CN109387950B - 光学低通滤波器和成像装置 - Google Patents

光学低通滤波器和成像装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及光学低通滤波器和成像装置。光学低通滤波器包括分别被配置为将入射光线分离成多个光线的N(N≥3)个光学各向异性层的叠层，其中，满足以下的条件：Ds≤0.50Da，这里，Da[μm]是N个光学各向异性层中的第1到第(N‑1)光学各向异性层的光线分离宽度的总值，Ds[μm]是通过第1到第(N‑1)光学各向异性层分离的光线中的具有最大相位差的光线和具有最小相位差的光线之间的距离。

Description

光学低通滤波器和成像装置
技术领域
本发明涉及光学低通滤波器，更具体而言，涉及用于成像装置的多点分离光学低通滤波器。
背景技术
使用诸如电荷耦合器件(CCD)传感器和互补金属氧化物半导体(CMOS)传感器的二维图像传感器的成像装置，使用光学低通滤波器(以下，可以称为光学元件)以防止在通过成像捕获的图像上出现假颜色(false color)和莫尔条纹。光学低通滤波器通过控制聚焦光的点图像分布限制关于尼奎斯特(Nyquist)频率处及之上的高频率的图像信息。
日本专利申请公开No.2015-213306讨论了一种光学低通滤波器，在该光学低通滤波器中，六到八个双折射光学元件(双折射层)被堆叠以获得高斯形状的点图像分布，由此，高频率处的分辨率得到增强，以抑制倾斜方向上的假颜色和莫尔条纹的出现。日本专利No.5212044讨论了在考虑像差的影响和成像透镜的衍射极限的情况下通过光学低通滤波器设定四点分离或两点分离的光线分离宽度。
如果由于图像传感器的像素间距减小或点图像的多点分布，多个分离的点图像之间的距离(光线分离宽度)减小到接近衍射极限，则点图像分布的形状由于点图像之间的干涉而改变。日本专利申请公开No.2015-213306讨论了形成点图像分布的条件，但没有讨论在双折射光学元件中出现的相位差或各双折射光学元件的分离轴的取向的影响。日本专利No.5212044讨论了由于衍射极限而导致的点图像扩散的影响，但没有讨论点图像分布由于点图像之间的干涉而变得不对称。
发明内容
本发明旨在提供具有高度对称的光线分离功能的光学低通滤波器。
根据本发明的一个方面，光学低通滤波器包括分别被配置为将入射光线分离成多个光线的N(N≥3)个光学各向异性层的叠层，其中，满足以下的条件：
Ds≤0.50Da
这里，Da[μm]是N个光学各向异性层中的第1到第(N-1)光学各向异性层的光线分离宽度的总值，并且Ds[μm]是通过第1到第(N-1)光学各向异性层分离的光线中的具有最大相位差的光线和具有最小相位差的光线之间的距离。
从参照附图对示例性实施例的以下描述，本发明的其它特征将变得清晰。
附图说明
图1是示出作为本发明的代表性示例性实施例的光学低通滤波器的配置的示图。
图2是用于描述双折射光学元件的点图像分离的示图。
图3是用于描述点图像之间的干涉效果的示图。
图4是用于描述根据示例性实施例的光学低通滤波器的点图像分布和相位差分布的示图。
图5是描述作为代表性比较例的光学低通滤波器的点图像分布和相位差分布的示图。
图6是作为本发明的第一示例性实施例的光学低通滤波器的点图像分布图。
图7是作为第一比较例的光学低通滤波器的点图像分布图。
图8是示出第一示例性实施例的空间频率特性的图表。
图9是示出第一比较例的空间频率特性的图表。
图10是作为本发明的第二示例性实施例的光学低通滤波器的点图像分布图。
图11是示出第二示例性实施例的空间频率特性的图表。
图12是作为本发明的第三示例性实施例的光学低通滤波器的点图像分布图。
图13是示出第三示例性实施例的空间频率特性的图表。
图14是示出作为本发明的第四示例性实施例的光学低通滤波器的配置的示图。
图15是根据第四示例性实施例的光学低通滤波器的点图像分布图。
图16是示出第四示例性实施例的空间频率特性的图表。
图17是示出作为本发明的第五示例性实施例的光学低通滤波器的配置的示图。
图18是根据第五示例性实施例的光学低通滤波器的点图像分布图。
图19是示出第五示例性实施例的空间频率特性的图表。
图20是示出作为本发明的第六示例性实施例的成像装置的示图。
具体实施方式
下面将参照附图描述本发明的示例性实施例。以下描述的本发明的实施例中的每一个可被单独地实现，或者，在必要的情况下或者当在单个实施例中组合来自各单个实施例的要素或特征有益的情况下，实现为多个实施例或其特征的组合。
图1示出作为本发明的代表性示例性实施例的多层(多点分离)光学低通滤波器10的配置。光学低通滤波器10具有用作光学各向异性元件(光学各向异性层)的四层的双折射光学元件(双折射板)1～4被堆叠的结构。光学各向异性层的数量不限于四。可以通过三个或更多光学各向异性层获得本示例性实施例的效果。
