WO2011105581A1 - 光学ローパスフィルタおよびデジタルカメラ - Google Patents

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    • H04N2201/0084—Digital still camera

Definitions

  • the present invention relates to an optical low-pass filter and a digital camera, and more particularly to a digital camera equipped with a solid-state imaging device such as a CCD or CMOS, and more particularly to a digital camera capable of taking a moving image and a still image.
  • Image sensors such as CCDs and CMOSs used in imaging devices such as video cameras and digital cameras convert the amount of light and darkness that is input as external signals into the amount of electric charge, so-called photoelectric conversion, and the electrical signals are sequentially A digital image is generated by processing.
  • image sensor it is known that distortion caused by sampling occurs in an image having a spatial frequency finer than the pixel pitch of incident light, and a pattern (moire) or false color different from the original image is generated. Yes.
  • the imaging device is configured with an optical low-pass filter (OLPF: Optical Low Pass Pass Filter).
  • OLPF optical Low Pass Pass Filter
  • a specific OLPF has a birefringent plate such as quartz and separates an incident two-dimensional image by a small distance in the horizontal direction and / or the vertical direction, thereby entering a pixel pitch incident on an image sensor (imaging device).
  • imaging device has a function of cutting the vicinity of the frequency (sampling frequency), and has been devised so as not to cause moiré and false color phenomena.
  • Such an OLPF separates an incident two-dimensional image by a specific distance in accordance with a pixel pitch necessary for imaging, but the number of pixels necessary for imaging differs between a still image and a moving image.
  • the appropriate distance to be separated is different. Therefore, in order to support both still images and moving images, it is required to appropriately control the separation distance (hereinafter referred to as “separation distance”).
  • separation distance for digital cameras and digital single lens reflex cameras that can shoot not only still images but also moving images, high-precision image quality is required for both still images and moving images.
  • digital SLR cameras for example, still images have an image quality of 10 million pixels or more, while moving images are greatly different from about 2 million pixels even if they are compatible with Full HD (HD: High Definition). For this mode, it is required to appropriately reduce the moire and false color phenomenon.
  • Patent Document 1 An optical low-pass filter that eliminates moire has been reported (Patent Document 1).
  • the optical low-pass filter of Patent Document 1 needs to include two types of an OLPF element corresponding to a still image and an OLPF element corresponding to a moving image. Therefore, it is necessary to provide a mechanical mechanism for inserting or removing either one of the OLPF elements in the optical path, and since the space of the optical low-pass filter itself is required, it is difficult to obtain high reliability. There was a problem that miniaturization could not be realized.
  • the present invention has been made in view of the above points, and includes a first separation element, a polarization control unit, a second separation element, and a voltage control unit that controls a voltage applied to the polarization control unit.
  • the first separation element has a separation distance between the first linearly polarized light and the second linearly polarized light orthogonal to the first linearly polarized light among the incident light. Whether the polarization control unit changes the polarization state of the incident first linearly polarized light and the second linearly polarized light according to the voltage applied by the voltage control unit, separated by L 1 (> 0).
  • the incident first linearly polarized light is modulated into the second linearly polarized light
  • the incident second linearly polarized light is modulated into the first linearly polarized light
  • the second separation element includes the first linearly polarized light and the second linearly polarized light.
  • the separation distance L 2 (> 0) only provides an optical low-pass filter that separates the separation distance L 1 separating direction and the parallel direction.
  • the ratio between the separation distance L 1 and the separation distance L 2 is in the range of 1.3 to 3, and the first separation element is emitted by the voltage applied by the voltage controller.
  • L S corresponding to the,
  • L M corresponding to the separation distance between the light
  • L M corresponding to L 1 + L 2
  • L M corresponding to the separation distance between the light
  • L M corresponding to L 1 + L 2
  • L 1 -L 2 Provided is the above optical low-pass filter in which L M > L S , 10 ⁇ m ⁇ L M ⁇ 32 ⁇ m, and 2 ⁇ m ⁇ L S ⁇ 10 ⁇ m.
  • providing the separation distance L 1 between the separation distance L 2 is equal to the above of the optical low-pass filter.
  • the polarization control unit provides the above-described optical low-pass filter including a liquid crystal element having a liquid crystal layer.
  • the first separation element has a thickness d 1 , an angle formed by the thickness direction and the extraordinary refractive index axis direction is ⁇ 1 , and birefringence having an ordinary refractive index no 1 and an extraordinary refractive index ne 1 .
  • the separation distance L 1 is given by the following equation (1):
  • the second separation element has a thickness d 2 , an angle formed by the thickness direction and the extraordinary refractive index axis direction is ⁇ 2 , and has a normal refractive index no 2 and an extraordinary refractive index ne 2 .
  • the separation distance L 2 is given by the following equation (2):
  • the liquid crystal element when no voltage is applied, the liquid crystal element is aligned in a direction in which the liquid crystal molecules of the liquid crystal layer are substantially parallel to the plane of the liquid crystal layer and the major axis directions of the liquid crystal molecules of the opposing surface are substantially orthogonal. are, are about 90 ° twisted in the thickness direction to the axis, when the direction in which said theta 1 in the thickness direction of the first separation element as a reference and positive, the second separation element, said theta 2 of the code provides the above optical low-pass filter disposed in a direction to be negative.
  • optical low-pass filter is provided in which the liquid crystal layer is sandwiched and integrated by the first separation element and / or the second separation element.
  • the optical low-pass filter includes a first optical low-pass filter including the first separation element, a first polarization control unit that is the polarization control unit, and the second separation element; A polarization conversion element; and a second optical low-pass filter, wherein the polarization conversion element converts the incident first linearly polarized light and the second linearly polarized light into the first linearly polarized light, respectively.
  • the second optical low-pass filter modulates the second optical low-pass filter with light having a ratio of the linearly polarized light component to the second linearly polarized light component in a range of 3: 7 to 7: 3. a first linear polarized light and the light of the second linearly polarized light, which provides the above optical low-pass filter for separating in a direction intersecting the direction of the separation distance L 1 and the separation distance L 2.
  • the optical low-pass filter includes a first optical low-pass filter including the first separation element, a first polarization control unit that is the polarization control unit, and the second separation element; And a second optical low-pass filter, a second optical low-pass filter, said a first linear polarized light and the light of the second linearly polarized light, the separation distance L 1 and the separating distance provides the aforementioned optical low-pass filter for separating direction intersecting at an angle not orthogonal to the direction of L 2.
  • the second optical low-pass filter includes a third separation element, a second polarization control unit, and a fourth separation element.
  • the third separation element is the first linearly polarized light.
  • the second linearly polarized light are separated from each other by a separation distance L 3 (> 0) in a direction intersecting the direction of the separation distance L 1 and the separation distance L 2.
  • the unit does not change the polarization state of the incident first linearly polarized light and the second linearly polarized light according to the voltage applied by the voltage control unit, or the incident first linearly polarized light.
  • the incident second linearly polarized light is modulated into the first linearly polarized light
  • the fourth separation element the a light of a first linear polarization, and the light of the second linearly polarized light, the separation distance L 4 (> 0 Only provides the above optical low-pass filter that separates the separation direction parallel direction of the separation distance L 3.
  • the ratio between the separation distance L 3 and the separation distance L 4 is in the range of 1.3 to 3, and the first separation element is emitted by the voltage applied by the voltage controller.
  • the separation distance between the linearly polarized light and the second linearly polarized light is L MX corresponding to L 3 + L 4 and L SX corresponding to
  • the second polarization control unit provides the optical low-pass filter including a liquid crystal element having a liquid crystal layer.
  • the third separation element the birefringence having a thickness d 3, the thickness direction and the extraordinary light refractive index axis direction and the angle is theta 3, and the ordinary refractive index n o3, the extraordinary refractive index n e3
  • the separation distance L 3 is given by the following equation (3):
  • the liquid crystal molecules of the liquid crystal layer of the second polarization controller are substantially parallel to the plane of the liquid crystal layer of the second polarization controller when no voltage is applied. Further, the major axis direction of the liquid crystal molecules on the opposite surface is aligned in a direction substantially orthogonal to each other, twisted about 90 ° about the thickness direction, and the ⁇ direction with respect to the thickness direction of the third separation element When the direction of 3 is positive, the fourth separation element provides the above-described optical low-pass filter arranged in a direction in which the sign of the ⁇ 4 is negative.
  • optical low-pass filter described above in which the liquid crystal layer of the second polarization controller is sandwiched and integrated by the third separation element and / or the fourth separation element.
  • the second optical low-pass filter includes a third separation element, and the third separation element separates the first linearly polarized light and the second linearly polarized light.
  • the optical low-pass filter described above is separated by a separation distance L FX in a direction crossing the separation direction of the distance L 1 and the separation distance L 2 .
  • the first polarization control unit and the second polarization control unit are incident on the orthogonally polarized second linearly polarized light by a voltage applied by the voltage control unit, separated by a separation distance L A (> 0).
  • the polarization state of the first linearly polarized light and the second linearly polarized light is not changed, or the incident first linearly polarized light is modulated into the second linearly polarized light.
  • the second linearly polarized light incident thereon is modulated into the first linearly polarized light, and the second separation element Of the incident light, the light of the first linear polarized light, and the light of the second linearly polarized light, the separation distance L B (> 0) only, the separation distance separating direction parallel direction L 1
  • the third separation element is separated from the incident light by the separation distance L C (> 0) between the first linearly polarized light and the second linearly polarized light.
  • L 1 is separated from the separation direction of L 1 (L A ⁇ L B ⁇ L C ), and any one of the separation distance L A , the separation distance L B, and the separation distance L C is the remaining two
  • an optical low-pass filter that is controlled by the voltage control unit so that the separation distance of light emitted from the third separation element is equal to a sum value and at least three values including zero.
  • the first polarization control unit and the second polarization control unit provide the optical low-pass filter including a liquid crystal element having a liquid crystal layer.
  • the first separation element has a thickness d A , an angle formed by the thickness direction and the extraordinary refractive index axis direction is ⁇ A , and birefringence having an ordinary refractive index noA and an extraordinary refractive index neA.
  • the separation distance L A is given by the following equation (5):
  • the second separation element, the thickness d B, the thickness direction and the extraordinary light refractive index axis direction and the angle is theta B, and the ordinary refractive index n oB, birefringent material having an extraordinary refractive index n eB
  • the separation distance L B is given by the following equation (6):
  • the third separation element has a thickness d C , an angle between the thickness direction and the extraordinary refractive index axis direction becomes ⁇ C , and a birefringent material having an ordinary refractive index noC and an extraordinary refractive index neC And the separation distance L C is given by the following equation (7):
  • the liquid crystal layer of the first polarization control unit is integrated with at least one of the first separation element and the second separation element, and the liquid crystal layer of the second polarization control unit is integrated with the second separation element.
  • the optical low-pass filter is integrated with at least one of the separation element and the third separation element.
  • a digital camera including the above-described optical low-pass filter and an image sensor is provided.
  • an image sensor when imaging a still image is the separation distance between L S, when imaging a video to provide digital camera to the separation distance between L M.
  • the present invention can provide an optical low-pass filter that can switch the separation distance between two values with accuracy or three values including zero, has no mechanical moving parts, and can be downsized, and can be added to a still image.
  • an optical low-pass filter that can switch the separation distance between two values with accuracy or three values including zero, has no mechanical moving parts, and can be downsized, and can be added to a still image.
  • Schematic diagram showing an example of an optical low-pass filter (first embodiment) Schematic diagram showing another example of an optical low-pass filter (first embodiment) Schematic diagram showing the optical path and polarization state of light incident on and separated from an optical low-pass filter (when voltage is applied) Schematic diagram showing the optical path and polarization state of light incident on and separated from an optical low-pass filter (when no voltage is applied) Schematic diagram showing an example of an optical low-pass filter (second embodiment) Sectional drawing which shows the example of a 2nd optical low-pass filter Schematic diagram showing the optical path and polarization state of light incident on and separated from an optical low-pass filter (when voltage is applied) Schematic diagram showing the position and polarization state of light emitted from the first optical low-pass filter (when voltage is applied) Schematic diagram showing the position and polarization state of light emitted from the second optical low-pass filter (when voltage is applied) Schematic diagram showing the position and polarization state of light emitted from the first optical low-pass filter (when voltage is applied) Schematic
  • Schematic diagram illustrating an example of an optical low-pass filter (sixth embodiment) Schematic diagram showing the position and polarization state of light emitted from the second optical low-pass filter (when voltage is applied) Schematic diagram showing the position and polarization state of light emitted from the second optical low-pass filter (when no voltage is applied)
  • FIG. 1A and 1B are conceptual diagrams illustrating a configuration example of an optical low-pass filter according to the present embodiment.
  • the optical low-pass filter 10 of FIG. 1A has a first separation element 11, a polarization control unit 20, and a second separation element 12, and light from the outside is incident in this order (Z direction).
  • the optical low-pass filter 10 separates first (linear) polarized light and second (linear) polarized light that are orthogonal to each other.
  • the light separation direction by the first separation element 11 and the second separation element 12 is parallel and is described here as the Y direction parallel to the paper surface, it may be the X direction.
  • the polarization controller 20 has a light modulation function that emits light without changing the polarization state of incident light or changes the polarization state depending on the magnitude of the voltage applied from the voltage controller 13.
  • a liquid crystal element in which the alignment state of liquid crystal molecules is changed by an applied voltage is used.
  • FIG. 1A is an example in which the polarization control unit 20 is a liquid crystal element.
  • transparent electrodes 22a and 22b and alignment films 23a and 23b are provided on the opposing surfaces of the transparent substrates 21a and 21b, respectively.
  • the liquid crystal layer 24 is sandwiched.
  • the voltage control part 13 which applies a voltage to the liquid-crystal layer 24 via transparent electrode 22a, 22b is provided.
  • the transparent substrates 21a and 21b are transparent to incident light, various materials such as a resin plate and a resin film can be used. However, when an optically isotropic material such as glass or quartz glass is used, This is preferable because the transmitted light is not affected by birefringence. Further, for example, if the transparent substrates 21a and 21b are provided with an antireflection film made of a multilayer film at the interface with air, light reflection loss due to Fresnel reflection can be reduced.
  • the transparent electrodes 22a and 22b are made of an oxide such as ITO (Indium ⁇ Tin Oxide), AZO (Aluminum Zinc Oxide), GZO (Gallium Zinc Oxide), for example, high transparency and conductivity Is preferable.
  • ITO Indium ⁇ Tin Oxide
  • AZO Alluminanium Zinc Oxide
  • GZO Gaallium Zinc Oxide
  • the polarization controller 20 is provided with alignment films 23a and 23b for aligning the liquid crystal molecules of the liquid crystal layer 24, and between the transparent electrode 22a and the alignment film 23a, and between the transparent electrode 22b and the alignment film 23b.
  • the alignment films 23a and 23b are formed by rubbing a resin film such as polyimide, an oblique vapor deposition film formed by oblique vapor deposition of an inorganic material such as silicon oxide, and ultraviolet rays or the like on an organic film.
  • a photo-alignment film that generates alignment ability by irradiation can be used.
  • the insulating film for example, SiO 2, SiON or the like is used.
  • the first separation element 11 and / or the second separation element 12, and the transparent substrate 21a and / or the transparent substrate 21b may be integrated respectively.
  • the polarization controller 20 have been described in detail configuration of a liquid crystal element is not limited thereto, using the inorganic crystal LiNbO 3 or the like polarization controller 20 is an electro-optic crystal, the voltage control unit 13 The polarization state of the transmitted light may be controlled by the voltage applied by the above, and the same can be used in the following embodiments.
  • FIG. 1B shows the configuration of the optical low-pass filter 15, and the same parts as those of the optical low-pass filter 10 are denoted by the same reference numerals.
  • the optical low-pass filter 15 has a configuration in which the first separation element 11 and the second separation element 12 include the function of the transparent substrates 21 a and 21 b of the optical low-pass filter 10, that is, the function of sandwiching the liquid crystal layer 24.
  • the polarization control unit 25 is configured by a portion of the optical low-pass filter 10 excluding the transparent substrate 21a and the transparent substrate 21b of the polarization control unit 20.
  • one of the first separation element 11 and the second separation element 12 may be configured to include the function of the transparent substrate 21a or the transparent substrate 21b.
  • the optical low-pass filter is preferably as thin as possible because the thickness of the element increases when various functions are included as will be described later.
  • the thickness may be 5 mm or less, preferably 3 mm or less, and more preferably 2 mm or less.
  • an optical low-pass filter may be used as a cover glass used for image sensors such as CMOS and CCD, and may be integrated with an infrared absorption filter for blocking infrared rays incident on the image sensor. .
  • the first separation element 11 and the second separation element 12 are made of, for example, a birefringent material, and in this case, have an extraordinary refractive index axis in an oblique direction with respect to the thickness (Z-axis) direction.
  • a material constituting the first separation element 11 and the second separation element 12 as a crystal material, quartz, yttrium orthovanadate (YVO 4 ) crystal, calcite (calcite: CaCO 3 ), rutile ( TiO 2 ) and lithium niobate (LiNbO 3 ).
  • polyimide polyamideimide, polyamide, polyetherimide, polyetheretherketone, polyetherketone, polyketonesulfide, polyethersulfone, polysulfone, polyphenylenesulfide, polyphenylene oxide, polyethylene terephthalate, polybutylene terephthalate , Polyethylene naphthalate, polyacetal, polycarbonate, polyarylate, acrylic resin, polyvinyl alcohol, polypropylene, cellulosic plastics, polyolefin and the like.
  • it may be a liquid crystal material including a polymer liquid crystal capable of obtaining birefringence, and can be similarly used in the following embodiments.
  • the first separation element 11 and the second separation element 12 are not limited to those made of a birefringent material having an extraordinary refractive index axis in a direction oblique to the thickness direction.
  • the angle of refraction with respect to the second polarized light orthogonal to the first polarized light may be different, and the incident light is orthogonal to the first polarized light with respect to the thickness direction.
  • a material in which the in-plane refractive index is uniform and the distribution of the in-plane refractive index orthogonal to the thickness direction is inclined with respect to the light of the second polarization orthogonal to the first polarization.
  • the in-plane refractive index distribution may be divided into blaze shapes so that the inclination angle is uniform in a plane orthogonal to the thickness direction.
  • a separation element composed of a polarizing diffraction grating that transmits straightly without diffracting the first polarized light and diffracts the second polarized light.
  • a polarizing diffraction grating for example, a birefringence having a normal light refractive index n 1 and an extraordinary light refractive index n 2 (n 1 ⁇ n 2 ) as a material corresponding to a convex portion of a diffraction grating whose cross section has periodic unevenness.
  • the concave portion has an isotropic material with a refractive index of n s so as to fill the material and the unevenness.
  • the cross-sectional shape of the diffraction grating may be a blazed shape or a pseudo-blazed shape approximating the blazed shape to a staircase shape.
  • the first separation element 11 and the second separation element 12 are made of a birefringent material having an extraordinary light refractive index axis in an oblique direction.
  • the thickness of the first separation element 11 is d 1
  • the ordinary light refractive index is n o1
  • the extraordinary light refractive index is n e1
  • the incident light enters the extraordinary light refractive index axis 11 a.
  • the separation distance L 1 can be expressed by Expression (1). The same applies to the optical low-pass filter 15 in FIG. 1B.
  • the thickness of the second separation element 12 is d 2
  • the ordinary light refractive index is n o2
  • the extraordinary light refractive index is ne 2
  • the extraordinary light refractive index axis 12 a travels in the incident light direction (first).
  • the separation distance L 2 can be expressed by Expression (2). As will be described later, in this embodiment, it is set to be different values from the separation distance L 1 and the separation distance L 2.
  • ⁇ 1 and ⁇ 2 have signs, and here, the inclination in the + Y direction is considered to be positive and the inclination in the ⁇ Y direction is considered to be negative with respect to the Z-axis direction in which light is incident.
  • the polarization controllers 20 and 25 are liquid crystal elements.
  • the liquid crystal of the liquid crystal layer 24 nematic phase liquid crystal is preferably used.
  • horizontal alignment in which the major axis direction of the liquid crystal molecules is substantially parallel to the surfaces of the alignment films 23a and 23b;
  • vertical alignment homeotropic alignment
  • either mode may be used.
  • a liquid crystal material having positive dielectric anisotropy ( ⁇ > 0) may be used, and in the case of vertical alignment, a liquid crystal material having negative dielectric anisotropy ( ⁇ ⁇ 0) may be used.
  • a spherical spacer made of an inorganic material such as SiO 2 or an organic material such as resin may be used in the liquid crystal layer 24, for example.
  • the voltage control unit 13 may be capable of applying a DC voltage or an AC voltage to the liquid crystal layer 24, but it is preferable that an AC voltage can be applied in order to prevent deterioration of the liquid crystal.
  • the liquid crystal is a twisted nematic (TN) liquid crystal that is aligned in a direction in which the major axis direction of the liquid crystal molecules on the surfaces of the opposing alignment films 23a and 23b is substantially orthogonal and twisted about 90 ° about the thickness direction.
  • TN twisted nematic
  • the major axis direction of the liquid crystal molecules is aligned parallel to the thickness direction.
  • a liquid crystal imparting a bistable state can be used. In this case, for example, the orientation state of the liquid crystal can be maintained even after the voltage is cut off, so that power saving can be realized.
  • the liquid crystal layer 24 when the liquid crystal molecules in the liquid crystal layer 24 are vertically aligned when no voltage is applied, the liquid crystal layer 24 operates so as to be opposite to the horizontal alignment. That is, when a voltage of a certain value or more is applied from the voltage controller 13, the liquid crystal molecules are aligned in the direction parallel to the alignment films 23a and 23b.
  • the liquid crystal molecules of the liquid crystal layer 24 when a voltage is applied, the liquid crystal molecules of the liquid crystal layer 24 are twisted by about 90 ° about the thickness direction by making the major axis direction of the liquid crystal molecules on the surfaces of the alignment films 23a and 23b facing each other substantially orthogonal. Oriented.
  • the polarization direction of the incident light has a characteristic that the alignment direction is different. It is possible to control whether the light is emitted while changing the state, or the light is emitted without changing.
  • FIG. 2A and 2B are schematic views showing the path and polarization state of light incident on the optical low-pass filter 10, where the liquid crystal molecules of the liquid crystal layer 24 are horizontally aligned when no voltage is applied and the liquid crystal molecules
  • FIG. 2A is a schematic diagram showing a light path and a polarization state when a voltage is applied. At this time, the major axis direction of the liquid crystal molecules is aligned with the thickness direction.
  • FIG. 2B is a schematic diagram showing a light path and a polarization state when no voltage is applied. At this time, the major axis direction of the liquid crystal molecules is horizontally aligned and 90 ° about the thickness direction. Twisted.
  • linearly polarized light incident on the first separation element 11 along the Z-axis direction is separated into linearly polarized light in the X-axis direction and linearly polarized light in the Y-axis direction.
  • the separation distance is determined based on the above equation (1).
  • linearly polarized light in the X-axis direction may be expressed as first linearly polarized light
  • linearly polarized light in the Y-axis direction may be expressed as second linearly polarized light.
  • linearly polarized light in the X-axis direction is transmitted straight through the first separation element 11, and the traveling direction of linearly polarized light in the Y-axis direction is changed.
  • Linearly polarized light of the first separation device 11 X-axis direction of the linearly polarized light emitted from the light and the Y-axis direction enters the polarization control unit 20 at a separation distance L 1.
  • the major axis direction of the liquid crystal molecules is aligned in the thickness direction of the liquid crystal layer 24, so that any linearly polarized light is emitted from the polarization controller 20 without changing the polarization state.
  • the linearly polarized light in the X-axis direction and the linearly polarized light in the Y-axis direction emitted from the polarization controller 20 are incident on the second separation element 12.
  • the linearly polarized light in the X-axis direction passes straight, and the linearly polarized light in the Y-axis direction passes through the first separation element 11 with reference to the optical path of the linearly polarized light in the X-axis direction.
