回折格子型ローパスフィルタ
【課題】水晶板を用いた場合と比べ薄型化を実現できると共に、回折格子を用いた場合であっても画質の劣化を抑制することが可能な回折格子型ローパスフィルタを提案する。
【解決手段】回折格子型ローパスフィルタ１は、ガラス基板１０の内部に、ガラス基板１０自体の屈折率と異なる屈折率を有する屈折率変化領域が市松模様状に形成された回折格子を有し、この屈折率変化領域が光路長差による複数の位相を含むものである。また、回折格子は、一の対角方向に位相０の領域と位相２φの領域が配置され、他の対角方向に位相φの領域と３φの領域が配置された２行２列の領域を単位格子Ｕ１として構成されている。単位格子Ｕ１は、ｍを１〜３の整数としたとき、以下の条件式（１）を満足するものである。
｜ｍφ−ｍπ／２｜≦ (ｍπ／２)／５ ………（１）
【解決手段】回折格子型ローパスフィルタ１は、ガラス基板１０の内部に、ガラス基板１０自体の屈折率と異なる屈折率を有する屈折率変化領域が市松模様状に形成された回折格子を有し、この屈折率変化領域が光路長差による複数の位相を含むものである。また、回折格子は、一の対角方向に位相０の領域と位相２φの領域が配置され、他の対角方向に位相φの領域と３φの領域が配置された２行２列の領域を単位格子Ｕ１として構成されている。単位格子Ｕ１は、ｍを１〜３の整数としたとき、以下の条件式（１）を満足するものである。
｜ｍφ−ｍπ／２｜≦ (ｍπ／２)／５ ………（１）
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光束を回折作用により分割する回折型光学素子に関し、特にＣＣＤ（Charge Coupled Device：電荷結合素子）やＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）などの固体撮像素子の光学的ローパスフィルタ（ＯＬＰＦ：Optical Low Pass Filter）に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、パーソナルコンピュータの一般家庭等への普及に伴い、撮影した風景や人物像等の画像情報をパーソナルコンピュータに入力することができるデジタルスチルカメラ（以下、単にデジタルカメラという。）が急速に普及しつつある。また携帯電話の高機能化に伴い、携帯電話に画像入力用のモジュールカメラ（携帯用モジュールカメラ）が搭載されることも多くなってきている。
【０００３】
上記のような撮像装置には、撮像画素が離散的に２次元配置されたＣＣＤやＣＭＯＳなどの固体撮像素子が用いられている。そして、このような固体撮像素子を有する光学系では、被写体に含まれる高周波成分に起因したモアレ縞や偽色の発生を抑制するため、光学的ローパスフィルタが用いられる。従来の回折格子型ローパスフィルタ１００は、例えば図３３に示したように、１／４波長板などの位相差板１０１を２枚の水晶板１０２Ａ，１０２Ｂで挟み込んだ構造となっており、水晶の複屈折現象を利用して入射光束を分割するようになっている（例えば、特許文献５参照）。
【０００４】
また、回折により光束を分割する回折型の光学的ローパスフィルタが提案されている（特許文献１〜４参照）。この回折型の光学的ローパスフィルタ（以下、回折格子型ローパスフィルタという）は、例えば図３４に示した回折格子型ローパスフィルタ１０３のように、その表面が凸凹形状を有する回折格子となっている。また、表面の断面形状は矩形波、三角波、台形波、三角関数波（正弦波）、あるいは多値化されたバイナリ形状となっている。
【特許文献１】特開平７−１９８９２１号公報
【特許文献２】特開２００５−７７９６６号公報
【特許文献３】特開２００６−３０９５４号公報
【特許文献４】特許第３２０４４７１号公報
【特許文献５】特開平１０−５４９６０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、水晶板を用いた回折格子型ローパスフィルタ１００では、複数の光学素子を貼り合わせた構造であるため、全体の厚みが大きくなり、撮像装置を小型化する上で不利となる。また、回折格子型ローパスフィルタ１０３では、その表面が凸凹形状となっており、撮像素子に対して近接して配置されるため、回折格子型ローパスフィルタ１０３と撮像素子との間でモアレ縞が発生してしまう。また、回折格子型ローパスフィルタ１０３の裏面における全反射角に近い回折角の光が存在するため、撮像素子の撮像面と回折格子型ローパスフィルタ１０３の裏面との間で全反射する光によって、いわゆるフレアが発生してしまう。このため、上記特許文献１〜４では、このようなモアレ縞やフレアの発生を抑制するため、種々の工夫がなされている。また、入射光の波長によって回折効率が変化し、透過回折光や撮像素子面内の照度にばらつきが生じるという問題がある。この結果、照度むらが生じたり、色バランスが崩れるなど、撮像画像の画質が劣化してしまう。
【０００６】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、水晶板を用いた場合に比べて薄型化を実現すると共に、回折格子を用いた場合であっても画質の劣化を抑制することが可能な回折格子型ローパスフィルタを提案する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の回折格子型ローパスフィルタは、透明基板と、この透明基板の内部に形成された回折格子部分とを備え、回折格子部分は、透明基板の内部に透明基板自体の屈折率とは異なる屈折率を有すると共に光路長差による複数の位相を含む屈折率変化領域を有し、かつ、この屈折率変化領域の複数の位相が２行２列に配列した領域を単位格子として、この単位格子が複数配列された構成とされている。
【０００８】
本発明の撮像装置は、撮像素子と、撮像素子の受光面側に配置された本発明の回折格子型ローパスフィルタとを備えたものである。
【０００９】
本発明の回折格子型ローパスフィルタおよび撮像装置では、回折格子部分が透明基板自体とは異なる屈折率を有すると共に光路長差による複数の位相を含む屈折率変化領域を有し、かつ屈折率変化領域の複数の位相が２行２列に配列した領域を単位格子として複数の単位格子が配列された構成とされていることにより、回折格子部分の屈折率変化領域中を光が伝播すると、位相差による回折作用により、入射光束が分割されて出射される。また、このような回折格子部分が透明基板内部に形成されていることにより、透明基板の表面は、隣接する空気層に対して平坦となると共に、回折格子部分の格子の高さおよび周期が大きくなる。
【００１０】
このとき、回折格子部分は、一の対角方向に位相０と位相２φとの領域が配置されると共に、他の対角方向に位相φと３φとの領域が配置された２行２列の領域を単位格子とし、この単位格子が、ｍを１〜３の整数としたとき、以下の条件式（１）を満足することが好ましい。これにより、４位相値を有する回折格子を用いて、入射光の波長による回折効率のばらつきが低減される。
｜ｍφ−ｍπ／２｜≦ (ｍπ／２)／５ ………（１）
【００１１】
もしくは、回折格子部分は、一の対角方向に位相０と位相２φとの領域が配置されると共に、他の対角方向に位相ψの領域が２つ配置された２行２列の領域を単位格子とし、この単位格子が、ａ＝１１５／９０およびｂ＝（２−ａ）としたとき、以下の条件式（２）もしくは条件式（３）のいずれか一方、および条件式（４）を満足することが好ましい。これにより、３位相値を有する回折格子を用いて、入射光の波長による回折効率のばらつきが低減される。
｜ψ−ａ・（ａπ／２）｜≦ａ・（ａπ／２）／１６ ………（２）
｜ψ−ｂ・（ａπ／２）｜≦ｂ・（ａπ／２）／１６ ………（３）
｜２φ−（ａπ）｜≦（ａπ）／１６ ………（４）
【００１２】
もしくは、回折格子部分は、位相０と位相φとが交互に配置された２行２列の領域を単位格子とし、この単位格子が、以下の条件式（５）を満足することが好ましい。これにより、２位相値を有する回折格子を用いて、入射光の波長による回折効率のばらつきが低減される。
｜φ−π｜≦π／１０ ………（５）
【００１３】
また、透明基板の屈折率をＮ１、屈折率変化領域の屈折率をＮ２、位相πに相当する格子の高さをＨ、中心波長をλとしたとき、以下の条件式を満足する場合には、０次の回折光が打ち消される。
Ｈ・｜Ｎ２−Ｎ１｜＝λ／２ ………（６）
【発明の効果】
【００１４】
本発明の回折格子型ローパスフィルタによれば、透明基板と、この透明基板の内部に形成された回折格子部分とを備え、回折格子部分が、透明基板の内部に透明基板自体の屈折率とは異なる屈折率を有すると共に光路長差による複数の位相を含む屈折率変化領域を有し、かつ、屈折率変化領域の複数の位相が２行２列に配列した領域を単位格子として、この単位格子が複数配列された構成となるようにしたので、水晶板を用いたローパスフィルタのように複数の光学素子を貼り合わせることなく光線分離が可能となるため、水晶板を用いた場合に比べて薄型となる。また、撮像素子との間でのモアレ縞やフレアの発生を抑制することができる。よって、水晶板を用いた場合に比べて薄型化を実現すると共に、回折格子を用いた場合であっても画質の劣化を抑制することができる。さらに、回折格子の位相値に基づく所定の条件式を満足するようにすれば、波長による照度のばらつきを低減することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００１６】
［第１の実施の形態］
図１は、第１の実施の形態に係る回折格子型ローパスフィルタ１の概略構成を表す斜視図である。図２（Ａ），（Ｂ）は回折格子型ローパスフィルタ１の内部に形成された回折格子（回折格子部分）について模式的に示したものであり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は単位格子部分の斜視図である。回折格子型ローパスフィルタ１は、図３２に示したような撮像装置４、例えばデジタルスチルカメラ、カメラ付き携帯電話機、および情報携帯端末等において、ＣＣＤやＣＭＯＳ等の固体撮像素子１２の撮像面（受光面）側に配置され、回折作用により撮像光学系１１からの入射光束を分割して、被写体に含まれる高周波成分に起因したモアレ縞や偽色の発生を抑制する回折格子型ローパスフィルタである。
【００１７】
回折格子型ローパスフィルタ１は、透明基板、例えば石英基板などの光学ガラス基板（以下、単にガラス基板という）により構成されている。このガラス基板１０の内部には、互いに同一形状の複数の微細領域が市松模様状に配列した回折格子が形成されている。具体的には、回折格子は、ガラス基板１０の屈折率Ｎ１とは異なる屈折率を有する屈折率変化領域（図１における屈折率Ｎ２の領域）から構成され、この屈折率変化領域には、光路長差による複数の位相が配されている。
【００１８】
例えば、図２（Ａ），（Ｂ）に示したように、回折格子の屈折率変化領域では、一の対角方向Ｄ１に位相０の領域と位相２φの領域が配置され、他の対角方向Ｄ２に位相φの領域と位相３φの領域が配置された２行２列の領域を単位格子Ｕ１として、複数の単位格子Ｕ１が配列した構成となっている。すなわち、回折格子型ローパスフィルタ１は、４位相値を有する回折格子型ローパスフィルタとなっている。
【００１９】
上記回折格子は、パルスレーザ光を集光照射することにより形成することができる。具体的には、ガラス基板１０内部の所望の位置にレーザの焦点を合わせ、レーザ強度を適切な大きさに調節して、レーザ光を照射することにより、上記のようなパターンを描画することで形成することができる。
【００２０】
このような４位相値の回折格子型ローパスフィルタ１は、以下の条件式（１）を満足する。但し、ｍを１〜３の整数とする。また、単位格子Ｕ１内の位相同士の間のばらつき公差（以下、単に公差という）の増減方向すなわち符号は同一であるとする。
｜ｍφ−ｍπ／２｜≦ (ｍπ／２)／５ ………（１）
【００２１】
また、回折格子型ローパスフィルタ１として、例えば直進する０次回折光が不要である場合には、以下の条件式（６）を満足するようにする。但し、ガラス基板１０の屈折率をＮ１、屈折率変化領域の屈折率をＮ２、位相πに相当する格子の高さをＨ、中心波長をλとする。
Ｈ・｜Ｎ２−Ｎ１｜＝λ／２ ………（６）
【００２２】
次に、上記のような構成を有する回折格子型ローパスフィルタ１の作用および効果を説明する。
【００２３】
回折格子型ローパスフィルタ１では、ガラス基板１０の内部に、ガラス基板１０とは屈折率の異なる屈折率を有すると共に光路長差による複数の位相を含む屈折率変化領域が形成された回折格子を有していることにより、この回折格子内を光が伝播すると、位相差による回折作用により入射光束が分割され、撮像素子側へ出射される。これにより、光学的ローパスフィルタとして被写体に含まれる高周波成分に起因したモアレ縞や偽色の発生が抑制される。
【００２４】
このとき、回折格子の格子周期をＰ、回折次数をｍ、回折格子と撮像素子の撮像面との間の距離をｆとすると、回折の式は、回折角（回折伝搬していく方向）をθ、ｍを正の整数としてsinθ＝ｍλ／Ｐとなる。また、光線分離幅ｄは、ｄ＝ｆ・tanθ≒ｆ・sinθ＝ｍλｆ／Ｐとなる。すなわち、光線分離幅ｄは直接的に波長λに比例する。また、光学的ローパスフィルタとしてナイキスト周波数１．０で、ＭＴＦ（Modulation Transfer Function）を０にすることは光線分離幅ｄを撮像画素１ピッチ幅に等しくすることである。
