JP6563243B2 - 撮像装置及びカメラシステム - Google Patents

Description

本発明は、撮像装置に関する。

可視光で管理エリアの映像を取得できる撮像装置を有する監視カメラシステムが知られている。この監視カメラシステムでは、状況により、回転台を操作して撮像装置を移動させて、ズーム機能を用いて問題の領域を拡大して監視を行っている。一方、赤外線を用いて人物の体温を測定するシステムが知られている。

特許文献１には、被観察者に違和感や不快感を与えることなく、被観察者の脈拍数や体温を検出することができる生体情報観察システムが記載されている。特許文献１に記載の生体情報観察システムには、可視光用と赤外線用とで異なる固体撮像素子を用いて可視光及び赤外線の２種類の映像を同時に撮影できる撮像装置が用いられている。

特開２０１４−３６８０１号公報

特許文献１に記載の撮像装置では、可視光用と赤外線用とで異なる固体撮像素子を用いるため、固体撮像素子の前に入射光線を２つに分岐するためのハーフミラーが配置されている。そのため、撮像装置の小型化が困難になっていた。さらに、２種類の異なる固体撮像素子を用いるため、コスト高となっていた。

また、特許文献１に記載の撮像装置では、可視光と赤外線とで別々の固体撮像素子を用いているので、可視光画像と赤外線画像との位置ずれが起きやすい。そのため、可視光画像と赤外線画像との間の位置ずれ補正を行う必要があるので、コスト高になるという問題もある。

本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであり、高品質の可視光画像及び赤外線画像を同時に取得できる、小型かつ安価な撮像装置を提供することを目的としている。

本発明に係る撮像装置は、
赤外線帯域の特定波長の光線の焦点位置と可視光帯域の光線の焦点位置とを近づけるための回折光学素子を有する撮像レンズ系と、
複数の画素に対応する複数の受光素子が主面上に配置され、所定の複数色の可視光用フィルタ部及び赤外線用フィルタ部が前記複数の受光素子上に所定の配列で配置された色フィルタを有し、前記撮像レンズ系の焦点位置に配置されている撮像センサと、
前記撮像センサよりも物体側に配置され、前記可視光帯域の光線と前記特定波長の近傍の赤外特定帯域の光線とを透過し、前記可視光帯域及び前記赤外特定帯域以外の帯域の光線を遮断する光学フィルタと、を備える。

本発明では、前記回折光学素子は、前記撮像レンズ系の絞りの近傍に配置されていることが好ましい。

本発明では、前記撮像レンズ系は複数の前記回折光学素子を有し、一の前記回折光学素子は前記撮像レンズ系の絞りの近傍に配置されており、他の前記回折光学素子は前記絞りから離れた位置に配置されていることが好ましい。

本発明では、前記撮像レンズ系は、ズームレンズであることが好ましい。

本発明では、前記撮像レンズ系は、前記特定波長の光線が結像する像のＭＴＦと、波長５４６ｎｍの光線が結像する像のＭＴＦとの双方が、３０％以上になるように調整用レンズの位置を調整する、合焦位置調整機構を有することが好ましい。

本発明では、
前記光学フィルタは、前記可視光帯域に透過特性を有し、前記可視光帯域の長波長側に隣接する第１波長帯域に遮断特性を有し、前記第１波長帯域内の一部分である第２波長帯域に透過特性を有し、
前記光学フィルタの前記第２波長帯域が、前記可視光帯域より長波長側で各色の前記可視光用フィルタ部の透過率が互いに近似する波長帯域である第３波長帯域に含まれるとともに、前記赤外線用フィルタ部が透過特性を有する波長帯域である第４波長帯域に含まれるように、前記光学フィルタ、前記可視光用フィルタ部及び赤外線用フィルタ部の透過特性が設定されている
ことが好ましい。

