JP4012592B2 - 撮像装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、対象物の像を結像光学系により固体撮像素子や撮像管等の電子撮像素子上に結像させるようにした撮像装置、特に、結像光学系に回折型光学素子を含む撮像装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
回折型光学素子には、複数の回折次数の光路を分岐させる作用や、輪帯状の回折格子で回折光を集光させる作用などを有することが知られている。例えば、集光作用を有するように構成した回折型光学素子は、非球面波を容易に生成できるので、収差補正上大きな効果があること、また実質的に厚みを持たないので、構成上の自由度が高く、コンパクトな光学系の実現に有効であること、さらに分散特性が、屈折レンズでいうアッベ数に相当する量が負の値となるので、屈折光学系との組み合わせにより、色収差の補正に大きな効果があることなどが知られている。
【０００３】
このような特長を利用して、光学系の性能を向上させることに関しては、例えば、Binary Optics Technology: The Theory and Design of Multi-Level Diffractive Optical Element, Gary J.Swanson, Technology Report 854, MIT Lincoln Laboratory, August 1989. に詳しく説明されている。また、例えば、特開平６−３３１９４１号公報および特開平６−３２４２６２号公報には、上記のような回折型光学素子を結像レンズとして含むものが記載されている。さらに、回折型光学素子が有する複数の回折次数光による光路の分岐作用を利用するものとして、例えば、特開平４−９８０３号公報には、電子撮像素子のモアレ除去のためのローパスフィルタとして用いるものが、また、特許第２５２４５６９号には、色分解光学系として用いるものがそれぞれ記載されている。
【０００４】
一方、回折型光学素子に入射した光は、一般に、複数の次数の回折光に分解されるが、例えば、回折型光学素子をレンズ素子として構成する場合などは、複数の次数の回折光が存在すると、複数の焦点が存在することに相当するため、結像光学系としては、特殊な場合を除き好ましくない。
【０００５】
このため、特定の次数の回折光を利用して光学系を構成するにあたって、それ以外の次数の回折光が悪影響を与える場合などは、特定の次数以外の回折光を除去する必要が生じる。そのような課題に対しては、従来、図１６に示すように、使用する波長で透明な基材１に形成する回折のためのレリーフパターン２の断面形状を鋸歯状として（ブレーズ化して）、特定の次数の回折光にエネルギーを集中させ、他の次数の回折光を発生させないようにすることが知られている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図１６に示すように、レリーフパターン２の断面形状を鋸歯状に加工したとしても、鋸歯形状の溝の深さによって、エネルギーを最大限に集中できる波長（以下最適化波長と称する）が異なり、波長幅を有する帯域光のエネルギーを特定次数の回折光に集中させることは不可能である。このような現象は、例えばレーザ光のような、単色光源を利用する場合などでは問題にならないが、例えば、カメラのように白色光を利用する撮像装置などでは、最適化波長以外の波長において、回折効率が低下し、他の次数の回折光にエネルギーが分散するという問題がある。
【０００７】
図１７は、図１６の断面形状を有する回折型光学素子について、使用する１次回折効率と波長との関係を示したものである。ここで、レリーフパターンは、波長λ＝５００ｎｍにおいて１次回折効率が１００％となるように溝深さを決め、ＢＫ７の基材に形成したものである。図１７に示した波長帯域は、一般に可視波長領域と見做せるλ＝４００ｎｍからλ＝７００ｎｍであるが、回折効率は最適化波長λ＝５００ｎｍから離れるに従って低下することがわかる。
【０００８】
また、図１８は、上記のように波長λ＝５００ｎｍにおいて、１次回折効率が１００％となるように最適化した回折型光学素子の０次回折効率および２次回折効率と波長とのそれぞれの関係を示すものである。図１８から明らかなように、１次回折光が低下する短波長領域および長波長領域では、０次回折光および２次回折光がそれぞれ増加することがわかる。
【０００９】
このため、このような回折型光学素子を、例えば白色光を用いるカメラのレンズ素子として用いると、利用する特定回折光以外の次数の回折光が、色付きをもったフレアーやゴーストとなって現れ、結像性能を低下させる原因となる。このようなことから、結像レンズによる像形成を利用する撮像装置に回折型光学素子を用いる場合には、最適化波長以外の波長に対する、利用する特定回折次数光以外の次数を、除去もしくは影響を低減する必要があるが、この点については従来提案されていない。
【００１０】
この発明は、かかる点に鑑みてなされたもので、回折型光学素子を用いる場合の最適化波長以外の波長に対する不要な次数の回折光による光学性能の低下を有効に軽減でき、高精度の撮像ができるよう適切に構成した撮像装置を提供することを目的とするものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する請求項１に係る発明は、対象物の像を結像光学系により電子撮像素子上に結像させるようにした撮像装置において、
前記結像光学系は、結像作用、もしくは、他のレンズ要素との組み合わせにより結像性能を向上させる作用を有する回折型光学素子と、該回折型光学素子を経た光の波長帯域を制限して、前記回折型光学素子による回折光のうち、像形成に不要な次数の回折光の影響を低減するための波長帯域制限手段とを有し、該波長帯域制限手段を前記電子撮像素子の光電変換面上に設ける短波長吸収層をもって構成して、以下の条件式（１）〜（４）の少なくとも一つを満足することを特徴とするものである。
Ａ０／Ａa＜０．１ ・・・・（１）
０．７＜λＳ／λ０＜０．９５ ・・・・（２）
１．２＜λＬ／λ０＜１．５ ・・・・（３）
｜Ｃ１−Ｃ２｜＜２０％ ・・・・（４）
但し、
Ａa：像形成に不要な次数の回折光量が無視できないレベルとなる対象波長帯域におけ る全光量
Ａ０：対象波長帯域における像形成に不要な次数の回折光の光量
λ０：最適化波長
λＳ：最適化波長よりも短波長領域で光量を５０％カットする波長
λＬ：最適化波長よりも長波長領域で光量を５０％カットする波長
Ｃ１、Ｃ２：最適化波長λ０で回折次数が最適化されたときの対象波長帯域（λ１＜λ０＜λ２）に対して、それぞれ波長λ１、λ２における利用する回折次数光の回折効率（％）
【００１２】
さらに、上記目的を達成する請求項２に係る発明は、対象物の像を結像光学系により電子撮像素子上に結像させるようにした撮像装置において、
前記結像光学系は、輪帯状の回折格子を有する回折光学素子と、該回折型光学素子を経た光の波長帯域を制限して、前記回折型光学素子による回折光のうち、像形成に不要な次数の回折光の影響を低減するための波長帯域制限手段とを有し、該波長帯域制限手段を前記電子撮像素子の光電変換面上に設ける短波長吸収層をもって構成して、以下の条件式（１）〜（４）の少なくとも一つを満足することを特徴とするものである。
Ａ０／Ａa＜０．１ ・・・・（１）
０．７＜λＳ／λ０＜０．９５ ・・・・（２）
１．２＜λＬ／λ０＜１．５ ・・・・（３）
｜Ｃ１−Ｃ２｜＜２０％ ・・・・（４）
但し、
Ａa：像形成に不要な次数の回折光量が無視できないレベルとなる対象波長帯域におけ る全光量
Ａ０：対象波長帯域における像形成に不要な次数の回折光の光量
λ０：最適化波長
λＳ：最適化波長よりも短波長領域で光量を５０％カットする波長
λＬ：最適化波長よりも長波長領域で光量を５０％カットする波長
Ｃ１、Ｃ２：最適化波長λ０で回折次数が最適化されたときの対象波長帯域（λ１＜λ０＜λ２）に対して、それぞれ波長λ１、λ２における利用する回折次数光の回折効率（％）
【００１３】
さらに、上記目的を達成する請求項３に係る発明は、対象物の像を結像光学系により電子撮像素子上に結像させるようにした撮像装置において、
前記結像光学系は、回折型光学素子と、該回折型光学素子を経た光の波長帯域を制限して、前記回折型光学素子による回折光のうち、像形成に不要な次数の回折光の影響を低減するための波長帯域制限手段とを有し、該波長帯域制限手段を前記電子撮像素子の光電変換面上に設ける短波長吸収層をもって構成して、
前記電子撮像素子には、その出力信号の処理手段であって、前記対象物の色情報が損なわれないように補正する信号処理手段を結合したことと、以下の条件式（１）〜（４）の少なくとも一つを満足することを特徴とするものである。
