JPS588483B2 - 光学的ロ−パスフィルタ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 例えば、電荷結合素子（ＣＣＤ）のような固体撮像体を
使用してカラーの固体撮像装置を構成する場合にあって
、色解像度をある程度とる一つの方法として各原色光の
通過帯域を夫々異ならせるような周波数特性とする方式
は一般に知られている。

すなわち、第１図で示すように解像度に直接影響を及ぼ
す緑色光Ｇの帯域は比較的広くとられ、例えば曲線１で
示すように１〜２ＭＨｚ程度に選ばれる。

これに対し、解像度に直接影響を及ぼさない青色光Ｂと
赤色光Ｒの帯域は緑色光Ｇのそれよりも狭くなされる。

例えば曲線２で示すように通過帯域はほぼ半分（０．５
〜１． ０ ＭＨｚ ）に選ばれる。

本発明はこのように各色光の取り扱う通過帯域が夫々異
なるように構成されたこの種固体撮像装置の光学系に適
用して好適となした光学フィルターすなわち光学的ロー
パスフィルターを提案するものであって、特に本発明で
はこの光学フィルターを波長依存性のフィルターとして
構成し、従って同一のフィルターで夫々異ったフィルタ
ー特性を賦与し得るようにしたものである。

本発明の光学フィルターは旋光性物質からなる平板と２
枚以上の複屈折板とからなり、平板は複屈折板の間に介
在した状態でこれらを積層して構成したものである。

以下図面を参照して本発明の光学フィルターを説明しよ
う。

本発明では水晶等の複屈折板を用意する。

この屈折板はローパスフィルターとして使用できること
は一般に知られている。

すなわち、第２図で示すように被写体３を光学レンズ系
４を介して結像させる場合で、レンズ系４の結像光束中
に複屈折板５を介在させると、常光線ＬＯによる像６Ａ
に対し異常光線ＬＥによる像６Ｂは△Ｘだけ水平方向に
ずれて得られる。

なおこの複屈折板５はその光学軸Ｑが結像面の水平方向
と平行するように傾けて使用した場合である。

第３図は複屈折板５の複屈折現像を示す一般的な説明図
であって、まず各部の名称から付記する。

但し、図の例は複屈折板の厚みｄ方向に向ってこの複屈
折板を切断した場合である。

Ｑは複屈折板に特有な光学軸、ｎｌは光学軸方向の屈折
率、ｎ２は光学軸と直交する方向の異常光線ＬＢに対す
る屈折率、△Ｘは異常光線ＬＥと常光線Ｌ。

との間の分離距離、αは異常光線Ｌ。

と常光線Ｌｏとのなす角そしてβは光学軸Ｑと入射光線
とのなす角である。

ここで、光線ＬＯとＬＥとのなす角αは、で与えられる
が、このｔａｎαは、ｔａｎβ一一のとき最大値をとる
。

水晶の場合ではｎｌと０２とは０．５％程度の違いであ
るから、β＝４５°のとき角度αは最大となる。

従って、光学軸Ｑに対し４５°の角度で光線が入射した
ときには最少の厚みｄで最犬の分離距離△Ｘが得られる
から、一般にはβが４５°となるように選ばれるもので
ある。

本例でもβは４５°に選定される。

再び第２図について説明するが、光学的に△Ｘだけずれ
て被写体３が結像されることは、これを電気的に考察す
るさ第４図で示すように、入出力端７ａ，７ｂの間に遅
延回路８を設けたときの遅延出力と非遅延出力との関係
に等しい。

この例では△Ｘに相当する時間τを遅延時間に選んだこ
とになる。

ここで、図に示した回路の伝達関数Ｒ（ｆ）は、・・・
・・・ （１） で表わされる。

従って、振幅はｃｏｓ２πｆ委となるが、第２図の光学
系における結像のレスポンスを考察する場合も第４図で
示したのと同様にその水平方向におけるレスポンスは、 で表わすことができ．る。

