(57)【要約】【課題】２枚の光学部材からなる光学式ローパスフィルタであって、３枚の光学部材からなる光学式ローパスフィルタ並みの高い光学性能を有する光学式ローパスフィルタおよび該光学式ローパスフィルタを備えた撮像光学系を提供すること。【解決手段】光学式ローパスフィルタは、画素が少なくとも水平方向に規則的に配列された固体撮像素子に用いられる光学式ローパスフィルタであって、第一の複屈折板と第二の複屈折板から構成され、第一の複屈折板に入射する光線の分離方向と第二の複屈折板に入射する光線の分離方向とがなす角をθｓとすると、以下の条件（１）を満たす構成とした。４５°＜θｓ＜９０°・・・（１）【選択図】　　　図２
2004126384.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
画素が２次元に規則的に配列された固体撮像素子に用いられる光学式ローパスフィルタであって、
第一の複屈折板と第二の複屈折板から構成され、
第一の複屈折板の光線分離方向と第二の複屈折板の光線分離方向とがなす角をθｓとすると、以下の条件（１）
４５°＜θｓ＜９０°・・・（１）
但し、θｓは、第一の複屈折板に入射する光線の水平方向に対する分離方向をθ１、第二の複屈折板に入射する光線の前記水平方向に対する分離方向をθ２とすると、｜θ１−θ２｜で求められる。
を満たすことを特徴とする光学式ローパスフィルタ。
【請求項２】
請求項１に記載の光学式ローパスフィルタにおいて、
前記角θｓは、さらに、以下の条件（２）
５０°≦θｓ≦６０°・・・（２）
を満たすことを特徴とする光学式ローパスフィルタ。
【請求項３】
画素が少なくとも水平方向に規則的に配列された固体撮像素子と、
前記固体撮像素子に像を形成させる撮影レンズと、
光路上、前記固体撮像素子と前記撮影レンズとの間に配設される、請求項１または請求項２に記載の光学式ローパスフィルタと、を有し、
前記光学式ローパスフィルタは、前記水平方向を基準として光軸回りに所定の角度回転した状態で配設されることを特徴とする撮像光学系。
【請求項４】
請求項３に記載の撮像光学系において、
前記固体撮像素子の各画素が水平方向および垂直方向に規則的に配列されている場合、前記所定の角度Δθは、以下の式（３）、
Δθ＝｜（９０−θｓ）／２｜・・・（３）
によって求められることを特徴とする、撮像光学系。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、複屈折板を２枚貼り合せた構成の光学式ローパスフィルタ、および該光学式ローパスフィルタを備えた撮像光学系に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、銀塩フィルムに変わり、ＣＣＤ等の固体撮像素子で撮影した画像を電気信号に変換し、メモリ等に記録するデジタルカメラが普及している。デジタルカメラのように、縦横とも規則的に画素が配列されたＣＣＤ等を撮像面として使用する場合、隣り合う画素の中心間の距離（以下、画素ピッチという）よりも細かい画像の成分（高周波数成分）が撮像面に入射するとモアレ現象や偽色現象等の不都合が生じて画質の低下を招いてしまう。
【０００３】
上記諸現象を防ぐため、従来、撮影レンズとＣＣＤ等の撮像面との間に光学式ローパスフィルタ（以下、ＬＰＦ（Ｌｏｗ　Ｐａｓｓ　Ｆｉｌｔｅｒ）という）を設けることにより、上記高周波数成分を除去している。
【０００４】
従来、３枚の複屈折板を貼り合せたＬＰＦや、２枚の複屈折板の間に所定の波長板を挟んだ状態で貼り合わせたＬＰＦが知られている。このような３枚の光学素子から構成されるＬＰＦは、入射する一本の光線を、水平方向（または垂直方向）に分離した後さらに垂直方向（または水平方向）に分離して計４本の光線にする性質を有する。つまり、ＬＰＦから射出される４本の各光線に対応する点像は、それぞれ撮像面において略正方形の４角に対応する位置に形成される。各点像間の距離はＬＰＦの厚みに依存する。
