JP2013217971A - 光学ローパスフィルター及びカメラモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】電気信号によってフィルター効果を切り替える。
【解決手段】光学ローパスフィルター１は、複屈折板１０及び１１と、複屈折板１０及び１１にそれぞれ設けられた電極１２及び１３と、複屈折板１０及び１１に挟持された液晶層１６とを含む。
【選択図】 図１

Description

本発明は、撮像素子に用いられる光学ローパスフィルター、及びそれを備えたカメラモジュールに関する。

デジタルカメラに用いられるＣＣＤイメージセンサやＣＭＯＳイメージセンサなどの撮像素子は、一般的に、赤、青、緑の３色のカラーフィルターが個々の画素上に等間隔に設けられている。一画素では一色の情報しか認識できないため、上下左右の画素情報から演算により色情報を再現している。このため、細かい幾何学模様など空間周波数が高い信号が撮像素子に入力された場合、演算に必要な情報を得られず、本来入力信号のない部分に模様（モアレ）や着色を引き起こしてしまう。

モアレを低減するための１つの手法として、水晶板などの複屈折板が入射光線を常光線と異常光線とに分離する性質を利用した光学ローパスフィルターをレンズと撮像素子との間に配置し、この光学ローパスフィルターによって空間周波数が高い成分をカットするようにしている。しかし、モアレの発生しない被写体においては解像度を低下させるという問題がある。

この問題を解決するため、光学ローパスフィルターを着脱可能にしたカメラ（特許文献１）や、一対の複屈折板からなる光学ローパスフィルターの一方の複屈折板を回転させ、フィルターの効果の有効／無効を切り替える方法（特許文献２）が提案されている。しかし、着脱方式は光学ローパスフィルターの扱いに注意が必要なうえ操作の迅速性に問題があり、複屈折板を回転させる方法は回転させるためのスペースや、モーターや伝動部品などの機械部品を配置するスペースを必要とするため撮影装置が大型化してしまうという問題がある。また、双方とも光学ローパスフィルターを有効にした際の出射光線の強度比は固定されており、被写体に応じてフィルターの効果を調整することは不可能である。

特開２００６−１７１１４９号公報 特開２０１１−９７２８８号公報

本発明は、電気信号によってフィルター効果をダイナミックに切り替えることが可能な光学ローパスフィルター、及びそれを備えたカメラモジュールを提供する。

本発明の一態様に係る光学ローパスフィルターは、第１及び第２の複屈折板と、前記第１及び第２の複屈折板にそれぞれ設けられた第１及び第２の電極と、前記第１及び第２の複屈折板に挟持された第１の液晶層とを具備することを特徴とする。

本発明の一態様に係るカメラモジュールは、前記光学ローパスフィルターと、前記光学ローパスフィルターを透過する光線を受ける撮像素子とを具備することを特徴とする。

本発明によれば、電気信号によってフィルター効果を切り替えることができ、かつ小型化が可能な光学ローパスフィルター、及びそれを備えたカメラモジュールを提供することができる。

第１の実施形態に係る光学ローパスフィルターの断面図。 複屈折板の入射光線の偏光状態を説明する図。 液晶層の電圧−透過率特性を示すグラフ。 光学ローパスフィルターの入射光線の光路変化を説明する図。 光学ローパスフィルターの偏光状態を説明する図。 電圧Ｖｍｉｄを変化させた場合の出射光線Ａ〜Ｃの強度を示すグラフ。 光学ローパスフィルターの漏れ光線を説明する図。 リタデーションと漏れ光線の比率との関係を示すグラフ。 第２の実施形態に係る光学ローパスフィルターの偏光状態を説明する図。 第３の実施形態に係る光学ローパスフィルターの偏光状態を説明する図。 第４の実施形態に係る光学ローパスフィルターの入射光線の光路変化を説明する図。 電圧と出射光線の強度との関係を示すグラフ。 第５の実施形態に係る光学ローパスフィルターの入射光線の光路変化を説明する図。 光学ローパスフィルターの偏光状態を説明する図。 複屈折板の結晶軸角度と異常光線の変位量との関係を示すグラフ。 第６の実施形態に係る光学ローパスフィルターの入射光線の光路変化を説明する図。 第７の実施形態に係る光学ローパスフィルターの断面図。 光学ローパスフィルターの入射光線の光路変化を説明する図。 第８の実施形態に係る光学ローパスフィルターの断面図。 光学ローパスフィルターの偏光状態を説明する図。 第１の液晶層及び第２の液晶層の印加電圧と出射光線との関係を説明する図。 第９の実施形態に係るカメラモジュールの概略図。 カメラモジュールの動作を説明する図。

以下、実施形態について図面を参照して説明する。ただし、図面は模式的または概念的なものであり、各図面の寸法および比率などは必ずしも現実のものと同一とは限らないことに留意すべきである。また、図面の相互間で同じ部分を表す場合においても、互いの寸法の関係や比率が異なって表される場合もある。特に、以下に示す幾つかの実施形態は、本発明の技術思想を具体化するための装置および方法を例示したものであって、構成部品の形状、構造、配置などによって、本発明の技術思想が特定されるものではない。なお、以下の説明において、同一の機能及び構成を有する要素については同一符号を付し、重複説明は必要な場合にのみ行う。

［第１の実施形態］
本実施形態に係る光学ローパスフィルターは、ＣＣＤイメージセンサやＣＭＯＳイメージセンサなどの撮像素子に用いられ、レンズと撮像素子との間に配置される。そして、光学ローパスフィルターは、被写体からレンズに入射した光線のうち高い空間周波数成分を制限することで、擬似信号（本来存在しない信号）の発生に伴う模様（モアレ）や着色を除去する機能を有する。

