JP2014116875A - Imaging optical system and imaging device - Google Patents

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Ryohei Sato
遼平 佐藤
Toshihiro Hashimoto
智弘 橋本
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an imaging optical system and an imaging device that are capable of accurately variably controlling a cutoff frequency of an optical low-pass filter with a simple structure and control system.SOLUTION: There is provide an imaging optical system comprising: an optical low-pass filter that separates and non-parallelly emits incident light; an image sensor; and distance adjustment means that varies a relative distance between the optical low-pass filter and the image sensor, or an imaging device having the imaging optical system.

Description

本発明は、光学ローパスフィルタと、CCD(Charge Coupled Device)やCMOS(Complementary Metal−Oxide Semiconductor)等の2次元撮像素子を有する撮像光学系及びそれを用いた撮像装置に関する。   The present invention relates to an imaging optical system having an optical low-pass filter, a two-dimensional imaging device such as a CCD (Charge Coupled Device) and a CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor), and an imaging apparatus using the imaging optical system.

デジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラ等の撮像装置は、CCD、CMOS等の撮像素子が用いられており、撮像素子の画素ごとに外部信号として入る光の明暗の量を電気信号に変換し、画像を生成する。
画像を生成する過程において、撮像素子の画素ピッチによって決まるナイキスト周波数よりも高い空間周波数を有する撮影対象を撮像する場合、モアレや偽色が発生する。このようなモアレや偽色を防止するために、光学ローパスフィルタが用いられている。
Imaging devices such as digital still cameras and digital video cameras use image sensors such as CCDs and CMOSs, convert the amount of light and darkness of light that is input as an external signal for each pixel of the image sensor into electrical signals, and Generate.
In the process of generating an image, moiré and false colors are generated when an imaging target having a spatial frequency higher than the Nyquist frequency determined by the pixel pitch of the imaging element is captured. In order to prevent such moire and false color, an optical low-pass filter is used.

光学ローパスフィルタの理想は、撮像素子のナイキスト周波数をカットオフ周波数として、カットオフ周波数以下の低い空間周波数を有する撮影対象の像のコントラスト値を1とし、カットオフ周波数より高い空間周波数を有する撮像対象のコントラスト値を0とする特性を有することである。しかし、このような特性を有する光学ローパスフィルタは現実には存在せず、実際のローパスフィルタは、カットオフ周波数より低周波数の領域においてもコントラストの低下をゼロとすることは不可能であり、画像のコントラスト低下は避けられない。このように、モアレや偽色の防止効果を除けば、光学ローパスフィルタは画像劣化の一因でもある。従って近年では、モアレや偽色の防止効果を犠牲にして、光学ローパスフィルタのカットオフ周波数を高周波側に設定することにより、高精細な画像を得ようとするデジタルスチルカメラも提案されている。   The ideal optical low-pass filter is that the Nyquist frequency of the image sensor is the cut-off frequency, the contrast value of the image to be photographed having a spatial frequency lower than the cut-off frequency is 1, and the image target has a spatial frequency higher than the cut-off frequency. In other words, the contrast value is 0. However, an optical low-pass filter having such characteristics does not actually exist, and it is impossible for an actual low-pass filter to reduce the decrease in contrast to zero even in a region lower than the cutoff frequency. Contrast reduction is inevitable. Thus, except for the effect of preventing moiré and false color, the optical low-pass filter is also a cause of image degradation. Therefore, in recent years, there has also been proposed a digital still camera that attempts to obtain a high-definition image by setting the cutoff frequency of the optical low-pass filter on the high frequency side at the expense of the effect of preventing moire and false colors.

静止画と動画の撮影を可能とする撮像装置においては、静止画及び動画の双方に適切なカットオフ周波数を設定することが好ましい。特に、静止画だけでなく動画も撮影できるデジタルスチルカメラについては、静止画及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は、静止画では、1000万画素以上を使用するのに対し、動画では、約200万画素程度まで使用する画素を間引くので、ナイキスト周波数が異なる事となる。従って、それぞれの撮影態様に応じて、異なる光学ローパスフィルタの特性を設定できれば好ましい。
また、デジタルスチルカメラでは、撮影写真の画面解像度を数段階で選択できるものもある。この場合も使用する画素を間引くことが行われるため、撮影モードに合わせて異なる光学ローパスフィルタの特性を設定できれば好ましい。
In an imaging device that can capture still images and moving images, it is preferable to set an appropriate cutoff frequency for both still images and moving images. In particular, for a digital still camera that can shoot not only still images but also moving images, high-precision image quality is required for both still images and moving images. For example, a digital single-lens reflex camera uses 10 million pixels or more in a still image, but thins out pixels used up to about 2 million pixels in a moving image, so that the Nyquist frequency is different. Therefore, it is preferable that different characteristics of the optical low-pass filter can be set in accordance with each photographing mode.
Some digital still cameras can select the screen resolution of a photographed photo in several stages. Also in this case, since pixels to be used are thinned out, it is preferable if different characteristics of the optical low-pass filter can be set in accordance with the photographing mode.

これらの背景から、光学ローパスフィルタのカットオフ周波数を可変とする技術が提案されている。光学ローパスフィルタのカットオフ周波数を可変とする事ができれば、撮影者の意図に合わせて光学ローパスフィルタの効果を設定することや、撮影モードに応じてローパスフィルタの効果を設定することが可能となる。
先行技術文献では、光弾性物質に対し応力を付加することによりカットオフ周波数の可変を実現しているが、カットオフ周波数の設定を制御するために検査光を出射する投光素子、検査光を受光する受光素子、透過検査光の強度に基づいて光弾性部材の複屈折特性を算出する特性演算部を必要とするフィードバック手段を必要としており、構造やシステムが複雑となる。
Against this background, a technique for making the cutoff frequency of the optical low-pass filter variable has been proposed. If the cutoff frequency of the optical low-pass filter can be made variable, the effect of the optical low-pass filter can be set according to the photographer's intention, and the effect of the low-pass filter can be set according to the shooting mode. .
In the prior art document, the cut-off frequency can be varied by applying stress to the photoelastic material. However, in order to control the setting of the cut-off frequency, the light projecting element and the test light that emit the test light are used. A feedback means that requires a light receiving element for receiving light and a characteristic calculation unit for calculating the birefringence characteristic of the photoelastic member based on the intensity of transmitted inspection light is required, which complicates the structure and system.

特開2003−167219号公報JP 2003-167219 A

本発明の課題は、簡単な構造及び制御システムで高精度に光学ローパスフィルタのカットオフ周波数を可変制御することが可能な撮像光学系及び撮像装置を提供することである。   An object of the present invention is to provide an imaging optical system and an imaging apparatus that can variably control the cutoff frequency of an optical low-pass filter with high accuracy with a simple structure and control system.

本発明者らは、入射光を分離して非平行に出射する光学ローパスフィルタを用い、この光学ローパスフィルタと撮像素子の相対距離を可変させる距離調節手段を備えることによって、上記の課題を解決することを見出し、本発明を完成するに至った。
本発明は、具体的には以下の構成である。
The present inventors solve the above-mentioned problems by using an optical low-pass filter that separates incident light and emits it non-parallel, and provided with a distance adjusting means that varies the relative distance between the optical low-pass filter and the image sensor. As a result, the present invention has been completed.
Specifically, the present invention has the following configuration.

(構成1)
入射光を分離して非平行に出射する光学ローパスフィルタと、撮像素子と、前記光学ローパスフィルタと前記撮像素子の相対距離を可変させる距離調節手段とを有する撮像光学系。
(構成2)
前記光学ローパスフィルタは回折型光学ローパスフィルタである構成1に記載の撮像光学系。
(構成3)
前記距離調節手段は、前記撮像素子のナイキスト周波数をfn、前記光学ローパスフィルタの作用およびローパスフィルタと撮像素子受光部の距離によって評価されるカットオフ周波数をfcとするとき、0.1≦fc/fn≦10となるように前記光学ローパスフィルタと前記撮像素子の相対距離を制御する構成1又は2に記載の撮像光学系。
(構成4)
前記撮像光学系において、使用波長帯の中心波長をλ[μm]、前記回折型光学ローパスフィルタの回折格子周期をd[μm]、前記撮像素子の画素ピッチをW[μm]とし、制御可能なfc/fnがα≦fc/fn≦βであるとき、格子周期dが、
d≧λ/sinθである構成1から3のいずれかに記載の撮像光学系。
ただしθは下記式を満たす。
(Configuration 1)
An imaging optical system comprising: an optical low-pass filter that separates incident light and emits the light in parallel; an imaging element; and a distance adjusting unit that varies a relative distance between the optical low-pass filter and the imaging element.
(Configuration 2)
The imaging optical system according to Configuration 1, wherein the optical low-pass filter is a diffractive optical low-pass filter.
(Configuration 3)
The distance adjusting means is 0.1 ≦ fc / when the Nyquist frequency of the image sensor is fn, and the cutoff frequency evaluated by the action of the optical low-pass filter and the distance between the low-pass filter and the image sensor light receiving unit is fc. The imaging optical system according to Configuration 1 or 2, wherein a relative distance between the optical low-pass filter and the imaging element is controlled so that fn ≦ 10.
(Configuration 4)
In the imaging optical system, the center wavelength of the used wavelength band is λ [μm], the diffraction grating period of the diffractive optical low-pass filter is d [μm], and the pixel pitch of the imaging element is W [μm]. When fc / fn is α ≦ fc / fn ≦ β, the grating period d is
4. The imaging optical system according to any one of configurations 1 to 3, wherein d ≧ λ / sin θ.
However, θ satisfies the following formula.

