(57)【要約】【課題】撮像素子への不要光の入射を防止する。【解決手段】光学ローパスフィルタは、撮像素子と撮像レンズとの間に設けられ、第１の分離素子と、偏光制御素子と、第２の分離素子とが、少なくともこの順番に並んで配置されており、偏光制御素子は、各々対向面に透明電極が形成されている一対の透明基板に挟持される液晶層を備えた液晶素子であり、液晶層の厚みが１．２μｍ以上であり、液晶層内には、当該液晶層の厚みを一定するための複数のスペーサ粒子が分散、配置されており、スペーサ粒子は遮光性を有している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
撮像素子と撮像レンズとの間に設けられる光学ローパスフィルタであって、
第１の分離素子と、偏光制御素子と、第２の分離素子とが、少なくともこの順番に並んで配置されており、
前記偏光制御素子は、各々対向面に透明電極が形成されている一対の透明基板に挟持される液晶層を備えた液晶素子であり、
前記液晶層の厚みが１．２μｍ以上であり、
前記液晶層内には、当該液晶層の厚みを一定にするための複数のスペーサ粒子が分散、配置されており、
前記スペーサ粒子は遮光性を有している
ことを特徴とする光学ローパスフィルタ。
【請求項２】
前記撮像レンズを含む撮像光学系の絞り値をＦとし、前記撮像素子の撮像面と前記液晶層の液晶面の間隔をＲ［ｍｍ］とし、前記スペーサ粒子の直径をφ［μｍ］とするとき、φ≦Ｒ×１０３／Ｆ／３．３、または、φ≦Ｆ×０．６８／３を少なくとも満し、かつφ≧１．２を満たす
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１の分離素子と前記第２の分離素子の少なくとも１つが、厚さ方向と異常光屈折率軸方向とが平行でない複屈折性材料からなる透明基板により構成されており、
前記偏光制御素子の前記一対の透明基板の少なくとも１つが、前記複屈折性材料からなる透明基板である
請求項１または請求項２に記載の光学ローパスフィルタ。
【請求項４】
前記液晶層に含まれる液晶の屈折率異方性Δｎが、０．１５以下０．０１以上である
請求項１から請求項３のうちのいずれか１項に記載の光学ローパスフィルタ。
【請求項５】
撮像素子と撮像レンズとの間に設けられる液晶素子であって、
各々対向面に透明電極が形成されている一対の透明基板に挟持される液晶層を備え、
前記液晶層内には、当該液晶層の厚みを一定にするための複数のスペーサ粒子が分散、配置されており、
前記スペーサ粒子は遮光性を有しており、
前記撮像レンズを含む撮像光学系の絞り値をＦとし、前記撮像素子の撮像面と前記液晶層の液晶面の間隔をＲ［ｍｍ］とし、前記スペーサ粒子の直径をφ［μｍ］とするとき、φ≦Ｒ×１０３／Ｆ／３．３、または、φ≦Ｆ×０．６８／３を少なくとも満たし、かつ、φ≧１．２を満たす
ことを特徴とする撮像装置用液晶素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、撮像装置において撮像レンズと撮像素子の間に配置される撮像装置用液晶素子および光学ローパスフィルタに関する。
【背景技術】
【０００２】
ビデオカメラ、デジタルカメラ等の撮像装置は、ＣＣＤ（Charge Coupled Device ）、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor ）といった光電変換を行う撮像素子を備えており、この撮像素子が外部信号として入る光の明暗の量を電荷の量に変換、即ち光電変換をした結果得られる電気信号を順次処理することによってデジタル画像を生成している。なお、撮像素子はイメージセンサとも呼ばれる。このような撮影装置では、撮像素子の画素ピッチよりも細かい空間周波数を有する画像の撮影を行うと、サンプリングによる歪みが生じて、本来の画像と異なる模様（モアレ）や偽色が発生することが知られている。
【０００３】
このようなモアレや偽色を防止するため、撮像装置には、撮像レンズと撮像素子の間に、撮像素子に入射するサンプリング周波数付近の光成分をカットする光学ローパスフィルタ（ＯＬＰＦ：Optical Low Pass Filter）が設けられているものがある。光学ローパスフィルタは、例えば、水晶などの複屈折板を有する素子であって、複屈折板の複屈折性を利用して、入射する２次元画像を水平方向または／および垂直方向に所定の距離だけ分離させることにより、撮像素子に入射するサンプリング周波数付近の光成分をカットする。ここで、サンプリング周波数は撮像素子の画素ピッチにより定まる。
【０００４】
このような光学ローパスフィルタでは、撮影に必要な画素ピッチに合わせて適切な分離距離が決まる。しかし、例えば、静止画と動画の両方を撮影可能な撮像装置の場合、静止画と動画とでは撮影に必要な画素数が異なることから、静止画と動画のどちらを撮影するかで撮影に必要な画素ピッチが異なる。その場合、光学ローパスフィルタにおける光の最適な分離距離（「分離幅」と呼ばれる場合もある。）も、撮影装置が静止画と動画のどちらを撮影するかによって異なる。
【０００５】
１つの光学ローパスフィルタを静止画と動画の双方に対応させるためには、当該光学ローパスフィルタの光の分離距離を動的に、かついずれの場合も適切となるように制御できることが要求される。また、静止画のみまたは動画のみを行う撮像装置であっても、より高精度な画像が求められる場合には、モアレや偽色が発生しても解像度を優先して、ローパス機能すなわちサンプリング周波数のカット機能を用いないモードに切り替えられるようにしたいという要望がある。すなわち、ローパス機能のオン／オフ制御が要求される。
【０００６】
特許文献１には、動的に光学ローパスフィルタの光の分離距離を変化させたり、または動的にローパス機能のオン／オフを制御可能にした光学ローパスフィルタの例が示されている。特許文献１に記載されている光学ローパスフィルタは、２つの複屈折板の間に、入射光の偏光状態を動的に変化させられる液晶層を設けることにより、そのような制御を可能にしている。
【０００７】
また、特許文献２には、上述した光学ローパスフィルタとは用途が異なるが、撮像装置において液晶層を備えた液晶光学フィルタが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特許第２５５６８３１号公報
【特許文献２】特開２００３−５０３９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献１に記載されているローパスフィルタは液晶自身で光線を分離するものではないので、液晶層の厚みを７〜８μｍ程度に薄くできるため、液晶層による光のロスが少なく透過率が良いとの記述がある。特許文献１には記載されていないが、液晶層の厚みを数μｍで均一に制御するためには、液晶層内部にスペーサを適当な密度で散布するのが一般的である。しかしながら、スペーサがボールレンズとして作用して光が点状の欠点として撮像素子に写り込むために、画質の劣化を引き起こしていた。
【００１０】
なお、特許文献２に記載されている液晶光学フィルタは、撮像レンズを含む撮像光学系よりも被写体側に配置されることを前提としており、そのような配置関係であれば上述した問題は生じない。これは、特許文献２に記載されているような配置関係の場合、液晶層に含まれるスペーサがボールレンズとして作用したとしても、撮像レンズによって焦点が結ばれる前なので、広がった不要光が欠点として撮像素子に写り込むほどの集光特性をもたないからである。特許文献２に記載されている課題は、斜め方向から強いビーム照明光が入射した場合にフレアの発生を抑制することであり、本願発明が解決しようとする課題とは異なるものである。このように、特許文献２に記載されている構成は上述の問題がそもそも生じない構成であり、特許文献２では、上述の問題およびそれを解決するための手段等に関しては何らの示唆も開示もない。例えば、黒色スペーサを用いた場合、その遮光性により透過率が低下するが、特許文献２にはそのような画質に与える影響等については何ら記載されていない。
【００１１】
なお、光学ローパスフィルタを特許文献２に記載されているような配置とすれば、上述した問題は解決できる。しかし、一般的なデジタルカメラの場合、焦点合わせやズーム、レンズ交換などを行うために撮像レンズの光学配置が変化するが、ローパスフィルタに要求される分離性能を全ての変化パターンで一定に保つことは難しい。このため、仮に特許文献２のような配置とした場合には、撮像レンズの光学配置の変化によってローパスフィルタの分離能が適切でなくなってしまうといった別の問題が生じる。また、カメラ本体の小型化や、ファインダー倍率を大きくすることに伴いファインダー用ミラーを大きくした場合などには、撮像レンズと撮像素子の隙間に余裕がないことが多い。このような場合には、ローパスフィルタは、撮像素子の近くに設置せざるを得ない。従って、撮像素子と撮像レンズとの間に配置される構成のまま、上述した問題を解決することが要求される。
【００１２】
なお、上述した問題が生じるのは光学ローパスフィルタに限らず、撮像素子と撮像レンズとの間に配置される液晶素子であってスペーサを用いる液晶素子であれば、同様の問題が生じる可能性がある。
【００１３】
