JP2775873B2 - 光学的ローパスフィルターを有した撮像装置 - Google Patents

光学的ローパスフィルターを有した撮像装置

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Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は光学的ローパスフィルターを有した撮像装置
に関し、特にカラー撮影素子を用いたビデオカメラや電
子スチルカメラ等の様に画像を2次元的且つ離散的に処
理するのに好適な光学的ローパスフィルターを有した撮
像装置に関するものである。
(従来の技術) 一般に離散的画素構造を有する固体撮像素子を用いた
撮像装置では光学的に形成された画像を空間的にサンプ
リングして出力画像を得ている。
第7図は従来の単板式のカラービデオカメラにおける
カラー信号を得る為のストライプ状の色フィルターの構
成を示した概略図である。
各色フィルターには固体撮像素子のセルが対応してお
り、これによって赤色R、緑色G、そして青色Bの3色
の分解が行われる。
離散的に画像をサンプリングする場合の問題点として
は被写体にサンプリングの空間周波数以上の周波数成分
が含まれている場合のエイリアジングエラーが挙げられ
る。このエイリアジングエラーは撮影画像にモアレ縞や
偽色を生じさせ、画像を歪ませる原因となる。特に単板
式カメラでは水平方向の空間的サンプリングが3画素に
1回ということでサンプリングピッチが粗くなるので色
モアレ等が生じ易い。
撮像素子以降の処理系はもともと画像の空間周波数帯
域にある制限があることを前提にして構成されている。
この為、従来より光学的ローパスフィルターを撮像系に
挿入し、被写体のもつ高周波の空間周波数帯域を撮像素
子以降の系に合わせた形で制限することが行われてい
る。光学的ローパスフィルターとしては水晶板等の複屈
折を利用したものが多く用いられる。
例えば単板のカラービデオカメラでは1枚の水晶板を
通り、複屈折で2つに分割された光線が水平方向に1.5
画素ずれた位置に入射する様に光学系が構成されてい
る。この様に同一の画像が1.5画素水平方向にずれて重
なるということは、この水晶ローパスフィルターの水平
方向の周波数特性が第8図の様なコサイン型の周波数特
性になることを意味している。1画素のピッチをdとす
ると、もしピッチ3dの正弦波チャートがあれば1.5画素
のずれにより丁度山と谷が重なってコントラストが0と
なる。
1画素当りのサンプリング周波数fSがfS=1/dである
所より、この水晶ローパスフィルターは第8図に示す様
にfS/3で特性が0となるのである。単板式カラー固体撮
像素子の場合はサンフリングが3画素に1回となってい
るので色モアレがここから折り返されてくる。従って、
この様なフィルターはモアレの抑制に多大な効果を持っ
ていた。
(発明が解決しようとする問題点) 一方、近来、固体撮像素子の各画素をオフセットサン
プリング構成に構成し、この各画素にRGBの3色フィル
ターを配列したものが注目されている。
第3図に示したものは従来のオフセットサンプリング
構造にしたカラー固体撮像素子の一例である。
ところがこの場合、色フィルターの配置が従来のスト
ライプ状のものの様に単純な一次元状のものでなく二次
元的なものである。この為、色モアレを防ぐ光学的ロー
パスフィルターに従来のものを単純に用いても所望の効
果を得ることができないという問題が生じていた。
本発明はオフセットサンプリング構造を有する撮像素
子への入射光路中に前記問題に適用できる光学的ローパ
スフィルターを配置することにより色モアレを有効に防
止することができる光学的ローパスフィルターを有した
撮像装置の提供を目的とする。
(問題点を解決するための手段) この様に本発明は第3図の様なオフセットサンプリン
グの色フィルター配置をとった時の信号の2次元的空間
周波数構造に着目し、色モアレを防止するため最適な光
学的ローパスフィルターを撮影系に印加することによ
り、前記問題を解決したことを特徴としている。
即ち本発明の光学的ローパスフィルターを有した撮像
装置は、水平方向のピッチがPH、垂直方向のピッチが
PV,水平方向のオフセット量がPH/2であるオフセットサ
ンプリング構造をもち、かつPV≦(3/2)・PHである撮
