WO2007083783A1

WO2007083783A1 - 光学的ローパスフィルタおよびこれを用いた撮像装置

Info

Publication number: WO2007083783A1
Application number: PCT/JP2007/050861
Authority: WO
Inventors: Takashi Masuda; Masafumi Sei; Masahiko Honda; Hidetoshi Kubota; Kenichiro Waki
Original assignee: Acutelogic Corporation
Priority date: 2006-01-20
Filing date: 2007-01-16
Publication date: 2007-07-26
Also published as: EP1978753A4; US20090169126A1; TWI366680B; CN101366289A; TW200730880A; JP4558804B2; EP1978753A1; JPWO2007083783A1; KR20080089601A

Abstract

　光学的ローパスフィルタ２を例えば複屈折板により構成し、光線分離幅を可変制御することで、撮影モードに応じてカットオフ周波数を変えられるようにする。撮像素子５の画素数は、動画の表示解像度に対応する画素数よりも多く設定しておく。静止画撮影モードのときは光線分離幅を狭くすることで、撮像素子５の解像度をなるべくそのまま活かして、偽色の発生をある程度抑制することができるようにする。一方、動画撮影モードのときは光線分離幅を広くすることで、出力画像信号に不要な解像度成分に相当する高周波成分をカットするとともに、静止画撮影モードと比較して偽色の抑制を強く余裕をもって行うことができるようにする。

Description

光学的ローパスフィルタおよびこれを用いた撮像装置

技術分野

本発明は、光学的ローパスフィルタおよびこれを用いた撮像装置に関し、特に、像のぼけを利用して高周波成分を除去する光学フィルタに用明

いて好適なものである。また、 1台のカメラで動画と静止画の双方を撮細

影できるように成されたハイブリッドカメラに用いて好適なものである

背景技術

近年、 1台のカメラ.で動画と静止画の双方を撮影できるように成された、いわゆるハイブリツ'ドカメラが提供されている。そして、撮影される動画おょぴ静止画の画質を向上させるための工夫が成されている。例えば、殆どのハイプリッドカメラでは、静止画の解像度を高くするために画素数の多い撮像素子が用いられている。また、サンプリングによる偽色（色モアレ）の発生を抑制することも、画質の向上を図る上で重要な要素である。

ここで、偽色が発生する原理について説明する。撮像素子は微小画素の集まりであり、撮像素子で光学像を捉えるということは、画素ピッチの間隔で信号をサンプリングすることに相当する。例えば、フォトダイオード（画素）を正方格子状に配列させた撮像素子において、画素ピッチを d とすると、サンプリング周波数 f s は、 f s = l / d となる。

このとき、図 1に示すように、周波数領域におけるナイキスト周波数 ( = f s / 2 ) よりも大きな周波数領域が実空間での折り返し成分となり、実際には存在しないパターン（偽色）として現れる。すなわち、図 1の実線で示すように被写体の空間周波数が撮像素子のナイキスト周波数を越えている場合、被写体に偽色が発生してしまうおそれがある。

このため、通常は、図 2 に示すように、撮像素子のナイキスト周波数 ( f s / 2 ) をカットオフ周波数 f c ( = f s / 2 ) に設定した光学的ローパスフィルタ（ O L P F ) を光路中に設け、撮像素子に入射する撮像光をクイルタリングしている（例えば、特許文献 1， 2参照）。

特許文献 1 ：特開平 6 — 2 9 2 0 9 3号公報

特許文献 2 ：特許第 2 5 5 6 8 3 1号公報

光学的ローパスフィルタは、水晶やニオブ酸リチウムなどを素材とした複屈折板から成り、光の複屈折を利用して高周波成分を除去する光学フィルタである。すなわち、図 3に示すように、複屈折板は入射光'線を常光線と異常光線とに分離する性質を有しているため、これを撮像素子への結像光路中に配置すると、撮像素子の結像面には、常光線による像と異常光線による像とが重なって二重像が形成される。その結果、複屈折板は、光線分離幅（常光線と異常光線との間隔）の 2倍の大きさの波長に相当する空間周波数成分を被写体像の中から除去する光学的ローパスフィルタとして機能することになる。光線分離幅は、複屈折板の厚さに比例するため、二重像の分離 Φ富が撮像素子の画素ピツチとほぼ等しくなるように複屈折板の厚さを定めると、偽色の発生を抑制することができるのである。発明の開示

ところが、図 4のように、正方格子配列された撮像画素上にカラーフィルタがべィヤー配列されている撮像素子の場合、縦横方向の G色（緑色）の画素ピッチは dであるが、. R色（赤色）および B色（青色）の画素ピッチは 2 d となるから、 R色および B色のナイキスト周波数は f s

/ 4 となる ( f s = 1 / dで、 f s は G色のサンプリング周波数に相当する ) 。したがって、偽色の発生を兀全に防止するためには、光学的口

—ノスフィルタの力ットオフ周波数 f c は f s / 4以下に Ik疋するのが好ましい。色の観点からみると、最適な光学的ローパスフィルタの Bx Ah は、上記のようになる。

し力しながら、解像度の観点からみ 'ると、出力画像の解像感が損なわれるほどまでは、光学的ローパスフィルタの効果を強くすることができない。すなわち、出力画像のサンプリング周波数を F s 、画素ピッチを

D ( = 1 / F s ) とした場合、出力画像に充分な解像感を待たせるようにするには、光学的ローパスフィルタのカツトオフ周波数 f c を少なくともほぼ F s / 2 ( = 1 / 2 D ) 、またはこの周波数を少し超えるくらいに設定する必要がある。

―般的なべィヤー配列の撮像素子を持ったデジタルカメラでは、撮像素子の画素数と出力画像の画素数とは同程度になつている（その力メラの最高画質のモードに設定した場合）。この種のデジタルカメラでは、撮像素子の画素ピッチ d と出力画像の画素ピッチ D とが等しくなつている。このようなデジタルカメラでは、光学的ローパスフイノレタの力ッ卜ォフ周波数 f c をほぼ f s Z 2 ( = 1 / 2 d ) 、またはこの周波数を少し超えるくらいに設定している。

