JP2885316B2 - カラー撮像装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、モザイクフィルター，ストライプフィルタ
ー等の色符号化フィルターを有する固体撮像素子を用い
た電子内視鏡,TVカメラ，ファイバースコープや硬性鏡
などに装着するTVカメラ，電子カメラ等のカラー撮像装
置に関する。

〔従来の技術〕

この種従来のカラー撮像装置の一つは、第23図に示し
た如く、固体撮像素子１の撮像面にモザイクフィルター
２を設け、該撮像面に結像レンズ系３により物体像を結
像するようにして成るものであった。そして、固体撮像
素子１は、その要部拡大断面図である第24図に示した如
く、撮像面４に夫々が独立した受光部4bを有する複数の
絵素4aが二次元に配列され、表面にモザイクフィルター
２を蒸着（干渉フィルターの場合）又は塗布（吸収フィ
ルターの場合）して成るガラス板５を該モザイクフィル
ター２の各色要素2aが各絵素4aに対応するようにして透
明な接着剤層６を介して撮像面４に接合して成るもので
あった。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところが、近年固体撮像素子１の絵素数の増加に伴い
絵素の小型化が進んだために、第23図に示した如く結像
レンズ系３を通った軸外主光線７が固体撮像素子１の撮
像面４に垂直に入射しない場合は、第24図に示した如
く、固体撮像素子１の各絵素4aに対し結像レンズ系３の
光軸に近い側に隣接する絵素4aに対応する色要素2aを通
り該各絵素4aの受光部4bに入射してしまい、正しい色が
再現されなくなってしまうという問題があった。これを
色シェーディングという。尚、7aは軸外下側光線であ
る。

本発明は、上記問題点に鑑み、色シェーディイングを
確実に防止するようにしたカラー撮像装置を提供するこ
とを目的とする。

〔課題を解決するための手段及び作用〕

本発明によるカラー撮像装置は、結像レンズ系と、夫
々が独立した受光部を有する複数の絵素を二次元に配列
してなる固体撮像素子と、該固体撮像素子の前記受光部
前方に微小間隔を隔てて配置された前記各絵素に対応す
る色要素を有する色符号化フィルターとを備えたカラー
撮像装置において、前記結像レンズ系のうち前記色符号
化フィルターの近傍に条件（９）又は条件（13）を満足
するレンズを配置し、且つ次の条件（２）を満足するよ
うにしたことを特徴としている。

但し、 は前記固体撮像素子各絵素の受光部に夫々入射する光線
の入射角、 は前記各絵素に対し前記結像レンズ系の光軸に近い側に
隣接する絵素に対応する色要素の前記各絵素に最も近い
点を通って前記各絵素の受光部に入射する現実又は仮想
の光線の入射角、 はn₁を色要素と受光面との間の媒質の屈折率、Ｆを前記
結像レンズ系のＦナンバーとする時 である。

また、n_L,R,f_Lは夫々前記前記色符号化フィルターの
近傍に配置されたレンズの屈折率、曲率半径、焦点距
離、δ及びβは軸外下側光線が前記色符号化フィルター
の近傍に配置されたレンズへ入射する直前の傾き角及び
光線高をθ_Ｓ′,hとした時 δ＝sin^-1［｛sin（β＋θ_Ｓ′）｝/n_L］ ……（５） β＝sin^-1（h/R） ……（６） である。

尚、上記仮想の光線とは、受光部間に位置する遮光部
分（突部）の大きさや光線の入射角の設定の仕方によっ
てはある絵素に対応する色要素を通って隣りの絵素の受
光部に入射する光線が存在しない場合があるので、この
ような場合に入射すると仮想した光線を云う。

以上の条件を満足することにより、固体撮像素子の各
絵素に隣接する絵素に対応する色符号化フィルターの色
要素を通って該各絵素の受光部に入射する光線がなくな
り、色シェーディングが防止されるが、具体的には結像
レンズ系のうちの一つのレンズを固体撮像素子の近傍に
配置し、該レンズのパワーを上記条件を満足するように
選択することにより行われる。

〔実施例〕

以下、図示した実施例に基づき上記従来例と同一の部
材には同一符号を付して本発明を詳細に説明する。

第１図は第１実施例を示しており、これは結像レンズ
系３のうちの凸レンズ８をモザイクフィルター２の近傍
に配設したもの、具体的には固体撮像素子１のガラス板
５に凸レンズ８を接合したものである。