在下面的描述中，在光学低通滤波器10的长边方向(水平方向)上延伸的轴将被称为x轴，并且其方向为x方向。在光学低通滤波器10的短边方向(竖直方向)上延伸的轴将被称为y轴，并且其方向为y方向。沿着x轴和y轴的平面，即xy平面，将被称为光学低通滤波器10的元件平面。与元件平面正交的轴将被称为光轴，并且光轴的延伸方向为光轴方向(z方向)。四个双折射光学元件1～4在光轴方向上堆叠。
光轴方向是光在光学低通滤波器10上入射和透射它的方向。为了描述，双折射光学元件1～4中的每一个被示为在光轴方向上比实际更厚。实际厚度约为几百微米。
双折射光学元件1～4分别由诸如水晶(rock crystal)和铌酸锂(lithiumniobate)的单轴晶体(各向异性材料)制成。如图2所示，如果从光轴方向观察各双折射光学元件，则其光轴相对于y方向指向90°。如图2所示，如果从y方向观察各双折射光学元件，则其光轴相对于光轴方向倾斜角度θ(相对于元件平面倾斜90°-θ)。在下面的描述中，角度θ将被称为倾斜角度。倾斜角度θ通常被设定于45°附近的角度。根据材料和设定的相位差，倾斜角度θ可以被设定于大于或等于10°且不大于80°的范围内。
一般地，入射在具有倾斜光轴的平行板形状的双折射光学元件上的光线已知分离为两个光线，即寻常光线和非常光线。更具体而言，如图2所示，在光轴方向上入射在双折射光学元件上的光线6分离成直着透过的寻常光线7和相对于寻常光线7在图示的方向上透过的非常光线8。在下面的描述中，寻常光线7和非常光线8被分离的方向将被称为光线分离方向。
寻常光线7被偏振化，使得其电场在与光线分离方向正交的方向上振荡。非常光线8被偏振化，使得其电场在与光线分离方向平行的方向振荡。换句话说，寻常光线7和非常光线8的偏振方向相互正交。
光线分离宽度w指的是光线7和8从双折射光学元件发射时寻常光线7与非常光线8之间的距离。光线分离宽度w唯一地由双折射光学元件的材料所固有的折射率各向异性的量值△n、光轴的倾斜角度θ和双折射光学元件的厚度d确定。如果材料和倾斜角度θ是固定的，则光线分离宽度w与厚度d成比例。
如果这种双折射光学元件在它们的光线分离方向成45°或135°的情况下在光轴方向(堆叠方向)上堆叠，则形成以2N方式划分的点图像分布(光线分布)，这里，N是层的数量(n≥3)。可以通过在考虑堆叠的双折射光学元件1～4的光线分离方向、双折射光学元件1～4的光线分离宽度和双折射光学元件1～4的数量的情况下对点图像分布的扩展进行几何光学设计，使得双折射光学元件1～4用作光学低通滤波器10。
如果多个点图像(光线)与点图像分布本身的扩展相比处于近距离处，则可能出现波光学干涉，并且可能无法获得几何光学确定的点图像分布。
作为简单的例子，如图3所示，考虑多个分离的点图像中的处于距离D处并且具有平行的偏振方向的两个点图像。图中的虚线曲线表示各点图像的原始强度分布(点图像分布)。实线曲线表示两个点图像的组合点图像分布。黑白点图像代表不同的相位。在图3的左图中，上下虚线曲线表示两个点图像的相位差为(m+1)λ/2。在图3的右图中，两个点图像具有零相位差或波长的整数倍的相位差。在几何光学方面，无论两个点图像之间的相位差如何，点图像分布保持不变。事实上，由于衍射和像差，点图像具有有限的扩展，并且根据彼此的点图像分布之间的相位差出现干涉。
具体而言，在图3的左图中，由于相互抵消而在点图像之间出现下降。在图3的右图的例子中，通过相互增强获得平滑的点图像分布。结果，通过组合两个点图像获得的点扩展函数在左图和右图之间不同。这里，考虑干涉的表观光线分离宽度在右图中比在左图中小。
一般而言，紧接着通过双折射光学元件的分离之后的点图像具有图2所示的正交偏振关系，其中，点图像的偏振方向由双向箭头示出。因此，可以通过在不考虑相位的情况下增加强度分布，获得点图像分布。如果点图像之间的分离宽度比由于衍射和像差导致的点图像的扩展大得足够多，则干涉的影响较小。
但是，由于点图像之间的距离在点图像分离的过程中减小，因此，多层即多点分离光学低通滤波器更容易受到干涉影响。特别地，在将点图像分离为八个或更多点图像或者更显著地分离为16个或更多个点图像的多点分离光学低通滤波器中，点图像以复杂的方式相互影响。因此，需要在考虑由于点图像之间的相位差导致的干涉的情况下选择光学低通滤波器的配置以提供适当的点图像分布。
为了描述多点分离光学低通滤波器中的干涉效果，如图1中的光学低通滤波器中那样，考虑16点分离的四层光学低通滤波器。图4示出四个双折射光学元件在光轴方向上堆叠的情况下的点图像的分离处理。以下，双折射光学元件将被称为LPF。在图4中，从光入射侧起依次排列的第一至第四LPF将分别被称为LPF1、LPF2、LPF3和LPF4。
图4示出当光线依次透过LPF1、LPF2、LPF3和LPF4时点图像是如何分离的。实线圆代表寻常光线的点图像。虚线圆代表非常光线的点图像。从一个点图像到另一个点图像的箭头表示光线分离方向。如图4所示，入射到光学低通滤波器上的光线(入射光线)通过LPF1～LPF4在相对于x轴的角度为225°、0°、135°和270°的光线分离方向上分离。由此，入射光线总共分离四次，最终形成16个点图像。
