JP2013152378A - Optical low-pass filter, imaging apparatus, and projection device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光学ローパスフィルタ、撮像装置および投影装置に関する。 The present invention relates to an optical low-pass filter, an imaging device, and a projection device.
例えば、電子カメラ等の撮像装置では、光学的疑似信号を濾波するために、撮影レンズと撮像素子との間に光学ローパスフィルタが配置される。 For example, in an imaging apparatus such as an electronic camera, an optical low-pass filter is disposed between a photographing lens and an imaging element in order to filter an optical pseudo signal.
一般的な光学ローパスフィルタの構成として、光軸角度が直交する2枚の複屈折板の間に、直線偏光を円偏光に変換する45°偏光解消板を配置したものや、3枚の複屈折板を用いたものが知られている。 As a general optical low-pass filter configuration, a 45 ° depolarizing plate for converting linearly polarized light into circularly polarized light is disposed between two birefringent plates having orthogonal optical axis angles, or three birefringent plates. The one used is known.
45°偏光解消板を用いた光学ローパスフィルタの場合、45°偏光解消板での直線偏光から円偏光への変換特性が周期的に変化するため、波長域によっては入射光の偏光成分を十分に分離できないことがある。 In the case of an optical low-pass filter using a 45 ° depolarizing plate, the conversion characteristic from linearly polarized light to circularly polarized light on the 45 ° depolarizing plate changes periodically. May not be separable.
一方、3枚の複屈折板を用いた光学ローパスフィルタは、第1複屈折板(光軸角度0°)に対して光軸角度を45°傾けた第2複屈折板(光軸角度45°)と、第2複屈折板に対して光軸角度を直交させた第3複屈折板(光軸角度135°)とを重ね合わせている。かかる光学ローパスフィルタの場合、複屈折板の枚数が増える分、光軸角度の位置合わせが煩雑となる点で改善の余地があった。
On the other hand, an optical low-pass filter using three birefringent plates is a second birefringent plate (
上記事情に鑑み、入射光の偏光成分をよく分離でき、光軸角度の位置合わせが比較的容易な光学ローパスフィルタを提供する。 In view of the above circumstances, an optical low-pass filter that can separate the polarization component of incident light well and relatively easily align the optical axis angle is provided.
本発明の一側面の光学ローパスフィルタは、第1複屈折板と、第2複屈折板と、旋光板とを備える。第1複屈折板は、入射光を2つの直線偏光成分に分離して出射する。第2複屈折板は、入射光を2つの直線偏光成分に分離して出射するとともに、第1複屈折板と光軸角度が交差する。旋光板は、第1複屈折板と第2複屈折板との間に配置され、直線偏光の偏光面を回転させる。 An optical low-pass filter according to one aspect of the present invention includes a first birefringent plate, a second birefringent plate, and an optical rotatory plate. The first birefringent plate separates incident light into two linearly polarized light components and emits them. The second birefringent plate separates and emits incident light into two linearly polarized components, and the optical axis angle intersects with the first birefringent plate. The optical rotatory plate is disposed between the first birefringent plate and the second birefringent plate and rotates the polarization plane of linearly polarized light.
上記した一側面において、第1複屈折板と第2複屈折板との光軸角度が直交してもよい。そして、旋光板は、入射光の中心波長で直線偏光の偏光面を45°回転させるものであってもよい。 In the above-described one aspect, the optical axis angles of the first birefringent plate and the second birefringent plate may be orthogonal to each other. The optical rotator may rotate the plane of linearly polarized light by 45 ° at the center wavelength of the incident light.
なお、上記した一側面の光学ローパスフィルタを備えた撮像装置および投影装置は、いずれも本発明の具体的態様として有効である。 Note that the above-described imaging device and projection device including the optical low-pass filter on one side are both effective as specific embodiments of the present invention.
入射光の偏光成分をよく分離でき、光軸角度の位置合わせが比較的容易な光学ローパスフィルタを提供できる。 It is possible to provide an optical low-pass filter that can separate the polarization components of incident light well and relatively easily align the optical axis angle.
