JP2006133282A

JP2006133282A - 光学部品及び光学装置

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Publication number: JP2006133282A
Application number: JP2004319107A
Authority: JP
Inventors: Tomohiro Yonezawa; 友浩米澤; Kazunori Honda; 和徳本多; Yujiro Kato; 雄二郎加藤
Original assignee: NEC Tokin Corp
Current assignee: Tokin Corp
Priority date: 2004-11-02
Filing date: 2004-11-02
Publication date: 2006-05-25

Abstract

【課題】光学ローパスフィルタとして光学系の全長を短縮できる光学部品及び光学装置を提供すること。
【解決手段】複屈折物質板２と、結像効果を有する回折素子３とを一体化した光学部品１であり、その複屈折物質板２には、ＴｉＯ_２、Ｎｂ_２Ｏ_５、Ｔａ_２Ｏ_５、ＸＶＯ_４（ただし、ＸはＹ、Ｌａ、Ｇｄ、Ｌｕ、Ｅｕのいずれか）、ＬｉＮｂＯ_３、ＬｉＴａＯ_３のうちの１つを用いる。また、その光学部品１を撮像光学系と撮像素子との間に配置して光学装置を得る。そのとき、結像効果を有する回折素子３の焦点距離が、結像効果を有する回折素子３と前記撮像光学系とからなる系の焦点距離の−０．９倍から−１００倍の範囲にある。
【選択図】図１

Description

本発明は固体撮像素子による画像撮像で好適に用いられる光学部品及び光学装置に関する。

一般に、固体撮像素子による画像撮像を行う時には、モアレや偽色を防止するために、光学ローパスフィルタが用いられている。従来の光学ローパスフィルタは、一般に水晶などの複屈折結晶を用いて製作され、その一例としては、特許文献１に開示された技術がある。その例は、複数枚の複屈折結晶板と偏光解消板（水晶位相板）を貼り合わせて構成された光学ローパスフィルタであり、偏光解消板の位相差を設計波長において９０°すなわち０次の１／４波長板としたものである。

特開２００４−２９６５３号公報

ところが特許文献１で開示されている光学ローパスフィルタにおいては、必要な像分離距離を得るためには複屈折結晶の厚みを、分離一方向に対して０．５ｍｍ〜１ｍｍ程度取らなければならない。固体撮像素子であるＣＣＤ(Charge Coupled Device；電荷結合素子)センサ或いはＣＭＯＳ(Complementary Metal Oxide Semiconductor)センサを採用した撮像機器においては、携帯用途や機器組み込み用途のために光学系の小型化が重要視されているが、従来の光学ローパスフィルタを使用した場合には、前記の理由により、光学系の全長を短縮する上で大きな障害となっていた。

また固体撮像素子であるＣＭＯＳセンサやＣＣＤセンサにおいては、画素数の増大や画素サイズの小型化が進展しており、それに伴い光学系の高分解能化が求められている。光学系の高分解能化を実現するためには、光学系内部に使用されるレンズの枚数が増大する傾向にあり、その点からも、光学ローパスフィルタには光路方向の小型化が要請されている。

従来技術のこのような問題点に対し、本発明の課題は光学系の全長の短縮が可能であり、光学ローパスフィルタとして動作する光学部品及び光学装置を提供することにある。

上記課題を解決する手段として、第一の発明の光学部品は、複屈折物質板と、結像効果を有する回折素子とを一体化したことを特徴とする。

第二の発明の光学部品は、第一の発明の光学部品において、前記複屈折物質板は、ＴｉＯ_２、Ｎｂ_２Ｏ_５、Ｔａ_２Ｏ_５、ＸＶＯ_４（ただし、ＸはＹ、Ｌａ、Ｇｄ、Ｌｕ、Ｅｕのいずれか）、ＬｉＮｂＯ_３、ＬｉＴａＯ_３の群から選ばれるいずれか１つからなることを特徴とする。

