JP2013257408A - 光学ローパスフィルタおよび撮像機器 - Google Patents

Abstract

【課題】安価かつ高い精度で小型化できるとともに、ヘイズ値の小さい光学ローパスフィルタおよび撮像機器を提供する。
【解決手段】本発明による光学ローパスフィルタは、液晶の複屈折性を利用して入射する光を複数の光に分離する分離素子を備え、前記分離素子は、所望とする最大の分離幅［μｍ］と、異常光と常光の屈折率の差である屈折率差との関係が、以下の条件式（Ａ１）を満たす液晶を用いて形成された液晶層を有し、前記分離素子のヘイズ値が２．０以下であることを特徴とする。
条件式（Ａ１）：
（１．２／分離幅） ≦ 屈折率差
【選択図】図４

Description

本発明は、光学ローパスフィルタおよびこの光学ローパスフィルタを有する撮像機器に関する。

ビデオカメラ、デジタルカメラ等の撮像機器には、ＣＣＤ（Charge Coupled Device ）、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor ）等のイメージセンサ（撮像素子）が用いられており、画素ごとに外部信号として入る光に対して光電変換をして光の明暗の程度を電荷の量に変え、得られた電気信号を順次処理することによってデジタル画像を生成する。このようなイメージセンサは、イメージセンサにおける画素ピッチよりも細かい空間周波数を有する画像の撮像を行うと、本来の画像と異なる模様（モアレ）や偽色が発生する場合がある。

このようなモアレや偽色を防止するために、ビデオカメラ、デジタルカメラ等の撮像機器では、光学ローパスフィルタ（ＯＬＰＦ：Optical Low Pass Filter ）を用いてイメージセンサに入射する画素ピッチの周波数（サンプリング周波数）付近をカットすることにより、モアレや偽色の現象を生じさせないような工夫が施されている。ＯＬＰＦは、例えば水晶などの複屈折板を有し、入射する２次元画像を水平方向及び／又は垂直方向に僅かな距離だけ分離させることによって、サンプリング周波数付近をカットする機能を実現している。

水晶の複屈折板を用いてＯＬＰＦを作製する場合、例えば、２０００万画素のＡＰＳ−Ｃ（Advanced Photo System -C type）撮像素子の画素間隔相当の分離幅である約４μｍを実現しようとすると、約７００μｍの厚さが必要となる。ＯＬＰＦの基板厚が大きくなると、それだけ撮像機器の厚さが増すことになり好ましくない。

素子の厚さを低減させる目的で、例えば、特許文献１，２には、液晶を用いてＯＬＰＦを作製する例が記載されている。

特許文献１には、互いに対向した第１基体と第２基体との対向面にそれぞれ配向膜を形成し、これらの配向膜側において第１基体と第２基体との間に設けられた１０〜２００μｍの間隙内に、使用温度でネマチック液晶又はカイラルネマチック液晶組成物からなると共に、配向膜と液晶とのプレチルト角が９〜８１度となる液晶を挿入してなる液晶光学素子をローパスフィルタとして用いる例が記載されている。このようなローパスフィルタを用いることによって、高周波成分のカット機能を良好に発揮するとともに、素子の厚みを小さくして重量、容積率、コストを低減し、かつ、光散乱を低減できると記載されている。

また、特許文献２には、液晶分子を配向させた状態で重合させることにより複屈折性を有するローパスフィルタを作成した場合の問題として、透明性の低さが挙げられており、その問題を解決するために、所定の化学式で表される単官能アクリレート化合物および単官能メタクリレート化合物から選ばれた、液晶相を示す単量体よりなる液晶性単量体成分を主成分として含有すると共に、この液晶性単量体成分の単量体と共重合する多官能性単量体よりなる架橋性単量体成分を含有し、室温またはその付近の温度において液晶相を示す重合性液晶組成物を用いることが記載されている。特許文献２には、そのような重合性液晶組成物を用いることによって、重合後に厚みが１０〜２００μｍであり、ヘイズ値が１．５以下である高分子製光学的ローパスフィルタを得られると記載されている。

ところで、光学ローパスフィルタには、撮像に必要な画素ピッチに合わせて、入射する２次元画像を特定の距離だけ分離させるものであるが、例えば、静止画と動画との間では、撮像に必要な画素数が異なることから画素ピッチも異なる。このように、画素ピッチが異なる画像を撮像する撮像機器では、当然入力する２次元画像を分離する距離（以下、「分離距離」あるいは「分離幅」という。）の適切値が異なることになる。

例えば、静止画および動画の双方に対応するためには、ローパスフィルタによる分離距離を適切に制御することが要求される。特に、静止画だけでなく動画も撮像できるデジタルカメラについては、静止画および動画の双方において、高精度の画質が要求される。例えば、デジタル一眼レフカメラにおいて、静止画では１０００万画素以上の画質であるのに対し、動画ではフルＨＤ（High Definition ）対応であっても約２００万画素と大きく異なる。よって、動画か静止画かの撮影モードに対応して適切なモアレや偽色の現象の低減が要求される。

