(57)【要約】【課題】  簡単な構造及び制御システムで、高精度に光学ローパスフィルタのカットオフ周波数を可変制御することが可能な、撮像光学系及び撮像装置を提供すること。【解決手段】  入射光を分離して非平行に出射する光学ローパスフィルタと、撮像素子と、前記光学ローパスフィルタと前記撮像素子の相対距離を可変させる距離調節手段と、を有する撮像光学系、又は当該撮像光学系を有する撮像装置。【選択図】図２
2014116875.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光を分離して非平行に出射する光学ローパスフィルタと、撮像素子と、前記光学ローパスフィルタと前記撮像素子の相対距離を可変させる距離調節手段とを有する撮像光学系。
【請求項２】
前記光学ローパスフィルタは回折型光学ローパスフィルタである請求項１に記載の撮像光学系。
【請求項３】
前記距離調節手段は、前記撮像素子のナイキスト周波数をｆｎ、前記光学ローパスフィルタの作用およびローパスフィルタと撮像素子受光部の距離によって評価されるカットオフ周波数をｆｃとするとき、０．１≦ｆｃ／ｆｎ≦１０となるように前記光学ローパスフィルタと前記撮像素子の相対距離を制御する請求項１又は２に記載の撮像光学系。
【請求項４】
前記撮像光学系において、使用波長帯の中心波長をλ［μｍ］、前記回折型光学ローパスフィルタの回折格子周期をｄ［μｍ］、前記撮像素子の画素ピッチをＷ［μｍ］とし、制御可能なｆｃ／ｆｎがα≦ｆｃ／ｆｎ≦βであるとき、格子周期ｄが、
ｄ≧λ／ｓｉｎθである請求項１から３のいずれかに記載の撮像光学系。
ただしθは下記式を満たす。
【数１】
2014116875.tif 000010
【請求項５】
前記光学ローパスフィルタは、ガラス内部に母材と屈折率差が異なる屈折率変化領域を有し、前記屈折率差が所定の周期で変調されていることにより、透過型回折格子として機能する請求項１から４のいずれかに記載の撮像光学系。
【請求項６】
請求項１から５のいずれかに記載の撮像光学系を有する撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学ローパスフィルタと、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）やＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）等の２次元撮像素子を有する撮像光学系及びそれを用いた撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
デジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラ等の撮像装置は、ＣＣＤ、ＣＭＯＳ等の撮像素子が用いられており、撮像素子の画素ごとに外部信号として入る光の明暗の量を電気信号に変換し、画像を生成する。
画像を生成する過程において、撮像素子の画素ピッチによって決まるナイキスト周波数よりも高い空間周波数を有する撮影対象を撮像する場合、モアレや偽色が発生する。このようなモアレや偽色を防止するために、光学ローパスフィルタが用いられている。
【０００３】
光学ローパスフィルタの理想は、撮像素子のナイキスト周波数をカットオフ周波数として、カットオフ周波数以下の低い空間周波数を有する撮影対象の像のコントラスト値を１とし、カットオフ周波数より高い空間周波数を有する撮像対象のコントラスト値を０とする特性を有することである。しかし、このような特性を有する光学ローパスフィルタは現実には存在せず、実際のローパスフィルタは、カットオフ周波数より低周波数の領域においてもコントラストの低下をゼロとすることは不可能であり、画像のコントラスト低下は避けられない。このように、モアレや偽色の防止効果を除けば、光学ローパスフィルタは画像劣化の一因でもある。従って近年では、モアレや偽色の防止効果を犠牲にして、光学ローパスフィルタのカットオフ周波数を高周波側に設定することにより、高精細な画像を得ようとするデジタルスチルカメラも提案されている。
【０００４】
静止画と動画の撮影を可能とする撮像装置においては、静止画及び動画の双方に適切なカットオフ周波数を設定することが好ましい。特に、静止画だけでなく動画も撮影できるデジタルスチルカメラについては、静止画及び動画の双方において、高精度の画質が要求される。例えば、デジタル一眼レフカメラは、静止画では、１０００万画素以上を使用するのに対し、動画では、約２００万画素程度まで使用する画素を間引くので、ナイキスト周波数が異なる事となる。従って、それぞれの撮影態様に応じて、異なる光学ローパスフィルタの特性を設定できれば好ましい。
