JP2020112675A - 撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複屈折光学素子の配置自由度が高く、かつ安定した特性を有する光学ローパスフィルタを用いた撮像装置を提供する。【解決手段】撮像装置１００は、それぞれが入射光線を複数の光線に分離する４つ以上の光学異方性素子と、該光学異方性素子の間に配置された１つ以上の位相板とにより構成される光学ローパスフィルタ１０と、光学ローパスフィルタを通過した光により形成される光学像を光電変換する撮像素子２０とを有する。位相板の位相差と、撮像素子の規格化分光感度スペクトルとが所定の条件を満足する。【選択図】図１

Description

本発明は、光学ローパスフィルタを有する撮像装置に関する。

ＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサ等の固体撮像素子を用いるデジタルカメラ等の撮像装置には、撮像画像における偽色やモアレの発生を抑えるために光学ローパスフィルタが用いられる。光学ローパスフィルタは、光により形成される点像の分布を制御することでナイキスト周波数以上の高周波の画像情報を制限する。

特許文献１には、複屈折光学素子を６層から８層積層して点像をガウス形状に分布させることで、高周波の解像度を高めて偽色やモアレの発生を抑制する光学ローパスフィルタが開示されている。特許文献２には、光を８点に分離する複屈折光学素子の間にポリイミドフィルムにより形成された位相板を配置して、光の縦横方向の分離と対角方向の分離を行う光学ローパスフィルタが開示されている。

特開２０１５−２１３３０６号公報 特開平１０−１８６２８４号公報

しかしながら、特許文献１にて開示された光学ローパスフィルタでは、分離された点像が均一な強度を有するために、互いに隣接する複屈折光学素子の光線分離方向同士がなす角度を４５°ないしは１３５°とする必要がある。この結果、複屈折光学素子の配置自由度が制限される。また、特許文献２にて開示されているように複屈折光学素子間に偏光を解消するための位相板を配置する構成を４層以上の複屈折光学素子を積層した光学ローパスフィルタに採用すると、位相板の配置位置によって点像の波長依存性が変化する。このため、光学ローパスフィルタとして偽色抑制効果等を安定的に得るためには、位相板と複屈折光学素子の配置および位相板が生じさせる位相差を適切に設定する必要がある。

本発明は、複屈折光学素子の配置自由度が高く、かつ安定した特性を有する光学ローパスフィルタを用いた撮像装置を提供する。

本発明の一側面としての撮像装置は、それぞれが入射した光線を複数の光線に分離する第１から第４の光学異方性素子と、該第１から第４の光学異方性素子のうち互いに隣り合う２つの光学異方性素子の間に配置された位相板とを備える光学ローパスフィルタと、該光学ローパスフィルタを通過した光により形成される光学像を光電変換する撮像素子とを有する。光線の波長をλ、位相板の位相差をδ（λ）、撮像素子の規格化分光感度スペクトルをＳ（λ）とし、Ｓ（λ）のピーク強度の１０％以上を積分範囲とし、該積分範囲の最長波長および最短波長をそれぞれ、λｍａｘおよびλｍｉｎとするとするとき、
−０．２０≦Ｉ≦０．２０

なる条件を満足することを特徴とする。

本発明によれば、光学異方性素子の配置自由度が高く、かつ安定した特性を有する光学ローパスフィルタを用いた撮像装置を実現することができる。

本発明の実施例である光学ローパスフィルタの構成を示す図。 実施例における複屈折光学素子による点像分離を説明する図。 実施例における複屈折光学素子を透過した光により形成される点像を説明する図。 実施例における複屈折光学素子を透過した光により形成される点像を説明する別の図。 実施例における位相板の位相差σ（λ）と関数ｆ（λ）の分光特性を示す図。 実施例における分光感度スペクトルＳ（λ）の例を示す図。 実施例１の光学ローパスフィルタにより形成される点像分布と該光学ローパスフィルタの空間周波数特性を示す図。 実施例１の変形例である光学ローパスフィルタにより形成される点像分布と該光学ローパスフィルタの空間周波数特性を示す図。 比較例１の光学ローパスフィルタにより形成される点像分布と該光学ローパスフィルタの空間周波数特性を示す図。 比較例２の光学ローパスフィルタにより形成される点像分布と該光学ローパスフィルタの空間周波数特性を示す図。 実施例２の光学ローパスフィルタにより形成される点像分布を示す図。 実施例２の光学ローパスフィルタの空間周波数特性を示す図。

