JP2018004913A - 光学ローパスフィルタおよびそれを有する撮像装置、撮像ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】 縦横方向のカットオフ周波数よりも斜め方向のカットオフ周波数を低くすることのできる光学ローパスフィルタを提供すること。【解決手段】 光学ローパスフィルタ６は、４枚の複屈折板を有する。第１の複屈折板１の光学軸の受光面７ａへの正射影は撮像素子７の長辺と平行である。第２の複屈折板２の光学軸の受光面７ａへの正射影は撮像素子７の短辺と平行である。第３の複屈折板３の光学軸の受光面７ａへの正射影は撮像素子７の短辺と４５°の角度を成す。第４の複屈折板４の光学軸の受光面７ａへの正射影は第３の複屈折板３の光学軸の受光面７ａへの正射影と９０°の角度を成す。第１の複屈折板１および第２の複屈折板２のそれぞれにおける入射光線の分離幅をａ、第３の複屈折板３および第４の複屈折板４のそれぞれにおける入射光線の分離幅をｂとしたとき、１．１５＜ｂ／ａ＜３なる条件式を満たす。【選択図】 図５

Description

本発明は、デジタルカメラ等に用いられる光学ローパスフィルタに関する。

デジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラ等の撮像装置において、高い空間周波数を有する像を撮像する場合、偽色やモアレが生じることが知られている。このような偽色やモアレを低減するために、高い空間周波数を有する像のコントラストを低減する光学ローパスフィルタが用いられている。

特許文献１では、４枚の複屈折板により構成された光学ローパスフィルタにおいて、それぞれの複屈折板における光線の分離幅を適切に設定することにより、方向によらず均等な周波数特性が得られることが記載されている。

特開平２−１０００１８号公報

しかしながら、撮像素子の長辺や短辺に平行な方向（以下、縦横方向と称する）と、撮像素子の短辺と４５°の角度を成す方向（以下、斜め方向と称する）とを比較すると、斜め方向の方がよりモアレが目立ち易い傾向がある。これは、斜め方向のモアレは偽色となって現れるためである。

このため、特許文献１に記載された光学ローパスフィルタを縦横方向のモアレを低減することを基準に設計すると、縦横方向に生じるモアレを低減できたとしても、斜め方向にはモアレによる偽色が生じ得る。一方、斜め方向のモアレを低減することを基準に設計すると、斜め方向に生じるモアレを低減できたとしても、縦横方向の解像感を過剰に減じ過ぎてしまう。従って、特許文献１に記載された光学ローパスフィルタの場合、縦横方向の解像感を維持しつつ、斜め方向の偽色の発生を低減することが困難であった。

本発明の目的は、縦横方向のカットオフ周波数よりも斜め方向のカットオフ周波数を低くすることのできる光学ローパスフィルタを提供することである。

本発明に係る光学ローパスフィルタは、撮像素子の受光面側に配置され、入射光線を複数の出射光線に分離する光学ローパスフィルタであって、前記光学ローパスフィルタは、前記受光面への光学軸の正射影が前記撮像素子の長辺と平行である第１の複屈折板と、前記受光面への光学軸の正射影が前記撮像素子の短辺と平行である第２の複屈折板と、前記受光面への光学軸の正射影が前記撮像素子の短辺と４５°の角度を成している第３の複屈折板と、前記受光面への光学軸の正射影が前記第３の複屈折板の光学軸の前記受光面への正射影と９０°の角度を成している第４の複屈折板と、を有し、前記第１の複屈折板および前記第２の複屈折板のそれぞれにおける入射光線の分離幅をａ、前記第３の複屈折板および前記第４の複屈折板のそれぞれにおける入射光線の分離幅をｂとしたとき、
１．１５＜ｂ／ａ＜３
なる条件式を満たすことを特徴とする。

また、本発明に係る他の光学ローパスフィルタは、撮像素子の受光面側に配置され、入射光線を複数の出射光線に分離する光学ローパスフィルタであって、前記光学ローパスフィルタは、前記撮像素子の長辺に平行な方向である第１の方向に入射光線を分離する第１の複屈折板と、前記撮像素子の短辺に平行な方向である第２の方向に入射光線を分離する第２の複屈折板と、前記受光面において前記撮像素子の短辺と４５°の角度を成す第３の方向に入射光線を分離する第３の複屈折板と、前記受光面において前記第３の方向と９０°の角度を成す第４の方向に入射光線を分離する第４の複屈折板と、を有し、前記第１の複屈折板および前記第２の複屈折板のそれぞれにおける入射光線の分離幅をａ、前記第３の複屈折板および前記第４の複屈折板のそれぞれにおける入射光線の分離幅をｂとしたとき、
１．１５＜ｂ／ａ＜３
なる条件式を満たすことを特徴とする。

