(57)【要約】【課題】各画素から偏光情報を取得することができる撮像装置を提供する。【解決手段】本発明の実施形態における撮像装置１００は、複数の光感知セルが撮像面１１０ａに沿って２次元に配列された光感知セルアレイ（撮像素子１１０）と、撮像面１１０ａに像を形成する撮影レンズ１０９と、偏光透過軸方向が異なるＮ個（Ｎは３以上の整数）の偏光子を有する偏光素子１０６ｃであって、Ｎ個の偏光子が同心円状に配列され、隣接する偏光子の境界が同心円である偏光素子１０６ｃと、偏光素子１０６ｃに入射する光の少なくとも一部または偏光素子１０６ｃを透過する光の少なくとも一部を遮蔽するシャッター１０６ｂと、偏光素子１０６ｃの偏光透過軸方向が異なる複数の偏光子を透過した光を、撮像時に順次、光感知セルアレイ１１０の同一の光感知セルに入射させるようにシャッター１０６ｂを駆動するシャッター駆動部１１２とを備える。【選択図】図１
2013052180.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２次元に配列された光感知セルアレイと、
前記撮像面に像を形成する撮影レンズと、
偏光透過軸方向が異なるＮ個（Ｎは３以上の整数）の偏光子を有する偏光素子であって、前記Ｎ個の偏光子が同心円状に配列され、隣接する偏光子の境界が同心円である偏光素子と、
前記偏光素子に入射する光の少なくとも一部または前記偏光素子を透過する光の少なくとも一部を遮蔽するシャッターと、
前記偏光素子の偏光透過軸方向が異なる複数の偏光子を透過した光を、同時または異なるタイミングで、前記光感知セルアレイの同一の光感知セルに入射させるように前記シャッターを駆動するシャッター駆動部と、
を備える撮像装置。
【請求項２】
前記シャッター駆動部は、前記光感知セルアレイの各電荷蓄積期間内において、前記偏光素子が有する前記Ｎ個の偏光子のうちの１つの偏光子を透過した光を前記光感知セルアレイの撮像面に入射させ、次の電荷蓄積期間内においては、他の１つの偏光子を透過した光を前記光感知セルアレイの撮像面に入射させるように前記シャッターを駆動する、請求項１に記載の撮像装置。
【請求項３】
前記偏光素子は、偏光子が存在しない透明部を備えている、請求項１または２に記載の撮像装置。
【請求項４】
前記Ｎ個の偏光子は、円形の中央偏光子と、前記中心偏光子の周りに配列された複数のリング状偏光子とを含む請求項１から３のいずれかに記載の撮像装置。
【請求項５】
前記Ｎ個の偏光子は、偏光透過軸方向が４５°ずつ異なる４つの偏光子である請求項１から４のいずれかに記載の撮像装置。
【請求項６】
前記Ｎ個の偏光子は、偏光透過軸方向が６０°ずつ異なる３つの偏光子である請求項１から４のいずれかに記載の撮像装置。
【請求項７】
前記シャッターは、前記偏光素子の前記Ｎ個の偏光子の少なくとも１つを遮光するリング状の遮光部または円形の遮光部を有する請求項１から６のいずれかに記載の撮像装置。
【請求項８】
前記シャッター駆動部は、前記シャッターを回転させる請求項７に記載の撮像装置。
【請求項９】
非偏光で被写体を照明する光源を有する、請求項１から８のいずれかに記載の撮像装置。
【請求項１０】
内視鏡である請求項１から９のいずれかに記載の撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、カラー画像と偏光情報を同時に取得することができるカメラなどの撮像装置に関する。
【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、微細な偏光子を例えば１００μｍ程度のピッチで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】
特許文献１に記載の従来技術によれば、偏光子が固定されているため、画素ズレの問題が生じず、偏光板を回転させるための機構も不要である。しかし、個々の画には一定方向の偏光透過軸を透過した光しか入射しない。そのため、偏光度や偏光位相角度などの偏光情報を獲得するには、複数の画素からの信号を用いる必要があり、解像度が低下する。
【０００５】
特許文献２に記載の従来技術によれば、回転偏光板による画素ズレの問題があり、解像度やＳＮ比が低下する。また、偏光板を回転させるための装置は小型化が困難である。
【０００６】
特許文献３に記載の従来技術によれば、偏光板の移動距離が大きく、偏光板の位置を変えるための装置の小型化が困難である。
【０００７】
更に、現時点ではカラー画像と偏光情報とを同時に取得するカメラが実現できていない。
