JP2021026210A - 色分解光学系及び撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 テレビ放送用の新しい色域規格ＢＴ２０２０などの理想特性に近い色再現性に優れた色分解光学系のプリズム分光特性に対して、人が知覚できるほぼすべての色情報に基づく色の評価および測定・検査用として、人の眼に極めて近い感度を有し、かつ、安定したプリズム分光特性を有する色分解光学系および撮像装置を提供することにある。【解決手段】 本発明では、色分解光学系で用いられている青反射ダイクロイック膜の透過率特性の傾きと半値波長を最適化し、前記青反射ダイクロイック膜を透過した光について、ハーフミラーを用いて所定の光量比に分割し、各プリズム射出面のトリミングフィルタを用いて、各プリズムの射出面から射出する透過光の調整を行うことにより、人の眼に極めて近い感度を有し、かつ、安定したプリズム分光特性を有する色分解光学系の実現が行える。【選択図】図２

Description

本発明は、入射光を複数の色成分光に分解する色分解光学系、及び、その色分解光学系を備えた撮像装置に関する。

一般に、テレビカメラやビデオカメラおよび測定・検査用カメラ等の撮像装置には、色分解光学系が備えられている。

図１に示すように、色分解プリズム１１２は、撮影レンズ１１３の側より、第１プリズム、第２プリズム、第３プリズムから構成され、第１プリズムと第２プリズムの間にはエアーギャップ１０８を有し、第２プリズムと第３プリズムは接着により接合されている。撮影レンズ１１３は、不図示の被写体からの光束を集光し、ＩＲカットおよびＵＶカットフィルタ１１４は、ガラスフィルタの片面にＩＲ光をカットする膜がコートされ、もう一方の片面にＵＶ光をカットする膜がコートされており、不要なＩＲ光とＵＶ光をカットし、色分解プリズム１１２へと導光している。

第１プリズムは、撮影レンズに面して入射面１０１を有し、入射面１０１より入射した撮影レンズからの光を、透過面１０２に施した青反射ダイクロイック膜にて青色成分光を反射させ、残りを透過させる。反射した青色成分光は、入射面１０１にて全反射し、出射面のトリミングフィルタ１０５を射出して撮像素子１０９に向かう。透過面１０２を透過した光は、エアーギャップ１０８を通って第２プリズムの入射面１０３より入射する。

第２プリズムの透過面１０４に施したハーフミラーは、前記青反射ダイクロイック膜の透過光を所定の光量比で分割する。前記ハーフミラーで反射された光は、エアーギャップ１０８と接する第２プリズムの入射面１０３面にて全反射し、出射面のトリミングフィルタ１０６で所定の赤色成分の分光特性に整形され撮像素子１１０に向かう。

透過面１０４を透過した光は、第３プリズムに入射し、出射面のトリミングフィルタ１０７で所定の緑色成分の分光特性に整形され撮像素子１１１に向かう。このようにして、色分解プリズムは光束を分解する。

前記トリミングフィルタ１０５、１０６、１０７は、分光特性を理想とする特性に近づけるために設けられており、前記青反射ダイクロイック膜とハーフミラーで分割された光について、それぞれ青色成分光、赤色成分光、緑色成分光を所定の分光特性に整える。

また、前記トリミングフィルタ１０５、１０６、１０７は、必要に応じて、色ガラス等の吸収タイプまたはダイクロイック膜等のコートタイプまたは吸収タイプとコートタイプの両方を用いてもよい。ここで、ゴースト・フレア防止のためには、吸収タイプを用いることが望ましい。

図９にＸＹＺ等色関数を示す。これは、ＲＧＢ等色関数の負の値をなくすために一次変換された等色関数であり、人の眼の感度に極めて近い特性を示す。色分解光学系の分光透過特性と撮像素子の感度特性を掛け合わせた結果を、前記ＸＹＺ等色関数に合わせることにより、人の眼に極めて近い感度を有する色分解光学系の実現が行える。しかしながら、色分解光学系のプリズム分光特性において、ＸＹＺ等色関数に近い形状を有する特性を実現するためには、波長４２０［ｎｍ］から６８０［ｎｍ］の広い波長域にかけて、前記第１ダイクロイック膜の波長に対する透過率を示す透過特性曲線は、図１０の１００１に設計例を示すように、最低透過率と最高透過率との間の範囲の２０［％］から８０［％］に変化する傾きの平均値が０．２［％／ｎｍ］以上、１．０［％／ｎｍ］以下の緩やかな透過特性曲線となり、前記第２ダイクロイック膜の波長に対する透過率を示す透過特性曲線は、図１０の１００２に設計例を示すように、最高透過率と最低透過率との間の範囲の８０［％］から２０［％］に変化する傾きの平均値が−１．０［％／ｎｍ］以上、−０．２［％／ｎｍ］以下の緩やかな透過特性曲線となる。

このように、波長４２０［ｎｍ］から６８０［ｎｍ］の広い波長域に対して、透過率が緩やかな非線形に変化する特性曲線は、成膜バラツキが大きくなり、ＸＹＺ等色関数に特性を合わせるのは難しく、かつ、製造コストが増大するという問題がある。

特開２００９−０７５５４３号公報 特開２００９−２５１０９６号公報 特開平２−１３５８９１号公報

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、テレビ放送用の新しい色域規格ＢＴ２０２０などの理想特性に近い色再現性に優れた色分解光学系のプリズム分光特性に対して、人が知覚できるほぼすべての色情報に基づく色の評価および測定・検査用として、人の眼に極めて近い感度を有し、かつ、安定したプリズム分光特性を有する色分解光学系および撮像装置を提供することにある。

