(57)【要約】      （修正有）【課題】簡易な構成で、色情報や解像度を落とすことなく偏光情報を取得可能な光学装置を提供する。【解決手段】被写体側から順に、第１の波長板３、遅相軸方向の偏光成分と進相軸方向の偏光成分との間に与える可変位相差を変更可能な可変位相差板４、第２の波長板５、および偏光板６が配置される光学装置８であって、使用波長帯域を複数の波長帯域に分割したときの分割数をＮ、複数の波長帯域のうち最短波長帯域の中心波長λｍｉｎに対する第２の波長板の位相差をΔ（λｍｉｎ）、複数の波長帯域のうち最長波長帯域の中心波長λｍａｘに対する第２の波長板の位相差をΔ（λｍａｘ）、使用波長帯域の中心波長λ０に対する可変位相差をΔσ、ｍを１からＮ−１までの自然数とするとき、０．８Δσ＜|ｍ＊（Δ（λｍｉｎ）−Δ（λｍａｘ））／（Ｎ−１）｜＜１．２Δσなる条件を満足する光学装置。【選択図】図１
2017058559.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被写体側から順に、第１の波長板、遅相軸方向の偏光成分と進相軸方向の偏光成分との間に与える可変位相差を変更可能な可変位相差板、第２の波長板、および偏光板が配置される光学装置であって、
使用波長帯域を複数の波長帯域に分割したときの分割数をＮ、前記複数の波長帯域のうち最短波長帯域の中心波長λｍｉｎに対する前記第２の波長板の位相差をΔ（λｍｉｎ）、前記複数の波長帯域のうち最長波長帯域の中心波長λｍａｘに対する前記第２の波長板の位相差をΔ（λｍａｘ）、前記使用波長帯域の中心波長λ０に対する前記可変位相差をΔσ、ｍを１からＮ−１までの自然数とするとき、
０．８Δσ＜|ｍ＊（Δ（λｍｉｎ）−Δ（λｍａｘ））／（Ｎ−１）｜＜１．２Δσ
なる条件を満足することを特徴とする光学装置。
【請求項２】
前記第１の波長板は、前記中心波長λ０に対する位相差が略λ０／４であるとともに、遅相軸方向または進相軸方向が前記偏光板の透過偏光方向と略平行であり、
前記第２の波長板は、前記中心波長λ０に対する位相差が略λ０／２以上であるとともに、遅相軸方向または進相軸方向が前記偏光板の透過偏光方向に対して略４５度だけ傾き、
前記可変位相差板は、前記可変位相差が最大の状態における遅相軸方向または進相軸方向が前記偏光板の透過偏光方向に対して略４５度だけ傾いていることを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
【請求項３】
前記位相差Δ（λｍｉｎ）およびΔ（λｍａｘ）は、以下の条件式を満足することを特徴とする請求項１または２に記載の光学装置。
１．２λｍｉｎ＞Δ（λｍｉｎ）≧Ｎλｍｉｎ／（Ｎ＋１）
０＜Δ（λｍａｘ）＜０．８λｍａｘ／（Ｎ＋１）
【請求項４】
波長４００ｎｍから５００ｎｍまでの波長帯域の中心波長λｂに対する前記第２の波長板の位相差は３λｂ／４であり、
波長５００ｎｍから６００ｎｍまでの波長帯域の中心波長λｇに対する前記第２の波長板の位相差はλｇ／２であり、
波長６００ｎｍから７００ｎｍまでの波長帯域の中心波長λｒに対する前記第２の波長板の位相差はλｒ／４であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の光学装置。
【請求項５】
前記複数の波長帯域の各中心波長λＮに対する前記第１の波長板または前記可変位相差板の位相差をΔ（λＮ）、ｐ、ｑをそれぞれＮ以下の整数としたとき、
|Δ（λｐ）−Δ（λｑ）|≦０．０５λ０
なる条件を満足することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の光学装置。
【請求項６】
前記偏光板は、透過軸と直交する偏光の５０％以上を吸収する吸収型の偏光板であることを特徴とした請求項１から５のいずれか１項に記載の光学装置。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか１項に記載の光学装置と、
前記光学装置からの光を受光する撮像素子と、を有することを特徴とする撮像装置。
【請求項８】
前記撮像素子の各画素は、前記分割数に応じたカラーフィルタを有することを特徴とする請求項７に記載の撮像装置。
【請求項９】
前記偏光板と前記撮像素子との間に配置され、複数の層から構成される光学ローパスフィルタを更に有し、
前記光学ローパスフィルタの最も前記偏光板側の層による光線分離方向は、前記偏光板の透過偏光方向に対して略４５度だけ傾いていることを特徴とする請求項７または８に記載の撮像装置。
【請求項１０】
前記光学ローパスフィルタは、複屈折または偏光回折素子を利用していることを特徴とする請求項９に記載の撮像装置。
【請求項１１】
前記偏光板と前記撮像素子との間に配置される光学ローパスフィルタと、
前記偏光板と前記光学ローパスフィルタとの間に配置されるλ／４板と、を更に有し、
前記λ／４板の進相軸方向または遅相軸方向は、前記偏光板の透過偏光方向に対して略４５度だけ傾いていることを特徴とする請求項７または８に記載の撮像装置。
【請求項１２】
