JPH09509508A - ２個の複屈折性光学フィルタ素子を有する光学的ローパスフィルタ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 カメラにおいて、サンプリング周波数（ｆｓ）を有するイメージセンサ（４Ｒ，４Ｇ，４Ｂ）と、このイメージセンサ（４Ｒ，４Ｇ，４Ｂ）を有する光路上に配置した光学的ローパスフィルタ装置（２）とを具え、この光学的ローパスフィルタ装置（２）は、イメージセンサ（４Ｒ，４Ｇ，４Ｂ）のサンプリング周波数（ｆｓ）で周波数トラップを有する周波数応答性を示す第１複屈折光学フィルタ素子（１１）と、イメージセンサ（４Ｒ，４Ｇ，４Ｂ）のサンプリング周波数（ｆｓ）の２／３の周波数で第１周波数トラップを有し、またイメージセンサ（４Ｒ，４Ｇ，４Ｂ）のサンプリング周波数（ｆｓ）の２倍の周波数で第２周波数トラップを有する周波数応答性を示す第２複屈折光学フィルタ素子（１３）とにより構成する。

Description

【発明の詳細な説明】 ２個の複屈折性光学フィルタ素子を有する光学的ローパスフィルタ 本発明は、光学的ローパスフィルタ装置、及びこのような光学的ローパスフィル タ装置及びイメージセンサを有するカメラに関するものである。 このような光学的ローパスフィルタ装置は、米国特許第３，５５８，２２４号 に記載されている。異なる厚さの３個の複屈折素子をシリーズに配列し、順次の 素子間に介在させた２個の１／４波長遅延素子を有する構成は調整可能な光学フ ィルタを構成する。このフィルタは物体とカメラチューブの感光素子で形成され るイメージとの間の光路上に配置する。フィルタを通過する光の空間における帯 域は、複屈折素子の寸法を適当に選択すること及び光軸の周りにフィルタ全体を 適正に回転位置決めすることの少なくとも一方を行うことによって一方向に関し て調整可能とし、また複数個の方向において同一量又は異なる量に調整可能にし ている。 ヨーロッパ特許公開第０，３８４，７０１号には、物体の光学的イメージをピ ックアップするための固体イメージピックアップ装置について記載しており、こ のピックアップ装置は、物体の光学的イメージを形成するレンズ装置、モアレ効 果を抑制する光学的フィルタ、光学的イメージを緑、赤及び青の色イメージに分 離する色分離装置、及び緑、赤及び青の色イメージをそれぞれ受光する３個の固 体イメージセンサを有する。固体センサに入射する光学的イメージを、サンプリ ング周波数ｆｓで水平ラインに沿って空間的にサンプリングする。センサによっ て行うイメージサンプリングは、イメージに含まれる最大空間周波数が、ナイキ スト(Nyquist)周波数ｆｎ（サンプリング周波数ｆｓの１／２の周波数に等しい ）よりも高いときエイリアジング(aliasing)又は折り曲げ歪みを生ずる。この折 り曲げ歪みによる再生イメージの品質の劣化を回避するため、ｆｎよりも低い周 波数レンジの応答を減少することなくｆｎよりも高い空間周波数成分を急激に抑 圧することが必要である。この目的のため、物体の光学イメージをｆｓの近傍の トラップ周波数を有する光学ローパスフィルタに通過させてからイメージセンサ によって物体イメージをサンプリングすることがよく知られている。概して、光 学ローパスフィルタは１個又はそれ以上の複屈折クォーツプレートによって形成 する。