JPH05173093A

JPH05173093A - 光学的ローパスフィルタおよび撮像装置

Info

Publication number: JPH05173093A
Application number: JP35017691A
Authority: JP
Inventors: Ikuo Onishi; 伊久雄大西; Katsuya Fujisawa; 克也藤沢
Original assignee: Kuraray Co Ltd
Current assignee: Kuraray Co Ltd
Priority date: 1991-12-09
Filing date: 1991-12-09
Publication date: 1993-07-13

Abstract

(57)【要約】【目的】光透過性の基板の表面に回折格子を形成した
光学的ローパスフィルタに発生するリング状フレアを抑
制して、画質の低下を防ぐ。【構成】光学的ローパスフィルタ２の格子形成面２ａ
を固体撮像素子４側に向けて配置し、基板の屈折率を
ｎ、固体撮像素子４の撮像面４ａの長手方向Ｈの長さを
ｘとしたとき、基板の厚みｔを下記の条件を満足するよ
うに設定する。４・ｔ・ｔａｎ（Ｓｉｎ^-1（１／ｎ））≧ｘこれにより、リング状フレアの半径が大きくなって、撮
像面から外れる結果、撮像面にリング状フレアが全く現
れないか、または現れても、その光強度が低下して、目
立たなくなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は光学的ローパスフィルタ
およびそれを備えた撮像装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】単板式固体撮像素子を用いたカラー撮像
装置は、色フィルタアレイを備え、これにより色信号を
得ており、色フィルタアレイのピッチに対応する高周波
成分が含まれている被写体からは、偽色信号が発生す
る。また、固体撮像素子は不連続に、かつ規則正しく配
置された画素を有しており、画素のピッチに対応する高
周波成分が含まれている被写体からは、折り返しによる
偽信号が発生する。そのため、このようなカラー撮像装
置の光学系には、偽色信号および偽信号の発生を防止す
る光学的ローパスフィルタが配置されている。光学的ロ
ーパスフィルタとしては、３枚以上の水晶板と１枚の赤
外線遮断フィルタとが貼り合わされてなるものが用いら
れているが、積層構造を有する光学的ローパスフィルタ
は、量産性に劣り、高価であるという問題点を有してい
る。上記の問題を解決するために、回折格子からなる光
学的ローパスフィルタが提案されている。このような回
折格子を用いた撮像装置の一例を図７に示す。

【０００３】図７において、撮像装置には、光の入射側
（被写体側）から撮像レンズ３１、光学的ローパスフィ
ルタ３２および固体撮像素子３４が、この順序に配置さ
れている。固体撮像素子３４はパッケージ３５内に収納
され、光学的ローパスフィルタ３２はパッケージ３５の
前面に取り付けられて、固体撮像素子４の保護ガラスに
兼用されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記光学的ローパスフ
ィルタ３２は、光透過性の基板として屈折率が１．５
２、基板厚みが１ｍｍのガラスを用い、その表面に回折
格子が形成されている。この光学的ローパスフィルタ３
２を、その格子形成面３２ａと固体撮像素子３４間の距
離が５０μｍとなるように設置した撮像装置を用いてス
ポット光を撮影すると、スポット光像の回りに、リング
状のフレア（以下、「リング状フレア」と称す）が発生
する。このリング状フレアは、例えば車のヘッドライト
や照明用ライトを撮影した場合に発生し、画質を低下さ
せる要因となっている。

【０００５】本発明の主な目的は、上記のリング状フレ
アの発生による画質の低下を防ぐ光学的ローパスフィル
タ及びそれを備えた撮像装置を提供することである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の光学的ローパスフィルタは、下記（Ａ）ま
たは（Ｂ）の構造を有している。

【０００７】（Ａ）光透過性の基板の表面に回折格子を
形成してなり、撮像レンズと固体撮像素子との間に配置
されて、その格子形成面が上記固体撮像素子側に向けら
れる光学的ローパスフィルタであって、上記基板の屈折
率をｎ、上記固体撮像素子の撮像面の長手方向の長さを
ｘとしたとき、上記基板の厚みｔが下記の条件を満足す
ることを特徴とする光学的ローパスフィルタ。４・ｔ・ｔａｎ（Ｓｉｎ^-1（１／ｎ））≧ｘ

