(57)【要約】【課題】可視光波長域の全体で高い偏光性能を示す偏光子を備えるカラー偏光撮像素子および撮像装置を提供する。【解決手段】本発明のカラー偏光撮像素子は、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３以上の整数）の反射型偏光子５０を含む複数の単位構造５００が２次元的に配列され、各光感知セルに１つの反射型偏光子５０を透過した光が入射するように構成された反射型偏光子アレイと、各々が異なる色の光を透過する複数のカラーフィルタ６０が配列されたカラーフィルタアレイとを備える。各反射型偏光子５０は、入射光を２回以上反射させて光感知セルに入射させるように構成された誘電体構造物である。【選択図】図６
2013242480.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３以上の整数）の反射型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つの反射型偏光子を透過した光が入射するように構成された反射型偏光子アレイと、
各々が異なる色の光を透過する複数のカラーフィルタが配列されたカラーフィルタアレイと、
を備え、
各反射型偏光子は、入射光を２回以上反射させて前記光感知セルに入射させるように構成された誘電体構造物である、カラー偏光撮像素子。
【請求項２】
前記複数のカラーフィルタの各々が前記反射型偏光子アレイの各単位構造に割り当てられている、請求項１に記載のカラー偏光撮像素子。
【請求項３】
前記反射型偏光子アレイの各反射型偏光子が前記異なる色を透過する複数のカラーフィルタに割り当てられている、請求項１に記載のカラー偏光撮像素子。
【請求項４】
各反射型偏光子の前記誘電体構造物は、
対向する一対の傾斜反射面と、
前記一対の傾斜反射面に挟まれた空間内に光を入射させる開口部と、
を有している、請求項１から３のいずれかに記載のカラー偏光撮像素子。
【請求項５】
各反射型偏光子の前記誘電体構造物は、
前記一対の傾斜反射面の一方を形成する第１の表面を有する第１誘電体部材と、
前記一対の傾斜反射面の他方を形成する第２の表面を有する第２誘電体部材と、
を有し、
前記第１誘電体部材および前記第２誘電体部材は、前記第１の表面と前記第２の表面とが空隙を介して対向するように配置されている、請求項４に記載のカラー偏光撮像素子。
【請求項６】
前記第１誘電体部材の前記第１の表面は、六角錐台の６つの側面および上面を含む形状を有しており、
前記第２誘電体部材の前記第２の表面は、前記第１誘電体部材の前記第１の表面における前記六角錐台の前記６つの側面および前記上面を含む形状に対応した形状を有し、
各反射型偏光子は、前記六角錐台の前記上面に相当する領域を入射光が透過しないようする遮光構造を有している、請求項５に記載のカラー偏光撮像素子。
【請求項７】
前記第１誘電体部材の前記第１の表面は、三角錐台の３つの側面および上面を含む形状を有しており、
前記第２誘電体部材の前記第２の表面は、前記第１誘電体部材の前記第１の表面における前記三角錐台の前記３つの側面および前記上面を含む形状に対応した形状を有し、
各反射型偏光子は、前記三角錐台の前記上面に相当する領域を入射光が透過しないようする遮光構造を有している、請求項５に記載のカラー偏光撮像素子。
【請求項８】
前記反射型偏光子アレイを前記撮像面に平行にシフトさせる駆動部を更に備える、請求項１から７のいずれかに記載のカラー偏光撮像素子。
【請求項９】
前記駆動部は前記反射型偏光子アレイを画素単位でシフトさせ、前記反射型偏光子アレイの各単位構造に含まれる偏光透過軸方向の異なるＮ個（Ｎは３以上の整数）の反射型偏光子を透過した光を、順次、対応する光感知セルに入射させる、請求項７に記載のカラー偏光撮像素子。
【請求項１０】
前記反射型偏光子アレイおける前記反射型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９のいずれかに記載のカラー偏光撮像素子。
【請求項１１】
前記反射型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つの反射型偏光子を含んでいる、請求項１から１０のいずれかに記載のカラー偏光撮像素子。
【請求項１２】
前記反射型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つの反射型偏光子を含んでいる、請求項１から１０のいずれかに記載のカラー偏光撮像素子。
【請求項１３】
請求項１から１２のいずれかに記載のカラー偏光撮像素子と
前記カラー偏光撮像素子の撮像面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１４】
複数の色の光を順次発する照明光源と、
偏光撮像素子と、
前記カラー偏光撮像素子の撮像面上に像を形成するための撮影レンズと、
を備える撮像装置であって、
前記偏光撮像素子は、
