(57)【要約】【課題】光学ローパスフィルタの位置と絞り値の条件により発生する弊害を抑制可能な撮像装置を提供すること。【解決手段】凹凸構造を含む光学面を有する光学ローパスフィルタと、光学ローパスフィルタからの光を受光する撮像素子と、撮像素子に対する光学ローパスフィルタの位置を調整する位置調整手段と、を有し、凹凸構造の平均ピッチを＜Ｐｆ＞、撮像素子の画素ピッチをＰｓ、とするとき、    ０．０５≦＜Ｐｆ＞／Ｐｓ≦１．０なる条件式を満足する。【選択図】図２
2018078506.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
凹凸構造を含む光学面を有する光学ローパスフィルタと、
前記光学ローパスフィルタからの光を受光する撮像素子と、
前記撮像素子に対する前記光学ローパスフィルタの位置を調整する位置調整手段と、を有し、
前記凹凸構造の平均ピッチを＜Ｐｆ＞、前記撮像素子の画素ピッチをＰｓ、とするとき、
０．０５≦＜Ｐｆ＞／Ｐｓ≦１．０
なる条件式を満足することを特徴とする撮像装置。
【請求項２】
前記位置調整手段により調整可能な前記光学面と前記撮像素子との間の距離のうち最小の距離をΔｚｍｉｎとするとき、
０．２≦Δｚｍｉｎ／Ｐｓ≦３．０
なる条件式を満足することを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
【請求項３】
前記光学面が前記撮像素子に最も近接する場合の一次元ＭＴＦ特性の半値幅をｆｎｅａｒ、前記光学ローパスフィルタを前記光学面が前記撮像素子に最も近接する位置から前記撮像素子から離れるように距離３・Ｐｓだけ移動させた場合の一次元ＭＴＦ特性の半値幅をｆｆａｒとしたとき、
１．５≦ｆｎｅａｒ／ｆｆａｒ≦１５．０
なる条件式を満足することを特徴とする請求項１または２に記載の撮像装置。
【請求項４】
前記平均ピッチ＜Ｐｆ＞は、
０．８（μｍ）≦＜Ｐｆ＞≦５．０（μｍ）
なる条件式を満足することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項５】
前記位置調整手段により調整可能な前記光学面と前記撮像素子との間の距離をΔｚとするとき、
０．３（μｍ）≦Δｚ≦４５．０（μｍ）
なる条件式を満足することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項６】
前記位置調整手段は、光学ローパス効果に関する設定に基づいて前記光学ローパスフィルタの位置を調整することを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項７】
前記撮像装置は、前記光学面と前記撮像素子との間の距離を変化させて撮影を行い、前記撮影により取得されたそれぞれ異なる光学ローパス効果が重畳された複数の撮影画像を出力することを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項８】
前記撮像装置は、撮影画像のモアレの強度が所定値より大きいか否かを判定し、
前記強度が前記所定値より大きい場合、前記位置調整手段は前記光学ローパスフィルタの位置を前記強度が小さくなるように調整することを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項９】
前記撮像装置は、撮影前に前記光学面と前記撮像素子との間の距離および絞り値の設定が所定の条件を満足するか否かを判定し、前記所定の条件を満足する場合、撮影を行い、前記所定の条件を満足しない場合、使用者に設定を変更させる、使用者に通知を行う、または前記所定の条件を満足するように前記距離および前記絞り値を調整することを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項１０】
凹凸構造を含む光学面を有する光学ローパスフィルタと、前記光学ローパスフィルタからの光を受光する撮像素子と、前記撮像素子に対する前記光学ローパスフィルタの位置を調整する位置調整手段と、を有する撮像装置を制御するためのプログラムであって、
光学ローパス効果に関する設定に基づいて、前記位置調整手段を用いて前記光学ローパスフィルタの位置を調整させるステップをコンピュータに実行させることを特徴とするプログラム。
【請求項１１】
前記光学面と前記撮像素子との間の距離を変化させて撮影を行うステップと、
前記撮影により取得され、それぞれ異なる光学ローパス効果が重畳された複数の撮影画像を出力するステップと、を更に有することを特徴とする請求項１０に記載のプログラム。
【請求項１２】
撮影画像のモアレの強度が所定値より大きいか否かを判定するステップと、
前記強度が前記所定値より大きい場合、前記位置調整手段を用いて前記光学ローパスフィルタの位置を前記強度が小さくなるように調整するステップと、を更に有することを特徴とする請求項１０または１１に記載のプログラム。
【請求項１３】
撮影前に前記光学面と前記撮像素子との間の距離および絞り値の設定が所定の条件を満足するか否かを判定するステップを更に有し、
前記所定の条件を満足する場合、撮影を行い、前記所定の条件を満足しない場合、使用者に設定を変更させる、使用者に通知を行う、または前記所定の条件を満足するように前記距離および前記絞り値を調整するステップと、を有することを特徴とする請求項１０から１２のいずれか１項に記載のプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、撮像装置およびプログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、凹凸構造による回折現象を利用する回折型ローパスフィルタが提案されている。特許文献１では、画像センサと回折型ローパスフィルタとの間の距離を調整することにより、回折型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が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１４−１１６８７５号公報