前記撮像装置は、前記可変位相差板の位相差を変えながら複数の画像を取得することで、前記複数の画像から前記被写体の偏光情報を取得することを特徴とする請求項７から１１のいずれか１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、光学装置に関し、特に偏光情報を取得可能な光学装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
被写体からの光の偏光状態を観察することによって、被写体の所定の特徴を強調して検出できることが知られている。例えば、一眼レフカメラのレンズ前面に偏光フィルタを装着し撮影することで、被写体の色やコントラスト等の質感を際立たせることや、水面等の反射光の写り込みを強調または軽減することができる。また、異なる偏光方向で撮影することで、被写体のエッジや欠陥部を検出する検査装置も知られている。
【０００３】
特許文献１には、各画素に対して異なる偏光を透過するワイヤーグリッド偏光板を形成することで、複数の画素から偏光情報を抽出し、被写体からの光の偏光情報を撮影する撮像装置が開示されている。また、特許文献２では、λ／４板と、位相差を変更可能な２枚の位相差板と、偏光板と、を有し、位相差板の位相差を変更しながら複数枚の画像を撮ることでストークスパラメータを取得可能な装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第５６８２４３７号公報
【特許文献２】米国特許出願公開第２００９／００７９９８２号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１では、１枚の画像から偏光情報を得られるものの複数の画素を偏光情報の取得に割り当てるため、解像度や色情報が失われてしまう。特許文献２では、２枚の位相差板が必要であるため、制御が煩雑化しコストも高くなってしまう。また、一般的なデジタル一眼レフカメラ等において特許文献１，２で開示された方法を使用する場合において、撮像素子の手前に配置される光学ローパスフィルタやオートフォーカス手段に偏光依存性が存在するとこれらの部材に悪影響を及ぼす可能性がある。
【０００６】
このような課題に鑑みて、本発明は、簡易な構成で、解像度や色情報を落とすことなく、偏光情報を取得可能な光学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】
【０００７】
本発明の一側面としての光学装置は、被写体側から順に、第１の波長板、遅相軸方向の偏光成分と進相軸方向の偏光成分との間に与える可変位相差を変更可能な可変位相差板、第２の波長板、および偏光板が配置される光学装置であって、使用波長帯域を複数の波長帯域に分割したときの分割数をＮ、前記複数の波長帯域のうち最短波長帯域の中心波長λｍｉｎに対する前記第２の波長板の位相差をΔ（λｍｉｎ）、前記複数の波長帯域のうち最長波長帯域の中心波長λｍａｘに対する前記第２の波長板の位相差をΔ（λｍａｘ）、前記使用波長帯域の中心波長λ０に対する前記可変位相差をΔσ、ｍを１からＮ−１までの自然数とするとき、
０．８Δσ＜|ｍ＊（Δ（λｍｉｎ）−Δ（λｍａｘ））／（Ｎ−１）｜＜１．２Δσ
なる条件を満足することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、簡易な構成で、解像度や色情報を落とすことなく、偏光情報を取得可能な光学装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施例１の撮像装置の構成図である。
【図２】可変位相差板の構成図である。
【図３】偏光取得手段の軸方向を示す図である。
【図４】偏光状態と強度の方位依存性の一例を示す図である。
【図５】偏光板の軸方位と透過率の関係を示す図である（従来例）。
【図６】偏光取得手段の入射光の偏光成分に対する透過率依存性を示す図である。
【図７】偏光取得手段の各帯域に対する透過率依存性を示す図である。
【図８】偏光取得手段の各帯域に対する透過率依存性を示す図である。
【図９】偏光取得手段の可変位相差と入射光の偏光成分に対する透過率依存性を示す図である。
【図１０】波長板の構成図である。
【図１１】積層型の第１の波長板の分光位相差特性である。
【図１２】偏光取得手段と光強度依存性の比較図である。
【図１３】第１および第２の波長板の分光位相差特性である。
【図１４】実施例２の撮像装置の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら詳細に説明する。各図において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。本実施形態において、各図のｚ方向は光の進行方向（光軸方向）を表し、ｘ方向およびｙ方向はｚ方向と垂直な方向を表す。なお、本実施形態において、略とは、数％〜１０％程度の誤差を含むことを示す。
【実施例１】
【００１１】
