JPH0331813A - 光学的ローパスフィルターを有した撮像装置 - 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） 本発明は光学的ローパスフィルターを有した撮像装置に
関し、特にカラー撮影素ｆ−を用いたビデオカメラや電
子スチルカメラ等の柱に画像を２次元的１つ離散的に処
理するのに好適な光学的ローパスフィルターを有した撮
像装置に関するものである。

（従来の技術） 般に離散的画素構造を有する固体撮像素子を用いた撮像
装置では光学的に形成された画像を空間的にサンプリン
グして出力画像を得ている。

第７図は従来の単板式のカラービデオカメラにおけるカ
ラー信号を得る為のストライブ状の色フィルターの構成
を示した概略図である。

各色フィルターには固体撮像素子のセルが対応しており
、これによって赤色Ｒ，Ｕ色Ｇ、そして青色Ｂの３色の
分解が行なわれる。

ａｈ的に画像をサンプリングする場合の問題点としては
被写体にサンプリングの空間周波数以上の周波数成分が
含まれている場合のエイリアジングエラーが挙げられる
。

このエイリアジングエラーは撮影画像にモアレ縞や偽色
を生じさせ１画像を歪ませる原因となる。特に単板式カ
メラでは水平方向の空間的サンプリングが３画素に１回
ということでサンプリングピッチが粗くなるので色モア
レ等が生じ易い。

撮像素子以降の処理系はもともと画像の空間周波数帯域
にある制限があることを前提にして構成されている。こ
の為、従来より光学的ローパスフィルターを撮像系に挿
入し、被写体の持つ高周波の空間周波数帯域な撮像素子
以降の系に合わせた形で制限することが行われている。

光学的ローパスフィルターとしては水晶板等の複屈折を
利用したものが多く用いられる。

例えば単板のカラービデオカメラでは１枚の水晶板を通
り、複屈折で２つに分割された光線が水平方向に１．５
画素ずれた位置に入射する様に光学系が構成されている
。

この様に同一の画像が１．５画素水平方向にずれて重な
るということは、この水晶ローパスフィルターの水平方
向の周波数特性が第８図の様なコサイン型の周波数特性
になることを意味している。１画素のピッチをｄとする
と、もしピッチ３ｄの正弦波チャートがあれば１．５画
素のずれにより丁度用と谷が重なってコントラストが０
となる。

１画素当りのサンプリング周波数ｆ３がｆＳ−１／ｄで
ある所より、この水晶ローパスフィルターは第８図に示
す様にｆｓ／３で特性が０となるのである。単板式カラ
ー固体撮像素子の場合はサンプリングが３画素に１回と
なっているので色モアレがここから折り返されてくる。

従って、この様なフィルターはモアレの抑制に多大な効
果を持っていた。

（発明が解決しようとする問題点） 方、近来、固体撮像素子の各画素をオフセットサンプリ
ング構成に構成し、この各画素にＲＧＢの３色フィルタ
ーを配列したものが注目されている。

第３図に示したものは従来のオフセットサンプリング構
造にしたカラー固体撮像素子の一例である。

ところがこの場合、色フィルターの配置が従来のストラ
イプ状のものの様に単純な一次元状のものでなく二次元
的なものである。この為、色モアレを防ぐ光学的ローパ
スフィルターに従来のものを単純に用いても所望の効果
を得ることができないという問題が生じていた。

本発明はオフセットサンプリング構成を有する撮像素子
への入射光路中に、前記問題に適用できる光学的ローパ
スフィルターを配置することにより、色モワレを有効に
防止することができる光学的ローパスフィルターを有し
た撮像装置の提供を目的とする。

（問題点を解決するための手段） このように本発明は第３図の様なオフセットサンプリン
グの色フィルター配置をとった時の信号の２次元的空間
周波数構造に着目し、色モアレを防止するため最適な光
学的ローパスフィルターを撮影系に付加することにより
、前記問題を解決したことを特徴としている。