第三の発明の光学装置は、第一又は第二の発明の光学部品が撮像光学系と撮像素子との間に配置されたことを特徴とする。

第四の発明の光学装置は、第三の発明の光学装置において、前記光学部品は撮像素子と一体となったことを特徴とする。

第五の発明の光学装置は、第三又は第四の発明の光学装置において、前記結像効果を有する回折素子の焦点距離が負の値であることを特徴とする。

第六の発明の光学装置は、第五の発明の光学装置において、前記結像効果を有する回折素子の焦点距離が、撮像光学系全系の焦点距離の−０．９倍から−１００倍であることを特徴とする。

本発明の光学部品又は光学装置においては、光学ローパスフィルタ機能を有する複屈折物質板と、レンズ機能を有しながら薄型形状が可能となる、結像効果を有する回折素子とを一体化し、撮像光学系の一部を取り込むことにより、デジタルスチルカメラ用撮像光学系や携帯情報端末向けカメラモジュール用撮像光学系の全長の短縮に寄与することが出来る。

更に本発明の光学部品においては、複屈折物質板を、ＴｉＯ_２、Ｎｂ_２Ｏ_５、Ｔａ_２Ｏ_５、ＸＶＯ_４（ただし、ＸはＹ、Ｌａ、Ｇｄ、Ｌｕ、Ｅｕのいずれか）、ＬｉＮｂＯ_３、ＬｉＴａＯ_３のいずれかにて構成することにより、複屈折結晶部の厚みを薄くすることが可能となる。

更に本発明の光学装置においては、本発明の光学部品を、撮像光学系と撮像素子との間に配置することにより、結像効果を有する回折素子の表面の構造を保護して実装可能である。

更に本発明の光学装置においては、本発明の光学部品を撮像素子と一体化することにより、実装を容易にすることが出来る。

更に本発明の光学装置においては、前記結像効果を有する回折素子の焦点距離を負とすることにより、負の焦点距離を有するレンズを撮像光学系の後段に配置したことになるため、いわゆるテレフォトタイプの光学系配置とすることとなり、撮像光学系の全長を短縮することに寄与できる。

更に本発明の光学装置においては、前記結像効果を有する回折素子の焦点距離を、前記結像効果を有する回折素子も含めた撮像光学系全系の焦点距離の−０．９倍から−１００倍の範囲にすることにより、光学系に求められる仕様に応じて、適切な収差補正を行うことが出来る。

以下、本発明の実施の形態を図面によって説明する。図１は本発明の実施の形態の光学部品を示す概念図である。図１において、１は本発明の光学部品である。２は複屈折物質板であり、入射光ビームを偏光方向に応じて２つに分割射出するものである。３は回折素子であり、虚像又は実像を形成するレンズ機能を有するものである。

回折素子３により、入射したビームは収束或いは発散作用を受ける。すなわち回折素子３を撮像光学系の一部と見なし、撮像光学系の設計の際の自由度として利用することが出来る。撮像光学系の一部として回折素子３を考えると、その厚みは基板厚みのみに抑えた状態で、屈折力を付与できるため、光学系の全長の短縮に寄与することが出来る。

この回折素子３と、複屈折物質板２を一体化して平板上の光学部品１とすれば、実装組立時のハンドリング及び実装固定を容易に行うことが出来、かつ撮像光学系の全長の短縮化に寄与することが出来る。

更に複屈折物質板に、複屈折の大きな結晶を用いることにより、更に複屈折結晶の厚みを薄くし、光学系の全長短縮に寄与することが出来る。そのような屈折率差の大きな物質としては、ＴｉＯ_２、Ｎｂ_２Ｏ_５、Ｔａ_２Ｏ_５、ＸＶＯ_４（ＸはＹ、Ｌａ、Ｇｄ、Ｌｕ、Ｅｕのいずれか）、ＬｉＮｂＯ_３、ＬｉＴａＯ_３を用いることができる。

また本光学部品を撮像光学系と撮像素子との間に配置すれば、結像効果を有する回折素子の表面の構造を保護して実装可能である。

また本光学部品を撮像素子と一体とすれば、撮像素子に対する位置決めを高精度に行うことが可能となり、本光学部品を構成する光学ローパスフィルタと、結像効果を有する回折素子の光学性能を発揮することが可能となる。

