JP2017016051A - 光量調節装置およびそれを用いた光学装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＮＤ効果の効き始めも大きなムラを生じることなく、しかも最大透過率の低下をも抑制することができる光量調節装置およびそれを用いた光学装置を提供する。
【解決手段】光束有効部に対し、光学濃度が所定方向に連続的に変化するＮＤフィルタを前記光学濃度の変化が同一で逆相となるように２枚重ねて配置し、互いに反対の方向に移動させる光量調節装置であって、前記移動に伴う前記２枚のＮＤフィルタの光学濃度の変化をそれぞれ曲線状としたことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、光学濃度が所定方向に連続的に変化するグラデーションＮＤフィルタを有する光量調節装置およびそれを用いた光学装置に関する。

従来、２枚のグラデーションＮＤフィルタを使い、これらのフィルタを通る光の量を可変とする光量調節装置が提案されている（特許文献１）。図８を用いて、特許文献１の内容を説明する。図８に示す各々のグラデーションＮＤフィルタ（ＮＤフィルタ）は、透過領域（光学濃度が０の領域）と、回転角に対し光学濃度が変化する領域を有している。図中線が密である程、光学濃度が濃い（透過率が低い）ことを示している。図８（Ｂ）に示す様に、２枚のＮＤフィルタは、有効な光束を通す領域で、互いの光学濃度変化が逆向きになる様に重ねて配置され、互いに逆方向に駆動される。

回転方向の位置に対する２枚のＮＤフィルタの光学濃度の変化は、回転角とある係数を持って線形（直線状）に変化する。この様に線形にすることで、有効な光束を通す領域（光束有効部：Ｗｉ）では、３０１の光学濃度と３０２の光学濃度の和が常に一定となり、有効な光束領域全体の透過率を均一に落とすことが出来る。

特開平２００７−２４３９２８号公報

しかしながら、回転方向の位置に対する２枚のＮＤフィルタの光学濃度が直線状に変化する上述の従来技術では、ＮＤフィルタが透過領域を持つ場合、以下に述べるような問題がある。すなわち、ＮＤ効果の効き始める時（透過領域部からグラデーションＮＤ部へと切り替わる時）に意図しない不均一性が現れる。これを、図９と図１０を使って説明する。

図９は、円盤状のＮＤフィルタが、光学濃度を連続的に変化させる領域をどのくらいの距離（範囲）で取れるかを説明する図である。ＮＤフィルタ３０３は、高さＨの光束有効部（Ｗｉ）を満足する大きさである必要がある。図９において、有効光束部の幅はＮＤフィルタの放射方向（径方向）に取っている。ＮＤフィルタの中心部には図示しない回転軸を想定し、ＮＤフィルタの中心部は光束有効部の端部からαの距離を取っている。なお、高さＨに関連する円弧と弦の間隔をβとしている。

即ち、図９において、光学濃度の不均一性を説明するのに、以下の式となる半径ｒｃを取っている。
ｒｃ＝（Ｗ／２）＋α＋β
このとき、ＨがＷ／２と仮定すると、高さＨを弦の長さとする場合は光束有効部高さＨを円周の長さとする場合に近似できるため、半径ｒｃの全円周の長さ２πｒｃは、６．２８（Ｈ＋α＋β）と近似される。ここで、α、βは正の値であるため、半径ｒｃの全円周の長さは６Ｈより大きくなる（６倍以上の円の長さが取れる）。ｒｃ円周上に光束有効部の高さＨの透過領域（透過率１００％の領域）を設定した場合は、光学濃度が連続的に変化する領域（透過率１００％以外の領域）は５Ｈの長さが取れることとなる。

しかし、実際はＮＤフィルタの中心付近（ｒｃより小さい半径位置）でも透過領域（透過率１００％の領域）を確保する必要があることから、５Ｈよりは短い長さとなる。

図１０は、２枚のＮＤフィルタの重なり具合と光学濃度（Ｄ）の関係を示す図である。図では、２枚の各々のＮＤフィルタの透過領域と光学濃度が変化する領域の境界が光束有効部中心（Ｏｂ）で重なったことを表している。ＮＤフィルタは、ＮＤの効果を光学濃度２（透過率１％）程度まで与えようとした場合、Ｄｆで示す光学濃度は１程度が必要で、ここでは１としている。

