JP2672942B2 - 撮像装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、結像レンズにより形成された対象物の像を
固体撮像素子を用いて撮像するようにした撮像装置に関
する。 〔従来の技術〕 一般に、固体撮像素子を撮像手段に用いた撮像装置で
は、撮像素子の有する画素数（受光エレメント数）によ
り解像度が解決されてしまう。ところが、画素数の大き
い固体撮像素子は製造上問題が多くて、充分大きい画素
数を有する撮像素子は実用化が困難であった。 そこで、この問題を解決するために、例えば本件出願
人が昭和61年４月７日付で提出した特許願（発明の名称
‥‥撮像装置）によれば、画素ずらし法といって、第19
図に示した如く、対物レンズ51と固体撮像素子52との間
に色分散プリズム（屈折率が同じで分散の異なるプリズ
ム二枚貼り合わせて成るプリズム）53を配置して、同一
物点からの光を色収差にてずらせ、固体撮像素子上のず
れた位置に結像された各色の画像を信号処理回路により
一つに重ね合わせるようにして、画素と画素との間の部
分に対応する物点からの情報も得るようにして解像力を
上げるようにしたものが提案されている。 〔発明が解決しようとする問題点〕 ところが、上記例では、色分散プリズムの特性即ちガ
ラスの色分散特性を利用しているため、像が波長により
連続的にずれるので、R,G,B各色の光が夫々の色の中で
色収差が発生している状態となり、各色の像が悪化して
しまうという問題があった。換言すれば、R,G,Bといっ
ても夫々が単一波長の光というわけではなくある波長域
を持っているので、第20図に示した如く、この波長域の
一端の波長の光による像と他端の波長の光による像とは
異なる位置の画素52a上に結像してしまい、このずれが
色収差として表われ像が悪化するのである。 本発明は、上記問題点に鑑み、各色の像の色収差によ
る悪化を発生させずに各色による画像ずらしを行うこと
ができ、その結果画像ずらしによる解像力向上の限界ま
で解像力を上げることができる撮像装置を提供すること
を目的とする。 〔問題点を解決するための手段及び作用〕 本発明による撮像装置は、結像レンズにより形成され
た対象物の像を、複数の画素を有する固体撮像素子を用
いて撮像するようにした撮像装置において、該撮像装置
の光路中に、少なくとも１枚のダイクロイックミラー
と、該ダイクロイックミラーを透過した光の少なくとも
１部を該ダイクロイックミラーにより反射された光と大
略平行に反射する反射部材とを有し、該ダイクロイック
ミラー及び反射面を、上記固体撮像素子の撮像面上にお
いて上記ダイクロイックミラーを透過し反射面で反射し
た光による像とダイクロイックミラーで反射した光によ
る像とが同じ固体撮像素子の撮像面上の互いに異なる位
置に該固体撮像素子の画素ピッチの端数に相当する距離
をおいて形成されるように配設して、分けられた各色内
では色収差が発生しないようにしたものである。 このとき、前記撮像装置は、異なる波長の光を順次物
体に向けて照射するための照明装置と、前記撮像素子が
該照明装置による照射と同期して順次異なる波長の光で
照射された物体の像を撮像して各色毎の物体像を表わす
信号を発生するようにした手段と、前記各色毎の信号を
各々記憶する記憶手段と、該記憶手段から各信号を同時
に読み出してこれらの信号を合成することにより物体像
を表わす映像信号を形成する手段と、物体像を表示する
モニタ手段とを有している。 また、前記撮像装置は、好ましくは、内視鏡であっ
て、前記結像レンズ及び固体撮像素子が該内視鏡の先端
部に配設されており、前記固体撮像素子の入射側に光路
屈曲用プリズムが設けられていて、該プリズムに前記ダ
イクロイックミラーと反射面とが重ねて設けられてお
り、該プリズムに入射した光が前記ダイクロイックミラ
ー及び反射面で反射した後、前記固体撮像素子の画像面
に入射するようになっている。 また、前記撮像装置は、好ましくは、前記各色の像は