【特許文献２】特開２０１４−１４６９３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
回折型ローパスフィルタでは、光束幅が凹凸構造の格子ピッチ以下である場合、特に格子ピッチが画像センサの画素ピッチよりも大きい場合に、モアレを取り除くことができない。
【０００５】
特許文献１では、回折型ローパスフィルタと画像センサとの距離を縮めた場合、光束幅が格子ピッチ以下となり、モアレを取り除くことができなくなってしまう。また、絞り値を小さくした場合、凹凸構造が影として写りこんでしまうおそれがある。
【０００６】
このような課題に鑑みて、本発明は、光学ローパスフィルタの位置と絞り値の条件により発生する弊害を抑制可能な撮像装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一側面としての撮像装置は、凹凸構造を含む光学面を有する光学ローパスフィルタと、前記光学ローパスフィルタからの光を受光する撮像素子と、前記撮像素子に対する前記光学ローパスフィルタの位置を調整する位置調整手段と、を有し、前記凹凸構造の平均ピッチを＜Ｐｆ＞、前記撮像素子の画素ピッチをＰｓ、とするとき、
０．０５≦＜Ｐｆ＞／Ｐｓ≦１．０
なる条件式を満足することを特徴とする。
【０００８】
本発明の他の側面としてのプログラムは、凹凸構造を含む光学面を有する光学ローパスフィルタと、前記光学ローパスフィルタからの光を受光する撮像素子と、前記撮像素子に対する前記光学ローパスフィルタの位置を調整する位置調整手段と、を有する撮像装置を制御するためのプログラムであって、光学ローパス効果に関する設定に基づいて、前記位置調整手段を用いて前記光学ローパスフィルタの位置を調整させるステップをコンピュータに実行させることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、光学ローパスフィルタの位置と絞り値の条件により発生する弊害を抑制可能な撮像装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施形態に係る撮像装置の簡易構成図である。
【図２】光学ローパスフィルタの説明図である。
【図３】光学ローパスフィルタの光学面の説明図である。
【図４】光学面の微細凹凸屈折率形状の周波数スペクトルを示す図である。
【図５】光学面の微細凹凸屈折率形状の高さ頻度ヒストグラムである。
【図６】絞り値が４である場合の光学面と撮像面との距離ごとのスポット形状と二次元ＭＴＦ特性を示す図である。
【図７】絞り値が２である場合の光学面と撮像面との距離ごとのスポット形状と二次元ＭＴＦ特性を示す図である。
【図８】絞り値が８である場合の光学面と撮像面との距離ごとのスポット形状と二次元ＭＴＦ特性を示す図である。
【図９】一次元ＭＴＦ特性図である。
【図１０】回折限界ＭＴＦで割戻しを行った一次元ＭＴＦ特性図である。
【図１１】光学ローパスフィルタから画像センサまでの距離と光束幅との関係図である
【図１２】実施例１の撮像装置の構成図である。
【図１３】実施例１の微細凹凸屈折率形状の作成に用いた周波数フィルタの一次元断面図である。
【図１４】周波数フィルタリング前後の実形状と周波数特性を示す図である。
【図１５】実施例２の制御プログラムによる撮像動作を示すメインフローチャートである。
【図１６】実施例２の制御プログラムによる撮像動作を示すサブフローチャートである。
【図１７】比較例１の撮像装置における光学ローパスフィルタの概略斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら詳細に説明する。各図において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。
【００１２】
図１は、本発明の実施形態に係る撮像装置１００の簡易構成図である。撮像装置１００は、光学ローパスフィルタ１０１、画像センサ（撮像素子）１０２、位置調整手段１０３、位置調整手段制御部１０４および撮像レンズ１０５を有する。光学ローパスフィルタ１０１は、画像センサ１０２の近傍に配置される。画像センサ１０２は、光学ローパスフィルタ１０１からの光を受光する。位置調整手段１０３と位置調整手段制御部１０４は、光学ローパスフィルタ１０１の光軸方向の位置を調整することで、光学ローパスフィルタ１０１と画像センサ１０２との間の距離を制御する。光学ローパスフィルタ１０１の位置を調整することで、所望の光学ローパス効果が重畳された（所定の周波数未満の周波数帯の信号成分が抽出された）画像を取得することができる。撮像レンズ１０５は、本実施形態では撮像装置本体に着脱可能に取り付けられているが、撮像装置本体と一体的に構成されてもよい。
【００１３】
