JP2016114683A - Filter and imaging apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本願発明は、赤外線を除去するフィルタ、及び、このフィルタを備える撮像装置に関する。 The present invention relates to a filter that removes infrared rays, and an imaging apparatus including the filter.
一般に撮影カメラでは、光学プリズムを用いて入射光をRGBの3色に分光し、各色の画像を個別の撮像素子で撮影する3板カラー撮像方式が用いられる。このとき、撮影に必要な可視光以外の光線、特に波長の長い赤外光が、撮像画像に悪影響を与える。このため、撮影カメラには、入射光に含まれる赤外光を吸収又は反射して除去(カット)するための赤外光カットフィルタ(以下、「IRカットフィルタ」)が設置される(例えば、特許文献1,2)。
In general, a photographing camera uses a three-plate color imaging method in which incident light is split into three colors of RGB using an optical prism and an image of each color is photographed by an individual imaging device. At this time, light rays other than visible light necessary for photographing, particularly infrared light having a long wavelength, adversely affects the captured image. For this reason, the photographing camera is provided with an infrared light cut filter (hereinafter referred to as “IR cut filter”) for removing (cutting) infrared light contained in incident light by absorbing or reflecting (for example, “IR cut filter”).
ここで、3板カラー撮像方式では、分光特性を比較的自由に設計できる光学プリズムで分光し、かつ各色毎に分光特性を調整するトリミングフィルタを用いることができる。さらに、IRカットフィルタが、そのトリミングフィルタの前に設置される。このため、IRカットフィルタは、波長680nm付近で急峻に透過率が低下するフィルタ特性まで要求されず、図11のように、緩やかに透過率が低下するフィルタ特性で十分である。これらIRカットフィルタ、光学プリズム、トリミングフィルタを用いた結果、放送用カメラでは、図12のように、波長680nm以上の赤外光をほぼ完全に除去する分光特性が実現可能である。
なお、図12の“[a.u.]”は、任意単位(arbitrary unit)を表す。
Here, in the three-plate color imaging method, it is possible to use a trimming filter that performs spectral separation with an optical prism whose spectral characteristics can be designed relatively freely and adjusts the spectral characteristics for each color. Furthermore, an IR cut filter is installed in front of the trimming filter. For this reason, the IR cut filter is not required to have a filter characteristic in which the transmittance sharply decreases near the wavelength of 680 nm, and a filter characteristic in which the transmittance gradually decreases as shown in FIG. 11 is sufficient. As a result of using these IR cut filters, optical prisms, and trimming filters, the broadcast camera can realize spectral characteristics that almost completely remove infrared light having a wavelength of 680 nm or more, as shown in FIG.
Note that “[au]” in FIG. 12 represents an arbitrary unit.
また、撮影カメラでは、1枚の撮像素子でRGB信号(カラー信号)を取得する単板カラー撮像方式も用いられる。この単板カラー撮像方式では、有機材料のオンチップカラーフィルタが撮像素子の上に形成される。そして、図13のように、オンチップカラーフィルタの分光特性によってフィルタ特性が定まる。 In addition, a single camera color imaging system that acquires RGB signals (color signals) with a single imaging device is also used in the photographing camera. In this single-plate color imaging method, an organic material on-chip color filter is formed on the imaging element. As shown in FIG. 13, the filter characteristics are determined by the spectral characteristics of the on-chip color filter.
また、単板カラー撮像方式では、3板カラー撮像方式と同様、IRカットフィルタを光路上に配置して赤外光を除去する。このとき、撮影カメラでは、構成簡略化のために、イメージセンサを封止するガラスリッドにIRカットフィルタを兼用させることも行われている(例えば、特許文献3)。 In the single-plate color imaging method, similarly to the three-plate color imaging method, an IR cut filter is disposed on the optical path to remove infrared light. At this time, in order to simplify the configuration of the photographing camera, an IR cut filter is also used as a glass lid for sealing the image sensor (for example, Patent Document 3).