固体撮像素子の走査方向にずれて撮像面に入射し、前記
各色の信号の経路中に、前記同時に読み出された信号の
間の像のずれに応じたタイミングのずれを調節する手段
を設けている。 〔実施例〕 以下図示した各実施例に基づき本発明を詳細に説明す
る。 第１図は本発明による撮像装置の第一実施例としてR,
G,B各光を順次照射する方式の内視鏡用電子撮像装置の
構成を示す図、第２図はその動作を説明するタイミング
チャートである。 第１図において、符号１は内視鏡先端部を示してい
て、その先端には対物レンズ２（良く色が補正された前
側テレセントリックな光学系）と照明レンズ３が並行し
て配設され、対物レンズ２の後方にプリズム30とライン
転送方式固体撮像素子４が設置され、受光された光学像
をドライブ回路５にて映像信号Ｖに変換し、この映像信
号Ｖをプリアンプ６を経て次段回路へ送るようになって
いる。ここで、プリズム30は、第４図に示した如くG,R
を透過し且つＢを反射するダイクロイックミラー30a
と、Ｒを透過し且つＧを反射するダイクロイックミラー
30bと、全反射面30cと、これらの間に介在する透明層30
d,30eとを有し、必要な画像ずらし間隔に対応するよう
透明層30d,30eの厚みが定められている。通常、画素の
大きさは、数10ミクロンであり、画像のずらし量も画素
の大きさに比べて略同じか又は半分程度であるので透明
層の厚みも数10ミクロン程度になる。尚、これは通常使
用する可視光の波長の数10倍となる厚さであるので、透
明層30c,30d内での干渉による特性悪化の影響はあまり
生じない。 照明レンズ３の後方には光学ファイバー束等によるラ
イトガイド７が配設され、その後端面には回転フィルタ
ー８を介在して照明光が照射されるようになっている。
ここで、回転フィルター８は、例えば第３図に示されて
いる如く、R,G,B光だけを夫々通すような分光透過率を
持つフィルター8a,8b,8cを同一円周上に配設して成るも
のである。尚、フィルター8a,8b.8cの各両端部の形状は
光束の断面形状に合うように孤状となっている。 照明光は光源ランプ９よりレンズ10を通して回転フィ
ルター８上に照射され、この照明光はフィルター８のR,
G,B用フィルター8a,8b,8cを夫々経て前記ライトガイド
７の端面に入射される。回転フィルター８の回転軸は伝
送系13を介在してモータ14と連結され、モータ14に設け
られた回転検出部15からの信号にてモータ駆動部16を制
御し、モータ14の回転速度を一定にしている。又、回転
フィルター８の外周部には読出パルス検出部11とスター
トパルス検出部12が設けられ、固体撮像素子４からの読
出し等と回転フィルター８の回転と同期をとるようにな
っている。一方、上記プリアンプ６からの映像信号Ｖは
更に増幅器17を通して増幅された後、マルチプレクサ部
18へ入力される。マルチプレクサ部18は入力されるR,G,
Bの信号に対応した三つのスイッチSW1,SW2,SW3から成
り、これらのスイッチはマルチプレクサ用ゲート信号発
生部19からの各スイッチ用ゲート信号SG₁,SG₂,SG₃にて
所定のフレーム周期で順次切り換えられてR,G,B用の各
フレームメモリ20,21,22に各色に対応する映像信号をA/
D変換器を介して供給する。そして、各フレームメモリ2
0,21,22に蓄積された各色信号が同期信号発生器31の作
用により読出される夫々直接又はデイレイ回路32又は33
を経て更にD/A変換器を介して合成されてカラーTVモニ
タ23でカラー表示されるようになっている。上記におい
て、読出パルス検出部11は回転フィルター８にその回転
方向に配設されたR,G,B用フィルターの終端位置を検出
するもので、その検出パルス（読出パルス）Prと発振器
24からの信号を用いて読出ゲート信号Grを作成してい
る。この読出ゲート信号Grは固体撮像素子４に蓄積され