即ち本発明の光学的ローパスフィルターを有した撮像装
置は、水平方向のピッチがＰ、、垂直方向のピッチがＰ
ｖ、水平方向のオフセット■がＰ□／２であるオフセッ
トサンプリング構造をもつ撮像素子への入射光路中に配
置される光学的ローパスフィルターであって、該光学的
ローパスフィルターは入射光線な該撮像素子の走査方向
と垂直方向の２本に分離する第１の光学部材と、入射光
線を該撮像素子の走査方向に２本に分離するｍ２の光学
部材とを有しており、該第１の光学部材による光線の分
離幅をｄｌ、該第２の光学部材による光線の分離幅をｄ
２としたとき ｏ、ａｐｖ≦ｄ、≦１．２Ｐｖ Ｏ，６Ｐ、≦ｄ２≦０．９Ｐ。

なる条件を満足することである。

（実施例） 光学的ローパスフィルターの条件を説明する為、先ずオ
フセットサンプリングの場合の空間周波数構造について
解析を行ってみることとする。

第４図は水平方向のピッチがＰＨ，垂直方向のピッチが
Ｐｖであり、水平方向のオフセットがＰ、／２である様
に構成されたオフセットサンプリングの例を示している
。この場合のサンプリング構造は、２次元の空間周波数
平面上で第５図に示した様になることが知られている。

即ち、水平方向のピッチが２／Ｐ、、垂直方向のピッチ
が１／′Ｐｖであり、水平方向のオフセット１が１　／
　Ｐ　ｕある様なサンプリング構造となっている。

この関係の導出は例えば（」刊工業新聞社刊の吹坂敬彦
著゛画像のデジタル信号処理”（１９８５）の［”、３
１７に述べられている。

従って第３図のような固体撮像素子（センサー）におい
て各画素の色フィルターから出力される色信号を等価的
に輝度信号と見なす、所謂スイッチ−Ｙ方式によって輝
度信号を得るとすると、輝度信号のサンプリング構造は
第５図を写し直して第６図（Ａ）で丸印（○印）で示す
柱なものとなる。

これを各色の信号についてみると、水平方向のピッチが
３Ｐｕ、垂直方向のピッチがＰｖで水平方向のオフセッ
トが３／２・ＰＨのオフセットサンプリング構造となっ
ていることがわかる。

従って、色信号のサンプリング構造は空間周波数面では
水平方向にのみ１　／３１１ｉめられる結果となり、第
６図（Ａ）中の四角中（目印）の様なものとなる。色モ
アレを防止する十で最適な光学的ローパスフィルターは
原信号の空間周波数スペクトルが隣り合うサンプリング
構造の領域になるべく影響を法えない社なものである。

これは第６図（Ａ）で言えば隣り合うサンプリング構造
の中心点を実線で結んだ６角形の辺［−の空間周波数の
部分の近傍で周波数特性が０．又は極小になる様なロー
パスフィルター特性が好ましいということを意味してい
る。

切られているのは垂直方向に輝度の折り返しを生じさせ
ない為である。

オフセットサンプリングでの光学的ローパスフィルター
の理想は第６図（Ａ）に示したような六角形が良いが、
実際に褐屈折板等を用いて光学的ローパスフィルターを
構成するには第６図周波数特性が０になるように構成す
るのが最も簡易なものである。

このような光学的ローパスフィルターを構成するには入
射光線をカラー撮像素子の走査方向と垂直方向に分離幅
ｄ、の間隔で２本に分離する第１の光学部材と入射光線
を該カラー撮像素子の走査方向に分離幅ｄ２の間隔で２
本に分離する第２の光学部材で構成すれば良い。

このときの光学的ローパスフィルターの２次元伝達関数
、所謂ＭＴＦ　（ｆ、＋、ｆ、）は次式で表わされる。

閤’ｒＦ（ｆＸ、ｆ、）＝　１ｃｏｓｒｔｄ２Ｌｓｃｏ
ｓπｄ＋ｆ、ｌ　　−（Ｉ）これよりＭＴＦ値は水平方
向、垂直方向にそれぞれコサイン関数の形の周波数特性
で変化し、又それ以外の斜め方向には水平方向と垂直方
向の両者をかけ合わせたコサインの２乗の形の周波数特
性となることが分かる。

