JP2895524B2

JP2895524B2 - 撮像装置

Info

Publication number: JP2895524B2
Application number: JP1259594A
Authority: JP
Inventors: 泰章西田; 克也藤沢; 欣裕藤田; 司郎長田
Original assignee: KURARE KK; Nippon Hoso Kyokai NHK
Current assignee: KURARE KK; Japan Broadcasting Corp
Priority date: 1989-10-03
Filing date: 1989-10-03
Publication date: 1999-05-24
Anticipated expiration: 2014-05-24
Also published as: JPH03120986A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］この発明は、偽信号や偽色信号の発生を抑制する光学
的ローパスフイルタを備えた撮像装置に関する。

［従来の技術］単板式固体撮像装置は、色フイルタアレイにより色信
号を得ているが、被写体の像に色フイルタアレイのピツ
チに対応する高周波数成分が含まれている場合には、こ
れが色信号として検出されて偽色信号が発生する。ま
た、固体撮像装置においては、画素が不連続に、かつ規
則正しく配置されているので、被写体の像に画素のピツ
チに対応する高周波数成分が含まれている場合には、折
り返し現象による偽信号が発生する。そのため、固体撮
像装置では、高周波数成分を制限する光学的ローパスフ
イルタを用いて、偽信号や偽色信号が発生するのを抑制
している。

従来、かかる光学的ローパスフイルタとしては、３枚
以上の水晶板と１枚の赤外線遮断フイルタとを貼り合わ
せたものが用いられている。ところが、水晶板は高価な
ものであるため、この水晶板を複数枚用いた撮像装置
は、高価で量産性に乏しいという欠点を有している。

そこで、この欠点を解決するために、第14図のような
回折格子30を光学的ローパスフイルタとして用いた撮像
装置が、開発されている（例えば、特公昭49−20105号
公報、特公昭55−49723号公報および特開昭63−307423
号公報参照）。第14図において、回折格子30は矩形波状
の断面形状を有しており、そのMTF（Modulation Transf
er Function）特性を第15図に示す。第14図の回折格子3
0の周期をｄ、格子の凸部の幅をａ、格子と撮像面（以
下、固体撮像素子面または色フイルタアレイ面を総称し
て撮像面という。）との距離をｂ、入射光の波長をλと
すると、第15図のカツトオフ周波数faおよびfbは、それ
ぞれ、下記の式（１）および式（２）で表される。

fa＝a/bλ （１） fa＝（ｄ−ａ）/bλ （２）したがつて、撮像面からの距離ｂが決定されれば、第
14図の回折格子30の周期ｄと凸部の幅ａを最適化するこ
とによつて、偽色信号や偽信号を防止することができ
る。上記回折格子30を用いた光学的ローパスフイルタは
安価で量産性が高い。

［発明が解決しようとする課題］しかし、回折格子30を備えた撮像装置では、撮像装置
の絞りを絞り込んだときに、回折格子の像（以下、回折
格子像という。）が画面上に発生する。この回折格子像
の発生について、第16図および第17図を用いて説明す
る。

第16図は回折格子型光学的ローパスフイルタを用いた
ビデオカメラの従来の構造を示す。この図において、回
折格子35は、撮像レンズ32と固体撮像素子31の保護ガラ
ス34との間に設けられている。従来は、固体撮像素子31
に投影される回折格子像の周期（以下、固体撮像素子ま
たは色フイルタアレイに投影される回折格子像の周期を
実効的な周期という。）Ｄが、第17図のように、固体撮
像素子31の画素の周期のたとえば３倍になつていた。そ
のため、出力信号が回折格子35により強度変調されるの
で、画面に明暗が現われ、回折格子像が画面上に映ると
いう現象を呈する。

以上は実効的な周期Ｄを画素周期の３倍とした例であ
るが、３倍よりも大きい場合でも、同様の理由から回折
格子像が画面に映る。また、色フイルタアレイを有する
撮像装置の場合は、色フイルタアレイの１組の周期と、
実効的な周期Ｄとの関係から、回折格子像が画面上に映
ることがある。

そこで、この出願人は、実効的な周期Ｄを、画素また
は色フイルタアレイの１組の周期の２倍もしくは整数分
の１倍に設定して、上記回折格子像が画面上に現われる
のを抑制する光学的ローパスフイルタを提案している
（特願昭63−83785号）。

