JP2012075037A - カラーカメラ - Google Patents

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Abstract

【課題】赤外線カットフィルタを光路に配置したまま明所撮影と暗所撮影を切り換えられるようにする。
【解決手段】光学系１６は被写体１２の映像光１４を取り込んで集束する。集束された映像光１４はその光路１５上に配置された赤外線カットフィルタ１８を透過して撮像素子２０上に結像する。撮像素子２０は少なくとも可視域から近赤外線域にかけて感度を有する。赤外線カットフィルタ１８は透明基板の表面に誘電体多層膜を成膜して構成される。赤外線カットフィルタ１８は遮断波長が可視域と近赤外域の境界付近にあり、かつ入射角依存性が大きくなるように構成されている。赤外線カットフィルタ１８は被写体１２の光量に応じて、入射角可変機構２２により光学系１６の光軸２３に対する角度が可変され、遮断波長がシフトされる。
【選択図】図１

Description

この発明は撮像素子を用いてカラー映像を得るカラーカメラに関し、赤外線カットフィルタを光路に配置したまま明所（昼間）撮影と暗所（夜間）撮影を切り換えられるようにしたものである。
カラーカメラで用いられるＣＣＤ等の撮像素子は可視域から赤外域にかけて感度を持っている。このため明所撮影時に被写体の映像光に含まれる赤外線の影響により映像の色再現性が悪くなる（色合いが不自然になる）問題があり、これを解決するために一般的なカラーカメラでは撮像素子の手前に赤外線カットフィルタが配置されている。ところが赤外線カットフィルタは暗視性を損なうため暗所撮影を行う場合には邪魔となる。例えば車載カラーカメラは夜間、後進時にバックランプの明かりで照らされた車両後方視野を捉えてディスプレイ画面に表示する。バックランプを構成するタングステンランプの発光特性は赤外域が強いが、カラーカメラに赤外線カットフィルタが配置されていると該赤外域がカットされてしまうため、ディスプレイ画面に映し出される映像が暗くなり、車両後方視野の視認性が悪くなる。そこでカラーカメラにおいて、明所撮影と暗所撮影を両立させるために、赤外線カットフィルタを機械的にスライドさせて光路に対し出し入れする機構を設けて、明所撮影時は赤外線カットフィルタを光路上に配置し、暗所撮影時は赤外線カットフィルタを光路上から退避させるようにした技術が特許文献１に開示されている。
特開２００５−１０９６３０号公報 特開平６−２８１８１３号公報 特開２０００−２０６３２５号公報
特許文献１記載の技術では赤外線カットフィルタをスライドして光路に対し出し入れするためのスペースが必要となっていた。また動画像の撮影中に暗所撮影と明所撮影を切り換えるために赤外線カットフィルタをスライドして光路に対し出し入れする際には、赤外線カットフィルタの縁部が光路を通過して映像に映る問題があった。したがって該縁部が映らないようにするためには、該出し入れをする際に撮影を一旦停止する必要があった。
この発明は上述の点に鑑みてなされたもので、赤外線カットフィルタを光路に配置したまま明所撮影と暗所撮影を切り換えられるようにしたカラーカメラを提供しようとするものである。
この発明のカラーカメラは、被写体の映像光を集束させる光学系と、前記光学系で集束された像が投影されて映像信号を生成する、少なくとも可視域から近赤外線域にかけて感度を有する撮像素子と、前記被写体から前記撮像素子に至る光路上のいずれかの箇所に配置され、遮断波長が可視域と近赤外域の境界付近に設定され、入射角が小さいときは可視域との境界に近い近赤外域を通過させ、入射角が大きくなるにつれて遮断波長が短波長側にシフトして近赤外域の通過量を減少させる多層膜赤外線カットフィルタと、前記多層膜赤外線カットフィルタに対する前記被写体の映像光の入射角を可変する入射角可変機構と、前記被写体の光量に応じて操作者の操作によりまたは自動で前記入射角可変機構を駆動して、該被写体の光量が小さいときは前記入射角を小さくし該被写体の光量が大きいときは前記入射角を大きくする駆動装置とを具備してなるものである。この発明によれば多層膜赤外線カットフィルタの遮断波長が入射角によって変動する特性（入射角依存性）を利用して、被写体の光量に応じて多層膜赤外線カットフィルタに対する前記被写体の映像光の入射角を可変して遮断波長を変動させるようにしたので、赤外線カットフィルタをスライドさせて光路に対し出し入れすることなしに、明所撮影と暗所撮影を切り換えることができる。
