JPH10333099A - 位相ノイズ形広スペクトル帯域幅光学ローパスアンチエイリアシングフィルタ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 離散的サンプリング固体電子撮像装置に存在
するエイリアシングアーチファクトを抑制するために用
いられる極めて安価なアンチエイリアシングフィルタを
提供する。 【解決手段】 このフィルタは、多数の透明な位相スポ
ットが配置された透明な基板を有する。この透明な位相
スポットの直径と厚さは、エイリアシングアーチファク
トを抑制するぼかしの光量を与えるように設計されるけ
れども、撮像装置のサンプリング周波数以下の周波数に
対しては、ほど良い鮮鋭度の画像を与えるように設計さ
れる。さらに、このエイリアシング抑制は広いスペクト
ル帯域にわたって達成される。このようにして形成され
た位相ノイズ形フィルタは、対物空間か、または画像空
間のいずれかに配置することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、モノクロームまた
はカラーのセンサーを有する電子スチルカメラ、または
単一センサー要素カラービデオカメラのような撮像装置
において、画像を離散的にサンプリングすることによっ
て生じるエイリアシングアーチファクトを最小にし、同
時に可能な限り高い分解能を維持するために、広スペク
トル帯域幅にわたって高空間周波数を減少または除去す
るための光学ローパスフィルタに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】電子スチルカメラ等の固体撮像装置は、
物体の画像を空間的にサンプリングし、サンプリングさ
れた出力を作成するためには、離散的感光素のアレイま
たは画素と名づけられている光学的部分に依存してい
る。画像は離散的方法によってサンプリングされるの
で、再現された画像には元の対象には存在しない偽の信
号内容が含まれる。この現象はエイリアシングとして知
られており、その画素アレイの特定の方向の空間サンプ
リング周波数の１／２、すなわち、いわゆるナイキスト
周波数において認められるようになる。エイリアシング
はナイキスト周波数において現れ始めるけれども、固体
撮像装置の与えられた方向に沿ったサンプリング周波数
に近い空間周波数において最も顕著である。離散的サン
プリングを行うモノクローム撮像装置（すなわち、カラ
ーフィルターアレイを持たない撮像装置）におけるエイ
リアシングの影響は図１および図２を参照することによ
って理解できる。図１に示されたテストターゲットは、
空間周波数がターゲットの中心からの距離に比例して増
加するような一組の同心円群によって特徴づけられる。

【０００３】図２（Ａ）は、代表的固体撮像装置の離散
的画素アレイを模式的に示したものである。このアレイ
の画素のピッチは、ｘおよびｙ軸方向に沿ってはＴであ
り、対角線方向に沿ってはＴ／√２である。もし、この
ターゲットが、この撮像装置内の画素の離散的アレイの
上に結像されると、図２（Ｂ）に模式的に示したエイリ
アシングパターンが得られる。（明確にするため、図２
（Ｂ）には、実際のターゲットの像を省略し、残りのエ
イリアシングアーチファクトの合成パターンのみを模式
的に示していることに注意されたい。）エイリアシング
アーチファクトは、画像のナイキスト周波数（ｘおよび
ｙ軸方向に沿ってはＦ_N＝１／（２Ｔ）、対角線方向に
沿ってはＦ_N＝√２／（２Ｔ））以上の周波数において
明白になるけれども、エイリアシングパターンは空間周
波数がサンプリング周波数（ｘおよびｙ軸方向に沿って
はＦ_S＝１／Ｔ、対角線方向に沿ってはＦ_S＝√２／Ｔ）
に等しいターゲット像の領域内において最も顕著である
ことがわかる。エイリアシングアーチファクトを減少ま
たは除去するには、サンプリング周波数が最低になる画
像の方向に沿って、そのサンプリング周波数とナイキス
ト周波数の間のあるカットオフ周波数以上の画像面内の
空間周波数を減少または除去する広スペクトル帯域幅ロ
ーパス、または、ぼかしフィルタを、その光学系内で用
いることが望ましいであろう。モノクローム撮像装置の
場合は、このようなフィルタを装着したディジタル撮像
システムはナイキスト周波数以上の空間周波数内に含ま
れる情報を捕捉することは理論的に不可能であるから、
失われる情報はごく僅かであるか、または、皆無である
ことを理解するべきである。

【０００４】個々の画素への入射光線が３原色フィルタ
（すなわち、例えば赤、緑、青のフィルタ）の一つによ
ってフィルタリングされるカラー電子撮像の場合は、事
情はもっと複雑になる。これらのカラー画像センサーの
多くにおいては、ある色に対する空間サンプリング周波
数は、他の色に対する空間サンプリング周波数とは異な
る。したがって、各色は与えられた方向に沿って異なる
ナイキスト周波数を、それぞれ、有する。図３（Ａ）と
図３（Ｂ）は、離散的サンプリングを行う代表的カラー
固体撮像装置に対するエイリアシングの影響を示す。図
３（Ａ）は、画素の半分には緑のカラーフィルターを
（図３（Ａ）ではＧの符号を付けた）、残りの半分には
赤または青のフィルターを（図３（Ａ）では、それぞ
れ、ＲまたはＢの符号を付けた）配置した離散的画素ア
レイを模式的に示す。この特別なカラーフィルタアレイ
パターンは、しばしば、ベイヤーパターンと呼ばれてい
る。ｘまたはｙ軸方向に沿った緑の画素のピッチＴ
_Gは、センサーの画素のピッチＴに等しいけれども、ｘ
またはｙ軸方向に沿った赤または青の画素のピッチＴ_R
およびＴ_Bは、それぞれ、２Ｔに等しい。緑、赤および
青の画素の対角線方向に沿ったピッチは全て√２Ｔであ
ることに注意しなければならない。ｘおよびｙ軸方向に
沿った緑の画素のサンプリング周波数は、赤または青の
画素のサンプリング周波数の２倍になる（Ｆ_SG＝２Ｆ_SR
＝２Ｆ_SB＝１／Ｔ）。図３（Ｂ）は、図１に示したテス
トターゲットに対するエイリアシングアーチファクトの
み（すなわち、捕捉した画像からテストターゲットの画
像を差し引いた画像）の位置を示す模式図である。３色
の全てが、センサーのサンプリング周波数に対応する空
間周波数において、著しいエイリアシングアーチファク
トを示すけれども、赤および青の画素に対する最も顕著
なエイリアシングアーチファクトは、与えられた方向に
沿った赤および青のサンプリング周波数に対応する空間
周波数において生じる。これらの撮像装置に対しては、
最低のナイキスト周波数（すなわち、ベイヤー形の撮像
装置に対してはｘまたはｙ軸方向に沿った赤または青の
ナイキスト周波数）と最高サンプリング周波数（すなわ
ち、ｘまたはｙ軸方向に沿ったセンサーのサンプリング
周波数）の中間のカットオフ周波数を有する広スペクト
ル帯域幅光学ぼかしフィルタを設計することが望ましい
であろう。この場合、その光学ぼかしフィルタのカット
オフ周波数と最高ナイキスト周波数（すなわち、ｘまた
はｙ軸に沿った緑の画素に関連するナイキスト周波数）
の中間の画像の空間周波数に含まれる情報が失われるで
あろうから、エイリアシング抑制の程度と画像の鮮鋭度
の間には、何らかの妥協がなされなければならない。

