JPH059767B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、テレビジヨンカメラ、電子スチルカ
メラ、電子内視鏡等に用いられる撮像光学系に関
するものである。

〔従来技術〕

テレビジヨンカメラ、電子スチルカメラ、電子
内視鏡などのように、固体撮像素子や撮像管を用
いてカラー画像を得るようにした光学装置におい
ては、固体撮像素子の画素配列や固体撮像素子、
撮像管の前に設けられた色符号化フイルタのピツ
チにより定まるサンプリング周波数と、これらの
受光面上に形成される物体像の空間周波数成分と
の干渉により、モアレ、エイリアジング等と呼ば
れる偽信号が発生し、画質劣化の大きな要因とな
つている。斯かる偽信号を除去するため、従来か
ら撮像素子の受光面上に物体像を形成する撮像光
学系中に、水晶等の複屈折板から成る光学的ロー
パスフイルタを設けることが行なわれている（例
えば特公昭51−14033号公報参照）。

ところで、上記の撮像光学系としてズームレン
ズが用いられることが良くあるが、従来の光学的
ローパスフルタは撮像素子とレンズの間に設けら
れているため、特定空間周波数に大きな成分を有
するような空間周波数スペクトルを持つ物体を撮
像する場合には、特定の倍率以外では偽信号の除
去が不充分になるか、あるいは全く出来なくな
り、著しい画質の劣化を生ずるという問題があつ
た。このような現象は、フアイバスコープの接眼
部にテレビジヨンカメラを取付けて撮像を行なう
場合などに顕著に生ずるので、この例について詳
しく説明する。

第１５図はフアイバスコープの接眼部にテレビ
ジヨンカメラを取付けた状態を模式的に描いたも
ので、イメージガイドフアイバ束１と接眼レンズ
２とを内蔵したフアイバスコープ３の接眼部に、
撮影レンズ４、複屈折板から成る光学的ローパス
フイルタ５、CCD撮像素子６を内蔵したテレビ
ジヨンカメラ７が取付けられており、イメージガ
イドフアイバ束１の射出端面に形成された物体像
を接眼レンズ２、撮影レンズ４により光学的にロ
ーパスフイルタ５を介してCCD撮像素子６の受
光面上に再結像させることにより、撮像を行なう
ようになつている。周知のように、イメージガイ
ドフアイバ束は多数の光学フアイバをいわゆる六
方稠密に束ねたもので、その射出端面を拡大する
と、第１６図に示すように規則的に配列された各
フアイバのコア部８のみが明るく光るようなもの
である。したがつて、射出端面に形成された像は
このコア部８の光斑配列が物体の明るさ分布で変
調されたものと考えることができ、この物体像の
空間周波数スペクトルはコア部の配列によつて定
まる基本周波数に大きなスペクトル成分を有する
ものである。この基本周波数とCCD撮像素子６
のサンプリング周波数との干渉により偽信号が発
生するが、撮影レンズ４がズームレンズである場
合には上記の基本周波数がズーミングとともに変
化してしまうため、偽信号の除去が不充分とな
る。

第１７図、第１８図はこの様子を説明するもの
である。第１７図において、撮影レンズは第１結
像レンズ９、撮影倍率を変えるためのバリエータ
レンズ１０、変倍による像位置の移動を補償する
ためのコンペンセータレンズ１１、第２結像レン
ズ１２の４つのレンズ群から成つており、バリエ
ータレンズ１０とコンペンセータレンズ１１を光
軸に沿つて移動させることにより、撮影倍率β_LOW
（第１５図Ａ）から撮影倍率β_HIGH（第１５図Ｂ）ま
での任意の倍率をとり得るものである。この撮影
レンズで繰返しピツチＰを持つイメージガイドフ
アイバ束のコア部８により形成される明暗パター
ン１３を撮像すると、その像は受光面上において
繰返しピツチが最も小さいＰ×β_LOW（第１５図Ａ）
から最も大きいＰ×β_HIGH（第１５図Ｂ）までの間
の任意の大きさとなることになり、前述の基本周
波数も１／Ｐ×β_LOWから１／Ｐ×β_HIGHの間で変化
することになる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

