KR20040031639A - 광학식 로우 패스 필터 및 촬상 광학계 - Google Patents

Abstract

광학식 로우 패스 필터는 입사광선을 2 개의 광선으로 분리하는 제 1 복굴절판과, 입사광선을 2 개의 광선으로 분리하는 제 2 복굴절판을 포함하고 있다. 제 1 복굴절판 및 제 2 복굴절판은 서로 접합되어 있다. 제 1 복굴절판을 통과한 빛은 제 2 복굴절판을 통과한다. 제 1 복굴절판 및 제 2 복굴절판은, 제 1 복굴절판이 입사광선을 분리하는 제 1 방향과 제 2 복굴절판이 입사광선을 분리하는 제 2 방향 사이의 차이를 나타내는 분리각(θs)이 아래의 조건:

45°＜ θs ＜ 90°

을 만족하도록 배열되어 있다.

Description

광학식 로우 패스 필터 및 촬상 광학계{OPTICAL LOW PASS FILTER AND IMAGING OPTICAL SYSTEM}

본 발명은 광학식 로우 패스 필터(OLPF) 및 OLPF를 사용하는 촬상 광학계에 관한 것이다.

최근，디지털 카메라가 광범위하게 보급되고 있다. CCD(Charge Coupled Device)와 같은 고체 촬상 소자를 사용하는 디지털 카메라에 있어서, 모아레 효과를 회피하는 것이 중요하다.

이러한 목적을 위해서, 대체로 광학식 로우 패스 필터(OLPF)가 촬영 렌즈와 촬상면 사이에 제공되어서 높은 공간 주파수 성분을 촬상면에 형성된 상으로부터 제거한다.

종래의 OLPF는 3 개의 접합된 복굴절판(3-요소 OLPF라 한다)이나, 2 개의 복굴절판의 사이에 소정의 파장판을 끼운 상태의 2 개의 복굴절판을 가지도록 구성되어 있다. 이와 같은 종래의 OLPF는 한 가닥의 입사 광선을 수평(또는 수직) 방향으로 2 개의 광선으로 분리한 다음, 계속하여 각각의 분리된 광선을 수직(또는 수평) 방향으로 2 개의 광선으로 분리하여 점상(点像)이 촬상면에서 정사각형의 꼭지점에 대응하는 4 개의 점으로 분리된다. 따라서, 상이 OLPF에 의해 촬상 소자에 형성되는 경우, 흐림 효과(blur effect)가 상에 적용되고, 그 결과 모아레 효과가 억제되거나 제거될 수 있다. 4 개의 점 사이의 거리는 OLPF의 두께에 의존한다.

일반적으로, 촬상 소자, 즉 CCD는 직사각형 형상을 가지도록 형성되고, 복수의 픽셀은 이 직사각형의 긴 변과 짧은 변을 따라서, 행렬식으로，규칙적인 간격으로 배열되어 있다. 본 명세서에서，"수평 방향"이라는 용어는 직사각형 촬상 소자(예를 들면, CCD)의 긴 변에 대응하는 방향을 나타내고, "수직 방향"은 상기직사각형 촬상 소자의 짧은 변에 대응하는 방향을 나타낸다.

종래의 3-요소 OLPF에 있어서, OLPF에 입사하는 광선이, 자연광과 같이, 특정한 방향으로 편광되어 있지 않은 경우, OLPF에 입사하는 광선은 4 개의 분리된 광선에 의해 형성된 4 개의 점의 광도가 동일하게 되도록 분리된다. 이러한 조건에서, 높은 공간 주파수 성분은 수평 방향 및 수직 방향에서 거의 동일하게 제거될 수 있다. 이러한 사실은 도 10을 참고하여 상세히 기술한다.

