JP2006317680A - 光学ローパスフィルター及びそれを有する撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】シンプルな構成でありながら２次元的にパターンが存在する一般被写体に対し、モアレ縞や偽色改善効果が容易に得られる光学ローパスフィルターを得ること。
【解決手段】二軸結晶の平行平板を有する光学ローパスフィルターであって、該平行平板は、該二軸結晶のうちの一方の光学軸と光入出射面の法線のなす角度をθとするとき、
０°≦ ｜θ｜ ＜ ２０°
なる条件を満足すること。
【選択図】図４

Description

本発明は光学ローパスフィルター及びそれを有する撮像装置に関し、例えば、デジタル一眼レフカメラやデジタルスチルカメラ及びビデオカメラ等の規則的な画素配列を有する撮像素子を有する撮像装置に好適なものである。

規則的な離散的画素配列を有する固体撮像素子を有するデジタル一眼レフカメラやデジタルスチルカメラ及びビデオカメラ等では周期構造を有する被写体像の周期が画素の周期と同一又は近い状態で撮像されると偽色やモアレ縞が発生する。
この偽色やモアレ縞の発生を防ぐために、従来、光学系中に光学ローパスフィルターを設けている。

光学ローパスフィルターは結晶の複屈折を利用したもの、回折格子を利用したもの等種々の光学原理を利用したものが提案されている。これらのうちＭＴＦ特性、ローパス効果の均一性で優れている光学ローパスフィルターとして一軸結晶の複屈折を利用した光学ローパスフィルターが広く使われている（特許文献１，２）。

結晶の複屈折を利用する方法として、一枚の複屈折板を用いる方法では入射光束を１つの方向にしかずらすことができない。一般に被写体のパターン像の方向は二次元的に広がっているため光学ローパスフィルターとしては、複数枚数の結晶板を用いて入射光を複数方向にずらす必要がある。

尚、一軸結晶の他に二軸結晶を用いて光学ローパスフィルターを構成し、モアレ縞の発生を防止することが知られている（特許文献３）。

特許文献３では二軸結晶を用いて二重像を形成することによりローパス効果を得る光学ローパスフィルターを開示している。
特開２００１−１４７４０４号公報 特開平１０−０５４９６０号公報 特開２００４−２４６２６１号公報

一軸結晶を用いた光学ローパスフィルターでは、２次元的にパターンが存在する一般被写体で偽色やモアレ縞の改善効果を出すためには複数枚の複屈折板、位相板等が必要となっている。

そのため複数枚の複屈折板を、研磨、接合、コート等の工程を介して製作しなくてはならず、加工にも時間がかかり製作が困難であった。更に、２枚或いは３枚の結晶板の研磨／切断或いは接合、またマッチングコートの工程では欠陥の発生やゴミの挟み込み等の不良発生が多くなる。

尚、特許文献３では二軸結晶を用いて二重像を形成することによりローパス効果を得る光学ローパスフィルターを開示している。

しかしながら特許文献３では、二軸結晶をどのような形状に構成してローパス効果を得るかについては何ら開示していない。

本発明はシンプルな構成でありながら２次元的にパターンが存在する一般被写体に対し、モアレ縞や偽色改善効果が容易に得られる光学ローパスフィルターの提供を目的とする。

本発明の光学ローパスフィルターは、
◎二軸結晶の平行平板を有する光学ローパスフィルターであって、該平行平板は、該二軸結晶のうちの一方の光学軸と光入出射面の法線のなす角度をθとするとき、
０°≦ ｜θ｜ ＜ ２０°
なる条件を満足することを特徴としている。

◎二軸結晶の平行平板を有する光学ローパスフィルターであって、該平行平板は、光入射面より入射した光束がリング状のボケをもって光出射面より出射するように該二軸結晶のうちの一方の光学軸と光入出射面の法線のなす角度が設定されていることを特徴としている。

本発明によれば、シンプルな構成でありながら２次元的にパターンが存在する一般被写体に対し、モアレ縞や偽色改善効果が容易に得られる光学ローパスフィルターが得られる。

図１は本発明の実施例１の光学ローパスフィルターを組み込んだ撮影レンズ１を有するデジタル一眼レフカメラの要部概略図である。

図１において、１は交換可能な撮影レンズ、２は回転ミラー（クイックリターンミラー）であり、一部がハーフミラー面となっており、回転軸２ａ中心に回動している。３はピント板（焦点板）であり、その面上には撮影レンズ１によって被写体像が形成される。４はペンタプリズム（像反転部材）であり、ピント板３に形成された被写体像を正立正像としている。

