(57)【要約】      （修正有）【課題】被写体が高輝度のときには、モニター画面上で観察される干渉縞ゴーストを低減した色分解光学系を提供する。【解決手段】入射光束を複数の光束に分割し、該複数の光束をそれぞれの光路に配置された固体撮像素子へ導く色分解プリズムであって、第１の光束を反射し第２の光束を透過する第１反射面３を備え、前記第１の光束を第１の固体撮像素子へ導く第１プリズムと、前記第１反射面に対して空隙を挟んで配置されており、前記空隙から入射した前記第２の光束を反射する第２反射面７を備え、前記第２反射面で反射し前記空隙に接する面で反射した前記第２の光束を前記第１の固体撮像素子とは異なる第２の固体撮像素子へ導く第２プリズムと、を有し、前記第２プリズムの入射面に緑と赤を通し、赤外を阻害する誘電体よりなるエッジフィルタ９を有することを特徴とする。【選択図】図１
2017198762.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光束を複数の光束に分割し、該複数の光束をそれぞれの光路に配置された固体撮像素子へ導く色分解プリズムであって、
第１の光束を反射し第２の光束を透過する第１反射面を備え、前記第１の光束を第１の固体撮像素子へ導く第１プリズムと、
前記第１反射面に対して空隙を挟んで配置されており、前記空隙から入射した前記第２の光束を反射する第２反射面を備え、前記第２反射面で反射し前記空隙に接する面で反射した前記第２の光束を前記第１の固体撮像素子とは異なる第２の固体撮像素子へ導く第２プリズムと、を有し、
前記第２プリズムの入射面に、誘電体よりなるエッジフィルタを有することを特徴とする色分解光学系。
【請求項２】
前記第２反射面は赤反射ダイクロイック膜を有することを特徴とする請求項１に記載の色分解プリズム。
【請求項３】
前記第１反射面は青反射ダイクロイック膜を有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の色分解プリズム。
【請求項４】
誘電体よりなるエッジフィルタの透過率が５％以下となるカット波長が７００ｎｍより長波長側であることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載の色分解プリズム。
【請求項５】
前記第２反射面は第３の光束を透過し、
前記第２反射面に接して配置されており、前記第２反射面を透過した前記第３の光束を前記固体撮像素子へ導く第３プリズムを有することを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか一項に記載の色分解プリズム。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５の何れか一項に記載の色分解プリズムを有することを特徴とする撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、カラーテレビカメラの色分解光学系に関し、特にプリズムを用いた3色分解光学系に関する。
【背景技術】
【０００２】
まず、対物レンズから射出した光束を複数の色成分に分解する色分解光学系について説明する。ここでは、例えば、３つのプリズムよりなり、青・緑・赤の光束に分解するテレビカメラ用の色分解プリズムを例に取る。図９は、この従来の色分解プリズム系と対物レンズで構成される撮影装置の主要断面図を示している。
【０００３】
テレビカメラは、対物レンズＬｅからの光を色分解するプリズム１００１と複数の固体撮像素子を有している。プリズム１００１で色分解された光束は、各固体撮像素子１０１１Ｂ、１０１１Ｇ、１０１１Ｒに至り、各固体撮像素子は各色光で形成される像を撮像し、電気信号に変換している。プリズム１００１の第１プリズムは、入射面１００２より入射した対物レンズＬｅからの光を面１００３に施した青反射用のダイクロイック膜にて、青色光のみを反射させ、残りを透過させる。反射した青色光は、面１００２にて全反射され、面１００４を射出して青色用の固体撮像素子１０１１Ｂに向かう。
【０００４】
第２プリズムの面１００７に施した赤反射用のダイクロイック膜は、面１００３を透過し、空気間隙１００５を透過した光のうち、赤色光のみを反射し、残った緑色光を透過させる。反射した赤色光は、空気間隙１００５と接する第２プリズムの入射面１００６面にて全反射し、面１００８を射出して赤色用の固体撮像素子１０１１Ｒに向かう。面１００７を透過した緑色光は、面１０１０を射出し、緑色用の固体撮像素子１０１１Ｇに向かう。このようにして、色分解プリズムは光束を分解する。
