DE60012846T2

DE60012846T2 - Optischer Tiefpassfilter mit Phasengitter

Info

Publication number: DE60012846T2
Application number: DE60012846T
Authority: DE
Inventors: Jae-Chul Kangdong-Ku Lee; Sung-Woo Iksan Lim; Chun-Soo Ko; Shi-Ho Kim; Yong-Ho Oho
Original assignee: Havit Co Ltd
Current assignee: Havit Co Ltd
Priority date: 1999-10-27
Filing date: 2000-05-17
Publication date: 2005-09-01
Anticipated expiration: 2020-05-18
Also published as: JP2001133616A; TW468071B; DE60012846D1; EP1096274A2; US6404554B1; EP1096274A3; KR100390875B1; CN1294307A; EP1096274B1; JP4465083B2; KR20010038829A

Description

1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Bildgebungssystem, welches eine Festkörper-Bildgebungsvorrichtung verwendet und insbesondere auf ein Verfahren zur Konstruktion eines optischen Tiefpassfilters, das nur eine niedrige räumliche Frequenz durchlässt, unter Verwendung eines Phasengitters und die Struktur des Gitters. Die vorliegende Erfindung liefert ein Verfahren zur Entfernung eines Bildes mit einer höheren räumlichen Frequenz unter Verwendung eines zweidimensional angeordneten Phasengitters. Die Erfindung schlägt ein Verfahren zur Herstellung des optischen Tiefpassfilters unter Einsatz des zweidimensional angeordneten Phasengitters zum Zweck der Entfernung eines Bildes mit einer höheren räumlichen Frequenz in einem Bildgebungssystem vor, das eine Halbleiter-Festkörperbildgebungseinrichtung wie einen CCD-Bildsensor oder CMOS-Bildsensor verwendet, und liefert Strukturen des Gitters zur Realisierung des vorgeschlagenen optischen Tiefpassfilters.
2. Beschreibung des verwandten Standes der Technik
Bei einem CCD (Charge Couple Device)-Bildsensor, der vielfach als Bildsensor verwendet wird oder einem CMOS-Bildsensor, der seit den 90er Jahren benutzt wird, sind die Bildsensoren bestehend aus Lichtempfangselementen zweidimensional angeordnet, um Eingangsbilder in elektrische Signale umzuwandeln. 1 zeigt eine ideale Abtastung in dem Fall, wenn die Wiederholungsperiode des Lichtempfangselementes X in einer Richtung x und Y in einer Richtung y des zweidimensionalen Bildsensors ist. Wenn ein Bild mit dem räumlichen Frequenzspektrum von 2A unter Verwendung des zweidimensionalen Sensors mit der räumlichen Abtastcharakteristik von 1 aufgenommen wird, hat das abgetastete Bild das räumliche Frequenzspektrum von 2B, bei dem sich das Frequenzspektrum des ursprünglichen Bildes wiederholt. In 2B hat das Frequenzspektrum des abge tasteten Bildes eine Wiederholungsperiode reziprok zum Abtastintervall, d.h. 1/X in x-Richtung und 1/Y in y-Richtung. Um das dem zweidimensionalen Bildsensor eingegebene Bild in seinem Originalzustand wiederzugewinnen, ist daher ein optisches Tiefpassieren erforderlich, der das Spektrum entsprechend einer Periode beginnend von dem Startpunkt durchlässt, aber höhere rein räumliche Frequenzen als diese abschneidet.
3 zeigt die Konfiguration eines herkömmlichen Camcorders oder Digitalkamerasystems. Ein aufzunehmendes Bewegtbild oder Standbild 1 wird durch eine optische Linsenanordnung 2 fokussiert und fällt dann durch das optische Tiefpassfilter 3, um auf ein Lichtempfangselement zu fallen, das auf der Oberfläche eines Bildsensors 4 angeordnet ist. Die optische Linsenanordnung 2 besteht aus geeigneten optischen Linsen wie konkaven Linsen und konvexen Linsen, um das Eingangsbild 1 auf die Bildgebungseinrichtung zu fokussieren. Die optische Linsenanordnung von 3 enthält normalerweise ein UV-Filter oder IR-Filter zum Blockieren von Ultraviolettstrahlen bzw. Infrarotstrahlen, die im Eingangsbild enthalten sind. Der UV- oder IR-Filter ist allgemein so konstruiert, dass ein geeignetes Material auf eine Linse oder eine transparente Glasplatte aufgebracht ist.