本発明によれば、縦横方向のカットオフ周波数よりも斜め方向のカットオフ周波数を低くすることのできる光学ローパスフィルタを提供することができる。

光学ローパスフィルタを有する撮像装置の一部の断面図である。 実施例１の光学ローパスフィルタの概略図である。 複屈折板の光学軸の方向と、光線の分離を示す概略図である。 第１の複屈折板から第４の複屈折板の光線の分離方向を示す図である。 光学ローパスフィルタによる光線の分離の様子を示す図である。 実施例１の光学ローパスフィルタにおける光線の出射位置を示した図である。 実施例１の光学ローパスフィルタの周波数特性を示す図である。 実施例２の光学ローパスフィルタにおける光線の出射位置を示した図である。 実施例２の光学ローパスフィルタの周波数特性を示す図である。 実施例３の光学ローパスフィルタにおける光線の出射位置を示した図である。 実施例３の光学ローパスフィルタの周波数特性を示す図である。 実施例４の光学ローパスフィルタにおける光線の出射位置を示した図である。 実施例４の光学ローパスフィルタの周波数特性を示す図である。 ベイヤ配列型のカラーフィルタの概略図である。 撮像ユニットの概略図である。

以下に、本発明の実施例について、図面を参照しながら説明する。各図において、同一の部位については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。

［実施例１］
図１に本実施例の光学ローパスフィルタ（以下、ローパスフィルタと称する）６を備える撮像装置１５の一部の断面を示す。ローパスフィルタ６は、撮像素子７の受光面側に配置されている。このため、光学系５を透過した光は、ローパスフィルタ６を通って撮像素子７の受光面７ａに到達する。ここで、図１に示した撮像装置１５は、デジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラ、スマートフォン等である。

ここで、光学系５は少なくとも１枚のレンズを有し、撮像素子７の受光面７ａに像を形成する。また、撮像素子７は、ＣＭＯＳセンサやＣＣＤセンサであり、複数の画素を有している。撮像素子７の各画素は、受光面７ａに到達した光を光電変換し、画像データを生成する。

図２は、本実施例のローパスフィルタ６の概略図である。図２に示すｘ軸は、撮像素子７の長辺方向に平行であるとする。また、図２に示すｙ軸は、撮像素子７の短辺に平行であるとする。すなわち、ｘ−ｙ平面は撮像素子７の受光面７ａと平行な平面である。また、図２に示したｘ軸およびｙ軸に対して共に垂直である方向を光軸方向と呼ぶ。

本実施例のローパスフィルタ６は、平行平板状である４枚の複屈折板を有している。４枚の複屈折板は、光軸方向に並んで配置されている。これらの複屈折板によって、ローパスフィルタ６に入射した入射光線は複数の出射光線に分離される。ここで、本実施例のローパスフィルタ６の説明に先立ち、複屈折板における光線の分離について図３を用いて説明する。

複屈折板としては、複屈折を有する様々な物を用いることができる。例えば、水晶やニオブ酸リチウム等の一軸性結晶や、リン酸チタン酸カリウム（ＫＴｉＯＰＯ_４）等の二軸性結晶がある。さらに、断面の構造が周期的な凹凸構造となっている素子等の構造性複屈折を有する素子を用いても良い。なお、以下の説明では複屈折板１〜４は水晶やニオブ酸リチウム等の一軸性結晶を用いて形成されている場合について説明する。

図３（ａ）は、図２に示したローパスフィルタ６を構成する複屈折板１〜４のうちの１枚を光軸方向から見た図である。

図３（ａ）における両矢印は、複屈折板の光学軸のｘ−ｙ平面上への正射影を表している。これは、複屈折板の光学軸を撮像素子７の受光面７ａに正射影したものと等価である。図３（ａ）において、光学軸のｘ−ｙ平面上への正射影はｙ軸に対してφ＝９０°の角度を成している。

図３（ｂ）は、図３（ａ）に示した複屈折板をｙ軸方向から見た図である。図３（ｂ）に示した複屈折板は、ｄなる厚みを有する。図３（ｂ）において太線で示した両矢印は、光学軸を表している。図３（ｂ）に示すように、光学軸は光軸に対してθなる角度だけ傾いている。換言すると、図３（ａ）に示した複屈折板の光学軸は、ｘ−ｙ平面に対して傾いている。平行平板状の複屈折板において、このように光学軸が光軸に対して傾いている場合、複屈折板に入射する入射光線は、２つの出射光線に分離されることが知られている。

図３（ｃ）は、図３（ｂ）に示す複屈折板において光線８が分離される様子を示している。光線８が複屈折板に入射すると、光線８は常光線９と異常光線１０に分離する。光線８が複屈折板に対して垂直に入射する場合、常光線９は複屈折板をまっすぐに透過する。一方、入射光線８の異常光線１０は、図３（ｂ）に示すように、常光線９とは異なる光路で複屈折板を透過する。

この結果、常光線９と異常光線１０は複屈折板の異なる位置から出射される。このとき、複屈折板において常光線９が出射する位置と異常光線１０が出射する位置との距離Ｌを分離幅と呼ぶ。分離幅は、複屈折板のθやｄを制御することで様々な値をとることができる。

図３（ｄ）は、図３（ｃ）に示した光線の分離の様子を光軸方向から見た場合を示している。図３（ｄ）において細線で示した両矢印は、常光線９および異常光線１０の偏光方向を表している。図３（ｄ）に示すように、常光線９と異常光線１０は、図３（ａ）に示した光学軸のｘ−ｙ平面上への正射影に平行な方向に分離される。このとき、常光線９の偏光方向は分離方向と直交する。また、異常光線１０の偏光方向は分離方向と平行となる。