  • the direction of travel is changed to the direction opposite to the + Y direction separated in step 1, that is, the ⁇ Y direction, and the light is emitted. Therefore, the separation distance of the entire optical low-pass filter 10 when a voltage is applied is
  • the light of linear polarization of light and the Y-axis direction of the first separation element 11 emits the X-axis direction of the linearly polarized light is incident on the polarization control unit 20 at a separation distance L 1, the liquid crystal molecules are liquid crystal Since it is oriented so as to be twisted by 90 ° in the layer 24, linearly polarized light in the X-axis direction is converted (rotated) into linearly polarized light in the Y-axis direction, and linearly polarized light in the Y-axis direction. Is converted (rotated) into linearly polarized light in the X-axis direction.
  • the linearly polarized light in the X-axis direction and the linearly polarized light in the Y-axis direction emitted from the polarization controller 20 are incident on the second separation element 12, but the linearly polarized light in the X-axis direction is transmitted straight through.
  • the linearly polarized light in the Y-axis direction is emitted with the traveling direction changed.
  • the separation distance of the entire optical low-pass filter 10 when no voltage is applied is L 1 + L 2 . Therefore, the separation distance can be switched between
  • a digital camera or a digital single lens reflex camera It is better to design to switch between video mode and still image mode.
  • FIGS. 2A and 2B are examples illustrating a configuration in which the major axis direction of the liquid crystal molecules when no voltage is applied is horizontal alignment, the liquid crystal molecules are vertically aligned when no voltage is applied. May be.
  • the angle theta 1 of the first extraordinary refractive index axis 11a of the separating element 11, but the sign of the angle theta 2 of the second extraordinary refractive index axis 12a of the separating element 12 has been described different example, in this Not limited to this, ⁇ 1 and ⁇ 2 may have the same sign.
  • L 1 and L 2 may be designed so that the image mode can be switched according to an appropriate separation distance
  • the digital camera and the digital single lens reflex camera are designed to be in the still image mode when no voltage is applied.
  • an image sensor such as a CCD (not shown) is disposed at the subsequent stage of the second separation element 12, but when applying a voltage based on FIG. A still image mode with a large number of images and a moving image mode with a relatively small number of pixels can be obtained when no voltage is applied based on FIG. 2B. 2B, when the liquid crystal molecules of the liquid crystal layer 24 have an orientation direction twisted by 90 °, among the incident light, linearly polarized light in the X-axis direction becomes linearly polarized light in the Y-axis direction.
  • linearly polarized light in the direction cannot be converted 100% into linearly polarized light in the X-axis direction. That is, when no voltage is applied in FIG. 2B, linearly polarized light in the X direction is incident on the polarization controller 20 and is not converted to 100% light in the Y direction, and is slightly ⁇ % (> 0). In the case where only the component is transmitted as linearly polarized light in the X-axis direction, this ⁇ % component is transmitted straight through the second separation element 12. Similarly, when no voltage is applied in FIG. 2B, linearly polarized light in the Y direction is incident on the polarization control unit 20 and is not converted to 100% light in the X direction, and is slightly ⁇ % (> 0). When only the component is transmitted as linearly polarized light in the Y-axis direction, only the ⁇ % component is emitted by the second separation element 12 while changing the traveling direction in the ⁇ Y direction.
  • the separation distance L 1 + L 2 generated by the optical low-pass filter 10 corresponds to, for example, the size of a moving image pixel of a digital camera or a digital single lens reflex camera, and
  • the ⁇ % component is generated in the moving image mode based on FIG. 2B, that is, in the case where the separation distance is L 1 + L 2.
  • the light of the ⁇ % component is the separation distance, L 1 + L 2. It reaches inside, that is, within one pixel and does not reach other pixels as noise.
  • the digital camera and the digital single-lens reflex camera have a configuration of an optical low-pass filter that obtains a large separation distance that is a moving image mode. Moire and false colors can be sufficiently eliminated, which is more preferable.
  • the liquid crystal molecules of the liquid crystal layer 24 are vertically aligned when no voltage is applied and twisted 90 degrees (horizontal alignment) when a voltage is applied, the light incident on the liquid crystal layer 24 is sufficiently polarized and converted when the voltage is applied.
  • noise components may be generated.
  • the noise component does not reach other pixels in the moving image mode, which is preferable, and further, the still image mode is applied when no voltage is applied, and the moving image mode is applied when the voltage is applied. In many digital cameras and digital single-lens reflex cameras, power saving can be realized.
  • the digital single-lens reflex camera has an optical low-pass filter function corresponding to about 10 million pixels to about 30 million pixels for still images, and about 1 million pixels to about 2 million pixels corresponding to full HD images and HD images for moving images. It is required to reduce moire and false color by switching the optimal optical low-pass filter function.
  • the size of image sensors (imaging devices) such as CCDs and CMOSs used in digital single-lens reflex cameras ranges from about 17.3 mm ⁇ 13.0 mm of the Four Thirds size to about 23.4 mm ⁇ 16 of the APS-C size. A size of about 36 mm ⁇ 24 mm corresponding to 0.7 mm and a 35 mm film is used.
  • the pixel interval applied to a still image is in the range of about 2 ⁇ m to about 10 ⁇ m, while the pixel interval applied to a full HD image or HD image moving image is about 10 to about 10 ⁇ m.
  • the range is about 32 ⁇ m.
  • the first separation element 11 and the second separation element 12 are designed so that the separation distance is long and can be varied over a wide range.
  • L S the separation distance for still images
  • L M the separation distance for moving images
  • L M has a separation distance of about 2 to 10 ⁇ m
  • L M Preferably has a separation distance of 10 to 32 ⁇ m.
  • the separation relationship L 1 generated by the first separation element 11 and the separation distance L 2 generated by the second separation element 12 are not limited in magnitude as long as they are different. That is, L 1 > L 2 or L 1 ⁇ L 2 may be satisfied. Also, of the L 1 and L 2, when relative to the separation distance smaller, as the separation distance greater is in the range from 1.3 to 3, formula (1) and adjusting the formula (2) It is preferable to do.
  • FIG. 3 is a conceptual diagram illustrating a configuration example of the optical low-pass filter 50 according to the present embodiment.
  • a polarization conversion element 51 is provided between the optical low-pass filter 10 and the optical low-pass filter 30 according to the first embodiment.
  • the optical low-pass filter 10 is the first optical low-pass filter 10 having the light separation ability in the Y-axis direction
  • the optical low-pass filter 30 is the second optical separation ability having the light separation ability in the X-axis direction.
  • the optical low-pass filter 30 will be described.
  • FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of the second optical low-pass filter 30 extracted from the optical low-pass filter 50, and particularly shows the XZ plane.
  • the third separation element 31 having a thickness d 3 has an extraordinary refractive index axis that is inclined in the + X direction and has an angle ⁇ 3 with respect to the Z-axis direction.
  • the fourth separation element 32 having the thickness d 4 has an extraordinary refractive index axis having an angle ⁇ 4 with an inclination in the ⁇ X direction with respect to the Z-axis direction.
  • the thickness of the third separation element 31 is d 3
  • the ordinary light refractive index is n o3
  • the extraordinary light refractive index is n e3
  • the direction in which the incident light travels with the extraordinary light refractive index axis 31 a third separation element.
  • the thickness of the fourth separation element 32 is d 4
  • the ordinary light refractive index is n o4
  • the extraordinary light refractive index is n e4
  • the direction in which the incident light travels with the extraordinary light refractive index axis 32 a fourth separation element.
  • the separation distance L 4 can be expressed by Expression (4).
  • the separation distance L 3 and the separation distance L 4 are set to be different from each other, and ⁇ 3 and ⁇ 4 also have signs, and here, the Z-axis direction in which light is incident is used as a reference. , + X direction inclination is considered as positive, and ⁇ X direction inclination is considered as negative.
  • the thicknesses d 3 and d 4 and the angles ⁇ 3 and ⁇ 4 can be arbitrarily given.
  • the signs of ⁇ 3 and ⁇ 4 are different, and
  • the description will be made on the assumption that the Z axis direction is the same as that rotated 90 ° about the rotation axis.
  • the optical low-pass filter 10 according to the first embodiment provides light separation only in one direction (Y-axis direction), but the optical low-pass filter 50 according to the present embodiment has the first optical low-pass filter.
  • the filter 10 and the second optical low-pass filter 30 overlap light can be separated two-dimensionally.
  • the same part is attached
  • the second optical low-pass filter 30, between the thickness d 3 of the third separation device 31 and the thickness d 4 of the fourth separation device 32 includes a (second) polarization control unit 40
  • the polarization control unit 40 includes transparent electrodes 42a and 42b and alignment films 43a and 43b as opposed to the transparent substrates 41a and 41b as a pair of transparent substrates, and the liquid crystal layer 44 is sandwiched therebetween.
  • the voltage control part 52 which applies a voltage to the liquid crystal layer 44 via the transparent electrodes 42a and 42b is provided.
  • the voltage control unit 52 can apply a voltage to the liquid crystal layer 24 in common via the transparent electrodes 22a and 22b.
  • the polarization conversion element 51 is configured to transmit X-axis direction linearly polarized light (first linearly polarized light) and Y-axis direction linearly polarized light (second linearly polarized light) transmitted through the second separation element 12, respectively.
  • the first linearly polarized light component and the second linearly polarized light component have a function of converting into substantially the same light. Specifically, it may have a function to become a broadband half-wave plate or a function to become a broadband quarter-wave plate for incident visible light. That is, in the case of a broadband 1 ⁇ 2 wavelength plate, preferably, the vibration direction of the incident linearly polarized light is converted to linearly polarized light that is rotated by an angle that is an odd multiple of 45 °.
  • incident linearly polarized light is converted into circularly polarized light.
  • the ratio of the light component in the X-axis direction and the light component in the Y-axis direction out of the light emitted from the polarization conversion element 51 is approximately the same for light in the visible light region from 7: 3 to 3: 7. Of 6: 4 to 4: 6 is preferable, and the closer to the ratio of 5: 5, the more preferable.
  • the polarization conversion element 51 is a broadband 1 ⁇ 2 wavelength plate or a broadband 1 ⁇ 4 wavelength plate, for example, the polarization conversion element 51 has an optical axis parallel to a plane orthogonal to the direction in which light enters, and the optical axis is thick.
  • a plurality of wave plates made of birefringent materials aligned in the direction may be stacked so that the optical axes intersect. Further, one or a plurality of wave plates whose optical axis directions are spiraled about the thickness direction may be configured.
  • the material of the wave plate include inorganic materials such as quartz and LiNbO 3 and organic materials such as resin, liquid crystal, and polymer liquid crystal.
  • FIGS. 5A to 5C are schematic diagrams showing the path and polarization state of light incident on the optical low-pass filter 50.
  • the liquid crystal molecules of the liquid crystal layers 24 and 44 are horizontally aligned when no voltage is applied, respectively.
  • FIG. 5A is a schematic diagram showing a light path and a polarization state when a voltage is applied, and the major axis directions of the liquid crystal molecules in the liquid crystal layers 24 and 44 are aligned in the thickness direction.
  • FIG. 5A is a schematic diagram showing a light path and a polarization state when a voltage is applied, and the major axis directions of the liquid crystal molecules in the liquid crystal layers 24 and 44 are aligned in the thickness direction.
  • 5B shows the positions and polarization states of the light 10a and the light 10b on the emission surface of the first optical low-pass filter 10 when a voltage is applied.
  • 5C shows the positions and polarization states of the light 30a, the light 30b, the light 30c, and the light 30d on the emission surface of the second optical low-pass filter 30 when a voltage is applied. This is the optical low-pass filter. It corresponds to the one showing 50 light separation states.
  • the first optical low-pass filter 10 separates the light of the linearly polarized light in the X-axis direction (first linearly polarized light) and the light of the linearly polarized light in the Y-axis direction (second linearly polarized light).
  • the light is transmitted by a distance LSY .
  • 'S' in the separation distance L SY is a still image mode
  • 'Y' means the separation direction is the Y-axis direction
  • 'M' is the moving image mode
  • 'X' is the separation direction X. It means the axial direction.
  • the first linearly polarized light and the second linearly polarized light are separated by the first optical low-pass filter 10 and emitted from the respective positions 10a and 10b.
  • the separation distance LSY corresponds to the separation distance LSY .
  • the light separated into the optical path 53 a of the first linearly polarized light and the optical path 54 a of the second linearly polarized light enters the polarization conversion element 51.
  • the polarization state of the light incident on the polarization conversion element 51 is converted so that the light component of the first linearly polarized light and the light component of the second linearly polarized light are mixed.
  • the light corresponding to the optical path 53a follows the optical path 53b as light in which the first linearly polarized light component and the second linearly polarized light component are mixed substantially in the same manner, and the second optical low pass.
  • the light enters the filter 30.
  • the light corresponding to the optical path 54 a follows the optical path 54 b as light in which the first linearly polarized light component and the second linearly polarized light component are mixed substantially in the same manner, and the second optical low-pass filter 30. Is incident on.
  • the second optical low-pass filter 30 is configured to emit light of linearly polarized light (first linearly polarized light) in the X-axis direction and light of linearly polarized light (second linearly polarized light) in the Y-axis direction.
  • first linearly polarized light first linearly polarized light
  • second linearly polarized light second linearly polarized light
  • the separation distance L SX corresponds to
  • light corresponding to the optical path 53b is separated by the second optical low-pass filter 30 and is emitted from the respective positions 30a and 30b, and the interval corresponds to the separation distance LSX .
  • the light corresponding to the optical path 54b is separated by the second optical low-pass filter 30 and emitted from the respective positions 30c and 30d, and the interval thereof also corresponds to the separation distance LSX .
  • the reason for making the separation directions orthogonal in this way is that the pixels of the image sensor are two-dimensionally arranged, and therefore the pixel arrangement direction in order to reduce moiré and false colors in the two orthogonal directions arranged It is made to separate according to. Further, the separation distance varies depending on the pixel pitch and the spatial frequency to be cut. When the pixel shape is a square, it is effective to make the separation distance in the X-axis direction and the separation distance in the Y-axis direction the same. For example, in the case of an image sensor having vertically long pixels (the length of one pixel in the Y-axis direction> the length of one pixel in the X-axis direction), priority is given to the prevention of moire and false colors in the X-axis direction. For this reason, the separation distance between the X-axis direction and the Y-axis direction is different, and the quadrilateral formed by connecting the four points to be separated is not limited to a square, and may be a parallelogram.
  • FIG. 6A shows the position and polarization state of light on the exit surface of the first optical low-pass filter 10 when a voltage is applied
  • FIG. 6D shows the position and polarization state of light on the exit surface of the first optical low-pass filter 10 when a voltage is applied
  • FIG. 6B shows the light on the exit surface of the second optical low-pass filter 30 when a voltage is applied.
  • 5B and FIG. 5C respectively show the same position and polarization state.
  • FIG. 6C shows the position and polarization state of light on the exit surface of the first optical low-pass filter 10 when no voltage is applied
  • the voltage control unit 52 is configured to be able to apply a common voltage to the (first) liquid crystal layer 24 and the (second) liquid crystal layer 44. The voltage may be applied independently to the layer 24 and the liquid crystal layer 44.
  • the separation distances L SY , L MY , and the separation distances L SX , L MX are related to the relationship of L MY > L SY and L MX > L SX . It is preferable that L SY and L SX have a separation distance of about 2 to 10 ⁇ m, and L MY and L MX have a separation distance of 10 to 32 ⁇ m.
  • the larger separation distance is in the range of 1.3 to 3
  • the smaller separation of L 3 and L 4 is smaller.
  • the birefringent material, thickness, and extraordinary refractive index axis angle of each separation element may be adjusted so that the larger separation distance is in the range of 1.3 to 3.
  • FIG. 7 is a conceptual diagram illustrating a configuration example of the optical low-pass filter 60 according to the present embodiment, and includes the optical low-pass filter 10 according to the first embodiment, the polarization conversion element 51, and the optical low-pass filter 62.
  • the optical low-pass filter 10 is the first optical low-pass filter 10 having light separation in the Y-axis direction
  • the optical low-pass filter 62 is the second optical low-pass filter having light separation in the X-axis direction.
  • the optical low-pass filter 62 will be described.
  • the present embodiment is different from the second embodiment in that the second optical low-pass filter 62 does not include a liquid crystal layer and the separation distance is fixed.
  • the second optical low-pass filter 62 has the same configuration as that of the first separation element 11 and is arranged by being rotated 90 ° with respect to the first separation element 11 about the Z-axis direction as a rotation axis. It may be equivalent.
  • FIG. 8A is a schematic diagram showing a light path and a polarization state when a voltage is applied, and the major axis direction of the liquid crystal molecules in the liquid crystal layer 24 is aligned with the thickness direction.
  • FIG. 8A is a schematic diagram showing a light path and a polarization state when a voltage is applied, and the major axis direction of the liquid crystal molecules in the liquid crystal layer 24 is aligned with the thickness direction.
  • the light incident on the optical low-pass filter 60 is in a random polarization state and travels along the Z-axis direction. Similar to the second embodiment, in the first optical low-pass filter 10, linearly polarized light in the X-axis direction and linearly polarized light in the Y-axis direction are transmitted with a separation distance LSY therebetween. Further, in the schematic diagram shown in FIG. 8B, the first linearly polarized light and the second linearly polarized light are separated by the first optical low-pass filter 10 and emitted from the respective positions 10a and 10b. The interval corresponds to the separation distance LSY .
  • the light separated into the optical path 63 a of the first linearly polarized light and the optical path 64 a of the second linearly polarized light is incident on the polarization conversion element 51.
  • the light corresponding to the optical path 63a is transmitted through the optical path 63b as light in which the first linearly polarized light component and the second linearly polarized light component are mixed substantially in the same manner. Traces and enters the second optical low-pass filter 62.
  • the light corresponding to the optical path 64a follows the optical path 64b as light in which the first linearly polarized light component and the second linearly polarized light component are mixed substantially in the same manner, and the second optical low-pass filter 62. Is incident on.
  • the second optical low-pass filter 62 separates the linearly polarized light in the X-axis direction and the linearly polarized light in the Y-axis direction so as to be separated by a separation distance L FX in the X-axis direction.
  • “F” in the separation distance L FX means that the separation distance is fixed.
  • light corresponding to the optical path 63b is separated by the second optical low-pass filter 62 and emitted from the respective positions 62a and 62b, and the interval corresponds to the separation distance L FX .
  • the light corresponding to the optical path 64b is separated by the second optical low-pass filter 62 and emitted from the respective positions 62c and 62d, and the interval thereof also corresponds to the separation distance LFX .
  • This embodiment can also reduce moiré and false color two-dimensionally with respect to the image sensor as in the second embodiment.
  • moiré or false in the Y-axis direction compared to the X-axis direction can be used.
  • an optical low-pass filter 60 that varies the separation distance in the Y-axis direction and fixes the separation distance in the X-axis direction as in the present embodiment may be used.
  • the entire optical low-pass filter can be downsized, and moire and false colors can be reduced two-dimensionally.
  • the direction in which the separation distance is fixed is not limited to the X-axis direction, and may be the Y-axis direction.
  • the optical low-pass filter located in the first optical low-pass filter 10 has a separation distance.
  • the optical low-pass filter positioned in the second optical low-pass filter 62 may have a function of varying the separation distance.
  • the first optical low-pass filter 10 separates the first linearly polarized light and the second linearly polarized light with a separation distance larger than that when a voltage is applied, as in the first embodiment. Separate the light.
  • 9A to 9D show the positions and polarization states of light on the exit surface of the first optical low-pass filter 10 and the exit surface of the second optical low-pass filter 62 when the voltage is applied to the optical low-pass filter 60 and when no voltage is applied.
  • FIG. 9A shows the position and polarization state of light on the exit surface of the first optical low-pass filter 10 when a voltage is applied
  • FIG. 9B shows the light on the exit surface of the second optical low-pass filter 62 when a voltage is applied. This shows the same position and polarization state as in FIGS. 8B and 8C.
  • FIG. 9A and 9B shows the position and polarization state of the light on the exit surface of the first optical low-pass filter 10 when no voltage is applied
  • the separation distances L SY and L MY satisfy the relationship of L MY > L SY and L SY is about 2 to 10 ⁇ m. has a distance, L MY is may have a separation distance of 10 ⁇ 32 [mu] m. Further, the birefringent material, the thickness, and the thickness of each separation element are set so that the larger separation distance is 1.3 to 3 with reference to the smaller separation distance of L 1 and L 2 . The angle of the extraordinary light refractive index axis may be adjusted.
  • FIGS. 10A and 10B are schematic diagrams illustrating a configuration example of the optical low-pass filter 70 according to the present embodiment, and a light path and a polarization state in the optical low-pass filter 70.
  • the optical low-pass filter 70 includes a first separation element 71, a polarization control unit 20, and a second separation element 72, and light from the outside is incident in this order (Z direction).
  • FIG. 10A is a schematic diagram showing a light path and a polarization state when a voltage is applied. At this time, the major axis direction of the liquid crystal molecules is aligned with the thickness direction.
  • FIG. 10B is a schematic diagram showing a light path and a polarization state when no voltage is applied. At this time, the major axis direction of the liquid crystal molecules is horizontally aligned and 90 ° with the thickness direction as an axis. ° Twisted.
  • Randomly polarized light incident on the first separation element 71 along the Z-axis direction includes linearly polarized light in the X-axis direction and linearly polarized light in the Y-axis direction according to the above equation (1). based enters the polarization control unit 20 at a separation distance L 1 in. At the time of voltage application, the major axis direction of the liquid crystal molecules is aligned in the thickness direction of the liquid crystal layer 24, so that any linearly polarized light is emitted from the polarization controller 20 without changing the polarization state.
  • the linearly polarized light in the X-axis direction and the linearly polarized light in the Y-axis direction emitted from the polarization controller 20 are incident on the second separation element 72.
  • the linearly polarized light in the X-axis direction is transmitted in a straight line
  • the linearly polarized light in the Y-axis direction is transmitted through the first separation element 71 with reference to the optical path of the linearly polarized light in the X-axis direction.
  • the direction of travel is changed to the direction opposite to the + Y direction separated in step 1, that is, the ⁇ Y direction, and the light is emitted. Therefore, the separation distance of the entire optical low-pass filter 70 when a voltage is applied is
  • the separation distance is substantially zero.
  • the optical action is the same as that of the optical low-pass filter 10 according to the first embodiment. That is, in the polarization controller 20, the liquid crystal molecules are aligned so as to be twisted by 90 ° in the liquid crystal layer 24, so that linearly polarized light in the X-axis direction is converted into linearly polarized light in the Y-axis direction (optical rotation). At the same time, the linearly polarized light in the Y-axis direction is converted (rotated) into linearly polarized light in the X-axis direction.
  • the linearly polarized light incident on the polarization controller 20 is rotated by 90 ° and emitted, so that the first separation element 71 follows the trajectory shown in FIG. 10B.
  • the separation distance can be switched between 0 and 2 ⁇ L 1 when the voltage is applied and when the voltage is not applied.
  • the separation distance is set to 0 and the optical low-pass filter is substantially passed to obtain a highly accurate image. It can be in a state that does not.
  • the separation distance can be set to 2 ⁇ L 1 so that the moire or false color can be appropriately reduced.
  • switching the separation distance between 0 and 2 ⁇ L 1 is not limited to the still image mode but may be the moving image mode. Further, the separation distance 0 may be set to the still image mode, and the separation distance 2 ⁇ L 1 may be set to the moving image mode.
  • switching the separation distance between 0 and 2 ⁇ L 1 is not limited to the separation in the Y-axis direction as in the optical low-pass filter 70 shown in FIGS. 10A and 10B.
  • the present embodiment can be applied based on the optical low-pass filter 50 according to the second embodiment. That is, two optical low-pass filters 70 are arranged in the optical path, and a polarization conversion element is arranged in the optical path between the two optical low-pass filters 70.
  • One optical low-pass filter is arranged in the Y-axis direction and the other optical low-pass filter is arranged in the optical path.
  • the filter may have a function of separating light in the X-axis direction.
  • one of the two optical low-pass filters 70 corresponds to a positional relationship in which the other is rotated 90 ° with the Z-axis direction as the rotation axis.
  • a two-dimensional optical low-pass filter that can similarly switch the separation distance between 0 and a finite value in the X-axis direction can be obtained.
  • the present embodiment can be applied based on the optical low-pass filter 60 according to the third embodiment. That is, the optical low-pass filter 70 and the optical low-pass filter corresponding to the second optical low-pass filter 62 of the third embodiment are disposed, and the polarization conversion element is disposed therebetween, and one optical low-pass filter is disposed.
  • FIGS. 11 to 13 are schematic diagrams illustrating a configuration example of the optical low-pass filter 80 according to the present embodiment, and a light path and a polarization state in the optical low-pass filter 80.
  • the optical low-pass filter 80 includes a first separation element 81, a first polarization control unit 91, a second separation element 82, a second polarization control unit 92, and a third separation element 83. It is assumed that light is incident in this order (Z direction). Further, the first polarization control unit 91 and the second polarization control unit 92 emit light without changing the polarization state of incident light or change the polarization state depending on the voltage applied from the voltage control unit 93.
