JP2021012343A

JP2021012343A - 光束分離光学系

Info

Publication number: JP2021012343A
Application number: JP2019135690A
Authority: JP
Inventors: 辰郎三井; Tatsuro Mitsui; 琢磨久米田; Takuma Kumeda
Original assignee: Mitsui Optical Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Mitsui Optical Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2019-07-05
Filing date: 2019-07-05
Publication date: 2021-02-04

Abstract

【課題】２つの光束に分解する光束分離光学系の反射・透過特性をできるだけ均一とし、取得した同様の画像を画素ずらしやアスペクト比変換などの加工、合成、編集などにより高解像度の画像、拡大・縮小・変形画像を取得する、高解像度カメラなどへの適用を課題とする。【解決手段】二つの同一画像を取得するために入射光を反射光と透過光とに分離する分離膜を有する光束分離光学系において、反射光の出射面または透過光の出射面のいずれかに設けられた補正フィルタであって、前記補正フィルタは、波長特性が他方の出射面の出力特性と略同一または相似特性となる補正特性を有することを特徴とする光束分離光学系。【選択図】図３

Description

本発明は光束分離光学系に関し、特に撮像された対物レンズからの入射光をプリズム、ハーフミラーまたはダイクロイック膜などの分離面（または分離膜）を有する光学素子により透過光と反射光の２つの光束に分離し、分離された光束を各々撮像素子で電子信号に変換し、同様の画像を得るようにした撮像装置に好適な光束分離光学系に関するものである。

多くのカラービデオカメラなどにおいては、対物レンズと撮像素子との間に色分解手段として色分解プリズムや色フィルタを含む色分解光学系により、白黒系とカラー系、もしくはカラー３原色である赤色系（Ｒ）、緑色系（Ｇ）、青色系（Ｂ）などに分解し、それぞれの撮像素子により撮像し、それぞれ色別に対応した電気信号を取り出している。

また、最近の高解像度カメラにおいては、撮像素子４板を用いた赤色系（Ｒ）、青色系（Ｂ）と第一の緑色系（Ｇ１）、第二の緑色系（Ｇ２）の４色分解光学系により、緑色系を２つの撮像素子により取出し、画素ずらしなどの手法などにより緑色系の高解像度信号を取り出すことも行われている。

また、最近の高解像度ビデオカメラの撮像素子は、その多くがワイドディスプレイ用としてアスペクト比１６：９のワイド画像であり、これらを使用してアスペクト比の異なるアスペクト比４：３（スタンダードテレビ画）、３２：９（超ワイド画）、２．３５：１（シネマスコープ画）、１．８５：１（ビスタ画）または１：１などのディスプレイ用として変換するには、１６：９のアスペクト比を有するワイド画像用高解像度撮像素子により取り込んだ撮影像を２つまたは複数の同一画像に分離し、上・下、または左・右部分をつなぎ合わせる手法がとられている。このようなアスペクト比変換の手法は、顕微鏡、望遠鏡、ダーモスコープなどの円形画像を高解像度ビデオ撮像素子により取得したい場合、マルチスクリーン、超ワイド画、シネマスコープ画のように同一画像を光解像度で分割、合成、加工してアスペクト比を変換するような場合などで必要となっている。

このような利用目的のため、２つの同様な画像を取得するには反射・透過の分離面に誘電体多層膜や金属薄膜を蒸着またはコーティングなどの手法により形成し、波長選択性を有するダイクロイック膜を施したダイクロイックプリズム、ビームスプリッタ、ハーフミラーなどがある。なお、本発明においては、撮像光を２つまたはそれ以上の複数画像、つまり複数の光束に分離または分解する光学系を光束分離光学系と称する。

このような構成において入射光を２つの光束に分離し同じ画像を取得する際、プリズムやハーフミラーなどの反射・透過膜（分離膜）による反射および透過の特性を均一にすることが求められるものの、透過・反射率の特性は必ずしも同一でなく、反射光像および透過光像による不均一が生じる。この分離膜は誘電体の多層膜または金属薄膜などにより構成されるが、誘電体膜においては角度依存性による影響が生じる。また、金属分離膜においては角度依存性による影響は少ないものの、波長帯域により吸収特性が変化し、反射・透過出力特性に不均一性が生じる。また、これらの分離膜による反射・透過特性の不均一性に加えて分離された反射光および透過光における偏光特性の変化による不均一性も生じる。

これらの分離膜による不均一性は、光学系の利用目的にもよるが、できるだけ均一な特性であることが望ましい。特に、画素ずらしや２つの同一画像を合成しアスペクト比を変更するような場合、反射・透過特性の不均一性は、色合いの変化として問題となる。