ここで、実効的な周期Ｄは、撮像レンズの焦点距離を
ｆ、回折格子の周期をｄとすると、下記の（３）式によ
り近似的に求めることができる。

Ｄｆ・d/（ｆ−ｂ）（３）したがつて、実効的な周期Ｄは、焦点距離ｆおよび回
折格子の周期ｄが定まつている場合、回折格子と撮像面
との距離ｂにより決定されるので、回折格子と撮像面と
を互いに正確に位置決めする必要がある。しかし、離れ
た位置にある回折格子撮像面とをμｍのオーダーで正確
に位置決めすることは、決して容易でなく、そのため製
造性が低下するうえ、回折格子像の発生を十分に防止で
きない。

この発明は上記問題に鑑みてなされたもので、回折格
子を備えた撮像装置において、回折格子像が画面上に発
生するのを十分に防止でき、かつ、製造性の良い撮像装
置を提供することを目的とする。

［課題を解決するための手段］上記目的を達成するために、この出願の各請求項の発
明は、まず、実効的な周期が、色フイルタアレイの１組
または画素の周期に対する２倍もしくは整数分の１倍に
設定されている。また、回折格子と固体撮像素子とは、
これらの間に介挿したスペーサとともに積層されて一体
化されている。

上記回折格子は、赤外線を遮断する基板の主表面に格
子を形成することにより構成してもよい。

さらに、上記撮像レンズと回折格子との間に複屈折板
を配置するのが好ましい。

上記スペーサは、２つの主表面に反射防止膜を有して
いるのが好ましい。

［作用］この出願の各請求項の発明によれば、実効的な周期
が、画素または色フイルタアレイの１組の周期に対して
整数分の１倍に設定されている場合は、輝度の出力信号
が格子により強度変調されないので、回折格子像が画面
に映る現象を生じない。

一方、実効的な周期が、画素または色フイルタアレイ
の１組の周期の２倍に設定されている場合は、輝度ムラ
や色ムラが生じても、輝度ムラや色ムラのピツチが小さ
いので、回折格子像が目立たない画面になる。

また、回折格子、スペーサおよび固体撮像素子は、積
層されて一体化されているから、回折格子と撮像面との
距離を製造時に容易に設定でき、しかも、回折格子と撮
像面とが互いに傾くこともない。そのため、上記実効的
な周期の精度が向上するので、回折格子像が画面上に発
生せず、しかも、製造性が向上する。

［実施例］以下，この発明の実施例を図面にしたがつて説明す
る。

第１図ないし第４図は、この発明の第１の実施例を示
す。第１図において、撮像レンズ１と固体撮像素子２と
の間には、光学的ローパスフイルタとしての回折格子３
が配設されている。上記回折格子３は、赤外線を遮断す
る基板3aの主表面に断面が矩形波状の格子3bが形成され
てなる。

回折格子３と固体撮像素子２との間には、スペーサ４
が介挿されている。上記回折格子３、スペーサ４および
固体撮像素子２は、パツケージ５内に収納されており、
パツケージ５の保護ガラス６に保護されている。

上記スペーサ４は、たとえば、ポリエチレンテレフタ
レート製の平板状のフイルムからなる。上記スペーサ４
と固体撮像素子２とは、互いに押し付けられた状態で、
第２図に示すように、これらの周縁部の一部において、
たとえばエポキシ系の接着剤７で接着されている。ま
た、上記スペーサ４と回折格子３とは、互いに押し付け
られた状態でこれらの周縁部の一部において、接着剤７
で接着されている。つまり、回折格子３と固体撮像素子
２とは、これらの間に介挿されたスペーサ４とともに、
積層されて一体化されている。

なお、接着剤７は、スペーサ４の材質に応じてウレタ
ン系などの他の接着剤を使うことができる。また、スペ
ーサ４はガラス板などで構成してもよい。

上記撮像レンズ１により固体撮像素子２に投影される
回折格子像の周期（実効的な周期）Ｄは、第３図（ａ）
のように、画素の周期の１倍に設定されている。ここ
で、実効的な周期Ｄは、撮像面に投影された回折格子像
の周期であるから、必ずしも第１図の格子3b自体の周期
ｄと一致するとは限らない。なお、前述の（３）式にお
ける回折格子３と撮像面との距離ｂは、スペーサ４の厚
さをｔ、その屈折率をｎとすると、下記の式（４）で表
わされる。