【０００５】位相ノイズ形光学ローパスフィルタを、デ
ィジタルカメラにおいてアンチエイリアシングと共に写
真用ソフトフィルタとして応用することが、文献に開示
されている。下記参照；Ｋ．サヤナギ、"Ｏｐｔｉｃａ
ｌ Ｎｏｉｓｅ Ｆｉｌｔｅｒ”、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏ
ｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ（日本）、２６、
No.１０、１９５８、ｐｐ６２３−６３２；および
Ｙ．オカノ、”Ｏｐｔｉｃａｌ Ｐｈａｓｅ−Ｎｏｉｓ
ｅ Ｆｉｌｔｅｒ ｆｏｒ Ｃｏｌｏｒ Ｐｏｒｔｒａ
ｉｔ Ｐｈｏｔｏｇｒａｐｈｙ”、Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎ
ｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏ
ｍｍｉｓｓｉｏｎ ｆｏｒ Ｏｐｔｉｃｓ、１３ｔｈ
Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ Ｄｉｇｅｓｔ−Ｓａｐｐｏｒ
ｏ、日本、１９８４、ｐｐ１０４−１０５。これらの論
文では、不規則に配置され、かつ互いに間隔があいてい
る複数の透明なスポット１１を有する透明な基板１０に
よって形成され、各スポットは、図４（Ａ）に示されて
いるようにフィルタを通過する光の波長のオーダの厚さ
を持つところの位相ノイズ形光学低域フィルタについて
記述している。図４（Ｂ）と図４（Ｃ）は、不規則に配
置された透明なスポットが透明な基板の表面から突出す
ることによって形成されている場合（図４（Ｂ））およ
び、これとは異なり、透明な基板の表面の中に沈み込ま
せることによって形成されている場合（図４（Ｃ））に
対する位相ノイズ形光学ローパスフィルタの側面図を示
す。

【０００６】位相ノイズ形光学ローパスフィルタが対物
レンズと撮像システムの像平面の間に配置される場合
（図５（Ａ）参照）、または対物レンズの直前に配置さ
れる場合（図５（Ｂ）参照）は、このような位相ノイズ
形光学ローパスフィルタは、それを通過する光の波面に
収差を引き起こす。ぼかしフィルタのみに起因する（す
なわち、レンズ収差と有限開口の影響を除いた）変調伝
達関数（ＭＴＦ）は、各スポットがスポットを有しない
基板を通過する光に対して相対的な位相差φ_jを作り出
すところの、不規則に配置された透明なスポットの自己
相関から求めることができる。特定の光波長λ_jにおけ
る空間周波数の関数としてのＭＴＦは次式で与えられ、

【数３】 ここで、ｆは空間周波数、ξは透明スポットによって覆
われているフィルタの表面の面積比、φ（λ）は

【数４】 で表され、ｎ（λ）はスポットを形成している材料の特
定の波長λにおける屈折率、ｎ’（λ）はスポットを取
り囲んでいる媒体の特定の波長λにおける屈折率、ｔは
透明なスポットの物理的厚さである。関数ｇ（λｂｆ／
２）は特定の方向に沿ったスポットの幾何学的自己相関
であり、ｇ（０）＝１となり、また引数λｂｆ／２の極
めて大きな値に対しては、ｇ（λｂｆ／２）＝ξとなる
性質がある。関数ｇは、位相スポット直径が小さい場合
は、位相スポットの自己相関が空間周波数と共により急
速に低下するという点で、位相スポット直径ａに間接的
に依存する。式（１Ａ）内の量ｂは、もしフィルタが
「像空間」（すなわち、撮像レンズと像平面間の空間）
に配置されているならば、位相ノイズフィルタのスポッ
ト支持面と像平面の間の距離である。もし、フィルタが
「対物空間」（すなわち、撮像レンズと物体との間の空
間）または撮像レンズ系自体内に配置されているなら
ば、ｂは撮像レンズの焦点距離に等しくなる。

【０００７】図６は特定の波長に対するＭＴＦのプロッ
トを示す。図を見ればわかるように、この関数は、空間
周波数がｆ＝０ ｌｐ／ｍｍから極めて値まで増加する
とき、３個の明白な領域を示す。低空間周波数領域（第
１領域）においては、ＭＴＦ（ｆ，λ）はｆの増加と共
に単調に減少し、やがて中間の周波数領域（第２領域）
に達し、減衰振動的に変動する。空間周波数が極めて大
きな値（第３領域）に達すると、この振動は消滅し、関
数は次の漸近値

【数５】 に接近する。ここで、Ｍ_c（λ）はＭＴＦカットオフ関
数と呼ばれる。ｆが無限大に接近するとＭＴＦ（ｆ，
λ）はＭ_c（λ）に接近するけれども、ＭＴＦ（ｆ，
λ）＝Ｍ_c（λ）になるようなもっと小さな有限のｆの
値が存在する。このｆの値は、低空間周波数領域（単調
減少）から中間周波数領域（減衰振動）への遷移点を示
し、次式

【数６】 ｌｐ／ｍｍによって現される。ここで、Ｆ_a（λ）は、
そのフィルタのカノニカルカットオフ周波数である。エ
イリアシングアーチファクトを減少させるためには、前
述した適切なサンプリング周波数において、または、そ
れ以上の空間周波数に対して、ＭＴＦが充分小さくなる
ように、位相ノイズフィルタを設計するのが望ましいこ
とを理解するべきである。ξ＝０．５（すなわち基板の
表面が５０％だけスポットを有する）であり、スポット
に起因する位相差がπラジアンの奇数倍 φ（λ）＝（２ｍ＋１）π （４Ｂ） になるような物理的厚さに、スポットの物理的厚さｔ

【数７】 が選ばれるならば、Ｍ_c（λ）＝０が得られることが、
式（２）からわかる。式（４Ａ）と（４Ｂ）中の量ｍ
は、０または正または負の任意の整数であってよい。一
般的には、フィルタのカノニカルカットオフ周波数Ｆ_a
（λ）は、エイリアシングアーチファクトが問題になる
空間周波数以上では、全光学系（すなわち、レンズを含
む）のＭＴＦが、充分に低い値を有するように、同時
に、ナイキスト周波数以下の空間周波数においては、で
きるだけ高い値を維持するように調節される。

【０００８】画像を故意にぼかす目的で光学ローパスフ
ィルタを構成することは知られている。例えば、肖像写
真に使用するための透明不規則スポットぼかしフィルタ
を開示している米国特許第４，４８０，８９６号を参照
されたい。この特許においては、式（４Ａ）のｔの値は
可視スペクトルの緑の領域内の特定の波長に対して選定
される。これは、人間の目が最も感じ易い波長に対して
最大のぼかし効果を与えるために行われ、それによっ
て、顔面上の汚点のような肖像写真において望ましくな
い特徴の鮮鋭度を減少させる。しかし、緑のチャンネル
はまさに輝度情報の大部分を搬送するチャンネルである
から、電子カメラにおけるアンチエイリアシングの適用
に対しては、この特許は重大な不利益を受ける。従っ
て、緑のチャンネルにおいては、できるだけ高い分解能
を維持することが重要である。一方、この特許において
は、赤と青の帯域に対するエイリアシングを減少させる
ために、離散的にサンプリングされた画像の赤と青の成
分をぼかす準備はなされていない。 米国特許第２，９
５９，１０５号は、肖像写真においてソフトフォーカス
を得るため普通の写真用レンズと共に不規則なスポット
位相ノイズフィルタの使用を開示している点で前述の特
許に類似している。この特許では、その他の目的とし
て、スクリーンドットのような周期的構造またはテレビ
ジョン画像等における線構造の任意の光学画像から連続
的なトーンの写真画像を生成するために空間周波数カッ
トオフ装置として位相ノイズ形フィルタを使用すること
について記述している。この特許では、具体的には、離
散的サンプリングを行う近代的固体電子カメラにおける
エイリアシングアーチファクトの除去に関連する問題を
解決するために、位相ノイズ形フィルタを適用すること
を予定していない。