ゴースト・フレアを低減するため、プリズムの射出面にダイクロイック膜付きのトリミングフィルタを使用せず、理想的な分光特性に近い特性を得て色再現性を向上する技術が従来から知られている。前記、特許文献１に示す特開２００９−０７５５４３号公報、特許文献２に示す特開２００９−２５１０９６号公報では、ＸＹＺ表色系の等色関数の一次変換で示される理想的な緑色の分光特性の短波長側の特性曲線に沿うように、第１ダイクロイック膜の波長に対する透過率を示す透過特性曲線については、最低透過率と最高透過率との間の範囲の２０［％］から８０［％］に変化する傾きの平均値が０．２［％／ｎｍ］以上２．０［％／ｎｍ］以下となり、第２ダイクロイック膜の波長に対する透過率を示す透過特性曲線については、最高透過率と最低透過率との間の範囲の８０［％］から２０［％］に変化する傾きの平均値が−２．０［％／ｎｍ］以上、−０．２［％／ｎｍ］以下となる形状を有することが記載されている。波長４３０［ｎｍ］から６７０［ｎｍ］までの広い波長域に対して、このように、透過率が緩やかな非線形に変化する特性曲線は、成膜バラツキが大きくなり、かつ、前記第１ダイクロイック膜と前記第２ダイクロイック膜の透過特性の変化する波長域が広範囲にわたって重なるため、第１ダイクロイック膜の成膜バラツキは青色成分光の特性の他に、第２ダイクロイック膜で透過する緑色成分光と第２ダイクロイック膜で反射される赤色成分光の両方の特性の安定性についても悪化させてしまう。また、前記、特許文献３に示す特開平２−１３５８９１号公報では、３色分解プリズムをエアーギャップの無い構造にすることで、レジストレーション安定性を向上し、第２プリズム部材と第３プリズム部材との接合面に金属系のハーフミラーを設けてＰ偏光とＳ偏光の差を少なくすることで色再現性を向上することが記載されている。但し、エアーギャップ無しのプリズムでは、１チャンネルが鏡画となり、画質へのウエイトが高い緑色光が２回反射となり、エアーギャップ有りのプリズムに比べ全長が長くなりやすい等の欠点を有する。また、エアーギャップを有するプリズムのレジストレーションは、第１プリズム部材と第２プリズム部材を固定する技術が向上し、安定してきている。更に、ハーフミラーを使用して、Ｐ偏光とＳ偏光の差を少なくしただけでは、ＰＳ偏光差以外に、分光特性の最適化を要する色再現性の向上は行えない。

これに対して、本発明では、プリズムの前にＩＲ（Ｉｎｆｒａ Ｒｅｄ）とＵＶ（Ｕｌｔｒａ Ｖｉｏｌｅｔ）をカットするフィルタを配置し、第１ダイクロイック膜の波長に対する透過率を示す透過特性曲線について、最低透過率と最高透過率との間の範囲の１０［％］から９０［％］に変化する平均傾斜をＸＹＺ表色系の一次変換された等色関数で示される緑色成分の分光特性の短波長側の特性曲線の平均傾斜に沿うように、０．７［％／ｎｍ］以上、１．１［％／ｎｍ］以下となる直線的な形状とし、かつ、第１ダイクロイック膜の透過特性曲線の最低透過率と最高透過率との中間となる半値波長を４９０［ｎｍ］以上、５００［ｎｍ］以下とし、更に、前記、第１ダイクロイック膜を透過した光をハーフミラーで所定の光量比に分割し、前記ハーフミラーを透過した光、及び、前記ハーフミラーで反射された光について、それぞれ射出面のトリミングフィルタにダイクロイック膜を使用して、透過特性を個別に調整し、それぞれ所定の赤色成分の分光特性および所定の緑色成分の分光特性とすることにより、ＸＹＺ等色関数の特性に近づけることが可能となる。ここで、第１ダイクロイック膜の透過特性の最高透過率と最低透過率との中間となる半値波長が４９０［ｎｍ］以上、５００［ｎｍ］以下とし、４６０［ｎｍ］から５３０［ｎｍ］にかけて緩やかな直線的に変化するシンプルな形状とし、ハーフミラーで所定の光量比に分割した後、それぞれ射出面のトリミングフィルタで分光特性を調整することで、成膜バラツキの低減およびコストの低減が行える。射出面のトリミングフィルタとして、通常は製作のしやすさから、ダイクロイック膜が施された板状のガラスフィルタをプリズム射出面に接着するが、プリズム射出面に直接ダイクロイック膜を成膜してもよい。また、青色成分光を取り出すプリズム射出面のトリミングフィルタにはゴースト・フレア防止のために、前記ダイクロイック膜と同じ特性を吸収タイプの色ガラスフィルタまたは、吸収タイプの色ガラスフィルタにダイクロイック膜を施して実現してもよい。吸収タイプの色ガラスフィルタのみを使用する場合は、色ガラスフィルタの射出面に反射防止膜を施す。また、前記、各色成分光の射出面トリミングフィルタの分光特性は複雑になるが、前記プリズム前に配置するＩＲとＵＶをカットするフィルタまたは、そのいずれか一方のカットフィルタを使用せず、その分を前記各色成分光の射出面トリミングフィルタで分光特性の調整を行ってもよい。

このように、本発明によれば、前記ＩＲとＵＶをカットするフィルタを用い、前記第１ダイクロイック膜および前記ハーフミラーを有する分光透過特性とし、各プリズム射出面のトリミングフィルタを用いて透過光の調整を行い、図２に示す本発明の一例の分光透過特性とすることにより、人の眼に極めて近い感度を有し、かつ、安定したプリズム分光特性を有する色分解光学系の実現が行える。本発明の色分解光学系によって分解された各色光を撮像した画像データを取得することにより、人が知覚できるほぼすべての色情報に基づく色の評価および測定・検査が可能となる。

３色分解プリズム光学系の構成図 本発明の色分解光学系で用いられる分光透過特性の一例を示す特性図 本発明の色分解光学系で用いられる青反射ダイクロイック膜およびハーフミラーの分光透過特性の一例を示す特性図 本発明の色分解光学系で用いられる各プリズム射出面のトリミングフィルタ透過特性の一例を示す特性図 プリズム部以外の光学要素の特性 規格化された本発明の総合分光特性とＸＹＺ等色関数 規格化された従来の総合分光特性とＸＹＺ等色関数 ｘｙ色度図 ＸＹＺ等色関数 従来の色分解光学系で用いられる青反射／赤反射ダイクロイック膜特性の一例を示す特性図