Ａ０／Ａa＜０．１ ・・・・（１）
０．７＜λＳ／λ０＜０．９５ ・・・・（２）
１．２＜λＬ／λ０＜１．５ ・・・・（３）
｜Ｃ１−Ｃ２｜＜２０％ ・・・・（４）
但し、
Ａa：像形成に不要な次数の回折光量が無視できないレベルとなる対象波長帯域におけ る全光量
Ａ０：対象波長帯域における像形成に不要な次数の回折光の光量
λ０：最適化波長
λＳ：最適化波長よりも短波長領域で光量を５０％カットする波長
λＬ：最適化波長よりも長波長領域で光量を５０％カットする波長
Ｃ１、Ｃ２：最適化波長λ０で回折次数が最適化されたときの対象波長帯域（λ１＜λ０＜λ２）に対して、それぞれ波長λ１、λ２における利用する回折次数光の回折効率（％）
【００１４】
【発明の実施の形態】
物体の像を結像レンズを経て、例えば、一枚の固体撮像素子、または複数枚の固体撮像素子上に結像させ、電子撮像素子の出力信号を処理してカラー画像信号を得る撮像装置においては、通常、電子撮像素子の物体側に、３原色である赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）、またはそれらの補色であるシアン（Ｃ）、マゼンダ（Ｍ）、イエロー（Ｙ）の帯域の光を透過する吸収フィルタや干渉フィルタなどの波長帯域制限手段を配置して、ＲＧＢの３原色またはＣＭＹの補色の映像信号を得るようにしている。このような撮像装置において、例えば、ＲＧＢ３原色の波長帯域の像を形成してカラー画像信号を得る場合、撮像素子で受ける光強度の分光特性は、光源の分光分布、代表的なレンズの分光透過率、撮像素子の分光感度を考慮すると、一般には、図１９に示すようになる。
【００１５】
ここで、図１９に示す分光特性を有する撮像装置において、撮像光学系に、例えば図１７に示した１次光回折効率を有する回折型光学素子を用いると、その１次回折光に対する分光特性は図２０に示すようになる。また、その場合の像形成に不要な０次および２次の回折光の分光特性は、図２１のようになる。
【００１６】
図２１から明らかなように、ＲＧＢ３原色のうちＧの波長帯域では、像形成に不要な０次および２次の回折光量が、Ｇの波長帯域での全光量の１％程度となり、無視できるレベルとなる。しかし、Ｒの波長帯域では、像形成に不要な０次および２次の回折光量が、Ｒの波長帯域での全光量の１３％程度となり、また、Ｂの波長帯域では、分光特性が実際には４００ｎｍより短い波長に対しても、像形成に寄与しているため、像形成に不要な０次および２次の回折光量が、Ｂの波長帯域での全光量の１０％を超える程度となる。このため、このような撮像装置においては、像の品質劣化が無視できなくなる。
【００１７】
上述したように、回折型光学素子では、最適化波長から離れると、それに従って不要な次数の回折光量が増加する。そこで、この発明の一実施形態では、利用する次数の回折光の最適化波長よりも短波長領域および長波長領域において、像形成に寄与する波長帯域を制限する。このようにすれば、対象とする波長帯域での全光量に比較して、像形成に不要な次数の回折光の光量が占める割合を低くできるので、像形成に与える影響を低減することが可能となる。例えば、前述したように、ＲＧＢ３原色のフィルタを用いてカラー画像信号を得る場合には、Ｂの像を得る波長帯域の短波長領域を、またＲの像を得る波長帯域の長波長領域を、波長帯域制限手段を用いてカットすれば、像形成に不要な次数の回折光による影響を低減することが可能となる。
【００１８】
なお、この場合、本来のカラー画像を得るのに必要な、ＲＧＢそれぞれの光量が減り、波長帯域が狭くなるので、好ましくは、撮像素子の出力信号を、ＲＧＢそれぞれの信号強度の正規化や表現する色をシフトさせるなどの方法により、物体のカラー情報が損なわれないように補正する。
【００１９】
また、波長帯域を制限する波長帯域制限手段は、具体的には、像形成に不要な次数の回折光量が無視できないレベルとなる対象波長帯域において、該対象波長帯域における全光量（Ａa ）に対する像形成に不要な次数の回折光の光量（Ａ0 ）が、
Ａ0 ／Ａa ＜０．１ （１）
を満足するよう構成するのが好ましい。この条件式（１）を満たせば、像形成に不要な次数の回折光による像品質の劣化を有効に無視することが可能となる。
【００２０】
さらに具体的には、最適化波長λo よりも短波長領域において、波長帯域を制限する場合には、光量を５０％カットする波長λs が、以下の条件式（２）を満足することが望ましい。
０．７＜λs ／λo ＜０．９５ （２）
【００２１】
また、最適化波長λo よりも長波長領域において、波長帯域を制限する場合には、光量を５０％カットする波長λL が、以下の条件式（３）を満足することが望ましい。
１．２＜λL ／λo ＜１．５ （３）
【００２２】
ここで、λs ／λo が、条件式（２）の下限値を越えて小さな値となったり、λL ／λo が、条件式（３）の上限値を越えて大きな値となると、不要な次数の回折光による影響を十分低減することができず、像性能の劣化を防ぐことが困難となる。また、λs ／λo が、条件式（２）の上限値を越えて大きな値となったり、λL ／λo が、条件式（３）の下限値を越えて小さな値となると、制限する波長帯域が最適化波長λo に接近しすぎて、カラー画像を形成する波長帯域幅が狭くなり、十分な色再現性を保つことができず、好ましくない。
【００２３】
さて、前述したように、回折型光学素子の波長に対する回折効率は、最適化する波長に対して、短波長側にも長波長側にも低下する。このため、良好な色再現性を保ち、かつ像形成に不要な次数の回折光の影響を十分低減するには、最適化波長λo は、使用する波長帯域λ1 ＜λ＜λ2 に対して、
｜Ｃ1 −Ｃ2 ｜＜２０％ （４）
を満足するように定めることが望ましい。ただし、Ｃ1 ，Ｃ2 は、波長λo で利用する回折次数が最適化されたときの、それぞれ波長λ1 ，λ2 における利用する回折次数光の回折効率（％）を示す。
【００２４】
ここで、利用する回折次数を１次とすると、最適化波長λo に対して、任意波長λでのｍ次回折効率Ｃm は、以下の式（５）で計算することができる。
【数１】
【００２５】
したがって、例えば、石英ガラス上に作成した回折型光学素子を、１次回折光を利用して、波長帯域４００ｎｍ＜λ＜７００ｎｍで使用すると、（４）を満足する最適化波長λo は、おおよそ、
４７５ｎｍ＜λo ＜５４０ｎｍ （６）
の範囲で定めることが望ましい。
【００２６】
ここで、上記の｜Ｃ1 −Ｃ2 ｜を、条件式（４）の上限値を越えて大きな値とすると、短波長領域または長波長領域での不要な回折次数光が増加して、像の品質低下が著しくなるため、上記のように波長帯域の制限をすると、カラーバランスを保つことが困難となる。
【００２７】
なお、この発明において、像品質をさらに向上させるためには、上記の条件式（１）の代わりに下記の条件式（７）を、条件式（２）の代わりに下記の条件式（８）を、条件式（３）の代わりに下記の条件式（９）を、条件式（４）の代わりに下記の条件式（１０）を満たすようにすることが望ましい。
Ａo ／Ａa ＜０．０５ （７）
０．８＜λs ／λo ＜０．９５ （８）
１．２＜λL ／λo ＜１．４ （９）
｜Ｃ1 −Ｃ2 ｜＜１０％ （１０）
【００２８】
さらに望ましくは、条件式（１０）の代わりに、下記の条件式（１１）を満たすようにすることが望ましい。
｜Ｃ1 −Ｃ2 ｜＜５％ （１１）
【００２９】
以下、この発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
図１は、この発明の第１実施形態における撮像装置の構成を模式的に示すものである。この撮像装置は、対象物の像を結像光学系１１を経て固体撮像素子１２の光電変換面上に結像させ、この固体撮像素子１２の出力信号を信号処理回路１３で処理して映像信号を得るようにしたものである。結像光学系１１は、レンズ群１４、回折型光学素子１５および光学部材１６を有する。なお、図１では、これらレンズ群１４、回折型光学素子１５および光学部材１６を模式的に配置してある。
【００３０】
回折型光学素子１５は、この実施形態では、図２（ａ）および（ｂ）に平面図および断面図を示すように、平行平板状の光学材料基板２１上に同心円状にレリーフパターン２２を形成して構成する。ここで、レリーフパターン２２は、１次回折光を利用するように、また、他のレンズ素子との相互関係により結像性能が最適となるように形成する。また、光学部材１６には、ローパスフィルタを設けると共に、図３に示す分光透過率を有する波長帯域制限手段を構成する波長帯域制限フィルタを設ける。さらに、撮像素子１２には、その光電変換面上に、図４に示す分光特性を有するＲＧＢ３原色のモザイク状の色フィルタを設ける。
