JP2019211668A - 光学ローパスフィルタおよび撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】Ｆ値に応じた適切な強度のローパス効果が得られる光学ローパスフィルタを提供する。【解決手段】光学ローパスフィルタ６は、第１の方向に沿って配置された撮像素子に向けて光束を透過させる。光学ローパスフィルタは、該光学ローパスフィルタを透過する光束の集光点を、第１の方向において二つ以上に分離することでボケ像を生じさせる。撮像素子の画素ピッチをＰ［μｍ］、第１の方向での集光点の分離により生ずるボケ像のサイズをδｄｅｆ［μｍ］、集光点を第１の方向に垂直な第２の方向において二つ以上に分離する場合の該分離により生ずるボケ像のサイズをδｘ［μｍ］（ただし、集光点が第２の方向において分離されない場合はδｘ＝０）とするとき、０．２≦（δｄｅｆ２＋δｘ２）／Ｐ２≦０．９およびδｘ≦δｄｅｆなる条件を満足する。【選択図】図１

Description

本発明は、デジタルカメラやビデオカメラ等の撮像装置に用いられる光学ローパスフィルタに関する。

ＣＣＤセンサやＣ−ＭＯＳセンサ等の２次元撮像素子を使用する撮像装置では、偽色やモアレの発生を防ぐために、ナイキスト周波数を超える高周波の像情報を制限できる光学ローパスフィルタが用いられる。撮像素子の画素ピッチが５μｍ以上である従来の撮像装置に有効な光学ローパスフィルタとして以下のものがある。

特許文献１には、点像を水平方向に分離する複屈折板と垂直方向に分離する複屈折板とを用いて、点像を４つに分離する光学ローパスフィルタが開示されている。また、特許文献２には、４層の複屈折板を用い、各層で点像を４５°ずつ異なる方向に分離することで１６の点像を生成する光学ローパスフィルタが開示されている。これら特許文献１，２に開示された光学ローパスフィルタは、点像を撮像素子の撮像面の面内方向で分離してボケ像とすることで高周波の像情報をカットする。

特開平１０−０５４９６０号公報 特開昭６２−００３２０２号公報

しかしながら、画素ピッチが５μｍより微細になると、撮像光学系の絞りによる回折の影響が無視できなくなる。例えば、画素ピッチが３μｍ程度の撮像素子を有する撮像装置では、開放Ｆ値が４．０以下の明るい撮像光学系が必要とされる。

このような撮像素子に用いられる光学ローパスフィルタは、開放Ｆ値において最大の解像度が得られるように設定される必要がある。絞りを絞り込むと回折によって解像度が劣化するため、開放Ｆ値付近以外のＦ値ではローパス効果は本来は必要ない。しかし、特許文献１および２にて開示された光学ローパスフィルタは、Ｆ値にかかわらず一定のローパス効果を有する。このため、これらの光学ローパスフィルタを上述した微細な画素ピッチを有する撮像素子に対して用いると、開放Ｆ値付近以外のＦ値が設定されたとき（特に小絞り時）に画質の劣化が大きくなる。

本発明は、Ｆ値に応じた適切な強度のローパス効果が得られるようにした光学ローパスフィルタおよびこれを用いた撮像装置を提供する。

本発明の一側面としての光学ローパスフィルタは、第１の方向に沿って配置された撮像素子に向けて光束を透過させる。該光学ローパスフィルタは、これを透過する光束の集光点を、第１の方向において二つ以上に分離することでボケ像を生じさせる。撮像素子の画素ピッチをＰ［μｍ］、第１の方向での集光点の分離により生ずるボケ像のサイズをδｄｅｆ［μｍ］、集光点を第１の方向に直交する第２の方向において二つ以上に分離する場合の該分離により生ずるボケ像のサイズをδｘ［μｍ］（ただし、集光点が第２の方向において分離されない場合はδｘ＝０）とするとき、
０．２≦（δｄｅｆ^２＋δｘ^２）／Ｐ^２≦０．９
δｘ≦δｄｅｆ
なる条件を満足する。

なお、上記光学ローパスフィルタを備えた撮像素子ユニットおよび撮像装置も、本発明の他の一側面を構成する。

本発明によれば、Ｆ値に応じた適切な強度のローパス効果が得られる光学ローパスフィルタを実現することができる。そして、このような光学ローパスフィルタを用いることで、より高画質の画像を取得可能な撮像装置を実現することができる。

