(57)【要約】【課題】４層以上の光学異方性素子を用いつつも、薄くて強度が高い光学ローパスフィルタを提供する。【解決手段】光学ローパスフィルタ１０は、光入射側から光出射側に順に配置され、それぞれ入射した光線を複数の光線に分離する第１、第２、第３および第４の光学異方性素子１，２，４，５を有する。第１および第４の光学異方性素子は水晶により構成され、第２および第３の光学異方性素子はニオブ酸リチウムにより構成されている。【選択図】図１
2020134849.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光入射側から光出射側へ順に配置され、それぞれ入射した光線を複数の光線に分離する第１、第２、第３および第４の光学異方性素子を有する光学ローパスフィルタであって、
前記第１および第４の光学異方性素子は、水晶により構成され、
前記第２および第３の光学異方性素子は、ニオブ酸リチウムにより構成されていることを特徴とする光学ローパスフィルタ。
【請求項２】
前記第２および第３の光学異方性素子の間に、第５の光学異方性素子を有することを特徴とする請求項１に記載の光学ローパスフィルタ。
【請求項３】
前記第５の光学異方性素子は、その光学面に対して光学軸が平行な位相板であることを特徴とする請求項２に記載の光学ローパスフィルタ。
【請求項４】
前記第５の光学異方性素子は、水晶により構成されていることを特徴とする請求項２または３のいずれか一項に記載の光学ローパスフィルタ。
【請求項５】
入射光線を１６本の出射光線に分離することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の光学ローパスフィルタ。
【請求項６】
前記光学ローパスフィルタは、該光学ローパスフィルタを通過した光により形成される光学像を光電変換する撮像素子とともに用いられ、
前記撮像素子における互いに直交する２つの画素配列方向を第１の方向および第２の方向とするとき、
前記第１および第２の光学異方性素子のうち一方が前記第１の方向に光線を分離し、他方が前記第１の方向に対して４５°をなす方向に光線を分離し、
前記第３および第４の光学異方性素子のうち一方が前記第２の方向に光線を分離し、他方が前記第２の方向に対して４５°をなす方向に光線を分離することを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の光学ローパスフィルタ。
【請求項７】
前記第１および第２の光学異方性素子の光学軸の方位の差と前記第３および第４の光学異方性素子の光学軸の方位の差がいずれも４５°または１３５°であることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の光学ローパスフィルタ。
【請求項８】
請求項１から７のいずれか一項に記載の光学ローパスフィルタと、
該光学ローパスフィルタを通過した光により形成される光学像を光電変換する撮像素子と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、撮像装置に好適な多点分離型光学ローパスフィルタに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサ等の撮像素子を使用する撮像装置には、撮像画像において偽色やモアレの発生を抑えるために光学ローパスフィルタが用いられる。光学ローパスフィルタは、光により形成される点像の分布を制御することでナイキスト周波数以上の高周波の画像情報を制限する。
【０００３】
光学ローパスフィルタとして、特許文献１には、４層の光学異方性素子としての複屈折光学素子を積層して、分離後の点像分布をガウス形状とすることで、高周波の解像度を高めて偽色やモアレの発生を抑制するものが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１８−４９１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
複屈折光学素子としては、水晶が用いられることが多い。ただし、特許文献１にて開示された光学ローパスフィルタのように複屈折光学素子を４層用いる場合は、フィルタ全体の厚さを抑えるために、４層の複屈折光学素子のうちいずれかとして薄いニオブ酸リチウムを用いることが考えられる。この際、フィルタとしての強度も考慮する必要がある。
【０００６】
本発明は、４層以上の複屈折光学素子を用いつつも、薄くて強度が高い光学ローパスフィルタを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一側面としての光入射側から光出射側に順に配置され、それぞれ入射した光線を複数の光線に分離する第１、第２、第３および第４の光学異方性素子を有する。そして、第１および第４の光学異方性素子が水晶により構成され、第２および第３の光学異方性素子がニオブ酸リチウムにより構成されていることを特徴とする。