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３以上の整数）の反射型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つの反射型偏光子を透過した光が入射するように構成された反射型偏光子アレイと、
を備え、
各反射型偏光子は、入射光を２回以上反射させて前記光感知セルに入射させるように構成された誘電体構造物である、撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、反射型偏光子を備えるカラー偏光撮像素子および撮像装置に関する。
【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、微細な偏光子を画素毎に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２００７−７９９８２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】
従来の偏光子の偏光性能は、ワイヤグリッド偏光子を除けば、入射光の波長に強く依存していた。そのため、従来の偏光子は比較的狭い特定の波長域で優れた偏光性能を示すが、その波長域から外れると、偏光性能が劣化するという問題があった。このため、カラー撮像素子を用いて、三原色を構成する各色の光で偏光情報を取得するためには、各色の波長域に合わせて異なる種類の偏光子を作製して使用する必要があった。
【０００５】
本発明の実施形態は、可視光波長域の全体で高い偏光性能を示す偏光子を備えるカラー偏光撮像素子および撮像装置を提供することができる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明のカラー偏光撮像素子は、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３以上の整数）の反射型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つの反射型偏光子を透過した光が入射するように構成された反射型偏光子アレイと、各々が異なる色の光を透過する複数のカラーフィルタが配列されたカラーフィルタアレイとを備え、各反射型偏光子は、入射光を２回以上反射させて前記光感知セルに入射させるように構成された誘電体構造物である。
【０００７】
ある実施形態において、前記複数のカラーフィルタの各々が前記反射型偏光子アレイの各単位構造に割り当てられている。
【０００８】
ある実施形態において、前記反射型偏光子アレイの各反射型偏光子が前記異なる色を透過する複数のカラーフィルタに割り当てられている。
【０００９】
ある実施形態において、各反射型偏光子の前記誘電体構造物は、対向する一対の傾斜反射面と、前記一対の傾斜反射面に挟まれた空間内に光を入射させる開口部とを有している。
【００１０】
ある実施形態において、各反射型偏光子の前記誘電体構造物は、前記一対の傾斜反射面の一方を形成する第１の表面を有する第１誘電体部材と、前記一対の傾斜反射面の他方を形成する第２の表面を有する第２誘電体部材とを有し、前記第１誘電体部材および前記第２誘電体部材は、前記第１の表面と前記第２の表面とが空隙を介して対向するように配置されている。
【００１１】
ある実施形態において、前記第１誘電体部材の前記第１の表面は、六角錐台の６つの側面および上面を含む形状を有しており、前記第２誘電体部材の前記第２の表面は、前記第１誘電体部材の前記第１の表面における前記六角錐台の前記６つの側面および前記上面を含む形状に対応した形状を有し、各反射型偏光子は、前記六角錐台の前記上面に相当する領域を入射光が透過しないようする遮光構造を有している。
【００１２】
ある実施形態において、前記第１誘電体部材の前記第１の表面は、三角錐台の３つの側面および上面を含む形状を有しており、前記第２誘電体部材の前記第２の表面は、前記第１誘電体部材の前記第１の表面における前記三角錐台の前記３つの側面および前記上面を含む形状に対応した形状を有し、各反射型偏光子は、前記三角錐台の前記上面に相当する領域を入射光が透過しないようする遮光構造を有している。
【００１３】
ある実施形態において、前記反射型偏光子アレイを前記撮像面に平行にシフトさせる駆動部を更に備える。
【００１４】
ある実施形態において、前記駆動部は前記反射型偏光子アレイを画素単位でシフトさせ、前記反射型偏光子アレイの各単位構造に含まれる偏光透過軸方向の異なるＮ個（Ｎは３以上の整数）の反射型偏光子を透過した光を、順次、対応する光感知セルに入射させる。
【００１５】
ある実施形態において、前記反射型偏光子アレイおける前記反射型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。
【００１６】
ある実施形態において、前記反射型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つの反射型偏光子を含んでいる。
