JP4696584B2

JP4696584B2 - 光学ローパスフィルタ

Info

Publication number: JP4696584B2
Application number: JP2005040261A
Authority: JP
Inventors: 正樹塩澤
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2005-02-17
Filing date: 2005-02-17
Publication date: 2011-06-08
Anticipated expiration: 2025-02-17
Also published as: JP2006227252A

Description

本発明は、光線分岐を行う音響光学素子や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した撮像装置に関する。

ビデオカメラやデジタルカメラなど撮像素子を使用した撮像装置では、レンズによって結像された像は撮像素子によって電気信号に変換される。このとき、被写体像の中に撮像素子のサンプリング周波数と同程度以上の高周波数成分が含まれていると、撮像画像が劣化するという好ましくない現象が起こる。そのため、このような撮像装置では、結像された被写体像の高周波を減衰させる目的で光学ローパスフィルタが使用されている。

光学ローパスフィルタは、被写体光を複数に分岐することで、高周波成分の像を除去しようとするものであり、一般的には結晶材料の複屈折性を利用して光線を常光と異常光とに分岐する方法が用いられている。複屈折性を有する結晶材料としては、水晶やチリ硝石などが知られている。

また、複屈折性結晶材料とは分岐機構が異なるが、音響光学素子中に超音波を導入して光を回折する機構が知られており（例えば、特許文献１参照）、このような音響光学素子を光学ローパスフィルタとして用いることもできる。特許文献１に記載の音響光学素子では、音響光学媒体の端面で反射される超音波の影響を低減するために、音響光学媒体の端面を超音波進行方向に対して斜めにカットするようにしている。端面を斜めにすることにより、端面に入射した超音波を入射方向とは異なる方向に反射して、反射波の影響を低減するようにしている。

特開平４−４６４０７号公報

しかしながら、光ローパスフィルタの端面を斜めにカットした場合でも、反射波の影響を充分に小さくすることはできず、端面付近においては所望の回折効果が得られない。そのため、その端面から十分離れた狭い領域しか利用することがでずきず、所望の回折領域を得ようとすると、光学ローパスフィルタが大きくなってしまうという欠点があった。

請求項１の発明による光学ローパスフィルタは、複数の受光画素が規則的に配置された撮像素子と撮影光学系との間の光軸上に配設される光透過性部材と、前記光透過性部材に疎密波を発生させて周期的に変化する屈折率分布を形成する疎密波発生源と、前記光透過性部材の疎密波進行方向端部に形成され、疎密波を多重反射する多重反射部と、を備え、前記多重反射部は、前記疎密波進行方向に対して傾斜した所定間隔の複数の切欠き溝を前記光透過性部材の疎密波進行方向端部に刻設することによって形成された前記疎密波進行方向に対して傾斜した複数の櫛歯部から構成され、前記複数の櫛歯部の各々は、前記疎密波をその両側面で多重反射させることによって減衰させることを特徴とする。

本発明によれば、疎密波を多重反射する多重反射部を疎密波進行方向端部に形成したので、反射された疎密波を多重反射部で効率よく減衰させることができる。

以下、図を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。図１は本発明による撮像装置の一実施の形態を示す図であり、一眼レフ式のデジタルスチルカメラの概略構成を示したものである。図１において、１は撮影光学系、３はクイックリターンミラー、４は光学ローパスフィルタ、５はフォーカルプレーンシャッタ、６は撮像素子、７はファインダー光学系、８は光学ローパスフィルタ４の駆動回路である。

光学ローパスフィルタ４，フォーカルプレーンシャッタ５および撮像素子６は、それぞれ撮影光学系１の光軸２上に配設されている。クイックリターンミラー３は、図１に示す光軸位置と不図示の光軸外位置との間を移動できるように設けられている。クイックリターンミラー３が図１のように光軸位置に配設されると、撮影光学系１からの被写体光はクイックリターンミラー３によりファインダー光学系７へと反射される。ファインダー光学系７にはペンタプリズム７１や接眼レンズ７２が設けられており、接眼レンズ７２を介して被写体像を観察することができる。

一方、被写体を撮影する場合には、クイックリターンミラー３は不図示の光軸外位置に移動されるとともにフォーカルプレーンシャッタ５の開閉動作が行われ、被写体光に対して撮像素子６が所定時間露光される。この露光の際には、駆動回路８により光学ローパスフィルタ４が駆動される。すなわち、撮像素子６に入射する被写体光は、光学ローパスフィルタ４により高周波成分が除去される。撮像素子６はＣＣＤやＣＭＯＳ等の固体撮像素子で構成され、複数の受光画素が２次元的に配列されている。

