(57)【要約】【課題】  フィルタ特性を容易に変えることができる光学ローパスフィルタの提供。【解決手段】  光学ローパスフィルタ４は、被写体光が入射する光透過性部材４１と圧電体４２とを有している。光透過性部材４１の辺Ａに設けられた圧電体４２に駆動回路８により１ＭＨｚ〜１００ＭＨｚの高周波電圧を印加して振動させると、光透過性部材４１内部に疎密波（超音波）が発生する。疎密波の発生により、光透過性部材４１内部に辺Ａから辺Ｃへと周期的に変化する屈折率分布が形成され、音響効果による回折によって被写体光線は複数に分離される。そして、圧電体４２に供給する電力の大きさを変えることにより、光透過性部材４１のフィルタ特性を変えることができる。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の受光画素が規則的に配置された撮像素子と撮影光学系との間の光軸上に配設される光透過性部材と、
交流電力を印加することにより前記光透過性部材に疎密波を発生させて、前記光透過性部材の面内で周期的に変化する屈折率分布を形成する圧電体と、
前記光透過性部材から出射される被写体光の０次回折光強度が極小値となる電力の内で最小のものをＰとしたとき、前記圧電体に供給される電力をゼロからＰまでの範囲で制御する電力制御部とを備えたことを特徴とする光学ローパスフィルタ。
【請求項２】
複数の受光画素が規則的に配置された撮像素子と撮影光学系との間の光軸上に配設される光透過性部材と、
前記光透過性部材に疎密波を発生させて面内で周期的に変化する屈折率分布を形成する圧電体と、
前記光透過性部材から出射される被写体光の０次回折光強度が、電力ゼロ時の０次回折光強度の５０％となる電力の内で最小のものをＰとしたとき、前記圧電体に供給される電力をゼロからＰまでの範囲で制御する電力制御部とを備えたことを特徴とする光学ローパスフィルタ。
【請求項３】
複数の受光画素が規則的に配置された撮像素子と、
前記撮像素子に被写体光束を投影する撮影光学系と前記撮像素子との間の光軸上に配設される請求項１または２に記載の光学ローパスフィルタと、
前記電力Ｐを設定する設定手段とを備えたことを特徴とする撮像装置。
【請求項４】
交流電力が印加された圧電体により疎密波を形成して入射光を回折分岐する音響光学素子において、
前記音響光学素子から出射される被写体光の０次回折光強度が極小値となる電力の内で最小のものをＰとしたとき、前記圧電体に供給される電力をゼロからＰまでの範囲で制御することを特徴とする音響光学素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光線分岐を行う音響光学素子や光学ローパスフィルタ、およびその光学ローパスフィルタを使用した撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ビデオカメラやデジタルカメラなど撮像素子を使用した撮像装置では、レンズによって結像された像は撮像素子によって電気信号に変換される。このとき、被写体像の中に撮像素子のサンプリング周波数と同程度以上の高周波数成分が含まれていると、撮像画像が劣化するという好ましくない現象が起こる。そのため、このような撮像装置では、結像された被写体像の高周波を減衰させる目的で光学ローパスフィルタが使用されている。
【０００３】
光学ローパスフィルタは、被写体光を複数に分岐することで、高周波成分の像を除去しようとするものであり、一般的には結晶材料の複屈折性を利用して光線を常光と異常光とに分岐する方法が用いられている。複屈折性を有する結晶材料としては、水晶やチリ硝石などが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−１２２８１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述した結晶材料の複屈折性や周期構造の回折効果を利用する一般的な光学ローパスフィルタでは、光学ローパスフィルタの分離特性が固定されているため、撮影者の意図に応じた撮影が困難であった。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１の発明に係る光学ローパスフィルタは、複数の受光画素が規則的に配置された撮像素子と撮影光学系との間の光軸上に配設される光透過性部材と、光透過性部材に疎密波を発生させて、光透過性部材の面内で周期的に変化する屈折率分布を形成する圧電体と、光透過性部材から出射される被写体光の０次回折光強度が極小値となる電力で最小のものをＰとしたとき、圧電体に供給される電力をゼロからＰまでの範囲で制御する電力制御部とを備えたことを特徴とする。