Um das der Festkörper-Bildgebungseinrichtung eingegebene Bild in den Ursprungszustand zu versetzen, ist es, wie oben beschrieben wurde, ideal, wenn das optische Tiefpassfilter von 3 eine Abschneidefrequenz hat, die der Hälfte der räumlichen Abtastfrequenz entspricht. Hier entspricht die räumliche Abtastfrequenz dem Reziprokwert der Wiederholungsperiode des Lichtempfangselements der Halbleiter-Bildgebungseinrichtung. Das heißt, in der zweidimensionalen Lichtempfangselementeinrichtung von 1,
und
, wobei d X in x-Richtung und Y in y-Richtung ist. Hier repräsentiert f_s die Abtastfrequenz und f_c die Abschneidefrequenz eines idealen optischen Tiefpassfilters.
4 zeigt die räumliche Frequenztransfercharakteristik der optischen Linsenanordnung. Das durch eine gestrichelte Linie in 4 definierte Frequenzband ist die Frequenztransferfunktion eines idealen optischen Tiefpassfilters. Die maximale Transferfrequenz der Linse f_m ist 2(NA/λ). Hier repräsentiert NA die numerische Apertur der Linse und λ die Wellenlänge des einfallenden Lichts. So arbeitet die Linse als eine Art optisches Tiefpassfilter, wobei die maximale Abschneidefrequenz f_m üblicherweise deutlich höher ist als die ideale Abschneidefrequenz f_c des Tiefpassfilters, wie in 4 gezeigt ist. Um mathematisch modelliert zu werden, kann die Frequenztransfercharakteristik der Linse der geraden Linie von 4 angenähert werden und die Differenz zwischen dem durch die gerade Linie angegebenen Annäherungswert und der tatsächlichen Transfercharakteristik wird kleiner, wenn f_m größer wird als f_c. Die 5A, 5B und 5C illustrieren herkömmliche Tiefpassfilter, die eine doppelbrechende Platte verwenden, welche vielfach als optische Tiefpassfilter eingesetzt werden. In 5A wird ein auf eine Oberfläche der doppelbrechenden Platte einfallender Eingangsstrahl in zwei Strahlen aufgeteilt, die einen Abstand d_n voneinander haben, während er durch die doppelbrechende Platte fällt. Die Beziehung zwischen der Dicke und dem Brechungsindex der doppelbrechenden Platte und der Entfernung d_n erfüllt die folgende Gleichung:
wobei t die Dicke der doppelbrechenden Platte, n_e der außerordentliche Brechungsindex und n_o der gewöhnliche Brechungsindex ist. Wie in 5B gezeigt ist, ist das optische Tiefpassfilter, das die doppelbrechende Platte verwendet, so konstruiert, dass eine x-Richtungs-Doppelbrechungsplatte und eine y-Richtungs-Doppelbrechungsplatte aufeinander gestapelt angeordnet sind, um eine Brechung des Strahls in x- und y-Richtung zu ermöglichen. Ein Filter zum Beseitigen von IR-Strahlung ist allgemein zwischen die beiden Doppelbrechungsplatten eingefügt.
Beim Betrieb des herkömmlichen optischen Tiefpassfilters, das die Doppelbrechungsplatte verwendet, wird der vertikal auf die Oberfläche des Filters einfallende Eingangsstrahl an der x-Richtungs-Doppelbrechungsplatte in zwei Strahlen aufgeteilt und jeder dieser zwei Strahlen wird weiter an der y-Richtungs-Doppelbrechungsplatte in zwei Strahlen aufgeteilt. So wird ein Eingangsstrahl in vier Strahlen aufgeteilt, die am Lichtempfangselement der Festkörper- Bildgebungseinrichtung ankommen. Das heißt, das optische Tiefpassfilter welches die Doppelbrechungsplatte verwendet, wirkt als Vierfach-Strahlteiler, wie in 5C gezeigt ist. Durch Aufteilen eines Eingangsstrahls in vier Strahlen wird ein Bild mit einer höheren räumlichen Frequenz in eine geringere räumliche Frequenz vor der Abtastung durch die Festkörper-Bildgebungseinrichtung umgesetzt.
Die allgemeine optische Transfercharakteristikfunktion der Doppelbrechungsplatte mit zwei Platten ist gleich der Größe des Absolutwertes der Cosinus-Funktion mit einer Periode von
, wenn sie Fourier-transformiert ist. Das heißt, die Transferfunktion hat einen Wert proportional zu abs(cos(2π × f × d_n)), wobei f die räumliche Frequenz und d_n die Entfernung zwischen den durch die Doppelbrechungsplatte aufgeteilten Strahlen ist.
6 zeigt die optische Transferfunktion des Doppelbrechungsplattenfilters, wenn d_n = d ist. Die optische Transferfunktion eines Bildes, das durch die optische Linse fällt, um das Doppelbrechungsplattenfilter zu erreichen, wird erhalten durch Multiplizieren der in 4 gezeigten Transferfunktion der Linse mit der Transferfunktion der Doppelbrechungsplatte. Die optische Transferfunktion entspricht der durchgezogenen Linie von 6.
