JPS6224202A

JPS6224202A - 光学フイルタ

Info

Publication number: JPS6224202A
Application number: JP60164872A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiko Ueda; 和彦上田
Original assignee: Victor Company of Japan Ltd
Current assignee: Victor Company of Japan Ltd
Priority date: 1985-07-25
Filing date: 1985-07-25
Publication date: 1987-02-02

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、特に多数画素が水平方向
と垂直方向とに整列して直交配列された構成の固体撮像
素子に好適な光学フィルタに関する。

従来の技術現在、単管式のカラーテレビジョンカメラには、撮像管
の代わりに第１３図に示すＣＣＤ固体撮像索子１を組み
込んだものがある。同図中、２は画素であり且つ光電変
換素子である多数のフォトダイオードであり、Ｕで示す
水平方向にピッチＰ１（＝　１　／　ｆ　Ｈ）で、■で
示す垂直方向にピッチＰ２　（＝１／ｆｖ）で整列して
直交配列しである。

ｆＨは固体撮像素子１の水平方向の空間サンプリング周
波数、ｆＶは垂直方向の空間サンプリング周波数である
。３は垂直転送ＣＣＤ部、４は水平ＣＣＤシフトレジス
タである。被写体の光学像はこの固体映像素子１の表面
に結像され、各フォトダイオード２で光電変換される。

各フォトダイオード２に発生した光電荷が次々に読み出
され、固体撮像素子より映像信号が取り出される。

発明が解決しようとする問題点こ）で、フォトダイオード２は互いに間隔をおいて配さ
れているため、光学像は、Ｕ方向についてはピッチＰ＋
に対応した空間周波数ｆＨで、■方向についてはビッヂ
Ｐ２に対応した空間周波数ｆＶで、空間的にサンプリン
グされることになり、第１４図中５で示される二次元周
波数スペクトラムを持った被写体を撮像したとき、変調
波６．７゜８が夫々キャリヤ６ａ、７ａ、８ａを中心と
する円で示すように発生し、上記フォトダイオードの開
口率が比較的低いため変調波６．７のレベルは大きくそ
れが変調波５と重なると、ベースバンド成分５を侵し、
同図中ハツチングで示す空間周波数領域に折り返し歪９
．１０が発生する。この折り返し歪は、例えば細い縞模
様の被写体を撮像した場合に、縞模様を構成する線がビ
ート状の太い線になったりする如くに表われる。このよ
うに、固体ｍｓ素子１においては、光学像を空間的にサ
ンプリングすることに起因する特有の折り返し歪が発生
するため、キャリヤ５ａ、７ａからの折り返し成分を抑
制して折り返し歪９．１０を低減する必要がある。

ところで、レンズ光学系は、第１５図中曲線■で示すよ
うな低域フィルタ特性を有し、光学像のうち高域成分は
低下する。現在の固体搬像素子１の画素数は撮像部２／
３インチサイズで４００画素程度であるため、空間的サ
ンプリング周波数はｆｌで示すように十分に高くはない
。このため、上記ｆ＋の１／２の周波数であるナイキス
ト限界以上の空間周波数においてもＭＴＦ値は比較的大
きく、然して折り返し歪は抑制し得ず、光学フィルタが
必要となる。

従来の光学フィルタ１１は、例えば第１６図に示すよう
に、四枚の水晶板１２，１３，１４゜１５を重ね合わせ
てなる構成である。水晶板１２は第１７図中ベクトル１
２Ａで示すようにＵ方向に距離ａ分離させ、水晶板１３
はベクトル１３Ａで示すように＋４５°方向に距離す分
離させ、水晶板１４はベクトル１４Ａで示すように−４
５゜方向に距１Ｉｌｂ分離させ、水晶板１５はベトクル
１５Ａで示すようにＵ方向に距離２ａ分離させる特性を
有する。円偏光の単位光束１６は、水晶板１２を通過す
ることにより、第１８図（Ａ）に示すように光線１６１
．１６２に分離され、次の水晶板１３を通過することに
より、同図（Ｂ）に示すように光線１６・・１６・・１
６３・１６・に　　　　　　　。