請求項２の発明に係る光学ローパスフィルタは、複数の受光画素が規則的に配置された撮像素子と撮影光学系との間の光軸上に配設される光透過性部材と、光透過性部材に疎密波を発生させて面内で周期的に変化する屈折率分布を形成する圧電体と、光透過性部材から出射される被写体光の０次回折光強度が、電力ゼロ時の０次回折光強度の５０％となる電力の内で最小のものをＰとしたとき、圧電体に供給される電力をゼロからＰまでの範囲で制御する電力制御部とを備えたことを特徴とする。
請求項３の発明に係る撮像装置は、複数の受光画素が規則的に配置された撮像素子と、撮像素子に被写体光束を投影する撮影光学系と撮像素子との間の光軸上に配設される請求項１または２に記載の光学ローパスフィルタと、電力Ｐを設定する設定手段とを備えたことを特徴とする。
請求項４の発明は、交流電力が印加された圧電体により疎密波を形成して入射光を回折分岐する音響光学素子に適用され、音響光学素子から出射される被写体光の０次回折光強度が極小値となる電力の内で最小のものをＰとしたとき、圧電体に供給される電力をゼロからＰまでの範囲で制御することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、光透過性部材に屈折率分布を形成する圧電体に対する供給電力をゼロからＰまでの範囲で変えることにより、光透過性部材のローパスフィルタ特性を容易に変えることができるとともに、供給される最大電力を低く抑えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、図を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。図１は本発明による撮像装置の一実施の形態を示す図であり、一眼レフ式のデジタルスチルカメラの概略構成を示したものである。図１において、１は撮影光学系、３はクイックリターンミラー、４は光学ローパスフィルタ、５はフォーカルプレーンシャッタ、６は撮像素子、７はファインダー光学系、８は光学ローパスフィルタ４の駆動回路である。９はカメラの制御部であり、操作部１０の電力設定指示により駆動回路８による光学ローパスフィルタ４の駆動電力を設定する。
【０００９】
光学ローパスフィルタ４，フォーカルプレーンシャッタ５および撮像素子６は、それぞれ撮影光学系１の光軸２上に配設されている。クイックリターンミラー３は、図１に示す光軸位置と不図示の光軸外位置との間を移動できるように設けられている。クイックリターンミラー３が図１のように光軸位置に配設されると、撮影光学系１からの被写体光はクイックリターンミラー３によりファインダー光学系７へと反射される。ファインダー光学系７にはペンタプリズム７１や接眼レンズ７２が設けられており、接眼レンズ７２を介して被写体像を観察することができる。
【００１０】
一方、被写体を撮影する場合には、クイックリターンミラー３は不図示の光軸外位置に移動されるとともにフォーカルプレーンシャッタ５の開閉動作が行われ、被写体光に対して撮像素子６が所定時間露光される。この露光の際には、駆動回路８により光学ローパスフィルタ４が駆動される。すなわち、撮像素子６に入射する被写体光は、光学ローパスフィルタ４により高周波成分が除去される。撮像素子６はＣＣＤやＣＭＯＳ等の固体撮像素子で構成され、複数の受光画素が２次元的に配列されている。
【００１１】
《光学ローパスフィルタ４の説明》
次に、光学ローパスフィルタ４について説明する。図２は光学ローパスフィルタ４を撮影光学系１側から見た平面図である。４１は光透過性部材であり、ここでは石英ガラスから成る矩形状の平行平板を用いているが、光透過性部材４１に用いる材料としては、使用する光の透過性が良好なガラスや単結晶が良い。
【００１２】
