JPH0843759A - 光学装置及びカラー撮像装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】高分解能で且つ複雑な構成の分光プリズム等を
使用することなく、小形で容易に構成できる光学装置及
びこれを利用した静止画像用カラー撮像装置を提案しよ
うとするものである。 【構成】本発明に係る光学装置は、被写体の像を結像す
る撮影レンズと、この結像された被写体像を伝達する光
ファイバを多数束ねたファイバオプティクプレートＦＯ
Ｐと、このファイバオプティクプレートに現れた被写体
像をほぼ平行な被写体像にするマイクロレンズアレイＭ
ＬＡと、このほぼ平行な被写体像を分光する回折格子
と、この分光された被写体像を結像するレンズと、この
結像された被写体像を取り込む複数のラインセンサとを
備え、これら各要素を光軸に関して直列関係で配してい
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ラインセンサ（リニア
センサとも言う。）を使用する光学装置（例えば、１次
元色分解光学装置等）及びこの光学装置を被写体に対し
相対的に走査（スキャン）して撮影するタイプの静止画
用カラー撮像装置（例えば、カメラ、スキャナ等）に関
する。

【０００２】

【従来の技術】従来、図８に示すようなラインセンサを
使用したカラー撮像装置が知られている。図８におい
て、７１は被写体を結像する撮影レンズ、７３は各画素
に対応して付けられたＲ（赤色），Ｇ（緑色），Ｂ（青
色）の色フィルタ、７５は例えば一次元ＣＣＤ（電荷結
合素子）のようなラインセンサである。

【０００３】被写体の像が撮影レンズ７１によって集束
され色フィルタ７３を通過して結像面上に入射する。こ
の色フィルタ７３は、Ｒ，ＧまたはＢの色フィルタであ
り、夫々の色フィルタを通過した被写体像は結像面に配
置されたラインセンサ７５によって対応するＲ，Ｇ，Ｂ
の電気的な各色信号に変換される。１次元であるライン
センサ７５を被写体に対し相対的に走査（移動）するこ
とにより、２次元の静止画像の画像信号が得られる。

【０００４】図９に分光プリズムを使用した別の従来技
術を示す。図９において、７１は被写体を結像する撮影
レンズ、７７は被写体像以外の余分な光線を遮蔽するス
リット、７９はレンズ、８１は現在ビデオカメラ等で使
用されているダイクロイックプリズムのような分光プリ
ズム、８３はＲ用のラインセンサ、８５はＧ用のライン
センサ、８７はＢ用のラインセンサである。

【０００５】この従来技術では、被写体の像がレンズ７
１を及びスリット７７を通過してレンズ７９を介して結
像され分光プリズム８１に入射する。分光プリズム８１
によって、Ｒ，Ｇ，Ｂに色分解された被写体像は、各々
のラインセンサ８３，８５，８７に入射し色信号に光電
変換される。１次元である各ラインセンサ８３，８５，
８７を被写体に対し相対的に移動することにより、２次
元静止画像の画像信号が生成される。このような構成は
カラー複写機等の類で実用化されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、ラインセン
サ７５で走査する従来技術の場合には、色フィルタ７３
を使用しているので色の分離の問題、画素の大きさによ
る画素数の減少の問題等によって画質が不十分になるお
それがある。

【０００７】また分光プリズム８１を使用する従来技術
では、ラインセンサを３個も使用し、更に２次元画像信
号を得るにはこれらラインセンサ８３，８５，８７を被
写体に対し相対的に移動する必要があるので、その結
果、構造が複雑になりまた大形化する。このためにカラ
ー撮像装置の寸法が大きくなる。またラインセンサ８
３，８５，８７に相当する幅の分光プリズム８１を必要
とするので、この分光プリズム８１はかなり細長い大形
のプリズムとなり、現実には製造するのが困難である。