この為、第６図（Ｂ）に実線て示した周波数特性か０と
なる線は第６図（Ａ）の理想の周波数特性に比べ斜め方
向で大きく異っている。しかしながらこの方向における
周波数特性は急速に０に近づく為、斜め方向からの折り
返り歪みによるモワレは実用上問題とはならない。

更に光学的ローパスフィルターが充分機能を発揮する為
には周波数特性な０にする周波数の絶対値が次式で表わ
すように Ｉｆ、ｌ＝２／３・１　／ＰＨ ｌ　ｆ　ｙ　Ｉ　＝ｌ　／　Ｐ　ｖ を中心にプラス・マイナス２０％以内にあることが望ま
しい。

そこで本発明では光学的ローパスフィルターを構成する
第１の光学部材の光線の分離幅をｄ、、第２の光学部材
の光線の分離幅をｄ２としたとき ｏ、　　８ＰＶ　　≦ｄ、　　≦　１．　２ＰＶ　　　
　　　・・・　（２）０　、６　Ｐ□　≦ｄ　２　≦ｏ
　　、　　９　　Ｐ　Ｈ＝　　（３）なる条件を満足す
るように構成している。

第１図は本発明に係る光学的ローパスフィルターの一実
施例の構成図である。

同図においてｌは光学的ローパスフィルター３は第１の
光学部材であり、複屈折板５，６より形成されており、
入射光線を後述するカラー撮像素子の走査方向と垂直方
向とに２本に分離させている。４は第２の光学部材であ
り、複屈折板７より形成されており、入射光線をカラー
撮像素子の走査方向に２本に分離させている。本実施例
ではこれらの２つの光学部材で光学的ローパスフィルタ
ー１を構成している。

２はカラー撮像素子であり、前記第３図に示したような
オフセットサンプリング構造より成っている。

本実施例においては光学的ローパスフィルターｌを構成
する各々の複屈折板５，６．７は光線の分離方向が走査
方向に対し反時計方向に順に＋４５°　−４５’　、０
’となるように、又第１の光学部材３の光線の分離幅を
ｄｌ、第２の光学部材４の光線の分離幅をｄ２としたと
き、各々の複屈折板４，５．６の光線の分離幅の大きさ
を順にｄｉ　／ｒ丁、ｄｉ／ｒ丁、ｄ２となるように構
成している。

第２図は第１図に示す光学的ローパスフィルター１の各
複屈折板より光線が分離されていく過程を示す説明図で
ある。

本実施例において光学的ローパスフィルター！に入射し
た光線は複屈折板５により同図（Ａ）の実線の矢印に示
す方向に偏光成分をもつ等しい強度の常光線８と異常光
線９の２本の直線偏光として射出される。

そして次に同図（Ｂ）に示すように複屈折板５に対し９
０°光軸が傾いた複屈折板６に入射する為、該複屈折板
６に対し異常光線９は常光線となる為、そのまま直進し
て射出される。又常光線８は異常光線となる為、屈折し
て位置１０ａより射出される。

結局、複屈折板５．６より成る第１の光学部材３からは
同図（Ｂ）に示したように分離幅ｄ１で走査方向に対し
垂直方向に分離した２本の光線９．１０となって射出さ
れる。

このとき、これらの光線９，１０は各々走査線に対し反
時計方向に４５°と１３５°に偏光している為、第２の
光学部材４を構成する複屈折板７に入射すると同図（Ｃ
）に示すように分離幅ｄ２の複屈折板７により等しい強
度の４本の光線９゜１０．１１．１２に分離され、結局
全体で４木の光線９，１０，１１．１２となって光学的
ローパスフィルター１から射出してローパス効果を得て
カラー撮像素子２に入射している。

