JPH03206415A - 光学フイルタ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は光学フィルタに係り、特に撮影レンズと撮像デ
バイスとの間に配設され、被写体像中に含まれる高域成
分中、空間周波数的に多重化する周波数に相当する成分
を除去する複屈折物質から或る光学フィルタに関する。

〔従来の技術〕

一般に、ＣＣＤ撮像デバイスなどでは、入射光像は垂直
方向と水平方向にそれぞれ一定の間隔で配列したセンサ
によってサンプリングされるので、解像できる最高の空
間周波数は、センサの配列で決まるサンプリングの空間
周波数の２分の１、即ちナイキスト周波数となる。もし
、入射光像にこのナイキスト周波数以上の空間周波数が
含まれる場合には、通過帯域内で折り返されて、偽信号
あるいはモアレ効果を生ずる。

従って、ＣＣＤ撮像デバイスでは、サンプリングする前
に、この高い周波数を光学的低域通過フィルタ（○ＬＰ
Ｆ＞で取り除くようにしている。

この○ＬＰＦは、水晶、方解石などの複屈折物質の正常
光と異常光の分離に着目したもので、その分離幅がカッ
トオフ周波数の２分の１となるように設計されている。

ところで、従来のこの種の○ＬＰＦは、入射平面に対す
る光学軸の傾きが４５゜のときにその分離幅が最大にな
るため、光学軸の傾きが４５゜になるように設計されて
いた。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来の○ＬＰＦは光学軸の傾きが４５゜に設計され
ているため、所望の分離幅を得るための○ＬＰＦの厚さ
を最小にすることができるが、その人射平面に対する入
射光線の入射角が大きい場合には（例えば、射出瞳位置
が結像面に近いときの撮影画面の隅）、分離幅の変化も
大きくなり、○ＬＰＦとしての特性が得られず、偽信号
を発生させてしまうという問題がある。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、入射
光像の入射角が大きくても特性が良く、偽信号の発生を
防止することができる光学フィルタを提供することを目
的とする。

〔課題を解決する為の手段〕

本発明は、前記目的を達或する為に、撮影レンズと撮像
デバイスとの間に配設され、被写体像中に含まれる高域
成分中、空間周波数的に多重化する周波数に相当する戒
分を除去する複屈折物質から或る光学フィルタにおいて
、前記光学フィルタの光学軸と入射平面との或す角度を
、４５゜よりも小さい角度にしたことを特徴としている
。

〔作用〕

本発明によれば、光学フィルタの入射平面に対する光学
軸の傾きを３５゜近傍とすることにより、入射光線の入
射角が大きい場合でも分離幅の変化が大きくならないよ
うに、即ち入射角によって光学フィルタとしての特定が
変化しないようにしている。

〔実施例〕

以下添付図面に従って本発明に係る光学フィルタの好ま
しい実施例を詳説する。

まず、本発明に係る光学フィルタについて原理的に説明
する。

水晶ＯＬＰＦを光学系に配置した場合、その入射角度に
より特性が変化することについて考察する。

第６図において、各記号を以下のように定義すθ；光線
入射角　　　　θｏ′；常光屈折角β；主平面の法線と
光学軸のなす角 θ８′１異常光屈折角 ｎｏ　；常光屈折率　　　Ｂ；分離幅 ｎ．；異常光屈折率　　ｔ；水晶厚み 〔常光線〕 常光線は屈折率が球面体となり、光線ベクトルの方向と
波動ベクトルの方向とが一致する。そこで、光線の光路
は水晶平行平面板の回りが均質な空気とすると、次式、 となる。

〔異常光線〕 異常光線の進行方向を求めるには、まず波動ベクトルの
方向を求める。波動ベクトルは正常光とスネルの法則が
威立ち、 Ｎ ｎｏ　　Ｓｉｎθ０′ ＝ｎｏ’　Ｓｌｎθや ｓｉｎθ・・・（２） となる。ここで、００′は屈折率楕円体より求めること
かできる。