【０００９】従来の技術のその他の例は、米国特許第
５，２８０，３８８号であり、電子スチルカメラまたは
その他の離散的サンプリング撮像装置と共に用いるため
の波長選択位相格子光学ローパスフィルタについて記述
している。もっと具体的に言うと、この特許に記述され
ているフィルタは、可視スペクトル中の赤または青の部
分よりも緑の部分からより多くサンプリングするベイヤ
ーパターンのようなカラーフィルタアレイパターンを組
み入れたカラー固体撮像装置において使用することを意
図している。この特許では、不規則に配置された透明な
スポットは、規則的な２次元的透明位相格子によって置
き換えられている。透明位相格子材料および、屈折率が
緑のスペクトル帯域内の特定の波長には適合しているけ
れども、赤および青のスペクトル帯域においては適合し
ないように位相格子がはめ込まれている透明な材料の屈
折率と屈折率の分散を適切に選択することによって、波
長の選択性は達成される。すなわち、式１Ｂのｎ
（λ_G）およびｎ’（λ_G）が等しく、従って式（２）に
よって、λ_Gが緑のスペクトル帯域内の特定の波長であ
る場所でＭ_C（λ_G）が１になる。さらに、格子材料とそ
の格子を取り囲む材料の間で屈折率の分散が異なると仮
定すれば、可視スペクトルの赤および青の部分のある波
長に対して、Ｍ_C（λ_G）が充分０に近くなるように、位
相格子を形成する縞目の厚さが選定される。この特許
も、また幾つかの不利益を受ける。まず、格子は、固体
撮像装置の画像領域を含む画素のアレイ軸に対して正確
にアライメントが合っていなければならない。この発明
は、さらに、低域フィルタを作るために用いられた材料
の物理的性質（すなわち、屈折率と分散）に特別な条件
が必要であると言う不利益を有する。これらの性質は制
限的であり、低製造コストに対する希望などの他の要求
と対立する結果になり得る。互いに直交する二つの別々
な格子を形成することの必要性は、また、製作を複雑に
して、装置の製作費を増加させる。

【００１０】すでに参照した３種類の従来技術の各参考
文献に関連して述べた具体的な問題点に加えて、電子ス
チルカメラまたはその他の離散的サンプリングディジタ
ル撮像装置においてアンチエイリアシングを必要とする
応用に対して、これらの特許のいずれも取り扱っていな
い基本的な問題がある。その問題の難しさは、図７を参
照することによって最も良く理解することができる。こ
の図は、代表的カラーディジタル撮像装置の赤、緑およ
び青のチャンネルをそれぞれ特徴づけるところの３種類
の仮想スペクトル感度関数フィルタＳ_R（λ）、Ｓ
_G（λ）およびＳ_B（λ）を示している。これらのスペク
トル感度曲線は、各カラーチャンネルの入射光線に対す
る応答を波長の関数として表している。これらの曲線
は、３種類のカラーチャンネルに関連するカラーフィル
タの透過特性と同様に、個々の画素を含んでいるフォト
ダイオードまたはフォトキャパシターの量子効率のスペ
クトル依存性のような特性も含んでいる。本発明の目的
のためには、これらのスペクトル感度曲線は、また、入
射照明のスペクトルも含む。各スペクトル感度曲線は広
帯域のスペクトル帯域幅にわたる波長を含んでいるか
ら、特定のカラーフィルタに対するカットオフにおけ
る、ぼかしフィルタの適切なＭＴＦは、そのカラーチャ
ンネルのスペクトルにわたる重み付き平均によって求め
ねばならない。位相ノイズぼかしフィルタの場合は、式
（２）はスペクトル的に平均され、次式

【数８】 が得られる。ここで、Ｍ_cRは赤のチャンネルに対するス
ペクトル的に平均したＭＴＦカットオフ関数である。同
様な式は、緑および青のカラーチャンネルに対するＭ_cG
およびＭ_cBに対してもそれぞれ得られる。式（１Ｂ）に
よれば、透明スポットの厚さｔが厚いほど、φ（λ）の
値は与えられたチャンネルの波長にわたって大きく変化
するであろう。カラーチャンネルの帯域幅にわたる位相
差の変化の直接的な結果として、Ｍ_cR、Ｍ_cG、およびＭ
_cBの値は、０よりも著しく大きくなるであろう。その結
果、位相ノイズぼかしフィルタは、ｔが大きくなるにつ
れて、捕捉された画像内に存在するエイリアシングアー
チファクトを減少させる上で、効果的でなくなるであろ
う。上述の３種類の従来技術のいずれも、カラー固体デ
ィジタルカメラにおける広帯域のスペクトルにわたるエ
イリアシング抑制の問題を解決しない。

【００１１】米国特許第４，００９，９３９号はカラー
テレビジョンカメラシステムにおけるエイリアシングア
ーチファクトを除去するのに用いられる波長選択ローパ
ス光学フィルタに関するものである。この特許は、前述
の従来技術の特許と関連させて述べた問題を解決するた
めの方法を開示している。すなわち、この特許は、広い
スペクトル帯域幅にわたってエイリアシング抑制を達成
する問題を取り扱っている。フィルタは第１透明位相格
子、第２透明位相格子および第１および第２の位相格子
を支持する透明な基板から成り立っている。各位相格子
は、複数の平行な透明な縞目、または第１および第２の
各格子の積層物が互いに平行ではなく、９０°から１６
０°の間の角度で交叉するような積層物によって形成さ
れている。第１の位相格子と第２の位相格子の積層物の
厚さｔ₁とｔ₂は、第１の位相格子は赤のスペクトル内の
高空間周波数成分を減衰させ、第２の位相格子は青のス
ペクトル内の高空間周波数成分を減衰させるように、そ
れぞれ独立に選択される。従って、第１の格子と第２の
格子における積層物の位相遅れφ₁とφ₂は、このような
ローパス光学フィルタを含む光学撮像系のＭＴＦが各設
計波長に対して充分に０に近い値になる。この場合、φ
₁とφ₂は次式によって定義される。

【００１２】

【数９】 ここで、ｎ₁とｎ₂はそれぞれ積層物の屈折率、λ_Rとλ_B
はそれぞれ赤および青のスペクトル帯域に対する設計波
長、ｎ’は縞目を取り巻いている媒体の屈折率である。
言い換えれば、第１および第２の格子の積層物の厚さ
は、各格子に関連するＭＴＦが赤および青の画像内の高
空間周波数成分をそれぞれ個別にカットオフするように
選択される。この点については、赤と青のフィルタをそ
れぞれ透過したスペクトル内の特定の波長に対してφ₁
とφ₂がそれぞれπに等しくなるように、ｔ₁とｔ₂を選
択することによって、スペクトル平均Ｍ_cRとＭ_cBが共に
極めて低い値の複層光学ローパスフィルタを設計するこ
とができる。この場合、３種類のカットオフ関数、
Ｍ_cR、Ｍ_cBおよびＭ_cGの全ては低い値を有し、その結
果、エイリアシングアーチファクトを抑制するのに効果
的である。

【００１３】残念ながら、米国特許第４，００９，９３
９号には幾つかの欠点がある。この特許で開示されたロ
ーパスフィルタは、画像面内の１方向に沿ってのみエイ
リアシングアーチファクトを抑制する。これは、カラー
テレビジョンカメラ系においては役立つけれども、２次
元的にエイリアシングアーチファクトを抑制することを
必要とする離散的サンプリングを行う電子画像検出装置
において応用するには不適当である。さらに、このフィ
ルタは、各積層物の厚さが固有の精度を持つ２種類の格
子を形成し、互いに配置しなければならないと言う点
で、製造するのが難しくなるであろう。最後に、アンチ
エイリアシング作用が達成されるべき方向に沿ったこの
ローパスフィルタ固有の軸は電子撮像装置の軸（すなわ
ち、画素アレイのｘまたはｙ軸）に関して正しくアライ
メントが合っていなければならないことは、製造工程に
おいてより多くのコストが必要になることを意味する。