５は接眼レンズであり、ピント板３に形成された被写体像をペンタプリズム４を介して観察している。６はサブミラーであり、回転ミラー２に固着されており、回転ミラー２とともに回動している。８は焦点検出装置であり、撮影レンズ１を通過してきた光束で回転ミラー２の一部を通過し、サブミラー６で反射した光束を用いて撮影レンズ１の焦点状態を検出している。

２６はローパスフィルターであり、複屈折によって入射光線が分かれる複屈折性の二軸結晶から成っている。７は固体撮像素子である。９は画像処理部であり、固体撮像素子７からの信号を処理し、画像情報を得ている。

本実施例において、被写体像のファインダ観察時には、撮影レンズ１を透過した光像は回転ミラー２で反射してピント板３に結像し、ペンタプリズム４、接眼レンズ５を介して観察される。

又、撮影レンズ１の焦点検出は回転ミラー２の半透過ミラー部を透過しサブミラー６でミラーボックス下方に反射され焦点検出装置８に導かれた像を処理して行なわれる。

一方撮影時は回転ミラー２及びサブミラー６が一体的に回動して撮影光路から退避する。そして撮影レンズ１からの自然光が光学ローパスフィルター２６に入射し、所望のボケをもって光学ローパスフィルター２６を射出し、撮像素子７面上に被写体像が撮像される。撮像された像は電気信号に変換され、画像処理部９でデジタル画像処理され図示していない記憶メディアに記憶される。

実施例１における光学ローパスフィルター２６は、二軸結晶である斜方晶系のＭｇ_２ＳｉＯ_４（フォルステライト）を図３に示すように、２つの光学軸のうち一方の光学軸２４にほぼ垂直に切り出したものを使用している。

実施例１では二軸結晶のうちの一方の光学軸と光入出射面の法線のなす角度をθとするとき、
０°≦ ｜θ｜ ＜ ２０° ‥‥‥（１）
なる条件を満足するようにしている。

更に好ましくは条件式（１）の数値範囲を
０°≦ ｜θ｜ ＜ １０° ‥‥‥（１ａ）
とするのが良い。

本実施例において光学ローパスフィルター２６は求められる空間周波数特性に応じて複屈折度（結晶の選択）及び結晶厚を定めている。

実施例１の光学ローパスフィルターを含む撮像光学系を被写体像を電気信号に変換する規則的画素配列より成る固体撮像素子を有する撮像装置に適用するときは、次の条件式（２）を満足するように各要素を設定している。

即ち、光学ローパスフィルター２６のリング状ぼけの直径をφａ、撮像素子７の隣接する画素との画素ピッチをＰａとするとき、
０．６ ＜ Ｐａ／φａ ＜ １．８ ‥‥‥（２）
の条件を満足する様に直径φａと画素ピッチＰａの関係を決めている。

尚、本実施例においてベイア配列の偽色を効果的に抑制するためには
０．６ ＜ Ｐａ／φａ ＜ １．２ ‥‥‥（２ａ）
の条件を満たすようにリング状ぼけの直径φａを決めるのが良い。

実施例１の光学ローパスフィルター２６に用いられているＭｇ_２ＳｉＯ_４は、斜方晶系に属する珪酸塩化合物より成り、耐熱材、体絶縁材等に使用されており、天然の結晶は宝石等にも供されている熱的化学的に安定な化合物である。

この化合物の単結晶は、例えば、Journal of Crystal Growth vol.23(1974) pp.121-124に開示されているように、チョクラルスキー法と呼ばれる製法で単結晶を得ることが出来る。

実施例１においても、＜１００＞方位に切り出された種結晶を使用し、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）と二酸化珪素（ＳｉＯ_２）を所定の比率で混合融解した原料融液から単結晶を成長させている。

Ｍｇ_２ＳｉＯ_４単結晶は、斜方晶系に属するため光学弾性軸と結晶軸は一致するがその組み合わせを表１に示す。表１には、各光学弾性軸（Ｚ，Ｘ，Ｙ軸）に対応する屈折率の値も示した。

