专利名称：光学低通滤波器的制作方法
技术领域：
本发明涉及光学低通滤波器(Optical Low Pass Filter，OLPF)和采用OLPF的成像光学系统。
背景技术：
最近，数字照相机已经普及。由于数字照相机采用诸如CCD(电荷耦合器件)之类的固态成像器件，所以重要的是避免莫阿效应。
为此，在照相透镜与成像表面之间一般提供一个光学低通滤波器(OLPF)，从而从在成像表面上形成的图像中除去高空间频率分量。
一个常规OLPF配置成带有三块粘结双折射板(它将称作三元件OLPF)、或带有在其之间夹持的一块预定波长板的两块双折射板。这样一种常规OLPF通过在水平(或垂直)方向上把入射光束划分成两个光束，并且然后进一步在垂直(或水平)方向上划分成两个光束，从而把图像的一个点划分成四个点，与在成像表面上的一个正方形的各顶点相对应，而把一个单入射光束划分成四个光束。因此，当图像通过OLPF形成在成像元件上时，把模糊效应施加到图像上，由此能抑制或除去莫阿效应。四点之间的距离取决于OLPF的厚度。
一般地，成像元件或CCD形成为具有矩形形状，并且多个像素以均匀间隔在矩阵中沿矩形形状的长和短边排列。在本说明书中，术语“水平方向”是指与矩形成像元件(例如，CCD)的长边相对应的方向，而“垂直方向”是指与成像元件的短边相对应的方向。
在常规三元件OLPF中，当入射在其上的光在特定方向上不偏振时，如自然光，入射在OLPF上的光线的划分，使得由四个划分光线形成的四个斑点的强度相同。在这样的条件下，能基本上在水平和垂直方向上等同地消除高空间频率分量。这参照图10详细描述。
图10是表明三元件OLPF的效应的MTF(调制传递函数)映像图。在图10中，水平轴和垂直轴指示空间频率的标准化值。其中，频率相对于双折射板的点图像划分数量的反数而被标准化。具体地说，垂直轴表示在水平方向的空间频率，而水平轴表示在垂直方向上的空间频率。在图10中，区域A发射具有最高透射率的光(MTF值0.8-1)，区域B具有第二高透射率(MTF值0.6-0.8)，区域C具有第三高透射率(MTF值0.4-0.6)，区域D具有第四高透射率(MTF值0.2-0.4)。区域E几乎不发射光(MTF值0.0-0.2)。注意，区域A-E的定义适用于所有本说明书中的MTF映像图。
如图10中表示的那样，三元件OLPF具有在图10中表示的MTF映像图中区域E具较宽区域的特性，并且抑制具有-0.4或更小、或+0.4或更大的空间频率(标准化)的分量。由OLPF提供的抑制/消除高空间频率分量的功能称作截止功能。
在具有在图10中表示的特性的常规OLPF中，允许入射在其上的光发射的区域A-D的每一个基本上在垂直方向和水平方向上对称地形成。借助于这种配置，在垂直方向上或在水平方向上能以类似方式消除高空间频率分量。发射区域(即区域A-D)扩展的方式称作截止方向性。具有在图10中表示的特性的常规OLPF具有优良的截止方向性，从而其性能几乎没有方向依赖性。
使用如上所述的三元件OLPF，能有效抑制高空间频率分量。然而，双折射板和/或波长板较贵，并因此采用三元件OLPF增加制造成本。
为了降低制造成本，最近已经提出一种包括两折射板的两元件OLPF。两元件OLPF的一个例子公开在日本专利No.2507041中。
在以上专利中公开的两元件OLPF这样配置，从而入射在OLPF上的光线首先在水平方向上(或者在与水平方向倾斜45度的方向上)划分，然后两个光线的每一个在相对于水平方向倾斜45度的方向上(或者在水平方向上)划分。因而，由四个划分光线形成的四个斑点排列在平行四边形的顶点上。应该注意，倾斜角是45度，因为当OPLF按以上构造时，在成像表面上的四个斑点的强度基本上相同。