【０００８】
なお、光学ローパスフィルタを備えた撮像装置も、本発明の他の一側面を構成する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、４層以上の光学異方性素子を用いつつも、薄くて強度が高い光学ローパスフィルタを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施例である光学ローパスフィルタの構成を示す図。
【図２】複屈折光学素子による光線分離を説明する図。
【図３】実施例１の光学ローパスフィルタにより分離された光線により形成される点像の分布を示す図。
【図４】実施例１の光学ローパスフィルタのＭＴＦの空間周波数特性を示すグラフ。
【図５】実施例２の光学ローパスフィルタにより分離された光線により形成される点像の分布を示す図。
【図６】実施例２の光学ローパスフィルタのＭＴＦの空間周波数特性を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の実施例である光学ローパスフィルタ１０を備えた撮像装置としてのデジタルカメラ１００の構成を示す。不図示の被写体から不図示の撮像光学系に入射した撮像光は、光学ローパスフィルタ１０を通過して撮像素子２０に到達する。撮像素子２０は、光学ローパスフィルタ１０を通過した撮像光により形成される光学像を光電変換（撮像）する。光学ローパスフィルタ１０は、撮像光に対して、該撮像光により形成される点像の分布を制御することでナイキスト周波数以上の高周波の光学像情報を制限するローパス効果を付与する。
【００１２】
光学ローパスフィルタ１０は、物体側（被写体側または光入射側）から像側（撮像素子側または光出射側）に順に、第１の複屈折光学素子（第１の光学異方性素子）１、第２の複屈折光学素子（第２の光学異方性素子）２、第３の複屈折光学素子（第３の光学異方性素子）４および第４の複屈折光学素子（第４の光学異方性素子）５が積層された構成を有する。第１から第４の複屈折光学素子１，２，４，５はそれぞれ、その複屈折性により入射した光線を複数（２本）の光線に分離する。
【００１３】
また、光学ローパスフィルタ１０は、第２の複屈折光学素子２と第３の複屈折光学素子４との間に第５の複屈折光学素子としての位相板３を有する。位相板３も複屈折性を有するが、光線分離は行わずに光線の偏光状態を制御する。本実施例では、第１〜第４の複屈折光学素子１，２，４，５と位相板３の組み合せによって光学ローパス特性を実現する。
【００１４】
第１〜第４の複屈折光学素子１，２，４，５と位相板３はそれぞれ、長辺と短辺を有する長方形（ただし、複屈折光学素子の表裏と向きが分かるように一部が切り欠かれる場合がある）の平行平板として形成されている。図１において、撮像素子２０の長辺が延びる第１の方向（横方向）をｘ軸方向とし、短辺が延びる第２の方向（縦方向）をｙ軸方向とする。撮像素子２０においてｘ軸方向およびｙ軸方向は画素配列方向であり、これらは各複屈折光学素子の長辺が延びる方向および短辺が延びる方向に一致する。各複屈折光学素子において、ｘ軸およびｙ軸方向に平行なｘｙ面を素子面（光学面）という。素子面に直交する方向を光軸方向という。なお、図１に示されている第１〜第４の複屈折光学素子１，２，４，５と位相板３のそれぞれの光軸方向での厚さは、実際は数１００μｍ程度である。
【００１５】
本実施例では、第１および第４の複屈折光学素子１，５は一軸性結晶である水晶により構成され、第２および第３の複屈折光学素子２，４は一軸性結晶であるニオブ酸リチウムにより構成されている。図２（ａ）に示すように各複屈折光学素子を光軸方向から見ると、一軸性結晶の光学軸（両太矢印で示す）はｘ軸方向に対してφ＝０°（ｙ軸方向に対して９０°）の方位を向いている。また、図２（ｂ）に示すように各複屈折光学素子をｙ軸方向から見ると、一軸性結晶の光学軸は光軸方向に対して角度θだけ（素子面に対して９０°−θだけ）傾いている。以下の説明において、角度θを傾斜角という。傾斜角θは、一般的には４５°付近に設定されるが、複屈折光学素子の材料や設定したい位相差に応じて１０°から８０°の範囲で設定される。
【００１６】
このように光学軸が素子面に対して傾いた平行平板としての複屈折光学素子に入射した光線は、図２（ｃ），（ｄ）に示すように、常光線と異常光線の２つの光線に分離される。具体的には、図２（ｃ）に示すように、光軸方向から複屈折光学素子に入射した光線６は、複屈折光学素子をまっすぐ透過する常光線７と、斜めに透過する異常光線８とに分離する。常光線７と異常光線８とが分離する方向（図２（ｃ）ではｘ軸方向）を光線分離方向という。
【００１７】
