(57)【要約】  本発明の撮像装置は、複数の光感知セルが撮像面に沿って配列された光感知セルアレイ１２と、各々が偏光透過軸方向の異なるＮ個（Ｎは２以上の整数）の偏光子を含む複数の単位構造が２次元的に配列され、各光感知セルに１つの偏光子を透過した光が入射するように構成された偏光子アレイ１４と、光感知セルアレイ１２から画素信号を読み出す回路と、光感知セルアレイ１２に対する偏光子アレイ１４の位置を撮像面に平行な方向にシフトさせるシフト装置１６とを備える撮像素子１０と、シフト装置１６を駆動する駆動回路４０と、撮像素子１０上に像を形成するための撮影レンズ２０とを備える。
2012017600.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の光感知セルが撮像面に沿って配列された光感知セルアレイと、
各々が偏光透過軸方向の異なるＮ個（Ｎは２以上の整数）の偏光子を含む複数の単位構造が２次元的に配列され、各光感知セルに１つの偏光子を透過した光が入射するように構成された偏光子アレイと、
前記光感知セルアレイから画素信号を読み出す回路と、
前記光感知セルアレイに対する前記偏光子アレイの位置を前記撮像面に平行な方向にシフトさせるシフト装置と、
を備える撮像素子。
【請求項２】
撮像を行うとき、前記シフト装置は、前記単位構造のサイズを超えない距離だけ前記偏光子アレイをシフトさせる請求項１に記載の撮像素子。
【請求項３】
前記シフト装置は、前記光感知セルアレイの全体から蓄積電荷信号が読み出されるタイミングと同期して、前記偏光子アレイを画素単位でシフトさせ、各光感知セルに入射する光の偏光方向を変化させる、請求項１または２に記載の撮像素子。
【請求項４】
前記複数の光感知セルの各々に対して、
前記Ｎ個の偏光子の１つを透過する光を入射させるステップと、
前記偏光子アレイを画素単位でシフトさせた後、前記Ｎ個の偏光子の他の１つを透過する光を入射させるステップと、
を実行する、請求項１から３のいずれかに記載の撮像素子。
【請求項５】
前記アクチュエータは、第１の方向に前記偏光子アレイを画素単位でシフトさせる第１アクチュエータ部分と、前記第１の方向に垂直な第２方向に前記偏光子アレイを画素単位でシフトさせる第２アクチュエータ部分とを含んでおり、
前記撮像面に沿って前記偏光子アレイを周期的および２次元的に移動させる、請求項１から４のいずれかに記載の撮像素子。
【請求項６】
Ｎは３以上である、請求項１から５のいずれかに記載の撮像素子。
【請求項７】
前記シフト装置は、前記撮像面に沿って前記偏光子アレイを周期的および直線的に移動させる、請求項１から４のいずれかに記載の撮像素子。
【請求項８】
前記偏光子アレイにおける偏光子の配列ピッチは、前記光感知セルアレイにおける光感知セルの配列ピッチに一致している、請求項１から７のいずれかに記載の撮像素子。
【請求項９】
前記偏光子アレイにおける前記複数の単位構造の各々は、前記偏光透過軸方向が４５°ずつ異なる４つの偏光子を含んでいる、請求項１から８のいずれかに記載の撮像素子。
【請求項１０】
前記偏光子アレイにおける前記複数の単位構造の各々は、前記偏光透過軸方向が６０°ずつ異なる３つの偏光子を含んでいる、請求項１から８のいずれかに記載の撮像素子。
【請求項１１】
複数の光感知セルが撮像面に沿って配列された光感知セルアレイと、各々が偏光透過軸方向の異なるＮ個（Ｎは２以上の整数）の偏光子を含む複数の単位構造が２次元的に配列され、各光感知セルに１つの偏光子を透過した光が入射するように構成された偏光子アレイと、前記光感知セルアレイに対する前記偏光子アレイの位置を前記撮像面に平行な方向にシフトさせるシフト装置とを備える撮像素子と、
前記シフト装置を駆動する駆動回路と、
前記撮像素子上に像を形成するための撮影レンズと、
を備える撮像装置。
【請求項１２】
前記シフト装置は、前記光感知セルアレイの全体から蓄積電荷信号が読み出されるタイミングと同期して、前記偏光子アレイを画素単位でシフトさせ、各光感知セルに入射する光の偏光方向を変化させ、個々の光感知セルに入射した偏光方向が異なる光の輝度値を得る、請求項１１に記載の撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、偏光情報を取得することができる撮像素子、および当該撮像素子を備える撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
輝度画像だけでは得られない情報を取得できる偏光イメージングが注目されている。偏光イメージングを行うには、撮像素子の撮像面の前に偏光子または偏光板を配置する必要がある。特許文献１は、微細な偏光子をたとえば１００μｍ程度のピッチで配列した撮像素子を開示している。特許文献２は、偏光板を回転させる機構を備えた撮像装置を開示している。特許文献３は、偏光透過軸が直交する関係にある２枚の偏光板を交互に用いることにより、偏光画像を取得する内視鏡を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−８６７２０号公報
【特許文献２】米国特許出願公開第２００９−７９９８２号公報
【特許文献３】特開２００３−４７５８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載の従来技術によれば、偏光子が固定されており、画素ズレの問題が生じず、偏光板を回転させるための機構も不要である。しかし、個々の画素からは一定方向の偏光透過軸を透過した光しか入射しないため、偏光度や偏光位相角度などの偏光情報を獲得するには、複数の画素から信号を用いる必要があり、解像度が低下する。【０００５】
特許文献２に記載の従来技術によれば、回転偏光板による画素ズレの問題があり、解像度やＳＮ比が低下する。また、偏光板を回転させるための装置は小型化が困難である。【０００６】
特許文献３に記載の従来技術によれば、偏光板の移動距離が大きく、偏光板の位置を変えるための装置の小型化が困難である。【０００７】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その主な目的は、偏光板を回転または大きく移動させるための装置が不要であり、かつ、各画素から偏光情報を取得できる撮像素子を提供することにある。【０００８】
本発明の他の目的は、上記の撮像素子を備え、偏光情報を出力することができるカメラなどの撮像装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の撮像素子は、複数の光感知セルが撮像面に沿って配列された光感知セルアレイと、各々が偏光透過軸方向の異なるＮ個（Ｎは２以上の整数）の偏光子を含む複数の単位構造が２次元的に配列され、各光感知セルに１つの偏光子を透過した光が入射するように構成された偏光子アレイと、前記光感知セルアレイから画素信号を読み出す回路と、前記光感知セルアレイに対する前記偏光子アレイの位置を前記撮像面に平行な方向にシフトさせるシフト装置とを備える。【００１０】
ある実施形態において、撮像を行うとき、前記シフト装置は、前記単位構造のサイズを超えない距離だけ前記偏光子アレイをシフトさせる。【００１１】
ある実施形態において、前記シフト装置は、前記光感知セルアレイの全体から蓄積電荷信号が読み出されるタイミングと同期して、前記偏光子アレイを画素単位でシフトさせ、各光感知セルに入射する光の偏光方向を変化させる。【００１２】