分離される。光線１６１〜１６４が次の水晶板　　　　
　　　：１４を通過すると、第１８図（Ｃ）に示すよう
に、光線１６３．１６４は分離せず、光線１６１゜１６
．４，１つ。全体＃、７．Ｌ、Ｔ光線、６．８．１１６
２ａとなる。光ａ１６＋　ａ、１６２　ａ、１６３　、
　　　　　　　。

１６４は、最後の水晶板１５を通過すると、第１８図（
Ｄ）に示すように、光線１６＋８゜１６２８．１６３〜
１６８に分離される。上記の光学フィルタ１１は、隣接
する水晶板の夫々の光　　　　　　二、線分踵方向が４
５°の整数倍であるため、光線１６＋　８，１６２　ｂ
、１６３〜１６ａのエネルギは夫々単位光束の１／８と
互いに等しくなり、ＭＴＦ特性は次式％式％）で表わされる。水平方向のＭＴＦ特性は、第１０図中曲
線工で示す如くになり、垂直方向のＭＴＦ特性は、第１
１図中曲線■で示す如くになる。水平方向のＭＴＦ特性
についてみると、折り返し歪に関係する空間周波数ｆ　
Ｈ／２からｆＨの間の空間周波数域のＭＴＦ値は大きく
、第１４図中キャリア６ａよりの折り返し成分の抑圧は
不十分である。垂直方向のＭＴＦ特性についてみると、
折り返し歪に関係する、空間周波数ｆｖの側波帯の影響
も無視出来ない程大きい。

そこで、本発明は上記問題点を解決して、モワレの少な
い画像を得ることを可能とした固体１１１１１素子用の
光学フィルタを提供することを目的とする。

問題点を解決するための手段及び作用本発明の光学フィルタ２０は、第１図に示すように、水
晶板２１と水晶板２２とを重ね合わせてなる構成である
。水晶板２１は、第２図にベクトル２１Ａで示すように
、Ｕ方向に対して角度子αの方向を分離方向とし、水晶
板２２は、ベトクル２２Ａで示すように、Ｕ方向に対し
て角度−βの方向を分離方向とする。円偏光の単位光束
２３は、最初の水晶板２１を通過することにより第３図
（Ａ）に示すように光線２３＋　、２３２に分離され、
次の水晶板２１を通過すると、第３図（Ｂ）に示すよう
に光線２３１〜２３４に分離される。

単位光束２３のエネルギを１とすると、光学フィルタ２
０より分離された光線２３＋　、２３４のエネルギは夫
々１／２　ｃｏｓ２（α＋β）、光線２３２゜２３３の
エネルギは１／２５ｉｎ２（（Ｚ＋β）となる。こ）で
水晶板２１と水晶板２２の夫々の分離方向のなす角度（
α＋β）は４５°の非整数倍となるように定めである。

このため、分離された各光線２３１〜２３４のエネルギ
の分布は１２雑となり、光学フィルタ２０は折り返し歪
成分を効果的に減衰しうる所望のＭＴＦ特性を呈する。

実施例次に本発明になる光学フィルタの一実施例について説明
する。

第４図は前記の固体撮像素子１に適用しうる光学フィル
タ３０を示す、光学フィルタ３０は、第５図中ベクトル
３１Ａで示すように、分離方向がＵ方向に対して角度子
〇の方向であり、分離距離がＡである第１の水晶板３１
と、ベクトル３２Ａで示すように、分離方向がＵ方向で
あり、分離距離が２　Ａ　ｃｏｓθである第２の水晶板
３２と、ベトクル３３Ａで示すように、分離方向がＵ方
向に対して角度−θの方向であり、分離距離がＡである
第３の水晶板３３とが重なり合った構造である゛。

