(57)【要約】【課題】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【解決手段】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。【選択図】        図１
2006067183.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被写体光の照射を受けて画像信号を生成する撮像素子と該撮像素子前面に配備されたカラーフィルタとが組み込まれた撮像素子ユニットにおいて、
前記カラーフィルタが、
電場の状態に応じて液晶分子の配向状態を変え、該配向状態に応じて、所定の可視光域の光を透過するオフ状態と、該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該可視光域のうちの該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、該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たことを特徴とする撮像素子ユニット。
【請求項２】
前記複数の液晶層が、赤、緑、青の各波長域を前記所定波長域とする３層の液晶層からなることを特徴とする請求項１記載の撮像素子ユニット。
【請求項３】
前記液晶層は、前記電極への相互に異なる周波数の交番電圧の印加に応じて液晶分子の配向状態を変えるものであることを特徴とする請求項１記載の撮像素子ユニット。
【請求項４】
前記液晶層は、ネマチック液晶中に二色性を示す二色性色素を溶解してなり、前記電極に印加される電圧に応じて前記所定波長域の光を選択吸収する液晶層であることを特徴とする請求項３記載の撮像素子ユニット。
【請求項５】
前記液晶層は、ネマチック液晶とポリマーが複合された系であって前記所定波長域の光を選択反射する周期的な屈折率分布が形成された液晶層であることを特徴とする請求項３記載の撮像素子ユニット。
【請求項６】
被写体光を受光して画像信号を生成する画像撮影装置において、
被写体光中の、赤の波長域の光、緑の波長域の光、および青の波長域の光を時分割的に透過するカラーフィルタと、
前記カラーフィルタにより時分割的に透過した、赤、緑、および青の各波長域の光を受光して画像信号を生成する撮像素子とを備え、
前記カラーフィルタが、
電場の状態に応じて液晶分子の配向状態を変え、該配向状態に応じて、赤の波長域と、緑の波長域と、青の波長域との３つの波長域の光を透過するオフ状態と、該３つの波長域のうちの１つの波長域の光を吸収あるいは反射して該３つの波長域のうちの該１つの波長域を除く残りの２つ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、赤の波長域、緑の波長域、および青の波長域をそれぞれ前記１つの波長域とする３層の液晶層と、
前記３層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、
この画像撮影装置がさらに、前記電極に、前記カラーフィルタにより赤、緑、青の波長域の光が時分割的に透過されるように電圧を印加するフィルタ制御部を備えたことを特徴とする画像撮影装置。
【請求項７】
被写体光を受光して画像信号を生成する画像撮影装置において、
被写体光を、緑の波長域の光と、赤および青の波長域の光とに分離する分離光学素子と、
前記分離光学素子で分離された緑の波長域の光を受光して第１の画像信号を生成する第１の撮像素子と、
前記分離光学素子で分離された赤および青の波長域の光のうち時分割的に赤の波長域の光と青の波長域の光を透過するカラーフィルタと、
前記カラーフィルタにより時分割的に透過された赤の波長域の光と青の波長域の光を受光してそれぞれ第２の画像信号と第３の画像信号を生成する第２の撮像素子とを備え、
前記カラーフィルタが、
電場の状態に応じて液晶分子の配向状態を変え、該配向状態に応じて、赤の波長域と青の波長域との２つの波長域の光を透過するオフ状態と、該２つの波長域のうちの一方の波長域の光を吸収あるいは反射して該一方の波長域を除く他方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、赤の波長域および青の波長域をそれぞれ前記一方の波長域とする２層の液晶層と、
前記２層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、
この画像撮影装置がさらに、前記電極に、前記カラーフィルタにより赤の波長域の光と青の波長域の光が時分割的に透過されるように電圧を印加するフィルタ制御部を備えたことを特徴とする画像撮影装置。
【請求項８】
前記液晶層は、前記電極への相互に異なる周波数の交番電圧の印加に応じて液晶分子の配向状態を変えるものであることを特徴とする請求項６又は７記載の画像撮影装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、画像信号を生成する撮像素子とカラーフィルタとが組み込まれた撮像素子ユニット、および被写体光を受光して画像信号を生成する画像撮影装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、デジタルカメラを中心とする画像撮影装置や、このような画像撮影装置を構成する様々な素子に関する技術が急速に発展してきている。こうした画像撮影装置の多くは、ＣＣＤをはじめとする撮像素子を備えており、その撮像素子の性能が撮影した画像の画質を左右する一つの要素となる。こうした撮像素子では、被写体光が入力される撮像素子の入力面上に、特定の波長域の光を透過させるカラーフィルタを有する受光素子を、色光の種類に応じた所定のパターンで２次元的に配置することにより、被写体の色に関する画像情報を取り込んでいる。すなわち、この方式は、一つの受光素子が、特定の波長域の光、例えば、赤、緑、青のうち赤だけを透過させて受光し、このような受光素子を、赤、緑、青に応じて３種類備えて所定のパターンで２次元的に配置する方式である。この方式を用いると、特定の波長域の光を受光する受光素子の数が全受光素子の一部に限定される。このことから撮像素子の分解能を向上させる一つの方策として、透過させる色光の種類を切り替えるカラーフィルタを用いることによって、特定の波長域の光を受光する受光素子の数が全受光素子となる工夫をすることが考えられる。
