(57)【要約】【課題】大きな検出光量、広スペクトル帯域、光学素子数の低減、小型化が実現できる光学フィルタおよびそれを用いた画像撮影装置を提供する。【解決手段】本発明に係る光学フィルタ２０２は、２つの直交する偏光成分の位相差を制御する機能を有し、直交する２つの偏光成分に異なる位相差を与える液晶層１０２４と、該液晶層１０２４を支持する誘電体基板１０２１を備えるとともに、該誘電体基板１０２１の境界面または内部の面に入射光の波長以下のサイズを有する金属微細パターンにより構成される偏光選択構造１０２５を備える構成としたことにより、検出光量の増加、広スペクトル帯域化、光学素子数の低減が可能となる。【選択図】図２
2010277016.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つの直交する偏光成分の位相差を制御する機能を有する光学フィルタであって、
直交する２つの偏光成分に異なる位相差を与える液晶層と、該液晶層を支持する誘電体基板を備えるとともに、該誘電体基板の境界面または内部の面に入射光の波長以下のサイズを有する金属微細パターンにより構成される偏光選択構造を備えることを特徴とする光学フィルタ。
【請求項２】
請求項１記載の光学フィルタにおいて、
前記偏光選択構造を、前記液晶層を駆動する電極として用いることを特徴とする光学フィルタ。
【請求項３】
２つの直交する偏光成分の位相差を制御する機能を有する光学フィルタであって、
直交する２つの偏光成分に異なる位相差を与える液晶層と、該液晶層を支持する誘電体基板と、入射光を正反射方向に折り返す反射構造を備えるとともに、前記誘電体基板の境界面または内部の面に入射光の波長以下のサイズを有する金属微細パターンにより構成される偏光選択構造を備えることを特徴とする光学フィルタ。
【請求項４】
請求項３記載の光学フィルタにおいて、
前記偏光選択構造および反射構造を、前記液晶層を駆動する電極として用いることを特徴とする光学フィルタ。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一つに記載の光学フィルタにおいて、
前記偏光選択構造が、光を透過する領域において入射光の波長以下の幅および周期を有する金属細線構造であることを特徴とする光学フィルタ。
【請求項６】
請求項１〜４のいずれか一つに記載の光学フィルタにおいて、
前記偏光選択構造が、光が透過する領域において、金属材料からなる２つの櫛歯構造を対向して配置した構成を有することを特徴とする光学フィルタ。
【請求項７】
被写体を撮像面に結像する光学系と、２つの直交する偏光成分の位相差を制御する機能を有する光学フィルタと、該光学フィルタを電気的に制御する駆動制御ユニットと、被写体像を電気信号に変換する撮像ユニットと、画像情報を処理する信号処理装置を備え、
前記光学フィルタとして、請求項１〜６のいずれか一つに記載の光学フィルタを用いたことを特徴とする画像撮影装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２つの直交する偏光成分の位相差を制御する機能を有する光学フィルタと、その光学フィルタを用い、光の透過特性を動的に変調し、画像データを取得する画像撮影装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
スペクトル情報を取得する装置として分光器が広く利用されている。一般的な分光器は、プリズムや回折格子を用いて受光素子に入射される光を複数の波長成分に分解して取得するため、空間的な情報は得られない。これに対し、近年、スペクトル情報の２次元的な分布を利用する技術が注目されており、スペクトル情報を取得できる画像撮影装置が提供されている。
【０００３】
従来の画像撮影装置においてスペクトル情報を取得するには、大別して３つの方式がある。
第１は、波長選択フィルタ（バンドパスフィルタ、ローパス・ハイパスフィルタ）を用いる方式であり、波長選択フィルタを切り替える、微小領域に波長選択フィルタを配列する、波長選択フィルタとして液晶波長チューナブルフィルタを利用し動的に透過波長を切り替えるなどにより、所望する波長の光強度を取得している。
第２は、プリズムや回折格子などの分散素子を用いる方式であり、入射光のスペクトルを空間的に分離することにより、１次元空間情報とスペクトル情報を２次元イメージセンサーで取得し、さらに１次元空間情報を直交する方向に走査することにより２次元（画像）スペクトル情報を取得している。
第３は、フーリエ分光法と呼ばれ、入射光線を２つの光路（または偏光成分）に分割し、一方に位相差を与えて干渉させて得られる検出強度信号を計算機上でフーリエ変換することにより、スペクトル情報を得る手法を利用したものである。このフーリエ分光法を用いる場合には、２次元（または１次元）的に検出位置を走査するか、２つの直交する偏光成分に異なる位相差を動的に与え時系列で画像データを取得する必要がある。
【０００４】
上記の画像撮影装置において、波長選択フィルタを用いる方式では高スペクトル分解能を得るために帯域の狭いフィルタを用いる必要があり、検出強度が低下する、または長い露光時間が必要となる、強い入射角特性が現れるため平行な光を入射しなければならない、といった課題がある。
また、分散素子を用いる方式では、高スペクトル分解能を得るために、極めて狭いスリットを透過させる必要があり光量が低下してしまう、走査機構が必要であり測定時間を要する他、装置のサイズを小さくすることが困難である、といった課題がある。
フーリエ分光を用いる方式では、２本の光路に分割し位相差を与えるために、極力平行な光線を作る必要があり、分散素子を用いる場合と同様に狭いスリットや小さな開口が必要となり、光量が大きく取れない、角度依存性が大きい、といった課題がある。
一方、偏光を利用するフーリエ分光方式では、同一の光路で２つの偏光成分の干渉信号が得られるため、他に比べ、大きな光量が得られ、また入射角依存性も弱い。すなわち、画像取得には優位である。また、液晶位相シフタなどの動的位相制御素子を用いるため、走査部分がなく、小型化、可搬性において優位である。
なお、上記の３方式においては、フーリエ分光方式が最も大きく光量が取得できることも知られている。
【０００５】
上記を鑑みて、液晶位相シフタを用いたスペクトル情報を取得できる画像撮影装置が複数提案されている。
例えば小型でありながら分光画像を取得できる画像撮影装置として、以下に示す技術が公開されている。
【０００６】
特許文献１（特開２００９−０３３２２２号公報）に記載の従来技術は、撮像装置、撮像装置制御プログラム及び撮像装置制御方法に関するものであり、小型でありながら、分光帯域毎に分光画像を得ることのできる撮像装置を提供することを課題としている。そして、その解決手段として、図１４に示す特許文献１に記載のフローチャートのように、以下の手順により分光画像を取得する。