在图4中，点图像之间的相位差由LPF旁边的不同色调示出。在各LPF中出现的寻常光线和非常光线之间的相位差△是相同的。
如图4所示，入射光线对LPF1的透过赋予非常光线的点图像相对于寻常光线的相位差△。当光线透过LPF2时，获得0～2△的相位差分布。当光线进一步透过LPF3时，获得0～3△的相位差分布。光线最终透过LPF4以形成寻常光线和非常光线的点图像分布。寻常光线和非常光线正交偏振并因此不相互干涉。因此，在经过了LPF3的八点点图像分布中出现根据相位差分布的点图像之间的干涉。这种点图像分布叠加以形成对应于16点分离的点图像。
现在，关注需要考虑干涉的影响的LPF3中的相位差分布。具有最小相位差0的点图像和具有最大相位差3△的点图像在中心附近邻接或者相邻，在所述中心周围对称地布置着具有相位差△的三个点图像和具有相位差2△的三个点图像。LPF4中的寻常光线的八个点图像和非常光线的八个点图像具有相对相同的相位差分布。事实上，由于存在由于光线分离方向导致的附加的相位跳动，因此两个相位差分布不提供相同的干涉分布。
图5示出通过与图4类似但不同的四层配置执行16点分离的光学低通滤波器的例子(比较例)。在图5中，第一到第四LPF将分别被称为LPF1′、LPF2′、LPF3′和LPF4′。图5所示的LPF1′～LPF4′的光线分离方向与图4所示的LPF1～LPF4不同。如图5所示，入射于光学低通滤波器上的入射光线分别通过LPF1′～LPF′4在相对于x轴的角度为45°、0°、315°和90°的光线分离方向上分离。因此，入射光线总共分离四次，以最终形成16点的点图像。
在几何光学方面，除了重心位置的差异，从图5的LPF4′获得的点图像分布与从图4的LPF4获得的点图像分布相同。如图4那样，
图5示出LPF旁边的点图像的相位差。从图5的LPF3′获得的相位差分布与从图4的LPF3获得的相位差分布不同。最左边点图像的最小相位差为0。还形成具有相位差△的三个点图像和具有相位差2△的三个点图像。最右边点图像的最大相位差为3△。得到的相位差分布使得相位差在图中从左向右增加。与从图4的LPF3获得的相位差分布相比，从图5的LPF3′获得的相位差分布是高度不对称的。
为了描述点图像的相位差分布的对称性，将用矢量表达图4的LPF1～LPF4的配置和图5的LPF1′～LPF4′的配置。以矢量的方向为光线分离方向并且以矢量的长度为光线分离宽度，在图4的底部示出LPF1～LPF4的叠加。在图5的底部示出LPF1′～LPF4′的叠加。
通过双线箭头示出通过将作为要考虑其相位差的层的LPF1～LPF3或LPF1′～LPF3′的矢量相加获得的组合矢量。组合矢量的方向可以被视为点图像的整个相位差分布的梯度方向。组合矢量的长度可以被视为相位差分布的不均匀量。在图4中，矢量的方向是较少不均匀的，并且由于相互抵消，得到的组合矢量短。这可以被视为对应于由图4的LPF4形成的几乎均一的相位差分布。
相反，图5的相位差分布是不均匀的。矢量在很大程度上偏向x方向，并且得到的组合矢量在x方向上长。图5所示的组合矢量与从图5的LPF4′获得的相位差分布的比较表明，在x方向上长的组合矢量对应于相位差分布向x方向的偏离。因此，与图5的配置相比，图4的配置提供高度对称的相位差分布。相位差分布的高对称性意味着可以容易地通过后面描述的波长平均化使点图像分布均一化。
组合矢量的长度等于从LPF3或LPF3′获得的点图像中的具有最小相位差的点图像的位置与具有最大相位差的点图像的位置之间的距离(光线分离宽度)Ds。其原因在于，以具有最小相位差的点图像作为起点，具有最大相位差的点图像达到的位置与组合矢量的终点一致。因此，距离Ds可以被用作用于评价点图像分布中的相位差对称性的评价值。为了获得均一的点图像分布，希望LPF1～LPF4的光轴的取向和光线分离宽度被设计为使得距离Ds足够小。
具体而言，希望光线分离宽度Ds与Da满足以下的条件表达式(1)：
Ds≤0.5Da…(1)
这里，Da[μm]是从包含N(n≥3)个LPF的光学低通滤波器中的光入射侧起依次布置的第1到第(N-1)LPF的光线分离宽度的总值(即“和”)，Ds(μm)是通过第1到第(N-1)光学各向异性层分离的光线中的具有最大相位差的光线与具有最小相位差的光线之间的距离。
通过满足这种条件，可以获得即使在考虑点图像之间的干涉效果的情况下也可以获得在取向上具有高度对称性并且更接近几何光学设计值的光学低通滤波器。作为对成像装置的光学***使用光学低通滤波器的实用指南，如果Ds小于F5.6处的d线(587nm)的衍射扩展宽度或4μm(1.22λdF＝4.010μm)，则点图像之间的干涉被视为具有显著的影响。特别地，考虑到制造误差，如果Ds为4.2μm或更小(满足Ds≤4.2μm的条件)，则期望地满足条件表达式(1)。事实上，图像传感器的像素间距变得更小。如果低通滤波效果是以较小的光线分离宽度和较亮的F数为目标，则点图像之间的干涉对点图像分布的变形的影响被视为甚至在2μm左右的Ds处增加。