【０００３】
ここで、撮像素子の分野とは異なる分野であるが、液晶表示素子の分野においては、電場印加により液晶層中の液晶分子の配列状態を変化させ、それに伴い液晶層中を透過する光の波長域を変化させる方法が知られている。そのような機能を有する液晶表示素子において、液晶層を薄くすることにより小型化する工夫のなされた液晶表示素子が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００２−３１８１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１記載の液晶表示素子は、ディスプレイなどの液晶画像表示装置に対して提案されたものであるが、撮像素子や画像撮影装置のようなより精密で高速な処理が要求される素子には、制御が容易であることや応答が高速であることが要求される。
【０００５】
本発明は、上記事情に鑑み、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目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するための本発明の撮像素子ユニットは、被写体光の照射を受けて画像信号を生成する撮像素子と該撮像素子前面に配備されたカラーフィルタとが組み込まれた撮像素子ユニットにおいて、
前記カラーフィルタが、
電場の状態に応じて液晶分子の配向状態を変え、該配向状態に応じて、所定の可視光域の光を透過するオフ状態と、該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該可視光域のうちの該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、該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たことを特徴とする。
【０００７】
本発明の撮像素子ユニットは、電圧を印加するだけで透過する光の波長領域を制御できるカラーフィルタを備えているため、透過光の波長域の制御がきわめて容易である。さらに、透過させる光の波長域が相互に異なる複数の液晶層を備えることにより透過させる光の波長域を複数の波長域に変化させる制御ができる。
【０００８】
また、本発明の撮像素子ユニットは、上記複数の液晶層が、赤、緑、青の各波長域を上記所定波長域とする３層の液晶層からなるものであってもよい。
【０００９】
赤、緑、青の各波長域を上記所定波長域とする３層の液晶層を備えると、３種類の液晶層のうちいずれか１つをオフ状態にし、残りの２つをオン状態にすることによって、このオフ状態にある液晶層がオン状態では吸収あるいは反射する波長域の光だけが３層の液晶層を透過することができる。このため、透過する光を、赤、緑、青の各波長域の光のいずれにも電圧を印加するだけで容易に切り替えることができるカラーフィルタを有する撮像素子ユニットが実現できる。また、１つの受光素子によって赤、緑、青のどの波長域の光も受光されるため、１つの受光素子によって赤、緑、青のうち特定の波長域の光だけが受光される従来の撮像素子と比べ、赤、緑、青の各波長域の光を受光する受光素子の数が多くなり、分解能が高い撮像素子ユニットが実現できる。さらに、これら３種類の液晶層すべてがオン状態の場合と、これら３種類の液晶層すべてがオフ状態の場合とを切り替えることにより、被写体光を全く透過しない状態と、被写体光をそのまま透過する状態とを切り替えることができ、本発明のカラーフィルタを用いてシャッタを構成することができる。
【００１０】
また、本発明の撮像素子ユニットは、上記電極への相互に異なる周波数の交番電圧の印加に応じて液晶分子の配向状態を変えるものであるものであってもよい。
【００１１】
液晶の中には、交番電圧を印加される際に、その液晶分子の配向状態が交番電圧の周波数によって変化する性質を持つものがある。このような液晶を用いて液晶層を形成し、相互に異なる２種類の周波数の交番電圧を切り替えて印加することにより液晶層のオン状態とオフ状態とを、容易に、しかも素早く切り替えることができる。このため、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が実現できる。
【００１２】
また、本発明の撮像素子ユニットは、上記液晶層は、ネマチック液晶中に二色性を示す二色性色素を溶解してなり、上記電極に印加される電圧に応じて上記所定波長域の光を選択吸収する液晶層であってもよい。
【００１３】
ネマチック液晶のなかでも二周波駆動用液晶と呼ばれるものは、交番電圧を印加した場合には交番電圧の周波数によって配向状態を変える性質が顕著であり、このような液晶中に特定の波長域の光を吸収する性質のある二色性色素を溶解し、特定の波長域の光を吸収する性質が発現される二色性色素の配向状態と、ネマチック液晶の液晶分子の配向状態とを同期することによって特定の波長域の光を選択吸収することが容易な液晶層が構成できる。このため、制御が容易で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が実現できる。
【００１４】