【００３１】
このようにして、固体撮像素子１２において、結像光学系１１を経て結像された物体の像を、その光強度に応じて電気信号に変換して信号処理回路１３に供給し、ここで所要に応じてＲＧＢそれぞれの信号強度の正規化や表現する色をシフトさせるなどの方法により、物体のカラー情報が損なわれないように補正してカラー映像信号に変換し、図示しないメモリに書き込んだり、パソコンや表示装置、あるいはプリンタなどの外部に出力する。なお、このような処理は、外部の制御装置あるいは撮像装置に組み込まれたＣＰＵにより制御する。
【００３２】
図５は、図１に示す構成において、光学部材１６に波長帯域制限フィルタを設けない場合に、固体撮像素子１２に入射する回折型光学素子１５における２次回折光および０次回折光の分光特性を示すものである。また、図６は、この実施形態において、上述したように光学部材１６に図３に示す分光特性を有する波長帯域制限フィルタを設けた場合の２次回折光および０次回折光の分光特性を示すものである。図５および図６から明らかなように、この実施形態によれば、結像に不要な次数の回折光の強度を、無視できる程度に低減することができる。
【００３３】
なお、この実施形態では、波長帯域制限フィルタを光学部材１６に設けるようにしたが、レンズ群１４の前に配置したり、レンズ群１４から撮像素子１２の光電変換面に至る結像光路の任意の位置に配置しても、同様の効果を得ることができる。特に、撮像素子１２の光電変換面を保護するカバーガラスを、波長帯域制限フィルタで構成すれば、部品点数の削減、光学システムの小型化の点で効果的である。
【００３４】
この発明の第２実施形態では、図１に示す構成において、光学部材１６に、波長帯域制限フィルタに代えて、図７に示す分光透過率を有する赤外カットフィルタを設け、また、回折型光学素子１５のレリーフパターンを形成した面とは反対側の面には、多層膜をコーティングして、図８に示すような分光透過率特性を有する波長帯域制限手段を設ける。ここで、多層膜は、回折型光学素子１５の基板側から順に、それぞれＳｉＯ2 ：６６．４６ｎｍ、ＴｉＯ2 ：２８．６２ｎｍ、ＳｉＯ2 ：５３．０６ｎｍ、ＴｉＯ2 ：４２．４７ｎｍ、ＳｉＯ2 ：６８．１６ｎｍ、ＴｉＯ2 ：３５．４４ｎｍ、ＳｉＯ2 ：５５．５７ｎｍ、ＴｉＯ2 ：３８．８９ｎｍ、の厚みで重ねて構成する。このようにして、有害な赤外光と、結像に不要な次数の回折光を同時に制限する。
【００３５】
図９は、この実施形態において、固体撮像素子１２に入射する回折型光学素子１５における２次回折光および０次回折光の分光特性を示すものである。この実施形態においても、図５との比較から明らかなように、第１実施例と同様に、結像に不要な次数の回折光の強度を、無視できる程度に低減することができる。
【００３６】
なお、この実施形態では、回折型光学素子１４に波長帯域制限手段を構成する多層膜を設けたが、レンズ群１４を構成するレンズ素子の屈折面や、光学部材１６、あるいは撮像素子１２の光電変換面を保護するカバーガラスに、同様の多層膜をコーティングしても、同じ効果を得ることができる。
【００３７】
この発明の第３実施形態では、図１に示す構成において、光学部材１６に波長帯域制限フィルタを設けるのではなく、撮像素子１２の光電変換面上に設けるＲＧＢ３原色のモザイク状の色フィルタを、図１０に示す分光特性を有するように構成することにより、該色フィルタを波長帯域制限手段としても作用させるようにしたものである。
【００３８】
図１１は、この実施形態において、固体撮像素子１２に入射する回折型光学素子１５における２次回折光および０次回折光の分光特性を示すものである。この実施形態においても、図５との比較から明らかなように、結像に不要な次数の回折光の強度を、無視できる程度に低減することができる。
【００３９】
なお、この実施形態でのＲＧＢの色フィルタは、ＲＧＢそれぞれのフィルタの分光感度が、図１０に示す特性となるような、透過型フィルタや干渉型フィルタなどで構成することはもちろん、例えば、図４に示した一般的な分光感度を有するフィルタと、図３に示すような分光特性を有するフィルタとの２層構造で構成することもできる。また、特に、短波長域での不要次数光の影響を低減するために、撮像素子１２の光電変換面の表層に設けられる短波長域の透過率を制御するためのＳｉＯ2 と多結晶Ｓｉとの多層膜の厚みを調整したり、暗電流除去のためのＰ型不純物注入層を厚くして、短波長域の分光特性を制御することもでき、これにより同様の効果を達成することができる。
【００４０】
上述した第１〜３実施形態において、結像光学系１１は、例えば、図１２に示すように、第１レンズ２５、絞り２６、第２レンズ２７、第３レンズ２８、第４レンズ２９、第５レンズ３０および第６レンズ３１をもって構成することができる。表１は、焦点距離７．００ｍｍ、Ｆナンバー２．９としたときの各レンズの一例のデータを示すものである。なお、図１２において、第３レンズ２８は、回折型光学素子を示す。また、表１において、♯はレンズ番号、ｒは屈折面の曲率半径、ｄはレンズ中心の厚みまたはレンズ間隔、ｎｄはｄ線の屈折率、νｄはｄ線のアッベ数を示し、＊が付いている面は、非球面を表わしている。
【００４１】
【表１】
【００４２】
また、上記の非球面は、例えば、表２に示す非球面係数を有するように形成する。
【００４３】
【表２】
表１および表２から明らかなように、第３レンズ２８を構成する回折型光学素子は、屈折率が１００１、アッベ率が約−３．４５のいわゆる高屈折率近似として扱っている。
【００４４】
なお、回折型光学素子は、図２に示したように、平板状の基板２１にレリーフパターン２２を形成したものに限らず、球面基板や、非球面基板上にレリーフパターン２２を形成して構成することもできるし、レリーフパターン２２も同心円状に限らず、結像光学系１１の機能に応じて、例えば、回転非対称な結像性能を必要とする場合には、楕円状のパターンとしたり、シリンドリカルレンズと同等の機能を有するように平行パターンとすることもできる。なお、実施形態においては、回折光学素子の設計次数に１次光を用いたが、さらに高次の次数を用いてもよい。
【００４５】
また、以上の各実施形態では、撮像素子１２の前にモザイク状のＲＧＢフィルタを配置した、いわゆる原色単板式撮像装置を構成するようにしたが、もちろんＣＭＹＧフィルタをモザイク状に配置した、いわゆる補色単板式撮像装置を構成することもできるし、撮影光束を色分解プリズムなどで波長帯域の異なる光束に分岐して、例えばＲＧＢ３枚の撮像素子でカラー画像を得る、いわゆる３板式撮像装置に代表される多板式撮像装置を構成することもできる。
【００４６】
図１３は、この発明の第４実施形態の要部の構成を示すものである。この実施形態は、３板式撮像装置を示すもので、対象物の像を結像光学系４１によりＲＧＢに分解して、対応する固体撮像素子４２Ｒ，４２Ｇ，４２Ｂに結像させるようにしたものである。結像光学系４１は、図２に示したような回折型光学素子を含むレンズ系４３と、このレンズ系４３による撮影光束をＲＧＢに分解する色分解プリズム４４とを有する。ここで色分解は、ダイクロイック膜を用いて行うことが、光の高率の利用高率の点からも一般的である。
【００４７】
この実施形態では、色分解プリズム４４のダイクロイック膜に、図１４に示すような分光透過率特性を持たせることにより、該色分解プリズム４４を、レンズ系４３に含まれる回折型光学素子からの不要次数の回折光を低減する波長帯域制限手段としても作用させる。なお、この実施形態において、回折型光学素子は、波長５３０ｎｍで最適化されている。
【００４８】
図１５は、この実施形態において、撮像素子４２Ｒ，４２Ｇ，４２Ｂにそれぞれ入射する回折型光学素子における２次回折光および０次回折光の分光特性を示すものである。図１５から明らかなように、この実施形態においても、上述した実施形態と同様に、結像に不要な次数の回折光の強度を、無視できる程度に低減することができる。
【００４９】
なお、この実施形態においては、色分解プリズム４４のＲの分光透過率特性を長波長域まで広げると共に、撮像光路中に赤外カットフィルタを配置して、色分解プリズム４４と赤外カットフィルタとの両方の作用で、図１４に示す分光透過率特性を得るよう構成することもできる。
【００５０】
以上の各実施形態では、電子撮像素子として固体撮像素子を用いたが、撮像管を用いる場合でも、この発明を有効に適用することができ、同様の効果を得ることができる。
【００５１】
付記項
１．対象物の像を結像光学系により電子撮像素子上に結像させるようにした撮像装置において、