【００１４】米国特許第５，５８５，８８５号は、写真
用カメラの露光制御システムに使用するための光学ロー
パスフィルタの使用について記述している。このローパ
スフィルタは、位相部品の高さが、その位相部品を通過
している光とそのフィルタの波長の１／２である他の領
域の間の位相差を表すように透明な基板上に不規則に分
布されている凸および凹の面の円形位相部品からなって
いる。この位相差はφ＝πラジアンに相当し、高さｈは
次式

【数１０】 によって与えられる。ここで、ｎは位相部品を有する材
料の指標であり、位相部品は空気によって取り囲まれて
いると仮定する。式（７）に出てくる光波長λの特定の
値は、従来技術の特許においてはノイズフィルタを通過
している測定された光の特性であるという程度までしか
指定できない。米国特許第５，５８５，８８５号におけ
る発明の目的は、光度計のセンサーが多数のユニットに
分割されている場合、被写体からの光の入射に無関係に
２次写真画像の配光を精密に測定することができるカメ
ラの光度計を提供することである。この光学ローパスフ
ィルタは、その１次撮像機構を限定しないけれども、そ
の２次撮像系は離散的光度計センサーのアレイであるカ
メラに使用するように特別に設計されている。このフィ
ルタは２次画像形成レンズの光学的上流側に配置され、
光度計センサーのアレイ上に形成された画像をぼかすの
に使用される。このようにして、光度計センサー間の不
感領域に焦点を合わされた光は、この光の輝度が、これ
らの不感領域に隣接する光度計センサーによって測定で
きるように充分にぼかされる。光を電気信号に変換した
後、その電気信号はカメラの１次撮像機能に対する露光
を決定するのに使用される。

【００１５】米国特許第５，５８５，８８５号はディジ
タル電子撮像装置において広いスペクトル帯域幅にわた
ってエイリアシングアーチファクトを抑制する応用につ
いては何も述べていない。この従来技術の発明の目的
は、被写体の輝度分布を正確に測定できるようにする事
であり、この情報は１次画像を捕捉するためのカメラの
露光を設定するのに使用される。この発明の目的は、明
らかに、本発明の目的とは異なるものである。さらに、
米国特許第５，５８５，８８５号は、凸および凹の表面
と次式の関係を満足する直径ａを有する不規則に分布し
た円形の位相部品を指定している。

【００１６】

【数１１】 ここで、ｆは２次光度計の画像形成系の焦点距離、Ｔは
光度計センサーの間隔、Ｆ_Sは光度計センサーに関連す
るサンプリング周波数、λはフィルタを通過している光
の特性である光波長である。この場合、位相スポットの
直径は、極めて大きな角度で光を回折させるために極め
て小さく選定し、それによって、光度計センサーのアレ
イによって光を集光する可能性を大きくする。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】従って、本発明の一つ
の目的は、従来技術に関連する前述の諸問題の全てを解
決できる安価な広スペクトル帯域幅光学ローパスフィル
タを提供することである。

【００１８】本発明のもう一つの目的は、電子ディジタ
ル撮像装置において使用するための、広いスペクトル範
囲にわたってエイリアシングアーチファクトを抑制する
一方、同時に、ナイキスト周波数以下の空間周波数に対
する系のＭＴＦの低下をできるだけ少なくする光学ロー
パスフィルタを提供することである。

【００１９】

【課題を解決するための手段】固体撮像装置の光学撮像
系と共に使用するための光学広スペクトル帯域幅ローパ
スフィルタであって、透明な基板および複数の透明なス
ポットを形成する材料を具備し、下側波長λ_B から上側
波長λ_R までの特定のスペクトル帯域幅にわたる光波長
にほぼ無関係な空間サンプリングカットオフ周波数を有
するフィルタを設計するため、前記スポットを透過した
光波面と前記基板の前記スポット以外の部分との間に位
相差を作り出すための前記基板上に、前記スポットが不
規則に配置されていて、前記位相差が下記の条件 φ_O ＝ π を満たし、ここで、φ_O は λ_B ≦ λ_O ≦ λ_R を満足する特定の波長λ_O における前記スポットに起因
する位相差であり、かつ下記の関係式

【数１２】 によって与えられ、従って

【数１３】 となり、ここでｎ_O は前記スポットを形成している前記
材料の前記特定の波長λ_O における屈折率、ｎ_O’は前
記スポットを取り囲んでいる前記媒体の前記特定の波長
λ_Oにおける屈折率、ｔは前記スポットの物理的厚さで
あることを特徴とする光学広スペクトル帯域幅ローパス
フィルタによって、本発明の目的は達成される。

【００２０】本発明によれば、安価な光学ローパスフィ
ルタが、離散的画像サンプリングを行う固体カメラにお
いて使用するのに適するようになる。さらに、本発明
は、固体撮像系のスペクトル感度の全帯域幅にわたる入
射光に対するエイリアシングアーチファクトが殆ど減少
するか、または完全に除去されるように高空間周波数が
充分に減衰するので、光学スペクトル広帯域ローパスフ
ィルタとして機能する。本発明は次の長所を有する。

【００２１】本発明によるローパスフィルタは、広いス
ペクトル帯域幅にわたって離散的サンプリングを行う固
体撮像装置におけるエイリアシングアーチファクトを安
価な方法で抑制し、同時に、撮像した画像の鮮鋭度をで
きるだけ維持できるように、特別な設計がなされてい
る。米国特許第２，９５９，１０５号および第４，４８
０，８９６号には、写真用に使用する事が本来の目的で
あり、赤および青の高空間周波数を透過するけれども、
緑の高空間周波数を減衰させるように設計された低域フ
ィルタについて述べている。一方、米国特許第５，２８
０，３８８号には緑の高空間周波数を透過するけれど
も、可視スペクトルの赤および青の部分の高空間周波数
を減衰させるカラー選択性ローパスフィルタについて述
べている。残念ながら、これらの特許のいずれも、赤お
よび青のスペクトル帯域にわたって一様な高減衰を達成
させる問題については触れていない。従って、固体撮像
装置に使用するには、３種類の従来技術の特許に比較し
て、本発明のほうがより適当である。

【００２２】本発明は、また、米国特許第４，００９，
９３９号および第５，２８０，３８８号に関連する困難
を回避することができる。本発明に記載されているロー
パスフィルタは、不規則な直径の不規則に配置された多
数のスポットによって形成されている。従って、回転軸
に関して対称であるから、電子画像センサーの画素アレ
イに関するフィルタの方位とは無関係に、２次元的にエ
イリアシングアーチファクトを除去または減少させる上
で有効である。この点でも、一つの軸方向にしかローパ
スフィルタ作用を遂行することができず、およびまた
は、電子撮像画素アレイの軸とフィルタのアライメント
の精度に依存するような前述の従来技術の特許よりも、
本発明の方が固体撮像装置におけるアンチエイリアシン
グフィルタとして使用するのに適している。