(構成5)
前記光学ローパスフィルタは、ガラス内部に母材と屈折率差が異なる屈折率変化領域を有し、前記屈折率差が所定の周期で変調されていることにより、透過型回折格子として機能する構成1から4のいずれかに記載の撮像光学系。
(構成6)
構成1から5のいずれかに記載の撮像光学系を有する撮像装置。
(Configuration 5)
The optical low-pass filter has a refractive index change region having a refractive index difference different from that of the base material inside the glass, and the refractive index difference is modulated at a predetermined period, thereby functioning as a transmissive diffraction grating 1 5. The imaging optical system according to any one of items 1 to 4.
(Configuration 6)
An imaging apparatus having the imaging optical system according to any one of configurations 1 to 5.

本発明によれば、簡単な構造及び制御システムで高精度に光学ローパスフィルタのカットオフ周波数を可変制御することが可能な撮像光学系及び撮像装置を提供することである。   According to the present invention, there is provided an imaging optical system and an imaging apparatus capable of variably controlling the cutoff frequency of an optical low-pass filter with high accuracy with a simple structure and control system.

本発明における実施例に用いた回折型光学ローパスフィルタの光線分離の例である。市松模様状回折格子による光線分離のパターンであり、横軸・奥行軸が回折次数であり、縦軸が回折効率である。It is an example of the beam separation of the diffraction type optical low-pass filter used for the Example in this invention. It is a pattern of light separation by a checkered diffraction grating, the horizontal axis and depth axis are diffraction orders, and the vertical axis is diffraction efficiency. 実施例1の表2におけるMTF特性である。It is a MTF characteristic in Table 2 of Example 1. FIG. 実施例2で表4におけるMTF特性である。It is an MTF characteristic in Table 4 in Example 2.

以下に本発明の撮像光学系及び撮像装置について説明する。 The imaging optical system and imaging apparatus of the present invention will be described below.

本発明の撮像光学系は、入射光を分離して非平行に出射する光学ローパスフィルタ、撮像素子を少なくとも含む。この光学ローパスフィルタと撮像素子の相対距離を可変させることにより、撮像素子の受講部における光線の分離幅が変化することを利用して、カットオフ周波数を変化させる。特定波長における光学ローパスフィルタの光線分離角度が既知であれば、光学ローパスフィルタと撮像素子の相対距離を距離調節手段によって正確に制御するだけで、光学ローパスフィルタを含めた撮像光学系のカットオフ周波数を高精度に制御することが可能となる。   The imaging optical system of the present invention includes at least an optical low-pass filter that separates incident light and emits the light in a non-parallel manner, and an imaging element. By changing the relative distance between the optical low-pass filter and the image sensor, the cut-off frequency is changed using the fact that the separation width of the light beam in the attending part of the image sensor changes. If the beam separation angle of the optical low-pass filter at a specific wavelength is known, the cutoff frequency of the imaging optical system including the optical low-pass filter can be controlled simply by accurately controlling the relative distance between the optical low-pass filter and the image sensor using the distance adjusting means. Can be controlled with high accuracy.

入射光を分離して非平行に出射する光学ローパスフィルタとしては、外部円錐屈折効果を有する光学ローパスフィルタ、回折型光学ローパスフィルタ等を使用することができる。
回折型光学ローパスフィルタは、ガラス基板内の屈折率変化領域が所定の周期で変調されているものであることが好ましい。この構成とすることで、ガラス基板に光の回折作用を付与させることができ、光学ローパスフィルタに入射した光線が分離し、分離した光線が非平行に出射する。光学ローパスフィルタに従来用いられている水晶は、光線分離作用を有するものの、分離して出射する光線が平行であるため、水晶のみに光線分離作用を担わせる撮像光学系には単独で使用することができない。
As an optical low-pass filter that separates incident light and emits it non-parallel, an optical low-pass filter having an external cone refraction effect, a diffractive optical low-pass filter, or the like can be used.
In the diffractive optical low-pass filter, it is preferable that the refractive index change region in the glass substrate is modulated with a predetermined period. With this configuration, it is possible to impart a light diffracting action to the glass substrate, so that the light rays incident on the optical low-pass filter are separated, and the separated light rays are emitted non-parallel. Crystals conventionally used in optical low-pass filters have a light separation effect, but the separated and emitted light beams are parallel, so use them alone in an imaging optical system that only has the light separation effect. I can't.

ガラス基板に複数の屈折率変化領域を形成するためには、例えば、ガラス基板にパルスレーザーを照射し、ガラス基板の内部にエネルギーを与えることによって、部分的に異質層へと変化させることが挙げられる。   In order to form a plurality of refractive index changing regions on a glass substrate, for example, by irradiating the glass substrate with a pulse laser and applying energy to the inside of the glass substrate, it can be partially changed into a heterogeneous layer. It is done.

回折型光学ローパスフィルタの回折格子周期をdとすると、回折型光学ローパスフィルタに垂直に入射する波長λの光線の分離光線である±1次回折光のなす角2θは、2θ=2sin−1(λ/d)である。光学ローパスフィルタでの分離光の出射面と撮像素子の受光部の相対距離をLとすると、撮像素子の受講部での光線分離幅wはw=2Ltanθとなる。従って、Lを距離調節手段で制御すれば、撮像光学系のカットオフ周波数を制御することができる。 Assuming that the diffraction grating period of the diffractive optical low-pass filter is d, the angle 2θ formed by the ± first-order diffracted light, which is a separated light beam of wavelength λ perpendicularly incident on the diffractive optical low-pass filter, is 2θ = 2sin −1 (λ / d). Assuming that the relative distance between the exit surface of the separated light and the light receiving portion of the image sensor in the optical low-pass filter is L, the light beam separation width w in the attending portion of the image sensor is w = 2L tan θ. Therefore, if L is controlled by the distance adjusting means, the cutoff frequency of the imaging optical system can be controlled.

光学ローパスフィルタと撮像素子の相対距離を可変させる距離調節手段は、光学ローパスフィルタ又は撮像素子を光軸に沿って移動させる移動手段を含む。また、前記距離調節手段は、光学ローパスフィルタ又は撮像素子の位置を検出する検出手段を含むことが好ましい。さらに、前記距離調節手段は、前記検出手段による検出結果をフィードバックして光学ローパスフィルタ又は撮像素子の相対距離を制御するフィードバック制御手段を有することが好ましい。この場合でも、位置の検出結果を用いてフィードバック制御するだけで良いので、構造やシステムが複雑とならない。   The distance adjusting unit that varies the relative distance between the optical low-pass filter and the image sensor includes a moving unit that moves the optical low-pass filter or the image sensor along the optical axis. The distance adjusting means preferably includes an optical low-pass filter or detection means for detecting the position of the image sensor. Furthermore, it is preferable that the distance adjusting means includes a feedback control means for controlling a relative distance between the optical low-pass filter or the image sensor by feeding back a detection result obtained by the detecting means. Even in this case, since it is only necessary to perform feedback control using the position detection result, the structure and system are not complicated.

撮像光学系において、撮像素子上に像を合焦するための制御を容易とする観点からは、前記距離調節手段は、撮像素子を撮像装置等に固定し、ローパスフィルタを移動させる手段であることが好ましい。   In the imaging optical system, from the viewpoint of facilitating control for focusing an image on the imaging device, the distance adjusting unit is a unit that fixes the imaging device to an imaging device or the like and moves a low-pass filter. Is preferred.

光学ローパスフィルタ又は撮像素子を移動させる移動調節手段は、ラックアンドピニオンをモーターで駆動させる機構、電磁駆動機構、圧電アクチュエータ等、公知の手段を使用することができる。   As the movement adjusting means for moving the optical low-pass filter or the image pickup device, known means such as a mechanism for driving the rack and pinion with a motor, an electromagnetic drive mechanism, and a piezoelectric actuator can be used.

