(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光画像を電気映像信号に変換する撮像部と、
この撮像部前方に配置され、入射光の偏光方位を可変する偏光制御部と、
この偏光制御部を駆動制御する駆動部とを具備し、
前記偏光制御部は、前記入射光の偏波面を回転する複数枚のツイスティッドネマティック液晶セルを備えた偏光回転部と、この偏光回転部からの出射光中から一定方向の偏光を吸収して前記撮像部側へ出射する偏光吸収部とから構成され、
前記駆動部は、前記撮像部から出力される電気映像信号の一部または全体の画像レベルが最小になるような制御電圧を設定して前記偏光回転部のツイスティッドネマティック液晶セルを電圧制御することにより反射光を除去する、
ことを特徴とする撮像装置。
【請求項２】
請求項１に記載の撮像装置において、
前記偏光吸収部は、偏光フィルム、または２色性色素を含むホモジニアス配向の液晶材料が透明電極で挟まれたゲストホスト液晶セルのいずれかで構成されることを特徴とする撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、偏光機能を有する撮像装置に係り、特に、実時間で不要な偏光を除去し、所望の光画像を抽出できる撮像装置に関する。
【０００２】
［発明の概要］
本発明は、偏光制御機能を備えた撮像装置に関するもので、撮像部の前方に偏光方位を変えることのできる偏光制御部を配置すると共に、撮像部からの映像電気信号に基づいて偏光制御部を駆動制御することにより、入射する多様な偏光成分を瞬時に除去でき、不要な偏光分の無い所望の光画像を得ることを可能にしたものである。
【０００３】
【従来の技術】
野外などの映像撮影では、水面やガラス板からの強い反射光（写り込み）が支障となり、その偏光した反射光を取り除くため、偏光制御機能をもつ撮像装置が求められている。従来より、偏光制御機能をもつ撮像装置としては、図５に示すものが知られている。
【０００４】
図５に示す撮像装置１００は、光吸収を示すヨウ素分子を含むポリビニルアルコール樹脂で構成され入射光１０１の偏光を吸収する偏光フィルム１０２と、レンズやミラー等で構成され偏光フィルム１０２で偏光分が吸収された入射光１０１を光画像１０４として出射する撮像光学系１０３と、撮像光学系１０３からの光画像１０４を入射して電気映像信号１０６に変換して出力する撮像部１０５とから構成され、偏光フィルム１０２を回転させ、これにより入射光１０１に含まれる任意の偏光成分を除去した後、撮像光学系１０３、撮像部１０５を介して電気映像信号を得るものである。
【０００５】
しかしながら、この撮像装置１００では、偏光方位を変えるために、偏光フィルム１０２を機械的に回転させなければならず、動作速度が遅いため、入射光１０２が高速に変化するような映像撮影においては、偏光した反射光の除去ができず適用できない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
このように、上記従来の撮像装置１００は、偏光フィルム１０２を機械的に回転させる必要があり、動作速度が遅いため、入射光１０２が高速に変化するような映像撮影においては、偏光した反射光の除去ができないという課題がある。
【０００７】
なお、偏光制御機能をもつ撮像装置としては、他に特開昭６３−１７５５８６号公報に記載された「固体撮像素子」が知られているが、この公報に記載された「固体撮像素子」は、固体撮像素子の表面に偏光板を設けただけの構成であり、素子の偏光方位を高速、かつ多様に変えることはできない。また、特開平３−１３５２７６号公報に記載された「撮像装置の光学ヘッド」や、特開平６−５１９２１号公報に記載された「赤外線撮像装置」もあるが、いずれも偏光素子を回転させる等の手段を講じなければならず、多様な偏光に対して高速に対応することはできない。
