JP2007093900A - 光学素子およびそれを有する撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 入射角度の変動に対する出射光束の分離幅の変動が少なく、良好なる光学的ローパス効果が得られる光学素子を得ること。
【解決手段】 入射光束が、出射するとき、互いに直交する偏光状態の光束で、所望の幅で分離した光束とする光学的な異方性を有する光学素子であって、該光学素子の材料は、波長５３０ｎｍにおいて、常光線における屈折率をｎ_ｏ、異常光線における屈折率Ｎ_ｅ、該光学素子の光学軸の方向と入射面法線との成す角度をθ、該光学素子の入射面に垂直入射した光束が互いに直交する偏光状態の光束として、分離屈折するときの、分離角度が最大となる光軸軸の方向と入射面法線との成す角度をθ_ｍａｘとするとき、
０．１＜｜ｎ_ｅ−ｎ_ｏ｜
θ_ｍａｘ＜θ
を満足すること。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光学的な異方性を利用して光学的ローパス効果を得る光学素子及びそれを用いた撮像装置に関し、例えばＣＣＤやＭＯＳ等の固体撮像素子を使用するデジタルカメラやビデオカメラ等の撮像光学系に好適なものである。

ＣＣＤやＭＯＳ等の二次元固体撮像素子を用いたデジタルカメラやビデオカメラ等の撮像装置は、被写体像を画素ピッチ毎にサンプリングすることで画像情報を得ている。

しかし、この画素ピッチの空間周波数より高い空間周辺数成分を持った被写体を撮影すると、その高周波成分が低周波に折り返り雑音成分として検出される。

また、単板式のカラー撮像素子を用いた場合、空間周波数の高い成分を持った被写体を撮影すると、画素の前方に配置されるカラーフィルターの配列によって決まる偽色雑音が発生する。

このような雑音成分を、画像情報を電気信号に変換した後に除去することは非常に難しい。

そこで、従来、その雑音成分を、光学的ローパスフィルタを用いて除去している。

ここで光学的ローパスフィルタとは、空間周波数的に高周波の光学信号を除去する光学作用を有する光学部材をいう。光学的ローパスフィルタとして、水晶の光束分離作用を利用した光学的ローパスフィルタが知られている（特許文献１〜４）。

水晶を用いた光学的ローパスフィルタでは、光学的な異方性媒質の光束分離作用を用いてローパス効果を得ている。

特許文献１、２では、カラーフィルタとしてストライプ上のフィルタを想定し、被写体の空間周波数がこのカラーフィルタと同期性を持ったときに発生する偽色信号を光学的ローパスフィルタで低減している。

具体的には、水晶等の複屈折性を有する平行平板によって光線を常光線と異常光線に分離して撮像面上に結像させる光学的ローパスフィルタを開示している。

特許文献２では、水晶の単結晶をその光学軸が平行平板の入出射面に対して略４５度の角度をなすように切り出して使用する構成を開示している。

また、特許文献３、４では、カラーフィルタとして例えばベイヤー配列のカラーフィルタを想定し、複数枚の複屈折板を組み合わせることによって入射光線を常光線と異常光線に分離出射させて結像させている。これにより被写体の高周波数成分によって発生する偽解像信号や偽色信号の発生を効果的に低減させる構成を開示している。

さらに水晶よりも異方性の強い異方性媒質の光束分離作用を有する光学素子が知られている（特許文献５，６）。

特許文献５では、水晶よりも異方性の強いニオブ酸リチウム材料を用いることで、単位厚みあたりの光線の分離幅を大きく取り、これにより機械的な厚みを薄くした光学的ローパスフィルタを開示している。

しかしながら、一般にあまり強い異方性の材料を用いると分離幅が大きくなりすぎる。この結果所望の分離幅を得ようとすると厚みが薄くなりすぎてくる。そうすると材料の加工が難しくなり、さらに機械的な強度も弱くなってくる。

そこで、引用文献５では、光学素子の面法線と光学軸のなす角θを分離幅が最大となる角度４５度からずらして、１０°＜θ＜３０°、６０°＜θ＜８０°の範囲で設定している。

特許文献６では、ニオブ酸リチウムの単結晶を平行に切り出して光学的ローパスフィルタを構成している。

ここでは、切り出す主面の法線が、結晶のｘ軸に対してｙ軸から４６．１±２０度、もしくは１３３．９±０度回転した位置より、ｚ軸を中心にして ±３度回転した範囲内にある構成を開示している。

一般にニオブ酸リチウムは水晶に比べて屈折率差が大きいために、機械的な厚みを薄くすることが容易となる。
実公昭４７−１８６８８号公報 実公昭４７−１８６８９号公報 特開昭５９−７５２２２号公報 特開昭６０−１６４７１９号公報 特開２００１−１４７４０４号公報 特開２００２−１０７５４０号公報

光学軸と入射面法線との角度が特定された異方性媒質より成る平行平板へ光束が入射するとき、光束の入射角度によって出射光束の分離幅が異なってくる。即ち光束の入射角度によって得られる光学的ローパス効果が異なってくる。

