(57)【要約】【課題】９０度ツイストネマティック液晶を利用する偏光フィルターを内蔵する撮像装置に関し、装置最大の透過光量を維持し、さらに装置のレンズの性能劣化を防止しながら、小型化した装置を提供すること。【解決手段】９０度ツイストネマティック液晶を利用する偏光フィルターを内蔵する撮像装置に関し、装置最大の透過光量を維持し、さらに装置のレンズの性能劣化を防止しながら、小型化したことを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複屈折を利用したオプティカルローパスフィルターより物体側に配置し、固定の９０度ツイストネマティック液晶と挿抜自在な第一の偏光子を配置した構造を有することを特徴とする撮像装置。
【請求項２】
前記固定の９０度ツイストネマティック液晶より物体側に、挿抜自在な第二の偏光子を配置した構造を有することを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
【請求項３】
前記第二の偏光子を挿入するときは、常に第一の偏光子を挿入することを特徴とする請求項２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、９０度ツイストネマティック液晶を利用する偏光フィルターを内蔵する撮像装置に関し、偏光フィルターによる装置の透過光量の低下を防止し、さらに装置のレンズの性能劣化を防止しながら、小型化した装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１では偏光子が挿抜されることが開示されている。特許文献２ではツイストネマティック液晶による偏光の回転技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−３２６８９４号公報
【特許文献２】特開平０６−１６７６８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
被写体のガラスや水面からの反射光が有するある特定の方向に偏光した光をブロックしたり、逆にその方向の光を積極的に透過させて撮像したりする為の偏光フィルターは偏光子そのものがフィルターの機能を果たすものである。偏光子はその特性上、自然光（特定の偏光方向を持たない光）に対し、５０％を超える透過率を望む事は出来ない。スチルカメラやテレビカメラに代表される撮像装置においては、十分な照明が得られない状況での撮影が行われることもあり、撮影レンズが集めた光をロスすることなく撮像素子へと導きたい。
【０００５】
そのため、偏光フィルターの様に偏光子を必要とするフィルターを常に撮像レンズの光路中に配置する事は好ましくない。偏光状態と無偏光状態を切り替えられる偏光子として、ゲストホスト（ＧＨ）型液晶がある。ＧＨ液晶は二色性色素（ゲスト）を液晶（ホスト）に溶解し、ホストの配向を電圧印加により変化させることでゲストの配向方向をも制御する構造のものであり、偏光子として機能可能な状態と、偏光子として機能できない状態とを遷移するものである。しかしＧＨ型液晶は二色性色素を使う為、十分な透過率も得られないと問題がある。
【０００６】
その為、従来は装置外部に回転機構を有する偏光フィルターをメカ的に脱着していた。一方撮像レンズは、レンズの結像光束中に配置するガラスの厚みが結像性能（例えば球面収差など）に影響を与える為、予め結像光束中のガラスの厚みを設定し、そのガラスの厚みを考慮して設計されている。例えば、放送用のテレビカメラなどは、図８（Ａ）と同様にレンズのバックフォーカス中に、色分離の手段としてプリズムタイプの色分解光学系を使用する。そのため、業界としてカメラの製作に必要なガラスの標準厚みを設定し、放送用テレビカメラ向け撮像レンズはそのガラスの厚みを考慮して、設計されている。
【０００７】
ここで、ガラスの厚みの変化がどの程度影響するかの一例を上げる。図９の実線は撮像レンズの開放Ｆナンバーが１．４のレンズで、空間周波数１００ｌｐ／ｍｍのチャートを撮像する時のガラスの厚みの変化に対するＭＴＦの変化を理想的なレンズにおけるシミュレーション値に基づいてプロットしたグラフである。数ミリのガラス厚の変化は撮像レンズの性能を大きく劣化させてしまうことが確認できる。
【０００８】
また、図１０のように、例えば結像光束中のフィルター挿入領域１１１のみが確保されておりフィルターの挿抜だけ行うとすると、フィルターガラスの厚みが像の位置に影響を与える。バックフォーカス中（撮像レンズの最終面から像面までの範囲）に、厚みＤ、屈折率ｎのガラスが入ることで、像の位置は
【０００９】
【数１】
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【００１０】