た映像信号をR,G,B光の照射されない期間に対応した期
間に読み出すための信号で、発振器24からの信号と共に
アンド回路26に入力されて読出用クロック信号CKrを作
成し前記ドライバ回路５を駆動して固体撮像素子４の蓄
積電荷をR,G,B毎に映像信号Ｖに変換する。一方、読出
ゲート信号Grは前記スタートパルス検出器12（回転フィ
ルター８の一回転を検出する）からの検出パルス（スタ
ートパルス）Psと共にマルチプレクサ用ゲート信号発生
部19に入力されて前記の各スイッチ用ゲート信号SG₁,SG
₂,SG₃を作成してマルチプレクサ部18を切り換えR,G,B毎
に映像信号を各フレームメモリ20,21,22へ入力するよう
に構成されている。 このような構成では、第２図に示すように、回転フィ
ルター８が一回転する毎に一つのスタートパルスPsが出
力されてマルチプレクサ用ゲート信号発生部19へ送ら
れ、又一回転する毎にR,G,Bフィルターに対応した三つ
の読出パルスPrが出力されて読出ゲート信号発生部25へ
送られる。読出ゲート信号発生部25では、発振器24から
の信号を用いて読出パルスPrと同一周期でしかもR,G,B
光の照射されない期間に対応した幅の読出ゲート信号Gr
を作成する。この読出ゲート信号Grの読出期間に基づい
て読出用クロック信号CKr及びスイッチ用ゲート信号S
G₁,SG₂,SG₃が作成され、カラー表示に必要なR,G,B信号
を得るようにしている。図示の読出ゲート信号Grにおい
て、斜線部分が夫々R,G,Bの映像信号読出期間で、各斜
線部分の前のローレベル期間がR,G,B光の照射によって
固体撮像素子４にR,G,Bの信号電荷が蓄積される期間で
ある。従って、R,G,B用フレームメモリ20,21,22のスイ
ッチ用ゲート信号SG₁,SG₂,SG₃は夫々R,G,Bの映像信号読
出期間に対応したゲート信号となるようになっている。 又、プリズム30によるG,B光のＲ光に対するずれは例
えば固体撮像素子４上において夫々画素間隔の1/4ピッ
チ,1/2ピッチであり、ディレイ回路32,33による遅延は
夫々1/4ピッチ,1/2ピッチとなっている。 本発明による撮像装置は上述の如く構成されているか
ら、プリズム30の作用によりR,G,B各色で固体撮像素子
４上における結像位置にずれが生じ、Ｒ光に対するG,B
各光のずれは夫々画素間隔の1/4ピッチ、1/2ピッチであ
る。その結果、第５図に示した如く、G,B各光による像
は信号転送の進み方向へ夫々1/4ピッチ,1/2ピッチずれ
ると共に、画素と画素との間に対応する点Ｐの情報もG,
B光により画素4aに到達する。従って、こうして得られ
た画像信号をＲ光については直接、Ｇ光についてはディ
レイ回路32により1/4ピッチ遅らせ、Ｂ光についてはデ
ィレイ回路33により1/2ピッチ遅らせて一つに重ね合わ
せれば、画素と画素との間に対応する点Ｐの情報も含ん
だ画像がTVモニタ23に表示され、解像力が向上する。但
し、この場合点Ｐの情報を伝えるのがG,B光のみである
ので、解像力が向上するのはR,G,B各色を合成した場合
即ち輝度信号に関してのみである。 以上、本発明撮像装置の原理について説明したが、第
５図に示した如く、R,G,B各色の像は色収差の発生がな
いので、画素ずらしによる解像力向上の限界まで解像力
を高めることができる。 尚、透明層30d,30eは、SiO₂等の蒸着物により構成さ
れている。或は、接着性のある膜（例えば、光学用透明
接着剤やプラスチック等の高分子重合物質の膜）でも良
い。又、透明層30d,30eの厚さは、透明層30d,30eの上下
面での光の干渉効果による像の悪化をさけるため、少な
くともnd（透明部材の屈折率ｎと厚さｄの積）が使用波
長の１倍以上となるような厚みは必要ある。一方、固体
撮像素子４による画質向上の効果は透明層30d,30eの厚
さをむやみに増しても得られないので、画素と画素の間
隔と同じオーダーのずらし量が得られるような厚さを選
