JP2013176018A

JP2013176018A - 光量調整装置

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Publication number: JP2013176018A
Application number: JP2012040590A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiro Sato; 安紘佐藤; Michio Yanagi; 道男柳
Original assignee: Canon Electronics Inc
Current assignee: Canon Electronics Inc
Priority date: 2012-02-27
Filing date: 2012-02-27
Publication date: 2013-09-05
Anticipated expiration: 2032-02-27
Also published as: JP5977956B2

Abstract

【課題】カラー撮影とモノクロ撮影の何れにおいても光量調整が可能で、良好な映像を得る。
【解決手段】撮像レンズ群と、撮像レンズ群を透過する光の光量を制限するＮＤフィルタ１４と、受光した光を電気信号に変換する撮像素子８と、撮像素子８に赤外光が入射することを防ぐ赤外光カットフィルタ６とを有している。ＮＤフィルタ１４は少なくとも可視光波長の透過を制限する可視光波長調整領域と、赤外光の透過を制限する赤外光波長調整領域とを有している。カラー撮影を行う際は、赤外光カットフィルタ６が光軸Ｌ上に挿入され、更にＮＤフィルタ１４の可視光波長調整領域又は光の透過を制限しない透過領域が光軸Ｌ上に挿入される。一方、モノクロ撮影を行う際は、赤外光カットフィルタ６は光軸Ｌから除去され、ＮＤフィルタ１４の赤外光波長調整領域又は光の透過を制限しない透過領域が光軸Ｌ上に挿入される。
【選択図】図１

Description

本発明は、可視光波長と赤外光波長を用いて撮影する監視カメラ等に組み込まれる光量調整装置に関するものである。

従来からカメラ等の撮像装置には、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）やＣＭＯＳ(Complementary Metal Oxide Semiconductor)センサ等から成る撮像素子が用いられている。そして、この撮像素子に入射する光量を調節するために、絞り装置と赤外光カットフィルタが使われている。

絞り装置は被写体の輝度により絞り羽根を駆動させて開口径を調整し、被写体の輝度が大きくなるに従って開口径を小さくし、撮像素子に入射する光量を低減させる。しかし、開口径が小さくなり過ぎると、ハンチング現象や光の回折に起因する画質の劣化を引き起こしてしまう。

そこで、従来から絞り羽根の近辺にＮＤ（Neutral Density）フィルタを配置し、開口径を大きく維持したまま光量を抑制することが行われている。具体的には、被写体の輝度が大きくなるに従い開口径を徐々に小さくしてゆくが、開口径が或る所定の大きさとなると、開口径はその大きさで維持され、ＮＤフィルタを光軸上に挿入して撮像素子に侵入する光量を調整する。

ＮＤフィルタは絞り羽根に接着して同時に駆動させたり、絞り羽根には直接接着することなく、別駆動で独立して駆動させたりすることにより光軸上に挿入される。

近年では、ＮＤフィルタによる光量制御をより高精度に行うために、特許文献１に示すように連続的又は段階的な濃度勾配を有するＮＤフィルタも開発されている。また、近年の撮像素子の感度向上を受けて、開口径が小さくなり過ぎないように、光学濃度の濃いＮＤフィルタの需要が高まってきている。

通常では、赤外光カットフィルタは撮像素子の直前に配置され、可視光波長の光量が十分な明るい場所をカラー撮影する際に光軸上に挿入される。これにより、人眼では感知できない赤外光波長の光が撮像素子に侵入することを防止し、人眼が感知する色味とほぼ同様のカラー映像を得ることができる。

一方、可視光波長の光量が不十分な際には、光軸上から赤外光カットフィルタを退避させ、主に赤外光波長の光を利用したモノクロ撮影を行う。なお、赤外光波長の光は前述のように人眼では感知できないためモノクロ映像となる。

特開２００４−６１８９９号公報特開２００８−１５２０３２号公報特開２００２−１８９２３号公報

監視カメラ等の撮影装置は、可視光波長の光を利用した通常のカラー撮影に加えて、赤外光波長の光を利用したモノクロ撮影も行う。このようなカメラ装置には、可視光波長から赤外光波長の光に対応した光学フィルタが求められている。

