JP2012230246A - Optical low pass filter and imaging apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光学ローパスフィルタ及び撮像装置に関する。 The present invention relates to an optical low-pass filter and an imaging device.
デジタルスチルカメラ等の撮像装置は、撮像素子としてＣＣＤ（Charge Coupled Device）、ＣＭＯＳ等の固体撮像素子が用いられており、固体撮像素子の２次元的に配列されている画素に入射する光量を検出することによりデジタル画像として撮像される。ところで、固体撮像素子における画素数は有限であるため、撮像される領域の空間周波数が高いと、モアレ縞や偽色が発生する場合があり、このようなモアレ縞や偽色の発生を抑制するために、光学ローパスフィルタを用いている。 An imaging device such as a digital still camera uses a solid-state imaging device such as a CCD (Charge Coupled Device) or a CMOS as the imaging device, and detects the amount of light incident on the two-dimensionally arranged pixels of the solid-state imaging device. By doing so, it is captured as a digital image. By the way, since the number of pixels in the solid-state imaging device is finite, if the spatial frequency of the region to be imaged is high, moire fringes and false colors may occur, and the generation of such moire fringes and false colors is suppressed. Therefore, an optical low-pass filter is used.
このような光学ローパスフィルタとしては、水晶等の複屈折率材料を用いたもの等があるが、特許文献１及び２には、小型化及び低コスト化等の観点から、回折型の光学ローパスフィルタが開示されている。 Examples of such an optical low-pass filter include those using a birefringence material such as quartz. However, Patent Documents 1 and 2 disclose a diffractive optical low-pass filter from the viewpoint of miniaturization and cost reduction. Is disclosed.
ところで、回折型の光学ローパスフィルタは、回折格子等によりＣＣＤ等の撮像素子の撮像面における所定の範囲に回折光を発生させることにより、光学ローパスフィルタとしての機能を有するものであるが、所定の範囲以外の領域において迷光となる高次の回折光が発生する場合がある。この場合、迷光の強度が強いと所定の範囲以外の領域における画素において干渉等が生じ、撮影画像がぼけてしまう等の現象が生じ、撮影画像の画質の低下を招く。 By the way, the diffractive optical low-pass filter has a function as an optical low-pass filter by generating diffracted light in a predetermined range on the imaging surface of an image sensor such as a CCD by a diffraction grating or the like. High-order diffracted light that becomes stray light may occur in a region other than the range. In this case, when the intensity of stray light is high, interference or the like occurs in the pixels in a region other than the predetermined range, and a phenomenon such as blurring of the photographed image occurs, resulting in deterioration of the image quality of the photographed image.
本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、撮影画像の画質の低下を抑制しつつ、高周波成分を低減させることのできる光学ローパスフィルタ及び撮像装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is to provide an optical low-pass filter and an imaging apparatus that can reduce high-frequency components while suppressing deterioration in image quality of a captured image.
本発明は、透明基板と、前記透明基板の表面に形成された回折部と、を有し、前記基板に入射した光は前記回折部により２次元状の回折光を発生させるものであって、前記回折光において同じ次数の回折光の中心を結ぶ領域を回折光による分光領域とした場合、前記分光領域内に回折光の中心が含まれる回折光の光量の和が、入射光の光量の８０％以上であって、前記分光領域の外に中心を有する各々の回折光の光量が、入射光の光量の０．８％以下であることを特徴とする。 The present invention has a transparent substrate and a diffractive part formed on the surface of the transparent substrate, and the light incident on the substrate generates two-dimensional diffracted light by the diffractive part, When the region connecting the centers of the diffracted light of the same order in the diffracted light is a spectral region by the diffracted light, the sum of the light amounts of the diffracted light including the center of the diffracted light in the spectral region is 80 of the light amount of the incident light. %, And the amount of each diffracted light having the center outside the spectral region is 0.8% or less of the amount of incident light.
また、本発明は、前記入射光は、可視領域における１つの波長の光である。 In the present invention, the incident light is light having one wavelength in the visible region.
また、本発明は、前記入射光は、青から赤まで範囲の光である。 In the present invention, the incident light is light ranging from blue to red.
また、本発明は、前記回折光による分光領域は、各々の１次回折光の中心を結ぶことにより形成される領域、または、２次回折光の中心を結ぶことにより形成される領域である。 In the present invention, the spectral region by the diffracted light is a region formed by connecting the centers of the respective first-order diffracted lights, or a region formed by connecting the centers of the second-order diffracted lights.
また、本発明は、前記回折部は、複数の段部が形成された凸部を有する凹凸形状のパターンにより形成されている。 In the present invention, the diffractive portion is formed by a concavo-convex pattern having a convex portion formed with a plurality of step portions.
また、本発明は、前記回折部は、前記基板の表面に複数の段部を有する第１の材料により形成された凸部と、前記凸部を形成することにより形成される凹凸パターンを覆うように第２の材料により形成されたカバー層からなるものであって、前記第１の材料の屈折率と前記第２の材料の屈折率とは異なる値である。 According to the present invention, the diffractive portion covers a convex portion formed of a first material having a plurality of step portions on the surface of the substrate and a concave / convex pattern formed by forming the convex portion. And the refractive index of the first material is different from the refractive index of the second material.
また、本発明は、前記回折光のうち最近接の回折光同士を結ぶ線に平行な線を軸とした場合、前記凹凸パターンは、前記軸において非対称である。 In the present invention, when the axis is a line parallel to a line connecting the closest diffracted lights among the diffracted lights, the uneven pattern is asymmetric with respect to the axis.
また、本発明は、前記回折部は、複数の同一パターンの基本ユニットが２次元状に配列されているものである。 In the present invention, the diffractive portion includes a plurality of basic units having the same pattern arranged two-dimensionally.
また、本発明は、前記透明基板または前記回折部には反射防止膜が形成されている。 In the present invention, an antireflection film is formed on the transparent substrate or the diffraction part.
また、本発明は、撮像素子と、前記記載の光学ローパスフィルタと、を有し、前記光学ローパスフィルタを透過した光が前記撮像素子に入射するものであることを特徴とする。 In addition, the present invention is characterized in that it has an image sensor and the optical low-pass filter described above, and light that has passed through the optical low-pass filter enters the image sensor.
また、本発明は、前記光学ローパスフィルタを前記光の光軸に沿って移動させる移動機構を有している。 The present invention further includes a moving mechanism that moves the optical low-pass filter along the optical axis of the light.
本発明における光学ローパスフィルタ及び撮像装置では、撮影画像の画質の低下を抑制しつつ、高周波成分を低減させることができる。 In the optical low-pass filter and the imaging apparatus according to the present invention, it is possible to reduce high-frequency components while suppressing deterioration of the image quality of the captured image.
発明を実施するための形態について、以下に説明する。尚、同じ部材等については、同一の符号を付して説明を省略する。 Modes for carrying out the invention will be described below. In addition, about the same member etc., the same code | symbol is attached | subjected and description is abbreviate | omitted.
（光学ローパスフィルタと撮像装置）
図１に基づき本実施の形態における撮像装置について説明する。図１（ａ）に示す撮像装置はデジタルスチルカメラ等であり、レンズ等からなる撮像光学系１０、光学ローパスフィルタ２０、撮像素子３０を有している。画像となる光束４０は、撮像光学系１０より入射し、撮像光学系１０を透過した後に光束４０ａとなり光学ローパスフィルタ２０に入射する。光学ローパスフィルタ２０に入射した光束４０ａは、光学ローパスフィルタ２０により回折され、回折光４０ｂとなり出射され撮像素子に入射する。また、本実施の形態における撮像装置では、必要に応じて光学ローパスフィルタ２０を光軸に沿って移動させることができるように移動機構６０が設けられている。
(Optical low-pass filter and imaging device)
The imaging apparatus in the present embodiment will be described based on FIG. The imaging apparatus shown in FIG. 1A is a digital still camera or the like, and includes an imaging optical system 10 including a lens or the like, an optical low-pass filter 20, and an imaging element 30. A light beam 40 to be an image enters from the imaging optical system 10, passes through the imaging optical system 10, becomes a light beam 40 a, and enters the optical low-pass filter 20. The light beam 40a that has entered the optical low-pass filter 20 is diffracted by the optical low-pass filter 20, is emitted as diffracted light 40b, and is incident on the image sensor. In the imaging apparatus according to the present embodiment, a moving mechanism 60 is provided so that the optical low-pass filter 20 can be moved along the optical axis as necessary.
