(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被写体を撮像する撮像素子と、
前記被写体と前記撮像素子との間に設置され、前記被写体からの特定波長帯の入射光を遮断するフィルタとを備えた撮像装置であって、
前記フィルタが、
少なくとも一方の面に透明電極が形成された複数の対向する透明基板と、
前記透明基板間に挟持され、前記透明電極間の印加電圧に応じて、前記特定波長帯の入射光に対する透過率が変化する液晶層とを含み、
前記液晶層が、螺旋状にねじれて配向し、前記印加電圧が零であるときにその螺旋軸が前記透明基板の基板面に垂直となる液晶分子を含み、
前記印加電圧が零であるときに、前記液晶分子の長手方向が前記透明基板の基板面に対して成す角度が、対向する前記透明基板の各基板面近傍で異なることを特徴とする撮像装置。
【請求項２】
少なくとも２層の前記液晶層の液晶分子のねじれピッチが等しく、かつ、ねじれの回転方向が逆向きである請求項１に記載の撮像装置。
【請求項３】
前記液晶層の液晶分子のねじれピッチが、前記液晶層の厚さ方向に異なるものである請求項２に記載の撮像装置。
【請求項４】
前記特定波長帯が赤外波長帯である請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被写体の画像を撮像する撮像装置に係り、特に、赤外波長帯の入射光を透過あるいは反射するフィルタを有する撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、ＣＣＤなどのイメージセンサを使用した撮像装置では、イメージセンサが波長７００〜１１００ｎｍの近赤外光まで光電変換してしまうことから、視覚的に自然な色を有する画像を再現するためには、撮像する際に近赤外光をカットする必要がある。
【０００３】
そのため、イメージセンサには、近赤外光を吸収もしくは反射する赤外カットフィルタが用いられることが一般的である。
【０００４】
一方、監視カメラや、自動車に搭載される車載モニタ用のカメラでは、夜間などの暗い場所における撮影時の撮像感度を上げるため、積極的に近赤外光をイメージセンサに取り込む場合がある。
【０００５】
その場合、通常イメージセンサに設置されている赤外カットフィルタをイメージセンサから機械的に外して、赤外光がイメージセンサに投影されるようにして撮像を行っていた。
【０００６】
しかしながら、従来の撮像装置は、赤外カットフィルタをイメージセンサから外すための機械的稼動部を有するため、撮像装置の小型化が難しいという問題があった。また、部品点数が多く高価となるという問題もあった。
【０００７】
これに対して、印加電圧に応じて入射光に対する透過率を電気的に調整可能な調光機能を有する固体撮像装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平１０−１９１１８１号公報（［００１１］−［００２４］、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１に記載された従来の固体撮像装置は、昼間撮影時に低減した可視光の入射光量を増加することにより相対的に夜間撮影時の撮像感度を向上するものであり、夜間撮影時に近赤外光を導入して撮像感度を増加するものではなかった。
【０００９】
本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、機械稼動部なしで、被写体の明るさに応じて撮像感度を切り替えることが可能な小型の撮像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】
【００１０】
以上の点を考慮して、請求項１に係る発明は、被写体を撮像する撮像素子と、前記被写体と前記撮像素子との間に設置され、前記被写体からの特定波長帯の入射光を遮断するフィルタとを備えた撮像装置であって、前記フィルタが、少なくとも一方の面に透明電極が形成された複数の対向する透明基板と、前記透明基板間に挟持され、前記透明電極間の印加電圧に応じて、前記特定波長帯の入射光に対する透過率が変化する液晶層とを含み、前記液晶層が、螺旋状にねじれて配向し、前記印加電圧が零であるときにその螺旋軸が前記透明基板の基板面に垂直となる液晶分子を含み、前記印加電圧が零であるときに、前記液晶分子の長手方向が前記透明基板の基板面に対して成す角度が、対向する前記透明基板の各基板面近傍で異なることを特徴とする構成を有している。
【００１１】
この構成により、被写体の明るさに応じて撮像感度を切り替えることが可能な小型の撮像装置を実現できる。また、この構成により、特定波長帯の入射光を選択反射することが可能な撮像装置を実現できる。