【０００８】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、偏光方位を高速、かつ多様に変えることにより実時間で不要な偏光を除去でき、所望の光画像を得ることを可能にする撮像装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために本発明は、請求項１では、光画像を電気映像信号に変換する撮像部と、この撮像部前方に配置され、入射光の偏光方位を可変する偏光制御部と、この偏光制御部を駆動制御する駆動部とを具備し、前記偏光制御部は、前記入射光の偏波面を回転する複数枚のツイスティッドネマティック液晶セルを備えた偏光回転部と、この偏光回転部からの出射光中から一定方向の偏光を吸収して前記撮像部側へ出射する偏光吸収部とから構成され、前記駆動部は、前記撮像部から出力される電気映像信号の一部または全体の画像レベルが最小になるような制御電圧を設定して前記偏光回転部のツイスティッドネマティック液晶セルを電圧制御することにより反射光を除去することを特徴とするものである。
【００１０】
上記の構成によれば、偏光制御部を外部から駆動制御できるので、多様な偏光にも対応でき、不要な偏光成分が除去された光画像を得ることができる。また、自動かつ高速で、反射光等の不要な偏光分を除去でき、所望の光画像を得ることができる。
【００１７】
請求項２では、請求項１に記載の撮像装置において、前記偏光吸収部は、偏光フィルム、または２色性色素を含むホモジニアス配向の液晶材料が透明電極で挟まれたゲストホスト液晶セルのいずれかで構成されることを特徴とするものである。
【００１８】
上記の構成によれば、簡単な構成の偏光フィルムにより偏光を吸収・選択することができる。また、ゲストホスト液晶セルを用いた場合には、透明電極へ印加される電圧を制御することによりゲストホスト液晶セルの偏光強度を制御することができる。この場合、偏光機能が不要になった場合には、ゲストホスト液晶セルに電圧を印加しておけば良い。
【００１９】
【発明の実施の形態】
図１は本発明に係る撮像装置の全体構成を示している。この撮像装置１は、入射光２の偏光を制御する偏光制御部３と、レンズやミラー等で構成され偏光制御部３で偏光制御された入射光を光画像５として出射する撮像光学系４と、撮像光学系４からの光画像５を入射して電気映像信号７に変換して出力する撮像部６と、撮像部６から出力された電気映像信号７を入力して偏光制御部３の制御電圧９を生成して出力する電圧駆動部８とを備えている。なお、偏光制御部２の配置位置は、撮像部６の前方であれば、撮像光学系４の前後を問わず、また撮像光学系４の内部に組み込む形でも良い。
【００２０】
上記の構成において、偏光制御部３は撮像部６から出力される電気映像信号７に基づいて制御され、これにより所望の光画像を抽出することができる。例えば、ガラス板や水面などの反射光による写り込みが強く、映像撮影が困難な場合には、撮像部６からの電気映像信号７の一部または全体のレベルが最小になるように、制御電圧を設定して偏光制御部３を駆動すれば、高速に不要な反射光（偏光）を自動で除去することができる。
【００２１】
＜第１の実施の形態＞
図２、図３は、本発明に係る撮像装置の第１の実施の形態の構成を示している。偏光制御部３は、入射光２の偏波面を回転する偏光回転部３０と、この偏光回転部３０に積層されて一体となり、一定の偏波光を吸収する偏光吸収部４０とから構成されており、偏光回転部３０側から入射した入射光２は、偏光吸収部４０で偏光された後、撮像光学系４に出射される。偏光回転部３０は、２枚のツイスティッドネマティック液晶セル１０Ａ，１０Ｂが積層されて構成されている。
