JPH0219821A - 光学的ローパスフィルター - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は光学的ローパスフィルターに関し、特にＣＯＤ
、ＭＯＳ等の撮像素子を用いて画像を離散的に得る撮像
機器等に好適な光学的ローパスフィルターに関するもの
である。

（従来の技術） 一般に離散的画素構造を有するＣＣＤ、ＭＯＳ等の撮像
素子を用いたビデオカメラ等では画像情報を光学的に空
間サンプリングして出力画像を得ている。

この場合、被写体にサンプリング周波数以上の高空間周
波数成分が含まれていると被写体が有していない構造や
色あい等の偽信号が発生してくる。

即ち撮影機器によって採取することのできない周波数成
分（ナイキスト周波数を越える周波数成分）は画像情報
として再現することができず所謂波形歪み（エイリアジ
ング）と呼ばれる現象が起き、撮影画像にモアレ縞、偽
色等が形成される原因となってくる。

この為、従来より光学的ローパスフィルターを撮影系の
一部に配置して被写体の高周波成分を制限してエイリア
ジングの影響を除去している。

従来より光学的ローパスフィルターとしては水晶板等の
複屈折を利用したものが多く用いられている。

第４図は従来の水晶板を用い複屈折を利用した光学的ロ
ーパスフィルターの説明図である。

同図に於て４０は光学的ローパスフィルター４１は入射
光線、４２は常光線、４３は異常光線である。

同図に於ては入射光１１４１を常光線４２と異常光線４
３の２つの光束に分離してローパス効果を得ている。

ここで水晶板により分離される光束の間隔なり、空間周
波数をｆとすると伝達関数、所謂ＭＴＦ（ｆ）は ＭＴＦ（ｆ）−ｌｃｏｓｔｃＤｆ の如く、コサイン関数となる。

第５図はこのときの伝達関数ＭＴＦ（ｆ）偵の説明図で
ある。同図に示す様に水晶板の厚さＤを制御することに
より被写体に含まれる所定の空間周波数成分を制御する
ことができる。

第６図は単板式のビデオカメラ等に用いられるストライ
プフィルターを有する撮像素子の説明図である。

同図に示す様に単板式のビデオカメラ等はカラーフィル
ターが走査方向に垂直にストライプ状に並んで形成され
たものが多く用いられている。

このストライプフィルターを有した撮像素子は製造が容
易であり、かつ高画素化に有利である等の利点を有して
いる。

しかしながらその反面水平方向（走査方向）てのエイリ
アジングが比較的起こり易いという欠点があった。

この為、前述した水晶板の光学的ローパスフィルターを
水上方向にかけることでエイリアジングの影響を抑制し
ている。

ここで撮像素子の電荷ｔｉ積部か撮像有効画面外にある
フレーム・トランスファー（Ｆ−Ｔ）方式のＣＣＤ等の
撮像素子について述べる。

このフレーム・トランスファ一方式のＣＯＤの場合は開
口率（サンプリングピッチとそれに対応するセル内の感
光部の大きさの比）が略１００％に近い為に撮像素子自
体の伝達関数（ＭＴＦ）は低く、該撮像素子自体である
程度エイリアジングの影響を抑制する効果を有している
。

この為、該撮像素子には第４図に示した様に水晶板の複
屈折を利用した光学的ローパスフィルター４０を１枚用
い入射光線を水平方向に常光線と異常光線の２本に分離
させるだけで充分なエイリアジングの影響の抑制を行う
ことができる。

しかしながらこのフレーム・トランスファ一方式のＣＣ
Ｄ等の撮像素子は電凋蓄積部が撮像有効画面外にあるた
めサイズが大きくなり、又強い光が入射すると荷電粒子
が多く発生してしまい隣りのセルまであふれ出てしまう
現象（ブルーミング）かあった。

この為、一般には撮像素子の電荷蓄桔部か撮像有効画面
内にあるインター・ライン（！・Ｌ）方式のＣＣＤ等の
撮像素子が多く用いられている。

しかしながら該インター・ライン方式のＣＣＤ等の撮像
素子は電荷蓄積部が撮像有効画面内にある為に開口率が
低くなりフレーム・トランスファ一方式に比べてｌ／３
〜ｌ／４程度の開口率となってしまい該撮像素子自体て
エイリアジングの影響を抑制するのは困難であった。

