JP2021190975A - 撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 単板の広帯域撮像素子を利用して可視光像、赤外光像及びそれらの合成像の３モード画像をより高画質で取得し得る撮像装置を提供する。【解決手段】 この発明に係る撮像装置は、可視光領域と赤外光領域を光電変換する撮像素子と、レンズマウントと、前記レンズマウントと前記撮像素子との間に配置された複数のフィルター切替機構とを有する撮像装置であって、前記フィルター切替機構は、少なくとも第一のフィルター及び第二のフィルターを備え、前記第一及び第二のフィルターは、一端を回動軸として回動可能であり、前記第一及び第二のフィルターのそれぞれが、フィルターオン状態又はフィルターオフ状態へ切り換え得るように構成する。【選択図】図１

Description

この発明は、対象物の映像を可視光像及び赤外光像を含む複数のモードで撮像する撮像装置及びその光学フィルターの構成に関し、さらに詳しくは、それぞれの撮影モードに適した光学フィルターの切り替え機構に関する。

近年、業務用ビデオカメラは監視用、教育用、医療用、各種測定・分析用、軍需用へと用途が拡大され、可視光像（カラー画像、白黒画像）のみならず赤外光像を併せて撮影する多機能化された撮像装置が必要とされている。例えば、医療用として内視鏡やダーマスコープなどの皮膚表面観察においては、皮膚表面の疾患状態を可視光像で観察すると共に、赤外光像により表皮内層への疾患状態を確認することができる。また、監視カメラなどでは、昼間は可視光像で撮影し、夜間の映像や霧中などの映像を撮像する場合、赤外光像と併せて利用することが行われている。なお、本願において赤外とは近赤外、中赤外、遠赤外など特に区別するものではないが、主として近赤外の帯域を想定している。

このような可視光像と併せて赤外光像を撮影するには、可視光像と赤外光像との撮像系を別々に備え画像を取捨選択又は合成する方法が広く行われていたが、可視光及び赤外光帯域をカバーする撮像素子が開発され、この広帯域撮像素子を用いて１個の撮像素子でそれぞれの画像を取得することが出来るようになった。しかし、この場合、取得帯域及び感度が異なるため可視光用フィルター及び赤外光用フィルターを入れ替えてそれぞれの画像を取得する必要がある。

撮影の利便性を考慮すると、レンズ前面での赤外カットフィルターを付け外しするより、撮像装置内又はカメラ・レンズ鏡胴内に赤外又は近赤外フィルター（以下「赤外フィルター」と称する）を備え、赤外フィルターを出し入れして切り替える方法が種々提案されている（特許文献１、特許文献２、特許文献３など）。これらの方法では、いずれも撮像装置内の撮像素子の前面と平行で、主光路上とは垂直に赤外フィルターを配置し、上下左右へスライドさせるスライド式又は円弧状に移動させる回転式により可視光像及び赤外光像を切り替える構成が開示されている。

特公平６−５２９３５号公報 特開２００１−７５１４０号公報 特開２００３−２５９１６７号公報

しかしながら、可視光像（カラー像）を忠実に再生し、かつ赤外光像のコントラストを低下させずに取得するには可視光像及び赤外光像専用のフィルターを備える必要があり、さらに可視光像、赤外光像に加えてそれらの合成像を取得するには３つのモードを切り替える必要がある。従来のフィルター切り替え機構では、切り替えるフィルターが赤外カットフィルターの有無、又は赤外フィルターと空間フィルターとの２モードの切り替えを主としているため２箇所のフィルターポジションで良く、従来のスライド式や回転式のフィルター切り替え構造でもさほど場所を占めることはなかった。しかし、３モード又はそれ以上の画像を選択的に取得するためのフィルターポジションを挿入するには、上下又は左右へのスライド式、又は円弧状の回転式であれ、撮像素子前面に平行してフィルター装着用ターレット板を配置する為、外周方向に大きく膨らむ構造となり、小型化出来ないという難点があった。

また、可視光帯域と赤外光帯域とを広帯域でカバーする撮像素子において、赤外光と可視光とを取り出すには赤外感度と可視光感度とができるだけ混在しないように分離することが望ましい。特に、赤外光像であってもより高画質の画像が志向され、赤外光領域に可視光領域が加算されコントラストが低下しないことが求められている。

