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技術 光学ローパスフィルタおよびそれを有する撮像装置、撮像ユニット

出願人 キヤノン株式会社
発明者 桃木和彦
出願日 2016年6月30日 (4年10ヶ月経過) 出願番号 2016-130913
公開日 2018年1月11日 (3年4ヶ月経過) 公開番号 2018-004913
状態 特許登録済
技術分野 カメラの遮光 偏光要素
主要キーワード 二軸性結晶 太破線 各複屈折板 分離方向 MTF 低周波域 リン酸チタン 正射影
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2018年1月11日)のものです。
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図面 (16)

課題

縦横方向のカットオフ周波数よりも斜め方向のカットオフ周波数を低くすることのできる光学ローパスフィルタを提供すること。

解決手段

光学ローパスフィルタ6は、4枚の複屈折板を有する。第1の複屈折板1の光学軸受光面7aへの正射影撮像素子7の長辺と平行である。第2の複屈折板2の光学軸の受光面7aへの正射影は撮像素子7の短辺と平行である。第3の複屈折板3の光学軸の受光面7aへの正射影は撮像素子7の短辺と45°の角度を成す。第4の複屈折板4の光学軸の受光面7aへの正射影は第3の複屈折板3の光学軸の受光面7aへの正射影と90°の角度を成す。第1の複屈折板1および第2の複屈折板2のそれぞれにおける入射光線分離幅をa、第3の複屈折板3および第4の複屈折板4のそれぞれにおける入射光線の分離幅をbとしたとき、1.15<b/a<3なる条件式を満たす。

概要

背景

デジタルスチルカメラデジタルビデオカメラ等の撮像装置において、高い空間周波数を有する像を撮像する場合、色やモアレが生じることが知られている。このような偽色やモアレを低減するために、高い空間周波数を有する像のコントラストを低減する光学ローパスフィルタが用いられている。

特許文献1では、4枚の複屈折板により構成された光学ローパスフィルタにおいて、それぞれの複屈折板における光線分離幅を適切に設定することにより、方向によらず均等な周波数特性が得られることが記載されている。

概要

縦横方向のカットオフ周波数よりも斜め方向のカットオフ周波数を低くすることのできる光学ローパスフィルタを提供すること。 光学ローパスフィルタ6は、4枚の複屈折板を有する。第1の複屈折板1の光学軸受光面7aへの正射影撮像素子7の長辺と平行である。第2の複屈折板2の光学軸の受光面7aへの正射影は撮像素子7の短辺と平行である。第3の複屈折板3の光学軸の受光面7aへの正射影は撮像素子7の短辺と45°の角度を成す。第4の複屈折板4の光学軸の受光面7aへの正射影は第3の複屈折板3の光学軸の受光面7aへの正射影と90°の角度を成す。第1の複屈折板1および第2の複屈折板2のそれぞれにおける入射光線の分離幅をa、第3の複屈折板3および第4の複屈折板4のそれぞれにおける入射光線の分離幅をbとしたとき、1.15<b/a<3なる条件式を満たす。

目的

本発明の目的は、縦横方向のカットオフ周波数よりも斜め方向のカットオフ周波数を低くすることのできる光学ローパスフィルタを提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

撮像素子受光面側に配置され、入射光線を複数の出射光線に分離する光学ローパスフィルタであって、前記光学ローパスフィルタは、前記受光面への光学軸正射影が前記撮像素子の長辺と平行である第1の複屈折板と、前記受光面への光学軸の正射影が前記撮像素子の短辺と平行である第2の複屈折板と、前記受光面への光学軸の正射影が前記撮像素子の短辺と45°の角度を成している第3の複屈折板と、前記受光面への光学軸の正射影が前記第3の複屈折板の光学軸の前記受光面への正射影と90°の角度を成している第4の複屈折板と、を有し、前記第1の複屈折板および前記第2の複屈折板のそれぞれにおける入射光線の分離幅をa、前記第3の複屈折板および前記第4の複屈折板のそれぞれにおける入射光線の分離幅をbとしたとき、1.15<b/a<3なる条件式を満たすことを特徴とする光学ローパスフィルタ。

請求項2

撮像素子の受光面側に配置され、入射光線を複数の出射光線に分離する光学ローパスフィルタであって、前記光学ローパスフィルタは、前記撮像素子の長辺に平行な方向である第1の方向に入射光線を分離する第1の複屈折板と、前記撮像素子の短辺に平行な方向である第2の方向に入射光線を分離する第2の複屈折板と、前記受光面において前記撮像素子の短辺と45°の角度を成す第3の方向に入射光線を分離する第3の複屈折板と、前記受光面において前記第3の方向と90°の角度を成す第4の方向に入射光線を分離する第4の複屈折板と、を有し、前記第1の複屈折板および前記第2の複屈折板のそれぞれにおける入射光線の分離幅をa、前記第3の複屈折板および前記第4の複屈折板のそれぞれにおける入射光線の分離幅をbとしたとき、1.15<b/a<3なる条件式を満たすことを特徴とする光学ローパスフィルタ。

請求項3

前記第1の複屈折板と前記第2の複屈折板の間には、前記第3の複屈折板と前記第4の複屈折板のいずれか一方が配置されており、前記第3の複屈折板と前記第4の複屈折板の間には、前記第1の複屈折板と前記第2の複屈折板のいずれか一方が配置されていることを特徴とする請求項1または2に記載の光学ローパスフィルタ。

