光学ローパスフィルタ、光学ローパスフィルタ装置および撮像装置
【課題】 光透過性部材に周期的な屈折率分布を形成した光学ローパスフィルタの提供。
【解決手段】 光学ローパスフィルタ４は、被写体光が入射する光透過性部材４１と圧電体４２とを有している。光透過性部材４１の辺Ａに設けられた圧電体４２に駆動回路８により１０ＭＨｚ〜１００ＭＨｚの高周波電圧を印加して振動させると、光透過性部材４１内部に疎密波（超音波）が発生する。疎密波の発生により、光透過性部材４１内部に辺Ａから辺Ｃへと周期的に変化する屈折率分布が形成され、音響効果による回折によって被写体光線は複数に分離される。そして、高周波電圧の周波数を変えることにより分離幅を調整することができ、電圧の大きさをかえることによりフィルタ効果を調整することができる。
【解決手段】 光学ローパスフィルタ４は、被写体光が入射する光透過性部材４１と圧電体４２とを有している。光透過性部材４１の辺Ａに設けられた圧電体４２に駆動回路８により１０ＭＨｚ〜１００ＭＨｚの高周波電圧を印加して振動させると、光透過性部材４１内部に疎密波（超音波）が発生する。疎密波の発生により、光透過性部材４１内部に辺Ａから辺Ｃへと周期的に変化する屈折率分布が形成され、音響効果による回折によって被写体光線は複数に分離される。そして、高周波電圧の周波数を変えることにより分離幅を調整することができ、電圧の大きさをかえることによりフィルタ効果を調整することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＣＣＤ等の撮像素子に対して使用される光学ローパスフィルタ、および、その光学ローパスフィルタを使用した光学ローパスフィルタ装置や撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ビデオカメラやデジタルカメラなど撮像素子を使用した撮像装置では、レンズによって結像された像に撮像素子のサンプリング周波数と同程度以上の高周波成分が含まれると、撮像画像が劣化するという現象が生じるため、結像された画像の高周波成分を減衰させるために光学ローパスフィルタが用いられている。一般的な光学ローパスフィルタでは、結晶材料の複屈折性を利用して被写体光を複数に分離することにより、高周波成分を除去している。また、複屈折性結晶材料を使用する代わりに、微細な周期構造による回折効果を利用する場合もある。
【０００３】
さらに、上述した一般的な光学ローパスフィルタでは周波数特性が固定であるが、周波数特性の変更が可能なものも提案されている（例えば、特許文献１参照）。その光学ローパスフィルタでは、光学材料に機械的な応力を加えることで発生する複屈折性を利用して、被写体光を複数に分離するようにしている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−１６７１２３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述した結晶材料の複屈折性や周期構造の回折効果を利用する一般的な光学ローパスフィルタでは、光学ローパスフィルタの分離特性が固定されているため、撮影者の意図に応じた撮影が困難であった。
【０００６】
また、フィルタ材料に機械的な応力を加えたときの複屈折性を利用する光学ローパスフィルタでは、必要な複屈折を発生させるためには非常に大きな応力が必要となる。そのため、構造を堅固にする必要があり、装置が大がかりになるとともに重くなるという欠点があった。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１の発明による光学ローパスフィルタは、複数の受光画素が規則的に配置された撮像素子と撮影光学系との間の光軸上に配設される光透過性部材と、光透過性部材の面内で周期的に変化する屈折率分布を形成する屈折率分布形成手段とを備えたことを特徴とする。
請求項２の発明は、請求項１に記載の光学ローパスフィルタにおいて、屈折率分布形成手段が、光透過性部材の面内の異なる複数の方向に屈折率分布をそれぞれ形成するようにしたものである。
請求項３の発明は、請求項１または２に記載の光学ローパスフィルタにおいて、屈折率分布形成手段が、光透過性部材に疎密波を発生させて屈折率分布を形成するように下ものである。
請求項４の発明は、請求項３に記載の光学ローパスフィルタにおいて、屈折率分布形成手段は、高周波電圧が印加されることによって光透過性部材に疎密波を発生させる圧電体を有するものである。
請求項５の発明は、請求項１〜４のいずれかに記載の光学ローパスフィルタにおいて、光透過性部材として、少なくとも波長４５０ｎｍから波長７５０ｎｍの範囲の光透過率が部材厚さ１ｍｍあたり５０％以上である光透過性部材を用いたものである。
請求項６の発明による光学ローパスフィルタ装置は、請求項４に記載の光学ローパスフィルタと、高周波電圧の大きさを制御する電圧制御手段とを備えたことを特徴とする。
請求項７の発明による光学ローパスフィルタ装置は、請求項４に記載の光学ローパスフィルタと、高周波電圧の周波数を制御する周波数制御手段とを備えたことを特徴とする。
請求項８の発明は、請求項６または７に記載の光学ローパスフィルタ装置において、光透過性部材として、少なくとも波長４５０ｎｍから波長７５０ｎｍの範囲の光透過率が部材厚さ１ｍｍあたり５０％以上である光透過性部材を用いたものである。
