JP4300617B2 - 光学装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体撮像素子(CCD等)などの前面に設ける光学ローパスフィルタを組み込んだ光学装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
デジタルカメラなどに使用されるCCDは、ある空間周波数特性をもった2次元的光学像を時系列的にサンプリングすることにより、電気信号に変換する。この光学像の空間周波数が、ナイキスト周波数(サンプリングクロックの1/2の周波数)以下であれば、折り返しノイズ等が生じない。このため、CCDに入力される光学像の空間周波数をナイキスト周波数以下に制限する必要がある。また、CCDの特性より赤外光をカットする必要もある。従って、複屈折板(光学ローパスフィルタ)や赤外カット濾光板(赤外カットフィルタ)などを張り合わせた光学濾光板をCCDの前面に使用する必要がある。
【0003】
従来の光学濾光板の形状は、切り出し加工の都合で円形にできないことや、複屈折板の向きを規制するためなどの理由で、単純な直方体で形成されていた。例えば、2枚の複屈折板が、1/4λ板と赤外カット濾光板を挟んで構成された外形は、各板とも同一形状で形成されていたので、直方体にならざるを得ない形状であった。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
この直方体の光学濾光板を保持するには、光軸方向に保持部材のスペースが必要となり、限られたスペースの中に光学濾光板を配置するのが困難であるという問題が生じていた。例えば、光学レンズと固体撮像素子間や機械シャッタと固体撮像素子間に光学濾光板を配置する際、光軸方向の寸法が厳しく制限されるため、設計の自由度が大きく奪われていた。また、保持部材を使用せずに固体撮像素子の保護ガラスに光学濾光板を接着剤で貼り付ける方法も考えられるが、接着時のゴミや気泡の品質管理が困難であり、接着した後にゴミ等を発見した場合には改修が不可能であるという問題が生じる。特に、高密度画素の単価の高い固体撮像素子などを使用する場合は大きなコスト増になるという問題が生じる。
【0005】
本発明は、固体撮像素子などの前面において限られたスペースに効率よく配置することを可能とする光学ローパスフィルタを設けた光学装置を提供する。
【0006】
【課題を解決するための手段】
請求項1の発明は、光学装置に適用され、受光面に結像した入射光を電気信号に変換する光電変換手段と、光軸と直交する第1方向に第1寸法を有し光束の特性を変えながらその光束を通過させる第1光学特性の第1光学素子と、第1方向に第1寸法とは異なる光学特性であって光束の特性を変えながらその光束を通過させる第2寸法を有し第1光学特性とは異なる第2光学特性の第2光学素子とを積層し、第1光学素子の第1寸法と第2光学素子の第2寸法との差および第1光学素子の光軸方向の厚さにより形成される段差を備え、光電変換手段の入射面側に配置される光学ローパスフィルタと、第1光学素子の光軸方向の厚さよりも薄く形成され、光学ローパスフィルタの段差を光軸方向に付勢して光学ローパスフィルタを保持する保持部材とを備えることを特徴とするものである。
請求項2の発明は、請求項1に記載の光学装置において、光学ローパスフィルタは、第1光学素子の第1寸法が第2光学素子の第2寸法よりも小さく、第2光学素子が光電変換手段と対向して配置され、保持部材は、光学ローパスフィルタを光電変換手段に向けて付勢して保持することを特徴とするものである。
請求項3の発明は、請求項1または請求項2に記載の光学装置において、光学ローパスフィルタは、第1光学素子が複数の光学素子層からなることを特徴とするものである。
請求項4の発明は、請求項1から3のいずれかに記載の光学装置において、第1光学素子は赤外カットフィルタを含み、第2光学素子は1/4λ板を含むことを特徴とするものである。
【0008】
【発明の実施の形態】
−第1の実施形態−
