JP4269386B2

JP4269386B2 - 撮像光学系

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Publication number: JP4269386B2
Application number: JP01859699A
Authority: JP
Inventors: 圭司大沢
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1999-01-27
Filing date: 1999-01-27
Publication date: 2009-05-27
Anticipated expiration: 2019-01-27
Also published as: JP2000214415A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子カメラの撮像光学系に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＣＣＤなどの撮像素子を用いたデジタルスチルカメラ（以下、本明細書中ではデジタルスチルカメラを単に「ＤＳＣ」と称する）では、被写体の空間周波数と撮像素子の前面にあるドット状色分解フィルタの繰り返しピッチとのビートにより発生する色の偽信号、いわゆる「色モアレ」の発生を防止するために、撮影レンズと撮像素子との間に空間周波数フィルタが配設される。この空間周波数フィルタは、複屈折効果を有する複屈折板を用いて構成されており、複屈折板の有する複屈折効果によってビートを起こす空間周波数を制限する。複屈折板の材料としては、一般的に水晶が用いられる。
【０００３】
特公平６−２０３１６号公報には、上述した複屈折板を２枚用い、ドット状の色分解フィルタを有する撮像素子に適した空間周波数フィルタが提案されている。この空間周波数フィルタは、複屈折による像のずれる方向をほぼ９０度ずらした２枚の複屈折板で、位相差板としての１／４波長板を挟んだ構成のものとなっている。
【０００４】
ところで、ＤＳＣのうち、レンズ交換のできる一眼レフタイプのＤＳＣでは、縮小光学系等を用いずに撮影レンズの一次結像面に直接撮像素子を配置するいわゆるダイレクト結像式のものが近年主流になりつつある。ダイレクト結像式のものが主流になりつつある背景として、従来のテレビカメラ等で用いられていた２／３インチサイズ（６．８ｍｍ×８．８ｍｍ程度）や１インチサイズ（９．３ｍｍ×１４ｍｍ程度）のＣＣＤに代わり、１５．５ｍｍ×２２．８ｍｍ程度のイメージエリアサイズの大きなＣＣＤが製造され、これを利用することができるようになったことによる。この程度のイメージエリアの大きさがあれば、銀塩フィルムでのＩＸ２４０システム（ＡＰＳ）におけるＣタイプにほぼ匹敵するサイズ（縦横比約２：３＝１５．６ｍｍ×２２．３ｍｍ）の画面となる。比較的大きなイメージエリアサイズのＣＣＤを用いることにより、２／３インチサイズや１インチサイズのＣＣＤを用いたのでは３５ｍｍフィルムに比べＣＣＤのサイズが小さすぎるために３５ｍｍフィルムサイズのごく一部しか撮影できないといった不具合が解消される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、撮影レンズによる一次像をＣＣＤにダイレクト結像させる一眼レフタイプのＤＳＣでは、イメージエリアサイズが増すにつれ、以下に説明するように光学的な問題点が無視できなくなってくる。
【０００６】
画素数を増すことなくＣＣＤのイメージエリアを拡大すると、画素一つ一つの大きさが大きくなる。画素の大きさが増すと、画素ピッチも増す。空間周波数フィルタは、一つの入射光を複数の光に空間的に分離するものであるが、これらの光の相対ずれ量を画素ピッチの増加に応じて増す必要がある。この相対ずれ量を増すためには複屈折板の厚みを増す必要があり、したがって空間周波数フィルタの厚みは増す。
【０００７】
ところで、厚さｄ、屈折率ｎを有する媒質中を光が透過して進む場合の空気換算光路長は、ｄ／ｎで表される。つまり、同じ屈折率ｎの媒質中を光が進む場合に、厚さｄが異なれば空気換算光路長（以下、本明細書中では空気換算光路長を単に「空気換算長」と称する）も異なる。いま、撮影光学系の光軸上の一点からＣＣＤに向けて出射し、画面中央に達する光と画面周辺に達する光とを考える。
【０００８】
画面中央に達する光は、空間周波数フィルタの光入射面に対し、ほぼ直角に入射するので、ｄは空間周波数フィルタの厚みにほぼ等しい。これに対し、画面周辺に達する光は空間周波数フィルタ中を斜めに進むため、画面中央に達する光に比べてｄが大きくなる。このように、画面中央に達する光と画面周辺に達する光とで空間周波数フィルタを透過する際の空気換算長が異なるため、画面中央部と画面周辺部とでは光軸方向に焦点ずれを生じる。
【０００９】
ＣＣＤのイメージエリア拡大すなわち画素ピッチが大きくなると空間周波数フィルタの厚みも増加する。空間周波数フィルタの厚み増加によって上述した焦点ずれの量も大きくなり、特に画面周辺部における画質低下の要因となる場合があった。
【００１０】
本発明は、撮像素子のイメージエリアが拡大、あるいは画素ピッチが拡大されても、画面周辺部における画質の低下を抑制可能な空間周波数フィルタを備えた撮像光学系を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
（１）一実施の形態を示す図１に対応付けて以下の発明を説明すると、請求項１に記載の発明は、入射光を第１の方向に沿って空間的に分割された二つの光に分離するための第１複屈折板１１と；第１複屈折板１１から射出される二つの光のそれぞれのうち、一の振動方向に振動する成分の光と、一の振動方向に対して直交する他の振動方向に振動する成分の光との間に１／４波長分の位相差を生じせしめる１／４波長板１３と；１／４波長板１３から射出される二つの光のそれぞれを第１の方向と異なる第２の方向に沿って空間的に分割された二つの光に分離するための第２複屈折板１２とを有する光学的空間周波数フィルタＳＦを、撮影レンズ１０と撮像素子３５との間の光路中に配設する撮像光学系に適用される。そして、第１複屈折板１１および第２複屈折板１２は略同一の厚さおよび材質であって；撮影レンズ１０に近い側から順に第１複屈折板１１、１／４波長板１３および第２複屈折板１２が配列され；撮像素子３５の撮像面の対角方向の最大像高をＡ、撮像面３５ｐから撮影レンズ１０の射出瞳Ｌまでの空気換算長をＰＯとしたとき、Ａ／ＰＯ≧０．１５の場合に第１複屈折板１１および第２複屈折板１２の厚みｔ１および正常光に対する屈折率ｎ１が以下の条件式を満足することにより上述した目的を達成する。
【数４】