また、本発明の撮像素子ユニットは、上記液晶層は、ネマチック液晶とポリマーが複合された系であって上記所定波長域の光を除く波長域の光を選択反射する周期的な屈折率分布が形成された液晶層であってもよい。
【００１５】
このような周期的な屈折率分布が形成された液晶層を構成すことにより、特定の波長域の光を選択的に反射して除外し、残りの波長域の光を透過する制御が容易に行うことができる。このため、制御が容易で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が実現できる。
【００１６】
また、上記目的を達成するための本発明の画像撮影装置は、被写体光を受光して画像信号を生成する画像撮影装置において、
被写体光中の、赤の波長域の光、緑の波長域の光、および青の波長域の光を時分割的に透過するカラーフィルタと、
上記カラーフィルタにより時分割的に透過した、赤、緑、および青の各波長域の光を受光して画像信号を生成する撮像素子とを備え、
上記カラーフィルタが、
電場の状態に応じて液晶分子の配向状態を変え、該配向状態に応じて、赤の波長域と、緑の波長域と、青の波長域との３つの波長域の光を透過するオフ状態と、該３つの波長域のうちの１つの波長域の光を吸収あるいは反射して該３つの波長域のうちの該１つの波長域を除く残りの２つ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、赤の波長域、緑の波長域、および青の波長域をそれぞれ上記１つの波長域とする３層の液晶層と、
上記３層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、
この画像撮影装置がさらに、上記電極に、上記カラーフィルタにより赤、緑、青の波長域の光が時分割的に透過されるように電圧を印加するフィルタ制御部を備えたことを特徴とする。
【００１７】
本発明の画像撮影装置は、電圧を印加するだけで透過する光の波長領域を制御できる３種類の液晶層を有するカラーフィルタと、このカラーフィルタにより赤、緑、青の波長域の光が時分割的に透過されるように電圧を印加するフィルタ制御部を備えているため、透過する光を、赤、緑、青の各波長域の光のいずれにも簡単に切り替えて被写体の色彩情報を取り込むことができる。このため、１つの受光素子によって赤、緑、青のどの波長域の光も受光されることになり、従来の撮像素子と比べて、赤、緑、青の各波長域の光を受光する受光素子の数が多くなるため、分解能が高く撮影した画像の画質が良い画像撮影装置が実現できる。
【００１８】
また、上記目的を達成するための本発明の画像撮影装置は、被写体光を受光して画像信号を生成する画像撮影装置において、
被写体光を、緑の波長域の光と、赤および青の波長域の光とに分離する分離光学素子と、
上記分離光学素子で分離された緑の波長域の光を受光して第１の画像信号を生成する第１の撮像素子と、
上記分離光学素子で分離された赤および青の波長域の光のうち時分割的に赤の波長域の光と青の波長域の光を透過するカラーフィルタと、
上記カラーフィルタにより時分割的に透過された赤の波長域の光と青の波長域の光を受光してそれぞれ第２の画像信号と第３の画像信号を生成する第２の撮像素子とを備え、
上記カラーフィルタが、
電場の状態に応じて液晶分子の配向状態を変え、該配向状態に応じて、赤の波長域と青の波長域との２つの波長域の光を透過するオフ状態と、該２つの波長域のうちの一方の波長域の光を吸収あるいは反射して該一方の波長域を除く他方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、赤の波長域および青の波長域をそれぞれ上記一方の波長域とする２層の液晶層と、
上記２層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、
この画像撮影装置がさらに、上記電極に、上記カラーフィルタにより赤の波長域の光と青の波長域の光が時分割的に透過されるように電圧を印加するフィルタ制御部を備えたことを特徴とする。
【００１９】
本発明の画像撮影装置は、分離光学素子を用いて緑の波長域の光だけを、赤の波長域の光と青の波長域の光から分離して取り込むため、残りの赤の波長域の光と青の波長域の光とを分離して取り込むために用いる液晶層の数が、赤の波長域の光および青の波長域の光を、それぞれ吸収あるいは反射する２層の液晶層で足りる。このため、緑の波長域の光、赤の波長域の光および青の波長域の光を、それぞれ吸収あるいは反射する３層の液晶層を備える場合と比べて、透過させる光の波長域の切り替えが容易であり、かつ各色の波長域の光を受光する時間を長くすることができるため画像撮影装置の分解能を向上させることができる。また、人間の目は赤や青よりも緑に対する感度が高いため、緑の波長域の光だけを分離して受光することにより、透過させる光の波長域の切り替えに伴い緑に対する分解能が低下することを防ぐことができる。
【００２０】
また、３層の液晶層を備えた本発明の画像撮影装置、および２層の液晶層と分離光学素子とを備えた本発明の画像撮影装置は、上記液晶層は、上記電極への相互に異なる周波数の交番電圧の印加に応じて液晶分子の配向状態を変えるものであってもよい。
【００２１】
印加される交番電圧の周波数によって液晶分子の配向状態が変化する性質を持つ液晶を用いて液晶層を形成し、相互に異なる２種類の周波数の交番電圧を切り替えて印加することにより液晶層のオン状態とオフ状態とを、容易に、しかも素早く切り替えることができる。このため、応答が高速なカラーフィルタを備えた画像撮影装置が実現できる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の撮像素子ユニットおよび画像撮影装置によれば、カラーフィルタによって透過する光の波長域を切り替える制御を容易で、かつその応答を高速することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