本発明による実施形態について、以下、図面を参照して詳細に説明する。

図１に示すように、色分解プリズム１１２は、撮影レンズ１１３の側より、第１プリズム、第２プリズム、第３プリズムから構成され、第１プリズムと第２プリズムの間にはエアーギャップ１０８を有し、第２プリズムと第３プリズムは接着により接合されている。撮影レンズ１１３は、不図示の被写体からの光束を集光し、ＩＲカットおよびＵＶカットフィルタ１１４は、ガラスフィルタの片面にＩＲ光をカットする膜がコートされ、もう一方の片面にＵＶ光をカットする膜がコートされており、不要なＩＲ光とＵＶ光をカットし、色分解プリズム１１２へと導光している。

第１プリズムは、撮影レンズに面して入射面１０１を有し、入射面１０１より入射した撮影レンズからの光を、透過面１０２に施した青反射ダイクロイック膜にて青色成分光のみを反射させ、残りを透過させる。反射した青色成分光は、入射面１０１にて全反射し、出射面のトリミングフィルタ１０５を射出して撮像素子１０９に向かう。透過面１０２を透過した光は、エアーギャップ１０８を通って第２プリズムの入射面１０３より入射する。

第２プリズムの透過面１０４に施したハーフミラーは、前記青反射ダイクロイック膜を透過した光を所定の光量比で分割する。前記ハーフミラーで反射された光は、エアーギャップ１０８と接する第２プリズムの入射面１０３面にて全反射し、出射面のトリミングフィルタ１０６で所定の赤色成分の分光特性に整形され撮像素子１１０に向かう。

透過面１０４を透過した光は、第３プリズムに入射し、出射面のトリミングフィルタ１０７で所定の緑色成分の分光特性に整形され撮像素子１１１に向かう。ここで、ハーフミラーの膜構成は、金属薄膜または誘電体多層膜または金属薄膜と誘電体多層膜を組み合わせたハイブリッド膜としてもよい。このようにして、色分解プリズムは光束を分解する。

前記トリミングフィルタ１０５、１０６、１０７は、分光特性を理想とする特性に近づけるために設けられており、前記青反射ダイクロイック膜とハーフミラーで分割された光について、それぞれ青色成分光、赤色成分光、緑色成分光を所定の分光特性に整える。

また、前記トリミングフィルタ１０５、１０６、１０７は、必要に応じて、色ガラス等の吸収タイプまたはダイクロイック膜等のコートタイプまたは吸収タイプとコートタイプの両方を用いてもよい。ここで、ゴースト・フレア防止のためには、吸収タイプを用いることが望ましい。

図９にＸＹＺ等色関数を示す。これは、ＲＧＢ等色関数の負の値をなくすために一次変換された等色関数であり、人の眼の感度に極めて近い特性を示す。図９の９０１、９０２

て波長で積分すると色の３成分ＸＹＺが得られる。光源のスペクトル特性とレンズの透過特性と色分解光学系の分光透過特性と撮像素子の感度特性を掛け合わせた結果が最終的な分光特性となる。光源のスペクトル特性と撮影レンズの透過特性は、撮影条件によって異なるため、本発明においては、色分解光学系の分光透過特性と撮像素子の感度特性を掛け合わせた結果を、前記ＸＹＺ等色関数に近づけるようにしている。人の眼が判別できるすべての色について色度図を描くと図８に示すｘｙ色度図の８０１に示す馬蹄形の枠内となる。図８の８０２に示す３角形の枠内はテレビ放送用の新しい規格ＢＴ２０２０の色域を示す。ＸＹＺ等色関数に近い形状を形成する色分解光学系のプリズム分光特性を実現することで、図８の８０１に示す馬蹄形の枠内、かつ、図８の８０２に示す３角形の枠外の領域、すなわち、人の眼では認識できるがＢＴ２０２０の色域では表示できない領域の色情報についても取得することができるため、人が知覚できるほぼすべての色情報に基づく色の評価および測定・検査が可能となる。

しかしながら、色分解光学系のプリズム分光特性において、ＸＹＺ等色関数に近い形状を形成する分光特性を実現するためには、波長４２０［ｎｍ］から６８０［ｎｍ］の広い波長域にかけて、前記第１ダイクロイック膜の波長に対する透過率を示す透過特性曲線は、図１０の１００１に設計例を示すように、最低透過率と最高透過率との間の範囲の２０［％］から８０［％］に変化する傾きの平均値が０．２［％／ｎｍ］以上、１．０［％／ｎｍ］以下の緩やかな透過特性曲線となり、前記第２ダイクロイック膜の波長に対する透過率を示す透過特性曲線は、図１０の１００２に設計例を示すように、最高透過率と最低透過率との間の範囲の８０［％］から２０［％］に変化する傾きの平均値が−１．０［％／ｎｍ］以上、−０．２［％／ｎｍ］以下の緩やかな透過特性曲線となる。

このように、波長４２０［ｎｍ］から６８０［ｎｍ］の広い範囲の波長域に対して、透過率が緩やかな非線形に変化する特性曲線は、成膜バラツキが大きくなり、ＸＹＺ等色関数に近い形状を形成する分光特性を実現するのは難しく、かつ、図１０に示すように前記第１ダイクロイック膜と前記第２ダイクロイック膜の透過特性の変化する波長域が前記広い範囲にわたって重なるため、第１ダイクロイック膜の成膜バラツキは青色光の他に、第２ダイクロイック膜で透過する緑色光と第２ダイクロイック膜で反射される赤色光の両方の特性の安定性も悪化させてしまい、製造コストが増大するという問題が発生する。

