら、従来のカラー撮像光学系を搭載したビデオカメラなどの撮像装置は、装置を動作させたときに装置内の温度が上昇し、撮像素子を固定している樹脂性接着剤が軟化する。そして、この軟化が原因となり、それぞれの撮像素子と、それぞれの撮像素子に対応する色分解プリズムの光出射面との相対位置関係に変化が生じる。

そのため、それぞれの撮像素子はプリズムからの出射光を正しく受光することができず、撮像された各色成分の画像は位置ずれを起こし、解像度の低下や色ずれなど画質の低下につながるという問題があった。また、その画質低下を防止するために、撮像素子とプリズムは高精度な固着手段を必要とするため、高価なものとなっていた。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、色分解プリズムと撮像素子との位置関係がずれても色成分の画像の相対位置をほとんど変化させず、解像度低下や色ずれなどの画質低下を防止するカラー撮像光学系を提供することを目的とする。

本発明は上記課題を解決するためになされたものであって、入射した光を複数の波長帯域の色成分別に分解するケスタータイプの色分解プリズムと、分解された色成分の複数の光を受光する１つの撮像素子を備え、複数の光は、１つの撮像素子の異なる領域で各々受光されることを特徴とするカラー撮像光学系である。

本発明は上記構成により、一体化された色分解プリズムで複数の色成分の画層に分解し、１つの撮像素子上に画像を並べて配置するので、色分解プリズムと撮像素子との位置関係が少しずれても色成分の画像の相対位置をほとんど変化させない。その結果、解像度低下や色ずれなどの画質低下を防止するカラー撮像光学系を実現できる。

また、色分解プリズムと撮像素子の相対位置ずれの許容度が大きいため、それらの固着構造を単純化でき、安価な製品を提供することが可能となる。

本発明の実施の形態１のカラー撮像光学系を用いたビデオカメラ光学系の構成図撮像素子に入射した各色成分の画像領域の配置を示す図本発明の実施の形態２のカラー撮像光学系を用いたビデオカメラ光学系の構成図撮像素子に入射した各色成分の画像領域の配置を示す図

請求項１記載の発明は、入射した光を複数の波長帯域の色成分別に分解するケスタータイプの色分解プリズムと、分解された色成分の複数の光を受光する１つの撮像素子を備え、複数の光は、１つの撮像素子の異なる領域で各々受光されることを特徴とするものである。

これにより、一体化された色分解プリズムで複数の色成分の画層に分解し、１つの撮像素子上に画像を並べて配置するので、色分解プリズムと撮像素子との位置関係が少しずれても色成分の画像の相対位置をほとんど変化させない。その結果、解像度低下や色ずれなどの画質低下を防止するカラー撮像光学系を実現できる。また、色分解プリズムと撮像素子の相対位置ずれの許容度が大きいため、それらの固着構造を単純化でき、安価な製品を提供することが可能となる。

請求項２記載の発明は、ケスタータイプの色分解プリズムは、入射した光を４つの色成分に分解するように、正三角形を２等分した２つの直角三角形の中に、それぞれ正三角形を２等分した構造を備えており、入射した光を２つの色成分に分解して透過光と反射光に分ける第１の色分解面と、第１の色分解面で分離された一方の光を更に２つの色成分に分解する第２の色分解面と、第１の色分解面で分離された他方の光を更に２つの色成分に分解する第３の色分解面を有することを特徴とする。

これにより、一体化された色分解プリズムで複数の色成分の画層に分解し、１つの撮像素子上に画像を並べて配置するので、色分解プリズムと撮像素子との位置関係が少しずれても色成分の画像の相対位置をほとんど変化させない。その結果、解像度低下や色ずれなどの画質低下を防止するカラー撮像光学系を実現できる。

また、色分解プリズムと撮像素子の相対位置ずれの許容度が大きいため、それらの固着構造を単純化でき、安価な製品を提供することが可能となる。更に、高価な撮像素子を１つしか用いずに、４つの色成分の画像が得られる上、色分解プリズムにより波長帯域の色分解性に優れた鮮やかでかつ色再現性が高いカラー画像を得ることも可能になるので、小型、低コストかつ高性能なカラー画像撮像装置を実現することができる。

請求項３記載の発明は、ケスタータイプの色分解プリズムは、入射した光を３つの色成分に分解するように、正三角形を２等分した２つの直角三角形の中に、それぞれ正三角形を２等分した構造を備えており、入射した光を２つの色成分に分解して透過光と反射光に分ける第１の色分解面と、第１の色分解面で分離された一方の光を更に２つの色成分に分解する第２の色分解面と、第１の色分解面で分離された他方の光を反射する反射面を有することを特徴とするものである。

また、色分解プリズムと撮像素子の相対位置ずれの許容度が大きいため、それらの固着構造を単純化でき、安価な製品を提供することが可能となる。更に、分解された色成分の画像数を少なくして画素数が少ない撮像素子を用いるので、安価であるだけでなく、フレームレートを高くして動画性能を向上させることができる。

