特集

ム到来か！偏光カメラ
1 ブブーム到来か！偏光カメラ

偏光カメラとその応用
宇都宮大学 先端光工学専攻 / オプティクス教育研究センター
大谷幸利、ネイザン ヘーガン

本報告は、各画素に方位が異なるマイクロ偏光子アレイが組み込まれた偏光カメラの基本原理からその特徴を述べる。偏光カメラはフォトニクス結晶型とワイヤグリット型に分類でき、その特徴について議論した。部分ストークス・パラメータのイメージングを基本として、直線偏光度と方位のイメージングを求めることができる。応用例として、路面環境の計測と高速偏光カメラを用いた複屈折イメージングの実例を示した。

最初である。このような背景から米国では偏光カはじめにメラのことを 4D カメラと呼ぶ。2004 年には、こ偏光カメラは、CCD や CMOS の受光素子の各れを使ったダイナミック・トワイマン干渉計が報画素に方位が異なるピクセル偏光子（マイクロ偏光告されている 2）。その後、この偏光カメラを用い子アレイ）が組み込まれたカメラである。たった 1たリアルタイム計測技術として干渉計 4 、5）、ホログ回の検出（スナップショット）で偏光情報をイメー

ラフィック干渉計 6 、7）、複屈折計測法 8) が実用化されジングできることが、このカメラの素晴らしいとている。また、偏光する格子パターンを投影するこころである。ここ数年、偏光カメラの新しい参入とで 3 次元形状計測も可能としている 9)。もあり、画像処理業界を中心にますます注目されている。
歴史的には、ポリマー製の位相子や偏光子を用偏光カメラについていた偏光イメージングが学術論文レベルで提案さ偏光カメラには、ピクセル位相子アレイ型と偏れてきた。その後、菊田らは半導体技術によるピ光子アレイ型がある。菊田らは、半導体プロセス

1）

クセル位相子偏光カメラ 、Wyant らはワイヤグ2）で異なる方位をもつ構造複屈折によるピクセル位リット偏光子アレイによる偏光カメラ 、および相子アレイを作成し、これを一定の方位の偏光板

川上らはフォトニック結晶を用いた偏光カメラをに貼り付けた上で CCD センサに組み込でいる 1）。

提案している 3）。実用化として最初に成功したのフォトロンは、4 つのフォトニクス結晶の位相子は米国の 4D Technology が Moxtek 社のワイヤグアレイを作成し、同様に一定の方位の偏光板と受リット型マイクロ偏光子アレイを組み込んだスナッ光素子に取り付けている。これらの位相子アレイ

プショット・マイクロ偏光子カメラ（PolarCam）
が型偏光カメラは、偏光パラメータであるストーク‹ March / April 2019 › 25

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ス・パラメータをすべて計測することが可能であ

興味深いのは、波長依存性があるがフォトニクスるという素晴らしい特徴をもつ。一方では、偏光結晶を用いた偏光板とアルミワイヤグリット偏光カメラの位相子は、温度等の環境特性を受けやす板ともに単体での消光比が 1：10,000 以上である。

くキャリブレーションが必要である。しかしながこれに対して、受光素子に組み込んだときに、こら、偏光カメラは、スナップショットで検出するこで発生する偏光子アレイと CCD や CMOS 素子ために、方位の異なるピクセル位相子を空間的にまでのギャップにより隣接する画素へのクロストーずらして変調を与えている。4 つのストークス・クが発生するために消光比の低下につながってしパラメータを求めるためには、4 つ以上の光強度まうと言う問題があった。これに対して、ソニーが必要であり、事前にキャリブレーションを行うらは、オンチップで偏光子アレイを受光素子に取か、インラインではキャリブレーションができるり付け、クロストークを減らし消光比を劇的に向冗長系をもつために空間分解能を犠牲にする必要上させた 11）。

がある。
このような背景から、現在の偏光カメラはピク偏光カメラによる偏光状態の測定

セル偏光子アレイが主流である。表1は、現在市販されている偏光カメラをマイクロ偏光子アレイ

一般に、偏光カメラは、図1に示すように入射の作り方であるフォトニクス結晶型とワイヤグリッ

光の偏光状態をストークス・パラメータとして定ト型に分類したものである。画素サイズやフレー量化する。図1（a）の入射光の偏光状態は、物体でムレートなどは、利用するイメージセンサによっの反射、透過、散乱によりさまざまな偏光状態にて異なるので、厳密にはこの表と一致しない。ま変化する。偏光状態は、直線偏光、円偏光およびた、表には市販されている代表的なメーカのみ掲楕円偏光がある。さらに、これらに加えて部分偏載してある。その他、リコー、ドイツ・フラン光や無偏光の状態がある。
少し難しいが理論的に説明する。光波である電磁波フォーファー研究所や米国・ダルサなどが偏光カメラを技術発表や実際に販売がなされている。
表1の中で、偏光特性として注目すべき点は消光比である。これは、偏光を入射したときの最大を成分に分けて振幅位相差を用いると、ストークス・パラメータは、次のように表現することができる。