このような不均一性を軽減する方法として特許文献１では、「ダイクロイック膜の膜厚が配置されている傾斜方向で連続的に変化させる」ことによりダイクロイック膜による反射・透過特性を変化させる技術が開示されている。また、特許文献２では、光束分解プリズムでのダイクロイック膜において高屈折率と低屈折率の膜層を組合せことにより角度依存性による影響などが少なくなるように工夫している。また、特許文献３では、反射光束と透過光束のそれぞれのプリズム接合面に設けた接着層によりそれぞれの光束量調整と角度依存性による影響を少なくする発明が開示されている。また、ダイクロイックプリズムによる偏光特性の変化を軽減するために光束分離光学系の入射側に偏光解消板などの偏光補正フィルタを設けて偏光特性の変化を抑制することも周知技術として存在する。

このように、光束分解プリズムにおける膜の特性による影響および関連する不都合を少なくするためにダイクロイック膜の膜層や接着剤を工夫する方法は種々開示されているが、材質や製造過程の理由により必ずしも満足できる解決策でない。色分離プリズムの反射・透過の不均一性による影響は、色合いなどの画質全体に影響するため分離して得られた画像を合成、比較、編集、加工し、分析、観察するには、これら分離された画像は、できるだけ光学的に同一の特性を有していることが求められている。

特開昭５７−１７９８０７号公報特開２００７−５８１６６号公報特開２０１１−１０７２８５号公報

上述したように対物レンズから取り込んだ画像を、基本的に同様または２つの光束に分解する光束分離光学系の反射・透過特性を均一とすることが求められており、そのような構成の光学系が達成できれば、反射・透過特性の不均一性に起因したり、また影響するような色むらや色ずれ、または偏光の変化など種々の不都合を軽減し、多様なカメラの利用が可能となる。

そのために本発明が解決しようとする課題は、２つの光束に分解する光束分離光学系の反射・透過特性をできるだけ均一とし、取得した同様の画像を画素ずらしやアスペクト比変換などの加工、合成、編集などにより高解像度の画像、拡大・縮小・変形画像を取得する、高解像度カメラなどへの適用を目的とする。

さらに本発明では、反射・透過特性の不均一性に起因する影響を軽減するために撮像素子で取出した電気信号段階で加工せず、また、ダイクロイック膜の特性仕様を厳格化したり、ダイクロイック膜の作成法を変更したりせず、また製造ラインでの性能測定、特性合わせを厳格化するなどの製造工程での負担をかけることなく、より簡素で安価な構成を光学的に達成することを目的とする。

かかる課題を解決し上記目的を達成するために、本発明は、請求項１に記載の通り、二つの同一画像を取得するために入射光を反射光と透過光とに分離する分離膜を有する光束分離光学系において、前記反射光の出射面または前記透過光の出射面のいずれかに設けられた補正フィルタであって、前記補正フィルタは、波長特性が他方の出射面の出力特性と略同一または相似特性となる補正特性を有することを特徴とする。

また、本発明は、請求項２に記載の通り、二つの同一画像を取得するために入射光を反射光と透過光とに分離する分離膜を有する光束分離光学系において、前記反射光の出射面および前記透過光の出射面の両方に設けられた補正フィルタであって、前記補正フィルタは、両方の出射面の出力波長特性が略同一かつ必要な特性となる補正特性を有することを特徴とする。

さらに本発明は、請求項３に記載の通り、二つの同一画像を取得するために入射光を反射光と透過光とに分離する分離膜を有する光束分離光学系において、前記反射光および前記透過光の両方の撮像素子の入射側で、かつ前記反射光の出射面および前記透過光の出射面の両方に設けられた偏光補正フィルタであって、前記偏光補正フィルタは、両方の出射面の出力における偏光特性が円偏光特性となるような偏光補正特性を有することを特徴とする。

さらに本発明は、請求項４に記載の通り、請求項１乃至請求項３に記載の光束分離光学系において、前記補正フィルタおよび前記偏光補正フィルタは、複数の異なる特性フィルタと選択的に交換可能に構成されていることを特徴とする。

さらに本発明は、請求項５に記載の通り、請求項１または請求項２に記載の光束分離光学系において、前記補正フィルタは、取出し必要波長帯域での波長範囲のみにおいて前記反射光および前記透過光の出射面における特性が略同一または相似特性もしくは必要な特性となるような補正特性を有し、取出し必要波長帯域以外の波長範囲はカットするような補正特性を有していることを特徴とする。