도 10은 3-요소 OLPF의 효과를 나타내는 MTF(Modu1ation Transfer Function) 맵이다. 도 10에서，수평축과 수직축은 공간 주파수의 정규화된 값을 나타낸다(여기서, 주파수는 복굴절판의 점상 분리량의 역수에 대하여 정규화되어 있다). 특히 수직축은 수평 방향의 공간 주파수를 나타내고，수평축은 수직 방향의 공간 주파수 성분을 나타낸다. 도 10에 있어서，영역 A는 가장 높은 투과율(MTF 값: 0.8-1)을 가진 빛을 투과시키고, 영역 B는 두번째로 높은 투과율(MTF 값: 0.6-0.8)을 가지고，영역 C는 세번째로 높은 투과율(MTF 값: 0.4-0.6)을 가지며，영역 D는 네번째로 높은 투과율(MTF 값: 0.2-0.4)을 가지고 있다. 영역 E는 빛을 거의 투과시키지 않는다(MTF 값: 0.0-0.2). 영역 A-E의 정의는 본 명세서의 모든 MTF 맵에 적용된다.

도 10에 도시된 바와 같이, 3-요소 OLPF는 도 10에 도시된 MTF 맵의 영역 E가 비교적 넓은 면적을 가지고 있고，- 0.4 이하, 또는 + 0.4 이상의 (정규화된)공간 주파수를 가진 성분을 억제하는 특징을 가지고 있다. OLPF에 의해 제공된 높은 공간 주파수 성분을 억제/제거하는 작용을 컷오프 작용이라고 한다.

도 10에 도시된 특징을 가지는 종래의 OLPF에 있어서，입사하는 빛을 투과시키는 영역 A-D의 각 영역은 수직 방향 및 수평 방향의 어느 쪽의 방향으로도 대체로 대칭적으로 형성되어 있다. 이러한 구성에 의해, 높은 공간 주파수 성분은 수직 방향 및 수평 방향의 어느 쪽의 방향에 대해서도 유사한 방식으로 제거될 수 있다. 투과 영역(즉, 영역 A-D)이 확장하는 쪽을 컷오프의 방향성이라 한다. 도 10에 도시된 특성을 가지는 종래의 OLPF는 방향 의존성이 거의 없는 우수한 컷오프 방향성을 가지고 있다.

상기와 같은 3-요소 OLPF를 사용하면，높은 공간 주파수 성분이 효과적으로 억제될 수 있다. 그러나，복굴절판 및/또는 파장판은 비교적 고가이기 때문에, 3-요소 OLPF를 사용하면, 제조 비용이 증가된다.

제조 비용을 절감하기 위해서, 2 개의 복굴절판으로 구성된 2-요소 OLPF가 최근에 제안되었다. 2-요소 OLPF의 예는 일본 특허제2507041호에 개시되어 있다.

상기 특허 문헌에 개시된 2-요소 OLPF는, OLPF에 입사하는 한 가닥의 광선이 먼저 수평 방향(또는 수평 방향으로부터 45°기울어진 방향)으로 분리된 후, 2 개의 광선의 각각이 수평 방향에 대하여 45°기울어진 방향(또는 수평 방향)으로 분리된다. 따라서, 4 개의 분리된 광선에 의해 형성된 4 개의 점이 평행４변형의 꼭지점에 배열된다. OLPF가 상기와 같이 구성되는 경우 상 표면의 4 개의 점의 광 강도가 대체로 동일하게 되므로 경사각은 45°로 되는 것을 유의해야 한다.

도 11은 상기와 같은 2-요소 OLPF의 MTF 맵을 나타내고 있다. 도 11에 도시된 바와 같이, 2-요소 OLPF가 사용되는 경우, 영역 E가 비교적 넓은 면적을 가지기 때문에, 컷오프 성능이 충분히 높게 된다. 그러나，컷오프 방향성은 나빠지게 된다. 즉, 영역 A-D는 한 방향(도 11의 PL 방향)에서 넓어지는 정도가，PL 방향에 수직인 방향(PS 방향)에서 넓어지는 정도보다 더 크다. 이러한 OLPF가 사용되는 경우, PL 방향에서의 흐릿함의 정도가 PS 방향에서의 흐릿함의 정도보다 더 작게 된다.

상기와 같이，2-요소 OLPF가 사용되는 경우, 높은 컷오프 성능이 예상됨에도 불구하고，컷오프 방향성이 불균형을 이루기 때문에，방향에 따라서 형성된 상의 해상도가 달라지므로 형성된 상의 화질이 저하된다.