【００２３】さらに、本発明のもう一つの長所は、その
製造の容易さである。本発明の広スペクトル帯域幅アン
チエイリアシングの機能は、比較的単純な構造、すなわ
ち、図４（Ａ）から４（Ｃ）までに示されているような
不規則に配列された多数の位相スポットを有する単一の
基板を用いて達成されることが理解されるであろう。こ
の不規則なスポットパターンは、幾つかの異なる方法に
よって容易に製作する事ができる。例えば、このスポッ
トパターンは、親金型およびレプリカのプラスチックロ
ーパスフィルタを溶融成形またはプレス成形する金型に
よって成形する事ができる。本発明による低域フィルタ
を製造するその他の手段は、フォトレジストをガラス基
板（例えば、石英ガラス）上にスピンコーティングし、
不規則なスポットパターンに応じてフォトレジスト上に
写真製版的に模様をつける方法である。ガラス基板は、
それから、フォトレジストを除去することによってフォ
トレジスト中のスポットパターンを基板に転送するため
のバッファー酸化物エッチング液の中に浸される。さら
に、その他の手段としては、ＰＭＭＡのような透明な有
機ポリマーの薄層を、シリコンダイオキサイドのような
薄い無機質のエッチング停止層の蒸発によって、透明な
基板上に付着させる方法がある。スポットパターンを有
するエッチング停止層を、標準的な写真製版処理技術を
用いて模様付けした後、エッチング停止層のパターン
は、酸素プラズマ反応イオンエッチング技術を用いてポ
リマーに転送される。さらに、不規則なスポットパター
ンを、透明な基板の単一の表面上に形成することが必要
なことが理解されるであろう。このことは、同一の基板
の２個の異なる表面、または２個の異なる基板の２個の
異なる表面上に２個の別個の位相格子を形成することを
必要とする米国特許第４，００９，９３９号および第
５，２８０，３８８号とは、対照的である。さらに本発
明は、従来技術の米国特許第５，２８０，３８８号の特
許請求の範囲に述べられているような特殊な光学的性質
を有する材料を使用しないという長所を有する。

【００２４】また、米国特許第４，００９，９３９号お
よび第５，２８０，３８８号に述べられているような規
則的、または周期的位相格子を有するローパス光学フィ
ルタは、その他の欠点もあることに注意するべきであ
る。規則的な格子を透過した光によって発生するアーチ
ファクトの偽のパターンが画像面内に形成されることが
ある。このアーチファクトは、光の輝点が画像化される
べき場合に特に著しい。一方、本発明によるローパスフ
ィルタは、その画像面内の干渉パターンが輝度の高い物
体の画像の周りのほぼ一定の強度のハローである不規則
な大きさのスポットの不規則なアレイによって構成され
ることによって、この困難を回避することができる。

【００２５】最後に、本発明の位相ノイズ形フィルタ
は、電子ディジタル撮像装置における広スペクトル帯域
幅エイリアシングアーチファクトを抑制するように特別
に設計されている事に注意しなければならない。これと
は対照的に、米国特許第５，５８５，８８５号の目的は
写真用カメラにおける露光を決定することであるから、
光度計センサーアレイを用いて輝度分布を正確に測定で
きるように設計されている。この点に関しては、本発明
は、エイリアシング抑制の目的に合致するように光の回
折を最小にする位相スポットの直径を指定する点で、従
来技術の発明にまさる長所を有する。一方、米国特許第
５，５８５，８８５号は、式（８）によって指定される
位相スポット直径を有する位相ノイズぼかしフィルタを
指定している。この直径は、電子ディジタル撮像装置に
おけるアンチエイリアシングフィルタとして使用するの
に適していなければならない位相ノイズ形フィルタにと
っては、過小である。何故ならば、位相スポットの直径
が小さいことは、光の過度な回折を引き起こし、画像が
過度にぼけてしまう結果になる（すなわち、画像の品質
が低下する）。位相スポットの直径と設計波長の選択基
準は、本発明の詳細な説明によって明らかになるよう
に、米国特許第５，５８５，８８５号における発明を指
定するために用いられている基準とは、全く異なってい
る。米国特許第５，５８５，８８５号に対する本発明の
その他の長所は、本発明では、位相スポットの厚さを広
いスペクトル帯域幅にわたる動作に対して最適化される
ような方法で指定することである。残念ながら、従来技
術の発明において位相部品の高さを決定するために与え
られた式（７）は、広いスペクトル帯域幅のエイリアシ
ングアーチファクトの抑制を成し遂げるためには、どの
設計波長を用いるべきかを指定していないという点にお
いて曖昧である。本発明は、位相ノイズぼかしフィルタ
を対物空間（すなわち、撮像レンズと撮像されるべき物
体との間）または画像空間（すなわち、撮像レンズと画
像面との間）のいずれか一方に配置することが許される
という点で、米国特許第５，５８５，８８５号を上まわ
るその他の長所を有する。残念ながら、米国特許第５，
５８５，８８５号では、ぼかしフィルタを対物空間に配
置しなければならないことを指定している。本発明で
は、位相ノイズフィルタの使用において、付加的な融通
性がある。例えば、本発明では、位相ノイズぼかしフィ
ルタが画像空間に配置されることを要求する撮像レンズ
の焦点距離には無関係なアンチエイリアシングフィルタ
を設計できる可能性がある。このことは、ズームレンズ
を有するディジタル電子撮像装置の場合に特に有用な長
所である。最後に、従来技術の特許では、凸凹位相部品
について述べているけれども、本発明では一様な厚さの
位相スポットを指定している。一様な厚さの位相スポッ
トは、従来技術の特許において記述された凸および凹の
位相部品のような可変厚さの位相部品よりも光を回折さ
せる上ではより効果的であり、もっと安価かつ容易に制
御し、製造できることが期待できる。

【００２６】

【発明の実施の形態】本発明の好適な態様は、図４
（Ａ）から図４（Ｃ）に示されている位相ノイズフィル
タのパラメータを最適に選択することによって指定でき
る。これらのパラメータは、１）透明スポットによって
覆われているフィルタ表面の面積比ξ、２）位相スポッ
トの物理的厚さ（位相スポットとそれを取り囲む媒体の
屈折率が与えられていると仮定して）、３）位相スポッ
トの直径ａを含む。全光学系（レンズおよびぼかしフィ
ルタを含む）のＭＴＦがエイリアシングアーチファクト
の発生点以下の空間周波数に対してできるだけ大きいと
いう条件の下では、一般に、離散的サンプリングを行う
固体撮像装置において使用する最適ぼかしフィルタは、
最低の空間周波数で生じるエイリアシングアーチファク
トを抑制するためには、スペクトル平均高空間周波数Ｍ
ＴＦ（すなわち、式（５）で定義されたＭ_cR等）の充分
低い値を示すべきであることが理解されるであろう。も
っと具体的に言うと、ベイヤー形のカラーフィルタアレ
イ（図３（Ａ））を有するカラー固体撮像装置において
使用する最適ぼかしフィルタは、図３（Ｂ）に示されて
いるような画素アレイのｘまたはｙ軸に沿って赤または
青のサンプリング周波数において発生するエイリアシン
グアーチファクトを抑制するためには充分低いＭ_cRおよ
びＭ_cB（式（５）において定義）を示すべきことが理解
されるであろう。また、赤および青の透過帯域幅以上の
ＭＴＦ（ｆ，λ）のスペクトル平均値が任意の空間周波
数に対してもほぼ等しいようにぼかしフィルタを設計す
ることが望ましい。これらの最適な特徴の全ては以下の
基準に従って達成することができる。

【００２７】まず第一に、エイリアシング抑制効果を最
大にするには、高い空間周波数に対する位相ノイズフィ
ルタのＭＴＦであるＭ_c（λ）を、いま問題にしている
全スペクトル帯域にわたって出来るだけ０に近くするこ
とが望ましい。式（２）によれば、この関数は、ａ）位
相スポットの被覆部の面積比ξがξ＝０．５であり、
ｂ）ｍを０または任意の整数として、位相スポットに関
連する位相差φ（λ）が、φ（λ）＝（２ｍ＋１）πの
場合にのみ、０になる。明らかに、条件ｂ）はすべての
波長に対して同時に満足されることはない。エイリアシ
ング抑制の度合いを最高にするためには、赤、緑、青の
スペクトル感度関数について平均された時、ＭＴＦカッ
トオフ周波数が最小になるように位相スポットを設計す
ることが必要である。式（２）にξ＝０．５を適用し、
式（１Ｂ）に代入すれば次式を得る。

【００２８】

【数１４】 式（１３）を式（５）に代入すれば、スペクトル感度関
数、Ｓ_R（λ）、Ｓ_G（λ）およびＳ_B（λ）それぞれに
ついて平均されたＭＴＦカットオフ関数Ｍ_cR、Ｍ_{c G}およ
びＭ_cBに対する式が得られる。