さらに本発明は、請求項６に記載の通り、請求項１乃至５に記載のいずれかの光束分離光学系を具備した光学機器であることを特徴とする。なお、上記した課題を解決する手段は、可能な限り組合せて使用することができる。

本発明の請求項１および２における光束分離光学系は、入射光と反射光との波長特性の不均一性を、それぞれの出射面側の片方または両方に設けられた補正フィルタにより反射光特性と、透過光特性とが同様または相似特性となるよう補正するか、もしくは略同一かつ必要な特性となるように補正することができるため、反射・透過出力特性が均一化され、反射・透過の不均一性に起因したり、また影響するような色むらなどの色再現性の不都合が軽減され、アスペクト比変更方法、画素ずらしによる高解像度カメラなど多様なカメラへの適用において性能向上が期待できる。また、ダイクロイック膜の特性を変えて色むらや色ずれを補正する方法でないため、プリズム膜の仕様を変更したり、作成法を変更したりせず、また製造ラインでの性能測定、特性合わせを厳格化するなどの製造工程での負担をかけることなく、より簡素で安価な構成を光学的に達成することができる。

また、請求項３の構成においては、偏光解消板などの偏光補正フィルタがそれぞれの撮像素子の入射側で、かつ、反射光の出射面および透過光の出射面の両方に設けられているため、分離膜による偏光特性の影響が解消され円偏光として後段にある撮像素子への入射波動を均一化することができる。

また、本発明の請求項４の構成における光束分離光学系は、請求項１乃至請求項３の構成において、複数の補正フィルタおよび偏光補正フィルタが選択的に交換可能となっているため、分離光学系の利用目的に応じて適正な補正フィルタを選択でき、利便性が向上する。

また、本発明の請求項５の構成における光束分離光学系は、補正フィルタが、取出し必要波長帯域（例えば、緑色系帯域など）での波長範囲のみにおいて反射光および透過光の出射面における特性が略同一または相似特性、もしくは必要な特性となるような補正特性を有し、それ以外の帯域はカットするように補正するため、個体撮像素子からの不必要な反射光などを軽減する効果も得られる。

また、本発明による光束分離光学系は、反射・透過の出射側において補正フィルタおよび偏光解消板などの偏光補正フィルタにより反射光特性と透過光特性とがほぼ同様または類似、もしくは同一の特性とすることが可能となるため、ダイクロイック膜の反射・透過波長特性を厳密に管理、製造する必要がなく、ダイクロイック膜を備える光束分離プリズムの精度や製造品質を厳密に管理する必要もなく、プリズムモジュールの作成に精緻な調整や熟練を要することなく構成とすることができる。また補正フィルタの補正特性および偏光補正フィルタを設けるだけで反射・透過の特性の均一化が図れるため、汎用モジュールが利用でき、簡素な構成で、安価な光束分離光学系が構成できる。

汎用分離プリズムによる光束分離光学系の概略説明図である。図１の汎用分離プリズムの光束分離特性例を示す説明図である。本発明の実施例１に係る光束分離光学系の概略説明図である。本発明の実施例１に係る補正フィルタの特性説明図である。本発明の実施例１に係る光束分離光学系の出力特性を示す説明図である。本発明の実施例２に係る光束分離光学系の概略説明図である。本発明の実施例２に係る補正フィルタの特性説明図である。本発明の実施例２に係る光束分離光学系の出力特性を示す説明図である。本発明の実施例３に係る光束分離光学系の概略説明図である。本発明の実施例４に係る光束分離光学系の概略説明図である。本発明を応用した４板式カラーカメラの構成を示す説明図である。本発明を応用した画素ずらしの一例を示す説明図である。本発明を応用したアスペクト比変換画像処理の一例を示す説明図である。

図１は、一般的な汎用光束分離プリズムと撮像素子からなるキュービック状の光束分離光学モジュール１の概要を示す図で、図２は、そのような光束分離モジュール１の反射・透過それぞれの出力波長特性を示す説明図である。光束分離プリズム２は、小型化のため入射光に対し４５度の傾斜面に誘電体多層膜や金属薄膜を施した分離面４を有している。入射面３から入射した光束の一部は分離面４で反射され出射面５から出射し、撮像素子６へ取り込まれる。また、入射面３から入射した光束の一部は分離面４を透過し、出射面７から出射し、撮像素子８へ取り込まれる。