第７図はフレーム・トランスファ一方式とインター・ラ
イン方式のＣＣＤの伝達関数ＭＴＦ（ｆ　）　（ＩＩの
比較を示した説明図である。

同図に示した様にインター・ライン方式のＣＣＤの撮像
素子はフレーム・トランスファ一方式に比べ撮像素子自
体の伝達関数ＭＴＦ（ｆ）値は高い為、該撮像素子自体
でエイリアジングを抑制する効果は低くなりその為エイ
リアジングが起こり易くなっている。

そこで従来では前記の問題点を解消する為に２枚以上の
水晶の複屈折板より成る光学的ローパスフィルターが撮
影系の一部に配置して用いられている。

第８図はインター・ライン方式のＣＣＤ用の撮像素子に
２枚の複屈折板を有した光学的ローパスフィルターを用
いたときの構成図である。

同図に於て、８１．８２は各々複屈折板であり水晶より
形成されている。８３は位相板で直線偏光を円偏光に変
換するものであり、複屈折板８１．８２の間に設けられ
ている。

同図に示す様に２枚の複屈折板８１．８２の間に位相板
を挟んで光学的ローパスフィルターを構成している。

同図に於て入射した光線Ｅを複屈折板８１により２本に
分離し位相板８３で直線偏光を円偏光に変換して複屈折
板８２により、さらに２本に分離して結局４木の光線に
分離してローパス効果な得ている。

第９図はこのときの光学的ローパスフィルターの伝達関
数ＭＴＦ（ｆ）値の説明図である。

同図に示す様に最初のトラップ周波数近傍に撮像素子の
ナイキスト周波数ｆ。の２倍（２ｆｗ　）の周波数で光
学的ローパスフィルターのＭＴＦ値を充分小さな値に設
定すればエイリアジングの影響を抑制することができる
。

同図に於てこの２枚の複屈折板を利用した光学的ローパ
スフィルターは２ｆ、の周波数近傍のＭＴＦ曲線の立ち
上りを第５図て示した複屈折板を１枚用いたときのＭＴ
Ｆ曲線の立ち上りに比べて小さくしている。

従って光学的ローパスフィルターのＭＴＦ値は小さい値
になりエイリアジングの影響を抑制することができる。

しかしながら開口率が２５％程度のインター。

ライン方式のＣＣＤの撮像素子ではこれでも２ｆ、の周
波数近傍のＭＴＦ値は充分小さい偵とはいえず、又第９
図のｕｒＦ（ｆ）（ａの説明図で示した部分Ｃ（第１−
第２トラップ周波数間）のＭＴＦ曲線に盛り上がりかあ
り、さらに第２トラップ周波数以降のＭＴＦ曲線の立ち
−Ｌかりも大きすぎる。

この為、エイリアジングが充分に抑″制できたとはいえ
ず、撮影画像に偽色やコントラストが反転する偽解像な
どの現象が起こる欠点かあった。

又特開昭６１−２６１９８８号公報ではインター・ライ
ン方式のＣＣＤ用に水晶の複屈折板を３枚用いた光学的
なローパスフィルターを提案している。

第１Ｏ図（Ａ）は同公報で提案されているインター・ラ
イン方式のＣＣＤ用の光学的ローパスフィルターの構成
図、同図（Ｂ）は光学的ローパスフィルターが光線Ｅを
分割していく様子を示した説明図である。

同図（Ａ）に於て複屈折板ｉｏｔ、１０２．１０３の各
々の光軸と撮像素子の走査方向に対し分離される光線の
角度を各々−４５°、００４５°とし、分離幅をｔ　：
　ＪＴ：　ｌに設定することにより同図（Ｂ）に示す六
角形の頂点及び中心をなす７点に各々分離して光線を得
ることによりローパス・効果を得ている。