（２）一実施の形態を示す図９に対応付けて以下の発明を説明すると、請求項２に記載の発明に係る撮像光学系の空間周波数フィルタＳＦＡは、第１複屈折板１１Ａおよび第２複屈折板１２Ａが略同一の正常光に対する屈折率ｎ１を有するものである。そして、撮影レンズ１０に近い側から第１複屈折板１１Ａ、１／４波長板１３Ａおよび第２複屈折板１２Ａが配列され；撮像素子３５の撮像面３５ｐの対角方向の最大像高をＡ、撮像面３５ｐから撮影レンズ１０の射出瞳Ｌまでの空気換算長をＰＯとしたとき、Ａ／ＰＯ≧０．１５の場合に第１複屈折板１１Ａの厚みｔ１１および正常光に対する屈折率ｎ１ならびに第２複屈折板１２Ａの厚みｔ１２および正常光に対する屈折率ｎ１が以下の条件式を満足するものである。
【数５】

（３）一実施の形態を示す図１０に対応付けて以下の発明を説明すると、請求項３に記載の発明に係る撮像光学系の空間周波数フィルタＳＦＢは、第１複屈折板１１Ｂおよび第２複屈折板１２Ｂは互いに異なる厚みおよび正常光に対する屈折率を有し；撮影レンズ１０に近い側から第１複屈折板１１Ｂ、１／４波長板１３および第２複屈折板１２Ｂが配列され；撮像素子３５の撮像面３５ｐの対角方向の最大像高をＡ、撮像面３５ｐから撮影レンズ１０の射出瞳Ｌまでの空気換算長をＰＯとしたとき、Ａ／ＰＯ≧０．１５の場合に第１複屈折板１１Ｂの厚みｔ１１および正常光に対する屈折率ｎ１１ならびに第２複屈折板１２Ｂの厚みｔ１２および正常光に対する屈折率ｎ１２が以下の条件式を満足するものである。
【数６】