前記結像光学系は、輪帯状の回折格子を有し、結像作用、もしくは、他のレンズ要素との組み合わせにより結像性能を向上させる作用を有する回折型光学素子と、この回折型光学素子を経た光の波長帯域を制限して、該回折型光学素子による回折光のうち、像形成に不要な次数の回折光の影響を低減するための波長帯域制限手段とを有することを特徴とする撮像装置。
２．対象物の像を結像光学系により電子撮像素子上に結像させるようにした撮像装置において、
前記結像光学系は、結像作用、もしくは、他のレンズ要素との組み合わせにより結像性能を向上させる作用を有する回折型光学素子と、この回折型光学素子を経た光の波長帯域を制限して、該回折型光学素子による回折光のうち、像形成に不要な次数の回折光の影響を低減するための波長帯域制限手段とを有し、
前記電子撮像素子には、その出力信号を処理して、前記対象物の色情報を補正する信号処理手段を結合したことを特徴とする撮像装置。
３．対象物の像を結像光学系により電子撮像素子上に結像させるようにした撮像装置において、
前記結像光学系は、輪帯状の回折格子を有する回折型光学素子と、この回折型光学素子を経た光の波長帯域を制限して、該回折型光学素子による回折光のうち、像形成に不要な次数の回折光の影響を低減するための波長帯域制限手段とを有し、
前記電子撮像素子には、その出力信号を処理して、前記対象物の色情報を補正する信号処理手段を結合したことを特徴とする撮像装置。
４．請求項１，２または３記載の撮像装置において、
前記条件式（１）〜（４）の少なくとも一つを満足する撮像装置。
５．請求項１，２または３記載の撮像装置において、
前記条件式（７）〜（１０）の少なくとも一つを満足する撮像装置。
６．付記項４または５記載の撮像装置において、
前記条件式（４）または（１０）として、前記条件式（１１）を用いることを特徴とする撮像装置。
７．請求項１，２または３記載の撮像装置において、
前記結像光学系は、波長帯域を制限するフィルタを有することを特徴とする撮像装置。
８．請求項１，２または３記載の撮像装置において、
前記波長帯域制限手段を、前記電子撮像素子の光電変換面を保護するカバーガラスに設けたことを特徴とする撮像装置。
９．請求項１，２または３記載の撮像装置において、
前記波長帯域制限手段は、前記結像光学系を構成する光学部材の表面に設けた多層膜をもって構成したことを特徴とする撮像装置。
１０．請求項１，２または３記載の撮像装置において、
前記波長帯域制限手段は、カラー画像を得るために、前記電子撮像素子の光電変換面に到達する波長帯域を制限する機能を併せ持つ波長帯域制限フィルタをもって構成したことを特徴とする撮像装置。
１１．付記項７または１０記載の撮像装置において、
前記フィルタまたは波長帯域制限フィルタは、色素を含むフィルタよりなることを特徴とする撮像装置。
１２．付記項７または１０記載の撮像装置において、
前記フィルタまたは波長帯域制限フィルタは、干渉型フィルタよりなることを特徴とする撮像装置。
１３．付記項１０記載の撮像装置において、
前記電子撮像素子を１枚として、カラー画像を得るよう構成したことを特徴とする撮像装置。
１４．付記項１０記載の撮像装置において、
前記電子撮像素子を複数枚として、カラー画像を得るよう構成したことを特徴とする撮像装置。
１５．付記項１３または１４記載の撮像装置において、
前記カラー画像を得るのに用いるフィルタが、前記波長帯域制限手段をも構成することを特徴とする撮像装置。
１６．付記項１３または１４記載の撮像装置において、
前記カラー画像を得るのに用いるフィルタが、カラー画像を得るために、前記電子撮像素子の光電変換面に到達する波長帯域を制限する機能を有するフィルタ部材と、像形成に不要な次数の回折光の影響を低減するためのフィルタ部材とからなることを特徴とする撮像装置。
１７．請求項１，２または３記載の撮像装置において、
前記波長帯域制限手段を、前記電子撮像素子の光電変換面上に設ける短波長吸収層をもって構成したことを特徴とする撮像装置。
１８．付記項７〜１７のいずれか記載の撮像装置において、
前記条件式（１）〜（４）の少なくとも一つを満足する撮像装置。
１９．付記項７〜１７のいずれか記載の撮像装置において、
前記条件式（７）〜（１０）の少なくとも一つを満足する撮像装置。
２０．付記項１８または１９記載の撮像装置において、
前記条件式（４）または（１０）として、前記条件式（１１）を用いることを特徴とする撮像装置。
【００５２】
【発明の効果】
この発明によれば、回折型光学素子を用いる場合の最適化波長以外の波長に対する不要な次数の回折光による光学性能の低下を有効に軽減できるので、高精度の撮像装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１実施形態の概略構成図である。
【図２】図１に示す回折型光学素子の構成を示す図である。
【図３】第１実施形態で用いる波長帯域制限フィルタの分光特性を示す図である。
【図４】第１実施形態で用いるＲＧＢ色フィルタの分光特性を示す図である。
【図５】第１実施形態において波長帯域制限を受けないときの像形成に不要な回折光の分光特性を示す図である。
【図６】第１実施形態で波長帯域制限を受けたときの像形成に不要な回折光の分光特性を示す図である。
【図７】この発明の第２実施形態で用いる赤外カットフィルタの分光透過率特性を示す図である。
【図８】第２実施形態で用いる多層膜の分光透過率特性を示す図である。
【図９】第２実施形態で波長帯域制限を受けたときの像形成に不要な回折光の分光特性を示す図である。
【図１０】この発明の第３実施形態で用いるＲＧＢ色フィルタの分光特性を示す図である。
【図１１】第３実施形態で波長帯域制限を受けたときの像形成に不要な回折光の分光特性を示す図である。
【図１２】回折型光学素子を含む結像光学系の一例の構成を示す図である。
【図１３】この発明の第４実施形態を示す概略構成図である。
【図１４】第４実施形態で用いるダイクロイック膜の分光透過率特性を示す図である。
【図１５】第４実施形態で波長帯域制限を受けたときの像形成に不要な回折光の分光特性を示す図である。
【図１６】ブレーズ化さたレリーフパターンを示す図である。
【図１７】１次回折光に対して最適化された回折型光学素子の波長と１次回折光の回折効率との関係を示す図である。
【図１８】１次回折光に対して最適化された回折型光学素子の波長と、０次回折光および２次回折光との回折効率の関係を示す図である。
【図１９】カラー画像を形成する撮像装置の分光特性を示す図である。
【図２０】回折型光学素子を用いたときの像形成に寄与する回折光の分光特性を示す図である。
【図２１】回折型光学素子を用いたときの像形成に不要な回折光の分光特性を示す図である。
【符号の説明】
１１ 結像光学系
１２ 固体撮像素子
１３ 信号処理回路
１４ レンズ群
１５ 回折型光学素子
１６ 光学部材
２１ 基板
２２ レリーフパターン
【発明の属する技術分野】
この発明は、対象物の像を結像光学系により固体撮像素子や撮像管等の電子撮像素子上に結像させるようにした撮像装置、特に、結像光学系に回折型光学素子を含む撮像装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
回折型光学素子には、複数の回折次数の光路を分岐させる作用や、輪帯状の回折格子で回折光を集光させる作用などを有することが知られている。例えば、集光作用を有するように構成した回折型光学素子は、非球面波を容易に生成できるので、収差補正上大きな効果があること、また実質的に厚みを持たないので、構成上の自由度が高く、コンパクトな光学系の実現に有効であること、さらに分散特性が、屈折レンズでいうアッベ数に相当する量が負の値となるので、屈折光学系との組み合わせにより、色収差の補正に大きな効果があることなどが知られている。
【０００３】
このような特長を利用して、光学系の性能を向上させることに関しては、例えば、Binary Optics Technology: The Theory and Design of Multi-Level Diffractive Optical Element, Gary J.Swanson, Technology Report 854, MIT Lincoln Laboratory, August 1989. に詳しく説明されている。また、例えば、特開平６−３３１９４１号公報および特開平６−３２４２６２号公報には、上記のような回折型光学素子を結像レンズとして含むものが記載されている。さらに、回折型光学素子が有する複数の回折次数光による光路の分岐作用を利用するものとして、例えば、特開平４−９８０３号公報には、電子撮像素子のモアレ除去のためのローパスフィルタとして用いるものが、また、特許第２５２４５６９号には、色分解光学系として用いるものがそれぞれ記載されている。
