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JP2861525B2 - 波長選択性位相格子光学的ローパスフィルタ - Google Patents

波長選択性位相格子光学的ローパスフィルタ

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JP2861525B2
JP2861525B2 JP3230156A JP23015691A JP2861525B2 JP 2861525 B2 JP2861525 B2 JP 2861525B2 JP 3230156 A JP3230156 A JP 3230156A JP 23015691 A JP23015691 A JP 23015691A JP 2861525 B2 JP2861525 B2 JP 2861525B2
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pass filter
optical low
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grating optical
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裕昭 岡山
周佑 小野
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Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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    • G02B27/42—Diffraction optics, i.e. systems including a diffractive element being designed for providing a diffractive effect
    • G02B27/46—Systems using spatial filters
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
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    • G02B5/1871—Transmissive phase gratings
    • H—ELECTRICITY
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    • H04N23/55—Optical parts specially adapted for electronic image sensors; Mounting thereof
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    • H04N25/61—Noise processing, e.g. detecting, correcting, reducing or removing noise the noise originating only from the lens unit, e.g. flare, shading, vignetting or "cos4"
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    • H04N25/6153—Noise processing, e.g. detecting, correcting, reducing or removing noise the noise originating only from the lens unit, e.g. flare, shading, vignetting or "cos4" involving a transfer function modelling the optical system, e.g. optical transfer function [OTF], phase transfer function [PhTF] or modulation transfer function [MTF] for colour signals

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は色分離フィルタを有する
単管式カラービデオカメラや固体撮像素子を用いたカラ
ービデオカメラ等の光学系において、画像を離散的に得
る際に波長帯域毎に好適な光学的ローパス効果を与える
ことによって有用な画像特性を得る波長選択性位相格子
光学的ローパスフィルタに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】一般的に固体撮像素子を用いたビデオカ
メラ等では、撮像素子上に結像した被写体の像を空間的
に離散的にサンプリングすることによって出力画像情報
を得ている。このとき被写体が撮像素子の空間的なサン
プリング周波数より高い空間周波数成分を含んだもので