In dem Fall, wenn die Doppelbrechungsplatte auf das herkömmliche Bildgebungssystem, das die Halbleiterbildgebungseinrichtung verwendet, angewandt wird, tritt in der Transferfunktion in einem räumlichen Frequenzband unterhalb der Abschneidefrequenz ein größerer Verlust auf als in dem idealen optischen Tiefpassfilter. Dieser Verlust beeinträchtigt die Auflösung des Bildsensors. Ferner existiert eine periodische Transferfunktion in einem räumlichen Frequenzband oberhalb der Abschneidefrequenz, so dass eine höhere Frequenzkomponente nicht beseitigt werden kann. Dies erzeugt eine Rückfaltung, was ein Nachleuchten mit sich bringt. In anderen Worten hat das optische Tiefpassfilter, welches die Doppelbrechungsplatte einsetzt, einen größeren Verlust in einem niedrigeren Frequenzband und einen größeren Überschussanteil in einem höheren Band, was in einer Verschlechterung der Auflösung und einer unzureichenden Wirkung der Beseitigung des Nachleuchtens resultiert.
Es wurden optische Tiefpassfilter mit Phasengittern vorgeschlagenen, die verschiedene wie in den 7A bis 7E gezeigte Strukturen zur Verbesserung der Leistungsfähigkeit des herkömmlichen Tiefpassfilters mit Doppelbrechungsplatte haben. 7A zeigt das in US-Patent Nr. 4,083,627 beschriebene vertikale Gitterfilter, 7B repräsentiert das in US-Patent Nr. 4,083,627 vorgeschlagene kreisförmige Gitterfilter und 7C das in US-Patent Nr. 4,009,939 offenbarte trapezförmige Gitterfilter. 7D zeigt das in US-Patent Nr. 4,795,236 vorgeschlagene parallele sich wiederholende Gitterfilter und 4E illustriert ein optisches Tiefpassfilter mit Phasengitter, das so konstruiert ist, dass das Gitter einen Brechungsindex verschieden von demjenigen des Gittersubstrats hat, dessen beide Oberflächen wiederholt parallel angeordnet sind, wie in US-Patent Nr. 4,795,236 beschrieben ist.
Jedoch werden die meisten der oben genannten optischen Tiefpassfilter mit Phasengitter nicht tatsächlich eingesetzt, da sie nicht hergestellt werden konnten. Dies liegt daran, dass die optischen Tiefpassfilter mit Phasengitter gemäß 7A bis 7E Strukturen haben, bei denen zwei Gitter mit verschiedenen Phasenverschiebungen zweidimensional angeordnet sind. Gemäß Computersimulationen und Fourier-Transformationen durch den Erfinder der vorliegenden Erfindung sind deren Leistungsfähigkeiten gegenüber dem herkömmlichen Tiefpassfilter, welches die Doppelbrechungsplatte einsetzt, nicht wesentlich verbessert. Das heißt, das herkömmliche optische Tiefpassfilter mit Phasengitter hat den Nachteil, dass die Transfercharakteristik des räumlichen Frequenzspektrums nicht wesentlich verbessert ist verglichen mit dem herkömmlichen Filter, welches eine Doppelbrechungsplatte einsetzt, da das optische Tiefpassfilter mit Phasengitter zwei Gitter mit verschiedenen Phasen aufweist. Das ist der Grund, warum das optische Tiefpassfilter mit Phasengitter, welches zu dem Zweck vorgeschlagen wurde, das herkömmliche optische Tiefpassfilter mit Doppelbrechungsplatte zu verbessern, praktisch nicht eingesetzt werden kann.
US-Patent Nr. 4,878,737 beschreibt ein optisches Tiefpassfilter für Farbvideokameras bestehend aus ersten und, zweiten periodischen Strukturen mit den gleichen oder entgegengesetzten Hauptflächen eines transparenten Substrates. Diese periodischen Strukturen sind gegenüber einer Horizontalabtastrichtung winkelversetzt, um eine räumliche Frequenzkomponente höher als eine bestimmte Frequenz zu unterdrücken.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein optisches Tiefpassfilter mit Phasengitter vorzuschlagen, welches die optische Transferfunktion in einem Frequenzband unterhalb der idealen Abschneidefrequenz entsprechend der Hälfte der räumlichen Abtastfrequenz einer Festkörper-Bildgebungseinrichtung erhöht, jedoch die Transferfunktion in einem Frequenzband oberhalb der Abschneidefrequenz unterdrückt.