ヨーロッパ特許公開第０，３８４，７０１号に記載の光学フィルタは、水 平に対して４５°の方向に通常光線と異常光線とをそれぞれ分離する第１クォー ツプレートと、水平方向に通常光線と異常光線とをそれぞれ分離する第２クォー ツプレートと、水平走査方向に対して−４５°の方向に通常光線と異常光線とを それぞれ分離する第３クォーツプレートとを有する。光学フィルタは２個のトラ ップポイント、即ち、イメージセンサのサンプリング周波数ｆｓと１．５・ｆｓ の近傍のトラップポイントを有し、ｆｓ並びに２・ｆｓ，３・ｆｓ，４・ｆｓ， ５・ｆｓの周りの周波数成分を大幅に抑制することができ、ベース帯域における 成分抑制は効果的に低く維持することができる。しかし、２・ｆｓにおける消失 は不十分であり、この２・ｆｓにおける周波数成分の存在のためエイリアジング 歪みが発生する。 このヨーロッパ特許公開第０，３８４，７０１号に記載されているように、特 開昭６０−１６４，７１９号には、固体イメージセンサを有し、３個の複屈折ク ォーツプレートを組み合わせて使用する光学的ローパスフィルタが記載されてい る。周波数応答曲線はｆｎとｆｓにおける２個のトラップポイントを有する。こ のような光学フィルタは、単独のクォーツプレートよりもｆｎ及びｆｓの近傍の 周波数レンジに対して大きな抑制機能を有するが、ｆｓの近傍の抑制は実用的な 観点からは十分大きいとはいえず、ベース帯域における抑制が大きく、所要のイ メージ成分も減少し、イメージ品質が劣化する。 このヨーロッパ特許公開第０，３８４，７０１号に記載されているように、特 開昭６０−１６０，８４９号には、サンプリング周波数の近傍の成分を十分抑制 してモアレフリンジの発生を効果的に回避するとともに、ベース帯域における抑 制をできるだけ小さくすることによって解像度の減少を回避する光学フィルタに ついて記載されている。この光学フィルタは、入射光の通常光線と異常光線を少 なくとも走査方向に分離して主走査方向における全体的な応答特性がサンプリン グ周波数で又はその近傍で１個のトラップポイントを有するが、サンプリング周 波数以下の周波数レンジにはトラップポイントがないようにした３個のクォーツ プレートを設ける。本明細書に記載する光学フィルタは、サンプリング周波数ｆ ｓの高次のハーモニクス、例えば、２・ｆｓで発生するモアレフリンジは抑止し ないことがわかっている。このようなモアレフリンジを減少するためには、クォ ーツプレートを追加して設けることが必要であり、このことは光学フィルタを複 雑化かつ大形化し、また光学フィルタのコストを増大させる。 ヨーロッパ特許公開第０，４４９，３２５号には、固体撮像装置の前方に光学 ローパスフィルタを装備したビデオカメラについて記載されている。この光学ロ ーパスフィルタは、水平方向のサンプリングピッチ（ｐｈ）が垂直方向のサンプ リングピッチ（ｐｖ）よりも小さい固体撮像装置に好適である。この場合、例え ば、ｐｈ＝ｐｖ／１．１７である。光学ローパスフィルタは、厚さがそれぞれｄ １，ｄ２，ｄ３の３個の複屈折プレートを有し、これらの厚さは水平方向及び垂 直方向に所要の周波数特性が得られるように寸法を決める。一つの例としては、 方向のサンプリングピッチｐｖの関数として厚さｄ１及びｄ３を選択した第１及 び第３の複屈折プレートは、水平方向のサンプリング周波数の０．６４倍の周波 数でトラップポイントを有する水平周波数応答性を示す。ｄ２を水平方向のサン プリングピッチｐｈの関数として選択した第２プレートは、サンプリング周波数 でトラップポイントを有する水平周波数応答性を示す。これにより０．５・ｆｓ とｆｓ間の周波数成分の良好な抑制が得られるが、２・ｆｓの周りの周波数成分 （極めて良好に見える低周波成分にフォールドバックする）は十分には抑制しな い。 