透過光強度と最小透過光強度の比である。ここで

表1
フォトニクス結晶型
偏光カメラ
使用波長
画素サイズ

代表的な偏光カメラとその特徴
フォトニクス結晶型
高速偏光カメラワイヤグリッド
偏光子オンチップ・ワイヤグリッド
偏光子520〜570nm
520〜570nm
520〜570nm
520〜570nm（可視光のカスタマイズ可） （可視光のカスタマイズ可） （可視光のカスタマイズ可） （可視光のカスタマイズ可）―――

3.45×3.45μm

画素数（画素）1,120×868

2,560×2,048（1,024×1,024）

1,950×1,950

2,448×2,048

消光比20：1以下20：1以下20：1以下250：1

20

10,000（155万）

164

120

フレームレート（frame/s）

26 ‹ March / April 2019 ›宇都宮大学 先端光工学専攻 / オプティクス教育研究センター

図1

偏光カメラ

した後、方位ごとの画像のみを集めることで 4 種類の光強度が得られる。
一般に、ピクセル偏光子方位をθとすると光強・・・（1）

度 とストークス・パラメータの関係は、以下となる。
・・・（3）
実際に計測するためには、偏光板を用意して、その水平方位の光強度を45°のときの光強度を、方位

ここで、式（3）の光強度によるとこの中に、さらに、入っていない。つまり、偏光カメラでは、部分ス、垂直方位を、方位 135°を右円偏光板を透過差させたときの光強度を
円偏光板を透過したときを、左とすると、以下のよトークス・パラメータのみ（が成分が求まらない）求めることができることになる。
偏光子の方位が 0°、45°、90°、135°のときの光うに表すことができる。

強度をと入射光からストークス・パラメータを求めると、次のように求めることができる。

・・・
（4）

・・・
（2）
図1に示すように、偏光カメラは CCD またはCMOS 上に方位が異なる偏光板アレイが組み込ま（b）に示すよれている。偏光板アレイの方位は図1
うに 0°、45°、90°、135°の 4 画素が縦横に配列さ直線偏光度と方位αは、以下のように表せる。

れている。したがって、スナップショット（1 枚撮影）‹ March / April 2019 › 27

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めには、線形補間やフーリエ面での補間 12）が用いられ効果を得ている。

偏光カメラの応用例
図3は、南から北方面へ向かう路面の白黒画像、直線偏光度と方位αである。正午近い時間なので太陽が背後から照らしており、図3（a）の原画像である白黒画像では車が反射光でハレーションが起きている。一方、図3（b）の直線偏光度や図3（c）の方位は、輝度変化による認識不備なるのを取図2

り除き、クリアなイメージを得ている。偏光計測の偏光カメラの空間分解能

良いところは、窓などのガラスのフレネル反射による偏光変化を避けることができるので、ガラス内の・・・（5）状況も見ることができる。さらに、図3（b）の直線偏光度の変化は赤を中心に白くなるにつれて直線偏光、黒が直線偏光以外を表す。これを捉えるこ・・・（6）とで部分ストークス・パラメータのみの計測であるが、散乱による偏光解消も可視化することが可能

さらに、ピクセル偏光子をもつ偏光カメラの問である。図では、空、道路の塗装や窓ガラスが偏題点として、図2 に示すように 4 画素で 1 つの偏光光する物体を示している。これに対して、樹木、道を解析するため空間的に画素すれが生じることで路、壁などは散乱の影響で偏光解消している。まある。このため、4 画素を 1 画素とみなして空間分た、図3（c）
は方位を表すので、車の形状による角解能を犠牲にしてきた。空間分解能を向上するた度変化（法線方向）を表していると考えられる。

図328 ‹ March / April 2019 ›道路への応用例

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図4

アクリル素材をハンマーで打点を与えたときの複屈折分布計測への応用例 8)

最後に工業応用例として、アクリルの角材にハ消光比 250：1が達成できており、今後ますます偏光ンマーで打刻を与えたとき、フォトニクス結晶型イメージングの高度化に貢献できると考えられる。

高速度偏光カメラによる複屈折分布を計測した結また、応用面では、部分ストークス・パラメー

8）

果を図4 に示す 。前述のように偏光カメラではタのイメージングとここからの直線偏光度と方位部分ストークス・パラメータのみしか計測できなのイメージングにより路面環境の計測例を示した。