あった場合、固体撮像素子から出力される出力画像情報
は、被写体の有していない構造や偽信号を含んだものと
なる。
【０００３】すなわち、固体撮像素子の採取することの
できないナイキスト周波数より高い周波数成分が、エイ
リアジング、モアレ縞、偽色等の偽信号となって出力さ
れる。 このため、従来から撮像系の一部に光学的ロー
パスフィルタを配置することによって、固体撮像素子に
入力される被写体の高い空間周波数成分を制限してお
り、この目的のために光学的ローパスフィルタとして水
晶板等の複屈折を利用したもの、近年では位相格子を利
用したものが用いられている。しかしながら、従来の光
学的ローパスフィルタでは、ほとんどが全波長について
ほぼ等しいローパス効果を得ることを目的としたもので
あった。
【０００４】ところが、近年になり単板式の撮像系で用
いられる原色カラーフィルタが、透過波長帯域毎に各色
フィルタ部の空間的な分布密度、すなわち空間周波数が
異なっていることを利用して、高い空間周波数で分布し
ている波長帯域については高いサンプリング周波数でサ
ンプリングし、比較的低い空間周波数で分布している波
長帯域については低いサンプリング周波数でサンプリン
グすることにより好適な画像情報を得る試みがなされて
いる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】これらの要望に対し
て、ＭＴＦ（Modulation Transfer Function）特性がよ
く、かつ、所望のカットオフ周波数で空間周波数を制限
できる光学的ローパスフィルタが必要となってくる。
【０００６】本発明は上記課題を解決し、高いＭＴＦ特
性を持った波長選択性位相格子光学的ローパスフィルタ
を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に本発明は、ある波長λdで屈折率が等しく、かつ屈折
率分散の異なる２つの材料を重ね合わせ、境界面に位相
差を発生させる台形形状を形成することによって高いＭ
ＴＦ特性を維持しつつ、空間周波数を所望のカットオフ
周波数で制限することのできる、波長選択性位相格子光
学的ローパスフィルタを提供するものである。
【０００８】
【作用】位相差を発生させる境界面の形状が同じ場合、
重ね合わせた材料の屈折率差が小さいほど回折作用は小
さく、逆に屈折率差が大きいほど回折作用は大きくな
る。 上記構成で、屈折率がほぼ等しい波長λd付近で
は回折作用が小さく、λdから離れた波長帯域では、２
つの材料の屈折率分散が比較的大きく異なることから屈
折率差も大きくなり回折作用も大きくなる。これによっ
て、基準波長λd付近では光学的ローパス効果が弱く高
い空間周波数領域まで空間周波数が延びる結果となる。
【０００９】また逆に、基準波長λdから離れた波長帯
域では回折作用が大きいことから光学的ローパス効果も
大きく比較的低い空間周波数で遮断される結果となる。
【００１０】
【実施例】以下本発明の一実施例の波長選択性位相格子
光学的ローパスフィルタについて、図面を参照しながら
説明する。
【００１１】図１は本発明の第１の実施例の波長選択性
位相格子光学的ローパスフィルタを使用したときの配置
例を示す図である。図１において１は被写体、２はレン
ズ系、３は波長選択性位相格子光学的ローパスフィル
タ、４はカラーフィルタ、５は像面、６は撮像素子を示
している。ただし、波長選択性位相格子光学的ローパス
フィルタの配置場所については、図１に示す位置に限る
ものではなく、レンズ途中あるいはレンズ系の前でも良
い。
【００１２】図１の波長選択性位相格子光学的ローパス
フィルタを図２に示すように２層で構成する。
【００１３】図２において、７は被写体側の層、８は像
面側の層、９は位相差を発生させる構造を形成した２層
の境界面を示している。また、この２層間の境界面の形
状を台形波にした場合の斜視図を図３（ａ）に示してい
る。１０は像面側の層、１１は物体面側の層である。
【００１４】また、断面図を図３（ｂ）に示しており、
形状は台形波を周期的にｘ方向に並べたものであり、頂
上部の平坦部分１２をａ、低部の平坦部分１３をｂ、周
期をΛとしたとき、
【００１５】
【数２】
【００１６】
【数３】
【００１７】
【数４】
【００１８】の条件を満足するものである。たとえば、
原色カラーフィルタを用いた撮像系では一般的に緑の波
長帯域の分布が多く、空間周波数も高くなっている。こ
れに対し、赤と青の波長帯域の分布は緑の波長帯域の分
布に比べて少なく空間周波数も低いものとなっている。
さらに、緑の波長帯域からの出力信号が輝度信号に対す
る重率も高いことに着目し、緑の波長帯域のサンプリン
グ周波数を赤あるいは青のサンプリング周波数よりも高
く設定することができれば、輝度信号としての解像度の
向上につながる。そこで、本実施例では緑の遮断周波数
をできるだけ高くし、かつ赤あるいは青の波長帯域の遮
断周波数を従来の遮断周波数付近に設定することを目的
としている。
【００１９】そこで、例えば、被写体側の層のｄ線の屈
折率ｎdを1.56907、アッベ数νdを71.3、像面側の層の
ｄ線の屈折率ｎdを1.56732、アッベ数νdを42.8とし、
