CN1564963A

CN1564963A - 光量调整装置及具有该光量调整装置的光学系和摄影装置

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Publication number: CN1564963A
Application number: CNA028198093A
Authority: CN
Inventors: 村田安规; 小山刚史
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2001-10-12
Filing date: 2002-10-02
Publication date: 2005-01-12
Anticipated expiration: 2022-10-02
Also published as: EP1445648A4; KR20040045816A; EP1445648A1; KR100611437B1; US20030086014A1; WO2003038516A1; CN100421025C; US7932952B2

Abstract

ND滤波片的微小的透射波面相位差使光学性能下降。本发明的光量调整装置，具有ND滤波片(P1)，该ND滤波片(P1)衰减通过由光阑叶片(S11、S12)形成的开口的光的光量，覆盖ND滤波片(P1)的开口的比例变化；其中：在ND滤波片(P1)覆盖整个开口的状态下，通过开口内的ND滤波片(P1)的透射系数的不同的区域(N11、N12、N13)的预定的波长λ的光的相位差大体为约0λ、约1λ、约2λ地设定。

Description

光量调整装置及具有该光量调整装置的光学系和摄影装置

技术领域

本发明涉及适合用于摄像机和数字静像照相机等摄影装置的光量调整装置，涉及对像素节距小的摄像元件也可抑制光学性能下降的技术。

背景技术

在摄像机等摄影装置的摄影光学系中，使用改变由多片光阑叶片形成的孔径从而调整光量的光量调整装置。在这样的光阑装置中，当孔径过小时，光的衍射导致的光学性能下降成为问题。

因此，提出并实用化了这样一种光量调整装置，该光量调整装置并用光阑叶片和ND(中性)滤波片，在明亮的景物条件下孔径也不过小。

在日本专利公报第2592949号中公开了这样一种光阑装置，该光阑装置在光阑叶片粘贴ND滤波片，使其位于由光阑叶片形成的开口内，ND滤波片分别具有设定为均匀的透射系数的多个区域，从开口的外侧朝内侧依次增大透射系数地设定。

在日本特开昭52-117127号公报公开了这样一种光阑装置，该光阑装置使机械的光阑叶片从开放移动到预定的开口面积，一定的光阑值或其以下的小光阑控制使根据浓淡连续改变透光度的ND滤波片从透射系数高的滤波片部分依次进入到开口。

在日本特开2000-106649号公报中说明具有多个浓度区域的ND滤波片的透射系数对提供的光学性能的影响，公开了具有采取了对策的曝光控制机构的摄像装置。

在过去的这些方案中，从开放到小光阑的中间光阑状态下的光学性能降低的主要原因可认为主要是用于覆盖由光阑叶片形成的开口部分的ND滤波片的透射系数的差引起的衍射的影响，为此提出了着眼于具有多个浓度区域的ND滤波片的各区域的透射系数和面积的、对衍射的影响的对策方案。

另一方面，在中间光阑状态下的光学性能降低的原因不仅为ND滤波片透射系数差引起的衍射的影响，而且由ND滤波片的厚度成分引起的透射波面相位差也产生较大的影响。

虽然根据经验知道当具有厚度的滤波片覆盖光阑开口部分的一部分时光学性能下降，但尚未发现有分析滤波片厚度成分如何影响光学性能从而提出具体对策的例子。

作为避免ND滤波片的厚度对光学性能的影响的对策，在日本特开平6-265971号公报中提出了这样的构成，即，ND滤波片具有透明部分和透射系数连续或分级变化的部分，在完全覆盖固定的圆形光阑开口的状态下使ND滤波片可动，调整透射光量。

然而，记载于日本特开平6-265971号公报的发明仅着眼于通过滤波构件的部分和不通过滤波构件的部分的大的相位差，当实际实现具有透射系数变化的ND滤波片时，为了改变透射系数而可能产生的微小厚度变化或微小折射率变化引起光波长λ的2倍左右或其以下的微小透射波面相位差，对这一问题及其对策未有任何说明。根据发明者的分析可知，这样的光的波长级或其以下的微小的透射波面相位差在某些条件下会对光学性能产生非常大的影响。

另外，透射波面相位差对提供的性能的影响与ND滤波片的邻接的不同透射系数的区域的浓度差对提供的光学性能的影响的方式不同，由透射波面相位差和浓度差这2个因素的叠加效果在某些条件下对光学性能产生较大的影响。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种光量调整装置，该光量调整装置并用光阑和如ND滤波片那样的使透射光衰减的滤波构件而进行光量调整，滤波构件的微小厚度成分的影响导致的光学性能下降得到减弱。

为了达到上述目的，在本第1项发明中，光量调整装置具有用于形成开口的光阑和对通过该光阑的开口的光的光量进行衰减的滤波构件，覆盖滤波构件的开口的比例变化；其中：在滤波构件覆盖整个开口的状态下，通过滤波构件的透射系数不同的位置的预定波长λ的光的相位差为约0λ、约1λ、或约2λ地设定。

其中，本申请第1项发明的“预定波长”根据光量调整装置的使用状态适当决定，例如在采用了使用波长带区的中心波长等、可视光区为使用波长带区的场合，最好λ＝550nm。

另外，“约0λ、约1λ或约2λ”的相位差是指包含制造误差在内为{0±(1/5)}λ、{1±(1/5)}λ、{2±(1/5)}λ的范围内的相位差。如为该范围内的相位差，则实质上看成0λ、1λ或2λ，可充分地达到本发明当初的目的。

另外，在本申请第2发明中，光量调整装置具有用于形成开口的光阑和对通过该光阑的开口的光的光量进行衰减的滤波构件，覆盖滤波构件的开口的比例变化；其中：具有在滤波构件覆盖整个开口的状态下将通过滤波构件的透射系数不同的位置的光的相位差设定预定值的单元。

