JP4926471B2 - 光学素子およびそれを有する撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は光学的な異方性を利用して、入射光束を複数の光束に分離して出射させる光学素子に関する。

この他本発明は、例えばＣＣＤやＭＯＳ等の固体撮像素子を使用するデジタルカメラやビデオカメラ等の撮像装置における光学的ローパスフィルタとして好適なものである。

ＣＣＤやＭＯＳ等の二次元的な固体撮像素子を用いたデジタルカメラやビデオカメラ等の撮像装置は、被写体像を画素ピッチ毎にサンプリングすることで画像情報を得ている。

この撮像装置において、この画素ピッチの空間周波数より高い周波数成分を持った被写体を撮影すると、その高周波成分が低周波に折り返り雑音成分として画像情報と共に検出される。

また、単板式のカラ−撮像素子を用いた撮像装置では、空間周波数の高い高周波成分を持った被写体を撮影すると、画素の前方に配置されるカラ−フィルタ−の配列によって決まる偽色雑音が発生し、画像情報と共に検出される。

このような雑音成分は、電気信号に変換された後に除去することが非常に難しい。そこで、従来、撮像素子面上に形成される前の光学像においてその余剰信号（雑音信号）を除去するようにしている。多くの撮像装置では、この余剰信号を光学ロ−パスフィルタを用いて除去している。

光学ロ−パスフィルタは、画像情報の中より空間周波数的に高周波の光学信号を除去する作用をする。その中で最も代表的な手法は、水晶のような光学的な異方性媒質を利用し、入射光束を複数の光束に分離することである。

即ち、光束分離作用を用いる方法である。ここで異方性媒質とは偏光の方向によって屈折率が異なる媒質を指し、振動方向が直交する偏光同士の法線速度が一致する方向に光学軸を持つ。水晶のように、３方向のうち１方向のみ光束の振動方向によって屈折率が異なる媒質は一軸性結晶と呼ばれ、その異なる屈折率の方向が光学軸である。この異方性媒質を平行に（平行平板として）切り出し、光学軸をその入出射面法線から所定の角度傾けたものに円偏光を入射すると、その光学軸の傾いている方向に異方性を示す。この結果、入射光束は常光線と異常光線に分離する。このとき、常光線と異常光線の分離幅はその異方性媒質の各屈折率と光の進行方向の厚み、さらには光学軸と入射面法線との角度によって決定される。

従来水晶の光束分離作用を利用し、入射光束を複数の光束に分離する光学素子が提案されている（特許文献１〜４）。

特許文献１，２では、カラ−フィルタ−としてストライプ上のフィルタを想定している。そして被写体の空間周波数がこのカラ−フィルタ−と同期性を持ったときに発生する偽色信号を低減させている。その手段として水晶等の複屈折性を有する平行平板を用いて光線を常光線と異常光線に分離して撮像面上に被写体像を結像させる構成を開示している。

特に特許文献１では、水晶の単結晶をその光学軸が平行平板の入出射面に対して略４５度の角度をなすように切り出して使用する構成を開示している。

また、特許文献３、４においては、カラ−フィルタ−として例えばベイヤ−配列のカラーフィルタを想定している。そして複数枚の複屈折板を組み合わせて光線を常光線と異常光線に分離させて撮像面上に被写体像を結像させている。それにより被写体の高周波数成分によって発生する偽解像信号や偽色信号の発生を効果的に低減させる構成を開示している。

さらに水晶よりも異方性の強い異方性媒質の光束分離作用を有する光学素子が提案されている（特許文献５，６）。

特許文献５では、水晶よりも異方性の強い材料を用いることで、単位厚みあたりの光束の分離幅を大きく取り、機械的な厚みを薄くしている。しかし、光束の分離幅を少なくするには厚みが薄くなりすぎて加工が難しくなり、さらに機械的な強度も弱くなる。

そこで、光学素子の面法線と光学軸のなす角θを光束の分離幅が最大となる角度４５度からずらして１０°＜θ＜３０°、６０°＜θ＜８０°の範囲で設定している。

特許文献６では、ニオブ酸リチウムの単結晶を平行に切り出した光学素子を用いている。

単結晶の切り出す主面の法線が、結晶のｘ軸に対してｙ軸から４６．１±２０度、もしくは１３３．９±２０度回転した位置より、ｚ軸を中心にして±３度回転した範囲内にある。ニオブ酸リチウムは水晶に比べて屈折率差が大きいために、分離幅が同じであれば機械的な厚みを薄くすることができる。