第７図に示すように記号を定義すると、ｎｏ 一下］了７ という連立方程式が或立し、第（３）式からａ、ｂを 消去すると、 となる。

第２式の波動ベクトルの式より、 ｓｉｎθ ｎｌｌ’　ｓｉｎθ８ となる。第（５）式より、θ。＋βをθについて求め×
（−ｎ＊ｎｏｃＯｓβｓｉｎβ ±ｓｉｎθ　　ｎｏＳｌｌｌ　　＋ｎ＊　　ＣＯ！ｌｉ
　　　−Ｓｉｎ　　θ）　　｝　　−１６）となり、波
動ベクトルの方向が求まる。

次に、光線ベクトルを求める。光線ベクトルは波動ベク
トルと光学軸を含む平面上にあり、波動ベクトルの法線
と光学速度面の接点方向となる。

第８図より光学軸の座標にて，考えると、＜　−＞　　
　　　　＜　−＞ ｎＯ　　　　　　　　　　　　ｎ● となり、第（７）式の両辺をＸにて微分すると、ｎｏ となる。

ここで、光学軸の座標で光線ベクトルと楕円の交点座標
を （Ｐ、 Ｑ） とすると、 その接線 の傾きは、 となる。

波動ベクトルと上記接線は直交するため、となる。

ここで、第（６）式の波動ベクトルの値（θ。

＋β） を代入すると、 × 〈 ｎ　ｅ　ｎ　ｏｃＯｓβｓｉｎβ となり、従って、 １ ｔａｎθ。′ ｎ，　　　ｃｏｓ β＋ｎｏ２Ｓｉｎ’β Ｘ　／　（ｎｏ２−ｎ＠’　）　ｓｉｎβ・ＣＯＳβ１ となる。

一方、 第６図に示すように゛、 Ｂ　ｅ　＝ｔａｎθ．′ ×　ｔ ・・・αつ であり、分離幅Ｂは、 Ｂ＝Ｂ． −Ｂ． ・・・αつ より、第αつ式に第（１）式、第ＯＤ式、第（自）式を
代入すると、 Ｂ ｔａｎｆ９，，’ Ｘ　ｉ−ｔａｎθ。

×　ｔ となる。但し、水晶板板厚ｔは単位当りとする。

さて、分離幅Ｂが入射角θに依存しにくい光学軸角度は
、入射角θ＝０゜の時に、ｄＢ／ｄθ一〇となる光学軸
角度を求めればよい。

そこで、上記第αＯ式をθについて微分し、θ＝０を代
入すると、 ／ ／′ ／′ ．（ｎｅ’　　ｃｏｓ２β十ｎ　．’ｓｉｎ２β）（　
ｎｅ’ｃＯｓ２β＋ｎ　ｏ２ ｓｉｎ’β） ｎｏ　　　ｎｌｌ ｎｅ”（　１−ｓｉｎ２β）＋ｎａ２ｓｌｎ’β（ｎ　
ｏ２　ｎ　，　）　２　／　’ （　ｎｏ２ ｎｏ’）　Ｓｌｌｌ２β （　ｎ　ｏ　’　ｎ　ｅ　）　”’−　ｎ　ｅ　’ｎｏ
　　　−ｎ， となる。

βはｎＯ　％　ｎｏで決まるため、波長に依存すること
がわかる。実際に第０勺式にｎ。、ｎ８を代入して計算
すると次表のようにｆｌ．る。

第１表 同表に示すように、３５．２゜のとき入射角に依存しに
くい光学軸角度となり、波長にはほとんど依存しない。

従って、入射角に依存しない水晶○ＬＰＦの設計は、光
学軸角度３５．２゜を基準に考え、光学系の射出角度、
カットオフ周波数のずれ量、像高によるカットオフ周波
数のずれを考慮することにより、基準値から少しずつ光
学軸角度をずらして最適値を見つけるとよい。