【００１７】
ある実施形態において、前記反射型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つの反射型偏光子を含んでいる。
【００１８】
本発明の撮像装置は、上記いずれかのカラー偏光撮像素子と前記カラー偏光撮像素子の撮像面上に像を形成するための撮影レンズとを備える。
【００１９】
本発明の他の撮像装置は、複数の色の光を順次発する照明光源と、偏光撮像素子と、前記カラー偏光撮像素子の撮像面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であって、前記偏光撮像素子は、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３以上の整数）の反射型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つの反射型偏光子を透過した光が入射するように構成された反射型偏光子アレイとを備え、各反射型偏光子は、入射光を２回以上反射させて前記光感知セルに入射させるように構成された誘電体構造物である。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の実施形態によれば、複数回のフレネル反射によって偏光を形成するため、可視光の波長域の全体で優れた偏光性能を実現することができる。このため、公知の撮像素子における撮像面の前に同一種類の偏光子を、偏光透過軸の方向を変えて配列することにより、カラー偏光撮像素子を得ることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】非偏光の光線が２回のフレネル反射によって偏光光に変化する様子を示す図
【図２】屈折率ｎ＝１．８の誘電体の表面で光線が反射するときのフレネル反射係数と光線の入射角との関係を示すグラフ
【図３Ａ】一対の傾斜反射面５２ａ、５２ｂを有する反射型偏光子５０の基本的な構造例を示す模式断面図
【図３Ｂ】図３Ａに示される反射型偏光子５０の一例を示す斜視図である。
【図４Ａ】図３Ａに示される反射型偏光子５０よりも傾斜角θが小さな反射型偏光子５０の例を示す斜視図
【図４Ｂ】図３Ａに示される反射型偏光子５０よりも傾斜角θが大きな反射型偏光子５０の例を示す斜視図
【図５】反射型偏光子５０を透過した光がＲ、Ｇ、Ｂのカラーフィルタ６０に入射する様子を示す斜視図
【図６】（ａ）は、偏光透過軸の方位角が基準方向に対して０°、４５°、９０°、１３５°をなす４つの反射型偏光子５０からなる単位構造５００を示す上面図、（ｂ）は、この単位構造５００の下方に位置するカラーフィルタ６０を示す平面図
【図７Ａ】偏光透過軸の方位角が基準方向に対して９０°をなす反射型偏光子の立体構造を示す図
【図７Ｂ】偏光透過軸の方位角が基準方向に対して４５°をなす反射型偏光子の立体構造を示す図
【図７Ｃ】偏光透過軸の方位角が基準方向に対して０°をなす反射型偏光子の立体構造を示す図
【図７Ｄ】偏光透過軸の方位角が基準方向に対して１３５°をなす反射型偏光子の立体構造を示す図
【図８】偏光透過軸の方位角度が異なる４つの反射型偏光子５０から構成された１つの単位構造５００を模試的に示す斜視図
【図９Ａ】単位構造５００がＸ方向およびＹ方向に周期的に配列された偏光子アレイ１４の一例を示す平面図
【図９Ｂ】偏光子アレイ１４の下方に位置する光感知セルアレイ１２およびカラーフィルタアレイ１３を模試的に示す平面図
【図１０】（ａ）は単位構造５００における反射型偏光子５０の配置例を示す平面図、（ｂ）は、下方に位置するカラーフィルタ６０の配置例を示す平面図
【図１１】（ａ）は単位構造５００における反射型偏光子５０の配置例を示す平面図、（ｂ）は、下方に位置するカラーフィルタ６０の配置例を示す平面図
【図１２】４つの異なる角度で検知された偏光輝度Ｉ1、Ｉ2、Ｉ3、およびＩ4と偏光透過軸の方位角度との関係を示すグラフ
【図１３】反射型偏光子アレイ１４の製造方法の一例を模式的に示す工程断面図
【図１４Ａ】反射型偏光子アレイの他の例を示す図
【図１４Ｂ】図１４Ａにおける反射型偏光子アレイの主要部の平面図
【図１５Ａ】反射型偏光子アレイの更に他の例を示す図
【図１５Ｂ】図１５Ａにおける反射型偏光子アレイの主要部の平面図
【図１６】本発明の実施形態における撮像部の構成例を示す斜視図
【図１７】本発明の実施形態における撮像装置の構成例を示すブロック図
【図１８Ａ】単位構造５００がＸ方向およびＹ方向に周期的に配列された偏光子アレイ１４をシフトさせるためのシフト装置１６を備える実施形態を示す平面図
【図１８Ｂ】偏光子アレイ１４の下方に位置する光感知セルアレイ１２およびカラーフィルタアレイ１３を模試的に示す平面図
【図１９】本発明の実施形態における撮像部の他の構成例を示す斜視図
【図２０】本発明の実施形態における撮像装置の他の構成例を示すブロック図