この為、光学的ローパスフィルタを撮像装置に用いても、光学的ローパスフィルタに入射する光束の入射角度に差があると、画面全体にわたり、均一な光学的ローパス効果を得るのが難しい。

この為、異方性媒質を用いた光学的ローパスフィルタは、材質の屈折率、入射面法線に対する光学軸の方向、厚さ等を適切に設定し、入射角度の変化によって光束の分離幅の変化を少なくすることが重要になっている。

本発明は、入射光束の入射角度の変動に対する出射光束の分離幅の変動が少なく、良好なる光学的ローパス効果が得られる光学素子及びそれを有する撮像装置の提供を目的とする。

本発明の光学素子は、
◎光学的な異方性を有し、互いに直交する偏光状態の光線を所望の幅で分離して射出する光学素子であって、波長５３０ｎｍにおいて、常光線における屈折率をｎ_ｏ、異常光線における屈折率ｎ_ｅ、該光学素子の光学軸の方向と入射面法線との成す角度をθ、該光学素子の入射面に垂直入射した光線が互いに直交する偏光状態の光線として分離するときの分離角度が最大となる光軸軸の方向と入射面法線との成す角度をθ_ｍａｘとするとき、
０．１＜｜ｎ_ｅ−ｎ_ｏ｜
θ_ｍａｘ＜θ
なる条件を満足することを特徴としている。

◎互いに直交する偏光状態の光線を所望の幅で分離して射出する光学素子であって、該光学素子を構成する材料は、ニオブ酸リチウムであり、該ニオブ酸リチウムの光学軸の方向と入射面法線との成す角度をθとするとき、
５０°＜θ＜６０°
なる条件を満足することを特徴としている。

◎互いに直交する偏光状態の光線で所望の幅で分離して射出する光学的な異方性を有する光学素子であって、該光学素子を構成する材料は水晶であり、該水晶の光学軸の方向と入射面法線との成す角度をθとするとき、
５１°＜θ＜６１°
なる条件を満足することを特徴としている。

本発明の撮像装置は、
◎光学的な異方性を有する光学素子と、撮影光学系によって形成された像を、該光学素子を介して受光する固体撮像素子と、を有する撮像装置であって、波長５３０ｎｍにおいて、常光線における屈折率をｎ_ｏ、異常光線における屈折率をＮ_ｅ、該光学素子の光学軸の方向と入射面法線との成す角度をθ、該光学素子の入射面に垂直入射した光線が互いに直交する偏光状態の光線として分離するときの分離角度が最大となる光学軸の方向と入射面法線との成す角度をθ_ｍａｘ、入射面法線方向の厚さをｔ、該固体撮像素子の光束の分離方向の画素ピッチをＰとするとき、
０．０２≦｜ｎ_ｅ−ｎ_ｏ｜
θ_ｍａｘ＜θ
Ｐ／ｔ＜０．０３５
なる条件を満足することを特徴としている。

本発明によれば、入射角度の変動に対する出射光束の分離幅の変動が少なく、良好なる光学的ローパス効果が得られる光学素子を得ることができる。

図１は、光学的な異方性を有する媒質の光束分離作用を利用した本発明の光学的ローパス効果を有する光学素子の要部斜視図である。光学的な異方性を有する媒質としては、例えば水晶やニオブ酸リチウム等の結晶材料や、光学的異方性を有するよう構成した樹脂製フィルムが知られている。

図１において、１は光学的ローパス効果を有する光学素子である。１ａは光学素子を構成する材料の光学軸であり、入射面法線１ｂとのなす角はθ度である。１ａｔ，１ａＨは光学軸１ａの各面への正射影である。

光線が光学素子１に垂直入射すると入射光は、光学素子１によってＰ偏光ＰとＳ偏光Ｓの出射光として、水平方向Ｈに分離幅ΔＬで分離して出射する。

ここで異方性媒質とは、偏光の方向（振動方向）によって屈折率が異なる媒質を指す。そしてその両偏光の法線速度が一致する方向に光学軸を持つ。

水晶のように３方向のうち１方向のみ屈折率が異なる媒質は一軸性結晶と呼ばれ、その異なる屈折率の方向が光学軸となる。

この異方性媒質を平行平板状に切り出し、光学軸をその入出射面法線から所定の角度傾けたものに円偏光を入射させると、入射光は、その光学軸の傾いている方向に異方性を示して常光線と異常光線に分離して出射する。このとき、常光線と異常光線の分離幅はその異方性媒質の各屈折率と厚み、さらには光学軸と入射面法線との角度によって決定される。