第２図は第２実施例を示しており、これは水晶から成
る光学的ローパスフィルター9,赤外光カットフィルター
10,凸レンズ８を一つの支持枠11で支持して成るブロッ
クを固体撮像素子１に固着して一体化したものである。

第３図は第３実施例を示しており、これは凸レンズ８
を固体撮像素子１とプリズム12との間に配置したもので
あり、凸レンズ８は固体撮像素子１又はプリズム12に接
着剤で接合しても良いし、機械的に固定しても良い。

第４図は第４実施例を示しており、これは凸レンズ８
の代わりに不均質媒質レンズから成る正レンズ13を光学
的ローパスフィルター９と赤外光カットフィルター10と
の間に挟んで接合したものを固体撮像素子１の近傍に配
設したものである。本実施例は不均質媒質レンズから成
る正レンズ13を用いているので機構的に簡単になると共
に、正レンズ13を光学的ローパスフィルター９及び赤外
光カットフィルター10と接合してサンドイッチ構造にし
ているので湿度に弱い正レンズ13を保護できるという利
点がある。

第５図は第５実施例を示しており、平凸レンズを二枚
向かい合わせて成る結像レンズ系３の凸レンズ８に赤外
光カットフィルター10及び光学的ローパスフィルター９
を接合したものを固体撮像素子１に固着したものであ
る。

第６図は第６実施例を示しており、これは凸レンズと
凹レンズの接合レンズである凸レンズ８を光学的ローパ
スフィルター９を介して固体撮像素子１の前面に接合し
たものであり、凹レンズのアツベ数を凸レンズのアツベ
数より小さくすることにより倍率の色収差を補正できる
という利点がある。

尚、結像レンズ系３の入射面から固体撮像素子１に至
るまでの光路中の主光線が光軸にほぼ平行になる部分に
干渉膜でできたフィルター（例えば、赤外光カットフィ
ルター,YAGレーザーカットフィルター）を置けば、画面
の場所ごとの干渉フィルターの分光特性の変化が少な
く、全画面同じ色再現の画像が得られるので、有利であ
る。そして、干渉フィルターの特性から、主光線の傾角
は20°以下、できれば15°以下とすることが望ましい。
又、干渉フィルターは空気接触面に設けても良いし、レ
ンズ或は固体撮像素子カバーグラスの接合面に設けても
良い。又、干渉フィルターは吸収型フィルターに比べ薄
いので、内視鏡のようにコンパクト化が要求されるもの
に用いた場合特に有利である。

次に、固体撮像素子１の近傍に配設した凸レンズ８又
は正レンズ13が満たすべき条件について説明する。

第７図はモザイクフィルター付固体撮像素子の要部断
面図である。

色シェーディングが生じないためには、最大像高の軸
外下側光線7a（ガラス板５への入射角はθ_Ｓ）がある絵
素4aの受光部4bに入射する時、その光線7aが該絵素4aに
対し結像レンズ系の光軸に近い側（第７図下側）に隣接
する他の絵素4aに対応するモザイクフィルター２の色要
素2aの上記絵素4aに最も近い点即ち上端の点Ａ以上を通
過すれば良い。即ち、軸外下側光線7aの接着剤層６中の
傾き角 が上記点Ａを通って絵素4aに入射する光線の接着剤層６
中の傾き角 以下であれば良い。尚、ここでこれらの光線は子午面内
にあるものとする。

次に角度 を式で表わすと次のようになる。

θ＝tan^-1［｛（1/2）（Ｐ−Ｃ）｝／｛d₁＋（n₁／n₂）
d₂｝］ （n₁＞n₂） 但し、n₁及びd₁は夫々接着剤層６の屈折率及び厚さ、
n₂及びd₂は夫々モザイクフィルター２の屈折率及び厚
さ、Ｐは絵素4aのピッチ、Ｃは受光部4bの幅である。
尚、図面中n₃,d₃は夫々ガラス板５の屈折率及び厚さで
ある。

又、第８図に示した如く、モザイクフィルター２の各
色要素2a,2a間にクロム薄膜などから成る幅Δの遮光部2
bが形成されている場合には、 θ＝tan^-1［｛（1/2）（Ｐ−Ｃ＋Δ）｝／｛d₁＋（n₁／
n₂）d₂｝］ （n₁＞n₂） となる。