【０００５】
図１０は、対物レンズからプリズム１００１の第１および第２のプリズムを通って赤の撮像素子の有効部に至る光束を描いた光路図である。この光束のうちＤと付記した光線は、この紙面に於ける撮像面の最も低い位置を通る軸外光束の周辺光線を示す。第２プリズムでこの光線Ｄを全反射させる必要があるが、この光線Ｄを入射面１００６で全反射させるためには、
θ２＞（θ１＋δ＋θｍａｘ）／２  ・・・（１）
という式を満足させることが必要となる。
ただし、
θ１：第１プリズムの頂角
θ２：第２プリズムの頂角
δ＝sin-1（１／ｎ）
ｎ：プリズムの屈折率
θｍａｘ＝sin-1｛１／（２・ｎ・Ｆｎｏ）｝
Ｆｎｏ：対物レンズのＦナンバーである。
【０００６】
特開平７−２８１０１２号公報では、色分解プリズムの小型化を図るために、式（１）の下限近傍
−０.５°＜θ２−｛（θ１＋δ＋θｍａｘ）／２｝＜５.５°
の範囲とする必要があることを開示している。
【０００７】
従来、撮像素子として撮像管が使われていた頃は、撮像管が焼け付く問題があり、太陽等の強い光源を直接撮像するようなことは滅多になかった。撮影する場合であってもＮＤフィルター等の減光用の光学部材を使用して意図的に撮影するのが一般的である。
【０００８】
ところで、近年、撮像管に代わって固体撮像素子を代表とする固体撮像素子が主流を占めつつある。こうした固体撮像素子では、この焼き付けの問題が無く、スミアやブルーミングも改善されてきたため、太陽等の強力な光源を直接撮像することが可能となった。
【０００９】
しかしながら、固体撮像素子を適用したことにより新たな問題が生じた。これは固体撮像素子等の固体撮像素子自体の構成が起因した問題である。固体撮像素子の表面は、金属コーティングが施されており、その反射率は比較的高い。この為、より強い光源を直接撮像することで、固体撮像素子面上で強い反射が起こる。また、撮像面は画素が規則正しく配列されているために、回折をも伴っている。この反射による影響は、図１１（Ａ）の様な第２プリズム内の光路を通って、固体撮像素子１０１１Ｒに再入射することでゴーストとなって生じることが分かった。この点について、図１１を基にして説明する。
【００１０】
図１１（Ｂ）は、一つのゴースト光路を示し、第２プリズムをこのゴースト光路に沿って展開した図を示している。特に、反射面１００７に垂直に入射し反射する光線を描いているが、この図から、固体撮像素子にて反射した光の内、第２プリズムに入射した直後の面１００６に角度αで入射した光線のこの入射角度と、面１００７にて反射した後、再度面１００６に入射する角度βは、互いに同じでθ２であることが分かる。
【００１１】
従来は、撮像管の焼き付きの問題からこのようなゴーストの問題がなかったため、θ２の取りうる範囲は、色分解プリズムの小型化のみを考えるだけで良かった。即ちθ２を、なるべく光が全反射するに足るだけの小さな角度で設定していれば良かった。特開平７−２８１０１２号公報においても、−０.５°＜θ２−｛（θ１＋δ＋θｍａｘ）／２｝と色分解プリズムの小型化のために、わずかながら全反射条件を満足しない領域がある。図11（Ｂ）を見ると、点Ｐ１、点Ｐ２において、全反射が起こらないことになる。
【００１２】
ここで、θ２がδよりわずかに小さい場合を想定する。図１２は、面１００６に設ける多層反射防止膜の特性例である。横軸は波長（ｎｍ）、縦軸は面１００６を透過する透過率である。当然のことならば、空気間隙側１００５から面１００６に入射する主光線（入射角約４５度前後）は高い透過率を示している（図上最上部の特性）。そして１００７の面で反射されプリズム側から面１００６に全反射臨界角より大きな角度で入射した光線は全反射する。しかしながら、図に示している下側４本のラインは、下側から順に、全反射臨界角より０．００７度、０．１１６度、０．３５６度、０．７２３度小さい角度で入射した時の透過率である。全反射角度からわずかに外れるだけで図に示す透過が起こる。
【００１３】
図１１（Ｂ）を見ると、点Ｐ１、点Ｐ２において、全反射が起こらないため、点Ｐ１、点Ｐ２では、空気間隙１００５を挟んだ２面１００３と１００６で干渉が観測されるようになる。図１４（Ａ）と（Ｂ）は、面１００７面に入射する光線の角度が垂直よりわずかにずれたゴースト光路を示した図である。図１４（Ａ）は紙面内で、上向きに向かう光線を示し、図１４（Ｂ）は下向きに向かう光線のゴースト光路を示した図である。
【００１４】