图11表示这样一种两元件OLPF的MTF映像图。如图11中所示，当使用两元件OLPF时，区域E具有较宽面积，并因而截止性能足够高。然而，截止方向性较差。就是说，区域A-D在一个方向(在图11中的方向PL)上比在与方向PL垂直的另一个方向(方向PS)上扩展得大。当使用这种OLPF时，在PL方向上的模糊度小于在PS方向上的模糊度。
像以上那样，当采用两元件OLPF时，尽管期望高截止性能，但由于偏向一方的截止方向性，捕获图像的质量降低，因为捕获图像的分辨率依据方向不同。
在如下描述中，当涉及MTF映像图时，把其中每个区域(A、B、C和D)扩展最大的方向指示为PL，而把其中每个区域扩展最小的方向指示为PS方向。
发明内容
本发明的优点在于，提供一种改进成像光学系统，其中采用一种两元件OLPF，但实现足够高的截止方向性。
根据本发明的一个方面，提供有一种光学低通滤波器，它包括一块第一双折射板，把入射光线划分成两个光线；和一块第二双折射板，把入射光线划分成两个光线。第一双折射板和第二双折射板彼此粘结。通过第一双折射板的光通过第二双折射板。第一双折射板和第二双折射板这样布置，从而表示在其中第一双折射板划分入射光线的方向与其中第二双折射板划分入射光线的第二方向之间的差的分离角度θs满足下面条件45°＜θs＜90°。
可选择的是，分离角度θs满足如下条件50°＜θs＜60°。
根据本发明的另一个方面，提供有一种成像光学系统，它装有一个图像捕获元件，带有规则地两维排列在水平方向和垂直方向上的多个像素；一个照相透镜，在图像捕获元件上形成图像；及一个如上所述的光学低通滤波器。光学低通滤波器布置成相对于图像捕获元件转动。
可选择的是，分离角度θs由如下公式定义θs＝|θ1-θ2|，其中θ1是其中在转动光学低通滤波器之前第一双折射板相对于水平方向划分入射光束的角度，而θ2是其中在转动光学低通滤波器之前第二双折射板相对于水平方向划分入射光束的角度。
图1示意表示根据本发明实施例的一种成像光学系统的结构；图2是曲线图，表示相对于分离角度的方向性的截止性能的特性(实线)和截止性能(虚线)；图3表示当分离角度是50.77°时的MTF映像图；图4表示当分离角度是54.74°时的MTF映像图；图5表示当分离角度是60°时的MTF映像图；图6表示根据本发明的OLPF的设计例子的MTF映像图；图7表示常规三元件OLPF的设计例子的MTF映像图；图8为分离角度设置到45°的常规两元件OLPF的MTF映像图；图9是根据实施例的修改的OLPF的MTF映像图；图10是常规三元件OLPF的MTF映像图；及图11是常规两元件OLPF的MTF映像图。
具体实施例方式
下面参照附图描述根据本发明实施例的成像光学系统。
图1示意表示根据本发明实施例的一种成像光学系统100的配置。
成像光学系统100例如用作一种单透镜反射数字照相机的成像光学系统。
成像光学系统100按从物体侧的顺序包括一个照相透镜组30、一个OLPF 10和一个CCD 20。OLPF 10从物体侧带有彼此粘结的一块第一双折射板1和一块第二双折射板2。CCD 20带有均匀布置在水平方向(在图1中的X方向)和在垂直方向(在图1的Y方向)上的多个像素。
如图1中所示，来自布置在图1的左手侧的物体(未表示)的每条光线(在图1中仅指示一条光线)透过照相透镜组30，并且入射在OLPF 10上。OLPF 10把入射在其上的每条光线划分成四条光线(在图1中，每两条光线相重叠)。四条光线然后穿过一个IR截止滤波器15，并且分别入射在CCD 20的点上。