【０００５】
なお本明細書では、説明の便宜上、ＬＰＦに入射する光束のうち、特定の光線について説明を行う。また本明細書においては、説明の便宜上、光路上、ＬＰＦの後方に配設される長方形撮像素子の長辺方向のことを水平方向といい、該長方形撮像素子の短辺方向のことを垂直方向という。例えば、ＬＰＦおよび長方形撮像素子をデジタルカメラに組み込んだ場合、該デジタルカメラの通常使用状態におけるカメラボディの幅方向が水平方向であり、該カメラボディの高さ方向が垂直方向である。
【０００６】
従来の３枚構成のＬＰＦを用いた場合、ＬＰＦに入射する光線が、自然光のように、特定の方向に偏光していない光線であれば、４本の各光線に対応する点像の光強度比は全て均一になり、さらに余分な高周波数成分を画像の水平方向、垂直方向で差を生じることなく略均一に除去することができる。この点につき、図１０を示しつつ詳述する。
【０００７】
図１０は、上記３枚構成のＬＰＦの効果を示すＭＴＦ（Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ　Ｔｒａｎｓｆｅｒ　Ｆｕｎｃｔｉｏｎ）のマップである。図１０中、縦軸と横軸の値はそれぞれ空間周波数成分を規格化した値である。なお縦軸は水平方向（Ｘ方向）の空間周波数成分を表し、横軸は垂直方向（Ｙ方向）の空間周波数成分を表す。また、図１０において、光の成分を通す割合が最も高い領域（ＭＴＦ値が０．８〜１）を領域Ａとし、以下ＭＴＦ値が高い領域から順に、領域Ｂ（ＭＴＦ値が０．６〜０．８）、領域Ｃ（ＭＴＦ値が０．４〜０．６）、領域Ｄ（ＭＴＦ値が０．２〜０．４）とする。そしてＭＴＦ値が０〜０．２であってほとんど光の成分を通すことがない領域を領域Ｅと設定している。以下に説明する各図に示すＭＴＦマップにおいても同様である。
【０００８】
図１０に示すように、３枚構成のＬＰＦは、領域Ｅが比較的広い面積を有しており、規格化された空間周波数「±０．４」よりも高い周波数の成分を抑制する性能が比較的高いことがわかる。このようにＬＰＦにおいて、高周波数成分を除去しモアレ現象等を抑える性能をカットオフ性能という。
【０００９】
また図１０に示す３枚構成のＬＰＦにおいて、少なからず光の成分を通す領域である領域Ａ〜領域Ｄは、水平方向および垂直方向、どちらの方向にも略均一な広がり方をしている。従って、どちらの方向に対しても略同一の空間周波数から高い周波数の成分を除去することができるため、どちらの方向に対しても略均一なボケが得られる。このようにＬＰＦにおいて、少なからず光の成分を通す領域Ａ〜Ｄの広がり方をカットオフの方向性という。３枚構成のＬＰＦは、カットオフの方向依存性が極めて少ないといえる。
【００１０】
上記の性能を備える３枚構成のＬＰＦを使用すれば、高周波数成分を良好に抑制することができる。しかし、複屈折板や波長板は高価であるため、３枚構成のＬＰＦは、装置全体のコスト高の要因となっていた。
【００１１】
そこで、近年コストを抑えることを目的として、２枚の光学部材（複屈折板）からなるＬＰＦが普及しつつある。２枚構成のＬＰＦは、以下の特許文献１に開示される。
【００１２】
【特許文献１】特許第２５０７０４１号
【００１３】
特許文献１に開示される２枚構成のＬＰＦは、入射する一本の光線を、水平方向（または水平方向から４５°傾いた方向）に分離した後さらに水平方向から４５°傾いた方向（または水平方向）に分離して計４本の光線にする性質を有する。つまり、該ＬＰＦから射出される４本の各光線の点像は、それぞれ撮像面において略平行四辺形の４角に対応する位置に形成される。なお、光線の分離方向を水平方向および水平方向から４５°傾いた方向に設定するのは、３枚構成のＬＰＦ使用時と同様に、４つの点像の光強度比を全て均一にするためである。