常光線７は光線分離方向に直交する方向に電場が振動する偏光であり、異常光線８は光線分離方向と平行な方向に電場が振動する偏光である。すなわち、常光線７と異常光線８は、偏光方向が互いに直交する直線偏光である。常光線７と異常光線８の光線分離方向での分離幅（以下、光線分離幅という）ｗは、複屈折光学素子の材料固有の屈折率異方性の大きさΔｎ、光学軸の傾斜角θおよび複屈折光学素子（平行平板）の厚みｄとから一意に決まる。したがって、複屈折光学素子の材料と傾斜角θが決まれば、光線分離幅ｗは厚みｄに比例する。
【００１８】
このような複屈折光学素子を積層することにより、層数Ｎに対して２のＮ乗個に分離された点像が撮像素子２０上に形成される。基本的には、複屈折光学素子を光線分離方向が絶対値としての約４５°または約１３５°をなすように積層する。ただし、位相板に隣接して配置される複屈折光学素子は、任意の光線分離方向となるように配置することができる。積層された第１〜第４の複屈折光学素子１，２，４，５は、それらの光線分離方向、光線分離幅および積層数を考慮して点像分布の拡がりを幾何光学的に設定することで、光学ローパスフィルタ１０として機能する。
【００１９】
第１〜第４の複屈折光学素子１，２，４，５は互いに等しい光線分離幅を有してもよいが、互いに異なる光線分離幅を有していてもよい。後述する実施例１では、ｘ軸方向とｙ軸方向の光線分離幅ｗ（以下、それぞれＤｘ，Ｄｙという）よりも±４５°方向の光線分離幅Ｄｐ，Ｄｎを小さく設定している。また、後述する実施例２では、光線分離幅Ｄｘ，Ｄｙに対して光線分離幅Ｄｐ，Ｄｎを大きく設定している。これらにより、高周波の折り返りモアレと±４５°方向に生じる高周波域の偽色とをともに抑制することができる。
【００２０】
さらには４層より多い層数の複屈折光学素子を積層してもよく、これにより点像分布がよりガウス形状に近づき、高周波領域の折返りがより安定的に抑制される。
【００２１】
一方、位相板３については任意の材料を用いることができる。位相板３の材料として薄膜の延伸フィルムを用いれば、光学ローパスフィルタ１０の全体の厚みを減少させることができる。耐久性や経年劣化が懸念される場合は無機材料を用いてもよい。また、水晶等の複屈折光学素子と同様の材料であって光学軸の角度を変更したものを用いてもよい。この場合は、位相板３の厚みを０．３ｍｍ以下とすることが望ましい。また、厚みの下限は０．１ｍｍとすることが望ましい。
【００２２】
図１では、位相板３は第２の複屈折光学素子２と第３の複屈折光学素子４との間に配置されている。位相板３は、その素子面に対して平行な光学軸が、第２の複屈折光学素子２で分離された２本の光線の直線偏光の振動方向に対して４５°をなすように配置される。位相板３を透過した光線は、分離されることなく、位相差に応じた偏光状態に変換されて第３の複屈折光学素子４に入射する。理想的には、位相板３を透過した光線は、円偏光に変換されるか偏光が解消され、第３の複屈折光学素子４の光線分離方向によらず、分離後の光線（点像）が互いに同一の強度を有するように分離される。ただし、位相板３の位相差の波長依存性により理想状態からずれが生じる場合がある。この場合は、波長域全体で積分することで、そのずれが軽減される。
【００２３】
第１〜第４の複屈折光学素子１，２，４，５と位相板３は、光路上に互いに分離して配置してもよく、一部または全体を接合（積層）して用いてもよい。また、撮像装置に用いる場合に、最も撮像素子側の第４の複屈折光学素子５をカバーガラスに使用したり、複屈折光学素子間に透光性基板や色ガラス等の等方性部材を配置したり、最も被写体側の第１の複屈折光学素子１にゴミ除去用の振動手段を付与したりしてもよい。このように複屈折光学素子に他の用途を与えたり、光学ローバスフィルタとは異なる機能のための部材と混合して複屈折光学素子と位相板を配置したりしてもよい。さらに、位相板を２層以上設けてもよい。また、位相板を用いず、４層の複屈折光学素子により光学ローバスフィルタを構成してもよい。この場合も、第１および第４の複屈折光学素子を水晶により構成し、第2および第３の複屈折光学素子をニオブ酸リチウムにより構成すればよい。
【実施例１】
【００２４】
表１は、本発明の実施例１である光学ローパスフィルタの構成を示す。本実施例の光学ローパスフィルタは、水晶により構成される第１の複屈折光学素子１、ニオブ酸リチウムにより構成される第２の複屈折光学素子２、位相板３、ニオブ酸リチウムにより構成れる第３の複屈折光学素子４および水晶により構成される第４の複屈折光学素子５が順に積層されている。最も光入射側および最も光出射側の第１および第４の複屈折光学素子１，５を水晶により構成することで、それらの間のニオブ酸リチウムにより構成される第２および第３の複屈折光学素子２，４をメカニカルに保護している。
【００２５】
表１に示すように、第１〜第４の複屈折光学素子１，２，４，５の光線分離方向はそれぞれ、ｘ軸方向に対して＋４５°，１８０°，９０°，１３５°である。すなわち、第１および第２の複屈折光学素子１，２の光学軸の方位の差は１３５°であり、第３および第４の複屈折光学素子４，５の光学軸の方位の差は４５°である。