図２（Ａ）は、光学ローパスフィルタ１０１の構成図である。光学ローパスフィルタ１０１は、画像センサ１０２側に、微細凹凸屈折率形状の光学面１０１ａを有する。微細凹凸屈折率形状とは、平均ピッチ＜Ｐｆ＞、平均高さ＜ｈ＞の凹凸構造のことである。図２（Ｂ）は、光学面１０１ａの斜視図である。ここで、平均ピッチ＜Ｐｆ＞とは微細凹凸屈折率形状の凸部間の距離の平均値を意味し、平均高さ＜ｈ＞とは微細凹凸屈折率形状の凸部と凹部との距離の平均値を意味する。光学面１０１ａは、光学ローパスフィルタ１０１を構成する媒質と画像センサ１０２側の媒質（空気）により形成される界面と捉えることができる。言い換えると、光学面１０１ａは、屈折率の異なる２つの媒質の界面により形成されている。光学面１０１ａで回折が生じることで、光学ローパスフィルタ１０１に入射する光束（入射光束）の光学ローパスフィルタ１０１を透過した後の分布を広げる光学ローパス効果を重畳する。光学ローパスフィルタ１０１は、光学面１０１ａの微細凹凸屈折率形状の高さ方向の基準位置（中心位置）が画像センサ１０２の撮像面から距離Δｚだけ離れた位置に配置される。位置調整手段１０３は、光学ローパスフィルタ１０１の位置を調整することで距離Δｚを制御する。距離Δｚを大きくすることにより光学ローパス効果の重畳量を大きく、距離Δｚを小さくすることにより光学ローパス効果の重畳量を小さくすることが可能である。図２（Ｃ）は、図２（Ａ）に比べて距離Δｚが小さい場合、すなわち光学ローパスフィルタ１０１を画像センサ１０２に近づけた場合の光学ローパスフィルタ１０１の構成図である。
【００１４】
本実施形態では、光学ローパスフィルタ１０１の位置と絞り値（Ｆ値）Ｆｎｏの条件により発生する弊害を抑制可能な撮像装置を実現するために、以下の条件式を満足する必要がある。なお、Ｐｓは、画像センサ１０２の画素ピッチである。
【００１５】
０．０５≦＜Ｐｆ＞／Ｐｓ≦１．０      （１）
光学ローパスフィルタ１０１は、微細凹凸屈折率形状の光学面１０１ａを有する構造であればよい。例えば、光学面１０１ａより被写体側の媒質（光学ローパスフィルタ１０１を構成する媒質）の屈折率をｎ、画像センサ１０２側の媒質をｎ２としたとき、屈折率ｎ≠１．０、屈折率ｎ２＝１．０の屈折率構成としてもよい。また、屈折率ｎ≠１．０、屈折率ｎ２≠１．０の屈折率構成としてもよい。
【００１６】
本実施形態では、光学面１０１ａには、屈折率の異なる２つの媒質の界面により形成される微細凹凸屈折率形状を有するが、本発明はこれに限定されない。例えば、微細凹凸屈折率形状は、同一媒質の密度分布や組成変形、または屈折率差により形成してもよい。また、光学面１０１ａが界面を構成していなくとも、微細凹凸屈折率形状を有していれば、本発明の実施形態に含まれる。
【００１７】
以下、光学ローパスフィルタ１０１の一例として、パラメータが表１にまとめられた値（平均ピッチ＜Ｐｆ＞＝１８００ｎｍ、平均高さ＜ｈ＞＝１２００ｎｍ、屈折率ｎ＝１．５）である場合の距離Δｚ（＝１．５、５．０、１０．０μｍ）の特性について説明する。
【００１８】
図３（Ａ）は光学面１０１ａの俯瞰図、図３（Ｂ）は構成概略図である。本実施形態では、光学面１０１ａは、図３（Ａ）に示されるように、ランダムな微細凹凸屈折率形状を有するが、規則的な微細凹凸屈折率形状を有してもよい。ランダムな微細凹凸屈折率形状の平均ピッチ＜Ｐｆ＞を算出する場合、構造周波数スペクトルの重みづけ平均を用いる。構造周波数スペクトルの算出に用いる微細凹凸屈折率形状のデータは、ＸＹ方向へ１００ｎｍのメッシュに区切って取得される。
【００１９】
図４（Ａ）は、図３（Ａ）で示された光学面１０１ａの二次元フーリエ変換により得られる二次元構造周波数スペクトル、図４（Ｂ）は二次元構造周波数スペクトルの強度で重みづけを行った結果を示す。平均ピッチ＜Ｐｆ＞の算出に用いる帯域には制限を与えることとし、図４（Ｂ）に示されるスペクトルにおいて最大強度を有する周波数をｆｍａｘとしたとき、０．５ｆｍａｘから１．５ｆｍａｘの範囲のみを重みづけ平均の計算に用いる。これにより、基本構造周波数成分以外の高次の構造周波数成分を含むことなく、平均ピッチ＜Ｐｆ＞を算出することができる。本実施形態では、平均ピッチ＜Ｐｆ＞は、表１に示されるように、１８００ｎｍ（５６０／ｍ）と算出される。
【００２０】
また、平均高さ＜ｈ＞は、ＸＹ方向へ１００ｎｍのメッシュに区切って取得したデータを用いて算出される。図５は、図３（Ａ）で示された光学面１０１ａの微細凹凸屈折率形状の高さの値を１００ｎｍごとにヒストグラム化した結果を示す。平均高さ＜ｈ＞の算出に用いる帯域には、平均ピッチ＜Ｐｆ＞と同様に制限を与えることとし、ヒストグラムにおける最大頻度を有する高さをｈｍａｘとしたとき、０．５ｈｍａｘから１．５ｈｍａｘの範囲のみを重みづけ平均の計算に用いる。本実施形態では、平均高さ＜ｈ＞は、表１に示されるように、１２００ｎｍと算出される。
【００２１】
図６（Ａ）、（Ｃ）、（Ｅ）はそれぞれ絞り値Ｆｎｏが４である場合の距離Δｚが１．５、５．０、１０．０μｍにおけるスポット形状、図６（Ｂ）、（Ｄ）、（Ｆ）はそれぞれ図６（Ａ）、（Ｃ）、（Ｅ）に対応する二次元ＭＴＦ特性を示している。図７（Ａ）、（Ｃ）、（Ｅ）はそれぞれ絞り値Ｆｎｏが２である場合の距離Δｚが１．５、５．０、１０．０μｍにおけるスポット形状、図７（Ｂ）、（Ｄ）、（Ｆ）はそれぞれ図７（Ａ）、（Ｃ）、（Ｅ）に対応する二次元ＭＴＦ特性を示している。図８（Ａ）、（Ｃ）、（Ｅ）はそれぞれ絞り値Ｆｎｏが８である場合の距離Δｚが１．５、５．０、１０．０μｍにおけるスポット形状、図８（Ｂ）、（Ｄ）、（Ｆ）はそれぞれ図８（Ａ）、（Ｃ）、（Ｅ）に対応する二次元ＭＴＦ特性を示している。スポット形状は、Ｆｉｎｉｔｅ  Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ  Ｔｉｍｅ  Ｄｏｍａｉｎ（ＦＤＴＤ）シミュレーションにより取得される。ＦＤＴＤシミュレーションでは、波長λは５５０ｎｍと設定される。なお、スポット形状は、ランダム構造の局所性を反映させないようにするために、ＸＹ方向へそれぞれフィルタ位置を１５００ｎｍずつ動かして計算した９点の結果を平均化して取得される。Ｘ、Ｙ方向はそれぞれ、図６（Ａ）中の矢印で示される方向である。図６〜図８に示されるように、いずれの絞り値Ｆｎｏおよび距離Δｚの条件においても影などの弊害は発生せず、光学ローパスフィルタ１０１は光学ローパスフィルタとして機能する。
