JP4336409B2 - 光束分割プリズム系、あるいは撮像装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、対物レンズからの光を複数の光束に分割する光束分割プリズム、あるいはこの光束分割プリズムを用いた撮像装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
まず、対物レンズから射出した光束を複数の色成分に分解する色分解光学系について説明する。ここでは、例えば、３つのプリズムよりなり、青・緑・赤の光束に分解するテレビカメラ用の色分解プリズムを例に取る。図６は、この従来の色分解プリズム系と対物レンズで構成される撮影装置の主要断面図を示している。
【０００３】
テレビカメラは、交換可能な対物レンズＬｅからの光を色分解するプリズム１００１と複数の固体撮像素子を有している。プリズム１００１で色分解された光束は、各固体撮像素子１０１１Ｂ、１０１１Ｇ、１０１１Ｒに至り、各固体撮像素子は各色光で形成される像を撮像し、電気信号に変換している。
【０００４】
プリズム１００１の第１プリズムは、入射面１００２より入射した対物レンズＬｅからの光を面１００３に施した青反射用のダイクロイック膜にて、青色光のみを反射させ、残りを透過させる。反射した青色光は、面１００２にて全反射され、面１００４を射出して青色用の固体撮像素子１０１１Ｂに向かう。
【０００５】
第２プリズムの面１００７に施した赤反射用のダイクロイック膜は、面１００３を透過し、空気間隙１００５を透過した光のうち、赤色光のみを反射し、残った緑色光を透過させる。反射した赤色光は、空気間隙１００５と接する第２プリズムの入射面１００６面にて全反射し、面１００８を射出して赤色用の固体撮像素子１０１１Ｒに向かう。
【０００６】
面１００７を透過した緑色光は、面１０１０を射出し、緑色用の固体撮像素子１０１１Ｇ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。
【０００７】
図７は、対物レンズからプリズム１００１の第１および第２のプリズムを通って赤の撮像素子の有効部に至る光束を描いた光路図である。この光束のうちＤと付記した光線は、この紙面に於ける撮像面の最も低い位置を通る軸外光束の周辺光線を示す。第２プリズムでこの光線Ｄを全反射させる必要があるが、この光線Ｄを入射面１００６で全反射させるためには、
θ２＞（θ１＋δ＋θｍａｘ）／２ ・・・（１）
という式を満足させることが必要となる。
ただし、
θ１：第１プリズムの頂角
θ２：第２プリズムの頂角
δ＝sin^-1（１／ｎ）
ｎ：プリズムの屈折率
θｍａｘ＝sin^-1｛１／（２・ｎ・Ｆｎｏ）｝
Ｆｎｏ：対物レンズのＦナンバーである。
【０００８】
特開平７−２８１０１２号公報では、色分解プリズムの小型化を図るために、式（１）の下限近傍
−０.５°＜θ２−｛（θ１＋δ＋θｍａｘ）／２｝＜５.５°
の範囲とする必要があることを開示している。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
従来、撮像素子として撮像管が使われていた頃は、撮像管が焼け付く問題があり、太陽等の強い光源を直接撮像するようなことは滅多になかった。撮影する場合であってもＮＤフィルター等の減光用の光学部材を使用して意図的に撮影するのが一般的である。
【００１０】
ところで近年、撮像管に代わってＣＣＤを代表とした固体撮像素子が主流を占めつつある。こうした固体撮像素子では、この焼き付けの問題が無く、スミアやブルーミングも改善されてきたため、太陽等の強力な光源を直接撮像することが可能となった。
【００１１】
しかしながら、ＣＣＤを適用したことにより新たな問題が生じた。これはＣＣＤ等の固体撮像素子自体の構成が起因した問題である。ＣＣＤの表面は、金属コーティングが施されており、その反射率は比較的高い。この為、より強い光源を直接撮像することで、ＣＣＤ面上で強い反射が起こる。また、撮像面は画素が規則正しく配列されているために、回折をも伴っている。この点について、図８を基にして説明する。