このように、画素ピッチが異なる画像を撮像する撮像機器において、いずれの画像についても高精度の画質を得ようとする場合には、画素ピッチに応じて分離距離を適切に制御できることが好ましい。

また、撮像対象によって要求する解像度を変えたり、モアレや偽色の低減機能の有無を切り替えたいという要望も考えられることから、撮影する解像度モードやモアレや偽色の低減機能の有無の設定に応じて、分離距離の調整や、ローパスフィルタ機能の有無を切り替えられることが好ましい。

分離距離を可変とする技術に関して、例えば、特許文献３には、カメラの光路中に、分離距離が異なるＯＬＰＦ素子（静止画用のＯＬＰＦ素子と動画用のＯＬＰＦ素子）を用意しておき、それらを撮影モードに応じて入れ換えることによって、静止画であっても動画であっても適切にモアレを解消する光学的ローパスフィルタの例が記載されている。

特開平６−３１７８０３号公報 特開２００３−１９５０４９号公報 特許第４３０６０２２号公報

しかし、特許文献１に記載されている液晶光学素子は、ヘイズについて何ら考慮がされていない。例えば、特許文献１には、実施例として、Δｎ＝０．１９の液晶材料を使ってギャップを１００μｍとした場合に、プレチルト角を３５度とすると、分離幅が１２．５μｍを実現できる旨が記載されているが、この条件においてヘイズ値は８〜９程度となることが予想される。このようにヘイズ値が高いと、撮像した画像のコントラストが低下する問題があった。

また、特許文献２には、液晶性単量体成分の単量体と共重合する多官能性単量体よりなる架橋性単量体成分を含有する重合性液晶組成物の使用により、高い透明性を実現した例が記載されているが、このように特殊な液晶材料を用いると材料選択の幅が狭まり、好ましくない。

そこで、本発明の第１の目的は、安価かつ高い精度で小型化できるとともに、ヘイズ値の小さい光学ローパスフィルタおよび撮像機器を提供することである。

また、分離距離を可変とする技術に関して、特許文献３に記載された光学的ローパスフィルタでは、静止画用のＯＬＰＦ素子と動画用のＯＬＰＦ素子といった２種類のＯＬＰＦ素子を備える必要があり、また、光路中にいずれか一方のＯＬＰＦ素子を出し入れする機械的機構を備える必要があり、高い信頼性を得ることが困難、かつ小型化できないという問題があった。

本発明の第２の目的は、そのような問題に鑑みて、さらに異なる画像ピッチの画像を撮像する撮像機器においても、安価かつ高い精度で小型化できるとともにヘイズ値が小さくてモアレや偽色の現象を低減できる光学ローパスフィルタおよび撮像機器を提供することである。

また、本発明の第３の目的は、撮像対象によって解像度を切り替えてモアレや偽色の低減機能の有無をユーザが任意に切り替え可能な撮像機器においても、解像度の向上や適切なモアレや偽色の低減を実現するために、安価かつ高い精度で小型化できるとともにヘイズ値の小さいローパスフィルタ機能の有無を自由に切り替え可能な光学ローパスフィルタおよび撮像機器を提供することである。

本発明による光学ローパスフィルタは、液晶の複屈折性を利用して入射する光を複数の光に分離する分離素子（例えば、分離素子１０）を備え、分離素子は、所望とする最大の分離幅［μｍ］と、異常光と常光の屈折率の差である屈折率差との関係が、以下の条件式（Ａ１）を満たす液晶を用いて形成された液晶層（例えば、液晶層３）を有し、分離素子のヘイズ値が２．０以下であることを特徴とする。
条件式（Ａ１）：
（１．２／分離幅） ≦ 屈折率差

また、分離素子の液晶層は、所望とする最大の分離幅［μｍ］と、異常光と常光の屈折率の差である屈折率差との関係が、以下の条件式（Ａ２）を満たす液晶を用いて形成されており、分離素子のヘイズ値が１．０以下であってもよい。
条件式（Ａ２）：
（０．６／分離幅） ≦ 屈折率差

また、分離素子の液晶層は、所望とする最大の分離幅［μｍ］と、異常光と常光の屈折率の差である屈折率差との関係が、以下の条件式（Ａ３）を満たす液晶を用いて形成されており、分離素子のヘイズ値が０．７５以下であってもよい。
条件式（Ａ３）：
（０．４５／分離幅） ≦ 屈折率差

また、分離素子の液晶層は、所望とする最大の分離幅［μｍ］と、異常光と常光の屈折率の差である屈折率差との関係が、さらに以下の条件式（Ｂ）を満たす液晶を用いて形成されており、液晶層の厚みが２００μｍ以下であってもよい。
条件式（Ｂ）：
（分離幅／１１３） ≧ 屈折率差