本発明の実施例１である光学ローパスフィルタを一眼デジタルカメラに搭載したときの撮像系の断面図。 実施例１の光学ローパスフィルタを示す図。 一軸性複屈折素子の光学軸の方向を示す図。 平行平板によるピント位置ずれを示す図。 フォーカス方向での点像分離を示す図。 実施例１における複屈折素子により形成されるボケ像を示す図。 実施例１におけるＦ値ごとのボケ径を示すグラフ。 比較例におけるＦ値ごとのボケ径を示すグラフ。 実施例２の光学ローパスフィルタを示す図。 実施例２における第１の複屈折素子での点像分離を示す図。 実施例２における第１および第２の複屈折素子での点像分離を示す図。 実施例２におけるＦ値ごとのボケ径を示すグラフ。 比較例におけるＦ値ごとのボケ径を示すグラフ。 １つの複屈折素子を用いた場合のＦ値ごとのボケ径を示すグラフ。 比較例における点像分離を示す図。

以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の実施例１である光学ローパスフィルタ６を撮像装置としての一眼デジタルカメラ１に搭載したときの撮像系の構成を示す。不図示の被写体からの光束は、交換レンズ２内の撮像レンズ（撮像光学系）５により集光されて２次元撮像素子（以下、イメージセンサという）７付近に結像する。撮像レンズ５には、絞り開口径が可変である絞り８が設けられている。

イメージセンサ７は、ＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサ等であり、複数の画素が２次元に配置された光電変換素子である。撮像レンズ５とイメージセンサ７との間には、光学ローパスフィルタ６が配置されている。光学ローパスフィルタ６は、撮像レンズ５から光束に対して、その集光点を複数に分離することでローパス効果を付与する。光学ローパスフィルタ６とイメージセンサ７は、イメージセンサユニット（撮像素子ユニット）として一体化されていてもよい。

図２は、光学ローパスフィルタ６を模式的に示している。図１からも分かるように、光学ローパスフィルタ６は、イメージセンサ７より一回り大きく、イメージセンサ７と相似な長方形状を有する平行平板として形成された複屈折素子１により構成されている。複屈折素子１は、ニオブ酸リチウム等の一軸性結晶からなる複屈折性材料により形成されている。

以下の説明では、図２に示すように、光学ローパスフィルタ６（およびイメージセンサ７）の長辺に平行なｘ軸が延びる方向をｘ軸方向（水平方向）といい、短辺に平行なｙ軸が延びる方向をｙ軸方向（垂直方向）という。ｘ軸とｙ軸を含む面、すなわちイメージセンサ７の撮像面に平行な面はｘｙ面である。また、ｘｙ面（撮像面）に直交する軸をｚ軸といい、該ｚ軸が延びる方向をｚ軸方向という。ｚ軸方向は、撮像レンズ５の光軸Ｏが延びる方向である光軸方向であり、言い換えれば、光学ローパスフィルタ６から見てイメージセンサ７が配置された第１の方向としてのフォーカス方向である。また、ｘ軸方向およびｙ軸方向は、イメージセンサ７の撮像面に沿う（平行な）第２の方向としての横方向である。

なお、図２では、複屈折素子１のｚ軸方向での厚みを実際の厚みである数１００μｍ程度によりも厚く示している。

図３（ａ），（ｂ）に示すように、一軸性結晶としての複屈折素子１の光学軸１ａは、ｘ軸方向に延びるとともに、該複屈折素子１の入射面１ｂに平行に延びている。すなわち、図３（ａ）に示すように、光学軸１ａのｘ軸に対するｚ軸回り（反時計回り）の方位角θは０°であり、入射面１ｂの法線であるｚ軸に対する角φは９０°である。

従来の一般的な光学ローパスフィルタでは、ｚ軸に対する光学軸の角φを４５°±２０°程度を設定する。これにより、入射した光線（点像）が常光線と異常光線とに横方向に分離する。入射した光線を常光線が形成する点像と異常光線が形成する点像に分離することを、以下の説明では点像分離という。

これに対して、本実施例の光学ローパスフィルタ６（複屈折素子１）では、ｚ軸に対する光学軸１ａの角φを９０°とする、すなわち光学軸１ａを入射面１ｂと平行に配置している。このため、横方向での点像分離は生じず、フォーカス方向（ｚ軸方向）での点像分離のみが生じる。

図４を用いて、フォーカス方向での点像分離が発生する仕組みについて説明する。集光する光束の光路中に厚さｄの平行平板を挿入すると、挿入前における該光束の集光点の位置、すなわち結像位置（以下、ピント位置という）は挿入前のＰ０からフォーカス方向としての後方のＰ１にずれる。これは、屈折率が１である空気が屈折率ｎの媒質に置き換わることで、空気中での光路長ｄがｄ／ｎとなるためである。

