JPH0682726A

JPH0682726A - 位相格子光学的ローパスフィルタ

Info

Publication number: JPH0682726A
Application number: JP4229853A
Authority: JP
Inventors: Hiroaki Okayama; 裕昭岡山; Shusuke Ono; 周佑小野
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1992-08-28
Filing date: 1992-08-28
Publication date: 1994-03-25
Anticipated expiration: 2014-12-06
Also published as: EP0584769A3; JP2987016B2; EP0584769B1; EP0584769A2; DE69316679T2; US5504621A; DE69316679D1

Abstract

(57)【要約】【目的】２次元方向に対してローパス効果を得ること
が出来る位相格子光学的ローパスフィルタを提供するこ
と。【構成】フィルタ基板上の１周期の中央部に位相差部
８〜１１が十字形に形成され、四角形の位相差部４〜７
が、その角部４ａ〜７ａと十字形の切り欠き部の隅部４
ｂ〜７ｂとを対応させ所定の間隔を開けて、１周期の４
隅に形成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、撮像管や固体撮像素子
などの空間的に離散的サンプリングを行う撮像素子を用
いたビデオカメラ等の光学系において、像面上の不用な
空間周波数成分を除去あるいは十分減衰させる光学的ロ
ーパスフィルタに関するものであり、特に、撮像素子と
一体化して構成することも可能な位相格子光学的ローパ
スフィルタに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般的に、ビデオカメラ等の映像取り込
み装置では、撮像管や固体撮像素子等の撮像素子を用い
ており、画像情報を空間的に離散的にサンプリングする
ことで、出力信号を得ている。撮像素子に入力される映
像が、撮像素子の持つナイキスト周波数よりも高い空間
周波数成分を含んでいる場合、撮像素子から得られる出
力信号には、エイリアジングの影響により、モアレ縞
や、単管あるいは単板式のカラーカメラの場合には偽色
等の本来入力画像が持たない構造や色を出力する偽信号
が発生する。このため、従来から撮像系の一部にナイキ
スト周波数以上の空間周波数成分を遮断あるいは減衰さ
せる光学的なフィルタを挿入している。光学的ローパス
フィルタとして、従来から主に水晶光学的ローパスフィ
ルタが用いられてきた。しかし、水晶光学的ローパスフ
ィルタは、厚みでローパス効果を制御するものであり、
所望のローパス効果を得るためには光学系中に、フィル
タを配置する十分な空間を確保する必要があり、また、
水晶自体の原材料が非常に高価なものであるため、最近
では安価で、大きな空間を必要としない位相格子光学的
ローパスフィルタも用いられるようになってきた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、一般に
用いられている位相格子光学的ローパスフィルタでは、
位相格子を形成する基板の片面にのみ位相差部を構成す
る場合に、撮像面全面に対してローパス効果を与えるこ
とは困難であり、従来から考えられているような１つの
周期に１つの位相差構造のみを構成しただけでは、撮像
面全域すなわち、２次元方向に対してローパス効果を得
ることは困難であるという課題がある。たとえば、図１
１に示すような位相格子を考える。図１１中の直線１に
おける位相格子の断面形状は図１２に示すような形状と
なる。また、図１１中の直線２における断面形状は図１
３に示すようになり、同じく直線３における断面形状は
図１４に示すようになる。図１２から図１４に示す各形
状の空間周波数特性は図１５に示すように、図１１中の
それぞれの、直線１における断面の特性が曲線４のよう
になり、直線２における断面の特性が曲線５のようにな
り、また、直線３における断面の特性が曲線６のように
なる。２次元位相格子では、上記断面に平行な方向の空
間周波数特性は、各断面形状における空間周波数特性の
積分値として得られることが知られており、直線３での
断面形状による特性をもつことにより、空間周波数特性
の最低値が持ち上がる結果となる。この領域が多いと、
全体的に浮き上がり気味の特性となり、遮断周波数を持
たなくなり、あるいは、システム構成上必要な高さに特
性を落とすことが出来なくなり、ローパスフィルタとし
ての機能を果たさなくなる。また、最も効果的にローパ
ス効果を得るためには、凸部と凹部がほぼ等しい比率で
あることが望ましいのであるが、そうすると、位相差形
状を持たない領域が大きくなるため、ローパス効果を得
られなくなる。また、逆に位相差形状を持たない領域を
減らすようにすると、凸部と凹部の比率が減少し、特性
が得られない原因となる。