【００１４】
また、請求項２に係る発明は、請求項１に記載の撮像装置において、少なくとも２層の前記液晶層の液晶分子のねじれピッチが等しく、かつ、ねじれの回転方向が逆向きである構成を有している。
【００１５】
この構成により、請求項１の効果に加え、印加電圧が零であるときに特定波長帯の入射光に対する透過率をさらに低減することが可能な撮像装置を実現できる。
【００１６】
また、請求項３に係る発明は、請求項２に記載の撮像装置において、前記液晶層の液晶分子のねじれピッチが、前記液晶層の厚さ方向に異なるものである構成を有している。
【００１７】
この構成により、請求項２の効果に加え、反射波長帯域が広く、液晶層の層数が少ない撮像装置を実現できる。
【００１８】
また、請求項４に係る発明は、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の撮像装置において、前記特定波長帯が赤外波長帯である構成を有している。
【００１９】
この構成により、請求項１から請求項３のいずれか一項の効果に加え、赤外波長帯の光に対する透過率を変化させることが可能な撮像装置を実現できる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明は、機械稼動部なしで、被写体の明るさに応じて撮像感度を切り替えることが可能な小型の撮像装置を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の実施形態について、図面を用いて説明する。
【００２２】
本発明の実施形態の撮像装置のブロック図を図１に示す。即ち、撮像装置１００は、被写体を撮像する撮像素子１１と、被写体と撮像素子１１との間に設置され、被写体からの特定波長帯の入射光を遮断する液晶フィルタ１０と、液晶フィルタ１０に電圧を印加する液晶駆動装置１２とを備える。
【００２３】
そして、液晶フィルタ１０は、少なくとも一方の面に透明電極２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄが形成された複数の対向する透明基板１ａ、１ｂ、１ｃと、透明基板１ａ、１ｂ、１ｃ間に挟持され、液晶駆動装置１２による透明電極２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ間の印加電圧に応じて、特定波長帯の入射光に対する透過率が変化する液晶層３ａ、３ｂとを含むことを特徴とする構成を有している。
【００２４】
ここで、透明基板１ａ、１ｂ、１ｃとして、ガラス基板、もしくはＰＥＴ、ＰＣなどからなるプラスチック基板を用いるとよい。
【００２５】
透明電極２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄとして、スパッタリング法、蒸着法などを用いて成膜されるＩＴＯ、ＳｎＯ２、ＺｎＯなどの酸化物からなる薄膜電極を用いることは、光の透過性および機械的耐久性の観点から好ましい。
【００２６】
なお、透明電極２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄは、パターニングされた複数の分割電極であってもよい。
【００２７】
また、透明電極２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ上にはポリイミドなどの配向膜（図示せず）を成膜し、ラビング法などにより配向処理を施してもよい。
【００２８】
透明電極２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ、配向膜の間に透明電極間のショートを防ぐ絶縁層（図示せず）を設けてもよい。絶縁層は、ＳｉＯ２、ＺｒＯ２、ＴｉＯ２などの無機膜が好ましく、スパッタリング法などの真空成膜法や、ゾルゲル法などにより成膜される。
【００２９】
透明電極、絶縁膜、配向膜の屈折率および膜厚は、界面の反射が小さくなるように設定することが好ましい。
【００３０】
透明電極２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄは、外部から液晶層３ａ、３ｂに電圧を印加できるように液晶駆動装置１２と電気的に接続される。
【００３１】
液晶層３ａ、３ｂは、螺旋状にねじれて配向し、印加電圧が零であるときにその螺旋軸が透明基板１ａ、１ｂ、１ｃの基板面に垂直となる液晶分子を含む。
【００３２】
液晶層３ａ、３ｂの外周は、液晶が漏れ出ないようにエポキシ、アクリルなどの樹脂系接着剤などにより封じられることが好ましい。
【００３３】