そこで、本発明では、図３の３０１に示す第１ダイクロイック膜の波長に対する透過率を示す透過特性曲線について、最低透過率と最高透過率との間の範囲の１０［％］から９０［％］に変化する平均傾斜をＸＹＺ表色系の一次変換された等色関数で示される緑色の分光特性の短波長側の特性曲線の平均傾斜に沿うように、０．７［％／ｎｍ］以上、１．１［％／ｎｍ］以下となる直線的な形状とし、かつ、図３の３０３に示すように第１ダイクロイック膜の透過特性曲線の最低透過率と最高透過率との中間となる半値波長を４９０［ｎｍ］以上、５００［ｎｍ］以下とし、更に、前記、第１ダイクロイック膜を透過した光を図３の３０４に示すハーフミラーで所定の光量比に分割し、前記ハーフミラーを透過した光、及び、前記ハーフミラーで反射された光について、それぞれ射出面のトリミングフィルタにダイクロイック膜を使用して、透過特性を個別に調整し、それぞれ所定の分光特性の赤色成分光および緑色成分光とすることにより、ＸＹＺ等色関数の特性に近づけることが可能となる。射出面のトリミングフィルタとして、通常は製作のしやすさから、ダイクロイック膜が施された板状のガラスフィルタをプリズム射出面に接着するが、プリズム射出面に直接ダイクロイック膜を成膜してもよい。また、成膜バラツキとしてシンプルな特性条件の場合に一般的な、波長±５［ｎｍ］を想定し、前記ダイクロイック膜透過特性の半値波長［ｎｍ］と傾き［％／ｎｍ］に対して幅をもたせている。ここで、第１ダイクロイック膜の透過特性の最高透過率と最低透過率との中間となる半値波長が４９０［ｎｍ］以上、５００［ｎｍ］以下とし、４６０［ｎｍ］から５３０［ｎｍ］にかけて緩やかな直線的に変化するシンプルな形状とし、前記第１ダイクロイック膜の透過光をハーフミラーを用いて、赤色成分光として反射４９［％］、緑色成分光として透過５１［％］に分割し、赤色成分光と緑色成分光の射出面トリミングフィルタでそれぞれ個別に分光特性を調整することにより、成膜バラツキの低減およびコスト低減が行える。また、青色成分光を取り出すプリズム射出面のトリミングフィルタにダイクロイック膜を使用してもよいが、ゴースト・フレア防止のために前記ダイクロイック膜と同じ透過特性を、吸収タイプの色ガラスフィルタにダイクロイック膜を施して実現してもよい。

図１に示す前記トリミングフィルタ１０５、１０６、１０７を用いて各プリズムの射出面から射出する透過光の調整を行っている。図４は、本発明の色分解光学系で用いられている前記トリミングフィルタ１０５、１０６、１０７の透過特性の設計例として、青色成分の光射出面トリミングフィルタ透過特性４０１、緑色成分の光射出面トリミングフィルタ透過特性４０２、赤色成分の光射出面トリミングフィルタ透過特性４０３を示す。

前記第１プリズム射出面のトリミングフィルタ１０５は、青色成分光を取り出すプリズムの射出面側に配置され、図４の４０１に示すように、必要な青色成分光を透過する特性を有する。本フィルタの立ち下がりの分光特性について、最高透過率と最低透過率との間の範囲の９０［％］から４０［％］に変化する傾きの平均値を−２．８［％／ｎｍ］以上、−１．３［％／ｎｍ］以下とし、最高透過率と最低透過率との間の範囲の４０％から２０％に変化する傾きの平均値を−１．３［％／ｎｍ］以上、−０．６［％／ｎｍ］以下とし、最高透過率と最低透過率との間の範囲の２０［％］から１０［％］に変化する傾きの平均値を−０．５［％／ｎｍ］以上、−０．３［％／ｎｍ］以下とし、図４の４０４に示すように最高透過率と最低透過率との中間となる半値波長が４７７［ｎｍ］以上、４８７［ｎｍ］以下としている。このトリミングフィルタ１０５にはダイクロイック膜を使用しているが、ゴースト・フレア防止のため、前記ダイクロイック膜と同じ透過特性を、色ガラスフィルタまたは色ガラスフィルタにダイクロイック膜を施して実現してもよい。吸収タイプの色ガラスフィルタのみを使用する場合は、色ガラスフィルタの射出面に反射防止膜を施す。

前記第２プリズム射出面のトリミングフィルタ１０６は、赤色成分光を取り出すプリズムの射出面側に配置され、図４の４０３に示すように、必要な赤色成分光を透過する特性を有する。本フィルタの短波長側の立ち上がりの分光特性について、最低透過率と最高透過率との間の範囲の２０［％］から６０［％］に変化する傾きの平均値を１．０［％／ｎｍ］以上、１．８［％／ｎｍ］以下とし、最低透過率と最高透過率との間の範囲の６０［％］から９０［％］に変化する傾きの平均値を０．６［％／ｎｍ］以上、１．１［％／ｎｍ］以下とし、かつ、本フィルタの長波長側の立ち下がりの分光特性について、最高透過率と最低透過率との間の範囲の８０［％］から２０［％］に変化する傾きの平均値を−２．０［％／ｎｍ］以上、−１．２［％／ｎｍ］以下とし、図４の４０６に示すように、短波長側の立ち上がりの分光特性曲線の最低透過率と最高透過率との中間となる半値波長を５０９［ｎｍ］以上、５１９［ｎｍ］以下とし、かつ、長波長側の立ち下がりの分光特性曲線の最高透過率と最低透過率との中間となる半値波長を６２５［ｎｍ］以上、６３５［ｎｍ］以下としている。このトリミングフィルタ１０６の光射出面には、透過特性を調整するため、ダイクロイック膜を設けている。