本申请的第1～第3发明的光量调整装置适合用于调整通过光学系的光量，特别是适合用于在CCD或CMOS等摄像元件(光电变换元件)上成像的摄影装置的光学系。

附图说明

图1A、图1B、图1C、图1D为实施例1的光量调整装置的示意构成图。

图2为示出透过实施例1的光量调整装置的ND滤波片的波面的相位状态的图。

图3为实施例1的ND滤波片的放大截面图。

图4A、图4B、图4C、图4D为实施例2的光量调整装置的示意构成图。

图5为示出透过实施例2的光量调整装置的ND滤波片的波面的相位状态的图。

图6为实施例2的ND滤波片的放大截面图。

图7A、图7B、图7C、图7D为实施例3的光量调整装置的示意构成图。

图8为示出透过实施例3的光量调整装置的ND滤波片的波面的相位状态的图。

图9为实施例3的ND滤波片的放大截面图。

图10A、图10B、图10C、图10D为实施例4的光量调整装置的示意构成图。

图11为示出透射实施例4的光量调整装置的ND滤波片的波面的相位状态的图。

图12为实施例4的ND滤波片的放大截面图。

图13为具有光量调整装置的光学系的示意构成图。

图14为具有光量调整装置的摄影装置的示意构成图。

图15A、图15B、图15C、图15D、图15E为用于说明透射波面相位差对光学性能的影响的图。

图16A、图16B、图16C为示出相位差(0/4)λ时的单色光的点像强度分布的图。

图17A、图17B、图17C为示出相位差(1/4)λ时的单色光的点像强度分布的图。

图18A、图18B、图18C为示出相位差(2/4)λ时的单色光的点像强度分布的图。

图19A、图19B、图19C为示出相位差(3/4)λ时的单色光的点像强度分布的图。

图20A、图20B、图20C为示出相位差(4/4)λ时的单色光的点像强度分布的图。

图21A、图21B、图21C为示出相位差(0/4)λ时的白色光的点像强度分布的图。

图22A、图22B、图22C为示出相位差(1/4)λ时的白色光的点像强度分布的图。

图23A、图23B、图23C为示出相位差(2/4)λ时的白色光的点像强度分布的图。

图24A、图24B、图24C为示出相位差(3/4)λ时的白色光的点像强度分布的图。

图25A、图25B、图25C为示出相位差(4/4)λ时的白色光的点像强度分布的图。

图26A、图26B、图26C为示出相位差5.5λ时的单色光的点像强度分布的图。

图27A、图27B、图27C为示出相位差5.5λ时的白色光的点像强度分布的图。

图28A、图28B、图28C为示出相位差6.0λ时的单色光的点像强度分布的图。

图29A、图29B、图29C为示出相位差6.0λ时的白色光的点像强度分布的图。

图30A、图30B为示出空间频率50线/mm和空间频率100线/mm的白色MTF值与透射波面相位差的关系的图。

图31为示出透过已有的ND滤波片的波面的相位状态的图。

图32A、图32B、图32C、图32D、图32E、图32F为示出在光阑F4状态下的在开口部分的浓度差的边界部分放置量与MTF变化的图。

图33A、图33B、图33C、图33D、图33E、图33F为示出在光阑F4状态下的在开口部分的相位差的边界部分放置量与MTF变化的图。

图34A、图34B、图34C、图34D、图34E、图34F为示出在光阑F4状态下的在开口部分的浓度差和相位差的边界部分放置量与MTF变化的图。

具体实施方式

下面参照在说明本实施形式的光量调整装置(光阑装置)之前，说明透射波面相位差对像产生什么样的影响。

首先，根据图15说明当具有厚度的滤波片覆盖光阑开口部分的一部分时发生什么样的光学现象。

图15A、图15B、图15C、图15D、图15E示出几何光学的成像点I附近的点像强度分布Q，在该场合，在无像差的理想透镜L的前方(物体侧)配置滤波片P和孔径光阑S，作为波长λ的单色光的平面波的平行光线入射。

图15A为滤波片P的厚度为零、不对透射波面产生影响的状态。在该场合，强度分布Q成为依照光阑数(F number)F与光线波长λ的关系的衍射像(参照“用于透镜设计的波面光学”草川彻著，东海大学出版社)。

在光阑S为圆形开口的场合，形成半径1.22Fλ的1个点像，在其周围形成环形的弱光的衍射光。其中，如使与光阑S开口的一半相当的滤波片P的纸面下侧区域的厚度增加微小量，如图15B所示那样使透射波面相位差为(1/4)λ地设定，则在大强度的点像旁出现小强度的点像。

如使滤波片P的下侧区域的厚度进一步增加，如图15C所示那样使透射波面相位差成为(2/4)λ地设定，则强度分布Q不成为1个点像，在纸面内成为朝上下方向分离的2点的像强度分布。这是由于为了会聚到几何光学的成像点I的光中的、通过光瞳的纸面上侧一半的光的波面与纸面下侧一半的波面的相位错开(1/2)λ，所以，根据波动光学发生波的相互抵消现象，在成像点I上的强度成为零。另一方面，按照能量守恒定律，应会聚于成像点I的光能不会消失，所以，会聚到分散于成像点I的纸面上下方向的2个点。

如进一步增加滤波片P的下侧区域的厚度，如图15D所示那样使透射波面相位差成为(3/4)λ地设定，则2点像的上侧的强度减弱，下侧的强度增强。

如进一步增加滤波片P的下侧区域的厚度，如图15E所示那样使透射波面相位差成为(4/4)λ地设定，则强度分布Q再次成为1个点像的衍射像，返回到与图15A同样的状态。

如进一步增加滤波片P的下侧区域的厚度，则强度分布Q相应于透射波面相位差反复周期性地变化。

在图15C所示透射波面相位差为(1/2)λ的场合分离的2点像的间隔Δy具有Δy2Fλ的关系，与光阑数和波长λ成比例。例如在光阑数F＝4、波长λ＝550nm的场合，成为2点像的间隔Δy4.4μm。这与2点分离的低通滤波器为相同原理，发生与使用截止频率1/(2Δy)＝114线/mm的低通滤波器的场合同样的效果，意味光学系的MTF劣化。