【００２５】
ここで、図３４に示した回折格子型ローパスフィルタ１０３では、その表面（撮像素子に対向配置される面）が凸凹形状となっており、この凸凹形状によって市松模様状の領域が配置されるようになっている。このとき、格子の高さは波長のオーダーとなり、格子周期はそれに相応して波長のおよそ１０倍程度と小さくなる。また、格子周期Ｐが小さいと回折角θが大きくなり、それに対応して距離ｆを小さくする必要がある。このため、凸凹形状が撮像面に接近した位置、例えば撮像素子の受光面から０．０５ｍｍ程の位置に配置されるため、格子状に配列された撮像画素の格子周期と、凸凹形状の格子周期とのずれによる干渉縞、いわゆるモアレ縞が発生し画質が劣化してしまう。なお、このようなモアレ縞は、例えば直角行列状の格子面を回転させたり、斜めに配置することにより発生を抑制することも可能であるが、製造工程が複雑となってしまう。
【００２６】
また、上記のように格子の高さおよび周期が小さく、回折角θが大きいことにより、回折格子型ローパスフィルタ１０３の裏面において、その全反射角と回折角θとが一致し易くなる。このため、回折格子型ローパスフィルタ１０３を一旦透過して撮像素子の撮像面で全反射されてしまった光線が、上記裏面において全反射されたのち、再び撮像素子へ入射することがある。これにより、いわゆるフレアが発生し画質の劣化を引き起こす要因となる。
【００２７】
これに対し、本実施の形態では、回折作用を生じる回折格子部分が、ガラス基板１０の内部に設けられている。これにより、回折格子型ローパスフィルタ１の表面（ガラス基板１０の表面）は平坦となる。また、単位格子Ｕ１における屈折率差をΔＮ＝｜Ｎ２−Ｎ１｜とすると、格子の高さＨはＨ＝（λ／２）／ΔＮと表すことができる。この屈折率差ΔＮは、図３４に示したような従来の凸凹形状の場合の屈折率差（空気と基板との屈折率差Δｎ＝Ｎ−１）の約１０分の１以下となる。よって、格子高さＨは、凸凹形状に比べて約１０倍以上になり、アスペクト比や斜入射回折効率等を考慮すると、それに相応して格子周期Ｐも約１０倍以上になる。このため、格子周期Ｐの逆数である回折角θおよび光線分離幅ｄは凸凹形状の場合の約１０分の１となり、１画素ピッチを光線分離幅ｄとする限り、撮像面とローパスフィルタとの距離ｆは約１０倍以上となる。すなわち、撮像素子の撮像面から回折格子型ローパスフィルタ１を十分に離れた位置、例えば０．５ｍｍ〜１．０ｍｍ程の位置に配置することができる。
【００２８】
従って、格子の高さおよび周期が大きくなることにより、撮像素子の撮像面から十分に離れた位置に配置することができるようになり、これにより撮像素子と回折格子との格子周期のずれに起因するモアレ縞の発生が抑制される。また、回折格子型ローパスフィルタ１の表面が平坦になっていることも、このようなモアレ縞の抑制に寄与している。
【００２９】
また、格子の高さＨおよび周期Ｐが大きく、回折角θが小さいことにより、回折格子型ローパスフィルタ１の表裏において光線の全反射が抑制される。すなわち、外観的にはガラス基板両面に反射防止コートを施した平行平面板と等価となる。これにより、上述したようなフレアの発生が抑制される。
【００３０】
次に、条件式（１）の意義について説明する。条件式（１）は、４位相値を有する回折格子において、波長変化による単位格子Ｕ１における位相の公差範囲を最適化したものである。この条件式（１）を満足することにより、波長変化による回折効率の変化、ばらつきが低減される。これによって、波長による照度のばらつきを低減することができ、撮像画像の色バランスが良好となる。このような条件式（１）は、以下のように導出される。
【００３１】
まず、波長変化による照度のばらつきが発生する要因として、波長による光線分離幅ｄのずれ、あるいは波長による回折効率のばらつきが考えられる。このうち、光線分離幅ｄのずれを改良することについて考える。上述したように、光学的ローパスフィルタとしてナイキスト周波数１．０でＭＴＦを０にすることは、光線分離幅ｄを撮像画素１ピッチ幅に等しくすることである。言い換えると、波長による光線分離幅ｄのずれは画素１ピッチのずれであり、波長によるナイキスト周波数のずれとなる。このとき、短波長の光線分離幅ｄは比較的小さいため、ナイキスト周波数は高周波数側にシフトする。ところが、この短波長側では長波長側より光学ガラスの屈折率変化が大きいため、高周波数側において、長波長側のＭＴＦに比べて短波長側のＭＴＦがうまく低下することとなるため、実際にはそれほど問題とならない。また、比較的単純な構造の回折格子では、このような波長による光線分離幅ｄのずれを改良することは原理的に難しい。
【００３２】
そこで、波長変化による回折効率のばらつきを低減することについて考える。ここで、回折格子の回折効率は、回折次数に従って回折角θの方向に伝搬していく光のエネルギーの効率であるから、波長によるエネルギー効率のばらつきとして考えることができる。なお、撮像面を一様な照度にした場合、撮像画素の感度のばらつきの割合は、感度不均一性（ＰＲＮＵ：Photo Response Non-Uniformity）と言われるが、例えば、出力電圧のばらつきの平均自乗根ＲＭＳ（Root Mean Square）が１％以内、出力電圧のばらつきのＰ−Ｖ値（Peak to Valley）が３％以内などの規格がある。因みに、モニタの輝度のばらつきでは２％以内という規格があるが、これは各撮像画素の感度のばらつきやモニタ部分々々の輝度のばらつきを意味している。本実施の形態では、撮像面全体が均一の感度となっており、撮像面への入射光の側にエネルギー分布の不均一さがあると考えてみる。
【００３３】
また、例えばＣＣＤカメラでは、Ｂ（blue：青），Ｇ（Green：緑），Ｒ（Red：赤）などの３色原理となっており、その光学設計においては、Ｂ−ｃｈ、Ｇ−ｃｈおよびＲ−ｃｈを代表する波長としてそれぞれ、４６０ｎｍ、５５０ｎｍ（もしくはｅ線）および６２０ｎｍを使用することが多い。従って、これら４６０ｎｍ、５５０ｎｍおよび６２０ｎｍの３つの波長領域の光に対して、公差範囲の最適化を行う。
【００３４】
具体的には、単位格子Ｕ１の４位相（すなわち、格子高さ）のばらつき公差に対して、公差中心における上記３波長の平均回折効率に対して公差の±（プラスマイナス）端における３波長の平均回折効率を±１．５％のばらつきに抑えることを目標とする。好ましくは、公差中心に対する公差±端の３波長の平均回折効率が１．３％程度である。なお、ここでは、３色分解フィルタ（カラーフィルタ）や撮像面に到達する前では３波長の透過率に差がないものとし、平均回折効率は３波長の相加平均とする。
【００３５】
このとき、回折光のうち−１次から＋１次の回折光の回折効率は特に高くエネルギーが集中している。これは、これら（±１,±１）次の回折効率の和Σが高くなれば、次数２次以上の高次回折光へエネルギーの流れが少なくなることを示している。従って、公差中心と公差の±端における３波長それぞれの−１次から＋１次の回折効率和Σを計算し、公差の中心と公差±端で−１次から＋１次の回折効率和Σの３波長の相加平均回折効率Ωを計算する。
【００３６】
また、格子設計波長は、例えば５５０ｎｍとし、この波長５５０ｎｍから前後に適宜シフトさせるようにして、上記目標１．５％を達成するように公差範囲を最適化する。以上のようにして条件式（１）が導出される。
【００３７】
次に、条件式（６）の意義について説明する。条件式（６）は、位相差と光路長差に関するもので、この条件式（６）を満足することにより、光の干渉効果によって０次回折光が打ち消される。０次回折光を打ち消すためには、単位格子Ｕ１において、行方向、列方向もしくは対角方向において隣接する領域間での位相差がπ、すなわち光路長差が半波長（＝λ／２）となっていればよい。これは、以下の式（７）のように表され、この式（７）を変形することにより、条件式（６）が導かれる。
光路長差＝｜Ｈ・Ｎ２−Ｈ・Ｎ１｜＝λ／２ ………（７）
【００３８】
以上説明したように、回折格子型ローパスフィルタ１によれば、ガラス基板１０の内部にガラス基板１０とは屈折率の異なる屈折率を有すると共に光路長差による複数の位相を含む屈折率変化領域を有する回折格子部分を設けるようにしたので、この屈折率変化領域を光が伝搬することで生じる位相差による回折作用により、撮像素子との間でのモアレ縞やフレアの発生を抑制しつつ、入射光束を分割することができる。また、このとき、回折格子の４位相値に基づいて条件式（１）を満足するようにしたので、入射光の波長による照度のばらつきを低減することができる。
【００３９】
また、図３３に示した従来例に係る光学的ローパスフィルタ１００に比べて、厚みを薄くすることができる。通常、水晶板では、正常光線と異常光線という結晶の複屈折性により入射光束を２本の光束に分割するようになっている。このため、光束を４本に分割するには、偏光を円偏光に変換する位相差板１０１を２枚の水晶板１０２Ａ，１０２Ｂで挟んだ構造とし、入射光束を入射側の水晶板で２本の光束に分離したのち、位相差板で偏光を回転させ、この回転した２本の光束をそれぞれ出射側の水晶板で更に２本の光束に分割する必要がある。このため、光学的ローパスフィルタ１００としては、３枚分の光学素子の板厚となり、光軸方向の厚みは約３ｍｍ〜５ｍｍと厚くなってしまう。これに対し、本実施の形態の回折格子型ローパスフィルタ１では、内部に回折格子が描画された１枚の光学ガラス基板で構成されているため、厚み約０．５ｍｍ以下の平行平面板とすることができる。これは、小型撮像素子の光学系では撮像素子と光学レンズ系の最終面の間、すなわちバックフォーカスに十分な余裕がないので光学設計上非常に有利となる。以上により、水晶板を用いた場合と比べ薄型化を実現すると共に、回折格子を用いた場合であっても画質の劣化を抑制することが可能となる。
【００４０】
また、設計パラメータをうまく選べば、撮像面の前面０．５ｍｍ程度の位置に、ゴミ防止用に配置する平行平面板（カバーガラス）としても機能させることができる。
【００４１】
［第２の実施の形態］
図３（Ａ），（Ｂ）は、第２の実施の形態に係る回折格子型ローパスフィルタ２の内部に形成された回折格子（回折格子部分）について模式的に示したものであり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は単位格子の斜視図である。回折格子型ローパスフィルタ２は、ガラス基板１０の内部に形成された回折格子における位相の配列以外は、上記第１の実施の形態と同様の構成となっている。よって、上記第１の実施の形態と同様の構成については適宜説明を省略する。
【００４２】
回折格子型ローパスフィルタ２は、上記第１の実施の形態の回折格子型ローパスフィルタ１と同様に、ガラス基板１０の内部に複数の位相が配された屈折率変化領域を有する回折格子が設けられている。但し、回折格子の単位格子Ｕ２は、一の対角方向Ｄ１に位相０，２φの領域、他の対角方向Ｄ２に位相ψ，ψの領域が配置された２行２列の格子となっている。すなわち、回折格子型ローパスフィルタ２は、３位相値を有する回折格子型ローパスフィルタとなっている。
【００４３】
このような３位相値の回折格子型ローパスフィルタ２は、以下の条件式（２）もしくは条件式（３）のいずれか一方、および条件式（４）を満足する。但し、ｍを１〜３の整数とし、単位格子Ｕ２内の公差の増減方向すなわち符号は同一であるとする。また、これらの条件式（２）〜（４）についても、上記第１の実施の形態の条件式（１）と同様にして、３波長の光に対して回折格子の３位相値に基づく公差範囲の最適化を行うことにより導出される。
｜ψ−ａ・（ａπ／２）｜≦ａ・（ａπ／２）／１６ ………（２）
｜ψ−ｂ・（ａπ／２）｜≦ｂ・（ａπ／２）／１６ ………（３）
｜２φ−（ａπ）｜≦（ａπ）／１６ ………（４）
【００４４】
また、回折格子型ローパスフィルタ２として、例えば直進する０次回折光が不要である場合には、上述の条件式（６）を満足するようにしてもよい。
【００４５】
上記のような構成を有する回折格子型ローパスフィルタ２によれば、ガラス基板１０の内部に回折格子を設けるようにしたので、上記第１の実施の形態と同様に、水晶板を用いた場合に比べて薄型化を実現できる。また、撮像素子との間のモアレ縞やフレアの発生を抑制することができる。さらに、回折格子の３位相値に基づいて条件式（２）もしくは条件式（３）のいずれか一方、および条件式（４）を満足するようにしたので、入射光の波長による照度のばらつきを低減することができる。
【００４６】
［第３の実施の形態］
図４（Ａ），（Ｂ）は、第３の実施の形態に係る回折格子型ローパスフィルタ３の内部に形成された回折格子（回折格子部分）について模式的に示したものであり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は単位格子の斜視図である。回折格子型ローパスフィルタ３は、ガラス基板１０の内部に形成された回折格子における位相の配列以外は、上記第１の実施の形態と同様の構成となっている。よって、上記第１の実施の形態と同様の構成については適宜説明を省略する。
【００４７】