本発明によれば、高品質の可視光画像及び赤外線画像を同時に取得できる、小型かつ安価な撮像装置を提供することができる。

実施の形態１に係る撮像装置の構成を示す図である。 実施の形態１に係る撮像レンズ系の構成を示す図である。 実施の形態１に係る撮像レンズ系の広角端における縦収差を示す図である。 実施の形態１に係る撮像レンズ系の望遠端における縦収差を示す図である。 実施の形態１に係る撮像レンズ系の広角端における横収差を示す図である。 実施の形態１に係る撮像レンズ系の望遠端における横収差を示す図である。 実施の形態１に係る撮像レンズ系の広角端における可視光帯域の光線が結像する像の周波数−ＭＴＦ曲線を示す図である。 実施の形態１に係る撮像レンズ系の広角端における可視光帯域の光線が結像する像のデフォーカス−ＭＴＦ曲線を示す図である。 実施の形態１に係る撮像レンズ系の広角端における赤外線帯域の光線が結像する像の周波数−ＭＴＦ曲線を示す図である。 実施の形態１に係る撮像レンズ系の広角端における赤外線帯域の光線が結像する像のデフォーカス−ＭＴＦ曲線を示す図である。 実施の形態１に係る撮像レンズ系の望遠端における可視光帯域の光線が結像する像の周波数−ＭＴＦ曲線を示す図である。 実施の形態１に係る撮像レンズ系の望遠端における可視光帯域の光線が結像する像のデフォーカス−ＭＴＦ曲線を示す図である。 実施の形態１に係る撮像レンズ系の望遠端における赤外線帯域の光線が結像する像の周波数−ＭＴＦ曲線を示す図である。 実施の形態１に係る撮像レンズ系の望遠端における赤外線帯域の光線が結像する像のデフォーカス−ＭＴＦ曲線を示す図である。 実施の形態１に係る撮像センサの構成を示す図である。 実施の形態１に係る色フィルタの構成を示す図である。 実施の形態１に係る色フィルタの構成の第１変形例を示す図である。 実施の形態１に係る色フィルタの構成の第２変形例を示す図である。 実施の形態１に係る色フィルタの構成の第３変形例を示す図である。 実施の形態１に係る光学フィルタの構成を示す図である。 実施の形態１に係る光学フィルタの分光透過率を示す図である。 実施の形態１に係る監視カメラシステムの構成を示すブロック図である。 実施の形態１に係る監視カメラシステムの処理を示すフロー図である。 実施の形態２に係る撮像レンズ系の構成を示す図である。 実施の形態２に係る撮像レンズ系の広角端における縦収差を示す図である。 実施の形態２に係る撮像レンズ系の望遠端における縦収差を示す図である。 実施の形態２に係る撮像レンズ系の広角端における横収差を示す図である。 実施の形態２に係る撮像レンズ系の望遠端における横収差を示す図である。 実施の形態２に係る撮像レンズ系の広角端における可視光帯域の光線が結像する像の周波数−ＭＴＦ曲線を示す図である。 実施の形態２に係る撮像レンズ系の広角端における可視光帯域の光線が結像する像のデフォーカス−ＭＴＦ曲線を示す図である。 実施の形態２に係る撮像レンズ系の広角端における赤外線帯域の光線が結像する像の周波数−ＭＴＦ曲線を示す図である。 実施の形態２に係る撮像レンズ系の広角端における赤外線帯域の光線が結像する像のデフォーカス−ＭＴＦ曲線を示す図である。 実施の形態２に係る撮像レンズ系の望遠端における可視光帯域の光線が結像する像の周波数−ＭＴＦ曲線を示す図である。 実施の形態２に係る撮像レンズ系の望遠端における可視光帯域の光線が結像する像のデフォーカス−ＭＴＦ曲線を示す図である。 実施の形態２に係る撮像レンズ系の望遠端における赤外線帯域の光線が結像する像の周波数−ＭＴＦ曲線を示す図である。 実施の形態２に係る撮像レンズ系の望遠端における赤外線帯域の光線が結像する像のデフォーカス−ＭＴＦ曲線を示す図である。 比較例に係る撮像レンズ系の構成を示す図である。 比較例に係る撮像レンズ系の広角端における縦収差を示す図である。 比較例に係る撮像レンズ系の望遠端における縦収差を示す図である。 比較例に係る撮像レンズ系の広角端における横収差を示す図である。 比較例に係る撮像レンズ系の望遠端における横収差を示す図である。 比較例に係る撮像レンズ系の広角端における可視光帯域の光線が結像する像の周波数−ＭＴＦ曲線を示す図である。 比較例に係る撮像レンズ系の広角端における可視光帯域の光線が結像する像のデフォーカス−ＭＴＦ曲線を示す図である。 比較例に係る撮像レンズ系の広角端における赤外線帯域の光線が結像する像の周波数−ＭＴＦ曲線を示す図である。 比較例に係る撮像レンズ系の広角端における赤外線帯域の光線が結像する像のデフォーカス−ＭＴＦ曲線を示す図である。 比較例に係る撮像レンズ系の望遠端における可視光帯域の光線が結像する像の周波数−ＭＴＦ曲線を示す図である。 比較例に係る撮像レンズ系の望遠端における可視光帯域の光線が結像する像のデフォーカス−ＭＴＦ曲線を示す図である。 比較例に係る撮像レンズ系の望遠端における赤外線帯域の光線が結像する像の周波数−ＭＴＦ曲線を示す図である。 比較例に係る撮像レンズ系の望遠端における赤外線帯域の光線が結像する像のデフォーカス−ＭＴＦ曲線を示す図である。

［実施の形態１］
以下、図面を参照して本発明の実施の形態１について説明する。
図１に示すように、本実施の形態に係る撮像装置１０１は、撮像レンズ系１１と、光学フィルタ１２と、撮像センサ１３と、筐体１５と、を有する。筐体１５には、撮像レンズ系１１と、光学フィルタ１２と、撮像センサ１３と、が保持されている。

図２は、撮像レンズ系１１の一例の構成を示す図である。図２の上側に広角端（Ｗｉｄｅ）、下側に望遠端（Ｔｅｌｅ）における撮像レンズ系１１を示す。図２に示すように、撮像レンズ系１１は、ズームレンズであり、回折光学素子（ＤＯＥ：Diffractive Optical Element）ＤＥ１と、合焦位置調整機構１４と、を有する。回折光学素子ＤＥ１は、赤外線帯域の特定波長の光線の焦点位置と可視光帯域の光線の焦点位置とを近づけるように働く。

