JP3733296B2 - 撮像光学系および撮像装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、CCD、CMOS等の2次元固体撮像素子を使用するデジタルスチルカメラあるいはビデオカメラ等の撮像装置に用いられる撮像光学系に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
撮像装置には、CCD、CMOS等の2次元的に画素が等ピッチで並べられている固体撮像素子を含む撮像光学系が多用されている。
【0003】
図3および図4には、従来の撮像光学系の構成を示している。これらの図において、31は撮影レンズであり、32は光学ローパスフィルタである。光学ローパスフィルタ32の撮影レンズ側の表面には、多層膜からなるIR(赤外)カットコート38が形成されており、この光学ローパスフィルタ32はIRカットフィルタを兼ねている。
【0004】
37はCCD、CMOS等の撮像素子であり、この撮像素子37における撮影レンズ側には、撮影レンズ側から撮像素子側に向かって順に、オンチップマイクロレンズ35とカラーフィルタ36とが配置されている。なお、これら撮像素子37、オンチップマイクロレンズ35およびカラーフィルタ36はパッケージ33およびセンサカバーガラス34によって密閉されている。
【0005】
このように構成される撮像光学系において、撮影レンズ31に入射した撮影光は撮影レンズ31で集光作用を受け、オンチップマイクロレンズ35によって撮像素子37の個々の受光部(画素)に向けてさらに集光される。そして、カラーフィルタ36で個々の受光部に対する色光に分光されて撮像素子37の各受光部に効率良く入射する。
【0006】
カラーフィルタ36は、図5に示すように、撮像素子37の各々の受光部に対して設けられた、赤透過フィルタ(R)61,緑透過フィルタ(G)62および青透過フィルタ(B)63から構成されている。各フィルタ61〜63には、波長に応じて選択的に光を透過する物質が設けられている。このため、各々の受光部には、原色フィルタではRGBに分光された色光となって入射する。なお、図5に示すように、カラーフィルタ36は、ベイヤ方式のカラーフィルタ配列がなされている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来の撮像光学系は、通常の撮影条件においては問題なく使われているが、逆光時や光源が画面内に存在する場合には、IRカットコート38が関与して画面内に赤く色付いた違和感のあるゴーストが発生し、画像の品位を損ねるという欠点がある。
【0008】
その1つは、図3に示すような光路で発生するゴーストである。すなわち、夜景撮影において画面内に電燈のような強い光源がある場合に、撮像素子37に向かう光101の一部が光学ローパスフィルタ32の表面のIRカットコート38で反射し、撮影レンズ31内のいずれかのレンズ面で反射してさらにIRカットコート38を透過し、ゴースト光となって撮像素子37に入射するものである。
【0009】
ここで、このゴーストが赤く色付く理由について説明する。IRカットコート38は図7に示すような分光透過率を持っているが、反射時の分光反射率は100%から分光透過率を引いた値となり、ちょうど50%のラインを中心に上下反転したような分光特性となる。
【0010】
ゴースト光の分光特性は、
(分光透過率)×(分光反射率)
で計算される。図8に、波長毎にゴースト光の分光特性をプロットしたものを示す(実線105)。この図に示すように、IRカットコート38の透過率がほぼ100%に近く特性がフラットな可視光領域と、透過率がほぼ0%に近い紫外および赤外領域では上記式で計算されるゴースト光の強度は極めて小さい。
【0011】
しかしながら、IRカットコート38の透過率が50%となる波長では、反射率も50%なので、上記式で計算されるゴースト光の強度は25%と極めて大きな値となる。
【0012】
このような分光特性を持ったゴースト光がカラーフィルタ36を透過して撮像素子37の受光部に入射すると、短波長側の強度の大きな光はカラーフィルタ36での透過率が低いため、ゴースト光の強度は極めて小さくなる。