【０００８】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その主な目的は、各画素から偏光情報を取得することができる撮像装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の撮像装置は、複数の光感知セルが撮像面に沿って２次元に配列された光感知セルアレイと、前記撮像面に像を形成する撮影レンズと、偏光透過軸方向が異なるＮ個（Ｎは３以上の整数）の偏光子を有する偏光素子であって、前記Ｎ個の偏光子が同心円状に配列され、隣接する偏光子の境界が同心円である偏光素子と、前記偏光素子に入射する光の少なくとも一部または前記偏光素子を透過する光の少なくとも一部を遮蔽するシャッターと、前記偏光素子の偏光透過軸方向が異なる複数の偏光子を透過した光を、同時または異なるタイミングで、前記光感知セルアレイの同一の光感知セルに入射させるように前記シャッターを駆動するシャッター駆動部とを備える。
【００１０】
ある実施形態において、前記シャッター駆動部は、前記光感知セルアレイの各電荷蓄積期間内において、前記偏光素子が有する前記Ｎ個の偏光子のうちの１つの偏光子を透過した光を前記光感知セルアレイの撮像面に入射させ、次の電荷蓄積期間内においては、他の１つの偏光子を透過した光を前記光感知セルアレイの撮像面に入射させるように前記シャッターを駆動する。
【００１１】
ある実施形態において、前記偏光素子は、偏光子が存在しない透明部を備えている。
【００１２】
ある実施形態において、前記Ｎ個の偏光子は、円形の中央偏光子と、前記中心偏光子の周りに配列された複数のリング状偏光子とを含む。
【００１３】
ある実施形態において、前記偏光素子は、中央に透明部を含む。
【００１４】
ある実施形態において、前記Ｎ個の偏光子は、偏光透過軸方向が４５°ずつ異なる４つの偏光子である。
【００１５】
ある実施形態において、前記Ｎ個の偏光子は、偏光透過軸方向が６０°ずつ異なる３つの偏光子である。
【００１６】
ある実施形態において、前記シャッターは、前記偏光素子の前記Ｎ個の偏光子の少なくとも１つを遮光するリング状の遮光部または円形の遮光部を有する。
【００１７】
ある実施形態において、前記シャッター駆動部は、前記シャッターを回転させる。
【００１８】
ある実施形態において、撮像装置は非偏光で被写体を照明する光源を有する。
【００１９】
ある実施形態において、撮像装置は内視鏡である。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、各画素に偏光主軸の異なる光を入射させることができるため、高解像度の偏光画像を取得することが可能になる。また、個々の画素の前に微細な偏光子を配列する必要がないため、帯域の広い偏光子を用いてカラー画像を取得することも可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明による撮像装置の構成例を示す図である。
【図２】偏光素子１０６ｃの一例の平面構成および断面構成を模式的に示す図である。
【図３】偏光における偏光面の角度ΨＩの定義を示す図である。
【図４】撮像素子１１０の撮像面１１０ａの構成例を示す図である。
【図５Ａ】図１に示すシャッター１０６ｂの働きにより、偏光素子１０６ｃの偏光子Ｓ１〜Ｓ４が遮蔽された状態を模試的に示す図である。
【図５Ｂ】図１に示すシャッター１０６ｂの働きにより、偏光素子１０６ｃの偏光子Ｓ２〜Ｓ４が遮蔽された状態を模試的に示す図である。
【図５Ｃ】偏光素子１０６ｃの偏光子Ｓ１、Ｓ３〜Ｓ４が遮蔽された状態を模試的に示す図である。
【図５Ｄ】偏光素子１０６ｃの偏光子Ｓ１〜Ｓ２、Ｓ４が遮蔽された状態を模試的に示す図である
【図５Ｅ】偏光素子１０６ｃの偏光子Ｓ１〜Ｓ３が遮蔽された状態を模試的に示す図である。
【図６】偏光子Ｓ１〜Ｓ４の位置と、各偏光子を透過した光（直線偏光Ｉ0、Ｉ45、Ｉ90、Ｉ135）との対応関係を示す図である。
【図７】本発明の実施形態による撮像装置の概略構成を示す図である。
【図８】図７の先端部の拡大図を示す図である。
【図９】本実施形態におけるシャッター装置１０６ｂの構成例を示す図である。
【図１０】偏光素子１０６ｃの前面に位置するシャッターと、撮像素子１１０で生成される偏光画像と、撮像素子１１０からカラー偏光画像処理部に転送される各偏光画像とを示す図である。
【図１１】シャッター装置１０６ｂの他の構成例を示す図である。
【図１２】図１１のシャッター装置を用いる場合において、偏光素子１０６ｃの前面又は裏面に位置するシャッターと、透過する偏光子の種類と、撮像素子１１０で生成されて蓄積されるデータと、信号処理によって生成される偏光画像と、カラー偏光画像処理部に転送される各偏光画像のタイミングダイアグラムとを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
図１は、本発明による撮像装置の構成例を示す図である。
【００２３】