本発明の目的は、サンプリング周波数ｆｓ及びサンプリング周波数ｆｓの２倍 の周波数でトラップポイントを有する周波数応答性を示す構成簡単かつ安価な光 学ローパスフィルタ装置を得るにある。この目的を達成するため、本発明光学的 ローパスフィルタ装置は、光学的ローパスフィルタ装置及びイメージセンサを含 む光路上に配置したイメージセンサのサンプリング周波数（ｆｓ）で周波数トラ ップを有する周波数応答性を示す第１複屈折光学フィルタ素子と、 イメージセンサのサンプリング周波数（ｆｓ）の２／３の周波数で第１周波数 トラップを有し、またイメージセンサのサンプリング周波数（ｆｓ）の２倍の周 波数で第２周波数トラップを有する周波数応答性を示す第２複屈折光学フィルタ 素子と を具えたことを特徴とする。 本発明のうち請求項２記載の発明は、このような光学的ローパスフィルタ装置 及びイメージセンサを有するカメラを特徴とする。このカメラの好適な実施例に ついては、請求項３に記載する。 サンプリング周波数で周波数ディップをる第１光学ローパスフィルタ素子と、 サンプリング周波数の２／３で周波数ディップを有する第２光学ローパスフィル タ素子との組み合わせにより、サンプリング周波数の１倍及び３倍の周波数で周 波数ディップを生ずる光学フィルタ素子を有する従来の装置よりも良好なエイリ アジング抑制性能を示し、解像度を大幅に犠牲にすることがない。サンプリング 周波数の２／３で第１の周波数ディップを有する光学フィルタ素子は、サンプリ ング周波数の２倍の周波数で第２の周波数ディップを有し、サンプリング周波数 の２倍の周波数の近傍の周波数成分から生ずるエイリアジング効果を効果的に抑 制することができる。サンプリング周波数の２／３の周波数における第１周波数 ディップは更に、０．５・ｆｓとｆｓとの間の周波数帯域において、予ナイキス ト(pre-Nyquist)フィルタリングが得られる。 本発明のこれらの及び他の特徴を、以下の実施例を参照して説明する。 図面において、 図１は本発明によるカメラの実施例を示す線図的説明図でありし、 図２は本発明による光学的ローパスフィルタ装置の周波数応答性を示すグラフ であり、 図３は残存するエイリアジング成分の周波数応答性を示すグラフである。 図１は本発明によるカメラの実施例を示し、このカメラはヨーロッパ特許公開 第０，３８４，７０１号の図４に記載のカメラと基本的に同一である。本発明の 相違点は、以下に詳細に説明するように光学的ローパスフィルタ装置２の構成に ある。ピックアップすべき物体のイメージ（画像）を光学レンズ系１によって形 成し、このイメージを３個の固体イメージセンサ（ＣＣＤセンサ）４Ｒ，４Ｇ， ４Ｂに光学フィルタ装置２及び色分離装置３により入射させる。色分離装置３は 物体のイメージを赤、緑及び青の色イメージに分離して異なる方向に指向させ、 また分離した３個の色イメージが個別のイメージセンサに入射するようイメージ センサ４Ｒ，４Ｇ及び４Ｂを配列する。光学フィルタ装置２は、互いに順次重ね 合わせた３個の光学フィルタ素子（例えば、クォーツプレート）１１，１２及び １３を有する。第１の複屈折光学フィルタ素子１１はイメージセンサのサンプリ ング周波数ｆｓで周波数ディップ（又はトラップポイント）を発生する。第２光 学フィルタ素子１２は米国特許第３，５８８，２２４号に記載のような減偏光子 （デポラリゼータ:depolarisator）又は１／４波長遅延素子を構成する。