JP2010145614A - 光学ローパスフィルタ及びカメラ - Google Patents

Abstract

【課題】安価で且つ高性能な光学ローパスフィルタを提供する。
【解決手段】本発明の光学ローパスフィルタは、撮影光学系の光路中において、撮像面（１６Ａ）よりも被写体側に設けられる光学ローパスフィルタ（３０，５０，６０，７０）であって、光軸と直交する表面（３２，５２，６２，７２）に非周期の凹凸が設けられた第１平行平板（３１，５１，６１，７１）を備えること、を特徴とする。
【選択図】図５

Description

本発明は、モアレ等を防止する光学ローパスフィルタ、及び、これを備えたカメラに関するものである。

デジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラ等では、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅｓ）やＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）等の撮像素子を用いて撮影を行う。この撮像素子は、規則的に受光画素が配列されているので、モアレ縞や偽色（色モアレ）等（以下、これらをまとめてモアレと呼ぶ）が発生する場合がある。そこで、撮像素子の光の入射側には、モアレ等を防ぐ目的で光学ローパスフィルタが配置されている。

従来、光学ローパスフィルタは、水晶複屈折板０度方向、水晶波長板、水晶複屈折板９０度方向による点像４点分離によって実現するものがある。しかし、この場合、水晶複屈折板、波長板は高価であり、カメラのコストを上げる大きな要因となっている。また、複数の板部材を備えるため、ある程度の厚みが必要である。水晶の代わりにＬＮ（ニオブ酸リチウム）を用いると、水晶よりも薄く実現できるが、さらに高価なものになる。このため、複屈折板を用いない回折格子型の光学ローパスフィルタも存在する（例えば、特許文献１参照）。
特開２００５−７２７７８号公報

しかし、回折格子型の光学ローパスフィルタは拡散光が１次光、２次光、３次光と多くの次数に分かれるため、意図しない空間周波数の劣化が起こるという問題がある。

本発明の課題は、安価で且つ高性能な光学ローパスフィルタを提供することである。

本発明は、以下のような解決手段により前記課題を解決する。なお、理解を容易にするために、本発明実施形態に対応する符号を付して説明するが、これに限定されるものではない。

請求項１に記載の発明は、撮影光学系の光路中において、撮像面（１６Ａ）よりも被写体側に設けられる光学ローパスフィルタ（３０，５０，６０，７０）であって、光軸と直交する表面（３２，５２，６２，７２）に非周期の凹凸が設けられた第１平行平板（３１，５１，６１，７１）を備えること、を特徴とする光学ローパスフィルタ（３０，５０，６０，７０）である。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の光学ローパスフィルタ（３０，５０，６０，７０）であって、前記第１平行平板（３１，５１，６１，７１）に設けられた前記非周期の凹凸が、以下の式
θｍａｘ＝（ｋ／ａ）×ｐ／［（ｎ２−ｎ１）×（ｄ２／ｎ２＋ｄ３／ｎ３＋…＋ｄｍ／ｎｍ）］
を満たすこと、を特徴とする光学ローパスフィルタ（３０，５０，６０，７０）である。
但し、
θｍａｘ：凹凸の接平面（３２Ａ）と光軸直交面との成す角度θの最大値、
ｋ：前記光学ローパスフィルタ（３０，５０，６０，７０）に求める強度を示す、任意に設定可能な定数、
ａ：上記θｍａｘに対する凹凸の接平面（３２Ａ）と光軸直交面（３２Ｂ）との成す角度θの平均値の割合、
ｐ：撮像素子（１６）の画素ピッチ、
ｎ１：前記第１平行平板（３１，５１，６１，７１）の屈折率、
ｄ２，ｄ３：凹凸が設けられた前記表面（３２，５２，６２，７２）から前記撮像素子（１６）の前記撮像面（１６Ａ）までに配置される各部材の厚み、
ｎ２，ｎ３：凹凸が設けられた前記表面（３２，５２，６２，７２）から前記撮像素子（１６）の前記撮像面（１６Ａ）までに配置される各部材の屈折率
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の光学ローパスフィルタ（３０，５０，６０，７０）であって、前記凹凸のそれぞれが互いに非干渉であること、を特徴とする光学ローパスフィルタ（３０，５０，６０，７０）である。
請求項４に記載の発明は、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（７０）であって、前記第１平行平板（７１）の前記凹凸が設けられた前記表面（７２）側に光透過部材で製造された第２平行平板（７４）を配置し、前記第１平行平板（７１）と前記第２平行平板（７４）との間に、前記第１平行平板（７１）と異なる屈折率の接着剤（７５）を介在させること、を特徴とする光学ローパスフィルタ（７０）である。
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の光学ローパスフィルタ（７０）であって、前記接着剤（７５）の屈折率と前記第１平行平板（７１）の屈折率との差が、空気と前記第１平行平板（７１）の屈折率との差より小さいこと、を特徴とする光学ローパスフィルタ（７０）である。
請求項６に記載の発明は、請求項１〜５のいずれか１項に記載の光学ローパスフィルタ（３０，５０，６０，７０）を備えるカメラ（１）である。
なお、符号を付して説明した構成は、適宜改良してもよく、また、少なくとも一部を他の構成物に代替してもよい。