［第一実施形態］
以下において、本発明の撮像素子ユニットの一実施形態を第一実施形態として説明する。
【００２４】
図１は、本実施形態の撮像素子ユニットの概略断面図である。
【００２５】
本実施形態の撮像素子ユニット１では、点線で示す被写体光が、カラーフィルタ１０を経由してカラーフィルタ１０の背後に備えられている固体撮像素子の一種であるＣＣＤ２０上に集光され電気信号に変換される。この撮像素子２０は、被写体光を各フォトダイオードに対応した各画素ごとに集光するためのマイクロレンズ層２１と、集光した光を電気信号に変換するフォトダイオードアレイからなるフォトダイオード層２２を備えており、これらマイクロレンズ層およびフォトダイオード層は支持体層２３で支えられている。
【００２６】
次にカラーフィルタ１０の構造について説明する。
【００２７】
図２は、本実施形態のカラーフィルタの構造を表す模式図である。
【００２８】
本実施形態のカラーフィルタ１０は、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）それぞれの波長域の光のみ、それぞれ吸収する液晶層１２、液晶層１３、液晶層１４と、これらの液晶層に交流電場をかけるための電極１１とを備えている。以下では、赤の波長域の光のみ吸収する液晶層１２を例にとって、液晶層の具体的な組成と光を吸収する機構について説明する。
【００２９】
液晶層１２は、交流電場の周波数に応じて液晶分子の配列が変化する性質をもつネマチック液晶と、赤の波長域の光のみ吸収し緑および青の波長域の光を透過させるため緑および青の二色が混色したＣ（シアン）の色を示す二色性色素を組成成分としている。さらに液晶層１２には、後述するように液晶分子の配列がらせん状になるようにするため、カイラル剤が加えられている。本実施形態では、ネマチック液晶は、チッソ社製の二周波駆動用ネマチック液晶ＤＦ０２ｘｘであり、二色性色素は、日本感光色素社製のシアン色素である。また、カイラル剤として、メルク社製のＲ−８１１を用いる。ネマチック液晶の液晶分子は、ほぼ楕円体の形状をしており、低周波の交流電場をかけると楕円体の長軸が電場の向きと平行になり、高周波の交流電場をかけると楕円体の長軸が電場の向きと直交する性質を持つ。カイラル剤を加えることにより、楕円体の長軸が電場の向きと直交するときの配位は、電場の方向をらせん軸としたらせん状の配位となる。赤の波長域の光に対応した二色性色素は、ネマチック液晶中に溶解しているため、交流電場の周波数の変化に対してネマチック液晶分子と同様に配列が変化する。この二色性色素もほぼ楕円体の形状をしており、楕円体の長軸と光の入射方向が直交している時は赤の波長域の光を吸収するが、楕円体の長軸と光の入射方向が平行の時は赤の波長域の光を吸収しない性質を持つ。そのため、楕円体の長軸と光の方向が平行の時は、赤、緑、青の３色全ての波長域の光が透過し、外部からは液晶層１２は透明に見える。また、楕円体の長軸と光の入射方向が直交している時、二色性色素がらせん状の配位をとることで、長軸方向が、電場方向と垂直な２次元面内の様々な方向を向き、このため赤の波長域の光がどの方向から入射しても吸収しやすくなる。以下では、交流電場の周波数の変化に伴うこのような配列の変化について図３および図４を参照しながら具体的に説明する。
【００３０】
図３は、高周波の交流電場をかけたときの二色性色素と液晶分子の配列を表す概略図である。
【００３１】
図３には、例として７層の液晶分子層が示されており、電場はこれらの液晶分子層に垂直な方向に印加される。図３に示されているように、二色性色素１６と液晶分子１５とが、それぞれの液晶分子層内ではどれも同じ方向に配列しているが、この配列は７枚の液晶分子層全体ではらせん状になっている。光は、図３において赤、緑、青のそれぞれの波長域の光に分けて示されているように、電場と平行に、すなわち７層の液晶分子層に対して垂直に入射する。図３の状態では、二色性色素１６によって赤の波長域の光のみ吸収され、緑および青の波長域の光が図３に示すように透過するため、緑と赤の波長域の光が混色し、Ｃ（シアン）の色光となる。以下では液晶層のこのような状態をオン状態と呼ぶ。
【００３２】
図４は、低周波の交流電場をかけたときの二色性色素と液晶分子の配列を表す概略図である。
【００３３】
低周波の交流電場をかけたとき、電場の方向に対して液晶分子１５の長軸が電場の向きと平行になるため、二色性色素１６も長軸が電場の向きと平行になるように配列する。光は、電場の向きと平行に入射するが、光の入射方向と二色性色素１６の長軸とが平行であるため、入射光はそのまま液晶層１２を透過する。以下では液晶層のこのような状態をオフ状態と呼ぶ。
【００３４】
以上、赤の波長域の光の波長域の光のみ吸収する液晶層１２を例として説明したが、このように印加する電場の周波数に応じて吸収する光を制御する機構は他の液晶層１３および液晶層１４でも同様である。液晶層１３は、緑の波長域の光の波長域の光のみ吸収し赤および青の波長域の光を通過させる液晶層であり、これら二色の混色したＭ（マゼンタ）の色を示す二色性色素である日本感光色素社製のマゼンタ色素を組成成分としている。液晶層１４は、青の波長域の光のみ吸収し赤および緑の波長域の光を通過させる液晶層であり、これら二色の混色したＹ（イエロー）の色を示す二色性色素である日本感光色素社製のイエロー色素を組成成分としている。以上説明した構成を用いたときのオン状態とオフ状態の切り替えにかかる時間は、３種類の液晶層のいずれも８〜１０ｍｓである。
【００３５】
以下では、図５〜図７を参照しながら、液晶層１２、液晶層１３および液晶層１４のそれぞれに印加する電場の周波数を変化させることにより、カラーフィルタ１０が透過する光をそれぞれ赤、緑および青の波長域の光に切り替える機能を説明する。