また、デジタルスチルカメラでは、撮影写真の画面解像度を数段階で選択できるものもある。この場合も使用する画素を間引くことが行われるため、撮影モードに合わせて異なる光学ローパスフィルタの特性を設定できれば好ましい。
【０００５】
これらの背景から、光学ローパスフィルタのカットオフ周波数を可変とする技術が提案されている。光学ローパスフィルタのカットオフ周波数を可変とする事ができれば、撮影者の意図に合わせて光学ローパスフィルタの効果を設定することや、撮影モードに応じてローパスフィルタの効果を設定することが可能となる。
先行技術文献では、光弾性物質に対し応力を付加することによりカットオフ周波数の可変を実現しているが、カットオフ周波数の設定を制御するために検査光を出射する投光素子、検査光を受光する受光素子、透過検査光の強度に基づいて光弾性部材の複屈折特性を算出する特性演算部を必要とするフィードバック手段を必要としており、構造やシステムが複雑となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−１６７２１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の課題は、簡単な構造及び制御システムで高精度に光学ローパスフィルタのカットオフ周波数を可変制御することが可能な撮像光学系及び撮像装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは、入射光を分離して非平行に出射する光学ローパスフィルタを用い、この光学ローパスフィルタと撮像素子の相対距離を可変させる距離調節手段を備えることによって、上記の課題を解決することを見出し、本発明を完成するに至った。
本発明は、具体的には以下の構成である。
【０００９】
（構成１）
入射光を分離して非平行に出射する光学ローパスフィルタと、撮像素子と、前記光学ローパスフィルタと前記撮像素子の相対距離を可変させる距離調節手段とを有する撮像光学系。
（構成２）
前記光学ローパスフィルタは回折型光学ローパスフィルタである構成１に記載の撮像光学系。
（構成３）
前記距離調節手段は、前記撮像素子のナイキスト周波数をｆｎ、前記光学ローパスフィルタの作用およびローパスフィルタと撮像素子受光部の距離によって評価されるカットオフ周波数をｆｃとするとき、０．１≦ｆｃ／ｆｎ≦１０となるように前記光学ローパスフィルタと前記撮像素子の相対距離を制御する構成１又は２に記載の撮像光学系。
（構成４）
前記撮像光学系において、使用波長帯の中心波長をλ［μｍ］、前記回折型光学ローパスフィルタの回折格子周期をｄ［μｍ］、前記撮像素子の画素ピッチをＷ［μｍ］とし、制御可能なｆｃ／ｆｎがα≦ｆｃ／ｆｎ≦βであるとき、格子周期ｄが、
ｄ≧λ／ｓｉｎθである構成１から３のいずれかに記載の撮像光学系。
ただしθは下記式を満たす。
【００１０】
【数１】
2014116875.tif 000003
（構成５）
前記光学ローパスフィルタは、ガラス内部に母材と屈折率差が異なる屈折率変化領域を有し、前記屈折率差が所定の周期で変調されていることにより、透過型回折格子として機能する構成１から４のいずれかに記載の撮像光学系。
（構成６）
構成１から５のいずれかに記載の撮像光学系を有する撮像装置。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、簡単な構造及び制御システムで高精度に光学ローパスフィルタのカットオフ周波数を可変制御することが可能な撮像光学系及び撮像装置を提供することである。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明における実施例に用いた回折型光学ローパスフィルタの光線分離の例である。市松模様状回折格子による光線分離のパターンであり、横軸・奥行軸が回折次数であり、縦軸が回折効率である。
【図２】実施例１の表２におけるＭＴＦ特性である。
【図３】実施例２で表４におけるＭＴＦ特性である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下に本発明の撮像光学系及び撮像装置について説明する。
【００１４】
本発明の撮像光学系は、入射光を分離して非平行に出射する光学ローパスフィルタ、撮像素子を少なくとも含む。この光学ローパスフィルタと撮像素子の相対距離を可変させることにより、撮像素子の受講部における光線の分離幅が変化することを利用して、カットオフ周波数を変化させる。特定波長における光学ローパスフィルタの光線分離角度が既知であれば、光学ローパスフィルタと撮像素子の相対距離を距離調節手段によって正確に制御するだけで、光学ローパスフィルタを含めた撮像光学系のカットオフ周波数を高精度に制御することが可能となる。
【００１５】
入射光を分離して非平行に出射する光学ローパスフィルタとしては、外部円錐屈折効果を有する光学ローパスフィルタ、回折型光学ローパスフィルタ等を使用することができる。