図1は、本発明の光学濾光板(素子)を取り付けたデジタルスチルカメラの第1の実施の形態の構成を示す図である。撮影レンズ10は、不図示の被写体からの光束(光)を固体撮像素子7の受光面に、あるいはクイックリターンミラー5を介してピント板4に結像させるための光学系である。ファインダ光学系は、上面がフレネルコンデンサとなっているピント板4を含み、その上側に平凸レンズのコンデンサレンズ3を重ね、これをペンタプリズム2を通して接眼レンズ1で撮影者が観測するものである。また、ファインダ光学系は交換式であり、固体撮像素子7の位置とピント板4との位置は撮影レンズ10に関して共役である。撮影レンズ10は、レンズ側マウント9をカメラ側マウント8に係合させることにより取り付けられる。
【0009】
シャッタ6は、フォーカルプレーンシャッタである。撮影者が不図示のレリーズボタンを押圧することにより撮影信号を不図示のCPUに送り、シャッタ6は作動する。固体撮像素子7は、例えばCCD(電荷結合素子)などで構成され、入力した光を光電変換して電気的な画像信号を出力する。固体撮像素子7は、撮像レンズ10および光学濾光板11を通過した光を電気信号に変換する。固体撮像素子保護ガラス14は、固体撮像素子7の受光素子を保護するためにパッケージに封止された物である。固体撮像素子7は、ブラケット15に粘着剤や接着剤等で取り付けられている。光学濾光板11は、シャッタ6と固体撮像素子7の間に配置されるが、詳細については後述する。
【0010】
次に図2を用いて、光学濾光板11の形状を説明する。図2の手前側が、図1における撮影レンズ10側である。光学濾光板11は、撮影レンズ10側から順番に矩形形状をした複屈折板(光学ローパスフィルタあるいは空間周波数濾光板とも言う)101、赤外カット濾光板102、1/4λ板103、複屈折板104が貼り合わされ構成されている。すなわち、光軸105方向に各層(板)が重ね合うように貼り合わされている。
【0011】
複屈折板101、104は、通過する光束を常光線と異常光線とに分離するものであり、水晶やLiNbO3により形成される。LiNbO3により形成する場合は、光軸方向の厚さを水晶に比べ約1/3に抑えることができるため、本実施の形態ではLiNbO3を使用する。赤外カット濾光板102は、可視光のみをCCDなどの固体撮像素子7に受光させるために、赤外光をカットするものであり、ガラス板に赤外線カット部材が蒸着あるいはコーティング処理されている。1/4λ板は、互いに垂直な方向に振動する直線偏光の間に1/4波長の光路差を生じさせて円偏光にするものであり、水晶より形成される。光学濾光板11の全体の厚さは約1.5mmとなる。
【0012】
以下、光学濾光板11の動作原理について図9を用いて説明する。撮影レンズ10を透過した自然光の撮影光束Lは、1枚目の複屈折板101に入射すると、光の強度比が1:1の常光L10と異常光L20となって2つの光路に分かれ2重像となる。常光L10と異常光L20は、赤外カット濾光板102(図9では不図示)により赤外光の成分をカットされた後に1/4λ板103に入射すると、相互に90°位相の異なる2つの円偏光L10’と円偏光L20’とに変換される。その後2枚目の複屈折板104に入射した円偏光L10’と円偏光L20’は、前者の円偏光L10’がそれぞれ強度の等しい常光L11と異常光L12とに、また、同様に、後者の円偏光L20’がそれぞれ強度の等しい常光L21と異常光L22とに分かれる。これにより、固体撮像素子7上には4重像が形成される。複屈折板101、104は、それぞれの複屈折による像のずれ方向が90°ずれるように組み合わされているので、固体撮像素子7上の4重像は、各点の強度が等しい正方形を構成する。すなわち、複屈折板101、104は、空間周波数の所定の周波数を通過させるいわゆる光学ローパスフィルタとしての機能を果たす。
【0013】
なお、1/4λ板103は、このように2枚の複屈折板101、104間に配置する必要があり、また、赤外カット濾光板102は、空気に触れると白濁を起こすことから、表面が空気に触れないように他の基板ではさむようにするのが通例である。なお、赤外カット濾光板102は、ガラス基板の表面に赤外カット効果のある多層膜を蒸着することによって構成しているが、この他に、例えば、基板としてLiNbO3を使用し、その表面に上述と同様の多層膜を設けるようにしてもよい。この場合、赤外カット濾光板102の厚さをさらに薄くすることができる。
