JPH05257086A - 光学的ローパスフィルタおよび撮像装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 複数の光透過性基材を張り合わせてなる基板
の表面に回折格子を形成した光学的ローパスフィルタに
おいて、リング状フレアの発生を抑制して、画質の低下
を防ぐ。 【構成】 光学的ローパスフィルタ２の格子形成面２ａ
を固体撮像素子４側に向けて配置し、基板２０を構成す
るｍ枚の基材の屈折率をｎ１，ｎ２，・・・ｎｍ、厚み
をｔ１，ｔ２，・・・ｔｍ、固体撮像素子４の撮像面４
ａの長手方向の長さをｘとしたとき、基材の厚みｔ１・
・・ｔｍが下記の条件を満足するように設定する。 ４Σ_i=1 ^m 〔ｔｉ・ｔａｎ（Ｓｉｎ^-1（１／ｎｉ）〕≧
ｘ これにより、リング状フレア１２の半径Ｒが大きくなっ
て、撮像面から外れる結果、撮像面にリング状フレアが
全く現れないか、または現れても、その光強度が低下し
て、目立たなくなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は光学的ローパスフィルタ
およびそれを備えた撮像装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】単板式固体撮像素子を用いたカラー撮像
装置は、色フィルタアレイを備え、これにより色信号を
得ており、色フィルタアレイのピッチに対応する高周波
成分が含まれている被写体からは、偽色信号が発生す
る。また、固体撮像素子は不連続に、かつ規則正しく配
置された画素を有しており、画素のピッチに対応する高
周波成分が含まれている被写体からは、折り返しによる
偽信号が発生する。そのため、このようなカラー撮像装
置の光学系には、偽色信号および偽信号の発生を防止す
る光学的ローパスフィルタが配置されている。光学的ロ
ーパスフィルタとしては、３枚以上の水晶板と１枚の赤
外線遮断フィルタとが貼り合わされてなるものが用いら
れているが、積層構造を有する光学的ローパスフィルタ
は、量産性に劣り、高価であるという問題点を有してい
る。上記の問題を解決するために、回折格子からなる光
学的ローパスフィルタが提案されている。このような回
折格子を用いた撮像装置の一例を図７に示す。

【０００３】図７において、撮像装置には、光の入射側
（被写体側）から撮像レンズ３１、光学的ローパスフィ
ルタ３２および固体撮像素子３４が、この順序に配置さ
れ、上記固体撮像素子３４はパッケージ３５内に収納さ
れている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記光学的ローパスフ
ィルタ３２は、光透過性の基板として屈折率が１．５
２、基板厚みが１ｍｍのガラスを用い、その表面に回折
格子が形成されている。この光学的ローパスフィルタ３
２を、その格子形成面３２ａと固体撮像素子３４間の距
離が５０μｍとなるように設置した撮像装置を用いてス
ポット光を撮影すると、スポット光像の回りに、リング
状のフレア（以下、「リング状フレア」と称す）が発生
する。このリング状フレアは、例えば車のヘッドライト
や照明用ライトを撮影した場合に発生し、画質を低下さ
せる要因となっている。

【０００５】本発明の主な目的は、上記のリング状フレ
アの発生による画質の低下を防ぐ光学的ローパスフィル
タ及びそれを備えた撮像装置を提供することである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の光学的ローパスフィルタは、ｍ枚の板状の
光透過性基材を張り合わせて形成された基板の表面に回
折格子を形成してなり、撮像レンズと固体撮像素子との
間に配置されて、その格子形成面が上記固体撮像素子側
に向けられるものであって、上記ｍ枚の光透過性基材の
屈折率をｎ１，ｎ２，・・・ｎｍ、その厚みをｔ１，ｔ
２，・・・ｔｍ、上記固体撮像素子の撮像面の長手方向
の長さをｘとしたとき、上記基材の厚みｔ１・・・ｔｍ
が、下記の条件 ４Σ_i=1 ^m 〔ｔｉ・ｔａｎ（Ｓｉｎ^-1（１／ｎｉ）〕≧ｘ を満足するように設定されている。

【０００７】さらに、本発明の撮像装置は、上記（Ａ）
または（Ｂ）記載の光学的ローパスフィルタを備え、そ
の光学的ローパスフィルタと固体撮像素子とがパッケー
ジに固定されている。