【００３６】
図５は、３種類の液晶層のうち、青の波長域の光のみ吸収する液晶層だけがオフ状態にある状態を表す模式図である。
【００３７】
図５においては、撮像素子ユニット１の構成要素のうち、上述の３種類の液晶層と透過する光を集光して電気信号に変換する図１に示すＣＣＤ２０だけが模式的に示されている。図５において点線で示す被写体光のうち赤の波長域の光は、赤の波長域の光のみ吸収する液晶層１２によって吸収され、さらに被写体光のうち緑の波長域の光が、緑の波長域の光のみ吸収する液晶層１３によって吸収される。従って、被写体光のうち青の波長域の光だけが液晶層１２および液晶層１３を透過し、図５の状態では、青の波長域の光のみ吸収する液晶層１４だけがオフ状態にあるため、液晶層１２および液晶層１３を透過した青の波長域の光は、液晶層１４も透過してＣＣＤ２０上集光され電気信号に変換される。
【００３８】
次に青の波長域の光のみ吸収する液晶層１４をオン状態にし、緑の波長域の光のみ吸収する液晶層１３だけをオフ状態にする。
【００３９】
図６は、３種類の液晶層のうち、緑の波長域の光のみ吸収する液晶層だけがオフ状態にある状態を表す模式図である。
【００４０】
図６において点線で示す被写体光のうち緑の波長域の光だけが、図５において説明した機構と同様な機構により上述の３種類の液晶層を透過してＣＣＤ２０上集光され電気信号に変換される。
【００４１】
続いて緑の波長域の光のみ吸収する液晶層１３をオン状態にし、赤の波長域の光のみ吸収する液晶層１３だけをオフ状態にする。
【００４２】
図７は、３種類の液晶層のうち、赤の波長域の光のみ吸収する液晶層だけがオフ状態にある状態を表す模式図である。
【００４３】
図７において点線で示す被写体光のうち赤の波長域の光だけが、図５において説明した機構と同様な機構で、上述の３種類の液晶層を透過してＣＣＤ２０上集光され電気信号に変換される。
【００４４】
以上説明した図５〜図７の３種類の状態を高速に切り替えることにより被写体光の赤、緑、青それぞれの波長域の光の情報がＣＣＤ２０に取り込まれる。
［第二実施形態］
以下では、３層の液晶層を用いて透過させる光の波長域を制御する本発明の画像撮影装置の実施形態を第二実施形態として説明する。この第二実施形態は、カラーフィルタ１０を用いて構成したデジタルカメラである。
【００４５】
図８は、本発明の画像撮影装置の一実施形態であるデジタルカメラを前面斜め上から見た外観斜視図である。
【００４６】
このデジタルカメラ１００Ａの前面中央部には、撮影レンズ１０１が備えられている。また、このデジタルカメラ１００Ａの前面上部には、光学式ファインダ対物窓１０２および補助光発光部１０３が備えられている。さらに、このデジタルカメラ１００Ａの上面には、スライド式の電源スイッチ１０４およびレリーズスイッチ１５０が備えられている。
【００４７】
図９は、図８に外観を示したデジタルカメラの概略構成図である。
【００４８】
図９に示すように本実施形態のデジタルカメラ１００Ａの内訳は大きく分けて撮影光学系１１０Ａと信号処理部１２０Ａとに分かれる。そのほかに撮影した画像を表示させるために画像表示部１３０およびその撮影した画像信号を記録しておくための外部記録媒体１４０が備えられている。また撮影のための処理をデジタルカメラ１００Ａに行なわせる、ズームスイッチ１７０、撮影モードスイッチ１６０、およびレリーズスイッチ１５０も設けられている。
【００４９】
まず撮影光学系１１０Ａの構成を、図９を参照して説明する。本実施形態のデジタルカメラ１００Ａでは、図９の左方から被写体光が入射し、ズームレンズ１１５およびフォーカスレンズ１１４を経て、シャッタ１１２が開いている場合は、ここでは模式的に示されている前述のカラーフィルタ１０によって被写体光中の緑、青および赤の波長域の光が時分割的に透過され、ＣＣＤ２０に結像する。本来撮影光学系には複数のレンズが配備され、それらの複数のレンズの中の少なくとも１つがピント調節に大きく関与し、それらの複数のレンズの相対位置が焦点距離に関与するが、この図９では、焦点距離の変化に係わるレンズをズームレンズ１１５として模式的に示しており、同じくピントの調節に係わるレンズをフォーカスレンズ１１４として模式的に示している。このズームレンズ１１５、フォーカスレンズ１１４はそれぞれ後述する信号処理部１２０Ａからの信号に基づいて移動することが自在な構成になっていて、ズームレンズ１１５、フォーカスレンズ１１４とも信号処理部１２０Ａからの信号に基づいて各位置に配置されるようになっている。このズームレンズ１１５、フォーカスレンズ１１４、およびシャッタ１１２は、ズームモータ１１５ａ、フォーカスモータ１１４ａ、およびシャッタモータ１１２ａによりそれぞれ駆動され移動する。これらズームモータ１１５ａ、フォーカスモータ１１４ａ、およびシャッタモータ１１２ａを作動させる指示は信号処理部１２０Ａ中のデジタル信号処理部１２０ｂからモータドライバ１２０ｃを通じて伝達される。
【００５０】
フォーカスレンズ１１４は、本実施形態のデジタルカメラ１００Ａが有するＴＴＬＡＦ（Ｔｈｒｏｕｇｈ  Ｔｈｅ  Ｌｅｎｓ  Ａｕｔｏ  Ｆｏｃｕｓ）機能が作動したときに光軸方向に前後に移動するものであり、このＴＴＬＡＦ機能によりピント調節が行なわれる。このＴＴＬＡＦ機能とはフォーカスレンズ１１４を、被写体距離の最遠点に対応する位置から被写体距離の至近点に対応する位置まで移動させることにより変化する被写界のコントラストを、後述する信号処理部１２０ＡのＡＦ／ＡＥ演算部１２６で検出して、そのコントラストのピークが得られる位置をピント位置としてそのフォーカスレンズ１１４をそのピント位置に調節するものである。ズームレンズ１１５は、光軸方向に移動して撮影倍率を決定する。
