(57)【要約】【課題】外形の小さい色分離装置を提供する。【解決手段】入射光を直線偏光の光に変換する偏光変換部１６であって、前記直線偏光の光偏光方向を所定の複数の方位から選択可能である偏光変換部１６と、前記偏光変換部１６から出射された前記直線偏光の光が入射するように配置された回折部６であって、少なくとも前記偏光方向の方位に応じて異なる波長成分が弱められた０次光を得る回折部６とを備えた色分離装置。【選択図】図１
2005316444.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光を直線偏光の光に変換する偏光変換部であって、前記直線偏光の光偏光方向を所定の複数の方位から選択可能である偏光変換部と、
前記偏光変換部から出射された前記直線偏光の光が入射するように配置された回折部であって、少なくとも前記偏光方向の方位に応じて異なる波長成分が弱められた０次光を得る回折部と、
を備えた色分離装置。
【請求項２】
前記偏光変換部における前記直線偏光の光の偏光方向が前記所定の複数の方位にそれぞれ所定の時間的周期で変化するよう前記偏光変換部を駆動する駆動部をさらに備える請求項１に記載の色分離装置。
【請求項３】
前記所定の複数の方位は少なくとも３つである請求項１に記載の色分離装置。
【請求項４】
前記偏光方向の方位は、前記偏光変換部を透過した光の波面上において、０度、４５度および９０度である請求項３に記載の色分離装置。
【請求項５】
前記回折部は、周期的な凹凸形状を有する回折格子と、前記回折格子の凹部を埋めるように設けられた複屈折性を有する透明媒質とを含む請求項４に記載の色分離装置。
【請求項６】
前記回折格子の凹部と凸部との間で発生する透過光の位相差が、青の波長において少なくとも１波長以上である請求項５に記載の色分離装置。
【請求項７】
前記回折格子の凹部と凸部との間で発生する透過光の位相差が、偏光方向が０度の光の場合には赤の波長において１．５波長であり、偏光方向が９０度の光の場合には青の波長において１．５波長である請求項６に記載の色分離装置。
【請求項８】
前記偏光変換部は、
入射光をＰ波の直線偏光に変換する偏光フィルタと、
前記変換されたＰ波の直線偏光の光を少なくともＰ波の直線偏光、円偏光、Ｓ波の直線偏光のいずれかに選択的に変換する液晶素子と、
前記偏光が選択的に変換された光が透過し、前記Ｐ波またはＳ波の偏光方向と進相軸方位とが一致するように配置された１／４波長板とを含む請求項２に記載の色分離装置。
【請求項９】
前記駆動部は、前記液晶素子に含まれる液晶の配向状態が変化するように前記液晶素子に電圧を印加し、印加電圧に応じて前記Ｐ波の直線偏光を変換する請求項８に記載の色分離装置。
【請求項１０】
請求項１から７のいずれか規定される色分離装置と、
前記色分離装置の回折部から出射する０次光のみを選択的に前記光検出部へ結像させる集光部と、
前記色分離装置の偏光変換部における偏光方向の方位の変化に同期して前記０次光を検出し、検出信号を生成する光検出部と、
を備えた撮像装置。
【請求項１１】
前記色分離装置の回折部から出射する１次以上の高次の回折光が、前記集光部により前記光検出部へ結像しないよう、前記光検出部のフレームおよび前記集光部の焦点距離が定められている請求項１０に記載の撮像装置。
【請求項１２】
前記光検出部は二次元に配列された複数の検出素子を含む請求項１０に記載の撮像装置。
【請求項１３】
入射光を、偏光方向が所定の複数の方位のそれぞれへ所定の時間的周期で変化する直線偏光の光に変換するステップ（Ａ）と、
前記直線偏光の光を回折させて、少なくとも前記偏光方向の方位に応じて異なる波長成分が弱められた０次光を得るステップ（Ｂ）と、
を包含する入射光の色分離方法。
【請求項１４】
前記ステップ（Ａ）において、直線偏光の偏光方向の方位を０度、４５度および９０度へ所定の時間的周期で変化させる請求項１３に記載の入射光の色分離方法。