像素子への入射光路中に配置される光学的ローパスフィ
ルターであって、該光学的ローパスフィルターは入射光
線を該撮像素子の走査方向又は走査方向と逆方向に対し
45゜の方向に2本に分離する第1の光学部材と入射光線
を該1の光学部材の光線の分離方向に対し時計方向又は
反時計方向に90゜の方向に2本に分離する第2の光学部
材を有しており、該第1の光学部材による光線の分離幅
をP1、該第2の光学部材による光線の分離幅をP2とした
とき、 なる条件を満足することを特徴としている。
更に本発明は、水平方向のピッチがPH、垂直方向のピ
ッチがPV、水平方向のオフセット量がPH/2であるオフセ
ットサンプリング構造をもち、かつPV>(3/2)・PH
ある撮像素子への入射光路中に配置される光学的ローパ
スフィルターであって、該光学的ローパスフィルターは
入射光線を該撮像素子の走査方向又は走査方向と逆方向
に対し45゜の方向に2本に分離する第1の光学部材と、
入射光線を該第1の光学部材の光線の分離方向に対し時
計方向又は反時計方向に90゜の方向に2本に分離する第
2の光学部材を有しており、該第1の光学部材による分
離幅をP1、該第2の光学部材による光線の光線の分離幅
をP2としたとき、 なる条件を満足することを特徴としている。
(実施例) 光学的ローパスフィルターの条件を説明する為先ずオ
フセットサンプリングの場合の空間周波数構造について
解析を行なってみることとする。
第4図は水平方向のピッチがPH、垂直方向のピッチが
PVであり水平方向のオフセット量がPH/2である様に構成
されたオフセットサンプリングの例を示している。この
場合のサンプリング構造は2次元の空間周波数平面上で
第5図に示した様になることが知られている。即ち水平
方向のピッチが2/PH、垂直方向のピッチが1/PVであり水
平方向のオフセット量が1/PHであるようなサンプリング
構造となっている。
この関係の導出は例えば日刊工業新聞社刊の吹坂敬彦
著“画像のデジタル信号処理”(1985)のP.317に述べ
られている。
従って第3図の様な固体撮像素子(センサー)におい
て各画素の色フィルターから出力される色信号を等価的
に輝度信号とみなす、所謂スイッチ−Y方式によって輝
度信号を得るとすると輝度信号のサンプリング構造は第
5図を写し直して第6図(A)で丸印(○印)で示す様
なものとなる。
これを各色の信号についてみると水平方向のピッチが
3PH、垂直方向のピッチがPVで水平方向のオフセットが
(3/2)PHのオフセットサンプリング構造となっている
ことがわかる。従って色信号のサンプリング構造は空間
周波数面では水平方向のみ1/3縮められる結果となり第
6図(A)中の四角部(□印)の様なものとなる。色モ
アレを防止する上で最適な光学的ローパスフィルターは
原信号の空間周波数スペクトルが隣り合うサンプリング
構造の領域になるべく影響を与えない様なものである。
これは第6図(A)で言えば隣り合うサンプリング構
造の中心点を実験で結んだ六角形の辺上の空間周波数の
部分の近傍で周波数特性ご0又は極小となるようなロー
パスフィルター特性がん好ましいということを意味して
いる。
尚fY=±1/2・1/PVという2つの水平線で区切られて
いるのは垂直方向に輝度の折り返しを生じさせない為で
ある。
オフセットサンプリングでの光学的ローパスフィルタ
ーの理想は第6図(A)に示したような六角形が良い
が、実際に複屈折板等を用いて光学的ローパスフィルタ
ーを構成するには第6図(B)に実線、あるいは点線で
示すように四角部(□印)で示した色のキャリア周波数
を通りfX軸と+45゜あるいは−45゜の角度をなす4本の
直線上で周波数特性が0になるように構成するのが最も
簡易なものである。
このような光学的ローパスフィルターを構成するには
入射光線をカラー撮像素子の走査方向又は走査方向と逆
方向に対し45゜の方向に分離幅P1の間隔で2本に分離す
る第1の光学部材と入射光線を第1の光学部材の光線の
分離方向に対し時計方向又は反時計方向に90゜の方向に
分離幅P2の間隔で2本に分離する第2の光学部材で構成
すればよい。
このときの光学的ローパスフィルターの2次元伝達関
係、所謂MTF(fX,fY)は次式で表わされる。
これによりMTF値は水平方向と±45゜をなす方向にそ