回折型光学ローパスフィルタは、ガラス基板内の屈折率変化領域が所定の周期で変調されているものであることが好ましい。この構成とすることで、ガラス基板に光の回折作用を付与させることができ、光学ローパスフィルタに入射した光線が分離し、分離した光線が非平行に出射する。光学ローパスフィルタに従来用いられている水晶は、光線分離作用を有するものの、分離して出射する光線が平行であるため、水晶のみに光線分離作用を担わせる撮像光学系には単独で使用することができない。
【００１６】
ガラス基板に複数の屈折率変化領域を形成するためには、例えば、ガラス基板にパルスレーザーを照射し、ガラス基板の内部にエネルギーを与えることによって、部分的に異質層へと変化させることが挙げられる。
【００１７】
回折型光学ローパスフィルタの回折格子周期をｄとすると、回折型光学ローパスフィルタに垂直に入射する波長λの光線の分離光線である±１次回折光のなす角２θは、２θ＝２ｓｉｎ−１（λ/ｄ）である。光学ローパスフィルタでの分離光の出射面と撮像素子の受光部の相対距離をＬとすると、撮像素子の受講部での光線分離幅ｗはｗ＝２Ｌｔａｎθとなる。従って、Ｌを距離調節手段で制御すれば、撮像光学系のカットオフ周波数を制御することができる。
【００１８】
光学ローパスフィルタと撮像素子の相対距離を可変させる距離調節手段は、光学ローパスフィルタ又は撮像素子を光軸に沿って移動させる移動手段を含む。また、前記距離調節手段は、光学ローパスフィルタ又は撮像素子の位置を検出する検出手段を含むことが好ましい。さらに、前記距離調節手段は、前記検出手段による検出結果をフィードバックして光学ローパスフィルタ又は撮像素子の相対距離を制御するフィードバック制御手段を有することが好ましい。この場合でも、位置の検出結果を用いてフィードバック制御するだけで良いので、構造やシステムが複雑とならない。
【００１９】
撮像光学系において、撮像素子上に像を合焦するための制御を容易とする観点からは、前記距離調節手段は、撮像素子を撮像装置等に固定し、ローパスフィルタを移動させる手段であることが好ましい。
【００２０】
光学ローパスフィルタ又は撮像素子を移動させる移動調節手段は、ラックアンドピニオンをモーターで駆動させる機構、電磁駆動機構、圧電アクチュエータ等、公知の手段を使用することができる。
【００２１】
一例として、撮像素子を固定し、光学ローパスフィルタを電磁駆動機構で移動させる場合について説明する。
光学ローパスフィルタを支持枠に固定し、当該支持板枠を撮像装置の本体に対し、前後方向（撮像素子面に対して垂直な方向）以外の移動を規制するようにガイドレールに固定する。当該支持枠が前後方向に移動することにより、光学ローパスフィルタと撮像素子の相対距離が変化する。光学ローパスフィルタは撮像素子面に対し光の入射面と出射面が平行になるように支持枠に固定する。ガイドレールは円柱状でステンレス製であり、前後方向に沿って撮像装置本体に複数本（例えば左右で各１本）が固定されている。支持枠の左右には、ガイド穴をそれぞれ形成し、ガイドレールをガイド穴にそれぞれ挿通させる。ガイド穴を形成する支持枠の部分を前後方向に肉厚にすることや、左右のレールの摩擦を均等にすることにより、ローパスフィルタが上下左右方向に傾きが生じないように防止する。これにより、光学ローパスフィルタの支持枠は、ガイドレールに沿って前後方向に移動する。撮像装置の本体には、支持枠の左右側面側にメインコイルを固定する。支持枠の左右側面には永久磁石をメインマグネットとして固定し、メインコイルに対して所定のギャップをおいてそれぞれに対向させる。メインマグネットとメインコイルによって電磁駆動機構が構成され、メインコイルへの電力の供給により所定の力定数の駆動力が発生する。当該機構はメインコイルへの電流の向きを制御することで、支持枠に固定された光学ローパスフィルタをガイドバーに沿って前後方向に移動させることができる。
また、撮像装置の本体には、光学ローパスフィルタの位置を検出するためのホール素子を設置し、ホール素子の位置に対応して、支持枠にはセンサマグネットを固定する。これによってホール素子での磁束密度の変化から、光学ローパスフィルタの位置を数μｍのオーダーで検出することができる。移動距離が１ｍｍ以上となる場合には、複数個のホール素子を用いてもよい。
撮像素子の本体には、ホール素子の信号を用いて、光学ローパスフィルタの位置を制御するフィードバック手段を設けることにより、光学ローパスフィルタの位置を高精度に制御することができる。
このような構成からなる距離調節手段によって、光学ローパスフィルタを含めた撮像光学系のカットオフ周波数を高精度に制御することが可能となる。
【００２２】
