JP5776006B2

JP5776006B2 - 三板カメラ装置

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Publication number: JP5776006B2
Application number: JP2013548075A
Authority: JP
Inventors: 誠司東山; 鈴木　孝尚; 孝尚鈴木
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2011-12-09
Filing date: 2012-11-21
Publication date: 2015-09-09
Anticipated expiration: 2032-11-21
Also published as: WO2013084434A1; DE112012005150B4; US9229238B2; JPWO2013084434A1; US20140285702A1; DE112012005150T5; CN203933848U

Description

本発明は、３原色分解撮影に用いて好適な三板カメラ装置に関する。

ビデオカメラや内視鏡等において、ＣＣＤ撮像素子（以下ＣＣＤ）を使用して３原色分解撮影を行う三板カメラ装置が知られている（例えば特許文献１参照）。３原色分解撮影では、被写体を３原色赤（以下Ｒ）、緑（以下Ｇ）、青（以下Ｂ）の成分に分けて別々に撮影し、その後にこの３つの映像をそれぞれのチャネル（ｃｈ）画像として合成し、カラー映像を得る。各原色の映像を撮るにはおのおのの成分光のみを透過させる色分解プリズムであるダイクロイックプリズムが使用される。ダイクロイックプリズム内のダイクロイック膜は、被写体情報を持つ入射光を、反射によってＲＧＢの光の３原色に分光し、それぞれのＣＣＤによって光電変換させる。

日本国特開２００８−４２４６５号公報（請求項３、図１）

ところで、近年、撮像素子はＣＣＤからＣＭＯＳ(Complementary Metal-Oxide Semiconductor）へと移行されている。ＣＭＯＳは、専用の製造プロセスを使用するＣＣＤと異なり、汎用のＣＭＯＳプロセス（ＤＲＡＭプロセス等）を使用して製造できるため、ＣＣＤに比較して製造コストが安価になると言われている。
図７（Ａ）はＣＣＤ１００の撮像領域１０１を示した正面図、図７（Ｂ）はＣＭＯＳ１０２の撮像領域１０１を示した正面図、図８は色分解プリズム１０３を用いた従来の三板カメラ装置１０４の要部を入射光１０５と共に示した鉛直断面図である。
なお、図７（Ｂ）中、図８中のＣＭＯＳ１０２に沿う方向の矢印は上方向を示す。

図７（Ｂ）に示すように、ＣＭＯＳ１０２の場合、ＣＣＤ１００と異なり、パッケージ中心１０６と撮像領域中心１０７が仕様として偏心しているものが多い。図８に示すように、三板カメラ装置１０４では、色分解プリズム１０３に対し、撮像領域中心１０７の偏心したＣＭＯＳ１０２が、Ｒｃｈ、Ｇｃｈ、Ｂｃｈの出射面中心に中心合わせして固定される。このため、入射光１０５の光軸１０８に対して傾斜角度θ１の大きいＢｃｈのパッケージ１０９が外側に突出してしまう。このように従来ではＣＭＯＳ１０２が三板カメラ装置１０４に適用されると、素子基板やパッケージ１０９が突出してしまい外形寸法Ｈが大きくなる問題があった。

本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、その目的は、パッケージ中心と撮像領域中心とが偏心する撮像素子を用いても装置外形の大きくなることを抑止できる三板カメラ装置を提供することにある。

本発明の三板カメラ装置は、光軸に垂直な入射面、前記入射面と平行な第一出射面、前記入射面と前記第一出射面との間に形成され、前記光軸に第一傾斜角度で傾斜する第二出射面、および前記光軸を挟み前記第二出射面の反対側に形成され前記光軸に対する前記第一傾斜角度よりも大きい第二傾斜角度で傾斜する第三出射面を有する色分解プリズムと、方形外形状の一辺部に略相似形状の撮像領域が近接し前記一辺部が第三出射面側となって前記第一出射面に平行に対向配置される第一撮像素子と、方形外形状の一辺部に略相似形状の撮像領域が近接し前記一辺部が第一出射面側となって前記第二出射面に平行に対向配置される第二撮像素子と、方形外形状の一辺部に略相似形状の撮像領域が近接し前記一辺部が入射面側となって前記第三出射面に平行に対向配置される第三撮像素子と、を備えるものである。

