(57)【要約】      （修正有）【課題】光学特性に優れ、生産性向上が可能なローパスフィルターおよび該ローパスフィルターを用いた光学系を提供する。【解決手段】光学的に透明な厚みt（ｍｍ）の平行平面板の両面に、ピッチ間隔ｄ（ｍｍ）の回折格子を互いに平行に形成した、屈折率ｎの材料からなる光学的ローパスフィルターを固体撮像素子の画素面と平行に配置し、波長λ（ｍｍ）の光線による画像の周波数成分を式Ｓ＝（ｍλ）／（ｎｄ）Ｘｔ（式中、ｍは整数を表す。）で表される分離幅Ｓ（μｍ）だけシフトさせて、固体撮像素子の画素間隔から定まるナイキスト周波数以上の空間周波数領域において変調伝達関数の値が、ローパスフィルターと固体撮像素子との距離とに関わらず０．１以下とする。【選択図】図２
2007047499.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体撮像素子を含む固体撮像装置に使用する光学的ローパスフィルターであって、厚みt（ｍｍ）の平行平面板の両面に、ピッチ間隔ｄ（ｍｍ）の回折格子を互いに平行に形成
した光学的に透明な屈折率ｎの材料からなり、
上記固体撮像素子の画素面と上記平行平面板とが平行に配置され、
波長λ（μｍ）の光線による画像の周波数成分を下記式（１）で表される分離幅Ｓ（μｍ）だけシフトさせて、
上記固体撮像素子の画素間隔から定まるナイキスト周波数以上の空間周波数領域において変調伝達関数の値が、上記ローパスフィルターと上記固体撮像素子との距離に関わらず０．１以下とするローパスフィルター。
Ｓ＝｛（ｍλ）／（ｎｄ）｝×ｔ      ・・・  （１）
（式中、ｍは整数を表す。）
【請求項２】
画素間隔ｂ（μｍ）の固体撮像素子を用いた場合に、波長λa（μｍ）の波長の光線に
おいて、下記式（２）の関係を満たすように厚みt（ｍｍ）およびピッチ間隔ｄ（ｍｍ）
を設定した請求項１に記載のローパスフィルター。
Ａ×ｎｄ／（λaｔ）≧１／（２ｂ）      ・・・（２）
（式中、Ａは０．１〜０．５の範囲にある数を表す。）
【請求項３】
上記平行平面板の光線入射面の入射角をｉ、光線出射面の出射角をｉ’としたときに、光線入射面のｍ次回折光と光線出射面のｍ’次回折光との間に下記式（３）の関係が成立し、
上記式（１）で、ｍ＝ｍ’の光線で、ナイキスト周波数の周波数成分が位相でπだけずれるように分離幅Ｓ（μｍ）をシフトさせるようにｔおよびｄを定めた請求項１に記載のローパスフィルター。
ｄ（ｉ−ｉ’）＝（ｍ−ｍ’）λ      ・・・（３）
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載のローパスフィルターを含むことを特徴とする固体撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学的ローパスフィルター、および該ローパスフィルターを含む固体撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、ＣＣＤやＣ−ＭＯＳイメージセンサなどの固体撮像素子、およびそれらを用いたディジタルカメラなどの撮像装置においては、高空間周波数成分に由来する擬似信号の発生による画質劣化を防ぐために、被写体光の高空間周波数成分を制限するための光学的ローパスフィルターが必要である。
【０００３】
このような光学的ローパスフィルターとしては結晶の複屈折性を利用した水晶フィルター、回折格子の回折現象を利用した位相格子型のローパスフィルターなどが知られている。
【０００４】
水晶板を用いた水晶フィルターは、通常、固体撮像素子の画素間隔から導かれるナイキスト周波数、および該ナイキスト周波数の２倍の周波数における変調伝達関数（ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ  ｔｒａｎｓｆｅｒ  ｆｕｎｃｔｉｏｎ。以下「ＭＴＦ」ともいう。）の値が０となるように設計される。この目的を達成するために、水晶フィルターは、一般的に、固体撮像素子の画素間隔に応じた厚みｔの水晶板、厚みｔ／２の水晶板、および、これら２枚の水晶板の間に挿入する１／４波長板からなる合計３つの光学素子を貼り合わせた構造になっている。そのため、固体撮像素子が高画素化する、すなわち画素間隔が狭くなると、これに応じて、水晶フィルターの水晶板からなる各光学素子の厚みを薄くする必要がある。しかし、精度よく水晶板を薄肉化するためには加工が困難となる場合もあり、さらに製造コストの上昇につながるという問題がある。