図２は、光の波長よりも細かい構造の光学的な異方性を利用して入射光を分離する光束分離作用を有する光学素子の要部断面図である。

図２において、２は光学素子であり、後述する図１０に示す周期構造で光の波長より短い矩形格子を一方向に配列した１次元周期構造より成っている。

図２において、２ａは光学軸であり、入射面法線２ｂとの成す角はθ度である。

２ｃは矩形格子（周期構造）であり、基板２ｄに対して斜めに配置されている。

入射光Ｌａが光学素子２を通過して２つの光線Ｌａ１、Ｌａ２に分離幅ΔＬだけ分離して出射する様子を示している。

本実施例において、光学的な異方性を有する光学素子は、入射光の波長よりも短い格子を一定のピッチで配列した一次元周期構造体より成っている。

図１、図２において、入射光が光学素子によって２つの光束Ｓ・Ｐに分離するとき、分離角度φが最大となる光学軸１ａの方向と入射面法線１ｂとのなす角をθ_ｍａｘとする。

又、常光線と異常光線の屈折率を各々、ｎ_ｏ、ｎ_ｅとするとき、
０．１＜｜ｎ_ｅ−ｎ_ｏ｜・・・・（１）
θ_ｍａｘ＜θ・・・（２）
となるように構成している。

尚、条件式（１）を満足する媒質としては、例えば、酸化チタン結晶（ＴｉＯ_２）がある。波長５５０ｎｍにおいて酸化チタン結晶の常光屈折率は２．６４８５、異常光線屈折率は２．９４５４である。

図３は本発明の光学素子をＣＣＤ等の固体撮像素子の光入射側に取着した撮像部材の該略図である。

図３において、３１は撮像部材、３２は光学的ローパス効果を有する光学素子である。３３は固体撮像素子であり、光入射側に光学素子３２が設けられている。

次に本発明の光学素子の特徴について説明する。

光学的な異方性を有する媒質又は構造を用いて光束を分離させる構成の光学的ローパスフィルタでは、常光線と異常光線の屈折率差、さらには厚みと光学軸の角度の３つのパラメータで光束の分離方向と分離幅が決定される。

一般に一軸性結晶の平行平板をその入射面の法線と光学軸の成す角をθとなるように作成したとき、円偏光の光がその平行平板に垂直に入射するときの常光線と異常光線の進行方向の成す角φは、次式で表される。

ここでｎ_ｏは常光線の屈折率、ｎ_ｅは異常光線の屈折率である。

又、入射光が２つの光線に分離されて出射するときの分離幅ΔＬは光学素子の厚さをｔとすると
ΔＬ＝ｔ×ｔａｎφ・・・（ａ１´）
となる。

（ａ１）式を考えるには、光の波動光学的な解釈が必要となる。異方性媒質では光の屈折率が偏光方向によって異なるために、光の波動ベクトルとポインティングベクトルの方向がずれるといった現象が見られる。これはつまり光の波面の向きと実際にエネルギーの流れる方向がずれることを表す。

平行平板へ入射するとき、垂直入射では波面の向きは媒質内に入っても変わらないが、エネルギーの流れる方向がずれる。このために、垂直入射に対して光が屈折するといった現象が見られる。その概要を図４に示す。

図４はポインティングベクトルによる光の分離であり、光学軸に対する入射光の分離状態を示している。

Ｓ_ｉは入射光、Ｓ_ｒｓはＳ偏光成分、Ｓ_ｒｐはＰ偏光成分である。

次に、このような平行平板に光が斜めに入射する場合を考える。一般的に光は境界面に入射角度を持って入射した場合、スネルの法則を満たす形で屈折する。しかし、異方性媒質の場合は、その偏光方向によって屈折率が異なるために、偏光ごとに別のスネルの法則の式を満たす形で屈折する。その概要を図５に示す。光学軸が入射平面内にあるとき、入射光は、紙面垂直に振動するｓ波と紙面内に振動するｐ波に分離する。ｓ波とｐ波のそれぞれの媒質内での屈折率をｎ_ｓ、ｎ_ｐとすると、屈折率ｎ_ｓ、ｎ_ｐは以下の式で求められる。

これより、ｎ_ｓは一定で、ｎ_ｐはｙ、ｚの関数となっており、進む方向によって屈折率が異なることを表している。ここで入射媒質の屈折率をｎ_ｉ、光の入射角度をθ_ｉ、それぞれの偏光の屈折角をθ_ｒｓ、θ_ｒｐとすると、以下の式を満足する。

ｎ_ｉｓｉｎθ_ｉ＝ｎ_ｓｓｉｎθ_ｒｓ＝ｎ_ｐｓｉｎθ_ｒｐ （ａ４）
これにより求まった屈折角θ_ｒｓ、θ_ｒｐ方向に波動ベクトルｋが進む。これは波動ベクトルによる光の分離である。

以上の話を総合して、異方性媒質に光が入射角度をつけて入射する場合、まず境界面で波動ベクトルのずれによる分離が（ａ４）式を満たす形で求められる。さらに、その求めた波動ベクトル方向に対して（ａ１）式を満たす形でポインティングベクトルのずれによる分離が生じる。ここで重要なのが（ａ１）式での角度θの取り扱いである。

（ａ１）式では垂直入射を仮定していたために、単純に入射面法線と光学軸の成す角θが（ａ１）式のθに用いられる。しかし厳密には（ａ１）式の角度θは光学軸と波動ベクトルｋの成す角を表している。それを用いると、図６に示すように、ｓ波は境界面でスネルの法則を満たす角度で屈折し、ポインティングベクトルは波動ベクトルからずれない。ｐ波はｓ波とは異なる角度で屈折し、そこからポインティングベクトルがずれる。この両偏光のポインティングベクトル方向に着目して分離幅を求めることが必要となってくる。