ｂ＝t/n （４）したがつて、回折格子３の実効的な周期Ｄは、上記屈
折率ｎをも考慮して設定されている。

たとえば、固体撮像素子２の画素周期が15μｍ、撮像
レンズ１の焦点距離ｆが15mm、スペーサ４の屈折率が1.
6とする。上記の式（１），（２），（３）および
（４）から、回折格子３の周期ｄを14.8μｍ、格子の凸
部の幅ａを5.9μｍ（位相差0.58π）、スペーサ４の厚
さｔを0.26mmにすることによつて、第３図（ａ）の実効
的な周期Ｄは、固体撮像素子２の画素周期の１倍にな
る。

上記構成においては、実効的な周期Ｄが画素周期の１
倍であるから、出力信号が回折格子３により強度変調さ
れない。したがつて、回折格子３による明暗が平均化さ
れるので、回折格子像が画面上に映る現象を生じない。

上記実効的な周期Ｄは、画素周期の整数分の１倍であ
ればよい。たとえば1/2倍、1/3倍などであつても、出力
信号が格子3bにより強度変調されないので、同様の効果
を奏する。

また、実効的な周期Ｄは、第３図（ｂ）に示すよう
に、画素周期の２倍であつてもよい。この図に示す場合
と異なり、回折格子像の凸部の中央と、画素の境界の位
置とが一致していないときは、回折格子による明暗が平
均化されないので、輝度ムラが生じる。しかし、輝度ム
ラの生じるピツチが小さいので、実用上問題がない。

また、上記のように画素周期が15μｍである場合、空
間周波数が66.7本/mmおよび133.3本/mmに偽信号が発生
するのに対し、回折格子３のMTF特性は、（１），
（２）式から第４図に示すように上記空間周波数がカツ
トオフ周波数になるので、偽信号が発生しない。

また、上記構成によれば、第１図の回折格子３、スペ
ーサ４および固体撮像素子２は、積層されて一体化され
ているから、回折格子３と固体撮像素子２とを容易に互
いに位置決めできる。そのため、回折格子３から固体撮
像素子２までの距離ｂの精度が向上するとともに、格子
面と撮像面とが互いに傾くこともない。したがつて、上
記実効的な周期Ｄの精度が向上するので、回折格子像が
画面上に発生せず、しかも、製造性が向上する。

また、この実施例と異なり、上記回折格子３、スペー
サ４および固体撮像素子２の主表面の全面に接着剤７を
塗布した場合は、硬化した接着剤７に気泡が生じたり、
接着剤７の厚さが各製品ごとにばらついて距離ｂの調整
が難しいなどの問題を生じる。ここで、この実施例で
は、回折格子３、スペーサ４および固体撮像素子２を、
これらの周縁部で互いに接着している。したがつて、接
着剤７に気泡が生じたり、接着剤７の量が不均一になつ
ても何ら支障を生じない。

なお、上記実施例の場合、スペーサ４と固体撮像素子
２とを互いに押し付けた状態で接着すれば、これらの間
に接着剤７が侵入するおそれがない。

第５図および第６図は、この発明の第２の実施例を示
す。

第５図において、スペーサ４は、フイルム4aと、この
フイルム4aの両主表面に密着された反射防止膜4b,4cと
で構成されている。その他の構成は第１の実施例と同様
であり、同一部分または相当部分に同一符号を付して、
その詳しい説明を省略する。

上記第１図の実施例では、スペーサ４と回折格子３お
よび固体撮像素子２との間に、極めて微小な隙間が生じ
るのは避けられず、両側の隙間の寸法が異なつている場
合には、画面上に色ムラが生じる。これに対し、第５図
の実施例では、スペーサ４の両主表面に反射防止膜4b,4
cを有しているので、上記色ムラの発生を防止すること
ができる。

第７図ないし第11図は、この発明の第３の実施例を示
す。

第７図において、スペーサ４は断面が口字のリング状
に形成されて、光の入射部が開口している。上記スペー
サ４は、ガラス、金属またはフイルムで構成されてい
る。固体撮像素子２は、その表面に色フイルタアレイ８
を有している。色フイルタアレイ８に投影される回折格
子像の周期（実効的な周期）Ｄは、第10図のように、色
フイルタアレイ８における１組の周期Ｐの１倍に設定さ
れている。

第７図の撮像レンズ１はズーム機能を備えている。撮
像レンズ１と保護ガラス６との間には、たとえば水晶や
方解石からなる複屈折板９が配置されている。

その他の構成は、上記第１の実施例と同様であり、同
一部分または相当部分に同一符号を付して、その詳しい
説明を省略する。

上記構成において、第10図の実効的な周期Ｄが、色フ
イルタアレイ８における１組の周期Ｐの１倍に設定され
ているから、輝度信号が、回折格子３により強度変調さ
れないので、回折格子像が画面上に映る現象を生じな
い。なお、Ｒ信号、Ｇ信号およびＢ信号の各信号の強度
は、互いに異なつているが、ホワイトバランス補正を行
うことにより、各信号の強度を補正できる。