본 명세서에서는, MTF 맵을 참조함에 있어서，각 영역(A, B, C 및 D)의 넓어지는 정도가 가장 큰 방향이 PL 방향으로 표시되고, 넓어지는 정도가 가장 작은 방향이 PS 방향으로 표시된다.

본 발명은 2-요소 OLPF가 사용되지만 충분히 높은 컷오프 방향성을 가지는, 개량된 촬상 광학계를 제공한다는 점에서 장점을 가진다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 촬상광학계의 구조를 도시하는 개략도;

도 2는 분리각에 대한 컷오프 성능(실선) 및 컷오프 성능의 방향성(파선)의 특성을 나타내는 그래프;

도 3은 분리각이 50.77°일 경우의 MTF 맵;

도 4는 분리각이 54.74°일 경우의 MTF 맵;

도 5는 분리각이 60°일 경우의 MTF 맵;

도 6은 본 발명에 따른 OLPF의 설계예의 MTF 맵;

도 7은 종래의 3-요소 OLPF의 설계예의 MTF 맵;

도 8은 분리각이 45°로 설정된 종래의 2-요소 OLPF의 MTF 맵;

도 9는 변형예에 따른 OLPF의 MTF 맵;

도 10은 종래의 3-요소 OLPF의 MTF 맵; 그리고

도 11은 종래의 2-요소 OLPF의 MTF 맵이다.

본 발명의 한 실시 형태에 따르면, 입사 광선을 2 개의 광선으로 분리하는 제 1 복굴절판과, 입사 광선을 2 개의 광선으로 분리하는 제 2 복굴절판을 포함하고 있는 광학식 로우 패스 필터가 제공된다. 제 1 복굴절판과 제 2 복굴절판은 서로 접합되어 있다. 제 1 복굴절판을 통과한 빛은 제 2 복굴절판을 통과한다. 제 1 복굴절판과 제 2 복굴절판은 제 1 복굴절판이 입사광선을 분리하는 제 1 방향과 제 2 복굴절판이 입사광선을 분리하는 제 2 방향 사이의 차이를 나타내는 분리각(θs)이 아래의 조건:

45°＜ θs ＜ 90°

을 만족하도록 배열되어 있다.

선택적으로, 분리각(θs)은 아래의 조건:

50°＜ θs ＜ 60°

을 만족시킨다.

본 발명의 다른 실시 형태에 따르면, 수평 방향과 수직 방향에서 규칙적으로 2차원적으로 배열된 복수의 픽셀을 가진 촬상 소자, 상기 촬상 소자에 상을 형성하는 촬영 렌즈, 그리고 상기한 광학식 로우 패스 필터를 구비하고 있는 촬상 광학계가 제공된다.

선택적으로, 분리각(θs)이 아래의 방정식:

θs = ｜θ1-θ2｜

에 의해 정의되는 바,

여기서 θ1은 광학식 로우 패스 필터가 회전되기 전에, 제 1 복굴절판이 입사 광선을 수평 방향에 대하여 분리하는 각도이고, θ2는 광학식 로우 패스 필터가 회전되기 전에, 제 2 복굴절판이 입사 광선을 수평 방향에 대하여 분리하는 각도이다.

(실시예)

아래에서는, 첨부된 도면을 참고하여, 본 발명의 실시예에 따른 촬상 광학계를 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 촬상 광학계(100)의 구성을 개략적으로 나타내는 다이아그램이다.

촬상 광학계(100)는, 예를 들면，단일 렌즈 리플렉스 디지털 카메라의 촬상 광학계로 사용된다.

촬상 광학계(100)는, 피사체로부터 차례로, 촬영 렌즈군(30)，OLPF(10) 및 CCD(20)를 포함하고 있다. OLPF(10)는, 피사체로부터 차례로, 서로 접합되어 있는 제 1 복굴절판(1)과 제 2 복굴절판(2)을 가지고 있다. CCD(20)는 수평 방향(도 1에서 X 방향) 및 수직 방향(도 1에서 Y 방향)으로 규칙적으로 배열되어 있는 복수의 픽셀을 가지고 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 도 1의 왼쪽에 위치된 피사체(도시되지 않음)로부터의 각 광선(도 1에는 한 가닥의 광선만 도시되어 있음)은 촬영 렌즈(30)를 통하여 OLPF(10)에 입사한다. OLPF(10)는 각각의 입사하는 광선을 4 개의 광선으로 분리시킨다(도 1에서는, 각각의 2 개의 광선이 겹쳐져 있다). 이 4 개의 광선은 적외 컷트 필터(IR cut filter)(15)를 통과한 다음 CCD(20)의 4 개의 지점에 각각 입사한다.