従って、軸外下側光線7aの接着剤層６中の傾き角 が上記式で与えられる角度 以下であれば色シェーディングを防止できる。即ち、 であれば良い。

実用的には多少は隣接の色要素を通った光線が絵素へ
混入射しても良いので、 であれば良い。但し、 は結像レンズ系３のＦナンバーをＦで表わす時、 である。即ち、 は結像レンズ系３を通った光の接着剤層６中の開き角で
あって、その¹/₂まで即ち絵素へ入射する正当な光線の
量が優勢である限り軸外下側光線7aの接着剤層６中の傾
き角 が大きくなっても良いということである。

従って、式（１）又は（２）を満足するように結像レ
ンズ系３の条件具体的には凸レンズ８又は正レンズ13の
パワーを選定すれば、色シェーディングのない撮像が行
える。

次に凸レンズ８の形状をどのようにきめれば良いかに
ついて説明する。

要部拡大図である第９図において軸外下側光線7aの凸
レンズ８中の傾き角θ_SLは、 θ_SL＝δ−β ……（４） となる。但し、 δ＝sin^-1［｛sin（β＋θ_Ｓ′）｝/n_L］ ……（５） β＝sin^-1（h/R） ……（６） であって、θ_Ｓ′,hは夫々軸外下側光線7aの凸レンズ８
へ入射する直前の傾き角及び光線高、n_L,Rは夫々凸レン
ズ８の屈折率及び曲率半径である。

一方、傾き角θ_SLと との関係は、 であるから、 となる。従って、この式（８）と上記式（１）とによ
り、 となり、この式（９）を満たすようにn_L,Rの値を選択す
れば良い。

尚、凸レンズ８の厚さが薄ければ、光線高ｈは最大像
高とほぼ等しい即ちｈ≒である。

又、全体図である第10図において、凸レンズ８より前
方のレンズ群14の射出瞳の該レンズ群14の最終レンズよ
り計った位置をE,レンズ群14の最終レンズと凸レンズ８
との間隔をd_Sとすると、 θ_Ｓ′=sin^-1[{h/(d_S-E)}+sin^-1(1/2F) ……（10） と表わすこともできる。但し、第10図においてＥの値
は負になる。従って、E,d_S,hの値を与えることにより、
上記式（９），（10）よりn_L,Rの値を決定することがで
きる。

更に、凸レンズ８の模式図である第11図において、凸
レンズ８の出射光線の角度θ_SAは、凸レンズ８の焦点距
離をf_Lとすると、近似的には、 θ_SA＝θ_Ｓ′−h/f_L ……（11） となる。そして、 であるから、これらの式（11），（12）と式（１）によ
り、 ｛θ_Ｓ′−（h/f_L）｝／n₁≦θ ……（13） となる。従って、式（13）を満足する焦点距離f_Lの凸レ
ンズ８を固体撮像素子１の前に配置すれば良い。

これまで固体撮像素子１の子午面方向（垂直方向又は
ｙ方向）の間隔について論じてきたのは、現在では固体
撮像素子１の絵素のピッチが第12図に示した如く垂直方
向（ｙ方向）の方が細かいからであるが、水平方向（ｘ
方向）でも絵素が細かい場合、或いはｙ方向の像高に対
してｘ方向の像高が極端に高い場合には、水平方向につ
いて垂直方向と同様の条件を満たさなければならない。
即ち、水平方向，垂直方向の何れについても上記式
（１）又は（２）の条件を満足することが必要である。

但し、第13図に示した如く、モザイクフィルターの色
が一方向について変わらない場合即ちストライプフィル
ターの場合は、それと直角の方向について式（１）又は
（２）の条件が満たされれば良い。斜め方向のスライプ
フィルターの場合も同様である。

次に、ゴミが像と一緒に固体撮像素子１の撮像面４に
写らないようにする条件について述べる。

第９図に示した如く、固体撮像素子１の前面に凸レン
ズ８を接合すると、凸レンズ８の前面（球面）上のゴミ
が固体撮像素子１の撮像面４に写って黒い斑点像として
現われ、観察の邪魔となる。そこで、これを避けるため
に凸レンズ８の厚さがある程度厚いことが必要であり、
凸レンズ８の厚さ及びＦナンバーを夫々d_L,f_L，固体撮
像素子１のガラス板５の前面から撮像面４までの空気換
算光路長をd_C，ゴミの直径の上限をφとすると、 であれば、ゴミは目立たない。

実用上多少ゴミが見えても良い場合は、次式（15）の
条件まで緩和しても良い。

従って、式（１）又は（２）と式（14）又は（15）を
満たすように、R,n_L,d_Lを選択すれば、色シェーディン
グがなく且つゴミも目立たないカラー撮像装置が得られ
る。

