JP4396106B2

JP4396106B2 - 光学ローパスフィルタおよびカメラ

Info

Publication number: JP4396106B2
Application number: JP2003038399A
Authority: JP
Inventors: 透岩根
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2003-02-17
Filing date: 2003-02-17
Publication date: 2010-01-13
Anticipated expiration: 2023-02-17
Also published as: JP2004246261A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光学異方性物質の複屈折作用を利用した光学ローパスフィルタ、およびその光学ローパスフィルタを使用するカメラに関する。
【０００２】
【従来の技術】
デジタルスチルカメラやビデオカメラ等の電子撮像装置では、ＣＣＤ素子やＭＯＳ素子等の固体撮像素子を用いて被写体像を撮像している。このような撮像素子では受光画素が規則的に配列されているため、受光画素の配列パターンと被写体像のパターンとによってモアレ縞や偽色などが生じやすい。通常、これらの影響を取り除くために、光学ローパスフィルタを撮像素子の前面に配設するようにしている。
【０００３】
光学ローパスフィルターとしては、例えば、水晶やリチウムニオブ（ＬｉＮｂＯ_３）の結晶軸を傾けたものが用いられている。これは、一軸結晶または二軸結晶の持つ屈折率楕円体構造を利用したものであり、光軸に対して結晶軸（屈折率楕円体の光学軸）を所定量傾けることによって生じる複屈折を利用している。この場合、光軸と結晶軸との角度が４５（deg）のときに分離幅が最も大きくなるので、通常は光軸に対して結晶軸を４５（deg）傾けて配設している。撮像素子には複屈折により生じた被写体の２重像が投影され、２重像の分離幅に対応する空間周波数成分がカットオフされる。このカットオフの周波数を受光素子の配列の周波数に合わせることにより、モアレ縞の発生が防止される（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−１２２８１３号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、光学ローパスフィルタに入射する光束は撮影光学系を通った結像光束であるため、撮影光学系の光軸近辺の光束は光学ローパスフィルタの入射面にほぼ垂直に入射するが、光軸から離れた光束は入射面に対して斜めに傾いて入射することになる。例えば、光軸に関して左右対称な位置を考えた場合、光束の入射角の大きさは等しいが、その符号は反対となるため、結晶軸に対する光束の傾き角度が、画面の右側と左側とでは異なることになる。複屈折の分離幅は結晶軸と光束との角度に依存するが、従来、このようなことは考慮されていなかった。
【０００６】
本発明の目的は、入射する光束の入射角を考慮することにより分離幅特性の対称性を向上させて、より効果的にモアレや偽色を軽減することができる光学ローパスフィルタ、およびその光学ローパスフィルタを使用するカメラを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、光学異方性物質を用いて入射する光を常光と異常光とに分離する光学ローパスフィルタと、複数の画素を有し、光学ローパスフィルタを透過した像を撮像する撮像素子とを含むカメラであって、光学ローパスフィルタは、入射面に入射した光束の入射角度と、前記常光と前記異常光との分離に関する分離幅との関係が入射角度０（ｄｅｇ）に関して対称となり、かつ光束が入射角０（ｄｅｇ）で入射したときに分離幅が最大となるように、入射面の法線に対する光学異方性物質における屈折率楕円体の光学軸の傾きが設定されており、複数の画素は、光学ローパスフィルタに入射角度０（ｄｅｇ）で光束を入射させたときの前記分離幅に対応するピッチで配列されていることにより、上述の目的を達成する。