도 2는 분리각(θs)에 대한 컷오프 성능(실선)과 컷오프 성능의 방향성(파선)의 특성을 나타내는 그래프이다. 본 명세서에서, 분리각(θs)은 제 1 복굴절판에 입사하는 광선의 수평 방향(즉, X 방향)에 대한 분리 방향(θ1)과 제 2 복굴절판에 입사하는 광선의 수평 방향(즉, X 방향)에 대한 분리 방향(θ2)이 이루는 각을 나타낸다. 따라서, 분리각은

θs = ｜θ1-θ2｜

로 표현된다.

도 2에 도시된 바와 같이, OLPF(1O)의 컷오프 성능은, 분리각(θs)이 0°로부터 커짐에 따라 증가되며, θs가 45°인 때에 최고치를 가진다. 이 컷오프 성능은 분리각(θs)이 45°로부터 더욱 커짐에 따라 저하된다. OLPF(1O)의 컷오프 방향성은 분리각(θs)이 커짐에 따라 증가된다.

상기한 바와 같이, 컷오프 성능은 분리각(θs)이 45°일 때 가장 크기 때문에 종래의 2-요소 OLPF는 분리각(θs)이 45°가 되도록 구성되어 있다. 그러나，위에서 지적한 바와 같이, 분리각(θs)이 45°로 되면, 컷오프 방향성이 충분히 높지 않기 때문에, 결과적으로 상의 화질은 나빠진다.

OLPF(10)의 방향성을 향상시키기 위해서는 분리각(θs)을 45°보다도 큰 값으로 설정할 필요가 있다는 것을 도 2로부터 알 수 있다. 즉，분리각(θs)은 이하의 조건:

45°< θs < 90°...(1)

을 만족시켜야 한다.

분리각(θs)이 조건(1)의 하한보다 작게 되면, 컷오프 성능 및 컷오프 방향성 모두 악화되어, 바람직하지 않다. 분리각(θs)이 90°로 되면, OLPF(1O)로부터 사출된 4 개의 광선 중 2 개는 0의 광 강도를 가진다. 즉, OLPF(1O)는 한 방향으로만 작용을 하고, 2 차원의 컷오프 작용을 나타내지 않는다.

또한，도 2에 도시된 바와 같이, 컷오프 성능은 분리각(θs)이 45°를 초과한 후에도 높은 수준으로 유지된다. 이러한 점에서，전체적으로 고성능인 OLPF를 실현하기 위해서는，분리각(θs)이 아래의 조건:

50°≤ θs ≤ 60°...(2)

을 만족시키는 것이 바람직하다.

이러한 분리각(θs)의 범위 내에서, 컷오프 성능은 감소하지만 여전히 높은 값을 가지고, 컷오프 방향성은 증가하며 충분히 높은 값을 가진다.

이하에서는, 도 3 내지 도 5를 참고하여, 상기 조건(2)를 만족시키도록 설계된 OLPF(1O)을 3 가지 예를 설명한다.

도 3은 분리각이 5O.77°로 되도록 설계된 제 1 예의 MTF 맵을 도시하고 있고, 도 4는 분리각이 54.74°로 되도록 설계된 제 2 예의 MTF 맵을 도시하고 있고, 도 5는 분리각이 60°로 되도록 설계된 제 3 예의 MTF 맵을 도시하고 있다.

도 3 내지 도 5로부터, 분리각(θs)이 커짐에 따라，PL 방향에서의 영역 A-D의 면적과 PS 방향에서의 면적의 차이가 작아지는 것을 알 수 있다. 즉, 보다 큰 분리각(θs)에 대한 방향성이 좋아진다. 그러나, 분리각(θs)이 커짐에 따라, 영역 E의 면적이 작아진다. 따라서, 보다 큰 분리각에 대해서, 컷오프 성능은 저하된다.

