(57)【要約】【課題】照明を使用した場合の被写体の輝度分布のムラを低減し、撮影される画像の品質を向上させることができる撮像装置およびその光学フィルタを提供する。【解決手段】撮像装置１００は、被写体から近い順に、結像光学系１０１、光学フィルタ１０２及び、可視光及び赤外光に対する感度を有する固体撮像素子１０４を光軸を中心とするように配置すると共に、赤外光を照射する照明素子１０３を備える。照明素子１０３の光で照射された被写体からの反射光を、結像光学系１０１を通して光学フィルタ１０２上に射影した時の第一の輝度分布と、光学フィルタ１０２の赤外光における第一の透過率分布との積が、第一の輝度分布よりも均一であって、光学フィルタ１０２の可視光における第二の透過率分布が、第一の透過率分布よりも均一である。【選択図】図４
2019101319.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被写体から近い順に、結像光学系、光学フィルタ及び、第一及び第二の波長の光に対する感度を有する固体撮像素子を、結像光学系の光軸を中心とするように配置すると共に、前記第一の波長の光を照射する第一の照明素子を備える撮像装置において、
前記第一の照明素子の光で照射された前記被写体からの反射光を、前記結像光学系を通して前記光学フィルタの上に射影した時の第一の輝度分布と、前記光学フィルタの前記第一の波長における第一の透過率分布との積が、前記第一の輝度分布よりも均一であって、前記光学フィルタの前記第二の波長における第二の透過率分布が、前記第一の透過率分布よりも均一であることを特徴とする撮像装置。
【請求項２】
前記第一の波長の光は赤外光であって、前記第二の波長の光が可視光であることを特徴とする請求項１記載の撮像装置。
【請求項３】
前記光学フィルタの前記第一の波長における透過率は、前記光学フィルタの面内方向において、前記光軸の中心部ほど低いことを特徴とする請求項１又は２記載の撮像装置。
【請求項４】
前記光学フィルタが、前記第一の波長における透過率が前記第二の波長における透過率よりも低い第一の材料を含むことを特徴とする請求項３記載の撮像装置。
【請求項５】
前記光学フィルタは、前記第二の波長における透過率が前記第一の波長における透過率よりも低い第二の材料をさらに含み、前記光学フィルタの面内方向において、前記光軸の中心部ほど前記第二の材料の濃度が低いことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項６】
前記光学フィルタが、前記第一の波長における透過率が前記第二の波長における透過率よりも低い第一の金属構造から構成されることを特徴とする請求項３記載の撮像装置。
【請求項７】
前記光学フィルタは、前記第二の波長における透過率が前記第一の波長における透過率よりも低い第二の金属構造を更に含み、前記光学フィルタの面内方向において、前記光軸の中心部ほど前記第二の金属構造の数密度が低いことを特徴とする請求項６記載の撮像装置。
【請求項８】
前記第二の金属構造は、前記第一の金属構造よりも前記光学フィルタの面内方向における大きさが小さいことを特徴とする請求項７記載の撮像装置。
【請求項９】
前記結像光学系の画角の制御を可能とする制御機構および、前記光学フィルタの挿抜を行う駆動機構を更に備え、
前記制御機構により前記結像光学系の画角を第１の角度以上とした場合には前記駆動機構により前記光学フィルタを挿入し、前記制御機構により前記結像光学系の画角を前記第１の角度未満とした場合には前記駆動機構により前記光学フィルタを抜去することを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項１０】
前記光学フィルタは、前記第二の波長における透過率が一定値以下である減光フィルタであり、
前記光学フィルタの挿抜を行う駆動機構及び前記被写体の輝度を測定する測定機構を更に備え、
前記第一の照明素子を使用しない場合、前記測定機構により測定された前記被写体の輝度が第１の所定値以上の際に前記駆動機構により前記光学フィルタを挿入し、前記測定機構により測定された前記被写体の輝度が前記第１の所定値未満の際に前記駆動機構により前記光学フィルタを抜去することを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項１１】
前記第二の波長より長波長であって、前記第一の波長とは異なる第三の波長の光を照射する、前記第一の照明素子より配向角が広い第二の照明素子を更に備え、
前記第二の照明素子の光で照射された前記被写体からの反射光を、前記結像光学系を通して前記光学フィルタの上に射影した時の第二の輝度分布と、前記光学フィルタの前記第三の波長における第三の透過率分布の積が、前記第二の輝度分布と前記第一の透過率分布の積よりも均一であることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項１２】
前記結像光学系の画角の制御を可能とする制御機構を更に備え、