だけ変化する。像の位置の変化はフォーカスを取り直さなければボケとなる。
【００１１】
一般にボケが判らない焦点深度（ｄ）は、レンズの有効ＦナンバーＦと許容錯乱円δを使って、
ｄ＝δＦ          ・・・式−２
で表され、フィルターを出し入れした時に起きる像位置の変化が±δＦの範囲であれば、フォーカスを取り直さなくても許容できるボケと云える。社団法人日本映画テレビ技術協会発行の映画テレビ技術手帳によると、３５ｍｍ撮影機の許容錯乱円は２５．４μｍである。３５ｍｍ撮影機スタンダード版（アパーチュアサイズは１６．０３ｍｍ×２．０５）のアパーチュアサイズ比例で２／３型ＨＤＴＶ用のカメラ（有効撮像範囲の対角長は１１ｍｍ）の許容錯乱円を設定すると、約１０μｍである。先ほどと同様に、Ｆ＝１．４のレンズを使用すると考えた時ｄは、約１４μｍである。
【００１２】
図８（Ａ）は、従来からあるフィルターを撮像レンズの光路中に配置する構造を利用したフィルターの挿抜構造の模式図である。偏光を利用したフィルター１０５は、液晶セルと偏光子を有するフィルターである。図５や図６に液晶セルの模式図を示した。液晶セルは、配向膜３２、３３や透明電極を施した２枚の基板ガラス３０、３１の間に液晶分子を挟み込む構造を有している。一般には、更に偏光子や位相補償素子が一体となっているため、０．５ｍｍ程度もしくはそれ以上の厚みを有するものである。
【００１３】
フィルター挿抜によるガラスの厚みが変化することによる、撮像レンズのＭＴＦの低下や像位置の変化の影響を防止するため、図８（Ａ）では、偏光子を有するフィルター１０５と同じ厚みのダミーガラス１０２を有し、１０５と１０２を入れ替えている。具体的な構造として、通常放送用のテレビカメラでは図８（Ｂ）の様なダミーガラスを含め２枚以上のフィルターを保持したフィルターディスクを回転する事で、この入れ替えを行える構造としている。これにより、レンズの性能を劣化させることを防止している。
【００１４】
図１０は、図８の様に、ダミーガラスと入れ替えるのではなく、フィルター挿入領域１１１のみを確保しておき、偏光子を有するフィルター１０５を挿抜する従来例である。前述の如く偏光を利用したフィルター１０５が０．５ｍｍ程度の厚みであれば、図９のグラフからＭＴＦ劣化は少ない。
【００１５】
しかしながら、前述の式―２で得たｄ＝１４μｍと前述の式−１を使い、ガラスの屈折率ｎを１．５と仮定すると、Ｄ＝４２μｍとなる。サブミリ領域の液晶パネルの厚みではまだ、像位置変化を抑え込めない課題がある。更に、図９の実線グラフは２／３型のＨＤＴＶを想定したものであるが、更に多画素化技術が発展しようとしていたり、素子が小型化進んでいったりすると、図９の破線の如く性能がより劣化していくことを避けられない課題がある（図９の破線はＦ１．４の２００ｌｐ／ｍｍと空間周波数が高くなった例であるが、Ｆナンバーが小さくなることでも、グラフはより急峻となる。）。
【００１６】
フィルター効果の切り換えによる撮像レンズのＭＴＦ性能の劣化や像位置の変化によるボケを防止した撮像装置においては従来例１の様に、液晶パネルとダミーガラスを入れ替える方式が取られている。そのため、ダミーガラスが退避する場所若しくは、退避する時にダミーガラスが内蔵フィルターの移動経路とは別の移動経路（空間）を確保する必要があり、レンズの光軸と垂直な方向に大型化する課題がある。
【００１７】
本発明は、偏光フィルターを内蔵する撮像装置に関し、装置最大の透過光量を維持し、さらに装置のレンズの性能劣化と像位置の変化を防止しながら、小型を可能にした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】
【００１８】
上記目的を達成するために、本発明は、複屈折を利用したオプティカルローパスフィルターより物体側に配置し、固定の９０度ツイストネマティック液晶と挿抜自在な第一の偏光子を配置した構造を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、９０度ツイストネマティック液晶を利用する偏光フィルターを内蔵する撮像装置に関し、装置最大の透過光量を維持し、さらに装置のレンズの性能劣化と像位置の変化を防止しながら、小型を可能にした撮像装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の第一実施形態にかかわる撮像装置の模式図
【図２】本発明の第二実施形態にかかわる撮像装置の模式図（偏光子が抜けた状態）
【図３】本発明の第二実施形態にかかわる撮像装置の模式図（偏光子が入った状態）
【図４】液晶セルに印加する電圧と旋光度合いのグラフ
【図５】９０度ツイストネマティック液晶の説明図（電圧無印加時）