【００１２】
なお、本発明の構成を説明する上記課題を解決するための手段の項では、本発明を分かり易くするために発明の実施の形態の図を用いたが、これにより本発明が実施の形態に限定されるものではない。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１は、ＤＳＣの内部において撮影レンズ１０と撮像素子３５との間に空間周波数フィルタＳＦが配設される様子を概略的に示す図である。空間周波数フィルタＳＦは、２枚の複屈折板１１および１２の間に位相差板１３を挟んだ構成となっている。複屈折板１１および１２の厚さは等しく、ｔ１である。位相差板１３の厚さはｔ２である。また複屈折板１１および１２の屈折率はｎ１であり、位相差板１３の屈折率はｎ２である。撮像素子３５にはＣＣＤやＭＯＳ型イメージセンサ等の素子が用いられる。
【００１４】
上記空間周波数フィルタＳＦの作用について図２を参照して説明する。なお、図２において撮影レンズ１０の光軸と平行な方向にＸ軸をとり、撮像素子３５の画素配列方向のうちの水平配列方向に平行な方向にＹ軸をとり、同じく垂直配列方向にＺを軸をとる。そしてこれらＸ、Ｙ、Ｚ軸に沿う方向をそれぞれＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向と称して説明をする。図２において、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸はそれぞれ互いに略直交する。
【００１５】
複屈折板１１および１２は、それらの複屈折方向が互いに略直交するように配設される。位相差板１３は、入射する直線偏光のうち、一の振動方向に振動する成分の光と、一の振動方向に対して直交する他の振動方向に振動する成分の光との間に１／４波長分の位相差を生じせしめるためのものであり、１／４波長板とも称される。
【００１６】
複屈折板１１は、入射光３６をＹ方向に沿って以下に説明するように空間的に分離する。すなわち複屈折板１１は、入射光３６を互いに直交する振動方向を有する二つの直線偏光である正常光３７と異常光３８とに分離する。これら正常光３７および異常光３８に対して複屈折板１１は異なる屈折率を有している。したがって、正常光３７および異常光３８が複屈折板１１を透過する際に相異なる屈折作用を受け、上述したように空間的に分離される。
【００１７】
正常光３７および異常光３８は、位相差板１３を透過する際にそれぞれ円偏光３７’および３８’に変換される。円偏光３７’および３８’に対して複屈折板１２は、自然光（ランダム偏光）に対するのと同等の作用をするので、円偏光３７’および３８’は複屈折板１２によってそれぞれＺ方向に空間的に分離される。つまり、円偏光３７’は正常光３９と異常光４０とに空間的に分離される一方、円偏光３８’は正常光４１と異常光４２とに空間的に分離される。
【００１８】
上述のようにして、入射光３６は周波数フィルタＳＦを透過して互いに略直交するＸ方向およびＹ方向に空間的に分離され、撮像素子３５上に４重像が形成される。複屈折板１１および１２は、上述したようにその複屈折方向が互いに直交するように配設されているため、４重像を構成する各点において強度が等しくなる。
【００１９】
複屈折板１１および１２の複屈折作用による分離量ｄは、以下の式（４８）で求められる。
【数７】
ｄ＝ｔ×（ｎｅ²−ｎｏ²）／（２×ｎｅ・ｎｏ） … 式（４８）
ここでｔ：複屈折板１１または１２の厚さ
ｎｅ：異常光に対する屈折率
ｎｏ：正常光に対する屈折率
【００２０】
以上の式（４８）において、ｄは撮像素子３５の画素ピッチによって決まり、ｎｅおよびｎｏは複屈折板１１および１２の材質によって決まる。つまり、複屈折板１１または１２の厚さｔ１は、撮像素子３５の画素ピッチと複屈折板１１および１２の材質とによって決まる。
【００２１】
ここでは詳細に説明しないが、位相差板１３の厚さｔ２も同様にして定められる。すなわち、上述したように入射する直線偏光のうち、一の振動方向に振動する成分の光と、一の振動方向に対して直交する他の振動方向に振動する成分の光との間に１／４波長分の位相差が生じるように位相差板１３の厚さｔ２が定められる。以上のようにして定められる位相差板１３の厚さｔ２は、一般的に０．５ｍｍ程度となる。
【００２２】
以上のように構成される空間周波数フィルタＳＦの厚みと撮像素子３５のイメージエリアサイズとの関連について説明する。
【００２３】
ここで、２／３インチのイメージエリアサイズを有する１３０万画素程度の撮像素子を用いる場合と、１５．５ｍｍ×２２．８ｍｍのイメージエリアサイズを有する２００万画素程度の撮像素子を用いる場合とを例にとり、空間周波数フィルタの総厚がどの程度になるかについて一般論を述べる。そして、空間周波数フィルタの厚みが増すことにより生じる光学的な問題点について説明する。
【００２４】
２／３インチ程度の画面サイズで１３０万画素程度の画素数を有する撮像素子では、画素ピッチは６．６μｍ程度である。複屈折板として最も一般的な水晶を用いてこの程度の画素ピッチに相当する像の分離量を得るに必要な厚みｔを求めると、以下のようになる。水晶は、５８９ｎｍの波長を有する光に対して以下の屈折率を有する。
ｎｅ＝１．５５３３６
ｎｏ＝１．５４４２５
【００２５】
式（４８）においてｄ＝６．６μｍとして逆算すると、複屈折板１枚あたりの厚さｔは１．１２ｍｍ程度になる。位相差板の厚さは分離量に関係なく、上述のように０．５ｍｍ程度必要なので、この場合に空間周波数フィルタとして３枚貼り合わせた厚さは２．７４ｍｍ程度となる。
【００２６】
一方、ＩＸ２４０システムにおけるＣタイプに匹敵するような、１５．５ｍｍ×２２．８ｍｍ程度のイメージエリアサイズで約２００万画素程度の画素数を有する撮像素子では、その画素ピッチは約１３．２μｍとなる。複屈折板を２／３インチ撮像素子の例と同様に水晶で構成するものとし、画素ピッチ１３．２μｍに相当する像の分離量を得るのに必要な厚みｔを求めると、式（４８）においてｄ＝１３．２μｍとして逆算し、ｔ＝２．２５ｍｍとなる。この複屈折板２枚の厚みと位相差板の厚み０．５ｍｍを合わせると、空間周波数フィルタの総厚は約５ｍｍとなり、画素ピッチが６．６μｍのときの空間周波数フィルタの厚みの約８２％増しとなってしまう。さらに、撮像素子を用いたＤＳＣでは、撮像素子の分光感度が人間の目のそれと異なるため、撮像光路内に赤外光をカットするＩＲカットフィルタを配置するのが通例である。このＩＲカットフィルタ（厚さ０．５ｍｍ程度）も、空間周波数フィルタと貼り合わせて配置する。すると画素ピッチ１３．２μｍ対応の空間周波数フィルタは、ＩＲカットフィルタと合わせて合計４枚で５．５ｍｍもの厚さになる。
【００２７】
ここで図３を参照し、撮影レンズ１０と撮像素子３５との間に総厚Ｔの空間周波数フィルタＳＦが配設されることにより生じる光学的な問題点について説明する。
【００２８】
いま、説明を簡略化するために撮影レンズ１０と撮像素子３５との間に配設される総厚Ｔの空間周波数フィルタＳＦは均一な屈折率ｎを有するものとする。空間周波数フィルタＳＦを撮影レンズ１０と撮像素子３５との間に配設したことにより、レンズ１０と撮像素子３５の撮像面３５ｐとの間の空気換算長は、この空間周波数フィルタＳＦが存在しない場合に比べて以下の式（４９）で示されるように変化する。
【数８】