図１は、本実施例の撮像装置１００の簡易的な構成を示す概略図である。光学系１は、被写体からの光を結像させる。光学系１からの光は、偏光取得手段（光学装置）８内に被写体側から順に配置された第１の波長板３、可変位相差板４、第２の波長板５、および偏光板６を介して撮像素子２に導かれる。撮像素子２は、偏光取得手段８からの光を受光して、画像信号を取得する。偏光取得手段８は、第１の波長板３、可変位相差板４、第２の波長板５、および偏光板６、および位相差設定部７を備える。なお、本実施例において、偏光取得手段８は、撮像装置１００に搭載されているが、撮像装置本体に着脱可能に取り付けられる光学装置として構成してもよい。
【００１２】
撮像素子２は、可視帯域を含む使用波長帯域において、複数の波長帯域に応じた画像信号を取得する。本実施例では、撮像素子２が３つの波長帯域（波長４００ｎｍから５００ｎｍのＢ帯域、波長５００ｎｍから６００ｎｍのＧ帯域、波長６００ｎｍから７００ｎｍのＲ帯域）に応じた画像信号を取得する場合について説明する。各帯域の設計中心波長はそれぞれ、４５７ｎｍ、５３０ｎｍ、６３０ｎｍである。撮像素子２の各画素には、各帯域の画像信号を取得するために、Ｂ，Ｇ，Ｒ帯域のみを主に透過するカラーフィルタが配列されている。
【００１３】
可変位相差板４は、図２に示されるように、基板１２、電極層１３、配向膜１４、およびそれらの部材によって挟まれた液晶層１５を備える。液晶層１５は、液晶分子１６が配向膜１４に倣う形で配向しており、電極層１３に印加する印加電圧に応じて液晶のチルト角θを制御することで、透過光に所定の位相差を付与する。図２の円形部分は液晶層１５の拡大図を示しており、この例では印加電圧が０［Ｖ］のときに液晶分子１６が板面に略垂直に配向している。印加電圧を０［Ｖ］、Ａ［Ｖ］、Ｂ［Ｖ］（Ａ＜Ｂ）に変化させることで、液晶分子１６のチルト角度θが変化する。可変位相差板４の位相差は、液晶分子１６の持つ屈折率異方性により位相差を付与するものである。可変位相差板４の大きさは、光線の入射角度と液晶分子１６の屈折率異方性の光学軸の角度（チルト角度θ）に依存して変化する。このとき、印加電圧の最大値での位相差を変更可能な最大の位相差とすることで、それ以下の位相差を印加電圧の制御により実現する。可変位相差板４は、図２の構成に限らず、他の構成を用いてもよい。例えば、液晶のチルト角ではなく配向方向が変化する液晶素子を用いてもよい。他にも電気光学効果による屈折率変化を利用する構成や、微細構造による構造複屈折の格子高さや間隔を精密に制御する構成や、またはそれらを組合せる構成などが考えられる。また、可変位相差板４を板面内で一様に変化する構成ではなく、板面内の異なる領域内で異なる位相差を生じる構成にしてもよい。
【００１４】
位相差設定部７は、撮像装置１００からの信号（指示）に応じて、可変位相差板４の位相差を設定（変更）する。可変位相差板４は、位相差設定部７によって印加された電圧に応じて、透過する光に位相差を与える。
【００１５】
また、撮像装置１００は、マイクロコンピューター等から構成される制御装置３０を有する。制御装置３０は、偏光成分制御部９、信号記録部１０、信号処理部１１を有する。偏光成分制御部９は、撮像素子２と同期して、可変位相差板４の位相差の制御信号を位相差設定部７に送る。この制御によって、撮像素子２が受光する被写体からの光の偏光成分が変化し、被写体の偏光情報を有する画像の取得が可能となる。
【００１６】
撮像装置１００では、被写体を撮影する際に、可変位相差板４の位相差を時間的に変えながら一度に複数枚の画像を撮影する。信号記録部１０は、撮像素子２により得られた画像等を不図示の記録媒体（ＲＡＭ等）に一時的に保管する。保管された画像をそのまま複数の画像として出力してもよいし、信号処理部１１で所定の処理を行った後に１枚若しくは複数の画像として出力してもよい。そのまま複数の画像として出力する場合は、複数枚の画像を別途、ＰＣなどの外部の処理装置を用いて画像処理することで、より複雑な演算の必要な画像などが得られる。また、信号処理部１１で所定の特徴量を抽出する処理を行うこととすれば、所望の画像を高速に取得することができる。
【００１７】
図３は、光学系１側から見た偏光取得手段８の各素子の軸方向を示す図であり、第１の波長板３、可変位相差板４、および第２の波長板５では遅相軸方向、偏光板６では透過偏光方向が示されている。各素子の方向は、ｘｙ面に対して平行である。偏光取得手段８は、第１の波長板３の遅相軸方向および偏光板６の透過偏光方向のｘ軸に対する角度が略９０度、可変位相差板４および第２の波長板５の遅相軸方向のｘ軸に対する角度が略４５度となるように構成されている。なお、本実施例では、第１の波長板３の遅相軸方向を偏光板６の透過偏光方向と略平行になるように構成しているが、第１の波長板３の進相軸方向を偏光板６の透過偏光方向と略平行に配置してもよい。この場合、可変位相差板４および第２の波長板５を進相軸方向のｘ軸に対する角度が略４５度となるように配置する。
【００１８】
撮像装置１００では、可変位相差板４の使用波長帯域の中心波長に対する位相差（以下、可変位相差板４の位相差という）を変えながら複数枚の画像を取得することにより、偏光状態の異なる画像を取得する。以下、その詳細について説明する。
【００１９】
