(57)【要約】 【課題】  開口部面積を小さくすることの出来る光学ローパスフィルタを提供すること。【解決手段】  複屈折板を備え、レンズ３，４，５からなる撮像光学系と共に用いられる光学ローパスフィルタ１であり、その複屈折板は撮像光学系の絞り位置近傍に配置され、撮像面６の大きさよりも小さい開口部を有する。また、光学ローパスフィルタ１の複屈折板の表裏の光学面が非平行のくさび状である。また、その複屈折板は、水晶、ルチル（ＴｉＯ２）結晶、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）結晶、バナジウム酸ガドリニウム（ＧｄＶＯ４）結晶のいずれかからなる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複屈折板を備え撮像光学系と共に用いられる光学ローパスフィルタにおいて、前記複屈折板は前記撮像光学系の絞り位置近傍に配置され、撮像面の大きさよりも小さい開口部を有することを特徴とする光学ローパスフィルタ。
【請求項２】
請求項１記載の光学ローパスフィルタにおいて、前記複屈折板の表裏の光学面が平行であることを特徴とする光学ローパスフィルタ。
【請求項３】
請求項１記載の光学ローパスフィルタにおいて、前記複屈折板の表裏の光学面が非平行のくさび状であることを特徴とする光学ローパスフィルタ。
【請求項４】
請求項２又は３記載の光学ローパスフィルタにおいて、前記複屈折板は、水晶、ルチル（ＴｉＯ２）結晶、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）結晶、バナジウム酸ガドリニウム（ＧｄＶＯ４）結晶のいずれかからなることを特徴とする光学ローパスフィルタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は固体撮像素子にて画像撮像を行う際に問題となるモアレや偽色を防止するのに好適な光学ローパスフィルタに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の光学ローパスフィルタは、水晶などの複屈折板を用いて製作されている。このような光学ローパスフィルタの例としては、特許文献１に開示されているようなものがある。図７に、その光学ローパスフィルタの構成を光学的斜視図で示す。１０１は複屈折結晶板、１０２は偏光解消板、１０４は光学軸投影線である。
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−２９６５３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところが、従来技術で開示されている光学ローパスフィルタにおいては、全撮像範囲にわたってローパスフィルタとしての効果を発揮させる為には、固体撮像素子のほぼ全面をカバーする必要があり、撮像光学系を小型化した場合においても光学ローパスフィルタの面積を固体撮像素子の面積より小さくすることは困難であった。
【０００５】
本発明の課題は、従来技術のこのような問題点を解決し、開口部面積を小さくすることの出来る光学ローパスフィルタを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記に鑑みて第一の発明の光学ローパスフィルタは、複屈折板を備え撮像光学系と共に用いられる光学ローパスフィルタにおいて、前記複屈折板は前記撮像光学系の絞り位置近傍に配置され、撮像面の大きさよりも小さい開口部を有することを特徴とする。
【０００７】
また第二の発明の光学ローパスフィルタは、第一の発明の光学ローパスフィルタにおいて、複屈折板の表裏の光学面が平行であることを特徴とする。
【０００８】
また第三の発明の光学ローパスフィルタは、第一の発明の光学ローパスフィルタにおいて、複屈折板の表裏の光学面が非平行のくさび状であることを特徴とする。
【０００９】
また第四の発明の光学ローパスフィルタは、第二の発明又は第三の発明の光学ローパスフィルタにおいて、複屈折板は、水晶、ルチル（ＴｉＯ２）結晶、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）結晶、バナジウム酸ガドリニウム（ＧｄＶＯ４）結晶のいずれかから出来ていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、本発明の光学ローパスフィルタは、実装される光学系の焦点距離とＦナンバーに応じて定められる、絞りの開口部をカバーする程度の開口部を有すれば、所望の効果を得ることが出来ることとなり、開口部面積を小さくすることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明を実施する為の最良の形態としては、絞り近傍に光学ローパスフィルタを配置する。光学ローパスフィルタとしての機能を果たす為の形状は、絞りが光学系中のどこに配置されているかによる。