前記第３プリズム射出面のトリミングフィルタ１０７は、緑色成分光を取り出すプリズムの射出面側に配置され、図４の４０２に示すように、必要な緑色成分光を透過する特性を有する。本フィルタの短波長側の立ち上がりの分光特性について、最低透過率と最高透過率との間の範囲の１０［％］から３５［％］に変化する傾きの平均値を０．７［％／ｎｍ］以上、１．３［％／ｎｍ］以下とし、最低透過率と最高透過率との間の範囲の３５［％］から５０［％］に変化する傾きの平均値を０．４［％／ｎｍ］以上、０．９［％／ｎｍ］以下とし、最低透過率と最高透過率との間の範囲の５０［％］から９０［％］に変化する傾きの平均値を１．１［％／ｎｍ］以上、２．１［％／ｎｍ］以下とし、かつ、本フィルタの長波長側の立ち下がりの分光特性について、最高透過率と最低透過率との間の範囲の８０％から２０％に変化する傾きの平均値を−２．０［％／ｎｍ］以上、−１．１［％／ｎｍ］以下とし、図４の４０５に示すように、短波長側の立ち上がりの分光特性曲線の最低透過率と最高透過率との中間となる半値波長を４８３［ｎｍ］以上、４９３［ｎｍ］以下とし、かつ、長波長側の立ち下がりの分光特性曲線の最高透過率と最低透過率との中間となる半値波長を５８２［ｎｍ］以上、５９２［ｎｍ］以下としている。このトリミングフィルタ１０７の光射出面には、透過特性を調整するため、ダイクロイック膜を設けている。成膜バラツキとしてシンプルな特性条件の場合に一般的な、波長±５［ｎｍ］を想定し、前記、各ダイクロイック膜透過特性の半値波長［ｎｍ］と傾き［％／ｎｍ］に対して幅をもたせている。

図５では、プリズム部以外の光学要素として、ＩＲカットの透過特性５０１と、ＵＶカットの透過特性５０２と、撮像素子５０３（Ｂ／Ｒ／Ｇチャンネル共通）の感度特性を示している。前記プリズムの前に配置されるＩＲをカットするフィルタ１１４は、最高透過率と最低透過率との間の範囲の８０［％］から２０［％］に変化する傾きの平均値が−１．９［％／ｎｍ］以上、−１．１［％／ｎｍ］以下となり、最高透過率と最低透過率との中間となる半値波長が７０６［ｎｍ］以上、７１６［ｎｍ］以下となる透過特性５０１を有するＩＲカット膜が形成されている。成膜バラツキを想定し、前記ＩＲカット膜透過特性の半値波長［ｎｍ］と傾き［％／ｎｍ］に対して幅をもたせている。前記ＩＲをカットするフィルタ１１４の光射出面には、最高透過率と最低透過率との間の範囲の２０［％］から８０［％］に変化する傾きの平均値が２．２［％／ｎｍ］以上、８．０［％／ｎｍ］以下となり、最高透過率と最低透過率との中間となる半値波長が４１６［ｎｍ］以上、４２６［ｎｍ］以下となる透過特性５０２を有するＵＶカット膜が形成されている。成膜バラツキを想定し、前記ＵＶカット膜透過特性の半値波長［ｎｍ］と傾き［％／ｎｍ］に対して幅をもたせている。また、実際の総合分光特性には、光源のスペクトル特性と撮影レンズの透過特性も関係するが、撮影条件によって異なるため、ここでは省略する。

図３に示す前記第１ダイクロイック膜および前記ハーフミラーの分光特性、図４に示す前記青色成分・緑色成分・赤色成分の各プリズム射出面のトリミングフィルタ透過特性、図５に示すプリズム部以外の光学要素であるＩＲカットとＵＶカットのフィルタ透過特性とすることにより、図２に示す本発明の色分解光学系の分光透過特性が得られる。図２の２０１に示す青色成分光については、最低透過率と最高透過率との間の範囲の２０［％］から８０［％］に変化する短波長側の傾きの平均値が１．４［％／ｎｍ］以上、５．４［％／ｎｍ］以下となり、最低透過率と最高透過率との中間となる半値波長が４１６［ｎｍ］以上、４２６［ｎｍ］以下となる形状を有し、最高透過率と最低透過率との間の範囲の８０［％］から２０［％］に変化する長波長側の傾きの平均値が−２．３［％／ｎｍ］以上、−０．９［％／ｎｍ］以下となり、最高透過率と最低透過率との中間となる半値波長が４７２［ｎｍ］以上、４８２［ｎｍ］以下となる形状を有している。図２の２０３に示す赤色成分光については、最低透過率と最高透過率との間の範囲の２０［％］から８０［％］に変化する短波長側の傾きの平均値が０．４［％／ｎｍ］以上、１．０［％／ｎｍ］以下となり、最低透過率と最高透過率との中間となる半値波長が５１４［ｎｍ］以上、５２４［ｎｍ］以下となる形状を有し、最高透過率と最低透過率との間の範囲の８０［％］から２０［％］に変化する長波長側の傾きの平均値が−１．０［％／ｎｍ］以上、−０．４［％／ｎｍ］以下となり、最高透過率と最低透過率との中間となる半値波長が６２５［ｎｍ］以上、６３５［ｎｍ］以下となる形状を有している。図２の２０２に示す緑色成分光については、最低透過率と最高透過率との間の範囲の２０［％］から８０［％］に変化する短波長側の傾きの平均値が０．４［％／ｎｍ］以上、１．０［％／ｎｍ］以下となり、最低透過率と最高透過率との中間となる半値波長が４９８［ｎｍ］以上、５０８［ｎｍ］以下となる形状を有し、最高透過率と最低透過率との間の範囲の８０［％］から２０［％］に変化する長波長側の傾きの平均値が−１．０［％／ｎｍ］以上、−０．４［％／ｎｍ］以下となり、最高透過率と最低透過率との中間となる半値波長が５８２［ｎｍ］以上、５９２［ｎｍ］以下となる形状を有している。

図７に示す従来の青色成分の総合分光特性７０１は、図５に示すプリズム部以外の光学要素の特性である撮像素子の分光特性５０３と従来ＢＴ２０２０に対応した色分解光学系での青色成分の分光透過特性とを掛け合わせた撮像装置における青色成分の総合分光

図７に示す従来の緑色成分の総合分光特性７０２は、図５に示すプリズム部以外の光学要素である撮像素子の分光特性５０３と従来ＢＴ２０２０に対応した色分解光学系での緑色成分の分光透過特性とを掛け合わせた撮像装置における緑色成分の総合分光特性を示

示す従来の赤色成分の総合分光特性７０３は、図５に示すプリズム部以外の光学要素である撮像素子の分光特性５０３と従来ＢＴ２０２０に対応した色分解光学系での緑色成分の分光透過特性とを掛け合わせた撮像装置における緑色成分の総合分光特性を示し、図７