まず、一般的な被写体からの光強度の方位依存性について図４を参照して説明する。図４（ａ）の太点線で示される楕円は、偏光状態の振幅の方位依存性を示す。方位φは、ｘ軸に対する偏光方向の角度である。また、図４（ａ）での線種の異なる各矢印の長さが方位φでの振幅を表し、その２乗が光強度Ｉ（φ）である。図４（ｂ）は、方位φを横軸、光強度Ｉ（φ）を縦軸としたグラフである。この例では、方位φが４５度となる偏光成分の強度が最も強い。そのため、方位φが４５度またはそれと直交する１３５度となる偏光成分を抽出することで、被写体の特徴を最も強調した画像を取得できる。なお、一般的に、偏光は強度と位相の情報を有するが、本実施例では、最大、最小の振幅を有する偏光方向およびその強度を取得することを考える。また、反射光の偏光比の波長依存性は微小であり、一定であるとする。
【００２０】
従来、光強度の方位依存性の情報は、偏光板を回転させて光強度Ｉ（φ）を観察することで取得される。図５は、偏光板の軸方位と透過率の関係を示す図である。図５（ａ）〜（ｄ）はそれぞれ、偏光板の透過軸がｘ軸に対して９０度、０度、１３５度、４５度の状態を示している。また、偏光板を透過した後の出射光の強度と偏光方向をそれぞれ、偏光板後方に示される矢印の長さと方位で示す。透過偏光方向の異なる偏光板を透過した出射光強度の方位依存性は入射光の偏光強度の方位依存性を反映するため、偏光強度の方位依存性から最大の偏光強度となる方向を見積もることができる。
【００２１】
本実施例では、偏光板６を回転させることなく、可変位相差板４の位相差を２値に変更することで２回の撮像で同様の情報を取得する。偏光取得手段８において、入射光の偏光成分の方位φに応じて透過偏光強度が変化する様子について、図６を参照して説明する。図６は、可変位相差板４の位相差が略０、第２の波長板５の位相差が略λ／４となる波長における入射光の方位に応じた偏光の振る舞いを示している。各素子透過前後の矢印の方位と長さは偏光方向と強度を表している。
【００２２】
図６（ａ）は、入射光の偏光成分の方位が９０度の場合を示している。この場合、ｙ軸方向に振動する入射光の偏光成分は第１の波長板３の遅相軸と平行であるため位相変化を受けずに透過し、可変位相差板４および第２の波長板５により位相変化を受けて右円偏光に変換される。その後、偏光板６によりｙ軸と平行な偏光成分以外がカットされ、入射光に対し約５０％の強度の直線偏光として透過する。
【００２３】
図６（ｂ）は、入射光の偏光成分の方位が４５度の場合を示している。この場合、入射光は、第１の波長板３により左円偏光に変換された後、可変位相差板４および第２の波長板５により方位９０度の直線偏光に変換され、偏光板６をほぼ損失なく透過する。
【００２４】
図６（ｃ）は、入射光の偏光成分の方位が０度の場合を示している。この場合、入射光は、第１の波長板３を、位相変化を受けずに透過し、可変位相差板４および第２の波長板５により位相変化を受けて左円偏光に変換される。その後、偏光板６によりｙ軸と平行な偏光成分以外がカットされ、入射光に対し約５０％の強度の直線偏光として透過する。
【００２５】
図６（ｄ）は、入射光の偏光成分の方位が１３５度の場合を示している。この場合、入射光は、第１の波長板３により右円偏光に変換された後、可変位相差板４および第２の波長板５により偏光方向が０度の直線偏光に変換され、偏光板６をほぼ過失なく透過する。
【００２６】
以上から、可変位相差板４の位相差が略０の場合には、偏光取得手段８への入射光の偏光成分の方位が４５度のときに透過率が最も高くなる。最大透過率となる偏光成分の方位をφoとすると、本実施例では可変位相差板４の位相差を変化させることで方位φoを変化させる。また、波長ごとに異なる位相差を与える第２の波長板５により、波長ごとに異なる偏光情報を取得する。
【００２７】
ここで、図７，８を参照して、偏光取得手段８の各帯域に対する透過率依存性について説明する。図７，８は、偏光取得手段８の各帯域に対する透過率依存性を示す図である。図７では可変位相差板４の位相差を略０、図８では可変位相差板４の位相差を略λ／４としている。
【００２８】
図７（ａ）は、偏光成分の方位が４５度の場合には、第２の波長板５のＲ帯域における位相差がλ／４のときに最大透過率となることを示している。図７（ｂ）は、偏光成分の方位が０度の場合には、第２の波長板５のＧ帯域における位相差がλ／２のときに最大透過率となることを示している。図７（ｃ）は、偏光成分の方位が１３５度の場合には、第２の波長板５のＢ帯域における位相差が３λ／４のときに最大透過率となることを示している。波長ごとに異なる偏光情報を取得することで、偏光取得手段８の透過軸を各方位に回転させたときとほぼ同等の偏光情報を取得することができる。
【００２９】
図８では、第２の波長板５の位相差によって、可変位相差板４の位相差がオフセットされる形で、入射光の偏光成分の受ける偏光特性が変化する。図８（ａ）は、偏光成分の方位が０度の場合には、第２の波長板５のＲ帯域における位相差がλ／４のときに最大透過率となることを示している。図８（ｂ）は、偏光成分の方位が１３５度の場合には、第２の波長板５のＧ帯域における位相差がλ／２のときに最大透過率となることを示している。図８（ｃ）は、偏光成分の方位が９０度の場合には、第２の波長板５のＢ帯域における位相差が３λ／４のときに最大透過率となることを示している。