【請求項１５】
前記ステップ（Ｂ）において、前記０度、４５度および９０度の方位に偏光した直線偏光に対して赤、緑および青の波長成分が弱められた０次光をそれぞれ得る請求項１４に記載の入射光の色分離方法。
【請求項１６】
入射光を、偏光方向が所定の複数の方位へ所定の時間的周期で変化する直線偏光の光に変換するステップ（Ａ）と、
前記直線偏光の光を回折させて、少なくとも前記偏光方向の方位に応じて異なる波長成分が弱められた０次光を得るステップ（Ｂ）と、
前記ステップ（Ａ）における方位が変化する時間的周期に同期して前記０次光を２次元的に検出するステップ（Ｃ）と、
を包含する映像の撮像方法。
【請求項１７】
前記ステップ（Ａ）において、直線偏光の偏光方向の方位を０度、４５度および９０度へ所定の時間的周期で変化させる請求項１６に記載の映像の撮像方法。
【請求項１８】
前記ステップ（Ｂ）において、前記０度、４５度および９０度の方位に偏光した直線偏光に対して赤、緑および青の波長成分が弱められた０次光をそれぞれ得る請求項１７に記載の映像の撮像方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、画像や映像を撮影するために用いられる色分離装置および撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、画像や映像を撮影し、デジタル映像データを得るデジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラなどが普及してきている。カラーの画像や映像を撮影する方法としては、空間分割方式および時間分割方式が知られている。
【０００３】
空間分割方式は、ＲＧＢカラーフィルタを用いて空間的に映像の色を分解し、それぞれの色の強度を各画素で検出してデジタル画像データを得る。この方式によるデジタルカメラやデジタルビデオカメラは広く利用されている。
【０００４】
一方、時間分割方式は、フレーム期間などの所定の期間中、時間的に映像の色を分解し、それぞれの色の強度を同一の画素で検出してデジタル画像データを得る。以下、特許文献１に基づいて、従来の時分割方式による撮像装置の例を説明する。図６は従来の撮像装置全体の構成を模式的に示している。自然光等の光が照射することにより物体１から反射する光は色分離板１３を透過し、レンズ系７によりＣＣＤやＣＭＯＳ等の光検出器８上に像９を形成する。レンズ系７は一般には光軸に沿って並んだ複数のレンズを組み合わせて光学性能を確保しているが、ここでは模式的に1つのレンズのみを示している。色分離板１３は、透明な円盤をその中心Ｏから放射状に伸びる４つの直線１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄで４つの領域に分割し、それぞれの領域に色フィルターを形成することにより形成されている。領域１３Ｒには赤色の光のみを透過するフィルタ、領域１３Ｇ、１３Ｇ’には緑の光のみを透過するフィルタ、領域１３Ｂには青の光のみを透過するフィルタがそれぞれ設けられている。
【０００５】
色分離板１３はモーターに取り付けられ、中心Ｏを通る軸Ｌの回りに矢印１５で示すように回転する。したがって、光検出器８上に形成する像９の色は時系列的に赤緑青緑の順序で変化をする。
【０００６】
光検出器８はこれらの色の光をそれぞれ検出し、それぞれの色に対応する信号を外部の演算器に転送する。演算器は、赤緑青に対応する信号のセットで色を計算し、最後の緑に対応する信号で輝度を計算する。これにより、カラーの像を再生する。
【０００７】
時間分割方式によれば、各画素に対応して色フィルタを設ける必要がない。また、一画素でＲＧＢすべての色を検出できるため、画素ピッチを狭くし、高い解像度を有する映像を得ることができる。