これは、色の観点よりも解像度の観点を重視していることを意味している。この場合、 G色のナイキスト周波数は f s / 2なのャ、 G色の偽色はあまり目立たないが、 R色と B色のナイキスト周波数は f s 4 なので、 R色と B色による偽色は残つてしまう。し力し、このよ Όな場合でも、被写体そのものが高周波成分を持たなければ、偽色は発生しない

。そのため、一般的なユーザは色より解像度を優先する傾向が強い ο 般的なデジタルカメラでは、この傾向に合わせて、上記のように光学的ローパスフィルタのカツトオフ周波数 f c を設定している。

一般的なデジタルカメラでは色よりも解像度の観点を優先させているが、本出願人は、色の観点と解像度の観点との両者を同時に満たすようなカメラを考案している（例えば、特許文献 3参照）。この特許文献 3 に記載のカメラでは、撮像素子により生成された N個の画素信号から 1 個の出力画像信号を生成するようにし'ている。撮像素子の画素ピッチ d と出力画像の画素ピッチ D との関係は、 d く D となっている。これにより、光学的口一パスフィルタのカットオフ周波数 f c を、色の観点と解像度の観点との両者を満足するように設定することができる。

特許文献 3 ：特願 2 0 0 4— 1 5 6 0 8 3

一般的に、画質の向上を図る際に、静止画の場合は、高画素数 · '高解像度であることが強ぐ求められる。これに対し、動画の場合は、高解像度であることが強く求められるが、画素数は規格（ S D規格で 3 5万画素程度、 H D規格で 2 0 8万画素程度）を満たせば良い。規格に合わせる必要のない静止画向けのカメラの画素数（数百万画素千万画素超

) は、動画の規格を満たす画素数に比べてずっと多い。さらに動画撮影用カメラでは、 3板式撮像素子を用いることによって偽色の殆ど発生しないカメラが普及しているため、これと同等に偽色の発生を抑制することも強く求められる。しかし、静止画 · 動画ともに、高解像度が低偽色よりも優先される傾向にある。

—台のカメラで静止画と動画の双方を撮影できるように成されたハイプリッドカメラを作成する場合、静止画と動画の双方に対して同時に適切な周波数特性を光学的口一パスフィルタに設定することができない。上述のように、静止画に最適な光学的ローパスフィルタのカツトオフ周波数 f cは、ほぼ f s / 2 ( = 1 / 2 d ) またはこの周波数を少し超えるくらいであり、動画に最適なカツトオフ周波数 f c はこれよりも低レ本発明は、このような実情に鑑みて成されたものであり、動画に関しては出力画像の解像度を犠牲にすることなく偽色の発生を効果的に抑制できるようにするとともに、静止画に関しては偽色の発生を極力抑制しつつ解像度を充分に高められるようにすることを目的とする。

上記した課題を解決するために、本^明の光学的口一パスフィルタでは、静止画撮影モードか動画撮影モ一ドかに応じて、撮像素子に結像する像のぼけ具合を可変制御するようにしている。例えば、静止画撮影モ —ドか動画撮影モードかに応じて光線の分離幅を可変制御することにより、静止画撮影モ一ドのときは光線分離幅を第 1の幅とすることによつて像のぼけ具合を第 1 の量とし、動画撮影モードのときは光線分離'幅を第 1 の幅よりも広い第 2の幅とすることによって像のぼけ具合を第 2の量とするようにしている'。

また、このような光学的ローパスフィルタを利用した本発明の撮像装置では、動画の規格で定められている表示画素数よりも多い画素数の撮像素子を備え、動画撮影モードのときは、撮像素子により生成された N 個の画素信号から 1個の出力画像信号を生成するようにしている。

上記のように構成した本発明によれば、静止画撮影モードのときは、光学的口一パスフィルタでの光線分離幅が比較的狭くなるように制御きれることとなる。光学的ローパスフィルタのカツトオフ周波数は光線分離幅に依存するため、光線分離幅を比較的狭くしてカットオフ周波数がほぼ f sノ 2、または、この周波数を少し超えるくらいとなるように制御することにより、撮像素子の解像度.をなるベくそのまま活かして、偽色の発生をある程度抑制することができる。これにより、強く求められる高解像度の要求を満足し、かつ.、必要最小限の偽色抑制を施した静止画を得ることができる。

—方、動画撮影モードのときは、光学的ローパスフィルタでの光線分離幅が比較的広くなるように制御され、撮像素子により生成された N個の画素信号から 1個の出力画像信号が生成されることとなる。光線分離. 幅を比較的広くしてカツトオフ周波数が出力画像の画素のナイキスト周波数に相当する周波数、または、この周波数を少し超えるくらいとなるように制御することにより、出力画像号に不要な解像度成分に相当する高周波成分を光学的ローパスフィルタによりカツトすることができる。また、静止厕撮影モードと比較して、偽色の抑制を強く余裕をもって行うことができる。これにより、動画の規格で要求される解像度を満足し、かつ、偽色が効果的に抑制された動画を得ることができる。図面の簡単な説明

