JP4375043B2 - 光学ローパスフィルタおよびカメラ - Google Patents

Description

本発明は、撮像素子に対して用いられる光学ローパスフィルタ、およびそれを備えたカメラに関する。

デジタルスチルカメラやビデオカメラ等の電子カメラでは、ＣＣＤ素子やＭＯＳ素子等の固体撮像素子を用いて被写体像を撮像している。このような撮像素子では受光画素が規則的に配列されているため、受光画素の配列パターンと被写体像のパターンとによってモアレ縞や偽色などが生じやすい。通常、これらの影響を取り除くために、水晶やリチウムナイオベイト（ＬｉＮｂＯ_３）などの複屈折板を用いた光学ローパスフィルタを撮像素子の前面に配設するようにしている（例えば、特許文献１参照）。また、水晶等による光学ローパスフィルタを用いる代わりに、撮像素子を撮像面内で振動させるものも提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特開２０００−１３８８４９号公報 特開平６−１８９３１８号公報

しかしながら、上述した複屈折板は高価であるという欠点を有している。さらに、カットオフ周波数が固定であるため、撮像素子の画素ピッチに応じてそれぞれ光学ローパスフィルタを用意しなければならない。また、複屈折は一方向だけなので、画素配列に応じて複数方向に関してローパス効果を得るためには、複屈折板を複数用いる必要があった。一方、撮像素子を振動させる装置では、振動が撮像素子に対し悪影響をおよぼすおそれがあった。

請求項１の発明による光学ローパスフィルタは、撮影光学系により結像された被写体像を撮像する撮像素子の撮像面前方に配置され、透明光学部材から成り、複屈折性を有する平行平板と、平行平板に設けられ、該平行平板を前記撮像光学系の光軸方向に駆動する複数の駆動手段と、被写体画像の、平行平板の複屈折分離方向と異なる方向の、所定カットオフ周波数以上の空間周波数成分が除去されるように、複数の駆動手段をそれぞれの位相を異ならせて作動させる制御手段とを備えることを特徴とする。
請求項２の発明による光学ローパスフィルタは、撮影光学系により結像された被写体像を撮像する撮像素子の撮像面前方に配置され、透明光学部材から成る平行平板と、平行平板に設けられ、該平行平板を前記撮像光学系の光軸方向に駆動する複数の駆動手段と、被写体画像の所定カットオフ周波数以上の空間周波数成分が除去されるように、複数の駆動手段をそれぞれの位相を異ならせて作動させる制御手段とを備え、制御手段は、複数の駆動手段のそれぞれの振幅および位相の少なくとも１つを調整することにより、撮像面上における投影被写体像の移動軌跡が円および楕円のいずれかとなるように複数の駆動手段を制御することを特徴とする。

本発明によれば、透明光学部材から成る平行平板を被写体画像の所定カットオフ周波数以上の空間周波数成分が除去されるように駆動することにより、例えば、揺動振動させることにより、平行平板を光学ローパスフィルタとして機能させることができる。揺動振動の振幅等を調整することにより分離方向の調整や、カットオフ周波数の変更を容易に行うことができる。

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、本発明による光学ローパスフィルタを搭載したデジタルスチルカメラの概略構成を示す断面図である。図１は非撮影時の状態を示したものである。カメラ１の撮影レンズ２を通った被写体光は、クイックリターンミラー３により反射されて、焦点板４上に被写体像が結像される。焦点板４上に結像された被写体像は、ペンタプリズム５および接眼レンズ６を介してファインダ接眼窓７から観察することができる。

クイックリターンミラー３の背面側光軸上には、シャッタ８、光学ローパスフィルタ９および撮像素子１０が順に配設されている。撮像素子１０は２次元型の撮像デバイスであり、ＣＣＤ型、ＭＯＳ型、ＣＩＤ型など様々な形態がある。撮像素子１０で被写体像を撮像する場合には、クイックリターンミラー３を跳ね上げて光軸外へ退避させた後にシャッタ８を開閉する。

図２は光学ローパスフィルタ９を説明する図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は撮像素子側から見た図である。光学ローパスフィルタ９には、光学ガラスなどの透明光学部材から成る平行平板９１と、チタン酸バリウムやＰＺＴ等の圧電素子９２ａ〜９２ｄとが設けられている。平行平板９１は、圧電素子９２ａ〜９２ｄを介してベース部材９３に固定されている。ベース部材９３は撮像素子１０に対して一定の位置に固設されており、圧電素子９２ａ〜９２ｄが作動していない状態では、平行平板９は撮像素子１０の撮像面に対して平行に保たれている。