前記制御機構により前記結像光学系の画角を第２の角度以上とした時には前記第二の照明素子を使用し、前記制御機構により前記結像光学系の画角が前記第２の角度未満とした場合には前記第一の照明素子を使用することを特徴とする請求項１１記載の撮像装置。
【請求項１３】
前記第一の波長の方が前記第三の波長よりも波長が短いことを特徴とする請求項１１又は１２記載の撮像装置。
【請求項１４】
前記光学フィルタが、前記第一の波長における透過率が前記第二及び第三の波長における透過率よりも低い第一の金属構造および、前記第三の波長における透過率が前記第一及び第二の波長よりも低い第三の金属構造から構成されることを特徴とする請求項１３項記載の撮像装置。
【請求項１５】
前記第一の照明素子はＬＥＤにより構成されることを特徴とする請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項１６】
第一及び第二の波長の光に対する感度を有する固体撮像素子、及び前記第一の波長の光を照射する照明素子と共に用いられる、前記第一の波長における透過率が前記第二の波長における透過率よりも低い第一の材料および、前記第二の波長における透過率が前記第一の波長における透過率よりも低い第二の材料から構成された光学フィルタであって、
前記光学フィルタの面内方向において、前記光学フィルタの中心ほど、前記第一の材料の濃度が高くなっており、前記第二の材料の濃度が低くなっていることを特徴とする光学フィルタ。
【請求項１７】
第一及び第二の波長の光に対する感度を有する固体撮像素子、及び前記第一の波長の光を照射する照明素子と共に用いられる、第一の波長における透過率が第二の波長における透過率よりも低い第一の金属構造および、第二の波長における透過率が第一の波長における透過率よりも低い第二の金属構造から構成された光学フィルタであって、
前記光学フィルタの面内方向において、前記光学フィルタの中心ほど、前記第一の金属構造の数密度が高くなっており、前記第二の金属構造の数密度が低くなっていることを特徴とする光学フィルタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、撮像装置およびその光学フィルタに関し、特に照明素子により被写体の照明を行う撮像装置およびその光学フィルタに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
夜間などの暗い場所においても鮮明な被写体像を取得するために、赤外ＬＥＤなどの照明を備えた撮像装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−４１２８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、照明として完全拡散光源を用いた場合でも、コサイン４乗則によって被写体を均一な輝度で照明することは難しい。よって、指向性の強い配向分布を有しているＬＥＤなどの光源では、被写体を均一な輝度で照明することは非常に困難である。その結果、画角内の被写体の輝度分布にムラが生じ、撮影される画像の品質が低下してしまう。また、このような輝度分布のムラが大きくなると、撮影される画像に白トビや黒ツブレが生じやすくなってしまう。
【０００５】
そこで、本発明は、照明を使用した場合の被写体の輝度分布のムラを低減し、撮影される画像の品質を向上させることができる撮像装置およびその光学フィルタ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】
本発明の請求項１に係る撮像装置は、被写体から近い順に、結像光学系、光学フィルタ及び、第一及び第二の波長の光に対する感度を有する固体撮像素子を、結像光学系の光軸を中心とするように配置すると共に、前記第一の波長の光を照射する第一の照明素子を備える撮像装置において、前記第一の照明素子の光で照射された前記被写体からの反射光を、前記結像光学系を通して前記光学フィルタの上に射影した時の第一の輝度分布と、前記光学フィルタの前記第一の波長における第一の透過率分布との積が、前記第一の輝度分布よりも均一であって、前記光学フィルタの前記第二の波長における第二の透過率分布が、前記第一の透過率分布よりも均一であることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、照明を使用した場合の被写体の輝度分布のムラを低減し、撮影される画像の品質を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施形態１に係る撮像装置のハードウェア構成を示す図である。
【図２】図１における照明素子からの光で照射された被写体からの反射光の、撮像装置の画角内における輝度分布を示すグラフである。
【図３】図１における光学フィルタの構成を示す図である。
【図４】図３の光学フィルタの透過率分布を示す図である。
【図５】図１における結像光学系及び光学フィルタを介した被写体からの反射光の輝度分布を示すグラフである。
【図６】本発明の実施形態１に係る光学フィルタの変形例の構成を示す図である。