［１］ 光学ローパスフィルターの構成
図１は、第１の実施形態に係る光学ローパスフィルター１の断面図である。光学ローパスフィルター１は、対向配置される複屈折板１０及び１１と、複屈折板１０及び１１間に挟持された液晶層１６とを備えている。

複屈折板１０の液晶層１６側の面には、透明電極１２及び配向膜１４がこの順に設けられている。複屈折板１１の液晶層１６側の面には、透明電極１３及び配向膜１５がこの順に設けられている。透明電極１２及び１３の各々は、ＩＴＯ（インジウム錫酸化物）等の透明導電膜からなる。

複屈折板１０及び１１の各々は、複屈折性を有する光学部材からなり、例えば水晶板が用いられる。複屈折板１０及び１１は、同じ厚さを有する。図１において、複屈折板１０の厚さｄ１、複屈折板１１の厚さｄ２とすると、ｄ１＝ｄ２である。また、複屈折板１０及び１１は、それらの結晶軸が同一方向を向いている。換言すると、複屈折板１０の結晶軸を含む膜面垂直方向の第１の面は、複屈折板１１の結晶軸を含む膜面垂直方向の第２の面と平行であり、さらに、上記第１の面における複屈折板１０の結晶軸の角度は、上記第２の面における複屈折板１１の結晶軸の角度と同じである。図１において、複屈折板１０の結晶軸の膜面内方向に対する角度θ１、複屈折板１１の結晶軸の膜面内方向に対する角度θ２とすると、θ１＝θ２である。角度θ１及びθ２の条件は、０＜θ１＝θ２＜９０°である。なお、結晶軸とは、複屈折板を構成する分子の長軸方向に対応する。

液晶層１６は、９０°ツイストされたＴＮ（Twisted Nematic）配向を有する。すなわち、無電界時、液晶層１６の液晶分子は、水平方向かつ９０°ツイストされるように配向し、電界印加時、液晶層１６の液晶分子は、垂直方向に立ち上がる。液晶層１６の配向軸は、複屈折板１０の結晶軸を含む膜面垂直方向の第１の面（又は、複屈折板１１の結晶軸を含む膜面垂直方向の第２の面）に対して平行又は垂直である。すなわち、ＴＮ型の液晶層１６は、直交する２つの配向軸が定義できるため、液晶層１６の直交する２つの配向軸の一方は、複屈折板１０の結晶軸を含む膜面垂直方向の第１の面（又は、複屈折板１１の結晶軸を含む膜面垂直方向の第２の面）に対して平行又は垂直である。無電界時の液晶層１６の配向は、ラビング処理された配向膜１４及び１５によって制御される。すなわち、配向膜１４及び１５のラビング方向は直交している。

シール材１７は、複屈折板１０及び１１を貼り合せるとともに、液晶層１６を封止する機能を有する。また、シール材１７は、液晶層１６の厚さを制御するスペーサとしても機能する。

駆動回路１８は、透明電極１２及び１３に電気的に接続されている。駆動回路１８は、透明電極１２及び１３に電圧を印加し、また、透明電極１２及び１３に印加する電圧を制御することで、液晶層１６に印加される電界を制御する。液晶層１６の液晶分子は、電界に応じて配向が制御され、これにより、液晶層１６の偏光状態が変化する。

次に、複屈折板１０及び１１の機能について説明する。図２は、複屈折板１０の入射光線の偏光状態を説明する図である。図２の“ｎｅ”は、分子の長軸方向の屈折率、図２の“ｎｏ”は、分子の短軸方向の屈折率である。なお、複屈折板１１の偏光状態についても図２と同様である。

複屈折板１０に垂直に入射した入射光線は、振動方向が直交する２つの直線偏光（常光線及び異常光線）に分離し、この分離された常光線及び異常光線が複屈折板１０から出射する。常光線は、変位しないが、異常光線は、結晶軸の膜面内投影方向に変位する。異常光線の変位量は、複屈折板１０の結晶軸の角度及び厚さに応じて変化する。

次に、液晶層１６の電圧−透過率特性（ＶＴ特性）について説明する。図３は、液晶層１６の電圧−透過率特性を示すグラフである。図３の横軸は、液晶層１６に印加される電圧、図３の縦軸は、液晶層１６の透過率を表している。なお、図３の透過率は、透過率の最大値が１になるように正規化している。

電圧無印加の状態の電圧をＶ０（＝０Ｖ）、液晶層１６に電圧を印加して液晶分子の変位が完了し透過率変化が無くなった飽和状態の電圧をＶｏｎ、液晶層１６の透過率が変化している範囲の電圧をＶｍｉｄとする。電圧Ｖ０、Ｖｍｉｄ、及びＶｏｎの関係は、Ｖ０＜Ｖｍｉｄ＜Ｖｏｎである。図３に示すように、電圧Ｖ０の場合が透過率＝１（最大値）であり、電圧Ｖｏｎの範囲では透過率＝０、電圧Ｖｍｉｄの範囲では、透過率は、０より大きくかつ１より小さくなっている。

［２］ 光学ローパスフィルター１の動作
次に、光学ローパスフィルター１の動作について説明する。図４は、光学ローパスフィルター１の入射光線の光路変化を説明する図である。図４（ａ）は、液晶層１６に電圧Ｖ０を印加した場合であり、図４（ｂ）は、液晶層１６に電圧Ｖｏｎを印加した場合であり、図４（ｃ）は、液晶層１６に電圧Ｖｍｉｄを印加した場合である。図５は、光学ローパスフィルター１の各層間における入射光線の進行方向に垂直な面での偏光状態を説明する図である。

