JP3768898B2 - 光量調整装置及びそれを有する光学系並びに撮影装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ビデオカメラやデジタルスチルカメラ等の撮影装置に好適な光量調整装置に関し、画素ピッチの小さな撮像素子においても光学性能の劣化を抑制することが可能な技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ビデオカメラ等の撮影装置の撮影光学系には、複数枚の絞り羽根で形成する開口径を変化させて光量を調整する光量調整装置が使用されている。このような絞り装置では、開口径が小さくなりすぎると光の回折による光学性能劣化が問題となる。
【０００３】
そこで、明るい被写体条件でも開口径が小さくなり過ぎないようにするため、絞り羽根とＮＤ（Neutral Density）フィルターを併用した光量調整装置が提案され実用化されている。
【０００４】
特許公報第２５９２９４９号には、絞り羽根で形成される開口内に位置するようにＮＤフィルターが絞り羽根に貼付けられ、ＮＤフィルターはそれぞれ均一な透過率に設定された複数の領域を有し、開口の外側から内側に向かって順に透過率が大きくなるよう設定した絞り装置が開示されている。
【０００５】
特開昭５２−１１７１２７号公報には、開放から所定の開口面積までは機械的な絞り羽根を移動させ、一定の絞り値以下の小絞り制御は濃淡によって透光度が連続的に変化しているＮＤフィルターを透過率の高いフィルター部から順に開口に進入させる絞り装置が開示されている。
【０００６】
特開２０００−１０６６４９号公報には、複数の濃度領域を有するＮＤフィルターの透過率が与える光学性能への影響を説明し、対策を施した露出制御機構を有する撮像装置が開示されている。
【０００７】
従来のこれらの提案においては、開放から小絞りに至るまでの中間絞り状態での光学性能劣化の主因は、絞り羽根により形成される開口部を覆うＮＤフィルター透過率の差に起因する回折の影響が支配的と考えられており、複数の濃度領域を有するＮＤフィルターの各領域の透過率や面積に着目した回折の影響への対策案が提案されていた。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
一方、中間絞り状態での光学性能劣化の原因は、ＮＤフィルター透過率差に起因する回折の影響だけでなく、ＮＤフィルターの厚み成分に起因する透過波面位相差も大きく影響している。
【０００９】
絞り開口部の一部を厚みのあるフィルターが覆うと光学性能が劣化することは経験的に知られているが、フィルター厚み成分がどのように光学性能に影響するかを解析し、その具体的な対策をなした例は知られていない。
【００１０】
ＮＤフィルターの厚みが光学性能に与える影響への回避策として、特開平６−２６５９７１号公報では、透明な部分と透過率が連続的または段階的に変化する部分を有するＮＤフィルターを固定の円形絞り開口を全て覆う状態で可動させて透過光量を調整する構成が提案されている。
【００１１】
しかしながら、特開平６−２６５９７１号公報に記載された発明は、フィルター部材を通過する部分としない部分との大きな位相差についてのみ着目したもので、実際に透過率変化のあるＮＤフィルターを実現するときに、透過率変化を与えるために生じるであろう微小厚み変化または微小屈折率変化による光の波長λの２倍程度までの微小な透過波面位相差についての問題提起と対策については何ら示されていない。発明者の検討によれば、このような光の波長オーダー近傍の微小な透過波面位相差が、ある条件下では光学性能に非常に大きな影響を与えていることが分かった。
【００１２】
そこで本発明は、絞りと、ＮＤフィルターのような透過光を減衰させるフィルター部材とを併用して光量調整を行なう光量調整装置において、フィルター部材の微小な厚み成分の影響による光学性能劣化を低減することを目的としている。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明では、開口を形成するための絞りと、その絞りの開口を通過する光の光量を減衰するためのフィルター部材を備え、フィルター部材の開口を覆う割合が変化する光量調整装置において、フィルター部材は、透過率が異なる複数の領域を有し、その複数の領域の各々は、フィルター部材が開口を全て覆った状態で、開口内のフィルター部材の各領域を通過する所定の波長λの光の位相差が略１λ又は略２λとなるような、膜厚及び屈折率を有する多層膜で構成されている。
【００１５】