次に、図１（ｂ）に基づき本実施の形態における光学ローパスフィルタ２０により回折された回折光４０ｂについて説明する。図１（ｂ）は撮像素子３０の撮像面における回折光の照射スポットの分布を示すものである。光学ローパスフィルタ２０がない場合には、光束４０ａは、そのまま直進し照射領域４１に照射される。光学ローパスフィルタ２０を設けた場合には、光束４０ａは光学ローパスフィルタ２０により回折され４つに分岐された回折光４０ｂとなり照射領域４２に照射される。図１（ｂ）に示す場合では、４つに分岐された回折光４０ｂは４つの照射領域４２に照射され、回折光４０ｂの照射される４つの照射領域４２の中心を結んだ形状が長方形となるように分岐されている。本実施の形態における光学ローパスフィルタ２０は、この長方形はａ軸方向に沿った辺の長さがｄａ、ｂ軸方向に沿った辺の長さがｄｂとなるように形成されている。尚、本実施の形態では、この長方形の領域を回折光による分光領域５０と記載する。本実施の形態における光学ローパスフィルタ２０が光学ローパスフィルタとして機能するためには、撮像素子３０における１画素の一辺が、ｄａ以下、他の一辺がｄｂ以下となるように、即ち、回折光による分光領域５０と同じか、又は小さくなるように形成されている。尚、ａ軸とｂ軸は直交する軸であるものとする。尚、回折光による分光領域５０の大きさは、撮像素子３０の画素の大きさ、撮像素子３０の位置に基づき、カットしたい空間周波数に基づき定められる。 Next, the diffracted light 40b diffracted by the optical low-pass filter 20 in the present embodiment will be described based on FIG. FIG. 1B shows the distribution of irradiation spots of diffracted light on the imaging surface of the image sensor 30. When there is no optical low-pass filter 20, the light beam 40 a goes straight as it is and is irradiated onto the irradiation region 41. In the case where the optical low-pass filter 20 is provided, the light beam 40a is diffracted by the optical low-pass filter 20 and becomes diffracted light 40b branched into four, and is irradiated onto the irradiation region 42. In the case shown in FIG. 1B, the diffracted light 40b branched into four is irradiated onto the four irradiation regions 42, and the shape connecting the centers of the four irradiation regions 42 irradiated with the diffracted light 40b is a rectangle. It is branched to be. Optical low-pass filter 20 in the present embodiment, this rectangle is formed so that the length of the side length of the side along the a-axis direction along the d a, b-axis direction is d b. In the present embodiment, this rectangular region is referred to as a spectral region 50 by diffracted light. For optical low-pass filter 20 in this embodiment functions as an optical low-pass filter, as one side of one pixel in the image pickup device 30 is, d a following, other side is less than d b, i.e., diffracted light The spectral region 50 is formed to be the same as or smaller than the spectral region 50. It is assumed that the a axis and the b axis are orthogonal axes. The size of the spectral region 50 by the diffracted light is determined based on the size of the pixel of the image sensor 30 and the position of the image sensor 30 and based on the spatial frequency to be cut.
本実施の形態では、一例として、４つの回折光に分岐される場合を示しているが、分岐される回折光の数は２以上の値であれば光学ローパスフィルタとしての効果を得ることができる。また、撮像素子３０における画素配列がハニカム構造等の場合においては、回折光による分光領域５０を長方形以外の形状としてもよい。更に、光学ローパスフィルタ２０がない場合において光束４０ａが照射される点４１の位置は、回折光による分光領域５０の外となるように形成してもよい。 In the present embodiment, as an example, the case where the light is branched into four diffracted lights is shown. However, if the number of branched diffracted lights is two or more, the effect as an optical low-pass filter can be obtained. . In addition, when the pixel arrangement in the image sensor 30 is a honeycomb structure or the like, the spectral region 50 by diffracted light may have a shape other than a rectangle. Further, when the optical low-pass filter 20 is not provided, the position of the point 41 where the light beam 40a is irradiated may be formed so as to be outside the spectral region 50 by the diffracted light.
撮像装置が動画と静止画とを切換えることができるものであって、動画と静止画において撮像する画素数が異なる場合には、撮像の際の画素数に対応してカットしたい空間周波数が異なる場合がある。このため、撮像装置においては、回折光による分光領域５０の大きさを変えることができるように構成されていることが好ましく、具体的には、移動機構６０により光学ローパスフィルタ２０を光軸方向に移動させ、光学ローパスフィルタ２０と撮像素子３０との間の距離を変えることにより、回折光による分光領域５０の大きさを変えることができる。 When the imaging device can switch between a moving image and a still image, and the number of pixels to be captured differs between the moving image and the still image, the spatial frequency to be cut differs depending on the number of pixels at the time of imaging There is. For this reason, the imaging device is preferably configured to be able to change the size of the spectral region 50 by diffracted light. Specifically, the optical low-pass filter 20 is moved in the optical axis direction by the moving mechanism 60. By moving and changing the distance between the optical low-pass filter 20 and the image sensor 30, the size of the spectral region 50 by the diffracted light can be changed.
（光学ローパスフィルタの構造）
次に、本実施の形態における光学ローパスフィルタ２０の構造について図２に基づき説明する。図２（ａ）は、本実施の形態における光学ローパスフィルタ２０の構造を示すものである。光学ローパスフィルタ２０は、基本ユニット２１がＸ軸方向及びＹ軸方向に沿って、Ｘ軸方向にピッチＰｘ、Ｙ軸方向にピッチＰｙとなるように２次元的に配列されている。基本ユニット２１の一部を拡大したものを図２（ｂ）に示す。基本ユニット２１には、８段の回折格子が形成されており、図２（ｂ）においては、白く示した領域から黒く示した領域にトーンが変化するに従い、回折格子の段が高くなるように形成されている。尚、後述する基本ユニット２１を示す図についても同様である。図２（ｂ）等では、黒く示した領域が最も高く、黒く示した領域における位相差を０とした場合、白く示した領域における位相差がある波長λにおいて、７π／４となるように形成されている。波長λとしては、光学ローパスフィルタの使用波長により可視光や赤外光の波長とすることができる。可視光である場合は、波長λとして３８０〜７８０ｎｍの波長とすることができる。
(Structure of optical low-pass filter)
Next, the structure of the optical low-pass filter 20 in the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 2A shows the structure of the optical low-pass filter 20 in the present embodiment. The optical low-pass filter 20 is two-dimensionally arranged such that the basic units 21 have a pitch Px in the X-axis direction and a pitch Py in the Y-axis direction along the X-axis direction and the Y-axis direction. An enlarged view of a part of the basic unit 21 is shown in FIG. The basic unit 21 is formed with an eight-stage diffraction grating. In FIG. 2B, as the tone changes from the white area to the black area, the diffraction grating stage becomes higher. Is formed. The same applies to the figure showing the basic unit 21 described later. In FIG. 2B and the like, the region shown in black is the highest, and when the phase difference in the region shown in black is 0, the phase difference in the region shown in white is 7π / 4 at a wavelength λ. Has been. The wavelength λ can be the wavelength of visible light or infrared light depending on the wavelength used by the optical low-pass filter. In the case of visible light, the wavelength λ can be 380 to 780 nm.
図２では、基本ユニット２１に形成される回折格子が８段の場合を示すが、形成される回折格子の段数は２段以上であれば、本実施の形態における光学ローパスフィルタと同様の効果を得ることができる。しかしながら、回折格子における段数を増やすことにより、光学ローパスフィルタ２０を設計する際の自由度は増すため、光学ローパスフィルタ２０の設計がしやすくなる。よって、光学ローパスフィルタ２０において形成される回折格子の段数は、８段以上であることが好ましい。尚、光学ローパスフィルタ２０において形成される回折格子は、有限の段数を有するものではなく、位相差が連続的に変化するように形成されたものであってもよい。 FIG. 2 shows a case where the diffraction grating formed in the basic unit 21 is eight stages. However, if the number of diffraction gratings formed is two or more, the same effect as the optical low-pass filter in the present embodiment is obtained. Can be obtained. However, by increasing the number of stages in the diffraction grating, the degree of freedom in designing the optical low-pass filter 20 increases, so that the optical low-pass filter 20 can be easily designed. Therefore, the number of diffraction gratings formed in the optical low-pass filter 20 is preferably 8 or more. Note that the diffraction grating formed in the optical low-pass filter 20 does not have a finite number of stages, and may be formed so that the phase difference continuously changes.
次に、図３に基づき本実施の形態における光学ローパスフィルタ２０の断面構造について説明する。本実施の形態における光学ローパスフィルタ２０は、光を透過する透明基板２３の表面に所定の段数の回折格子２５を形成したものであり、回折格子２５は凹凸形状となる凸部２６と凹部２７により形成されている。図３に示す場合では、一例として回折格子２５の段数が４段の光学ローパスフィルタ２０を示している。透明基板２３を形成する材料としては、ガラス等の無機材料、樹脂材料等の有機材料、有機無機複合材料等が挙げられる。 Next, a cross-sectional structure of the optical low-pass filter 20 in the present embodiment will be described based on FIG. The optical low-pass filter 20 in the present embodiment is formed by forming a predetermined number of diffraction gratings 25 on the surface of a transparent substrate 23 that transmits light. The diffraction grating 25 includes convex and concave parts 26 and concave parts 27. Is formed. In the case shown in FIG. 3, the optical low-pass filter 20 having four stages of diffraction gratings 25 is shown as an example. Examples of the material for forming the transparent substrate 23 include inorganic materials such as glass, organic materials such as resin materials, and organic-inorganic composite materials.
また、回折格子２５は凸部２６を形成することにより形成されるが、回折格子２５の凸部２６を形成する材料は、光を透過する材料であればよく、透明基板２３と同一の材料であってもよく、また、異なる材料であってもよい。具体的には、回折格子２５の凸部２６を形成する材料としては、無機材料、樹脂材料等の有機材料、有機無機複合材料等が挙げられる。尚、回折格子２５の凹部２７は回折格子２５の凸部２６を形成することにより形成されるものであり、基本ユニット２１において凸部２６の形成されていない領域が凹部２７となる。また、透明基板２３の表面を加工することによって凹部２７を形成し、これにより凸部２６と凹部２７を有する凹凸形状を形成してもよい。 In addition, the diffraction grating 25 is formed by forming the convex portion 26. The material for forming the convex portion 26 of the diffraction grating 25 may be any material that transmits light, and the same material as that of the transparent substrate 23. There may be different materials. Specifically, examples of the material for forming the convex portion 26 of the diffraction grating 25 include organic materials such as inorganic materials and resin materials, and organic-inorganic composite materials. The concave portion 27 of the diffraction grating 25 is formed by forming the convex portion 26 of the diffraction grating 25, and a region where the convex portion 26 is not formed in the basic unit 21 becomes the concave portion 27. Alternatively, the concave portion 27 may be formed by processing the surface of the transparent substrate 23, thereby forming an uneven shape having the convex portion 26 and the concave portion 27.
