撮像装置
【課題】撮影レンズの絞りを絞った時でも影の発生を抑制することができる撮像装置を提供する。
【解決手段】撮像装置としてのデジタルカメラ１００は、被写体からの光が入射する撮影レンズ５０と、被写体の画像を取得する撮像素子１０と、撮像レンズ５０及び撮像素子１０間に配設される光学ローパスフィルタ２０とを備える。光学ローパスフィルタ２０は、互いに隣接する等幅の凹部２１ｂ及び等幅の凸部２１ａで構成される単位格子を格子ピッチＰで周期的に配列したリニア型位相回折格子２１を含む。リニア型位相回折格子２１によって位相が変化する光の光路長差ΔＨは、使用する基準波長λであるときに、λ／２に等しい。
【解決手段】撮像装置としてのデジタルカメラ１００は、被写体からの光が入射する撮影レンズ５０と、被写体の画像を取得する撮像素子１０と、撮像レンズ５０及び撮像素子１０間に配設される光学ローパスフィルタ２０とを備える。光学ローパスフィルタ２０は、互いに隣接する等幅の凹部２１ｂ及び等幅の凸部２１ａで構成される単位格子を格子ピッチＰで周期的に配列したリニア型位相回折格子２１を含む。リニア型位相回折格子２１によって位相が変化する光の光路長差ΔＨは、使用する基準波長λであるときに、λ／２に等しい。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、撮像装置に関し、特に、撮影レンズ及び撮像素子の間に配設される回折格子型光学ローパスフィルタを備える撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ビデオカメラ、デジタルスチルカメラ等の撮像装置は、被写体からの光が入射する撮影レンズと、被写体の画像を取得する撮像素子と、該撮影レンズ及び撮像素子の間に配設される光学ローパスフィルタとを備える。撮像素子は、例えば、単板式撮像管又は固体撮像素子（ＣＣＤ）から成る。
【０００３】
光学ローパスフィルタは、被写体からの光に含まれる高周波成分をカットするために、撮像素子の結像面側の表面上に、光学的な軸を変えながら配置された複数の水晶が形成されている。これにより、高周波成分の光のパターンが上記撮像素子の画素に影響を与えることによって発生するモアレや偽色を除去することができる。
【０００４】
このような光学ローパスフィルタの一例として、特許文献１では、回折格子を含む光学ローパスフィルタ（以下、「回折格子型光学ローパスフィルタ」という）が提案されている。この回折格子型光学ローパスフィルタは回折格子を含むので、水晶を含まない。また、特許文献２では、回折格子型光学ローパスフィルタに用いる回折格子を構成する四角柱形状の単位格子が２次元的に配置されている。
【０００５】
特許文献１，２には、回折格子のパターンによって、撮像素子の表面に形成される光像に対応する輝度信号の強度が平均化されることが記載されている。
【特許文献１】特開平０１−２５４９１２号（第３頁〜第４頁、第１図等）
【特許文献２】特開平０３−２１９２０７号（第３頁〜第７頁、第１図〜第３図等）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述した水晶を含む光学ローパスフィルタは、複数の水晶をその光学的な軸を変えながら配置する必要があるため、高価であるのと同時にスペース的に不利である。
【０００７】
また、上記回折格子型光学ローパスフィルタは、水晶を含む光学ローパスフィルタよりも廉価で且つスペース的にも有利である。一方で、撮影レンズの絞りを絞ったときに、撮像素子には、回折格子の構造パターンに起因した光像の写り込み（影）が発生する問題を抱えている。特に、一眼レフタイプの撮像装置では、様々なレンズを交換可能にしなければならないので、コンパクトデジタルカメラでは必要としないＦｎｏ１６以上の光線束に対しても影の発生を抑制する必要がある。
【０００８】
さらに、回折格子型光学ローパスフィルタでは、回折格子の構造パターンだけでなく、回折格子から撮像素子までのギャップ（間隔）によっても、撮像素子の表面に形成される光像のパターンが複雑に変動する。具体的には、一般的な撮像条件下であっても、光像のパターンの変動に起因して光像の光強度が高い部分が局所的に存在することがある。さらには、撮像素子の開口率が完全に１００％とはならないので、局所的に高い光強度の部分において光量の平均化が困難となる。したがって、単純に回折格子を用いただけでは、例えばＦｎｏ１６以上の光線束が入射した場合に、その光線束に対して発生した影の発生を抑制することが困難となる。
【０００９】
本発明の目的は、撮影レンズの絞りを絞った時でも影の発生を抑制することができる撮像装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明の撮像装置は、被写体からの光が入射する撮影レンズと、前記被写体の画像を取得する撮像素子と、前記撮像レンズ及び前記撮像素子間に配設される光学ローパスフィルタとを備える撮像装置において、前記光学ローパスフィルタは、互いに隣接する等幅の凹部及び等幅の凸部で構成される単位格子を格子ピッチＰで周期的に配列した位相格子を含み、使用する基準波長の最短波長がλSであり、前記基準波長の最長波長がλLであるときに、前記位相格子によって位相が変化する前記光の光路長差ΔＨが、λS／２よりも大きく且つλL／２よりも小さいことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、撮影レンズの絞りを絞った時でも影の発生を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１３】
図１（ａ），（ｂ）は、本発明の第１の実施の形態に係る撮像装置としてのデジタルカメラの内部構成を概略的に示すブロック図である。
【００１４】
図１（ａ），（ｂ）に示すデジタルカメラ１００は、後述する撮像素子ユニット２００を内包する筐体と、該筐体に交換可能に設けられた撮影レンズユニット４０とを備える一眼レフタイプの撮像装置である。
【００１５】
撮影レンズユニット４０には、被写体からの光が入射する撮影レンズ５０と、撮影レンズ５０の開口径を調節する絞り機構６０とが内蔵されている。
【００１６】
絞り機構６０には、撮影レンズ５０の開口径を調節するために、任意の絞り値（Ｆｎｏ値）が設定される。絞り機構６０は、設定された絞り値に応じて、撮影レンズ５０の開口径、即ち撮影レンズ５０に入射する被写体からの光線束１の明るさを調節することができる。具体的には、図１（ａ）は、絞り機構６０のＦｎｏ値を「２」（以下、「Ｆｎｏ２」というように表記する）に設定した場合の明るい光線束１を示し、図１（ｂ）は、絞り機構６０にＦｎｏ３２を設定した場合の暗い光線束１を示している。
【００１７】
図２（ａ），（ｂ）は、図１（ａ），（ｂ）における撮像素子ユニット２００の拡大図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）における部分領域Ａの拡大図である。
【００１８】
図２（ａ）に示すように、撮像素子ユニット２００は、被写体の光像に応じた画像を取得する撮像素子１０と、光学ローパスフィルタ２０と、カバーガラス３０と、セラミック製パッケージ３５とを備える。撮像素子１０は、ベイヤ配列カラーフィルタを有するＣＭＯＳ(Complimentary Metal Oxide Semiconductor)タイプの撮像素子である。
【００１９】
カバーガラス３０及びセラミック製パッケージ３５は、撮像素子１０及び光学ローパスフィルタ２０を密封するように配置されている。これにより、撮像素子１０の耐環境性を向上させることができる。
【００２０】
また、カバーガラス３０は、赤外線をカットするＩＲカットフィルタとして機能する材料で構成されている。これにより、光線束１から可視領域の光を効率的に抽出することができる。
【００２１】