ここで、本発明における「所定の波長」とは、光量調整装置の使用状態によって適宜定めるものであり、例えば、使用波長帯域の中心波長などが用いられ、可視光域が使用波長帯域である場合には、λ＝５５０ｎｍであることが好ましい。
【００１６】
また、「略１λ又は略２λ」の位相差とは、製造誤差を含めて｛１±（１／５）｝λ又は｛２±（１／５）｝λの範囲内の位相差であることを意味している。この範囲内の位相差であれば実質的に１λ又は２λの位相差とみなせ、本発明の当初の目的を十分に達成することができる。
【００１８】
本発明の光量調整装置は、光学系を通過する光量を調整するために好適に用いられ、特にＣＣＤやＣＭＯＳ等の撮像素子（光電変換素子）上に像を形成する撮影装置の光学系に好適である。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本実施形態の光量調整装置（絞り装置）の説明をする前に、透過波面位相差が像に対してどのような影響を与えるかについて説明する。
【００２０】
まず、絞り開口部の一部を厚みのあるフィルターが覆うと光学的にどのような現象が発生するかについて図９を用いて説明する。
【００２１】
図９（ａ）〜（ｅ）は、無収差の理想レンズＬの前方（物体側）にフィルターＰと開口絞りＳを配置し、波長λの単色光の平面波である平行光線が入射した場合の幾何光学的な結像点Ｉ近傍の点像強度分布Ｑを示している。
【００２２】
図９（ａ）はフィルターＰが厚みゼロで透過波面に影響を与えていない状態である。この場合、強度分布ＱはＦナンバーＦと光線の波長λの関係による回折像となる。（参照：「レンズ設計のための波面光学」草川徹著、東海大学出版会）絞りＳが円形開口の場合、半径が１．２２Ｆλの１つの点像が結像され、その周りにリング状の弱い光の回折光が形成される。ここで、絞りＳの開口の半分に相当するフィルターＰの紙面下側の領域の厚みを微小量増加させ、図９（ｂ）に示すように透過波面位相差が（１／４）λになるよう設定すると、強い強度の点像の横に小さな強度の点像が出現する。
【００２３】
更にフィルターＰの下側領域の厚みを増加させ、図９（ｃ）に示すように透過波面位相差が（２／４）λになるよう設定すると、強度分布Ｑは１つの点像にならず紙面内で上下方向に分離した２点の像強度分布になる。これは、幾何光学的な結像点Ｉに集光するべき光のうち、瞳の紙面上側半分を通過する光の波面と紙面下側半分の波面の位相が（１／２）λずれているため、波動光学的には波の打ち消し合い現象が発生し、結像点Ｉ上での強度がゼロになってしまうからである。その一方でエネルギー保存法則により結像点Ｉに集光するべき光エネルギーが消失することはないので、結像点Ｉの紙面上下方向に分散され２つの点に集まることになる。
【００２４】
更にフィルターＰの下側領域の厚みを増加させ、図９（ｄ）に示すように透過波面位相差が（３／４）λになるよう設定すると、２点像の上側の強度が弱まり下側の強度が強くなる。
【００２５】
更にフィルターＰの下側領域の厚みを増加させ、図９（ｅ）に示すように透過波面位相差が（４／４）λになるよう設定すると、強度分布Ｑは再び１つの点像の回折像になり図９（ａ）と同様な状態に戻る。
【００２６】
更にフィルターＰの下側領域の厚みを増加させると、強度分布Ｑは透過波面位相差に応じて周期的に変化を繰り返すことになる。
【００２７】
図９（ｃ）に示した透過波面位相差が（１／２）λの場合に分離する２点像の間隔ΔｙはΔｙ≒２Ｆλの関係があり、Ｆナンバーと波長λに比例する。例えばＦナンバーＦ＝４で波長λ＝５５０ｎｍの場合は、２点像の間隔Δｙ≒４．４μｍになる。これは２点分離のローパスフィルターと同じ原理で、カットオフ周波数が１／（２Δｙ）＝１１４本／ｍｍのローパスフィルターをかけた場合と同じような効果が発生し、光学系のＭＴＦが劣化することを意味している。
【００２８】
光学計算で無収差の理想レンズを設定し、図９（ａ）〜（ｅ）の状態の点像強度分布を計算した結果を図１０〜１４に示す。図１０〜１４は、それぞれ、単色光λ＝５５０ｎｍ、ＦナンバーＦ＝２の円形絞りという条件で、絞り開口の半分の領域の透過波面位相差が（０／４）λから（４／４）λまで（１／４）λずつ増加するようにフィルター厚を増加させた場合の点像強度分布である。図１０〜１４において、（ａ）〜（ｃ）は点像強度分布をそれぞれ鳥瞰図示、上面図示、側面図示したものである。
【００２９】
ひとつの波長からなる単色光の場合は、フィルター厚の変化に伴う透過波面位相差に応じて結像点Ｉの強度分布が周期的に変化することが図１０〜１４からも分かる。
【００３０】