一例として、撮像素子を固定し、光学ローパスフィルタを電磁駆動機構で移動させる場合について説明する。
光学ローパスフィルタを支持枠に固定し、当該支持板枠を撮像装置の本体に対し、前後方向(撮像素子面に対して垂直な方向)以外の移動を規制するようにガイドレールに固定する。当該支持枠が前後方向に移動することにより、光学ローパスフィルタと撮像素子の相対距離が変化する。光学ローパスフィルタは撮像素子面に対し光の入射面と出射面が平行になるように支持枠に固定する。ガイドレールは円柱状でステンレス製であり、前後方向に沿って撮像装置本体に複数本(例えば左右で各1本)が固定されている。支持枠の左右には、ガイド穴をそれぞれ形成し、ガイドレールをガイド穴にそれぞれ挿通させる。ガイド穴を形成する支持枠の部分を前後方向に肉厚にすることや、左右のレールの摩擦を均等にすることにより、ローパスフィルタが上下左右方向に傾きが生じないように防止する。これにより、光学ローパスフィルタの支持枠は、ガイドレールに沿って前後方向に移動する。撮像装置の本体には、支持枠の左右側面側にメインコイルを固定する。支持枠の左右側面には永久磁石をメインマグネットとして固定し、メインコイルに対して所定のギャップをおいてそれぞれに対向させる。メインマグネットとメインコイルによって電磁駆動機構が構成され、メインコイルへの電力の供給により所定の力定数の駆動力が発生する。当該機構はメインコイルへの電流の向きを制御することで、支持枠に固定された光学ローパスフィルタをガイドバーに沿って前後方向に移動させることができる。
また、撮像装置の本体には、光学ローパスフィルタの位置を検出するためのホール素子を設置し、ホール素子の位置に対応して、支持枠にはセンサマグネットを固定する。これによってホール素子での磁束密度の変化から、光学ローパスフィルタの位置を数μmのオーダーで検出することができる。移動距離が1mm以上となる場合には、複数個のホール素子を用いてもよい。
撮像素子の本体には、ホール素子の信号を用いて、光学ローパスフィルタの位置を制御するフィードバック手段を設けることにより、光学ローパスフィルタの位置を高精度に制御することができる。
このような構成からなる距離調節手段によって、光学ローパスフィルタを含めた撮像光学系のカットオフ周波数を高精度に制御することが可能となる。
As an example, a case where the image sensor is fixed and the optical low-pass filter is moved by an electromagnetic drive mechanism will be described.
The optical low-pass filter is fixed to the support frame, and the support plate frame is fixed to the guide rail so as to restrict movement in the direction other than the front-rear direction (direction perpendicular to the image sensor surface) with respect to the main body of the imaging device. As the support frame moves in the front-rear direction, the relative distance between the optical low-pass filter and the image sensor changes. The optical low-pass filter is fixed to the support frame so that the light incident surface and the light exit surface are parallel to the imaging element surface. The guide rail is cylindrical and made of stainless steel, and a plurality of guide rails (for example, one each on the left and right sides) are fixed along the front-rear direction. Guide holes are formed on the left and right sides of the support frame, and the guide rails are inserted through the guide holes. The portion of the support frame that forms the guide hole is thickened in the front-rear direction, and the friction between the left and right rails is made uniform, so that the low-pass filter is prevented from being tilted in the vertical and horizontal directions. Thereby, the support frame of the optical low-pass filter moves in the front-rear direction along the guide rail. A main coil is fixed to the left and right side surfaces of the support frame in the main body of the imaging apparatus. Permanent magnets are fixed as main magnets on the left and right side surfaces of the support frame, and are opposed to the main coils with a predetermined gap therebetween. The main magnet and the main coil constitute an electromagnetic drive mechanism, and a driving force having a predetermined force constant is generated by supplying electric power to the main coil. The mechanism can move the optical low-pass filter fixed to the support frame in the front-rear direction along the guide bar by controlling the direction of the current to the main coil.
In addition, a hall element for detecting the position of the optical low-pass filter is installed in the main body of the imaging apparatus, and a sensor magnet is fixed to the support frame in accordance with the position of the hall element. Accordingly, the position of the optical low-pass filter can be detected on the order of several μm from the change in magnetic flux density in the Hall element. When the moving distance is 1 mm or more, a plurality of Hall elements may be used.
The position of the optical low-pass filter can be controlled with high accuracy by providing feedback means for controlling the position of the optical low-pass filter using the signal of the Hall element in the main body of the image sensor.
The distance adjusting means having such a configuration makes it possible to control the cutoff frequency of the imaging optical system including the optical low-pass filter with high accuracy.

前記距離調節手段は、前記撮像素子のナイキスト周波数をfn、前記光学ローパスフィルタの作用およびローパスフィルタと撮像素子受光部の距離によって評価されるカットオフ周波数をfcとするとき、0.1≦fc/fn≦10となるように前記光学ローパスフィルタと前記撮像素子の相対距離を制御することが好ましい。
0.1≦fc/fn≦10の範囲で、光学ローパスフィルタと前記撮像素子の相対距離を制御することができれば、撮影者の意図に合わせて、十分な範囲で光学ローパスフィルタの効果を増減することが可能となる。
光学ローパスフィルタと前記撮像素子の相対距離が近いほどfc/fnは高い値となり、光学ローパスフィルタの効果は小さくなる。モアレや偽色の防止効果を犠牲にして、高精細な画像を得るにはfc/fnをより高く設定すれば良い。逆に、相対距離が遠いほどfc/fnは低い値となり、光学ローパスフィルタの効果は大きくなる。デジタルスチルカメラの動画モードや撮影写真の画面解像度設定では画素の間引きが行われているが、その場合はfc/fnを1より低くすることで対応が可能となる。
水晶からなる光学ローパスフィルタの場合は、光学ローパスフィルタ固有の特性としてカットオフ周波数を評価できるが、本発明の分離光が非平行に出射する光学ローパスフィルタの場合、ローパスフィルタだけではカットオフ周波数が決まらず、光学ローパスフィルタと撮像素子受講部の距離でカットオフ周波数が評価されることとなる。
The distance adjusting means is 0.1 ≦ fc / when the Nyquist frequency of the image sensor is fn, and the cutoff frequency evaluated by the action of the optical low-pass filter and the distance between the low-pass filter and the image sensor light receiving unit is fc. It is preferable to control the relative distance between the optical low-pass filter and the image sensor so that fn ≦ 10.
If the relative distance between the optical low-pass filter and the image sensor can be controlled within the range of 0.1 ≦ fc / fn ≦ 10, the effect of the optical low-pass filter is increased or decreased within a sufficient range according to the photographer's intention. It becomes possible.
The closer the relative distance between the optical low-pass filter and the image sensor, the higher the value of fc / fn, and the smaller the effect of the optical low-pass filter. In order to obtain a high-definition image at the expense of the effect of preventing moire and false colors, fc / fn may be set higher. Conversely, as the relative distance increases, fc / fn decreases and the effect of the optical low-pass filter increases. Pixel thinning is performed in the moving image mode of the digital still camera and the screen resolution setting of the photographed photo. In this case, it is possible to cope with this by setting fc / fn lower than 1.
In the case of an optical low-pass filter made of crystal, the cutoff frequency can be evaluated as a characteristic unique to the optical low-pass filter. However, in the case of an optical low-pass filter that emits non-parallel separated light according to the present invention, the cutoff frequency can be reduced only by the low-pass filter. Regardless, the cut-off frequency is evaluated by the distance between the optical low-pass filter and the image pickup device attending part.

本発明の撮像光学系において、使用波長帯の中心波長をλ[μm]、回折型光学ローパスフィルタの回折格子周期をd[μm]、撮像素子の画素ピッチをW[μm]とし、制御可能なfc/fnがα≦fc/fn≦βであるとき、格子周期dが、d≧λ/sinθであることが好ましい。
ただしθは下記式を満たす。
In the imaging optical system of the present invention, the center wavelength of the wavelength band to be used is λ [μm], the diffraction grating period of the diffractive optical low-pass filter is d [μm], and the pixel pitch of the imaging element is W [μm]. When fc / fn is α ≦ fc / fn ≦ β, the grating period d is preferably d ≧ λ / sin θ.
However, θ satisfies the following formula.

格子周期dがd≧λ/sinθを満たす範囲であれば、光学ローパスフィルタと撮像素子の相対距離を可変させる距離調節手段の位置決め精度が、例えば少なくとも繰り返し位置決め精度で±10μmあれば、市場で要求される撮像装置の性能に鑑みて、十分に高精度なカットオフ周波数の制御を行うことができる。
θは、下記式を満たすことが、より緻密かつ高精度にカットオフ周波数の制御を行うことができるためより好ましい。
If the grating period d is in the range satisfying d ≧ λ / sin θ, the positioning accuracy of the distance adjusting means for changing the relative distance between the optical low-pass filter and the imaging device is required in the market if the positioning accuracy is, for example, at least ± 10 μm in repeated positioning accuracy. In view of the performance of the imaging apparatus to be performed, it is possible to control the cutoff frequency with sufficiently high accuracy.
It is more preferable that θ satisfies the following expression because the cutoff frequency can be controlled more precisely and with high accuracy.