由光学计算设定无像差的理想透镜，计算图15A、图15B、图15C、图15D、图15E的状态的点像强度分布的结果示于图16A、图16B、图16C、图17A、图17C、图18A、图18B、图18C、图19A、图19B、图19C、图20A、图20B、图20C。图16A、图16B、图16C、图17A、图17C、图18A、图18B、图18C、图19A、图19B、图19C、图20A、图20B、图20C分别为在单色光λ＝550nm、光阑数F＝2的圆形光阑的条件下光阑开口的一半区域的透射波面相位差从(0/4)λ到(4/4)λ每次增加(1/4)λ地增加滤波片厚度的场合的点像强度分布。在图16A、图16B、图16C、图17A、图17C、图18A、图18B、图18C、图19A、图19B、图19C、图20A、图20B、图20C中，A、B、C分别为点像强度分布的透视图、上面图、侧面图(后述的图21A、图21B、图21C、图22A、图22B、图22C、图23A、图23B、图23C、图24A、图24B、图24C、图25A、图25B、图25C、图26A、图26B、图26C、图27A、图27B、图27C、图28A、图28B、图28C、图29A、图29B、图29C也同样)。

由图16A、图16B、图16C、图17A、图17C、图18A、图18B、图18C、图19A、图19B、图19C、图20A、图20B、图20C可知，在由1个波长构成的单色光的场合，相应于滤波片厚度的变化带来的透射波面相位差，成像点I的强度分布周期性变化。

可是，实际在摄影系中使用的光不为单色光，而是为混合了各种波长的光的白色光。按与图16A、图16B、图16C、图17A、图17C、图18A、图18B、图18C、图19A、图19B、图19C、图20A、图20B、图20C相同的设定条件计算白色光的点像强度分布的结果示于图21A、图21B、图21C、图22A、图22B、图22C、图23A、图23B、图23C、图24A、图24B、图24C、图25A、图25B、图25C。作为白色光，与标准相对可见度对应地在可视光400nm～700nm的范围设定在550nm附近具有可见度峰的加权值。

从图21A、图21B、图21C、图22A、图22B、图22C、图23A、图23B、图23C、图24A、图24B、图24C、图25A、图25B、图25C可知，波长λ＝550nm的透射波面相位差从0λ到1λ的点像强度分布的变化在白色光的场合也与单色光的场合大体相同，点像从1点分离到2点，再次变化到1点。

图23A、图23B、图23C示出波长λ＝550nm时的透射波面相位差为(1/2)λ时白色光的强度分布成为2点分离像的状态。如上述那样，2点分离像的分离宽度与光阑数和波长λ成比例，所以，波长较长的红光的2点分离像的分离宽度较宽，相反，波长较短的蓝光的2点分离像的分离宽度较窄。因此，图23A、图23B、图23C所示白色光的2点分离像成为具有色污点的像。单色光的场合，2点分离像的中间的谷间的部分的强度为零，在白色光的场合谷间的部分的强度由于色污点的影响而不为零。

图25A、图25B、图25C示出波长λ＝550nm时的透射波面相位差正好为(4/4)λ＝1λ时白色光的点强度分布状态。透过滤波片的光的相位差随波长而不同，白色光不是所有的波长的相位差成为1λ，所以，如图25B所示那样，点像强度分布不成为完全的圆形，成为朝上下方向稍伸展的椭圆形状。

这样，在白色光的场合，如透射波面相位差为约2λ或其以下的较小的区域，则与单色光的场合同样，成像点I的强度分布周期地成为1点或成为2点。然而，在透射波面相位差在数λ或其以上的大区域中，透射波面相位差的波长产生的偏移增大，相对点像强度分布示出与单色光不同的特性。下面对其进行说明。

图26A、图26B、图26C、图27A、图27B、图27C、图28A、图28B、图28C示出计算波长λ＝550nm下的透射波面相位差发生5.5λ和6λ的场合的单色光和白色光的点像强度分布的不同获得的结果。

图26A、图26B、图26C为单色光、相位差5.5λ发生条件下的单色光点像强度分布，图27A、图27B、图27C为白色光下的点像强度分布。

图28A、图28B、图28C为单色光、相位差6λ发生条件下的单色光点像强度分布，图29A、图29B、图29C为白色光下的点像强度分布。

在单色光的场合，对于图26A、图26B、图26C所示透射波面相位差5.5λ偏移(1/2)相位，所以，与图18A、图18B、图18C相同，具有2点分离的强度分布，但在为白色光的场合，已不成为2点像。各波长的相位差都不为(1/2)相位，波长产生的相位差增大，成为如图27A、图27B、图27C所示那样朝存在相位差的方向(图27A、图27B、图27C的上下方向)伸长的椭圆形的2个点像强度分布。

在透射波面相位差6λ的场合，对于单色光，成为正好相位对齐的状态，所以，如图28A、图28B、图28C所示那样成为1点的圆形的点像强度分布。在白色光的场合，如图29A、图29B、图29C所示那样成为朝存在相位差的方向(图29A、图29B、图29C的上下方向)伸长的椭圆形的强度分布。

比较图27A、图27B、图27C与图29A、图29B、图29C的强度分布可知，在白色光的场合，即使透射波面相位差从5.5λ变化到6λ，点像强度分布也基本上不变化。这表明，在作为光阑开口的光瞳面的透射波面相位差大体处于2λ或其以下的微小的场合和5λ或其以上的较大的场合，透射波面相位差对光学性能的影响对于白色光来讲差别很大。

在使用ND滤波片的光量调整装置中，透射波面相位差大体为2λ或其以下的区域意味着在ND滤波片基板完全覆盖开口的状态下由ND滤波片基板上的光学薄膜程度的厚度产生的相位差。在该区域，透射波面相位差从iλ(i＝0，1)变化到(i+(1/2))λ时，光学性能急剧下降，当从(i+(1/2))λ变化到(i+1)λ时，光学性能恢复到某一程度。

另一方面，透射波面相位差在5λ或其以上的区域意味着在ND滤波片基板的端缘部分放置到光阑开口的状态下的ND滤波片基板自身厚度导致的相位差等，在该区域，即使透射波面相位差多少有些变化，光学性能也不太变化。

关于这一点，将MTF值用于光学性能评价，根据图30A、图30B说明与透射波面相位差具有怎样的关系。其中，ND滤波片的透射系数引起的衍射的影响不考虑，仅限定于滤波片的厚度成分引起的透射波面相位差导致的MTF值的变化。