ところで、実際に撮影系で使用される光は単色光ではなく、種々の波長の光が混合した白色光である。図１０〜１４と同じ条件設定で白色光の点像強度分布を計算した結果を図１５〜１９に示す。なお、白色光としては、標準比視感度に合わせて可視光４００ｎｍ〜７００ｎｍの範囲で５５０ｎｍ近傍に感度ピークをもつカラーウエイトを設定している。
【００３１】
波長λ＝５５０ｎｍでの透過波面位相差がゼロλから１λまでの点像強度分布の変化は、白色光の場合も単色光の場合とほぼ同じように、点像が１点から２点に分離し再び１点に変化することが図１５〜１９から分かる。
【００３２】
図１７は、波長λ＝５５０ｎｍでの透過波面位相差が（１／２）λのとき、白色光の強度分布が２点分離像になった状態を示している。前述したように、２点分離像の分離幅はＦナンバーと波長λに比例するので、波長の長い赤い光の２点分離像の分離幅は広く、逆に波長の短い青い光の２点分離像の分離幅は狭くなる。したがって、図１７に示した白色光の２点分離像は少し色にじみをもった像になっている。単色光の場合は２点分離像の中間の谷間の部分の強度はゼロになるが、白色光の場合は谷間の部分の強度は色にじみの影響でゼロにはならない。
【００３３】
図１９は、波長λ＝５５０ｎｍでの透過波面位相差がちょうど（４／４）λ＝１λのときの白色光の点像強度分布を示している。フィルターを透過する光の位相差は波長によって異なり白色光全ての波長の位相差が１λにはならないため、図１９（ｂ）から明らかなように、点像強度分布は完全な円形にならず上下方向に少し伸びた楕円形状になっている。
【００３４】
このように白色光の場合、透過波面位相差が略２λ以下の比較的小さい領域であれば、単色光の場合と同様に結像点Ｉの強度分布が周期的に１点になったり２点になったりする。しかしながら、透過波面位相差が数λ以上の大きな領域では、透過波面位相差の波長によるずれが大きくなり、単色光とは点像強度分布に対して異なる挙動を示すことになる。これについて次に説明する。
【００３５】
波長λ＝５５０ｎｍでの透過波面位相差が５．５λと６λ発生した場合の単色光と白色光の点像強度分布の違いを計算した結果を図２０〜２３に示す。
【００３６】
図２０は単色光で位相差５．５λ発生条件での単色光点像強度分布、図２１は白色光での点像強度分布である。
【００３７】
図２２は単色光で位相差６λ発生条件での単色光点像強度分布、図２３は白色光での点像強度分布である。
【００３８】
単色光の場合、図２０に示した透過波面位相差５．５λでは（１／２）位相ずれているため図１２と同様に２点に分離した強度分布を持つが、白色光の場合は既に２点像とはならない。各波長の位相差が全て（１／２）位相ではなく波長による位相差が大きくなり、図２１に示すように位相差が存在する方向（図２１の上下方向）に伸びた楕円形状の１つの点像強度分布となる。
【００３９】
次に透過波面位相差６λの場合を見ると、単色光の場合は丁度位相が合った状態なので、図２２に示すように１点の円形の点像強度分布になる。白色光の場合は、図２３に示すように位相差が存在する方向（図２３の上下方向）に伸びた楕円形の強度分布になっている。
【００４０】
図２１と図２３の強度分布を比較すると、白色光の場合は透過波面位相差が５．５λから６λに変化してもほとんど点像強度分布に変化がないことが分かる。これは、絞り開口である瞳面での透過波面位相差が略２λ以下の微小な場合と５λ以上の大きな場合とで、透過波面位相差が光学性能へ与える影響が白色光では大きく異なっていることを示している。
【００４１】
ＮＤフィルターを用いた光量調整装置において、透過波面位相差が略２λ以下の領域とは、ＮＤフィルター基板が開口を全て覆っている状態で、ＮＤフィルター基板上での光学薄膜程度の厚みによって生ずる位相差を意味している。この領域では透過波面位相差はｎλ（ｎ＝０，１）から｛ｎ＋（１／２）｝λに変化するとき光学性能が急激に劣化し、｛ｎ＋（１／２）｝λから（ｎ＋１）λに変化すると光学性能がある程度まで回復する。
【００４２】
一方、透過波面位相差が５λ以上の領域とは、ＮＤフィルター基板の端縁部が絞り開口に掛かっている状態でのＮＤフィルター基板自身の厚みによって生ずる位相差などを意味しており、この領域では多少の透過波面位相差が変動しても光学性能はあまり変化しない。
【００４３】
これに関して、光学性能評価としてＭＴＦ値を用い、透過波面位相差との関係がどのようになっているかを図２４を用いて説明する。ここではＮＤフィルターの透過率に起因する回折の影響は考慮せず、フィルターの厚み成分に起因した透過波面位相差によるＭＴＦ値の変化のみに限定して話を進める。