Um die Aufgabe der vorliegenden Erfindung zu lösen, wird ein optisches Tiefpassfilter wie in Anspruch 1 definiert vorgeschlagen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Diagramm zur Erläuterung einer idealen Abtastung in einer herkömmlichen CCD- oder CMOS-Festkörper-Bildgebungseinrichtung.
2A ist ein Charakteristikdiagramm der Frequenztransferfunktion gemäß der idealen Abtastung der zweidimensionalen Festkörper-Bildgebungseinrichtung von 1, welches die ursprüngliche Funktionscharakteristik vor der Abtastung zeigt.
2B ist ein Charakteristikdiagramm der Frequenztransferfunktion gemäß der idealen Abtastung der zweidimensionalen Festkörper Bildgebungseinrichtung von 1, das die Transferfunktionsarakteristik nach der Abtastung zeigt.
3 ist ein Diagramm, das die Konfiguration eines herkömmlichen Bildgebungssystems zeigt.
4 ist ein Funktionscharakteristikdiagramm, das die räumliche Frequenztansfercharakteristik einer herkömmlichen optischen Linse zeigt.
5A ist ein Diagramm, das die Konfiguration eines herkömmlichen Tiefpassfilters, das eine Doppelbrechungsplatte verwendet, zur Erläuterung der Brechungscharakteristik der Doppelbrechungsplatte zeigt.
5B ist ein Diagramm, das die Konfiguration eines herkömmlichen optischen Tiefpassfilters zeigt, welches eine Doppelbrechungsplatte eines Typs mit drei Platten verwendet.
5C ist ein Diagramm, das die Konfiguration eines herkömmlichen optischen Tiefpassfilters, welches die Doppelbrechungsplatte einsetzt, zeigt und die Funktionscharakteristik des herkömmlichen Doppelbrechungsplattenfilters illustriert.
6 ist ein Diagramm zur Erläuterung der Frequenztransferfunktion und der optischen Funktionen des herkömmlichen Doppelbrechungsplattenfilters.
7A ist ein Beispieldiagramm eines herkömmlichen optischen Tiefpassfilters mit Phasengitter, welches ein vertikales Gitterfilter ist.
7B ist ein Beispieldiagramm eines herkömmlichen optischen Tiefpassfilters mit Phasengitter, welches ein zirkuläres Gitterfilter ist.
7C ist ein Beispieldiagramm eines herkömmlichen optischen Tiefpassfilters mit Phasengitter, welches ein rautenförmiges Gitterfilter ist.
7D ist ein Beispieldiagramm eines herkömmlichen optischen Tiefpassfilters mit Phasengitter, welches ein parallel sich wiederholendes Filter ist.
7E ist ein Beispieldiagramm eines herkömmlichen optischen Tiefpassfilters mit Phasengitter, welches ein parallel sich wiederholendes Filter ist, das beide Oberflächen eines Gitters benutzt, dessen Brechungsindex unterschiedlich von demjenigen eines Substrats ist.
Die 8A und 8B sind Diagramme, die die eindimensionale Grundkonzeption eines optischen Tiefpassfilters mit Phasengitter gemäß der vorliegenden Erfindung zeigen.
9 ist ein Diagramm zur Erläuterung der Funktion eines optischen Tiefpassfilters mit zweidimensionalen Phasengittern gemäß der vorliegenden Erfindung.
10 ist ein Diagramm, das die Anordnung des Phasengitters des erfindungsgemäßen optischen Tiefpassfilters mit Phasengitter zeigt.
11A ist ein schematisches perspektivisches Diagramm eines ersten Beispiels der Phasengitterstruktur des optischen Tiefpassfilters mit Phasengitter.
11B ist ein schematisches perspektivisches Diagramm des ersten Beispiels der Gitterstruktur des optischen Tiefpassfilters mit Phasengitter, wobei das Phasengitter mit einem Infrarot- oder Ultraviolettfilter kombiniert ist.
12A ist ein schematisches perspektivisches Diagramm eines zweiten Beispiels der Gitterstruktur des optischen Tiefpassfilters mit Phasengitter vor dem Anbringen.
12B ist ein schematisches perspektivisches Diagramm des zweiten Beispiels der Gitterstruktur des optischen Tiefpassfilters mit Phasengitter nach dem Anbringen.
13A ist ein schematisches perspektivisches Diagramm eines dritten Beispiels der Gitterstruktur des optischen Tiefpassfilters mit Phasengitter, wobei das Phasengitter mit einem Infrarot- oder Ultraviolettfilter kombiniert wird, der an der Oberseite oder Unterseite davon angebracht ist.