また、本発明による光学ローパスフィルタは、液晶の複屈折性を利用して入射する光を複数の光に分離する分離素子を備え、分離素子は、異常光と常光の屈折率の差である屈折率差が０．１５以下かつ０．０３５以上の液晶を用いて所定の厚みに形成された液晶層を有し、分離素子のヘイズ値が１．０以下であってもよい。

また、分離素子の液晶層は、液晶のチルト角が４５度で一様である配向状態を仮定したときに所望とする最大の分離幅が得られる厚みに対して＋１５％の厚みで形成されていてもよい。

また、分離素子は、１対の透明基板（例えば、透明基板１，２）を含み、分離素子の液晶層は、１対の透明基板に所定間隔で保持されており、１対の透明基板の少なくとも対向する透明基板間において内側となる面には、それぞれ外部制御により印加する電圧が制御可能な透明電極（例えば、透明電極４ａ，４ｂ）が形成されていてもよい。

また、光学ローパスフィルタは、分離素子の透明基板に形成されている透明電極に印加する電圧を、外部からの指示に応じて制御する電圧制御部（例えば、電圧制御部２０）を備えていてもよい。

本発明によれば、安価かつ高い精度で小型化できるとともに、ヘイズ値の小さい光学ローパスフィルタおよび撮像機器を提供できる。

さらに、異なる画像ピッチの画像を撮像する撮像機器においても、安価かつ高い精度で小型化できるとともにヘイズ値が小さくて、モアレや偽色の現象を低減できる光学ローパスフィルタおよび撮像機器を提供できる。

また、安価かつ高い精度で小型化できるとともにヘイズ値の小さいローパスフィルタ機能の有無を自由に切り替え可能な光学ローパスフィルタおよび撮像機器を提供できる。

本発明による光学ローパスフィルタを構成する分離素子の概要を示す模式図である。 本発明による分離素子１０の構成例を示す説明図である。 液晶のセルギャップと屈折率差の関係を示す説明図である。 分離素子が有するヘイズ値と屈折率差の関係を示す説明図である。 許容できるヘイズ値や膜厚に対応した所望とする最大の分離幅と液晶の屈折率差の関係をまとめた説明図である。 電圧印加時の液晶の配向状態の例を示した説明図である。 実施形態の光学ローパスフィルタ１００の構成例を示す断面の概念図である。

まず、本発明の概要について説明する。図１は、本発明による光学ローパスフィルタを構成する分離素子の概要を示す模式図である。図１（ａ）は、紙面に平行な第１の直線偏光方向の光と、第１の直線偏光方向と直交する第２の直線偏光方向の光が入射した場合の分離素子の光路の例を示す模式図であり、図１（ｂ）は、分離素子が有する液晶層における液晶の向き（方位角）と光の進行方向の関係を示す説明図である。

図１に示すように、本発明の分離素子は、液晶材料の複屈折性を利用して入射する光線をその偏光方向に応じて分離するものである。

ここで、液晶層に光が入射する際の分離幅は、以下の式（１）によって示される。なお、ｄは分離幅を表している。また、αは液晶中での異常光と常光の光線のなす角を表している。θは液晶の長軸と入射光線の光線方向のなす角を表している。ｚは基板の面に対し垂直方向を表している。ｎ_ｅは液晶の長軸方向の屈折率を表し、ｎ_ｏは液晶の長軸方向に垂直な屈折率を表している。

ところで、従来より、光学ローパスフィルタの設計手法として、分離幅を必須条件に、その分離幅を得るためのパラメータを最適化する方法がとられていた。光学ローパスフィルタにおけるパラメータとしては、例えば、液晶の長軸と入射光線の光線方向のなす角θや、液晶材料の屈折率差すなわち異常光の屈折率と常光の屈折率の差、液晶層の厚さが挙げられる。最適化においては、小型化の要請から素子の厚さの低減効果が得られるパラメータに対して大きな重みが付けられることが多く、その結果、屈折率差の大きな液晶材料が多く用いられていた。

しかし、ヘイズの考慮なしに素子厚の低減だけにポイントをおいて最適化を行うと、できあがった素子のヘイズ値が高くなる問題があった。

本発明の発明者は、液晶材料を用いた分離素子を備えるローパスフィルタが所望の分離幅を得るためのパラメータの最適化において、ヘイズ値をも考慮した最適解を得ようと実験を繰り返したところ、所望の分離幅を０以外の状態で固定とした場合において、屈折率差とヘイズ値とが正比例の関係にある、すなわち屈折率差を減らすとヘイズ値が減る関係にあることを発見した。