《光学ローパスフィルタ４の説明》
次に、光学ローパスフィルタ４について説明する。図２は光学ローパスフィルタ４を撮影光学系１側から見た平面図である。４１は光透過性部材であり、ここでは石英ガラスから成る矩形状の平行平板を用いているが、光透過性部材４１に用いる材料としては、使用する光の透過性が良好なガラスや単結晶が良い。

例えば、可視光を取り扱うカメラ等の場合には、少なくとも波長４５０ｎｍから７５０ｎｍの範囲の光を透過する材料を使用する。また、光透過性の程度としては、上記波長帯域の分光透過率が部材厚さ１ｍｍあたり５０％以上であることが望ましい。このような光透過性の定量は、分光光度計などの分光透過率測定装置で行う。光透過性が良好な材料としては、ガラスの場合にはクラウンガラス，フリントガラス，石英ガラス等があり、結晶材料の場合にはモリブデン酸鉛、二酸化テルル等が好適である。もちろん、本発明における光透過性部材４１は、これらのガラスや結晶材料に限定されるものではない。

矩形状の光透過性部材４１の下辺Ａには、圧電体４２が固設されている。なお、図２に示す例は、光学ローパスフィルタ４により光線を一方向（図示上下方向）に分離する場合を示したものであり、圧電体４２が設けられた面Ａに対向する部分には、多重反射部４５が形成されている。なお、多重反射部４５の詳細は後述する。

駆動回路８から圧電体４２に高周波電圧が印加されると、圧電体４２は図示上下方向に振動する。光学ローパスフィルタとして機能させる場合には、１ＭＨｚ〜１００ＭＨｚ程度の周波数を有する高周波電圧が圧電体４２に印加される。この周波数域は音として人間の耳に聞こえない超音波の周波数帯域であり、このような周波数帯域の振動を発生させる圧電体４２としてはジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）やチタン酸バリウム等のセラミックスが好適であるが、必ずしもこれらに限定されるものではない。

圧電体４２を振動させると、矢印４３で示すように光透過性部材４１の下辺Ａから上方へと進行する疎密波が発生し、その周波数は圧電体４２に印加された電力の周波数に等しくなる。その結果、光透過性部材４１の内部に周期的な密度分布が形成され、光透過性部材４１の面内で周期的に変化する屈折率分布が形成される。４４は疎密波の波面を示したものであり、波面４４は進行方向４３に垂直となる。例えば、波面４４の位置を分布が密な部分とすれば、それらの中間に分布が疎となる部分が発生する。密部分同士の間隔は疎密波の波長Λになっている。すなわち、屈折率分布の空間的な周期はΛとなっている。

図２に示すような周期的な屈折率分布が形成された光透過性部材４１に光が入射すると、音響効果によるラマン・ナス（Raman-Nath）回折と呼ばれる回折現象が生じる。本実施の形態の光学ローパスフィルタ４は、この回折現象を利用して光線分岐を行うものである。図３はラマン・ナス回折による光線分岐を説明する図であり、図１と同様の方向から見た図である。

光透過性部材４１には周期的な屈折率分布が形成されており、このような光透過性部材４１に光が入射した場合には、屈折率が高い部分を通過した光は位相が遅れ、屈折率が低い部分を通過した光は位相が進む。その結果、回折現象が発現することになる。光透過性部材４１に入射した光線の一部は０次回折光として入射光と同一方向に出射され、一部は高次回折光として進行方向を特定の角度だけ変えられて出射される。一般に、ラマン・ナス回折では、回折光は０次光、±１次光、±２次光、…のように複数現れる。

このとき、ｍ次回折光の分岐角度θ_ｍは、回折次数をｍ、光の波長をλとすると、次式（１）で表される。また、周期的な屈折率分布の周期（幅）Λは、圧電体４２に印加する高周波電圧の周波数をｆ、光透過性部材４１内における音速をｖとすると、次式（２）のように表される。
sinθ_ｍ＝ｍλ／Λ …（１）
Λ＝ｖ／ｆ …（２）