【特許文献１】特開平９−１７２６４９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、特許文献１の撮像装置において、色分離板１３は回転軸Ｌに関する回転体であり、回転軸Ｌはレンズ系７との干渉を避けるためにレンズ系７の光路の外側に配置される。このため、撮像装置全体が大きくなってしまうという問題が生じる。
【０００９】
また、色分離板１３が回転する際、分割線１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄが色分離板１３上のレンズ系７の光路２の断面ＢＳを分断する期間が生じる。この時、検出器８上に結像する像９は２色で示され、また色の境界位置も変化する。この期間、検出器８は正常なデータを取得できないので、分割線１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄが断面ＢＳを分断していない期間においてのみ検出を行う必要がある。このことは、光の利用効率の低下につながる。
【００１０】
利用効率は、回転中心Ｏと断面ＢＳの中心Ｓとの距離をＲとし、断面ＢＳの半径をｒとした場合、光の利用効率は、Ｒ／ｒに比例する。半径ｒの大きさはレンズ系によって一義的に決まるので、光の利用効率はＲの大きさに比例する。したがって、光の利用効率を高めるためには、色分離板１３を大きくする必要があり、撮像装置の小型化が困難となる。
【００１１】
本発明はこのような従来技術の問題点を解決し、外形の小さい色分離装置及び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】
【００１２】
本発明の色分離装置は、入射光を直線偏光の光に変換する偏光変換部であって、前記直線偏光の光偏光方向を所定の複数の方位から選択可能である偏光変換部と、前記偏光変換部から出射された前記直線偏光の光が入射するように配置された回折部であって、少なくとも前記偏光方向の方位に応じて異なる波長成分が弱められた０次光を得る回折部とを備える。
【００１３】
ある好ましい実施形態において、色分離装置は、前記偏光変換部における前記直線偏光の光の偏光方向が前記所定の複数の方位にそれぞれ所定の時間的周期で変化するよう前記偏光変換部を駆動する駆動部をさらに備える。
【００１４】
ある好ましい実施形態において、前記所定の複数の方位は少なくとも３つである。
【００１５】
ある好ましい実施形態において、前記偏光方向の方位は、前記偏光変換部を透過した光の波面上において、０度、４５度および９０度である。
【００１６】
ある好ましい実施形態において、前記回折部は、周期的な凹凸形状を有する回折格子と、前記回折格子の凹部を埋めるように設けられた複屈折性を有する透明媒質とを含む。
【００１７】
ある好ましい実施形態において、前記回折格子の凹部と凸部との間で発生する透過光の位相差が、青の波長において少なくとも１波長以上である。
【００１８】
ある好ましい実施形態において、前記回折格子の凹部と凸部との間で発生する透過光の位相差が、偏光方向が０度の光の場合には赤の波長において１．５波長であり、偏光方向が９０度の光の場合には青の波長において１．５波長である。
【００１９】
ある好ましい実施形態において、前記偏光変換部は、入射光をＰ波の直線偏光に変換する偏光フィルタと、前記変換されたＰ波の直線偏光の光を少なくともＰ波の直線偏光、円偏光、Ｓ波の直線偏光のいずれかに選択的に変換する液晶素子と、前記偏光が選択的に変換された光が透過し、前記Ｐ波またはＳ波の偏光方向と進相軸方位とが一致するように配置された１／４波長板とを含む。
【００２０】
ある好ましい実施形態において、前記駆動部は、前記液晶素子に含まれる液晶の配向状態が変化するように前記液晶素子に電圧を印加し、印加電圧に応じて前記Ｐ波の直線偏光を変換する。
【００２１】
本発明の撮像装置は、上記いずれかに規定される色分離装置と、前記色分離装置の回折部から出射する０次光のみを選択的に前記光検出部へ結像させる集光部と、前記色分離装置の偏光変換部における偏光方向の方位の変化に同期して前記０次光を検出し、検出信号を生成する光検出部とを備える。