なお、使用波長帯の中心波長とは、撮像光学系又はそれを用いた撮像装置が用いられる用途において使用する光の波長域の最短波長と最長波長の中央値を用いることが好ましい。一般に市場で用いられるデジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラである場合、使用波長帯の中心波長は587.56nmとする。 In addition, it is preferable to use the median value of the shortest wavelength and the longest wavelength of the wavelength region of light used in the application in which the imaging optical system or the imaging apparatus using the imaging optical system is used as the center wavelength of the used wavelength band. In the case of a digital still camera or a digital video camera generally used in the market, the center wavelength of the used wavelength band is set to 587.56 nm.

本発明の光学ローパスフィルタは、ガラス内部に母材と屈折率差が異なる屈折率変化領域を有し、前記屈折率差が所定の周期で変調されていることにより、透過型回折格子として機能するものであることが好ましい。
このとき、ガラスは薄板状のガラス基板であることが好ましい。
光の回折作用を付与させるため、ガラス基板に複数の屈折率変化領域が所定の周期で配置される場合について述べる。前記屈折率変化領域は、例えば、ガラス基板にパルスレーザー光線を照射し、被照射部分を異質層とすることにより形成される。前記屈折率変化領域は、前記ガラス基板の両方の主表面の少なくとも一部をそれぞれ含みかつ同じ屈折率で連続している領域(すなわち、異質層が形成されていない部分)に対し、波長が587.56nmである光の屈折率差の絶対値(|Δnd|)が、0.001以上であることが好ましい。|Δnd|を0.001以上とすることによって、短い光の経路長で充分な光の光路長差を得ることができ、光学ローパスフィルタの設計の自由度が大きくなるからである。この効果をより容易に得るためには、|Δnd|は0.002以上であることがより好ましく、0.005以上であることが最も好ましい。なお、|Δnd|の上限は特になく、大きければ大きいほど好ましいが、実際に得られる|Δnd|の上限は0.5程度である。
なお、主表面とは、被写体から届く光が入射又は出射する面をいう。
The optical low-pass filter of the present invention has a refractive index change region having a refractive index difference different from that of the base material inside the glass, and functions as a transmission diffraction grating by modulating the refractive index difference at a predetermined period. It is preferable.
At this time, the glass is preferably a thin glass substrate.
A case will be described in which a plurality of refractive index changing regions are arranged at a predetermined period on a glass substrate in order to impart a light diffraction effect. The refractive index changing region is formed, for example, by irradiating a glass substrate with a pulse laser beam and making the irradiated portion a heterogeneous layer. The refractive index changing region has a wavelength of 587 with respect to a region that includes at least a part of both main surfaces of the glass substrate and is continuous at the same refractive index (that is, a portion where no heterogeneous layer is formed). The absolute value (| Δnd |) of the refractive index difference of light of .56 nm is preferably 0.001 or more. By setting | Δnd | to be 0.001 or more, a sufficient optical path length difference can be obtained with a short light path length, and the degree of freedom in designing the optical low-pass filter is increased. In order to obtain this effect more easily, | Δnd | is more preferably 0.002 or more, and most preferably 0.005 or more. The upper limit of | Δnd | is not particularly limited and is preferably as large as possible. However, the upper limit of | Δnd | actually obtained is about 0.5.
The main surface refers to a surface on which light reaching from the subject enters or exits.

本発明の光学ローパスフィルタを構成するガラス基板は、SiO、B、P、Bi、TeOのいずれかを主成分とするガラスからなることが、パルスレーザーを照射した場合に、ガラス内部の異質層への変化が容易であるので好ましい。
主成分とは、ガラスを構成する他の成分と比較して、最も含有割合が多い成分をいう。
The glass substrate constituting the optical low-pass filter of the present invention is made of glass mainly composed of any one of SiO 2 , B 2 O 3 , P 2 O 5 , Bi 2 O 3 , and TeO 2. When irradiated, it is preferable because it is easy to change to a heterogeneous layer inside the glass.
A main component means a component with the largest content rate compared with the other component which comprises glass.

本明細書において、「異質」とは、パルスレーザー照射によりガラスの一部がパルスレーザー照射前とは異なる材料の構造上の変化、元素の結合状態の変化、空孔生成、組成分布等を生じた状態を意味し、「異質相」とは、ガラスの一部を異質化することにより生じた、ガラス母材の屈折率とは異なる屈折率を有する部位を意味する。異質相の屈折率変化は、密度変化、組成変化、空洞形成、結晶化、イオンの価数変動などにより起こる。またそれらは、散乱の原因となるクラックの発生を伴わない。本発明に係る光学ローパスフィルタにおいて、異質相は3nm以上の最小幅を有することが好ましい。異質相の幅が、光学ローパスフィルタの利用波長の1/100よりも小さい場合は、ガラスの内部に存在しても透過光に影響を与えられず、屈折率変化や位相差を実現するのが困難になるからである。   In this specification, “heterogeneous” means that a part of the glass causes structural changes in the material, changes in the bonding state of elements, vacancy generation, composition distribution, etc. due to pulse laser irradiation. The “heterogeneous phase” means a portion having a refractive index different from the refractive index of the glass base material, which is generated by making a part of the glass heterogeneous. The refractive index change of the heterogeneous phase is caused by density change, composition change, cavity formation, crystallization, ion valence change, and the like. They are also not accompanied by cracks that cause scattering. In the optical low-pass filter according to the present invention, the heterogeneous phase preferably has a minimum width of 3 nm or more. When the width of the heterogeneous phase is smaller than 1/100 of the wavelength used by the optical low-pass filter, even if it exists inside the glass, the transmitted light is not affected, and a change in refractive index and a phase difference can be realized. Because it becomes difficult.

異質相、すなわち屈折率変化領域の最小幅は、使用する波長より小さい場合、偏光特性に悪い影響が出ることがある。可視光領域の偏光への影響を抑えるためには、可視光領域の波長サイズより大きい、例えば830nmより大きいことが好ましい。一方、異質相の幅の上限は後述の屈折率変化領域より小さいものであり、屈折率変化領域の幅によって適宜変更され得る。   If the minimum width of the heterogeneous phase, that is, the refractive index change region is smaller than the wavelength used, the polarization characteristics may be adversely affected. In order to suppress the influence on the polarization in the visible light region, it is preferably larger than the wavelength size of the visible light region, for example, larger than 830 nm. On the other hand, the upper limit of the width of the heterogeneous phase is smaller than the refractive index change region described later, and can be appropriately changed depending on the width of the refractive index change region.

なお、本明細書において、「可視光」は360nm〜830nmの範囲の波長を有する電磁波を意味する。   In the present specification, “visible light” means an electromagnetic wave having a wavelength in the range of 360 nm to 830 nm.

屈折率変化領域の形状は線状、球形、楕円形、立方体、多角柱、多角錐、多面体等又は不定形状の構造を用いることができ、これらの形状の複数を組合せて用いることもできる。屈折率変化領域の最小幅は、線状の構造である場合には線の断面の径で定義され、球形、楕円形、立方体、多角柱、多角錐、多面体等又は不定形状の構造である場合には、その屈折率変化領域の最大長が同じ球体の球相当径で定義される。   As the shape of the refractive index changing region, a linear shape, a spherical shape, an elliptical shape, a cube shape, a polygonal column shape, a polygonal pyramid shape, a polyhedron shape, or the like can be used, or a plurality of these shapes can be used in combination. The minimum width of the refractive index change region is defined by the diameter of the cross section of the line if it is a linear structure, and it is a sphere, ellipse, cube, polygonal column, polygonal pyramid, polyhedron, etc. or an irregularly shaped structure Is defined by the equivalent sphere diameter of the same sphere.

本発明に使用するガラス基板に好適なガラス組成について説明する。
ガラス基板は、SiO、B、P、Bi、TeOのいずれかを主成分とするガラスからなることが、パルスレーザー照射によって、異質層を生成しやすく、かつ、|Δnd|を大きくすることができる。
The glass composition suitable for the glass substrate used for this invention is demonstrated.
The glass substrate is made of glass mainly composed of any one of SiO 2 , B 2 O 3 , P 2 O 5 , Bi 2 O 3 , and TeO 2 , and it is easy to generate a heterogeneous layer by pulse laser irradiation. In addition, | Δnd | can be increased.