図 1は、偽色の発生原理を示す周波数特性図である。

図 2は、偽色をカツトする光学的ローパスフィルタの周波数特性を示す図である。

図 3は、光学的口一パスフィルタの基本原理を示す図である。

図 4は、べィヤー配列の画素ピッチをす図である。

図 5は、本実施形態による撮像装置の主要構成部を示す図である。

図 6は、液晶の複屈折を説明するための図である。

図 7は、本実施形態による光学的ローパスフィルタの一構成例を示す図である。

図 8は、出力画像信号生成部によって行われる解像度変換処理の例を示す図である。

図 9は、出力画像信号生成部によって行われる解像度変換処理の例を示す図である。図 1 0は、出力画像信号生成部によって行われる解像度変換処理の例を示す図である。

図 1 1は、本実施形態による光学的ローパスフィルタの他の構成例を示す図である。

図 1 2は、図 1 1 に示す偏光液晶層の液晶分子の配列を示す図である図 1 3は、本実施形態による光学的口一パスフィルタの他の構成例を示す図である。

図 1 4は、本実施形態による光学的ローパスフィルタの他の構成例を示す図である。

図 1 5は、本実施形態による光学的口一パスフィルタの他の構成例を示す図である。 ' 発明を実施するための最良の形態

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。図 5は、本実施形態による撮像装置 1 の主要構成部を示す図である。本実施形態の撮像装置 1 は、光学的ローパスフィルタ 2 を備えた撮像光学系 3 と、この撮像光学系 3から出力された撮像光を所定の色成分に分解するカラーフィルタ 4 と、このカラーフィルタ 4'を通過した撮像光を光電変換して画素信号を生成する撮像素子 5 と、この撮像素子 5から取得した画素信号に基づいて出力画像信号を生成するもので、 A/D コンパ一タ 7および I S P 8 (Image Signal Processor) を備えた出力画像信号生成部 6 と、上述の光学的ローパスフィルタ 2および出力画像信号生成部 6内の I S P 8を制御する C P U 9 (Central Processing Unit) とを備えている光学的ローパスフィルタ 2 は、撮像光の高い空間周波数成分を抑制する役割を果たすものである。本実施形態の光学的ローパスフィルタ 2は、例えば、液晶を素材とする複屈折板から成っており、撮像光の光路上で撮像素子 5の前方に配置される。物質の誘電率が非等方的な場合、その物質に対する入射光線は、その振動方向との関係によって、偏光方向の異なる 2つの光線に分離される。

図 6 に示すように、光学的ローパスフィルタ 2が液晶から成る複屈折板の場合、複屈折板に対する入射光線'は、液晶分子 2 1 の分極方向（長軸方向）に垂直な方向に振動する光線（常光線）と、液晶分子 2 1 の分極方向に平行な方向に振動する光線（異常光線）とに分離される。図 6 では、常光線は紙面に垂直に振動する偏光として、異常光線は紙面内で振動する偏光として描かれている。

また、本実施形態では、静止画撮影モードと動画撮影モードのどちらが設定されているかに応じて、光学的ローパスフィルタ 2 の周波数特性を切り替えられるようになつている。光学的ローパスフィルタ 2 の周波数特性の切り替えは、複屈折板における常光線と異常光線との距離（光線分離幅と言う）を可変制御することによって実現される。光線分離幅が大きくなると、光学的ローパスフィルタ 2のカットオフ周波数は低くなり、撮像素子 5 に結像する像のぼけ具合は大きくなる。逆に、光線分離幅が小さくなると、光学的ローパスフィルタ 2 のカツトオフ周波数は高くなり、撮像素子 5に結像する像のぼけ具合は小さくなる。

ここで、静止画撮影モードのときは光線分離幅を第 1 の幅とすることによって像のぼけ具合を第 1 の量とし、動画撮影モードのときは光線分離幅を第 1 の幅よりも広い第 2の幅とすることによって像のぼけ具合を第 1 の量よりも多い第 2 の量とする。カラーフィルタ 4が図 4 のようにべィヤー配列されている場合、静止画撮影モードのときは解像度を優先させて、かつ、偽色の抑制を必要最小限にするため、第 1の幅は、光学的ローパスフィルタ 2 のカットオフ周波数がほぼ f s / 2 ( = 1 / 2 d ) 、または、この周波数を少し超えるくらいとなるような幅とする。また、動画撮影モードのときは、出力画像信号にとって不要な解像度成分に相当する高周波成分をカットして、さらに、偽色の抑制を強く余裕をもって行うために、第 2 の幅は、光学的ローパスフィルタ 2 のカツトオフ周波数が出力画像の画素のナイキスト周波数に相当する周波数、または、この周波数を少し超えるくらいとなるような幅とする。

光学的ローパスフィルタ 2 での光線分離幅は、液晶に対する印加電圧を制御することによって可変とすることができる。すなわち、図 7 に示すように、本実施形態の光学的口一パスフィルタ 2は、例えば液晶を素材とする複屈折層 1 1 (本発明の可変焦点層に相当）を備えている。複屈折層 1 1 の液晶はその印加電圧の大きさによって液晶分子 2 1め配向方向が変化し、異常光線に対する屈折率が変化する。このような液晶の電界制御複屈折効果を利用することにより、光学的ローパスフィルタ 2 の光線分離幅を変えることができる。

図 7 ( a ) のように、複屈折層 1 1 の液晶に対して比較的小さい電圧 V I を印加すると、入射光軸に対して液晶分子 2 1 の傾きが小さくなるため、光線分離幅は比較的狭い第 1 の幅 W 1 となる。また、図 7 ( b ) のように、複屈折層 1 1 の液晶に対して比較的大きい電圧 V 2 ( V 1 < V 2 ) を印加すると、入射光軸に対して液晶分子 2 1 の傾きが大きくなるため、光線分離幅は比較的広い第 2 の幅 W 2 ( W 1 < W 2 ) となる。撮像光学系 3は、撮像光を撮像素子 5 に導く役割を果たすものである。本実施形態では、光学的ローパスフィルタ 2 を含め、撮影レンズや、赤外線除去フィルタ等から構成されている。なお、赤外線除去フィルタは、フォトダイォードに入射する赤外線を遮断するためのものであり、光学的ローパスフィルタ 2の前方に配置され、 1枚のガラスブロックとして構成されている。