【００２２】
ある好ましい実施形態において、前記色分離装置の回折部から出射する１次以上の高次の回折光が、前記集光部により前記光検出部へ結像しないよう、前記光検出部のフレームおよび前記集光部の焦点距離が定められている。
【００２３】
ある好ましい実施形態において、前記光検出部は二次元に配列された複数の検出素子を含む。
【００２４】
本発明の入射光の色分離方法は、入射光を、偏光方向が所定の複数の方位のそれぞれへ所定の時間的周期で変化する直線偏光の光に変換するステップ（Ａ）と、前記直線偏光の光を回折させて、少なくとも前記偏光方向の方位に応じて異なる波長成分が弱められた０次光を得るステップ（Ｂ）とを包含する。
【００２５】
ある好ましい実施形態において、前記ステップ（Ａ）において、直線偏光の偏光方向の方位を０度、４５度および９０度へ所定の時間的周期で変化させる。
【００２６】
ある好ましい実施形態において、前記ステップ（Ｂ）において、前記０度、４５度および９０度の方位に偏光した直線偏光に対して赤、緑および青の波長成分が弱められた０次光をそれぞれ得る。
【００２７】
本発明の映像の撮像方法は、入射光を、偏光方向が所定の複数の方位へ所定の時間的周期で変化する直線偏光の光に変換するステップ（Ａ）と、前記直線偏光の光を回折させて、少なくとも前記偏光方向の方位に応じて異なる波長成分が弱められた０次光を得るステップ（Ｂ）と、前記ステップ（Ａ）における方位が変化する時間的周期に同期して前記０次光を２次元的に検出するステップ（Ｃ）とを包含する。
【００２８】
ある好ましい実施形態において、前記ステップ（Ａ）において、直線偏光の偏光方向の方位を０度、４５度および９０度へ所定の時間的周期で変化させる。
【００２９】
ある好ましい実施形態において、前記ステップ（Ｂ）において、前記０度、４５度および９０度の方位に偏光した直線偏光に対して赤、緑および青の波長成分が弱められた０次光をそれぞれ得る。
【発明の効果】
【００３０】
本発明によれば、偏光変換部によって偏光方向の方位が所定の複数の方位へ所定の時間的周期で変化する直線偏光を生成し、回折部によって、得られた直線偏光から偏光方向の方位に応じて異なる波長成分が弱められた０次光を得ることができる。したがって、色分離板を用いることなく、時間分割方式で色を分離することができる色分離装置が得られる。この色分離装置は、色分離板を備えておらず、偏光変換部および回折部を光学系の撮像装置の光路上に同軸的に配置することができる。したがって、撮像装置の大幅な小型化を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
以下、本発明による色分離装置および撮像装置の実施形態を説明する。
【００３２】
図１は、色分離装置１０１を備えた撮像装置１０２の構成を示す模式図である。撮像装置１０２は、色分離装置１０１と集光部となるレンズ系７と光検出部８とを備えている。自然光等の光が照射することにより物体１から反射する光２は色分離装置１０１によって時間分割方式で色分離される。所定の順序および所定の時間間隔で分離された色の光がレンズ系７によって集光され、光検出部８の検出面上において物体１の像が形成される。図１においてレンズ系７はひとつの凸レンズによって示されているが、実際にはレンズ系７は、光軸が一致するように配列された複数のレンズを組み合わせて構成されている。
【００３３】
光検出部８は、二次元に配列された複数の検出素子を含むＣＣＤイメージセンサやＣＭＯＳイメージセンサなどによって構成されている。たとえば、モノクロ用ＣＣＤイメージセンサやＣＭＯＳイメージセンサを用いることができる。
【００３４】