【００１２】
この反射による影響は、図８（Ａ）の様な第２プリズム内の光路を通って、固体撮像素子１０１１Ｒに再入射することでゴーストとなって生じることが分かった。
【００１３】
図８（Ｂ）は、一つのゴースト光路を示し、第２プリズムをこのゴースト光路に沿って展開した図を示している。特に、反射面１００７に垂直に入射し反射する光線を描いているが、この図から、ＣＣＤにて反射した光の内、第２プリズムに入射した直後の面１００６に角度αで入射した光線のこの入射角度と、面１００７にて反射した後、再度面１００６に入射する角度βは、互いに同じでθ２であることが分かる。
【００１４】
従来は、撮像管の焼き付きの問題からこのようなゴーストの問題がなかったため、θ２の取りうる範囲は、色分解プリズムの小型化のみを考えるだけで良かった。即ちθ２を、なるべく光が全反射するに足るだけの小さな角度で設定していれば良かった。例えば、特開平７−２８１０１２号公報においても、−０.５°＜θ２−｛（θ１＋δ＋θｍａｘ）／２｝と色分解プリズムの小型化のために、全反射条件を満足しないながらも、全反射しない光が影響の少ない範囲で、第２プリズムの頂角（θ２）を設定してプリズムの小型化を優先させている。
【００１５】
ここで、θ２がδよりわずかに小さい場合を想定してみると、図８（Ｂ）を見ると、点Ｐ１、点Ｐ２において、全反射が起こらないことになる。そのため、点Ｐ１、点Ｐ２では、空気間隙１００５を挟んだ２面１００３と１００６で干渉が起こる。
【００１６】
図９（Ａ）と（Ｂ）は、面１００７面に入射する光線の角度が垂直よりわずかにずれたゴースト光路を示した図である。図９（Ａ）は紙面内で、上向きに向かう光線を示し、図９（Ｂ）は下向きに向かう光線のゴースト光路を示した図である。
【００１７】
点Ｐ３、点Ｐ６においては、入射角度が大きくなるため、全反射がより起こりやすくなる傾向にあり問題はないが、点Ｐ４、点Ｐ５においては、逆に入射角度が小さくなるため、全反射条件を満足せず、ここで干渉縞が生じる原因となっていた。この干渉を伴ったゴーストは、被写体が低輝度の時にはそれ程目立つことはないが、被写体が高輝度の時には、モニター画面上で図１０の様に観察されることになる。つまり、干渉縞は画面（撮像素子）上で上下の対干渉縞が生じ、またこの対の干渉縞が互いに重ねって観察されて、非常に画質を損なうものであった。更に、このゴースト光の干渉は、色分解プリズムのようにゴーストが出る色光の波長域が狭くなればなるほど、より顕著に観測されることになる。
【００１８】
本発明は、こうした問題点を解決し、良好な撮影画像が得られる光束分割プリズム光学系、あるいはこの光束分割プリズムを備える撮像装置の提供を目的とする。又光の干渉縞、特に第２プリズムが起因する干渉を伴ったゴーストを軽減した、光束分割プリズム光学系、あるいはこの光束分割プリズムを備える撮像装置の提供を目的とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本発明にかかる色分解プリズムは、入射光束を複数の光束に分割し、該複数の光束をそれぞれの光路に配置された固体撮像素子へ導く色分解プリズムであって、
第１の光束を反射し第２の光束を透過する第１反射面を備え、前記第１の光束を第１の固体撮像素子へ導く第１プリズムと、
前記第１反射面に対して空隙を挟んで配置されており、前記空隙から入射した前記第２の光束を反射する第２反射面を備、前記第２反射面で反射し前記空隙に接する面で反射した前記第２の光束を前記第１の固体撮像素子とは異なる第２の固体撮像素子へ導く第２プリズムと、を有し、
以下の条件を満たすことを特徴とする。
δ＋ｔａｎ^−１（ｈ／６Ｌ）≦θ２≦δ＋ｔａｎ^−１（ｈ／３Ｌ）
δ＝ｓｉｎ^−１（１／ｎ）