液晶層に充填された液晶は分子の方向がある程度揃ってはいるが、結晶とは異なり、場所によってその方向に揺らぎがある。例えば、ネマチック液晶のオーダーパラメータは０．６程度である。このような液晶分子の方向に揺らぎがあることによって、液晶層内では、ある特定のベクトル方向における屈折率が場所によって揺らぐ状態が発生していると考えられる。そして、このような液晶層における屈折率の揺らぎが発生していることによって散乱すなわちヘイズが発生していると考えられ、屈折率の揺らぎが大きければそれだけヘイズ値が上がるものと考えられる。すると、屈折率差を減らせばそれだけ屈折率の揺らぎを抑えられると考えられるので、上記のような屈折率差とヘイズ値との関係が成り立っているものと考えられる。

なお、このような屈折率差とヘイズ値との関係が、例えば、電圧をかけて液晶がホメオトロピック配向とホモジニアス配向との間の過渡的な配向状態、すなわち分離幅が０でない状態においても成り立つことが今回の実験により明らかになった。本発明のローパスフィルタは、そのような屈折率差とヘイズ値の関係を基に、パラメータの最適化を行ったものである。より具体的には、本発明のローパスフィルタは、分離幅を０以外の状態で固定とした場合において屈折率差を減らすとヘイズ値が減る関係に基づいて、分離素子の素子厚とヘイズ値との調整を図ったものである。換言すると、素子厚を多少犠牲にしてもヘイズ値を減らすために屈折率差に上限値を設けたことが本発明のローパスフィルタの特徴である。

さらに、本発明では、電圧などの外部制御により液晶の方位角を変調することによって、屈折角を制御し、同じ入射位置の光に対して偏光方向の違いによって生じる光線分離幅を動的に変化できる。

以下、本発明による分離素子をより具体的に説明する。図２は、本発明による分離素子１０の構成例を示す説明図である。なお、分離素子１０は、部材構成としては従来の液晶を用いた光学ローパスフィルタと同様であってもよい。例えば、２枚の透明基板に挟持される液晶層を有していればよい。なお、各透明基板の液晶層との界面には配向を制御するための配向膜が形成されていてもよい。また、各透明基板の液晶側の面には、液晶のチルト角を制御するための透明電極が形成されていてもよい。なお、分離素子１０のより詳細な構成については実施形態にて説明する。

本発明による分離素子１０は、上記のような構成において、以下に示すようなパラメータの関係を有することを特徴とする。以下では、所望の分離幅が４μｍである場合を例に説明するが、分離幅は４μｍに限定されない。

図３は、光軸の分離幅が４μｍになる液晶のセルギャップと屈折率差の関係を示す説明図である。また、図４は、光軸の分離幅が４μｍになるように液晶のセルギャップを調整したときに分離素子が有するヘイズ値と屈折率差の関係を示す説明図である。なお、図３および図４とも、液晶の配向状態が、ホメオトロピック配向とホモジニアス配向との間の過渡的な配向状態でかつ、分離幅が最も大きくなる場合の配向状態と仮定したときの関係を示している。

図３に示すように、複屈折性を利用して光線分離を行う一般的な光学ローパスフィルタは、屈折率差が大きいほど液晶のセルギャップは小さくて済むことがわかる。しかし、図４に示すように、セルギャップを小さくしようと屈折率差の大きい液晶材料を用いた場合には、所望の分離幅（本例では４μｍ）を実現できるよう他のパラメータを調整した結果、作製される分離素子のヘイズ値が、屈折率差に比例して大きくなってしまうことがわかる。

例えば、分離幅４μｍを実現することを考えた場合、ガラス基板等で液晶のセルギャップを作成することを考慮すると、セルギャップは２００μｍ以下であることが好ましい。すなわち、２０００万画素のＡＰＳ−Ｃ撮像素子の画素間隔相当であれば、分離距離は画素ピッチに相当する４μｍ程度必要となるが、そのときの水晶ＯＬＰＦの厚みは約７００μｍ程度である。素子の厚みを水晶のＯＬＰＦよりも薄くしようとすると、液晶層の両面を透明基板で担持する構成の場合、液晶の厚みを２００μｍ以下にできれば水晶のＯＬＰＦに対して４割程度厚みを低減できる。すなわち、少なくとも透明基板１枚で１００μｍ程度は必要であることを考慮すると、液晶の厚みを２００μｍ以下にできれば素子の厚みも約４００μｍ以下とできる。このため、セルギャップは２００μｍ以下であれば、省スペース化のメリットが高いと考えられる。

セルギャップを２００μｍ以下とするためには、図３に示すように、屈折率差が０．０３５以上であればよい。このような条件の下、ヘイズ値に上限を設ければ、図４に示す関係から、屈折率差の上限が定まる。例えば、ヘイズ値の上限を１．０とした場合、図４に示す関係より、屈折率差が０．１５以下であればよいことがわかる。

なお、ヘイズ値の上限は１．０に限らない。例えば、ヘイズ値の上限を２．０とする場合には、所望の分離幅が４μｍであれば、屈折率差の上限を０．３とすればよい。

図５は、許容できるヘイズ値や膜厚に対応した所望とする最大の分離幅［μｍ］と液晶の屈折率差の関係をまとめた説明図である。図５に示すように、例えば、素子が許容できるヘイズ値について、大きく見積もって２以下とした場合には、所望の分離幅と液晶の屈折率差の関係は、以下の式（２）となる。