電子制御フィルタ（分光フィルタ）に、波長帯域λ１に設定する（Ｓ１４）。イメージセンサ部からの画像データをバッファメモリ（Ａ）に記憶する（Ｓ１５）。各露出時間（ｔ／ｎ）が経過したならば、Ｓ１５で撮影されてバッファメモリ（Ａ）に記憶された分光画像データを読み出し、Ｒ，Ｇ，Ｂデータに変換する（Ｓ１９）。撮影された各波長帯の分光画像の各画素のＲ，Ｇ，Ｂデータをマルチプレーン加算合成して、バッファメモリ（Ｂ）に記憶する（Ｓ２０）。帯域数ｎ枚の分光画像を撮影済みとなるまでＳ１４からの処理を繰り返す（Ｓ２１）。Ｓ１４〜Ｓ２１の処理がｎ回繰り返されると、ｎ個の各波長帯の分光画像の各画素のＲ，Ｇ，Ｂデータがマルチプレーン加算合成された単一の合成画像が記憶される。
【０００７】
特許文献２（特開２００５−０５７５４１号公報）に記載の従来技術は、分光カメラヘッドに関するものであり、被写体に対して分光帯域を設定して撮影することができ、また、仮想スタジオで使用される合成画像として照明条件が変った場合であっても対応することができる画像を撮影可能な分光カメラ装置を提供することを課題としている。そして、その解決手段として、図１５に示す特許文献２に記載の分光カメラヘッドの構成例のように、コントローラ１３からの遠隔操作により被写体を撮影する分光カメラヘッド１０であって、被写体を撮影するための対物レンズ（レンズ系）１と、このレンズ系を通過する光の光路中に配置されてあらかじめ任意に設定した波長帯域を透過させる液晶チューナブルフィルタ（設定波長帯域透過手段）３と、この設定波長帯域透過手段を透過した波長帯域を受光する撮像素子（高感度撮像素子）４と、この撮像素子で受光した前記被写体の画像を画像データとして出力する画像出力手段８と、を備える構成としている。
【０００８】
特許文献３（特開２００６−０６７１８３号公報）に記載の従来技術は、撮像素子ユニットおよび画像撮影装置に関するものであり、透過する光の波長域を切り替える制御が容易で、かつその応答が高速なカラーフィルタを備えた、撮像素子ユニットおよび画像撮影装置を提供することを課題としている。そして、その解決手段として、図１６に示す特許文献３に記載の撮像素子ユニットの構成例のように、カラーフィルタが、電場の状態に応じて液晶分子の配向状態を変え、その配向状態に応じて、所定の可視光域の光を透過するオフ状態と、その可視光域のうちの所定波長域の光のみを吸収あるいは反射してその可視光域のうちのその所定波長域を除く残りの波長域の光を透過するオン状態とに切り替わる液晶層であって、その所定波長域が相互に異なる複数の液晶層と、前記複数の液晶層それぞれに関し独立に電圧の印加を受けて各液晶層について独立に電場を形成する電極とを備える構成としている。
【０００９】
特許文献４（特開２００１−０７４５５５号公報）に記載の従来技術は、非分光光をファインダ系に用いた音響光学フィルタ型分光カメラに関するものであり、音響光学フィルタ機能を用いた分光カメラによって分光画像を撮影する際の、観測対象の位置を特定したり分光画像と実画像すなわち非分光画像とを比較したいという要望に対し、リアルタイムで撮影期間中も中断することなく、視差が少なく撮影画像とおり観察像が得られ、しかも明るく観測光に影響を与えることのないファインダ光学系を提供することを課題としている。そして、その解決手段として、図１７に示す特許文献４に記載の音響光学フィルタ型分光カメラの構成例では、被写体からの光を偏光子を介して偏光面が揃った光となし、音響光学素子中を伝搬されている超音波によって偏光面が変化された特定波長域の単色光と該超音波によって偏光面が変えられることのないそれ以外の波長の混合光をつくり、その混合光を偏光プリズムによって単色光を透過光として他方のそれ以外の波長の光を反射光として分離し、一方の単色光を用いて分光画像を撮影すると共に、それ以外の波長の光をファインダ系に用い、その光を再度反射させて画像反転させ撮影画像と対応のとれたリアルタイムのモニター画像を得るものである。
【００１０】
また、分光情報を取得する装置に関する技術として、以下に示す技術が公開されている。
特許文献５（特開２００５−３１００７号公報）に記載の従来技術は、分光装置に関するものであり、重量が軽く、透過光が明るく、高い分光精度が得られ、しかも製造しやすい、液晶を用いた分光装置を提供することを課題としている。そして、その解決手段として、図１８に示す特許文献５に記載の分光装置の構成例では、フーリエ変換分光法で分光する装置の干渉計１０として、１枚又は複数枚の液晶セル１２を１対の偏光子１１、１３で挟んだ１枚の液晶パネル１０Ａを用い、液晶パネルに入射した光１を常光１Ａと異常光１Ｂの二成分に分け、液晶セルのセル電圧を変更することにより前記二成分の光に光路差δをつけてそれらを合成した干渉光２を出射するよう構成したものを用いている。
【００１１】
さらに、金属微細構造による偏光選択構造を電極として利用する技術として、以下に示す技術が公開されている。
特許文献６（特開２００７−１７７６２号公報）に記載の従来技術は、ワイヤーグリツド偏光子の製造方法、液晶装置に関するものであり、容易かつ効率的に、優れた光学特性を有するワイヤーグリッド偏光子の製造方法等を提供することを課題としている。そして、その解決手段として、図１９に示す特許文献６に記載のワイヤーグリッド偏光子６０の製造方法においては、基板上に多数の略平行な直線状の金属突起体９ａと、金属突起体９ａを覆う保護層２９ａと、を有するワイヤーグリッド偏光子６０の製造方法において、金属突起体９ａ上に保護層２９ａを斜方成膜しつつ、金属突起体９ａ同士の間に空洞部９ｂを形成している。
【００１２】
さらに、本発明の画像撮影装置に用いる光学フィルタと類似の機能を有する光学素子として、以下に示す本出願人が先に出願公開した先願技術がある。
特許文献７（特開２００７−２２６０４７号公報）に記載の先願技術は、光学素子及び画像投射装置に関するものであり、より広い光の波長の範囲にわたって、光の第一の偏光成分と第一の偏光成分に直交する光の第二の偏光成分との間に所定の範囲の位相差を与えることが可能な光学素子等を提供することを課題としている。そして、その解決手段として、図２０に示す特許文献７に記載の光学素子の構成例のように、光学素子は、第一の微細周期で周期的に配置された第一の厚さ及び第一の屈折率を備えた複数の第一の誘電体平板を含む第一の微細周期構造並びに第二の微細周期で周期的に配置された第二の厚さ及び第二の屈折率を備えた複数の第二の誘電体平板を含む第二の微細周期構造を含み、複数の第一の誘電体平板の間における媒質の屈折率及び複数の第二の誘電体平板の間における媒質の屈折率は、第一の屈折率及び第二の屈折率と異なり、第一の微細周期及び第二の微細周期、第一の微細周期に対する第一の厚さの比及び第二の微細周期に対する第二の厚さの比、並びに、第一の屈折率及び第二の屈折率の少なくとも一つは、互いに異なるようにしている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