本発明によれば、安価で且つ高性能な光学ローパスフィルタを提供することができる。

（第１実施形態）
以下、図面等を参照して、本発明の第１実施形態について説明する。なお、以下の実施形態では、一眼レフカメラを例に説明する。図１は、本実施形態のカメラ１を説明する断面図である。本実施形態のカメラ１は、カメラボディ１０に対して交換レンズ２０が着脱可能な一眼レフカメラである。

交換レンズ２０は、撮影光学系を構成する撮影レンズ２１を有し、カメラボディ１０の被写体側（図１に示す左側）に着脱可能に装着される。カメラボディ１０は、ミラーユニット１１，ファインダスクリーン１２，ペンタプリズム１３，接眼光学系１４，シャッタ１５，光学ローパスフィルタ３０，撮像素子１６，表示画面１７等を備える。

ミラーユニット１１は、クイックリターンミラーであり、交換レンズ２０を通過した被写体側からの光（被写体光）の光路を、屈曲させるためにカメラボディ１０内に揺動可能に設けられたミラーである。ミラーユニット１１は、レリーズ操作に応じて、退避位置（図１に破線で示す）に移動し、被写体光は撮像素子１６方向へ導かれる。

ファインダスクリーン１２は、ミラーユニット１１により反射された被写体像を、結像させるためのスクリーンであり、ミラーユニット１１とペンタプリズム１３との間に配置されている。ペンタプリズム１３は、ファインダスクリーン１２で結像した像を正立像とし、接眼光学系１４へと導くプリズムであり、その断面形状は五角形である。ペンタプリズム１３は、カメラボディ１０を横位置に構えた状態の上部に収納されている。

接眼光学系１４は、ペンタプリズム１３により正立像となった被写体像を、拡大観察するための光学系であり、ペンタプリズム１３よりもカメラボディ１０の背面側（撮影者側）に配置されている。シャッタ１５は、レリーズ操作に応じて開閉して露光時間を制御し、これにより、被写体像が、撮像素子１６に結像される。

光学ローパスフィルタ３０は、交換レンズ３から撮像素子１６に至る被写体光の光路中の、シャッタ１５と撮像素子１６との間に設けられている。この光学ローパスフィルタ３０の詳細に関しては後述する。

撮像素子１６は、撮影光学系によって結像された被写体像を撮影する、例えば、ＣＣＤである。撮像素子１６は、カメラボディ１０の内側の背面側（図１に示す右側）に、撮像面が光軸ＯＡに対して垂直となるように設けられている。表示画面１７は、カメラボディ１０の外側の背面側（撮影者側）に設けられた液晶等の表示パネルであり、撮影した被写体像や、露光時間等の撮影に関する情報等を表示する。

上述したカメラ１では、レリーズ操作が行われると、ミラーユニット１１は、図１に破線で示すような退避位置に移動する。シャッタ１５は、レリーズ操作に応じて開閉し、被写体光は、光学ローパスフィルタ３０を通過して撮像素子１６に結像され、撮影される。

次に、第１実施形態の光学ローパスフィルタ３０について詳細に説明する。図２は、第１実施形態の光学ローパスフィルタ３０の作用面３２を概念的に示す平面図（等高線図）である。図３は、図２のＡ−Ａ断面図に相当し光学ローパスフィルタ３０の断面を概念的に示す図である。図４は、光学ローパスフィルタ３０の作用原理の説明図である。