この発明は、上述の実情に鑑みて提供されるものであって、以下のような光束分離撮像装置を提供することを目的とする。
（１）単板の広帯域撮像素子を利用して少なくとも可視光像、赤外光像及びそれらの合成像の３モード画像をより高画質で取得し得る撮像装置。
（２）少なくとも３モード画像用の小型化された光学フィルター切り替え構造及びそれを具備する小型化された撮像装置。

上述の課題を解決するために、この発明に係る撮像装置は、可視光領域と赤外光領域を光電変換する撮像素子と、レンズマウントと、前記レンズマウントと前記撮像素子との間に配置された複数のフィルター切替機構とを有する撮像装置であって、前記フィルター切替機構は、少なくとも第一のフィルター及び第二のフィルターを備え、前記第一及び第二のフィルターは、一端を回動軸として回動可能であり、前記第一及び第二のフィルターのそれぞれが、フィルターオン状態又はフィルターオフ状態へ切り換え得るように構成したことを特徴とする。

また、本発明の撮像装置において、前記フィルターオン状態は、前記フィルターのそれぞれが入射光束内において入射光軸と略垂直であって前記撮像素子と略平行な位置であり、前記フィルターオフ状態は、入射光束から外れた位置で入射光軸と略水平であって前記撮像素子と略垂直であるように構成することができる。

また、本発明の撮像装置において、前記第一のフィルターは、赤外光専用のフィルターであり、前記第二のフィルターは、可視光専用のフィルターで構成することができる。

また、本発明の撮像装置において、前記第一のフィルターである赤外光専用のフィルターのみをオン状態にすることで赤外光像の撮像モードを形成し、前記第二のフィルターである可視光専用のフィルターのみをオン状態にすることで可視光像の撮像モードを形成し、前記第一及び前記第二のフィルターの両方をオフ状態にすることで可視光像及び赤外光像を合成した撮像モードを形成するように構成することができる。

また、本発明の撮像装置において、前記第一のフィルターは、略７００ｎｍ以上の帯域を通過させる感度特性を有する赤外光専用のフィルターであり、前記第二のフィルターは、略８００ｎｍ以下の帯域を通過させる感度特性を有する可視光専用のフィルターとして構成することができる。

また、本発明の撮像装置において、前記第一のフィルター及び前記第二のフィルターは、撮像素子の上下側又は左右側に配置するように構成することができる。

また、本発明の撮像装置において、前記第一のフィルター、前記第二のフィルターに追加して第三のフィルター及び・又は第四のフィルターが追加的、撮像素子の上下左右側に配置するように構成することができる。

本発明によると、２種類又はそれ以上のフィルターをレンズマウントと撮像素子との間に配置し、選択的に切り替え、３つ又はそれ以上のモードの画像を取得しうる小型化されたフィルター切替機構が構成できる。このような構成を利用して、所望の帯域特性を有する赤外光像専用フィルター及び可視光像専用フィルターを備えることで、所望の赤外光像及び可視光カラー像、及びそれらを合成した帯域映像を取得する撮像装置を構成することができる。

本発明を適用した、撮像装置の実施態様の一例を示す概略説明図である。 本発明の撮像装置で用いられる撮像素子の一例の分光感度を示す図である。 本発明の第１フィルターを適用した形態の一例の分光感度を示す図である。 本発明の第２フィルターを適用した形態の一例の分光感度を示す図である。 本発明の他の実施態様に係るフィルター切り替え機構の概略説明図である。

以下、本実施形態の撮像装置について、図面を参照して詳細に説明する。なお、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１は、本発明を適用した、撮像装置の実施態様の一例を示す概略説明図である。撮像装置は、撮像装置の筐体１内にレンズマウント１１、及び撮像素子１２を有しており、レンズマウント１１と撮像素子１２との間の空間にフィルター切替機構１３が配置されている。この撮像装置１は、可視光カラー像と赤外光像の動画を撮像する業務用ビデオカメラを想定しているが、後述の通り静止画カメラとしても想定範囲となる。

