JPH07198921A - 回折格子型光学的ローパスフィルタ - Google Patents

回折格子型光学的ローパスフィルタ

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JPH07198921A
JPH07198921A JP33700293A JP33700293A JPH07198921A JP H07198921 A JPH07198921 A JP H07198921A JP 33700293 A JP33700293 A JP 33700293A JP 33700293 A JP33700293 A JP 33700293A JP H07198921 A JPH07198921 A JP H07198921A
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JP
Japan
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grating
pattern
diffraction grating
pass filter
optical low
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JP33700293A
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English (en)
Inventor
Toshiaki Kotake
利明 小竹
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Sony Corp
Original Assignee
Sony Corp
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Publication date
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    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/42Diffraction optics, i.e. systems including a diffractive element being designed for providing a diffractive effect
    • G02B27/46Systems using spatial filters

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Diffracting Gratings Or Hologram Optical Elements (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】 回折格子型光学的ローパスフィルタの格子パ
ターンがイメージセンサに映り込むのを防止すること。 【構成】 回折格子の格子パターンを格子面の斜め方向
に2次元的に形成し、その格子周期を、Pg/Pi=2
/(2m+1)、但しPgは格子周期、Piはイメージ
センサ画素ピッチ、mは正の整数、の関係で与えられる
垂直、水平方向のPgから算出して定める。