【００２２】
図３に詳細な構成を示すように、偏光回転部３０を構成するツイスティッドネマティック液晶セル１０Ａは、第１透明基板１１Ａと、第１透明電極１２Ａと、液晶１３Ａと、第２透明電極１４Ａと、第２透明基板１５Ａとを順に積層して構成されている。また、ツイスティッドネマティック液晶セル１０Ｂも同様に、第１透明基板１１Ｂと、第１透明電極１２Ｂと、液晶１３Ｂと、第２透明電極１４Ｂと、第２透明基板１５Ｂとを順に積層して構成されている。
【００２３】
第１透明基板１１Ａ，１１Ｂと、第２透明基板１５Ａ，１５Ｂは、いずれも平板状のガラス基板等で構成されている。また、第１透明電極１２Ａ，１２Ｂと、第２透明電極１４Ａ，１４Ｂは、いずれも例えば、Ｉｎ2 Ｏ3 に５％のＳｎを添加して形成された厚さ０．０７μｍ程度のＩＴＯ透明電極膜で構成されている。
【００２４】
ツイスティッドネマティック液晶セル１０Ａ，１０Ｂを構成する液晶１３Ａ，１３Ｂとしては、高速応答をもつ偏光制御部３を実現するために、ネマティック液晶、または材料自体がねじれ配向をもつコレステリック液晶など、粘度が低い液晶材料が有利である。また、ネマティック液晶に分子配向にねじれを誘発するカイラル剤を混入して使用しても良い。
【００２５】
ツイスティッドネマティック液晶セル１０Ａ，１０Ｂの旋光能は、光の偏波面が入射側の基板面の液晶分子配列に平行、または垂直で顕著になる。そのため、２枚以上のツイスティッドネマティック液晶セルを用いて入射光２の偏波面を効率よく回転するには、互いに隣接するツイスティッドネマティック液晶セル１０Ａ，１０Ｂの基板面の分子（液晶分子１７，１８，１９，２０）配列方向を平行または垂直にすることが望ましい。図３の構成では、基板面の液晶分子１７の配列方向と、液晶分子１８の配列方向とは平行としている。しかし、互いの分子配列方向が平行や垂直でない場合でも偏光強度は低下するものの、偏波面の回転は可能である。
【００２６】
また、液晶分子の基板面の液晶分子１７，１８，１９，２０の各配列方向を制御するために、第１透明電極１２Ａと液晶１３Ａとの間、液晶１３Ａと第２透明電極１４Ａとの間、第１透明電極１２Ｂと液晶１３Ｂとの間、液晶１３Ｂと第２透明電極１４Ｂとの間にそれぞれ、配向膜として、ポリイミド、ポリビニルアルコールなどの合成樹脂からなる高分子薄膜や、ＳｉＯ，ＳｉＯ2 などからなる無機薄膜を形成するのも良い。
【００２７】
また、偏光回転部３０を構成するツイスティッドネマティック液晶セル１０Ａ，１０Ｂは電圧駆動部８からの交流電圧により個別に制御されるようになっている。すなわち、ツイスティッドネマティック液晶セル１０Ａの第１透明電極１２Ａと第２透明電極１４Ａとの間にはスイッチ２１Ａ、リード線２２Ａを介して、交流電源２３Ａが接続され、ツイスティッドネマティック液晶セル１０Ｂの第１透明電極１２Ｂと第２透明電極１４Ｂとの間にはスイッチ２１Ｂ、リード線２２Ｂを介して、交流電源２３Ｂが接続されている。
【００２８】
偏光吸収部４０を構成する偏光フィルム１６は、光を吸収するヨウ素分子を含むポリビニルアルコール樹脂からなるものである。また、最も光を吸収する光学的な方向が、隣接するツイスティッドネマティック液晶セル１０Ｂの基板面の分子配列方向に平行、または垂直に配置されることが望ましい。
【００２９】