一般に、単板カラー撮像方式では、オンチップカラーフィルタの分光特性は、光学プリズムにおけるダイクロイック膜の分光特性と比べて設計自由度が低く、必要なフィルタ特性を得ることが困難である。さらに、単板カラー撮像方式では、3板カラー撮像方式で各色に対して適用可能であったトリミングフィルタも、構造上使用できない。 In general, in the single-plate color imaging method, the spectral characteristics of the on-chip color filter have a lower degree of design freedom than the spectral characteristics of the dichroic film in the optical prism, and it is difficult to obtain the required filter characteristics. Further, in the single-plate color imaging method, the trimming filter that can be applied to each color in the three-plate color imaging method cannot be used due to the structure.
これらの理由により、単板カラー撮像方式では、3板カラー撮像方式と同様、緩やかに透過率が低下するフィルタ特性のIRカットフィルタを採用した場合、画質に悪影響を及ぼしてしまう。具体的には、単板カラー撮像方式では、IRカットフィルタを透過した一部の赤外光が、赤色の画素を反応させ、赤色信号が増大する現象を発生させてしまう。特にこの現象は、赤外光を透過する一部のフィルム用NDフィルタを用いた場合、顕著になる。 For these reasons, in the single-plate color imaging method, as in the case of the three-plate color imaging method, when an IR cut filter having a filter characteristic in which the transmittance gradually decreases, the image quality is adversely affected. Specifically, in the single-plate color imaging method, a part of infrared light that has passed through the IR cut filter causes a phenomenon in which red pixels are reacted and a red signal is increased. In particular, this phenomenon becomes prominent when some ND filters for film that transmit infrared light are used.
また、封止ガラスと兼用するIRカットフィルタは、赤外光を吸収する材料により形成される吸収型のフィルタである。この吸収型のフィルタは、その材料によってフィルタ特性が決まり、可視光域の感度を損なうことなく赤外光をほぼ完全に除去することが困難である。従って、単板カラー撮像方式では、吸収型のフィルタを採用できず、撮影カメラの構成簡略化を実現できない。 The IR cut filter that also serves as the sealing glass is an absorption type filter formed of a material that absorbs infrared light. This absorption type filter has its filter characteristics determined by its material, and it is difficult to remove infrared light almost completely without impairing the sensitivity in the visible light region. Therefore, in the single plate color imaging method, the absorption filter cannot be adopted, and the configuration of the photographing camera cannot be simplified.
そこで、本願発明は、簡易な構成で、赤外光をほぼ完全に除去できるフィルタ及び撮像装置を提供することを課題とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a filter and an imaging device that can remove infrared light almost completely with a simple configuration.
前記した課題に鑑みて、本願発明に係るフィルタは、単板カラー撮像方式の撮像素子に用いられるフィルタにおいて、撮像素子に入射する光の光路上に配置され、当該光を透過する光学部材と、光学部材の一方の平面に形成され、波長680nm以上1100nm未満の赤外光を除去する赤外光を除去する誘電体多層膜と、を備えることを特徴とする。
かかる構成によれば、フィルタは、撮像素子を封止する光学部材の機能と、赤外光を除去するIRカットフィルタの機能とを兼用することができる。
In view of the above-described problems, a filter according to the present invention is an optical member that is disposed on an optical path of light incident on an image sensor and transmits the light in a filter used in an image sensor of a single-plate color imaging system, And a dielectric multilayer film that is formed on one plane of the optical member and that removes infrared light that removes infrared light having a wavelength of 680 nm or more and less than 1100 nm.
According to such a configuration, the filter can combine the function of the optical member that seals the imaging element and the function of the IR cut filter that removes infrared light.