請求項4

前記第3の複屈折板の光学軸の前記受光面への正射影に平行な方向のMTFと、前記第4の複屈折板の光学軸の前記受光面への正射影に平行な方向のMTFの値は、共にカットオフ周波数以上300lp/mm以下の周波数の範囲において、25%以下であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項に記載の光学ローパスフィルタ。

請求項5

撮像素子と、請求項1乃至4のいずれか一項に記載の光学ローパスフィルタを有する撮像装置であって、前記撮像素子は、前記光学ローパスフィルタにより分離された複数の出射光線を受光して光電変換することを特徴とする撮像装置。

請求項6

前記撮像素子は、複数の画素を備え、前記複数の画素のピッチをpとしたとき、0.309<(a2+b2)/p2<0.797なる条件式を満たすことを特徴とする請求項5に記載の撮像装置。

請求項7

前記撮像素子は、ベイヤ配列カラーフィルタを有することを特徴とする請求項5または6に記載の撮像装置。

請求項8

前記撮像素子は、複数の画素を備えており、前記複数の画素のピッチは3μm以上7μm以下であることを特徴とする請求項5乃至7のいずれか一項に記載の撮像装置。

請求項9

撮像素子と、請求項1乃至4のいずれか一項に記載の光学ローパスフィルタを有し、前記光学ローパスフィルタは、前記撮像素子の受光面側に配置されていることを特徴とする撮像ユニット

請求項10

前記撮像素子は、複数の画素を備え、前記複数の画素のピッチをpとしたとき、0.309<(a2+b2)/p2<0.797なる条件式を満たすことを特徴とする請求項9に記載の撮像ユニット。

請求項11

前記撮像素子は、ベイヤ配列のカラーフィルタを有することを特徴とする請求項9または10に記載の撮像ユニット。

請求項12

前記撮像素子は、複数の画素を備えており、前記複数の画素のピッチは3μm以上7μm以下であることを特徴とする請求項9乃至11のいずれか一項に記載の撮像ユニット。

技術分野

0001

本発明は、デジタルカメラ等に用いられる光学ローパスフィルタに関する。

背景技術

0002

デジタルスチルカメラデジタルビデオカメラ等の撮像装置において、高い空間周波数を有する像を撮像する場合、色やモアレが生じることが知られている。このような偽色やモアレを低減するために、高い空間周波数を有する像のコントラストを低減する光学ローパスフィルタが用いられている。

0003

特許文献1では、4枚の複屈折板により構成された光学ローパスフィルタにおいて、それぞれの複屈折板における光線分離幅を適切に設定することにより、方向によらず均等な周波数特性が得られることが記載されている。

先行技術

0004

特開平2−100018号公報

発明が解決しようとする課題

0005

しかしながら、撮像素子の長辺や短辺に平行な方向(以下、縦横方向と称する)と、撮像素子の短辺と45°の角度を成す方向(以下、斜め方向と称する)とを比較すると、斜め方向の方がよりモアレが目立ち易い傾向がある。これは、斜め方向のモアレは偽色となって現れるためである。

0006

このため、特許文献1に記載された光学ローパスフィルタを縦横方向のモアレを低減することを基準に設計すると、縦横方向に生じるモアレを低減できたとしても、斜め方向にはモアレによる偽色が生じ得る。一方、斜め方向のモアレを低減することを基準に設計すると、斜め方向に生じるモアレを低減できたとしても、縦横方向の解像感を過剰に減じ過ぎてしまう。従って、特許文献1に記載された光学ローパスフィルタの場合、縦横方向の解像感を維持しつつ、斜め方向の偽色の発生を低減することが困難であった。

0007

本発明の目的は、縦横方向のカットオフ周波数よりも斜め方向のカットオフ周波数を低くすることのできる光学ローパスフィルタを提供することである。

課題を解決するための手段

0008

本発明に係る光学ローパスフィルタは、撮像素子の受光面側に配置され、入射光線を複数の出射光線に分離する光学ローパスフィルタであって、前記光学ローパスフィルタは、前記受光面への光学軸正射影が前記撮像素子の長辺と平行である第1の複屈折板と、前記受光面への光学軸の正射影が前記撮像素子の短辺と平行である第2の複屈折板と、前記受光面への光学軸の正射影が前記撮像素子の短辺と45°の角度を成している第3の複屈折板と、前記受光面への光学軸の正射影が前記第3の複屈折板の光学軸の前記受光面への正射影と90°の角度を成している第4の複屈折板と、を有し、前記第1の複屈折板および前記第2の複屈折板のそれぞれにおける入射光線の分離幅をa、前記第3の複屈折板および前記第4の複屈折板のそれぞれにおける入射光線の分離幅をbとしたとき、
1.15<b/a<3
なる条件式を満たすことを特徴とする。

