JP2005318511A - 撮像方法および撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 被写体からの光をほとんど損失することなく固体撮像素子に導き、かつ安定で高速な画素ずらし（被写体像のシフト）を実現する。
【解決手段】 被写体からの光線Ｌを偏光方向が互いに異なる複数の光に分離した後、これらを合成して固体撮像素子１５上に１つの被写体像を結像させる第１時間帯と、被写体からの光線Ｌを偏光方向が互いに異なる複数の光に分離し、固体撮像素子１５上に互いに１部が重なり合った複数の被写体像を結像させる第２時間帯とを時間的に切り替える。第１時間帯における信号情報に基づいて１つの被写体像についての第１画像情報を取得し、第２時間帯における信号情報を用いて演算して、複数の被写体像のうちの１つの被写体像についての第２画像情報を求める。そして、第１画像情報と第２画像情報とを用いて被写体の高解像度画像を得る。
【選択図】 図１

Description

本発明は高い解像力を有する小型カメラモジュールを実現できる撮像方法および撮像装置に関する。

カメラ用途に用いられるＣＣＤやＣＭＯＳなどの固体撮像素子においては、画像の高解像度化を図るために画素数を増加する試みが従来なされてきた。各画素のサイズをそのままにして単に画素数を増やせば固体撮像素子の面積が大型化するので、１枚のウエハーから得られる素子数の減少や歩留まりの低下により、コストアップを招く。このため、画素サイズや画素ピッチを小さくして画素数を増やすことが行われている。しかしながら、一般に、感度と飽和出力とは画素サイズに比例するため、画素サイズの小型化だけでは解像度向上に限界がある。

画素数を増やすことなく解像度を上げる方法として、「画素ずらし」という方法が提案されている。この方法では、固体撮像素子上に画素ピッチの１／２だけ被写体像を時間的にずらして結像させ、画素ピッチで決まるよりも高い空間周波数で被写体像をサンプリングする。被写体像を１方向にずらせば、見かけ上、２倍の画素数で撮像したのと同等の画像が得られる。また、直交する２方向にすらせば、見かけ上、４倍の画素数で撮像したのと同等の画像が得られる。

固体撮像素子上に結像される被写体像を固体撮像素子に対して相対的にずらす具体的な方法として、固体撮像素子そのものをアクチュエータを用いて２次元的にスイングする方法や、光学系を構成する特定の光学部品を機械的に動かす方法が提案されている。これら以外に、特に有望な方法として特許文献１あるいは特許文献２に記載されている、光学系の途中に偏光子、液晶パネル、及び水晶板を配置し、液晶パネルを電気的に駆動することにより、被写体像を所定距離だけずらす方法が知られている。図１１はその原理を示した説明図である。

図１１において、水晶板１１３はその特定の光学軸Ａ１１３に対して斜めに研磨されており、入射光を、その偏光方向によってその経路をシフトさせて透過させる。図１１では、水晶板１１３に入射した光のうち、偏光方向が紙面に垂直である光線は常光線としてそのまままっすぐ進み、偏光方向が紙面に平行である光線は異常光線として斜めに進む。異常光線とはスネルの法則に従わない光線として定義される。これにより、入射光の経路をその偏光方向に応じてシフトさせることが可能となる。シフトさせる量Ｄは水晶板１１３の厚みにより決定でき、ここでは固体撮像素子（図示せず）の画素ピッチの１／２、またはその奇数倍に設定される。

被写体側からの光線Ｌのうち、偏光子１１１を用いて紙面に垂直な偏光の光のみを透過させた場合を考える。偏光子１１１を通過した光は液晶パネル１１２に到達する。液晶パネル１１２はねじりネマティック型の液晶パネルであり、液晶パネル１１２に印加される駆動電圧がオフの場合は封入された液晶により偏光方向が９０度旋回され、駆動電圧がオンの場合には偏光方向は変わらない。したがって、水晶板１１３に入射した光は、駆動電圧がオフの場合は異常光線として破線のようにシフトし、駆動電圧がオンの場合は常光線として実線で示す通りまっすぐ進む。

このような光学系を用い、水晶板１１３の厚みを調整すれば、水晶板１１３を透過した光により固体撮像素子（図示せず）上に結像される被写体像を、液晶パネル１１２の駆動電圧のオン／オフに応じて、画素ピッチの１／２（または、画素ピッチの１／２の奇数倍）だけずらすことができる。駆動電圧を高速でオン／オフし、これと同期して固体撮像素子から電気信号を読み取り、オン状態及びオフ状態のそれぞれから得た画像情報を合成すれば、画素数が２倍で且つ同一の大きさの固体撮像素子で撮像したのと同等に画像の解像度を向上させることが可能となる。このような方法で解像度を向上すれば、得られた画像の一部を切り出して拡大（ズーミング）しても、高精細な画像を得ることが容易である。