回折格子型ローパスフィルタ３は、上記第１の実施の形態の回折格子型ローパスフィルタ１と同様に、ガラス基板１０の内部に複数の位相が配された屈折率変化領域を有する回折格子が設けられている。但し、回折格子の単位格子Ｕ３は、一の対角方向Ｄ１に位相φ，φの領域、他の対角方向Ｄ２に位相０，０の領域が配置された２行２列の格子となっている。すなわち、回折格子型ローパスフィルタ３は、２位相値を有する回折格子型ローパスフィルタとなっている。
【００４８】
このような２位相値の回折格子型ローパスフィルタ３は、以下の条件式（５）を満足する。但し、ｍを１〜３の整数とし、単位格子Ｕ３内の公差の増減方向すなわち符号は同一であるとする。また、この条件式（５）についても、上記第１の実施の形態の条件式（１）と同様にして、３波長の光に対して回折格子の２位相値に基づく公差範囲の最適化を行うことにより導出される。
｜φ−π｜≦π／１０ ………（５）
【００４９】
また、回折格子型ローパスフィルタ３として、例えば直進する０次回折光が不要である場合には、上述の条件式（６）を満足するようにしてもよい。
【００５０】
上記のような構成を有する回折格子型ローパスフィルタ３によれば、ガラス基板１０の内部に回折格子を設けるようにしたので、上記第１の実施の形態と同様に、水晶板を用いた場合に比べて薄型化を実現できる。また、撮像素子との間でのモアレ縞やフレアの発生を抑制することができる。さらに、回折格子の２位相値に基づいて条件式（５）を満足するようにしたので、入射光の波長による照度のばらつきを低減することができる。
【実施例】
【００５１】
次に、本実施の形態に係る光学的ローパスフィルタの具体的な数値実施例について説明する。
【００５２】
（実施例１）
実施例１として、上記第１の実施形態の４位相値（０，φ，２φ，３φ）の回折格子型ローパスフィルタ１において、Ｂ（波長４６０ｎｍ），Ｇ（波長５５０ｎｍ），Ｒ（波長６２０ｎｍ）の３つの波長に対する回折効率のばらつきを評価した。具体的には、まず、理想的な実施例として、設計波長５５０ｎｍ、位相φ＝π／２の設計で、波長５５０ｎｍ（φ＝π／２）に対する回折効率を測定した。次いで、設計波長を５３０ｎｍにシフトし、波長４６０ｎｍ、波長５５０ｎｍおよび波長６２０ｎｍに対する公差中心での回折効率から回折効率和ΣB，ΣG，ΣRを求め、３波長の平均回折効率和Ωを算出した。また、設計波長５３０ｎｍにおいて、理想的な実施例に対し位相（φ＝π／２）を０．８倍したとき（公差−端）の各波長の回折効率和ΣB-，ΣG-，ΣR-から３波長の平均回折効率和Ω-を算出した。同様に、理想的な実施例に対し位相（φ＝π／２）を１．２倍したとき（公差＋端）の各波長の回折効率和ΣB+，ΣG+，ΣR+から、３波長の平均回折効率和Ω+を算出した。
【００５３】
これらの結果を図５〜図１１に示す。図５および図６は、設計波長５５０ｎｍ、位相φ＝π／２の設計で、波長５５０ｎｍ（φ＝π／２）での回折効率について次数−５〜＋５まで示したものである。図７は、次数−５〜＋５、−３〜＋３、−１〜＋１の回折効率和を示したものである。図８（Ａ）〜（Ｄ）は、設計波長５３０ｎｍ、公差中心における回折効率および回折効率和を示すものであり、（Ａ）は波長４６０ｎｍ、（Ｂ）は波長５５０ｎｍ、（Ｃ）は波長６２０ｎｍ、（Ｄ）は３波長の相加平均を示す。但し、図８（Ａ）〜（Ｄ）には、次数−１〜＋１までの値について示す。図９（Ａ）〜（Ｃ）は、図８（Ａ）〜（Ｃ）に対応する棒グラフであり、縦軸が回折効率、横軸が次数となっている。図１０（Ａ）〜（Ｄ）は、設計波長５３０ｎｍ、公差の−端における回折効率および回折効率和を示したものであり、（Ａ）は波長４６０ｎｍ、（Ｂ）は波長５５０ｎｍ、（Ｃ）は波長６２０ｎｍ、（Ｄ）は３波長の相加平均を示す。図１１（Ａ）〜（Ｄ）は、設計波長５３０ｎｍ、公差の＋端における回折効率および回折効率和を示したものであり、（Ａ）は波長４６０ｎｍ、（Ｂ）は波長５５０ｎｍ、（Ｃ）は波長６２０ｎｍ、（Ｄ）は３波長の相加平均を示す。
【００５４】
図５および図６に示したように、４位相値型の回折格子では、位相φ＝π／２とした場合、次数（−１，０）、（０，−１）、（０，＋１）（＋１，０）の４本の光束に分割されることがわかる。このように、４位相値型では、−１〜＋１の次数において、０次を含む回折成分が貢献している。これは、４位相値を有する回折格子が、一の対角方向に位相０，２φ、他の対角方向に位相φ，３φを配列した２行２列の単位格子として構成されているため、対角方向に位相が２φ（＝π）、すなわち半波長λ／２だけ異なり、対角方向に光波を打ち消すように干渉するためである。
【００５５】
また、設計波長５５０ｎｍにおいて、４本の光束のそれぞれの回折効率は０．２０２６と完全に揃っており、これらの回折効率和は０．８１０５６９と高くなる。よって、入射光を４本に分割する場合には、後述の２位相値型や３位相値型の回折格子よりも有効である。
【００５６】
このような４位相値型回折格子は、設計波長５５０ｎｍで−１次から＋１次の回折効率和Σは０．８１を越え、２次以上の高次回折光のエネルギーが少なくローパスフィルタとしては良い性格と言える。
【００５７】
また、設計波長を５５０ｎｍから５３０ｎｍにシフトさせると、図８（Ｄ）に示したように公差中心での平均回折効率和Ωは０．８１１１４２、図１０（Ｄ）に示したように公差−端での平均回折効率和Ω-は０．８２１５４１、図１１（Ｄ）に示したように公差＋端での平均回折効率和Ω+は０．８０１６８４となる。この結果から、公差幅が位相φの２割に及ぶにも拘らず、公差中心と公差の±端における３波長の平均回折効率和のばらつきを１．３％以下に抑えることができることがわかる。
【００５８】
（実施例２）
実施例２として、上記第２の実施形態の３位相値（０，ψ，２φ）の回折格子型ローパスフィルタ２において、３つの波長に対する回折効率のばらつきを評価した。具体的には、まず、理想的な実施例として、設計波長５５０ｎｍ、位相ψ＝φ＝ａ・（π／２）の設計で、ａ＝１１５／９０、ψ＝φ＝１１５°、２φ＝２３０°、波長５５０ｎｍ、波長４６０ｎｍおよび波長６２０ｎｍにおける回折効率を測定し、３波長それぞれの回折効率和を求め、３波長の平均回折効率和を算出した。
【００５９】
これらの結果を図１２〜図１６に示す。図１２および図１３は、設計波長５５０ｎｍ、位相ψ＝φ＝ａ・（π／２）の設計で、ａ＝１１５／９０、ψ＝φ＝１１５°、２φ＝２３０°とした場合、波長５５０ｎｍの回折効率について、次数−５〜＋５まで示したものである。図１４は、次数−５〜＋５、−３〜＋３、−１〜＋１の回折効率和を示したものである。図１５（Ａ）〜（Ｄ）は、設計波長５５０ｎｍ、公差中心での回折効率および回折効率和を示したものであり、（Ａ）波長４６０ｎｍ、（Ｂ）波長５５０ｎｍ、（Ｃ）波長６２０ｎｍ、（Ｄ）３波長の相加平均について、次数−１〜＋１までの値を示す。図１６（Ａ）〜（Ｃ）は、図１５（Ａ）〜（Ｃ）に対応する棒グラフであり、縦軸が回折効率、横軸が次数となっている。
【００６０】
図１２および図１３に示したように、３位相値型の回折格子では、波長５５０ｎｍ、位相ψ＝φ＝ａ・（π／２）の設計で、ａ＝１１５／９０、ψ＝φ＝１１５°、２φ＝２３０°とした場合、−１次〜＋１次までの計９本の光束に分割されることがわかる。また、それぞれの回折効率はほぼ０．０８３２と揃っており、これら９本の回折効率和は０．７４８６６９となる。このため、３位相値型の回折格子は、特に入射光を９本に分割する回折格子型ローパスフィルタとして好適に用いられる。
【００６１】
ところが、図１６（Ｂ）に示したように波長５５０ｎｍでは９本の光束の高さは揃ってはいるが、図１６（Ａ）に示したように波長４６０ｎｍの回折効率では０次回折光の効率がかなり低く、図１６（Ｃ）に示したように波長６２０ｎｍの回折効率では０次回折光がかなり高くなっていることがわかる。このため、−１次〜＋１次の波長４６０ｎｍと波長６２０ｎｍとの回折効率和の比は１２．４％におよび、長波長側が高くなってしまう。
【００６２】
そこで、設計波長を６１０ｎｍにシフトし、３波長それぞれの公差中心での回折効率和ΣB，ΣG，ΣRを求め、３波長の平均回折効率和Ωを算出した。このとき、a＝１１５／９０＝１．２７７７７８として、上記の位相ψ＝φ＝ａ（π／２)＝１１５°の状態から位相２φ＝２３０°を固定して、位相ψだけａ倍または（２−ａ）倍して位相ψ＝ａ（ａπ／２）＝１１５ａ＝１４６．９４°またはψ＝（２−ａ）１１５＝８３．０６°とする。また、この設計波長６１０ｎｍにおいて、公差−端（位相０．９３７５ｘ）での各波長の回折効率和ΣB-，ΣG-，ΣR-から３波長の平均回折効率和Ω-を算出した。同様に、＋端（位相１．０６２５ｘ）での各波長の回折効率和ΣB+，ΣG+，ΣR+から、３波長の平均回折効率和Ω+を算出した。
【００６３】
これらの結果を図１７〜図２０に示す。図１７（Ａ）〜（Ｄ）は、設計波長６１０ｎｍ、公差中心における回折効率および回折効率和を示したものであり、（Ａ）は波長４６０ｎｍ、（Ｂ）は波長５５０ｎｍ、（Ｃ）は波長６２０ｎｍ、（Ｄ）は３波長の相加平均を示す。図１８（Ａ）〜（Ｃ）は、図１７（Ａ）〜（Ｃ）に対応する棒グラフであり、縦軸が回折効率、横軸が次数となっている。図１９（Ａ）〜（Ｄ）は、設計波長６１０ｎｍ、公差の−端における回折効率および回折効率和を示したものであり、（Ａ）は波長４６０ｎｍ、（Ｂ）は波長５５０ｎｍ、（Ｃ）は波長６２０ｎｍ、（Ｄ）は３波長の相加平均を示す。図２０（Ａ）〜（Ｄ）は、設計波長６１０ｎｍ、公差の＋端における回折効率を示したものであり、（Ａ）は波長４６０ｎｍ、（Ｂ）は波長５５０ｎｍ、（Ｃ）は波長６２０ｎｍでの回折効率、（Ｄ）は３波長の相加平均を示す。
【００６４】
このように、設計波長を６１０ｎｍ、位相ψ＝１４６．９４°（あるいはψ＝８３．０６°）とすると、３波長それぞれの０次回折光の回折効率が高くなり、特に短波長側の０次回折光の回折効率が高くなる。これにより、分割される９本の光束のバランスが良くなり３波長の回折効率和が全体的に高くなってくることがわかる。また、図１６（Ｄ）に示したように公差中心での平均回折効率和Ωは０．７３８４４３、図１９（Ｄ）に示したように公差の−端の平均回折効率和Ω-は０．７４９９１７、図２０（Ｄ）に示したように公差の＋端の平均回折効率和Ω+は０．７２９７７０となる。この結果から、公差中心と公差の±端における３波長の平均回折効率和のばらつきを１．５％程度に抑えることができることがわかる。
【００６５】
なお、３位相値（０，ψ，２φ）型の回折格子において、φ＝ψ，φ≠ψのいずれの場合にも、対角方向、行方向および列方向において、位相差はπすなわち１８０°ではないので、０次回折光は消えることはない。但し、このように０次回折光が存在する場合であっても、格子の高さＨは上述の条件式（６）に基づいて設計され得る。例えば位相がａ・π＝２３０°の場合には格子高さも比例してａ・Ｈとなる。
【００６６】
（実施例３）
実施例３として、上記第３の実施形態の２位相値（０，φ）型の回折格子型ローパスフィルタ３において、３つの波長に対する回折効率のばらつきを評価した。具体的には、まず、理想的な実施例として、設計波長５５０ｎｍ、位相φ＝πの設計で、位相（０，π）の１次元のＤａｍｍａｎｎ型回折格子を市松模様状に２次元的に配置したものについて、波長５５０ｎｍ、波長４６０ｎｍおよび波長６２０ｎｍにおける回折効率を測定し、３波長それぞれの回折効率和および３波長の平均回折効率和を求めた。
【００６７】
これらの結果を図２１〜図２５に示す。図２１および図２２は、設計波長５５０ｎｍ、位相φ＝πの設計で、波長５５０ｎｍでの回折効率について、次数−５〜＋５まで示したものである。図２３は、次数−５〜＋５、−３〜＋３、−１〜＋１の回折効率和を示したものである。図２４（Ａ）〜（Ｄ）は、設計波長５５０ｎｍ、公差中心における回折効率および回折効率和を示したものであり、（Ａ）は波長４６０ｎｍ、（Ｂ）は波長５５０ｎｍ、（Ｃ）は波長６２０ｎｍでの回折効率、（Ｄ）は３波長の相加平均を示す。図２５（Ａ）〜（Ｃ）は、図２４（Ａ）〜（Ｃ）に対応する棒グラフであり、縦軸が回折効率、横軸が次数となっている。
【００６８】
図２１および図２２に示したように、２位相値型の回折格子では、波長５５０ｎｍ、位相φ＝πの設計で、−１次〜＋１次までの回折光のうち、次数（−１，−１）、（−１，＋１）、（＋１，−１）、（＋１，＋１）の４本の光束に分割されることがわかる。これは、２位相値型の場合は、その対角方向に同じ位相値が並び、行方向および列方向に位相πの差があるので、行方向および列方向の光路長差が半波長λ／２になり干渉で弱め合い、行方向および列方向にある次数０次を有する回折光が消滅するためである。
【００６９】
また、設計波長５５０ｎｍにおいて、４本の光束のそれぞれの回折効率は０．１６４２５６と完全に揃っており、これらの回折効率和は０．６５７０２３となる。従って、入射光を４本の光束に分割する場合に、簡易な格子構成で比較的良好な回折効率を得ることができることがわかる。
【００７０】