さらに、透明基板１ａ、１ｃの液晶層３ａ、３ｂ側と反対側の基板面に、反射防止膜（図示せず）を設置することが好ましい。反射防止膜は、蒸着法、スパッタリング法などを用いて成膜した誘電体多層膜であるとよい。
【００３４】
液晶層３ａ、３ｂの液晶としては、コレステリック液晶や、ネマティック液晶にカイラル剤を添加したものなどであることが好ましく、正の誘電異方性を有するものが好ましい。正の誘電異方性を有する液晶は、電圧が印加されたとき、液晶分子の長手方向が電界方向を向くように動く。
【００３５】
液晶分子の長手方向の透明電極界面（もしくは配向膜界面）に対する角度（以下、プレチルト角という）は制約がないが、１〜８度程度が好適に使用できる。また対向する透明基板面間で液晶層３ａ、３ｂの厚さ方向にプレチルト角を変化させてもよい。
【００３６】
また、プレチルト角は、一方の透明基板面近傍で１〜８度、対向する他方の透明基板面近傍で８０〜９０度とすると、液晶駆動に要する電圧を低下させることができ好ましい。
【００３７】
コレステリック液晶（もしくはネマティック液晶にカイラル剤を添加した液晶）においては、選択反射が起こる波長帯（以下、選択反射波長帯という）の中心波長λは、［数１］に示すようにねじれピッチＰと液晶の平均屈折率ｎ（常光屈折率ｎｏと異常光屈折率ｎｅの平均）との積で与えられる。また、選択反射波長帯の幅Δλは［数２］で与えられる。
【数１】
0004725433.tif 000002
【数２】
0004725433.tif 000003
【００３８】
ここで、ねじれピッチＰとは、螺旋状にねじれた液晶分子の配向における１周期分の螺旋軸方向の長さを意味する。ねじれピッチＰは、液晶に添加するカイラル剤の濃度を増すと小さくなる。
【００３９】
従って、液晶層３ａ、３ｂの選択反射波長帯が赤外波長帯に含まれるように、適切な平均屈折率ｎを有する液晶を用いる、あるいは、液晶に添加するカイラル剤の濃度を変化させることによりねじれピッチＰを調整するとよい。
【００４０】
さらに、２層の液晶層３ａ、３ｂの液晶分子のねじれピッチＰを等しく、かつ、ねじれの回転方向を逆向きとすると、液晶フィルタ１０は、印加電圧が零であるときに選択反射波長帯の右円偏光および左円偏光のいずれの円偏光も透過することとなる。このため、選択反射波長帯の入射光に対する透過率をさらに低減することが可能となり好ましい。
【００４１】
また、液晶分子のねじれピッチＰを液晶層３ａ、３ｂの厚さ方向や、光軸を法線とする面内方向に分布を持たせると、選択反射波長帯域を拡大し、液晶層の層数を減らすことができるため好ましい。
【００４２】
また、液晶層３ａ、３ｂの液晶として、低分子液晶と高分子との複合体からなるコレステリック液晶を用いることもできる。
【００４３】
この低分子液晶と高分子との複合体からなるコレステリック液晶は、低分子液晶と重合性モノマ、光重合開始剤、さらに必要によりカイラル剤などを混合し、液晶層３ａ、３ｂに注入した後、混合した液晶を光や熱で重合して得られる。
【００４４】
以下、本発明の実施形態の撮像装置の作用について説明する。
【００４５】
図１に示すように、液晶駆動装置１２による液晶駆動をオフにした場合、液晶層３ａ、３ｂの液晶分子の配向は、螺旋軸が透明基板１ａ、１ｂ、１ｃの基板面に垂直なプラナー状態となる。この状態においては、可視波長帯の入射光は液晶フィルタ１０を透過し、ＣＣＤやＣＭＯＳなどの撮像素子１１に投影される。一方、赤外波長帯の入射光は液晶フィルタ１０により反射され撮像素子１１には投影されない。
【００４６】
図２に示すように、液晶駆動装置１２による液晶駆動をオンにした場合は、液晶層３ａ、３ｂの液晶分子の配向は、螺旋構造が壊れて液晶分子の長手方向が電場の方向と一致するホメオトロピック状態となる。ホメオトロピック状態においては、可視波長帯の入射光および赤外波長帯の入射光はほぼ完全に液晶フィルタ１０を透過し、撮像素子１１に投影される。
【００４７】
このようにして、液晶フィルタ１０は、可視波長帯の入射光を常に撮像素子１１に透過し、赤外波長帯の入射光を選択的に透過あるいは反射することができる。
【００４８】
なお、液晶層３ａ、３ｂの液晶として、液晶駆動をオンにした場合に、螺旋軸が透明基板１ａ、１ｂ、１ｃの基板面に平行なフォーカルコニック状態となる液晶を用いてもよい。
【００４９】
なお、透明電極２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄをパターニングし分割電極とした場合は、撮像素子１１の画素ごともしくは複数の画素からなるエリアごとに赤外波長帯の入射光に対する透過率を制御することもできる。
【００５０】
