(57)【要約】【課題】  液晶素子を用いた液晶シャッタにおいて従来よりもシャッタ秒時を短くする。【解決手段】  撮像装置は、入射光のうち第１の偏光を透過させる偏光板と、偏光分離素子と、反射型液晶素子と、撮像素子とを備える。偏光分離素子は、第１の偏光を反射して第１の偏光の光路を屈曲させるとともに、第１の偏光と偏光方向が直交する第２の偏光を透過させる。反射型液晶素子は、偏光分離素子から入射する第１の偏光を反射するとともに、電圧の印加に応じて第１の偏光を第２の偏光に変換する。撮像素子は、反射型液晶素子で偏光方向が変換された光束による結像を撮像する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光のうち第１の偏光を透過させる偏光板と、
前記第１の偏光を反射して前記第１の偏光の光路を屈曲させるとともに、前記第１の偏光と偏光方向が直交する第２の偏光を透過させる偏光分離素子と、
前記偏光分離素子から入射する前記第１の偏光を反射するとともに、電圧の印加に応じて前記第１の偏光を前記第２の偏光に変換する反射型液晶素子と、
前記反射型液晶素子で偏光方向が変換された光束による結像を撮像する撮像素子と、
を備えることを特徴とする撮像装置。
【請求項２】
請求項１に記載の撮像装置において、
前記反射型液晶素子は、強誘電性液晶素子であることを特徴とする撮像装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の撮像装置において、
前記偏光分離素子を隔てて前記反射型液晶素子に対向して配置され、前記第２の偏光を円偏光に変換する位相板と、
前記位相板から射出される光を反射する凹面鏡と、をさらに備え、
前記撮像素子は、前記偏光分離素子を隔てて前記偏光板に対向して配置されることを特徴とする撮像装置。
【請求項４】
入射光のうち第１の偏光を透過させる偏光板と、
前記第１の偏光を反射して前記第１の偏光の光路を屈曲させるとともに、前記第１の偏光と偏光方向が直交する第２の偏光を透過させる偏光分離素子と、
前記偏光分離素子から入射する前記第１の偏光を反射するとともに、電圧の印加に応じて前記第１の偏光を前記第２の偏光に変換する反射型液晶素子と、
を備えることを特徴とする電子シャッタ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、撮像装置および電子シャッタ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、偏光方向が直交する２枚の偏光板の間に透過型液晶素子を配置し、透過型液晶素子への電圧の印加によって遮光状態を制御する液晶シャッタが知られている（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】特開平１１−２４０９８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、透過型液晶素子の立ち上がりおよび立ち下がりの応答には、例えば数ミリ秒から数十ミリ秒の応答時間がかかる。そのため、透過型液晶素子を用いた液晶シャッタでは、カメラのシャッタ秒時としては数百分の１秒程度が限界となってしまうため、高速なシャッタ秒時を実現することが困難であった。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
一つの観点による撮像装置は、入射光のうち第１の偏光を透過させる偏光板と、偏光分離素子と、反射型液晶素子と、撮像素子とを備える。偏光分離素子は、第１の偏光を反射して第１の偏光の光路を屈曲させるとともに、第１の偏光と偏光方向が直交する第２の偏光を透過させる。反射型液晶素子は、偏光分離素子から入射する第１の偏光を反射するとともに、電圧の印加に応じて第１の偏光を第２の偏光に変換する。撮像素子は、反射型液晶素子で偏光方向が変換された光束による結像を撮像する。
【０００６】