なお特許文献２には多層膜フィルタの入射角を可変して透過波長を可変できるようにした透過波長可変装置が開示されている。また特許文献３には多層膜赤外線カットフィルタの入射角を調整することにより、多層膜形成後に遮断波長を微調整する技術が開示されている。これらはいずれも多層膜フィルタの入射角依存性を利用した技術であるが、該入射角依存性をカラーカメラの明所撮影と暗所撮影の切り換えに利用することについて何ら示唆を与えるものではない。
この発明の実施の形態１を示すブロック図である。 図１の電動駆動源および入射角可変機構の構成例を示す斜視図である。 図１の多層膜赤外線カットフィルタの多層膜の構成例を示す図表である。 図３の膜構成による多層膜赤外線カットフィルタの分光透過率特性図である。 この発明の実施の形態２を示すブロック図である。 図５の操作子および入射角可変機構の構成例を示す斜視図である。 この発明の実施の形態３を示すブロック図である。 図７の操作信号出力装置の構成例を示す斜視図である。 各実施の形態における光学系の他の構成例を示す図である。
《実施の形態１》
この発明のカラーカメラの実施の形態１を図１に示す。これは被写体の光量に応じて赤外線カットフィルタの入射角を自動で可変するようにしたものである。カラーカメラ１０において、光学系１６は被写体１２の映像光１４を取り込んで集束する。集束された映像光１４はその光路１５上に配置された多層膜赤外線カットフィルタ（以下「赤外線カットフィルタ」と略称する）１８を透過して撮像素子２０上に結像する。撮像素子２０はＣＣＤイメージセンサ、ＣＭＯＳイメージセンサ等のカラー撮像素子で構成され、結像した被写体１２のカラー映像信号を出力する。撮像素子２０は少なくとも可視域から近赤外線域にかけて感度を有する。撮像素子２０から出力されるカラー映像信号は映像信号処理へ送られて、適宜の信号処理（ディスプレイ画面への表示のための処理等）が施される。
赤外線カットフィルタ１８は透明基板の表面に誘電体多層膜を成膜して構成される。赤外線カットフィルタ１８は遮断波長が可視域と近赤外域の境界付近にあり、かつ入射角依存性が大きくなるように多層膜の材料・膜厚・層数が設定されている。赤外線カットフィルタ１８は入射角可変機構２２により、光学系１６の光軸２３に対する角度（赤外線カットフィルタ１８に対する被写体１２の映像光１４の入射角）が可変され、これにより被写体１２の映像光１４に対する遮断波長がシフトする。すなわち入射角が小さいとき（赤外線カットフィルタ１８の面に対し光軸２３が直角または直角に近い角度で交差するとき）は遮断波長が長波長側にシフトして可視域との境界に近い近赤外域を通過させる。入射角が大きくなるにつれて遮断波長が短波長側にシフトして近赤外域の通過量を減少させる。
駆動装置２４は被写体１２の光量に応じて入射角可変機構２２を自動駆動する。すなわち駆動装置２４において電動駆動源２５は入射角可変機構２２を電動駆動して赤外線カットフィルタ１８の入射角を可変する。光量検出器２６は撮像素子２０から出力される映像信号により被写体１２の光量を検出する。制御装置２８は該検出光量に応じて電動駆動源２５を駆動して赤外線カットフィルタ１８の入射角を二値に切換制御する。すなわち検出光量が小さいとき（暗所撮影時）は入射角を小さくして遮断波長を長波長側にシフトし、検出光量が大きいとき（明所撮影時）は入射角を大きくして遮断波長を短波長側にシフトする。これにより赤外線カットフィルタ１８は被写体１２の光量が小さいとき（暗所撮影時）は可視域との境界に近い近赤外域を通過させて暗視性を良好にさせる。また赤外線カットフィルタ１８は被写体１２の光量が大きいとき（明所撮影時）は近赤外域を遮断しまたは近赤外域の通過量を減少させて色再現性を良好にさせる。これにより明所撮影と暗所撮影が両立する。なお上記の説明では光量検出は映像信号を利用して行うようにしたが、光量検出器として別途フォトセンサを設けて光量検出を行うこともできる。
図１の電動駆動源２５および入射角可変機構２２の構成例を図２に示す。赤外線カットフィルタ１８は光学系１６の光軸２３に直交する回動軸３０の周り方向に回動可能に支持部（図示せず）に支持されている。赤外線カットフィルタ１８の外縁の保持リング１９の一部の箇所には該支持部に支持された板バネ３２が当接して、赤外線カットフィルタ１８に対し回動軸３０の周り方向に付勢力を与えている。電動駆動源を構成するモータ２５の回転はギヤ３６，３８で減速されてカム４０に伝達される。カム４０のカム面４０ａは板バネ３２で付勢された赤外線カットフィルタ１８の保持リング１９の他の一部の箇所に当接し、赤外線カットフィルタ１８を回動軸３０の周り方向に回動させて、入射角を変動させる。