使用光学低通滤波器的成像装置通常在诸如可见光波段的宽波长段中工作。由于LPF的相位差是波长分散的，因此相位差△随波长变化，并且点图像的分布相应变化。在通过成像装置捕获的实际图像中，通过图像传感器的灵敏度和颜色滤波器的带宽，对点图像的分布进行平均化，以形成高度对称的点图像分布。
作为例子，图6示出在波长范围460nm～640nm中平均化的、根据表1所示的配置的点图像分布。由于点图像的扩展，点图像的强度分布相互干涉。即使考虑到波长平均化，得到的点图像分布也是对称的。作为比较例，图7示出根据表2所示的配置的点图像分布。在该比较例中，即使考虑到波长平均化，点图像分布仍然是不对称的。
图6和图7的点图像分布之间的差异可归因于点图像之间的相位差的分布。图7中的点图像的相位差分布是高度不均匀的，并且，即使考虑由于波长分散导致的变化，仍然存在不对称性。相比之下，图6的点图像分布中的点图像的相位差分布是高度对称的，并且，通过波长平均化获得均一的点图像。通过满足条件表达式(1)，LPF的光线分离方向可以均一地分布，由此获得均一的点图像分布。
可以进一步满足以下的条件表达式(1a)：
Ds≤0.4Da…(1a)
为了使用根据本示例性实施例的光学低通滤波器的波长范围(使用波长范围)中的充分波长平均化，希望LPF具有波长分散稍大的相位差。对于小波长分散，如果具有单一波长的入射光线形成不均匀的点图像分布，则波长平均化可能是不够的。
具体而言，假定光学低通滤波器的使用波长范围内的最短波长为λmin且最长波长为λmax，则希望满足以下的条件表达式(2)：
0.5≤δmin/λmin-δmax/λmax…(2)
其中，δmin和δmax分别是在最短波长λmin和最大值λmax处在第1到第(N-1)LPF中的至少一个中出现的相位差。
还希望满足以下的条件表达式(3)：
0.5≤δs/λmin-δs/λmax…(3)
这里，δs是在N个LPF中的至少一个中出现的相位差。
通过满足条件表达式(2)或(3)，可以获得足够的波长平均化效果。使用波长范围由使用光学低通滤波器的成像装置的规格确定。例如，如果在图像传感器上使用光学低通滤波器，则考虑图像传感器的灵敏度以及颜色滤波器或截止滤波器的透射率设定使用波长范围。在可见光光谱内，选择约400nm～700nm的范围或具有对应于其中的大约100nm的一定色域的任选波长宽度的波长范围。只要波长范围由成像装置设定，可见光波长以外的红外波长范围或紫外波长范围就可以是适用的。如果假定在操作光学低通滤波器时要考虑的波长范围是使用波长范围，则希望满足条件表达式(2)，以获得本示例性实施例的效果。希望不仅第1到第(N-1)LPF中的一个，而且其它的LPF也满足条件表达式(2)。
可以依次满足以下的条件表达式(2a)和(2b)：
0.5≤δmin/λmin-δmax/λmax≤3.0…(2a)，和
0.6≤δmin/λmin-δmax/λmax≤2.0…(2b)
可以进一步满足以下的条件表达式(3a)和(3b)：
0.5≤δs/λmin-δs/λmax≤10.0…(3a)
0.55≤δs/λmin-δs/λmax≤8.5…(3b)
在以上的述描述中，描述了在不使用波长板的情况下执行点图像分离的配置。但是，可以在两个邻接或相邻的LPF之间布置波长板(λ/4板)，并且，LPF可以被配置为在相互正交的方向上执行点图像分离。在这种情况下，不具有点图像分离功能的波长板被用于转换偏振状态，并且对组合矢量没有实质贡献。即使在两个LPF的光轴相对于彼此取向为90°的情况下，也可以应用与组合矢量相似的概念。
但是，向可能导致点图像之间的干涉的多点分离光学低通滤波器添加对点图像分离没有贡献的层导致材料成本和厚度的增加。然后，在x方向(第一方向)或y方向(第二方向)上执行点图像分离的第一LPF(第一光学各向异性层，第一各向异性光学元件)和相对于x或y方向在45°或135°的方向上执行点图像分离的第二LPF(第二光学各向异性层，第二各向异性光学元件)可以被交替层叠。在这种情况下，为了有效地抑制可能在对角成分中出现的假色，希望第一LPF的光线分离宽度比第二LPF的光线分离宽度小。
在图4所示的配置例子中，使用具有相同的光线分离宽度的四个LPF或LPF1～LPF4。但是，LPF可以具有各自不同的光线分离宽度。由条件表达式(1)表达的光线分离宽度Ds足够小意味着，无论方向如何，光线分离方向上的组合矢量的不均匀性都小。因此，即使LPF1～LPF4具有各自不同的光线分离宽度，也可以由此获得与图4的配置类似的效果。
即使考虑点图像之间的干涉，也可以从几何光学条件计算光学低通滤波器的基本设计值。可以使用考虑衍射扩展和干涉的影响而预先确定点图像分布并且基于结果调整LPF的特性的大小的方法。在满足条件表达式(1)和(2)与从几何光学条件计算设计值之间没有矛盾。几何光学设计值在LPF的光线分离方向上具有两个自由度(例如，+45°的取向上的分离和225°的取向上的分离是几何光学等效的)。因此，可以独立处理几何光学设计值和条件表达式(1)。更具体而言，在几何光学设计之后，各LPF的光线分离宽度可以被设定以在自由度内满足条件表达式(1)。这同样适于关于条件表达式(2)的相位差。例如，通过使用两个参数即倾斜角度θ和厚度d确定LPF的光线分离宽度。由于参数是相互独立的，因此可以对相同的光线分离宽度任选地调整相位差。因此，可以相互独立地控制光线分离宽度和相位差。例如，通常可以通过在45°附近设定倾斜角度θ使光线分离宽度最大化。如果厚度d足够大，则倾斜角度θ可以被设定为大于45°的值。后者可以增加相同的光线分离宽度的相位差。