色分離装置１０１は、偏光変換部１４および駆動部１５を含む偏光方向変換器１６と回折部６とを含む。偏光方向変換器１６は、物体１からの反射光２を入射光として受け取り、入射光を、偏光方向が所定の複数の方位へ所定の時間的周期で変化する直線偏光の光に変換する。回折部６は、偏光方向変換器１６から出射する直線偏光の光が入射するように配置されており、入射した直線偏光の光を回折させて、０次および１次以上の高次の回折光を得る。このうち、０次光では入射した光の偏光方向の方位に応じて異なる波長成分が弱められている。回折部６へ入射する光の偏光方向の方位が所定の時間的周期で変化するため、回折部６によって得られる０次光において、弱められている波長成分は所定の時間的周期で変化している。つまり、０次光は時間の経過とともに周期的に弱められている波長成分に対応する補色に変化する。
【００３５】
以下において詳細に説明するよう、たとえば、偏光方向変換器１６が入射光を３つの異なる方位を有する直線偏光の光に変換し、回折部６は、入射する直線偏光の光の偏光方向の方位に応じて赤、青、緑の波長成分を弱めた０次光を出射する。このため、回折部６は、所定の時間的周期で赤、青、緑の補色であるシアン、マゼンダ、イエローに変化する０次光を出射する。光検出器８はこれらの色をそれぞれ検出して外部の演算器に転送し、色や輝度を計算して、カラーの像を再生する。
【００３６】
次に各部の動作原理を詳細に説明する。偏光方向変換器１６の偏光変換部１４は、偏光フィルタ３と、液晶素子４と、１／４波長板５とを含む。偏光変換部１４において、液晶素子４は偏光フィルタ３および１／４波長板５に挟まれ、入射光２が偏光フィルタ３を最初に透過するよう偏光フィルタ３、液晶素子４および１／４波長板５が配置される。
【００３７】
図２は、偏光変換部１４の詳細な構造を模式的に示している。物体１の反射光２などは、白色の自然光であり偏光方向はランダムである。ランダムな偏光２ａ’の白色光２ａが偏光フィルタ３を透過すると、偏光フィルタ３の偏光軸と平行な方位の直線偏光２ｂ’の白色光２ｂとなる。
【００３８】
液晶素子４は、一対の透明基板４ａ、４ｃと透明基板４ａ、４ｃに挟まれた液晶層４ｂとを含む。透明基板４ａ、４ｃの互いに対向する主面にはＩＴＯなどの透明電極が形成されており、駆動部１５（図１）が電気的に接続されている。透明電極の表面には、配向膜が形成されている。配向膜はラビング処理が施され、これに接する液晶層４ｂの液晶分子は無電圧時においてラビング方位に配向する。液晶層４ｂには、ＳＴＮ（Super Twisted Nematic)形液晶を用いる。
【００３９】
液晶層４ｂは、透明基板４ａ、４ｂ間に印加する電圧に応じて、液晶層４ｂの液晶分子の傾きを変化させ液晶層４ｂの旋光性および複屈折を制御する。これにより、液晶素子４に入射する直線偏光の光の偏光状態を変化させる。たとえば、液晶層４ｂに電圧を印加しない状態では、液晶層４ｂの厚さ方向において液晶分子が捻れた状態で配向する。一方、透明電極間に電圧を印加すると、液晶分子が液晶層４ｂの厚さ方向において立ち上がり、透明基板４ａ、４ｃに対して垂直な方向に配向する。液晶素子４は液晶層４ｂの配向方向に応じて透過光の偏光状態を変化させる。
【００４０】
駆動部１５（図１）が印加する電圧が大きい場合、液晶分子の長軸が電場の方向に配列し、液晶分子は厚さ方向に沿った状態４１をとる。このため、液晶層４ｂの旋光性は消失し、入射する直線偏光２ｂ’の光２ｂは影響を受けずにそのまま透過して直線偏光２ｃ１’の光２ｃ１となる。一方、印可電圧がゼロの時には、液晶分子は捻れ状態４３にあり、入射する直線偏光２ｂ’の光２ｂは偏光方向が９０度（２７０度）回転した直線偏光２ｃ３’の光２ｃ３に変換される。これらの中間の電圧値を駆動部１５が透明電極間に印加した場合、液晶分子は捻れ状態４２にあり、入射する直線偏光２ｂ’の光２ｂは円偏光２ｃ２’の光２ｃ２に変換される。
【００４１】