撮像レンズ系１１は、４群ズームレンズであり、第１レンズ群Ｇ１、第２レンズ群Ｇ２、第３レンズ群Ｇ３及び第４レンズ群Ｇ４から構成されている。第１レンズ群Ｇ１は、第１レンズＬ１、第２レンズＬ２及び第３レンズＬ３から構成されている。第２レンズ群Ｇ２は、第４レンズＬ４、第５レンズＬ５及び第６レンズＬ６から構成されている。第３レンズ群Ｇ３は、回折光学素子ＤＥ１、第７レンズＬ７及び第８レンズＬ８から構成されている。第４レンズ群Ｇ４は、第９レンズＬ９及び第１０レンズＬ１０から構成されている。

撮像レンズ系１１は、第１レンズ群Ｇ１及び第３レンズ群Ｇ３を固定したまま、第２レンズ群Ｇ２と第４レンズ群Ｇ４とを移動させることにより、レンズ系全体の倍率を変更することができる。広角端から望遠端へと変倍するときには、第２レンズ群Ｇ２が第１レンズ群Ｇ１側から第３レンズ群Ｇ３に近づく方向に移動する。それと同時に、第４レンズ群Ｇ４は、広角端から望遠端へと変倍するときには、撮像センサ１３側から第３レンズ群Ｇ３に移動し、ある地点で移動方向を変えて、第３レンズ群Ｇ３側から撮像センサ１３に近づく方向に移動する。

本実施の形態に係る撮像レンズ系１１のレンズデータの一例を表１及び表２に示す。レンズデータとしては、各面の曲率半径、面間隔、屈折率、及びアッベ数を載せている。「＊」印がついた面は、非球面であることを示している。表２には、広角端（Ｗｉｄｅ）、中間（Ｍｅａｎ）及び望遠端（Ｔｅｌｅ）における、第１レンズ群Ｇ１と第２レンズ群Ｇ２との間隔Ｄ５、第２レンズ群Ｇ２と第３レンズ群Ｇ３との間隔Ｄ１０、及び第３レンズ群Ｇ３と第４レンズ群Ｇ４との間隔Ｄ１５を示している。

ここで、レンズ面に採用される非球面形状は、光軸方向のサグ量をＹ（ｈ）、ｃを曲率半径の逆数、光軸に直交する方向の光軸からの高さをｈ、円錐係数をＫ、４次、６次、８次、１０次、１２次、１４次、１６次の非球面係数をそれぞれＡ４、Ａ６、Ａ８、Ａ１０、Ａ１２、Ａ１４、Ａ１６とすると、次式により表される。なお、各記号の意味及び非球面形状を表す式は、後述の実施例においても同様である。

表３に、撮像レンズ系１１において、非球面とされたレンズ面の非球面形状を規定するための非球面係数を示す。表３において、例えば「−７．３０９５４２Ｅ−０５」は、「−７．３０９５４２×１０^−５」を意味する。

表１から表３に記載された実施の形態１に係る撮像レンズ系１１のレンズ全系の焦点距離は、広角端、中間、望遠端の順にそれぞれ５．０ｍｍ、２４．０ｍｍ、４８．４ｍｍである。撮像レンズ系１１のＦ値は、広角端、中間、望遠端の順にそれぞれ１．６、１．７、１．９である。撮像レンズ系１１の全画角は、広角端、中間、望遠端の順にそれぞれ７１．０°、１４．０°、６．９°である。

回折光学素子ＤＥ１は、正のパワーを有し、特定波長において回折効率が最大になるように設計されている。表１の回折光学素子ＤＥ１は、特定波長８５０ｎｍの光線に対して回折効率が最大になるように設計されている。回折光学素子ＤＥ１としては、例えば、ホログラムを用いることが好ましく、体積ホログラムやレリーフ型ホログラムを用いることもできる。

回折光学素子ＤＥ１は、撮像レンズ系１１の絞りＳＴＯＰの近傍に配置されていることが好ましい。回折光学素子ＤＥ１は、その前面（物体側面）が絞りＳＴＯＰに接するように配置されている。表１に示す回折光学素子ＤＥ１では、特定波長８５０ｎｍの光線の焦点距離は７００ｍｍである。

本実施形態に係る撮像装置１０１によれば、回折光学素子ＤＥ１によって、赤外線帯域の特定波長の光線の焦点位置と可視光帯域の光線の焦点位置とを近づけることにより、可視光帯域における通常の撮像時と８５０ｎｍの波長の赤外線帯域における撮像時とでのピント調整が不要となる。

図３は、撮像レンズ系１１の広角端における縦収差図である。図４は、撮像レンズ系１１の望遠端における縦収差図である。図３及び図４では、ｅ線（０．５４６μｍ）、赤外線（０．８５０μｍ）の２波長の縦収差を示す。図３及び図４において、ｅ線（０．５４６μｍ）の縦収差は実線により、赤外線（０．８５０μｍ）の縦収差は破線により示されている。図３及び図４の縦軸は、撮像レンズ系１１の入射瞳半径に対する相対瞳高さを表し、横軸は縦の球面収差（ｍｍ）を表わしている。また、撮像レンズ系１１の広角端における入射瞳半径の値１．５５８１ｍｍが図３の上部に示されており、撮像レンズ系１１の望遠端における入射瞳半径の値１２．４９８６ｍｍが図４の上部に示されている。