13B ist ein schematisches perspektivisches Diagramm des dritten Beispiels der Gitterstruktur des optischen Tiefpassfilters mit Phasengitter, wobei das Phasengitter mit Infrarot- oder Ultraviolettfiltern kombiniert wird, die an der Oberseite oder Unterseite von diesem angeordnet werden.
14A ist ein schematisches perspektivisches Diagramm eines vierten Beispiels der Gitterstruktur des optischen Tiefpassfilters mit Phasengitter vor dem Anbringen.
14B ist ein schematisches perspektivisches Diagramm des vierten Beispiels der Gitterstruktur des optischen Tiefpassfilters mit Phasengitter nach dem Anbringen.
15 ist ein schematisches perspektivisches Diagramm eines Ausführungsbeispiels der Gitterstruktur des erfindungsgemäßen optischen Tiefpassfilters mit Phasengitter.
16 ist ein schematisches perspektivisches Diagramm eines fünften Beispiels der Gitterstruktur des optischen Tiefpassfilters mit Phasengitter.
Detaillierte Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels
Die 8A und 8B sind Diagramme, die die eindimensionale Grundkonzeption ei nes erfindungsgemäßen optischen Tiefpassfilters zeigen, die ein Phasengitter verwenden. Die Oberfläche des Phasengitters hat eine Gitterstruktur mit einer Erhöhung und einer Vertiefung mit einer festgelegten Wiederholungsperiode. Die Phasendifferenz zwischen dem vertikalen Erhöhungsabschnitt und dem Vertiefungsabschnitt des Phasengitters für durch das Gitter transmittiertes Licht entspricht einer bestimmten Phasenverschiebung Φ, bestimmt durch die Dicke des Gitters. Es ist bevorzugt, wenn die Erhöhung den gleichen Brechungsindex hat wie das Gittersubstrat, um die Reflexion einfallenden Lichts zu minimieren.
Wenn bei der optischen Transfercharakteristik des eindimensionalen Gitters gemäß der Erfindung paralleles Licht vertikal auf die Oberfläche des Gitters fällt, kommt an der Oberfläche des Bildsensors, wie in 8 gezeigt ist, das Licht mit den Hauptmaxima 0, +1 und –1 an und hat eine geringere optische Transfercharakteristik in Bereichen außerhalb der Hauptmaxima. Wenn hier die Lichtintensität des 0-Maximums α ist, sind die Strahlen bei +1 und –1 an Punkten mit einer Entfernung
bzw.
von dem Startpunkt angeordnet und deren Intensitäten werden
Die räumliche Transfercharakteristik des Gitters von 8 wird durch die folgende Gleichung ausgedrückt:
wobei δ(x) eine Impulsfunktion repräsentiert. Wenn die räumliche Transfercharakteristik I(x) Fourier-transformiert wird, kann die Frequenztransferfunktion (L_G) des erfindungsgemäßen eindimensionalen Phasengitterfilters erhalten werden. L_G ist durch die folgende Gleichung gegeben: LG(f) = α + (1 – α) cos(πβf).
8B zeigt die Frenquenztransfercharakteristik. In 8B können kleine Werte zwischen den Hauptmaxima ignoriert werden, verglichen mit den Werten der Hauptmaxima. Im Folgenden wird der Wert a zur Minimierung der Differenz zwischen der idealen Charakteristik des optischen Tiefpassfilters und der tatsächlichen Frequenzcharakteristik des Tiefpassfilters erhalten. Wenn die: Differenz zwischen der idealen Charakteristik und der tatsächlichen Charakteristik Δ sei,
wobei f die räumliche Frequenz, f_m die maximale räumliche Transferfrequenz der Linse, L_ideal die ideale Transfercharakteristik des optischen Tiefpassfilters, L_lens die Transfercharakteristik der Linse und L_G die Frequenztransfercharakteristik des Phasengitters gemäß der Erfindung ist. Wie durch die gestrichelte Linie in 4 gezeigt ist, wird L_ideal 1, wenn die räumliche Frequenz geringer als die ideale Abschneidefrequenz f_c des optischen Tiefpassfilters ist und 0, wenn sie größer als f_c ist. Das heißt, L_ideal = 1 für f < f_c und L_ideal = 0 für f ≥ f_c. L_lens kann repräsentiert werden durch die Gleichung L_lens = 1 – f/f_m, wenn angenommen wird, dass die Transfercharakteristik linear ist, wenn f_m wesentlich größer ist als f_c.