図示される撮像装置は、複数の光感知セルが撮像面に沿って２次元に配列された撮像素子１１０と、撮像素子１１０の撮像面１１０ａに像を形成する撮影レンズ１０９とを備える。撮影レンズ１０９は、図１において、単一レンズとして模式的に記載されているが、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。これらの構成は、従来の撮像装置における構成と基本的には同一であり得る。この撮像装置は、更に、偏光透過軸方向が異なるＮ個（Ｎは３以上の整数）の偏光子を有する偏光素子１０６ｃと、偏光素子１０６ｃに入射する光の少なくとも一部を遮蔽するシャッター１０６ｂとを備える。偏光素子１０６ｃにおいて、３個以上の偏光子が同心円状に配列され、隣接する偏光子の境界が同心円である。
【００２４】
図２は、偏光素子１０６ｃの一例の平面構成および断面構成を模式的に示す図である。この偏光素子１０６ｃは、円形の透明部Ｓ０、リング状の第１偏光子Ｓ１、リング状の第２偏光子Ｓ２、リング状の第３偏光子Ｓ３、リング状の第４偏光子Ｓ４、およびリング状の透明部Ｓ５を有している。これらの透明部Ｓ１、Ｓ５および偏光子Ｓ１〜Ｓ４は同心円状に配置されている。
【００２５】
偏光素子１０６ｃは、可視光の波長帯域（４００ｎｍ〜７００ｎｍ）の全範囲において、偏光子として機能し得るため、カラーの偏光画像を取得することが可能である。偏光素子１０６ｃは、可視光のみならず、赤外光に対しても偏光子として機能することも可能である。なお、撮像素子１１０上に微細な偏光子を配列した偏光モザイクフィルタの場合、偏光子として機能し得る波長範囲が狭く、カラーの偏光画像を取得することも困難である。
【００２６】
図２の例における偏光子Ｓ１〜Ｓ４の偏光透過軸方向は、４５°ずつ異なる。この角度は、偏光子の個数Ｎである４で１８０°を割った値である。偏光子の個数Ｎが３の場合、各偏光子の偏光透過軸方向は６０°（＝１８０／３）ずつ異なり得る。偏光透過軸方向の角度は、偏光子の個数Ｎで１８０°を割った値であることが好ましいが、必ずしも、そのような場合に限定されない。
【００２７】
図３は、偏光における偏光面の角度ΨＩの定義を示す図である。被写体に向かってＸ−Ｙ座標系を設定している。偏光面の角度ΨＩは、Ｘ軸を０°としてＸ軸正向きからＹ軸正向きへ回す角度の向きを正向に定義するものとする。偏光面の角度ΨＩを増加または減少させていくと、１８０°の周期で同一の偏光状態が繰り返される。すなわち、偏光面の角度ΨＩを変数とする関数は、１８０°の周期を有する周期関数である。
【００２８】
図４は、撮像素子１１０の撮像面１１０ａの構成例を示す図である。図４に示すように撮像面には、複数の光感知セル（フォトダイオード）が行および列状に規則的に配列されている。撮像面１１０ａの前面には、ＲＧＢ３種の波長を透過するカラーモザイクフィルタが設置される。個々の光感知セルは、光電変換により、入射した光の量に応じて電気信号を生成する。このように撮像素子１１０としては、従来の輝度画像用のイメージング素子（ＣＣＤまたはＣＭＯＳセンサー）を利用できる。
【００２９】
撮像素子１１０の個々の光感知セルは、画素に相当するため、光感知セルアレイは画素アレイと称しても良い。撮像素子１１０の画素アレイには、後に詳しく説明するように、各々が偏光透過軸方向の異なるＮ個（Ｎは３以上の整数）の偏光子から構成される偏光素子１０６ｃの各偏光子を透過した光が入射する。
【００３０】
再び、図１を参照する。図１の構成例において、シャッター１０６ｂは偏光素子１０６ｃの前面側（光入射面側）に配置されているが、シャッター１０６ｂは偏光素子１０６ｃと撮影レンズ１０９との間、すなわち、偏光素子１０６ｃの背面側に配置されていてもよい。シャッター１０６ｂが偏光素子１０６ｃの背面側に配置されている場合、シャッター１０６ｂは、偏光素子１０６ｃに入射する光ではなく、偏光素子１０６ｃを透過する光の少なくとも一部を遮蔽することができる。
【００３１】
シャッター１０６ｂは、シャッター駆動部１１２に接続されており、シャッター１０６ｂの動作はシャッター駆動部１１２によって制御される。シャッター駆動部１１２は、偏光素子１０６ｃにおける偏光透過軸方向が異なる複数の偏光子を透過した光を、撮像時に順次、撮像素子１１０に入射させるようにシャッター１０６ｂを駆動する。図２に示す偏光素子１０６ｃを用いる場合、４種類の偏光子Ｓ１〜Ｓ４から１つの偏光子を選択し、その偏光子を順次切り替えるようにシャッター１０６ｂを動作させることができる。シャッター駆動部１１２は、撮像素子１１０または偏光素子１０６ｃに組み込まれていても良いし、他の部品として搭載されていてもよい。
【００３２】
図５Ａは、図１に示すシャッター１０６ｂの働きにより、偏光素子１０６ｃの偏光子Ｓ１〜Ｓ４が遮蔽され、透明部Ｓ０、Ｓ５が開口された状態を模試的に示している。この場合、撮像素子１１０の撮像面に達して結像に寄与する光は、透明部Ｓ０、Ｓ５を透過した光（ＩR）である。結像を行うとき、透明部Ｓ０、Ｓ５および偏光子Ｓ１〜Ｓ４の何れを透過した光を用いるかは、シャッター１０６ｂの働きによって決定され得る。なお、わかりやすさのため、図５では、偏光素子１０６ｃについては平面構成を表しているが、偏光子を透過した光線（ＩR）および撮像素子１１０については、その断面構成を表している。このことは、以下に説明する図５Ｂ〜５Ｅでも同様である。透明部Ｓ０、Ｓ５を透過した光に基づいて、参照画像を撮影することができる。