実効的な周期Ｄは、色フイルタアレイ８における１組
の周期Ｐの整数分の１倍であればよい。たとえば、第７
図の固体撮像素子２の画素周期が15μｍ、色フイルタア
レイ８の１組の周期Ｐが30μｍ、撮像レンズ１の焦点距
離ｆが15mmとする。上記の式（１），（２）および
（３）から、回折格子３の周期ｄを14.8μｍ、格子の凸
部の幅ａを5.9μｍ（位相差0.58π）、スペーサ４の厚
さｔを0.16mmにすることによつて、実効的な周期Ｄは、
色フイルタアレイ８における１組の周期Ｐの1/2倍にな
る。この場合も、輝度信号は回折格子３により強度変調
されず、したがつて、回折格子像の発生を防止できる。

また、上記のように、画素周期が15μｍ、色フイルタ
アレイ８における１組の周期Ｐが30μｍである場合、空
間周波数が33.3本/mmおよび100本/mmに偽色信号が発生
し、66.7本/mmおよび133.3本/mmに偽信号が発生する。
これに対し、回折格子３のMTF特性は、第９図の一点鎖
線で示すようになり、水晶板（複屈折板）９の分離幅を
15μｍとすれば、第９図の破線で示す水晶板のMTF特性
が得られる。撮像装置が有するMTF値は、上記回折格子
３と複屈折板９のMTF値を合成した値になるから、第９
図の実線で示す特性になるので、偽信号および偽色信号
の発生を防止することができる。

しかも、撮像装置は、デフオーカス状態であつても、
複屈折板９のMTF特性が変化しないことから、偽色信号
が発生する周波数を複屈折板９により遮断することがで
きる。したがつて、デフオーカス状態における偽色信号
の発生を防止することができる。

また、第11図のように、上記実効的な周期Ｄは、色フ
イルタアレイ８における１組の周期Ｐの２倍であつても
よい。この場合には、輝度信号が回折格子３によつて強
度変調されないので、回折格子像が生じない。なお、Ｒ
信号およびＢ信号の強度が異なり、画面に色ムラが生じ
るが、この色ムラは周期が小さいので、実用上問題がな
い。

また、この実施例では、第７図のスペーサ４における
光の入射部を開口させているので、スペーサ４と回折格
子３および色フイルタアレイ８との間に生じる隙間が、
互いに異なつていても、画面上に色ムラが生じない。

ところで、この発明において、回折格子像の周期（実
効的な周期Ｄ）の誤差は、２％以下であればよく、好ま
しくは１％以下である。たとえば、回折格子像の周期が
固体撮像素子２の画素周期の１倍であれば回折格子像の
総数が全画素数に対して±１個の範囲（画素数が256で
あれば回折格子像の総数が255ないし257の範囲）に、あ
るようにするのが好ましい。

第12図はこの発明の第４の実施例を示す。この図にお
いて、回折格子３の基板3aは、保護ガラス６を構成して
いる。回折格子３は、基板3aがパツケージ５に嵌合され
ているとともに、格子3bがスペーサ４に当接した状態
で、基板3aの全周の周縁がパツケージ５に接着剤７で接
着されている。その他の構成は、上記第３の実施例と同
様であり、その図示および詳しい説明を省略する。

この第４の実施例によれば、回折格子３の基板3aが保
護ガラス６を構成しているので、撮像装置の構成が一層
簡易になる。

上記各実施例では、回折格子３の格子3bは固体撮像素
子２側に配置されていたが、第13図の第５の実施例のよ
うに、保護ガラス６側、つまり光の入射側に配置されて
いてもよい。この実施例では回折格子３の基板3aがスペ
ーサ４を構成している。そのため、この実施例によれ
ば、スペーサ４を別途設ける必要がなく、しかも、別体
のスペーサを接着する必要もないので、撮像装置の構成
がより一層簡易になるとともに、製造性が向上する。

なお、上記各実施例では、スペーサ４を回折格子３お
よび固体撮像素子２に接着したが、必ずしも接着する必
要はない。

上記各実施例では、回折格子３の断面形状を、矩形波
状としたが、台形波状、正弦波状などの他の形状にして
もよい。

また、上記実施例では、赤外線を遮断する性質を有す
る基板上に回折格子３の格子3bを形成したが、赤外線を
遮断するように積層して形成された薄膜を有する任意の
透明基板上に、回折格子３のパターンを形成してもよ
い。