0009

また、本発明に係る他の光学ローパスフィルタは、撮像素子の受光面側に配置され、入射光線を複数の出射光線に分離する光学ローパスフィルタであって、前記光学ローパスフィルタは、前記撮像素子の長辺に平行な方向である第1の方向に入射光線を分離する第1の複屈折板と、前記撮像素子の短辺に平行な方向である第2の方向に入射光線を分離する第2の複屈折板と、前記受光面において前記撮像素子の短辺と45°の角度を成す第3の方向に入射光線を分離する第3の複屈折板と、前記受光面において前記第3の方向と90°の角度を成す第4の方向に入射光線を分離する第4の複屈折板と、を有し、前記第1の複屈折板および前記第2の複屈折板のそれぞれにおける入射光線の分離幅をa、前記第3の複屈折板および前記第4の複屈折板のそれぞれにおける入射光線の分離幅をbとしたとき、
1.15<b/a<3
なる条件式を満たすことを特徴とする。

発明の効果

0010

本発明によれば、縦横方向のカットオフ周波数よりも斜め方向のカットオフ周波数を低くすることのできる光学ローパスフィルタを提供することができる。

図面の簡単な説明

0011

光学ローパスフィルタを有する撮像装置の一部の断面図である。
実施例1の光学ローパスフィルタの概略図である。
複屈折板の光学軸の方向と、光線の分離を示す概略図である。
第1の複屈折板から第4の複屈折板の光線の分離方向を示す図である。
光学ローパスフィルタによる光線の分離の様子を示す図である。
実施例1の光学ローパスフィルタにおける光線の出射位置を示した図である。
実施例1の光学ローパスフィルタの周波数特性を示す図である。
実施例2の光学ローパスフィルタにおける光線の出射位置を示した図である。
実施例2の光学ローパスフィルタの周波数特性を示す図である。
実施例3の光学ローパスフィルタにおける光線の出射位置を示した図である。
実施例3の光学ローパスフィルタの周波数特性を示す図である。
実施例4の光学ローパスフィルタにおける光線の出射位置を示した図である。
実施例4の光学ローパスフィルタの周波数特性を示す図である。
ベイヤ配列型のカラーフィルタの概略図である。
撮像ユニットの概略図である。

実施例

0012

以下に、本発明の実施例について、図面を参照しながら説明する。各図において、同一の部位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。

0013

[実施例1]
図1に本実施例の光学ローパスフィルタ(以下、ローパスフィルタと称する)6を備える撮像装置15の一部の断面を示す。ローパスフィルタ6は、撮像素子7の受光面側に配置されている。このため、光学系5を透過した光は、ローパスフィルタ6を通って撮像素子7の受光面7aに到達する。ここで、図1に示した撮像装置15は、デジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラ、スマートフォン等である。

0014

ここで、光学系5は少なくとも1枚のレンズを有し、撮像素子7の受光面7aに像を形成する。また、撮像素子7は、CMOSセンサCCDセンサであり、複数の画素を有している。撮像素子7の各画素は、受光面7aに到達した光を光電変換し、画像データを生成する。

0015

図2は、本実施例のローパスフィルタ6の概略図である。図2に示すx軸は、撮像素子7の長辺方向に平行であるとする。また、図2に示すy軸は、撮像素子7の短辺に平行であるとする。すなわち、x−y平面は撮像素子7の受光面7aと平行な平面である。また、図2に示したx軸およびy軸に対して共に垂直である方向を光軸方向と呼ぶ。

0016

本実施例のローパスフィルタ6は、平行平板状である4枚の複屈折板を有している。4枚の複屈折板は、光軸方向に並んで配置されている。これらの複屈折板によって、ローパスフィルタ6に入射した入射光線は複数の出射光線に分離される。ここで、本実施例のローパスフィルタ6の説明に先立ち、複屈折板における光線の分離について図3を用いて説明する。

0017

複屈折板としては、複屈折を有する様々な物を用いることができる。例えば、水晶ニオブ酸リチウム等の一軸性結晶や、リン酸チタンカリウム(KTiOPO4)等の二軸性結晶がある。さらに、断面の構造が周期的な凹凸構造となっている素子等の構造性複屈折を有する素子を用いても良い。なお、以下の説明では複屈折板1〜4は水晶やニオブ酸リチウム等の一軸性結晶を用いて形成されている場合について説明する。

0018

図3(a)は、図2に示したローパスフィルタ6を構成する複屈折板1〜4のうちの1枚を光軸方向から見た図である。

0019

図3(a)における両矢印は、複屈折板の光学軸のx−y平面上への正射影を表している。これは、複屈折板の光学軸を撮像素子7の受光面7aに正射影したものと等価である。図3(a)において、光学軸のx−y平面上への正射影はy軸に対してφ=90°の角度を成している。

0020

図3(b)は、図3(a)に示した複屈折板をy軸方向から見た図である。図3(b)に示した複屈折板は、dなる厚みを有する。図3(b)において太線で示した両矢印は、光学軸を表している。図3(b)に示すように、光学軸は光軸に対してθなる角度だけ傾いている。換言すると、図3(a)に示した複屈折板の光学軸は、x−y平面に対して傾いている。平行平板状の複屈折板において、このように光学軸が光軸に対して傾いている場合、複屈折板に入射する入射光線は、2つの出射光線に分離されることが知られている。

0021

図3(c)は、図3(b)に示す複屈折板において光線8が分離される様子を示している。光線8が複屈折板に入射すると、光線8は常光線9と異常光線10に分離する。光線8が複屈折板に対して垂直に入射する場合、常光線9は複屈折板をまっすぐに透過する。一方、入射光線8の異常光線10は、図3(b)に示すように、常光線9とは異なる光路で複屈折板を透過する。