一方、二次元的な画素配列に対して、入射光束を二次元的に分離する光学素子が提案されている（特許文献７，８）。

特許文献７では、画素の２次元的な配列に対して、光学的な異方性を有する基材を２つ用いている。そして第一の基材で該光学素子の長辺方向から４５度の方向、さらに第二の基材を該長辺方向から９０度の方向に光束分離させている。この光学素子は光学的な異方性を有する基材を２枚使用するのみで作成できるため、小型化に有利である。この光学素子に入射する光束を対角の一つを４５度とした平行四辺形の各頂点方向に分離して射出している。

特許文献８では、異なる屈折率の基材を組み合わせた光学素子を開示している。

一般に、異方性の弱い材料を用いると光束の分離幅を所定量得るには厚みが厚くなりすぎる。

一方異方性の強い材料を用いると光束の分離幅を小さくする場合には、逆に薄くなりすぎ、加工限界以下の厚みとなるときは、製作できなくなる。

特許文献８は、異方性の強い材料に対して、分離方向を１８０度反転させた異方性の弱い材料を組み合わせることで、光学素子全体の厚みを適切な厚みとし、製作を容易にしている。
実公昭４７−１８６８８号公報 実公昭４７−１８６８９号公報 特開昭５９−７５２２２号公報 特開昭６０−１６４７１９号公報 特開２００１−１４７４０４号公報 特開２００２−１０７５４０号公報 特開２００１−２０９００８号公報 特開２００３−３２９９７９号公報

光学的に異方性の媒質を用いて光束を複数に分離させる光学素子では、常光線と異常光線の屈折率差、さらには厚みと、光学軸の角度の３つのパラメ−タで光束の分離幅が求められる。

図１５は、光束を２つに分離するときのイメ−ジ図である。図１５において、２１は平行平板の基板である。

又、ｔは基材２１の厚み、ｄは両偏光の分離幅、Ｓｉは入射光束のポインティングベクトルの向きである。Ｓｒｓは基材２１内のｓ偏光のポインティングベクトルの向き、Ｓｒｐは基材２１内のｐ偏光のポインティングベクトルの向きである。

一般に一軸性結晶の基材を入射面の法線と光学軸の成す角がθとなるように作成したとする。このとき、円偏光の光がその基材に垂直に入射するときの常光線と異常光線の進行方向の成す角φは、次式で表される。

ここでn_oは基板２１の常光線の屈折率，n_eは基板２１の異常光線の屈折率である。この基材２１から射出された両偏光は波動ベクトルが保存されているためにそれぞれ垂直に進む。つまり両偏光の分離幅ｄは、基材２１の厚みをｔとしたとき、

で表される。

光学的な材料は波長分散がある。光学的に異方性を持つ材料では、通常、常光線の屈折力ｎｏと異常光線の屈折率ｎｅは異なり、分散を持つ。屈折率ｎｏとｎｅが波長によって変化する。このため、波長によっては（２）式の分離幅ｄが異なってしまう。このような基材を例えば撮像装置の全面に配置する光学ローパスフィルタとして用いると、波長に対して光束の分離幅が異なる。このために色によって解像度が変化してしまう。これは直接画像に起因するため、画像劣化の原因になりうる。

本発明は、波長に対して光束の分離幅の差が少なく、固体撮像素子を有する撮像装置に用いたときには広い波長領域で良好なる光学的ローパス効果が得られる光学素子の提供を目的とする。

本発明の光学素子は、波長に対して光束の分離幅の差が少なくなるような組み合わせの分散が異なる２つの基材を有し、前記２つの基材のうち第１の基材は、入射光を偏光に応じて所定方向に分離し、第２の基材は、入射光を偏光に応じて前記所定方向の成分を持つ方向であって、且つ前記所定方向とは異なる方向に分離する光学素子であって、
前記第１の基材は、常光線屈折率が異常光線屈折率に比べて大きく、前記第２の基材は常光線屈折率が異常光線屈折率に比べて大きく、前記第１の基材及び第２の基材の光学軸の入射面への正射影同士が成す角が９０度より大きいことを特徴としている。
但し、前記第１の基材及び第２の基材の光学軸の入射面への正射影同士が成す角が１８０度である構成は除外する。
この他本発明の光学素子は、波長に対して光束の分離幅の差が少なくなるような組み合わせの分散が異なる２つの基材を有し、前記２つの基材のうち第１の基材は、入射光を偏光に応じて所定方向に分離し、第２の基材は、入射光を偏光に応じて前記所定方向の成分を持つ方向であって、且つ前記所定方向とは異なる方向に分離する光学素子であって、
前記第１の基材は、常光線屈折率が異常光線屈折率に比べて大きく、前記第２の基材は常光線屈折率が異常光線屈折率に比べて小さく、前記第１の基材及び第２の基材の光学軸の入射面への正射影同士が成す角が９０度より小さいことを特徴としている。
但し、前記第１の基材及び第２の基材の光学軸の入射面への正射影同士が成す角が０度である構成は除外する。
この他本発明の光学素子は、波長に対して光束の分離幅の差が少なくなるような組み合わせの分散が異なる２つの基材を有し、前記２つの基材のうち第１の基材は、入射光を偏光に応じて所定方向に分離し、第２の基材は、入射光を偏光に応じて前記所定方向の成分を持つ方向であって、且つ前記所定方向とは異なる方向に分離する光学素子であって、
前記第１の基材は、常光線屈折率が異常光線屈折率に比べて小さく、前記第２の基材は、常光線屈折率が異常光線屈折率に比べて小さく、前記第１の基材及び第２の基材の光学軸の入射面への正射影同士が成す角が９０度より大きいことを特徴としている。
但し、前記第１の基材及び第２の基材の光学軸の入射面への正射影同士が成す角が１８０度である構成は除外する。