【図７】本発明の実施形態２に係る光学フィルタの構成を示す図である。
【図８】図７における光学フィルタの透過率分布を示す図である。
【図９】本発明の実施形態３に係る撮像装置のハードウェア構成を示す図である。
【図１０】図９における照明素子の輝度分布と結像光学系の画角の関係を示す図である。
【図１１】図７における、照明素子を使用して撮影を行う場合の、結像光学系のズーム状態、光学フィルタの挿抜、及び画角内の被写体の輝度分布の関係を説明する図である。
【図１２】本発明の実施形態３における、照明素子のＯＮ／ＯＦＦ条件、光学フィルタの挿抜条件、及び赤外カットフィルタの挿抜条件を説明するための図である。
【図１３】本発明の実施形態４に示す撮像装置のハードウェア構成を示す図である。
【図１４】図１３における照明素子による輝度分布を示すグラフである。
【図１５】図１３における光学フィルタの構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図を用いて、本発明の実施形態における撮像装置について説明する。その際、全ての図において同一の機能を有するものは同一の数字を付け、その繰り返しの説明は省略する。
【００１０】
（実施形態１）
図１は、本実施形態に係る撮像装置のハードウェア構成を示す図である。
【００１１】
図１において、撮像装置１００は、結像光学系１０１、光学フィルタ１０２、照明素子１０３、固体撮像素子１０４、制御部１０５から構成される。また、不図示であるが、ＲＯＭとの記憶媒体やＲＡＭ等のワークメモリを撮像装置１００は有する。
【００１２】
被写体から近い順に、結像光学系１０１、光学フィルタ１０２、及び固体撮像素子１０４が光軸を中心とするように配置されている。すなわち、光学フィルタ１０２は固体撮像素子１０４よりも光の入射側に設けられている。光学フィルタ１０２および固体撮像素子１０４は結像光学系１０１の光軸上に配置される。より具体的には、光学フィルタ１０２の面内方向（ＸＹ方向）における中心と、固体撮像素子１０４における有効画素領域の面内方向（ＸＹ方向）における中心が一致するように配置される。また、制御部１０５は固体撮像素子１０４を駆動するとともに、固体撮像素子１０４で取得された画素信号を読み出し、画像を撮像する。
【００１３】
照明素子１０３は、第一の波長の光を照射する光源であり、例えばＡｌＧａＡｓなどの化合物半導体材料から構成されるＬＥＤである。第一の波長の光は赤外光であって、固体撮像素子１０４は第二の波長の光（可視光）だけでなく、赤外光に対しても感度を有する。例えば、固体撮像素子１０４がシリコンで構成されている場合、第一の波長は７００ｎｍ以上１１００ｎｍ未満の波長である。照明素子１０３のＯＮ／ＯＦＦおよび、その光の強度は、制御部１０５によって制御される。
【００１４】
照明素子１０３は構成されるＬＥＤの構造を反映して、ＬＥＤの表面に垂直な方向（図１に図示するＺ軸方向）に強い指向性を有する配向分布を有している。
【００１５】
尚、撮像装置１００は、インターネット等の外部のネットワークと接続するための通信部を有するネットワークカメラであってもよい。
【００１６】
図２は、照明素子１０３からの光で照射された被写体からの反射光の、撮像装置１００の画角内における輝度分布を示すグラフである。なお、図２では輝度分布を２次元で例示しているが、実際の撮像１００の画角内における輝度分布は光軸に対して回転対称となる。
【００１７】
図２よりわかるように、照明素子１０３の配向分布を反映して、中心画角での輝度が大きく、周辺画角での輝度が小さくなっている。
【００１８】
尚、照明素子１０３は、本実施形態のような指向性の高いＬＥＤにより構成される場合に限定されず、それ以外の赤外光源であってもよい。
【００１９】
以下、光学フィルタ１０２の透過率分布を制御することで、照明素子の配向分布を反映した、被写体の輝度分布のムラを抑制する方法について説明する。
【００２０】
図３は、光学フィルタ１０２の構成を示す図である。
【００２１】
光学フィルタ１０２は、第二の波長の光（可視光）を透過し、第一の波長の光（赤外光）を選択的に吸収する第一の材料、例えば、ジイモニウムやフタロシアニンなどの色素１１０を含む透明樹脂から構成されている。尚、光学フィルタ１０２の透明樹脂内に含まれる材料は、第一の波長の光における透過率が、第二の波長の光における透過率よりも低い材料であれば、色素１１０に限定されない。また、光学フィルタ１０２を構成する透明樹脂は、第一の波長の光（赤外光）及び第二の波長の光（可視光）を共に透過するものであれば特に限定されない。
【００２２】
そして、光学フィルタ１０２内の色素１１０の濃度分布は不均一となるようになっている。具体的には、光軸に近い光学フィルタ１０２の中心部ほど濃度が高く、周辺部ほど濃度が低くなっている。図３では、色素１１０の濃度が高い部分ほど黒い色を付すことで、光学フィルタ１０２内の色素１１０の濃度を表現している。
【００２３】
図４は、光学フィルタ１０２の透過率分布を示す図である。
【００２４】