Ｍｇ_２ＳｉＯ_４結晶は二軸結晶なので光学軸の方向は２方向に存在する。図２は、光学弾性軸と光学軸の関係を図示したものである。Ｚ軸２１とＸ軸２２は、紙面内に有り互いに直交している。Ｙ軸２３は、紙面に垂直方向に取ってある。

光学軸２４は、Ｚ軸２１とＸ軸２２を含む面内でＺ軸２１とＸ軸２２の中間にある。ここでＺ軸２１と光学軸２４との成す角度をΩ、Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸方向の屈折率を順にｎｘ，ｎｙ，ｎｚとすると、

で求めることが出来る。

屈折率の値ｎｘ＝１．６３６、ｎｙ＝１．６５０、ｎｚ＝１．６６９より、角度Ωの値は４１°と求めることが出来る。

本発明者らは、実際に面の法線がＺ軸２１とＸ軸２２の間でＺ軸２１との角度が４１ｄｅｇとなる平行平板を、前記チョクラルスキー法によって作製したＭｇ_２ＳｉＯ_４結晶から切り出し、透過光学顕微鏡を用いたコノスコープ像の観察により光学軸２４とＺ軸２１の角度Ωを測定したところ、光学軸の角度Ωは４２．５±１°であった。そこで本実施例では、光学軸２４とＺ軸２１との角度Ωは４２．５°として、光入射面の法線が光学軸２４と一致するように平行平板を切り出した。

実際の平行平板の切り出しにおいては、一般的に使用されているＸ線回折装置を使用して試料におけるａ軸＜１００＞、ｂ軸＜０１０＞及びｃ軸＜００１＞を定め、表１に示した光学弾性軸と結晶軸の関係に従って光学軸方向が決められた。

図３は、上述のようにして切り出されたＭｇ_２ＳｉＯ_４結晶の平行平板より成る光学ローパスフィルター２６について、結晶方位を示したものである。光学ローパスフィルター２６の入射面２７の法線２８は、ａ軸２９すなわちＺ軸との角度は４２．５°であり、光学軸２４と平行となっている。

ｃ軸（ｙ軸）２３は入射面２７に平行で、入射面２７の法線２８とａ軸２９に対して直角となるように方位が設定されている。

上述のように切り出されたＭｇ_２ＳｉＯ_４結晶の平行平板に、入射面２７に垂直な方向すなわち光学軸２４方向と平行な自然光が入射した場合、内部円錐屈折により出射光は中空の円筒状に出射される。図４において、Ｍｇ_２ＳｉＯ_４結晶の光学ローパスフィルター２６に光学軸２４と平行に入射した自然光３１は、光学ローパスフィルター２６の結晶内で角度ψで円錐状に広がり、中空の円筒状の出射光３２として取り出される。

図４（ｂ）は出射光３２の、光の進行方向に垂直な断面を示す。出射光３２の断面はリング状になっておりその直径φは平行平板より成る光学ローパスフィルター２６の厚さｄと結晶内での開き角度ψによって決まる大きさを持つ。

ここで開き角度ψ、光学ローパスフィルター２６の厚さｄ、リングの直径φとの関係は、
φ＝ｄ×ｔａｎψ ‥‥‥（ａ）
で求めることが出来る。

円錐の開き角度ψは、Ｍｇ_２ＳｉＯ_４結晶の屈折率をｎｘ、ｎｙ、ｎｚとすると、

で求めることが出来る。

屈折率の値は、ｎｘ＝１．６３６、ｎｙ＝１．６５、ｎｚ＝１．６６９であるので、式３によりｔａｎψの値として０．０２が得られる。又実際に厚さが異なり、かつ入射面の法線が光学軸と平行な光学ローパスフィルターを、前述の手段を用いてＭｇ_２ＳｉＯ_４結晶から切り出し、透過光のリング直径φを測定した結果を表２に示す。表２に示したとおり、式３の結果と実測値は一致することが判明した。

図４（ｃ）に示すように、自然光３１が光学軸２４にほぼ垂直に切り出された二軸結晶を透過したときのボケは内部円錐屈折によるリング状ボケ３２となるがリング状ボケの各位置の偏光方向は以下にのべるようになる。