ある実施形態において、前記複数の光感知セルの各々に対して、前記Ｎ個の偏光子の１つを透過する光を入射させるステップと、前記偏光子アレイを画素単位でシフトさせた後、前記Ｎ個の偏光子の他の１つを透過する光を入射させるステップとを実行する。【００１３】
ある実施形態において、前記アクチュエータは、第１の方向に前記偏光子アレイを画素単位でシフトさせる第１アクチュエータ部分と、前記第１の方向に垂直な第２方向に前記偏光子アレイを画素単位でシフトさせる第２アクチュエータ部分とを含んでおり、前記撮像面に沿って前記偏光子アレイを周期的および２次元的に移動させる。【００１４】
ある実施形態において、Ｎは３以上である。【００１５】
ある実施形態において、前記シフト装置は、前記撮像面に沿って前記偏光子アレイを周期的および直線的に移動させる。【００１６】
ある実施形態において、前記偏光子アレイにおける偏光子の配列ピッチは、前記光感知セルアレイにおける光感知セルの配列ピッチに一致している。【００１７】
ある実施形態において、前記偏光子アレイにおける前記複数の単位構造の各々は、前記偏光透過軸方向が４５°ずつ異なる４つの偏光子を含んでいる。【００１８】
ある実施形態において、前記偏光子アレイにおける前記複数の単位構造の各々は、前記偏光透過軸方向が６０°ずつ異なる３つの偏光子を含んでいる。【００１９】
本発明の撮像装置は、複数の光感知セルが撮像面に沿って配列された光感知セルアレイと、各々が偏光透過軸方向の異なるＮ個（Ｎは２以上の整数）の偏光子を含む複数の単位構造が２次元的に配列され、各光感知セルに１つの偏光子を透過した光が入射するように構成された偏光子アレイと、前記光感知セルアレイに対する前記偏光子アレイの位置を前記撮像面に平行な方向にシフトさせるシフト装置とを備える撮像素子と、前記シフト装置を駆動する駆動回路と、前記撮像素子上に像を形成するための撮影レンズとを備える。【００２０】
ある実施形態において、前記シフト装置は、前記光感知セルアレイの全体から蓄積電荷信号が読み出されるタイミングと同期して、前記偏光子アレイを画素単位でシフトさせ、それによって各光感知セルに入射する光の偏光方向を変化させ、個々の光感知セルに入射した偏光方向が異なる光の輝度値を得る。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、偏光子アレイを画素の配列ピッチの距離だけ撮像面に平行な方向にシフトさせるシフト装置を備えているため、偏光板を回転させたり、交替させるための大型の装置が不要である。そして、各画素に偏光主軸の異なる光を入射させることができるため、高い解像度の偏光画像を取得することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明による撮像装置の第１の実施形態における撮像部の概略構成を示す図である。
【図２】（ａ）は、第１の実施形態における偏光子アレイ１４の平面構成を模式的に示す図、（ｂ）は、光感知セルアレイ１２の構成を模式的に示す図である。
【図３Ａ】最初の位置にある偏光子アレイ１４に含まれる１つの単位構造と、光感知セルアレイ１２との配置関係を示す図である。
【図３Ｂ】２番目の位置にある偏光子アレイ１４に含まれる１つの単位構造と、光感知セルアレイ１２との配置関係を示す図である。
【図３Ｃ】３番目の位置にある偏光子アレイ１４に含まれる１つの単位構造と、光感知セルアレイ１２との配置関係を示す図である。
【図３Ｄ】４番目の位置にある偏光子アレイ１４に含まれる１つの単位構造と、光感知セルアレイ１２との配置関係を示す図である。
【図３Ｅ】最初の位置に戻った偏光子アレイ１４に含まれる１つの単位構造と、光感知セルアレイ１２との配置関係を示す図である。
【図４】偏光子アレイ１４の偏光子よりも小さな光感知セルを備える光感知セルアレイ１２を示す図である。
【図５】偏光子の偏光透過軸の方向に応じて各偏光子に符号「Ａ」、「Ｂ」、「Ｃ」、「Ｄ」を割り当てたことを示す図である。
【図６】偏光子アレイ１４と、符号「Ａ」、「Ｂ」、「Ｃ」、「Ｄ」の配列との対応関係を示す図である。
【図７】偏光子アレイ１４の移動パターンの一例を示す図である。
【図８】（ａ）は、シフト装置１６が組み込まれた撮像素子１０の一例を示す上面図であり、（ｂ）は（ａ）に示す撮像素子１０のＢ−Ｂ’線断面図である。
【図９】（ａ）から（ｄ）は、図８におけるシフト装置１６の動作を説明するための図である。
【図１０】図９に示される一連のシフト動作が実行されるときに、圧電変換素子１６０ａおよび圧電変換素子１６０ｂおよび圧電変換素子１６０ｃおよび圧電変換素子１６０ｄに印加される電圧波形の一例を示すグラフである。
【図１１】は、シフト装置１６と偏光子アレイ１４とが一体化された可動偏光子ユニット１０００を示す上面図である。
【図１２】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ、ベース１００２、偏光子アレイ１４、およびリニアアクチュエータ１００４ａの上面図であり、（ｄ）はＸ方向移動ステージ１０１０を示す図であり、（ｅ）は、（ｄ）に示すＸ方向移動ステージ１０１０のＥ−Ｅ’線断面図である。
【図１３】Ｘ方向移動ステージ１０１０、ベース１００１およびリニアアクチュエータ１００４ａを示す図である。
【図１４】シフト装置１６と偏光子アレイ１４とが一体化された可動偏光子ユニット１０００の他の構成例を示す上面図である。
【図１５】本実施形態における撮像装置の概略構成を示すブロック図である。
【図１６】本実施形態における信号処理部２００の主要な構成要素の一例を示すブロック図である。
【図１７】方向が異なる偏光透過軸（Ψｉ＝０°、４５°、９０°、１３５°）を有する４種類の偏光子を透過した光の強さ（画素値または輝度）Ｉ1〜Ｉ4を示すグラフである。
【図１８】偏光輝度の変動カーブの振幅、位相、平均値を示すグラフである。
【図１９】本発明による第２の実施形態における偏光子アレイの構成を示す上面図である。
【図２０】（ａ）は、図１９の偏光子アレイの一部を示す図であり、（ｂ）は、偏光子の配列パターンの他の例を示す図である。
【図２１】本発明の第２の実施形態における偏光子アレイ１４の平面構成を模式的に示す図である。
【図２２】（ａ）および（ｂ）は、各行に４種類の偏光子１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ、１４Ｄが配列された偏光アレイ１４の１画素単位のシフトを示す図である。
【図２３】（ａ）および（ｂ）は、各行に４種類の偏光子１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ、１４Ｄが配列された偏光アレイ１４の１画素単位のシフトを示す図である。
【図２４】図２２および図２３に示す一連の動作を実行するときに、アクチュエータに印加される電圧の変化の一例を示すグラフである。
【図２５】３種類の偏光子１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃが配列された偏光子アレイ１４を用いて、ＸＹ面内でシフトを行う例を示す図である。
【図２６】（ａ）から（ｃ）は、３種類の偏光子１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃが配列された偏光子アレイ１４を用いて、Ｘ軸方向のみに沿ったシフトを行う例を示す図である。