図２及び図３に示すように、光学ローパスフィルタ３０は、平行平面基板３１の入出射面３１Ａ，３１Ｂのいずれか片面又は両面を作用面３２として構成されている。第１実施形態では、出射面３１Ｂを作用面３２として構成されている。平行平面基板３１は、光学ガラス又は光学プラスチック等の透光素材で製造されている。作用面３２は、平行平面基板３１の出射面３１Ｂに微小な凹凸が形成されている。作用面３２の凹凸は極めて微小であり、マクロに視た出射面１１Ｂは平面である。図２に示す等高線図及び図３に示す断面図は、微小な凹凸を誇張して表現したものである。

このように凹凸が形成された作用面３２によって、入射光を微小角度屈折させて出射し、結像する撮像面上で画素ピッチ以上（例えば画素ピッチの最大１．５倍程度）に拡散させる。これにより、撮像素子１６のナイキスト周波数付近以上の空間周波数を除去し、光学ローパスを実現することができる。

そのために、作用面３２の微小な凹凸は、周方向いずれの方向に対しても非周期（ランダム）に（互いに非干渉に）形成され、且つ、以下の式を満たす形状に形成される。図４はその説明図である。
θｍａｘ＝（ｋ／ａ）×ｐ／［（ｎ２−ｎ１）×（ｄ２／ｎ２＋ｄ３／ｎ３＋…＋ｄｍ／ｎｍ）］

ここで、
θｍａｘ：凹凸面の傾きの最大角（凹凸面の接平面３２Ａと光軸直交面３２Ｂとの成す角度＝接平面３２Ａに直角な直線と光軸との成す角：θの最大値）
Ｐ：撮像素子１６のピッチ
ｎ１：平行平面基板３１の屈折率
ｄ２，ｄ３…：作用面３２から撮像面１６Ａまでの各部材の厚さ（距離）
ｎ２，ｎ３…：作用面３２から撮像面１６Ａまでの各部材の屈折率
ｋ：任意に設定可能な定数
ａ：凹凸が設けられた曲面の、「傾きの最大角：θｍａｘ」に対する「傾き：θの平均値」の割合（比）
とする。

本実施の形態では、凹凸が設けられた曲面を擬似的にサインカーブとした。サインカーブはａ＝０．６３６程度であり、ｋ＝１とすると、上式におけるｋ／ａはｋ／０．６３６≒１．５７２となる。
ｋは、上述のごとく任意に設定可能な定数である。これを適宜設定することで、ボケ量を変えることができ、ローパス作用の強弱を調整することができる。ｋが１より小さい、例えば０．９や０．８の場合は、ローパス作用が弱く、画像はシャープであるがモアレが発生する可能性はｋが大きい場合と比べて大きくなる。また、ｋが１より大きい、例えば１．１や１．２の場合は、ローパス作用が強く、画像においてシャープさは欠けるがモアレが発生する可能性が低くなる。

さらに、作用面３２の凹凸の光軸直交面における大きさ及び配置は、当該カメラ１の最小絞り値における点像光束が凸部を少なくとも１０個以上含むように設定される。これにより、絞った状態における凹凸の写り込みを防ぐことができる。
尚、上述のごとき作用面３２を備える光学ローパスフィルタ３０は、例えば、超細密加工によってモールドを加工し、そのモールドを用いて成形することで製造できる。

本実施形態の光学ローパスフィルタ３０によれば、回折効果を用いないため、回折型の光学ローパスフィルタのように高次の同折光を含むことなく、撮像素子のナイキスト周波数以上の空間周波数のみをカットすることができる。

また、水晶複屈折板及び波長板等を複数積層することなく一枚でのフィルタで構成することができる。従って、光学ローパスフィルタを薄く形成することが可能となり、その結果、コストを削減できると共に、省スペース化によってカメラ全体の小型化も可能となる。

図５は、光学ローパスフィルタ３０のカメラへの設置状態を示す図である。光学ローパスフィルタ３０は、赤外線カットフィルタ４０の出射面側（撮像素子１６側）に隣接して一体に構成されている。光学ローパスフィルタ３０の作用面３２は、出射面３１Ｂ側に設定されており、撮像素子１６に対向している。図中１６Ａは撮像素子の撮像面、１６Ｂは撮像素子の入射側に配設されたカバーガラスである。