これら３種類の偏光２ｃ１’、２ｃ２’、２ｃ３’の光２ｃ１、２ｃ２、２ｃ３は、進相軸の方位が直線偏光２ｃ１’又は２ｃ３’の方位に一致する様に配置された１／４波長板５を透過することで、それぞれ直線偏光２ｄ１’、２ｄ２’、２ｄ３’の光２ｄ１、２ｄ２，２ｄ３に変換される。偏光２ｃ１’、ｃ３’は偏光２ｄ１’、２ｄ３’と同じであり、円偏光２ｃ２’は偏光が４５度（又は１３５度）の方位にある直線偏光２ｄ２’に変換される。したがって、偏光変換部１４に入射するランダムな偏光２ａ’の光２ａは液晶層４ｂに印可する電圧および電圧を印加するタイミングに応じて方位の異なった３種類に直線偏光の光に変換できる。
【００４２】
液晶層４ｂの状態４１、４２、４３間の応答性は数十ｍｓ程度であることが好ましく、より好ましくは１０ｍｓ程度である。このとき、３つの偏光状態を一巡するのに要する時間は３０ｍｓ程度となる。
【００４３】
図３は、回折部６の構造を模式的に示している。回折部６は、一対の透明基板６ａ、６ｄの間に設けられた回折格子６ｂと複屈折性媒質６ｃとを含む。回折格子６ｂはＴｉＯ2やＴａ2Ｏ3、ＳｉＮ等からなる複数の透明なストライプ状凸部を含んでいる。凸部はｄμｍの高さを有し、５０％のデューティ比およびΛのピッチで透明基板６ａ上に配列されている。複数の凸部間には凹部が形成され、回折格子６ｂは凹凸形状を有する。透明基板６ａ、６ｄの間において、回折格子６ｂの凹部を埋めるように複屈折性媒質６ｃが設けられている。複屈折性媒質６ｃは、たとえば、紫外線硬化型液晶等からなる。
【００４４】
回折部６は公知の薄膜形成技術およびフォトリソグラフィ技術を用いて形成できる。たとえば、透明基板６ａの全面にＴｉＯ2やＴａ2Ｏ3、ＳｉＮ等からなる膜を形成し、所定のパターニングを施すことによって回折格子６ｂを透明基板６ａ上に形成する。次に、回折格子６ｂを覆うように紫外線硬化型液晶を塗布し、紫外線を照射することによって硬化させ、複屈折性媒質６ｃを形成する。その後、透明基板６ｄを複屈折性媒質６ｃ上に設けることによって、回折部６を作製することができる。
【００４５】
図３に示すように複屈折性媒質６ｃはｘ軸方向（紙面に平行な方位）においてｎｘの屈折率を有し、ｙ軸方向（紙面に垂直な方位）においてｎｙの屈折率を有している。回折格子６ｂの凸部の屈折率はｎ０である。したがって、回折格子６ｂの凹部と凸部との間で発生する透過光の位相差は、ｘ軸方向（方位角θ＝０度）に偏光方向を有する直線偏光の光２ｄ１に対しては（ｎ０−ｎｘ）×ｄとなり、ｙ軸方向（方位角θ＝９０度）に偏光方向を有する直線偏光の光２ｄ３に対しては（ｎ０−ｎｙ）×ｄとなる。また、方位角θ＝４５度の偏光方向を有する直線偏光の光２ｄ２に対しては｛ｎ０−（ｎｘ＋ｎｙ）／２｝×ｄとなる。
【００４６】
たとえば、ｎ０＝２．３５、ｎｘ＝１．５０、ｎｙ＝１．７５とし、ｄ＝１．１５μｍとすると、それぞれ以下の通りとなる。
【００４７】
光２ｄ１（方位角θ＝  ０度）：０．９８μｍ
光２ｄ２（方位角θ＝４５度）：０．８３５μｍ
光２ｄ３（方位角θ＝９０度）：０．６９μｍ
【００４８】
ここで、位相差０．９８μｍは赤の波長の１．５倍に相当し、位相差０．６９μｍは青の波長の１．５倍に相当し、位相差０．８３５μｍは緑の波長の１．５倍に相当する。つまり、赤、青、緑のそれぞれの波長に対して、波長の３／２倍の位相差が生じている。このため、光２ｄ１、光２ｄ２および光２ｄ３が回折部６を透過する場合、回折格子６ｂに対して垂直に出射する０次光において、それぞれ赤（波長：０．６５３μｍ）、青（波長：０．４６０μｍ）、緑（波長：０．５５７μｍ）の波長成分が干渉により弱められている。
【００４９】
図４は、上述の条件で０次光の透過率と波長の関係をプロットしたものである。方位角θ＝０度の光は、回折部６により赤の成分が強く回折する。このため、０次光では赤の波長成分が弱められ、０次光は、曲線１０の透過率分布を示す。この透過率分布は赤の補色であるシアンの光を示している。同様に方位角θ＝９０度の光では回折部６により青の成分が強く回折する。このため、０次光では青の波長成分が弱められ、０次光は、曲線１２の透過率分布を示す。この透過率分布は、青の補色であるイエローの光を示している。方位角θ＝４５度の光では回折部６により緑の光が強く回折する。このため、０次光では緑の波長成分が弱められ、０次光は、曲線１１の透過率分布を示す。この透過率分布はマゼンタの光を示している。