図２（ｂ）に示すように、互いに対面する撮像素子１０と光学ローパスフィルタ２０の間において、それらの周縁部を保持すべく保持部１５が配設されている。保持部１５は、スペーサ１５ａと、紫外線硬化性のＵＶ接着剤１５ｂ，１５ｂとから構成されている。ＵＶ接着剤１５ｂは、撮像素子１０、スペーサ１５ａ、及び光学ローパスフィルタ２０を互いに接着した後、紫外線が照射されると硬化し、これにより、これら部材を気密的に接合する。
【００２２】
これにより、撮像素子１０、光学ローパスフィルタ２０、保持部１５は、撮像素子１０及び光学ローパスフィルタ２０間の間隔（後述する図５に示すＤ）を規定するエアギャップ１６を画成する。
【００２３】
図３（ａ），（ｂ）は、図２（ａ）の光学ローパスフィルタ２０の外観を説明するための図であり、図３（ａ）は側面図であり、図３（ｂ）は底面図である。
【００２４】
図３（ａ）に示すように、光学ローパスフィルタ２０は、上部にフラット面を有する。また、光学ローパスフィルタ２０は、下部表面上に形成された回折格子２１を含む。回折格子２１は、後述する格子ピッチＰで周期的に配列された複数の単位格子から構成された位相格子から成る。なお、位相格子とは、入射光の位相を変化させる特性を持つ回折格子をいう。
【００２５】
また、図３（ｂ）に示すように、光学ローパスフィルタ２０の下部表面上には、図２（ｂ）の保持部１５を配置するためのギャップ保持接着領域２２が設けられている。ギャップ保持接着領域２２の幅は、例えば０．５ｍｍである。また、図３（ｂ）に示す回折格子２１の表面は、光学ローパスフィルタ２０に入射した光線束１が撮像素子１０に向かって出射する光線有効領域をなす。
【００２６】
図４は、図３（ａ）の光学ローパスフィルタ２０の拡大図である。
【００２７】
図４に示すように、光学ローパスフィルタ２０の回折格子２１は、同一ピッチで形成された単位格子としての等幅長尺状の凸部２１ａ（突条部）から構成されており、凸部２１ａ間には等幅の凹部２１ｂが形成されている。なお、この凹部２１ｂは、凸部２１ａの高さを規定するものであるから回折格子の一部をなすと云える。
【００２８】
凸部２１ａ間の間隔を規定する格子ピッチＰは、例えば８．０６（＝５．７×√２）μｍである。したがって、凸部２１ａと凹部２１ｂは、それぞれ、格子ピッチＰの半分即ちＰ／２のピッチで形成されている。
【００２９】
凸部２１ａは、石英基板上に形成された屈折率ｎ＝１.６の有機材料に対してフォトリソ工程を施すことにより形成されたものである。このフォトリソ工程後には、光学ローパスフィルタ２０のベース部分を構成する石英が凹部２１ｂにおいて露出する。
【００３０】
また、凸部２１ａの高さ、即ち図４に示す格子高さＨは、例えば０．４５μｍである。このような格子高さＨは、下記のように算出される。
【００３１】
まず、本発明では、回折格子２１によって位相が変化する入射光の光路長差ΔＨが、下記式１，２によって規定される。
【００３２】
ΔＨ＝Ｈ×（ｎ−１） ……（１）
ΔＨ＝λ／２ ……（２）
式２におけるλは、使用する基準波長であり、例えば５４０ｎｍである。したがって、式１，２において、基準波長λ（＝５４０ｎｍ）及び屈折率ｎ（＝１．６）を代入すると、式１から格子高さＨの値（ｎｍ）を算出することができる。
【００３３】
図５は、図２（ａ）における光学ローパスフィルタ２０と撮像素子１０の位置関係を説明するための図である。
【００３４】
図５において、撮像素子１０及び光学ローパスフィルタ２０間の距離を規定する間隔Ｄは、例えば３０μｍである。
【００３５】
また、図５に示すように、撮像素子１０の各画素の上部表面には、所定の開口部を有するマイクロレンズ１１が配置されている。このマイクロレンズ１１は、光線束１のうちその開口部を通過した光を画素の受光面即ち結像面まで導く。これにより、各画素の結像面上には光線束１に対応する光像が結像する。このようにして、撮像素子１０では、各画素に導かれた光の光量及び強度のサンプリング、即ち画像データの取得を行う。
【００３６】
図５において、撮像素子１０の画素間の距離を規定する画素ピッチＰ’は、例えば５.７μｍである。
【００３７】
ここで、一般的には、下記式３に撮像素子１０の画素ピッチＰ’の値を代入することにより、サンプリング周波数の１／２に該当するナイキスト周波数Ｎｓ（μｍ-1）を算出することができる。
【００３８】
Ｎｓ＝１０００／（２×Ｐ’） ……（３）
ところで、撮影レンズ５０による光線束１の結像位置での集光状態は、波動光学的な観点から同心円状の複数のリングで形成されるパターン即ちエアリディスクパターン（Airy Disk pattern）として扱うことができる。ＭＴＦ（Modulation Transfer Function）特性を考える場合、線像がどのように分布するかを解析する必要がある。
【００３９】
図１９は、波長５５０ｎｍでのエアリディスクパターンから線像がどのように分布するかを計算した結果を示しており、線像分布とＦｎｏ値との間の関係を示す。図１９に基づいて周波数解析を行うとＭＴＦ特性が算出され、図２０のようになる。図２０から、理想光学系での撮影レンズ５０のＭＴＦ特性を示すＭＴＦ値とＦｎｏ値との間には相関関係があることが分かる。
【００４０】
概略的には、下記式４に絞り値（Ｆｎｏ値）を代入することにより、周波数Ｍ0の値（μｍ-1）を算出することができる。例えば、Ｆｎｏ３２やＦｎｏ１６においてＭＴＦ値が０〜０．１に収まる周波数Ｍ0を掛けると約１６００μｍ-1になる。
【００４１】
Ｍ0＝１６００／Ｆｎｏ ……（４）
そこで、式３，４式から、ナイキスト周波数Ｎｓの値が周波数Ｍ0の値よりも大きくなるように（Ｎｓ＞Ｍ0）設定された絞り値（Ｆｎｏ値）の範囲では、光学ローパスフィルタ２０を含む光学ローパスフィルタは不要となる。具体的には、下記式５に示す範囲に該当する絞り値において光学ローパスフィルタが不要となる。
【００４２】
Ｆｎｏ＞３．２×Ｐ’ ……（５）
式５において画素ピッチＰ’の値が５．７μｍである場合、絞り値（Ｆｎｏ値）が１８を超える場合に、光学ローパスフィルタを配設する必要がなくなる。したがって、このような絞り値（Ｆｎｏ値）の範囲では、光学的な回折による光線束１に対するローパス機能は不要であるため、撮像素子１０における影の発生を抑制することを優先させることができる。
【００４３】
図６（ａ）〜（ｃ）は、図５における回折格子２１から観た撮像素子１０の上面図であり、回折格子２１の凸部２１ａが撮像素子１０に対して横方向にずれた状態を示している。
【００４４】
図６（ａ）〜（ｃ）に示すように、回折格子２１の凸部２１ａの位置は、撮像素子１０の画素の配置に対して相対的に横方向に例えば数十μｍだけずれている。このように、相対的に横方向にずれている位置関係にある２つの部材の位置合わせはプロセス上困難である。さらには、撮影レンズ５０を通過した光線束１が撮像素子１０に対して斜めに入射するような場合にも、実質的に回折格子２１と撮像素子１０の間の横方向における相対的な位置関係がずれる。
【００４５】
以上のことから、図６に示すような相対的な位置のずれが発生している場合であっても、絞り機構６０の絞りが小径であるときに各画素を介して行う撮像素子１０の光量及び光強度のサンプリングにバラツキが発生しないようにする必要がある。
【００４６】
ここで、回折格子２１（以下、場合によっては「リニア型位相回折格子２１」という）の格子ピッチＰの値が８．０６μｍであり、使用する基準波長λの値が５４０ｎｍである場合について説明する。これらの値を下記式６に代入すると、図５に示す間隔Ｄの値３０．０８μｍを算出することができる。
【００４７】
Ｄ＝Ｐ2／４λ ……（６）
なお、ここで、間隔Ｄは、Ｐ2／４λL ＜ Ｄ ＜ Ｐ2／４λSの関係式を満たすものであればよく、λSは基準波長λの最短波長を示し、λLは基準波長λの最長波長を示す。
【００４８】
図７（ａ）は、平行な光線束１が入射したリニア型位相回折格子２１から出射される光像の形状を例示する図であり、図７（ｂ）は、図７（ａ）に示す光像の光強度の一例を模式的に示す図である。また、図８（ａ）〜（ｅ）は、図７（ｂ）に示すような光強度分布の光線束１がリニア型位相回折格子２１から出射された後に撮像素子１０の結像面に形成される光像の光強度と、間隔Ｄとの関係を示す図である。