Ｔ２０２０に対応した色分解光学系による前記青色成分、緑色成分、赤色成分の総合分光

均色差は、３３となる。

図６に示す本発明による青色成分の総合分光特性６０１は、図５に示すプリズム部以外の光学要素の特性である撮像素子の分光特性５０３と図２に示す色分解光学系での青色成分の分光透過特性２０１とを掛け合わせて線形変換した撮像装置における青色成分の

に近づけている。図６に示す本発明による緑色成分の総合分光特性６０２は、図５に示すプリズム部以外の光学要素である撮像素子の分光特性５０３と図２に示す色分解光学系での緑色成分の分光透過特性２０２とを掛け合わせて線形変換した撮像装置における緑色成分の総合分光特性を示し、図６の６０５に示すＸＹＺ表色系の規格化された等色関数

５に示すプリズム部以外の光学要素である撮像素子の分光特性５０３と図２に示す色分解光学系での赤色成分の分光透過特性２０３とを掛け合わせて線形変換した撮像装置における赤色成分の総合分光特性を示し、図６の６０６に示すＸＹＺ表色系の規格化された

れの差を示す平均色差は、１５となる。これは、前記、従来ＢＴ２０２０に対応した色分解光学系の総合分光特性における平均色差３３に対して、平均色差が０．４５倍に減少、すなわち、色再現性が２．２倍に向上していることを示している。

このように、本発明によれば、図３に示す前記第１ダイクロイック膜および前記ハーフミラーの分光特性、図４に示す前記青色成分・緑色成分・赤色成分の各プリズム射出面のトリミングフィルタ透過特性曲線、図５に示すプリズムの前に配置するＩＲカットとＵＶカットのフィルタ透過特性曲線とすることにより、図６に示す本発明の総合分光特性が得られ、人の眼に極めて近い感度を有する色分解光学系の実現が行える。

以上説明してきたように、本発明によれば、前記ＩＲカットおよびＵＶカットのフィルタ透過特性、前記第１ダイクロイック膜および前記ハーフミラーの分光特性とし、各プリズム射出面のトリミングフィルタを用いて透過光の調整を行い、図２に示す本発明の一例の分光特性とすることにより、人の眼に極めて近い感度を有し、かつ、安定したプリズム分光特性を有する色分解光学系の実現が行える。本発明の色分解光学系によって分解された各色光を撮像した画像データを取得することにより、人が知覚できるほぼすべての色情報に基づく色の評価および測定・検査が可能となる。

１０１ 第１プリズムの入射面
１０２ 第１プリズムの透過面のダイクロイック膜面
１０３ 第２プリズムの入射面
１０４ 第２プリズムの透過面のハーフミラー
１０５ 第１プリズム出射面のトリミングフィルタ
１０６ 第２プリズム出射面のトリミングフィルタ
１０７ 第３プリズム出射面のトリミングフィルタ
１０８ エアーギャップ
１０９ 青色光の撮像素子
１１０ 赤色光の撮像素子
１１１ 緑色光の撮像素子
１１２ 色分解プリズム
１１３ 撮影レンズ
１１４ ＩＲカットとＵＶカットのフィルタ
２０１ 本発明による色分解光学系の青色成分の分光透過特性
２０２ 本発明による色分解光学系の緑色成分の分光透過特性
２０３ 本発明による色分解光学系の赤色成分の分光透過特性
２０４ 本発明による色分解光学系の青色成分の分光透過特性の短波長側の半値
２０５ 本発明による色分解光学系の青色成分の分光透過特性の長波長側の半値
２０６ 本発明による色分解光学系の緑色成分の分光透過特性の短波長側の半値
２０７ 本発明による色分解光学系の緑色成分の分光透過特性の長波長側の半値
２０８ 本発明による色分解光学系の赤色成分の分光透過特性の短波長側の半値
２０９ 本発明による色分解光学系の赤色成分の分光透過特性の長波長側の半値
３０１ 本発明による青反射ダイクロイック膜特性
３０２ 本発明によるハーフミラー特性
３０３ 本発明による青反射ダイクロイック膜特性の半値
４０１ 本発明による青色成分のプリズム射出面のトリミングフィルタ透過特性
４０２ 本発明による緑色成分のプリズム射出面のトリミングフィルタ透過特性
４０３ 本発明による赤色成分のプリズム射出面のトリミングフィルタ透過特性
４０４ 本発明による青色成分プリズム射出面のトリミングフィルタ透過特性の半値
４０５ 本発明による緑色成分プリズム射出面のトリミングフィルタ透過特性の半値
４０６ 本発明による赤色成分プリズム射出面のトリミングフィルタ透過特性の半値
５０１ ＩＲカットのフィルタ透過特性
５０２ ＵＶカットのフィルタ透過特性
５０３ 撮像素子の感度特性
５０４ 本発明によるＩＲカットのフィルタ透過特性の半値
５０５ 本発明によるＵＶカットのフィルタ透過特性の半値
６０１ 本発明による規格化された青色成分の総合分光特性
６０２ 本発明による規格化された緑色成分の総合分光特性
６０３ 本発明による規格化された赤色成分の総合分光特性

７０１ 規格化された従来の青色成分の総合分光特性
７０２ 規格化された従来の緑色成分の総合分光特性
７０３ 規格化された従来の赤色成分の総合分光特性

８０１ ｘｙ色度図で人の眼で認識できる馬蹄形の色域
８０２ ｘｙ色度図でテレビ放送用の新しい規格ＢＴ２０２０の色域

１００１ 従来の青反射ダイクロイック膜特性
１００２ 従来の赤反射ダイクロイック膜特性

Claims (22)