【0013】
一方、長波長側の強度の大きな光は赤色透過フィルタ61が赤外側の透過を阻止しないため、赤外光の透過率が高くなり、ゴースト光の強度が極めて大きくなる。そして、この結果、赤色を帯びた強いゴーストとなって撮像されてしまう。
【0014】
これにより、画面中心に対して光源と点対称の位置に、銀塩写真では見られない赤い違和感のあるゴーストが現れることになる。
【0015】
もう1つのゴーストは、図4に示すような光路で発生するゴーストである。すなわち、夜景撮影において電燈のような強い光源がある場合に、撮像素子37に向かう光102の一部がオンチップマイクロレンズ35の表面で反射し、続いて光学ローパスフィルタ32の表面のIRカットコート38で反射し、さらにIRカットコート38を透過してゴースト光となって撮像素子37に入射するものである。
【0016】
オンチップマイクロレンズ35はマイクロレンズが規則的に並んだ構造を持っているため、オンチップマイクロレンズ35の表面で反射した光は、反射と同時に回折も起こし、回折パターンを呈する。
【0017】
このゴーストは、先に述べたIRカットコート38と撮影レンズ31のレンズ面とでの相互反射による赤い色を帯びたゴーストと同じ理由で赤く色付く。従って、このオンチップマイクロレンズ35とIRカットコート38が関与するゴーストは、赤色を帯びた回折パターン模様を有するものとして光源の回りに発生し、銀塩写真では見られない赤い違和感のあるゴーストになる。
【0018】
なお、IRカットフィルタには上記のような反射タイプのもののほか、吸収タイプのものもあり、吸収タイプのものを用いれば、このようなゴーストの発生をなくすることは可能である。
【0019】
但し、一般に吸収タイプのIRカットフィルタは反射タイプのものに比べて光軸方向厚さが厚く、撮像装置の小型化を図る上で好ましくないという問題がある。
【0020】
そこで、本発明は、反射型の赤外カットフィルタを用いながらも上記のようなゴーストの発生を低減させ、逆光時等の撮影においても高い品位の撮影画像が得られるようにした撮像光学系を提供することを目的としている。
【0021】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本願第1の発明では、多層膜からなる赤外カットフィルタと、波長による選択的な透過性を有するカラーフィルタと、赤外カットフィルタとカラーフィルタとを順に通過した光が入射する撮像素子とを有する撮像光学系において、カラーフィルタを580nmから650nmの波長域において透過率のピークを有するものとし、赤外カットフィルタにおける600nm以上の波長域での透過率が波長増加方向にて初めてピーク値の50%となる波長の近傍域において、赤外カットフィルタの透過率よりもカラーフィルタの透過率が低くなるようにしている。
【0022】
また、本願第2の発明では、多層膜からなる赤外カットフィルタと、波長による選択的な透過性を有するカラーフィルタと、赤外カットフィルタとカラーフィルタとを順に通過した光が入射する撮像素子とを有する撮像光学系において、カラーフィルタを580nmから650nmの波長域において透過率のピークを有するものとし、赤外カットフィルタにおける600nm以上の波長域での透過率が波長増加方向にて初めてピーク値の50%となる波長をλD50とし、カラーフィルタにおける600nm以上の波長域での透過率が波長増加方向にて初めてピーク値の25%より低くなる波長をλR25としたときに、カラーフィルタおよび赤外カットフィルタのそれぞれの分光特性が、
λR25<λD50 …(1)
を満足するようにしている。
【0023】
これら第1および第2の発明により、赤外カットフィルタ面での撮影光の反射によるゴースト(例えば、赤外カットフィルタ面と撮影レンズのレンズ面での相互反射によるゴーストや赤外カットフィルタ面と撮像素子上のマイクロレンズ表面との相互反射によるゴースト)をカラーフィルタで低減させることが可能である。
【0024】