【０００８】

【作用】本発明の光学的ローパスフィルタによれば、リ
ング状フレアの半径が大きくなって、撮像面から外れる
結果、撮像面にリング状フレアが全く現れないか、また
は現れても、その光強度が低下して、目立たなくなる。
また、光透過性の基材として屈折率の低いガラスを用い
ることで、光学的ローパスフィルタの基板の厚みを小さ
くできる。

【０００９】さらに、本発明の撮像装置によれば、光学
的ローパスフィルタと固体撮像素子との相対的な位置関
係が製造時に正確に設定されるので、偽色信号および偽
信号の抑制効果が確保される。

【００１０】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面にしたがって説
明する。図１は本発明の一実施例に係る撮像装置の概略
構成を示す。同図において、撮像レンズ１と固体撮像素
子４との間に光学的ローパスフィルタ２が配置されてお
り、その格子形成面２ａが固体撮像素子４側に向けられ
ている。上記光学的ローパスフィルタ２の基板２０は、
屈折率の異なる複数（この例では２枚）の光透過性基材
２１，２２を張り合わせることにより形成されている。
カラー撮像装置の場合には、固体撮像素子４の前面に色
フィルタアレイ６が配置される。

【００１１】固体撮像素子４は、図２に示すように、矩
形の平板状であり、その撮像面４ａには、長手方向であ
る水平方向Ｈと垂直方向Ｖとに沿って配列された多数の
光検出素子７が設けられている。この固体撮像素子４
は、図１のパッケージ５内に収納されて保護されてい
る。光学的ローパスフィルタ２は、撮像装置の図示しな
いフレームに支持されている。

【００１２】また、光学的ローパスフィルタ２は、例え
ば、直交する２方向に延びる回折格子を備え、各回折格
子による回折方向が、図２の固体撮像素子４の水平方向
Ｈと垂直方向Ｖのそれぞれに対して４５度の角度をなす
ように設定されている。

【００１３】上記光学的ローパスフィルタ２の厚みは、
固体撮像素子４の平面寸法に対して特定の関係になるよ
う設定されている。この関係を説明する前に、まず、リ
ング状フレアが発生する原因について、図３を用いて説
明する。

【００１４】固体撮像素子４は、表面を構成しているＳ
ｉや配線に用いられているＡｌのため、表面の光反射率
が高い。そのために、撮像面４ａに達した迷光の一部
は、撮像面４ａで反射され、実線Ｔ１で示すように、光
学的ローパスフィルタ２の回折格子により回折されて、
光学的ローパスフィルタ２内に入射した後、透明な基材
２１，２２間の界面で屈折され、光学的ローパスフィル
タ２の透明な基板表面２ｂに達し、透過および反射され
る。基板表面２ｂで反射された光は、再び光学的ローパ
スフィルタ２の格子により回折された後、撮像面４ａに
達する。

【００１５】上記基板表面２ｂに入射する光の中で、入
射角度が空気の屈折率と基板の屈折率から決まる臨界角
以上の光は、全反射を起こすため、臨界角以下で基板表
面２ｂに入射する光に比べ、撮像面４ａに達する反射光
の強度が格段に大きくなる。その結果、この強い反射光
が画像中にリング状フレアとなって現れる。図４に、撮
像面４ａ上でのスポット光像１１とリング状フレア１２
を示す。リング状フレア１２は、スポット光像１１の回
りに半径Ｒの円として現れる。

【００１６】図３において、光学的ローパスフィルタ２
と撮像面４ａとの距離をｇ、基板２０の厚みをｔ、基板
２０の屈折率をｎ，基板２０を構成する基材２１，２２
の屈折率をｎ１，ｎ２、その厚みをｔ１，ｔ２とする。
また、図４のスポット光像１１の中心からリング状フレ
ア１２の最大強度部分までの距離を、リング状フレアの
半径Ｒと定義する。空気の屈折率は１であるため、図３
の基板表面２ｂで全反射する際の各基材２１，２２への
入射角度θ１，θ２は下式で表される。 θ１＝Ｓｉｎ^-1（１／ｎ１） θ２＝Ｓｉｎ^-1（１／ｎ２） これを、ｍ枚の基材についての一般式で表すと、 θｉ＝Ｓｉｎ^-1（１／ｎｉ） （ｉ＝１，２，・・ｍ） （１）

