JP4701710B2 - 光学的ローパスフィルタ及び撮像光学系 - Google Patents

Description

本発明は、デジタルカメラなどの像特性を改善するための光学的ローパスフィルタ、及びこの光学的ローパスフィルタを使用した撮像光学系に関するものである。

デジタルカメラ、ビデオカメラなどの電子撮像装置においては、離散的なピクセルを持つ受光素子を用いて撮影を行う。このような離散的なピクセルを持つ撮像素子の分解能を越えた高い空間周波数成分を持つ像が、このような撮像素子に結像した場合、モワレ現象による偽解像が生じるなどの悪影響が出てしまう。

従来、このような現象が発生するのを避けるために、撮像素子の直前に光学的ローパスフィルタを挿入し、空間高周波数成分を除去するということが行われている。その１例を図４に示す。開口絞り１を透過した光２は、レンズ３により撮像素子４の１点に集光するように進行するが、撮像素子４の手前近傍に置かれた光学的ローパスフィルタ５により拡散を受け、破線で示す２’のように広がって、撮像素子の複数の画素に到達するようになっている。

光学的ローパスフィルタを構成するためには、被写体の一点から出た光が撮像素子上の複数の画素に到達するようにする必要がある。このための方法としては、複屈折結晶を用いて、偏光ごとに光線を分離する方法（特開２００４−２４６２６１号公報：特許文献１）、回折格子により光を複数の回折波に分離する方法（特開平７−１９８９２１号公報：特許文献２）などが知られている。

特開２００４−２４６２６１号公報 特開平７−１９８９２１号公報

光学的ローパスフィルタの性質としては、一定値を超える高周波成分は完全に除去し、当該一定値以下の低周波成分はコントラストを下げずに透過させることが望ましい。従って、光学的ローパスフィルタ自体のＭＴＦ特性としては、一定値以下の低周波数では１、当該一定値を超える高周波では０というのが理想である。

しかしながら、複屈折結晶を用いた光学的ローパスフィルタの場合は、入射光束は比較的少数の点にしかならないため、高周波成分を十分に除去することは困難で、偽解像現象がある程度は残ってしまうという問題点がある。

又、通常の回折格子を用いた場合は、ピッチを大きくすれば、多数の回折光が一度に受光素子に入射するようにすることができるため、空間周波数特性を改善することができるが、回折素子の特性は波長依存性を持つため、入射波長による変化が生じてしまうという問題点がある。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、ＭＴＦ特性が良好で、かつ、波長依存性も小さな光学的ローパスフィルタ、およびそれを使用した撮像光学系を提供することを課題とする。

前記課題を達成するための第１の手段は、入射光の空間周波数成分のうち一定値以上の高周波成分を除去する光学的ローパスフィルタであって、素子表面に１周期内の凹凸の構成比が異なる凹凸構造の単位ブロックを、２次元的にランダムに配列して単位構造を形成し、該単位構造を縦横に周期的に配列して構成された回折型拡散素子からなり、当該回折型拡散素子は、当該回折型拡散素子を透過する光の光路長が、当該回折型拡散素子面内において、複数の離散的な値となるものであり、前記凹凸構造のピッチは、前記光学的ローパスフィルタが使用される最小波長よりも小さなものであり、前記光学的ローパスフィルタが使用される最大波長の光の、当該回折型拡散素子通過時の最大位相差が２πを超えるものであり、前記光学的ローパスフィルタが使用される撮像光学系のＦナンバーをｆ、像面上での拡散サイズ半径をｒ、拡散に使用される回折次数をｍ、当該回折型拡散素子と像面の距離をｌ、中心波長をλ、前記単位構造のサイズをｐ×ｐとして、
ｍｌ／ｐ＝ｒ／λ、ｌ／ｐ≧ｆ／２
を満たし、当該回折型拡散素子は、拡散特性が波長によらないように構成されたことを特徴とする光学的ローパスフィルタ（請求項１）である。

ここで、「１周期内の凹凸の構成比」とは、所定の周期（縦周期×横周期）を有する部分において凹部が占める面積と凸部が占める面積の比率を言う。回折型拡散素子を用いる場合、拡散形状や拡散角内部での強度分布を設定した設計が可能であるため、光学的ローパスフィルタとして用いる場合は有利である。回折型拡散素子は、素子表面に凹凸構造を作成することによって作成され、このようなタイプの素子においては、透過波面の位相分布を設計できるため、周波数成分の制御を行うことができる。