【００４４】
図２４は、絞り開口の下側半分領域のフィルター厚みをゼロから徐々に増加させ、透過波面位相差を６λまで変化させた場合の無収差理想レンズ系での白色光の波動光学的ＭＴＦ計算値である。
【００４５】
図２４（ａ）は空間周波数５０本／ｍｍ、図２４（ｂ）は空間周波数１００本／ｍｍの白色ＭＴＦ値をグラフ表示している。グラフの縦軸はＭＴＦ値、横軸は波長λ＝５５０ｎｍでの透過波面位相差である。円形開口のＦナンバーがＦ１，Ｆ１．４、Ｆ２、Ｆ２．８、Ｆ４、Ｆ５．６，Ｆ８の状態での各ＭＴＦ値をグラフに示している。
【００４６】
ここで、ＭＴＦ計算で評価する空間周波数について説明する。撮像素子の画素ピッチがＰμｍの場合、この撮像素子が解像できる限界の空間周波数は１／（２×Ｐ）までである。通常この限界の空間周波数近傍よりも高い周波数はモアレや偽色信号の原因となるためローパスフィルターでカットする。画質評価として重要な空間周波数は撮像素子の限界周波数の半分程度である。
【００４７】
そこで、評価空間周波数＝１／（４×Ｐ）と定義し、撮像素子の画素ピッチが５μｍの場合は５０本／ｍｍ、画素ピッチが２．５μｍの場合は１００本／ｍｍを評価空間周波数とした。
【００４８】
例えば、有効画素数３８万画素、受光素子画面対角寸法４．５ｍｍのビデオカメラ用の撮像素子の場合、画素ピッチは約５μｍで評価空間周波数５０本／ｍｍになり、垂直方向テレビジョン解像度に換算すると２７０ＴＶ本に相当する。有効画素数が同じ条件で受光素子画面対角寸法が２．２５ｍｍの撮像素子の場合、画素ピッチは約２．５μｍで評価空間周波数１００本／ｍｍとなる。この場合も垂直方向テレビジョン解像度に換算すると２７０ＴＶ本に相当する。
【００４９】
透過波面位相差が光学性能へ与える影響についての説明に話を戻す。
【００５０】
評価空間周波数における目標ＭＴＦ値を仮に７０％以上と設定する。なお、ここでのＭＴＦ計算は、ＮＤフィルター透過率を考慮していないことと無収差理想レンズ系であることを考慮して少し高めの値を目標ＭＴＦ値に仮設定しているが、この値は目安であり絶対的な数値目標ではない。
【００５１】
まず、図２４（ａ）に示す空間周波数５０本／ｍｍでの白色ＭＴＦ値の説明をする。
【００５２】
Ｆ８まで開口を絞り込んだ状態での透過波面位相差がゼロλの場合はＭＴＦ値７２％を確保しているが、透過波面位相差が（１／２）λになるとＭＴＦ値は２１％まで急激に劣化する。更に透過波面位相差を増加させ１λの状態でＭＴＦ値は６２％まで回復する。透過波面位相差を更に増加させるとＭＴＦ値は振動しながら変動し、透過波面位相差が５λ以上でＭＴＦ値４２％程度に安定する。Ｆ８状態で目標ＭＴＦ値を満足させるためには透過波面位相差をほぼゼロλ近傍設定にする必要がある。
【００５３】
Ｆ５．６状態をみると、透過波面位相差ゼロλではＭＴＦ値８０％を確保しているが、透過波面位相差（１／２）λ状態で４４％まで劣化し、透過波面位相差１λでＭＴＦ値７６％まで回復するが、その後振動しながら透過波面位相差５λ以上でＭＴＦ値６１％程度に安定する。
【００５４】
Ｆ４状態をみると、透過波面位相差がゼロλの場合はＭＴＦ値８５％、透過波面位相差（１／２）λ発生時は５８％まで劣化し、透過波面位相差１λでＭＴＦ値８２％まで回復するが、その後振動しながら透過波面位相差５λ以上でＭＴＦ値７２％に安定する。
【００５５】
Ｆ２．８状態をみると、透過波面位相差がゼロλの場合はＭＴＦ値９０％、透過波面位相差（１／２）λ発生時でも７１％を確保し、透過波面位相差１λでＭＴＦ値８８％まで回復し、その後振動しながら透過波面位相差５λ以上でＭＴＦ値８０％に安定する。
【００５６】
Ｆ２．８よりも明るい開口絞り状態であれば透過波面位相差の影響でＭＴＦ値が７０％よりも下がることがない。
【００５７】
次に、図２４（ｂ）に示す空間周波数１００本／ｍｍでの白色ＭＴＦ値の説明をする。
【００５８】
Ｆ８まで開口を絞り込んだ状態では回折の影響で、ＭＴＦ値は４５％まで劣化し、透過波面位相差が５λ以上でＭＴＦ値５％程度まで劣化してしまう。Ｆ８状態では目標ＭＴＦ値を満足させることは不可能である。
【００５９】
Ｆ５．６状態をみると、透過波面位相差ゼロλでＭＴＦ値６１％、透過波面位相差（１／２）λ状態で６％まで劣化し、透過波面位相差１λでＭＴＦ値５３％まで回復するが、その後振動しながら透過波面位相差５λ以上でＭＴＦ値２７％程度に安定する。Ｆ５．６状態でもまだ回折の影響が大きく目標ＭＴＦ値を満足させることはできない。
【００６０】