本実施例ではこのときの第１の光学部材３の光線の分離
幅ｄ、と第２の光学部材４の光線の分離幅ｄ２が面記の
条件式（２）　、　（：ｌ）を満足するように設定して
いる。これによりカラー撮像素子の色モワレに対処して
所望の光学性能を得ている。

次に条件式（２）　、　（３）の技術的意味について説
明する。

条件式（２）　、　（３）の上限値を越えるとモワレの
量が増大してくるので良くない。又条件式（２）　、　
（３）の下限値を越えると光学的ローパスフィルターと
撮像素子より成る系全体の解像度が低下してくるので良
くない。

第９図は本発明の光学的ローパスフィルターの他の一実
施例の構成図である。

同図において９０は光学的ローパスフィルター、９１は
第２の光学部材であり、複屈折板９３より形成されてい
る。９２は第１の光学部材であり、直線偏光を円偏光に
変換する位相板９４と複屈折板９５の組合わせより形成
されている。

本実施例てはこれらの２つの光学部材９１．９２より光
学的ローパスフィルター９０を構成している。又外視屈
折板９３．９５は光線の分離方向が走査方向に対し反時
計方向に順に０°、＋９０’となるように構成している
。尚、２はカラー撮像素子である。

本実施例において光学的ローパスフィルター９０に入射
した光線は光線の分離幅ｄ２の複屈折板９３により常光
線と異常光線との２本の直線偏光に分離され位相板９４
に入射する。そして位相板９４により２本の直線偏光は
円偏光に変換され光線の分離幅ｄ、の複屈折板９５に入
射する。

そして視屈折板９５により前記第２図（Ｃ）で示したの
と同様に等しい強度の４本の光線９゜１０．１１．１２
に分離され、結局全体で４の木の光線９，１０，１１．
１２となって光学的ローパスフィルター９０から射出し
てローパス効果を（：Ｐてカラー撮像素ｆ２に入射して
いる。

本実施例ではこのときの各々の第１と第２の光学部材９
２．９１の光線の分離幅ｄ、、ｄ、が条件式（２）　、
　（３）を満足するように設定している。

尚、本実施例では光学的ローパスフィルター９０を物体
側より第２の光学部材９１そして第１の光学部材９２と
して構成したが、必ずしもこの順Ｉ″ｆ−で構成するこ
とはなく、その逆で光学的ローパスフィルター９０を構
成しても良い。

第１０図は本発明の光学的ローパスフィルターの他の一
実施例の構成図である。

同図において１００は光学的ローパスフィルター、１０
１は第２の光学部材であり、複屈折板９３より形成され
ている。１０２は第１の光学部材であり、複屈折板９６
．９５より形成されている。本実施例ではこれらの２つ
の光学部材１０１．１０２より光学的ローパスフィルタ
ー１００を構成している。又外覆屈折板９３゜９６．９
５は光線の分離方向が走査方向に対し反時計方向に順に
０’、＋４５°、＋９０’となるように構成している。

尚、２はカラー撮像素Ｙである。

本実施例では第９図に示した実施例の第１の光学部材９
２を構成する位相板９４の代わりに光学的ローパスフィ
ルターを構成する他の２枚の複屈折板９３，９５と比較
して充分分離幅の小さい複屈折板９６を用いている。そ
して該複屈折板９６の分離方向が走査方向に対して反時
計方向に４５°となるようにして光学的ローパスフィル
ター１００を構成している。

本実施例においては複屈折板９６の光線の分離幅をｄ３
としたとき光学的ローパスフィルター１００から射出さ
れる光線は第１１図に示すようになる。

これは前記第２図（Ｃ）で示した光学的ローパスフィル
ターから射出される光線が走査方向に対し４５°方向に
分離幅ｄ３だけずれて重なった合計８本の光線となる。

しかしながら複屈折板９６の光線の分離幅ｄ３は充分小
さい為、第２図（Ｃ）に示した実施例のものと周波数特
性は殆ど変わらない性能を得ることができる。

本実施例ではこのように位相板を使用せずに光学的ロー
パスフィルターを構成していることから位相板を用いた
ときに比べ周波数特性の波長依存性が少なく、かつ光学
的ローパスフィルターの厚さを薄くすることができ装置
全体のコンパクト化を図れる光学的ローパスフィルター
を提供している。

