JP4898098B2 - 光学ユニット、光学装置および撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、撮像装置その他の光学装置に用いられる、複数の光学部材を接着して作成される光学ユニットに関するものである。

上記のような光学ユニットとしては、特許文献１等において開示されているものがある。図５（Ａ）〜（Ｃ）は上記特許文献１にて開示されたプリズムユニットの構成を示している。

同図において、３００１，３００２，３００３は色分解プリズムユニット３０００を構成する第１から第３のプリズム部材である。第１のプリズム部材３００１は不図示のベース部材に固定される。第２のプリズム部材３００２は、第１のプリズム部材３００１の面３００１ａに接着される。また、第３のプリズム部材３００３は、第２のプリズム部材３００２の面３００２ａに接着される。

なお、３００５〜３００７はそれぞれ、第１〜第３のプリズム部材３００１〜３００３の射出面に固定された撮像素子である。

このように構成される色分解プリズムユニット３０００では、第１のプリズム部材３００１の入射面から入射した光は、面３００１ａ，３００２ａに形成されたダイクロイック膜の作用によって赤、緑、青の波長光に分解され、それぞれ撮像素子３００５〜３００７により光電変換される。

上記光学ユニットを組み立てる場合、上記のように面３００１ａ，３００２ａに液状の紫外光硬化型接着剤を塗布し、第２および第３のプリズム部材３００２，３００３をそれぞれ該面３００１ａ，３００２ａに押圧し、且つ該面３００１ａ，３００２ａに沿って矢印３００８，３００９の方向等に位置調整される。矢印３０１４，３０１３はそれぞれのプリズム部材３００２，３００３が押圧される方向を示している。

こうして位置調整が完了した後、面３００１ａ，３００２ａの接着剤に紫外線を照射して硬化させる。また、各プリズム部材の射出面に配置された撮像素子についても、同様に、紫外線硬化型接着剤を塗布した上で位置調整し、プリズム部材間の硬化と同時に硬化させる。こうしてプリズムユニット３０００の組み立てを終了する。
特開２００３−２３２９０７号公報（段落００１８〜００１９、００２４，図１等）

しかしながら、このようにプリズム部材を接着する組み立て方法では、プリズム部材間の接着剤の硬化前での厚みが均一でないと、該接着剤が硬化収縮したときに、第２および第３のプリズム部材がその接着対象であるプリズム部材に対して傾き、光軸ずれが発生してしまう。このような光軸ずれは、撮像素子間での画素ずれ（レジストレーションずれ）を引き起こす。特に近年では、撮像素子の画素サイズの減少に伴って必要なレジストレーション精度が高くなってきており、このような接着剤の厚みむらに起因した画素ずれが無視できなくなってきている。

図５（Ｂ），（Ｃ）には、接着剤の収縮と光軸ずれ（画素ずれ）を説明する図であり、
（Ｂ）は接着剤の収縮前の状態を、（Ｃ）は硬化収縮後の状態を示している。これらの図において、プリズム部材３０１５，３０１７間の接着剤３０１６の厚みが下方ほど厚いと、その硬化収縮によって下方の部分がより多く収縮するため、プリズム部材３０１７が矢印の方向に傾く。これにより、接着剤硬化後においては、プリズムユニットの接着剤硬化前の光軸に対して、プリズム部材３０１７に固定された撮像素子３０１８の中心位置（レジストレーション）Ｐが、Ｐ’に変化する。

この原因は、プリズム部材間に接着剤を挟んで密着させる際、プリズム部材の形状が複雑であるので、いずれの面を押しても接着面に均一に力を加えることができないことにある。したがって、図５（Ｂ）に示すように、接着層がくさび状になってしまう。

なお、このような光軸ずれを少なくするには、接着層自体を薄くすればよい。しかし、接着層を薄くすると、プリズム部材の位置調整時の動きが悪化したり、硬化後に接着剤が剥離したりするといった弊害が生じる可能性が高くなる。