<光学ローパスフィルタの構成例>
図1は、一の実施形態における光学ローパスフィルタの構成例を示す図であり、図2は、一の実施形態における光学ローパスフィルタでの偏光の状態を示す図である。光学ローパスフィルタは、入射光から空間周波数の高い成分を除去する薄板状の光学フィルタであって、例えば、撮像装置(電子カメラ等)や投影装置(プロジェクタ等)の光学系に用いられる。
<Configuration example of optical low-pass filter>
FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration example of an optical low-pass filter according to one embodiment, and FIG. 2 is a diagram illustrating a state of polarization in the optical low-pass filter according to one embodiment. The optical low-pass filter is a thin plate-like optical filter that removes a component having a high spatial frequency from incident light. For example, the optical low-pass filter is used in an optical system of an imaging device (such as an electronic camera) or a projection device (such as a projector).
一の実施形態の光学ローパスフィルタ1は、入射側から順に、第1複屈折板2と、旋光板3と、第2複屈折板4とを有している。第1複屈折板2、旋光板3、第2複屈折板4は、例えばUV接着剤(紫外線硬化型接着剤)でそれぞれ貼り合わされて一体の光学素子をなしている。なお、光学ローパスフィルタ1において、第1複屈折板2の入射面や第2複屈折板4の出射面に、赤外線カット膜や紫外線カット膜を形成してもよい(図1では、UV接着剤の層や、外線カット膜、紫外線カット膜の図示はいずれも省略する)。
The optical low-pass filter 1 of one embodiment includes a first
第1複屈折板2は、単結晶の水晶で形成されており、図2のx方向(左右方向)に光軸が延長するように配置される(光軸角度0°)。第1複屈折板2は、入射光を振動方向が互いに直交する2つの直線偏光成分に分離して出射する。例えば、すべての方向の偏光成分を含む自然光を第1複屈折板2に入射させた場合、第1複屈折板2は、入射光を常光と異常光とに分離し、異常光をy方向に所定量移動させて出射する。第1複屈折板2において、常光は図2のx方向に振動する直線偏光であり、異常光は図2のy方向(上下方向)に振動する直線偏光である。
The first
旋光板3は、単結晶の水晶で形成されており、入射光の中心波長を550mnとしたときに、直線偏光の偏光面を右回り方向に45°回転させる。第1複屈折板2から出射される常光および異常光は、旋光板3での作用で直線偏光の振動方向が斜めによじれる。これにより、旋光板3から出射される直線偏光は、いずれもx方向およびy方向の振動成分を含む状態となる。
The optical
ここで、単結晶の水晶で旋光板を形成する場合、旋光板の旋光角θ(deg)は下式(1)で求めることができる。
θ=7.19×106×λ2/(λ2−92.62)×T ……(1)
上記の式(1)において、「λ」は入射光の中心波長(nm×104)を示し、「T」は旋光板の厚さ(mm)を示す。上記の式(1)によれば、入射光の中心波長が波長550nmの場合、厚さ1mmの旋光板の旋光角θは25.18°となる。中心波長550mnの入射光に対してθ=45°とするには、旋光板3の厚さを1.78mmとすればよい。
Here, when the optical rotation plate is formed of single crystal quartz, the optical rotation angle θ (deg) of the optical rotation plate can be obtained by the following equation (1).
θ = 7.19 × 10 6 × λ 2 / (λ 2 −92.6 2 ) × T (1)
In the above formula (1), “λ” represents the center wavelength (nm × 10 4 ) of incident light, and “T” represents the thickness (mm) of the optical rotation plate. According to the above formula (1), when the center wavelength of the incident light is 550 nm, the optical rotation angle θ of the optical rotation plate having a thickness of 1 mm is 25.18 °. In order to make θ = 45 ° with respect to incident light having a center wavelength of 550 mn, the thickness of the
図3は、波長550nmで旋光角45°の旋光板における可視光域での旋光度の変化を示す図である。図3の縦軸は旋光角を示し、図3の横軸は波長を示す。一の実施形態での旋光板によれば、可視光域において旋光度が緩やかなカーブで連続的に変化する。そのため、旋光板は、可視光域の全域にわたって、周期性を生じさせずに直線偏光を旋光させることが分かる。 FIG. 3 is a diagram showing a change in optical rotation in the visible light region in an optical rotation plate having a wavelength of 550 nm and an optical rotation angle of 45 °. The vertical axis in FIG. 3 indicates the optical rotation angle, and the horizontal axis in FIG. 3 indicates the wavelength. According to the optical rotation plate in one embodiment, the optical rotation continuously changes with a gentle curve in the visible light region. Therefore, it can be seen that the optical rotation plate rotates linearly polarized light without causing periodicity over the entire visible light range.