光学的異方性媒質としてのニオブ酸リチウムは、波長５３０ｎｍにおける常光屈折率ｎ_ｏ＝２．３２４７、異常光屈折率ｎ_ｅ＝２．２３５５である。これを用いて、光学軸の角度に対する垂直入射の分離幅の関係を求めたものを図７に示す。ニオブ酸リチウムのような屈折率差（０．０８９２）の比較的小さな結晶では（ａ１）式が最大となる光学軸の角度はおよそ４５度で、そのときの単位厚み当たりの分離幅は０．０３９１１となる。そこで光学軸の角度を４５度、厚みを１００μｍとしたときの入射角度に対する分離幅の関係を図８に示す。入射角度０度での分離幅３．９μｍに対して各入射角度での分離幅が変化している様子がわかる。基本的に分離幅は厚みに対して比例関係にあるため、厚みが増えると分離幅の変化量は大きくなってくる。

設計の指標として機械的な厚みと分離幅が決定されたとき、所望の分離幅ΔＬを得るには光学軸の角度θを調整する必要がある。

もし厚み１００μｍで分離幅を２μｍとしたとき、単位厚み当たりの分離幅は０．０２μｍ必要となり、図７より光学軸の角度θは１５度と７４度となる。そのそれぞれの入射角度θｉに対する分離幅ΔＬの関係を図９に示す。両者とも入射角度０度に対する分離幅はおよそ２μｍとなっているが、入射角度θｉをつけたときの分離幅ΔＬの変化量が７４度に設定した時に比べて１５度としたときの方が大きい。

また、光学軸の角度を１５度としたとき、入射角度３５度付近で分離が一度０になっている。これは媒質内での波動ベクトルが光学軸方向に進む光で、境界面における波動ベクトルのずれも媒質内におけるポインティングベクトルのずれも発生していないためである。

また、この入射角度３５度付近を境に常光線と異常光線の分離の方向が逆転するため、このような設計は好ましくない。

次に、図２の実施例のように、光の波長よりも細かい構造の光学的な異方性を用いて光束分離作用を有する光学素子について説明する。

図２に示す光学素子２の周期構造は図１０に示すように一次元的に周期構造となっている。この周期構造２ｃのピッチが光の波長よりも細かいと、光はその構造そのものを認識できずに一様な媒質のような特性を示す。

また、このような周期構造２ｃの異方性は通常の結晶材料のそれに比べて大きい。

今、周期構造２ｃの媒質にＴｉＯ_２を仮定して構造のピッチを８０ｎｍ、ＴｉＯ_２の占有率を５０％とする。そうすると有効屈折率法より波長５３０ｎｍでの各屈折率はおよそ常光屈折率ｎ_ｏ＝１．８２５２、 異常光屈折率ｎ_ｅ＝１．３２０９となる。このときの光学軸２ａの角度に対する垂直入射の分離幅の関係を図１１に示す。垂直入射の分離幅が最大となる光学軸の角度は約３６度で、そのときの単位厚み当たりの分離幅は０．３２９０４である。これはニオブ酸リチウムに比べて１桁程度大きい。光学軸の角度を３６度、厚みを１０μｍとしたときの入射角度に対する分離幅の関係を図１２に示す。これを見ると入射角度θｉに対する分離幅ΔＬの変化がニオブ酸リチウムの図８に比べて大きくなっていることがわかる。異方性が強い光学素子を用いて最大の分離幅が得られる光学軸の角度を選択することで、所望の分離幅を得るための厚みを薄くできる。

しかしながら入射角度の分離幅への影響が大きくなることがわかる。

もし厚みを１０μｍで設計分離幅を２μｍとしたとき図１１より光学軸の角度は１４度と６５度となる。そのそれぞれの入射角度に対する分離幅の関係を図１３に示す。両者とも０度に対する分離幅はおよそ２μｍとなっているが、入射角度に対する分離幅の変化が１４度だと非常に大きくなる。異方性が強い光学素子を用いた場合、光学軸の角度の範囲によっては分離幅の変化が非常に大きくなってしまう。

一般的にこのような光学的ローパス作用のある光学素子を撮像装置と組み合わせて使用する場合、撮像装置のセンサーの画素ピッチに対応させて分離幅は設定される。

ここで、固体撮像素子の画素ピッチｐが１０μｍとする。この固体撮像素子の空間周波数は１００ｍｍ^−１である。

サンプリング定理より、この固体撮像素子で再現できる情報の空間周波数は５０ｍｍ^−１である。これ以上の空間周波数を持つ情報は、サンプリングすることで低い周波数に折り返る。これがモアレといわれる一種の折り返り雑音の原因となる。

これを防ぐために、そのピッチ方向に光束を１０μｍ分離させるような光束分離用の光学素子を上記撮像素子の前面に配置する。そのときのＭＴＦを図１４に示す。この光束分離用の光学素子は空間周波数５０ｍｍ^−１の情報を完全にぼかすような光学ローパスフィルタとして機能することがわかる。これにより、高周波成分の雑音成分を取り除くことができる。

入射角度に対する分離幅の変化が大きな光学素子を用いた場合、画像の位置（画角）によってこのローパスフィルタの効果が変わってしまう。つまりはこの分離幅の変化量が直接画像へ影響すると考えられる。