상기와 같은 관점에서, 촬상 광학계(100)에 입사하는 빛의 공간 주파수 성분 및 촬영 렌즈군(30)의 성능을 고려하여 상의 화질이 최상이 되도록 분리각(θs)이 결정되어야 한다. 따라서, 분리각은 형성된 상의 감각적인 평가에 따라 결정될 수있다(즉, 감각적으로 만족스러운 결과를 제공하도록 결정될 수 있다).

다음에，조건(2)를 만족시키는 OLPF(1O)의 성능을 상세하게 설명한다. 제 2 예(도 4 참고)에서는，컷오프 성능과 방향성의 균형이 잘 잡혀 있다는 것을 유의해야 하므로, 제 2 예를 상세하게 기술한다.

도 6은 분리각(θs)이 50.74°인 제 2 예에 기초한 OLPF의 설계예의 MTF 맵을 도시하고 있다. 도 4와 도 6을 비교함으로써 알 수 있는 바와 같이, 도 6은 도 4에 도시된 MTF 맵의 확대된 부분을 도시하고 있고 OLPF(10)는 PS 방향과 PL 방향이 MTF 맵의 대각선과 일치하도록 회전되어 있다.

일반적으로，사람의 눈은 상의 높은 공간 주파수 성분을 제공하는, 수평 방향 또는 수직 방향으로 있는 피사체를 노이즈 성분으로 인식하는 경향이 있고, 이러한 경우에, 상이 열화된 화질을 가지는 것으로 인식된다. 수평 방향과 수직 방향의 높은 공간 주파수 성분을 대체로 균일하게 제거하기 위해, 54.74°의 분리각(θs)을 가지는 OLPF(1O)는 PL 방향과 PS 방향을 CCD의 픽셀의 대각선과 일치하도록 CCD(20)에 대하여 회전되어 있다. 이러한 구성에 의해, 수평 방향 및 수직 방향에 있어서 상의 흐릿함의 정도가 대체로 균일하게 될 수 있다.

도 7은 종래의 3-요소 OLPF를 사용하는 설계예의 MTF 맵을 도시하고 있다. 도 8은 분리각(θs)을 45°로 설정한 종래의 2-요소 OLPF의 MTF 맵을 도시하고 있다.

하기 사항은 도 6과 도 7 및 도 8을 비교함으로써 알 수 있다. 도 6에 도시된 OLPF(10)의 영역 E의 크기(θs = 54.77°)는 도 8에 도시된 영역 E의 크기보다는 작지만, 도 7에 도시된 영역 E와 대체로 같은 크기이다. 또한，도 6에 도시된 OLPF(10)의 영역 A-D의 형상은 도 8에 도시된 것보다는 도 7에 도시된 영역 A-D의 형상에 더 가깝다(즉, 원형 또는 둥글게 된 정사각형 형상에 더 가깝다). 따라서, 2-요소 OLPF이며 54.74°의 분리각(θs)을 가지는 OLPF(10)는 종래의 2-요소 OLPF보다 종래의 3-요소 OLPF의 컷오프 성능 및 방향성에 더 가까운 컷오프 성능과 방향성을 가지고 있다. 따라서, OLPF(10)는 2-요소 OLPF로 구성되어 있지만 높은 공간 주파수 성분을 효과적으로 제거할 수 있다.

상기한 예에 있어서, 한 픽셀의 수평 방향과 수직 방향의 길이는 동일하다. 이러한 구조에 대응하여, 제 1 복굴절판의 두께와 제 2 복굴절판의 두께도 동일하다. 제 2 복굴절판의 두께에 대한 제 1 복굴절판의 두께의 비는 CCD(20)의 한 픽셀의 수직 방향의 길이에 대한 수평 방향의 길이 비에 따라서 결정된다. 최근에, 직사각형(수직 방향과 수평 방향에서 상이한 길이를 가지는) 픽셀을 가지는 CCD는 디지털 비디오 카메라에 주로 사용되고 있다. 이러한 CCD를 사용하는 경우, OLPF는 제 1 복굴절판과 제 2 복굴절판의 두께가 CCD의 픽셀의 길이에 따라 결정되도록 구성된다.