また、本発明の三板カメラ装置は、光軸に垂直な入射面、前記入射面と平行な第一出射面、前記入射面と前記第一出射面との間に形成され、前記光軸に第一傾斜角度で傾斜する第二出射面、および前記光軸を挟み前記第二出射面の反対側に形成され前記光軸に対する前記第一傾斜角度よりも大きい第二傾斜角度で傾斜する第三出射面を有する色分解プリズムと、方形外形状の一辺部に略相似形状の撮像領域が近接し前記一辺部が第二出射面側となって前記第一出射面に平行に対向配置される第一撮像素子と、方形外形状の一辺部に略相似形状の撮像領域が近接し前記一辺部が入射面側となって前記第二出射面に平行に対向配置される第二撮像素子と、方形外形状の一辺部に略相似形状の撮像領域が近接し前記一辺部が入射面側となって前記第三出射面に平行に対向配置される第三撮像素子と、前記第一撮像素子、前記第二撮像素子、および前記第三撮像素子からの信号を合成する画像処理部と、前記第三撮像素子と前記画像処理部との間に設けられ前記第三撮像素子からの信号を上下左右反転させる反転処理部と、を備えるものである。

本発明に係る三板カメラ装置によれば、パッケージ中心と撮像領域中心とが偏心する撮像素子を用いても装置外形の大きくなることを抑止できる。

本発明に係る三板カメラ装置の内部を透視した矢視図（Ａ）は図１に示した三板カメラ装置の正面図、（Ｂ）は（Ａ）の側面図第１実施形態に係る三板カメラ装置の要部の構成図（Ａ）は素子通常配置の構成図、（Ｂ）は全素子を反転させた構成図、（Ｃ）は装置全体を反転させた構成図第２実施形態に係る三板カメラ装置の要部の構成図（Ａ）は素子通常配置の構成図、（Ｂ）はＢ色撮像素子のみを反転させた構成図（Ａ）はＣＣＤの撮像領域を示した正面図、（Ｂ）はＣＭＯＳの撮像領域を示した正面図色分解プリズムを用いた従来の三板カメラ装置の要部を入射光と共に示した鉛直断面図

以下、本発明に係る実施形態について、図面を用いて説明する。
（第１実施形態）
図１は本発明に係る三板カメラ装置の内部を透視した矢視図、図２（Ａ）は図１に示した三板カメラ装置の正面図、図２（Ｂ）は図２（Ａ）の側面図、図３は第１実施形態に係る三板カメラ装置の要部の構成図である。
第１実施形態に係る三板カメラ装置１０は、ＣＭＯＳを使用するビデオカメラや内視鏡等において好適に用いることができる。三板カメラ装置１０は、筐体１１を有し、筐体１１には被写体情報を持つ入射光１２（図３参照）を取り入れる開口部１３が形成される。開口部１３には絞り１４や不図示のレンズがホルダ１５によって支持される。筐体１１には開口部１３の反対側にケーブル導出筒１６が設けられる。

レンズが映像を結像する時、ＣＭＯＳの撮像領域は円形になる。この範囲はイメージサークルと呼ばれる。イメージサークルの内側で作られる四角の範囲をイメージサイズと呼ぶ。このイメージサイズの範囲内でＣＭＯＳは受光する。受光量は絞り１４によって制限される。

筐体１１の内方には、絞り１４を通る光軸上に色分解プリズムであるダイクロイックプリズム１７が配置されている。ダイクロイックプリズム１７は、内部のダイクロイック膜によって入射光１２をＲＧＢの光の３原色に分光する。ダイクロイック膜は、色を２つに分ける意味で、屈折率の高い層と低い層を交互に１０〜２０層真空蒸着している。これにより、ダイクロイックプリズム１７は、光の色の波長ごとに異なる屈折率を利用して、青色と赤色を吸収せずに効率良く反射させ、ＲＧＢそれぞれの特定の波長だけをＣＭＯＳに入射させる。