【０００５】
また位相格子型のローパスフィルターでは、回折格子で回折した光が干渉条件を満たす特定方向で強め合い、干渉の次数に応じた複数の方向に光が分離（分散）する現象を利用する。
【０００６】
例えば画像の周波数成分のうち、ナイキスト周波数の周波数成分に対して、πだけ位相がシフトするように回折格子を設定することで、ナイキスト周波数の周波数成分は互いに打ち消し合い、そのＭＴＦを０にすることができる。
【０００７】
しかしこのように、ナイキスト周波数の周波数成分に対してπだけ位相がシフトするように回折格子を設定すると、ナイキスト周波数の２倍の周波数成分は２πだけ位相がずれてしまうことになり、ナイキスト周波数の２倍の周波数成分は逆に強め合って、ＭＴＦが２倍になってしまう。
【０００８】
水晶フィルターでは、この２倍の周波数成分のＭＴＦを０とするために、上述のような厚みｔ、厚み１／４ｔ、厚み１／２ｔの水晶板を組み合わせている。
しかし、従来の位相格子型のローパスフィルターでは、このナイキスト周波数の２倍の周波数成分に対して有効な対策を見出せていなかった（例えば、特許文献１。）。しかし、回折現象で生じる各次数の回折光は、図１に示すようにそれぞれ角度をもって回折格子から出射するために、回折格子と固体撮像素子間との距離が異なると回折光のシフト量すなわち位相が異なるため、所望のＭＴＦ特性を得るためには、まず、固体撮像素子の画素間隔に応じて、回折格子のピッチ間隔、および回折格子と固体撮像素子間との距離を規定しなければならないという重大な問題があった。
【０００９】
また、いずれのローパスフィルターもＭＴＦ特性を効率よく自由に制御できるものではなく、フィルターとしての特性の面でも満足できるものではなかった。
【特許文献１】特開平３−１６７５３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、従来のローパスフィルターが抱える問題点に鑑み、光学特性に優れ、生産性向上が可能なローパスフィルターおよび該ローパスフィルターを用いた固体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】
【００１１】
上記課題を解決するために、特定の関係を有する光学的に透明な厚みt（ｍｍ）の平行
平面板の両面に、ピッチ間隔ｄ（ｍｍ）の回折格子を互いに平行に形成した、屈折率ｎの材料からなる光学的ローパスフィルターを固体撮像素子を含む固体撮像装置に適用することによって、固体撮像素子間隔から定められるナイキスト周波数より低い空間周波数領域でのＭＴＦを維持しつつ、ナイキスト周波数以上の空間周波数領域でのＭＴＦの値が実質的にゼロまで低減でき、さらに、ＭＴＦ特性が光学的ローパスフィルターと固体撮像素子との距離に実質的に依存しないことを見出し本発明を完成するに至った。
【００１２】
すなわち、本発明に係る光学的ローパスフィルターは、
固体撮像素子を含む固体撮像装置に使用する光学的ローパスフィルターであって、
厚みt（ｍｍ）の平行平面板の両面に、ピッチ間隔ｄ（ｍｍ）の回折格子を互いに平行に
形成した、光学的に透明な屈折率ｎの材料からなり、
上記固体撮像素子の画素面と上記平行平面板が平行に配置され、
波長λ（μｍ）の光線による画像の周波数成分を下記式（１）で表される分離幅Ｓ（μｍ）だけシフトさせて、
上記固体撮像素子の画素間隔から定まるナイキスト周波数以上の空間周波数領域において変調伝達関数の値が、上記ローパスフィルターと上記固体撮像素子との距離とに関わらず０．１以下とする。
【００１３】
Ｓ＝（ｍλ）／（ｎｄ）×ｔ      ・・・  （１）
（式中、ｍは整数を表す。）
本発明において上記ローパスフィルターは、画素間隔ｂ（μｍ）の固体撮像素子を用いた場合は、波長λa（μｍ）の波長の光線において、下記式（２）の関係を満たすように
厚みt（ｍｍ）およびピッチ間隔ｄ（ｍｍ）を設定することが好ましい。
Ａ×ｎｄ／（λaｔ）≧１／（２ｂ）      ・・・（２）
（式中、Ａは０．１〜０．５の範囲にある数を表す。）