特許文献２には、カラー撮影を行う際に可視光波長を透過させ赤外光波長の光をカットする可視光カットフィルタ、モノクロ撮影を行う際に赤外光波長の光を透過させ、可視光波長の光をカットする可視光カットフィルタを開口上に挿入する技術が開示されている。

近年の監視カメラ等においては、カラー撮影、モノクロ撮影の何れの撮影においても、より高画質化が求められているため、何れの撮影形態においても、撮影に使用する光波長の光量を最適に調整する必要がある。

また特許文献２では、撮影に不要な光を完全に遮蔽するために、少なくとも一方のカットフィルタが開口を覆う必要があり、透過させる光波長の光量を調整するのは、絞り羽根による開口径の調整のみとなるので、光量の調整範囲が限定されてしまう。

特許文献３においては、可視光波長から赤外光波長の光量を調整するために、赤外光波長の光学濃度が可視光波長の光学濃度と同等以下のＮＤフィルタを搭載した撮像ユニットが開示されている。しかし、この特許文献３のＮＤフィルタは、可視光波長の透過率を制限する領域と赤外光波長を制限する領域が分かれていないため、可視・赤外の両領域で透過率を平坦に保つことが困難である。

近年の撮像素子は、カラー撮影時のカラーバランスを考慮し、人眼の感度と撮像素子の感度を近付けている。従って、図１１に示す分光感度特性のグラフ図のように可視光波長の感度が高くなっていて、可視光波長と赤外光波長に対する撮像素子の感度の差が大きくなってきている。

このため、特許文献３のＮＤフィルタにより可視光・赤外光のそれぞれの光波長に対する光学濃度を変化させようとすると、可視光波長から赤外光波長において徐々に透過率が変化する遷移領域が生じ、映像に悪影響を及ぼす虞れがある。

本発明の目的は、上述の課題を解決し、可視光波長から赤外光波長において最適な光量調整が可能であり、カラー撮影、モノクロ撮影の何れの撮影状態においても、高画質の映像が得られる光量調整装置を提供することである。

上記目的を解決するために本発明に係る光量調整装置は、撮像装置内に配置された撮像レンズ群中を光軸に対して移動して光量を調整する光量調整フィルタと、該光量調整フィルタを通過した光を電気信号に変換する撮像素子の受光面側で、光軸に対し挿脱自在で前記撮像素子に入射する赤外光をカットする赤外光カットフィルタと、前記光量調整フィルタの移動と前記赤外光カットフィルタの挿脱とを制御する光量調整制御部とを有し、前記光量調整フィルタは、少なくとも可視光波長の透過を調整する可視光波長調整領域と、赤外光波長の透過を調整する赤外光波長調整領域とを有し、前記光量調整制御部により前記赤外光カットフィルタとは別個に移動制御することにより、前記撮像素子に入射する光の波長と光量とを変更することを特徴とする。

本発明に係る光量調整装置によれば、撮影に使用する光波長に応じて、絞り開口を覆うＮＤフィルタの領域を選択することで、可視光波長を用いたカラー撮影や赤外光波長を用いたモノクロ撮影においても良好な画像を得られる。

撮像光学系の構成図である。赤外光カットフィルタの分光特性のグラフ図である。ＮＤフィルタと赤外光カットフィルタの配置図である。ＮＤフィルタと赤外光カットフィルタの配置図である。ＮＤフィルタと赤外光カットフィルタの配置図である。ＮＤフィルタと赤外光カットフィルタの配置図である。ＮＤフィルタと赤外光カットフィルタの配置図である。ＮＤフィルタと赤外光カットフィルタの配置図である。ＮＤフィルタと赤外光カットフィルタの配置図である。変形例のＮＤフィルタの構成図である。従来の撮像素子の分光感度特性のグラフ図である。