この画像への影響は、入射角度に対する分離幅の変化が大きいほど大きく、さらに固体撮像素子の画素ピッチｐが細かいほど大きくなる。また、その分離幅の変化は、用いる材料の異方性が強いほど、さらに厚みｔが厚いほど大きくなる。

そこで本発明では、光学軸の角度を適切に設定することで入射角度に対する分離幅の変化を抑え、より高性能な異方性点像分離作用のある光学素子を得ている。

本発明の光学素子は、ＣＣＤ、ＭＯＳ等の固体撮像素子と撮像光学系の間に配置され、固体撮像素子の画素ピッチに対応させて点像（画像）を分離させる光学的ローパスフィルタとして好適なものである。

また、それに用いられる複屈折板を、常光線と異常光線の屈折率差が大きい一軸性単結晶や、入射光の波長よりも短い格子を一定のピッチで配列した一次元周期構造体で構成している。

本発明の光学素子を、撮像装置に適用したときの実施例について説明する。

本実施例の光学素子は、入射光が出射するとき、互いに直交する偏光状態の光線で所望の幅で分離した光線とする光学的な異方性を有し、波長５３０ｎｍにおいて、常光線における屈折率をｎ_ｏ、異常光線における屈折率をＮ_ｅ、光学素子の光学軸の方向と入射面法線との成す角度をθ、光学素子の入射面に垂直入射した光束が互いに直交する偏光状態の光束として、分離屈折するときの、分離角度が最大となる光学軸の方向と入射面法線との成す角度をθ_ｍａｘ、入射面法線方向の厚さをｔ、固体撮像素子の光束の分離方向の画素ピッチをＰとするとき、
０．０２≦｜ｎ_ｅ−ｎ_ｏ｜・・・（３）
θ_ｍａｘ＜θ・・・・（４）
Ｐ／ｔ＜０．０３５・・・・（５）
を満足している。

本実施例では、このように光学素子の光学軸と入射面の法線となす角θを適切に設定することにより、入射角度に対する分離幅の変化を小さくしている。

これにより、所望の分離幅を得るために用意された光学素子の入射角度に対する分離幅の変化を抑えている。高画素化に伴って微小化されていく撮像素子の画素に対して、このような光学素子を用いることで画像全体でより均一なローパス効果を得ている。

尚、（３）式は屈折率差が
０．１≦｜ｎ_ｅ−ｎ_ｏ｜・・・（３ａ）
と大きいものを用いると更に好ましい。

条件式（４）は本実施例の光学素子の構成の特徴を数値化したものであり、光学軸と入射面の法線がなす角θの最適な設定範囲を表している。

条件式（４）で特定される範囲は、厚みを固定して光学軸の角度θによって所望の分離幅を求める際に、上記範囲内に光学軸の角度θを設定することで入射角度に対する分離幅の変化を抑えた設計を容易にしている。

この影響が大きくなるのが条件式（５）で与えられた範囲である。通常、このような光学素子は固体撮像素子の画素ピッチＰに対応させて分離幅が設定される。その画素ピッチＰが細かくなると、分離幅の変化に対する画像への影響度が大きくなってしまう。

さらに、光学素子の屈折率差が大きい、もしくは厚みが大きくなると、分離幅の変化が大きくなってしまう。そこでこのような影響が大きな範囲で特に条件式（４）を満たす形にすることでより好適な光学素子が得られる。

条件式（５）を満たす、もしくは屈折率差が０．１以上の媒質を用いて条件式（４）の範囲外で設計した場合、特に角度θ_ｍａｘから離れた値を設定すると入射角に対する分離幅の変化が非常に大きな光学素子が得られる。

例えば、ニオブ酸リチウムを用いて光学軸の角度を入射面法線から１５度、厚みを１００μｍとした平行平板を製作した場合、その入射角度に対する分離幅は図９（ａ）のようになる。

このような光学素子を光学的ローパスフィルタとして機能させた場合、結像光学系によっては光学素子への入射角度がきつくなることが予想される。

このような結像光学系で撮像した場合、入射角度に対する分離幅が異なるために画角方向と中心部にローパス効果の差異が出る。さらに左右に非対称な画像情報となることが予想される。さらに入射角度３５度で分離幅が０となっているため、その入射角度方向の光学的ローパスフィルタとしての機能は果たさない。

角度θの値が（４）式を満たす角度になるように設定した場合は、分離幅の変化による画像の劣化が抑えられる。

例えば、ニオブ酸リチウムを用いて光学軸の角度を入射面法線から７４度、厚みを１００μｍとした平行平板を製作した場合、その入射角度に対する分離幅は図９（ｂ）のようになる。入射角度に対する分離幅の変化が小さいために、画像全体での光学的ローパスフィルタとしての機能に変化が少なく、より高性能な光学的ローパスフィルタを製作することができる。

なお、複数枚の複屈折板を重ね合わせた複合結晶板を光学的ローパスフィルタとして使用する場合、それを構成する各複屈折板の光学軸の角度を（４）式を満たす形で設定することで高性能な光学的ローパスフィルタが得られる。