【０００４】本発明は、従来のこのような課題を考慮
し、２次元方向に対してローパス効果を得ることが出来
る位相格子光学的ローパスフィルタを提供することを目
的とするものである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】請求項１の本発明は、格
子面を構成する面上に周期構造があって、実質上格子面
の端から端まで貫く平坦部が続いていない構造の位相差
部を備えた位相格子光学的ローパスフィルタである。

【０００６】請求項２の本発明は、格子面を構成する面
上の周期構造の中の一つの周期単位に、辺自身もしくは
辺と辺との間を横切る平坦部がない、又はあっても連続
する所定の数の周期単位を貫いて直線状に形成された平
坦部を持たない位相差部を備えた位相格子光学的ローパ
スフィルタである。

【０００７】

【作用】本発明は、位相差部が、実質上格子面の端から
端まで貫く平坦部が続いていない構造を持つため、格子
面を構成する面上のどの方向の断面であっても位相差形
状を持たない断面が存在しない。

【０００８】

【実施例】以下に、本発明をその実施例を示す図面に基
づいて説明する。

【０００９】図１は、本発明にかかる第１の実施例の位
相格子の１周期分の斜視図である。すなわち、凸部にな
っている部分が位相差部４〜１１である。この位相差部
４〜１１に例えば、屈折率ｎｄが1.5597、アッベ数νｄ
が４４の樹脂材料を用い、各部分の形状を下記条件を満
たすように構成することによって満足な２次元方向の伝
達特性が得られる。

【００１０】0.4Ｖ＜Ｖｐ＜0.6Ｖ

【００１１】

【数１】ただし、Ｖ＝ｈ×Ｓｈ：位相差部の基板からの高さＳ：位相格子の１周期の面積Ｖｐ：位相格子の基板からみたときの位相差形成部分の
体積Ｖｐｉ：ｎ種類の位相差形成部分のうちｉ番目の位相差
形成部分の位相格子の基板からみたときの体積（ｎ及び
ｉは自然数）上記実施例の体積は０．４５Ｖになる。更に、十字形の
周辺部の四角部分の形状を中央部をくぼませた形で形成
したとしても、基本特性を満たすことが容易に考えられ
る。そこで、０．４５Ｖに余裕を持たせ、下限を０．４
Ｖとする。又、形成パターンは凸凹逆転して使用しても
構成上何等問題がないことから、１Ｖ−０．４Ｖ＝０．６Ｖを上限として考える。

【００１２】次に、例えば587nmの波長における、２次
元平面上の各方向の空間周波数特性（ＯＴＦ特性）を図
２から図６に示す。それぞれの特性は図１中のｘ軸とｙ
軸についてｘ軸方向を０゜とし、０゜方向の特性を図２
に、ｙ軸方向に３０゜の特性を図３に、４５゜の特性を
図４に、６０゜の特性を図５に、９０゜方向（すなわ
ち、ｙ軸方向）の特性を図６に示している。

【００１３】図７は、第２の実施例の平面図を示してい
る。斜線部分が凹部１２であり、白色部分が凸部になっ
ており位相差部１３である。

【００１４】図８は第３の実施例であり、図７と同様斜
線部分が凹部１４であり、白色部分が凸部になっており
位相差部１５である。

【００１５】本発明の位相格子光学的ローパスフィルタ
を用いて構成した位相格子一体型の撮像素子の構成例を
図９に示す。図９は撮像素子のパッケージの断面図であ
る。撮像素子のパッケージは、一端側に撮像素子のカバ
ーガラス１６が設けられ、カバーガラス１６側から順に
本発明にかかる位相格子光学的ローパスフィルタ１７、
色分離フィルタ１８、撮像面１９などが設けられてい
る。また、位相格子光学的ローパスフィルタ１７は撮像
面１９から適当な距離だけ間隔をおいて設置する必要が
あり、スペーサー２０を用いて間隔を確保するように構
成されている。以上のように位相格子光学的ローパスフ
ィルタ１７を一体化して撮像素子を構成することによっ
て、高性能の撮像素子が構成できる。本構成は、基本的
な構成であり、色分離フィルタ１８と撮像面１９の間に
オンチップレンズ等の付加機能素子が挿入されても、換
算距離が保たれておれば、性能に何等変化があるもので
はない。