【０００８】（Ｂ）光透過性の基板の表面に回折格子を
形成してなり、撮像レンズと固体撮像素子との間に配置
されて、その格子形成面が上記固体撮像素子側に向けら
れる光学的ローパスフィルタであって、上記基板におけ
る上記格子形成面と反対側の表面に１層以上の膜からな
る反射防止膜が形成されており、上記基板の屈折率を
ｎ、上記固体撮像素子の撮像面の長手方向の長さをｘと
したとき、上記基板の厚みｔが下記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。８・ｔ・ｔａｎ（Ｓｉｎ^-1（１／ｎ））≧ｘ

【０００９】さらに、本発明の撮像装置は、上記（Ａ）
または（Ｂ）記載の光学的ローパスフィルタを備え、そ
の光学的ローパスフィルタと固体撮像素子とが、これら
の間に介挿したスペーサとともに一体化されている。

【００１０】

【作用】上記構成の光学的ローパスフィルタによれば、
リング状フレアの半径が大きくなって、撮像面から外れ
る結果、撮像面にリング状フレアが全く現れないか、ま
たは現れても、その光強度が低下して、目立たなくな
る。また、上記構成の撮像装置によれば、光学的ローパ
スフィルタと固体撮像素子との相対的な位置関係が製造
時に正確に設定されるので、偽色信号および偽信号の抑
制効果が確保される。

【００１１】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面にしたがって説
明する。図１は本発明の第１実施例に係る撮像装置の概
略構成を示す。同図において、撮像レンズ１と固体撮像
素子４との間に光学的ローパスフィルタ２が配置されて
おり、その格子形成面２ａが固体撮像素子４側に向けら
れている。カラー撮像装置の場合には、固体撮像素子４
の前面に色フィルタアレイ６が配置される。

【００１２】固体撮像素子４は、図２に示すように、矩
形の平板状であり、その撮像面４ａには、長手方向であ
る水平方向Ｈと垂直方向Ｖとに沿って配列された多数の
光検出素子７が設けられている。この固体撮像素子４
は、図１のパッケージ５内に収納されて保護されてい
る。光学的ローパスフィルタ２は、撮像装置の図示しな
いフレームに支持されている。

【００１３】また、光学的ローパスフィルタ２は、例え
ば、直交する２方向に延びる回折格子を備え、各回折格
子による回折方向が、図２の固体撮像素子４の水平方向
Ｈと垂直方向Ｖのそれぞれに対して４５度の角度をなす
ように設定されている。

【００１４】上記光学的ローパスフィルタ２の厚みは、
固体撮像素子４の平面寸法に対して特定の関係になるよ
う設定されている。この関係を説明する前に、まず、リ
ング状フレアが発生する原因について、図３を用いて説
明する。

【００１５】固体撮像素子４は、表面を構成しているＳ
ｉや配線に用いられているＡｌのため、表面の光反射率
が高い。そのために、撮像面４ａに達した光の一部は、
撮像面４ａで反射され、光学的ローパスフィルタ２の回
折格子により回折されて、光学的ローパスフィルタ２内
に入射した後、光学的ローパスフィルタの透明な基板表
面２ｂに達し、透過および反射される。基板表面２ｂで
反射された光は、再び光学的ローパスフィルタ２の格子
により回折された後、撮像面４ａに達する。

【００１６】上記基板表面２ｂに入射する光の中で、入
射角度が空気の屈折率と基板の屈折率から決まる臨界角
以上の光は、全反射を起こすため、臨界角以下で基板表
面２ｂに入射する光に較べ、撮像面４ａに達する反射光
の強度が格段に大きくなる。その結果、この強い反射光
が画像中にリング状フレアとなって現れる。図４に、撮
像面４ａ上でのスポット光像１１とリング状フレア１２
を示す。リング状フレア１２は、スポット光像の回りに
半径Ｒの円として現れる。