SiOは本発明におけるガラスの成分において非常に有用な成分であるが、これのみであると屈折率差はプラス方向に変化し易く、大きな屈折率差をつけることは難しい。すなわち、SiOはガラス中でガラス網目構造を形成する成分であり、その結合を切断するためには、レーザー照射時に大きなパワーが投入される必要がある。しかしながら、SiOは他の成分が共存すると、レーザー照射により形成される異質相の屈折率差を大きくするのに効果的である。すなわち、ガラス網目形成に寄与が低い、より結合力の低い成分がガラス内を移動し屈折率変化が引き起こされるものと考えられる。 SiO 2 is a very useful component in the glass component of the present invention, but if only this is used, the refractive index difference is likely to change in the positive direction, and it is difficult to provide a large refractive index difference. That is, SiO 2 is a component that forms a glass network structure in glass, and in order to break the bond, it is necessary to apply a large power during laser irradiation. However, SiO 2 is effective in increasing the refractive index difference of the heterogeneous phase formed by laser irradiation when other components coexist. That is, it is considered that a component having a low contribution to glass network formation and having a lower binding force moves in the glass and causes a change in refractive index.

SiO成分を含む場合、SiOの下限は20%が好ましく、30%がより好ましく、35%が最も好ましい。20%以上であれば安定にガラス化させることが可能である。また、ガラス自身の屈折率、レーザー照射により形成される異質相の屈折率差に影響のある他の修飾酸化物を含有させてもガラス自身が安定である。SiOの上限は75%が好ましく、70%がより好ましく、65%が最も好ましい。90%以下であれば、比較的低温でガラスを溶解することができ、脈理や泡の少ない均質なガラスが得られ易いので好ましい。 When the SiO 2 component is included, the lower limit of SiO 2 is preferably 20%, more preferably 30%, and most preferably 35%. If it is 20% or more, it can be vitrified stably. The glass itself is stable even if it contains other modified oxides that affect the refractive index of the glass itself and the refractive index difference of the heterogeneous phase formed by laser irradiation. The upper limit of SiO 2 is preferably 75%, more preferably 70%, and most preferably 65%. If it is 90% or less, the glass can be melted at a relatively low temperature, and a homogeneous glass with few striae and bubbles is easily obtained, which is preferable.

は、溶解温度を下げ、安定なガラスを得ることができる。B成分を含む場合、Bの上限は17%以下が好ましく、10%以下がより好ましく、5%以下が最も好ましい。17%以下であれば、ガラスの相分離を引きこし難くなり、安定なガラスが得られ易くなり、また、TiOを比較的多量に含有させ易くなるので好ましい。 B 2 O 3 can lower the melting temperature and obtain a stable glass. When the B 2 O 3 component is included, the upper limit of B 2 O 3 is preferably 17% or less, more preferably 10% or less, and most preferably 5% or less. If it is 17% or less, it is difficult to cause phase separation of the glass, a stable glass is easily obtained, and a relatively large amount of TiO 2 is easily contained, which is preferable.

は、ガラス組成物の網目形成酸化物として作用するガラス形成酸化物である。Pの含有率は共存させる成分及びその量によって最適な量が異なるが、P成分を含有させる場合、少なすぎるとガラスの安定性が悪くなるので、含有率を10%以上とすることが好ましく、15%以上がより好ましく、20%以上が最も好ましい。また含有量が多すぎてもガラス化し難い、ガラスが不安定になる等の問題があり、その上限を90%とすることが好ましく、80%とすることがより好ましく、70%とするのが最も好ましい。
成分を含有させる場合は、SiO成分を10%以下とすることが好ましい。
P 2 O 5 is a glass forming oxide that acts as a network forming oxide of the glass composition. The content of P 2 O 5 varies depending on the coexisting component and the amount thereof. However, when the P 2 O 5 component is contained, if the amount is too small, the stability of the glass deteriorates, so the content is 10% or more. Preferably, 15% or more is more preferable, and 20% or more is most preferable. Moreover, even if there is too much content, there exists a problem that it is hard to vitrify and glass becomes unstable, and the upper limit is preferably 90%, more preferably 80%, and 70%. Most preferred.
When the P 2 O 5 component is contained, the SiO 2 component is preferably 10% or less.

Biは、ガラス組成物の網目形成酸化物として作用するガラス形成酸化物である。また、高屈折率化に寄与しうるため、屈折率を高める目的で副成分として添加される場合もある。Bi成分を含有させる場合、安定にガラスを得るためには、その含有率は0〜40%が好ましく、0〜20%がより好ましく、0%以上10%未満が最も好ましい。 Bi 2 O 3 is a glass-forming oxide that acts as a network-forming oxide of the glass composition. Moreover, since it can contribute to a higher refractive index, it may be added as a subcomponent for the purpose of increasing the refractive index. When the Bi 2 O 3 component is contained, in order to obtain glass stably, the content is preferably 0 to 40%, more preferably 0 to 20%, and most preferably 0% or more and less than 10%.

TeOは、ガラス組成物の網目形成酸化物として作用するガラス形成酸化物である。また、高屈折率化に寄与しうるため、屈折率を高める目的で副成分として添加される場合もある。TeO成分を含有させる場合、安定にガラスを得るためには、その含有率は0%以上50%未満が好ましく、0%以上30%未満がより好ましく、0%以上20%未満が最も好ましい。 TeO 2 is a glass-forming oxide that acts as a network-forming oxide of the glass composition. Moreover, since it can contribute to a higher refractive index, it may be added as a subcomponent for the purpose of increasing the refractive index. When the TeO 2 component is contained, in order to obtain glass stably, the content is preferably 0% or more and less than 50%, more preferably 0% or more and less than 30%, and most preferably 0% or more and less than 20%.

LiO、NaO、KO等のアルカリ金属酸化物は溶融温度を低下させ、ガラスを安定化する作用を有する。これらのアルカリ金属酸化物の含有率が少なすぎると溶融温度が上昇し、含有率が多すぎると化学的耐久性が低下し、いずれにおいてもガラスの安定性が低下する。
LiOの含有率は0〜15%が好ましく、0〜12%がより好ましく、0〜10%が最も好ましい。NaOの含有率は0〜30%が好ましく、0〜25%がより好ましく、0〜20%が最も好ましい。KOの含有率は0〜30%が好ましく、0〜25%がより好ましく、0〜20%が最も好ましい。
アルカリ金属酸化物は必須ではないが、1%以上含有することが好ましく、3%以上がより好
ましい。また含有率の上限は、30%とすることが好ましく、25%とすることがより好
ましく、20%とすることが最も好ましい。
Alkali metal oxides such as Li 2 O, Na 2 O, K 2 O have the effect of lowering the melting temperature and stabilizing the glass. If the content of these alkali metal oxides is too low, the melting temperature increases, and if the content is too high, the chemical durability decreases, and in any case, the stability of the glass decreases.
The content of Li 2 O is preferably 0 to 15%, more preferably 0 to 12%, and most preferably 0 to 10%. The content of Na 2 O is preferably 0 to 30%, more preferably 0 to 25%, and most preferably 0 to 20%. The content of K 2 O is preferably 0 to 30%, more preferably 0 to 25%, and most preferably 0 to 20%.
The alkali metal oxide is not essential, but it is preferably contained at 1% or more, more preferably 3% or more. The upper limit of the content is preferably 30%, more preferably 25%, and most preferably 20%.

MgO、SrO、CaO、BaO、ZnO等の二価金属酸化物はガラス網目構造の結合を切断する働きがあり、ガラス製造時の溶解性を高め、ガラスがより安定する。これら自身のガラスの異質層への変化の寄与は小さいと考えられるが、異質層への変化の影響が大きい他の成分の効果を高めるように働くと考えられる。
MgOの含有率は0〜10%が好ましく、0〜7%がより好ましく、0〜5%が最も好ましい。
SrOの含有率は0〜10%が好ましく、0〜7%がより好ましく、0〜5%が最も好ましい。
CaOの含有率は0〜30%が好ましく、0〜25%がより好ましく、0〜20%が最も好ましい。
BaOの含有率は0〜30%が好ましく、0〜25%がより好ましく、0〜20%が最も好ましい。
ZnOの含有率は0〜40%が好ましく、0〜30%がより好ましく、0〜20%が最も好ましい。
二価金属酸化物は必須ではないが、1%以上含有することが好ましく、3%以上がより好ましい。また含有率の上限は、40%とすることが好ましく、30%とすることがより好ましく、20%とすることが最も好ましい。
Bivalent metal oxides such as MgO, SrO, CaO, BaO, and ZnO have a function of cutting bonds in the glass network structure, increase the solubility during glass production, and make the glass more stable. Although the contribution of these own glass changes to the heterogeneous layer is considered to be small, it is thought to work to enhance the effect of other components that are largely affected by the change to the heterogeneous layer.
The content of MgO is preferably 0 to 10%, more preferably 0 to 7%, and most preferably 0 to 5%.
The content of SrO is preferably 0 to 10%, more preferably 0 to 7%, and most preferably 0 to 5%.
The content of CaO is preferably 0 to 30%, more preferably 0 to 25%, and most preferably 0 to 20%.
The content of BaO is preferably 0 to 30%, more preferably 0 to 25%, and most preferably 0 to 20%.
The content of ZnO is preferably 0 to 40%, more preferably 0 to 30%, and most preferably 0 to 20%.
The divalent metal oxide is not essential, but is preferably contained in an amount of 1% or more, more preferably 3% or more. The upper limit of the content is preferably 40%, more preferably 30%, and most preferably 20%.