本発明によれば、波長に対して光束の分離幅の差が少なく、固体撮像素子を有する撮像装置に用いたときには広い波長領域で良好なる光学的ローパス効果が得られる光学素子が得られる。

図１は本発明の実施例１の光学素子を有する一眼レフレックスカメラ（撮像装置）の要部断面図である。

同図において１０１は交換可能な撮影レンズとしての撮影光学系、１０２は回動ミラー（クイックリターン（ＱＲ）ミラー）であり、撮影時には回動して撮影光学系１０１の光路から退避している。１０３はフォーカルプレーンシャッタであり、露光時間を機械的に制限している。１０４は本発明に関わる光学素子であり、撮影光学系１０１の像面側の光路中に配置され、光学的な異方性を有する複数の基材より構成されている。１０５は撮像手段としての撮像素子（ＣＣＤやＣＭＯＳ等の固体撮像素子で構成される）であり、撮像光学系１０１の予定焦点面に配置されている。１０６は焦点板であり、被写体像が形成されている。１０７はファインダー光学系であり、焦点板１０６に形成される被写体像を反転する像反転手段としてのペンタダハプリズム１０８と接眼レンズ１０９等を有している。

光学素子１０４と固体撮像素子１０５とで撮像ユニットを構成している。

本実施例において撮像光学系１０１によって結像される被写体像は、回動ミラー１０２がその光路内に配置されているときには焦点板１０６に形成される。焦点板１０６に形成された被写体像は、ファインダー光学系１０７よりファインダー像として観察されている。そして不図示のレリーズスイッチによって撮影動作が開始されると、回動ミラー１０２が撮影光学系１０１の光路外に退避する。

そしてフォーカスプレーンシャッタ１０３が開放動作を行うことによって、光学素子４を介して撮像素子１０５の撮像面上に形成される。そして撮像素子１０５からは撮像信号が出力され、不図示のメモリーに格納される。

本実施例の光学素子１０４は、ＣＣＤ、ＭＯＳ等の固体撮像素子１０５と撮像光学系１０１との間に配置され、固体撮像素子１０５の画素ピッチに対応させて入射光束を複数の光束に所定幅分離させる光学ローパスフィルタとして用いられている。

本実施例の光学素子１０４は、入射した光束が射出時に互いに直交する偏光光束で所望の幅で分離する、光学的な異方性の基材を複数有している。

又、本実施例の光学素子１０４は、波長に対して光束の分離幅に差が少なくなるように、分離の異なる複数の基材を組み合わせて構成している。

これによって広い波長域で入射光束を所望の分離幅で複数の光束に分離している。

又、本実施例の光学素子１０４は、光束を単純に同方向（０度）もしくは逆方向（１８０度）に分離するように基材を組み合わせて構成すると、複屈折量にして、非現実的な厚みとなってしまう可能性がある。

そこで，複数の基材を組み合わせるときに分離する方向を完全に揃えずに若干傾けている。すなわち、第１，第２の基材の光学軸の入射面への正射影同士が成す角が０度又は１８０度の構成を除外している。これにより現実的な厚みの組み合わせで、なおかつ全体の光学素子としての分離幅が所望の幅になるように構成している。

ここで基材とは、水晶やニオブ酸リチウムの単結晶より成る平行平板や、入射光束の波長よりも短い構造体より成る構造異方性を有する部材や、光学的異方性を有するフィルム状の樹脂等をいう。