【００１７】図３において、光学的ローパスフィルタ２
と撮像面４ａとの距離をｇ、基板の厚みをｔ，基板の屈
折率をｎ，基板表面２ｂでの臨界角をθｃとする。ま
た、図４のスポット光像１１の中心からリング状フレア
１２の最大強度部分までの距離を、リング状フレアの半
径Ｒと定義する。空気の屈折率は１であるため、臨界角
θｃは下式で表される。 θｃ＝Ｓｉｎ^-1（１／ｎ）（１）

【００１８】また、リング状フレア１２の半径Ｒは、下
式で表される。Ｒ＝ａ１＋ｂ＋ａ２＝ｇ・ｔａｎ（θ１）＋２・ｔ・ｔａｎ（θｃ）＋ｇ・ｔａｎ（θ２）（２）ここで、ａ１，ｂ，ａ２，θ１，θ２はそれぞれ、図３
に示すように、撮像面４ａ上の反射点１３から格子形成
面２ａ上の入射点１４までの水平距離、つまり、固体撮
像素子４と平行に測定した距離、入射点１４から出射点
１５までの水平距離、出射点１５から撮像面４ａ上の入
射点１６までの水平距離である。

【００１９】距離ｇが厚みｔに比べて十分小さい場合に
は、ａ１とａ２はｂに較べて十分小さな値となるため、
リング状フレア１２の半径Ｒは下式で与えられる。Ｒ＝ｂ＝２・ｔ・ｔａｎ（θｃ）（３）

【００２０】本発明者らは、格子形成面２ａと撮像面間
の距離ｇを５０μｍとし、基板の厚みｔおよび屈折率ｎ
を変化させ、１／２インチ固体撮像素子４を用いた撮像
装置により、発生するリング状フレア１２を観察した。
基板として屈折率１．５２のガラスを用いた場合の、基
板の厚みｔと発生したリング状フレア１２の観測結果
を、表１に示す。

【００２１】

【表１】

【００２２】さらに屈折率が１．８１のガラスを基板と
した場合の、基板厚みとリング状フレア１２の観測結果
を表２に示す。

【００２３】

【表２】

【００２４】これら関係を検討した結果つぎのことが判
明した。図４のリング状フレア１２の半径Ｒが、固体撮
像素子４の対角線長さよりも大きい場合は、リング状フ
レア１２が撮像面４ａに全く現れないので、勿論、問題
はない（表１，２の○印）。また、リング状フレア１２
が撮像面４ａに１本現れる程度であれば、その半径Ｒが
充分大きいために、リング状フレア１２の単位面積当た
りの光エネルギが小さくなる、つまり、光の集中度が低
くなるので、リング状フレア１２が目立たなくなり、実
用上問題がなくなる（表１の△印）。

【００２５】このようにリング状フレア１２が１本現れ
るのを許容する範囲を式で表すと、つぎのようになる。
ここで、固体撮像素子４の長手方向（水平方向）Ｈの長
さをｘとしている。Ｒ≧ｘ／２すなわち、４・ｔ・ｔａｎ（Ｓｉｎ^-1（１／ｎ））≧ｘ（４）なお、ＮＴＳＣ方式では、撮像面４ａの水平垂直の比は
４：３であり、水平方向の長さｘの方が、垂直方向の長
さｙよりも長い。

【００２６】また、望ましくは、下記の条件を満たすこ
とにより、つまり、半径Ｒを撮像面４ａの長手方向Ｈの
長さｘよりも大きくすることにより、リング状フレア１
２の出現を防止して、画質の低下を効果的に抑制でき
る。Ｒ≧ｘ２・ｔ・ｔａｎ（Ｓｉｎ^-1（１／ｎ））≧ｘ（５）

【００２７】さらに、上記半径Ｒを撮像面４ａの対角線
の長さ（ｘ²＋ｙ²）^1/2よりも大きくすることによ
り、前述のとおり、リング状フレア１２の出現を完全に
防止して、画質の低下を一層効果的に抑制できる。つま
り、２・ｔ・ｔａｎ（Ｓｉｎ^-1（１／ｎ））≧（ｘ²＋ｙ²）^1/2 （６）