そこで、本発明は、撮像レンズと撮像素子の間に配置される撮像装置用液晶素子および光学ローパスフィルタであって、液晶層に含まれるスペーサに起因する画質の劣化を低減できる撮像装置用液晶素子および光学ローパスフィルタの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の光学ローパスフィルタは、撮像素子と撮像レンズとの間に設けられる光学ローパスフィルタであって、第１の分離素子と、偏光制御素子と、第２の分離素子とが、少なくともこの順番に並んで配置されており、偏光制御素子は、各々対向面に透明電極が形成されている一対の透明基板に挟持される液晶層を備えた液晶素子であり、液晶層の厚みが１．２μｍ以上であり、液晶層内には、当該液晶層の厚みを一定にするための複数のスペーサ粒子が分散、配置されており、スペーサ粒子は遮光性を有していることを特徴とする。
【００１５】
このようにスペーサ粒子に遮光性を持たせることにより、スペーサがボールレンズとして作用することを防ぎ、それにより撮像素子への不要光の入射を防止できるので、上記配置関係におかれる光学ローパスフィルタであっても画質の劣化を低減できる。
【００１６】
また、光学ローパスフィルタは、撮像レンズを含む撮像光学系の絞り値をＦ（例えば、Ｆ＝１．４〜２２）とし、撮像素子の撮像面と液晶層の液晶面の間隔をＲ［ｍｍ］とし、スペーサ粒子の直径をφ［μｍ］とするとき、φ≦Ｒ×１０３／Ｆ／３．３、または、φ≦Ｆ×０．６８／３を少なくとも満たし、かつφ≧１．２を満たすものであってもよい。
【００１７】
上記条件を満たすことにより、遮光性を有するスペーサ粒子を用いた場合であっても、撮像面に投影されるスペーサ粒子の影の影響を小さくできる（例えば、遮光される光量が、スペーサ粒子のない領域に比べて１／９以下）。
【００１８】
また、光学ローパスフィルタは、第１の分離素子と第２の分離素子の少なくとも１つが、厚さ方向と異常光屈折率軸方向とが平行でない複屈折性材料からなる透明基板により構成されており、偏光制御素子の一対の透明基板の少なくとも１つが、複屈折性材料からなる透明基板であってもよい。
【００１９】
このように液晶層を挟んでいる透明基板が分離素子を兼ねることで、光学ローパスフィルタを薄くすることができ、撮像装置を小型化できる。
【００２０】
また、光学ローパスフィルタは、液晶層に含まれる液晶の屈折率異方性Δｎが０．１５以下０．０１以上であってもよい。
【００２１】
そのような屈折率異方性を有する液晶材料を用いると、液晶層の厚みが極端に薄くならずに済むため製造しやすくなったり、極端に厚くならずに済むため遮光性を有するスペーサによる影の影響を小さくでき、好ましい。
【００２２】
また、本発明による撮像装置用液晶素子は、撮像素子と撮像レンズとの間に設けられる液晶素子であって、各々対向面に透明電極が形成されている一対の透明基板に挟持される液晶層を備え、液晶層内には、当該液晶層の厚みを一定にするための複数のスペーサ粒子が分散、配置されており、スペーサ粒子は遮光性を有しており、撮像レンズを含む撮像光学系の絞り値をＦ（例えば、Ｆ＝１．４〜２２）とし、撮像素子の撮像面と液晶層の液晶面の間隔をＲ［ｍｍ］とし、スペーサ粒子の直径をφ［μｍ］とするとき、φ≦Ｒ×１０３／Ｆ／３．３、または、φ≦Ｆ×０．６８／３を少なくとも満たし、かつ、φ≧１．２を満たすことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、撮像素子と撮像レンズとの間に設けられる液晶素子において、スペーサによる画質への影響を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】第１の実施形態に係る液晶素子の例を示す概略図である。
【図２】（ａ）は液晶素子２００の透過光の一例を撮像素子１００との関係において示した説明図であり、（ｂ）はその比較例を示す説明図である。
【図３】液晶素子２００の液晶面の入射光束径Ｄの計算結果を示す説明図である。
【図４】液晶層２４内の入射光束面積に含まれるスペーサ粒子２５の数Ｎの計算結果を示す説明図である。
【図５】撮像素子２００を透過後の撮像面上の透過率Ｔの計算結果を示す説明図である。
【図６】Ｆ値を２２に固定したときの距離Ｒとスペーサ径φとの関係における透過率Ｔの計算結果を示す説明図である。
【図７】第２の実施形態に係る光学ローパスフィルタの構成例を示す概念図である。
【図８】光学ローパスフィルタ１０に入射した光の経路および偏光状態を示す模式図である。
【図９】第３の実施形態に係るデジタル一眼レフカメラに用いる光学ローパスフィルタ５０の構成例を示す概念図である。
【図１０】光学ローパスフィルタ５０のうち、第２の光学ローパスフィルタ３０を取り出した断面模式図である。
【図１１】光学ローパスフィルタ５０に入射する光の経路および偏光状態を示す模式図である。
【図１２】光学ローパスフィルタ５０の電圧印加時、電圧非印加時における光学ローパスフィルタ１０、３０の出射面の光の位置および偏光状態を示す図である。
【図１３】第４の実施形態に係るデジタル一眼レフカメラに用いる光学ローパスフィルタ６０の構成例を示す概念図である。
【図１４】光学ローパスフィルタ６０に入射する光の経路および偏光状態を示す模式図である。
【図１５】光学ローパスフィルタ６０の電圧印加時、電圧非印加時における光学ローパスフィルタ１０、６２の出射面の光の位置および偏光状態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
実施形態１．
図１は、第１の実施形態に係る液晶素子の例を示す概略図である。図１に示すように、液晶素子２００は、撮像装置１０００において、撮像素子１００と、少なくとも１つのレンズ３０１を含む撮像光学系３００との間に配置される液晶素子であって、一対の透明基板２１ａ、２１ｂと、その一対の透明基板２１ａ、２１ｂの間に挟持される液晶層２４とを備えている。なお、図示省略しているが、一対の透明基板２１ａ、２１ｂのそれぞれ対向する面には、電圧非印加時に液晶層２４内の液晶分子の配向状態を制御するための配向膜と、液晶層２４に電圧を印加するための透明電極とが形成されている。また、液晶素子２００は、透明基板２１ａ、２１ｂに形成されている透明電極を介して液晶層２４に電圧を印加する電圧制御部（図示省略）を備えている。
【００２６】
また、液晶層２４内には、液晶が充填される他に、当該液晶層２４の厚みを均一に保つためのスペーサ粒子２５が分散、配置されている。本実施形態では、スペーサ粒子２５として、光を透過しない遮光性を有するものを用いる。
【００２７】
液晶素子２００の機能は特に限定されない。撮像装置１０００において、撮像素子１００と、撮像素子１００の撮像面に光束を集光させるための１つのレンズを少なくとも含む撮像光学系３００との間に配置される液晶素子であって、印加電圧の大きさにより液晶分子の偏光状態が変化する液晶層を備え、光が入射したときの該液晶層内の液晶分子の配向状態に応じて当該液晶素子２００を透過する光に対して何らかの光学的作用を与えるものであればよい。例えば、液晶層２４への印加電圧の大きさに応じて、入射する光の振幅、偏光または位相を変化させて出射する液晶素子であってもよい。また、液晶素子２００は、例えば、撮像素子に入射するサンプリング周波数付近の光成分をカットする機能を有する光学ローパスフィルタの一部に用いられるものであってもよい。
【００２８】
図１において、３０２は撮像光学系３００の絞りを表している。撮像装置１０００において、撮像光学系３００を透過した光線は液晶素子２００を透過した光線は液晶素子２００を透過した後、撮像素子１００の撮像面Ｓ上に結像する。
【００２９】
図２（ａ）は、液晶素子２００の透過光の一例を撮像素子１００との関係において示した説明図である。なお、図２（ｂ）は、従来例である遮光性を有さない透明なスペーサ粒子９５を用いた液晶素子９００の透過光の一例を撮像素子１００との関係において示した説明図である。なお、図２において、２２ａ、２２ｂは透明電極を表している。また、２３ａ、２３ｂは配向膜を表している。
【００３０】
図２（ｂ）に示すように、透明なスペーサ粒子９５を用いた場合、液晶とスペーサ粒子９５の屈折率の差により、スペーサ粒子９５に入射した光は屈折して、広がった光となって出射される。これは、スペーサがボールレンズとして作用するためである。液晶とスペーサ粒子９５の屈折率が同じであればスペーサ粒子９５がこのようにレンズとして作用することはないが、液晶に電圧を印加する場合と印加しない場合では液晶の屈折率が変化するため、このレンズ作用を回避することは難しい。
【００３１】
ここで、液晶層２４内の液晶の常光屈折率をｎｏ、異常光屈折率をｎｅ、該液晶の屈折率の異方性をΔｎ＝｜ｎｅ−ｎｏ｜とし、スペーサ粒子９５の屈折率をｎｅまたはｎｏと等しくしたとき、スペーサ粒子９５は、焦点距離がφ×（Δｎ＋１）／Δｎのボールレンズとして働く。すると、図２（ｂ）に示すように、撮像素子１００の特定の位置に光が広がり、像に点状の欠点として写り込む場合があった。なお、液晶素子２００が撮像光学系よりも被写体側にある場合は、スペーサ粒子９５がボールレンズとして作用しても、撮像素子１００にこのような点状の欠点として写り込むことはない。
【００３２】
このため、液晶層２４が撮像レンズと撮像素子の間に位置するときには、上述した点状の欠点として像に写りこませないために、具体的にはスペーサ粒子９５がボールレンズとして作用しないように、すなわち図２（ａ）に示すように、遮光性のスペーサ粒子２５を用いることが重要となる。
【００３３】