【００３３】
図５Ｂは、図１に示すシャッター１０６ｂの働きにより、偏光素子１０６ｃの偏光子Ｓ２〜Ｓ４が遮蔽され、偏光子Ｓ１および透明部Ｓ０、Ｓ５が開口された状態を模試的に示している。この場合、撮像素子１１０の撮像面に達して結像に寄与する光は、偏光子Ｓ１を透過した光（直線偏光Ｉ135）と透明部Ｓ０、Ｓ５を透過した光（ＩR）である。
【００３４】
図５Ｃは、偏光素子１０６ｃの偏光子Ｓ１、Ｓ３〜Ｓ４が遮蔽され、偏光子Ｓ２および透明部Ｓ０、Ｓ５が開口された状態を模試的に示している。この場合、撮像素子１１０の撮像面に達して結像に寄与する光は、偏光子Ｓ２を透過した光（直線偏光Ｉ90）と透明部Ｓ０、Ｓ５を透過した光（ＩR）である。
【００３５】
図５Ｄは、偏光素子１０６ｃの偏光子Ｓ１〜Ｓ２、Ｓ４が遮蔽され、偏光子Ｓ３および透明部Ｓ０、Ｓ５が開口された状態を模試的に示している。この場合、撮像素子１１０の撮像面に達して結像に寄与する光は、偏光子Ｓ３を透過した光（直線偏光Ｉ45）と透明部Ｓ０、Ｓ５を透過した光（ＩR）である。
【００３６】
図５Ｅは、偏光素子１０６ｃの偏光子Ｓ１〜Ｓ３が遮蔽され、偏光子Ｓ４および透明部Ｓ０、Ｓ５が開口された状態を模試的に示している。この場合、撮像素子１１０の撮像面に達して結像に寄与する光は、偏光子Ｓ４を透過した光（直線偏光Ｉ0）と透明部Ｓ０、Ｓ５を透過した光（ＩR）である。
【００３７】
本実施形態では、上述のように、ある特定の方向に偏光透過軸を有する偏光子を選択し、かつ、透明部Ｓ０、Ｓ５を開口した状態で撮像を行う。このため、撮像素子１１０の撮像面には、透明部Ｓ０、Ｓ５を透過した非偏光の光（ＩR）も入射する。その結果、偏光した光と非偏光の光とが混在した画像が得られる。しかし、透明部Ｓ０、Ｓ５を透過した非偏光の光（ＩR）は、参照画像として取得されているので、偏光した光と非偏光の光とが混在した画像から参照画像を用いて偏光した光のみによる画像、すなわち、偏光画像を取得することができる。
【００３８】
なお、透明部Ｓ０、Ｓ５をシャッター１０６ｂによって遮蔽した状態で、偏光子Ｓ１〜Ｓ４のいずれか１つを透過した光、すなわち偏光した光を撮像素子の撮像面に入射させてもよい。その場合、参照画像を用いることなく、偏光画像を取得することができる。また、偏光子１０６ｃに透明部Ｓ０、Ｓ５を設ける必要はない。例えば、透明部Ｓ０、Ｓ５の一方または両方を遮光部材で被覆しておいてもよいし、透明部Ｓ０、Ｓ５の一方または両方の領域に他の偏光子を配置してもよい。
【００３９】
本実施形態では、偏光透過軸が異なる複数の偏光子が同心円状に配置された偏光素子１０６ｃとシャッター１０６ｂを用いることにより、撮像素子１１０の撮像面１１０ａに達する偏光光の偏光方向を、順次、変化させることが可能である。したがって、ある電荷蓄積期間内において、例えば図５Ｂに示す状態で撮像を行うと、各々の光感知セルに入射する偏光光の偏光方向は偏光子Ｓ１の偏光透過軸方向によって規定される。その電荷蓄積期間の途中で、シャッター１０６ｂの開口状態を一定に保持すれば、参照画像における対応画素の値を減算することにより、一定の方向に偏光した直線偏光の輝度を画素ごとに得ることが可能である。電荷蓄積期間の切り替えのタイミングと、シャッター１０６ｂの開口状態の切り替えのタイミングとを同期させると、偏光方向が異なるカラーの偏光画像を取得できる。すなわち、上記の例によれば、偏光透過軸の方向が４５°ずつ異なるカラーの偏光画像（Ｉ0、Ｉ45、Ｉ90、Ｉ135）を取得することができる。前述したように、偏光子Ｓ１〜Ｓ４のいずれか１つを透過した光、すなわち偏光した光のみを撮像素子の撮像面に入射させる場合は、偏光画像（Ｉ0、Ｉ45、Ｉ90、Ｉ135）を取得するために、参照画像における対応画素の値を減算する必要はない。
【００４０】
なお、撮像時にシャッター１０６ｂの全体が開口されてもよい。その場合、偏光素子１０６ｃに入射する光、または偏光素子１０６ｃを透過する光は、シャッター１０６ｂによっては遮蔽されず、その全体が撮像素子１１０に達して結像に寄与する。このとき、偏光子Ｓ１〜Ｓ４の各々を透過した光（直線偏光Ｉ0、Ｉ45、Ｉ90、Ｉ135）および透明部Ｓ１、Ｓ５の各々を透過した光（ＩR）は、撮像面上で重なり合うことになる。偏光情報を含む画像（偏光画像）は得られず、開口の広い、相対的に明るい輝度画像が得られる。また、偏光子Ｓ１〜Ｓ４の全体を開口し、透明部Ｓ１、Ｓ５は遮蔽してもよい。そのときは、偏光子Ｓ１〜Ｓ４の各々を透過した光（直線偏光Ｉ0、Ｉ45、Ｉ90、Ｉ135）が、撮像面上で重なり合うことになる。
【００４１】
