JPH0659218A - 光学的ローパスフィルタ - Google Patents

光学的ローパスフィルタ

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JPH0659218A
JPH0659218A JP4208715A JP20871592A JPH0659218A JP H0659218 A JPH0659218 A JP H0659218A JP 4208715 A JP4208715 A JP 4208715A JP 20871592 A JP20871592 A JP 20871592A JP H0659218 A JPH0659218 A JP H0659218A
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pass filter
optical low
refractive index
wavelength
layer
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JP4208715A
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Katsu Yamada
克 山田
Hiroaki Okayama
裕昭 岡山
Shusuke Ono
周佑 小野
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Original Assignee
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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    • G02B27/42—Diffraction optics, i.e. systems including a diffractive element being designed for providing a diffractive effect
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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/18—Diffraction gratings
    • G02B5/1866—Transmission gratings characterised by their structure, e.g. step profile, contours of substrate or grooves, pitch variations, materials
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 光学的ローパスフィルタを構成する際に用い
られる、充填材の屈折率を指定することにより、充填材
に厚みや偏りが生じる場合でも高画質の映像を得ること
のできる光学的ローパスフィルタを得る。 【構成】 Ｇ波長帯域中心波長での屈折率を第１層７と
第２層８とも非常に近い値をとり、屈折率分散は第１層
７の方が第２層８よりも大きいように設定し、２層間の
境界面に第１層と第２層の屈折率の±20%の大きさの屈
折率を持つ材料を挿入する。さらに、２層の境界面に周
期的構造を形成することにより、本フィルタで発生する
位相差はＲ、Ｂ波長帯域では大きくＧ波長帯域では小さ
いものとなり、波長選択性をもった光学的ローパス効果
を発生させることができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は色分離フィルタを有する
単板式カラービデオカメラや固体撮像素子を用いたカラ
ービデオカメラ等の光学系において、画像を離散的に得
る際に波長帯域毎に好適な光学的ローパス効果を与える
ことによって有用な画像特性を得る光学的ローパスフィ
ルタに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】一般的に固体撮像素子を用いたビデオカ
メラ等では、撮像素子上に結像した被写体の像を空間的
に離散的にサンプリングする事によって出力画像情報を
得ている。このとき被写体が撮像素子の空間的なサンプ
リング周波数より高い空間周波数成分を含んだものであ
った場合、固体撮像素子から出力される出力画像情報
は、被写体の有していない構造や偽信号を含んだものと
なる。
【０００３】すなわち、固体撮像素子の採取することの
できないナイキスト周波数より高い周波数成分が、エイ
リアジング、モアレ縞、偽色等の偽信号となって出力さ
れる。このため、従来から撮像系の一部に光学的ローパ
スフィルタを配置することによって、固体撮像素子に入
力される被写体の高い空間周波数成分を制限しており、
この目的のために光学的ローパスフィルタとして水晶板
等の複屈折を利用したもの、近年では位相格子を利用し
たものが用いられている。しかしながら、従来の光学的
ローパスフィルタでは、ほとんどが全波長についてほぼ
等しいローパス効果を得ることを目的としたものであっ
た。
【０００４】ところが、近年になり単板式の撮像系で用
いられる原色カラーフィルタが、透過波長帯域毎に各色
フィルタ部の空間的な分布密度、すなわち空間周波数が
異なっていることを利用して、高い空間周波数で分布し