上記の特許文献１〜３に記載の従来技術による、画像撮影装置、撮像装置、撮像素子、分光カメラヘッドは、小型であり、スペクトル情報などの不可視情報を取得できるものであるが、スペクトル情報を取得するために、色素材料によるパッシブな、または液晶を用いたアクティブなカラー（波長）フィルタを利用している。このような波長フィルタでは、所望のスペクトル帯域の光を切り出し、それ以外の波長の光は吸収または反射させることにより除去している。したがって、瞬間的な分光情報を得ることが困難であり、さらには検出できる光量が格段に小さいといった課題がある。
【００１４】
大きな光量を利用するためには、強度情報を時間領域で取得し、フーリエ変換によりスペクトル情報に変換するフーリエ分光法が有効な方法であることが知られており、特許文献４に記載の従来技術は、このフーリエ分光に基づく分光画像取得を実現している。しかしながら、特許文献４に記載の分光装置は、画像撮影装置とは異なり一点での分光情報取得しか行っていない。したがって、検出光量を大きくする構成は使用しておらず、画像撮影装置として利用するには不十分である。
【００１５】
本出願人による特許文献７に記載の光学素子は、誘電体微細構造により波長選択性を有するものであるが、これは固体素子であり特定の（可視光領域の）スペクトル領域の画像しか撮影することができない。また、プロジェクタのような画像投射装置を目的にしたものである。
【００１６】
また、特許文献５に記載の従来技術は、金属微細構造の製造方法に関するものであり、金属微細構造を電極として利用することも記載しているが、プロジェクタのような画像投射装置を念頭に置いたものであり、画像撮影装置に関する具体的な構成や電極パターンについては一切記載がない。
【００１７】
本発明に関わる液晶位相シフタを用いる画像撮影装置は、光学素子の積層数が多く、検出光量を大きく取れない。また、液晶材料を駆動するための電極として、一般的にＩＴＯ膜を設けるが、ＩＴＯ膜は透過率が低く、検出光量を低下させてしまう。また、液晶位相シフタを用いる画像撮影装置は静的物体の画像取得には適しているが、液晶材料の動特性の制約があり、高速な動作が困難である。また、可視光から近赤外光領域までを撮影対象とする場合、市販の偏光フィルムの特性は、近赤外光領域では悪く、高価な偏光素子を用いる必要があるといった課題がある。
【００１８】
上記の課題を解決するため、本発明では以下を目的としたものである。
第１の目的は、大きな検出光量、広スペクトル帯域、光学素子数の低減、小型化が実現できる光学フィルタおよび画像撮影装置を提供することにある。
第２の目的は、大きな検出光量、広スペクトル帯域、光学素子数の低減、小型化が実現でき、さらに高速時間応答が実現できる光学フィルタおよび画像撮影装置を提供することにある。
第３の目的は、大きな検出光量、広スペクトル帯域、光学素子数の低減、小型化が実現でき、さらに大きな位相変調量が得られる光学フィルタおよび画像撮影装置を提供することにある。
第４の目的は、大きな検出光量、広スペクトル帯域、光学素子数の低減、小型化が実現でき、さらに高速時間応答が実現できる光学フィルタおよび画像撮影装置を提供することにある。
第５の目的は、本発明の画像撮影装置に用いる光学フィルタを構成する偏光選択構造の具体的な金属配列パターンを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
上述した課題を解決し、上記の目的を達成するために、本発明では以下のような解決手段を採っている。
本発明の第１の解決手段は、２つの直交する偏光成分の位相差を制御する機能を有する光学フィルタであって、直交する２つの偏光成分に異なる位相差を与える液晶層と、該液晶層を支持する誘電体基板を備えるとともに、該誘電体基板の境界面または内部の面に入射光の波長以下のサイズを有する金属微細パターンにより構成される偏光選択構造を備えることを特徴とする（請求項１）。
また、本発明の第２の解決手段は、第１の解決手段の光学フィルタにおいて、前記偏光選択構造を、前記液晶層を駆動する電極として用いることを特徴とする（請求項２）。
【００２０】
本発明の第３の解決手段は、２つの直交する偏光成分の位相差を制御する機能を有する光学フィルタであって、直交する２つの偏光成分に異なる位相差を与える液晶層と、該液晶層を支持する誘電体基板と、入射光を正反射方向に折り返す反射構造を備えるとともに、前記誘電体基板の境界面または内部の面に入射光の波長以下のサイズを有する金属微細パターンにより構成される偏光選択構造を備えることを特徴とする。
また、本発明の第４の解決手段は、第３の解決手段の光学フィルタにおいて、前記偏光選択構造および反射構造を、前記液晶層を駆動する電極として用いることを特徴とする（請求項４）。
【００２１】
本発明の第５の解決手段は、第１〜第４のいずれか一つの解決手段の光学フィルタにおいて、前記偏光選択構造が、光を透過する領域において入射光の波長以下の幅および周期を有する金属細線（ワイヤグリッド）構造であることを特徴とする（請求項５）。
また、本発明の第６の解決手段は、第１〜第４のいずれか一つの解決手段の光学フィルタにおいて、前記偏光選択構造が、光が透過する領域において、金属材料からなる２つの櫛歯構造を対向して配置した構成を有することを特徴とする（請求項６）。
【００２２】
本発明の第７の解決手段は、画像撮影装置であって、被写体を撮像面に結像する光学系と、２つの直交する偏光成分の位相差を制御する機能を有する光学フィルタと、該光学フィルタを電気的に制御する駆動制御ユニットと、被写体像を電気信号に変換する撮像ユニットと、画像情報を処理する信号処理装置を備え、前記光学フィルタとして、第１〜第６のいずれか一つの解決手段の光学フィルタを用いたことを特徴とする（請求項７）。
【発明の効果】
【００２３】
第１の解決手段の光学フィルタでは、直交する２つの偏光成分に異なる位相差を与える液晶層と、該液晶層を支持する誘電体基板を備えるとともに、該誘電体基板の境界面または内部の面に入射光の波長以下のサイズを有する金属微細パターンにより構成される偏光選択構造を備えることにより、検出光量の増加、広スペクトル帯域化、光学素子数の低減が可能となるという効果を奏することができる。
また、第２の解決手段の光学フィルタでは、第１の解決手段の構成に加え、前記偏光選択構造を、前記液晶層を駆動する電極として用いることにより、検出光量増加、広スペクトル帯域化、光学素子数の低減が可能となるという効果を奏することができる。
【００２４】
第３の解決手段の光学フィルタでは、直交する２つの偏光成分に異なる位相差を与える液晶層と、該液晶層を支持する誘電体基板と、入射光を正反射方向に折り返す反射構造を備えるとともに、前記誘電体基板の境界面または内部の面に入射光の波長以下のサイズを有する金属微細パターンにより構成される偏光選択構造を備えることにより、検出光量の増加、広スペクトル帯域化、光学素子数の低減、位相変調量の増大が可能となるという効果を奏することができる。
また、第４の解決手段の光学フィルタでは、第３の解決手段の構成に加え、前記偏光選択構造および反射構造を、前記液晶層を駆動する電極として用いることにより、検出光量増加、広スペクトル帯域化、光学素子数の低減、位相変調量の増大が可能となるという効果を奏することができる。
【００２５】