光束分離モジュールにおける反射・透過率は薄膜層などを調節することにより、利用目的に応じた割合とすることが可能である。しかし、前記したような光束分離モジュールの材質の特性などにより必ずしも同様または相似の特性とすることは困難であり、また波長選択性による影響もあり図２に示すような特性となり、反射特性と透過特性とが不均一となる。更に、プリズム分離面の反射・透過により反射光および透過光の偏光特性にも変化が生じ、これもそれぞれの出力像の均一性に影響を及ぼす。

このような不均一特性は、特に分離面の誘電体多層膜や金属薄膜において反射・透過帯域が広がるほど顕著に現れ、前述のような不均一性に起因する種々の不都合が生じるため、２つの撮像を合成、加工等を行う場合、できるだけ同様の特性または目的により少なくとも相似形であることが望まれる。本発明は、そのような反射・透過特性の不均一性をできるだけ軽減するもので、以下、本発明の実施例について図面に基づいて説明する。以下の実施例に記載されているいずれの図面も本発明の説明用に概略的な模式図として描かれており、実際の寸法や形状は特に限定するものではない。また、構成要素の寸法、材質、形状、その相対配置等は、特に記載がない限りは発明の技術的範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

図３は、本発明の実施例１に係る光束分離光学系の概略説明図である。この光束分離光学系１０の分離プリズム１１は、前述の図１における分離プリズムと同様である。対物レンズ１２により集光した撮影像は、分離プリズム１１の入射面１３より入射し、その入射光の一部が反射・透過面１４で反射される。反射・透過面１４は、ビームスプリッタ、ハーフミラーまたはダイクロイック膜で構成され、光軸に対し４５度の傾斜面を有しており、所定の反射・透過率で入射光を反射光と透過光とに分離する。反射されたた反射光Ｒは分離プリズム１１の出射面１５より出射し、撮像素子１６へ入射する。一方、入射光の一部は、反射・透過面１４を透過する。透過した透過光Ｔは、出射面１７からその出射面１７に配設された補正フィルタ１８を介して出射され、撮像素子１９へ入射する。

補正フィルタ１８の透過光補正特性Ｃ−Ｔは、図４に示すような特性を有している。この補正フィルタ１８の透過光補正特性を得るには、図２における分離プリズム１１の透過光Ｔの特性を相補して、反射光Ｒの特性とほぼ同様または相似となるような補正特性を有する。つまり、補正フィルタを設けない場合の、図１における反射光特性Ｒと透過光特性Ｔとの差分に相当する透過特性の補正フィルタを設定する。この補正フィルタ１８は、分離プリズム１１の透過光出射面１７に誘電体多層膜または金属薄膜を蒸着またはコーティング等により形成することも可能であるし、別途誘電体多層膜や金属薄膜を蒸着した薄膜を透過光出射面１７に密着させて形成することも可能である。このような補正フィルタ１８を介した透過光特性Ｔは図５に示すように、反射光特性Ｒと略同一または相似形の特性を得ることができる。補正フィルタ１８の補正特性をどの程度厳格に設定するかは、光束分離光学系の利用目的により異なるが、反射光と透過光の出力は必ずしも完全に同一特性である必要はなく、色むらや色ずれを減少させるには略同一または相似形を保持するように補正フィルタにより補正すれば十分である。

しかし、１／２画素ずらしや斜め画素ずらしにより解像度を上げるために同一画像を２つ取得したい場合は、反射光特性と透過光特性とが同一であることが望ましく、反射特性と透過特性とが相似形でなく、できるだけ同一の特性を得られるように補正することが望ましい。このようにできるだけ同一の特性を得られるように補正する場合は以下に述べる実施例２の通り、反射側および透過側の両方の出射面に補正フィルタを設ける。

図６は、本発明の実施例２に係る光束分離光学系２０の概略説明図である。実施例２において実施例１との相違点は、実施例１が透過光のみに補正フィルタが設けられているのに対し、実施例２では反射光および透過光両方の出射面に補正フィルタ２１および２２が設けられている点である。図３と同様のものには同じ番号を付してある。図６において、対物レンズ１２により集光した撮影像は、分離プリズム１１の入射面１３より入射し、その入射光の一部が光軸に対し４５度の傾斜面を有する反射・透過面１４で反射される。反射されたた反射光Ｒは分離プリズム１１の出射面１５からその出射面１５に配設された補正フィルタ２１を介して出射され、撮像素子１６へ入射する。一方、入射光の一部は、反射・透過面１４を透過し、透過した透過光Ｔは、出射面１７からその出射面１７に配設された補正フィルタ２２を介して撮像素子１９へ入射する。