本発明において上記ローパスフィルターは、上記平行平面板の光線入射面の入射角をｉ、光線出射面の出射角をｉ’としたときに、光線入射面のｍ次回折光と光線出射面のｍ’次回折光との間に下記式（３）の関係が成立し、
上記式（１）で、ｍ＝ｍ’＝±１の光線で、ナイキスト周波数の周波数成分が位相でπだけずれるように分離幅Ｓ（μｍ）をシフトさせるようにｔおよびｄを定めることも好ましい。
【００１４】
ｄ（ｉ−ｉ’）＝（ｍ−ｍ’）λ      ・・・（３）
【発明の効果】
【００１５】
アナログ画像を固体撮像素子の所定の画素間隔でサンプリングする際に発生する偽信号を十分に抑制でき、画像の画質も損なうことのない、光学特性に優れ、生産性向上が可能
な光学的ローパスフィルターおよび光学系を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明を詳細に説明する。
本発明に係る光学系に用いる光学的ローパスフィルターは、光学的に透明な屈折率ｎの材料からなる光学的ローパスフィルターであって、厚みt（ｍｍ）の平行平面板の両面に
、ピッチ間隔ｄ（ｍｍ）の格子溝を有する回折格子を該基板両面に互いに平行となるように形成している。
【００１７】
このように基板両面に、ピッチ間隔ｄ（ｍｍ）の等間隔の格子溝を有する回折格子を互いに平行となるように作製することにより、図２に示すように回折格子第１面での回折次数と回折格子第２面における回折次数とが等しい回折光は、光学的ローパスフィルターを通過すると、入射光に対して平行に出射する。したがって、回折格子が一面の光学的ローパスフィルターと比較すると、回折光の分離幅（位相のずれ）に距離依存性のある成分がなくなり安定した特性が得られる。また例えば図２で示す、第１面と第２面との回折次数の等しい回折光、例えば回折次数が±１の回折光により、ナイキスト周波数の周波数成分のＭＴＦを０とするように、平行平面板の厚みｔ、ピッチ間隔ｄを設定し、第１面と第２面との回折次数の異なる回折光により、ナイキスト周波数以上の周波数領域のＭＴＦを実質的にゼロとすることができる。このように本発明によれば、回折格子を有する平行平面板１枚だけで光学的ローパスフィルターの性能を決定することができ、しかも回折光の分離幅（位相差のずれ）は光学的ローパスフィルターと固体撮像素子との間の距離に実質的に依存しない。
【００１８】
また平行平面板の両面に２つの回折格子を配置したことにより、位相差に係わるパラメータは２枚の回折格子のピッチ間隔ｄ（ｍｍ）と２枚の回折格子間の距離すなわち平行平面板である基板の厚みのｔ（ｍｍ）とすることができる。
【００１９】
したがって上記ローパスフィルターを通過すると、波長λ（ｍｍ）の入射光線は、実質的に下記式（１）で表される分離幅Ｓに分離される。ここで、式（１）中、ｍは整数を表す。
【００２０】
Ｓ＝（ｍλ）／（ｎｄ）×ｔ      ・・・  （１）
上記式（１）でＳは固体撮像装置の仕様により決まる値であり、このＳを実現するために回折格子のピッチ間隔はできるだけ端数の少ない加工しやすい値とし、微調整を基板の厚みによって行うことができる。
【００２１】
また従来の回折格子型の光学的ローパスフィルターの場合は、固体撮像素子の画素間隔に応じて、回折格子のピッチ間隔を変化させ、かつ回折格子と固体撮像素子間との距離を規定して対応する必要があったが、本発明によれば、回折格子のピッチ間隔を共通にして、基板の厚みを変化させることだけで、固体撮像素子の画素間隔の変化にも対応することができ、生産性が優れしかも低コストである。
【００２２】
光学的ローパスフィルターの特性としては、固体撮像素子の画素間隔から定まるナイキスト周波数よりも高い空間周波数成分は極力カットしたいことになる。ここで画素間隔をｂとすると、ナイキスト周波数は１／（２ｂ）で表現することができる。
【００２３】
また、本発明に係る光学的ローパスフィルターを通過した後の波長λの光線の実質的な分離間隔ΔＳは±１次回折光により決定できる。したがって、上記式（１）より
ΔＳ＝λｔ／（ｎｄ）      ・・・（２）
で表現することができる。分離間隔ΔＳとは、ナイキスト周波数の波長２ｂに対してｂ
だけ位相をシフトをさせる分離幅を指している。
【００２４】
例えば、波長λaの波長の光線において、ナイキスト周波数１／（２ｂ）よりも高い空