图30A、图30B为从零逐渐增加光阑开口下侧半部区域的滤波片厚度、使透射波面相位差变化到6λ的场合的无像差理想透镜系的白色光的波动光学的MTF计算值。

图30A用图表示空间频率50线/mm的白色MTF值，图30B用图表示空间频率100线/mm的白色MTF值。图的纵轴为MTF值，横轴为波长λ＝550nm时的透射波面相位差。圆形开口的光阑数为F1、F1.4、F2、F2.8、F4、F5.6、F8的状态下的各MTF值由图示出。

在这里，说明由MTF计算评价的空间频率。在摄像元件的像素节距为pμm的场合，该摄像元件可析像的极限的空间频率为1/(2×p)。通常比该极限的空间频率附近高的频率成为莫尔条纹和伪色信号的原因，所以，由低通滤波片截止。对画质评价重要的空间频率为摄像元件的极限频率的一半左右。

因此，定义为评价空间频率＝1/(4×p)，摄像元件的像素节距为5μm的场合，为50线/mm，像素节距为2.5μm的场合，为100线/mm。

例如，在有效像素38万像素、受光元件画面对角尺寸4.5mm的电视摄像机用的摄像元件的场合，像素节距约为5μm，评价空间频率成为50线/mm，换算成垂直方向电视析像度时，与270TV线相当。在有效像素数相同的条件下，如为受光元件画面对角尺寸2.25mm的摄像元件，则像素节距为约2.5μm，成为评价空间频率100线/mm。在该场合，换算成垂直方向电视析像度时，与270TV线相当。

下面返回来说明透射波面相位差对光学性能的影响。

将评价空间频率的目标MTF值假定为70％或其以上。这里的MTF计算未考虑ND滤波片透射系数，为无像差理想透镜系，目标MTF值假设为稍高的值，但该场合为估计值，不为绝对的数值目标。

首先，说明图30A所示空间频率50线/mm时的白色MTF值。

在将开口缩小到F8的状态下的透射波面相位差为零λ的场合，可确保MTF值72％，但透射波面相位差达到(1/2)λ时，MTF值急剧劣化到21％。使透射波面相位差进一步增加，在1λ的状态下MTF值恢复到62％。当进一步增加透射波面相位差时，MTF值一边振动一边变化，透射波面相位差在5λ或其以上稳定为MTF值42％左右。在F8状态下，为了满足目标MTF值，需要将透射波面相位差设定到大体零λ附近。

在F5.6的状态下，当透射波面相位差为零λ时，确保MTF值80％，但在透射波面相位差(1/2)λ状态下劣化到44％，在透射波面相位差为1λ时恢复到MTF值76％，但此后一边振动一边在透射波面相位差5λ或其以上稳定于MTF值61％左右。

在F4的状态下，当透射波面相位差为零λ时，MTF值为85％，在透射波面相位差(1/2)λ发生时，劣化到58％，在透射波面相位差为1λ时恢复到MTF值82％，但此后一边振动一边在透射波面相位差5λ或其以上稳定于MTF值72％。

在F2.8的状态下，当透射波面相位差为零λ时，MTF值为90％，在透射波面相位差(1/2)λ发生时，还可确保71％，在透射波面相位差为1λ时恢复到MTF值88％，但此后一边振动一边在透射波面相位差5λ或其以上稳定在MTF值80％。

如为比F2.8明亮的孔径光阑状态，则透射波面相位差的影响不会使MTF值下降到比70％低的值。

下面，说明图30B所示图表示空间频率100线/mm的白色MTF值。

在将开口缩小到F8的状态下，由衍射的影响，使MTF值劣化到45％，当透射波面相位差在5λ或其以上时，MTF值劣化到5％左右。在F8状态下，不可能满足目标MTF值。

在F5.6的状态下，当透射波面相位差为零λ时，MTF值劣化到61％，在透射波面相位差(1/2)λ状态下劣化到6％，在透射波面相位差为1λ时恢复到MTF值53％，但此后一边振动一边在透射波面相位差5λ或其以上稳定于MTF值27％左右。在F5.6状态下衍射的影响仍较大，不能满足目标MTF值。

在F4的状态下，当透射波面相位差为零λ时，可确保MTF值72％，但在透射波面相位差(1/2)λ状态下，劣化到21％，在透射波面相位差为1λ时恢复到MTF值66％，但此后一边振动一边在透射波面相位差5λ或其以上稳定于MTF值45％左右。在F4状态下，要满足目标MTF值，需要将透射波面相位差设定到零λ附近。这是因为在光阑开口F4状态下插入ND滤波片时，滤波片厚度导致大的透射波面相位差发生，不能满足目标MTF值。

在F2.8的状态下，当透射波面相位差为零λ时，确保了MTF值80％，但在透射波面相位差(1/2)λ状态下，劣化到43％，在透射波面相位差为1λ时恢复到MTF值76％，但此后一边振动一边在透射波面相位差5λ或其以上稳定在MTF值60％左右。

在F2的状态下，当透射波面相位差为零λ时，确保了MTF值85％，但在透射波面相位差(1/2)λ状态下，劣化到58％，在透射波面相位差为1λ时恢复到MTF值73％，但此后一边振动一边在透射波面相位差5λ或其以上稳定在MTF值71％左右。

在F1.4的状态下，当透射波面相位差为零λ时，确保了MTF值90％，但在透射波面相位差(1/2)λ状态下，劣化到70％，在透射波面相位差为1λ时恢复到MTF值88％，但此后一边振动一边在透射波面相位差5λ或其以上稳定在MTF值89％左右。

在光阑开口部插入滤波片，滤波片端缘部位于开口中央的状态为透射波面相位差在5λ或其以上的状态。在该透射波面相位差状态下，评价空间频率为50线/mm的场合，即使缩小到F4，也可确保MTF值70％。另一方面，在评价空间频率为100线/mm的场合，开口扩大到F4，不能确保MTF值70％。

可是，作为ND滤波片，已知在材料中混入吸收光的有机色素或颜料的类型和在材料的表面蒸镀光学薄膜的类型。混入类型ND滤波片的特征在于，与蒸镀类型ND滤波片相比，分光透射系数的波长依存性变差，所以，用作摄影装置用光阑装置的ND滤波片使用蒸镀类型较有利。蒸镀类型ND滤波片通过重合多层金属膜和电介质膜，可使分光透射系数的波长依存性少，而且还具有作为反射防止膜的作用。(参照“光学薄膜的设计、制作、评价技术”技术信息协会)。