【００２９】図８には、代表的な位相ノイズフィルタに
対するＭ_cR、Ｍ_cG、およびＭ_cBのプロットを位相スポッ
トの厚さｔの関数として示す。図７に示されている赤、
緑および青のチャンネルに対するスペクトル感度曲線
は、式（５）に示されているスペクトル平均を得るため
に用いられた。さらに、位相スポットを取り囲んでいる
媒体を空気（すなわち、式（１Ｂ）においてｎ’（λ）
＝１）と仮定し、位相スポットを含む媒体の屈折率は次
式の波長依存機能を持つと仮定した。

【００３０】

【数１５】 図８の曲線は、位相スポットの厚さが増加するにつれ
て、Ｍ_cR、Ｍ_cGおよびＭ_cBの全てにおいて局所最大値は
着実に減少し、同時に局所最小値は着実に増大するよう
に変動することを示している。さらに、ある与えられた
スペクトル平均ＭＴＦカットオフ関数の局所最大値と最
小値は、他の２種類の関数とは異なるｔの値で生じてい
る。例えば、ｔ≒２．６μｍに対しては、Ｍ_cRとＭ_cBは
局所最小値であり、それぞれ約０．２２と０．４２の値
であるけれども、Ｍ_cGは０．７８の値を持つ局所最大値
である。一方、位相スポットの厚さが約０．４μｍの場
合は３種類の関数の全てが、０．１以下の値のカットオ
フＭＴＦの第１番目の局所最小値に極めて近い。赤およ
び青のチャンネルに対する最低スペクトル平均ＭＴＦカ
ットオフ値の条件は、この特定の例に対しては、明らか
にｔ≒４μｍである。一般に、この第１番目の局所最小
値は位相差φ≒π（すなわち、式（４Ｂ）でｍ＝０）に
相当する。３種類のスペクトル平均ＭＴＦカットオフ関
数の全てがｔのほぼ同一の値で第１番目の最小値（これ
は、また、３種類の関数全ての局所最小値の最低のもの
である。）を示す理由は、このｔの値が極めて小さいの
で位相スポットは全スペクトル帯域にわたってほぼ１／
２波長を表すためである。従って、位相スポットの厚さ
に対する設計仕様は、下側波長λ_B から上側波長λ_R ま
での特定のスペクトル帯域幅に対して、位相差は下記の
条件を満たさなければならないことである。すなわち、 φ_O ＝ π （９） ここで、φ_O は λ_B ≦ λ_O ≦ λ_R （１０） を満足する特定の波長λ_O においてスポットに起因する
位相差であり、またφ_Oは下記の関係式

【数１６】 によって与えられ、従って

【数１７】 となる。ここで、ｎ_O は、前記スポットを形成している
前記材料の前記特定の波長λ_O における屈折率であり、
ｎ_O’は、前記スポットを取り囲んでいる前記媒体の前
記特定の波長λ_Oにおける屈折率であり、ｔは前記スポ
ットの物理的厚さである。設計波長λ_Oを指定すること
は今後の問題として残される。

【００３１】図８に戻れば、Ｍ_cR、Ｍ_cG、およびＭ
_cBは、それぞれ、Ｔ_R＝０．５４、ｔ_G＝０．４６、ｔ_B
＝０．３７μｍの位相スポット厚さにおいて第１番目の
極小値を示すことがわかる。この特徴は、式（１２）に
示されているｔとλ０の関係、式（１４）に示されてい
る仮定した分散の関係、およびＳ_R（λ）、Ｓ_G（λ）、
Ｓ_B（λ）の全ては異なる波長でピークを示すようなス
ペクトル分布を表すという事実から直接求められる。も
し、位相ノイズフィルタの設計の目的が、式（１２）に
よって、（Ｍ_cR＋Ｍ_cG＋Ｍ_cB）／３（すなわち、平均
値）が最低の値を示すように、ｔの値を選定することで
あったならば、設計波長λ_Oをλ_Rとλ_Bの中間の値に選
定することが望ましい。再び図８から、上記の目的（す
なわち、（Ｍ_cR＋Ｍ_cG＋Ｍ_cB）／３を極小にすること）
に従う設計波長の明白な選択は、厚さｔ_G＝０．４６μ
ｍ（すなわち、Ｍ_cGの第１の極小値）に対応することが
わかる。このλ_Oの値は、Ｓ_G（λ）のピーク値が生じる
波長λ_Gに対応する。しかし、平均値（Ｍ_cR＋Ｍ_cG＋Ｍ
_cB）／３は ｔ_R、ｔ_Gまたはｔ_Bの３個の値のいずれを
選択するかには無関係な比較的小さい値であることを認
識するべきである。これらの考慮はカラーセンサーと共
に使用されるアンチエイリアシングノイズフィルタにあ
てはまることに注意するべきである。モノクロームセン
サーの場合は、上記の目的に応じた適当な設計波長は、
明らかに、全体の系のスペクトル感度Ｓ_sys（λ）のピ
ークに対応する波長λ_sysでなければならない。

【００３２】ベイヤー形カラーセンサーを使用する場合
に位相ノイズフィルタに対して用いるべきより良い設計
目標は、次の２種類のスペクトル平均ＭＴＦ関数

【数１８】 が、ＭＴＦ（ｆ，λ）が式（１Ａ）で定義されている低
空間周波数領域（すなわち、０（ｌｐ／ｍｍ）からカノ
ニカルカットオフ周波数まで）にわたって、近似的に等
しくなければならないという要求である。式（１２）を
式（１Ｂ）に代入し、さらに、ｎ（λ）−ｎ’（λ）の
波長にわたっての変動が無視できると仮定すれば、次式
を得る。

【００３３】

【数１９】 ξ＝０．５と式（１７）を式（１Ａ）に代入すれば、次
式を得る。

【００３４】

【数２０】 ＭＴＦ_R（ｆ，λ）とＭＴＦ_B（ｆ，λ）の関係を理解す
るために次式で表される関数を定義すると便利である。

【００３５】

【数２１】 式（１８）から、ＭＴＦ（ｆ，λ）−１は、関数Ｃ
（ｆ，λ）とＧ（ｆ，λ）の積に近似的に比例すること
がわかる。もし、式（１５）と式（１６）中のＭＴＦ
（ｆ，λ）を式（１８）の近似式で置き換えれば、もし
積 Ｃ（ｆ，λ）×Ｇ（ｆ，λ）が０（ｌｐ／ｍｍ）と
カノニカルカットオフ周波数の間のｆの値に対してλ_B
からλ_Rまでのスペクトル帯域幅にわたって近似的に波
長に無関係であるならば、ＭＴＦ_R（ｆ，λ）とＭＴＦ_B
（ｆ，λ）に対する最終的な式は近似的に等しくなるで
あろう。

【００３６】もしλ₀をλ_Bに等しくとると、式（１９
Ａ）中のλ_0/λの比は、式（１０）によって、常に１よ
りも大きいか、または１に等しくなるであろう。さら
に、スペクトル帯域幅は、長い波長λ_Rの上限が短い波
長λ_Bの２倍よりも一般にかなり短くなる。従って、λ
_0/λの比は、スペクトル帯域幅λ_Bからλ_Rの間の全ての
波長に対して、一般には、１．０から２．０の間の値と
なる。従って、関数Ｃ（ｆ，λ）は、波長がλ_Bからλ_R
まで増加するにつれて単調に減少する。一方、関数Ｇ
（ｆ，λ）は、ｇ（λｂｆ／２）がａより小さいλｂｆ
の値に対して（式（３）参照）波長の増大に伴い単調に
減少するから、与えられた空間周波数に対しては波長の
増大に伴い単調に増加する。その結果、積 Ｃ（ｆ，
λ）×Ｇ（ｆ，λ）は、０とカノニカルカットオフ周波
数の間のｆの値に対しては、近似的に波長に無関係とな
る。その結果、λ_Bからλ_Rまでのスペクトル帯域幅にわ
たってλ_0ヲλ_Bに等しくとると、２種類のスペクトル平
均関数ＭＴＦ_R（ｆ）とＭＴＦ_B（ｆ）は近似的に等しく
なる。