【０００８】本発明はこのような点を考慮してなされた
もので、高分解能で、各光学素子をほぼラインセンサと
同様の形状にして小形で低価格な光学装置及びこの光学
装置を用いた静止画像用カラー撮像装置を提供しようと
するものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明に係る光学装置
は、例えば図１及び図２に示すように、被写体（図示せ
ず。）の像を結像する撮影レンズ（１）と、この結像さ
れた被写体像を伝達する光ファイバを多数束ねたファイ
バオプティクプレートＦＯＰ（７）と、このファイバオ
プティクプレート（７）に現れた被写体像をほぼ平行な
被写体像にするマイクロレンズアレイＭＬＡ（１１）
と、このほぼ平行な被写体像を分光する回折格子（１
３）と、この分光された被写体像を結像するレンズ（１
５）と、この結像された被写体像を取り込む複数のライ
ンセンサ（１７，１９，２１）とを備え、これら各光学
素子を光軸に関して直列関係で配したものである。

【００１０】さらに、本発明に係る光学装置は、例えば
図３に示すように、回折光の内、０次の回折光（３１）
を用いてラインセンサ（１９）により輝度信号Ｙを生成
し、＋ｍ次の回折光（３３）を用いてラインセンサ（１
７）により第１の色信号（例えば、赤色（Ｒ）信号）を
生成し、−ｍ次の回折光（３５）を用いてラインセンサ
（２１）により第２の色信号（例えば、青色（Ｂ）信
号）を生成する上述の光学装置である。

【００１１】さらに、上述の本発明に係る光学装置のい
ずれかを使用するカラー撮像装置は、例えば図１に示す
ように、光軸に対して直列関係に配された上述の撮影レ
ンズ（１）、ファイバオプティクプレート（７）、マイ
クロレンズアレイ（１１）、回折格子（１３）、レンズ
（１５）及び複数のラインセンサ（１７，１９，２１）
を一体化した光学装置と、この光学装置を移動して２次
元の撮影を行う走査手段とを備え２次元静止画像を得る
ようにしたものである。

【００１２】

【作用】本発明の構成によれば、撮影レンズ，ファイバ
オプティックプレート，マイクロレンズアレイ，回折格
子，レンズ，直角プリズム，ラインセンサ等の光学素子
を用いて簡単な構成且つ小形で高分解能の光学装置を提
供することができる。またこの光学装置を一体化し、被
写体に対し相対的に移動（走査）することにより、静止
画用のカラー撮像装置を提供し得る。この結果、従来技
術のラインセンサに合わせた寸法の大きいダイクロイッ
クプリズムを使用しこれを被写体に対して走査するよう
な複雑な構造でないため、小形で且つ簡単な構造のカラ
ー静止画像撮像装置が実現できる。

【００１３】

【実施例】以下に、図１を参照して本発明に係る光学装
置の一実施例について詳細に説明する。図１に示した光
学装置１０は１次元の色分解光学装置であって、におい
て、１は被写体（図示せず。）の像を結像する撮影レン
ズ、３はその結像面、５は結像面３に結像する被写体像
以外の光線を遮蔽して分解能を向上させるため所望によ
り設けたスリット、７は結像された被写体像を伝達する
ファイバオプティックプレート（ＦＯＰ）である。

【００１４】ここで使用されるファイバオプティクプレ
ート（ＦＯＰ）７は、数ミクロンの光ファイバを束にし
た光学素子であり、光学像を歪み無く伝達し、光量損出
が少なく明るい特徴を有している。ファイバオプティク
プレート７は数ミクロンのシングルファイバを束ねたマ
ルチファイバ構造をしており、それぞれのシングルファ
イバは光を伝達するコアガラスとそれを被覆するクラッ
ドガラス、およびコアガラスから漏れた光を吸収する吸
収体（ＥＭＡ）ガラスの３種類から構成されている。