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、本発明の実施例である撮像装置１００の構成を示している。撮像装置１００は、被写体側（図の手前側）から順に、不図示の撮像光学系、光学ローパスフィルタ１０および撮像素子２０を有する。撮像光学系を通過し、さらに光学ローパスフィルタ１０を通過した光束により光学像が撮像素子２０上に形成される。撮像素子２０は、該光学像を光電変換（撮像）して画像信号を生成する。

光学ローパスフィルタ１０は、物体側（被写体側または光入射側）から順に、複屈折光学素子（第１の光学異方性素子）１、複屈折光学素子（第２の光学異方性素子）２、位相板３、複屈折光学素子（第３の光学異方性素子）４および複屈折光学素子（第４の光学異方性素子）５が光の進行方向において積層された構成を有する。光学異方性素子としての各複屈折光学素子は、その複屈折性により入射した光線を分離する。一方、位相板３は、複屈折性を有するが、光線分離は行わず、光線の偏光状態を制御する。

図１において、撮像素子２０の長辺が延びる第１の方向（横方向）をｘ軸方向とし、短辺が延びる第２の方向（縦方向）をｙ軸方向とする。各複屈折光学素子においてｘ軸およびｙ軸方向に平行なｘｙ面を素子面という。ｘ軸方向およびｙ軸方向は、撮像素子２０の複数の画素の配列方向と一致する。素子面に直交する方向を光軸方向という。なお、図１に示されている各複屈折層および位相板の光軸方向の厚さは、実際は数１００μｍ程度である。

各複屈折光学素子（１，２，４，５）は、水晶やニオブ酸リチウム等の一軸性結晶により形成されており、図２（ａ），（ｂ）に示すように一軸性結晶の光学軸が素子面に対して傾きを有する。図２（ａ）に示すように複屈折光学素子を光軸方向から見ると、一軸性結晶の光学軸はｙ軸方向に対して９０°の方位を向いている。図２（ｂ）に示すように複屈折光学素子をｙ軸方向から見ると、一軸性結晶の光学軸は光軸方向に対して角度θだけ傾いている。以下の説明において、角度θを傾斜角という。傾斜角θは、一般的には４５°付近に設定されるが、複屈折光学素子の材料や設定したい位相差に応じて１０°から８０°の範囲で設定される。

このように光学軸が素子面に対して傾いた平行平板としての複屈折光学素子に入射した光線は、図２（ｃ），（ｄ）に示すように、常光線と異常光線の２つの光線に分離される。具体的には、図２（ｃ）に示すように、光軸方向から複屈折光学素子に入射した光線６は、複屈折光学素子をまっすぐ透過する常光線７と、斜めに透過する異常光線８とに分離する。常光線７と異常光線８とが分離する方向（ｘ軸方向）を光線分離方向という。

常光線７は光線分離方向に直交する方向に電場が振動する偏光であり、異常光線８は光線分離方向と平行な方向に電場が振動する偏光である。すなわち、常光線７と異常光線８は、偏光方向が互いに直交する直線偏光である。常光線７と異常光線８の光線分離方向での分離幅（以下、光線分離幅という）ｗは、複屈折光学素子の材料固有の屈折率異方性の大きさΔｎ、光学軸の傾斜角θおよび複屈折光学素子（平行平板）の厚みｄとから一意に決まる。したがって、複屈折層の材質と傾斜角θが決まれば、光線分離幅ｗは厚みｄに比例する。

このような複屈折光学素子を積層することにより、層数Ｎに対して２のＮ乗個に分かれた点像が形成される。基本的には、複屈折光学素子を光線分離方向が絶対値としての約４５°または１３５°をなすように積層する。ただし、位相板の前後に配置される複屈折光学素子は、任意の光線分離方向となるように配置することができる。積層された複屈折光学素子１，２，４，５は、それらの光線分離方向、光線分離幅および積層数を考慮して点像分布の拡がりを幾何光学的に設定することで、光学ローパスフィルタ１０として機能する。

位相板３は、一軸性結晶または延伸フィルム等により形成され、一軸性結晶の光学軸（進相軸または遅相軸）が素子面に平行となるように配置される。図１では、位相板３は複屈折光学素子２と複屈折光学素子４の間に配置されている。位相板３は、その光学軸が複屈折光学素子２で分離された複数の光線の直線偏光の振動方向に対して約４５°（絶対値）をなすように配置される。位相板３を透過した光線は、分離されることなく、位相差に応じた偏光状態に変換されて複屈折光学素子４に入射する。理想的には、位相板３を透過した光線は、円偏光に変換されるか偏光が解消され、複屈折光学素子４の光線分離方位によらず、分離後の光線（点像）が互いに同一の強度を有するように分離される。しかし位相板３の位相差の波長依存性により理想状態からずれが生じる場合がある。