【図６】９０度ツイストネマティック液晶の説明図（電圧印加時）
【図７】オプティカルローパスフィルターの説明図
【図８】従来例１
【図９】ガラス厚とＭＴＦの関連グラフ
【図１０】従来例２
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下に、本発明の好ましい実施の形態を、添付の図面に基づいて詳細に説明する。図１は、本発明の実施形態にかかわる撮像装置の模式図である。この例においては、偏光を帯びたガラスや水面の反射光を除去する偏光フィルターを内蔵している。
【００２２】
［実施例１］
以下、図１を参照して、本発明の第1の実施例による、撮像装置について説明する。撮像レンズ１は、被写体の像を、液晶セル２、オプティカルローパスフィルター（ＬＰＦ）３を通して撮像素子４に形成する。液晶セル４は、図５の如く９０度ツイストネマティック型であり、図示しない電極やコントローラにより動作するが、機械的には固定で移動する事は無い。ＬＰＦ３は、水晶などの複屈折性を有する物質より形成したものである。ＬＰＦは撮像光を通す時に撮像光の偏光を解消する効果があるため、ＬＰＦ３は液晶セル２より撮像素子側に配置している。
【００２３】
液晶セルも多種あるが、例えば、ＧＨ液晶は二色性色素（ゲスト）を液晶（ホスト）に溶解し、ホストの配向を電圧印加により変化させることでゲストの配向方向をも制御する構造のものであり、旋光性を利用するものではない。また、スーパーツイストネマティック液晶やコレステリック液晶を利用するものは２つの旋光状態を遷移することで、スイッチングに使われものである。したがって、これらの液晶は利用できない。
【００２４】
５は偏光子である。偏光子はフィルム状のガラス（例えば、日本電気硝子株式会社のガラスリボン）や樹脂で形成されている。フィルム状のガラスの厚みは、数μｍ〜数十μｍと薄く、ワイヤグリッド層をサブミクロン領域の厚みで偏光子を形成している。また、液晶ディスプレイなどに使われる樹脂フィルムの偏光子は、一軸に延伸されたポリビニルアルコール（ＰＶＡ）に二色性色素を吸着配向させた偏光子と呼ばれるフィルムの両面に保護フィルム（例えばトリアセチルセルロース：ＴＡＣ）を貼り合せた構造が一般的である。樹脂フィルムの偏光子の厚みは１００μｍ程度である。
【００２５】
実施例１ではフィルム状のガラスを使い１０μｍとした。図７は３枚の複屈折板からＬＰＦ３の機能を説明するための図である。ＬＰＦ３は３枚張り合わせたものであるが、図７では３枚をａ、ｂ、ｃとして別々に示している。図７（Ａ）の左から偏りのない偏光状態の自然光の光線が入射して、右に進むにつれ光線が分離していくのと、同時にその偏光方向がどう変化しているかを示している。自然光で入射した光線は一枚目の複屈折板ａを通ることで、±４５°方向の偏光を持つ２本の光線に分かれる。
【００２６】
次に２枚目の複屈折板ｂを通ることで、上下、左右の偏光方向をもつ４本の光線に分かれる。最後に３枚目の複屈折板ｃを通ることで、また±４５°方向の偏光を持つ光線群に分かれる。図７（Ｂ）には４５°方向の偏光をもつ光線が入射したとする。光線は複屈折板ａの影響を受けないが、ｂとｃの影響をうけ、ローパス効果は減ったものの偏光が解消された状態となっている。また、ここでは説明を省くが、図７（Ｂ）の様な偏った光が入射する事で、ローパス効果に影響を与える事を避けるため、複屈折板の前に偏光解消素子を有するものもある。
【００２７】
実施例１では、液晶セルの像側の配向膜の方向をＬＰＦ３の上下方向として、ＬＰＦ３のローパス効果に影響を与えない方向としている。また、偏光子の偏光方向は像側の配向膜の方向とＬＰＦ３の上下方向に合わせている。これにより、偏光子の偏光方向が液晶セルの機能を発揮することができるとともに、ＬＰＦ３のローパス効果に影響を与えない。
【００２８】
次に、その機能について述べる。偏光子５を撮影光路上から退避し、液晶セル２に電圧が掛けていない場合、液晶セル２は図５のように液晶分子が９０度ツイストした状態であり、旋光性により入射する光に対してその偏光方向を９０度回転する効果を与えるもののその偏光方向を制限することはない。つまり、ほとんどの光が液晶セルを透過するので、常に偏光素子が入った状態の５０％以下となることは無い。また、液晶セルを構成する素子（例えば基板ガラス）の表面に反射防止を行って、反射による損失やゴーストや迷光によるフレア光となるのを防いでいる。ただし、液晶セルの吸収分は失われる。
【００２９】