光学的ローパスフイルタは特定の空間周波数よ
り高周波側において物体の解像度を低下させるこ
とにより、物体像の空間周波数成分と撮像素子の
サンプリング周波数との干渉を防ぐものである
が、MTFを縦軸、空間周波数を横軸にとつて光
学的ローパスフイルタの周波数特性を示すとき、
第１８図の実線で示すように倍率撮影時に基本周
波数１／Ｐ×β_LOWでMTFが零になるように光学
的ローパスフイルタを構成すると、低倍撮影時に
は充分な偽信号除去効果があるが、高倍撮影時の
基本周波数１／Ｐ×β_HIGHに対してはMTFが大き
な値を有するため解像度が充分低下せず、偽信号
を除去することができない。一方、高倍時に偽信
号が除去されるように周波数１／Ｐ×β_HIGHで
MTFが零になるように構成すると、低倍時には
１／Ｐ×β_LOW以下の周波数ではMTFが大きな値
を有する方が望ましいにも拘わらず、１／Ｐ×
β_HIGHの周波数でMTFが零になつてしまうため、
必要以上に解像度が低下し過ぎ、画質を損ねてし
まうことになる。

このように、ズームレンズと像面との間に光学
的ローパスフイルタを配置した構成の撮像光学系
では、特に特定の空間周波数に大きなスペクトル
成分を有する物体の撮像を行なう場合に偽信号除
去に関連して種々の問題を有している。

また、これとは別に、複数のフアイバスコープ
を単一のテレビジヨンカメラに選択的に取付けて
そのイメージガイドフアイバ束により伝達された
物体像を撮像する場合などには、フアイバスコー
プ毎にイメージガイドフアイバ束の各フアイバの
太さが異なつていたり、接眼レンズの倍率がフア
イバスコープ毎に区々であるなどの理由により、
物体像の空間周波数スペクトルが種々異なる場合
がある。斯かるときには、撮影レンズがズームレ
ンズであるか否かに拘らず、該レンズと撮像素子
との間に配置した光学的ローパスフイルタでは一
つのフアイバスコープについては偽信号の除去が
できるが、他のフアイバスコープに対しては全く
無力であり、著しい偽信号を生ずることがある。

本発明はこれらの諸問題に鑑みてなされたもの
で、種々の状況において常に良好な偽信号除去効
果の得られる撮像光学系を提供するものである。

〔問題点を解決するための手段および作用〕

本発明は、物体像を所定の結像面に形成するた
めの撮像光学系において、該光学系内に物体と結
像面の位置を固定した状態でその結像倍率を変化
し得るレンズまたはレンズ群を少なくとも１つ設
け、これらのレンズまたはレンズ群の少なくとも
１つより物体側に複屈性物質から成る光学的ロー
パスフイルタを配設したことを特徴とするもので
ある。

斯かる構成によれば、光学的ローパスフイルタ
より像側にあるレンズ又はレンズ群の倍率が変化
することにより所定の結像面上における結像倍率
が変わり、その結果として物体像の空間周波数ス
ペクトルが変わつたとしても、光学的ローパスフ
イルタの結像面上における周波数特性も同様に変
化するので、いかなる結像倍率においても物体像
の空間周波数スペクトルと光学的ローパスフイル
タの周波数特性との間の良好な関係を維持するこ
とができ、偽信号の発生を効果的に防止すること
ができる。

また、光学的ローパスフイルタより物体側にも
結像倍率の変化するレンズまたはレンズ群を設
け、その結像倍率が光学的ローパスフイルタより
像側に設けた結像倍率の変化するレンズまたはレ
ンズ群の少なくとも１つの結像倍率の変化と反比
例する関係で変化するように、光学的ローパスフ
イルタの前後のレンズまたはレンズ群の倍率の変
化の関係を設定すれば、物体の結像に対してはこ
れらの倍率の変化が打ち消し合つて何ら影響を与
えないのに対し、光学的ローパスフイルタの作用
に対しては像側における倍率変化のみが影響を与
えるためにその影響が打ち消されない。その結果
物体像の空間周波数スペクタルを変えずに光学的
ローパスフイルタの周波数特性のみを変えること
ができるので、種々の物体を撮像する場合に効果
的に偽信号を除去することができる。

〔実施例〕

以下、図面に基づき実施例を説明するが、従来
例と同一の機能を有する部材には同一の番号を付
し、その詳しい説明は省略する。

第１図ないし第５図は第１実施例を示すもの
で、フアイバスコープ３の接眼部にCCD撮像素
子６を内蔵したテレビジヨンカメラを取付けた状
態を模式的に表したものである。この状態で、第
２図に示すようにイメージガイドフアイバ束の各
フアイバの配列方向とCCD撮像素子６の水平走
査方向とが大略一致するように構成されている。
CCD撮像素子６の出力信号はカメラコントロー
ルユニツト１９を介してテレビモニター１７に供
給され、イメージガイドフアイバ束１の射出端面
に形成された物体像を観察できる。