第2複屈折板4は、単結晶の水晶で形成されており、図2のy方向に光軸が延長するように配置される(光軸角度90°)。第2複屈折板4は、入射光を振動方向が互いに直交する2つの直線偏光成分に分離して出射する。例えば、旋光板3で旋光した直線偏光を第2複屈折板4に入射させた場合、第2複屈折板4は、入射光を常光と異常光とに分離し、異常光をx方向に所定量移動させて出射する。第2複屈折板4において、常光は図2のy方向に振動する直線偏光であり、異常光は図2のx方向に振動する直線偏光である。
The second birefringent plate 4 is formed of single crystal quartz, and is arranged so that the optical axis extends in the y direction in FIG. 2 (
以下、一の実施形態の光学ローパスフィルタでの作用効果を説明する。 Hereinafter, the function and effect of the optical low-pass filter of one embodiment will be described.
光学ローパスフィルタ1の入射面側から自然光の光束(中心波長550nm)が入射すると、第1複屈折板2では、x方向に振動する直線偏光(常光)とy方向に振動する直線偏光(異常光)とに入射光が分離される。そして、第1複屈折板2で分離された直線偏光は、第1複屈折板2と第2複屈折板4との間に配置された旋光板3において、それぞれ偏光面が右回り方向に45°回転する。その後、旋光板3で旋光した各々の直線偏光は、第1複屈折板2と光軸角度が直交する第2複屈折板4において、y方向に振動する直線偏光(常光)とx方向に振動する直線偏光(異常光)とにさらに分離される。これにより、光学ローパスフィルタ1の出射面側からは、入射光の4点分離像の光束が射出される。かかる光学ローパスフィルタ1によって入射光の空間周波数の高い成分が除去される。
When a natural light beam (
また、一の実施形態の光学ローパスフィルタ1は、光軸角度が直交する第1複屈折板2と第2複屈折板4との間に旋光板3を配置している。旋光板3は可視光域の全域にわたって、周期性を生じさせずに直線偏光を旋光させるので、一の実施形態の光学ローパスフィルタ1は、45°偏光解消板を用いた光学ローパスフィルタと比べて、可視光の各波長を第2複屈折板4で比較的よく分離できる。
In the optical low-pass filter 1 of one embodiment, the optical
また、一の実施形態の光学ローパスフィルタ1は、複屈折板を3枚用いる光学ローパスフィルタと比べて、複屈折板の光軸角度の位置合わせが容易であるので製造が容易となる。 Further, the optical low-pass filter 1 according to the embodiment is easy to manufacture because the alignment of the optical axis angle of the birefringent plate is easier than the optical low-pass filter using three birefringent plates.