平行平板の屈折率ｎによるピント位置のずれ量Δは次式によって与えられる。
Δ＝ｄ（１−１／ｎ）
例えば、平行平板の厚さｄが０．８２ｍｍで、屈折率ｎが２．３２４７である場合は、Δ＝４６７μｍとなる。

次に、図５を用いて一軸性結晶であるニオブ酸リチウム（ＬＮ）を光路に挿入した場合について説明する。ＬＮでは、常光線と異常光線とで屈折率が異なるため、常光線のピント位置と異常光線のピント位置とがともＬＮ挿入前のＰ０から後方にずれるだけでなく、互いに異なる後方位置であるＰ１とＰ２にずれる。すなわち、ピント位置がフォーカス方向において二つに分離される。

ＬＮでは、常光線に対する屈折率ｎｏ＝２．３２４７、異常光線に対する屈折率ｎｅ＝２．２３５５と常光線に対する屈折率の方が高い。このため、常光線のピント位置Ｐ１が異常光線のピント位置Ｐ２よりも後方にずれる。

常光線のピント位置と異常光線のピント位置のフォーカス方向でのずれ量（以下、ピント位置分離量という）Ｌは、以下の式で与えられる。
Ｌ＝ｄ（１／ｎｅ−１／ｎｏ）
図４の例と同様にＬＮの厚さｄを０．８２ｍｍとした場合は、Ｌ＝０．０１４ｍｍ（１４μｍ）となる。

図６は、撮像レンズ５のＦ値ごとの常光線と異常光線のピント位置のずれにより生ずるボケ像のサイズ（以下、ボケ径という）を示している。なお、平行平板の挿入によってピント位置がずれても各Ｆ値での光束の集光角度は変わらないため、異常光線より後方に結像する常光線は、異常光線の光路を後方に移動させた光路を進む。

図６から分かるように、常光線のピント位置Ｐ１と異常光線のピント位置Ｐ２との中間点で、光束の径であるボケ径δｄｅｆが最小になる。このボケ径δｄｅｆは、Ｆ値をＦとし、常光線と異常光線のピント位置の分離量をＬとすると、幾何学的に以下の式で求めることができる。
δｄｅｆ＝Ｌ／（２Ｆ）
図６では、Ｆ＝１．８、２．８および５．６の場合を示している。これらのＦ値に対するδｄｅｆはそれぞれ、３．８９、２．５６および１．２５μｍである。図６に灰色の丸で示すように、ボケ径はＦ値が大きいほど小さくなる。

一方、撮像レンズ５内の絞り８を開放から絞り込むことによる解像度の劣化（像劣化）については、撮像レンズ５に収差がない場合での最小錯乱円径δＦｎｏとして表される。最小錯乱円径δＦｎｏは、例えばレーリーの解像限界を用いると以下の式で表される。
δＦｎｏ＝１．２２Ｆλ
図６に白丸で示すように、Ｆ＝１．８、２．８および５．６の場合のδＦｎｏはそれぞれ、１．２０７、１．８７８および３．７５７μｍである。Ｆ値が大きいほど最小錯乱円径（つまりはボケ径）δＦｎｏが大きくなる。

絞り８を開放から絞り込むに従って回折による像劣化が増加するが、それとは逆に複屈折素子１により生じるボケ径は小さくなり、全体として像劣化を抑えることができる。

像劣化としては、複屈折素子１（光学ローパスフィルタ６）によるボケ径δｄｅｆと、回折による最小錯乱円径δＦｎｏとしてのボケ径とを重畳したものを考える必要がある。ボケ径δｄｅｆと最小錯乱円径δＦｎｏとを円で近似した場合に、これらδｄｅｆとδＦｎｏの合成により生ずる合成ボケ径δａｌｌは、経験的に以下の式で得られる。
δａｌｌ＝√（δｄｅｆ^２＋δＦｎｏ^２）
このδａｌｌを撮像光学系５に対する光学ローパスフィルタ６の効き量として扱うことで、光学ローパスフィルタ６を設計することができる。

図７は、Ｆ値ごとの回折による最小錯乱円径δＦｎｏ（短破線）としてのボケ径と、光学ローパスフィルタ６によりフォーカス方向にて発生したボケ径（以下、フォーカス方向ボケ径という）δｄｅｆ（長破線）と、これらが合成されることで得られる合成ボケ径δａｌｌ（実線）とを示す。図７は、イメージセンサ７の画素ピッチＰが４．２μｍである場合を示している。このイメージセンサ７に対して偽色やモアレの除去に必要な目標ボケ径は約３．０μｍである。この目標ボケ径を図７中に点線で示している。