【００５１】
カラーフィルタ１０は、図５〜図７において説明した機構により、透過させる光を、それぞれ赤、緑および青の波長域の光に切り替えて被写体の色彩に関する情報をＣＣＤ２０に伝える。この際、フィルタコントローラ１１３ａは、カラーフィルタ１０が備えている図２に示す３種類の液晶層にそれぞれ独立に交流電圧を印加しその周波数を切り替えることによりカラーフィルタ１０の制御を行う。このカラーフィルタ１０の構成は、図２において説明したカラーフィルタ１０の構成と同じであり重複説明は省略する。
【００５２】
以上が撮影光学系１１０Ａの構成である。
【００５３】
続いて信号処理部１２０Ａの構成を説明する。撮影光学系でＣＣＤ２０に結像させた被写体像が画像信号としてアナログ処理（Ａ／Ｄ）部１２０ａに読み出され、このアナログ処理部（Ａ／Ｄ）１２０ａでアナログ信号がデジタル信号に変換されデジタル信号処理部１２０ｂへと供給される。デジタル信号処理部１２０ｂにはシステムコントローラ１２１が配備されており、そのシステムコントローラ１２１内の動作の手順を示したプログラムにしたがってデジタル信号処理部１２０ｂ内の信号処理が行なわれる。このシステムコントローラ１２１と、画像信号処理部１２２、画像表示制御部１２３、画像圧縮部１２４、メディアコントローラ１２５、ＡＦ／ＡＥ演算部１２６、キーコントローラ１２７、バッファメモリ１２８、内部メモリ１２９との間のデータの受け渡しはバス１２００を介して行なわれ、そのバス１２００を介してデータの受け渡しが行なわれるときのバッファとして内部メモリ１２９が働いている。この内部メモリ１２９に各部の処理プロセスの進行状況に応じて変数となるデータが随時書き込まれて、システムコントローラ１２１、および画像信号処理部１２２、画像表示制御部１２３、画像圧縮部１２４、メディアコントローラ１２５、ＡＦ／ＡＥ演算部１２６、キーコントローラ１２７の各部では、そのデータを参照することにより適切な処理が行なわれる。つまり、システムコントローラ１２１からの指示がバス１２００を介して上記の各部に伝えられ、各部の処理プロセスが立ち上げられる。そして、その内部メモリ１２９のデータがプロセスの進行状況に応じて書き換えられ、さらにシステムコントローラ１２１側で参照されて上記の各部の動作が管理される。言い換えれば、電源が投入され、システムコントローラ１２１内のプログラムの手順にしたがって各部のプロセスが立ち上げられる。たとえば、レリーズスイッチ１５０、ズームスイッチ、撮影モードスイッチのスイッチが操作されると、その操作されたという情報がキーコントローラ１２７を経由してシステムコントローラ１２１に伝えられ、その操作に応じた処理がシステムコントローラ１２１内のプログラムの手順にしたがって行われる。
【００５４】
レリーズ操作が行われると、固体撮像素子から読み出された画像データは、アナログ処理（Ａ／Ｄ）部１２０ａでアナログ信号からデジタル信号に変換され、このデジタル化された画像データがデジタル信号処理部１２０ｂ内のバッファメモリ１２８にいったん蓄えられる。このデジタル化された画像データのＲＧＢ信号が画像信号処理部１２２でＹＣ信号に変換され、さらに画像圧縮部１２４でＪＰＥＧ圧縮と呼ばれる圧縮が行なわれて画像信号が画像ファイルとなってメディアコントローラ１２５を介して外部記録媒体１４０に記録される。この画像ファイルとして記録された画像データは、画像表示制御部１２３を通じて画像表示部１３０において再生される。この処理の際、ＲＧＢ信号に基づいてピント調節および露出調節の演算を行なっているのがＡＦ／ＡＥ演算部である。このＡＦ／ＡＥ演算部１２６ではピント調節のためにＲＧＢ信号から被写体距離ごとにコントラストを検出することが行なわれる。この検出結果に基づいて、フォーカスレンズ１１４を駆動する駆動機構によってフォーカスレンズ１１４がピント位置に配置される。またＡＦ／ＡＥ演算部ではＲＧＢ信号から輝度信号が抽出され、そこから被写界輝度が検出される。
［第三実施形態］
以下では、緑の波長域の光を分離した後、２層の液晶層を用いて透過する光を赤および青の波長域の光に切り替える制御を行う本発明の画像撮影装置の実施形態を第三実施形態として説明する。この第三実施形態は、被写体光を、緑の波長域の光と、青および赤の波長域の光とに分離する色分解光学系と、前述の液晶層１２および液晶層１４と電極１１を有するカラーフィルタとを用いて構成したデジタルカメラである。このデジタルカメラ１００Ｂの外観は、図８で示されているデジタルカメラ１００Ａの外観と同じである。
【００５５】
図１０は、色分解光学系と、２層の液晶層を有するカラーフィルタとを備えたデジタルカメラの構成を表す概略図である。
【００５６】
図１０のデジタルカメラ１００Ｂにおいて、図９のデジタルカメラ１００Ａの、図面上の構成要素と同一の構成要素には同一の符号を付して示し、同一の構成要素についての重複説明は省略する。デジタルカメラ１００Ｂの内訳は大きく分けて撮影光学系１１０Ｂと信号処理部１２０Ｂとに分かれる。
【００５７】
本実施形態のデジタルカメラ１００Ｂでは、図１０の左方から被写体光が入射し、ズームレンズ１１５およびフォーカスレンズ１１４を経て、シャッタ１１２が開いている場合は、後述する色分解光学系３０によって緑の波長域の光と、青および赤の波長域の光とに分離される。緑の波長域の光はそのまま直進しＣＣＤ２０に結像する。一方、青および赤の波長域の光は、ここでは模式的に示されている後述のカラーフィルタ１０’によって各波長域の光が時分割的に透過され、ＣＣＤ２０に結像する。この際、フィルタコントローラ１１３ａ’は、カラーフィルタ１０’によって赤の波長域の光のみ透過される状態と青の波長域の光のみが透過される状態とを高速に切り替えることによりカラーフィルタ１０’の制御を行う。このようなフィルタコントローラ１１３ａ’を作動させる指示は信号処理部１２０Ｂ中のデジタル信号処理部１２０ｂ’ 内に備えられているＡＦ／ＡＥ演算部１２６’から伝達される。システムコントローラ１２１’は、こうした処理を行うための動作の手順を示したプログラムを備えている。図１０に関し、以上の説明の点を除く点は全て図９と同一であり、重複説明は省略する。