間周波数成分を実質的に画質劣化の原因とならない程度に低減する、すなわち、ナイキスト周波数以上の周波数成分のＭＴＦを０．１以下とするためには、下記式（３）の関係を満たすように回折格子のピッチ間隔ｄ（ｍｍ）と平行平面板である基板の厚みのｔ（ｍｍ）の厚みを設定すればよい。
【００２５】
Ａ×ｎｄ／（λaｔ）≧１／（２ｂ）      ・・・（３）
ここでＡは、用いるローパスフィルターの材質、固体撮像素子の性質など光学系の特性によっても異なるが、通常０．１〜０．５の範囲の定数である。
【００２６】
このように本発明の光学的ローパスフィルターを設計することにより、１枚目の回折格子で発生したｍ（±１、±２、±３・・・）次の回折光はそれぞれ２枚目の回折格子でｍ’（±１、±２、±３・・・）次の回折光発生させる。
【００２７】
したがって上記平行平面板の光線入射面の入射角をｉ、光線出射面の出射角をｉ’としたときに、光線入射面のｍ次回折光と光線出射面のｍ’次回折光との間に下記式（３）の関係が成立し、上記式（１）で、ｍ＝ｍ’＝±１の光線で、ナイキスト周波数の周波数成分が位相でπだけずれるように分離幅Ｓ（μｍ）をシフトさせるように平行平面板の厚みｔおよび回折格子のピッチ間隔ｄを定めることで、±１次回折光により本発明の光学的ローパスフィルターの性能を決定することができ、しかも、上記±１次回折光以外の種々の回折次数の回折光の組合せにより、ナイキスト周波数より高い周波数成分のＭＴＦを効果的に抑制することができる。
【００２８】
ｄ（ｉ−ｉ’）＝（ｍ−ｍ’）λ      ・・・（３）
さらに、この光線の回折特性は回折格子面に垂直な軸に対して必要な角度だけ回折格子を回転させることによって任意の方向のＭＴＦ特性を制御をすることも可能である。
【００２９】
〔実施例〕
以下、実施例に基づいて本発明をさらに具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【００３０】
＜光学系の光学特性評価方法＞
光学系の光学特性は、スポトダイアグラムおよびＭＴＦの空間周波数依存性により評価を行った。
【００３１】
評価光学系としては図３に示されるバックフォーカス１５ｍｍ、Ｆナンバー２．５、カットオフ周波数７３２本／ｍｍ、光線の波長λ＝５４６ｍｍの無収差レンズに相当する光学系を用いた。図３においては、上記光学系にブランクの回折格子基板を挿入した光学系である。ここでブランクの回折格子基板とは回折格子を形成していない平行平面板を意味している。
【００３２】
スポトダイアグラムとしては、物点として固体撮像素子面の中心（点Ａ：Ｎｏ．１）、中心から１．５ｍｍの位置（点Ｂ：Ｎｏ．２）、および３．０ｍｍ（点Ｃ：Ｎｏ．３）の位置に結像する３点におけるものを評価した。
【００３３】
また、これら３点の各点に対応するＭＴＦ特性をサジタル（Ｓａｇｉｔｔａｌ）方向とメリジオナル（Ｍｅｒｉｄｉｏｎａｌ）方向とで評価した。このような３点におけるＭＴＦ特性の変化により、ローパスフィルタの機能を評価する。
【００３４】
なお、図３のブランクの回折格子基板を挿入した光学系のスポトダイアグラムは図４に、そのＭＴＦ特性は図５に示すが、ブランクの回折格子基板では、無収差に近い光学特性であることが分かる。
【００３５】
〔実施例１〕
固体撮像素子（ＣＣＤ）としては、画素間隔２．６５μｍ（１／３．２インチ）であるものを使用した。この固体撮像素子のナイキスト周波数は１８９本／ｍｍである。
【００３６】
収束入射光線の入射角ｉの取り得る値を考慮して、回折次数ｍ＝ｍ’＝３で分離幅Ｓが２．６５μｍとなるように、屈折率（λ＝５４６ｎｍにおいて１．５１８）の材料からなる厚み０．５ｍｍの平面基板の両面に、ピッチ間隔０．２ｍｍ／本の回折格子を形成し、光学的ローパスフィルターを作製した。この系では波長５４６μｍにおいて、一次回折光による分離幅は０．９μｍである。また、この系はＡ＝０．１７であるので、波長５４６ｎｍの光線において（２）式の関係を満たしている。さらに、この系ではナイキスト周波数の周波数成分の位相が１πずれている。
【００３７】
回折格子は、光軸の周りに４５度傾けて挿入している。評価する光線としては、波長５４６ｎｍの光線を用いた。
回折次数として０次および±１次の回折光を抽出した場合のスポトダイアグムおよびＭＴＦ特性を図６に示す。同様にして、回折次数０次、±１次および±２次の回折光を抽出した場合のスポトダイアグムおよびＭＴＦ特性を図８に示す。ナイキスト周波数以上の空間周波数領域におけるＭＴＦは０．１以下であった。