さらに、一の実施形態の光学ローパスフィルタ1は旋光板3を用いることから、45°偏光解消板を用いた光学ローパスフィルタや複屈折板を3枚用いる光学ローパスフィルタと比べて、製造コストを非常に小さくすることができる。以下、その理由を説明する。
Furthermore, since the optical low-pass filter 1 of the embodiment uses the optical
図4は、水晶原石5から旋光板を切り出す場合を示す図であり、図5は、水晶原石5から複屈折板を切り出す場合を示す図であり、図6は、比較例として、水晶原石5から45°偏光解消板を切り出す場合を示す図である。
4 is a diagram showing a case where an optical rotatory plate is cut out from the quartz
図4から図6に示す水晶原石5は、いずれも矢印で示す光軸方向に成長する。そして、水晶原石5が光軸方向に長くなるほど、成長に時間がかかるので水晶原石5のコストが増加する。
4 to 6 grows in the direction of the optical axis indicated by the arrows. And the longer the
図5に示す複屈折板は、水晶原石5の光軸方向に対して45°傾斜させた面を正方形に切り出して生成される。複屈折板の光軸角度が0°の場合は、切り出した水晶板をそのまま使用すればよく、複屈折板の光軸角度が90°の場合は、切り出した水晶板を90°回転させて使用すればよい。なお、複屈折板の光軸角度が45°や135°の場合、切り出した水晶板を45°または135°傾けてさらに正方形に切り出す必要が生じる。そのため、光軸角度が45°や135°の複屈折板は、光軸角度が0°または90°の複屈折板と比べて製造時により大きな水晶板が必要となるのでコスト高となる。
The birefringent plate shown in FIG. 5 is generated by cutting a surface inclined by 45 ° with respect to the optical axis direction of the quartz
また、図6に示す45°偏光解消板は、水晶原石5の光軸方向に沿った面を薄板状に切り出した後、切り出した水晶板(ウエハ)を45°傾けてさらに切り出すことで生成される(図6(b)参照)。そのため、偏光解消板を切り出すためには水晶原石5を非常に大きく成長させなければならず、その分コスト高となる。
In addition, the 45 ° depolarizing plate shown in FIG. 6 is generated by cutting the surface of the quartz
一方、図4に示す旋光板は、水晶原石5の光軸方向と垂直な面を薄板状に切り出して生成される。旋光板の旋光角は旋光板の厚みで決定されるが、複屈折板や偏光解消板と比べて旋光板は成長日数の短い水晶原石5から切り出すことができるので、製造コストを抑制できる。また、旋光板は、水晶原石5の切断方向が複屈折板や旋光解消板と異なるので、大きなサイズのものを製造することも容易である。
On the other hand, the optical rotation plate shown in FIG. 4 is generated by cutting a surface perpendicular to the optical axis direction of the
<撮像装置の構成例>
図7は、他の実施形態における撮像装置の構成例を示す図である。他の実施形態の撮像装置は、一の実施形態の光学ローパスフィルタ1を備えた電子カメラである。
<Configuration example of imaging device>
FIG. 7 is a diagram illustrating a configuration example of an imaging apparatus according to another embodiment. An imaging apparatus according to another embodiment is an electronic camera including the optical low-pass filter 1 according to one embodiment.
電子カメラ11は、撮影光学系12と、一の実施形態の光学ローパスフィルタ1と、撮像素子13と、信号処理部14と、画像処理エンジン15と、メモリ16と、記録I/F17と、ユーザの操作を受け付ける操作部18とを備えている。ここで、信号処理部14、メモリ16、記録I/F17および操作部18は、それぞれ画像処理エンジン15と接続されている。
The electronic camera 11 includes a photographing
他の実施形態において、光学ローパスフィルタ1は、光学的疑似信号を濾波するために撮影光学系12と撮像素子13との間に配置されている。なお、光学ローパスフィルタ1は、撮像素子13の受光面に一体に取り付けられたものであってもよい。
In another embodiment, the optical low-pass filter 1 is disposed between the imaging
撮像素子13は、撮影光学系12によって結像された被写体の像を撮像(撮影)するデバイスである。撮像素子13の画像出力は、信号処理部14に接続されている。信号処理部14は、アナログ信号処理を行うアナログフロントエンド回路と、A/D変換およびデジタル信号処理を行うデジタルフロントエンド回路とを含んでいる。
The
画像処理エンジン15は、電子カメラ11の動作を統括的に制御するプロセッサである。画像処理エンジン15は、1フレーム分の画像データに対して、各種の画像処理(色補間処理、階調変換処理、ホワイトバランス調整、輪郭強調処理、色変換処理など)を施す。また、メモリ16は、画像処理エンジン15での画像処理前後のデータを一時的に保持する。
The
記録I/F17は、不揮発性の記憶媒体19を接続するためのコネクタを有している。そして、記録I/F17は、コネクタに接続された記憶媒体19に対して画像のデータの書き込み/読み込みを実行する。上記の記憶媒体19は、例えば、半導体メモリを内蔵したメモリカードである。
The recording I /
かかる他の実施形態の撮像装置によれば、一の実施形態の光学ローパスフィルタ1によって光学的疑似信号が除去されるので、画像のモアレを抑制することができる。 According to the imaging apparatus of the other embodiment, since the optical pseudo signal is removed by the optical low-pass filter 1 of the embodiment, the moire of the image can be suppressed.