【００３７】アンチエイリアシング位相ノイズフィルタ
に対して指定されるべき最後の設計パラメータは、位相
スポットの直径ａである。前述したように、ディジタル
撮像装置の適切なサンプリング周波数（すなわち、ベイ
ヤー形センサーにおける赤または青の画素に関連するサ
ンプリング周波数）付近の空間周波数に対して生じるエ
イリアシングアーチファクトを抑制することが望まし
い。一つの可能な方法は、式（３）でＦ_a（λ₀）をＦ_SR
に等しく設定し、単純にａに対して解くことである。し
かし、この方法では、レンズのＭＴＦの影響を考慮して
いないし、スペクトル平均の影響も説明しない。従っ
て、ベイヤー形カラーセンサーに対する位相スポット直
径ａの最適値を選定する問題は、特に、λ₀ｂＦ_SRとａ
の間の関係を決定する問題となる。ここで、

【数２２】 であり、またＴ_R（Ｔ_B）は、全光学系を考慮する場合、
適当な波長帯域にわたってエイリアシング抑制と画像の
鮮鋭度とを最適に妥協させるような赤（青）カラーフィ
ルタを有する画素用ディジタル画像センサーのｘまたは
ｙ軸に沿った画素ピッチである。位相スポット直径に対
するこの最適値は、次の２種類の方法のいずれかによっ
て決定することができる。

【００３８】第一の方法は実験的方法である。もし、特
定のスポット直径を持つ位相ノイズフィルタが画像空間
に配置されれば、引数ｘが増大するのに応じて（ｘ≦ａ
／２に対して）ｇ（ｘ）は単調に減少するから、フィル
タと画像面との距離ｂを増加させる影響は、与えられた
ｆの値に対してｇ（λ₀ｂｆ／２）を減少させるように
作用する。従って、２種類のスペクトル平均関数ＭＴＦ
_R（ｆ）とＭＴＦ_B（ｆ）は、ｂの値が増大するにつれて
空間周波数と共により急速に減少する。逆に、ｂの値が
小さい場合は、これらのスペクトル平均関数の減少速度
はあまり早くない。もし、エイリアシングアーチファク
トを示す試験物体の一連の画像が、特定の撮像レンズと
ディジタルセンサーを用いて、最初の撮像がその位相ノ
イズフィルタを用いて画像面からできるだけ遠く離れて
撮像され、続く撮像はその位相ノイズフィルタを用いて
画像面に順々に接近するように動かして撮像されるよう
にすると、ある位置ｂに対して最適な画像が得られるで
あろう。このようにして撮像された画像は、それから、
その試験した特定の電子画像撮像装置に対するエイリア
シング抑制と画像の鮮鋭度の間の最適な妥協を決定する
ために、目視によって検査することができる。

【００３９】

【実施例】（例１）位相スポット直径を決定するための実験的方法 ベイヤー形ディジタル電子撮像装置の画像空間内に挿入
された位相ノイズフィルタを製作し、上記に概略を述べ
た実験的方法の手順に従って、画像を撮像した。実験条
件は下記の通りであった。

【００４０】ａ＝３１３μｍ， λ₀＝０．４５０μｍ， Ｆ_SR＝Ｆ_SB＝６７．６ｌｐ／ｍｍ。

【００４１】これらの条件を用いて、ｂ＝４．９６μｍ
に対して最適の画像が得られた。

【００４２】この実験的方法から得られたデータは、式
（３）のＦ_a（λ₀）に対する定義が用いられた特定の試
験ディジタル撮像装置に対して、λ₀ｂＦ_SRとａの関係
は次式で与えられることを示唆している。

【００４３】

【数２３】 代わりに、式（２１）をｂ、λ₀またはＦ_SRの他の値に
対して、最適位相スポット直径ａ

【数２４】 を決定するのに使用することができる。ただし、Ｍ≒２
である。式（２２）で用いられたＭの値は、特定のディ
ジタル撮像装置に依存すること、あるいは、もっと正確
に言えば、特定の撮像レンズに依存することが理解され
よう。一般に、撮像レンズの性能が低いほど（すなわ
ち、ｆ＝Ｆ_a（λ₀）において撮像レンズのＭＴＦが低い
ほど）、式（２２）のＭの値は高くなるであろう。逆
に、撮像レンズの特性がすぐれているほど、Ｍは１に近
くなるであろう。さらに、実験的方法の長所は、位相ノ
イズフィルタと共に撮像レンズのような部品から成り立
っている全光学撮像系は、これらの部品のＭＴＦに関し
て何も知らなくても位相ノイズ形フィルタの最適化の中
に含めて考えられることが理解されよう。

【００４４】第２の方法は、数値計算による方法であ
る。この方法においては、位相ノイズ形フィルタを含む
全光学系のＭＴＦは、空間周波数の関数として計算また
は測定されねばならない。また、エイリアシング抑制の
基準が指定されねばならない。エイリアシング抑制の基
準は、それ以下のレベルでは、エイリアシングが抑制さ
れたと考えられる程度までＭＴＦが低下したに違いない
レベルＭＴＦ_critである。測定または計算されたＭＴＦ
が基準レベルに等しい空間周波数Ｆ_critは数値的に決定
される。その後、ｂ、λ₀、ａおよびＦ_critの間の関係
を決定することができる。

【００４５】（例２）位相スポット直径を決定するため
の数値計算方法 全光学撮像装置のＭＴＦが、位相ノイズ形フィルタを有
するベイヤー形ディジタル撮像装置に対して測定され
た。数値的評価は下記の条件で行われた。

【００４６】ａ＝３１３μｍ， λ０＝０．４５０μｍ， ＭＴＦ_crit＝０．１０， ｂ＝４．２７ｍｍ， この条件の下で、Ｆ_crit≒６２ ｌｐ／ｍｍの値が観測
された。

【００４７】上述の数値計算方法によって決定されたＦ
_critの値に等しくＦ_SRの値を設定すれば次の関係を得
る。

【００４８】

【数２５】 この関係は、実験的方法を用いた式（２１）に見られる
ものとは若干異なることがわかる。実験的方法では、最
適な関係を決定するために主観的評価に依存するのに対
して、数値計算方法では、選定された正確なＭＴＦ_crit
の値に依存するから、これは当然予期されることであ
る。式（２３）は、Ｍ≒２．４の値を持つ式（２２）の
形にすることができる。

【００４９】式（２２）と実験的および数値計算方法の
両者に対して、Ｍ≧１であると言う事実から、次の条件

【数２６】 は効力があることが理解されるであろう。この仕様は、
式（８）

【数２７】 に示されているような米国特許第５，５８５、８８５号
に関連して与えられた仕様とは全く異なる。

【００５０】（例３）位相ノイズアンチエイリアシング
フィルタの設計 最後の例として、本発明に従って、ベイヤー形カラーデ
ィジタル撮像装置に対して、アンチエイリアシング位相
ノイズ光学ローパスフィルタを設計する。設計パラメー
タは次のとおりである。

【００５１】ａ＝３１３μｍ， λ₀＝０．４５０μｍ， ＭＴＦ_crit＝０．１０， Ｔ_R＝Ｔ_B＝１６μｍ， ｂ＝４．２７ｍｍ， ｎ₀＝１．６０８０， ｎ₀’＝１．０。