【０００４】
一方、回折型光学素子に入射した光は、一般に、複数の次数の回折光に分解されるが、例えば、回折型光学素子をレンズ素子として構成する場合などは、複数の次数の回折光が存在すると、複数の焦点が存在することに相当するため、結像光学系としては、特殊な場合を除き好ましくない。
【０００５】
このため、特定の次数の回折光を利用して光学系を構成するにあたって、それ以外の次数の回折光が悪影響を与える場合などは、特定の次数以外の回折光を除去する必要が生じる。そのような課題に対しては、従来、図１６に示すように、使用する波長で透明な基材１に形成する回折のためのレリーフパターン２の断面形状を鋸歯状として（ブレーズ化して）、特定の次数の回折光にエネルギーを集中させ、他の次数の回折光を発生させないようにすることが知られている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図１６に示すように、レリーフパターン２の断面形状を鋸歯状に加工したとしても、鋸歯形状の溝の深さによって、エネルギーを最大限に集中できる波長（以下最適化波長と称する）が異なり、波長幅を有する帯域光のエネルギーを特定次数の回折光に集中させることは不可能である。このような現象は、例えばレーザ光のような、単色光源を利用する場合などでは問題にならないが、例えば、カメラのように白色光を利用する撮像装置などでは、最適化波長以外の波長において、回折効率が低下し、他の次数の回折光にエネルギーが分散するという問題がある。
【０００７】
図１７は、図１６の断面形状を有する回折型光学素子について、使用する１次回折効率と波長との関係を示したものである。ここで、レリーフパターンは、波長λ＝５００ｎｍにおいて１次回折効率が１００％となるように溝深さを決め、ＢＫ７の基材に形成したものである。図１７に示した波長帯域は、一般に可視波長領域と見做せるλ＝４００ｎｍからλ＝７００ｎｍであるが、回折効率は最適化波長λ＝５００ｎｍから離れるに従って低下することがわかる。
【０００８】
また、図１８は、上記のように波長λ＝５００ｎｍにおいて、１次回折効率が１００％となるように最適化した回折型光学素子の０次回折効率および２次回折効率と波長とのそれぞれの関係を示すものである。図１８から明らかなように、１次回折光が低下する短波長領域および長波長領域では、０次回折光および２次回折光がそれぞれ増加することがわかる。
【０００９】
このため、このような回折型光学素子を、例えば白色光を用いるカメラのレンズ素子として用いると、利用する特定回折光以外の次数の回折光が、色付きをもったフレアーやゴーストとなって現れ、結像性能を低下させる原因となる。このようなことから、結像レンズによる像形成を利用する撮像装置に回折型光学素子を用いる場合には、最適化波長以外の波長に対する、利用する特定回折次数光以外の次数を、除去もしくは影響を低減する必要があるが、この点については従来提案されていない。
【００１０】
この発明は、かかる点に鑑みてなされたもので、回折型光学素子を用いる場合の最適化波長以外の波長に対する不要な次数の回折光による光学性能の低下を有効に軽減でき、高精度の撮像ができるよう適切に構成した撮像装置を提供することを目的とするものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する請求項１に係る発明は、対象物の像を結像光学系により電子撮像素子上に結像させるようにした撮像装置において、
前記結像光学系は、結像作用、もしくは、他のレンズ要素との組み合わせにより結像性能を向上させる作用を有する回折型光学素子と、該回折型光学素子を経た光の波長帯域を制限して、前記回折型光学素子による回折光のうち、像形成に不要な次数の回折光の影響を低減するための波長帯域制限手段とを有し、該波長帯域制限手段を前記電子撮像素子の光電変換面上に設ける短波長吸収層をもって構成して、以下の条件式（１）〜（４）の少なくとも一つを満足することを特徴とするものである。
Ａ０／Ａa＜０．１ ・・・・（１）
０．７＜λＳ／λ０＜０．９５ ・・・・（２）
１．２＜λＬ／λ０＜１．５ ・・・・（３）
｜Ｃ１−Ｃ２｜＜２０％ ・・・・（４）
但し、
Ａa：像形成に不要な次数の回折光量が無視できないレベルとなる対象波長帯域におけ る全光量
Ａ０：対象波長帯域における像形成に不要な次数の回折光の光量
λ０：最適化波長
λＳ：最適化波長よりも短波長領域で光量を５０％カットする波長
λＬ：最適化波長よりも長波長領域で光量を５０％カットする波長
Ｃ１、Ｃ２：最適化波長λ０で回折次数が最適化されたときの対象波長帯域（λ１＜λ０＜λ２）に対して、それぞれ波長λ１、λ２における利用する回折次数光の回折効率（％）
【００１２】
さらに、上記目的を達成する請求項２に係る発明は、対象物の像を結像光学系により電子撮像素子上に結像させるようにした撮像装置において、
前記結像光学系は、輪帯状の回折格子を有する回折光学素子と、該回折型光学素子を経た光の波長帯域を制限して、前記回折型光学素子による回折光のうち、像形成に不要な次数の回折光の影響を低減するための波長帯域制限手段とを有し、該波長帯域制限手段を前記電子撮像素子の光電変換面上に設ける短波長吸収層をもって構成して、以下の条件式（１）〜（４）の少なくとも一つを満足することを特徴とするものである。
Ａ０／Ａa＜０．１ ・・・・（１）
０．７＜λＳ／λ０＜０．９５ ・・・・（２）
１．２＜λＬ／λ０＜１．５ ・・・・（３）
｜Ｃ１−Ｃ２｜＜２０％ ・・・・（４）
但し、
Ａa：像形成に不要な次数の回折光量が無視できないレベルとなる対象波長帯域におけ る全光量
Ａ０：対象波長帯域における像形成に不要な次数の回折光の光量
λ０：最適化波長
λＳ：最適化波長よりも短波長領域で光量を５０％カットする波長
λＬ：最適化波長よりも長波長領域で光量を５０％カットする波長
Ｃ１、Ｃ２：最適化波長λ０で回折次数が最適化されたときの対象波長帯域（λ１＜λ０＜λ２）に対して、それぞれ波長λ１、λ２における利用する回折次数光の回折効率（％）
【００１３】
さらに、上記目的を達成する請求項３に係る発明は、対象物の像を結像光学系により電子撮像素子上に結像させるようにした撮像装置において、
前記結像光学系は、回折型光学素子と、該回折型光学素子を経た光の波長帯域を制限して、前記回折型光学素子による回折光のうち、像形成に不要な次数の回折光の影響を低減するための波長帯域制限手段とを有し、該波長帯域制限手段を前記電子撮像素子の光電変換面上に設ける短波長吸収層をもって構成して、
前記電子撮像素子には、その出力信号の処理手段であって、前記対象物の色情報が損なわれないように補正する信号処理手段を結合したことと、以下の条件式（１）〜（４）の少なくとも一つを満足することを特徴とするものである。
Ａ０／Ａa＜０．１ ・・・・（１）
０．７＜λＳ／λ０＜０．９５ ・・・・（２）
１．２＜λＬ／λ０＜１．５ ・・・・（３）
｜Ｃ１−Ｃ２｜＜２０％ ・・・・（４）
但し、
Ａa：像形成に不要な次数の回折光量が無視できないレベルとなる対象波長帯域におけ る全光量
Ａ０：対象波長帯域における像形成に不要な次数の回折光の光量
λ０：最適化波長
λＳ：最適化波長よりも短波長領域で光量を５０％カットする波長
λＬ：最適化波長よりも長波長領域で光量を５０％カットする波長
Ｃ１、Ｃ２：最適化波長λ０で回折次数が最適化されたときの対象波長帯域（λ１＜λ０＜λ２）に対して、それぞれ波長λ１、λ２における利用する回折次数光の回折効率（％）
【００１４】
【発明の実施の形態】
物体の像を結像レンズを経て、例えば、一枚の固体撮像素子、または複数枚の固体撮像素子上に結像させ、電子撮像素子の出力信号を処理してカラー画像信号を得る撮像装置においては、通常、電子撮像素子の物体側に、３原色である赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）、またはそれらの補色であるシアン（Ｃ）、マゼンダ（Ｍ）、イエロー（Ｙ）の帯域の光を透過する吸収フィルタや干渉フィルタなどの波長帯域制限手段を配置して、ＲＧＢの３原色またはＣＭＹの補色の映像信号を得るようにしている。このような撮像装置において、例えば、ＲＧＢ３原色の波長帯域の像を形成してカラー画像信号を得る場合、撮像素子で受ける光強度の分光特性は、光源の分光分布、代表的なレンズの分光透過率、撮像素子の分光感度を考慮すると、一般には、図１９に示すようになる。
【００１５】
ここで、図１９に示す分光特性を有する撮像装置において、撮像光学系に、例えば図１７に示した１次光回折効率を有する回折型光学素子を用いると、その１次回折光に対する分光特性は図２０に示すようになる。また、その場合の像形成に不要な０次および２次の回折光の分光特性は、図２１のようになる。