  • the first polarization control unit 91 and the second polarization control unit 92 have the same configuration as the polarization control unit 20 of the optical low-pass filter 10 according to the first embodiment, and liquid crystal is applied when no voltage is applied.
  • the major axis direction of the molecule is assumed to be horizontally oriented and twisted by 90 ° about the thickness direction.
  • the first separation element 81 has a thickness d A , an ordinary light refractive index n oA , an extraordinary light refractive index n eA , and an extraordinary light refractive index axis and a Z-axis direction that is a direction in which incident light travels.
  • the angle is ⁇ A
  • the following equation (5) can be used as the separation distance L A.
  • the angle of theta B that when the separation distance L B may use a formula (6) below
  • the extraordinary refractive index is n eC and the angle between the extraordinary refractive index axis and the Z-axis direction, which is the direction in which incident light travels, is ⁇ C
  • the separation distance L C is expressed by the following equation (7). Can be used.
  • the first separation element 81, the second separation element 82, and the third separation element 83 are made of the same birefringent material and, for example, the first separation element 81
  • the thickness of the element 81 is the same as the sum of the thickness of the second separation element 82 and the thickness of the third separation element 83.
  • L a L B + L C .
  • L A it may be a L B + L C.
  • the magnitude relationship is d A > d B > d C , and at the same time, L A > L B > L C.
  • the optical low-pass filter 80 having such a configuration obtains separation distances of at least three different values by the voltage control unit 93 according to the voltages applied to the first polarization control unit 91 and the second polarization control unit 92. Can do.
  • a configuration in which the signs of the extraordinary refractive index axes ⁇ A , ⁇ B and ⁇ C are the same is considered, but the signs of these angles can be arbitrarily set.
  • FIG. 11 is a schematic diagram showing a light path and a polarization state when the first polarization control unit 91 and the second polarization control unit 92 are at the time of voltage application.
  • the major axis direction is aligned with the thickness direction.
  • the randomly polarized light incident on the first separation element 81 along the Z-axis direction is expressed by the above formula (X-axis linearly-polarized light and Y-axis-direction linearly polarized light). It enters the first polarization control unit 91 at a separation distance L a on the basis of 5). Then, the first polarization controller 91 emits any linearly polarized light without changing the polarization state, and enters the second separation element 82.
  • the linearly polarized light in the X-axis direction is transmitted straight, and the linearly polarized light in the Y-axis direction is expressed by the above formula (6) with reference to the optical path of the linearly polarized light in the X-axis direction.
  • the second polarization control unit 92 based on and enters the second polarization control unit 92 at a separation distance L B in the + Y direction. Note that the separation distance at this time is L A + L B. Then, the second polarization controller 92 emits any linearly polarized light without changing the polarization state and enters the third separation element 83.
  • linearly polarized light in the X-axis direction travels straight, and linearly polarized light in the Y-axis direction is expressed by the above formula (7) with reference to the optical path of linearly polarized light in the X-axis direction. based on, and emits at a separation distance L C in the + Y direction.
  • the first polarization control unit 91 and the second polarization control unit 92 at the time of any voltage applied, as the separation distance of the entire optical low-pass filter 80, it is possible to obtain the L A + L B + L C .
  • FIG. 12 is a schematic diagram showing a light path and a polarization state when the first polarization control unit 91 and the second polarization control unit 92 are at the time of non-voltage application, both of which are the lengths of liquid crystal molecules.
  • the axial direction is horizontally oriented and twisted by 90 ° about the thickness direction.
  • the randomly polarized light incident on the first separation element 81 along the Z-axis direction is expressed by the above formula (X-axis linearly-polarized light and Y-axis-direction linearly polarized light). It enters the first polarization control unit 91 at a separation distance L a on the basis of 5).
  • the linearly polarized light in the X-axis direction is converted (rotated) into linearly polarized light in the Y-axis direction, and the linearly polarized light in the Y-axis direction is converted in the X-axis direction.
  • the light is converted (rotated) into linearly polarized light, emitted, and incident on the second separation element 82.
  • the linearly polarized light in the X-axis direction is transmitted straight, and the linearly polarized light in the Y-axis direction is expressed by the above formula (6) with reference to the optical path of the linearly polarized light in the X-axis direction.
  • the second polarization control unit 92 based on and enters the second polarization control unit 92 at a separation distance L B in the + Y direction. Note that the separation distance at this time is
  • the linearly polarized light in the X-axis direction is converted (rotated) into linearly polarized light in the Y-axis direction, and the linearly polarized light in the Y-axis direction is converted in the X-axis direction.
  • the light is converted (rotated) into linearly polarized light, emitted, and incident on the third separation element 83.
  • linearly polarized light in the X-axis direction travels straight, and linearly polarized light in the Y-axis direction is expressed by the above formula (7) with reference to the optical path of linearly polarized light in the X-axis direction.
  • FIG. 13 is a schematic diagram showing a light path and a polarization state when the first polarization control unit 91 is not applying voltage and the second polarization control unit 92 is applying voltage.
  • the major axis direction of the liquid crystal molecules is horizontally aligned and twisted by 90 ° about the thickness direction.
  • the second polarization control unit 92 the liquid crystal molecules Are aligned in the thickness direction.
  • the randomly polarized light incident on the first separation element 81 along the Z-axis direction is expressed by the above formula (X-axis linearly-polarized light and Y-axis-direction linearly polarized light).
  • the first polarization control unit 91 It enters the first polarization control unit 91 at a separation distance L a on the basis of 5).
  • the linearly polarized light in the X-axis direction is converted (rotated) into linearly polarized light in the Y-axis direction
  • the linearly polarized light in the Y-axis direction is converted in the X-axis direction.
  • the light is converted (rotated) into linearly polarized light, emitted, and incident on the second separation element 82.
  • the linearly polarized light in the X-axis direction is transmitted straight, and the linearly polarized light in the Y-axis direction is expressed by the above formula (6) with reference to the optical path of the linearly polarized light in the X-axis direction.
  • the second polarization control unit 92 emits any linearly polarized light without changing the polarization state and enters the third separation element 83.
  • linearly polarized light in the X-axis direction travels straight, and linearly polarized light in the Y-axis direction is expressed by the above formula (7) with reference to the optical path of linearly polarized light in the X-axis direction. based on, and emits at a separation distance L C in the + Y direction. Therefore, when the first polarization control unit 91 is not applied with voltage and the second polarization control unit 92 is applied with voltage, the separation distance of the entire optical low-pass filter 80 is
  • the separation distance is set to at least three values by alternately arranging the three separation elements and the two polarization control units and controlling the voltage supplied from the voltage control unit 93 to these polarization control units.
  • the separation distance L SY
  • the optical low-pass filter 80 can obtain a configuration with a high degree of freedom according to each mode.
  • the direction of separation for each linearly polarized light component is the Y-axis direction, but the present invention is not limited to this.
  • the present embodiment can be applied as in the second embodiment. That is, two optical low-pass filters 80 are disposed in the optical path, and a polarization conversion element is disposed in the optical path between the two optical low-pass filters 80.
  • One optical low-pass filter is disposed in the Y-axis direction and the other optical low-pass filter is disposed in the optical path.
  • the filter may have a function of separating light in the X-axis direction.
  • one of the two optical low-pass filters 80 corresponds to a positional relationship in which the other is rotated by 90 ° about the Z-axis direction as a rotation axis.
  • a two-dimensional optical low-pass filter that can similarly switch the separation distance to three values including 0 in the X-axis direction can be obtained.
  • FIG. 14 shows a configuration example of the optical low-pass filter 120 according to the present embodiment, which is a two-dimensional optical low-pass filter.
  • the optical low-pass filter 80 described above is the first optical low-pass filter 80
  • the optical low-pass filter 120 includes the first optical low-pass filter 80, the polarization conversion element 51, and the second optical low-pass filter 100. It is assumed that light from the outside is incident in this order (Z direction).
  • the second optical low-pass filter 100 includes a fourth separation element 104, a third polarization control unit 113, a fifth separation element 105, a fourth polarization control unit 114, and a sixth separation element 106. However, light from the outside enters in this order (Z direction).
  • the polarization conversion element 51 gives the same effect as the polarization conversion element 51 of the second embodiment, and a description thereof is omitted.
  • the third polarization control unit 113 and the fourth polarization control unit 114 emit light without changing the polarization state of incident light or change the polarization state depending on the voltage applied from the voltage control unit 115. It has a light modulation function that emits light by changing.
  • the voltage control unit 115 is considered to include the function of the voltage control unit 93.
  • the third polarization control unit 113 and the fourth polarization control unit 114 each indicate an optical path when a voltage is applied. It is a thing.
  • the third polarization control unit 113 and the fourth polarization control unit 114 have the same configuration as the polarization control unit 20 of the optical low-pass filter 10 according to the first embodiment, and liquid crystal is applied when no voltage is applied.
  • the major axis direction of the molecule is assumed to be horizontally oriented and twisted by 90 ° about the thickness direction.
  • the fourth separation element 104 has a thickness of d D , an ordinary light refractive index of n oD , an extraordinary light refractive index of n eD , and an extraordinary light refractive index axis and a Z-axis direction that is a direction in which incident light travels.
  • the angle is ⁇ D
  • the following equation (8) can be used as the separation distance L D.
  • the fifth separation element 105 has a thickness d E , an ordinary light refractive index n oE , an extraordinary light refractive index n eE , an anomalous light refractive index axis, and a Z-axis direction that is a direction in which incident light travels.
  • the separation distance L E is an angle formed by ⁇ E
  • the following distance ( E ) can be used as the separation distance L E
  • the sixth separation element 106 has a thickness d F , an ordinary refractive index n oF
  • the separation distance L F is expressed by the following equation (10): Can be used.
  • ⁇ D , ⁇ E and ⁇ E are angles formed by the thickness direction and the extraordinary light refractive index axis direction in the XZ plane.
  • the fourth separation element 104, the fifth separation element 105, and the sixth separation element 106 are made of the same birefringent material.
  • the thickness of the fourth separation element 104 is the same as the sum of the thickness of the fifth separation element 105 and the thickness of the sixth separation element 106.
  • L D L E + L F.
  • the magnitude relationship is d D > d E > d F , and at the same time, L D > L E > L F.
  • the second optical low-pass filter 100 having such a configuration has at least a voltage applied to the third polarization control unit 113 and the fourth polarization control unit 114 by the voltage control unit 115 with respect to the X-axis direction. Three different values of separation distance can be obtained. Further, an example in which the signs of the extraordinary refractive index axes ⁇ D , ⁇ E, and ⁇ F are the same has been described, but this is not a limitation, and the orientation state of liquid crystal molecules at the time of voltage application / voltage non-application is considered.
  • the optical low-pass filter according to this embodiment can switch at least three separation distance values in at least the same separation direction, while at least three separation elements and at least two liquid crystal elements serving as a polarization control unit.
  • One, and the thickness increases. Therefore, for example, based on the configuration of the low-pass filter 15 according to the first embodiment, a configuration in which the liquid crystal layer of the liquid crystal element is sandwiched by a separation element such as a crystal is preferable because the thickness can be reduced.
  • the present embodiment can be applied not only to the optical low-pass filter 120 as shown in FIG. 14 but also based on the third embodiment. That is, the optical low-pass filter 80 and the optical low-pass filter corresponding to the second optical low-pass filter 62 of the third embodiment are disposed, and the polarization conversion element is disposed therebetween, and one optical low-pass filter is disposed. Has a function of switching to three separation distance values including 0 in the Y-axis direction, and the other optical low-pass filter has a function of separating light by a certain separation distance ( ⁇ 0) in the X-axis direction. It may be.
  • one separation direction can be switched between three values including a separation distance 0, and the other separation direction is It may be one that can switch between binary values including or not including the separation distance 0. And each separation distance of each separation direction can be designed suitably.
  • FIG. 15 is a schematic diagram illustrating a configuration example of the optical low-pass filter 130 according to the present embodiment.
  • the optical low-pass filter 130 includes a first optical low-pass filter 10 and a second optical low-pass filter 30, which are the first optical low-pass filter 10 and the second optical low-pass filter 50 in the optical low-pass filter 50 of the second embodiment.
  • the same as the optical low-pass filter 30 of FIG. therefore, each part which comprises the 1st optical low-pass filter 10 and the 2nd optical low-pass filter 30 attaches
  • the optical low-pass filter 130 does not arrange a polarization conversion element between the first optical low-pass filter 10 and the second optical low-pass filter 30. Then, when considering the separation direction of the first linearly polarized light and the second linearly polarized light, the separation direction of the first optical low-pass filter 10, the separation direction of the second optical low-pass filter 30, and Are not parallel and non-orthogonal, that is, they intersect at a non-orthogonal angle. Specifically, the relationship between the angles formed by these separation directions may be 20 ° to 70 °, preferably 30 ° to 60 °, more preferably 40 ° to 50 °, and most preferably 45 °. preferable.
  • the relationship between the angles formed by the separation direction approaches 45 ° because the intensity of light separated by the second optical low-pass filter 30 becomes substantially equal. Further, in this case, there is an effect on moire generated with respect to a vertical stripe image and a horizontal stripe image.
  • the angle formed by the separation direction is 60 °, it can be applied to an image sensor having a honeycomb arrangement.
  • the first optical low-pass filter 10 is arranged so as to separate the first linearly polarized light and the second linearly polarized light orthogonal to each other in the Y direction.
  • the second optical low-pass filter 30 is arranged so as to separate two orthogonally polarized light beams in a direction that forms an angle of 45 ° with respect to the Y direction on the XY plane. . That is, the second optical low-pass filter 30 corresponds to a position rotated by 45 ° with respect to the position of the second optical low-pass filter 30 in the second embodiment with the Z-axis direction as the rotation axis.
  • the two linearly polarized light beams separated by the second optical low-pass filter 30 are defined as a third linearly polarized light beam and a fourth linearly polarized light beam.
  • the optical low-pass filter 130 First, light incident on the optical low-pass filter 130 has a random polarization state and travels along the Z-axis direction.
  • the first optical low-pass filter 10 the light of the first linearly polarized light (linearly polarized light in the X-axis direction) and the light of the second linearly polarized light (linearly polarized light in the Y-axis direction) are The light is transmitted through a separation distance LSY .
  • the two lights transmitted through the first optical low-pass filter 10 are incident on the second optical low-pass filter 30 as the first linearly polarized light and the second linearly polarized light, respectively.
  • the position and polarization state of light on the emission surface of the first optical low-pass filter 10 correspond to those shown in FIG. 6A.
  • FIG. 16A shows the positions 130a, 130b, 130c and 130d of light on the exit surface of the second optical low-pass filter 30 and the polarization state when a voltage is applied. This is the separation of the light of the optical low-pass filter 130. It corresponds to the one indicating the state.
  • the first linearly polarized light transmitted through the first optical low-pass filter 10 is separated by the second optical low-pass filter 30, and is emitted from the respective positions 130a and 130b. It corresponds to the same interval as SX .
  • the second linearly polarized light transmitted through the first optical low-pass filter 10 is separated by the second optical low-pass filter 30 and emitted from the respective positions 130c and 130d, and the distance between them is also the separation distance L SX.
  • the optical low-pass filter 130 according to the present embodiment can be separated into four points of light without disposing a polarization conversion element.
  • the first optical low-pass filter 10 the voltage at the time of non-application, as in the first embodiment, and separated by a large separation distance L MY than when a voltage is applied, the first linear polarized light and the second linear Separates polarized light.
  • the position and polarization state of light on the emission surface of the first optical low-pass filter 10 correspond to those shown in FIG. 6B.
  • FIG. 16B shows the positions 130e, 130f, 130g, and 130h of light on the exit surface of the second optical low-pass filter 30 and the polarization state when no voltage is applied. Corresponds to the separation state.
  • the first linearly polarized light transmitted through the first optical low-pass filter 10 is separated by the second optical low-pass filter 30, and is emitted from the respective positions 130e and 130f. It corresponds to the same interval as MX .
  • the second linearly polarized light transmitted through the first optical low-pass filter 10 is separated by the second optical low-pass filter 30 and emitted from the respective positions 130g and 130h, and the distance between them is also the separation distance L MX.
  • the optical low-pass filter 130 according to the present embodiment can be separated into four points of light without disposing a polarization conversion element.
  • the optical low-pass filter according to the present embodiment in which no polarization conversion element is disposed has been described based on the configuration of the second embodiment, but is not limited thereto. That is, if the separation direction of the first optical low-pass filter and the separation direction of the second optical low-pass filter are not parallel or orthogonal, that is, if they are arranged so that they intersect at a non-orthogonal angle, the third implementation is performed. Any one of the separation distances may be fixed based on the configuration of the form. Furthermore, it may be based on the configuration of the optical low-pass filter 120 which is the configuration of the fifth embodiment.
  • Example 1 the optical low-pass filter 10 according to the first embodiment will be described.
  • a quartz glass substrate is used as the transparent substrates 21a and 21b, and an ITO film is formed as the transparent electrodes 22a and 22b on one surface of each quartz glass substrate.
  • a polyimide film formed by applying and curing polyimide is rubbed in a certain direction to form alignment films 23a and 23b.
  • the alignment film 23a and the alignment film 23b are opposed to each other, and the alignment directions of the alignment films are arranged so as to be orthogonal to each other, and the periphery is sealed so as to have a gap of about 7 ⁇ m.
  • the polarization controller 20 has a liquid crystal layer 24 in which the major axis direction of the liquid crystal molecules is twisted by 90 ° about the thickness direction when no voltage is applied. A liquid crystal element corresponding to is obtained.
  • quartz having an extraordinary refractive index axis inclined by 45 ° with respect to the thickness direction is used as the first separation element 11 and the second separation element 12.
  • the quartz crystal used as the first separation element 11 has a thickness of about 2.05 mm
  • the quartz crystal used as the second separation element 12 has a thickness of about 1.11 mm.
  • the first separation element 11 is arranged on the transparent substrate 21a side so that the extraordinary refractive index axis is inclined 45 ° in the + Y-axis direction on the YZ plane with the thickness as the Z-axis direction.
  • the two separation elements 12 are arranged on the transparent substrate 21b side so that the extraordinary refractive index axis is inclined by 45 ° in the ⁇ Y-axis direction on the YZ plane, thereby obtaining the optical low-pass filter 10.
  • Quartz has an ordinary light refractive index of 1.546 and an extraordinary light refractive index of 1.555 for light having a wavelength of 546 nm.
  • the separation distance L 1 in the first separation element 11 is about 12.0 ⁇ m
  • the separation distance L 2 in the second separation element 12 is about 6.5 ⁇ m.
  • an optical low-pass filter 50 according to the second embodiment will be described.
  • the first optical low-pass filter 10 and the second optical low-pass filter 30 are the same as the optical low-pass filter 10 of the first embodiment.
  • the polarization conversion element 51 a birefringent material that generates a phase difference substantially equal to that of the quarter-wave plate for light having a wavelength in the visible light region is used.
  • the polarization conversion element 51 an element whose optical axis is parallel to the surface of the polarization conversion element 51 and aligned in the thickness direction is used.
  • the first optical low-pass filter 10, the polarization conversion element 51, and the second optical low-pass filter 30 are arranged in this order with the thickness direction aligned in the Z-axis direction.
  • the first optical low-pass filter 10 is disposed so as to correspond to a position rotated by 90 ° with the Z-axis direction as the rotation axis.
  • the first optical low-pass filter 10 separates light in the Y-axis direction
  • the second optical low-pass filter 30 separates light in the X-axis direction.
  • the polarization conversion element 51 is arranged such that its optical axis is at an angle of 45 ° with respect to the X-axis direction (or Y-axis direction) in the XY plane.
  • Example 3 an optical low-pass filter 60 according to the third embodiment will be described.
  • the first optical low-pass filter 10 is the same as the optical low-pass filter 10 of the first embodiment. Further, the same polarization conversion element 51 as that of the second embodiment is used.
  • the second optical low-pass filter 62 uses a crystal having a thickness of about 0.94 mm and an extraordinary refractive index axis inclined by 45 ° with respect to the thickness direction.
  • the first optical low-pass filter 10, the polarization conversion element 51, and the second optical low-pass filter 62 are arranged in this order with the thickness direction aligned in the Z-axis direction.
  • the second optical low-pass filter 62 is arranged so that the extraordinary light refractive index axis is inclined by 45 ° in the + X-axis direction, and the polarization conversion element 51 has an optical axis in the X-axis direction (or Y-axis) on the XY plane. It is arranged so as to have an angle of 45 ° with respect to (direction).
  • Example 4 an optical low-pass filter 70 according to the fourth embodiment will be described.
  • the liquid crystal element corresponding to the polarization controller 20 is the same as that in the first embodiment.
  • As the first separation element 71 and the second separation element 72 a crystal whose extraordinary refractive index axis is inclined by 45 ° with respect to the thickness direction is used. Both the quartz crystal that becomes the first separation element 71 and the quartz crystal that becomes the second separation element 72 have a thickness of about 0.46 mm.
  • the first separation element 71 is arranged on the transparent substrate 21a side so that the extraordinary refractive index axis is inclined by 45 ° in the + Y-axis direction on the YZ plane with the thickness as the Z-axis direction.
  • the second separation element 72 is arranged on the transparent substrate 21b side so that the extraordinary refractive index axis is inclined by 45 ° in the ⁇ Y-axis direction on the YZ plane, whereby the optical low-pass filter 70 is obtained.
  • Quartz has an ordinary light refractive index of 1.546 and an extraordinary light refractive index of 1.555 for light having a wavelength of 546 nm.
  • the separation distance L 2 in the separation distance L 1 and the second separation element 72 in the first separation element 71 is approximately 2.7 .mu.m.
  • this optical low-pass filter By placing this optical low-pass filter in front of the image sensor of the digital camera, for example, when shooting an image without moire or false color, a voltage is applied and when shooting an image with moire or false color. By not applying a voltage, it is possible to take an image in which moire and false colors are reduced.
  • Example 5 an optical low-pass filter 80 according to the fifth embodiment will be described.
  • the liquid crystal elements corresponding to the first polarization control unit 91 and the second polarization control unit 92 are the same as the liquid crystal elements of the polarization control unit 20 of the first embodiment.
  • As the first separation element 81, the second separation element 82, and the third separation element 83 a crystal whose extraordinary refractive index axis is inclined by 45 ° with respect to the thickness direction is used.
  • the quartz crystal serving as the first separation element 81 is about 1.58 mm thick
  • the quartz crystal serving as the second separation element 82 is about 1.11 mm thick
  • the quartz crystal serving as the third separation element 83 is thick.
  • the thickness is about 0.47 mm.
  • the first separation element 81, the second separation element 82, and the third separation element 83 all have an extraordinary refractive index axis of 45 in the + Y-axis direction on the YZ plane with the thickness as the Z-axis direction.
  • the optical low-pass filter 80 is obtained by arranging it so as to be inclined. Quartz has an ordinary light refractive index of 1.546 and an extraordinary light refractive index of 1.555 for light having a wavelength of 546 nm.
  • the separation distance L A in the first separation element 81 is about 9.25 ⁇ m
  • the separation distance L B in the second separation element 82 is about 6.50 ⁇ m
  • separation distance L C is about 2.75.
  • the separation distance is about 5.5 ⁇ m.
  • the voltage controller 93 does not apply a voltage to the liquid crystal layer of the first polarization controller 91 and a rectangular AC wave of about 10 V is applied to the liquid crystal layer of the second polarization controller 92, the first linearly polarized light is applied.
  • the separation distance in the Y-axis direction between this light and the second linearly polarized light is about 0 ⁇ m.
  • this optical low-pass filter in front of the image sensor of the digital camera, for example, when shooting a still image without moire or false color, when shooting a still image with moire or false color, and When shooting moving images with moiré or false colors, you can switch to and shoot images.
  • the optical low-pass filter according to the present invention can accurately switch the separation distance between two values or three values including zero, has no mechanical movable part, and can be downsized.
  • Digital cameras and digital single-lens reflex cameras using this optical low-pass filter can shoot both still images and moving images, and can appropriately reduce the moire phenomenon according to these shooting modes, as well as mechanically movable parts. And miniaturization can be realized with high accuracy.