【００１７】また、リング状フレア１２の半径Ｒは、下
式で表される。 Ｒ＝ａ１＋ｂ＋ａ２ ＝ｇ・ｔａｎ（θａ）＋２・ｔ１・ｔａｎ（θ１） ＋２・ｔ２・ｔａｎ（θ２）＋ｇ・ｔａｎ（θｂ） （２） ここで、ａ１，ｂ，ａ２はそれぞれ、撮像面４ａ上の反
射点１３から格子形成面２ａ上の入射点１４までの水平
距離、つまり、固体撮像素子４と平行に測定した距離、
入射点１４から出射点１５までの水平距離、出射点１５
から撮像面４ａ上の入射点１６までの水平距離である。
また、θａ，θｂはそれぞれ、上記反射点１３での反射
角度、入射点１６での入射角度である。

【００１８】距離ｇが厚みｔに比べて十分小さい場合に
は、ａ１とａ２はｂに較べて十分小さな値となるため、
リング状フレア１２の半径Ｒは下式で与えられる。 Ｒ＝ｂ＝２・ｔ１・ｔａｎ（θ１）＋２・ｔ２・ｔａｎ（θ２） これを、屈折率ｎ１・・・ｎｍ、厚みｔ１・・・ｔｍの
ｍ枚の基材で基板２０を形成した場合に適用される一般
式で表すと、 Ｒ＝２・Σ_i=1 ^m ｔｉ・ｔａｎ（θｉ） （３）

【００１９】本発明者らは、格子形成面２ａと撮像面４
ａ間の距離ｇを５０μｍとし、基板２０の厚みを変化さ
せ、１／２インチ固体撮像素子４を用いた撮像装置によ
り、発生するリング状フレア１２を観察した。基板２０
として、屈折率１．５２で厚みが１ｍｍのガラス１枚
と、屈折率１．４９で厚みｔの異なるガラス１枚とを重
ねたものを用いた場合の、その厚みｔと発生したリング
状フレア１２の観測結果を、図５の表に示す。

【００２０】これら関係を検討した結果、つぎのことが
判明した。図４のリング状フレア１２の半径Ｒが、固体
撮像素子４の撮像面４ａの対角線長さよりも大きい場合
は、リング状フレア１２が撮像面４ａに全く現れないの
で、勿論、問題はない（図５の○印）。また、リング状
フレア１２が撮像面４ａに１本現れる程度であれば、そ
の半径Ｒが充分大きいために、リング状フレア１２の単
位面積当たりの光エネルギが小さくなる、つまり、光の
集中度が低くなるので、リング状フレア１２が目立たな
くなり、実用上問題がなくなる（図５の△印）。

【００２１】このようにリング状フレア１２が１本現れ
るのを許容する範囲を式で表すと、つぎのようになる。
ここで、固体撮像素子４の撮像面４ａの長手方向（水平
方向）Ｈの長さをｘとしている。 Ｒ≧ｘ／２ すなわち、 ４Σ_i=1 ^m 〔ｔｉ・ｔａｎ（Ｓｉｎ^-1（１／ｎｉ）〕≧ｘ （４） なお、ＮＴＳＣ方式では、撮像面４ａの水平垂直の比は
４：３であり、水平方向の長さｘの方が、垂直方向の長
さｙよりも長い。

【００２２】また、望ましくは、下記の条件を満たすこ
とにより、つまり、半径Ｒを撮像面４ａの長手方向Ｈの
長さｘよりも大きくすることにより、リング状フレア１
２の出現を防止して、画質の低下を効果的に抑制でき
る。 Ｒ≧ｘ ２Σ_i=1 ^m 〔ｔｉ・ｔａｎ（Ｓｉｎ^-1（１／ｎｉ）〕≧ｘ （５）

【００２３】さらに、上記半径Ｒを撮像面４ａの対角線
の長さ（ｘ² ＋ｙ² ）^1/2 よりも大きくすることによ
り、前述のとおり、リング状フレア１２の出現を完全に
防止して、画質の低下を一層効果的に抑制できる。つま
り、 Ｒ≧（ｘ² ＋ｙ² ）^1/2 ２Σ_i=1 ^m 〔ｔｉ・ｔａｎ（Ｓｉｎ^-1（１／ｎｉ）〕 ≧（ｘ² ＋ｙ² ）^1/2 （６）