ここで、設計波長の増減に伴い、位相もπより増減するのであるが、それに応じて０次の回折光が加わり、分割される光束は５本となる。このとき、特例として位相φ＝０．７５５π＝１３５．９°および１．２４５π＝２２４．１°のときは回折効率がほぼ０．１４１で揃った５本の光束に分割される。この２位相値型では、設計波長５５０ｎｍより短波長側の方が位相のずれに対して敏感に回折効率、主に０次回折光の回折効率が変化する特徴がある。そこで、公差の−端（位相０．９ｘ）で６２０ｎｍの５本の光束の回折効率と同じになるように、公差の＋端（位相１．１ｘ）では４６０ｎｍの５本の光束の回折効率と同じとなるように、設計波長を５５０ｎｍから５２０ｎｍにシフトした。この設計波長５２０ｎｍにおいて、３波長それぞれの公差中心における回折効率和ΣB，ΣG，ΣRを求め、３波長の平均回折効率和Ωを算出した。また、公差の−端における回折効率和ΣB-，ΣG-，ΣR-から３波長の平均回折効率和Ω-を算出した。同様に、公差の＋端における回折効率和ΣB+，ΣG+，ΣR+から、３波長の平均回折効率和Ω+を算出した。
【００７１】
これらの結果を図２６〜図３１に示す。図２６（Ａ）〜（Ｄ）は、設計波長５２０ｎｍ、公差中心における回折効率および回折効率和を示したものであり、（Ａ）は波長４６０ｎｍ、（Ｂ）は波長５５０ｎｍ、（Ｃ）は波長６２０ｎｍ、（Ｄ）は３波長の相加平均を示す。図２７（Ａ）〜（Ｃ）は、図２６（Ａ）〜（Ｃ）に対応する棒グラフであり、縦軸が回折効率、横軸が次数となっている。図２８（Ａ）〜（Ｄ）は、設計波長５２０ｎｍ、公差の−端における回折効率および回折効率和を示したものであり、（Ａ）は波長４６０ｎｍ、（Ｂ）は波長５５０ｎｍ、（Ｃ）は波長６２０ｎｍ、（Ｄ）は３波長の相加平均を示す。図２９（Ａ）〜（Ｃ）は、図２８（Ａ）〜（Ｃ）に対応する棒グラフであり、縦軸が回折効率、横軸が次数となっている。図３０（Ａ）〜（Ｄ）は、設計波長５２０ｎｍ、公差の＋端における回折効率および回折効率和を示したものであり、（Ａ）は波長４６０ｎｍ、（Ｂ）は波長５５０ｎｍ、（Ｃ）は波長６２０ｎｍ、（Ｄ）は３波長の相加平均を示す。図３１（Ａ）〜（Ｃ）は、図３０（Ａ）〜（Ｃ）に対応する棒グラフであり、縦軸が回折効率、横軸が次数となっている。
【００７２】
上記のように設計波長を５２０ｎｍとすると、図２６（Ｄ）に示したように公差中心の平均回折効率和Ωは０．６６９７７５、図２８（Ｄ）に示したように公差の−端の平均回折効率和Ω-は０．６７９３９７、図３０（Ｄ）に示したように公差の＋端の平均回折効率和Ω+は０．６７５０７９となる。この結果から、公差中心と公差の±端における３波長の平均回折効率和のばらつきを１．４４％程度に抑えられることがわかる。
【００７３】
以上のように、各実施例において、各位相値に対応した条件式を満足することにより、位相のばらつき公差が最適化され、波長による回折効率のばらつきを低減することができることが示された。
【００７４】
以上、いくつかの実施の形態および実施例を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態および実施例に限定されず、種々の変形が可能である。例えば、上述した２行２列の位相配列を有する回折格子に限られず、その位相の配列は、９０°もしくは１８０°の回転、左右の反転（鏡映変換）、および屈折率Ｎ１，Ｎ２の入れ替えなどに対しても、その回折効率が変わることはない。
【００７５】
また、上記実施の形態等では、透明基板内部に形成された屈折率変化領域として、屈折率Ｎ１，Ｎ２の２つの領域で互いに屈折率が異なる場合を例に挙げて説明したが、これに限定されず、３つ以上の領域で屈折率が異なるようにしてもよい。
【００７６】
また、上記実施の形態等では、本発明の回折格子型ローパスフィルタとして、撮像素子の光学的ローパスフィルタを例に挙げて説明したが、これに限定されず、要求される精度を満たせば２次元微細周期構造製作に対応する露光用の位相シフトマスクや、記録再生用ＣＤ、ＤＶＤなどの光ディスク光学系におけるトラッキング位置制御や、投影照明光学系おける照度ムラの補正や、波長分割多重通信などの導波路における分岐／分波・合波などに応用できる。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】本発明の第１の実施の形態としての光学的ローパスフィルタの概略構成を示す斜視図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態としての光学的ローパスフィルタ内部の回折格子を示すものであり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は斜視図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態としての光学的ローパスフィルタ内部の回折格子を示すものであり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は斜視図である。
【図４】本発明の第３の実施の形態としての光学的ローパスフィルタ内部の回折格子を示すものであり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は斜視図である。
【図５】実施例１の光学的ローパスフィルタの波長５５０ｎｍに対する回折効率（設計波長５５０ｎｍ）を示すものである。
【図６】実施例１の光学的ローパスフィルタの波長５５０ｎｍに対する回折効率（設計波長５５０ｎｍ）を示すものである。
【図７】実施例１の光学的ローパスフィルタの波長５５０ｎｍに対する回折効率における各次数での回折効率和を示すものである。
【図８】実施例１の光学的ローパスフィルタの設計波長５３０ｎｍ、公差中心での回折効率を示すものであり、（Ａ）は波長４６０ｎｍ、（Ｂ）は波長５５０ｎｍ、（Ｃ）は波長６２０ｎｍ、（Ｄ）は３波長の相加平均について示す。
【図９】実施例１の光学的ローパスフィルタの設計波長５３０ｎｍ、公差中心での回折効率を示すものであり、（Ａ）は波長４６０ｎｍ、（Ｂ）は波長５５０ｎｍ、（Ｃ）は波長６２０ｎｍについて示す。
【図１０】実施例１の光学的ローパスフィルタの設計波長５３０ｎｍ、公差−端での回折効率を示すものであり、（Ａ）は波長４６０ｎｍ、（Ｂ）は波長５５０ｎｍ、（Ｃ）は波長６２０ｎｍ、（Ｄ）は３波長の相加平均について示す。
【図１１】実施例１の光学的ローパスフィルタの設計波長５３０ｎｍ、公差＋端での回折効率を示すものであり、（Ａ）は波長４６０ｎｍ、（Ｂ）は波長５５０ｎｍ、（Ｃ）は波長６２０ｎｍ、（Ｄ）は３波長の相加平均について示す。
【図１２】実施例２の光学的ローパスフィルタの波長５５０ｎｍに対する回折効率（設計波長５５０ｎｍ）を示すものである。
【図１３】実施例２の光学的ローパスフィルタの波長５５０ｎｍに対する回折効率（設計波長５５０ｎｍ）を示すものである。
【図１４】実施例２の光学的ローパスフィルタの波長５５０ｎｍに対する回折効率における各次数での回折効率和を示すものである。
【図１５】実施例２の光学的ローパスフィルタの設計波長５５０ｎｍ、公差中心での回折効率を示すものであり、（Ａ）は波長４６０ｎｍ、（Ｂ）は波長５５０ｎｍ、（Ｃ）は波長６２０ｎｍ、（Ｄ）は３波長の相加平均について示す。
【図１６】実施例２の光学的ローパスフィルタの設計波長５５０ｎｍ、公差中心での回折効率を示すものであり、（Ａ）は波長４６０ｎｍ、（Ｂ）は波長５５０ｎｍ、（Ｃ）は波長６２０ｎｍについて示す。
【図１７】実施例２の光学的ローパスフィルタの設計波長６１０ｎｍ、公差中心での回折効率を示すものであり、（Ａ）は波長４６０ｎｍ、（Ｂ）は波長５５０ｎｍ、（Ｃ）は波長６２０ｎｍ、（Ｄ）は３波長の相加平均について示す。
【図１８】実施例２の光学的ローパスフィルタの設計波長６１０ｎｍ、公差中心での回折効率を示すものであり、（Ａ）は波長４６０ｎｍ、（Ｂ）は波長５５０ｎｍ、（Ｃ）は波長６２０ｎｍについて示す。
【図１９】実施例２の光学的ローパスフィルタの設計波長６１０ｎｍ、公差−端での回折効率を示すものであり、（Ａ）は波長４６０ｎｍ、（Ｂ）は波長５５０ｎｍ、（Ｃ）は波長６２０ｎｍ、（Ｄ）は３波長の相加平均について示す。
【図２０】実施例２の光学的ローパスフィルタの設計波長６１０ｎｍ、公差＋端での回折効率を示すものであり、（Ａ）は波長４６０ｎｍ、（Ｂ）は波長５５０ｎｍ、（Ｃ）は波長６２０ｎｍ、（Ｄ）は３波長の相加平均について示す。
【図２１】実施例３の光学的ローパスフィルタの波長５５０ｎｍに対する回折効率（設計波長５５０ｎｍ）を示すものである。
【図２２】実施例３の光学的ローパスフィルタの波長５５０ｎｍに対する回折効率（設計波長５５０ｎｍ）を示すものである。
【図２３】実施例３の光学的ローパスフィルタの波長５５０ｎｍに対する回折効率における各次数での回折効率和を示すものである。
【図２４】実施例３の光学的ローパスフィルタの設計波長５５０ｎｍ、公差中心での回折効率を示すものであり、（Ａ）は波長４６０ｎｍ、（Ｂ）は波長５５０ｎｍ、（Ｃ）は波長６２０ｎｍ、（Ｄ）は３波長の相加平均について示す。
【図２５】実施例３の光学的ローパスフィルタの設計波長５５０ｎｍ、公差中心での回折効率を示すものであり、（Ａ）は波長４６０ｎｍ、（Ｂ）は波長５５０ｎｍ、（Ｃ）は波長６２０ｎｍについて示す。
【図２６】実施例３の光学的ローパスフィルタの設計波長５２０ｎｍ、公差中心での回折効率を示すものであり、（Ａ）は波長４６０ｎｍ、（Ｂ）は波長５５０ｎｍ、（Ｃ）は波長６２０ｎｍ、（Ｄ）は３波長の相加平均について示す。
【図２７】実施例３の光学的ローパスフィルタの設計波長５２０ｎｍ、公差中心での回折効率を示すものであり、（Ａ）は波長４６０ｎｍ、（Ｂ）は波長５５０ｎｍ、（Ｃ）は波長６２０ｎｍについて示す。
【図２８】実施例３の光学的ローパスフィルタの設計波長５２０ｎｍ、公差−端での回折効率を示すものであり、（Ａ）は波長４６０ｎｍ、（Ｂ）は波長５５０ｎｍ、（Ｃ）は波長６２０ｎｍ、（Ｄ）は３波長の相加平均について示す。
【図２９】実施例３の光学的ローパスフィルタの設計波長５２０ｎｍ、公差−端での回折効率を示すものであり、（Ａ）は波長４６０ｎｍ、（Ｂ）は波長５５０ｎｍ、（Ｃ）は波長６２０ｎｍについて示す。
【図３０】実施例３の光学的ローパスフィルタの設計波長５２０ｎｍ、公差＋端での回折効率を示すものであり、（Ａ）は波長４６０ｎｍ、（Ｂ）は波長５５０ｎｍ、（Ｃ）は波長６２０ｎｍ、（Ｄ）は３波長の相加平均について示す。
【図３１】実施例３の光学的ローパスフィルタの設計波長５２０ｎｍ、公差＋端での回折効率を示すものであり、（Ａ）は波長４６０ｎｍ、（Ｂ）は波長５５０ｎｍ、（Ｃ）は波長６２０ｎｍについて示す。
【図３２】図１に示した回折格子型ローパスフィルタを用いた撮像装置の一例を示すものである。
【図３３】従来例に係る水晶板を用いた光学的ローパスフィルタの概略構成を示す斜視図である。
【図３４】従来例に係る回折格子型の光学的ローパスフィルタの概略構成を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００７８】
１，２，３…回折格子型ローパスフィルタ、１０…ガラス基板、Ｕ１，Ｕ２，Ｕ３…単位格子、Ｎ１，Ｎ２…屈折率。
【技術分野】
【０００１】
本発明は光束を回折作用により分割する回折型光学素子に関し、特にＣＣＤ（Charge Coupled Device：電荷結合素子）やＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）などの固体撮像素子の光学的ローパスフィルタ（ＯＬＰＦ：Optical Low Pass Filter）に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、パーソナルコンピュータの一般家庭等への普及に伴い、撮影した風景や人物像等の画像情報をパーソナルコンピュータに入力することができるデジタルスチルカメラ（以下、単にデジタルカメラという。）が急速に普及しつつある。また携帯電話の高機能化に伴い、携帯電話に画像入力用のモジュールカメラ（携帯用モジュールカメラ）が搭載されることも多くなってきている。
【０００３】
上記のような撮像装置には、撮像画素が離散的に２次元配置されたＣＣＤやＣＭＯＳなどの固体撮像素子が用いられている。そして、このような固体撮像素子を有する光学系では、被写体に含まれる高周波成分に起因したモアレ縞や偽色の発生を抑制するため、光学的ローパスフィルタが用いられる。従来の回折格子型ローパスフィルタ１００は、例えば図３３に示したように、１／４波長板などの位相差板１０１を２枚の水晶板１０２Ａ，１０２Ｂで挟み込んだ構造となっており、水晶の複屈折現象を利用して入射光束を分割するようになっている（例えば、特許文献５参照）。
【０００４】
また、回折により光束を分割する回折型の光学的ローパスフィルタが提案されている（特許文献１〜４参照）。この回折型の光学的ローパスフィルタ（以下、回折格子型ローパスフィルタという）は、例えば図３４に示した回折格子型ローパスフィルタ１０３のように、その表面が凸凹形状を有する回折格子となっている。また、表面の断面形状は矩形波、三角波、台形波、三角関数波（正弦波）、あるいは多値化されたバイナリ形状となっている。
【特許文献１】特開平７−１９８９２１号公報
【特許文献２】特開２００５−７７９６６号公報
【特許文献３】特開２００６−３０９５４号公報
【特許文献４】特許第３２０４４７１号公報