1. 青、赤、緑の３つの色成分に分解する色分解光学系であって、入射光側から順に、第１ダイクロイック膜を有し、前記第１ダイクロイック膜によって反射された第１の色成分を取り出す第１のプリズムと、ハーフミラーを有し、前記第１ダイクロイック膜を透過し、前記ハーフミラーで反射した第２の色成分を取り出す第２プリズムと、前記第１ダイクロイック膜と前記ハーフミラーを透過した第３の色成分を取り出す第３のプリズムとを備え、前記第１ダイクロイック膜が青色成分光を反射し、前記第１ダイクロイック膜を透過した赤色成分光と緑色成分光を前記ハーフミラーが所定の光量比で分割する構成とし、かつ、前記第１ダイクロイック膜の波長に対する透過率を示す透過特性曲線の最低透過率と最高透過率との間の１０［％］から９０［％］に変化する平均傾斜をＸＹＺ表色系の１次変換された等色関数で示される緑色の分光特性の短波長側の特性曲線の平均傾斜に沿うような形状とし、前記第１ダイクロイック膜の反射光を前記第１プリズム射出面のトリミングフィルタで所定の青色成分の分光特性に整形し、前記ハーフミラーの反射光を前記第２プリズム射出面のトリミングフィルタで所定の赤色成分の分光特性に整形し、前記ハーフミラーの透過光を前記第３プリズム射出面のトリミングフィルタで所定の緑色成分の分光特性に整形することを特徴とする色分解光学系。
2. 前記請求項１に記載の第１ダイクロイック膜の波長に対する透過率を示す透過特性曲線について、最低透過率と最高透過率との間の範囲の１０［％］から９０［％］に変化する傾きの平均値が４６０［ｎｍ］以上から５３０［ｎｍ］以下にかけて０．７［％／ｎｍ］以上、１．１［％／ｎｍ］以下となる直線的な形状を有し、前記請求項１に記載のハーフミラーは４４０［ｎｍ］以上から６７０［ｎｍ］以下にかけて、透過率４６［％］以上、５６［％］以下の範囲内で一定となることを特徴とする色分解光学系。
3. 前記請求項２に記載の最低透過率と最高透過率との間の範囲の１０［％］から９０［％］に変化する傾きの平均値が０．７［％／ｎｍ］以上、１．１［％／ｎｍ］以下となる直線的な形状を有する第１ダイクロイック膜の透過特性曲線の最低透過率と最高透過率との中間となる半値波長が４９０［ｎｍ］以上、５００［ｎｍ］以下となることを特徴とする色分解光学系。
4. 赤色成分光を取り出すプリズムの射出面側に配置され、赤色成分光の透過特性を調整するトリミングフィルタをさらに備え、本フィルタの短波長側の立ち上がりの分光特性について、最低透過率と最高透過率との間の範囲の２０［％］から６０［％］に変化する傾きの平均値が１．０［％／ｎｍ］以上、１．８［％／ｎｍ］以下となる形状を有し、最低透過率と最高透過率との間の範囲の６０［％］から９０［％］に変化する傾きの平均値が０．６［％／ｎｍ］以上、１．１［％／ｎｍ］以下となる形状を有し、かつ、本フィルタの長波長側の立ち下がりの分光特性について、最高透過率と最低透過率との間の範囲の８０［％］から２０［％］に変化する傾きの平均値が−２．０［％／ｎｍ］以上、−１．２［％／ｎｍ］以下となる形状を有することを特徴とする前記請求項１から３のいずれか１項に記載の色分解光学系。
5. 前記請求項４に記載の赤色成分光を取り出すプリズムの射出面側に配置されるトリミングフィルタについて、短波長側の立ち上がりの分光特性曲線の最低透過率と最高透過率との中間となる半値波長が５０９［ｎｍ］以上、５１９［ｎｍ］以下となり、かつ、長波長側の立ち下がりの分光特性曲線の最高透過率と最低透過率との中間となる半値波長が６２５［ｎｍ］以上、６３５［ｎｍ］以下となる形状を有することを特徴とする色分解光学系。
6. 緑色成分光を取り出すプリズムの射出面側に配置され、緑色成分光の透過特性を調整するトリミングフィルタをさらに備え、本フィルタの短波長側の立ち上がりの分光特性について、最低透過率と最高透過率との間の範囲の１０［％］から３５［％］に変化する傾きの平均値が０．７［％／ｎｍ］以上、１．３［％／ｎｍ］以下となる形状を有し、最低透過率と最高透過率との間の範囲の３５［％］から５０［％］に変化する傾きの平均値が０．４［％／ｎｍ］以上、０．９［％／ｎｍ］以下となる形状を有し、最低透過率と最高透過率との間の範囲の５０［％］から９０［％］に変化する傾きの平均値が１．１［％／ｎｍ］以上、２．１［％／ｎｍ］以下となる形状を有し、かつ、本フィルタの長波長側の立ち下がりの分光特性について、最高透過率と最低透過率との間の範囲の８０［％］から２０［％］に変化する傾きの平均値が−２．０［％／ｎｍ］以上、−１．１［％／ｎｍ］以下となる形状を有することを特徴とする前記請求項１から３のいずれか１項に記載の色分解光学系。
7. 前記請求項６に記載の緑色成分光を取り出すプリズムの射出面側に配置されるトリミングフィルタについて、短波長側の立ち上がりの分光特性曲線の最低透過率と最高透過率との中間となる半値波長が４８３［ｎｍ］以上、４９３［ｎｍ］以下となり、かつ、長波長側の立ち下がりの分光特性曲線の最高透過率と最低透過率との中間となる半値波長が５８２［ｎｍ］以上、５９２［ｎｍ］以下となる形状を有することを特徴とする色分解光学系。
8. 青色成分光を取り出すプリズムの射出面側に配置され、青色成分光を透過するトリミングフィルタをさらに備え、本フィルタの立ち下がりの分光特性について、最高透過率と最低透過率との間の範囲の９０％から４０％に変化する傾きの平均値が−２．８［％／ｎｍ］以上、−１．３［％／ｎｍ］以下となる形状を有し、最高透過率と最低透過率との間の範囲の４０［％］から２０［％］に変化する傾きの平均値が−１．３［％／ｎｍ］以上、−０．６［％／ｎｍ］以下となる形状を有し、最高透過率と最低透過率との間の範囲の２０［％］から１０［％］に変化する傾きの平均値が−０．５［％／ｎｍ］以上、−０．３［％／ｎｍ］以下となる形状を有することを特徴とする前記請求項１から３のいずれか１項に記載の色分解光学系。