【００１６】
図２１から明らかなように、ＲＧＢ３原色のうちＧの波長帯域では、像形成に不要な０次および２次の回折光量が、Ｇの波長帯域での全光量の１％程度となり、無視できるレベルとなる。しかし、Ｒの波長帯域では、像形成に不要な０次および２次の回折光量が、Ｒの波長帯域での全光量の１３％程度となり、また、Ｂの波長帯域では、分光特性が実際には４００ｎｍより短い波長に対しても、像形成に寄与しているため、像形成に不要な０次および２次の回折光量が、Ｂの波長帯域での全光量の１０％を超える程度となる。このため、このような撮像装置においては、像の品質劣化が無視できなくなる。
【００１７】
上述したように、回折型光学素子では、最適化波長から離れると、それに従って不要な次数の回折光量が増加する。そこで、この発明の一実施形態では、利用する次数の回折光の最適化波長よりも短波長領域および長波長領域において、像形成に寄与する波長帯域を制限する。このようにすれば、対象とする波長帯域での全光量に比較して、像形成に不要な次数の回折光の光量が占める割合を低くできるので、像形成に与える影響を低減することが可能となる。例えば、前述したように、ＲＧＢ３原色のフィルタを用いてカラー画像信号を得る場合には、Ｂの像を得る波長帯域の短波長領域を、またＲの像を得る波長帯域の長波長領域を、波長帯域制限手段を用いてカットすれば、像形成に不要な次数の回折光による影響を低減することが可能となる。
【００１８】
なお、この場合、本来のカラー画像を得るのに必要な、ＲＧＢそれぞれの光量が減り、波長帯域が狭くなるので、好ましくは、撮像素子の出力信号を、ＲＧＢそれぞれの信号強度の正規化や表現する色をシフトさせるなどの方法により、物体のカラー情報が損なわれないように補正する。
【００１９】
また、波長帯域を制限する波長帯域制限手段は、具体的には、像形成に不要な次数の回折光量が無視できないレベルとなる対象波長帯域において、該対象波長帯域における全光量（Ａa ）に対する像形成に不要な次数の回折光の光量（Ａ0 ）が、
Ａ0 ／Ａa ＜０．１ （１）
を満足するよう構成するのが好ましい。この条件式（１）を満たせば、像形成に不要な次数の回折光による像品質の劣化を有効に無視することが可能となる。
【００２０】
さらに具体的には、最適化波長λo よりも短波長領域において、波長帯域を制限する場合には、光量を５０％カットする波長λs が、以下の条件式（２）を満足することが望ましい。
０．７＜λs ／λo ＜０．９５ （２）
【００２１】
また、最適化波長λo よりも長波長領域において、波長帯域を制限する場合には、光量を５０％カットする波長λL が、以下の条件式（３）を満足することが望ましい。
１．２＜λL ／λo ＜１．５ （３）
【００２２】
ここで、λs ／λo が、条件式（２）の下限値を越えて小さな値となったり、λL ／λo が、条件式（３）の上限値を越えて大きな値となると、不要な次数の回折光による影響を十分低減することができず、像性能の劣化を防ぐことが困難となる。また、λs ／λo が、条件式（２）の上限値を越えて大きな値となったり、λL ／λo が、条件式（３）の下限値を越えて小さな値となると、制限する波長帯域が最適化波長λo に接近しすぎて、カラー画像を形成する波長帯域幅が狭くなり、十分な色再現性を保つことができず、好ましくない。
【００２３】
さて、前述したように、回折型光学素子の波長に対する回折効率は、最適化する波長に対して、短波長側にも長波長側にも低下する。このため、良好な色再現性を保ち、かつ像形成に不要な次数の回折光の影響を十分低減するには、最適化波長λo は、使用する波長帯域λ1 ＜λ＜λ2 に対して、
｜Ｃ1 −Ｃ2 ｜＜２０％ （４）
を満足するように定めることが望ましい。ただし、Ｃ1 ，Ｃ2 は、波長λo で利用する回折次数が最適化されたときの、それぞれ波長λ1 ，λ2 における利用する回折次数光の回折効率（％）を示す。
【００２４】
ここで、利用する回折次数を１次とすると、最適化波長λo に対して、任意波長λでのｍ次回折効率Ｃm は、以下の式（５）で計算することができる。
【数１】
したがって、例えば、石英ガラス上に作成した回折型光学素子を、１次回折光を利用して、波長帯域４００ｎｍ＜λ＜７００ｎｍで使用すると、（４）を満足する最適化波長λo は、おおよそ、
４７５ｎｍ＜λo ＜５４０ｎｍ （６）
の範囲で定めることが望ましい。
【００２６】
ここで、上記の｜Ｃ1 −Ｃ2 ｜を、条件式（４）の上限値を越えて大きな値とすると、短波長領域または長波長領域での不要な回折次数光が増加して、像の品質低下が著しくなるため、上記のように波長帯域の制限をすると、カラーバランスを保つことが困難となる。
【００２７】
なお、この発明において、像品質をさらに向上させるためには、上記の条件式（１）の代わりに下記の条件式（７）を、条件式（２）の代わりに下記の条件式（８）を、条件式（３）の代わりに下記の条件式（９）を、条件式（４）の代わりに下記の条件式（１０）を満たすようにすることが望ましい。
Ａo ／Ａa ＜０．０５ （７）
０．８＜λs ／λo ＜０．９５ （８）
１．２＜λL ／λo ＜１．４ （９）
｜Ｃ1 −Ｃ2 ｜＜１０％ （１０）
【００２８】
さらに望ましくは、条件式（１０）の代わりに、下記の条件式（１１）を満たすようにすることが望ましい。
｜Ｃ1 −Ｃ2 ｜＜５％ （１１）
【００２９】
以下、この発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
図１は、この発明の第１実施形態における撮像装置の構成を模式的に示すものである。この撮像装置は、対象物の像を結像光学系１１を経て固体撮像素子１２の光電変換面上に結像させ、この固体撮像素子１２の出力信号を信号処理回路１３で処理して映像信号を得るようにしたものである。結像光学系１１は、レンズ群１４、回折型光学素子１５および光学部材１６を有する。なお、図１では、これらレンズ群１４、回折型光学素子１５および光学部材１６を模式的に配置してある。
【００３０】
回折型光学素子１５は、この実施形態では、図２（ａ）および（ｂ）に平面図および断面図を示すように、平行平板状の光学材料基板２１上に同心円状にレリーフパターン２２を形成して構成する。ここで、レリーフパターン２２は、１次回折光を利用するように、また、他のレンズ素子との相互関係により結像性能が最適となるように形成する。また、光学部材１６には、ローパスフィルタを設けると共に、図３に示す分光透過率を有する波長帯域制限手段を構成する波長帯域制限フィルタを設ける。さらに、撮像素子１２には、その光電変換面上に、図４に示す分光特性を有するＲＧＢ３原色のモザイク状の色フィルタを設ける。
【００３１】
このようにして、固体撮像素子１２において、結像光学系１１を経て結像された物体の像を、その光強度に応じて電気信号に変換して信号処理回路１３に供給し、ここで所要に応じてＲＧＢそれぞれの信号強度の正規化や表現する色をシフトさせるなどの方法により、物体のカラー情報が損なわれないように補正してカラー映像信号に変換し、図示しないメモリに書き込んだり、パソコンや表示装置、あるいはプリンタなどの外部に出力する。なお、このような処理は、外部の制御装置あるいは撮像装置に組み込まれたＣＰＵにより制御する。
【００３２】
図５は、図１に示す構成において、光学部材１６に波長帯域制限フィルタを設けない場合に、固体撮像素子１２に入射する回折型光学素子１５における２次回折光および０次回折光の分光特性を示すものである。また、図６は、この実施形態において、上述したように光学部材１６に図３に示す分光特性を有する波長帯域制限フィルタを設けた場合の２次回折光および０次回折光の分光特性を示すものである。図５および図６から明らかなように、この実施形態によれば、結像に不要な次数の回折光の強度を、無視できる程度に低減することができる。
【００３３】
なお、この実施形態では、波長帯域制限フィルタを光学部材１６に設けるようにしたが、レンズ群１４の前に配置したり、レンズ群１４から撮像素子１２の光電変換面に至る結像光路の任意の位置に配置しても、同様の効果を得ることができる。特に、撮像素子１２の光電変換面を保護するカバーガラスを、波長帯域制限フィルタで構成すれば、部品点数の削減、光学システムの小型化の点で効果的である。
【００３４】