さらに（数３）、（数４）、
【００２０】
【数５】
【００２１】の条件を満たすものとしたときのＭＴＦ特
性を図４に示す。ただし、ｆは遮断したい空間周波数、
λRはＲ帯域の中心波長、λBはＢ帯域の中心波長、ｄは
本発明の位相格子フィルタから像面までの距離、Λは本
発明の位相格子フィルタのピッチ、ＮRはＲ帯域の中心
波長における２層間の屈折率差、ＮBはＢ帯域の中心波
長における２層間の屈折率差、ｈは２層間の境界面の境
界面を形成する台形波の高さ、πは円周率を示す。な
お、本実施例において２層の順序を入れ替えても何等性
能に影響はない。
【００２２】図４において、一点鎖線で示した１４は緑
の波長帯域のＭＴＦ特性、波線で示した１５は赤の波長
帯域のＭＴＦ特性、実線で示した１６は青の波長帯域の
ＭＴＦ特性である。また、ｆcRは赤の波長帯域での遮断
周波数、ｆcBは青の波長帯域での遮断周波数を示してい
る。図４からわかるように、緑の波長帯域の遮断周波数
は十分高いのに対し、赤と青の波長帯域の遮断周波数は
ほぼ等しい空間周波数となる結果が得られた。
【００２３】図５は、本発明の第２の実施例の波長選択
性位相格子光学的ローパスフィルタの２層の境界面に、
２次元的に位相差を発生させる構造を配置した場合の構
成例を示している。１７は被写体側の層、１８は像面側
の層、１９は２層間に形成される位相差を発生させる構
造を持った境界面を示している。
【００２４】図６は、本発明の第３の実施例の波長選択
性位相格子光学的ローパスフィルタを３つの層から構成
した場合の２つの境界面において最も被写体側の層２０
と次の層２１との境界面２２に図中のｘ方向に一次元的
に位相差を発生させる構造を形成し、もっとも像面側の
層２３と一つ被写体側の層２１との境界面２４に図中の
ｙ方向に１次元的に位相差を発生させる構造を形成した
構成例である。
【００２５】図７は本発明の第１の実施例の波長選択性
位相格子光学的ローパスフィルタを用いて水平解像度を
２倍にするための光学系の構成例である。図７におい
て、２５はレンズ系である。２６は垂直方向に効果があ
り、固体撮像素子のナイキスト周波数の半分でローパス
効果を持つ光学的ローパスフィルタである。２７は水平
方向に効果があり、固体撮像素子のナイキスト周波数で
ローパス効果を持つ光学的ローパスフィルタである。２
８は赤外カットフィルタで、２９は波長選択性位相格子
光学的ローパスフィルタである。ただし、垂直方向、水
平方向それぞれの光学的ローパスフィルタ、赤外カット
フィルタ及び位相格子光学的ローパスフィルタの配置す
る順序及び表裏は任意である。また、光学的ローパスフ
ィルタの前に波長板を入れることによってその効果を高
まることは言うまでもない。３０は固体撮像素子の保護
ガラス、３１は原色カラーフィルタ、３２は固体撮像素
子である。本例の光学系は水平方向にのみ波長選択性を
もたせ、水平方向の解像度を増やすものであり、波長選
択性位相格子光学的ローパスフィルタは水平方向につい
てのみ効果を持つものであり、ローパス効果の影響を大
きく受けずに通過する水平方向のＧ成分及び、垂直方向
の高周波成分を落とすために、波長選択性位相格子光学
的ローパスフィルタ以外に２６及び２７の光学的ローパ
スフィルタを設けたものである。なお、波長選択性位相
格子光学的ローパスフィルタ２９を２次元的に適用すれ
ば水平及び垂直方向の解像度の向上が可能となる。
【００２６】図８は本発明の第１の実施例の波長選択性
位相格子光学的ローパスフィルタを用いたビデオカメラ
の構成例で、３３は図７に示されるような原色カラーフ
ィルタ及び波長選択性位相格子光学的ローパスフィルタ
および必要な光学的ローパスフィルタを含んだ光学系、
３４は固体撮像素子である。固体撮像素子３４でサンプ
リングされた信号は、３５のサンプルホールド、３６の
ゲインコントロール、３７のγ補正の後、３８の信号処
理回路に入力されＲ、Ｇ、Ｂそれぞれの波長帯域毎に回
路でのローパスフィルタ、ホワイトバランスおよび輝度
信号・色信号が作成され、記録系で磁気テープ等の記録
媒体に記録される。このとき、輝度信号を構成するＧ成
分の重率が高いことに注目し、Ｇのサンプリング時のカ
ットオフ周波数をＲ，Ｂに比べて高いことから輝度によ
る解像度を高く得ることができる。この方法で、従来の
Ｒ，Ｇ，Ｂとも同じ空間周波数でカットオフを設けるこ
とに比べて高い解像度を得ることが可能になる。
【００２７】
【発明の効果】以上のように、本発明は固体撮像素子等
をもつビデオカメラ等の撮像系に、ある波長での屈折率
が等しく、かつ屈折率分散が異なる複数枚の位相格子か
ら構成される位相格子光学的ローパスフィルタを設ける
ことにより、任意の波長で異なる空間周波数遮断特性を
もった波長選択性位相格子光学的ローパスフィルタを得
ることができる。
【００２８】さらに、本発明の波長選択性位相格子光学
的ローパスフィルタを光学系中に用い、Ｇ成分のカット
オフ周波数をＲ，Ｂに比べて高く設定することによっ
て、好適な解像度を持った撮像系を構成することができ
る。本実施例における構成では、境界面形状を台形波と
する事によって従来試みられていた矩形波による色選択
性位相格子フィルタよりもＭＴＦ特性の優れたものが実