Ｆ４状態をみると、透過波面位相差ゼロλではＭＴＦ値７２％を確保しているが、透過波面位相差（１／２）λ状態で２１％まで劣化し、透過波面位相差１λでＭＴＦ値６６％まで回復するが、その後振動しながら透過波面位相差５λ以上でＭＴＦ値４５％程度に安定する。Ｆ４状態で目標ＭＴＦ値を満足させるには透過波面位相差はゼロλ近傍に設定する必要がある。ということは絞り開口Ｆ４状態でＮＤフィルターを挿入するとフィルター厚みによる大きな透過波面位相差が発生し目標ＭＴＦ値を満足できなくなる。
【００６１】
Ｆ２．８状態をみると、透過波面位相差ゼロλではＭＴＦ値８０％を確保しているが、透過波面位相差（１／２）λ状態で４３％まで劣化し、透過波面位相差１λでＭＴＦ値７６％まで回復するが、その後振動しながら透過波面位相差５λ以上でＭＴＦ値６０％程度に安定する。
【００６２】
Ｆ２状態をみると、透過波面位相差ゼロλではＭＴＦ値８５％を確保しているが、透過波面位相差（１／２）λ状態で５８％まで劣化し、透過波面位相差１λでＭＴＦ値７３％まで回復するが、その後振動しながら透過波面位相差５λ以上でＭＴＦ値７１％程度に安定する。
【００６３】
Ｆ１．４状態をみると、透過波面位相差ゼロλではＭＴＦ値９０％を確保しているが、透過波面位相差（１／２）λ状態で７０％まで劣化し、透過波面位相差１λでＭＴＦ値８８％まで回復し、その後振動しながら透過波面位相差５λ以上でＭＴＦ値８９％程度に安定する。
【００６４】
絞り開口部にフィルターが挿入されフィルター端縁部が開口中央に位置する状態は透過波面位相差が５λ以上の状態である。この透過波面位相差状態において、評価空間周波数が５０本／ｍｍの場合はＦ４まで絞り込んでもＭＴＦ値７０％を確保することができる。一方、評価空間周波数が１００本／ｍｍの場合は、Ｆ２まで開口を広げなくてはＭＴＦ値７０％を確保することができない。
【００６５】
ところで、ＮＤフィルターとしては、材料の中に光を吸収する有機色素または顔料を混ぜ練り込むタイプのものと、材料の表面に光学薄膜を蒸着するものとが知られている。練り込みタイプＮＤフィルターの特徴は、均一な濃度のフィルターを大量に安価で加工可能な点であるが、蒸着タイプＮＤフィルターに比べて分光透過率の波長依存性が劣るため、撮影装置用の絞り装置として用いられるＮＤフィルターとしては蒸着タイプが優れている。蒸着タイプＮＤフィルターは、金属膜や誘電体膜を複数層重ねることで分光透過率の波長依存性が少なくかつ反射防止膜としての作用も併せ持たせることが可能である。（参照：「光学薄膜の設計・製作・評価技術」技術情報協会）
蒸着タイプＮＤフィルターを用いて濃度を段階的に複数領域設定した例を図２５に示す。図中、Ｐ３は蒸着タイプＮＤフィルターで２種類の濃度領域を持った例を示している。フィルター基板Ｂ３の表面全面にＮＤ膜Ｎ３１を蒸着し、裏面の異なる面積領域にＮＤ膜Ｎ３２を蒸着している。この場合、図示しているように裏面のＮＤ蒸着膜境界部でＮＤ膜厚の段差に起因する透過波面位相差が発生する。
【００６６】
図２４において透過波面位相差が略２λ以下の領域とは、この膜厚の段差などに起因した微小な透過波面位相差が存在する場合を意味している。以下の具体的な実施例では、透過波面位相差を所定の範囲内に収めることによって、光学性能の劣化を最小限に抑える構成を開示する。
【００６７】
（実施例１）
本発明の実施例１を図１に示す。図１は本発明を応用した光量調整装置（絞り装置）の実施例である。図１（Ａ）は開放絞り状態、図１（Ｂ）は中間絞り状態、図１（Ｃ）は最小絞り状態を示している。
【００６８】
図中、Ｓ１１，Ｓ１２は絞り開口を形成するための絞り羽根であり、相対的に移動させることによって開口面積を変えることができる。Ｐ１はＮＤフィルター（フィルター部材）であり、絞り羽根Ｓ１２に貼り付けられ固定されている。したがって、絞り羽根Ｓ１１，Ｓ１２の相対的な移動に伴って、ＮＤフィルターＰ１が開口を覆う面積が変化する。
【００６９】
ＮＤフィルターＰ１は、基板Ｂ１の一方の面に所定の透過率の領域Ｎ１１が形成され、他方の面の一部に領域Ｎ１１とは透過率の異なる領域Ｎ１２が形成されている。したがって、光が領域Ｎ１１のみを通過する場合と、領域Ｎ１１，Ｎ１２の双方を通過する場合とで透過率が異なっており、領域Ｎ１１のみを通過する場合のほうが透過率が小さい。
【００７０】
基板Ｂ１には、セルロースアセテート、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、塩化ビニル、アクリル樹脂等の合成樹脂フィルムが用いられる。合成樹脂フィルムを使用する主な理由は、比重が軽いことと、薄く加工しても割れにくい点である。基板Ｂ１の厚みは１００μｍ〜５０μｍ程度である。