【００４９】
なお、図７（ａ）乃至図８（ｅ）に示す光像の光強度は、波動シミュレーションによる計算結果である。ここで、小径開口による光強度のリンギング（波打ち）を抑制するために、リニア型位相回折格子２１に入射する光線束１の強度をガウシアン分布にしている。
【００５０】
図７（ｂ）に示す光像は、間隔Ｄのエアギャップ１６を通過する間に、光の干渉を起こし、図８（ａ）乃至図（ｅ）に示すような光像となる。
【００５１】
ここで、図８（ｃ）に示すように、間隔Ｄの値が、式６から算出した値３０．０８μｍに最も近い３０μｍであるときは、回折格子２１の境以外は、ほぼ回折格子２１がない状態の光強度分布と同等の特性を示す。一方、図８（ｂ），（ｄ）及び図８（ａ），（ｅ）に示すように、間隔Ｄの値が、式６から算出した値３０．０８μｍからずれていくにしたがって、光像に干渉縞が局所的に発生する。
【００５２】
なお、図８（ａ）〜（ｅ）で示した光強度分布は、図７（ｂ）の照射光線束を想定した場合であるため、実際には、図７（ｂ）の照射光線束を横方向にずらしたものの重ね合わせとなる。したがって、間隔Ｄの値が３０μｍ近傍での光強度の像分布は、位相回折格子２１の境界を除いてはほぼフラットな状態となる。
【００５３】
従って、撮像素子１０の結像面上に形成された像を撮像素子１０のマイクロレンズ１１を介して撮像素子１０の受光部で得られる１画素毎の光強度はほぼフラットにすることが可能となる。
【００５４】
また、図６（ａ）〜（ｃ）のように撮像素子１０と回折格子２１の相対位置が横方向にずれている場合において、絞りが小径であるとき、例えばＦｎｏ３２が設定されているときにも（図１（ｂ）参照）、入射した光線束１が形成する光像の光強度の分布は位相回折格子２１の境界を除いてはほぼフラットな状態となる。
【００５５】
図９は、図１（ａ）のようにＦｎｏ２が設定されている場合において点像がどのように像分離するかについて波動解析を行った結果を例示する図である。
【００５６】
図９によれば、例えばＦｎｏ２のように絞りが大径である場合にもローパス効果が発揮されていることが分かる。
【００５７】
図１０は、図２（ａ）の光学ローパスフィルタ２０を用いたときの像分離の水平方向に関するＭＴＦ特性を示す図である。
【００５８】
図１０に示すＭＴＦ特性から、水平方向及び対角方向の偽色を抑制する効果が顕著であるが、垂直方向の偽色を抑制する効果は顕著ではないことが分かる。これにより、撮影像の品位として、偽色を抑制するほど解像感が低下するという相反する特性を考慮したバランスで偽色を効果的に抑制することができる。すなわち、上述した本実施の形態は、解像感即ち解像度の高さを重視するために、１軸方向のみの光学ローパスフィルタを用いた具体例を示している。
【００５９】
なお、本実施の形態では、水平方向に関して光学ローパス効果を持たせたが、回折格子２１の凸部２１ａ及び凹部２１ｂの配列を９０度回転させることにより、垂直方向に関して光学ローパス効果を持たせてもよい。
【００６０】
以上詳細に説明したように、本発明の第１の実施の形態によれば、一次元の回折格子、即ちリニア型位相回折格子２１を用いることにより、撮影レンズ５０の絞りを絞った時でも影の発生を抑制することができる。
【００６１】
次に、本発明の第２の実施の形態を説明する。本実施の形態に係る撮像装置は、第１の実施の形態に係る撮像装置としてのデジタルカメラ１００と同様であるので、同様の構成及び構成要素には同様の符号を付し、それらの説明を省略する。
【００６２】
図１１は、本発明の第２の実施の形態に係る撮像装置の回折格子型光学ローパスフィルタと撮像素子の位置関係を示す図である。
【００６３】
図１１に示すように、撮像素子１０及び光学ローパスフィルタ２０’間の間隔Ｄの値が３０μｍであり、撮像素子１０の画素ピッチＰ’が５.７μｍである。
【００６４】
また、撮像素子１０の各画素の表面には、所定の開口部を有するマイクロレンズ１１が配設されている。このマイクロレンズ１１は、光線束１のうちその開口部を通過した光を画素の受光面即ち結像面まで導く。これにより、各画素の結像面上には光線束１に対応する光像が結像する。このようにして、撮像素子１０では、各画素に導かれた光の光量及び強度のサンプリング、即ち画像データの取得を行う。
【００６５】
図１２（ａ），（ｂ）は、図１１における光学ローパスフィルタ２０’の回折格子２１’の凸部２１ａ’がなす位相型千鳥格子の形状を示す図である。なお、図１２（ａ）は、千鳥格子の斜視図であり、図１２（ｂ）は、千鳥格子を形成する凸部２１ａ’のパターンを模式的に示す上面図である。
【００６６】
図１３（ａ）〜（ｅ）は、図１２（ｂ）の位相型千鳥格子の構成を説明するための図である。
【００６７】
図１３（ａ）は、図６（ａ）に示したようなリニア型位相回折格子２１の凸部２１ａを左に４５度回転させたものであり、図１３（ｂ）は、図６（ａ）に示したようなリニア型位相回折格子２１の凸部２１ａを右に４５度回転させたものである。
【００６８】
図１３（ｃ）は、図１３（ａ），（ｂ）に示すリニア型位相回折格子２１の凸部２１ａを互いに重ね合わせることにより形成された位相型千鳥格子を示す模式図である。図１３（ｃ）において、凸部２１ａ同士が重なり合っていない領域Ａ，Ｂでは、格子高さに変化がないので、位相高さΔＨも１倍である。また、凸部２１ａ同士が重なり合った領域Ｃでは格子高さが２倍となるので、位相高さΔＨも２倍となる（即ち２×ΔＨ）。なお、凹部２１ｂ同士が重なり合った領域Ｄでは格子高さが０である。
【００６９】
ここで、位相高さΔＨは上記式２に示したようにλ／２に等しいので、凸部２１ａが重なり合った領域Ｃにおける位相高さはλに等しくなる。したがって、位相の観点で云えば、領域Ｃでは位相ズレが発生していないことが分かる。
【００７０】
図１３（ｄ）は、図１３（ｃ）の千鳥格子の位相高さを示す模式図である。図１３（ｄ）に示すように、凸部２１ａが重なり合った領域Ｃにおいて位相高さが０となっている。
【００７１】
図１３（ｅ）は、図１３（ｄ）の千鳥格子において、位相高さが同一の領域、即ち領域Ａ，Ｂをパターン化したものを示す模式図である。図１３（ｅ）に示すパターンは、図１２（ｂ）に示した千鳥格子形状と同一であることが分かる。
【００７２】
このとき、千鳥格子を構成する各格子間の縦横ピッチＰ0は、５．７μｍであり、画素ピッチＰの値に等しい。
【００７３】
図１４（ａ）〜（ｃ）は、図１１における回折格子２１から観た撮像素子１０の上面図であり、回折格子２１の凸部２１ａ’が撮像素子１０に対して横方向にずれた状態を示している。
【００７４】
図１４（ａ）〜（ｃ）に示すように、相対的な位置のずれが発生している場合にも、図６（ａ）〜（ｃ）を用いて説明したのと同様に、絞り機構６０の絞りが小径であるときに各画素を介して行う撮像素子１０の光量及び光強度のサンプリングにバラツキが発生しないようにする必要がある。
【００７５】
図１５（ａ）は、平行な光線束１が入射した位相型千鳥格子２１’から出射される光像の形状を例示する図であり、図１５（ｂ）は、図１５（ａ）に示す光像の光強度の一例を模式的に示す図である。また、図１６（ａ）〜（ｅ）は、図１５（ｂ）に示すような光強度分布の光線束１がリニア型位相回折格子２１から出射された後に撮像素子１０の結像面に形成される光像の光強度と、間隔Ｄとの関係を示す図である。
【００７６】
なお、図１５（ａ）乃至図１６（ｅ）に示す光像の光強度は、波動シミュレーションによる計算結果である。ここで、小径開口による光強度のリンギング（波打ち）を抑制するために、リニア型位相回折格子２１に入射する光線束１の強度をガウシアン分布にしている。
【００７７】
図１５（ａ）に示すように、位相型千鳥格子２１’から出射される光像の形状は、図１３（ｃ）を用いて説明したように、格子ピッチＰが８．０６μｍのリニア型位相回折格子の凸部２１ａを左右に４５度回転させたものを互いに重ね合わせることによって形成した千鳥格子の形状と同一である。