ここで、２枚のＮＤフィルタの中心角の絶対値と濃度の関係は同じである。つまり、グラフ上の連続直線は折り返すと重なる関係にある。光束有効部端Ｏａでは、ＮＤフィルタ３０１の透過領域（光学濃度は０）と光学濃度Ｄ’ｅが重なっているため、２枚のＮＤフィルタの合成濃度はＤ’ｅである。同様に反対の光束有効部端Ｏｃでも、合成濃度はＤ’ｅである。また、ＯａからＯｃへの中心角の差は半径ｒｃの円の円周上で、前述の図９のほぼＨに相当する。

上述したように、光学濃度の連続変化領域は、Ｈの５倍程度なのでこれを５倍と設定する。ＯｂからＯｃへの中心角の差は半径ｒｃの円の円周上でＨ／２に相当するので、Ｄ’ｅは、Ｄｆ（光学濃度１）の１／１０、つまり光学濃度０．１となる。図１１は簡易的に図９のＨ方向の透過率変化をグラフ化したものである。中心と周辺で透過率が異なり、中心（光学濃度０、即ち透過率１００％）と光束有効部の端（光学濃度０.１、即ち透過率約８０％）では２０％ものムラがあることが分かる。

上述したものはＮＤフィルタが透過領域を持つ場合であったが、次に、ＮＤ効果の効き始めの不均一性を回避するため、ＮＤフィルタが透過領域を持たない場合が考えられる。以下、その際の課題について述べる。図１２は、透過領域を持たないＮＤフィルタの例である。上述したように、透過領域を持たない円盤状のＮＤフィルタでは、連続可変領域を６Ｈ以上取れるが、ここでは仮の条件として、より有利な条件と考えられる連続可変領域が７Ｈの場合を説明する。

図１２で、Ｄｆは図１０と同じ光学濃度１である。ＯａからＯｃへの中心角の差は半径ｒｃの円の円周上でＨに相当するので、Ｄ’’ｅの光学濃度は１／７＝０.１４である。ここで、Ｏａの位置で合成の光学濃度を考えると、光学濃度１／７と光学濃度０の和で１／７である。同様に、Ｏｃの光学濃度も１／７である。また、光学濃度変化は線形であるので、Ｏｂの位置における光学濃度も１／７（光学濃度１／１４＝０.０７と光学濃度１／１４＝０.０７の和＝０.１４）である。

このとき、Ｈ方向の透過率変化をグラフ化したものを図１３に示す。ムラなく画面内で均一になったものの、光学濃度が１／７であってＮＤフィルタの透過率は７０％程となり、これが最大の透過率となる。

以上説明してきたように、従来の光学濃度を線形に変化させた２枚のＮＤフィルタを使った光量調節装置では、最大透過率を維持するため、透過領域を設定すると、ＮＤ効果の効き始めで大きなムラが生じる。一方、常にムラが起きないように透過領域を無くしてしまうと、最大透過率が大幅に低下するという課題があった。

本発明の目的は、ＮＤ効果の効き始めも大きなムラを生じることなく、しかも最大透過率の低下をも抑制することができる光量調節装置およびそれを用いた光学装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明に係る光量調節装置は、光束有効部に対し、光学濃度が所定方向に連続的に変化するＮＤフィルタを前記光学濃度の変化が同一で逆相となるように２枚重ねて配置し、互いに反対の方向に移動させる光量調節装置であって、前記移動に伴う前記２枚のＮＤフィルタの光学濃度の変化をそれぞれ曲線状としたことを特徴とする。