第１１図はこのときの光学的ローパスフィルターのＭＴ
Ｆ（ｆ）（ａの説明図である。

同図の示す様に第２トラウブ周波数近傍での！１ｌｔＴ
Ｆ曲線の立ち上がりは小さいといえるが、第１トラップ
周波数近傍のＭＴＦＩＩｈ線の立ち上がりは小さいとは
いえず、又Ｃ°で示した部分（第１〜第２トラツプ周波
数間）のＭＴＦ曲線にも比較的大きな盛り上がりがある
。

この為ＭＴＦ値は充分小さい値とはいえず走査方向での
エイリアジングを充分に抑制するには致らない。

（発明が解決しようとする問題点） 本発明は撮ｆＩｔ″Ｘ子のナイキスト周波数の２倍の周
波数の近傍で光学的ローパスフィルターのＭ　Ｔ　Ｆ　
（ｌｉを充分小さい値に設定することにより。

ストライプフィルターを有する撮像素子で、しかもイン
ター・ライン方式のＣＣＤ等のように小さな開口率しか
持たない撮像素子でも良好にエイリアジングの影響が除
去できる光学的ローパスフィルターの提供を目的とする
。

（問題点を解決する為の手段） 撮像素子への入射光路中に配置される光学的ローパスフ
ィルターであって、該光学的ローパスフィルターは入射
した光線を２本に分離し該光線の分離幅の前記撮像素子
の走査方向への射影成分の値がＰｉである第１の光学部
材と、該第１の光学部材より射出する各々の光線をさら
に２本に分離し該光線の分離幅の前記撮像素子の走査方
向への射影成分の値が２２である第２の光学部材と。

該第２の光学部材より射出する各々の光線をさらに２本
に分離し該光線の分離幅の前記撮像素子の走査方向への
射影成分の値がＰ３である第３の光学部材より構成され
、前記各光線の前記撮像素子への射影成分の値Ｐ１、Ｐ
２．Ｐ３のうち最小の射影成分の値をａ、最大の射影成
分の値をＣ１中間の射影成分の値をｂとしたとき ０．５６　≦　ａ　／　ｂ　　≦　１ １　　　　　　　　≦　　ｃ　／　ｂ　　　≦　　１．
８なる条件を満足することである。

（実施例） 第１図は本発明の一実施例の光学的ローパスフィルター
の構成図である。

同図に於てｌＯは光学的ローパスフィルター１は第１の
光学部材であり水晶の複屈折板１ｂより形成されている
。２は第２の光学部材であり直線偏光を円偏光に変換す
る位相板２ａと水晶の複屈折板２ｂより形成されている
。３は第３の光学部材であり前記位相板２ａと同じ作用
の位相板３ａと水晶の複屈折板３ｂより形成されている
。

本実施例ではこれらの３つの光学部材ｌ、２．３より光
学的ローパスフィルター１０を構成している。尚、Ｅは
入射光線である。

本実施例に於て光学的ローパスフィルターｌＯに入射し
た光ｉ１Ｅは複屈折板１ｂで２本の分離され１分離され
た該光＆ａＥは位相板２ａで直線偏光を円偏光に変換さ
れ複屈折板２ｂに入射する。そして該複屈折板２ｂで光
線Ｅはさらに２本ずつに分離され１位相板３ａで直線偏
光を円偏光に変換され複屈折板３ｂに入射する。モして
該複屈折板３ｂで光＆ｉＥはさらに２本ずつに分離され
結局全体で最高で８木、最低で４本の光線となって光学
的ローパスフィルターｌＯを通過しローパス効果を得て
不図示の撮像素子へ入射している。

本実施例に於て各々の複屈折板１ｂ、２ｂ、３ｂの分離
幅を各々Ｑ１．Ｑ２、Ｑ３とし、そのうちで最小の分離
幅をａ、中間の分離幅をす、最大の分離幅をＣとしたと
き光学的ローパスフィルターの伝達関数、所謂ＭＴＦ（
ｆ）は ＭＴＦ（ｆ）−ｌｃｏｓπＱ＋ｆ＋ｃｏｓ　ｆｆ　Ｑ鵞
ｆ＋ｃｏｓ　＊　Ｑｓｆｓｌｃｏｓπａｆ・ｃｏｓπｂ
ｒ＋ＣＯ５πｃｒ＋ｅ・（３）（ａ　≦ｂ　≦Ｃ） となり、１／２ｃ、１／２ｂ、１／２ａで各々第１、第
２．第３トラップ周波数をもつＭＴＦ曲線となる。第２
図はこのときの光学的ローパスフィルターの伝達関数Ｍ
ＴＦ　（ｆ）値の説明図である。