【００７８】
したがって、第１の実施の形態で説明したリニア型位相回折格子の凸部２１ａと同様の議論が位相型千鳥格子２１’でも成り立つことが分かる。具体的には、図１６（ａ）〜（ｅ）から分かるように、光の回折によって干渉縞（回折像）が局所的に発生しないような間隔Ｄの値は、図１６（ｃ）に示す約３０μｍと特定される。
【００７９】
なお、図１６（ａ）〜（ｅ）で示した光強度分布は、図１５（ｂ）の照射光線束を想定した場合であるため、実際には、図１５（ｂ）の照射光線束を横方向にずらしたものの重ね合わせとなる。したがって、間隔Ｄの値が３０μｍ近傍での光強度の像分布は、位相回折格子２１の境界を除いてはほぼフラットな状態となる。
【００８０】
図１７は、図１（ａ）のようにＦｎｏ２が設定されている場合において点像がどのように像分離するかについて波動解析を行った結果を例示する図である。
【００８１】
図１７によれば、例えばＦｎｏ２のように絞りが大径である場合にもローパス効果が発揮されていることが分かる。
【００８２】
図１８（ａ）は、図１１の光学ローパスフィルタ２０’を用いたときの像分離の水平方向及び垂直方向に関するＭＴＦ特性を示す図であり、図１８（ｂ）は、図１１の光学ローパスフィルタ２０’を用いたときの像分離の対角方向に関するＭＴＦ特性を示す図である。
【００８３】
図１８（ａ）に示すＭＴＦ特性から、水平方向及び対角方向の偽色を抑制する効果が顕著であるが、垂直方向の偽色を抑制する効果は顕著ではないことが分かる。また、図１８（ｂ）に示すＭＴＦ特性から、偽色を抑制する効果は特に対角方向におけるナイキスト周波数Ｎｓにほぼ一致しているため、対角方向の偽色を確実になくすことできることが分かる。これらにより、撮影像の品位として、偽色を抑制するほど解像感が低下するという相反する特性を考慮したバランスで偽色を効果的に抑制することができる。
【００８４】
なお、上記第２の実施の形態では、千鳥格子を構成する各格子間の縦横ピッチＰ0の値が画素ピッチＰの値に等しい場合について説明したが、縦横ピッチＰ0の値が画素ピッチＰの値に等しくなくてもよい。
【００８５】
以上詳細に説明したように、本発明の第２の実施の形態によれば、二次元の回折格子、即ち位相型回折格子２１’を用いることにより、撮影レンズ５０の絞りを絞った時でも影の発生を抑制することができる。
【００８６】
なお、上記第１及び第２実施の形態では、本発明を撮像装置に適用したが、撮像装置に限られることはなく、所定の面上に光像を形成する装置であればいかなる装置であっても適用することが可能である。
【００８７】
また、上記実施の形態では、間隔Ｄが、Ｐ2／４λL ＜ Ｄ ＜ Ｐ2／４λSの関係式を満たせばよいとしたが、この関係式は、２×（λS×Ｄ）1/2＜Ｐ ＜ ２×（λL×Ｄ）1/2というように変形することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００８８】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る撮像装置としてのデジタルカメラの内部構成を概略的に示すブロック図であり、（ａ）は、Ｆｎｏ２を設定した場合を、（ｂ）は、Ｆｎｏ３２を設定した場合を示す。
【図２】（ａ）は、図１における撮像素子ユニットの拡大図であり、（ｂ）は、（ａ）における部分領域Ａの拡大図である。
【図３】図２（ａ）の光学ローパスフィルタの外観を説明するための図であり、（ａ）は側面図であり、（ｂ）は底面図である。
【図４】図３（ａ）の光学ローパスフィルタの拡大図である。
【図５】図２（ａ）における光学ローパスフィルタと撮像素子の位置関係を説明するための図である。
【図６】図５における回折格子から観た撮像素子の上面図であり、（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ、回折格子の凸部が撮像素子に対して横方向にずれた状態を示している。
【図７】（ａ）は、平行な光線束が入射したリニア型位相回折格子から出射される光像の形状を例示する図であり、（ｂ）は、（ａ）に示す光像の光強度の一例を模式的に示す図である。
【図８】図７（ｂ）に示すような光強度分布の光線束がリニア型位相回折格子から出射された後に撮像素子の結像面に形成される光像の光強度と、間隔Ｄとの関係を示す図である。
【図９】図１（ａ）のようにＦｎｏ２が設定されている場合において点像がどのように像分離するかについて波動解析を行った結果を例示する図である。
【図１０】図２（ａ）の光学ローパスフィルタを用いたときの像分離の水平方向に関するＭＴＦ特性を示す図である。
【図１１】本発明の第２の実施の形態に係る撮像装置の回折格子型光学ローパスフィルタと撮像素子の位置関係を示す図である。
【図１２】図１１における回折格子型光学ローパスフィルタの回折格子の凸部がなす位相型千鳥格子の形状を示す図であり、（ａ）は、千鳥格子の斜視図であり、（ｂ）は、千鳥格子を形成する凸部のパターンを模式的に示す上面図である。
【図１３】（ａ）〜（ｅ）は、図１２（ｂ）の位相型千鳥格子の構成を説明するための図である。
【図１４】図１１における回折格子から観た撮像素子の上面図であり、（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ、回折格子の凸部が撮像素子に対して横方向にずれた状態を示している。
【図１５】（ａ）は、平行な光線束が入射した位相型千鳥格子から出射される光像の形状を例示する図であり、（ｂ）は、（ａ）に示す光像の光強度の一例を模式的に示す図である。
【図１６】図１５（ｂ）に示すような光強度分布の光線束がリニア型位相回折格子から出射された後に撮像素子の結像面に形成される光像の光強度と、間隔Ｄとの関係を示す図である。
【図１７】図１（ａ）のようにＦｎｏ２が設定されている場合において点像がどのように像分離するかについて波動解析を行った結果を例示する図である。
【図１８】（ａ）は、像分離の水平方向及び垂直方向に関するＭＴＦ特性を示す図であり、（ｂ）は、像分離の対角方向に関するＭＴＦ特性を示す図である。
【図１９】線像分布とＦｎｏ値との間の関係を示す図である。
【図２０】図１９に基づいて算出したＭＴＦ特性を示す図である。
【符号の説明】
【００８９】
１ 光線束
１０ 撮像素子
１５ 保持部
２０，２０’ 光学ローパスフィルタ
２１ 回折格子
２１ａ，２１ａ’ 凸部
４０ 撮影レンズユニット
５０ 撮影レンズ
６０ 絞り機構
１００ デジタルカメラ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、撮像装置に関し、特に、撮影レンズ及び撮像素子の間に配設される回折格子型光学ローパスフィルタを備える撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ビデオカメラ、デジタルスチルカメラ等の撮像装置は、被写体からの光が入射する撮影レンズと、被写体の画像を取得する撮像素子と、該撮影レンズ及び撮像素子の間に配設される光学ローパスフィルタとを備える。撮像素子は、例えば、単板式撮像管又は固体撮像素子（ＣＣＤ）から成る。
【０００３】
光学ローパスフィルタは、被写体からの光に含まれる高周波成分をカットするために、撮像素子の結像面側の表面上に、光学的な軸を変えながら配置された複数の水晶が形成されている。これにより、高周波成分の光のパターンが上記撮像素子の画素に影響を与えることによって発生するモアレや偽色を除去することができる。
【０００４】
このような光学ローパスフィルタの一例として、特許文献１では、回折格子を含む光学ローパスフィルタ（以下、「回折格子型光学ローパスフィルタ」という）が提案されている。この回折格子型光学ローパスフィルタは回折格子を含むので、水晶を含まない。また、特許文献２では、回折格子型光学ローパスフィルタに用いる回折格子を構成する四角柱形状の単位格子が２次元的に配置されている。
【０００５】