回折型拡散素子を透過する光の光路長が、回折型拡散素子面内において、複数の離散的な値となるようにすることにより、設計の自由度が高まり、拡散素子の性能を向上させることができる。また、光路長が離散的な複数の値を持つようにすることは、回折型拡散素子の凹凸構造の構成を変えることで実現できるので、製造が容易である。

このような凹凸構造は、要求される位相変調に応じた凹凸構造を素子表面に作成することで実現できる。このような構造は基板表面にパターニングをしたうえで多段エッチングを行ったり、このようにして作製された基板をレプリカとして、転写をすることなどによって作製することができる。

また、回折型拡散素子を透過する光の光路長に離散的な複数の値を持たせることは、回折型拡散素子の有効屈折率を必要な位相差に応じて変調させることによっても実現できる。これは、回折型拡散素子に波長以下のスケールの周期的な微細孔をする方法、例えば２種類の屈折率の異なる物質を組み合わせ、その各々の厚さを、部分部分によって変えることなどによって実現することができる。

凹凸構造のピッチが、光学的ローパスフィルタが使用される波長よりも小さなものとなると、１ピッチ内の凹凸構造の構成比を変えることにより、回折型拡散素子の有効屈折率を変えることができる。よって、１種類の物質からなる回折型拡散素子であって、その部分部分に応じて有効屈折率が異なるものを製造することができる。

前記課題を解決するための第２の手段は、前記第１の手段の光学的ローパスフィルタであって、前記回折型拡散素子は、当該拡散素子を透過する光の最大光路長差が使用波長帯域の最大波長より大きくされていることを特徴とするもの（請求項２）である。

回折型の素子の場合は、通常は特性が波長に応じて変化してしまう。しかし、素子透過時の最大位相差が２πを超えるような素子の場合、複数波長で位相分布、すなわち空間周波数分布を最適化することが可能である。そのような条件で素子形状の最適化を行うことにより、可視光の全域で特性がほぼ一様となるような光学的ローパスフィルタを設計することができる。

前記課題を解決するための第３の手段は、前記第１の手段または第２の手段のいずれかの光学的ローパスフィルタを、撮像素子面の前に、近接して配置したことを特徴とする撮像光学系（請求項３）である。

本手段においては、物体上の一点を出て、受光素子に集光する直前の結像光は、光学的ローパスフィルタにより、円、正方形などの２次元形状に拡散される。拡散されたサイズが画素のサイズと同程度であれば、像の形状が高周波成分を持っている場合でも高周波成分は低減され、ローパスフィルタとして動作することになる。本手段においては、波長依存性が少ない状態で、偽解像現象が発生するのを防止することができる。なお、近接とは、結像の分解能に悪影響を与えず、かつ、撮像素子に偽解像現象が発生するのを防止することができる程度の距離を言い、結像光学系の設計条件によって、その範囲が定まる。具体的な距離の算出方法の例は、発明の実施の形態の欄において例示する。

本発明によれば、ＭＴＦ特性が良好で、かつ、波長依存性も小さな光学的ローパスフィルタ、およびそれを使用した撮像光学系を提供することができる。

本発明の実施の形態の１例である撮像光学系は、光学的ローパスフィルタが異なるだけで、基本的な構成は、図４に示す従来の撮像光学系と同一である。このような撮像光学系に光学的ローパスフィルタとして使用される、本発明の実施の形態の１例である光学的ローパスフィルタを構成する拡散素子の設計条件を以下に述べる。

撮像光学系のＦナンバーをｆ，像面上での拡散サイズ半径をｒ，拡散素子と像面の距離をｌ、中心波長をλ、拡散素子の１単位構造サイズをｐ×ｐとする。拡散素子は単位構造（１単位は、後述するように複数の単位ブロックからなる）を周期的に配列させたような形状であるものとする。