本実施例に於てはこれらの分離幅ａ、ｂ、ｃの各々の値
を前述の条件式（１）、（２）を満足するように設定し
、これにより第１、第２．第３トラップ周波数のいずれ
の近傍においてもＭＴＦ曲線の立ち上がりを充分小さく
することができ、即ち光学的ローパスフィルターのＭＴ
Ｆ値を小さくしてエイリアジングの影響を除去している
。

ここて撮像素子のサンプリングとウチを２１とし、 ｂ　”　Ｐｉ　／　２・・・・・・・・・・・（４）と
すれば撮像素子のナイキスト周波数ｆ８を２倍としたも
のは ２ｆｓ　−１／　Ｐｉ　−１／　　２ｂ　・−・・（Ｓ
）となりＭＴＦ曲線の第２トラップ周波数１／２ｂに一
致する。

又、第２図の光学的ローパスフィルターのＭＴＦ（ｆ）
値の説明図に示す様にナイキスト周波数２ｆ、を中心に
ＭＴＦ値が充分０に近い領域（第１〜第３トラツプ周波
数間）が広くひろがっている為エイリアジングの影響の
小さい良好な光学的ローパスフィルターを得ることがで
きる。

条件式（１）、（２）に於て分離幅の最小ａの値が小さ
すぎると条件式（ｉ）の下限値を越えてしまい第２図で
示したＭＴＦ曲線曲線部分（第２〜第３トラツプ周波数
間）の盛り上がりが大きくなりすぎ、又第２、第３トラ
ップ周波数近傍でのＭＴＦ曲線の立ち上がりが大きくな
りすぎ好ましくない。

又分離幅の最大仁の値が大きすぎると条件式（２）の上
限値を越えてしまい第２図で示した閘ＴＦ曲線Ａの部分
（第ト４２トラップ周波数間）の盛り上がりが大きくな
りすぎ第１．第２１−ラップ周波数近傍でのＭＴＦ曲線
の立ち上がりが大きくなりすぎて解像度の良好な光学的
ローパスフィＪレターを（与るのが困難となる。

第３図（Ａ）、（Ｂ）は各々本発明の他の一実施例を示
す光学的ローパスフィルターの説明図であり、同図（Ａ
）は光軸に対して垂直方向の光学的ローパスフィルター
の断面図、同図（Ｂ）は光学的ローパスフィルターが光
線を分割していく様子を示した説ＩＪＩ図であり、入射
光線Ｅと垂直な平面で示している。

第３図（Ａ）、（Ｂ）に於て３１は第１の光学部材、３
２は第２の光学部材、３３は第３の光学部材でこれらの
各光学部材３１．３２．３３で光学的ローパスフィルタ
ー３０を構成している。

又、これらの光学部材３１，３２．３３は水晶から成る
複屈折板３１ｂ、３２ｂ、３３ｂより形成されている。

尚、３４は入射光１ａＥと同じ位置を示している。

本実施例に於て複屈折板３１ｂ、３２ｂ３３ｂの各々の
光軸と不図示の撮像素子の水平方向（走査方向）に対し
分離される光線とのなす角度は各々−４５°、Ｏ’、４
５″′と設定している。

本実施例に於て入射光線Ｅと同じ位！！１３４にある光
線は複屈折板３１ｂで０の方向に分離され。

複屈折板３２ｂでさらに＠の方向に分離され、複屈折板
３３ｂでさらにＯの方向に分離されて結局８本の光線と
してローパス効果を得ている。

本実施例に於て各々の複屈折板３１ｂ、３２ｂ、３３ｂ
（７）分子４幅を各’ｌ　Ｑ　）Ｉ＋　Ｑ　３ｚ、Ｑ。

としたとき光学的ローパスフィルターの２次元伝達関数
、所謂ＭＴＦ　（ｆ、、「ア）は、ＭＴＦ（Ｆ、、ｒア
） となり水平方向のＭＴＦ　（ｆ、、Ｏ）はＭＴＦ（ｆ、
、口） となり１例えばＱ　＋　＝　Ｑ　ｆｆ＋／　１丁、Ｑ、
＝Ｑ、、。