【図２７】図２６の動作を行うときにアクチュエータに印加させる電圧の波形例を示すグラフである。
【図２８】図２（ｂ）に示される光感知セルアレイ１２の回路構成の一例を示す図である。
【図２９】光感知セルアレイ１２における電荷蓄積期間を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
（実施形態１）
まず、図１を参照する。図１は、本発明による撮像装置の第１の実施形態における撮像部の概略構成を示す図である。
【００２４】
この撮像部１００は、撮像素子（イメージセンサ）１０と、撮像素子１０の撮像面に像を形成するための撮影レンズ２０とを有している。撮像素子１０は、複数の光感知セル（光電変換素子）が撮像面に沿って配列された光感知セルアレイ１２と、偏光子アレイ（偏光モザイクアレイ板）１４と、光感知セルアレイ１２に対する偏光子アレイ１４の位置を撮像面に平行な方向にシフトさせるシフト装置１６とを備えている。
【００２５】
個々の光感知セルは、画素に相当するため、光感知セルアレイ１２は画素アレイ１２と称しても良い。偏光子アレイ１４は、後に詳しく説明するように、各々が偏光透過軸方向の異なるＮ個（Ｎは２以上の整数）の偏光子を含む複数の単位構造が２次元的に配列され、各偏光子を透過した光が、対応する光感知セルに入射するように構成されている。撮影レンズ２０は、図１において単一レンズとして模式的に記載されているが、通常は、複数のレンズが組み合わせられた光学系であり、公知の構成を備えている。
【００２６】
この撮像部１００は、シフト装置１６が有するアクチュエータを駆動するアクチュエータ駆動回路４０を備えている。アクチュエータ駆動回路４０は、撮像素子１０に組み込まれていても良いし、他の部品として搭載されていてもよい。
【００２７】
次に、図２を参照する。
【００２８】
図２（ａ）は、偏光子アレイ１４の平面構成を模式的に示し、図２（ｂ）は、光感知セルアレイ１２の構成を模式的に示している。
【００２９】
図２（ａ）の偏光子アレイ１４においては、各々が偏光透過軸方向の異なる４個の偏光子１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ、１４Ｄを含む４個の単位構造が２次元的に配列されている。実際の偏光子アレイ１４では、より多数の単位構造が配列されているが、図２（ａ）では、簡単のため、４個の単位構造が示されている。図２（ａ）の各偏光子１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ、１４Ｄ上には、方向が異なる４種類の矢印が記載されている。この矢印は、偏光子の偏光透過軸の方向（主軸方向）を示している。偏光子に入射した光のうち、電場ベクトルの振動方向が偏光透過軸に一致する光は、その偏光子を透過することができる。偏光子を透過した光は、その偏光子が有する偏光透過軸の方向に偏光した直線偏光である。
【００３０】
図２（ｂ）では、簡単のため、３行×３列＝９個の光感知セル１２ａ、１２ｂ、・・・、１２ｉが図示されているが、現実の光感知セルアレイ１２では、たとえば１００万を超える数の光感知セルが配列される。光感知セルアレイ１２における光感知セルの配列ピッチは、偏光子アレイ１４における偏光子の配列ピッチと一致している。これらの配列ピッチを「画素ピッチ」と称する場合がある。実際の光感知セルアレイ１２は、上述したように偏光子アレイ１４の各偏光子を透過した光を受ける位置に配置される。光感知セルアレイ１２は、行および列状に配列された光感知セルから構成されている。
【００３１】
図２８は、図２（ｂ）に示される光感知セルアレイ１２の回路構成の一例を示す図である。図２８には、３×３個の光感知セル１２ａ〜１２ｉと、これらの光感知セル１２ａ〜１２ｉに接続された制御信号線１２２、１２４および出力信号線１３２などが図示されている。前述したように、現実の光感知セルアレイ１２は、図示されていない多数の光感知セルを含んでいる。
【００３２】
光感知セル１２ａ〜１２ｉが配列されている領域の外側には、垂直走査回路１２０および水平走査回路１３０（光感知セルアレイ１２から信号を読み出す回路）が設けられている。垂直走査回路１２０には、第１制御信号線１２２および第２制御信号線１２４が接続されている。垂直走査回路１２０からは、電荷蓄積開始のタイミングを規定する制御信号１０００ａが第１制御信号線１２２に出力され、蓄積電荷信号を読み出すタイミングを規定する制御信号１０００ｂが第２制御信号線１２４に出力される。
【００３３】
垂直走査回路１２０から第１制御信号線１２２に出力された制御信号１０００ａは、各光感知セル１２ａ〜１２ｉのリセット素子（不図示）に与えられる。制御信号１０００ａがリセット素子に与えられると、そのリセット素子に関連づけられた光感知セルに蓄積されていた電荷がクリアされ、光感知セルの電荷蓄積状態がリセットされる。リセットにより、電荷蓄積期間が開始する。
【００３４】
一方、垂直走査回路１２０から制御信号線１２４に出力された制御信号１０００ｂは、各光感知セル１２ａ〜１２ｉの読み出しトランジスタのゲートに与えられ、このトランジスタの導通／非導通を制御する。制御信号１０００ｂがトランジスタのゲートに与えられると、そのトランジスタは導通し、光感知セル１２ａ〜１２ｉに蓄積されていた電荷の量に応じた電気信号が出力信号線１３２に与えられる。出力信号線１３２上の電気信号は、水平走査回路１３０からの制御信号１０００ｃにより、順次、画素ごとに読み出される。
【００３５】
特定の行に属する光感知セル、例えば、図２８における第１行目に属する光感知セル１２ａ、１２ｂ、１２ｃに蓄積された電荷の読み出しが行われ後、次の行に属する光感知セル、例えば、図２８における第２行目に属する光感知セル１２ｄ、１２ｅ、１２ｆに蓄積された電荷の読み出しが行われる。
【００３６】
ある実施形態では、同一の行に属する各光感知セルに対して略同時に制御信号１０００ａが与えられ、それらの光感知セルのリセットが実行される。リセット後、所定の電荷蓄積期間が経過したとき、その行に属する各光感知セルに対して略同時に制御信号１０００ｂが与えられる。その結果、その行に属する光感知セルから蓄積電荷信号が信号線１３２上に与えられる。その後、この行に属する光感知セルからの蓄積電荷信号が制御信号１０００ｃによって順次読み出される。
【００３７】
各行について、上述の読み出し動作が順次行われることにより、光感知セルアレイ１２内のすべての光感知セルから蓄積電荷信号を得ることができる。全ての光感知セルの電荷蓄積期間を略等しくするには、制御信号（リセット信号）１０００ａの印加から制御信号（読み出し信号）１０００ｂの印加までの期間を各行で等しくすればよい。
【００３８】
図２９は、光感知セルアレイ１２の第１行〜最終行の代表的な行について、電荷蓄積期間を模式的に示す図である。各々の行において、制御信号１０００ａの印加時から制御信号１０００ｂの印加時までの期間が電荷蓄積期間に相当する。行ごとに制御信号１０００ｂの印加タイミングが異なるため、各行の光感知セルから読み出された信号が出力信号線上でバッティングすることはない。
【００３９】