【００１２】
すなわち、光学ローパスフィルタの形状を平行平面板とするか、くさび形状とするかは、絞りの位置と像面（撮像素子）との間に、光学系或いは光学系の一部が配置されているかどうかに依って、光学ローパスフィルタとしての機能を発揮するよう選択することとなる。
【００１３】
例えば、絞りが光学系の最前面にある場合、絞り位置での入射光束のシフト（平行にずれること）は、像面での像のシフトには寄与しない。すなわち平行平面板状の複屈折板では光学ローパスフィルタとしての機能を有しないことになり、ウェッジ形状の光学ローパスフィルタを配置することとなる。
【００１４】
他方、絞りが光学系の最後面（所謂ビハインド絞り）にある場合を考える。絞り近傍に置かれた光学ローパスフィルタの表裏の光学面が平行だと、入射光の偏光状態によってビームシフトが生じる。この場合、絞りと像面（撮像素子）との間には、パワー（屈折力或いは反射力）を有する光学系の構成要素が存在しない為、ビームシフト量を、撮像素子の画素ピッチとほぼ等しい値とすれば、光学ローパスフィルタとして動作することとなる。
【００１５】
また、ウェッジ状の複屈折板の場合には、分離距離は絞りから像面（撮像素子）迄の距離に比例する為、絞りから像面迄の距離に応じてウェッジ角の大きさを設定すれば、光学ローパスフィルタとして動作させることが可能である。
【００１６】
前記２例の中間の状態、すなわち絞りが光学系の内部に配置されている場合には、絞りと光学系像面（撮像素子）との間に配置された光学系のパワー及び絞り位置での中間像の位置で決まる像倍率に応じて、平行平面板形状か、或いはウェッジ形状かを決定することとなる。
【実施例１】
【００１７】
図１は実施例１の光学ローパスフィルタを用いた光学系の全体構成を示す光学図であり、図２は実施例１の光学ローパスフィルタの構造及び動作を示す図である。図１において、１はニオブ酸リチウムの単結晶から加工された光学ローパスフィルタである。その光学ローパスフィルタ１の光学軸２の方位は、図２のごとく、第一面に平行な平面内にあり、またウェッジの傾きの方位に対して４５度（degree）をなす方位に指向している。表裏面はウェッジを形成しており、その角度は２４．４分（minute）である。
【００１８】
また３、４、５は撮像光学系を構成するレンズである。光学ローパスフィルタ１を含めた光学系の構成は表１の通りとなっており、全系焦点距離は波長５８７．５６ｎｍにおいて４．９８４ｍｍである。またＦナンバーは５．０である。また光学ローパスフィルタ１の第二面（表１の第２面）が、絞り面を兼ねている。なお材料名は入射側の面の欄に示した。またＳＫ１６、Ｆ２はガラス名である。
【００１９】
【表１】
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【００２０】
また６は、光学ローパスフィルタ１、レンズ３、レンズ４及びレンズ５で構成される光学系の撮像面である。また７は、その光学系光軸である。
【００２１】
本実施例においては、光学ローパスフィルタ１に入射した光束は、入射ビームの偏光方位によって、常光成分と異常光成分の２本の光束に分離されて光学ローパスフィルタ１を射出する。例えば図２において、８は光学ローパスフィルタ１に垂直入射する光線を表す。その光線は光学ローパスフィルタ１を射出する際に、常光成分９と異常光成分１０に分離される。
【００２２】
波長５８７．５６ｎｍにおいて、光学ローパスフィルタ１を透過した２つの光線の、光学系光軸７（図１参照）に対する角度は、常光成分９に対して６７．６minuteであり、また異常光成分１０に対して６９．９minuteである。従って、常光成分９と異常光成分１０とでは、射出角度が約２．３minute異なることとなる。
【００２３】
その常光成分９と異常光成分１０とは、レンズ３、レンズ４、レンズ５を順次透過し、撮像面６での結像に寄与するが、２つの光線は撮像面上で異なる位置に達する為、像分離作用が生じることになる。常光成分９が結像に寄与する像の位置（光学系光軸７からの離間量）ＩＨ1は、式１により計算される。