ダイクロイックプリズム１７は、一つの入射面１８と、３つの第一出射面１９、第二出射面２０、第三出射面２１とを有する。入射面１８は、絞り１４に対向配置され、光軸２２（図３参照）を含む断面（図３の紙面）に垂直、かつ、光軸２２に垂直となる。
なお、この断面は、鉛直断面とする。第一出射面１９は、この入射面１８と平行に形成されている。

第二出射面２０は、入射面１８と第一出射面１９との間に形成され、断面に垂直、かつ、光軸２２に第一傾斜角度θ１で傾斜する。第三出射面２１は、断面に垂直、かつ、光軸２２を挟み、第二出射面２０の反対側に形成される。この第三出射面２１は、光軸２２に対し、第一傾斜角度θ１よりも大きい第二傾斜角度θ２で傾斜する。

これら第一出射面１９、第二出射面２０、および第三出射面２１には第一撮像素子であるＧ色撮像素子２３、第二撮像素子であるＲ色撮像素子２４、および第三撮像素子であるＢ色撮像素子２５が対面して設けられる。Ｇ色撮像素子２３、Ｒ色撮像素子２４、およびＢ色撮像素子２５は、いずれもＣＭＯＳからなる。これらの撮像素子は、共通して方形外形状の一辺部２６に、略相似形状の撮像領域１０１（図７（Ｂ）参照）が近接している。つまり、パッケージ中心と撮像領域中心とが偏心している。

図３に示すように、Ｇ色撮像素子２３は、一辺部２６が第三出射面２１側となって第一出射面１９に平行に対向配置される。Ｒ色撮像素子２４は、一辺部２６が第一出射面１９側となって第二出射面２０に平行に対向配置される。Ｂ色撮像素子２５は、一辺部２６が入射面１８側となって第三出射面２１に平行に対向配置される。

それぞれのＧ色撮像素子２３、Ｒ色撮像素子２４、およびＢ色撮像素子２５は、被写体情報を持つＲ、Ｇ、Ｂの３原色のＲ光２７、Ｇ光２８、Ｂ光２９を電気信号に変換し、Ｒ信号３１、Ｇ信号３２、Ｂ信号３３として画像処理部３４へ送出する。

画像処理部３４は、入力されたＲ信号３１、Ｇ信号３２、Ｂ信号３３に対してＷＢ制御を行なった信号を、γ処理を施し、輝度信号、色差信号を形成し、これら輝度信号、色差信号をビデオ信号にふさわしい形に変換して出力する。

次に、上記構成を有する三板カメラ装置１０の作用を説明する。
図４（Ａ）は素子通常配置の構成図、図４（Ｂ）は全素子を反転させた構成図、図４（Ｃ）は装置全体を反転させた構成図であり、図３に示す構成である。
なお、図３、図４（Ａ）〜図４（Ｃ）中、ＣＭＯＳに沿う方向の矢印は上方向を示す。
三板カメラ装置１０では、Ｇ色撮像素子２３、Ｒ色撮像素子２４、およびＢ色撮像素子２５は、方形外形状の一辺部２６に略相似形状の撮像領域が近接し、撮像領域中心がパッケージ中心と偏心している。

ここで、Ｒ色撮像素子２４とＢ色撮像素子２５とは、入射光１２の光軸２２を挟んで配置され、Ｒ色撮像素子２４の光軸２２に対する第一傾斜角度θ１よりも、Ｂ色撮像素子２５の光軸２２に対する第二傾斜角度θ２が大きい。Ｒ色撮像素子２４の向きを１８０度回転させてＲ色撮像素子２４の撮像領域中心とＲｃｈの出射面中心とを一致させると、一辺部２６が、Ｒ色撮像素子２４と光軸２２との挟角の側（図３の右側）に配置される。
Ｒ色撮像素子２４と同様に、Ｂ色撮像素子２５の向きを１８０度回転させてＢ色撮像素子２５の撮像領域中心とＢｃｈの出射面中心とを一致させると、一辺部２６が、Ｂ色撮像素子２５と光軸２２との挟角と反対側（図３の左側）に配置される。
Ｇ色撮像素子２３は、Ｒ色撮像素子２４、Ｂ色撮像素子２５と同様にすると、一辺部２６が図３の下側に配置される。