次に、本実施例のローパスフィルタ６を構成する４枚の複屈折板について説明する。図４に各複屈折板の光学軸のｘ−ｙ平面への正射影を示す。図４（ａ）は第１の複屈折板１、図４（ｂ）は第２の複屈折板２、図４（ｃ）は第３の複屈折板３、図４（ｄ）は第４の複屈折板４について示している。

図４（ａ）に示すように、第１の複屈折板の光学軸のｘ−ｙ平面への正射影はｘ軸と平行となっている。すなわち、第１の複屈折板の光学軸の受光面７ａへの正射影は撮像素子７の長辺と平行である。図４（ｂ）に示すように、第２の複屈折板の光学軸のｘ−ｙ平面への正射影はｙ軸と平行となっている。すなわち、第２の複屈折板の光学軸の受光面７ａへの正射影は撮像素子７の短辺と平行である。

また、図４（ｃ）に示すように、第３の複屈折板の光学軸のｘ−ｙ平面への正射影はｙ軸と４５°の角度を成している。すなわち、第３の複屈折板の光学軸の受光面７ａへの正射影は撮像素子７の短辺と４５°の角度を成している。図４（ｄ）に示すように、第４の複屈折板の光学軸のｘ−ｙ平面への正射影はｙ軸と１３５°の角度を成している。すなわち、第４の複屈折板の光学軸の受光面７ａへの正射影は、第３の複屈折板の光学軸の受光面７ａへの正射影と９０°の角度を成している。

第１の複屈折板１は、入射光線を図４（ａ）に示した両矢印の示す方向のいずれか一方である第１の方向に分離する。このとき、第１の方向は第１の複屈折板１の光学軸と光軸の成す角度によって図４（ａ）における両矢印のいずれか一方に定まるが、両矢印の示す方向は互いに等価な方向であるためどちらであっても良い。すなわち、常光線の出射位置に対する異常光線の出射位置は、ｘ軸に対して正の方向または負の方向に、分離幅の分だけずれることになる。

同様に、第２の複屈折板２は入射光線を図４（ｂ）に示した両矢印の示す方向のいずれか一方である第２の方向に分離する。第３の複屈折板３は入射光線を図４（ｃ）に示した両矢印の示す方向のいずれか一方である第３の方向に分離する。第４の複屈折板４は入射光線を図４（ｄ）に示した両矢印の示す方向のいずれか一方である第４の方向に分離する。

次に、第１の複屈折板１〜第４の複屈折板４における分離幅について説明する。ローパスフィルタ６では、撮像素子７の長辺に平行な方向と撮像素子７の短辺に平行な方向の周波数特性を同等にするため、第１の複屈折板１と第２の複屈折板２の分離幅を等しくしている。ここで、第１の複屈折板１の分離幅と第２の複屈折板２の分離幅に差があったとしても、分離幅の差が第１の複屈折板１の分離幅と第２の複屈折板２の分離幅のうち大きい方の分離幅の５％以内の大きさであれば等しいとみなすことができる。

また、撮像素子７の短辺と４５°の角度を成す２つの方向の周波数特性を同等にするため、第３の複屈折板３と第４の複屈折板４の分離幅を等しくしている。ここで、第３の複屈折板３の分離幅と第４の複屈折板４の分離幅に差があったとしても、分離幅の差が第３の複屈折板３の分離幅と第４の複屈折板４の分離幅のうち大きい方の分離幅の５％以内の大きさであれば等しいとみなすことができる。

さらに、第１の複屈折板１と第２の複屈折板２における分離幅をａ、第３の複屈折板３と第４の複屈折板４における分離幅をｂとしたとき、ローパスフィルタ６は以下の条件式を満たす。
１．１５＜ｂ／ａ＜３ （１）

ｂをａより大きくすることで、斜め方向（撮像素子７の短辺と４５°の角度を成す２つの方向）のカットオフ周波数を、縦横方向（撮像素子７の長辺に平行な方向と撮像素子７の短辺に平行な方向）のカットオフ周波数よりも低くすることができる。これによって、縦横方向の解像感を保ちながら、斜め方向におけるモアレや偽色の発生を低減することができる。

ｂ／ａが式（１）の上限よりも大きい場合、斜め方向のカットオフ周波数をより低くすることができるが、折り返りにより高周波でのコントラストが増大してしまう。一方、ｂ／ａが式（１）の下限よりも小さい場合、斜め方向のカットオフ周波数と縦横方向のカットオフ周波数の差が小さくなりすぎてしまう。したがって、縦横方向の解像感を保ちながら、斜め方向におけるモアレや偽色の発生を低減することが困難になる。

なお、式（１）の範囲を式（１ａ）の範囲とすることで斜め方向のモアレや偽色の発生をより低減することができる。
１．４２＜ｂ／ａ＜２．５ （１ａ）

次に、ローパスフィルタ６における上述のような４枚の複屈折板の積層順について説明する。４枚の複屈折板の積層順について、隣接する２枚の複屈折板の光学軸のｘ−ｙ平面への正射影が成す角度を考えると、９０°か４５°のいずれかの角度を成していることが考えられる。９０°の角度を成している場合、これらの２枚の複屈折板によって２回の分離を行うためには、２枚の複屈折板の間にλ／４板のような偏光方向を整える部材を設ける必要がる。この場合、ローパスフィルタ６の厚みは、λ／４板の厚みの分だけ厚くなる。