【００１４】
図１１は、上記２枚構成のＬＰＦの効果を示すＭＴＦのマップである。図１１に示すように２枚構成のＬＰＦは領域Ｅが広い面積を有するため、カットオフ性能は高い。しかし、領域Ａ〜領域Ｄは、水平方向および垂直方向共に空間周波数が「０」である位置を基準とすると、所定の方向（図１１中、矢印ＰＬ方向）には大きく広がっているものの、該所定の方向と直交する方向（図１１中、矢印ＰＳ方向）には広がり具合が小さい。そのため、２枚構成のＬＰＦは、ＰＬ方向に対するボケの度合いよりもＰＳ方向のボケの度合いのほうが大きくなり、いわゆるカットオフの方向性がかなり悪い状態にある。このように、２枚構成のＬＰＦは、高いカットオフ性能を有しているにもかかわらず、方向性が悪いため、方向によって解像度が異なった不自然な像が形成されるといった画質の低下を招くおそれがあった。なお、本明細書では、ＭＴＦマップを参照するにあたり、ＭＴＦの各領域の広がり具合が大きい方向をＰＬ方向といい、広がり具合が小さい方向をＰＳ方向という。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
そこで本発明は上記の事情に鑑み、２枚の光学部材からなるＬＰＦであって、３枚の光学部材からなるＬＰＦ並みの高い光学性能を有するＬＰＦおよび該ＬＰＦを備えた撮像光学系を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
このため、請求項１に記載のＬＰＦは、画素が２次元に規則的に配列された固体撮像素子に用いられるＬＰＦであって、第一の複屈折板と第二の複屈折板から構成され、第一の複屈折板に入射する光線の分離方向と第二の複屈折板に入射する光線の分離方向とがなす角をθｓとすると、以下の条件（１）を満たすことを特徴とする。
４５°＜θｓ＜９０°・・・（１）
但し、θｓは、第一の複屈折板に入射する光線の前記水平方向に対する分離方向をθ１、第二の複屈折板に入射する光線の前記水平方向に対する分離方向をθ２とすると、｜θ１−θ２｜で求められる。
【００１７】
請求項１に記載のＬＰＦによれば、２枚構成であっても、カットオフ性能および方向性が良いＬＰＦが提供される。
【００１８】
さらに請求項２に記載のＬＰＦによれば、角θｓは、以下の条件（２）を満たすことが好ましい。
５０°≦θｓ≦６０°・・・（２）
【００１９】
請求項２に記載のＬＰＦによれば、２枚構成であっても、３枚構成のＬＰＦにより近い性能のＬＰＦが提供される。
【００２０】
ここで、第一の複屈折板の厚みと第二の複屈折板の厚みとの比は、固体撮像素子の一画素の水平方向における長さと垂直方向における長さによって決定することができる。これにより、正方形状の画素を備える固体撮像素子だけでなく、長方形状の画素を備える固体撮像素子にも対応した高周波数成分除去性能を有するＬＰＦが提供される（図９参照）。例えば、一画素の水平方向における長さと垂直方向における長さが略同一であるとき、第一の複屈折板の厚みと第二の複屈折板の厚みの比は１：１にするとよい。
【００２１】
また、請求項３に記載の撮像光学系は、固体撮像素子に像を形成させる撮影レンズと、光路上、固体撮像素子と撮影レンズとの間に配設される、請求項１から請求項５のいずれかに記載の光学式ローパスフィルタとを有し、光学式ローパスフィルタは、水平方向を基準として光軸回りに所定の角度回転した状態で配設されることを特徴とする。
【００２２】
請求項３に記載の構成のようにＬＰＦをＣＣＤの水平方向に対して所定角度回転させて配設することにより、人にとって画質の劣化を感じさせる要因である水平方向および垂直方向における高周波数成分を有効に除去することができる。
【００２３】