図３には、透明基板２３の露出した領域が凹部２７となる構造のものを示しているが、透明基板２３の表面全体に凸部２６を形成する材料により形成し、この材料の最も高さの低い部分が凹部２７となるように回折格子２５を形成したものであってもよい。尚、撮像装置において、この光学ローパスフィルタは、メンテナンスの際に凸部２６が傷つけられることがないよう、透明基板２３側から光が入射するように設置されていることが好ましい。即ち、回折格子２５の形成されている面と撮像素子３０とが対向する位置となるように設置されていることが好ましい。特に、カメラ本体と撮像光学系とを分離することのできる撮像装置においては、埃等がカメラ本体に入りやすいため、クリーニング等のメンテナンスが必要となるが、メンテナンスの際に凸部２６が傷つけられることを防ぐため、このように設置されていることが好ましい。 FIG. 3 shows a structure in which the exposed region of the transparent substrate 23 becomes the concave portion 27, but it is formed of a material that forms the convex portion 26 on the entire surface of the transparent substrate 23, and the highest height of this material. Alternatively, the diffraction grating 25 may be formed so that the lower portion becomes the concave portion 27. In the imaging apparatus, the optical low-pass filter is preferably installed so that light is incident from the transparent substrate 23 side so that the convex portion 26 is not damaged during maintenance. That is, it is preferable that the surface on which the diffraction grating 25 is formed and the image pickup device 30 are disposed so as to face each other. In particular, in an imaging apparatus capable of separating the camera body and the imaging optical system, dust and the like are likely to enter the camera body, so that maintenance such as cleaning is necessary, but the convex portion 26 is damaged during maintenance. In order to prevent this, it is preferable to install in this way.
また、透明基板２３は、可視光を透過する材料であればよく、赤外線等を吸収する材料を用いることも可能である。このような材料としては、通常、近赤外線カットフィルタとして用いられており、例えば、リン酸塩系ガラスにＣｕＯが添加されたガラスが挙げられる。このような材料により透明基板２３を形成することにより、透明基板２３において赤外線を吸収させることができ、撮像装置内に近赤外線カットフィルタ等を別途設ける必要がなくなり、撮像装置の小型化及び低コスト化に寄与する。 The transparent substrate 23 may be any material that transmits visible light, and a material that absorbs infrared light or the like can also be used. Such a material is usually used as a near-infrared cut filter, for example, a glass in which CuO is added to a phosphate glass. By forming the transparent substrate 23 with such a material, infrared rays can be absorbed in the transparent substrate 23, and it is not necessary to separately provide a near-infrared cut filter or the like in the imaging device, and the imaging device can be reduced in size and cost. Contributes to
また、本実施の形態における光学ローパスフィルタは、両面に反射防止膜を形成したものであってもよい。具体的には、図４に示すように、光学ローパスフィルタの回折格子２５の形成されている面に反射防止膜２８を形成し、透明基板２３が露出している面に反射防止膜２９を形成したものであってもよい。このような反射防止膜２８及び２９を形成することにより、光学ローパスフィルタにおける界面の反射光を減らすことができ、光学ローパスフィルタを透過する光の光量ロスを減らすことができる。尚、反射防止膜２８及び２９は、屈折率の異なる材料を積層形成した誘電体多層膜等により形成されている。この際、回折格子２５を構成する各々の段において、平らな領域が狭いと、反射防止膜２８による効果が低くなる場合がある。よって、各々の段における平らな領域は最も狭いところでも幅が０．５μｍ以上となるように形成されていることが好ましい。 In addition, the optical low-pass filter in the present embodiment may have an antireflection film formed on both sides. Specifically, as shown in FIG. 4, an antireflection film 28 is formed on the surface where the diffraction grating 25 of the optical low-pass filter is formed, and an antireflection film 29 is formed on the surface where the transparent substrate 23 is exposed. It may be what you did. By forming such antireflection films 28 and 29, the reflected light at the interface in the optical low-pass filter can be reduced, and the light amount loss of the light transmitted through the optical low-pass filter can be reduced. The antireflection films 28 and 29 are formed of a dielectric multilayer film formed by laminating materials having different refractive indexes. At this time, if the flat region is narrow in each stage constituting the diffraction grating 25, the effect of the antireflection film 28 may be reduced. Therefore, it is preferable that the flat region in each step is formed to have a width of 0.5 μm or more even at the narrowest part.
また、本実施の形態における光学ローパスフィルタは、回折格子を２種類の屈折率の異なる材料により形成してもよい。具体的には、図５に示すように、２枚の透明基板２３、１２３を用い、透明基板２３の表面には、第１の材料により凸部１２６を形成し、凸部１２６の形成されている面の全体を覆うように、第２の材料によるカバー層１３６が形成したものであってもよい。この場合、透明基板２３の表面において、凸部１２６が形成されていない凹部１２７にもカバー層１３６となる第２の材料が入り込む。これにより、第１の材料により形成された凸部１２６と、凹部１２７に入り込んだ第２の材料により形成されたカバー層１３６とにより回折格子１２５が形成される。図５に示す光学ローパスフィルタでは、カバー層１３６の表面には透明基板１２３が設けられているが、透明基板１２３を形成することなく、カバー層１３６が露出した構成のものであてもよい。凸部１２６を形成する第１の材料としては、凸部２６を形成する材料と同様の材料を使用でき、透明基板１２３を形成する第２の材料としては、ガラス等の無機材料、樹脂材料等の有機材料、有機無機複合材料等が挙げられる。また、カバー層１３６を形成する材料としては、ガラス等の無機材料、樹脂材料等の有機材料、有機無機複合材料等が挙げられる。 In the optical low-pass filter in the present embodiment, the diffraction grating may be formed of two types of materials having different refractive indexes. Specifically, as shown in FIG. 5, two transparent substrates 23 and 123 are used, and a convex portion 126 is formed on the surface of the transparent substrate 23 by the first material, and the convex portion 126 is formed. The cover layer 136 made of the second material may be formed so as to cover the entire surface. In this case, on the surface of the transparent substrate 23, the second material that becomes the cover layer 136 also enters the concave portion 127 where the convex portion 126 is not formed. Thereby, the diffraction grating 125 is formed by the convex portion 126 formed of the first material and the cover layer 136 formed of the second material entering the concave portion 127. In the optical low-pass filter shown in FIG. 5, the transparent substrate 123 is provided on the surface of the cover layer 136, but the cover layer 136 may be exposed without forming the transparent substrate 123. As the first material for forming the convex portion 126, the same material as that for forming the convex portion 26 can be used, and as the second material for forming the transparent substrate 123, an inorganic material such as glass, a resin material, or the like can be used. Organic materials, organic-inorganic composite materials, and the like. Examples of the material for forming the cover layer 136 include inorganic materials such as glass, organic materials such as resin materials, and organic-inorganic composite materials.
また、本実施の形態における光学ローパスフィルタは、図５に示すものの両面に反射防止膜を形成したものであってもよい。具体的には、図６に示すように、透明基板２３の表面に反射防止膜２９を形成し、透明基板１２３の表面に反射防止膜１２９を形成したものであってもよい。尚、反射防止膜１２９は、反射防止膜２９と同様に誘電体多層膜等により形成されている。 Further, the optical low-pass filter in the present embodiment may be one in which an antireflection film is formed on both sides of the one shown in FIG. Specifically, as shown in FIG. 6, an antireflection film 29 may be formed on the surface of the transparent substrate 23 and an antireflection film 129 may be formed on the surface of the transparent substrate 123. The antireflection film 129 is formed of a dielectric multilayer film or the like, similarly to the antireflection film 29.