前記距離調節手段は、前記撮像素子のナイキスト周波数をｆｎ、前記光学ローパスフィルタの作用およびローパスフィルタと撮像素子受光部の距離によって評価されるカットオフ周波数をｆｃとするとき、０．１≦ｆｃ／ｆｎ≦１０となるように前記光学ローパスフィルタと前記撮像素子の相対距離を制御することが好ましい。
０．１≦ｆｃ／ｆｎ≦１０の範囲で、光学ローパスフィルタと前記撮像素子の相対距離を制御することができれば、撮影者の意図に合わせて、十分な範囲で光学ローパスフィルタの効果を増減することが可能となる。
光学ローパスフィルタと前記撮像素子の相対距離が近いほどｆｃ／ｆｎは高い値となり、光学ローパスフィルタの効果は小さくなる。モアレや偽色の防止効果を犠牲にして、高精細な画像を得るにはｆｃ／ｆｎをより高く設定すれば良い。逆に、相対距離が遠いほどｆｃ／ｆｎは低い値となり、光学ローパスフィルタの効果は大きくなる。デジタルスチルカメラの動画モードや撮影写真の画面解像度設定では画素の間引きが行われているが、その場合はｆｃ／ｆｎを１より低くすることで対応が可能となる。
水晶からなる光学ローパスフィルタの場合は、光学ローパスフィルタ固有の特性としてカットオフ周波数を評価できるが、本発明の分離光が非平行に出射する光学ローパスフィルタの場合、ローパスフィルタだけではカットオフ周波数が決まらず、光学ローパスフィルタと撮像素子受講部の距離でカットオフ周波数が評価されることとなる。
【００２３】
本発明の撮像光学系において、使用波長帯の中心波長をλ［μｍ］、回折型光学ローパスフィルタの回折格子周期をｄ［μｍ］、撮像素子の画素ピッチをＷ［μｍ］とし、制御可能なｆｃ／ｆｎがα≦ｆｃ／ｆｎ≦βであるとき、格子周期ｄが、ｄ≧λ／ｓｉｎθであることが好ましい。
ただしθは下記式を満たす。
【００２４】
【数２】
2014116875.tif 000004
格子周期ｄがｄ≧λ／ｓｉｎθを満たす範囲であれば、光学ローパスフィルタと撮像素子の相対距離を可変させる距離調節手段の位置決め精度が、例えば少なくとも繰り返し位置決め精度で±１０μｍあれば、市場で要求される撮像装置の性能に鑑みて、十分に高精度なカットオフ周波数の制御を行うことができる。
θは、下記式を満たすことが、より緻密かつ高精度にカットオフ周波数の制御を行うことができるためより好ましい。
【００２５】
【数３】
2014116875.tif 000005
なお、使用波長帯の中心波長とは、撮像光学系又はそれを用いた撮像装置が用いられる用途において使用する光の波長域の最短波長と最長波長の中央値を用いることが好ましい。一般に市場で用いられるデジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラである場合、使用波長帯の中心波長は５８７．５６ｎｍとする。
【００２６】
本発明の光学ローパスフィルタは、ガラス内部に母材と屈折率差が異なる屈折率変化領域を有し、前記屈折率差が所定の周期で変調されていることにより、透過型回折格子として機能するものであることが好ましい。
このとき、ガラスは薄板状のガラス基板であることが好ましい。
光の回折作用を付与させるため、ガラス基板に複数の屈折率変化領域が所定の周期で配置される場合について述べる。前記屈折率変化領域は、例えば、ガラス基板にパルスレーザー光線を照射し、被照射部分を異質層とすることにより形成される。前記屈折率変化領域は、前記ガラス基板の両方の主表面の少なくとも一部をそれぞれ含みかつ同じ屈折率で連続している領域（すなわち、異質層が形成されていない部分）に対し、波長が５８７．５６ｎｍである光の屈折率差の絶対値（｜Δｎｄ｜）が、０．００１以上であることが好ましい。｜Δｎｄ｜を０．００１以上とすることによって、短い光の経路長で充分な光の光路長差を得ることができ、光学ローパスフィルタの設計の自由度が大きくなるからである。この効果をより容易に得るためには、｜Δｎｄ｜は０．００２以上であることがより好ましく、０．００５以上であることが最も好ましい。なお、｜Δｎｄ｜の上限は特になく、大きければ大きいほど好ましいが、実際に得られる｜Δｎｄ｜の上限は０．５程度である。
なお、主表面とは、被写体から届く光が入射又は出射する面をいう。
【００２７】
本発明の光学ローパスフィルタを構成するガラス基板は、ＳｉＯ２、Ｂ２Ｏ３、Ｐ２Ｏ５、Ｂｉ２Ｏ３、ＴｅＯ２のいずれかを主成分とするガラスからなることが、パルスレーザーを照射した場合に、ガラス内部の異質層への変化が容易であるので好ましい。
主成分とは、ガラスを構成する他の成分と比較して、最も含有割合が多い成分をいう。
【００２８】