請求項９の発明による撮像装置は、複数の受光画素が規則的に配置された撮像素子と、撮像素子に被写体光束を投影する撮影光学系と撮像素子との間の光軸上に配設される請求項６〜８のいずれかに記載の光学ローパスフィルタ装置とを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、光透過性部材の面内で周期的に変化する屈折率分布を形成することにより入射光線が回折によって分離されるので、この屈折率分布を可変とすることで光学ローパスフィルタの分離特性を容易に変えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、図を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。図１は本発明による撮像装置の一実施の形態を示す図であり、一眼レフ式のデジタルスチルカメラの概略構成を示したものである。図１において、１は撮影光学系、３はクイックリターンミラー、４は光学ローパスフィルタ、５はフォーカルプレーンシャッタ、６は撮像素子、７はファインダー光学系、８は光学ローパスフィルタ４の駆動回路である。
【００１０】
光学ローパスフィルタ４，フォーカルプレーンシャッタ５および撮像素子６は撮影光学系１の光軸２上に配設されている。クイックリターンミラー３は、図１に示す光軸位置と不図示の光軸外位置との間を移動できるように設けられている。クイックリターンミラー３が図１のように光軸位置に配設されると、撮影光学系１からの被写体光はクイックリターンミラー３によりファインダー光学系７へと反射される。ファインダー光学系７にはペンタプリズム７１や接眼レンズ７２が設けられており、接眼レンズ７２を介して被写体像を観察することができる。
【００１１】
一方、被写体を撮影する場合には、クイックリターンミラー３は不図示の光軸外位置に移動されるとともにフォーカルプレーンシャッタ５の開閉動作が行われ、被写体光に対して撮像素子６が所定時間露光される。この露光の際には、駆動回路８により光学ローパスフィルタ４が駆動される。すなわち、撮像素子６に入射する被写体光は、光学ローパスフィルタ４により高周波成分が除去される。撮像素子６はＣＣＤやＣＭＯＳ等の固体撮像素子で構成され、複数の受光画素が２次元的に配列されている。
【００１２】
《光学ローパスフィルタ４の説明》
次に、光学ローパスフィルタ４について説明する。図２は光学ローパスフィルタ４を撮影光学系１側から見た平面図である。４１は光透過性部材であり、ここでは石英ガラスから成る矩形状の平行平板を用いているが、光透過性部材４１に用いる材料としては、使用する光の透過性が良好なガラスや単結晶が良い。
【００１３】
例えば、可視光を取り扱うカメラ等の場合には、少なくとも波長４５０ｎｍから７５０ｎｍの範囲の光を透過する材料を使用する。また、光透過性の程度としては、上記波長帯域の分光透過率が部材厚さ１ｍｍあたり５０％以上であることが望ましい。このような光透過性の定量は、分光光度計などの分光透過率測定装置で行う。光透過性が良好な材料としては、ガラスの場合にはクラウンガラス，フリントガラス，石英ガラス等があり、結晶材料の場合にはモリブデン酸鉛、二酸化テルル等が好適である。もちろん、本発明における光透過性部材４１は、これらのガラスや結晶材料に限定されるものではない。
【００１４】
矩形状の光透過性部材４１の上辺Ａには、圧電体４２が固設されている。なお、図２に示す例は、光学ローパスフィルタ４により光線を一方向（図示上下方向）に分離する場合を示したものであり、一方向に分離する場合、圧電体４２の固設位置は上辺Ａに限らず、４辺Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄのいずれか一つに設ければ良い。圧電素子４２を辺Ａ，Ｃに設ければ光線は上下に分離され、辺Ｂ，Ｄに設けた場合には光線は左右に分離される。分離動作の原理はいずれの場合も同じなので、ここでは代表して辺Ａに固設した場合で説明する。
【００１５】
駆動回路８から圧電体４２に高周波電圧が印加されると、圧電体４２は図示上下方向に振動する。本実施の形態では、１０ＭＨｚ〜１００ＭＨｚ程度の周波数を有する高周波電圧が圧電体４２に印加される。この周波数域は音として人間の耳に聞こえない超音波の周波数帯域であり、このような周波数帯域の振動を発生させる圧電体４２としてはジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）やチタン酸バリウム等のセラミックスが好適であるが、必ずしもこれらに限定されるものではない。
【００１６】
圧電体４２を振動させると、矢印４３で示すように光透過性部材４１の上辺Ａから下辺Ｃへと進行する疎密波が発生し、光透過性部材４１の内部に周期的な密度分布が形成される。その結果、光透過性部材４１の面内で周期的に変化する屈折率分布が形成される。４４は疎密波の波面を示したものであり、波面４４は進行方向４３に垂直となる。例えば、波面４４の位置を分布が密な部分とすれば、それらの中間に分布が疎となる部分が発生する。密部分同士の間隔は疎密波の波長Λになっている。すなわち、屈折率分布の空間的な周期はΛとなっている。
【００１７】
図２に示すような周期的な屈折率分布が形成された光透過性部材４１に光が入射すると、音響効果によるラマン・ナス回折あるいは音響効果によるブラッグ回折と呼ばれる回折現象が発生する。すなわち、周期的な屈折率分布が形成された光透過性部材４１に入射した光線は、一部は０次光としてそのまま進行し、一部は進行方向を変えられて出射する。このときの回折角θｍは、回折次数をｍ、光の波長をλとすると、次式（１）で表される。また、周期的な屈折率分布の周期（幅）Λは、圧電体４２に印加する高周波電圧の周波数をｆ、光透過性部材４１内における音速をｖとすると、次式（２）のように表される。
sinθｍ＝ｍλ／Λ …（１）
Λ＝ｖ／ｆ …（２）
【００１８】