また本光学部品の焦点距離を負とすれば、負の焦点距離を有するレンズを撮像光学系の後段に配置したことになるため、いわゆるテレフォトタイプの光学系配置とすることとなり、撮像光学系の全長を短縮することに寄与できる。

更に本発明の光学装置において、前記結像効果を有する回折素子の焦点距離を、前記結像効果を有する回折素子も含めた撮像光学系全系の焦点距離の−０．９倍から−１００倍の範囲に設定すれば、テレフォトタイプ化による光学系全長の短縮効果と、諸収差の補正効果を両立させ、光学系の性能改善を達成することが可能である。

以下は、本発明の光学部品及び光学装置について、幾つかの実施例を挙げ、図面を参照して具体的に説明するものである。

図２、図３、図４、図５に基づいて本発明の光学部品及び光学装置の第一の実施例を説明する。

図２は本発明の光学部品の第一実施例の断面を示す光学図である。同図において、４は複屈折物質であるＧｄＶＯ_４を用いた光学ローパスフィルタであり、その厚みは３８．９μｍである。その光学軸５は撮像光学系の光軸６に対して７５deg（度）傾いた方向を指向している。分離距離については、垂直入射した光束に対しては２．５μｍである。

その他の入射角度に対応した分離距離は、表１の通りである。

また７は結像効果を有する回折素子であり、焦点距離−４．１４ｍｍである。

図３は本実施例の回折素子７の中心部の表面付近の拡大断面図である。光学硝子ＢＫ７上に形成された回折素子７の中心部表面８は、図３のごとく、半球状の構造が同心円状に周辺部まで拡がる構造をしている。各輪帯の部分では、以下のような位相差が与えられる。

ここで、φは位相差（ラジアン）、ａ_ｉは位相差を表す係数、ｐは半径（ｍｍ）、Ｎは最大の次数に対応する自然数である。回折素子７の係数は以下の通りである。ａ_２＝１３７９．６７９５、ａ_４＝−１４０４．０１６８、ａ_６＝６８８．１５９９５、ａ_８＝−１２４．５８９１１である。

これらを表２のように撮像光学系と組合せ、全系で焦点距離４．５ｍｍ、Ｆナンバー５の撮像光学系を得た。

本実施例の光学部品においては、回折素子の焦点距離を−４．１４ｍｍと、撮像光学系全系の焦点距離４．５ｍｍの−０．９２倍としたことにより、いわゆるテレフォトタイプの光学系の特性を強く発揮し、光学系全系の長さ（光学系第一面から撮像素子面までの距離）を４．０ｍｍに短縮することが出来ている。

また本光学系を、波長４８０ｎｍ（ウェイト０．８）、波長５５０ｎｍ（ウェイト１．０）、波長６５０ｎｍ（ウェイト０．８）にて評価したＯＴＦ（Optical Transfer Function；光学伝達関数）カーブを図４に示す。そのＯＴＦカーブは、図４（ａ）に軸上、図４（ｂ）に画角１４degのサジタル(sagittal)方向及びタンジェンシャル(tangential)方向、図４（ｃ）に画角１８degのサジタル方向及びタンジェンシャル方向、図４（ｄ）に画角２０degのサジタル方向及びタンジェンシャル方向の値を図示し、各図において、サジタル方向は破線で示し符号Ｓを付記し、タンジェンシャル方向は実線で示し符号Ｔを付記し、更に回折限界のカーブも示した。

最もＭＴＦ（Modulation Transfer Function；Modullus of OTF）の値が低いのは、画角２０degのタンジェンシャル方向の場合であるが、２００ラインペア／ｍｍにおいてもＭＴＦ値は１６％程度を確保しており、ナイキスト周波数がこの空間周波数近傍にある、画素ピッチ２．５μｍの撮像素子に使用するのに必要な性能を有している。

更に本実施例の光学装置においては、撮像素子であるＣＣＤのパッケージに本光学部品を実装固定し、一体としている。図５は、光学部品とＣＣＤとを一体化したデバイスの断面を模式的に表した図である。光学ローパスフィルタ４と回折素子７を一体化した本発明の実施例１に係る光学部品が、ＣＣＤ９が実装されたパッケージ１０に固定されている。これにより、本発明の実施例１に係る光学部品を実装固定するための部品を省略することが出来、かつＣＣＤと本光学部品との間隔及び平行度を、高精度に維持して実装することが可能となる。