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本発明によるカラー偏光撮像素子の実施形態は、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、反射型偏光子アレイと、カラーフィルタアレイとを備える。
【００２３】
光感知セルとは、フォトダイオード（ＰＤ：Ｐｈｏｔｏ  Ｄｉｏｄｅ）などの光電変換素子、または、そのような光電変換素子を含む回路要素であり、入射光を電気信号に変換する。光感知セルは、典型的には行列状に配列され、光感知セルアレイを構成する。各光感知セルで生成された電気信号は、配線を介して周辺回路によって読み出され、画素信号として外部の画像処理装置などに出力される。本実施形態における光感知セルアレイは、ＣＣＤ、ＣＭＯＳなどの公知のイメージセンサにおける光感知セルアレイと同様の構造を有し得る。
【００２４】
反射型偏光子アレイは、複数の単位構造が２次元的に配列された構成を有している。各単位構造はＮ個（Ｎは３以上の整数）の反射型偏光子を含み、Ｎ個の反射型偏光子は、各々の偏光透過軸が異なる方向を向くよう配列されている。各反射型偏光子は、入射光を２回以上反射させて光感知セルに入射させるように構成された誘電体構造物である。この反射型偏光子は、複数回のフレネル反射によって偏光を生じさせるため、可視光の波長域の全体で高い偏光性能を発揮することが可能である。反射型偏光子の構造および動作については、詳細を後述する。
【００２５】
カラーフィルタアレイは、各々が異なる色の光を透過する複数のカラーフィルタ（例えばＲ、Ｇ、Ｂフィルタ）が配列された構成を有している。カラーフィルタは、公知のカラーフィルタと同様の構成を有し得る。
【００２６】
ある実施形態において、複数のカラーフィルタの各々が反射型偏光子アレイの各単位構造に割り当てられている。他の実施形態において、反射型偏光子アレイの各反射型偏光子が異なる色を透過する複数のカラーフィルタに割り当てられている。本発明の実施形態では、可視光の波長域の全体で高い偏光性能を発揮することが可能な反射型偏光子を備えているため、各カラーフィルタの透過波長域に合わせて偏光子の種類を変化させる必要はない。
【００２７】
（実施形態１）
まず、本実施形態における反射型偏光子の構成と動作の原理を説明する。
【００２８】
図１は、非偏光の光線が２回のフレネル反射によって偏光光に変化する様子を示す図である。入射光線２は、非偏光の光線である。入射光線２には、入射面に平行な方向に電場が振動するＰ波成分と、入射面に垂直な方向に電場が振動するＳ波成分とが含まれている。図２に示されるように、入射面に垂直な反射面で２回のフレネル反射を繰り返すと、反射光線４は、Ｓ波成分を主として有する直線偏光光になる。
【００２９】
図２は、屈折率ｎ＝１．８の誘電体の表面で光線が反射するときのフレネル反射係数と光線の入射角との関係を示すグラフである。図２からわかるように、入射角が約６０°でＰ波成分のフレネル反射係数はゼロになる。このため、入射角が６０°程度のとき、Ｓ波に偏光した反射光が得られる。現実には、誘電体の表面に入射する光線の入射角は一定ではなく、ある程度の幅を有しているため、一度の反射だけではＳ波に偏光した反射光線を得ることできないが、同様の反射を２回以上繰りかえすことにより、偏光度の高い光線を得ることが可能になる。フレネル反射係数の入射角依存性は、可視光の波長域内において、波長依存性をほとんど示さない。
【００３０】
本実施形態における反射型偏光子は、入射光を２回以上反射させて光感知セルに入射させるように構成された誘電体構造物である。この誘電体構造物は、対向する一対の傾斜反射面と、一対の傾斜反射面に挟まれた空間内に光を入射させる開口部とを有している。
【００３１】
図３Ａは、一対の傾斜反射面５２ａ、５２ｂを有する反射型偏光子５０の基本的な構造例を示す模式断面図である。図３Ｂは、この反射型偏光子５０の一例を示す斜視図である。反射型偏光子５０は、第１の表面（傾斜反射面）５２ａを有する第１誘電体部材５０ａと、第２の表面（傾斜反射面）５２ｂを有する第２誘電体部材５０ｂとを備えており、一対の傾斜反射面５２ａ、５２ｂが空隙を介して対向するように配置されている。傾斜反射面５２ａは、不図示の撮像面に対して９０°よりも小さな角度θで傾斜している。
【００３２】
反射型偏光子５０には、一対の傾斜反射面５２ａ、５２ｂに挟まれた空間内に光を入射させる開口部５０ｃを有している。図中の上方から開口部５０ｃに入射した光（典型的には非偏光の光）は、傾斜反射面５２ａで反射された後、対向する傾斜反射面５２ｂで反射されて、図の下方に導かられる。入射光は、反射型偏光子５０を透過するとき、２回のフレネル反射により、Ｓ波の偏光光となる。言い換えると、反射型偏光子５０は、特定方向の直線偏光光を選択的に透過する。反射型偏光子５０が透過する直線偏光光の偏光方向（電場の振動方向）は、図３Ａの紙面に垂直であり、図３Ｂの開口部５０ｃが延びる方向Ｌに平行な方向である。したがって、反射型偏光子５０の開口部５０ｃが延びる方向Ｌを本願明細書では「偏光透過軸の方向（偏光透過軸方向）」と称する場合がある。偏光透過軸方向Ｌに垂直な方向に偏光した光を図３Ｂの開口部５０ｃに入射させると、２回のフレネル反射によって、その光は大きく減衰する。そのため、偏光透過軸方向Ｌに垂直な方向に偏光した光は、反射型偏光子５０に開口部５０ｃに入射しても反射型偏光子５０をほとんど透過することはできない。