特に、基材により、入射光束を複数の光束に分離して出射するとき、入射光束の波長によって、基材の分離が異なる為に、出射する光束の分離幅が、波長によって異なるような部材をいう。

次に本発明の光学素子の各実施例の構成について説明する。

図２（Ａ）は、本発明の光学素子の実施例１の要部概略図である。図２（Ｂ）は、図２
（Ａ）のＡ方向の模式図である。図２において、１ａ、１ａＨ、１ａＴは第一の基材１１の光学軸及び光学軸のそれぞれの面への正射影である。同様に２ａ、２ａＨ、２ａＴは第二の基材１２の光学軸及び光学軸のそれぞれの面への正射影である。

ただし、それぞれ入射側から出射側への方向性を矢印で表している。図２（Ａ）は厚み方向に第一の基材１１、第二の基材１２の位置、光学軸１ａ，２ａの角度の関係を表している。

図２（Ｂ）は、入射方向からみた光学素子１０の概念を示している。入射方向から見た両基材の光学軸１ａ，２ａの正射影１ａＨと２ａＨの成す角をＡとしている。ただし、角Ａはそれぞれの矢印の始点を合わせたときの成す角度である。

実施例１の光学素子１０を構成する２つの基材１１、１２は光学的な異方性を有する。

そして、光学素子１０に入射した光束は、直交する偏光光束となり、所望の幅で分離して出射する。光学素子１０は、入射光束を分離させる作用を有する少なくとも２つの基材１１，１２を有し、２つの基材１１，１２の分散が異なっている。

ここで、第１の基材１１は、入射光束を所定方向（Ｘ方向）に２つの光束に分離し、第２の基材１２は、入射光束を所定方向の成分を持ち所定方向と異なる方向に２つの光束に分離している。

実施例１の光学素子１０は、複屈折板を複数（２枚）用い、さらに分散の異なる材料を適切に組み合わせている。これにより光学素子１０全体の波長に対する光束の分離幅の変化を抑えている。

また、光束の分離方向の組み合わせによって厚みが機械的な強度や加工難度に問題ないようにするため、基材を適切に組み合わせている。

図３は、実施例１の光学素子１０を図１に示す固体撮像素子を有する撮像装置に配置するときの説明図である。図３において、単結晶の光学軸の入射面への正射影が固体撮像素子の長辺方向を向いた第一の基材１１と、同光学軸の正射影が固体撮像素子の長辺方向から４５度を向いた第二の基材１２を含むようにしている。

図４は光学素子１０による光束の分離の様子の説明図である。まず図３の第一の基材１１で入射光束はそれぞれ互いに垂直に偏光する出射光束４１と４２に分離される。そして同様に第二の基材１２で入射光束４１はそれぞれ互いに垂直に偏光する出射光束４１と４３に分離させる。

又、入射光束４２は出射光束４２と４４に分離される。

基板として、例えばニオブ酸リチウムを用いた場合、その波長に対する屈折率は図５で表される。ニオブ酸リチウムは常光線屈折率ｎｏが異常光線屈折率ｎｅに比べて大きい、負結晶と呼ばれる結晶である。常光線屈折率ｎｏと異常光線屈折率ｎｅはそれぞれ異なる分散を持ち、短波長になるほど屈折率が大きくなる正の分散を持つ。このニオブ酸リチウムを平行平板としたときの単位厚みあたりの入射光束の分離幅は図６で表される。縦軸の単位厚み当たりの光束の分離幅は式（１）のｔａｎφである。短波長になるほど光束の分離幅が大きな光学基材となることがわかる。

これを図３の両基材１１，１２に用いた場合、波長に対して光束の分離幅が異なる光学素子となってしまう。それを模式的に表したのが図７である。図７において、点線、破線、一点鎖線はそれぞれ異なる波長λ１、λ２、λ３の光束を表している。入射光束は第一の基材１１で出射光束７１と出射光束群７２に分離する。光束７１は垂直に入射した光が直接射出されるため、波長に対する変化はない。

しかし、出射光束群７２は（２）式を満足する形で射出されるため、角中が変化し、波長によって分離される幅が異なる。さらに第二の基材１２で入射光束７１は出射光束７１と出射光束群７３に、入射光束群７２は出射光束群７２と出射光束群７４に分離される。光束群７３は第一基材１１での出射光束７１と出射光束７２の分離のように波長に対する分離幅の変化が見られる。入射光束群７２の分離もまた、同様に出射光束群７４の方向への波長に対する変化が現れる。これらを含めると、出射光束群７４の波長に対する変化は非常に大きくなってしまう。このような光学素子を例えば固体撮像素子の前（光入射側）に配置して光学ローパスフィルタとして機能させた場合、波長による分離幅の差が画像に直接悪影響を与える。