図６及び図７に基づいて、本発明の第二の実施例を説明する。

図６は本発明の光学部品の第二の実施例の断面を示す光学図であり、同図において、１１は複屈折物質であるＹＶＯ_４を用いた光学ローパスフィルタであり、厚み６０．７μｍである。その光学軸１２は、撮像光学系の光軸１３に対して８０deg傾いた方向を指向している。分離距離については、垂直入射した光束に対しては２．５μｍである。

その他の分離距離に対応した分離距離については、表３の通りである。

また１４は結像効果を有する回折素子であり、焦点距離−４５０ｍｍである。光学硝子ＢＫ７上に形成された回折素子１４の表面は、第一実施例と同様、半球状の構造が同心円状に周辺部まで拡がる構造をしている。各輪帯の部分では、以下のような位相差が与えられる。

ここで、φは位相差（ラジアン）、ａ_ｉは位相差を表す係数、ｐは半径（ｍｍ）である。回折素子１４の係数は以下の通りである。ａ_２＝１２．６９３３０４、ａ_４＝３４．１１０１５５、ａ_６＝−３７．９９７４８７、ａ_８＝８．１１９８８０６である。

これらを表４のように撮像光学系と組合せ、全系で焦点距離４．５ｍｍ、Ｆナンバー４．５の撮像光学系を得た。

本実施例の光学部品においては、回折素子の焦点距離を−４５０ｍｍと、撮像光学系全系の焦点距離４．５ｍｍの−１００倍とした。従っていわゆるテレフォトタイプの光学系の特性による、光学系全系の長さ（光学系第一面から撮像素子面までの距離）の短縮効果はあまり発生せず、光学系全系の長さも５ｍｍとなっている。

また本光学系を、波長４８０ｎｍ（ウェイト０．８）、波長５５０ｎｍ（ウェイト１．０）、波長６５０ｎｍ（ウェイト０．８）にて評価したＯＴＦカーブを図７に示す。そのＯＴＦカーブは、図７（ａ）に軸上、図７（ｂ）に画角１４degのサジタル方向及びタンジェンシャル方向、図７（ｃ）に画角１８degのサジタル方向及びタンジェンシャル方向、図７（ｄ）に画角２０degのサジタル方向及びタンジェンシャル方向の場合を示し、各図において、サジタル方向は破線と符号Ｓで、タンジェンシャル方向は実線と符号Ｔで指示し、回折限界によって定まる値も図示した。

この場合、２００ラインペア／ｍｍでのＯＴＦは各画角とも１９％以上あり、ナイキスト周波数が２００ラインペア／ｍｍの空間周波数近傍にある、画素ピッチ２．５μｍの撮像素子に使用するのに充分な性能を有している。

本実施例においては、回折素子の焦点距離を−４５０ｍｍとしたために、テレフォト化による全長短縮の効果は小さいが、全長が伸びたことにより光学系内各面での高次収差の発生が低減され、Ｆナンバーを小さくし、かつＭＴＦ値を改善することが可能となっている。

図８及び図９に基づいて本発明の第三の実施例を説明する。

図８は本発明の光学部品の第三の実施例の断面を示す光学図であり、同図において、１５は複屈折物質であるルチル（ＴｉＯ_２）を用いた光学ローパスフィルタであり、厚み１１８．４μｍである。その光学軸１６は、撮像光学系の光軸１７に対して８５deg傾いた方向に指向している。分離距離については、垂直入射した光束に対しては２．５μｍである。

その他の入射角度に対応した分離距離については、表５の通りである。

また１８は結像効果を有する回折素子であり、焦点距離−５８ｍｍである。光学硝子ＢＫ７上に形成された回折素子１８の表面は、第一実施例と同様、半球状の構造が同心円状に周辺部まで拡がる構造をしている。各輪帯の部分では、以下のような位相差が与えられる。