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
に関し、特に、イメージセンサの光学的ローパスフィル
タとして回折格子を使う場合、回折格子のパターンがイ
メージセンサに映り込むのを防止することに関する。
【0002】
【従来の技術】回折格子型の光学的ローパスフィルタを
設けた固体撮像装置は、その回折格子(フィルタ)を設
ける位置によって次の3つのタイプに大別することがで
きる。
【0003】即ち、図4の(a)に示すように回折格子
を主レンズの外側に設ける遠隔型、(b)に示すように
回折格子を主レンズとイメージセンサの間に設ける接近
型、及び(c)に示すように回折格子をイメージセンサ
に密着して設ける密着型である。
【0004】(a)の遠隔型は、ズームレンズの設計が
難しくなる、絞りによりローパスフィルタの特性が変化
する、等の問題がある。
【0005】絞りによるローパスフィルタの特性の変化
としては、例えばボケ像に回折格子パターンが見える等
の現象が問題となる。これに関して、回折格子パターン
のピッチとイメージセンサの画素ピッチを整数倍の関係
にして映り込みを消す方法が提案されているが、現状で
は回折格子パターンの方向とイメージセンサの垂直/水
平方向とは傾けて使っているために上述のピッチと一致
していない。
【0006】また上記(b)の近接型にした場合、回折
格子の像が映像に現われる、単板カラー方式に応用した
場合はカラーフィルタとモアレによる色ムラが生じる、
等の新たな問題が生じる。
【0007】従って、これらの問題を解消するためには
(c)の密着型にするのが好ましい。これによれば、イ
メージセンサのパッケージ内部に回折格子を形成させ、
回折格子パターンとイメージセンサの画素パターンとピ
ッチを合わせこみ、映り込み現像の低減をはかることが
できる。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】上述の密着型を採用し
た場合でも、近接型と同様に高域のMTF(modulation
transfer function)特性を改善するため、回折格子を
斜めに配置させるのが主流をなしており、やはり映り込
み現象が生じてしまう。本発明は、従来の光学的ローパ
スフィルタの上述の欠点を克服し、回折格子のパターン
がイメージセンサに映り込むのを防いだ光学的ローパス
フィルタを提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明は、撮像装置に用
いる回折格子型光学的ローパスフィルタであって;該回
折格子の格子パターンが格子面の斜め方向に形成された
2次元格子パターンで成り;該格子パターンの水平方向
及び垂直方向の等価的周期がモアレピッチを最小にする
値となるように各方向の格子周期を設定したことを特徴
とする回折格子型光学的ローパスフィルタを提供する。
本発明の回折格子型光学的ローパスフィルタは、前記モ
アレピッチが最小となる回折格子の格子周期Pgがイメ
ージセンサ画素ピッチPiと、Pg/Pi=2/(2m
+1)の関係で与えられることが好ましい。但し、mは
正の整数である。また、本発明の光学的ローパスフィル
タは、前記撮像装置が色フィルタを用いた単板カラーイ
メージセンサで成り、該イメージセンサの画素パターン
と格子パターンとの間に発生するモアレ、及び色フィル
タパターンと格子パターンとの間に発生するモアレの両
方について最適値となるように格子周期を設定すること
が好ましい。
【0010】
【作用】本発明によれば、回折格子型ローパスフィルタ
を実用化する場合、最も大きな障害の一つとなる格子パ
ターン映り込み現象について、これを定量化することが
できるので、最適な格子パターンピッチにすることがで
きる。
【0011】また、本発明の回折格子は、1次元だけで
なく、2次元のモアレについても格子パターンを水平方
向と垂直方向に展開して計算されているので映り込み防
止の効果が一層大きい。
【0012】更に、画素パターンと格子パターンとの間
だけでなく、色フィルタ−パターンと格子パターンとの
間に発生するモアレについても同時に考慮して格子周期
を決められるので単板タイプのカラーイメージセンサに
応用することができる。
【0013】
【実施例】本発明の光学的ローパスフィルタの実施例の
説明に先立って、上述の映り込み現象が起こる原因と、
それに対する対策について説明する。
【0014】図5は回折光の分布モデルを示したもので
あり、1は回折格子型光学ローパスフィルタ、2はイメ
ージセンサである。同図から明らかなとおり、回折格子
1の1点に入射した入射光は、その格子面で回折光を生
じ中心の0次光の囲りに±1次回折光を生じ、この回折
光は回折格子1から離れるに従って拡がる。
【0015】ここで、格子間隔をp、回折格子面とイメ
ージセンサの撮像面との間の距離をgとすると上記回折
光の広がりを示す分離幅δは 分離幅δ=gλ/p ‥‥‥(1) 但しλは光の波長 で表わせる。
【0016】従って、回折格子をイメージセンサの近く
に配設した密着型では、分離幅δが小さいため±1次回
折光が主光(0次光)の近くに位置して撮像された画像
に影響を及ぼすことがある。
【0017】換言すると、回折格子パターンとイメージ
センサ画素パターンとのピッチの関係で生じるモアレに
より映り込みが生ずる。
【0018】これを改善するために回折格子のピッチを
最適に選ぶ方法が考えられる。今、イメージセンサの画
素ピッチをPi、回折格子パターンのピッチPg、モア
レピッチをPとするとこれらの間には次の式(2)の関
係がある。
【0019】
【数1】
【0020】ここで、nは正の整数で、入射光の高調波
の次数である。回折格子がイメージセンサの高解像度を
殺さないためにPg<Piに選ぶ必要がある。
【0021】図3はP/PiとPg/Piとの関係を示
したものである。同図の横軸は回折格子パターンのピッ
チPgとイメージセンサ画素ピッチPiの比Pg/Pi
を示し、縦軸はモアレピッチPとイメージセンサ画素ピ
ッチPiの比P/Piを示している。
【0022】例えば、Pg/Piが2/5即ち0.4の
点について考えるとn=2とn=3のモアレピッチが最
大でP/Pi=2であり、n=1とn=4に対するモア
レピッチが次に大きく、n=5に対するモアレピッチが
最小になっている。
【0023】一般に、Pg/Piに対する複数のモアレ
ピッチの中の最大モアレピッチが最小となる点はn=m
とn=m+1の両曲線の交点である。そして、その時の
値は下記の式(3)で与えられる。
【0024】
【数2】
【0025】式(3)が成立するとき、他のモアレはそ
のピッチが画素ピッチよりも小さい、即ちP/Pi<1
であるからこれは無視することができる。
【0026】Piはイメージセンサの画素ピッチであ
り、イメージセンサが与えられたときに決まる値である
から、式(3)を使ってPgの値を求めることによって
回折格子パターンのピッチが決まる。
【0027】また、回折格子パターンPgの選定方法と
して、モアレピッチPと画素ピッチPiの比P/Piが
最大(無限大)となるPgを選ぶようにすることも有効
である。このときの式は下記の式(4)で与えられる。
【0028】
【数3】
【0029】式(4)のγに正の整数を代入して求めた
Pg/Piに対するP/Piの値は図3において最大モ
アレ周期が無限大となる値であるから、これによって画
面上にモアレは現れない。また、最大モアレを除いた他
のモアレは画素ピッチ以下であるから無視することがで
きる。
【0030】以上、モアレ周期について一次元的に考え
てきたが、実際にはイメージセンサの画素パターンは水
平方向と垂直方向に周期構造を有する2次元パターンで
あるため、2次元のモアレが発生する。そこで、回折格
子の2つの格子パターンを水平方向と垂直方向に展開し
て考える必要がある。
【0031】本発明の光学的ローパスフィルタの1例に
よれば、ローパスフィルタを構成する回折格子のパター
ンを単純にイメージセンサの画素パターンに合わせて縦
横に配列するのではなく、図1、図2に示すように斜め
方向に配列してある。
【0032】図1において、1は光学的ローパスフィル
タを構成する回折格子を示し、その格子面には斜め方向
に格子パターンが形成されている。
【0033】このように格子パターンを斜めに形成する
理由は、空間周波数f=1近傍を変調度0におとすため
である。従来の複屈折の原理を用いた水晶フィルタにお
いては、空間周波数fが1の近傍で変調度が0になるよ
うに設定されており、回折格子型フィルタにおいても、
これと同じようにすることが好ましく、それによって偽
りの輝度を除去することができる。
【0034】図1において、左上り斜線で示した第1の
格子パターンと、右上り斜線で示した第2の格子パター
ンが形成されている。そして、第1の格子パターンは第
1の格子周期P1を有し、第2の格子パターンは第2の
格子周期P2を有する。
【0035】図2は図1の格子パターンを拡大して描い
たものである。図2において、P1Vは垂直方向の画素
周期(ピッチ)、P1Hは水平方向の画素周期である。
【0036】左上り斜線で与えられる格子パターンによ
り発生する回折光の回折方向はそれらの斜線に対して直
角の方向であり、その格子周期はP1である。また右上
り斜線で与えられる格子パターンによって発生する回折
光の回折方向もこれらの斜線に垂直の方向であり、その
格子間周期はP2である。
【0037】格子ピッチとイメージセンサの画素ピッチ
の関係を考えるため、垂直方向と水平方向の格子ピッチ
を考えると、図2の左上り斜線で与えられる第1格子ピ
ッチとして垂直方向P1Vと水平方向P1Hがあり、右
上り斜線で与えられる第2格子ピッチの垂直方向P2V
と水平方向P2Hがある。
【0038】図示のパターンの場合、垂直格子周期P1
Vは長周期であり、垂直格子周期P2Vは短周期であ
る。これら長短垂直格子周期、水平格子周期を前述の関
係に従って適切に選ぶことによって格子パターンの映り
込みをおさえることができる。
【0039】即ち、イメージセンサの画素ピッチとの関
係からP1V,P1Hを求め、図2に示すように水平方
向と回折方向との角度に従って斜線の傾斜角度を決め、
同様にしてP2V,P2Hを求め、垂直方向と回折方向
との角度に従って斜線の傾斜角度を決めることによって
格子ピッチを決めることができる。
【0040】次に本発明の回折格子型光学的ローパスフ
ィルタと色フィルタアレイとの関係について説明する。
上述のイメージセンサ(固体撮像素子)に色フィルタを
設けた場合、色フィルタアレイのサンプリング周波数
(空間周波数)の1/2以上の周波数成分があると折り
返し雑音が生じ、モアレ状のパターンが現われ、画質を
著しく劣化させる。
【0041】従って本発明においては、回折格子の格子
パターンを最適に選ぶことによって色フィルタパターン
によるモアレの発生も除去するようにする。
【0042】即ち、格子周期の選定の仕方は図3から明
らかなとおり、最適パターンが数通りあるので、その中
から、画素パターンと格子パターンとの間に発生するモ
アレ、及び色フィルタパターンと格子パターンとの間に
発生するモアレの両方を改善するような最適周期を選択
することによってモアレの改善がはかれる。
【0043】以上、密着型光学的ローパスフィルタにつ
いて説明してきたが近接型の回折格子型光学的ローパス
フィルタについても同様の考えがあてはまることは云う
までもない。また本発明は、上記に例示した実施形態に
限定されるものではなく、本発明の技術思想を逸脱しな
い範囲で種々の変形がなしうることは勿論のことであ
る。
【0044】
【発明の効果】本発明の回折格子型光学的ローパスフィ
ルタは従来問題となっていた、回折格子のパターンがイ
メージセンサに映り込む現像について、回折格子のピッ
チを最適に選ぶことによって大幅に改善された。
【図面の簡単な説明】
【図1】回折格子型光学ローパスフィルタのパターン構
成図である。
【図2】モアレ周期計算のためのモデルを示す線図であ
る。
【図3】モアレピッチ特性図である。
【図4】各種回折格子型光学ローパスフィルタの構成配
置図である。
【図5】回折光の分布モデルを示す説明図である。
【符号の説明】
1 回折格子型光学ローパスフィルタ P1,P2 格子周期