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、図を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１はデジタルカメラの撮像系を示す概略図であり、撮影光学系１を通った光束Ｌ１〜Ｌ３はＣＣＤ撮像素子２の撮像面に結像される。ＣＣＤ撮像素子２の直前には光学ローパスフィルタ３が配設されており、光軸４近傍の光束Ｌ１は光学ローパスフィルタ３に対して垂直（入射角＝０）に入射する。一方、光軸４から離れた光束Ｌ２，Ｌ３は光学ローパスフィルタ３に対して斜めに入射し、光束Ｌ２の入射角をαとすると、光束Ｌ３の入射角は（−α）となる。なお、図１ではｚ軸方向に光軸４を取り、光学ローパスフィルタ３の入射面とｘｙ平面とを平行とした。
【０００９】
図２は光学ローパスフィルタ３の切り出し角度を説明する断面図である。光学ローパスフィルタ３の結晶軸６は、屈折率楕円体５の光学軸と一致している。以下では、光学ローパスフィルタ３の入射面３ａの法線と結晶軸６との成す角度θを切り出し角度とする。入射面３ａに垂直に入射する光束は、結晶軸６に対して角度θで入射することになる。本実施の形態では、光学ローパスフィルタ３の結晶材料として水晶を用いる場合には、切り出し角度θを３６（deg）に設定する。なお、設定理由については後述する。
【００１０】
ところで、従来の光学ローパスフィルタの場合には、図３に示すように、光学ローパスフィルタ５０の入射面法線５０ｂに対して結晶軸５１の角度が４５（deg）となるように水晶が切り出されていた。図１に示したＣＣＤ撮像素子２の周辺部分に入射する光束Ｌ２，Ｌ３は、垂直入射に比べて±αだけ斜めに入射することになる。このように、結晶軸６に対する光束入射角度が異なると、複屈折による分離幅も異なってくる。
【００１１】
図４は、水晶を切り出し角度４５（deg）で切り出して形成した光学ローパスフィルタ５０の、入射角度と分離幅との関係を示したものである。図４において、横軸は光束の入射角度（deg）であり、縦軸は分離幅（μｍ）である。図４では、波長５４０（nm）の光に対する常屈折率（楕円体５の短軸に対応する）をｎ_ｏ＝１．５４６２、異常屈折率（楕円体５の長軸に対応する）をｎ_ｅ＝１．５５５２とし、光学ローパスフィルタ５０の厚さｔがｔ＝６００μｍであるとして分離幅を算出した。
【００１２】
［垂直入射の場合］
入射面法線に対する結晶軸の傾きをθとすると、光学ローパスフィルタの入射面に光束が垂直入射した場合、分離幅は次のような手順で算出することができる。まず、垂直入射する光束に対する異常屈折率（異常光の屈折率）ｎは次式（１）で算出できる。
【数１】

【００１３】
ところで、異常光の伝搬に関する屈折率ｎ_ｓ（以下では、ｎ_ｓを速度屈折率と呼ぶ）はスネルの法則に従わず、次式（２）のように表される。そして、波面進行方向と異常光の進行方向との間の角度、すなわち常光の進行方向と異常光の進行方向との角度をβとすると、速度屈折率と異常屈折率との比はcosβに等しくなる。光学ローパスフィルタの厚さをｔとすれば、分離幅＝ｔ・tanβとなる。
【数２】

【００１４】
［斜め入射の場合］
まず、図５のように屈折率楕円体５に対して入射光が角度θで入射した場合について説明する。このときの入射光の屈折率は、屈折率楕円体５の中心（楕円体の各軸が交わる点）を通り入射光線を法線とする平面が切り取る断面（楕円形）の径で表現される。この楕円は光の偏光角と屈折率との関係を表している。
【００１５】
図５において、偏光方向が紙面垂直方向である偏光に対しては、入射光の角度θが変化しても屈折率は常に短径に等しい常屈折を示し、スネルの法則が成り立っている。一方、偏光方向が紙面左右方向である偏光の場合には、角度θが変化すると屈折率も変化する異常屈折を示す。例えば、θ＝９０（deg）の場合には楕円体５の長径が屈折率となる。異常屈折では光のエネルギー伝搬方向と波面とが直交せず、そのことが複屈折現象を生じさせる。
【００１６】