したがって、光透過性部材４１を用いることによって、被写体光を複数に分離することが可能となる。一般に、ラマン・ナス回折で分離した光線は、０次光，±１次光，±２次光，…のように順に高次の回折をすることになり、ブラッグ回折では０次光と１次光とに分離される。なお、本実施の形態では、回折光強度が大きな０次光と±１次または１次の回折光を考えることにする。
【００１９】
光透過性部材４１を透過して分離される光線（１次光）の分離角度をθとすると、分離角度θは小さいのでsinθ≒θのように近似をすることができ、式（１）は次式（３）のように表すことができる。
θ＝λ／Λ …（３）
【００２０】
図３に示すように光透過性部材４１から撮像素子６の撮像面までの距離をＬとし、撮像面での分離幅をｄとすると、次式（４）が成り立つ。そして、式（３）と式（４）とからθを消去すると、分離幅ｄは式（５）のように表される。式（５）から、高周波電圧の周波数ｆを変更することにより、分離幅ｄすなわち光学ローパスフィルタ４のカットオフ周波数を調整することができる。分離幅ｄは撮像素子６の画素ピッチに依存しているが、本実施の形態の光学ローパスフィルタ４では分離幅ｄが調整できるので、同一光学ローパスフィルタ４で画素ピッチの異なる種々の撮像素子６に対応することができる。
ｄ／Ｌ＝tanθ
≒θ …（４）
ｄ＝（λＬ／ｖ）・ｆ …（５）
【００２１】
例えば、光の波長をλ＝６００ｎｍ、距離Ｌ＝５ｍｍとし、光透過性部材４１に石英ガラスを用いた場合を考える。石英ガラス中の音速ｖはｖ＝６ｋｍ／ｓであるので、印加電圧の周波数をｆ＝１０ＭＨｚとすれば、疎密波（超音波）の周期ΛはΛ＝０．６ｍｍとなる。このとき、分離幅ｄはｄ＝５μｍとなる。カットオフ周波数は分離幅ｄの逆数であるから、２００（１／ｍｍ）となる。
【００２２】
また、印加する高周波電圧の電圧値を大きくすることにより、周期的屈折率分布の振幅を大きくすることができ、逆に、高周波電圧の電圧値を小さくすることにより周期的屈折率分布の振幅を小さくすることができる。その結果、高周波電圧の電圧値の大きさを調整することにより、０次光に対する１次光または±１次光の強度比、すなわち光学ローパスフィルタ４のフィルタ効果の程度を調整することができる。
【００２３】
《フィルタ動作の説明》
上述したように、光学ローパスフィルタ４は圧電体４２を駆動している間だけ光学ローパスフィルタとして機能する。そのため、撮像素子６による被写体像の撮像を行う時だけ圧電体４２を駆動すれば十分であり、撮像動作を行っていない場合には圧電体４２を駆動する必要がない。例えば、以下のように光学ローパスフィルタ４を動作させればよい。
【００２４】
撮影者がカメラのレリーズボタン（付図示）を全押しすると、レリーズボタンの全押しに連動してオンするレリーズスイッチ（不図示）が作動して撮影動作を開始する。レリーズスイッチがオンされると、駆動回路８により圧電体４２に高周波電圧（例えば、１０ＭＨｚの電圧）を印加するとともに、クイックリターンミラー３を光軸外位置へと移動する。圧電体４２に高周波電圧が印加されると、光透過性部材４１内を疎密波が図２のように辺Ａから辺Ｃへと進行する。
【００２５】
上述したように石英ガラス中の音速ｖはｖ＝６ｋｍ／ｓなので、ＡＣ間の距離が１ｃｍであれば、約１．７μｓ後には光透過性部材４１の面内全域に周期的な屈折率分布が形成されることになる。次いで、フォーカルプレーンシャッタ５を解放状態にして撮像素子６を被写体光束中に露光し、撮像を行う。その後、フォーカルプレーンシャッタ５を閉じ、クイックリターンミラー３を光軸位置へと移動した後、圧電体４２への印加電圧をオフする。
【００２６】
このような本実施の形態における光学ローパスフィルタ４は、以下のような効果を奏する。
（ａ）印加される高周波電圧の周波数を変えることにより分離幅ｄを容易に変更することができるので、同一光学ローパスフィルタ４で画素ピッチの異なる種々の撮像素子６や被写体像の空間周波数の違いに対応することができる。また、高周波電圧の大きさを変更することによりフィルタ効果の程度を変えることができるので、撮影者の意図に応じた撮影に対応することができる。
（ｂ）また、複屈折性を利用して分離を行う従来の光学ローパスフィルタのように、フィルタ材料が限定されず種々の光透過性材料を用いることができる。
（ｃ）光学ローパスフィルタ４の光透過性部材４１内には疎密波（超音波）が発生されるだけでなので、光透過性部材４１自体が機械的に振動することがない。そのため、光学ローパスフィルタ４自体から塵等が発生することがなく、塵が撮像画像に写り込んでしまうといった問題は生じない。
【００２７】
例えば、特開２００４−９４１３１号公報には、光路中に配置された透明平行平板から成るフィルタを機械的に振動させ、光学系の光軸を変位させることにより高周波成分を除去する方法も提案されている（例えば、特許文献２参照）。しかしながら、透明平行平板を機械的に振動させたときの摩擦により塵が発生し易く、その塵がフィルタや撮像素子に付着するなどして画像に写りこんでしまうという問題があった。また、透明平行平板をシャッター速度よりも高速で振動させる必要があり、シャッター速度が大きい場合に光学ローパスフィルタとしての所望の効果が得られにくいという欠点もある。
【００２８】
なお、図２に示す光透過性部材４１の辺Ａと対向する辺Ｃに吸音材を設けて、辺Ｃの端面での疎密波の反射を防止するようにしても良い。吸音材には、ゴム、プラスチック樹脂等の弾性体が適している。また、辺Ｂにも圧電体を設けて、光透過性部材４１内に定在波を形成するようにしても良い。この場合にも、光透過性部材４１内は屈折率分布が形成され、進行波の場合と同様の効果を得ることができる。さらに、圧電体４２を辺Ａの全域に設けたが、被写体光入射領域に疎密波が形成されるならば必ずしも全域に設ける必要はなく、辺Ａの中央部だけに設けてもかまわない。