θは、４５°〈θ〈５５°である。

この光学フィルタ３０に入射した単位光束３４は、まず
、第１の水晶板３１を通過して、第７図（Ａ）に示すよ
うに、光線３４＋　、３４２に分離され、次に第２の水
晶板３２を通過して第７図（Ｂ）に示すように、光線３
４１〜３４４に分離され、最後に第３の水晶板３３を通
過して第７図（Ｃ）に示すように、光線３４１〜３４７
に分離される。光線３４２の一部は光ａ３４３と一致す
る位置に分離され、光１１．３４３の一部が光線３４６
に分離される。即ち、光学フィルタ３０は、入射した中
位光束３４を、第６図に示すように、二次元的に７個の
光線３４＋〜３４７に分離させる。

入射単位光束３４のエネルギを１とすると、分離された
光線３４１は１／２ｃｏｓ４θ、光線３４２は１／２ｓ
ｉｎ２θ−ｃｏｓ２θ、光線３４３は５ｉｎ４θ、光ａ
３４ａ　Ｌｔ　１　／　２５ｉｎ２θ・ＣＯ５２θ、光
線３４５は１／２ｓｉｎ２θ”　　Ｃ０８２θ、光線３
４６は１／２ｓｉｎ２θ・　ｃｏｓ２θ、光線３４７は
１／２ｃｏｓ４　θで表わされるエネルギを有する。

なお、上記のように二次元的に分離された光線（光点）
によるＭＴＦ特性は、これらの光点の二次元フーリエ変
換により求められる。また任意の方向に対するＭＴＦ特
性は、これらの光点を上記任意の方向に延在する軸線に
投影して得られる光点列の一次元フーリエ変換により与
えられる。

こ１で、第６図に示すようにエネルギ分布を有して分離
された光点３４１〜３４７の水平方向及び垂直方向のＭ
ＴＦ特性について考察する。

水平方向Ｕには、点３５１〜３５５の５個の光点列とな
り、点３５１は１／２ＣＯ３４０１点３５２は５ｉｎ２
θ−ｃｏｓ２θ１点３５３は５ｉｎ４θ１点３５４は５
ｉｎ２θ−ｃｏｓ２θ９点３５１１は１／２ｃｏｓ４　
θで表わされるエネルギを有する。

これをフーリエ変換することにより、ＭＴＦ特性は次式％式％垂直方向Ｖには、点３６＋　、３６２．３６ｇの３点の
光点列となり、点３６１は５ｉｎ２θ−ｃｏｓ　２θ１
点３６２はｓｉｎ’θ＋ＣＯ３４θ１点３６３はｓｉｎ
ムθ・　ＣＯ３２θで表わされるエネルギを有する。こ
れをフーリエ変換することにより、ＭＴＦ特性は次式％式％上記式（１）、■のθに例えば４９．６°を代入して計
算すると、第８図に示す二次元ＭＴＦ特性が得られる。

第８図の各曲線はＭＴＦ値が等しい点を結んだ等高線に
似た曲線である。

こ１で角度θを５０°近傍で変えた場合の水平方向のＭ
ＴＦ特性の状況についてみる。上記式（１）のθに例え
ば数ｆＩｔｉ４０°を代入して計算すると、ＭＴＦ特性
は、第９図中曲線１［１ａｏで表わされる。

同じくθに数値位ｉｉ！！４２．４４，４６．４８゜５
０．５２．５４，５６．５８を代入して計算すると、Ｍ
ＴＦ特性は曲線■４２．■４４．■４６．■５ｏ。

■５２．■５４．■５６．■５８で表わされる。第９図
の各曲線は、比較し易いように、前記第２の水晶板３２
による分離距離２ＡＣＯ３θがθにより変化するにも拘
らず一定として表わしている。この一定とされた分離距
離に対応する空間周波数の１／２をｆｌｌと表わす。