図４（ａ）は、第一の波長の光（赤外光）における透過率分布を、図４（ｂ）は第二の波長の光（可視光）における透過率分布を示す。透過率のスケールは図４（ａ）、図４（ｂ）において同一である。図４よりわかるように、色素１１０の濃度分布を反映して、第一の波長の光においては、光学フィルタの中心部ほど透過率が低く、周辺部ほど透過率が高くなっている。一方、色素１１０は第二の波長の光を選択的に透過するため、第二の波長の光においては、光学フィルタの透過率分布は均一に近い。即ち、本発明に示す光学フィルタ１０２は、第一の波長における透過率分布よりも、第二の波長における透過率分布の方が均一になっている。
【００２５】
図５は、結像光学系１０１および光学フィルタ１０２を介した被写体からの反射光の輝度分布を示すグラフである。
【００２６】
図５（ａ）は、夜間などに暗い場所において照明素子１０３で被写体の照明を行った状態で撮影した場合であって、主に赤外光が反射光となる時の輝度分布である。一方、図５（ｂ）は、晴天下の昼間などに照明素子１０３を使用せずに撮影した場合で、主に可視光が反射光となる時の輝度分布である。
【００２７】
図５（ａ）よりわかるように、画角の中心ほど輝度が大きい照明素子１０３に対して、画角の中心ほど透過率の低い光学フィルタ１０２を組み合わせることで、照明素子１０３を使用して撮影した場合の、被写体の輝度分布のムラを低減させることができる。また、図５（ｂ）よりわかるように、照明素子１０３を使用せずに撮影した場合は、被写体の輝度分布を、ほぼ均一のままとすることができる。
【００２８】
このように、撮像装置１００では、赤外光を選択的に吸収し、可視光を選択的に透過する材料の濃度分布を制御することで、光学フィルタ１０２の透過率分布を波長によって異ならせている。その結果、照明素子１０３を使用して撮影した場合の、照明素子１０３に起因する被写体の輝度ムラを抑制する一方、照明素子１０３を使用せずに撮影した場合にも輝度ムラを悪化させずに撮影することが可能となっている。
【００２９】
なお、図５（ｂ）よりわかるように、照明素子１０３を使用せずに撮影した場合の被写体の輝度分布のムラは小さいが、完全に均一ではない。そのため、可視光を吸収し、赤外光を透過する、メタクリル樹脂等の樹脂１１１の濃度分布を制御して、更に輝度ムラを低減しても良い。具体的には、後述する図６（ａ）のように、光学フィルタ１０２の中心部ほど樹脂１１１の濃度が低く、周辺部ほど樹脂１１１の濃度が高くなるような構成とすれば良い。これにより、光学フィルタ１０２の第二の波長における透過率は、光学フィルタ１０２の面内方向において、光軸の中心部ほど高くなり、図５（ｂ）に示す輝度ムラをより小さくすることができる。
【００３０】
図６は、本実施形態に係る光学フィルタ１０２の変形例の構成を示す図である。
【００３１】
図６に示すように、樹脂１１１は光学フィルタ１０２の周辺部分ほど濃度を高く、その中央部分ほど濃度を低くなるように光学フィルタ１０２上に塗布されている。即ち、第二の波長の光における透過率が第一の波長の光における透過率よりも低い第二の材料として樹脂１１１を用いる際、光学フィルタ１０２の面内方向における濃度分布の大小関係は第一の材料（色素１１０）と逆転した関係となる。このような構成とすることで、更に輝度ムラを低減することができるため好ましい。
【００３２】
また、図６（ｂ）のように、樹脂１１１の光学フィルタ１０２の単位面積当たりに含まれる濃度を一定量以上に制御することで、可視光における光学フィルタ１０２の透過率の絶対値を制御しても良い。すなわち、光学フィルタ１０２の可視光の透過率を一定値以下となるよう制御することで、光学フィルタ１０２に対して、以下の二つの機能を同時に持たせることができる。即ち、前述した、照明素子１０３を使用した場合の被写体の輝度ムラを低減する機能に加えて、照明素子１０３を使用しない場合の、固体撮像素子１０４に入射する光量を調整する、減光フィルタとしての機能である。
【００３３】
光学フィルタ１０２を減光フィルタとしても使用する場合、光学フィルタ１０２を挿抜可能な駆動機構及び被写体の輝度を測定する測定機構を設け、照明素子１０３を使用しない場合には、被写体の輝度に応じて、光学フィルタ１０２を挿抜する。具体的には、測定機構で測定された被写体の輝度が第１の所定値以上と高い場合には光学フィルタ１０２を挿入し、測定機構で測定された被写体の輝度が第２の所定値未満と低い場合には光学フィルタ１０２を抜去する。これにより、撮像装置１００で撮像された画像の白トビや黒ツブレを抑制することができるため好ましい。なお、測定機構として、固体撮像素子１０４とは別の測定機構を有していても良いし、固体撮像素子１０４で取得した画像から、被写体の輝度を測定しても良い。
【００３４】
ここで、第１の所定値及び第２の所定値は撮像装置１００の出荷時に同一の値に設定されているデフォルト値であり、且つ測定機構で測定できる範囲の値であればそれらの値は特に限定されない。また、第１の所定値及び第２の所定値を異なる値とし、ヒステリシスを持たせても良い。第１の所定値及び第２の所定値が同一の値である場合、被写体の輝度がその値近傍で変動するたびに光学フィルタ１０２の挿抜が行われるため、フレーム毎の画素信号の変動が大きくなってしまう。一方、第１の所定値及び第２の所定値を異なる値とし、ヒステリシスを持たせると、画素信号の変動を抑制することができるため、好ましい。