この発明の第２実施形態では、図１に示す構成において、光学部材１６に、波長帯域制限フィルタに代えて、図７に示す分光透過率を有する赤外カットフィルタを設け、また、回折型光学素子１５のレリーフパターンを形成した面とは反対側の面には、多層膜をコーティングして、図８に示すような分光透過率特性を有する波長帯域制限手段を設ける。ここで、多層膜は、回折型光学素子１５の基板側から順に、それぞれＳｉＯ2 ：６６．４６ｎｍ、ＴｉＯ2 ：２８．６２ｎｍ、ＳｉＯ2 ：５３．０６ｎｍ、ＴｉＯ2 ：４２．４７ｎｍ、ＳｉＯ2 ：６８．１６ｎｍ、ＴｉＯ2 ：３５．４４ｎｍ、ＳｉＯ2 ：５５．５７ｎｍ、ＴｉＯ2 ：３８．８９ｎｍ、の厚みで重ねて構成する。このようにして、有害な赤外光と、結像に不要な次数の回折光を同時に制限する。
【００３５】
図９は、この実施形態において、固体撮像素子１２に入射する回折型光学素子１５における２次回折光および０次回折光の分光特性を示すものである。この実施形態においても、図５との比較から明らかなように、第１実施例と同様に、結像に不要な次数の回折光の強度を、無視できる程度に低減することができる。
【００３６】
なお、この実施形態では、回折型光学素子１４に波長帯域制限手段を構成する多層膜を設けたが、レンズ群１４を構成するレンズ素子の屈折面や、光学部材１６、あるいは撮像素子１２の光電変換面を保護するカバーガラスに、同様の多層膜をコーティングしても、同じ効果を得ることができる。
【００３７】
この発明の第３実施形態では、図１に示す構成において、光学部材１６に波長帯域制限フィルタを設けるのではなく、撮像素子１２の光電変換面上に設けるＲＧＢ３原色のモザイク状の色フィルタを、図１０に示す分光特性を有するように構成することにより、該色フィルタを波長帯域制限手段としても作用させるようにしたものである。
【００３８】
図１１は、この実施形態において、固体撮像素子１２に入射する回折型光学素子１５における２次回折光および０次回折光の分光特性を示すものである。この実施形態においても、図５との比較から明らかなように、結像に不要な次数の回折光の強度を、無視できる程度に低減することができる。
【００３９】
なお、この実施形態でのＲＧＢの色フィルタは、ＲＧＢそれぞれのフィルタの分光感度が、図１０に示す特性となるような、透過型フィルタや干渉型フィルタなどで構成することはもちろん、例えば、図４に示した一般的な分光感度を有するフィルタと、図３に示すような分光特性を有するフィルタとの２層構造で構成することもできる。また、特に、短波長域での不要次数光の影響を低減するために、撮像素子１２の光電変換面の表層に設けられる短波長域の透過率を制御するためのＳｉＯ2 と多結晶Ｓｉとの多層膜の厚みを調整したり、暗電流除去のためのＰ型不純物注入層を厚くして、短波長域の分光特性を制御することもでき、これにより同様の効果を達成することができる。
【００４０】
上述した第１〜３実施形態において、結像光学系１１は、例えば、図１２に示すように、第１レンズ２５、絞り２６、第２レンズ２７、第３レンズ２８、第４レンズ２９、第５レンズ３０および第６レンズ３１をもって構成することができる。表１は、焦点距離７．００ｍｍ、Ｆナンバー２．９としたときの各レンズの一例のデータを示すものである。なお、図１２において、第３レンズ２８は、回折型光学素子を示す。また、表１において、♯はレンズ番号、ｒは屈折面の曲率半径、ｄはレンズ中心の厚みまたはレンズ間隔、ｎｄはｄ線の屈折率、νｄはｄ線のアッベ数を示し、＊が付いている面は、非球面を表わしている。
【００４１】
【表１】
また、上記の非球面は、例えば、表２に示す非球面係数を有するように形成する。
【００４３】
【表２】
【００４４】
なお、回折型光学素子は、図２に示したように、平板状の基板２１にレリーフパターン２２を形成したものに限らず、球面基板や、非球面基板上にレリーフパターン２２を形成して構成することもできるし、レリーフパターン２２も同心円状に限らず、結像光学系１１の機能に応じて、例えば、回転非対称な結像性能を必要とする場合には、楕円状のパターンとしたり、シリンドリカルレンズと同等の機能を有するように平行パターンとすることもできる。なお、実施形態においては、回折光学素子の設計次数に１次光を用いたが、さらに高次の次数を用いてもよい。
【００４５】
また、以上の各実施形態では、撮像素子１２の前にモザイク状のＲＧＢフィルタを配置した、いわゆる原色単板式撮像装置を構成するようにしたが、もちろんＣＭＹＧフィルタをモザイク状に配置した、いわゆる補色単板式撮像装置を構成することもできるし、撮影光束を色分解プリズムなどで波長帯域の異なる光束に分岐して、例えばＲＧＢ３枚の撮像素子でカラー画像を得る、いわゆる３板式撮像装置に代表される多板式撮像装置を構成することもできる。
【００４６】
図１３は、この発明の第４実施形態の要部の構成を示すものである。この実施形態は、３板式撮像装置を示すもので、対象物の像を結像光学系４１によりＲＧＢに分解して、対応する固体撮像素子４２Ｒ，４２Ｇ，４２Ｂに結像させるようにしたものである。結像光学系４１は、図２に示したような回折型光学素子を含むレンズ系４３と、このレンズ系４３による撮影光束をＲＧＢに分解する色分解プリズム４４とを有する。ここで色分解は、ダイクロイック膜を用いて行うことが、光の高率の利用高率の点からも一般的である。
【００４７】
この実施形態では、色分解プリズム４４のダイクロイック膜に、図１４に示すような分光透過率特性を持たせることにより、該色分解プリズム４４を、レンズ系４３に含まれる回折型光学素子からの不要次数の回折光を低減する波長帯域制限手段としても作用させる。なお、この実施形態において、回折型光学素子は、波長５３０ｎｍで最適化されている。
【００４８】
図１５は、この実施形態において、撮像素子４２Ｒ，４２Ｇ，４２Ｂにそれぞれ入射する回折型光学素子における２次回折光および０次回折光の分光特性を示すものである。図１５から明らかなように、この実施形態においても、上述した実施形態と同様に、結像に不要な次数の回折光の強度を、無視できる程度に低減することができる。
【００４９】
なお、この実施形態においては、色分解プリズム４４のＲの分光透過率特性を長波長域まで広げると共に、撮像光路中に赤外カットフィルタを配置して、色分解プリズム４４と赤外カットフィルタとの両方の作用で、図１４に示す分光透過率特性を得るよう構成することもできる。
【００５０】
以上の各実施形態では、電子撮像素子として固体撮像素子を用いたが、撮像管を用いる場合でも、この発明を有効に適用することができ、同様の効果を得ることができる。
【００５１】
付記項
１．対象物の像を結像光学系により電子撮像素子上に結像させるようにした撮像装置において、
前記結像光学系は、輪帯状の回折格子を有し、結像作用、もしくは、他のレンズ要素との組み合わせにより結像性能を向上させる作用を有する回折型光学素子と、この回折型光学素子を経た光の波長帯域を制限して、該回折型光学素子による回折光のうち、像形成に不要な次数の回折光の影響を低減するための波長帯域制限手段とを有することを特徴とする撮像装置。
２．対象物の像を結像光学系により電子撮像素子上に結像させるようにした撮像装置において、
前記結像光学系は、結像作用、もしくは、他のレンズ要素との組み合わせにより結像性能を向上させる作用を有する回折型光学素子と、この回折型光学素子を経た光の波長帯域を制限して、該回折型光学素子による回折光のうち、像形成に不要な次数の回折光の影響を低減するための波長帯域制限手段とを有し、
前記電子撮像素子には、その出力信号を処理して、前記対象物の色情報を補正する信号処理手段を結合したことを特徴とする撮像装置。
３．対象物の像を結像光学系により電子撮像素子上に結像させるようにした撮像装置において、
前記結像光学系は、輪帯状の回折格子を有する回折型光学素子と、この回折型光学素子を経た光の波長帯域を制限して、該回折型光学素子による回折光のうち、像形成に不要な次数の回折光の影響を低減するための波長帯域制限手段とを有し、
前記電子撮像素子には、その出力信号を処理して、前記対象物の色情報を補正する信号処理手段を結合したことを特徴とする撮像装置。
４．請求項１，２または３記載の撮像装置において、
前記条件式（１）〜（４）の少なくとも一つを満足する撮像装置。
５．請求項１，２または３記載の撮像装置において、
前記条件式（７）〜（１０）の少なくとも一つを満足する撮像装置。
６．付記項４または５記載の撮像装置において、
前記条件式（４）または（１０）として、前記条件式（１１）を用いることを特徴とする撮像装置。
７．請求項１，２または３記載の撮像装置において、
前記結像光学系は、波長帯域を制限するフィルタを有することを特徴とする撮像装置。
８．請求項１，２または３記載の撮像装置において、
前記波長帯域制限手段を、前記電子撮像素子の光電変換面を保護するカバーガラスに設けたことを特徴とする撮像装置。
９．請求項１，２または３記載の撮像装置において、
前記波長帯域制限手段は、前記結像光学系を構成する光学部材の表面に設けた多層膜をもって構成したことを特徴とする撮像装置。