【００２９】
ところで、上記式（４９）で表される空気換算長の変化量Δ１は、撮影レンズ１０の光軸Ａｘ上を進む光線に関するものであって、空間周波数フィルタＳＦに垂直に光線が入射する場合にのみ成立する。レンズ１０の射出瞳Ｌの中心Ｐを通ってフィルタＳＦへの入射角φが最大になるのは撮像素子３５の撮像面３５ｐの対角の隅３５ａに光線ＳＲが入射する場合である。この光線ＳＲのフィルタＳＦ入射後の屈折角をθ１、光線ＳＲのフィルタＳＬ中の光路長をＬ１とすると、光線ＳＲの進行方向に沿う空気換算長の変化量Δ３は、以下の式（５０）で求められる。そして、この式（５０）から光軸方向の空気換算長の変化量Δ２は、以下の式（５１）で求められる。
【数９】

【００３０】
式（４９）および式（５１）より、撮像素子３５の撮像面３５ｐの中心３５ｃに達する光線と対角の隅の点３５ａに達する光線とでは空気換算長の変化量に以下の式（５２）で示されるような差Δ２−Δ１を生じる。この差により画面中心と周辺とで焦点ずれを生じ、撮影レンズ１０の結像面が平坦でなくなる。したがって、上述した差Δ２−Δ１が大きくなると画面周辺部での画質低下を招く。
【数１０】