図１の赤外線カットフィルタ１８の多層膜の構成例を説明する。赤外線カットフィルタ１８の多層膜は前述のように入射角依存性が大きくなるように構成されている。入射角依存性を大きくするためには多層膜全体の平均屈折率がなるべく小さくなるように多層膜を設計すればよく、そのためには多層膜全体の膜厚に対する低屈折率膜の膜厚の割合を大きくすればよい。図３は４７層で構成した多層膜の設計例を示す。「Ｌ」は低屈折率膜（低屈折率誘電体材料で構成された薄膜）であり、ここではＳｉＯ2（波長９００ｎｍでの屈折率が１．４６７９）を使用している。「Ｈ」は高屈折率膜（高屈折率誘電体材料で構成された薄膜）であり、ここではＴｉＯ2（波長９００ｎｍでの屈折率が２．２７４３）を使用している。ガラス基板の屈折率は１．５１０１（波長９００ｎｍ）である。図３の膜構成による赤外線カットフィルタ１８の透過率特性を図４に示す。図４において、
・実線Ａ：入射角０°
・一点鎖線Ｂ：入射角３０°
・破線Ｃ：入射角６０°
である。図４によれば透過率５０％（半値）における遮断波長が、入射角３０°および０°のときに７５０ｎｍよりも長波長側にシフトし、入射角６０°のときに７５０ｎｍよりも短波長側にシフトしている。入射角６０°のときの透過率５０％における遮断波長は７００ｎｍである。また入射角が６０°のときと０°のときとでは、透過率５０％における遮断波長は１３３ｎｍシフトし、入射角が３０°のときと０°のときとでは、透過率５０％における遮断波長は３８ｎｍシフトする。
《実施の形態２》
この発明の実施の形態２を図５に示す。これは被写体の光量に応じた操作者の手動操作に機械的に連動して赤外線カットフィルタの入射角を可変するようにしたものである。実施の形態１と共通する部分には同一の符号を用いる。駆動装置２４は被写体１２の光量に応じて操作者により手動操作される操作子４２で構成される。操作子４２は入射角可変機構２２に機械的に連結されており、操作子４２の手動操作に機械的に連動して入射角可変機構２２を駆動する。これにより、被写体１２の光量が小さいときは赤外線カットフィルタ１８の入射角を小さくし、被写体１２の光量が大きいときは赤外線カットフィルタ１８の入射角を大きくする。
図５の電動駆動源２５および入射角可変機構２２の構成例を図６に示す。操作子４２は回動軸４４の周り方向に回動可能に支持部（図示せず）に支持されている。操作子４２の回動軸４４上には連結部４６を介してカム４０が連結固定され、操作子４２の回動操作に連動してカム４０が回動する。カム４０のカム面４０ａは板バネ３２で付勢された赤外線カットフィルタ１８の保持リング１９の一部の箇所に当接し、操作子４２の回動操作に連動して赤外線カットフィルタ１８を回動軸３０の周り方向に回動させて、入射角を変動させる。操作子４２の操作面４８には、操作者が被写体１２の光量に応じた操作子４２の操作方向を理解できるように「暗」「明」等の表示５０が付されている。赤外線カットフィルタ１８の入射角は、操作子４２を「暗」側に倒すと小さくなり、「明」側に倒すと大きくなる。
《実施の形態３》
この発明の実施の形態３を図７に示す。これは被写体の光量に応じて操作者により手動操作される操作信号出力装置の操作信号に応じて電動駆動源を駆動して赤外線カットフィルタの入射角を可変するようにしたものである。実施の形態１と共通する部分には同一の符号を用いる。操作信号出力装置５２は操作者により手動操作されるもので、例えば図８に示すような二位置切換式スイッチで構成される。操作者が該スイッチ５２の操作子５２ａをスライド操作することによりスイッチの切り換えが行われる。操作子５２ａの操作面４８には、操作者が被写体１２の光量に応じた操作子５２ａの操作方向を理解できるように「暗」「明」等の表示５０が付されている。制御装置２８は操作信号出力装置５２から出力される操作信号を入力して、電動駆動源２５を駆動して入射角可変機構２２を介して赤外線カットフィルタ１８の入射角を二値に切換制御する。すなわち赤外線カットフィルタ１８の入射角は、操作子５２ａを「暗」側にスライドさせると小さくなり、「明」側にスライドさせると大きくなる。電動駆動源２５および入射角可変機構２２は前出の図２と同様に構成することができる。操作信号出力装置５２は手動操作されるものに限らず、操作者の音声等により操作されて操作信号を出力するものを使用することもできる。
《光学系の他の構成例》
