JPH01123214A - 撮像光学系 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、テレビジョンカメラ、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〕

テレビジョンカメラ、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
画素配列や固体逼像素子、Ｗｋ像管の前に設けられた色
符号化フィルタのピッ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って
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ィルタを設けるこ
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ィル
タは描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っ
た。このような現象は、ファイバスコープの接眼部にテ
レビジョ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図はファイバスコープの接眼部にテレビジョンカ
メラを取付けた状態を模式的に描いたもので、イメージ
ガイドファイバ束１と接眼レンズ２とを内蔵したファイ
バスコープ３の接１１部に、撮影レンズ４．複屈折板か
ら成る光学的ローパスフィルタ５．ＣＣＤ撮像素子６を
内蔵したテレビジランカメラ７が取付けられており、イ
メージガイドファイバ束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４４こより光学的ローパ
スフィルタ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っている
０周知のように、イメージガイドファイバ束は多数の光
学ファ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
列された各ファイバのコア部８のみが明るく光るような
もの′である。したがって、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っ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ｃ　ＣＤ　１１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って
おり、バリエータレンズ１０とコンペンセータレンズ１
１を光軸に沿って移動させることにより、撮影倍率βＬ
ＯＷ　　（第１５図（Ａ））から撮影倍率βＨｔａｇ　
（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ッチＰを持つイメージ
ガイドファイバ束のコア部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
しピッチが最も小さいＰ×βＬＯＷ　　（第１５図　（
Ａ））から最も大きいＰ×β）ＩＩＧに（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×βＬＯＷから１／Ｐ×βＮ１１ｉ
ＮＯ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〕

光学的ローパスフィ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
を横軸にとって光学的ローパスフィルタの周波数特性を
示すとき、第１６図の実線で示すように低倍撮影時に基
本周波数１／Ｐ×β、。、でＭＴＦが零になるように光
学的ローパスフィルタを構成すると、低倍邊影時には充
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×βＨＩＧ、ｌ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□。、でＭＴＦが零になるように構成
すると、低倍時には１／Ｐ×β、。８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らず、１
／Ｐ×β、ＩＩＧ、の周波数でＭＴＦが零になってしま
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
スフィ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、複数のファイバスコープを単一の
テレビジョンカメラに選択的に取付けてそのイメージガ
イドファ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、ファイバスコープ毎にイメージガイドファイ
バ束の各ファイバの太さが異なっていたり、接眼レンズ
の倍率がファ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、憑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ィルタでは一つのファイバスコー
プについては偽信号の除去ができるが、他のファイバス
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折性物質から成る光学的
ローパスフィ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、光学的ローパスフィルタより像側
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ったとしても
、光学的ローパスフィ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、いが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ィル
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、光学的ローパスフィ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ィ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
ローパスラ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って何ら影響を与えないの
に対し、光学的ローパスフィ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ト
ルを変えずに光学的ローパスフィ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、ファイ
バスコープ３の接眼部にｃ　ＣＤ　ｔｉ像素子６を内蔵
したテレビジョ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
ジガイドファイバ束の各ファイバの配列方向とＣＣＤ　
ｌｌ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
ントロールユニット１９を介してテレビモニター１７に
供給され、イメージガイドファイバ束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ィルタ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ィルタ
１日の具体的構成を示すもので、光の入射側から順に水
晶板２０．２１．２２がＡ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　ｆｉｌ像素子６の水平走
査方向Ｈを基準として、水晶板２０．２１．２２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ィルタ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Ｈしｒと異常光線Ｌ２とに分離される。これら
はいずれもＡ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
わちり、とＬ３．　ＬｘとＬ４に分離される。これらは
更にＡ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ＬｌとＬ
ｓ、　ＬｓとＬ’ｌ、　Ｌｘとり、、　Ｌ、とり、に分
離される。このようにして−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。−触に水晶板
により距離ｄだけ隔たった２つの像が形成されたとき、
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／ａｃｏｓ　θにおいて零点を
有する第６図のようなＭＴＦで表される０本実施例の光
学的ローパスフィルタ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ィルタ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
パスフィルタ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。したがって、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ト
ルと光学的ローパスフィルタ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。