図６は、偏光子Ｓ１〜Ｓ４の位置と、各偏光子を透過した光（直線偏光Ｉ0、Ｉ45、Ｉ90、Ｉ135）との対応関係を示す図である。偏光子Ｓ１〜Ｓ４の境界は同心の円形であり、円形の中心は図１の撮影レンズ１０９の中心と整合している。このため、偏光子Ｓ１を透過した直線偏光Ｉ135は、撮影レンズ１０９の中央付近を透過した光によって構成される。一方、偏光子Ｓ４を透過した直線偏光Ｉ0は、撮影レンズ１０９の周辺付近を透過した光によって構成される。好ましい実施形態において、偏光子Ｓ１〜Ｓ４の各々は、相互に等しい面積を有している。
【００４２】
以下、本発明の撮像装置の実施形態をより詳しく説明する。
【００４３】
まず、図７を参照する。図７は、本実施形態の撮像装置の概略構成を示す図である。
【００４４】
本実施形態の撮像装置１００は、内視鏡として好適に使用され得る構成を有している。この撮像装置１００は、図７に示されるように、撮像部１０１と、撮像部１０１を制御する撮像制御部１０２とを備える。撮像部１０１によって取得したカラー偏光画像は、カラー偏光画像処理部１２１に送られ、処理される。カラー偏光画像処理部１２１によって処理されたカラー偏光画像は、フラットパネルディスプレイなどの表示部１２２によって表示される。カラー偏光画像処理部１２１は、カラー偏光画像のデータを記録するカラー偏光画像記録部１２３、偏光度画像フレーム記録部１２４、および偏光位相画像フレーム記録部１２５に接続されている。カラー偏光画像処理部１２１、表示部１２２、カラー偏光画像記録部１２３、偏光度画像フレーム記録部１２４、および偏光位相画像フレーム記録部１２５の全体または一部は、撮像装置１００に内蔵されていてもよいし、撮像装置１００の外部にあって撮像装置１００に有線または無線で接続された別のデバイスであってもよい。カラー偏光画像処理部１２１は、パーソナルコンピュータまたは画像処理プロセッサなどによって好適に実現され得る。
【００４５】
撮像部１０１は、図１から図５Ｄを参照しながら説明した構成を有する偏光素子１０６ｃと、偏光素子１０６ｃから特定の透過偏光子を逐次選択するシャッター装置１０６ｂと、撮像素子（イメージセンサ）１１０と、撮像素子１１０の撮像面上に像を形成するため撮影レンズ１０９とを有している。また、この撮像部１０１は、照明用の光源部１０４からの光を、オプティカルガイド１０５を通して被写体に照射する照明レンズ１０７を有している。本実施形態では、被写体１１４を非偏光光１１５ａで照射する。
【００４６】
本実施形態における撮影レンズ１０９は、公知の構成を有しており、現実には複数のレンズから構成されたレンズユニットであり得る。撮影レンズ１０９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てもよい。
【００４７】
撮像制御部１０２は、光源部１０４と、撮像素子１１０を駆動する撮像素子駆動部１０８と、シャッター装置１０６ｂを制御して偏光素子１０６ｃの光透過領域を変化させるシャッター駆動部１１２とを備えている。撮像素子駆動部１０８は、たとえばドライバＬＳＩから構成され、撮像素子１１０を駆動することにより、撮像素子１１０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。
【００４８】
シャッター駆動部１１２は、シャッター装置１０６ｂを駆動することにより、偏光素子１０６ｃを構成する異なる偏光子のうち、特定の偏光子Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４に対応する部分を透過させるシャッター部を選択駆動して、所定の偏光方向に対する撮像可能になる。回転メカニカルシャッターやＣＣＤのデータ蓄積タイミングやデータ転送タイミングを制御することによって、偏光透過軸の方向が４５°ずつ異なるカラーの偏光画像（Ｉ0、Ｉ45、Ｉ90、Ｉ135）を取得することができる。これらの偏光画像に基づいて、偏光透過軸の方向と輝度値との関係を画素ごとにＳｉｎ−ｆｉｔｔｉｎｇによって求めれば、偏光度および偏光位相を画素単位で得ることができる。画素単位の偏光度および偏光位相は、それぞれ、偏光度画像および偏光位相画像として表現され得る。
【００４９】
カラー偏光画像処理部１２１は、画像処理部（イメージプロセッサ）、メモリ、インターフェース（ＩＦ）部を備えている。カラー偏光画像処理部１２１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。カラー偏光画像処理部１２１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、本発明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。メモリは、ＤＲＡＭなどによって構成される。このメモリは、撮像素子１１０から得られた画像データを記録するとともに、カラー偏光画像処理部１２１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１２２によって表示される又は、デジタル信号のままインターフェース部を介してカラー偏光画像記録媒体部にカラー偏光画像を記録される。