【００２４】また、図２で示すように撮像面４ａの外周
には、固体撮像素子４に発生する暗電流を差し引いて鮮
明な画像を得るためのオプティカルブラックと呼ばれる
光の反射率の高い部分が設けられており、このオプティ
カルブラック８の部分で反射する迷光もリング状フレア
の発生の要因となっている。したがって、さらに望まし
くは、下記の条件を満たすことにより、リング状フレア
の発生を防ぐことが出来る。 Ｒ≧（ｐ² ＋ｑ² ）^1/2 ２Σ_i=1 ^m 〔ｔｉ・ｔａｎ（Ｓｉｎ^-1（１／ｎｉ）〕 ≧（ｐ² ＋ｑ² ）^1/2 （７） ここで、オプティカルブラック８の部分も含めた撮像面
４ａの水平方向の長さをｐ、垂直方向の長さをｑとおい
ている。

【００２５】実際、図５において、観測結果の△印は、
合計厚みｔが上記式（４）または（５）式を満足し、○
印は式（６）または（７）を満足しており、×印は式
（４）〜（７）のいずれをも満足していない。ここで、
図５の合計厚みｔが式（４）〜（７）を満足するか否か
の計算に用いたパラメータは、つぎのとおりである。 ｘ＝６．４ｍｍ， ｙ＝４．８ｍｍ，（ｘ² ＋ｙ² ）
^1/2 ＝８ｍｍ， （ｐ² ＋ｑ² ）^1/2 ＝１０ｍｍ

【００２６】したがって、本発明では、光学的ローパス
フィルタの基板を形成するｍ枚の基材の厚みｔ１〜ｔｍ
を、固体撮像素子４の上記平面寸法ａ，ｙ，ｐ，ｑに対
して、上記条件（４）〜（７）のいずれかを満足するよ
うに設定して、リング状フレア１２を抑制している。

【００２７】また、図３から明らかなように、基板表面
２ｂ寄りの基材２１の屈折率ｎ１を、格子形成面２ａ寄
りの基材２２の屈折率ｎ２よりも高く設定すれば、両基
材２１，２２の界面３０で、光の入射角θ１よりも屈折
角θ１０の方が小さくなるので、同一半径Ｒのリング状
フレアを発生させるのに、基板２０の厚み（合計厚み）
ｔを小さくできる利点がある。その理由をつぎに説明す
る。

【００２８】１枚のガラスで基板２０Ａ全体を形成した
場合の全反射の様子を点線Ｔ２で示すと、その１枚のガ
ラスの屈折率が本発明の基材２１の屈折率ｎ１と同一で
ある場合、基板表面２ｂｂでの全反射角θｃは、本発明
の基板表面２ｂでの全反射角θ２に等しい。したがっ
て、このような基材間での屈折がない１枚型基板２０Ａ
の場合には、張合せ型基板２０の場合と同一半径Ｒのリ
ング状フレアを発生させる全反射についてみると、全反
射する基板表面２ｂｂの位置が高くなり、それだけ基板
２０Ａの厚みｔａが大きくなる。つまり、同一半径Ｒの
リング状フレアを発生させるのに、本発明の張合せ型基
板２０の方が、１枚型の基板２０Ａよりも薄くて済む。
したがって、光学的ローパスフィルタ２が小型化され
る。

【００２９】ここで、ガラス基板は、屈折率の低いもの
の方が容易に製造できるので、本願発明の張合せ型基板
２０は生産性の点でも問題はない。

【００３０】実際、基板２０Ａを屈折率１．５２の１枚
のガラスで形成した場合、基板厚みが４．０ｍｍのとき
でも、わずかなリング状フレアの発生が見られた（図５
の△印に相当）のに対し、図５に示した本願発明の張合
せ型基板２０の場合には、基板厚み４．０ｍｍにおいて
リング状フレアの発生が完全に防止された（図５の○
印）。