光学的ローパスフィルタ１日の具体的構成は用途に応じ
て適宜定めれば良いが、ファ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
示すものも遺している。この光学的ローパスフィルタは
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・組合わせによっ
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ィルタと類似してい
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
スフィルタ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を前後させてフォ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ィルタ
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
ーパスフィルタのＭＴＦとの関係が若干変化するが、フ
ォ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
ローパスフィルタの射出側にレンズををする撮像光学系
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ＦＬｌ１Ｍ＋　第１結像レンズの焦点距離をＦ、とす
るときＦ’ｓ＜Ｆｔｏｗ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　ｊｌ
像素子６との間にも光学的ローパスフィルタを設けても
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ィ
ルタ１日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
ォーカスタイプのズームレンズ系２８に光学的ローパス
フィルタ１日を用いたものである。

２９はコンペンセーター兼フォーカシングレンズ、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ィルタ１８を配置
している。この場合でも、第１実施例のテレビジョンカ
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、光学的ローパスフィルタの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１
１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を配置した構成を存
しており、両者の間に水晶板から成る光学的ローパスフ
ィルタ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から成っており、ズームレ
ンズ３３はこのズームレンズ３２を前後逆にしたもので
、３４．３５．３６．３７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
ーパスフィルタ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３日により
最終像４１を形成する。全系の結像倍率をβ、、ズーム
レンズ３２．３３の結像倍率を夫々β、８．β１．とす
れば、常にβ３．＝β、！×β３．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を光軸に沿って移動すればズーム
レンズ３２゜３３の倍率は別の値β、８′、β１．′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β、
ｌ−β、！×β、３ 一β、２′×β３．′−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
、光学的ローパスフィルタ１日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
ァ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つのファイバのコアを示し、（ロ）はその
結像位置４１における像を示す、光学的ローパスフィル
タ１８が配置されているため、各コアは常光による像と
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。光学的ローパスフィルタ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（＾）はズ
ームレンズ３２．３３の倍率がβ、２．β１．の場合、
（Ｂ）　は同じくβ３．′、β１．′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
ＰＸ３．ｌだけ離れて結像される。ところが、光学的ロ
ーパスフィルタ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×βｓｓ、（Ｂ）の場合は
Ｓ×β、′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
る像の最終像面における分離距離が光学的ローパスフィ
ルタの空間周波数特性を決定づけるので、この実施例の
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、光学的ローパスフィ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。

ファイバスコープにはその用途に応じた種々のものがあ
り、イメージガイドファイバ束の各ファイバの太さも種
々のものが存在する。したがって、第１２図におけるＰ
の値がファイバスコープ毎に異なる場合がある。このよ
うな複数のファイバスコープによる物体像を単一のテレ
ビジョ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ァイバスコープ毎にテレビジランカ
メラ光学系内に設けた光学的ローパスフィルタの特性を
変える必要があるが、この実施例によればいくつかのレ
ンズを光軸に沿っ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４１を再度このズームレンズ４
２で結像させ、その像位置４３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３６゜第３結像レンズ４６から成
っており、２つのバリエータレンズ１０．３６の間に光
学的ローパスフィルタ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β
１゜。

β８．とするとき、β、。×β５．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
パスフィルタ１８より物体側のレンズの合成焦点距離の
最小値をＦＭＩＮ＋全系の最短焦点距離をＦ。１．、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、ＦＭＩＮ＜Ｆ。１゜、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ィルタ
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ィルタの機能を
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
ィ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、光学的ローパスフィルタと変倍可能な
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
的ローパスフィ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ィルタの作用を
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ィルタの他の例の具体的構
成および作用を説明するための図、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１２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。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
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ィルタを配設したことを特徴とする
   撮像光学系。