この実施例では光学的ローパスフイルタ１８は
ズームレンズ５の第１結像レンズ９とバリエータ
レンズ１０との間に配設されている。第３図は光
学的ローパスフイルタ１８の具体的構成を示すも
ので、光の入射側から順に水晶板２０，２１，２
２が1/4波長板２３，２４を挟んで重ねられてい
る。第４図は各水晶板が入射光線をその複屈折作
用により常光線と異常光線に分離させる場合の分
離方向を示したもので、CCD撮像素子６の水平
走査方向Ｈを基準として、水晶板２０，２１，２
２が夫々−60°，30°，30°の分離方向を有してい
る。斯かる光学的ローパスフイルタ１８に一本の
光線が入射すると、第５図に示すように、まず第
１の水晶板２０により常光線L₁と異常光線L₂と
に分離される。これらはいずれも1/4波長板２３
により円偏光に変換された後、夫々が第２の水晶
板２１により常光線と異常光線、すなわちL₁と
L₃，L₂とL₄に分離される。これらは更に1/4波長
板２４により円偏光に変換され、再び第３の水晶
板２２により常光線と異常光線、すなわちL₁と
L₅，L₃とL₇，L₂とL₆，L₄とL₈に分離される。こ
のようにして一本の入射光線が８本に分離される
ので、CCD撮像素子６上には互いに位置がずれ
た８個の物体像が形成されることになる。一般に
水晶板により距離ｄだけ隔たつた２つの像は形成
されたとき、その分離方向と角度θをなす方向に
おける水晶板の空間周波数特性は、周波数１／
dcosθにおいて零点を有する第６図のような
MTFで表される。本実施例の光学的ローパスフ
イルタ１８は３枚の水晶板を含んでいるので、総
合的な空間周波数特性は各水晶板のMTFの積で
表される。

ここで、本実施例では光学的ローパスフイルタ
１８がバリエータレンズ１０よりも物体側にある
ため、バリエータレンズ１０を移動させて撮影倍
率を変えると、像面における２つの分離像の距離
も変化し、MTFの零点が移動するが、物体像の
空間周波数スペクトルも光学的ローパスフイルタ
１８の零点も共に撮影倍率に反比例して変化する
から、両者の変化の態様は全く同じと言うことが
できる。したがつて、ある特定の撮影倍率におい
て偽信号を充分除去できるように物体像の空間周
波数スペクタルと光学的ローパスフイルタ１８の
MTFとの相対関係を定めておけば、いかなる撮
影倍率においても両者の関係は常に一定となり、
偽信号を除去する効果をそのまま維持できること
になる。

光学的ローパスフイルタ１８の具体的構成は用
途に応じて適宜定めれば良いが、フアイバスコー
プの像を撮像するテレビジョンカメラ用としては
第７図ないし第９図に示すものも適している。光
学的ローパスフイルタは第７図に示すように物体
側から順に３枚の水晶板２５，２６，２７が直接
重ねられたものである。各水晶板の分離方向は第
８図に示すようにCCD撮像素子６の水平走査方
向Ｈに対して、夫々−60°，−15°，30°をなしてお
り、この組合わせによつて一本の入射光線は第９
図に示すような配列の８本の光線に分離される。
各水晶板の作用は第３図ないし第６図をもとに説
明した光学的ローパスフイルタと類似しているの
で、その詳細は省略する。

本実施例ではコンペンセータレンズ１１を光学
的ローパスフイルタ１８よりも像側に配置した
が、この機能を第１結像レンズ９に負担させるよ
うにしても良い。また、第１結像レンズ９を前後
させてフオーカシングを行なうようにしても良
い。このように光学的ローパスフイルタ１８より
物体側のレンズを移動させるとその倍率変化は物
体像に対してだけ影響を与えるため、CCD撮像
素子６上における物体像の空間周波数スペクトル
と光学的ローパスフイルタのMTFとの関係が若
干変化するが、フオーカシングや像位置補正のた
めの移動による倍率変化はごくわずかであるた
め、偽信号除去効果は実質的に変わらないと考え
て良い。また、水晶板により分離して形成される
２像の距離はその厚さに比例するため、光学的ロ
ーパスフイルタの射出側にレンズを有する撮像光
学系においては、そのレンズの結像倍率が高い
程、同じ分離距離を得るための水晶板の厚さを薄
くできるので好ましい。本実施例の場合には、全
系の最低倍時における焦点距離をF_LOW、第１結像
レンズの焦点距離をF₉とするときF₉＜F_LOWとす
ることが、上記の意味で好ましい。