ぶ必要がある。通常上記厚さは、画素間距離の１倍から
０までの間の大きさに設定する。 第６図に上記第一実施例の変形例を示した。これは、
色分割を二分割にしたものである。プリズム30のダイク
ロイックミラー30bは、Ｂを反射しG,Rを透過する特性の
もの、Ｇを反射しB,Rを透過する特性のもの、Ｒを反射
しB,Gを透過する特性のものの三種類が考えられる。
又、本実施例では、反射面30cは全反射面を用いてい
る。 第７図に第一実施例の他の変形例を示した。この例で
は、ダイクロイックミラーを三層用いることにより、光
束を色別に三色に分割すると共に、不用な又は有害な色
の光（λ_４）を最後のダイクロイックミラー30fの反射
面において透過させて除去してしまう方式のものであ
る。有害光としては他の赤外光が考えられる。固体撮像
素子４では、通常赤外においても十分強い感度を持つた
めに赤外光を除去するためのフィルターが光路中に配置
されているが、この例では、画素ずらし法による解像力
の向上の効果と赤外光カットの効果とを一度に発揮し得
るようになっている。 第８図に第一実施例の更に他の変形例を示した。この
例では、三層のダイクロイックミラー30a,30b,30gと全
反射面30cから成っており、四光束に光を分割して色ず
らしを行っている。この例は、R,G,Bに加えて赤外光も
含めて画像を合成したい場合に適している。又、この例
は特別な波長の光例えばガン細胞の出す蛍光等を分けた
い時有効である。 この他、ダイクロイックミラーの数を増すことによ
り、色分割数に対応させて行くことは可能である。 第９図に第二実施例を示した。これは、プリズム30の
前方に三角プリズム34を配置したものであって、第一実
施例で得られるのが鏡像であったのに比べ正立像が得ら
れるという利点がある。 第10図に第三実施例を示した、これは、正立像を得る
構成として、第二実施例の前置き三角プリズム４を除き
代りに後方に二個の三角プリズム35,36をその光束の曲
げ方向が図示したように90゜ずれるように配置したもの
である。この例の特徴は、前記正立像を得ると共に、ダ
イクロイックミラー及び反射面を二個の三角プリズムの
各面Ｍにそれぞれ付けることにより、画像の色ずらしの
方向を一方向だけでなく二次元的にずらすことが出来る
点にある。従って、このことにより、より最適な画像の
色ずらしを行うことが出来る。例えば前側プリズム35で
は、ダイクロイックミラーの分光特性がＢを反射し且つ
G,Rを透過するもので、反射面の特性がG,Rを反射（全反
射面でも可）するものであると共に、後側プリズム36で
は、ダイクロイックミラーの分光特性がB,Gを反射し且
つ透過するもので、反射面の特性がＲを反射（全反射面
でも可）するものであるような構成が考えられる。ここ
で、B,G,Rを入れ替えても同様に成立することは明らか
である。 第11図に第四実施例を示した、これは、第三実施例に
示したプリズム35,36を、曲げられた光路が同一平面上
となるように配置したものである。異なる特性を持つダ
イクロイックミラー及び反射面が両プリズム35,36の各
面Ｍに着いており、それぞれのダイクロイックミラー及
び反射面で光束が分割され三光束となっている。たとえ
ば、前側プリズム35では、ダイクロイックミラーの分光
特性がＢを反射し且つG,Rを透過するもので、反射面の
特性がＲを反射（全反射面でも可）するものであると共
に、後側プリズム36では、ダイクロイックミラーの分光
特性がB,Gを反射し且つＲを透過するもので、反射面の
特性がＲを反射（全反射面でも可）するものであるよう
な構成が考えられる。上記構成でB,G,Rを入れ替えても
成立することも明らかである。 第12図に第五実施例を示した。これは、正立像を得な
がら、画像ずらしを行う構成としてペンタプリズム37を
利用した例である。即ち、ダイクロイックミラー及び反
射面を二ケ所の面M,Mの一方或いは両方に付けることで