本願発明に係るフィルタは、撮像素子の封止機能とIRカットフィルタの機能とを兼用するので、簡易な構成で赤外光をほぼ完全に除去することができる。これによって、本願発明に係るフィルタは、単板カラー方式による撮影カメラで良好な色再現性を実現することができる。 Since the filter according to the present invention combines the sealing function of the image sensor and the function of the IR cut filter, infrared light can be removed almost completely with a simple configuration. As a result, the filter according to the present invention can achieve good color reproducibility with a single-panel color photographing camera.
以下、本願発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各実施形態において、同一の機能を有する手段には同一の符号を付し、説明を省略した。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings as appropriate. In each embodiment, means having the same function are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
(第1実施形態)
[撮像光学系の構成]
図1を参照し、本願発明の第1実施形態に係る撮像光学系1の構成について説明する。
図1のように、撮像光学系1は、図4の撮影カメラ100(撮像装置)の光学系として利用するものであり、撮影レンズ10と、イメージセンサ20とを備える。
(First embodiment)
[Configuration of imaging optical system]
With reference to FIG. 1, the structure of the imaging
As shown in FIG. 1, the imaging
撮影レンズ10は、対物レンズを含む複数枚のレンズからなるレンズ群である。この撮影レンズ10は、本願発明に直接関係しない一般的な構成のため、これ以上の説明を省略する。なお、図1では、図面を見易くするため、撮影レンズ10を1枚のレンズとして図示した。
The photographing
イメージセンサ20は、撮影レンズ10を介して被写体(不図示)を撮影し、RGB信号(撮影画像)を生成するものである。このイメージセンサ20は、フィルタ21と、固体撮像素子(撮像素子)24と、パッケージ25とを備える。
The
フィルタ21は、固体撮像素子24の封止機能とIRカットフィルタの機能とを兼用するものであり、誘電体多層膜22と、封止ガラス(光学部材)23とを備える。
The
誘電体多層膜22は、封止ガラス23で撮影レンズ10側の平面(入射面)に形成されたものである。図2のように、誘電体多層膜22は、第1反射層22Aと、第2反射層22Bとを交互に蒸着させて、封止ガラス23に形成されている。また、第1反射層22A及び第2反射層22Bは、互いに屈折率が異なっている。
なお、図1では、誘電体多層膜22をハッチングで図示した。
The
In FIG. 1, the
封止ガラス23は、撮影レンズ10を通過した入射光の光路上に配置され、パッケージ25の開口部を封止するものである。ここでは、封止ガラス23は、撮影レンズ10の光軸LFに配置されている。例えば、封止ガラス23として、入射光を透過する一般的なガラスリッド等の光学ガラスをあげることができる。
The
固体撮像素子24は、撮影レンズ10を通過した入射光を受光し、受光した入射光からRGB信号を生成するものである。本実施形態では、固体撮像素子24は、単板カラー撮像方式の撮像素子である。例えば、固体撮像素子24としては、CCD(Charge Coupled Device)センサやCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)センサをあげることができる。
The solid-
パッケージ25は、内部空間に固体撮像素子24を収容するものである。また、パッケージ25は、その開口部が封止ガラス23で封止される。このようにして、封止ガラス23及びパッケージ25は、固体撮像素子24の空気暴露及び埃付着を防止することができる。
The
[フィルタ特性]
図3を参照し、フィルタ21のフィルタ特性について説明する(適宜図1,図2参照)。
この図3では、縦軸が透過率であり、横軸が入射光の波長である。また、図3では、フィルタ21のフィルタ特性に含まれる範囲をハッチングで図示した。
[Filter characteristics]
The filter characteristics of the
In FIG. 3, the vertical axis represents the transmittance, and the horizontal axis represents the wavelength of the incident light. Further, in FIG. 3, the range included in the filter characteristics of the
