(57)【要約】【課題】光学素子等に入射する画像の画質の低下を防止するために、中心部と周辺部との遮断周波数を光学素子等の周波数特性に合わせて任意に制御すること。【解決手段】第１面２１ａを入射光の光軸方向に交差させて配置された基板２１と、第１面２１ａ上に形成され、入射光の光軸方向に凸状に形成され入射光の空間周波数の遮断を行う回折格子を有する回折格子群２２とを備え、回折格子群２２は、線幅Ｌ１、周期Ｐ、厚さｄを有する第１の回折格子と、線幅Ｌ２、周期Ｐ、厚さｄを有する第２の回折格子とを備えている。【選択図】      図２
2006072112.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１面を入射光の光軸方向に交差させて配置されたベースと、
上記第１面上に形成され、上記入射光の光軸方向に凸状に形成され上記入射光の空間周波数の遮断を行う回折格子を有する第１回折格子群とを備え、
上記第１回折格子群は、所定の線幅、周期、厚さを有する第１の回折格子と、
この第１の回折格子に対し、線幅及び周期の少なくとも一方が異なる第２の回折格子とを備え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】
上記ベースの第１面には所定の基準位置が設けられ、上記第１の回折格子と上記第２の回折格子は、上記基準位置からの距離に基づいて配置されてい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】
上記第１及び第２の回折格子は、上記第１の面上の所定の第１方向に沿って並設されてい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４】
上記第１及び第２の回折格子は、上記第１の面上の所定の第１方向及びこの第１方向に交差する第２方向に沿って並設されてい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５】
上記ベースは、上記入射光の光軸方向に交差させて配置された第２面をさらに有し、
上記第２面には、上記入射光の光軸方向に凸状に形成され上記入射光の空間周波数の遮断を行う回折格子を有する第２回折格子群が設けられ、
上記第２回折格子群は、所定の線幅、周期、厚さを有する第３の回折格子と、
この第３の回折格子に対し、線幅及び周期の少なくとも一方が異なる第４の回折格子とを備えてい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６】
上記第１及び第２の回折格子は、上記第１の面上の所定の第１方向に沿って並設され、
上記第３及び第４の回折格子は、上記第２の面上の上記第１方向に交差する第２方向に沿って並設されていることを特徴とする請求項５に記載の光学ローパスフィルタ。
【請求項７】
入射光が入射される光学素子と、
この光学素子の入射される入射光を制御する請求項１に記載の光学ローパスフィルタと、光学素子とを備えていることを特徴とする光学機器。
【請求項８】
上記光学素子は、固体撮像素子であることを特徴とする請求項７に記載の光学機器。
【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及びこの光学ローパスフィルタが組み込まれた光学機器に関し、特に遮断周波数を任意に制御することで、光軸周辺部の画質の低下を防止できるものに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＣＣＤ等の固体撮像素子を使ったカメラ（光学機器）では、受光素子が水平及び垂直方向に一定の間隔で配列されているため、解像できる画像の最高周波数は受光素子の配列で決まるサンプリング周波数の１／２の周波数となる。この周波数は一般にナイキスト周波数と呼ばれている。
【０００３】