一つの観点による電子シャッタ装置は、入射光のうち第１の偏光を透過させる偏光板と、偏光分離素子と、反射型液晶素子とを備える。偏光分離素子は、第１の偏光を反射して第１の偏光の光路を屈曲させるとともに、第１の偏光と偏光方向が直交する第２の偏光を透過させる。反射型液晶素子は、偏光分離素子から入射する第１の偏光を反射するとともに、電圧の印加に応じて第１の偏光を第２の偏光に変換する。
【発明の効果】
【０００７】
本件開示の撮像装置および電子シャッタ装置によれば、液晶素子を用いた液晶シャッタにおいて従来よりもシャッタ秒時を短くできる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】第１実施形態の電子カメラの構成例を示す図
【図２】第１実施形態での偏光変換を示す図
【図３】（ａ）：強誘電性液晶の分子配向状態を示す図、（ｂ）：比較例としてネマティック液晶の分子配向状態を示す図
【図４】（ａ）：電界を印加するときの強誘電性液晶の動きを示す図、（ｂ）：比較例として電界を印加するときのネマティック液晶の動きを示す図
【図５】第１実施形態において反射型液晶素子に電圧が印加されていない状態（液晶シャッタが閉の状態）を示す図
【図６】第１実施形態において反射型液晶素子に電圧が印加されている状態（液晶シャッタが開の状態）を示す図
【図７】第２実施形態の電子カメラの構成例を示す図
【図８】第２実施形態での偏光変換を示す図
【発明を実施するための形態】
【０００９】
＜第１実施形態の説明＞
図１は、本件開示の撮像装置および電子シャッタ装置の一例である第１実施形態の電子カメラの構成例を示す図である。また、図２は、第１実施形態での偏光変換を示す図である。
【００１０】
第１実施形態の電子カメラ１００は、撮像光学系１１と、偏光板１２と、偏光ビームスプリッタ１３と、反射型液晶素子１４と、λ／４波長板１５と、凹面鏡１６と、撮像素子１７と、制御部１８とを有する。
【００１１】
撮像光学系１１は、例えばズームレンズやフォーカスレンズを含む複数のレンズを有している。簡単のため、図１では、撮像光学系１１を１枚のレンズで示す。なお、撮像光学系１１は、電子カメラ１００に対して交換可能であってもよく、電子カメラ１００に組み込まれて一体化されていてもよい。
【００１２】
偏光板１２は、撮像光学系１１と偏光ビームスプリッタ１３との間に配置され、自然光（非偏光）のうちから特定方向に振動する直線偏光を選択的に透過させる光学部材である。一例として、偏光板１２はＰ波を透過させる。なお、以下の説明では、偏光板１２を透過する偏光方向の直線偏光（Ｐ波）を第１の偏光とも称する。
【００１３】
偏光ビームスプリッタ１３は、偏光分離素子の一例であって、入射面に対して偏光分離面１９が４５度の傾きを有するダイクロイックプリズムである。偏光ビームスプリッタ１３は、Ｐ波を偏光分離面１９で反射して、Ｐ波の光路を入射光の光軸に対して９０度屈曲させる。すなわち、偏光ビームスプリッタ１３に入射されるＰ波（第１の偏光）は、偏光分離面１９での反射により入射面に対して９０度の角度を有する射出面から出力される。一方、偏光ビームスプリッタ１３は、Ｐ波と偏光方向が直交する直線偏光であるＳ波（第２の偏光とも称する）をそのまま透過させる。すなわち、偏光ビームスプリッタ１３に入射されるＳ波（第２の偏光）は、偏光ビームスプリッタ１３を透過して入射面に対向する射出面から出力される。
【００１４】
反射型液晶素子１４は、偏光ビームスプリッタ１３の偏光板１２が配置された面を入射面としたときにＰ波の射出面側に配置され、偏光ビームスプリッタ１３から入射するＰ波を偏光ビームスプリッタ１３に向けて反射する。また、反射型液晶素子１４は、電圧が印加されたときにλ／２位相板として機能し、電圧が印加されたときにはＰ波をＳ波に変換する。なお、反射型液晶素子１４は、例えば全面が１つのセグメントで構成されるが、全面を同時にオン／オフできるものであれば複数のセグメントを有する構成であってもよい。
【００１５】
ここで、反射型液晶素子１４は、例えば、キラルスメティックＣ液晶相に代表される強誘電性液晶を用いた強誘電性液晶素子である。図３（ａ）は、強誘電性液晶の分子配向状態を示し、図３（ｂ）は、比較例としてネマティック液晶の分子配向状態を示す。