第３複 屈折光学フィルタ素子１３はイメージセンサのサンプリング周波数ｆｓの２／３ の周波数で第１周波数ディップを発生し、またサンプリング周波数ｆｓの２倍の 周波数で第２周波数ディップを発生する。 色分離装置（プリズム）３によって生ずる光学的歪みを相殺するため、光学フ ィルタ装置２には、更に、光学フィルタ素子１３とプリズム３との間に減偏光子 （デポラリゼータ）を設けるとよい。光学フィルタ装置をプリズムと３個の固体 イメージセンサ（ＣＣＤセンサ）４Ｒ，４Ｇ，４Ｂとの間に配置（３重にして） する場合、このような減偏光子（デポラリゼータ）は、光学フィルタ装置２とプ リズム３との間に配置するとよい。 図２は光学ローパスフィルタ装置２の周波数応答性を線図的に示す。水平軸は 周波数ｆを示し、垂直軸は強度を示す。 図２ａは第１フィルタ素子１１の周波数応答性を示し、ｆｓ及び３・ｆｓに周 波数トラップポイントを有し、この周波数応答性はｃｏｓ（π／２・ｆ／ｆｓ） で表すことができる。 減偏光子１２は図示しないが、フラットな周波数応答性を有する。 図２ｂは、第３光学フィルタ素子１１の周波数応答性を示し、２／３・ｆｓ， ２・ｆｓ，３ 1/3・ｆｓで周波数トラップポイントを有する。この周波数応答性 はｃｏｓ（π／２・ｆ／（２／３・ｆｓ））で表すことができる。 図２ｃはフィルタ素子１１，１３の組み合わせの効果を示し、２／３・ｆｓ， ｆｓ，２・ｆｓ，３・ｆｓ及び３ 1/3・ｆｓで周波数トラップポイントを有する 。この周波数応答性はｃｏｓ（π／２・ｆ／ｆｓ）・ｃｏｓ（π／２・ｆ／（２ ／３・ｆｓ））で表すことができる。所要に応じて、すべての周波数応答性にお いて、トラップポイントはｆｓ，及び２・ｆｓに存在し、０．５・ｆｓとｆｓと の間の周波数成分の抑圧し、このことは所要の予ナイキスト(pre-Nyquist)フィ ルタリングを構成する。 図３には残存するエイリアジング成分の周波数応答性を示す。水平軸は周波数 ｆを示し、垂直軸は強度を示す。 図３ａは１／２ｆｓ〜ｆｓの範囲内で到来する周波数のフィルタ応答性を示す 。点線の曲線は、サンプリング周波数ｆｓで周波数ディップを有する単独の光学 フィルタ素子を使用するときの応答性を示す。描写した曲線は、サンプリング周 波数及びサンプリング周波数の２／３の周波数で対応の周波数ディップを有する 本発明による２個の光学フィルタ素子の組み合わせの応答性を示す。 図３ｂは３／２・ｆｓ〜２・ｆｓの範囲内の到来周波数のフィルタ応答性を示 す。描写した曲線は、サンプリング周波数ｆｓで周波数ディップを有する単独の 光学フィルタ素子を使用するときの応答性を示す。描写した曲線は、サンプリン グ周波数及びサンプリング周波数の２／３の周波数で対応の周波数ディップを有 する本発明による２個の光学フィルタ素子の組み合わせの応答性を示す。 本発明による光学ローパスフィルタの可能な実施例としては、以下に示すもの がある。 1) ｆｓのトラップポイント及び水平分離を有するローパスフィルタと、これに 後続する遅延プレートと、これに後続する２／３・ｆｓのトラップポイント及び 水平分離を有するローパスフィルタとの組み合わせ。 2) ２／３・ｆｓのトラップポイント及び水平分離を有するローパスフィルタと 、これに後続する遅延プレートと、これに後続するｆｓのトラップポイント及び 水平分離を有するローパスフィルタとの組み合わせ。 3) ｆｓのトラップポイント及び水平分離を有するローパスフィルタと、これに 後続する２／３・ｆｓのトラップポイント及び４５°分離を有するローパスフィ ルタと、これに後続する２／３・ｆｓのトラップポイント及び１３５°分離を有 するローパスフィルタとの組み合わせ。 