【００３５】
以上の説明では、照明素子１０３から照射される光の被写体からの反射光の輝度分布が、画角の中心ほど輝度が大きく、周辺ほど小さくなる場合を示した。また、光学フィルタ１０２の透過率分布として、赤外光では、画角の中心ほど透過率が高く、可視光では画角によらずほぼ均一になっている場合を示した。しかし、必ずしもこのような構成でなくても良い。例えば、光学フィルタ１０２の第二の波長の光（可視光）における第二の透過率分布が、光学フィルタ１０２の第一の波長の光（赤外光）における第一の透過率分布よりも均一であればよい。そして、照明素子１０３の光で照射された被写体からの反射光を、結像光学系１０１を通して光学フィルタ１０２上に射影した時の第一の輝度分布（図２）と、第一の透過率分布（図４（ａ））の積（図５（ａ））が、第一の輝度分布よりも均一であればよい。なお、分布が均一であるとは、面内における標準偏差が小さいことを意味する。
【００３６】
このような構成とすることで、光学フィルタ１０２を使用せずに照明素子１０３を使用した場合の被写体の輝度分布よりも、光学フィルタ１０２と照明素子１０３を共に使用した場合の被写体の輝度分布を均一にすることができる。
【００３７】
更に、照明素子１０３を使用せずに光学フィルタ１０２を使用した際の、第一の波長における輝度分布よりも、第二の波長における輝度分布も均一にすることができる。その結果、照明素子１０３に起因する被写体の輝度ムラを抑制しつつ、照明素子１０３を使用しない場合の被写体の輝度ムラの悪化を低減することができる。
【００３８】
なお、図１では光学フィルタ１０２が結像光学系１０１と固体撮像素子１０４の間に設けられている場合を示したが、光学フィルタ１０２が結像光学系１０１の内部に設けられていても良いし、結像光学系１０１よりも光の入射側に設けられていても良い。
【００３９】
また、結像光学系１０１、光学フィルタ１０２、照明素子１０３が、各々交換可能な構成であっても良い。照明素子１０３を使用した際の被写体の輝度ムラは、照明素子１０３の配向特性および結像光学系の結像特性によって決定される。そのため、使用する結像光学系や照明素子に合わせて光学フィルタを交換すれば、使用する結像光学系や照明素子によらず、被写体の輝度ムラが低減できるため、好ましい。
【００４０】
（実施形態２）
実施形態２に示す撮像装置２００は、実施形態１に示す撮像装置１００に対し、光学フィルタの構成のみが異なる。
【００４１】
図７は、本実施形態に係る光学フィルタ２０２の構成を示す図である。
【００４２】
図７（ａ）は、光学フィルタ２０２を＋Ｚ方向から見た上面図、図７（ｂ）は、光学フィルタ２０２のＸＺ平面の断面図である。光学フィルタ２０２は、絶縁膜２１０上に第一の金属構造２１１が配置された構成からなっている。
【００４３】
図７（ａ），（ｂ）に示すように、光学フィルタ２０２の上には、ＳｉＯ２から構成された絶縁膜２１０内に、Ａｕから構成された、ＸＹ方向の形状が一辺５０ｎｍの正方形、Ｚ方向の厚みが５ｎｍの直方体の形状を有する、第一の金属構造２１１が形成される。
【００４４】
但し、絶縁膜はＳｉＮやＨｆＯ２などの材料から構成されていても良いし、金属構造はＡｇやＡｌなどの材料から構成されていても良い。また、金属構造が直方体ではなく、他の多角形であっても良いし、角は丸みを帯びていても良い。更に、球や円柱などの形状であっても良い。更に、第一の金属構造２１１が絶縁膜２１０内に埋め込まれていても良い。金属構造はリソグラフィとエッチングで製造することもできるし、塗布などによって製造することもできる。
【００４５】
金属構造はその大きさに応じてプラズモン共鳴を生じるため、第一の金属構造２１１がプラズモン共鳴を生じる周波数に対して、光学フィルタ２０２の透過スペクトルにはディップが現れる。
【００４６】
図８は、光学フィルタ２０２の透過率分布を示す図である。
【００４７】
図８において、光学フィルタ２０２は、配置される第一の金属構造２１１においてプラズモン共鳴が生じる結果、赤外光である７５０ｎｍ付近においてその透過スペクトルにディップが現れる。即ち、第一の金属構造２１１が配置される結果、光学フィルタ２０２は、第一の波長の光における透過率が、第二の波長の光における透過率よりも低くなる。
【００４８】
また、第一の金属構造２１１の数密度は、図７（ａ）に示すように、面内方向（ＸＹ方向）で不均一になっている。具体的には、光学フィルタ２０２の中心部ほど数密度が高く、周辺部ほど数密度が低くなっている。このような構成とすることにより、第一の波長の光（赤外光）においては、光学フィルタ２０２の中心部ほど透過率が低く、周辺部ほど透過率が高くなる。一方、第一の金属構造２１１は可視光を選択的に透過するため、第二の波長の光（可視光）においては、光学フィルタ２０２の透過率分布は均一になっている。即ち、光学フィルタ２０２は、赤外光における透過率分布よりも、可視光における透過率分布の方が均一になっている。