依って、（２）式を図示すれば第５図のようになる。

そしてＲ（ｕ）の零点向は、で与えられる。

この（２） ， （３）式及び第５図を見れば明らかな
よう線で示す。

）を利用すればこの複屈折板はローバスフィルターとし
て利用できるものである。

本発明ではこの特性を利用するものであり本発明ではこ
の複屈折板を少なくとも２枚使用する。

光学フィルター１０の一例を示すと、第６図に示すよう
になる。

この例は３枚の光学板５Ａ〜５Ｃを使用した場合であっ
て、後述するように旋光性を有する平板５Ｃの上下両面
に上述した２枚の複屈折板５Ａ，５Ｂが設けられる。

つまり、積層して光学フィルター１０が構成されるもの
である。

ところで、旋光性物質は互に逆方向に旋回している円偏
光に対して、屈折率に差があるために生ずるものであっ
て、水晶を例にとるとその光学軸Ｑと直角な面を切断し
て得られた薄板を用いればこれに旋光性を与えることが
できる。

次にこの旋光性を伴う平板５Ｃの旋光角γを求めてみよ
う。

直線偏光波Ｐを第７図Ａに示す。

この偏光波Ｐは右旋回する円偏光波ＰＲと左旋回する円
偏光波ＰＬの合成波と考えることができ、従って今右旋
回波に対する屈折率をＮｒ、左旋回波のそれをＮｌとし
た場合、合成波Ｐのなす角γは、 ？なり、γだけ旋光することが判る。

すなわち、旋光角γは波長λの逆数に比例し、平板５Ｃ
の厚みｄに比例する。

従って、Ｒ−Ｈの各原色光では夫々異なる旋光角をとる
ことになる。

Ｒ−Ｂの波長を夫々λＲ〜λＢとすれば、λＢ〈λＧ〈
λの関係が成立するためＧを、旋光角γの基準とすると
夫夫の旋光角の関係は第１図Ｂに示すように、Ｂが最大
の旋光を示し、逆にＲは最少の旋光角を示す。

Ｒ，〜Ｂ，Ｇは夫々の旋光角である。

以上のような平板５Ｃの光学的特性を踏えて光学フィル
ター１０を説明するも、上下に夫々配される一対の複屈
折板５Ａ，５Ｂにあって、夫々の光学軸Ｑａ，Ｑｂは次
のような関係に選定される。

今上方に存する複屈折板５Ａの光学軸Ｑａを第９図で示
すようにＸ軸と平行に選んだとき、下方の複屈折板５Ｂ
の光学軸ＱｂはＱａと平行（θ一〇）に選ばれる。

なお、第８図は複屈折板の平面図を示し、従って光線は
紙面から読者に向って進み、異常光線Ｌ。

は紙面に垂直な平面のうち図に示したＥのベクトルを含
む、換言するならばＸ軸方向に紙面と切断線を有する平
面内において電気変位を有するから、Ｘ軸方向における
直線偏光成分となる。

同様に常光線Ｌｏはこれと垂直なすなわちｙ軸方向にお
ける直線偏光成分として表わされる。

次に、この光学フィルター１０の光学的特性を第１０図
以下を参照して説明する。

まず、Ｇの成分について考察するに、第１の複屈折板５
Ａに入射したＧ成分は常光線ＬＯＧと異常光線ＬＥＧと
に分離される。

その距離をＷｌとする。これら光線ＬＯＧｔ ＬＥＧは
平板５Ｃの存在で所望とする方向に所定の角度だけ旋光
する。

本例では緑色光Ｇが２７０°だけ旋光するように平板５
Ｃの厚みｄ３が選ばれている（第９図参照）。

従って、光線ＬＯＧ ，ＬＥＧは第１０図Ａの■に示す
だけ旋回する。

これら旋回光ＬＯＧ，ＬＥＧは夫々第２の複屈折板５Ｂ
の入射光線となる。

従って、第１０図Ａの■に示す光線ＬＥＧは第２の複屈
折板５Ｂにおいては常光線となり、これとは逆に常光線
ＬＯＧは異常光線となる。

このため、光線ＬＯＧの方がＷ２だけ分離され、すなわ
ち、第１０図Ａの■に示す２つの偏光成分が最終的に得
られるものである。

次に、赤色光Ｒ及び青色光Ｂについて考えてみよう。

第１の複屈折５Ａは波長依存性がないので緑色光Ｇと同
様に光線ＬｏＢ（ＬｏＲ），ＬＥＢ（ＬＥＲ）とに分離
される（第１０図ＢのＩ参照）。

これらの光線は共に平板５Ｃに入射するものであるが、
この屈折板５Ｃは第７図Ｂで示したように波長依存性が
あるため、ＲとＢは夫々同図Ｂの■で示す方向に旋光さ
れる。