本明細書において、「異質」とは、パルスレーザー照射によりガラスの一部がパルスレーザー照射前とは異なる材料の構造上の変化、元素の結合状態の変化、空孔生成、組成分布等を生じた状態を意味し、「異質相」とは、ガラスの一部を異質化することにより生じた、ガラス母材の屈折率とは異なる屈折率を有する部位を意味する。異質相の屈折率変化は、密度変化、組成変化、空洞形成、結晶化、イオンの価数変動などにより起こる。またそれらは、散乱の原因となるクラックの発生を伴わない。本発明に係る光学ローパスフィルタにおいて、異質相は３ｎｍ以上の最小幅を有することが好ましい。異質相の幅が、光学ローパスフィルタの利用波長の１／１００よりも小さい場合は、ガラスの内部に存在しても透過光に影響を与えられず、屈折率変化や位相差を実現するのが困難になるからである。
【００２９】
異質相、すなわち屈折率変化領域の最小幅は、使用する波長より小さい場合、偏光特性に悪い影響が出ることがある。可視光領域の偏光への影響を抑えるためには、可視光領域の波長サイズより大きい、例えば８３０ｎｍより大きいことが好ましい。一方、異質相の幅の上限は後述の屈折率変化領域より小さいものであり、屈折率変化領域の幅によって適宜変更され得る。
【００３０】
なお、本明細書において、「可視光」は３６０ｎｍ〜８３０ｎｍの範囲の波長を有する電磁波を意味する。
【００３１】
屈折率変化領域の形状は線状、球形、楕円形、立方体、多角柱、多角錐、多面体等又は不定形状の構造を用いることができ、これらの形状の複数を組合せて用いることもできる。屈折率変化領域の最小幅は、線状の構造である場合には線の断面の径で定義され、球形、楕円形、立方体、多角柱、多角錐、多面体等又は不定形状の構造である場合には、その屈折率変化領域の最大長が同じ球体の球相当径で定義される。
【００３２】
本発明に使用するガラス基板に好適なガラス組成について説明する。
ガラス基板は、ＳｉＯ２、Ｂ２Ｏ３、Ｐ２Ｏ５、Ｂｉ２Ｏ３、ＴｅＯ２のいずれかを主成分とするガラスからなることが、パルスレーザー照射によって、異質層を生成しやすく、かつ、｜Δｎｄ｜を大きくすることができる。
【００３３】
ＳｉＯ２は本発明におけるガラスの成分において非常に有用な成分であるが、これのみであると屈折率差はプラス方向に変化し易く、大きな屈折率差をつけることは難しい。すなわち、ＳｉＯ２はガラス中でガラス網目構造を形成する成分であり、その結合を切断するためには、レーザー照射時に大きなパワーが投入される必要がある。しかしながら、ＳｉＯ２は他の成分が共存すると、レーザー照射により形成される異質相の屈折率差を大きくするのに効果的である。すなわち、ガラス網目形成に寄与が低い、より結合力の低い成分がガラス内を移動し屈折率変化が引き起こされるものと考えられる。
【００３４】
ＳｉＯ２成分を含む場合、ＳｉＯ２の下限は２０％が好ましく、３０％がより好ましく、３５％が最も好ましい。２０％以上であれば安定にガラス化させることが可能である。また、ガラス自身の屈折率、レーザー照射により形成される異質相の屈折率差に影響のある他の修飾酸化物を含有させてもガラス自身が安定である。ＳｉＯ２の上限は７５％が好ましく、７０％がより好ましく、６５％が最も好ましい。９０％以下であれば、比較的低温でガラスを溶解することができ、脈理や泡の少ない均質なガラスが得られ易いので好ましい。
【００３５】
Ｂ２Ｏ３は、溶解温度を下げ、安定なガラスを得ることができる。Ｂ２Ｏ３成分を含む場合、Ｂ２Ｏ３の上限は１７％以下が好ましく、１０％以下がより好ましく、５％以下が最も好ましい。１７％以下であれば、ガラスの相分離を引きこし難くなり、安定なガラスが得られ易くなり、また、ＴｉＯ２を比較的多量に含有させ易くなるので好ましい。
【００３６】
Ｐ２Ｏ５は、ガラス組成物の網目形成酸化物として作用するガラス形成酸化物である。Ｐ２Ｏ５の含有率は共存させる成分及びその量によって最適な量が異なるが、Ｐ２Ｏ５成分を含有させる場合、少なすぎるとガラスの安定性が悪くなるので、含有率を１０％以上とすることが好ましく、１５％以上がより好ましく、２０％以上が最も好ましい。また含有量が多すぎてもガラス化し難い、ガラスが不安定になる等の問題があり、その上限を９０％とすることが好ましく、８０％とすることがより好ましく、７０％とするのが最も好ましい。
Ｐ２Ｏ５成分を含有させる場合は、ＳｉＯ２成分を１０％以下とすることが好ましい。
【００３７】
Ｂｉ２Ｏ３は、ガラス組成物の網目形成酸化物として作用するガラス形成酸化物である。また、高屈折率化に寄与しうるため、屈折率を高める目的で副成分として添加される場合もある。Ｂｉ２Ｏ３成分を含有させる場合、安定にガラスを得るためには、その含有率は０〜４０％が好ましく、０〜２０％がより好ましく、０％以上１０％未満が最も好ましい。
【００３８】
ＴｅＯ２は、ガラス組成物の網目形成酸化物として作用するガラス形成酸化物である。また、高屈折率化に寄与しうるため、屈折率を高める目的で副成分として添加される場合もある。ＴｅＯ２成分を含有させる場合、安定にガラスを得るためには、その含有率は０％以上５０％未満が好ましく、０％以上３０％未満がより好ましく、０％以上２０％未満が最も好ましい。