なお、スペーサ径が撮像素子１００の画素サイズに対して十分に小さい（たとえば１μｍ以下）場合には、スペーサ粒子によって一部の光が広がったとしても問題になりにくい。しかし、液晶層２４の厚みを例えば１μｍ以下の極めて薄い厚みに均一に作製することは、異物の影響で著しく歩留りが低下するため困難である。一方、液晶層２４の厚みが大きくなるとそれだけスペーサ径も大きくなる。すると、遮光性を有するスペーサ粒子２５を用いたときに、スペーサ粒子２５により遮光される光量によっては画質に悪影響が出ることも考えられる。
【００３４】
このような場合を考慮して、スペーサ径の上限は、以下の式（１）または以下の式（２）のいずれかを満たすように決められる。なお、φはスペーサ径［μｍ］、Ｆは撮像光学系３００の絞り値（Ｆ値）、Ｒは液晶面から撮像面までの距離［ｍｍ］（以下、単に撮像面までの距離という。）である。すなわち、以下の式（１）または以下の式（２）を用いて、スペーサ径φ、撮像光学系３００の絞り値（Ｆ値）、撮像面までの距離Ｒを調整することにより、スペーサ粒子２５により遮光される光量による画像への影響を小さくできる。具体的には、撮像面に投影されるスペーサ粒子２５により遮光される光量が、スペーサ粒子２５のない領域に比べて１／９以下とできる。なお、ここで液晶面とは、液晶層２４の厚さ中心を仮想の光学面としたときの当該光学面を示す表現である。
【００３５】
φ≦Ｒ×１０３／Ｆ／３．３  ・・・式（１）
【００３６】
φ≦Ｆ×０．６８／３  ・・・式（２）
【００３７】
以下、上記式（１）、（２）について説明する。図２（ａ）に示すように、液晶面での入射光束の直径（以下、液晶面での入射光束径という。）をＤ［ｍｍ］とすると、撮像光学系３００の絞り値Ｆと、撮像面までの距離Ｒと、入射光束径Ｄとの関係は、以下の式（３）のように表される。
【００３８】
Ｆ＝Ｒ／Ｄ  ・・・式（３）
【００３９】
なお、上述した式（３）は、以下の式（４）のように置き換えることも可能である。すなわち、図２（ｂ）に示すように、液晶層に入射した光束がスペーサ粒子によって広げられたときの撮像面における１つのスペーサ粒子による広がり像の大きさをＤ’［ｍｍ］とおくと、撮像光学系３００の絞り値Ｆと、撮像面までの距離Ｒと、広がり像の大きさＤ’との関係は、以下の式（４）のように表される。
【００４０】
Ｆ＝Ｒ／Ｄ’  ・・・式（４）
【００４１】
ここで、液晶面に入射する直径Ｄの光束が直径φの１つのスペーサ粒子２５によって遮光される場合、液晶層２４に入射した光束の遮光される割合は（φ×１０−３／Ｄ）２である。また、式（３）によって示される撮像光学系３００のＦ値と、撮像面までの距離Ｒと、スペーサ径φとの関係により、遮光割合は（φ×１０−３×Ｆ／Ｒ）２になる。遮光割合が１０％以下であれば、画質に影響がないと考えられるため、（φ×１０−３×Ｆ／Ｒ）２≦０．１とおくと、上述した式（１）が導き出せる。
【００４２】
また、ガウシアンビームの集光ビーム径φｇ［μｍ］は、回折現象により、φｇ＝４×λ×Ｆ／π以上に絞ることはできない。例えば、緑色の波長であるλ＝０．５３５μｍの時、撮像面上のビーム径は、φｇ＝Ｆ×０．６８となり、スペーサ径φがφｇの少なくとも３分の１以下であれば、集光性能に影響を及ぼすことが無いと考えられることから、上述した式（２）が導き出せる。なお、ここで波長による差異はスペース径に対しては無視できる範囲である。
【００４３】
以上より、液晶層２４の特定の厚さを保持するために液晶層２４内に配置されるスペーサ粒子２５は、光を透過しない遮光性を有するものが好ましい。なお、スペーサ粒子２５での光の反射による迷光を抑えるために黒色に着色したものがより好ましい。例えば、着色された無機物、色素などにより光吸収性を持たせた樹脂などの有機物からなる球状のものが好ましい。また、スペーサ粒子２５は、２つの透明電極間の導通を防止するため絶縁性があるものが好ましい
【００４４】
また、液晶層２４の厚みを決めるスペーサ粒子２５の直径φは、１．２μｍ〜１５μｍが好ましい。特にネマティック液晶を用いる場合には透過偏光の波長依存性に優れる液晶層２４の厚みに応じた４μｍ〜１０μｍがより好ましく、５μｍ〜８μｍであればさらに好ましい。また、高速応答性やメモリー性を持つ強誘電液晶を用いる場合には、１．２μｍ〜２．５μｍが好ましい。
【００４５】
以下に、具体的な数値を用いて撮像面上の透過率を計算した結果を示す。以下では、撮像面までの間の距離Ｒを０．７ｍｍ、１ｍｍ、１．５ｍｍ、２ｍｍ、３ｍｍのいずれかとし、Ｆ値を１．４、２．８、５．６、１１、２２のいずれかとしたときの撮像面上の透過率を計算している。
【００４６】
図３は、上述したパラメータの値の組み合わせにおける液晶面の入射光束径Ｄの計算結果を示す説明図である。ここでは、上述した式（３）よりＤ＝Ｒ／Ｆとして計算している。図３に示すように、液晶面での入射光束径Ｄは、距離Ｒが大きいほど大きく、またＦ値が大きいほど小さくなる。なお、上述したパラメータの値の範囲においてＤの値が最も小さくなるのは、Ｒ＝０．７ｍｍかつＦ＝２２のときのＤ＝０．０３ｍｍであり、最も大きくなるのは、Ｒ＝３ｍｍかつＦ＝１．４のときのＤ＝２．１４ｍｍである。
【００４７】
また、図４は、上述したパラメータの値の組み合わせにおいて、液晶層２４内の入射光束面積π×（Ｄ／２）２に含まれるスペーサ粒子２５の数Ｎの計算結果を示す説明図である。ここでのスペーサ数Ｎは、次の式（５）を用いて計算されている。なお、式（５）において、ｋはスペーサ密度を表しており、ここではｋ＝１００個／ｍｍ２としている。また、計算の結果、スペーサ数Ｎが１未満であれば、１に補正している。すなわち、光束内に少なくとも１つのスペーサ粒子が含まれるように補正している。これは、当該算出結果を、スペーサ粒子による透過率の劣化量の計算に用いるためである。
【００４８】
Ｎ＝π×（Ｄ／２）２×ｋ  ・・・式（５）
【００４９】
ここで、スペーサ粒子２５が黒色である場合、当該黒色スペーサ粒子２５による入射光束に対する遮光割合を考慮した上での撮像面上の透過率Ｔは、以下の式（６）によって計算できる。
【００５０】
Ｔ［％］＝１００  −  Ｎ×（φ×１０−３／Ｄ）２
＝１００  −  Ｎ×（φ×１０−３×Ｆ／Ｒ）２  ・・・式（６）
【００５１】
図５は、上述したパラメータの値の組み合わせにおいて、撮像素子２００を透過後の撮像面上の透過率Ｔの計算結果を示す説明図である。なお、図５（ａ）は、スペーサ径をφ＝５μｍとしたときの透過率Ｔの計算結果を示す説明図である。また、図５（ｂ）は、スペーサ径をφ＝８μｍとしたときの透過率Ｔの計算結果を示す説明図である。また、図５（ｃ）は、スペーサ径をφ＝１５μｍとしたときの透過率Ｔの計算結果を示す説明図である。
【００５２】
図５（ａ）に示すように、上述したパラメータの値の範囲（Ｒ＝０．７〜３ｍｍかつＦ＝１．４〜２２）においてスペーサ径φが５μｍのときには、全ての条件でＴ≧９７％となる。また、図５（ｂ）に示すように、上述したパラメータの値の範囲においてスペーサ径φが８μｍのときには、全ての条件でＴ≧９３％となる。一方、図５（ｃ）に示すように、上述したパラメータの値の範囲においてスペーサ径φが１５μｍのときには、Ｒ≦１ｍｍかつＦ≧２２であると、Ｔ＜９０％となってしまう。
【００５３】
図６に、Ｆ値を２２に固定して、スペーサ径φをφ＝４μｍ、５μｍ、８μｍ、１２μｍ、１５μｍとしたときの透過率Ｔの計算結果を示す。図６に示すように、Ｆ＝２２といった大きな絞り値を用いる場合には、φを１５μｍ未満（例えば、１２μｍ以下や８μｍ以下）としたり、Ｒを１ｍｍ以上とするなど、他のパラメータを調整して透過率の劣化を抑制することが好ましい。
【００５４】
上記では、液晶層と撮像面との距離Ｒを０．７ｍｍ〜３ｍｍ程度であると考え、その範囲における好適な組み合わせ例を示したが、複屈折率Δｎが小さな液晶材料を用いる場合には、液晶層の厚みを大きくしなければならずそれに伴いスペーサ径も大きくなるため、スペーサ粒子による透過率の劣化の影響を考慮して、距離Ｒを１．０ｍｍ以上とするのが好ましい。一方、撮像装置によってはスペース上の制約がある関係で、液晶素子を撮像素子により近づけて配置する場合もある。そのような場合には、液晶層の厚みを規定するスペーサ径φが１０μｍ以下、特に８μｍ以下となるように、用いる液晶材料の複屈折率Δｎを設定することが好ましい。
【００５５】
なお、入射光束径Ｄが大きい場合には、１つのスペーサ粒子による広がり像が撮像面上で重なることも考えられるが、そのような場合には重なった状態での平均的な透過率ＴがＴ＞９０％を満たすように、各パラメータの範囲を設定すればよい。なお、スペーサ粒子の散布密度を下げて、スペーサ粒子による広がり像が重なる率や領域範囲を小さくしてもよい。また、当該液晶素子が光学ローパスフィルタの一部として用いられる場合には、入射光束が偏光分離された状態で入射されることも考えられるが、その場合の偏光分離等によるＤまたはＤ’のずれ量は無視できる範囲のものである。
【００５６】
透明基板２１ａ、２１ｂは、入射する光に対して透明であれば、樹脂板、樹脂フィルムなど種々の材料を使用できるが、ガラスや石英ガラスなどの光学的等方性材料を用いると、透過光に複屈折性の影響を与えないため好ましい。また、透明基板２１ａ、２１ｂなどは、例えば、空気との界面に、多層膜による反射防止膜を備えると、フレネル反射による光反射損失を低減できる。また、透明電極２２ａ、２２ｂは、例えば、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）、ＩＧＺＯ（Indium Gallium Zinc Oxide）、ＧＺＯ（Gallium Zinc Oxide）等の酸化物である透明導電膜を用いると、高い透明性、導電性が得られるので好ましい。
【００５７】