0022

この結果、常光線9と異常光線10は複屈折板の異なる位置から出射される。このとき、複屈折板において常光線9が出射する位置と異常光線10が出射する位置との距離Lを分離幅と呼ぶ。分離幅は、複屈折板のθやdを制御することで様々な値をとることができる。

0023

図3(d)は、図3(c)に示した光線の分離の様子を光軸方向から見た場合を示している。図3(d)において細線で示した両矢印は、常光線9および異常光線10の偏光方向を表している。図3(d)に示すように、常光線9と異常光線10は、図3(a)に示した光学軸のx−y平面上への正射影に平行な方向に分離される。このとき、常光線9の偏光方向は分離方向と直交する。また、異常光線10の偏光方向は分離方向と平行となる。

0024

次に、本実施例のローパスフィルタ6を構成する4枚の複屈折板について説明する。図4各複屈折板の光学軸のx−y平面への正射影を示す。図4(a)は第1の複屈折板1、図4(b)は第2の複屈折板2、図4(c)は第3の複屈折板3、図4(d)は第4の複屈折板4について示している。

0025

図4(a)に示すように、第1の複屈折板の光学軸のx−y平面への正射影はx軸と平行となっている。すなわち、第1の複屈折板の光学軸の受光面7aへの正射影は撮像素子7の長辺と平行である。図4(b)に示すように、第2の複屈折板の光学軸のx−y平面への正射影はy軸と平行となっている。すなわち、第2の複屈折板の光学軸の受光面7aへの正射影は撮像素子7の短辺と平行である。

0026

また、図4(c)に示すように、第3の複屈折板の光学軸のx−y平面への正射影はy軸と45°の角度を成している。すなわち、第3の複屈折板の光学軸の受光面7aへの正射影は撮像素子7の短辺と45°の角度を成している。図4(d)に示すように、第4の複屈折板の光学軸のx−y平面への正射影はy軸と135°の角度を成している。すなわち、第4の複屈折板の光学軸の受光面7aへの正射影は、第3の複屈折板の光学軸の受光面7aへの正射影と90°の角度を成している。

0027

第1の複屈折板1は、入射光線を図4(a)に示した両矢印の示す方向のいずれか一方である第1の方向に分離する。このとき、第1の方向は第1の複屈折板1の光学軸と光軸の成す角度によって図4(a)における両矢印のいずれか一方に定まるが、両矢印の示す方向は互いに等価な方向であるためどちらであっても良い。すなわち、常光線の出射位置に対する異常光線の出射位置は、x軸に対して正の方向または負の方向に、分離幅の分だけずれることになる。

0028

同様に、第2の複屈折板2は入射光線を図4(b)に示した両矢印の示す方向のいずれか一方である第2の方向に分離する。第3の複屈折板3は入射光線を図4(c)に示した両矢印の示す方向のいずれか一方である第3の方向に分離する。第4の複屈折板4は入射光線を図4(d)に示した両矢印の示す方向のいずれか一方である第4の方向に分離する。

0029

次に、第1の複屈折板1〜第4の複屈折板4における分離幅について説明する。ローパスフィルタ6では、撮像素子7の長辺に平行な方向と撮像素子7の短辺に平行な方向の周波数特性を同等にするため、第1の複屈折板1と第2の複屈折板2の分離幅を等しくしている。ここで、第1の複屈折板1の分離幅と第2の複屈折板2の分離幅に差があったとしても、分離幅の差が第1の複屈折板1の分離幅と第2の複屈折板2の分離幅のうち大きい方の分離幅の5%以内の大きさであれば等しいとみなすことができる。

0030

また、撮像素子7の短辺と45°の角度を成す2つの方向の周波数特性を同等にするため、第3の複屈折板3と第4の複屈折板4の分離幅を等しくしている。ここで、第3の複屈折板3の分離幅と第4の複屈折板4の分離幅に差があったとしても、分離幅の差が第3の複屈折板3の分離幅と第4の複屈折板4の分離幅のうち大きい方の分離幅の5%以内の大きさであれば等しいとみなすことができる。

0031

さらに、第1の複屈折板1と第2の複屈折板2における分離幅をa、第3の複屈折板3と第4の複屈折板4における分離幅をbとしたとき、ローパスフィルタ6は以下の条件式を満たす。
1.15<b/a<3 (1)

0032

bをaより大きくすることで、斜め方向(撮像素子7の短辺と45°の角度を成す2つの方向)のカットオフ周波数を、縦横方向(撮像素子7の長辺に平行な方向と撮像素子7の短辺に平行な方向)のカットオフ周波数よりも低くすることができる。これによって、縦横方向の解像感を保ちながら、斜め方向におけるモアレや偽色の発生を低減することができる。

0033

b/aが式(1)の上限よりも大きい場合、斜め方向のカットオフ周波数をより低くすることができるが、折り返りにより高周波でのコントラストが増大してしまう。一方、b/aが式(1)の下限よりも小さい場合、斜め方向のカットオフ周波数と縦横方向のカットオフ周波数の差が小さくなりすぎてしまう。したがって、縦横方向の解像感を保ちながら、斜め方向におけるモアレや偽色の発生を低減することが困難になる。