【００２２】
図９（Ａ）〜図９（Ｃ）は、二次元ＭＴＦ特性でＹ方向の値が０ｌｐ／ｍｍである場合のＸ方向の距離Δｚごとの一次元ＭＴＦ特性図である。図９（Ａ）、図９（Ｂ）、図９（Ｃ）では、絞り値はそれぞれ、２、４、８に設定されている。距離Δｚの変化に応じて、ＭＴＦ半値幅が増減する。したがって、光学ローパスフィルタ１０１の位置を調整して距離Δｚを制御することにより、光学ローパス効果の重畳量を調整することができる。また、図９に示されるように、光学ローパス効果の重畳量の絞り値Ｆｎｏへの依存性は低い。
【００２３】
図１０（Ａ）〜図１０（Ｃ）は、絞り値Ｆｎｏごとの一次元ＭＴＦ特性図である。図１０（Ａ）、図１０（Ｂ）、図１０（Ｃ）では、距離Δｚはそれぞれ、１．５、５．０、１０．０μｍに設定されている。光学ローパスフィルタに由来するＭＴＦ変化を算出するため、図１０（Ａ）〜図１０（Ｃ）では一次元ＭＴＦ特性はそれぞれの絞り値Ｆｎｏにおける回折限界のＭＴＦで割戻しを行って示されている。ただし、絞り値Ｆｎｏが８における回折限界のＭＴＦは空間周波数２００ｌｐ／ｍｍ付近でほぼ０となり、割戻しを行っても正確に光学ローパスフィルタに由来するＭＴＦ変化を算出することができない。そのため、図１０（Ａ）〜図１０（Ｃ）では、一次元ＭＴＦ特性を空間周波数１５０ｌｐ／ｍｍまでの周波数範囲に限定して示している。図１０に示されるように、いずれの距離Δｚおよび絞り値Ｆｎｏの光束においても、光学ローパスフィルタに由来するＭＴＦ変化は概ね一定となる。よって、光学ローパス効果の重畳量は、距離Δzによってのみ制御される。
【００２４】
以上説明したように、撮像装置１００は、条件式（１）を満足する画素ピッチより微細な平均ピッチの微細凹凸屈折率形状の光学面１０１ａを有する回折型の光学ローパスフィルタ１０１を有する。また、撮像装置１００は、画像センサ１０２近傍の光学ローパスフィルタ１０１の位置を調整可能な位置調整手段１０３を有する。これにより、撮像装置１００は、光学ローパスフィルタ１０１の位置と絞り値Ｆｎｏの条件により発生する弊害を抑制することができる。そのため、撮像装置１００では、ＭＴＦ可変量が制限されない。
【００２５】
ここで、図１１を参照して、条件式（１）について説明する。図１１は、距離Δｚと光束幅ｗとの関係図である。図１１（Ａ）は、特許文献１の実施例２の距離Δｚと光束幅ｗの関係図である。図中には、光学ローパスフィルタの格子ピッチＰが破線で示されている。各絞り値の光束幅ｗは、幾何光学的に算出される。各絞り値において、光束幅ｗが格子ピッチＰを下回る距離Δｚの領域が存在する。この領域では、光学ローパスフィルタは、回折を発生させず、光学ローパスフィルタとして機能しない。図１１（Ｂ）は、本実施形態の距離Δｚと光束幅ｗの関係図である。図中には、光学ローパスフィルタ１０１の平均ピッチ＜Ｐｆ＞が破線で示されている。距離Δｚは合焦点に十分近い領域であり、光束幅ｗは回折限界により広がり、ＦＤＴＤシミュレーションにより得られる電場振幅の形状から算出される。光束幅ｗは、合焦点における第一暗環に相当する幅とし、中心から周辺に向かうときに周辺規格化強度が初めて０．１となる座標による全幅と定義する。図１１（Ｃ）には、絞り値Ｆｎｏが４、距離Δｚが７．５μｍである場合の断面スポット形状と光束幅ｗの関係が示されている。図１１（Ｂ）では、絞り値Ｆｎｏが４または８である場合、回折限界に達しているため、図示する範囲では光束幅ｗは変化しない。図１１（Ｂ）では、絞り値Ｆｎｏが２、距離Δｚが１．５μｍである場合、光束幅ｗは２．７μｍと最も小さくなるが、平均ピッチ＜Ｐｆ＞（＝１８００ｎｍ）よりは大きい。
【００２６】
したがって、光学ローパスフィルタ１０１は、条件式（１）を満足する微細凹凸屈折率形状の光学面１０１ａを有することで、光学ローパスフィルタとして機能しない絞り値Ｆｎｏと光学ローパスフィルタ１０１の位置の条件を低減することができる。
【００２７】
条件式（１）は、画像センサ１０２の画素ピッチＰｓを基準とした平均ピッチ＜Ｐｆ＞の満足するべき関係を示している。条件式（１）の上限を満足することにより、光学ローパスフィルタとして正常に機能しない絞り値Ｆｎｏと光学ローパスフィルタ１０１の位置の条件を低減し、そのような条件である場合にも直接凹凸構造が影として写りこんでしまう弊害を低減する。また、条件式（１）の下限を満足することにより、可視波長帯域に対して微細凹凸屈折率形状が十分大きくなり、光学ローパス効果を重畳する回折を生じさせる。
【００２８】
また、光学ローパスフィルタ１０１が画像センサ１０２に最接近したときの光学面１０１ａと撮像面との距離ΔｚｍｉｎとセンサピッチＰｓは以下の条件式（２）を満足することが望ましい。
【００２９】
０．２≦Δｚｍｉｎ／Ｐｓ≦３．０             （２）
条件式（２）の下限を満足しない場合、光学ローパスフィルタ１０１の凹凸構造と画像センサ１０２が接触してしまうため望ましくない。条件式（２）の上限を満足しない場合、光学ローパスフィルタ１０１が画像センサ１０２に最接近した場合においてローパスレス相当のＭＴＦが実現できず、ＭＴＦ可変量を狭めてしまうため望ましくない。
【００３０】