图31示出使用蒸镀型ND滤波片分的设定多个浓度区域的例子。在图中，P5为蒸镀型ND滤波片具有2种浓度区域的例子。在滤波片基板B5的表面整个面蒸镀ND膜51，在背面的不同面积区域蒸镀ND膜N52。在该场合，如图所示那样，在背面的ND蒸镀膜边界部分发生由ND膜厚的台阶高差引起的透射波面相位差。

在图30A、图30B中，透射波面相位差在2λ或其以下的区域意味着存在由该膜厚的台阶等引起的微小的透射波面相位差的场合。

在ND滤波片依次覆盖光阑开口部分的场合，说明浓度差对光学性能的影响、透射波面相位差对光学性能的影响、及浓度差和透射波面相位差双方的叠加作用对光学性能的影响。

作为简化模型，假定没有像差的理想的透镜，光阑开口部分为按使正方形倾斜45度的形状将开口缩小成F4的状态。ND滤波片的浓度差存在的边界、产生透射波面相位差的边界、或双方存在的边界依次在该光阑开口部分移动，在计算上设定浓度高(透射系数低)的区域、具有预定厚度的区域、具有双方的区域覆盖光阑开口的状态。在图32A、图32B、图32C、图32D、图32E、图32F、图33A、图33B、图33C、图33D、图33E、图33F、图34A、图34B、图34C、图34D、图34E、图34F中，A表示放置于这些区域的开口部分的比例从0成变化到10成时的空间频率50线/mm的白色MTF计算值，B～F相应于A示出在开口部分的边界部分放置量比例。

图32A、图32B、图32C、图32D、图32E、图32F在边界的前后的区域仅设定浓度差，示出浓度差0、浓度差0.5、浓度差1.0、浓度差1.5的场合的计算值。其中，浓度与透射系数的关系为“浓度＝-log(透射系数)”。因此，

浓度差0.0为透射系数100％

浓度差0.5为透射系数32％

浓度差1.0为透射系数10％

浓度差1.5为透射系数3％

根据边界前后的区域的浓度差可知，在浓度高的区域覆盖开口部分7成到8成的状态下MTF值最低。这是由于在光阑叶片和浓度差存在的边界形成的浓度低(透射系数高)的部分的开口形状成为小光阑状态，衍射的影响使MTF值发生劣化。

另外，在浓度差为0.5左右时，MTF值的劣化少，即使浓度高的区域为覆盖光阑开口部分7成到8成的状态也可充分确保目标的70％或其以上。另一方面，当浓度差超过0.5时，MTF值开始大幅度劣化，在浓度高的区域覆盖开口部分7成到8成的状态下，当浓度差为1.0时，MTF值为68％，当浓度差为1.5时，MTF值急剧下降到MTF值53％。

图33A、图33B、图33C、图33D、图33E、图33F在边界的前后的区域仅设定透射波面相位差，示出相位差为0λ、0.25λ、0.5λ、6λ、0.2λ的状态下的计算值。

根据边界前后的区域的浓度差可知，在相对夹住边界的一方的区域具有预定相位差的另一方的区域正好覆盖光阑开口部分的状态(边界前后的区域在开口部分所占面积分别相等的状态)下，MTF值最低。在该覆盖5成的状态下，比较相位差为0λ的场合、0.25λ的场合、及0.5λ的场合，随着相位差增大，MTF值下降。这样的相位差变化产生的MTF值的变化已如在图30中说明的那样，相位差到2λ左右之前周期性变化，在5λ或其以上的范围中大体稳定为一定的值。

在图33A、图33B、图33C、图33D、图33E、图33F比较相位差0.25λ与6λ的MTF值时得到大体相同的值。这意味着蒸镀膜的膜厚产生的透射波面相位差为1/4λ的场合和ND滤波片的基板厚形成的大的透射波面相位差发生的场合对光学性能的影响为相同程度。

下面，说明边界前后的区域的浓度差与透射波面相位差双方的叠加作用对光学性能的影响。

图34A、图34B、图34C、图34D、图34E、图34F示出在边界的前后的区域分别单独设定浓度差0.5、透射波面相位差0.2λ的场合和同时设定的场合的MTF计算值。

如上述那样，浓度差对MTF值的影响在浓度高的区域覆盖光阑开口部分7成到8成的状态下最大。另一方面，透射波面相位差对MTF值的影响在占边界前后的区域的开口部分的面积相等的状态下最大。从图34A、图34B、图34C、图34D、图34E、图34F可以看出，在该2个条件同时发生的场合，由其叠加使用使得在覆盖开口部分的6成到7成左右的状态下对光学性能的影响最大。

如以上根据图32A、图32B、图32C、图32D、图32E、图32F、图33A、图33B、图33C、图33D、图33E、图33F、图34A、图34B、图34C、图34D、图34E、图34F说明的那样，即使仅抑制边界前后的区域的浓度差，如相位差大，则光学性能也下降，相反，如即使将相位差抑制得较小，如浓度差大，则光学性能也下降。因此，为了极力减少光学性能下降，需要以良好的平衡设定透射波面相位差和浓度差。

在以下的具体的实施例中，示出通过将邻接的区域的透射波面相位差和/或浓度差限制在适当的范围内从而将光学性能的降低抑制到最小极限的构成。

(实施例1)

图1示出本发明的实施例1。图1A、图1B、图1C、图1D为应用了本发明的光量调整装置(光阑装置)的实施例。图1A示出开放光阑状态，图1B示出中间光阑状态，图1C示出最小光阑状态，图1D示出图1A的侧面。

图中，S11、S12为用于形成光阑开口的光阑叶片，通过使其相对移动，可改变开口面积。P1为ND滤波片(滤波构件)，粘贴固定于光阑叶片S12。因此，随着光阑叶片S11、S12的相对移动，ND滤波片P1覆盖开口的面积变化。另外，ND滤波片P1从光阑叶片S12的开口周边侧朝内侧依次在基板B1上形成透射系数小(浓度浓)的区域N13、透射系数第2小(透射系数中等)的区域N12、及透射系数大(浓度淡)的区域N11。基板B1使用醋酸纤维素、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、聚氯乙烯、丙烯树脂等合成树脂薄膜。使用合成树脂薄膜的主要理由在于比重轻和即使加工得很薄也不易破裂。基板B1的厚度为100μm～50μm左右。