【００３９】
Ｌｉ２Ｏ、Ｎａ２Ｏ、Ｋ２Ｏ等のアルカリ金属酸化物は溶融温度を低下させ、ガラスを安定化する作用を有する。これらのアルカリ金属酸化物の含有率が少なすぎると溶融温度が上昇し、含有率が多すぎると化学的耐久性が低下し、いずれにおいてもガラスの安定性が低下する。
Ｌｉ２Ｏの含有率は０〜１５％が好ましく、０〜１２％がより好ましく、０〜１０％が最も好ましい。Ｎａ２Ｏの含有率は０〜３０％が好ましく、０〜２５％がより好ましく、０〜２０％が最も好ましい。Ｋ２Ｏの含有率は０〜３０％が好ましく、０〜２５％がより好ましく、０〜２０％が最も好ましい。
アルカリ金属酸化物は必須ではないが、１％以上含有することが好ましく、３％以上がより好
ましい。また含有率の上限は、３０％とすることが好ましく、２５％とすることがより好
ましく、２０％とすることが最も好ましい。
【００４０】
ＭｇＯ、ＳｒＯ、ＣａＯ、ＢａＯ、ＺｎＯ等の二価金属酸化物はガラス網目構造の結合を切断する働きがあり、ガラス製造時の溶解性を高め、ガラスがより安定する。これら自身のガラスの異質層への変化の寄与は小さいと考えられるが、異質層への変化の影響が大きい他の成分の効果を高めるように働くと考えられる。
ＭｇＯの含有率は０〜１０％が好ましく、０〜７％がより好ましく、０〜５％が最も好ましい。
ＳｒＯの含有率は０〜１０％が好ましく、０〜７％がより好ましく、０〜５％が最も好ましい。
ＣａＯの含有率は０〜３０％が好ましく、０〜２５％がより好ましく、０〜２０％が最も好ましい。
ＢａＯの含有率は０〜３０％が好ましく、０〜２５％がより好ましく、０〜２０％が最も好ましい。
ＺｎＯの含有率は０〜４０％が好ましく、０〜３０％がより好ましく、０〜２０％が最も好ましい。
二価金属酸化物は必須ではないが、１％以上含有することが好ましく、３％以上がより好ましい。また含有率の上限は、４０％とすることが好ましく、３０％とすることがより好ましく、２０％とすることが最も好ましい。
【００４１】
ＴｉＯ２も本発明におけるガラスの成分において有用な任意成分であり、他の修飾酸化物との組み合わせや混合比にもよるが、屈折率差を大きくする成分として、効果が大きい。特に、マイナス方向の屈折率差Δｎを大きくするのに効果的である。
ＴｉＯ２の上限は５０％が好ましく、４０％がより好ましく、３０％が最も好ましい。５０％以下であれば、上記ＳｉＯ２を含むガラスの失透の影響を少なくし、また、Ｔｉイオンの価数変化による着色を少なく抑えて可視光領域で高い透明性を有するガラスを安定に製造し易いので好ましい。下限は０％である。
【００４２】
Ａｌ２Ｏ３は、ＳｉＯ２と共存させることで安定なガラスを得ることができる。Ａｌ２Ｏ３の上限は４％が好ましい。Ｎｂ２Ｏ５は、ガラス自身の屈折率を高めうる。Ｎｂ２Ｏ５の上限は２０％が好ましい。また、ＺｒＯ２は、ガラス製造時に添加することで耐火性能を向上でき、また失透を抑制する働きがある。ＺｒＯ２の上限は６％が好ましい。Ｓｂ２Ｏ３は必須成分ではないが、ガラス製造時の脱泡剤として用いうる。Ｓｂ２Ｏ３の上限は０．４％が好ましい。フッ素は必須成分ではないが、ガラス自身の屈折率や分散を下げる効果やレーザー照射による屈折率差を小さくする効果がある。従って、ガラス自身の屈折率や分散を調整する目的で５％以下を含有させることが好ましい。他に、Ｙ２Ｏ３、ＳｎＯの群からなる成分を少なくとも１つ以上含有させてもよい。これらの上限は１５％が好ましい。
【００４３】
なお、ＷＯ３、Ｔａ２Ｏ５、Ｌａ２Ｏ３、Ｇｄ２Ｏ３の群からなる成分を少なくとも１つ以上含む酸化物又は当該酸化物に含まれる元素は、環境負荷又は生物毒性等が報告されており好ましくない。
【００４４】
また、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｇ及びＭｏ等の各遷移金属成分は、それぞれを単独又は複合して少量含有した場合でも材料自体が着色してしまい、可視域の特定の波長に吸収を生じさせるため、可視の波長域において本発明の光学ローパスフィルタを使用する場合には、実質的に含まないことが好ましい。また、各希土類成分それぞれも単独又は複合して含有することにより着色してしまうことがあり、可視域の特定の波長に吸収を生じさせる傾向があるため、可視の波長域において本発明の光学ローパスフィルタを使用する場合には、実質的に含まないことが好ましい。
【００４５】
更に、Ｂｅ、Ｐｂ、Ｔｈ、Ｃｄ、Ｔｌ、Ａｓ、Ｏｓ、Ｓ、Ｓｅ、Ｂｒ、Ｃｌ、Ｉ等の各成分は、近年有害な化学物資として使用を控える傾向にあり、ガラスの製造工程のみならず、加工工程、及び製品化後の処分に至るまで環境対策上の措置が必要とされるため、環境上の影響を重視する場合には実質的に含まないことが好ましい。
【００４６】