図３（ａ），（ｂ），（ｃ）は、光学ローパスフィルタによる点像分離を示す。この図は、光が複屈折光学素子１，２、位相板３および複屈折光学素子４，５のそれぞれをこの順で透過する際に形成される幾何的な点像を示している。図３（ａ）は、位相板３の位相差が波長λ／４の奇数倍である場合を、図３（ｂ）は位相差がλの定数倍である場合を、図３（ｃ）は位相差がλ／２の奇数倍である場合をそれぞれ示している。図中の片矢印は光線分離方向を示し、両矢印は光線（点像）の偏光方向を示している。また、常光線により形成される点像を実線で示し、異常光線により形成される点像を点線で示している。

図３（ａ）に示すように、位相板３の位相差がλ／４の奇数倍である場合は、位相板３を透過した光が円偏光に変換され、複屈折光学素子４，５により１６点に分離される。

これに対して図３（ｂ），（ｃ）に示すように位相板３の位相差がλの定数倍およびλ／２の奇数倍である場合は、位相板３を出射した光が直線偏光であり、その偏光方向は複屈折光学素子４の光線分離方向に対して平行または垂直である。このため、複屈折光学素子４の光線分離方向と平行な偏光方向を有する偏光により形成される点像が図中の点線矢印の方向に移動するだけで、該偏光は分離しない。

このように、位相板３の位相差に応じて、幾何学的な点像分布が１６点（図３（ａ））、横８点（図３（ｂ））および縦８点（図３（ｃ）と変化する。光線の波長をλとするとき、位相板３の位相差がλ／４の奇数倍、λの定数倍およびλ／２の奇数倍の間の位相差である場合には、図３（ｂ），（ｃ）に示した点像分布の重ね合せとなる。

また、図４（ａ）〜（ｃ）は、図３（ａ）〜（ｃ）とは複屈折光学素子１，２，４，５の光線分離方向を変えて、位相板３に隣接した複屈折光学素子２，４の光線分離方向がｘ軸方向またはｙ軸方向となるようにした場合を示している。以下の説明において、「４５°」は、４５°だけでなく４５°から数度ずれた角度も含む「約４５°」の意味である。

この場合、位相板３の光学軸は４５°方向を向き、位相板３の位相差に応じて幾何学的な点像分布が１６点（図４（ａ））、＋４５°斜め８点（図４（ｂ））および−４５°斜め８点（図４（ｃ）と変化する。

また、位相板３を用いることにより、複屈折光学素子の光線分離方向の配置自由度が向上する一方、位相板３の偏光解消効果の波長依存性によって、点像分布が波長により変化する。特に本実施例で説明する多層の光学ローパスフィルタにおいては、複屈折光学素子１，２，４，５と位相板３の配置方法によって、最終的な点像分布（点像の振る舞い）が変化する。幅広い帯域の光を発する一般光源下では、平均化によって波長の影響を軽減することができる。しかし、位相板３の位相差δが使用波長帯域Δλの５倍以下となる場合には、適切な位相差と光学軸の方位を設定する必要がある。

実際の撮像環境で得られる点像は、被写体を照明する光のスペクトル、撮像光学系の透過率、撮像素子２０の分光感度および撮像素子２０の画素ごとに設けられたカラーフィルタの透過率等の影響を受ける。

ここでは、撮像光学系や照明光がフラットなスペクトルを持つと仮定する。この場合に得られる点像分布の均一性または偏りＩは、撮像素子２０の感度とカラーフィルタの帯域幅で定義される規格化分光感度スペクトルＳ（λ）と、位相板３の位相差（分光位相差）δ（λ）に対する点像の振る舞いを表す関数ｆ（λ）＝ｃｏｓ（２π／λ・δ（λ））とを用いて下記（１）式で表される。規格化分光感度スペクトルＳ（λ）の最小値は０であり、最大値は１である。

ただし、Ｓ（λ）のピーク強度の１０％以上を積分範囲とし、該積分範囲の最長波長および最短波長をそれぞれ、λｍａｘおよびλｍｉｎとする。ピーク強度は、例えば、緑帯域でのピーク強度である。

図５は、位相板の位相差δ（λ）と関数ｆ（λ）との関係を示している。関数ｆ（λ）は、δ（λ）＝（２ｍ＋１）λ／４（ｍは整数）のときに０となり、δ（λ）＝ｍλのときに１となり、δ（λ）＝（２ｍ＋１）λ／２のときに−１となる。