【００１５】シングルファイバはコアガラスとクラッド
ガラスの屈折率の差によりその境界で全反射が起こり、
被写体の光学像を伝達する。

【００１６】即ち、シングルファイバ内の光線の内、ク
ラッドガラスに対して最大受光角以上の角度で入射した
光線は全反射を起こさず、ファイバ外に逃げるが、吸収
体ガラスで吸収され、隣接するシングルファイバには達
しない。そのため、解像度を損なうことなく被写体の光
学像の伝達が可能となる。

【００１７】図１を参照すると、９は分解能を向上させ
るために所望により設けた適当なマスク、１１はファイ
バオプティックプレート３に表れた被写体像をほぼ平行
な被写体像にするマイクロレンズアレイ（ＭＬＡ）であ
る。

【００１８】ここで使用されるマイクロレンズアレイ１
１としては、具体的には例えば約８．６ミクロンピッチ
で微小レンズを高精度に配列したものを使用している。
例えば、日本板硝子株式会社から商用的に入手できる平
板マイクロレンズであるセルフォックレンズ（ＳＥＬＦ
ＯＣ ｌｅｎｓ）（登録商標）を使用できる。セルフォ
ックレンズは、イオン交換技術とフォトリゾグラフィ技
術により作られた一種の屈折率分布型レンズであり、ガ
ラス基板内部に六角形状または半球状の屈折率分布領域
が二次元に形成されたレンズである。

【００１９】図１を参照すると、１３は固定された透過
型の回折格子であるが、この回折格子１３は透過型ある
いは反射型のいずれでもよい。回折格子１３は、光の回
折を利用し、被写体の光像の分光作用のために使用され
るもので、平面あるいは凹面に多数の溝を刻み、各溝か
らの回折光相互の干渉によりスペクトルが得られるよう
にしてつくられた光学素子である。回折格子１３から
は、−ｍ次、０次、＋ｍ次の回折光（但し、ｍ：整数）
が得られることが知られている。

【００２０】１５はレンズ、１７はレンズ１５により結
像された光像を感知する、例えばＲ用のラインセンサ、
１９はＧ用のラインセンサ、２１はＢ用のラインセンサ
である。

【００２１】図２に、図１の光学装置の正面から見た図
を示す。図２の光学装置において、被写体（図示せ
ず。）の像は撮影レンズ１を通り、スリット５を通過し
て、ファイバオプティックプレート７の図でみて左側面
上の結像面に結像される。ファイバオプティックプレー
ト７により結像面上の像は平行に伝達されて平行光にさ
れファイバオプティックプレート７の図でみて右側面上
に伝達される。

【００２２】この伝達された被写体像は、マイクロレン
ズアレイ１１により結像されて回折格子１３を介して、
レンズ１５によって比較的狭い幅のラインセンサ１７，
１９，２１に合わせて結像される。このレンズ１５は、
１次元方向だけを考慮すればよいことから円柱レンズ
（シリンドリカルレンズ）を使用してもよい。

【００２３】レンズ１５を通して結像された被写体像
は、Ｒ用のフィルタ（図示せず。）を介してＲ用ライン
センサ１７に入射して電気的な画像信号である色信号Ｒ
に変換される。レンズ１５を通して結像された被写体像
は、Ｇ用のフィルタ（図示せず。）を介してＧラインセ
ンサ１９に入射して電気的な画像信号である色信号Ｇに
変換される。レンズ１５を通して結像された被写体像
は、Ｂ用のフィルタ（図示せず。）を介してＢ用ライン
センサに入射して電気的な画像信号である色信号Ｂに変
換される。ここでは、Ｒ用ラインセンサ１７、Ｇ用のラ
インセンサ１９及びＢ用のラインセンサ２１はいずれも
０次の回折光をそれぞれ受光するように配されている。