第５の解決手段の光学フィルタでは、第１〜第４のいずれか一つの解決手段の構成に加え、前記偏光選択構造が、光を透過する領域において入射光の波長以下の幅および周期を有する金属細線（ワイヤグリッド）構造であることにより、第１〜第４のいずれか一つの解決手段の光学フィルタを実現する具体的な金属配列パターンを提供することができるという効果を奏することができる。
また、第６の解決手段の光学フィルタでは、第１〜第４のいずれか一つの解決手段の構成に加え、前記偏光選択構造が、光が透過する領域において、金属材料からなる２つの櫛歯構造を対向して配置した構成を有することにより、第１〜第４のいずれか一つの解決手段の光学フィルタを実現する具体的な金属配列パターンを提供することができるという効果を奏することができる。
【００２６】
第７の解決手段の画像撮影装置では、被写体を撮像面に結像する光学系と、２つの直交する偏光成分の位相差を制御する機能を有する光学フィルタと、該光学フィルタを電気的に制御する駆動制御ユニットと、被写体像を電気信号に変換する撮像ユニットと、画像情報を処理する信号処理装置を備え、前記光学フィルタとして、第１〜第６のいずれか一つの解決手段の光学フィルタを用いたことにより、第１〜第６のいずれか一つの解決手段の効果を得られ、画像撮影装置の小型化、高速動作が実現できるという効果を奏することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の第１〜３の実施例の画像撮影装置を説明する概略構成図である。
【図２】本発明の第１の実施例の画像撮影装置に用いる光学フィルタの断面図および平面図である。
【図３】偏光選択構造の配置を説明する図である。
【図４】偏光フィルタの透過スペクトルの実測結果を説明する図である。
【図５】数値シミュレーションのモデルを説明する図である。
【図６】数値シミュレーションの結果を説明する図である。
【図７】本発明の第２の実施例の画像撮影装置に用いる光学フィルタの断面図および平面図である。
【図８】本発明の第２の実施例の画像撮影装置に用いる光学フィルタの異なる構成例を説明する断面図である。
【図９】本発明の第３の実施例の画像撮影装置に用いる光学フィルタの偏光選択構造パターンを説明する平面図である。
【図１０】液晶層に働く勾配力を説明する図である。
【図１１】本発明の第４，５の実施例の画像撮影装置を説明する概略構成図である。
【図１２】本発明の第４の実施例の画像撮影装置に用いる光学フィルタの断面図および平面図である。
【図１３】本発明の第５の実施例の画像撮影装置に用いる光学フィルタの断面図および平面図である。
【図１４】特許文献１に記載のフローチャートを示す図である。
【図１５】特許文献２に記載の分光カメラヘッドの構成例を示す図である。
【図１６】特許文献３に記載の撮像素子ユニットの構成例を示す図である。
【図１７】特許文献４に記載の音響光学フィルタ型分光カメラの構成例を示す図である。
【図１８】特許文献５に記載の分光装置の構成例を示す図である。
【図１９】特許文献６に記載のワイヤーグリッド偏光子の製造方法を示す図である。
【図２０】特許文献７に記載の光学素子の構成例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下に添付図面を参照して、本発明に係る光学フィルタおよび画像撮影装置の具体的な実施例を詳細に説明する。
【実施例】
【００２９】
［第１の実施例］（第１、第５、第７の解決手段の実施例）
本発明の第１の実施例に係る光学フィルタおよび画像撮影装置に関して、図１〜６を参照して説明する。
図１は、本発明の第１の実施例に係る画像撮影装置の構成例を説明する概略構成図である。本実施例の画像撮影装置１００は、レンズ１０１１や鏡筒（図示せず）からなり撮像面へ被写体の像を結像する光学系１０１と、誘電体基板および液晶層からなり電気的に変調される光学フィルタ１０２と、光学フィルタ１０２を制御する駆動制御ユニット１０４と、撮像素子を有し被写体の像を電気信号に変換する撮像ユニット１０３、および画像情報を処理する信号処理装置１０５により構成されている。光学フィルタ１０２は、液晶層の複屈折性を利用して直交する２つの偏光成分に対して動的に位相変調画像を得る素子であり、液晶層を挟んで配置する誘電体基板は液晶層を支持するとともに、偏光選択機能を有している。図１（ａ）は、光学系１０１の背面に光学フィルタ１０２を配置した構成であるが、光学フィルタ１０２の位置は、図１（ｂ）のように、光学系の前面に配置した構成でも良い。また、撮像ユニット１０３内のセンサー面上に配置する構成であっても良い。
【００３０】
次に、本実施例の画像撮影装置１００における光学フィルタ１０２の具体的な構成について説明する。図２（ａ）は、誘電体基板上または内部に設ける偏光選択構造の配置を説明する断面図であり、同図（ｂ）は、同図（ａ）の図中に点線Ａ−Ａ’で示した面で切断した断面図である。液晶材料を配向させるために、誘電体基板１０２１、透明電極膜１０２２、配向膜１０２３、液晶材料（液晶層）１０２４、配向膜１０２３、透明電極１０２２、誘電体基板１０２１の順に積層した構成を有している。また、図２（ｂ）に示す平面図（断面Ａ−Ａ’）のように、偏光選択構造１０２５としては、金属細線構造（ワイヤグリッド）が利用できる。
【００３１】
図３（ａ）は、誘電体基板１０２１および液晶層１０２４の境界面近傍の断面であり、偏光選択構造１０２５である金属ワイヤグリッド構造を、誘電体基板１０２１と空気（または真空）領域の境界面（上面）に形成した構成を示している。誘電体基板１０２１と液晶層１０２４の界面には、液晶層中の液晶材料を変調するための電極として透明電極膜１０２２と、誘電体材料の動きを一定方向に固定するとともに電極と液晶材料を絶縁するための配向膜１０２３とを積層した構成を有している。
一方、図３（ｂ）は、金属ワイヤグリッド構造を誘電体基板中に埋め込んだ構成であり、誘電体基板１０２１は、偏光選択機能を有するとともに、金属ワイヤグリッドの損傷や劣化を保護する役割も担っている。また、図３（ｂ）は作製工程が複雑になるが、空気（または真空）と誘電体基板１０２１の間に平滑な境界面を形成することができ、全反射コーティングなどの構造を付加することができるという利点がある。
【００３２】
次に、本実施例の画像撮影装置１００における光学フィルタ１０２の材料および作製方法について説明する。誘電体基板１０２１には、透過率の高いガラス基板を用いる。図３（ａ）に示す構成においては、ガラス基板１０２１の上面に偏光選択構造１０２５である金属ワイヤグリッドを設ける。金属ワイヤグリッドは、回折による光強度の空間分布の乱れを回避するため、波長以下の幅および周期とする必要がある。このような構造は、電子ビームリソグラフィによる方法、ＤＵＶ・ＥＵＶリソグラフィ、ナノインプリント、材料物性の変質を利用したエッチングなどにより作製できる。以下に、電子ビームリソグラフィによる作製方法を説明するが、作製方法を限定する必要はない。
【００３３】