また、本発明に係る光学装置は、上記光量調節装置を有することを特徴とする。

本発明によれば、ＮＤ効果の効き始めも大きなムラを生じることなく、しかも最大透過率の低下をも抑制することができる。

本発明の実施形態に係る光量調整装置の模式図 第１の実施形態に係る光量調整装置の効果を説明する図 図２のＷｉ内Ｈ方向の透過率変化をグラフ化した図 図２の２枚のグラデーションＮＤフィルタ（ＮＤフィルタ）が各々逆方向にＨの距離だけ進んだ状態を表した図 第２の実施形態に係る光量調整装置の効果を説明する図 第２の実施形態におけるＷｉ内Ｈ方向の透過率変化をグラフ化した図 第３の実施形態として撮影装置に搭載される光量調整装置を説明する図 従来例の構成を示す説明図 従来例で円盤状のＮＤフィルタが、光学濃度を連続的に変化させる領域をどのくらいの距離（範囲）で取れるかを説明する図 従来例としてＮＤフィルタが透過領域を持つ場合の、２枚のＮＤフィルタの重なり具合と光学濃度（Ｄ）の関係を示す図 従来例としてＮＤフィルタが透過領域を持つ場合のＨ方向の透過率変化を示す図 従来例としてＮＤフィルタが透過領域を持たない場合の説明図 従来例としてＮＤフィルタが透過領域を持たない場合のＨ方向の透過率変化を示す図

以下に、本発明の好ましい実施形態を添付の図面に基づいて詳細に説明する。

《第１の実施形態》
以下、本発明の実施形態に係る光量調整装置の模式図としての図１を参照して、本発明の好ましい実施の形態を説明する。図１で、１０１は長方形部材に光学濃度が連続的に変化する処置（グラデーション）を施したグラデーションＮＤフィルタ（以下、ＮＤフィルタ）である。１０２は、ＮＤフィルタ１０１を紙面上１８０度回転した向きで配置したＮＤフィルタである。そのため、ＮＤフィルタ１０２は、紙面下方向に向かって、ＮＤフィルタ１０１と逆の光学濃度変化を有する。

そして、図１（Ｂ）に示す様に、光学濃度の変化が同一で逆相となるＮＤフィルタ１０１と１０２は、光束有効部Ｗｉを包含するように２枚重ねて配置され、所定方向（図に示す矢印方向）に互いに反対の方向（互いに逆の直進方向）に直進する動きをする。

本実施形態のＮＤフィルタは、光学装置としての撮像装置（カメラ、ビデオカメラなど）における光量調整装置に用いられる部材として、図示しない対物レンズと撮像素子の間に配置するものである。このようなＮＤフィルタは、例えば、有機色素を含有するプラスチックからなるフィルムに、照射量を部分的に変化させながら高エネルギーの光を照射することにより、濃度分布をもったＮＤフィルタとして作成することができる。

また、真空蒸着法等においては、スリット型マスクを使った方法が知られている。具体的には、基板とスリット型マスクとの間隔を一定に保つようにして、基板に対しスリット型マスクを設ける。スリット型マスクを該基板と一体的にドーム上を移動させると、成膜蒸着源と基板との位置関係から、該基板に蒸着させる蒸着粒子が該スリット型マスクを通過して基板に到達できたり、スリット型マスクに遮られ基板まで到達できなかったりする。そうすることで、グラデーション濃度分布を有するＮＤフィルタとして作成することができる。

次に、図２を使って、光束有効部中心（Ｏｂ）と光束有効部端（Ｏａ、Ｏｃ）の光学濃度について説明する。グラフと実施形態の対応をとるため、図２（Ａ）に図１（Ｂ）を紙面上横にした絵を示す。したがって、光束有効部ＷｉのＨの方向も横となる。

図２（Ｂ）のグラフに、図２（Ａ）のＸ−Ｘ断面の光学濃度の変化を表した。横軸がＸ−Ｘ断面の位置であり、縦軸は光学濃度である。点線がＮＤフィルタ１０１の光学濃度変化を示し、実線がＮＤフィルタ１０２のものである。ＮＤフィルタ１０１と１０２の全有効距離は、Ｈの６倍とする。そして、光学濃度の変化は全有効距離に対する位置の割合の２乗に比例し、Ｄｆの濃度は１（透過率１０％）である。