図５は、撮像レンズ系１１の広角端における横収差図である。図６は、撮像レンズ系１１の望遠端における横収差図である。図５及び図６では、像高０ｍｍ、０．３ｍｍ、０．６ｍｍ、０．９ｍｍ、１．２ｍｍ、１．５ｍｍ、１．８ｍｍ、２．１ｍｍ、２．４ｍｍ、２．７ｍｍ、３．０ｍｍの１１個の像高について、ｅ線（０．５４６μｍ）、赤外線（０．８５０μｍ）の２波長の横収差曲線を示している。図５及び図６において、ｅ線（０．５４６μｍ）の横収差は実線により示されており、赤外線（０．８５０μｍ）の横収差は破線により示されている。

図５及び図６では、像高ごとに、左側にメリディオナル方向（タンジェンシャル方向）の横収差を、右側にサジタル方向の横収差を示している。図５及び図６の縦軸は横収差量（μｍ）を表わしており、図５及び図６では、横収差量の最大スケールの値は±５０μｍである。±５０μｍとは、縦軸の最上部が＋５０μｍで縦軸の最下部が−５０μｍということである。また、図５及び図６の横軸は相対瞳高さを表わしており、２つずつ並んだ横収差図の左側の図の横軸が、ｙ方向の相対瞳高さｙを表わし、右側の図の横軸がｘ方向の相対瞳高さｘを表わしている。

撮像レンズ系１１は、合焦位置調整機構１４を有する。合焦位置調整機構１４は、特定波長の光線が結像する像のＭＴＦ（Modulation Transfer Function）と、可視光帯域の光線（例えば、波長５４６ｎｍ）が結像する像のＭＴＦとの双方が、特定の値（例えば、３０％）以上になるように調整用レンズの位置を調整することが好ましい。撮像レンズ系１１は、第４レンズ群Ｇ４を移動させることにより合焦位置を調整する。すなわち、第４レンズ群Ｇ４の第９レンズ及び第１０レンズが調整用レンズとして機能する。

次に、図７から図１４を用いて、撮像レンズ系１１の可視光帯域及び赤外線帯域での結像性能について説明する。

図７に撮像レンズ系１１の広角端における、波長４３５．８ｎｍから６５６．３ｎｍの可視光帯域の光線が結像する像の周波数−ＭＴＦ曲線を示す。図９に撮像レンズ系１１の広角端における、波長８５０ｎｍの赤外線が結像する像の周波数−ＭＴＦ曲線を示す。図１１に撮像レンズ系１１の望遠端における、波長４３５．８ｎｍから６５６．３ｎｍの可視光帯域の光線が結像する像の周波数−ＭＴＦ曲線を示す。図１３に撮像レンズ系１１の望遠端における、波長８５０ｎｍの赤外線が結像する像の周波数−ＭＴＦ曲線を示す。

図８に撮像レンズ系１１の広角端における、波長４３５．８ｎｍから６５６．３ｎｍの可視光帯域の光線が結像する像のデフォーカス−ＭＴＦ曲線を示す。図１０に撮像レンズ系１１の広角端における、波長８５０ｎｍの赤外線が結像する像のデフォーカス−ＭＴＦ曲線を示す。広角端では、ＭＴＦは周波数６０ｌｐ／ｍｍで計算されており、像面から±０．０５ｍｍの範囲のＭＴＦを示している。図１２に撮像レンズ系１１の望遠端における、波長４３５．８ｎｍから６５６．３ｎｍの可視光帯域の光線が結像する像のデフォーカス−ＭＴＦ曲線を示す。図１４に撮像レンズ系１１の望遠端における、波長８５０ｎｍの赤外線が結像する像のデフォーカス−ＭＴＦ曲線を示す。望遠端では、ＭＴＦは周波数６０ｌｐ／ｍｍで計算されており、像面から±０．２ｍｍの範囲のＭＴＦを示している。

図７から図１０に示すように、撮像レンズ系１１では、広角端において、可視光線及び波長８５０ｎｍの赤外線の双方における周波数６０ｌｐ／ｍｍのＭＴＦが３０％を超えている。そのため、撮像レンズ系１１は広角端において可視光線及び赤外線の双方について良好な結像性能を有するといえる。また、図１１及び図１２に示すように、望遠端においては、可視光線における周波数６０ｌｐ／ｍｍのＭＴＦが３０％を超えている。撮像レンズ系１１は望遠端において可視光線について良好な結像性能を有するといえる。

撮像センサ１３は、撮像レンズ系１１の焦点位置ＩＭＧに配置されている。図１５に示すように、撮像センサ１３は、撮像センサ本体２４と、色フィルタ２６と、カバーガラス２７と、を有する。撮像センサ本体２４の主面上には、複数の画素に対応する複数の受光素子が配置されている。複数の受光素子上には色フィルタ２６が配置されており、色フィルタ２６の上にはカバーガラス２７が配置されている。さらに、カバーガラス２７上には、光学フィルタ１２が配置されている。光学フィルタ１２は、カバーガラス２７から離れて配置されていてもよい。