前述したように、フォーカス方向ボケ径δｄｅｆは、開放Ｆ値側では大きく、小絞りＦ値側では小さくなる。合成ボケ径δａｌｌは、Ｆ値２．８から４．０においては目標ボケ径である３．０μｍとなっている。また、Ｆ値２．０から１．８においては、合成ボケ径δは４．０μｍと目標ボケ径よりやや大きめとなっており、強めのローパス効果が生じている。

しかし、Ｆ値５．６以上では、合成ボケ径δａｌｌは最小錯乱円径δＦｎｏ（＝１．２２Ｆλ）に漸近している。つまり、回折による像劣化以上の像劣化は生じない。

図８は、図７に対する比較例として、横方向での点像分離のみを行う従来の光学ローパスフィルタを用いた場合を示す。図８は、Ｆ値ごとの回折による最小錯乱円径δＦｎｏ（短破線）としてのボケ径と、横方向で発生したボケ径である横ボケ径δｘ（長破線）と、これらの合成により生ずる合成ボケ径δａｌｌ（実線）とを示す。画素ピッチは４．２μｍである。

従来の光学ローパスフィルタは、図１５に示すように、入射した光束を横方向に４つの点像Ｐ１１〜Ｐ１４に分離し、Ｆ値にかかわらず一定のボケ像を形成する。この光学ローパスフィルタは、最も高い解像度が得られる開放Ｆ値において約３．０μｍの目標ボケ径を生じさせる。

開放Ｆ値１．８では合成ボケ径δａｌｌはほぼ目標ボケ径となっているが、Ｆ値２．８から４．０では大き過ぎて必要以上に像劣化を生じさせている。さらにＦ値５．６では、Ｆ値８．０のときの回折による解像度劣化に相当するボケ径（δＦｎｏ）が生じている。このような過剰なボケは、Ｆ値１１．３程度まで付加されている。

従来、いわゆる小絞り回折による解像度劣化は広く知られており、特に風景を撮像する場合のように高解像度を必要とする撮像シーンにおいては、Ｆ値１１を超えない範囲で撮像を行うことが推奨されている。しかし、図８から分かるように、一般に高解像度の撮像が可能であるＦ値８．０においても光学ローパスフィルタの影響を大きく受けていたことになる。

これに対して、本実施例の光学ローパスフィルタ６を用いることで、高解像度の撮像が可能であるＦ値での光学ローパスフィルタによる像劣化を軽減する。

以下、本発明の実施例が満足すべき又は満足することが望ましい条件について説明する。まず、以下の式（１）および式（２）で示す条件を満足すべきである。
０．２≦（δｄｅｆ^２＋δｘ^２）／Ｐ^２≦０．９ （１）
δｘ≦δｄｅｆ （２）
Ｐはイメージセンサ７の画素ピッチ［μｍ］であり、δｄｅｆはフォーカス方向ボケ径［μｍ］である。また、δｘは横ボケ径である。なお、横方向の点像分離が行われない本実施例では、δｘ＝０である。発明者は、光学ローパスフィルタのローパス効果が式（１）中の（δｄｅｆ^２＋δｘ^２）／Ｐ^２、すなわちデフォーカスボケ径δｄｅｆの二乗と横ボケ径δｘの二乗との合計（δｄｅｆ^２＋δｘ^２）と画素ピッチＰの二乗との比で与えられると経験的に認識している。

式（１）の上限値は、一般に光学ローパスフィルタはイメージセンサの画素ピッチ以下のボケ径を生じさせるため、それを示すものである。（δｄｅｆ^２＋δｘ^２）／Ｐ^２の値がこの上限値を上回ると、過度の像劣化を生じさせることになり、好ましくない。また、式（１）の下限値は、ローパス効果を弱めるときの限界値を示す。（δｄｅｆ^２＋δｘ^２）／Ｐ^２の値がこの下限値を下回るほどに小さいボケ径を生じさせるだけでは、ローパス効果が弱すぎて、偽色やモアレの除去効果が期待できない。式（１）を用いてボケ量（ボケ径）の合計を制限することで、フォーカス方向での点像分離によりボケを発生させる場合でも、容易に従来の光学ローパスフィルタにより発生するボケ量に相当するボケ量を生じさせることができる。