【００５０】
本実施形態の撮像装置１００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。
【００５１】
図８は、図７の先端部の拡大図を示す。ライトガイド１０５を通して非偏光１１５ａは被写体１１４を照明する。被写体１１４からの反射光である非偏光１１６ａは、シャッター１０６ｂの開口部、および偏光素子１０６ｃを順に透過することにより、特定の方向に偏光した直線偏光となる。この直線偏光は、レンズ１０９によって撮像素子１１０上に結像される。
【００５２】
以下、シャッター駆動部１１２によるシャッター装置１０６ｂの駆動例を説明する。
【００５３】
図９は、本実施形態におけるシャッター装置１０６ｂの構成例を示している。このシャッター装置１０６ｂは、偏光素子１０６ｃの偏光子Ｓ１〜Ｓ４の各々に光を入射させる開口部を有する４つのシャッターＡ１〜Ｄ１と透明部Ｓ０、Ｓ５のみを開口するシャッターＥ１とを備えている。シャッター装置１０６ｂを回転させることにより、５つのシャッターＡ１〜Ｅ１のいずれかを偏光素子１０６ｃの前面に配置することができる。図９の例では、第２のシャッターＢ１が偏光素子１０６ｃの前面に位置する状態が模式的に示されている。図９の破線の矢印で示される方向にシャッター装置１０６ｂが回転すると、次に、第３シャッターＣ１が偏光素子１０６ｃの前面に配置されることになる。
【００５４】
第１のシャッターＡ１が偏光素子１０６ｃの前面に配置されているとき、第１のシャッターＡ１は偏光素子１０６ｃの第１偏光子Ｓ１に光を入射させ、他の偏光子は遮蔽する。第２のシャッターＢ１が偏光素子１０６ｃの前面に配置されているとき、第２のシャッターＢ１は第２偏光子Ｓ２に光を入射させ、他の偏光子は遮蔽する。第３のシャッターＣ１が偏光素子１０６ｃの前面に配置されているとき、第３のシャッターＣ１は第３偏光子Ｓ３に光を入射させ、他の偏光子は遮蔽する。第４シャッターＤ１が偏光素子１０６ｃの前面に配置されているとき、第４のシャッターＤ１は第４偏光子Ｓ４に光を入射させ、他の偏光子は遮蔽する。第５のシャッターＥ１は透明部Ｓ０、Ｓ５に光を入射させ、偏光子は遮蔽する。このようにして、偏光素子１０６ｃの前面に位置するシャッターが第１のシャッターＡ１から第４のシャッターＤ１まで変化すると、偏光素子１０６ｃを透過して撮像に寄与する偏光光の偏光方向が順番に回転していく。
【００５５】
図１０は、偏光素子１０６ｃの前面に位置するシャッター１０６ｂと、撮像素子１１０で生成されて蓄積される偏光画像のデータと、撮像素子１１０からカラー偏光画像処理部に転送される各偏光画像のデータとを示している。例えばシャッターＡ１が偏光素子１０６ｃの前面に位置するとき、撮像素子１１０には１３５°の方向に偏光した直線偏光と透明部を透過した光とが入射し、偏光画像Ｉ135と参照画像ＩRがとが混合した画像のデータが蓄積される。電荷蓄積期間が経過した後、撮像素子１１０からは偏光画像Ｉ135と参照画像ＩRがとが混合した画像のデータが外部に転送される。次の電荷蓄積期間が開始するまでに、シャッターの移動が完了する。この例では、第２のシャッターＢ１が第１のシャッターＡ１に代わって偏光素子１０６ｃの前面に位置することになる。そして、撮像素子１１０には９０°の方向に偏光した直線偏光と透明部を透過した光とが入射し、偏光画像Ｉ90と参照画像ＩRがとが混合した画像のデータが蓄積される。このデータは、電荷蓄積期間が経過した後、外部に転送される。こうして、図１０に示すようにカラー偏光画像が順に取得され、転送される。偏光画像と参照画像とが混合した画像のデータから、信号処理によって参照画像のデータを減算すると、偏光画像Ｉ0、Ｉ45、Ｉ90、Ｉ135が求められる。
【００５６】
偏光透過軸の方向が異なる４種類の偏光子（Ψｉ＝０°、４５°、９０°、１３５°）を透過した光の強さ（画素値または輝度）は、前述したように、Ｉ0、Ｉ45、Ｉ90、Ｉ135で示される。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。
【００５７】
本実施形態では、Ｎ＝４であるため、ｉ＝１、２、３、４となる。本実施形態によれば、上述した構成により、各画素から４個のサンプル（Ψi、Ｉi）に対応する輝度Ｉ1、Ｉ2、Ｉ3、Ｉ4が得られる。偏光透過軸の角度Ψｉと輝度Ｉiとの関係は、一般に、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。この正弦関数の曲線あてはめ（Ｓｉｎｅ ｆｉｔｔｉｎｇ）は公知の手法により行うことができる。
【００５８】
偏光子単位の偏光主軸のΨに対する観測輝度は、以下の式で表される。
【数１】