画像ずらしを行うものである。 第13図に第六実施例を示した。これは、四回反射する
構成にして光学系をコンパクトにまとめた実施例であ
る。勿論正立像が得られる。この実施例でも二ケ所の面
M,Mの一方或いは両面にダイクロイックミラー及び反射
面を付けて画像ずらしを行っている。また本実施例で
は、プリズム38とプリズム39の接合面Ｓに、nd（物質の
屈折率×厚さ）が使用波長λの１倍以上となるような厚
みを有する蒸着物質層があり、この面Ｓでプリズムと蒸
着物質との屈折率差を利用して透過，反射を行ってい
る。たとえば、蒸着物質としてSiO₂,MgF₂等のものが考
えられる。本実施例では、MgF₂を1000nm蒸着することで
プリズム接合面Ｓへの光束の入射角に応じて反射，透過
が行われるようになっている。これは、プリズムを光学
軸を合わせたのち接着固定することにより、全体構造が
簡単で且つ芯ずれを起こさない光学系にし得る利点があ
る。尚、接合を行わないで空気層を設けた場合は位置関
係の保持が難しくてある程度の隙間をあけざるを得ず、
この空気層を光軸が斜めに通ることにより生じる非点隔
差等の収差により画像の悪化を生じる欠点がある。この
例において、接合面ＳにMgF₂をつける利点は、面Ｓに所
定の厚さの低屈折率層を設けたことにより、確実に全反
射と透過が起こることである。もし、直接接着剤でプリ
ズムを接合すると、接着剤の屈折率や厚さによって不都
合が生ずることがある。 第14図に第七実施例を示した。本実施例も第六実施例
と同様に四回反射の構成となっており、鏡映にならない
正立像を得ることが出来る。プリズム40,41に本実施例
では三ケ所の面Ｍがあるので、ダイクロイックミラー及
び反射面の配置のバリエーションもさまざまなものが可
能となる。 第15図乃至第17図には第八実施例を示した、これは、
ダハプリズム42のダハ面の片側にダイクロイックミラー
及び反射面を付けるか両面に異った特性を持つダイクロ
イックミラー及び反射面を付けた構成を有している。 第16図はダハ面の片側にダイクロイックミラー及び反
射面を付けたものの構成を示し、第17図はダハ面の両面
に異った特性のダイクロイックミラー及び反射面を付け
たものの構成を示している。 以上の、先端に固体撮像素子を配置した内視鏡の撮像
装置での画像ずらしの構成について述べたが、第18図に
示すように固体撮像素子を持つ外付けTVカメラ43の内部
に上記構成を配置してもよい。処理回路系は、第一実施
例のものをそのまま利用し得る。 尚、上記各実施例の構成では、対像物から撮像面まで
の距離が、波長によって若干異なることになるが、これ
が不都合を生ずる場合には、結像レンズで逆の色収差を
出しておけば光路長の差を打消すことができる。又、逆
に色の並び方を適当にすれば、結像レンズで色収差補正
が不充分な場合、それを補うこともできる。 又、各実施例ではダイクロイックミラーを用いている
が、これを波長特性のないハーフミラーにすると、どの
ような撮像方式（面順次方式，点順次方式等）をとるに
せよ、常に多重像が撮像面上に形成されることになる。
これは通常TVカメラにおいて光路中に配置される水晶等
の複屈折板を利用した光学的ローパスフィルターの作用
と同じである。従って、光路中にプリズムを必要とする
ような配置をとる場合には、各実施例のダイクロイック
ミラーの代りにハーフミラー（透過率は必ずしも1/2に
限らず、多重像の個々の像の明るさをどの程度にするか
によって適当に定める）を用いることにより、水晶ロー
パスフィルターを省くことができる。 〔発明の効果〕 上述の如く、本発明による撮像装置は、各色の像の色
収差による悪化を発生させずに各色による画像ずらしを
行うことができ、その結果画像ずらしによる解像力向上
の限界まで解像力を上げることができる。又、ダイクロ
イックミラー及び反射面を備えたプリズムの数及び配置
等を選定することにより二次元的にも画素ずらしが行え