図１６に色フィルタ２６の画素の構成の一例を示す。図１６に示すように、色フィルタ２６は、所定の複数色の可視光用フィルタ部Ｒ，Ｇ，Ｂと、赤外線用フィルタ部Ｉｒと、を有する。可視光用フィルタ部Ｒ，Ｇ，Ｂと赤外線用フィルタ部Ｉｒとが、複数の受光素子上に所定の配列で配置されている。本実施の形態における可視光用フィルタ部Ｒ，Ｇ，Ｂ及び赤外線用フィルタ部の配列は、ベイヤ配列の２つの緑色のうち一つを赤外線用に配置したものである。

通常のベイヤ配列は、撮像センサ１３の水平方向にＲとＧとが交互に繰り返して配列された第１ラインＨＬ１と、ＧとＢとが交互に繰り返して配列された第２ラインＨＬ２と、を有する。ベイヤ配列では、第１ラインＨＬ１と第２ラインＨＬ２とが、Ｇの水平方向の位置が重ならないように撮像センサ１３の垂直方向に交互に繰り返して配列されている。

画素の一つのセットが、赤色（Ｒ）、青色（Ｂ）、緑色（Ｇ）の可視光用フィルタ部Ｒ，Ｇ，Ｂと、赤外線（Ｉｒ）を透過させる赤外線用フィルタ部と、の４種類のフィルタ部から構成されている。第１ラインＨＬ１はベイヤ配列と同様である。それに対して、第２ラインＨＬ２では、Ｇの代わりにＩｒを配置することにより、ＩｒとＢとが交互に繰り返して配列されている。

撮像センサ１３のそれぞれの画素に対応する受光素子は、対応する各色（Ｒ，Ｇ，Ｂ）の可視光用フィルタ部Ｒ，Ｇ，Ｂ及び赤外線用フィルタ部（Ｉｒ）を通過した被写体からの光を光電変換して、電気信号に変換する。

上述の構成によって、撮像センサ１３は、通常の可視光を光電変換した画像データに加えて、赤外線を光電変換した画像データを出力することができる。これにより、撮像センサ１３を有する撮像装置１０１は、通常の可視光の動画像と、赤外線の動画像とを同時に撮影することができる。

図１６に示した色フィルタ２６の画素構成の他に、図１７〜図１９に示した構成の色フィルタ２６を用いてもよい。図１７〜図１９では、Ｃｙはシアン、Ｙｅはイエロー、Ｗはホワイトを示している。図１７〜図１９に示す色フィルタ２６の画素構成では、図１６に示す色フィルタ２６の画素構成よりも可視光の信号のＳ／Ｎ比を高く取ることができる。

図１７に示された配列は、撮像センサ１３の水平方向にＣｙとＩｒとが交互に繰り返して配列された第１ラインＨＬ１と、ＷとＹｅとが交互に繰り返して配列された第２ラインＨＬ２と、を有する。図１７に示された配列では、ＣｙとＷ、ＩｒとＹｅの水平方向の位置が重なるように、第１ラインＨＬ１と第２ラインＨＬ２とが撮像センサ１３の垂直方向に交互に繰り返して配列されている。

図１８に示された配列は、撮像センサ１３の水平方向にＣｙとＩｒとが交互に繰り返して配列された第１ラインＨＬ１と、ＧとＹｅとが交互に繰り返して配列された第２ラインＨＬ２と、を有する。図１８に示された配列では、ＣｙとＧ、ＩｒとＹｅの水平方向の位置が重なるように、第１ラインＨＬ１と第２ラインＨＬ２とが撮像センサ１３の垂直方向に交互に繰り返して配列されている。

図１９に示された配列は、撮像センサ１３の水平方向にＷとＩｒとが交互に繰り返して配列された第１ラインＨＬ１と、ＣｙとＹｅとが交互に繰り返して配列された第２ラインＨＬ２と、を有する。図１９に示された配列では、ＷとＩｒ、ＣｙとＹｅの水平方向の位置が重なるように、第１ラインＨＬ１と第２ラインＨＬ２とが撮像センサ１３の垂直方向に交互に繰り返して配列されている。

図１に戻って、本実施の形態に係る撮像装置１０１について説明する。図１に示すように、撮像装置１０１では、光学フィルタ１２は、撮像センサ１３よりも物体側に配置されており、撮像レンズ系１１と撮像センサ１３との間に配置されている。光学フィルタ１２は、可視光帯域の光線と特定波長の近傍の赤外特定帯域の光線とを透過し、可視光帯域及び赤外特定帯域以外の帯域の光線を遮断する。

図２０に示すように、光学フィルタ１２は、光学基板２１と、赤外カットフィルタ２２と、ＳＷＰＦ（Short-wave-pass-filter）２３と、から構成されている。光学フィルタ１２は、まず光学基板２１の表面に赤外カットフィルタ２２が形成され、赤外カットフィルタ２２の上にＳＷＰＦ２３が形成される構成になっている。なお、図２０は光学フィルタ１２を分かり易く説明するために表した模式図なので、サイズ等は実際と異なっている。