【００４９】
その結果、画素の中心ほど輝度が大きい照明素子１０３に対して、光学フィルタ２０２を使用することで、照明素子１０３を使用して撮影した場合の、被写体の輝度分布のムラを低減させることができる。また、照明素子１０３を使用せずに撮影した場合は、被写体の輝度分布を、ほぼ均一のままとすることができる。
【００５０】
本実施形態のように金属構造を用いた光学フィルタ２０２の場合でも、実施形態１のように色素１１０を用いた光学フィルタ１０２と同様に、可視光における透過率分布も制御するようにしても良い。この場合、例えば、金属構造の大きさによってプラズモン共鳴が生じる波長を制御できるため、第二の波長の光における透過率が第一の波長の光における透過率よりも低い第二の金属構造を用いて、可視光における透過率分布を制御してもよい。ここで、第二の金属構造とは、第一の金属構造２１１よりも面内方向（ＸＹ方向）の大きさが小さい金属構造である。このような第二の金属構造の数密度を、光学フィルタ１０２の面内方向において、結像光学系の光軸に近い中心部ほど低くさせることにより、可視光における透過率分布を制御することができる。また、実施形態１と実施形態２の構成を組み合わせて、色素１１０と第一の金属構造、第二の金属構造を混合して使用しても良い。
【００５１】
（実施形態３）
実施形態３では、結像光学系のズーム状態に応じて、光学フィルタの挿抜を行う撮像装置について説明する。
【００５２】
本実施形態に係る撮像装置３００は、実施形態１に示す撮像装置１００に対し、結像光学系３０１の画角の制御を可能とする制御機構３０７および、光学フィルタ３０２の挿抜を行う駆動機構３０８を備える点が異なる。
【００５３】
図９は、本実施形態に係る撮像装置３００のハードウェア構成を示す図である。
【００５４】
固体撮像素子３０４、制御機構３０７、駆動機構３０８の動作は、制御部３０５によって制御される。
【００５５】
撮像装置３００においては、光学フィルタ３０２の透過率分布を、照明素子３０３を使用した状態でズーム状態がワイド側の時に、結像光学系３０１および光学フィルタ３０２を介した被写体の輝度分布が均一になるように設計する。そして、結像光学系３０１のズーム状態がテレ側の場合には光学フィルタ３０２を抜去する。このような構成とすることにより、結像光学系３０１のズーム状態によらず、画角内の被写体の輝度分布のムラを低減することができる。以下、具体的に説明する。
【００５６】
図１０は、照明素子３０３の輝度分布と結像光学系３０１の画角の関係を示す図である。
【００５７】
図１０に示すように、制御機構３０７により結像光学系３０１の画角を第１の角度以上に広げた（ズーム状態がワイド側である）場合、画角内の輝度分布のムラは大きい。一方、制御機構３０７により結像光学系３０１の画角を第１の角度未満に狭めた（ズーム状態がテレ側である）場合、画角内の輝度分布のムラは小さい。
【００５８】
ここで、第１の角度は撮像装置１００の出荷時に設定されているデフォルト値であり、撮像装置１００で設定可能な画角であればその値は特に限定されない。なお、第１の角度をユーザーが指定可能であっても良い。また、ズーム状態をテレ側からワイド側に変更する場合と、ワイド側からテレ側に変更する場合とで、第１の角度を異なる値にしても良い。すなわち、第１の角度にヒステリシスを設けることで、結像光学系３０１の画角が、ズーム状態に遷移したことを判定する第１の角度とワイド状態に遷移したことを判定する第１の角度が実質的に異なる構成であってもよい。
【００５９】
次に、本実施形態に係る、結像光学系３０１の画角がワイド側、テレ側の時に、光学フィルタ３０２を挿抜した際の、画角内の被写体の輝度分布を説明する。
【００６０】
図１１は、照明素子３０３を使用して撮影を行う場合の、結像光学系３０１のズーム状態、光学フィルタ３０２の挿抜、及び画角内の被写体の輝度分布の関係を説明する図である。
【００６１】
図１１（ｂ）よりわかるように、ズーム状態がワイド側の時は、光学フィルタ３０２が抜去されている場合、中心ほど輝度が高い照明素子３０３による輝度ムラが生じる。これに対し、図１１（ａ）に示すように、周辺ほど透過率の高い光学フィルタ３０２を挿入することで画角内の被写体の輝度ムラを低減することができる。
【００６２】
一方、図１１（ｄ）よりわかるように、ズーム状態がテレ側の時は、光学フィルタ３０２が抜去されている場合であっても、照明素子３０３による輝度ムラが小さい。このため、図１１（ｃ）に示すように、光学フィルタ３０２を挿入した場合、画角の周辺ほど輝度が高くなるような輝度ムラが発生してしまう。
【００６３】
従って、ズーム状態がワイド側の場合には光学フィルタ３０２を挿入し、テレ側の場合には光学フィルタ３０２を抜去することにより、ズーム状態によらず、被写体の輝度ムラを低減させることができる。
【００６４】
なお、照明素子３０３を使用せずに撮影を行う場合には、照明素子３０３による被写体の輝度ムラが発生しないため、ズーム状態によらずに、光学フィルタ３０２を抜去して撮影を行う方が好ましい。
【００６５】