電子ビームリソグラフィによる作製方法としては、まず第一に、ガラス基板上に金属膜をスパッタ法や真空蒸着法により堆積する。
続いて、フォトレジスト材料を塗布し、電子ビームにより金属細線パターンを露光する。レジスト材料はネガ用、ポジ用のいずれでも構わなく、フォトレジスト材料に依存して露光パターンをネガパターンもしくはポジパターンとする。
その後、不要な金属部分をＲＩＥなどによりエッチングし、続いて残ったフォトレジストパターンを除去することにより、波長以下の幅および周期をもった金属ワイヤグリッドを誘電体基板上に形成できる。
【００３４】
また、図３（ｂ）に示すような誘電体基板内部に金属微細構造を形成する場合には、上記の電子ビームリソグラフィで作製した金属ワイヤグリッド上に、スピンオングラス膜を塗布し、化学機械研磨（ＣＭＰ）法により表面を平坦化する。金属材料は、Ａｌが良好な偏光選択性を示すことがわかっているが、広帯域な偏光選択性を示す金属材料であれば、如何なる金属材料であっても構わない。
【００３５】
上記のようにして作製した金属微細構造（偏光選択構造）１０２５を備えた誘電体基板１０２１に液晶層１０２４を制御する電極構造を設けるために、平滑な誘電体界面にＩＴＯなどの透明電極膜１０２２をスパッタ法などで堆積し、スピンコート法により配向膜１０２３を塗布し、液晶分子の配向を揃えるためにラビング処理を施した後、配向膜側を対向させるように、図示しないスペーサーを介して誘電体基板１０２１を配置する（図２（ａ））。スペーサーには、サイズの揃ったポリスチレンやシリカの球状微粒子を含んだシール材を利用する。液晶層１０２４のラビング方向は、偏光選択構造１０２５の向きと４５°の角度を有する必要がある。これにより、入射側の偏光選択構造１０２５を透過した光の直交する２つの偏光成分が、液晶層１０２４の常光線、異常光線成分に等量分配されることになる。また、入射側と出射側の偏光選択構造１０２５の対は、平行な向きでも、直交する向きであっても構わない。本実施例の光学フィルタ１０２を透過する光は、液晶層１０２４において常光線、異常光線成分で異なる位相差を受け、出射側の偏光選択構造１０２５を透過する際に、同一面内に振動する偏光成分のみが切り出され、図１に示した撮像ユニット１０３の撮像素子面内で干渉信号として検出される。
【００３６】
次に、本実施例の画像撮影装置１００を用いた画像取得の方法について説明する。
本実施例の画像撮影装置１００の１つの応用は、スペクトル画像の取得である。スペクトル情報を得る原理は、フーリエ分光法に基づいている。これは、入射する光を２つの異なる光路に分離し、一方に位相差を与え、もしくは双方に異なる位相差を与え、その位相差に対応した干渉信号を取得し、位相差とスペクトル強度との間のフーリエ変換の関係を用いてスペクトル情報を得るものである。
ここで、図１（ａ）または（ｂ）に示す画像撮影装置１００では、直交する２つの偏光成分が２つの異なる光路となり、液晶層を含む光学フィルタ１０２を駆動制御ユニット１０４により動的に変調することにより、位相差を任意に設定し、撮像ユニット１０３の撮像素子面内において干渉画像を取得している。
フーリエ分光は、回折素子を使った分光器や、カラーフィルタを用いたスペクトル情報抽出に対して、大きな光量を取れる点が特徴である。また、液晶を用いた偏光干渉計の構成をとっていることから、振動やノイズに対する耐性が高い。
【００３７】
撮像素子に形成された干渉画像は、撮像ユニット１０３により電気信号に変換され、ＵＳＢインターフェースなどを介して信号処理装置１０５に転送される。信号処理装置１０５は通常のパーソナルコンピュータでよく、フーリエ変換法などにより推定されたスペクトル強度情報をモニタに可視化して表示する。スペクトル推定の方法は、必ずしもフーリエ変換または高速フーリエ変換を利用する必要はなく、例えば最大エントロピー法などの方法も利用できる。
また、本実施例の光学フィルタ１０２の用途は、フーリエ分光法によるスペクトル画像取得に限るものではない。例えば、所望する位相差の画像を複数撮影し、全画素に乗算処理を施すことにより、可変波長フィルタとして機能させることも可能である。
【００３８】
次に、本実施例の画像撮影装置１００に用いる光学フィルタ１０２の効果について測定結果および数値シミュレーション結果に基づいて説明する。
液晶による位相シフトデバイスや空間変調素子では、ガラス基板で液晶層を挟んだ構成を有する液晶セルの前面および背面にフィルム状の偏光フィルタ（偏光フィルム）を貼り付けて使用する。市販の偏光フィルタ（偏光フィルム）における透過率の分光器による測定結果を図４に示す。
図４に示すように、有機材料を延伸して作製する偏光フィルタ（偏光フィルム）は、一般的に波長７５０ｎｍ程度から長波長側の近赤外領域において偏光選択性が低下してしまう。また、透過率も偏光選択成分において約７０〜９０％であり、必ずしも高くはない。
【００３９】
これに対し、金属ワイヤグリッド構造の特性を調べるために、有限差分時間領域（ＦＤＴＤ）法に基づく数値シミュレーションを実施した。ＦＤＴＤ法は、Ｍａｘｗｅｌｌ方程式を空間および時間に関する差分に近似して数値解を求める方法であり、ある時刻に光パルスを入射し、電場の時間発展をフーリエ変換することにより、透過スペクトルを算出した。図５（ａ）は、数値シミュレーションに用いた金属ワイヤグリッド構造のモデルであり、同図（ｂ）は、同図（ａ）の図中に点線Ｂ−Ｂ’で示した面で切断した断面図である。本数値シミュレーションでは、金属ワイヤグリッドを幅７２ｎｍ、高さ１５２ｎｍ、水平方向ピッチ１６４ｎｍのＡｌによる構造とし、図５の断面Ｂ−Ｂ’の水平および垂直方向の計算領域境界に周期境界条件を適用することにより、金属ワイヤグリッドをモデル化した。Ａｌワイヤグリッドを支持する誘電体基板は屈折率１．５０８をもつＳｉＯ２を仮定した。また、Ａｌの物性値は、自由電子を記述するＤｒｕｄｅモデルに基づいて誘電関数を与えることにより表現した。金属ワイヤの向きに対して４５°傾いた偏光面をもつ波長６００ｎｍを中心波長にもつ平面波パルスを入射光源とした。
【００４０】
図６は、数値シミュレーションにより得られた計算結果である。ここで、金属ワイヤの向きに直交する偏光成分がＰ偏光、金属ワイヤの周期方向の偏光成分がＳ偏光である。本数値シミュレーションの結果、金属ワイヤグリッドを誘電体基板上に配置した偏光選択構造では、短波長側から近赤外領域まで透過率８０％以上の広帯域で安定した特性を得ることができた。また、誘電体基板界面に直接偏光選択構造を設けているため、従来の液晶セルの前面および背面に貼付していた偏光フィルムによる界面の影響をなくすことができ、光学フィルタ全体としての透過率の低減を抑えることができた。
【００４１】
以上のように、本実施例の画像撮影装置１００に用いる光学フィルタ１０２は、液晶層１０２４を支持する誘電体基板１０２１上または誘電体基板１０２１の内部に偏光選択構造１０２５として金属ワイヤグリッドを設けることにより、透過率を向上しており、本実施例の画像撮影装置１００における撮像素子への入射光量を増加することが可能となる。また、金属ワイヤグリッドを用いることにより可視光から近赤外光までの広スペクトル帯域を実現できる。さらに、偏光フィルムなどの光学素子数を低減し、画像撮影装置の小型化、省スペース化が可能となる。