【００２９】
図４は図１に示した光学ローパスフィルタ４の変形例を示す図である。図４に示す例で、光透過性部材４１の辺Ａおよび辺Ｂに圧電体４２Ａ，４２Ｂを設けた。圧電体４２Ａは図２に示した圧電体４２と同様に、上辺Ａから下辺Ｃへと進行する疎密波４４を発生させ、光透過性部材４１の上下方向に周期的な屈折率分布を形成する。一方、左辺Ｂに設けられた圧電体４２Ｂは左辺Ｂから右辺Ｄへと左右方向に進行する疎密波４５を発生させ、光透過性部材４１の左右方向に周期的な屈折率分布を形成する。その結果、光透過性部材４１の面内の異なる２方向に周期的に変化する屈折率分布が形成され、光透過性部材４１に入射した光線は、図示上下方向および左右方向の両方に２次元的に分離される。
【００３０】
なお、図４に示す光学ローパスフィルタ４の場合も、辺Ｃ，Ｄに吸音材を設けて反射を防止するようにしても良いし、辺Ｃ，Ｄに圧電体を設けて定在波を発生させるようにしても良い。定在波を発生させる場合も、進行波の場合と同様に機能する。
【００３１】
さらに、圧電体を増やして進行方向の異なる複数の疎密波を発生させることにより、光透過性部材４１の面内の異なる複数の方向に周期的に変化する屈折率分布を形成することができる。例えば、図５のように六角形状の光透過性部材４１を用意し、三つの辺Ａ，Ｂ，Ｃに３つの圧電体４２Ａ，４２Ｂ，４２Ｃを設けると、疎密波４４，４５，４６の進行方向に沿って周期的に変化する屈折率分布が得られる。
【００３２】
図４，５に示す光学ローパスフィルタ４では、一つの光透過性部材４１によって光線を２次元的または３次元的に分離することができるので、２枚以上の光学部材を光軸上に配設して２次元的分離を行う従来の光学ローパスフィルタに比べて光軸方向の寸法が低減され、小型化を図ることができる。
【００３３】
上述した実施の形態では、一眼レフ式のデジタルカメラの光学ローパスフィルタに適用した場合について説明したが、レンズ一体型のデジタルカメラにも同様に適用することができる。さらに、デジタルスチルカメラに限らず、ビデオカメラなどのように撮像素子を備えた撮像装置の光学ローパスフィルタにも適用できる。また、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではない。例えば、屈折率分布形成手段として圧電体を用いたが、光透過性部材４１内に疎密波（超音波）を発生させることができるならば、圧電体に限らず他のトランスデューサを用いても良い。
【００３４】
以上説明した実施の形態と特許請求の範囲の要素との対応において、圧電体４２，４２Ａ，４２Ｂ，４２Ｃは屈折率分布形成手段を、駆動回路８は電圧制御手段および周波数制御手段をそれぞれ構成する。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明による撮像装置の一実施の形態を示す図であり、一眼レフ式のデジタルスチルカメラの概略構成を示したものである。
【図２】光学ローパスフィルタ４を撮影光学系１側から見た平面図である。
【図３】分離幅ｄを説明する図である。
【図４】光学ローパスフィルタ４の変形例を示す図である。
【図５】３つの圧電体４２Ａ，４２Ｂ，４２Ｃが設けられた光学ローパスフィルタ４を示す図である。
【符号の説明】
【００３６】
１ 撮影光学系
２ 光軸
３ クイックリーターンミラー
４ 光学ローパスフィルタ
５ フォーカルプレーンシャッタ
６ 撮像素子
７ ファインダー光学系
８ 駆動回路
４１ 光透過性部材
４２，４２Ａ，４２Ｂ 圧電体
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＣＣＤ等の撮像素子に対して使用される光学ローパスフィルタ、および、その光学ローパスフィルタを使用した光学ローパスフィルタ装置や撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ビデオカメラやデジタルカメラなど撮像素子を使用した撮像装置では、レンズによって結像された像に撮像素子のサンプリング周波数と同程度以上の高周波成分が含まれると、撮像画像が劣化するという現象が生じるため、結像された画像の高周波成分を減衰させるために光学ローパスフィルタが用いられている。一般的な光学ローパスフィルタでは、結晶材料の複屈折性を利用して被写体光を複数に分離することにより、高周波成分を除去している。また、複屈折性結晶材料を使用する代わりに、微細な周期構造による回折効果を利用する場合もある。
【０００３】
さらに、上述した一般的な光学ローパスフィルタでは周波数特性が固定であるが、周波数特性の変更が可能なものも提案されている（例えば、特許文献１参照）。その光学ローパスフィルタでは、光学材料に機械的な応力を加えることで発生する複屈折性を利用して、被写体光を複数に分離するようにしている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−１６７１２３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述した結晶材料の複屈折性や周期構造の回折効果を利用する一般的な光学ローパスフィルタでは、光学ローパスフィルタの分離特性が固定されているため、撮影者の意図に応じた撮影が困難であった。
【０００６】
また、フィルタ材料に機械的な応力を加えたときの複屈折性を利用する光学ローパスフィルタでは、必要な複屈折を発生させるためには非常に大きな応力が必要となる。そのため、構造を堅固にする必要があり、装置が大がかりになるとともに重くなるという欠点があった。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１の発明による光学ローパスフィルタは、複数の受光画素が規則的に配置された撮像素子と撮影光学系との間の光軸上に配設される光透過性部材と、光透過性部材の面内で周期的に変化する屈折率分布を形成する屈折率分布形成手段とを備えたことを特徴とする。