TiOも本発明におけるガラスの成分において有用な任意成分であり、他の修飾酸化物との組み合わせや混合比にもよるが、屈折率差を大きくする成分として、効果が大きい。特に、マイナス方向の屈折率差Δnを大きくするのに効果的である。
TiOの上限は50%が好ましく、40%がより好ましく、30%が最も好ましい。50%以下であれば、上記SiOを含むガラスの失透の影響を少なくし、また、Tiイオンの価数変化による着色を少なく抑えて可視光領域で高い透明性を有するガラスを安定に製造し易いので好ましい。下限は0%である。
TiO 2 is also an optional component useful in the glass component of the present invention, and is highly effective as a component that increases the difference in refractive index, although it depends on the combination with other modified oxides and the mixing ratio. In particular, it is effective for increasing the negative refractive index difference Δn.
The upper limit of TiO 2 is preferably 50%, more preferably 40%, and most preferably 30%. If it is 50% or less, the effect of devitrification of the glass containing SiO 2 is reduced, and the glass having high transparency in the visible light region is suppressed by suppressing coloring due to the valence change of Ti ions. Since it is easy to do, it is preferable. The lower limit is 0%.

Alは、SiOと共存させることで安定なガラスを得ることができる。Alの上限は4%が好ましい。Nbは、ガラス自身の屈折率を高めうる。Nbの上限は20%が好ましい。また、ZrOは、ガラス製造時に添加することで耐火性能を向上でき、また失透を抑制する働きがある。ZrOの上限は6%が好ましい。Sbは必須成分ではないが、ガラス製造時の脱泡剤として用いうる。Sbの上限は0.4%が好ましい。フッ素は必須成分ではないが、ガラス自身の屈折率や分散を下げる効果やレーザー照射による屈折率差を小さくする効果がある。従って、ガラス自身の屈折率や分散を調整する目的で5%以下を含有させることが好ましい。他に、Y、SnOの群からなる成分を少なくとも1つ以上含有させてもよい。これらの上限は15%が好ましい。 Al 2 O 3 can obtain a stable glass by coexisting with SiO 2 . The upper limit of Al 2 O 3 is preferably 4%. Nb 2 O 5 can increase the refractive index of the glass itself. The upper limit of Nb 2 O 5 is preferably 20%. Further, ZrO 2 can improve the fire resistance by adding it during glass production, and has a function of suppressing devitrification. The upper limit of ZrO 2 is preferably 6%. Sb 2 O 3 is not an essential component, but can be used as a defoaming agent during glass production. The upper limit of Sb 2 O 3 is preferably 0.4%. Although fluorine is not an essential component, it has the effect of reducing the refractive index and dispersion of the glass itself, and the effect of reducing the difference in refractive index caused by laser irradiation. Therefore, it is preferable to contain 5% or less for the purpose of adjusting the refractive index and dispersion of the glass itself. In addition, at least one component consisting of Y 2 O 3 and SnO may be contained. These upper limits are preferably 15%.

なお、WO、Ta、La、Gdの群からなる成分を少なくとも1つ以上含む酸化物又は当該酸化物に含まれる元素は、環境負荷又は生物毒性等が報告されており好ましくない。 Note that oxides containing at least one component consisting of the group of WO 3 , Ta 2 O 5 , La 2 O 3 , Gd 2 O 3 or elements contained in the oxides are reported as having an environmental impact or biotoxicity. This is not preferable.

また、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Ag及びMo等の各遷移金属成分は、それぞれを単独又は複合して少量含有した場合でも材料自体が着色してしまい、可視域の特定の波長に吸収を生じさせるため、可視の波長域において本発明の光学ローパスフィルタを使用する場合には、実質的に含まないことが好ましい。また、各希土類成分それぞれも単独又は複合して含有することにより着色してしまうことがあり、可視域の特定の波長に吸収を生じさせる傾向があるため、可視の波長域において本発明の光学ローパスフィルタを使用する場合には、実質的に含まないことが好ましい。   In addition, each transition metal component such as V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Ag, and Mo is colored in the visible region even when a small amount of each is contained alone or in combination. In order to cause absorption at a specific wavelength, it is preferable that the optical low-pass filter of the present invention is not substantially included in the visible wavelength region. In addition, since each rare earth component may be colored alone or in combination, it tends to cause absorption at a specific wavelength in the visible range. When using a filter, it is preferable not to contain substantially.

更に、Be、Pb、Th、Cd、Tl、As、Os、S、Se、Br、Cl、I等の各成分は、近年有害な化学物資として使用を控える傾向にあり、ガラスの製造工程のみならず、加工工程、及び製品化後の処分に至るまで環境対策上の措置が必要とされるため、環境上の影響を重視する場合には実質的に含まないことが好ましい。   Furthermore, components such as Be, Pb, Th, Cd, Tl, As, Os, S, Se, Br, Cl, and I tend to refrain from being used as harmful chemicals in recent years. However, since measures for environmental measures are required until the processing steps and disposal after commercialization, it is preferable that they are not substantially included when importance is placed on the environmental impact.

本発明に用いるガラス基板は、ガラスの表面を平坦に加工し、研磨したものである。ガラス基板に光の回折作用を付与する為に、ガラス基板の表面から内部に向けてパルスレーザーを照射するため、表面でレーザー光が乱反射するのを防ぐ必要があり、ガラス基板の表面は可能な限り平坦であることが好ましい。近年の撮像素子の高画素化に伴い、画素ピッチが狭くなっており、回折光の入射位置のズレを低減する観点から、具体的には、平坦度は10μm以下であることが好ましく、2μm以下であることがより好ましい。また、表面粗さは、点平均粗さRzで150Å以下であることが好ましい。なお、平坦度とは、光学ローパスフィルタとして光が入射する領域内の、最も高い山の部分から最も低い谷の部分までの距離である。   The glass substrate used in the present invention is obtained by processing and polishing a glass surface flatly. In order to give light diffraction to the glass substrate, it is necessary to prevent the laser light from being irregularly reflected on the surface because the pulse laser is irradiated from the surface of the glass substrate to the inside. It is preferable to be as flat as possible. With the recent increase in the number of pixels in the image sensor, the pixel pitch is narrowed. Specifically, from the viewpoint of reducing the deviation of the incident position of the diffracted light, the flatness is preferably 10 μm or less, and preferably 2 μm or less. It is more preferable that The surface roughness is preferably 150 mm or less in terms of the point average roughness Rz. The flatness is a distance from the highest peak portion to the lowest valley portion in a region where light enters as an optical low-pass filter.

本発明に用いる光学ローパスフィルタは、光線透過率を高めるため、ガラス基板の少なくとも一方の主表面に光線反射防止膜がコーティングされていることが好ましい。   The optical low-pass filter used in the present invention is preferably coated with a light reflection preventing film on at least one main surface of the glass substrate in order to increase light transmittance.

本発明に係る屈折率変化領域は、ガラス基板の一部にパルスレーザーを照射することにより形成することができる。したがって、屈折率変化領域は、配置される屈折率変化領域の体積、形状、数密度、もしくは屈折率変化量のいずれか、またはそれらの組み合わせにより、光の回折作用を制御することができる。   The refractive index changing region according to the present invention can be formed by irradiating a part of the glass substrate with a pulsed laser. Therefore, the refractive index change region can control the diffraction action of light by any one of the volume, the shape, the number density, the refractive index change amount, or the combination of the refractive index change regions arranged.

また、屈折率変化領域の形成においては、パルスレーザーの照射を同じ個所に重複して行う、パルスレーザーの照射出力を調整する、および/またはパルスレーザーのスキャンスピードを調整することにより、ガラス母材に対する屈折率差を制御することができる。 Further, in forming the refractive index changing region, the glass base material is obtained by performing the pulse laser irradiation repeatedly at the same place, adjusting the pulse laser irradiation output, and / or adjusting the scan speed of the pulse laser. The refractive index difference with respect to can be controlled.