また、上記特許文献１には、プリズム部材間の第１の接着剤とプリズム部材と撮像素子間の第２の接着剤とを異なる波長の光で硬化するものとし、まず第１の接着剤を硬化させ、撮像素子の位置調整後に第２の接着剤を硬化させる方法が開示されている。しかし、この方法では、異なる接着剤と異なる波長の光の照射装置を用意しなければならない。

本発明は、簡単な構成で接着剤の厚み変化による光学部材間の光軸ずれを防止できるようにした光学ユニットおよびこれを備えた光学装置、撮像装置を提供することを目的としている。

上記の目的を達成するために、本発明の光学ユニットは、第１のプリズムと該第１のプリズムに対して接着される第２のプリズムと該第２のプリズムに対して接着される第３のプリズムにより、入射した光線を色分解するよう構成された光学ユニットであって、前記第１のプリズムと前記第３のプリズムに挟まれた前記第２のプリズムには、前記第１のプリズムとの接着面とは反対側であって、前記接着面に対向する領域内において、該光学ユニットに入射した光線に対して光学的に作用しない面である第１の面が前記接着面に対して平行に形成されており、前記第１の面は、前記接着面の接着に際して、硬化前の液状接着剤の厚みが均一になるように前記第２のプリズムを前記接着面と直交する方向に押す力を作用させる面であることを特徴とする。

本発明によれば、接着面に対して略平行な面を押すことによって、接着面に均一な押圧力を付与することができる。したがって、硬化前の接着層の厚みを略均一とすることができ、硬化後の光学部材間の光軸ずれを回避することができる。

以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。

図１（Ａ）には、本発明の実施例１であるプリズムユニット（光学ユニット）の構成を示している。なお、本実施例では、撮像装置（ビデオカメラ）に用いられる３板式色分解プリズムユニットについて説明する。

まず、本実施例の色分解プリズムユニット１０００が用いられるビデオカメラについて
図３を用いて説明する。この図において、１００はビデオカメラ本体であり、２００は交換式の撮影レンズユニットである。撮影レンズユニット２００は、ビデオカメラ本体１００の前面に設けられたマウント面１０１に装着される。

そして、ビデオカメラ本体１００には、本実施例の３板式色分解プリズムユニット１０００が内蔵されている。なお、１０２はビューファインダ、１０３はマイクロフォンである。

図１（Ａ）において、１００１，１００２，１００３は色分解プリズムユニット１０００を構成する第１から第３のプリズム部材である。この色分解プリズムユニット１０００の入射面（第１のプリズム部材の入射面）１００１ｃには、撮影レンズからの光束１００４が入射する。

第１のプリズム部材１００１の面１００１ａには、光束１００４のうち緑色の波長成分１００４ａを反射し、緑色以外の波長成分（青色及び赤色の波長成分）を透過する第１のダイクロイック膜が形成されている。また、第２のプリズム部材１００２の面１００２ａには、青色の波長成分１００４ｂを反射して、赤色の波長成分１００４ｃを透過する第２のダイクロイック膜が形成されている。

そして、第１のプリズム部材１００１の面１００１ａには、第２のプリズム部材１００２の面１００２ｃが紫外線硬化型接着剤により接着される。

また、第２のプリズム部材１００２の面１００２ａには、第３のプリズム部材１００３の面１００３ａが紫外線硬化型接着剤により接着される。

１００５，１００６，１００７はそれぞれ第１から第３のプリズム部材１００１，１００２，１００３の射出面１００１ｂ，１００２ｂ，１００３ｂに紫外線硬化型接着剤により接着された撮像素子（光電変換素子）である。撮像素子１００５，１００６，１００７はそれぞれ、上記ダイクロイック膜の作用により色分解された緑、赤、青の波長の光成分が入射する。

各撮像素子は入射した光を光電変換し、その出力に対して不図示の画像処理回路により各種処理が施されることによってフルカラーの映像信号が生成される。映像信号は、図３のビデオカメラ本体１００に装着された磁気テープ、光ディスク、半導体メモリ等の記録媒体に記録されたり、ビューファインダ１０２に表示されたりする。