れぞれコサイン間数の形の周波数特性で変化し、又水平
・垂直方向には両者をかけ合わせたコサインの2乗の形
の周波数特性となることがわかる。
この為第6図(B)に実線で示した周波数特性が0と
なる線は第6図(A)の理想の周波数特性に比べ垂直方
向で大きく異っている。しかしながらこの方向における
周波数特性は急速に0に近づく為垂直方向からの折り返
り歪によるモアレは実用上問題とはならない。
しかしながら水平方向にもMTF値はコサイン2乗の形
の周波数特性で変化するため光学的ローパスフィルター
を第6図(B)の実線よりも内側(ベーストバンド側)
でMTF値が0になるようにすると四角部(□印)で示し
た色キャリア数からの折り返り歪は充分小さくすること
ができるが解像度が低下してしまう。
一方光学的ローパスフィルターを第6図(B)の点線
よりも外側MTF値が0になるよにすると解像度は上るが
四角部(□印)で示した色のキャリア周波数からの折り
返り歪が増大し好ましくない。
即ち光学的ローパスフィルターのMTF値が0となるの
は第6図(B)に示す実線と点線との間に周波数特性が
位置するのが望ましい。そこで本発明では光学的ローパ
スフィルターを構成する第1の光学部材の光線の分離幅
をP1、第2の光学部材の光線の分離幅をP2としたとき垂
直方向のピッチPVが、 PV≦(3/2)PHのときは、 なる条件を満足するように構成している。又垂直方向に
ピッチPVが、 PV>(3/2)PHのときは、 なる条件を満足させるように構成している。
第1図は本発明に係る光学的ローパスフィルターの一
実施例の構成図である。
同図において1は光学的ローパスフィルター、3は第
1の光学部材であり複屈折板5・6より形成されており
入射光線を後述するカラー撮像素子の走査方向又は走査
方向と逆方向に対し45゜の方向に2本分離させている。
4は第2の光学部材であり複屈折板7より形成されて
おり入射光線を第1の光学部材3の光線の分離方向に対
し時計方向又は反時計方向に90゜の方向に2本分離させ
ている。
本実施例ではこれらの2つの光学部材で光学的ローパ
スフィルター1を構成している。
2はカラー撮像素子であり前記第3図に示したような
オフセットサンプリング構造により成っている。
本実施例においては光学的ローパスフィルター1を構
成する各々の複屈折板5・6・7は光線の分離方向が走
査方向に対し反時計方向に順に+90゜,0゜,+45゜とな
るように、又第1の光学部材3の光線の分離幅をP1、第
2の光学部材4の光線の分離幅をP2としたとき、各々の
複屈折板4・5・6の光線の分離幅の大きさを順に となるように構成している。
第2図は第1図に示す光学的ローパスフィルター1の
各複屈折板より光線が分離されていく過程を示す説明図
である。
本実施例において光学的ローパスフィルター1に入射
した光線は複屈折板5により同図(A)の実線の矢印に
示す方向に偏光成分をもつ等しい強度の常光線8と異常
光線9の2本の直線偏光として射出される。
そして次に同図(B)に示すように複屈折板5に対し
90゜光軸が傾いた複屈折板6に入射する為、該複屈折板
6に対し異常光線9は常光線となる為そのまま直進して
射出される。又常光線8は異常光線となる為屈折して位
置10aより射出される。
結局複屈折板5.6より成る第1の光学部材3からは同
図(B)に示したように分離幅P1で走査方向に対し垂直
方向に分離した2本の光線9・10となって射出される。
このとき、これらの光線9・10は各々走査線に対し反
時計方向に90゜と0゜に偏光している為、第2の光学部
材4を構成する複屈折板7に入射すると同図(C)に示
す様に分離幅P2の複屈折板7により等しい強度の4本の
光線9・10・11・12に分離され、結局全体で4本の光線
9・10・11・12となって光学的ローパスフィルター1か
ら射出してローパス効果を得てカラー撮像素子2に入射
している。
本実施例ではこのときの第1の光学部材3の光線の分
離幅P1と第2の光学部材4の光線の分離幅P2が撮像素子
の垂直方向のピッチPVがPV≦(3/2)・PHのときは前記
の条件式(2)・(3)を満足するように、又撮像素子
の垂直方向のピッチPVがPV>(3/2)・PHのときは前記
の条件式(4)・(5)を満足するように設定してい
る。
これによりカラー撮像素子の色モアレに対処して所望
の光学性能を得ている。