フィルタ21は、誘電体多層膜22を備えることで、図3のようなフィルタ特性を有する。具体的には、誘電体多層膜22は、波長350nm以上370nm未満における透過率が1%未満である。つまり、誘電体多層膜22は、波長350nm以上波長370nm未満の紫外線をほぼ完全に除去する。
The
誘電体多層膜22は、波長370nm以上380nm未満における透過率が10%未満である。また、誘電体多層膜22は、波長380nm以上390nm未満における透過率が制限されない(つまり、0%〜100%の間で任意)。また、誘電体多層膜22は、波長390nm以上500nm未満における透過率が75%以上である。また、誘電体多層膜22は、波長500nm以上640nm未満における透過率が80%以上である。
The
また、誘電体多層膜22は、波長640nm以上650nm未満における透過率が40%以上である。また、誘電体多層膜22は、波長650nmにおける透過率が、波長390nm以上640nm未満における最大透過率の半値の前後10%に収まる。また、誘電体多層膜22は、波長650nmを超えて680nm未満における透過率が60%未満である。
The
また、誘電体多層膜22は、波長680nm以上690nm未満における透過率が2%未満であり、波長690nm以上1050nm未満における透過率が1%未満であり、波長1050nm以上1100nm未満における透過率が2%未満である。つまり、誘電体多層膜22は、波長680nm以上1100nm未満の赤外光をほぼ完全に除去できる。
The
[作用・効果]
以上のように、フィルタ21は、固体撮像素子24の封止機能とIRカットフィルタの機能とを兼用するので、簡易な構成で赤外光をほぼ完全に除去することができる。さらに、フィルタ21は、紫外線もほぼ完全に除去することができる。これによって、フィルタ21は、単板カラー方式による撮影カメラ100で良好な色再現性を実現することができる。
[Action / Effect]
As described above, since the
(第2実施形態)
[撮影カメラの構成]
図4を参照し、本願発明の第2実施形態に係る撮影カメラ100の構成について説明する(適宜図1,図2参照)。
例えば、撮影カメラ100は、単板カラー方式の放送用カメラであり、撮影光学系1と、信号処理回路(信号処理手段)30と、出力回路40とを備える。
(Second Embodiment)
[Camera configuration]
With reference to FIG. 4, the structure of the photographing
For example, the photographing
撮影光学系1は、図1と同様の構成であり、撮影レンズ10と、イメージセンサ20とを備える。この撮影光学系1は、イメージセンサ20で生成されたRGB信号を、信号処理回路30に出力する。
なお、図4では、図面を見易くするため、一部構成を省略した。
The photographing
In FIG. 4, a part of the configuration is omitted for easy understanding of the drawing.
信号処理回路30は、撮影光学系1から入力されたRGB信号に各種信号処理を施すものである。例えば、信号処理回路30は、色信号の誤差を補正するために、イメージセンサ20が生成したRGB値に対して、3行3列の行列(リニアマトリクス)を掛け合わせるリニアマトリクス処理を行う。
The
ここで、リニアマトリクス処理は、下記の式(1)で定義される。この式(1)では、R,G,Bは、イメージセンサ20から入力されたRGB信号のR信号値、G信号値及びB信号値を表す。また、a〜fは、予め設定されたリニアマトリクス係数を表す。また、R´,G´,B´は、リニアマトリクス処理後のR信号値、G信号値及びB信号値を表す。
Here, the linear matrix processing is defined by the following equation (1). In this equation (1), R, G, and B represent the R signal value, G signal value, and B signal value of the RGB signal input from the
その後、信号処理回路30は、リニアマトリクス処理を施したRGB信号を、出力回路40に出力する。
なお、信号処理回路30は、リニアマトリクス処理の他、信号処理として、ホワイトバランスの調整やガンマ補正を行ってもよい。
Thereafter, the
The
出力回路40は、信号処理回路30から入力されたRGB信号を外部(例えば、コンピュータやディスプレイ)に出力するものである。また、出力回路40は、信号処理回路30から入力されたRGB信号を、撮影カメラ100に予め備えられた記憶装置(例えば、ハードディスク)、又は、撮影カメラ100に挿入された記憶媒体(例えば、SDカード)に書き込んでもよい。
The
[撮影カメラの動作]
図5を参照し、図4の撮影カメラ100の動作について説明する(適宜図4参照)。
図5のように、撮影カメラ100は、イメージセンサ20によって、RGB信号を生成する(ステップS1)。
撮影カメラ100は、信号処理回路30によって、ステップS1で生成したRGB信号にリニアマトリクス処理を施す(ステップS2)。
撮影カメラ100は、出力回路40によって、ステップS3でリニアマトリクス処理が施されたRGB信号を外部に出力する(ステップS3)。
[Camera operation]
The operation of the photographing