【００２４】図３は、Ｒ，Ｇ，Ｂの各画像信号を異なる
次数の回折光から得る場合を示す。破線で示す部分に関
しては、図２と同様である。ラインセンサ１７，１９，
２１により得られる画像信号をＲ（赤色），Ｇ（緑
色），Ｂ（青色）の各色信号とする場合においては、回
析格子１３からの出力光の内、例えば一番明るくエネル
ギ的に十分な０次の回折光３１からＧの色信号を生成
し、−ｍ次（例えば、−１次）の回折光３３からＲの色
信号を生成し、＋ｍ次（例えば、＋１次）の回折光３５
からＢの色信号を生成する。

【００２５】ここで曲線３１，３３，３５は−１次，０
次，＋１次の各回折光のエネルギ分布を分かり易く示し
た曲線である。ラインセンサ１７，１９，２１の前にマ
スク２３，２５，２７をそれぞれ配置し、余分な光の入
射を防いでいる。

【００２６】図２で示したように、同じ０次の回折光か
らＲ，Ｇ，Ｂの色信号の全部を生成する場合にはライン
センサ１７，１９，２１が重ならないように配置されて
いる。

【００２７】図２及び図３においてレンズ１５はＲ，
Ｇ，Ｂともに１つのレンズ１５を共用しているが、この
代わりに図４に示すようにＲ，Ｇ，Ｂ各々に１つずつ合
計３個の小形のレンズ１５−１，１５−２，１５−３に
分割して設けてもよい。この場合には、レンズおよびマ
スク２３，２５，２７を各入射光の光軸に直交する面に
配置することもできる。

【００２８】他の方法として、ラインセンサにより得ら
れる画像信号を輝度信号Ｙと色差信号Ｒ−Ｙ及びＢ−Ｙ
とする場合においては、例えば一番明るくエネルギ的に
十分な０次の回折光を全部使って輝度信号Ｙにし、別の
次数の入射光−ｍ次（例えば、−１次）の回折光を色信
号Ｒとし、入射光＋ｍ次（例えば、第＋１次）の回折光
を色信号Ｂとし、その後適当な演算回路を用いて色差信
号Ｒ−Ｙ，Ｂ−Ｙに変換または生成することもできる。

【００２９】この場合には、輝度信号Ｙの光路（チャネ
ル）はマスク２５のスリットを大きくして全部の光を入
射させてもよく、あるいは図４に示すようにＹチャネル
のみにレンズ２９を配置して効率よく集光してもよく、
更に両者を共に採用してもよい。

【００３０】次に、図５を参照してレンズ１５の代わり
に直角プリズムを用いる本発明の他の実施例について説
明する。図５において破線で示した撮影レンズ１、ファ
イバオプティックプレート（ＦＯＰ）７、マイクロレン
ズアレイ（ＭＬＡ）１１、回折格子１３に関しては第２
図と同様である。ここで、３７は直角プリズム、１５−
１，１５−２，１５−３は小形のレンズ、１７はＲ用の
ラインセンサ、１９はＧ用のラインセンサ、２１はＢ用
のラインセンサである。２３，２５，２７は夫々のライ
ンセンサ１７〜１９に所望により付けられたマスクであ
る。

【００３１】なお、所望によりファイバオプティックプ
レート７の撮影レンズ１側にスリット５を設け、マイク
ロレンズ１１側の面に適当なマスク９を設けることによ
り、一層分解能を向上させることが出来る。

【００３２】被写体の像は撮影レンズ１を通り、スリッ
ト５を通過して、ファイバオプティックプレート７の図
でみて左側面上の結像面に結像される。ファイバオプテ
ィックプレート７により結像面上の像は平行に伝達され
て平行光にされファイバオプティックプレート７の図で
みて右側面上に伝達される。この伝達された被写体像
は、マイクロレンズアレイ１１により結像されて回折格
子１３を介して直角プリズム３７に入射し分光される。
分光された光像の各々は、レンズ１５―１を通ってＲ用
ラインセンサ、レンズ１５―２を通ってＧ用ラインセン
サ、レンズ１５―３を通ってＢ用ラインセンサにそれぞ
れ結像される。