本発明を図１〜図１０に図示の実施例に基づいて詳細に説明する。
図１は実施例における光量調整装置の構成図を示し、光軸Ｌ上に、レンズ１、光量調整手段２、レンズ３〜５、挿脱自在の赤外光カットフィルタ６、ローパスフィルタ７、ＣＣＤから成る固体撮像素子８が順次に配列されている。また、撮像素子８の出力は光量調整制御部９に接続され、光量調整制御部９の出力は赤外光カットフィルタ駆動部１０、ＮＤフィルタ駆動部１１に接続されている。

光量調整手段２においては、絞り羽根支持板１２に一対の絞り羽根１３ａ、１３ｂが可動に取り付けられ、絞り羽根１３ａ、１３ｂは光軸Ｌに対し直交する方向に進退自在とされている。撮像素子８に入射する光量に応じて、光量調整制御部９の出力により図示しない駆動部により絞り羽根１３ａ、１３ｂを駆動し、絞り羽根１３ａ、１３ｂによって形成される開口の大きさを調整するようになっている。

また光量調整手段２には、絞り羽根１３ａ、１３ｂによる開口を通過する光量を制限することを目的とした光量調整フィルタとしてのＮＤフィルタ１４が、光軸Ｌに対し挿脱自在に設けられている。そして、赤外光カットフィルタ６は赤外光カットフィルタ駆動部１０により駆動され、ＮＤフィルタ１４はＮＤフィルタ駆動部１１により、それぞれ別個に駆動されるようになっている。

なお、光量調整手段２やレンズ１、３〜５を含む撮像光学系は、光の反射を極力低減するために、黒色樹脂により形成されたハウジング内に収納されている。

撮像素子８は光量調整手段２やレンズ３〜５から成る撮像レンズ群を経由した光を受光面で受光し、電気信号へと変換する。光量調整制御部９は撮像素子８の電気信号を受けて、可視光波長を用いたカラー撮影か赤外光波長を用いたモノクロ撮影の何れを行うかを判断する。これにより、絞り羽根１３ａ、１３ｂを駆動して、絞り開口の大きさや、ＮＤフィルタ１４の使用領域、赤外光カットフィルタ６の使用領域等を決定する。

絞り羽根１３ａ、１３ｂの位置情報は光量調整制御部９に伝達され、光量調整制御部９は撮像素子８からの光量情報と絞り羽根１３ａ、１３ｂの位置情報とから最適な開口となるように、駆動部により絞り羽根１３ａ、１３ｂを駆動する。

本実施例においては、絞り羽根１３ａ、１３ｂの駆動部には電磁駆動ユニットが使用され、電磁駆動ユニットは駆動レバーと永久磁石から成るマグネットロータとステータヨーク、磁気コイル等から構成されている。駆動レバーは回転軸と駆動ピンとから成り、絞り羽根１３ａ、１３ｂは回転軸の駆動によって配置位置が決定される。

ＮＤフィルタ１４は２つの領域を備えており、可視光波長（λ＝４００〜７００ｎｍ程度）において略均一な透過率を有する可視光波長調整領域と、赤外光波長（λ＝７００〜１２００ｎｍ程度）において略均一な透過率を有する赤外光波長減衰部とを有している。ＮＤフィルタ１４は可視光波長調整領域と赤外光波長減衰部のそれぞれ対応する光波長に対して異なる光学濃度を有していることが好ましい。

近年の撮像素子の感度は、前述のように一般的にはカラー撮影時のカラーバランスを考慮して、可視光波長の相対感度が赤外光波長における相対感度よりも高くなっている。このため、ＮＤフィルタ１４において、可視光波長調整領域の光学濃度（ＯＤ）の方が赤外光波長減衰部の光学濃度（ＯＤ）よりも濃くなるようにすることがより好ましい。なお、光学濃度（ＯＤ）とは、フィルタの透過率をＴとしたとき、ＯＤ＝Ｌｏｇ（１／Ｔ）で表される。

ＮＤフィルタ１４は基板上に複数層の誘電体層と光吸収層とを交互に積層したものや、ガラス基板や合成樹脂基板に色素等の光吸収剤を練り込んだり、基板上に光吸収材を分散させた樹脂をコーティングしたりすることにより作製することができる。なお、本実施例においては前者を用いている。