【００５２】式（１２）から、位相スポット厚さはｔ≒
０．３７μｍであり、式（２０）から、赤のサンプリン
グ周波数はＦ_SR≒６２ ｌｐ／ｍｍであることがわか
る。Ｆ_{cr it}がＦ_SRに等しく設定されることを意味する数
値計算法が用いられた。撮像レンズおよび位相ノイズフ
ィルタを含む全光学系のＭＴＦを測定した。その結果を
図９に示す。この図から赤、緑、青のチャンネルに対す
るＭＴＦ曲線はＦ_crit以下の空間周波数に対してほぼ一
致しており、高い空間周波数に対しては、かなり小さい
値であることに気づくであろう。このことは、ＭＴＦ_R
（ｆ）、ＭＴＦ_S（ｆ）およびＭＴＦ_B（ｆ）もまたほぼ
一致しており、実際に予想されるように、極めて低いＭ
_CR、Ｍ_CGおよびＭ_CBの値を示すことを意味している。系
のＭＴＦは、赤のサンプリング周波数である約６２ ｌ
ｐ／ｍｍの空間周波数において１０％まで低下すること
にも気づくであろう。もし、ＭＴＦ_critがＦ_SR以外の空
間周波数において生じたとすれば、その時は、１）位相
ノイズフィルタを異なる位置ｂに移動させるか、また
は、２）異なる位相スポット直径ａを有する新しい位相
ノイズフィルタを製作することが必要になったことであ
ろう。その後、変更した系のＭＴＦを再測定してＦ_crit
の観測値をＦ_SRと比較することが必要になるであろう。
原理的には、この過程は、Ｆ_critとＦ_SRが所定の精度で
等しくなるまで繰り返されるであろう。

【００５３】好適な態様についての前述の説明は、位相
ノイズ形アンチエイリアシング光学ローパスフィルタに
対する応用がベイヤー形カラー電子ディジタル撮像装置
であることを仮定している。しかし、本発明の位相ノイ
ズ形フィルタは必ずしもそのような応用に限定されるも
のではない事が理解されよう。特に、本発明は、もし離
散的画素のピッチの指定が適切になされるならば、モノ
クロームセンサーまたはベイヤー形以外のカラーセンサ
ーにおけるエイリアシングアーチファクトを抑制するの
にも使用することができる。前述の説明においては、さ
らに、ディジタル電子撮像装置の空間周波数は、スペク
トルの可視部分に限定されていると仮定している。しか
し、一般に、本発明は、また、電子ディジタル撮像装置
が感度を示すスペクトル感度帯域の波長の上限がλ_R、
下限がλ_Bである光学スペクトルのいずれの部分にも適
用できることが理解されよう。さらに、ここに記述した
好適な態様は、共通の直径を有する円形位相スポットを
参照して述べられているけれども、共通のスポット直径
の代わりに平均の位相スポット直径の任意のスポット寸
法分布を有する任意形状スポットを含む本発明の変種
は、当業者であれば、本発明の範囲内にあることを認識
できることが理解されよう。

【００５４】以上、ある好適な態様を特に参照して、本
発明を記述したけれども、本発明の精神と範囲内におい
て、複数の変種と変更が成し遂げられることが理解され
るであろう。

【図面の簡単な説明】

【図１】 従来技術で知られている空間周波数がターゲ
ットの中心からの半径に比例して増大するような同心円
群によって特徴づけられているテストターゲットの説明
図である。

【図２】 従来技術で知られている離散的サンプリング
を行う代表的モノクローム固体撮像装置に対する主エイ
リアシングアーチファクトの説明図である。

【図３】 離散的サンプリングを行う従来技術のベイヤ
ー形カラー固体撮像装置に対するエイリアシングの影響
の説明図である。

【図４】 位相ノイズ形光学ローパスフィルタの正面図
および側面図である。

【図５】 位相ノイズ形光学ローパスフィルタの可能な
位置を示す固体撮像系の概略図である。

【図６】 特定の波長λに対する位相ノイズ形光学ロー
パスフィルタの変調伝達関数ＭＴＦ（ｆ，λ）を空間周
波数ｆの関数としてプロットした図である。

【図７】 カラーディジタル撮像装置の赤、緑および青
のカラーチャンネルの特徴をそれぞれ表す仮想スペクト
ル感度関数Ｓ_R（λ）、Ｓ_G（λ）およびＳ_B（λ）を波
長λの関数としてプロットした図である。

【図８】 ＭＴＦカットオフ関数Ｍ_cR、ＭｃＲおよびＭ
_cBを、位相スポットの厚さｔの関数とし、かつ、図７の
スペクトル感度関数Ｓ_R（λ）、Ｓ_G（λ）およびＳ
_B（λ）それぞれについてスペクトル的に平均して、プ
ロットした図である。

【図９】 本発明に従って設計された、ａ＝３１３μ
ｍ、ｂ＝４．２７ｍｍ、λ₀＝０．４５０μｍ、ｔ＝
０．３７μｍの値をもつ位相ノイズ形アンチエイリアシ
ングフィルタを有するＭＴＦ_crit＝０．１０とＦ_SR＝６
２ ｌｐ／ｍｍのベイヤー形電子ディジタル撮像装置に
対する赤、緑、青の系のＭＴＦを測定し、空間周波数ｆ
の関数としてプロットした図である。

【符号の説明】

１０ 透明な基板、１１ 透明なスポット。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 アラン シー ジー ナット アメリカ合衆国 ニューヨーク州 ロチェ スター ヘムロック ウッズ レーン 31

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 固体撮像装置の光学撮像系と共に使用す
   るための光学広スペクトル帯域幅ローパスフィルタであ
   って、 透明な基板および複数の透明なスポットを形成する材料
   を具備し、下側の波長λ_B から上側の波長λ_R までの特
   定のスペクトル帯域幅にわたる光波長にほぼ無関係な空
   間サンプリングカットオフ周波数を有するフィルタを設
   計するため、前記スポットを透過した光波面と前記基板
   の前記スポット以外の部分との間に位相差を作り出すた
   めの前記基板上に、前記スポットが不規則に配置されて
   いて、前記位相差が下記の条件 φ_O ＝ π を満たし、ここで、φ_O は λ_B ≦ λ_O ≦ λ_R を満足する特定の波長λ_O における前記スポットに起因
   する位相差であり、かつ下記の関係式 【数１】 によって与えられ、従って 【数２】 となり、ここでｎ_O は前記スポットを形成している前記
   材料の前記特定の波長λ_O における屈折率であり、
   ｎ_O’は前記スポットを取り囲んでいる前記媒体の前記
   特定の波長λ_Oにおける屈折率であり、ｔは前記スポッ
   トの物理的厚さであることを特徴とする光学広スペクト
   ル帯域幅ローパスフィルタ。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の光学広スペクトル帯域
   幅ローパスフィルタにおいて、前記固体撮像装置は、シ
   ステムスペクトル感度Ｓ_sys（λ）によって特徴づけら
   れるモノクローム撮像装置であり、このＳ_sys（λ）
   は、前記モノクローム撮像装置を有するアレイ内のすべ
   ての画素に共通であり、かつ波長λ_sysにおいてピーク
   感度を有するものであり、前記特定の波長λ_Oがλ_sys
   に等しいことを特徴とする光学広スペクトル帯域幅ロー
   パスフィルタ。
3. 【請求項３】 請求項１に記載の光学広スペクトル帯域
   幅ローパスフィルタにおいて、前記光学広スペクトル帯
   域幅ローパスフィルタは、前記透明な基板の一方の表面
   に隣接した領域内で屈折率を変化させるために前記不規
   則に配置された透明なスポットは、凸部または凹部また
   は凸部と凹部の両方のいずれかであり、かつ、前記スポ
   ットの全面積は前記スポット以外の部分の面積に等し
   く、または、ほぼ等しく構成されていることを特徴とす
   る光学広スペクトル帯域幅ローパスフィルタ。