また、透明電極２２ａと配向膜２３ａとの間、透明電極２２ｂと配向膜２３ｂとの間には、透明な誘電体材料からなる図示しない絶縁膜を有してもよい。配向膜２３ａ、２３ｂとしては、ポリイミド等に樹脂膜をラビング処理して形成されるもの、酸化シリコン等の無機物材料を斜方蒸着して形成される斜方蒸着膜、有機物の膜に紫外線等を照射して配向能を発生させる光配向膜等を使用できる。そして、絶縁膜としては、例えば、ＳｉＯ２、ＳｉＯＮ等が用いられる。
【００５８】
以上のように、本実施形態によれば、撮像レンズと撮像素子の間に配置される撮像装置用液晶素子の液晶層に含まれるスペーサによる撮像素子への不要光の入射を防止でき、それによる画質の劣化を低減できる。また、スペーサ粒子に遮光性を持たせた場合であっても画質への影響を無視できる程度に抑えられるため、遮光性を持たないスペーサによる不要光が発生したときと比べ、スペーサに起因する画質の劣化を低減できる。
【００５９】
実施形態２．
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。図７（ａ）および図７（ｂ）は、第２の実施形態に係る光学ローパスフィルタの構成例を示す概念図である。図７（ａ）および図７（ｂ）に示す例はいずれも第１の実施形態に係る液晶素子２００を光学ローパスフィルタに適用した例である。当該光学ローパスフィルタは、デジタル一眼レフカメラ等の撮像装置において、撮像レンズと撮像素子の間に配置される。
【００６０】
図７（ａ）に示す光学ローパスフィルタ１０は、第１の分離素子１１と、撮像装置用液晶層である液晶層２４を含む偏光制御部２０と、第２の分離素子１２とを備えている。なお、外部からの光は第１の分離素子１１側（Ｚ方向）から入射するものとする。
【００６１】
偏光制御部２０は、電圧制御部１３より印加される電圧の大きさによって、入射する光の偏光状態を変えずに出射するかまたは、偏光状態を変えて出射する光変調機能を有するように構成されたものであればよいが、本実施形態では、第１の実施形態の液晶素子２００を偏光制御部２０として用いる。
【００６２】
図７（ａ）に示す例において、偏光制御部２０として機能する液晶素子２００は、それぞれ対向する面に透明電極２２ａ、２２ｂおよび配向膜２３ａ、２３ｂが形成された一対の透明基板２１ａ、２１ｂと、その一対の透明基板２１ａ、２１ｂに挟持される液晶層２４とを備えている。また、透明電極２２ａ、２２ｂを介して液晶層２４に電圧を印加する電圧制御部１３を備えている。
【００６３】
本実施形態における光学ローパスフィルタ１０、１５はいずれも、偏光制御部２０または偏光制御部２６による光変調機能のオン／オフ制御によって、光の分離幅の大きさを切り替えたり、ローパス機能のオン／オフを切り替える機能を有する。このため、第１の分離素子１１、第２の分離素子１２による光の分離方向は平行とする。ここでは、各分離素子の分離方向を紙面に平行なＹ方向として説明するが、Ｘ方向であってもよい。
【００６４】
図７（ｂ）は、本実施形態に係る光学ローパスフィルタの他の構成例を示す説明図である。光学ローパスフィルタは、図７（ｂ）に示すように、第１の分離素子１１および／または第２の分離素子１２と、透明基板２１ａおよび／または透明基板２１ｂとが、それぞれ、一体化されてもよい。図７（ｂ）に示す光学ローパスフィルタ１５は、第１の分離素子１１および第２の分離素子１２が、液晶素子２００の透明基板２１ａ、２１ｂの機能、つまり、液晶層２４を挟持する機能を含む構成であって、これによって小型化が実現できる。なお、図７（ｂ）では、光学ローパスフィルタ１０と同じ部位には、同じ符号を付している。図７（ｂ）に示す構成では、偏光制御部２６は、図７（ａ）に示す偏光制御部２０の透明基板２１ａおよび透明基板２１ｂを除いた部分に相当する。本例では、第１の実施形態の液晶素子２００を光学ローパスフィルタ１５として用いる。より具体的には、第１の実施形態の液晶素子２００の構成において、透明基板２１ａを第１の分離素子１１とし、透明基板２１ｂを第２の分離素子１２とすることで、図７（ｂ）に示す光学ローパスフィルタ１５として用いる。なお、図示しないが、第１の分離素子１１と第２の分離素子１２のうち少なくともいずれか一方が、透明基板２１ａまたは透明基板２１ｂの機能を含む構成であってもよい。
【００６５】
第１の分離素子１１および第２の分離素子１２は、互いに直交する第１の（直線）偏光の光と第２の（直線）偏光の光とを分離する機能を有する素子であればよい。第１の分離素子１１および第２の分離素子１２は、例えば、複屈折性材料から構成されていてもよい。この場合、厚さ（Ｚ軸）方向に対して斜め方向に異常光屈折率軸を有するように構成する。第１の分離素子１１、第２の分離素子１２を構成する材料としては、結晶材料として、水晶、イットリウム・オルトバナデート（ＹＶＯ４）結晶、方解石（カルサイト：ＣａＣＯ３）やルチル（ＴｉＯ２）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）などが挙げられる。また、複屈折性が得られる高分子液晶を含む液晶材料であってもよい。
【００６６】
また、第１の分離素子１１、第２の分離素子１２は、厚さ方向に対して斜め方向に異常光屈折率軸を有する複屈折性材料から構成されるものに限らない。例えば、入射する光のうち第１の偏光の光に対して厚さ方向に屈折率が一様になっているとともに、第１の偏光と直交する第２の偏光の光に対して厚さ方向に屈折率の分布が傾斜を有する材料を用いて、一方の偏光の光を屈折させることにより、互いに直交する第１の偏光の光と第２の偏光の光とを分離する分離素子であってもよい。
【００６７】
光学ローパスフィルタ１０、１５において、第１の分離素子１１の厚さをｄ１、常光屈折率をｎｏ１、異常光屈折率をｎｅ１、異常光屈折率軸１１ａと入射する光が進行する方向（第１の分離素子１１の厚さ方向）であるＺ軸方向とがなす角度をθ１、とするとき、当該第１の分離素子１１による分離距離Ｌ１は、式（７）で表すことができる。
【００６８】
【数１】
2014137378.tif 000003
【００６９】
また、同様に、第２の分離素子１２の厚さをｄ２、常光屈折率をｎｏ２、異常光屈折率をｎｅ２、異常光屈折率軸１２ａと入射する光が進行する方向（第２の分離素子１２の厚さ方向）であるＺ軸方向とがなす角度をθ２、とするとき、第２の分離素子１２による分離距離Ｌ２は、式（８）で表すことができる。また、後述するが、当該光学ローパスフィルタが光の分離幅の大きさを切り替える機能を有する場合には、分離距離Ｌ１と分離距離Ｌ２とは互いに異なる値となるように設定される。一方、当該光学ローパスフィルタがローパス機能のオン／オフを切り替える機能を有する場合には、分離距離Ｌ１と分離距離Ｌ２とは互いに同じ値となるように設定される。なお、θ１とθ２は符号を有するものであって、ここでは、光が入射するＺ軸方向を基準に、＋Ｙ方向の傾斜をプラス、−Ｙ方向の傾斜をマイナスとして考える。
【００７０】
【数２】
2014137378.tif 000004
【００７１】
次に、偏光制御部２０、２５ついて説明する。液晶層２４の液晶としては、ネマティック相液晶の使用が好ましい。また、液晶分子の配向方向としては、液晶層２４に電圧が印加されていないとき、液晶分子の長軸方向が配向膜２３ａ、２３ｂ面に対して略平行となる水平配向（ホモジニアス配向）と、液晶分子の長軸方向が配向膜２３ａ、２３ｂ面に対して略垂直となる垂直配向（ホメオトロピック配向）と、の２つのモードがあるが、いずれのモードであってもよい。なお、水平配向の場合、正の誘電異方性（Δε＞０）を有する液晶材料を用い、垂直配向の場合、負の誘電異方性（Δε＜０）を有する液晶材料を用いるとよい。そして、電圧制御部１３は、液晶層２４に直流電圧、交流電圧を印加できるものであってもよいが、液晶の劣化が防ぐため、交流電圧が印加できることが好ましい。
【００７２】
ここで、まず、液晶層２４の液晶分子が、電圧非印加時において水平配向となる場合について考える。このとき、液晶は、対向する配向膜２３ａ、２３ｂ面の液晶分子の長軸方向が略直交する方向に配向され、厚さ方向を軸に約９０°ツイストされた、ツイステッドネマティック（ＴＮ）液晶とする。そして、電圧制御部１３より一定値以上の電圧を印加すると（「電圧印加時」という。）、液晶分子の長軸方向が厚さ方向と平行に配向される。また、双安定状態を付与する液晶を用いることもでき、この場合、例えば、電圧を遮断した後でも液晶の配向状態を保持させて、省電力化を実現できる。
【００７３】
一方、液晶層２４の液晶分子が電圧非印加時に垂直配向となる場合は、水平配向の場合と逆になるように動作する。つまり、電圧制御部１３より一定値以上の電圧を印加すると、液晶分子が配向膜２３ａ、２３ｂと平行方向に配向されるようになる。ここで、電圧印加時に、対向する配向膜２３ａ、２３ｂ面の液晶分子の長軸方向が略直交する方向とすることで、液晶層２４の液晶分子が厚さ方向を軸に約９０°ツイストして配向される。このように、電圧非印加状態の配向方向に応じて、電圧制御部１３より液晶層２４に印加する電圧の大きさを制御することによって、配向方向が異なる特性を有し、入射する光の偏光状態を変えて出射するかまたは、変えないまま出射させるか、制御できる。
【００７４】