これには異方性の波長分散が大きく影響してくる。

ニオブ酸リチウムよりも異方性の分散が大きな基材として、入射光束の波長よりも細かな格子を周期的に配列した構造体がある。この構造体は、入射光束がその構造体そのものを認識できずに一様な媒質としての特性をもつことが知られている。その一例は図８に示すように格子を一次元的に周期的に配列した構造体となっている基材８１がある。

尚、図８において８１は基材であり、分散を有している。この構造体内では、全体としてその構造異方性にしたがって光学的な特性に異方性が生じる。このような周期構造の異方性は通常の結晶材料のそれに比べて大きい。

今、周期構造の格子媒質にＴｉＯ_２を採用する。格子構造のピッチを８０ｎｍ、ＴｉＯ_２の占有率を５０％とする。これによって１つの基材を構成している。そうすると有効屈折率法より波長５３０ｎｍでの各屈折率は、およそ常光屈折率ｎ_ｏ＝１．８２５２、異常光屈折率ｎ_e=１．３２０９となる。波長に対する各屈折率ｎ_ｏ、ｎ_eを図９に示す。

また、光学軸と入射面法線の成す角θを４５度としたときの波長に対する垂直入射光束の分離幅を図１０に示す。図９から見ても明らかなように、異常光屈折率ｎｅに比べて常光屈折率ｎｏの分散が非常に大きい。これにより、異方性の波長分散が非常に大きいため、図１０に示すように波長に対する分散が非常に大きな基材となる。

このような波長分散の異なる基材を効果的に組み合わせることで図７に示す出射光束群７４の波長に対する変化を少なくすることができる。

例えば、分散の異なる基材として水晶がある。水晶の波長に対する各屈折率ｎ_ｏ、ｎ_eを図１１に示す。水晶は常光屈折率ｎｏが異常光屈折率ｎｅより小さい正結晶である。水晶の光学軸と入射面法線のなす角を４５度としたときの、単位厚みあたりの垂直入射光束の分離幅を図１２に示す。水晶はニオブ酸リチウムに比べて波長に対する分離幅の変化は少ないが、短波長になるにつれて分離幅が大きくなるのはニオブ酸リチウムと同様である。

このような基材を波長に対する変化が少ないように組み合わせるために、分離の様式を若干変化させる必要がある。

例えば図４のように入射光束を平行四辺形の各頂点に分離させるような光学素子を考える。第一の基材１１にニオブ酸リチウム、第二の基材１２に水晶を用いるとき、それを構成する光学素子を図１３に示す。図３と比べて、第一の基材１１の光学軸が反転している。この光学素子に垂直入射する光束の分離のイメージ図を図１４に示す。

入射光束１４１は第一の基材１１で出射光束１４１と出射光束群１４２に分離する。光束１４１は垂直に入射した光が直接射出されるため、波長に対する変化はない。

しかし、出射光束群１４２は（２）式を満足する形で射出されるため、波長によって分離する幅が異なる。さらに第二の基材１２で入射光束１４１は出射光束１４１と出射光束群１４３に、入射光束群１４２は出射光束群１４２と出射光束群１４４に分離する。出射光束群１４３は第一基材１１での出射光束１４１と１４２の分離のように波長に対する分離幅の変化が見られる。入射光束群１４１、１４２の分離もまた、第二基材１２により出射光束群１４３、１４４方向への波長に対する変化が現れる。

しかし、ここで図７と異なるのは両基材に分散の異なる基材を用い、さらにそれを効果的に組み合わせて、最終的な分離方向を変化させずに組み合わせを変化させたことである。水晶とニオブ酸リチウムのように、正の分散を持つ同士の基材を組み合わせる場合、第一の基材１１で分離する方向に対して、第二の基材１２で分離する方向を角度的に打ち消す方向に組み合わせることでその方向での波長に対する分離幅の変化を抑えることができる。図７と図１４を比較すると、最終的に二回分離した出射光束群７４と出射光束群１４４の波長に対する到達位置の差は明らかで、図１３の構成にすることで波長に対する変化を抑えることができる。

このようにお互いの波長に対する光束の分離幅の変化を逆転させる構成にすることで、最終的な光学素子における光束の分離の波長に対する変化を抑えることができる。しかし、図１３の両基材１１，１２に同じ材料を用いると、所望の分離幅に対して波長特性を加味した補正が完全にはできない。これは、分散の異なる基材を利用して効果的に組み合わせることで両者の問題が解決できる。