【００７１】
ＮＤフィルター部Ｐ１を透過する透過波面の様子を図２に示す。図２での各領域Ｎ１１，Ｎ１２は蒸着膜で各透過率を設定している。そして各領域の膜厚及びその材料の屈折率を適宜設定することにより、製造誤差を含めた透過波面位相差が｛１±（１／５）｝λ又は｛２±（１／５）｝λの範囲内になるようにしている。
【００７２】
ＮＤフィルターＰ１の領域Ｎ１２は、図３に示すように、フィルム状の基板Ｂ１上に３つの役割をもつ蒸着層を有している。すなわち、透過波面位相差を所定値（｛１±（１／５）｝λ又は｛２±（１／５）｝λ）に設定するためのベースコート層３１、波長によらず均一に透過率を落とすためのＮＤ層３２、表面反射を防止するＡＲコート層３３である。領域１１はベースコート層を３１を備えず、ＮＤ層３２とＡＲコート層３３のみで構成される。
【００７３】
ベースコート層３１は、基板Ｂ１上にＡｌ_２Ｏ_３やＳｉＯ_２等の基板Ｂ１の屈折率に近い誘電体膜の膜厚を適切に設定し蒸着することで透過波面位相差を所望の値に設定している。透過率を下げるためのＮＤ層３２は多層膜で構成し、波長依存性が少なくなるように設定する。ＮＤ層３２は、所望の透過率（所望の濃度）に設定するため微小な厚さを有しており、これが透過波面位相差の主要因となっている。ベースコート層３１はこれを適切な透過波面位相差に調整するためのものである。そして最終層として表面反射を防止するＡＲコート層３３を蒸着する。ＡＲコート層３３はＭｇＦ_２などの誘電体膜を蒸着している。
【００７４】
ここで、微小な厚み成分の影響による光学性能劣化を低減するための適切な透過波面位相差とは、所定の波長λの光の位相差が０λ近傍又は１λ近傍又は２λ近傍である場合を言う。本実施形態では「近傍」の範囲として「±（１／５）λ」を想定しており、「０λ近傍又は１λ近傍又は２λ近傍」を式により表現すると以下のようになる。
【００７５】
｛ｎ±（１／５）｝λ（ｎ＝０，１，２）
光学性能劣化を最も少なくするためには、透過波面位相差を０λ近傍（（１／５）λ以下）に設定するのが望ましい。しかし、透過波面位相差を０λ近傍にするためには、領域Ｎ１２が所定の厚みを持つ以上、そこで生じる透過波面位相差を補正する領域を領域Ｎ１１や領域Ｎ１２の生成工程とは別に設ける必要がある。これは製造工程が増すことを意味するのでコストアップにつながる。そこで、本実施形態では、領域Ｎ１２を構成する膜の生成工程の一環として形成可能なベースコート層３１を用いて透過波面位相差が｛１±（１／５）｝λ又は｛２±（１／５）｝λの範囲となるように設定している。
【００７６】
図２４に示した透過波面位相差と白色ＭＴＦの関係を参照すると、透過波面位相差が｛ｎ＋（１／５）｝λを超えるとＭＴＦ値は急激に劣化し、透過波面位相差が｛ｎ＋（１／４）｝λから｛ｎ＋（３／４）｝λの状態では透過波面位相差が５λ以上発生した状態よりもＭＴＦ値が下がってしまう。これは、Ｆナンバーが小さな状態（絞り開口が大きい状態）では透過波面位相差が全くない状態と比べてもＭＴＦ値の劣化は比較的少ないが、Ｆナンバーが大きな状態（絞り開口が小さい状態）で特に顕著である。透過波面位相差が｛ｎ±（１／５）｝λの領域では、ＭＴＦ値は大きな周期で減衰しながらではあるが、｛ｎ＋（１／４）｝λから｛ｎ＋（３／４）｝λの領域に比べて回復していることが分かる。
【００７７】
本実施例において、図１（Ａ）に示すように絞り開口内に数μｍ以上の厚みのあるＮＤフィルターＰ１の端縁部が存在する状態は、透過波面位相差が５λ以上発生する状態に相当する。しかし、図１（Ａ）のようにＦナンバーの小さな場合に、この状態となるように設定しているため、光学性能の劣化は実施上問題ないレベルに抑えられる。
【００７８】
一方、図１（Ｂ）のような中間絞り状態でのＦナンバーの大きな場合には、ＮＤフィルターＰ１が開口全体を覆うように設定し、しかもＮＤフィルターＰ１の透過波面位相差が｛１±（１／５）｝λ又は｛２±（１／５）｝λになるように設定しているので、光学性能の劣化を抑制できる。また図１（Ｃ）のようなＦナンバーの大きな場合には、濃度段差も透過波面位相差もない状態に設定することで光学性能の劣化を抑制できる。
【００７９】
このような構成により、絞り込んだ状態でもＭＴＦ値の劣化を最小限度に抑え、画質の向上を図ることができる光量調整装置が実現できる。また、本実施例の光量調整装置をビデオカメラやデジタルスチルカメラ等の撮影装置に用いれば、画質の劣化を抑えつつ、画素ピッチの小さな撮像素子を用いることが可能となる。