次に、光学ローパスフィルタ１０の動作について説明する。なお、光学ローパスフィルタ１５の場合は透明基板２１ａ、２１ｂがないだけであるので、以下の記載における偏光制御部２０を偏光制御部２６に読み替えればよい。図８は、光学ローパスフィルタ１０に入射した光の経路および偏光状態を示す模式図であり、ここでは、電圧非印加時に液晶層２４の液晶分子が水平配向されているとともに液晶分子の長軸方向が厚さ方向を軸に９０°ツイストされているＴＮ液晶が用いられているものとして説明する。図８（ａ）は、電圧印加時における光の経路および偏光状態を示す模式図であって、このとき、液晶分子の長軸方向は、厚さ方向に揃っている。一方、図８（ｂ）は、電圧非印加時における光の経路および偏光状態を示す模式図であって、このとき、液晶分子の長軸方向は、水平配向されているとともに厚さ方向を軸に９０°ツイストしている。
【００７５】
ここで、まず、図８（ａ）の電圧印加時について考える。Ｚ軸方向に沿って、第１の分離素子１１に入射するランダムな偏光の光は、Ｘ軸方向の直線偏光の光とＹ軸方向の直線偏光の光と、に分離する。分離距離は、上記の式（７）に基づいて決定する。なお、本明細書では、Ｘ軸方向の直線偏光の光を第１の直線偏光の光、Ｙ軸方向の直線偏光の光を第２の直線偏光の光、として表現することもある。具体的には、第１の分離素子１１により、Ｘ軸方向の直線偏光の光は直進透過し、Ｙ軸方向の直線偏光の光は進行方向が変えられるものとする。第１の分離素子１１を出射したＸ軸方向の直線偏光の光とＹ軸方向の直線偏光の光は、分離距離Ｌ１を隔てて偏光制御部２０に入射する。電圧印加時において、液晶分子の長軸方向は液晶層２４の厚さ方向に配向されているので、いずれの直線偏光の光とも偏光状態を変えずに偏光制御部２０を出射する。
【００７６】
そして、偏光制御部２０を出射したＸ軸方向の直線偏光の光とＹ軸方向の直線偏光の光は、第２の分離素子１２に入射する。第２の分離素子１２では、Ｘ軸方向の直線偏光の光は直進透過し、Ｙ軸方向の直線偏光の光は、Ｘ軸方向の直線偏光の光路を基準にして、第１の分離素子１１で分離した＋Ｙ方向とは反対方向、つまり−Ｙ方向に進行方向が変えられて出射する。そのため、電圧印加時における光学ローパスフィルタ１０全体の分離距離としては、｜Ｌ１−Ｌ２｜となる。なお、図８に示す例ではＬ１≠Ｌ２の例で説明したが、Ｌ１＝Ｌ２とすることでローパス機能をオフできる。
【００７７】
次に、図８（ｂ）の電圧非印加時について考える。第１の分離素子１１を出射するＸ軸方向の直線偏光の光とＹ軸方向の直線偏光の光の振る舞いは、電圧印加時と同じであるのでここでは省略する。そして、第１の分離素子１１を出射したＸ軸方向の直線偏光の光とＹ軸方向の直線偏光の光は、分離距離Ｌ１を隔てて偏光制御部２０に入射するが、液晶分子は液晶層２４内で９０°ツイストするように配向されているので、Ｘ軸方向の直線偏光の光はＹ軸方向の直線偏光の光に変換（旋光）されるとともに、Ｙ軸方向の直線偏光の光はＸ軸方向の直線偏光の光に変換（旋光）される。そして、偏光制御部２０を出射したＸ軸方向の直線偏光の光とＹ軸方向の直線偏光の光は、第２の分離素子１２に入射するが、Ｘ軸方向の直線偏光の光は直進透過し、Ｙ軸方向の直線偏光の光は、進行方向が変えられて出射する。
【００７８】
このように、電圧非印加時では、偏光制御部２０に入射した直線偏光の光がいずれも９０°回転して出射するので、図８（ｂ）に示す軌道を辿るように、第１の分離素子１１で分離した２つの光は、第２の分離素子１２でさらに遠ざけるように分離する。そのため、電圧非印加時における光学ローパスフィルタ１０全体の分離距離としては、Ｌ１＋Ｌ２、となる。
【００７９】
したがって、液晶層２４への電圧印加時と電圧非印加時において、光学ローパスフィルタ１０全体の分離距離を、｜Ｌ１−Ｌ２｜、Ｌ１＋Ｌ２、と切り替えられるので、これに合わせて、デジタル一眼レフカメラの動画モード、静止画モードを切り替えたり、ローパス機能のオン、オフを切り替えるように設計するとよい。
【００８０】
また、図８（ａ）、図８（ｂ）は、電圧非印加時の液晶分子の長軸方向が、水平配向となる構成について説明した一例であるが、電圧非印加時において液晶分子が垂直配向をするものであってもよい。また、第１の分離素子１１の異常光屈折率軸１１ａの角度θ１、第２の分離素子１２の異常光屈折率軸１２ａの角度θ２の符号が互いに異なる例について説明したが、これに限らず、θ１とθ２とが互いに同じ符号であってもよい。このように、電圧印加時／電圧非印加時の液晶分子の配向状態と、符号を考慮したθ１、θ２とを考慮してデジタル一眼レフカメラの撮影モード（動画モード／静止画モードまたはローパス機能オンモード／ローパス機能オフモード）を適切な分離距離｜Ｌ１−Ｌ２｜、Ｌ１＋Ｌ２に合わせて切り替えられるように、Ｌ１とＬ２を設計するとよい。さらに、静止画モードでの使用頻度が多いデジタル一眼レフカメラにおいては、電圧非印加時に静止画モードとするなど、使用頻度が多い撮影モードが電圧非印加時のモードになるように設計する方が省電力の面で好ましい。
【００８１】
また、第２の分離素子１２の後段には、図示しないＣＣＤなどのイメージセンサが配置されるが、図８（ａ）に基づく電圧印加時に、画素数が多い静止画モード、図８（ｂ）に基づく電圧非印加時に、画素数が比較的少ない動画モードとできる。また、図８（ｂ）において、液晶層２４の液晶分子が９０°ツイストした配向方向である場合、入射する光のうち、Ｘ軸方向の直線偏光の光がＹ軸方向の直線偏光の光に、Ｙ軸方向の直線偏光の光がＸ軸方向の直線偏光の光に、１００％変換できない場合がある。つまり、図８（ｂ）の電圧非印加時において、偏光制御部２０にＸ方向の直線偏光の光が入射してＹ方向の偏光方向の光に１００％変換されず、僅かにα％（＞０）の成分だけＸ軸方向の直線偏光の光のまま透過する場合、このα％の成分だけ第２の分離素子１２を直進透過する。同様に、図８（ｂ）の電圧非印加時において、偏光制御部２０にＹ方向の直線偏光の光が入射してＸ方向の偏光方向の光に１００％変換されず、僅かにα％（＞０）の成分だけＹ軸方向の直線偏光の光のまま透過する場合、このα％の成分だけ第２の分離素子１２で−Ｙ方向に進行方向を変えて出射する。
【００８２】
また、図８の例では、光学ローパスフィルタ１０で発生する分離距離、Ｌ１＋Ｌ２は、デジタル一眼レフカメラの動画の画素の大きさに相当し、｜Ｌ１−Ｌ２｜は、静止画の画素の大きさに相当する。ここで、上記のα％の成分は、図８（ｂ）に基づく動画モード、つまり分離距離が、Ｌ１＋Ｌ２の場合において発生するが、このα％の成分の光は、分離距離、Ｌ１＋Ｌ２内、つまり１つの画素内に到達し、他の画素にノイズとなって到達しない。このように、液晶分子が９０°ツイスト配向されるときに、デジタル一眼レフカメラが動画モードである大きな分離距離を得る光学ローパスフィルタの構成とすることで、ノイズ成分が発生してもモアレや偽色を十分に解消できるので、より好ましい。あるいは、Ｌ１＝Ｌ２とした場合には、｜Ｌ１＋Ｌ２｜を、例えば静止画の画素の大きさに相当させ、｜Ｌ１−Ｌ２｜＝０の場合は分離無し（ローパス機能ＯＦＦ）とすることで、より解像度を重視する撮影モードを実現できる。
【００８３】
また、液晶層２４の液晶分子が電圧非印加時に垂直配向され、電圧印加時に９０°ツイスト配向（水平配向）される場合も、電圧印加時に、液晶層２４に入射する光を十分に偏光変換ができずにノイズ成分が発生する場合がある。この場合も、同様に、動画モードにおいて他の画素へノイズ成分が到達しないので好ましく、さらに、電圧非印加時において静止画モード、電圧印加時において動画モードとなるので、静止画モードでの使用頻度が多いデジタル一眼レフカメラにおいては、省電力を実現できる。
【００８４】
次に、デジタル一眼レフカメラの画素数に合わせた具体的な分離距離について一例を用いて説明する。デジタル一眼レフカメラは、静止画像について約１０００万画素〜約３０００万画素に対応した光学ローパスフィルタ機能に加え、動画像についてフルＨＤ画像やＨＤ画像に対応した約１００万画素〜約２００万画素に最適な光学ローパスフィルタ機能の切り替えにより、モアレや偽色の低減が求められる。また、デジタル一眼レフカメラに用いられるＣＣＤ、ＣＭＯＳ等のイメージセンサ（撮像素子）の大きさは、フォーサーズサイズの約１７．３ｍｍ×１３．０ｍｍから、ＡＰＳ−Ｃサイズの約２３．４ｍｍ×１６．７ｍｍ、そして、３５ｍｍフィルムに相当する約３６ｍｍ×２４ｍｍのサイズ等が用いられる。
【００８５】
これより、静止画に適用する画素間隔としては、約２μｍ〜約１０μｍ程度の範囲となり、一方、フルＨＤ画像やＨＤ画像の動画に適用する画素間隔としては、約１０〜約３２μｍ程度の範囲となる。このように、分離距離が長くまた、広い範囲で可変できるように、第１の分離素子１１、第２の分離素子１２を設計する。ここで、静止画用の分離距離をＬＳ［μｍ］、動画用の分離距離をＬＭ［μｍ］とするとき、ＬＭ＞ＬＳであるとともに、ＬＳが２〜１０μｍ程度の分離距離を有し、ＬＭが１０〜３２μｍの分離距離を有するとよい。
【００８６】
また、第１の分離素子１１により発生する分離距離Ｌ１と、第２の分離素子１２によって発生する分離距離Ｌ２は、異なっていれば大小関係に制限がない。つまり、Ｌ１＞Ｌ２であっても、Ｌ１＜Ｌ２であってもよい。また、Ｌ１とＬ２のうち、小さい方の分離距離を基準にしたとき、大きい方の分離距離が１．３〜３の範囲であるように、式（１）および式（２）を調整することが好ましい。なお、第１の分離素子１１と第２の分離素子１２が同じ材料、異常光屈折率軸１１ａ、１２ａの方向が平行（θ１＝θ２）またはＺ軸を基準に対称（｜θ１｜＝｜θ２｜）である場合、厚さｄ１、ｄ２の比を１．３〜３の範囲で調節するとよい。
【００８７】