2013052180.tif 000003
【００５９】
なお、本明細書における「偏光情報」とは、輝度の偏光主軸角度に対する依存性を示す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。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。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。
【００６０】
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】
2013052180.tif 000004
【数３】
2013052180.tif 000005
【００６１】
こうして、本実施形態では、シャッター装置の開口部位置を変化させることにより、偏光素子１０６ｃの異なる領域を透過した光が形成する像の画素値に基づいて、すべての画素からカラー偏光情報を取得することができる。
【００６２】
撮像素子１１０から出力された信号は、カラー偏光画像処理部１２１に送られ、カラー偏光画像処理部１２１で処理された後、偏光度画像フレーム記録部１２４および偏光位相画像フレーム記録部１２５に格納される。格納されたデータを、表示部１２２に出力しても良い。具体的には、偏光度画像フレーム記憶部１２４は、偏光度画像（ρ）のデータを出力する。偏光位相画像フレーム記憶部１２５のデータによる偏光位相画像（φ）のデータを出力することができる。本実施形態では、被写体から偏光画像情報を取得し、４種類の偏光画像（偏光度画像ρおよび偏光位相画像φ）を出力することができる。
【００６３】
次に、図１１を参照しながら、シャッター装置１０６ｂの他の構成例を説明する。
【００６４】
図１１に示されるシャッター装置１０６ｂは、偏光素子１０６ｃの偏光子Ｓ１〜Ｓ４から選択された１つの偏光子と透明部Ｓ０、Ｓ５とに光を入射させる開口部を有するシャッターＡ２と、複数の偏光子の含み合わせに対しても光を入射させる開口部を有するシャッターＢ２、Ｃ２、Ｄ２と、透明部Ｓ０、Ｓ５のみを開口するシャッターＥ１とを備えている。シャッター装置１０６ｂを回転させることにより、５つのシャッターＡ２、Ｂ２、Ｃ２、Ｄ２、Ｅ１のいずれかを偏光素子１０６ｃの前面に配置することができる。図１１の例では、シャッターＢ２が偏光素子１０６ｃの前面に位置する状態が模式的に示されている。図１１の破線の矢印で示される方向にシャッター装置１０６ｂが回転すると、次に、シャッターＣ２が偏光素子１０６ｃの前面に配置されることになる。
【００６５】
シャッターＡ２が偏光素子１０６ｃの前面に配置されているとき、シャッターＡ２は偏光素子１０６ｃの第１偏光子Ｓ１に光を入射させ、他の偏光子は遮蔽する。なお、この例においても、各シャッターは、透明部Ｓ０、Ｓ５を常に開口している。シャッターＢ２が偏光素子１０６ｃの前面に配置されているとき、シャッターＢ２は第１偏光子Ｓ１および第２偏光子Ｓ２の両方に光を入射させ、他の偏光子は遮蔽する。シャッターＣ２が偏光素子１０６ｃの前面に配置されているとき、シャッターＣ２は第１偏光子Ｓ１、第２偏光子Ｓ２および第３偏光子Ｓ３のすべてに光を入射させ、第４偏光子Ｓ４は遮蔽する。シャッターＤ２が偏光素子１０６ｃの前面に配置されているとき、シャッターＤ２はすべての偏光子Ｓ１〜Ｓ４に光を入射させる。このようにして、偏光素子１０６ｃの前面に位置するシャッターがシャッターＡ２からシャッターＤ２まで変化すると、偏光素子１０６ｃを透過して撮像に寄与する光の偏光状態が順番に変化していく。より詳細には、シャッターＡ２が偏光素子１０６ｃの前面又は裏面に配置されているときに偏光素子１０６ｃを透過する光は直線偏光であるが、シャッターＤ２が偏光素子１０６ｃの前面に配置されているときに偏光素子１０６ｃを透過する光は、異なる方向に偏光した光が混合した状態にある。
【００６６】
図１２は、偏光素子１０６ｃの前面に位置するシャッターと、透過する偏光子の種類と、撮像素子１１０で生成されて蓄積されるデータと、信号処理によって生成され、カラー偏光画像処理部に転送される各偏光画像のデータとを示している。
【００６７】
シャッターＥ１が偏光素子１０６ｃの前面に位置するとき、撮像素子１１０には透明部Ｓ０、Ｓ５を透過した光が入射し、参照画像ＩRのデータが蓄積される。このとき、撮像素子１１０に蓄積されるデータをデータａと称することとする。電荷蓄積期間が経過した後、撮像素子１１０からはデータａが読み出される。データａには、特別な処理は施されず、そのまま転送される。次の電荷蓄積期間が開始するまでに、シャッターの移動が完了する。この例では、シャッターＡ２がシャッターＥ１に代わって偏光素子１０６ｃの前面に位置することになる。
【００６８】