特に、上記(1)式を満たすように分光特性を設定することにより、上記ゴーストを十分に目立ちにくいレベルにまで低減させることが可能となる。つまり、λR25 がλD50 よりも大きくなると、上記ゴーストを低減させることはできるが、ゴーストが目立ち易くなる可能性がある。
【0025】
なお、赤外カットフィルタにおける600nm以上の波長域での透過率が波長増加方向にて初めてピーク値の50%となる波長λD50が、
650nm<λD50<780nm …(2)
を満足するようにするとよい。
【0026】
波長λD50 が式(2)の下限値を超えて短波長側になると、赤色の光量が少なくなり、色再現性に問題を生ずるようになる。一方、上限値を超えて長波長側になると、カラーフィルタの透過率が再び増加する領域になるため、赤外光によるかぶりを生ずるようになる。
【0027】
【発明の実施の形態】
(第1実施形態)
図1には、本発明の第1実施形態である撮像光学系の構成を示している。これらの図において、1は撮影レンズであり、2は光学ローパスフィルタである。光学ローパスフィルタ2の撮影レンズ側の表面には、多層膜からなるIR(赤外)カットコート21が形成されており、この光学ローパスフィルタ2はIRカットフィルタを兼ねている。
【0028】
なお、IRカットコート21はいわゆる反射タイプのIRカットフィルタであり、一般に厚い吸収タイプのIRカットフィルタを用いる場合に比べて、IRカットフィルタの配置スペースを小さくすることができ、本実施形態の撮像光学系ひいてはこれを搭載する撮像装置の小型化を図ることができる。
【0029】
7はCCD、CMOS等の撮像素子であり、この撮像素子7における撮影レンズ側には、撮影レンズ側から撮像素子側に向かって順に、オンチップマイクロレンズ5とカラーフィルタ6とが配置されている。なお、これら撮像素子7、オンチップマイクロレンズ5およびカラーフィルタ6はパッケージ3およびセンサカバーガラス4によって密閉されている。
【0030】
このように構成される撮像光学系において、撮影レンズ1に入射した撮影光100は撮影レンズ1で集光作用を受け、オンチップマイクロレンズ5によって撮像素子7の個々の受光部(画素)に向けてさらに集光される。そして、カラーフィルタ6で個々の受光部に対する色光に分光されて撮像素子7の各受光部に効率良く入射する。
【0031】
カラーフィルタ6は、図5にて説明したものと同じものであり、撮像素子7の各々の受光部に、波長に応じて選択的に光を透過する物質が設けられて構成されており、赤透過フィルタ(R)61、緑透過フィルタ(G)62および青透過フィルタ(B)63がある。このため、各々の受光部には、原色フィルタではRGBに分光された色光となって入射する。
【0032】
図2には、本実施形態のIRカットコート21とカラーフィルタ6の分光特性を示している。26はIRカットコート21、68は赤透過フィルタ61、66は緑透過フィルタ62、65は青透過フィルタ63の分光特性である。
【0033】
図2に示すように、本実施形態では、IRカットコート21の分光特性を、600nm以上の波長域での透過率が初めてピーク値の50%となる波長、すなわち半値を持つ波長λD50 を675nmにするよう設定されている。
【0034】
また、カラーフィルタ6のうち原色の赤色に対する透過領域である赤色透過フィルタ61における600nm以上の波長域での透過率が初めてピーク値の25%となる波長λR25 を670nmに設定している。
【0035】
すなわち、
λR25 <λD50 …(1)
を満たしている。
【0036】
つまり、波長λD50 の近傍波長域(例えば、630nmから750nmの範囲)での赤色透過フィルタ61の透過率がIRカットコート21の透過率よりも低くなっている。
【0037】
本実施形態によれば、半値を持つ波長λD50 (=675nm)におけるIRカットコート21と撮影レンズ1のレンズ面での相互反射による赤い色を帯びたゴースト光の強度は入射光の25%であるが、赤色透過フィルタ61の透過率がほぼ25%なので、撮像素子7で受光されるゴースト光の強度は入射光の6%と実質的には目立たない強度になる。図8には、点線105′により本実施形態におけるゴースト光の強度分布を示している。