このような業務用ビデオカメラおよび静止画カメラは前述の通り多岐に亘る分野で使用されており、使用目的により可視光カラー像、赤外光像及びそれら両方の合成像の３つのモードの動画又は静止画を取得する必要が多々生じている。監視カメラなどでは昼間に可視光カラー像を撮影し、夜間など照度が極めて低い場合は暗視カメラとして赤外光像を撮影し、ある程度の照度が確保されている場合などは可視光像と赤外光像との合成像を撮影し、それぞれの像を比較分析したりする。特に、皮膚疾患診断、絵画の修復、ドライブレコーダなどでの雲や霧中での撮影などを行う場合、３モードの画像を取得し、かつ撮像装置を小型化するために撮像素子１２として可視光帯域から赤外光帯域に亘って広帯域に分光感度特性を有する単板の撮像素子が望ましい。

フィルター切替機構１３は、カラー像、赤外光像、それらの合成像の３つのモードを選択的に取り出すための構成となっている。撮像素子１２の上部（図１の上方）側に他端が回動軸１４を軸として回動しうる第一のフィルター１５が設けられており、手動又は電動により略９０度だけ回動し、フィルター１５をレンズ１０で集光した入射光束内に挿入したオン状態としたり、入射光束から外してオフ状態としたりすることが可能な構成となっている。

本願において、フィルターが撮像素子の前面（入射面）と平行で撮像素子への入射光束をフィルターリングしている状態をフィルターオン状態又は単にオン状態と称し、フィルターが入射光束をフィルターリングしない状態をフィルターオフ状態又は単にオフ状態と称する。図１の実施例において、第一のフィルター１５は、フィルター一端の回動軸１４を軸として９０度回動する構成として例示しているが、フィルターの回動軸１４は必ずしも１軸に固定されるものでなく、フィルターのオン状態、オフ状態が切り換えられれば２軸や移動軸で回動する構成とすることもできる。

また、撮像素子１２の下部（図１の下方）側には、他端が回動軸１６を軸として回動しうる第二のフィルター１７が設けられており、手動又は電動により略９０度だけ回動し、フィルター１７をレンズ１０で集光した光束内に挿入してフィルターオン状態としたり、外してフィルターオフ状態としたりすることが可能な構成となっている。

それぞれのフィルターがオン状態へ設定された場合、センサー支持体１８と一体化されたフィルター制止部材１９及び２０が設けられることが望ましい。この制止部材１９及び２０によりそれぞれのフィルターが撮像素子１２と平行に位置づけすることができる。この制止部材は光軸ＡーＡ’と垂直で、撮像素子１２の入射面と平行に規制できるようになっていればいずれの構成であっても構わない。また、これらの切り替え構造は、詳細に記載していないが、一眼レフカメラのキックリターン又はクイックリターンミラーと称される構成を流用してフィルター切り替え機構を実現することもできる。

第一のフィルター１５がオン状態の場合、第二のフィルターはオフ状態であり、第二のフィルターがオン状態となれば、第一のフィルターはオフ状態となっている。このようなフィルター切替機構１３により第一のフィルター１５として赤外光像取出しフィルターを装着し、第二のフィルター１７としてカラー像取出しフィルターを取り付けた場合、第一のフィルター１５のオン状態では赤外光像、第二のフィルター１７のオン状態では可視光像（カラー像）、両方のフィルターをオフ状態ではそれらの合成像の３モードを選択的に切り替えることが出来る。

フィルター切替機構１３は、レンズマウント１１と撮像素子１２との間の空間に配置される。レンズ交換が可能なレンズ１０のフランジバック長はレンズマウントの基準面Ｂと撮像素子の基準面Ｃの間で設定されるが、このフランジバック長は、マウント毎に規定されている。フランジバックが短い小型カメラ用のフランジバックを有するＣマウントは、フランジバック長１７．５２６ｍｍであり、その他の一眼レフタイプの各種カメラでは、一般的に可動ミラーが配置されているため、レンズマウントの多くは２０ｍｍ以上の長いフランジバック長を有している。単板撮像素子の撮像装置ではフランジバック長の空間はプリズムなどの光束分離光学系を挿入する必要がないため、本発明のフィルター切替機構１３を挿入する十分な余地を有している。