도 9는 제 2 복굴절판의 두께에 대한 제 1 복굴절판의 두께의 비가 1:1.5이고, 분리각(θs)이 54.74°로 되도록 구성되어 있는 OLPF의 MTF 맵이다. 도 9에 도시된 바와 같이, 제 2 복굴절판의 두께에 대한 제 1 복굴절판의 두께의 비를 변경시킴으로써，수평 방향의 길이와 수직 방향의 길이가 다른 픽셀에 대응하도록 영역 A-D의 형사이 변경될 수 있다.

상기한 바와 같이 본 발명의 OLPF는 2-요소 OLPF로 구성되어 있지만, 분리각을 소정의 각도 범위내에 설정하는 것에 의하여，높은 공간 주파수 성분을 효과적으로 제거하는 것이 가능한 3-요소 OLPF에 가까운 광학 성능을 가질 수 있다.

Claims (5)

1. 입사 광선을 2 개의 광선으로 분리하는 제 1 복굴절판; 및

   입사 광선을 2 개의 광선으로 분리하는 제 2 복굴절판을 포함하고 있고,

   상기 제 1 복굴절판과 상기 제 2 복굴절판은 접합되어 있고, 상기 제 1 복굴절판을 통과한 빛은 상기 제 2 복굴절판을 통과하며, 상기 제 1 복굴절판과 상기 제 2 복굴절판은 상기 제 1 복굴절판이 입사광선을 분리하는 제 1 방향과 상기 제 2 복굴절판이 입사광선을 분리하는 제 2 방향 사이의 차이를 나타내는 분리각(θs)이 아래의 조건:

   45°＜ θs ＜ 90°

   을 만족하도록 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 광학식 로우 패스 필터.
2. 제 1 항에 있어서, 분리각이 아래의 조건:

   50°＜ θs ＜ 60°

   을 만족하는 것을 특징으로 하는 광학식 로우 패스 필터.
3. 수평 방향과 수직 방향에서 규칙적으로 2차원적으로 배열된 복수의 픽셀을 가진 촬상 소자;

   상기 촬상 소자에 상을 형성하는 촬영 렌즈; 및

   입사 광선을 2 개의 광선으로 분리하는 제 1 복굴절판과 입사 광선을 2 개의광선으로 분리하는 제 2 복굴절판을 포함하고 있고, 상기 제 1 복굴절판과 상기 제 2 복굴절판은 접합되어 있고, 상기 제 1 복굴절판을 통과한 빛은 상기 제 2 복굴절판을 통과하며, 상기 제 1 복굴절판과 상기 제 2 복굴절판은 상기 제 1 복굴절판이 입사광선을 분리하는 제 1 방향과 상기 제 2 복굴절판이 입사광선을 분리하는 제 2 방향 사이의 차이를 나타내는 분리각(θs)이 아래의 조건:

   45°＜ θs ＜ 90°

   을 만족하도록 배열되어 있는 광학식 로우 패스 필터;

   를 포함하고 있고,

   상기 로우 패스 필터는 수평 방향에 대하여 소정의 각도 △θ 만큼 회전되어 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 촬상 광학계.
4. 제 3 항에 있어서, 분리각이 아래의 조건:

   50°＜ θs ＜ 60°

   을 만족하는 것을 특징으로 하는 촬상 광학계.
5. 제 3 항에 있어서,

   분리각(θs)이 아래의 방정식:

   θs = ｜θ1-θ2｜

   에 의해 정의되고,

   θ1은 상기 광학식 로우 패스 필터가 회전되기 전에, 상기 제 1 복굴절판이입사 광선을 수평 방향에 대하여 분리하는 각도이고,

   θ2는 상기 광학식 로우 패스 필터가 회전되기 전에, 상기 제 2 복굴절판이 입사 광선을 수평 방향에 대하여 분리하는 각도인 것을 특징으로 하는 촬상 광학계.