そのため、４枚の複屈折板の配置は、隣接する複屈折板の光学軸が４５°の角度を成す順番で配置されていることが好ましい。すなわち、第１の複屈折板１と第２の複屈折板２の間に第３の複屈折板３と第４の複屈折板４のいずれか一方を配置し、第３の複屈折板３と第４の複屈折板４の間に第１の複屈折板１と第２の複屈折板２のいずれか一方を配置する。このような配置は、以下の表１に示す８通りが考えられる。これにより、１本の入射光線を合計４回分離する。

表１における１番目とは、ローパスフィルタ６を受光面７ａの前面に配置した場合において、受光面７ａに対して最も遠い位置であり、４番目とは受光面７ａに対して最も近い位置である。また、表中の１〜４は、第１の複屈折板１〜第４の複屈折板４を示している。４枚の複屈折板を表１に示すいずれかの順番で配置することにより、ローパスフィルタ６の厚さを薄くすることができる。

本実施例のローパスフィルタ６は、光入射側から順に、第２の複屈折板２、第３の複屈折板３、第１の複屈折板１、第４の複屈折板４を有しているとする。すなわち、表１に示す積層順３のように４枚の複屈折板を積層している。この場合のローパスフィルタ６における入射光線の分離について、図５を用いて説明する。なお、各複屈折板の分離方向は、図５（ｂ）〜（ｅ）の各図に矢印で示している。

ここで、各複屈折板の分離方向は、図４（ａ）〜（ｄ）の各図に示すように、１８０°異なる方向であっても良い。例えば、以下の説明では第２の複屈折板が異常光線を常光線に対してｙ軸の正の方向に分離しているが、第２の複屈折板が異常光線を常光線に対してｙ軸の負の方向に分離しても良い。

図５（ａ）〜（ｅ）の各図は、光線の座標を表している。図５（ａ）は、入射光線がローパスフィルタ６に入射した位置を原点としたときの入射光線の座標を示している。

図５（ｂ）は、第２の複屈折板２における入射光線の分離の様子を示している。第２の複屈折板２は、図５（ｂ）に示すように、入射光線をｙ軸に平行な方向に分離する。常光線はそのまま透過するため、座標は（０，０）のままである。一方、異常光線は常光線よりも分離幅ａだけｙ軸の正の方向にシフトする。そのため、異常光線の座標は（０，ａ）となる。このとき、常光線の偏光方向はｘ軸方向であり、異常光線の偏光方向はｙ軸方向となる。第２の複屈折板２において分離されて出射された２本の光線は、共に第３の複屈折板３に入射する。

図５（ｃ）は、第３の複屈折板３における光線の分離の様子を示している。第３の複屈折板３は、図５（ｃ）に示すように、入射光線をｙ軸に対して４５°の角度を成す方向に分離する。第２の複屈折板２から出射された２つの光線の偏光方向は、第３の複屈折板３の分離方向に対して共に４５°の角度を成していることになる。そのため、第３の複屈折板３に入射した各光線は、第３の複屈折板３において常光線と異常光線に分離される。このとき、常光線と異常光線の強度は等しくなる。

第３の複屈折板３において、常光線はそのまま透過する。一方、異常光線は、第３の複屈折板３の分離方向に分離幅ｂだけシフトする。このため、（０，０）の光線は、（０，０）と（ｂ／√２，ｂ／√２）の光線に、（０，ａ）の光線は（０，ａ）と（ｂ／√２，ａ＋ｂ／√２）の光線に分離される。このとき、常光線の偏光方向は第３の複屈折板３の分離方向と直交しており、異常光線の偏光方向は第３の複屈折板３の分離方向に対して平行である。第３の複屈折板３において分離されて出射された４本の光線は、共に第１の複屈折板１に入射する。

図５（ｄ）は、第１の複屈折板１における光線の分離の様子を示している。第１の複屈折板１は、図５（ｄ）に示すように、入射光線をｘ軸の正の方向に分離する。第３の複屈折板３から出射された４本の光線の偏光方向は、いずれも第１の複屈折板１の分離方向に対して４５°の角度を成していることになる。そのため、第１の複屈折板１に入射した各光線は、第１の複屈折板１において常光線と異常光線に分離される。このとき、常光線と異常光線の強度は等しくなる。

第１の複屈折板１において、座標（０，０），（ｂ／√２，ｂ／√２），（０，ａ），（ｂ／√２，ａ＋ｂ／√２）に入射した４本の光線はいずれも常光線と異常光線に分離される。第１の複屈折板１において常光線はそのまま透過する。

一方、異常光線は分離幅ａだけｘ軸の正の方向にシフトする。このため、異常光線の座標は（ａ，０），（ａ＋ｂ／√２，ｂ／√２），（ａ，ａ），（ａ＋ｂ／√２，ａ＋ｂ／√２）の４点となる。結果として、合計８本の光線が第１の複屈折板から第４の複屈折板４に出射される。また、このとき常光線の偏光方向は第１の複屈折板１の分離方向に直交しており、異常光線の偏光方向は第１の複屈折板１の分離方向に平行である。