【００８０】
（実施例２）
本発明の実施例２を図４に示す。図４は実施例１と同様に本発明を応用した光量調整装置（絞り装置）の実施例であるが、実施例１とは異なり、絞り羽根とＮＤフィルターを独立して駆動して光量調整を行う装置の実施例である。
【００８１】
図中、Ｓ２１，Ｓ２２は開口を形成するための絞り羽根であり、相対的に移動させることによって開口面積を変えることができる。Ｐ２はＮＤフィルターであり、絞り羽根Ｓ１１，Ｓ１２とは独立に駆動可能である。本実施例では、図４（Ａ）に示す開放状態から図４（Ｂ）に示す所定の絞り状態までは絞り羽根Ｓ２１，Ｓ２２で開口を絞ることで光量調整を行い、それ以降は開口面積を固定として、図４（Ｃ）に示すようにＮＤフィルターＰ２を透過率の大きな領域から透過率の小さな領域の順に開口内に挿入することで光量調整を行なう。
【００８２】
ＮＤフィルターＰ２は、基板Ｂ２の一方の面に減光作用のない領域Ｎ２１と所定の透過率の領域Ｎ２２が設けられ、他方の面に減光作用のない領域Ｎ２３と領域Ｎ２２と同じ透過率の領域Ｎ２３が設けられいる。したがって、光が領域Ｎ２１と領域Ｎ２３を通過する場合に透過率が最も小さく、領域Ｎ２２と領域Ｎ２３を通過する場合に透過率が次に小さく、領域Ｎ２２と領域Ｎ２４を通過する場合に透過率が最も大きくなる。このように本実施例のＮＤフィルターＰ２は、２種類の透過率を有する蒸着ＮＤ膜を組合せ、３種類の透過率（濃度）を設定している。なお、基板Ｂ２は実施例１で説明した基板Ｂ１と同様のものが用いられる。
【００８３】
ＮＤフィルター部Ｐ２を透過する透過波面の様子を図５に示す。本実施例でも領域Ｎ２２，Ｎ２４の膜厚及びその材料の屈折率を適宜設定することにより、製造誤差を含めた透過波面位相差が｛１±（１／５）｝λ又は｛２±（１／５）｝λになるように設定している。
【００８４】
ＮＤフィルターＰ２の拡大断面図を図６に示す。本実施例の各領域Ｎ２２，Ｎ２４も実施例１の各濃度領域と同様に、ベースコート層６１、ＮＤ層６２、ＡＲコート層６３によって構成されている。本実施例においても、このベースコート層６１の膜厚を適切に設定することで、各領域の透過波面位相差が｛１±（１／５）｝λ又は｛２±（１／５）｝λの範囲になるように設定している。なお、ベースコート層６１、ＮＤ層６２、ＡＲコート層６３に用いられる材料は実施例１と同様である。
【００８５】
本実施例も実施例１と同様に、絞り込んだ状態でもＭＴＦ値の劣化を最小限度に抑え、画質の向上を図ることができる光量調整装置が実現できる。また、本実施例の光量調整装置をビデオカメラやデジタルスチルカメラ等の撮影装置に用いれば、画質の劣化を抑えつつ、画素ピッチの小さな撮像素子を用いることが可能となる。
【００８６】
（実施例３）
図７は、実施例１，２で説明した光量調整装置を適用した光学系の概略構成図である。
【００８７】
図７において、１０は屈折系、反射系、回折系等によって構成された撮影光学系、１１は光学系１０を通過する光を制限し、明るさを調整する絞り、１２は光学系１０によって形成される被写体像を受光面で受光し電気信号に変換するＣＣＤやＣＭＯＳ等の撮像素子（光電変換素子）である。本実施例において、絞り１１には実施例１や２で説明した光量調整装置を用いている。
【００８８】
このように、撮影光学系等の光学系の絞りとして、実施例１，２で説明したような光量調整装置を用いることによって、絞り込んだときのＮＤフィルターの透過波面位相差による影響を少なくして画質の向上を図ることができる。また、画素ピッチの小さな撮像素子を用いることが可能となる。
【００８９】
（実施例４）
次に実施例３で説明した撮影光学系を用いた撮影装置の実施形態を図８を用いて説明する。
【００９０】
図８において、２０は撮影装置本体、１０は実施例４で説明した撮影光学系、１１は実施例１や２の光量調整装置によって構成される絞り、１２は撮影光学系１０によって形成される被写体像を受光する撮像素子、１３は撮像素子１２が受光した被写体像を記録する記録媒体、１４は被写体像を観察するためのファインダーである。ファインダー１４としては、光学ファインダーや液晶パネル等の表示素子に表示された被写体像を観察するタイプのファインダーが考えられる。
【００９１】
このように実施例４で説明した撮影光学系をビデオカメラやデジタルスチルカメラ等の撮像素子上に被写体像を形成するタイプの撮影装置に適用することにより、ＮＤフィルターの透過波面位相差による影響を少なくして画質の向上を図ることができる。また、画素ピッチの小さな撮像素子を用いることが可能となる。