【００１６】
強誘電性液晶は、図３（ａ）に示すように液晶分子が層構造を有しており、液晶分子の重心位置が層ごとにほぼ揃った構造となる。また、強誘電性液晶の液晶分子は、層に対して傾いて配列されている。一方、例えば、透過型液晶素子で用いられるネマティック液晶の場合、図３（ｂ）に示すように液晶分子の重心位置はランダムである。
【００１７】
また、図４（ａ）は、電界を印加するときの強誘電性液晶の動きを示し、図４（ｂ）は、比較例として電界を印加するときのネマティック液晶の動きを示す。
【００１８】
図４（ｂ）に示すネマティック液晶の場合、外部から電界を印加すると、細長い液晶分子の中で誘導分極が発生する。そして、発生した分極と外部電界がカップリングすることで液晶分子の向きを変えようとするトルクが働き、ネマティック液晶の液晶分子の向きが変化する。
【００１９】
一方、強誘電液晶は、自発分極を有し、図４（ａ）に示すように電界印加時の動きが円錐の稜線上を動く。強誘電液晶では、電界が印加されたときの液晶分子の変位量がネマティック液晶よりも小さい。そのため、強誘電液晶を用いた液晶素子では、ネマティック液晶を用いた液晶素子と比べて、同一電圧の印加で高速の応答が可能となる。なお、例えば、応答時間が１２５マイクロ秒の強誘電性液晶を用いた反射型液晶素子１４を液晶シャッタに採用する場合、カメラのシャッタ秒時としては１／８０００秒を実現できる。
【００２０】
λ／４波長板１５は、偏光ビームスプリッタ１３を隔てて反射型液晶素子１４に対向して配置され、入射する光にπ／２の位相差を与える。例えば、λ／４波長板１５は、偏光ビームスプリッタ１３から出力されるＳ波を円偏光に変換する。
【００２１】
凹面鏡１６は、偏光ビームスプリッタ１３およびλ／４波長板１５を隔てて反射型液晶素子１４に対向して配置され、λ／４波長板１５から射出される光を偏光ビームスプリッタ１３に向けて反射する。
【００２２】
撮像素子１７は、反射型液晶素子１４を介して偏光ビームスプリッタ１３から出力される光束の結像を撮像（撮影）し、画像の信号を出力する撮像デバイスである。撮像素子１７は、偏光ビームスプリッタ１３を隔てて偏光板１２に対向して配置されている。なお、撮像素子１７は、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）イメージセンサであってもよく、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）イメージセンサであってもよい。
【００２３】
制御部１８は、電子カメラ１００の各部を統括的に制御するプロセッサである。例えば、制御部１８は、反射型液晶素子１４の電圧印加のオン／オフを制御する。また、制御部１８は、撮像素子１７に対して電荷蓄積、電荷転送のタイミングを指示し、撮像素子１７の撮像の制御を行う。
【００２４】
図５は、第１実施形態において反射型液晶素子１４に電圧が印加されていない状態（液晶シャッタが閉の状態）を示す図である。
【００２５】
撮像光学系１１から入射する被写体の光のうち、偏光板１２を通過するＰ波が偏光ビームスプリッタ１３に入射する。そして、偏光板１２から偏光ビームスプリッタ１３に入射するＰ波は、偏光ビームスプリッタ１３の偏光分離面１９で反射する。これにより、Ｐ波の光路が入射光の光軸に対して９０度屈曲する（図５の（Ａ））。そして、偏光ビームスプリッタ１３の偏光分離面１９で反射したＰ波は、反射型液晶素子１４の表面に被写体の像を結像させる（図５の（Ｂ））。
【００２６】
ここで、電圧が印加されていない状態の反射型液晶素子１４は、偏光方向を変換せずに入射するＰ波をそのまま偏光ビームスプリッタ１３に向けて反射する（図５の（Ｃ））。反射型液晶素子１４で反射されたＰ波は、偏光ビームスプリッタ１３の偏光分離面１９で撮像光学系１１に向けて反射する（図５の（Ｄ））。このように、反射型液晶素子１４に電圧が印加されていない状態では、撮像光学系１１からの光は撮像素子１７に導かれずに、撮像素子１７が遮光された状態（液晶シャッタの閉状態）となる。