図５（ｅ）は、第４の複屈折板４における光線の分離の様子を示している。第４の複屈折板４は、図５（ｅ）に示すように、入射光線をｙ軸に対して１３５°の角度を成す方向に分離する。すなわち、第４の複屈折板４の分離方向は、図５（ｃ）に示す第３の複屈折板３の分離方向と９０°の角度を成す方向である。第１の複屈折板１から出射された２つの光線の偏光方向は、第４の複屈折板４の分離方向に対して共に４５°の角度を成していることになる。そのため、第４の複屈折板４に入射した各光線は、第４の複屈折板４において常光線と異常光線に分離される。このとき、常光線と異常光線の強度は等しくなる。

第４の複屈折板４において、常光線はそのまま透過する。一方、異常光線は、第４の複屈折板４の分離方向に分離幅ｂだけシフトする。この結果、図５（ｅ）に示すように、第４の複屈折板４からは合計１６本の光線が出射されることになる。

以上のように、入射光はローパスフィルタ６によって、縦横方向に１回ずつ、直交する２つの斜め方向に１回ずつの合計４回分離されることになる。この分離を、ｘ軸方向に対して考えると、入射光線はｘ軸方向に対して分離幅ａ，ｂ／√２，ｂ／√２の３回分離されていることになる。

ローパスフィルタ６において、分散σ^２はカットオフ周波数よりも低い周波数域（以下、低周波域と称する）における周波数特性の指標となるため、ローパスフィルタ６の分散σ^２は、撮像素子７の画素ピッチに応じて定めることが好ましい。ここで、画素ピッチとは、画素同士の最短の距離を言う。

分離した光線の分散は、経験的に、分離幅の二乗に比例することがわかっている。従って、上述したローパスフィルタ６におけるｘ方向の分散σ_ｘ ^２は、比例定数をｋとすると、以下の式（２）で与えられる。
σ_ｘ ^２＝ｋ（ａ^２＋（ｂ／√２）^２＋（ｂ／√２）^２）＝ｋ（ａ^２＋ｂ^２） （２）

これはｙ軸方向においても同様である。

一方、ローパスフィルタ６における分離を、斜め方向に対して考えると、入射光線は斜め方向に対して分離幅ｂ，ａ／√２，ａ／√２の３回分離されていることになる。従って、斜め方向の分散σ_ｄ ^２は、以下の式（３）で与えられる。
σ_ｄ ^２＝ｋ（ｂ^２＋（ａ／√２）^２＋（ａ／√２）^２）＝ｋ（ａ^２＋ｂ^２） （３）

このように、σ_ｘ ^２とσ_ｄ ^２は等しくなっており、いずれもａ^２＋ｂ^２に比例することがわかる。低周波域において比較的高いコントラストを保つために、ローパスフィルタ６は以下の式（４）を満たすことが好ましい。
０．３０９＜（ａ^２＋ｂ^２）／ｐ^２＜０．７９７ （４）

ここで、ｐは撮像素子７の画素ピッチである。式（４）の上限よりも（ａ^２＋ｂ^２）／ｐ^２を小さくすることで、撮像素子７のナイキスト周波数より低い周波数におけるＭＴＦを比較的高くすることができ、解像感を向上することができる。また、式（４）の下限よりも（ａ^２＋ｂ^２）／ｐ^２を大きくすることで、撮像素子７のナイキスト周波数よりも高い周波数におけるＭＴＦを低くすることができ、モアレの発生を低減することができる。

なお、式（４）の範囲は、より好ましくは式（４ａ）の範囲とすると良い。
０．３０９＜（ａ^２＋ｂ^２）／ｐ^２＜０．５１０ （４ａ）

また、一般に、撮像装置１５に用いられる光学系５のＭＴＦは、３００ｌｐ／ｍｍ以上の高周波域において十分に小さくなっている。そのため、モアレの発生をより低減するためには、カットオフ周波数以上３００ｌｐ／ｍｍ以下の周波数の範囲におけるローパスフィルタ６のＭＴＦは小さいことが好ましい。したがって、斜め方向のカットオフ周波数から３００ｌｐ／ｍｍまでの周波数の範囲における斜め方向のＭＴＦは、２５％以下であることが好ましい。これによって斜め方向のモアレの発生をより低減することができる。

続いて、本実施例におけるローパスフィルタ６の周波数特性について説明する。以下の説明では、撮像素子７の画素ピッチをｐ＝５μｍとする。従って、撮像素子７のナイキスト周波数は１００ｌｐ／ｍｍである。

本実施例では、ａ＝２．０２８μｍ、ｂ＝２．８９６μｍとする。すなわち、ｂ／ａの値としては１．４３となっている。また、（ａ^２＋ｂ^２）／ｐ^２の値は０．５となっている。このときのローパスフィルタ６によって分離された光線が射出される位置を図６に示す。

このようなローパスフィルタ６における周波数特性を図７に示す。図７における太実線は、本実施例のローパスフィルタ６の縦横方向の周波数特性を示している。また、図７における太破線は本実施例のローパスフィルタ６の斜め方向の周波数特性を示している。