【００３０】
図７，８に示されるように、可変位相差板４の位相差を異ならせて偏光情報を取得することで、複数の偏光状態に対する情報を取得できる。ただし、入射光の偏光成分の強度は各波長によって異なるため、単純に取得された複数の偏光成分の光強度を比較しても図４（ｂ）に示される偏光比の情報を取得することはできない。
【００３１】
使用波長帯域をＮ個に分割した帯域（本実施例では、Ｒ，Ｇ，Ｂの３帯域）における入射光の偏光成分の方位φと光強度Ｉ（φ）の一例をプロットしたグラフを図９（ａ）に示す。実線がＧ帯域、破線がＲ帯域、点線がＢ帯域を示す。図中のＲ−１，Ｇ−１，Ｂ−１はそれぞれ図７（ａ）〜（ｃ）の偏光状態に対応し、Ｒ−２，Ｇ−２，Ｂ−２はそれぞれ図８（ａ）〜（ｃ）の偏光状態に対応する。図９（ａ）に示されるように、偏光比が最大、最小となる方位は各帯域で一致しているものの光強度Ｉ(φ)がそれぞれ異なるため、１回目の撮像と２回目の撮像の強度成分を同等に比較することはできない。そこで、波長ごとの強度比を比較・規格化するために、それぞれＮ−１成分は同じ偏光状態を取得する。本実施例では、Ｇ−１とＲ−２がＧ帯域とＲ帯域で方位φ０が０度の情報であり、Ｇ−２とＢ−１がＧ帯域とＢ帯域で方位φ０が１３５度の情報である。これらの情報を用いてＧ帯域とＲ帯域、およびＧ帯域とＢ帯域を比較・規格化することにより、図９（ｂ）に示すようなＮ＋１点（本実施形態では４点）の偏光情報を取得することができる。最も簡易な規格化方法としては、方位φが０度の点はＧ−１、方位φが４５度の点は（Ｒ−１）×（Ｇ−１）／（Ｒ−２）、方位φが９０度の点は（Ｂ−２）×（Ｇ−２）／（Ｂ−１）、方位φが１３５度の点はＧ−２とすることである。
【００３２】
帯域ごとの強度の比較・規格化を行うためには、以下の条件式（１）を満足する必要がある。
【００３３】
０．８Δσ＜|ｍ＊（Δ（λｍｉｎ）−Δ（λｍａｘ））／（Ｎ−１）|＜１．２Δσ     
（１）
Ｎは使用波長帯域の分割数、Δσは可変位相差板４の使用波長帯域の中心波長λ０に対する位相差を表す。また、Δ（λｍｉｎ）、Δ（λｍａｘ）は使用波長帯域をＮ個に分割したうちの最短波長帯域の中心波長λｍｉｎ、最長波長帯域の中心波長λｍａｘに対する第２の波長板５の位相差を表す。また、ｍは、１以上Ｎ−１以下の自然数である。
【００３４】
本実施例では、各波長帯域として波長４２０ｎｍから５００ｎｍのＢ帯域、５００ｎｍから５９０ｎｍのＧ帯域、５９０ｎｍから６８０ｎｍのＲ帯域を使用する。各波長帯域の設計中心波長はそれぞれ、４５７ｎｍ、５３０ｎｍ、６３０ｎｍである。そのため、最短波長帯域の中心波長λｍｉｎは４５７ｎｍ、最長波長帯域の中心波長λｍａｘは６３０ｎｍ、使用波長帯域の中心波長λ０は５３０ｎｍである。
【００３５】
条件式（１）の中心項は、第２の波長板５の位相差の分散（ここでは波長による位相差のズレを指す）を帯域数Ｎ−１で割った値、すなわちＮ個の各帯域間の位相差を表す。図７、図８の例では、第２の波長板５のＲＧＢ帯域間の位相差はそれぞれ略λ／４であり、条件式（１）の中心項に相当する。そして、位相差Δσが中心項の定数倍（ｍ倍）となるように選択することにより、異なる帯域間で同じ偏光状態に対する偏光情報を取得することができる。条件式（１）に示されるように、位相差Δσと中心項は正確に一致する必要はなく、位相差Δσと中心項の比が０．８倍から１．２倍程度に収まっていることが望ましい。
【００３６】
本実施例では、第１の波長板３の使用波長帯域の中心波長λ０に対する位相差が略λ０／４に設定されているが、本発明はこれに限定されない。例えば、０〜λ０／２の間で位相差が設定されていてもよい。また、第２の波長板５の位相差は、条件式（１）を満たすように位相差の分散をある程度大きく確保することができる位相差であればよく、本実施例では略λ０／２以上に設定されている。好ましくは、第２の波長板５の位相差は、略５λ０／４以上の位相差を有すればよい。さらに、以下の条件式（２）および条件式（３）を満足することが望ましい。
【００３７】
１．２λｍｉｎ＞Δ（λｍｉｎ）≧Ｎλｍｉｎ／（Ｎ＋１）     （２）
０＜Δ（λｍａｘ）≦０．８λｍａｘ／（Ｎ＋１）             （３）
最短波長帯域での位相差を大きく、最長波長帯域での位相差を小さくすることで、偏光情報の範囲を広く取得することができる。
【００３８】
本実施例では波長分割数を３にしてＲ,Ｇ,Ｂ帯域を用いているが、波長分割数を３以上にしてもよい。例えば、紫外帯域、または赤外帯域を加えた４帯域に分割してもよいし、さらに可視波長帯域を６分割してもよい。その場合は、取得できる偏光情報の数がＮ＋１点となるため、より高精度な偏光比の情報を取得できる。ただし、撮像素子にカラーフィルタを配列させて帯域ごとの画像情報を取得する場合には解像度とトレードオフとなるため、偏光情報の精度と解像度のバランスを考慮する必要がある。偏光比の情報をＳｉｎ関数等で解析して求める場合には、誤差を考慮しても偏光情報は４成分あれば十分と考えられる。そのため、偏光情報を取得できる撮像装置としては、これまで説明したような３帯域に分割することが望ましい。このとき、第２の波長板５の位相差は、Ｂ帯域の中心波長λｂに対する位相差が３λｂ／４、Ｇ帯域の中心波長λｇに対する位相差がλｇ／２、Ｒ帯域の中心波長λｒに対する位相差がλｒ／４となっていることが望ましい。