0034

なお、式(1)の範囲を式(1a)の範囲とすることで斜め方向のモアレや偽色の発生をより低減することができる。
1.42<b/a<2.5 (1a)

0035

次に、ローパスフィルタ6における上述のような4枚の複屈折板の積層順について説明する。4枚の複屈折板の積層順について、隣接する2枚の複屈折板の光学軸のx−y平面への正射影が成す角度を考えると、90°か45°のいずれかの角度を成していることが考えられる。90°の角度を成している場合、これらの2枚の複屈折板によって2回の分離を行うためには、2枚の複屈折板の間にλ/4板のような偏光方向を整える部材を設ける必要がる。この場合、ローパスフィルタ6の厚みは、λ/4板の厚みの分だけ厚くなる。

0036

そのため、4枚の複屈折板の配置は、隣接する複屈折板の光学軸が45°の角度を成す順番で配置されていることが好ましい。すなわち、第1の複屈折板1と第2の複屈折板2の間に第3の複屈折板3と第4の複屈折板4のいずれか一方を配置し、第3の複屈折板3と第4の複屈折板4の間に第1の複屈折板1と第2の複屈折板2のいずれか一方を配置する。このような配置は、以下の表1に示す8通りが考えられる。これにより、1本の入射光線を合計4回分離する。

0037

0038

表1における1番目とは、ローパスフィルタ6を受光面7aの前面に配置した場合において、受光面7aに対して最も遠い位置であり、4番目とは受光面7aに対して最も近い位置である。また、表中の1〜4は、第1の複屈折板1〜第4の複屈折板4を示している。4枚の複屈折板を表1に示すいずれかの順番で配置することにより、ローパスフィルタ6の厚さを薄くすることができる。

0039

本実施例のローパスフィルタ6は、光入射側から順に、第2の複屈折板2、第3の複屈折板3、第1の複屈折板1、第4の複屈折板4を有しているとする。すなわち、表1に示す積層順3のように4枚の複屈折板を積層している。この場合のローパスフィルタ6における入射光線の分離について、図5を用いて説明する。なお、各複屈折板の分離方向は、図5(b)〜(e)の各図に矢印で示している。

0040

ここで、各複屈折板の分離方向は、図4(a)〜(d)の各図に示すように、180°異なる方向であっても良い。例えば、以下の説明では第2の複屈折板が異常光線を常光線に対してy軸の正の方向に分離しているが、第2の複屈折板が異常光線を常光線に対してy軸の負の方向に分離しても良い。

0041

図5(a)〜(e)の各図は、光線の座標を表している。図5(a)は、入射光線がローパスフィルタ6に入射した位置を原点としたときの入射光線の座標を示している。

0042

図5(b)は、第2の複屈折板2における入射光線の分離の様子を示している。第2の複屈折板2は、図5(b)に示すように、入射光線をy軸に平行な方向に分離する。常光線はそのまま透過するため、座標は(0,0)のままである。一方、異常光線は常光線よりも分離幅aだけy軸の正の方向にシフトする。そのため、異常光線の座標は(0,a)となる。このとき、常光線の偏光方向はx軸方向であり、異常光線の偏光方向はy軸方向となる。第2の複屈折板2において分離されて出射された2本の光線は、共に第3の複屈折板3に入射する。

0043

図5(c)は、第3の複屈折板3における光線の分離の様子を示している。第3の複屈折板3は、図5(c)に示すように、入射光線をy軸に対して45°の角度を成す方向に分離する。第2の複屈折板2から出射された2つの光線の偏光方向は、第3の複屈折板3の分離方向に対して共に45°の角度を成していることになる。そのため、第3の複屈折板3に入射した各光線は、第3の複屈折板3において常光線と異常光線に分離される。このとき、常光線と異常光線の強度は等しくなる。

0044

第3の複屈折板3において、常光線はそのまま透過する。一方、異常光線は、第3の複屈折板3の分離方向に分離幅bだけシフトする。このため、(0,0)の光線は、(0,0)と(b/√2,b/√2)の光線に、(0,a)の光線は(0,a)と(b/√2,a+b/√2)の光線に分離される。このとき、常光線の偏光方向は第3の複屈折板3の分離方向と直交しており、異常光線の偏光方向は第3の複屈折板3の分離方向に対して平行である。第3の複屈折板3において分離されて出射された4本の光線は、共に第1の複屈折板1に入射する。

0045

図5(d)は、第1の複屈折板1における光線の分離の様子を示している。第1の複屈折板1は、図5(d)に示すように、入射光線をx軸の正の方向に分離する。第3の複屈折板3から出射された4本の光線の偏光方向は、いずれも第1の複屈折板1の分離方向に対して45°の角度を成していることになる。そのため、第1の複屈折板1に入射した各光線は、第1の複屈折板1において常光線と異常光線に分離される。このとき、常光線と異常光線の強度は等しくなる。

0046

第1の複屈折板1において、座標(0,0),(b/√2,b/√2),(0,a),(b/√2,a+b/√2)に入射した4本の光線はいずれも常光線と異常光線に分離される。第1の複屈折板1において常光線はそのまま透過する。