図２９の最下部には、全ての行の電荷蓄積期間を重ね合わせた、光感知セルアレイ１２の全体の電荷蓄積期間が示されている。後述するように、光感知セルアレイ１２の全体から蓄積電荷信号が読み出されるタイミングに同期して、偏光子アレイ１４の２次元的な移動が実行される。すなわち、典型的には、光感知セルアレイ１２の全体から蓄積電荷信号が読み出された後、光感知セルアレイ１２で次の電荷蓄積期間が開始するまでの間に、偏光子アレイ１４の２次元的な移動が実行される。厳密に言えば、いずれの光感知セルについても、その電荷蓄積期間の途中で偏光子アレイ１４が移動しなければ良く、偏光子アレイ１４は光感知セルアレイ１２で電荷蓄積が行われてないときに移動すればよい。
【００４０】
再び図２（ａ）を参照する。偏光子アレイ１４は、シフト装置１６により、図２の紙面に平行な方向、すなわち、ＸＹ座標のＸ軸方向およびＹ軸方向が形成する平面に平行な方向にシフトする。シフト装置１６は、偏光子アレイ１４の各偏光子を透過した光が、対応する光感知セルに入射するように偏光子アレイ１４の位置決めを行う。図２（ａ）では、簡単のため、シフト装置１６は、偏光子アレイ１４の右側のみに位置しているが、現実のシフト装置１６は、この例に限定されない。シフト装置１６の構成および動作は、後に詳しく説明する。
【００４１】
次に、図３Ａから図３Ｅを参照しながら、光感知セルアレイ１２に対する偏光子アレイ１４の位置変化を説明する。
【００４２】
まず、図３Ａを参照する。
【００４３】
図３Ａは、最初の位置にある偏光子アレイ１４に含まれる１つの単位構造と、光感知セルアレイ１２との配置関係を示している。最初の位置では、４個の偏光子１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ、１４Ｄを透過した光が、それぞれ、光感知セル１２ｅ、１２ｆ、１２ｉ、１２ｈ、に入射する。こうして、光感知セル１２ｅ、１２ｆ、１２ｉ、１２ｈには、それぞれ、偏光方向の異なる光が同時に入射する。
【００４４】
偏光子アレイ１４が最初の位置にある間に、光感知セル１２ｅ、１２ｆ、１２ｉ、１２ｈでは、光電変換により、入射光量に応じた電荷が生成され、蓄積される。所定の電荷蓄積期間が経過したとき、光感知セル１２ｅ、１２ｆ、１２ｉ、１２ｈの各々で蓄積された電荷が画素信号（蓄積電荷信号）として読み出される。この信号は、ある特定方向に偏光した光の輝度値を示している。電荷の読み出しが完了した後、蓄積電荷はリセットされる。一般に、電荷蓄積期間は、信号読み出しのフレームレート（ｆｐｓ：フレーム毎秒）の逆数によって規定される。
【００４５】
次に、図３Ｂを参照する。
【００４６】
図３Ｂは、次の位置にある偏光子アレイ１４に含まれる１つの単位構造と、光感知セルアレイ１２との配置関係を示している。この位置では、４個の偏光子１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ、１４Ｄを透過した光が、それぞれ、光感知セル１２ｄ、１２ｅ、１２ｈ、１２ｇに入射する。図３Ｂにおける偏光子アレイ１４は、図２（ａ）に示すシフト装置１６の働きにより、最初の位置（図３Ａ）から１画素分だけＸ軸の負方向に移動してきた。
【００４７】
偏光子アレイ１４が、図３Ｂの位置にある間に、光感知セル１２ｄ、１２ｅ、１２ｈ、１２ｇでは、光電変換により、入射光量に応じた電荷が生成され、蓄積される。所定の電荷蓄積期間が経過したとき、光感知セル１２ｄ、１２ｅ、１２ｈ、１２ｇの各々で蓄積された電荷が画素信号として読み出される。電荷の読み出しが完了した後、蓄積電荷はリセットされる。
【００４８】
ここで、光感知セル１２ｈに着目すると、偏光子アレイ１４が図３Ａに示す位置にあるときは、偏光子１４Ｄを透過した光が光感知セル１２ｈに入射していた。そして、偏光子アレイ１４が図３Ｂに示す位置にあるときは、偏光子１４Ｃを透過した光が光感知セル１２ｈに入射することになる。
【００４９】
偏光子アレイ１４のシフト（１画素の平行移動）は、光感知セルアレイ１２の全体から画素信号（蓄積電荷信号）が読み出されるタイミングに同期して行われるため、各々の光感知セルに入射する光の偏光方向は、電荷蓄積期間の途中では変化しない。その結果、読み出される画素信号に基づいて、その光感知セルに入射する光の偏光情報を得ることが可能になる。画素単位での偏光情報の取得については、後に詳しく説明する。
【００５０】
次に、図３Ｃを参照する。
【００５１】
図３Ｃは、更に次の位置にある偏光子アレイ１４に含まれる１つの単位構造と、光感知セルアレイ１２との配置関係を示している。この位置では、４個の偏光子１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ、１４Ｄを透過した光が、それぞれ、光感知セル１２ａ、１２ｂ、１２ｅ、１２ｄに入射する。図３Ｃにおける偏光子アレイ１４は、図２に示すシフト装置１６の働きにより、図３Ｂの位置から１画素分だけＹ軸の正方向に移動してきた。
【００５２】
偏光子アレイ１４が、図３Ｃの位置にある間に、光感知セル１２ａ、１２ｂ、１２ｅ、１２ｄでは、光電変換により、入射光量に応じた電荷が生成され、蓄積される。所定の電荷蓄積期間が経過したとき、光感知セル１２ａ、１２ｂ、１２ｅ、１２ｄの各々で蓄積された電荷が画素信号として読み出される。電荷の読み出しが完了した後、蓄積電荷はリセットされる。
【００５３】
次に、図３Ｄを参照する。
【００５４】
図３Ｄは、更に次の位置にある偏光子アレイ１４に含まれる１つの単位構造と、光感知セルアレイ１２との配置関係を示している。この位置では、４個の偏光子１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ、１４Ｄを透過した光が、それぞれ、光感知セル１２ｂ、１２ｃ、１２ｆ、１２ｅに入射する。図３Ｄにおける偏光子アレイ１４は、図２に示すシフト装置１６の働きにより、図３Ｃの位置から１画素分だけ移動してきた。
【００５５】
偏光子アレイ１４が、図３Ｄの位置にある間に、光感知セル１２ｂ、１２ｃ、１２ｆ、１２ｅでは、光電変換により、入射光量に応じた電荷が生成され、蓄積される。所定の電荷蓄積期間が経過したとき、光感知セル１２ｂ、１２ｃ、１２ｆ、１２ｅの各々で蓄積された電荷が画素信号として読み出される。電荷の読み出しが完了した後、蓄積電荷はリセットされる。
【００５６】
次に、図３Ｅを参照する。
【００５７】
図３Ｅは、更に次の位置にある偏光子アレイ１４に含まれる１つの単位構造と、光感知セルアレイ１２との配置関係を示している。この位置は、図３Ａに示す配置と同一であり、図３Ａを参照しながら説明した動作が繰り返される。
【００５８】
このように本実施形態では、偏光子アレイ１４が、図３Ａの位置から、図３Ｂの位置、図３Ｃの位置、および図３Ｄの位置を経て、図３Ｅの位置（図３Ａの位置）に戻る。この周期的な動作が繰り返されるとき、各光感知セルには、１周期の間において、偏光透過軸が異なる４つの偏光子を透過してきた光が順次入射することになる。画素信号の読み出しが、偏光子アレイ１４の２次元的な運動と同期して行われるため、偏光情報を取得することが可能になる。
【００５９】
なお、図３Ａから図３Ｅに示す偏光子および光感知セルの平面形状は、いずれも円形である。偏光子および光感知セル（受光領域）の平面形状は、円形に限定されない。偏光子および光感知セルの平面形状およびサイズは、偏光子を透過した光が効率よく各光感知セルに入射し、かつ、対応する偏光子を透過していない光が各光感知セルに入射しないように設計される。
【００６０】