図４（Ｂ）に示すように、大きい第二傾斜角度θ２で傾斜するＢ色撮像素子２５は、撮像領域が偏心していることで幅広となった枠縁部３６が、第三出射面２１から外れて第三出射面２１と光軸２２との挟角側の延長面方向に突出して配置される。つまり、三板カメラ装置１０では、小さい第一傾斜角度θ１のＲ色撮像素子２４よりも、大きい第二傾斜角度θ２のＢ色撮像素子２５が突出しないように配置されている。
この配置では、撮像素子の向きが上下左右反転されている。

図４（Ｃ）に示すように、それによって生じる上下左右の信号の逆転は、最後に全体を反転させて元に戻している。これにより、光軸２２に対して大きい第二傾斜角度θ２のＢ色撮像素子２５のパッケージが外側に突出せず、装置全体で外形寸法Ｈの増加が抑止されている。
なお、図１、図２（Ａ）、図２（Ｂ）に示すダイクロイックプリズム１７の向きは、反転した後の図４（Ｃ）に示すものである。図３に示すダイクロイックプリズム１７の向きは、反転する前の図４（Ｂ）に示すものである。
なお、第１実施形態では、全体を反転させて、出力される映像の向きを元に戻しているが、画像処理部３４で読み出す順序を変える等により元に戻してもよい。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態に係る三板カメラ装置３８を説明する。
図５は第２実施形態に係る三板カメラ装置の要部の構成図である。
なお、図１〜図４（Ａ）、図４（Ｂ）、図４（Ｃ）に示す部材と同一の部材には同一の符号を付し重複する説明は省略するものとする。
第２実施形態に係る三板カメラ装置３８は、ダイクロイックプリズム１７が三板カメラ装置１０のものと同様のものとなる。Ｇ色撮像素子２３は、一辺部２６が第二出射面側となって第一出射面１９に平行に対向配置される。Ｒ色撮像素子２４は、一辺部２６が入射面側となって第二出射面２０に平行に対向配置される。Ｂ色撮像素子２５は、一辺部２６が入射面側となって第三出射面２１に平行に対向配置される。つまり、Ｂ色撮像素子２５のみが反転されている。

Ｇ色撮像素子２３、Ｒ色撮像素子２４、およびＢ色撮像素子２５には、Ｒ信号３１、Ｇ信号３２、Ｂ信号３３を合成する画像処理部３４が接続される。Ｂ色撮像素子２５とこの画像処理部３４との間には反転処理部３０が設けられ、反転処理部３０はＢ色撮像素子２５からのＢ信号３３を上下左右反転させる。

次に、上記構成を有する三板カメラ装置３８の作用を説明する。
図６（Ａ）は素子通常配置の構成図、図６（Ｂ）はＢ色撮像素子２５のみを反転させた構成図である。
この三板カメラ装置３８では、図６（Ｂ）に示すように、Ｒ色撮像素子２４は、一辺部２６が、Ｒ色撮像素子２４と光軸２２との挟角と反対側（図６（Ｂ）の左側）に配置される。Ｂ色撮像素子２５も、一辺部２６が、Ｂ色撮像素子２５と光軸２２との挟角と反対側（図６（Ｂ）の左側）に配置される。

図６（Ｂ）に示すように、小さい第一傾斜角度θ１で傾斜するＲ色撮像素子２４は、撮像領域が偏心していることで幅広となった枠縁部３６が、第二出射面２０から外れて第二出射面２０と光軸２２との挟角側の延長面方向に突出して配置される。また、大きい第二傾斜角度θ２で傾斜するＢ色撮像素子２５も、撮像領域が偏心していることで幅広となった枠縁部３６が、第三出射面２１から外れて第三出射面２１と光軸２２との挟角側の延長面方向に突出して配置される。つまり、Ｒ色撮像素子２４とＢ色撮像素子２５との双方が外形寸法Ｈを大きくしない方向に突出している。