請求項２の発明は、請求項１に記載の光学ローパスフィルタにおいて、屈折率分布形成手段が、光透過性部材の面内の異なる複数の方向に屈折率分布をそれぞれ形成するようにしたものである。
請求項３の発明は、請求項１または２に記載の光学ローパスフィルタにおいて、屈折率分布形成手段が、光透過性部材に疎密波を発生させて屈折率分布を形成するように下ものである。
請求項４の発明は、請求項３に記載の光学ローパスフィルタにおいて、屈折率分布形成手段は、高周波電圧が印加されることによって光透過性部材に疎密波を発生させる圧電体を有するものである。
請求項５の発明は、請求項１〜４のいずれかに記載の光学ローパスフィルタにおいて、光透過性部材として、少なくとも波長４５０ｎｍから波長７５０ｎｍの範囲の光透過率が部材厚さ１ｍｍあたり５０％以上である光透過性部材を用いたものである。
請求項６の発明による光学ローパスフィルタ装置は、請求項４に記載の光学ローパスフィルタと、高周波電圧の大きさを制御する電圧制御手段とを備えたことを特徴とする。
請求項７の発明による光学ローパスフィルタ装置は、請求項４に記載の光学ローパスフィルタと、高周波電圧の周波数を制御する周波数制御手段とを備えたことを特徴とする。
請求項８の発明は、請求項６または７に記載の光学ローパスフィルタ装置において、光透過性部材として、少なくとも波長４５０ｎｍから波長７５０ｎｍの範囲の光透過率が部材厚さ１ｍｍあたり５０％以上である光透過性部材を用いたものである。
請求項９の発明による撮像装置は、複数の受光画素が規則的に配置された撮像素子と、撮像素子に被写体光束を投影する撮影光学系と撮像素子との間の光軸上に配設される請求項６〜８のいずれかに記載の光学ローパスフィルタ装置とを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、光透過性部材の面内で周期的に変化する屈折率分布を形成することにより入射光線が回折によって分離されるので、この屈折率分布を可変とすることで光学ローパスフィルタの分離特性を容易に変えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、図を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。図１は本発明による撮像装置の一実施の形態を示す図であり、一眼レフ式のデジタルスチルカメラの概略構成を示したものである。図１において、１は撮影光学系、３はクイックリターンミラー、４は光学ローパスフィルタ、５はフォーカルプレーンシャッタ、６は撮像素子、７はファインダー光学系、８は光学ローパスフィルタ４の駆動回路である。
【００１０】
光学ローパスフィルタ４，フォーカルプレーンシャッタ５および撮像素子６は撮影光学系１の光軸２上に配設されている。クイックリターンミラー３は、図１に示す光軸位置と不図示の光軸外位置との間を移動できるように設けられている。クイックリターンミラー３が図１のように光軸位置に配設されると、撮影光学系１からの被写体光はクイックリターンミラー３によりファインダー光学系７へと反射される。ファインダー光学系７にはペンタプリズム７１や接眼レンズ７２が設けられており、接眼レンズ７２を介して被写体像を観察することができる。
【００１１】
一方、被写体を撮影する場合には、クイックリターンミラー３は不図示の光軸外位置に移動されるとともにフォーカルプレーンシャッタ５の開閉動作が行われ、被写体光に対して撮像素子６が所定時間露光される。この露光の際には、駆動回路８により光学ローパスフィルタ４が駆動される。すなわち、撮像素子６に入射する被写体光は、光学ローパスフィルタ４により高周波成分が除去される。撮像素子６はＣＣＤやＣＭＯＳ等の固体撮像素子で構成され、複数の受光画素が２次元的に配列されている。
【００１２】
《光学ローパスフィルタ４の説明》
次に、光学ローパスフィルタ４について説明する。図２は光学ローパスフィルタ４を撮影光学系１側から見た平面図である。４１は光透過性部材であり、ここでは石英ガラスから成る矩形状の平行平板を用いているが、光透過性部材４１に用いる材料としては、使用する光の透過性が良好なガラスや単結晶が良い。
【００１３】
例えば、可視光を取り扱うカメラ等の場合には、少なくとも波長４５０ｎｍから７５０ｎｍの範囲の光を透過する材料を使用する。また、光透過性の程度としては、上記波長帯域の分光透過率が部材厚さ１ｍｍあたり５０％以上であることが望ましい。このような光透過性の定量は、分光光度計などの分光透過率測定装置で行う。光透過性が良好な材料としては、ガラスの場合にはクラウンガラス，フリントガラス，石英ガラス等があり、結晶材料の場合にはモリブデン酸鉛、二酸化テルル等が好適である。もちろん、本発明における光透過性部材４１は、これらのガラスや結晶材料に限定されるものではない。
【００１４】
矩形状の光透過性部材４１の上辺Ａには、圧電体４２が固設されている。なお、図２に示す例は、光学ローパスフィルタ４により光線を一方向（図示上下方向）に分離する場合を示したものであり、一方向に分離する場合、圧電体４２の固設位置は上辺Ａに限らず、４辺Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄのいずれか一つに設ければ良い。圧電素子４２を辺Ａ，Ｃに設ければ光線は上下に分離され、辺Ｂ，Ｄに設けた場合には光線は左右に分離される。分離動作の原理はいずれの場合も同じなので、ここでは代表して辺Ａに固設した場合で説明する。