ナイキスト周波数以上の周波数を含む画像が固体撮像素子に入射した場合は、ナイキスト周波数で周波数特性が折りたたまれ、高次の周波数領域に擬似信号が発生し、画像に偽色あるいはモワレを生じさせる問題があった。このような問題への対策として、水晶や方解石等の複屈折特性を有する光学結晶で作られた平板を固体撮像素子の前に置き、ナイキスト周波数以上の成分をカットするようにしていた（例えば、特許文献１，２参照）。
【０００４】
このような光学結晶平板を一般に光学ローパスフィルタと呼んでいる。この光学ローパスフィルタの遮断周波数は、光学結晶平板の厚さによって決まる。光学結晶平板の常光線に対する屈折率をｎｏ、異常光線に対する屈折率をｎｅ、光学結晶平板の厚さをτとすると、常光線と異常光線の分離幅δは、以下の式（１）で表すことができる。
【数１】
2006072112.tif 000003
【０００５】
光学結晶平板を通過した常光線と異常光線はお互いに分離幅δだけずれているので、周波数１／δの周波数成分はお互いに位相がπだけずれて打ち消し合い、周波数２／δの周波数成分はお互いに位相が２πずれで強め合うことになる。これが、光学結晶平板を用いた光学ローパスフィルタの原理である。
【特許文献１】特開２０００−２８４２３０号公報
【特許文献２】特開２０００−１１４５０２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述した光学ローパスフィルタであると次のような問題があった。すなわち、撮像素子は、光軸を基準位置とした場合、その中心部と周辺部で周波数特性が異なるという性質を有している。一般に、中心部では周波数特性が高く、周辺部では周波数特性が低くなる傾向にある。したがって、光学ローパスフィルタの分離幅もこれに合せて中心部と周辺部とで異ならせる必要がある。しかし、光学結晶平板の場合、その厚さτが一定であるため、遮断周波数は面内で同一である。この場合、周辺部において必要以上に画像の周波数が遮断され、画質が落ちるという問題があった。
【０００７】
一方、光軸方向の周波数を変えようとすれば、光学結晶平板を用いた場合では、屈折率ｎｅ，ｎｔは、一定値であるため、光軸方向によって厚さτを変化させねばならず、厚さが異なる水晶を光軸に沿って張り合わせるなど、製造工程が複雑になり高価になってしまう。
【０００８】
そこで本発明は、前段又は後段にある光学素子の周波数特性に合わせて遮断周波数を任意に制御できるとともに、低コストで製造可能な光学ローパスフィルタ及びこの光学ローパスフィルタを用いた光学機器を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決し目的を達成するために、本発明の光学ローパスフィルタ及びこの光学ローパスフィルタが組み込まれた光学機器は次のように構成されている。
【００１０】
（１）第１面を入射光の光軸方向に交差させて配置されたベースと、上記第１面上に形成され、上記入射光の光軸方向に凸状に形成され上記入射光の空間周波数の遮断を行う回折格子を有する第１回折格子群とを備え、上記第１回折格子群は、所定の線幅、周期、厚さを有する第１の回折格子と、この第１の回折格子に対し、線幅及び周期の少なくとも一方が異なる第２の回折格子とを備えていることを特徴とする。
【００１１】
（２）上記（１）に記載された光学ローパスフィルタであって、上記ベースの第１面には所定の基準位置が設けられ、上記第１の回折格子と上記第２の回折格子は、上記基準位置からの距離に基づいて配置されていることを特徴とする。
【００１２】
（３）上記（１）に記載された光学ローパスフィルタであって、上記第１及び第２の回折格子は、上記第１の面上の所定の第１方向に沿って並設されていることを特徴とする。
【００１３】
（４）上記（１）に記載された光学ローパスフィルタであって、上記第１及び第２の回折格子は、上記第１の面上の所定の第１方向及びこの第１方向に交差する第２方向に沿って並設されていることを特徴とする。
【００１４】