【００３９】
本実施例では、第１の波長板３と可変位相差板４および第２の波長板５の遅相軸が略４５度をなすように配置している。また、可変位相差板４および第２の波長板５の遅相軸と偏光板６の透過軸が略４５度をなすように配置している。これにより、入射光の偏光成分の持つ位相情報の影響が最小限となる。なお、各軸のなす角度とは軸方向と平行な２本の線分のなす鋭角側の角度を指す。例えば、完全な円偏光が入射した場合には、第１の波長板３により方位４５度の直線偏光となるため、可変位相差板４および第２の波長板５の位相差に依存せず透過強度は一様となる。楕円偏光の場合には、入射光の偏光成分の強度の方位依存性に応じた値が求められるため、強度についての情報は取得できる。
【００４０】
取得した入力値から偏光強度が最大となる方向を求めるためには、入力値を偏光強度として、入射する偏光の強度の方位依存性に対して適切な関数（例えば、Ｓｉｎ関数）で解析すればよい。ここで、方位φｉで入射する偏光の強度をＩ（φｉ）、波長帯域ｌでの光強度Ｉ（φｉ）に対する偏光取得手段８の透過率をＴｉ１、波長帯域ｌにおける全入射光の透過光強度Ｔｌとすると、以下の行列式（４）が成り立つ。
［Ｔｌ］＝［Ｔｉｌ］＊［Ｉ(φｉ)］        （４）
Ｔｉｌは、入射する直線偏光の振動方向と偏光取得手段８の構成が決まれば一意に求めることができる。よって、あらかじめ透過率Ｔｉｌを取得した上で、波長帯域lごとに得られる透過光強度Ｔｌを入射光の偏光成分の振動方位に対する透過光強度プロットとして解析することにより、入射光の方位依存性を求めることができる。
【００４１】
ただし、本実施例の撮像装置１００では、前述したように、各波長帯域間の輝度値の規格化を行う必要がある。そのため、可変位相差板４の位相差Δσを変えて２Ｎ個の偏光情報を取得し、そこからＮ＋１個の状態の偏光情報（Ｎ＋１個のφに対応する光強度値）を取得することができる。つまり、行列式（４）の２Ｎ個のＴｌから、Ｎ＋１個の規格化された透過光強度Ｔｊを得ることができる。透過光強度Ｔｊを用いて光強度Ｉ（φi）の方位依存性を推定することができる。以上の方法から、１枚の可変位相差板４で偏光強度の方位依存性の情報を取得することができる。
【００４２】
可変位相差板４や第１の波長板３は、波長に対して均一な位相差特性を有することが望ましい。具体的には、Ｎ個に分割された各波長帯域の中心波長λＮに対する位相差Δ（λＮ）としたとき、以下の条件式（５）を満足することが望ましい。
【００４３】
|Δ（λｐ）−Δ（λｑ）|≦０．０５λ      （５）
ｐ，ｑはＮ以下の整数を表し、Δ（λｐ）、Δ（λｑ）はそれぞれＮ個に分割した波長帯域の任意の中心波長λｐ，λｑに対する位相差を表す。各波長帯域における位相差が０．０５λ以内に収まるような位相差特性を有することで、第２の波長板５以外の位相差の波長依存性を抑制し、取得する偏光情報の精度を高めることができる。
【００４４】
位相差の波長分散特性を所望の値に制御するために、図１１（ａ）に示されるように、構造複屈折を用いた波長板を利用すればよい。図１１（ａ）の波長板は、基板１７上に使用波長よりも小さい構造周期Ｐを有する１次元格子１８を備える。微細周期構造により１次元格子の周期方向とその直交方向に大きな屈折率異方性が生じることが知られており、それを利用することにより非常に薄い波長板が得られる。また、１次元格子１８の屈折率ｎａ、配列周期Ｐ、配列周期Ｐと格子幅Ｗの比Ｗ／Ｐ、および格子高さＨを制御することにより、位相差の大小だけでなく位相差の波長分散をある程度制御することができる。
【００４５】
また、図１１（ｂ）に示されるように、複数の波長板を積層してもよい。波長板１９，２０，２１の位相差および遅相軸の方向を制御して積層することにより、単層では得られない波長分散特性を有する波長板を得ることができる。図１２は、積層型の第１の波長板の分光位相差特性である。表１には、このときの構成が示されている。表１の例では３積層としているが、３層以上積層したタイプであってもよい。なお、この構成は、可変位相差板４にも適用可能である。
【００４６】
反対に第２の波長板５は、ある程度大きな波長分散特性（波長に対する位相差のズレの大きさを指す）を有することが必要となる。第２の波長板５には、０次以上の位相差を有する波長板を用いてもよい。その場合ターゲットとする波長以外での偏光特性が増大することを考慮する必要があるが、取得する波長帯域を狭帯域化することで対応することができる。
【００４７】