例えば、d_C＝0.4mm,F_L＝5,φ＝50μｍであれば、n_L＝
1.5の時、式（15）よりd_L≧0.525mmとなる。即ち、d_Lは
およそ0.5mm以上であることが望ましい。

又、第６図に示されているように、凸レンズ８が光学
的ローパスフィルター９を介して固体撮像素子１の前面
に接合されている場合は、凸レンズ８の前面から固体撮
像素子１の撮像面４までの空気換算長d_Aが、 d_A≧10φF_L ……（16） d_A≧３φF_L ……（17） のいずれかを満たせば良い。尚、d_Aはおよそ0.5mm以
上であることが望ましい。

更に、色シェーディングが一層生じにくいカラー撮像
装置を得るためには、第14図に示した如く、水平方向に
長い絞り15を結像レンズ系３中に設けると良い。但し、
この場合は、第12図に示した如く、モザイクフィルター
への斜め入射による隣りの絵素の受光部への光の混入射
が垂直方向において起こり易いものとする。

このようにすれば、円形絞りの場合に比べて固体撮像
素子の撮像面へ入射する光束の垂直方向の開き角が小さ
くなるので、色シェーディングが一層生じにくくなる。
但し、この場合条件式（１）又は（２）は、長方形の絞
りの下端を通る光線について当てはめることになる。こ
こで、垂直方向のマージナル光線の出射角の正弦をNA′
とすれば、 で決まるＦ′を式（２）のＦの代わりに用いれば良
い。

尚、水平方向について光の混入射が生じ易い場合も同
様である。

ところで、第14図において結像レンズ系３の明るさを
変えないためには、円形絞りの半径をr,長方形の絞り15
の縦辺，横辺の長さを夫々a_y,a_xとすると、 πr²＝a_x a_y ……（19） でなければならない。一方、色シェーディングを減らす
には、 a_y≦2r ……（20） でなければならない。従って式（19）と（20）により、 でなければならない。

実際には絞り位置の誤差などがあるので、 a_x≧a_y ……（22） の方が良い。

絞り15の形状は、長方形に限らず、第15図乃至20図に
示した形でも良い。第15図は水平方向に長い平行四辺形
の絞り、第16図はやはり水平方向に長い長円形又は楕円
形の絞り、第17図は円形開口を水平方向に２個並設した
絞り、第18図は正方形の絞り、第19図，第20図は正方形
の開口を夫々２個,3個水平方向に並設した絞りである。
絞り開口が長方形等の様に全体として水平方向に長い形
状の場合には次のような利点がある。その一つは、内視
鏡の場合固定焦点のものが多く、ピンボケ時に点像強度
部の形状が絞り形状と相似になるため、水平方向のMTF
が低下し、その結果水平方向走査で色差信号を得るカラ
ー化方式の固体撮像素子を用いた単板カラーカメラで問
題となり易いモアレが発生しにくくなることである。

もう一つは、第11図に示した如く、固体撮像素子の水
平方向の絵素のピッチが大きい場合、被写界深度を定め
る錯乱円の形が円ではなく水平方向に長い長方形である
ことが望ましいが、これが第14図乃至第17図，第19図及
び第20図で示した絞り15でほぼ実現できることである。

尚、第14図乃至第20図で示した絞り15の効果は、凸レ
ンズ８のない結像光学系，凸レンズ８のないテレセント
リックな結像光学系，テレセントリックでない結像光学
系と組合せても得られることは云うまでもない。

尚、これまで軸外下側光線の入射角について述べてき
たが、軸外上側光線についても同様な条件を満たす必要
があることは云うまでも無い。

又、凸レンズ８又は13がなくても、対物レンズ自体が
上記式（１）又は（２）の条件を満たせば、色シェーデ
ィングのないカラー撮像装置が得られることは云うまで
も無い。又、本発明は、電子内視鏡に限らず、通常のTV
カメラやファイバースコープ，硬性鏡などに装着するTV
カメラ，電子カメラ等に適用できることは云うまでもな
い。