【0014】
図2に戻って説明を続ける。図2の2点鎖線106は撮像範囲を示す。複屈折板101、104、赤外カット濾光板102、1/4λ板103の鉛直方向の寸法はすべて同じであるが、水平方向の寸法が異なる。複屈折板101と赤外カット濾光板102の水平方向の寸法を同じにし、1/4λ板103と複屈折板104の水平方向の寸法は同じにし、前者の組み合わせの寸法を後者の組み合わせの寸法より若干小さくして、段差107、108を形成している。通常、1/4λ板103より赤外カット濾光板102の方がコストが高く、強度も低いので、図2のような構成にすることにより、コストの削減と強度の確保が同時に達成できる。
【0015】
図3は、上記光学濾光板11の取り付けを説明する図である。光学濾光板11と固体撮像素子7の受光面の鉛直方向(矢印A方向)の位置決めは、光学濾光板11の段差107、108に、4角形形状の開口を有するアダプタ12をはめ込むことにより行う。アダプタ12の開口は、複屈折板101と赤外カット濾光板102の寸法に合わせて空けられ、特に鉛直方向の隙間は取り付け時の遊び等を考慮した上で隙間が最小になるように形成される。固体撮像素子7を取り付けるブラケット15には、壁16があり、アダプタ12はこの壁16により位置が規制されるので、光学濾光板11の鉛直方向の位置もこれにより規制されることになる。
【0016】
水平方向(矢印B方向)の位置決めは、アダプタ12を付けた光学濾光板11の段差にホルダ13の4角形形状の開口の内側をはめ込むことにより行う。ホルダ13の開口は、複屈折板101と赤外カット濾光板102の寸法に合わせて空けられ、特に水平方向の隙間は取り付け時の遊び等を考慮した上で隙間が最小になるように形成される。そうすることで、光学濾光板11とホルダ13の水平方向のがたつきが抑えられる。ブラケット15は位置ピン18、19を有し、ホルダ13に空けられた穴20、21に位置ピン18、19をはめ込むことで、ホルダ13の位置が規制される。特に水平方向の位置が精度よく決められる。
【0017】
図4は、図3におけるホルダ13を右側面から見た図である。ホルダ13は、弾性のある板金より形成され図4のように少し波形形状をしている。ホルダ13は、その4隅でねじ22によりブラケット15に固定される。このとき、ホルダ13のこの波形形状によるバネ力により、ホルダ13は光学濾光板11を固体撮像素子7側に押しつけ、固定する。
【0018】
このように、ホルダ13は波形形状をしバネ性を有しているため、ねじ22により締め付ける際、寸法が鉛直方向に若干延びる。このため、穴21は長穴構造となっている。また、これによりホルダ13では光学濾光板11の鉛直方向の位置決め精度が出ないため、本実施の形態では前述したようにアダプタ12により鉛直方向の位置決めを行っている。
【0019】
本実施の形態では、アダプタ12の板厚とホルダ13の板厚(バネ性のたわみも考慮した寸法)の合計を段差107、108の光軸方向の寸法より小さく設定しているため、ホルダ13を取り付けた状態で、ホルダ13の面が光学濾光板11の撮影レンズ10側の面より高くならない。これにより、光学濾光板11の取り付け用保持部材のための光軸方向のスペースが必要なくなり、限られたスペースに光学濾光板11の取り付けを容易に行うことができる。
【0020】
光学濾光板11は、上記の通りホルダ13のネジ留めにより最終的に固体撮像素子7に固定しているので、組立完了後の撮影確認時に固体撮像素子保護ガラス14と光学濾光板11間にゴミが付着していることを発見した場合には、ねじ22を外すことで分解清掃が可能である。接着剤で光学濾光板11と固体撮像素子7とを貼り付けた場合には、ゴミが付着していたり気泡が生じていることを発見したりしても改修が不可能であったが、本発明の光学濾光板11と固体撮像素子7ではその改修が可能となりコストダウンにつながる。