複屈折板１０に入射した入射光線は、複屈折板１０によって直線偏光され、かつ振動方向が直交する常光線及び異常光線に分離される。複屈折板１０を透過する常光線は変位しないが、複屈折板１０を透過する異常光線は、複屈折板１０の結晶軸の膜面内投影方向に変位する。なお、図５には、複屈折板の結晶軸の膜面内投影方向についても図示している。

透明電極１２及び１３間に電圧を印加しない場合（Ｖ＝Ｖ０）は、液晶層１６の旋光性により偏光面が９０°回転して出射される。よって、複屈折板１０から常光線として出射した光線は複屈折板１１に対しては異常光線となり、複屈折板１０から異常光線として出射した光線は複屈折板１１に対しては常光線となる。このため、複屈折板１０から常光線として出射した光線は、複屈折板１０にて異常光線が分離したのと同一方向及び同一距離だけ複屈折板１１によって変位して出射する。複屈折板１０から異常光線として出射した光線は変位することなく複屈折板１１から出射する。このため、光学ローパスフィルター全体としては光線が分離されずフィルターの効果が無い状態となる。

また、透明電極１２及び１３間に電圧Ｖｏｎを印加した場合は、液晶層１６における偏光状態の変化がない。よって、複屈折板１０から常光線として出射した光線は複屈折板１１に対しても常光線となり、複屈折板１０から異常光線として出射した光線は複屈折板１１に対しても異常光線となる。このため、複屈折板１０から常光線として出射した光線は、変位せずに複屈折板１１より出射し、複屈折板１０から異常光線として出射した光線は複屈折板１０にて異常光線が分離したのと同一方向及び同一距離だけ複屈折板１１によってさらに変位して出射する。よって、光学ローパスフィルター全体としては１本の入射光線が２本の出射光線に分離され、フィルターの効果が有る状態となる。

また、透明電極１２及び１３間に電圧Ｖｍｉｄを印加した場合は、複屈折板１０から２本に分離され出射した光線は、液晶層１６により複屈折板１１の結晶軸に対して平行でも垂直でもない角度の長軸を持つ楕円偏光として出射する。液晶層１６から出射した２つの楕円偏光はそれぞれ、複屈折板１１により常光線と異常光線とに分離される。ここで、複屈折板１０にて異常光線として出射した光線のうち複屈折板１１においては常光線として出射した光線と、複屈折板１０にて常光線として出射した光線のうち複屈折板１１においては異常光線として出射した光線との出射位置は同じである。よって、光学ローパスフィルター全体としては１本の入射光線が３本の出射光線に分離され、電圧Ｖｏｎの場合と異なるフィルターの効果が得られる。

図４（ｃ）において、液晶層１６から出射する楕円偏光の軸角度や楕円率は、電圧Ｖｍｉｄにより決まるため、電圧Ｖｍｉｄを変化させることで出射光線Ａ及びＣと出射光線Ｂとの出射光線強度を変化させることができる。図６は、電圧Ｖｍｉｄを変化させた場合の出射光線Ａ〜Ｃの強度を示すグラフである。図６の横軸は電圧、図６の縦軸は出射光線Ａ〜Ｃの強度を表している。なお、図６の出射光線強度は、強度の最大値が１になるように正規化している。

図６に示すように、電圧Ｖ０の場合は、出射光線Ｂのみが複屈折板１１から出射し、電圧Ｖｏｎの場合は、出射光線Ａ及びＣのみが複屈折板１１から出射する。また、電圧Ｖｍｉｄの場合は、出射光線Ａ〜Ｃが複屈折板１１から出射し、さらに電圧Ｖｍｉｄを変化させると、出射光線Ａ〜Ｃの強度が変化する。

ＴＮ型液晶層１６の旋光性による偏光面の回転角度は、入射光線の波長及び液晶層１６の屈折率異方性Δｎ（＝ｎｅ−ｎｏ）、液晶層１６の厚さｄにより変化し、偏光面の回転角度が９０°からずれた場合の影響は、図７に示す通り、電圧無印加時の漏れ光線となって現れる。図８は、漏れ光線比率を示すグラフである。図８の横軸は、液晶層１６の屈折率異方性Δｎと液晶層１６の厚さｄとの積Δｎ・ｄ（リタデーション）、図８の縦軸は、複屈折板１１から出射する出射光線全体に対する漏れ光線の比率を表している。

透明電極１２及び１３間に電圧を印加しない場合（Ｖ＝Ｖ０）は、フィルターの効果が無い状態であるため、漏れ光線比率はより小さい方が望ましい。具体的には、漏れ光線比率を５％以下にすることを考えると、図８より、液晶層１６のリタデーションΔｎ・ｄは、４２０ｎｍ以上かつ６００ｎｍ以下の範囲、及び９３０ｎｍ以上が望ましい。

［３］ 効果
以上詳述したように第１の実施形態では、光学ローパスフィルター１は、複屈折板１０及び１１と、複屈折板１０及び１１にそれぞれ設けられた透明電極１２及び１３と、複屈折板１０及び１１に挟持された液晶層１６とを備えている。複屈折板１０及び１１の厚さは同一に設定され、複屈折板１０の結晶軸を含む膜面垂直方向の第１の面は、複屈折板１１の結晶軸を含む膜面垂直方向の第２の面と平行に設定され、上記第１及び第２の面において、複屈折板１０及び１１の結晶軸の角度は同一に設定される。また、液晶層１６は、９０°ツイストされたＴＮ配向を有し、その配向軸は、上記第１の面に対して平行又は垂直に設定される。そして、駆動回路１８により透明電極１２及び１３間の電圧を制御することで、光学ローパスフィルター１のモードを変えるようにしている。