9. 前記請求項８に記載の青色成分光を取り出すプリズムの射出面側に配置されるトリミングフィルタについて、分光特性曲線の最高透過率と最低透過率との中間となる半値波長が４７７［ｎｍ］以上、４８７［ｎｍ］以下となる形状を有することを特徴とする色分解光学系。
10. 最高透過率と最低透過率との間の範囲の８０［％］から２０［％］に変化する傾きの平均値が−１．９［％／ｎｍ］以上、−１．１［％／ｎｍ］以下となり、最高透過率と最低透過率との中間となる半値波長が７０６［ｎｍ］以上、７１６［ｎｍ］以下となる透過特性を有するＩＲカットフィルタを前記プリズムの前に配置することを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の色分解光学系。
11. 最低透過率と最高透過率との間の範囲の２０［％］から８０［％］に変化する傾きの平均値が２．２［％／ｎｍ］以上、８．０［％／ｎｍ］以下となり、最低透過率と最高透過率との中間となる半値波長が４１６［ｎｍ］以上、４２６［ｎｍ］以下となる透過特性を有するＵＶカットフィルタを前記プリズムの前に配置することを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の色分解光学系。
12. 前記請求項１から１１に記載の第１プリズム射出面のトリミングフィルタで整形された分光特性はＸＹＺ表色系の１次変換された等色関数で示される青色成分の分光特性曲線に沿うように、最低透過率と最高透過率との間の範囲の２０［％］から８０［％］に変化する短波長側の傾きの平均値が１．４［％／ｎｍ］以上、５．４［％／ｎｍ］以下となる形状を有し、最高透過率と最低透過率との間の範囲の８０［％］から２０［％］に変化する長波長側の傾きの平均値が−２．３［％／ｎｍ］以上、−０．９［％／ｎｍ］以下となる形状を有していることを特徴とする色分解光学系。
13. 前記請求項１２に記載の第１プリズム射出面のトリミングフィルタで整形された分光特性について、短波長側の分光特性曲線の最低透過率と最高透過率との中間となる半値波長が４１６［ｎｍ］以上、４２６［ｎｍ］以下となる形状を有し、長波長側の分光特性曲線の最高透過率と最低透過率との中間となる半値波長が４７２［ｎｍ］以上、４８２［ｎｍ］以下となる形状を有していることを特徴とする色分解光学系。
14. 前記請求項１から１１に記載の第２プリズム射出面のトリミングフィルタで整形された分光特性はＸＹＺ表色系の１次変換された等色関数で示される赤色成分の分光特性曲線に沿うように、最低透過率と最高透過率との間の範囲の２０［％］から８０［％］に変化する短波長側の傾きの平均値が０．４［％／ｎｍ］以上、１．０［％／ｎｍ］以下となる形状を有し、最高透過率と最低透過率との間の範囲の８０［％］から２０［％］に変化する長波長側の傾きの平均値が−１．０［％／ｎｍ］以上、−０．４［％／ｎｍ］以下となる形状を有していることを特徴とする色分解光学系。
15. 前記請求項１４に記載の第２プリズム射出面のトリミングフィルタで整形された分光特性について、短波長側の分光特性曲線の最低透過率と最高透過率との中間となる半値波長が５１４［ｎｍ］以上、５２４［ｎｍ］以下となる形状を有し、長波長側の分光特性曲線の最高透過率と最低透過率との中間となる半値波長が６２５［ｎｍ］以上、６３５［ｎｍ］以下となる形状を有していることを特徴とする色分解光学系。
16. 前記請求項１から１１に記載の第３プリズム射出面のトリミングフィルタで整形された分光特性はＸＹＺ表色系の１次変換された等色関数で示される緑色成分の分光特性曲線に沿うように、最低透過率と最高透過率との間の範囲の２０［％］から８０［％］に変化する短波長側の傾きの平均値が０．４［％／ｎｍ］以上、１．０［％／ｎｍ］以下となる形状を有し、最高透過率と最低透過率との間の範囲の８０［％］から２０［％］に変化する長波長側の傾きの平均値が−１．０［％／ｎｍ］以上、−０．４［％／ｎｍ］以下となる形状を有していることを特徴とする色分解光学系。
17. 前記請求項１６に記載の第３プリズム射出面のトリミングフィルタで整形された分光特性について、短波長側の分光特性曲線の最低透過率と最高透過率との中間となる半値波長が４９８［ｎｍ］以上、５０８［ｎｍ］以下となる形状を有し、長波長側の分光特性曲線の最高透過率と最低透過率との中間となる半値波長が５８２［ｎｍ］以上、５９２［ｎｍ］以下となる形状を有していることを特徴とする色分解光学系。
18. 前記プリズムの赤色成分光と緑色成分光と青色成分光を取り出す射出面のいずれかに吸収タイプの色ガラスフィルタが接着されていることを特徴とする請求項１から１７のいずれか１項に記載の色分解光学系。
19. 前記プリズムの赤色成分光と緑色成分光と青色成分光を取り出す射出面のいずれかにダイクロイック膜が施されていることを特徴とする請求項１から１８のいずれか１項に記載の色分解光学系。
20. 前記プリズムの赤色成分光と緑色成分光と青色成分光を取り出す射出面のいずれかにダイクロイック膜を施した板状のガラスフィルタが接着されていることを特徴とする請求項１から１７のいずれか１項に記載の色分解光学系。
21. 前記プリズムの赤色成分光と緑色成分光と青色成分光を取り出す射出面のいずれかに反射防止膜が施されていることを特徴とする請求項１から１８のいずれか１項に記載の色分解光学系。
22. 請求項１から２１のいずれか１項に記載の色分解光学系と、前記色分解光学系によって分解された各色成分光に対応して設けられ、入射した各色成分光に応じた電気信号を出力する撮像素子とを備えたことを特徴とする撮像装置。

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