点Ｐ３、点Ｐ６においては、入射角度が大きくなるため、全反射がより起こりやすくなる傾向にあり問題はないが、点Ｐ４、点Ｐ５においては、逆に入射角度が小さくなるため、全反射条件を満足せず、ここで干渉縞が生じる原因となっていた。この干渉を伴ったゴーストは、被写体が低輝度のときにはそれ程目立つことはないが、被写体が高輝度のときには、モニター画面上で、図15の様に観察されることになる。
【００１５】
つまり、干渉縞は画面上（撮像素子上）で上下対の干渉縞が生じ、またこの対の干渉縞が互いに重ねって観察されて、非常に画質を損なうものであった。更に、このゴースト光の干渉は、色分解プリズムのようにゴーストが出る色光の波長域が狭くなればなるほど、より顕著に観測される課題がある。
【００１６】
特許文献１や、特許文献２では干渉縞ゴーストが出ない形状が開示されている。しかしながら、これらの技術では第２プリズムの頂角を大きくせざるを得ず、色分解光学系の大型化が避けられないという課題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１７】
【特許文献１】特開２０００−２６６９１５号公報
【特許文献２】特開２０１２−４７８０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
本発明は、こうした問題点を解決し、良好な撮影画像が得られる光束分割プリズム光学系、あるいはこの光束分割プリズムを備える撮像装置を提供することを目的とする。特に第一のプリズムで青を分離し、第２のプリズムで赤を分離する色分解光学系の第２のプリズムが起因する干渉を伴ったゴーストを軽減した、光束分割プリズム光学系、あるいはこの光束分割プリズムを備える撮像装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
上記の目的を達成するために、本発明に係る撮像装置は、
入射光束を複数の光束に分割し、該複数の光束をそれぞれの光路に配置された固体撮像素子へ導く色分解プリズムであって、
第１の光束を反射し第２の光束を透過する第１反射面を備え、前記第１の光束を第１の固体撮像素子へ導く第１プリズムと、
前記第１反射面に対して空隙を挟んで配置されており、前記空隙から入射した前記第２の光束を反射する第２反射面を備え、前記第２反射面で反射し前記空隙に接する面で反射した前記第２の光束を前記第１の固体撮像素子とは異なる第２の固体撮像素子へ導く第２プリズムと、を有し、
前記二プリズムの入射面に緑と赤を通し、赤外を阻害する誘電体よりなるエッジフィルタを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明に係る撮像装置によれば、小型で干渉縞ゴーストの少ない色分解光学系を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の色分解光学系の概略図
【図２】エッジフィルタの特性図
【図３】エッジフィルタの特性図
【図４】エッジフィルタの特性図
【図５】ゴースト光の光路を展開した断面図
【図６】エッジフィルタの特性図
【図７】エッジフィルタの特性図
【図８】エッジフィルタの特性図
【図９】従来の色分解プリズム系と対物レンズで構成される撮影装置の主要断面図
【図１０】対物レンズから第１および第２のプリズムを通って赤の撮像素子に至る光束を描いた光路図
【図１１】ゴースト光路を示す図
【図１２】多層反射防止膜の特性例
【図１３】従来の多層反射防止膜において光のエネルギー値を説明するための図
【図１４】ゴースト光路を示す図
【図１５】モニター画面上の干渉縞の様子を示す図
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下に、本発明の好ましい実施の形態を、添付の図面に基づいて詳細に説明する。図１は、本発明の実施形態にかかわる色分解光学系の断面図である。
【００２３】
［実施例１］
図１は本発明に関する色分解プリズムの光学系の断面図である。
【００２４】
不図示のカメラ本体に対して着脱可能な対物レンズＬｅは、被写体像を形成して、この被写体像を青色用、緑色用、赤色用の各固体撮像素子１１Ｂ、１１Ｇ、１１Ｒに投影する機能を有する。色分解プリズム１は、対物レンズＬｅと固体撮像素子１１Ｂ、１１Ｇ、１１Ｒの間に位置し、対物レンズからの光を青、緑、赤の各色光に分解し、その各々を固体撮像素子１１Ｂ、１１Ｇ、１１Ｒに導く働きをする。なお、色分解プリズム１と各固体撮像素子は、カメラ本体内に固定されている。また各プリズムの屈折率は全て同じである。
【００２５】