以上のように、本実施形態によれば、光学ローパスフィルタが備える液晶層に含まれるスペーサによる撮像素子への不要光の入射を防止できるので、それによる画質の劣化を低減できる。また、スペーサ粒子に遮光性を持たせた場合の画質への影響は、無視できる程度に抑えられるため、遮光性を持たないスペーサによる不要光が発生したときと比べて、スペーサに起因する画質の劣化を低減できる。
【００８８】
なお、一般に光学ローパスフィルタとして用いた場合、液晶素子２００の液晶層と撮像面との距離Ｒは０．７ｍｍ〜３ｍｍ程度であると考えられるが、複屈折率Δｎが小さな液晶材料を用いる場合には、液晶層の厚みを大きくしなければならずそれに伴いスペーサ径も大きくなるため、スペーサ粒子による透過率の劣化の影響を考慮して、距離Ｒを１．０ｍｍ以上とするのが好ましい。一方、撮像装置によってはスペース上の制約がある関係で、液晶素子を撮像素子により近づけて配置する場合もある。そのような場合には、液晶層の厚みを規定するスペーサ径φが１０μｍ以下、特に８μｍ以下となるように、用いる液晶材料の複屈折率Δｎを設定することが好ましい。また、スペーサ径φは１．２μｍ〜１５μｍであれば、現実的な条件として透過率の劣化による画質への影響がないように他のパラメータを調整しやすく、好ましい。また、４〜１２μｍであればより好ましく、５〜８μｍであればさらに好ましい。
【００８９】
実施形態３．
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。図９は、本実施形態に係るデジタル一眼レフカメラに用いる光学ローパスフィルタ５０の構成例を示す概念図であり、第２の実施形態に係る光学ローパスフィルタ１０と、光学ローパスフィルタ３０との間に、偏光変換素子５１を有する。なお、本実施形態では、光学ローパスフィルタ１０を、Ｙ軸方向に光の分離能を有する第１の光学ローパスフィルタ１０とし、光学ローパスフィルタ３０を、Ｘ軸方向に光の分離能を有する第２の光学ローパスフィルタ３０として説明する。
【００９０】
図１０は、光学ローパスフィルタ５０のうち、第２の光学ローパスフィルタ３０を取り出した断面模式図であって、とくにＸ−Ｚ平面からみたときについて示したものである。ここで、Ｚ軸方向を基準とするとき、厚さｄ３を有する第３の分離素子３１が、Ｚ軸方向を基準に＋Ｘ方向の傾斜で角度θ３となる異常光屈折率軸を有し、厚さｄ４を有する第４の分離素子３２が、Ｚ軸方向を基準に−Ｘ方向の傾斜で角度θ４となる異常光屈折率軸を有する。また、第３の分離素子３１の厚さをｄ３、常光屈折率をｎｏ３、異常光屈折率をｎｅ３、異常光屈折率軸３１ａと入射する光が進行する方向（第３の分離素子３１の厚さ方向）であるＺ軸方向とがなす角度をθ３、とするとき、分離距離Ｌ３は、式（９）で表すことができる。
【００９１】
【数３】
2014137378.tif 000005
【００９２】
また、第４の分離素子３２の厚さをｄ４、常光屈折率をｎｏ４、異常光屈折率をｎｅ４、異常光屈折率軸３２ａと入射する光が進行する方向（第４の分離素子３２の厚さ方向）であるＺ軸方向とがなす角度をθ４、とするとき、分離距離Ｌ４は、式（１０）で表すことができる。また、ここでも、分離距離Ｌ３と分離距離Ｌ４とは互いに異なるように設定され、θ３とθ４も符号を有するものであって、ここでは、光が入射するＺ軸方向を基準に、＋Ｘ方向の傾斜をプラス、−Ｘ方向の傾斜をマイナスとして考える。
【００９３】
【数４】
2014137378.tif 000006
【００９４】
ここで、厚さｄ３、ｄ４および角度θ３、θ４は、任意に与えることができるが、ここでは、θ３とθ４の符号が異なり、｜θ３｜＝｜θ１｜、｜θ４｜＝｜θ２｜とする。さらに、ｄ３＝ｄ１、ｄ４＝ｄ２とする。つまり、第３の分離素子３１および第４の分離素子３２は、第１の分離素子１１および第２の分離素子１２と同じ構成を有し、第１の分離素子１１および第２の分離素子１２に対してＺ軸方向に９０°回転して配置されるものと同等のものとして説明する。
【００９５】
第２の実施形態に係る光学ローパスフィルタ１０は、光の分離能が一方向（Ｙ軸方向）のみについて与えるものであったが、本実施形態に係る光学ローパスフィルタ５０は、第１の光学ローパスフィルタ１０と第２の光学ローパスフィルタ３０とが重なる構成を有することで、２次元的に光を分離できる。また、第１の光学ローパスフィルタ１０を構成する各部位は、同じ部号を付して説明の重複を避ける。また、第２の光学ローパスフィルタ３０は、厚さｄ３の第３の分離素子３１と厚さｄ４の第４の分離素子３２の間に、（第２の）偏光制御部４０を有し、偏光制御部４０は、一対の透明基板として、透明基板４１ａ、４１ｂのそれぞれ対向する面に、透明電極４２ａ、４２ｂ、配向膜４３ａ、４３ｂを有し、液晶層４４が挟持される。そして、透明電極４２ａ、４２ｂを介して液晶層４４に電圧を印加する電圧制御部５２を備える。なお、電圧制御部５２は、透明電極２２ａ、２２ｂを介して液晶層２４にも共通に電圧を印加できるものとする。本実施形態では、第２の偏光制御部４０として、第１の実施形態に係る液晶素子２００を用いる。なお、このように液晶層２４を複数備える場合には、少なくとも最も撮像素子に近い液晶層について、該液晶層と撮像面との距離Ｒにかかる透過率Ｔの計算の結果、Ｔ＞９０％となるように各パラメータの値を設定してもよい。なお、透過率Ｔの計算において各液晶層による劣化量を重畳させた結果、撮像面上の透過率が９０％を満たすように各パラメータの値を設定することが好ましい。
【００９６】
偏光変換素子５１は、第２の分離素子１２を透過したＸ軸方向の直線偏光（第１の直線偏光）の光と、Ｙ軸方向の直線偏光（第２の直線偏光）の光について、それぞれ、第１の直線偏光の光の成分と第２の直線偏光の光の成分が略同一となる光に変換する機能を有する。具体的には、入射する可視光領域の光に対して、広帯域の１／２波長板となる機能を有するかまたは、広帯域の１／４波長板となる機能を有するものであればよい。つまり、広帯域の１／２波長板の場合、好ましくは、入射する直線偏光の光の振動方向を４５°の奇数倍の角度回転する直線偏光の光に変換し、広帯域の１／４波長板の場合、好ましくは、入射する直線偏光の光を円偏光の光に変換するものである。また、偏光変換素子５１を出射する光のうちＸ軸方向の光の成分とＹ軸方向の光の成分との比が略同一とは、可視光領域の光について、７：３〜３：７の範囲であればよく、６：４〜４：６が好ましく、５：５の比率に近づくほどより好ましい。
【００９７】
偏光変換素子５１は、広帯域の１／２波長板、広帯域の１／４波長板とする場合、例えば、光が入射する方向と直交する面と平行に光学軸を有し、光学軸が厚さ方向に揃った複屈折性材料からなる波長板を、光学軸が交差するように複数枚重ねて構成されるものであってもよい。また、光学軸方向が厚さ方向を軸に螺旋している波長板を１枚または、複数枚重ねるように構成されるものであってもよい。波長板の材料としては例えば、水晶、ＬｉＮｂＯ３などの無機材料や樹脂や液晶、高分子液晶などの有機材料から構成される。液晶を用いる場合には、偏光変換素子５１として第１の実施形態に係る液晶素子２００の使用が好ましい。
【００９８】
次に、光学ローパスフィルタ５０の動作について説明する。図１１は、光学ローパスフィルタ５０に入射する光の経路および偏光状態を示す模式図であり、ここでは、電圧非印加時に液晶層２４、４４の液晶分子がそれぞれ、水平配向されているとともに液晶分子の長軸方向が厚さ方向を軸に９０°ツイストされているＴＮ液晶が用いられているものとして説明する。図１１（ａ）は、電圧印加時における光の経路および偏光状態を示す模式図であって、液晶層２４、４４における液晶分子の長軸方向は、厚さ方向に揃っている。図１１（ｂ）は、電圧印加時において、第１の光学ローパスフィルタ１０の出射面における光１０ａと光１０ｂの位置および偏光状態を示すものである。また、図１１（ｃ）は、電圧印加時において、第２の光学ローパスフィルタ３０の出射面における光３０ａ、光３０ｂ、光３０ｃおよび光３０ｄの位置および偏光状態を示すものであって、これが、光学ローパスフィルタ５０の光の分離状態を示すものに相当する。
【００９９】
次に、入射する光が光学ローパスフィルタ５０を透過するまでの光路における、光の状態について説明する。図１１（ａ）において、光学ローパスフィルタ５０に入射する光はランダムな偏光状態であって、Ｚ軸方向に沿って進行する。電圧印加時において、第１の光学ローパスフィルタ１０において、Ｘ軸方向の直線偏光（第１の直線偏光）の光と、Ｙ軸方向の直線偏光（第２の直線偏光）の光とが、分離距離ＬＳＹだけ隔てて透過する。なお、分離距離ＬＳＹの‘Ｓ’は静止画モード、‘Ｙ’は、分離方向がＹ軸方向を意味し、後述するが、‘Ｍ’は動画モード、‘Ｘ’は、分離方向がＸ軸方向を意味する。また、図１１（ｂ）に示す模式図において、第１の直線偏光の光および第２の直線偏光の光が、第１の光学ローパスフィルタ１０で分離され、それぞれの位置１０ａ、１０ｂから出射し、その間隔が分離距離ＬＳＹに相当する。
【０１００】
そして、第１の直線偏光の光の光路５３ａと第２の直線偏光の光の光路５４ａと、に分離された光は、偏光変換素子５１に入射する。偏光変換素子５１に入射した光は、第１の直線偏光の光の成分と第２の直線偏光の光の成分と、混在した光となるように偏光状態が変換される。具体的に、光路５３ａに相当する光は、第１の直線偏光の光の成分と第２の直線偏光の光の成分とが略同一に混在した光として光路５３ｂを辿って第２の光学ローパスフィルタ３０に入射する。つまり、光路５４ａに相当する光は、第１の直線偏光の光の成分と第２の直線偏光の光の成分とが略同一に混在した光として光路５４ｂを辿って第２の光学ローパスフィルタ３０に入射する。