図６は、撮像素子２０の規格化感度スペクトルＳ（λ）の例として、赤帯域（Ｒ）、緑帯域（Ｇ）および青帯域（Ｂ）のカラーフィルタに対する規格化感度スペクトルを示している。緑帯域のＳ（λ）のピーク強度の１０％以上の範囲をハッチングして示している。この図では最大値を１としているが、式（１）の計算においては規格化のためにＳ（λ）の積分値で除する必要がある。実際の計算または測定において離散的な波長分割数（例えば、１ｎｍ刻みや１０ｎｍ刻み）でデータを取り扱う場合は、関数ｆ（λ）と規格化感度スペクトルＳ（λ）との積の和をＳ（λ）の和により規格化することでＩが求まる。

式（１）は、Ｓ（λ）の重みを考慮して関数ｆ（λ）を波長範囲λｍａｘからλｍｉｎで積分して規格化したものであり、センサ感度を考慮した状態の点像分布の偏りを示す。Ｉが最大値１または最小値−１のときに点像が８点に分離し、Ｉが０になるときに最も均一な１６点に分離する。したがって、Ｉが０または０に近いときに点像分布が均一な分布となり、望ましい。具体的には、Ｉが−０．２０から＋０．２０の範囲に収まる、すなわち、
−０．２０≦Ｉ≦０．２０ （２）
を満足することが望ましい。より望ましくは、Ｉが−０．１０から＋０．１０の範囲に収まる、すなわち、
−０．１０≦Ｉ≦０．１０ （２）′
を満足すると良い。

式（１）において分光感度スペクトルＳ（λ）は既知の固定値であるため、式（１）は望ましい点像分布が得られるように位相板３の位相差δ（λ）を設定するための条件を示す。

図７（ａ），（ｂ）はそれぞれ、図３（ａ）〜（ｃ）に示した構成（具体的な数値例を表１に示す）において波長４６０ｎｍから６４０ｎｍにて平均化した点像分布と、ｘ、ｙ軸方向および±４５°（対角）方向の断面に対するＭＴＦを示す。図８（ａ），（ｂ）はそれぞれ、図４（ａ）〜（ｃ）に示した構成（具体的な数値例を表２に示す）において波長４６０ｎｍから６４０ｎｍにて平均化した点像分布と、ｘ，ｙ軸方向および±４５°方向の断面に対するＭＴＦを示す。これらの構成において、Ｉは±０．１０以下に収まっている。適切に位相差を設定することで、どちらも均一な点像分布が得られていることがわかる。

図９（ａ），（ｂ）および図１０（ａ），（ｂ）は、本実施例の比較例としての構成（それぞれの具体的な数値例を表３，４に示す）により形成される式（２）の数値範囲外の点像分布を示す。図７（ａ），（ｂ）および図８（ａ），（ｂ）と図９（ａ），（ｂ）および図１０（ａ），（ｂ）とは、位相板３の厚みにおいて異なる。両者を比較すると、図９（ａ），（ｂ）ではｘ，ｙ軸方向に点像強度の変化が起きるため、±４５°方向では安定したＭТＦの特性が得られるが、ｘ，ｙ軸方向ではＭＴＦの変動量が増大する。

一方、図１０（ａ），（ｂ）では、ｘ，ｙ軸方向においては安定したＭТＦの特性が得られるが、±４５°方向のＭＴＦの変動量が増大する。

なお、ここではＩが式（２）（および式（２）′）の下限値以下である場合について説明したが、上限値より大きい場合はｘ軸方向とｙ軸方向の関係または±４５°方向の関係が逆転する以外は同等である。Ｉが式（２）の数値範囲（±０．２０以内）を超えた場合は特定の方向においてＭＴＦの変動が増大するため、Ｉを上記数値範囲内に収めることが望ましい。

ただし、位相板３の製造公差による位相差の変動等によってＩが式（２）に示した理想的な条件を満足しない場合には、点像分布の偏りを考慮して位相板３の設計値を決定する必要がある。本実施例の撮像装置１００に用いる光学ローパスフィルタ１０として、解像感を残しつつ安定した偽色抑制効果を得ることを目的とする場合は、図９（ａ），（ｂ）に示すように±４５°方向において安定した特性となるように複屈折光学素子を配置することが望ましい。

具体的には、図３（ａ）〜（ｃ）に示したように位相板３をその遅相軸または進相軸の方位がｘ，ｙ軸方向となるように配置し、位相板３に隣接する複屈折光学素子２，４の光線分離方向はｘ，ｙ軸方向と４５°または１３５°をなすように配置することが望ましい。反対にｘ，ｙ軸方向の解像感の安定性を高めたい場合には、図４（ａ）〜（ｃ）に示したように、位相板３をその遅相軸または進相軸の方位が±４５°方向となるように配置することが望ましい。