Es kann angenommen werden, dass Δ einen Wert proportional zu f_m[α²+0,5(1–α)²], wenn Δ durch Anwendung der Formeln auf L_ideal, L_lens und L_G der oben beschriebenen Integralgleichung erhalten wird. Hier wird der Wert α zur Minimierung von Δ 1/3. Daher muss der Eingangsstrahl, um die Differenz zwischen der idealen Filtercharakteristik des erfindungsgemäßen optischen Tiefpassfilters mit Phasengitter zu minimieren, gleichmäßig auf die drei Hauptmaxima 0, +1 und –1 aufgeteilt werden.
Wenn das erfindungsgemäß konstruierte Phasengitter, das den Eingangsstrahl in drei aufteilt, wie in 9 gezeigt, zweidimensional angeordnet ist, wird der Eingangsstrahl in neun Hauptmaxima gleichmäßig aufgeteilt. Das zweidimensionale Gitter der vorliegenden Erfindung arbeitet als optisches Tiefpassfilter, da der Eingangsstrahl in neun Strahlen aufgeteilt wird, so dass ein Bild mit einer höheren räumlichen Frequenz des Eingangsstrahls in ein niedrigeres Frequenzband umgesetzt wird.
10 zeigt die Phasengitteranordnung der vorliegenden Erfindung zur gleichmäßigen Aufspaltung des Eingangsstrahls in neun Strahlen. Die grundlegende Anord nung ist so konstruiert, dass ein Phasenverschiebungsgittter rechts und unten eines 0-Phasenverschiebungsgitters benachbart zu diesem angeordnet ist und ein 2-Phasenverschiebungsgitter an der Diagonalseite des 0-Phasenverschiebungsgitters angeordnet ist. Die grundlegende Anordnung des Musters wiederholt sich, um das optische Tiefpassfilter zu realisieren.
Ein Beispiel
Die Differenz der Phasenverschiebung in dem optischen Phasenverschiebungs-Tiefpassfilter von 10 wird realisiert durch Anordnung eines Gitters mit einer bestimmten Dicke. Die 11A und 11B illustrieren eine Struktur eines Phasengitters zur Realisierung der Konfiguration von 10. Wenn ein Gitter mit einer bestimmten Dicke eine Phasenverschiebung von Φ erzeugt, erzeugt ein Gitter mit einer doppelten Dicke als die bestimmte Dicke eine Phasenverschiebung von 2Φ und ein Abschnitt ohne Gitter erzeugt eine Phasenverschiebung von 0. Die Grundanordnung des Gitters ist so konstruiert, dass das Φ-Phasenverschiebungsgitter rechts und unten benachbart zu dem 0-Phasenverschiebungsgitter angeordnet ist und das 2Φ-Phasenverschiebungsgitter mit einer doppelten Dicke als das Φ-Phasenverschiebungsgitter an der Diagonalseite des 0-Phasenverschiebungsgitters angeordnet ist. Die Grundanordnung wird wiederholt, um das optische Tiefpassfilter zu realisieren.
Es ist äußerst bevorzugt, dass die Phasenverschiebungsgitter und das Gittersubstrat aus Materialien mit dem gleichen Brechungsindex gefertigt sind, da Licht an der Grenzfläche zwischen Materialien mit unterschiedlichen Brechungsindizes reflektiert werden. Bei der Herstellung des erfindungsgemäßen Phasenverschiebungsgitters kann die Dicke des Gitters während des Herstellungsprozesses ein wenig geändert werden. Auch in diesem Fall verhindert die Dickenvariation jedoch nicht die praktische Anwendung, wenn der Fehler der Phasenverschiebung aufgrund des Gitters nicht größer als Φ oder 2Φ ist. Entsprechend ist ein sehr kleiner Fehler der Phasenverschiebung aufgrund einer geringen Variation der Dicke des Gitters zulässig.
Ein weiteres Beispiel
Die 12A und 12B zeigen ein zweites Beispiel des Filters mit Phasengitter. Um die Anordnung mit Phasenverschiebungen von 0, Φ und 2Φ wie in 10 gezeigt anzuordnen, wird ein Gitter zur Verschiebung der Phase um Φ periodisch parallel auf einem Gittersubstrat in einer Richtung y angeordnet und ein Gitter zur Verschiebung der Phase um Φ ist periodisch parallel auf ein Gittersubstrat in einer Richtung x angeordnet und die beiden Gitteroberflächen sind einander gegenüberliegend angeordnet, um so das optische Tiefpassfilter mit Phasengitter zu bilden. Das Gitter und das Substrat sind vorzugsweise aus Materialien mit dem gleichen Brechungsindex hergestellt.