【特許文献５】特開平１０−５４９６０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、水晶板を用いた回折格子型ローパスフィルタ１００では、複数の光学素子を貼り合わせた構造であるため、全体の厚みが大きくなり、撮像装置を小型化する上で不利となる。また、回折格子型ローパスフィルタ１０３では、その表面が凸凹形状となっており、撮像素子に対して近接して配置されるため、回折格子型ローパスフィルタ１０３と撮像素子との間でモアレ縞が発生してしまう。また、回折格子型ローパスフィルタ１０３の裏面における全反射角に近い回折角の光が存在するため、撮像素子の撮像面と回折格子型ローパスフィルタ１０３の裏面との間で全反射する光によって、いわゆるフレアが発生してしまう。このため、上記特許文献１〜４では、このようなモアレ縞やフレアの発生を抑制するため、種々の工夫がなされている。また、入射光の波長によって回折効率が変化し、透過回折光や撮像素子面内の照度にばらつきが生じるという問題がある。この結果、照度むらが生じたり、色バランスが崩れるなど、撮像画像の画質が劣化してしまう。
【０００６】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、水晶板を用いた場合に比べて薄型化を実現すると共に、回折格子を用いた場合であっても画質の劣化を抑制することが可能な回折格子型ローパスフィルタを提案する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の回折格子型ローパスフィルタは、透明基板と、この透明基板の内部に形成された回折格子部分とを備え、回折格子部分は、透明基板の内部に透明基板自体の屈折率とは異なる屈折率を有すると共に光路長差による複数の位相を含む屈折率変化領域を有し、かつ、この屈折率変化領域の複数の位相が２行２列に配列した領域を単位格子として、この単位格子が複数配列された構成とされている。
【０００８】
本発明の撮像装置は、撮像素子と、撮像素子の受光面側に配置された本発明の回折格子型ローパスフィルタとを備えたものである。
【０００９】
本発明の回折格子型ローパスフィルタおよび撮像装置では、回折格子部分が透明基板自体とは異なる屈折率を有すると共に光路長差による複数の位相を含む屈折率変化領域を有し、かつ屈折率変化領域の複数の位相が２行２列に配列した領域を単位格子として複数の単位格子が配列された構成とされていることにより、回折格子部分の屈折率変化領域中を光が伝播すると、位相差による回折作用により、入射光束が分割されて出射される。また、このような回折格子部分が透明基板内部に形成されていることにより、透明基板の表面は、隣接する空気層に対して平坦となると共に、回折格子部分の格子の高さおよび周期が大きくなる。
【００１０】
このとき、回折格子部分は、一の対角方向に位相０と位相２φとの領域が配置されると共に、他の対角方向に位相φと３φとの領域が配置された２行２列の領域を単位格子とし、この単位格子が、ｍを１〜３の整数としたとき、以下の条件式（１）を満足することが好ましい。これにより、４位相値を有する回折格子を用いて、入射光の波長による回折効率のばらつきが低減される。
｜ｍφ−ｍπ／２｜≦ (ｍπ／２)／５ ………（１）
【００１１】
もしくは、回折格子部分は、一の対角方向に位相０と位相２φとの領域が配置されると共に、他の対角方向に位相ψの領域が２つ配置された２行２列の領域を単位格子とし、この単位格子が、ａ＝１１５／９０およびｂ＝（２−ａ）としたとき、以下の条件式（２）もしくは条件式（３）のいずれか一方、および条件式（４）を満足することが好ましい。これにより、３位相値を有する回折格子を用いて、入射光の波長による回折効率のばらつきが低減される。
｜ψ−ａ・（ａπ／２）｜≦ａ・（ａπ／２）／１６ ………（２）
｜ψ−ｂ・（ａπ／２）｜≦ｂ・（ａπ／２）／１６ ………（３）
｜２φ−（ａπ）｜≦（ａπ）／１６ ………（４）
【００１２】
もしくは、回折格子部分は、位相０と位相φとが交互に配置された２行２列の領域を単位格子とし、この単位格子が、以下の条件式（５）を満足することが好ましい。これにより、２位相値を有する回折格子を用いて、入射光の波長による回折効率のばらつきが低減される。
｜φ−π｜≦π／１０ ………（５）
【００１３】
また、透明基板の屈折率をＮ１、屈折率変化領域の屈折率をＮ２、位相πに相当する格子の高さをＨ、中心波長をλとしたとき、以下の条件式を満足する場合には、０次の回折光が打ち消される。
Ｈ・｜Ｎ２−Ｎ１｜＝λ／２ ………（６）
【発明の効果】
【００１４】
本発明の回折格子型ローパスフィルタによれば、透明基板と、この透明基板の内部に形成された回折格子部分とを備え、回折格子部分が、透明基板の内部に透明基板自体の屈折率とは異なる屈折率を有すると共に光路長差による複数の位相を含む屈折率変化領域を有し、かつ、屈折率変化領域の複数の位相が２行２列に配列した領域を単位格子として、この単位格子が複数配列された構成となるようにしたので、水晶板を用いたローパスフィルタのように複数の光学素子を貼り合わせることなく光線分離が可能となるため、水晶板を用いた場合に比べて薄型となる。また、撮像素子との間でのモアレ縞やフレアの発生を抑制することができる。よって、水晶板を用いた場合に比べて薄型化を実現すると共に、回折格子を用いた場合であっても画質の劣化を抑制することができる。さらに、回折格子の位相値に基づく所定の条件式を満足するようにすれば、波長による照度のばらつきを低減することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００１６】
［第１の実施の形態］
図１は、第１の実施の形態に係る回折格子型ローパスフィルタ１の概略構成を表す斜視図である。図２（Ａ），（Ｂ）は回折格子型ローパスフィルタ１の内部に形成された回折格子（回折格子部分）について模式的に示したものであり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は単位格子部分の斜視図である。回折格子型ローパスフィルタ１は、図３２に示したような撮像装置４、例えばデジタルスチルカメラ、カメラ付き携帯電話機、および情報携帯端末等において、ＣＣＤやＣＭＯＳ等の固体撮像素子１２の撮像面（受光面）側に配置され、回折作用により撮像光学系１１からの入射光束を分割して、被写体に含まれる高周波成分に起因したモアレ縞や偽色の発生を抑制する回折格子型ローパスフィルタである。
【００１７】
回折格子型ローパスフィルタ１は、透明基板、例えば石英基板などの光学ガラス基板（以下、単にガラス基板という）により構成されている。このガラス基板１０の内部には、互いに同一形状の複数の微細領域が市松模様状に配列した回折格子が形成されている。具体的には、回折格子は、ガラス基板１０の屈折率Ｎ１とは異なる屈折率を有する屈折率変化領域（図１における屈折率Ｎ２の領域）から構成され、この屈折率変化領域には、光路長差による複数の位相が配されている。
【００１８】
例えば、図２（Ａ），（Ｂ）に示したように、回折格子の屈折率変化領域では、一の対角方向Ｄ１に位相０の領域と位相２φの領域が配置され、他の対角方向Ｄ２に位相φの領域と位相３φの領域が配置された２行２列の領域を単位格子Ｕ１として、複数の単位格子Ｕ１が配列した構成となっている。すなわち、回折格子型ローパスフィルタ１は、４位相値を有する回折格子型ローパスフィルタとなっている。
【００１９】
上記回折格子は、パルスレーザ光を集光照射することにより形成することができる。具体的には、ガラス基板１０内部の所望の位置にレーザの焦点を合わせ、レーザ強度を適切な大きさに調節して、レーザ光を照射することにより、上記のようなパターンを描画することで形成することができる。
【００２０】
このような４位相値の回折格子型ローパスフィルタ１は、以下の条件式（１）を満足する。但し、ｍを１〜３の整数とする。また、単位格子Ｕ１内の位相同士の間のばらつき公差（以下、単に公差という）の増減方向すなわち符号は同一であるとする。
｜ｍφ−ｍπ／２｜≦ (ｍπ／２)／５ ………（１）
【００２１】
また、回折格子型ローパスフィルタ１として、例えば直進する０次回折光が不要である場合には、以下の条件式（６）を満足するようにする。但し、ガラス基板１０の屈折率をＮ１、屈折率変化領域の屈折率をＮ２、位相πに相当する格子の高さをＨ、中心波長をλとする。
Ｈ・｜Ｎ２−Ｎ１｜＝λ／２ ………（６）
【００２２】
次に、上記のような構成を有する回折格子型ローパスフィルタ１の作用および効果を説明する。
【００２３】
回折格子型ローパスフィルタ１では、ガラス基板１０の内部に、ガラス基板１０とは屈折率の異なる屈折率を有すると共に光路長差による複数の位相を含む屈折率変化領域が形成された回折格子を有していることにより、この回折格子内を光が伝播すると、位相差による回折作用により入射光束が分割され、撮像素子側へ出射される。これにより、光学的ローパスフィルタとして被写体に含まれる高周波成分に起因したモアレ縞や偽色の発生が抑制される。
【００２４】
このとき、回折格子の格子周期をＰ、回折次数をｍ、回折格子と撮像素子の撮像面との間の距離をｆとすると、回折の式は、回折角（回折伝搬していく方向）をθ、ｍを正の整数としてsinθ＝ｍλ／Ｐとなる。また、光線分離幅ｄは、ｄ＝ｆ・tanθ≒ｆ・sinθ＝ｍλｆ／Ｐとなる。すなわち、光線分離幅ｄは直接的に波長λに比例する。また、光学的ローパスフィルタとしてナイキスト周波数１．０で、ＭＴＦ（Modulation Transfer Function）を０にすることは光線分離幅ｄを撮像画素１ピッチ幅に等しくすることである。
【００２５】
ここで、図３４に示した回折格子型ローパスフィルタ１０３では、その表面（撮像素子に対向配置される面）が凸凹形状となっており、この凸凹形状によって市松模様状の領域が配置されるようになっている。このとき、格子の高さは波長のオーダーとなり、格子周期はそれに相応して波長のおよそ１０倍程度と小さくなる。また、格子周期Ｐが小さいと回折角θが大きくなり、それに対応して距離ｆを小さくする必要がある。このため、凸凹形状が撮像面に接近した位置、例えば撮像素子の受光面から０．０５ｍｍ程の位置に配置されるため、格子状に配列された撮像画素の格子周期と、凸凹形状の格子周期とのずれによる干渉縞、いわゆるモアレ縞が発生し画質が劣化してしまう。なお、このようなモアレ縞は、例えば直角行列状の格子面を回転させたり、斜めに配置することにより発生を抑制することも可能であるが、製造工程が複雑となってしまう。
【００２６】
また、上記のように格子の高さおよび周期が小さく、回折角θが大きいことにより、回折格子型ローパスフィルタ１０３の裏面において、その全反射角と回折角θとが一致し易くなる。このため、回折格子型ローパスフィルタ１０３を一旦透過して撮像素子の撮像面で全反射されてしまった光線が、上記裏面において全反射されたのち、再び撮像素子へ入射することがある。これにより、いわゆるフレアが発生し画質の劣化を引き起こす要因となる。
【００２７】
これに対し、本実施の形態では、回折作用を生じる回折格子部分が、ガラス基板１０の内部に設けられている。これにより、回折格子型ローパスフィルタ１の表面（ガラス基板１０の表面）は平坦となる。また、単位格子Ｕ１における屈折率差をΔＮ＝｜Ｎ２−Ｎ１｜とすると、格子の高さＨはＨ＝（λ／２）／ΔＮと表すことができる。この屈折率差ΔＮは、図３４に示したような従来の凸凹形状の場合の屈折率差（空気と基板との屈折率差Δｎ＝Ｎ−１）の約１０分の１以下となる。よって、格子高さＨは、凸凹形状に比べて約１０倍以上になり、アスペクト比や斜入射回折効率等を考慮すると、それに相応して格子周期Ｐも約１０倍以上になる。このため、格子周期Ｐの逆数である回折角θおよび光線分離幅ｄは凸凹形状の場合の約１０分の１となり、１画素ピッチを光線分離幅ｄとする限り、撮像面とローパスフィルタとの距離ｆは約１０倍以上となる。すなわち、撮像素子の撮像面から回折格子型ローパスフィルタ１を十分に離れた位置、例えば０．５ｍｍ〜１．０ｍｍ程の位置に配置することができる。
【００２８】
従って、格子の高さおよび周期が大きくなることにより、撮像素子の撮像面から十分に離れた位置に配置することができるようになり、これにより撮像素子と回折格子との格子周期のずれに起因するモアレ縞の発生が抑制される。また、回折格子型ローパスフィルタ１の表面が平坦になっていることも、このようなモアレ縞の抑制に寄与している。
【００２９】
また、格子の高さＨおよび周期Ｐが大きく、回折角θが小さいことにより、回折格子型ローパスフィルタ１の表裏において光線の全反射が抑制される。すなわち、外観的にはガラス基板両面に反射防止コートを施した平行平面板と等価となる。これにより、上述したようなフレアの発生が抑制される。
【００３０】
次に、条件式（１）の意義について説明する。条件式（１）は、４位相値を有する回折格子において、波長変化による単位格子Ｕ１における位相の公差範囲を最適化したものである。この条件式（１）を満足することにより、波長変化による回折効率の変化、ばらつきが低減される。これによって、波長による照度のばらつきを低減することができ、撮像画像の色バランスが良好となる。このような条件式（１）は、以下のように導出される。
【００３１】