As shown in FIG. 5, the photographing
The photographing
The photographing
[作用・効果]
以上のように、撮影カメラ100は、第1実施形態と同様の効果に加え、リニアマトリクス処理を施すことで、より正確なRGB値を得ることができる。これによって、撮影カメラ100は、色再現性をより向上させることができる。
[Action / Effect]
As described above, the photographing
以下、実施例1として、誘電体多層膜22の具体例と、フィルタ21のフィルタ特性とを説明する(適宜図1,図2参照)。
電体多層膜22は、第1反射層22A及び第2反射層22Bが36層蒸着されている。ここで、第1反射層22Aの材料としては、SiO2をあげることができる。また、例えば、第2反射層22Bの材料としては、TiO2をあげることができる。
Hereinafter, as Example 1, a specific example of the
36 layers of the first
図6には、実施例1におけるフィルタ21の分光特性の測定結果を図示した。図6から、フィルタ21は、紫外線及び赤外線をほぼ完全に除去していることがわかる。従って、実施例1のフィルタ21を用いれば、良好な色再現性を実現できると考えられる。
In FIG. 6, the measurement result of the spectral characteristic of the
以下、芝生による太陽光の反射光が含まれる撮影画像を例にあげて、RGB信号に対する赤外光の影響を説明する。
植物の葉に含まれ、光合成に関わっているクロロフィルは、波長660nm付近の赤色光及び波長450nm付近の青色光をよく吸収する特徴を有している。また、吸収されない緑色光及び赤外光は、散乱又は反射される傾向がある。ここで、芝生による太陽光の反射光の分光特性を測定し、その測定結果を図7に図示した。図7から、緑色光及び赤外光が、芝生による太陽光の反射光に多く含まれることがわかる。従って、撮影カメラでは、屋外を撮影する機会が多い場合、680nm以上の波長をカットすることが特性改善に有効である。
In the following, the influence of infrared light on RGB signals will be described with reference to an example of a captured image including sunlight reflected by a lawn.
Chlorophyll, which is contained in plant leaves and is involved in photosynthesis, has a feature of well absorbing red light having a wavelength of around 660 nm and blue light having a wavelength of around 450 nm. Also, unabsorbed green light and infrared light tend to be scattered or reflected. Here, the spectral characteristics of sunlight reflected by the lawn were measured, and the measurement results are shown in FIG. From FIG. 7, it can be seen that a large amount of green light and infrared light are included in the reflected light of sunlight from the lawn. Therefore, in a photographing camera, when there are many opportunities to photograph outdoors, it is effective in improving characteristics to cut a wavelength of 680 nm or more.
図8のように、赤外線を透過する特性のフィルム用NDフィルタ(以下、NDフィルタ)が知られている。そこで、第1実施形態のフィルタ21を備える撮影カメラ(実施例2)と、従来のIRカットフィルタを備える撮影カメラ(比較例)とを準備して、両撮影カメラで芝生を撮影した。このとき、両撮影カメラでは、異なる濃度のNDフィルタを装着して撮影するだけでなく、NDフィルタを装着せずに撮影を行った。
なお、図8では、NDの後ろに記述された数値がNDフィルタの濃度(減光特性)を表す。
As shown in FIG. 8, an ND filter for film (hereinafter referred to as an ND filter) having a characteristic of transmitting infrared rays is known. Therefore, a photographing camera (Example 2) provided with the
In FIG. 8, the numerical value described after ND represents the density (dimming characteristic) of the ND filter.