图2示出透过ND滤波片P1的透射波面的状态。在图2的各区域N11、N12、N13由蒸镀膜设定各透射系数，使区域N11与区域N12的浓度差及区域N12与N13的浓度差都在0.5或其以下。通过适当地设定各浓度区域的膜厚和其材料的折射率，从而使包含制造误差的透射波面相位差在(1/5)λ或其以下。透射波面相位差在(1/5)λ或其以下公开于日本特开平7-63915号公报的ND滤波片(多层膜的平均折射率1.63)时，各浓度区域的实际的级差(机械的台阶高差)与0.17μm或其以下相当。

ND滤波片P1的各区域N11、N12如图3所示那样，在薄膜状的基板B1上形成具有3个作用的蒸镀层。即，用于修正透射波面相位差的底涂层31，用于与波长无关地使透射系数均匀地下降的ND层32，及防止表面反射的AR涂层33。区域N13没有底涂层31，仅具有ND层32和AR涂层33。

用于修正透射波面相位差的底涂层31通过在基板B1上适当地设定Al₂O₃或SiO₂等接近基板B1的折射率的电介质膜的厚度地进行蒸镀，从而修正透射波面相位差。用于降低透射系数的ND层32由多层膜构成，使波长依存性变少地设定。ND层32为了对各区域N11、N12、N13改变透射系数，厚度不同，这成为透射波面相位差的主要原因。底涂层31用于对其进行修正。作为最终层，蒸镀防止表面反射的AR涂层33。AR涂层33蒸镀MgF2等电介质膜。

参照图30A、图30B所示透射波面相位差与白色MTF的关系可知，当透射波面相位差超过(1/5)λ时，MTF值急剧劣化，在透射波面相位差为(1/4)λ～(3/4)λ的状态下，与透射波面相位差发生5λ或其以上的状态相比MTF值下降。这在光阑数大的状态(光阑开口小的状态)下特别明显，在光阑数小的状态(光阑开口大的状态)下，MTF值的劣化比透射波面相位差完全没有的状态少。

在本实施例中，如图1A所示那样，在光阑开口内存在数μm或其以上的厚度的ND滤波片P1的端缘部分的状态相当于透射波面相位差发生5λ或其以上的状态。然而，在图1A所示那样光阑数较小的场合，由于成为该状态地设定，所以，可将光学性能的劣化抑制到实施上没有问题的程度。

另一方面，在如图1B和图1C所示那样的光阑数较大的场合，ND滤波片P1覆盖开口整体地设定，而且通过ND滤波片P1的透射系数不同的位置的光的透射波面相位差处于(1/5)λ或其以下地设定，所以，可抑制光学性能的劣化。

在本实施例中，使透射波面相位差处于(1/5)λ或其以下即0λ附近地设定，但如MTF值的下降在容许范围内，则也可将透射波面相位差设定于1λ附近或2λ附近。

即，透射波面相位差可为

{n±(1/5)}λ(n＝0，1，2)

按照这样的构成，可提供在缩小光阑的状态下也可将MTF值的劣化抑制到最小限度、提高画质的光量调整装置。另外，如将本实施例的光量调整装置用于摄像机或数字静像照相机等摄影装置，则可在抑制画质下降的同时使用像素节距小的摄像元件。

(实施例2)

本发明的实施例2示于图4A、图4B、图4C、图4D。图4A、图4B、图4C、图4D为与实施例1同样地应用本发明的光量调整装置(光阑装置)的实施例，但与实施例1不同，为独立地驱动光阑叶片与ND滤波片、进行光量调整的装置的实施例。

图中，S11、S12为用于形成光阑开口的光阑叶片，通过使其相对移动，可改变开口面积。P2为ND滤波片，光阑叶片S11、S12可独立地驱动。在本实施例中，从图4A所示开放状态到图4B所示预定的缩小状态由光阑叶片S21、S22缩小开口，从而进行光量调整，此后固定开口面积，如图4C所示那样，将ND滤波片P2按从透射系数大的区域到透射系数小的区域的顺序插入到开口内，从而进行光量调整。

ND滤波片P2在基板B2的一方的面形成没有减光作用的区域N21、预定透射系数的区域N22，在另一方的面形成与区域N22相同透射系数的区域N23、比区域N22、N23小的透射系数的区域N24。因此，在光通过区域N21和区域N23的场合，透射系数最小，在通过区域N22和区域N23的场合，透射系数逐渐减小，在通过区域N22和区域N24的场合透射系数最大。这样，本实施例的ND滤波片P2组合具有2种透射系数的蒸镀ND膜，设定3种透射系数(浓度)。组合区域N21和区域N23的浓度与组合区域N22和区域N23的浓度的差、组合区域N22和区域N23的浓度与组合区域N22和区域N24的浓度的差都在0.5或其以下地设定。

基板B2使用与在实施例1中说明的基板B1同样的基板。

透过ND滤波片P2的透射波面的状态如图5所示。在本实施例中，通过适当地设定区域N21、N22、N23、N24的膜厚和其材料的折射率，从而使包含制造误差的透射波面相位差在(1/5)λ或其以下(机械的台阶高差0.17μm或其以下)。

ND滤波片P2的放大截面图如图6所示。本实施例的各区域N21、N22、N23、N24也与实施实施例1的各浓度区域同样，由底涂层61、ND层62、AR涂层63构成。在本实施例中，特征点在于，没有减光作用的区域21仅由底涂层61和AR涂层63构成。在本实施便中，通过适当设定该底涂层61的膜厚，也可使各区域的透射波面相位差处于(1/5)λ或其以下地修正。用于底涂层61、ND层62、AR涂层63的材料与实施例1相同。

在本实施例中，也可与实施例1同样地将透射波面相位差设定在1λ附近或2λ附近。

本实施例也与实施例1同样，可实现在缩小光阑的状态下也可将MTF值的劣化抑制到最小限度、提高画质的光量调整装置。另外，如将本实施例的光量调整装置用于摄像机或数字静像照相机等摄影装置，则可在抑制画质下降的同时使用像素节距小的摄像元件。

(实施例3)