【００３３】これらのレンズ１５―１，１５―２，１５
―３は、１次元方向だけを考慮すればよいことから円柱
レンズ（シリンドリカルレンズ）を使用できる。この構
成においては、直角プリズムは光線の方向を選択できる
ので、逃げた光線を拾うことが出来る。

【００３４】図６（ａ）に示すように、ラインセンサ１
７，１９，２１により得られる画像信号をそれぞれＲ，
Ｇ，Ｂの色信号とする場合においては、エネルギ的に十
分な０次の回折光を使用すると光学装置自体の寸法が小
さくなりカラー撮像装置の小形化が出来る。所望によ
り、各ラインセンサ１７，１９，２１の前にそれぞれマ
スク２３，２５，２７を配置し余分な光の入射を防いで
いる。

【００３５】ここでＲ，Ｇ，Ｂの全てについて、他の回
折光、例えば＋ｍ次の回折光、あるいは−ｍ次の回折光
を使用することもできる。あるいは、図３に実施例と同
様に、回析格子１３からの出力光の内、例えば一番明る
くエネルギ的に十分な０次の回折光から色信号Ｇを生成
し、−１次の回折光から色信号Ｒを生成し、＋１次の回
折光から色信号Ｂをとることもできる。

【００３６】図６（ｂ）に示すように、色信号Ｇの代わ
りに輝度信号Ｙをとることもできる。この場合は図６の
実施例と同様に、マスク２５の開口を大きくしたり、ま
たはレンズ２９を配してエネルギ的に効率よく集光した
り、更に両者を共に採用したりすることもできる。

【００３７】２次元像を撮像するカラー撮像装置では、
例えば図１に示す一次元の色分解光学装置において、フ
ァイバオプティックプレート７、マイクロレンズアレイ
１１、回折格子１３及びレンズ１５、ラインセンサ１
７，１９，２１を一体化して、この一体化された１次元
色分解の光学装置１０を被写体に対し相対的に移動（走
査）することにより行う。

【００３８】次に、本発明に係る光学装置が使用される
静止画像用のカラー撮像装置の一例として、静止画カメ
ラの構成を簡単に説明する。

【００３９】図７において、被写体の光像は、本発明に
係る光学装置を構成する一次元の撮像デバイスからなる
ラインセンサ１７〜２１に入射する。光学装置１０の撮
影レンズ１とファイバオプティックプレート７の間に
は、絞り４１，シャッター４３等が配されている。絞り
４１は、マイクロコンピュータ４５からの制御信号によ
りモータ（図示せず。）を通じて開きの程度が制御され
る。シャッター４３は、マイクロコンピュータ４５から
の制御信号によりアクチュエータ（図示せず。）を通じ
て開閉が制御される。光学装置１０は、マイクロコンピ
ュータ４５からの制御信号により走査駆動装置６３を通
じて走査方向の移動が制御される。

【００４０】ラインセンサ１７〜２１には、タイミング
ジェネレータ４８から一定周期の読み出しパルスＰが供
給されている。ラインセンサ１７〜２１から読み出され
た電荷は、電気信号として増幅器を通じて信号処理回路
４９に供給される。信号処理回路４９では、増幅器４７
から供給された電気信号を使用している光学装置１０に
応じて色信号Ｒ，Ｇ，Ｂまたは輝度信号Ｙと色差信号Ｙ
−Ｒ，Ｙ−Ｂからなるビデオ信号に変換または生成して
変調器５１に供給する。変調器５１によって変調された
ビデオ信号が増幅器５３を通じて記録ヘッド５５に供給
され、記録ヘッド５５により、フローピィディスク２４
にこの変調されたビデオ信号が記録される。