本発明に用いるガラス基板は、ガラスの表面を平坦に加工し、研磨したものである。ガラス基板に光の回折作用を付与する為に、ガラス基板の表面から内部に向けてパルスレーザーを照射するため、表面でレーザー光が乱反射するのを防ぐ必要があり、ガラス基板の表面は可能な限り平坦であることが好ましい。近年の撮像素子の高画素化に伴い、画素ピッチが狭くなっており、回折光の入射位置のズレを低減する観点から、具体的には、平坦度は１０μｍ以下であることが好ましく、２μｍ以下であることがより好ましい。また、表面粗さは、点平均粗さＲｚで１５０Å以下であることが好ましい。なお、平坦度とは、光学ローパスフィルタとして光が入射する領域内の、最も高い山の部分から最も低い谷の部分までの距離である。
【００４７】
本発明に用いる光学ローパスフィルタは、光線透過率を高めるため、ガラス基板の少なくとも一方の主表面に光線反射防止膜がコーティングされていることが好ましい。
【００４８】
本発明に係る屈折率変化領域は、ガラス基板の一部にパルスレーザーを照射することにより形成することができる。したがって、屈折率変化領域は、配置される屈折率変化領域の体積、形状、数密度、もしくは屈折率変化量のいずれか、またはそれらの組み合わせにより、光の回折作用を制御することができる。
【００４９】
また、屈折率変化領域の形成においては、パルスレーザーの照射を同じ個所に重複して行う、パルスレーザーの照射出力を調整する、および／またはパルスレーザーのスキャンスピードを調整することにより、ガラス母材に対する屈折率差を制御することができる。
【００５０】
本発明において、パルスレーザーは、パルス幅がピコ秒（１０−１２ｓ）以下のレーザーを好適に用いることができる。中心波長約８００ｎｍ、［パルス幅１００〜４００ｆｓ（１０−１５ｓ）］、繰り返し周波数１０Ｈｚ〜１００ＭＨｚ、０．１〜４．０μＪ程度のパルスエネルギーのフェムト秒パルスレーザーが好ましい。このようなパルスレーザー光を、例えば、倍率２０倍（開口率０．４５）の対物レンズ等を介して、１０〜５０００μｍのスキャン深さ、０．００５〜１００ｍｍ／秒程度のスキャン速度の条件でガラス基板の内部に集光照射することにより、母ガラスと分子構造や組成分布が異なることにより屈折率差の異なる異質相を生成できる。
【００５１】
レーザー照射条件は所望する異質相の形状、屈折率変化量などによって変えることができる。例えば、１本のレーザビームをレンズで集光し、焦点位置で形成されるスポット状の異質相をステージの走査などを併用して加工する場合、パルスエネルギーは１０ｎＪ以上、好ましくは１μＪ以上のイオン移動が起こせるパルスエネルギーを確保できれば特に上限はないが、繰り返し周波数は、上限が１００ＭＨｚ以下であると、加工時の熱の蓄積による熱歪みや望ましくないクラックの発生も抑制でき、また、ステージの速度を制御し易く、より精度の高い加工が可能となるので好ましい。繰り返し周波数の下限は、パルス間の加工の影響や加工時間を考慮して１０Ｈｚ以上が好ましく、１ｋＨｚ以上が最も好ましい。
【００５２】
一方、パルス幅はレーザー照射により圧力波（衝撃波）が発生できる程度に短い必要があり、１ｐｓ以下が好ましく、５００ｆｓ以下がより好ましく、３００ｆｓ以下が最も好ましい。しかしパルス幅が短すぎると、レンズや各種光学部品の分散材料を透過あるいは反射する過程で、パルス幅が容易に広がるため取り扱いが難しくなるという問題が生じるので、１０ｆｓ以上が好ましく、５０ｆｓ以上がより好ましく、１００ｆｓ以上が最も好ましい。
【００５３】
照射するレーザーの波長は、ガラス基板に対し、吸収がなく透明な波長領域であることが好ましい。照射するガラスの透過率や特定波長の吸収の有無にも依るが、好ましくは、約２００ｎｍ〜２１００ｎｍ、より好ましくは、４００〜１１００ｎｍ、最も好ましくは、５００〜９００ｎｍである。この範囲であれば、集光位置付近の光強度の高い部位のみで多光子吸収を起こし精密な加工ができるので好ましい。
【００５４】
このようなパルスレーザーは、レーザー光を集光照射することにより、ガラス基板の内部に局所的にガラス母材の屈折率とは異なる屈折率を有する異質相を形成することができる。また、本実施形態におけるパルス幅は短いため、透明材料に対する熱的な影響が少ない。このため、加工時の熱の蓄積による熱歪みやクラックの発生も抑制でき、滑らかな形状の異質相を形成することもできる。
【００５５】
また、本実施形態に係るパルスレーザー照射において、照射するパルスレーザー光を複数に分割する工程を有することが、製造効率が良く、好ましい。パルスレーザー光を複数に分割する工程とは、例えば、パルスレーザー照射装置と、ガラス基板との間に所定形状の異質相を形成するためのホログラムを配置して、ガラス基板にパルスレーザー光を照射する工程である。ホログラムを利用してパルスレーザー光を複数に分割する形態においては、異質相のパターンを一括形成することが可能であるため、加工時間を短くし、且つ、高精度の異質相のパターンを形成することができる。