光透過性部材４１から撮像素子６の撮像面までの距離をＬとし、撮像面での分離幅をｄとすると、次式（３）が成り立つ。分岐角度θ_ｍは小さいのでtanθ_ｍ＝sinθ_ｍとみなすことができるので、周波数ｆは次式（４）のように表される。
tanθ_ｍ＝ｄ／Ｌ …（３）
ｆ＝ｄｖ／（λＬ） …（４）

例えば、光の波長をλ＝６００ｎｍ、距離Ｌ＝５ｍｍとし、光透過性部材４１に石英ガラスを用いた場合を考える。石英ガラス中の音速ｖはｖ＝６ｋｍ／ｓであるので、分離幅ｄをｄ＝５μｍとするためには、印加電圧の周波数をｆ＝１０ＭＨｚとすれば良いことがわかる。このように、高周波電圧の周波数ｆを変更することにより、分離幅ｄすなわち光学ローパスフィルタ４のカットオフ周波数を調整することができる。その結果、同一光学ローパスフィルタ４で、画素ピッチの異なる種々の撮像素子６や被写体像の空間周波数の違いに対応することができる。さらに、圧電体４２に印加する電力の大きさを変更することにより、０次光の強度と高次光の強度との比率を変化させることができ、撮影者の意図に応じた撮影に容易に対応することができる。

［多重反射部４５の説明］
次に、多重反射部４５について図４に示す拡大図を参照して説明する。多重反射部４５は、図２に示すように圧電体４２が設けられている面Ａと対向する端部、すなわち、光透過性部材４１の疎密波進行方向端部に設けられている。多重反射部４５には、疎密波の進行方向に対して斜めに傾斜した切り欠き溝４５０が端部に沿って複数形成されている。その結果、多重反射部４５は櫛歯形状になっており、図示上方に進行して多重反射部４５に入射した疎密波は、各櫛歯部４５１内に進入する。

櫛歯部４５１に進入した疎密波は、櫛歯部４５１の図示左側の面４５１Ａにより反射される。面４５１Ａで反射された疎密波は反対側の面４５１Ｂに入射し、面４５１Ｂにより反射される。このような面４５１Ａ，４５１Ｂ間の反射を繰り返しながら櫛歯部４５１内を斜め右上に進行し、櫛歯４５１の端面４５１Ｃに達する。疎密波は端面４５１Ｃにより反射され、櫛歯４５１内を逆行する。この際も、面４５１Ａ，４５１Ｂ間の反射を繰り返しながら逆行する。

疎密波は反射の度に減衰するため、櫛歯４５１内に進入した疎密波は面４５１Ａ，４５１Ｂ間で多重反射されて十分減衰し、疎密波が多重反射部４５から図示下方に出射されることはほとんどない。その結果、図２に示した光透過性部材４１の内の多重反射部４５を除いた領域を、全てフィルタ領域として利用することができる。櫛歯部４５１の幅寸法ｗを小さくするほど多重反射の反射回数が増加するので、幅ｗを小さくすることにより多重反射部４５の高さｈをより小さくすることができ、光透過性部材４１における多重反射部４５の割合を小さくすることができる。

図４に示した例では、切り欠き溝４５０を形成することにより疎密波が多重反射される界面を形成したが、これに限らず、面４５１Ａ，４５１Ｂに相当する界面を光透過性部材４１に形成できる方法であるならば適用することができる。図５は多重反射部４５の他の例を示す図であり、多重反射部４５に複数の貫通孔４５２を形成したものである。多重反射部４５には、貫通孔４５２によって紙面表裏方向に延びる円筒形状の界面が複数形成されることになる。

この場合も円筒形状界面は疎密波の進行方向（矢印４３の方向）に対して傾斜しているので、多重反射部４５に入射した疎密波は円筒形状の各界面によって反射され、反射を繰り返すことにより減衰する。また、端面Ｂに達して反射された疎密波も、逆行する間に貫通孔４５２の界面によって繰り返し反射されて減衰する。その結果、多重反射部４５から図示下方に逆行する疎密波を非常に小さく抑えることができ、上述した図２に示す光学ローパスフィルタ４の場合と同様の効果を奏することができる。

上述した図２，５に示す例では、入射光線を１方向（図示上下方向）に分岐する場合を示したが、図６のような構成とすることにより上下左右の２方向に分岐させることができる。図６において（ａ）は図４に示すように切り欠き溝４５０を形成する場合であり、（ｂ）は図５に示したように貫通孔４５２を形成する場合である。