前記各実施の形態では赤外線カットフィルタ１８を光学系１６よりも後ろ側に配置したが、これに代えて、赤外線カットフィルタ１８を光学系よりも前側あるいは光学系の途中に配置することもできる。図９は赤外線カットフィルタ１８を光学系の途中に配置した構成例を示す。光学系は赤外線カットフィルタ１８の前側の第一の光学系１６Ａと後ろ側の第二の光学系１６Ｂで構成される。第一の光学系１６Ａは被写体１２の映像光１４を取り込んで平行光１４’に変換して赤外線カットフィルタ１８に入射する。第二の光学系１６Ｂは赤外線カットフィルタ１８を透過した映像光１４’を入射して集束光１４”に変換して撮像素子２０に入射し結像させる。赤外線カットフィルタ１８の入射光は断面積を持っているため、該入射光が集束光であると、該断面中の入射部位によって入射角に違いが生じて遮断波長が不均一になるが、図９の光学系の構成によれば映像光１４を平行光１４’に変換して赤外線カットフィルタ１８に入射するので、映像光１４’の断面中で入射部位による入射角の違いがなくなり遮断波長が均一になる。
前記各実施の形態では赤外線カットフィルタの入射角を被写体の光量に応じて二値に切り換えるようにしたが、被写体の光量に応じて多段階または無段階に切り換えることもできる。
この発明によるカラーカメラは例えば次の用途に適用できる。
・車両周辺（後方等）の映像を車載ディスプレイ画面に映し出す車載用ビデオカメラ
・監視用ビデオカメラ
・カムコーダ
・デジタルカメラ
・その他の動画用・静止画用カメラ
１０…カラーカメラ、１２…被写体、１４，１４’，１４”…映像光、１５…光路、１６…光学系、１６Ａ…第一の光学系、１６Ｂ…第二の光学系、１８…多層膜赤外線カットフィルタ、２０…撮像素子、２２…入射角可変機構、２４…駆動装置、２５…電動駆動源、２６…光量検出器、２８…制御装置、４２，５２ａ…操作子、５２…操作信号出力装置

Claims (6)

  1. 被写体の映像光を集束させる光学系と、
    前記光学系で集束された像が投影されて映像信号を生成する、少なくとも可視域から近赤外線域にかけて感度を有する撮像素子と、
    前記被写体から前記撮像素子に至る光路上のいずれかの箇所に配置され、遮断波長が可視域と近赤外域の境界付近に設定され、入射角が小さいときは可視域との境界に近い近赤外域を通過させ、入射角が大きくなるにつれて遮断波長が短波長側にシフトして近赤外域の通過量を減少させる多層膜赤外線カットフィルタと、
    前記多層膜赤外線カットフィルタに対する前記被写体の映像光の入射角を可変する入射角可変機構と、
    前記被写体の光量に応じて操作者の操作によりまたは自動で前記入射角可変機構を駆動して、該被写体の光量が小さいときは前記入射角を小さくし該被写体の光量が大きいときは前記入射角を大きくする駆動装置と
    を具備してなるカラーカメラ。
  2. 前記駆動装置が、
    前記入射角可変機構を電動駆動して前記入射角を可変する電動駆動源と、
    前記被写体の光量を検出する光量検出器と、
    前記光量検出器の検出光量に応じて前記電動駆動源を自動駆動して、該検出光量が小さいときは前記入射角を小さくし該検出光量が大きいときは前記入射角を大きくする制御装置と
    を具備してなる請求項１記載のカラーカメラ。
  3. 前記駆動装置が、
    操作者により手動操作されて、該手動操作に機械的に連動して前記入射角可変機構を駆動して、該被写体の光量が小さいときは前記入射角を小さくし、該被写体の光量が大きいときは前記入射角を大きくする操作子
    を具備してなる請求項１記載のカラーカメラ。
  4. 前記駆動装置が、
    前記入射角可変機構を電動駆動して前記入射角を可変する電動駆動源と、
    操作者により操作されて、該操作に応じた操作信号を出力する操作信号出力装置と、
    前記操作信号出力装置から出力される操作信号に応じて前記電動駆動源を駆動して、前記被写体の光量が小さいときは前記入射角を小さくし該被写体の光量が大きいときは前記入射角を大きくする制御装置と
    を具備してなる請求項１記載のカラーカメラ。
  5. 前記多層膜赤外線カットフィルタは、透過率５０％における遮断波長が、入射角０°のときと入射角６０°のときとで１００ｎｍ以上シフトする特性を有するものである請求項１から４のいずれか１項に記載のカラーカメラ。
  6. 前記多層膜赤外線カットフィルタは、透過率５０％における遮断波長が、入射角０°のときに７５０ｎｍよりも長波長側にシフトし、入射角６０°のときに７５０ｎｍよりも短波長側にシフトする特性を有するものである請求項１から５のいずれか１項に記載のカラーカメラ。
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