さらに、図３（ａ）〜（ｃ）に示した構成において、ｙ成分の解像度、すなわちｘ軸方向のＭＴＦを優先する場合について説明する。点像分布の偏りは、図３（ａ）〜（ｃ）の構成のうち位相板３の位相差と位相板３に隣接する複屈折光学素子２，４の光線分離方向とに依存する。例えば図３（ｂ）では、複屈折光学素子２，４の光線分離方向の合成ベクトルはｘ軸方向を向き、最終的な点像は横８点に分離される。仮に複屈折光学素子４の光線分離方位が１８０°反転した場合には、合成ベクトルはｙ軸方向となり、点像は縦８点に分離される。このため、位相板３の公差を考慮しつつ点像分布を縦８点に近づけたい場合は、設定すべきＩの数値範囲は位相板３の位相差と位相板３に隣接する複屈折光学素子の光線分離方向とに依存する。つまり、位相板３に隣接する複屈折光学素子の光線分離方向の合成ベクトルがｘ軸方向と平行な場合のＩは、
−０．１０≦Ｉ≦０．２０ （３）
を満足することが望ましい。

また、合成ベクトルがｙ軸方向と平行な場合には、Ｉは、
−０．２０≦Ｉ≦０．１０ （４）
を満足することが望ましい。

位相板３の公差を考慮しつつＩが式（３）または（４）の範囲に収まるようにすることにより、ある程度の点像分布の変動を見込んだ上で所望の特性を有する光学ローパスフィルタが得られる。

これまでは複屈折光学素子１，２，４，５の光線分離幅が互いに等しい場合について説明してきたが、これらは互いに異なる光線分離幅を有していてもよい。例えば、ｘ，ｙ軸方向の光線分離幅Ｄｘ，Ｄｙよりも±４５°方向の光線分離幅Ｄｐ，Ｄｎを大きくすることにより、高周波の折り返りモアレと±４５°方向に生じる高周波域の偽色とをともに抑制することができる。具体的には、Ｄｘ＜ＤｐかつＤｙ＜Ｄｎなる条件またはＤｘ＜Ｄｐ、Ｄｘ＜Ｄｎ、Ｄｙ＜ＤｐおよびＤｙ＜Ｄｎなる条件を満足すればよい。これらの２つの条件のうち少なくとも一方が満足されることにより、これまで説明した効果と同様の効果が期待できる。さらには４層より多い層数の複屈折光学素子を積層してもよく、これにより点像分布がよりガウス形状に近づき、高周波領域の折返りがより安定的に抑制される。

また、複屈折光学素子の材料としては水晶、サファイアおよびニオブ酸リチウム等が一般的であるが、他の複屈折性材料を用いてもよいし、液晶の配向を制御することで生じる膜構造複屈折を用いてもよい。また、必ずしも光学ローパスフィルタ全体で同一の複屈折性材料を用いる必要はなく、複屈折光学素子ごとに複屈折材料を選択してもよい。例えば、厚みが異なる複屈折光学素子を用いる場合に、大きな光線分離幅Ｄｐ，Ｄｎを得るためにニオブ酸リチウムを用い、小さな光線分離幅Ｄｘ，Ｄｙを得るために水晶を用いることで、光学ローパスフィルタ全体の厚みを減少させつつ材料コストを抑えることができる。材料の違いによって複屈折光学素子に由来する位相差の違いが点像に影響する場合はあるが、図３（ａ）〜（ｃ）に示したように位相板３に隣接する複屈折光学素子２，４の光線分離幅や材料の対称性を保つようにすることで、上記影響を軽減することができる。

また、位相板３についても任意の材料を用いることができる。延伸フィルムタイプであれば薄膜化することができ、光学ローパスフィルタ全体の厚みを減少させることができる。耐久性や経年劣化が懸念される場合は無機材料を用いることが望ましい。また、水晶等の複屈折光学素子と同様の材料であって光学軸の角度を変更したものを用いてもよい。この場合は、複屈折光学素子の厚みを０．３ｍｍ以下とすることが望ましい。厚みが０．１ｍｍ以下では公差を考慮すると式（２）の条件を満足できないおそれがあるため、厚みは０．１ｍｍ以上０．３ｍｍ以下とすることが望ましい。