尚、以上の各実施例においては光学的ローパスフィルタ
ーを構成する光学部材として複屈折板を１枚、又は複数
枚用いて、あるいは位相板と複屈折板との組合わせによ
りそれぞれ構成したが、例えば光学系中に色分解系のプ
リズム等を配置するなど任意の光線を２方向に分離でき
る光学部材であれば何を用いても良い。

又、本発明は２次元的なサンプリング構造の解析に基づ
いたものであり、従って本発明はＲｌＧ、Ｂの３色のカ
ラー配列だけでなく他にＣｙＭ、Ｙ、などの組合わせで
も同様に有効な手段といえる。

（発明の効果） 本発明はオフセットサンプリング構造を有する撮像素子
への入射光路中に入射光線な該撮像素子の走査方向と垂
直方向に２本に分離する第１の光学部材と、該撮像素子
の走査方向に２本に分離する第２の光学部材とを有する
光学的ローパスフィルターを、前述の条件式を満足する
ように各々の光学部材の光線の分離幅を適切に設定して
配置することにより、オフセットサンプリング構造を有
する撮像素子の色モワレを有効に防止することができる
高い光学性能を有した光学的ローパスフィルターを有し
た撮像装置を達成することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の光学的ローパスフィルターの一実施例
の構成図、第２図は第１図に示す複屈折板より光線が分
離されていく過程を示す説明図、第３図は本発明の対象
とするオフセットサンプリング構造をもつカラー撮像素
子のＲＧＢの配列を示す説明図、第４図はオフセットサ
ンプリング構造を示す説明図、第５図はオフセットサン
プリングのサンプリング構造を空間周波数領域で示す説
明図、第６図（Ａ）は理想的な光学的ローパスフィルタ
ーの２次元空間周波数特性を示す説明図、第６図（Ｂ）
は複屈折板を用いたときの光学的ローパスフィルターの
２次元空間周波数特性を示す説明図、第７図は従来のＲ
ＧＢストライプカラーフィルターの構成を示す構成図、
第８図は第７図のＲＧＢストライブカラーフィルターに
用いる従来の水晶ローパスフィルターの空間周波数特性
を示す説明図、第９図、第１０図は各々本発明の光学的
ローパスフィルターの他の一実施例の構成図、第１１図
は第１０図の実施例の光学的ローパスフィルターにより
分離された光線を示す説明図である。 図中、１，９０，１００は光学的ローパスフィルター　
２はカラー撮像素子、３，９２，１０２は第１の光学部
材４，９１，１０１は′ｆＩ２の光学部材、５，６，７
，９３，９５．９６は複屈折板、９４は位相板、８，９
，１０，１１．１２は光線である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）水平方向のピッチがＰ＿Ｈ、垂直方向のピッチが
   Ｐ＿Ｖ、水平方向のオフセット量がＰ＿Ｈ／２であるオ
   フセットサンプリング構造をもつ撮像素子への入射光路
   中に配置される光学的ローパスフィルターであって、該
   光学的ローパスフィルターは入射光線を該撮像素子の走
   査方向と垂直方向の２本に分離する第１の光学部材と、
   入射光線を該撮像素子の走査方向に２本に分離する第２
   の光学部材とを有しており、該第１の光学部材による光
   線の分離幅をｄ＿１、該第２の光学部材による光線の分
   離幅をｄ＿２としたとき ０．８Ｐ＿Ｖ≦ｄ＿１≦１．２Ｐ＿Ｖ ０．６Ｐ＿Ｈ≦ｄ＿２≦０．９Ｐ＿Ｈ なる条件を満足することを特徴とする光学的ローパスフ
   ィルターを有した撮像装置。