<投影装置の構成例>
図8は、さらに他の実施形態における投影装置の構成例を示す図である。他の実施形態の投影装置は、一の実施形態の光学ローパスフィルタ1を備えたプロジェクタである。
<Configuration example of projection device>
FIG. 8 is a diagram illustrating a configuration example of a projection apparatus according to still another embodiment. The projection apparatus according to another embodiment is a projector including the optical low-pass filter 1 according to one embodiment.
プロジェクタ21は、画像投影用の光源であるLED22と、集光レンズ23と、偏光ビームスプリッタ24と、LCOS25(反射型液晶素子)と、一の実施形態の光学ローパスフィルタ1と、投影画像を投影するための投影レンズ26とを備えている。図8において、偏光ビームスプリッタ24の左面24aには黒色処理等の無反射処理が施されている。
The
集光レンズ23は、LED22から射出された光を略平行にする。偏光ビームスプリッタ24は、入射光をP偏光成分の光とS偏光成分の光とに分離する。LCOS25は、外部に投影する投影画像を表示するデバイスである。また、図8において、偏光ビームスプリッタ24と投影光学系26との間には、一の実施形態の光学ローパスフィルタ1が配置されている。
The
プロジェクタ21において、LED22から射出された後に集光レンズ23で略平行光とされた光は、偏光ビームスプリッタ24に入射する。偏光ビームスプリッタ24に入射した光のうち、S偏光成分の光は図8の左方に反射されて、偏光ビームスプリッタ24の無反射処理が施された面24aへと向かう。一方、P偏光成分の光は偏光ビームスプリッタ24を透過してLCOS25に入射する。LCOS25に入射したP偏光成分の光は、LCOS25の液晶層を進行して不図示の反射膜で反射された後、LCOS25の液晶層を逆方向に進行してLCOS25から射出される。LCOS25から射出された光は、偏光ビームスプリッタ24に再度入射する。LCOS25の液晶層は電圧が印加されると位相板として機能し、P偏光成分の光をS偏光成分の光に変換する。従って、偏光ビームスプリッタ24へ再度入射する光は、S偏光成分とP偏光成分との混合光となる。偏光ビームスプリッタ24は、再入射された光のうちS偏光成分の光のみを反射する。そして、反射されたS偏光成分の光は、光学ローパスフィルタ1および投影レンズ26を介してプロジェクタ21の投影窓から出射される。これにより、LCOS25に表示された画像が投影画像として読み出され、プロジェクタ21の前方の投影領域へ投影される。
In the
かかる他の実施形態の投影装置によれば、一の実施形態の光学ローパスフィルタ1によって投影画像の高周波数成分が除去されるので、投影画像においてLOCOS25の画素格子が鮮明に写って画質が低下することを防止できる。
According to the projection apparatus of another embodiment, since the high-frequency component of the projection image is removed by the optical low-pass filter 1 of one embodiment, the pixel grid of the
<実施形態の補足事項>
(a)上記実施形態では、中心波長が550nmの光学ローパスフィルタの例を説明した。しかし、本発明の光学ローパスフィルタにおいて中心波長は上記の例に限定されるものではない。例えば、色分離プリズムを備えた3板式電子カメラに関し、赤色の波長域、緑色の波長域、青色の波長域をそれぞれ中心波長とする一の実施形態のローパスフィルタを各色の撮像素子の前方に配置してもよい。
<Supplementary items of the embodiment>
(A) In the above embodiment, an example of an optical low-pass filter having a center wavelength of 550 nm has been described. However, the center wavelength in the optical low-pass filter of the present invention is not limited to the above example. For example, for a three-plate electronic camera equipped with a color separation prism, the low-pass filter of one embodiment having a red wavelength region, a green wavelength region, and a blue wavelength region as the center wavelengths is arranged in front of each color image sensor. May be.