また、複数層の複屈折光学素子と位相板は、光路上に互いに分離して配置してもよく、一部または全体を接合（積層）して用いてもよい。さらに、最も像側（撮像素子側または光出射側）の複屈折光学素子をカバーガラスに使用したり、複屈折光学素子の間に透光性基板や色ガラス等の等方性部材を配置したり、最も被写体側）の複屈折素子にゴミ除去用の振動手段を付与したりする等、複屈折光学素子に他の用途を与えたり、光学ローバスフィルタとは異なる機能のための部材と混合して複屈折光学素子と位相板を配置したりしてもよい。

ここまでは、撮像素子の緑帯域（例えば５２０〜５７０ｎｍ）の感度スペクトルを前提して説明したが、赤帯域（例えば６００〜６５０ｎｍ）や青帯域（例えば４５０〜５００ｎｍ）についても同様である。ただし、緑、赤および青帯域の感度スペクトルの合成値ではなく、それぞれの色帯域の感度スペクトルに対して式（１）を計算して式（２）（または式（２）′）の数値範囲を満足するか否かを確認することが望ましい。また、式（１）では積分の波長範囲を４６０ｎｍから６４０ｎｍの可視波長範囲としたが、紫外域や赤外域の感度を活用する際には積分の波長範囲をそれらの波長域まで拡大してもよい。

さらに厳密には、Ｓ（λ）に撮像素子２０の感度やカラーフィルタの透過率だけでなく、被写体から撮像素子２０に光が到達するまでの各種光学素子の分光透過率が重み付けされる。このため、これら光学素子の特性をＳ（λ）に掛け合わせることが望ましい。

本発明の実施例には、以下の構成を有する光学ローパスフィルタが全て含まれる。すなわち、光学ローパスフィルタは、４つ以上の光学異方性素子を有する。該４つ以上の光学異方性素子は、ｘ軸方向に光線を分離する１つ以上の第１の光学異方性素子と、ｙ軸方向に光線を分離する１つ以上の第２の光学異方性素子と、ｘ軸方向に対して＋４５°または−４５°をなす方向に光線を分離する１つ以上の第３の光学異方性素子と、ｙ軸方向に対して＋４５°または−４５°をなす方向に光線を分離する１つ以上の第４の光学異方性素子とを含む。

なお、光学異方性素子は５つ以上であってもよく、位相板は２つ以上であってもよい。ただし、光学ローパスフィルタの薄型化のためには、光学異方性素子が４つで、位相板は１つであることが望ましい。また、位相板は互いに隣り合う２つの光学異方性素子の間であれば、中央の層に限らず配置することができる。ただし、点像の分離のし易さまたは設計のし易さのために、中央の層に配置されていることが望ましい。

なお、上記４つ以上の光学異方性素子のうち互いに隣り合う２つの光学異方性素子のそれぞれの光線分離方向がなす角度は、１２０°以上１５０°以下であることが好ましい。

以下、より具体的な実施例（数値例）としての光学ローパスフィルタ１０の構成を示す。

表１は、実施例１の光学ローパスフィルタの構成を示す。本実施例の光学ローパスフィルタは、それぞれ水晶により形成された複屈折光学素子１（ＬＰＦ１）、複屈折光学素子２（ＬＰＦ２）、位相板３、複屈折光学素子４（ＬＰＦ３）および複屈折光学素子５（ＬＰＦ４）が光入射側から光出射側にこの順で積層された構成を有する。複屈折光学素子１，２，４，５の光線分離方向はそれぞれ、ｘ軸方向に対して１８０°、＋４５°、３１５°（−４５°）、９０°である。複屈折光学素子１，２，４，５の光線分離幅は全て２．１μｍ、厚みは全て３５０μｍである。位相板３は、その遅相軸がｙ軸方向と平行に延びるように配置され、複屈折光学素子２からの光の偏光状態を変化させる。

図５は、本実施例における位相板３の位相差δ（λ）と関数ｆ（λ）との関係を示している。また表１の下部には、本実施例における式（１）のＩの値を示している。点像分布の偏りを示すＩ＝−０．０１は式（２）および式（２）′の条件を十分に満足するように小さい。

本実施例の点像の位相差分布およびＭＴＦを図７（ａ），（ｂ）に示す。点像分布は、波長４６０ｎｍから６４０ｎｍの範囲で図５に示す規格化分光感度スペクトルの重みで積算したものである。ｘ，ｙ軸方向および±４５°方向において均一な点像分布とＭＴＦが得られている。