【0021】
光学濾光板11と固体撮像素子保護ガラス14との間には、傷防止シート17が設けられている。この傷防止シート17は、ガラス材同士がすれて傷つかないようにしたり、ニュートンリングの発生を防止したりすることを目的とするもであり、固体撮像素子7に入射する光束を阻害しないよう、光束が入射する範囲すなわち撮像範囲106を切り抜いた矩形形状の開口を有する。傷防止シート17は、ポリエチレンテレフタレートなどのシートであり、表面はサンドブラスト処理により艶消し処理が施され、黒色である。
【0022】
以上のようにして、第1の実施の形態では、複屈折板101と赤外カット濾光板102の通過する光束の光軸に垂直な面(撮像面と平行)における水平方向の大きさを、1/4λ板103と複屈折板104の同様な水平方向の大きさより少し小さくすることにより段差107、108を設けるようにしている。そして、この段差107、108にホルダ13をはめ込み、光軸に垂直な段差面にホルダ13のバネ力を付加し、光学濾光板11を固体撮像素子7側に押しつけるようにして保持する。これにより、ホルダ13の面は光学濾光板11の撮影レンズ10側の面より高くならず、限られたスペースに光学濾光板11の取り付けを容易に行うことができる。
【0023】
なお、アダプタ12の板厚とホルダ13の板厚(バネ性のたわみも考慮した寸法)の合計寸法は、必ずしも段差107、108の光軸方向の寸法より小さくする必要はない。小さくない場合でも、ホルダ13の面が段差の寸法に応じて下げられ、それに応じてスペースが確保でき本発明の目的は達成できる。
【0024】
−光学濾光板の変形例−
図5は、光学濾光板11において段差を形成する場合の変形例を示す図である。図5(a)は、複屈折板101と赤外カット濾光板102の水平方向および鉛直方向の寸法を同じにし、1/4λ板103と複屈折板104の水平方向と鉛直方向の寸法も同じにする。そして、前者の組み合わせの水平方向および鉛直方向の寸法を後者の組み合わせのそれぞれの寸法より若干小さくして、光学濾光板11の外周部全体に段差109を形成している。
【0025】
図5(b)は、複屈折板101、赤外カット濾光板102、1/4λ板103、複屈折板104のすべてを同じ寸法の矩形形状に構成する。そして、複屈折板101と赤外カット濾光板102の4隅を切り落とし段差110を4隅に形成している。ホルダやアダプタの開口は、図5における複屈折板101、および赤外カット濾光板102の形状に合わせて空けられる。
【0026】
以上のように、光学濾光板11において層の大きさを異ならせることにより段差を形成しているが、図2および図5の内容に限定する必要はない。その他にも各種の層のあらゆる組み合わせが考えられるが、すべて本発明の範囲に含まれる。
【0027】
−第2の実施の形態−
図6は、本発明の光学濾光板(素子)を取り付けたデジタルスチルカメラの第2の実施の形態の構成を示す図である。第1の実施の形態と異なるところは、アダプタ12がないところである。その他の構成は第1の実施の形態と同じであるのでその説明を省略し、このアダプタ12がないことについてのみ以下説明する。
【0028】
図7は、第1の実施の形態の図3に対応する図であり、光学濾光板11の取り付けを説明する図である。光学濾光板11は図2に示すものである。図6および図7に示す通り、第2の実施の形態ではアダプタ12がなく、またアダプタ12の位置を規制する壁16が設けられていない。
【0029】
すなわち、光学濾光板11はホルダ13の開口部によってのみ位置決めがなされるが、特に鉛直方向の位置決めにおいてそれほど精度が必要ない場合には本実施の形態の内容が適用可能である。また、光学濾光板11はホルダ13のバネ力で固体撮像素子7側に押しつけられるのでがたつくこともない。さらには、ホルダ13と光学濾光板11の段差面とが接触する部分を接着剤で固定するようにすれば、光学濾光板11のがたつきはより一層防止できる。
【0030】
−第3の実施の形態−