ただし、ｎは前記第２プリズムの屈折率。ｈは前記第２の光束の光路に配置される固体撮像素子の、前記第２プリズムの入射光軸と反射光軸を含む面内での有効撮像寸法。Ｌは、前記固体撮像素子の有効撮像範囲中央点から前記第２のプリズムの反射面までの距離。θ２は前記第２プリズムの頂角。
【００２７】
ところで、前述のθ2が下限値を越えると、前述の干渉縞ゴーストによる画質の劣化を防止する効果を得難く、本発明の目的を達成できない。また、θ２が上限を越えると、干渉縞ゴーストを防止する効果以上に、プリズム強いては撮像装置全体の大型化を免れなくなって、好ましくない。
【００２８】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明に関する色分解プリズムの光学系を示す、その断面図である。
【００２９】
不図示のカメラ本体に対して着脱可能な対物レンズＬｅは、被写体像を形成して、この被写体像を青色用、緑色用、赤色用の各固体撮像素子１１Ｂ、１１Ｇ、１１Ｒに投影する機能を有する。
【００３０】
色分解プリズム１は、対物レンズＬｅと固体撮像素子１１Ｂ、１１Ｇ、１１Ｒの間に位置し、対物レンズからの光を青、緑、赤の各色光に分解し、その各々を固体撮像素子１１Ｂ、１１Ｇ、１１Ｒに導く働きをする。尚、色分解プリズム１と各固体撮像素子は、カメラ本体内に固定されている。また各プリズムの屈折率は全て同じである。
【００３１】
プリズム１は、光束の進行方向へ順に、第１のプリズム（青色分解用のプリズム）と、空気間隙を介して隣接する第２のプリズム（赤色分解用のプリズム）と、この第２のプリズムと接合された第３のプリズム（緑色光を導光するプリズム）の３つのプリズムブロックより構成されている。第１のプリズムは、空気間隙と接する面３に青色光のみを反射し、残りの光を透過するように誘電体多層膜で構成された青反射ダイクロイック膜（青色用の反射面）３を有し、第２のプリズムは、第３のプリズムと接合される面に赤色光のみを反射し、残りの緑色光を透過する様に誘電体多層膜で構成された赤反射ダイクロイック膜（赤色用の反射面）７を有している。
【００３２】
プリズム１は、対物レンズからの光を第１のプリズムの入射面２より取り込み、第１のプリズムの青反射ダイクロイック面３にて青色成分の反射光とその他の透過光に分離する。反射された青色光は、入射面２にて全反射して面４を射出し、青色成分のための固体撮像素子１１Ｂに導かれる。
【００３３】
面３にて透過により分離された光（赤色成分と緑色成分）の内、赤色成分の光は赤反射ダイクロイック面７よって反射される一方、緑色成分の光は透過する。反射された赤色光は、空気間隙５と接する第２のプリズムの入射面６（反射面）にて全反射され、射出面８を射出して赤色成分のための固体撮像素子１１Ｒに導かれる。二つのダイクロイック膜を最後まで透過した緑色成分の光は、面１０より射出し、緑色成分のための固体撮像素子１１Ｇに導かれる。
【００３４】
図２は、１度固体撮像素子１１Ｒに至った赤色成分の光が、固体撮像素子の撮像面にて反射され、再度第２プリズムに逆行するとともに、赤色反射ダイクロイック面７で反射され、固体撮像素子１１Ｒに再入射するゴースト光の光路を展開した断面図である。尚、第２プリズムの頂角は、反射面７と全反射面６とが形成する角度である。
【００３５】
図中ｈは固体撮像素子の断面図内有効撮像寸法であり、第２プリズムの入射光軸と射出光軸とを含む面内での固体撮像素子の有効寸法を示す。Ｌは、固体撮像素子の有効部中央点Ｃｅと面７との距離である。図２における実施例では、第２プリズムの頂角θ２は、θ２＝δ＋ｔａｎ−１（ｈ／６Ｌ）という関係を設定している。ただし、δ＝ｓｉｎ−１（１／ｎ）で、ｎはプリズムの屈折率である。
【００３６】
この条件は、図２に示すように、固体撮像素子で反射された光線のうち、反射面６に入射角度βｒがδに等しい角度で入射する光線（ゴースト光）が、固体撮像素子の中央点Ｃｅよりｈ／３離れた位置に到達することを意味している。そして、Ｃｅよりｈ／３以内に到達する光線は、βｒ＞δの条件を満足するため、常に全反射となり、ゴースト光による干渉縞を起こさない。