【００１５】
駆動回路８から圧電体４２に高周波電圧が印加されると、圧電体４２は図示上下方向に振動する。本実施の形態では、１０ＭＨｚ〜１００ＭＨｚ程度の周波数を有する高周波電圧が圧電体４２に印加される。この周波数域は音として人間の耳に聞こえない超音波の周波数帯域であり、このような周波数帯域の振動を発生させる圧電体４２としてはジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）やチタン酸バリウム等のセラミックスが好適であるが、必ずしもこれらに限定されるものではない。
【００１６】
圧電体４２を振動させると、矢印４３で示すように光透過性部材４１の上辺Ａから下辺Ｃへと進行する疎密波が発生し、光透過性部材４１の内部に周期的な密度分布が形成される。その結果、光透過性部材４１の面内で周期的に変化する屈折率分布が形成される。４４は疎密波の波面を示したものであり、波面４４は進行方向４３に垂直となる。例えば、波面４４の位置を分布が密な部分とすれば、それらの中間に分布が疎となる部分が発生する。密部分同士の間隔は疎密波の波長Λになっている。すなわち、屈折率分布の空間的な周期はΛとなっている。
【００１７】
図２に示すような周期的な屈折率分布が形成された光透過性部材４１に光が入射すると、音響効果によるラマン・ナス回折あるいは音響効果によるブラッグ回折と呼ばれる回折現象が発生する。すなわち、周期的な屈折率分布が形成された光透過性部材４１に入射した光線は、一部は０次光としてそのまま進行し、一部は進行方向を変えられて出射する。このときの回折角θｍは、回折次数をｍ、光の波長をλとすると、次式（１）で表される。また、周期的な屈折率分布の周期（幅）Λは、圧電体４２に印加する高周波電圧の周波数をｆ、光透過性部材４１内における音速をｖとすると、次式（２）のように表される。
sinθｍ＝ｍλ／Λ …（１）
Λ＝ｖ／ｆ …（２）
【００１８】
したがって、光透過性部材４１を用いることによって、被写体光を複数に分離することが可能となる。一般に、ラマン・ナス回折で分離した光線は、０次光，±１次光，±２次光，…のように順に高次の回折をすることになり、ブラッグ回折では０次光と１次光とに分離される。なお、本実施の形態では、回折光強度が大きな０次光と±１次または１次の回折光を考えることにする。
【００１９】
光透過性部材４１を透過して分離される光線（１次光）の分離角度をθとすると、分離角度θは小さいのでsinθ≒θのように近似をすることができ、式（１）は次式（３）のように表すことができる。
θ＝λ／Λ …（３）
【００２０】
図３に示すように光透過性部材４１から撮像素子６の撮像面までの距離をＬとし、撮像面での分離幅をｄとすると、次式（４）が成り立つ。そして、式（３）と式（４）とからθを消去すると、分離幅ｄは式（５）のように表される。式（５）から、高周波電圧の周波数ｆを変更することにより、分離幅ｄすなわち光学ローパスフィルタ４のカットオフ周波数を調整することができる。分離幅ｄは撮像素子６の画素ピッチに依存しているが、本実施の形態の光学ローパスフィルタ４では分離幅ｄが調整できるので、同一光学ローパスフィルタ４で画素ピッチの異なる種々の撮像素子６に対応することができる。
ｄ／Ｌ＝tanθ
≒θ …（４）
ｄ＝（λＬ／ｖ）・ｆ …（５）
【００２１】
例えば、光の波長をλ＝６００ｎｍ、距離Ｌ＝５ｍｍとし、光透過性部材４１に石英ガラスを用いた場合を考える。石英ガラス中の音速ｖはｖ＝６ｋｍ／ｓであるので、印加電圧の周波数をｆ＝１０ＭＨｚとすれば、疎密波（超音波）の周期ΛはΛ＝０．６ｍｍとなる。このとき、分離幅ｄはｄ＝５μｍとなる。カットオフ周波数は分離幅ｄの逆数であるから、２００（１／ｍｍ）となる。
【００２２】
また、印加する高周波電圧の電圧値を大きくすることにより、周期的屈折率分布の振幅を大きくすることができ、逆に、高周波電圧の電圧値を小さくすることにより周期的屈折率分布の振幅を小さくすることができる。その結果、高周波電圧の電圧値の大きさを調整することにより、０次光に対する１次光または±１次光の強度比、すなわち光学ローパスフィルタ４のフィルタ効果の程度を調整することができる。
【００２３】
《フィルタ動作の説明》
上述したように、光学ローパスフィルタ４は圧電体４２を駆動している間だけ光学ローパスフィルタとして機能する。そのため、撮像素子６による被写体像の撮像を行う時だけ圧電体４２を駆動すれば十分であり、撮像動作を行っていない場合には圧電体４２を駆動する必要がない。例えば、以下のように光学ローパスフィルタ４を動作させればよい。
【００２４】
撮影者がカメラのレリーズボタン（付図示）を全押しすると、レリーズボタンの全押しに連動してオンするレリーズスイッチ（不図示）が作動して撮影動作を開始する。レリーズスイッチがオンされると、駆動回路８により圧電体４２に高周波電圧（例えば、１０ＭＨｚの電圧）を印加するとともに、クイックリターンミラー３を光軸外位置へと移動する。圧電体４２に高周波電圧が印加されると、光透過性部材４１内を疎密波が図２のように辺Ａから辺Ｃへと進行する。
【００２５】
上述したように石英ガラス中の音速ｖはｖ＝６ｋｍ／ｓなので、ＡＣ間の距離が１ｃｍであれば、約１．７μｓ後には光透過性部材４１の面内全域に周期的な屈折率分布が形成されることになる。次いで、フォーカルプレーンシャッタ５を解放状態にして撮像素子６を被写体光束中に露光し、撮像を行う。その後、フォーカルプレーンシャッタ５を閉じ、クイックリターンミラー３を光軸位置へと移動した後、圧電体４２への印加電圧をオフする。
【００２６】