１．２／分離幅＝液晶の屈折率差の上限 ・・・式（２）

また、素子が許容できるヘイズ値について、好ましくは１以下とした場合、所望とする最大の分離幅［μｍ］と液晶の屈折率差の関係は、以下の式（３）となる。

０．６／分離幅＝液晶の屈折率差の上限 ・・・式（３）

また、素子が許容できるヘイズ値について、さらに好ましくは０．７５以下とした場合、所望とする最大の分離幅［μｍ］と液晶の屈折率差の関係は、以下の式（４）となる。

０．４５／分離幅＝液晶の屈折率差の上限 ・・・式（４）

また、素子が許容できる膜厚（液晶のセルギャップ）の上限を、数秒以内の応答速度や素子厚みを考慮して２００μｍとした場合は、所望とする最大の分離幅［μｍ］と液晶の屈折率差の関係は、以下の式（５）となる。

分離幅／１１３＝液晶の屈折率差の下限 ・・・式（５）

本発明の分離素子は、少なくとも上述の式（２）〜（４）で示されるような、許容できるヘイズ値に対応させた所望とする最大の分離幅と液晶の屈折率差との関係に基づいて、屈折率差の上限を求め、求めた屈折率差の上限を超えない範囲で素子厚の低減を図りつつ所望とする最大の分離幅が得られるようにパラメータが最適化されていればよい。さらに、上述の式（５）で示されるような、許容できる液晶層の厚みに対応させた所望とする最大の分離幅と液晶の屈折率差との関係に基づいて、屈折率差の下限を求め、求めた屈折率差の上限と下限の両方の条件を満たす範囲で、素子厚の低減を図りつつ所望とする最大の分離幅が得られるようにパラメータが最適化されていてもよい。

ところで、実際の液晶の配向状態は、必ずしも理想的な状態であるとは限らない。図６は、電圧印加時の液晶の配向状態の例を示した説明図である。なお、図６（ａ）は電圧無印加時の液晶の配向状態を示している。また、図６（ｂ）には理想的な液晶の配向状態を示し、図６（ｃ）に実際の液晶の配向状態の例を示している。

図６に示すように、液晶層に電圧を印加することによって液晶のチルト角を制御しようとする場合、実際に液晶に電圧を印加した際に液晶のチルト角が一様に４５度となるような配向状態にはならず（図６（ｂ）参照。）、基板に対して垂直方向に徐々にチルト角が変化する配向状態となる（図６（ｃ）参照。）。このような場合であっても、理想的な配向状態である図６（ｂ）の状態に対して厚みを１５％ほど大きくすれば、同等の分離幅が得られることが実測によって分かっており、図３に示した液晶ギャップと屈折率差の関係の図は、図６（ｃ）の状態での図となっている。なお、液晶層の厚みが理想的な配向状態の時の厚さに対して１５％厚くなったとしても、十分に省スペース化のメリットが得られる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。本実施形態では、上述した設計手法により設計された分離素子に加えて、さらに外部から分離素子の液晶の配向状態を制御可能な電圧制御部を備える光学ローパスフィルタについて説明する。図７は、本実施形態の光学ローパスフィルタ１００の構成例を示す断面の概念図である。図７に示す光学ローパスフィルタ１００は、少なくとも１つの分離素子１０と、分離素子１０の液晶の配向状態を制御する電圧制御部２０とを備えている。

分離素子１０は、透明基板１，２と、その透明基板１，２に挟持される液晶層３とを有している。

透明基板１，２は、いずれも入射する光に対して透明であればよく、樹脂板、樹脂フィルムなど種々の材料を使用できる。なお、ガラスや石英ガラスなどの無機材料を用いると、耐久性の面で好ましい。また、光学的等方性材料を用いると、透過光に複屈折性の影響を与えないため好ましい。また、透明基板の空気との界面には多層膜による反射防止膜を備えると、フレネル反射による光反射損失を低減できる。

透明基板１，２の少なくともいずれか一方の表面、つまり対向する透明基板間において内側となる面のいずれか一方には、液晶分子のチルト角を制御するための透明電極４ａ，４ｂが形成されている。透明電極４ａ，４ｂは、例えば、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）、ＡＺＯ（Al-Zn-O）、ＧＺＯ（Ga-Zn-O）等の酸化物である透明導電膜を用いると、高い透明性、導電性が得られるので好ましい。なお、グラフェン等のカーボン系の透明導電膜であってもよい。また、透明導電膜での反射を抑えるように、透明導電膜と無機酸化物の膜を積層し、反射防止効果が得られるようにしてもよい。