るという利点も兼ね備えている。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明による撮像装置の一実施例のブロック
図、第２図はその動作を説明するタイミングチャート、
第３図は第一実施例の回転フイルターの正面図、第４図
は第一実施例のプリズムの要部拡大図、第５図は第一実
施例の原理を示す図、第６図乃至第８図は夫々第一実施
例の各変形例のプリズムの要部拡大図、第９図乃至第14
図は夫々第二乃至第七実施例の要部を示す図、第15図は
第八実施例の要部を示す図、第16図及び第17図は第八実
施例のダハプリズムにおけるダイクロイックミラー及び
反射面の付け方の例を示す図、第18図は応用例を示す概
略図、第19図は従来例の要部を示す図、第20図は従来例
の原理を示す図である。 １……内視鏡先端部、２……対物レンズ、３……照明レ
ンズ、４……固体撮像素子、５……ドライブ回路、６…
…プリアンプ、７……ライトガイド、８……回転フィル
ター、９……光源ランプ、10……レンズ、11……読出パ
ルス検出部、12……スタートパルス検出部、13……伝達
系、14……モータ、15……回転検出部、16……モータ駆
動部、17……増幅器、18……マルチプレクサ部、19……
ゲート信号発生部、20,21,22……フレームメモリ、23…
…カラーTVモニタ、24……発振器、25……読出ゲート信
号発生部、26……アンド回路、30……プリズム、31……
同期信号発生器、32,33……ディレイ回路、34,35,36…
…三角プリズム、37……ペンタプリズム、38,39,40,41
……プリズム、42……ダイプリズム、43……TVカメラ。

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 １．結像レンズにより形成された対象物の像を、複数の
   画素を有する固体撮像素子を用いて撮像するようにした
   撮像装置において、 該撮像装置の光路中に、少なくとも１枚のダイクロイッ
   クミラーと、該ダイクロイックミラーを透過した光の少
   なくとも１部を該ダイクロイックミラーにより反射され
   た光と大略平行に反射する反射面とを有し、 該ダイクロイックミラー及び反射面を、上記固体撮像素
   子の撮像面上において、上記ダイクロイックミラーを透
   過し反射面で反射した光による像とダイクロイックミラ
   ーで反射した光による像とが、同じ固体撮像素子の撮像
   面上の互いに異なる位置に該固体撮影像素子の画素ピッ
   チの端数に相当する距離をおいて形成されるように配設
   すると共に、 異なる波長の光を順次物体に向けて照射するための照明
   装置と、 前記撮像素子が該照明装置による照射と同期して順次異
   なる波長の光で照明された物体の像を撮像して各色毎の
   物体像を表わす信号を発生するようにした手段と、 前記各色毎の信号を各々記憶する記憶手段と、 該記憶手段から各信号を同時に読み出してこれらの信号
   を合成することにより物体像を表わす映像信号を形成す
   る手段と、 物体像を表示するモニタ手段とを有することを特徴とす
   る撮像装置。 ２．前記撮像装置が内視鏡であって、前記結像レンズ及
   び固体撮像素子が該内視鏡の先端部に配設されており、 前記固体撮像素子の入射側に光路屈曲用プリズムが設け
   られていて、該プリズムに前記ダイクロイックミラーと
   反射面とが重ねて設けられており、該プリズムに入射し
   た光が前記ダイクロイックミラー及び反射面で反射した
   後、前記固体撮像素子の撮像面に入射するようにしたこ
   とを特徴とする特許請求の範囲（１）に記載の撮像装
   置。 ３．前記各色の像は固体撮像素子の走査方向にずれて撮
   像面に入射し、 前記各色の信号の経路中に、前記同時に読み出された信
   号の間の像のずれに応じたタイミングのずれを調節する
   手段を設けたことを特徴とする特許請求の範囲（１）又
   は（２）に記載の撮像装置。