特許文献１，２には、回折格子のパターンによって、撮像素子の表面に形成される光像に対応する輝度信号の強度が平均化されることが記載されている。
【特許文献１】特開平０１−２５４９１２号（第３頁〜第４頁、第１図等）
【特許文献２】特開平０３−２１９２０７号（第３頁〜第７頁、第１図〜第３図等）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述した水晶を含む光学ローパスフィルタは、複数の水晶をその光学的な軸を変えながら配置する必要があるため、高価であるのと同時にスペース的に不利である。
【０００７】
また、上記回折格子型光学ローパスフィルタは、水晶を含む光学ローパスフィルタよりも廉価で且つスペース的にも有利である。一方で、撮影レンズの絞りを絞ったときに、撮像素子には、回折格子の構造パターンに起因した光像の写り込み（影）が発生する問題を抱えている。特に、一眼レフタイプの撮像装置では、様々なレンズを交換可能にしなければならないので、コンパクトデジタルカメラでは必要としないＦｎｏ１６以上の光線束に対しても影の発生を抑制する必要がある。
【０００８】
さらに、回折格子型光学ローパスフィルタでは、回折格子の構造パターンだけでなく、回折格子から撮像素子までのギャップ（間隔）によっても、撮像素子の表面に形成される光像のパターンが複雑に変動する。具体的には、一般的な撮像条件下であっても、光像のパターンの変動に起因して光像の光強度が高い部分が局所的に存在することがある。さらには、撮像素子の開口率が完全に１００％とはならないので、局所的に高い光強度の部分において光量の平均化が困難となる。したがって、単純に回折格子を用いただけでは、例えばＦｎｏ１６以上の光線束が入射した場合に、その光線束に対して発生した影の発生を抑制することが困難となる。
【０００９】
本発明の目的は、撮影レンズの絞りを絞った時でも影の発生を抑制することができる撮像装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明の撮像装置は、被写体からの光が入射する撮影レンズと、前記被写体の画像を取得する撮像素子と、前記撮像レンズ及び前記撮像素子間に配設される光学ローパスフィルタとを備える撮像装置において、前記光学ローパスフィルタは、互いに隣接する等幅の凹部及び等幅の凸部で構成される単位格子を格子ピッチＰで周期的に配列した位相格子を含み、使用する基準波長の最短波長がλSであり、前記基準波長の最長波長がλLであるときに、前記位相格子によって位相が変化する前記光の光路長差ΔＨが、λS／２よりも大きく且つλL／２よりも小さいことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、撮影レンズの絞りを絞った時でも影の発生を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１３】
図１（ａ），（ｂ）は、本発明の第１の実施の形態に係る撮像装置としてのデジタルカメラの内部構成を概略的に示すブロック図である。
【００１４】
図１（ａ），（ｂ）に示すデジタルカメラ１００は、後述する撮像素子ユニット２００を内包する筐体と、該筐体に交換可能に設けられた撮影レンズユニット４０とを備える一眼レフタイプの撮像装置である。
【００１５】
撮影レンズユニット４０には、被写体からの光が入射する撮影レンズ５０と、撮影レンズ５０の開口径を調節する絞り機構６０とが内蔵されている。
【００１６】
絞り機構６０には、撮影レンズ５０の開口径を調節するために、任意の絞り値（Ｆｎｏ値）が設定される。絞り機構６０は、設定された絞り値に応じて、撮影レンズ５０の開口径、即ち撮影レンズ５０に入射する被写体からの光線束１の明るさを調節することができる。具体的には、図１（ａ）は、絞り機構６０のＦｎｏ値を「２」（以下、「Ｆｎｏ２」というように表記する）に設定した場合の明るい光線束１を示し、図１（ｂ）は、絞り機構６０にＦｎｏ３２を設定した場合の暗い光線束１を示している。
【００１７】
図２（ａ），（ｂ）は、図１（ａ），（ｂ）における撮像素子ユニット２００の拡大図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）における部分領域Ａの拡大図である。
【００１８】
図２（ａ）に示すように、撮像素子ユニット２００は、被写体の光像に応じた画像を取得する撮像素子１０と、光学ローパスフィルタ２０と、カバーガラス３０と、セラミック製パッケージ３５とを備える。撮像素子１０は、ベイヤ配列カラーフィルタを有するＣＭＯＳ(Complimentary Metal Oxide Semiconductor)タイプの撮像素子である。
【００１９】
カバーガラス３０及びセラミック製パッケージ３５は、撮像素子１０及び光学ローパスフィルタ２０を密封するように配置されている。これにより、撮像素子１０の耐環境性を向上させることができる。
【００２０】
また、カバーガラス３０は、赤外線をカットするＩＲカットフィルタとして機能する材料で構成されている。これにより、光線束１から可視領域の光を効率的に抽出することができる。
【００２１】
図２（ｂ）に示すように、互いに対面する撮像素子１０と光学ローパスフィルタ２０の間において、それらの周縁部を保持すべく保持部１５が配設されている。保持部１５は、スペーサ１５ａと、紫外線硬化性のＵＶ接着剤１５ｂ，１５ｂとから構成されている。ＵＶ接着剤１５ｂは、撮像素子１０、スペーサ１５ａ、及び光学ローパスフィルタ２０を互いに接着した後、紫外線が照射されると硬化し、これにより、これら部材を気密的に接合する。
【００２２】
これにより、撮像素子１０、光学ローパスフィルタ２０、保持部１５は、撮像素子１０及び光学ローパスフィルタ２０間の間隔（後述する図５に示すＤ）を規定するエアギャップ１６を画成する。
【００２３】
図３（ａ），（ｂ）は、図２（ａ）の光学ローパスフィルタ２０の外観を説明するための図であり、図３（ａ）は側面図であり、図３（ｂ）は底面図である。
【００２４】
図３（ａ）に示すように、光学ローパスフィルタ２０は、上部にフラット面を有する。また、光学ローパスフィルタ２０は、下部表面上に形成された回折格子２１を含む。回折格子２１は、後述する格子ピッチＰで周期的に配列された複数の単位格子から構成された位相格子から成る。なお、位相格子とは、入射光の位相を変化させる特性を持つ回折格子をいう。
【００２５】
また、図３（ｂ）に示すように、光学ローパスフィルタ２０の下部表面上には、図２（ｂ）の保持部１５を配置するためのギャップ保持接着領域２２が設けられている。ギャップ保持接着領域２２の幅は、例えば０．５ｍｍである。また、図３（ｂ）に示す回折格子２１の表面は、光学ローパスフィルタ２０に入射した光線束１が撮像素子１０に向かって出射する光線有効領域をなす。
【００２６】
図４は、図３（ａ）の光学ローパスフィルタ２０の拡大図である。
【００２７】
図４に示すように、光学ローパスフィルタ２０の回折格子２１は、同一ピッチで形成された単位格子としての等幅長尺状の凸部２１ａ（突条部）から構成されており、凸部２１ａ間には等幅の凹部２１ｂが形成されている。なお、この凹部２１ｂは、凸部２１ａの高さを規定するものであるから回折格子の一部をなすと云える。
【００２８】
凸部２１ａ間の間隔を規定する格子ピッチＰは、例えば８．０６（＝５．７×√２）μｍである。したがって、凸部２１ａと凹部２１ｂは、それぞれ、格子ピッチＰの半分即ちＰ／２のピッチで形成されている。
【００２９】
凸部２１ａは、石英基板上に形成された屈折率ｎ＝１.６の有機材料に対してフォトリソ工程を施すことにより形成されたものである。このフォトリソ工程後には、光学ローパスフィルタ２０のベース部分を構成する石英が凹部２１ｂにおいて露出する。
【００３０】
また、凸部２１ａの高さ、即ち図４に示す格子高さＨは、例えば０．４５μｍである。このような格子高さＨは、下記のように算出される。
【００３１】