もし機械的な厚みに制限がなく光学軸の角度を自由に設計することができた場合には最適値が存在する。ニオブ酸リチウムを用いた場合、光学軸を入射面法線からの角度θが５５度に設定したものを考える。その厚みを１００μｍとした平行平板の入射角度に対する分離幅の関係を図１５に示す。入射角度 ±６０度までの広い範囲で分離幅が変化しない。

このように最適な角度を用いることで入射角度に対する分離幅がほとんど変化しない設計も可能となる。同様に水晶の場合は光学軸の入射面法線から角度θが５６度とすることでこの最適値になる。

このような設計の場合、所望の分離幅を得るためには厚みを変化させることで調整する。また、光学軸の角度θをその最適値から±５度の範囲に設定することで、入射角度範囲±３０度での分離幅の変化量が垂直入射の分離幅に対して１０％以下に抑えることが可能となる。ニオブ酸リチウムのときは、このとき角度θが
５０°＜θ＜６０°
程度、好ましくは
５３°＜θ＜５７°
程度とするのが良い。

又、水晶のときは、このとき角度θが、
５１°＜θ＜６１°
となるのが良い。好ましくは
５４°＜θ＜５８°
とするのが良い。

また、異方性を有する光学素子を複数用いて構成する光学的ローパスフィルタとしては、図１６に示すような配置とすることが好ましい。すなわち、光学軸１ａの入射面への正射影１ａＶが固体撮像素子の長辺方向を向いた第一の光学素子１６ａと、同光学軸１ａの正射影１ａＶが固体撮像素子の短辺方向を向いた第二の光学素子１６ｂとを含むように構成することが好ましい。

上記構成では、まず第一の光学素子１６ａに入射する光線１７ａは、そのまま進む光線１７ａと、図１７に示すように固体撮像素子の長辺方向に光線１７ｂとに分離する。その分離した光線１７ａ，１７ｂは、それぞれ、固体撮像素子の長辺方向、短辺方向に振動している。この２つの光線をこのまま上記第二の光学素子１６ｂに入射しても分離は起きない。

そこで、上記第一、第二の光学素子１６ａ、１６ｂの中間に、固体撮像素子の長辺方向から４５度の方向に光学軸を持つ単結晶１６ｃを挟み込むことで、第一の光学素子１６ａから出射される光を円偏光に偏光変換させる。これにより、光線１７ａ、１７ｂのそれぞれは、第２の光学素子１６ｂで固体撮像素子の短辺方向への光線１７ｃ、１７ｄとして更に分離することになる。

以上により三層積層型の光学的ローパスフィルタ１６が構成される。この光学的ローパスフィルタ１６に入射した光１７ａは、図１７に示すように正方形に分離されて出射される。これで二次元方向に光束の分離作用を有する光学的ローパスフィルタ（光学素子）が得られる。

次に本発明の光学素子の具体的な実施例について説明する。

所望の分離幅を７μｍとして、光学素子（平行平板）の厚みｔを２００μｍとした場合、単位厚み当たりの分離幅は０．０３５ｍｍ必要となる。異方性媒質としてニオブ酸リチウムを用いた場合、図７より入射面法線と光学軸のなす角度は３１度か５７度となる。それぞれの入射角度θに対する分離幅ΔＬの関係を図１８に示す。固体撮像素子の画素ピッチが７μｍとしたとき、ｐ／ｔは０．０３５となる。θ_ｍａｘ＝４５°であるから、（４）式の条件θ_ｍａｘ＜θを満たす光学軸の角度θは５７度である。結像光学系が±３０度の画角範囲を持つ場合、入射角度に対する分離幅の変化は左右（±３０度において）で１μｍ以下となる。

もし光学軸の角度θを３１度に設定した場合、左右（±３０度において）で分離幅は４μｍずれる。これは画素ピッチの半分以上ずれることを表し、光学的ローパスフィルタ効果の変化が大きいことがわかる。この変化が少ないほうが好ましいため、光学軸の角度は５７度に設定するほうが良い。

もし、同様の光学素子を画素ピッチが１０μｍの固体撮像素子に組み合わせる場合、分離幅の変化は画素ピッチの半分以下に抑えられる。このとき、ｐ／ｔは０．０５となる。

尚、本実施例及び以下の実施例において、光学素子の材料がニオブ酸リチウムのときは、光学素子の光学軸の方向と入射面法線との成す角度をθとするとき、
５０°＜θ＜６０°
好ましくは、
５３°＜θ＜５７°
を満足するようにしている。

所望の分離幅を７μｍとして光学素子平行平板の厚みｔを４００μｍとした場合、単位厚み当たりの分離幅は０．０１７５ｍｍ必要となる。

異方性媒質としてニオブ酸リチウムを用いた場合、図７より入射面法線と光学軸のなす角度は１３度か７６度となる。その入射角度θに対する分離幅ΔＬの関係を図１９に示す。固体撮像素子の画素ピッチが７μｍとしたとき、ｐ／ｔは０．０１７５となる。
（４）式の条件θ_ｍａｘ＜θを満たす光学軸の角度θは７６度である。もし１３度に設定した場合、入射角度３０度で分離幅が０となってしまう。この角度には光学的ローパスフィルタとして機能しないため、このような設計は好ましくない。そのため、光学軸の角度は７６度に設定するほうが良い。