この構成では、光学ローパスフィルタ３０と撮像素子１６の間には、空気層の他にはカバーガラス１６Ｂのみが介在する。従って、θｍａｘは、
ｎ１：平行平面基板の屈折率
ｎ２：空気の屈折率＝１
ｎ３：カバーガラスの屈折率
ｄ２：平行平面基板の作用面からカバーガラスの入射面までの距離
ｄ３：カバーガラスの厚さ
として、
θｍａｘ＝（ｋ／ａ）×ｐ／［（ｎ２−ｎ１）×（ｄ２／ｎ２＋ｄ３／ｎ３）］
で求められる。

このような構成により、薄い一枚の光学ローパスフィルタ３０でコンパクトに構成することができ、コスト削減及び省スペース化が可能となってカメラ全体を小型化することができる。

（第２実施形態）
図６は、本発明の第２実施形態の光学ローパスフィルタ５０の設置状態を示す図である。第２実施形態の光学ローパスフィルタ５０は、平行平面基板５１自体が、赤外線カットフィルタによって形成され、その出射面５１Ｂを作用面５２としている。その他のカメラ等の構成は第１実施形態と同様であるのでその説明は省略する。
この実施の形態によれば、赤外線カットフィルタと光学ローパスフィルタの両作用を一枚のフィルタによって行うことが可能となる。その結果、より一層のコスト削減及び省スペース化が可能となる。

（第３実施形態）
図７は、第３実施形態の光学ローパスフィルタ６０の設置状態を示す図である。第３実施形態は、光学ローパスフィルタ６０は、透光素材によって形成された平行平面基板６１の出射面６１Ｂを作用面６２とすると共に、平行平面基板６１の入射面６１Ａに赤外線カットコート６３が施されている。その他のカメラ等の構成は第１実施形態と同様であるのでその説明は省略する。
この構成によれば、前述の第２実施形態と同様に、コスト削減及び省スペース化が可能となる。

（第４実施形態）
図８は、第４実施形態であって、光学ローパスフィルタ７０の設置状態を示す図である。第４実施形態は、前述した第３実施形態と同様に、透光素材によって形成された平行平面基板７１の出射面７１Ｂを作用面７２とすると共に、入射面７１Ａに赤外線カットコート７３を施し、更に、平行平面基板７１の作用面７２側（出射面７１Ｂ側）に平行平面基板７１と等しい屈折率の平行平板ガラス７４を光学用接着剤によって一体に接着したものである。つまり、作用面７２の出射側に光学用接着剤による接着剤層７５が形成されているものである。その他のカメラ等の構成は第１実施形態と同様であるのでその説明は省略する。

この構成では、光学ローパスフィルタ７０の作用面７２が接着剤層７５と接しており、θｍａｘは、
ｎ１：平行平面基板７１の屈折率
ｎ２：接着剤層７５の屈折率
ｎ３：空気の屈折率＝１
ｎ４：平行平板ガラス７４の屈折率
ｎ５：カバーガラス１６Ｂの屈折率
ｄ２：接着剤層７５の厚さ
ｄ３：平行平板ガラス７４の厚さ
ｄ４：平行平板ガラス７４の出射面からカバーガラス１６Ｂの入射面までの距離
ｄ５：カバーガラス１６Ｂの厚さ
として、
θｍａｘ＝（ｋ／ａ）×ｐ／［（ｎ２−ｎ１）×（ｄ２／ｎ２＋ｄ３／ｎ３＋ｄ４／ｎ４＋ｄ５／ｎ５）］
で求められる。

このため、接着剤層７５の屈折率を、平行平面基板７１に近いものとする（平行平面基板７１の屈折率に近い光学用接着剤を用いる）ことで、（ｎ２−ｎ１）を小さくして、θｍａｘを大きく設定することが可能となる。

例えば、平行平面基板７１の屈折率：１．５に対して光学用接着剤の屈折率：１．５５とすれば、（ｎ２−ｎ１）＝０．０５となる。これに対して、作用面７２が空気と接している場合には（ｎ２−ｎ１）＝−０．５である。従って、作用面７２の出射側にこのような光学用接着剤層７５を形成することで、形成しない場合と比較してθｍａｘは１０倍となる。
その結果、凹凸の勾配（θｍａｘ）が大きくなり、凹凸を同じ精度で形成したとすれば１０倍の精度が得られる。これにより、光学ローパスフィルタ７０の制作が容易になると共に、高精度に構成することができる。