【００２８】また、図２で示すように撮像面４ａの外周
には、オプティカルブラックと呼ばれる光の反射率の高
い部分があり、このオプティカルブラック８の部分で反
射する迷光もリング状フレアの発生の要因となってい
る。したがって、さらに望ましくは、下記の条件を満た
すことにより、リング状フレアの発生を防ぐことが出来
る。２・ｔ・ｔａｎ（Ｓｉｎ^-1（１／ｎ））≧（ｐ²＋ｑ²）^1/2 （７）ここで、オプティカルブラック８の部分も含めた撮像面
４ａの水平方向の長さをｐ、垂直方向の長さをｑとおい
ている。

【００２９】実際、表１および表２において、観測結果
の△印は、厚みｔが上記式（４）または（５）式を満足
し、○印は式（６）または（７）を満足しており、×印
は式（４）〜（７）のいずれをも満足していない。ここ
で、表１，２の厚みｔが式（４）〜（７）を満足するか
否かの計算に用いたパラメータは、つぎのとおりであ
る。ｘ＝６．４ｍｍ，ｙ＝４．８ｍｍ，（ｘ²＋ｙ²）
^1/2＝８ｍｍ，（ｐ²＋ｑ²）^1/2＝１０ｍｍ

【００３０】また、上記パラメータを使用して、式
（４）、（６）および（７）のそれぞれを満足する厚み
ｔの最小値を計算したところ、つぎのとおりであった。屈折率ｎ＝１．５２の場合ｎ＝１．８１の場合式（４）：１．７９ｍｍ２．４１ｍｍ式（６）：４．５８ｍｍ６．０３ｍｍ式（７）：５．７２ｍｍ７．５４ｍｍ

【００３１】したがって、本発明では、図３の光学的ロ
ーパスフィルタ２の厚みｔを、固体撮像素子４の撮像面
４ａの平面寸法ｘ，ｙ，ｐ，ｑに対して、上記条件
（４）〜（７）のいずれかを満足するように設定して、
リング状フレア１２を抑制している。

【００３２】また、本発明者らは、光学的ローパスフィ
ルタ２における格子を形成していない表面、すなわち、
格子形成面２ａと反対側の表面２ｂに、反射防止膜を設
けることにより、リング状フレアの強度が低くなること
を発見した。このことを検討した結果、上記反射防止膜
を設けた場合には、リング状フレア１２が撮像面４ａに
２本現れる程度まで、その半径Ｒが小さくなっても、リ
ング状フレア１２の光の集中度が低くなり、リング状フ
レア１２は実用上問題とならないことが分かった。この
関係を式で表すとつぎのようになる。８・ｔ・ｔａｎ（Ｓｉｎ^-1（１／ｎ））≧ｘ（８）

【００３３】そこで、本発明では、上記反射膜を設けた
場合、図３の光学的ローパスフィルタ２の厚みｔを、固
体撮像素子４の撮像面４ａの平面寸法ｘ，ｙ，ｐ，ｑに
対して、上記条件（８）を満足するように設定して、リ
ング状フレア１２を抑制している。

【００３４】図５は本発明の第２実施例を示し、パッケ
ージ５内に設置された色フィルタアレイ６付の固体撮像
素子４と光学的ローパスフィルタ２とが、矩形の枠型の
スペーサ８を介して、接着剤９により一体化されてい
る。このスペーサ８は、例えばガラスや金属のような基
材の表面に、ポリエチレンテレフレートのような感光性
樹脂をパターニングしたものである。光学的ローパスフ
ィルタ２の特長である偽色信号・偽信号の抑制機能を発
揮させるには、光学的ローパスフィルタ２と、固体撮像
素子４を含めた他の要素との位置関係が重要であるが、
この第２実施例によれば、上記スペーサ８により、光学
的ローパスフィルタ２と撮像面４ａとの相対的な位置関
係が製造時に正確に設定されるので、上記偽色信号・偽
信号の抑制機能が効果的に発揮される。