誘電体層と光吸収層を積層することにより作製したＮＤフィルタ１４を用いた理由は、透過率がより平坦に作製でき、また色素等の光吸収剤から成るＮＤフィルタと比較すると薄く作製できるためである。

ＮＤフィルタ１４の基板としては、ガラス基板と比較して軽量な合成樹脂基板を用いることが好ましい。合成樹脂基板として最適なものは、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）やノルボルネン系、ポリイミド系等が挙げられる。また、基板の板厚は剛性を保持できハンドリングが良好な厚みにおいて、可能な限り薄い方が良く、板厚ｔは１０μｍ≦ｔ≦１００μｍ程度が好適で、２５μｍ≦ｔ≦７５μｍであることが更に好ましい。

このような薄いＮＤフィルタ１４を使用することにより、ＮＤフィルタ駆動部１１に掛かる負荷を軽減でき、ＮＤフィルタ駆動部１１の小型化が図れ、撮像装置を小型化することができる。

また、ＮＤフィルタ１４の可視光波長調整領域と赤外光波長減衰部の一方又は両方のそれぞれの領域において、光学濃度が段階的又は連続的に変化する濃度勾配を有していてもよい。濃度勾配を形成する方法としては、例えば光吸収層の厚みを面方向に段階的又は連続的に変化させることにより形成する。或いは、光吸収層を成膜する際に、酸素ガス等を適宜に導入することにより、面方向で段階的又は連続的に光吸収層の酸素濃度を変化させる方法等が挙げられるが、これに限られるものではない。このように、ＮＤフィルタ１４に濃度勾配を形成することにより、撮影光量の微妙な調整も可能となり、より高精度な映像を得ることができる。

ＮＤフィルタ駆動部１１は撮影に使用する光波長やその光量に合わせて、絞り羽根１３ａ、１３ｂにより形成された開口に掛かるＮＤフィルタ１４が覆う領域や面積を調整する。ＮＤフィルタ駆動部１１はＮＤフィルタ１４の位置を保持する機構を有していることが好ましい。

光量調整手段２はＮＤフィルタ駆動部１１により、ＮＤフィルタ１４が開口上を移動しているとき以外は、ＮＤフィルタ１４を固定することができる。ＮＤフィルタ駆動部１１は例えばガルバノメータを使用することにより小型化しているが、これに限らず他の駆動手段、例えばモータ等を用いることもできる。

図２は赤外光カットフィルタ６の分光特性のグラフ図を示しており、λ＝７００〜１２００ｎｍ程度の赤外光波長の光を遮蔽するような分光特性を有している。また、赤外光カットフィルタ６はλ＝４５０〜６５０ｎｍの波長における平均光透過率は９０％以上、平均光反射率は５％以下であり、λ＝７５０〜９００ｎｍの波長における平均光透過率は３％以下となっている。

赤外光カットフィルタ６はＮＤフィルタ１４と同様に、基板上に屈折率が異なる複数層の誘電体層を積層した多重干渉タイプの赤外光カット膜を有するものと、色素等の赤外吸収剤を用いた吸収タイプのものが存在する。本実施例における赤外光カットフィルタ６は前者の多重干渉タイプのものを用いている。

本実施例において、多重干渉タイプを用いた理由としては、吸収タイプと比較して透過帯の透過率を高く維持できる。また、透過帯から不透過帯へと連続的に透過率が低くなる遷移領域の波長を狭くできるので、カラーバランスが良好なためであることと、吸収タイプのものと比較して薄く作製できることが挙げられる。

更に、赤外光カットフィルタ６もＮＤフィルタ１４と同様に、基板として薄い合成樹脂基板を用いることにより、更なる薄型化、軽量化が可能となり、赤外光カットフィルタ駆動部１０の負荷を軽減でき、撮像装置の小型化に貢献できる。

また赤外光カットフィルタ６には、赤外光をカットする赤外光カット膜を有する赤外光カット領域と、赤外光を透過する赤外透過膜を有する赤外光波長透過領域を設けることが好ましい。赤外光波長透過領域は赤外光カット領域と同様に、異なる屈折率を有する層の多重干渉を利用したものから成っている。