例えば、可視光を取り扱うカメラ等の場合には、少なくとも波長４５０ｎｍから７５０ｎｍの範囲の光を透過する材料を使用する。また、光透過性の程度としては、上記波長帯域の分光透過率が部材厚さ１ｍｍあたり５０％以上であることが望ましい。このような光透過性の定量は、分光光度計などの分光透過率測定装置で行う。光透過性が良好な材料としては、ガラスの場合にはクラウンガラス，フリントガラス，石英ガラス等があり、結晶材料の場合にはモリブデン酸鉛、二酸化テルル等が好適である。もちろん、本発明における光透過性部材４１は、これらのガラスや結晶材料に限定されるものではない。
【００１３】
矩形状の光透過性部材４１の下辺Ａには、圧電体４２が固設されている。なお、図２に示す例は、光学ローパスフィルタ４により光線を一方向（図示上下方向）に分離する場合を示したものであり、一方向に分離する場合、圧電体４２の固設位置は下辺Ａに限らず、４辺Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄのいずれか一つに設ければ良い。圧電素子４２を辺Ａ，Ｃに設ければ光線は上下に分離され、辺Ｂ，Ｄに設けた場合には光線は左右に分離される。分離動作の原理はいずれの場合も同じなので、ここでは代表して辺Ａに固設した場合で説明する。
【００１４】
駆動回路８から圧電体４２に高周波電圧が印加されると、圧電体４２は図示上下方向に振動する。光学ローパスフィルタとして機能させる場合には、１ＭＨｚ〜１００ＭＨｚ程度の周波数を有する高周波電圧が圧電体４２に印加される。この周波数域は音として人間の耳に聞こえない超音波の周波数帯域であり、このような周波数帯域の振動を発生させる圧電体４２としてはジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）やチタン酸バリウム等のセラミックスが好適であるが、必ずしもこれらに限定されるものではない。
【００１５】
圧電体４２を振動させると、矢印４３で示すように光透過性部材４１の下辺Ａから上辺Ｃへと進行する疎密波が発生し、その周波数は圧電体４２に印加された電力の周波数に等しくなる。その結果、光透過性部材４１の内部に周期的な密度分布が形成され、光透過性部材４１の面内で周期的に変化する屈折率分布が形成される。４４は疎密波の波面を示したものであり、波面４４は進行方向４３に垂直となる。例えば、波面４４の位置を分布が密な部分とすれば、それらの中間に分布が疎となる部分が発生する。密部分同士の間隔は疎密波の波長Λになっている。すなわち、屈折率分布の空間的な周期はΛとなっている。
【００１６】
図２に示すような周期的な屈折率分布が形成された光透過性部材４１に光が入射すると、音響効果によるラマン・ナス（Raman-Nath）回折と呼ばれる回折現象が生じる。本実施の形態の光学ローパスフィルタ４は、この回折現象を利用して光線分岐を行うものである。図３はラマン・ナス回折による光線分岐を説明する図であり、図１と同様の方向から見た図である。
【００１７】
光透過性部材４１には周期的な屈折率分布が形成されており、このような光透過性部材４１に光が入射した場合には、屈折率が高い部分を通過した光は位相が遅れ、屈折率が低い部分を通過した光は位相が進む。その結果、回折現象が発現することになる。光透過性部材４１に入射した光線の一部は０次回折光として入射光と同一方向に出射され、一部は高次回折光として進行方向を特定の角度だけ変えられて出射される。一般に、ラマン・ナス回折では、回折光は０次光、±１次光、±２次光、…のように複数現れる。
【００１８】
このとき、ｍ次回折光の分岐角度θｍは、回折次数をｍ、光の波長をλとすると、次式（１）で表される。また、周期的な屈折率分布の周期（幅）Λは、圧電体４２に印加する高周波電圧の周波数をｆ、光透過性部材４１内における音速をｖとすると、次式（２）のように表される。
sinθｍ＝ｍλ／Λ      …（１）
Λ＝ｖ／ｆ            …（２）
【００１９】
光透過性部材４１から撮像素子６の撮像面までの距離をＬとし、撮像面での分離幅をｄとすると、次式（３）が成り立つ。分岐角度θｍは小さいのでtanθｍ＝sinθｍとみなすことができるので、周波数ｆは次式（４）のように表される。
tanθｍ＝ｄ／Ｌ            …（３）
ｆ＝ｄｖ／（λＬ）        …（４）
【００２０】