このような本実施の形態における光学ローパスフィルタ４は、以下のような効果を奏する。
（ａ）印加される高周波電圧の周波数を変えることにより分離幅ｄを容易に変更することができるので、同一光学ローパスフィルタ４で画素ピッチの異なる種々の撮像素子６や被写体像の空間周波数の違いに対応することができる。また、高周波電圧の大きさを変更することによりフィルタ効果の程度を変えることができるので、撮影者の意図に応じた撮影に対応することができる。
（ｂ）また、複屈折性を利用して分離を行う従来の光学ローパスフィルタのように、フィルタ材料が限定されず種々の光透過性材料を用いることができる。
（ｃ）光学ローパスフィルタ４の光透過性部材４１内には疎密波（超音波）が発生されるだけでなので、光透過性部材４１自体が機械的に振動することがない。そのため、光学ローパスフィルタ４自体から塵等が発生することがなく、塵が撮像画像に写り込んでしまうといった問題は生じない。
【００２７】
例えば、特開２００４−９４１３１号公報には、光路中に配置された透明平行平板から成るフィルタを機械的に振動させ、光学系の光軸を変位させることにより高周波成分を除去する方法も提案されている（例えば、特許文献２参照）。しかしながら、透明平行平板を機械的に振動させたときの摩擦により塵が発生し易く、その塵がフィルタや撮像素子に付着するなどして画像に写りこんでしまうという問題があった。また、透明平行平板をシャッター速度よりも高速で振動させる必要があり、シャッター速度が大きい場合に光学ローパスフィルタとしての所望の効果が得られにくいという欠点もある。
【００２８】
なお、図２に示す光透過性部材４１の辺Ａと対向する辺Ｃに吸音材を設けて、辺Ｃの端面での疎密波の反射を防止するようにしても良い。吸音材には、ゴム、プラスチック樹脂等の弾性体が適している。また、辺Ｂにも圧電体を設けて、光透過性部材４１内に定在波を形成するようにしても良い。この場合にも、光透過性部材４１内は屈折率分布が形成され、進行波の場合と同様の効果を得ることができる。さらに、圧電体４２を辺Ａの全域に設けたが、被写体光入射領域に疎密波が形成されるならば必ずしも全域に設ける必要はなく、辺Ａの中央部だけに設けてもかまわない。
【００２９】
図４は図１に示した光学ローパスフィルタ４の変形例を示す図である。図４に示す例で、光透過性部材４１の辺Ａおよび辺Ｂに圧電体４２Ａ，４２Ｂを設けた。圧電体４２Ａは図２に示した圧電体４２と同様に、上辺Ａから下辺Ｃへと進行する疎密波４４を発生させ、光透過性部材４１の上下方向に周期的な屈折率分布を形成する。一方、左辺Ｂに設けられた圧電体４２Ｂは左辺Ｂから右辺Ｄへと左右方向に進行する疎密波４５を発生させ、光透過性部材４１の左右方向に周期的な屈折率分布を形成する。その結果、光透過性部材４１の面内の異なる２方向に周期的に変化する屈折率分布が形成され、光透過性部材４１に入射した光線は、図示上下方向および左右方向の両方に２次元的に分離される。
【００３０】
なお、図４に示す光学ローパスフィルタ４の場合も、辺Ｃ，Ｄに吸音材を設けて反射を防止するようにしても良いし、辺Ｃ，Ｄに圧電体を設けて定在波を発生させるようにしても良い。定在波を発生させる場合も、進行波の場合と同様に機能する。
【００３１】
さらに、圧電体を増やして進行方向の異なる複数の疎密波を発生させることにより、光透過性部材４１の面内の異なる複数の方向に周期的に変化する屈折率分布を形成することができる。例えば、図５のように六角形状の光透過性部材４１を用意し、三つの辺Ａ，Ｂ，Ｃに３つの圧電体４２Ａ，４２Ｂ，４２Ｃを設けると、疎密波４４，４５，４６の進行方向に沿って周期的に変化する屈折率分布が得られる。
【００３２】
図４，５に示す光学ローパスフィルタ４では、一つの光透過性部材４１によって光線を２次元的または３次元的に分離することができるので、２枚以上の光学部材を光軸上に配設して２次元的分離を行う従来の光学ローパスフィルタに比べて光軸方向の寸法が低減され、小型化を図ることができる。
【００３３】
上述した実施の形態では、一眼レフ式のデジタルカメラの光学ローパスフィルタに適用した場合について説明したが、レンズ一体型のデジタルカメラにも同様に適用することができる。さらに、デジタルスチルカメラに限らず、ビデオカメラなどのように撮像素子を備えた撮像装置の光学ローパスフィルタにも適用できる。また、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではない。例えば、屈折率分布形成手段として圧電体を用いたが、光透過性部材４１内に疎密波（超音波）を発生させることができるならば、圧電体に限らず他のトランスデューサを用いても良い。
【００３４】
以上説明した実施の形態と特許請求の範囲の要素との対応において、圧電体４２，４２Ａ，４２Ｂ，４２Ｃは屈折率分布形成手段を、駆動回路８は電圧制御手段および周波数制御手段をそれぞれ構成する。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明による撮像装置の一実施の形態を示す図であり、一眼レフ式のデジタルスチルカメラの概略構成を示したものである。
【図２】光学ローパスフィルタ４を撮影光学系１側から見た平面図である。
【図３】分離幅ｄを説明する図である。
【図４】光学ローパスフィルタ４の変形例を示す図である。
【図５】３つの圧電体４２Ａ，４２Ｂ，４２Ｃが設けられた光学ローパスフィルタ４を示す図である。
【符号の説明】
【００３６】
１ 撮影光学系
２ 光軸
３ クイックリーターンミラー
４ 光学ローパスフィルタ
５ フォーカルプレーンシャッタ
６ 撮像素子
７ ファインダー光学系
８ 駆動回路
４１ 光透過性部材
４２，４２Ａ，４２Ｂ 圧電体