【００３８】
〔比較例１〕
光学的ローパスフィルターとして、平行平面板の片面のみにピッチ間隔０．２ｍｍ／本の回折格子を形成した光学的ローパスフィルターを用いた以外は実施例１と同様の条件で、ＣＣＤと光学的ローパスフィルターとからなる光学系の光学特性を評価した。
【００３９】
回折次数として０次および±１次の回折光を抽出した場合のスポトダイアグムおよびＭＴＦ特性を図５に示す。同様にして、回折次数０次、±１次および±２次の回折光を抽出した場合のスポトダイアグムおよびＭＴＦ特性を図７に示す。ナイキスト周波数以上の空間周波数領域において、ＭＴＦは０．３よりも大きな値となっている領域がある。
【００４０】
図５と図６との結果を比較すれば明らかなように、本発明に係る光学的ローパスフィルターを用いることによってナイキスト周波数より高い空間周波数領域において大幅にＭＴＦの値が減少していることが分かる。
【００４１】
同様にして、図７と図８との結果を比較すると、ナイキスト周波数より高い空間周波数領域においては大幅にＭＴＦの値が減少しており改善が見られることが分かる。さらに、一般には、ナイキスト周波数より低い空間周波数領域におけるコントラストの低下が懸念されるが、本発明に係る光学的ローパスフィルターにおいては、コントラストの低下も改善されることも分かる。
【００４２】
〔実施例２〕
回折格子のピッチ間隔が、１／３（ｍｍ／本）とした以外はは実施例１と同様に、ＣＣＤと光学的ローパスフィルターからなる光学系の光学特性を評価した。
【００４３】
この系では波長５４６μｍにおいて、一次回折光による分離幅は０．５４μｍである。また、この系はＡ＝０．１０２であるので、波長５４６ｎｍの光線において（２）式の関
係を満たしている。さらに、この系ではナイキスト周波数の周波数成分の位相が１πずれている。
【００４４】
回折次数０次、±１次および±２次の回折光を抽出した場合のスポトダイアグムおよびＭＴＦ特性を図９に示す。実施例１と同様に、ナイキスト周波数以上の空間周波数領域においてはＭＴＦは０．１以下であり、大幅にＭＴＦの値が減少し、改善が見られることが分かる。
【００４５】
また、実施例１の場合と比較して、回折格子のピッチ間隔を狭めることによって、ナイキスト周波数よりも低い空間周波数領域でのコントラストの低下も低減されている。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】一枚の回折格子による光線の分離の状態を示す。
【図２】二枚の回折格子による光線の分離の状態を示す。
【図３】無収差光学系および光路図を示す。
【図４】図３の光学系のスポトダイアグラムとＭＴＦ曲線である。
【図５】０．２ｍｍ／本のピッチ間隔の回折格子を片面だけに有する光学的ローパスフィルターの回折次数０次および±１次の回折光を抽出したスポトダイアグラムおよびＭＴＦ曲線である。
【図６】互いに平行な、０．２ｍｍ／本のピッチ間隔の回折格子を両面に有する光学的ローパスフィルターの回折次数０次および±１次の回折光を抽出した場合のスポトダイアグラムおよびＭＴＦ曲線である。
【図７】図５に対応した系において、回折次数０次、±１次および±２次の回折光を抽出した場合のスポトダイアグラムおよびＭＴＦ曲線を示す。
【図８】図６に対応した系において、回折次数０次、±１次および±２次の回折光を抽出した場合のスポトダイアグラムおよびＭＴＦ曲線を示す。
【図９】互いに平行な１／３（ｍｍ／本）のピッチ間隔の回折格子を両面に有する光学的ローパスフィルターの回折次数０次、±１次および±２次の回折光を抽出した場合のスポトダイアグラムおよびＭＴＦ曲線を示す。
【図１】
2007047499.tif 000003
【図２】
2007047499.tif 000004
【図３】
2007047499.tif 000005
【図４】
2007047499.tif 000006
【図５】
2007047499.tif 000007
【図６】
2007047499.tif 000008
【図７】
2007047499.tif 000009
【図８】
2007047499.tif 000010
【図９】
2007047499.tif 000011