【００３７】
一方、固体撮像素子の中央点Ｃｅよりｈ／３以遠に到達する光線は、βｒ＜δの条件を満たしてしまうために、光の干渉を生じさせることになる。
【００３８】
そして、βｒをαｒに置き換えれば、面７に垂直に入射する光線Ｍと線対称に同様な現象を引起こし同様に干渉縞を引起こすことになる。
【００３９】
この実施例のプリズムにて高輝度被写体像を撮影したときのモニター画面を、図３に示す。図１０と比較すると高輝度被写体像の周りの干渉縞が見えなくなり、すっきりすることが分かる。干渉縞ゴーストは、モニターの上（または、下）よりモニター高さの１／６の範囲しか観察されず、画質の低下を抑制できる。この様に、本実施例によれば、固体撮像素子の反射光が起因する色分解プリズム系の、ゴースト光による干渉縞を相当改善させることが可能となる。
【００４０】
この第２プリズムの頂角θ２が下限を越えると、干渉縞が画面中央に入り込み、従来のように画質の劣化を招くことになり、望ましくない。このように、本実施例では画面の上下の対に発生する干渉縞を画面中央部で重ならないように、第２プリズムと第２プリズムの屈折率を設定して良質な画像を得るようにしている。そして、原理的には、第２プリズムの頂角θ２を先の条件式の下限以上に設定すれば、従来のように干渉縞が重なることはなくなることになる。
【００４１】
次に、より本発明の効果を高めた実施例を図４で説明する。
【００４２】
図４における実施例では、第２プリズムの頂角θ２を、
θ２＝δ＋tan-1（ｈ／４Ｌ）
と設定した時のモニター画面の様子を示した図である。
【００４３】
図４は、先の実施例と同様に高輝度被写体が、モニタ画面中央にあるときの様子を示しているが、この実施例においては、完全に干渉縞ゴーストをなくすことが可能となる。この条件は、先の実施例おいて生じていた干渉縞ゴーストの位置を画面外に移動させるように設定したことを意味している。
【００４４】
この様に、図４はモニタ画面中央に高輝度被写体が存在している場合には、この様にモニター上には干渉縞は生じることはない。しかしながら、仮に高輝度被写体がモニター中央でなく、例えば、図５の様に周辺にある場合には、モニター画面外に存在し観察されなかった干渉縞が次第に観察されるようになる。干渉縞は第２プリズムの頂角だけでなく、高輝度被写体の位置にも依存しているわけである。
【００４５】
図５は、高輝度被写体が画面中央でなく周辺位置（画面高さの７割位置）に存在している場合にも、この高輝度被写体による干渉縞をなくした例を示している。
この条件としては、第２プリズムの頂角θ２を、
θ２＝δ＋tan-1（ｈ／３Ｌ）
設定することで達成できる。
【００４６】
この様に設定することで、高輝度被写体を画面中央でなく、上下（図では上）に振っても干渉縞ゴーストは発生することがない。この様に、この実施例では、高輝度被写体像が画面中央部分、画面高さの７割の範囲で干渉縞ゴーストを抑制でき、画質の損失を著しく減少させることが出来る。
【００４７】
ところで、第２プリズムの頂角θ２が大きいほど、画質の劣化の防止効果がより大きくなるが、先に示した条件式の範囲の上限をθ２が越えると、プリズム、強いてはカメラの大型化を免れなくなるので好ましくない。従って、第２プリズムの頂角の角度θは、δ＋tan^-1（ｈ／６Ｌ）を下限とすることが最低条件で、プリズムの小型化を図るには、δ＋tan-1（ｈ／３Ｌ）を上限、即ち、δ＋tan^-1（ｈ／６Ｌ）≦θ２≦δ＋tan-1（ｈ／３Ｌ）の範囲内で設定することが望ましい。
【００４８】
さて、以上の実施例の説明において、プリズム系として色分解プリズム、特に３つのプリズムを有する三色色分解プリズムを例に挙げて説明した。しかしながら、本発明は前述した通り、少なくとも第１プリズムと空隙を隔てた第２プリズムとが起因したゴースト光の干渉縞の発生を軽減することを課題とするもので、色分解プリズムだけに適用されるものではない。