図４では、光感知セルのサイズが偏光子のサイズよりも小さく記載されている。偏光子アレイ１４の位置合わせズレの大きさを考慮して、光感知セルのサイズは、偏光子のサイズよりも小さく設計されることが好ましい。光感知セルの全体が偏光子によって覆われる限り、光感知セルの平面形状は円形である必要はなく、楕円や多角形であっても良い。また、偏光子の平面形状も円形である必要はなく、楕円や多角形であっても良い。たとえば、偏光透過軸の方向が直交する２種類の偏光子を配列する場合は、各偏光子の平面形状は正方形や８角形であってもよい。一般に、偏光透過軸がＮ個の異なる方向を向くとき、偏光子の平面形状は、中心軸の回りに（３６０／Ｎ）度の回転で対称な形状を有することが好ましい。
【００６１】
光感知セルは、マイクロレンズによって覆われていても良い。光感知セルアレイ１４は、裏面照射型のイメージセンサによって実現されていても良い。光感知セルアレイ１４が通常の表面照射型のイメージセンサによって実現されている場合、図４に示す光感知セルの間には不図示の配線が存在する。
【００６２】
次に、図５を参照する。図５に示すように、偏光子の偏光透過軸の方向に応じて各偏光子に符号「Ａ」、「Ｂ」、「Ｃ」、「Ｄ」を割り当てることにする。このような符号を用いると、図６の左に示す偏光子アレイ１４は、その右側に示すように簡略的に図示される。
【００６３】
以下、図７を参照しながら、偏光子アレイ１４の移動パターンを説明する。図３Ａから図３Ｅには、１つの単位構造に含まれる４つの偏光子だけを記載していたが、図７では、１つの偏光子アレイ１４に含まれる多数の偏光子を記載している。もちろん、現実の偏光子アレイ１４に含まれる偏光子の数は、図示されている偏光子の数よりも遥かに多い。
【００６４】
図７の例では、線の太い長方形が、光感知セルアレイ１２を示し、破線の長方形が偏光子アレイ１４を示している。光感知セルアレイ１２に対して、偏光子アレイ１４が４つの異なる位置の間を周期的に移動する。個々の光感知セルは、偏光子アレイ１４がどの位置にあるときも、偏光子によってカバーされている。
【００６５】
図７の例では、偏光子アレイ１４のサイズは撮像エリアよりも広く、偏光子アレイ１４に含まれる偏光子の個数は光感知セルアレイ１２に含まれる光感知セルの個数よりも多い。なお、偏光子アレイ１４のサイズは、必ずも撮像エリアのサイズより大きく設定される必要はない。偏光子アレイ１４のサイズが撮像エリアのサイズよりに等しいか、または小さい場合、偏光子アレイ１４によって覆われていない光感知セルが存在することになる。そのような光感知セルからは偏光情報を得ることができない。しかし、被写体の全ての領域から偏光情報を必要としない場合もある。そのような場合は、光感知セルアレイ１２の一部の領域を相対的な小さな偏光子アレイ１４で覆うようにしてもよい。したがって、偏光子アレイ１４のサイズが光感知セルアレイ１２のサイズより小さいことも許容され得る。
【００６６】
次に、シフト装置１６を説明する。
【００６７】
偏光子アレイ１４を図７に示すように平行移動させるには、シフト装置１６は、Ｘ軸方向およびＹ軸方向の２軸に沿って作用点を移動させる構造を備える必要がある。図８は、このような構造が、光感知セルアレイ１２のシリコン基板と一体化された撮像素子１０の一例を示している。図８（ａ）は、その上面図であり、図８（ｂ）は、図８（ａ）に示す撮像素子１０のＢ−Ｂ’線断面図である。
【００６８】
図８の撮像素子１０は、偏光子アレイ１４をＹ軸方向に押し出す圧電変換素子１６０ａ、１６０ｃと、偏光子アレイ１４をＸ軸方向に押し出す圧電変換素子１６０ｂ、１６０ｄとを有している。Ｙ軸方向に押し出す一対の圧電変換素子１６０ａ、１６０ｃにより、Ｙ軸の正方向および負方向のいずれにも１画素単位で偏光子アレイ１４を移動させることができる。同様に、偏光子アレイ１４をＸ軸方向に押し出す一対の圧電変換素子１６０ｂ、１６０ｄにより、Ｘ軸の正方向および負方向のいずれにも１画素単位で偏光子アレイ１４を移動させることができる。圧電変換素子１６０ａ、１６０ｂ、１６０ｃ、１６０ｄは、たとえばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ：Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｚｉｒｃｏｎａｔｅ  Ｔｉｔａｎａｔｅ）などの圧電体から形成され得る。圧電変換素子１６０ａ、１６０ｂ、１６０ｃ、１６０ｄの各々に印加する電圧を調整することにより、たとえば図７に示すように偏光子アレイ１４の位置をＸＹ面内で周期的に変化させることができる。圧電変換素子１６０ａ、１６０ｂ、１６０ｃ、１６０ｄが、全体として、シフト装置１６を形成している。
【００６９】
次に、図９（ａ）から図９（ｄ）を参照しながら、この例におけるシフト装置１６の動作を説明する。
【００７０】
最初に偏光子アレイ１４は図９（ａ）に示す位置にあったとする。このとき、圧電変換素子１６０ａ、１６０ｄには電圧を印加するが１６０ｂ、１６０ｃに電圧は印加されていない。
【００７１】
次に図９（ｂ）のとき、圧電変換素子１６０ａ、１６０ｂには電圧を印加するが、圧電変換素子１６０ｃ、１６０ｄに電圧は印加されていない。
【００７２】
次に図９（ｃ）のとき、圧電変換素子１６０ｂ、１６０ｃには電圧を印加するが、圧電変換素子１６０ａ、１６０ｄに電圧は印加されていない。
【００７３】
次に図９（ｄ）のとき、圧電変換素子１６０ｃ、１６０ｄには電圧を印加するが、圧電変換素子１６０ａ、１６０ｂに電圧は印加されていない。
【００７４】
圧電変換素子１６０ａ、１６０ｂ、１６０ｃ、１６０ｄに図１０のタイミングチャートのように電圧を印加すると、それぞれ図９（ａ）→図９（ｂ）→図９（ｃ）→図９（ｄ）の順に示すように偏光子１４の位置がＸ軸及びY軸方向に画素毎に制御することができる。
【００７５】
１画素分の移動を実現するには、使用する圧電体の軸方向サイズおよび印加電圧を調整すればよい。たとえば、１画素のサイズが２５μｍ×２５μｍの場合、Ｘ方向およびＹ方向の画素ピッチは、それぞれ、２５μｍおよび２５μｍである。この場合において、ＰＺＴを用いて１画素分（２５μｍ）のシフトを実現するには、ＰＺＴの軸方向サイズをたとえば５ｍｍ程度に設定すればよい。なお、１画素のサイズが２５μｍ×２５μｍの場合、その中の負音ダイオードのサイズは、たとえば直径５μｍ程度に設定され得る。このとき、対応する偏光子のサイズは、フォトダイオードよりも大きく設定されることが好ましい。なお、偏光子の配列ピッチは、個々の偏光子のサイズによらず、光感知セルアレイにおける画素の配列ピッチに等しく設定される。
【００７６】
図１０は、上記の一連の動作を実行するときに、圧電変換素子１６０ａおよび圧電変換素子１６０ｂおよび圧電変換素子１６０ｃおよび圧電変換素子１６０ｄに印加される電圧波形の一例を示すグラフである。図１０には、図２８を参照しながら説明した、光感知セルアレイ１２における全体の電荷蓄積期間も模式的に示されている。圧電変換素子１６０ａ〜１６０ｄによる偏光子アレイ１４の２次元的移動は、電荷蓄積期間以外の期間内に行われる。
【００７７】
図１０に示すように、最初、圧電変換素子１６０ｂおよび圧電変換素子１６０ｃに印加される電圧は、いずれも、０Ｖであるが、圧電変換素子１６０ａおよび圧電変換素子１６０ｄに印加され電圧は、いずれも、例えば数百Ｖである（時刻Ｔ０）。１画素だけＸ軸方向にシフトさせるとき（時刻Ｔ１）、圧電変換素子１６０ｃおよび圧電変換素子１６０ｄに印加される電圧は０Ｖであり、圧電変換素子１６０ａおよび圧電変換素子１６０ｂに高電圧（例えば１００Ｖ）が印加される。その後（時刻Ｔ２）、圧電変換素子１６０ａおよび圧電変換素子１６０ｄに印加される電圧は０Ｖであり、圧電変換素子１６０ｂおよび圧電変換素子１６０ｃにも高電圧（例えば１００Ｖ）が印加される。次に、圧電変換素子１６０ａおよび圧電変換素子１６０ｂに印加される電圧は０Ｖであり、圧電変換素子１６０ｃおよび圧電変換素子１６０ｄに印加される電圧が数百Ｖに変化する（時刻Ｔ３）。この後（時刻Ｔ４）、圧電変換素子１６０ａ、１６０ｂ、１６０ｃ、１６０ｄに印加される電圧をＴ０の時と同じレベルに復帰させることにより、１周期後の最初の状態に戻る。