次に偏光子５を挿入する。偏光子５は、１０μｍの厚みであり撮像レンズのＭＴＦを１％も変化させることはない。ガラスの屈折率は１．５であるので、像位置の変化も３μｍ強しかない。偏光子５は図７上下方向の偏光性分のみを透過できる。偏光子５の前の液晶セル２は無電圧状態で９０度の旋光方向を与えるので、液晶セルのセルに入射する光の左右方向の偏光性分のみが偏光子５を透過させることが出来る。液晶セルに電圧を掛けて行くと、ツイストが緩み、一定以上の電圧を掛けると図６の様に液晶分子が基板と垂直状態となり、旋光性を失うので、液晶セルに入射する光のうち、偏光子５の偏光方向と同じ上下方向の偏光性分のみを透過させることができる。
【００３０】
液晶へ掛ける電圧と旋光度のグラフを図４に示した。ある範囲の電圧を連続的に制御する事で、液晶セル２と偏光子５を通る光の偏光方向を連続的に変える事ができる。この様に、９０度ツイストネマティック液晶と薄い偏光子を使用する事で、小型ながら偏光フィルターを内蔵した装置とすることができる。
【００３１】
［実施例２］
以下、図２を参照して、本発明の第２の実施例による、偏光フィルターと可変透過率フィルターを内蔵する撮像装置について説明する。図中実施例１と同様の構成物には同一の番号を付与している。実施例１との違いは第二の偏光子６が追加されたことである。偏光子６の素材や形状は偏光子５と同じものである。ただし、形状が同じである必要はない。偏光子６は液晶セル２よりも物体側に配置している。また、その偏光方向は液晶セル２の入射側配向膜の方向（図中左右方向）であるとともに、偏光子５とは垂直方向である。偏光子５および偏光子６は別々に制御できるようにしてある。
【００３２】
偏光子５および偏光子６が撮像光路中から退避している時、偏光子５のみが撮像光路中に挿入されている時は、実施例１と同じ機能効果を有する。また、偏光子６の厚みは偏光子５と同じであり、２枚の総厚で２０μｍであり、バック変化も７μｍ弱でしかない。
【００３３】
次に偏光子５が挿入された状態で偏光子６を挿入する。偏光子６を挿入すると、偏光子６と液晶セル２と偏光子５の構成で、透過率を可変する事が可能となる。偏光子６を透過する光は、前述したように左右方向である。液晶セル２に電圧を掛けない時は、９０度旋光するため、上下方向に偏光されているので、偏光子５の偏光方向と一致し光を通すことが可能である。液晶セル２に一定以上の電圧を掛けると偏光子６を通った左右方向の偏光を持った光は、液晶セルをそのまま透過し、偏光子５でブロックされる。図２に示したグラフの様に、ある範囲の電圧を連続的に制御する事で、液晶セルを透過する光の偏光方向を連続的に変える事ができるので、通る光のエネルギー量を連続的に変える事ができる。
【００３４】
偏光子６が入る時は、予め決められた光量を得られるように液晶セル２に掛ける電圧を同時に制御することが望ましい。本実施例では、偏光子５を挿入して偏光フィルターとして作用している時に、偏光子６の指令が来た時は、液晶セル２に掛けてあった電圧を０とし、偏光子５及び６が挿入されている時の最大透過率となる様にしている。しかしながら、少なくとも一つ以上の透過率を選択できるコントローラを用意し、操作者の意思に基づいた透過率に対する電圧を液晶セルに印加することもできる。図３は、その模式図である。
【００３５】
透過率選択装置８と選択された透過率を基に適正に液晶セル２に電圧を印加する液晶駆動装置７を備えている。例えば、２５％を選択するボタンを押した時は、偏光子６を挿入、または挿入されたまま維持する（もし、偏光子５が挿入されていなければ偏光子５も挿入する）とともに、図４に示す様に２．５Ｖの電圧を印加する様にしている。
【００３６】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。
【符号の説明】
【００３７】
１  撮像レンズ、２  液晶セル、３  ＬＰＦ、４  撮像措置、５  偏光子、６  偏光子
【図４】
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【図９】
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【図１】
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【図２】
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【図３】
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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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【図１０】
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