JP4747671B2 - 光学ローパスフィルタおよび撮像装置 - Google Patents

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成分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（例えば、特許文献１参照）。

特開２００２−１２２８１３号公報

しかしながら、上述した結晶材料の複屈折性や周期構造の回折効果を利用する一般的な光学ローパスフィルタでは、光学ローパスフィルタの分離特性が固定されているため、撮影者の意図に応じた撮影が困難であった。

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、前記光軸と交わる平面を有する多角形の光透過性平板と、前記光透過性平板の多角形の一辺に沿って配設され、前記光透過性平板に疎密波を発生させて前記平面内に周期的に変化する屈折率分布を形成する複数の疎密波発生手段と、前記複数の疎密波発生手段を各々独立して制御する制御手段とを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、複数の疎密波発生手段を各々独立して制御することにより、光透過性板材の屈折率分布に基づく光学特性を変更することができるとともに、光透過性板材の面内において屈折率分布の異なる複数の領域を形成することができる。

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。駆動回路８は制御部９に接続されている。１０は操作ボタンや操作ダイヤル等を有する操作部であり、ユーザは操作部１０を操作することにより、カメラに対して種々の操作指示をすることができる。また、図示していないが、カメラはＬＣＤモニタ等の表示部を備えており、操作部１０を操作してその表示部に操作設定画面を表示させ、後述する圧電体の条件設定等を行うことが可能な構成になっている。

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可能な構造となっている。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は矩形平板状の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などが好ましい。

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。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。

光透過性部材４１の下辺Ａには、２つの矩形平板状の電歪素子である圧電体４２ａ，４２ｂが並設されている。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、一方向に分離する場合、圧電体４２ａ，４２ｂの固設位置は下辺Ａに限らず、４辺Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄのいずれか一つに設ければ良い。圧電体４２ａ，４２ｂを辺ＡまたはＣに設ければ光線は上下に分離され、辺ＢまたはＤに設けた場合には光線は左右に分離される。分離動作の原理はいずれの場合も同じなので、ここでは代表して辺Ａに固設した場合で説明する。

駆動回路８から圧電体４２ａ，４２ｂ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４２ａ，４２ｂ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４２ａ，４２ｂ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。

なお、駆動回路８は圧電体４２ａ，４２ｂに対してそれぞれ独立して高周波電圧を印加することができる。すなわち、印加電圧の周波数や電圧の大きさを圧電体４２ａと圧電体４２ｂとの間で同じにすることもできるし、異ならせることもできる。例えば、左右の圧電体４２ａ，４２ｂの間に個体差がある場合でも、印加する電力の大きさや周波数を調整することにより、光透過性部材４１の全域にほぼ均一なローパスフィルタ特性を与えることができる。

圧電体４２ａ，４２ｂ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から上辺Ｃへと進行する疎密波が発生し、その周波数は圧電体４２ａ，４２ｂに印加された電力の周波数に等しくなる。図２に示した例は、圧電体４２ａ，４２ｂに同一電圧・同一周波数の高周波電圧を印加した場合を示したものであり、同一周波数の疎密波が矢印４３で示すように下辺Ａから上辺Ｃ方向へと進行する。

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、回折次数をｍ、光の波長をλとすると、ｍ次回折光の分岐角度θ_ｍは次式（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、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。

また、印加する電力の大きさを変えると、０次光の強度と高次光の強度との比率が変化するので、それによりローパス効果を調整することで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。すなわち、圧電体４２ａ，４２ｂに印加する電力の大きさを変化させて光透過性部材４１の疎密波の強度を変えると、光透過性部材４１中に形成される周期的な屈折率分布の振幅が変化する。

例えば、印加電力を大きくすると疎密波が強くなり、周期的な屈折率分布の振幅が大きくなる。その結果、０次光の強度が小さくなり、±１次光や±２次光などの高次回折光の強度が大きくなる。逆に、印加電力を小さくすると疎密波が弱くなって周期的な屈折率分布の振幅が小さくなり、その結果、０次光の強度が大きくなり、±１次光や±２次光などの高次回折光の強度が小さくなる。

図４は、圧電体４２ａ，４２ｂに印加される電力と回折光強度との関係を示す図である。この図は、光透過性部材４１に可視域の波長の光を入射したときに計測された、ラマン・ナス回折による０次光、±１次光、±２次光の強度を示したものである。図４において、曲線Ｌ（０）は０次光の強度を表し、１次光に関する曲線Ｌ（±１）は＋１次光の強度と−１次光の強度との合計を表し、２次光に関する曲線Ｌ（±２）は＋２次光の強度と−２次光の強度との合計を表したものである。

印加電力＝０の場合にはラマン・ナス回折は生じないので、０次光のみが現れる。光透過性部材４１による表面反射や内部吸収を無視すれば、０次光の強度は入射光の強度と実質的に等しい。図４では、電力を印加しないときの０次光の強度を１００％とする。印加電力をゼロから大きくして行くと、ラマン・ナス回折によって生じる±１次光の強度が徐々に大きくなり、それにつれて０次光の強度が徐々に小さくなる。