ここで、物体面上の一点からの入射光について考える。これらは拡散素子に収束球面波として入射することから、各回折次数での出射光は像面で概ね一点に収束する。±ｍ次回折光に相当する範囲内に入射光が拡散されるものとすると、０次とｍ次の回折光の間隔は、ｍλｌ／ｐとなる。これをｒに一致させるため、
ｒ＝ｍλｌ／ｐ
とする必要がある。ところで、周期構造として設計した拡散素子が想定に近い拡散性能を示すためには、入射光束径が拡散素子の単位構造と同程度以上のサイズである必要がある。ここから、
２ｌ／ｆ≧ｐ
という条件が要請される。パラメータのうち、λ，ｆ，ｒは通常は光学系の要請から固定されているため、拡散板の設計時に調整可能なパラメータはｌ，ｐ，ｍである。これらを
ｍｌ／ｐ＝ｒ／λ、ｌ／ｐ≧ｆ／２
を満たすように設計すればよい。

これらのパラメータのうち、ｍは小さくなると設計の自由度や拡散形状の一様性に影響を及ぼすことになる。また、ｐが小さいと素子のパターンが細かくなり、作成が困難になる。そこで、ｌの値が大きくなりすぎない範囲でこれらのパラメータを調整して、拡散素子を設計することになる。

以下、可視帯域（中心波長０．５μｍ）を対象として、Ｆナンバーが４、画素ピッチが１０μｍであるような装置に対して、波長以下の微小構造により有効屈折率を変調させるタイプの拡散素子によるローパスフィルタの構成例を示す。

拡散像は画素ピッチと同程度にしなければならないので、ここでは、像面での拡散サイズ半径が１０μｍ程度の円形であるようなローパスフィルタを構成することを考える。パラメータはλ＝０．５μｍ、ｆ＝４，ｒ＝１０μｍである。

これに対し、拡散素子の特性が内部でほぼ一様になり、波長帯域内で大きな形状の差が出ないようにするため、最大回折次数ｍ＝５とする。拡散素子の単位構造をｎ×ｎのブロック（単位ブロック）に分割するものとし、素子設計の自由度を考えるとｎは２ｍよりも十分に大きくすることが好ましい。そこで、ｎ＝３２とする。また、ｐ／ｎが波長と同程度になるとブロック境界部分での回折による影響が大きくなり、性能が出にくくなるため、ｐは９０μｍとする。これに対し、ｌ＝３６０μｍとすれば条件式を満たすことができる。

ここで、拡散素子の構造としては、微細構造により有効屈折率を変調させたものを想定する。Ｓｉ基盤にＵＶ露光によりパターンを形成し、エッチングで周期孔構造を作成した後、樹脂に転写により構造を作成するものとする。

このような拡散素子の模式図を図１に示す。図１は、拡散素子の１つの単位構造を示し、この場合は、１つの単位構造が３×３＝９個の単位ブロックからなる拡散素子を示している、各単位ブロックには、単位ブロック毎に凹凸構造が形成されている。

図１においては、１つの単位構造中に、完全な凸構造の単位ブロックＡが２個、太い円柱が所定ピッチで形成された単位ブロックＢが２個、中程度の太さの円柱が所定ピッチで形成された単位ブロックＣが２個、細い円柱が所定ピッチで形成された単位ブロックＤが２個、完全な凹構造の単位ブロックＥが１個集まって、単位構造を形成している。そして、この単位構造を縦横に必要数配列することにより拡散素子が形成される。

円柱の太さ、及び配列ピッチは、使用される光の波長より短く、このような構造の各単位ブロックは、図１の上下方向に光を透過させた場合、有効屈折率が異なるブロックとして作用する。すなわち、この拡散板は、場所によって有効屈折率が異なる素子として作用する。

実際に設計した拡散素子においては、樹脂の屈折率は１．５、微細構造の周期（図１における円柱間のピッチに相当する）はｐ／ｎの１／１０に相当する２８１ｎｍとした。この微細構造周期の１０倍（２．８１μｍ）を単位ブロックとして、３２×３２の単位ブロックで１単位構造を構成すると、単位構造周期が９０μｍとなる。すなわち、９０μｍ×９０μｍの大きさの単位構造を、必要数縦横に配列することにより拡散素子を形成する。