【００３３】
１つの反射型偏光子５０で生じるフレネル反射の回数は２回に限定されない。例えば図３Ａに示す構造を積層することにより、４回またはそれ以上の回数でフレネル反射を生じさせることができる。
【００３４】
本実施形態における反射型偏光子５０では、図３Ａに示されるように、光が第２誘電体部材５０ｂの内部に進入しないように、第２誘電体部材５０ｂの上面を遮光部材７０によって覆っている。図３Ａに示される「Ｔ」は傾斜反射面の高さ、「Ｗ」は反射型偏光子５０の幅である。図３Ａの例では、開口部５０ｃの幅がＷ／２に等しくなるように設定されており、その開口率は５０％である。なお、開口率は５０％に限定されない。また、対向する一対の傾斜反射面５２ａ、５２ｂは、厳密には平行の関係にある必要はない。
【００３５】
図４Ａおよび図４Ｂは、それぞれ、傾斜角θが図３Ａおよび図３Ｂに示される例の傾斜角θより小さな例および大きな例を示す斜視図である。本実施形態において、傾斜角θは、入射角が３０°以上６０°以下の範囲内にあるように設定される。光が撮像面に垂直に入射すると想定した場合、「傾斜角θ＝入射角」の関係が成立する。図２のグラフからわかるように、入射角θが３０°以上６０°以下の範囲内に設定されるとき、Ｓ波の反射係数に比べてＰ波の反射係数が充分に低くなる。
【００３６】
図５は、反射型偏光子５０を透過した光がＲ、Ｇ、Ｂのカラーフィルタ６０に入射する様子を示す斜視図である。Ｒ、Ｇ、Ｂのカラーフィルタ６０を透過した光は、それぞれ、Ｒ、Ｇ、Ｂの色を有する光である。Ｒ、Ｇ、Ｂのカラーフィルタ６０の下方には、それぞれ、光感知セルが位置しており、対応する色のカラーフィルタ６０を透過した光の強度（輝度）を示す電気信号が生成される。
【００３７】
図５の例では、１つの反射型偏光子５０がＲ、Ｇ、Ｂのカラーフィルタ６０に割り当てられているが、このことは本発明を限定するものではない。１つの反射型偏光子５０がＲ、Ｇ、Ｂのカラーフィルタ６０のうちのいずれかの色のカラーフィルタのみに割り当てられていてもよい。また、ある色の１つのカラーフィルタに向きが異なる複数の反射型偏光子５０が割り当てられていてもよい。更に、Ｒ、Ｇ、Ｂの色の照明光が被写体に順次照射される場合は、カラーフィルタアレイそのものが不要になる。簡単のため、以下の説明では、図５に示すように１つの反射型偏光子５０が３色のカラーフィルタ６０に割り当てられる例を説明する。
【００３８】
図６（ａ）は、偏光透過軸の方位角が基準方向に対して０°、４５°、９０°、１３５°をなす４つの反射型偏光子５０からなる単位構造５００を示す上面図である。図６（ｂ）は、この単位構造５００の下方に位置するカラーフィルタ６０を示す平面図である。図６（ａ）に示す反射型偏光子５０の開口部５０ｃに入射した光は、２回のフレネル反射を経て、図６（ｂ）に示すカラーフィルタ６０に入射する。
【００３９】
図７Ａ、図７Ｂ、図７Ｃ、および図７Ｄは、それぞれ、偏光透過軸の方位角が基準方向に対して９０°、４５°、０°、１３５°をなす反射型偏光子の立体構造を示す図である。なお、基準方向の設定は任意である。これらの図では、一番左側の斜視図以外の３つの斜視図において、仮想的な平面（ハッチングされた平面）で各反射型偏光子を切断した面を記載している。一対の反射面によって挟まれた空間は、各断面において白抜き部分で示されている。これらの白抜きの部分は、光が反射しながら伝播する空間を示している。この空間の形状は直方体ではない。すなわち、４つの側面のうちの、平行な２つが一対の傾斜反射面を形成し、他の２つは非平行な面を形成している。これは、平行な傾斜反射面で反射された光のみを光感知セルに入射させるためであり、迷光が光感知セルに入試することを防止する。
【００４０】
図８は、偏光透過軸の方位角が異なる４つの反射型偏光子５０から構成された１つの単位構造５００を模試的に示す斜視図である。図８では、１つの単位構造５００を中心に記載するとともに、その単位構造５００を構成する４つの反射型偏光子５０を周囲にして記載している。このような単位構造５０を撮像面内で行および列状に配列することにより、反射型偏光子アレイを得ることができる。
【００４１】
図９Ａは、単位構造５００がＸ方向およびＹ方向に周期的に配列された偏光子アレイ１４の一例を示す平面図である。図９Ｂは、この偏光子アレイ１４の下方に位置する光感知セルアレイ１２およびカラーフィルタアレイ１３を模式的に示す平面図である。なお、各単位構造５０における４つ反射型偏光子５０の配置のされ方は、図６の例に限定されない。図１０（ａ）および図１０（ｂ）、または図１１（ａ）および図１１（ｂ）に示す配置のされ方を採用してもよい。