このような方法による画素ずらしでは、アクチュエータなどの機械的駆動部や複雑な機構系を用いることなく、電気的なオン／オフの制御をするだけで、非常に安定かつ高速に被写体像をずらすことができる。特許文献２においては、この原理を用いて２次元的に画素ずらしを行う方法が開示されている。

また、特許文献３にも同様の方法が開示されている。特許文献３には光学系の構成要素が明示されていないが、直線偏光を入射させているため偏光子が不可欠である。
特開平２−５２５８０号公報 特開平４−６３０７４号公報 特開昭６１−２４７１６８号公報

しかしながら特許文献１〜３に開示された方法では、いずれも直線偏光を用いているために、被写体からの光のうち、その直線偏光以外の光はロスになってしまう。この結果、固体撮像素子上に結像される被写体像が暗くなるため、ＳＮ比が劣化し、ノイズの目立つ画像となってしまう。特に照度の低い状況で被写体を撮影する場合には画質の劣化が顕著となる。

本発明は以上の課題を解決し、被写体からの光をほとんど損失することなく固体撮像素子に導き、かつ安定で高速な画素ずらし（被写体像のシフト）を実現することにより、高い解像度でノイズの少ない画像を得ることができる撮像方法及び撮像装置を提供することを目的とする。

本発明の撮像方法は、固体撮像素子上に結像される被写体像と前記固体撮像素子の画素との相対的位置関係を時間的に前記画素の配列ピッチの半分の奇数倍だけ変化させて高解像度画像を得る撮像方法であって、被写体からの光を偏光方向が互いに異なる複数の光に分離した後、これらを合成して前記固体撮像素子上に１つの被写体像を結像させる第１時間帯と、被写体からの光を偏光方向が互いに異なる複数の光に分離し、前記固体撮像素子上に互いに１部が重なり合った複数の被写体像を結像させる第２時間帯とを時間的に切り替え、前記第１時間帯において前記固体撮像素子の各画素に入射した光に関する信号情報に基づいて前記１つの被写体像についての第１画像情報を取得し、前記第２時間帯において前記固体撮像素子の各画素に入射した光に関する信号情報を用いて演算して、前記複数の被写体像のうちの１つの被写体像についての第２画像情報を求め、前記第１画像情報と前記第２画像情報とを用いて、前記被写体の高解像度画像を得ることを特徴とする。本発明において「被写体の高解像度画像」とは、固体撮像素子の画素数よりも多い画素数で構成された被写体の画像をいう。

また、本発明の撮像装置は、複屈折効果により偏光方向に応じて光線の経路をシフトさせる第１透明素子及び第２透明素子、及び前記第１透明素子及び前記第２透明素子の間に配置され、印加される電圧のオン／オフに応じて透過光を旋光させる第１液晶パネルを備える第１光学系と、固体撮像素子と、前記第１液晶パネルに印加する電圧を制御する第１電圧制御手段とを備え、被写体からの光が前記第１光学系を通過して前記固体撮像素子上に被写体像として結像される撮像装置であって、前記第１液晶パネルに印加される電圧のオン／オフの切り替えにより、前記固体撮像素子上に、１つの被写体像と、互いに１部が重なり合った第１被写体像及び第２被写体像とが、交互に結像されることを特徴とする。

本発明によれば、従来の画素ずらし方法で必須であった偏光子を用いないので、被写体からの光をほとんど損失することなく、安定かつ高速に画素ずらし（被写体像のシフト）を行うことができる。従って、ノイズが少なく、解像度の高い画像が得られる。これにより高性能のカメラモジュールを実現できる。

また、本発明の撮像装置は、液晶パネルに印加する電圧のオン／オフを制御するだけで、１つの被写体像と、互いに１部が重なり合った２つの被写体像とを、高速、高精度、且つ安定に切り替えて結像させることができる。

本発明の上記の撮像方法において、前記複数の被写体像のうちの１つのみが結像された画素からの信号情報を用いて、前記第２画像情報を求めることができる。

あるいは、前記第１時間帯において同等の信号情報が得られた互いに隣り合う複数の画素からなるエリアを抽出し、この第１時間帯の直後の前記第２時間帯における前記信号情報のうち、前記エリア内の前記複数の画素の各信号情報を互いに同一値と仮定して、前記第２時間帯における前記信号情報を演算することにより、前記第２画像情報を求めても良い。