第９図より、角度θが５０°の前後においては、角度を
増大するほどトラップ周波数（ＭＴＦ値の絶対値が零又
は最小になる周波数）が上昇すると共に阻止域でのリッ
プル酸が減っていることが分かる。

このため、折り返し歪に関係する空間周波数ｆ＋／２〜
ｆＨの間の空間周波数域のＭＴＦ値を小さくするために
は、第１に、角度θを５０°前後に定め、第２に、トラ
ップ周波数を合わせるために分離距離２　Ａ　ｃｏｓθ
を画素繰り返しピッチ１／ｆＨ（第１３図参照）より大
ぎくすることが望ましい。

以上のことを次式により説明する。

５ｉｎ２θ三３．　　ｃｏｓ２　θ三Ｃとおけば式（１
）は、Ｍ（ω）　＝Ｓ２＋２ＳＣｃｏｓω＋Ｃ２ｃｏｓ
２ω・・・（１）′ で表わされる。

光学フィルタ３０としては、阻止域における減衰量が２
０ＣＢ以上であることが必要であると仮定すると、Ｈ（ω）≧−１／１０　　　　　　　・・・ａＨ（ω）
≦１／１０　　　　　　　　・・・（４）と表わされる
。阻止域においてＨ（ω）の極小値をω。とすると、（ｄ　Ｈ（ω）／ｄω）　＝　２ｓｉｎ　ω（ＳＣ＋２
Ｃ２ｃｏｓ　ω）、’、ｃｏｓ　　ωｏ　　＝−３／２Ｇ　　　　　　　
　　　・・・■となる。

阻止域全般で上記０式を満足するには、ω、で０式を満
足すればよく、Ｈ（ω、）＝−１／２　（Ｃ２＋２Ｇ−１）≧−１／１
０Ｃ≦−１＋ｒ丁丁フ３− となり、角度θはθ≧４５．９５０’となる。

また上記０式を満たすための必要条件は、Ｈ（ω　）＝
−１／２　（Ｃ２＋２０−１　）≦−１７１０Ｃ≦−１＋ｒ「７丁となり、角度θはθ≦５４．２３２”となる。

第９図よりも明らかなように、角度θが５４゜付近のＭ
ＴＦ特性は曲線■５４により表わされる如くに、阻止域
の広い範囲に亘ってフラットとなり、θ≦５４．２３２
°は上記条件式（４）を満足していることが分かる。　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　３こ
の光学フィルタ３０の特性を最良にするのは上述の極小
値が零となる場合だとすると、　　　　　　　　　　ｌ
Ｈ（ωｐ　）　＝　　１／　２　（Ｃ２＋　２０　１　
）−〇Ｃ−−１−ｚ”；ｌ’ となり、角度θは、θ＝　４９．９４０”となる。

即ち、上記角度θは、５０°±５°の範囲内の任意の角
度であればよい。

上記の光学フィルタ３０においては、第１．第３の水晶
板３１．３３の水平方向に対する角度θは４９．６’に
定めである。即ち第１の水晶板３１の分離方向と第２の
水晶板３２の分離方向とのなす角度及び第２の水晶板３
２の分離方向と第３の水晶板３３の分離方向とのなす角
度が、４５°の非整数倍となっている。角度θを４９．
６°に定めたことにより、トラップ点ｆ、は、角度θが
４５°の場合のトラップ点ず。より高い方向にずれてお
り、トラップ点ず、をトラップ点ｆ、にシフトさせるべ
く、第２の水晶板３２の分離距離２　Ａ　ＣＯ３θが、
画素繰り返しピッチ１　／　ｆ　Ｈのｆ、／ｆ’ｏ倍と
なるように、Ａの値が定めである。