Ｑ　コ＝　Ｑ　ｆｆ、ｌ／　ｆｆとすれば前述の実施例
の条件式（３）と全く同じ式になり前述の実施例と同じ
取扱いができるエイリアシングの影響の小さい良好な光
学的ローパスフィルターを達成している。

本実施例では前述の実施例で用いた位相板を使用せずに
光学的ローパスフィルターを構成していることから該光
学的ローパスフィルターの厚さを薄くすることができ、
これにより機械的スペースが限られたカメラ等に用いる
のには好適な光学的ローパスフィルターを提供している
。

尚、以上の各実施例に於ていずれも光学的ローパスフィ
ルターを構成する光学部材として水晶の複屈折板あるい
は位相板と水晶の複屈折板との組み合わせを用いたが、
任意の光線を２本に分離できる光学部材であれば何を用
いても良い。

（発明の効果） 本発明によれば撮像素子のナイキスト周波数の２倍の周
波数近傍で光学的ローパスフィルターのＭＴＦ値を前述
の如く該光学的ローパスフィルターを構成する各光学部
材の分離幅の値が条件式（１）、（２）を満足するよう
にし、ストライプフィルターを有する撮像素子でしかも
インター・ライン方式のＣＯＤ等の開口率の小さな撮像
素子であっても良好にエイリアジングの影響を除去でき
る高い光学性能を有した光学的ローパスフィルターを連
成することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の光学的ローパスフィルター
の構成図、第２図は本発明の光学的ローパスフィルター
の伝達関数ＭＴＦ（ｆ）（１１７３説明図、第３図（Ａ
）、（Ｂ）は本発明の他の一実施例の光学的ローパスフ
ィルターの構成図、第４図は従来の水晶板の光学的ロー
パスフィルターの説明図、第５図は従来の水晶板の光学
的ローパスフィルターの伝達関数ＭＴＦ（ｆ）値の説明
図、第６図はストライブフィルターを有する撮像素子の
説明図、第７図はフレーム・トランスファー１武とイン
ター・ライン方式のＣＯＤの伝達関数ＭＴＦ（ｆ）値の
比較を示した説明図、第８、第１０図はインター・ライ
ン方式のＣＣＤ用に従来用いられていた光学的ローパス
フィルターの構成図、第９図、第ｔｉ図はインター・ラ
イン方式のＣＣＤ用に従来用いられていた光学的ローパ
スフィルターの伝達関数ＭＴＦ（ｆ）（ａの説明図であ
る。 図中１．３１は第１部材、２，３２は第２部材、３．３
３は第３部材、２ａ、３ａは位相板、ｌｂ、２ｂ、３ｂ
、３１ｂ、３２ｂ、３３ｂは複屈折板、Ｅは入射光線で
ある。 特許出願人　　キャノン株式会社

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 撮像素子への入射光路中に配置される光学的ローパスフ
   ィルターであって、該光学的ローパスフィルターは入射
   した光線を２本に分離し該光線の分離幅の前記撮像素子
   の走査方向への射影成分の値がＰ１である第１の光学部
   材と、該第１の光学部材より射出する各々の光線をさら
   に２本に分離し該光線の分離幅の前記撮像素子の走査方
   向への射影成分の値がＰ２である第２の光学部材と、該
   第２の光学部材より射出する各々の光線をさらに２本に
   分離し該光線の分離幅の前記撮像素子の走査方向への射
   影成分の値がＰ３である第３の光学部材より構成され、
   前記各光線の前記撮像素子への射影成分の値Ｐ１、Ｐ２
   、Ｐ３のうち最小の射影成分の値をａ、最大の射影成分
   の値をｃ、中間の射影成分の値をｂとしたとき ０．５６≦ａ／ｂ≦１ １≦ｃ／ｂ≦１．８ なる条件を満足することを特徴とする光学的ローパスフ
   ィルター。