次に、距離Δｚの変化に対するＭＴＦ敏感度の望ましい条件について説明する。絞り値Ｆｎｏによって光学ローパスフィルタ１０１に入射する光束幅が大きく変動しない回折限界付近においてＭＴＦ可変量を確保するためには、距離Δｚｍｉｎが条件式（２）を満足する他に、距離Δｚの変化に対するＭＴＦ敏感度が十分大きい必要がある。そこで、本実施形態では、以下の条件式（３）を満足することが望ましい。ｆｎｅａｒは光学ローパスフィルタ１０１が画像センサ１０２に最も近接する場合のＭＴＦ半値幅である。また、ｆｆａｒは光学ローパスフィルタ１０１が画像センサ１０２に最も近接する位置から画像センサ１０２から離れるように距離３・Ｐｓだけ移動した場合のＭＴＦ半値幅である。なお、ＭＴＦ半値幅ｆｎｅａｒ、ｆｆａｒの算出時の波長λは５５０ｎｍ、絞り値ｆｎｏは４である。
【００３１】
１．５≦ｆｎｅａｒ／ｆｆａｒ≦１５．０              （３）
条件式（３）の下限を満足しない場合、距離Δｚの変化時のＭＴＦ敏感度が低く、回折限界領域付近での駆動では十分なＭＴＦ可変量を確保できず、光束幅が絞り値Ｆｎｏによって大きく変動するため望ましくない。条件式（３）の上限を満足しない場合、位置制御に求められる精度が厳しくなり、所望の光学ローパス効果の重畳が難しくなるため望ましくない。
【００３２】
平均ピッチ＜Ｐｆ＞は、以下の条件式（４）を満足することが望ましい。
【００３３】
０．８（μｍ）≦＜Ｐｆ＞≦５．０（μｍ）     （４）
条件式（４）の下限を満足しない場合、可視光に対してサブ波長構造となり回折が生じなくなるか、回折が生じても高角度成分で光学ローパス効果を重畳することとなり、距離Δｚに対する敏感度が不必要に高まり望ましくない。条件式（４）の上限を満足しない場合、平均ピッチ＜Ｐｆ＞と画素ピッチが同等程度となり、距離Δｚと絞り値Ｆｎｏの条件によっては光学ローパス効果を安定して重畳できなかった場合に凹凸構造が写り込む可能性があるため望ましくない。
【００３４】
また、位置調整手段１０３により制御される光学面１０１ａと撮像面との距離Δｚは、以下の条件式（５）を満足することが望ましい。
【００３５】
０．３（μｍ）≦Δｚ≦４５．０（μｍ）       （５）
条件式（５）の下限を満足しない場合、光学面１０１ａの凹凸構造が画像センサ１０２と接触する可能性があるため、望ましくない。また、条件式（４）で光学ローパス効果が最小となる、平均ピッチ＜Ｐｆ＞が５．０μｍであるときに条件式（５）の上限を満足しない場合、波長λが５５０ｎｍのとき一次光の分離距離は約５μｍとなる。すなわち、画像センサの一般的な画素ピッチに対して不必要に大きくなる。さらに、距離Δｚの上限が大きくなると、光学ローパスフィルタ１０１の駆動のためのスペースを確保する必要が生じる点からも望ましくない。
【００３６】
表１で示した構成の光学ローパスフィルタ１０１を有する撮像装置１００を実現するためには、撮像装置１００に内蔵されたＣＰＵの実行する制御プログラムにより構成素子が適切に制御されることが必要である。以下、制御プログラムについて説明する。制御プログラムは、光学ローパス効果に関する設定に基づいて光学ローパスフィルタ１０１を移動させる機能を有する必要がある。制御プログラムは、上記機能を有することで、使用者の設定に応じて所望の光学ローパス効果を重畳することが可能となる。また、制御プログラムは、距離Δｚを変化させて撮影を行い、異なる光学ローパス効果が重畳された複数の撮影画像を出力する機能を有することが望ましい。また、制御プログラムは、撮影画像のモアレの強度が所定値より大きいか否かを判定し、モアレの強度が所定値より大きい場合、使用者が設定した強度以下となるように光学ローパスフィルタ１０１を移動させる機能を有することが望ましい。また、制御プログラムは、撮影前、光学ローパスフィルタ１０１の距離Δｚと絞り値Ｆｎｏの設定が所定の条件を満足するか否かを内にあるかどうかを判定させる機能を有することが望ましい。設定が条件を満足しない場合、使用者に設定を変更させる、使用者に通知を行う、または自動で所定の条件を満足するように距離Δｚと絞り値Ｆｎｏを調整を行う機能を有することがさらに望ましい。
【００３７】
本実施形態の光学ローパスフィルタ１０１の有する光学面１０１ａの微細凹凸屈折率形状は、グレースケールリソグラフィやナノインプリントで作製されることが望ましい。光学ローパスフィルタ１０１の材質は、有機材料であっても構わないが、反りや耐久性などの観点から無機材料であることがより望ましい。また、微細凹凸屈折率形状は、微粒子を分散した構造や、高強度パルスレーザー照射による屈折率変化によって形成されてもよい。
【００３８】
位置調整手段１０３は、静電・圧電・熱・電磁・流体圧など、各種方式のアクチュエータによって構成されることが望ましい。また、位置調整手段１０３の位置精度は、２００ｎｍ以下であることが望ましい。
【実施例１】
【００３９】
図１２を参照して、本実施例の撮像装置１１００について説明する。図１２は、撮像装置１１００の構成図である。撮像装置１１００は、光学ローパスフィルタ１１０１、画像センサ１１０２、位置調整手段１１０３、位置調整手段制御部１１０４および撮影レンズ１１０５を有する。また、撮像装置１１００は、ミラーユニット１１０６、測光ユニット１１０７、焦点検出ユニット１１０８、カメラＣＰＵ１１０９、メモリ１１１０および表示部１１１１を有する。さらに、撮像装置１１００は、電源スイッチ１１９１、レリーズスイッチ１１９２および光学ＬＰＦモードスイッチ（またはモードを切り替える機能）１１９３を有する。撮影レンズ１１０５は、複数のレンズ間に設置され、光量を制御する絞りを備える。ミラーユニット１１０６は、メインミラーとサブミラーにより構成され、撮影時以外は撮影レンズ１１０５によって集光された光を分岐し、ファインダユニット（不図示）、測光ユニット１１０７および焦点検出ユニット１１０８に入射させる。ただし、ファインダユニットとは異なるファインダ機能を有する構成では、必ずしもミラーユニット１１０６を備える必要はない。カメラＣＰＵ１１０９は、撮像装置１１００の動作を制御する。また、カメラＣＰＵ１１０９は、撮影時にミラーユニット１０６を移動させ、画像センサ１１０２から取得した信号に基づく画像データをメモリ１１１０に保存する。さらに、カメラＣＰＵ１１０９は、画像データを表示部１１１１に表示する。