反射光Ｒの出射面１５の補正フィルタ２１および透過光Ｔの出射面１７の補正フィルタ２２の反射光補正特性Ｃ−Ｒおよび透過光補正特性Ｃ−Ｔは、図７に示すような特性を有している。このそれぞれの補正フィルタ２１および２２の補正特性を得るには、実施例１で説明したのと同様、分離プリズム面１４の反射光Ｒおよび透過光Ｔの特性を相補して、反射光Ｒおよび透過光Ｔの出力波長特性が略同一かつ必要な特性となるような補正特性を有する。つまり、所定の波長帯域に亘って補正後の出力特性が補正前の反射光特性Ｒと透過光特性Ｔのそれぞれと所望する必要な特性との差分に相当する特性の補正フィルタを設定する。

この補正フィルタ２１および２２は、分離プリズム１１の反射光出射面１５および透過光出射面１７に誘電体多層膜または金属薄膜を蒸着またはコーティング等により形成することも可能であるし、別途誘電体多層膜や金属薄膜を蒸着した薄膜を反射光出射面１５および透過光出射面１７に密着させて形成することも可能である。このような補正フィルタを反射光Ｒおよび透過光Ｔの光路中に設けることで反射光および透過光それぞれの特性は図８に示すように、反射・透過光出力特性が略同一で、かつ必要な補正された特性を得ることができる。

ここで、実施例１においては、反射光または透過光のいずれか一方に補正フィルタを設けているため、所望する特性は、いずれか一方の特性に他方の特性を近づけて略同一の補正特性を得ることができるが、両方の補正特性を略同一かつ必要な特性もしくは所望するような補正特性を得ることはできない。しかし、実施例２においては、反射光および透過光の両方に補正フィルタを設けているため、反射光および透過光の波長特性を略同一とすることができるだけでなく、それぞれの特性を必要に応じてリニア（直線性）な同一特性として利用したり、利用目的により光学的に赤色側特性を強調する場合は長波長側（赤色側）を持ち上げたり、逆に紫色側を強調する場合は短波長側（紫色側）を持ち上げたりして利用するような所望する必要特性としてことも可能である。

上記実施例においては、反射・透過面が光軸に対し４５度で構成された分離プリズムの一例を示しているが、必ずしも光軸に対し４５度である必要はなく、その他の反射・透過面傾斜の場合であっても補正フィルタの適用にあたっては分離画像均一化の効果を期待できる。また、補正対象となる必要波長帯域は、必ずしも実施例にある可視光帯域に限らず赤外光帯域などの広帯域を含んでも良いし、逆に特定の帯域（例えば、緑色系など）に限定するような補正フィルタを適用しても良い。

分離プリズムによる反射光および透過光の分離においては、前述のような出力波長特性の変化の他に偏光特性の変化による分離した２つの画像の不均一性が生じる場合がある。図９においては、出力波長特性の均一化のための補正フィルタに組み合わせて偏光解消板２３および２４を設けることで分離膜による偏光特性を補正する機能を備えたものである。偏光補正板２３および２４以外は、図６と同様の構成であり、同じ番号が付されている。偏光解消板２３および２４としては、直線偏光を円偏光へ導くλ／４偏光解消板が主として用いられる。

従来、分離プリズムによる偏光の影響を抑制するためにプリズム入射前面に偏光補正フィルタ（円偏光フィルタなど）を設けている例は存在するが、分離プリズムへの入射後において分離膜による反射光・透過光のそれぞれは偏光特性に影響を受けるため、分離プリズムの出射側における反射光および透過光は、同じ偏光特性を有していない。

撮像素子１６および１９に入射する光束は、それぞれの撮像素子におけるオンチップ・マイクロレンズにより集光され、カラー撮像素子の場合は、色分解原色フィルタまたは補色フィルタなどを介して、また白黒（モノクロ）撮像素子の場合は、色分解フィルタなしに、画素単位でフォトダイオードのセル（光電変換素子）へ照射され、セル毎に電気信号へ変換される。撮像素子の多くは入射側にマイクロレンズにより集光しているため、それぞれの撮像素子１６および１９へ入射する反射光および透過光は、できるだけ自然光に近い円偏光とすることが望ましい。特に、本発明の様に反射光像および透過光像による二つの同一画像を取得することを目的とする場合、撮像素子１６および１９への入射光を円偏光である自然光像とするため偏光解消板２３および２４を設けることが望ましい。

このように、補正フィルタ２１および２２により反射光および透過光の出力波長特性を略同一かつ必要な特性となるような補正すると共に、偏光解消板２３および２４とを組み合わせることで、分光時に発生する各出力の偏光現象の影響を極力解消し、撮像素子１６および１９へ入射する波動が均一化され、撮像素子１６および１９により得られる反射光像および透過光像とはより均一化されたものを得ることができる。