第２表は、画面内のカットオフ周波数を中心のカットオ
フ周波数から±５％以内に抑えるために必要な射出瞳位
置又は入射角に対する水晶○ＬＰＦの主平面と光学軸の
角度の許容範囲を示す。尚、射出瞳位置は１／２インチ
ＣＣＤの場合に関して示している。

第２表 同表に示すように、入射角が大きくなるにしたがって（
換言すれば、射出瞳位置が結像面に近づくにしたがって
）、３５．２゜を中心とする光学軸の角度の許容範囲は
狭くなり、３５．２゜に近づける必要がある。また、従
来の光学軸の角度４５゜の場合には、入射角が４゜以下
となる使用範囲に限定されたことになる。

尚、第２表では、カットオフ周波数の許容誤差を±５％
としたが、この許容誤差を±５％よりも小さく設定する
場合には、第２表に示した光学軸の角度の許容範囲より
も狭くなる。

第１図は本発明に係る光学フィルタが適用された撮影装
置の撮影光学系を示す平面図である。同図において、１
０は絞り、ｌ２は撮影レンズ、１４は光学フィルタ（Ｏ
ＬＰＦ）　、ｌ　６はＣＣＤ撮像デバイスの結像面であ
る。

ＯＬＰＦ　１　４は人工水晶であり、撮影レンズＩ２を
介して入射する入射光線の入射平面と光学軸との或す角
度が３５゜になるように或形されている。

この○ＬＰＦ１４は、常光屈折率が１．　５４４２５で
、異常光屈折率が１．　５５３３６であり、ＯＬＰＦ　
１　４に入射する点像を正常光と異常光に分離して結像
面１６に導く。

ここで、前記正常光と異常光の分離幅ｄは、カットオフ
周波数、即ちＣＣＤ撮像デバイスの画素の％ピッチによ
了て決まり、本実施例では入射角が０゜のとき１．２９
０　ＸＩＯ−”帥である。また、カットオフ周波数は３
８．　７５　（本／ｍｍ）である。

さて、上記○ＬＰＦ　１　４の入射角に対するカットオ
フ周波数を示すと、第２図のようになる。同図に示すよ
うに、入射角が±２０゜の範囲にわたって、そのカット
オフ周波数は３８．７（本／帥）の近傍で一定しており
、○ＬＰＦとしての所期の特性が維持される。

一方、入射平面と光学軸との成す角度が４５゜の従来の
ＯＬＰＦの入射角に対するカットオフ周波数を示すと、
第３図のようになり、入射角が±２０゜近傍では所期の
カットオフ周波数（３８．６４（本／ｍｍ））から大き
く外れるようになる。

また、入射平面と光学軸との成す角度が３５゜の場合と
、４５゜の場合の特性の相違を第３表に示す。

第３表 同表に示すように、 光学軸３５゜ の場合には、 人 射角０゜のときのカットオフ周波数に対して入射角±２
０゜のカットオフ周波数は±０．２％の誤差範囲である
のに対し、従来光学軸４５゜の場合には、入射角０＠の
ときのカットオフ周波数に対して入射角±２０゜のカッ
トオフ周波数は±ｌＯ％以上の誤差が生じる。

また、光学軸を３５゜にした場合には、４５゜に比べて
ＯＬＰＦの厚みが増加するが、この場合でも０．１３ｍ
＋ｏの増加、即ち従来の○ＬＰＦの厚みに比べてたかだ
か６％の増加にすぎない。尚、本実施例では、光学軸を
３５゜にしたが、これに限らず、４５゜よりも小さい適
宜の角度を選択してもよい。

第３図は本発明に係る光学フィルタの他の実施例を示す
斜視図であり、この○ＬＰＦ２０は、３枚の水晶２ＯＡ
，２０Ｂ，２０Ｃを貼り合わせて構成されている。

ここで、水晶２ＯＡは空間周波数ｆｅをカットオフする
もので、前述した○ＬＰＦ１４と同様に光学軸が４５゜
よりも小さくなるように或形されており、光学軸４５゜
の○ＬＰＦよりも厚みが増している。一方、水晶２０Ｂ
，２０Ｃは空間周波数ｆｃの約２倍の周波数をカットオ
フするものである。