【００４０】
以下、光学ローパスフィルタ１１０１について詳細に説明する。光学ローパスフィルタ１１０１が有する光学面のランダムな微細凹凸屈折率形状は、一様乱数に対し周波数フィルタを畳み込むことにより作成される。周波数フィルタは、以下の式（６）、（７）で表される２つのｓｉｎｃ関数ｆＨ（ｒ）、ｆＬ（ｒ）をそれぞれ定数倍した値の差分に相当する、以下の式（８）の関数ｇ（ｒ）で表される。なお、ｒは原点からの距離、α、βは定数である。
【００４１】
ｆＨ（ｒ）＝ｓｉｎ（πｒ／ＰＨ）／（πｒ／ＰＨ）    （６）
ｆＬ（ｒ）＝ｓｉｎ（πｒ／ＰＬ）／（πｒ／ＰＬ）    （７）
ｇ（ｒ）＝αｆＨ（ｒ）−βｆＬ（ｒ）         （８）
α＝∫｜ｆＨ（ｒ）｜ｄｒ                            （９）
β＝∫｜ｆＬ（ｒ）｜ｄｒ                            （１０）
図１３（Ａ）はｆＬ（ｒ）の一次元断面図、図１３（Ｂ）はｆＨ（ｒ）の一次元断面図、および図１３（Ｃ）はｇ（ｒ）の一次元断面図である。なお、ＰＨとＰＬはそれぞれ、１７００ｎｍ、１９００ｎｍである。ｓｉｎｃ関数による畳み込みは、周波数空間上ではｒｅｃｔ関数によるローパスフィルタを適用することに相当する。よって、ｓｉｎｃ関数の定数倍の差分に相当する式（３）で表される関数ｇ（ｒ）を畳み込みに用いることで、関数ｇ（ｒ）はＰＨからＰＬまでの周期成分のみを抽出するバンドパスフィルタとして機能する。図１４（Ａ）と図１４（Ｂ）はそれぞれ、被フィルタリング分布とした一様乱数による分布とその周波数特性を示している。また、図１４（Ｃ）と図１４（Ｄ）はそれぞれ、畳み込み後の微細凹凸屈折率形状とその周波数特性を示している。図１４（Ｄ）より、特定の周期成分のみが抽出され、関数ｇ（ｒ）による畳み込みがバンドパスフィルタとして機能することが判る。以上の方法により作成された、周波数帯域が制限された平均ピッチ＜Ｐｆ＞が１８００ｎｍである微細凹凸屈折率形状に対して、設定した平均高さとなるように係数を乗算した形状を、光学ローパスフィルタ１１０１の光学面に用いている。
【００４２】
撮像装置１１００のパラメータは、表１にまとめられている。Δｚｍｉｎ、Δｚｍａｘはそれぞれ、光学ローパスフィルタ１１０１の光学面と画像センサ１１０２の撮像面との間の距離のうち最小の距離と最大の距離である。平均ピッチ＜Ｐｆ＞は１８００ｎｍ、平均高さ＜ｈ＞は１２００ｎｍ、画素ピッチＰｓは４５００ｎｍ、屈折率ｎは１．５であり、条件式（１）、（２）、（４）、（５）を満足している。
【００４３】
本実施例の構成では、図６〜図８に示されるように、いずれの絞り値Ｆｎｏおよび距離Δｚの条件においても影などの弊害は発生せず、光学ローパスフィルタ１１０１は光学ローパスフィルタとして機能する。
【００４４】
また、図９に示されるように、距離Δｚを制御することで、連続的に光学ローパス効果の重畳量を調整することができるため、使用者の設定した所望の光学ローパス効果を重畳することが可能である。
【００４５】
また、距離Δｚｍｉｎが１．５μｍにおけるＭＴＦの半値幅がｆｎｅａｒに相当し、画素ピッチＰｓが４．５μｍから距離Δｚが１５μｍにおけるＭＴＦの半値幅がｆｆａｒに相当する。図９より、ＭＴＦ半値幅ｆｎｅａｒ、ｆｆａｒはそれぞれ、１３７ｌｐ／ｍｍ、４０ｌｐ／ｍｍであり、ｆｎｅａｒ／ｆｆａｒが３．４と求まり、条件式（３）を満足する。
【００４６】
以上説明したように、本実施例の撮像装置１１００は、光学ローパスフィルタ１１０１の位置と絞り値Ｆｎｏの条件により発生する弊害を抑制することができる。そのため、撮像装置１１００は、所望の光学ローパス効果が重畳された画像を取得することができる。
【実施例２】
【００４７】
本実施例では、実施例１の撮像装置１１００を制御するためのプログラムについて説明する。図１５、１６は、制御プログラム内の処理を示すフローチャートである。なお、本実施例では、カメラＣＰＵ１１０９が実行するプログラムにより撮像装置１１００を制御するが、撮像装置１１００とは異なる装置やコンピュータが実行するプログラムにより撮像装置１１００を制御してもよい。
【００４８】
ステップＳ２０１０では、カメラＣＰＵ１１０９は、電源スイッチ１１９１が操作されて電源ＯＮが指示されたか否かを判定する。カメラＣＰＵ１１０９は、電源ＯＮが指示された場合ステップＳ２０２０に進み、電源ＯＮが指示されていない場合ステップＳ２０１０へのループを繰り返す。
【００４９】
ステップＳ２０２０では、カメラＣＰＵ１１０９は、位置調整手段制御部１１０４を介して位置調整手段１１０３を制御することにより、光学ローパスフィルタ（図中では光学ＬＰＦと記す）１１０１を位置１に移動させる。位置１は、光学ローパスフィルタ１１０１の駆動域のうち最も画像センサ１１０２に近い位置、つまり距離Δｚｍｉｎとなる位置に相当する。
【００５０】
ステップＳ２０３０では、カメラＣＰＵ１１０９は、レリーズスイッチ１１９２の半押し操作によりＳＷ１＿ＯＮ信号が入力されたか否かを判定する。カメラＣＰＵ１１０９は、ＳＷ１＿ＯＮ信号が入力された場合ステップＳ２０４０に進み、ＳＷ１＿ＯＮ信号が入力されない場合ステップＳ２０３０へのループを繰り返す。
【００５１】