また、各透明基板１、２の液晶と接する界面には、液晶層３の液晶分子を一定方向に並ばせるための配向膜５ａ，５ｂを備えている。

液晶層３には、液晶が充填されている。このほか、分離素子１０は、液晶層３を所定の厚さとするためのスペーサ６を備える。

液晶は、電圧を印加しない場合において、液晶分子の長軸方向が配向面に対して略平行となる水平配向（ホモジニアス配向）と、液晶分子の長軸方向が配向面に対して略垂直となる垂直配向（ホメオトロピック配向）と、液晶分子の長軸方向が一方の配向面に対して略平行となり他方の配向面に対して略垂直となるハイブリッド配向の３つのモードがあるが、いずれのモードであってもよい。なお、水平配向の場合、正の誘電異方性（Δε＞０）を有する液晶材料を用い、垂直配向の場合、負の誘電率異方性（Δε＜０）を用いるとよく、ハイブリッド配向の場合はどちらでもよい。

スペーサ６は、上述の式（２）〜（５）のいずれかまたは上述の式から求まる所望とする最大の分離幅と屈折率差との関係式を用いて最適化した結果、与えられるパラメータの一つである液晶層の厚さを実現すべく、所定の高さを有していればよい。

例えば、２０００万画素のＡＰＳ−Ｃ撮像素子の画素間隔に相当する分離幅４μｍを実現させる場合であって、許容できるヘイズ値を１．０とする場合には、液晶の常光と異常光の屈折率差の上限が０．１５以下と定まる。従って、屈折率差が０．１５以下の液晶を液晶層３の材料に用いればよい。また、スペーサ６は、そのような液晶によって所望とする最大の分離幅を得られるだけの厚さを有する液層層３を形成できる高さを有していればよい。

図４に示すように、液晶の常光と異常光の屈折率差が０．１５以下であれば、ヘイズ値が１を切ることができるので、高コントラストな画像が得られる。

電圧制御部２０は、透明基板１，２上に形成されている一対の透明電極４ａ，４ｂに印加する電圧を、外部指示により制御する駆動回路であってもよい。

電圧制御部２０は、液晶に直流電圧または交流電圧を印加できるものであってもよいが、液晶の劣化を防ぐため交流電圧が印加できることが好ましい。

なお、本実施形態の構成において、液晶の液晶分子が電圧非印加時に水平配向となる場合を例にすると、電圧非印加時にはそれぞれの偏光で光線分離は発生しない。印加電圧が小さく、液晶がホメオトロピック配向とならない場合には、光線分離が発生し、液晶がホメオトロピック配向となる程度に十分高い電圧を印加すると、光線分離は発生しない。

また、本実施形態の構成において、液晶の液晶分子が電圧非印加時に垂直配向となる場合を例にすると、電圧非印加時にはそれぞれの偏光で光線分離は発生しない。印加電圧が小さく、液晶がホモジニアス配向とならない場合には、光線分離が発生し、液晶がホモジニアス配向となる程度に十分高い電圧を印加すると、光線分離は発生しない。

また、本実施形態の構成において、液晶の液晶分子が電圧非印加時にハイブリッド配向となる場合を例にすると、電圧非印加時にはそれぞれの偏光で光線分離が発生する。印加電圧が小さく、液晶がホモジニアス配向、もしくは、ホメオトロピック配向とならない場合には、光線分離が発生し、液晶がホモジニアス配向、もしくは、ホメオトロピック配向となる程度に十分高い電圧を印加すると、光線分離は発生しない。

光線分離が発生する電圧では、印加する電圧値を変えることで分離距離を制御できる。

例えば、分離素子１０の液晶層の厚みが５０μｍとなるように形成したとする。また、複屈折材料として、波長５４６ｎｍで異常光屈折率ｎ_ｅが１．６９４、常光屈折率ｎ_ｏが１．５４２の液晶材料を用いたとする。また、配向膜は水平配向膜を用いたとする。

このような分離素子１０を例に、電圧制御による分離距離の制御例について説明すると、液晶に印加する電圧が０Ｖのとき、液晶は水平配向しており、液晶の長軸方向と入射光線の光線方向のなす角は９０度であり、分離距離は０μｍとなる。

また、例えば、印加電圧が１０Ｖのときは、液晶分子のチルト角が上がりほぼ垂直となるため、液晶の長軸方向と入射光線の光線方向のなす角は０度であり、分離距離は０μｍとなる。

また、例えば、印加電圧が４Ｖなどの中間電圧では液晶分子は垂直までチルト角があがらず途中の角度になるため、液晶の長軸方向と入射光線方向のなす角は、大部分が３０°〜６０°となるため、分離距離は４μｍとなる。

このように、分離幅を可変できると、解像度を高めたいときは分離幅を０°または分離機能をＯＦＦとし、モアレを低減させたいときは分離機能をＯＮとして所定の分離幅とするといった制御が可能となる。また、撮影する解像度モードや被写体によって、分離幅を調整することで、各撮影モードにおいてモアレ低減効果を最大にできる。