まず、波長変化による照度のばらつきが発生する要因として、波長による光線分離幅ｄのずれ、あるいは波長による回折効率のばらつきが考えられる。このうち、光線分離幅ｄのずれを改良することについて考える。上述したように、光学的ローパスフィルタとしてナイキスト周波数１．０でＭＴＦを０にすることは、光線分離幅ｄを撮像画素１ピッチ幅に等しくすることである。言い換えると、波長による光線分離幅ｄのずれは画素１ピッチのずれであり、波長によるナイキスト周波数のずれとなる。このとき、短波長の光線分離幅ｄは比較的小さいため、ナイキスト周波数は高周波数側にシフトする。ところが、この短波長側では長波長側より光学ガラスの屈折率変化が大きいため、高周波数側において、長波長側のＭＴＦに比べて短波長側のＭＴＦがうまく低下することとなるため、実際にはそれほど問題とならない。また、比較的単純な構造の回折格子では、このような波長による光線分離幅ｄのずれを改良することは原理的に難しい。
【００３２】
そこで、波長変化による回折効率のばらつきを低減することについて考える。ここで、回折格子の回折効率は、回折次数に従って回折角θの方向に伝搬していく光のエネルギーの効率であるから、波長によるエネルギー効率のばらつきとして考えることができる。なお、撮像面を一様な照度にした場合、撮像画素の感度のばらつきの割合は、感度不均一性（ＰＲＮＵ：Photo Response Non-Uniformity）と言われるが、例えば、出力電圧のばらつきの平均自乗根ＲＭＳ（Root Mean Square）が１％以内、出力電圧のばらつきのＰ−Ｖ値（Peak to Valley）が３％以内などの規格がある。因みに、モニタの輝度のばらつきでは２％以内という規格があるが、これは各撮像画素の感度のばらつきやモニタ部分々々の輝度のばらつきを意味している。本実施の形態では、撮像面全体が均一の感度となっており、撮像面への入射光の側にエネルギー分布の不均一さがあると考えてみる。
【００３３】
また、例えばＣＣＤカメラでは、Ｂ（blue：青），Ｇ（Green：緑），Ｒ（Red：赤）などの３色原理となっており、その光学設計においては、Ｂ−ｃｈ、Ｇ−ｃｈおよびＲ−ｃｈを代表する波長としてそれぞれ、４６０ｎｍ、５５０ｎｍ（もしくはｅ線）および６２０ｎｍを使用することが多い。従って、これら４６０ｎｍ、５５０ｎｍおよび６２０ｎｍの３つの波長領域の光に対して、公差範囲の最適化を行う。
【００３４】
具体的には、単位格子Ｕ１の４位相（すなわち、格子高さ）のばらつき公差に対して、公差中心における上記３波長の平均回折効率に対して公差の±（プラスマイナス）端における３波長の平均回折効率を±１．５％のばらつきに抑えることを目標とする。好ましくは、公差中心に対する公差±端の３波長の平均回折効率が１．３％程度である。なお、ここでは、３色分解フィルタ（カラーフィルタ）や撮像面に到達する前では３波長の透過率に差がないものとし、平均回折効率は３波長の相加平均とする。
【００３５】
このとき、回折光のうち−１次から＋１次の回折光の回折効率は特に高くエネルギーが集中している。これは、これら（±１,±１）次の回折効率の和Σが高くなれば、次数２次以上の高次回折光へエネルギーの流れが少なくなることを示している。従って、公差中心と公差の±端における３波長それぞれの−１次から＋１次の回折効率和Σを計算し、公差の中心と公差±端で−１次から＋１次の回折効率和Σの３波長の相加平均回折効率Ωを計算する。
【００３６】
また、格子設計波長は、例えば５５０ｎｍとし、この波長５５０ｎｍから前後に適宜シフトさせるようにして、上記目標１．５％を達成するように公差範囲を最適化する。以上のようにして条件式（１）が導出される。
【００３７】
次に、条件式（６）の意義について説明する。条件式（６）は、位相差と光路長差に関するもので、この条件式（６）を満足することにより、光の干渉効果によって０次回折光が打ち消される。０次回折光を打ち消すためには、単位格子Ｕ１において、行方向、列方向もしくは対角方向において隣接する領域間での位相差がπ、すなわち光路長差が半波長（＝λ／２）となっていればよい。これは、以下の式（７）のように表され、この式（７）を変形することにより、条件式（６）が導かれる。
光路長差＝｜Ｈ・Ｎ２−Ｈ・Ｎ１｜＝λ／２ ………（７）
【００３８】
以上説明したように、回折格子型ローパスフィルタ１によれば、ガラス基板１０の内部にガラス基板１０とは屈折率の異なる屈折率を有すると共に光路長差による複数の位相を含む屈折率変化領域を有する回折格子部分を設けるようにしたので、この屈折率変化領域を光が伝搬することで生じる位相差による回折作用により、撮像素子との間でのモアレ縞やフレアの発生を抑制しつつ、入射光束を分割することができる。また、このとき、回折格子の４位相値に基づいて条件式（１）を満足するようにしたので、入射光の波長による照度のばらつきを低減することができる。
【００３９】
また、図３３に示した従来例に係る光学的ローパスフィルタ１００に比べて、厚みを薄くすることができる。通常、水晶板では、正常光線と異常光線という結晶の複屈折性により入射光束を２本の光束に分割するようになっている。このため、光束を４本に分割するには、偏光を円偏光に変換する位相差板１０１を２枚の水晶板１０２Ａ，１０２Ｂで挟んだ構造とし、入射光束を入射側の水晶板で２本の光束に分離したのち、位相差板で偏光を回転させ、この回転した２本の光束をそれぞれ出射側の水晶板で更に２本の光束に分割する必要がある。このため、光学的ローパスフィルタ１００としては、３枚分の光学素子の板厚となり、光軸方向の厚みは約３ｍｍ〜５ｍｍと厚くなってしまう。これに対し、本実施の形態の回折格子型ローパスフィルタ１では、内部に回折格子が描画された１枚の光学ガラス基板で構成されているため、厚み約０．５ｍｍ以下の平行平面板とすることができる。これは、小型撮像素子の光学系では撮像素子と光学レンズ系の最終面の間、すなわちバックフォーカスに十分な余裕がないので光学設計上非常に有利となる。以上により、水晶板を用いた場合と比べ薄型化を実現すると共に、回折格子を用いた場合であっても画質の劣化を抑制することが可能となる。
【００４０】
また、設計パラメータをうまく選べば、撮像面の前面０．５ｍｍ程度の位置に、ゴミ防止用に配置する平行平面板（カバーガラス）としても機能させることができる。
【００４１】
［第２の実施の形態］
図３（Ａ），（Ｂ）は、第２の実施の形態に係る回折格子型ローパスフィルタ２の内部に形成された回折格子（回折格子部分）について模式的に示したものであり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は単位格子の斜視図である。回折格子型ローパスフィルタ２は、ガラス基板１０の内部に形成された回折格子における位相の配列以外は、上記第１の実施の形態と同様の構成となっている。よって、上記第１の実施の形態と同様の構成については適宜説明を省略する。
【００４２】
回折格子型ローパスフィルタ２は、上記第１の実施の形態の回折格子型ローパスフィルタ１と同様に、ガラス基板１０の内部に複数の位相が配された屈折率変化領域を有する回折格子が設けられている。但し、回折格子の単位格子Ｕ２は、一の対角方向Ｄ１に位相０，２φの領域、他の対角方向Ｄ２に位相ψ，ψの領域が配置された２行２列の格子となっている。すなわち、回折格子型ローパスフィルタ２は、３位相値を有する回折格子型ローパスフィルタとなっている。
【００４３】
このような３位相値の回折格子型ローパスフィルタ２は、以下の条件式（２）もしくは条件式（３）のいずれか一方、および条件式（４）を満足する。但し、ｍを１〜３の整数とし、単位格子Ｕ２内の公差の増減方向すなわち符号は同一であるとする。また、これらの条件式（２）〜（４）についても、上記第１の実施の形態の条件式（１）と同様にして、３波長の光に対して回折格子の３位相値に基づく公差範囲の最適化を行うことにより導出される。
｜ψ−ａ・（ａπ／２）｜≦ａ・（ａπ／２）／１６ ………（２）
｜ψ−ｂ・（ａπ／２）｜≦ｂ・（ａπ／２）／１６ ………（３）
｜２φ−（ａπ）｜≦（ａπ）／１６ ………（４）
【００４４】
また、回折格子型ローパスフィルタ２として、例えば直進する０次回折光が不要である場合には、上述の条件式（６）を満足するようにしてもよい。
【００４５】
上記のような構成を有する回折格子型ローパスフィルタ２によれば、ガラス基板１０の内部に回折格子を設けるようにしたので、上記第１の実施の形態と同様に、水晶板を用いた場合に比べて薄型化を実現できる。また、撮像素子との間のモアレ縞やフレアの発生を抑制することができる。さらに、回折格子の３位相値に基づいて条件式（２）もしくは条件式（３）のいずれか一方、および条件式（４）を満足するようにしたので、入射光の波長による照度のばらつきを低減することができる。
【００４６】
［第３の実施の形態］
図４（Ａ），（Ｂ）は、第３の実施の形態に係る回折格子型ローパスフィルタ３の内部に形成された回折格子（回折格子部分）について模式的に示したものであり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は単位格子の斜視図である。回折格子型ローパスフィルタ３は、ガラス基板１０の内部に形成された回折格子における位相の配列以外は、上記第１の実施の形態と同様の構成となっている。よって、上記第１の実施の形態と同様の構成については適宜説明を省略する。
【００４７】
回折格子型ローパスフィルタ３は、上記第１の実施の形態の回折格子型ローパスフィルタ１と同様に、ガラス基板１０の内部に複数の位相が配された屈折率変化領域を有する回折格子が設けられている。但し、回折格子の単位格子Ｕ３は、一の対角方向Ｄ１に位相φ，φの領域、他の対角方向Ｄ２に位相０，０の領域が配置された２行２列の格子となっている。すなわち、回折格子型ローパスフィルタ３は、２位相値を有する回折格子型ローパスフィルタとなっている。
【００４８】
このような２位相値の回折格子型ローパスフィルタ３は、以下の条件式（５）を満足する。但し、ｍを１〜３の整数とし、単位格子Ｕ３内の公差の増減方向すなわち符号は同一であるとする。また、この条件式（５）についても、上記第１の実施の形態の条件式（１）と同様にして、３波長の光に対して回折格子の２位相値に基づく公差範囲の最適化を行うことにより導出される。
｜φ−π｜≦π／１０ ………（５）
【００４９】
また、回折格子型ローパスフィルタ３として、例えば直進する０次回折光が不要である場合には、上述の条件式（６）を満足するようにしてもよい。
【００５０】
上記のような構成を有する回折格子型ローパスフィルタ３によれば、ガラス基板１０の内部に回折格子を設けるようにしたので、上記第１の実施の形態と同様に、水晶板を用いた場合に比べて薄型化を実現できる。また、撮像素子との間でのモアレ縞やフレアの発生を抑制することができる。さらに、回折格子の２位相値に基づいて条件式（５）を満足するようにしたので、入射光の波長による照度のばらつきを低減することができる。
【実施例】
【００５１】
次に、本実施の形態に係る光学的ローパスフィルタの具体的な数値実施例について説明する。
【００５２】
（実施例１）
実施例１として、上記第１の実施形態の４位相値（０，φ，２φ，３φ）の回折格子型ローパスフィルタ１において、Ｂ（波長４６０ｎｍ），Ｇ（波長５５０ｎｍ），Ｒ（波長６２０ｎｍ）の３つの波長に対する回折効率のばらつきを評価した。具体的には、まず、理想的な実施例として、設計波長５５０ｎｍ、位相φ＝π／２の設計で、波長５５０ｎｍ（φ＝π／２）に対する回折効率を測定した。次いで、設計波長を５３０ｎｍにシフトし、波長４６０ｎｍ、波長５５０ｎｍおよび波長６２０ｎｍに対する公差中心での回折効率から回折効率和ΣB，ΣG，ΣRを求め、３波長の平均回折効率和Ωを算出した。また、設計波長５３０ｎｍにおいて、理想的な実施例に対し位相（φ＝π／２）を０．８倍したとき（公差−端）の各波長の回折効率和ΣB-，ΣG-，ΣR-から３波長の平均回折効率和Ω-を算出した。同様に、理想的な実施例に対し位相（φ＝π／２）を１．２倍したとき（公差＋端）の各波長の回折効率和ΣB+，ΣG+，ΣR+から、３波長の平均回折効率和Ω+を算出した。
【００５３】
これらの結果を図５〜図１１に示す。図５および図６は、設計波長５５０ｎｍ、位相φ＝π／２の設計で、波長５５０ｎｍ（φ＝π／２）での回折効率について次数−５〜＋５まで示したものである。図７は、次数−５〜＋５、−３〜＋３、−１〜＋１の回折効率和を示したものである。図８（Ａ）〜（Ｄ）は、設計波長５３０ｎｍ、公差中心における回折効率および回折効率和を示すものであり、（Ａ）は波長４６０ｎｍ、（Ｂ）は波長５５０ｎｍ、（Ｃ）は波長６２０ｎｍ、（Ｄ）は３波長の相加平均を示す。但し、図８（Ａ）〜（Ｄ）には、次数−１〜＋１までの値について示す。図９（Ａ）〜（Ｃ）は、図８（Ａ）〜（Ｃ）に対応する棒グラフであり、縦軸が回折効率、横軸が次数となっている。図１０（Ａ）〜（Ｄ）は、設計波長５３０ｎｍ、公差の−端における回折効率および回折効率和を示したものであり、（Ａ）は波長４６０ｎｍ、（Ｂ）は波長５５０ｎｍ、（Ｃ）は波長６２０ｎｍ、（Ｄ）は３波長の相加平均を示す。図１１（Ａ）〜（Ｄ）は、設計波長５３０ｎｍ、公差の＋端における回折効率および回折効率和を示したものであり、（Ａ）は波長４６０ｎｍ、（Ｂ）は波長５５０ｎｍ、（Ｃ）は波長６２０ｎｍ、（Ｄ）は３波長の相加平均を示す。
【００５４】
図５および図６に示したように、４位相値型の回折格子では、位相φ＝π／２とした場合、次数（−１，０）、（０，−１）、（０，＋１）（＋１，０）の４本の光束に分割されることがわかる。このように、４位相値型では、−１〜＋１の次数において、０次を含む回折成分が貢献している。これは、４位相値を有する回折格子が、一の対角方向に位相０，２φ、他の対角方向に位相φ，３φを配列した２行２列の単位格子として構成されているため、対角方向に位相が２φ（＝π）、すなわち半波長λ／２だけ異なり、対角方向に光波を打ち消すように干渉するためである。