図５に示す構成の光学ローパスフィルタでは、凸部１２６を形成する第１の材料とカバー層１３６を形成する第２の材料との屈折率が異なるものを用いている。ここで、波長λにおける凸部１２６を形成する第１の材料の屈折率とカバー層１３６を形成する第２の材料の屈折率の差をΔｎ（λ）とすると、可視光となる波長λ０の光が、数１に示す式を満足する場合では、基本ユニット２１によって発生する位相の変化が少なくなるため好ましい。尚、図３等に示す光学ローパスフィルタにおいては、Δｎ（λ）は、凸部２６を形成する材料の屈折率と空気等の屈折率（通常は約１）の差として考えるものとする。また、波長λ０の光は、可視光において短波長となる波長λＢの青色の光から長波長となる波長λＲの赤色の光の範囲の光であるものとする。尚、可視光の領域の画像の撮像に用いられる撮像装置においては、一般的に、波長λＢは４００〜４６０ｎｍ、波長λＲは６００〜７００ｎｍである。波長λとしては波長λＢと波長λＲの少なくとも一方を含む波長帯内の波長とすることが好ましく、λＢとλＲの両方を含む波長帯内の波長であるとより好ましい。
［数１］
３／４×Δｎ（λ０）／λ０≦Δｎ（λ）／λ≦５／４×Δｎ（λ０）／λ０
また、一般に凸部における段構造により発生する光路差が入射する光の波長と等しい場合に、高い回折効率を得ることができるため、段構造の最上段と最下段との段差、即ち、凸部の最も高い部分と凹部との段差をｈとし、段構造の段数をＮとした場合に、数２に示す式を満足することが好ましい。
［数２］
Δｎ（λ０）×｛ｈ×Ｎ／（Ｎ−１）｝＝λ０
本実施の形態における光学ローパスフィルタ２０では、基本ユニット２１における位相分布により回折光が発生する。よって、光学ローパスフィルタの入射面に垂直な方向と回折光の進行方向とが、Ｘ軸方向となす角をθｘとし、Ｙ軸方向となす角をθｙとした場合、数３に示す式が成立する。尚、ｍｘ及びｍｙは回折光のＸ軸方向及びＹ軸方向における回折次数を示し、角度θｘｉ及びθｙｉは、光学ローパスフィルタに入射する光束と光学ローパスフィルタの入射面に垂直な方向とがなす角のＸ軸方向及びＹ軸方向の成分である。
［数３］
ｓｉｎθｘ＝ｓｉｎθｘｉ＋ｍｘλ／Ｐｘ
ｓｉｎθｙ＝ｓｉｎθｙｉ＋ｍｙλ／Ｐｙ
発生する回折光の電場分布は、フラウンホーハー回折に従うので、回折光の次数及び振幅分布は基本ユニット２１のフーリエ変換により求めることができる。逆に、回折光の強度分布から基本ユニット２１を設計することも可能であり、この場合、反復フーリエ変換法等のアルゴリズムが用いられるが、一般に、このような設計アルゴリズムは計算量が多くなるため、計算機を用いて設計が行われる。
In the optical low-pass filter having the configuration shown in FIG. 5, one having a different refractive index between the first material forming the convex portion 126 and the second material forming the cover layer 136 is used. Here, when the difference between the refractive index of the first material forming the convex portion 126 at the wavelength λ and the refractive index of the second material forming the cover layer 136 is Δn (λ), the wavelength λ 0 that becomes visible light is obtained. Is preferable because the phase change generated by the basic unit 21 is reduced. In the optical low-pass filter shown in FIG. 3 and the like, Δn (λ) is considered as a difference between the refractive index of the material forming the convex portion 26 and the refractive index of air or the like (usually about 1). In addition, the light of wavelength λ 0 is light in the range from blue light of wavelength λ B , which is a short wavelength in visible light, to red light of wavelength λ R , which is a long wavelength. Note that, in an imaging device used for imaging an image in the visible light region, the wavelength λ B is generally 400 to 460 nm and the wavelength λ R is 600 to 700 nm. It is preferable that the wavelength in a wavelength band including at least one wavelength lambda B and the wavelength lambda R is the wavelength lambda, and more preferably a wavelength within a wavelength band including both of lambda B and lambda R.
[Equation 1]
3/4 × Δn (λ 0 ) / λ 0 ≦ Δn (λ) / λ ≦ 5/4 × Δn (λ 0 ) / λ 0
Further, in general, when the optical path difference generated by the step structure in the convex portion is equal to the wavelength of incident light, high diffraction efficiency can be obtained, so that the step between the uppermost step and the lowermost step of the step structure, that is, the convex portion When the step between the highest portion and the recess is h and the number of steps in the step structure is N, it is preferable to satisfy the equation shown in Equation 2.
[Equation 2]
Δn (λ 0 ) × {h × N / (N−1)} = λ 0
In the optical low-pass filter 20 in the present embodiment, diffracted light is generated by the phase distribution in the basic unit 21. Therefore, when the angle between the direction perpendicular to the incident surface of the optical low-pass filter and the traveling direction of the diffracted light is the X-axis direction is θ x and the angle between the Y-axis direction is θ y , Is established. Incidentally, m x and m y represents the diffraction order in the X-axis direction and the Y-axis direction of the diffracted light, the angle theta xi and theta yi is the direction perpendicular to the plane of incidence of the light beam and the optical low-pass filter that is incident on the optical low-pass filter Are the components in the X-axis direction and the Y-axis direction of the angle formed by.
[Equation 3]
sin θ x = sin θ xi + m x λ / P x
sinθ y = sinθ yi + m y λ / P y
Since the electric field distribution of the generated diffracted light follows Fraunhofer diffraction, the order and amplitude distribution of the diffracted light can be obtained by Fourier transform of the basic unit 21. On the contrary, it is possible to design the basic unit 21 from the intensity distribution of diffracted light. In this case, an algorithm such as an iterative Fourier transform method is used. In general, such a design algorithm requires a large amount of calculation. The design is performed using a computer.
このような光学ローパスフィルタでは、回折光による分光領域５０内に中心を有する回折光のみを発生させ、回折光による分光領域５０の外側に中心を有する回折光は発生させないように形成されていることが望ましい。しかしながら、回折格子の場合には、特性上、回折光による分光領域５０の外側に中心を有する高次の回折光が発生する。従って、本実施の形態における光学ローパスフィルタは、分光領域５０内に中心を有する回折光の積算強度が高く、分光領域５０の外側に中心を有する迷光となる高次回折光の強度が低くなるように形成されている。これにより、撮像素子３０において高い効率で像を形成でき、また、迷光となる高次回折光による干渉を低減できる。尚、本実施の形態では、このように回折光による分光領域５０の外側に中心を有する高次の回折光を迷光または迷光となる高次回折光と記載する。 Such an optical low-pass filter is formed so as to generate only diffracted light having a center in the spectral region 50 caused by diffracted light and not to generate diffracted light having a center outside the spectral region 50 caused by diffracted light. Is desirable. However, in the case of a diffraction grating, high-order diffracted light having a center outside the spectral region 50 due to diffracted light is generated due to characteristics. Therefore, the optical low-pass filter in the present embodiment has a high integrated intensity of diffracted light having a center in the spectral region 50 and a low intensity of high-order diffracted light that becomes stray light having a center outside the spectral region 50. Is formed. Thereby, an image can be formed with high efficiency in the image sensor 30, and interference due to high-order diffracted light that becomes stray light can be reduced. In the present embodiment, high-order diffracted light having a center outside the spectral region 50 by diffracted light is described as stray light or high-order diffracted light that becomes stray light.
本実施の形態における光学ローパスフィルタでは、回折光による分光領域５０内に中心を有する回折光の積算強度が、設計波長となる波長、例えば、青から赤までの光の中心となる光の波長に近い、緑の光の波長５４６ｎｍにおいて、入射光の光量に対し８０％以上であることが好ましく、更には、波長λＢから波長λＲの範囲の全域において、入射光の光量に対し８０％以上であることが好ましい。 In the optical low-pass filter according to the present embodiment, the integrated intensity of the diffracted light having the center in the spectral region 50 by the diffracted light is the wavelength that becomes the design wavelength, for example, the wavelength of the light that becomes the center of the light from blue to red. Nearby, at the wavelength 546nm green light is preferably 80% or more relative to the amount of incident light, furthermore, in the entire range of the wavelength lambda B of the wavelength lambda R, 80% or more relative to the amount of incident light It is preferable that
また、迷光となる高次回折光のうち、最も光量の高い迷光となる高次回折光の光量は、緑の光の波長５４６ｎｍにおいて、入射光の光量に対し１％以下であることが好ましく、また、０．８％以下であることがより好ましい。更には、最も光量の高い迷光となる高次回折光の光量は、波長λＢから波長λＲの範囲の全域において、入射光の光量に対し１％以下であることが好ましく、また、０．８％以下であることがより好ましい。尚、迷光となる高次回折光の光量が入射光の光量の０．８％以下であることが好ましい理由は、回折光による分光領域５０内に中心を有する回折光の積算強度に対して１／１００以下の光量であれば、迷光となる高次回折光による影響はあまり生じないと考えられるからである。 In addition, among the high-order diffracted light that becomes stray light, the light amount of the high-order diffracted light that has the highest light amount is preferably 1% or less with respect to the light amount of the incident light at a wavelength of 546 nm of green light. More preferably, it is 0.8% or less. Further, the amount of high-order diffracted light that is the stray light with the highest amount of light is preferably 1% or less with respect to the amount of incident light in the entire range from the wavelength λ B to the wavelength λ R , and 0.8 % Or less is more preferable. The reason why the amount of high-order diffracted light that becomes stray light is preferably 0.8% or less of the amount of incident light is that the integrated intensity of diffracted light having a center in the spectral region 50 by diffracted light is 1 / This is because it is considered that the influence of high-order diffracted light that becomes stray light does not occur so much as the light quantity is 100 or less.
また、撮像素子３０の配置によっては、光学ローパスフィルタ２０に入射する入射光が撮像光学系１０の光軸に対し傾斜して入射させる場合がある。このような場合には、光学ローパスフィルタ２０における凸部２６の高さを入射する入射光の傾斜角度に対応して変化させてもよい。また、回折角度の変調が必要となる場合には、光学ローパスフィルタ２０における基本ユニット２１のピッチＰｘ、Ｐｙが変化するように形成してもよい。 Depending on the arrangement of the image sensor 30, incident light incident on the optical low-pass filter 20 may be incident with an inclination with respect to the optical axis of the imaging optical system 10. In such a case, the height of the convex portion 26 in the optical low-pass filter 20 may be changed according to the inclination angle of incident light. Further, when the diffraction angle needs to be modulated, the pitches P x and P y of the basic unit 21 in the optical low-pass filter 20 may be changed.