所定の角度だけ旋光された光線ＬＱＢ（ＬＱＲ），ＬＢ
Ｈ（ＬＥＲ）をＸ軸及びｙ軸方向の成分に分けると点線
（同図Ｂ ＩＩ’参照）で示すような成分が夫々の光線
に関して得られるから、これらの成分が第２の複屈折板
５Ｂを通過すれば同図Ｂの■に示すように複数に分離さ
れた偏光成分が最終的に得られる。

以上のような最終的に得られた光線は全てＸ軸方向の成
分であるから、このＸ軸方向におけるＲ〜Ｂのレスポン
スＲＵ（１（ｕ），ＲＵＢ（ｕ），ＲＵＢ（ｕ）は夫々
次式で示すようになる。

今、Ｗ１ ＝ ２ Ｗ２に選べば（４） ， （５）式
は夫々下に示す（６） ， （７）式となる。

してレスポンスＲＵ Ｂ（ｕ） ， ＲＵＲ（Ｌｌ
）は曲線１１Ｒ，１１Ｂに示すようになる。

以上示したように、３枚の平板を使用し、そのうちの１
枚を旋光性のある物質で構成すれば波長依存性の光学フ
ィルター１０を得ることができる。

従って、Ｇの光学的なフィルタ特性と、Ｒ及びＢの光学
的なフィルタ特性が夫々異って得られ、すなわち第１１
図で示すようにθ−０で、旋光角γを２７０°に選べば
Ｒ及びＢの帯域をＧの帯域のｉにすることができ、第１
図で示す目的の光学フィルターを得ることができる。

依って冒頭に述べたＣＣＤの如き固体撮像体を使用した
カラー固体撮像装置における光学系に適用して極めて好
適である。

なお、上述した実施例は１枚の旋光性を有する平板５Ｃ
と２枚の複屈折板５Ａ，５Ｂを使用して光学フィルター
１０を構成した場合であるが複屈折板をさらに１枚増や
してこの種フィルター１０を構成することもできる。

第１２図Ａはこの構成をとる光学フィルター１０′の一
例を示す。

この場合、付け加えた複屈折板を５Ｄとすれば、その光
学軸Ｑｄは他の光学軸Ｑａ（Ｑｂ）に対しｙ軸方向に所
定の角度θだけ回転させた状態で使用される（第１２図
Ｂ参照）。

但し、この例はＧを１８０°だけ旋光させた例を示す。

又この例では第２の複屈折板５Ｂの光学軸Ｑｂを光学軸
Ｑａと入射光線に対して線対称とする。

即ち、第１２図Ｃに示した如く光軸を設定する。

この場合でも光軸Ｑｂの入射面への投影図としては第１
２図Ｂに示されたように光軸Ｑａと同じくＸ軸方向に平
行となるようにする。

第１２図Ｃの如く光軸Ｑｂを設定するためには例えば複
屈折板５Ａを入射光線軸を中心に１８０°回転させるこ
とによって実現し得る。

この様に光軸Ｑｂを設定すると図から明らかな様に異常
光線ＬＥの変移が複屈折板５Ａと比較して反対方向、即
ち図面で見て常光線ＬＱに対し右方向に変移することに
なる。

この光学フィルター１０′の光学特性を説明するための
成分関係は第１３図Ａ−Ｄに示す通りである。

その詳細な説明は省略するも、この光学フィルター１０
′によって得られる夫々のレスポンスは次に示す通りで
ある。

但しＷ２，Ｗ３は複屈折板、５Ｂ，５Ｄの分離距離、θ
は光学軸Ｑｄの回転角 従って、（８） ， （９）式を夫々図示すれば第１４
図のようなフィルター特性を得ることができる。