【００５８】
以下では、色分解光学系３０によって緑の波長域の光と、青および赤の波長域の光とに分離した後、青および赤の波長域の光が、カラーフィルタ１０’によって青の波長域の光と赤の波長域の光とに切り替えられて透過される機構について説明する。
【００５９】
図１１は、図１０に示した、色分解光学系とカラーフィルタを表す模式図である。
この色分解光学系３０は、断面が三角形状のプリズム３２と台形状のプリズム３１とを備えており、この２つのプリズムの境界上には、被写体光中の緑の波長域の光は透過するが、青および赤の波長域の光は反射する膜３３が設けられている。このため、図１１の左方から、矢印で示す被写体光が入射すると、膜３３によって緑の波長域の光は膜３３およびプリズム３１を透過してＣＣＤ２０に結像し、一方青および赤の波長域の光は膜３３によって反射された後プリズム３２内でさらにもう１度反射してプリズム３２を抜ける。このように２度反射されることによって１８０°の位相のずれが２回起こり、青および赤の波長域の光が結像したときに裏絵となることが防がれる。一方、プリズム３２を抜けた青および赤の波長域の光は、図２に示す２つの液晶層、すなわち赤の波長域の光のみ吸収する液晶層１２と、青の波長域の光のみ吸収する前述の液晶層１４によって時分割的に透過される。第一実施形態において説明したように、これら２つの液晶層は電極１１を通じて独立に電圧を印加されることにより、それぞれ赤と青の波長域の光のみ吸収するオン状態と、全ての可視光域の光を透過するオフ状態とが切り替わる。このような液晶層による２層構成をとることにより、液晶層１２がオン状態であり液晶層１４がオフ状態の場合は青の波長域の光のみ透過し、液晶層１２がオフ状態であり液晶層１４がオン状態の場合は赤の波長域の光のみ透過するカラーフィルタが実現される。フィルタコントローラ１１３ａ’によって印加する交流電圧の周波数を素早く切り替えることにより、これら青の波長域の光のみ透過する状態と赤の波長域の光のみ透過する状態とが高速に切り替わる。このため、カラーフィルタ１０’を透過した赤および青の波長域の光がそれぞれ独立にＣＣＤ２０に結像し、被写体の赤および青の色彩に関する情報をＣＣＤに伝える。
【００６０】
以上が、本発明の撮像素子ユニットおよび画像撮影装置の各実施形態の説明である。
【００６１】
第一実施形態〜第三実施形態において採用したカラーフィルタ１０では、赤、緑および青の各波長域の光のみをそれぞれ選択的に吸収する液晶層１２、液晶層１３および液晶層１４を用いたが、本発明の撮像素子ユニットおよび画像撮影装置で用いられるカラーフィルタ１０は、緑、赤および青の各波長域の光のみをそれぞれ選択的に反射する液晶層を用いてもよい。以下ではそのような液晶層について、赤の波長域の光のみを選択的に反射する液晶層を例にとって説明する。
【００６２】
図１２は、赤の波長域の光のみを選択的に反射する液晶層を表す図である。
【００６３】
この液晶層４０は、斜線で示されている液晶４２が、間にポリマー４３をおいて周期的に並んでいる構造を有している。この液晶４２は前述のネマチック液晶を組成成分としており、このような周期的な構造を持つ液晶層４０は、ネマチック液晶にモノマーを添加した系をアルゴンレーザによる二光束干渉法を用いて光重合させることにより形成される。モノマーとしては、２−エチルヘキシルアクリレートとウレタンアクリレートオリゴマーの混合物を用いることができる。
【００６４】
この液晶層４０は上下から透明な電極４１によって挟まれており、液晶層４０に対して電場をかけることができる構成である。図３および図４において説明したようにネマチック液晶は、印加される電圧の周波数に応じて配列状態が変化する。すなわち低周波では、液晶分子の長軸が電場と平行であるが、高周波では電場の方向とは垂直である。液晶層４０は、低周波の交流電場の下でネマチック液晶の液晶分子の長軸が電場方向にそろっているときには液晶４２の電場方向の屈折率は、ポリマー４３の屈折率と同じ大きさになるよう調整されている。このため、電場と平行な方向から光が入射してくると、液晶層内には、電場方向には屈折率の分布がないため、可視光のどの波長域の光も透過する。以下では液晶層のこのような状態をオフ状態と呼ぶ。一方、高周波の交流電場の下では、全体として液晶分子の長軸方向が、電場と垂直な２次元面内では定まらずランダムであるため、液晶４２の電場方向の屈折率とポリマー４３の屈折率との間に差が生じる。液晶層４０では、液晶４２の並びの周期、すなわち屈折率の分布の変化の大きさが赤の波長程度になるよう調整されており、光が図１２で点線で示すように電場と平行な方向から入射してくると、赤の波長の光がとりわけ選択的に反射される。以下では液晶層のこのような状態をオン状態と呼ぶ。
【００６５】
以上が赤の波長域の光のみを選択的に反射する液晶層４０の説明である。同様に、緑および青の波長域の光に対しても、液晶４２の並びの周期、すなわち屈折率の分布の変化の大きさをそれぞれ緑および青の波長程度の大きさにとることによって緑および青の波長域の光のみをそれぞれ選択的に反射する液晶層が形成できる。以上説明した構成を用いたときのオン状態とオフ状態の切り替えにかかる時間は、３種類の液晶層のいずれも約６ｍｓである。
【００６６】
第一実施形態〜第三実施形態、および赤、緑、青の波長域の光のみをそれぞれ選択的に反射する液晶層の説明においては、液晶層に電場を印加するために、交番電圧の一つとして交流電圧を用いたが、本発明の撮像素子ユニットおよび画像撮影装置は、交流電圧のような正弦関数で記述される電圧に限定せず、周期的に変化する電圧を用いてもよい。例えば、周期的な矩形波を用いてもよい。