以上より、入射した光束をそれぞれ直交する偏光ごとに分離する作用を有する光学素子において、分散の異なる基材を効果的に組み合わせることで波長に対する分離幅の変化を抑えることができる。

実施例１の光学素子１０の態様としては次の構成がある。

◎第１の基材は、その常光線屈折率ｎｏが異常光線屈折率ｎｅに比べて大きい。第２の基材は常光線屈折率ｎｏが異常光線屈折率ｎｅに比べて大きい。第１、第２の基材の光学軸の入射面への正射影同士が成す角Ａが９０度より大きいことである。

◎第１の基材は、その常光線屈折率ｎｏが異常光線屈折率ｎｅに比べて大きい。第２の基材は常光線屈折率ｎｏが異常光線屈折率ｎｅに比べて小さい。第１、第２の基材の光学軸の入射面への正射影同士が成す角Ａが９０度より小さいことである。

◎第１の基材は、その常光線屈折率ｎｏが異常光線屈折率ｎｅに比べて小さい。第２の基材は常光線屈折率ｎｏが異常光線屈折率ｎｅに比べて小さい。第１、第２の基材の光学軸の入射面への正射影同士が成す角Ａが９０度より大きいことである。

◎第１の基材又は第２の基材のうち、少なくとも一つの基材は、入射光束の波長よりも小さな構造より成り、光学的異方性を有することである。

◎第１の基材又は第２の基材のうち、少なくとも一つの基材は光学的な異方性を持つ樹脂より成ることである。

次に具体的な実施例を示す。

実施例２は、図４に示すように入射光束を平行四辺形の各頂点に分離する光学素子である。設計値としては、出射光束４１と出射光束４２の分離幅と出射光束４１と出射光束４３の分離幅が５μm，また光束４２，４１，４３のなす角度θが４５度である。光学素子を構成する第一の基材１１に水晶，第二の基材１２にニオブ酸リチウムを用いている。第１、第２の基板は、それぞれ、光学軸と入射面法線の成す角を４５度として切り出した平行平板である。これは水晶やニオブ酸リチウムで垂直入射の光束の分離幅が最大となる光学軸の角度である。図６よりニオブ酸リチウムを用いて波長５５０ｎｍで光束の分離幅５μｍを得るには厚みを０．１３ｍｍとすればよい。図１２より水晶を用いて波長５５０ｎｍで光束の分離幅７μｍを得るには厚みを０．８５ｍｍとすればよい。両者の光束の分離方向の組み合わせは、図１３に示すように第一の基材１１は光束を長辺方向に分離し，さらに第二の基材１２で第一の基材１１の分離方向から１３５度の方向に分離させる。

まず水晶の波長分散により入射光束を出射光束１４１と１４２に分離するときの分離幅は波長４００〜７００ｎｍで０．２２μｍの差が出る。

また、ニオブ酸リチウムの波長分散により、入射光束を出射光束１４１と１４３に分離するときの分離幅は波長４００〜７００ｎｍで１．２３μｍの差が出る。これを組み合わせた出射光束群１４４の波長に対する光束のずれ量は、該ｘ方向は０．６５μｍ、該ｙ方向は０．８６μｍとなる。

つまり、出射光束群１４４内での波長４００ｎｍと波長７００ｎｍの差は１．０８μｍとなる。

該基材にニオブ酸リチウムのみを用いて図７の様式で組み合わせると、出射光束群７４内での波長４００ｎｍと７００ｎｍの差は２．１０μｍとなる。このことから、材料の組み合わせと分離様式で波長に対する分離幅の変化がおよそ半分になる。

実施例３は、実施例２と同様に入射光束を平行四辺形の各頂点に分離する光学素子である。

第一の基材１１にニオブ酸リチウム，第二の基材１２に図８に示すような波長より細かな格子より成る構造の光学的な異方性を利用した基材を用いる場合を考える。第二の基材１２の構造は、周期構造（格子）の媒質にＴｉＯ_２を仮定して構造のピッチを８０ｎｍ、ＴｉＯ_２の占有率を５０％とする。それぞれ光学軸と入射面法線の成す角を４５度で切り出した平行平板である。図６より，ニオブ酸リチウムを用いて波長５５０で光束の分離幅５μｍを得るには厚みを０．１３ｍｍとすればよい。図１０より、波長より細かな格子より成る構造の波長５５０ｎｍで光束の分離光束の幅５μｍを得るには厚みを１６．２μmとすればよい。