ている波長帯域については高いサンプリング周波数でサ
ンプリングし、比較的低い空間周波数で分布している波
長帯域については低いサンプリング周波数でサンプリン
グすることにより好適な画像情報を得る試みがなされて
いる。
【０００５】例えば、特願平３−２３０１５６号の光学
的ローパスフィルタは、ある波長での屈折率が等しく、
アッベ数の異なる材料を張り合わせて構成されており、
それによって、特定の波長だけを減衰させている。しか
し、材料と材料を張り合わせるために挿入する充填材料
が厚みや偏りを持って挿入された場合、充填材料自体が
位相格子となって、期待されたローパス効果を得られな
い可能性があった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】２種類以上の材料を用
いて光学的ローパスフィルタを構成する際に、材料と材
料の間に充填材料を挿入する必要があり、充填材料は厚
みをもち、かつ、偏りをもって挿入される可能性があ
る。そのため、充填材料自体が位相格子の性質をもつこ
とになって、ローパス効果を必要としない波長まで、遮
断あるいは減衰させられることになってしまう。
【０００７】そこで、本発明では上記課題を解決し、高
いＭＴＦ（Modulation Transfer Function)特性をもっ
た光学的ローパスフィルタを提供することを目的とす
る。
【０００８】
【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に本発明は、ある波長λdで屈折率が等しく、屈折率分
散が異なり、かつ、位相差形状を持つ２つの材料の境界
面に、２つの材料の屈折率をＮｏ(λd)とするときに、
以下の条件を満たす波長λdで屈折率Ｎｐ(λd)をもつ材
料を挿入して重ね合わせ、充填材の厚みや偏りの影響を
小さくすることによって、高いＭＴＦ特性を維持しつ
つ、空間周波数を所望のカットオフ周波数で制限するこ
とのできる、光学的ローパスフィルタを提供するもので
ある。
【０００９】0.8No(λd)<Np(λd)<1.2No(λd)
【００１０】
【作用】位相差を発生させる境界面の形状が同じ場合、
重ね合わせた材料の屈折率差が小さいほど位相差は小さ
く、逆に屈折率差が大きいほど位相差は大きく、λdか
ら離れた波長帯域は、２つの材料の屈折率分散が比較的
大きく異なることから屈折率差も大きくなり位相差も大
きくなる。また、波長λdにおける２つの材料の屈折率
をＮｏ(λd)とするときに、Ｎｏ(λd)にほぼ等しい屈折
率Ｎｐ(λd)をもつ充填材を２つの材料間に挿入する。
これによって、充填材の厚みや偏りに大きく影響を受け
ることがなく、基準波長λd付近では光学的ローパス効
果が弱く高い空間周波数領域まで空間周波数が延びる結
果となる。
【００１１】
【実施例】以下本発明の一実施例の光学的ローパスフィ
ルタについて、図面を参照しながら説明する。
【００１２】図１は本発明の第１の実施例の光学的ロー
パスフィルタを使用したときの配置例を示す図である。
図１において１は被写体、２はレンズ系、３は光学的ロ
ーパスフィルタ、４はカラーフィルタ、５は像面、６は
撮像素子を示している。ただし、光学的ローパスフィル
タ３の配置場所については、図１に示す位置に限るもの
ではなく、レンズ途中あるいはレンズ系の前でも良い。
【００１３】図２において、図１の光学的ローパスフィ
ルタを位相差形状を形成する２層と、その間に前記２層
を固定する層で構成し、位相を形成する２層の境界面の
形状を台形波にした場合の斜視図を図２（ａ）に示して
いる。７は像面側の層、８は物体面側の層、９は前記２
層を固定する層である。
【００１４】また、断面図を図２（ｂ）に示しており、
形状は台形波を周期的にｘ方向に並べたものであり、頂
上部の平坦部分１０をａ、低部の平坦部分１１をｂ、周
期をＡとしたとき、
【００１５】
【数２】
【００１６】
【数３】
【００１７】
【数４】
【００１８】の条件を満足するものである。なお、本実
施例において光学的ローパスフィルタの位相差部の形状
は、一次元や台形、２枚構成に限るものではなく、また
接着層を挿入するのであれば必ずしも同じ形状である必
要はない。
【００１９】たとえば、原色カラーフィルタを用いた撮
像系では一般的に緑の波長帯域の分布が多く、サンプリ
ング周波数も高くなっている。これに対し、赤と青の波
長帯域の分布は緑の波長帯域の分布に比べて少なくサン
プリング周波数も低いものとなっている。さらに、緑の
波長帯域からの出力信号が輝度信号に対する重率も高い
ことに着目し、緑の波長帯域のサンプリング周波数を赤
あるいは青のサンプリング周波数よりも高く設定するこ
とができれば、緑波長帯が輝度信号に寄与する割合が最
も高く、解像度の向上につながる。そこで、本実施例で
は緑の遮断周波数をできるだけ高くし、かつ赤あるいは
青の波長帯域の遮断周波数を従来の遮断周波数付近に設
定することを目的としている。そのためには、光学的ロ
ーパスフィルタを構成する材料の形状や屈折率だけでな
く、材料と材料の間にある充填材が厚みと偏りをもった
場合に、上記効果が得られるように充填材の屈折率を考
える必要がある。
【００２０】そこで、例えば、被写体側の層のｄ線の屈
折率ｎdを1.5691、アッベ数νdを71.3、像面側の層のｄ
線の屈折率ｎdを1.5673、アッベ数νdを42.8、境界面に
挿入する材料の屈折率ｎdを1.5594、アッベ数νdを51.