図３の光束Ｌ２，Ｌ３のように光学ローパスフィルタ５０の入射面５０ａに対して光が斜めに入射する場合には、光は界面（入射面５０ａ）で屈折して結晶軸５１に対して入射角とは異なる角度を示すことになる。図５で説明したように、常屈折に関しては、屈折率は入射角に依らずｎ_ｏを示す。しかし、異常屈折では、界面で屈折した光の波面法線と結晶軸５１との成す角度から屈折率が定まるので、界面での屈折を考慮して屈折率を算出しなければならない。そのため、分離幅算出の手順は、以下の(a)〜(e)のように非常に複雑な計算となる。
(a)異常屈折率の算出（波面進行方向の算出）
(b)楕円体に対する入射角の決定
(c)その入射角を用いて速度屈折率の算出
(d)異常屈折光束の角度（進行方向）を算出
(e)常屈折光束の角度との差の算出
【００１７】
《分離特性と切り出し角度について》
［切り出し角度４５（deg）の場合］
以上のことを考慮して、図３の場合の入射角と分離幅との関係を定性的に説明する。光束Ｌ３の入射角（−α）が、光束Ｌ３’のように界面で屈折した後の光軸４との角度が４５（deg）となるような値であった場合、楕円体５の切断面形状は円形となる。その結果、どちらの偏光の屈折率も等しくなり、光は分離しなくなる。界面での屈折を考えると（−α’）＜−４５degとなり、図４の曲線からも入射角度＝−４５degよりも左側で分離幅がゼロとなることが読みとれる。
【００１８】
一方、角度αで入射する光束Ｌ２の場合には、楕円体５の切断面形状が円形になることは無いので、分離幅＝０のような状況は生じない。このようなことから、図４に示した分離幅を表す曲線が入射角度＝０（deg）に関して左右対称とならないことが説明できる。さらに数値計算で得られた図４の曲線を詳細に観察すると、分離幅が最大（ＭＡＸ）となるのは入射角度＝１５（deg）近辺であることが解る。
【００１９】
従来は、垂直入射の式に基づいて切り出し角度を４５（deg）としたときに最大の分離幅が得られるとしてきたが、入射角度＝１５（deg）近辺に分離幅の最大値が存在することは、上述した手順で詳細な数値計算を行うことによって初めて見出すことができた。図４に示すように、切り出し角度が４５（deg）の場合には分離幅が入射角度＝０に関して左右対称となっていないため、斜めに入射する光束Ｌ２，Ｌ３（図１，３参照）に関しては、角度αで入射するか角度（−α）で入射するかによって分離幅が異なる。このことは、画面上におけるモアレや偽色の度合いが画面中心に関して対称とならないことを意味する。そのため、光学ローパスフィルタによりモアレ等が軽減されても、軽減の度合いが光軸を中心として対称にならないという欠点があった。
【００２０】
［切り出し角度３６（deg）の場合］
図６は、本実施の形態のように切り出し角度θを３６（deg）とした場合の分離幅特性を示す図であり、図４と同様の図である。図６においては、曲線は入射角度＝０に関して非常に左右対称性が良い。そのため、撮像画面の全域にわたって分幅離特性の対称性が得られることになり、見やすい画像を得ることができる。
【００２１】
ここでは、切り出し角度を４５（deg）から３６（deg）に変更することにより、分離幅特性が図４から図６のように変化することを定性的に説明する。前述したように、切り出し角度４５(deg)の場合、入射角度＝−α’の光束Ｌ３’は分離幅＝０となる。これは図４の左端付近の状況に対応している。図３の屈折率楕円体５を左回りに回転して切り出し角度θを小さくすると、光束Ｌ３’のように分離幅＝０となる光束の入射角度は（−α’）から−４５（deg）に近づく。
【００２２】
一方、図３で屈折率楕円体５を左回りに回転したとき、左斜めから入射する光束Ｌ２の波面により切り取られる屈折率楕円体５の断面形状は、より円形に近づく。このことは、図４の入射角度＞０の領域の分離幅が図６のように減少することを意味している。この減少の度合いは入射角が浅くなる右側ほど大きくなり、ピークが左側に移動するとともに、曲線形状が左右対称に近づくように変化する。水晶の場合には、光学ローパスフィルタ界面における光束の屈折を考慮して切り出し角度を３６（deg）前後に設定することにより、入射角度に対して対称性の良い分離幅特性が得られる。
【００２３】