ステップＳ２０４０では、カメラＣＰＵ１１０９は、測光ユニット１１０７に測光動作を行わせるとともに、焦点検出ユニット１１０８にＡＦ動作を行わせる。測光動作は、測光センサを兼ねる画像センサ１１０２に行わせてもよい。また、カメラＣＰＵ１１０９は、絞り値Ｆｎｏを取得する。
【００５２】
ステップＳ２０５０では、カメラＣＰＵ１１０９は、光学ＬＰＦモードスイッチ１１９３が「光学ＬＰＦ＿ＯＦＦ」モードに設定されているか否かを判定する。カメラＣＰＵ１１０９は、「光学ＬＰＦ＿ＯＦＦ」モードが設定されていない場合ステップＳ２０６０に進み、「光学ＬＰＦ＿ＯＦＦ」モードが設定されている場合ステップＳ２３００に進む。
【００５３】
ステップＳ２０６０では、カメラＣＰＵ１１０９は、光学ＬＰＦモードスイッチ１１９３が「光学ＬＰＦ＿固定」モードに設定されているか否かを判定する。カメラＣＰＵ１１０９は、「光学ＬＰＦ＿固定」モードが設定されていない場合ステップＳ２０７０に進み、「光学ＬＰＦ＿固定」モードが設定されている場合ステップＳ２１００に進む。
【００５４】
ステップＳ２１００では、カメラＣＰＵ１１０９は、プリセットされた「強め、普通、弱め」などの光学ローパス効果の重畳量に応じて、位置調整手段１１０３により光学ローパスフィルタ１１０１を特定位置（位置２）に移動させる。「光学ＬＰＦ＿固定」モードでは、使用者はあらかじめプリセットされた光学ローパス効果の重畳量から所望の重畳量を選択しておく必要がある。このモードでは光学ローパスフィルタ１１０１の位置演算を行わず、複数回の撮影を行わないため、撮影時間を短縮することができる。
【００５５】
ステップＳ２０７０では、カメラＣＰＵ１１０９は、光学ＬＰＦモードスイッチ１１９３が「光学ＬＰＦ＿最適」モードに設定されているか否かを判定する。カメラＣＰＵ１１０９は、「光学ＬＰＦ＿最適」モードが設定されていない場合図１６（Ｂ）に示される「光学ＬＰＦ＿連続」モードの処理が実行され、「光学ＬＰＦ＿最適」モードが設定されている場合ステップＳ２２００に進む。
【００５６】
ステップＳ２２００では、カメラＣＰＵ１１０９は、図１６（Ａ）に示される最適化処理を実行する。ステップＳ２２１０では、カメラＣＰＵ１１０９は、撮像装置１１００に光学ローパスフィルタ１１０１の位置が位置１である場合の撮影を実行させ、撮影画像を取得する。ステップＳ２２２０では、カメラＣＰＵ１１０９は、事前に使用者が設定した偽色モアレの許容値（所定値）を下回るか否かを判定する。カメラＣＰＵ１１０９は、下回る場合最適化処理を終了し、ステップＳ２３００に進み、下回らない場合ステップＳ２２３０に進む。ステップＳ２２３０では、カメラＣＰＵ１１０９は、実際の偽色モアレの値と使用者が事前に設定した偽色モアレの許容値との差分だけ光学ローパスフィルタ１１０１を撮像面から離れる方向へ移動させる。「光学ＬＰＦ＿最適」モード内では、カメラＣＰＵ１１０９は、事前に使用者が設定した偽色モアレの許容値を下回るまで上記処理を行い、光学ローパスフィルタ１１０１を最適位置で停止させる。
【００５７】
絞り値が明るい（例えば、絞り値Ｆｎｏが２よりも明るい）設定において、光学ローパスフィルタ１１０１を画像センサ１１０２に近接させた場合、光束幅が平均ピッチより小さくなり、光学ローパス効果を正常に重畳できない条件が存在する。そこで、ステップＳ２３００では、カメラＣＰＵ１１０９は、設定された光学ローパスフィルタ１１０１の位置と絞り値Ｆｎｏにおいて、光学ローパスフィルタ１１０１が安定して機能するか否かを判定する。具体的には、カメラＣＰＵ１１０９は、現在の光学ローパスフィルタ１１０１の位置と絞り値Ｆｎｏの設定が、あらかじめ規定している安定機能条件を満足するか否かを判定する。カメラＣＰＵ１１０９は、設定が条件を満足する場合ステップＳ２４００に進み、満足しない場合ステップＳ２３１０に進む。
【００５８】
ステップＳ２３１０では、カメラＣＰＵ１１０９は、使用者に設定の変更を促すために設定が安定機能条件を満足しないことを通知した後、ステップＳ２０４０に戻る。なお、カメラＣＰＵ１１０９は、使用者に設定が安定機能条件を満足しないことを通知するだけでステップＳ２０４０に戻らずに、光学ローパスフィルタ１１０１の位置や絞り値Ｆｎｏを安定機能条件を満足するように自動で変更してもよい。
【００５９】
ステップＳ２４００では、カメラＣＰＵ１１０９は、レリーズスイッチ１１９２の全押し操作によりＳＷ２＿ＯＮ信号が入力されたか否かを判定する。カメラＣＰＵ１１０９は、ＳＷ２＿ＯＮ信号が入力された場合ステップＳ２４１０に進み、ＳＷ２＿ＯＮ信号が入力されない場合ステップＳ２４１０へのループを繰り返す。
【００６０】
ステップＳ２４１０では、カメラＣＰＵ１１０９は、撮像装置１１００に撮影を実行させる。
【００６１】
ステップＳ２４２０では、カメラＣＰＵ１１０９は、ステップＳ２４１０での撮影により画像センサ１１０２から得られた出力信号を用いて記録用画像を生成する。また、カメラＣＰＵ１１０９は、記録用画像をメモリ１１１０に記録するとともに、表示部１１１１に表示する。
【００６２】
図１６（Ｂ）に示される「光学ＬＰＦ＿連続」モードにおける処理では、ステップＳ２４１０とステップＳ２４２０に相当する撮像・記録・表示動作の代わりに、カメラＣＰＵ１１０９はステップＳ２５１０からステップＳ２５６０の処理を行う。「光学ＬＰＦ＿連続」モードでは、あらかじめユーザーが光学ローパス効果の強度を複数選択しておく必要がある。強度が弱い順から、それぞれ光学ローパス効果１、２、・・・とし、設定した強度の総数をＮとする。
【００６３】