更にまた、色分解プリズムと撮像素子の固着構造を単純化するので、安価な製品を提供することが可能となる。また、高価な撮像素子を１つしか用いずに３つの色成分の画像が得られる上、色分解プリズムにより波長帯域の色分解性に優れた鮮やか、かつ高い色再現性を有するカラー画像を得るので、小型、低コストかつ高性能なカラー画像撮像装置を実現することができる。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１のカラー撮像光学系を用いたビデオカメラ光学系の構成図である。１は撮像レンズ、２は光学系の光軸、３はケスタータイプの色分解プリズム、４はＣＣＤなどの撮像素子である。本発明のカラー撮像光学系とは、色分解プリズム３と撮像素子４で構成されるものを意味する。

３ａから３ｈは、色分解プリズムの各面を表す。第一の色分解面としての面３ｂ、第２の色分解面としての面３ｄ、第３の色分解面としての面３ｇには、例えば、面ごとに異なる所定の波長より短い帯域の光が透過され、前記所定の波長より長い帯域の光が反射されるダイクロイック膜が形成されている。面３ｃ、３ｆには、入射する光の角度が小さい場合は透過し、角度が大きいと（例えば４５度以上）反射するような特性の膜が形成されている。面３ｅ、３ｈでは、光の入射角が６０度程度と大きく、空気との境界面であるから入射光は全反射する。色分解プリズム３と撮像素子４は、撮像素子４のパッケージ（図示せず）を介して、または、図示していないホルダーを介して、互いに固着されている。

次に、これらの面の符号を用いて、撮像レンズ１から撮像素子４への光の導かれ方を説明する。

撮像レンズ１により結像されるべく光軸２に沿って色分解プリズム３に入射した光は、面３ａを透過し、面３ｂに入射する。面３ｂを透過した光は、面３ｃを透過し、面３ｄに入射する。面３ｄを透過した光は、面３ｅで反射され、撮像素子４に入射する。面３ｄを反射した光は、面３ｃで反射され、撮像素子４に入射する。面３ｂを反射した光は、面３ｆを透過し、面３ｇに入射する。面３ｇを透過した光は、面３ｈで反射され、撮像素子４に入射する。面３ｇを反射した光は、面３ｆで反射され、撮像素子４に入射する。こうして、４つの波長帯域の色成分に分解された光は、撮像素子４の上に、一列に並んで入射する。

図２は、撮像素子に入射した各色成分の画像領域の配置を示す図である。

同図の画像領域４ａ側と、図１の面３ｈ側が対応するものとし、色分解面としての面３ｂ、３ｄ、３ｇのダイクロイック膜特性を前述のようにしたとすれば、４ａから４ｄは、順に、橙系統、赤系統、緑系統、青系統の各色成分の画像領域となる。撮像素子４を、例えば、デジタルカメラなどに搭載されている１２００万画素の撮像素子（約４０００×３０００画素）とすれば、１０２４×７６８画素の領域を４つ確保することは容易である。

次に、撮像動作について説明する。

撮像素子４の１画面の画像として検出された画像信号は、メモリーに転送される。４つの色成分の画像の画素配置は予め知ることができるので、その画素に対応するメモリー上の番地から、４つの色成分の画素データを並列に読み出すことで、カラー画像データを得ることができる。

本発明のカラー撮像素子は、一体化された色分解プリズムで複数の色成分の画層に分解し、１つの撮像素子上に画像を並べて配置するため、色分解プリズムと撮像素子の位置関係が少しずれても、色成分の画像の相対位置は変化せず、画像全体がわずかに平行移動するだけである。したがって、従来の技術の課題であった解像度低下や色ずれなどの画質低下を防止することができる。また、色分解プリズムと撮像素子の相対位置ずれの許容度が大きいため、それらの固着構造を単純化でき、安価な製品を提供することが可能となる。

また、本発明のカラー撮像光学系によって、高価な撮像素子を１つしか用いずに、４つの色成分の画像が得られる上、色分解プリズムにより波長帯域の色分解性に優れた鮮やかでかつ色再現性が高いカラー画像を得ることも可能となる。これにより、小型、低コストかつ高性能なカラー画像撮像装置を実現することができる。

尚、上記の実施の形態の説明では、色分解面としての面３ｂ、３ｄ、３ｇのダイクロイック膜の特性を、所定の波長よりも短い波長を透過する膜としたが、所定の波長よりも短い波長を反射し、長い波長を透過する膜としてもよく、また、面ごとに、波長の長短による透過と反射の関係を逆にしても良い。

（実施の形態２）
図３は、本発明の実施の形態２のカラー撮像光学系を用いたビデオカメラ光学系の構成図である。図１と同様の構成要素は、同じ符号を付し、説明を省略する。

５はケスタータイプの色分解プリズム、６はＣＣＤやＣＭＯＳなどの撮像素子である。図１と異なるのは、色分解プリズムの形状と、それによって分解される光が３つになったこと、及び、撮像素子６は、３つの光を検出する構成としたことである。