カラーフィルタ 4は、撮像素子 5 を構成する各画素の受光面上に所定パターンで規則的に配置され、撮像光を所定の色成分にフィルタリングする役割を果たすものである。本実施形態では、カラ一フィルタ 4を檸成する第 1色、第 2色、第 3色の 3つの色として、 R色、 G色おょぴ B 色の原色フィルタを使用している。し力し、これらに限られず、 C (シアン）、 M (マゼンダ）、 Y (イエロ一）で構成される補色フィルタや別の色の組み合わせであってもよい。さらには、エメラルド色のフィルタを 3色フィルタに加えてもよい。

また、本実施形態では、カラーフィルタ 4の配列パターンとしては、図 4 に示したように、 G色フィルタを市松模様で配置するとともに、 R 色フィルタおよび B色フィルタを各行に交互に配置するべィヤー配列を採用しているが、これに限られるものではない。

撮像素子 5は、受光した撮像光を電気的な画像情報に光電変換して電荷量として貯え、これを電気信号として出力画像信号生成部 6に出力する役割を果たすものである。撮像素子 5は、所定パターンで配列された複数の画素（フォトダイオード）を有しており、この各画素の受光面上にカラーフィルタ 4を所定パターンで規則的に配置している。本実施形態による撮像素子 5の画素数は、動画の規格で定められている表示画素数（ S D規格で 3 5万画素程度、 H D規格でも 2 0 8万画素程度）よりも多い数（例えば、 H D規格の表示画素数の N倍（Nは 2以上の実数）またはそれ以上）に設定されている。

出力画像信号生成部 6 は、撮像素子 5の各画素から取得した画素信号を A Z D変換するとともに、各種の画像処理を施し、出力画像信号を生成する役割を果たすものである。出力画像信号生成部 6は、 A Z Dコンバータ 7 と I S P 8 とにより構成されており、撮像素子 5 と電気的に接続されている。 AZDコンバータ 7 は、アナログ電気信号である画素信号をデジタルデータに変換する。

C P U 9 は、光学的ローパスフィルタ 2の液晶に対して印加する電圧の制御と、 I S P 8 に対して撮影モード切換の制御とを行う。すなわち、静止画撮影モードのときは、液晶に対して電圧 V 1 を印加するとともに、 I S P 8 に対して静止画撮影モードを設定するように制御する。また、動画撮影モードのときは、液晶に'対して電圧 V 2を印加するとともに、 I S P 8 に対して動画撮影モードを設定するように制御する。 I S P 8 は、 A ZD変換された画素信号にオプティカルブラック処理、ホヮイトバランス処理、色捕正処理、色補間処理、ノイズ抑制処理、輸郭強調処理、 T 補正処理おょぴ解像度変換処理等の各種の画像処理を施し、出力画像信号を生成する。このとき I S P 8は、 C P U 9から設定された撮影モードに応じて、静止画用または動画用の画像処理を行う。

解像度変換処理は、' 例えば動画撮影モードが設定されているときにのみ実施する。解像度変換処理の変換比率は、 AZD変換された N個の画素信号が 1個の出力画像信号に相当するように設定しておく。すなわち、 I S P 8は、静止画撮影モードのときは、撮像素子 5により生成された N個の画素信号から N個の出力画像信を生成し、動画撮影モードのときは、撮像素子 5により生成された N個の画素信号から 1個の出力画像信号を生成する。なお、静止画撮影モードのときにも、ュ一ザの要求があれば解像度変換処理を行っても良い。

ここで、 N個の画素信号から 1個の出力画像信号を生成する処理の具体例について説明する。図 8 〜図 1 0は、 I S P 8 による解像度変換処理の內容例を示す図である。これらの図 8〜図 1 0では、撮像素子 5の画素配列と出力画像の画素配列との関係おょぴ、撮像素子 5の画素ピッチ d (= 1 / f s ) と出力画像の画素ピッチ D ( = 1 / F s ) との関係を示している。

図 8 に示すように、撮像素子 5の画素ピッチ dに対する出力画像の画素ピッチ Dの比 k を 1 . 5 ( D = 1. 5 d ) fcした場合、 1画素の出力画像信号に対して 2. 2 5個相当の画素信号がサンプリングされているため、 I S P 8の解像度変換処理における変換比率、すなわち、 1 画素の出力画像信号を生成するのに使用する画素信号の相当数 Nは 2. 2 5 である。

また、図 9 に示すように、撮像素子 5の画素ピッチ dに対する出力画像の画素ピッチ Dの比 kを 2 ( D = 2 d ) とした場合、 1画素の出力画像信号に対して 4個相当の画素信号がサンプリングされているため、 N は 4である。また、図 1 0 に示すように、撮像素子 5の画素ピッチ dに対する出力画像の画素ピッチ Dの比 kを 4 ( D = 4 d ) とした場、 1 画素の出力画像信号に対して 1 6個相当の画素信号がサンプリングされているため、 Nは 1 6である。

なお、本実施形態の I S P 8は、例えば C P U、 D S P (Digital Sig nal Processor) あるいはハードワイヤードロジックにより構成される。あるいは、 A/D変換された画素信号を P C (Personal Computer) に取り込んで各種のプログラムにより上述しこ画像処理を行わせるようにしてもよい。

次に、上記のように構成した本実施形態による撮像装置の動作を説明する。まず、静止画撮影モードが設定されているときは、図 7 ( a ) のように光学的ローパスフィルタ 2の液晶に対して電圧 V 1が印加され、光線分離幅が比較的狭い第 1 の幅 W 1 となるように制御される。これにより、光学的ローパスフィルタ 2のカットオフ周波数 f cが、ほぼ f s / 2 (= 1 2 d ) 、または、この周波数を少し超えるくらいに設定される。これにより、撮像素子 5におけるサンプリングにより発生する偽色をある程度抑制することができる。また、この場合には光学的ローバスフィルタ 2 のフィルタリング効果が強くなり過ぎることがなく、撮像素子 5 の画素信号にも不足が生じないので、光学的ローパスフィルタ 2 での解像度の低下を極力抑制することができる。