【０１０１】
このとき、電圧印加時において、第２の光学ローパスフィルタ３０は、Ｘ軸方向の直線偏光（第１の直線偏光）の光と、Ｙ軸方向の直線偏光（第２の直線偏光）の光とを、Ｘ軸方向に分離距離ＬＳＸだけ隔てるように分離する。なお、分離距離ＬＳＸは、｜Ｌ３−Ｌ４｜に相当する。また、図１１（ｃ）に示す模式図において、光路５３ｂに相当する光が、第２の光学ローパスフィルタ３０で分離され、それぞれの位置３０ａ、３０ｂから出射し、その間隔が分離距離ＬＳＸに相当する。同様に、光路５４ｂに相当する光が、第２の光学ローパスフィルタ３０で分離され、それぞれの位置３０ｃ、３０ｄから出射し、その間隔も分離距離ＬＳＸに相当する。
【０１０２】
このように分離方向を直交させる理由は、イメージセンサの画素が２次元に配列しているため、配列される２つの直交する方向に対してモアレや偽色を低減するために、画素の配列方向に合わせて分離させるものである。また、分離距離は画素のピッチとカットする空間周波数によって異なり、画素形状が正方形の場合は、Ｘ軸方向への分離距離とＹ軸方向の分離距離を同じにすることが効果的である。例えば縦長の画素（Ｙ軸方向の１画素の長さ＞Ｘ軸方向の１画素の長さ）のイメージセンサの場合は、Ｘ軸方向のモアレや偽色の防止が優先される。そのため、Ｘ軸方向とＹ軸方向との分離距離が異なったり、また、分離する４点を結んでできる四角形が正方形に限らず、平行四辺形であったりしてもよい。
【０１０３】
次に、電圧制御部５２より電圧が印加されない、電圧非印加時の光の状態について説明する。第１の光学ローパスフィルタ１０は、電圧非印加時において、第２の実施形態のように、電圧印加時よりも大きい分離距離を隔てて、第１の直線偏光の光と第２の直線偏光の光を分離する。図１２は、光学ローパスフィルタ５０の電圧印加時、電圧非印加時における、第１の光学ローパスフィルタ１０の出射面、第２の光学ローパスフィルタ３０の出射面の光の位置および偏光状態を示す図である。具体的に、図１２（ａ）は、電圧印加時の第１の光学ローパスフィルタ１０の出射面の光の位置および偏光状態、図１２（ｂ）は、電圧印加時の第２の光学ローパスフィルタ３０の出射面の光の位置および偏光状態で、それぞれ、図１１（ｂ）および図１１（ｃ）と同じものを示すものである。また、図１２（ａ）および図１２（ｂ）と比較するように、図１２（ｃ）は、電圧非印加時の第１の光学ローパスフィルタ１０の出射面の光の位置および偏光状態、図１２（ｄ）は、電圧非印加時の第２の光学ローパスフィルタ３０の出射面の光の位置および偏光状態を示すものである。
【０１０４】
また、図１２（ｃ）において、第１の光学ローパスフィルタ１０を透過する、第１の直線偏光の光の位置１０ｃと、第２の直線偏光の光の位置１０ｄとの間隔を分離距離ＬＭＹとすると、ＬＭＹ＞ＬＳＹとなる。図１２（ｄ）において、第２の光学ローパスフィルタ３０の透過面における、第１の直線偏光の光３０ｅと、第２の直線偏光の光の位置３０ｆとの間隔、第１の直線偏光の光３０ｇと、第２の直線偏光の光の位置３０ｈとの間隔が等しく、分離距離ＬＭＸとすると、ＬＭＸ＞ＬＳＸとなる。なお、分離距離ＬＭＸは、Ｌ３＋Ｌ４、に相当する。このように、光学ローパスフィルタ５０に入射する光は４本の光となって、２次元的に分離されて出射し、電圧印加時、電圧非印加時によって分離距離を変えられる。
【０１０５】
また、本実施形態において、電圧制御部５２は、（第１の）液晶層２４と（第２の）液晶層４４とに、共通する電圧を印加できる構成としたが、これに限らず、液晶層２４、液晶層４４に対して、それぞれ独立に電圧を印加できるものであってもよい。また、第２の実施形態と同様に、分離距離ＬＳＹ、ＬＭＹ、および分離距離ＬＳＸ、ＬＭＸは、ＬＭＹ＞ＬＳＹの関係および、ＬＭＸ＞ＬＳXの関係を満たし、ＬＳＹ、ＬＳＸが２〜１０μｍ程度の分離距離を有し、ＬＭＹ、ＬＭＸが１０〜３２μｍの分離距離を有するとよい。さらに、ＬＭＹ／ＬＳＹが１．３〜３であり、ＬＭＸ／ＬＳＸが１．３〜３となるように、各分離素子の複屈折性材料、厚さ、異常光屈折率軸の角度を調整するとよい。
【０１０６】
以上のように、本実施形態においても、光学ローパスフィルタが備える液晶層に含まれるスペーサによる撮像素子への不要光の入射を防止できるので、それによる画質の劣化を低減できる。また、スペーサ粒子に遮光性を持たせた場合の画質への影響も無視できる程度に抑えられるため、遮光性を持たないスペーサによる不要光が発生したときと比べて、スペーサに起因する画質の劣化を低減できる。
【０１０７】
実施形態４．
図１３は、本実施形態に係るデジタル一眼レフカメラに用いる光学ローパスフィルタ６０の構成例を示す概念図であり、第２の実施形態に係る光学ローパスフィルタ１０と、偏光変換素子５１と、光学ローパスフィルタ６２と、を有する。なお、本実施形態では、光学ローパスフィルタ１０を、Ｙ軸方向に光の分離能を有する第１の光学ローパスフィルタ１０とし、光学ローパスフィルタ６２を、Ｘ軸方向に光の分離能を有する第２の光学ローパスフィルタ６２として説明する。また、本実施形態が、第３の実施形態と異なるところは、第２の光学ローパスフィルタ６２は、液晶層を含まず、分離距離が固定されるところである。例えば、第２の光学ローパスフィルタ６２は、第１の分離素子１１と同じ構成を有し、第１の分離素子１１に対してＺ軸方向に９０°回転して配置されるものと同等のものであってもよい。
【０１０８】
次に、入射する光が光学ローパスフィルタ６０を透過する光路における偏光状態について説明する。図１４は、光学ローパスフィルタ６０に入射する光の経路および偏光状態を示す模式図であり、ここでは、電圧非印加時に液晶層２４が水平配向されているとともに液晶分子の長軸方向が厚さ方向を軸に９０°ツイストされているＴＮ液晶が用いられているものとして説明する。図１４（ａ）は、電圧印加時における光の経路および偏光状態を示す模式図であって、液晶層２４における液晶分子の長軸方向は、厚さ方向に揃っている。図１４（ａ）において、光学ローパスフィルタ６０に入射する光はランダムな偏光状態であって、Ｚ軸方向に沿って進行する。第３の実施形態と同様に、第１の光学ローパスフィルタ１０において、Ｘ軸方向の直線偏光の光と、Ｙ軸方向の直線偏光の光とが、分離距離ＬＳＹだけ隔てて透過する。また、図１４（ｂ）に示す模式図おいて、第１の直線偏光の光および第２の直線偏光の光が、第１の光学ローパスフィルタ１０で分離され、それぞれの位置１０ａ、１０ｂから出射し、その間隔が分離距離ＬＳＹに相当する。
【０１０９】
そして、第１の直線偏光の光の光路６３ａと第２の直線偏光の光の光路６４ａと、に分離された光は、偏光変換素子５１に入射する。偏光変換素子５１に入射した光のうち、光路６３ａに相当する光は、第１の直線偏光の光の成分と第２の直線偏光の光の成分とが略同一に混在した光として光路６３ｂを辿って第２の光学ローパスフィルタ６２に入射する。そして、光路６４ａに相当する光は、第１の直線偏光の光の成分と第２の直線偏光の光の成分とが略同一に混在した光として光路６４ｂを辿って第２の光学ローパスフィルタ６２に入射する。
【０１１０】
このとき、第２の光学ローパスフィルタ６２は、Ｘ軸方向の直線偏光の光と、Ｙ軸方向の直線偏光の光とを、Ｘ軸方向に分離距離ＬＦＸだけ隔てるように分離する。なお、分離距離ＬＦＸの‘Ｆ’は分離距離が固定されていることを意味する。また、図１４（ｃ）に示す模式図において、光路６３ｂに相当する光が、第２の光学ローパスフィルタ６２で分離され、それぞれの位置６２ａ、６２ｂから出射し、その間隔が分離距離ＬＦＸに相当する。同様に、光路６４ｂに相当する光が、第２の光学ローパスフィルタ６２で分離され、それぞれの位置６２ｃ、６２ｄから出射し、その間隔も分離距離ＬＦＸに相当する。
【０１１１】
本実施形態も、第３の実施形態と同様に、イメージセンサに対して２次元的にモアレや偽色を低減できるが、例えば、Ｘ軸方向に比べてＹ軸方向のモアレや偽色の低減が優先される場合、本実施形態のようにＹ軸方向に対して分離距離を可変させ、Ｘ軸方向に対して分離距離を固定させる光学ローパスフィルタ６０としてもよい。この場合、光学ローパスフィルタ全体の小型化が実現でき、かつ、２次元的にモアレや偽色を低減できる。また、分離距離を固定させる方向はＸ軸方向に限らず、Ｙ方向であってもよく、この他に、図１３において、第１の光学ローパスフィルタ１０に位置する光学ローパスフィルタが、分離距離が固定される機能を有し、第２の光学ローパスフィルタ６２に位置する光学ローパスフィルタが、分離距離が可変する機能を有するものであってもよい。
【０１１２】
次に、電圧非印加時の光の状態について説明する。第１の光学ローパスフィルタ１０は、電圧非印加時において、第２の実施形態のように、電圧印加時よりも大きい分離距離を隔てて、第１の直線偏光の光と第２の直線偏光の光を分離する。図１５は、光学ローパスフィルタ６０の電圧印加時、電圧非印加時における、第１の光学ローパスフィルタ１０の出射面、第２の光学ローパスフィルタ６２の出射面の光の位置および偏光状態を示す図である。具体的に、図１５（ａ）は、電圧印加時の第１の光学ローパスフィルタ１０の出射面の光の位置および偏光状態、図１５（ｂ）は、電圧印加時の第２の光学ローパスフィルタ６２の出射面の光の位置および偏光状態で、図１４（ｂ）および図１４（ｃ）と同じものを示すものである。また、図１５（ａ）および図１５（ｂ）と比較するように、図１５（ｃ）は、電圧非印加時の第１の光学ローパスフィルタ１０の出射面の光の位置および偏光状態、図１５（ｄ）は、電圧非印加時の第２の光学ローパスフィルタ６２の出射面の光の位置および偏光状態を示すものである。