次に条件式(2)〜(5)の技術的意味について説明
する。
条件式(2)〜(5)の上限値を越えるとモアレの量
が増大してくるので良くない。又条件式(2)〜(5)
の下限値を越えると光学的ローパスフィルターと撮像素
子より成る系全体お解像度が低下してくるので良くな
い。
第9図は本発明の光学的ローパスフィルターの他の一
実施例の構成図である。
同図において90は光学的ローパスフィルター、91は第
2の光学部材であり複屈折板93より形成されている。92
は第1の光学部材であり直線偏光を円偏光に変換する位
相板94と複屈折板95の組み合わせより形成されている。
本実施例ではこれらの2つの光学部材91・92より光学的
ローパスフィルター90を構成している。又各複屈折板93
・95ほ光線の分離方向が走査方向に対し反時計方向に順
に45゜、−45゜となるように構成している。
尚、2はカラー撮像素子である。
本実施例において光学的ローパスフィルター90に入射
した光線は光線の分離幅P2の複屈折板93により常光線と
異常光線との2本の直線偏光に分離され位相板94に入射
する。
そして位相板94により2本の直線偏光は円偏光に変換
され光線の分離幅P1の複屈折板95に入射する。
そして複屈折板95により前記第2図(C)に示したの
と同様に等しい強度の4本の光線9・10・11・12に分離
され、結局全体で4本の光線9・10・11・12となって光
学的ローパスフィルター90から射出してローパス効果を
得てカラー撮像素子2に入射している。
本実施例ではこのとき各々の第1と第2の光学部材92
・91の光線の分離幅P1、P2が撮像素子の垂直方向のピッ
チPVがPV≦(3/2)・PHのときは条件式(2)・(3)
を満足するように、又撮像素子の垂直方向のピッチPV
PV>(3/2)・PHのときは前記条件式(4)・(5)を
満足するようにしている。
尚、本実施例では光学的ローパスフィルター90を物体
側より第2の光学部材91そして第1の光学部材92として
構成したが必ずしもこの順序で構成することはなく、そ
の逆で光学的ローパスフィルター90を構成しても良い。
第10図は本発明の光学的ローパスフィルターの他の一
実施例の構成図である。
同図において100は光学的ローパスフィルター、101は
第2の光学部材であり複屈折板93より形成される。102
は第1の光学部材であり複屈折板96、95より形成されて
いる。本実施例ではこれらの2つの光学部材101、102よ
り光学的ローパスフィルター100を構成している。又各
複屈折板93、96、95は光線の分離方向が走査方向に対し
反時計方向に順に+45゜、0゜、−45゜となるように構
成している。尚、2はカラー撮像素子である。
本実施例では第9図で示した実施例の第1の光学部材
92を構成する位相板94の代わりに光学的ローパスフィル
ターを構成する他の2枚の複屈折板93、95と比較して充
分分離幅の小さい複屈折板96を用いている。そして該複
屈折板96の分離方向が走査方向に対して反時計方向に0
゜となるようにして光学的ローパスフィルター100を構
成している。
本実施例においては複屈折板96の光線の分離幅をd3し
たとき光学的ローパスフィルター100から射出される光
線は第11図に示すようになる。
これは前記第2図(C)で示した光学的ローパスフィ
ルターから射出される光線が走査方向に対し45゜方向に
分離幅d3だけずれて重なった合計8本の光線となる。し
かしながら複屈折板96の光線の分離幅d3は充分小さい為
第2図(C)に示した実施例のものと周波数特性は殆ど
変わらない性能を得ることができる。
本実施例ではこのように位相板を使用せずに光学的ロ
ーパスフィルターを構成していることから位相板を用い
たときに比べ周波数特性の波長依存性が少なく、かつ光
学的ローパスフィルターの厚さを薄くすることができ装
置全体のコンパクト化を図れる光学的ローパスフィルタ
ーを提供している。
尚、以上の各実施例においては光学的ローパスフィル
ターを構成する光学部材として複屈折板を1枚又は複数
枚用いて、あるいは位相板と複屈折板との組み合わせに
よりそれぞれ構成したが、例えば光学系中に色分解系の
プリズム等を配置するなどの任意の光線を2方向に分離
できる光学部材であれば何を用いても良い。
又本発明は2次元的なサンプリング構造の解析に基づ