光学的ローパスフィルタ 2およびカラーフィルタ 4を通過した撮像光は撮像素子 5で結像し、光電変換によって画素信号が生成される。そして、撮像素子 5 により生成された画素信号は出力画像信号生成部 6に出力され、ここで出力画像信号が生成される。このとき、撮像素子 5により生成された N個の画素信号から N個の出力画像信号が生成される。つまり、撮像素子 5の解像度をそのまま活かして、高解像度の出力画像信号が生成される。 ' 一方、動画撮影モードが設定されているときは、図 7 ( b ) のように光学的口一パスフィルタ■ 2の液晶に対して電圧 V 2が印加され、光線分離幅が比較的広い第 2の幅 W 2 となるように制御される。これにより、光学的ローパスフィルタ 2のカットオフ周波数 f cが、出力画像の画素のナイキスト周波数に相当する周波数、または、この周波数を少し超えるくらいに設定される。その結果、出力画像における充分な解像度を保ちつつ、静止画撮影モードよりも強く偽色の発生を抑制することができる。

光学的ローパスフィルタ 2およびカラーフィルタ 4を通過した撮像光は撮像素子 5で結像し、光電変換によって画素信号が生成される。そして、撮像素子 5 により生成された画素信号は出力画像信号生成部 6に出力され、ここで出力画像信号が生成される。このとき、撮像素子 5により生成された N個の画素信号から 1個の出力画像信号が生成される。すなわち、撮像素子 5の画素数が動画の規格で要求される表示画素数よりも多く設定されていて、動画にとっては画素数が余分にある撮像素子 5で得られた N個の画素信号から表示画素数に合った出力画像信号が生成される。これにより、カットオフ周波数 f cが低く設定された光学的ローパスフィルタ 2で解像度が低下しても、出力画像信号の生成の際に出力画像信号にはもともと不要な解像度に相当する高周波成分がカツトされているだけなので、動画の規格で要求される表示解像度は充分に満足させることができる。 '

以上詳しく説明したように、本実施形態によれば、静止画撮影モードのときには、必要最小限の偽色が抑制されていて、かつ、高解像度の静止画を得ることができる。また、動画撮影モードのときには、動画の規格で要求される表示解像度を満足し、かつ、偽色が効果的に抑制された動画を得ることができる。また、本実施形態によれば、光学的ロー'パスフィルタ 2 の液晶に対する印加電圧を制御することで光線分離幅を変えているので、静止画撮影'モードに最適な周波数特性と動画撮影モードに最適な周波数特性とを簡単に切り替えることができる。

なお、上記実施形態では、光学的ローパスフィルタ 2が液晶を素材とする複屈折板から成るものとして説明したが、本発明はこれに限定されない。すなわち、光の複屈折効果を有し、光線分離幅を電気的に制御可能な素材であれば、光学的口一パスブイルタ 2の素材として適用することが可能である。

また、上記実施形態では、光学的ローパスフィルタ 2 の構成例として、図 7 のように 1枚の液晶板によって複屈折率を動的に変える例について説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、図 1 1 に示すように、複数枚の液晶板によつて複屈折率を動的に変えるように構成することも可能である。

図 1 1の例では、光学的ローパスフィルタ 2は、入射光の偏光状態（旋光性）を制御可能なツイストネマチック型の偏光液晶層 3 1 と、偏光液晶層 3 1 の入射側と射出側にそれぞれ配置されていて、入射光線を常光線と異常光線とに分離して出力する一対の液晶層 3 2 , 3 3 (請求項 5による一対の複屈折層に相当）とを備えている。液晶層 3 2 , 3 3の結晶軸の傾斜方向は、互いに同じであっても良いし、異なっていても良い。これらの偏光液晶層 3 1 と一対の液晶層 3 2 , 3 3 とにより、本発明の可変焦点層が構成される。 '

図 1 1 の例では、静止画撮影モードか動画撮影モードかに応じて、偏光液晶層 3 1における偏光状態を可変制御することにより、一方の液晶層 3 2 に対する入射光線が偏光液晶層 3 1 と一対の液晶層 3 2 , 3 3 とを通過することによって得られる出力光線の分離幅を、静止画撮影モードのときは図 1 1 ( a ) のように第 1 の幅 W 1 とし、動画撮影モードのときは図 1 1 ( b ) のように第 2の幅 W 2 とするようにしている。偏光液晶層 3 1における偏光状態の制御は、偏光液晶層 3 1 に対する印加電圧の有無によって実現することができる。

図 1 2は、偏光液晶層 3 1 の液晶分子 2 1 の配列を示す図である。図 1 2に示すように、一定方向に微細な溝のある配向膜 3 1 a , 3 l bに液晶を接触させると、液晶分子 2 1 は溝に沿って並ぶ。溝の向きを 9 0 度変えた 2枚の配向膜 3 1 a , 3 1 bで液晶を挟むことにより、液晶層内で液晶分子 2 1 は 9 0度ねじれて配列する。このように液晶分子 2 1 の配列が 9 0度ねじれた状態の液晶に光を通すと、光は液晶分子 2 1が並ぶ隙間に沿って 9 0度ねじれて通っていく。これにより、偏光液晶層 3 1 を通過する前後で光の振動方向が 9 0度変わる。

このような偏光液晶層 3 1 に電圧をかけると、液晶分子 2 1 の配列が変わる。すなわち、液晶分子 2 1は、配向膜 3 1 a， 3 1 bに対して印加電圧の大きさに応じた角度を持って配列するようになる。本実施形態では、 C P U 9が印加電圧の有無を制御することにより、図 1 1に示すように、液晶分子 2 1が配向膜 3 1 a , 3 1 bに対して 0度（平行）または 9 0度（直角）のどちらかとなるように制御する。