表２は、比較例１の光学ローパスフィルタの構成を示す。比較例１では、位相板の厚み（位相差）が実施例１と異なっており、式（１）のＩは−０．２３となり、式（２）の条件を満足しない。図９（ａ），（ｂ）はそれぞれ、本比較例の点像強度分布とＭＴＦを示す。本比較例における点像分布は波長積算後も一部に偏りが残存し、これにより全体的にｙ軸方向のＭＴＦが低くなっている。また、局所的に強度が高い点像分布となっており、２００ｌｐ／ｍｍ以上の高周波域のＭＴＦ抑制効果も十分ではない。この結果、特定の方向において色モアレが増大したり、高周波の折り返りモアレが生じたりするおそれがある。

これに対して本実施例の構成を採用することで、点像分布を均一化させることができ、特性が安定した光学ローパスフィルタを得ることができる。

表３は、本実施例の変形例（実施例１′）としての光学ローパスフィルタの構成を示す。本変形例では、位相板３に隣接する複屈折光学素子（ＬＰＦ２，ＬＰＦ３）および最も光入射側および最も光出射側の複屈折光学素子（ＬＰＦ１，ＬＰＦ４）の光線分離方向が表１のものとは異なる。具体的には、複屈折光学素子１，２，４，５の光線分離方向はそれぞれ、ｘ軸方向に対して＋４５°、１８０°、９０°、３１５°（−４５°）である。複屈折光学素子１，２，４，５の光線分離幅は全て２．１μｍ、厚みは全て３５０μｍである。

本変形例では、各波長に対する点像分布の変化は表１の場合とは異なるが、位相板３の位相差を適切に設定することによって、式（２）および式（２）′の条件を満足するＩ＝−０．０１が得られ、図８（ａ），（ｂ）に示す点像分布とＭＴＦを得ることができる。この結果、特に低周波域で図７（ａ），（ｂ）と同等の光学ローパスフィルタの特性が得られる。

表４は、実施例２の光学ローパスフィルタの構成を示す。本実施例の光学ローパスフィルタは、水晶により形成された複屈折光学素子１（ＬＰＦ１）、ニオブ酸リチウムにより形成された複屈折光学素子２（ＬＰＦ２）、水晶により形成された位相板３、ニオブ酸リチウムにより形成された複屈折光学素子４（ＬＰＦ３）および水晶により形成された複屈折光学素子５（ＬＰＦ４）が光入射側から光出射側にこの順で積層された構成を有する。
複屈折光学素子１，２，４，５の光線分離方向はそれぞれ、ｘ軸方向に対して１８０°、＋４５°、３１５°（−４５°）、９０°である。複屈折光学素子１，５の光線分離幅は２．３μｍ、厚みは４００μｍであり、複屈折光学素子２，４の光線分離幅は４．１μｍ、厚みは２００μｍである。すなわち、ｘ，ｙ軸方向の光線分離幅Ｄｘ，Ｄｙよりも±４５°方向の光線分離幅Ｄｐ，Ｄｎが大きい。位相板３は、その遅相軸がｙ軸方向と平行に延びるように配置され、複屈折光学素子２からの光の偏光状態を変化させる。

図１１（ｒ），（ｇ），（ｂ）は、本実施例における点像分布を示す。図１１（ｒ），（ｇ），（ｂ）の点像分布はそれぞれ、赤帯域、緑帯域および青帯域のカラーフィルタを考慮した分光感度スペクトルＳ（λ）を用いて波長積算した結果を示す。赤帯域および青帯域の分光感度スペクトルＳ（λ）は、図６に示した緑帯域のピーク感度波長をそれぞれ４６０ｎｍおよび６００ｎｍに変化させたものとなる。図１１（ｒ），（ｇ），（ｂ）から、各色帯域に対して均一な１６点に分離された点像が得られていることがわかる。表４の下側には、本実施例における赤帯域、緑帯域および青帯域での式（１）のＩの値（−０．０８２，−０．０１９，−０１０３３）は式（２）および式（２）′の条件を十分に満足するように小さい。

図１２（ｒ），（ｇ），（ｂ）は、図１１（ｒ），（ｇ），（ｂ）に示した点像分布に対するＭＴＦを示す。いずれの図も、ｘ，ｙ軸方向については高周波側に向かってなだらかにＭＴＦが低下する特性を示し、高周波帯域での折り返りを除去する。また、±４５°方向については１１０ｌｐ／ｍｍの周波数帯域の特性を落とすことで偽色を抑制しつつ、それ以上の高周波帯域の折り返りを抑制することで折り返りモアレも抑制する。

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。

１，２，４，５ 複屈折光学素子
３ 位相板
１０ 光学ローパスフィルタ
２０ 撮像素子
１００ 撮像装置

Claims (17)