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の受光画素が規則的に配置された撮像素子と撮影光学系との間の光軸上に配設される光透過性部材と、
前記光透過性部材の面内で周期的に変化する屈折率分布を形成する屈折率分布形成手段とを備えたことを特徴とする光学ローパスフィルタ。
【請求項２】
請求項１に記載の光学ローパスフィルタにおいて、
前記屈折率分布形成手段は、前記光透過性部材の面内の異なる複数の方向に前記屈折率分布をそれぞれ形成することを特徴とする光学ローパスフィルタ。
【請求項３】
請求項１または２に記載の光学ローパスフィルタにおいて、
前記屈折率分布形成手段は、前記光透過性部材に疎密波を発生させて前記屈折率分布を形成することを特徴とする光学ローパスフィルタ。
【請求項４】
請求項３に記載の光学ローパスフィルタにおいて、
前記屈折率分布形成手段は、高周波電圧が印加されることによって前記光透過性部材に疎密波を発生させる圧電体を有することを特徴とする光学ローパスフィルタ。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載の光学ローパスフィルタにおいて、
前記光透過性部材として、少なくとも波長４５０ｎｍから波長７５０ｎｍの範囲の光透過率が部材厚さ１ｍｍあたり５０％以上である光透過性部材を用いたことを特徴とする光学ローパスフィルタ。
【請求項６】
請求項４に記載の光学ローパスフィルタと、
前記高周波電圧の大きさを制御する電圧制御手段とを備えたことを特徴とする光学ローパスフィルタ装置。
【請求項７】
請求項４に記載の光学ローパスフィルタと、
前記高周波電圧の周波数を制御する周波数制御手段とを備えたことを特徴とする光学ローパスフィルタ装置。
【請求項８】
請求項６または７に記載の光学ローパスフィルタ装置において、
前記光透過性部材として、少なくとも波長４５０ｎｍから波長７５０ｎｍの範囲の光透過率が部材厚さ１ｍｍあたり５０％以上である光透過性部材を用いたことを特徴とする光学ローパスフィルタ装置。
【請求項９】
複数の受光画素が規則的に配置された撮像素子と、
前記撮像素子に被写体光束を投影する撮影光学系と前記撮像素子との間の光軸上に配設される請求項６〜８のいずれかに記載の光学ローパスフィルタ装置とを備えたことを特徴とする撮像装置。
【請求項１】
複数の受光画素が規則的に配置された撮像素子と撮影光学系との間の光軸上に配設される光透過性部材と、
前記光透過性部材の面内で周期的に変化する屈折率分布を形成する屈折率分布形成手段とを備えたことを特徴とする光学ローパスフィルタ。
【請求項２】
請求項１に記載の光学ローパスフィルタにおいて、
前記屈折率分布形成手段は、前記光透過性部材の面内の異なる複数の方向に前記屈折率分布をそれぞれ形成することを特徴とする光学ローパスフィルタ。
【請求項３】
請求項１または２に記載の光学ローパスフィルタにおいて、
前記屈折率分布形成手段は、前記光透過性部材に疎密波を発生させて前記屈折率分布を形成することを特徴とする光学ローパスフィルタ。
【請求項４】
請求項３に記載の光学ローパスフィルタにおいて、
前記屈折率分布形成手段は、高周波電圧が印加されることによって前記光透過性部材に疎密波を発生させる圧電体を有することを特徴とする光学ローパスフィルタ。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載の光学ローパスフィルタにおいて、
前記光透過性部材として、少なくとも波長４５０ｎｍから波長７５０ｎｍの範囲の光透過率が部材厚さ１ｍｍあたり５０％以上である光透過性部材を用いたことを特徴とする光学ローパスフィルタ。
【請求項６】
請求項４に記載の光学ローパスフィルタと、
前記高周波電圧の大きさを制御する電圧制御手段とを備えたことを特徴とする光学ローパスフィルタ装置。
【請求項７】
請求項４に記載の光学ローパスフィルタと、
前記高周波電圧の周波数を制御する周波数制御手段とを備えたことを特徴とする光学ローパスフィルタ装置。
【請求項８】
請求項６または７に記載の光学ローパスフィルタ装置において、
前記光透過性部材として、少なくとも波長４５０ｎｍから波長７５０ｎｍの範囲の光透過率が部材厚さ１ｍｍあたり５０％以上である光透過性部材を用いたことを特徴とする光学ローパスフィルタ装置。
【請求項９】
複数の受光画素が規則的に配置された撮像素子と、
前記撮像素子に被写体光束を投影する撮影光学系と前記撮像素子との間の光軸上に配設される請求項６〜８のいずれかに記載の光学ローパスフィルタ装置とを備えたことを特徴とする撮像装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２００６−８５００１（Ｐ２００６−８５００１Ａ）
【公開日】平成１８年３月３０日（２００６．３．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−２７１７８５（Ｐ２００４−２７１７８５）
【出願日】平成１６年９月１７日（２００４．９．１７）
【出願人】（０００００４１１２）株式会社ニコン (12,601)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年３月３０日（２００６．３．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年９月１７日（２００４．９．１７）
【出願人】（０００００４１１２）株式会社ニコン (12,601)
【Ｆターム（参考）】
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