赤外カットフィルタ２２は、高屈折率膜２２Ｈと低屈折率膜２２Ｌが交互に積層されたものであり、所望の光学特性を得られるように各層の積層数及び膜厚が調整されている。ここで、赤外カットフィルタ２２の所望の光学特性とは、人間の視感度の高い可視光帯域（波長４００ｎｍ〜７００ｎｍ）の光を透過し、かつ、近赤外帯域の光のうち、夜間撮影用の赤外線照明の発光波長（例えば中心波長８５０ｎｍ、スペクトル半値幅４０ｎｍ）より短波長側の波長帯の光を遮断する透過率特性である。

ＳＷＰＦ２３は、赤外カットフィルタ２２と同様に、高屈折率膜２３Ｈと低屈折率膜２３Ｌが交互に積層されたもので、所望の光学特性を得られるように、各層の積層数及び膜厚が調整されている。ＳＷＰＦ２３の所望の光学特性とは、可視光帯域（波長４００ｎｍ〜７００ｎｍ）から赤外帯域（波長８５０ｎｍ、スペクトル半値幅４０ｎｍ）までを透過し、かつ、これより長波長側で撮像センサ１３のフォトダイオードが受光可能な概ね１３００ｎｍまで近赤外帯域の光を遮断する、いわゆるエッジフィルタ状の透過率特性である。

上述の構成をとることにより、図２１に示すように、光学フィルタ１２は、可視光帯域（波長４００ｎｍ〜７００ｎｍ）の光線と特定波長の近傍の赤外特定帯域（中心波長８５０ｎｍ、スペクトル半値幅４０ｎｍ）の光線とを透過させ、可視光帯域及び赤外特定帯域以外の帯域の光線を遮断する。このように２つの帯域に透過特性を持つことから、光学フィルタ１２をダブルバンドパスフィルタ（ＤＢＰＦ：Double band pass filter）と称してもよい。

また、光学フィルタ１２は、可視光帯域（波長４００ｎｍ〜７００ｎｍ）に透過特性を有し、可視光帯域の長波長側に隣接する第１波長帯域（波長７００ｎｍ以上）に遮断特性を有し、第１波長帯域内の一部分である第２波長帯域（波長８３０ｎｍ〜８７０ｎｍ）に透過特性を有するともいえる。

さらに、光学フィルタ１２の第２波長帯域が、可視光帯域より長波長側で各色の可視光用フィルタ部Ｒ，Ｇ，Ｂの透過率が互いに近似する波長帯域である第３波長帯域（波長８２０ｎｍ以上）に含まれることが好ましい。それとともに、光学フィルタ１２の第２波長帯域が、赤外線用フィルタ部Ｉｒが透過特性を有する波長帯域である第４波長帯域（波長７９０ｎｍ〜９９０ｎｍ）に含まれることが好ましい。

撮像レンズ系１１は、回折光学素子ＤＥ１により赤外線帯域の特定波長の光線の焦点位置と可視光帯域の光線の焦点位置とを近づけることができるので、撮像センサ１３上に可視光帯域の像及び赤外線帯域の像の双方を結像させることができる。

光学フィルタ１２は、撮像センサ１３よりも物体側に配置されていて、可視光帯域の光線と特定波長の近傍の赤外特定帯域の光線とを透過し、可視光帯域及び赤外特定帯域以外の帯域の光線を遮断する。これにより、撮像レンズ系１１に入射した光線のうち可視光帯域と赤外特定帯域の２種類の光線を選択して撮像センサ１３に入射させることができる。

撮像センサ１３は、所定の複数色の可視光用フィルタ部（Ｒ，Ｇ，Ｂ）及び赤外線用フィルタ部（Ｉｒ）が複数の受光素子上に所定の配列で配置された色フィルタ２６を有する。これにより、一つの撮像センサで可視光画像及び赤外線画像を同時に取得できる。

以上説明したように、本実施の形態によれば、高品質の可視光画像及び赤外線画像を同時に取得できる、小型かつ安価な撮像装置１０１を提供することができる。

次に、図２２を用いて、本実施の形態に係る撮像装置１０１を用いた監視カメラシステム１００について説明する。図２２は、本実施の形態に係る監視カメラシステム１００の構成の一例を示したブロック図である。図２２に示すように、監視カメラシステム１００は、撮像装置１０１と、画像入力部１０４と、顔検出部１０５と、脈拍検出部１０６と、脈拍異常出力部１０７と、を有する。

図２２に示した監視カメラシステム１００では、被観察者からの可視光線及び赤外線の画像を撮像装置１０１が取得する。撮像装置１０１は、デジタル化された可視光線及び赤外線の画像データを画像入力部１０４に出力する。画像入力部１０４は、デジタル化された可視光線の画像データを顔検出部１０５に出力し、デジタル化された赤外線の画像データを脈拍検出部１０６に出力する。