本发明的实施例3示于图7A、图7B、图7C。图7A、图7B、图7C为与实施例1同样地应用本发明的光量调整装置(光阑装置)的实施例。图7A示出开放光阑状态，图7B示出中间光阑状态，图7C示出最小光阑状态，图7D示出图7A的侧面。

图中，S31、S32为用于形成光阑开口的光阑叶片，通过使其相对移动，可改变开口面积。P3为ND滤波片(滤波构件)，粘贴固定于光阑叶片S32。因此，随着光阑叶片S31、S32的相对移动，ND滤波片P3覆盖开口的面积变化。

另外，ND滤波片P3在基板B3的一方的面形成预定透射系数的区域N31，在另一方的面的一部分形成与区域N31不同透射系数的区域N32。因此，在光仅通过区域N31的场合和通过区域N31、N32双方的场合透射系数不同，仅通过区域1的场合的透射系数最小。

基板B3使用醋酸纤维素、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、聚氯乙烯、丙烯树脂等合成树脂薄膜。使用合成树脂薄膜的主要理由在于比重轻和即使加工得很薄也不易破裂。基板B1的厚度为100μm～50μm左右。

透过ND滤波片P3的透射波面的状态如图8所示。图8中的各区域N31、N32由蒸镀膜设定各透射系数。通过适当地设定各区域的膜厚和其材料的折射率，从而使包含制造误差的透射波面相位差在{1±(1/5)}λ或{2±(1/5)}λ的范围内。

ND滤波片P3的如区域N32图9所示那样，在薄膜状的基板B3上形成具有3个作用的蒸镀层。即，用于将透射波面相位差设定为预定值({1±(1/5)}λ或{2±(1/5)}λ)的底涂层91，用于与波长无关地使透射系数均匀地下降的ND层92，及防止表面反射的AR涂层93。区域N31没有底涂层91，仅由ND层92和AR涂层93构成。

底涂层91通过在基板B3上适当地设定Al₂O₃或SiO₂等接近基板B3的折射率的电介质膜的厚度地进行蒸镀，从而将透射波面相位差设定为所期望的值。用于降低透射系数的ND层92由多层膜构成，使波长依存性变少地设定。ND层92为了设定为所期望的透射系数(所期望的浓度)而具有微小的厚度，这成为透射波面相位差的主要原因。底涂层91用于将其调整为适当的透射波面相位差。作为最终层，蒸镀防止表面反射的AR涂层93。AR涂层93蒸镀MgF₂等电介质膜。

在这里，用于降低微小厚度成分的影响导致的光学性能劣化的适当的透射波面相位差指预定波长λ的光的相位差在0λ附近或1λ附近或2λ附近的场合。在本实施形式中，“附近”的范围假设为“±(1/5)λ”，“0λ附近或1λ附近”由式子表示时如下。

{n±(1/5)}λ(n＝0，1，2)

为了使光学性能劣化最少，如实施例1和实施例2所示那样，最好将透射波面相位差设定在0λ附近((1/5)λ或其以下)。然而，为了使透射波面相位差在0λ附近，需要区域N32具有预定的厚度，而且需要与区域N31和区域N32的生成工序独立地设置用于修正由此产生的透射波面相位差的区域。这意味着制造工序增加，所以，带来成本增大。因此，在本实施形式中，作为构成区域N32的膜的生成工序的一环，使用可形成的底涂层91使透射波面相位差在{1±(1/5)}λ或{2±(1/5)}λ的范围内。

参照图30A、图30B所示透射波面相位差与白色MTF的关系可知，当透射波面相位差超过{n+(1/5)}λ时，MTF值急剧劣化，在透射波面相位差为{n+(1/4)}λ～{n+(3/4)}λ的状态下，与透射波面相位差发生5λ或其以上的状态相比MTF值下降。这在光阑数小的状态(光阑开口大的状态)下，MTF值的劣化比透射波面相位差完全没有的状态少，但在光阑数大的状态(光阑开口小的状态)下特别明显。在透射波面相位差为{n+(1/5)}λ的区域中，MTF值按大的周期衰减，但与透射波面相位差为{n+(1/4)}λ～{n+(3/4)}λ的区域相比得到恢复。

在本实施例中，如图7A所示那样，在光阑开口内存在数μm或其以上的厚度的ND滤波片P3的端缘部分的状态与透射波面相位差发生5λ或其以上的状态相当。然而，在图7A所示那样光阑数较小的场合，由于成为该状态地设定，所以，可将光学性能的劣化抑制到实施上没有问题的程度。

另一方面，在如图7B那样的中间光阑状态下的光阑数较大的场合，ND滤波片P3覆盖开口整体地设定，而且ND滤波片P3的透射波面相位差处于{1±(1/5)}λ或{2±(1/5)}λ地设定，所以，可抑制光学性能的劣化。另外，在图7C所示那样的光阑数较大的场合，通过设定为没有浓度级差也没有透射波面相位差的状态可抑制光学性能的劣化。

(实施例4)

本发明的实施例4示于图10A、图10B、图10C、图10D。图10A、图10B、图10C、图10D为与实施例1同样地应用本发明的光量调整装置(光阑装置)的实施例但与实施例2相同，为独立地驱动光阑叶片与ND滤波片、进行光量调整的装置的实施例。

图中，S41、S42为用于形成光阑开口的光阑叶片，通过使其相对移动，可改变开口面积。P4为ND滤波片，光阑叶片S41、S42可独立地驱动。在本实施例中，从图10A所示开放状态到图10B所示预定的缩小状态由光阑叶片S41、S42缩小开口，从而进行光量调整，此后固定开口面积，如图10C所示那样，将ND滤波片P4按从透射系数大的区域到透射系数小的区域的顺序插入到开口内，从而进行光量调整。

ND滤波片P4在基板B4的一方的面形成没有减光作用的区域S41和预定透射系数的区域N42，在另一方的面形成没有减光作用的区域N43和与区域N42相同透射系数的区域N43。因此，在光通过区域N41和区域N43的场合，透射系数最小，在通过区域N42和区域N43的场合，透射系数第2小，在通过区域N42和区域N44的场合透射系数最大。这样，本实施例的ND滤波片P4组合具有2种透射系数的蒸镀ND膜，设定3种透射系数(浓度)。基板B4使用与在实施例1中说明的基板B1同样的基板。