图2是曲线图，表示相对于分离角度θs的截止性能的特性(实线)、和截止性能的方向性(虚线)。在本说明书中，分离角度θs表示在入射在第一双折射板上的光线相对于水平方向(即，X方向)的分离方向(θ1)、与入射在第二双折射板上的光线相对于水平方向(即，X方向)的分离方向(θ2)之间形成的角度。因而，分离角度表示为θs＝|θ1-θ2|。
如图2中所示，OLPF 10的截止性能当分离角度θs从0°增大时增大，并且当θs是45°时具有最大值。当分离角度θs从45°进一步增大时，截止性能降低。OLPF 10的截止方向性随分离角度θs增大而增大。
如上所述，常规两元件OLPF这样配置，从而分离角度θs是45°，因为截止性能在这个角度处最大。然而，如以上指出的那样，当分离角度θs是45°时，截止方向性不是足够高，因而图像的质量变坏。
从图2理解，为了改进OLPF 10的方向性，必须把分离角度θs设置到一个大于45°的值。就是说，分离角度应该满足条件45°＜θs＜90°…(1)如果分离角度θs小于条件(1)的下限，则截止性能和截止方向性变坏，这是不希望的。如果分离角度θs是90°，则从OLPF 10出去的四条光线的两条具有零强度。就是说，OLPF 10仅在一个方向起作用，并且不会呈现两维截止功能。
而且，如图2中所示，即使在分离角度θs超过45°之后，截止性能也保持在较高水平。鉴于这点，为了实现总的高性能OLPF，希望分离角度θs满足如下条件50°≤θs≤60°…(2)在分离角度θs的这个范围内，截止性能降低但仍然具有较高值，并且截止方向性增大而且具有一个足够高的值。
下文，参照图3-5，将描述设计成满足条件(2)的OLPF 10的三个例子。
图3表示这样设计从而分离角度是50.77°的第一例子的MTF映像图，图4表示这样设计从而分离角度是54.74°的第二例子的MTF映像图，及图5表示这样设计从而分离角度是60°时的第三例子的MTF映像图。
由图3-5理解，随着分离角度θs变大，区域A-D在PL方向上的面积与在PS方向上的面积之间的差变得较小。就是说，方向性对于较大分离角度θs较好。然而，随着分离角度θs增大，区域E的面积变小。因而，对于较大分离角度，截止性能变低。
鉴于上文，应该确定分离角度θs，从而考虑到入射在成像光学系统100上的光的空间频率分量和照相透镜组30的性能，使图像的质量最好。因而，按照形成图像的感觉估计可以确定分离角度(即，可以确定分离角度，以提供感觉满意的结果)。
其次，详细描述满足条件(2)的OLPF 10的性能。应该注意，在第二例子中(见图4)中，截止性能和方向性良好地平衡，并因而详细描述第二例子。
图6表示基于第二例子的OLPF的设计例子的MTF映像图，其分离角度θs是50.74°。如通过比较图4和6理解的那样，图6表示在图4中表示的MTF映像图的放大部分，并且转动OLPF 10，从而方向PS和PL与MTF映像图的对角线重合。
一般地，人眼往往识别把图像的高空间频率分量提供为噪声分量的水平或垂直延伸物体，并且在这种情况下，认为图像具有低质量。为了基本上均匀地消除在垂直和水平方向上延伸的高空间频率分量，相对于CCD 20转动具有54.74°分离角度θs的OLPF 10，从而方向PL和PS与CCD的像素的对角线重合。借助于这种布置，能使图像在水平和垂直方向上的模糊程度基本上均匀。
图7表示使用常规三元件OLPF的设计例子的MTF映像图。图8表示分离角度设置到45°的常规两元件OLPF的MTF映像图。