【００３５】図６は第３実施例を示し、この例では、光
学的ローパスフィルタ２における格子形成面２ａと反対
側の表面２ｂに、反射防止膜１０が設けられている。こ
の反射防止膜１０は、たとえば、下から SiO_X膜，TiO₂
膜， MgF₂膜の順に重ねた３層構造となっている。スペ
ーサ８は、枠型ではなく、平板状であり、ポリエチレン
テレフタレートのような感光性の樹脂フィルムを重ねて
形成されてなり、色フィルタアレイ６付の固体撮像素子
４と光学的ローパスフィルタ２との間に介挿されて、両
者４，２の対向面の全面に対応している。

【００３６】なお、固体撮像素子４と光学的ローパスフ
ィルタ２の一体化は、ネジ止め、接着、封入、一体成形
のいずれでもよい。上記スペーサ８は、上記枠型やフィ
ルム型とは異なり、感光性樹脂を固体撮像素子４と光学
的ローパスフィルタ２の一方または両方に光パターニン
グしたものであってもよい。また、接着剤中に一定の直
径を有するビーズ、ロッド等を含ませてスペーサを構成
し、これらビーズ、ロッド等によって、固体撮像素子４
と光学的ローパスフィルタ２間の距離を正確に保持する
構造としてもよい。

【００３７】

【発明の効果】以上説明したとおり、本発明の光学的ロ
ーパスフィルタによれば、偽信号および偽色信号を有効
に遮断しながら、リング状フレアによる画質の低下を解
消できる。また、本発明の撮像素子によれば、光学的ロ
ーパスフィルタと固体撮像素子との相対的な位置関係が
製造時に正確に設定されるので、偽色信号および偽信号
の発生が効果的に抑制される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例に係る撮像装置を示す概略
構成図である。

【図２】同実施例の固体撮像素子を示す斜視図である。

【図３】同実施例の光学的ローパスフィルタおよび固体
撮像素子を示す側面図である。

【図４】同実施例の固体撮像素子の撮像面を示す正面図
である。

【図５】本発明の第２実施例に係る撮像装置を示す概略
構成図である。

【図６】本発明の第３実施例に係る撮像装置を示す概略
構成図である。

【図７】従来の撮像装置を示す概略構成図である。

【符号の説明】

１…撮像レンズ、２…光学的ローパスフィルタ、２ａ…
格子形成面、２ｂ…格子形成面と反対側の表面、４…固
体撮像素子、５…パッケージ、６…色フィルタアレイ、
８…スペーサ、９…接着剤、１０…反射防止膜。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光透過性の基板の表面に回折格子を形成
してなり、撮像レンズと固体撮像素子との間に配置され
て、その格子形成面が上記固体撮像素子側に向けられる
光学的ローパスフィルタであって、上記基板の屈折率を
ｎ、上記固体撮像素子の撮像面の長手方向の長さをｘと
したとき、上記基板の厚みｔが下記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。４・ｔ・ｔａｎ（Ｓｉｎ^-1（１／ｎ））≧ｘ
【請求項２】光透過性の基板の表面に回折格子を形成
してなり、撮像レンズと固体撮像素子との間に配置され
て、その格子形成面が上記固体撮像素子側に向けられる
光学的ローパスフィルタであって、上記基板における上
記格子形成面と反対側の表面に１層以上の膜からなる反
射防止膜が形成されており、上記基板の屈折率をｎ、上
記固体撮像素子の撮像面の長手方向の長さをｘとしたと
き、上記基板の厚みｔが下記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。８・ｔ・ｔａｎ（Ｓｉｎ^-1（１／ｎ））≧ｘ
【請求項３】請求項１または請求項２に記載の光学的
ローパスフィルタを備え、上記光学的ローパスフィルタ
と固体撮像素子とが、これらの間に介挿したスペーサと
ともに一体化されてなることを特徴とする撮像装置。