このフランジバック長は、空気換算で規定されているため、レンズマウント基準面Ｂと撮像素子基準面Ｃの間にフィルターが挿入された状態で設計する場合は、挿入されるフィルターの屈折率に応じて空気換算に相当するよう若干調整する必要がある。しかし、フィルターの厚みはさほど厚くないためフィルター切替機構１３の配置に影響するほどではないが、影響を無視できない場合は、レンズ側でフォーカス調整するか、又はセンサーを光軸方向に動かす機構を入れて微調しても良い。

フィルターの寸法は、撮像素子の大きさをカバーする必要があり現在多くの監視カメラで採用されている撮像素子は、１／２インチ型（縦横：８．８ｘ６．６ｍｍ）から１／４インチ型（縦横：３．６ｘ２．０ｍｍ）のサイズであり、フィルター取り付け枠の形状を考慮しても、本願のフィルター切替機構１３をこの空間に設置することは可能である。

単板の撮像素子１２としては、可視光から赤外光までの広帯域をカバーする必要があり、シリコン系のＣＣＤやＣＭＯＳセンサーで構成されている。この広帯域撮像素子は、カラーフィルターを光電変換素子の前面にアレー状に配置してＲ、Ｇ、Ｂのカラー３原色を取り出すと共に、赤外フィルターを追加して取り出すベイヤー型と称される撮像素子が多用されている。このベイヤー型撮像素子では素子内にカラーフィルターアレーでＲＧＢ３原色をモザイク状に配置し、そのフィルターを通過したモザイクデータを補完処理によりデモザイキングしてフル画像を取り出している。そのためカラー像感度は白黒像感度に比べ低くなる。

図２は、単板用広帯域撮像素子の一例の分光感度を示す説明図である。この分光感度特性は、より赤外光像帯域になるほどカラー特性より白黒特性が優位となっている。また、赤外光帯域は一般的に７００ｎｍを超える波長とされており、一方可視光帯域の上限波長は約７６０から８３０ｎｍとされている。そのため、赤外光像帯域であっても白黒感度と可視光感度とが混在することとなる。ベイヤー型撮像素子では素子内のカラーフィルターアレー及び赤外フィルターの特性により感度特性の相違はあるものの多かれ少なかれ図２のように白黒感度特性と、カラー感度特性とが混在している。

このような感度特性を改良した撮像素子としてＮＰＮシリコン層を多層に形成し、ベイヤー型のようなカラーフィルターアレーを用いない深層色受光方式、通称Ｆｏｖｅｏｎ型（ＦｏｖｅｏｎはＴＭ）の撮像素子が開発され、カラー特性と白黒特性との混在を軽減するものも存在するが、可視光像と赤外光像とを取得する単板の広帯域撮像素子としては高価であり多用されていない。また、このＦｏｖｅｏｎ型（深層色受光方式）の撮像素子であっても可視光感度と白黒感度と多少の混在は回避できていない。

このような撮像素子において赤外光像を取得する場合、赤外光と可視光領域とが混在することにより可視光領域の感度が加算され「黒浮き」と称されるコントラスト低下を招いている。赤外光像において可視光領域の混在を少なくするには赤外光像取り出しフィルターの波長を高い方へ設定することも考えられるが、波長が高くなれば感度が低下することとなり、コントラストを確保することが困難となる。

広帯域撮像素子の分光感度はそれぞれで特性が異なっており、可視光像と赤外光像との混在を少なくし、かつコントラストを確保する赤外光取り出し最適ポイントの設定は撮像素子により異なることとなる。そのため赤外光像をとりだす赤外用フィルターの取り出しポイントは撮像素子の特性と赤外撮像の取得目的とを考慮して赤外光像専用フィルターを設定する。

図３は、本発明の第一フィルター１５として赤外光取出しフィルターを図２の分光感度特性を有する広帯域撮像素子に適用した赤外光像の分光感度例を示す図である。実線Ｄで示す特性は赤外光用専用フィルターの透過特性であり、この第一フィルターをオン状態にして適用した場合、この赤外光用専用フィルターを使用した出力感度特性の出力部分は斜線で示された部分となる。Ｐ点はこの赤外光像取出しフィルターの赤外光取出しポイントであり、このポイントの波長が高くなるほど赤外光像への可視光混在の度合いは少なくなるが全体の感度は低下し、コントラストも低下する。