シャッターＡ２が偏光素子１０６ｃの前面に位置するとき、撮像素子１１０には１３５°の方向に偏光した直線偏光と透明部を透過した光とが入射し、偏光画像Ｉ135と参照画像ＩRとが混合した画像のデータが蓄積される。このとき、撮像素子１１０に蓄積されるデータをデータａと称することとする。電荷蓄積期間が経過した後、撮像素子１１０からは偏光画像Ｉ135と参照画像ＩRとが混合した画像のデータｂが読み出される。電荷蓄積期間が経過した後、撮像素子１１０から上記の加算されたデータｂが読み出される。このデータｂから、参照画像ＩRのデータａを減算することにより、偏光画像Ｉ135を得ることができる。次の電荷蓄積期間が開始するまでに、シャッターの移動が完了する。この例では、シャッターＢ２が第１のシャッターＡ２に代わって偏光素子１０６ｃの前面に位置することになる。
【００６９】
次に、シャッターＢ２が偏光素子１０６ｃの前面に位置するとき、撮像素子１１０には１３５°の方向に偏光した直線偏光と９０°の方向に偏光した直線偏光と透明部を透過した光とが入射し、撮像素子１１０では偏光画像Ｉ135と偏光画像Ｉ90と参照画像ＩRとを加算したデータｃが生成されて蓄積される。電荷蓄積期間が経過した後、撮像素子１１０から上記の加算されたデータｃが読み出される。このデータｃから、データｂを減算することにより、偏光画像Ｉ90を得ることができる。
【００７０】
同様に、次の電荷蓄積期間が開始するまでに、シャッターの移動が完了する。今度は、シャッターＣ２が偏光素子１０６ｃの前面に位置することになる。撮像素子１１０には１３５°、９０°、４５°の各方向に偏光した直線偏光と透明部を透過した光とが重畳して入射し、撮像素子１１０では偏光画像Ｉ135、Ｉ90、Ｉ45と参照画像ＩRとが混合した状態のデータｄが蓄積される。このデータｄは、電荷蓄積期間が経過した後、読み出される。信号処理により、データｄからデータｃを減算すると、偏光画像Ｉ45が得られる。
【００７１】
更に、次の電荷蓄積期間が開始するまでに、シャッターの移動が完了する。今度は、シャッターＤ２が偏光素子１０６ｃの前面に位置することになる。撮像素子１１０には１３５°、９０°、４５°、０°の各方向に偏光した直線偏光と透明部を透過した光とが重畳して入射し、撮像素子１１０では偏光画像Ｉ135、Ｉ90、Ｉ45、Ｉ0と参照画像ＩRとが混合した状態のデータｅが蓄積される。このデータｄは、電荷蓄積期間が経過した後、読み出される。信号処理により、データｅからデータｄを減算すると、偏光画像Ｉ0が得られる。
【００７２】
図１２に示す例では、シャッターＤ２が偏光素子１０６ｃの前面に位置する状態で、次の電荷蓄積期間も、撮像素子１１０には１３５°、９０°、４５°、０°の各方向に偏光した直線偏光と透明部を透過した光とが重畳して入射している。こうして、撮像素子１１０では偏光画像Ｉ135、Ｉ90、Ｉ45、Ｉ0と参照画像ＩRとが混合した状態のデータｆが蓄積される。このデータｆは、電荷蓄積期間が経過した後、読み出される。信号処理により、データｆからデータａを減算すると、偏光子Ｓ１〜Ｓ４の各々を透過した偏光光が重畳した画像が得られる。
【産業上の利用可能性】
【００７３】
本発明の撮像装置は、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、本発明の撮像素子および撮像装置は、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。
【符号の説明】
【００７４】
１００  撮像装置
１０１  撮像部
１０２  撮像制御部
１０４  光源部
１０５  ライトガイド
１０６ｂ  シャッター装置
１０６ｃ  偏光素子
１０７  照明レンズ
１０８  撮像素子駆動部
１０９  撮影レンズ
１１０  撮像素子
１１０ａ  撮像面
１１２  シャッター駆動部
１１３  先端部
１１４  被写体
１２１  カラー偏光画像処理部
１２２  表示部
１２３  カラー偏光画像記録部
１２４  偏光度画像フレーム記録部
１２５  偏光位相画像フレーム記録部
【図１】
2013052180.tif 000006
【図２】
2013052180.tif 000007
【図３】
2013052180.tif 000008
【図４】
2013052180.tif 000009
【図５Ａ】
2013052180.tif 000010
【図５Ｂ】
2013052180.tif 000011
【図５Ｃ】
2013052180.tif 000012
【図５Ｄ】
2013052180.tif 000013
【図５Ｅ】
2013052180.tif 000014
【図６】
2013052180.tif 000015
【図７】
2013052180.tif 000016
【図８】
2013052180.tif 000017
【図９】
2013052180.tif 000018
【図１０】
2013052180.tif 000019
【図１１】
2013052180.tif 000020
【図１２】
2013052180.tif 000021