【０１１３】
また、図１５（ｃ）において、第１の光学ローパスフィルタ１０を透過する、第１の直線偏光の光の位置１０ｃと、第２の直線偏光の光の位置１０ｄとの間隔を分離距離ＬＭＹとすると、ＬＭＹ＞ＬＳＹとなる。図１５（ｄ）において、第２の光学ローパスフィルタ６２の透過面における、第１の直線偏光の光６２ｅと、第２の直線偏光の光の位置６２ｆとの間隔、第１の直線偏光の光６２ｇと、第２の直線偏光の光の位置６２ｈとの間隔が等しく、分離距離ＬＦＸとなる。このように、光学ローパスフィルタ６０に入射する光は４本の光となって、２次元的に分離されて出射し、電圧印加時、電圧非印加時によって、一方の軸方向に分離距離を変えられる。
【０１１４】
また、本実施形態において、第２の実施形態と同様に、分離距離ＬＳＹ、ＬＭＹは、ＬＭＹ＞ＬＳＹの関係を満たし、ＬＳＹが２〜１０μｍ程度の分離距離を有し、ＬＭＹが１０〜３２μｍの分離距離を有するとよい。さらに、ＬＭＹ／ＬＳＹが１．３〜３となるように、各分離素子の複屈折性材料、厚さ、異常光屈折率軸の角度を調整するとよい。
【実施例】
【０１１５】
実施例１．
本実施例では、第２の実施形態に係る光学ローパスフィルタ１０について説明する。透明基板２１ａ、２１ｂとして石英ガラス基板を用い、それぞれの石英ガラス基板の一方の面に、透明電極２２ａ、２２ｂとしてＩＴＯ膜を形成する。次に、透明電極２２ａ、２２ｂ上に、ポリイミドを塗布して硬化させてできるポリイミド膜に、一定の方向にラビング処理をして配向膜２３ａ、２３ｂを形成する。そして、配向膜２３ａと配向膜２３ｂとを対向させるとともに、それぞれの配向膜の配向方向が互いに直交するように配置し、約７μｍのギャップとなるように遮光性を有するスペーサ粒子２５を散布させた上で、周辺をシールする。そして、このギャップ内にカイラル剤を混合した液晶を充填させることによって、電圧非印加時において、液晶分子の長軸方向が厚さ方向を軸に９０°捩じれた液晶層２４を有する偏光制御手段２０に相当する液晶素子を得る。
【０１１６】
次に、第１の分離素子１１と第２の分離素子１２として、厚さ方向に対して異常光屈折率軸が４５°傾いた水晶を用いる。第１の分離素子１１となる水晶は、厚さ約２．０５ｍｍ、第２の分離素子１２となる水晶は、厚さ約１．１１ｍｍとする。そして、第１の分離素子１１は、厚さをＺ軸方向として、Ｙ−Ｚ平面において異常光屈折率軸が＋Ｙ軸方向に４５°傾くようにして、透明基板２１ａ側に配置するとともに、第２の分離素子１２は、Ｙ−Ｚ平面において異常光屈折率軸が−Ｙ軸方向に４５°傾くようにして、透明基板２１ｂ側に配置することで、光学ローパスフィルタ１０を得る。なお、水晶は、波長５４６ｎｍの光に対する常光屈折率が１．５４６、異常光屈折率が１．５５５である。このとき、第１の分離素子１１における分離距離Ｌ１は、約１２．０μｍであり、第２の分離素子１２における分離距離Ｌ２は、約６．５μｍである。
【０１１７】
そして、光学ローパスフィルタ１０の第１の分離素子１１側から、Ｚ軸方向に沿って可視光領域でランダムな偏光の光を入射する。電圧制御部１３により液晶層２４に電圧を印加しない時は、互いに直交する第１の直線偏光の光と第２の直線偏光の光とがＹ軸方向に分離し、分離距離が約１８．５μｍとなる。また、液晶層２４に約１０Ｖの矩形交流波を印加すると第１の直線偏光の光と第２の直線偏光の光がＹ軸方向に分離し、分離距離が約５．５μｍと、電圧を印加しない時に比べて短くなる。そして、この光学ローパスフィルタをデジタル一眼レフカメラの撮像素子の前面に配置することにより、電圧印加時には静止画で、電圧非印加時には動画でモアレ、偽色が低減される画像を撮影できる。
【０１１８】
実施例２．
本実施例では、第３の実施形態に係る光学ローパスフィルタ５０について説明する。第１の光学ローパスフィルタ１０および第２の光学ローパスフィルタ３０は、実施例１の光学ローパスフィルタ１０と同じものを用いる。次に、偏光変換素子５１として、可視光領域の波長の光に対して１／４波長板と略等しい位相差を発生する複屈折性材料を用いる。なお、偏光変換素子５１は、光学軸が偏光変換素子５１面に平行し、厚さ方向に揃ったものを使用する。
【０１１９】
次に、第１の光学ローパスフィルタ１０、偏光変換素子５１、そして、第２の光学ローパスフィルタ３０の順に、厚さ方向をＺ軸方向に揃えて配置するが、第２の光学ローパスフィルタ３０は、第１の光学ローパスフィルタ１０に対して、Ｚ軸を回転軸として９０°回転した位置に相当するように配置する。これにより、第１の光学ローパスフィルタ１０では、Ｙ軸方向に光が分離し、第２の光学ローパスフィルタ３０では、Ｘ軸方向に光が分離するようにする。また、偏光変換素子５１は、その光学軸がＸ−Ｙ平面においてＸ軸方向（またはＹ軸方向）を基準に４５°の角度となるように配置する。
【０１２０】
そして、第１の光学ローパスフィルタ１０側から、Ｚ軸方向に沿って可視光領域でランダムな偏光の光を入射する。電圧制御部５２により、液晶層２４、４４に電圧を印加しない時は、Ｘ軸方向とＹ軸方向に分離して４点の光となって、これらの方向の分離距離はいずれも約１８．５μｍとなる。また、液晶層２４、４４に約１０Ｖの矩形交流波を印加するとＸ軸方向とＹ軸方向に分離して４点の光となって、これらの方向の分離距離はいずれも約５．５μｍとなる。そして、この光学ローパスフィルタをデジタル一眼レフカメラの撮像素子の前面に配置することにより、電圧印加時には静止画で、電圧非印加時には動画でモアレ、偽色が低減される画像を撮影できる。
【０１２１】
実施例３．
本実施例では、第４の実施形態に係る光学ローパスフィルタ６０について説明する。第１の光学ローパスフィルタ１０は、実施例１の光学ローパスフィルタ１０と同じものを用いる。また、偏光変換素子５１は、実施例２と同じものを用いる。第２の光学ローパスフィルタ６２は、厚さ方向に対して異常光屈折率軸が４５°傾いた、厚さ約０．９４ｍｍの水晶を用いる。
【０１２２】
次に、第１の光学ローパスフィルタ１０、偏光変換素子５１、そして、第２の光学ローパスフィルタ６２の順に、厚さ方向をＺ軸方向に揃えて配置する。第２の光学ローパスフィルタ６２は、異常光屈折率軸が＋Ｘ軸方向に４５°傾斜するように配置し、偏光変換素子５１は、その光学軸がＸ−Ｙ平面においてＸ軸方向（またはＹ軸方向）を基準に４５°の角度となるように配置する。
【０１２３】
そして、第１の光学ローパスフィルタ１０側から、Ｚ軸方向に沿って可視光領域でランダムな偏光の光を入射する。電圧制御部により、液晶層２４に電圧を印加しない時は、Ｘ軸方向とＹ軸方向に分離して４点の光となり、Ｘ軸方向の分離距離が約５．５μｍ、Ｙ軸方向の分離距離が約１８．５μｍとなる。また、液晶層２４に約１０Ｖの矩形交流波を印加するとＸ軸方向とＹ軸方向に分離して４点の光となって、これらの方向の分離距離はいずれも約５．５μｍとなる。そして、この光学ローパスフィルタをデジタル一眼レフカメラの撮像素子の前面に配置することにより、電圧印加時には静止画で、電圧非印加時には動画でモアレ、偽色が低減される画像を撮影できる。
【産業上の利用可能性】
【０１２４】
本発明は、デジタル一眼レフカメラ等の撮像装置に搭載される光学ローパスフィルタに限らず、撮像装置において、撮像レンズと撮像素子の間に配置され、印加電圧の大きさにより液晶分子の偏光状態が変化する液晶層を備える液晶素子、およびそれを用いた光学素子並びに撮像装置であれば、好適に適用可能である。
【符号の説明】
【０１２５】
１００  撮像素子
２００  液晶素子
３００  撮像光学系
３０１  レンズ
３０２  絞り
１０００  撮像装置
１０、１５、５０、６０  （第１の）光学ローパスフィルタ
１０ａ、１０ｂ  第１の光学ローパスフィルタ１０の出射面の光の位置（電圧印加時）
１０ｃ、１０ｄ  第１の光学ローパスフィルタ１０の出射面の光の位置（電圧非印加時）
１１  第１の分離素子
１１ａ、１２ａ、３１ａ、３２ａ  異常光屈折率軸
１２  第２の分離素子
１３、５２  電圧制御部
２０、２６  偏光制御部
２１ａ、２１ｂ、４１ａ、４１ｂ  透明基板
２２ａ、２２ｂ、４２ａ、４２ｂ  透明電極
２３ａ、２３ｂ、４３ａ、４３ｂ  配向膜
２４  （第１の）液晶層
２５  遮光性スペーサ粒子
３０、６２  第２の光学ローパスフィルタ
３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ  第２の光学ローパスフィルタ３０の出射面の光の位置（電圧印加時）
３０ｅ、３０ｆ、３０ｇ、３０ｈ  第２の光学ローパスフィルタ３０の出射面の光の位置（電圧非印加時）
３１  第３の分離素子
３２  第４の分離素子
４０  （第２の）偏光制御部
４４  （第２の）液晶層
５１  偏光変換素子
５３ａ、６３ａ  第１の光学ローパスフィルタを出射するＸ軸方向の直線偏光の光の光路
５３ｂ、５４ｂ、６３ｂ、６４ｂ  偏光制御部を出射する光の光路
５４ａ、６４ａ  第１の光学ローパスフィルタを出射するＹ軸方向の直線偏光の光の光路
６２ａ、６２ｂ、６２ｃ、６２ｄ  第２の光学ローパスフィルタ６２の出射面の光の位置（電圧印加時）
６２ｅ、６２ｆ、６２ｇ、６２ｈ  第２の光学ローパスフィルタ６２の出射面の光の位置（電圧非印加時）
【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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