図 1 1に示す光学的ローパスフィルタ 2の場合、入射光線は、まず、一方の液晶層 3 2によつて常光線と異常光線とに分かれ、空間的に Δ A だけ分離して射出する。図 1 1では、常光線は紙面に垂直に振動する偏光とじて、異常光線は紙面内で振動す ¾偏光として描かれている。一方の液晶層 3 2 により分離された常光線と異常光線は、次に偏光液晶層 3 1 に入射する.。

ここで、図 1 1 ( a ) に示すように、偏光液晶層 3 1 に対する印加電圧がオフのときは、液晶分子 2 1 は配向膜 3 1 a， 3 1 bに平行になつている。そのため、一方の液晶層 3 2を通過した撮像光は、偏光液'晶層 3 1 を通過することで 9 0度ねじれる。そのため、偏光液晶層 3 1 に入射した常光線と異常光線との振動面の向きが変化する。ここでは、振動面の向きが 9 0度変化するので、一方の液晶層 3 2から射出した常光線は他方の液晶層 3 3 に対しては異常光線となり、一方の液晶層 3 2から射出した異常光線は他方の液晶層 3 3に対しては常光線となる。

このため、一方の液晶層 3 2から射出した常光線は他方の液晶層 3 3 で Δ Bだけ変位して射出し、一方の液晶層 3 2から射出した異常光線は他方の液晶層 3 3で変位することなく射出する。その結果、ここでは、 △ Α > Δ Βであるから、光学的口一パスフィルタ 2の全体としての光線分離幅である第 1の幅 W 1 は、 W l - Δ Α— Δ Β となる。

一方、図 1 1 ( b ) に示すように、偏光液晶層 3 1に対する印加電圧をオンとしたときは、液晶分子 2 1は配向膜 3 1 a , 3 1 bに垂直になつている。そのため、一方の液晶層 3 2を通過した撮像光は、偏光液晶層 3 1を何らねじれることなく通.過する。そのため、一方の液晶層 3 2 から射出した常光線は他方の液晶層 3 3に対しても常光線となり、一方の液晶層 3 2から射出した異常光線は他方の液晶層 3 3に対しても異常光線となる。

このため、一方の液晶層 3 2から射出した常光線は他方の液晶層 3 3 でも変位することなく射出し、一方の液晶層 3 2から射出した異常光線は他方の液晶層 3 3で更に Δ Bだけ変位して射出する。その結果、光学的口一'パスフィルタ 2の全体としての光線分離幅である第 2の幅 W 2は、 ^ 2 = Δ Α + Δ Β となる。

この図 1、 1 ,のように光学的ローパスフィルタ 2を構成した場合、偏光液晶層 3 1に対する印加電圧の有無によって光線分離幅を可変制御することができる。そのため、図 7の例のように異なる 2つの印加電圧 V I ， V 2 を用意する必要がない。また、図 7 の場合は静止画撮影モードと動画撮影モードのどちらに設定している場合にも電圧を印加する必要があるが、図 1 1 の場合は静止画撮影モードのときに電圧を印加する必要がなく、低消費電力化を図ることができる。

なお、図 1 1の例では、一対の複屈折層の例として液晶層 3 2 , 3 3 を用いているが、液晶の代わりに水晶またはニオブ酸リチウムなどを用いても良い。

また、図 1 1の例では、偏光液晶層 3 1の入射側と射出側とに一対の液晶層 3 2 , 3 3を配置しているが、これに限定されない。例えば、図 1 3に示すように、 2つの液晶層 1 1， 3 2を重ねて光学的ローパスフィルタ 2を構成しても良い。すなわち、図 1 3に示す構成では、図 7 と同様の液晶層 1 1 (請求項 6における第 1 の複屈折層に相当）の入射側に、図 1 1 と同様の液晶層 3 2 (請求項 6における第 2の複屈折層に相当）を設けている。上層に位置する液晶層 3 2の結晶軸は、入射光線の光軸に対して所定の固定角度を持って傾斜している。また、下層に位置する液晶層 1 1 の結晶軸の傾斜は、印加される電圧の有無によって変化するようになつている。

図 1 3 の例では、静止画撮影モードか動画撮影モードかに応じて、下層の液晶層 1 1 に対する印加電圧の有無を制御することにより、上層の液晶層 3 2に対する入射光線が下層の液晶層 1 1 を通過することによつて得られる出力光線の分離幅を、静止画撮影モードのときは図 1 3 ( a ) のように第 1 の幅 W 1 とし、動画撮影モードのときは図 1 3 ( b ) のように第 2 の幅 W 2 とするようにしている。

図 1 3に示す光学的ローパスフィルタ 2の場合、入射光線は、まず、上層の液晶層 3 2によって常光線と異常光線とに分かれ、空間的に Δ A だけ分離して射出する。図 1 3では、常光線は紙面に垂直に振動する偏光として、異常光線は紙面内で振動する偏光として描かれている。 '上層の液晶層 3 2により分離された常光線と異常光線は、下層の液晶層 1 1 に入射する。 · - ここで、図 1 3 ( a ) に示すように、下層の液晶層 1 1 に対する印加電圧がオフのときは、液晶分子は入射光線の光軸に対して平行になっている。そのため、上層の液晶層 3 2から射出した常光線および異常光線は共に、下層の液晶層 1 1で変位することなく射出する。その結果、光学的口一パスフィルタ 2の全体としての光線分離幅である第 1 の幅 W 1 は、 W l - Δ Αとなる。

一方、図 1 3 ( b ) に示すように、下層の液晶層 1 1 に対する印加電圧をオンとしたときは、液晶分子は入射光線の光軸に対してある程度の傾斜を持って並ぶ。そのため、上層の液晶層 3 2から射出した常光線は下層の液晶層 1 1でも変位することなく射出するが、上層の液晶層 3 2 から射出した異常光線は下層の液晶層 1 1で更に Δ Bだけ変位して射出する。その結果、光学的ローパス.フィルタ 2 の全体としての光線分離幅である第 2の幅 W 2は、 W 2 - A A + 厶 B となる。