赤外線フィルムによる赤外光像や赤外光専用ビデオカメラによる赤外光像は、カラー像の混在がないため赤外光領域におけるコントラストの高い画像が得られる。単板の広域撮像素子を用いてこれにできるだけ近い赤外光像を得るためには図３において白黒感度特性ができるだけ高く、かつカラー像領域ができるだけ少なくなるような赤外光取出しポイントＰをそれぞれの撮像素子の感度特性に適応させて設定することで赤外光取出し専用フィルターを選定する。市販の汎用広帯域撮像素子と赤外光取出しフィルターとの組み合わせでは略７００ｎｍ以上の帯域を取り出すフィルターで「黒浮き」減少が少なく、コントラストが比較的良好な赤外光像特性が得られている。

図４は、本発明の第二フィルター１７として可視光像（カラー像）取出し専用フィルターを図２の分光感度特性を有する広帯域撮像素子に適用したカラー像の分光感度例を示す図である。実線Ｅで示す特性は可視光像（カラー像）専用フィルターの透過特性であり、この第二フィルターをオン状態にして適用した場合、このカラー像専用フィルターを使用した出力感度特性の出力部分は斜線で示された部分となる。本願においては第一及び第二のフィルターでそれぞれの専用フィルターとして設定することが可能となるため、このカラー像専用フィルターにより所望するカラー像特性を取得ことができる。

これらは第一のフィルターである赤外光専用フィルター又は第二のフィルターであるカラー光専用フィルターのいずれかをオン状態にしたそれぞれの特性を説明したが、両方のフィルターをオフ状態とした場合は、図２に示すような可視光帯域から赤外光帯域に亘る感度特性を有するカラー光像と赤外光像との合成像が取得しうる。この合成像は、赤外光専用フィルターで取得した赤外光像やカラー像専用フィルターで取得したカラー像とも異なる画像であり、広帯域の光エネルギーを取り込み高感度化した像が取得できるため、監視カメラや医療用の画像観察などで高感度像を取得したい場合や、カラー光像、赤外光像と比較して、測定、分析などに用いることができる。

本発明で使用する単板の広帯域撮像素子では可視光から赤外光まで広帯域をカバーするため、一般的な可視光専用レンズでは近赤外光の合焦位置（ピント長）がずれてしまう事がある。赤外光の収束光は可視光に比べて長くなるため、赤外光像に焦点を合わせるか、可視光像に焦点を合わせるかの問題が生じる。これらの問題を解決するため、デイナイトレンズと称する入射光の波長により焦点ずれが少ないレンズを使用することも考えられる。また、赤外光像及び可視光像を切り替えてそれぞれの焦点を補正又は調整する構成とする場合は、本願のようにそれぞれのフィルターをオン状態にして可視光像の場合は可視光像での焦点補正（前ピン補正）を行い、赤外光像の場合は赤外光像での焦点補正（後ピン補正）を行うことができる。この場合、センサーを光軸方向に移動させて焦点補正へ対応することも可能である。

このように本願のフィルター切替機構１３は、レンズマウント１１と撮像素子１２とのフランジバック長内の空間に配置されており、いずれもフィルターオフ状態においては結像収束光近傍でかつ邪魔にならない位置に保持され、フィルターオン状態においては撮像素子１２の前面と平行に保持される。そのため、撮像装置１内にコンパクトに収納することが可能となる。

また、本願のフィルター切替機構１３に第一フィルター１５として撮像素子の特性を考慮した所望の赤外光像取出し専用フィルターを適用し、第二フィルター１７として所望のカラー像専用フィルターを適用することで、それぞれのフィルターをオン状態とすれば赤外光像とカラー像とがそれぞれ取り出され、更に両方のフィルターをオフ状態とすれば撮像素子の感度特性による合成像が取り出すことが出来、これら３つのモードを選択的に取得することが出来る。つまり、本願のフィルター切替機構によれば、従来の回転式又はスライド式フィルター切替機構に比べ、これらの３モードを選択しうる小型でコンパクトなフィルター切り替えが可能となる。また、このフィルター切替機構１３は、一眼レフカメラのキックリターン機構を流用して容易に構成することができる。