図２（ｂ）に示すように、平行平板９１は正方形状であり、圧電素子９２ａ〜９２ｄは平行平板９１の裏面側（撮像素子側）周縁部に設けられている。各圧電素子９２ａ〜９２ｄは平行平板９１の各辺中点位置に配設されており、圧電素子９２ａ，９２ｃはｘ軸方向に沿って配置され、圧電素子９２ｂ，９２ｄはｙ軸方向に沿って配置されている。駆動制御部９４から各圧電素子９２ａ〜９２ｄに電圧が印加されると、各圧電素子９２ａ〜９２ｄは図２（ａ）の矢印で示すように光軸方向（ｚ方向）に変位する。駆動制御部９４は、各圧電素子９２ａ〜９２ｄに独立に電圧を印加することができる。

本実施の形態では、各圧電素子９２ａ〜９２ｄを連動して駆動することにより平行平板９１を撮像面に対して傾けて、撮像面に投影される被写体像を撮像面上において振動するように移動させる。このように、被写体像を撮像素子１０の画素ピッチに対応させて振動させることにより、複屈折板を用いた光学ローパスフィルタと同様の効果を奏することができる。

図３は、平行平板９１の傾き姿勢と圧像面上の被写体像の投影位置との関係を説明する図である。図３（ａ）は、各圧電素子９２ａ〜９２ｄの駆動電圧がゼロで平行平板９１が撮像素子１０の撮像面と平行に配置されている場合を示す。この場合には、被写体光２０は撮像面上の点Ａに結像投影される。図３（ｂ）は、ｘ軸方向に並んだ圧電素子９２ａおよび９２ｃに電圧を印加して、圧電素子９２ａを伸長させ、圧電素子９２ｃを圧縮させた場合を示す。

圧電素子９２ａ，９３ｃの伸縮により、平行平板９１はｙ軸を軸として揺動し、図３（ａ）の状態から角度αだけ傾く。すなわち、撮像面に対して角度αだけ傾くことになる。平行平板９１が傾くと、平行平板９１に対する被写体光束２０の入射角が変化する。その結果、被写体像の投影位置は点Ａからｘ方向にΔｘだけ離れた点Ｂに移動する。逆に、圧電素子９２ａを圧縮させるとともに圧電素子９２ｃを伸長させると、投影位置は点Ｂとは逆方向にΔｘだけ離れた点Ｃに移動する。すなわち、圧電素子９２ａ，９３ｃの伸縮を連続して行うと、投影位置は点Ａと点Ｃとの間を振幅２Δｘで振動することになる。例えば、２Δｘを撮像素子１０の画素ピッチより大きくすることにより、この振動する平行平板９１を光学ローパスフィルタとして機能させることができる。

図４は撮像面上における被写体像の投影位置の移動軌跡を示す図であり、撮像面の一部を平行平板９１側から見た拡大図である。図４の１０１は画素を表しており、複数の画素１０１が格子状にｘ方向およびｙ方向に配設されている。図４（ａ）の軌跡Ｌ１は、図３（ｂ）で示したようにｘ軸方向に並んだ圧電素子９２ａ，９２ｃを互いに逆位相で伸縮振動させたときの投影位置の軌跡を示している。このとき、平行平板９１はｙ軸を軸として揺動振動するため、投影位置は軌跡Ｌ１のようにｘ軸に平行に振動する。そのため、このように平行平板９１を揺動振動させた場合には、光学ローパスフィルタ９（図１参照）はｘ軸方向の空間周波数に関するローパスフィルタとして機能する。

一方、ｙ軸方向に並んだ圧電素子９２ｂ，９２ｄを互いに逆位相で伸縮振動させると、平行平板９１はｘ軸を軸として揺動振動するため、被写体像の投影位置は軌跡Ｌ２のようにｙ方向に振動する。また、各圧電素子９２ａ〜９２ｄに印加する電圧を制御して、各圧電素子９２ａ〜９２ｄを図５に示すように振動させると、投影位置は軌跡Ｌ３で示すようにｘ、ｙ軸に対して斜め方向に振動する。