【００２４】
ＩＨ1＝ｆ・ｔａｎθ＝４．９８４ｍｍ・ｔａｎ（６７．６minute）＝９８．０μｍ   ……（式１）
（但しここで、ｆ：光学系の焦点距離、θ：光学系への主光線入射角）
【００２５】
また異常光成分１０の光線が結像に寄与する像の位置（光学系光軸７からの離間量）ＩＨ2は、式２により計算される。
【００２６】
ＩＨ2＝ｆ・ｔａｎθ＝４．９８４ｍｍ・ｔａｎ（６９．９minute）＝１０１．３μｍ  ……（式２）
（但しここで、ｆ：光学系の焦点距離、θ：光学系への主光線入射角）
【００２７】
従って、撮像面６上では、２つの画像が形成されることとなり、２つの画像間のずれ量は、式１及び式２の計算結果より、３．３μｍである。このような画像を形成することにより、ＣＣＤ(Charge Coupled Device)センサやＣＭＯＳ(Complementary Metal Oxide Semiconductor)センサなどの固体撮像素子を用いて撮像した場合の、画像サンプリングによる折り返し歪みの効果を軽減することが可能である。特に画素ピッチが３．３μｍ近傍にある固体撮像素子に有効である。
【００２８】
本実施例においては、光学ローパスフィルタが、光学系の最前部に配置された絞り部分に配置されている為、像面の大きさが直径約３．８ｍｍであるのに対して、光学ローパスフィルタの大きさは直径約１．０６ｍｍと、その大きさを大幅に減少することが出来るものである。なお本実施例においては、折り返し歪みを抑圧する方向は、光学ローパスフィルタのウェッジの傾き方向のみであるが、同様のフィルタを複数組合せ、複数方向（例えば画面の水平方向及び垂直方向など）において折り返し歪みを抑圧させることも可能である。
【００２９】
更に本実施例においては、光学ローパスフィルタは、ニオブ酸リチウムの単結晶から製作したが、他の材料でも同様の効果を得ることは可能であり、ウェッジ角度を、水晶の場合は３．８degree、ルチルの場合は７minute、バナジウム酸ガドリニウムの場合は８．６minuteとすればよい。また方解石の単結晶、タンタル酸リチウム等の強誘電体の結晶、バナジウム酸ガドリニウム中のガドリニウムの一部又は全部を他の一種以上の希土類元素に置換したバナジウム酸化物結晶を用いても同様の効果を得ることが出来る。
【実施例２】
【００３０】
図３は本発明の実施例２の光学ローパスフィルタを用いた光学系の全体構成を示す光学図であり、図４は実施例２の光学ローパスフィルタの構造と動作を示す図である。図３において、１１は水晶で製作された光学ローパスフィルタであり、表裏の光学面が平行な形状となっている。１２は光学ローパスフィルタ１１の光学軸である。
【００３１】
また１３、１４、１５は光学系を形成するレンズであり、光学ローパスフィルタ１１を含めた光学系の構成は、表２のとおりとなっている。全系の焦点距離は波長５８７．５６ｎｍにおいて４．９６ｍｍである。またＦナンバーは６．０である。また光学ローパスフィルタの第一面（表２の第７面）が絞り面を兼ねている。なお材料名は入射側の面の欄に示し、またＥ４８Ｒはガラス名である。
【００３２】
【表２】
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【００３３】
また１６は、レンズ１３、レンズ１４及びレンズ１５で構成される光学系の撮像面である。また１７は、その光学系光軸である。
【００３４】
本実施例の光学ローパスフィルタ１１においては、光学軸１２は、図４のごとく、光学系光軸１７に対して４５degreeをなす方向に指向している。図４において、１８は光学ローパスフィルタ１１に垂直入射する光線を示す。光学ローパスフィルタ１１に光線１８が入射すると、入射光線の偏波方向により、光学ローパスフィルタ内部で光線は２つに分割され、常光成分１９と、異常光成分２０とに分離して光学ローパスフィルタ１１を射出する。
【００３５】
図４においては単一の光線の挙動のみを記載したが、光学ローパスフィルタ１１と撮像面１６との間に屈折力を有する光学素子は存在しない為、レンズ１３、レンズ１４、レンズ１５によって形成された像は、拡大縮小等を受けることなく撮像面１６に投影されることになるが、撮像面１６に到達する前に、光学ローパスフィルタ１１により、像を形成する光線全てが前記のように２つに分離する為、その結果、光学像も２つに分割されて撮像面１６に形成されることとなる。