プリズム１は、光束の進行方向へ順に、第１のプリズム（青色分解用のプリズム）と、空気間隙を介して隣接する第２のプリズム（赤色分解用のプリズム）と、この第２のプリズムと接合された第３のプリズム（緑色光を導光するプリズム）の３つのプリズムブロックより構成されている。第１のプリズムは、空気間隙と接する面３に青色光のみを反射し、残りの光を透過するように誘電体多層膜で構成された青反射ダイクロイック膜（青色用の反射面）５を有する。
【００２６】
第２のプリズムは、第３のプリズムと接合される面に赤色光のみを反射し、残りの緑色光を透過する様に誘電体多層膜で構成された赤反射ダイクロイック膜（赤色用の反射面）７を有している。そして、第２のプリズムは、空気間隙と接する面６に赤色光と緑色光を透過し、赤色より長波長側を反射する誘電体膜で構成されたエッジフィルタ９を有する。
【００２７】
プリズム１は、対物レンズからの光を第１のプリズムの入射面２より取り込み、第１のプリズムの青反射ダイクロイック面３にて青色成分の反射光とその他の透過光に分離する。反射された青色光は、入射面２にて全反射して面４を射出し、青色成分のための固体撮像素子１１Ｂに導かれる。
【００２８】
面３にて透過により分離された光（赤色成分と緑色成分）は、エッジフィルタ９を施した面６から第２プリズムに入射する。その内、赤色成分の光は赤反射ダイクロイック面７よって反射される一方、緑色成分の光は透過する。反射された赤色光は、空気間隙５と接する第２のプリズムのエッジフィルタ９を施した入射面６（反射面）にて全反射され、射出面８を射出して赤色成分のための固体撮像素子１１Ｒに導かれる。三つのダイクロイック膜を最後まで透過した緑色成分の光は、面１０より射出し、緑色成分のための固体撮像素子１１Ｇに導かれる。
【００２９】
図２は第２プリズムに入射する光がエッジフィルタ９を透過する時の特性例であり、表 １は、その膜構成例である。
【００３０】
図から明らかに用に、エッジフィルタ９は、この時点で赤色成分と緑色成分の光を通し、赤外光を阻害する事が出来る。
【００３１】
表 1
最上層（空気）       膜の屈折率    膜厚
24                   1.47          81.1
23                   2.32          99.9
22                   1.47          157.7
21                   2.32          99.9
20                   1.47          150.2
19                   2.32          95.2
18                   1.47          150.2
17                   2.32          95.2
16                   1.47          150.2
15                   2.32          95.2
14                   1.47          150.2
13                   2.32          95.2
12                   1.47          150.2
11                   2.32          95.2
10                   1.47          150.2
9                    2.32          95.2
8                    1.47          150.2
7                    2.32          95.2
6                    1.47          150.2
5                    2.32          95.2
4                    1.47          157.7
3                    2.32          99.9
2                    1.47          157.7
1                    2.32          123
基板層(ガラス）             
屈折率の高い膜は、ＴｉＯ２やＴａ２Ｏ５などの素材が考えられる。また、低い方の膜として、ＳｉＯ２やＭｇＦ２などが考えられる。
【００３２】