【００２６】
またこれらの光線分離幅ｗは、水晶が２．０８μｍであり、ニオブ酸リチウムが４．３μｍである。第１〜第４の複屈折光学素子１，２，４，５の光軸方向の厚みは、水晶が３５０μｍであり、ニオブ酸リチウムはそれよりも薄い２００μｍである。
【００２７】
位相板３は、その遅層軸の方位がｘ軸方向に対して４５°の傾きを有し、第２の複屈折光学素子２からの光の偏光状態を円偏光に変換して、第３の複屈折光学素子４の光線分離方向によらず分離後の光線（点像）が互いに同一の強度を持つようにする。位相板３の厚みは２２０μｍである。
【００２８】
図３は、実施例１の光学ローパスフィルタを通過した光線により形成される点像の分布を示す。光学ローパスフィルタへの１本の入射光線は、光学ローパスフィルタにより１６本の出射光線に分離され、１６本の出射光線は撮像素子２０上に１６点の点像を形成する。図４（ａ），(ｂ)は、実施例１の光学ローパスフィルタのＭＴＦの空間周波数特性を示す。図４（ａ）はｘ，ｙ軸（縦横）方向のＭＴＦを示し、図４(ｂ)は縦横方向に対して斜めの方向のＭＴＦを示す。
【００２９】
図３に示すように、１６点の点像は、正八角形をやや正方形に近づけたような形状に分布する。これは、縦横方向での光線分離幅が斜め方向での光線分離幅よりも大きいことに起因し、光学ローパスフィルタ効果は斜め方向よりも縦横方向において強くなっている。図４（ａ），(ｂ)のＭＴＦでは、カットオフ周波数が斜め方向よりも縦横方向の方が低周波数となっている。これにより、斜め方向の色モアレと縦横方向の輝度モアレを両方とも低減することができる。
【実施例２】
【００３０】
表２は、本発明の実施例２である光学ローパスフィルタの構成を示す。本実施例の光学ローパスフィルタも、実施例１と同様に、水晶により構成される第１の複屈折光学素子１、ニオブ酸リチウムにより構成される第２の複屈折光学素子２、位相板３、ニオブ酸リチウムにより構成れる第３の複屈折光学素子４および水晶により構成される第４の複屈折光学素子５が順に積層されている。最も光入射側および最も光出射側の第１および第４の複屈折光学素子１，５を水晶により構成することで、それらの間のニオブ酸リチウムにより構成される第２および第３の複屈折光学素子２，４をメカニカルに保護している。
【００３１】
また、表２に示すように、第１〜第４の複屈折光学素子１，２，４，５の光線分離方向はそれぞれ、ｘ軸方向に対して１８０°，＋４５°，３１５°（−４５°），９０°である。またこれらの光線分離幅ｗは、水晶が２．３μｍであり、ニオブ酸リチウムが４．３μｍである。第１〜第４の複屈折光学素子１，２，４，５の光軸方向の厚みは、水晶が４００μｍであり、ニオブ酸リチウムはそれよりも薄い２００μｍである。
【００３２】
位相板３は、その遅層軸の方位がｘ軸方向に対して９０°の傾きを有し、第２の複屈折光学素子２からの光の偏光状態を円偏光に変換する。これにより、第３の複屈折光学素子４の光線分離方向によらず分離後の光線（点像）が互いに同一の強度を持つようにする。位相板３の厚みは２１８μｍである。
【００３３】
図５は、実施例２の光学ローパスフィルタを通過した光線により形成される点像の分布を示す。光学ローパスフィルタに入射した１本の光線は、光学ローパスフィルタにより１６本の光線に分離され、１６点の点像を形成する。図６（ａ），(ｂ)は、実施例２の光学ローパスフィルタのＭＴＦの空間周波数特性を示す。図６（ａ）はｘ，ｙ軸（縦横）方向のＭＴＦを示し、図６(ｂ)は縦横方向に対して斜めの方向のＭＴＦを示す。
【００３４】
図５に示すように、１６点の点像は、十字を形成するように分布する。これは、斜め方向での光線分離幅が縦横方向での光線分離幅よりも大きいことに起因し、光学ローパスフィルタ効果は縦横方向よりも斜め方向において強くなっている。図６（ａ），(ｂ)のＭＴＦでは、カットオフ周波数が縦横方向よりも斜め方向の方が低周波数となっている。これにより、縦横方向の輝度モワレを許容しつつ、偽色の原因となる斜め方位の色モワレを低減することができる。
【００３５】
以上説明した各実施例は代表的な例にすぎず、本発明の実施に際しては、各実施例に対して種々の変形や変更が可能である。
【００３６】
【表１】
2020134849.tif 000003
【００３７】
【表２】
2020134849.tif 000004
【符号の説明】
【００３８】
１，２，４，５  複屈折光学素子（光学異方性素子）
３  位相板
１０  光学ローパスフィルタ
【図１】
2020134849.tif 000005
【図２】
2020134849.tif 000006
【図３】
2020134849.tif 000007
【図４】
2020134849.tif 000008
【図５】
2020134849.tif 000009
【図６】
2020134849.tif 000010