以上のように、本実施形態によれば、安価かつ高い精度で小型化できるとともに、ヘイズ値の小さい光学ローパスフィルタを作製できる。また、異なる画像ピッチの画像を撮像する撮像機器において適切にモアレや偽色の現象を低減できたり、撮像対象によって解像度を切り替えたりモアレや偽色の低減機能を切り替えできるとともに、高い精度で小型化できる光学ローパスフィルタを作製できる。

第１の実施例では、上記の図７に示す光学ローパスフィルタ１００を構成する分離素子１０について説明する。

まず、透明基板１と透明基板２として、厚さ２００μｍの石英基板を用意する。なお、透明基板１と透明基板２の片側には、図示しない反射防止膜が成膜されている。次いで、透明基板１と透明基板２の反射防止膜が成膜されていない側の面に、スパッタリングによってＩＴＯを成膜し、それぞれを透明電極４ａ，４ｂとする。次いで、透明基板１に形成された透明電極４ａ上と透明電極２に形成された透明電極４ｂ上に、それぞれポリイミドを塗布、焼成し、ラビングをし、配向膜５ａ，５ｂを形成する。なお、配向膜は、この他、斜方蒸着膜や、シラン系の表面処理剤を用いた配向膜などを用いてもよい。

次いで、透明基板１の配向膜５ａが形成されている側の、光学素子の有効領域外に７０μｍのビーズを含有したＵＶ硬化樹脂を塗布した上で、透明基板１と透明基板２とをそれぞれの配向膜５ａ，５ｂが対向するように張り合わせる。そして、加圧後、ＵＶ硬化樹脂にＵＶ光を照射することでスペーサー１０７を形成し、所望のセルギャップ（本例では、約７０μｍ）を有する空セルを形成する。その空セルに、波長５４６ｎｍで異常光屈折率ｎ_ｅが１．６１４、常光屈折率ｎ_ｏが１．５１４の液晶材料を用いた常光屈折率と異常光屈折率の差が０．１である液晶を注入し、液晶層３とする。

このようにして作製される光学素子は、透明電極に電圧を印加しない場合は像分離が発生せず、透明電極に２Vを印加すると像分離幅が４μｍとなり、透明電極に１０Vを印加すると像分離がなくなることが確認された。また、作製された素子の最大のヘイズ値は、０．６であった。なお、使用したヘイズメータは、東京電色製の商品名オートマチックへーズメーターＴＣ−Ｈ３ＤＰＫ／３（正立型）である。

以上より、作製された光学素子は、素子厚が約４７０μｍで波長５４６ｎｍで分離幅４μｍの分離素子１０として機能することがわかる。この分離素子１０によれば、２ｍｍ離れた距離にある撮像素子上での光線分離幅が４μｍとなり、２０００万画素のＡＰＳ−Ｃ撮像素子の画素間隔相当の分離幅を得られる。従って、２０００万画素のＡＰＳ−Ｃ撮像素子を有する撮像機器に組み込めば、モアレ、偽色を低減できる。

また、モアレ、偽色が発生しにくい環境においては、像分離幅を０にすることで、より解像度の高い撮影が可能となる。

なお、参考として、周期的な傾斜構造を有しない水晶ＯＬＰＦで約４μｍの分離幅を実現するためには約７００μｍの厚さが必要であるから、本実施例の分離素子１０は、同機能の水晶ＯＬＰＦに比べて素子厚が約２３０μｍ低減できたことになる。

また、本実施例の分離素子１０の液晶層３の厚みを９０μｍとすると、素子厚は約４９０μｍとなるが、この分離素子１０によれば、撮像素子上での光線分離幅が５．５μｍとなり、１２００万画素のＡＰＳ−Ｃ撮像素子の画素間隔相当の分離幅を得られる。従って、１２００万画素のＡＰＳ−Ｃ撮像素子を有する撮像機器に当該光学ローパスフィルタ１００を組み込めば、モアレ、偽色を低減できる。なお、参考として、周期的な傾斜構造を有しない水晶ＯＬＰＦで約５．５μｍの分離幅を実現するためには約９４０μｍの厚さが必要であるから、液晶層３の厚みを９０μｍとした場合には、本実施例の分離素子１０は、同機能の水晶ＯＬＰＦに比べて素子厚が約４５０μｍ低減できたことになる。

第２の実施例では、上記の図７に示す光学ローパスフィルタ１００であって、光線分離幅が１２μｍと４μｍとで切り替え可能な光学ローパスフィルタ１００を構成する分離素子１０について説明する。

本実施例では、第１の実施例の分離素子における液晶層３の厚みを２５０μｍにして作製する。すると、透明導電膜への印加電圧を３Ｖとすると、光線分離幅が１２μｍとなり、８Ｖとすると光線分離幅が４μｍとなる分離素子１０が得られる。