なお、赤外光カットフィルタ６の赤外光カット膜と赤外透過膜の光学膜厚（屈折率ｎ・物理膜厚ｄ）が略等しいことが好ましい。このようにすることにより、赤外光カットフィルタ６の赤外光カット膜を領域と赤外光波長透過領域を入れ換えても、赤外光カットフィルタ６に起因する撮影光のピントずれを低減することができる。

赤外光カットフィルタ６は赤外光カットフィルタ駆動部１０を介して、撮影に使用する光波長により光軸Ｌ上に挿入される領域を任意に変化させることができる。赤外光カットフィルタ駆動部１０は赤外光カットフィルタ６を保持する機構を有していることが好ましく、駆動手段としては小型・軽量化を考慮するとガルバノメータが好ましい。

ＮＤフィルタ１４と赤外光カットフィルタ６の駆動に使用するガルバノメータは回転軸を有しており、この回転軸に駆動レバーが取り付けられている。ガルバノメータの駆動に連動して駆動レバーが回転し、駆動レバーの回転方向や回転数によってＮＤフィルタ１４、赤外光カットフィルタ６を光軸Ｌ上から退避させたり、光軸Ｌに挿入する領域を調整する。

本実施例では、撮像素子８としてＣＣＤを使用したが、ＣＭＯＳセンサ等を使用してもよい。撮像素子８の前面にはマイクロレンズやカラーフィルタを設けており、このマイクロレンズは斜めからの光を取り入れる等の集光率向上の目的に使用される。

また、撮像素子８そのものには色の識別能力がないため、カラーフィルタによって入射光を光の三原色（赤、緑、青）に分解して、カラー撮影を可能としている。昼間のように、撮像素子８に入射する可視光波長の光量が十分な際には、可視光波長を利用したカラー撮影が行われる。

図３〜図５はカラー撮影を行う際の撮像素子８の受光面側に位置する赤外光カットフィルタ６、ＮＤフィルタ１４の配置を示している。赤外光カットフィルタ６には赤外光カット領域６ａと赤外光波長透過領域６ｂが設けられ、ＮＤフィルタ１４には可視光波長調整領域１４ａと赤外光波長調整領域１４ｂが設けられている。そして、これらの赤外光カットフィルタ６、ＮＤフィルタ１４を組み合わせることにより、波長と光量を変更することができる。

図３は可視光波長の光量が比較的少なく、絞り羽根１３ａ、１３ｂのみで光量調節可能な場合の赤外光カットフィルタ６、ＮＤフィルタ１４の配置位置を示している。カラー撮影を行う際には、映像が人眼が感ずる色味と略同一のものとするために、人眼では感知できない赤外光波長の光が撮像素子８に入射しないようにする。つまり、赤外光カットフィルタ６の赤外光カット領域６ａを光軸Ｌ上に挿入し、ＮＤフィルタ１４は光軸Ｌに掛からないように配置する。

また図４に示すように、ＮＤフィルタ１４に光を透過する透明領域１４ｃを更に設け、この透明領域１４ｃが光軸Ｌを覆うように配置してもよい。可視光波長の光量が多くなり、絞り羽根１３ａ、１３ｂによって形成される開口が一定以下となると、図５に示すようにＮＤフィルタ１４の可視光波長調整領域１４ａが光軸Ｌを覆うように配置される。

可視光波長調整領域１４ａが光軸Ｌを覆わないように配置する際に、図４に示すように透明領域１４ｃを光軸Ｌを覆うことにより、ＮＤフィルタ１４の厚みによって生ずる位相差等の不都合を低減することができる。

