JP4378004B2

JP4378004B2 - 色分解光学系及びそれを用いたテレビカメラ

Info

Publication number: JP4378004B2
Application number: JP34359199A
Authority: JP
Inventors: 隆司大室
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1999-12-02
Filing date: 1999-12-02
Publication date: 2009-12-02
Anticipated expiration: 2019-12-02
Also published as: JP2001159705A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、従来の走査線数である６２５本（ＰＡＬ方式）を超える高解像度の放送用テレビカメラに用いる色分解光学系およびそれを用いたテレビカメラに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、カラーテレビカメラ等の撮像装置では、対物レンズからの光を色分解プリズムで青色、緑色、赤色の３つの色光に色分解した後、各々の色光に基づく被写体像を、対応する固体撮像素子面上に結像している。
【０００３】
図４は、この様な従来のカラーテレビカメラの要部断面図である。同図において、Ｃａはカメラの筐体、Ｌｅは対物レンズである。対物レンズＬｅは、カメラの筐体Ｃａと接続するためのマウント部ＭＴを有して交換可能であり、フランジ面Ｆを合わせて、カメラ筐体Ｃａと接続されている。対物レンズＬｅは、不図示の被写体からの光束を集光し、色分解プリズムへと導光している。
【０００４】
色分解プリズム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からの光を透過面１００３に施した青反射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、入射面１００２にて全反射し、出射面１００４を射出して固体撮像素子１０１１Ｂに向かう。
【０００５】
第１プリズムの透過面１００３を透過した光は、空気間隙１００５を通って第２プリズムの入射面１００６より入射する。第２プリズムの透過面１００７に施した赤反射ダイクロイック膜は、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、出射面１００８を射出して固体撮像素子１０１１Ｒに向かう。
【０００６】
第２プリズムの透過面１００７を透過した緑色光は、出射面１０１０を射出し、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】
プリズム系の形状は、特開昭６０−４２７０１号公報等に記載されるように、使用するプリズムのガラス（硝子）材の屈折率ｎおよびＦｎｏ等の仕様により決定される。つまり、図４のように、第１プリズムの光入射面（１００２）と、透過面のダイクロイック膜面（１００３）との成す角をθ１、第２プリズムの光入射面（１００６）と、透過面のダイクロイック膜面（１００７）との成す角をθ２とすると、以下の条件式を満足しなければならない。
【０００８】
θ1 ≦Sin^-1(1/n)-Sin^-1｛1/(2n・Fno)｝ … (1)
2・θ1 ≧Sin^-1(1/n)+Sin^-1｛1/(2n・Fno)｝ … (2)
2・θ2 ≧θ1+Sin^-1(1/n)+Sin^-1｛1/(2n・Fno)｝ … (3)
ただし、条件式（１）は、ダイクロイック面１００３で透過すべき波長領域光が全反射しないこと、条件式（２）は、ダイクロイック面１００３で反射された波長領域光が入射面１００２で全反射すること、条件式（３）は、ダイクロイック面１００７で反射された波長領域光が入射面１００６で全反射すること、のためにそれぞれ必要である。
【０００９】
ここで、角θ１に注目すると、角θ１が存在できる範囲は、条件式（１），（２）より硝子材の屈折率とＦｎｏから決定される。
【００１０】
図５のグラフは、この事柄を示しており、硝子材の屈折率ｎをパラメータにして、Ｆｎｏと角θ１との関係を示している。例えば、ｎ＝１．５のグラフのＡが条件（１）のグラフであり、Ｂのグラフが条件（２）のグラフである。このグラフより、式（１），（２）を同時に満足する角θ１の範囲は硝子材の屈折率ｎに関わらず、ＦｎｏがほぼＦ１．４より大きな範囲に限られることが分かる。即ち３個のプリズム系によって構成された色分解光学系では、Ｆ１．４付近が限界である。また、プリズムの硝子材の屈折率ｎ＝１．７の場合には、Ａの条件（１）とＢの条件（２）との交点は屈折率がｎ＝１．５の場合よりも大きく、ＦｎｏがＦ１．４より僅かに大きい点である。