【００５６】
本発明の撮像光学系を、既知のデジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラ等の撮像光学系として用いることにより、簡単な構造及び制御システムで高精度に光学ローパスフィルタのカットオフ周波数を可変制御することが可能な撮像装置を得ることができる。
【実施例】
【００５７】
（実施例１）
画素ピッチＷが６μｍの撮像素子に対し、波長λ＝５８７．５６ｎｍにおけるカットオフ周波数ｆｃ／ｆｎの制御範囲を１．０≦ｆｃ／ｆｎ≦１．５とし、６段階で変化させる場合の設定例を示す。なお、ローパスフィルタと撮像素子の受光部間の相対距離は、撮像素子を固定し、ローパスフィルタを移動することにより行う。
Ｐ２Ｏ５‐Ｎｂ２Ｏ５‐ＴｉＯ２系のガラス基板にパルスレーザーを照射することにより異質層を形成し、光線分離パターンが図１になる回折型ローパスフィルタを用いた。回折型ローパスフィルタの格子周期は４３０μｍに設定した。上記ｆｃ／ｆｎの範囲で、ローパスフィルタの効果を均等に６段階で制御する場合の、ローパスフィルタと撮像素子の受光部間の相対距離Ｌ（μｍ）、波長λ＝５８７．５６ｎｍにおける、±１次光線の撮像素子の受光部上での分離幅ｗ（μｍ）の計算値を表１に示す。
【００５８】
【表１】
2014116875.tif 000006
【００５９】
表１の計算値から、ローパスフィルタの移動ピッチを１００μｍ単位として、各段階ごとの相対距離Ｌを設定した。その時の±１次光線の撮像素子の受光部上での分離幅ｗ（μｍ）と、波長λ＝５８７．５６ｎｍにおけるカットオフ周波数ｆｃ／ｆｎの値を表２に示す。また、表２の設定に対するＭＴＦ特性を図２に示す。
【００６０】
【表２】
2014116875.tif 000007
【００６１】
ローパスフィルタの移動手段の繰り返し位置決め精度が±１０μｍであると仮定すると、段階５の相対距離を基準として、段階６の相対距離のばらつきは１４９０μｍ〜１５１０μｍの範囲となり、これに対応する分離幅のばらつきは４．０７μｍ〜４．１３μｍの範囲となる。このときのｆｃ／ｆｎの値のばらつきは１．４５〜１．４６の範囲であり、この差異は各段階のｆｃ／ｆｎの差異の約９０分の１と極めて小さいものである。
以上より、本発明の撮像光学系は、距離調節手段の位置決め精度が高くなくとも、ローパスフィルタの効果を高い精度で制御することが可能である。
【００６２】
（実施例２）
画素ピッチＷが３μｍの撮像素子に対し、波長λ＝５８７．５６ｎｍにおけるカットオフ周波数ｆｃ／ｆｎの制御範囲を０．５≦ｆｃ／ｆｎ≦４．０とし、８段階で変化させる場合の設定例を示す。なお、ローパスフィルタと撮像素子の受光部間の相対距離は、撮像素子を固定し、ローパスフィルタを移動することにより行う。
Ｐ２Ｏ５‐Ｎｂ２Ｏ５‐ＴｉＯ２系のガラス基板にパルスレーザーを照射することにより異質層を形成し、光線分離パターンが図１になる回折型ローパスフィルタを用いた。回折型ローパスフィルタの格子周期は５００μｍに設定した。上記ｆｃ／ｆｎの範囲で、ローパスフィルタの効果を均等に８段階で制御する場合の、ローパスフィルタと撮像素子の受光部間の相対距離Ｌ（μｍ）、波長λ＝５８７．５６ｎｍにおける、±１次光線の撮像素子の受光部上での分離幅ｗ（μｍ）の計算値を表３に示す。
【００６３】
【表３】
2014116875.tif 000008
【００６４】
表３の計算値から、ローパスフィルタの移動ピッチを２０μｍ単位として、各段階ごとの相対距離Ｌを設定した。その時の±１次光線の撮像素子の受光部上での分離幅ｗ（μｍ）と、波長λ＝５８７．５６ｎｍにおけるカットオフ周波数ｆｃ／ｆｎの値を表４に示す。また、表４の設定に対するＭＴＦ特性を図３に示す。
【００６５】
【表４】
2014116875.tif 000009
【００６６】
ローパスフィルタの移動手段の繰り返し位置決め精度が±２μｍであると仮定すると、段階５の相対距離を基準として、段階６の相対距離のばらつきは４１８μｍ〜４２２μｍの範囲となり、これに対応する分離幅のばらつきは０．９８μｍ〜０．９９μｍの範囲となる。このときのｆｃ／ｆｎの値のばらつきは３．０３〜３．０５の範囲であり、この差異は各段階のｆｃ／ｆｎの差異の約３０分の１と極めて小さいものである。
以上より、本発明の撮像光学系は、距離調節手段の位置決め精度が高くなくとも、ローパスフィルタの効果を高い精度で制御することが可能である。
【図１】
2014116875.tif 000011
【図２】
2014116875.tif 000012
【図３】
2014116875.tif 000013