微細構造は、図１に示すような円柱を所定ピッチで配列したものとし、円柱の高さを２．２μｍとし、円柱の径を変調させて有効屈折率が１〜１．５の１５種類の領域を作成する。これにより、最大光路長差１．１μｍ、位相種類が１５種類の単位ブロックを作成する。円柱の高さを１．１μｍとして、２枚の素子を密着させても同じ機能を持つ構造を作成することができる。ここでは後者を想定し、有効屈折率1.000、1.142、1.223、1.267、1.500の５種類の領域を使用し、その組み合わせにより位相種類が１５種類の単位ブロックを作成する。

この構造を用いて、拡散パターンを最適化することにより拡散素子を設計することができる。拡散素子の単位構造の設計例を図２に示す。ここでは各単位ブロックを異なる文字で表現している。各々の文字に対する光路長差（μｍ単位）の対応を示す。
ａ: 0.000、ｂ: 0.156、ｃ: 0.245、ｄ: 0.293、ｅ: 0.312
ｆ: 0.401、ｇ: 0.449、ｈ: 0.490、ｉ: 0.538、ｊ: 0.550
ｋ: 0.587、ｌ: 0.706、ｍ: 0.795、ｎ: 0.843、ｏ: 1.100
すなわち、この拡散素子においては、上記ａ〜ｏの光路差を有する単位ブロックを、３２×３２の領域にランダムに配列して、単位構造を形成している。そして、このような単位構造を、必要数だけ縦横に配列して、拡散素子を構成する。

図３に、この形状の拡散素子の回折特性を解析した結果得られた、Ｒ(630nm)、Ｇ(545nm)、Ｂ(480nm)の３波長についての拡散特性を、拡散角と強度の関係として示す。拡散特性は波長によらずほぼ一様であり、波長に関わらず同等の特性を持つことを示している。したがって、このような拡散素子を、図４に示すような撮像光学系の適切な位置に挿入することにより、入射波長帯域内で均質に動作する光学的ローパスフィルタを得ることができる。

本発明の実施の形態である光学的ローパスフィルタを構成する拡散素子の模式図である。 本発明の実施の形態である光学的ローパスフィルタを構成する拡散素子の単位構造の設計例を示す図である。 図２に示す拡散素子の回折特性を解析した結果得られた、Ｒ(630nm)、Ｇ(545nm)、Ｂ(480nm)の３波長についての拡散特性を、拡散角と強度の関係として示す図である。 撮像素子の直前の近傍に光学的ローパスフィルタを挿入し、空間高周波数成分を除去する撮像光学系の例を示す図である。

符号の説明

１…開講絞り、２…光、２’…拡散光、３…レンズ、４…撮像素子、５…光学的ローパスフィルタ

Claims (3)

1. 入射光の空間周波数成分のうち一定値以上の高周波成分を除去する光学的ローパスフィルタであって、素子表面に１周期内の凹凸の構成比が異なる凹凸構造の単位ブロックを、２次元的にランダムに配列して単位構造を形成し、該単位構造を縦横に周期的に配列して構成された回折型拡散素子からなり、当該回折型拡散素子は、当該回折型拡散素子を透過する光の光路長が、当該回折型拡散素子面内において、複数の離散的な値となるものであり、前記凹凸構造のピッチは、前記光学的ローパスフィルタが使用される最小波長よりも小さなものであり、前記光学的ローパスフィルタが使用される最大波長の光の、当該回折型拡散素子通過時の最大位相差が２πを超えるものであり、前記光学的ローパスフィルタが使用される撮像光学系のＦナンバーをｆ、像面上での拡散サイズ半径をｒ、拡散に使用される回折次数をｍ、当該回折型拡散素子と像面の距離をｌ、中心波長をλ、前記単位構造のサイズをｐ×ｐとして、
   ｍｌ／ｐ＝ｒ／λ、ｌ／ｐ≧ｆ／２
   を満たし、当該回折型拡散素子は、拡散特性が波長によらないように構成されたことを特徴とする光学的ローパスフィルタ。
2. 請求項１に記載の光学的ローパスフィルタであって、前記回折型拡散素子は、当該拡散素子を透過する光の最大光路長差が使用波長帯域の最大波長より大きくされていることを特徴とする光学的ローパスフィルタ。
3. 請求項１または２に記載の光学的ローパスフィルタを、撮像素子面の前に、近接して配置したことを特徴とする撮像光学系。

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