（５）上記（１）に記載された光学ローパスフィルタであって、上記ベースは、上記入射光の光軸方向に交差させて配置された第２面をさらに有し、上記第２面には、上記入射光の光軸方向に凸状に形成され上記入射光の空間周波数の遮断を行う回折格子を有する第２回折格子群が設けられ、上記第２回折格子群は、所定の線幅、周期、厚さを有する第３の回折格子と、この第３の回折格子に対し、線幅及び周期の少なくとも一方が異なる第４の回折格子とを備えていることを特徴とする。
【００１５】
（６）上記（５）に記載された光学ローパスフィルタであって、上記第１及び第２の回折格子は、上記第１の面上の所定の第１方向に沿って並設され、上記第３及び第４の回折格子は、上記第２の面上の上記第１方向に交差する第２方向に沿って並設されていることを特徴とする。
【００１６】
（７）入射光が入射される光学素子と、この光学素子の入射される入射光を制御する（１）に記載の光学ローパスフィルタとを備えていることを特徴とする。
【００１７】
（８）上記（７）に記載された光学機器であって、上記光学素子は、固体撮像素子であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、前段又は後段にある光学素子の周波数特性に合わせて遮断周波数を任意に制御することが低コストで可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
図１は本発明の第１の実施の形態に係る光学ローパスフィルタ２０が組み込まれた撮像装置（光学機器）１０の構成を模式的に示す説明図、図２は光学ローパスフィルタ２０を模式的に示す側面図、図３は光学ローパスフィルタ２０によるフィルタ原理を示す説明図、図４は光学ローパスフィルタ２０による線幅と分離幅との関係を示す説明図、図５は光学ローパスフィルタ２０による線幅と分離幅との関係を示す説明図、図６は光学ローパスフィルタ２０における分離幅と格子線幅及び格子膜厚との関係を示したグラフである。これらの図中矢印ＸＹＺは互いに直交する三方向を示しており、特に矢印Ｚは光軸Φと平行である。
【００２０】
撮像装置１０は、光軸Φ上に沿って配置されたレンズ群１１及びＣＣＤ等の固体撮像素子１２と、レンズ群１１と固体撮像素子１２との間に配置された光学ローパスフィルタ２０とを備えている。
【００２１】
光学ローパスフィルタ２０は、図２に示すように、Ｓｉ０２材からなる基板２１と、回折格子群（第１回折格子群）２２とを備えている。回折格子群２２は、基準位置Ｓを中心に、基準位置Ｓから最も近い位置に配置されたＡ領域回折格子（第１回折格子）２３と、Ｂ領域回折格子（第２回折格子）２４と、基準位置Ｓから最も遠い位置に配置されたＣ領域回折格子２５とを備えている。各回折格子２３〜２５は、入射光の光軸Φ方向に対して凸状に形成されており、それぞれ厚さｄと周期Ｐに形成されている。また、Ａ領域回折格子２３の線幅はＬ１、Ｂ領域回折格子２４の線幅はＬ２と、Ｃ領域回折格子２５の線幅はＬ３であり、基準位置ＳからＸ軸方向（第１方向）に離間するにつれて、次第に線幅が細くなるように設定されている。
【００２２】
ここで、上述した光学ローパスフィルタ２０によるフィルタ原理について説明する。図３に示すように、光学ローパスフィルタ２０に、入射光が垂直に入射した場合について述べる。まず、この回折格子を空間周波数の遮断のために用いるには、回折格子が反射も透過も±１次以上の回折を起こさないためには式（２），（３）の条件を満たす必要がある。回折格子の周期をＰ、入射空間（空気）の屈折率ｎ１、回折格子（Ｓｉ０２）の屈折率ｎ２、入射光の波長をλとする。
【００２３】
Ｐ＜λ／ｎ１                                  …（２）
Ｐ＜λ／ｎ２                                  …（３）
波長以下程度の周期構造を持つ回折格子では、光の偏光方向により屈折率が異なり複屈折を生じる。この時、入射光のＴＥ偏光波及びＴＭ偏光波に対する屈折率ｎｅ，ｎｔは以下の式（４），（５）で表される。
【数２】
2006072112.tif 000004
【００２４】