【００４２】
［第２の実施例］（第１、第２、第５、第７の解決手段の実施例）
本発明の第２の実施例に係る光学フィルタおよび画像撮影装置に関して、図１及び図６〜８を参照して説明する。
図７（ａ）は、本発明の第２の実施例に係る光学フィルタ１０２における誘電体基板上または内部に設ける偏光選択構造１０２５の配置を説明する断面図であり、同図（ｂ）は、同図（ａ）の図中に点線Ｃ−Ｃ’で示した面で切断した平面図である。
第１の実施例と異なる点は、液晶層１０２５に電場を印加する電極として、透明電極は用いず、偏光選択構造（金属微細構造）１０２５が電極を兼ねていることが特徴である。金属微細構造に一様な電界を生成するため、金属パターンは図７（ｂ）に示すように、金属材料により一様に塗り潰された領域を一方の端部または複数の端部で有している。
【００４３】
本実施例の画像撮影装置１００の構成は、第１の実施例と同様であり、図１（ａ）および（ｂ）に示すように、レンズ１０１１や鏡筒（図示せず）からなり撮像面へ被写体の像を結像する光学系１０１、誘電体基板および液晶層からなり電気的に変調される光学フィルタ１０２、光学フィルタ１０２を制御する駆動制御ユニット１０４、撮像素子を有し被写体の像を電気信号に変換する撮像ユニット１０３、および画像情報を処理する信号処理装置１０５により構成されている。
【００４４】
本実施例の画像撮影装置１００における光学フィルタ１０２は、図７（ａ）に示すように、誘電体基板１０２１、配向膜１０２３、液晶材料（液晶層）１０２４、配向膜１０２３、誘電体基板１０２１の順に積層した構成を有し、誘電体基板内部に偏光選択構造１０２５として、金属細線構造（ワイヤグリッド）を配置している。
ここで、金属ワイヤグリッドは、必ずしも誘電体基板内部に配する必要はなく、図８に示すように、誘電体基板１０２１の界面に配置し、配向膜１０２３により皮膜された構成であっても良い。図７（ａ）および図８の両方の場合において、配向膜１０２３は金属ワイヤグリッド電極と液晶層を絶縁する絶縁膜の役割も担っている。
【００４５】
本実施例の画像撮影装置１００における光学フィルタ１０２の材料および作製方法は、第１の実施例における説明と同様であり、透過率の高いガラス基板上に、電子ビームリソグラフィによる方法、ＤＵＶ・ＥＵＶリソグラフィ、ナノインプリント、材料物性の変質を利用したエッチングなどにより金属ワイヤグリッドを作製し、金属ワイヤグリッドを形成した面が液晶層の側となるようにガラス基板を対向させ、液晶材料を注入する。金属材料としては良好な偏光選択性を示すＡｌを利用する。また、干渉信号を得るために、配向膜１０２３は金属ワイヤグリッドの向きから４５°傾いた方向にラビング処理を施す。
【００４６】
本実施例の画像撮影装置１００は、第１の実施例で説明したように、フーリエ分光法の原理に基づき、スペクトル画像を撮影する装置として利用できる。また、可変波長フィルタとして、機能させることも可能である。
【００４７】
次に、本実施例の画像撮影装置１００に用いる光学フィルタ１０２の効果について説明する。
金属ワイヤグリッドを偏光選択構造１０２５として利用するとともに、電極として利用することにより、従来ＩＴＯ膜などで形成していた透明電極を配置する必要が無くなる。透明電極は導電性を有するため、電荷移動にともなう吸収を有し、透過率を幾分低減させる。したがって、透明電極構造を無くすことにより、本実施例の光学フィルタの透過率を向上することが可能である。また、光学素子数や膜の数を低減することができる。また、Ａｌなどの金属材料は、透明電極よりも導電性が高く、同一の消費電力を用いて液晶層により強い電界を印加することが可能である。したがって、液晶セル厚の厚い素子の駆動に適しており、大きな位相差を得ることによりスペクトル分解能を向上できるスペクトル画像撮影装置において有利な特性となる。同様の理由により、液晶層をより高速に駆動させることも可能となる。また、金属ワイヤグリッドを用いるため、図６に示したように、可視光から近赤外までの光スペクトル帯域の画像を取得することが可能である。
【００４８】
以上のように、本実施例の画像撮影装置１００に用いる光学フィルタ１０２は、液晶層１０２４を支持する誘電体基板１０２１上または誘電体基板１０２１の内部に偏光選択構造１０２５として金属ワイヤグリッドを設け、金属ワイヤグリッドを、液晶層を駆動する電極として利用することにより、透過率を向上し、本実施例の画像撮影装置における撮像素子への入射光量を増加することが可能となる。また、液晶の動作速度を向上することが可能となる。さらに、可視光から近赤外光までの広スペクトル帯域の画像取得、光学素子数の低減、画像撮影装置の小型化、省スペース化が実現できる。
【００４９】
［第３の実施例］（第１、第２、第６、第７の解決手段の実施例）
本発明の第３の実施例に係る光学フィルタおよび画像撮影装置に関して、図１および図７〜１０を参照して説明する。
本実施例は、第２の実施例と同様に、偏光選択構造１０２５である金属微細構造を液晶層１０２４に電場を印加する電極として利用するが、この金属パターンが第２の実施例とは異なる構造となっている。
図９は、第３の実施例に係る光学フィルタ１０２における誘電体基板上または内部に設ける偏光選択構造１０２５の２次元配列パターンを説明する平面図である。本実施例の偏光選択構造１０２５は、２つの領域に分割される金属材料からなる電極パターンを形成している。金属ワイヤグリッドに対応する領域（光透過領域）は、図９中の上下の２つの櫛歯構造が噛み合った構造となっており、それぞれの櫛歯構造の電極１，２に電気配線１０２６が接続されている。
【００５０】
本実施例の画像撮影装置１００の構成は、第１の実施例と同様であり、図１（ａ）および（ｂ）に示すように、レンズ１０１１や鏡筒（図示せず）からなり撮像面へ被写体の像を結像する光学系１０１、誘電体基板および液晶層からなり電気的に変調される光学フィルタ１０２、光学フィルタ１０２を制御する駆動制御ユニット１０４、撮像素子を有し被写体の像を電気信号に変換する撮像ユニット１０３、および画像情報を処理する信号処理装置１０５により構成されている。
【００５１】
本実施例の画像撮影装置１００における光学フィルタ１０２の構成は、第２の実施例で図７（ａ）を用いて説明した通りであり、誘電体基板１０２１、配向膜１０２３、液晶材料（液晶層）１０２４、配向膜１０２３、誘電体基板１０２１を順に積層し、誘電体基板１０２１の内部に偏光選択構造１０２５として、金属細線構造（ワイヤグリッド）を配置している。金属ワイヤグリッドは、必ずしも誘電体基板内部に配する必要はなく、図８に示すように、誘電体基板１０２１の界面に配置し、配向膜１０２３により皮膜された構成であっても良い。図７（ａ）および図８の両方の場合において、配向膜１０２３は金属ワイヤグリッド電極と液晶層を絶縁する絶縁膜の役割も担っている。
【００５２】