【００３１】
差Δ２−Δ１は、式（５２）から明らかなように、画面対角の隅３５ａへ入射する光線であっても空間周波数フィルタＳＦへの入射角がそれほど大きくない限りθ１ φとみなせるので、Δ２−Δ１は０とみなせる。
【００３２】
画面対角の隅へ入射する光線であっても空間周波数フィルタＳＦへの入射角がそれほど大きくならない条件は、以下の二つである。すなわち、第１の条件は、撮影レンズ１０の射出瞳Ｌと撮像面３５ｐとの距離（ＰＯ）が長いことである。第２の条件は、撮像素子３５のイメージエリアサイズが小さい、つまり撮像面３５ｐのエリアサイズが小さくて画面中心３５ｃから画面対角の隅３５ａまでの距離Ａが小さいことである。
【００３３】
一眼レフタイプのＤＳＣでは、銀塩の１３５タイプフィルムを用いるカメラに用いられる交換レンズがそのまま使用できることが多いので、ＰＯの比較的短い５０ｍｍ程度のレンズも用いられる。撮像素子の撮像サイズを仮に２４ｍｍ×１６ｍｍ（横：縦＝３：２）、画素ピッチ１３．２μｍとし、ＰＯ＝５０ｍｍのレンズ１０を装着した場合、上述した差Δ２−Δ１がどの程度になるか算出してみる。
【００３４】
フィルタＳＦの厚さ５ｍｍ（画素ピッチ１３．２μｍ、位相差板の厚み０．５ｍｍを含む）、ｎ＝１．５４（水晶）と仮定すると、画面対角の像高＝１４．４ｍｍとなり、空間周波数フィルタへの入射角φ＝１６．１°となる。屈折の法則よりθ１＝１０．４°となり、式（５２）より画面中央３５ｃと画面対角３５ａでの焦点ずれ量Δ２−Δ１は約７５μｍとなる。
【００３５】
上記計算結果を先に例示した２／３インチサイズ（対角の像高＝５．６ｍｍ、画素ピッチ６．６μｍ）の撮像素子を用い、ＰＯ＝１００ｍｍのレンズがついた場合と比較してみると、入射角φ＝３．２°よりθ１＝２．１°となる。２／３インチサイズの撮像素子の画素ピッチは６．６μｍであることより、空間周波数フィルタＳＦ（ｎ＝１．５４）の厚さが約２．７ｍｍ（同じく位相差板含む）となるので、この場合の画面対角での焦点ずれ量Δ２−Δ１は約１．６μｍとなり、７５μｍの約２％でしかない。
【００３６】
ところで、撮像素子で撮像した場合の焦点深度について論じる場合に、前提となる許容錯乱円の直径、すなわち許容錯乱円径をどのように定めるかが問題となる。１３５タイプ（３５ｍｍフルサイズ）の銀塩フィルムでは、許容錯乱円径を約３３μｍ（＝１／３０ｍｍ）とする説がある。一方、撮像素子で撮像した場合には、許容錯乱円径を撮像素子の画素ピッチの何倍とするかについて１倍から３倍程度の間で諸説あるが、ここでは、許容錯乱円径を仮に画素ピッチの２倍の大きさとする。
【００３７】
焦点深度は、撮影レンズの設定絞り値と許容錯乱円径との積で求められる。したがって、撮影レンズの設定絞り値をＦ２．８、画素ピッチを１３．２μｍとした場合の焦点深度は、２．８×１３．２μｍ×２＝７４μｍとなる。また、撮影レンズの設定絞り値をＦ２．８、画素ピッチを６．６μｍとした場合の焦点深度は２．８×６．６μｍ×２＝３６μｍとなる。３６μｍの焦点深度に対し１．６μｍの焦点ずれは全く問題とならないが、７４μｍの焦点深度に対し７５μｍの焦点ずれは大きな問題となる。たとえ画面中央で誤差なしで焦点がぴったりと合ったとしても、画面対角の隅では空間周波数フィルタＳＦの厚さによる焦点ずれが焦点深度を既に超えており、これにさらに画面中央での焦点合わせの誤差要因（撮像画面の位置調整精度、レンズのピント合わせ誤差等）が加われば、画面対角の画像において誤差要因に対する許容幅が全くなくなってしまうからである。
【００３８】
空間周波数フィルタへの入射角と上述した焦点ずれ量との関係を、空間周波数フィルタの厚さをパラメータとしてグラフ化したのが図４である。図４のグラフにおいて、曲線１が画素ピッチ１３．２μｍの撮像素子に対応した水晶の複屈折板を用いた比較的厚い空間周波数フィルタによる焦点ずれ量の変化を示し、曲線２が画素ピッチ６．６μｍの撮像素子に対応した水晶の複屈折板を用いた比較的薄い空間周波数フィルタによる焦点ずれ量の変化を示している。ＰＯ＝５０ｍｍ、画素ピッチ１３．２μｍ、対角像高１４．４ｍｍの場合がＴ点であり、ＰＯ＝１００ｍｍ、画素ピッチ６．６μｍ、対角像高５．６ｍｍの場合がＳ点で表される。
【００３９】
画素ピッチ６．６μｍの撮像素子を２４ｍｍ×１６ｍｍまで大型化すると、画面対角での焦点ずれ量はＳ点から曲線２に沿って右上がりに増大し、入射角１６．１°でのＳ１点の値となる。しかし、大型化した撮像素子の画素ピッチは画素数の増大と製作上の歩留まり等を比較考量し、また感度を向上させる目的もあり、画素ピッチも大きくするのが一般的である。すると、それに対応して水晶を用いた空間周波数フィルタの厚さも増さなければならない。
【００４０】
この空間周波数フィルタの厚さ増しによって、焦点ずれ量は曲線２上のＳ１点からさらに上に向かって増大し、画素ピッチ１３．２μｍの撮像素子の場合は曲線１上のＴ点となる。このように、イメージエリアサイズの大きい撮像素子において画面対角での焦点ずれ量が飛躍的に増大するのは、画面対角への入射光のフィルタへの入射角が増大することと、画素ピッチの増大によりフィルタの厚さの増大を招くこととが相乗されるからである。
【００４１】
図４と同様のグラフを図５に示す。図５では画素ピッチ１３．２μｍの撮像素子に対応した水晶の複屈折板を用いた空間周波数フィルタによる焦点ずれ量の変化を示す曲線と、画素ピッチ９μｍの撮像素子に対応した水晶の複屈折板を用いた空間周波数フィルタによる焦点ずれ量の変化を示す曲線とが図示されている。
【００４２】
いま、上述した焦点ずれの許容値を焦点深度の１／３と仮定する。撮影レンズの設定絞り値がＦ２．８の場合、焦点深度は２．８×画素ピッチ×２で与えられる。焦点ズレの許容値を画素ピッチで表現すると、２．８×画素ピッチ×２÷３＝１．９×画素ピッチとなる。１．９画素ピッチの焦点ずれ（１３．２μｍの画素ピッチで２５．１μｍ、９μｍの画素ピッチで１７．１μｍ）は、図５より入射角約９．５°付近のときに生じることが読み取れる。ＴＡＮ９°＝０．１５８となるので、画面対角の像高をＡとしたとき、ＴＡＮφ＝Ａ／ＰＯ≧０．１５程度を越すようなＰＯ、および画面対角の像高Ａの組み合わせを有することがある場合に画面対角での焦点ずれを考慮したフィルタにしなければならないことがわかる。
【００４３】
ここで再び図１を参照し、本発明の実施の形態に係る空間周波数フィルタＳＦで如何にして上述した焦点ずれが減じられるかについて説明する。図１に示すように、撮影レンズ１０の射出瞳Ｌの中心を通って撮像面３５ｐの対角の隅３５ａへ入射する光線ＳＲの複屈折板１１に入射後の屈折角をθ１（複屈折板１１および１２の屈折率は互いに等しいので、複屈折板１２に入射後の屈折角も同じθ１である）とする。同じく、光線ＳＲの位相差板１３入射後の屈折角をθ２とする。また、複屈折板１１、１２の屈折率をｎ１、位相差板１３の屈折率をｎ２とする。
【００４４】
複屈折板１１、位相差板１３、そして複屈折板１３それぞれを透過することにより生じる画面対角での焦点ずれ量は、式（５２）より、複屈折板１１、１２それぞれによる分が以下の式（５３）で、位相差板１３による分が以下の式（５４）でそれぞれ求められる。空間周波数フィルタＳＦにより画面対角で生じる焦点ずれ量Δａは両者の和となり、以下の式（５５）により求めることができる。
【数１１】