【００９２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、フィルター部材の微小な厚み成分の影響による光学性能劣化を低減した光量調整装置を実現できる。
【００９３】
また本発明の光量調整装置を、撮像素子に像を形成する撮影装置の撮影光学系に用いれば、画素ピッチの小さな撮像素子であっても良好な画像情報を得ることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１の光量調整装置の概略構成図である。
【図２】実施例１の光量調整装置のＮＤフィルターを透過した波面の位相の様子を示す図である。
【図３】実施例１のＮＤフィルターの拡大断面図である。
【図４】実施例２の光量調整装置の概略構成図である。
【図５】実施例２の光量調整装置のＮＤフィルターを透過した波面の位相の様子を示す図である。
【図６】実施例２のＮＤフィルターの拡大断面図である。
【図７】光量調整装置を備えた光学系の概略構成図である。
【図８】光量調整装置を備えた撮影装置の概略構成図である。
【図９】透過波面位相差が光学性能へ与える影響を説明するための図である。
【図１０】位相差（０／４）λのときの単色光の点像強度分布を示した図である。
【図１１】位相差（１／４）λのときの単色光の点像強度分布を示した図である。
【図１２】位相差（２／４）λのときの単色光の点像強度分布を示した図である。
【図１３】位相差（３／４）λのときの単色光の点像強度分布を示した図である。
【図１４】位相差（４／４）λのときの単色光の点像強度分布を示した図である。
【図１５】位相差（０／４）λのときの白色光の点像強度分布を示した図である。
【図１６】位相差（１／４）λのときの白色光の点像強度分布を示した図である。
【図１７】位相差（２／４）λのときの白色光の点像強度分布を示した図である。
【図１８】位相差（３／４）λのときの白色光の点像強度分布を示した図である。
【図１９】位相差（４／４）λのときの白色光の点像強度分布を示した図である。
【図２０】位相差５．５λのときの単色光の点像強度分布を示した図である。
【図２１】位相差５．５λのときの白色光の点像強度分布を示した図である。
【図２２】位相差６．０λのときの単色光の点像強度分布を示した図である。
【図２３】位相差６．０λのときの白色光の点像強度分布を示した図である。
【図２４】空間周波数５０本／ｍｍ及び空間周波数１００本／ｍｍの白色ＭＴＦ値と透過波面位相差の関係を示すグラフである。
【図２５】従来のＮＤフィルターを透過した波面の位相の様子を示す図である。

Claims (10)

1. 開口を形成するための絞りと、該開口を通過する光の光量を減衰するためのフィルター部材を備え、該フィルター部材の前記開口を覆う割合が変化する光量調整装置において、前記フィルター部材は、透過率が異なる複数の領域を有し、該複数の領域の各々は、前記フィルター部材が前記開口を全て覆った状態で、前記開口内の前記フィルター部材の各領域を通過する所定の波長λの光の位相差が｛１±（１／５）｝λ又は｛２±（１／５）｝λの範囲となるような、膜厚及び屈折率を有する多層膜で構成されていることを特徴とする光量調整装置。
2. 前記多層膜は反射を低減させるための層を有することを特徴とする請求項１記載の光量調整装置。
3. 前記絞りは複数の絞り羽根によって構成され、該複数の絞り羽根を相対的に移動することによって前記開口の面積が変化することを特徴とする請求項１又は２記載の光量調整装置。
4. 前記フィルター部材は、前記複数の絞り羽根の１つに固定され、前記複数の絞り羽根の相対的な移動に伴って、前記フィルター部材が前記開口を覆う割合が変化することを特徴とする請求項３記載の光量調整装置。
5. 前記フィルター部材は、前記複数の絞り羽根とは独立に移動可能であることを特徴とする請求項３記載の光量調整装置。
6. 前記所定の波長λは使用波長帯域の中心波長であることを特徴とする請求項１記載の光量調整装置。
7. 前記所定の波長λは５５０ｎｍであることを特徴とする請求項１記載の光量調整装置。
8. 請求項１乃至７いずれか１項記載の光量調整装置を有することを特徴とする光学系。
9. 光電変換素子上に像を形成することを特徴とする請求項８記載の光学系。
10. 請求項１乃至７いずれか１項記載の光量調整装置を有する光学系と、該光学系によって形成される像を受光する光電変換素子とを備えることを特徴とする撮影装置。

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