本発明において、パルスレーザーは、パルス幅がピコ秒(10−12s)以下のレーザーを好適に用いることができる。中心波長約800nm、[パルス幅100〜400fs(10−15s)]、繰り返し周波数10Hz〜100MHz、0.1〜4.0μJ程度のパルスエネルギーのフェムト秒パルスレーザーが好ましい。このようなパルスレーザー光を、例えば、倍率20倍(開口率0.45)の対物レンズ等を介して、10〜5000μmのスキャン深さ、0.005〜100mm/秒程度のスキャン速度の条件でガラス基板の内部に集光照射することにより、母ガラスと分子構造や組成分布が異なることにより屈折率差の異なる異質相を生成できる。 In the present invention, a pulse laser having a pulse width of picosecond (10 −12 s) or less can be suitably used. A femtosecond pulse laser having a center wavelength of about 800 nm, a [pulse width of 100 to 400 fs (10 −15 s)], a repetition frequency of 10 Hz to 100 MHz, and a pulse energy of about 0.1 to 4.0 μJ is preferable. Such a pulse laser beam is passed through an objective lens having a magnification of 20 times (aperture ratio of 0.45), for example, under conditions of a scanning depth of 10 to 5000 μm and a scanning speed of about 0.005 to 100 mm / second. By condensing and irradiating the inside of the glass substrate, a heterogeneous phase having a different refractive index difference can be generated due to a difference in molecular structure and composition distribution from the mother glass.

レーザー照射条件は所望する異質相の形状、屈折率変化量などによって変えることができる。例えば、1本のレーザビームをレンズで集光し、焦点位置で形成されるスポット状の異質相をステージの走査などを併用して加工する場合、パルスエネルギーは10nJ以上、好ましくは1μJ以上のイオン移動が起こせるパルスエネルギーを確保できれば特に上限はないが、繰り返し周波数は、上限が100MHz以下であると、加工時の熱の蓄積による熱歪みや望ましくないクラックの発生も抑制でき、また、ステージの速度を制御し易く、より精度の高い加工が可能となるので好ましい。繰り返し周波数の下限は、パルス間の加工の影響や加工時間を考慮して10Hz以上が好ましく、1kHz以上が最も好ましい。   The laser irradiation conditions can be changed depending on the desired heterogeneous phase shape, refractive index change amount, and the like. For example, in the case of processing a spot-like heterogeneous phase formed at the focal position by combining a laser beam with a lens and using a stage scanning or the like, the pulse energy is 10 nJ or more, preferably 1 μJ or more. There is no particular upper limit if pulse energy that can cause movement is ensured, but if the upper limit is 100 MHz or less, the repetition frequency can suppress the occurrence of thermal distortion and undesirable cracks due to heat accumulation during processing, and the speed of the stage. This is preferable because it is easy to control and processing with higher accuracy is possible. The lower limit of the repetition frequency is preferably 10 Hz or more, and most preferably 1 kHz or more in consideration of the influence of machining between pulses and the machining time.

一方、パルス幅はレーザー照射により圧力波(衝撃波)が発生できる程度に短い必要があり、1ps以下が好ましく、500fs以下がより好ましく、300fs以下が最も好ましい。しかしパルス幅が短すぎると、レンズや各種光学部品の分散材料を透過あるいは反射する過程で、パルス幅が容易に広がるため取り扱いが難しくなるという問題が生じるので、10fs以上が好ましく、50fs以上がより好ましく、100fs以上が最も好ましい。   On the other hand, the pulse width must be short enough to generate a pressure wave (shock wave) by laser irradiation, preferably 1 ps or less, more preferably 500 fs or less, and most preferably 300 fs or less. However, if the pulse width is too short, there is a problem that the pulse width is easily widened in the process of transmitting or reflecting the dispersion material of the lens and various optical components, so that the handling becomes difficult. Preferably, 100 fs or more is most preferable.

照射するレーザーの波長は、ガラス基板に対し、吸収がなく透明な波長領域であることが好ましい。照射するガラスの透過率や特定波長の吸収の有無にも依るが、好ましくは、約200nm〜2100nm、より好ましくは、400〜1100nm、最も好ましくは、500〜900nmである。この範囲であれば、集光位置付近の光強度の高い部位のみで多光子吸収を起こし精密な加工ができるので好ましい。   The wavelength of the laser to be irradiated is preferably a transparent wavelength region that does not absorb the glass substrate. Although depending on the transmittance of the glass to be irradiated and the presence or absence of absorption at a specific wavelength, it is preferably about 200 nm to 2100 nm, more preferably 400 to 1100 nm, and most preferably 500 to 900 nm. Within this range, it is preferable because multiphoton absorption is caused only at a portion with high light intensity near the condensing position and precise processing can be performed.

このようなパルスレーザーは、レーザー光を集光照射することにより、ガラス基板の内部に局所的にガラス母材の屈折率とは異なる屈折率を有する異質相を形成することができる。また、本実施形態におけるパルス幅は短いため、透明材料に対する熱的な影響が少ない。このため、加工時の熱の蓄積による熱歪みやクラックの発生も抑制でき、滑らかな形状の異質相を形成することもできる。 Such a pulse laser can form a heterogeneous phase having a refractive index different from the refractive index of the glass base material locally in the glass substrate by condensing and irradiating laser light. Further, since the pulse width in this embodiment is short, there is little thermal influence on the transparent material. For this reason, generation | occurrence | production of the thermal distortion and crack by the accumulation | storage of the heat | fever at the time of a process can also be suppressed, and the heterogeneous phase of a smooth shape can also be formed.

また、本実施形態に係るパルスレーザー照射において、照射するパルスレーザー光を複数に分割する工程を有することが、製造効率が良く、好ましい。パルスレーザー光を複数に分割する工程とは、例えば、パルスレーザー照射装置と、ガラス基板との間に所定形状の異質相を形成するためのホログラムを配置して、ガラス基板にパルスレーザー光を照射する工程である。ホログラムを利用してパルスレーザー光を複数に分割する形態においては、異質相のパターンを一括形成することが可能であるため、加工時間を短くし、且つ、高精度の異質相のパターンを形成することができる。 Further, in the pulse laser irradiation according to the present embodiment, it is preferable to have a step of dividing the pulse laser beam to be irradiated into a plurality of parts because of high manufacturing efficiency. The step of dividing the pulsed laser beam into multiple parts is, for example, by placing a hologram for forming a heterogeneous phase of a predetermined shape between the pulsed laser irradiation device and the glass substrate, and irradiating the glass substrate with the pulsed laser beam It is a process to do. In the embodiment in which the pulse laser beam is divided into a plurality of parts using a hologram, it is possible to form a heterogeneous phase pattern at a time, so the processing time is shortened and a highly accurate heterogeneous phase pattern is formed. be able to.

本発明の撮像光学系を、既知のデジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラ等の撮像光学系として用いることにより、簡単な構造及び制御システムで高精度に光学ローパスフィルタのカットオフ周波数を可変制御することが可能な撮像装置を得ることができる。   By using the imaging optical system of the present invention as an imaging optical system for a known digital still camera, digital video camera, etc., the cut-off frequency of the optical low-pass filter can be variably controlled with a simple structure and control system with high accuracy. A possible imaging device can be obtained.

(実施例1)
画素ピッチWが6μmの撮像素子に対し、波長λ=587.56nmにおけるカットオフ周波数fc/fnの制御範囲を1.0≦fc/fn≦1.5とし、6段階で変化させる場合の設定例を示す。なお、ローパスフィルタと撮像素子の受光部間の相対距離は、撮像素子を固定し、ローパスフィルタを移動することにより行う。
‐Nb‐TiO系のガラス基板にパルスレーザーを照射することにより異質層を形成し、光線分離パターンが図1になる回折型ローパスフィルタを用いた。回折型ローパスフィルタの格子周期は430μmに設定した。上記fc/fnの範囲で、ローパスフィルタの効果を均等に6段階で制御する場合の、ローパスフィルタと撮像素子の受光部間の相対距離L(μm)、波長λ=587.56nmにおける、±1次光線の撮像素子の受光部上での分離幅w(μm)の計算値を表1に示す。
Example 1
Setting example in which the control range of the cut-off frequency fc / fn at the wavelength λ = 587.56 nm is set to 1.0 ≦ fc / fn ≦ 1.5 for an image pickup device having a pixel pitch W of 6 μm and is changed in six steps. Indicates. The relative distance between the low-pass filter and the light receiving unit of the image sensor is determined by fixing the image sensor and moving the low-pass filter.
A heterogeneous layer was formed by irradiating a P 2 O 5 —Nb 2 O 5 —TiO 2 glass substrate with a pulse laser, and a diffraction low-pass filter having a light separation pattern as shown in FIG. 1 was used. The grating period of the diffractive low-pass filter was set to 430 μm. ± 1 at a relative distance L (μm) between the low-pass filter and the light-receiving part of the image sensor when the effect of the low-pass filter is uniformly controlled in six steps within the above fc / fn range, wavelength λ = 587.56 nm Table 1 shows the calculated value of the separation width w (μm) on the light receiving portion of the imaging device for the next light beam.