本実施例では、撮像レンズ５からの集光光束は、ＬＮの平行平板である光学ローパスフィルタ６により常光線と異常光線とに分離されるとともに、それらのピント位置がフォーカス方向に分離される。本実施例ではフォーカス方向でのピント位置の分離量Ｌは１４μｍであり、開放Ｆ値はＦ＝１．８であるため、フォーカス方向ボケ径δｄｅｆは３．８９μｍとなる。一方、前述したように横方向には点像分離が行われないので、δｘ＝０となる。そして、（δｄｅｆ^２＋δｘ^２）／Ｐ^２の値は０．８５となり、式（１）の条件を満足している。この条件を満足することで、光学ローパスフィルタ６は、イメージセンサ７の画素ピッチに対して適切なローパス効果を与える。
さらに、以下の式（１ａ）を満足することがより好ましい。
０．３≦（δｄｅｆ^２＋δｘ^２）／Ｐ^２≦０．８８ （１ａ）
なお、フォーカス方向ボケ径δｄｅｆは、以下の式（３）により近似することができる。
δｄｅｆ≒Ｄσ／Ｆ （３）
つまり、δｄｅｆを、δｄｅｆ＝Ｄσ／Ｆを用いて求めてもよい。

さらに発明者は、ローパス効果の強度が以下の式（４）中のＤσ／（Ｆ・Ｐ）、すなわち撮像レンズ５の開放Ｆ値であるＦとフォーカス方向でのピント位置の分離量の標準偏差Ｄσ［μｍ］とを用いて与えられることも経験的に認識している。回折による像劣化は、主として画素ピッチＰが５．０μｍ以下の場合に発生する。また、この場合のボケ量としては、フォーカス方向のボケ量を主に考えればよく、横方向のボケ量は無視してもよい。このため、以下の式（４）で示す条件を満足すること望ましい。
０．３≦Ｄσ／（Ｆ・Ｐ）≦１．０ （４）
Ｐ≦５．０［μｍ］
Ｄσ／（Ｆ・Ｐ）の値が式（４）の下限値より小さいと、フォーカス方向のピントの分離量が少なく、高ＦＮｏによる回折影響の補正に対する効果が少なくなりすぎるので好ましくない。また、Ｄσ／（Ｆ・Ｐ）の値が式（４）の上限値を超えると、高ＦＮｏによる回折の補正効果は大きいが、ボケ像自体が大きくなってローパス効果が強すぎて画像が劣化する不具合があるので好ましくない。

本実施例では、Ｄσ／（Ｆ・Ｐ）の値は０．９２６であり、式（４）の条件を満足している。

さらに、以下の式（４ａ）を満足することがより好ましい。
０．４≦Ｄσ／（Ｆ・Ｐ）≦０．９５ （４ａ）
また、撮像レンズ５の開放Ｆ値であるＦは、以下の式（５）で示す条件を満足することが望ましい。
１．０≦Ｆ≦２．０ （５）
式（５）で示す条件を満足する開放Ｆ値においては、解像度がイメージセンサ７の画素ピッチの２倍よりも高くなり、特に偽色とモアレの発生が懸念される。式（５）の上限値を上回る開放Ｆ値を有する撮像レンズ５では、回折による像劣化のために偽色やモアレの心配はなく、光学ローパスフィルタ６は不要である。

なお、撮像レンズ５が交換レンズに設けられている場合は、
Ｆ＝１．４
と設定してボケ量を決定することが望ましい。

また、前述したように本実施例において複屈折素子１の光学軸１ａが入射面１ｂの法線に対してなす角度（方位角）φは９０°であるが、角φは以下の式（６）で示す範囲の角度であってもよい。
８０°≦φ＜９０° （６）
この角φが９０°より小さい場合については、以下の実施例２で説明する。

図９は、本発明の実施例２である光学ローパスフィルタ６’の構成を示している。本実施例の光学ローパスフィルタ６’は、図１に示したカメラ１に光学ローパスフィルタ６に代えて用いられる。光学ローパスフィルタ６’は、イメージセンサ７より一回り大きく、イメージセンサ７と相似な長方形状を有する複数（本実施例では３つ）の平行平板として形成された第１の複屈折素子２と第２の複屈折素子４がｚ軸方向に積層されて構成されている。第１の複屈折素子２と第２の複屈折素子４との間には、第３の複屈折素子３が配置されている。

第１、第２および第３の複屈折素子２，４，３はそれぞれ、ニオブ酸リチウム等の一軸性結晶からなる複屈折性材料により形成されている。なお、図９では第１、第２および第３の複屈折素子２，４，３を互いに離して示しているが、これらは実際には互いに接している。また、図９では、各複屈折素子のｚ軸方向での厚みを実際の数１００μｍ程度よりも厚く示している。