なお、本実施形態では、液晶層が２層の場合を示したが、２層以上積層して赤外波長帯の入射光の反射率をさらに高めてもよい。また、赤外波長帯の入射光の反射率が小さくてもよい場合は液晶層を単層としてもよい。
【００５１】
以上説明したように、本発明に係る撮像装置は、赤外カットフィルタとして、印加電圧に応じて機械稼動部なしで赤外波長帯の入射光を透過あるいは反射するコレステリック液晶を用いることにより、被写体の明るさに応じて撮像感度を切り替えることが可能な小型の撮像装置を実現することができる。
【実施例】
【００５２】
上記の本発明の実施形態に基づく具体的な実施例を以下に説明する。以下、図３を用いて本発明に係る撮像装置について説明する。なお、図３は印加電圧が零の場合を示している。
【００５３】
まず、液晶フィルタ１０について説明する。透明基板として厚さ０．４ｍｍのガラス基板４ａ〜４ｇを用いる。２枚のガラス基板４ａ、４ｇの一方の基板面には４００〜１２００ｎｍの波長の入射光に対する広帯域反射防止膜を真空蒸着法により成膜し、他方の基板面に透明電極として３００Ω／□のシート抵抗を持つＩＴＯ透明導電膜５ａ、５ｌをスパッタリング法により成膜する。
【００５４】
次に、５枚のガラス基板４ｂ〜４ｆの両面に３００Ω／□のシート抵抗を持つＩＴＯ透明導電膜５ｂ〜５ｋをスパッタリング法により成膜する。
【００５５】
ガラス基板４ａ〜４ｇのＩＴＯ透明導電膜５ａ〜５ｌ上にはポリイミドを塗布焼成し、厚さ５０ｎｍの配向膜とする。その後ラビングにより配向膜に配向処理を施す。
【００５６】
次に、エポキシ接着剤に直径１０μｍのガラスファイバと、直径１０．５μｍの導電性ビーズを混合し、ガラス基板４ａ〜４ｇに印刷したのち、全てのガラス基板を重ね合わせて熱圧着してギャップ１０μｍのセルが６枚積層されたセルを作製する。
【００５７】
その後、異常光屈折率ｎｅが１．７７、常光屈折率ｎｏが１．５０のネマティック液晶にカイラル剤を添加し、ねじれピッチが０．４７μｍ、０．５４μｍ、０．６２μｍで、各々右巻き、左巻きの螺旋構造を持つ計６種類の液晶を準備する。
【００５８】
作製した各セルに各々の液晶を１種類ずつ注入し、注入口をアクリル接着剤で封止し液晶層６ａ〜６ｆを作製する。
【００５９】
各ＩＴＯ透明導電膜５ａ〜５ｌには、電圧を印加できるようにリード線を導電ペーストで固定する。
【００６０】
このようにして作製した液晶フィルタ１０は、７００〜１１００ｎｍの波長の入射光を反射し、４２０〜６７０ｎｍの波長の入射光を透過する。電圧を８０Ｖｒｍｓ（周波数１０００Ｈｚの矩形交流波）を印加すると、波長４２０〜１１００ｎｍの全ての入射光を透過するフィルタとなる。
【００６１】
この液晶フィルタ１０を撮像素子１１の前面に設置し、撮像装置１００を作製する。
【００６２】
上記のように作製された撮像装置１００を用いることにより、被写体が明るい場合は、液晶フィルタ１０に電圧を印加せず赤外波長帯の入射光を撮像素子１１に取り込まず反射し、被写体が暗い場合は、液晶フィルタ１０に電圧を印加し赤外波長帯の入射光も撮像素子１１に取り込み、撮像感度を上げることが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００６３】
本発明に係る撮像装置は、小型で被写体の明るさに応じて撮像感度を切り替えることが可能であるという効果を有し、監視用カメラ、車載カメラなどの用途にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明に係る撮像装置の電圧非印加時のブロック図
【図２】本発明に係る撮像装置の電圧印加時のブロック図
【図３】本発明に係る撮像装置の実施例を説明するブロック図
【符号の説明】
【００６５】
１ａ、１ｂ、１ｃ  透明基板
２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ  透明電極
３ａ、３ｂ  液晶層
４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅ、４ｆ、４ｇ  透明基板
５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅ、５ｆ、５ｇ、５ｈ、５ｉ、５ｊ、５ｋ、５ｌ  透明基板
６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ、６ｅ、６ｆ  液晶層
１０  液晶フィルタ
１１  撮像素子
１２  液晶駆動装置
１００  撮像装置
【図１】
0004725433.tif 000004
【図２】
0004725433.tif 000005
【図３】
0004725433.tif 000006