【００７８】
なお、圧電変換素子は、一般にヒステリシスを有するため、伸びるときに印加した電圧をゼロボルトに戻しても、もとの状態に復帰しない場合がある。したがって、もとの位置に正確に戻すためには、ヒステリシスを考慮して補正され大きさの電圧を付与する必要がある。
【００７９】
図１１は、シフト装置１６と偏光子アレイ１４とが一体化された可動偏光子ユニット１０００を示す上面図である。
【００８０】
この可動偏光子ユニット１０００は、偏光子アレイ１４をＸ軸方向に移動させるリニアアクチュエータ１００４ａが設けられたベース１００２と、このベース１００２をＹ軸方向に移動させるリニアアクチュエータ１００４ｂが設けられたベース１００１とを備えている。リニアアクチュエータ１００４ａは、スイッチ１００５ａを介して高電圧源１００６ａに接続される。一方、リニアアクチュエータ１００４ｂは、スイッチ１００５ｂを介して高電圧源１００６ｂに接続される。スイッチ１００５ａ、１００５ｂの開閉により、リニアアクチュエータ１００４ａ、１００４ｂに印加する電圧を制御し、偏光子アレイ１４の位置をＸＹ面内でシフトさせることができる。
【００８１】
図１２（ａ）、図１２（ｂ）、および図１２（ｃ）は、それぞれ、ベース１００２、偏光子アレイ１４、およびリニアアクチュエータ１００４ａの上面図である。ベース１００２は、凹部１００２ａおよび開口部１００２ｂを有している。ベース１００２は、好適にはシリコン基板を加工することによって得られる。凹部１００２ａは、偏光子アレイ１４を収容し、かつ、Ｘ方向に移動可能にする形状および大きさを備えている。開口部１００２ｂは、たとえば約２５ｍｍ×約２５ｍｍのサイズを有する。これらを組み合わせることにより、図１２（ｄ）に示すＸ方向移動ステージ１０１０が得られる。図１２（ｅ）は、図１２（ｄ）に示すＸ方向移動ステージ１０１０のＥ−Ｅ’線断面図である。偏光子アレイ１４の個々の偏光子は、たとえばフォトニック結晶またはナノワイヤグリッドを用いて形成することができる。
【００８２】
上記のＸ方向移動ステージ１０１０を図１３に示すベース１００１およびリニアアクチュエータ１００４ａと組み合わせることにより、シフト装置１６が実現する。ベース１００１は、凹部１００１ａおよび開口部１００１ｂを有している。この凹部１００１ａは、Ｘ方向移動ステージ１０１０を収容し、かつ、Ｙ方向に移動可能にする形状および大きさを備えている。ベース１００１も、好適にはシリコン基板を加工することによって得られる。ベース１００１の開口部１００１ｂおよびベース１００２の開口部１００２ｂは、偏光子アレイ１４を透過した光を不図示の光感知セルアレイ２１に入射させるためのものである。個々の光感知セルに対応する偏光子を透過した光のみを入射させるためには、光感知セルアレイ１２と偏光子アレイ１４との間隔を１ｍｍ以下に設定することが好ましい。
【００８３】
図１４は、シフト装置１６の更に他の構成例を示す上面図である。このシフト装置１６が図１１に示すシフト装置１６と異なる点は、リニアアクチュエータ１００４ａ、１００４ｂの代わりに、櫛形ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ-Ｅｌｅｃｔｒｏ-Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ-Ｓｙｓｔｅｍｓ）アクチュエータ４００４ａ、４００４ｂが用いられていることにある。櫛形ＭＥＭＳアクチュエータ４００４ａ、４００４ｂは、一対の対向する櫛形電極に電圧を与えることにより、静電力によって偏光子アレイ１４を移動させることができる。
【００８４】
偏光子アレイを撮像エリアに平行な面内で移動させるための機構は、上述の例に限定されず、画素単位で偏光子アレイを正確に移動させることができれば、他の原理に基づく機構であってもよい。
【００８５】
画素のサイズ程度の移動距離を実現するために使用され得るアクチュエータの「位置決め精度」は、その移動距離の５％程度以下にすることができる。このような位置決め精度を考慮して、光感知セルの全体が偏光子にカバーされるように光感知セルのサイズが設定される。
【００８６】
偏光子アレイにおける「単位構造」の形状は、正方形に限定されない。また、「単位構造」に含まれる偏光子の個数も、３個または４個に限定されず、２個であってもよいし、５個以上であってもよい。
【００８７】
＜撮像装置＞
以下、本実施形態における撮像装置の構成を説明する。
【００８８】
図１５は、本実施形態における撮像装置の概略構成を示すブロック図である。
【００８９】
本実施形態の撮像装置は、撮像部１００と、各種信号処理を行う信号処理部２００と、撮像によって取得した画像を表示する撮像表示部３００と、画像のデータを記録する記録部４００と、各部を制御するシステム制御部５００とを備える。
【００９０】
本実施形態における撮像部１００は、偏光子アレイ１４およびシフト装置１６を有する撮像素子（イメージセンサ）１０と、撮像素子１０の撮像面上に像を形成するため撮影レンズ２０とを有している。本実施形態における撮影レンズ２０は、公知の構成を有しており、現実には複数のレンズから構成されたレンズユニットである。撮影レンズ２０は、不図示の機構によって駆動され、必要に応じて、光学ズーミング、自動露光（ＡＥ：Ａｕｔｏ  Ｅｘｐｏｓｕｒｅ），自動焦点（ＡＦ：Ａｕｔｏ  Ｆｏｃｕｓ）に必要な動作が実行される。
【００９１】
更に、撮像部１００は、撮像素子１０を駆動する撮像素子駆動部３０およびアクチュエータ駆動部４０を備えている。撮像素子駆動部３０は、たとえばドライバＬＳＩから構成されている。撮像素子駆動部３０は、撮像素子１０を駆動することにより、撮像素子１０からアナログ信号を読み出してデジタル信号に変換する。アクチュエータ駆動部４０は、前述のシフト装置１６を駆動することにより、偏光子アレイ１４の位置を撮像エリアに平行な面内で周期的にシフトさせる。
【００９２】
本実施形態における信号処理部２００は、画像処理部（イメージプロセッサ）２２０、メモリ２４０、インターフェース（ＩＦ）部２６０を備えている。信号処理部２００は、液晶表示パネルなどの表示部３００、および、メモリカードなどの記録媒体４００に接続されている。
【００９３】
画像処理部２２０は、色調補正、解像度変更、自動露光，自動焦点、データ圧縮などの動作に必要な各種信号処理を行うほか、本発明による偏光情報の取得処理を実行する。画像処理部２２０は、公知のデジタル信号処理プロセッサ（ＤＳＰ）などハードウェアと、本発明に係る偏光情報処理を含む画像処理を実行するソフトウェアとの組合せによって好適に実現される。メモリ２４０は、ＤＲＡＭなどによって構成される。このメモリ２４０は、撮像部１００から得られた画像データを記録するとともに、画像処理部２２０によって各種の画像処理を受けた画像データを一時的に記録する。これらの画像データは、アナログ信号に変換された後、表示部３００によって表示されたり、デジタル信号のままインターフェース部２６０を介して記録媒体４００に記録される。