关于条件表达式(1)，将描述更简单的配置方法。如果N个LPF被配置为具有相同的光线分离宽度，则在两个邻接或相邻LPF的光线分离方向之间形成的角度可以被设定于约135°。由此，可以实现满足条件表达式(1)的光学低通滤波器。由于光线分离宽度和光线分离方向的设定由设计条件确定，因此上述角度不需要确切地被设定于135°。为了允许公差和设计余量，所述角度可以选自大于或等于120°且不大于150°的范围。
考虑到点图像间的干涉，主要描述了用于获得通过波长平均化来均一化的、接近设计值的点图像分布的条件。为了在单个波长处获得高度对称的点图像分布，不仅需要考虑以上的点图像之间的相位差，而且需要考虑从点图像分离产生的相位跳动和通过直到第(N-1)层形成的点图像分布的叠加方式。另外，在满足条件表达式(1)的情况下，在某种程度上确定关于LPF的光轴取向的条件。然后，需要通过使用最终层即第N个LPF的光线分离方向和在各LPF中出现的相位差△调整点图像分布的对称性。
如果所有的N个LPF具有相同的光线分离宽度，则希望满足下式(4)：
Δnd＝m×λa…(4)
这里，λa是使用波长范围中的比最短波长λmin长并且比最长波长λmax短的波长，△nd是第2到第(N-1)光学各向异性层或LPF中的至少一个(除第1或第N以外的至少一个LPF)的相位差，m是自然数。
如果上述的第一和第二LPF被交替层叠并且具有各自不同的光线分离宽度，则希望满足下式(5)：
Δnd＝(m+0.5)/2×λa…(5)
这里，λa是波长，△nd是除第1或第N以外的至少一个LPF的相位差。
以这种方式，通过控制LPF的相位差和光线分离方向，可以获得特定波长的高度对称的点图像分布。
LPF可由各种材料制成。例如，可以使用透明单轴各向异性晶体材料，诸如水晶、蓝宝石和铌酸锂。N个LPF可以由这种材料的组合制成。除了晶体材料以外，可以通过使用液晶或通过使用结构双折射构成LPF。
现在将描述上述的光学低通滤波器的具体示例性实施例(数值例子)。
将描述根据本发明的第一示例性实施例(第一数值例子)的光学低通滤波器。表1示出根据本示例性实施例的光学低通滤波器的配置。如图1所示，通过在光轴方向上依次层叠由水晶制成的LPF1～LPF4，构成根据本示例性实施例的光学低通滤波器10。如表1所示，LPF1～LPF4相对于x方向分别具有225°、0°、135°和270°的光线分离方向。LPF1～LPF4均具有相同的光线分离宽度2.10μm。
第三LPF3的点图像具有图4的第三行所示的相位差分布。具有最大相位差的点图像与具有最小相位差的点图像之间的距离Ds为0.870μm。这相当于0.138Da，这满足条件表达式(1)。
除以460nm和640nm的、在使用波长范围的最短波长460nm和最长波长640nm处在各LPF中出现的相位差的值之间的差值为1.118。由此，满足条件表达式(2)。
图6示出根据本示例性实施例的光学低通滤波器10的点图像强度分布。点图像强度分布表示与F2.0等效的光通量入射到光学低通滤波器10上时的焦点位置处的分布。所述分布源自在460nm～640nm的范围中平均化的波长。可以看出，虽然与16点分离的点图像分布不同，但是获得了在任何取向上都具有较少不均匀性的点图像分布。
图8示出图6的点图像强度分布的空间频率特性(调制传递函数(MTF))。图8中的四条线表明在水平方向(x)、竖直方向(y)、+45°方向(P)和-45°方向(N)上的MTF。在本示例性实施例中，MTF在所有方向上具有对称分布。
根据本示例性实施例的光学低通滤波器具有约110/mm的尼奎斯特频率Fn。由此，通过适度抑制颜色莫尔条纹在对角方向上的出现，可以增强感知的水平和竖直分辨率。
表2示出根据第一比较例的光学低通滤波器的配置。在该比较例中，光线分离宽度和相位差与第一示例性实施例中相同，而光线分离方向不同。距离Ds为5.070μm，这相当于0.805Da，并且不满足条件表达式(1)。
图7示出第一比较例的点图像强度分布，图9示出MTF图。根据第一比较例的点图像分布在中心附近的部分中是不均匀的。这导致水平方向(x)和-45°方向(N)上的MTF较高。其原因在于，与设计值相比，投影在水平方向(x)和-45°方向(N)上的点图像分布具有集中在中心部分上的分布形状。总体上，MTF在200lp/mm或更高的高频范围中没有充分下降。结果，颜色莫尔条纹可在特定的方向上增加。折叠莫尔条纹可发生在高频率处。
根据本示例性实施例，可以将多点分离光学低通滤波器的点图像分布均一化。由此，可以获得具有接近设计值的高度对称的点图像分布的光学低通滤波器。