透过ND滤波片P4的透射波面的状态如图11所示。在本实施例中，通过适当地设定区域N42、N44的膜厚和其材料的折射率，从而使包含制造误差的透射波面相位差成为{1±(1/5)}λ或{2±(1/5)}λ地设定。

ND滤波片P4的放大截面图如图12所示。本实施例的各区域N42、N44也与实施实施例1的各浓度区域同样，由底涂层121、ND层122、AR涂层123构成。在本实施例中，通过适当设定该底涂层121的膜厚，也可使各区域的透射波面相位差成为{1±(1/5)}λ或{2±(1/5)}λ地设定。用于底涂层121、ND层122、AR涂层123的材料与实施例3相同。

(实施例5)

图13为适用实施例1～4中说明的光量调整装置的光学系的示意构成图。

在图13上，符号10为由折射系、反射系、衍射系等构成的摄影光学系，符号11为限制通过摄影光学系10的光、调整亮度的光阑，符号12为由受光面接受由摄影光学系10形成的景物像的光将其变换成电信号的CCD或CMOS等固体摄像元件(光电变换元件)。在本实施例中，光阑11使用在实施例1、2、3、4中说明的光量调整装置。

这样，作为摄影光学系等光学系的光阑，通过使用由实施例1、2、3、4说明的那样的光量调整装置，可减小缩小时的ND滤波片的透射波面相位差的影响，提高画质。另外，可使用像素节距小的摄像元件。

(实施例6)

下面根据图14说明使用在第5实施例中说明的摄影光学系的摄影装置的实施形式。

在图14上，符号20为摄影装置主体，符号10为在实施例5中说明的摄影光学系，符号11为由实施例1、2、3、4的光量调整装置构成的光阑，符号12为由摄影光学系10形成的接受景物的光的固体摄像元件，符号13为记录由固体摄像元件12受光的景物的记录媒体，符号14为用于观察景物的取景器。作为取景器14，可考虑光学取景器或观察显示于液晶显示屏等显示元件的景物的类型的取景器。

通过这样将由实施例5说明的摄影光学系适用于摄像机和数字静像照相机等等在摄影元件上形成景物像的类型的摄影装置，从而可减少ND滤波片的透射波面相位差的影响，提高画质。另外，可使用像素节距小的摄像元件。

如以上说明的那样，按照本发明，可实现减小了滤波构件的微小的厚度成分的影响导致的光学性能下降的光量调整装置。

另外，如将本发明的光量调整装置用于在摄像元件形成像的摄影装置的摄影光学系，则即使像素节距小的摄像元件也可获得良好的图像信息。

Claims

1.一种光量调整装置，具有用于形成开口的光阑和使通过该开口的光的光量衰减的滤波构件，并且覆盖该滤波构件的上述开口的比例变化；其特征在于：在上述滤波构件覆盖整个上述开口的状态下，通过上述开口内的滤波构件的透射系数不同的位置的预定波长λ的光的相位差在{n±(1/5)}λ的范围内，其中，n＝0，1，2。

2.根据权利要求1所述的光量调整装置，其特征在于：上述滤波构件具有由多层膜形成的透射系数不同的多个区域。

3.根据权利要求2所述的光量调整装置，其特征在于：上述多层膜具有用于使反射减少的层。

4.根据权利要求1～3中任何一项所述的光量调整装置，其特征在于：上述光阑由多个光阑叶片构成，通过使该多个光阑叶片相对移动，从而使上述开口的面积变化。

5.根据权利要求4所述的光量调整装置，其特征在于：上述滤波构件固定于上述多个光阑叶片中的1个上，随着上述多个光阑叶片的相对的移动，上述滤波构件覆盖上述开口的比例变化。

6.根据权利要求4所述的光量调整装置，其特征在于：上述滤波构件可与上述多个光阑叶片独立地移动。

7.根据权利要求1所述的光量调整装置，其特征在于：上述预定的波长λ为使用波长带区的中心波长。

8.根据权利要求1所述的光量调整装置，其特征在于：上述预定的波长λ为550nm。

9.根据权利要求1所述的光量调整装置，其特征在于：上述滤波构件具有透射系数不同的多个区域，该多个区域中的邻接的区域的浓度差在0.5或其以下，其中，浓度＝-log(透射系数)。

10.一种光量调整装置，具有用于形成开口的光阑和使通过该开口的光的光量衰减的滤波构件，并且覆盖该滤波构件的上述开口的比例变化；其特征在于：具有在上述滤波构件覆盖整个上述开口的状态下将通过上述滤波构件的透射系数不同的位置的光的相位差设定为预定值的单元。

11.根据权利要求10所述的光量调整装置，其特征在于：上述滤波构件具有由多层膜形成的透射系数不同的多个区域，该多层膜具有用于减小通过各区域的相位差的层。

12.根据权利要求11所述的光量调整装置，其特征在于：上述多层膜具有用于使反射减小的层。

13.根据权利要求10～12中任何一项所述的光量调整装置，其特征在于：上述光阑由多个光阑叶片构成，通过使该多个光阑叶片相对移动，从而使上述开口的面积变化。

14.根据权利要求13所述的光量调整装置，其特征在于：上述滤波构件固定于上述多个光阑叶片中的1个上，随着上述多个光阑叶片的相对的移动，上述滤波构件覆盖上述开口的比例变化。

15.根据权利要求13所述的光量调整装置，其特征在于：上述滤波构件可与上述多个光阑叶片独立地移动。

16.根据权利要求10所述的光量调整装置，其特征在于：当光的波长为λ时，上述预定值处于{n±(1/5)}λ的范围内，其中，n＝0，1，2。

17.根据权利要求10所述的光量调整装置，其特征在于：上述滤波构件具有透射系数不同的多个区域，该多个区域中的邻接的区域的浓度差在0.5或其以下，其中，浓度＝-log(透射系数)。

18.一种光学系，其特征在于：具有权利要求1或10所述的光量调整装置。

19.根据权利要求18所述的光学系，其特征在于：在光电变换元件上成像。

20.一种摄影装置，其特征在于：具有光学系和接受由该光学系形成的像的光的光电变换元件，该光学系具有权利要求1或10所述的光量调整装置。