一方、暗闇のような可視光波長の光量が不十分なときは、主に赤外光波長の光を用いたモノクロ撮影へと切換わる。図６〜図９はモノクロ撮影を行う際の赤外光カットフィルタ６、ＮＤフィルタ１４の配置位置を示している。モノクロ撮影時は、図６に示すように赤外光カットフィルタ６は光軸Ｌから退避される。赤外光波長の光量が比較的少ない場合は絞り羽根１３ａ、１３ｂによって光量が調整され、図６に示すようにＮＤフィルタ１４は光軸から退避、或いは図７に示すようにＮＤフィルタ１４に設けられた透明領域１４ｃが光軸Ｌを覆うように配置される。

光量調整のために、絞り羽根１３ａ、１３ｂによって形成される開口が一定以下となると、図８に示すようにＮＤフィルタ１４の赤外光波長調整領域１４ｂが光軸Ｌを覆うように配置される。赤外光カットフィルタ６は赤外光波長透過領域６ｂを有していてもよく、モノクロ撮影時には図９に示すように、赤外光波長透過領域６ｂが光軸Ｌを覆うように配置してもよい。このようにすることで、カラー撮影からモノクロ撮影へと切換えた際に、赤外光カットフィルタ６の有無によって発生するピントずれを低減することができる。

実施例のＮＤフィルタ１４は、可視光波長調整領域１４ａ、赤外光波長調整領域１４ｂに対し、少なくとも可視又は赤外光波長を透過する透明領域１４ｃが隣接して設けられている。なお、図１０に示すように変形例として回転タイプのＮＤフィルタ１４とすることもできる。この場合に、回転軸の回転に伴ってＮＤフィルタ１４が回転され、ＮＤフィルタ１４の任意の領域が光軸Ｌに掛かるように駆動される。

このようにすることで、カラー撮影、モノクロ撮影の何れにおいても光量の調節が可能な撮像装置を得ることができる。

１、３、５レンズ
２光量調整手段
６赤外光カットフィルタ
６ａ赤外光カット領域
６ｂ赤外光波長透過領域
７ローパスフィルタ
８撮像素子
９光量調整制御部
１０赤外光カットフィルタ駆動部
１１ＮＤフィルタ駆動部
１３ａ、１３ｂ絞り羽根
１４ＮＤフィルタ
１４ａ可視光波長調整領域
１４ｂ赤外光波長調整領域
１４ｃ透明領域
Ｌ光軸

Claims

撮像装置内に配置された撮像レンズ群中を光軸に対して移動して光量を調整する光量調整フィルタと、該光量調整フィルタを通過した光を電気信号に変換する撮像素子の受光面側で、光軸に対し挿脱自在で前記撮像素子に入射する赤外光をカットする赤外光カットフィルタと、前記光量調整フィルタの移動と前記赤外光カットフィルタの挿脱とを制御する光量調整制御部とを有し、
前記光量調整フィルタは、少なくとも可視光波長の透過を調整する可視光波長調整領域と、赤外光波長の透過を調整する赤外光波長調整領域とを有し、前記光量調整制御部により前記赤外光カットフィルタとは別個に移動制御することにより、前記撮像素子に入射する光の波長と光量とを変更することを特徴とする光量調整装置。
前記赤外光カットフィルタが前記撮像素子の受光面側に挿入されているとき、前記光量調整フィルタは光の透過を調整しない位置、又は前記光量調整フィルタの前記可視光波長調整領域が可視光波長の透過を調整する位置にあることを特徴とする請求項１に記載の光量調整装置。
前記赤外光カットフィルタが前記撮像素子の受光面側に挿入されていないとき、前記光量調整フィルタは光の透過を調整しない位置、又は前記光量調整フィルタの前記赤外光波長調整領域が赤外光波長の透過を調整する位置にあることを特徴とする請求項１に記載の光量調整装置。
前記光量調整フィルタの前記可視光波長調整領域と前記赤外光波長調整領域とは光学濃度が異なることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の光量調整装置。
前記光量調整フィルタの前記可視光波長調整領域と前記赤外光波長調整領域の少なくとも一方の領域において、対応する光の波長における光学濃度が段階的又は連続的に変化することを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の光量調整装置。
前記光量調整フィルタはＮＤフィルタであることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の光量調整装置。
前記１〜６の何れか１項に記載の光量調整装置を備えたことを特徴とする撮像装置。