このように構成されるプリズムユニットを組み立てる際には、まず、第１のプリズム部材１００１を不図示のベース部材に固定し、面１００１ａと面１００２ｃ間および面１００２ａと面１００３ａ間に液状の紫外光硬化型接着剤を塗布する。同様に、撮像素子１００５，１００６，１００７と射出面１００１ｂ，１００２ｂ，１００３ｂとの間にも液状の紫外光硬化型接着剤を塗布する。そして、全体を仮組み状態として保持する。この際、第２および第３のプリズム部材１００２，１００３を、それぞれの面（以下、押し面という）１００２ｄ，１００３ｃにおいて矢印１０１３，１０１４の方向に押す。なお、第１のプリズム部材１００１を請求項１にいう第１の光学部材と見れば、第２のプリズム部材１００２は第２の光学部材に相当し、また、第２のプリズム部材１００２を請求項１にいう第１の光学部材と見れば、第３のプリズム部材１００３は第２の光学部材に相当する。

ここで、第２および第３のプリズム部材１００２，１００３を押す方向はそれぞれ、該プリズム部材の接着面である面１００２ｃおよび面１００３ａに略直交する方向である。

さらに、本実施例では、第２および第３のプリズム部材１００２，１００３における押す力を加える押し面１００２ｄ，１００３ｃをそれぞれの接着面１００２ｃ，１００３ａに対して略平行な面として形成している。押し面１００２ｄは、もともと第２のプリズム部材１００２のうち該色分解プリズム１０００への入射光束１００４（青色波長成分１００４ｂ）に対して光学的に作用しない面、すなわち撮像に必要な光束が通過しないエリアに形成された非光学面として形成された面であるが、その面をあえて接着面１００２ｃに略平行となるように形成したものである。

また、押し面１００３ｃは、第３のプリズム部材１００３のうち射出面１００３ｂとこれに隣り合う非光学面（側面）との交差部に、治具等によって上記押す力を作用させるのに十分な面積を有するように新たに形成した面であり、一般的に角部に施される面取り加工によるものとは異なる。また、押し面１００３ｃは、射出面１００３ｂにおける光学有効領域からは外れた非光学面である。

したがって、押し面１００２ｄおよび押し面１００３ｃにそれぞれ矢印方向１０１３，１０１４に押す力を加えると、第２のプリズム部材１００２の接着面１００２ｃと被接着面である第１のプリズム部材１００１の面１００１ａとの間、および第３のプリズム部材１００３の接着面１００３ａと被接着面である第２のプリズム部材１００２の面１００２ａとの間には、それらの面内方向において概ね均一な押圧力が作用する。したがって、これら接着面と被接着面との間の液状接着剤の厚みを略均一にすることができる。

さらに、第２のプリズム部材１００２の押し面１００２ｄは、該第２のプリズム部材１００２の接着面１００２ｃとは反対側において該接着面１００２ｃに対向する領域Ａ内に配置されている。すなわち、図１（Ａ）で言えば、接着面１００２ｃの両端からこの第２のプリズム部材１００２の内側に向かって延びる、該接着面１００２ｃに対する２本の垂線により挟まれた領域Ａ内に形成されている。以下、このような領域を単に「接着面に対向する領域」と称する。これにより、押し面１００２ｄが領域Ａから外れた位置に形成されている場合に比べて、より効果的に接着面１００２ｃに対して均一な押圧力を作用させることができる。

また、同様に、第３のプリズム部材１００３の押し面１００３ｃは、接着面１００３ａに対向する領域Ｂ内に配置されている。

以上のような仮保持の状態で、第２および第３のプリズム部材１００２，１００３を図中の矢印１００８，１００９の方向に位置調整する。また、撮像素子１００５〜１００７も、図中の矢印１０１０〜１０１２の方向に位置調整する。