【００４１】信号処理回路４９及び変調器５１は、マイ
クロコンピュータ４５によって制御される。このマイク
ロコンピュータ４５には、リリース手段であるリリース
ボタン５７、シャッター４３、シャッタ速度を設定する
シャッター速度設定器５９、絞りを絞り込む手段である
絞り込みボタン６１及びタイミングジェネレータ４８等
が接続されている。

【００４２】マイクロコンピュータ４５には、ＣＰＵ，
ＲＯＭ，ＲＡＭ及び入出力インターフェース等が含まれ
ている。ＲＯＭには、ソフトウェアとしてタイミングジ
ェネレータ４８の制御情報等のプログラムが書き込まれ
ている。

【００４３】尚、上述の実施例は本発明の実施例であ
り、本発明の要旨を逸脱しない範囲で様々な変更が成し
得ることは勿論である。本発明の技術的範囲は特許請求
の範囲によってのみ特定される。

【００４４】

【発明の効果】上述せる本発明によれば構成部品の光学
素子の形状がラインセンサとほぼ同形となり、ダイクロ
イックプリズムのような複雑な構成部品を用いることな
く、小形で且つ簡単な構成の光学装置を構成することが
できる。さらにこの光学装置を走査することにより、小
形で且つ簡単な構成のカラー撮像装置を提供することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る光学装置の一実施例を示す斜視図
である。

【図２】図１に示す本発明に係る光学装置の正面図であ
る。

【図３】本発明に係る光学装置において、ＲＧＢの各画
像信号を異なる次数の回折光から得る場合の実施例を示
す。

【図４】本発明に係る光学装置において、結像レンズを
個別の小形レンズにした場合の実施例を示す。

【図５】本発明に係る光学装置において、ＲＧＢの各画
像信号を得るために直角プリズムを使用した場合の別の
実施例を示す。

【図６】図６（ａ）は、図５の実施例において０次の回
折光を利用した場合を示し、図６（ｂ）は、ＹＲＢの各
画像信号得る場合の実施例を示す。

【図７】図７は、本発明に係る光学装置を使用した静止
画カメラの一例を示す。

【図８】図８は、従来の一次色分解光度計を示す。

【図９】図９は、ダイクロイックプリズムを使用した従
来の一次色分解光度計を示す。

【符号の説明】

１ 撮影レンズ ３ 結像面 ５ スリット ７ ファイバオティックプレート（ＦＯＰ） ９ マスク １０ 光学装置 １１ マルチレンズアレイ １３ 回折格子 １５，２９ レンズ １５―１，１５―２，１５―３ 小形レンズ １７，１９，２１ ラインセンサ ３７ 直角プリズム

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被写体像を結像する撮影レンズと、 該結像された被写体像を伝達する光ファイバを多数束ね
   たファイバオプティクプレートと、 該ファイバオプティクプレートに現れた被写体像をほぼ
   平行な被写体像にするマイクロレンズアレイと、 該ほぼ平行な被写体像を分光する回折格子と、 該分光された被写体像を結像するレンズと、 該結像された被写体像を取り込む複数のラインセンサと
   を備え、これら各光学素子を光軸に関して直列関係で配
   したことを特徴とする光学装置。
2. 【請求項２】 上記回折格子からの回折光の内、０次の
   回折光を用いて上記ラインセンサにより輝度信号を生成
   し、＋ｍ次の回折光を用いて上記ラインセンサにより第
   １の色信号を生成し、−ｍ次の回折光を用いて上記ライ
   ンセンサにより第２の色信号を生成することを特徴とす
   る請求項１に記載の光学装置。
3. 【請求項３】 光軸に対して直列関係に配された請求項
   １または２に記載の上記撮影レンズ、上記ファイバオプ
   ティクプレート、上記マイクロレンズアレイ、上記回折
   格子、上記レンズ及び上記複数のラインセンサを一体化
   した光学装置と、 該光学装置を移動して２次元の撮影を行う走査手段とを
   備え２次元静止画像を得るようにしたことを特徴とする
   カラー撮像装置。