ここで、φは位相差（ラジアン）、ａ_ｉは位相差を表す係数、ｐは半径（ｍｍ）である。回折素子１８の係数は以下の通りである。ａ_２＝９８．４８２５２９、ａ_４＝−２０．０４４６５９、ａ_６＝−４．５６１７６０４、ａ_８＝−６．９１１９８１３である。

これらを表６のように撮像光学系と組合せ、全系で焦点距離４．５ｍｍ、Ｆナンバー５の撮像光学系を得た。

本実施例の光学部品においては、回折素子の焦点距離を−５８ｍｍと、撮像光学系全系の焦点距離４．５ｍｍの−１２．９倍とした。従ってテレフォトタイプ化による光学系全系の長さ（光学系第一面から撮像素子面までの距離）の短縮効果は、第一実施例と第二実施例との中間の値となり、４．５ｍｍである。

また本光学系を、波長４８０ｎｍ（ウェイト０．８）、波長５５０ｎｍ（ウェイト１．０）、波長６５０ｎｍ（ウェイト０．８）にて評価したＯＴＦカーブを図９に示す。そのＯＴＦカーブは、図９（ａ）に軸上、図９（ｂ）に画角１４degのサジタル方向及びタンジェンシャル方向、図９（ｃ）に画角１８degのサジタル方向及びタンジェンシャル方向、図９（ｄ）に画角２０degのサジタル方向及びタンジェンシャル方向の場合を示し、各図において、サジタル方向は破線と符号Ｓで、タンジェンシャル方向は実線と符号Ｔで指示し、回折限界によって定まる値も図示した。

この場合、コマ収差の影響により、各画角においてタンジェンシャル方向のＭＴＦ値が低くなっているが、最悪値でもＭＴＦ値約１５％であり、ナイキスト周波数が２００ラインペア／ｍｍの空間周波数近傍にある、画素ピッチ２．５μｍの撮像素子に使用するのに必要な性能を有している。

図１０及び図１１に基づいて本発明の第四の実施例を説明する。

図１０は本発明の光学部品の第四の実施例の断面を示す光学図であり、同図において、１９は複屈折物質である水晶を用いた光学ローパスフィルタであり、厚み４２３μｍである。その光学軸２０は、撮像光学系の光軸２１に対して４５deg傾いた方向に指向している。分離距離については、垂直入射した光束に対しては２．５μｍである。

その他の入射角度に対応した分離距離については、表７の通りである。

また２２は結像効果を有する回折素子であり、焦点距離−１５０ｍｍである。光学硝子ＢＫ７上に形成された回折素子２２の表面は、第一実施例と同様、半球状の構造が同心円状に周辺部まで拡がる構造をしている。各輪帯の部分では、以下のような位相差が与えられる。

ここで、φは位相差（ラジアン）、ａ_ｉは位相差を表す係数、ｐは半径（ｍｍ）である。回折素子２２の係数は以下の通りである。ａ_２＝３８．０７９９１２、ａ_４＝−１６．６３７０１７、ａ_６＝−９．０９３８００１、ａ_８＝７．９２０８５２３である。

これらを表８のように撮像光学系と組合せ、全系で焦点距離４．５ｍｍ、Ｆナンバー５の撮像光学系を得た。

本実施例の光学部品においては、回折素子の焦点距離を−１５０ｍｍと、撮像光学系全系の焦点距離４．５ｍｍの約−３０倍とした。また水晶製の光学ローパスフィルタを採用したために光学ローパスフィルタの厚みが増して光学系の機械長が長くなり、その結果、光学系全系の長さ（光学系第一面から撮像素子面までの距離）は５ｍｍとなった。

また本光学系を、波長４８０ｎｍ（ウェイト０．８）、波長５５０ｎｍ（ウェイト１．０）、波長６５０ｎｍ（ウェイト０．８）にて評価したＯＴＦカーブを図１１に示す。そのＯＴＦカーブは、図１１（ａ）に軸上、図１１（ｂ）に画角１４degのサジタル方向及びタンジェンシャル方向、図１１（ｃ）に画角１８degのサジタル方向及びタンジェンシャル方向、図１１（ｄ）に画角２０degのサジタル方向及びタンジェンシャル方向の場合を示し、各図において、サジタル方向は破線と符号Ｓで、タンジェンシャル方向は実線と符号Ｔで指示し、回折限界によって定まる値も図示した。