将描述根据本发明的第二示例性实施例(第二数值例子)的光学低通滤波器。表3示出根据本示例性实施例的光学低通滤波器的配置。在本示例性实施例中，与第一示例性实施例相比，LPF1～LPF4具有如1.50μm那样小的光线分离宽度。LPF1～LPF4相对于x方向分别具有45°、180°、315°和90°的光线分离方向。LPF1～LPF4均具有相同的光线分离宽度1.75μm。
距离Ds为0.725μm，这相当于0.138Da，并且满足条件表达式(1)。除以460nm和640nm的、在使用波长范围的最短波长460nm和最长波长640nm处在各LPF中出现的相位差的值之间的差值为0.798。由此，满足条件表达式(2)。
图10示出根据本示例性实施例的光学低通滤波器的点图像强度分布。点图像强度分布表示与F2.0等效的光通量入射到光学低通滤波器上时的焦点位置处的分布。与第一示例性实施例中相比，该点图像更相互接近。由于点图像之间的干涉，点图像强度分布接近均一高斯分布的形状。
图11示出图10的点图像的空间频率特性(MTF)。图11中的四条线所示的MTF具有与第一示例性实施例中相同的意思。根据本示例性实施例的MTF在所有方向上具有对称分布。根据本示例性实施例的光学低通滤波器具有约150/mm的尼奎斯特频率Fn。由此，通过适度抑制颜色莫尔条纹在对角方向上的出现，可以增强感知的水平和竖直分辨率。
将描述根据本发明的第三示例性实施例(第三数值例子)的光学低通滤波器。表4示出根据本示例性实施例的光学低通滤波器的配置。在本示例性实施例中，与第一示例性实施例相比，LPF1～LPF4具有如3.03μm那样大的光线分离宽度。LPF1～LPF4相对于x方向分别具有135°、0°、225°和90°的光线分离方向。LPF1～LPF4均具有相同的光线分离宽度3.03μm。
距离Ds为1.255μm，这相当于0.138Da，并且满足条件表达式(1)。除以460nm和640nm的、在使用波长范围的最短波长460nm和最长波长640nm处在各LPF中出现的相位差的值之间的差值为1.613。由此，满足条件表达式(2)。
图12示出根据本示例性实施例的光学低通滤波器的点图像强度分布。点图像强度分布表示与F4.0等效的光通量入射到光学低通滤波器上时的焦点位置处的分布。点图像分布稍微不均匀，但是高度对称和均一。
图13示出图12的点图像的空间频率特性(MTF)。图13中的四条线所示的MTF具有与第一示例性实施例中相同的意思。根据本示例性实施例的MTF在所有方向上具有对称分布。MTF直到高频率范围都被均一地抑制。根据本示例性实施例的光学低通滤波器具有约80/mm的尼奎斯特频率Fn。由此，通过适度抑制颜色莫尔条纹在对角方向上的出现，可以增强感知的水平和竖直分辨率。
将描述根据本发明的第四示例性实施例(第四数值例子)的光学低通滤波器。图14和表5示出根据本示例性实施例的光学低通滤波器的配置。如图14所示，通过在光轴方向上依次层叠分别由水晶制成的五个LPF或LPF31～LPF35，构成根据本示例性实施例的光学低通滤波器40。LPF31～LPF35分别相对于x方向具有180°、45°、90°、315°和90°的光线分离方向。LPF31和LPF35具有相同的光线分离方向。LPF31和LPF35的光线分离宽度(1.32μm)为其它LPF32～LPF34的光线分离宽度(2.64μm)的一半。
根据本示例性实施例的光学低通滤波器40包括五个LPF即LPF31～LPF35，并且被原始配置为将入射光线分离成32个点。其中，八个点重叠于同一位置上，使得光学低通滤波器40是24点分离光学低通滤波器。几何光学点图像分布在x方向和y方向之间不完全相同。光线分离宽度在x方向和y方向上是相同的。
在本示例性实施例中，Ds是1.714μm，这相当于0.186Da，并且满足条件表达式(1)。关于条件表达式(2)，LPF31、LPF32和LPF34具有1.404的值，并且，LPF33和LPF35具有0.701的值。由此，满足条件表达式(2)。
图15示出根据本示例性实施例的光学低通滤波器40的点图像强度分布。点图像强度分布表示与F2.0等效的光通量入射到光学低通滤波器40上时的焦点位置处的分布。点图像分布稍微不均匀，但是高度对称和均一。
图16示出图15的点图像的空间频率特性(MTF)。图16中的四条线所示的MTF具有与第一示例性实施例中相同的意思。如上所述，光线分离的次数在x方向和y方向之间是不同的。因此，根据本示例性实施例的点图像分布在两个方向上不是几何光学相同的。但是，四个方向上的MTF在点图像之间的干涉具有高的影响的区域中具有相对对称的分布。根据本示例性实施例，可由此获得具有高度对称、均一的点图像分布的光学低通滤波器。
将描述根据本发明的第五示例性实施例(第五数值例子)的光学低通滤波器。图17和表6示出根据本示例性实施例的光学低通滤波器50的配置。根据本示例性实施例的光学低通滤波器50包括分别在y方向和x方向上以Db的光线分离宽度执行点图像分离的第二和第四LPF即LPF42和LPF44、以及在各对角方向上以Dc(Dc>Db)的光线分离宽度执行点图像分离的第一和第三LPF即LPF41和LPF43。第一到第四LPF即LPF41、LPF42、LPF43和LPF44在光轴方向上被依次交替层叠。