図５は１度固体撮像素子１１Ｒに至った赤色成分の光が、固体撮像素子の撮像面にて反射され、再度第２プリズムに逆行するとともに、赤色反射ダイクロイック面７で反射され、固体撮像素子１１Ｒに再入射するゴースト光の光路を展開した断面図である。
【００３３】
なお、第２プリズムの頂角は、反射面７と全反射面６とが形成する角度である。ここで、図５の様な第２プリズム内の光路を通って、固体撮像素子１０１１Ｒに再入射することでゴーストについて述べる。なお、図５は、図１４（Ａ）と等価である。
【００３４】
図５は一つのゴースト光路を示し、図１１（Ａ）と同様に第２プリズムをこのゴースト光路に沿って展開した図を示している。特に、反射面７に垂直に入射し反射する光線を描いているが、この図から、固体撮像素子にて反射した光の内、第２プリズムに入射した直後の面６に角度αで入射した光線のこの入射角度と、面７にて反射した後、再度面６に入射する角度βは、互いに同じでθ２であることが分かる。
【００３５】
本発明は、特開平７−２８１０１２号公報においても、−０.５°＜θ２−｛（θ１＋δ＋θｍａｘ）／２｝と色分解プリズムの小型化のために、全反射条件を満足しないながらも、全反射しない光が影響の少ない範囲で、第２プリズムの頂角（θ２）を設定してプリズムの小型化を優先させている。図５（Ｂ）を見ると、点Ｐ１、点Ｐ２において、全反射が起こらないことになる。
【００３６】
ここで、θ２がδよりわずかに小さい場合を想定する。図３は面６に設けるエッジフィルタの特性例である。横軸は波長（ｎｍ）、縦軸は面７で反射されプリズム側から面６を透過する透過率である。当然ながら、面６に全反射臨界角より大きな角度で入射した光線は全反射するので透過率はゼロである。しかしながら、図３に示している４本のラインは、下側から順に、全反射臨界角より０．００７度、０．１１６度、０．３５６度、０．７２３度小さい角度で入射した時の透過率である。全反射角度から外れるに従って、図に示す透過が起こる。
【００３７】
図５を見ると、点Ｐ１、点Ｐ２において、全反射は起こらないため、点Ｐ１、点Ｐ２では、空気間隙５を挟んだ２面３と６で干渉が観測されるようになる。
【００３８】
次に、干渉の強度について述べる。実施例では、赤の領域の干渉現象であるので、縦に引いた２本の破線で表した領域において、干渉の強度を考えればよい。
【００３９】
ここで、数値例として全反射臨界角より０．７２３度小さくなった時の干渉の強度を述べる。従来例（図１３）の多層反射防止膜の例において、クロスハッチの領域の面積が透過する光のエネルギー値を代表する。２本の破線で示される赤の領域は、波長を５８０ｎｍから７００ｎｍと仮定する。図１３のグラフで、５８０ｎｍから７００ｎｍにおけるクロスハッチ部の面積比率（光エネルギー透過率）は、約６５％である。逆に反射は３５％となる。
【００４０】
透過した光エネルギーは、面１００３で仮に３５％の反射を受けたとして、もう一度面１００６を６５％透過して再入射する（ここで、空気間隙は２つの平行な平面から成るとしている）ので、１５％のエネルギーが戻ってくる。面１００６を透過した光と面１００６を反射した光が干渉すると、おおよそ、強めあった時は５０％、弱めあった時で２０％と３０％のエネルギー差が見られる。
【００４１】
同様にして本実施例における例を述べる。図４は従来例と同様に、全反射臨界角より０．７２３度小さくなった時のエッジフィルタ９の特性を抽出したものである。エッジフィルタ９を施した面６において、クロスハッチの領域の光エネルギー透過率は、約３２％である。光の透過エネルギーが従来例より半減している。逆に反射は６８％である。
【００４２】
本発明は、面１００３と面３は同一とする。透過した光エネルギーは、従来例と同様に面３で３５％の反射を受け、もう一度面６を３２％透過して第２プリズムに再入射する。再入射した光のエネルギーは、約４％。面６を透過した光と面６を反射した光が干渉すると、おおよそ、強めあった時は７２％、弱めあった時で６４％と８％のエネルギー差が見られるが、従来例の１／３にする事が出来る。
【００４３】
第二プリズムの入射面に緑と赤を通し、赤外を阻害する誘電体よりなるエッジフィルタを配置することで、色分解光学系を大型化すること無く、干渉縞ゴーストを低減する事が可能である。
【００４４】
［実施例２］
本実施例においても、断面図は図１であり、エッジフィルタのみが異なる構成である。表 ２は本発明の第２のエッジフィルタの実施例となる膜構成図であり、その特性を図６に示す。第一実施例のエッジフィルタと比較して、全体に膜の素材の屈折率を低くしている事が特徴である。