4） ２／３・ｆｓのトラップポイント及び１３５°分離を有するローパスフィ ル タと、これに後続する２／３・ｆｓのトラップポイント及び４５°分離を有する ローパスフィルタと、これに後続するｆｓのトラップポイント及び水平分離を有 するローパスフィルタとの組み合わせ。 5) ２／３・ｆｓのトラップポイント及び水平分離を有するローパスフィルタと 、これに後続するｆｓのトラップポイント及び４５°分離を有するローパスフィ ルタと、これに後続するｆｓのトラップポイント及び１３５°分離を有するロー パスフィルタとの組み合わせ。 6) ｆｓのトラップポイント及び１３５°分離を有するローパスフィルタと、ｆ ｓのトラップポイント及び４５°分離を有するローパスフィルタと、これに後続 する２／３・ｆｓのトラップポイント及び水平分離を有するローパスフィルタと の組み合わせ。 7) ｆｓのトラップポイント及び水平分離を有するローパスフィルタと、これに 後続する２／３・ｆｓのトラップポイント及び１３５°分離を有するローパスフ ィルタと、これに後続する２／３・ｆｓのトラップポイント及び４５°分離を有 するローパスフィルタとの組み合わせ。 8) ２／３・ｆｓのトラップポイント及び４５°分離を有するローパスフィルタ と、これに後続する２／３・ｆｓのトラップポイント及び１３５°分離を有する ローパスフィルタと、これに後続するｆｓのトラップポイント及び水平分離を有 するローパスフィルタとの組み合わせ。 9) ２／３・ｆｓのトラップポイント及び水平分離を有するローパスフィルタと 、これに後続するｆｓのトラップポイント及び１３５°分離を有するローパスフ ィルタと、これに後続するｆｓのトラップポイント及び４５°分離を有するロー パスフィルタとの組み合わせ。 10) ｆｓのトラップポイント及び４５°分離を有するローパスフィルタと、これ に後続するｆｓのトラップポイント及び１３５°分離を有するローパスフィルタ と、これに後続する２／３・ｆｓのトラップポイント及び水平分離を有するロー パスフィルタとの組み合わせ。 各実施例において、２個の角度は双方とも正又は双方とも負の角度とすること ができる。 シフト量δ（μｍ）とクォーツフィルタ素子の厚さｔ（ｍｍ）との間の関係は 公式δ＝５．９１・ｔ で与えられる。 シフト量δ（μｍ）と１ｍｍあたりのラインペアｌｐ（ｌｐ／ｍｍ）のディッ プ周波数ｆｄは公式ｆｄ＝１０００／２δで与えられる（ただし、係数１０００ は単位μｍをｍｍに変換するのに必要なものである）。 水平走査方向に対して時計方向又は反時計方向にそれぞれ４５°及び１３５° の分離方向を有する２個のフィルタ素子の組み合わせによって周波数ディップが 生ずる場合、シフト量（μｍ）と１ｍｍあたりのラインペアｌｐ（ｌｐ／ｍｍ） 分離を有するフィルタに必要とされる単独のクォーツ部材よりもそれぞれ√２倍 だけ薄い２個のクォーツ部材を必要とする。 或る一つの実施例においては、光学フィルタ装置２は、第１光学フィルタ素子 １１と、遅延素子１２と、第２光学フィルタ素子１３と、第２遅延素子１４とを 有するものとする。画素の幅を９μｍとし、サンプリング周波数を１８ＭＨｚと する。このとき、第１光学フィルタ素子１１は、サンプリング周波数１・ｆｓ（ １・１０００／９＝１１１．１１ｌｐ／ｍｍに相当する）で周波数ディップを有 し、従って、厚さは０．７６１ｍｍとすべきである。第２光学フィルタ素子は、 ２／３・ｆｓ（２／３・１０００／９＝７４．