12A zeigt die Gitter, die in die Richtungen x bzw. y angeordnet sind und 12B zeigt die Gitterstruktur, nachdem die beiden Gitter miteinander verbunden wurden. Beim Verbinden der beiden Gitter wird ein Abschnitt, wo ein 0-Phasengitter und ein 0-Phasengitter zusammentreffen, ein 0-Phasenverschiebungsteil, ein Abschnitt, wo ein 0-Phasengitter und ein Φ-Phasengitter oder ein Φ-Phasengitter und ein 0-Phasengitter aufeinandertreffen, ein Φ-Phasengitterteil und ein Abschnitt, wo ein Φ-Phasengitter und ein Φ-Phasengitter aufeinandertreffen, wird ein 2Φ-Phasengitterteil.
Bei der Herstellung des erfindungsgemäßen Phasenverschiebungsgitters kann die Dicke sich während des Herstellungsprozesses ein wenig ändern. Auch in diesem Fall verhindert die Dickenvariation jedoch nicht die praktische Anwendung, wenn der Phasenverschiebungsfehler aufgrund des Gitters nicht größer als Φ ist. Entsprechend ist ein sehr kleiner Fehler der Phasenverschiebung aufgrund einer geringen Variation der Dicke des Gitters erlaubt.
Bei der Herstellung eines Bildgebungssystems ist der IR-Filter oder UV-Filter allgemein in das optische Tiefpassfilter eingebaut. Um das IR- oder UV-Filter in das optische Tiefpassfilter mit Phasengitter einzubauen, kann eine Beschichtung oder Filterplatte zur Entfernung von Infrarot- oder UltraViolettstrahlen an der Oberseite oder der Unterseite des Gittersubstrats angebracht werden, wie in 13A gezeigt ist. Die Beschichtung oder Filterplatte kann auch sowohl auf der Oberseite als auf der Unterseite des Gittersubstrats angebracht werden, wie in 13B gezeigt ist.
Ausführungsbeispiel der Erfindung
Die 14A und 14B zeigen die Konfiguration des erfindungsgemäßen optischen Tiefpassfilters mit Phasengitter. Um die Gitter mit Phasenverschiebungen 0, Φ und 2Φ wie in 10 gezeigt anzuordnen, wird ein Gitter zur Verschiebung der Phase um Φ periodisch parallel auf dem Gittersubstrat in einer Richtung y angeordnet und ein Gitter zur Verschiebung der Phase um Φ ist periodisch parallel auf dem Gittersubstrat in einer Richtung x angeordnet und die Oberflächen dieser beiden Gittersubstrate, auf denen die Gitter jeweils nicht ausgebildet sind, werden zueinander weisend aufeinander gelegt, wodurch das Phasengitter gebildet wird. Das Gitter und das Substrat sind vorzugsweise aus Materialien mit dem gleichen Brechungsindex ausgebildet.
14A zeigt die Gitter, die in den Richtungen x bzw. y angeordnet sind, und 14B zeigt die Gitterstruktur, nachdem die beiden Gittersubstrate miteinander verbunden wurden. Gemäß der Anordnung der beiden Gittersubstrate wird ein Abschnitt, wo durch das 0-Phasengitter transmittiertes Licht durch das 0-Phasengitter fällt, ein 0-Phasenverschiebungsteil, ein durch das 0-Phasengitter transmittiertes Licht durch das Φ-Phasengitter fällt oder ein durch das Φ-Phasengitter transmittiertes Licht durch das 0-Phasengitter fällt ein Φ-Phasenverschiebungsteil und ein Abschnitt, wo durch das Φ-Phasenverschiebungsgitter transmittiertes Licht durch das Φ-Phasengitter fällt, wird ein 2Φ-Phasenverschiebungsteil.
Wenn das erfindungsgemäße Phasenverschiebungsgitter hergestellt wird, kann sich die Dicke des Gitters während des Herstellungsprozesses ein wenig ändern. Auch in diesem Fall verhindert die Dickenvariation jedoch nicht die praktische Anwendung der vorliegenden Erfindung, wenn der Phasenverschiebungsfehler im Gitter nicht größer als Φ ist. Entsprechend weicht ein kleiner Fehler der Phasenverschiebung aufgrund einer geringfügigen Variation der Dicke des Gitters nicht vom Umfang der vorliegenden Erfindung ab.
Bei der Konstruktion eines Bildgebungssystems wird das IR-Filter oder UV-Filter allgemein in das optische Tiefpassfilter integriert. Um die kombinierte Struktur des Phasengitterfilters gemäß der vorliegenden Erfindung und des IR- oder UV-Filters zu realisieren, wird eine Beschichtung oder Filterplatte zur Beseitigung von IR-Strahlen oder UV-Strahlen zwischen die oberen und unteren Gittersubstrate eingefügt, wie in 15 gezeigt ist.