【0038】
また、本実施形態では、きわめて薄いIRカットコート21を用いているため、例えば厚みを持った平行平板で発生する球面収差、非点収差、色収差を少なくすることができ、高画質を保つことができる。特に、銀塩用の一眼レフレックスカメラと交換レンズを共用するデジタル一眼レフレックスカメラではこの効果が大きい。
【0039】
しかも、IRカットコート21を光学ローパスフィルタ2の表面に形成しているので、IRカットフィルタを設けるために部材数が増加することがなく、コストアップが極めて少なく、安価な撮像光学系および撮像装置を実現することができる。
【0040】
また、カラーフィルタ6を反射タイプと吸収タイプとで比べた場合、カラーフィルタ6がコーティングタイプの透過反射タイプであると、カラーフィルタ6への光の入射角度によって反射光の分光特性が変化するため、結果的にゴーストが生じてしまうという可能性がある。従って、カラーフィルタ6は波長による選択的な透過吸収性を有するものがより好ましい。以下の実施形態でも同様である。
【0041】
(第2実施形態)
本発明の第2実施形態として、λR25 に対してλD50 を第1実施形態のものよりもさらに長波長側に寄せ、IRカットコート21における600nm以上の波長域での透過率が初めてピーク値の50%となる波長、すなわち半値を持つ波長λD50 を700nmに、カラーフィルタ6のうち原色の赤色に対する透過領域である赤色透過フィルタ61における600nm以上の波長域での透過率が初めてピーク値の25%となる波長λR25 を670nmに設定してもよい。
【0042】
この場合も、
λR25 <λD50 …(1)
を満たし、波長λD50 の近傍波長域での赤色透過フィルタ61の透過率がIRカットコート21の透過率よりも低くなっている。
【0043】
本実施形態でも、IRカットコート21と撮影レンズ1のレンズ面での相互反射による赤い色を帯びたゴースト光の強度は入射光の25%であるが、赤色透過フィルタ61の透過率がほぼ5%なので、撮像素子7で受光されるゴースト光の強度は入射光の1%となり、上記第1実施形態の場合よりもさらにゴーストが目立たなくなる。
【0044】
(第3実施形態)
上記第1および第2実施形態において、IRカットコート21を構成する多層膜は、所望の分光特性を得ようとすると30層〜40層という膨大な膜構成になるが、これを2つの面(光学ローパスフィルタ2の両面)に分離すれば、それぞれの膜の層数を15〜20層程度に減らすことができる。本実施形態によれば、膜の総数自体に変化はないが、片面は20層程度と薄くできるので、片面が40層の場合に比べて膜同士の密着性がよくなる。
【0045】
本発明は、このような構成のIRカットコートに対しても適用することができる。
【0046】
(第4実施形態)
上記第1および第2実施形態では、IRカットコート21を撮像素子7の近傍に配置された光学ローパスフィルタ2の撮影レンズ側の表面に形成した場合について説明したが、IRカットフィルタの位置は、これに限らず、撮像素子7の近傍或いは交換レンズ式カメラのマウント部近傍に別途設けられた透明な平行平板の表面や、センサカバーガラス4の表面であってもよい。
【0047】
(第5実施形態)
上記第1および第2実施形態では、カラーフィルタ6が原色フィルタの場合について説明したが、補色フィルタとしてもよい。
【0048】
この場合、CMYのカラーフィルタのうち、580nm<λ<650nmの波長域において透過率のピーク値を有しているカラーフィルタは、MおよびYのカラーフィルタである。
【0049】
したがって、MおよびYのカラーフィルタおよびIRカットコートの分光特性を上記(1)式や(2)式の条件を満たすように定めればよい。
【0050】
(第6実施形態)
上記第1および第2実施形態においては、反射タイプのIRカットフィルタのみを用いた場合について説明したが、吸収タイプのIRカットフィルタを補助的に使用してもよい。これにより、さらにゴースト低減効果が改善される。
【0051】
この場合、吸収タイプのIRカットフィルタの厚さを標準的な厚さより薄くしてもよい。
【0052】
【発明の効果】