尚、発明者は検討の結果、高次回折光の発生を抑制する基本ユニット２１の構造として、基本ユニット２１をａ軸方向およびｂ軸方向から見た際に位相の異なる領域を結んだ境界線の集合が線対称性を有していない構造が適していることを見出した。この理由として以下のようなことが考えられる。基本ユニット２１が線対称となる線を多く有する場合、発生する回折光の分布はａ軸およびｂ軸に対して対称となりやすい。高次回折光は基本ユニット２１の位相分布の不整合によって生じるが、前述のようにａ軸およびｂ軸に対して対称的な回折光分布を有するということは、別の言い方をすると回折光の設計としては一次元的なものとなっており、高次回折光を発生させる次数の設計自由度が低いということになる。これに対して基本ユニット２１が線対称となる線を有さないような構造の場合、回折光の次数分布は対称性に縛られることなく２次元な設計自由度が得られ、高次回折光の低減が行いやすい。従って、基本ユニット２１の異なる位相を有する領域を結んだ境界線の集合がなす形状としては、ａ軸方向及びｂ軸方向に線対称となる線を有さないものであることが好ましい。 As a result of the study, the inventor, as a structure of the basic unit 21 that suppresses the generation of high-order diffracted light, has a boundary line connecting regions having different phases when the basic unit 21 is viewed from the a-axis direction and the b-axis direction. We found that a structure in which the set does not have line symmetry is suitable. The following can be considered as this reason. When the basic unit 21 has many lines that are symmetric with respect to the line, the distribution of the generated diffracted light tends to be symmetric with respect to the a-axis and the b-axis. High-order diffracted light is generated due to mismatch of the phase distribution of the basic unit 21. However, as described above, having a symmetrical diffracted light distribution with respect to the a-axis and b-axis is another way of designing the diffracted light. Therefore, the degree of freedom in designing the order for generating higher-order diffracted light is low. On the other hand, when the basic unit 21 has a structure that does not have a line that is line symmetric, the degree distribution of the diffracted light is not restricted by symmetry, and a two-dimensional design freedom is obtained. Easy to reduce. Therefore, it is preferable that the shape formed by the set of boundary lines connecting regions having different phases of the basic unit 21 does not have a line that is symmetrical with respect to the a-axis direction and the b-axis direction.
次に、本実施の形態における実施例について説明する。尚、波長４２０ｎｍ、５４６ｎｍ、６７０ｎｍの光は、各々青、緑、赤の光に対応している。 Next, examples in the present embodiment will be described. Note that light having wavelengths of 420 nm, 546 nm, and 670 nm correspond to blue, green, and red light, respectively.
（実施例１）
実施例１における光学ローパスフィルタは図７（ａ）に示すように、入射光を４つの回折光に分離するように設計したものである。実施例１における光学ローパスフィルタでは、透明基板２３として厚さが０．３ｍｍの石英基板を用いている。本実施例における光学ローパスフィルタの製造方法は、石英基板を洗浄し、フォトリソグラフィーによりレジストパターンを形成した後、エッチングを行うことにより、図７（ｂ）に示すような８段の構造の凸部２６が形成された基本ユニット２１を形成する。基本ユニット２１を設計する際の設計中心波長は５４６ｎｍであり、基本ユニット２１はピッチＰｘ＝Ｐｙ＝５１５μｍ、一つの段の高さが１４８ｎｍとなるように作製する。石英基板の屈折率は、波長λＢとなる波長４２０ｎｍで１．４６９、緑の光の波長となる波長５４６ｎｍで１．４６０、波長λＲとなる波長６７０ｎｍで１．４５６である。尚、図７（ｂ）に示す基本ユニット２１はａ軸方向及びｂ軸方向に対して線対称となる線が存在していない。
Example 1
The optical low-pass filter in the first embodiment is designed to separate incident light into four diffracted lights as shown in FIG. In the optical low-pass filter in the first embodiment, a quartz substrate having a thickness of 0.3 mm is used as the transparent substrate 23. In the manufacturing method of the optical low-pass filter in the present embodiment, the quartz substrate is washed, a resist pattern is formed by photolithography, and then etching is performed, whereby a convex portion having an eight-stage structure as shown in FIG. The basic unit 21 formed with 26 is formed. The design center wavelength when designing the basic unit 21 is 546 nm, and the basic unit 21 is manufactured so that the pitch P x = P y = 515 μm and the height of one step is 148 nm. Refractive index of the quartz substrate is 1.469 at a wavelength 420nm to be wavelength lambda B, 1.460 at a wavelength 546nm which is a wavelength of green light, which is 1.456 at the wavelength 670nm which is a wavelength lambda R. Note that the basic unit 21 shown in FIG. 7B does not have lines that are line-symmetric with respect to the a-axis direction and the b-axis direction.
図８に、実施例１における光学ローパスフィルタの波長４２０ｎｍ、５４６ｎｍ、６７０ｎｍにおける回折効率を算出したものを示す。波長５４６ｎｍにおいて２次以上の回折光で最大光量のものは０．５４５５％である。 FIG. 8 shows calculated diffraction efficiencies at wavelengths of 420 nm, 546 nm, and 670 nm of the optical low-pass filter in Example 1. The second-order or higher-order diffracted light at the wavelength of 546 nm is 0.5455%.
また、実施例１における光学ローパスフィルタの波長４２０ｎｍにおける０次回折光及び１次回折光の光量の和は７１．０６２％であり、０次回折光から２次回折光までの光量の和は８２．５０４２％である。また、波長５４６ｎｍにおける０次回折光及び１次回折光の光量の和は８５．８４６２％であり、０次回折光から２次回折光までの光量の和は９０．１７１９％である。波長６７０ｎｍにおける０次回折光及び１次回折光の光量の和は８０．９２０２％であり、０次回折光から２次回折光までの光量の和は８８．６０５８％である。以上より、実施例１における光学ローパスフィルタは、回折光による分光領域５０が１次回折光の中心を結ぶ範囲または２次回折光の中心を結ぶ範囲となる光学ローパスフィルタとして使用できる。 Further, the sum of the light amounts of the 0th-order diffracted light and the first-order diffracted light at the wavelength of 420 nm of the optical low-pass filter in Example 1 is 71.062%, and the sum of the light amounts from the 0th-order diffracted light to the second-order diffracted light is 82.0442%. is there. Further, the sum of the light amounts of the 0th-order diffracted light and the first-order diffracted light at a wavelength of 546 nm is 85.8462%, and the sum of the light amounts from the 0th-order diffracted light to the second-order diffracted light is 90.1719%. The sum of the light amounts of the 0th-order diffracted light and the first-order diffracted light at a wavelength of 670 nm is 80.9202%, and the sum of the light amounts from the 0th-order diffracted light to the second-order diffracted light is 88.6058%. As described above, the optical low-pass filter according to the first embodiment can be used as an optical low-pass filter in which the spectral region 50 by the diffracted light is in a range connecting the centers of the first-order diffracted light or in the range connecting the centers of the second-order diffracted light.
（実施例２）
実施例２における光学ローパスフィルタは図９（ａ）に示すように、入射光を８つの回折光に分離するように設計したものである。実施例２における光学ローパスフィルタでは、透明基板２３として厚さが０．３ｍｍの石英基板を用いている。本実施例における光学ローパスフィルタの製造方法は、石英基板を洗浄し、フォトリソグラフィーによりレジストパターンを形成した後、エッチングを行うことにより、図９（ｂ）に示すような８段の構造の凸部２６が形成された基本ユニット２１を形成する。基本ユニット２１を設計する際の設計中心波長は５４６ｎｍであり、基本ユニット２１のピッチＰｘ＝Ｐｙ＝７２８μｍ、一つの段の高さが１４８ｎｍとなるように作製する。石英基板の屈折率は、波長４２０ｎｍで１．４６９、波長５４６ｎｍで１．４６０、波長６７０ｎｍで１．４５６である。尚、図９（ｂ）に示す基本ユニット２１はａ軸方向及びｂ軸方向に対して線対称となる線が存在していない。
(Example 2)
The optical low-pass filter according to the second embodiment is designed to separate incident light into eight diffracted lights as shown in FIG. In the optical low-pass filter in Example 2, a quartz substrate having a thickness of 0.3 mm is used as the transparent substrate 23. In the manufacturing method of the optical low-pass filter in the present embodiment, the quartz substrate is washed, a resist pattern is formed by photolithography, and then etching is performed, whereby a convex portion having an eight-stage structure as shown in FIG. The basic unit 21 formed with 26 is formed. The design center wavelength when designing the basic unit 21 is 546 nm, the pitch P x = P y = 728 μm of the basic unit 21, and the height of one step is 148 nm. The refractive index of the quartz substrate is 1.469 at a wavelength of 420 nm, 1.460 at a wavelength of 546 nm, and 1.456 at a wavelength of 670 nm. Note that the basic unit 21 shown in FIG. 9B does not have lines that are line-symmetric with respect to the a-axis direction and the b-axis direction.
図１０に、実施例２における光学ローパスフィルタの波長４２０ｎｍ、５４６ｎｍ、６７０ｎｍにおける回折効率を算出したものを示す。波長５４６ｎｍにおいて２次以上の回折光で最大光量のものは０．３４１３％である。 FIG. 10 shows calculated diffraction efficiencies at wavelengths of 420 nm, 546 nm, and 670 nm of the optical low-pass filter in Example 2. The maximum amount of diffracted light of the second or higher order at a wavelength of 546 nm is 0.3413%.