3、さらに（数３）、（数４）、（数５）の条件を満た
すものとしたときのＭＴＦ特性を図３に示す。ただし、
fは遮断したい空間周波数、λRはＲ帯域の中心波長、λ
BはＢ帯域の中心波長、ｄは本発明の位相格子フィルタ
から像面までの距離、Ａは本発明の位相格子フィルタの
ピッチ、ＮRはＲ帯域の中心波長における２層間の屈折
率差、ＮBはＢ帯域の中心波長における２層間の屈折率
差、ｈは２層間の境界面の境界面を形成する台形の高
さ、πは円周率を示す。なお、本実施例において２層の
順序を入れ換えても何等性能に影響はない。
【００２１】
【数５】
【００２２】図３において、波線で示した１２は青の波
長帯域のＭＴＦ特性、実線で示した１３は赤の波長帯域
のＭＴＦ特性、点線で示した１４は緑の波長帯域のＭＴ
Ｆ特性である。また、f cRは赤の波長帯域での遮断周波
数、f cBは青の波長帯域での遮断周波数を示している。
図３からわかるように、この系の遮断周波数をｆcBとｆ
cRの間に設定した場合、遮断周波数での緑の波長帯域の
ＭＴＦ値は十分高いのに対し、赤と青の波長帯域の遮断
周波数でのＭＴＦは十分低くなっており、検出限界とな
る結果が得られる。
【００２３】図４は、本発明の第２の実施例の光学的ロ
ーパスフィルタを互いに平行でない、３つの層から構成
した場合の２つの境界面において最も被写体側の層１５
と次の層１６との境界面１７に図中のｘ方向に一次元的
に位相差を発生させる構造を形成し、最も像面側の層１
８と被写体側の層１６との境界面１９に図中のｙ方向に
１次元的に位相差を発生させる構造を形成した構成例で
ある。
【００２４】図５は本発明の第１の実施例の光学的ロー
パスフィルタを用いて水平解像度を２倍にするための光
学系の構成例である。図５において、２０はレンズ系で
ある。２１は垂直方向に効果があり、固体撮像素子のナ
イキスト周波数の半分でローパス効果を持つ光学的ロー
パスフィルタである。２２は水平方向に効果があり、固
体撮像素子のナイキスト周波数でローパス効果を持つ光
学的ローパスフィルタである。２３は赤外カットフィル
タで、２４は光学的ローパスフィルタである。ただし、
垂直方向、水平方向それぞれの光学的ローパスフィル
タ、赤外カットフィルタ及び位相格子光学的ローパスフ
ィルタの配置する順序及び表裏は任意である。また、光
学的ローパスフィルタの前に波長板をいれることによっ
てその効果が高まることは言うまでもない。２５は固体
撮像素子の保護ガラス、２６は原色カラーフィルタ、２
７は固体撮像素子である。本来の光学系は水平方向のみ
波長選択性をもたせ、水平方向の解像度を増やすもので
あり、光学的ローパスフィルタは水平方向についてのみ
効果を持つものであり、ローパス効果の影響を大きく受
けずに通過する水平方向のＧ成分及び、垂直方向の高周
波成分を落とすために、光学的ローパスフィルタ以外に
２１及び２２の光学的ローパスフィルタを設けたもので
ある。なお、光学的ローパスフィルタ２４を二次元的に
適用すれば水平垂直方向の解像度の向上が可能となる。
【００２５】図６は本発明の第１の実施例の光学的ロー
パスフィルタを用いたビデオカメラの構成例で、２８は
図５に示されるような原色カラーフィルタ及び光学的ロ
ーパスフィルタおよび必要な光学的ローパスフィルタを
含んだ光学系、２９は固体撮像素子である。固体撮像素
子２９でサンプリングされた信号は、３０のサンプルホ
ールド、３１のゲインコントロール、３２のγ補正の
後、３３の信号処理回路に入力されＲ、Ｇ、Ｂそれぞれ
の波長帯域毎に回路でのローパスフィルタ、ホワイトバ
ランス及び輝度信号・色信号が作成され、記録系で磁気
テープ等の磁気媒体に記録される。このとき、輝度信号
を構成するＧ成分の重率が高いことに注目し、Ｇのサン
プリング時のカットオフ周波数をＲ、Ｂに比べて高いこ
とから輝度による解像度を高く得ることができる。この
方法で、従来のＲ、Ｇ、Ｂとも同じ空間周波数でカット
オフを設けることに比べて高い解像度を得ることが可能
になる。
【００２６】
【発明の効果】以上のように、本発明は固体撮像素子等
をもつビデオカメラ等の撮像系に、ある波長での屈折率
が等しく、かつ屈折率分散が異なる複数枚の位相格子
を、ある波長λdにおいて、位相格子の屈折率をＮｏ(λ
d)とし、位相格子を接着する充填材の屈折率をＮｐ(λ
d)とするときに、以下の条件を満たす充填材で構成され
る光学的ローパスフィルタを設けることにより、任意の
波長で異なる空間周波数遮断特性を持った光学的ローパ
スフィルタを得ることができる。