表1の計算値から、ローパスフィルタの移動ピッチを100μm単位として、各段階ごとの相対距離Lを設定した。その時の±1次光線の撮像素子の受光部上での分離幅w(μm)と、波長λ=587.56nmにおけるカットオフ周波数fc/fnの値を表2に示す。また、表2の設定に対するMTF特性を図2に示す。   From the calculated values in Table 1, the relative distance L for each stage was set with the moving pitch of the low-pass filter as 100 μm units. Table 2 shows the separation width w (μm) of the ± primary rays on the light receiving portion of the imaging element and the value of the cutoff frequency fc / fn at the wavelength λ = 587.56 nm. Further, FIG. 2 shows the MTF characteristics for the settings in Table 2.

ローパスフィルタの移動手段の繰り返し位置決め精度が±10μmであると仮定すると、段階5の相対距離を基準として、段階6の相対距離のばらつきは1490μm〜1510μmの範囲となり、これに対応する分離幅のばらつきは4.07μm〜4.13μmの範囲となる。このときのfc/fnの値のばらつきは1.45〜1.46の範囲であり、この差異は各段階のfc/fnの差異の約90分の1と極めて小さいものである。
以上より、本発明の撮像光学系は、距離調節手段の位置決め精度が高くなくとも、ローパスフィルタの効果を高い精度で制御することが可能である。
Assuming that the repetitive positioning accuracy of the moving means of the low-pass filter is ± 10 μm, the relative distance variation in the step 6 is in the range of 1490 μm to 1510 μm with the relative distance in the step 5 as a reference, and the corresponding variation in the separation width. Is in the range of 4.07 μm to 4.13 μm. The variation in the value of fc / fn at this time is in the range of 1.45 to 1.46, and this difference is extremely small, about 1/90 of the difference in fc / fn at each stage.
As described above, the imaging optical system of the present invention can control the effect of the low-pass filter with high accuracy even if the positioning accuracy of the distance adjusting means is not high.

(実施例2)
画素ピッチWが3μmの撮像素子に対し、波長λ=587.56nmにおけるカットオフ周波数fc/fnの制御範囲を0.5≦fc/fn≦4.0とし、8段階で変化させる場合の設定例を示す。なお、ローパスフィルタと撮像素子の受光部間の相対距離は、撮像素子を固定し、ローパスフィルタを移動することにより行う。
‐Nb‐TiO系のガラス基板にパルスレーザーを照射することにより異質層を形成し、光線分離パターンが図1になる回折型ローパスフィルタを用いた。回折型ローパスフィルタの格子周期は500μmに設定した。上記fc/fnの範囲で、ローパスフィルタの効果を均等に8段階で制御する場合の、ローパスフィルタと撮像素子の受光部間の相対距離L(μm)、波長λ=587.56nmにおける、±1次光線の撮像素子の受光部上での分離幅w(μm)の計算値を表3に示す。
(Example 2)
Setting example in which the control range of the cut-off frequency fc / fn at the wavelength λ = 587.56 nm is set to 0.5 ≦ fc / fn ≦ 4.0 and is changed in 8 steps with respect to an image sensor having a pixel pitch W of 3 μm. Indicates. The relative distance between the low-pass filter and the light receiving unit of the image sensor is determined by fixing the image sensor and moving the low-pass filter.
A heterogeneous layer was formed by irradiating a P 2 O 5 —Nb 2 O 5 —TiO 2 glass substrate with a pulse laser, and a diffraction low-pass filter having a light separation pattern as shown in FIG. 1 was used. The grating period of the diffractive low-pass filter was set to 500 μm. ± 1 at a relative distance L (μm) between the low-pass filter and the light-receiving portion of the image sensor when the effect of the low-pass filter is uniformly controlled in eight steps within the above fc / fn range, wavelength λ = 587.56 nm Table 3 shows the calculated value of the separation width w (μm) of the next light beam on the light receiving portion of the image sensor.

表3の計算値から、ローパスフィルタの移動ピッチを20μm単位として、各段階ごとの相対距離Lを設定した。その時の±1次光線の撮像素子の受光部上での分離幅w(μm)と、波長λ=587.56nmにおけるカットオフ周波数fc/fnの値を表4に示す。また、表4の設定に対するMTF特性を図3に示す。   From the calculated values in Table 3, the relative distance L for each stage was set with the moving pitch of the low-pass filter as 20 μm units. Table 4 shows the separation width w (μm) of the ± primary rays on the light receiving portion of the imaging element and the value of the cutoff frequency fc / fn at the wavelength λ = 587.56 nm. Further, FIG. 3 shows the MTF characteristics for the settings in Table 4.

ローパスフィルタの移動手段の繰り返し位置決め精度が±2μmであると仮定すると、段階5の相対距離を基準として、段階6の相対距離のばらつきは418μm〜422μmの範囲となり、これに対応する分離幅のばらつきは0.98μm〜0.99μmの範囲となる。このときのfc/fnの値のばらつきは3.03〜3.05の範囲であり、この差異は各段階のfc/fnの差異の約30分の1と極めて小さいものである。
以上より、本発明の撮像光学系は、距離調節手段の位置決め精度が高くなくとも、ローパスフィルタの効果を高い精度で制御することが可能である。
Assuming that the repeat positioning accuracy of the moving means of the low-pass filter is ± 2 μm, the relative distance variation in the step 6 is in the range of 418 μm to 422 μm with the relative distance in the step 5 as a reference, and the corresponding variation in the separation width. Is in the range of 0.98 μm to 0.99 μm. The variation in the value of fc / fn at this time is in the range of 3.03 to 3.05, and this difference is extremely small, about 1/30 of the difference in fc / fn at each stage.
As described above, the imaging optical system of the present invention can control the effect of the low-pass filter with high accuracy even if the positioning accuracy of the distance adjusting means is not high.

Claims (6)

入射光を分離して非平行に出射する光学ローパスフィルタと、撮像素子と、前記光学ローパスフィルタと前記撮像素子の相対距離を可変させる距離調節手段とを有する撮像光学系。   An imaging optical system comprising: an optical low-pass filter that separates incident light and emits the light in parallel; an imaging element; and a distance adjusting unit that varies a relative distance between the optical low-pass filter and the imaging element. 前記光学ローパスフィルタは回折型光学ローパスフィルタである請求項1に記載の撮像光学系。   The imaging optical system according to claim 1, wherein the optical low-pass filter is a diffractive optical low-pass filter. 前記距離調節手段は、前記撮像素子のナイキスト周波数をfn、前記光学ローパスフィルタの作用およびローパスフィルタと撮像素子受光部の距離によって評価されるカットオフ周波数をfcとするとき、0.1≦fc/fn≦10となるように前記光学ローパスフィルタと前記撮像素子の相対距離を制御する請求項1又は2に記載の撮像光学系。   The distance adjusting means is 0.1 ≦ fc / when the Nyquist frequency of the image sensor is fn, and the cutoff frequency evaluated by the action of the optical low-pass filter and the distance between the low-pass filter and the image sensor light receiving unit is fc. The imaging optical system according to claim 1, wherein a relative distance between the optical low-pass filter and the imaging element is controlled so that fn ≦ 10. 前記撮像光学系において、使用波長帯の中心波長をλ[μm]、前記回折型光学ローパスフィルタの回折格子周期をd[μm]、前記撮像素子の画素ピッチをW[μm]とし、制御可能なfc/fnがα≦fc/fn≦βであるとき、格子周期dが、
d≧λ/sinθである請求項1から3のいずれかに記載の撮像光学系。
ただしθは下記式を満たす。
In the imaging optical system, the center wavelength of the used wavelength band is λ [μm], the diffraction grating period of the diffractive optical low-pass filter is d [μm], and the pixel pitch of the imaging element is W [μm]. When fc / fn is α ≦ fc / fn ≦ β, the grating period d is
The imaging optical system according to claim 1, wherein d ≧ λ / sin θ.
However, θ satisfies the following formula.
前記光学ローパスフィルタは、ガラス内部に母材と屈折率差が異なる屈折率変化領域を有し、前記屈折率差が所定の周期で変調されていることにより、透過型回折格子として機能する請求項1から4のいずれかに記載の撮像光学系。   The optical low-pass filter has a refractive index change region having a refractive index difference different from that of a base material inside the glass, and functions as a transmissive diffraction grating when the refractive index difference is modulated at a predetermined period. The imaging optical system according to any one of 1 to 4. 請求項1から5のいずれかに記載の撮像光学系を有する撮像装置。   An imaging apparatus having the imaging optical system according to claim 1.
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