【００１１】
図６のグラフ中Ｃは、対物レンズＬｅの径２／３″で、Ｆ１．４というほぼ限界のＦｎｏにて第１プリズムに必要な最小の光路長（Ｌｍｉｎ）を計算し、屈折率１．５５の時の光路長を０とする基準に、それからの変化量を表わしたグラフである。
【００１２】
条件としては、
Θ１は、式(1) の上限値と式(2) の下限値の中間値 … (4)
Ｆｎｏは１．４ … (5)
とすると
Θ１=［3×Sin^-1(1/n)-Sin^-1｛1/(2n・Fno)｝］/4
となり、これと、
第１プリズムの射出面には走査方向の撮像サイズｄ１は６．６ｍｍ …(6)
プリズムの射出面から結像面までの距離を５ｍｍ … (7)
とから、対物レンズＬｅや第１乃至第３プリズムの形状や寸法、材質等が決定される。
【００１３】
図８に示すように、撮像面より離れた位置（面）における有効光束長は、結像（撮像）面からの距離（空気換算長）とＳｉｎ^-1｛１／（２・Ｆｎｏ）｝の角度にて次式で表わせ、
(有効光束長)=d1+2× (撮像面からの距離) ×tan [Sin^-1｛1/(2・Fno)｝] … (8)
の関係となる。
【００１４】
これらの条件を使うと、
Lmin=(射出面の有効光束長)×sin (2×Θ1)｛ 2×cos( 2×Θ1)+1｝… (9)
とすることができる。屈折率ｎ＝１．５５の時のＬは、１８．３４７である。
【００１５】
グラフから本質的に屈折率が高くなるほど色分解プリズム自体は小型化できることがわかる。
【００１６】
放送分野に関する標準規格を作る任意団体の放送技術開発協議会（ＢＴＡ）の高解像度のＨＤシステムの規定（放送技術開発協議会技術資料ＢＴＡＳ−１００５−Ａ）においては、推奨の硝種として屈折率１．６１２としているため、ゴースト等を考慮したプリズムの光路長は、ほぼ３４．０ｍｍとなる。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
放送用のテレビカメラ（以下、テレビカメラと略す）は、交換式のレンズを採用している。レンズの互換性を維持するため、レンズをテレビカメラに取り付けるためのレンズ取り付け面（Ｆ）から結像面までの空気換算長（以下、ＦＢ）が一定であるという取り決めが行われている。面Ｆと結像面の間のガラスの種類（屈折率）が変わっても、いつも撮像素子上にベストピントがとれるための、取り決めである。
【００１８】
また、レンズと結像面の間のガラスの厚みが球面収差に影響するため、面Ｆと結像面の間のガラスの厚みも取り決められている。
【００１９】
しかしながら、面Ｆと結像面の実際の（物理的な）距離（以下、ＦＢｒ）は、プリズムの屈折率が変化することによって変化する。
【００２０】
図７のグラフは、図６のグラフＣを変化量としたものに、プリズムの屈折率が変化することによるＦＢｒ長の変化量のグラフＤを付け加えたものである。変化量は屈折率１．５５の時を０とし、そこからの伸び量として表した。
【００２１】
図７よりわかるように、プリズムの屈折率をあげることにより、プリズムの光路長は短くなるものの、ＦＢｒ長はより長くなるのである。
【００２２】
最近のテレビカメラは、大衆の高画像への要求により高解像度を撮影できるものが求められている。しかし、高解像度の撮像素子は、その動作周波数が高くなるため、熱の放出も現行の２倍から３倍と非常に多い。さらに、特に放送用のテレビカメラはまだまだ大きく、高解像度になっても大型化が許されない状況である。ところが、カメラ筐体の大きさを現行と同じとして、プリズムの高屈折率化によるプリズムだけの小型化を図った場合、ＦＢｒが伸びてしまい、カメラ筐体内に収まりきれず、カメラ筐体を大型化せざるをえない問題が生じる。
【００２３】
また、小型化の要望が強いハンドヘルドのテレビカメラにおいては、撮影時に十分な光量が与えられるとは限らないため、プリズムが通すことのできる光束は、より明るい光束を通さなければならず、Ｆｎｏを大きくできないという課題を持っている。
【００２４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の色分解光学系は、走査線数が６２５本を超えるテレビカメラ装置に内蔵され且つ対物レンズと固体撮像素子の間の光路中に配置され、前記対物レンズ側から順に配置された第１のプリズム、第２のプリズム、第３のプリズムの３つのプリズムより構成される色分解プリズムであって、前記色分解プリズムは、Ｆ１．４の前記対物レンズの光束を通すことができ、前記第１のプリズム及び前記第２のプリズムの夫々は、それぞれ入射面及び出射面及び透過面を備えており、前記第１のプリズム及び前記第２のプリズムは、空気層を介して配置されており、前記第１のプリズム及び前記第２のプリズム及び前記第３のプリズムの３つのプリズムの夫々の屈折率ｎｅは、