さらに電力を増加させて図４のＰ１よりも大きくすると、±２次光が現れて電力増加とともにもその強度が増加する。一方、０次光については減少し、±１次光については増加する。さらに電力を増加すると、増加していた±１次光の強度が減少し始め、Ｐ２となったときに０次光の強度はゼロとなり、光透過性部材４１からは±１次光と±２次光とが出射される。

このように、印加電力の増加とともに０次光、±１次光、±２次光の強度が図４のように変化するので、印加電力の大きさを変更することで光学ローパスフィルタ４のフィルタ効果を容易に変えることができ、ユーザの様々な要求性能に容易に対応することができる。例えば、モアレの影響が少ない状況においてシャープな画像を撮影したい場合には、電力をゼロ、あるいは図４のＰ１のように小さく設定する。逆に、モアレの影響が大きくそれを低減したい場合には、例えば電力Ｐ２のように大きく設定する。

《圧電体の動作形態について》
上述したフィルタ機能の説明では、圧電体４２ａ，４２ｂに同一周波数、同一電圧の印加電圧を与えて、光透過性部材４１の全領域に同一の疎密波を発生させたが、圧電体４２ａ，４２ｂを独立に制御しても良い。以下では、代表的な動作形態について数種類説明する。

（動作形態１）
動作形態１では、通常の撮影の際には図２に示すように光透過性部材４１の全領域に同一の疎密波を発生させ、光透過性部材４１の全領域においてローパスフィルタ効果を発生させる。そして、モアレの影響が少ない状況や風景撮影のような状況においてシャープな画像を撮影したい場合には、操作部１０を操作して圧電体４２ａ，４２ｂの印加電圧をオフする。この場合、光透過性部材４１はローパスフィルタとして機能しないため、シャープな画像を得ることができる。

この場合、前述した表示部に圧電体４２ａ，４２ｂの設定画面を表示させて設定するようにしても良い。また、圧電体４２ａ，４２ｂを個別に設定する代わりに、例えば、操作部１０を「シャープな撮影モード」や「風景撮影モード」などの撮影モードを選択できるセレクタダイヤルとし、これらの撮影モードが選択されると圧電体４２ａ，４２ｂの印加電圧がゼロに設定されるようにしても良い。

（動作形態２）
動作形態２では、光透過性部材４１の一部の領域に疎密波を発生させて、その領域だけにローパスフィルタ効果を発生させる。例えば、図５に示すように圧電体４２ａは印加電圧をオフし、圧電体４２ｂの印加電圧をオンする。このように動作させた場合、周波数が超音波域の疎密波は直進性が高いため、圧電体４２ｂが設けられた右側の領域４１ｂだけに疎密波が発生する。

その結果、光透過性部材４１の領域４１ｂにだけローパスフィルタ効果が発生する。例えば、領域４１ａの被写体をシャープに撮影したい場合には、図５のように設定する。逆に、通常は圧電体４２ａ，４２ｂをオフにしておき、領域４１ｂにモアレの影響が見られる場合には、圧電体４２ｂの印加電圧をオンにする。

（動作形態３）
動作形態２では、圧電体４２ａ，４２ｂの印加電圧のオン・オフ状態を個別に制御したが、動作形態３では周波数（波長）や印加電力の大きさを個別に制御することにより、領域４１ａ，４１ｂのフィルタ特性を異なる状態とする。その結果、画像の領域別に撮影者の意図を反映した画質を実現することができる。図６は、圧電体４２ａ，４２ｂに異なる周波数の電圧を印加した場合を示す。圧電体４２ａ，４２ｂの周波数が異なるため、光透過性部材４１の領域４１ａでは屈折率分布の空間的周期はΛ１となっており、領域４１ｂではΛ２となっている。

上述した実施の形態で矩形状の光透過性部材４１の一辺Ａに複数の圧電体４２ａ，４２ｂを配設したが、図７に示すように辺Ａに直交する辺Ｂにも複数の圧電体４２ｃ，４２ｄを配設するようにしてもよい。各圧電体４２ａ〜４２ｄは、駆動回路８（不図示）によって個別に駆動される。圧電体４２ｃ，４２ｄは図示左右方向に進行する疎密波を発生させ、光透過性部材４１の左右方向に周期的な屈折率分布を形成する。その結果、光透過性部材４１には面内の異なる２方向に周期的な屈折率分布を形成され、光透過性部材４１に入射した光線は、図示上下方向および左右方向に２次元的に分岐される。

各圧電体４２ａ〜４２ｄに異なる周波数や異なる電力の高周波電圧を印加することにより、各圧電体４２ａ〜４２ｄから光透過性部材４１に導入される疎密波の波長と強度を個別に制御することができる。その結果、それぞれの疎密波が作用する光透過性部材４１の各領域４１ａ〜４１ｄにおいて、光線の分岐角や分岐光の強度を個別に設定することができる。