このような分離素子を用いて撮像素子上での光線分離幅を、電圧を切り替えることにより、２０００万画素のＡＰＳ−Ｃ撮像素子の静止画画素間隔相当の分離幅の４μｍと、フルＨＤの動画画素間隔相当の分離幅の１２μｍを得ることができるので、動画と静止画の両方を撮影するＡＰＳ−Ｃ撮像素子を有する撮像機器に当該光学ローパスフィルタ１００を組み込めば、動画と静止画の両方でモアレ、偽色を低減できる。

なお、分離幅を可変とせず、かつローパスフィルタ機能の有無の切り替えも要しない場合には、上記各実施例の分離素子１０の製造工程において、セルギャップに光重合性高分子液晶を注入し、空セルの隙間を光重合性高分子液晶により充填させた後、所望の分離幅を得られるよう制御された電圧を印加した状態で紫外線を照射し硬化させることにより、高分子液晶による液晶層３を形成してもよい。なお、そのような場合には、硬化させた後に電圧制御部２０を取り外して、分離素子１０のみによって光学ローパスフィルタ１００を構成することも可能である。また、分離素子１０のみによって光学ローパスフィルタ１００を構成した場合、素子の厚みを低減する目的で、分離素子１０の透明基板１を取り外した構成でも良く、さらに、透明基板１と透明基板２を取り外して高分子液晶による液晶層３のみとしても良い。

本発明は、静止画と動画といったような画素ピッチが異なる画像を撮像する撮像機器や撮像対象によって解像度を切り替えてモアレや偽色の低減機能を切り替え可能な撮像機器において、適切にモアレや偽色の現象を低減させる用途に好適に適用できる。

１００ 光学ローパスフィルタ
１０ 分離素子
１、２ 透明基板
３ 液晶層
４ａ、４ｂ 透明電極
５ａ、５ｂ 配向膜
６ スペーサ
２０ 電圧制御部

Claims (8)

1. 液晶の複屈折性を利用して入射する光を複数の光に分離する分離素子を備え、
   前記分離素子は、
   所望とする最大の分離幅［μｍ］と、異常光と常光の屈折率の差である屈折率差との関係が、以下の条件式（Ａ１）を満たす液晶を用いて形成された液晶層を有し、
   前記分離素子のヘイズ値が２．０以下である
   ことを特徴とする光学ローパスフィルタ。
   条件式（Ａ１）：
   （１．２／分離幅） ≦ 屈折率差
2. 分離素子の液晶層は、所望とする最大の分離幅［μｍ］と、異常光と常光の屈折率の差である屈折率差との関係が、以下の条件式（Ａ２）を満たす液晶を用いて形成されており、
   前記分離素子のヘイズ値が１．０以下である
   請求項１に記載の光学ローパスフィルタ。
   条件式（Ａ２）：
   （０．６／分離幅） ≦ 屈折率差
3. 分離素子の液晶層は、所望とする最大の分離幅［μｍ］と、異常光と常光の屈折率の差である屈折率差との関係が、以下の条件式（Ａ３）を満たす液晶を用いて形成されており、
   前記分離素子のヘイズ値が０．７５以下である
   請求項２に記載の光学ローパスフィルタ。
   条件式（Ａ３）：
   （０．４５／分離幅） ≦ 屈折率差
4. 分離素子の液晶層は、所望とする最大の分離幅［μｍ］と、異常光と常光の屈折率の差である屈折率差との関係が、さらに以下の条件式（Ｂ）を満たす液晶を用いて形成されており、
   前記液晶層の厚みが２００μｍ以下である
   請求項１から請求項３のうちのいずれか１項に記載の光学ローパスフィルタ。
   条件式（Ｂ）：
   （分離幅／１１３） ≧ 屈折率差
5. 液晶の複屈折性を利用して入射する光を複数の光に分離する分離素子を備え、
   前記分離素子は、
   異常光と常光の屈折率の差である屈折率差が０．１５以下かつ０．０３５以上の液晶を用いて所定の厚みに形成された液晶層を有し、
   前記分離素子のヘイズ値が１．０以下である
   ことを特徴とする光学ローパスフィルタ。
6. 分離素子の液晶層は、液晶のチルト角が４５度で一様である配向状態を仮定したときに所望とする最大の分離幅が得られる厚みに対して＋１５％の厚みで形成されている
   請求項１から請求項５のうちのいずれか１項に記載されている光学ローパスフィルタ。
7. 分離素子は、１対の透明基板を含み、
   分離素子の液晶層は、前記１対の透明基板に所定間隔で保持されており、
   前記１対の透明基板の少なくとも対向する透明基板間において内側となる面には、それぞれ外部制御により印加する電圧が制御可能な透明電極が形成されている
   請求項１から請求項６のうちのいずれか１項に記載されている光学ローパスフィルタ。
8. 分離素子の透明基板に形成されている透明電極に印加する電圧を、外部からの指示に応じて制御する電圧制御部を備えた
   請求項７に記載の光学ローパスフィルタ。

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