図２、および図３の構成の偏光制御部３を有する撮像装置１において、偏光回転部３０に入射した入射光２は、４５゜や９０゜のツイスティッドネマティック液晶セル１０Ａ，１０Ｂで旋光された後、偏光吸収部４０の偏光フィルム１６により吸収されて撮像光学系４に出射される。偏光回転部３０の２枚のツイスティッドネマティック液晶セル１０Ａ，１０Ｂは、液晶分子が連続してねじれるように配置されるため、入射光２の偏波面は最大で１３５゜回転される。一方、個々のツイスティッドネマティック液晶セル１０Ａ，１０Ｂの旋光能は、第１透明電極１２Ａ，１２Ｂと第２透明電極１４Ａ，１４Ｂとの間の電圧印加により解消される。このため、撮像部６から出力される電気映像信号７のレベルに基づいて電圧駆動部８から制御電圧９が偏光制御部３の偏光回転部３０に出力される。このとき、偏光制御部３の偏光角は、個別に電圧制御されたツイスティッドネマティック液晶セル１０Ａ，１０Ｂの旋光角の和となる。そのため、スイッチ２１Ａ，２１Ｂの切り替えにより、偏光の回転を０゜（１８０゜）、４５゜、９０゜、１３５゜の４通りに制御できる。
【００３０】
入射光２の様々な偏波成分は、ツイスティッドネマティック液晶セル１０Ａ，１０Ｂで構成される偏光回転部３０でその偏波面が制御された後、偏光フィルム１６により吸収・選択される。そのため、偏光制御部３では、全方位を４５゜単位でカバーすることができる。なお、偏光制御部３の偏光方位は、偏光回転部３０による偏波面の回転機能に依存するために、ツイスティッドネマティック液晶１０Ａ，１０Ｂのねじれ角は、４５゜や９０゜以外でも、多様な偏光機能が得られる。
【００３１】
＜試作例＞
上述した図２、図３に示す第１の実施の形態に示す撮像装置１を以下のようにして試作した。
【００３２】
初めに、偏光回転部３０を構成するツイスティッドネマティックチック液晶１０Ａ，１０Ｂを以下のようにして試作した。先ず、Ｉｎ２ Ｏ３ ：Ｓｎからなる０．０７μｍ厚の透明電極が付着された１．１ｍｍ厚のソーダガラスから成る透明基板の上に、ポリイミド膜（日本合成ゴム社製、ＡＬ−１２５４、０．０５μｍ厚）を塗布した後、レーヨンロールで擦る、いわゆるラビング処理をすることにより、配向膜を作製した。次に、配向膜を塗布した透明電極１２を、球状スペーサを介して張り合わせ、そのギャップの中にカイラル剤入りのネマティック液晶１７，１８（チッソ社製、ＪＢ−４００２ＬＡ、屈折率異方性Δｎ＝０．１３７）を充填した。配向膜のラビング方向を変えることにより、ねじれ角が４５゜、および９０゜のツイスティッドネマティック液晶セル１０Ａ，１０Ｂを作製した。作製されたツイスティッドネマティック液晶セル１０Ａ，１０Ｂの面積は、１０ｃｍ×１０ｃｍである。ここでは、ツイスティッドネマティック液晶セル１０Ａ，１０Ｂの厚さｄと入射光の波長λが、モーガン条件（Δｎ・ｄ＞２λ）を満たし、十分な旋光能が得られるように、厚さｄを１０μｍとした。
【００３３】
２枚のツイスティッドネマティック液晶セル１０Ａ，１０Ｂに偏光フィルム１９（ルケオ社製）を張り合わせた偏光制御部３を、ＣＣＤ３板式テレビ撮像装置（ソニー社製、ＣＣＤ−ＶＸ１）の光学系の前面に配置し、個々のツイスティッドネマティック液晶セル１０Ａ，１０Ｂを、１０Ｖ以上の交流電圧源２３Ａ，２３Ｂ（周波数１ｋＨｚ）を有する電圧駆動部８により個別に駆動した。これにより、偏光回転角を０゜（１８０゜）、４５゜、９０゜、および１３５゜に制御できる。その結果、全方位の偏光を８０％以上、選択的に除去できることが判明した。また、その制御に要する時間を数十ｍｓである。
【００３４】
通常、ガラス板や水面などでの斜方反射の場合、反射光が反射体の面に平行方向に偏光する。そこで、上述した撮像装置１を使用して水面を撮像し、水平偏波の入射光２を除去するように、ツイスティッドネマティック液晶セル１０Ａ，１０Ｂを駆動した結果、０゜（すなわち、水平偏波）の反射光を大幅に取り除くことができることが判明した。さらに、建造物の窓ガラス、および車両の傾いたウィンドウからの反射光についても、それぞれ９０゜（すなわち、垂直偏光除去）、および４５゜（または１３５゜）の偏光除去により、大部分を取り除けることが実験的に確認された。