まず、本発明では、回折格子２１によって位相が変化する入射光の光路長差ΔＨが、下記式１，２によって規定される。
【００３２】
ΔＨ＝Ｈ×（ｎ−１） ……（１）
ΔＨ＝λ／２ ……（２）
式２におけるλは、使用する基準波長であり、例えば５４０ｎｍである。したがって、式１，２において、基準波長λ（＝５４０ｎｍ）及び屈折率ｎ（＝１．６）を代入すると、式１から格子高さＨの値（ｎｍ）を算出することができる。
【００３３】
図５は、図２（ａ）における光学ローパスフィルタ２０と撮像素子１０の位置関係を説明するための図である。
【００３４】
図５において、撮像素子１０及び光学ローパスフィルタ２０間の距離を規定する間隔Ｄは、例えば３０μｍである。
【００３５】
また、図５に示すように、撮像素子１０の各画素の上部表面には、所定の開口部を有するマイクロレンズ１１が配置されている。このマイクロレンズ１１は、光線束１のうちその開口部を通過した光を画素の受光面即ち結像面まで導く。これにより、各画素の結像面上には光線束１に対応する光像が結像する。このようにして、撮像素子１０では、各画素に導かれた光の光量及び強度のサンプリング、即ち画像データの取得を行う。
【００３６】
図５において、撮像素子１０の画素間の距離を規定する画素ピッチＰ’は、例えば５.７μｍである。
【００３７】
ここで、一般的には、下記式３に撮像素子１０の画素ピッチＰ’の値を代入することにより、サンプリング周波数の１／２に該当するナイキスト周波数Ｎｓ（μｍ-1）を算出することができる。
【００３８】
Ｎｓ＝１０００／（２×Ｐ’） ……（３）
ところで、撮影レンズ５０による光線束１の結像位置での集光状態は、波動光学的な観点から同心円状の複数のリングで形成されるパターン即ちエアリディスクパターン（Airy Disk pattern）として扱うことができる。ＭＴＦ（Modulation Transfer Function）特性を考える場合、線像がどのように分布するかを解析する必要がある。
【００３９】
図１９は、波長５５０ｎｍでのエアリディスクパターンから線像がどのように分布するかを計算した結果を示しており、線像分布とＦｎｏ値との間の関係を示す。図１９に基づいて周波数解析を行うとＭＴＦ特性が算出され、図２０のようになる。図２０から、理想光学系での撮影レンズ５０のＭＴＦ特性を示すＭＴＦ値とＦｎｏ値との間には相関関係があることが分かる。
【００４０】
概略的には、下記式４に絞り値（Ｆｎｏ値）を代入することにより、周波数Ｍ0の値（μｍ-1）を算出することができる。例えば、Ｆｎｏ３２やＦｎｏ１６においてＭＴＦ値が０〜０．１に収まる周波数Ｍ0を掛けると約１６００μｍ-1になる。
【００４１】
Ｍ0＝１６００／Ｆｎｏ ……（４）
そこで、式３，４式から、ナイキスト周波数Ｎｓの値が周波数Ｍ0の値よりも大きくなるように（Ｎｓ＞Ｍ0）設定された絞り値（Ｆｎｏ値）の範囲では、光学ローパスフィルタ２０を含む光学ローパスフィルタは不要となる。具体的には、下記式５に示す範囲に該当する絞り値において光学ローパスフィルタが不要となる。
【００４２】
Ｆｎｏ＞３．２×Ｐ’ ……（５）
式５において画素ピッチＰ’の値が５．７μｍである場合、絞り値（Ｆｎｏ値）が１８を超える場合に、光学ローパスフィルタを配設する必要がなくなる。したがって、このような絞り値（Ｆｎｏ値）の範囲では、光学的な回折による光線束１に対するローパス機能は不要であるため、撮像素子１０における影の発生を抑制することを優先させることができる。
【００４３】
図６（ａ）〜（ｃ）は、図５における回折格子２１から観た撮像素子１０の上面図であり、回折格子２１の凸部２１ａが撮像素子１０に対して横方向にずれた状態を示している。
【００４４】
図６（ａ）〜（ｃ）に示すように、回折格子２１の凸部２１ａの位置は、撮像素子１０の画素の配置に対して相対的に横方向に例えば数十μｍだけずれている。このように、相対的に横方向にずれている位置関係にある２つの部材の位置合わせはプロセス上困難である。さらには、撮影レンズ５０を通過した光線束１が撮像素子１０に対して斜めに入射するような場合にも、実質的に回折格子２１と撮像素子１０の間の横方向における相対的な位置関係がずれる。
【００４５】
以上のことから、図６に示すような相対的な位置のずれが発生している場合であっても、絞り機構６０の絞りが小径であるときに各画素を介して行う撮像素子１０の光量及び光強度のサンプリングにバラツキが発生しないようにする必要がある。
【００４６】
ここで、回折格子２１（以下、場合によっては「リニア型位相回折格子２１」という）の格子ピッチＰの値が８．０６μｍであり、使用する基準波長λの値が５４０ｎｍである場合について説明する。これらの値を下記式６に代入すると、図５に示す間隔Ｄの値３０．０８μｍを算出することができる。
【００４７】
Ｄ＝Ｐ2／４λ ……（６）
なお、ここで、間隔Ｄは、Ｐ2／４λL ＜ Ｄ ＜ Ｐ2／４λSの関係式を満たすものであればよく、λSは基準波長λの最短波長を示し、λLは基準波長λの最長波長を示す。
【００４８】
図７（ａ）は、平行な光線束１が入射したリニア型位相回折格子２１から出射される光像の形状を例示する図であり、図７（ｂ）は、図７（ａ）に示す光像の光強度の一例を模式的に示す図である。また、図８（ａ）〜（ｅ）は、図７（ｂ）に示すような光強度分布の光線束１がリニア型位相回折格子２１から出射された後に撮像素子１０の結像面に形成される光像の光強度と、間隔Ｄとの関係を示す図である。
【００４９】
なお、図７（ａ）乃至図８（ｅ）に示す光像の光強度は、波動シミュレーションによる計算結果である。ここで、小径開口による光強度のリンギング（波打ち）を抑制するために、リニア型位相回折格子２１に入射する光線束１の強度をガウシアン分布にしている。
【００５０】
図７（ｂ）に示す光像は、間隔Ｄのエアギャップ１６を通過する間に、光の干渉を起こし、図８（ａ）乃至図（ｅ）に示すような光像となる。
【００５１】
ここで、図８（ｃ）に示すように、間隔Ｄの値が、式６から算出した値３０．０８μｍに最も近い３０μｍであるときは、回折格子２１の境以外は、ほぼ回折格子２１がない状態の光強度分布と同等の特性を示す。一方、図８（ｂ），（ｄ）及び図８（ａ），（ｅ）に示すように、間隔Ｄの値が、式６から算出した値３０．０８μｍからずれていくにしたがって、光像に干渉縞が局所的に発生する。
【００５２】
なお、図８（ａ）〜（ｅ）で示した光強度分布は、図７（ｂ）の照射光線束を想定した場合であるため、実際には、図７（ｂ）の照射光線束を横方向にずらしたものの重ね合わせとなる。したがって、間隔Ｄの値が３０μｍ近傍での光強度の像分布は、位相回折格子２１の境界を除いてはほぼフラットな状態となる。
【００５３】
従って、撮像素子１０の結像面上に形成された像を撮像素子１０のマイクロレンズ１１を介して撮像素子１０の受光部で得られる１画素毎の光強度はほぼフラットにすることが可能となる。
【００５４】
また、図６（ａ）〜（ｃ）のように撮像素子１０と回折格子２１の相対位置が横方向にずれている場合において、絞りが小径であるとき、例えばＦｎｏ３２が設定されているときにも（図１（ｂ）参照）、入射した光線束１が形成する光像の光強度の分布は位相回折格子２１の境界を除いてはほぼフラットな状態となる。
【００５５】
図９は、図１（ａ）のようにＦｎｏ２が設定されている場合において点像がどのように像分離するかについて波動解析を行った結果を例示する図である。
【００５６】
図９によれば、例えばＦｎｏ２のように絞りが大径である場合にもローパス効果が発揮されていることが分かる。
【００５７】
図１０は、図２（ａ）の光学ローパスフィルタ２０を用いたときの像分離の水平方向に関するＭＴＦ特性を示す図である。
【００５８】
図１０に示すＭＴＦ特性から、水平方向及び対角方向の偽色を抑制する効果が顕著であるが、垂直方向の偽色を抑制する効果は顕著ではないことが分かる。これにより、撮影像の品位として、偽色を抑制するほど解像感が低下するという相反する特性を考慮したバランスで偽色を効果的に抑制することができる。すなわち、上述した本実施の形態は、解像感即ち解像度の高さを重視するために、１軸方向のみの光学ローパスフィルタを用いた具体例を示している。