ステップＳ２５１０では、カメラＣＰＵ１１０９は、レリーズスイッチ１１９２の全押し操作によりＳＷ２＿ＯＮ信号が入力されたか否かを判定する。カメラＣＰＵ１１０９は、ＳＷ２＿ＯＮ信号が入力された場合ステップＳ２５２０に進み、ＳＷ２＿ＯＮ信号が入力されない場合ステップＳ２５１０へのループを繰り返す。ステップＳ２５２０では、カメラＣＰＵ１１０９は、ＳＷ２＿ＯＮ信号の入力後の撮影回数がｉ回目である場合、光学ローパス効果（ｉ＋１）に相当する位置に光学ローパスフィルタ１１０１を移動させる。ステップＳ２５３０では、カメラＣＰＵ１１０９は、撮像装置１１００に撮影を実行させる。ステップＳ２５４０では、カメラＣＰＵ１１０９は、ステップＳ２５３０での撮影により画像センサ１１０２から得られた出力信号を用いて記録用画像を生成する。また、カメラＣＰＵ１１０９は、記録用画像をメモリ１１１０に記録する。ステップＳ２５５０では、カメラＣＰＵ１１０９は、撮像回数ｉがＮ回に達したか否かを判定する。カメラＣＰＵ１１０９は、撮影回数ｉがＮに達した場合ステップＳ２５６０に進み、達していない場合ステップＳ２５２０に戻る。ステップＳ２５６０では、カメラＣＰＵ１１０９は、記録用画像を表示部１１１１に表示する。ステップＳ２５７０では、カメラＣＰＵ１１０９は、光学ローパスフィルタ１１０１を位置１まで戻し、ステップＳ２４３０に進む。
【００６４】
ステップＳ２４３０では、カメラＣＰＵ１１０９は、レリーズスイッチ１１９２の全押し操作によりＳＷ２＿ＯＮ信号の入力が継続しているか否かを判定する。カメラＣＰＵ１１０９は、ＳＷ２＿ＯＮ信号の入力が継続している場合ステップＳ２０５０に戻り、ＳＷ２＿ＯＮ信号の入力が継続していない場合ステップＳ２４４０に進む。
【００６５】
ステップＳ２４４０では、カメラＣＰＵ１１０９は、レリーズスイッチ１１９２の半押し操作によりＳＷ１＿ＯＮ信号が入力されているか否かを判定する。カメラＣＰＵ１１０９は、ＳＷ１＿ＯＮ信号が入力されている場合ステップＳ２０４０に戻り、ＳＷ１＿ＯＮ信号が入力されていない場合ステップＳ２４５０に進む。
【００６６】
ステップＳ２４５０では、カメラＣＰＵ１１０９は、電源スイッチ１１９１が操作されて電源ＯＦＦが指示されたか否かを判定する。カメラＣＰＵ１１０９は、電源ＯＦＦが指示されていない場合ステップＳ２０２０に戻り、電源ＯＦＦが指示された場合電源ＯＦＦのための動作を行う。
【００６７】
以上説明したように、本実施例のプログラムにより実施例１の撮像装置１１００が適切に制御され、使用者の所望の光学ローパス効果が適切に重畳される撮影が可能となる。
［比較例１］
【００６８】
本比較例の光学ローパスフィルタを有した撮像装置について説明する。本比較例の撮像装置の構成は実施例１の撮像装置１１００の構成と同様であり、光学ローパスフィルタの構造および駆動域が異なる。本比較例の撮像装置における各パラメータを表２に示す。本比較例の撮像装置は、表２に示されるように、条件式（１）、（２）、（４）、（５）を満足していない。
【００６９】
図１７は、本比較例の撮像装置における光学ローパスフィルタの概略図である。本比較例の光学ローパスフィルタは、格子ピッチＰｆが５００μｍ、構造高さ（最大高さ）ｈが５００ｎｍ、格子幅ｄが２５０μｍ、屈折率ｎが１．５の正方規則格子構造を有する。また、光学ローパスフィルタの駆動域は３００〜２５００μｍである。
【００７０】
図１１（Ａ）は、本比較例における光学ローパスフィルタと画像センサとの間の距離Δｚと光束幅ｗの関係図である。各絞り値において、光束幅ｗが凹凸ピッチＰｆを下回る距離Δｚの領域が存在する。この領域では、光学ローパスフィルタは、回折を発生させず、光学ローパスフィルタとして機能しない。
【００７１】
次に、本比較例における条件式（３）について考える。画素ピッチＰｓを４５００ｎｍとした場合、距離Δｚが３００μｍにおけるＭＴＦ半値幅がｆｎｅａｒに相当し、距離Δｚが３１３．５μｍにおけるＭＴＦ半値幅がｆｆａｒに相当する。回折光は一次光のみに集中していると仮定した場合、距離Δｚがそれぞれ３００ｎｍと３１３．５μｍの移動における可視波長帯の分離距離は１割未満に留まり、この分離距離の変化分で条件式（３）の下限を満足することはない。条件式（３）を満足しない場合、距離Δｚ変化時のＭＴＦ敏感度が低く、回折限界領域付近での駆動では十分なＭＴＦ可変量を確保できず、光学ローパスフィルタが安定機能しない。
【００７２】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。
【００７３】
【表１】
2018078506.tif 000003
【００７４】
【表２】
2018078506.tif 000004
【符号の説明】
【００７５】
１００    撮像装置
１０１    光学ローパスフィルタ
１０１ａ  光学面
１０２    画像センサ（撮像素子）
１０３    位置調整手段
【図１】
2018078506.tif 000005
【図２】
2018078506.tif 000006
【図３】
2018078506.tif 000007
【図４】
2018078506.tif 000008
【図５】
2018078506.tif 000009
【図６】
2018078506.tif 000010
【図７】
2018078506.tif 000011
【図８】
2018078506.tif 000012
【図９】
2018078506.tif 000013
【図１０】
2018078506.tif 000014
【図１１】
2018078506.tif 000015
【図１２】
2018078506.tif 000016
【図１３】
2018078506.tif 000017
【図１４】
2018078506.tif 000018
【図１５】
2018078506.tif 000019
【図１６】
2018078506.tif 000020
【図１７】
2018078506.tif 000021