本実施の形態では、光学ローパスフィルタの結晶材料として水晶の場合を例に説明したが、水晶に限らずＬｉＮｂＯ_３等の結晶材料についても、光学ローパスフィルタに光が入射した際の界面での屈折を考慮して、入射角度に対する分離幅特性が対称となるように切り出し角度θを設定すれば良い。これらの角度θは結晶材料によってそれぞれ異なるが、ほぼ４０（deg）〜２０（deg）の範囲となる。さらに、本発明は結晶材料に限らず光学異方性物質であれば同様に適用することができ、その光学軸（結晶軸）に対して界面での屈折を考慮して分離幅特性が対称となるように切り出し角度を設定すればよい。
【００２４】
次に、このような光学ローパスフィルタを用いて、どのようにして光束を分離するかについて説明する。図１では光学ローパスフィルタ３を１枚用いる場合について示したが、２次元的な撮像素子を有するデジタルカメラ等では光学ローパスフィルタが複数枚用いられる。例えば、光学ローパスフィルタを２枚用いるものは４点分離型と呼ばれ、光学ローパスフィルタを３枚用いるものは８点分離型と呼ばれている。
【００２５】
図７は４点分離型の場合のフィルタ構成を示す図であり、２０Ａ、２０Ｂは光学ローパスフィルタである。光学ローパスフィルタ２０Ａと光学ローパスフィルタ２０Ｂとの間には１／４波長板３０が配設される。図７においては、光束（被写体光束）３２はｚ軸方向に進行し、光学ローパスフィルタ２０Ａ，２０Ｂ、１／４波長板３０およびＣＣＤ撮像素子２の各入射面はｘｙ平面に平行に配置されている。
【００２６】
光学ローパスフィルタ２０Ａ、２０Ｂはいずれも、水晶結晶を切り出し角度θ＝３６（deg）で切り出したものである。１番目の光学ローパスフィルタ２０Ａは結晶軸（光学軸）３１ａの傾き方向がｙ方向となるように配設され、２番目の光学ローパスフィルタ２０Ｂの結晶軸３１ｂの傾き方向はｘ方向となっている。光束３２は、まず、光学ローパスフィルタ２０Ａにより二つの光束（常光）３３および光束（異常光）３４に分離される。このときの分離方向はｙ方向であり、分離幅をＨ１とする。
【００２７】
図６は切り出し角度が３６（deg）の場合の分離幅特性を示したものであり、フィルタ厚さは６００μｍとした。この場合、入射角度＝０（deg）で垂直入射した光束は図６から分離幅が約３．３５μｍとなるので、例えば、所望の分離幅Ｈ１が３．５μｍであった場合にはフィルタ厚さを約６３０（＝６００×３．５／３．３５）μｍに設定すれば良い。分離された２つの光束３３，３４は互いに直交する直線偏光となっており、１／４波長板３０は光学軸が光束３３，３４の振動方向に対して４５度傾くように配設されている。そのため、光束３３，３４は１／４波長板３０を通過すると直線偏光から円偏光へと変換される。
【００２８】
１／４波長板３０を出射した円偏光の光束３３，３４は、それぞれ２番目の光学ローパスフィルタ２０Ｂに入射する。光学ローパスフィルタ２０Ｂの結晶軸３１ｂはｘ方向に傾いているので、光束３３，３４はそれぞれｘ方向に分離され、光束３３は光束３５，３６に、光束３４は光束３７，３８に分離される。このときの分離幅をＨ２とすると、フィルタ厚さは［６００×（Ｈ２／３．３５）］μｍに設定される。これらの分離幅Ｈ１，Ｈ２は、ＣＣＤ撮像素子２のｙ方向およびｘ方向の画素ピッチと一致するように設定される。その結果、画素ピッチに対応する周波数成分を被写体光束３２から除去することができ、モアレや偽色を軽減することができる。
【００２９】
図８，９は８点分離型のローパスフィルタを説明する図である。８点分離型の場合、図８に示すように３組の光学ローパスフィルタ４１，４２，４３が用いられる。４１ａ，４２ａ，４３ａは、それぞれ光学ローパスフィルタ４１，４２，４３の結晶軸の傾き方向を示したものである。光学ローパスフィルタ４１の結晶軸４１ａの傾き方向はｙ軸に沿った方向であり、この方向を０（deg）とすれば、結晶軸４２ａの方向は４５（deg）、結晶軸４３ａの方向は９０（deg）である。光束は、それぞれ結晶軸の傾き方向に分離される。各光学ローパスフィルタ４１〜４３の分離幅の比は、１：１／√２：１に設定される。
【００３０】