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Abstract

　入射する光に対して、機械的機構がなく、２値以上の所望の分離距離に切り替えが可能な光学ローパスフィルタおよびデジタルカメラを実現する。　入射する光に対して互いに直交する第１の偏光の光と第２の偏光をと、に分離するとともに、分離方向が同じで分離距離が互いに異なる第１の分離素子１１と、第２の分離素子１２と、これらの分離素子の間に、印加する電圧の大きさを電圧制御部１３で調整することによって入射する光の偏光状態を変えるかまたは変えずに透過させる偏光制御部２０と、を有する光学ローパスフィルタを備え、第１の分離素子１１で分離距離Ｌ１、第２の分離素子１２で分離距離Ｌ２を有し、電圧制御部１３の電圧によって、Ｌ１＋Ｌ２と｜Ｌ１－Ｌ２｜の２値の分離距離を得る。また、デジタルカメラに適用することによって、静止画および動画において発生するモアレや偽色を適切に低減する。

Description

光学ローパスフィルタおよびデジタルカメラ
　本発明は、光学ローパスフィルタおよびデジタルカメラに関するものであり、ＣＣＤ、ＣＭＯＳ等の固体撮像素子を備えたデジタルカメラ、とくに、動画像と静止画像とが撮影可能なデジタルカメラに関する。
　ビデオカメラ、デジタルカメラなどの撮像機器に使用されるＣＣＤおよびＣＭＯＳなどのイメージセンサは、外部信号として入る光の明暗の量を電荷の量に変換する、いわゆる光電変換をし、その電気信号を順次処理することによってデジタル画像を生成する。このようなイメージセンサは、入射する光の画素ピッチよりも細かい空間周波数を有する画像に対してサンプリングによる歪みが生じ、本来の画像と異なる模様（モアレ）や偽色が発生することが知られている。
　このようなモアレや偽色を防止するため、撮像機器は、光学ローパスフィルタ（ＯＬＰＦ：Optical Low Pass Filter）を付随させて構成される。具体的なＯＬＰＦは、水晶などの複屈折板を有し、入射する２次元画像を水平方向または／および垂直方向に僅かな距離だけ分離することによって、イメージセンサ（撮像素子）に入射する画素ピッチの周波数（サンプリング周波数）付近をカットする機能を有し、モアレや偽色の現象を生じさせない工夫が施されている。
　このようなＯＬＰＦは、撮像に必要な画素ピッチに合わせて、入射する２次元画像を特定の距離だけ分離させるが、静止画と動画との間で、撮像に必要な画素数が異なることから、分離させる適切な距離がそれぞれ異なる。そのため、静止画および動画、これら両方に対応させるためには、分離する距離（以下、「分離距離」という。）を適切に制御することが要求される。とくに、静止画だけでなく動画も撮影できる、デジタルカメラ、デジタル一眼レフカメラについては、静止画および動画ともに、高精度の画質が要求される。デジタル一眼レフカメラにおいて、例えば、静止画では、１０００万画素以上の画質であるのに対し、動画では、フルＨＤ（ＨＤ：High Definition）対応であっても約２００万画素と大きく異なるため、これらのモードに対し、適切なモアレや偽色の現象の低減が要求される。
　そこで、静止画と動画との間で、分離距離を適宜変化させるために、カメラの光路中に、分離距離が異なる、静止画用のＯＬＰＦ素子と動画用のＯＬＰＦ素子とを入れ換えることによって、適切にモアレを解消する光学的ローパスフィルタが報告されている（特許文献１）。
日本国特許第４３０６０２２号公報
　しかしながら、特許文献１の光学的ローパスフィルタは、静止画対応のＯＬＰＦ素子と動画対応のＯＬＰＦ素子の２種類を備える必要がある。そのため、光路中にいずれか一方のＯＬＰＦ素子を出し入れする機械的機構を備える必要があり、また、光学的ローパスフィルタそのもののスペースが要求されるため、高い信頼性を得ることが困難であるとともに、小型化が実現できないという問題があった。
　本発明は、以上の点を鑑みてなされたものであって、第１の分離素子と、偏光制御部と、第２の分離素子と、前記偏光制御部に印加する電圧を制御する電圧制御部とを備え、前記第１の分離素子は、入射する光のうち、第１の直線偏光の光と、前記第１の直線偏光の光と直交する第２の直線偏光の光と、に分離距離Ｌ１（＞０）だけ隔て、前記偏光制御部は、前記電圧制御部の印加電圧により、入射する前記第１の直線偏光の光および前記第２の直線偏光の光の偏光状態を変えないかまたは、入射する前記第１の直線偏光の光を前記第２の直線偏光の光に変調するとともに、入射する前記第２の直線偏光の光を前記第１の直線偏光の光に変調し、前記第２の分離素子は、入射する光のうち、前記第１の直線偏光の光と、前記第２の直線偏光の光と、に分離距離Ｌ２（＞０）だけ、前記分離距離Ｌ１の分離方向と平行方向に隔てる光学ローパスフィルタを提供する。
　また、前記分離距離Ｌ１と前記分離距離Ｌ２との比が、１．３～３の範囲であり、前記電圧制御部の印加電圧により、前記第２の分離素子を出射する、前記第１の直線偏光の光と前記第２の直線偏光の光との分離距離が、Ｌ１＋Ｌ２に相当するＬＭと、｜Ｌ１－Ｌ２｜に相当するＬＳと、を与えたとき、ＬＭ＞ＬＳであるとともに、１０μｍ≦ＬＭ≦３２μｍであり、かつ、２μｍ≦ＬＳ≦１０μｍである上記の光学ローパスフィルタを提供する。
　また、前記分離距離Ｌ１と前記分離距離Ｌ２とが等しい上記の光学ローパスフィルタを提供する。
　また、前記偏光制御部は、液晶層を有する液晶素子からなる上記の光学ローパスフィルタを提供する。
　また、前記第１の分離素子は、厚さｄ１、厚さ方向と異常光屈折率軸方向とがなす角度がθ１となり、常光屈折率ｎｏ１、異常光屈折率ｎｅ１を有する複屈折性材料からなり、前記分離距離Ｌ１が下記の（１）式で与えられ、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
　前記第２の分離素子は、厚さｄ２、厚さ方向と異常光屈折率軸方向とがなす角度がθ２となり、常光屈折率ｎｏ２、異常光屈折率ｎｅ２を有する複屈折性材料からなり、前記分離距離Ｌ２が下記の（２）式で与えられる、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
　上記の光学ローパスフィルタを提供する。
　また、前記液晶素子は、電圧非印加時において、前記液晶層の液晶分子が、前記液晶層の面内に略平行でかつ、対向する面の液晶分子の長軸方向が略直交する方向に配向され、厚さ方向を軸に約９０°ツイストされており、前記第１の分離素子の厚さ方向を基準として前記θ１となる方向をプラスとするとき、前記第２の分離素子は、前記θ２の符号がマイナスとなる方向に配置される上記の光学ローパスフィルタを提供する。
　また、前記液晶層が、前記第１の分離素子および／または前記第２の分離素子によって挟持、一体化される上記の光学ローパスフィルタを提供する。
　また、前記光学ローパスフィルタは、前記第１の分離素子と、前記偏光制御部である第１の偏光制御部と、前記第２の分離素子と、を有する第１の光学ローパスフィルタと、
　偏光変換素子と、第２の光学ローパスフィルタと、を有し、前記偏光変換素子は、入射する前記第１の直線偏光の光および前記第２の直線偏光の光、をそれぞれ、前記第１の直線偏光の光の成分と前記第２の直線偏光の光の成分との比が３：７～７：３の割合の範囲となる光に変調し、前記第２の光学ローパスフィルタは、前記第１の直線偏光の光と、前記第２の直線偏光の光とを、前記分離距離Ｌ１および前記分離距離Ｌ２の方向と交差する方向に分離する上記の光学ローパスフィルタを提供する。
　また、前記光学ローパスフィルタは、前記第１の分離素子と、前記偏光制御部である第１の偏光制御部と、前記第２の分離素子と、を有する第１の光学ローパスフィルタと、
　第２の光学ローパスフィルタと、を有し、前記第２の光学ローパスフィルタは、前記第１の直線偏光の光と、前記第２の直線偏光の光とを、前記分離距離Ｌ１および前記分離距離Ｌ２の方向と直交しない角度で交差する方向に分離する上記の光学ローパスフィルタを提供する。
　また、前記第２の光学ローパスフィルタは、第３の分離素子と、第２の偏光制御部と、第４の分離素子とを有し、前記第３の分離素子は、前記第１の直線偏光の光と、前記第２の直線偏光の光とを、前記分離距離Ｌ１および前記分離距離Ｌ２の方向と交差する方向に分離距離Ｌ３（＞０）だけ隔て、前記第２の偏光制御部は、前記電圧制御部の印加電圧により、入射する前記第１の直線偏光の光および前記第２の直線偏光の光の偏光状態を変えないかまたは、入射する前記第１の直線偏光の光を前記第２の直線偏光の光に変調するとともに、入射する前記第２の直線偏光の光を前記第１の直線偏光の光に変調し、前記第４の分離素子は、入射する光のうち、前記第１の直線偏光の光と、前記第２の直線偏光の光と、に分離距離Ｌ４（＞０）だけ、前記分離距離Ｌ３の分離方向と平行方向に隔てる上記の光学ローパスフィルタを提供する。
　また、前記分離距離Ｌ３と前記分離距離Ｌ４との比が、１．３～３の範囲であり、前記電圧制御部の印加電圧により、前記第４の分離素子を出射する、前記第１の直線偏光の光と前記第２の直線偏光の光との分離距離が、Ｌ３＋Ｌ４に相当するＬＭＸと、｜Ｌ３－Ｌ４｜に相当するＬＳＸと、を与えたとき、ＬＭＸ＞ＬＳＸであるとともに、１０μｍ≦ＬＭＸ≦３２μｍであり、かつ、２μｍ≦ＬＳＸ≦１０μｍである上記の光学ローパスフィルタを提供する。
　また、前記分離距離Ｌ３と前記分離距離Ｌ４とが等しい上記の光学ローパスフィルタを提供する。
　また、記第２の偏光制御部は、液晶層を有する液晶素子からなる上記の光学ローパスフィルタを提供する。
　また、前記第３の分離素子は、厚さｄ３、厚さ方向と異常光屈折率軸方向とがなす角度がθ３となり、常光屈折率ｎｏ３、異常光屈折率ｎｅ３を有する複屈折性材料からなり、前記分離距離Ｌ３が下記の（３）式で与えられ、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000010
　前記第４の分離素子は、厚さｄ４、厚さ方向と異常光屈折率軸方向とがなす角度がθ４となり、常光屈折率ｎｏ４、異常光屈折率ｎｅ４を有する複屈折性材料からなり、前記分離距離Ｌ４が下記の（４）式で与えられる、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000011
　上記の光学ローパスフィルタを提供する。
　前記第２の偏光制御部の液晶素子は、電圧非印加時において、前記第２の偏光制御部の液晶層の液晶分子が、前記第２の偏光制御部の液晶層の面内に略平行でかつ、対向する面の液晶分子の長軸方向が略直交する方向に配向され、厚さ方向を軸に約９０°ツイストされており、前記第３の分離素子の厚さ方向を基準として前記θ３となる方向をプラスとするとき、前記第４の分離素子は、前記θ４の符号がマイナスとなる方向に配置される上記の光学ローパスフィルタを提供する。
　また、前記第２の偏光制御部の液晶層が、前記第３の分離素子および／または前記第４の分離素子によって挟持、一体化される上記の光学ローパスフィルタを提供する。
　また、前記第２の光学ローパスフィルタは、第３の分離素子からなり、前記第３の分離素子は、前記第１の直線偏光の光と、前記第２の直線偏光の光とを、前記分離距離Ｌ１および前記分離距離Ｌ２の分離方向と交差する方向に分離距離ＬＦＸだけ隔てる上記の光学ローパスフィルタを提供する。
　また、第１の分離素子と、第１の偏光制御部と、第２の分離素子と、第２の偏光制御部と、第３の分離素子と、前記第１の偏光制御部および前記第２の偏光制御部に印加する電圧を制御する電圧制御部とを備え、前記第１の分離素子は、入射する光のうち、第１の直線偏光の光と、前記第１の直線偏光の光と直交する第２の直線偏光の光と、に分離距離ＬＡ（＞０）だけ隔て、前記第１の偏光制御部および前記第２の偏光制御部は、前記電圧制御部の印加電圧により、入射する前記第１の直線偏光の光および前記第２の直線偏光の光の偏光状態を変えないかまたは、入射する前記第１の直線偏光の光を前記第２の直線偏光の光に変調するとともに、入射する前記第２の直線偏光の光を前記第１の直線偏光の光に変調し、前記第２の分離素子は、入射する光のうち、前記第１の直線偏光の光と、前記第２の直線偏光の光と、に分離距離ＬＢ（＞０）だけ、前記分離距離Ｌ１の分離方向と平行方向に隔て、前記第３の分離素子は、入射する光のうち、前記第１の直線偏光の光と、前記第２の直線偏光の光と、に分離距離ＬＣ（＞０）だけ、前記分離距離Ｌ１の分離方向と平行方向に隔て（ＬＡ≠ＬＢ≠ＬＣ）、前記分離距離ＬＡと前記分離距離ＬＢと前記分離距離ＬＣのうち、いずれか１つは、残り２つの和の値に等しく、前記第３の分離素子を出射する光の分離距離が、０を含む少なくとも３つの値に前記電圧制御部によって制御する光学ローパスフィルタを提供する。
　また、前記第１の偏光制御部および前記第２の偏光制御部は、液晶層を有する液晶素子からなる上記の光学ローパスフィルタを提供する。
　また、前記第１の分離素子は、厚さｄＡ、厚さ方向と異常光屈折率軸方向とがなす角度がθＡとなり、常光屈折率ｎｏＡ、異常光屈折率ｎｅＡを有する複屈折性材料からなり、前記分離距離ＬＡが下記の（５）式で与えられ、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000012
　前記第２の分離素子は、厚さｄＢ、厚さ方向と異常光屈折率軸方向とがなす角度がθＢとなり、常光屈折率ｎｏＢ、異常光屈折率ｎｅＢを有する複屈折性材料からなり、前記分離距離ＬＢが下記の（６）式で与えられ、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000013
　前記第３の分離素子は、厚さｄＣ、厚さ方向と異常光屈折率軸方向とがなす角度がθＣとなり、常光屈折率ｎｏＣ、異常光屈折率ｎｅＣを有する複屈折性材料からなり、前記分離距離ＬＣが下記の（７）式で与えられる、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000014
　上記の光学ローパスフィルタを提供する。
　また、前記第１の偏光制御部の液晶層が、前記第１の分離素子および前記第２の分離素子の少なくとも一方に一体化され、前記第２の偏光制御部の液晶層が、前記第２の分離素子および前記第３の分離素子の少なくとも一方に一体化される上記の光学ローパスフィルタを提供する。
　また、上記の光学ローパスフィルタと、イメージセンサとを備えるデジタルカメラを提供する。
　さらに、上記の光学ローパスフィルタと、イメージセンサとを備え、静止画を撮像するときは前記分離距離をＬＳとし、動画を撮像するときは前記分離距離をＬＭとするデジタルカメラを提供する。
　本発明は、分離距離を精度よく２つの値または、ゼロを含む３つの値で切り替えができるとともに、機械的可動部が無く、小型化が実現できる光学ローパスフィルタを提供できるとともに、静止画に加えて動画も撮影できるデジタルカメラ、デジタル一眼レフカメラについて、静止画、動画いずれも適切にモアレや偽色の現象を低減させることができるものである。
光学ローパスフィルタの例を示す模式図（第１の実施形態） 光学ローパスフィルタの他の例を示す模式図（第１の実施形態） 光学ローパスフィルタに入射して、分離する光の光路および偏光状態を示す模式図（電圧印加時） 光学ローパスフィルタに入射して、分離する光の光路および偏光状態を示す模式図（電圧非印加時） 光学ローパスフィルタの例を示す模式図（第２の実施形態） 第２の光学ローパスフィルタの例を示す断面図 光学ローパスフィルタに入射して、分離する光の光路および偏光状態を示す模式図（電圧印加時） 第１の光学ローパスフィルタを出射する光の位置および偏光状態を示す模式図（電圧印加時） 第２の光学ローパスフィルタを出射する光の位置および偏光状態を示す模式図（電圧印加時） 第１の光学ローパスフィルタを出射する光の位置および偏光状態を示す模式図（電圧印加時） 第２の光学ローパスフィルタを出射する光の位置および偏光状態を示す模式図（電圧印加時） 第１の光学ローパスフィルタを出射する光の位置および偏光状態を示す模式図（電圧非印加時） 第２の光学ローパスフィルタを出射する光の位置および偏光状態を示す模式図（電圧非印加時） 光学ローパスフィルタの例を示す模式図（第３の実施形態） 光学ローパスフィルタに入射して、分離する光の光路および偏光状態を示す模式図（電圧印加時） 第１の光学ローパスフィルタを出射する光の位置および偏光状態を示す模式図（電圧印加時） 第２の光学ローパスフィルタを出射する光の位置および偏光状態を示す模式図（電圧印加時） 第１の光学ローパスフィルタを出射する光の位置および偏光状態を示す模式図（電圧印加時） 第２の光学ローパスフィルタを出射する光の位置および偏光状態を示す模式図（電圧印加時） 第１の光学ローパスフィルタを出射する光の位置および偏光状態を示す模式図（電圧非印加時） 第２の光学ローパスフィルタを出射する光の位置および偏光状態を示す模式図（電圧非印加時） 光学ローパスフィルタに入射して、分離する光の光路および偏光状態を示す模式図（電圧印加時） 光学ローパスフィルタに入射して、分離する光の光路および偏光状態を示す模式図（電圧非印加時） 光学ローパスフィルタに入射して、分離する光の光路および偏光状態を示す模式図（第１の偏光制御部、第２の偏光制御部いずれも電圧印加時） 光学ローパスフィルタに入射して、分離する光の光路および偏光状態を示す模式図（第１の偏光制御部、第２の偏光制御部いずれも電圧非印加時） 光学ローパスフィルタに入射して、分離する光の光路および偏光状態を示す模式図（第１の偏光制御部が非電圧印加時、第２の偏光制御部が電圧印加時） 第５の実施形態に係る他の光学ローパスフィルタの構成および光学特性の例を示す模式図。 光学ローパスフィルタの例を示す模式図（第６の実施形態） 第２の光学ローパスフィルタを出射する光の位置および偏光状態を示す模式図（電圧印加時） 第２の光学ローパスフィルタを出射する光の位置および偏光状態を示す模式図（電圧非印加時）
　（第１の実施形態）
  図１Ａ、図１Ｂは、本実施形態に係る光学ローパスフィルタの構成例を示す概念図である。具体的に、図１Ａの光学ローパスフィルタ１０は、第１の分離素子１１、偏光制御部２０、第２の分離素子１２を有し、外部からの光はこの順（Ｚ方向）に入射するものとする。そして、光学ローパスフィルタ１０は、後述するが、互いに直交する、第１の（直線）偏光の光と第２の（直線）偏光の光と、を分離する。また、第１の分離素子１１、第２の分離素子１２による光の分離方向は、平行し、ここでは、紙面に平行なＹ方向として説明するが、Ｘ方向であってもよい。
　偏光制御部２０は、電圧制御部１３より印加する電圧の大きさによって、入射する光の偏光状態を変えずに出射するかまたは、偏光状態を変えて出射する光変調機能を有するものである。偏光制御部２０には、例えば、印加する電圧により液晶分子の配向状態が変化する液晶素子が用いられる。図１Ａは、偏光制御部２０を液晶素子とする例であり、一対の透明基板として、透明基板２１ａ、２１ｂのそれぞれ対向する面に、透明電極２２ａ、２２ｂ、配向膜２３ａ、２３ｂを有し、液晶層２４が挟持される。そして、透明電極２２ａ、２２ｂを介して液晶層２４に電圧を印加する電圧制御部１３を備える。
　透明基板２１ａ、２１ｂは、入射する光に対して透明であれば、樹脂板、樹脂フィルムなど種々の材料を用いることができるが、ガラスや石英ガラスなどの光学的等方性材料を用いると、透過光に複屈折性の影響を与えないため好ましい。また、透明基板２１ａ、２１ｂなどは、例えば、空気との界面に、多層膜による反射防止膜を備えると、フレネル反射による光反射損失を低減できる。また、透明電極２２ａ、２２ｂは、例えば、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）、ＡＺＯ（Aluminum Zinc Oxide）、ＧＺＯ（Gallium Zinc Oxide）等の酸化物である透明導電膜を用いると、高い透明性、導電性が得られるので好ましい。
　偏光制御部２０は、液晶層２４の液晶分子を配向する配向膜２３ａ、２３ｂが施されており、また、透明電極２２ａと配向膜２３ａとの間、透明電極２２ｂと配向膜２３ｂとの間には、透明な誘電体材料からなる図示しない絶縁膜を有してもよい。配向膜２３ａ、２３ｂとしては、ポリイミド等の樹脂膜をラビング処理して形成されるもの、酸化シリコン等の無機物材料を斜方蒸着して形成される斜方蒸着膜、有機物の膜に紫外線等を照射して配向能を発生させる光配向膜等を用いることができる。そして、絶縁膜としては、例えば、ＳｉＯ２、ＳｉＯＮ等が用いられる。また、光学ローパスフィルタ１０は、第１の分離素子１１および／または第２の分離素子１２と、透明基板２１ａおよび／または透明基板２１ｂとが、それぞれ、一体化されてもよい。なお、偏光制御部２０が液晶素子である場合の詳細な構成について説明したが、これに限らず、偏光制御部２０が電気光学結晶であるＬｉＮｂＯ３等の無機物結晶を用いて、電圧制御部１３により印加する電圧によって透過する光の偏光状態を制御するものであってもよく、以降の各実施形態においても、同様に用いることができる。
　図１Ｂは、光学ローパスフィルタ１５の構成を示すものであり、光学ローパスフィルタ１０と同じ部位には、同じ符号を付する。光学ローパスフィルタ１５は、第１の分離素子１１および第２の分離素子１２が、光学ローパスフィルタ１０の透明基板２１ａ、２１ｂの機能、つまり、液晶層２４を挟持する機能も含む構成であって、これによって小型化が実現できる。この場合、偏光制御部２５は、光学ローパスフィルタ１０のうち、偏光制御部２０の透明基板２１ａおよび透明基板２１ｂを除く部分で構成される。なお、図示しないが、第１の分離素子１１と第２の分離素子１２のうちいずれか一方が、透明基板２１ａまたは透明基板２１ｂの機能を含む構成であってもよい。
　また、光学ローパスフィルタは、後述するように様々な機能を含めると素子の厚さが大きくなるので、できるだけ薄い方が好ましい。例えば、デジタル一眼レフカメラに光学ローパスフィルタを用いる場合、厚さが５ｍｍ以下であればよく、３ｍｍ以下であれば好ましく、２ｍｍ以下であればより好ましい。また、スペースの点からＣＭＯＳおよびＣＣＤなどのイメージセンサに用いられるカバーガラスとして光学ローパスフィルタを用いてもよく、イメージセンサに入射する赤外線を遮断する目的の赤外線吸収フィルターと一体化されていてもよい。
　第１の分離素子１１、第２の分離素子１２は、例えば、複屈折性材料から構成され、この場合、厚さ（Ｚ軸）方向に対して斜め方向に異常光屈折率軸を有する。また、第１の分離素子１１、第２の分離素子１２を構成する材料としては、結晶材料として、水晶、イットリウム・オルトバナデート（ＹＶＯ４）結晶、方解石（カルサイト：ＣａＣＯ３）やルチル（ＴｉＯ２）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）などが挙げられる。また、樹脂材料であれば、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリアミド、ポリエーテルイミド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトン、ポリケトンサルファイド、ポリエーテルスルフォン、ポリスルフォン、ポリフェニレンサルファイド、ポリフェニレンオキサイド、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリアセタール、ポリカーボネート、ポリアリレート、アクリル樹脂、ポリビニルアルコール、ポリプロピレン、セルロース系プラスチックス、ポリオレフィンなどが挙げられる。また、複屈折性が得られる高分子液晶を含む液晶材料であってもよく、以降の各実施形態においても、同様に用いることができる。
　また、第１の分離素子１１、第２の分離素子１２は、厚さ方向に対して斜め方向に異常光屈折率軸を有する複屈折性材料から構成されるものに限らない。例えば、第１の偏光の光と直交する第２の偏光の光に対して屈折する角度が異なっていてもよく、入射する光のうち第１の偏光の光に対して、厚さ方向に直交する面内屈折率が一様になっているとともに、第１の偏光と直交する第２の偏光の光に対して、厚さ方向に直交する面内屈折率の分布が傾斜を有する材料を用いたり、このような特性を与える構成をなしたりすることによって、一方の偏光の光を屈折させる分離素子であってもよい。また、面内屈折率分布の傾斜角および厚さを制御するために厚さ方向に直交する面内で傾斜角が一様になるように面内屈折率分布をブレーズ形状に分割してもよい。これらは、以降の各実施形態においても、同様に用いることができる。
　さらに、第１の偏光の光に対して回折せずに直進透過し、第２の偏光の光に対して回折する偏光性回折格子からなる分離素子であってもよい。偏光性回折格子としては、例えば、断面が周期的凹凸を有する回折格子の凸部に相当する材料として常光屈折率ｎ１、異常光屈折率ｎ２（ｎ１≠ｎ２）となる複屈折性材料、そして凹凸を充填するように、凹部には屈折率ｎｓの等方性材料を有し、例えば、ｎ１とｎｓとを略等しくすることで、常光屈折率の偏光の光を透過させ、異常光屈折率の偏光の光を回折させることができる。また、この場合、回折効率を高くするために、回折格子の断面形状がブレーズ形状またはブレーズ形状を階段状に近似した擬似ブレーズ形状あるとよい。なお、以下、第１の分離素子１１、第２の分離素子１２は、斜め方向に異常光屈折率軸を有する複屈折性材料から構成されるものとして説明する。
　図１Ａの光学ローパスフィルタ１０において、第１の分離素子１１の厚さをｄ１、常光屈折率をｎｏ１、異常光屈折率をｎｅ１、異常光屈折率軸１１ａと入射する光が進行する方向（第１の分離素子１１の厚さ方向）であるＺ軸方向とがなす角度をθ１、とするとき、分離距離Ｌ１は、式（１）で表すことができる。なお、図１Ｂの光学ローパスフィルタ１５においても同じである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000015
      