この場合θだけ光学軸Ｑｄを回転させることに依る利点
は第１４図を見れば明らかなように、Ｇの特性曲線１２
Ｇ（Ｒ，Ｈの場合は１２Ｒ，１２Ｂであ以後のレスポン
スはそれ以前のレスポンスよりも十分小さくなるので、
最初のトラップポイントを極力少入くすることができる
。

すなわち、撮像装置としてＣＣＤを使用する場合にあっ
ては、撮像すべき被写体像に応じた入力光情報は絵素ご
とにサンプリングされた形の出力信号がこのＣＣＤから
得られる。

すなわち今サンプリング周波数をｆ。

とした場合には各絵素を水平区間ごとに走査することに
より、その一水平区間で得られる出力映像信号は第１５
図に示すように輝度信号ＳＹの変調成分ＳＤＯの他にサ
ンプリング周波数ｆ。

が変調された側波帯成分ＳＭ（交流成分）が得られるこ
とになる。

但し、図示する例はそのうちの基本波のみを示してある
。

この場合、交流成分ＳＭにはサンプリング周波数ｆ を
中心として上下の側波帯が生ずるので、解像度の劣化を
防止すべく変調成分ＳＤＯの帯域を充分にとると、第１
５図で示されるように変調成分ＳＤＯの高域成分ＳＤＨ
中にサンプリング周波数ｆ による側波帯成分が重なっ
てしまう。

すなわち、斜線の部分が折り返し歪となって生起される
。

この状態のまま画像を再生すると、再生画面にちらつき
現象となって現われる。

この画像劣化を防ぐには折り返えされる成分をできるだ
け小さくすればよい。

従って、本例のように光学軸Ｑｄをθだけ回転させれば
側波帯成分に相当する最初のトラップポイント以後のレ
スポンスが小さくなるため、この光学フィルタ１０′を
この種撮像装置の光学系に適用すれば光学系の処理だけ
で上述の欠点を有効に除去しうる特徴がある。

なお上述の例では屈折板を構成する物質として水晶をと
ったが複屈折現象を有する物質であればその他の屈折板
でも使用し得る。

又、屈折板の使用枚数は限定されない。

この光学フィルター１０，１０′を適用し得る装置は撮
像装置に限られないこと勿論である。

又、旋光性物質は上述した水晶のほか、電気一光学特性
すなわちケル（ｋｅｒｒ）効果を有する物質例えばＫＤ
Ｐ（その分子式はＫＨ２ ＰＯ４で示される）などでも
使用できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は光学フィルターの帯域特性を示す図、第２図及
び第３図は複屈折板の説明に供する図、第４図は複屈折
現象を電気的に考察した場合の説明図、第５図はその特
性曲線図、第Ｇ図は本発明に依る光学フィルターの構成
図、第７図は旋光性を示す図、第８図は複屈折板におけ
る電場の方向を示す図、第９図及び第１０図は第６図の
説明に供する図、第１１図は本発明のフィルターに依っ
て得られる帯域特性曲線図、第１２図〜第１４図は本発
明の他の例における夫々の説明図、第１５図は固体撮像
装置によって得られる撮像信号の周波数スペクトル図で
ある。 １０は光学フィルタ、５Ａ，５Ｂ及び５Ｄは複屈折板、
５Ｃは旋光性を有する平板、Ｑａ＝Ｑｄは光学軸、θは
回転角、Ｗｌ−ｗ３は分離距離、ＬＯ，Ｌｏ′は常光線
、ＬＥ，ＬＥ′は異常光線である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 旋光性を有する平板と２枚以上の複屈折板とを有し
   、上記平板は上記複屈折板の間に介在された状態で積層
   合体されてなると共に、上記平板はその入射光に対する
   旋光角がその入射光の波長に依存するものとなされ、か
   つ通過帯域を広く選定すべき特定の波長の入射光に対す
   る旋光角は、旋光後の光のベクトルが上記平板直後の複
   屈折板の光学軸方向、もしくはそれと垂直な方向に一致
   するように選定されてなり、入射各色光に対してその通
   過帯域が異なるようになされたことを特徴とする光学的
   ローパスフィルタ。