尚、必要に応じてバリエータレンズ１０と
CCD撮像素子６との間にも光学的ローパスフイ
ルタを設けても良いことはもちろんである。ま
た、第１結像レンズより物体側に光学的ローパス
フイルタ１８を配置しても本実施例と効果は同じ
である。

第１０図は、第２実施例を示しており、これは
レトロフオーカスタイプのズームレンズ系２８に
光学的ローパスフイルタ１８を用いたものであ
る。２９はコンペンセーター兼フオーカシングレ
ンズ、３０はバリエータレンズである。バリエー
タレンズ３０の前に複屈折を利用した光学的ロー
パスフイルタ１８を配置している。この場合で
も、第１実施例のテレビジヨンカメラ７の撮像光
学系として用いれば、第１実施例と同様の効果が
得られる。

第１１図および第１２図は本発明の第３実施例
を示すものである。この実施例は、レンズ系全体
としてはズームレンズの機能はないが、物体像の
空間周波数スペクトルに対して、光学的ローパス
フイルタのMTFの零点の空間周波数を任意に変
えることができるものである。第１１図におい
て、撮影レンズ３１はそれ自体ズームレンズであ
る２つのレンズ系３２，３３を物体側から順に配
置し、その像側にマスターレンズ３８を配置した
構成を有しており、両者の間に水晶板から成る光
学的ローパスフイルタ１８が配設されている。ズ
ームレンズ３２は第１実施例のものと同様に第１
結像レンズ９、バリエータレンズ１０、コンペン
セータレンズ１１、第２結像レンズ１２から成つ
ており、ズームレンズ３３はこのズームレンズ３
２を前後逆にしたもので、３４，３５，３６，３
７が夫々前記第２結像レンズ、コンペンセータレ
ンズ、バリエータレンズ、第１結像レンズに相当
するものである。物体３９はズームレンズ３２と
３３の間の光学的ローパスフイルタ１８の直後に
一旦中間像４０を形成し、更にズームレンズ３３
およびマスターレンズ３８により最終像４１を形
成する。全系の結像倍率をβ₃₁、ズームレンズ３
２，３３の結像倍率を夫々β₃₂、β₃₃とすれば、常
にβ₃₁＝β₃₂×β₃₃の関係が成立する。ここで、バリ
エータレンズ１０，３６、コンペンセータレンズ
１１，３５を光軸に沿つて移動すればズームレン
ズ３２，３３の倍率は別の値β₃₂′，β₃₃′に変化す
るが、各レンズの移動に所定の関係を持たせるこ
とにより、全系の倍率を常に一定に保つこと、即
ち β₃₁＝β₃₂×β₃₃ ＝β₃₂′×β₃₃′＝一定 とすることが可能である。この関係を満足させて
おけば、光学的ローパスフイルタ１８の空間周波
数特性を変えることができる。第１２図Ａ，Ｂに
おいて、イは物体としてイメージガイドフアイバ
束の射出端面を置いた場合の距離Ｐを隔てて互い
に隣接した２つのフアイバのコアを示し、ロはそ
の結像位置４１における像を示す。光学的ローパ
スフイルタ１８が配置されているため、各コアは
常光による像を異常光による像の２つに分離する
が、前者を実線、後者を破線で表している。光学
的ローパスフイルタ１８における複屈折作用によ
り入射光線が常光線と異常光線に分離される際の
分離距離をＳとする。第１２図Ａはズームレンズ
３２，３３の倍率がβ₃₂，β₃₃の場合、Ｂは同じく
β₃₂′，β₃₃′の場合を示すが、結像位置４１におい
てはいずれの場合でも２つのコアはＰ×β₃₁だけ
離れて結像される。ところが、光学的ローパスフ
イルタ１８による常光と異常光の分離距離Ｓはズ
ームレンズ３３だけの影響を受けるので、２つの
分離像の間隔はＡの場合はＳ×β₃₃、Ｂの場合は
Ｓ×β₃₃′となり、ズームレンズ３３の倍率ととも
に変化する。先に説明した様に、常光による像と
異常光による像の最終端面における分離距離が光
学的ローパスフイルタの空間周波数特性を決定づ
けるので、この実施例に光学系においては、物体
像の空間周波数スペクトルを変えることなく、光
学的ローパスフイルタの空間周波数特性のみを変
化させることができる訳である。斯かる光学系は
次のような場合に有効である。フアイバスコープ
にはその用途に応じた種々のものがあり、イメー
ジガイドフアイバ束の各フアイバの太さも種々の
ものが存在する。したがつて、第１２図における
Ｐの値がフアイバスコープ毎に異なる場合があ
る。このような複数のフアイバスコープによる物
体像を単一のテレビジヨンカメラで撮影すると
き、最も効果的に偽信号を除去するためにはフア
イバスコープ毎にテレビジヨンカメラ光学系内に
設けた光学的ローパスフイルタの特性を変える必
要があるが、この実施例によればいくつかのレン
ズを光軸に沿つて移動させるだけでこれが実現で
きる訳である。