  　 
　また、図１Ａにおいて、第２の分離素子１２の厚さをｄ２、常光屈折率をｎｏ２、異常光屈折率をｎｅ２、異常光屈折率軸１２ａと入射する光が進行する方向（第２の分離素子１２の厚さ方向）であるＺ軸方向とがなす角度をθ２、とするとき、分離距離Ｌ２は、式（２）で表すことができる。また、後述するが、本実施形態では、分離距離Ｌ１と分離距離Ｌ２とは互いに異なる値となるように設定される。なお、θ１とθ２は符号を有するものであって、ここでは、光が入射するＺ軸方向を基準に、＋Ｙ方向の傾斜をプラス、－Ｙ方向の傾斜をマイナスとして考える。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000016
      
  　 
　次に、偏光制御部２０、２５が液晶素子である場合について説明する。液晶層２４の液晶としては、ネマティック相液晶を用いることが好ましい。また、液晶分子の配向方向としては、液晶層２４に電圧が印加されていないとき、液晶分子の長軸方向が配向膜２３ａ、２３ｂ面に対して略平行となる水平配向（ホモジニアス配向）と、液晶分子の長軸方向が配向膜２３ａ、２３ｂ面に対して略垂直となる垂直配向（ホメオトロピック配向）と、の２つのモードがあるが、いずれのモードであってもよい。なお、水平配向の場合、正の誘電異方性（Δε＞０）を有する液晶材料を用い、垂直配向の場合、負の誘電異方性（Δε＜０）を有する液晶材料を用いるとよい。また、液晶層２４は特定の厚さを保持するため、液晶層２４内に、例えば、ＳｉＯ２などの無機物、樹脂などの有機物からなる球状のスペーサを用いてもよい。そして、電圧制御部１３は、液晶層２４に直流電圧、交流電圧を印加できるものであってもよいが、液晶の劣化を防ぐため、交流電圧が印加できることが好ましい。
　ここで、まず、液晶層２４の液晶分子が、電圧非印加時において水平配向となる場合について考える。このとき、液晶は、対向する配向膜２３ａ、２３ｂ面の液晶分子の長軸方向が略直交する方向に配向され、厚さ方向を軸に約９０°ツイストされた、ツイステッドネマティック（ＴＮ）液晶とする。そして、電圧制御部１３より一定値以上の電圧を印加すると（「電圧印加時」という。）、液晶分子の長軸方向が厚さ方向と平行に配向される。また、双安定状態を付与する液晶を用いることもでき、この場合、例えば、電圧を遮断した後でも液晶の配向状態を保持させて、省電力化を実現することもできる。
　一方、液晶層２４の液晶分子が電圧非印加時に垂直配向となる場合は、水平配向の場合と逆になるように動作する。つまり、電圧制御部１３より一定値以上の電圧を印加すると、液晶分子が配向膜２３ａ、２３ｂと平行方向に配向されるようになる。ここで、電圧印加時に、対向する配向膜２３ａ、２３ｂ面の液晶分子の長軸方向が略直交する方向とすることで、液晶層２４の液晶分子が厚さ方向を軸に約９０°ツイストして配向される。このように、電圧非印加状態の配向方向に応じて、電圧制御部１３より液晶層２４に印加する電圧の大きさを制御することによって、配向方向が異なる特性を有し、入射する光の偏光状態を変えて出射するかまたは、変えないまま出射させるか、制御することができる。
　次に、光学ローパスフィルタ１０の動作について説明する。図２Ａ、図２Ｂは、光学ローパスフィルタ１０に入射した光の経路および偏光状態を示す模式図であり、ここでは、電圧非印加時に液晶層２４の液晶分子が水平配向されているとともに液晶分子の長軸方向が厚さ方向を軸に９０°ツイストされているＴＮ液晶が用いられているものとして説明する。図２Ａは、電圧印加時における光の経路および偏光状態を示す模式図であって、このとき、液晶分子の長軸方向は、厚さ方向に揃っている。一方、図２Ｂは、電圧非印加時における光の経路および偏光状態を示す模式図であって、このとき、液晶分子の長軸方向は、水平配向されているとともに厚さ方向を軸に９０°ツイストしている。
　ここで、まず、図２Ａの電圧印加時について考える。Ｚ軸方向に沿って、第１の分離素子１１に入射するランダムな偏光の光は、Ｘ軸方向の直線偏光の光とＹ軸方向の直線偏光の光と、に分離する。分離距離は、上記の式（１）に基づいて決定する。なお、本明細書では、Ｘ軸方向の直線偏光の光を第１の直線偏光の光、Ｙ軸方向の直線偏光の光を第２の直線偏光の光、として表現することもある。具体的には、第１の分離素子１１により、Ｘ軸方向の直線偏光の光は直進透過し、Ｙ軸方向の直線偏光の光は進行方向が変えられるものとする。第１の分離素子１１を出射したＸ軸方向の直線偏光の光とＹ軸方向の直線偏光の光は、分離距離Ｌ１を隔てて偏光制御部２０に入射する。電圧印加時において、液晶分子の長軸方向は液晶層２４の厚さ方向に配向されているので、いずれの直線偏光の光とも偏光状態を変えずに偏光制御部２０を出射する。
　そして、偏光制御部２０を出射したＸ軸方向の直線偏光の光とＹ軸方向の直線偏光の光は、第２の分離素子１２に入射する。第２の分離素子１２では、Ｘ軸方向の直線偏光の光は直進透過し、Ｙ軸方向の直線偏光の光は、Ｘ軸方向の直線偏光の光路を基準にして、第１の分離素子１１で分離した＋Ｙ方向とは反対方向、つまり－Ｙ方向に進行方向が変えられて出射する。そのため、電圧印加時における光学ローパスフィルタ１０全体の分離距離としては、｜Ｌ１－Ｌ２｜となる（Ｌ１≠Ｌ２）。
　次に、図２Ｂの電圧非印加時について考える。第１の分離素子１１を出射するＸ軸方向の直線偏光の光とＹ軸方向の直線偏光の光の振る舞いは、電圧印加時と同じであるのでここでは説明を省略する。そして、第１の分離素子１１を出射したＸ軸方向の直線偏光の光とＹ軸方向の直線偏光の光は、分離距離Ｌ１を隔てて偏光制御部２０に入射するが、液晶分子は液晶層２４内で９０°ツイストするように配向されているので、Ｘ軸方向の直線偏光の光はＹ軸方向の直線偏光の光に変換（旋光）されるとともに、Ｙ軸方向の直線偏光の光はＸ軸方向の直線偏光の光に変換（旋光）される。そして、偏光制御部２０を出射したＸ軸方向の直線偏光の光とＹ軸方向の直線偏光の光は、第２の分離素子１２に入射するが、Ｘ軸方向の直線偏光の光は直進透過し、Ｙ軸方向の直線偏光の光は、進行方向が変えられて出射する。
　このように、電圧非印加時では、偏光制御部２０に入射した直線偏光の光がいずれも９０°回転して出射するので、図２Ｂに示す軌道を辿るように、第１の分離素子１１で分離した２つの光は、第２の分離素子１２でさらに遠ざけるように分離する。そのため、電圧非印加時における光学ローパスフィルタ１０全体の分離距離としては、Ｌ１＋Ｌ２、となる。したがって、電圧印加時と電圧非印加時において、分離距離を、｜Ｌ１－Ｌ２｜、Ｌ１＋Ｌ２、と切り替えることができ、これに合わせて、例えば、デジタルカメラ、デジタル一眼レフカメラの動画モード、静止画モードを切り替えるように設計するとよい。
　また、図２Ａ、図２Ｂは、電圧非印加時の液晶分子の長軸方向が、水平配向となる構成について説明した一例であるが、電圧非印加時において液晶分子が垂直配向をするものであってもよい。また、第１の分離素子１１の異常光屈折率軸１１ａの角度θ１、第２の分離素子１２の異常光屈折率軸１２ａの角度θ２の符号が互いに異なる例について説明したが、これに限らず、θ１とθ２とが互いに同じ符号であってもよい。このように、電圧印加時／電圧非印加時の液晶分子の配向状態と、符号を考慮したθ１、θ２と、を考慮して、例えば、デジタルカメラ、デジタル一眼レフカメラの動画モード、静止画モードを適切な分離距離｜Ｌ１－Ｌ２｜、Ｌ１＋Ｌ２、に合わせて切り替えられるように、Ｌ１とＬ２を設計するとよい。さらに、静止画モードでの使用頻度が多いデジタルカメラ、デジタル一眼レフカメラにおいては、電圧非印加時に静止画モードとなるように設計する方が省電力の面で好ましい。
　また、光学ローパスフィルタを用いるデジタルカメラ、デジタル一眼レフカメラ等は、第２の分離素子１２の後段には、図示しないＣＣＤなどのイメージセンサが配置されるが、図２Ａに基づく電圧印加時に、画素数が多い静止画モード、図２Ｂに基づく電圧非印加時に、画素数が比較的少ない動画モードとすることができる。また、図２Ｂにおいて、液晶層２４の液晶分子が９０°ツイストした配向方向である場合、入射する光のうち、Ｘ軸方向の直線偏光の光がＹ軸方向の直線偏光の光に、Ｙ軸方向の直線偏光の光がＸ軸方向の直線偏光の光に、１００％変換できない場合がある。つまり、図２Ｂの電圧非印加時において、偏光制御部２０にＸ方向の直線偏光の光が入射してＹ方向の偏光方向の光に１００％変換されず、僅かにα％（＞０）の成分だけＸ軸方向の直線偏光の光のまま透過する場合、このα％の成分だけ第２の分離素子１２を直進透過する。同様に、図２Ｂの電圧非印加時において、偏光制御部２０にＹ方向の直線偏光の光が入射してＸ方向の偏光方向の光に１００％変換されず、僅かにα％（＞０）の成分だけＹ軸方向の直線偏光の光のまま透過する場合、このα％の成分だけ第２の分離素子１２で－Ｙ方向に進行方向を変えて出射する。
　また、上記の説明のように、光学ローパスフィルタ１０で発生する分離距離、Ｌ１＋Ｌ２は、例えば、デジタルカメラ、デジタル一眼レフカメラの動画の画素の大きさ程度に相当し、｜Ｌ１－Ｌ２｜は、静止画の画素の大きさ程度に相当する。ここで、上記のα％の成分は、図２Ｂに基づく動画モード、つまり分離距離が、Ｌ１＋Ｌ２の場合において発生するが、このα％の成分の光は、分離距離、Ｌ１＋Ｌ２内、つまり１つの画素内に到達し、他の画素にノイズとなって到達しない。このように、液晶分子が９０°ツイスト配向されるときに、デジタルカメラ、デジタル一眼レフカメラが動画モードである大きな分離距離を得る光学ローパスフィルタの構成とすることで、ノイズ成分が発生してもモアレや偽色を十分に解消できるので、より好ましい。
　また、液晶層２４の液晶分子が電圧非印加時に垂直配向され、電圧印加時に９０°ツイスト配向（水平配向）される場合も、電圧印加時に、液晶層２４に入射する光を十分に偏光変換ができずにノイズ成分が発生する場合がある。この場合も、同様に、動画モードにおいて他の画素へノイズ成分が到達しないので好ましく、さらに、電圧非印加時において静止画モード、電圧印加時において動画モードとなるので、静止画モードでの使用頻度が多いデジタルカメラ、デジタル一眼レフカメラにおいては、省電力を実現することができる。
　次に、デジタルカメラのうち、とくに、デジタル一眼レフカメラの画素数に合わせた具体的な分離距離について説明する。デジタル一眼レフカメラは、静止画像について約１０００万画素～約３０００万画素に対応した光学ローパスフィルタ機能に加え、動画像についてフルＨＤ画像やＨＤ画像に対応した約１００万画素～約２００万画素に最適な光学ローパスフィルタ機能の切り替えにより、モアレや偽色を低減することが求められる。また、デジタル一眼レフカメラに用いられるＣＣＤ、ＣＭＯＳ等のイメージセンサ（撮像素子）の大きさは、フォーサーズサイズの約１７．３ｍｍ×１３．０ｍｍから、ＡＰＳ－Ｃサイズの約２３．４ｍｍ×１６．７ｍｍ、そして、３５ｍｍフィルムに相当する約３６ｍｍ×２４ｍｍのサイズ等が用いられる。
　これより、デジタル一眼レフカメラにおいて、静止画に適用する画素間隔としては、約２μｍ～約１０μｍ程度の範囲となり、一方、フルＨＤ画像やＨＤ画像の動画に適用する画素間隔としては、約１０～約３２μｍ程度の範囲となる。このように、分離距離が長くまた、広い範囲で可変できるように、第１の分離素子１１、第２の分離素子１２を設計する。ここで、静止画用の分離距離をＬＳ、動画用の分離距離をＬＭとするとき、ＬＭ＞ＬＳであるとともに、ＬＳが２～１０μｍ程度の分離距離を有し、ＬＭが１０～３２μｍの分離距離を有するとよい。
　また、本実施形態では、第１の分離素子１１により発生する分離距離Ｌ１と、第２の分離素子１２によって発生する分離距離Ｌ２は、異なっていれば大小関係に制限がない。つまり、Ｌ１＞Ｌ２であっても、Ｌ１＜Ｌ２であってもよい。また、Ｌ１とＬ２のうち、小さい方の分離距離を基準にしたとき、大きい方の分離距離が１．３～３の範囲であるように、式（１）および式（２）を調整することが好ましい。なお、第１の分離素子１１と第２の分離素子１２が同じ材料、異常光屈折率軸１１ａ、１２ａの方向が平行（θ１＝θ２）またはＺ軸を基準に対称（｜θ１｜＝｜θ２｜）である場合、厚さｄ１、ｄ２の比を１．３～３の範囲で調節するとよい。
　（第２の実施形態）
  図３は、本実施形態に係る光学ローパスフィルタ５０の構成例を示す概念図であり、第１の実施形態に係る光学ローパスフィルタ１０と、光学ローパスフィルタ３０との間に、偏光変換素子５１を有する。なお、本実施形態では、光学ローパスフィルタ１０を、Ｙ軸方向に光の分離能を有する第１の光学ローパスフィルタ１０とし、光学ローパスフィルタ３０を、Ｘ軸方向に光の分離能を有する第２の光学ローパスフィルタ３０として説明する。
　図４は、光学ローパスフィルタ５０のうち、第２の光学ローパスフィルタ３０を取り出した断面模式図であって、とくにＸ－Ｚ平面について示したものである。ここで、Ｚ軸方向を基準とするとき、厚さｄ３を有する第３の分離素子３１が、Ｚ軸方向を基準に＋Ｘ方向の傾斜で角度θ３となる異常光屈折率軸を有し、厚さｄ４を有する第４の分離素子３２が、Ｚ軸方向を基準に－Ｘ方向の傾斜で角度θ４となる異常光屈折率軸を有する。また、第３の分離素子３１の厚さをｄ３、常光屈折率をｎｏ３、異常光屈折率をｎｅ３、異常光屈折率軸３１ａと入射する光が進行する方向（第３の分離素子３１の厚さ方向）であるＺ軸方向とがなす角度をθ３、とするとき、分離距離Ｌ３は、式（３）で表すことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000017
      
  　 
　また、第４の分離素子３２の厚さをｄ４、常光屈折率をｎｏ４、異常光屈折率をｎｅ４、異常光屈折率軸３２ａと入射する光が進行する方向（第４の分離素子３２の厚さ方向）であるＺ軸方向とがなす角度をθ４、とするとき、分離距離Ｌ４は、式（４）で表すことができる。また、ここでも、分離距離Ｌ３と分離距離Ｌ４とは互いに異なるように設定され、θ３とθ４も符号を有するものであって、ここでは、光が入射するＺ軸方向を基準に、＋Ｘ方向の傾斜をプラス、－Ｘ方向の傾斜をマイナスとして考える。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000018
      