第一到第四LPF即LPF41、LPF42、LPF43和LPF44分别相对于x方向具有45°、180°、315°和90°的光线分离方向。第二和第四LPF即LPF42和LPF44由水晶制成。第一和第三LPF即LPF41和LPF43由铌酸锂(NbLiO3)制成。第二和第四LPF即LPF42和LPF44具有1.73μm的光线分离宽度。第一和第三LPF即LPF41和LPF43具有3.48μm的光线分离宽度。
距离Ds为3.191μm，这相当于0.367Da，并且满足条件表达式(1)。除以460nm和640nm的、在使用波长范围的最短波长460nm和最长波长640nm处在至少一个LPF或这里的第二和第四LPF即LPF2和LPF4中出现的相位差的值之间的差值为约1.038。由此，满足条件表达式(2)。
图18示出根据本示例性实施例的光学低通滤波器50的点图像强度分布。点图像强度分布表示与F4.0等效的光通量入射到光学低通滤波器50上时的焦点位置处的分布。根据本示例性实施例的光学低通滤波器50被配置为使得水平和竖直方向上的光线分离宽度与对角方向上的光线分离宽度不同，由此以与感知的水平和竖直分辨率兼容的方式实现对角颜色莫尔条纹的抑制。水平方向和竖直方向上的MTF和两个对角方向上的MTF均具有均一的分布。
图19示出图18的点图像的空间频率特性(MTF)。在图中的四条线所示的MTF中，对应于水平和竖直成分的MTF具有在高频上平稳下降的趋势。对角成分的MTF被配置为落在140lp/mm附近，使得可以抑制在该附近发生的假色，同时直到高频率都保持水平和竖直分辨率。对角成分的MTF在220lp/mm处折叠，但是与例如典型的四点分离相比仍被抑制得低。
图20示出作为本发明第六示例性实施例的成像装置100的配置。成像装置100包括根据上述的第一至第五示例性实施例中的任何一个的光学低通滤波器81、成像光学***83和图像传感器82。光学低通滤波器81被布置于成像光学***83和图像传感器82之间。穿过成像光学***83并进一步穿过光学低通滤波器81的光通量在图像传感器82上形成光学图像。图像传感器82光电转换光学图像以产生图像信号。
图像传感器82包括包含红色(R)、绿色(G)和蓝色(B)像素的Bayer排列的像素阵列，其中，特别是在对角(斜)方向上可能在空间高频区域中出现颜色莫尔条纹。也可能出现来自高频区域中的折回(alias)的亮度莫尔条纹。鉴于这些问题，通过使用根据第一至第五示例性实施例中的任何一个的光学低通滤波器81，可以在对角、水平和竖直方向中的每一个上提供对于颜色莫尔条纹和亮度莫尔条纹的有利抑制效果。光学低通滤波器81的配置可以根据图像传感器82的像素间距和成像装置100的配置被适当地选择。
上述的示例性实施例仅仅是代表性的例子。在实施本发明时，可以对示例性实施例进行各种变化和修改。
例如，LPF可以是诸如水晶和铌酸锂的不同材料的组合。根据允许的厚度和成本，层的数量可以是六个或更多。层的数量越多，整个点图像分布越平滑，但是干涉的影响越大。通过满足上述条件表达式，可以获得具有高度对称、均一的点图像分布的光学低通滤波器。
虽然光学低通滤波器的强度与光线分离宽度成比例，但也可以通过整个光线分离宽度的缩放(scale)控制截止空间频率。包括水平方向和倾斜方向的截止频率的整个截止频率可以偏移。为了对水平方向和倾斜方向执行独立控制，可以单独地控制点图像的倾斜分离和水平分离。希望根据要抑制的频率范围和方向适当地选择光线分离宽度。
表1
(第一示例性实施例)
Figure BDA0001766250570000191
表2
(第一比较例)
Figure BDA0001766250570000192
表3
(第二示例性实施例)
Figure BDA0001766250570000193
表4
(第三示例性实施例)
Figure BDA0001766250570000201
表5
(第四示例性实施例)
Figure BDA0001766250570000202
表6
(第五示例性实施例)
Figure BDA0001766250570000203
Figure BDA0001766250570000211
表7示出示例性实施例中的条件表达式的值。对于第四和第五示例性实施例，单独地在上面的行和下面的行中列出双折射光学元件的各材料的数值。关于条件表达式(3)，列出与各波长处的相位差δs有关的值。如表7所示，所有的示例性实施例满足条件表达式(3)。表7
Figure BDA0001766250570000212
虽然已参照示例性实施例说明了本发明，但应理解，本发明不限于公开的示例性实施例。所附权利要求的范围应被赋予最宽的解释以包含所有这样的修改以及等同的结构和功能。

Claims (15)

1.一种光学低通滤波器，其特征在于，所述光学低通滤波器包括各自被配置为将入射光线分离成多个光线的N个光学各向异性层的叠层，3≤N≤5，