上述のフィルター切り替え機構１３の実施例では、撮像素子１２の上側に配置された第一フィルター１５及び下側に配置された第二のフィルター１７で構成されているが、他の実施例として、これら２個のフィルターを撮像素子１２の上下でなく左右に配置しても良い。また、上下左右の４箇所に４個のフィルターを配置しても良い。

図５は、撮像装置のレンズ側から撮像素子１２を見たフィルター切り替え構造１３である。撮像素子１２の上下側の第一及び第二フィルターに追加して、左右側に第三フィルター２１及び第四フィルター２２が配置されている。これらの各フィルターはいずれかのフィルターを選択的にオン状態として使用する。このように４個のフィルターを取り付けることで、可視光像の偏光成分を取り出すＰ偏光又はＳ偏光フィルター、紫外光像取出しフィルター、更にＲ、Ｇ、Ｂそれぞれのフィルターなど各種フィルターを適用することが可能となり、取り出す画像の種類や利用目的のバリエーションが広がり、撮像装置内を効率的に利用して極めて利便性の高い撮像装置を構成することができる。

この発明は、３モード以上の異なる種類の画像を取り出すための小型化されたフィルター切替機構を有する産業用撮像装置であり、監視用、教育用、医療用、各種測定・分析用、軍需用、医療用カメラなどに利用することができる。

１ 撮像装置
１０ レンズ
１１ レンズマウント
１２ 撮像素子
１３ フィルター切替機構
１４ 回動軸
１５ 第一フィルター
１６ 回動軸
１７ 第二フィルター
１８ 撮像素子支持体
１９，２０ フィルター制止部材

Claims (7)

1. 可視光領域と赤外光領域を光電変換する撮像素子と、レンズマウントと、前記レンズマウントと前記撮像素子との間に配置された複数のフィルター切替機構とを有する撮像装置であって、
   前記フィルター切替機構は、少なくとも第一のフィルター及び第二のフィルターを備え、
   前記第一及び第二のフィルターは、一端を回動軸として回動可能であり、
   前記第一及び第二のフィルターのそれぞれが、フィルターオン状態又はフィルターオフ状態へ切り換え得るように構成したことを特徴とする撮像装置。
2. 前記フィルターオン状態は、前記フィルターのそれぞれが入射光束内において入射光軸と略垂直であって前記撮像素子と略平行な位置であり、
   前記フィルターオフ状態は、入射光束から外れた位置で入射光軸と略水平であって前記撮像素子と略垂直であることを特徴とする請求項１記載の撮像装置。
3. 前記第一のフィルターは、赤外光専用のフィルターであり、
   前記第二のフィルターは、可視光専用のフィルターであることを特徴とする請求項２記載の撮像装置。
4. 前記第一のフィルターである赤外光専用のフィルターのみをオン状態にすることで赤外光像の撮像モードを形成し、
   前記第二のフィルターである可視光専用のフィルターのみをオン状態にすることで可視光像の撮像モードを形成し、
   前記第一及び前記第二のフィルターの両方をオフ状態にすることで可視光像及び赤外光像を合成した撮像モードを形成することを特徴とする請求項３記載の撮像装置。
5. 前記第一のフィルターは、略７００ｎｍ以上の帯域を通過させる感度特性を有する赤外光専用のフィルターであり、
   前記第二のフィルターは、略８００ｎｍ以下の帯域を通過させる感度特性を有する可視光専用のフィルターであることを特徴とする請求項３又は請求項４記載の撮像装置。
6. 前記第一のフィルター及び前記第二のフィルターは、撮像素子の上下側又は左右側に配置されていることを特徴とする請求項１乃至請求項５記載の撮像装置。
7. 前記第一のフィルター、前記第二のフィルターに追加して第三のフィルター及び・又は第四のフィルターが追加的に撮像素子の上下左右側に配置されていることを特徴とする請求項６記載の撮像装置。

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