また、実施例２における光学ローパスフィルタの波長４２０ｎｍにおける０次回折光及び１次回折光の光量の和は７４．１２７３％であり、０次回折光から２次回折光までの光量の和は８１．０９８７％である。また、波長５４６ｎｍにおける０次回折光及び１次回折光の光量の和は８３．５８６２％であり、０次回折光から２次回折光までの光量の和は８６．１２０３％である。波長６７０ｎｍにおける０次回折光及び１次回折光の光量の和は８２．９５２２％であり、０次回折光から２次回折光までの光量の和は８５．５５０１％である。以上より、実施例２における光学ローパスフィルタは、回折光による分光領域５０が、１次回折光の中心を結ぶ範囲または２次回折光の中心を結ぶ範囲となる光学ローパスフィルタとして使用できる。 Further, the sum of the light amounts of the 0th-order diffracted light and the first-order diffracted light at the wavelength of 420 nm of the optical low-pass filter in Example 2 is 74.1273%, and the sum of the light amounts from the 0th-order diffracted light to the second-order diffracted light is 81.0987%. is there. The sum of the light amounts of the 0th-order diffracted light and the 1st-order diffracted light at a wavelength of 546 nm is 83.5862%, and the sum of the light amounts from the 0th-order diffracted light to the second-order diffracted light is 86.1203%. The sum of the light amounts of the 0th-order diffracted light and the first-order diffracted light at the wavelength of 670 nm is 82.9522%, and the sum of the light amounts from the 0th-order diffracted light to the second-order diffracted light is 85.5501%. As described above, the optical low-pass filter according to the second embodiment can be used as an optical low-pass filter in which the spectral region 50 by the diffracted light is in a range connecting the centers of the first-order diffracted light or a range connecting the centers of the second-order diffracted light.
（実施例３）
実施例３における光学ローパスフィルタは図１１（ａ）に示すように、入射光を９つの回折光に分離するように設計したものである。実施例３における光学ローパスフィルタでは、透明基板２３として厚さが０．３ｍｍの石英基板を用いている。本実施例における光学ローパスフィルタの製造方法は、石英基板を洗浄し、フォトリソグラフィーによりレジストパターンを形成した後、エッチングを行うことにより、図１１（ｂ）に示すような８段の構造の凸部２６が形成された基本ユニット２１を形成する。基本ユニット２１を設計する際の設計中心波長は５４６ｎｍであり、基本ユニット２１はピッチＰｘ＝Ｐｙ＝７２８μｍ、一つの段の高さが１４８ｎｍとなるように作製する。石英基板の屈折率は、波長４２０ｎｍで１．４６９、波長５４６ｎｍで１．４６０、波長６７０ｎｍで１．４５６である。尚、図１１（ｂ）に示す基本ユニット２１はａ軸方向及びｂ軸方向に対して線対称となる線が存在していない。
(Example 3)
The optical low-pass filter in Example 3 is designed to separate incident light into nine diffracted lights as shown in FIG. In the optical low-pass filter in Example 3, a quartz substrate having a thickness of 0.3 mm is used as the transparent substrate 23. In the manufacturing method of the optical low-pass filter in the present embodiment, the quartz substrate is washed, a resist pattern is formed by photolithography, and then etching is performed, whereby a convex portion having an eight-stage structure as shown in FIG. The basic unit 21 formed with 26 is formed. The design center wavelength when designing the basic unit 21 is 546 nm, and the basic unit 21 is manufactured so that the pitch P x = P y = 728 μm and the height of one step is 148 nm. The refractive index of the quartz substrate is 1.469 at a wavelength of 420 nm, 1.460 at a wavelength of 546 nm, and 1.456 at a wavelength of 670 nm. Note that the basic unit 21 shown in FIG. 11B does not have lines that are line-symmetric with respect to the a-axis direction and the b-axis direction.
図１２に、実施例３における光学ローパスフィルタの波長４２０ｎｍ、５４６ｎｍ、６７０ｎｍにおける回折効率を算出したものを示す。波長５４６ｎｍにおいて２次以上の回折光で最大光量のものは０．３０９５％である。 FIG. 12 shows calculated diffraction efficiencies at wavelengths of 420 nm, 546 nm, and 670 nm of the optical low-pass filter in Example 3. The second or higher order diffracted light at the wavelength of 546 nm is 0.3095% with the maximum light amount.
また、実施例３における光学ローパスフィルタの波長４２０ｎｍにおける０次回折光及び１次回折光の光量の和は７２．７４６９％であり、０次回折光から２次回折光までの光量の和は８４．７１０９％である。また、波長５４６ｎｍにおける０次回折光及び１次回折光の光量の和は８９．３８７９％であり、０次回折光から２次回折光までの光量の和は９０．６５２５％である。波長６７０ｎｍにおける０次回折光及び１次回折光の光量の和は８８．８２９２％であり、０次回折光から２次回折光までの光量の和は９０．８２６７％である。以上より、実施例３における光学ローパスフィルタは、回折光による分光領域５０が、１次回折光の中心を結ぶ範囲または２次回折光の中心を結ぶ範囲となる光学ローパスフィルタとして使用できる。 Further, the sum of the light amounts of the 0th-order diffracted light and the first-order diffracted light at the wavelength of 420 nm of the optical low-pass filter in Example 3 is 72.7469%, and the sum of the light amounts from the 0th-order diffracted light to the second-order diffracted light is 84.7109%. is there. The sum of the light amounts of the 0th-order diffracted light and the first-order diffracted light at a wavelength of 546 nm is 89.3879%, and the sum of the light amounts from the 0th-order diffracted light to the second-order diffracted light is 90.6525%. The sum of the light amounts of the 0th-order diffracted light and the first-order diffracted light at a wavelength of 670 nm is 88.8292%, and the sum of the light amounts from the 0th-order diffracted light to the second-order diffracted light is 90.8267%. As described above, the optical low-pass filter according to the third embodiment can be used as an optical low-pass filter in which the spectral region 50 by the diffracted light is in a range connecting the centers of the first-order diffracted light or a range connecting the centers of the second-order diffracted light.
（実施例４）
実施例４における光学ローパスフィルタは図１３（ａ）に示すように、入射光を９つの回折光に分離するように設計したものである。実施例４における光学ローパスフィルタでは、透明基板２３として厚さが０．３ｍｍの石英基板を用いている。本実施例における光学ローパスフィルタの製造方法は、石英基板を洗浄し、フォトリソグラフィーによりレジストパターンを形成した後、エッチングを行うことにより、図１３（ｂ）に示すような３２段の構造の凸部２６が形成された基本ユニット２１を形成する。基本ユニット２１を設計する際の設計中心波長は５４６ｎｍであり、基本ユニット２１はピッチＰｘ＝Ｐｙ＝７２８μｍ、一つの段の高さが３７ｎｍとなるように作製する。石英基板の屈折率は、波長４２０ｎｍで１．４６９、波長５４６ｎｍで１．４６０、波長６７０ｎｍで１．４５６である。尚、図１３（ｂ）に示す基本ユニット２１はａ軸方向及びｂ軸方向に対して線対称となる線が存在していない。
Example 4
The optical low-pass filter in Example 4 is designed to separate incident light into nine diffracted lights as shown in FIG. In the optical low-pass filter in Example 4, a quartz substrate having a thickness of 0.3 mm is used as the transparent substrate 23. In the manufacturing method of the optical low-pass filter in this embodiment, the quartz substrate is washed, a resist pattern is formed by photolithography, and then etching is performed, whereby a convex portion having a 32-stage structure as shown in FIG. The basic unit 21 formed with 26 is formed. The design center wavelength when designing the basic unit 21 is 546 nm, and the basic unit 21 is manufactured so that the pitch P x = P y = 728 μm and the height of one step is 37 nm. The refractive index of the quartz substrate is 1.469 at a wavelength of 420 nm, 1.460 at a wavelength of 546 nm, and 1.456 at a wavelength of 670 nm. In the basic unit 21 shown in FIG. 13B, there are no lines that are line-symmetric with respect to the a-axis direction and the b-axis direction.
図１４に、実施例４における光学ローパスフィルタの波長４２０ｎｍ、５４６ｎｍ、６７０ｎｍにおける回折効率を算出したものを示す。波長５４６ｎｍにおいて２次以上の回折光で最大光量のものは０．３３８９％である。 FIG. 14 shows calculated diffraction efficiencies at wavelengths of 420 nm, 546 nm, and 670 nm of the optical low-pass filter in Example 4. The maximum diffracted light of the second or higher order at a wavelength of 546 nm is 0.3389%.