また、図７に示した細実線および細破線は、比較例のローパスフィルタにおける周波数特性である。比較例は、互いに直交する分離方向を有する２枚の複屈折板の間にλ／４板を配置した構成であり、入射光線を４本の光線に分離する。

比較例における２枚の複屈折板の分離幅は共に３．５３５μｍとなっている。このとき、実施例１のローパスフィルタ６により分離された光線の分散と比較例のローパスフィルタルタにより分離された光線の分散は等しくなる。このため、図７に示すように、周波数が０〜５０ｌｐ／ｍｍの範囲において、実施例１と比較例はいずれも同様の周波数特性を示している。すなわち、本実施例と比較例は低周波域における周波数特性が同じ状態で、高周波域における周波数特性の比較を行うことができる。

図７に示す本比較例の周波数特性をみると、縦横方向のカットオフ周波数はおよそ１４０ｌｐ／ｍｍであり、斜め方向のカットオフ周波数は２００ｌｐ／ｍｍとなっている。すなわち、本比較例では、縦横方向のカットオフ周波数よりも斜め方向のカットオフ周波数の方が高くなっている。このため、本比較例のローパスフィルタにおいては、縦横方向のモアレを低減できたとしても、斜め方向のモアレや偽色を低減することは困難である。

一方、本実施例のローパスフィルタ６では、斜め方向のカットオフ周波数を縦横方向のカットオフ周波数よりも低くすることができている。これはローパスフィルタ６が上述した式（１）を満たすためである。これによって、縦横方向の解像感を高く保ちつつ、斜め方向のモアレや偽色の発生を低減することができる。

また、比較例の縦横方向の周波数特性は、カットオフ周波数以上の周波数において折り返すように増大している。一方、本実施例の縦横方向の周波数特性は、およそ２００〜３００ｌｐ／ｍｍにおいてＭＴＦが５％以下となっており、比較例よりもモアレの発生を低減することができることがわかる。

［実施例２］
次に、実施例２におけるローパスフィルタについて説明する。実施例２のローパスフィルタは、分離幅以外は実施例１のローパスフィルタ６と同様であり、第１の複屈折板１〜第４の複屈折板４の４枚の複屈折板により構成されている。本実施例のローパスフィルタでは、ａ＝２．２７３μｍ、ｂ＝２．７０８μｍとしている。また、ｂ／ａの値は１．１９となっている。また、本実施例におけるローパスフィルタにより分離された光線の分散は、実施例１におけるローパスフィルタ６により分離された光線の分散と等しい。

本実施例のローパスフィルタに入射した光線は、４枚の複屈折板によって合計４回分離され、合計１６本の光線となって出射される。図８に、本実施例において分離された光線が出射される位置を示す。

このような本実施例のローパスフィルタにおける周波数特性を図９に示す。図９における太実線は、本実施例のローパスフィルタの縦横方向の周波数特性を示している。また、図９における太破線は本実施例のローパスフィルタの斜め方向の周波数特性を示している。

また、図９に示した細実線および細破線は、前述した比較例のローパスフィルタにおける周波数特性である。比較例の構成は、前述した実施例１で説明したものと同一である。

前述のように本実施例におけるローパスフィルタにより分離された光線の分散は、実施例１におけるローパスフィルタ６により分離された光線の分散と等しい。そのため、０〜５０ｌｐ／ｍｍの範囲において、実施例２は実施例１や比較例と同等の周波数特性を示している。

図９と図７を比較すると、実施例２では、実施例１よりも縦横方向のカットオフ周波数と斜め方向のカットオフ周波数の差が小さくなっている。換言すると、実施例２における斜め方向のカットオフ周波数は、実施例１における斜め方向のカットオフ周波数よりも高い。これは、本実施例ではｂ／ａの値を実施例１よりも小さくしたためである。

しかしながら、本実施例では斜め方向のカットオフ周波数よりも高い周波数において、周波数特性の折り返りが７％程度と小さくなっている。このため、本実施例におけるローパスフィルタは、実施例１のものよりも高い周波数まで偽色の発生を低減することができる。

［実施例３］
次に、実施例３におけるローパスフィルタについて説明する。実施例３のローパスフィルタは、分離幅以外は実施例１および実施例２のローパスフィルタと同様であり、第１の複屈折板１〜第４の複屈折板４の４枚の複屈折板により構成されている。本実施例のローパスフィルタでは、ａ＝１．７６８μｍ，ｂ＝３．０６２μｍとしている。また、ｂ／ａの値は１．７３である。また、本実施例におけるローパスフィルタにより分離された光線の分散は、実施例１におけるローパスフィルタ６により分離された光線の分散と等しい。

本実施例のローパスフィルタに入射した光線は、４枚の複屈折板によって合計４回分離され、合計１６本の光線となって出射される。図１０に、本実施例において分離された光線が出射される位置を示す。

このような本実施例のローパスフィルタにおける周波数特性を図１１に示す。図１１における太実線は、本実施例のローパスフィルタの縦横方向の周波数特性を示している。また、図１１における太破線は本実施例のローパスフィルタの斜め方向の周波数特性を示している。