【００４２】
上記のように単位構造５００内において、偏光透過軸の方位角度が異なる４つの反射型偏光子５０を配置すれば、各単位構造５００で４つの異なる角度で偏光輝度を検知することが可能になる。なお、反射型偏光子アレイ１４から任意の２行２列で隣接する４個の反射型偏光子を選択すると、その中央点の周囲には異なる４方向の反射型偏光子が存在している。このため、例えば１００００個の単位構造５００が１００行１００列で二次元的に配列された場合、反射型偏光子は２００行２００列で二次元的に配列される。そして、１９９行１９９列の格子点の全てにおいて、その周囲に４つの異なる偏光軸方向を持つ反射型偏光子が配列されていることになる。
【００４３】
図１２は、偏光透過軸が４つの方向を向いた反射型偏光子を介して検知された偏光輝度Ｉ1、Ｉ2、Ｉ3、およびＩ4と、偏光透過軸の方位角度との関係を示すグラフである。本実施形態では、ＲＧＢの各々の色で偏光情報を求めることができる。図１２の上部のグラフに示されるように、撮像によって各単位構造から偏光輝度Ｉ1、Ｉ2、Ｉ3、およびＩ4が得られると、１つの正弦関数で偏光輝度の偏光角度依存性を表現することが可能になる。この正弦関数は、各単位構造でフィッティングによって求められる。後述するように、こうして得られた正弦関数から偏光情報を算出することができる。図１２の下方のグラフは、偏光情報を規定するパラメータＡ、Ｂ、Ｃを説明するグラフである。
【００４４】
図１３は、反射型偏光子アレイ１４の製造方法の一例を模式的に示す工程断面図である。
【００４５】
この例では、２枚の透明基板５０ｘ、５０ｙの対向面に微細な傾斜反射面のパターンを形成する。例えば図５に示すようなプリズム形状の誘電体５０ａ、５０ｂをそれぞれ透明基板５０ｘ、５０ｙの対向面に形成すればよい。図６に示すような単位構造５００を形成する場合は、１つの単位構造５００内で４つ方向に延びる微細なプリズム形状の誘電体５０ａ、５０ｂを透明基板５０ｘ、５０ｙの対向面に形成すればよい。パターンの形成は、前もって用意した型を用いて樹脂にパターンを転写し、樹脂を硬化させることによって行うことが可能である。このようなパターンを有する２つの透明基板５０ｘ、５０ｙを対向させて張り合わせることにより、反射型偏光子アレイを実現することができる。なお、反射型偏光子アレイの製造方法は、上述した例に限定されない。
【００４６】
開口部５０ｃ以外の領域に光が入射しないように、前出した遮光部７０が透明基板５０ｘ、５０ｙの少なくとも一方に形成され得る。
【００４７】
図１４Ａは、反射型偏光子アレイの他の例を示す図である。図１４Ｂは、その主要部の平面図である。この例では、第１誘電体部材５０ａの表面が、六角錐台の６つの側面（傾斜反射面５２ａ）および上面５２ｄを含む形状を有している。図１４Ｂには１つの六角錐台しか記載されていないが、現実は、第１誘電体部材５０ａの表面に多数の六角錐台がハニカム格子点の位置に配列されている。一方、第２誘電体部材５０ｂの表面は、第１誘電体部材５０ａ表面における六角錐台の６つの側面および上面を含む形状に対応した形状を有している。各反射型偏光子５０は、六角錐台の上面５２ｄに相当する領域を入射光が透過しないようする遮光部７０を有している。
【００４８】
図１４Ａおよび図１４Ｂに示す例によれば、１つの六角錐台が有する６つの斜面の方位角が基準方向に対して０°、６０°、１２０°であるため、偏光面の方位角が０°、６０°、１２０°の偏光が得られる。
【００４９】
図１５Ａは、反射型偏光子アレイの更に他の例を示す図である。図１５Ｂは、その主要部の平面図である。この例では、第１誘電体部材５０ａの表面は、三角錐台の３つの側面傾斜反射面５２ａ）および上面５２ｄを含む形状を有している。図１５Ｂには１つの三角錐台しか記載されていないが、現実は、第１誘電体部材５０ａの表面に多数の三角錐台が三角格子点の位置に配列されている。第２誘電体部材５０ｂの表面は、第１誘電体部材５０ａの表面における三角錐台の３つの側面および上面を含む形状に対応した形状を有している。各反射型偏光子５０は、三角錐台の上面５２ｄに相当する領域を入射光が透過しないようにする遮光部７０を有している。
【００５０】
図１５Ａおよび図１５Ｂに示す例によれば、１つの三角錐台が有する３つの斜面の方位角が基準方向に対して０°、６０°、１２０°であるため、偏光面の方位角が０°、６０°、１２０°の偏光が得られる。
【００５１】
次に、上記のカラー偏光撮像素子を備える撮像装置の実施形態を説明する。
【００５２】
まず図１６を参照して、本実施形態における撮像装置の撮像部１００の構成例を説明する。撮像部１００は、撮像素子（イメージセンサ）１０と、撮像素子１０の撮像面に画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、前述したように、光感知セルアレイ１２と、カラーフィルタアレイ１３と、反射型偏光子アレイ１４とが積層された構成を有している。撮影レンズ２０は、単一レンズに限られず、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。