【００３６】
形成される像の分離量は光学ローパスフィルタ１１の厚みと、光学軸１２の方位で定まる。本実施例の光学ローパスフィルタ１１の場合、光学軸１２の方位が４５degree、光学ローパスフィルタ１１の厚みが０．５０７ｍｍであることから、形成される像の分離量は２．９８μｍとなる。
【００３７】
本実施例においては、絞りの位置に光学ローパスフィルタを配置した為、像面の大きさが直径約３．６ｍｍであるのに対して、光学ローパスフィルタの直径は約０．９ｍｍと、光学ローパスフィルタの直径を大幅に小さくすることが出来るものである。また従来から知られているように、折り返し歪みを緩和する方向を複数方向とする為に、光学ローパスフィルタを複数組合せ、像の分離方向を複数方向としても、同様の効果を得ることが出来る。
【００３８】
また本実施例においては、光学ローパスフィルタの材質として水晶を用いたが、他の複屈折結晶を用いても同様の効果を得ることが出来る。但し複屈折が大きい複屈折物質においては、場合によっては所望の分離距離を得る為の結晶厚みが薄すぎ、加工に支障を来す場合があるので、その場合は、光学軸方位を調整し、光学ローパスフィルタが加工容易な厚みとなるようにすればよい。
【００３９】
例えば、光学軸方位を８０degreeとした場合、光学ローパスフィルタの厚みを、ニオブ酸リチウムを用いた場合は２３５μｍ、ルチルを用いた場合は７２μｍ、バナジウム酸ガドリニウムを用いた場合は６９μｍとすれば、本実施例と同様の像分離距離を得ることが出来る。また方解石の単結晶、タンタル酸リチウム等の強誘電体の結晶、バナジウム酸ガドリニウム中のガドリニウムの一部又は全部を他の一種以上の希土類元素に置換したバナジウム酸化物結晶を用いても同様の効果を得ることが出来る。
【００４０】
また本実施例においては、光学ローパスフィルタの形状は、表裏面が平行であるタイプであったが、表裏面がくさび形状であっても、光学フィルタから撮像面迄の距離に応じて、くさび角を選べば、同様の効果を得ることが出来る。具体的には、くさび形状の光学ローパスフィルタを使用した場合、分離距離Δは以下の式で与えられる。
【００４１】
Δ＝Ｌ・ｔａｎ（Δθ）    ……（式３）
（但しここで、Ｌ：光学ローパスフィルタ〜撮像面の距離、Δθ：常光線の光学ローパスフィルタからの射出角と異常光線の光学ローパスフィルタからの射出角との差）
【００４２】
本実施例においては、光学ローパスフィルタ〜撮像面の距離が３．６４ｍｍであるので、水晶を用いたウェッジ形状の光学ローパスフィルタを用い、像分離距離を３μｍとするには、式３を用いて、ウェッジ角度を４．７８degreeとすれば、像分離距離３μｍを得ることが出来る。同様に、ルチルを用いた光学ローパスフィルタを用いる場合には、ウェッジ角度を８．９minuteとすればよい。同様に、ニオブ酸リチウムを用いた光学ローパスフィルタを用いる場合には、ウェッジ角度を３０．８minuteとすればよい。同様にバナジウム酸ガドリニウムを用いた場合には、ウェッジ角度を１０．６minuteとすればよい。
【実施例３】
【００４３】
図５は本発明の実施例３の光学ローパスフィルタを用いた光学系の全体構成を示す光学図であり、図６は実施例３の光学ローパスフィルタの構造と動作を示す図である。図５において、２１はルチルの単結晶で製作された光学ローパスフィルタであり、表裏面が平行な形状をしている。
【００４４】
また２３、２４、２５はレンズであり、光学ローパスフィルタ２１を含め、光学系の構成は表３のとおりとなっている。全系の焦点距離は、波長５８７．５６ｎｍにおいて５．０１７ｍｍである。またＦナンバーは５．０である。なお、レンズ２４の第二面（表３の第４面）が絞り面を兼ねている。材料名は入射側の面の欄に示した。
【００４５】
【表３】
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【００４６】
また２６は、レンズ２３、レンズ２４、光学ローパスフィルタ２１及びレンズ２５からなる光学系の撮像面である。また２７は、その光学系光軸である。
【００４７】
本実施例の光学ローパスフィルタ２１においては、光学軸２２は、図６のごとく、光学系光軸２７に対して８０degreeをなす方向に指向している。図６において、２８は光学ローパスフィルタ２１に垂直入射する光線を示す。光学ローパスフィルタ２１に光線２８が入射すると、入射光線の偏波方向により、光学ローパスフィルタ内部で光線は２つに分割され、常光成分２９と、異常光成分３０とに分離して光学ローパスフィルタ２１を射出する。