本実施例の画像撮影装置１００における光学フィルタ１０２の材料および作製方法は、第１の実施例における説明と同様であり、透過率の高いガラス基板上に、電子ビームリソグラフィによる方法、ＤＵＶ・ＥＵＶリソグラフィ、ナノインプリント、材料物性の変質を利用したエッチングなどにより金属ワイヤグリッドを作製し、金属ワイヤグリッドを形成した面が液晶層の側となるようにガラス基板を対向させ、液晶材料を注入する。金属材料としては良好な偏光選択性を示すＡｌを利用する。また、干渉信号を得るために、配向膜は金属ワイヤグリッドの向きから４５°傾いた方向にラビング処理を施す。
【００５３】
本実施例の画像撮影装置１００は、第１の実施例で説明したように、フーリエ分光法の原理に基づき、スペクトル画像を撮影する装置として利用できる。また、可変波長フィルタとして、機能させることも可能である。
【００５４】
次に、本実施例の画像撮影装置１００に用いる光学フィルタ１０２の効果について説明する。
第２の実施例で説明したように、偏光選択構造１０２５が電極を兼ねることにより透明電極を配置する必要が無くなり、本実施例の光学フィルタの透過率を向上することが可能となり、光学素子数や膜の数を低減することができる。また、強い電界を印加することが可能となり、液晶セル厚の厚い素子に利用でき、液晶層の高速駆動にも有利である。また、金属ワイヤグリッドを用いるため、可視光から近赤外までの光スペクトル帯域の画像を取得することが可能である。
【００５５】
また、本実施例においては、図９に示すように、櫛歯構造をもつ２つの電極１，２を同一面内に有しているので、印加する電圧の極性を制御することが可能となる。すなわち、面内に極性の異なる電圧を印加することにより、図１０に示すように、配向膜１０２３に平行な面に電気力線による勾配力を生成することができる。
同一面内に同極性の電圧を印加して駆動した液晶層１０２４は、入射光の伝播方向に勾配力が働き液晶分子の向きを揃えるが、電圧を開放した際に初期状態に自然に戻るまでには、数秒程度の時間を要する。そこで、極性の異なる電圧を印加することにより、液晶の配向と直交する向きに勾配力を発生させることにより、初期状態に戻る時間を短縮することができる。
【００５６】
以上のように、本実施例の画像撮影装置１００に用いる光学フィルタ１０２は、液晶層１０２４を支持する誘電体基板１０２１上または誘電体基板１０２１の内部に偏光選択構造１０２５として金属ワイヤグリッドを設け、金属ワイヤグリッドを、液晶層１０２４を駆動する電極として利用することにより、透過率を向上し、本実施例の画像撮影装置１００における撮像素子への入射光量を増加することが可能となる。また、櫛歯状の電極を構成することにより液晶層の準・逆動作を速め、本実施例の画像撮影装置の動作速度を向上することが可能となる。さらに、可視光から近赤外光までの広スペクトル帯域の画像取得、光学素子数の低減、画像撮影装置の小型化、省スペース化が実現できる。
【００５７】
［第４の実施例］（第３、第５、第７の解決手段の実施例）
本発明の第４の実施例に係る光学フィルタおよび画像撮影装置に関して、図１１、図１２を参照して説明する。
本実施例は、第１〜３の実施例と同様の画像撮影装置を反射型で実現するものである。反射型構成をとることにより、液晶層を有する光学フィルタを入射する光が往復することになり、その結果、液晶層における常光線と異常光線の位相差を２倍獲得することができ、スペクトル画像取得の場合には、分解能を向上することが可能となる。
【００５８】
図１１は、本実施例の画像撮影装置２００の構成例を説明する概略構成図であり、撮像面へ被写体の像を結像するレンズ２０１１、鏡筒（図示せず）および反射光を折り返し撮像素子へ導入するビームスプリッタ２０１２からなる光学系２０１と、誘電体基板、液晶層および反射構造からなり電気的に変調される光学フィルタ２０２と、光学フィルタ２０２を制御する駆動制御ユニット２０４、撮像素子を有し被写体の像を電気信号に変換する撮像ユニット２０３、および画像情報を処理する信号処理装置２０５により構成されている。
【００５９】
本実施例の画像撮影装置２００における光学フィルタ２０２の構成を、図１２を用いて説明する。図１２（ａ）は光学フィルタ２０２の構成を説明する断面図であり、本実施例の光学フィルタ２０２は、支持基板２０２１上に、反射構造２０２２、配向膜２０２３、液晶材料（液晶層）２０２４、配向膜２０２５、透明電極２０２６、誘電体基板２０２７を順に積層した構成を有している。また、図１２（ｂ）は、本実施例の光学フィルタ２０２のＤ−Ｄ’線部分の断面図（断面Ｄ−Ｄ’）であり、誘電体基板２０２７の上部境界面に偏光選択構造２０２８として金属細線構造（ワイヤグリッド）を備えている。なお、金属ワイヤグリッドは、図３（ｂ）に示したものと同様に、誘電体基板内部に配置しても構わない。反射構造２０２２は、反射率の高い構造であればよく、支持基板２０２１上に形成した金属膜や、透明電極膜を表層にもつ多層膜構造などが利用できる。ここで、反射構造２０２２は液晶層２０２４を駆動する電極を兼ねるため、導電性の材料を液晶層側に配置する必要がある。図１２は、透明電極膜を配置した例である。
【００６０】
本実施例の画像撮影装置２００における光学フィルタ２０２の材料および作製方法は、第１の実施例における説明と同様であり、誘電体基板２０２７である透過率の高いガラス基板上に、電子ビームリソグラフィによる方法、ＤＵＶ・ＥＵＶリソグラフィ、ナノインプリント、材料物性の変質を利用したエッチングなどにより金属ワイヤグリッドを作製したものと、平滑な支持基板２０２１上に金属膜または誘電体多層膜とＩＴＯなどの透明電極膜を積層した反射構造２０２２を有するものを、金属ワイヤグリッドを形成した面が液晶層の側となるように対向させ、液晶材料を注入する。金属ワイヤグリッドを構成する材料としては、良好な偏光選択性を示すＡｌが利用できる。また、干渉信号を得るために、配向膜２０２３，２０２５は金属ワイヤグリッドの向きから４５°傾いた方向にラビング処理を施す。
【００６１】
本実施例の画像撮影装置２００は、第１の実施例で説明したように、フーリエ分光法の原理に基づき、スペクトル画像を撮影する装置として利用できる。また、可変波長フィルタとして、機能させることも可能である。
【００６２】
次に、本実施例の画像撮影装置２００に用いる光学フィルタ２０２の効果について説明する。
本実施例の光学フィルタ２０２は、反射型の構成をとることにより、入射側および出射側の偏光選択構造２０２８を誘電体基板２０２７の境界面または内部に配置した単層の金属ワイヤグリッドで実現することができる。これにより、作製工程を減らすことができる。また、反射型の構成をとることにより、液晶層２０２４を通り抜ける光の光路長を２倍獲得することができ、スペクトル画像取得や可変波長フィルタ機能において、スペクトル分解能を向上することができる。
【００６３】