図９は、光束の分離手順を示す図である。図８のように光学ローパスフィルタ４１に入射した光束４０は、図９の符号４０ａ，４０ｂに示すようにｙ軸に沿って分離される。分離幅は１とする。次に、この光束４０ａ，４０ｂが光学ローパスフィルタ４２に入射すると、光束４０ａは光束４０ａ，４０ｃに分離され、光束４０ｂは光束４０ｂ，４０ｄに分離される。このときの分離方向はｙ軸から４５（deg）の方向であって、分離幅は１／√２となる。さらに、光束４０ａ〜４０ｄは、光学ローパスフィルタ４３によってそれぞれ２つに分離される。すなわち、光束４０ａは光束４０ａ，４０ｃに、光束４０ｂは光束４０ｂ，４０ｇに、光束４０ｃは光束４０ｃ，４０ｆに、光束４０ｄは光束４０ｄ，４０ｈにそれぞれ分離される。このときの分離方向はｘ軸方向であって、分離幅は１である。
【００３１】
上述した実施の形態ではデジタルカメラに用いられる光学ローパスフィルタを例に説明したが、撮像素子で画像を撮影するものであればデジタルスチルカメラに限らずビデオカメラ等の撮像装置にも適用することができる。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、光学ローパスフィルタは、入射面に入射した光束の入射角度と、常光と異常光との分離に関する分離幅との関係が入射面の法線に対して対称となるように、入射面の法線に対する光学異方性物質における屈折率楕円体の光学軸の傾きが設定されているので、撮像画面の全域にわたって分幅離特性の対称性が得られ、モアレや偽色の度合いが画面中心に関して対称な見やすい画像を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による一実施の形態を示す図である、デジタルカメラの撮像系の概略構成を示したものである。
【図２】光学ローパスフィルタ３の切り出し角度を説明する断面図である。
【図３】従来の光学ローパスフィルタ５０を説明する図である。
【図４】水晶を切り出し角度４５（deg）で切り出して形成した光学ローパスフィルタ５０の、入射角度と分離幅との関係を示ず図である。
【図５】屈折率楕円体と光の屈折との関係を説明する図である。
【図６】切り出し角度θを３６（deg）とした場合の分離幅特性を示す図である。
【図７】４点分離型の場合のフィルタ構成を示す図である。
【図８】８点分離型の場合のフィルタ構成を示す図である。
【図９】光束の分離手順を説明する図である。
【符号の説明】
１撮影光学系
２ＣＣＤ撮像素子
３、２０Ａ、２０Ｂ、４１、４２、４３、５０光学ローパスフィルタ
５屈折率楕円体
６結晶軸

Claims

光学異方性物質を用いて入射する光を常光と異常光とに分離する光学ローパスフィルタと、複数の画素を有し、前記光学ローパスフィルタを透過した像を撮像する撮像素子とを含むカメラであって、
前記光学ローパスフィルタは、入射面に入射した光束の入射角度と、前記常光と前記異常光との分離に関する分離幅との関係が前記入射角度０（ｄｅｇ）に関して対称となり、かつ光束が入射角０（ｄｅｇ）で入射したときに前記分離幅が最大となるように、前記入射面の法線に対する前記光学異方性物質における屈折率楕円体の光学軸の傾きが設定されており、
前記複数の画素は、前記光学ローパスフィルタに入射角度０（ｄｅｇ）で光束を入射させたときの前記分離幅に対応するピッチで配列されていることを特徴とするカメラ。
請求項１に記載のカメラにおいて、
前記光学ローパスフィルタは、前記入射面の法線に対する前記光学軸の角度が２５（ｄｅｇ）以上４０（ｄｅｇ）以下に設定されていることを特徴とするカメラ。
請求項１または２に記載のカメラにおいて、
前記光学ローパスフィルタは、前記光学異方性物質が水晶であり、前記入射面の法線に対する前記光学軸の角度が３６（ｄｅｇ）に設定されていることを特徴とするカメラ。
請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載のカメラにおいて、
前記光学ローパスフィルタは、前記入射面の法線に対する前記光学軸の角度が前記光学ローパスフィルタの界面における前記入射光束の屈折に応じて決められていることを特徴とするカメラ。
請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載のカメラにおいて、
前記光学ローパスフィルタを複数備えることを特徴とするカメラ。
請求項５に記載のカメラにおいて、
前記複数の光学ローパスフィルタは、前記光学軸の方向が互いに異なることを特徴とするカメラ。