【００５５】
また、設計波長５５０ｎｍにおいて、４本の光束のそれぞれの回折効率は０．２０２６と完全に揃っており、これらの回折効率和は０．８１０５６９と高くなる。よって、入射光を４本に分割する場合には、後述の２位相値型や３位相値型の回折格子よりも有効である。
【００５６】
このような４位相値型回折格子は、設計波長５５０ｎｍで−１次から＋１次の回折効率和Σは０．８１を越え、２次以上の高次回折光のエネルギーが少なくローパスフィルタとしては良い性格と言える。
【００５７】
また、設計波長を５５０ｎｍから５３０ｎｍにシフトさせると、図８（Ｄ）に示したように公差中心での平均回折効率和Ωは０．８１１１４２、図１０（Ｄ）に示したように公差−端での平均回折効率和Ω-は０．８２１５４１、図１１（Ｄ）に示したように公差＋端での平均回折効率和Ω+は０．８０１６８４となる。この結果から、公差幅が位相φの２割に及ぶにも拘らず、公差中心と公差の±端における３波長の平均回折効率和のばらつきを１．３％以下に抑えることができることがわかる。
【００５８】
（実施例２）
実施例２として、上記第２の実施形態の３位相値（０，ψ，２φ）の回折格子型ローパスフィルタ２において、３つの波長に対する回折効率のばらつきを評価した。具体的には、まず、理想的な実施例として、設計波長５５０ｎｍ、位相ψ＝φ＝ａ・（π／２）の設計で、ａ＝１１５／９０、ψ＝φ＝１１５°、２φ＝２３０°、波長５５０ｎｍ、波長４６０ｎｍおよび波長６２０ｎｍにおける回折効率を測定し、３波長それぞれの回折効率和を求め、３波長の平均回折効率和を算出した。
【００５９】
これらの結果を図１２〜図１６に示す。図１２および図１３は、設計波長５５０ｎｍ、位相ψ＝φ＝ａ・（π／２）の設計で、ａ＝１１５／９０、ψ＝φ＝１１５°、２φ＝２３０°とした場合、波長５５０ｎｍの回折効率について、次数−５〜＋５まで示したものである。図１４は、次数−５〜＋５、−３〜＋３、−１〜＋１の回折効率和を示したものである。図１５（Ａ）〜（Ｄ）は、設計波長５５０ｎｍ、公差中心での回折効率および回折効率和を示したものであり、（Ａ）波長４６０ｎｍ、（Ｂ）波長５５０ｎｍ、（Ｃ）波長６２０ｎｍ、（Ｄ）３波長の相加平均について、次数−１〜＋１までの値を示す。図１６（Ａ）〜（Ｃ）は、図１５（Ａ）〜（Ｃ）に対応する棒グラフであり、縦軸が回折効率、横軸が次数となっている。
【００６０】
図１２および図１３に示したように、３位相値型の回折格子では、波長５５０ｎｍ、位相ψ＝φ＝ａ・（π／２）の設計で、ａ＝１１５／９０、ψ＝φ＝１１５°、２φ＝２３０°とした場合、−１次〜＋１次までの計９本の光束に分割されることがわかる。また、それぞれの回折効率はほぼ０．０８３２と揃っており、これら９本の回折効率和は０．７４８６６９となる。このため、３位相値型の回折格子は、特に入射光を９本に分割する回折格子型ローパスフィルタとして好適に用いられる。
【００６１】
ところが、図１６（Ｂ）に示したように波長５５０ｎｍでは９本の光束の高さは揃ってはいるが、図１６（Ａ）に示したように波長４６０ｎｍの回折効率では０次回折光の効率がかなり低く、図１６（Ｃ）に示したように波長６２０ｎｍの回折効率では０次回折光がかなり高くなっていることがわかる。このため、−１次〜＋１次の波長４６０ｎｍと波長６２０ｎｍとの回折効率和の比は１２．４％におよび、長波長側が高くなってしまう。
【００６２】
そこで、設計波長を６１０ｎｍにシフトし、３波長それぞれの公差中心での回折効率和ΣB，ΣG，ΣRを求め、３波長の平均回折効率和Ωを算出した。このとき、a＝１１５／９０＝１．２７７７７８として、上記の位相ψ＝φ＝ａ（π／２)＝１１５°の状態から位相２φ＝２３０°を固定して、位相ψだけａ倍または（２−ａ）倍して位相ψ＝ａ（ａπ／２）＝１１５ａ＝１４６．９４°またはψ＝（２−ａ）１１５＝８３．０６°とする。また、この設計波長６１０ｎｍにおいて、公差−端（位相０．９３７５ｘ）での各波長の回折効率和ΣB-，ΣG-，ΣR-から３波長の平均回折効率和Ω-を算出した。同様に、＋端（位相１．０６２５ｘ）での各波長の回折効率和ΣB+，ΣG+，ΣR+から、３波長の平均回折効率和Ω+を算出した。
【００６３】
これらの結果を図１７〜図２０に示す。図１７（Ａ）〜（Ｄ）は、設計波長６１０ｎｍ、公差中心における回折効率および回折効率和を示したものであり、（Ａ）は波長４６０ｎｍ、（Ｂ）は波長５５０ｎｍ、（Ｃ）は波長６２０ｎｍ、（Ｄ）は３波長の相加平均を示す。図１８（Ａ）〜（Ｃ）は、図１７（Ａ）〜（Ｃ）に対応する棒グラフであり、縦軸が回折効率、横軸が次数となっている。図１９（Ａ）〜（Ｄ）は、設計波長６１０ｎｍ、公差の−端における回折効率および回折効率和を示したものであり、（Ａ）は波長４６０ｎｍ、（Ｂ）は波長５５０ｎｍ、（Ｃ）は波長６２０ｎｍ、（Ｄ）は３波長の相加平均を示す。図２０（Ａ）〜（Ｄ）は、設計波長６１０ｎｍ、公差の＋端における回折効率を示したものであり、（Ａ）は波長４６０ｎｍ、（Ｂ）は波長５５０ｎｍ、（Ｃ）は波長６２０ｎｍでの回折効率、（Ｄ）は３波長の相加平均を示す。
【００６４】
このように、設計波長を６１０ｎｍ、位相ψ＝１４６．９４°（あるいはψ＝８３．０６°）とすると、３波長それぞれの０次回折光の回折効率が高くなり、特に短波長側の０次回折光の回折効率が高くなる。これにより、分割される９本の光束のバランスが良くなり３波長の回折効率和が全体的に高くなってくることがわかる。また、図１６（Ｄ）に示したように公差中心での平均回折効率和Ωは０．７３８４４３、図１９（Ｄ）に示したように公差の−端の平均回折効率和Ω-は０．７４９９１７、図２０（Ｄ）に示したように公差の＋端の平均回折効率和Ω+は０．７２９７７０となる。この結果から、公差中心と公差の±端における３波長の平均回折効率和のばらつきを１．５％程度に抑えることができることがわかる。
【００６５】
なお、３位相値（０，ψ，２φ）型の回折格子において、φ＝ψ，φ≠ψのいずれの場合にも、対角方向、行方向および列方向において、位相差はπすなわち１８０°ではないので、０次回折光は消えることはない。但し、このように０次回折光が存在する場合であっても、格子の高さＨは上述の条件式（６）に基づいて設計され得る。例えば位相がａ・π＝２３０°の場合には格子高さも比例してａ・Ｈとなる。
【００６６】
（実施例３）
実施例３として、上記第３の実施形態の２位相値（０，φ）型の回折格子型ローパスフィルタ３において、３つの波長に対する回折効率のばらつきを評価した。具体的には、まず、理想的な実施例として、設計波長５５０ｎｍ、位相φ＝πの設計で、位相（０，π）の１次元のＤａｍｍａｎｎ型回折格子を市松模様状に２次元的に配置したものについて、波長５５０ｎｍ、波長４６０ｎｍおよび波長６２０ｎｍにおける回折効率を測定し、３波長それぞれの回折効率和および３波長の平均回折効率和を求めた。
【００６７】
これらの結果を図２１〜図２５に示す。図２１および図２２は、設計波長５５０ｎｍ、位相φ＝πの設計で、波長５５０ｎｍでの回折効率について、次数−５〜＋５まで示したものである。図２３は、次数−５〜＋５、−３〜＋３、−１〜＋１の回折効率和を示したものである。図２４（Ａ）〜（Ｄ）は、設計波長５５０ｎｍ、公差中心における回折効率および回折効率和を示したものであり、（Ａ）は波長４６０ｎｍ、（Ｂ）は波長５５０ｎｍ、（Ｃ）は波長６２０ｎｍでの回折効率、（Ｄ）は３波長の相加平均を示す。図２５（Ａ）〜（Ｃ）は、図２４（Ａ）〜（Ｃ）に対応する棒グラフであり、縦軸が回折効率、横軸が次数となっている。
【００６８】
図２１および図２２に示したように、２位相値型の回折格子では、波長５５０ｎｍ、位相φ＝πの設計で、−１次〜＋１次までの回折光のうち、次数（−１，−１）、（−１，＋１）、（＋１，−１）、（＋１，＋１）の４本の光束に分割されることがわかる。これは、２位相値型の場合は、その対角方向に同じ位相値が並び、行方向および列方向に位相πの差があるので、行方向および列方向の光路長差が半波長λ／２になり干渉で弱め合い、行方向および列方向にある次数０次を有する回折光が消滅するためである。
【００６９】
また、設計波長５５０ｎｍにおいて、４本の光束のそれぞれの回折効率は０．１６４２５６と完全に揃っており、これらの回折効率和は０．６５７０２３となる。従って、入射光を４本の光束に分割する場合に、簡易な格子構成で比較的良好な回折効率を得ることができることがわかる。
【００７０】
ここで、設計波長の増減に伴い、位相もπより増減するのであるが、それに応じて０次の回折光が加わり、分割される光束は５本となる。このとき、特例として位相φ＝０．７５５π＝１３５．９°および１．２４５π＝２２４．１°のときは回折効率がほぼ０．１４１で揃った５本の光束に分割される。この２位相値型では、設計波長５５０ｎｍより短波長側の方が位相のずれに対して敏感に回折効率、主に０次回折光の回折効率が変化する特徴がある。そこで、公差の−端（位相０．９ｘ）で６２０ｎｍの５本の光束の回折効率と同じになるように、公差の＋端（位相１．１ｘ）では４６０ｎｍの５本の光束の回折効率と同じとなるように、設計波長を５５０ｎｍから５２０ｎｍにシフトした。この設計波長５２０ｎｍにおいて、３波長それぞれの公差中心における回折効率和ΣB，ΣG，ΣRを求め、３波長の平均回折効率和Ωを算出した。また、公差の−端における回折効率和ΣB-，ΣG-，ΣR-から３波長の平均回折効率和Ω-を算出した。同様に、公差の＋端における回折効率和ΣB+，ΣG+，ΣR+から、３波長の平均回折効率和Ω+を算出した。
【００７１】
これらの結果を図２６〜図３１に示す。図２６（Ａ）〜（Ｄ）は、設計波長５２０ｎｍ、公差中心における回折効率および回折効率和を示したものであり、（Ａ）は波長４６０ｎｍ、（Ｂ）は波長５５０ｎｍ、（Ｃ）は波長６２０ｎｍ、（Ｄ）は３波長の相加平均を示す。図２７（Ａ）〜（Ｃ）は、図２６（Ａ）〜（Ｃ）に対応する棒グラフであり、縦軸が回折効率、横軸が次数となっている。図２８（Ａ）〜（Ｄ）は、設計波長５２０ｎｍ、公差の−端における回折効率および回折効率和を示したものであり、（Ａ）は波長４６０ｎｍ、（Ｂ）は波長５５０ｎｍ、（Ｃ）は波長６２０ｎｍ、（Ｄ）は３波長の相加平均を示す。図２９（Ａ）〜（Ｃ）は、図２８（Ａ）〜（Ｃ）に対応する棒グラフであり、縦軸が回折効率、横軸が次数となっている。図３０（Ａ）〜（Ｄ）は、設計波長５２０ｎｍ、公差の＋端における回折効率および回折効率和を示したものであり、（Ａ）は波長４６０ｎｍ、（Ｂ）は波長５５０ｎｍ、（Ｃ）は波長６２０ｎｍ、（Ｄ）は３波長の相加平均を示す。図３１（Ａ）〜（Ｃ）は、図３０（Ａ）〜（Ｃ）に対応する棒グラフであり、縦軸が回折効率、横軸が次数となっている。
【００７２】
上記のように設計波長を５２０ｎｍとすると、図２６（Ｄ）に示したように公差中心の平均回折効率和Ωは０．６６９７７５、図２８（Ｄ）に示したように公差の−端の平均回折効率和Ω-は０．６７９３９７、図３０（Ｄ）に示したように公差の＋端の平均回折効率和Ω+は０．６７５０７９となる。この結果から、公差中心と公差の±端における３波長の平均回折効率和のばらつきを１．４４％程度に抑えられることがわかる。
【００７３】
以上のように、各実施例において、各位相値に対応した条件式を満足することにより、位相のばらつき公差が最適化され、波長による回折効率のばらつきを低減することができることが示された。
【００７４】
以上、いくつかの実施の形態および実施例を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態および実施例に限定されず、種々の変形が可能である。例えば、上述した２行２列の位相配列を有する回折格子に限られず、その位相の配列は、９０°もしくは１８０°の回転、左右の反転（鏡映変換）、および屈折率Ｎ１，Ｎ２の入れ替えなどに対しても、その回折効率が変わることはない。
【００７５】
また、上記実施の形態等では、透明基板内部に形成された屈折率変化領域として、屈折率Ｎ１，Ｎ２の２つの領域で互いに屈折率が異なる場合を例に挙げて説明したが、これに限定されず、３つ以上の領域で屈折率が異なるようにしてもよい。
【００７６】
また、上記実施の形態等では、本発明の回折格子型ローパスフィルタとして、撮像素子の光学的ローパスフィルタを例に挙げて説明したが、これに限定されず、要求される精度を満たせば２次元微細周期構造製作に対応する露光用の位相シフトマスクや、記録再生用ＣＤ、ＤＶＤなどの光ディスク光学系におけるトラッキング位置制御や、投影照明光学系おける照度ムラの補正や、波長分割多重通信などの導波路における分岐／分波・合波などに応用できる。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】本発明の第１の実施の形態としての光学的ローパスフィルタの概略構成を示す斜視図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態としての光学的ローパスフィルタ内部の回折格子を示すものであり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は斜視図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態としての光学的ローパスフィルタ内部の回折格子を示すものであり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は斜視図である。