次に数値例を以下に示す。第21図はその構成を示して
おり、16はYAGレーザーカットフィルターである。

数値例 r₁＝∞ d₁＝0.3040 n₁＝1.883 ν_１＝40.78 r₂＝0.6122 d₂＝0.3040 r₃＝1.5921 d₃＝0.3040 n₂＝1.72916 ν_２＝54.68 r₄＝0.5933 d₄＝0.4863 n₃＝1.59270 ν_３＝35.29 r₅＝−13.3733 d₅＝0.0608 r₆＝∞（絞り） d₆＝0.1216 r₇＝3.8365 d₇＝0.4863 n₄＝1.8061 ν_４＝40.95 r₈＝−1.1410 d₈＝0.0912 r₉＝5.2243 d₉＝0.6079 n₅＝1.51633 ν_５＝64.15 r₁₀＝−0.7270 d₁₀＝0.3040 n₆＝1.84666 ν_６＝23.78 r₁₁＝−2.9909 d₁₁＝0.1520 r₁₂＝∞ d₁₂＝0.4255 n₇＝1.51633 ν_７＝64.15 r₁₃＝∞ d₁₃＝0.3040 n₈＝1.54072 ν_８＝47.20 r₁₄＝∞ d₁₄＝0.1824 n₉＝1.51633 ν_９＝64.15 r₁₅＝∞ d₁₅＝0.5635 r₁₆＝2.5312 d₁₆＝0.6079 n₁₀＝1.54869 ν₁₀＝45.55 r₁₇＝∞ d₁₇＝0.2432 n₁₁＝1.51633 ν₁₁＝64.15 r₁₈＝∞ ｆ＝１ F/5.0 物体距離 −9.1 Ｒ＝2.531 n_L＝1.5487 f_L＝4.613 d_S＝0.5635 Ｅ＝−1.951（実主光線に対して） ｈ＝0.966 θ_Ｓ＝25° Ｐ＝10μｍ ｃ＝７μｍ d₁＝７μｍ n₁＝1.5 Ｆ＝５ Δ＝０ n₂＝1.5 d₂＝２μｍ θ＝９°46′ θ_Ｓ＝７°14′ 第22図は上記数値例の収差曲線図である。

〔発明の効果〕

上述の如く、本発明によるカラー撮像装置は、色シェ
ーディングが確実に防止されるという実用上重要な利点
を有している。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるカラー撮像装置の第１実施例の構
成を示す図、第２図乃至第６図は夫々第２乃至第６実施
例の構成を示す図、第７図乃至第11図は何れも色シェー
ディングを防止するために固体撮像素子の近傍に配設し
た凸レンズが満たすべき条件についての説明図、第12図
及び第13図は夫々固体撮像素子の絵素と色符号化フィル
ターの配列例を示す図、第14図乃至第20図は何れも絞り
の例を示す図、第21図及び第22図は数値例の構成を示す
図及び収差曲線図、第23図及び第24図は夫々従来例の構
成例を示す図及び要部拡大断面図である。 １……固体撮像素子、２……モザイクフィルター、2a…
…色要素、2b……遮光部、３……結像レンズ系、４……
撮像面、4a……絵素、4b……受光部、５……ガラス板、
６……接着剤層、７……軸外主光線、7a……軸外下側光
線、８……凸レンズ、９……光学的ローパスフィルタ
ー、10……赤外光カットフィルター、11……支持枠、12
……プリズム、13……正レンズ、14……レンズ群、15…
…絞り。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】結像レンズ系と、夫々が独立した受光部を
   有する複数の絵素を二次元に配列してなる固体撮像素子
   と、該固体撮像素子の前記受光部前方に微小間隔を隔て
   て配置された前記各絵素に対応する色要素を有する色符
   号化フィルターとを備えたカラー撮像装置において、 前記結像レンズ系のうち前記色符号化フィルターの近傍
   に条件（９）又は条件（13）を満足するレンズを配置
   し、且つ次の条件（２）を満足するようにしたことを特
   徴とするカラー撮像装置。 但し、 は前記固体撮像素子各絵素の受光部に夫々入射する光線
   の入射角、 は前記各絵素に対し前記結像レンズ系の光軸に近い側に
   隣接する絵素に対応する色要素の前記各絵素に最も近い
   点を通って前記各絵素の受光部に入射する現実又は仮想
   の光線の入射角、 はn₁を色要素と受光面との間の媒質の屈折率、Ｆを前記
   結像レンズ系のＦナンバーとする時 である。 また、n_L,R,f_Lは夫々前記前記色符号化フィルターの近
   傍に配置されたレンズの屈折率、曲率半径、焦点距離、
   δ及びβは軸外下側光線が前記色符号化フィルターの近
   傍に配置されたレンズへ入射する直前の傾き角及び光線
   高をθ_Ｓ′,hとした時 δ＝sin^-1［｛sin（β＋θ_Ｓ′）｝/n_L］ ……（５） β＝sin^-1（h/R） ……（６） である。