従って第１の実施形態によれば、電気信号によって、１本の入射光線を分離せずに１本の出射光線を出射する第１のモード、１本の入射光線を分離して２本の出射光線を出射する第２のモード、及び１本の入射光線を分離して３本の出射光線を出射する第３のモード、の３つのモードを実現することができる。すなわち、第１の実施形態によれば、フィルター効果が無いオフ状態（第１のモード）、及びフィルター効果があるオン状態（第２のモード）以外に、オフ状態とオン状態との中間状態を実現できる。

また、第３のモードにおいてさらに電圧Ｖｍｉｄを変化させることで、複数の出射光線間の強度比を変化させることができる。これにより、被写体の空間周波数に応じ、フィルターの効果を調整することが可能である。

また、レンズユニットや光学ローパスフィルターを外すことなくフィルター効果の切り替えが可能であるため、光路内への異物等の流入を防ぐことができる。また、フィルター効果を迅速かつ容易に切り替えることができる。

また、液晶層１６とこれの電圧を制御する駆動回路１８によりフィルター効果の切り替えが可能であるため、機械部品が不要であり、撮像装置の小型化及び軽量化を実現できる。

［第２の実施形態］
第１の実施形態では、ＴＮ型液晶層を用いて光学ローパスフィルターを構成している。第２の実施形態では、ホモジニアス配向を有する液晶層を用いた光学ローパスフィルターの構成例である。

図９は、第２の実施形態に係る光学ローパスフィルター１の各層間における入射光線の進行方向に垂直な面での偏光状態を説明する図である。光学ローパスフィルター１の構造は、液晶層１６の配向が異なる以外は、図１と同じである。

液晶層１６は、ホモジニアス配向を有する。すなわち、無電界時、液晶層１６の液晶分子は、水平方向に配向し、電界印加時、液晶層１６の液晶分子は、垂直方向に立ち上がる。液晶層１６の配向軸は、複屈折板１０及び１１の結晶軸を含む面に対して４５°傾いている。

図９の構成の場合、液晶層１６における入射光線の偏光状態は、液晶層１６の配向軸を基準とした面内位相差の変化に従うため、面内位相差を印加電圧で変化させることでフィルターの効果を切り替えることができる。液晶層１６は、透明電極１２及び１３に印加する電圧に応じて、位相差δ＝λ／２、位相差δ＝０、位相差０＜δ＜λ／２、の３つの状態に設定される。λは、波長である。

液晶層１６の位相差δ＝λ／２に設定するには、液晶分子を水平方向に配向させる。液晶層１６の位相差δ＝０に設定するには、液晶分子を垂直方向に配向させる。液晶層１６の位相差０＜δ＜λ／２に設定するには、液晶分子を水平方向と垂直方向との間の中間状態に配向させる。

液晶層１６の位相差δ＝λ／２の場合は、第１の実施形態の電圧Ｖ０における光学ローパスフィルターと同じであり、すなわち、フィルターの効果が無い状態となる。液晶層１６の位相差δ＝０の場合は、第１の実施形態の電圧Ｖｏｎにおける光学ローパスフィルターと同じであり、すなわち、フィルターの効果が有る状態となる。液晶層１６の位相差０＜δ＜λ／２の場合は、第１の実施形態の電圧Ｖｍｉｄにおける光学ローパスフィルターと同じであり、すなわち、光学ローパスフィルター全体としては１本の入射光線が３本の出射光線に分離され、電圧Ｖｏｎの場合と異なるフィルターの効果が得られる。

偏光面を９０°回転させるための条件は、液晶層１６が１／２波長板として機能する場合であるので、液晶層１６の屈折率異方性Δｎと液晶層１６の厚さｄとの積Δｎ・ｄ（リタデーション）は、２７０ｎｍ以上でなければならない。

［第３の実施形態］
第３の実施形態では、ホメオトロピック配向を有する液晶層、すなわちＶＡ（Vertical Alignment）型の液晶層を用いた光学ローパスフィルターの構成例である。

図１０は、第３の実施形態に係る光学ローパスフィルター１の各層間における入射光線の進行方向に垂直な面での偏光状態を説明する図である。光学ローパスフィルター１の構造は、液晶層１６の配向が異なる以外は、図１と同じである。

液晶層１６は、ホメオトロピック配向を有する。すなわち、無電界時、液晶層１６の液晶分子は、垂直方向に配向し、電界印加時、液晶層１６の液晶分子は、水平方向に寝る。液晶層１６が水平配向になった場合の配向軸は、複屈折板１０及び１１の結晶軸を含む面に対して４５°傾いている。すなわち、液晶層１６は、電界印加時に、液晶分子が同一方向（複屈折板１０及び１１の結晶軸を含む面に対して４５°方向）に傾斜するように配向処理されている。

図１０の構成の場合、液晶層１６における入射光線の偏光状態は、液晶層１６の配向軸を基準とした面内位相差の変化に従うため、面内位相差を印加電圧で変化させることでフィルターの効果を切り替えることができる。液晶層１６は、透明電極１２及び１３に印加する電圧に応じて、位相差δ＝０、位相差δ＝λ／２、位相差０＜δ＜λ／２、の３つの状態に設定される。

液晶層１６の位相差δ＝０に設定するには、液晶分子を垂直方向に配向させる。液晶層１６の位相差δ＝λ／２に設定するには、液晶分子を水平方向に配向させる。液晶層１６の位相差０＜δ＜λ／２に設定するには、液晶分子を水平方向と垂直方向との間の中間状態に配向させる。