図９における実施例としては、出力波長特性の均一化のための反射光および透過光の両方の補正フィルタ２１および２２と偏光解消板２３および２４とをそれぞれ組み合わせた構成としたが、利用目的に応じて反射光または透過光のいずれか一方に適用したり、また補正フィルタまたは偏光フィルタのいずれか一方のみを適用によってもその効果は期待できるものである。

図１０は、本発明の実施例４に係る光束分離光学系の概略説明図である。実施例４は、実施例１、実施例２または実施例３における補正フィルタや偏光解消板およびその他利用目的に応じて必要となる補正フィルタの特性を複数の特性に切り替えて使用することができるようにしたものである。反射光Ｒの出射側および透過光の出射側にそれぞれ複数の異なる補正特性を有する補正フィルタまたは偏光解消板が設定され、それぞれが使用目的に応じて選択し、適切な補正を行ったり、不要光をカットするのに利用することができる。

本発明の実施例１および実施例２では反射光、透過光のいずれか一方または両方に補正フィルタを挿入し、出力特性の補正を行っている。このような補正フィルタは、実施例１および２のように反射光および透過光を相似形特性で使用したり、同一かつ必要な特性で使用したりすることができるため、利用目的によりそれぞれの補正フィルタの特性を切り替える場合が生じる。そのような場合、反射光または透過光の出射側に設定する補正フィルタを複数用意し切り替えられるようにすることで利便性が向上する。

図１０においては、反射光像Ｒの出射面に設けられた補正フィルタ２５ａを他の補正フィルタ２５ｂと切り替えたり、入れ替えたりすることができる構成となっている。同様に、透過光像Ｔの出射面に設けられた補正フィルタ２６ａは、補正特性の異なる他のフィルタ２６ｂと選択的に適用することができる様子を示している。この補正フィルタの選択的適用には、補正フィルタが固定または分離プリズムにコーティングにより形成されたタイプでなく、補正フィルタソケットまたはポケットに補正フィルタ薄膜板を挿入式にしたり、複数の異なる特性の補正フィルタ薄膜板を回転式に切り替える構成にしてもよい。

このような選択的補正フィルタは、実施例１、実施例２および実施例３のような、反射光・透過光の波長特性や偏光特性を揃える目的でない場合に必要となる補正フィルタ、例えば、ゴーストやフレアが生じた場合の反射防止フィルタ（ＡＲ）、赤外光が不要な場合の赤外光カットフィルタ、Ｐ・Ｓ偏光波を取り出す偏光フィルタなどを用意し、それぞれの利用特性に応じて複数の特性の補正フィルタを切り替えることで最も利用目的に応じた光束分離特性を取得することができる。

図１１は、本発明を応用した４板式カラーカメラの色分離光学系の構成を示す説明図である。図１１において、入射光は第１の色分解プリズム３１に入射し、ダイクロイック膜で形成された反射・透過面３２により赤色光の波長帯域が反射され、それ以外の青色光、緑色光の波長帯域は透過するよう設計されている。反射・透過面３２により反射された赤色光は色分解プリズム３１の反射面３３で全反射され、出射面に設けられた偏光解消板３４を介して出射し、赤色光撮像素子３５へ取り込まれる。一方、反射・透過面３２を透過した透過光（青色光および緑色光）は第２の色分解プリズム３６に入射し、ダイクロイック膜で形成された反射・透過面３７により青色光の波長帯域が反射され、それ以外の緑色光の波長帯域は透過するよう設計されている。反射・透過面３７により反射された青色光は色分解プリズム３６の反射面３８で全反射され、出射面に設けられた偏光解消板３９を介して出射し、青色光撮像素子４０へ取り込まれる。

また、反射・透過面３７を透過した透過光（緑色光）は第３の光束分離プリズム４１に入射する。第３の光束分離プリズム４１は、ビームスプリッタやハーフミラーで構成されており、反射光および透過光を１：１で分離する反射・透過面４２を有している。ここで、反射・透過面４２は、波長帯域により分離することはなく、同じ緑色光を取得するように誘電体多層膜または金属薄膜により形成される。反射・透過面４２により反射された反射緑色光（Ｇｒ）は、第３のプリズム４１の出射面４３に設けられた補正フィルタ４４および偏光解消板４５を介して反射緑色光用撮像素子４６へ取り込まれ、第１の緑色光像（Ｇ１）を取得する。また、反射・透過面４２により透過された透過緑色光（Ｇｔ）は、第３のプリズム４１の出射面４７に設けられた補正フィルタ４８および偏光解消板４９を介して透過緑色光用撮像素子５０へ取り込まれ、第２の緑色光像（Ｇ２）を取得する。