【００５０】
偏光変換部１６で変換された３つの直線偏光２ｄ１’、２ｄ２’、２ｄ３’の光２ｄ１、２ｄ２、２ｄ３は、偏光方向の方位角θがそれぞれ０度、４５度、９０度であるので、回折部６を透過することによって、それぞれ１次以上の回折光として、赤の光２Ｅ１、緑の光２Ｅ２、青の光２Ｅ３が回折する。このため、０次光として残されるのはシアンの光２ｅ１、マゼンタの光２ｅ２、イエローの光２ｅ３である。前述したように偏光変換部１６は白色光の偏光方向を時間周期的に０度、４５度、９０度に変化させるので、回折部６から出射する光は、時間周期的にシアン、マゼンダ、イエローと変化する。つまり、色分離装置１０１は時間分割方式により、白色光をシアン、マゼンダ、イエローの光に分離する。
【００５１】
なお、本実施形態で得られる３種類の色の光は補色光である。これに対し、特許文献１によって分離される赤緑青の光は原色光である。補色光は原色光に比べて２倍のエネルギを有している。したがって、偏光フィルタ３を透過することによって光の約半分が遮断され光のエネルギが減少しても、補色光を用いることによってエネルギの減少を補うことが可能となる。
【００５２】
このような構造を備えた色分離装置１０１を用いて撮像装置１０２を構成する場合、光検出部８には、色分離装置１０１から出射する光のうち０次光のみを選択的に検出部８において結像させる必要がある。言い換えれば、１次以上の高次の回折光は光検出部８に検出されないようにする必要がある。図５（ａ）に示すように、１次の回折光が結像することにより得られる物体９’と０次の回折光が結像することにより得られる物体９との中心間隔Ｌとし、光検出部８の幅(フレームサイズ)をｗとした場合、Ｌ＞ｗを満たせば１次の回折光は検出部８へ入射せず、０次光のみを選択的に検出部８において結像させることができる。したがって、レンズ系７の焦点距離をｆ、１次光の回折角（０次光と１次光とのなす角度）をθとした場合
Ｌ＝ｆｔａｎθ＞ｗ          （１）
の関係を満たせばいよい。
【００５３】
一方、回折部６を透過して検出部８へ入射する光の波長をλとした場合、回折格子６ｂのピッチΛに対し、１次の回折光は以下の条件を満たす。
ｓｉｎθ＝λ／Λ            （２）
【００５４】
θが十分小さければ、ｓｉｎθ≒ｔａｎθであるので、（１）の条件は（２）の関係を用いて
（ｆλ）／Λ＞ｗ            （３）
と示される。つまり、不等式（３）を満たすように検出部８の幅ｗを定めることが好ましい。光の波長の最小値を０．４μｍ、ｆ＝５ｍｍ、ｗ＝２ｍｍとすれば、不等式（３）を満たすためには、Λは１μｍ以下である必要がある。現在のフォトリソグラフィ技術および微細加工技術を用いれば、ピッチΛ１μｍ程度の回折格子６ｂを作製するのは困難ではない。
【００５５】
図５（ａ）から明らかなように、１次以上の回折光が確実に検出部８へ入射しないようにするためには、Ｌは小さいほうが好ましい。このため、検出部８のフレームが正方形でない場合、回折部６による回折の方向を検出部８のフレームの短辺と平行にし、フレームサイズの短い側に光を回折させるほうが好ましい。より具体的には、図５（ｂ）に示すように、検出部８の短辺と長辺とをそれぞれＬ１、Ｌ２とした場合、回折部６の回折格子６ｂのグレーティングは長辺Ｌ２と平行となるように配置されていることが好ましい。
【００５６】
上述したように、色分離装置１０１において、偏光方向変換器１６は入射光を偏光方向が所定の複数の方位へ所定の時間的周期で変化する直線偏光の光に変換する。また、回折部６は、偏光方向に応じた補色を生成する。したがって検出部８は、偏光方向変換器１６の偏光方位の変化のタイミングに同期して、色分離装置１０１の回折部６ｂから得られる０次光を検出する。具体的には、偏光方向変換器１６の駆動部１５で生成する駆動電圧の変化に同期して、色分離装置１０１から得られる補色の光を検出する。