また、図１１に示した細実線および細破線は、前述した比較例のローパスフィルタにおける周波数特性である。比較例の構成は、前述した実施例１で説明したものと同一である。

前述のように本実施例におけるローパスフィルタにより分離された光線の分散は、実施例１におけるローパスフィルタ６により分離された光線の分散と等しい。そのため、０〜５０ｌｐ／ｍｍの範囲において、実施例３は実施例１や比較例と同等の周波数特性を示している。

図１１と図７を比較すると、実施例３では、実施例１よりも縦横方向のカットオフ周波数と斜め方向のカットオフ周波数の差が大きくなっている。換言すると、実施例３における斜め方向のカットオフ周波数は、実施例１における斜め方向のカットオフ周波数よりも低い。これは、本実施例ではｂ／ａの値を実施例１よりも大きくしたためである。このため、本実施例のローパスフィルタは、実施例１よりも低い空間周波数で斜め方向の偽色の発生を低減することができる。

［実施例４］
次に、実施例４におけるローパスフィルタについて説明する。実施例４のローパスフィルタは、分離幅以外は実施例１〜３で説明したローパスフィルタと同様であり、第１の複屈折板１〜第４の複屈折板４の４枚の複屈折板により構成されている。本実施例のローパスフィルタでは、ａ＝１．５８１μｍ，ｂ＝３．１６２μｍとしている。また、ｂ／ａの値は２．０である。また、本実施例におけるローパスフィルタにより分離された光線の分散は、実施例１におけるローパスフィルタ６により分離された光線の分散と等しい。

本実施例のローパスフィルタに入射した光線は、４枚の複屈折板によって合計４回分離され、合計１６本の光線となって出射される。図１２に、本実施例において分離された光線が出射される位置を示す。

このような本実施例のローパスフィルタにおける周波数特性を図１３に示す。図１３における太実線は、本実施例のローパスフィルタの縦横方向の周波数特性を示している。また、図１２における太破線は本実施例のローパスフィルタの斜め方向の周波数特性を示している。また、図１３に示した細実線および細破線は、前述した比較例のローパスフィルタにおける周波数特性である。比較例の構成は、前述した実施例１で説明したものと同一である。

前述のように本実施例におけるローパスフィルタにより分離された光線の分散は、実施例１におけるローパスフィルタ６により分離された光線の分散と等しい。そのため、０〜５０ｌｐ／ｍｍの範囲において、実施例４は実施例１や比較例と同等の周波数特性を示している。また、本実施例においても縦横方向と比較して斜め方向のカットオフ周波数を低くすることができることがわかる。 ｂ／ａの値を大きくするほど、縦横方向と比較して斜め方向のカットオフ周波数を低くすることができる。一方、斜め方向のＭＴＦの折り返りはｂ／ａの値を大きくするほど大きくなり、高周波域でのコントラストが増大する傾向がある。しかしながら、ｂ／ａの値が式（１）の上限よりも小さければ、カットオフ周波数以上の周波数域における折り返りによるコントラストを６０％以下にすることができ、折り返りに起因したモアレや偽色の発生を低減することができる。

また、上述の実施例１〜４の説明では、画素ピッチｐを５μｍとして説明したが、他の画素ピッチに対しても適用することができる。その場合、撮像素子７のナイキスト周波数に応じて分離幅ａおよびｂを設定すれば良い。

ただし、光学系５による回折の影響や撮像素子７の画素数を考慮すると、画素ピッチｐが３μｍ以上７μｍ以下であるときに、ローパスフィルタ６により顕著にモアレの発生を低減することができる。ゆえに、実施例１〜４で説明したローパスフィルタ６は、画素ピッチｐが３μｍ以上７μｍ以下である撮像素子に対して用いることが好ましい。

また、撮像素子７が図１４に示すようなベイヤ配列型のカラーフィルタを有している場合、特に斜め方向のモアレが偽色となって現れ易い。ここで、図１４に四角で囲んだ領域は画素を表している。また、各画素におけるＧの符号は緑色のカラーフィルタ、Ｒの符号は赤色のカラーフィルタ、Ｂの符号は青色のカラーフィルタを表している。

実施例１〜４で説明したローパスフィルタ６は、縦横方向のカットオフ周波数よりも斜め方向のカットオフ周波数を低くすることのできるため、斜め方向のモアレの発生をより低減することができる。従って、ベイヤ配列型のカラーフィルタを有する撮像素子に対して実施例１〜４で説明したローパスフィルタ６を用いることで、偽色の発生を低減することができる。

［変形例］
次に、変形例として、実施例１〜４で説明したローパスフィルタ６を有する撮像ユニット２０について説明する。図１５に、本変形例の撮像ユニット２０の概略図を示す。撮像ユニット２０はパッケージ１１の内部に接着材等によって接着された撮像素子７を有する。撮像素子７は、ＣＣＤやＣＭＯＳなどである。また、撮像素子７の受光面７ａ側には、実施例１〜４で説明したローパスフィルタ６が配置されている。

実施例１〜４で説明したローパスフィルタ６は、縦横方向のカットオフ周波数よりも斜め方向のカットオフ周波数を低くすることができる。従って、撮像ユニット２０の受光面７ａ側に実施例１〜４で説明したローパスフィルタ６を配置することで、斜め方向のモアレの発生をより低減した画像を得ることができる。