(b)上記実施形態では、撮像装置の一例として電子カメラの構成を説明した。しかし、本発明の撮像装置は、例えば一の実施形態のローパスフィルタを一体に備える固体撮像素子であってもよい。 (B) In the above embodiment, the configuration of the electronic camera has been described as an example of the imaging apparatus. However, the imaging apparatus of the present invention may be, for example, a solid-state imaging device that integrally includes the low-pass filter of one embodiment.
(c)上記実施形態では、投影装置の一例としてプロジェクタの構成を説明した。しかし、本発明の投影装置は、例えばヘッドマウントディスプレイなどの表示デバイスであってもよい。 (C) In the above embodiment, the configuration of the projector has been described as an example of the projection apparatus. However, the projection apparatus of the present invention may be a display device such as a head mounted display.
以上の詳細な説明により、実施形態の特徴点および利点は明らかになるであろう。これは、特許請求の範囲が、その精神および権利範囲を逸脱しない範囲で前述のような実施形態の特徴点および利点にまで及ぶことを意図する。また、当該技術分野において通常の知識を有する者であれば、あらゆる改良および変更に容易に想到できるはずであり、発明性を有する実施形態の範囲を前述したものに限定する意図はなく、実施形態に開示された範囲に含まれる適当な改良物および均等物によることも可能である。 From the above detailed description, features and advantages of the embodiments will become apparent. It is intended that the scope of the claims extend to the features and advantages of the embodiments as described above without departing from the spirit and scope of the right. Further, any person having ordinary knowledge in the technical field should be able to easily come up with any improvements and modifications, and there is no intention to limit the scope of the embodiments having the invention to those described above. It is also possible to use appropriate improvements and equivalents within the scope disclosed in.
1…光学ローパスフィルタ、2…第1複屈折板、3…旋光板、4…第2複屈折板、11…電子カメラ、21…プロジェクタ DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Optical low pass filter, 2 ... 1st birefringent plate, 3 ... Optical rotatory plate, 4 ... 2nd birefringent plate, 11 ... Electronic camera, 21 ... Projector
Claims (4)
入射光を2つの直線偏光成分に分離して出射するとともに、前記第1複屈折板と光軸角度が交差する第2複屈折板と、
前記第1複屈折板と前記第2複屈折板との間に配置され、直線偏光の偏光面を回転させる旋光板と、
を備える光学ローパスフィルタ。 A first birefringent plate that divides incident light into two linearly polarized light components and emits the light;
Incident light is separated into two linearly polarized light components and emitted, and a second birefringent plate whose optical axis angle intersects the first birefringent plate;
An optical rotator arranged between the first birefringent plate and the second birefringent plate and rotating a polarization plane of linearly polarized light;
An optical low-pass filter comprising:
前記第1複屈折板と前記第2複屈折板との光軸角度が直交し、
前記旋光板は、入射光の中心波長で直線偏光の偏光面を45°回転させる光学ローパスフィルタ。 The optical low-pass filter according to claim 1,
The optical axis angles of the first birefringent plate and the second birefringent plate are orthogonal,
The optical rotation plate is an optical low-pass filter that rotates the polarization plane of linearly polarized light by 45 ° at the center wavelength of incident light.
前記光学ローパスフィルタを通過した光束による結像を撮像する撮像部と、
を備える撮像装置。 The optical low-pass filter according to claim 1 or 2,
An imaging unit for imaging an image formed by a light beam that has passed through the optical low-pass filter;
An imaging apparatus comprising:
前記光学ローパスフィルタを介して光学像を形成するための光束を外部に出射する投影部と、
を備える投影装置。
The optical low-pass filter according to claim 1 or 2,
A projection unit for emitting a light beam for forming an optical image to the outside via the optical low-pass filter;
A projection apparatus comprising:
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