請求項４に記載の撮像光学系によれば、固体撮像素子の各画素が水平方向および垂直方向に規則的に配列されている場合、所定の角度Δθは、以下の式（３）によって求めることができる。
Δθ＝｜（９０−θｓ）／２｜・・・（３）
【００２４】
請求項４に記載の撮像光学系によれば、ＬＰＦにおける光の成分を通すＭＴＦ領域の広がり方向およびこれと直交する方向を、一画素における対角方向に略一致させることができる。つまり、水平方向と垂直方向には方向性の高いＭＴＦ領域が位置することになり、水平方向および垂直方向における高周波数成分を有効に除去することができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の撮像光学系１００の概略構成を表す図である。撮像光学系１００は、例えば、一眼レフのデジタルカメラ等に使用される。撮像光学系１００は、被写体からの光線が入射する順に、撮影レンズ群３０、ＬＰＦ１０、ＣＣＤ２０を有する。ＬＰＦ１０は、撮影レンズ群３０を透過した光線が入射する順に第一の複屈折板１、第二の複屈折板２が互いに貼り合わされて構成される。ＣＣＤ２０は、画素が水平方向（図１中、Ｘ方向）および垂直方向（図１中、Ｙ方向）に規則的に配列されている。
【００２６】
図１に示すように、被写体からの光線は、撮影レンズ３０を介してＬＰＦ１０に入射する。ＬＰＦ１０は、後述する特徴を有しており、高周波数成分を抑制しつつ入射光線を４本の光線に分離する。該４本の光線は、ＬＰＦ１０から射出された後、図示しない赤外カットフィルタを介してＣＣＤ２０の互いに隣り合う画素に入射する。以下、ＬＰＦ１０の特徴について詳述する。
【００２７】
図２は、２枚の複屈折板１、２から構成されるＬＰＦ１０に関し、第一の複屈折板１に入射する光線の分離方向と第二の複屈折板に入射する光線の分離方向とがなす角（以下、本明細書では分離角という）θｓと、ＬＰＦ１０のカットオフ性能およびカットオフの方向性との関係を表すグラフである。図２中、横軸が分離角θｓを表し、縦軸がカットオフ性能およびカットオフの方向性の高さを表す。また、同図中、カットオフ性能は実線で表し、方向性は破線で表す。なお、第一の複屈折板１に入射する光線の水平方向に対する分離方向をθ１、第二の複屈折板に入射する光線の水平方向に対する分離方向をθ２とすると、分離角θｓは、
θｓ＝｜θ１−θ２｜
で求められる。
なお、便宜上、分離角θｓは、０°から９０°の間の値を採るものとする。
【００２８】
図２に示すように、２枚の複屈折板１、２で構成されるＬＰＦ１０のカットオフ性能は、分離角θｓを０°から大きく設定するにつれ徐々に高くなる。そして該カットオフ性能は、分離角θｓが４５°のときに最も高くなり、その後徐々に低くなっていく。ＬＰＦ１０のカットオフの方向性は、分離角θｓを０°から大きく設定するにつれて徐々に高くなる。
【００２９】
特許文献１に開示されるＬＰＦに代表されるような従来の２枚構成のＬＰＦは、図２に示すカットオフ性能の高さに鑑み、分離角θｓを４５°に設定している。しかし、分離角θｓを４５°に設定するとカットオフの方向性が十分に高くないため、結果として画質の低下は免れないという欠点がある。
【００３０】
ここで、上記のような従来の２枚構成のＬＰＦの欠点であった方向性を向上させるためには、分離角θｓを方向性が良くなる４５°よりも大きい値に設定すればよいことが図２から導き出される。すなわち、分離角θｓは以下の条件（１）を満たすように設定すればよい。
４５°＜θｓ＜９０°・・・（１）
【００３１】
条件（１）において、分離角θｓが下限以下になるとカットオフ性能および方向性共に悪化するため好ましくない。また、分離角θｓが上限と同一（つまり９０°）ではＬＰＦ１０から射出される４本の光線によってＣＣＤ２０の撮像面に形成される４つの点像のうち２つは光強度が０となってしまい、２次元のカットオフ性能が略無い状態になってしまうため好ましくない。