其中，满足以下的条件：
Ds≤0.50Da，
其中，Da是在所述N个光学各向异性层中的第1光学各向异性层到第N-1光学各向异性层的光线分离宽度的总值，Da的单位为μm，并且Ds是在通过第1光学各向异性层到第N-1光学各向异性层分离的光线中的具有相对于入射光线的相位的最大相位差的光线和具有相对于入射光线的相位的最小相位差的光线之间的距离，Ds的单位为μm。
2.根据权利要求1所述的光学低通滤波器，其中，满足以下的条件：
0.5≤δmin/λmin-δmax/λmax，
其中，λmin和λmax分别是使用所述光学低通滤波器的波长范围中的最短波长和最长波长，λmin和λmax的单位为nm，并且δmin和δmax分别是在最短波长λmin和最长波长λmax处在第1光学各向异性层到第N-1光学各向异性层中的一个光学各向异性层中出现的相对于入射光线的相位的相位差，δmin和δmax的单位为nm。
3.根据权利要求1所述的光学低通滤波器，其中，满足以下的条件：
0.5≤δs/λmin-δs/λmax，
其中，λmin和λmax分别是使用所述光学低通滤波器的波长范围中的最短波长和最长波长，λmin和λmax的单位为nm，并且δs是在所述N个光学各向异性层中的一个光学各向异性层中出现的相对于入射光线的相位的相位差，δs的单位为nm。
4.根据权利要求1所述的光学低通滤波器，其中，在所述N个光学各向异性层中的两个相邻的光学各向异性层的光线分离方向之间形成的角度大于或等于120°且不大于150°，所述光线分离方向是从来自光学各向异性层的寻常光线与平行于该光学各向异性层的平面的交点到来自该光学各向异性层的非常光线与该平面的交点的方向。
5.根据权利要求1所述的光学低通滤波器，其中，所有的N个光学各向异性层具有相同的光线分离宽度。
6.根据权利要求5所述的光学低通滤波器，其中，满足以下的等式：
Δnd＝m×λa,
其中，Δnd是在使用所述光学低通滤波器的波长范围中的比最短波长λmin长且比最长波长λmax短的波长λa处在第2光学各向异性层到第N-1光学各向异性层中的一个光学各向异性层中出现的相对于入射光线的相位的相位差，Δnd、λa、λmin和λmax的单位为nm，并且m是自然数。
7.根据权利要求1所述的光学低通滤波器，
其中，所述N个光学各向异性层包含交替层叠的第一光学各向异性层和第二光学各向异性层，
其中，第一光学各向异性层分离入射光线，使得从来自第一光学各向异性层的寻常光线与平行于第一光学各向异性层的第一平面的交点到来自第一光学各向异性层的非常光线与第一平面的交点的方向在第一方向或与第一方向正交的第二方向上，以及
其中，第二光学各向异性层分离入射光线，使得从来自第二光学各向异性层的寻常光线与平行于第二光学各向异性层的第二平面的交点到来自第二光学各向异性层的非常光线与第二平面的交点的方向在相对于第一方向或第二方向的45°或135°的方向上。
8.根据权利要求7所述的光学低通滤波器，其中，第一光学各向异性层的光线分离宽度比第二光学各向异性层的光线分离宽度小。
9.根据权利要求7所述的光学低通滤波器，其中，满足以下的等式：
Δnd＝(m+0.5)/2×λa,
其中，Δnd是在使用所述光学低通滤波器的波长范围中的比最短波长λmin长且比最长波长λmax短的波长λa处在第二光学各向异性层中出现的相对于入射光线的相位的相位差，Δnd、λa、λmin和λmax的单位是nm，并且m是自然数。
10.根据权利要求1所述的光学低通滤波器，所述光学低通滤波器包括四个光学各向异性层的叠层。
11.根据权利要求1所述的光学低通滤波器，其中，满足以下的条件：
Ds≤4.2。
12.根据权利要求1～11中的任一项所述的光学低通滤波器，其中，满足以下的条件：
Ds≤0.4Da。
13.根据权利要求1所述的光学低通滤波器，其中，满足以下的条件：
0.5≤δmin/λmin-δmax/λmax≤3.0
其中，λmin和λmax分别是使用所述光学低通滤波器的波长范围中的最短波长和最长波长，λmin和λmax的单位是nm，并且δmin和δmax分别是在最短波长λmin和最长波长λmax处在第1光学各向异性层到第N-1光学各向异性层中的一个光学各向异性层中出现的相对于入射光线的相位的相位差，δmin和δmax的单位是nm。
14.根据权利要求1所述的光学低通滤波器，其中，满足以下的条件：
0.5≤δs/λmin-δs/λmax≤10.0
其中，λmin和λmax分别是使用所述光学低通滤波器的波长范围中的最短波长和最长波长，λmin和λmax的单位是nm，并且δs是在所述N个光学各向异性层中的一个光学各向异性层中出现的相对于入射光线的相位的相位差，δs的单位是nm。
15.一种成像装置，其特征在于，包括：
根据权利要求1～14中的任一项所述的光学低通滤波器；和
图像传感器，所述图像传感器被配置为光电转换由穿过所述光学低通滤波器的光所形成的光学图像。
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