【００４５】
この画面対角での焦点ずれ量の許容値の考え方について再度説明する。画面中央（＝レンズ光軸上）での焦点位置には、ピント合わせ誤差（ＡＦによる側距誤差やレンズ停止精度誤差、あるいはマニュアルの場合のピント合わせ誤差）が必ずといってよいほど存在し、カメラの像面位置自体の機械的精度自体も誤差＝０とすることは困難である。よってこれらの誤差は、最終的には像面の焦点深度（＝撮影レンズの設定絞り値と許容錯乱円径との積）によってカバーしなければならない。したがって、焦点ずれ量の許容値＝焦点深度とすることはできず、焦点ずれ量の許容値は焦点深度のＫ倍（Ｋ＜１）以内としなければならないこととなる。画面中央における上述したピント精度のばらつき要因を考慮すると、焦点深度の１／４〜１／３程度（０．２５≦Ｋ≦０．３５）にするのが常識的な値と考えられる。
【００４６】
一方、既に述べたように、撮像素子での撮像画面の場合、許容錯乱円径が撮像素子の画素ピッチの何倍となるかについては１倍〜３倍程度の間で諸説あるので、許容錯乱円径をＢ×ｄ（１≦Ｂ≦３、ｄ：画素ピッチ）とする。
【００４７】
撮影レンズ１０の設定絞り値をＦｎｏとし、上述した関係を数式で表すと、式（５６）で示される。
【数１２】

【００４８】
レンズの射出瞳Ｌから撮像面３５ｐまでの距離と撮像素子３５のイメージエリアサイズを固定し、位相差板の材質と厚さを一定（例えば一般的な水晶で厚さ０．５ｍｍ程度）とすれば、ｎ２＝１．５４、θ２＝１０．４°、ｔ２＝０．５と、定数となる。また、φも一定値となり、式（５６）の左辺第２項は定数となる。したがって、θ１はｎ１の関数として表すことができ、式（５６）は以下の式（５７）のように表すことができる。
【数１３】

【００４９】
ここで画面対角の像高１４．４ｍｍ（２４ｍｍ×１６ｍｍの対角）、像面からレンズの射出瞳までが空気換算長で５０ｍｍ、Ｋ＝０．３、Ｂ＝３、ｄ＝１２μｍ、Ｆｎｏ＝２．８の場合を考えると、フィルタへの入射角φ＝１６．１°、θ２＝１０．４゜より、Ｙ（ｎ１）およびＣは以下の式（６３）および式（６４）で求められる。
【数１４】

【００５０】
これらの値を代入して、式（５７）の関係をｎ１を横軸に、ｔ１を縦軸にとってグラフにすると、図６の曲線Ｇのようになる。式（５７）の不等式を満たすｔ１とｎ１の組み合わせは、図６の曲線Ｇより下の領域に存在する組み合わせとなる。複屈折板１１および１２の材料として、上述のような屈折率ｎ１および厚みｔ１の組み合わせとなるように選定することにより、画面対角での焦点ずれ量が所定の値（ＢとＫの値を決めることにより決まった許容値）以下となる。例えば複屈折板１１および１２に水晶を用いる場合を考える。この複屈折板１１および１２に水晶を用いたときの厚さをｔ１ｑとすれば、ｄ＝１２μｍを式（４８）に代入してｔ１ｑ＝２．０４ｍｍとなる。水晶の屈折率ｎ１ｑ＝１．５４であるから、図６に示すグラフ中の（ｎ１ｑ、ｔ１ｑ）の座標は点Ｑの位置になり、画面対角での焦点ずれ量が許容値以下にはならないことがわかる。
【００５１】
そこで、水晶と同じ複屈折作用を有する材料として知られるリチウムナイオベート（ＬｉＮｂＯ３）を複屈折板１１および１２の材料として用いる場合を考える。リチウムナイオベートの異常光屈折率ｎｅおよび正常光屈折率ｎｏは、それぞれ、ｎｅ＝２．２２３８、ｎｏ=２．３１３２（＝ｎ１ｂ）である。この複屈折板１１および１２の材料としてリチウムナイオベートを用いたときの厚さをｔ１ｂとすれば、ｄ＝１２μｍおよび上述のｎｅ、ｎｏを式（４８）に代入してｔ１ｂ＝０．３ｍｍとなる。
【００５２】
（ｎ１ｂ，ｔ１ｂ）の座標は、図６のグラフにおいて点ＮＢの位置となる。点ＮＢは曲線Ｇよりも下の領域にあり、焦点ずれが余裕をもって許容値内に収まることがわかる。
【００５３】
次に、評価基準を厳しく取り、Ｋ＝０．２５、Ｂ＝１．５としたときのグラフを図７に示す。この評価基準では、複屈折板１１および１２の材料としてリチウムナイオベートを用いた場合の点ＮＢも曲線Ｇ’の上側の領域に位置し、厳しい評価基準では焦点ずれ量が許容値以下ではなくなる。この場合には、図７において点ＮＡで表されるチリ硝石（ＮａＮＯ３、ｎｅ＝１．３４、ｎｏ=１．６０）や点ＴＩで表されるルチル（ＴｉＯ２、ｎｅ＝２．９、ｎｏ=２．６１）などを複屈折板１１および１２の材料としてを使用すれば許容値以下になることがわかる。
【００５４】
このような評価基準のレベル設定は、ＫとＢの値の選択、そして装着可能な撮影レンズのＦ値や射出瞳位置の位置、さらにはどの程度の像高までピントの合った画像を保証するかによって決まる。Ｆ値の選択は、レンズ交換のできないカメラであれば当然そのレンズの開放Ｆ値ということになるし、レンズ交換式のカメラであれば、装着される可能性のあるレンズのうち最も明るい開放Ｆ値のレンズの開放Ｆ値とするのが常識的な選択である。射出瞳の位置についても同様である。また、ＫおよびＢの設定は、前述した設定値の範囲内で、この空間周波数フィルタが組み込まれる電子カメラの全体的な目標性能のレベル等から設定することとなる。例えば、使用可能な交換レンズのラインナップ中に開放Ｆ値が１．４のレンズがあって、そのレンズの使用が予想されるならば、当然その開放Ｆ値に見合う目標性能を設定する必要がある。図８に、Ｋ＝０．３３、Ｂ＝３においてＦｎｏ＝１．４とし、複屈折板１１および１２の材料としてリチウムナイオベートを用いた場合（ＮＢ）の評価結果を示す。
【００５５】
以上では、撮像素子３５の画素が縦・横の両方向に同じ配列ピッチで配列された、いわゆる正方画素配列の撮像素子と本発明に係る空間周波数フィルタＳＦとを組み合わせる例について説明した。しかし、撮像素子３５は必ずしも正方画素配列である必要はない。撮像素子３５が正方画素配列のものでない場合、縦・横方向の配列ピッチに応じて２枚の複屈折板１１および１２による像の分離量を相異なるものとする必要がある。このような場合には、同じ材料で２枚の複屈折板を構成し、厚みを相異なるものとする方法と、２枚の複屈折板を同じ厚みで屈折率の相異なる材料で構成する方法と、２枚の複屈折板の厚みおよび屈折率を相異なるものとする方法とがある。
【００５６】
同じ材料で２枚の複屈折板を構成し、これら２枚の複屈折板の厚みを相異なるものとする例を図９に示す。図９において、撮影レンズ１０と撮像素子３５Ａとの間に配設される空間周波数フィルタＳＦＡを構成する２枚の複屈折板１１Ａおよび１２Ａの厚みをそれぞれｔ１１、ｔ１２とすると、式（５７）に相当する条件式は以下の式（６５）で示されるようになる。
【数１５】