【００５９】
なお、本実施の形態では、水平方向に関して光学ローパス効果を持たせたが、回折格子２１の凸部２１ａ及び凹部２１ｂの配列を９０度回転させることにより、垂直方向に関して光学ローパス効果を持たせてもよい。
【００６０】
以上詳細に説明したように、本発明の第１の実施の形態によれば、一次元の回折格子、即ちリニア型位相回折格子２１を用いることにより、撮影レンズ５０の絞りを絞った時でも影の発生を抑制することができる。
【００６１】
次に、本発明の第２の実施の形態を説明する。本実施の形態に係る撮像装置は、第１の実施の形態に係る撮像装置としてのデジタルカメラ１００と同様であるので、同様の構成及び構成要素には同様の符号を付し、それらの説明を省略する。
【００６２】
図１１は、本発明の第２の実施の形態に係る撮像装置の回折格子型光学ローパスフィルタと撮像素子の位置関係を示す図である。
【００６３】
図１１に示すように、撮像素子１０及び光学ローパスフィルタ２０’間の間隔Ｄの値が３０μｍであり、撮像素子１０の画素ピッチＰ’が５.７μｍである。
【００６４】
また、撮像素子１０の各画素の表面には、所定の開口部を有するマイクロレンズ１１が配設されている。このマイクロレンズ１１は、光線束１のうちその開口部を通過した光を画素の受光面即ち結像面まで導く。これにより、各画素の結像面上には光線束１に対応する光像が結像する。このようにして、撮像素子１０では、各画素に導かれた光の光量及び強度のサンプリング、即ち画像データの取得を行う。
【００６５】
図１２（ａ），（ｂ）は、図１１における光学ローパスフィルタ２０’の回折格子２１’の凸部２１ａ’がなす位相型千鳥格子の形状を示す図である。なお、図１２（ａ）は、千鳥格子の斜視図であり、図１２（ｂ）は、千鳥格子を形成する凸部２１ａ’のパターンを模式的に示す上面図である。
【００６６】
図１３（ａ）〜（ｅ）は、図１２（ｂ）の位相型千鳥格子の構成を説明するための図である。
【００６７】
図１３（ａ）は、図６（ａ）に示したようなリニア型位相回折格子２１の凸部２１ａを左に４５度回転させたものであり、図１３（ｂ）は、図６（ａ）に示したようなリニア型位相回折格子２１の凸部２１ａを右に４５度回転させたものである。
【００６８】
図１３（ｃ）は、図１３（ａ），（ｂ）に示すリニア型位相回折格子２１の凸部２１ａを互いに重ね合わせることにより形成された位相型千鳥格子を示す模式図である。図１３（ｃ）において、凸部２１ａ同士が重なり合っていない領域Ａ，Ｂでは、格子高さに変化がないので、位相高さΔＨも１倍である。また、凸部２１ａ同士が重なり合った領域Ｃでは格子高さが２倍となるので、位相高さΔＨも２倍となる（即ち２×ΔＨ）。なお、凹部２１ｂ同士が重なり合った領域Ｄでは格子高さが０である。
【００６９】
ここで、位相高さΔＨは上記式２に示したようにλ／２に等しいので、凸部２１ａが重なり合った領域Ｃにおける位相高さはλに等しくなる。したがって、位相の観点で云えば、領域Ｃでは位相ズレが発生していないことが分かる。
【００７０】
図１３（ｄ）は、図１３（ｃ）の千鳥格子の位相高さを示す模式図である。図１３（ｄ）に示すように、凸部２１ａが重なり合った領域Ｃにおいて位相高さが０となっている。
【００７１】
図１３（ｅ）は、図１３（ｄ）の千鳥格子において、位相高さが同一の領域、即ち領域Ａ，Ｂをパターン化したものを示す模式図である。図１３（ｅ）に示すパターンは、図１２（ｂ）に示した千鳥格子形状と同一であることが分かる。
【００７２】
このとき、千鳥格子を構成する各格子間の縦横ピッチＰ0は、５．７μｍであり、画素ピッチＰの値に等しい。
【００７３】
図１４（ａ）〜（ｃ）は、図１１における回折格子２１から観た撮像素子１０の上面図であり、回折格子２１の凸部２１ａ’が撮像素子１０に対して横方向にずれた状態を示している。
【００７４】
図１４（ａ）〜（ｃ）に示すように、相対的な位置のずれが発生している場合にも、図６（ａ）〜（ｃ）を用いて説明したのと同様に、絞り機構６０の絞りが小径であるときに各画素を介して行う撮像素子１０の光量及び光強度のサンプリングにバラツキが発生しないようにする必要がある。
【００７５】
図１５（ａ）は、平行な光線束１が入射した位相型千鳥格子２１’から出射される光像の形状を例示する図であり、図１５（ｂ）は、図１５（ａ）に示す光像の光強度の一例を模式的に示す図である。また、図１６（ａ）〜（ｅ）は、図１５（ｂ）に示すような光強度分布の光線束１がリニア型位相回折格子２１から出射された後に撮像素子１０の結像面に形成される光像の光強度と、間隔Ｄとの関係を示す図である。
【００７６】
なお、図１５（ａ）乃至図１６（ｅ）に示す光像の光強度は、波動シミュレーションによる計算結果である。ここで、小径開口による光強度のリンギング（波打ち）を抑制するために、リニア型位相回折格子２１に入射する光線束１の強度をガウシアン分布にしている。
【００７７】
図１５（ａ）に示すように、位相型千鳥格子２１’から出射される光像の形状は、図１３（ｃ）を用いて説明したように、格子ピッチＰが８．０６μｍのリニア型位相回折格子の凸部２１ａを左右に４５度回転させたものを互いに重ね合わせることによって形成した千鳥格子の形状と同一である。
【００７８】
したがって、第１の実施の形態で説明したリニア型位相回折格子の凸部２１ａと同様の議論が位相型千鳥格子２１’でも成り立つことが分かる。具体的には、図１６（ａ）〜（ｅ）から分かるように、光の回折によって干渉縞（回折像）が局所的に発生しないような間隔Ｄの値は、図１６（ｃ）に示す約３０μｍと特定される。
【００７９】
なお、図１６（ａ）〜（ｅ）で示した光強度分布は、図１５（ｂ）の照射光線束を想定した場合であるため、実際には、図１５（ｂ）の照射光線束を横方向にずらしたものの重ね合わせとなる。したがって、間隔Ｄの値が３０μｍ近傍での光強度の像分布は、位相回折格子２１の境界を除いてはほぼフラットな状態となる。
【００８０】
図１７は、図１（ａ）のようにＦｎｏ２が設定されている場合において点像がどのように像分離するかについて波動解析を行った結果を例示する図である。
【００８１】
図１７によれば、例えばＦｎｏ２のように絞りが大径である場合にもローパス効果が発揮されていることが分かる。
【００８２】
図１８（ａ）は、図１１の光学ローパスフィルタ２０’を用いたときの像分離の水平方向及び垂直方向に関するＭＴＦ特性を示す図であり、図１８（ｂ）は、図１１の光学ローパスフィルタ２０’を用いたときの像分離の対角方向に関するＭＴＦ特性を示す図である。
【００８３】
図１８（ａ）に示すＭＴＦ特性から、水平方向及び対角方向の偽色を抑制する効果が顕著であるが、垂直方向の偽色を抑制する効果は顕著ではないことが分かる。また、図１８（ｂ）に示すＭＴＦ特性から、偽色を抑制する効果は特に対角方向におけるナイキスト周波数Ｎｓにほぼ一致しているため、対角方向の偽色を確実になくすことできることが分かる。これらにより、撮影像の品位として、偽色を抑制するほど解像感が低下するという相反する特性を考慮したバランスで偽色を効果的に抑制することができる。
【００８４】
なお、上記第２の実施の形態では、千鳥格子を構成する各格子間の縦横ピッチＰ0の値が画素ピッチＰの値に等しい場合について説明したが、縦横ピッチＰ0の値が画素ピッチＰの値に等しくなくてもよい。
【００８５】
以上詳細に説明したように、本発明の第２の実施の形態によれば、二次元の回折格子、即ち位相型回折格子２１’を用いることにより、撮影レンズ５０の絞りを絞った時でも影の発生を抑制することができる。
【００８６】
なお、上記第１及び第２実施の形態では、本発明を撮像装置に適用したが、撮像装置に限られることはなく、所定の面上に光像を形成する装置であればいかなる装置であっても適用することが可能である。
【００８７】