この図 1 3のように光学的ローパスフィルタ 2を構成した場合は、下層の液晶層 1 1に対する印加電圧の有無によって光線分離幅を可変制御することができる。そのため、異なる 2つの印加電圧 V I， V 2を用意する必要がない。また、静止画撮影モードのときに電圧を印加する必要がなく、低消費電力化を図ることができる。

なお、図 1 3の例では、液晶層 1 1 の入射側に配置する複屈折層の例として液晶層 3 2 を用いているが、液晶の代わりに水晶またはニオブ酸リチウムなどを用いても良い。また、図 1 3では、液晶層 1 1 の入射側に液晶層 3 2を配置する例について示しているが、液晶層 1 1 の射出側に液晶層 3 2を配置するようにしても良い。また、図 7の場合と同様に、液晶層 1 1 も液晶を素材とするものである必要は必ずしもない。 'すなわち、光の複屈折効果を有し、光線分離幅を電気的に制御可能な素材であれば、液晶層 1 1 の代わりに用いることが可能である。

図 1 4は、光学的ローパスフィルタ 2の他の構成例を示す図である。図 1 4に示す光学的ローパスフィルタ 2は、図 1 1 に示した 3層構造のローパスフィルタ 4 1 , 4 2を 2個備え、それらを結晶軸を含む面が互いに直交または斜交するようにして重ねるとともに、両者の間に 1ノ 4 波長板 4 3 (直線偏光を円偏光にする作用を有している）を配置することによって構成されている。

図 1 4に示す光学的ローパスフィルタ 2では、 1段目の光学的ローパスフィルタ 4 1 によって入射光線を X軸方向に沿って常光線と異常光線とに分離し、 1 Z 4波長板 4 3によって光学的ローパスフィルタ 4 1 から入射する直線偏光を円偏光に変える。そして、 2段目の光学的ローパスフィルタ 4 2によって 1 / 4波長板 4 3からの 2本の入射光線をそれぞれ y軸に沿って常光線と異常光線とに分離することにより、 2次元状に 4本の光線に分離する。

1本の入射光線を複数の光線に 2次元状に分離するための構成は、図 1 4のような構成に限定されない。例えば、図 1 5に示すような構成とすることも可能である。なお、図 1 5において、黒丸は分離される複数の光線の位置関係を示している。

図 1 5 ( a ) の構成では、図 7、図 1 1 または図 1 3に示した構成の 1次元的光学的ローパスフィルタを 2個備え、それらを結晶軸を含む面が互いに直交または斜交するようにして重ねて配置する。重ねて配置する 2 つの 1次元的光学的ローパスフィルタは、図 7、図 1 1、図 1 3 の中の何れか 1つを採用して共に同じ構成としても良いし、図 7、図 1 1 、図 1 3の中の何れか 2つを採用して互いに異なる構成としても良い。図 1 5 ( b ) の構成では、図 7、図 1 1 または図 1 3に示した構成の 1次元的光学的ローパスフィルタを 3個備え、それらを結晶軸を含む面が互いに直交または斜交するようにして重ねて配置する。重ねて配置する 3 つの 1次元的光学的ローパスフィルタは、図 7、図 1 1、図 1 3 の中の何れか 1つを採用して何れも同じ構成としても良いし、図 7、図 1 1、図 1 3の中の何れか 2つまたは 3つを採用して任意の順番で組み合わせても良い。

図 1 5 ( c ) の構成では、図 7、図 1 1 または図 1 3に示した構成の 1次元的光学的ローパスフィルタを 2個備え、それらを結晶軸を含む面が互いに直交または斜交するようにして重ねるとともに、両者の間に 1 / 4波長板を配置する。 1 / 4波長板の両側に配置する 2つの 1次元的光学的ローパスブイノレタは、図 7、図 1 1、図 1 3の中の何れか 1つを採用して共に同じ構成としても良いし、図 7、図 1 1、図 1 3の中の何れか 2つを採用して組み合わせても良い。 1 / 4波長板の両側に共に図 1 1 の構成の 1次元的光学的ローパスフィルタを配置した例が、図 1 4 の構成に相当する。

また、上記実施形態では、撮像素子 5に結像する像のぼけ具合を可変とするための可変焦点層の一例として、液晶等を素材とする複屈折板を用いる例について説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、 . 液晶レンズにより可変焦点層を構成するようにしても良い。

液晶レンズは、液晶を利用したレンズの一種である。液晶をレンズ状の空間に封入し、印加する電圧を調整すると、見かけ上の液晶の屈折率が変化する。同じ形状のレンズであっても、それを構成する液晶の屈折率が変化すると、レンズの焦点距離が変化する。このように、液晶レンズを用いると、電気信号のみの制御によりレンズの焦点距離を変化させることができる。

液晶レンズを可変焦点層として用いる場合は、静止画撮影モード'か動画撮影モードかに応じて、液晶レンズに対する電圧の印加を制御することにより、液晶レンズの.屈折率の変化を通じて焦点距離を可変制御する。これによつて、静止画撮影モードのときは像のぼけ具合を第 1の量とし、動画撮影モードのときは像のぼけ具合を第 2の量とする。

また、上記実施形態では、撮像素子 5の画素配列が正方格子配列である場合を例に挙げて説明したが、これに限定されない。例えば、 4 5 ° 傾斜正方格子配列であっても良い。

なお、上記実施形態において、静止画撮影モードと動画撮影モードの設定は、撮像装置 1 に備えられた図示しないモード設定用操作子をユーザが操作することによって行うことが可能である。また、動画撮影モードを設定してユーザが動画の撮影中においても、ユーザが静止画の撮影用シャツタを押下したときに、一時的に静止画撮影モードに自動的に切り替えるようにすることも可能である。このようにして設定されたモード情報は、撮像装置 1 の図示しないメモリに保存される。そして、 C P U 8が、このメモリに保存されたモード情報を参照することによって、光学的ローパスフィルタ 2に対する印加電圧を制御する。