図５は、各圧電素子９２ａ〜９２ｄの振幅の時間的変化を示したものである。圧電素子９２ａと圧電素子９２ｄとは互いに同位相で振動しており、圧電素子９２ｂと圧電素子９２ｃとは互いに同位相で振動している。さらに、圧電素子９２ａ，９２ｄと圧電素子９２ｂ，９２ｃとは１８０度ずれた逆位相で振動している。例えば、各圧電素子９２ａ〜９２ｄの振幅を等しくすると、ｘ軸に対する角度θは４５度になる。

図４（ｂ）は別の振動形態による投影位置の移動軌跡を示したものであり、図６はそのときの各圧電素子９２ａ〜９２ｄの振幅の時間的変化を示したものである。図６に示すように、各圧電素子９２ａ〜９２ｄの位相は、９２ａ→９２ｂ→９２ｃ→９２ｄの順に９０度ずつずれている。そのため、投影位置は図４（ｂ）の軌跡Ｌ４のように反時計回りに円形を描く。

従来、複屈折板を用いた光学ローパスフィルタでは、光線を２方向に４点分離する場合には複屈折板が２枚必要であった。しかし、本実施の形態では、投影位置を円形軌跡Ｌ４のように移動させることにより、全方向に対して光学ローパス効果を得ることができる。そのため、格子状の画素配列に対して、複屈折板を２枚用いる従来の光学ローパスフィルタと同等の効果を得ることができる。また、撮像素子１０の面積が大きな場合であっても、水晶等の複屈折板に比べて安価な平行平板９１を大きくすれば良いだけなので、コストアップを大幅に抑制することができる。

図４（ｃ）は、円形軌跡Ｌ４を変形して楕円軌跡Ｌ５としたものである。楕円軌跡Ｌ５の場合も円形軌跡Ｌ４と同様に全方向に対して光学ローパス効果を得ることができるとともに、長軸方向の分離幅と短軸方向の分離幅とを異なる値に設定することができる。このように、各圧電素子９２ａ〜９２ｄに印加される電圧の大きさおよび位相を調整することにより、様々な軌跡を描かせることができる。

上述した実施の形態では平行平板９１として光学ガラス板を用いたが、光学ガラス板の代わりに複屈折板を用いても良い。この場合、平行平板９１による分離方向と複屈折板による分離方向とを互いに異なる方向に設定することにより、１枚の複屈折板で２方向の分離を行うことが可能となる。例えば、図４（ａ）の軌跡Ｌ１のように平行平板９１でｘ方向に分離する場合には、複屈折板でｙ方向に分離するようにする。

上述した実施の形態では、圧電素子を４つ用いて平行平板９１を揺動振動させたが、圧電素子の配置には種々の形態がある。図７の（ａ）〜（ｃ）に３種類の配置例を示した。図７（ａ）は圧電素子を１つ用いる場合であり、９２０は圧電素子、９２１，９２２は支点である。図７（ｂ）は圧電素子を２つ用いる場合であり、９２３，９２４は圧電素子で、９２６は支点である。図７（ｃ）は、３つの圧電素子９２３〜９２５で平行平板９１を支持する場合を示したものである。

なお、光学ローパスフィルタが着脱可能な一眼レフ式のデジタルカメラの場合、より高解像な撮影像を得る目的で光学ローパスフィルタを外して撮影を行うことがある。しかし、従来のカメラでは、光学ローパスフィルタの着脱が面倒であったり、着脱時などに光学ローパスフィルタに損傷を与えてしまうおそれがあった。しかし、本実施の形態では、圧電素子９２ａ〜９２ｄの印加電圧をオフするだけで、簡単に光学ローパス効果をオフすることができる。光学ローパスフィルタ９をカメラから外す必要はない。

本実施の形態の光学ローパスフィルタによれば、以下のような効果を奏することができる。
（ａ）光学ガラス等の平行平板９１を圧電素子により揺動振動させる構造のため、従来のように高価な複屈折板を用いることなく光学ローパスフィルタを構成することができる。
（ｂ）撮像素子１０を振動させないため、撮像素子１０に振動による悪影響が生じることはない。
（ｃ）１枚の平行平板９１で２方向に分離することができるとともに、圧電素子９２ａ〜９２ｄの振幅および位相を調整することにより分離方向を任意の方向に設定することができる。また、分離幅、すなわち、光学ローパスフィルタ９のカットオフ周波数も、振幅および位相を調整することにより任意の値に設定することができる。そのため、１種類の光学ローパスフィルタ９で、種々の画素配列および画素ピッチの撮像素子に対応することができる。
（ｄ）圧電素子９２ａ〜９２ｄに印加する電圧をオン・オフすることにより、光学ローパス機能のオン・オフを容易に行うことができる。また、必要なときのみに光学ローパス機能をオンすることにより、電力消費を抑えることができる。例えば、画像再生時はオフとしたり、レリーズボタンの半押しに連動してオン状態とするなど、種々の制御が可能である。