0047

一方、異常光線は分離幅aだけx軸の正の方向にシフトする。このため、異常光線の座標は(a,0),(a+b/√2,b/√2),(a,a),(a+b/√2,a+b/√2)の4点となる。結果として、合計8本の光線が第1の複屈折板から第4の複屈折板4に出射される。また、このとき常光線の偏光方向は第1の複屈折板1の分離方向に直交しており、異常光線の偏光方向は第1の複屈折板1の分離方向に平行である。

0048

図5(e)は、第4の複屈折板4における光線の分離の様子を示している。第4の複屈折板4は、図5(e)に示すように、入射光線をy軸に対して135°の角度を成す方向に分離する。すなわち、第4の複屈折板4の分離方向は、図5(c)に示す第3の複屈折板3の分離方向と90°の角度を成す方向である。第1の複屈折板1から出射された2つの光線の偏光方向は、第4の複屈折板4の分離方向に対して共に45°の角度を成していることになる。そのため、第4の複屈折板4に入射した各光線は、第4の複屈折板4において常光線と異常光線に分離される。このとき、常光線と異常光線の強度は等しくなる。

0049

第4の複屈折板4において、常光線はそのまま透過する。一方、異常光線は、第4の複屈折板4の分離方向に分離幅bだけシフトする。この結果、図5(e)に示すように、第4の複屈折板4からは合計16本の光線が出射されることになる。

0050

以上のように、入射光はローパスフィルタ6によって、縦横方向に1回ずつ、直交する2つの斜め方向に1回ずつの合計4回分離されることになる。この分離を、x軸方向に対して考えると、入射光線はx軸方向に対して分離幅a,b/√2,b/√2の3回分離されていることになる。

0051

ローパスフィルタ6において、分散σ2はカットオフ周波数よりも低い周波数域(以下、低周波域と称する)における周波数特性の指標となるため、ローパスフィルタ6の分散σ2は、撮像素子7の画素ピッチに応じて定めることが好ましい。ここで、画素ピッチとは、画素同士の最短の距離を言う。

0052

分離した光線の分散は、経験的に、分離幅の二乗に比例することがわかっている。従って、上述したローパスフィルタ6におけるx方向の分散σx2は、比例定数をkとすると、以下の式(2)で与えられる。
σx2=k(a2+(b/√2)2+(b/√2)2)=k(a2+b2) (2)

0053

これはy軸方向においても同様である。

0054

一方、ローパスフィルタ6における分離を、斜め方向に対して考えると、入射光線は斜め方向に対して分離幅b,a/√2,a/√2の3回分離されていることになる。従って、斜め方向の分散σd2は、以下の式(3)で与えられる。
σd2=k(b2+(a/√2)2+(a/√2)2)=k(a2+b2) (3)

0055

このように、σx2とσd2は等しくなっており、いずれもa2+b2に比例することがわかる。低周波域において比較的高いコントラストを保つために、ローパスフィルタ6は以下の式(4)を満たすことが好ましい。
0.309<(a2+b2)/p2<0.797 (4)

0056

ここで、pは撮像素子7の画素ピッチである。式(4)の上限よりも(a2+b2)/p2を小さくすることで、撮像素子7のナイキスト周波数より低い周波数におけるMTFを比較的高くすることができ、解像感を向上することができる。また、式(4)の下限よりも(a2+b2)/p2を大きくすることで、撮像素子7のナイキスト周波数よりも高い周波数におけるMTFを低くすることができ、モアレの発生を低減することができる。

0057

なお、式(4)の範囲は、より好ましくは式(4a)の範囲とすると良い。
0.309<(a2+b2)/p2<0.510 (4a)

0058

また、一般に、撮像装置15に用いられる光学系5のMTFは、300lp/mm以上の高周波域において十分に小さくなっている。そのため、モアレの発生をより低減するためには、カットオフ周波数以上300lp/mm以下の周波数の範囲におけるローパスフィルタ6のMTFは小さいことが好ましい。したがって、斜め方向のカットオフ周波数から300lp/mmまでの周波数の範囲における斜め方向のMTFは、25%以下であることが好ましい。これによって斜め方向のモアレの発生をより低減することができる。

0059

続いて、本実施例におけるローパスフィルタ6の周波数特性について説明する。以下の説明では、撮像素子7の画素ピッチをp=5μmとする。従って、撮像素子7のナイキスト周波数は100lp/mmである。

0060

本実施例では、a=2.028μm、b=2.896μmとする。すなわち、b/aの値としては1.43となっている。また、(a2+b2)/p2の値は0.5となっている。このときのローパスフィルタ6によって分離された光線が射出される位置を図6に示す。

0061

このようなローパスフィルタ6における周波数特性を図7に示す。図7における太実線は、本実施例のローパスフィルタ6の縦横方向の周波数特性を示している。また、図7における太破線は本実施例のローパスフィルタ6の斜め方向の周波数特性を示している。

0062

また、図7に示した細実線および細破線は、比較例のローパスフィルタにおける周波数特性である。比較例は、互いに直交する分離方向を有する2枚の複屈折板の間にλ/4板を配置した構成であり、入射光線を4本の光線に分離する。