入射光の延長で、結晶表面で屈折せず直進した光線部分は方向１３の偏光成分を持つ。即ち図４（ｃ）で紙面に垂直方向の偏光面をもつ。最も離れた部分の光線は方向１３と直交する方向１５の偏光成分を持つ。即ち図４（ｃ）で紙面に平行方向の偏光面をもつ。それ以外の位置では方向１４および方向１６の偏光成分を持つことになる。その偏光面の方向は光線位置１３ａを結ぶ方向に一致する。

入射光を４方向に分離する従来の４点分離の光学ローパスフィルターの様に離散的に分離されたものはある空間周波数でＭＴＦが零となるトラップポイントｆｃが存在することが知られている。そこで本実施例の内部円錐屈折によるリング状ボケの場合にＭＴＦの空間周波数特性がどうなるか図５を用いて述べる。

図５（ａ）に示すように、自然光３１が光学軸にほぼ垂直に切り出された二軸結晶（図４参照）を透過したときのボケは内部円錐屈折によるリング状ボケ３２となる。ここでリング状ボケ３２の直径をφとする。図５（ｂ）にその直径を含む一方向の線像強度分布示す。リングボケ３２の直径φ付近にピークを持ちその間は底の広いＵ字型の分布を呈する。

図５（ｃ）に実施例１の光学ローパスフィルターのＭＴＦを示す。実施例１の光学ローパスフィルターの様にリング状にぼけるものでも空間周波数でＭＴＦが零となるトラップポイントｆｃが存在することがわかった。但し従来例のような離散的に分離されたものの分離巾Δとトラップポイントｆｃの関係が
ｆｃ＝１／（２・Δ）
の関係があるのに対し、実施例１の内部円錐屈折によるリング状ボケ３２の場合のリング状ボケ径φとトラップポイントｆｃの関係は
ｆｃ＝１．５２／（２・φ）
となることがわかった。

ローパス効果を得るにはこの関係式に従って、複屈折度（結晶の選択）及び結晶厚を定めれば良い。

上述の結果に従い、実施例１において、画素ピッチ９μｍでベイア配列の撮像素子用の光学ローパスフィルターとして、リング直径９．９μｍが求められる。リング直径９．９μｍを得るに必要な結晶厚さｄは、式（ａ）にｔａｎψの値として０．０２を代入すると、結晶厚さｄは４９５μｍと求める事が出来る。

実施例１のような内部円錐屈折によるリング状ボケの場合、偽色抑制効果及び解像は上下左右斜め方向とも同一特性である。実施例１によれば従来の複数の一軸結晶を用いた分離方式の光学ローパスフィルターに比べ対象性、均一性が良く素直な画像が得られる。

また、カットオフ周波数よりも高周波の空間周波数領域でのローパスフィルター（ＬＰＦ）のＭＴＦの再立ち上がりが従来の複数の一軸結晶を用いた分離方式の光学ローパスフィルターに比べ小さく偽色抑制効果が大きい。

実施例１は二軸結晶の平行平板２６の、面の法線２８が上記二軸結晶の一方の光学軸２４と略一致する様切出した形で光学ローパスフィルターを構成している。この内部円錐屈折現象を利用することにより、二次元的に偽色改善効果が得られる光学ローパスフィルターを一枚の結晶板という最もシンプルな構成で実現している。

複数枚の複屈折板、位相板等の結晶板が必要で加工に時間がかかり複雑だった構成の従来方式の光学ローパスフィルターに比べ一枚の結晶板で構成されているので容易に提供できる。

複数枚の結晶板の研磨／切断、マッチングコート、接合の工程ではゴミ、キズ、欠陥の発生による不良発生が多かったが一枚の結晶板で構成されているのでゴミ、キズ、欠陥が少なく良質の光学ローパスフィルターが容易に得られる。

本実施例の光学ローパスフィルターに用いる結晶としてはＭｇ_２ＳｉＯ_４（フォルステライト）に限らず、二軸結晶であれば斜方晶系、単斜晶系、三斜晶系に属する透明結晶であれば同様な効果が得られる。

例えば、鱗珪石（ＳｉＯ_２）、雲母（ＫＡｌ_２（ＡｌＳｉ_３Ｏ_１０）（ＯＨ）_２）、クリソベリル（ＢｅＡｌ_２０_４）、あられ石（ＣａＯ・ＣＯ_３）、フッ素タイプのトパーズ（Ａｌ_２Ｓｉ０_４（Ｆ）_２）、石膏（ＣａＳＯ_４・２Ｈ_２０）等を使用することができる。