【図４】本発明の第３の実施の形態としての光学的ローパスフィルタ内部の回折格子を示すものであり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は斜視図である。
【図５】実施例１の光学的ローパスフィルタの波長５５０ｎｍに対する回折効率（設計波長５５０ｎｍ）を示すものである。
【図６】実施例１の光学的ローパスフィルタの波長５５０ｎｍに対する回折効率（設計波長５５０ｎｍ）を示すものである。
【図７】実施例１の光学的ローパスフィルタの波長５５０ｎｍに対する回折効率における各次数での回折効率和を示すものである。
【図８】実施例１の光学的ローパスフィルタの設計波長５３０ｎｍ、公差中心での回折効率を示すものであり、（Ａ）は波長４６０ｎｍ、（Ｂ）は波長５５０ｎｍ、（Ｃ）は波長６２０ｎｍ、（Ｄ）は３波長の相加平均について示す。
【図９】実施例１の光学的ローパスフィルタの設計波長５３０ｎｍ、公差中心での回折効率を示すものであり、（Ａ）は波長４６０ｎｍ、（Ｂ）は波長５５０ｎｍ、（Ｃ）は波長６２０ｎｍについて示す。
【図１０】実施例１の光学的ローパスフィルタの設計波長５３０ｎｍ、公差−端での回折効率を示すものであり、（Ａ）は波長４６０ｎｍ、（Ｂ）は波長５５０ｎｍ、（Ｃ）は波長６２０ｎｍ、（Ｄ）は３波長の相加平均について示す。
【図１１】実施例１の光学的ローパスフィルタの設計波長５３０ｎｍ、公差＋端での回折効率を示すものであり、（Ａ）は波長４６０ｎｍ、（Ｂ）は波長５５０ｎｍ、（Ｃ）は波長６２０ｎｍ、（Ｄ）は３波長の相加平均について示す。
【図１２】実施例２の光学的ローパスフィルタの波長５５０ｎｍに対する回折効率（設計波長５５０ｎｍ）を示すものである。
【図１３】実施例２の光学的ローパスフィルタの波長５５０ｎｍに対する回折効率（設計波長５５０ｎｍ）を示すものである。
【図１４】実施例２の光学的ローパスフィルタの波長５５０ｎｍに対する回折効率における各次数での回折効率和を示すものである。
【図１５】実施例２の光学的ローパスフィルタの設計波長５５０ｎｍ、公差中心での回折効率を示すものであり、（Ａ）は波長４６０ｎｍ、（Ｂ）は波長５５０ｎｍ、（Ｃ）は波長６２０ｎｍ、（Ｄ）は３波長の相加平均について示す。
【図１６】実施例２の光学的ローパスフィルタの設計波長５５０ｎｍ、公差中心での回折効率を示すものであり、（Ａ）は波長４６０ｎｍ、（Ｂ）は波長５５０ｎｍ、（Ｃ）は波長６２０ｎｍについて示す。
【図１７】実施例２の光学的ローパスフィルタの設計波長６１０ｎｍ、公差中心での回折効率を示すものであり、（Ａ）は波長４６０ｎｍ、（Ｂ）は波長５５０ｎｍ、（Ｃ）は波長６２０ｎｍ、（Ｄ）は３波長の相加平均について示す。
【図１８】実施例２の光学的ローパスフィルタの設計波長６１０ｎｍ、公差中心での回折効率を示すものであり、（Ａ）は波長４６０ｎｍ、（Ｂ）は波長５５０ｎｍ、（Ｃ）は波長６２０ｎｍについて示す。
【図１９】実施例２の光学的ローパスフィルタの設計波長６１０ｎｍ、公差−端での回折効率を示すものであり、（Ａ）は波長４６０ｎｍ、（Ｂ）は波長５５０ｎｍ、（Ｃ）は波長６２０ｎｍ、（Ｄ）は３波長の相加平均について示す。
【図２０】実施例２の光学的ローパスフィルタの設計波長６１０ｎｍ、公差＋端での回折効率を示すものであり、（Ａ）は波長４６０ｎｍ、（Ｂ）は波長５５０ｎｍ、（Ｃ）は波長６２０ｎｍ、（Ｄ）は３波長の相加平均について示す。
【図２１】実施例３の光学的ローパスフィルタの波長５５０ｎｍに対する回折効率（設計波長５５０ｎｍ）を示すものである。
【図２２】実施例３の光学的ローパスフィルタの波長５５０ｎｍに対する回折効率（設計波長５５０ｎｍ）を示すものである。
【図２３】実施例３の光学的ローパスフィルタの波長５５０ｎｍに対する回折効率における各次数での回折効率和を示すものである。
【図２４】実施例３の光学的ローパスフィルタの設計波長５５０ｎｍ、公差中心での回折効率を示すものであり、（Ａ）は波長４６０ｎｍ、（Ｂ）は波長５５０ｎｍ、（Ｃ）は波長６２０ｎｍ、（Ｄ）は３波長の相加平均について示す。
【図２５】実施例３の光学的ローパスフィルタの設計波長５５０ｎｍ、公差中心での回折効率を示すものであり、（Ａ）は波長４６０ｎｍ、（Ｂ）は波長５５０ｎｍ、（Ｃ）は波長６２０ｎｍについて示す。
【図２６】実施例３の光学的ローパスフィルタの設計波長５２０ｎｍ、公差中心での回折効率を示すものであり、（Ａ）は波長４６０ｎｍ、（Ｂ）は波長５５０ｎｍ、（Ｃ）は波長６２０ｎｍ、（Ｄ）は３波長の相加平均について示す。
【図２７】実施例３の光学的ローパスフィルタの設計波長５２０ｎｍ、公差中心での回折効率を示すものであり、（Ａ）は波長４６０ｎｍ、（Ｂ）は波長５５０ｎｍ、（Ｃ）は波長６２０ｎｍについて示す。
【図２８】実施例３の光学的ローパスフィルタの設計波長５２０ｎｍ、公差−端での回折効率を示すものであり、（Ａ）は波長４６０ｎｍ、（Ｂ）は波長５５０ｎｍ、（Ｃ）は波長６２０ｎｍ、（Ｄ）は３波長の相加平均について示す。
【図２９】実施例３の光学的ローパスフィルタの設計波長５２０ｎｍ、公差−端での回折効率を示すものであり、（Ａ）は波長４６０ｎｍ、（Ｂ）は波長５５０ｎｍ、（Ｃ）は波長６２０ｎｍについて示す。
【図３０】実施例３の光学的ローパスフィルタの設計波長５２０ｎｍ、公差＋端での回折効率を示すものであり、（Ａ）は波長４６０ｎｍ、（Ｂ）は波長５５０ｎｍ、（Ｃ）は波長６２０ｎｍ、（Ｄ）は３波長の相加平均について示す。
【図３１】実施例３の光学的ローパスフィルタの設計波長５２０ｎｍ、公差＋端での回折効率を示すものであり、（Ａ）は波長４６０ｎｍ、（Ｂ）は波長５５０ｎｍ、（Ｃ）は波長６２０ｎｍについて示す。
【図３２】図１に示した回折格子型ローパスフィルタを用いた撮像装置の一例を示すものである。
【図３３】従来例に係る水晶板を用いた光学的ローパスフィルタの概略構成を示す斜視図である。
【図３４】従来例に係る回折格子型の光学的ローパスフィルタの概略構成を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００７８】
１，２，３…回折格子型ローパスフィルタ、１０…ガラス基板、Ｕ１，Ｕ２，Ｕ３…単位格子、Ｎ１，Ｎ２…屈折率。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
透明基板と、前記透明基板の内部に形成された回折格子部分とを備え、
前記回折格子部分は、前記透明基板の内部に前記透明基板自体の屈折率とは異なる屈折率を有すると共に、光路長差による複数の位相を含む屈折率変化領域を有し、かつ
前記屈折率変化領域の複数の位相が２行２列に配列した領域を単位格子として、この単位格子が複数配列された構成とされている
ことを特徴とする回折格子型ローパスフィルタ。
【請求項２】
前記回折格子部分は、一の対角方向に位相０と位相２φとの領域が配置されると共に、他の対角方向に位相φと３φとの領域が配置された２行２列の領域を単位格子とし、
前記単位格子は、ｍを１〜３の整数としたとき、以下の条件式（１）を満足する
｜ｍφ−ｍπ／２｜≦ (ｍπ／２)／５ ………（１）
ことを特徴とする請求項１記載の回折格子型ローパスフィルタ。
【請求項３】
前記回折格子部分は、一の対角方向に位相０と位相２φとの領域が配置されると共に、他の対角方向に位相ψの領域が２つ配置された２行２列の領域を単位格子とし、
前記単位格子は、ａ＝１１５／９０およびｂ＝（２−ａ）としたとき、以下の条件式（２）もしくは条件式（３）のいずれか一方、および条件式（４）を満足する
｜ψ−ａ・（ａπ／２）｜≦ａ・（ａπ／２）／１６ ………（２）
｜ψ−ｂ・（ａπ／２）｜≦ｂ・（ａπ／２）／１６ ………（３）
｜２φ−（ａπ）｜≦（ａπ）／１６ ………（４）
ことを特徴とする請求項１記載の回折格子型ローパスフィルタ。
【請求項４】
前記回折格子部分は、位相０と位相φとが交互に配置された２行２列の領域を単位格子とし、
前記単位格子は、以下の条件式（５）を満足する
｜φ−π｜≦π／１０ ………（５）
ことを特徴とする請求項１記載の回折格子型ローパスフィルタ。
【請求項５】
透明基板の屈折率をＮ１、屈折率変化領域の屈折率をＮ２、位相πに相当する格子の高さをＨ、中心波長をλとしたとき、以下の条件式（６）を満足する
Ｈ・｜Ｎ２−Ｎ１｜＝λ／２ ………（６）
ことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の回折格子型ローパスフィルタ。
【請求項６】
撮像素子と、
前記撮像素子の受光面側に配置された請求項１ないし５のいずれか１項に記載の回折格子型ローパスフィルタとを備えた
ことを特徴とする撮像装置。
【請求項１】
透明基板と、前記透明基板の内部に形成された回折格子部分とを備え、
前記回折格子部分は、前記透明基板の内部に前記透明基板自体の屈折率とは異なる屈折率を有すると共に、光路長差による複数の位相を含む屈折率変化領域を有し、かつ
前記屈折率変化領域の複数の位相が２行２列に配列した領域を単位格子として、この単位格子が複数配列された構成とされている
ことを特徴とする回折格子型ローパスフィルタ。
【請求項２】
前記回折格子部分は、一の対角方向に位相０と位相２φとの領域が配置されると共に、他の対角方向に位相φと３φとの領域が配置された２行２列の領域を単位格子とし、
前記単位格子は、ｍを１〜３の整数としたとき、以下の条件式（１）を満足する
｜ｍφ−ｍπ／２｜≦ (ｍπ／２)／５ ………（１）
ことを特徴とする請求項１記載の回折格子型ローパスフィルタ。
【請求項３】
前記回折格子部分は、一の対角方向に位相０と位相２φとの領域が配置されると共に、他の対角方向に位相ψの領域が２つ配置された２行２列の領域を単位格子とし、
前記単位格子は、ａ＝１１５／９０およびｂ＝（２−ａ）としたとき、以下の条件式（２）もしくは条件式（３）のいずれか一方、および条件式（４）を満足する
｜ψ−ａ・（ａπ／２）｜≦ａ・（ａπ／２）／１６ ………（２）
｜ψ−ｂ・（ａπ／２）｜≦ｂ・（ａπ／２）／１６ ………（３）
｜２φ−（ａπ）｜≦（ａπ）／１６ ………（４）
ことを特徴とする請求項１記載の回折格子型ローパスフィルタ。
【請求項４】
前記回折格子部分は、位相０と位相φとが交互に配置された２行２列の領域を単位格子とし、
前記単位格子は、以下の条件式（５）を満足する
｜φ−π｜≦π／１０ ………（５）
ことを特徴とする請求項１記載の回折格子型ローパスフィルタ。
【請求項５】
透明基板の屈折率をＮ１、屈折率変化領域の屈折率をＮ２、位相πに相当する格子の高さをＨ、中心波長をλとしたとき、以下の条件式（６）を満足する
Ｈ・｜Ｎ２−Ｎ１｜＝λ／２ ………（６）
ことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の回折格子型ローパスフィルタ。
【請求項６】
撮像素子と、
前記撮像素子の受光面側に配置された請求項１ないし５のいずれか１項に記載の回折格子型ローパスフィルタとを備えた
ことを特徴とする撮像装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【図３３】
【図３４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【図３３】
【図３４】
【公開番号】特開２００９−２１７１２３（Ｐ２００９−２１７１２３Ａ）
【公開日】平成２１年９月２４日（２００９．９．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−６２４１７（Ｐ２００８−６２４１７）
【出願日】平成２０年３月１２日（２００８．３．１２）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成１８年度独立行政法人新エネルギー・産業技術開発機構『ナノテクノロジープログラムの「三次元光デバイス高効率製造技術プロジェクト」事業』委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（０００００５４３０）フジノン株式会社 (2,231)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年９月２４日（２００９．９．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年３月１２日（２００８．３．１２）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成１８年度独立行政法人新エネルギー・産業技術開発機構『ナノテクノロジープログラムの「三次元光デバイス高効率製造技術プロジェクト」事業』委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（０００００５４３０）フジノン株式会社 (2,231)
【Ｆターム（参考）】
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