【００６７】
ここで、上記では、本発明の概念を実現するための基本的な実施形態について説明したが、本発明に採用するカラーフィルタを実用化するにあたっては、光路上にゴミや水滴などが付着してカラーフィルタの性能が劣化してしまう不具合を防止するための工夫を施すことが好ましい。
【００６８】
例えば、カラーフィルタの光路と交わる外面（以下では、この面を光透過面と称する）に撥水性膜を付設することが好ましい。光透過面に撥水性を付与することによって、ゴミや水滴の付着などが防止される。この撥水性膜を構成する材料としては、シリコン樹脂、オルガノポリシロキサンのブロック共重合体、フッ素系ポリマー、およびポリテトラフルオロエタンなどが好ましい。
【００６９】
また、カラーフィルタの光透過面に、酸化チタンなどといった光触媒を付設することも好ましい。光と反応した光触媒によって汚れなどが分解され、光透過面をきれいに保つことができる。
【００７０】
また、カラーフィルタの光透過面に、帯電防止膜を付設することも好ましい。カラーフィルタの光透過面に静電気が溜まったり、電極によって帯電してしまうと、光透過面にゴミや埃がくっついてしまう恐れがある。光透過面に帯電防止膜を付設することによって、このような不要物の付着を防止することができる。この帯電防止膜は、ポリマーアロイ系の材料で構成されていることが好ましく、このポリマーアロイ系が、ポリエーテル系や、ポリエーテルエステルアミド系や、カチオン性基を有するものや、レオミックス（商品名、第一工業製薬株式会社）であることが特に好ましい。また、この帯電防止膜が、ミスト法によって作製されたものであることが好ましい。
【００７１】
また、カラーフィルタの有する電極に、防汚性素材を適用しても良い。防汚性素材としてはフッ素樹脂が好ましいが、具体的には、含フッ素アルキルアルコキシシラン化合物や、含フッ素アルキル基含有ポリマー、オリゴマー等が好ましく、上記硬化性樹脂と架橋可能な官能基を有するものが特に好ましい。また、防汚性素材の添加量は、防汚性を発現する必要最低量であることが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】本実施形態の撮像素子ユニットの概略断面図である。
【図２】本実施形態のカラーフィルタの構造を表す模式図である。
【図３】高周波の交流電場をかけたときの二色性色素と液晶分子の配列を表す概略図である。
【図４】低周波の交流電場をかけたときの二色性色素と液晶分子の配列を表す概略図である。
【図５】３種類の液晶層のうち、青の波長域の光のみ吸収する液晶層だけがオフ状態にある状態を表す模式図である。
【図６】３種類の液晶層のうち、緑の波長域の光のみ吸収する液晶層だけがオフ状態にある状態を表す模式図である。
【図７】３種類の液晶層のうち、赤の波長域の光のみ吸収する液晶層だけがオフ状態にある状態を表す模式図である。
【図８】本発明の画像撮影装置の一実施形態であるデジタルカメラを前面斜め上から見た外観斜視図である。
【図９】図８に外観を示したデジタルカメラの概略構成図である。
【図１０】色分解光学系と、２層の液晶層を有するカラーフィルタとを備えたデジタルカメラの構成を表す概略図である。
【図１１】図１０に示した、色分解光学系とカラーフィルタを表す模式図である。
【図１２】赤の波長域の光のみを選択的に反射する液晶層を表す図である。
【符号の説明】
【００７３】
１  撮像素子ユニット
１０、１０ａ  カラーフィルタ
１１  電極
１２  液晶層
１３  液晶層
１４  液晶層
１５  液晶分子
１６  二色性色素
２０  ＣＣＤ
２１  マイクロレンズ層
２２  フォトダイオード層
２３  支持体層
３０  色分解光学系
３１  プリズム
３２  プリズム
３３  膜
１００Ａ、１００Ｂ  デジタルカメラ
１０１  撮影レンズ
１０２  光学式ファインダ対物窓
１０３  補助光発光部
１０４  電源スイッチ
１１０  撮影光学系
１１２  シャッタ
１１２ａ  シャッタモータ
１１３ａ、１１３ａ’  フィルタコントローラ
１１４  フォーカスレンズ
１１４ａ  フォーカスモータ
１１５  ズームレンズ
１１５ａ  ズームモータ
１２０Ａ、１２０Ｂ  信号処理部
１２０ａ  アナログ処理（Ａ／Ｄ）部
１２０ｂ、１２０ｂ’  デジタル信号処理部
１２０ｃ  モ−タドライバ
１２１、１２１’  システムコントローラ
１２２  画像信号処理部
１２３  画像表示制御部
１２４  画像圧縮部
１２５  メディアコントローラ
１２６、１２６’  ＡＦ／ＡＥ演算部
１２７  キーコントローラ
１２８  バッファメモリ
１２９  内部メモリ
１２００  バス
１３０  画像表示部
１４０  外部記録媒体
１５０  レリーズスイッチ
１６０  撮影モードスイッチ
１７０  ズームスイッチ
【図１】
2006067183.tif 000003
【図２】
2006067183.tif 000004
【図３】
2006067183.tif 000005
【図４】
2006067183.tif 000006
【図５】
2006067183.tif 000007
【図６】
2006067183.tif 000008
【図７】
2006067183.tif 000009
【図８】
2006067183.tif 000010
【図９】
2006067183.tif 000011
【図１０】
2006067183.tif 000012
【図１１】
2006067183.tif 000013
【図１２】
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