  　 
　ここで、厚さｄ３、ｄ４および角度θ３、θ４は、任意に与えることができるが、ここでは、θ３とθ４の符号が異なり、｜θ３｜＝｜θ１｜、｜θ４｜＝｜θ２｜とする。さらに、ｄ３＝ｄ１、ｄ４＝ｄ２とする。つまり、第３の分離素子３１および第４の分離素子３２は、第１の分離素子１１および第２の分離素子１２と同じ構成を有し、第１の分離素子１１および第２の分離素子１２に対してＺ軸方向を回転軸として９０°回転して配置されるものと同等のものとして説明する。
　第１の実施形態に係る光学ローパスフィルタ１０は、光の分離能が一方向（Ｙ軸方向）のみについて与えるものであったが、本実施形態に係る光学ローパスフィルタ５０は、第１の光学ローパスフィルタ１０と第２の光学ローパスフィルタ３０とが重なる構成を有することで、２次元的に光を分離することができる。また、第１の光学ローパスフィルタ１０を構成する各部位は、同じ部号を付して説明の重複を避ける。また、第２の光学ローパスフィルタ３０は、厚さｄ３の第３の分離素子３１と厚さｄ４の第４の分離素子３２の間に、（第２の）偏光制御部４０を有し、偏光制御部４０は、一対の透明基板として、透明基板４１ａ、４１ｂのそれぞれ対向する面に、透明電極４２ａ、４２ｂ、配向膜４３ａ、４３ｂを有し、液晶層４４が挟持される。そして、透明電極４２ａ、４２ｂを介して液晶層４４に電圧を印加する電圧制御部５２を備える。なお、電圧制御部５２は、透明電極２２ａ、２２ｂを介して液晶層２４にも共通に電圧を印加できるものとする。
　偏光変換素子５１は、第２の分離素子１２を透過したＸ軸方向の直線偏光（第１の直線偏光）の光と、Ｙ軸方向の直線偏光（第２の直線偏光）の光について、それぞれ、第１の直線偏光の光の成分と第２の直線偏光の光の成分が略同一となる光に変換する機能を有する。具体的には、入射する可視光領域の光に対して、広帯域の１／２波長板となる機能を有するかまたは、広帯域の１／４波長板となる機能を有するものであればよい。つまり、広帯域の１／２波長板の場合、好ましくは、入射する直線偏光の光の振動方向を４５°の奇数倍の角度回転する直線偏光の光に変換し、広帯域の１／４波長板の場合、好ましくは、入射する直線偏光の光を円偏光の光に変換するものである。また、偏光変換素子５１を出射する光のうちＸ軸方向の光の成分とＹ軸方向の光の成分との比が略同一とは、可視光領域の光について、７：３～３：７の範囲であればよく、６：４～４：６が好ましく、５：５の比率に近づくほどより好ましい。
　偏光変換素子５１は、広帯域の１／２波長板、広帯域の１／４波長板とする場合、例えば、光が入射する方向と直交する面と平行に光学軸を有し、光学軸が厚さ方向に揃った複屈折性材料からなる波長板を、光学軸が交差するように複数枚重ねて構成されるものであってもよい。また、光学軸方向が厚さ方向を軸に螺旋している波長板を１枚または、複数枚重ねるように構成されるものであってもよい。波長板の材料としては例えば、水晶、ＬｉＮｂＯ３などの無機材料や樹脂や液晶、高分子液晶などの有機材料から構成される。
　次に、光学ローパスフィルタ５０の動作について説明する。図５Ａ乃至５Ｃは、光学ローパスフィルタ５０に入射する光の経路および偏光状態を示す模式図であり、ここでは、電圧非印加時に液晶層２４、４４の液晶分子がそれぞれ、水平配向されているとともに液晶分子の長軸方向が厚さ方向を軸に９０°ツイストされているＴＮ液晶が用いられているものとして説明する。図５Ａは、電圧印加時における光の経路および偏光状態を示す模式図であって、液晶層２４、４４における液晶分子の長軸方向は、厚さ方向に揃っている。図５Ｂは、電圧印加時において、第１の光学ローパスフィルタ１０の出射面における光１０ａと光１０ｂの位置および偏光状態を示すものである。また、図５Ｃは、電圧印加時において、第２の光学ローパスフィルタ３０の出射面における光３０ａ、光３０ｂ、光３０ｃおよび光３０ｄの位置および偏光状態を示すものであって、これが、光学ローパスフィルタ５０の光の分離状態を示すものに相当する。
　次に、入射する光が光学ローパスフィルタ５０を透過するまでの光路における、光の状態について説明する。図５Ａにおいて、光学ローパスフィルタ５０に入射する光はランダムな偏光状態であって、Ｚ軸方向に沿って進行する。電圧印加時において、第１の光学ローパスフィルタ１０において、Ｘ軸方向の直線偏光（第１の直線偏光）の光と、Ｙ軸方向の直線偏光（第２の直線偏光）の光とが、分離距離ＬＳＹだけ隔てて透過する。なお、分離距離ＬＳＹの‘Ｓ’は静止画モード、‘Ｙ’は、分離方向がＹ軸方向を意味し、後述するが、‘Ｍ’は動画モード、‘Ｘ’は、分離方向がＸ軸方向を意味する。また、図５Ｂに示す模式図において、第１の直線偏光の光および第２の直線偏光の光が、第１の光学ローパスフィルタ１０で分離され、それぞれの位置１０ａ、１０ｂから出射し、その間隔が分離距離ＬＳＹに相当する。
　そして、第１の直線偏光の光の光路５３ａと第２の直線偏光の光の光路５４ａと、に分離された光は、偏光変換素子５１に入射する。偏光変換素子５１に入射した光は、第１の直線偏光の光の成分と第２の直線偏光の光の成分と、混在した光となるように偏光状態が変換される。具体的に、光路５３ａに相当する光は、第１の直線偏光の光の成分と第２の直線偏光の光の成分とが略同一に混在した光として光路５３ｂを辿って第２の光学ローパスフィルタ３０に入射する。また、光路５４ａに相当する光は、第１の直線偏光の光の成分と第２の直線偏光の光の成分とが略同一に混在した光として光路５４ｂを辿って第２の光学ローパスフィルタ３０に入射する。
　このとき、電圧印加時において、第２の光学ローパスフィルタ３０は、Ｘ軸方向の直線偏光（第１の直線偏光）の光と、Ｙ軸方向の直線偏光（第２の直線偏光）の光とを、Ｘ軸方向に分離距離ＬＳＸだけ隔てるように分離する。なお、分離距離ＬＳＸは、｜Ｌ３－Ｌ４｜に相当する。また、図５Ｃに示す模式図において、光路５３ｂに相当する光が、第２の光学ローパスフィルタ３０で分離され、それぞれの位置３０ａ、３０ｂから出射し、その間隔が分離距離ＬＳＸに相当する。同様に、光路５４ｂに相当する光が、第２の光学ローパスフィルタ３０で分離され、それぞれの位置３０ｃ、３０ｄから出射し、その間隔も分離距離ＬＳＸに相当する。
　このように分離方向を直交させる理由は、イメージセンサの画素が２次元に配列しているため、配列される２つの直交する方向に対してモアレや偽色を低減するために、画素の配列方向に合わせて分離させるものである。また、分離距離は画素のピッチとカットする空間周波数によって異なり、画素形状が正方形の場合は、Ｘ軸方向への分離距離とＹ軸方向の分離距離を同じにすることが効果的である。例えば縦長の画素（Ｙ軸方向の１画素の長さ＞Ｘ軸方向の１画素の長さ）のイメージセンサの場合は、Ｘ軸方向のモアレや偽色の防止が優先される。そのため、Ｘ軸方向とＹ軸方向との分離距離が異なったり、また、分離する４点を結んでできる四角形が正方形に限らず、平行四辺形であったりしてもよい。
　次に、電圧制御部５２より電圧が印加されない、電圧非印加時の光の状態について説明する。第１の光学ローパスフィルタ１０は、電圧非印加時において、第１の実施形態のように、電圧印加時よりも大きい分離距離を隔てて、第１の直線偏光の光と第２の直線偏光の光を分離する。図６Ａ乃至６Ｄは、光学ローパスフィルタ５０の電圧印加時、電圧非印加時における、第１の光学ローパスフィルタ１０、第２の光学ローパスフィルタ３０の出射面の光の位置および偏光状態を示す図である。具体的に、図６Ａは、電圧印加時の第１の光学ローパスフィルタ１０の出射面の光の位置および偏光状態、図６Ｂは、電圧印加時の第２の光学ローパスフィルタ３０の出射面の光の位置および偏光状態で、それぞれ、図５Ｂおよび図５Ｃと同じものを示すものである。また、図６Ａおよび図６Ｂと比較するように、図６Ｃは、電圧非印加時の第１の光学ローパスフィルタ１０の出射面の光の位置および偏光状態、図６Ｄは、電圧非印加時の第２の光学ローパスフィルタ３０の出射面の光の位置および偏光状態を示すものである。
　また、図６Ｃにおいて、第１の光学ローパスフィルタ１０を透過する、第１の直線偏光の光の位置１０ｃと、第２の直線偏光の光の位置１０ｄとの間隔を分離距離ＬＭＹとすると、ＬＭＹ＞ＬＳＹとなる。図６Ｄにおいて、第２の光学ローパスフィルタ３０の透過面における、第１の直線偏光の光３０ｅと、第２の直線偏光の光の位置３０ｆとの間隔、第１の直線偏光の光３０ｇと、第２の直線偏光の光の位置３０ｈとの間隔が等しく、分離距離ＬＭＸとすると、ＬＭＸ＞ＬＳＸとなる。なお、分離距離ＬＭＸは、Ｌ３＋Ｌ４、に相当する。このように、光学ローパスフィルタ５０に入射する光は４本の光となって、２次元的に分離されて出射し、電圧印加時、電圧非印加時によって分離距離を変えることができる。
　また、本実施形態において、電圧制御部５２は、（第１の）液晶層２４と（第２の）液晶層４４とに、共通する電圧を印加できる構成としたが、これに限らず、液晶層２４、液晶層４４に対して、それぞれ独立に電圧を印加できるものであってもよい。また、第１の実施形態と同様に、デジタル一眼レフカメラにおいて、分離距離ＬＳＹ、ＬＭＹ、および分離距離ＬＳＸ、ＬＭＸは、ＬＭＹ＞ＬＳＹの関係および、ＬＭＸ＞ＬＳXの関係を満たし、ＬＳＹ、ＬＳＸが２～１０μｍ程度の分離距離を有し、ＬＭＹ、ＬＭＸが１０～３２μｍの分離距離を有するとよい。さらに、Ｌ１とＬ２とのうち、小さい方の分離距離を基準としたとき、大きいほうの分離距離が１．３～３の範囲となり、Ｌ３とＬ４とのうち、小さい方の分離距離を基準としたとき、大きいほうの分離距離が１．３～３の範囲となるように、各分離素子の複屈折性材料、厚さ、異常光屈折率軸の角度を調整するとよい。
　（第３の実施形態）
  図７は、本実施形態に係る光学ローパスフィルタ６０の構成例を示す概念図であり、第１の実施形態に係る光学ローパスフィルタ１０と、偏光変換素子５１と、光学ローパスフィルタ６２と、を有する。なお、本実施形態では、光学ローパスフィルタ１０を、Ｙ軸方向に光の分離能を有する第１の光学ローパスフィルタ１０とし、光学ローパスフィルタ６２を、Ｘ軸方向に光の分離能を有する第２の光学ローパスフィルタ６２として説明する。また、本実施形態が、第２の実施形態と異なるところは、第２の光学ローパスフィルタ６２は、液晶層を含まず、分離距離が固定されるところである。例えば、第２の光学ローパスフィルタ６２は、第１の分離素子１１と同じ構成を有し、第１の分離素子１１に対してＺ軸方向を回転軸として９０°回転して配置されるものと同等のものであってもよい。
　次に、入射する光が光学ローパスフィルタ６０を透過する光路における偏光状態について説明する。図８Ａ乃至８Ｃは、光学ローパスフィルタ６０に入射する光の経路および偏光状態を示す模式図であり、ここでは、電圧非印加時に液晶層２４が水平配向されているとともに液晶分子の長軸方向が厚さ方向を軸に９０°ツイストされているＴＮ液晶が用いられているものとして説明する。図８Ａは、電圧印加時における光の経路および偏光状態を示す模式図であって、液晶層２４における液晶分子の長軸方向は、厚さ方向に揃っている。図８Ａにおいて、光学ローパスフィルタ６０に入射する光はランダムな偏光状態であって、Ｚ軸方向に沿って進行する。第２の実施形態と同様に、第１の光学ローパスフィルタ１０において、Ｘ軸方向の直線偏光の光と、Ｙ軸方向の直線偏光の光とが、分離距離ＬＳＹだけ隔てて透過する。また、図８Ｂに示す模式図おいて、第１の直線偏光の光および第２の直線偏光の光が、第１の光学ローパスフィルタ１０で分離され、それぞれの位置１０ａ、１０ｂから出射し、その間隔が分離距離ＬＳＹに相当する。
　そして、第１の直線偏光の光の光路６３ａと第２の直線偏光の光の光路６４ａと、に分離された光は、偏光変換素子５１に入射する。偏光変換素子５１に入射した光のうち、光路６３ａに相当する光は、第１の直線偏光の光の成分と第２の直線偏光の光の成分とが略同一に混在した光として光路６３ｂを辿って第２の光学ローパスフィルタ６２に入射する。そして、光路６４ａに相当する光は、第１の直線偏光の光の成分と第２の直線偏光の光の成分とが略同一に混在した光として光路６４ｂを辿って第２の光学ローパスフィルタ６２に入射する。
　このとき、第２の光学ローパスフィルタ６２は、Ｘ軸方向の直線偏光の光と、Ｙ軸方向の直線偏光の光とを、Ｘ軸方向に分離距離ＬＦＸだけ隔てるように分離する。なお、分離距離ＬＦＸの‘Ｆ’は分離距離が固定されていることを意味する。また、図８Ｃに示す模式図において、光路６３ｂに相当する光が、第２の光学ローパスフィルタ６２で分離され、それぞれの位置６２ａ、６２ｂから出射し、その間隔が分離距離ＬＦＸに相当する。同様に、光路６４ｂに相当する光が、第２の光学ローパスフィルタ６２で分離され、それぞれの位置６２ｃ、６２ｄから出射し、その間隔も分離距離ＬＦＸに相当する。
　本実施形態も、第２の実施形態と同様に、イメージセンサに対して２次元的にモアレや偽色を低減させることができるが、例えば、Ｘ軸方向に比べてＹ軸方向のモアレや偽色の低減が優先される場合、本実施形態のようにＹ軸方向に対して分離距離を可変させ、Ｘ軸方向に対して分離距離を固定させる光学ローパスフィルタ６０としてもよい。この場合、光学ローパスフィルタ全体の小型化が実現でき、かつ、２次元的にモアレや偽色を低減させることができる。また、分離距離を固定させる方向はＸ軸方向に限らず、Ｙ軸方向であってもよく、この他に、図７において、第１の光学ローパスフィルタ１０に位置する光学ローパスフィルタが、分離距離が固定される機能を有し、第２の光学ローパスフィルタ６２に位置する光学ローパスフィルタが、分離距離が可変する機能を有するものであってもよい。
　次に、電圧非印加時の光の状態について説明する。第１の光学ローパスフィルタ１０は、電圧非印加時において、第１の実施形態のように、電圧印加時よりも大きい分離距離を隔てて、第１の直線偏光の光と第２の直線偏光の光を分離する。図９Ａ乃至９Ｄは、光学ローパスフィルタ６０の電圧印加時、電圧非印加時における、第１の光学ローパスフィルタ１０の出射面、第２の光学ローパスフィルタ６２の出射面の光の位置および偏光状態を示す図である。具体的に、図９Ａは、電圧印加時の第１の光学ローパスフィルタ１０の出射面の光の位置および偏光状態、図９Ｂは、電圧印加時の第２の光学ローパスフィルタ６２の出射面の光の位置および偏光状態で、図８Ｂおよび図８Ｃと同じものを示すものである。また、図９Ａおよび図９Ｂと比較するように、図９Ｃは、電圧非印加時の第１の光学ローパスフィルタ１０の出射面の光の位置および偏光状態、図９Ｄは、電圧非印加時の第２の光学ローパスフィルタ６２の出射面の光の位置および偏光状態を示すものである。
　また、図９Ｃにおいて、第１の光学ローパスフィルタ１０を透過する、第１の直線偏光の光の位置１０ｃと、第２の直線偏光の光の位置１０ｄとの間隔を分離距離ＬＭＹとすると、ＬＭＹ＞ＬＳＹとなる。図９Ｄにおいて、第２の光学ローパスフィルタ６２の透過面における、第１の直線偏光の光６２ｅと、第２の直線偏光の光の位置６２ｆとの間隔、第１の直線偏光の光６２ｇと、第２の直線偏光の光の位置６２ｈとの間隔が等しく、分離距離ＬＦＸとなる。このように、光学ローパスフィルタ６０に入射する光は４本の光となって、２次元的に分離されて出射し、電圧印加時、電圧非印加時によって、一方の軸方向に分離距離を変えることができる。
　また、本実施形態において、第１の実施形態と同様に、デジタル一眼レフカメラにおいて、分離距離ＬＳＹ、ＬＭＹは、ＬＭＹ＞ＬＳＹの関係を満たし、ＬＳＹが２～１０μｍ程度の分離距離を有し、ＬＭＹが１０～３２μｍの分離距離を有するとよい。さらに、Ｌ１とＬ２とのうち、小さい方の分離距離を基準としたとき、大きいほうの分離距離が１．３～３となるように、各分離素子の複屈折性材料、厚さ、異常光屈折率軸の角度を調整するとよい。
　（第４の実施形態）
  図１０Ａ、図１０Ｂは、本実施形態に係る光学ローパスフィルタ７０の構成例、そして光学ローパスフィルタ７０における光の経路および偏光状態を示す模式図である。光学ローパスフィルタ７０は、第１の分離素子７１、偏光制御部２０、第２の分離素子７２を有し、外部からの光はこの順（Ｚ方向）に入射するものとする。光学ローパスフィルタ７０において、第１の分離素子７１と第２の分離素子７２は、同じ複屈折性材料から構成されるとともに、これらの厚さが同じであるものとする。つまり、第１の分離素子７１の厚さをｄ１、第２の分離素子７２の厚さをｄ２とするとき、ｄ１＝ｄ２であって、上記の式（２）が上記の式（１）と同じ値となる。したがって、分離距離Ｌ１と分離距離Ｌ２とは等しいところが、第１の実施形態に係る光学ローパスフィルタ１０とは異なる点である。なお、第１の分離素子７１の複屈折性材料と第２の分離素子７２の複屈折性材料と、が異なる場合であっても、Ｌ１＝Ｌ２であればよい。また、偏光制御部２０および電圧制御部１３は、第１の実施形態に係る光学ローパスフィルタ１０と同じものであり、ここでは説明を省略する。
　また、厚さ方向に対する、第１の分離素子７１の図示しない異常光屈折率軸の角度をθ１、厚さ方向に対する、第２の分離素子７２の図示しない異常光屈折率軸の角度をθ２とすると、θ１＝－θ２の関係を満たすものとする。そして、図１０Ａは、電圧印加時における光の経路および偏光状態を示す模式図であって、このとき、液晶分子の長軸方向は、厚さ方向に揃っている。一方、図１０Ｂは、電圧非印加時における光の経路および偏光状態を示す模式図であって、このとき、液晶分子の長軸方向は、水平配向されているとともに、厚さ方向を軸に９０°ツイストしている。
　ここで、図１０Ａの電圧印加時について考える。Ｚ軸方向に沿って、第１の分離素子７１に入射するランダムな偏光の光は、Ｘ軸方向の直線偏光の光とＹ軸方向の直線偏光の光と、に上記の式（１）に基づいて分離距離Ｌ１を隔てて偏光制御部２０に入射する。電圧印加時において、液晶分子の長軸方向は液晶層２４の厚さ方向に配向されているので、いずれの直線偏光の光とも偏光状態を変えずに偏光制御部２０を出射する。そして、偏光制御部２０を出射したＸ軸方向の直線偏光の光とＹ軸方向の直線偏光の光は、第２の分離素子７２に入射する。第２の分離素子７２では、Ｘ軸方向の直線偏光の光は直進透過し、Ｙ軸方向の直線偏光の光は、Ｘ軸方向の直線偏光の光路を基準にして、第１の分離素子７１で分離した＋Ｙ方向とは反対方向、つまり－Ｙ方向に進行方向が変えられて出射する。そのため、電圧印加時における光学ローパスフィルタ７０全体の分離距離としては、｜Ｌ１－Ｌ２｜となる。ここで、ｄ１＝ｄ２としていることから、Ｌ１＝Ｌ２であるので、分離距離は略０となる。
　一方、図１０Ｂの電圧非印加時については、第１の実施形態に係る光学ローパスフィルタ１０と同じ光学作用をする。つまり、偏光制御部２０において、液晶分子は液晶層２４内で９０°ツイストするように配向されているので、Ｘ軸方向の直線偏光の光はＹ軸方向の直線偏光の光に変換（旋光）されるとともに、Ｙ軸方向の直線偏光の光はＸ軸方向の直線偏光の光に変換（旋光）される。このように、電圧非印加時では、偏光制御部２０に入射した直線偏光の光がいずれも９０°回転して出射するので、図１０Ｂに示す軌道を辿るように、第１の分離素子７１で分離した２つの光は、第２の分離素子７２でさらに遠ざけるように分離する。そのため、電圧非印加時における光学ローパスフィルタ７０全体の分離距離としては、Ｌ１＋Ｌ２＝２・Ｌ１となる。
　したがって、電圧印加時と電圧非印加時において、分離距離を０と、２・Ｌ１と切り替えることができる。例えば、デジタルカメラの静止画モードにおいて、撮像対象となる被写体としてモアレや偽色が発生していない場合、高精度の画像を得るために、分離距離を０とし、実質的に光学ローパスフィルタを通過しない状態とすることができる。一方、撮像対象となる被写体としてモアレや偽色が発生している場合、分離距離を２・Ｌ１として、適切にモアレや偽色を低減するように切り替えをすることができる。なお、本実施形態に係る光学ローパスフィルタ７０のように、分離距離を０と、２・Ｌ１と切り替えるのは静止画モードに限らず、動画モードであってもよい。さらに、分離距離０を静止画モード、分離距離２・Ｌ１を動画モードとしてもよい。
　また、分離距離を０と、２・Ｌ１と切り替えるものとしては、図１０Ａ、図１０Ｂに示す光学ローパスフィルタ７０のようにＹ軸方向への分離のみに限らない。例えば、第２の実施形態に係る光学ローパスフィルタ５０に基づいて本実施形態を適用することもできる。つまり、光学ローパスフィルタ７０を光路中に２つ配置するとともに、２つの光学ローパスフィルタ７０の間の光路中に偏光変換素子を配置し、一方の光学ローパスフィルタはＹ軸方向に、他方の光学ローパスフィルタはＸ軸方向に光を分離させる機能を有するものであってもよい。この場合、２つの光学ローパスフィルタ７０のうち一方は、他方のそれを、Ｚ軸方向を回転軸として９０°回転させる位置関係に相当する。この構成においては、Ｘ軸方向についても同様に分離距離を、０と有限の値と、に切り替えができる、２次元的な光学ローパスフィルタとすることができる。
　さらに、第３の実施形態に係る光学ローパスフィルタ６０に基づいて本実施形態を適用することもできる。つまり、光学ローパスフィルタ７０と、第３の実施形態の第２の光学ローパスフィルタ６２に相当する光学ローパスフィルタと、を配置するとともに、これらの間に偏光変換素子を配置し、一方の光学ローパスフィルタは、Ｙ軸方向に、０を含む２つの分離距離の値に切り替える機能を有し、他方の光学ローパスフィルタはＸ軸方向に光を一定の分離距離（≠０）だけ分離させる機能を有するものであってもよい。
　（第５の実施形態）
  図１１乃至図１３は、本実施形態に係る光学ローパスフィルタ８０の構成例、そして光学ローパスフィルタ８０における光の経路および偏光状態を示す模式図である。光学ローパスフィルタ８０は、第１の分離素子８１、第１の偏光制御部９１、第２の分離素子８２、第２の偏光制御部９２、第３の分離素子８３、を有し、外部からの光はこの順（Ｚ方向）に入射するものとする。また、第１の偏光制御部９１、第２の偏光制御部９２は、電圧制御部９３より印加する電圧の大きさによって、入射する光の偏光状態を変えずに出射するかまたは、偏光状態を変えて出射する光変調機能を有する。ここで、第１の偏光制御部９１、第２の偏光制御部９２は、第１の実施形態に係る光学ローパスフィルタ１０の偏光制御部２０と同じ構成を有し、電圧非印加時において、液晶分子の長軸方向は、水平配向されているとともに厚さ方向を軸に９０°ツイストしているものとする。
　第１の分離素子８１は、厚さをｄＡ、常光屈折率をｎｏＡ、異常光屈折率をｎｅＡ、異常光屈折率軸と入射する光が進行する方向であるＺ軸方向とがなす角度をθＡ、とするとき、分離距離ＬＡは、下記の式（５）を用いることができる。また、第２の分離素子８２は、厚さをｄＢ、常光屈折率をｎｏＢ、異常光屈折率をｎｅＢ、異常光屈折率軸と入射する光が進行する方向であるＺ軸方向とがなす角度をθＢ、とするとき、分離距離ＬＢは、下記の式（６）を用いることができ、第３の分離素子８３は、厚さをｄＣ、常光屈折率をｎｏＣ、異常光屈折率をｎｅＣ、異常光屈折率軸と入射する光が進行する方向であるＺ軸方向とがなす角度をθＣ、とするとき、分離距離ＬＣは、下記の式（７）を用いることができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000019
      