液晶層１６の位相差δ＝０の場合は、第１の実施形態の電圧Ｖｏｎにおける光学ローパスフィルターと同じであり、すなわち、フィルターの効果が有る状態となる。液晶層１６の位相差δ＝λ／２の場合は、第１の実施形態の電圧Ｖ０における光学ローパスフィルターと同じであり、すなわち、フィルターの効果が無い状態となる。液晶層１６の位相差０＜δ＜λ／２の場合は、第１の実施形態の電圧Ｖｍｉｄにおける光学ローパスフィルターと同じであり、すなわち、光学ローパスフィルター全体としては１本の入射光線が３本の出射光線に分離され、電圧Ｖｏｎの場合と異なるフィルターの効果が得られる。

偏光面を９０°回転させるための条件は、液晶層１６が１／２波長板として機能する場合であるので、液晶層１６の屈折率異方性Δｎと液晶層１６の厚さｄとの積Δｎ・ｄ（リタデーション）は、２７０ｎｍ以上でなければならない。

［第４の実施形態］
第４の実施形態は、複屈折板１０及び１１の結晶軸の向きを異なるように設定し、具体的には、第１の実施形態の複屈折板１１の結晶軸を１８０°回転させて光学ローパスフィルターの構成した実施例である。

図１１は、第４の実施形態に係る光学ローパスフィルター１の入射光線の光路変化を説明する図である。図１１（ａ）は、液晶層１６に電圧Ｖ０を印加した場合であり、図１１（ｂ）は、液晶層１６に電圧Ｖｏｎを印加した場合であり、図１１（ｃ）は、液晶層１６に電圧Ｖｍｉｄを印加した場合である。

複屈折板１０の厚さｄ１と複屈折板１１の厚さｄ２とは同じである。また、複屈折板１１の結晶軸は、複屈折板１０の結晶軸を１８０°回転させた角度を有している。換言すると、複屈折板１０の結晶軸を含む膜面垂直方向の第１の面は、複屈折板１１の結晶軸を含む膜面垂直方向の第２の面と平行であり、さらに、上記第２の面における複屈折板１１の結晶軸は、上記第１の面における複屈折板１０の結晶軸と１８０°回転対称である。図１１において、複屈折板１０の結晶軸の膜面内方向に対する鋭角θ１、複屈折板１１の結晶軸の膜面内方向に対する鋭角θ２とすると、θ１＝θ２である。角度θ１及びθ２の条件は、０＜θ１＝θ２＜９０°である。

図１１において、液晶層１６から出射した光線の偏光状態は、図４と同じである。ここで、液晶層１６から出射した光線のうち複屈折板１１に対して異常光線となる光線の変位方向が図４とは逆方向になる。よって、透明電極１２及び１３間に電圧を印加しない場合（Ｖ＝Ｖ０）は、２本の出射光線に分離され、フィルターの効果が有る状態となる。一方、透明電極１２及び１３間に電圧Ｖｏｎを印加した場合は、フィルターの効果が無い状態となる。

透明電極１２及び１３間に電圧Ｖｍｉｄを印加した場合は、図４（ｃ）の場合と同様に１本の入射光線が３本の出射光線に分離されるローパスフィルターとなるが、印加電圧の大小と出射光線強度との関係は、図１２に示す通り、図６とは逆になる。

図１１では、複屈折板１１の結晶軸を１８０°回転させたが、第１の実施形態の複屈折板１０の結晶軸を１８０°回転させた場合でも同様の効果となる。

［第５の実施形態］
第５の実施形態は、複屈折板１０と複屈折板１１との厚さの関係を変えることで、第１の実施形態と異なるフィルター効果を実現するようにしている。

図１３は、第５の実施形態に係る光学ローパスフィルター１の入射光線の光路変化を説明する図である。図１３（ａ）は、液晶層１６に電圧Ｖ０を印加した場合であり、図１３（ｂ）は、液晶層１６に電圧Ｖｏｎを印加した場合であり、図１３（ｃ）は、液晶層１６に電圧Ｖｍｉｄを印加した場合である。図１４は、光学ローパスフィルター１の各層間における入射光線の進行方向に垂直な面での偏光状態を説明する図である。

第１の実施形態との違いは、複屈折板１０と複屈折板１１との厚さが異なることであり、ここでは、複屈折板１１は、複屈折板１０の１／２の厚さとする。すなわち、複屈折板１０の厚さｄ１と複屈折板１１の厚さｄ２との関係は、ｄ２＝ｄ１／２である。複屈折板１０及び１１の結晶軸の角度θ１及びθ２の条件は、第１の実施形態と同じである。よって、第５の実施形態では、複屈折板１１に対して異常光線となる光線の変位量が第１の実施形態の図４の変位量の１／２となる。

複屈折板１０及び液晶層１６から出射した光線の偏光状態は、図４と同じである。図１３（ａ）において、複屈折板１１に対して異常光線となる光線の変位量が複屈折板１０の変位量の１／２となるため、透明電極１２及び１３間に電圧を印加しない場合（Ｖ＝Ｖ０）でもフィルターの効果が有る状態となる。複屈折板１１から出射した光線間の距離は、図４（ｂ）の電圧Ｖｏｎを印加した場合の光線間の距離の１／４となる。

また、図１３（ｂ）において、液晶層１６に電圧Ｖｏｎを印加した場合は、複屈折板１１に対して異常光線となる光線の変位量が複屈折板１０の変位量の１／２となるため、図４（ｂ）の電圧Ｖｏｎを印加した場合の光線間の距離の３／４となる。