この○ＬＰＦ２０に入射する点像は、第５図（Ａ）に示
すように３枚の水晶２ＯＡと２０Ｂ及び２ＤＣによって
４点に分離する。同図上でＤ１は水晶２ＯＡによる分離
幅であり、Ｄ２は水晶２０Ｂ、２０Ｃの合或した水平方
向の分離幅であり、Ｄ２はＤｉの２分の１よりも若干小
さくなっている。

即ち、水晶２ＯＡは光学軸４５°の○ＬＰＦよりも厚み
が増しているが、水晶２０Ｂ，２０Ｃは水晶２０Δの厚
みの増加分だけ薄くなるように或形されている。従って
、水晶２０Ｂ，２０Ｃは第５図（Ｂ）に示すように空間
周波数２ｆＣよりも高い周波数をカットオフしている。

しかしながら、ＭＴ　Ｆ　（ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ　ｔ
ｒａｎｓｆｅｒ　ｆｕｎｃｔｉｏｎ）は空間周波数が高
くなる程低下するため、上述したようにカットオフ周波
数が若干ずれていても大きな影響を受けることはない。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明に係る光学フィルタによれば
、入射光線の入射角が大きくても特性が良く、偽信号の
発生を画面全体にわたって防止することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る光学フィルタが適用された撮影装
置の撮影光学系を示す平面図、第２図及び第３図はそれ
ぞれ本発明に係る光学フィルタと従来の光学フィルタの
入射角に対するカットオフ周波数を示すグラフ、第４図
は本発明に係る光学フィルタの他の実施例を示す斜視図
、第５図（Ａ）は第４図の光学フィルタに入射する点像
の分離の様子を示す図、第５図（Ｂ）は第４図の光学フ
ィルタの空間周波数に対するＭＴＦ特性を示すグラフ、
第６図乃至第８図は本発明に係る光学フィルタを原理的
に説明するために用いた図である。 ｌ２・・・撮影レンズ、　　１４、２０・・・光学フィ
ルタ（ＯＬＰＦ）、　１６・・・結像面、　２ＯＡ，２
０Ｂ、２０Ｇ・・・水晶。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）撮影レンズと撮像デバイスとの間に配設され、被
   写体像中に含まれる高域成分中、空間周波数的に多重化
   する周波数に相当する成分を除去する複屈折物質から成
   る光学フィルタにおいて、 前記光学フィルタの光学軸と入射平面との成す角度を、
   ４５゜よりも小さい角度にしたことを特徴とする光学フ
   ィルタ。
2. （２）前記光学フィルタの光学軸と入射平面との成す角
   度を、３５゜近傍にしたことを特徴とする請求項（１）
   記載の光学フィルタ。
3. （３）前記光学フィルタの光学軸と入射平面との成す角
   度を、入射平面に対する最大入射角の大きさが１１゜の
   とき３５．２゜±７．５゜とし、前記最大入射角の大き
   さが大きくなるにしたがって３５．２゜に近づけ、前記
   最大入射角の大きさが３５゜のとき３５．２゜±１゜と
   したことを特徴とする請求項（１）記載の光学フィルタ
   。
4. （４）撮影レンズと撮像デバイスとの間に配設され、被
   写体像中に含まれる高域成分中、空間周波数的に多重化
   する周波数に相当する成分を除去する複屈折物質から成
   る光学フィルタであって、第１の周波数に相当する成分
   を除去する第１の光学フィルタと、該第１の周波数の２
   倍の周波数に相当する成分を除去する第２の光学フィル
   タとが接合して成る光学フィルタにおいて、 前記第１の光学フィルタの光学軸と入射平面との成す角
   度を４５゜よりも小さい角度にし、これにより第１の光
   学フィルタの厚さが増加した分だけ、前記第２の光学フ
   ィルタの厚さを薄くするようにしたことを特徴とする光
   学フィルタ。