  　 
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000020
      
  　 
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000021
      
  　 
　また、ここでは、光学ローパスフィルタ８０において、第１の分離素子８１、第２の分離素子８２および第３の分離素子８３は、同じ複屈折性材料から構成されるとともに、例えば、第１の分離素子８１の厚さは、第２の分離素子８２の厚さと第３の分離素子８３の厚さと、を加えたものと同じとする。つまり、第１の分離素子８１の厚さｄＡ、第２の分離素子８２の厚さｄＢ、第３の分離素子８３の厚さをｄＣの関係が、ｄＡ＝ｄＢ＋ｄＣであり、同時にＬＡ＝ＬＢ＋ＬＣの関係を有する。なお、第１の分離素子８１の複屈折性材料、第２の分離素子８２の複屈折性材料および第３の分離素子８３の複屈折性材料と、が異なる場合であっても、ＬＡ＝ＬＢ＋ＬＣであればよい。
　また、この場合、大小関係としては、ｄＡ＞ｄＢ＞ｄＣの関係となり、同時に、ＬＡ＞ＬＢ＞ＬＣの関係を有する。このような構成を有する光学ローパスフィルタ８０は、電圧制御部９３によって、第１の偏光制御部９１と第２の偏光制御部９２に印加する電圧によって、少なくとも３つの異なる値の分離距離を得ることができる。ここでは、例として、異常光屈折率軸の角度θＡ、θＢおよびθＣの符号が同一になる構成について考えるが、これらの角度の符号は任意に設定することができる。
　次に、光学ローパスフィルタ８０の動作について説明する。まず、図１１は、第１の偏光制御部９１および第２の偏光制御部９２が、電圧印加時であるときにおける、光の経路および偏光状態を示す模式図であり、いずれも、液晶分子の長軸方向は、厚さ方向に揃っている。ここで、Ｚ軸方向に沿って、第１の分離素子８１に入射するランダムな偏光の光は、Ｘ軸方向の直線偏光の光とＹ軸方向の直線偏光の光と、に上記の式（５）に基づいて分離距離ＬＡを隔てて第１の偏光制御部９１に入射する。そして、第１の偏光制御部９１では、いずれの直線偏光の光とも偏光状態を変えずに出射し、第２の分離素子８２に入射する。
　第２の分離素子８２では、Ｘ軸方向の直線偏光の光は直進透過し、Ｙ軸方向の直線偏光の光は、Ｘ軸方向の直線偏光の光路を基準にして、上記の式（６）に基づき、＋Ｙ方向に分離距離ＬＢを隔てて第２の偏光制御部９２に入射する。なお、このときの分離距離は、ＬＡ＋ＬＢである。そして、第２の偏光制御部９２では、いずれの直線偏光の光とも偏光状態を変えずに出射し、第３の分離素子８３に入射する。第３の分離素子８３では、Ｘ軸方向の直線偏光の光は直進透過し、Ｙ軸方向の直線偏光の光は、Ｘ軸方向の直線偏光の光路を基準にして、上記の式（７）に基づき、＋Ｙ方向に分離距離ＬＣを隔てて出射する。したがって、第１の偏光制御部９１および第２の偏光制御部９２が、いずれも電圧印加時においては、光学ローパスフィルタ８０全体の分離距離としては、ＬＡ＋ＬＢ＋ＬＣを得ることができる。
　図１２は、第１の偏光制御部９１および第２の偏光制御部９２が、非電圧印加時であるとき、における光の経路および偏光状態を示す模式図であり、いずれも、液晶分子の長軸方向は水平配向されているとともに、厚さ方向を軸に９０°ツイストしている。ここで、Ｚ軸方向に沿って、第１の分離素子８１に入射するランダムな偏光の光は、Ｘ軸方向の直線偏光の光とＹ軸方向の直線偏光の光と、に上記の式（５）に基づいて分離距離ＬＡを隔てて第１の偏光制御部９１に入射する。そして、第１の偏光制御部９１では、Ｘ軸方向の直線偏光の光はＹ軸方向の直線偏光の光に変換（旋光）されるとともに、Ｙ軸方向の直線偏光の光はＸ軸方向の直線偏光の光に変換（旋光）されて出射し、第２の分離素子８２に入射する。
　第２の分離素子８２では、Ｘ軸方向の直線偏光の光は直進透過し、Ｙ軸方向の直線偏光の光は、Ｘ軸方向の直線偏光の光路を基準にして、上記の式（６）に基づき、＋Ｙ方向に分離距離ＬＢを隔てて第２の偏光制御部９２に入射する。なお、このときの分離距離は、｜ＬＡ－ＬＢ｜である。そして、第２の偏光制御部９２では、Ｘ軸方向の直線偏光の光はＹ軸方向の直線偏光の光に変換（旋光）されるとともに、Ｙ軸方向の直線偏光の光はＸ軸方向の直線偏光の光に変換（旋光）されて出射し、第３の分離素子８３に入射する。第３の分離素子８３では、Ｘ軸方向の直線偏光の光は直進透過し、Ｙ軸方向の直線偏光の光は、Ｘ軸方向の直線偏光の光路を基準にして、上記の式（７）に基づき、＋Ｙ方向に分離距離ＬＣを隔てて出射する。したがって、第１の偏光制御部９１および第２の偏光制御部９２が、いずれも非電圧印加時においては、光学ローパスフィルタ８０全体の分離距離としては、｜ＬＡ－ＬＢ＋ＬＣ｜を得ることができる。
　図１３は、第１の偏光制御部９１が非電圧印加時であるとともに、第２の偏光制御部９２が電圧印加時であるとき、における光の経路および偏光状態を示す模式図である。このとき、第１の偏光制御部９１では、液晶分子の長軸方向が水平配向されているとともに、厚さ方向を軸に９０°ツイストしており、第２の偏光制御部９２では、液晶分子の長軸方向が厚さ方向に揃っている。ここで、Ｚ軸方向に沿って、第１の分離素子８１に入射するランダムな偏光の光は、Ｘ軸方向の直線偏光の光とＹ軸方向の直線偏光の光と、に上記の式（５）に基づいて分離距離ＬＡを隔てて第１の偏光制御部９１に入射する。そして、第１の偏光制御部９１では、Ｘ軸方向の直線偏光の光はＹ軸方向の直線偏光の光に変換（旋光）されるとともに、Ｙ軸方向の直線偏光の光はＸ軸方向の直線偏光の光に変換（旋光）されて出射し、第２の分離素子８２に入射する。
　第２の分離素子８２では、Ｘ軸方向の直線偏光の光は直進透過し、Ｙ軸方向の直線偏光の光は、Ｘ軸方向の直線偏光の光路を基準にして、上記の式（６）に基づき、＋Ｙ方向に分離距離ＬＢを隔てて第２の偏光制御部９２に入射する。なお、このときの分離距離は、｜ＬＡ－ＬＢ｜である。そして、第２の偏光制御部９２では、いずれの直線偏光の光とも偏光状態を変えずに出射し、第３の分離素子８３に入射する。第３の分離素子８３では、Ｘ軸方向の直線偏光の光は直進透過し、Ｙ軸方向の直線偏光の光は、Ｘ軸方向の直線偏光の光路を基準にして、上記の式（７）に基づき、＋Ｙ方向に分離距離ＬＣを隔てて出射する。したがって、第１の偏光制御部９１が電圧非印加時、第２の偏光制御部９２が電圧印加時、においては、光学ローパスフィルタ８０全体の分離距離としては、｜ＬＡ－ＬＢ－ＬＣ｜を得ることができる。
　ここで、最初に設定した、ＬＡ＝ＬＢ＋ＬＣの関係を満たすので、光学ローパスフィルタ８０全体の分離距離は０となる。なお、ＬＡ＝ＬＢ＋ＬＣの関係を満たす例について説明したが、ＬＡ、ＬＢ、ＬＣのうちいずれか１つの分離距離が、残り２つの分離距離の和に等しくなればよい。つまり、ＬＢ＝ＬＡ＋ＬＣの関係を満足してもよい。また、異常光屈折率軸の角度θＡ、θＢおよびθＣの符号が同一の関係を満たす例について説明したが、これに限らず電圧印加時／電圧非印加時の液晶分子の配向状態を考慮して、θＡ、θＢおよびθＣの符号を決定することができる。
　このように、３つの分離素子と２つの偏光制御部を交互に配置し、これらの偏光制御部に電圧制御部９３より与える電圧を制御することによって、分離距離を少なくとも３つの値に設定することができる。とくに、この３つの分離距離の値が、少なくとも０を含むようにすることで、例えば、静止画モードで、かつ、撮像対象となる被写体としてモアレや偽色が発生していない場合は、分離距離を０とし、一方、静止画モードで、かつ、モアレや偽色が発生している場合は、分離距離ＬＳＹ＝｜ＬＡ－ＬＢ＋ＬＣ｜とする。このとき、さらに動画モードにおいて、分離距離ＬＭＹ＝ＬＡ＋ＬＢ＋ＬＣ、とすることで、光学ローパスフィルタ８０は、各モードに合わせた自由度の高い構成を得ることができる。
　また、本実施形態に係る光学ローパスフィルタ８０は、直線偏光の光の成分毎に分離させる方向をＹ軸方向としたが、これに限らない。例えば、第２の実施形態のように本実施形態を適用することもできる。つまり、光学ローパスフィルタ８０を光路中に２つ配置するとともに、２つの光学ローパスフィルタ８０の間の光路中に偏光変換素子を配置し、一方の光学ローパスフィルタはＹ軸方向に、他方の光学ローパスフィルタはＸ軸方向に光を分離させる機能を有するものであってもよい。この場合、２つの光学ローパスフィルタ８０のうち一方は、他方のそれを、Ｚ軸方向を回転軸として９０°回転させる位置関係に相当する。この構成においては、Ｘ軸方向についても同様に分離距離を、０を含む３つの値に切り替えができる、２次元的な光学ローパスフィルタとすることができる。
　図１４は、本実施形態に係る光学ローパスフィルタ１２０の構成例であって、２次元的な光学ローパスフィルタとしたものである。ここで、上記で説明した光学ローパスフィルタ８０を、第１の光学ローパスフィルタ８０とすると、光学ローパスフィルタ１２０は、第１の光学ローパスフィルタ８０、偏光変換素子５１、第２の光学ローパスフィルタ１００を有し、外部からの光はこの順（Ｚ方向）に入射するものとする。そして、第２の光学ローパスフィルタ１００は、第４の分離素子１０４、第３の偏光制御部１１３、第５の分離素子１０５、第４の偏光制御部１１４、第６の分離素子１０６、を有し、外部からの光はこの順（Ｚ方向）に入射する。なお、偏光変換素子５１は、第２の実施形態の偏光変換素子５１と同じ効果を与えるものであり、説明を省略する。
　また、第３の偏光制御部１１３、第４の偏光制御部１１４は、電圧制御部１１５より印加する電圧の大きさによって、入射する光の偏光状態を変えずに出射するかまたは、偏光状態を変えて出射する光変調機能を有する。なお、電圧制御部１１５は、電圧制御部９３の機能を含むものとして考え、図１４では、第３の偏光制御部１１３、第４の偏光制御部１１４が、いずれも電圧印加時における光路を示したものである。ここで、第３の偏光制御部１１３、第４の偏光制御部１１４は、第１の実施形態に係る光学ローパスフィルタ１０の偏光制御部２０と同じ構成を有し、電圧非印加時において、液晶分子の長軸方向は、水平配向されているとともに厚さ方向を軸に９０°ツイストしているものとする。
　第４の分離素子１０４は、厚さをｄＤ、常光屈折率をｎｏＤ、異常光屈折率をｎｅＤ、異常光屈折率軸と入射する光が進行する方向であるＺ軸方向とがなす角度をθＤ、とするとき、分離距離ＬＤは、下記の式（８）を用いることができる。また、第５の分離素子１０５は、厚さをｄＥ、常光屈折率をｎｏＥ、異常光屈折率をｎｅＥ、異常光屈折率軸と入射する光が進行する方向であるＺ軸方向とがなす角度をθＥ、とするとき、分離距離ＬＥは、下記の式（９）を用いることができ、第６の分離素子１０６は、厚さをｄＦ、常光屈折率をｎｏＦ、異常光屈折率をｎｅＦ、異常光屈折率軸と入射する光が進行する方向であるＺ軸方向とがなす角度をθＦ、とするとき、分離距離ＬＦは、下記の式（１０）を用いることができる。なお、θＤ、θＥおよびθＥは、Ｘ－Ｚ平面における、厚さ方向と異常光屈折率軸方向とがなす角度である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000022
      
  　 
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000023
      
  　 
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000024
      
  　 
　また、ここでは、第２の光学ローパスフィルタ１００において、第４の分離素子１０４、第５の分離素子１０５および第６の分離素子１０６は、同じ複屈折性材料から構成されるとともに、例えば、第４の分離素子１０４の厚さは、第５の分離素子１０５の厚さと第６の分離素子１０６の厚さと、を加えたものと同じとする。つまり、第４の分離素子１０４の厚さｄＤ、第５の分離素子１０５の厚さｄＥ、第６の分離素子１０６の厚さｄＦの関係が、ｄＤ＝ｄＥ＋ｄＦであり、同時にＬＤ＝ＬＥ＋ＬＦの関係を有する。なお、第４の分離素子１０４の複屈折性材料、第５の分離素子１０５の複屈折性材料および第６の分離素子１０６の複屈折性材料と、が異なる場合であっても、ＬＤ＝ＬＥ＋ＬＦであればよい。
　また、この場合、大小関係としては、ｄＤ＞ｄＥ＞ｄＦの関係となり、同時に、ＬＤ＞ＬＥ＞ＬＦの関係を有する。このような構成を有する第２の光学ローパスフィルタ１００は、電圧制御部１１５によって、第３の偏光制御部１１３と第４の偏光制御部１１４に印加する電圧によって、Ｘ軸方向に対して、少なくとも３つの異なる値の分離距離を得ることができる。また、異常光屈折率軸の角度θＤ、θＥおよびθＦの符号が同一になる例について説明したが、これに限らず、電圧印加時／電圧非印加時の液晶分子の配向状態を考慮して、θＤ、θＥおよびθＦの符号を決定することができる。なお、ＬＤ＝ＬＥ＋ＬＦの関係を満たす例について説明したが、ＬＤ、ＬＥ、ＬＦのうちいずれか１つの分離距離が、残り２つの分離距離の和に等しくなればよい。つまり、ＬＥ＝ＬＤ＋ＬＦの関係を満足してもよい。
　また、本実施形態に係る光学ローパスフィルタは、少なくとも同一の分離方向において少なくとも３つの分離距離の値を切り替えることができる一方で、分離素子が少なくとも３つ、偏光制御部となる液晶素子が少なくとも２つ必要になり、厚さが増大する。そのため、例えば、第１の実施形態に係るローパスフィルタ１５の構成に基づき、水晶等の分離素子によって、液晶素子の液晶層を挟持する構成とすると、薄型化が実現できるので好ましい。
　さらに、図１４のような光学ローパスフィルタ１２０に限らず、第３の実施形態に基づいて本実施形態を適用することもできる。つまり、光学ローパスフィルタ８０と、第３の実施形態の第２の光学ローパスフィルタ６２に相当する光学ローパスフィルタと、を配置するとともに、これらの間に偏光変換素子を配置し、一方の光学ローパスフィルタは、Ｙ軸方向に、０を含む３つの分離距離の値に切り替える機能を有し、他方の光学ローパスフィルタはＸ軸方向に光を一定の分離距離（≠０）だけ分離させる機能を有するものであってもよい。また、この組み合わせに限らず、２つの分離方向が設定されて２次元的に機能する光学ローパスフィルタとしては、一方の分離方向が分離距離０を含む３値の切り替えができ、他方の分離方向が分離距離０を含むまたは、含まない２値の切り替えができるものであってもよい。そして、各分離方向の各分離距離は、適宜、設計することができる。
　（第６の実施形態）
　図１５は、本実施形態に係る光学ローパスフィルタ１３０の構成例を示す模式図である。光学ローパスフィルタ１３０は、第１の光学ローパスフィルタ１０と第２の光学ローパスフィルタ３０とを有するが、これらは、第２の実施形態の光学ローパスフィルタ５０における第１の光学ローパスフィルタ１０および第２の光学ローパスフィルタ３０と同じである。したがって、第１の光学ローパスフィルタ１０および第２の光学ローパスフィルタ３０を構成する各部位は、第２の実施形態と同じ部号を付して説明の重複を避ける。
　また、本実施形態に係る光学ローパスフィルタ１３０は、第１の光学ローパスフィルタ１０と第２の光学ローパスフィルタ３０との間に、偏光変換素子を配置しない。そして、第１の直線偏光の光と第２の直線偏光の光との分離方向について考えたとき、第１の光学ローパスフィルタ１０の分離方向と、第２の光学ローパスフィルタ３０の分離方向と、は平行せず、かつ、直交しない関係、つまり、直交しない角度で交差する関係である。具体的に、これらの分離方向がなす角度の関係は、２０°～７０°の関係であればよく、３０°～６０°が好ましく、４０°～５０°がより好ましく、４５°であれば最も好ましい。このように、分離方向がなす角度の関係が４５°に近づくと、第２の光学ローパスフィルタ３０で分離する光の強度が略等しくなるので好ましい。また、この場合、縦縞の画像および横縞の画像に対して発生するモアレに対して効果がある。また、分離方向がなす角度が６０°であれば、ハニカム配列の撮像素子に対応できる。
　ここで、図１５に示す光学ローパスフィルタ１３０において、第１の光学ローパスフィルタ１０は、互いに直交する第１の直線偏光の光と第２の直線偏光の光を、Ｙ方向に分離するように配置されるものとする。一方、第２の光学ローパスフィルタ３０は、直交する２つの直線偏光の光を、Ｘ－Ｙ平面において、Ｙ方向に対して４５°の角度をなす方向に分離するように配置されるものとする。つまり、第２の光学ローパスフィルタ３０は、第２の実施形態における第２の光学ローパスフィルタ３０の位置に対して、Ｚ軸方向を回転軸として、４５°回転した位置に相当する。ここで、第２の光学ローパスフィルタ３０において分離する、２つの直線偏光の光を、第３の直線偏光の光および第４の直線偏光の光と定義する。
　次に、光学ローパスフィルタ１３０の動作について説明する。まず、光学ローパスフィルタ１３０に入射する光はランダムな偏光状態であって、Ｚ軸方向に沿って進行する。そして、電圧印加時、第１の光学ローパスフィルタ１０において、第１の直線偏光（Ｘ軸方向の直線偏光）の光と、第２の直線偏光（Ｙ軸方向の直線偏光）の光とを、分離距離ＬＳＹだけ隔てて透過する。このように、第１の光学ローパスフィルタ１０を透過した２つの光は、それぞれ、第１の直線偏光の光と第２の直線偏光の光として、第２の光学ローパスフィルタ３０に入射する。なお、このとき、第１の光学ローパスフィルタ１０の出射面における光の位置および偏光状態は、図６Ａに示すものに相当する。
　次に、電圧印加時、第２の光学ローパスフィルタ３０に、第１の直線偏光の光および第２の直線偏光の光が入射すると、Ｘ－Ｙ平面において、Ｙ軸方向に対して－４５°の角度をなす方向の直線偏光の光の成分（「第３の直線偏光の光」とする。）と、Ｙ軸方向に対して＋４５°の角度をなす方向の直線偏光の光（「第４の直線偏光の光」とする）の成分と、が一定の分離距離だけ隔てて透過する。また、これらの光の成分の具体的な分離距離は、第２の実施形態で説明したＬＳＸと同じ間隔であるが、分離方向は、Ｘ－Ｙ平面において、Ｙ軸方向に対して４５°の方向に相当する。図１６Ａは、電圧印加時において、第２の光学ローパスフィルタ３０の出射面における光の位置１３０ａ、１３０ｂ、１３０ｃおよび１３０ｄおよび偏光状態を示すものであって、これが、光学ローパスフィルタ１３０の光の分離状態を示すものに相当する。
　このように、第１の光学ローパスフィルタ１０を透過した第１の直線偏光の光は、第２の光学ローパスフィルタ３０で分離され、それぞれの位置１３０ａ、１３０ｂから出射し、その間隔が分離距離ＬＳＸと同じ間隔に相当する。同様に、第１の光学ローパスフィルタ１０を透過した第２の直線偏光の光は、第２の光学ローパスフィルタ３０で分離され、それぞれの位置１３０ｃ、１３０ｄから出射し、その間隔も分離距離ＬＳＸと同じ間隔に相当する。このように本実施形態に係る光学ローパスフィルタ１３０は、偏光変換素子を配置せずに、４点の光に分離することができる。
　次に、電圧制御部５２より電圧が印加されない場合、つまり、電圧非印加時の光の状態について説明する。第１の光学ローパスフィルタ１０は、電圧非印加時において、第１の実施形態のように、電圧印加時よりも大きい分離距離ＬＭＹだけ隔てて、第１の直線偏光の光と第２の直線偏光の光を分離する。なお、このとき、第１の光学ローパスフィルタ１０の出射面における光の位置および偏光状態は、図６Ｂに示すものに相当する。
　次に、電圧非印加時、第２の光学ローパスフィルタ３０に、第１の直線偏光の光および第２の直線偏光の光が入射すると、Ｘ－Ｙ平面において、Ｙ軸方向に対して第３の直線偏光の光の成分と、第４の直線偏光の光の成分と、が一定の分離距離だけ隔てて透過する。また、これらの光の成分の具体的な分離距離は、第２の実施形態で説明したＬＭＸと同じ間隔であるが、分離方向は、Ｘ－Ｙ平面において、Ｙ軸方向に対して４５°の方向に相当する。図１６Ｂは、電圧非印加時において、第２の光学ローパスフィルタ３０の出射面における光の位置１３０ｅ、１３０ｆ、１３０ｇおよび１３０ｈおよび偏光状態を示すものであって、これが、光学ローパスフィルタ１３０の光の分離状態を示すものに相当する。
　このように、第１の光学ローパスフィルタ１０を透過した第１の直線偏光の光は、第２の光学ローパスフィルタ３０で分離され、それぞれの位置１３０ｅ、１３０ｆから出射し、その間隔が分離距離ＬＭＸと同じ間隔に相当する。同様に、第１の光学ローパスフィルタ１０を透過した第２の直線偏光の光は、第２の光学ローパスフィルタ３０で分離され、それぞれの位置１３０ｇ、１３０ｈから出射し、その間隔も分離距離ＬＭＸと同じ間隔に相当する。このように本実施形態に係る光学ローパスフィルタ１３０は、偏光変換素子を配置せずに、４点の光に分離することができる。
　なお、偏光変換素子を配置しない本実施形態に係る光学ローパスフィルタは、第２の実施形態の構成に基づいて説明したが、これに限らない。つまり、第１の光学ローパスフィルタの分離方向と第２の光学ローパスフィルタの分離方向とが、平行でも直交でもない関係、つまり、直交しない角度で交差する関係の配置であれば、第３の実施形態の構成に基づき、いずれか一方の分離距離が固定されたものであってもよい。さらに、第５の実施形態の構成である、光学ローパスフィルタ１２０の構成に基づくものであってもよい。
　（実施例１）
  本実施例では、第１の実施形態に係る光学ローパスフィルタ１０について説明する。透明基板２１ａ、２１ｂとして石英ガラス基板を用い、それぞれの石英ガラス基板の一方の面に、透明電極２２ａ、２２ｂとしてＩＴＯ膜を形成する。次に、透明電極２２ａ、２２ｂ上に、ポリイミドを塗布して硬化させてできるポリイミド膜に、一定の方向にラビング処理をして配向膜２３ａ、２３ｂを形成する。そして、配向膜２３ａと配向膜２３ｂとを対向させるとともに、それぞれの配向膜の配向方向が互いに直交するように配置し、約７μｍのギャップとなるように周辺をシールする。そして、このギャップ内にカイラル剤を混合した液晶を充填させることによって、電圧非印加時において、液晶分子の長軸方向が厚さ方向を軸に９０°捩じれた液晶層２４を有する偏光制御部２０に相当する液晶素子を得る。
　次に、第１の分離素子１１と第２の分離素子１２として、厚さ方向に対して異常光屈折率軸が４５°傾いた水晶を用いる。第１の分離素子１１となる水晶は、厚さ約２．０５ｍｍ、第２の分離素子１２となる水晶は、厚さ約１．１１ｍｍとする。そして、第１の分離素子１１は、厚さをＺ軸方向として、Ｙ－Ｚ平面において異常光屈折率軸が＋Ｙ軸方向に４５°傾くようにして、透明基板２１ａ側に配置するとともに、第２の分離素子１２は、Ｙ－Ｚ平面において異常光屈折率軸が－Ｙ軸方向に４５°傾くようにして、透明基板２１ｂ側に配置することで、光学ローパスフィルタ１０を得る。なお、水晶は、波長５４６ｎｍの光に対する常光屈折率が１．５４６、異常光屈折率が１．５５５である。このとき、第１の分離素子１１における分離距離Ｌ１は、約１２．０μｍであり、第２の分離素子１２における分離距離Ｌ２は、約６．５μｍである。
　そして、光学ローパスフィルタ１０の第１の分離素子１１側から、Ｚ軸方向に沿って可視光領域でランダムな偏光の光を入射する。電圧制御部１３により液晶層２４に電圧を印加しない時は、互いに直交する第１の直線偏光の光と第２の直線偏光の光とがＹ軸方向に分離し、分離距離が約１８．５μｍとなる。また、液晶層２４に約１０Ｖの矩形交流波を印加すると第１の直線偏光の光と第２の直線偏光の光がＹ軸方向に分離し、分離距離が約５．５μｍと、電圧を印加しない時に比べて短くなる。そして、この光学ローパスフィルタをデジタルカメラ、とくにデジタル一眼レフカメラの撮像素子の前面に配置することにより、電圧印加時には動画で、電圧非印時には静止画でモアレ、偽色が低減される画像を撮影することができる。
　（実施例２）
  本実施例では、第２の実施形態に係る光学ローパスフィルタ５０について説明する。第１の光学ローパスフィルタ１０および第２の光学ローパスフィルタ３０は、実施例１の光学ローパスフィルタ１０と同じものを用いる。次に、偏光変換素子５１として、可視光領域の波長の光に対して１／４波長板と略等しい位相差を発生する複屈折性材料を用いる。なお、偏光変換素子５１は、光学軸が偏光変換素子５１面に平行し、厚さ方向に揃ったものを使用する。
　次に、第１の光学ローパスフィルタ１０、偏光変換素子５１、そして、第２の光学ローパスフィルタ３０の順に、厚さ方向をＺ軸方向に揃えて配置するが、第２の光学ローパスフィルタ３０は、第１の光学ローパスフィルタ１０に対して、Ｚ軸方向を回転軸として９０°回転した位置に相当するように配置する。これにより、第１の光学ローパスフィルタ１０では、Ｙ軸方向に光が分離し、第２の光学ローパスフィルタ３０では、Ｘ軸方向に光が分離するようにする。また、偏光変換素子５１は、その光学軸がＸ－Ｙ平面においてＸ軸方向（またはＹ軸方向）を基準に４５°の角度となるように配置する。
　そして、第１の光学ローパスフィルタ１０側から、Ｚ軸方向に沿って可視光領域でランダムな偏光の光を入射する。電圧制御部５２により、液晶層２４、４４に電圧を印加しない時は、Ｘ軸方向とＹ軸方向に分離して４点の光となって、これらの方向の分離距離はいずれも約１８．５μｍとなる。また、液晶層２４、４４に約１０Ｖの矩形交流波を印加するとＸ軸方向とＹ軸方向に分離して４点の光となって、これらの方向の分離距離はいずれも約５．５μｍとなる。そして、この光学ローパスフィルタをデジタルカメラ、とくにデジタル一眼レフカメラの撮像素子の前面に配置することにより、電圧印加時には動画で、電圧非印時には静止画でモアレ、偽色が低減される画像を撮影することができる。
　（実施例３）
  本実施例では、第３の実施形態に係る光学ローパスフィルタ６０について説明する。第１の光学ローパスフィルタ１０は、実施例１の光学ローパスフィルタ１０と同じものを用いる。また、偏光変換素子５１は、実施例２と同じものを用いる。第２の光学ローパスフィルタ６２は、厚さ方向に対して異常光屈折率軸が４５°傾いた、厚さ約０．９４ｍｍの水晶を用いる。
　次に、第１の光学ローパスフィルタ１０、偏光変換素子５１、そして、第２の光学ローパスフィルタ６２の順に、厚さ方向をＺ軸方向に揃えて配置する。第２の光学ローパスフィルタ６２は、異常光屈折率軸が＋Ｘ軸方向に４５°傾斜するように配置し、偏光変換素子５１は、その光学軸がＸ－Ｙ平面においてＸ軸方向（またはＹ軸方向）を基準に４５°の角度となるように配置する。
　そして、第１の光学ローパスフィルタ１０側から、Ｚ軸方向に沿って可視光領域でランダムな偏光の光を入射する。電圧制御部により、液晶層２４に電圧を印加しない時は、Ｘ軸方向とＹ軸方向に分離して４点の光となり、Ｘ軸方向の分離距離が約５．５μｍ、Ｙ軸方向の分離距離が約１８．５μｍとなる。また、液晶層２４に約１０Ｖの矩形交流波を印加するとＸ軸方向とＹ軸方向に分離して４点の光となって、これらの方向の分離距離はいずれも約５．５μｍとなる。そして、この光学ローパスフィルタをデジタルカメラ、とくにデジタル一眼レフカメラの撮像素子の前面に配置することにより、電圧印加時には動画で、電圧非印時には静止画でモアレ、偽色が低減される画像を撮影することができる。
　（実施例４）
  本実施例では、第４の実施形態に係る光学ローパスフィルタ７０について説明する。なお、偏光制御部２０に相当する液晶素子は、実施例１と同じものを用いる。第１の分離素子７１と第２の分離素子７２として、厚さ方向に対して異常光屈折率軸が４５°傾いた水晶を用いる。第１の分離素子７１となる水晶および第２の分離素子７２となる水晶はいずれも、厚さ約０．４６ｍｍとする。そして、第１の分離素子７１は、厚さをＺ軸方向として、Ｙ－Ｚ平面において異常光屈折率軸が＋Ｙ軸方向に４５°傾くようにして、透明基板２１ａ側に配置するとともに、第２の分離素子７２は、Ｙ－Ｚ平面において異常光屈折率軸が－Ｙ軸方向に４５°傾くようにして、透明基板２１ｂ側に配置することで、光学ローパスフィルタ７０を得る。なお、水晶は、波長５４６ｎｍの光に対する常光屈折率が１．５４６、異常光屈折率が１．５５５である。このとき、第１の分離素子７１における分離距離Ｌ１および第２の分離素子７２における分離距離Ｌ２は、約２．７μｍである。
　そして、光学ローパスフィルタ７０の第１の分離素子７１側から、Ｚ軸方向に沿って可視光領域でランダムな偏光の光を入射する。電圧制御部１３により液晶層２４に電圧を印加しない時は、互いに直交する第１の直線偏光の光と第２の直線偏光の光とがＹ軸方向に分離し、分離距離が約５．４μｍとなる。また、液晶層２４に約１０Ｖの矩形交流波を印加すると、第１の直線偏光の光と第２の直線偏光の光との間の、Ｙ軸方向の分離距離が約０μｍとなる。そして、この光学ローパスフィルタをデジタルカメラの撮像素子の前面に配置することにより、例えば、モアレや偽色の無い画像を撮影するときは電圧を印加し、モアレや偽色がある画像を撮影するときは電圧を印加しないことによって、モアレ、偽色が低減される画像を撮影することができる。
　（実施例５）
  本実施例では、第５の実施形態に係る光学ローパスフィルタ８０について説明する。なお、第１の偏光制御部９１、第２の偏光制御部９２に相当する液晶素子は、実施例１の偏光制御部２０の液晶素子同じものを用いる。第１の分離素子８１、第２の分離素子８２および第３の分離素子８３として、厚さ方向に対して異常光屈折率軸が４５°傾いた水晶を用いる。第１の分離素子８１となる水晶は、厚さ約１．５８ｍｍ、第２の分離素子８２となる水晶は、厚さ約１．１１ｍｍ、そして、第３の分離素子８３となる水晶は、厚さ約０．４７ｍｍとする。そして、第１の分離素子８１、第２の分離素子８２および第３の分離素子８３はいずれも、厚さをＺ軸方向として、Ｙ－Ｚ平面において異常光屈折率軸が＋Ｙ軸方向に４５°傾くようにして配置することで、光学ローパスフィルタ８０を得る。なお、水晶は、波長５４６ｎｍの光に対する常光屈折率が１．５４６、異常光屈折率が１．５５５である。このとき、第１の分離素子８１における分離距離ＬＡは、約９．２５μｍであり、第２の分離素子８２における分離距離ＬＢは、約６．５０μｍ、そして、第３の分離素子８４における分離距離ＬＣは、約２．７５μｍである。
　そして、光学ローパスフィルタ８０の第１の分離素子８１側から、Ｚ軸方向に沿って可視光領域でランダムな偏光の光を入射する。電圧制御部９３により第１の偏光制御部９１の液晶層および第２の偏光制御部９２の液晶層に約１０Ｖの矩形交流波を印加すると、互いに直交する第１の直線偏光の光と第２の直線偏光の光とがＹ軸方向に分離し、分離距離が約１８．５μｍとなる。また、電圧制御部９３により第１の偏光制御部９１の液晶層および第２の偏光制御部９２の液晶層に電圧を印加しない場合、第１の直線偏光の光と第２の直線偏光の光とがＹ軸方向に分離し、分離距離が約５．５μｍとなる。そして、電圧制御部９３により第１の偏光制御部９１の液晶層に電圧を印加せず、第２の偏光制御部９２の液晶層に約１０Ｖの矩形交流波を印加すると、第１の直線偏光の光と第２の直線偏光の光との間の、Ｙ軸方向の分離距離が約０μｍとなる。そして、この光学ローパスフィルタをデジタルカメラの撮像素子の前面に配置することにより、例えば、モアレや偽色の無い静止画像を撮影するとき、モアレや偽色がある静止画像を撮影するとき、そして、モアレや偽色がある動画像を撮影するとき、に切り替えて画像を撮影することができる。
　本出願を詳細にまた特定の実施態様を参照して説明したが、本発明の精神と範囲を逸脱することなく様々な変更や修正を加えることができることは当業者にとって明らかである。
　本出願は、２０１０年２月２６日出願の日本特許出願（特願２０１０-０４２０５５）、及び、２０１０年６月２日出願の日本特許出願（特願２０１０-１２６７３９）に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。
　以上のように、本発明に係る光学ローパスフィルタは、分離距離を精度よく２つの値または、ゼロを含む３つの値で切り替えができるとともに、機械的可動部が無く、小型化が実現でき、さらに、この光学ローパスフィルタを用いるデジタルカメラ、デジタル一眼レフカメラは、静止画および動画の両方を撮影でき、これらの撮影モードに応じて適切にモアレの現象を低減させることができるとともに、機械的可動部が無く、高い精度で小型化が実現できる。
１０、１５、５０、６０、７０、８０、１２０、１３０　（第１の）光学ローパスフィルタ
１０ａ、１０ｂ　第１の光学ローパスフィルタ１０の出射面の光の位置（電圧印加時）
１０ｃ、１０ｄ　第１の光学ローパスフィルタ１０の出射面の光の位置（電圧非印加時）
１１、７１、８１　第１の分離素子
１１ａ、１２ａ、３１ａ、３２ａ　異常光屈折率軸
１２、７２、８２　第２の分離素子
１３、５２、９３、１１５　電圧制御部
２０、２５、９１　（第１の）偏光制御部
２１ａ、２１ｂ、４１ａ、４１ｂ　透明基板
２２ａ、２２ｂ、４２ａ、４２ｂ　透明電極
２３ａ、２３ｂ、４３ａ、４３ｂ　配向膜
２４　（第１の）液晶層
３０、６２、１００　第２の光学ローパスフィルタ
３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ、１３０ａ、１３０ｂ、１３０ｃ、１３０ｄ　第２の光学ローパスフィルタ３０の出射面の光の位置（電圧印加時）
３０ｅ、３０ｆ、３０ｇ、３０ｈ、１３０ｅ、１３０ｆ、１３０ｇ、１３０ｈ　第２の光学ローパスフィルタ３０の出射面の光の位置（電圧非印加時）
３１、８３　第３の分離素子
３２　第４の分離素子
４０、９２　（第２の）偏光制御部
４４　（第２の）液晶層
５１　偏光変換素子
５３ａ、６３ａ　第１の光学ローパスフィルタを出射するＸ軸方向の直線偏光の光の光路
５３ｂ、５４ｂ、６３ｂ、６４ｂ　偏光制御部を出射する光の光路
５４ａ、６４ａ　第１の光学ローパスフィルタを出射するＹ軸方向の直線偏光の光の光路
６２ａ、６２ｂ、６２ｃ、６２ｄ　第２の光学ローパスフィルタ６２の出射面の光の位置（電圧印加時）
６２ｅ、６２ｆ、６２ｇ、６２ｈ　第２の光学ローパスフィルタ６２の出射面の光の位置（電圧非印加時）
１０４　第４の分離素子
１０５　第５の分離素子
１０６　第６の分離素子
１１３　第３の偏光制御部
１１４　第４の偏光制御部