また、実施例４における光学ローパスフィルタの波長４２０ｎｍにおける０次回折光及び１次回折光の光量の和は７９．９１４３％であり、０次回折光から２次回折光までの光量の和は８９．９２％である。また、波長５４６ｎｍにおける０次回折光及び１次回折光の光量の和は９３．２１０７％であり、０次回折光から２次回折光までの光量の和は９４．５５５２％である。波長６７０ｎｍにおける０次回折光及び１次回折光の光量の和は９１．５７６％であり、０次回折光から２次回折光までの光量の和は９３．２４９５％である。以上より、実施例４における光学ローパスフィルタ、回折光による分光領域５０が、１次回折光の中心を結ぶ範囲または２次回折光の中心を結ぶ範囲となる光学ローパスフィルタとして使用できる。 Further, the sum of the light amounts of the 0th-order diffracted light and the first-order diffracted light at the wavelength of 420 nm of the optical low-pass filter in Example 4 is 79.1433%, and the sum of the light amounts from the 0th-order diffracted light to the second-order diffracted light is 89.92%. is there. The sum of the light amounts of the 0th-order diffracted light and the first-order diffracted light at a wavelength of 546 nm is 93.2107%, and the sum of the light amounts from the 0th-order diffracted light to the second-order diffracted light is 94.5552%. The sum of the light amounts of the 0th-order diffracted light and the first-order diffracted light at a wavelength of 670 nm is 91.576%, and the sum of the light amounts from the 0th-order diffracted light to the second-order diffracted light is 93.2495%. As described above, the optical low-pass filter according to the fourth embodiment can be used as an optical low-pass filter in which the spectral region 50 by the diffracted light is a range connecting the centers of the first-order diffracted light or a center connecting the centers of the second-order diffracted light.
（実施例５）
実施例５における光学ローパスフィルタは図１３（ａ）に示すように、入射光を９つの回折光に分離するように設計したものである。実施例５における光学ローパスフィルタでは、透明基板２３として厚さが０．３ｍｍのＢ２７０基板を用いている。尚、透明基板２３は、ガラス基板であれば特に制限はないがショット社のＢ２７０基板を使用した。本実施例における光学ローパスフィルタの製造方法は、Ｂ２７０基板を洗浄し、ＺｒＯ２微粒子を含有する有機無機複合材料を型に充填し、Ｂ２７０基板の表面に凸部１２６が形成されるように紫外線を照射し硬化させる。この後、ビフェニル構造を有する有機樹脂を滴下しカバー層１３６を形成し、他の透明基板１２３となる厚さが０．３ｍｍのＢ２７０基板により挟むことにより作製する。実施例５における光学ローパスフィルタは、３２段の構造の凸部１２６が形成された基本ユニット２１が形成されている。基本ユニット２１を設計する際の設計中心波長は５４６ｎｍであり、基本ユニット２１はピッチＰｘ＝Ｐｙ＝７２８μｍ、一つの段の高さが４６７ｎｍとなるように作製する。Ｂ２７０基板の屈折率は、波長４２０ｎｍで１．５３６、波長５４６ｎｍで１．５２４、波長６７０ｎｍで１．５１９である。また、硬化させたＺｒＯ２微粒子を含有する有機無機複合材料の屈折率は、波長４２０ｎｍで１．６３０、波長５４６ｎｍで１．６１５、波長６７０ｎｍで１．６０６である。また、ビフェニル構造を有する有機樹脂の屈折率は、波長４２０ｎｍで１．６０７、波長５４６ｎｍで１．５７８、波長６７０ｎｍで１．５６６である。尚、実施例５における光学ローパスフィルタは、基本ユニット２１はａ軸方向及びｂ軸方向に対して線対称となる線が存在していない。
(Example 5)
The optical low-pass filter in Example 5 is designed to separate incident light into nine diffracted lights as shown in FIG. In the optical low-pass filter in the fifth embodiment, a B270 substrate having a thickness of 0.3 mm is used as the transparent substrate 23. The transparent substrate 23 is not particularly limited as long as it is a glass substrate, but a B270 substrate manufactured by Schott Corporation was used. In this embodiment, the optical low-pass filter is manufactured by cleaning the B270 substrate, filling the mold with an organic-inorganic composite material containing ZrO 2 fine particles, and applying ultraviolet rays so that the convex portion 126 is formed on the surface of the B270 substrate. Irradiate to cure. Thereafter, an organic resin having a biphenyl structure is dropped to form a cover layer 136, which is produced by being sandwiched by a B270 substrate having a thickness of 0.3 mm to be another transparent substrate 123. In the optical low-pass filter according to the fifth embodiment, the basic unit 21 in which the convex portion 126 having a 32-stage structure is formed. The design center wavelength when designing the basic unit 21 is 546 nm, and the basic unit 21 is manufactured so that the pitch P x = P y = 728 μm and the height of one step is 467 nm. The refractive index of the B270 substrate is 1.536 at a wavelength of 420 nm, 1.524 at a wavelength of 546 nm, and 1.519 at a wavelength of 670 nm. The refractive index of the organic-inorganic composite material containing the cured ZrO 2 fine particles is 1.630 at a wavelength of 420 nm, 1.615 at a wavelength of 546 nm, and 1.606 at a wavelength of 670 nm. The refractive index of the organic resin having a biphenyl structure is 1.607 at a wavelength of 420 nm, 1.578 at a wavelength of 546 nm, and 1.566 at a wavelength of 670 nm. In the optical low-pass filter according to the fifth embodiment, the basic unit 21 does not have lines that are symmetric with respect to the a-axis direction and the b-axis direction.
図１５に、実施例５における光学ローパスフィルタの波長４２０ｎｍ、５４６ｎｍ、６７０ｎｍにおける回折効率を算出したものを示す。波長５４６ｎｍにおいて２次以上の回折光で最大光量のものは０．３４２２％である。 FIG. 15 shows calculated diffraction efficiencies at wavelengths of 420 nm, 546 nm, and 670 nm of the optical low-pass filter in Example 5. The maximum diffracted light of the second or higher order at a wavelength of 546 nm is 0.3422%.
また、実施例５における光学ローパスフィルタの波長４２０ｎｍにおける０次回折光及び１次回折光の光量の和は９１．９２９４％であり、波長５４６ｎｍにおける０次回折光及び１次回折光の光量の和は９３．２１３７％であり、波長６７０ｎｍにおける０次回折光及び１次回折光の光量の和は９２．７６３５％である。以上より、実施例５における光学ローパスフィルタは、回折光による分光領域５０が１次回折光の中心を結ぶ範囲となる光学ローパスフィルタとして使用できる。 Further, the sum of the light amounts of the 0th-order diffracted light and the first-order diffracted light at the wavelength of 420 nm of the optical low-pass filter in Example 5 is 91.9294%, and the sum of the light amounts of the 0th-order diffracted light and the first-order diffracted light at the wavelength of 546 nm is 93.2137. The sum of the light amounts of the 0th order diffracted light and the 1st order diffracted light at a wavelength of 670 nm is 92.7635%. As described above, the optical low-pass filter according to the fifth embodiment can be used as an optical low-pass filter in which the spectral region 50 by diffracted light is in a range connecting the centers of the first-order diffracted light.
（実施例６）
実施例６における光学ローパスフィルタは図１３（ａ）に示すように、入射光を９つの回折光に分離するように設計したものである。実施例６における光学ローパスフィルタでは、透明基板２３として厚さが０．３ｍｍの石英基板を用いている。本実施例における光学ローパスフィルタの製造方法は、石英基板を洗浄し、フォトリソグラフィーによりレジストパターンを形成した後、エッチングを行うことにより、図１３（ｂ）に示すような３２段の構造の凸部が形成された基本ユニット２１を形成する。基本ユニット２１を設計する際の設計中心波長は４９０ｎｍであり、基本ユニット２１はピッチＰｘ＝Ｐｙ＝７２８μｍ、一つの段の高さが３７ｎｍとなるように作製する。石英基板の屈折率は、波長４２０ｎｍで１．４６９、波長５４６ｎｍで１．４６０、波長６７０ｎｍで１．４５６である。尚、図１３（ｂ）に示す基本ユニット２１はａ軸方向及びｂ軸方向に対して線対称となる線が存在していない。
(Example 6)
The optical low-pass filter in Example 6 is designed to separate incident light into nine diffracted lights as shown in FIG. In the optical low-pass filter in Example 6, a quartz substrate having a thickness of 0.3 mm is used as the transparent substrate 23. In the manufacturing method of the optical low-pass filter in this embodiment, the quartz substrate is washed, a resist pattern is formed by photolithography, and then etching is performed, whereby a convex portion having a 32-stage structure as shown in FIG. The basic unit 21 is formed. The design center wavelength when designing the basic unit 21 is 490 nm, and the basic unit 21 is manufactured so that the pitch P x = P y = 728 μm and the height of one step is 37 nm. The refractive index of the quartz substrate is 1.469 at a wavelength of 420 nm, 1.460 at a wavelength of 546 nm, and 1.456 at a wavelength of 670 nm. In the basic unit 21 shown in FIG. 13B, there are no lines that are line-symmetric with respect to the a-axis direction and the b-axis direction.
図１６に、実施例６における光学ローパスフィルタの波長４２０ｎｍ、５４６ｎｍ、６７０ｎｍにおける回折効率を算出したものを示す。波長５４６ｎｍにおいて２次以上の回折光で最大光量のものは０．４９３３％である。 FIG. 16 shows calculated diffraction efficiencies at wavelengths of 420 nm, 546 nm, and 670 nm of the optical low-pass filter in Example 6. The second-order or higher-order diffracted light at the wavelength of 546 nm is 0.4933%.