顔検出部１０５は、可視光線の画像データの中から被観察者の顔領域を検出する。顔領域を検出には種々の顔検出アルゴリズムを用いることができる。脈拍検出部１０６は、赤外線の画像データの被観察者の顔領域に対応する領域の信号強度から被観察者の脈拍数を検出する。脈拍異常出力部１０７は、検出された被観察者の脈拍数から異常を検出したときに異常信号を出力する。

図２３は、本実施の形態の監視カメラシステム１００における異常検出処理の手順を示したフローチャートである。最初に、撮像装置１０１は撮像センサ１３で得た信号から可視光及び赤外線の画像のデジタルデータを生成し、一定期間、連続的（例えば、３０フレーム／秒の画像）に画像入力部１０４へと画像データを入力する（ＳＴ１０）。

次に、顔検出部１０５は、画像入力部１０４に入力された可視光の画像データから、フレーム毎に顔領域の検出を行う（ＳＴ２０）。顔領域の検出には、デジタルカメラやデジタルビデオカメラで使用されている一般的な方法を用いることができる。

次に、脈拍検出部１０６は、フレーム毎に、赤外線の画像データの顔領域における輝度値の積分値を求めた後、周波数分析を行って、得られた最大の周波数を被観察者の脈拍数として検出する（ＳＴ３０）。次に、脈拍異常出力部１０７は、検出された被観察者の脈拍数が、予め設定した正常範囲内であるか否かを判断する（ＳＴ４０）。

そして、被観察者の脈拍数が正常範囲から外れる場合（ＳＴ４０ ＮＯ）に、脈拍異常出力部１０７が異常信号を出力する（ＳＴ５０）。このとき、画像上にマークを加え、監視者に明確にわかるようにしてもよい。被観察者の脈拍数が正常範囲内の場合（ＳＴ４０ ＹＥＳ）には、異常なしとして異常検出処理を終了する。

［実施の形態２］
本実施の形態に係る撮像装置では、撮像レンズ系の構成が実施の形態１に係る撮像装置１０１とは異なっている。図２４に示すように、本実施の形態に係る撮像レンズ系３１は、２つの回折光学素子ＤＥ２，ＤＥ３を有し、一の回折光学素子ＤＥ３は絞りＳＴＯＰの像側に隣接して配置されており、他の回折光学素子ＤＥ２は第２レンズ群Ｇ２のすぐ後ろの位置に配置されている。すなわち、撮像レンズ系３１は、複数の回折光学素子ＤＥ２，ＤＥ３を有し、一の回折光学素子ＤＥ３は撮像レンズ系３１の絞りＳＴＯＰの近傍に配置されており、他の回折光学素子ＤＥ２は絞りＳＴＯＰから離れた位置に配置されていることが好ましい。

本実施の形態に係る撮像レンズ系３１のレンズデータの一例を表４に示す。レンズデータとしては、各面の曲率半径、面間隔、屈折率、及びアッベ数を載せている。撮像レンズ系３１における非球面係数は、表３に示した値と同じである。

表４に示すように、回折光学素子ＤＥ２の特定波長８５０ｎｍの光線の焦点距離は３５０ｍｍであり、回折光学素子ＤＥ３の特定波長８５０ｎｍの光線の焦点距離は１４００ｍｍである。

表４に記載された実施の形態２に係る撮像レンズ系３１の焦点距離は、広角端、中間、望遠端の順にそれぞれ５．１ｍｍ、２４．０ｍｍ、４８．２ｍｍである。撮像レンズ系３１のＦ値は、広角端、中間、望遠端の順にそれぞれ１．６、１．７、１．９である。撮像レンズ系３１の全画角は、広角端、中間、望遠端の順にそれぞれ７１．０°、１４．０°、６．９°である。

図２５は、撮像レンズ系３１の広角端における縦収差図である。図２６は、撮像レンズ系３１の望遠端における縦収差図である。撮像レンズ系３１の広角端における入射瞳半径の値１．５６４０ｍｍが図２５の上部に示されており、撮像レンズ系３１の望遠端における入射瞳半径の値１２．４９８６ｍｍが図２６の上部に示されている。

図２７は、撮像レンズ系３１の広角端における横収差図である。図２８は、撮像レンズ系３１の望遠端における横収差図である。

図２９から図３６を用いて、撮像レンズ系３１の可視光帯域及び赤外線帯域での結像性能について説明する。周波数−ＭＴＦ曲線及びデフォーカス−ＭＴＦ曲線は、実施の形態１と同様にして計算した。

図２９から図３６に示すように、実施の形態２に係る撮像レンズ系３１では、広角端及び望遠端において、可視光線及び波長８５０ｎｍの赤外線の双方における周波数６０ｌｐ／ｍｍのＭＴＦが３０％を超えている。そのため、撮像レンズ系３１は、広角端及び望遠端において、可視光線及び赤外線の双方について良好な結像性能を有するといえる。実施の形態１に係る撮像レンズ系１１では、望遠端における赤外線のＭＴＦが低下していたのに対して、本実施の形態に係る撮像レンズ系３１では、回折光学素子を２箇所（ＤＥ２，ＤＥ３）に配置することにより、望遠端における赤外線のＭＴＦを良好に保つことができる。