いずれの場合も、光透過性部材４１の面Ａ，Ｄに圧電体４２（不図示）を設け、面Ａから上方向に、また面Ｄから右方向に疎密波をそれぞれ導入する。このように２方向に疎密波を導入することにより、上下方向および左右方向に周期的な屈折率分布がそれぞれ形成され、紙面に垂直に入射した光線は上下方向および左右方向の２方向に分岐される。面Ａに対向する部分には多重反射部４５Ａが形成され、面Ｄに対向する部分には多重反射部４５Ｂが形成されているので、それぞれ疎密波に対して反射の影響を低減することができる。

上述した実施の形態では、一眼レフ式のデジタルカメラの光学ローパスフィルタに適用した場合について説明したが、レンズ一体型のデジタルカメラにも同様に適用することができる。さらに、デジタルスチルカメラに限らず、ビデオカメラなどのように撮像素子を備えた撮像装置の光学ローパスフィルタにも適用できる。また、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではない。例えば、屈折率分布形成手段として圧電体を用いたが、光透過性部材４１内に疎密波（超音波）を発生させることができるならば、圧電体に限らず他のトランスデューサを用いても良い。

以上説明した実施の形態と特許請求の範囲の要素との対応において、圧電体４２は疎密波発生源を、光透過性部材４１は音響光学素子をそれぞれ構成する。なお、以上の説明はあくまでも一例であり、発明を解釈する際、上記実施の形態の記載事項と特許請求の範囲の記載事項の対応関係に何ら限定も拘束もされない。

本発明による撮像装置の一実施の形態を示す図であり、一眼レフ式のデジタルスチルカメラの概略構成を示したものである。光学ローパスフィルタ４を撮影光学系１側から見た平面図である。ラマン・ナス回折による光線分岐を説明する図である。多重反射部４５の拡大図である。多重反射部４５の他の例を示す図である。入射光線を２方向に分岐する場合の多重反射部を示す図であり、（ａ）は切り欠き溝４５０を形成する場合、（ｂ）は貫通孔４２０を形成する場合である。

符号の説明

１撮影光学系
２光軸
３クイックリーターンミラー
４光学ローパスフィルタ
５フォーカルプレーンシャッタ
６撮像素子
７ファインダー光学系
８駆動回路
４１光透過性部材
４２圧電体
４３進行方向
４４波面
４５，４５Ａ，４５Ｂ多重反射部
４５０切り欠き溝
４５１櫛歯部
４５２貫通孔

Claims

複数の受光画素が規則的に配置された撮像素子と撮影光学系との間の光軸上に配設される光透過性部材と、
前記光透過性部材に疎密波を発生させて周期的に変化する屈折率分布を形成する疎密波発生源と、
前記光透過性部材の疎密波進行方向端部に形成され、疎密波を多重反射する多重反射部と、を備え、
前記多重反射部は、前記疎密波進行方向に対して傾斜した所定間隔の複数の切欠き溝を前記光透過性部材の疎密波進行方向端部に刻設することによって形成された前記疎密波進行方向に対して傾斜した複数の櫛歯部から構成され、
前記複数の櫛歯部の各々は、前記疎密波をその両側面で多重反射させることによって減衰させることを特徴とする光学ローパスフィルタ。
請求項１に記載の光学ローパスフィルタにおいて、
前記光透過性部材は略矩形状であり、
疎密波発生源は、前記略矩形状の光透過性部材の直交する二つの辺にそれぞれ、配置され、
前記多重反射部は前記二つの辺に対向する辺にそれぞれ設けられ、各多重反射部の前記櫛歯部の向きがほぼ同一方向であることを特徴とする光学ローパスフィルタ。
請求項１または２に記載の光学ローパスフィルタにおいて、
前記疎密波発生源は圧電体であり、
前記疎密波の周波数と前記圧電体に供給される電力の周波数とが等しいことを特徴とする光学ローパスフィルタ。
請求項１または２に記載の光学ローパスフィルタにおいて、
前記疎密波発生源は圧電体であり、
前記圧電体に供給される電力の大きさを制御する電力制御部を設けたことを特徴とする光学ローパスフィルタ。
請求項１〜４のいずれか一項に記載の光学ローパスフィルタにおいて、
前記光透過性部材は、４５０ｎｍから７５０ｎｍの波長帯域の分光透過率が厚さ１ｍｍあたり５０％以上であることを特徴とする光学ローパスフィルタ。