【００５３】
図１７は、本実施形態の撮像装置の構成例を示す図である。この撮像装置は、図１６に示す撮像部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媒体４００と、各部を制御するシステム制御回路６００とを備える。
【００５４】
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。
【００５５】
撮像部１００は、撮像素子１０を制御する撮像素子制御部３０を備えている。撮像素子制御部３０は、たとえばドライバＬＳＩから構成されている。撮像素子制御部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。
【００５６】
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。
【００５７】
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、本実施形態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。
【００５８】
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回路６００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。
【００５９】
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で処理される。画像処理部２２０の働きの結果、例えば、以下に説明する偏光度画像（ρ）および偏光位相画像（φ）が得られる。これらの画像のデータはメモリ２４０に格納される。メモリ２４０からは偏光度画像（ρ）および偏光位相画像（φ）のデータが出力され得る。
【００６０】
＜偏光情報＞
前述の図１２には、偏光透過軸の方位が異なる（Ψｉ＝０°、４５°、９０°、１３５°）４種類の反射型偏光子を透過した光の強さ（画素値または輝度）Ｉ1〜Ｉ4が示されている。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１２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。
【００６１】
反射型偏光子アレイを用いた偏光主軸の角ψに対する観測輝度は、以下の式で表される。
【数１】
2013242480.tif 000003
【００６２】
ここでＡ、Ｂ、Ｃは未知定数であり、それぞれ、図１２の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。
【００６３】
なお、本明細書における「偏光情報」とは、反射型偏光子を透過した光の輝度と偏光主軸角度との関係を規定する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。
【００６４】
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。なお、ここでの「画素」とは、偏光情報を取得するために必要な少なくとも３個の偏光子によって規定される。従って、少なくとも３つの光感知セルから１つの画素が実現される。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。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】
2013242480.tif 000004
【数３】
2013242480.tif 000005
【００６５】
本実施形態では、反射型偏光子アレイを移動させずに光感知セルアレイから読み出される画素値に基づいて、偏光情報を取得することができる。
【００６６】
（実施形態２）
反射型偏光子アレイを撮像面に平行な面内において画素単位でシフトさせることにより、各光感知セルに入射する偏光光の偏光面を回転させることが可能である。
【００６７】
図１８Ａは、単位構造５００がＸ方向およびＹ方向に周期的に配列された偏光子アレイ１４をシフトさせるためのシフト装置１６を備える実施形態を示す平面図である。図１８Ｂは、反射型偏光子アレイ１４の下方に位置する光感知セルアレイ１２およびカラーフィルタアレイ１３を模試的に示す平面図である。図１９は、この実施形態の斜視図であり、図２０は、この実施形態のブロック図である。
【００６８】
本実施形態が実施形態１と異なる点は、撮像部１００がシフト装置駆動部４０を備えており、このシフト装置駆動部４０がシフト装置１６を駆動する点にある。他の点は、実施形態１と同様であるため、ここでは共通する部分の説明は繰り返さない。
【００６９】