具体的には、まず撮像素子１００５，１００６，１００７を動作状態とし、レジストレーション調整の基準となるテストチャートを撮像させる。次に、撮像素子１００５，１００６の撮像信号をモニタし、撮影レンズユニット２００（但し、ここでは調整用の基準レンズが用いられる）のフォーカスを撮像素子１００５に合わせた後、撮像素子１００６の結像状態が最良となるように第２のプリズム部材１００２を面１００１ａに沿って動かし、光路長調整を行う。

次に、撮像素子１００７の撮像信号をモニタし、その結像状態が最良となるように第３のプリズム部材１００３を面１００２ａに沿って移動させ、光路長調整を行う。さらに、撮像素子１００５，１００６，１００７を、テストチャートに対して所定の位置関係となるよう各プリズム部材の射出面１００１ｂ，１００２ｂ，１００３ｂに沿ってそれぞれ移動させ、画素の位置合わせ（レジストレーション）調整を行う。これにより、各撮像素子の中心位置が、プリズムユニット１０００の光軸に略一致したことになる。

以上の調整が終了した状態で、該色分解プリズムユニット１０００の全体に紫外線を照射し、面１００１ａと面１００２ｃ間および面１００２ａと面１００３ａ間の接着剤と、撮像素子１００５，１００６，１００７と射出面１００１ｂ，１００２ｂ，１００３ｂとの間の接着剤とを同時に硬化させる。こうして、色分解プリズムユニット１０００の組み立て調整が完了する。

図１（Ｂ），（Ｃ）には、押し面１００２ｄ，１００３ｃをそれぞれ接着面に対して略平行に形成したことによる効果をモデル化して示している。図１（Ｂ）は、プリズム部材１０１５に対して接着されるプリズム部材１０１７の光軸と該プリズム部材１０１７に接着される撮像素子１０１８との接着剤硬化前における位置関係を、図１（Ｃ）には、接着剤硬化後における該光軸と撮像素子１０１８との位置関係をそれぞれ示している。

図１（Ａ）中の押し面１００２ｄ，１００３ｃのように、プリズム部材１０１７をプリズム部材１０１５の方向に押す力を作用させる面を接着面に対して略平行に形成したことにより、図１（Ｂ）に示す接着剤硬化前の状態において、プリズム部材１０１５，１０１７間の接着剤１０１９の厚みはほぼ均一となる。このため、図１（Ｃ）に示すように、接着剤の硬化収縮に伴って、プリズム部材１０１７はプリズム部材１０１５（プリズムユニット全体）の光軸ＡＸＬに対して略平行に、つまりは光軸ＡＸＬに対して直交する方向の変位をほとんど伴わずに移動するだけである。したがって、プリズムユニット内での光軸ずれは発生しない。言い換えれば、接着剤硬化前に略一致させた光軸ＡＸＬと撮像素子１０１８の中心位置Ｐとの関係がほとんど変化することなく接着剤硬化後も維持される。つまり、接着剤硬化後においても、光軸ＡＸＬと撮像素子１０１８の中心位置Ｐ’とが略一致し、許容範囲外となるような大きな画素ずれは生じない。

なお、本実施例では、面１００２ｄおよび面１００３ｃは非光学面であるため、色分解プリズムユニットの光学性能に影響を及ぼすことなく、硬化前の接着剤層を略均一な厚さにすることができる。

図２には、本発明の実施例２である色分解プリズムユニットの構成を示している。本実施例の色分解プリズムユニット１０００’も、図３に示したビデオカメラに用いられるものであり、また本実施例において実施例１（図１（Ａ））と共通する構成要素には実施例１と同符号を付して説明に代える。

図２において、第１および第２のプリズム部材１００１，１００２は実施例１と同じものである。一方、第３のプリズム部材２００３は、該部材の本体（赤色波長成分１００４ｃが内部を透過し、面２００３ｂに撮像素子１００７が接着される）の側面に、これとは別部材である押し部材２００４を接着等により固定して構成されている。第３のプリズム部材２００３における押し部材２００４の固定は、色分解プリズムユニット１０００’の組み立て調整に先立って行われる。