図8は、本発明の光学濾光板(素子)を取り付けたデジタルスチルカメラの第3の実施の形態の構成を示す図である。第1の実施の形態では、光学濾光板11をシャッタ6と固体撮像素子7間に配置する例を示したが、第3の実施の形態では、シャッタ6とクイックリターンミラー5の間に設ける実施の形態である。その他の構成は、第1の実施の形態と同一であるのでそれらの説明を省略し、この異なる部分について以下説明する。
【0031】
光学濾光板11の構成は図2の通りである。光学濾光板11の固定は、段差のうち光軸に垂直な面とホルダ31と接する面を接着剤で接着して行う。ホルダ31は、カメラ本体のフレーム32に固定され、複屈折板101および赤外カット濾光板102の大きさに合わせた開口を有する。開口寸法は第1の実施の形態のホルダ13と同様であるが、ホルダ13のバネ性による変形がないため、鉛直方向の寸法は光学濾光板11との隙間をより小さく設定することが可能である。
【0032】
このように、光学濾光板11の段差面とホルダ31とを面で接着するようにしているので、強固な固定が可能となる。しかも光軸方向にホルダ31の板厚分のスペースを確保する必要がないため、シャッタ6とクイックリターンミラー5の間のような狭い場所に光学濾光板11を配置することが可能となる。光学濾光板11をこのような場所に配置すると、クイックリターンミラー5をアップすることにより光学濾光板11の掃除を容易に行える構成にすることが可能となる。
【0033】
上記第1〜第3の実施の形態では、固体撮像素子7としてCCDの例を示したが、この内容に限定される必要ない。本発明は、限られたスペースしかなくかつ前面に光学濾光板を設ける必要があるような撮像素子すべてに適用が可能である。
【0034】
上記第1〜第3の実施の形態では、光学濾光板11の層の構成や組み合わせ順序について、図2に示すものを例示したが、この構成や組み合わせ順序に限定する必要はない。その他の機能を有する層を追加したり、図2に示す層の一部を削除したりしてもよい。削除するとは、例えば、赤外カット濾光板102を削除し3枚構成にするなどである。また、層の並び順序も任意に変更してもよい。すなわち、あらゆる濾光層の組み合わせで構成される光学濾光板に本発明は適用できる。
【0035】
また、本願でいう「濾光」とは、上記の実施の形態にも示した、赤外線をカットしながら光を通過させること、空間周波数の所定の周波数を通過させること、互いに異なる方向に振動する直線偏光の位相をずらすために偏光を通過させることなどを含む概念である。さらに、紫外線をカットしながら光を通過させることや、可視光の所定の波長の光のみ通過させることや、自然光を直線偏光や円偏光などに偏光するために通過させることなども含む概念である。すなわち、本願で言う「濾光」とは光束の特性等を変えながらその光束を通過させることを言う。従って、固体撮像素子の前面に置かれ、このような機能を有するすべての素子に本発明は適用される。
【0036】
上記第1〜第3の実施の形態では、一眼レフカメラの例で説明をしたが、この内容に限定する必要はない。レンズ交換式でないカメラにおいても本発明は適用できる。また、機械シャッタ6が設けられている場合で説明をしたが、電子シャッタのみしかない場合でも本発明は適用できる。さらには、上記実施の形態ではスチルカメラの例で説明をしたが、動画を扱うビデオカメラにおいても適用できる。すなわち、固体撮像素子を使用し、その前面に光学濾光板を設ける必要があるすべての態様に本発明は適用できる。
【0037】
上記第1の実施の形態では、光学濾光板11を固体撮像素子7に押しつけ固定する例を示したが、光学濾光板11の位置や押しつける方向についてこの内容に限定する必要はない。例えば、図1のカメラマウント8近辺に光学濾光板11を設けるようにし、カメラマウント側に押しつけ固定するような構成にしてもよい。また、第3の実施の形態のような位置において、接着剤を使用せず、他の補助ホルダを光学濾光板11の段差にはめ込みホルダ31に押しつけ固定するような構成にしてもよい。
【0038】