また、本実施例において偏光取得手段８は撮像装置１００に用いられるため、偏光板６は吸収型であることが望ましい。偏光板６にワイヤーグリッド偏光子のような不要光を反射する偏光板を用いると、カットする側の偏光が反射され、その光が迷光やゴーストとなって画像に悪影響を及ぼしてしまう。そのため、使用波長である可視域全域において、透過軸と直交する方向に振動する偏光のうち５０％以上を吸収する特性を有することが望ましい。このような偏光板としては、例えばヨウ素化合物を延伸したフィルム等があるが、このような材料に限らず、任意の吸収型偏光板を使用すればよい。
【００４８】
撮像装置１００により取得された各画像は、偏光情報を有し、画像処理等の演算処理を経ることなくそのまま画像として用いることができる。しかし、偏光情報に波長依存性が生じているため、帯域ごとに平均化した輝度値を画像信号として用いることが望ましい。また、異なる偏光情報を有する画像間で演算処理を行うことで、画素単位で被写体の特徴をより強調した画像を得ることができる。例えば、取得した偏光情報のうち最も光強度の小さい値のみで画像を生成することや、最も光強度の大きい値のみで画像を生成することで、被写体の散乱光成分を強調した画像や、被写体からの正反射成分を強調した画像を取得することができる。なお、偏光の光強度の値として、偏光取得手段８で直接取得された画像の光強度の値を使用してもよいし、偏光解析からの内挿または外挿の値を使用してもよい。内挿または外挿とは、取得された偏光強度の差を強調または抑制するように、解析結果からの推定値を用いることを意味する。被写体の物体情報を光学的に取得することで、その特徴量を強調または抑制した画像を取得することができる。または、これらを組み合わせることで撮影者の意図に合った画像を生成することが可能となる。さらには、画像の領域ごとに異なる偏光情報または強調効果を有する画像にしてもよい。例えば、主たる被写体と背景（例えば、空）に対して異なる偏光状態の画像を組み合わせることで、背景の色の均一化や、背景と主被写体それぞれを強調した画像を取得することができるといった効果が得られる。他にも被写体の偏光の強度依存性を利用した様々な処理を行うことにより、目的に則した画像を得ることができる。
【００４９】
ここで、撮像装置１００を用いて、入射光の偏光強度の方位依存性を見積もる方法について示す。撮像素子２は主に波長４２０ｎｍから６８０ｎｍまでの可視光をＲ帯域、Ｇ帯域、Ｂ帯域の３つの帯域に分割して取得する。このとき、Ｒ帯域の中心波長（=λｍａｘ）は６３０ｎｍ、Ｇ帯域の中心波長５３０ｎｍ、Ｂ帯域の中心波長（=λｍｉｎ）は４５７ｎｍである。表２は第１の波長板３の層構成であり、図１２（ａ）は第１の波長板３の分光位相差特性である。表３は第２の波長板５の層構成であり、図１２（ｂ）は第２の波長板５の分光位相差特性である。第１の波長板３は、周期２００ｎｍ、格子幅１５１．６ｎｍ、格子高さ４２０．９ｎｍのＴｉＯ２格子から構成され、使用波長帯域でほぼ均一な位相差を有する。また、第１の波長板３には、界面反射を抑制する構造が付与されている。第２の波長板は、周期１２０ｎｍ、格子幅６０ｎｍ、格子高さ５５００ｎｍのＡ１２０３格子からなり、使用波長帯域で大きな位相差分散を有している。可変位相差板４は、液晶分子のチルト角度を電圧制御することにより、使用波長帯域に対して２値の位相差Δσ＝０、λ／４を取る。
【００５０】
条件式（１）の値は表３より{Δ（λｍｉｎ）−Δ（λｍａｘ）}／２＝０．２６２＝９４．３２［度］であり、可変位相差板の位相差Δσ＝０．２５λ＝９０［度］の１．０４８倍となり、条件式（１）を満足している。
【００５１】
また、Δ（λｍｉｎ）は０．２４７で０．２５以下、Δ（λｍａｘ）は０．７７１で０．７５以上となり、条件式（２），（３）を満たしている。
【００５２】
第１の波長板３は、遅相軸方向または進相軸方向が偏光板６の透過偏光方向と略平行に配置され、可変位相差板４および第２の波長板５の遅相軸方向または進相軸方向はｘ軸に対して略４５度だけ傾くように配置されている。
【００５３】
表４に、偏光取得手段８における振動方向の異なる各直線偏光に対する透過率、すなわち行列式（４）の行列［Ｔｉｊ］を表す。ここで、表４は、可変位相差板４の位相差Δσ＝０，λ／４のときを表す。φｉは入射光の偏光成分の振動方向がｘ方向となす角度を表す。また、各Ｒ，Ｇ，Ｂ帯域における最大透過率の方向φｏを表４の最下行に示す。例えば、Δσ＝λ／４の場合、Ｂ帯域ではφｉ＝９０度、Ｇ帯域ではφｉ＝１３５度、Ｒ帯域ではφｉ＝０度が最も高い透過率となり、それと直交するφｉの方位が最小となる。
【００５４】
ここで、図８の偏光状態の光が入射した場合を例に、入射する偏光の強度の方位依存性を見積もる方法を示す。まず、図８（ａ）から、各方位φにおける光強度はＧ帯域（実線）の場合Ｉｇ（０）＝０．７５、Ｉｇ（４５）＝１．０、Ｉｇ（９０）＝０．７５、Ｉｇ（１３５）＝０．５と読み取ることができる。同様に、Ｒ帯域の場合、Ｉｒ（０）＝０．４５、Ｉｒ（４５）＝０．６０、Ｉｒ（９０）＝０．４５、Ｉｒ（１３５）＝０．３、Ｂ帯域の場合、Ｉｂ（０）＝０．１５、Ｉｂ（４５）＝０．２０、Ｉｂ（９０）＝０．１５、Ｉｂ（１３５）＝０．１となる。行列式（４）に従い、４つの光強度を［Ｉ（φｉ）］として、表４の透過率［Ｔｉｌ］との積を取る。
【００５５】