実施例2及び比較例の実験結果を図9及び図10に示す。図9は比較例の実験結果であり、図10は実施例2の実験結果である。この図9及び図10では、G信号値に対するR信号値及びB信号値を表している。つまり、R信号値及びB信号値は、G信号値を1としたときの相対値である。 The experimental results of Example 2 and the comparative example are shown in FIGS. FIG. 9 shows the experimental results of the comparative example, and FIG. 10 shows the experimental results of the second example. 9 and 10 show the R signal value and the B signal value with respect to the G signal value. That is, the R signal value and the B signal value are relative values when the G signal value is 1.
図9の比較例では、NDフィルタの減光率が高くなるに従って、赤外光がR信号に影響を与え、G信号に対するR信号の割合が増加している。ND1.6のときのR信号値は、NDなしのR信号値に比べて、1.7倍程度増加している。一方、図10の実施例2では、波長680nm付近で急峻に透過率が低下するフィルタ特性を得られるため、NDフィルタを透過する赤外光の影響が抑えられる。その結果、ND1.6のときのR信号値は、NDなしのR信号値に比べて、1.2倍程度の増加に抑えられている。 In the comparative example of FIG. 9, as the ND filter's light attenuation rate increases, infrared light affects the R signal, and the ratio of the R signal to the G signal increases. The R signal value at ND 1.6 is increased by about 1.7 times compared to the R signal value without ND. On the other hand, in Example 2 of FIG. 10, since the filter characteristic in which the transmittance sharply decreases near the wavelength of 680 nm can be obtained, the influence of infrared light transmitted through the ND filter can be suppressed. As a result, the R signal value at ND 1.6 is suppressed to an increase of about 1.2 times compared to the R signal value without ND.
さらに、実施例2では、波長680nm付近で急峻に透過率が低下するフィルタ特性が得られるので、可視光のうち、R信号成分として有効な信号量が増加していることがわかる。これによって、R信号値そのものも大きくなり、S/Nの改善にも効果的であると考えられる。 Furthermore, in Example 2, since the filter characteristic in which the transmittance sharply decreases in the vicinity of the wavelength of 680 nm is obtained, it can be seen that the effective signal amount as the R signal component in the visible light is increased. This also increases the R signal value itself, which is considered effective for improving the S / N.
1 撮像光学系
10 撮影レンズ
20 イメージセンサ
21 フィルタ
22 誘電体多層膜
22A 第1反射層
22B 第2反射層
23 封止ガラス(光学部材)
24 固体撮像素子(撮像素子)
25 パッケージ
30 信号処理回路(信号処理手段)
40 出力回路
100 撮影カメラ(撮像装置)
DESCRIPTION OF
24 Solid-state imaging device (imaging device)
25
40
Claims (3)
前記撮像素子に入射する光の光路上に配置され、当該光を透過する光学部材と、
前記光学部材の一方の平面に形成され、波長680nm以上1100nm未満の赤外光を除去する誘電体多層膜と、
を備えることを特徴とするフィルタ。 In a filter used for an image sensor of a single plate color imaging system,
An optical member disposed on an optical path of light incident on the image sensor and transmitting the light;
A dielectric multilayer film that is formed on one plane of the optical member and removes infrared light having a wavelength of 680 nm or more and less than 1100 nm;
A filter comprising:
前記フィルタを透過した光によりRGB信号を生成する単板カラー撮像方式の撮像素子と、
前記撮像素子が生成したRGB信号にリニアマトリクス処理を施す信号処理手段と、
を備えることを特徴とする撮像装置。 A filter according to claim 1 or claim 2;
An image sensor of a single-plate color imaging system that generates RGB signals by the light transmitted through the filter;
Signal processing means for performing linear matrix processing on the RGB signals generated by the image sensor;
An imaging apparatus comprising:
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