上記第1の実施の形態では、固体撮像素子7側の面とは反対側の面、すなわちホルダ13により押しつけ力を付加する側に段差を設ける例を説明したが、固体撮像素子側7にも段差を設けるようにしてもよい。例えば、固体撮像素子自体にフレームがあったり、固体撮像素子の取り付けブラケットにフレーム等が設けられていたりして、固体撮像素子の受光面がフレームのトップ面より少し下がっている場合には、光学濾光板の固体撮像素子側に段差を設け、この段差にフレームトップ面を係合させ、光学濾光板の固体撮像素子側の面を固体撮像素子の受光面ぎりぎりまで下げることが可能となる。このようにすることによっても、限られたスペースに光学濾光板の配置が可能となる。
【0039】
【発明の効果】
本発明によれば、固体撮像素子などの前面において限られたスペースに効率よく配置することを可能とする光学ローパスフィルタを設けた光学装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の光学濾光板(素子)を取り付けたデジタルスチルカメラの第1の実施の形態の構成を示す図である。
【図2】光学濾光板の形状を説明する図である。
【図3】光学濾光板の取り付けを説明する図である。
【図4】ホルダを右側面から見た図である。
【図5】光学濾光板において段差を形成する場合の変形例を示す図である。
【図6】本発明の光学濾光板(素子)を取り付けたデジタルスチルカメラの第2の実施の形態の構成を示す図である。
【図7】第2の実施の形態における光学濾光板の取り付けを説明する図である。
【図8】本発明の光学濾光板(素子)を取り付けたデジタルスチルカメラの第2の実施の形態の構成を示す図である。
【図9】光学濾光板の動作原理を説明する図である。
【符号の説明】
1 接眼レンズ
2 ペンタプリズム
3 コンデンサレンズ
4 ピント板
5 クイックリターンミラー
6 シャッタ
7 固体撮像素子
8 カメラ側マウント
9 レンズ側マウント
10 撮影レンズ
11 光学濾光板
12 アダプタ
13、31 ホルダ
14 固体撮像素子保護ガラス
15 ブラケット
16 壁
17 傷防止シート
18、19 位置ピン
20、21 穴
22 ねじ
32 フレーム
101 複屈折板
102 赤外カット濾光板
103 1/4λ板
104 複屈折板
105 光軸
106 撮像範囲
107〜110 段差
Claims (4)
- 受光面に結像した入射光を電気信号に変換する光電変換手段と、
光軸と直交する第1方向に第1寸法を有し光束の特性を変えながらその光束を通過させる第1光学特性の第1光学素子と、前記第1方向に前記第1寸法とは異なる第2寸法を有し前記第1光学特性とは異なる光学特性であって光束の特性を変えながらその光束を通過させる第2光学特性の第2光学素子とを積層し、前記第1光学素子の第1寸法と前記第2光学素子の第2寸法との差および前記第1光学素子の光軸方向の厚さにより形成される段差を備え、前記光電変換手段の入射面側に配置される光学ローパスフィルタと、
前記第1光学素子の光軸方向の厚さよりも薄く形成され、前記光学ローパスフィルタの段差を光軸方向に付勢して前記光学ローパスフィルタを保持するバネ性を有する保持部材とを備えることを特徴とする光学装置。 - 請求項1に記載の光学装置において、
前記光学ローパスフィルタは、前記第1光学素子の第1寸法が前記第2光学素子の第2寸法よりも小さく、前記第2光学素子が前記光電変換手段と対向して配置され、
前記保持部材は、前記光学ローパスフィルタを前記光電変換手段に向けて付勢して保持することを特徴とする光学装置。 - 請求項1または請求項2に記載の光学装置において、
前記光学ローパスフィルタは、前記第1光学素子が複数の光学素子層からなることを特徴とする光学装置。 - 請求項1から3のいずれかに記載の光学装置において、
前記第1光学素子は赤外カットフィルタを含み、
前記第2光学素子は1/4λ板を含むことを特徴とする光学装置。
Priority Applications (4)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
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