【００３１】図６は本発明の第２実施例を示し、パッケ
ージ５内に色フィルタアレイ６付の固体撮像素子４と光
学的ローパスフィルタ２とが収納され、固体撮像素子４
はパッケージ５の底壁５ａに直接接着され、光学的ロー
パスフィルタ２は、矩形の枠型のスペーサ８を介して、
上記底壁５ａに接着され、さらに、接着剤９によって光
学的ローパスフィルタ２と固体撮像素子４とが一体化さ
れた状態で、パッケージ５の側壁５ｂに接着されてい
る。上記スペーサ８は、例えばガラスや金属のような基
材の表面に、ポリエチレンテレフレートのような感光性
樹脂をパターニングしたものである。

【００３１】光学的ローパスフィルタ２の特長である偽
色信号・偽信号の抑制機能を発揮させるには、光学的ロ
ーパスフィルタ２と、固体撮像素子４を含めた他の要素
との位置関係が重要であるが、この第２実施例によれ
ば、光学的ローパスフィルタ２と固体撮像素子４とがパ
ッケージ５に固定されているから、光学的ローパスフィ
ルタ２と撮像面４ａとの相対的な位置関係が製造時に正
確に設定されるので、上記偽色信号・偽信号の抑制機能
が効果的に発揮される。

【００３２】なお、固体撮像素子４と光学的ローパスフ
ィルタ２の一体化は、ネジ止め、接着、封入、一体成形
のいずれでもよい。上記スペーサ８は、上記枠型やフィ
ルム型とは異なり、感光性樹脂を光学的ローパスフィル
タ２とパッケージ５の底壁５ａの一方または両方に光パ
ターニングしたものであってもよい。また、接着剤中に
一定の直径を有するビーズ、ロッド等を含ませてスペー
サを構成し、これらビーズ、ロッド等によって、光学的
ローパスフィルタ２と上記底壁５ａ間の距離、したがっ
て、光学的ローパスフィルタ２２と固体撮像素子４間の
距離を正確に保持する構造としてもよい。

【００３３】

【発明の効果】以上説明したとおり、本発明の光学的ロ
ーパスフィルタによれば、偽信号および偽色信号を有効
に遮断しながら、リング状フレアによる画質の低下を解
消できる。また、基材の屈折率を、格子形成面寄りの基
材ほど低く設定することにより、光学的ローパスフィル
タの厚みを小さくすることができる。

【００３４】さらに、本発明の撮像素子によれば、光学
的ローパスフィルタと固体撮像素子との相対的な位置関
係が製造時に正確に設定されるので、偽色信号および偽
信号の発生が効果的に抑制される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る撮像装置を示す概略構
成図である。

【図２】同実施例の固体撮像素子を示す斜視図である。

【図３】同実施例の光学的ローパスフィルタおよび固体
撮像素子を示す側面図である。

【図４】同実施例の固体撮像素子の撮像面を示す正面図
である。

【図５】本発明の光学的ローパスフィルタ２の基板の厚
みとリング状フレアとの関係を示す図表である。

【図６】本発明の第２実施例に係る撮像装置を示す概略
構成図である。

【図７】従来の撮像装置を示す概略構成図である。

【符号の説明】

１…撮像レンズ、２…光学的ローパスフィルタ、２ａ…
格子形成面、２ｂ…基板表面、４…固体撮像素子、４ａ
…撮像面、５…パッケージ、６…色フィルタアレイ、８
…スペーサ、９…接着剤、２０…基板、２１，２２…基
材。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ｍ枚の板状の光透過性基材を張り合わせ
   て形成された基板の表面に回折格子を形成してなり、撮
   像レンズと固体撮像素子との間に配置されて、その格子
   形成面が上記固体撮像素子側に向けられる光学的ローパ
   スフィルタであって、上記ｍ枚の光透過性基材の屈折率
   をｎ１，ｎ２，・・・ｎｍ、その厚みをｔ１，ｔ２，・
   ・・ｔｍ、上記固体撮像素子の撮像面の長手方向の長さ
   をｘとしたとき、上記基材の厚みｔ１・・・ｔｍが下記
   の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。 ４Σ_i=1 ^m 〔ｔｉ・ｔａｎ（Ｓｉｎ^-1（１／ｎｉ）〕≧ｘ
2. 【請求項２】 請求項１に記載の光学的ローパスフィル
   タを備え、上記光学的ローパスフィルタと固体撮像素子
   とが、パッケージに固定されてなることを特徴とする撮
   像装置。