【００２７】
一方、図６は、第１実施形態において反射型液晶素子１４に電圧が印加されている状態（液晶シャッタが開の状態）を示す図である。なお、図６に示す符号（Ａ）、（Ｂ）の状態は、図５に示す符号（Ａ）、（Ｂ）の状態と同様であるので重複説明は省略する。
【００２８】
図６において、電圧が印加されている状態の反射型液晶素子１４は、液晶面でＰ波の偏光方向を９０度回転させてＳ波に変換し、変換したＳ波を偏光ビームスプリッタ１３に向けて反射する（図６の（Ｃ’））。反射型液晶素子１４で反射されたＳ波は、偏光ビームスプリッタ１３の偏光分離面１９を透過し、λ／４波長板１５に入射する（図６の（Ｄ’））。
【００２９】
λ／４波長板１５では、偏光ビームスプリッタ１３から出力されるＳ波にπ／２の位相差が付与される。これにより、Ｓ波が右周り（または左周り）の円偏光に変換される（図６の（Ｅ））。そして、λ／４波長板１５から出力された円偏光は、凹面鏡１６で反射されてλ／４波長板１５に再び入射する（図６の（Ｆ））。なお、凹面鏡１６は、反射型液晶素子１４で一旦結像された被写体の光を撮像素子１７の受光面に再結像させる役割を果たす。
【００３０】
凹面鏡１６で反射された円偏光には、λ／４波長板１５でπ／２の位相差が付与される。これにより、円偏光がＰ波に変換される（図６の（Ｇ））。すなわち、λ／４波長板１５から偏光ビームスプリッタ１３に出力される光（Ｐ波）は、偏光ビームスプリッタ１３からλ／４波長板１５に入射する光（Ｓ波）に対して、偏光方向が直交する直線偏光に変換されている。
【００３１】
λ／４波長板１５から偏光ビームスプリッタ１３に入射するＰ波は、偏光ビームスプリッタ１３の偏光分離面１９で反射する。これにより、Ｐ波の光路が入射光の光軸に対して９０度屈曲する（図６の（Ｈ））。そして、偏光ビームスプリッタ１３の偏光分離面１９で反射したＰ波は、撮像素子１７の受光面に被写体の像を結像させる（図６の（Ｉ））。このように、反射型液晶素子１４に電圧が印加されている状態では、撮像光学系１１からの光が撮像素子１７に導かれて、撮像素子１７が露光する状態にできる。なお、制御部１８は、反射型液晶素子１４の電圧印加に同期して、撮像素子１７に被写体の像を撮像させる制御を行う。
【００３２】
以上、第１実施形態の開示では、偏光板１２、偏光ビームスプリッタ１３および反射型液晶素子１４を用いて、反射型液晶素子１４への電圧印加のオン／オフにより露光状態と遮光状態とを切り替える液晶シャッタが構成される。第１実施形態の開示では、透過型液晶素子よりも応答時間の短い反射型液晶素子１４を用いて液晶シャッタが構成されるので、透過型液晶素子を用いた従来の液晶シャッタよりもシャッタ秒時を短くできる。
【００３３】
また、第１実施形態の開示は、グローバルシャッタを電子的に実現するものであって、機械的な部品の動作なしに遮光状態／露光状態の切り替えができるので、撮影時の振動発生を抑制することもできる。
【００３４】
また、第１実施形態の開示では、偏光ビームスプリッタ１３を隔ててλ／４波長板１５および凹面鏡１６を反射型液晶素子１４に対向するように配置し、また、偏光ビームスプリッタ１３を隔てて撮像光学系１１の光を受ける偏光板１２に対向するように撮像素子１７を配置している。これにより、偏光ビームスプリッタ１３を中心として、液晶シャッタの構成要素と撮像素子１７とを効率よくコンパクトに配置することができる。
【００３５】
＜第２実施形態の説明＞
図７は、本件開示の撮像装置および電子シャッタ装置の別例である第２実施形態の電子カメラの構成例を示す図である。また、図８は、第２実施形態での偏光変換を示す図である。なお、第２実施形態において、第１実施形態と同一または同様の要素には同じ符号を付して重複説明を省略する。
【００３６】