本実施形態では、反射型偏光子アレイ１４をある位置に設定して撮像を行う。このとき、ある画素に注目すると、ある特定の方向に偏光した光がその画素の光感知セルに入射する。この光感知セルの出力から、例えば輝度Ｉ1が得られる。次に、反射型偏光子アレイ１４を１画素分だけ、Ｘ軸方向に平行にシフトさせる。その状態で、撮像を行うと、異なる方向に偏光した光が、その画素の光感知セルに入射する。これにより、例えば、輝度Ｉ2が得られる。更に、反射型偏光子アレイ１４を１画素分だけ、Ｙ軸方向に平行にシフトさせる。その状態で、撮像を行うと、異なる方向に偏光した光が、その画素の光感知セルに入射する。これにより、例えば、輝度Ｉ3が得られる。続いて、反射型偏光子アレイ１４を１画素分だけ、−Ｘ軸方向に平行にシフトさせる。その状態で、撮像を行うと、更に異なる方向に偏光した光が、その画素の光感知セルに入射する。これにより、例えば、輝度Ｉ4が得られる。最後に、反射型偏光子アレイ１４を１画素分だけ、−Ｙ軸方向に平行にシフトさせると、反射型偏光子アレイ１４はもとの位置に復帰する。
【００７０】
本実施形態では、１つの光感知セルに入射する光線の偏光面を、順次、変化させるため、個々の光感知セルから輝度Ｉ1〜Ｉ4が求められる。このため、偏光情報を得るための画素の単位を実施形態１におけるよりも小さくすることができ、偏光画像を高精細化しやすくなる。
【００７１】
なお、上記の実施形態１、２における撮像素子は、カラーフィルタアレイを備えているが、撮像装置が複数の色の光を順次発する照明光源を備えていれば、撮像素子のカラーフィルタが無くとも、カラー画像を得ることができる。
【００７２】
また、カラーフィルタアレイの位置は、光感知セルアレイと反射型偏光子アレイとの間に限定されず、反射型偏光子アレイよりも光入射側に配置されていても良い。
【産業上の利用可能性】
【００７３】
本発明の実施形態は、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、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。また、内視鏡や、赤外線や、テラヘルツ波イメージングにも利用され得る。
【符号の説明】
【００７４】
２    入射光（非偏光）
４    ２回反射光（直線偏光光）
１０    撮像素子
１２    光感知セルアレイ
１３    カラーフィルタアレイ
１４    反射型偏光子アレイ
１６    シフト装置
２０    撮影レンズ
３０    撮像素子制御回路
４０    シフト装置駆動部
５０    反射型偏光子
５０ａ  第１誘電体部材
５０ｂ  第２誘電体部材
５０ｃ  開口部
５０ｘ  透明基板
５０ｙ  透明基板
５２ａ、一対の傾斜反射面の一方
５２ｂ  一対の傾斜反射面の他方
５２ｄ  上面
６０    カラーフィルタ
７０    遮光部材
１００    撮像部
２００    信号処理部
２２０    画像処理部（イメージプロセッサ）
２４０    メモリ
２６０    インターフェース（ＩＦ）
３００    表示部
４００    記録媒体
５００    単位構造
６００    システム制御回路
【図１】
2013242480.tif 000006
【図２】
2013242480.tif 000007
【図３Ａ】
2013242480.tif 000008
【図３Ｂ】
2013242480.tif 000009
【図４Ａ】
2013242480.tif 000010
【図４Ｂ】
2013242480.tif 000011
【図５】
2013242480.tif 000012
【図６】
2013242480.tif 000013
【図７Ａ】
2013242480.tif 000014
【図７Ｂ】
2013242480.tif 000015
【図７Ｃ】
2013242480.tif 000016
【図７Ｄ】
2013242480.tif 000017
【図８】
2013242480.tif 000018
【図９Ａ】
2013242480.tif 000019
【図９Ｂ】
2013242480.tif 000020
【図１０】
2013242480.tif 000021
【図１１】
2013242480.tif 000022
【図１２】
2013242480.tif 000023
【図１３】
2013242480.tif 000024
【図１４Ａ】
2013242480.tif 000025
【図１４Ｂ】
2013242480.tif 000026
【図１５Ａ】
2013242480.tif 000027
【図１５Ｂ】
2013242480.tif 000028
【図１６】
2013242480.tif 000029
【図１７】
2013242480.tif 000030
【図１８Ａ】
2013242480.tif 000031
【図１８Ｂ】
2013242480.tif 000032
【図１９】
2013242480.tif 000033
【図２０】
2013242480.tif 000034