以下、一方のＮＤフィルタとしてＮＤフィルタ１０２の光学濃度曲線（図２（Ｂ））を使って説明する。ＯａとＯｃの距離はＨである。ＮＤフィルタ１０２の全有効距離は６Ｈとしたので、Ｄｅは、位置の割合の２乗に比例し、（１／６）＾２≒０．０２８となる。ＯｃにおけるＮＤフィルタ１０１の濃度は０なので、ＯａとＯｃの位置における合成の光学濃度は０．０２８となる。光束有効部中心ＯｂにおけるＮＤフィルタ１０２の光学濃度は、位置（Ｈ／２）より、（１／１２）＾２≒０．００７。したがって、合成光学濃度は、２倍して０．０１４である。中心に対する周辺の合成の光学濃度の差は＋０．０１４である。

このように本実施形態では、２枚のＮＤフィルタの光学濃度の変化曲線が交差する位置の光学濃度が、所定方向の位置に対する２枚のＮＤフィルタの光学濃度の変化をそれぞれ直線状とした場合（上記従来例）の変化直線が交差する位置の光学濃度よりも小さい。

図３の実線は、図２の透過率変化をグラフ化したものである。透過率は中心で約９７％。周辺で約９４％である（最大透過率は約９７％）。しかも、中心と周辺のムラ（透過率の差）はわずか３％である。この様に、透過領域を持たないＮＤフィルタを非線形の光学濃度変化（移動による光学濃度の変化が曲線状）とすることで、わずかなムラで、しかも最大透過率の低下を抑止することが出来る。

次に、図４は、図２から２枚のＮＤフィルタが各々逆方向にＨの距離だけ進んだ状態を表した図である。上述したものと同様に、ＮＤフィルタ１０２の光学濃度曲線を使って、光学濃度ＤｅＡとＤｅＢについて説明する。ＮＤフィルタ１０２は図２の状態から紙面左方向にＨの距離移動した状態であるので、Ｏａの位置におけるＤｅＢは、ＮＤフィルタ１０２の全有効距離６ＨのうちのＨの位置にあたる。

したがって、ＤｅＢは位置の割合の２乗に比例する値、（１／６）＾２≒０．０２８である。次にＯｃの位置は、Ｏａの位置より光束有効部ＷｉのＨ分の距離が加わるので、２Ｈの位置にあたる。したがってＤｅＡは（１／３）＾２≒０．１１１となる。光束有効部中心Ｏｂは、Ｏａの位置より（Ｈ／２）の距離が加わるので、１．５Ｈの位置にあたる。よって、Ｏｂの位置でのＮＤフィルタ１０２の光学濃度は、（１／４）＾２≒０．０６３である。

これらより２枚のＮＤフィルタ１０２と１０１の合成の光学濃度は、ＯａとＯｃの位置において、０．０２８と０．１１１の和の０．１３９となる。また、Ｏｂの位置においては０．０６３の２倍の０．１２６である。中心に対する周辺の合成の光学濃度の差は＋０．０１３である。前述の＋０．０１４との差は丸め精度の差である。

図３の点線に図４のＷｉ内Ｈ方向の透過率変化をグラフ化した。中心で約７５％。周辺で約７３％である。中心と周辺のムラは変わっていない。

この様に、透過領域を持たないＮＤフィルタを２次の単項式で表される光学濃度変化とすることで、２枚のＮＤフィルタを互いに逆に駆動して光学濃度を変化させても、ムラは変わらない。しかも、最大透過率は約９７％（図３の実線）と高い。

次に、２次の単項式で表される光学濃度変化（ＮＤフィルタの移動に伴う曲線状の光学濃度変化）としたとき、光学濃度のムラがＮＤフィルタの移動に拘らず変わらないことを証明する。

光学濃度Ｄ（ｘ）の連続変化を

という、２次の単項式で表す。ｘはＮＤフィルタの濃度変化方向の位置を表し、ａは係数である。ある状態での光束有効部の端（ＯａやＯｃの位置にあたる）のｘ座標をＸ_１、Ｘ_３とし、光束有効部の中心座標（Ｏｂの位置にあたる）をＸ_２とする。また、Ｘ_１、Ｘ_２、Ｘ_３それぞれの光学濃度をＤ_１、Ｄ_２、Ｄ_３とする。