また、実施例６における光学ローパスフィルタの波長４２０ｎｍにおける０次回折光及び１次回折光の光量の和は８９．０４６４％であり、０次回折光から２次回折光までの光量の和は９３．０６６２％である。また、波長５４６ｎｍにおける０次回折光及び１次回折光の光量の和は９２．０５４９９％であり、０次回折光から２次回折光までの光量の和は９３．４０２２９％である。波長６７０ｎｍにおける０次回折光及び１次回折光の光量の和は９０．４０５４％であり、０次回折光から２次回折光までの光量の和は９２．３３５６％である。以上より、実施例６における光学ローパスフィルタは、回折光による分光領域５０が１次回折光の中心を結ぶ範囲または２次回折光の中心を結ぶ範囲となる光学ローパスフィルタとして使用できる。 Further, the sum of the light amounts of the 0th-order diffracted light and the first-order diffracted light at the wavelength of 420 nm of the optical low-pass filter in Example 6 is 89.0464%, and the sum of the light amounts from the 0th-order diffracted light to the second-order diffracted light is 93.0662%. is there. Further, the sum of the light amounts of the 0th order diffracted light and the 1st order diffracted light at a wavelength of 546 nm is 92.05499%, and the sum of the light amounts from the 0th order diffracted light to the second order diffracted light is 93.4040%. The sum of the light amounts of the 0th-order diffracted light and the first-order diffracted light at a wavelength of 670 nm is 90.4054%, and the sum of the light amounts from the 0th-order diffracted light to the second-order diffracted light is 92.3356%. As described above, the optical low-pass filter according to the sixth embodiment can be used as an optical low-pass filter in which the spectral region 50 by the diffracted light is in a range connecting the centers of the first-order diffracted light or in the range connecting the centers of the second-order diffracted light.
（実施例７）
実施例７は、実施例６における光学ローパスフィルタ２０を回折格子２５が形成されている面が撮像素子３０側となり、透明基板２３が露出している面より光が入射するように設置した撮像装置である。光学ローパスフィルタ２０と撮像素子３０との距離は、波長５４６の光において光学的な距離ｔが２ｍｍとなるように設置されている。撮像素子３０の画素ピッチは３μｍであり、光学ローパスフィルタ２０に入射した光のＸ軸方向及びＹ軸方向における１次回折光の回折角度は、空気中で０．０４３°となる。よって、撮像素子３０の撮像面における１次回折光の回折光による分光領域５０は、Ｘ軸方向に３μｍ、Ｙ軸方向に３μｍとなる。従って、本実施例では、撮像素子３０における１画素に対応する高周波成分を抑制でき、撮像素子３０により撮像される画像において、モアレ縞や偽色を低減できる。
(Example 7)
Example 7 is an image pickup apparatus in which the optical low-pass filter 20 in Example 6 is installed so that the surface on which the diffraction grating 25 is formed is on the image pickup element 30 side and light enters from the surface on which the transparent substrate 23 is exposed. It is. The distance between the optical low-pass filter 20 and the image sensor 30 is set so that the optical distance t is 2 mm in the light of wavelength 546. The pixel pitch of the image sensor 30 is 3 μm, and the diffraction angle of the first-order diffracted light in the X-axis direction and the Y-axis direction of the light incident on the optical low-pass filter 20 is 0.043 ° in the air. Therefore, the spectral region 50 by the diffracted light of the first-order diffracted light on the imaging surface of the image sensor 30 is 3 μm in the X axis direction and 3 μm in the Y axis direction. Therefore, in the present embodiment, a high frequency component corresponding to one pixel in the image sensor 30 can be suppressed, and moire fringes and false colors can be reduced in an image captured by the image sensor 30.
（実施例８）
実施例８は、実施例５における光学ローパスフィルタ２０を撮像素子３０の前に設置した撮像装置である。光学ローパスフィルタ２０と撮像素子３０との距離は、波長５４６の光において光学的な距離ｔが２ｍｍとなるように設置されている。撮像素子３０の画素ピッチは３μｍであり、光学ローパスフィルタ２０に入射した光のＸ軸方向及びＹ軸方向における１次回折光の回折角度は、空気中で０．０４３°となる。よって、撮像素子３０の撮像面における１次回折光の回折光による分光領域５０は、Ｘ軸方向に３μｍ、Ｙ軸方向に３μｍとなる。従って、本実施例では、撮像素子３０における１画素に対応する高周波成分を抑制でき、撮像素子３０により撮像される画像において、モアレ縞や偽色を低減できる。
(Example 8)
Example 8 is an imaging apparatus in which the optical low-pass filter 20 in Example 5 is installed in front of the imaging element 30. The distance between the optical low-pass filter 20 and the image sensor 30 is set so that the optical distance t is 2 mm in the light of wavelength 546. The pixel pitch of the image sensor 30 is 3 μm, and the diffraction angle of the first-order diffracted light in the X-axis direction and the Y-axis direction of the light incident on the optical low-pass filter 20 is 0.043 ° in the air. Therefore, the spectral region 50 by the diffracted light of the first-order diffracted light on the imaging surface of the image sensor 30 is 3 μm in the X axis direction and 3 μm in the Y axis direction. Therefore, in the present embodiment, a high frequency component corresponding to one pixel in the image sensor 30 can be suppressed, and moire fringes and false colors can be reduced in an image captured by the image sensor 30.
（実施例９）
実施例９は、実施例７に記載されている撮像装置において、不図示の駆動手段により光学ローパスフィルタ２０を光軸方向に移動させることができるものである。本実施例における撮像装置では、実施例７に記載された光学ローパスフィルタ２０の位置は静止画を撮像する位置であり、動画を撮像する際には、光学ローパスフィルタ２０を光学ローパスフィルタ２０と撮像素子３０との距離が、波長５４６ｎｍの光において光学的な距離ｔが４ｍｍとなるように移動機構６０により移動させる。これにより、本実施例では、動画を撮像する際には、撮像素子３０の撮像面における１次回折光の回折光による分光領域５０は、Ｘ軸方向に６μｍ、Ｙ軸方向に６μｍとすることができ、動画を撮像する際のモアレ縞や偽色の発生を低減できる。
Example 9
In the ninth embodiment, in the imaging apparatus described in the seventh embodiment, the optical low-pass filter 20 can be moved in the optical axis direction by a driving unit (not shown). In the imaging apparatus according to the present embodiment, the position of the optical low-pass filter 20 described in the seventh embodiment is a position for capturing a still image. When capturing a moving image, the optical low-pass filter 20 and the optical low-pass filter 20 are captured. The distance to the element 30 is moved by the moving mechanism 60 so that the optical distance t is 4 mm in light having a wavelength of 546 nm. Thus, in this embodiment, when capturing a moving image, the spectral region 50 by the diffracted light of the first-order diffracted light on the imaging surface of the image sensor 30 is 6 μm in the X-axis direction and 6 μm in the Y-axis direction. It is possible to reduce the generation of moire fringes and false colors when capturing moving images.
尚、本発明の実施に係る形態について説明したが、上記内容は、発明の内容を限定するものではない。 In addition, although the form which concerns on implementation of this invention was demonstrated, the said content does not limit the content of invention.
１０ 撮像光学系
２０ 光学ローパスフィルタ
２１ 基本ユニット
２３ 透明基板
２５ 回折格子
２６ 凸部
２７ 凹部
２８ 反射防止膜
２９ 反射防止膜
３０ 撮像素子
４０ 入射光となる光束
４０ａ 光束
４０ｂ 回折光
４１ 光学ローパスフィルタを設置しない場合の光が照射される点
４２ 回折光により照射される点
５０ 回折光による分光領域
６０ 移動機構
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Imaging optical system 20 Optical low-pass filter 21 Basic unit 23 Transparent substrate 25 Diffraction grating 26 Convex part 27 Concave part 28 Antireflection film 29 Antireflection film 30 Image pick-up element 40 Light beam 40a Light beam 40b Diffracted light 41 Optical low-pass filter is installed Point 42 irradiated with light when not radiated Point 50 irradiated with diffracted light Spectral region 60 due to diffracted light Moving mechanism
Claims (11)
前記透明基板の表面に形成された回折部と、
を有し、前記基板に入射した光は前記回折部により２次元状の回折光を発生させるものであって、
前記回折光において同じ次数の回折光の中心を結ぶ領域を回折光による分光領域とした場合、前記分光領域内に回折光の中心が含まれる回折光の光量の和が、入射光の光量の８０％以上であって、
前記分光領域の外に中心を有する各々の回折光の光量が、入射光の光量の０．８％以下であることを特徴とする光学ローパスフィルタ。 A transparent substrate;
A diffractive portion formed on the surface of the transparent substrate;
And the light incident on the substrate generates two-dimensional diffracted light by the diffractive portion,
When the region connecting the centers of the diffracted light of the same order in the diffracted light is a spectral region by the diffracted light, the sum of the light amounts of the diffracted light including the center of the diffracted light in the spectral region is 80 of the light amount of the incident light. % Or more,
An optical low-pass filter characterized in that the amount of each diffracted light centered outside the spectral region is 0.8% or less of the amount of incident light.
前記第１の材料の屈折率と前記第２の材料の屈折率とは異なる値である請求項１から４のいずれかに記載の光学ローパスフィルタ。 The diffractive portion is formed of a second material so as to cover a convex portion formed of a first material having a plurality of step portions on the surface of the substrate and a concavo-convex pattern formed by forming the convex portion. A cover layer formed,
5. The optical low-pass filter according to claim 1, wherein the refractive index of the first material and the refractive index of the second material are different values.
請求項１から９のいずれかに記載の光学ローパスフィルタと、
を有し、前記光学ローパスフィルタを透過した光が前記撮像素子に入射するものであることを特徴とする撮像装置。 An image sensor;
The optical low-pass filter according to any one of claims 1 to 9,
The imaging apparatus is characterized in that light transmitted through the optical low-pass filter enters the imaging element.
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