【００４９】
例えば、第１プリズムをハーフミラーとして、第２プリズムの反射面をダイクロイックミラーでなく、アルミニウム等の普通に使用されるミラー面として、この二つのプリズムから射出される位置で、互いに画素ピッチをずらした固体撮像素子を配置して高精細画像を得る装置にも適用できることは言うまでもない。従って、本発明は、色分解プリズムに限定されることなく、ハーフミラー等の光束分割プリズムであれば良いことになる。
【００５０】
【発明の効果】
本発明によれば、画質を著しく低下させる干渉縞ゴーストを効果的に抑制する効果が得られる。特に、第２プリズムの反射面が波長選択性の光学薄膜である光束分割プリズムを有した撮像装置に有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に関する色分解プリズム光学系の断面図。
【図２】本発明に関し、CCDから反射された光が第２プリズムを通る様子を示した、第２プリズムの光路展開図。
【図３】本発明の色分解プリズムによる、モニター画面上での干渉縞の様子を示す図。
【図４】本発明の色分解プリズムによる、モニター画面上での干渉縞の様子を示す図。
【図５】本発明の色分解プリズムによる、モニター画面上での干渉縞の様子を示す図。
【図６】従来の色分解プリズムを説明するための色分解プリズム系の光学的断面図。
【図７】従来の色分解プリズムを説明するための色分解プリズム系の光学的断面図。
【図８】従来の色分解プリズムによる撮像素子からの反射光の様子を示す図。
【図９】従来の色分解プリズムによる撮像素子からの反射光の様子を示す図。
【図１０】従来の色分解プリズムが起因する干渉縞を様子を示す図。
【符号の説明】
１ 色分解プリズム系
２ 第１プリズム
３ 青色分解のためのダイクロイックミラー
４ 赤色用の光射出面
５ 空気間隙
６ 反射面
７ 赤色分解のためのダイクロイックミラー
８ 赤色用の光射出面
９ 緑色用の光射出面
１０ 固体撮像素子
θ１ 第１プリズムの頂角
θ２ 第２プリズムの頂角

Claims (5)

1. 入射光束を複数の光束に分割し、該複数の光束をそれぞれの光路に配置された固体撮像素子へ導く色分解プリズムであって、
   第１の光束を反射し第２の光束を透過する第１反射面を備え、前記第１の光束を第１の固体撮像素子へ導く第１プリズムと、
   前記第１反射面に対して空隙を挟んで配置されており、前記空隙から入射した前記第２の光束を反射する第２反射面を備え、前記第２反射面で反射し前記空隙に接する面で反射した前記第２の光束を前記第１の固体撮像素子とは異なる第２の固体撮像素子へ導く第２プリズムと、を有し、
   以下の条件を満たすことを特徴とする色分解プリズム。
   δ＋ｔａｎ^−１（ｈ／６Ｌ）≦θ２≦δ＋ｔａｎ^−１（ｈ／３Ｌ）
   δ＝ｓｉｎ^−１（１／ｎ）
   ただし、ｎは前記第２プリズムの屈折率。ｈは前記第２の光束の光路に配置される固体撮像素子の、前記第２プリズムの入射光軸と反射光軸を含む面内での有効撮像寸法。Ｌは、前記固体撮像素子の有効撮像範囲中央点から前記第２のプリズムの反射面までの距離。θ２は前記第２プリズムの頂角。
2. 前記第２反射面は赤反射ダイクロイック膜を有することを特徴とする請求項１に記載の色分解プリズム。
3. 前記第１反射面は青反射ダイクロイック膜を有することを特徴とする請求項１または２に記載の色分解プリズム。
4. 前記第２反射面は第３の光束を透過し、
   前記第２反射面に接して配置されており、前記第２反射面を透過した前記第３の光束を前記固体撮像素子へ導く第３プリズムを有することを特徴とする請求項１乃至３に記載の色分解プリズム。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の色分解プリズムを有することを特徴とする撮像装置。

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