可変位相差板４の位相差Δσが０の場合、[Ｔｌａ（Δσ＝０)]は、以下のようになる。
【００５６】
Ｔ０ａ（ｌ＝０,λ＝４５７ｎｍ、φｏ＝１３５度）＝０．２５０、
Ｔ１ａ（ｌ＝１,λ＝５３０ｎｍ、φｏ＝０度）＝１．４８５、
Ｔ２ａ（ｌ＝２,λ＝６３０ｎｍ、φｏ＝４５度）＝１．０５０、
また、位相差Δσがλ／４のとき、[Ｔｌｂ(Δσ＝λ／４)]は、以下のようになる。
【００５７】
Ｔ０ｂ（ｌ＝０,λ＝４５７ｎｍ、φｏ＝９０ｄｅｇ）＝０．３００、
Ｔ１ｂ（ｌ＝１,λ＝５３０ｎｍ、φｏ＝１３５ｄｅｇ）＝１．２５０、
Ｔ２ｂ（ｌ＝２,λ＝６３０ｎｍ、φｏ＝０ｄｅｇ）＝０．９０３、
Ｂ，Ｒ帯域の光強度をＧ帯域に合わせて規格化することで、透過光強度Ｔｊ（φｏ）は以下のように算出される。
【００５８】
Ｔ０（ｊ＝０,φｏ＝０ｄｅｇ）＝Ｔ１ａ＝１．４８５、
Ｔ１（ｊ＝１,φｏ＝４５ｄｅｇ）＝Ｔ１ａ＊Ｔ２ｂ／Ｔ２ａ＝１．７２７、
Ｔ２（ｊ＝２,φｏ＝９０ｄｅｇ）＝Ｔ０ｂ＊Ｔ１ｂ／Ｔ０ａ＝１．５００、
Ｔ３（ｊ＝３,φｏ＝９０ｄｅｇ）＝Ｔ１ｂ＝１．２５０
さらに、最大値で規格化すると、Ｔ０’（φｏ＝０度）＝０．８６０、Ｔ１’（φｏ＝４５ｄｅｇ）＝１．０００、Ｔ２’（φｏ＝９０度）＝０．８６９、Ｔ３’（φｏ＝１３５度）＝０．７２４となる。ここで、規格化後の透過光強度Ｔ’（φｏ）を光強度I（φ）に重ねてプロットしたグラフを図１３（ａ）に示す。図１３（ａ）の□点は偏光板６の透過軸方向をφｏとしたときに得られる光強度、○点は偏光取得手段８により得られる光強度を示す。どちらのデータからも偏光強度の最大角度が４５ｄｅｇであることはＩ（φ）＝Ａ＋Ｂ＊Ｓｉｎ（φ＋δ)として最小２乗法等によるＡ，Ｂ，δのフィッティングから得られる。しかし○点のプロットには光強度に比べてオフセットが多く乗っていることが判る。このオフセット分は、偏光情報取得過程における消光比の低下に起因するものであるが、例えば規格化後の透過率Ｔｊ’の最小値をＴｊから一律減算した後に、再度規格化することで簡易的にある程度キャンセル可能である。この処理を施した後の、図１３（ａ）と同様のグラフを図１３（ｂ）に示す。図の各点は図１３（ａ）に準拠している。図１３（ｂ）では図１３（ａ）に比べて入射強度のプロットを反映したデータが得られていることが判る。
【実施例２】
【００５９】
本実施例では、光学ローパスフィルタ等が配置された場合に生じる影響を考慮した場合について説明する。実施例１と重複する構成については、説明を省略する。
【００６０】
一般に、デジタル一眼レフカメラ等の撮像装置では、モアレや偽色防止のため撮像素子近傍に光学ローパスフィルタが配置される。実施例１で説明した構成を用いても、撮像素子の手前に光学ローパスフィルタが配置された場合やオートフォーカス手段に偏光依存性が存在する場合には、被写体の偏光情報を正しく取得できない場合がある。また、偏光取得手段８を端に光学ローパスフィルタとレンズの間に配置すると、偏光取得手段８の影響により光学ローパスフィルタとしての所望の効果が得られない場合がある。さらに、センサ直前部分に偏光板を敷き詰める方式では、光学ローパスフィルタ２２を透過することで被写体の偏光情報が失われるため偏光情報を取得することができない。
【００６１】
図１４は、本実施例の撮像装置２００の簡易的な構成を示す概略図である。光学ローパスフィルタ２２には、複屈折媒質が複数層積層されたものや偏光回折素子などの偏光特性を利用したものが用いられる。
【００６２】
本実施例では、偏光板６と光学ローパスフィルタ２２との間にλ／４板（アクロマティック波長板）２３を挿入し円偏光にする。通常のλ／４板を挿入してもよいが、λ／４板には波長分散があり可視光全域で均一な円偏光とならず、波長による位相ズレが色の変化として画像に表れる可能性がある。そのため、挿入するλ／４板としては、使用波長である可視波長帯域において位相差が最小となるように設計されたアクロマチックλ／４板２３が望ましい。また、それ以外の方法として、光学ローパスフィルタ２２の最も光学系側（積層構造となっている場合）における光線分離方向と、偏光板６の透過軸の方向が４５度をなすように配置することで、光学ローパスフィルタ２２の特性と偏光取得手段８の特性を両立できる。
【００６３】
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。
【００６４】
【表１】
2017058559.tif 000003
【００６５】
【表２】
2017058559.tif 000004
【００６６】
【表３】
2017058559.tif 000005
【００６７】
【表４】
2017058559.tif 000006
【符号の説明】
【００６８】
３      第１の波長板
４      可変位相差板
５      第２の波長板
６      偏光板
８      偏光取得手段（光学装置）
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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