例えば、光の波長をλ＝６００ｎｍ、距離Ｌ＝５ｍｍとし、光透過性部材４１に石英ガラスを用いた場合を考える。石英ガラス中の音速ｖはｖ＝６ｋｍ／ｓであるので、分離幅ｄをｄ＝５μｍとするためには、印加電圧の周波数をｆ＝１０ＭＨｚとすれば良いことがわる。このように、高周波電圧の周波数ｆを変更することにより、分離幅ｄすなわち光学ローパスフィルタ４のカットオフ周波数を調整することができる。その結果、同一光学ローパスフィルタ４で、画素ピッチの異なる種々の撮像素子６や被写体像の空間周波数の違いに対応することができる。
【００２１】
さらに、後述するように圧電体４２に印加する電力の大きさを変更することにより、０次光の強度と高次光の強度との比率が変化させることができ、撮影者の意図に応じた撮影に容易に対応することができる。印加電力の大きさを変化させて光透過性部材４１の疎密波の強度を変えると、光透過性部材４１中に形成される周期的な屈折率分布の振幅が変化する。例えば、印加電力を大きくすると疎密波が強くなり、その結果、周期的な屈折率分布の振幅が大きくなって、０次光の強度が小さくなり、±１次光や±２次光などの高次回折光の強度が大きくなる。逆に、印加電力を小さくすると疎密波が弱くなり、結果的に周期的な屈折率分布の振幅が小さくなって、０次光の強度が大きくなり、±１次光や±２次光などの高次回折光の強度が小さくなる。
【００２２】
図４は、圧電体４２へ印加される電力と回折光強度との関係を示す図である。この図は、電力が印加された圧電体４２に可視域（４００ｎｍ〜８００ｎｍ）の特定の波長λの光を入射したときに計測された、ラマン・ナス回折による０次光、±１次光、±２次光の強度を示したものである。図４において、曲線Ｌ（０）は０次光の強度を表し、１次光に関する曲線Ｌ（±１）は＋１次光の強度と−１次光の強度との合計を表し、２次光に関する曲線Ｌ（±２）は＋２次光の強度と−２次光の強度との合計を表したものである。
【００２３】
印加電力＝０の場合にはラマン・ナス回折は生じないので、０次光のみが現れる。光透過性部材４１による表面反射や内部吸収を無視すれば、０次光の強度は入射光の強度と実質的に等しい。そこで、電力を印加しないときの０次光の強度を１００％として考える。印加電力をゼロから大きくして行くと、まずラマン・ナス回折によって生じる１次光の強度が徐々に大きくなり、それにつれて０次光の強度が徐々に小さくなる。図４の電力Ｐ１０の所では、回折光の大部分は０次光と１次光とが占めており、０次光の強度は９０％近くあり、±１次光（＋１次光と−１次光との合計）の強度は残りの１０％程度である。
【００２４】
Ｐ１０からさらに電力を大きくすると、±２次光が現れて電力増加とともにも強度が増加する。そして、電力Ｐ２において０次光の強度が５０％まで減少する。さらに電力を増加すると、増加していた±１次光の強度が電力Ｐ１１においてピークとなり、電力がＰ１１を越えると０次光だけでなく±１次光も減少し始める。さらに電力を大きくしてＰ１としたときに、０次光の強度が極小値をとる。このとき、０次光の強度はゼロとなり０次光が消失する。電力Ｐ１からさらに電力を大きくすると０次光は再び増加し始め、電力Ｐ１２において±２次光のピークが現れる。
【００２５】
このように、印加電力の増加とともに０次光、±１次光、±２次光が図４に示すように変化するため、印加電力の大きさを変えることによって光学ローパスフィルタ４のフィルタ効果を容易に変えることができる。例えば、印加電力をＰ１０とすれば、±１次光、±２次光は小さく０次光が９０％であるため、光学ローパスフィルタとしての効果が小さい。一方、印加電力をＰ２より大きくすると±１次光、±２次光の強度は０次光と同程度または大きくなるので、光学ローパスフィルタの効果を大きくすることができる。
【００２６】
例えば、モアレの影響が少ない状況においてシャープな画像を撮影したい場合には、電力をゼロあるいはＰ１１のように小さく設定する。逆に、モアレの影響が大きくそれを低減したい場合には、例えば電力Ｐ２やＰ１２のように大きくしてモアレ除去効果が出るようにする。このように、電力を変えることによって、光学ローパスフィルタ４への様々な要求性能に容易に対応することができる。
【００２７】