【００３２】
さらに、図２に示すように、カットオフ性能は、分離角θｓが４５°を越えてもしばらくは高く維持される。そこで、カットオフ性能と方向性のバランスが取れ、全体的に高性能なＬＰＦを実現するためには、分離角θｓが以下の条件（２）を満たすように設定する。
５０°≦θｓ≦６０°・・・（２）
【００３３】
以下、図３から図５を参照しつつ、分離角θｓが上記条件（２）を満たすように設定されたＬＰＦ１０を３例示す。図３は、分離角θｓを５０．７７°に設定したＬＰＦ１０の効果を示すＭＴＦのマップである。図４は、分離角θｓを５４．７４°に設定したＬＰＦ１０の効果を示すＭＴＦのマップである。図５は、分離角θｓを６０°に設定したＬＰＦ１０の効果を示すＭＴＦのマップである。
【００３４】
図３から図５に示すように、分離角θｓが大きく設定されるにつれ、領域Ａ〜領域ＤのＰＬ方向への広がり具合とＰＳ方向への広がり具合との差が小さくなっていくのがわかる。つまり図２に示すように方向性が良くなっていく。また、分離角θｓが大きく設定されるにつれ、領域Ｅの面積が徐々に小さくなっていくこともわかる。つまり図２に示すように、カットオフ性能は徐々に低下していく。
【００３５】
従って、ＬＰＦ１０は、配設される撮像光学系１００に入射する光の成分や撮影レンズ群３０の性能に応じて最も優れた画像を生成するように分離角θｓの値を設定するのが良い。この角度は実写を官能的に評価してきまることとなる。
【００３６】
次に、条件（２）を満たすＬＰＦ１０の性能について具体的に説明する。ここでは、条件（２）を満たすＬＰＦの中でも、最もカットオフ性能と方向性のバランスが取れている分離角θｓが５４．７４°のＬＰＦ１０（図４参照）について説明する。但し、以下の説明は、分離角θｓが条件（２）を満たすのであればどのＬＰＦもおよそ近似する性能を有している。
【００３７】
図６は実際のローパスフィルタのＭＴＦマップ設計例である。図４に対してスケーリングと回転が加えてある。一般に、人の眼は、原因で画素における水平方向または垂直方向における高周波数成分をノイズとして認識する傾向がある。そして人は、該ノイズを認識すると画質が劣化していると判断することが多い。よって水平方向の高周波成分と垂直方向の高周波数成分をともに略均一に除去するために、本実施形態の撮像光学系１００では、分離角θｓが５４．７４°のＬＰＦ１０は、ＰＬ方向とＰＳ方向をそれぞれ一画素の対角方向と略一致するように光軸回りに所定角度回転した状態で配設される。このように方向性の不均一なＰＬ、ＰＳの各方向を一画素の対角方向と略一致させることにより、水平方向および垂直方向におけるボケの度合いの均一化を図ることができる。
【００３８】
ここで、所定角度Δθは、以下の式（３）によって算出される。
Δθ＝｜（９０−θｓ）／２｜・・・（３）
ＬＰＦ１０は、分離角θｓが５４．７４°に設定されているため、式（３）より、所定角度Δθは、１７．６３°と求められる。つまり、図６に示すＭＴＦのマップは、図４に示すＭＴＦのマップを１７．６３°回転して、実際のＬＰＦに対応するスケールで一部を抽出したものである。
【００３９】
図７は、従来の３枚構成ＬＰＦのＭＴＦマップ設計例である。また、図８は、従来の分離角θｓを４５°に設定した２枚構成のＬＰＦのＭＴＦマップ設計例である。
【００４０】
図６に示すＭＴＦマップと図７や図８に示す従来のＬＰＦに関するＭＴＦマップを比較すると、分離角θｓが５４．７４°のＬＰＦ１０における領域Ｅの面積は、図８に示す領域Ｅよりは小さいが図７に示す領域Ｅ程度の広さを備えている。また、分離角θｓが５４．７４°のＬＰＦ１０における領域Ａ〜Ｄの形状は、図７により近い形状、つまり図８に示す領域Ａ〜Ｄよりもより円形状に近い形状を有している。以上の比較より、分離角θｓが５４．７４°のＬＰＦ１０は、２枚構成であるにもかかわらず、従来の３枚構成のＬＰＦに近いカットオフ性能と方向性を有していることがわかる。つまりＬＰＦ１０は、従来の２枚構成のＬＰＦ（分離角θｓ＝４５°）よりもより効果的に高周波数成分を除去できることがわかる。