0063

比較例における2枚の複屈折板の分離幅は共に3.535μmとなっている。このとき、実施例1のローパスフィルタ6により分離された光線の分散と比較例のローパスフィルタルタにより分離された光線の分散は等しくなる。このため、図7に示すように、周波数が0〜50lp/mmの範囲において、実施例1と比較例はいずれも同様の周波数特性を示している。すなわち、本実施例と比較例は低周波域における周波数特性が同じ状態で、高周波域における周波数特性の比較を行うことができる。

0064

図7に示す本比較例の周波数特性をみると、縦横方向のカットオフ周波数はおよそ140lp/mmであり、斜め方向のカットオフ周波数は200lp/mmとなっている。すなわち、本比較例では、縦横方向のカットオフ周波数よりも斜め方向のカットオフ周波数の方が高くなっている。このため、本比較例のローパスフィルタにおいては、縦横方向のモアレを低減できたとしても、斜め方向のモアレや偽色を低減することは困難である。

0065

一方、本実施例のローパスフィルタ6では、斜め方向のカットオフ周波数を縦横方向のカットオフ周波数よりも低くすることができている。これはローパスフィルタ6が上述した式(1)を満たすためである。これによって、縦横方向の解像感を高く保ちつつ、斜め方向のモアレや偽色の発生を低減することができる。

0066

また、比較例の縦横方向の周波数特性は、カットオフ周波数以上の周波数において折り返すように増大している。一方、本実施例の縦横方向の周波数特性は、およそ200〜300lp/mmにおいてMTFが5%以下となっており、比較例よりもモアレの発生を低減することができることがわかる。

0067

[実施例2]
次に、実施例2におけるローパスフィルタについて説明する。実施例2のローパスフィルタは、分離幅以外は実施例1のローパスフィルタ6と同様であり、第1の複屈折板1〜第4の複屈折板4の4枚の複屈折板により構成されている。本実施例のローパスフィルタでは、a=2.273μm、b=2.708μmとしている。また、b/aの値は1.19となっている。また、本実施例におけるローパスフィルタにより分離された光線の分散は、実施例1におけるローパスフィルタ6により分離された光線の分散と等しい。

0068

本実施例のローパスフィルタに入射した光線は、4枚の複屈折板によって合計4回分離され、合計16本の光線となって出射される。図8に、本実施例において分離された光線が出射される位置を示す。

0069

このような本実施例のローパスフィルタにおける周波数特性を図9に示す。図9における太実線は、本実施例のローパスフィルタの縦横方向の周波数特性を示している。また、図9における太破線は本実施例のローパスフィルタの斜め方向の周波数特性を示している。

0070

また、図9に示した細実線および細破線は、前述した比較例のローパスフィルタにおける周波数特性である。比較例の構成は、前述した実施例1で説明したものと同一である。

0071

前述のように本実施例におけるローパスフィルタにより分離された光線の分散は、実施例1におけるローパスフィルタ6により分離された光線の分散と等しい。そのため、0〜50lp/mmの範囲において、実施例2は実施例1や比較例と同等の周波数特性を示している。

0072

図9図7を比較すると、実施例2では、実施例1よりも縦横方向のカットオフ周波数と斜め方向のカットオフ周波数の差が小さくなっている。換言すると、実施例2における斜め方向のカットオフ周波数は、実施例1における斜め方向のカットオフ周波数よりも高い。これは、本実施例ではb/aの値を実施例1よりも小さくしたためである。

0073

しかしながら、本実施例では斜め方向のカットオフ周波数よりも高い周波数において、周波数特性の折り返りが7%程度と小さくなっている。このため、本実施例におけるローパスフィルタは、実施例1のものよりも高い周波数まで偽色の発生を低減することができる。

0074

[実施例3]
次に、実施例3におけるローパスフィルタについて説明する。実施例3のローパスフィルタは、分離幅以外は実施例1および実施例2のローパスフィルタと同様であり、第1の複屈折板1〜第4の複屈折板4の4枚の複屈折板により構成されている。本実施例のローパスフィルタでは、a=1.768μm,b=3.062μmとしている。また、b/aの値は1.73である。また、本実施例におけるローパスフィルタにより分離された光線の分散は、実施例1におけるローパスフィルタ6により分離された光線の分散と等しい。

0075

本実施例のローパスフィルタに入射した光線は、4枚の複屈折板によって合計4回分離され、合計16本の光線となって出射される。図10に、本実施例において分離された光線が出射される位置を示す。

0076

このような本実施例のローパスフィルタにおける周波数特性を図11に示す。図11における太実線は、本実施例のローパスフィルタの縦横方向の周波数特性を示している。また、図11における太破線は本実施例のローパスフィルタの斜め方向の周波数特性を示している。

0077

また、図11に示した細実線および細破線は、前述した比較例のローパスフィルタにおける周波数特性である。比較例の構成は、前述した実施例1で説明したものと同一である。

0078

前述のように本実施例におけるローパスフィルタにより分離された光線の分散は、実施例1におけるローパスフィルタ6により分離された光線の分散と等しい。そのため、0〜50lp/mmの範囲において、実施例3は実施例1や比較例と同等の周波数特性を示している。

0079

図11図7を比較すると、実施例3では、実施例1よりも縦横方向のカットオフ周波数と斜め方向のカットオフ周波数の差が大きくなっている。換言すると、実施例3における斜め方向のカットオフ周波数は、実施例1における斜め方向のカットオフ周波数よりも低い。これは、本実施例ではb/aの値を実施例1よりも大きくしたためである。このため、本実施例のローパスフィルタは、実施例1よりも低い空間周波数で斜め方向の偽色の発生を低減することができる。