尚、上記の例では撮影光学系全体としての結像
倍率は一定であるが、これを可変としたいときに
は、第１３図に示すように第１１図のマスターレ
ンズ３８をズームレンズ４２で置換し、物体像４
１を再度このズームレンズ４２で結像させ、その
像位置にCCD撮像素子等を配置すれば良い。

第１４図は本発明の第４実施例を示すものであ
る。この例では撮影レンズ４４は物体側から順に
第１結像レンズ９、第１バリエータレンズ１０、
第２結像レンズ４５、第２バリエータレンズ３
６、第３結像レンズ４６から成つており、２つの
バリエータレンズ１０，３６の間に光学的ローパ
スフイルタ１８が配設されている。斯かる構成で
は、２つのバリエータレンズ１０，３６の倍率を
β₁₀，β₃₆とするとき、β₁₀×β₃₆が常に一定となる
ように第１、第２バリエータレンズ１０，３６を
連動させれば、第１１図に示した第３実施例のレ
ンズ系と全く同様の効果が得られる。また、第２
バリエータレンズ３６のみを移動させて変倍を行
なえば第１図に示した第１実施例と全く同様の効
果が得られる。この場合光学的ローパスフイルタ
１８より物体側のレンズの合成焦点距離の最小値
をF_MIH、全系の最短焦点距離をF_WIDEとすると、
第１実施例において説明したのと同じ理由によ
り、F_MIH＜F_WIDEとしておくことが望ましい。

尚、上記の各実施例においては光学的ローパス
フイルタをレンズとは別に設ける構成としている
が、レンズ系を構成する複数のレンズのいずれか
を水晶等の複屈折物質で作り、そのレンズに光学
的ローパスフイルタの機能を負担させても良い。
この場合は該レンズとバリエータレンズとの配置
関係を各実施例における光学的ローパスフイルタ
とバリエータレンズの配置関係と同様に設定すれ
ば、所期の目的を達成することができる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、光学的ローパスフイルタと変
倍可能なレンズの適正な配置により、種々の撮影
状態において最も効果的に偽信号を除去できる撮
像光学系を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は本発明の第１実施例の構
成を示す図、第３図および第４図は前記実施例に
用いられる光学的ローパスフイルタの一例の具体
的構成を示す図、第５図および第６図はこの光学
的ローパスフイルタの作用を説明するための図、
第７図ないし第９図は前記実施例に用いられる光
学的ローパスフイルタの他の例の具体的構成およ
び作用を説明スルための図、第１０図は本発明の
第２実施例の構成を示す図、第１１図および第１
２図は本発明の第３実施例の構成および作用を示
す図、第１３図は第３実施例の変形例の構成を示
す図、第１４図は本発明の第４実施例の構成を示
す図、第１５図ないし第１８図は従来例を説明す
るための図である。 ５，１８……光学的ローパスフイルタ、１０，
３０，３６……バリエータレンズ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 物体の像を所定の結像面に形成するための撮
   像光学系において、該光学系内に前記物体と前記
   所定の結像面の位置を固定した状態でその結像倍
   率を変化し得るレンズまたはレンズ群を少なくと
   も１つ設け、該レンズまたはレンズ群の少なくと
   も１つより物体側に複屈性物質から成る光学的ロ
   ーパスフイルタを配設したことを特徴とする撮像
   光学系。