そして、この押し部材２００４の面（押し面）２００４ａは、非光学面であり、かつ第３のプリズム部材２００３の接着面２００３ａ（第２のプリズム部材１００２の面１００２ａに対する接着面）に対して略平行となるように形成されている。

さらに、押し面２００４ａは、第３のプリズム部材２００３の接着面２００３ａに対向する領域Ｂ内に配置されている。

したがって、押し面２００４ａに矢印方向１０１４に押す力を加えると、第３のプリズ
ム部材２００３の接着面２００３ａと被接着面である第２のプリズム部材１００２の面１００２ａとの間には、それらの面内において概ね均一な押圧力が作用する。したがって、これら接着面と被接着面との間の液状接着剤の厚みを略均一にすることができ、接着剤硬化後の画素ずれを抑えることができる。

本実施例によれば、第３のプリズム部材２００３の射出面２００３ｂに対して撮像素子１００７の外形が大きく、実施例１のように射出面とこれに交差する側面との間に押し面を形成できないような場合に有効である。すなわち、形状的にプリズム部材（の本体）に直接、新たな面を追加することが困難な場合でも、該プリズム部材に一体的に押し面を与えることができる。

実施例１，２では、撮像装置に用いられる色分解プリズムユニットについて説明したが、本発明は、図４に示すような画像投射装置（光学装置）に用いられる色合成プリズムユニットにも適用が可能である。

図４において、光源ランプ３０１からの白色光は、フライアイレンズアレイ３０２，３０４及びミラー３０３で複数の光束に分割され、レンズ３０５により集光されて第１のダイクロイックミラー３０６に入射する。白色光のうち赤色波長成分は、第１のダイクロイックミラー３０６により反射され、ミラー３０７、レンズ３１１を介して透過型液晶パネル３１４に至る。該液晶パネル３１４には、不図示のパーソナルコンピュータ、ＤＶＤプレーヤ等の画像情報供給装置から入力された映像信号に応じた原画が形成されており、該液晶パネル３１４に入射した赤色波長光は原画の画素ごとに変調され、色合成プリズムユニット３２０に入射する。

また、第１のダイクロイックミラー３０６を透過した光のうち緑色波長成分は、第２のダイクロイックミラー３０８で反射し、レンズ３１２を介して透過型液晶パネル３１５に入射する。ここに入射した緑色波長光も、赤色波長光と同様に液晶パネル３１５に形成された原画に応じて変調され、色合成プリズムユニット３２０に入射する。

さらに、第２のダイクロイックミラー３０８を透過した青色波長光は、ミラー３０９，３１０およびレンズ３１３を介して透過型液晶パネル３１６に入射する。ここに入射した青色波長光も、他の波長光と同様に液晶パネル３１６に形成された原画に応じて変調され、色合成プリズムユニット３２０に入射する。

なお、液晶パネル３１４〜３１６はそれぞれ、第１から第３のプリズム部材３２１〜３２３の入射面に、保持部材３４０を介して接着固定されている。

色合成プリズムユニット３２０は、第１のプリズム部材３２１，第２のプリズム部材３２２および第３のプリズム部材３２３により構成され、これら３つのプリズム部材を実施例１と同様に接着して作成されたものである。

第１のプリズム部材３２１と第２のプリズム部材３２２の接合面および第２のプリズム部材３２２と第３のプリズム部材３２３の接合面にはそれぞれダイクロイック膜又は偏光分離膜が形成されており、その特性に応じて入射光を反射又は透過する。この作用により、色合成プリズムユニット３２０に入射した３つの波長光は、最終的に１つに合成されて色合成プリズムユニット３２０から射出する。なお、偏光分離膜の作用を用いる場合は、色合成プリズムユニット３２０までの光学系中に、偏光方向を制御する光学部材が必要である。