【００１６】ここで、第１の実施例の位相格子の設計デ
ータを一周期分について示すと、図１０（ａ）、（ｂ）
のようになる。すなわち、図１０（ａ）は、位相格子の
平面図であり、各位相差部はその寸法比がそれぞれ図に
示すように形成され、又、Ａ−Ａにおける断面図は図１
０（ｂ）に示すようになり、位相差部の基板面からの高
さが図に示す寸法比に形成される。また、この場合に、
図９に示す撮像素子における位相格子光学的ローパスフ
ィルタ１７から撮像面１９までの距離の寸法比を２０に
とる。

【００１７】また、図１、図７、図８に示すそれぞれの
実施例は、基本的な特性は等しいが、水平及び垂直方向
の特性を保証しようとした際に、それ以外の方向の特性
に違いが生じる。そこで、形状を前述の３タイプの中か
ら選択することによって、システム構成上、適当な特性
のものを選ぶことができる。さらに、図１に示すような
形状について、中央部の十字形は各方向の突出部分が互
いに接するように構成されているが離れていてもよく、
断面形状は必ずしも矩形である必要はない。又、前述以
外の形状として、中央部の十字形の回りに構成されてい
る四角部分の形状についても、その内部にくぼみを持た
せることによって特性を変化させることも考えられる。

【００１８】以上のように、例えば、位相差部の形状を
十字形と四角形の２種類で形成し、図１に示すように位
相差部８〜１１を１つの周期の中央に十字形になるよう
に配置し、四角形の位相差部４〜７を、その角部４ａ〜
７ａと十字形の切り欠き部の隅部４ｂ〜７ｂとを対応さ
せ所定の間隔を開けて、１つの周期の４隅に配置するこ
とにより、各周期の境界付近にも必ず位相差形状をもつ
ように構成することができる。また、位相格子構成面上
のどの方向のどの断面であっても位相差形状を持たない
断面が存在しなくなるか、もし有ったとしても、位相差
形状を持たない領域をフィルタの伝達特性として評価し
た場合に十分に効果を得ることができる範囲に制限する
ことができる。さらに、一般的な撮像系における位相格
子光学的ローパスフィルタでは、各波長について同等の
性能を得ることが必要となる。１次元形状の場合に関し
ては、特開昭63-311323にあるように断面形状を最適化
することによって、前記課題を解決することができる
が、２次元形状の場合はそのまま適用することができな
いのは明かである。しかし、本発明においては、１周期
中の複数種類の位相差部の形状を独立に変化させる自由
度があるため、位相差部の配置を最適化することによっ
て、異なる波長間においてもほぼ等しい伝達特性を得る
ことができる。

【００１９】なお、上記実施例では、各位相差部の断面
形状を矩形波状を例にとって説明したが、これに限ら
ず、その他の断面形状、例えば、台形波、三角波、正弦
波あるいはその他の形状を取ってもよく、形状の最適化
によって同様の効果が得られることはもちろんである。

【００２０】また、上記実施例では、位相差部の形状を
十字形と四角形としたが、これに限らず、２次元方向に
対して実用的なローパス効果があれば、他の形状であっ
てもよい。

【００２１】また、上記実施例では、位相差部を十字形
と四角形との２つの独立した位相差形状により構成した
が、これに限らず、３つ以上の独立した位相差形状によ
り構成してもよい。

【００２２】また、上記実施例では、各位相差部の高さ
を同じに構成したが、これに限らず、異なるように選ぶ
ことも可能であり、本発明の範囲は位相部の高さによっ
て制限されるものではない。

【００２３】また、上記実施例では、各周期の境界に位
相差構造を持たない領域が存在しないように構成した
が、これに限らず、特性がシステム構成上十分な特性を
持つように構成すれば、各周期の境界、あるいは端部に
位相差構造を持たない領域が存在してもよい。