光学ローパスフィルターとしてデジタルカメラに組み込むものでは、図６に図示する様に光学ローパスフィルター２６の表面に赤外カットコート４１を設けたり、図７に図示する様に光学ローパスフィルター２６の前側に（或いは後ろ側でもよい）赤外吸収フィルター４３を接合したりする構成も省スペースや強度補強のための構成として有効である。尚４２は反射防止コートである。

実施例１の光学ローパスフィルターはデジタル一眼レフカメラの他に、コンパクトタイプデジタルカメラ、ビデオカメラ、携帯電話組込カメラ、工業用／計測用デジタルカメラ、ボードカメラ等画素を規則的に配列した撮像素子を用いたデジタルカメラに応用すれば同様の効果が得られる。

以上のように光学ローパスフィルターを、二軸結晶の平行平板の、面の法線が二軸結晶の光学軸と略一致する様に切り出した形の構成とし、内部円錐屈折現象を利用することにより、
・２次元的に偽色改善効果が得られる光学ローパスフィルターを一枚の結晶板という最もシンプルな構成で実現できる。

・複数枚の複屈折板、位相板等の結晶板が必要で加工に時間がかかり複雑であった従来方式の光学ローパスフィルターに比べ一枚の結晶板で構成されているので製作が容易である。

・複数枚の結晶板の研磨／切断、マッチングコート、接合の工程ではゴミ、キズ、欠陥の発生による不良発生が多かったが一枚の結晶板で構成されているのでゴミ、キズ、欠陥が少なく良質の光学ローパスフィルターが得られる。

・偽色抑制効果及び解像力への影響の上下左右の対象性、均一性が良く素直な画像が得られる。

・カットオフ周波数よりも高周波の空間周波数領域でのＭＴＦの立ち上がりが４点分離の光学ローパスフィルターよりも小さく偽色抑制効果が大きい。

本発明の実施例１の一眼レフカメラの構成を示す概略図 二軸結晶の光学軸の方位を示す図 本発明の実施例１の二軸結晶の光学ローパスフィルターの説明図 本発明の光学ローパスフィルターの光線の広がりを示す説明図 本発明の光学ローパスフィルターの線像及びＭＴＦ特性を示す説明図 本発明のその他の実施例の構成を示す図 本発明のその他の実施例の構成を示す図

符号の説明

１・・・撮影レンズ
２・・・回転ミラー
３・・・ピント板
４・・・ペンタプリズム
５・・・接眼レンズ
６・・・サブミラー
７・・・撮像素子
８・・・焦点検出装置
９・・・・画像処理部
２４・・・結晶の光学軸
２６・・・光学ローパスフィルター
３１・・・入射光
３２・・・射出光
４１・・・赤外カットコート
４２・・・反射防止コート
４３・・・赤外吸収フィルター
１３１・・・第一の複屈折板
１３２・・・第二の複屈折板
１３３・・・第一の複屈折板
１３４・・・位相板
１３５・・・第二の複屈折板

Claims (5)

1. 二軸結晶で構成された平行平板を有する光学ローパスフィルターであって、該平行平板は、該二軸結晶のうちのいずれか一方の光学軸と光入出射面の法線のなす角度をθとするとき、
   ０°≦ ｜θ｜ ＜ ２０°
   なる条件を満足することを特徴とする光学ローパスフィルター。
2. 二軸結晶で構成された平行平板を有する光学ローパスフィルターであって、該平行平板は、光入射面より入射した光束がリング状のボケをもって光出射面より出射するように該二軸結晶のうちのいずれか一方の光学軸と光入出射面の法線のなす角度が設定されていることを特徴とする光学ローパスフィルター。
3. 前記二軸結晶の材質がＭｇ_２ＳｉＯ_４であることを特徴とする請求項１又は２の光学ローパスフィルター。
4. 請求項１，２又は３の光学ローパスフィルターを光路中に設けた撮像光学系と、該撮像光学系によって形成される被写体像を電気信号に変換する規則的画素配列より成る固体撮像素子とを有することを特徴とする撮像装置。
5. 自然光が前記光学ローパスフィルターに入射し、出射するときのリング状ぼけの直径をφａ、前記固体撮像素子の互いに隣接する画素との画素ピッチをＰａとするとき、
   ０．６ ＜ Ｐａ／φａ ＜ １．８
   なる条件を満足することを特徴とする請求項４の撮像装置。