図７に示した例では、圧電体４２ａ，４２ｃの印加電圧をオンし、圧電体４２ｂ，４２ｄの印加電圧をオフ状態とした。領域４１ａに入射した光線は上下左右２方向に分岐され、領域４１ｂに入射した光線は左右方向に分岐され、領域４１ｃに入射した光線は上下方向に分岐される。また、領域４１ｄには疎密波が形成されないので、ローパスフィルタ作用がオフ状態となっている。すなわち、領域４１ｄの画像はシャープに撮影される。

なお、上述した実施の形態では、光透過性部材４１の一辺上に２つの圧電体を配設したが、辺に沿って３以上の圧電体を配設するようにしても良い。圧電体の数が多いほど、フィルタ効果の制御領域の範囲をより細かく設定することができる。また、光透過性部材４１の形状も矩形に限らず多角形でも良い。

上述の説明からわかる通り、印加電圧を制御してフィルタ機能を制御する場合、方式としては次の３通りがある。
（ａ）周波数を変えることにより分岐された光線の分離幅を制御することができる。
（ｂ）電力の大きさを変えることにより分岐された光線の強度を制御することができる。
（ｃ）これらを組み合わせることによって、領域毎にフィルタ機能を微妙にコントロールすることができる。

上述したような、印加電圧のオンオフおよび電力や周波数の変更は、図１に示した操作部１０を操作することにより任意に行うことができる。また、カメラ側で撮影された画像を解析して最適設定条件を求め、その最適設定条件を撮影者に提示したり、自動的に最適設定条件に設定するようなことも可能である。例えば、周波数を自動設定する場合、同一被写体に対して周波数条件の異なる複数の画像を撮影し、その中で最もモアレの影響が少ない画像の周波数を最適条件に設定する。

例えば、上述した撮影モードとして、光透過性部材によるローパス特性を変更しつつ複数回撮影する「光分岐ブラケティング撮影モード」を備え、撮影モード選択用セレクタダイヤルとして構成された操作部１０を操作して、「光分岐ブラケティング撮影モード」を選択できるような構成とすれば良い。

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、上述した電歪素子（圧電体４２ｂ，４２ｄ）に限らない。

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。 圧電体に印加される電力と回折光強度との関係を示す図である。 動作形態２を説明する図である。 圧電体４２ａ，４２ｂに異なる周波数の電圧を印加した場合を示す図である。 辺Ａ，Ｂに圧電体４２ａ〜４２ｄを配設した場合を示す図である。

符号の説明

１：撮影光学系 ２：光軸
４：光学ローパスフィルタ ６：撮像素子
８：駆動回路 ９：制御部
１０：操作部 ４１：光透過性部材
４２ａ〜４２ｄ：圧電体
Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ 辺

Claims (8)

1. 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、前記光軸と交わる平面を有する多角形の光透過性平板と、
   前記光透過性平板の多角形の一辺に沿って配設され、前記光透過性平板に疎密波を発生させて前記平面内に周期的に変化する屈折率分布を形成する複数の疎密波発生手段と、
   前記複数の疎密波発生手段を各々独立して制御する制御手段とを備えたことを特徴とする光学ローパスフィルタ。
2. 請求項１に記載の光学ローパスフィルタにおいて、
   前記光透過性平板の前記一辺とは異なった他の辺に沿って配設され、前記光透過性平板に疎密波を発生させて前記平面内に周期的に変化する屈折率分布を形成する第２の複数の疎密波発生手段を、更に備え、
   前記第２の複数の疎密波発生手段が発生する疎密波と前記複数の疎密波発生手段が発生する疎密波とは、互いに交差し、
   前記制御手段は、前記複数の疎密波発生手段と前記第２の複数の疎密波発生手段とを各々独立して制御することを特徴とする光学ローパスフィルタ。
3. 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、
   前記疎密波発生手段は圧電体であり、
   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。
4. 請求項１〜３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、
   前記制御手段は、前記疎密波発生手段による疎密波発生のオン・オフ状態を個別に制御することを特徴とする光学ローパスフィルタ。
5. 請求項１〜３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、
   前記制御手段は、前記疎密波発生手段を個別に制御して前記疎密波の強度を設定することを特徴とする光学ローパスフィルタ。
6. 請求項１〜５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、
   前記光透過性平板は、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。
7. 複数の受光画素が規則的に配置された撮像素子と、
   前記撮像素子に被写体光束を投影する撮影光学系と前記撮像素子との間の光軸上に配設される請求項１〜６のいずれか一項に記載の光学ローパスフィルタとを備えたことを特徴とする撮像装置。
8. 請求項７に記載の撮像装置において、
   複数の異なる撮影モードからいずれか一つを選択して設定するモード設定手段を備え、
   前記制御手段は、前記モード設定手段で設定された撮影モードに応じて前記複数の疎密波発生手段を制御することを特徴とする撮像装置。

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