【００９４】
上記の構成要素は、不図示の中央演算処理ユニット（ＣＰＵ）およびフラッシュメモリを含むシステム制御部５００によって制御される。なお、本実施形態の撮像装置は、ビューファインダ、電源（電池）、フラッシュライトなどの公知の構成要素を備え得るが、それらの説明は本発明の理解に特に必要でないため省略する。
【００９５】
図１６は、本実施形態における信号処理部２００の主要な構成要素の一例を示すブロック図である。本実施形態では、被写体から偏光画像情報を取得し、２種類の偏光画像（偏光度画像ρおよび偏光位相画像φ）として出力することができる。
【００９６】
撮像部１００から出力された信号は、画像処理部２２０に送られ、画像処理部２２０で処理された後、偏光度画像フレームメモリ２２２および偏光位相画像フレームメモリ２２４に格納される。偏光度画像フレームメモリ２２２からは偏光度画像（ρ）のデータが出力され、偏光位相画像フレームメモリ２２４から偏光位相画像（φ）のデータが出力される。
【００９７】
＜偏光情報＞
図１７は、方向が異なる偏光透過軸（Ψｉ＝０°、４５°、９０°、１３５°）を有する４種類の偏光子を透過した光の強さ（画素値または輝度）Ｉ1〜Ｉ4を示している。ここで、偏光透過軸の回転角ψがψiのときに観測される輝度をＩiとする。ただし、「ｉ」は、１以上Ｎ以下の整数、「Ｎ」はサンプル数とする。本実施形態では、Ｎ＝４であるため、ｉ＝１、２、３、４となる。図１７には、１つの画素から得られる４個のサンプル（ψi、Ｉi）に対応する輝度Ｉ1〜Ｉ4が示されている。偏光透過軸の角度Ψｉと輝度Ｉiとの関係は、周期＝π（１８０°）の正弦関数によって表現される。周期が固定された正弦関数が有する未知数は、振幅、位相、および平均値の３種しかなく、異なる角度Ψにおける少なくとも３つの輝度Ｉiの観測により、１本の正弦関数カーブが完全に決定される。
【００９８】
偏光子単位の偏光主軸の角ψに対する観測輝度は、以下の式で表される。
【数１】
2012017600.tif 000003
ここで図１８に示すようにＡ、Ｂ、Ｃは未知定数であり、それぞれ、偏光輝度の変動カーブの振幅、位相、平均値を表現している。
【００９９】
なお、本明細書における「偏光情報」とは、輝度の偏光主軸角度に対する依存性を示す正弦関数カーブにおける振幅変調度ρおよび位相情報φを意味する。以上の処理により、画素ごとに正弦関数のＡ、Ｂ、Ｃの３パラメータが確定すると、各画素における偏光度ρを示す偏光度画像と各画素における偏光位相φを示す偏光位相画像が求められる。偏光度ρは、該当画素の光が偏光している程度を表し、偏光位相φは、正弦関数の最大値をとる角度位置を表す。なお、偏光主軸の角度は、０°と１８０°（π）は同一である。
【０１００】
値ρ、φ（０≦φ≦π）は、それぞれ、以下の（式２）および（式３）によって算出される。
【数２】
2012017600.tif 000004
【数３】
2012017600.tif 000005
【０１０１】
こうして、本実施形態では、偏光子アレイ１４を移動させながら読み出される画素値に基づいて、すべての画素から偏光情報を取得することができる。
【０１０２】
（実施形態２）
次に、本発明による撮像素子の第２の実施形態を説明する。
【０１０３】
本実施形態の撮像素子が実施形態１における撮像素子と異なる点は、偏光子アレイにおける偏光子の配列パターンと、偏光子アレイの移動の仕方とにある。以下、この異なる点のみを詳述し、実施形態１と共通する構成および動作については説明をここでは繰り返さない。
【０１０４】
図１９は、本実施形態における偏光子アレイの構成を示す上面図である。この偏光子アレイでは、偏光透過軸の向きが異なる４種類の偏光子が直線状に配列されている。図２０（ａ）は、図１９の偏光子アレイの一部を示す図であり、図２０（ｂ）は、偏光子の配列パターンの他の例を示す図である。図２０（ａ）および図２０（ｂ）のいずれの配列パターンであってもよいが、ここでは、図２０（ａ）の配列パターンを有する場合について、その動作を説明する。
【０１０５】
本実施形態では、図２１に示すように、各行に４種類の偏光子１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ、１４Ｄが配列された偏光アレイ１４をシフト装置１６によって１画素単位でシフトすることができる。
【０１０６】
まず、この偏光子アレイ１４が、図２２（ａ）に示す位置にあったとする。次に、シフト装置１６により、偏光子アレイをＸ軸方向にシフトし、図２２（ｂ）に示す位置に偏光子アレイ１４を移動させる。
【０１０７】
次に、シフト装置１６により、偏光子アレイ１４を更にＸ軸方向にシフトし、図２３（ａ）に示す位置に偏光子アレイ１４を移動させる。この後、シフト装置１６により、偏光子アレイ１４を更にＸ軸方向にシフトし、図２３（ｂ）に示す位置に偏光子アレイ１４を移動させる。
【０１０８】
続いて、偏光子アレイ１４は、逆方向に３画素分だけシフトさせられ、再び、図２２（ａ）に示す位置に復帰する。このような周期的動作を繰り返すことにより、偏光情報を取得することが可能になる。
【０１０９】
本実施形態によれば、偏光子アレイ１４をＸＹ面内の一方向のみに移動させればよいため、シフト装置１６の構成が簡略化される。上記の例では、偏光子アレイ１４をＸ軸方向に移動したが、Ｙ軸方向に移動してもよい。また、Ｘ軸およびＹ軸の両方に対して斜めになる方向に直線的に移動させても、同様の効果を得ることが可能である。
【０１１０】
図２４は、上記の一連の動作を実行するときに、アクチュエータに印加される電圧波形の一例を示すグラフである。図２４に示すように、最初、アクチュエータに印加される電圧は、いずれも、０Ｖであるが、１画素だけＸ軸方向にシフトさせるとき（時刻Ｔ１）、アクチュエータに電圧Ｖ１（例えば１００Ｖ）が印加される。初期位置から２画素だけＸ軸方向にシフトさせるとき（時刻Ｔ２）、アクチュエータに電圧Ｖ２（例えば２００Ｖ）が印加される。次に、初期位置から３画素だけＸ軸方向にシフトさせるとき（時刻Ｔ３）は、アクチュエータに電圧Ｖ３（例えば３００Ｖ）が印加される。その後（時刻Ｔ４）、アクチュエータに印加する電圧を０Ｖに戻すことにより、アクチュエータを初期状態に復帰することができる。
【０１１１】
上記の各実施形態では、１つの偏光子アレイ１４に偏光透過軸が異なる４方向を向くように４種類の偏光子１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ、１４Ｄを配列しているが、本発明は、このような例に限定されない。図１７を参照して説明したように、偏光情報を規定する正弦波を得るためには、偏光透過軸を少なくとも３つの異なる角度に設定すればよい。図２５は、偏光透過軸方向が６０°ずつ異なる３種類の偏光子１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃが配列された偏光子アレイ１４上の移動を示している。この偏光子アレイには、偏光子が設けられてない領域か存在するが、移動のパターンは、図７に示される移動のパターンと同様である。その結果、各画素には、偏光子が設けられていない領域を透過する光も入射する。偏光子が設けられてない領域を透過する光が入射するとき、その画素からは偏光の無い光に関する輝度信号が得られる。
【０１１２】