第２実施形態の電子カメラ２００は、λ／４波長板１５および凹面鏡１６の代わりに再結像光学系２０を有している。再結像光学系２０および撮像素子１７は、偏光ビームスプリッタ１３を隔てて反射型液晶素子１４に対向するように配置されている。また、再結像光学系２０は、偏光ビームスプリッタ１３と撮像素子１７との間に配置され、反射型液晶素子１４で一旦結像された被写体の光を撮像素子１７の受光面に再結像させる。なお、第２実施形態では、撮像光学系１１ではなく、再結像光学系２０にズームレンズやフォーカスレンズが含まれていてもよい。
【００３７】
第２実施形態の電子カメラ２００において、反射型液晶素子１４に電圧が印加されていない状態（液晶シャッタが閉の状態）は第１実施形態の場合（図５の（Ａ）〜（Ｄ））とほぼ同様である。
【００３８】
また、第２実施形態の電子カメラ２００において、反射型液晶素子１４に電圧が印加されている状態（液晶シャッタが開の状態）では、反射型液晶素子１４が変換したＳ波を偏光ビームスプリッタ１３に向けて反射するまでは、第１実施形態（図６の（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ’））の場合とほぼ同様である。第２実施形態の場合、反射型液晶素子１４で反射されたＳ波は、偏光ビームスプリッタ１３を透過し、再結像光学系２０を介して撮像素子１７の受光面に被写体の像を結像させる。このように、反射型液晶素子１４に電圧が印加されている状態では、撮像光学系１１からの光が撮像素子１７に導かれて、撮像素子１７が露光する状態にできる。なお、制御部１８は、反射型液晶素子１４の電圧印加に同期して、撮像素子１７に被写体の像を撮像させる制御を行う。
【００３９】
以上、第２実施形態の開示では、偏光板１２、偏光ビームスプリッタ１３および反射型液晶素子１４を用いて、反射型液晶素子１４への電圧印加のオン／オフにより露光状態と遮光状態とを切り替える液晶シャッタが構成される。第２実施形態の開示では、透過型液晶素子よりも応答時間の短い反射型液晶素子１４を用いて液晶シャッタが構成されるので、透過型液晶素子を用いた従来の液晶シャッタよりもシャッタ秒時を短くできる。
【００４０】
また、第２実施形態の開示は、グローバルシャッタを電子的に実現するものであって、機械的な部品の動作なしに遮光状態／露光状態の切り替えができるので、撮影時の振動発生を抑制することもできる。
【００４１】
また、第２実施形態の開示によれば、例えば屈曲光学系を有するレンズ一体型カメラに、反射型液晶素子１４を用いた液晶シャッタを容易に組み込むことができる。
【００４２】
＜本件開示の補足事項＞
上記の実施形態の説明では、第１の偏光がＰ波であって、第２の偏光がＳ波である例を説明した。しかし、第１の偏光がＳ波であって、第２の偏光がＰ波であってもよい。
【００４３】
また、上記の各実施形態の撮像装置は、例えば、携帯電子機器（スマートフォン、携帯電話、タブレットコンピュータ、携帯ゲーム機等）に組み込まれるカメラモジュールであってもよい。
【００４４】
また、上記の実施形態では、撮像素子で被写体を撮像する電子カメラでの構成例を説明したが、例えば本件開示は撮像素子の代わりに撮像面に銀塩フィルムを配置した銀塩カメラにも適用できる。
【００４５】
以上の詳細な説明により、実施形態の特徴点および利点は明らかになるであろう。これは、特許請求の範囲が、その精神および権利範囲を逸脱しない範囲で前述のような実施形態の特徴点および利点にまで及ぶことを意図するものである。また、当該技術分野において通常の知識を有する者であれば、あらゆる改良および変更に容易に想到できるはずである。したがって、発明性を有する実施形態の範囲を前述したものに限定する意図はなく、実施形態に開示された範囲に含まれる適当な改良物および均等物に拠ることも可能である。
【符号の説明】
【００４６】
１００，２００…電子カメラ、１１…撮像光学系、１２…偏光板、１３…偏光ビームスプリッタ、１４…反射型液晶素子、１５…λ／４波長板、１６…凹面鏡、１７…撮像素子、１８…制御部、１９…偏光分離面、２０…再結像光学系
【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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