それによって生じるＢ色撮像素子２５のみの上下左右の信号の逆転が、図５に示すように、反転処理部３０によって反転させて元に戻されている。これにより、Ｒ色撮像素子２４とＢ色撮像素子２５との双方のパッケージが外側に突出せず、装置全体で外形寸法Ｈの増加が抑止されている。

従って、第２実施形態に係る三板カメラ装置１０、三板カメラ装置３８によれば、パッケージ中心と撮像領域中心とが偏心する撮像素子を用いても装置外形の大きくなることを抑止できる。

特に、本発明の三板カメラ装置１０を内視鏡として用いて手術を行う場合には、手術を補助する助手が、長時間、三板カメラ装置１０を手に持っている為、少しでも小型であることがユーザーにとっては重要となる。
また、本発明の三板カメラ装置１０を手術用顕微鏡にモジュールとして提供する場合、執刀医が手術用顕微鏡を覗いて手術を行う為、三板カメラ装置１０の小型化が手術用顕微鏡の小型にもなり、手術の作業容易性をもたらすものである。

本出願は、2011年12月9日出願の日本国特許出願（特願2011-270139）に基づくものであり、それらの内容はここに参照として取り込まれる。

本発明は、ビデオカメラや内視鏡等に用いられる三板カメラ装置に適用できる。

１０、３８三板カメラ装置
１７ダイクロイックプリズム（色分解プリズム）
１８入射面
１９第一出射面
２０第二出射面
２１第三出射面
２２光軸
２３Ｇ色撮像素子（第一撮像素子）
２４Ｒ色撮像素子（第二撮像素子）
２５Ｂ色撮像素子（第三撮像素子）
２６一辺部
３０反転処理部
１０１撮像領域
θ１第一傾斜角度
θ２第二傾斜角度

Claims

光軸に垂直な入射面、前記入射面と平行な第一出射面、前記入射面と前記第一出射面との間に形成され、前記光軸に第一傾斜角度で傾斜する第二出射面、および前記光軸を挟み前記第二出射面の反対側に形成され前記光軸に対する前記第一傾斜角度よりも大きい第二傾斜角度で傾斜する第三出射面を有する色分解プリズムと、
方形外形状の一辺部に略相似形状の撮像領域が近接し前記一辺部が第三出射面側となって前記第一出射面に平行に対向配置される第一撮像素子と、
方形外形状の一辺部に略相似形状の撮像領域が近接し前記一辺部が第一出射面側となって前記第二出射面に平行に対向配置される第二撮像素子と、
方形外形状の一辺部に略相似形状の撮像領域が近接し前記一辺部が入射面側となって前記第三出射面に平行に対向配置される第三撮像素子と、を備える三板カメラ装置。
光軸に垂直な入射面、前記入射面と平行な第一出射面、前記入射面と前記第一出射面との間に形成され、前記光軸に第一傾斜角度で傾斜する第二出射面、および前記光軸を挟み前記第二出射面の反対側に形成され前記光軸に対する前記第一傾斜角度よりも大きい第二傾斜角度で傾斜する第三出射面を有する色分解プリズムと、
方形外形状の一辺部に略相似形状の撮像領域が近接し前記一辺部が第二出射面側となって前記第一出射面に平行に対向配置される第一撮像素子と、
方形外形状の一辺部に略相似形状の撮像領域が近接し前記一辺部が入射面側となって前記第二出射面に平行に対向配置される第二撮像素子と、
方形外形状の一辺部に略相似形状の撮像領域が近接し前記一辺部が入射面側となって前記第三出射面に平行に対向配置される第三撮像素子と、
前記第一撮像素子、前記第二撮像素子、および前記第三撮像素子からの信号を合成する画像処理部と、
前記第三撮像素子と前記画像処理部との間に設けられ前記第三撮像素子からの信号を上下左右反転させる反転処理部と、を備える三板カメラ装置。