【００４１】
以上が本発明の実施形態である。本発明は上記実施形態に限定されるものではなく以下に例示する変形が可能である。
【００４２】
例えば、上記の説明では、便宜上、一画素における水平方向の長さと垂直方向の長さの比を１：１と想定している。そのため、第一の複屈折板１の厚みと第二の複屈折板２の厚みとの比も１：１に設定している。ここで、ＬＰＦ１０を構成する第一の複屈折板１の厚みと第二の複屈折板２の厚みとの比は、ＣＣＤ２０の一画素における水平方向の長さと垂直方向の長さの比によって決定される。そのため、近年デジタルビデオカメラ等で使用される、水平方向の長さと垂直方向の長さが異なる画素からなるＣＣＤ用のＬＰＦは、該画素の長さに応じて第一の複屈折板１の厚みと第二の複屈折板２の厚みとの比を設定すればよい。図９は、分離角θｓは５４．７４°であるが、第一の複屈折板１の厚みと第二の複屈折板２の厚みとの比を１：１．５に設定したＬＰＦの効果を示すＭＴＦのマップである。図９に示すように、ＬＰＦ１０は、第一の複屈折板１の厚みと第二の複屈折板２の厚みの比を変えることにより、水平方向の長さと垂直方向の長さが異なる画素に対応した形状の領域Ａ〜Ｄを有することができる。
【００４３】
【発明の効果】
上述の通り本発明のＬＰＦは、２枚の光学部材から構成されるＬＰＦであっても、分離角を所定の角度範囲内に設定することにより、高周波数成分を有効に除去することができる３枚の光学部材からなるＬＰＦに近い光学性能を有することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の撮像光学系の概略構成図である。
【図２】２枚の光学部材からなるＬＰＦの分離角とカットオフ性能および方向性との関係を表すグラフである。
【図３】分離角を５０．７７°に設定したＬＰＦの効果を示すＭＴＦのマップである。
【図４】分離角を５４．７４°に設定したＬＰＦの効果を示すＭＴＦのマップである。
【図５】分離角を６０°に設定したＬＰＦの効果を示すＭＴＦのマップである。
【図６】実際のローパスフィルタのＭＴＦマップ設計例である。
【図７】従来の３枚構成ＬＰＦのＭＴＦマップ設計例である。
【図８】従来の分離角θｓを４５°に設定した２枚構成のＬＰＦのＭＴＦマップ設計例である。
【図９】本発明の変形例のＬＰＦの効果を示すＭＴＦのマップである。
【図１０】従来の３枚の光学部材からなるＬＰＦの効果を示すＭＴＦのマップである。
【図１１】従来の２枚の光学部材からなるＬＰＦの効果を示すＭＴＦのマップである。
【符号の説明】
１０　　　ＬＰＦ
２０　　　ＣＣＤ
３０　　　撮影レンズ群
１００　　　撮像光学系
【図１】
2004126384.tif 000003
【図２】
2004126384.tif 000004
【図３】
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【図４】
2004126384.tif 000006
【図５】
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【図６】
2004126384.tif 000008
【図７】
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【図８】
2004126384.tif 000010
【図９】
2004126384.tif 000011
【図１０】
2004126384.tif 000012
【図１１】
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