現できる。また、本発明による構成を用いることによ
り、位相格子の位相差を発生させる構造形状に自由度を
持たせることができ、ＭＴＦ特性も所望の好適なものが
得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例の波長選択性位相格子光
学的ローパスフィルタを光学系中に用いた例を示す図
【図２】同実施例における波長選択性位相格子光学的ロ
ーパスフィルタの構成を示す図
【図３】同実施例における波長選択性位相格子光学的ロ
ーパスフィルタの２層間の位相差形成部分を周期的な台
形波としたときの構成を示す図
【図４】同実施例における波長選択性位相格子光学的ロ
ーパスフィルタによるＲＧＢ各波長帯域の空間周波数特
性を示す図
【図５】本発明の第２の実施例における波長選択性位相
格子光学的ローパスフィルタで２次元的に位相差を発生
させる構造を形成した場合の構成を示す図
【図６】本発明の第３の実施例における波長選択性位相
格子光学的ローパスフィルタで、３層で形成された場合
の構成を示す図
【図７】本発明の実施例における波長選択性位相格子光
学的ローパスフィルタを用いた光学系の構成を示す図
【図８】同実施例における波長選択性位相格子光学的ロ
ーパスフィルタ及び、原色カラーフィルタを用いてビデ
オカメラを構成した場合の構成を示す図
【符号の説明】
１０ 像面側の層 １１ 物体面側の層 １２ 台形波の頂上部の平坦部 １３ 台形波の底部の平坦部

Claims (9)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 少なくとも異なる２種類の層を重ね合わ
    せ、境界面に位相差分布を発生させる形状を形成するこ
    とにより、波長毎の光学的ローパス効果が異なり、下記
    の条件を満足することを特徴とする波長選択性位相格子
    光学的ローパスフィルタ (1)２種類の材料の屈折率は波長λが 470nm＜λ＜580nm の範囲にある波長λにおいて Ｎo(λ)＝Ｎi(λ) (2)２種類の材料のアッベ数は νdo＜νdi あるいは νdo＞νdi ただし、隣合う２層のうち、Ｎo(λ)は被写体側の層の
    波長λにおける屈折率、Ｎi(λ)は像面側の層の波長λ
    における屈折率を、νdoは物体側の層のアッベ数、νdi
    は像面側の材層のアッベ数を示す。
  2. 【請求項２】 請求項１記載の波長選択性位相格子光学
    的ローパスフィルタにおいて、隣合う２層間の位相差を
    発生させる構造を、一次元方向に縞状に構成したことを
    特徴とする波長選択性位相格子光学的ローパスフィルタ
  3. 【請求項３】 請求項２記載の波長選択性位相格子光学
    的ローパスフィルタにおいて、隣合う２層間に一次元的
    に構成された縞状の位相差を発生させる構造の断面が周
    期的な台形波状で、頂上部の平坦部の幅をａ、底部の平
    坦部の幅をｂ、高さをｈ、ピッチをΛ、基準波長をλ
    ｄ、位相格子フィルタと像面との距離をｄ、遮断周波数
    をｆ、原色カラーフィルタの赤色帯域の中心波長λR、
    原色カラーフィルタの青色帯域の中心波長λB、波長λR
    での被写体側の層と像面側の層の屈折率差ＮR、波長λB
    での被写体側の層と像面側の層との屈折率差ＮBとした
    とき、下記の条件を満足することを特徴とする波長選択
    性位相格子光学的ローパスフィルタ 0.1＜ａ／Λ＜0.9、0.1＜ｂ／Λ＜0.9 【数１】
  4. 【請求項４】 請求項１記載の波長選択性位相格子光学
    的ローパスフィルタにおいて、隣合う２層間の位相差を
    発生させる構造を二次元的に縞状に形成したことを特徴
    とする波長選択性位相格子光学的ローパスフィルタ
  5. 【請求項５】 請求項１記載の波長選択性位相格子光学
    的ローパスフィルタにおいて、少なくとも２つの境界面
    を持つように構成し、それぞれ隣合う２層間の位相差を
    発生させる構造を一次元的に縞状に構成し、互いに位相
    差を発生させる構造を直交するように形成したことを特
    徴とする波長選択性位相格子光学的ローパスフィルタ
  6. 【請求項６】 請求項１記載の波長選択性位相格子光学
    的ローパスフィルタの境界面に接着剤を注入して２層を
    固定することを特徴とする波長選択性位相格子光学的ロ
    ーパスフィルタ
  7. 【請求項７】 請求項１記載の波長選択性位相格子光学
    的ローパスフィルタにおいて２層の境界面に樹脂を注入
    することによって２層を固定することを特徴とする波長
    選択性位相格子光学的ローパスフィルタ
  8. 【請求項８】 請求項１記載の波長選択性位相格子光学
    的ローパスフィルタを用いて構成されることを特徴とす
    る光学系
  9. 【請求項９】 請求項８記載の波長選択性位相格子光学
    的ローパスフィルタを用いた光学系を用いて構成される
    固体撮像素子をもつカメラ
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