上述した実施の形態では、デジタルスチルカメラに用いられる光学ローパスフィルタを例に説明したが、デジタルスチルカメラに限らず撮像素子で撮影を行うものであれば、同様に適用することができる。また、平行平板９１を揺動振動させる振動手段としては、圧電素子の他に磁歪素子、振動モータ、ボイスコイルモータ等を使用することができる。

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、圧電素子９１ａ，９１ｂ，９１ｃ，９１ｄ，９２０，９２３，９２４，９２５は駆動手段を、駆動制御部９４は振幅変更手段および制御手段をそれぞれ構成する。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。

本発明による光学ローパスフィルタを搭載したデジタルスチルカメラの概略構成を示す断面図である。 光学ローパスフィルタを説明する図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は撮像素子側から見た図である。 平行平板の傾き姿勢と圧像面上の被写体像の投影位置との関係を説明する図であり、（ａ）は印加電圧＝０の場合を示し、（ｂ）は圧電素子に電圧を印加した場合を示す。 撮像面上における被写体像の投影位置の移動軌跡を示す図であり、（ａ）は直線の場合、（ｂ）は円形の場合、（ｃ）は楕円の場合をそれぞれ示す。 軌跡Ｌ３の場合における、圧電素子９２ａ〜９２ｄの振幅の時間的変化を示す図である。 軌跡Ｌ４の場合における、圧電素子９２ａ〜９２ｄの振幅の時間的変化を示す図である。 圧電素子の配置例を示す図であり、（ａ）は圧電素子が１つの場合、（ｂ）は圧電素子が２つの場合、（ｃ）は圧電素子が３つの場合である。

符号の説明

１ カメラ
２ 撮影レンズ
９ 光学ローパスフィルタ
１０ 撮像素子
９１ａ，９１ｂ，９１ｃ，９１ｄ，９２０，９２３，９２４，９２５ 圧電素子
９３ ベース部材
９４ 駆動制御部
１０１ 画素
９２１，９２２，９２６ 支点
Ｌ１〜Ｌ５ 軌跡

Claims (7)

1. 撮影光学系により結像された被写体像を撮像する撮像素子の撮像面前方に配置され、透明光学部材から成り、複屈折性を有する平行平板と、
   前記平行平板に設けられ、該平行平板を前記撮像光学系の光軸方向に駆動する複数の駆動手段と、
   被写体画像の、前記平行平板の複屈折分離方向と異なる方向の、所定カットオフ周波数以上の空間周波数成分が除去されるように、前記複数の駆動手段をそれぞれの位相を異ならせて作動させる制御手段とを備えることを特徴とする光学ローパスフィルタ。
2. 撮影光学系により結像された被写体像を撮像する撮像素子の撮像面前方に配置され、透明光学部材から成る平行平板と、
   前記平行平板に設けられ、該平行平板を前記撮像光学系の光軸方向に駆動する複数の駆動手段と、
   被写体画像の所定カットオフ周波数以上の空間周波数成分が除去されるように、前記複数の駆動手段をそれぞれの位相を異ならせて作動させる制御手段とを備え、
   前記制御手段は、前記複数の駆動手段のそれぞれの振幅および位相の少なくとも１つを調整することにより、前記撮像面上における投影被写体像の移動軌跡が円および楕円のいずれかとなるように前記複数の駆動手段を制御することを特徴とする光学ローパスフィルタ。
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、
   前記制御手段は、前記撮像素子による撮像時に、前記平行平板と前記撮像面との角度が変化するように前記複数の駆動手段を作動させることを特徴とする光学ローパスフィルタ。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の光学ローパスフィルタにおいて、
   前記複数の駆動手段は、前記平行平板の周縁部に設けられていることを特徴とする光学ローパスフィルタ。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の光学ローパスフィルタにおいて、
   前記複数の駆動手段は、複数の振動子であることを特徴とする光学ローパスフィルタ。
6. 請求項５に記載の光学ローパスフィルタにおいて、
   前記複数の振動子の振幅を変える振幅変更手段を設けたことを特徴とする光学ローパスフィルタ。
7. 請求項１〜６のいずれかに記載の光学ローパスフィルタを備えたことを特徴とするカメラ。
   

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