次に、光学フィルタ３０２は、図６（ｂ）に示すように減光フィルタとしての機能も併せ持ち、且つ赤外カットフィルタ３０６及びその挿抜を行う不図示の駆動機構を持つ場合について説明する。この場合、その不図示の駆動機構の動作は制御部３０５によって制御される。
【００６６】
図１２は、本実施形態における、照明素子３０３のＯＮ／ＯＦＦ条件、光学フィルタ３０２の挿抜条件、および赤外カットフィルタ３０６の挿抜条件を説明するための図である。
【００６７】
図１２において、赤外カットフィルタ３０６は、光学フィルタ３０２より光の入射側に設けられ、第二の波長の光（可視光）を選択的に透過し、第一の波長の光（赤外光）を選択的に吸収するフィルタである。赤外カットフィルタ３０６は、可視光による信号を固体撮像素子３０４において検出する第二の撮影モードにおいて、撮影される画像の色ムラを低減するために使用する。
【００６８】
第二の撮影モードにおいては、結像光学系３０１のズーム状態によらず、赤外カットフィルタ３０６を挿入し、照明素子３０３はＯＦＦにして使用する。さらに、被写体の輝度が高い場合には減光フィルタとしての機能を有する光学フィルタ３０２を挿入し、被写体の輝度が低い場合には光学フィルタ３０２を抜去する。
【００６９】
一方、赤外光による信号を固体撮像素子３０４において検出する第一の撮影モードにおいては、赤外カットフィルタ３０６を抜去する。そして、被写体の輝度が高い場合には結像光学系３０１のズーム状態によらず、照明素子３０３を使用せず、光学フィルタ３０２を抜去する。被写体の輝度が低い場合には照明素子３０３を使用し、結像光学系３０１のズーム状態がワイド側の場合には光学フィルタ３０２を挿入し、テレ側の場合には光学フィルタ３０２を抜去する。
【００７０】
このように、条件に応じて照明素子３０３のＯＮ／ＯＦＦ、光学フィルタ３０２および赤外カットフィルタ３０６の挿入／抜去を行う。これにより、第一／第二の撮影モード、結像光学系３０１のズーム状態、被写体の輝度によらず、撮影される画像の品質を向上させることができる。
【００７１】
（実施形態４）
実施形態４では、結像光学系のズーム状態に応じた複数の照明素子を備えた撮像装置について説明する。本実施形態に示す撮像装置４００は、実施形態３に示す撮像装置３００に対し、駆動機構３０８を備えない点および、異なる光学フィルタ４０２と照明素子４０９を別途有する点が異なる。
【００７２】
図１３は、本実施形態に示す撮像装置のハードウェア構成を示す図である。
【００７３】
図１３に示すように、固体撮像素子４０４、結像光学系４０１のズーム状態を制御する制御機構４０７の動作は、制御部４０５によって制御される。
【００７４】
また、本実施形態に示す撮像装置４００は、第一の波長の光を照射する照明素子４０３に加えて、照明素子４０３より配向角が広い、第三の波長の光を照射する照明素子４０９を有する。第三の波長は、第二の波長より長波長であって、第一の波長と異なる長波長である、固体撮像素子４０４が感度を有する赤外光の波長である。本実施形態では、第一の波長が７５０ｎｍであって、第三の波長が９００ｎｍである場合を示す。照明素子４０３，４０９のそれぞれが照射する光の波長は、これらを構成するＬＥＤの化合物半導体の組成によって制御できる。
【００７５】
図１４は、異なる波長の光を照射する照明素子４０３，４０９による輝度分布と結像光学系４０１の画角の関係を示す図である。図１４（ａ）は結像光学系４０１のズーム状態がワイド側の場合、図１４（ｂ）は結像光学系４０１のズーム状態がテレ側の場合を示す。
【００７６】
図１４（ａ）に示すように、結像光学系４０１の画角を第２の角度以上に広げた（ズーム状態がワイド側である）場合には、照明が必要な画角が広いため、配向角の広い照明素子４０９を使用する。一方、図１４（ｂ）に示すように、結像光学系４０１の画角を第２の角度未満に狭めた（ズーム状態がテレ側である）場合には、照明が必要な画角が狭いため、配向角の狭い照明素子４０３を使用する。
【００７７】
ここで、第２の角度は撮像装置４００の出荷時に設定されているデフォルト値であり、且つ撮像装置４００で設定可能な画角であればその値は特に限定されない。
【００７８】
このように、撮像装置４００は、結像光学系４０１のズーム状態に応じて、配向角の異なる照明素子４０３，４０９を使い分けている。
【００７９】
図１５は、本実施形態に係る光学フィルタ４０２の構成を示す図である。
【００８０】
図１５（ａ）に示すように、光学フィルタ４０２は絶縁膜４１０と、第一の波長の光を選択的に吸収する第一の金属構造４１１と、第三の波長の光を選択的に吸収する第三の金属構造４１２から構成される。すなわち、第一の金属構造４１１は、第一の波長における透過率が第二の波長及び第三の波長における透過率よりも低く、第三の金属構造４１２は、第三の波長における透過率が第一の波長及び第二の波長よりも低い。
【００８１】
具体的には、第一の金属構造４１１はＸＹ方向の形状が一辺５０ｎｍの正方形、第三の金属構造４１２はＸＹ方向の形状が一辺７０ｎｍの正方形である。また、第一の金属構造４１１及び第三の金属構造４１２は共に厚みは５ｎｍであり、Ａｕから形成されている。