これにより、上記の光学フィルタ３０の水平方向のＭＴ
Ｆ特性は、第１０図中曲線■で示す如くになる。ＭＴＦ
値は、水平空間周波数が上昇するにつれて徐々に低下し
て、ｆ　Ｈ／　２で零となり、これを越えると略零を維
持する。こ）で、水平空間周波数ｆ　Ｈ／　２〜ｆ＋の
間のＭＴＦ値が極く小さいため、キャリア６ａからの高
域成分の折り返し成分が効果的に減衰され、発生する折
り返し歪９のレベルは相当小となり、折り返し歪９は略
完全に除去される。

垂直方向のＭＴＦ特性は、前記０式のθに４９．６°を
代入して計算することにより、第１１図中曲＃！ｖで示
す如くになる。ＭＴＦ値は前記キャ　−リア７ａの周波
数ｔ’ｖの１／２の周波数近傍において小さく抑えられ
ており、垂直方向の折り返し歪１０は十分に軽減される
。

従って、固体撮像素子１に上記の光学フィルタ３０を使
用することにより、Ｕ軸方向に表わされる折り返し歪９
は略完全に除去され、Ｖ軸方向に表わされる折り返し歪
１０は十分に軽減される。

第１２図は、第１３図中、水平ピッチＰ１が１７．２μ
ｎ＋　、垂直ピッチＰ２が１３．５μｍであり、１：２
のインターレース走査をする固体撮像素子１に適用しう
る、第４図に示す構造の光学フィルタの１例による光線
分離状況を示す。角度θは４９．６°。

角度θ方向の分離距離Ａは１１，１μ−である。水平方
向の分離距［２Ａ　ｃｏｓθは２３μｍであり、上記水
平ピッチｐ、　　（＝１７．２μｍ）より大なる値であ
る。垂直方向の分離距離は、上記垂直ピッチＰ２と一致
している。この光学フィルタを構成する第１乃至第３の
水晶板は上記の寸法を満足するように寸法を定められて
組み合わされている。分離された各光線３４１〜３４７
の近くの数値は、入射単位光束のエネルギを１とした場
合の分離された各光線のエネルギである。

また、上記の光学フィルタ３０において第１゜第３の水
晶板３１．３３を前後入れ換えた構成としてもよく、こ
の構成でも前記と同様なＭＴＦ特性を有する。

なお、実際には、固体撮像素子１の画素２の垂直方向の
ピッチＰｖに基づいて、上記の角度θ及び距１！ＩＡを
求めている。

発明の効果上述の如く、本発明になる光学フィルタによれば、一の
複屈折透明板と別の複屈折透明板とを夫々の分離方向の
なす角度が４５度の適当な非整数倍となるように組み合
わせることにより、上記角度が４５度の整数倍である場
合には得ることが出来ないＭＴＦ特性を得ることが出来
、例えば固体１１１＠、！：ｃｌ）’！ｆ１１ｆｆｉｉ
１１！１ｉｔ（７）１／２（７）’ＩＩＪＩ。７８：撮
像素子によるａｍ時に発生するキャリアの空間の間の帯
域におけるＭＴＦ値が相当小となるＭＴＦ特性を呈する
ため、キャリアよりの折り返し成　　　　　　５、分が
低減され、然して走査方向及び走査直交方向。４カ。１
．い、。ヵ、工□ヵ１．−１！１ｎ−３６ｔことが出来
、固体撮像素子に好適であるという特長を有する。