Ein weiteres Beispiel
16 zeigt eine weitere Struktur eines optischen Tiefpassfilters mit Phasengitter. Um das Gitter mit den Phasenverschiebungen 0, Φ und 2Φ wie in 10 gezeigt anzuordnen, wird ein Gitter zur Verschiebung der Phase um Φ periodisch parallel auf einer Seite des Gittersubstrats in der Richtung y und ein Gitter zur Verschiebung der Phase um Φ wird periodisch parallel auf der anderen Seite des Gittersubstrats in der Richtung x angeordnet, um so das optische Tiefpassfilter mit Phasengitter zu bilden. Die Gitter und das Substrat sind vorzugsweise aus Materialien mit dem gleichen Brechungsindex gefertigt.
16 zeigt die auf dem gleichen Substrat gefertigte Gitterstruktur. Gemäß dieser Struktur, bei der die beiden Gitter auf den beiden Oberflächen des Substrats senkrecht zueinander angeordnet sind, wird ein Abschnitt, in dem durch das 0-Phasenverschiebungsgitter transmittiertes Licht durch das 0-Phasenverschiebungsgitter fällt, ein 0-Phasenverschiebungsteil, ein Abschnitt, wo durch das 0-Phasenverschiebungsgitter transmittiertes Licht durch das Φ-Phasenverschiebungsgitter fällt oder durch das Φ-Phasenverschiebungsgitter transmittiertes Licht durch das 0-Phasenverschiebungsgitter fällt, ein Φ-Phasenverschiebungsteil und ein Abschnitt, wo durch das Φ-Phasenverschie-bungsgitter transmittiertes Licht durch das Φ-Phasenverschiebungsgitter fällt, wird ein 2Φ-Phasenverschiebungsteil.
Bei der Konstruktion eines Bildgebungssystems wird das optische Tiefpassfilter allgemein mit einem IR-Filter oder UV-Filter kombiniert. In diesem Beispiel ist es erforderlich, dass ein Material zur Beseitigung der ultravioletten Strahlen oder infraroten Strahlen auf der Oberfläche des Gitters aufgebracht wird, da es schwierig ist, die Beschichtung oder Filterplatte zur Beseitigung der UV-Strahlen oder IR-Strahlen in das Substrat des Phasengitterfilters einzubringen, welches Gitterstrukturen an der Oberseite und der Unterseite aufweist. Jedoch erschweren die Erhöhungen und Vertiefungen auf der Oberfläche des Gitters eine gleichmäßige Beschichtung des Materials. Daher ist es bevorzugt, eine optische Linsenanordnung zu verwenden, die ein separates Filter zum Blockieren der UV-Strahlen oder IR-Strahlen enthält, wenn die Filterstruktur dieses Beispiels auf ein Bildgebungssystem angewandt wird.
Die vorliegende Erfindung liefert eine Phasenverschiebungs-Gitteranordnung des optischen Tiefpassfilters mit Phasengitter und dessen Gitterstruktur. Entsprechend dem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel ist es möglich, das optische Tiefpassfilter zu realisieren, das ein wesentliches Element zur Konstruktion eines Bildgebungssystems unter Verwendung einer Festkörper-Bildgebungseinrichtung ist, wobei die Leistungsfähigkeit besser ist als bei Verwendung eines konventionellen Filters mit einer Doppelbrechungsplatte.

Claims

Optisches Tiefpassfilter, das eine räumliche Frequenzkomponente höher als eine bestimmte Frequenz unterdrückt und eine Komponente niedriger als die bestimmte Frequenz durchlässt, für ein Bildgebungssystem, das Eingangsbilder abtastet, welches Tiefpassfilter aufweist: ein erstes optisches Gitter zur Erzeugung einer Phasenverschiebung Φ, welches eine festgelegte Dicke hat und periodisch auf einem transparenten Gittersubstrat in einer horizontalen Richtung angeordnet ist; und ein zweites optisches Gitter zur Erzeugung der Phasenverschiebung von Φ, das eine festgelegte Dicke hat und periodisch auf dem anderen transparenten Gittersubstrat in einer vertikalen Richtung angeordnet ist, wobeit die Oberflächen der beiden Gittersubstrate, auf denen die optischen Gitter nicht ausgebildet sind, zueinander weisend angeordnet sind, wodurch eine Struktur gebildet wird, in der ein Φ-Phasenverschiebungs-Gitter zur Erzeugung einer Phasenverschiebung Φ, ein 2 Φ-Phasenverschiebungs-Gitter zur Erzeugung einer Phasenverschiebung 2Φ und ein 0-Phasenverschiebungs-Gitter periodisch angeordnet sind; und wobei ein Filter zum Blockieren von UV-Strahlen oder IR-Strahlen zwischen den zueinander weisend angeordneten Oberflächen der beiden Gittersubstrate eingefügt ist.