このようにして取得した第１の緑色光像（Ｇ１）および第２の緑色光像（Ｇ２）は、画素ずらし合成回路（図示せず）により高解像度を得るように画像合成される。図１２は画素ずらし手法の一例を説明する図である。本発明により得られた２つの略同一特性の画像（Ｇ１およびＧ２）は、１／２または斜め画素ずらし法により合成され、高解像度の緑色光像を取得するのに用いられる。画素ずらし法により高解像度の緑色光像を取得するのは人間の視覚特性により緑色光に高解像度が要求されるためであるが、これら第１の緑色光像（Ｇ１）および第２の緑色光像（Ｇ２）は基本的に同様の特性を有している必要がある。そのため、緑色光の光束分離プリズム４１には、補正フィルタ４４および４８がそれぞれ設けられ、更にそれぞれの反射・透過分離面による偏光特性の変化をなくし撮像素子への入射光を円偏光へ導くための偏光解消板（偏光補正フィルタ）４５および４９を設けており、プリズム４１からの第１および第２の緑色光像（Ｇ１およびＧ２）の不均一特性を同一特性とするように補正する。

実施例においては、補正フィルタが第１および第２の緑色光出射面の両方に設けられているが、どちらか片方の出射面だけに補正フィルタを設けて他方の緑色光特性に近似させても良い。また、実施例においては偏光解消板をそれぞれの撮像素子の入射側にすべて配置されているが、光束分離光学系の利用目的により必要な撮像素子のみに適用しても良い。

この実施例５においては、緑色系の画素ずらしへの適用を説明したが、本発明による複数均一画像を取得する手法は、緑色系以外の帯域の画素ずらしの場合、白黒撮像素子により取得した複数の白黒画像を画素ずらしにより高解像度白黒画像を得る場合、およびカラー撮像素子により取得した複数のカラー画像を画素ずらしにより高解像度のカラー画像を得る場合などにも適用することができる。

図１３は、本発明を応用したアスペクト比変換画像処理の一例を示す説明図である。ハイビジョンテレビ（画素数１９２０ｘ１０８０）、スーパーハイビジョンと称せられる４Ｋテレビ（画素数３８４０ｘ２１６０）および８Ｋテレビ（画素数７６８０ｘ４３２０）などの高解像度テレビ用の撮像素子はほとんどが１６：９のアスペクト比であり、これらで撮影されたビデオ画像を１６：９以外のアスペクト比のディスプレイで適正な画像表示とするには、種々の方法が開示されている。その中でも２つの同じ画像を組合せ、アスペクト比を変換する方法が多く用いられている。

図１３は、本発明により取得した二つの同一画像を用いてアスペクト比の異なる画像を得る説明図である。図１３（Ａ）では、本発明で得られた２つのアスペクト比Ｈ１：Ｖ＝１６：９の同じ画像ＰＲおよびＰＴを左右に配置してアスペクト比を変更する場合の説明図である。映画などのディスプレイにおいては、アスペクト比１６：９の撮像素子で取得した画像から種々のアスペクト比へ画像処理することが求められるため、１６：９の画像ＰＲおよびＰＴを左右に配置し、アスペクト比をＨ２：Ｖ＝３２：９（超ワイド画）、２．３５：１（シネマスコープ画）、１．８５：１（ビスタ画）などに変更、設定する。この場合、例えば、光束分離光学系で分離された２つの画像の左方部分を反射像ＰＲとして取得し、右方部分を透過像ＰＴとして取得し、重なり合った部分は合成またはどちらか一方の画像を削除するように画像処理する。重なり合った部分は前述の処理と同様に合成またはどちらか一方の画像を削除するように画像処理する。このように本発明を適用することで、得られた全体画像としては色ずれ、色むらなどの生じない良好な画像が得られ、映画などの超ワイド画像、種々のマルチビジョン画像などに適応したアスペクト比への変換画像処理が可能となる。