これまで説明してきたように、２枚のＮＤフィルタを重ねた時に、光束有効部の端の合成光学濃度と光束有効部の中心の合成光学濃度はそれぞれ

である。ここで、光束有効部ＷｉのＮＤフィルタの濃度変化方向の距離をＨとして、

と置くと、Ｘ_１、Ｘ_３は光束有効部の端であり、Ｘ_２は光束有効部の中心であるので、

である。式―１、式―３、式―５より、

となる。これより光束有効部の中心と光束有効部の端の合成濃度の差は、

となり、一定となる。

この様に２次の単項式を使った濃度変化を付けることで、中心に対する周辺（光学濃度変化方向の中心から外れたところ）の合成の光学濃度の差（ムラ）はＮＤフィルタの可変域で常に一定とすることができる。光学濃度の差が一定であるので、中心に対する周辺の透過率比が一定となる。

本実施形態では、光学濃度を非線形な連続変化の２枚のＮＤフィルタを、互いに逆向きに動かすことで、ＮＤフィルタの可動領域全域で光学濃度ムラを抑制しつつ、最大透過率の低下も抑制することを可能にした光量調節装置を提供することができる。更には、非線形な連続変化は２次の単項式で表されるものであれば、ＮＤフィルタの可動領域全域で一定の光学濃度ムラを有する光量調節装置を提供することができる。

《第２の実施形態》
以下、図５を参照して、本発明の第２の実施形態を説明する。ＮＤフィルタの濃度変化方向の距離を、光束有効部ＷｉのＮＤフィルタの濃度変化方向の距離Ｈの３倍とした。第１の実施形態では、６倍であったので１／２としたことになる。また、図５は、ＮＤフィルタの端（光学濃度が０となる点）と、光束有効部端を合わせている。ＮＤフィルタ１０３と１０４は対のＮＤフィルタの光学濃度曲線を表している。光学濃度の変化は全有効距離に対する位置の割合の２乗に比例し、Ｄｆの濃度は１である。

光学濃度曲線１０４において、光束有効部端Ｏｃにおける光学濃度ＤｅＣは、ＯａとＯｃの距離がＨなので、ＮＤフィルタの全有効距離の１／３の２乗となり、０．１１１である。光束有効部中心Ｏｂの中心の位置はＨ／２であるため、光学濃度は１／６の２乗で０．０２８となる。

これらより、光束有効部端ＯａとＯｃの合成の光学濃度は光学濃度０と光学濃度ＤｅＣの和の０．１１１、光束有効部中心Ｏｂの合成の光学濃度は０．０２８の２倍の０．０５６となる。中心に対する周辺の合成の光学濃度の差は周辺が＋０．０５５となる。

本実施形態では、第１の実施形態に比べＮＤフィルタの光学濃度変化が急になる。このため、中心の光学濃度が濃く、周辺のムラも見られるが、光学濃度が変化する距離を従来例の１／２にしたにもかかわらず、中心の光学濃度でも、中心と周辺の光学濃度差（ムラ）でも従来例に対し優位であることが分かる。具体的には、中心の光学濃度は従来例（図１２）である１／７＝０．１４の半分以下、中心と周辺の光学濃度差は従来例（図１０）である０．１の約半分である。

図６の実線に図５のＷｉ内Ｈ方向の透過率変化をグラフ化した。透過率は、中心で約８８％。周辺で約７７％である（最大透過率は約８８％）。そして、中心と周辺のムラ（透過率の差）は１１％となる。さらに云えば、光学濃度の変化は全有効距離の２乗に比例としている為、第１の実施形態で説明したように、ＮＤフィルタの可変域全域で常に中心に対する周辺の合成の光学濃度の差は一定である。

《第３の実施形態》
以下、図７を参照して、レンズ内の絞り近辺に配置する本発明の第３の実施形態を説明する。図中２０１は対物レンズ、２０２は光学装置としてテレビカメラ、スチルカメラ等の撮影装置（撮像装置）、２０３は撮像光束中に配置された開口絞り（前述の光束有効部Ｗｉに相当）である。図中紙面下方向にＰ部正面拡大図を示す。１０３、１０４は、図５の特性を持つＮＤフィルタである。開口絞りは開放の状態を示し、開放時も２枚のＮＤフィルタが開口部を覆うようになっている。