所望の分離幅を５μｍとして光学素子（平行平板）の厚みｔを２０μｍとした場合、単位厚み当たりの分離幅は０．２５ｍｍ必要となる。

光学素子としてＴｉＯ_２を用いて構造ピッチを８０ｎｍ、占有率を５０％の図１０に示すような一次元周期構造体の光学的な異方性を用いたとする。そうすると図１１より入射面法線と光学軸のなす角度は１９度か５７度となる。その入射角度に対する分離幅の関係を図２０に示す。
（４）式の条件θ_ｍａｘ＜θを満たす光学軸の角度は５７度である。もし１９度に設定した場合、入射角度３５度で分離幅が０となってしまう。この角度には光学的ローパスフィルタとして機能しないため、このような設計は好ましくない。そのため、光学軸の角度は５７度に設定するほうが良い。

所望の分離幅を７μｍとして光学素子（平行平板）の厚みを制限しない場合を考える。

異方性媒質としてニオブ酸リチウムを用いた場合、入射面法線と光学軸の角度のなす角を５５度に設定する。このとき、単位厚み当たりの分離幅は０．０３６３ｍｍとなる。その厚みを１９３μｍとすることで所望の分離幅が得られる。その入射角度に対する分離幅の特性を図２１に示す。分離幅が入射角度に対して変化していない様子がわかる。

所望の分離幅を７μｍとして光学素子（平行平板）の厚みを制限しない場合を考える。異方性媒質として水晶を用いた場合、入射面法線と光学軸のなす角度θを５６度に設定する。このとき、単位厚み当たりの分離幅は０．００５４７ｍｍとなる。その厚みを１２８０μｍとすることで所望の分離幅が得られる。その入射角度に対する分離幅の特性を図２２に示す。分離幅が入射角度に対して変化していない様子がわかる。

尚、本実施例において、光学素子の材料が水晶のときは、光学素子の光学軸の方向と入射面法線との成す角度をθとするとき
５１°＜θ＜６１°
好ましくは、
５３°＜θ＜５７°
を満足するようにしている。

以上説明したように、各実施例によれば、光学的な異方性を用いて光分離を行うとき、光学軸と入射面の法線の関係を適切に設定することで、入射角度に対する分離幅の変化を抑えることができ、良好なる光学的ローパス効果を有する光学素子が得られる。

図２３は本発明の光学的ローパスフィルタ効果を有する光学素子を組み込んだ撮影レンズ１０１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２３において、１０１は交換可能な撮影レンズ、１０２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１０２ａ中心に回動している。１０３はピント板（焦点板）であり、その面上には撮影レンズ１０１によって被写体像が形成される。１０４はペンタプリズム（像反転部材）であり、ピント板１０３に形成された被写体像を正立正像としている。

１０５は接眼レンズであり、ピント板１０３に形成された被写体像をペンタプリズム１０４を介して観察している。１０６はサブミラーであり、回転ミラー１０２に固着されており。回転ミラー１０２とともに回動している。１０８は焦点検出装置であり、撮影レンズ１０１を通過してきた光束で回転ミラー１０２の一部を通過し、サブミラー１０６で反射した光束を用いて撮影レンズ１０１の焦点状態を検出している。

１２６は光学素子である。１０７は固体撮像素子である。１０９は画像処理部であり、固体撮像素子１０７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１０１を通過した光像は回転ミラー１０２で反射してピント板１０３に結像し、ペンタプリズム１０４、接眼レンズ１０５を介して観察される。

又、撮影レンズ１０１の焦点検出は回転ミラー１０２の半透過ミラー部を透過しサブミラー１０６でミラーボックス下方に反射され焦点検出装置１０８に導かれた像を処理して行われる。

一方撮影時は回転ミラー１０２及びサブミラー１０６が一体的に回動して撮影回路から退避する。そして撮影レンズ１０１からの自然光が光学素子１２６に入射し、所望のボケ
をもって光学素子１２６を射出し、撮像素子１０７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１０９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。