また、図１３（ｃ）において、液晶層１６に電圧Ｖｍｉｄを印加した場合は、複屈折板１０にて異常光線として出射した光線のうち複屈折板１１においては常光線として出射した光線と、複屈折板１０にて常光線として出射した光線のうち複屈折板１１においては異常光線として出射した光線との出射位置が異なる。よって、液晶層１６に電圧Ｖｍｉｄを印加した場合は、複屈折板１１から４本の光線が出射する。

このように、複屈折板の結晶軸の角度を固定した場合、入射した異常光線の変位量は複屈折板の厚さで決まるため、複屈折板１０及び複屈折板１１の厚さをそれぞれ変更することで、複屈折板１１から出射する光線間の距離を任意に設定することができる。

［第６の実施形態］
第６の実施形態は、複屈折板１０と複屈折板１１との結晶軸の角度を変えることで、第１の実施形態と異なるフィルター効果を実現するようにしている。

複屈折板から出射する異常光線の変位量は、複屈折板の結晶軸角度に応じて変化する。図１５は、複屈折板の結晶軸角度と異常光線の変位量との関係を示すグラフである。図１５の横軸は、複屈折板の結晶軸角度、図１５の縦軸は、複屈折板から出射する異常光線における入射光線の位置からの変位量である。

図１５に示すように、複屈折板の結晶軸の角度が０、すなわち結晶軸が膜面内方向である場合、及び、結晶軸の角度が９０°、すなわち結晶軸が膜面垂直方向である場合、異常光線の変位量は０である。そして、結晶軸の角度が４５°に近づくにつれて変位量が大きくなり、結晶軸の角度が４５°で変位量が最大値となる。

図１６は、第６の実施形態に係る光学ローパスフィルター１の入射光線の光路変化を説明する図である。図１６（ａ）は、液晶層１６に電圧Ｖ０を印加した場合であり、図１６（ｂ）は、液晶層１６に電圧Ｖｏｎを印加した場合であり、図１６（ｃ）は、液晶層１６に電圧Ｖｍｉｄを印加した場合である。

第１の実施形態との違いは、複屈折板１０及び１１の結晶軸の角度θ１及びθ２が異なることであり、θ２≠θ１である。複屈折板１０の厚さｄ１と複屈折板１１の厚さｄ２とは同じである。第６の実施形態では、複屈折板１１に対して異常光線となる光線の変位量が第１の実施形態の場合と異なる。

図１６に示す通り、異常光線の変位量は、複屈折板１０及び複屈折板１１の結晶軸の角度をそれぞれ変えることによって変化するため、第６の実施形態でも、第５の実施形態の複屈折板の厚さを変えた場合と同様な効果が得られる。

［第７の実施形態］
第７の実施形態は、光学ローパスフィルター１を安価に製造するためのより具体的な構成例である。

図１７は、第７の実施形態に係る光学ローパスフィルター１の断面図である。光学ローパスフィルター１は、液晶層１６を挟持するための透明基板２２及び２３を備えている。透明基板２２及び２３としては、例えばガラス基板が用いられる。

透明基板２２には、透明電極１２及び配向膜１４が設けられている。透明基板２３には、透明電極１３及び配向膜１５が設けられている。液晶層１６は、配向膜１４及び１５に接するようにして、透明基板２２及び２３に挟持される。

透明基板２２の液晶層１６と反対側の面には、複屈折板１０が設けられている。複屈折板１０は、透明な接着剤２０によって透明基板２２に固定されている。透明基板２３の液晶層１６と反対側の面には、複屈折板１１が設けられている。複屈折板１１は、透明な接着剤２１によって透明基板２３に固定されている。シール材１７は、透明基板２２及び２３を貼り合せるとともに、液晶層１６を封止する機能を有する。液晶層１６、及び複屈折板１０及び１１の構成は、第１の実施形態と同じである。

図１８は、光学ローパスフィルター１の入射光線の光路変化を説明する図である。図１８（ａ）は、液晶層１６に電圧Ｖ０を印加した場合であり、図１８（ｂ）は、液晶層１６に電圧Ｖｏｎを印加した場合であり、図１８（ｃ）は、液晶層１６に電圧Ｖｍｉｄを印加した場合である。図１８に示す通り、第７の実施形態に係る光学ローパスフィルター１は、第１の実施形態と同じ光学的な効果を有する。

第７の実施形態によれば、液晶層を通常の液晶表示素子と同様に大型基板による多面付けで製造することが可能であり、ガラス基板に挟まれた液晶層からなるユニットを安価に製造できる。また、液晶層の欠陥を選別し、良品のみを複屈折板と貼り合わせるという製造工程を実施できるので、高価な複屈折板の液晶層欠陥による損出を抑えることができる。

［第８の実施形態］
第８の実施形態は、第１の実施形態で示した光学ローパスフィルターを２個組み合わせることで、第１の実施形態と異なるフィルターの効果を実現している。

図１９は、第８の実施形態に係る光学ローパスフィルター１の断面図である。光学ローパスフィルター１は、第１の光学ローパスフィルター１−１、第２の光学ローパスフィルター１−２、及び１／４波長板３０を備えている。第１の光学ローパスフィルター１−１は、透明な接着剤３１によって１／４波長板３０に固定されている。第２の光学ローパスフィルター１−２は、透明な接着剤３２によって１／４波長板３０に固定されている。１／４波長板３０は、直線偏光を円偏光に変換、又は円偏光を直線偏光に変換する。