以上、本実施形態の光学ローパスフィルタによれば、回折効果を用いないため、回折型の光学ローパスフィルタのように高次の同折光を含むことはなく、撮像素子のナイキスト周波数以上の空間周波数のみをカットすることができる。
また、従来複数枚の水晶複屈折板が必要であった光学ローパスフィルタを１枚で実現でき、コスト削減、空間の有効利用に寄与する。
さらに、このような光学ローパスフィルタをデジタルカメラに用いることで、省スペース化によってカメラ全体の小型化が可能となる。

本発明は、以上説明した実施形態に限定されることなく、以下に示すような種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明の範囲内である。
本実施形態では、平行平面基板３１，５１，６１，７１の出射面３１Ｂ，５１Ｂ，６１Ｂ，７１Ｂをそれぞれ作用面３２，５２，６２，７２とした。しかし、凹凸を形成する面（作用面）の構成面はこれに限るものではなく、入射面３１Ａ，５１Ａ，６１Ａ，７１Ａに構成しても良く、更に、両面に構成しても良い。
なお、実施形態及び変形形態は、適宜組み合わせて用いることもできるが、詳細な説明は省略する。

本実施形態のカメラを説明する断面図である。 光学ローパスフィルタの作用面を概念的に示す平面図である。 図２のＡ−Ａ断面図である。 光学ローパスフィルタの作用原理の説明図である。 光学ローパスフィルタの設置状態の第１実施形態の説明図である。 光学ローパスフィルタの設置状態の第２実施形態の説明図である。 光学ローパスフィルタの設置状態の第３実施形態の説明図である。 光学ローパスフィルタの設置状態の第４実施形態の説明図である。

符号の説明

１：カメラ、３０，５０，６０，７０：光学ローパスフィルタ、３１，５１，６１，７１：平行平面基板、３１Ａ，５１Ａ，６１Ａ，７１Ａ：入射面、３１Ｂ，５１Ｂ，６１Ｂ，７１Ｂ：出射面、３２，５２，６２，７２：作用面、４０：赤外線カットフィルタ：６３，７３：赤外線カットコート、７４：平行平板ガラス、７５：接着剤層

Claims (6)

1. 撮影光学系の光路中において、撮像面よりも被写体側に設けられる光学ローパスフィルタであって、光軸と直交する表面に非周期の凹凸が設けられた第１平行平板を備えること、を特徴とする光学ローパスフィルタ。
2. 請求項１に記載の光学ローパスフィルタであって、
   前記第1平行平板に設けられた前記非周期の凹凸が、以下の式
   θｍａｘ＝（ｋ／ａ）×ｐ／［（ｎ２−ｎ１）×（ｄ２／ｎ２＋ｄ３／ｎ３＋…＋ｄｍ／ｎｍ）］
   を満たすこと、を特徴とする光学ローパスフィルタ。
   但し、
   θｍａｘ：凹凸の接平面と光軸直交面との成す角度θの最大値、
   ｋ：前記光学ローパスフィルタに求める強度を示す、任意に設定可能な定数、
   ａ：上記θｍａｘに対する凹凸の接平面と光軸直交面との成す角度θの平均値の割合、
   ｐ：撮像素子の画素ピッチ、
   ｎ１：前記第１平行平板の屈折率、
   ｄ２，ｄ３：凹凸が設けられた前記表面から前記撮像面までに配置される各部材の厚み、
   ｎ２，ｎ３：凹凸が設けられた前記表面から前記撮像面までに配置される各部材の屈折率
3. 請求項１又は２に記載の光学ローパスフィルタであって、
   前記凹凸のそれぞれが互いに非干渉であること、
   を特徴とする光学ローパスフィルタ。
4. 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であって、
   前記第１平行平板の前記凹凸が設けられた前記表面側に光透過部材で製造された第２平行平板を配置し、
   前記第１平行平板と前記第２平行平板との間に、前記第１平行平板と異なる屈折率の接着剤を介在させること、
   を特徴とする光学ローパスフィルタ。
5. 請求項４に記載の光学ローパスフィルタであって、
   前記接着剤の屈折率と前記第１平行平板の屈折率との差が、空気と前記第１平行平板の屈折率との差より小さいこと、
   を特徴とする光学ローパスフィルタ。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の光学ローパスフィルタを備えるカメラ。

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