さらに、上記回折格子３は、互いに交差する２方向に
格子を有していてもよく、固体撮像素子２の水平方向お
よび垂直方向に対して両格子の方向が偏位していてもよ
い。

［発明の効果］以上説明したように、この出願の各請求項の発明によ
れば、実効的な周期が、画素の周期または色フイルタア
レイにおける１組の周期に対する２倍または整数分の１
倍に設定されているので、回折格子像の目立たない画面
が得られるか、あるいは、回折格子像が画面に生じな
い。しかも、回折格子、スペーサおよび固体撮像素子を
積層して一体にしたから、回折格子を撮像面に対して容
易に精度良く位置決めできるとともに、位置決め精度が
向上することにより実効的な周期の精度が向上する。し
たがつて、製造性が向上するとともに、回折格子像が画
面上に生じるのを一層抑制できる。

さらに、請求項（４）の発明によれば、回折格子の他
に、デフオーカス状態においてもMTF特性が変化しない
複屈折板を設けたので、デフオーカス状態においても、
偽色信号の発生を防止できる。

また、請求項（５）の発明によれば、反射防止膜をス
ペーサの両主表面に有しているので、スペーサと回折格
子および固体撮像素子との隙間が互いに異なつていて
も、色ムラの生じるおそれがない。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の第１の実施例を示す撮像装置の概略
構成図、第２図は第１図のII−II線断面図、第３図は実
効的な周期が画素周期の１倍または２倍である場合の出
力信号の特性図、第４図は回折格子のMTF値を示す特性
図、第５図は第２の実施例を示す概略構成図、第６図は
第５図のＶ−Ｖ線断面図、第７図は第３の実施例を示す
概略構成図、第８図は第７図のVIII−VIII線断面図、第
９図は撮像装置のMTF値を示す特性図、第10図は実効的
な周期が色フイルタアレイにおける１組の周期の１倍で
ある場合の出力信号の特性図、第11図は同２倍である場
合の出力信号の特性図、第12図は第４の実施例を示す断
面図、第13図は第５の実施例を示す断面図、第14図は従
来の回折格子の斜視図、第15図はそのMTF値を示す特性
図、第16図は従来の撮像装置の概略構成図、第17図は実
効的な周期が画素周期の３倍である場合の出力信号の特
性図である。１……撮像レンズ、２……固体撮像素子、３……回折格
子、3a……基板、3b……格子、４……スペーサ、4b,4c
……反射防止膜、８……色フイルタアレイ、９……複屈
折板、Ｄ……回折格子像の周期（実効的な周期）、Ｐ…
…色フイルタアレイの１組の周期。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者藤田欣裕東京都世田谷区砧１丁目10番11号日本放送協会放送技術研究所内 (72)発明者長田司郎岡山県倉敷市酒津2045番地の１株式会社クラレ内 (56)参考文献特開昭52−100930（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−307423（ＪＰ，Ａ) 特開昭59−11085（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H04N 9/07

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】撮像レンズと固体撮像素子との間に、回折
格子からなる光学的ローパスフイルタが配設された撮像
装置において、上記撮像レンズにより上記固体撮像素子
に投影される回折格子像の周期が、上記固体撮像素子に
おける画素の周期の２倍または整数分の１倍に設定さ
れ、上記回折格子と上記固体撮像素子とが、これらの間
に介挿したスペーサとともに積層されて一体化されてい
ることを特徴とする撮像装置。
【請求項２】撮像レンズと表面に色フイルタアレイを有
する固体撮像素子との間に、回折格子からなる光学的ロ
ーパスフイルタが配設された撮像装置において、上記撮
像レンズにより上記色フイルタアレイに投影される回折
格子像の周期が、上記色フイルタアレイにおける１組の
周期の２倍または整数分の１倍に設定され、上記回折格
子と上記固体撮像素子とが、これらの間に介挿したスペ
ーサとともに一体化されていることを特徴とする撮像装
置。
【請求項３】請求項（１）もしくは（２）において、上
記回折格子は、赤外線を遮断する基板の主表面に格子が
形成されている撮像装置。
【請求項４】請求項（１），（２）もしくは（３）にお
いて、上記撮像レンズと上記回折格子との間に複屈折板
が配置されている撮像装置。
【請求項５】請求項（１），（２），（３）もしくは
（４）において、上記スペーサは２つの主表面に反射防
止膜を有している撮像装置。