【００４８】
本実施例においては、光学ローパスフィルタ２１が光学系内部、レンズ２４とレンズ２５との間に配置されている為、光学ローパスフィルタ２１は、レンズ２３及びレンズ２４で形成された中間像を２つの像に分離することとなる。光学ローパスフィルタ２１によって分離された２つの像は、更にレンズ２５によって伝搬され、撮像面２６上に最終像として形成される。
【００４９】
従って、光学ローパスフィルタ２１の部分での像分離距離は、レンズ２５による縮小拡大効果を勘案して決定されることとなる。本実施例においては、光学ローパスフィルタ２１直後での像分離距離は、１０．９７μｍであるが、レンズ２５による縮小効果により、最終的な撮像面２６での像分離距離は、２．９５μｍとなっている。
【００５０】
本実施例においては、光学ローパスフィルタを絞りの近傍に配置した為、像面の大きさが直径約３．６ｍｍであるのに対して、光学ローパスフィルタの直径は約１．０ｍｍと、光学ローパスフィルタの直径を大幅に小さくすることが出来るものである。
【００５１】
更に本実施例においては、光学ローパスフィルタを光学系内部に配置した為、光学ローパスフィルタと撮像面との間にある光学系のパワー（屈折力）によって、最終的な像分離距離と、光学ローパスフィルタの厚みとを調整することが出来るものである。
【００５２】
また本実施例においては、光学ローパスフィルタはルチルから製造されたものであるが、他の複屈折物質を用いても、同様の効果を発揮させることが出来る。例えば、ニオブ酸リチウムを用いた場合には、光学ローパスフィルタの厚みを０．９ｍｍ程度とすれば、本実施例と同様の効果を得ることが出来る。またバナジウム酸ガドリニウムを用いた場合には、本実施例で用いたルチルと同様の厚みの０．４５ｍｍ程度とすれば、本実施例と同様の効果を得ることが出来る。また方解石の単結晶、タンタル酸リチウム等の強誘電体の結晶、バナジウム酸ガドリニウム中のガドリニウムの一部又は全部を他の一種以上の希土類元素に置換したバナジウム酸化物結晶を用いても同様の効果を得ることが出来る。
【００５３】
以上、これら３つの実施例においては、光学系を構成するレンズ面或いは光学ローパスフィルタ面を絞り面としたが、光学面とは独立した機械構造にて絞り面を形成し、その近傍に光学ローパスフィルタを配置しても、これら３つの実施例と同様の効果を得ることが出来る。
【００５４】
また、これら３つの実施例においては、光学ローパスフィルタと撮像面との距離を大きく取ることが出来る為、光学ローパスフィルタ上の異物や傷等による影が、撮像面に写り込む影響を小さくすることが出来るものである。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】実施例１の光学ローパスフィルタを用いた光学系の全体構成を示す光学図。
【図２】実施例１の光学ローパスフィルタの構造と動作を示す図。
【図３】実施例２の光学ローパスフィルタを用いた光学系の全体構成を示す光学図。
【図４】実施例２の光学ローパスフィルタの構造と動作を示す図。
【図５】実施例３の光学ローパスフィルタを用いた光学系の全体構成を示す光学図。
【図６】実施例３の光学ローパスフィルタの構造と動作を示す図。
【図７】従来例の光学ローパスフィルタの基本構造を示す光学的斜視図。
【符号の説明】
【００５６】
１，１１，２１    光学ローパスフィルタ
２，１２，２２    光学軸
３，４，５，１３，１４，１５，２３，２４，２５    レンズ
６，１６，２６    撮像面
７，１７，２７    光学系光軸
８，１８，２８    光線
９，１９，２９    常光成分
１０，２０，３０    異常光成分
【図１】
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【図２】
2006154205.tif 000007
【図３】
2006154205.tif 000008
【図４】
2006154205.tif 000009
【図５】
2006154205.tif 000010
【図６】
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【図７】
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