【００４５】
表 ２
最上層（空気）      膜の屈折率    膜厚
24                  1.25           97
23                  1.6            147.3
22                  1.25           188.6
21                  1.6            147.3
20                  1.25           179.7
19                  1.6            140.4
18                  1.25           179.7
17                  1.6            140.4
16                  1.25           179.7
15                  1.6            140.4
14                  1.25           179.7
13                  1.6            140.4
12                  1.25           179.7
11                  1.6            140.4
10                  1.25           179.7
9                   1.6            140.4
8                   1.25           179.7
7                   1.6            140.4
6                   1.25           179.7
5                   1.6            140.4
4                   1.25           188.6
3                   1.6            147.3
2                   1.25           188.6
1                   1.6            181.4
基板層(ガラス）            
屈折率の高い膜は、Ａｌ２０５などの素材が考えられる。また、低い方の膜として、バルーン（中空）構造を持つ、ナノサイズのシリカをバインダに混合してコーティングすることなどが考えられる。
【００４６】
同様にして本実施例における例を述べる。図７は、図３と同様に示した第２のエッジフィルタの特性例であり、図８は実施例１と同様に、全反射臨界角より０．７２３度小さくなった時のエッジフィルタの特性を抽出したものである。エッジフィルタを施した面６において、クロスハッチの領域の光エネルギー透過率は、約３９％である。光の透過エネルギーが従来例より４割減らしている。反射は６１％である。
【００４７】
本実施例にて透過した光エネルギーは、実施例１や従来例と同様に面３で３５％の反射を受け、もう一度面６を３９％透過して第２プリズムに再入射する。再入射した光のエネルギーは、約５％。面６を透過した光と面６を反射した光が干渉すると、おおよそ、強めあった時は６６％、弱めあった時で５６％と１０％のエネルギー差が見られるが、やはり従来例の１／３にする事が出来る。
【００４８】
以上説明してきたように、第二プリズムの入射面に緑と赤を通し、赤外を阻害する誘電体よりなるエッジフィルタを配置することで、色分解光学系を大型化すること無く、干渉縞ゴーストを低減する事が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
カラーテレビカメラに利用可能な色分解光学系に利用可能なものである。
【符号の説明】
【００５０】
１  色分解プリズム系、２  第１プリズムの入射面、
３  青色分解のためのダイクロイック面、４  青色用の光射出面、５  空気間隙、
６  第２プリズムの入射面、７  赤色分解のためのダイクロイック面、
８  赤色用の光射出面、９  エッジフィルタ、１０  緑色用の光射出面、
１１  固体撮像素子、θ１  第１プリズムの頂角、θ２  第２プリズムの頂角
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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