通过把图6与图7和8相比较理解下文。在图6(θs＝54.77°)中表示的OLPF 10的区域E的尺寸小于在图8中表示的区域E的尺寸，但基本上与在图7中表示的区域E具有相同尺寸。而且，在图6中表示的OLPF 10的区域A-D的形状比在图8中表示的那些接近在图7中表示的区域A-D的形状(即，接近圆形或圆整的正方形形状)。因此，是一个两元件OLPF并且具有54.74°的分离角度θs的OLPF 10，比常规两元件OLPF具有更接近常规三元件OLPF的那些的截止性能和方向性。因而，OLPF 10能有效地消除高空间频率分量，尽管它配置为一个两元件OLPF。
在上述例子中，在水平和垂直方向上像素的长度相同。与这种结构相对应，第一双折射板的厚度和第二双折射板的厚度相同。按照CCD20的水平长度与垂直长度的比值确定第一双折射板厚度与第二双折射板厚度的比值。最近，具有矩形像素(在垂直和水平方向上具有不同长度)的CCD已经主要用在数字视频照相机中。当与这样一种CCD一起使用时，这样配置OLPF，从而按照CCD的像素的各长度确定第一和第二双折射板的厚度。
图9是OLPF的MTF映像图，OLPF这样配置，从而第一双折射板厚度与第二双折射板厚度的比值是1∶1.5，分离角度θs是54.74°。如在图9中所示，通过分别改变第一双折射板厚度与第二双折射板厚度的比值，能改变区域A-D的形状，以满足具有不同水平和垂直长度的像素。
权利要求
1.一种光学低通滤波器，其特征在于包括一块第一双折射板，把入射光线划分成两个光线；和一块第二双折射板，把入射光线划分成两个光线，粘结所述第一双折射板和所述第二双折射板，通过所述第一双折射板的光通过所述第二双折射板，所述第一双折射板和所述第二双折射板这样布置，从而表示在其中所述第一双折射板划分入射光线的方向与其中所述第二双折射板划分入射光线的第二方向之间的差的分离角度θs满足下面条件45°＜θs＜90°。
2.根据权利要求1所述的光学低通滤波器，其特征在于，分离角度θs满足如下条件50°＜θs＜60°。
3.一种成像光学系统，其特征在于包括一个图像捕获元件，带有规则地两维排列在水平方向上和垂直方向上的多个像素；一个照相透镜，在所述图像捕获元件上形成图像；及一个光学低通滤波器，包括一块第一双折射板，把入射光线划分成两个光线；和一块第二双折射板，把入射光线划分成两个光线，粘结所述第一双折射板和所述第二双折射板，通过所述第一双折射板的光通过所述第二双折射板，所述第一双折射板和所述第二双折射板这样布置，从而表示在其中所述第一双折射板划分入射光线的方向与其中所述第二双折射板划分入射光线的第二方向之间的差的分离角度θs满足下面条件45°＜θs＜90°，所述光学低通滤波器布置成相对于水平方向转动一个预定角度Δθ。
4.根据权利要求3所述的成像光学系统，其特征在于，分离角度θs满足如下条件50°＜θs＜60°。
5.根据权利要求3所述的成像光学系统，其特征在于，分离角度θs由如下公式定义θs＝|θ1-θ2|，θ1是在转动所述光学低通滤波器之前所述第一双折射板相对于水平方向划分入射光束的角度，以及θ2是在转动所述光学低通滤波器之前所述第二双折射板相对于水平方向划分入射光束的角度。
全文摘要
一种光学低通滤波器，包括一块第一双折射板，把入射光线划分成两个光线；和一块第二双折射板，把入射光线划分成两个光线。第一双折射板和第二双折射板彼此粘结。通过第一双折射板的光通过第二双折射板。第一双折射板和第二双折射板这样布置，从而表示在其中第一双折射板划分入射光线的方向与其中第二双折射板划分入射光线的第二方向之间的差的分离角度θs满足下面条件45°＜θs＜90°。
文档编号G02B27/46GK1497293SQ200310100059
公开日2004年5月19日 申请日期2003年10月8日 优先权日2003年10月8日
发明者野口正人 申请人:宾得株式会社