その他、上記実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の一例を示したものに過ぎず、これによつて本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその精神、またはその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。 ' 産業上の利用可能性

本発明の光学的ローパスフィルタは、 1台のカメラで動画と静止画の双方を撮影できるように成されたハイブリッドカメラに有用である。

Claims

請求の範囲

1 . 静止画撮影モードか動画撮影モードかに応じて、撮像素子に結像する像のぼけ具合を可変制御することにより、上記静止画撮影モードのときは上記像のぼけ具合を第 1の量とし、上記動画撮影モードのときは上記像のぼけ具合を上記第 1 の量よりも多い第 2 の量とするようにしたことを特徴とする光学的ローパスフィルタ。

2 . 印加される電圧に応じて光の屈折率が変化し、これによつて上記像のぼけ具合が変化するように成された可変焦点層を備え、

上記可変焦点層に対する印加電圧によって上記像のぼけ具合を電子的に切替可能に構成したことを特徴とする請求の範囲第 1項に記載の光学的口一ノヽ⁰スフィルタ。 '

3 . 上記可変焦点層は.液晶レンズから成り、

上記静止画撮影モード,か上記動画撮影モードかに応じて上記液晶レンズに対する印加電圧を制御し、上記液晶レンズの屈折率の変化を通じて焦点距離を可変制御することにより、上記像のぼけ具合を電子的に切り替えるようにしたことを特徴とする請求の範囲第 2項に記載の光学的口ーノス-フィレタ。

4 . 上記可変焦点層は、入射光線を常光線と異常光線とに分離して出力する複屈折層から成り、

上記静止画撮影モードか上記動画撮影モードかに応じて上記複屈折層に対する印加電圧を制御し、上記複屈折層より出力される上記常光線および上記異常光線の光線分離幅を可変制御することにより、上記静止画撮影モードのときは上記光線分離幅を第 1 の幅とすることによつて上記像のぼけ具合を上記第 1の量とし、上記動画撮影モードのときは上記光線分離幅を上記第 1 の幅よりも広い第 2の幅とすることによって上記像のぼけ具合を上記第 2の量とするようにしたことを特徴とする請求の範囲第 2項に記載の光学的ローパスフィルタ。

5 . 上記可変焦点層は、入射光の偏光状態を制御可能な偏光液晶層と、上記偏光液晶層の入射側および射出側にそれぞれ配置されていて、入射光線を常光線と異常光線とに分離して出力する一対の複屈折層とから成り、

上記静止画撮影モードか上記動画撮影モードかに応じて上記偏光液晶層に対する印加電圧を制御し、上記偏光液晶層における偏光状態を可変制御することにより、入射光線が上記偏光液晶層と上記一対の複屈折層とを通過することによって得られる出力光線の分離幅を、上記静止画撮影モードのときは第 1 の幅とすることによつて上記像のぼけ具合を上記第 1 の量とし、上記動画撮影モードのときは上記第 1 の幅よりも広い第 ' 2の幅とすることによ.つて上記像のぼけ具合を上記第 2の量とするようにしたことを特徴とする請求の範囲第 2項に記載の光学的ローパスフィルタ。

6 . 上記可変焦点層は、入射光線を常光線と異常光線とに分離して出力する第 1 の複屈折層と、上記第 1 の複屈折層の入射側および射出側の少なくとも一方に配置されていて、入射光線を常光線と異常光線とに分離して出力する第 2の複屈折層とから成り、

上記静止画撮影モードか上記動画撮影モードかに応じて上記第 1 の複屈折層に対する印加電圧を制御し、上記第 1の複屈折層より出力される上記常光線および上記異常光線の光線分離幅を可変制御することにより、入射光線が上記第 1の複屈折層と上記第 2の複屈折層とを通過することによって得られる出力光線の分離幅を、上記静止画撮影モードのときは第 1 の幅とすることによつて上記像のぼけ具合を上記第 1の量とし、上記動画撮影モードのときは上記第 1 の幅よりも広い第 2 の幅とすることによって上記像のぼけ具合を上記第 2の量とするようにしたことを特徴とする請求の範囲第 2項に記載の光学的口一パスフィルタ。

7 . 請求の範囲第 4項〜第 6項の何れか 1項に記載の光学的ローパスフイノレタを 2個備え、当該 2個の光学的ローハ°スフィルタを結晶軸を含む面が互いに直交または斜交するようにして重ねて配置したことを特徴とする光学的ローノヽ⁰スフイノレタ。

8 . 請求の範囲第 4項〜第 6項の何れか 1項に記載の光学的口一パスフイノレタを 3個備え、当該 3個の光学的ローハ°スフィルタを結晶軸を含む面力 S互レヽに直交または斜交するようにして重ねて配置したことを特徴とする光学的ローパスフィルタ。

9 . 請求の範囲第 4項〜第 6項の何れ力、 1項に記載の光学的ローパスフイノレタを 2個備え、当該 2個の光学的ローパスフィルタを結晶軸を'含む面が互いに直交または斜交するようにして重ねるとともに、上記 2個の光学的ローパスブイルタ.の間に、直線偏光を円偏光に変換する 1 4波長板を配置したことを特徴とする光学的口 —パスフィルタ。

1 0 . 請求の範囲第 1項〜第 9項の何れか 1項に記載の光学的ローパスフィルタと、

上記光学的ローパスフィルタを通過した撮像光を結像し、光電変換により画素信号を生成する撮像素子と、

士記撮像素子により生成された画素信号から出力画像信号を生成する出力画像信号生成部であって、上記動画撮影モードのときは上記撮像素子により生成された N個（Nは 2以上の実数）の画素信号から 1個の出力画像信号を生成するように成された出力画像信号生成部とを備え、上記撮像素子の画素数は、動画の規格で定められている表示画素数より多く設定されていることを特徴とする撮像装置。