本実施形態では光束有効部中心の最低光学濃度は０．０５６（透過率が８８％）であるので、開口部の平均透過率も８８％を切るものである。しかし、ＮＤフィルタ１０３、１０４の最大濃度１が、光束有効部端となる位置までＮＤフィルタを移動させると、光束有効部中心Ｏｂの位置でのフィルタの光学濃度は０．６９４まで濃くなる。そして、合成の光学濃度は１．３８９で、約２５倍（透過率で１／２０以下）まで変化させることが出来る。

絞り開口部での濃度ムラは像の輝度ムラに影響しないが、バックの光源や水面のきらめきがデフォーカスされた像には、開口部の濃度ムラが明確に反映されるので、本実施形態の様にムラの少ないＮＤフィルタは画質を損なうことを防止できる効果がある。

（各実施形態の効果）
上述した各実施形態では、光学濃度の変化を２次の単項式で表せる変化とした。これは、光学濃度の変化を非線形（曲線状）とすることで得られる最大透過率の低下の抑制と、中心に対する周辺のムラの抑制に、ムラ補正を簡易にする効果（ムラが一定）を加えることが出来た。

つまり、上述した各実施形態と異なる場合（２次の単項式から外れる場合）には、ＮＤフィルタの可変領域で中心と周辺のムラが変化してしまう。ここで、昨今の電気回路系の目覚ましい進歩は、ダイナミックにムラ補正を行えるので、ＮＤフィルタの移動に伴う曲線状の光学濃度変化は、２次の単項式で無くともよい。けれども、２次の単項式に近似できる光学濃度の変化に近い方が、回路やソフトウエアの大規模化を抑制できる利点がある。

（変形例）
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

（変形例１）
例えば、上述した実施形態では、長方形部材を使用し直線状に移動（直進）するＮＤフィルタ（所定方向が直進方向）で説明しているが、回転する円盤状のＮＤフィルタ（所定方向が回転方向）でも可能である。また、長方形部材として、フィルム状のものへの適用であっても良い。

そして、像に近い位置に配置する場合は、中心に対する周辺のムラが少ない為、ムラ補正を行わず、電気回路系の機能削減によるコストダウンとすることができる。逆にムラ補正を行うことで、ＮＤフィルタの光学濃度を変化させる距離を短く、つまりＮＤフィルタを小さくし小型化することが可能である。さらに云えば、補正をかける場合でも中心と周辺のムラが少ないので、補正量を抑制でき、補正によるノイズ成分の増加を抑制できる。それとともに、中心に対する周辺の透過率比が一定となるので、ムラ補正量をＮＤフィルタの可変領域全域で一定にすることができる。

１０１、１０２・・グラデーションＮＤフィルタ（ＮＤフィルタ）、Ｗｉ・・光束有効部

Claims (8)

1. 光束有効部に対し、光学濃度が所定方向に連続的に変化するＮＤフィルタを前記光学濃度の変化が同一で逆相となるように２枚重ねて配置し、互いに反対の方向に移動させる光量調節装置であって、
   前記移動に伴う前記２枚のＮＤフィルタの光学濃度の変化をそれぞれ曲線状としたことを特徴とする光量調節装置。
2. ２枚の前記ＮＤフィルタの光学濃度の変化曲線が交差する位置の光学濃度が、
   前記所定方向の位置に対する２枚の前記ＮＤフィルタの光学濃度の変化をそれぞれ直線状とした場合の変化直線が交差する位置の光学濃度よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の光量調節装置。
3. ２枚の前記ＮＤフィルタは透過領域を持たないことを特徴とする請求項１または２に記載の光量調節装置。
4. ２枚の前記ＮＤフィルタの光学濃度の変化曲線は、それぞれ２次の単項式からなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光量調節装置。
5. 前記所定方向は直進方向であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光量調節装置。
6. 前記所定方向は回転方向であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光量調節装置。
7. 請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光量調節装置を前記光束有効部に有することを特徴とする光学装置。
8. 前記光束有効部は撮像光束中に設けられることを特徴とする請求項７に記載の光学装置。