０７ｌｐ／ｍｍに相当する）で第 １周波数ディップを有し、従って、厚さは１．１４２ｍｍとすべきである。 他の実施例において、光学フィルタ装置２が、第１光学フィルタ素子１１と、 第２及び第３の光学フィルタ素子１２，１３の組み合わせと、及び遅延素子１４ とを有するものとして構成する。画素の幅を９μｍとし、サンプリング周波数を １８ＭＨｚとする。このとき、第１光学フィルタ素子１１は、サンプリング周波 数１・ｆｓ（１・１０００／９＝１１１．１１ｌｐ／ｍｍに相当する）で周波数 ディップを有し、従って、厚さは０．７６１ｍｍとすべきである。第２光学フィ ルタ素子は、２／３・ｆｓ（２／３・１０００／９＝７４．０７ｌｐ／ｍｍに相 当する）で第１周波数ディップを有し、従って、厚さは１．１４２／√２＝０． ８０６ｍｍとすべきである。 上述の実施例は本発明を限定するものではなく、当業者は請求の範囲から逸脱 することなく多くの変更例を設計することができるものであることに注意された い。光学フィルタ素子は、方解石又はクォーツ等の任意の適当な材料から形成す ることができる。光学フィルタ素子は互いに順次重ね合わせることは必ずしも必 要ではなく、光学フィルタ素子間に空気層が存在してもよい。請求の範囲におい て、カッコ内の参照符号は請求の範囲を制限するものではない。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ブラウヴェル ピーター ポール オランダ国 4827 ハー ヘー ブレダ カピテルウェッハ 10

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．光学的ローパスフィルタ装置（２）及びイメージセンサ（４Ｒ，４Ｇ，４Ｂ ）を含む光路上に配置したイメージセンサ（４Ｒ，４Ｇ，４Ｂ）のサンプリング 周波数（ｆｓ）で周波数トラップを有する周波数応答性を示す第１複屈折光学フ ィルタ素子（１１）と、 イメージセンサ（４Ｒ，４Ｇ，４Ｂ）のサンプリング周波数（ｆｓ）の２／ ３の周波数で第１周波数トラップを有し、またイメージセンサ（４Ｒ，４Ｇ，４ Ｂ）のサンプリング周波数（ｆｓ）の２倍の周波数で第２周波数トラップを有す る周波数応答性を示す第２複屈折光学フィルタ素子（１３）と を具えたことを特徴とする光学的ローパスフィルタ装置。 ２．サンプリング周波数（ｆｓ）を有するイメージセンサ（４Ｒ，４Ｇ，４Ｂ） と、 このイメージセンサ（４Ｒ，４Ｇ，４Ｂ）を有する光路上に配置した光学的 ローパスフィルタ装置（２）とを具え、 この光学的ローパスフィルタ装置（２）は、イメージセンサ（４Ｒ，４Ｇ，４ Ｂ）のサンプリング周波数（ｆｓ）で周波数トラップを生ずる周波数応答性を示 す第１複屈折光学フィルタ素子（１１）と、 イメージセンサ（４Ｒ，４Ｇ，４Ｂ）のサンプリング周波数（ｆｓ）の２／ ３の周波数で第１周波数トラップを有し、またイメージセンサ（４Ｒ，４Ｇ，４ Ｂ）のサンプリング周波数（ｆｓ）の２倍の周波数で第２周波数トラップを生ず る周波数応答性を示す第２複屈折光学フィルタ素子（１３）と により構成したことを特徴とするカメラ。 ３．前記光路上で、光学的ローパスフィルタ装置（２）とイメージセンサ（４Ｒ ，４Ｇ，４Ｂ）との間に、更に色分離装置（３）を設け、前記光学的ローパスフ ィルタ装置（２）には、更に、第１複屈折光学フィルタ素子（１１）と第２複屈 折光学フィルタ素子（１３）との間に、また前記色分離装置（３）との間に減偏 光子（１４）を設けた請求項２記載のカメラ。