【００８２】
前述したように、金属構造はその大きさに応じたプラズモン共鳴を生じるため、金属構造の大きさを制御することで光学フィルタ４０２において吸収される波長を制御することができる。即ち、第三の金属構造４１２のＸＹ方向の正方形の１辺の大きさを第一の金属構造４１１より大きくすることにより、第一の金属構造４１１の第一の波長における透過率を、第一の金属構造４１１の第三の波長における透過率よりも低くすることができる。また、第三の金属構造４１２の第三の波長における透過率を、第三の金属構造４１２の第一の波長における透過率よりも低くすることができる。
【００８３】
第一の金属構造４１１、第三の金属構造４１２は、ズーム状態がテレ側の時の照明素子４０３による輝度ムラおよび、ズーム状態がワイド側の時の照明素子４０９による輝度ムラを抑制できるように、光学フィルタ４０２内に不均一に分布されている。具体的には、図１５（ｂ）に示すような濃度分布となっている。このような構成とすることで、第一の波長における光学フィルタ４０２の透過率分布と、第三の波長における光学フィルタ４０２の透過率分布を独立に制御することが可能となる。
【００８４】
このように、実施形態４に示す撮像装置４００では、異なる波長の照明素子４０３，４０９を使用し、光学フィルタ４０２の透過率分布を波長毎に制御する。これにより、結像光学系４０１のズーム状態及び各照明素子４０３，４０９の配向分布によらず、被写体の輝度分布を均一にすることができる。
【００８５】
図１４では、画角の中心ほど輝度が高くなる、第三の波長の光を照射する照明素子４０９の例を示したが、これに限るものではない。照明素子４０９で照射された被写体からの反射光を、結像光学系４０１を通して光学フィルタ４０２上に射影した時の第二の輝度分布と、光学フィルタ４０２の第三の波長における第三の透過率分布の積を求める。そして、第二の輝度分布と、光学フィルタ４０２の第一の波長の光における第一の透過率分布の積を求める。そして、前者の積の方が後者の積よりも均一であればよい。このような構成とすることにより、単一の光学フィルタ４０２を用いて、照明素子４０３を使用した場合の被写体の輝度分布を均一化しつつ、照明素子４０９を使用した場合の輝度ムラを抑制することができる。
【００８６】
また、図１５では、第一の金属構造４１１と第三の金属構造４１２が、同一の面内に配置された例を示したが、第一の金属構造４１１と第三の金属構造４１２を積層して配置しても良い。また、金属構造ではなく、吸収波長の異なる複数の色素を用いても良い。
【００８７】
なお、以上ではズーム状態がテレ側の時に使用する照明素子４０３の光の波長（第一の波長）の方が、ズーム状態がワイド側の時に使用する照明素子４０９の光の波長（第三の波長）よりも、短い場合を示したが、第三の波長が第一の波長よりも短くても良い。但し、第一の波長の方が第三の波長よりも短い方が好ましい。以下で理由を説明する。
【００８８】
ズーム状態をテレ側にして撮影する場合の方が、ズーム状態をワイド側にして撮影する場合よりも、被写体が遠くに位置している場合が多いため、ズーム状態がテレ側の場合の方が、撮影される画像の信号強度が小さくなってしまう。一方、一般に、光の波長が短いほど、固体撮像素子の感度が高い。
【００８９】
従って、ズーム状態がテレ側で画像の信号強度が必要な場合に、波長の短い照明素子４０３を使用し、ズーム状態がワイド側で画像の信号強度をそれほど必要としない場合に、波長の長い照明素子４０９を使用する方が、好ましい。即ち、第一の波長の方が第三の波長よりも短い方が、ズーム状態によらず、品質の高い画像が撮影できるため、好ましい。
【符号の説明】
【００９０】
１００，２００，３００，４００  撮像装置
１０１，３０１，４０１  結像光学系
１０２，２０２，３０２，４０２  光学フィルタ
１０３，３０３，４０３，４０９  照明素子
１０４，３０４，４０４  固体撮像素子
１０５，３０５，４０５  制御部
１１０  色素
１１１  樹脂
２１０  絶縁膜
２１１，４１１，４１２  金属構造
３０６  赤外カットフィルタ
３０７，４０７  制御機構
３０８  駆動機構
【図１】
2019101319.tif 000003
【図２】
2019101319.tif 000004
【図３】
2019101319.tif 000005
【図４】
2019101319.tif 000006
【図５】
2019101319.tif 000007
【図６】
2019101319.tif 000008
【図７】
2019101319.tif 000009
【図８】
2019101319.tif 000010
【図９】
2019101319.tif 000011
【図１０】
2019101319.tif 000012
【図１１】
2019101319.tif 000013
【図１２】
2019101319.tif 000014
【図１３】
2019101319.tif 000015
【図１４】
2019101319.tif 000016
【図１５】
2019101319.tif 000017