１．５５＜ｎｅ＜１．５７５
を満足し、且つ前記第１プリズムの前記入射面と前記透過面との頂角が２６．５度であり、前記第２プリズムの前記入射面と前記透過面との頂角が３９．７５度であることを特徴としている。
【００２５】
また、本発明は、交換レンズの互換性を保ち、走査線数が６２５本を超える高解像度のテレビカメラ装置に内蔵され、対物レンズと固体撮像素子の間に配置し、対物レンズ側から第１のプリズム、第２のプリズム、第３のプリズムの３つのプリズムより構成されて３色分解とし、前記第１と前記第２のプリズムはそれぞれ入射面と出射面と透過面の３面を備え空気層を介して配置され、ほぼＦ１．４のレンズの光束を通す能力を有するプリズムであって、前記３つのプリズムの屈折率ｎｅはそれぞれ１．６より小さいことを特徴とする色分解光学系が内蔵されたことを特徴とする。
【００２６】
前記光学系を使用することにより、プリズム自体の小型化を疎外するものの、テレビカメラシステム全体の大型化を防止しながら、テレビカメラを長時間安定に使用することが可能となる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
本発明による実施形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。
【００２８】
［第１の実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態による色分解光学系の要部断面図である。
【００２９】
図１において、Ｌｅは対物レンズ、ＭＴは対物レンズをカメラに接続するためのマウント部、Ｆは対物レンズとカメラを接続するフランジ面、Ｃａはカメラ筐体、１０１は色分解プリズムである。
【００３０】
色分解プリズムは、対物レンズ側より第１のプリズム、第２のプリズム、第３のプリズムから構成され、第１のプリズムと第２のプリズムの間には空気間隙１０５を有し、第２のプリズムと第３のプリズムは接着によって結合されている。
【００３１】
対物レンズＬｅは、不図示の被写体からの光束を集光し、色分解プリズムへと導光している。なお、Ｐはプリント基板である。
【００３２】
プリズム１０１の第１プリズムは、対物レンズＬｅのレンズ面にほぼ面して入射面１０２を有し、入射面１０２より入射したレンズからの光を、透過面１０３に施した青反射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、入射面１０２にて全反射し、出射面１０４を射出して固体撮像素子１１１Ｂに向かう。
【００３３】
透過面１０３を透過した光は、空気間隙１０５を通って第２プリズムの入射面１０６より入射する。第２プリズムの透過面１０７に施した赤反射ダイクロイック膜は、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１０５と接する第２プリズムの入射面１０６面にて全反射し、出射面１０８を射出して固体撮像素子１１１Ｒに向かう。
【００３４】
透過面１０７を透過した緑色光は、第３プリズムの入射面１０９に入射し、出射面１１０を射出し、固体撮像素子１１１Ｇ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。第３プリズムの入射面１０９は第２プリズムの透過面１０７と接して配置されており、その傾斜面に第２プリズムの透過面１０７と接している。
【００３５】
また、第１プリズムの透過面１０３と第２プリズムの入射面１０６とは空気間隙１０５を介してほぼ平行して面している。そして、第１プリズムの透過面１０３は青色の波長成分だけを反射し、入射面１０２で全反射して出射面１０４から青色成分を出射する角度で形成され、入射面１０２と透過面１０３との角度を角θ１とする形状としている。また、第２プリズムにおいても、入射面１０６と透過面１０７との角度を角θ２とする形状としている。
【００３６】
図２は、Ｆ１．４における屈折率ｎの１．５４〜１．６４と、（θ１ｍａｘ−θ１ｍｉｎ）の関係をグラフ化したものである。（θ１ｍａｘ−θ１ｍｉｎ）の値がマイナスになる屈折率の範囲においては、図１のプリズムの頂角θ１がＦ１．４を実現するための実範囲を持たないことを表わす。したがって、第１のプリズムと第２のプリズムの間にエアギャップを持つ色分解プリズムの場合、屈折率をｎ＝１．６より小さくすることで、Ｆ１．４という大口径を実現できる。