第１および第２の複屈折素子２，４の光学軸２ａ，４ａのｘ軸に対するｚ軸回り（反時計回り）の方位角θ２，θ４はそれぞれ９０°と０°である。また、光学軸２ａ，４ａの第１および第２の複屈折素子２，４の入射面２ｂ，４ｂの法線であるｚ軸（つまりはフォーカス方向）に対する角φ２，φ４は、上述した式（６）の範囲に設定されている。角φ２，φ４は互いに同じであってもよいし、互いに異なっていてもよい。なお、第１および第２の複屈折素子２，４の積層順は図示の通り光入射側からこの順であってもよいし、逆であってもよい。

第３の複屈折素子３は、偏光解消用の位相板であり、その光学軸３ａの方位角θは１３５°である。なお、方位角θにおいて１３５°は４５°と等価である。第３の複屈折素子３がこれを通過する波長λの光に与える位相差をλ／４とすることで、該第１の複屈折素子２で分離された常光線と異常光線の二つの直線偏光をそれぞれ円偏光に変換することで偏光解消を行う。この場合、色消しの１／４λ板を用いる。

また、第３の複屈折素子３として、λ以上の位相差を与える位相差板を用いてもよい。このような位相差板を用いると、波長が異なる光が受ける位相差が互いに大きく異なることになる。このため、直線偏光の偏光方向の回転量が波長ごとに異なり、広い波長域で平均すると偏光解消の効果が得られる。本実施例では、第３の複屈折素子３として、０．２〜０．４ｍｍ程度の厚みの水晶板を用いることで、各波長の常光線と異常光線のそれぞれにλ以上の位相差を与える。

以上のように構成された３層構造の光学ローパスフィルタ６’での点像分離（ローパス効果）について、図１０（ａ）〜（ｄ）および図１１（ａ）〜（ｄ）を用いて説明する。図１０（ａ）〜（ｄ）は、第１の複屈折素子２を透過した光束についての点像分離を示す。図１１（ａ）〜（ｄ）は、第１および第２の複屈折素子２，４を透過した光束についての点像分離を示す。図１０（ａ），（ｂ）はそれぞれ、ｙ軸方向とｘ軸方向から見た光束の分離を示す。図１１（ａ），（ｂ）も同様である。図１０（ａ），（ｂ）に対応する図１０（ｃ），（ｄ）はそれぞれ、後述する評価面でのボケ像をｚ軸方向から見て示す。図１１（ａ），（ｂ）に対応する図１１（ｃ），（ｄ）も同様である。図１０（ａ），（ｂ）と図１１（ａ），（ｂ）では、常光線の光束を実線で、異常光線の光束を破線で示す。図１０（ａ）〜（ｄ）と図１１（ａ）〜（ｄ）では、常光線が形成する点像を黒丸で、異常光線が形成する点像を白丸で示す。

図１０（ａ），（ｂ）において、第１の複屈折素子２を通過した光束は、通常の光学ローパスフィルタを通過した場合と同様に、該第１の複屈折素子２の光学軸２ａの方位角θの方向であるｙ軸方向に二つに分離する。その際、常光線は第１の複屈折素子２内を真っ直ぐに通過し、異常光線はｙ軸方向にシフトする。この結果、第１の複屈折素子２を通過した常光線と異常光線のピント位置Ｐ１，Ｐ２はｙ軸方向にずれる。本実施例では、このピント位置Ｐ１，Ｐ２のｙ軸方向でのずれ量を１．０μｍに設定している。

通常の光学ローパスフィルタにおいては、常光線と異常光線のピント位置のｙ軸方向でのずれ量しか考慮していない。これに対して、本実施例では、図１０（ａ），（ｂ）に示すように、ピント位置Ｐ１，Ｐ２はフォーカス方向にもフォーカス方向ずれ量Ｌ＝３．５３５μｍだけ互いにずれる。これは、第１の複屈折素子２の常光線と異常光線に対する屈折率差によるものである。このとき、常光線の光束と異常光線の光束が形成する合成されたボケ像のサイズはピント位置Ｐ１，Ｐ２の中間の位置で最小となる。この中間の位置にある面を評価面とする。評価面では、図１０（ｃ），（ｄ）に示すように、二つの点像からデフォーカスし、かつｘ軸方向およびｙ軸方向にずれた二つのボケ像が形成される。