１０．請求項１，２または３記載の撮像装置において、
前記波長帯域制限手段は、カラー画像を得るために、前記電子撮像素子の光電変換面に到達する波長帯域を制限する機能を併せ持つ波長帯域制限フィルタをもって構成したことを特徴とする撮像装置。
１１．付記項７または１０記載の撮像装置において、
前記フィルタまたは波長帯域制限フィルタは、色素を含むフィルタよりなることを特徴とする撮像装置。
１２．付記項７または１０記載の撮像装置において、
前記フィルタまたは波長帯域制限フィルタは、干渉型フィルタよりなることを特徴とする撮像装置。
１３．付記項１０記載の撮像装置において、
前記電子撮像素子を１枚として、カラー画像を得るよう構成したことを特徴とする撮像装置。
１４．付記項１０記載の撮像装置において、
前記電子撮像素子を複数枚として、カラー画像を得るよう構成したことを特徴とする撮像装置。
１５．付記項１３または１４記載の撮像装置において、
前記カラー画像を得るのに用いるフィルタが、前記波長帯域制限手段をも構成することを特徴とする撮像装置。
１６．付記項１３または１４記載の撮像装置において、
前記カラー画像を得るのに用いるフィルタが、カラー画像を得るために、前記電子撮像素子の光電変換面に到達する波長帯域を制限する機能を有するフィルタ部材と、像形成に不要な次数の回折光の影響を低減するためのフィルタ部材とからなることを特徴とする撮像装置。
１７．請求項１，２または３記載の撮像装置において、
前記波長帯域制限手段を、前記電子撮像素子の光電変換面上に設ける短波長吸収層をもって構成したことを特徴とする撮像装置。
１８．付記項７〜１７のいずれか記載の撮像装置において、
前記条件式（１）〜（４）の少なくとも一つを満足する撮像装置。
１９．付記項７〜１７のいずれか記載の撮像装置において、
前記条件式（７）〜（１０）の少なくとも一つを満足する撮像装置。
２０．付記項１８または１９記載の撮像装置において、
前記条件式（４）または（１０）として、前記条件式（１１）を用いることを特徴とする撮像装置。
【００５２】
【発明の効果】
この発明によれば、回折型光学素子を用いる場合の最適化波長以外の波長に対する不要な次数の回折光による光学性能の低下を有効に軽減できるので、高精度の撮像装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１実施形態の概略構成図である。
【図２】図１に示す回折型光学素子の構成を示す図である。
【図３】第１実施形態で用いる波長帯域制限フィルタの分光特性を示す図である。
【図４】第１実施形態で用いるＲＧＢ色フィルタの分光特性を示す図である。
【図５】第１実施形態において波長帯域制限を受けないときの像形成に不要な回折光の分光特性を示す図である。
【図６】第１実施形態で波長帯域制限を受けたときの像形成に不要な回折光の分光特性を示す図である。
【図７】この発明の第２実施形態で用いる赤外カットフィルタの分光透過率特性を示す図である。
【図８】第２実施形態で用いる多層膜の分光透過率特性を示す図である。
【図９】第２実施形態で波長帯域制限を受けたときの像形成に不要な回折光の分光特性を示す図である。
【図１０】この発明の第３実施形態で用いるＲＧＢ色フィルタの分光特性を示す図である。
【図１１】第３実施形態で波長帯域制限を受けたときの像形成に不要な回折光の分光特性を示す図である。
【図１２】回折型光学素子を含む結像光学系の一例の構成を示す図である。
【図１３】この発明の第４実施形態を示す概略構成図である。
【図１４】第４実施形態で用いるダイクロイック膜の分光透過率特性を示す図である。
【図１５】第４実施形態で波長帯域制限を受けたときの像形成に不要な回折光の分光特性を示す図である。
【図１６】ブレーズ化さたレリーフパターンを示す図である。
【図１７】１次回折光に対して最適化された回折型光学素子の波長と１次回折光の回折効率との関係を示す図である。
【図１８】１次回折光に対して最適化された回折型光学素子の波長と、０次回折光および２次回折光との回折効率の関係を示す図である。
【図１９】カラー画像を形成する撮像装置の分光特性を示す図である。
【図２０】回折型光学素子を用いたときの像形成に寄与する回折光の分光特性を示す図である。
【図２１】回折型光学素子を用いたときの像形成に不要な回折光の分光特性を示す図である。
【符号の説明】
１１ 結像光学系
１２ 固体撮像素子
１３ 信号処理回路
１４ レンズ群
１５ 回折型光学素子
１６ 光学部材
２１ 基板
２２ レリーフパターン
Claims (3)
- 対象物の像を結像光学系により電子撮像素子上に結像させるようにした撮像装置において、
前記結像光学系は、結像作用、もしくは、他のレンズ要素との組み合わせにより結像性能を向上させる作用を有する回折型光学素子と、該回折型光学素子を経た光の波長帯域を制限して、前記回折型光学素子による回折光のうち、像形成に不要な次数の回折光の影響を低減するための波長帯域制限手段とを有し、該波長帯域制限手段を前記電子撮像素子の光電変換面上に設ける短波長吸収層をもって構成して、以下の条件式（１）〜（４）の少なくとも一つを満足することを特徴とする撮像装置。
Ａ０／Ａa＜０．１ ・・・・（１）
０．７＜λＳ／λ０＜０．９５ ・・・・（２）
１．２＜λＬ／λ０＜１．５ ・・・・（３）
｜Ｃ１−Ｃ２｜＜２０％ ・・・・（４）
但し、
Ａa：像形成に不要な次数の回折光量が無視できないレベルとなる対象波長帯域におけ る全光量
Ａ０：対象波長帯域における像形成に不要な次数の回折光の光量
λ０：最適化波長
λＳ：最適化波長よりも短波長領域で光量を５０％カットする波長
λＬ：最適化波長よりも長波長領域で光量を５０％カットする波長
Ｃ１、Ｃ２：最適化波長λ０で回折次数が最適化されたときの対象波長帯域（λ１＜λ０＜λ２）に対して、それぞれ波長λ１、λ２における利用する回折次数光の回折効率（％） - 対象物の像を結像光学系により電子撮像素子上に結像させるようにした撮像装置において、
前記結像光学系は、輪帯状の回折格子を有する回折光学素子と、該回折型光学素子を経た光の波長帯域を制限して、前記回折型光学素子による回折光のうち、像形成に不要な次数の回折光の影響を低減するための波長帯域制限手段とを有し、該波長帯域制限手段を前記電子撮像素子の光電変換面上に設ける短波長吸収層をもって構成して、以下の条件式（１）〜（４）の少なくとも一つを満足することを特徴とする撮像装置。
Ａ０／Ａa＜０．１ ・・・・（１）
０．７＜λＳ／λ０＜０．９５ ・・・・（２）
１．２＜λＬ／λ０＜１．５ ・・・・（３）
｜Ｃ１−Ｃ２｜＜２０％ ・・・・（４）
但し、
Ａa：像形成に不要な次数の回折光量が無視できないレベルとなる対象波長帯域におけ る全光量
Ａ０：対象波長帯域における像形成に不要な次数の回折光の光量
λ０：最適化波長
λＳ：最適化波長よりも短波長領域で光量を５０％カットする波長
λＬ：最適化波長よりも長波長領域で光量を５０％カットする波長
Ｃ１、Ｃ２：最適化波長λ０で回折次数が最適化されたときの対象波長帯域（λ１＜λ０＜λ２）に対して、それぞれ波長λ１、λ２における利用する回折次数光の回折効率（％） - 対象物の像を結像光学系により電子撮像素子上に結像させるようにした撮像装置において、
前記結像光学系は、回折型光学素子と、該回折型光学素子を経た光の波長帯域を制限して、前記回折型光学素子による回折光のうち、像形成に不要な次数の回折光の影響を低減するための波長帯域制限手段とを有し、該波長帯域制限手段を前記電子撮像素子の光電変換面上に設ける短波長吸収層をもって構成して、
前記電子撮像素子には、その出力信号の処理手段であって、前記対象物の色情報が損なわれないように補正する信号処理手段を結合したことと、以下の条件式（１）〜（４）の少なくとも一つを満足することを特徴とする撮像装置。
Ａ０／Ａa＜０．１ ・・・・（１）
０．７＜λＳ／λ０＜０．９５ ・・・・（２）
１．２＜λＬ／λ０＜１．５ ・・・・（３）
｜Ｃ１−Ｃ２｜＜２０％ ・・・・（４）
但し、
Ａa：像形成に不要な次数の回折光量が無視できないレベルとなる対象波長帯域におけ る全光量
Ａ０：対象波長帯域における像形成に不要な次数の回折光の光量
λ０：最適化波長
λＳ：最適化波長よりも短波長領域で光量を５０％カットする波長
λＬ：最適化波長よりも長波長領域で光量を５０％カットする波長
Ｃ１、Ｃ２：最適化波長λ０で回折次数が最適化されたときの対象波長帯域（λ１＜λ０＜λ２）に対して、それぞれ波長λ１、λ２における利用する回折次数光の回折効率（％）
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