第１の光学ローパスフィルター１−１は、複屈折板１０−１及び１１−１と、透明電極１２−１及び１３−１と、配向膜１４−１及び１５−１と、液晶層１６−１と、シール材１７−１とを備えている。第２の光学ローパスフィルター１−２は、複屈折板１０−２及び１１−２と、透明電極１２−２及び１３−２と、配向膜１４−２及び１５−２と、液晶層１６−２と、シール材１７−２とを備えている。第１の光学ローパスフィルター１−１及び第２の光学ローパスフィルター１−２はそれぞれ、第１の光学ローパスフィルターと同じ構成である。

第１の光学ローパスフィルター１−１及び第２の光学ローパスフィルター１−２は、複屈折板１０−１及び１１−１の結晶軸を含む面と、複屈折板１０−２及び１１−２の結晶軸を含む面とが互いに直交するように配置される。１／４波長板３０は、その遅相軸が、複屈折板１０−１及び１１−１の結晶軸を含む面（又は、複屈折板１０−２及び１１−２の結晶軸を含む面）に対し４５°となるよう配置される。

図２０は、光学ローパスフィルター１の各層間における入射光線の進行方向に垂直な面での偏光状態を説明する図である。

第１の光学ローパスフィルター１−１及び第２の光学ローパスフィルター１−２の双方の液晶層１６−１及び１６−２に電圧を印加しない場合（Ｖ＝Ｖ０）は、第１の光学ローパスフィルター１−１に入射した１本の光線は、第２の光学ローパスフィルター１−２より１本の光線として出射する。

また、液晶層１６−１及び１６−２に電圧Ｖｏｎを印加した場合は、第１の光学ローパスフィルター１−１に入射した光線は、第２の光学ローパスフィルター１−２より４本の光線に分離されて出射する。

また、液晶層１６−１及び１６−２に電圧Ｖｍｉｄを印加した場合は、第１の光学ローパスフィルター１−１に入射した光線は、第２の光学ローパスフィルター１−２より９本の光線に分離されて出射する。

図２０では、第１の光学ローパスフィルター１−１及び第２の光学ローパスフィルター１−２の双方の液晶層１６−１及び１６−２に同じ電圧を印加した動作を説明したが、液晶層１６−１及び１６−２に印加する電圧を組み合わせることで、第２の光学ローパスフィルター１−２より出射する光線の本数を１〜９本の間でより細かく切り替えることができる。図２１は、第１の液晶層１６−１及び第２の液晶層１６−２の印加電圧と出射光線との関係を説明する図である。図２１（ａ）は、第１の光学ローパスフィルター１−１に入射する入射光線の進行方向に垂直な面での偏光状態を説明する図である。図２１（ｂ）は、第２の光学ローパスフィルター１−２から出射する出射光線の進行方向に垂直な面での偏光状態を説明する図である。

図２１に示す通り、第１の液晶層１６−１及び第２の液晶層１６−２に印加する電圧Ｖを、Ｖ０、Ｖｏｎ、及びＶｍｉｄから選択して組み合わせることで、第１の光学ローパスフィルター１−１に入射する１本の光線が第２の光学ローパスフィルター１−２から出射する光線の本数を１本、２本、３本、４本、６本、９本のいずれかに切り替えることができる。

［第９の実施形態］
第９の実施形態は、上記第１乃至第８の実施形態で示した光学ローパスフィルター１を用いたカメラモジュールの構成例である。図２２は、第９の実施形態に係るカメラモジュール４０の概略図である。

カメラモジュール４０は、レンズ４１、光学ローパスフィルター１、カラーフィルター部４２、及び撮像素子４３を備えている。光学ローパスフィルター１は、レンズ４１及びカラーフィルター部４２間に配置される。カラーフィルター部４２は、画素ごとに設けられ、かつ赤フィルター、緑フィルター、青フィルターの３色のカラーフィルターを含む複数のカラーフィルターから構成される。

撮像素子４３は、ＣＣＤイメージセンサやＣＭＯＳイメージセンサなどから構成される。撮像素子４３は、光学ローパスフィルター１を透過して入射される被写体光線を電気信号に変換する。撮像素子４３は、複数の画素を備えており、各画素は、光電変換素子（例えばフォトダイオード）、及び光電変換して得られる電気信号を読み出すＭＯＳＦＥＴなどを含む。

次に、上記のように構成されたカメラモジュール４０の動作について説明する。図２３は、カメラモジュール４０の動作を説明する図である。図２３では、第１の実施形態の図４で説明した光学ローパスフィルター１を用いたカメラモジュール４０を一例として説明する。図２３（ａ）は、光学ローパスフィルター１の液晶層１６に電圧Ｖ０を印加した場合であり、図２３（ｂ）は、液晶層１６に電圧Ｖｏｎを印加した場合であり、図２３（ｃ）は、液晶層１６に電圧Ｖｍｉｄ（Ｌｏｗ）を印加した場合であり、図２３（ｄ）は、液晶層１６に電圧Ｖｍｉｄ（Ｈｉｇｈ）を印加した場合である。図２３において、光線を示す矢印の太さは、光線の強度を表している。

図２３に示すように、光学ローパスフィルター１の液晶層１６に印加する電圧に応じて、光学ローパスフィルター１の出射光線を１本、２本、３本のいずれかに切り替えられる。さらに、図２３（ｃ）及び図２３（ｄ）に示すように、電圧Ｖｍｉｄを変化させることで、出射光線Ａ及びＣと出射光線Ｂとの強度比を変化させることができる。電圧Ｖｍｉｄ（Ｌｏｗ）と電圧Ｖｍｉｄ（Ｈｉｇｈ）との関係は、Ｖｍｉｄ（Ｌｏｗ）＜Ｖｍｉｄ（Ｈｉｇｈ）である。