両者の分離方向の組み合わせは、図１３に示すように第一の基材１１は光束を長辺方向に分離し、さらに第二の基材１２で第一の基材１１の分離方向から１３５度の方向に分離させる。

まず、ニオブ酸リチウムを用いたときの波長分散により出射光束１４１と出射光束１４２の分離幅は波長４００〜７００ｎｍで１．２３μｍの差が出る。

また，光の波長よりも細かい構造の波長分散により出射光束１４１と出射光束１４３の分離幅は波長４００〜７００ｎｍで、１．３０μｍの差が出る。これを組み合わせた出射光束群１４４の波長に対する光束のずれ量は、該ｘ方向は０．３１μｍ，該ｙ方向は０．９２μｍとなる。

つまり、出射光束群１４４内での波長４００ｎｍと７００ｎｍの位置の差は０．９７μｍとなる。

該基材にニオブ酸リチウムのみを用いて図７の様式で組み合わせると，出射光束群７４内での波長４００nmと７００nmの差は２．４０μｍとなる。このことから、材料の組み合わせと分離様式で波長に対する分離幅の変化がおよそ半分になる。

実施例４は、水晶とニオブ酸リチウムを利用して図１４に示すように、入射光束を出射光束１４４の如くｘ方向に波長依存性がない光学素子である。光束４２、４１、４３のなす角度θが４５度である。２つの基材は、それぞれ光学軸と入射面法線の成す角を４５度で切り出した平行平板である。

図１２より水晶を用いると、波長４００〜７００ｎｍの単位厚み当たりの光束の分離幅の変化量は０．０００２５である。図６よりニオブ酸リチウムを用いると波長４００〜７００ｎｍの単位厚み当たりの分離幅の変化量は０．００９５５である。

この両者を最適に組み合わせるには、図１３の第一の基材１１に水晶、第二の基材１２にニオブ酸リチウムを用いる。出射光束群１４４のｘ方向の波長依存性をなくすには、水晶とニオブ酸リチウムの厚みを２６：１の比にすればよい。つまり、ニオブ酸リチウムの厚みを０．１ｍｍとしたとき、水晶の厚みは２．７ｍｍとなり、図１４に示すように出射光束群１４４のｘ方向は完全に一致するような構成となる。この光学素子における分離幅はｘ方向に１５．９μｍ、ｘ方向から４５度方向に３．９μｍとなる。

この光学素子は方向によって非常に光束の分離幅差が大きいため、ニオブ酸リチウムの光学軸の角度を調整して垂直入射分離幅を下げたり、他の材料と組み合わせるのが良い。

実施例５は、ニオブ酸リチウムと、入射光束の波長よりも細かい格子より成る構造と、を利用して図１４に示す如く、入射光束を出射光束１４４の如くｘ方向に波長依存性がないようにした光学素子である。光束４２、４１、４３のなす角度θが４５度である。入射光束の波長よりも細かい格子より成る構造を持つ基材は、周期構造（格子）の媒質にＴｉＯ_２を仮定して構造のピッチを８０ｎｍ、ＴｉＯ_２の占有率を５０％とする。

それぞれ光学軸と入射面法線の成す角を４５度で切り出した平行平板である。

図６よりニオブ酸リチウムを用いると、波長４００〜７００ｎｍの単位厚み当たりの光束の分離幅の変化量は０．００９５５である。図１０より入射光束の波長よりも細かい構造を用いると、波長４００〜７００ｎｍの単位厚み当たりの光束の分離幅の変化量は０．０８０６３である。この両者を最適に組み合わせるには、図１３の第一の基材１１にニオブ酸リチウム、第二の基材１２に入射光束の波長よりも細かい構造を用いる。出射光束群１４４のｘ方向の波長依存性をなくすには、ニオブ酸リチウムと構造の厚みを９：１の比にすればよい。

つまり、構造の厚みを０．０１ｍｍとしたとき、水晶の厚みは０．０９ｍｍとなり、図１４に示すように出射光束群１４４のｘ方向は完全に一致するような構成となる。この光学素子における分離幅はｘ方向に３．９μｍ、ｘ方向から４５度方向に３．１μｍとなる。

以上のように各実施例によれば、２つの基材の分散特性と光学軸と入射面の法線の関係を適切に設定することで、入射角度に対する光束の分離幅の変化を抑えた光学素子が得られる。更にそれを有する撮像ユニット、およびそれを有する高い光学性能を有する撮像装置が得られる。