Claims (23)

  1. 　第１の分離素子と、
    　偏光制御部と、
    　第２の分離素子と、
    　前記偏光制御部に印加する電圧を制御する電圧制御部とを備え、
    　前記第１の分離素子は、入射する光のうち、第１の直線偏光の光と、前記第１の直線偏光の光と直交する第２の直線偏光の光と、に分離距離Ｌ１（＞０）だけ隔て、
    　前記偏光制御部は、前記電圧制御部の印加電圧により、入射する前記第１の直線偏光の光および前記第２の直線偏光の光の偏光状態を変えないかまたは、
    　入射する前記第１の直線偏光の光を前記第２の直線偏光の光に変調するとともに、入射する前記第２の直線偏光の光を前記第１の直線偏光の光に変調し、
    　前記第２の分離素子は、入射する光のうち、前記第１の直線偏光の光と、前記第２の直線偏光の光と、に分離距離Ｌ２（＞０）だけ、前記分離距離Ｌ１の分離方向と平行方向に隔てる光学ローパスフィルタ。
  2. 　前記分離距離Ｌ１と前記分離距離Ｌ２との比が、１．３～３の範囲であり、
    　前記電圧制御部の印加電圧により、前記第２の分離素子を出射する、前記第１の直線偏光の光と前記第２の直線偏光の光との分離距離が、Ｌ１＋Ｌ２に相当するＬＭと、｜Ｌ１－Ｌ２｜に相当するＬＳと、を与えたとき、
    　ＬＭ＞ＬＳであるとともに、１０μｍ≦ＬＭ≦３２μｍであり、かつ、２μｍ≦ＬＳ≦１０μｍである請求項１に記載の光学ローパスフィルタ。
  3. 　前記分離距離Ｌ１と前記分離距離Ｌ２とが等しい請求項１に記載の光学ローパスフィルタ。
  4. 　前記偏光制御部は、液晶層を有する液晶素子からなる請求項１～３のいずれか１項に記載の光学ローパスフィルタ。
  5. 　前記第１の分離素子は、厚さｄ１、厚さ方向と異常光屈折率軸方向とがなす角度がθ１となり、常光屈折率ｎｏ１、異常光屈折率ｎｅ１を有する複屈折性材料からなり、
    前記分離距離Ｌ１が下記の（１）式で与えられ、
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
     　前記第２の分離素子は、厚さｄ２、厚さ方向と異常光屈折率軸方向とがなす角度がθ２となり、常光屈折率ｎｏ２、異常光屈折率ｎｅ２を有する複屈折性材料からなり、
    前記分離距離Ｌ２が下記の（２）式で与えられる、
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
     　請求項１～４のいずれか１項に記載の光学ローパスフィルタ。
  6. 　前記液晶素子は、電圧非印加時において、前記液晶層の液晶分子が、前記液晶層の面内に略平行でかつ、対向する面の液晶分子の長軸方向が略直交する方向に配向され、厚さ方向を軸に約９０°ツイストされており、
    　前記第１の分離素子の厚さ方向を基準として前記θ１となる方向をプラスとするとき、前記第２の分離素子は、前記θ２の符号がマイナスとなる方向に配置される請求項５に記載の光学ローパスフィルタ。
  7. 　前記液晶層が、前記第１の分離素子および／または前記第２の分離素子によって挟持、一体化される請求項４～６のいずれか１項に記載の光学ローパスフィルタ。
  8. 　前記光学ローパスフィルタは、
    　前記第１の分離素子と、前記偏光制御部である第１の偏光制御部と、前記第２の分離素子とを有する第１の光学ローパスフィルタと、
    　偏光変換素子と、
    　第２の光学ローパスフィルタと、を有し、
    　前記偏光変換素子は、入射する前記第１の直線偏光の光および前記第２の直線偏光の光、をそれぞれ、前記第１の直線偏光の光の成分と前記第２の直線偏光の光の成分との比が３：７～７：３の割合の範囲となる光に変調し、
    　前記第２の光学ローパスフィルタは、前記第１の直線偏光の光と、前記第２の直線偏光の光とを、前記分離距離Ｌ１および前記分離距離Ｌ２の方向と交差する方向に分離する請求項１～７のいずれか１項に記載の光学ローパスフィルタ。
  9. 　前記光学ローパスフィルタは、
    　前記第１の分離素子と、前記偏光制御部である第１の偏光制御部と、前記第２の分離素子と、を有する第１の光学ローパスフィルタと、
    　第２の光学ローパスフィルタと、を有し、
    　前記第２の光学ローパスフィルタは、前記第１の直線偏光の光と、前記第２の直線偏光の光とを、前記分離距離Ｌ１および前記分離距離Ｌ２の方向と直交しない角度で交差する方向に分離する請求項１～７いずれか１項に記載の光学ローパスフィルタ。
  10. 　前記第２の光学ローパスフィルタは、
    　第３の分離素子と、
    　第２の偏光制御部と、
    　第４の分離素子とを有し、
    　前記第３の分離素子は、前記第１の直線偏光の光と、前記第２の直線偏光の光とを、前記分離距離Ｌ１および前記分離距離Ｌ２の方向と交差する方向に分離距離Ｌ３（＞０）だけ隔て、
    　前記第２の偏光制御部は、前記電圧制御部の印加電圧により、入射する前記第１の直線偏光の光および前記第２の直線偏光の光の偏光状態を変えないかまたは、
    　入射する前記第１の直線偏光の光を前記第２の直線偏光の光に変調するとともに、入射する前記第２の直線偏光の光を前記第１の直線偏光の光に変調し、
    　前記第４の分離素子は、入射する光のうち、前記第１の直線偏光の光と、前記第２の直線偏光の光と、に分離距離Ｌ４（＞０）だけ、前記分離距離Ｌ３の分離方向と平行方向に隔てる請求項８または請求項９に記載の光学ローパスフィルタ。
  11. 　前記分離距離Ｌ３と前記分離距離Ｌ４との比が、１．３～３の範囲であり、
    　前記電圧制御部の印加電圧により、前記第４の分離素子を出射する、前記第１の直線偏光の光と前記第２の直線偏光の光との分離距離が、Ｌ３＋Ｌ４に相当するＬＭＸと、｜Ｌ３－Ｌ４｜に相当するＬＳＸと、を与えたとき、
    　ＬＭＸ＞ＬＳＸであるとともに、１０μｍ≦ＬＭＸ≦３２μｍであり、かつ、２μｍ≦ＬＳＸ≦１０μｍである請求項１０に記載の光学ローパスフィルタ。
  12. 　前記分離距離Ｌ３と前記分離距離Ｌ４とが等しい請求項１０に記載の光学ローパスフィルタ。
  13. 　前記第２の偏光制御部は、液晶層を有する液晶素子からなる請求項１０～１２のいずれか１項に記載の光学ローパスフィルタ。
  14. 　前記第３の分離素子は、厚さｄ３、厚さ方向と異常光屈折率軸方向とがなす角度がθ３となり、常光屈折率ｎｏ３、異常光屈折率ｎｅ３を有する複屈折性材料からなり、
    前記分離距離Ｌ３が下記の（３）式で与えられ、
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
     　前記第４の分離素子は、厚さｄ４、厚さ方向と異常光屈折率軸方向とがなす角度がθ４となり、常光屈折率ｎｏ４、異常光屈折率ｎｅ４を有する複屈折性材料からなり、
    前記分離距離Ｌ４が下記の（４）式で与えられる、
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
     　請求項１０～１３のいずれか１項に記載の光学ローパスフィルタ。
  15. 　前記第２の偏光制御部の液晶素子は、電圧非印加時において、前記第２の偏光制御部の液晶層の液晶分子が、前記第２の偏光制御部の液晶層の面内に略平行でかつ、対向する面の液晶分子の長軸方向が略直交する方向に配向され、厚さ方向を軸に約９０°ツイストされており、
    　前記第３の分離素子の厚さ方向を基準として前記θ３となる方向をプラスとするとき、前記第４の分離素子は、前記θ４の符号がマイナスとなる方向に配置される請求項１４に記載の光学ローパスフィルタ。
  16. 　前記第２の偏光制御部の液晶層が、前記第３の分離素子および／または前記第４の分離素子によって挟持、一体化される請求項１３～１５のいずれか１項に記載の光学ローパスフィルタ。
  17. 　前記第２の光学ローパスフィルタは、第３の分離素子からなり、
    　前記第３の分離素子は、前記第１の直線偏光の光と、前記第２の直線偏光の光とを、前記分離距離Ｌ１および前記分離距離Ｌ２の分離方向と交差する方向に分離距離ＬＦＸだけ隔てる請求項８または請求項９に記載の光学ローパスフィルタ。
  18. 　第１の分離素子と、
    　第２の分離素子と、
    　第２の偏光制御部と、
    　第３の分離素子と、
    　前記第１の偏光制御部および前記第２の偏光制御部に印加する電圧を制御する電圧制御部とを備え、
    　前記第１の分離素子は、入射する光のうち、第１の直線偏光の光と、前記第１の直線偏光の光と直交する第２の直線偏光の光と、に分離距離ＬＡ（＞０）だけ隔て、
    　前記第１の偏光制御部および前記第２の偏光制御部は、前記電圧制御部の印加電圧により、入射する前記第１の直線偏光の光および前記第２の直線偏光の光の偏光状態を変えないかまたは、
    　入射する前記第１の直線偏光の光を前記第２の直線偏光の光に変調するとともに、入射する前記第２の直線偏光の光を前記第１の直線偏光の光に変調し、
    　前記第２の分離素子は、入射する光のうち、前記第１の直線偏光の光と、前記第２の直線偏光の光と、に分離距離ＬＢ（＞０）だけ、前記分離距離Ｌ１の分離方向と平行方向に隔て、
    　前記第３の分離素子は、入射する光のうち、前記第１の直線偏光の光と、前記第２の直線偏光の光と、に分離距離ＬＣ（＞０）だけ、前記分離距離Ｌ１の分離方向と平行方向に隔て（ＬＡ≠ＬＢ≠ＬＣ）、
    　前記分離距離ＬＡと前記分離距離ＬＢと前記分離距離ＬＣのうち、いずれか１つは、残り２つの和の値に等しく、前記第３の分離素子を出射する光の分離距離が、０を含む少なくとも３つの値に前記電圧制御部によって制御する光学ローパスフィルタ。
  19. 　前記第１の偏光制御部および前記第２の偏光制御部は、液晶層を有する液晶素子からなる請求項１８に記載の光学ローパスフィルタ。
  20. 　前記第１の分離素子は、厚さｄＡ、厚さ方向と異常光屈折率軸方向とがなす角度がθＡとなり、常光屈折率ｎｏＡ、異常光屈折率ｎｅＡを有する複屈折性材料からなり、
    前記分離距離ＬＡが下記の（５）式で与えられ、
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
     　前記第２の分離素子は、厚さｄＢ、厚さ方向と異常光屈折率軸方向とがなす角度がθＢとなり、常光屈折率ｎｏＢ、異常光屈折率ｎｅＢを有する複屈折性材料からなり、
    前記分離距離ＬＢが下記の（６）式で与えられ、
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
     　前記第３の分離素子は、厚さｄＣ、厚さ方向と異常光屈折率軸方向とがなす角度がθＣとなり、常光屈折率ｎｏＣ、異常光屈折率ｎｅＣを有する複屈折性材料からなり、
    前記分離距離ＬＣが下記の（７）式で与えられる、
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
     　請求項１８または請求項１９に記載の光学ローパスフィルタ。
  21. 　前記第１の偏光制御部の液晶層が、前記第１の分離素子および前記第２の分離素子の少なくとも一方に一体化され、
    前記第２の偏光制御部の液晶層が、前記第２の分離素子および前記第３の分離素子の少なくとも一方に一体化される請求項１９または請求項２０に記載の光学ローパスフィルタ。
  22. 　請求項１～２１のいずれか１項に記載の光学ローパスフィルタと、イメージセンサとを備えるデジタルカメラ。
  23. 　請求項２、４～１７のいずれか１項に記載のローパスフィルタと、イメージセンサとを備え、静止画を撮像するときは前記分離距離をＬＳとし、動画を撮像するときは前記分離距離をＬＭとするデジタルカメラ。
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