また、本変形例において、ローパスフィルタ６は撮像素子７を保護する保護板としての機能も備えている。ローパスフィルタが保護板としての機能を兼ねることにより、撮像ユニット２０を小型化することができる。

なお、図２や図１５では、４枚の複屈折板が密着して積層されている場合を示しているが、本発明はこれに限定されない。ローパスフィルタ６における４枚の複屈折板は、複屈折板同士の間には隙間を設けても良いし、赤外線カットフィルタ等の複屈折板以外のものを配置しても良い。

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

１ 第１の複屈折板
２ 第２の複屈折板
３ 第３の複屈折板
４ 第４の複屈折板
６ 光学ローパスフィルタ
７ 撮像素子
７ａ 受光面

Claims (12)

1. 撮像素子の受光面側に配置され、入射光線を複数の出射光線に分離する光学ローパスフィルタであって、
   前記光学ローパスフィルタは、
   前記受光面への光学軸の正射影が前記撮像素子の長辺と平行である第１の複屈折板と、
   前記受光面への光学軸の正射影が前記撮像素子の短辺と平行である第２の複屈折板と、
   前記受光面への光学軸の正射影が前記撮像素子の短辺と４５°の角度を成している第３の複屈折板と、
   前記受光面への光学軸の正射影が前記第３の複屈折板の光学軸の前記受光面への正射影と９０°の角度を成している第４の複屈折板と、を有し、
   前記第１の複屈折板および前記第２の複屈折板のそれぞれにおける入射光線の分離幅をａ、前記第３の複屈折板および前記第４の複屈折板のそれぞれにおける入射光線の分離幅をｂとしたとき、
   １．１５＜ｂ／ａ＜３
   なる条件式を満たすことを特徴とする光学ローパスフィルタ。
2. 撮像素子の受光面側に配置され、入射光線を複数の出射光線に分離する光学ローパスフィルタであって、
   前記光学ローパスフィルタは、
   前記撮像素子の長辺に平行な方向である第１の方向に入射光線を分離する第１の複屈折板と、
   前記撮像素子の短辺に平行な方向である第２の方向に入射光線を分離する第２の複屈折板と、
   前記受光面において前記撮像素子の短辺と４５°の角度を成す第３の方向に入射光線を分離する第３の複屈折板と、
   前記受光面において前記第３の方向と９０°の角度を成す第４の方向に入射光線を分離する第４の複屈折板と、を有し、
   前記第１の複屈折板および前記第２の複屈折板のそれぞれにおける入射光線の分離幅をａ、前記第３の複屈折板および前記第４の複屈折板のそれぞれにおける入射光線の分離幅をｂとしたとき、
   １．１５＜ｂ／ａ＜３
   なる条件式を満たすことを特徴とする光学ローパスフィルタ。
3. 前記第１の複屈折板と前記第２の複屈折板の間には、前記第３の複屈折板と前記第４の複屈折板のいずれか一方が配置されており、
   前記第３の複屈折板と前記第４の複屈折板の間には、前記第１の複屈折板と前記第２の複屈折板のいずれか一方が配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の光学ローパスフィルタ。
4. 前記第３の複屈折板の光学軸の前記受光面への正射影に平行な方向のＭＴＦと、前記第４の複屈折板の光学軸の前記受光面への正射影に平行な方向のＭＴＦの値は、共にカットオフ周波数以上３００ｌｐ／ｍｍ以下の周波数の範囲において、２５％以下であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の光学ローパスフィルタ。
5. 撮像素子と、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の光学ローパスフィルタを有する撮像装置であって、
   前記撮像素子は、前記光学ローパスフィルタにより分離された複数の出射光線を受光して光電変換することを特徴とする撮像装置。
6. 前記撮像素子は、複数の画素を備え、
   前記複数の画素のピッチをｐとしたとき、
   ０．３０９＜（ａ^２＋ｂ^２）／ｐ^２＜０．７９７
   なる条件式を満たすことを特徴とする請求項５に記載の撮像装置。
7. 前記撮像素子は、ベイヤ配列のカラーフィルタを有することを特徴とする請求項５または６に記載の撮像装置。
8. 前記撮像素子は、複数の画素を備えており、
   前記複数の画素のピッチは３μｍ以上７μｍ以下であることを特徴とする請求項５乃至７のいずれか一項に記載の撮像装置。
9. 撮像素子と、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の光学ローパスフィルタを有し、前記光学ローパスフィルタは、前記撮像素子の受光面側に配置されていることを特徴とする撮像ユニット。
10. 前記撮像素子は、複数の画素を備え、
    前記複数の画素のピッチをｐとしたとき、
    ０．３０９＜（ａ^２＋ｂ^２）／ｐ^２＜０．７９７
    なる条件式を満たすことを特徴とする請求項９に記載の撮像ユニット。
11. 前記撮像素子は、ベイヤ配列のカラーフィルタを有することを特徴とする請求項９または１０に記載の撮像ユニット。
12. 前記撮像素子は、複数の画素を備えており、
    前記複数の画素のピッチは３μｍ以上７μｍ以下であることを特徴とする請求項９乃至１１のいずれか一項に記載の撮像ユニット。

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