【００３７】
図３は、プリズムのｅ線に対する屈折率を１．５７４（実施例１）と、１．５５１（実施例２）として、ゴースト等を考慮して設計したプリズムと、従来例の屈折率１．６１２のプリズムの主な数値を表にしたものである。
【００３８】
図３において、実施例１，２のそれぞれのプリズムの光路長はともに３４．５ｍｍとすることができた。従来例で示した屈折率１．６１２のプリズムの光路長３４．０と比較してプリズムの長さが０．５ほど大きくなっている。しかし、ＦＢｒは、屈折率１．６１２の従来例を基準にすると、その変化量はそれぞれ約−０．５と約−０．８と、ＦＢｒを小さくすることができる。
【００３９】
従来例で示した屈折率１．６１２のプリズムの光路長が３４．０より１割程度小さく、従来例のプリズムの光路長が３４．５より１割程度大きく設計されても、屈折率１．６１２のプリズムの光路長の分は、実施例の屈折率（実施例１では１．５７４、実施例２では１．５５１）に置き換わるので、ＦＢｒを小さくできることには変わりはない。
【００４０】
図３の表中に、ｅ線の分散を示しているが、実施例１、実施例２共に実施例で示す従来例の分散（４６．５）の近傍に設定し、レンズの色収差に与える影響は従来例と変えないことが可能となっている。
【００４１】
そして、好ましくは、プリズムの屈折率ｎｅを、１．５５＜ｎｅ＜１．５７５、として、その分散νｅを、４２．５＜νｅ＜５０．５、の硝子材を用いることが望ましい。また、前述の実施例のように、第１プリズムと第２プリズムの両頂角を、θ１＝２６．５度、θ２＝３９．７５度とするとよい。
【００４２】
また図３の表の最後に、第１プリズムの頂角（θ１）と第２プリズムの頂角（θ２）を示した。これらは、条件式（１），（２），（３）を考慮し、実施例と従来例で異なったものである。
【００４３】
上述したように、本実施形態では、屈折率ｎを１．６０より小さい値とすることが好ましいとしたが、あまりに小さいと色分解プリズムレンズの形態サイズが大きくなるなるので、小さい値にも限度があることは技術常識的に判断すればよい。
【００４４】
【発明の効果】
以上説明してきたように、本発明のプリズムを使用することで、Ｆ１．４という大口径を実現しつつ、フランジ面から撮像面までの距離を小さく保つことができる。これにより、高解像度の撮像素子が多大な熱を出すようになっても、電気基板との距離を十分に保つことが可能であり、結果的にテレビカメラシステムの大型化を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の高解像度の撮像カメラの要部概略図である。
【図２】本発明の屈折率とプリズム頂角の存在範囲の関係図である。
【図３】本発明の実施例の屈折率を指標とする特性表である。
【図４】従来の技術を説明する要部概略図である。
【図５】従来例におけるＦｎｏとプリズム頂角の関係図である。
【図６】従来例におけるＦｎｏとプリズム光路長の関係図である。
【図７】従来例におけるＦｎｏとフランジ面と結像面の実距離の関係図である。
【図８】従来例の条件を説明する図である。
【符号の説明】
１０１，１００１プリズム
１０２，１００２入射面
１０３，１００３透過面
１０４，１００４出射面
１０５，１００５空気間隙
１０６，１００６入射面
１０７，１００７透過面
１０８，１００８出射面
１０９，１００９入射面
１１０，１０１０出射面
１１１Ｂ，Ｒ，Ｇ撮像部
Ｌｅ結像レンズ
ＭＴマウント部
Ｆ接触部

Claims

走査線数が６２５本を超えるテレビカメラ装置に内蔵され且つ対物レンズと固体撮像素子の間の光路中に配置され、前記対物レンズ側から順に配置された第１のプリズム、第２のプリズム、第３のプリズムの３つのプリズムより構成される色分解光学系であって、
前記色分解プリズムは、Ｆ１．４の前記対物レンズの光束を通すことができ、
前記第１のプリズム及び前記第２のプリズムの夫々は、それぞれ入射面及び出射面及び透過面を備えており、
前記第１のプリズム及び前記第２のプリズムは、空気層を介して配置されており、
前記第１のプリズム及び前記第２のプリズム及び前記第３のプリズムの３つのプリズムの夫々の屈折率ｎｅは、１．５５＜ｎｅ＜１．５７５
を満足し、
前記第１プリズムの前記入射面と前記透過面との頂角が２６．５度であり、
前記第２プリズムの前記入射面と前記透過面との頂角が３９．７５度であることを特徴とする色分解光学系。
前記色分解プリズムの分散νｅが
４２．５≦νｅ≦５０．５
であることを特徴とする請求項１記載の色分解光学系。
請求項１又は２記載の色分解光学系及び前記固体撮像素子が内蔵されたテレビカメラ。