0080

[実施例4]
次に、実施例4におけるローパスフィルタについて説明する。実施例4のローパスフィルタは、分離幅以外は実施例1〜3で説明したローパスフィルタと同様であり、第1の複屈折板1〜第4の複屈折板4の4枚の複屈折板により構成されている。本実施例のローパスフィルタでは、a=1.581μm,b=3.162μmとしている。また、b/aの値は2.0である。また、本実施例におけるローパスフィルタにより分離された光線の分散は、実施例1におけるローパスフィルタ6により分離された光線の分散と等しい。

0081

本実施例のローパスフィルタに入射した光線は、4枚の複屈折板によって合計4回分離され、合計16本の光線となって出射される。図12に、本実施例において分離された光線が出射される位置を示す。

0082

このような本実施例のローパスフィルタにおける周波数特性を図13に示す。図13における太実線は、本実施例のローパスフィルタの縦横方向の周波数特性を示している。また、図12における太破線は本実施例のローパスフィルタの斜め方向の周波数特性を示している。また、図13に示した細実線および細破線は、前述した比較例のローパスフィルタにおける周波数特性である。比較例の構成は、前述した実施例1で説明したものと同一である。

0083

前述のように本実施例におけるローパスフィルタにより分離された光線の分散は、実施例1におけるローパスフィルタ6により分離された光線の分散と等しい。そのため、0〜50lp/mmの範囲において、実施例4は実施例1や比較例と同等の周波数特性を示している。また、本実施例においても縦横方向と比較して斜め方向のカットオフ周波数を低くすることができることがわかる。 b/aの値を大きくするほど、縦横方向と比較して斜め方向のカットオフ周波数を低くすることができる。一方、斜め方向のMTFの折り返りはb/aの値を大きくするほど大きくなり、高周波域でのコントラストが増大する傾向がある。しかしながら、b/aの値が式(1)の上限よりも小さければ、カットオフ周波数以上の周波数域における折り返りによるコントラストを60%以下にすることができ、折り返りに起因したモアレや偽色の発生を低減することができる。

0084

また、上述の実施例1〜4の説明では、画素ピッチpを5μmとして説明したが、他の画素ピッチに対しても適用することができる。その場合、撮像素子7のナイキスト周波数に応じて分離幅aおよびbを設定すれば良い。

0085

ただし、光学系5による回折の影響や撮像素子7の画素数を考慮すると、画素ピッチpが3μm以上7μm以下であるときに、ローパスフィルタ6により顕著にモアレの発生を低減することができる。ゆえに、実施例1〜4で説明したローパスフィルタ6は、画素ピッチpが3μm以上7μm以下である撮像素子に対して用いることが好ましい。

0086

また、撮像素子7が図14に示すようなベイヤ配列型のカラーフィルタを有している場合、特に斜め方向のモアレが偽色となって現れ易い。ここで、図14四角で囲んだ領域は画素を表している。また、各画素におけるGの符号は緑色のカラーフィルタ、Rの符号は赤色のカラーフィルタ、Bの符号は青色のカラーフィルタを表している。

0087

実施例1〜4で説明したローパスフィルタ6は、縦横方向のカットオフ周波数よりも斜め方向のカットオフ周波数を低くすることのできるため、斜め方向のモアレの発生をより低減することができる。従って、ベイヤ配列型のカラーフィルタを有する撮像素子に対して実施例1〜4で説明したローパスフィルタ6を用いることで、偽色の発生を低減することができる。

0088

[変形例]
次に、変形例として、実施例1〜4で説明したローパスフィルタ6を有する撮像ユニット20について説明する。図15に、本変形例の撮像ユニット20の概略図を示す。撮像ユニット20はパッケージ11の内部に接着材等によって接着された撮像素子7を有する。撮像素子7は、CCDやCMOSなどである。また、撮像素子7の受光面7a側には、実施例1〜4で説明したローパスフィルタ6が配置されている。

0089

実施例1〜4で説明したローパスフィルタ6は、縦横方向のカットオフ周波数よりも斜め方向のカットオフ周波数を低くすることができる。従って、撮像ユニット20の受光面7a側に実施例1〜4で説明したローパスフィルタ6を配置することで、斜め方向のモアレの発生をより低減した画像を得ることができる。

0090

また、本変形例において、ローパスフィルタ6は撮像素子7を保護する保護板としての機能も備えている。ローパスフィルタが保護板としての機能を兼ねることにより、撮像ユニット20を小型化することができる。

0091

なお、図2図15では、4枚の複屈折板が密着して積層されている場合を示しているが、本発明はこれに限定されない。ローパスフィルタ6における4枚の複屈折板は、複屈折板同士の間には隙間を設けても良いし、赤外線カットフィルタ等の複屈折板以外のものを配置しても良い。

0092

以上、本発明の好ましい実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されず、その要旨の範囲内で種々の組合せ、変形及び変更が可能である。

0093

1 第1の複屈折板
2 第2の複屈折板
3 第3の複屈折板
4 第4の複屈折板
6光学ローパスフィルタ
7撮像素子
7a受光面

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