この場合、最もＭＴＦ値が低いのは、画角２０degのタンジェンシャル方向であるが、最悪値でもＭＴＦ値約１７％であり、ナイキスト周波数が２００ラインペア／ｍｍの空間周波数近傍にある、画素ピッチ２．５μｍの撮像素子に使用するのに必要な性能を有している。

以上これらの実施例においては、結像効果を有する回折素子を形成する基板として、光学硝子であるＢＫ７を用いたが、使用波長の光を透過する光学材料を適宜使用すればよい。また、これらの実施例を構成する光学ローパスフィルタの分離距離については、光学ローパスフィルタに光束が垂直入射した場合にいずれも２．５μｍとなるよう設定してあるが、使用する撮像光学系の撮像素子の画素ピッチに応じ、光学軸の角度及び厚みを変化させればよい。

本発明の光学部品を示す概念図。本発明の光学部品の第一の実施例の断面を示す光学図。本発明の光学部品の第一の実施例を構成する回折素子の中心部付近を示す拡大断面図。本発明の光学部品の第一の実施例を組み込んだ撮像光学系のＯＴＦカーブを示し、図４（ａ）は軸上、図４（ｂ）は画角１４deg、図４（ｃ）は画角１８deg、図４（ｄ）は画角２０degの場合の図。本発明の光学部品の第一の実施例を組み込んだＣＣＤパッケージを示す断面の模式図。本発明の光学部品の第二の実施例の断面を示す光学図。本発明の光学部品の第二の実施例を組み込んだ撮像光学系のＯＴＦカーブを示し、図７（ａ）は軸上、図７（ｂ）は画角１４deg、図７（ｃ）は画角１８deg、図７（ｄ）は画角２０degの場合の図。本発明の光学部品の第三の実施例の断面を示す光学図。本発明の光学部品の第三の実施例を組み込んだ撮像光学系のＯＴＦカーブを示し、図９（ａ）は軸上、図９（ｂ）は画角１４deg、図９（ｃ）は画角１８deg、図９（ｄ）は画角２０degの場合の図。本発明の光学部品の第四の実施例の断面を示す光学図。本発明の光学部品の第四の実施例を組み込んだ撮像光学系のＯＴＦカーブを示し、図１１（ａ）は軸上、図１１（ｂ）は画角１４deg、図１１（ｃ）は画角１８deg、図１１（ｄ）は画角２０degの場合の図。

符号の説明

１光学部品
２複屈折物質板
３，７，１４，１８，２２回折素子
４，１１，１５，１９光学ローパスフィルタ
５，１２，１６，２０光学軸
６，１３，１７，２１光軸
８中心部表面
９ＣＣＤ
１０パッケージ

Claims

複屈折物質板と、結像効果を有する回折素子とを一体化したことを特徴とする光学部品。
請求項１記載の光学部品において、前記複屈折物質板は、ＴｉＯ_２、Ｎｂ_２Ｏ_５、Ｔａ_２Ｏ_５、ＸＶＯ_４（ただし、ＸはＹ、Ｌａ、Ｇｄ、Ｌｕ、Ｅｕのいずれか）、ＬｉＮｂＯ_３、ＬｉＴａＯ_３の群から選ばれるいずれか１つからなることを特徴とする光学部品。
請求項１又は２記載の光学部品が撮像光学系と撮像素子との間に配置されたことを特徴とする光学装置。
請求項３記載の光学装置において、前記光学部品は撮像素子と一体となったことを特徴とする光学装置。
請求項３又は４記載の光学装置において、前記結像効果を有する回折素子の焦点距離が負の値であることを特徴とする光学装置。
請求項５記載の光学装置において、前記結像効果を有する回折素子の焦点距離が、前記結像効果を有する回折素子と前記撮像光学系とからなる系の焦点距離の−０．９倍から−１００倍の範囲にあることを特徴とする光学装置。