次に、この二つのボケ像を形成した光束は、第３の複屈折素子３によって偏光解消作用を受けた後、第２の複屈折素子４による点像分離作用を受ける。

第２の複屈折素子４の光学軸４ａの方位角θは０°であるため、該第２の複屈折素子４を通過した光束は、該方位角θの方向であるｘ軸方向に二つに分離する。つまり、第１の複屈折素子２からの二つの光束がそれぞれ、常光線と異常光線に分離する。その際、常光線は第２の複屈折素子４内を真っ直ぐに通過し、異常光線はｘ軸方向にシフトする。この結果、第２の複屈折素子４を通過した異常光線のピント位置Ｐ３，Ｐ４はそれぞれ、ピント位置Ｐ１，Ｐ２に対してｘ軸方向にずれる。本実施例では、ピント位置Ｐ１，Ｐ２間のｙ軸方向でのずれ量と同様に、ピント位置Ｐ３，Ｐ４のｘ軸方向でのずれ量も１．０μｍに設定している。また、ピント位置Ｐ３，Ｐ４はフォーカス方向にもフォーカス方向ずれ量Ｌ＝３．５３５μｍだけ互いにずれる。

こうして互いに分離した４つの点像は、横方向においては、図１１（ｃ），（ｄ）に示すように正方形の４つの頂点に位置する。また、図１１（ａ），（ｂ）に示すようにフォーカス方向においては３箇所に分離し、中央の二つの点像のフォーカス方向での位置は互いに同じとなる。この中央にてボケ像のサイズが最小になるため、ここを評価面とする。

評価面では、二つの大きなボケ像と二つの結像した点像とが合成されたボケ像が生じる。この合成されたボケ像のサイズは、横方向での点像分離によるボケ径（横ボケ径）とフォーカス方向での点像分離によるボケ径（フォーカス方向ボケ径）とが合成されたものとなる。フォーカス方向ボケ径δｄｅｆは、本実施例でも、実施例１と同様に式（３）で近似することができる。

図１２は、本実施例におけるＦ値ごとの回折による最小錯乱円径δＦｎｏ（短破線）としてのボケ径と、光学ローパスフィルタ６によるフォーカス方向ボケ径δｄｅｆ（長破線）および横ボケ径δｘ（一点鎖線）と、これらが合成されることで得られる合成ボケ径δａｌｌ（実線）とを示す。合成ボケ径は、ｘ軸方向およびｙ軸方向のいずれから見ても同じである。図１２は、イメージセンサ７の画素ピッチＰが３．０μｍである場合を示している。このイメージセンサ７に対して偽色やモアレの除去に必要な目標ボケ径は約２．１４μｍである。この目標ボケ径を図１２中に点線で示している。

光学ローパスフィルタを用いないと、Ｆ＝２．８以下において最小錯乱円径δＦｎｏが目標ボケ径より小さくなるために偽色やモアレが発生する。

フォーカス方向ボケ径δｄｅｆは、実施例１と同様に、開放Ｆ値側では大きく、小絞りＦ値側では小さくなる。横ボケ径δｘは、Ｆ値にかかわらず一定の値（１．０μｍ）となっている。合成ボケ径δａｌｌは、Ｆ値が１．４から２．８以下では目標ボケ径に極めて近い。そして、Ｆ値が４．０以上であると最小錯乱円径δＦｎｏに漸近し、必要最小限のボケ径となっている。このため、小絞り回折による像劣化を最小限に抑えることができる。

図１３は、図１２に対する比較例として、横方向での点像分離のみを行う従来の光学ローパスフィルタを用いた場合を示す。図１３は、Ｆ値ごとの回折による最小錯乱円径δＦｎｏ（短破線）としてのボケ径と、横ボケ径δｘ（長破線）と、これらの合成により生ずる合成ボケ径δａｌｌ（実線）とを示す。画素ピッチは３．０μｍである。

従来の光学ローパスフィルタは、Ｆ値にかかわらず２．１４μｍのボケ径を生じさせ、Ｆ値２．０から８．０の範囲での像劣化が著しい。

一方、図１４は、実施例１と同様にフォーカス方向にのみ点像分離を行う光学ローパスフィルタを用いた場合のＦ値ごとの回折による最小錯乱円径δＦｎｏ（短破線）としてのボケ径と、横ボケ径δｘ（長破線）と、合成ボケ径δａｌｌ（実線）とを示す。画素ピッチは３．０μｍである。Ｆ値２．０から８．０の範囲で像劣化は防げているが、開放Ｆ値１．４での像劣化が実施例２より大きい。

開放Ｆ値における像劣化を極限まで抑えるためには、実施例２のように、フォーカス方向の点像分離と横方向の点像分離と両方を用いることが好ましい。この際、光学軸の角φは上述した式（７）の範囲に設定する必要がある。しかも、角φは、フォーカス方向ボケ径が横ボケ径より大きくなるようなフォーカス方向と横方向の点像分離量が生じるように設定する必要がある。