［比較例］
図３７に示すように、比較例に係る撮像レンズ系５１は、回折光学素子を有しない点において実施の形態１及び２とは異なる。比較例に係る撮像レンズ系５１のレンズデータの一例を表５に示す。レンズデータとしては、各面の曲率半径、面間隔、屈折率、及びアッベ数を載せている。撮像レンズ系５１における非球面係数は、表３に示した値と同じである。

表５に記載された比較例に係る撮像レンズ系５１の焦点距離は、広角端、中間、望遠端の順にそれぞれ５．０ｍｍ、２４．０ｍｍ、４８．４ｍｍである。撮像レンズ系５１のＦ値は、広角端、中間、望遠端の順にそれぞれ１．６、１．７、１．９である。撮像レンズ系５１の全画角は、広角端、中間、望遠端の順にそれぞれ７１．０°、１４．０°、６．９°である。

図３８は、撮像レンズ系５１の広角端における縦収差図である。図３９は、撮像レンズ系５１の望遠端における縦収差図である。撮像レンズ系５１の広角端における入射瞳半径の値１．５５８１ｍｍが図３８の上部に示されており、撮像レンズ系５１の望遠端における入射瞳半径の値１２．４９８６ｍｍが図３９の上部に示されている。

図４０は、撮像レンズ系５１の広角端における横収差図である。図４１は、撮像レンズ系５１の望遠端における横収差図である。

図４２から図４９を用いて、撮像レンズ系５１の可視光帯域及び赤外線帯域での結像性能について説明する。周波数−ＭＴＦ曲線及びデフォーカス−ＭＴＦ曲線は、実施の形態１及び２と同様にして計算した。

図４２、図４３、図４６及び図４７に示すように、比較例に係る撮像レンズ系５１では、広角端及び望遠端において、可視光線における周波数６０ｌｐ／ｍｍのＭＴＦが３０％を超えている。それに対して、図４４、図４５、図４８及び図４９に示すように、波長８５０ｎｍの赤外線における周波数６０ｌｐ／ｍｍのＭＴＦは、広角端及び望遠端の双方で低くなっている。そのため、比較例に係る撮像レンズ系５１は可視光線について良好な結像性能を有するが、赤外線の結像性能は良好ではない。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、撮像レンズ系はズームレンズに限定されるものではなく、固定焦点の撮像レンズ系としてもよい。

１１，３１，５１…撮像レンズ系 １２…光学フィルタ １３…撮像センサ １４…合焦位置調整機構 １５…筐体 ２１…光学基板 ２２…赤外カットフィルタ ２３…ＳＷＰＦ ２４…撮像センサ本体 ２６…色フィルタ ２７…カバーガラス １００…監視カメラシステム １０１…撮像装置 １０４…画像入力部 １０５…顔検出部 １０６…脈拍検出部 １０７…脈拍異常出力部 ＤＥ１，ＤＥ２，ＤＥ３…回折光学素子

Claims (6)

1. 赤外線帯域の特定波長の光線の焦点位置と可視光帯域の光線の焦点位置とを近づけるための回折光学素子を有する撮像レンズ系と、
   複数の画素に対応する複数の受光素子が主面上に配置され、所定の複数色の可視光用フィルタ部及び赤外線用フィルタ部が前記複数の受光素子上に所定の配列で配置された色フィルタを有し、前記撮像レンズ系の焦点位置に配置されている撮像センサと、
   前記可視光帯域に透過特性を有し、前記可視光帯域の長波長側に隣接する第１波長帯域に遮断特性を有し、前記第１波長帯域内の一部分であり前記特定波長の近傍の第２波長帯域に透過特性を有する光学フィルタとを備え、
   前記色フィルタは、前記第２波長帯域が、前記可視光帯域より長波長側で各色の前記可視光用フィルタ部の透過率が互いに近似する第３波長帯域を備え、
   前記第２波長帯域が前記第３波長帯域に含まれるように、前記光学フィルタの分光透過特性および前記色フィルタの各フィルタ部の分光透過特性が設定されている
   ことを特徴とする撮像装置。
2. 前記回折光学素子は、前記撮像レンズ系の絞りの近傍に配置されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
3. 前記撮像レンズ系は複数の前記回折光学素子を有し、一の前記回折光学素子は前記撮像レンズ系の絞りの近傍に配置されており、他の前記回折光学素子は前記絞りから離れた位置に配置されている
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の撮像装置。
4. 前記撮像レンズ系は、ズームレンズであることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の撮像装置。
5. 前記撮像レンズ系は、前記特定波長の光線が結像する像のＭＴＦと、波長５４６ｎｍの光線が結像する像のＭＴＦとの双方が、３０％以上になるように調整用レンズの位置を調整する、合焦位置調整機構を有する
   ことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の撮像装置。
6. 請求項１から４のいずれか１項に記載の撮像装置と、
   前記撮像装置から得られた可視光画像データを入力し、前記可視光画像データの中から被観察者の顔領域を検出する顔検出部と、
   前記撮像装置から得られた赤外線画像データを入力し、前記顔検出部で得られた顔領域に対応する前記赤外線画像データの領域の信号強度から前記被観察者の脈拍数を検出する脈拍検出部とを
   備えることを特徴とするカメラシステム。

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