以上説明したように、本願第1および第2の発明によれば、赤外カットフィルタ面での撮影光の反射に起因するゴーストをカラーフィルタで低減させることができる。したがって、逆光撮影時や画面内に光源があるような場合でも、高品位な撮影画像を得ることができる。
【0053】
特に、上記(1)式を満たすように分光特性を設定することにより、上記ゴーストを十分に目立ちにくいレベルにまで低減させることができる。
【0054】
なお、赤外カットフィルタにおける600nm以上の波長域での透過率が波長増加方向にて初めて50%となる波長λD50 が上記(2)式を満足するようにすれば、色再現性に問題が生じたり、赤外光によるかぶりを生じたりすることを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施形態である撮像光学系の構成図である。
【図2】上記撮像光学系におけるIRカットコートとカラーフィルタの分光特性を示す図である。
【図3】従来の撮像光学系の構成およびゴーストの発生を説明する図である。
【図4】従来の撮像光学系の構成およびゴーストの発生を説明する図である。
【図5】従来の撮像光学系に用いられるカラーフィルタを示す図である。
【図6】従来の撮像光学系におけるカラーフィルタの分光特性を示す図である。
【図7】従来の撮像光学系におけるIRカットコートの分光特性を示す図である。
【図8】従来および上記実施形態の撮像光学系におけるゴーストの光強度の分布を示す図である。
【符号の説明】
1 撮影レンズ
2 光学ローパスフィルタ(兼IRカットフィルタ)
21 IRカットコート
3 パッケージ
4 センサカバーガラス
5 オンチップマイクロレンズ
6 カラーフィルタ
61 赤透過フィルタ
62 緑透過フィルタ
63 青透過フィルタ
7 撮像素子
100 撮影光
101,102 ゴースト光
Claims (6)
- 多層膜からなる赤外カットフィルタと、波長による選択的な透過性を有するカラーフィルタと、前記赤外カットフィルタと前記カラーフィルタとを順に通過した光が入射する撮像素子とを有する撮像光学系であって、
前記カラーフィルタが、580nmから650nmの波長域において透過率のピークを有しており、
前記赤外カットフィルタにおける600nm以上の波長域での透過率が波長増加方向にて初めてピーク値の50%となる波長の近傍域において、この赤外カットフィルタの透過率よりも前記カラーフィルタの透過率が低いことを特徴とする撮像光学系。 - 前記近傍域が、少なくとも630nmから750nmの範囲を含むことを特徴とする請求項1に記載の撮像光学系。
- 多層膜からなる赤外カットフィルタと、波長による選択的な透過性を有するカラーフィルタと、前記赤外カットフィルタと前記カラーフィルタとを順に通過した光が入射する撮像素子とを有する撮像光学系であって、
前記カラーフィルタが、580nmから650nmの波長域において透過率のピークを有しており、
前記赤外カットフィルタにおける600nm以上の波長域での透過率が波長増加方向にて初めてピーク値の50%となる波長をλD50とし、前記カラーフィルタにおける600nm以上の波長域での透過率が波長増加方向にて初めてピーク値の25%より低くなる波長をλR25としたとき、
前記カラーフィルタおよび前記赤外カットフィルタのそれぞれの分光特性が、
λR25<λD50
を満足することを特徴とする撮像光学系。 - 前記カラーフィルタは、原色フィルタであることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の撮像光学系。
- 前記赤外カットフィルタにおける600nm以上の波長域での透過率が波長増加方向にて初めてピーク値の50%となる波長λD50が、
650nm<λD50<780nm
を満足することを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の撮像光学系。 - 請求項1から5のいずれかに記載の撮像光学系を有することを特徴とする撮像装置。
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