1. それぞれが入射した光線を複数の光線に分離する第１から第４の光学異方性素子と、該第１から第４の光学異方性素子のうち互いに隣り合う２つの光学異方性素子の間に配置された位相板とを備える光学ローパスフィルタと、
   前記光学ローパスフィルタを通過した光により形成される光学像を光電変換する撮像素子とを有し、
   前記光線の波長をλ、前記位相板の位相差をδ（λ）、前記撮像素子の規格化分光感度スペクトルをＳ（λ）、該Ｓ（λ）のピーク強度の１０％以上である積分範囲における最長波長および最短波長をそれぞれλｍａｘおよびλｍｉｎとするとき、
   −０．２０≦Ｉ≦０．２０
   
   なる条件を満足することを特徴とする撮像装置。
2. 前記ピーク強度は、前記光の緑帯域でのピーク強度であることを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
3. 前記撮像素子は、互いに垂直な第１の方向および第２の方向のそれぞれに配列された複数の画素を有し、
   前記第１の光学異方性素子は前記第１の方向に光線を分離し、
   前記第２の光学異方性素子は前記第２の方向に光線を分離し、
   前記第３の光学異方性素子は前記第１の方向に対して４５°をなす方向に光線を分離し、
   前記第４の光学異方性素子は前記第２の方向に対して４５°をなす方向に光線を分離することを特徴とする請求項１または２に記載の撮像装置。
4. 前記第３の光学異方性素子による光線分離幅は、前記第１の光学異方性素子による光線分離幅よりも大きいことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の撮像装置。
5. 前記第４の光学異方性素子による光線分離幅は、前記第１の光学異方性素子による光線分離幅よりも大きい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撮像装置。
6. 前記第３の光学異方性素子による光線分離幅は、前記第２の光学異方性素子による光線分離幅よりも大きいことを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の撮像装置。
7. 前記第４の光学異方性素子による光線分離幅は、前記第２の光学異方性素子による光線分離幅よりも大きいことを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の撮像装置。
8. 前記第１の光学異方性素子による光線分離幅をＤｘ、前記第２の光学異方性素子による光線分離幅をＤｙ、前記第３の光学異方性素子による光線分離幅をＤｐ、前記第４の光学異方性素子による光線分離幅をＤｎとするとき、
   Ｄｘ＜ＤｐかつＤｙ＜Ｄｎ
   または
   Ｄｘ＜Ｄｐ、Ｄｘ＜Ｄｎ、Ｄｙ＜ＤｐおよびＤｙ＜Ｄｎ
   なる条件を満足することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の撮像装置。
9. 前記位相板の進相軸は、前記第１の方向に平行または垂直であることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の撮像装置。
10. 前記互いに隣り合う２つの光学異方性素子のそれぞれの光線分離方向が互いになす角度は、１２０°以上１５０°以下であることを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の撮像装置。
11. 前記第１から第４の光学異方性素子のそれぞれの光線分離幅は、互いに同じであることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の撮像装置。
12. 前記第１から第４の光学異方性素子のうち最も像側および最も物体側の光学異方性素子はともに水晶で構成され、他の光学異方性素子は水晶またはニオブ酸リチウムで構成されていることを特徴とする請求項１から１１のいずれか一項に記載の撮像装置。
13. 前記光学ローパスフィルタは、前記第１から第４の光学異方性素子と前記位相板とから成ることを特徴とする請求項１から１２のいずれか一項に記載の撮像装置。
14. 前記第１の光学異方性素子、前記第２の光学異方性素子、前記位相板、前記第３の光学異方性素子および前記第４の光学異方性素子は、物体側から像側にこの順で配置されていることを特徴とする請求項１から１３のいずれか一項に記載の撮像装置。
15. 前記第１および第４の光学異方性素子は水晶で構成され、前記第２および第３の光学異方性素子はニオブ酸リチウムで構成されていることを特徴とする請求項１４に記載の撮像装置。
16. 前記位相板は水晶で構成され、その厚みは０．１ｍｍ以上０．３ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１から１５のいずれか一項に記載の撮像装置。
17. 撮像素子を有する撮像装置に用いられる光学ローパスフィルタであって、
    それぞれが入射した光線を複数の光線に分離する第１から第４の光学異方性素子と、
    該第１から第４の光学異方性素子のうち互いに隣接する２つの光学異方性素子の間に配置された位相板とを備え、
    前記光線の波長をλ、前記位相板の位相差をδ（λ）、前記撮像素子の規格化分光感度スペクトルをＳ（λ）、該Ｓ（λ）のピーク強度の１０％以上である積分範囲における最長波長及び最短波長を各々λｍａｘおよびλｍｉｎとするとき、
    −０．２０≦Ｉ≦０．２０
    
    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。