【００５７】
２枚の複屈折板の厚みが相異なるものである場合、図６に相当するグラフは（ｎ１、ｔ１１＋ｔ１２）を変数として同様に描かれ、選択した複屈折材は、その屈折率ｎ１をＸ座標とし、必要な像分離量から求まる厚みｔ１１およびｔ１２の和ｔ１１＋ｔ１２をＹ座標とする座標位置で評価される。
【００５８】
２枚の複屈折板の厚みを相異なるものとするとともに、屈折率も相異なるもので構成する例を図１０に示す。図１０において、撮影レンズ１０と撮像素子３５Ａとの間に配設される空間周波数フィルタＳＦＢを構成する２枚の複屈折板１１Ｂおよび１２Ｂそれぞれの厚さをｔ１１、ｔ１２、屈折率をｎ１１、ｎ１２とすると、式（５７）に相当する条件式は以下の式（７１）で示されるようになる。
【数１６】

【００５９】
以上の実施の形態の説明においては、ＤＳＣ用の空間周波数フィルタに本発明を適用する例について説明したが、ビデオカメラ等、個体撮像素子を有する他のカメラや機器等にも本発明は適用可能である。
【００６０】
以上の実施の形態の説明では、撮影レンズ１０と撮像素子との間に配設されるのは空間周波数フィルタのみである場合を例にとって説明したが、赤外カットフィルタが上記空間周波数フィルタとともに配設されるものであってもよい。この場合、赤外カットフィルタの厚みによる焦点ずれの影響を考慮する必要があるのは言うまでもない。
【００６１】
また、以上の実施の形態の説明において、図１に示される正方画素配列の撮像素子３５とともに用いられる空間周波数フィルタＳＦを構成する第１複屈折板１１および第２複屈折板１２の厚みｔ１および屈折率ｎ１は、互いに等しいものであった。しかし、本発明はこの例に限られない。つまり、１枚の複屈折板によって入射光線が二つの空間的に離れた光線に分離される際の分離距離は、複屈折板の厚みと屈折率との積によって決まるものである。したがって、撮像素子が正方画素配列のものであっても２枚の複屈折板の厚みおよび屈折率を互いに異なるものとする組み合わせであってもよい。また、第１および第２の複屈折板によって光を分離する方向の相対角度は９０゜に限られるものではなく、分離パターンにより３０゜、４５゜、６０゜等、種々の角度に設定する場合もある。
【００６２】
【発明の効果】
以上に説明したように、
（１）請求項１に記載の発明によれば、撮像光学系が有する空間周波数フィルタに用いる２枚の複屈折板の正常光に対する屈折率と厚みが同じ場合において、その屈折率および厚みの組み合わせを、所定の条件を満足するように選択することで、画面対角での焦点ずれ量を減じ、画面周辺部での画質低下を抑制できる。
（２）請求項２に記載の発明によれば、撮像光学系が有する空間周波数フィルタに用いる２枚の複屈折板の正常光に対する屈折率および厚さのうち、厚さのみが異なる場合においてその厚さの和および屈折率の組み合わせを、所定の条件を満足するように選択することで、画面対角での焦点ずれ量を減じることができる。
（３）請求項３に記載の発明によれば、撮像光学系が有する空間周波数フィルタに用いる２枚の複屈折板の正常光に対する屈折率と厚さの双方が異なる場合において、その屈折率および厚さ双方の組み合わせを、所定の条件を満足するように選択することで、画面対角での焦点ずれ量を減じることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る空間周波数フィルタの概略的構成を示す図であり、２枚の複屈折板の厚みおよび屈折率が互いに等しい組み合わせ例を説明する図である。
【図２】撮影レンズより射出された光線が複屈折板により４つの光線に分離される様子を説明する図。
【図３】空間周波数フィルタによって焦点ずれが生じる様子を説明する図。
【図４】空間周波数フィルタに入射する光線の入射角と焦点ずれ量との関係を説明する図。
【図５】空間周波数フィルタに入射する光線の入射角と焦点ずれ量との関係を説明する図。
【図６】複屈折板板の屈折率および厚みの組み合わせを選択する方法の一例を説明する図。
【図７】複屈折板板の屈折率および厚みの組み合わせを選択する方法の別の一例を説明する図。
【図８】複屈折板板の屈折率および厚みの組み合わせを選択する方法のさらに別の一例を説明する図。
【図９】本発明の実施の形態に係る空間周波数フィルタの概略的構成を示す図であり、２枚の複屈折板の厚みが互いに異なり、屈折率が互いに等しい組み合わせの例を説明する図である。
【図１０】本発明の実施の形態に係る空間周波数フィルタの概略的構成を示す図であり、２枚の複屈折板の厚みおよび屈折率が互いに異なる組み合わせの例を説明する図である。
【符号の説明】
１０撮影レンズ
１１、１２、１１Ａ、１２Ａ、１１Ｂ、１２Ｂ複屈折板
１３位相差板
３５撮像素子
３５ｐ撮像面
ＳＦ空間周波数フィルタ