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 撮像装置に用いる回折格子型光学的ロー
    パスフィルタであって、 該回折格子の格子パターンが格子面の斜め方向に形成さ
    れた2次元格子パターンで成り、 該格子パターンの水平方向及び垂直方向の等価的周期が
    モアレピッチを最小にする値となるように各方向の格子
    周期を設定したことを特徴とする回折格子型光学的ロー
    パスフィルタ。
  2. 【請求項2】 請求項1に記載の回折格子型光学的ロー
    パスフィルタにおいて、前記モアレピッチが最小となる
    回折格子の格子周期Pgがイメージセンサ画素ピッチP
    iと、Pg/Pi=2/(2m+1)、但しmは正の整
    数、の関係で与えられることを特徴とする回折格子型光
    学的ローパスフィルタ。
  3. 【請求項3】 請求項1又は2に記載の光学的ローパス
    フィルタにおいて、前記撮像装置が色フィルタを用いた
    単板カラーイメージセンサで成り、該イメージセンサの
    画素パターンと格子パターンとの間に発生するモアレ、
    及び色フィルタパターンと格子パターンとの間に発生す
    るモアレの両方について最適値となるように格子周期を
    設定したことを特徴とする回折格子型光学的ローパスフ
    ィルタ。
JP33700293A 1993-12-28 1993-12-28 回折格子型光学的ローパスフィルタ Pending JPH07198921A (ja)

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