色合成プリズムユニット３２０から射出した光は、投射レンズ３３０を介して不図示のスクリーン等に投射される。

ここで、色合成プリズムユニット３２０を構成する第２のプリズム部材３２２には、第１のプリズム部材３２１への接着面３２２ａに略平行な面３２２ｂが形成されている。また、第３のプリズム部材３２３には、第２のプリズム部材３２２への接着面３２３ａに略平行な面３２３ｂが形成されている。さらに、面３２２ｂ，３２３ｂはそれぞれ、接着面３２２ａ，３２３ａに対向する領域内に形成されている。

これらの面３２２ｂ，３２３ｂはそれぞれ、実施例１にて説明したのと同様に、色合成プリズムユニット３２０を接着により組み立てる際に、第２および第３のプリズム部材３２２，３２３を接着面の方向に押す力を作用させる面、すなわち押し面である。これにより、実施例１にて説明したのと同様の理由によって、第１から第３のプリズム部材３２１〜３２３の光軸ずれおよびこれに起因する投射画像における画素ずれ（色ずれ）の発生を回避することができる。

さらに、本発明は、上述したような色合成プリズムや色分解プリズムに限らず、また３つのプリズム部材により構成される光学ユニットに限らず、複数の光学部材を接着して製作される、様々な光学装置の光学ユニットに対して適用が可能である。

本発明の実施例１である色分解プリズムユニットの構成を示す側面図（Ａ）および接着剤の硬化前後の様子を示す説明図（Ｂ，Ｃ）。 本発明の実施例２である色分解プリズムユニットの構成を示す側面図。 各実施例の色分解プリズムユニットを備えた撮像装置の概略図。 本発明の実施例３である色合成プリズムユニットを備えた画像投射装置の構成を示す平面図。 従来の色分解プリズムユニットの構成を示す側面図（Ａ）および接着剤の硬化前後の様子を示す説明図（Ｂ，Ｃ）。

符号の説明

１０００，１０００’ 色分解プリズムユニット
１００１，１００２，１００３，２００３ プリズム部材
１００２ｃ，１００３ａ，２００３ａ 接着面
１００２ｄ，１００３ｃ，２００４ａ 押し面
１００５，１０００６，１００７ 撮像素子
２００４ 押し部材
３２０ 色合成プリズムユニット
３２１，３２２，３２３ プリズム部材
３１４，３１５，３１６ 液晶パネル
３２２ｂ，３２３ｂ 押し面

Claims (6)

1. 第１のプリズムと該第１のプリズムに対して接着される第２のプリズムと該第２のプリズムに対して接着される第３のプリズムにより、入射した光線を色分解するよう構成された光学ユニットであって、
   前記第１のプリズムと前記第３のプリズムに挟まれた前記第２のプリズムには、前記第１のプリズムとの接着面とは反対側であって、前記接着面に対向する領域内において、該光学ユニットに入射した光線に対して光学的に作用しない面である第１の面が前記接着面に対して平行に形成されており、前記第１の面は、前記接着面の接着に際して、硬化前の液状接着剤の厚みが均一になるように前記第２のプリズムを前記接着面と直交する方向に押す力を作用させる面であることを特徴とする光学ユニット。
2. 前記第２のプリズムは、該第２のプリズムの本体に前記第１の面を有する別の部材を取り付けて構成されていることを特徴とする請求項１に記載の光学ユニット。
3. 前記第３のプリズムは、前記第２のプリズムとの接着面と、この接着面に対して略平行な第２の面を有することを特徴とする請求項１または２に記載の光学ユニット。
4. 前記第２のプリズムに、複数の画素を有するデバイスが接着されることを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の光学ユニット。
5. 請求項１から４のいずれか１つに記載の光学ユニットを有することを特徴とする光学装置。
6. 請求項１から４のいずれか１つに記載の光学ユニットと、
   前記光学ユニットから射出した光を光電変換する光電変換素子とを有することを特徴とする撮像装置。
   

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