図１３（Ｂ）では、本発明で得られた２つのアスペクト比Ｈ：Ｖ１＝１６：９の同じ画像ＰＲおよびＰＴを上下に配置し、アスペクト比をＨ：Ｖ２＝１：１、または４：３などに変更、設定する。この場合、例えば、光束分離光学系で分離された２つの画像の上方部分を反射像ＰＲとして取得し、下方部分を透過像ＰＴとして取得し、重なり合った部分は合成またはどちらか一方の画像を削除するように画像処理する。このような画像処理においては、反射像ＰＲおよび透過像ＰＴが同一の画像特性を有していることが条件となる。このような場合、画像処理において本発明を適用すれば反射・透過膜による特性のばらつきやプリズム全体の不均一特性を光学的に同一画面に補正することができ、色ずれ、色むら、または偏光の不均一性などの生じない良好な画像が得られ、顕微鏡、望遠鏡などの観察、分析装置において、１６：９の高解像度撮像素子を用いてアスペクト比の異なる高解像度の画像処理が可能となる。

以上説明した通り、本発明の光束分離光学系におけるダイクロイック膜や分離プリズムの不均一特性に伴う反射光・透過光それぞれの特性を補正フィルタにより略同一または相似形特性もしくは略同一かつ必要な特性へ補正し、かつ分離された反射・透過光の偏光特性を偏光解消板により円偏光とすることで、撮像素子により得られる撮影像の均一化をはかることができるため、分離膜やプリズムなどの性能特性に拘わらず略同一かつ所望する必要な特性の二つまたは複数画像を得ることができる。また、撮像光が可視光帯域の場合、本発明における補正フィルタを可視光帯域全体に亘って、リニア特性としたり、相似形の特性としたりすることで同一画面を得ることができるが、所定の必要波長帯域以外の帯域をカットするような特性とすることで、赤外光や蛍光帯域などの不要光をカットしたり、反射防止コーティングなどを補正フィルタに施すことで反射・透過特性の不均一補正と不要光や反射防止の効果を得ることもできる。

本発明においては、光束分離光学系としてプリズムによる実施例を説明したが、撮影像を２つの光束に分離するものであれば、プリズム以外のプレート板でも同様な効果を得ることができる。また、二つの光束分離タイプとしては、上述の実施例に限定されることなく特定波長帯域で同一画像を複数得るための光学系、アスペクト比を変換する画像を得るために同一画像を複数得るような光学系など多種多様なカメラへ適用することができ、そのような光学系を使用したカメラは、シネマ用カメラ、監視用、顕微鏡用、望遠鏡用などのビデオカメラ、静止画カメラなど広く応用することができる。上記実施例に開示されている範囲に限らず、特許請求の範囲内において複数の構成要素を適宜組み合わせたり、光束分離光学系を利用した機器に広く適用することができ、産業上多大な有用性と利用可能性を有している。

１１、４１分離プリズム
１２対物レンズ
１３入射面
１４、４２反射・透過面（分離膜）
１５反射光出射面
１７透過光出射面
１８、２１、２２、４４、４８補正フィルタ
２５ａ、２５ｂ、２６ａ、２６ｂ、交換可能フィルタ
２３、２４、３４、３９、４５、４９偏光解消板
１６、１９、３５、４０、４６、５０撮像素子

Claims

二つの同一画像を取得するために入射光を反射光と透過光とに分離する分離膜を有する光束分離光学系において、前記反射光の出射面または前記透過光の出射面のいずれかに設けられた補正フィルタであって、前記補正フィルタは、波長特性が他方の出射面の出力特性と略同一または相似特性となる補正特性を有することを特徴とする光束分離光学系。
二つの同一画像を取得するために入射光を反射光と透過光とに分離する分離膜を有する光束分離光学系において、前記反射光の出射面および前記透過光の出射面の両方に設けられた補正フィルタであって、前記補正フィルタは、両方の出射面の出力波長特性が略同一かつ必要な特性となる補正特性を有することを特徴とする光束分離光学系。
二つの同一画像を取得するために入射光を反射光と透過光とに分離する分離膜を有する光束分離光学系において、前記反射光および前記透過光の両方の撮像素子の入射側で、かつ前記反射光の出射面および前記透過光の出射面の両方に設けられた偏光補正フィルタであって、前記偏光補正フィルタは、両方の出射面の出力における偏光特性が円偏光特性となるような偏光補正特性を有することを特徴とする光束分離光学系。
前記補正フィルタおよび前記偏光補正フィルタは、複数の異なる特性フィルタと選択的に交換可能に構成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３に記載の光束分離光学系。
前記補正フィルタは、取出し必要波長帯域での波長範囲のみにおいて前記反射光および前記透過光の出射面における特性が略同一または相似特性もしくは必要な特性となるような補正特性を有し、取出し必要波長帯域以外の波長範囲はカットするような補正特性を有していることを特徴とする請求項１または請求項２に記載する光束分離光学系。
請求項１乃至５に記載する光束分離光学系のいずれかを備えることを特徴とする光学機器。