これらの条件を満足するように、フォーカス方向ボケ径および横ボケ径の割合を調整することで、偽色やモアレを低減しつつ、小絞り回折による像劣化も低減することが可能な光学ローパスフィルタを得ることができる。

上記各実施例は様々な画素ピッチを有するイメージセンサに適用可能であるが、小絞り回折によるボケ径は小さいため、比較的大きい画素ピッチでは各実施例が解決せんとする問題は生じない。この問題が生じるのは、主として画素ピッチが５μｍ以下のイメージセンサを用いる場合であり、特に画素ピッチが３．０μｍ以下の場合に顕著となる。ただし、画素ピッチが５μｍ以上の場合でも各実施例の光学ローパスフィルタを用いてもよい。

また、開放Ｆ値が４．０から５．６程度以上と大きい場合は、小画素ピッチのイメージセンサに対しては十分な結像性能を有しておらず、偽色やモアレの問題が生じない。この場合、光学ローパスフィルタ自体が不要となる。このため、各実施例は、開放Ｆ値が１．０から２．８程度の高解像度の撮像レンズを用いる場合に主として有効である。さらに、開放Ｆ値が１．０から２．０の高解像度の撮像レンズを用いる場合は、撮像により得られる画質に対する要求が高く、撮像レンズの収差補正も高いレベルで行われているため、偽色やモアレを低減するための光学ローパスフィルタの必要性が高い。また、小絞り回折による画質劣化を防ぐことに対する要求も高くなるため、各実施例が有効である。

表１は、実施例１におけるＦ＝１．８および実施例２におけるＦ＝１．４でのδｄｅｆ［μｍ］、δｘ［μｍ］、式（１）の値、Ｄσ［μｍ］および式（４）の値を示す。画素ピッチＰ［μｍ］も併せて示す。実施例１，２のいずれにおいても、式（１）および式（４）の条件を満足している。

以上説明した各実施例は代表的な例にすぎず、本発明の実施に際しては、各実施例に対して種々の変形や変更が可能である。

１ 複屈折素子
２〜４ 複屈折素子
５ 撮像レンズ
６ 光学ローパスフィルタ
７ イメージセンサ

Claims (10)

1. 第１の方向に沿って配置された撮像素子に向けて光束を透過させ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を透過する光束の集光点を、前記第１の方向において二つ以上に分離することでボケ像を生じさせ、
   前記撮像素子の画素ピッチをＰ［μｍ］、前記第１の方向での前記集光点の分離により生ずる前記ボケ像のサイズをδｄｅｆ［μｍ］、前記集光点を前記第１の方向に垂直な第２の方向において二つ以上に分離する場合の該分離により生ずるボケ像のサイズをδｘ［μｍ］（ただし、前記集光点が前記第２の方向において分離されない場合はδｘ＝０）とするとき、
   ０．２≦（δｄｅｆ^２＋δｘ^２）／Ｐ^２≦０．９
   δｘ≦δｄｅｆ
   なる条件を満足することを特徴とする光学ローパスフィルタ。
2. 前記光束を集光させる光学系の開放Ｆ値をＦ、前記第１の方向での前記集光点の分離量の標準偏差［μｍ］をＤσとするとき、
   δｄｅｆ＝Ｄσ／Ｆ
   であることを特徴とする請求項１に記載の光学ローパスフィルタ。
3. ０．３≦Ｄσ／（Ｆ・Ｐ）≦１．０
   Ｐ≦５．０［μｍ］
   なる条件を満足することを特徴とする請求項２に記載の光学ローパスフィルタ。
4. １．０≦Ｆ≦２．０
   なる条件をさらに満足することを特徴とする請求項２または３に記載の光学ローパスフィルタ。
5. 前記光学ローパスフィルタが、複屈折性材料からなる少なくとも１つの複屈折素子により構成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の光学ローパスフィルタ。
6. 前記複屈折素子の光学軸が前記第１の方向に対してなす角が９０°であることを特徴とする請求項５に記載の光学ローパスフィルタ。
7. 前記複屈折素子の光学軸が前記第１の方向に対してなす角をφとするとき、
   ８０°≦φ＜９０°
   なる条件を満足することを特徴とする請求項５に記載の光学ローパスフィルタ。
8. 前記複屈折性材料は、一軸性結晶の材料であることを特徴とする特徴とする請求項４から６のいずれか一項に記載の光学ローパスフィルタ。
9. 前記一軸性結晶は、ニオブ酸リチウムの結晶であることを特徴とする請求項８に記載の光学ローパスフィルタ。
10. 撮像素子と、
    請求項１から９のいずれか一項に記載の光学ローパスフィルタとを有することを特徴とする撮像装置。