以上のように、本実施例の画像撮影装置２００に用いる光学フィルタ２０２は、液晶層２０２４を支持する誘電体基板２０２７上または誘電体基板２０２７の内部に偏光選択構造２０２８として金属ワイヤグリッドを設けることにより、偏光フィルム等の偏光選択素子が不要となるため、透過率を向上し、本実施例の画像撮影装置２００における撮像素子への入射光量を増加することが可能となる。また、可視光から近赤外光までの広スペクトル帯域の画像取得、光学素子数の低減、画像撮影装置の小型化、省スペース化が実現できる。さらに、反射型の構成により大きな位相差を獲得することができ、スペクトル分解能や波長選択性の向上が可能となる。
【００６４】
［第５の実施例］（第３、第４、第５、第６、第７の解決手段の実施例）
本発明の第５の実施例に係る光学フィルタおよび画像撮影装置に関して、図１１、図１３を参照して説明する。
本実施例は、第４の実施例と同様に、反射型の構成で画像撮影装置を実現するものである。第４の実施例と異なる点は、偏光選択構造２０２８である金属微細構造が液晶層２０２４を駆動する電極を兼ねる点である。これにより、本実施例の光学フィルタ２０２の出射光量の低下を抑えることができる。また、第４の実施例と同様に、液晶層２０２４を有する光学フィルタ２０２を、入射する光が往復することになり、液晶層２０２４における常光線と異常光線の位相差を２倍獲得することができ、スペクトル画像取得の場合には、分解能を向上することが可能となる。
【００６５】
本実施の画像撮影装置２００の構成は、図１１の概略構成図で示した通りであり、撮像面へ被写体の像を結像するレンズ２０１１、鏡筒（図示せず）、および反射光を折り返し撮像素子へ導入するビームスプリッタ２０１２からなる光学系２０１と、誘電体基板、液晶層および反射構造からなり電気的に変調される光学フィルタ２０２と、光学フィルタ２０２を制御する駆動制御ユニット２０４と、撮像素子を有し被写体の像を電気信号に変換する撮像ユニット２０３、および画像情報を処理する信号処理装置２０５により構成されている。
【００６６】
本実施例の画像撮影装置２００における光学フィルタ２０２の構成を、図１３を用いて説明する。図１３（ａ）は光学フィルタ２０２の構成を説明する断面図であり、本実施例の光学フィルタ２０２は、支持基板２０２１上に、反射構造２０２２、配向膜２０２３、液晶材料（液晶層）２０２４、配向膜２０２５、誘電体基板２０２７を順に積層した構成を有し、誘電体基板２０２７と配向膜２０２５の境界面に偏光選択構造２０２８として金属細線構造（ワイヤグリッド）を備えている。図１３（ｂ）は、本実施例の光学フィルタ２０２のＥ−Ｅ’線部分の断面図（断面Ｅ−Ｅ’）であり、金属ワイヤグリッドを、液晶層２０２４を駆動する電極として利用するために、端部に金属材料で塗り潰した領域を有している。図１３（ｂ）は、金属ワイヤグリッドの２次元パターンにより単一の電極を為しているが、図９に示したものと同様に、２つ櫛歯構造からなる電極パターンを利用しても良い。その場合には、電極面内に電界を発生することができ、液晶層に水平、垂直方向の２方向の勾配力を働かせることができる。
【００６７】
本実施例の画像撮影装置２００における光学フィルタ２０２の材料および作製方法は、第１の実施例における説明と同様であり、誘電体基板２０２７である透過率の高いガラス基板上に、電子ビームリソグラフィによる方法、ＤＵＶ・ＥＵＶリソグラフィ、ナノインプリント、材料物性の変質を利用したエッチングなどにより金属ワイヤグリッドを作製したものと、平滑な支持基板２０２１上に金属膜または誘電体多層膜とＩＴＯなどの透明電極膜を積層した反射構造２０２２を有するものを、金属ワイヤグリッドを形成した面が液晶層の側となるように対向させ、液晶材料を注入する。金属ワイヤグリッドを構成する材料としては、良好な偏光選択性を示すＡｌが利用できる。また、干渉信号を得るために、配向膜２０２３、２０２５は金属ワイヤグリッドの向きから４５°傾いた方向にラビング処理を施す。
【００６８】
本実施例の画像撮影装置は、第１の実施例で説明したように、フーリエ分光法の原理に基づき、スペクトル画像を撮影する装置として利用できる。また、可変波長フィルタとして、機能させることも可能である。
【００６９】
次に、本実施例の画像撮影装置２００に用いる光学フィルタ２０２の効果について説明する。
本実施例の光学フィルタ２０２は、反射型の構成をとることにより、入射側および出射側の偏光選択構造２０２８を誘電体基板２０２７の境界面または内部に配置した単層の金属ワイヤグリッドで実現することができる。これにより、作製工程を減らすことができる。また、反射型の構成をとることにより、液晶層２０２４を通り抜ける光の光路長を２倍獲得することができ、スペクトル画像取得や可変波長フィルタ機能において、スペクトル分解能を向上することができる。さらに、金属ワイヤグリッドが電極を兼ねるため、透明電極膜が不要となり、出射光量の低下を抑えることができるとともに、液晶層２０２４に働く電気力線の勾配力の向きを制御することができ、本実施例の画像撮影装置の高速動作が可能となる。
【００７０】
以上のように、本実施例の画像撮影装置２００に用いる光学フィルタ２０２は、液晶層２０２４を支持する誘電体基板２０２７上または誘電体基板２０２７の内部に偏光選択構造２０２８として金属ワイヤグリッドを設けることにより、透過率を向上し、本実施例の画像撮影装置２００における撮像素子への入射光量を増加することが可能となる。また、液晶の動作速度を向上することが可能となる。また、可視光から近赤外光までの広スペクトル帯域の画像取得、光学素子数の低減、画像撮影装置の小型化、省スペース化が実現できる。さらに、反射型の構成により大きな位相差を獲得することができ、スペクトル分解能や波長選択性の向上が可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００７１】
以上に説明した本発明に係る光学フィルタおよび画像撮影装置は、スペクトル情報を連続的または選択的に取得する分光イメージングシステム、マルチ・ハイパースペクトルイメージングシステム等に利用することができる。また、スペクトル計測装置等にも利用することができる。
【符号の説明】
【００７２】
１００、２００：画像撮影装置
１０１、２０１：光学系
１０２、２０２：光学フィルタ
１０３、２０３：撮像ユニット
１０４、２０４：駆動制御ユニット
１０５、２０５：信号処理装置
１０２１、２０２７：誘電体基板
１０２２、２０２６：透明電極膜
１０２３、２０２３、２０２５：配向
１０２４、２０２４：液晶層（液晶材料）
１０２５、２０２８：偏光選択構造（金属細線構造）
１０２６、２０２９：電気配線
【先行技術文献】
【特許文献】
【００７３】
【特許文献１】特開２００９−０３３２２２号公報
【特許文献２】特開２００５−０５７５４１号公報
【特許文献３】特開２００６−０６７１８３号公報
【特許文献４】特開２００１−０７４５５５号公報
【特許文献５】特開２００５−３１００７号公報
【特許文献６】特開２００７−１７７６２号公報
【特許文献７】特開２００７−２２６０４７号公報
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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