いので、方位と大きさをもつ複屈折を求めるには、さらに、高速偏光カメラを用いた複屈折イメージ照明光に円偏光をサンプルに照射して、インパクトングの実例を示して、部分ストークス・パラメーによってサンプル内に応力によって発生する複屈タから計測可能なことを示した。

折を時系列で捉える。高速度カメラは、1/30,000 秒

今回、誌面の関係で割愛したが、偏光カメラでごとに捉えて、結果はいくつか代表的な現象を示の消光比の問題は、2 色性のキャリブレーションした。このように、偏光状態を時系列でマッピンによって補正可能である 13 、14）。さらに、この偏光グできるところが偏光カメラの大きな特徴である。

子アレイ型偏光カメラは円偏光成分成分が簡単に測定できないという問題がある。今後、新たなまとめ偏光カメラの基本原理からその特徴を述べた。

手法によってフル・ストークス・パラメータがイメージングでき、今後の偏光カメラのさらなる発展を願う次第である。

フォトニクス結晶型とワイヤグリット型は、素子としての性能は同程度ではあるが、実装すること■ 謝辞

によって性能に特徴が出ている。当初は、消光比

本執筆にあたり実験結果を宇都宮大学博士後期課をあまり気にしない干渉計やホログラフィの検出程の柴田秀平君と株式会社フォトロンの大沼隼志氏素子として実用化されてきた。近年、偏光計測にに、偏光カメラをソニー株式会社に協力を受けたので使われるに従ってその消光比の問題がでてきていここに感謝する。

る。最も良いオンチップ・ワイヤグリット型は、‹ March / April 2019 › 29

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1 ブーム到来か！偏光カメラ■ 参考文献9）B.Salahieh, Z.Chen, J.J.Rodriguez, R.Liang :1）Tetsuya Hamamoto, Hiroshi Toyota, Hisao Kikuta

Multi-polarization fringe projection imaging for: Microretarder array for imaging polarimetry

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SPIE Vo.4440, 293-300(2001).
2）2) J.E.Millerd, N.J.Brock, J.B.Hayes, M.B.NorthMorris, M.Novak, and J.C.Wyant : Pixelated
phase-mask dynamic interferometer, Proc. SPIE,
5531, 304-314, (2004).

10）フォトロン CRYSTA PI-5WP https://www.
photron.co.jp/products/polarizing-cam/crysta/
feature̲spec02.html
11）Y. Maruyama, T. Terada, T. Yamazaki, Y.
Uesaka, M. Nakamura, Y.Matoba, T. Ezaki :3）川上彰二郎，川嶋貴之，井上喜彦，本間洋，佐3.2-MP Back-Illuminated Polarization Image

藤尚，太田晋一，長嶋聖，青木孝文：フォトニッ

Sensor With Four-Directional Air-Gap Wire

ク結晶偏光子を用いた偏光イメージングカメラ

Grid and 2.5-μm Pixels, IEEE Trans. Elect.の開発，電子情報通信学会論文誌 C，J90-C，

Dev., 65, 6, 2544‒2551(2018).

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4）K. Creath, G. Goldstein : Dynamic quantitative12）J. S. Tyo, C. F. LaCasse, and B. M. Ratliff :Total elimination of sampling errors inphase imaging for biological objects using apolarization imagery obtained with integrated

pixelated phase mask, Biomedical Optics Express

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extended range interference microscopy, Applied
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13）大谷幸利，柴田秀平：光学機器のキャリブレーション法，特願 2018-44865 ．
14）Nathan Hagen, Shuhei Shibata, Yukitoshi Otani:

6）T.Tahara, K.Ito, M.Fujii, T.Kakue, Y.Shimozato,

Calibration and performance assessment ofY.Awatsuji, K.Nishio, S.Ura, T.Kubota, O.Matobamicrogrid polarization cameras Optical: Experimental demonstration of parallel two-Engineering, 58(8), 082408 (2019).

step phase-shifting digital holography, Optics
Express 18(18), 18975-18980(2010).
7）T. Kiire, S. Nakadate, M. Shibuya, T. Yatagai :Three-dimensional displacement measurement for☆宇都宮大学

diffuse object using phase-shifting digital

工学研究科 先端光工学専攻

holography with polarization imaging camera,

TEL.028 - 689 -7136

Applied Optics 50(34), 189-194(2011).

E-mail：otani@cc.utsunomiya-u.ac.jp

8）T.Onuma, Y.Otani : A development of twodimensional birefringence distribution
measurement system with a sampling rate of 1.3
MHz, Optics Communications 315, 69-73(2014).

30 ‹ March / April 2019 ›http://www.otanilab.org/