【００２７】0.8No(λd)<Np(λd)<1.2No(λd) さらに、本発明の光学的ローパスフィルタを光学系中に
用い、Ｇ成分のカットオフ周波数をＲ、Ｂに比べて高く
設定することによって、好適な解像度を持った撮像系を
構成することができる。また、本発明による構成を用い
ることにより、位相格子の位相差を発生させる構造形状
に自由度を持たせることができ、ＭＴＦ特性も所望の好
適なものが得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例の光学的ローパスフィル
タを光学系中に用いた例を示す図
【図２】同実施例における光学的ローパスフィルタの２
層間の位相差形成部分を周期的な台形波としたときの構
成を示す図
【図３】同実施例における光学的ローパスフィルタによ
るＲＧＢ各波長帯域の空間周波数特性を示す図
【図４】本発明の第２の実施例における光学的ローパス
フィルタで、互いに平行でない３層で形成された場合の
構成を示す図
【図５】本発明の実施例における光学的ローパスフィル
タを用いた光学系の構成を示す図
【図６】同実施例における光学的ローパスフィルタ及
び、原色カラーフィルタを用いてビデオカメラを構成し
た場合の構成を示す図
【符号の説明】
１ 被写体 ２ レンズ系 ３ 光学的ロ−パスフィルタ ４ カラ−フィルタ ５ 像面 ６ 撮像素子 ７ 像面側の層 ８ 物体面側の層 ９ 充填材 １０ 台形波の頂上部の平坦部 １１ 台形波の低部の平坦部

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】少なくとも異なる２種類の層を重ね合わ
    せ、境界面に位相差分布を発生させる形状を形成し、さ
    らに両層を固定するための層を挿入することにより、波
    長毎の光学的ローパス効果が異なり、以下の条件を満足
    することを特徴とする光学的ローパスフィルタ。 (1)2種類の材料の屈折率は波長λが 470nm<λ<580nm の範囲にある波長λにおいて Ｎｏ（λ）＝Ｎｉ（λ） (2)2種類の材料のアッベ数は νdo<νdi あるいは νdo>νdi (3)両層に挿入する材料の屈折率は 0.8Ｎｏ（λ）＜Ｎｐ（λ）＜1.2Ｎｏ（λ） ただし、位相差形状を形成する2層のうち、Ｎｏ（λ）
    は被写体側の層の波長λにおける屈折率、Ｎｉ（λ）は
    像面側の層の波長λにおける屈折率を、νdoは物体側の
    層のアッベ数、νdiは像面側の層のアッベ数、Ｎｐ
    （λ）は両層に挿入する材料の屈折率を示す。
  2. 【請求項２】請求項１記載の光学的ローパスフィルタに
    おいて、隣合う２層間の位相差を発生させる構造を、一
    次元方向に縞状に構成したことを特徴とする光学的ロー
    パスフィルタ。
  3. 【請求項３】請求項２記載の光学的ローパスフィルタに
    おいて、隣合う２層間に一次元的に構成された縞状の位
    相差を発生させる構造の断面が周期的な台形波状で、頂
    上部の平坦部の幅をａ、低部の平坦部の幅をｂ、高さを
    ｈ、ピッチをＡ、基準波長をλｄ、位相格子フィルタと
    像面との距離をｄ、遮断周波数をｆ、原色カラーフィル
    タの赤色帯域の中心波長λR、原色カラーフィルタの青
    色帯域の中心波長λB、波長λRでの被写体側の層と像面
    側の層の屈折率差ＮR、波長λBでの被写体側の層と像面
    側の層との屈折率差ＮBとしたとき、以下の条件を満足
    することを特徴とする光学的ローパスフィルタ。 0.1<a/A<0.9、0.1<b/A<0.9 【数１】
  4. 【請求項４】請求項１記載の光学的ローパスフィルタに
    おいて、隣合う２層間の位相差を発生させる構造を二次
    元的に縞状に形成したことを特徴とする光学的ローパス
    フィルタ。
  5. 【請求項５】請求項１記載の光学的ローパスフィルタに
    おいて、少なくとも２つの境界面を持つように構成し、
    それぞれ隣合う２層間の位相差を発生させる構造を一次
    元的に縞状に構成し、互いに位相差を発生させる構造を
    平行でないように形成したことを特徴とする光学的ロー
    パスフィルタ。
  6. 【請求項６】請求項１記載の光学的ローパスフィルタを
    用いて構成されることを特徴とする光学系。
  7. 【請求項７】請求項６記載の光学的ローパスフィルタを
    用いた光学系を用いて構成される固体撮像素子をもつカ
    メラ。
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