ここで、式（６）のｔは回折格子の周期Ｐと線幅Ｌのデューティ比を表す。この回折格子を通過した場合の、ＴＥ偏光波とＴＭ偏光波の光の分離幅をｗとすると、ｗは次式で表される。
【数３】
2006072112.tif 000005
【００２５】
式（７）からも分かるように、周期構造を持つ回折格子の場合、ＴＥ偏光波とＴＭ偏光波の分離幅ｗは、格子の厚さｄのみならず回折格子の周期Ｐや線幅Ｌでも制御できる。
【００２６】
図４及び図５は、回折格子の線幅Ｌを変えた場合の分離幅ｗの変化を模式的に示した図である。図４では、周期Ｐ、線幅Ｌ１、厚さｄの格子を通過した光の分離幅ｗ１を示しており、図５では周期Ｐ、厚さｄは図４と等しく、線幅がＬ２の場合の光の分離幅ｗ２を示している。
【００２７】
図６に示すグラフＱ１〜Ｑ４は、１００μｍ厚のＳｉ０２基材に周期Ｐが２９０ｎｍ、厚さｄが各々５０、１００、１５０，２００μｍのＳｉ０２格子を形成した場合に、波長０．５８８μｍの場合における線幅Ｌを変えた時の分離幅ｗの変化を示している。例えば、グラフＱ１（厚さｄ＝５０μｍ）によれば、線幅Ｌを変えることにより、分離幅ｗを０μｍから４．２５μｍまで、任意に設定する事ができる。分離幅ｗを大きくしたい場合は、厚さｄを所望の分離幅が得られるよう厚くしていけば良い。
【００２８】
次に、光学ローパスフィルタ２０の製造方法、すなわち基板２１上に回折格子群２２を形成する方法について説明する。材料となるＳｉＯ２基板にフォトレジストを均一膜厚で塗布し、周期Ｐ、格子線幅Ｌのマスクを用い、格子パターンを転写する。転写する時、ドーズ量とフォーカス量を制御し、転写時の格子の線幅を変えデューティ比を調整する。このような手法を使えば、一種類のマスクで、デューティ比の異なる回折格子の作成が可能になる。
【００２９】
このように構成された撮像装置１０によれば、光学ローパスフィルタ２０により、光軸の基準位置Ｓの近傍の分離幅ｗと、基準位置Ｓから離間した位置の分離幅ｗとを変化させることができ、固体撮像素子１２の周辺部の周波数特性が中心部に対して低くなることに対応させることが可能となる。なお、基準位置Ｓからの距離は画像の像高に対応する。
【００３０】
このため、高次の周波数領域における擬似信号の発生を防止し、画像に偽色・モワレが生じることを防止することができる。したがって、画質の低下を防ぐことができる。さらに、前述したように、回折格子の線幅、周期を変えることで、遮断周波数を調整することができるため、回折格子の厚さを変える場合に比べて低コストで製造することが可能となる。
【００３１】
また、光学ローパスフィルタの基板及び回折格子には、一般にシリコン系の材料が用いられるので、同系の材料で構成される光学素子を用いる場合には、これと一体化する等して、光学機器（全体）の小型化に寄与することも可能である。また、このような場合、光学ローパスフィルタは、光学素子の製造過程において形成することが可能となるので、光学機器の製造コストの低減に寄与することも可能である。
【００３２】
なお、光学ローパスフィルタ２０の材料としてＳｉＯ２を例示したが、入射光の波長領域に合せて他の材質を用いてもよい。例えば、ＳｉＮは可視光で透明であるため、撮像装置等に用いることができる。また、光学素子として撮像素子を例示したが、位置によって周波数特性が異なるものであれば他の光学素子に用いても良い。例えば、デジタルカメラのレンズを設計する場合、光軸の近傍部と周辺部とでは、周波数特性が異なるため、これに合わせて光学ローパスフィルタを設計するようにしてもよい。
【００３３】
図７は本発明の第２の実施の形態に係る光学ローパスフィルタ３０を模式的に示す説明図である。光学ローパスフィルタ３０は、Ｓｉ０２材からなる基板３１と、この基板３１の第１面３２に設けられた第１回折格子群４０と、第２面３３に設けられた第２回折格子群５０を備えている。
【００３４】