【００２４】

【発明の効果】以上述べたところから明らかなように本
発明は、格子面を構成する面上に周期構造があって、実
質上格子面の端から端まで貫く平坦部が続いていない構
造の位相差部を備えているので、２次元方向に対してロ
ーパス効果を得ることが出来るという長所を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかる第１の実施例の位相格子の１周
期分の斜視図である。

【図２】同実施例の位相格子の０゜方向のＯＴＦ特性を
示す図である。

【図３】同実施例の位相格子の３０゜方向のＯＴＦ特性
を示す図である。

【図４】同実施例の位相格子の４５゜方向のＯＴＦ特性
を示す図である。

【図５】同実施例の位相格子の６０゜方向のＯＴＦ特性
を示す図である。

【図６】同実施例の位相格子の９０゜方向のＯＴＦ特性
を示す図である。

【図７】第２の実施例の位相格子の平面図である。

【図８】第３の実施例の位相格子の平面図である。

【図９】本発明の位相格子光学的ローパスフィルタを一
体化した撮像素子の断面図である。

【図１０】同図（ａ）は、第１の実施例の設計データの
一例を示す平面図、同図（ｂ）は、Ａ−Ａにおける断面
図である。

【図１１】従来の位相格子の斜視図である。

【図１２】図１１の直線１の位置における断面形状を示
す図である。

【図１３】図１１の直線２の位置における断面形状を示
す図である。

【図１４】図１１の直線３の位置における断面形状を示
す図である。

【図１５】図１１の各断面形状におけるＭＴＦ特性の模
式図である。

【符号の説明】

４〜１１位相差部１３、１５位相差部１７位相格子光学的ローパスフィルタ１９撮像面

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成５年１１月２５日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正内容】

【特許請求の範囲】

【数１】ただし、Ｖ＝ｈ×Ｓｈ：位相差部の基板からの高さＳ：位相格子の１周期の面積Ｖｐ：位相格子の基板からみたときの位相差部形成部分
の体積Ｖｐｉ：ｎ種類の位相差形成部分のうちｉ番目の位相差
部形成部分の位相格子の基板からみたときの体積（ｎ及
びｉは自然数）

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００６

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の位相格子光学的
ローパスフィルタは、位相差形状を構成する周期構造の
任意の方向の断面が必ず凹凸の位相差構造を有する様
に、位相差を発生させる形状を構成することによって、
回折が必ず生じローパス効果が得られる。

【手続補正３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００７

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００７】

【作用】本発明は、位相差形状の周期構造がどのような
方向の断面においても位相差構造を有するために、格子
形状を形成する面上に広がる局所的な位相差形状の境界
を単純な１本の直線で表現できないように、例えば、隣
り合う形状同士で図１６のａ〜ｄに示すような空間をあ
けた凹と凸の形状のはめあわせの関係を有している。例
えば、ＣＣＤのように１つの画素が正方形あるいは長方
形であり、２次元平面上に周期的に存在する場合につい
て考えれば、隣り合う画素が４つあり、それぞれの境界
において空間をあけた凹と凸のはめ合いとなる形状を必
要とする。さらに、１周期の形状を等しくする場合に
は、隣り合う周期の位相差形状が凸同士あるいは凹同士
になるため、本発明の条件であるはめ合いの関係が満た
せなくなる。そこで、図１７のａ、ｂに示すように、境
界部分に双方の形状を連結するような、両方の周期に対
して両凹形状あるいは両凸形状を有することが必要とな
る。この考え方に基づき、隣り合う４つの周期に対し
て、はめ合いの構造を満たすためには、図１８ａ、ｂに
示すような形状が必要となる。しかしながら、図１８の
ａに示す形状であれば、隣り合う部分の凸形状をつなぐ
ための両凹の部分に本発明の条件にあるように連続した
平坦部分が発生してしまう。そこで、図１８のｂに示す
ような形状が本発明の条件を満たすものとなる。さら
に、図１６のｂの形状から、本考えに従い位相差形状を
構成すると、図１８のｃに示すような形状も考えられ
る。ただし、本発明における凹凸のはめ合いの関係は、
例に挙げたものに限定するのではなく、図１６ａ〜ｄ中
の形状の凹部と凸部の組み合わせは１対１に決めるもの
ではなく、凹に対する凸の組み合わせをａ〜ｄの中で任
意に組み替えても同様の効果が得られることは、本発明
の条件を考えても明らかである。