【００５７】
このように、本発明の色分離装置において、偏光変換部および回折部は回転駆動機構を含まず、レンズ系と同軸に配置することが可能である。このため、従来に比べ撮像装置の小型化が容易である。また、特許文献１に示されるような従来例によれば、色分離板の分割の仕方など、ハードウエアを変更することなしに各色の受光量を調節することはできない。しかし、本発明の色分離装置によれば、偏光変換部を駆動する駆動部において生成する駆動電圧波形を変更するだけで各色の受光量を調節することが可能である。このため、撮像装置の色や輝度の調整や補正が容易に行うことができ、また色や輝度の高度な調整や補正が可能となる。さらに従来例と同様、光検出器の画素それぞれを分割してフィルタを設ける必要がないため、画素サイズを小さくでき、フレームサイズを変えずに画素数を増やすことも容易である。
【００５８】
なお、上記実施形態の説明で液晶層としてＳＴＮ液晶を例示しているが、Ｐ波をＳ波や円偏光等に変換できればＴＮ（Twisted Nematic）液晶等の他の偏光素子であってもよい。また、偏光変換部は偏光フィルタ、液晶素子および１／４波長板の組み合わせに限られず、偏光フィルタと１／２波長板を組み合わせ、光軸の回りにこれらを相対的に回転させる構成であってもよい。
【００５９】
さらに、回折部における回折格子の凹部と凸部との間で発生する透過光に対する位相差は、ｘ軸方向の偏光で赤の波長の１．５倍、ｙ軸方向の偏光で青の波長の１．５倍としているが、透過光の位相差が青の波長で少なくとも１波長以上生じれば、他の位相差が生じるように設定してもよい。また、赤、青および緑とは異なる色の波長においてその色の波長成分が弱められるように設計しても、０次光の色の類は変わるが同様に色分離が実現できる。
【００６０】
回折素子はＬｉＮｂＯ3等の複屈折結晶をエッチングすることによって形成してもよく、エッチングにより得られた凹部に紫外線硬化型液晶等の複屈折性媒質を充填することによって回折部を形成してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
本発明の色分離装置および撮像装置は、デジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラ、カメラ付き携帯電話等の小型・薄型撮像装置に好適に用いられる。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明による色分離装置および撮像装置の実施形態の構成を示す模式図である。
【図２】図１の色分離装置に用いられる偏光変換部構造および動作原理を説明する図である。
【図３】図１の色分離装置に用いられる回折部の構造および動作原理を説明する図である。
【図４】回折部０次光透過率と波長の関係を示す図である。
【図５】（ａ）は、図１の撮像装置における回折部の回折格子と光検出部の幅との関係を説明する図であり、（ｂ）は、光検出部に対する回折格子のグレーティング方向を説明する図である。
【図６】従来の撮像装置の全体の構成を示す模式図である。
【符号の説明】
【００６３】
１    物体
２    入射光
３    偏光フィルタ
４    液晶素子
５    １／４波長板
６    回折部
７    レンズ系
８    光検出器
９    像
１４    偏光変換部
１５    駆動部
１６    偏光変換器
１０１    色分離装置
【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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