第１回折格子群４０は、基準位置Ｈを中心に、基準位置Ｈから最も近い位置に配置されたＡ領域回折格子（第１回折格子）４１と、Ｂ領域回折格子（第２回折格子）４２と、基準位置Ｓから最も遠い位置に配置されたＣ領域回折格子４３とを備えている。各回折格子４１〜４３には、入射光の光軸方向に対して凸状に形成され格子体が形成され、それぞれ厚さｄと周期Ｐに形成されている。また、Ａ領域回折格子４１の線幅はＬ１、Ｂ領域回折格子４２の線幅はＬ２と、Ｃ領域回折格子４３の線幅はＬ３であり、基準位置ＨからＸ軸方向（第１方向）に離間するにつれて次第に線幅が細くなるように設定されている。
【００３５】
第２回折格子群５０は、基準位置Ｖを中心に、基準位置Ｖから最も近い位置に配置されたＤ領域回折格子（第３回折格子）５１と、Ｅ領域回折格子（第４回折格子）５２と、基準位置Ｖから最も遠い位置に配置されたＦ領域回折格子５３とを備えている。各回折格子５１〜５３には、入射光の光軸方向に対して凸状に形成され格子体が形成され、それぞれ厚さｄと周期Ｐに形成されている。また、Ａ領域回折格子５１の線幅はＬ１、Ｂ領域回折格子５２の線幅はＬ２と、Ｃ領域回折格子５３の線幅はＬ３であり、基準位置ＶからＹ軸方向（第２方向）に離間するにつれて次第に線幅が細くなるように設定されている。
【００３６】
このように構成された光学ローパスフィルタ３０においても、前述した光学ローパスフィルタ２０と同様の効果が得られるとともに、第２方向に対しても回折格子による分離幅ｗの変化によって遮断周波数を制御することができ、固体撮像素子の特性に適合させることが可能となる。通常、固体撮像素子の空間周波数は、Ｘ軸方向とＹ軸方向とで異なっているため、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の分離幅を最適化することで、撮像装置の光学特性の改善が可能である。
【００３７】
図８は本発明の第３の実施の形態に係る光学ローパスフィルタ６０を模式的に示す説明図である。光学ローパスフィルタ６０は、Ｓｉ０２材からなる基板６１と、この基板６１の第１面６２に設けられた回折格子群６３とを備えている。
【００３８】
回折格子群６３の回折格子６４は、Ｘ軸方向については、周期Ｐｘ、線幅Ｌｘ、Ｙ軸方向については周期Ｐｙ、線幅Ｌｙに形成され、Ｘ軸方向とＹ軸方向とで周期及び線幅を変えて構成されている。さらに、基準位置からの距離によって周期Ｐｘ，Ｐｙ及び線幅Ｌｘ，Ｌｙを変えるようにしている。これにより、上述した光学ローパスフィルタ３０と同様に、Ｘ軸方向とＹ軸方向とで異なる特性で入射光を分離することが可能となる。
【００３９】
本実施の形態に係る光学ローパスフィルタ６０においても、上述した光学ローパスフィルタ３０と同様の効果を得ることができる。
【００４０】
なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る光学ローパスフィルタが組み込まれた撮像装置を模式的に示す説明図。
【図２】同光学ローパスフィルタを模式的に示す側面図。
【図３】同光学ローパスフィルタによるフィルタ原理を示す説明図。
【図４】同光学ローパスフィルタによる線幅と分離幅との関係を示す説明図。
【図５】同光学ローパスフィルタによる線幅と分離幅との関係を示す説明図。
【図６】同光学ローパスフィルタにおける分離幅と格子線幅及び格子膜厚との関係を示したグラフ。
【図７】本発明の第２の実施の形態に係る光学ローパスフィルタの構成を模式的に示す説明図。
【図８】本発明の第３の実施の形態に係る光学ローパスフィルタの構成を模式的に示す説明図。
【符号の説明】
【００４２】
１０…撮像装置、１２…固体撮像素子（光学素子）、２０，３０，６０…光学ローパスフィルタ、２１…基板、２１ａ…第１面、２２…回折格子群（第１回折格子群）、２３…Ａ領域回折格子（第１回折格子）、２４…Ｂ領域回折格子（第２回折格子）、２５…Ｃ領域回折格子。
【図１】
2006072112.tif 000006
【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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