図２６（ａ）から図２６（ｃ）は、３種類の偏光子１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃが配列された偏光子アレイ１４を用いて、Ｘ軸方向のみに沿ったシフトを行う例を示している。この場合に使用する偏光子アレイ１４には、偏光子が設けられていない画素領域は存在しない。このため、各画素には、偏光子を透過する光が入射することになる。このような偏光アレイを用いる場合、画素シフトの１周期のストロークを短くすることができるため、アクチュエータを小型しやすい利点がある。
【０１１３】
図２６（ａ）から図２６（ｃ）に示す動作を実行するとき、アクチュエータに印加させる電圧の波形例は図２７に示すとおりである。
【０１１４】
上記の各実施形態では、各画素から偏光情報を得るため、偏光透過軸が３つまたは４つの異なる方向を向いた偏光子を各光感知セル上に順次配置し、画素信号（サンプル値）を読み出しているが、本発明は、このような例に限定されない。本発明の効果は、たとえば、偏光透過軸が２つの異なる方向を有する２種類の偏光子を透過した光を各光感知セルに入射する構成を採用しても得ることが可能である。この場合、図１８に示すような輝度の変動カーブを決定する３つのパラメータを特定することはできない。しかし、たとえば、直交する偏光成分を検出することが可能であり、これも内視鏡などの技術分野で有益である。
【産業上の利用可能性】
【０１１５】
本発明の撮像素子、撮像装置は、偏光イメージング技術の種々の分野に応用され得る。たとえば、本発明の撮像素子および撮像装置は、セキュリティ、医療、通信、分析のためのキーデバイスとして有用である。
【符号の説明】
【０１１６】
１０    撮像素子（イメージセンサ）
１２    光感知セルアレイ
１２ａ〜１２ｉ    光感知セル
１４    偏光子アレイ（偏光モザイクアレイ板）
１４Ａ〜１４Ｄ    偏光子
１６    シフト装置
２０    撮影レンズ
３０    撮像素子駆動部
４０    駆動回路
１００    撮像部
１２０    垂直走査回路
１３０    水平走査回路
１６０ａ〜１６０ｄ    圧電変換素子
２００    信号処理部
２２０    画像処理部（イメージプロセッサ）
２２２    偏光度画像フレームメモリ
２２４    偏光位相画像フレームメモリ
２２６    輝度画像フレームメモリ
２４０    メモリ
２６０    インターフェース（ＩＦ）部
３００    撮像表示部
４００    記録部
５００    システム制御部
１０００    可動偏光子ユニット
１０００ａ  制御信号（リセット信号）
１０００ｂ  制御信号（電荷読み出し信号）
１００１    ベース
１００１ａ  凹部
１００１ｂ  開口部
１００２    ベース
１００２ａ  凹部
１００２ｂ  開口部
１００４ａ  リニアアクチュエータ
１００４ｂ  リニアアクチュエータ
１００５ａ  スイッチ
１００５ｂ  スイッチ
１００６ａ  高電圧源
１００６ｂ  高電圧源
１０１０    ベース
４００４ａ  櫛形ＭＥＭＳリニアアクチュエータ
４００４ｂ  櫛形ＭＥＭＳリニアアクチュエータ
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図３Ｅ】
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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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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【手続補正書】
【提出日】平成23年12月6日(2011.12.6)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の光感知セルが撮像面に沿って配列された光感知セルアレイと、
各々が偏光透過軸方向の異なるＮ個（Ｎは２以上の整数）の偏光子を含む複数の単位構造が２次元的に配列され、各光感知セルに１つの偏光子を透過した光が入射するように構成された偏光子アレイと、
前記光感知セルアレイから画素信号を読み出す回路と、
前記光感知セルアレイに対する前記偏光子アレイの位置を前記撮像面に平行な方向にシフトさせるアクチュエータと、
を備える撮像素子。
【請求項２】
撮像を行うとき、前記アクチュエータは、前記単位構造のサイズを超えない距離だけ前記偏光子アレイをシフトさせる請求項１に記載の撮像素子。
【請求項３】
前記アクチュエータは、前記光感知セルアレイの全体から蓄積電荷信号が読み出されるタイミングと同期して、前記偏光子アレイを画素単位でシフトさせ、各光感知セルに入射する光の偏光方向を変化させる、請求項１または２に記載の撮像素子。
【請求項４】
前記複数の光感知セルの各々に対して、
前記Ｎ個の偏光子の１つを透過する光を入射させるステップと、
前記偏光子アレイを画素単位でシフトさせた後、前記Ｎ個の偏光子の他の１つを透過する光を入射させるステップと、
を実行する、請求項１から３のいずれかに記載の撮像素子。
【請求項５】
前記アクチュエータは、第１の方向に前記偏光子アレイを画素単位でシフトさせる第１アクチュエータ部分と、前記第１の方向に垂直な第２方向に前記偏光子アレイを画素単位でシフトさせる第２アクチュエータ部分とを含んでおり、
前記撮像面に沿って前記偏光子アレイを周期的および２次元的に移動させる、請求項１から４のいずれかに記載の撮像素子。
【請求項６】
Ｎは３以上である、請求項１から５のいずれかに記載の撮像素子。
【請求項７】
前記アクチュエータは、前記撮像面に沿って前記偏光子アレイを周期的および直線的に移動させる、請求項１から４のいずれかに記載の撮像素子。
【請求項８】
前記偏光子アレイにおける偏光子の配列ピッチは、前記光感知セルアレイにおける光感知セルの配列ピッチに一致している、請求項１から７のいずれかに記載の撮像素子。
【請求項９】
前記偏光子アレイにおける前記複数の単位構造の各々は、前記偏光透過軸方向が４５°ずつ異なる４つの偏光子を含んでいる、請求項１から８のいずれかに記載の撮像素子。
【請求項１０】
前記偏光子アレイにおける前記複数の単位構造の各々は、前記偏光透過軸方向が６０°ずつ異なる３つの偏光子を含んでいる、請求項１から８のいずれかに記載の撮像素子。
【請求項１１】
複数の光感知セルが撮像面に沿って配列された光感知セルアレイと、各々が偏光透過軸方向の異なるＮ個（Ｎは２以上の整数）の偏光子を含む複数の単位構造が２次元的に配列され、各光感知セルに１つの偏光子を透過した光が入射するように構成された偏光子アレイと、前記光感知セルアレイに対する前記偏光子アレイの位置を前記撮像面に平行な方向にシフトさせるアクチュエータとを備える撮像素子と、
前記アクチュエータを駆動する駆動回路と、
前記撮像素子上に像を形成するための撮影レンズと、
を備える撮像装置。
【請求項１２】
前記アクチュエータは、前記光感知セルアレイの全体から蓄積電荷信号が読み出されるタイミングと同期して、前記偏光子アレイを画素単位でシフトさせ、各光感知セルに入射する光の偏光方向を変化させ、個々の光感知セルに入射した偏光方向が異なる光の輝度値を得る、請求項１１に記載の撮像装置。
【国際調査報告】
2012017600.tif 000039
2012017600.tif 000040