いたものであり、従って本発明はR,G,Bの3色のカラー
配列だけでなく他のCy,M,Yeなどの組み合わせでも同様
に有効な手段といえる。
(発明の効果) 本発明はオフセットサンプリング構造を有する撮像素
子への入射光路中に入射光線を該撮像素子の走査方向又
は走査方向と逆方向に対し45゜の方向に2本に分離する
第1の光学部材と、入射光線を第1の光学部材の光線の
分離方向に対し時計方向又は反時計方向に90゜の方向に
2本に分離する第2の光学部材とを有する光学的ローパ
スフィルターを前述の条件式を満足するように各々の光
学部材の光線の分離幅を適切に設定して配置することに
より、オフセットサンプリング構造を有する撮像素子の
色モアレを有効に防止することができる高い光学性能を
有した光学的ローパスフィルターを有した撮像装置を達
成することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の光学的ローパスフィルターの一実施例
の構成図、第2図は第1図に示す複屈折板より光線が分
離されていく過程を示す説明図、第3図は本発明の対象
とするオフセットサンプリング構造をもつカラー撮像素
子のRGBの配列を示す説明図、第4図のオフセットサン
プリング構造を示す説明図、第5図はオフセットサンプ
リングのサンプリング構造を空間周波数領域で示す説明
図、第6図(A)は理想的な光学的ローパスフィルター
の2次元空間周波数特性を示す説明図、第6図(B)は
複屈折板を用いたときの光学的ローパスフィルターの2
次元空間周波数特性を示す説明図、第7図は従来のRGB
ストライプカラーフィルターの構成を示す構成図、第8
図は第7図のRGBストライプカラーフィルターに用いる
従来の水晶ローパスフィルターの空間周波数特性を示す
説明図、第9図、第10図は各々本発明の光学的ローパス
フィルターの他の一実施例の構成図、第11図は第10図の
実施例の光学的ローパスフィルターにより分離された光
線を示す説明図である。図中、1,90,100は光学的ローパ
スフィルター、2はカラー撮像素子、3,92,102は第1の
光学部材、4,91,101は第2の光学部材、5,6,7,93,95,96
は複屈折板、94は位相板、8,9,10,11,12は光線である。

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】水平方向のピッチがPH、垂直方向のピッチ
    がPV、水平方向のオフセット量がPH/2であるオフセット
    サンプリング構造をもち、かつPV≦(3/2)・PHである
    撮像素子への入射光路中に配置される光学的ローパスフ
    ィルターであって、該光学的ローパスフィルターは入射
    光線を該撮像素子の走査方向又は走査方向と逆方向に対
    し45゜の方向に2本に分離する第1の光学部材と、入射
    光線を該第1の光学部材の光線の分離方向に対し時計方
    向又は反時計方向に90゜の方向に2本に分離する第2の
    光学部材を有しており、該第1の光学部材による光線の
    分離幅をP1、該第2の光学部材による光線の分離幅をP2
    としたとき、 なる条件を満足することを特徴とする光学的ローパスフ
    ィルターを有した撮像装置。
  2. 【請求項2】水平方向のピッチがPH、垂直方向のピッチ
    がPV、水平方向のオフセット量がPH/2であるオフセット
    サンプリング構造をもち、かつPV>(3/2)・PHである
    撮像素子への入射光路中に配置される光学的ローパスフ
    ィルターであって、該光学的ローパスフィルターは入射
    光線を該撮像素子の走査方向又は走査方向と逆方向に対
    し45゜の方向に2本に分離する第1の光学部材と、入射
    光線を該第1の光学部材の光線の分離方向に対し時計方
    向又は反時計方向に90゜の方向に2本に分離する第2の
    光学部材を有しており、該第1の光学部材による光線の
    分離幅をP1、該第2の光学部材による光線の分離幅をP2
    としたとき、 なる条件を満足することを特徴とする光学的ローパスフ
    ィルターを有した撮像装置。
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