５ａから５ｇは、色分解プリズムの各面を表す。第１の色分解面としての面５ｂ、第２の色分解面としての面５ｄには、例えば、所定の波長より短い帯域の光が透過され、所定の波長より長い帯域の光が反射されるダイクロイック膜が形成されている。面５ｃ、５ｆには、入射する光の角度が小さい場合は透過し、角度が大きいと（例えば４５度以上）反射するような特性の膜が形成されている。面５ｅでは、光の入射角が６０度程度と大きく、空気との境界面であるから入射光は全反射する。面５ｇには反射膜が形成されている。また、色分解プリズム５と撮像素子６は、実施の形態１と同様に互いに固着されている。

次に、これらの面の符号を用いて、撮像レンズ１から撮像素子６への光の導かれ方を説明する。

撮像レンズ１により結像されるべく光軸２に沿って色分解プリズム５に入射した光は、面５ａを透過し、面５ｂに入射する。面５ｂを透過した光は、面５ｃを透過し、面５ｄに入射する。面５ｄを透過した光は、面５ｅで反射され、撮像素子６に入射する。面５ｄを反射した光は、面５ｃで反射され、撮像素子６に入射する。面５ｂを反射した光は、面５ｆを透過し、面５ｇで反射され、撮像素子６に入射する。こうして、３つの波長帯域の色成分に分解された光は、撮像素子６の上に、一列に並んで入射する。

図４は、撮像素子６に入射した各色成分の画像領域の配置を示す図である。

同図の画像領域６ａ側と、図３の面５ｇ側が対応するとし、面５ｂ、５ｄの膜特性を前述のようにしたとすれば、６ａから６ｃは、順に、赤系統、緑系統、青系統の各色成分の画像領域となる。撮像素子６を、例えば、デジタルカメラなどに搭載されている６００万画素の撮像素子（約３０００×２０００画素）とすれば、１０２４×７６８画素の領域を３つ確保することは容易である。

次に、撮像動作について説明する。

撮像素子６の１画面の画像として検出された画像信号は、メモリーに転送される。３つの色成分の画像の画素配置は予め知ることができるので、その画素に対応するメモリー上の番地から、３つの色成分の画素データを並列に読み出すことで、カラー画像データを得ることができる。

本発明の実施の形態２は、分解された色成分の画像数が少ないため、実施の形態１に比べて画素数が少ない撮像素子を用いることができる。そのため、フレームレートを高くすることができ、安価であるだけでなく、動画性能を向上させることができる。

本発明のカラー撮像素子は、実施の形態１と同様に、色分解プリズムと撮像素子の固着構造が単純化でき、安価な製品を提供することが可能となる。また、高価な撮像素子を１つしか用いずに、３つの色成分の画像が得られる上、色分解プリズムにより波長帯域の色分解性に優れた鮮やか、かつ高い色再現性を有するカラー画像を得ることも可能となる。これにより、小型、低コストかつ高性能なカラー画像撮像装置を実現することができる。

尚、図３に示した本発明の実施の形態２のケスタータイプの形状は、面５ｇにおいて、正三角形状のプリズム外形のエッジをカットした形としているが、面５ｇに反射膜を設けることにより、カットせずに正三角形のままの外形としてもよい。

本発明は、小型化や高い色再現性が求められるカラー撮像光学系などに適応可能である。特に、医療用のカラー撮像装置には好適である。

１撮像レンズ
２光学系の光軸
３色分解プリズム
３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆ、３ｇ、３ｈ面
４撮像素子
４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ画像領域
５色分解プリズム
５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅ、５ｆ、５ｇ面
６撮像素子
６ａ、６ｂ、６ｃ画像領域

Claims

入射した光を複数の波長帯域の色成分別に分解するケスタータイプの色分解プリズムと、分解された色成分の複数の光を受光する１つの撮像素子を備え、前記複数の光は、前記１つの撮像素子の異なる領域で各々受光されることを特徴とするカラー撮像光学系。
前記ケスタータイプの色分解プリズムは、入射した光を４つの色成分に分解するように、正三角形を２等分した２つの直角三角形の中に、それぞれ正三角形を２等分した構造を備えており、入射した光を２つの色成分に分解して透過光と反射光に分ける第１の色分解面と、前記第１の色分解面で分離された一方の光を更に２つの色成分に分解する第２の色分解面と、前記第１の色分解面で分離された他方の光を更に２つの色成分に分解する第３の色分解面を有することを特徴とする請求項１記載のカラー撮像光学系。
前記ケスタータイプの色分解プリズムは、入射した光を３つの色成分に分解するように、正三角形を２等分した２つの直角三角形の中に、それぞれ正三角形を２等分した構造を備えており、入射した光を２つの色成分に分解して透過光と反射光に分ける第１の色分解面と、前記第１の色分解面で分離された一方の光を更に２つの色成分に分解する第２の色分解面と、前記第１の色分解面で分離された他方の光を反射する反射面を有することを特徴とする請求項１記載のカラー撮像光学系。