さらに印加電力をＰ１とすると、０次光の強度はゼロとなり入射光は０次光以外の高次光に分岐しているので、光学ローパスフィルタとしての効果を変えるためにこれ以上印加電力を大きくする必要がない。すなわち、電力を０からＰ１まで変化させれば、０次光強度を１００％から０％までの任意の値に設定できる。そのため、デジタルスチルカメラ等の撮像装置における電力供給部の最大能力をＰ１とすれば良いことがわかった。その結果、電力供給部に必要な最大電力をＰ１に抑えつつ、光透過性部材４１の光学ローパスフィルタとして可能な特性を達成することができる。
【００２８】
また、電力Ｐ２においては０次光の強度が５０％となっており、これは、複屈折性結晶材料を用いた光学ローパスフィルタと同水準の光分岐効果を示している。すなわち、印加電力をゼロからＰ２の間で変化させることにより、光透過性部材４１のフィルタ性能を、従来の光学ローパスフィルタと同性能を有する状態と、０次光のみの状態（光学ローパスフィルタとして機能していない状態）との間の任意の状態に設定することが可能となる。このように、光透過性部材４１のフィルタ性能を、複屈折性結晶材料と同様の性能を達成できる程度と設定した場合には、電力供給部に必要な最大電力をＰ１よりも低いＰ２に抑えることができ、コスト低減をさらに図ることができる。
【００２９】
上述した図２に示す光学ローパスフィルタ４では、光透過性部材４１の下辺Ａに圧電体４２を設けて入射光を図示上下に分岐したが、図５に示すように下辺Ａに圧電体４２Ａを配設するとともに右辺Ｂに圧電体４２Ｂを設けて、上下・左右の２方向に入射光を分岐するようにしても良い。この場合、圧電体４２Ｂは左右方向に進行する疎密波４５を発生させ、光透過性部材４１の左右方向に周期的な屈折率分布を形成する。その結果、光透過性部材４１の面内の異なる２方向に周期的に変化する屈折率分布が形成され、光透過性部材４１に入射した光線は、図示上下方向および左右方向の両方に２次元的に分岐される。
【００３０】
従来の複屈折性結晶材料を用いた光学ローパスフィルタでは、図５のように２方向に分岐する場合には２枚の光学部材を光軸上に配設する必要があった。しかし、本実施の形態では１枚の光透過性部材４１によって光線を２方向に分岐することができるので、光軸方向の寸法が低減され、小型化を図ることができる。さらに圧電体の配置を工夫することにより３方向以上に分岐することも可能である。
【００３１】
上述した実施の形態では、一眼レフ式のデジタルカメラの光学ローパスフィルタに適用した場合について説明したが、レンズ一体型のデジタルカメラにも同様に適用することができる。さらに、デジタルスチルカメラに限らず、ビデオカメラなどのように撮像素子を備えた撮像装置の光学ローパスフィルタにも適用できる。また、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではない。例えば、屈折率分布形成手段として圧電体を用いたが、光透過性部材４１内に疎密波（超音波）を発生させることができるならば、圧電体に限らず他のトランスデューサを用いても良い。
【００３２】
以上説明した実施の形態と特許請求の範囲の要素との対応において、駆動回路８は電力供給部を、制御部９および操作部１０は設定手段をそれぞれ構成する。なお、以上の説明はあくまでも一例であり、発明を解釈する際、上記実施の形態の記載事項と特許請求の範囲の記載事項の対応関係に何ら限定も拘束もされない。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明による撮像装置の一実施の形態を示す図であり、一眼レフ式のデジタルスチルカメラの概略構成を示したものである。
【図２】光学ローパスフィルタ４を撮影光学系１側から見た平面図である。
【図３】ラマン・ナス回折による光線分岐を説明する図である。
【図４】圧電体４２へ印加される電力と回折光強度との関係を示す図である。
【図５】２方向に光線分岐する場合の光学ローパスフィルタ４を示す図である。
【符号の説明】
【００３４】
１  撮影光学系
２  光軸
３  クイックリーターンミラー
４  光学ローパスフィルタ
５  フォーカルプレーンシャッタ
６  撮像素子
７  ファインダー光学系
８  駆動回路
９  制御部
１０  操作部
４１  光透過性部材
４２，４２Ａ，４２Ｂ  圧電体
【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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