本発明の光学素子の要部概略図 本発明の光学素子の要部断面図 本発明の光学素子を有した撮像部材の説明図 異方性媒質へ垂直に入射する光のポインティングベクトルＳのずれによる分離の説明図 異方性媒質へ入射角度をつけて入射する光の波動ベクトルｋのずれによる分離の説明図 異方性媒質へ入射角度をつけて入射する光のｓ、ｐ波の屈折の様子の説明図 波長５３０ｎｍにおけるニオブ酸リチウムの光学軸の角度に対する垂直入射の分離幅の説明図 波長５３０ｎｍにおけるニオブ酸リチウムの光学軸の角度を４５度、厚みを１００μｍとしたときの入射角度に対する分離幅の説明図 波長５３０ｎｍにおけるニオブ酸リチウムを用いて厚みを１００μｍとしたときの入射角度に対する分離幅において（ａ）光学軸の角度１５度、（ｂ）光学軸の角度７４度の説明図 微細周期構造の模式図 波長５３０ｎｍにおけるＴｉＯ_２微細周期構造の光学軸の角度に対する垂直入射の分離幅の説明図 波長５３０ｎｍにおけるＴｉＯ_２微細周期構造の光学軸の角度３６度、厚みを１０μｍとしたときの入射角度に対する分離幅の説明図 波長５３０ｎｍにおけるＴｉＯ_２微細周期構造の光学軸の角度３６度、厚みを１０μｍとしたときの入射角度に対する分離幅において（ａ）光学軸の角度１４度、（ｂ）光学軸の角度６５度の説明図 分離幅１０μｍとした光束分離素子の空間周波数に対するＭＴＦの説明図 波長５３０ｎｍにおけるニオブ酸リチウムの光学軸の角度を５５度、厚みを１００μｍとしたときの入射角度に対する分離幅の説明図 光学的な異方性により光束を分離させる基材を複数枚用いて構成される光学素子の模式図。図中矢印は光学軸のそれぞれの面への正射影の説明図 図１３の光学素子に円偏光を垂直入射したときの出射光の模式図 波長５３０ｎｍにおけるニオブ酸リチウムを用いて厚みを１００μｍとしたときの入射角度に対する分離幅において（ａ）光学軸の角度３１度、（ｂ）光学軸の角度５７度の説明図 波長５３０ｎｍにおけるニオブ酸リチウムを用いて厚みを１００μｍとしたときの入射角度に対する分離幅において（ａ）光学軸の角度１３度、（ｂ）光学軸の角度７６度の説明図 波長５３０ｎｍにおけるＴｉＯ_２構造異方性を用いて厚みを２０μｍとしたときの入射角度に対する分離幅において（ａ）光学軸の角度１９度、（ｂ）光学軸の角度５７度の説明図 波長５３０ｎｍにおけるニオブ酸リチウムを用いて光学軸の角度を５４度、厚みを１９３μｍとしたときの入射角度に対する分離幅の説明図 波長５３０ｎｍにおける水晶を用いて光学軸の角度を５４度、厚みを１２００μｍとしたときの入射角度に対する分離幅の説明図 本発明の光学素子を有する撮像装置の説明図

符号の説明

１、２、３２ 光学素子
１ａ、２ａ 光学軸
３１ 撮像部材
３３ 固体撮像素子
１６ａ 第１の光学素子
１６ｂ 第２の光学素子
１６ｃ 単結晶

Claims (7)

1. 光学的な異方性を有し、互いに直交する偏光状態の光線を所望の幅で分離して射出する光学素子であって、波長５３０ｎｍにおいて、常光線における屈折率をｎ_ｏ、異常光線における屈折率ｎ_ｅ、該光学素子の光学軸の方向と入射面法線との成す角度をθ、該光学素子の入射面に垂直入射した光線が互いに直交する偏光状態の光線として分離するときの分離角度が最大となる光軸軸の方向と入射面法線との成す角度をθ_ｍａｘとするとき、
   ０．１＜｜ｎ_ｅ−ｎ_ｏ｜
   θ_ｍａｘ＜θ
   なる条件を満足することを特徴とする光学素子。
2. 前記光学素子は、樹脂製フィルム又は、入射光束の波長よりも短い格子を一定のピッチで配列した一次元周期構造体より成ることを特徴とする請求項１の光学素子。
3. 互いに直交する偏光状態の光線を所望の幅で分離して射出する光学素子であって、該光学素子を構成する材料はニオブ酸リチウムであり、該ニオブ酸リチウムの光学軸の方向と入射面法線との成す角度をθとするとき、
   ５０°＜θ＜６０°
   なる条件を満足することを特徴とする光学素子。
4. 互いに直交する偏光状態の光線を所望の幅で分離して射出する光学素子であって、該光学素子を構成する材料は水晶であり、該水晶の光学軸の方向と入射面法線との成す角度をθとするとき、
   ５１°＜θ＜６１°
   なる条件を満足することを特徴とする光学素子。
5. 請求項１から４のいずれか１項の光学素子と、固体撮像素子を有し、該固体撮像素子の光入射側に該光学素子を設けたことを特徴とする撮像部材。
6. 撮像光学系によって得られる像を光電変換するための請求項５に記載の撮像部材とを有することを特徴とする撮像装置。
7. 光学的な異方性を有する光学素子と、撮影光学系によって形成された像を、該光学素子を介して受光する固体撮像素子とを有する撮像装置であって、波長５３０ｎｍにおいて、常光線における屈折率をｎ_ｏ、異常光線における屈折率をｎ_ｅ、該光学素子の光学軸の方向と入射面法線との成す角度をθ、該光学素子の入射面に垂直入射した光線が互いに直交する偏光状態の光線として分離するときの分離角度が最大となる光学軸の方向と入射面法線との成す角度をθ_ｍａｘ、入射面法線方向の厚さをｔ、該固体撮像素子の光線の分離方向の画素ピッチをＰとするとき、
   ０．０２≦｜ｎ_ｅ−ｎ_ｏ｜
   θ_ｍａｘ＜θ
   Ｐ／ｔ＜０．０３５
   なる条件を満足することを特徴とする撮像装置。