本発明の光学素子を有する撮像装置の要部概略図 光学的な異方性を持つ基材を利用して入射光束を分離させる作用を有する光学素子の概念図 光学的な異方性を利用して二次元的に光束を分離する作用を有する光学素子のイメージ図 図３に示す光学素子の光束分離の様子の説明図 ニオブ酸リチウムの波長に対する各屈折率の説明図 ニオブ酸リチウムの光学軸と入射面法線の成す角を４５度で切り出した平行平板の、波長に対する単位厚みあたりの垂直入射光束の分離幅の説明図 図３に示す光学素子の材料に波長分散があると仮定したときの、それぞれの波長に対する出射光束の模式図 微細周期構造の模式図 図８に示す微細周期構造の波長に対する各屈折率の説明図 図８に示す微細周期構造の波長に対する単位厚みあたりの垂直入射光の分離幅の説明図 水晶の波長に対する各屈折率の説明図 水晶の光学軸と入射面法線の成す角を４５度で切り出した平行平板の、波長に対する単位厚みあたりの垂直入射光束の分離幅の説明図 光学的な異方性を利用して二次元的に光束を分離する作用を有する光学素子の基材に、正の分散を持つ２種類の基材を用いたときのイメージ図 図１３に示す光学素子のそれぞれの波長に対する出射光束の模式図 光学的な異方性を利用して光束を分離する作用を有する平行平板のイメージ図

符号の説明

１０４ 光学素子
１０ 光学素子
１１ 第１の基材
１２ 第２の基材
１ａ、２ａ 光学軸
１ａＨ、１ａＴ、２ａＨ、２ａＴ 光学軸の射影
４１〜４４ 光束
７１〜７４ 光束
１４１〜１４４ 光束
２１ 平行平板

Claims (7)

1. 波長に対して光束の分離幅の差が少なくなるような組み合わせの分散が異なる２つの基材を有し、前記２つの基材のうち第１の基材は、入射光を偏光に応じて所定方向に分離し、第２の基材は、入射光を偏光に応じて前記所定方向の成分を持つ方向であって、且つ前記所定方向とは異なる方向に分離する光学素子であって、
   前記第１の基材は、常光線屈折率が異常光線屈折率に比べて大きく、前記第２の基材は常光線屈折率が異常光線屈折率に比べて大きく、前記第１の基材及び第２の基材の光学軸の入射面への正射影同士が成す角が９０度より大きいことを特徴とする光学素子。
   但し、前記第１の基材及び第２の基材の光学軸の入射面への正射影同士が成す角が１８０度である構成は除外する。
2. 波長に対して光束の分離幅の差が少なくなるような組み合わせの分散が異なる２つの基材を有し、前記２つの基材のうち第１の基材は、入射光を偏光に応じて所定方向に分離し、第２の基材は、入射光を偏光に応じて前記所定方向の成分を持つ方向であって、且つ前記所定方向とは異なる方向に分離する光学素子であって、
   前記第１の基材は、常光線屈折率が異常光線屈折率に比べて大きく、前記第２の基材は常光線屈折率が異常光線屈折率に比べて小さく、前記第１の基材及び第２の基材の光学軸の入射面への正射影同士が成す角が９０度より小さいことを特徴とする光学素子。
   但し、前記第１の基材及び第２の基材の光学軸の入射面への正射影同士が成す角が０度である構成は除外する。
3. 波長に対して光束の分離幅の差が少なくなるような組み合わせの分散が異なる２つの基材を有し、前記２つの基材のうち第１の基材は、入射光を偏光に応じて所定方向に分離し、第２の基材は、入射光を偏光に応じて前記所定方向の成分を持つ方向であって、且つ前記所定方向とは異なる方向に分離する光学素子であって、
   前記第１の基材は、常光線屈折率が異常光線屈折率に比べて小さく、前記第２の基材は、常光線屈折率が異常光線屈折率に比べて小さく、前記第１の基材及び第２の基材の光学軸の入射面への正射影同士が成す角が９０度より大きいことを特徴とする光学素子。
   但し、前記第１の基材及び第２の基材の光学軸の入射面への正射影同士が成す角が１８０度である構成は除外する。
4. 前記第１の基材又は前記第２の基材のうち、少なくとも一つの基材は、入射光の波長よりも小さな構造より成り、光学的異方性を有することを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の光学素子。
5. 前記第１の基材又は前記第２の基材のうち、少なくとも一つの基材は光学的な異方性を持つ樹脂より成ることを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載の光学素子。
6. 請求項１乃至５の何れか一項の光学素子と、前記光学素子の光出射側に固体撮像素子を配置していることを特徴とする撮像ユニット。
7. 請求項６記載の撮像ユニットを備えることを特徴とする撮像装置。