また、上記実施の形態では、間隔Ｄが、Ｐ2／４λL ＜ Ｄ ＜ Ｐ2／４λSの関係式を満たせばよいとしたが、この関係式は、２×（λS×Ｄ）1/2＜Ｐ ＜ ２×（λL×Ｄ）1/2というように変形することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００８８】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る撮像装置としてのデジタルカメラの内部構成を概略的に示すブロック図であり、（ａ）は、Ｆｎｏ２を設定した場合を、（ｂ）は、Ｆｎｏ３２を設定した場合を示す。
【図２】（ａ）は、図１における撮像素子ユニットの拡大図であり、（ｂ）は、（ａ）における部分領域Ａの拡大図である。
【図３】図２（ａ）の光学ローパスフィルタの外観を説明するための図であり、（ａ）は側面図であり、（ｂ）は底面図である。
【図４】図３（ａ）の光学ローパスフィルタの拡大図である。
【図５】図２（ａ）における光学ローパスフィルタと撮像素子の位置関係を説明するための図である。
【図６】図５における回折格子から観た撮像素子の上面図であり、（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ、回折格子の凸部が撮像素子に対して横方向にずれた状態を示している。
【図７】（ａ）は、平行な光線束が入射したリニア型位相回折格子から出射される光像の形状を例示する図であり、（ｂ）は、（ａ）に示す光像の光強度の一例を模式的に示す図である。
【図８】図７（ｂ）に示すような光強度分布の光線束がリニア型位相回折格子から出射された後に撮像素子の結像面に形成される光像の光強度と、間隔Ｄとの関係を示す図である。
【図９】図１（ａ）のようにＦｎｏ２が設定されている場合において点像がどのように像分離するかについて波動解析を行った結果を例示する図である。
【図１０】図２（ａ）の光学ローパスフィルタを用いたときの像分離の水平方向に関するＭＴＦ特性を示す図である。
【図１１】本発明の第２の実施の形態に係る撮像装置の回折格子型光学ローパスフィルタと撮像素子の位置関係を示す図である。
【図１２】図１１における回折格子型光学ローパスフィルタの回折格子の凸部がなす位相型千鳥格子の形状を示す図であり、（ａ）は、千鳥格子の斜視図であり、（ｂ）は、千鳥格子を形成する凸部のパターンを模式的に示す上面図である。
【図１３】（ａ）〜（ｅ）は、図１２（ｂ）の位相型千鳥格子の構成を説明するための図である。
【図１４】図１１における回折格子から観た撮像素子の上面図であり、（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ、回折格子の凸部が撮像素子に対して横方向にずれた状態を示している。
【図１５】（ａ）は、平行な光線束が入射した位相型千鳥格子から出射される光像の形状を例示する図であり、（ｂ）は、（ａ）に示す光像の光強度の一例を模式的に示す図である。
【図１６】図１５（ｂ）に示すような光強度分布の光線束がリニア型位相回折格子から出射された後に撮像素子の結像面に形成される光像の光強度と、間隔Ｄとの関係を示す図である。
【図１７】図１（ａ）のようにＦｎｏ２が設定されている場合において点像がどのように像分離するかについて波動解析を行った結果を例示する図である。
【図１８】（ａ）は、像分離の水平方向及び垂直方向に関するＭＴＦ特性を示す図であり、（ｂ）は、像分離の対角方向に関するＭＴＦ特性を示す図である。
【図１９】線像分布とＦｎｏ値との間の関係を示す図である。
【図２０】図１９に基づいて算出したＭＴＦ特性を示す図である。
【符号の説明】
【００８９】
１ 光線束
１０ 撮像素子
１５ 保持部
２０，２０’ 光学ローパスフィルタ
２１ 回折格子
２１ａ，２１ａ’ 凸部
４０ 撮影レンズユニット
５０ 撮影レンズ
６０ 絞り機構
１００ デジタルカメラ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被写体からの光が入射する撮影レンズと、前記被写体の画像を取得する撮像素子と、前記撮像レンズ及び前記撮像素子間に配設される光学ローパスフィルタとを備える撮像装置において、
前記光学ローパスフィルタは、互いに隣接する等幅の凹部及び等幅の凸部で構成される単位格子を格子ピッチＰで周期的に配列した位相格子を含み、
使用する基準波長の最短波長がλSであり、前記基準波長の最長波長がλLであるときに、前記位相格子によって位相が変化する前記光の光路長差ΔＨが、λS／２よりも大きく且つλL／２よりも小さいことを特徴とする撮像装置。
【請求項２】
前記位相格子と前記撮像素子の間の間隔Ｄが、関係式「Ｐ2／４λL ＜ Ｄ ＜ Ｐ2／４λS」を満たすように、前記光学ローパスフィルタ及び前記撮像素子が配置されていることを特徴とする請求項１記載の撮像装置。
【請求項３】
前記撮像素子は、画素ピッチＰ’で配列された複数の画素から構成され、前記撮影レンズの絞り値Ｆｎｏが３．２×Ｐ’を超えることを特徴とする請求項１又は２に記載の撮像装置。
【請求項４】
前記単位格子の凸部は長尺状であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項５】
前記位相格子は、前記凸部が長尺状の第１及び第２の単位格子を互いに重ね合わせた二次元形状のとしての千鳥格子から構成されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項１】
被写体からの光が入射する撮影レンズと、前記被写体の画像を取得する撮像素子と、前記撮像レンズ及び前記撮像素子間に配設される光学ローパスフィルタとを備える撮像装置において、
前記光学ローパスフィルタは、互いに隣接する等幅の凹部及び等幅の凸部で構成される単位格子を格子ピッチＰで周期的に配列した位相格子を含み、
使用する基準波長の最短波長がλSであり、前記基準波長の最長波長がλLであるときに、前記位相格子によって位相が変化する前記光の光路長差ΔＨが、λS／２よりも大きく且つλL／２よりも小さいことを特徴とする撮像装置。
【請求項２】
前記位相格子と前記撮像素子の間の間隔Ｄが、関係式「Ｐ2／４λL ＜ Ｄ ＜ Ｐ2／４λS」を満たすように、前記光学ローパスフィルタ及び前記撮像素子が配置されていることを特徴とする請求項１記載の撮像装置。
【請求項３】
前記撮像素子は、画素ピッチＰ’で配列された複数の画素から構成され、前記撮影レンズの絞り値Ｆｎｏが３．２×Ｐ’を超えることを特徴とする請求項１又は２に記載の撮像装置。
【請求項４】
前記単位格子の凸部は長尺状であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項５】
前記位相格子は、前記凸部が長尺状の第１及び第２の単位格子を互いに重ね合わせた二次元形状のとしての千鳥格子から構成されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の撮像装置。
【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】
【公開番号】特開２００８−４６１６３（Ｐ２００８−４６１６３Ａ）
【公開日】平成２０年２月２８日（２００８．２．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２１８９２０（Ｐ２００６−２１８９２０）
【出願日】平成１８年８月１０日（２００６．８．１０）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年２月２８日（２００８．２．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年８月１０日（２００６．８．１０）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
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