【手続補正４】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】図面の簡単な説明

【補正方法】変更

【補正内容】

【図面の簡単な説明】

【図７】第２の実施例の位相格子の平面図である。

【図８】第３の実施例の位相格子の平面図である。

【図１１】従来の位相格子の斜視図である。

【図１６】同図（ａ）から（ｄ）は、位相差形状の境界
でのはめ合いを示す具体的な例を示す図である。図中の
１点鎖線は境界を示している。

【図１７】同図（ａ）、（ｂ）は、隣り合う１周期分に
おいて等しい位相差形状を有するように、境界が有する
形状の具体的な例を示す図である。図中の１点鎖線は境
界を示している。

【図１８】隣り合う１周期分の構造が４つ隣り合う場合
に、同図（ａ）は、（図１７）の（ａ）に基づき構成し
た具体例であり、境界上に設けた両凹のはめ合い部分が
つながっている場合であり、同図（ｂ）は（図１７）の
（ｂ）に基づき構成した同様の具体例であり、境界上の
位相差構造が分離している場合であり、同図（ｃ）は、
（図１６）の（ｂ）に基づき構成した具体例である。図
中の１点鎖線は境界を示している。

【符号の説明】４〜１１位相差部１３、１５位相差部１７位相格子光学的ローパスフィルタ１９撮像面

【手続補正５】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図１６

【補正方法】追加

【補正内容】

【図１６】

【手続補正６】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図１７

【補正方法】追加

【補正内容】

【図１７】

【手続補正７】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図１８

【補正方法】追加

【補正内容】

【図１８】

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】格子面を構成する面上に周期構造があっ
て、実質上前記格子面の端から端まで貫く平坦部が続い
ていない構造の位相差部を備えたことを特徴とする位相
格子光学的ローパスフィルタ。
【請求項２】格子面を構成する面上の周期構造の中の
一つの周期単位に、辺自身もしくは辺と辺との間を横切
る平坦部がない、又はあっても連続する所定の数の周期
単位を貫いて直線状に形成された平坦部を持たない位相
差部を備えたことを特徴とする位相格子光学的ローパス
フィルタ。
【請求項３】位相差部は、格子面を構成する面上の周
期構造の中の１つの周期に、少なくとも２つの独立した
位相差構造を有することを特徴とする請求項１又は２記
載の位相格子光学的ローパスフィルタ。
【請求項４】位相差部は、撮像素子の撮像面上のあら
ゆる方向に対して、実質上十分なローパス効果を得るた
めに、以下の条件を満たすものであることを特徴とする
請求項１、２又は３記載の位相格子光学的ローパスフィ
ルタ。 0.4Ｖ＜Ｖｐ＜0.6Ｖ【数１】ただし、Ｖ＝ｈ×Ｓｈ：位相差部の基板からの高さＳ：位相格子の１周期の面積Ｖｐ：位相格子の基板からみたときの位相差部形成部分
の体積Ｖｐｉ：ｎ種類の位相差形成部分のうちｉ番目の位相差
部形成部分の位相格子の基板からみたときの体積（ｎ及
びｉは自然数）
【請求項５】位相差部は、一つが十字形部であり、残
りが四角形部であり、前記十字形部は前記一つの周期の
中央部に配置され、前記四角形部は前記十字形部の切り
欠き部に両者の隅が対応するように、前記十字形部から
所定の間隔を隔てて配置されていることを特徴とする請
求項３又は４記載の位相格子光学的ローパスフィルタ。
【請求項６】撮像素子の撮像面上のあらゆる方向に対
して、実質上十分なローパス効果を得るために、前記撮
像素子と一体化されたことを特徴とする請求項１、２、
３、４又は５記載の位相格子光学的ローパスフィルタ。