４、　ＩＭｆｆｉ（７）ｆ！Ｉｉｉ’ｈｍｌｌｌ　　　
　　　　　　　　　　　’、□ｉｍｃ、ｔ＊えエヵウ７
　＜　ＪＬ／　’Ｉ。オ□□　　　　［′し示す斜視図、第２図は第１図中の各水晶板の光線　　　
　　　１（、分離方向を示す図、第３図（Ａ）及び（Ｂ）は夫　　　
　　　；゛々第１図中の各水晶板による光線分離の状態
を示す図、第４図は本発明になる光学フィルタの一実施
例の構成を示す斜視図、第５図は第４図の光学フィルタ
を構成する各水晶板の光線分離方向を示す図、第６図は
第４図の光学フィルタによる光線分離の状態を示す図、
第７図（Ａ）乃至（Ｃ）は夫々第４図の光学フィルタを
構成する各水晶板による光線分離の状態を示す図、第８
図は第４図の光学フィルタの二次元ＭＴＦ特性を示す図
、第９図は第５図中角度θを５０度前後で変えた場合に
得られる水平方向のＭＴＦ特性を各角度−に重ねて示す
図、第１０図及び第１１図は夫々上記角度を約４９度に
定めたときの水平方向及び垂直方向のＭＴＦ特性を示す
図、第１２図は入射単位束のエネルギを１とした場合の
光学フィルタにより分離された各光線が有するエネルギ
を説明する図、第１３図は本発明の光学フィルタを適用
しうるＣＯＤ固体固体素像素子例を概略的に示す図、第
１４図は第１３図の固体撮像素子により被写体を搬像し
たときのキャリヤ、変調波及び折り返し歪の表われる状
況を模式的に示す図、第１５図はレンズ光学系が有する
一般的なＭＴＦ特性を示す図、第１６図は従来の光学フ
ィルタの１例の斜視図、第１７図は第１６図中の各水晶
板の光線分離方向を示す図、第１８図（Ａ＞乃至（Ｄ）
は夫々第１６図中の各水晶板による光線分離の状態を示
す図である。

１・・・ＣＣＤＣＤ固体素像素子・・・フォトダイオー
ド（画素）、５，６．７．８・・・変調波、６ａ。

７ａ、８ａ・・・キャリヤ、９．１０・・・折り返し歪
、２０．３０・・・光学フィルタ、２１．２２．３１゜
３２．３３・・・水晶板、２１Ａ、２２Ａ、３１Ａ。

３２Ａ、３３Ａ・・・ベクトル、２３．２４・・・単位
光束、２３１〜２３４．３４ｔ〜３４７・・・分離され
た光線、３５＋〜３５ｓ　、３６＋〜３６３・・・点。

特許出願人　日本ビクター株式会社第１図２Ｑ　　　　　　　　第２図第３図第４図　　　　　　　第５図！６図第７図第菫２【？ｉ υ 第菫３図＊　１４図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）一の複屈折透明板の複屈折による光線の分離方向
と該一の複屈折透明板と重なる別の複屈折透明板の複屈
折による光線の分離方向とのなす角度が４５度の非整数
倍となるように、複数の複屈折透明板を重ね合わせてな
る構成としたことを特徴とする光学フィルタ。
（２）該複数の複屈折透明板は、撮像素子の走査方向に
対して反時計方向に角度θ（たゞし４５°＜θ＜５５°
）傾斜した方向に分離距離Ａを有する第１の複屈折透明
板と、上記走査方向に分離距離２Ａｃｏｓθを有する第
２の複屈折透明板と、上記走査方向に対して時計方向に
角度θ傾斜した方向に分離距離Ａを有する第３の複屈折
透明板とよりなり、該第１、第３の複屈折透明板が該第
２の複屈折透明板を中間に配して重ね合わされてなるこ
とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の光学フィル
タ。
（３）該撮像素子は、画素が走査方向にピッチＰ＿１で
配された構成であり、該第２の複屈折透明板は、その分
離距離２Ａｃｏｓθが上記ピッチＰ＿１より大となるよ
うに定めてなることを特徴とする特許請求の範囲第２項
記載の光学フィルタ。
（４）該撮像素子は、画素が走査方向に対して直交する
方向にピッチＰ＿２で配された構成であり、該第１、第
３の複屈折透明板は、Ａｓｉｎθが上記ピッチＰ＿２と
等しいように定めてなることを特徴とする特許請求の範
囲第２項記載の光学フィルタ。