Claims

入射光を第１の方向に沿って空間的に分割された二つの光に分離するための第１複屈折板と、
前記第１複屈折板から射出される前記二つの光のそれぞれのうち、一の振動方向に振動する成分の光と、前記一の振動方向に対して直交する他の振動方向に振動する成分の光との間に１／４波長分の位相差を生じせしめる１／４波長板と、
前記１／４波長板から射出される前記二つの光のそれぞれを前記第１の方向と異なる第２の方向に沿って空間的に分割された二つの光に分離するための第２複屈折板とを有する光学的空間周波数フィルタを、撮影レンズと撮像素子との間の光路中に配設する撮像光学系において、
前記第１複屈折板および前記第２複屈折板は略同一の厚さおよび材質であって、
前記撮影レンズに近い側から順に前記第１複屈折板、前記１／４波長板および前記第２複屈折板が配列され、
前記撮像素子の撮像面の対角方向の最大像高をＡ、撮像面から撮影レンズの射出瞳までの空気換算長をＰＯとしたとき、Ａ／ＰＯ≧０．１５の場合に前記第１複屈折板および前記第２複屈折板の厚みｔ１および正常光に対する屈折率ｎ１が以下の条件式を満足することを特徴とする撮像光学系。
入射光を第１の方向に沿って空間的に分割された二つの光に分離するための第１複屈折板と、
前記第１複屈折板から射出される前記二つの光のそれぞれのうち、一の振動方向に振動する成分の光と、前記一の振動方向に対して直交する他の振動方向に振動する成分の光との間に１／４波長分の位相差を生じせしめる１／４波長板と、
前記１／４波長板から射出される前記二つの光のそれぞれを前記第１の方向と異なる第２の方向に沿って空間的に分割された二つの光に分離するための第２複屈折板とを有する光学的空間周波数フィルタを、撮影レンズと撮像素子との間の光路中に配設する撮像光学系において、
前記第１複屈折板および前記第２複屈折板は略同一の材質であって、
前記撮影レンズに近い側から順に前記第１複屈折板、前記１／４波長板および前記第２複屈折板が配列され、
前記撮像素子の撮像面の対角方向の最大像高をＡ、撮像面から撮影レンズの射出瞳までの空気換算長をＰＯとしたとき、Ａ／ＰＯ≧０．１５の場合に前記第１複屈折板の厚みｔ１１および正常光に対する屈折率ｎ１ならびに前記第２複屈折板の厚みｔ１２および正常光に対する屈折率ｎ１が以下の条件式を満足することを特徴とする撮像光学系。
入射光を第１の方向に沿って空間的に分割された二つの光に分離するための第１複屈折板と、
前記第１複屈折板から射出される前記二つの光のそれぞれのうち、一の振動方向に振動する成分の光と、前記一の振動方向に対して直交する他の振動方向に振動する成分の光との間に１／４波長分の位相差を生じせしめる１／４波長板と、
前記１／４波長板から射出される前記二つの光のそれぞれを前記第１の方向と異なる第２の方向に沿って空間的に分割された二つの光に分離するための第２複屈折板とを有する光学的空間周波数フィルタを、撮影レンズと撮像素子との間の光路中に配設する撮像光学系において、
前記第１複屈折板および前記第２複屈折板は互いに異なる厚みおよび材質であって、
前記撮影レンズに近い側から順に前記第１複屈折板、前記１／４波長板および前記第２複屈折板が配列され、
前記撮像素子の撮像面の対角方向の最大像高をＡ、撮像面から撮影レンズの射出瞳までの空気換算長をＰＯとしたとき、Ａ／ＰＯ≧０．１５の場合に前記第１複屈折板の厚みｔ１１および正常光に対する屈折率ｎ１１ならびに前記第２複屈折板の厚みｔ１２および正常光に対する屈折率ｎ１２が以下の条件式を満足することを特徴とする撮像光学系。