このように、第１乃至第８の実施形態で示した光学ローパスフィルター１を用いてカメラモジュール４０を構成することができる。そして、被写体の空間周波数に応じて光学ローパスフィルター１の効果を調整することができる。

本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で、構成要素を変形して具体化することが可能である。さらに、上記実施形態には種々の段階の発明が含まれており、１つの実施形態に開示される複数の構成要素の適宜な組み合わせ、若しくは異なる実施形態に開示される構成要素の適宜な組み合わせにより種々の発明を構成することができる。例えば、実施形態に開示される全構成要素から幾つかの構成要素が削除されても、発明が解決しようとする課題が解決でき、発明の効果が得られる場合には、これらの構成要素が削除された実施形態が発明として抽出されうる。

１…光学ローパスフィルター、１０，１１…複屈折板、１２，１３…透明電極、１４，１５…配向膜、１６…液晶層、１７…シール材、１８…駆動回路、２０，２１，３１，３２…接着剤、２２，２３…透明基板、３０…１／４波長板、４０…カメラモジュール、４１…レンズ、４２…カラーフィルター部、４３…撮像素子。

Claims (15)

1. 第１及び第２の複屈折板と、
   前記第１及び第２の複屈折板にそれぞれ設けられた第１及び第２の電極と、
   前記第１及び第２の複屈折板に挟持された第１の液晶層と、
   を具備することを特徴とする光学ローパスフィルター。
2. 前記第１及び第２の複屈折板の厚さが同じであり、
   前記第１の複屈折板の結晶軸を含む膜面垂直方向の第１の面は、前記第２の複屈折板の結晶軸を含む膜面垂直方向の第２の面と平行であり、
   前記第１及び第２の面において、前記第１及び第２の複屈折板の結晶軸の角度が同じであることを特徴とする請求項１に記載の光学ローパスフィルター。
3. 前記第１及び第２の複屈折板の厚さが異なり、
   前記第１の複屈折板の結晶軸を含む膜面垂直方向の第１の面は、前記第２の複屈折板の結晶軸を含む膜面垂直方向の第２の面と平行であり、
   前記第１及び第２の面において、前記第１及び第２の複屈折板の結晶軸の角度が同じであることを特徴とする請求項１に記載の光学ローパスフィルター。
4. 前記第１及び第２の複屈折板の厚さが同じであり、
   前記第１の複屈折板の結晶軸を含む膜面垂直方向の第１の面は、前記第２の複屈折板の結晶軸を含む膜面垂直方向の第２の面と平行であり、
   前記第１及び第２の面において、前記第１及び第２の複屈折板の結晶軸の角度が異なることを特徴とする請求項１に記載の光学ローパスフィルター。
5. 前記第１の複屈折板の結晶軸の膜面内方向に対する角度θ１、前記第２の複屈折板の結晶軸の膜面内方向に対する角度θ２とすると、０＜θ１＜９０°、０＜θ２＜９０°であることを特徴とする請求項２乃至４のいずれかに記載の光学ローパスフィルター。
6. 前記第１の液晶層は、９０°ツイストされたＴＮ配向を有し、
   前記第１の液晶層の配向軸は、前記第１の面に対して平行又は垂直であることを特徴とする請求項２乃至５のいずれかに記載の光学ローパスフィルター。
7. 前記第１の液晶層のリタデーションは、４２０ｎｍ以上かつ６００ｎｍ以下の範囲、及び９３０ｎｍ以上であることを特徴とする請求項６に記載の光学ローパスフィルター。
8. 前記第１の液晶層は、ホモジニアス配向を有し、
   前記第１の液晶層の配向軸は、前記第１の面に対して４５°であることを特徴とする請求項２乃至５のいずれかに記載の光学ローパスフィルター。
9. 前記第１の液晶層は、ホメオトロピック配向を有し、
   前記第１の液晶層の配向軸は、前記第１の面に対して４５°であることを特徴とする請求項２乃至５のいずれかに記載の光学ローパスフィルター。
10. 前記第１の液晶層のリタデーションは、２７０ｎｍ以上であることを特徴とする請求項８又は９に記載の光学ローパスフィルター。
11. 前記第１の複屈折板と前記第１の電極との間に設けられた第１の基板と、
    前記第２の複屈折板と前記第２の電極との間に設けられた第２の基板とをさらに具備することを特徴とする請求項１乃至１０のいずれかに記載の光学ローパスフィルター。
12. 前記第１の液晶層に印加される電圧に応じて、１本の入射光線を分離して２本の出射光線を出射する第１のモードと、１本の入射光線を分離して３本以上の出射光線を出射する第２のモードとを有することを特徴とする請求項１乃至１１のいずれかに記載の光学ローパスフィルター。
13. 前記第１及び第２の電極に電気的に接続され、前記第１の液晶層に印加される電圧を制御する駆動回路をさらに具備することを特徴とする請求項１乃至１２のいずれかに記載の光学ローパスフィルター。
14. 第３及び第４の複屈折板と、
    前記第３及び第４の複屈折板にそれぞれ設けられた第３及び第４の電極と、
    前記第３及び第４の複屈折板に挟持された第２の液晶層と、
    前記第２の複屈折板と前記第３の複屈折板との間に設けられた１／４波長板とをさらに具備することを特徴とする請求項１乃至１１のいずれかに記載の光学ローパスフィルター。
15. 前記請求項１乃至１４のいずれかに記載の光学ローパスフィルターと、
    前記光学ローパスフィルターを透過する光線を受ける撮像素子と、
    を具備することを特徴とするカメラモジュール。

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