【００３５】
特に、反射光が強い場合には、撮像部６で捉えられる映像信号のレベルの一部または全部が最小になるように、ツイスティッドネマティック液晶セル１０Ａ，１０Ｂの駆動状態を制御することにより、良好に反射光を除去できる。
【００３６】
＜第２の実施の形態＞
図４は、第２の実施の形態の構成を示している。この実施の形態の偏光制御部３は、偏光回転部３０として第１の実施の形態と同様に２枚のツイスティッドネマティック液晶セル１０Ａ，１０Ｂを用いると共に、偏光吸収部４０として偏光フィルム１６に替えてゲストホスト液晶セル３６を用いたものである。なお、図１に示した第１の実施の形態と同一構成部分については同一符号を付してその説明は省略する。
【００３７】
偏光吸収部４０を構成するゲストホスト液晶セル３６は、第１透明基板３１と、第１透明電極３２と、ゲストホスト液晶３３と、第２透明電極３４と、第２透明基板３５とを順に積層して構成されている。第１、第２透明基板３１、３５と、第１、第２透明電極３２、３４とは、前述したツイスティッドネマティック液晶セル１０Ａの第１、第２透明基板１１Ａ、１５Ａと、第１、第２透明電極１２Ａ、１４Ａと同一材料のものを同一の厚さで積層して構成できる。
【００３８】
この偏光吸収部４０は電圧駆動部８により駆動制御される。すなわち、第１透明電極３２と第２透明電極３４との間にはスイッチ４２、リード線４３を介して、交流電源４４が接続されており、印加される交流電圧によってゲストホスト液晶３３が駆動制御されるようになっている。
【００３９】
ゲストホスト液晶３３は、光吸収異方性をもつ２色性色素３７がネマティック液晶３８に混入されたものである。２色性色素３７としては、様々な色のものが使用可能であるが、映像撮影などでは白バランスを保つために、１種類または複数種類の２色性色素の添加により、ゲストホスト液晶３３を黒色にするのが望ましい。
【００４０】
また、ゲストホスト液晶３３の２色性色素３７の最も光を吸収する光学的な方向は、隣接するツイスティッドネマティック液晶セル１０Ｂの基板面（液晶分子２０）の分子配列方向に平行、または垂直に配置されることが望ましい。
【００４１】
図４の構成の偏光制御部３において、ゲストホスト液晶セル３６に電圧が印加されていない場合には、偏光回転部３０で回転された入射光２中の不要な偏光成分が２色性色素３７により吸収される。一方、ゲストホスト液晶セル３６の第１透明電極３２と第２透明電極３４との間にスイッチ４２、リード線４３を介して交流電源４４からの交流電圧が印加されると、ゲストホスト液晶３２中の２色性色素３７とネマティック液晶３８の各分子が電圧印加方向に配向し、ゲストホスト液晶３２の光吸収率が低下して偏光強度が下がる。
【００４２】
すなわち、ゲストホスト液晶セル３６に十分な電圧が印加された場合には、偏光制御部３は偏光動作を示さなくなる。このように、ゲストホスト液晶セル３６に印加される電圧を制御することにより、偏光強度を制御することができる。
【００４３】
したがって、偏光制御部３を装着した撮影装置１においては、偏光機能が不要になった場合には、ゲストホスト液晶セル３６に電圧を印加しておけば、偏光制御部３を取り外さなくとも良い。
【００４４】
＜変形例＞
図２、図４に示した各実施の形態では、偏光回転部３０を２枚のツイスティッドネマティック液晶セル１０Ａ，１０Ｂで構成したが、ねじれ角の小さなツイスティッドネマティック液晶セルをさらに１枚乃至複数枚積層するようにしても良い。このように構成することにより、より一層緻密な偏波面の回転動作が得られる。
【００４５】
また、図２、図４に示した各実施の形態では、同一の回転方向のねじれ配向をもつツイスティッドネマティック液晶セル１０Ａ，１０Ｂを用いたが、ねじれ配向の回転方向が異なるツイスティッドネマティック液晶セルを組み合わせて使用することも可能である。
【００４６】
さらに、ツイスティッドネマティック液晶１０Ａ，１０Ｂの替わりに、強誘電性液晶をはじめとするスメクティック液晶、ネマティック液晶、コレステリック液晶などの液晶材料を、ホモジニアス配向、ホメオトロピック配向など様々に配向させた液晶セルを用いることもできる。その場合、旋光能でなく電界制御型複屈折効果を用いるため、偏波面を９０゜回転することが可能である。ツイスティッドネマティック液晶の旋光能は、電界制御型複屈折効果に比べ、偏波面の回転角を多様に制御でき、しかも、透過光の着色効果が極めて少ないため、映像撮影に好適である。
【００４７】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、請求項１では、光画像を電気映像信号に変換する撮像部と、この撮像部前方に配置され、入射光の偏光方位を可変する偏光制御部と、この偏光制御部を駆動制御する駆動部とを具備し、前記偏光制御部は、前記入射光の偏波面を回転する複数枚のツイスティッドネマティック液晶セルを備えた偏光回転部と、この偏光回転部からの出射光中から一定方向の偏光を吸収して前記撮像部側へ出射する偏光吸収部とから構成され、前記駆動部は、前記撮像部から出力される電気映像信号の一部または全体の画像レベルが最小になるような制御電圧を設定して前記偏光回転部のツイスティッドネマティック液晶セルを電圧制御することにより反射光を除去するようにしたので、多様な偏光にも対応でき、自動かつ高速で、反射光等の不要な偏光分を除去でき、所望の光画像を得ることができる。
【００５１】
請求項２では、簡単な構成の偏光フィルムにより偏光を吸収・選択することができる。また、ゲストホスト液晶セルを用いた場合には、透明電極へ印加される電圧を制御することによりゲストホスト液晶セルの偏光強度を制御することができる。この場合、偏光機能が不要になった場合には、ゲストホスト液晶セルに電圧を印加しておけば良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る撮像装置の全体構成図である。
【図２】本発明に係る撮像装置の第１の実施の形態を示す構成図である。
【図３】本発明に係る撮像装置の第１の実施の形態を示す詳細な構成図である。
【図４】本発明に係る撮像装置の第２の実施の形態を示す詳細な構成図である。
【図５】従来の撮像装置の一例を示す構成図である。
【符号の説明】
１  撮像装置
２  入射光
３  偏光制御部
４  撮像光学系
５  光画像
６  撮像部
７  電気映像信号
８  電圧駆動部
９  制御電圧
１０Ａ，１０Ｂ  ツイスティッドネマティック液晶セル
１１Ａ，１１Ｂ，３１  第１透明基板
１２Ａ，１２Ｂ，３２  第１透明電極
１３Ａ，１３Ｂ  液晶
１４Ａ，１４Ｂ，３４  第２透明電極
１５Ａ，１５Ｂ，３５  第２透明基板
１６  偏光フィルム
１７，１８，１９，２０  液晶分子
２１Ａ，２１Ｂ，４２  スイッチ
２２Ａ，２２Ｂ，４３  リード線
２３Ａ，２３Ｂ，４４  交流電源
３０  偏光回転部
３５  ゲストホスト液晶
３６  ゲストホスト液晶セル
３７  ２色性色素
３８  ネマティック液晶
４０  偏光吸収部
【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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