これらいずれによっても、第２時間帯における固体撮像素子に入射する光の強度分布情報から、互いに重なり合った複数の被写体像のうちの１つの被写体像についての第２画像情報を容易に演算して得ることができる。

また、本発明の上記の撮像装置において、前記第１透明素子が、被写体からの光を偏光方向が互いに異なる２つの偏光光に分離し、且つ前記２つの偏光光の経路を距離Ｄだけ離間させ、前記第１液晶パネルが、前記第１透明素子を出射した前記２つの偏光光の偏光方向を、印加される電圧に応じて０度又は９０度旋回させ、前記第２透明素子が、前記第１液晶パネルを出射した前記２つの偏光光のうちの一方の経路をその偏光方向に応じてシフトさせて、前記２つの偏光光の経路を一致させ、または、前記２つの偏光光の経路間隔を距離２Ｄに拡大させ、前記固体撮像素子が、前記第２透明素子を出射した前記２つの偏光光が形成する光強度分布を読み取ることが好ましい。これにより、固体撮像素子上に、１つの被写体像と、互いに１部が重なり合った２つの被写体像とを所望する位置にそれぞれ結像させることができる。

この場合において、それぞれの経路間隔が距離２Ｄに拡大された前記２つの偏光光が形成した前記光強度分布を用いて、前記２つの偏光光のうちの一方のみによる光強度分布を求め、この光強度分布と、それぞれの経路が一致された前記２つの偏光光が形成した光強度分布とを用いて、前記被写体の像の光強度分布を演算して得る信号処理回路を更に備えることが好ましい。これにより、被写体からの光をほとんど損失することなく、画素ずらしを容易に実現できる。

本発明の上記の撮像装置が、更に、複屈折効果により偏光方向に応じて光線の経路をシフトさせる第３透明素子及び第４透明素子、及び前記第３透明素子及び前記第４透明素子の間に配置され、印加される電圧のオン／オフに応じて透過光を旋光させる第２液晶パネルを備える第２光学系と、前記第２液晶パネルに印加する電圧を制御する第２電圧制御手段とを備え、被写体からの光が前記第１光学系及び前記第２光学系を通過して前記固体撮像素子上に被写体像として結像され、前記第１液晶パネル及び前記第２液晶パネルにそれぞれ印加される電圧のオン／オフの切り替えにより、前記固体撮像素子上に、前記１つの被写体像と、第１方向において互いに異なる位置の前記第１被写体像及び前記第２被写体像と、前記第１方向と異なる第２方向において互いに異なる位置の第３被写体像及び第４被写体像とが、順次結像されることが好ましい。これにより、二次元的に高解像度の画像情報を得ることができる。

前記第１透明素子及び前記第２透明素子が斜め蒸着された金属酸化膜であることが好ましい。また、前記第３透明素子及び前記第４透明素子が斜め蒸着された金属酸化膜であることが好ましい。これにより、低コスト且つ薄型の光学系を実現できる。

前記第１液晶パネルがねじりネマティック型液晶パネルであることが好ましい。また、前記第２液晶パネルがねじりネマティック型液晶パネルであることが好ましい。これにより、高速且つ安定して、入射する偏光光の偏光方向を、変えずに透過／９０度旋回させて透過、の切り替えを行うことができる。

前記固体撮像素子がＭＯＳセンサであることが好ましい。これにより、画素ごとの演算処理を高速に行うことができる。

以下、本発明を、好ましい実施の形態を示すことにより、詳細に説明する。

（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１に係る撮像装置の主要部を示している。本実施の形態の撮像装置は、第１水晶板１１と、第２水晶板１２と、これらの間に配置された液晶パネル１３とを有する光学系１０を備える。第１水晶板１１と第２水晶板１２は、それぞれ図示するように、液晶パネル１３に対して面対称な光学軸Ａ１１，Ａ１２を有している。液晶パネル１３は、上記水晶板１１，１２の間に配置され、対向する電極（図示せず）を備えている。電圧制御部１４は液晶パネル１３に印加する電圧のオン／オフを制御する。

各水晶板１１、１２は同じ厚みであり、それぞれの光学軸Ａ１１，Ａ１２に対して同じ角度４４度５０分で研磨されている。各水晶板１１、１２の入射面に対して垂直に入射する光線のうち、偏光方向が紙面に垂直である光線は常光線としてそのまま経路を変えることなく透過するが、偏光方向が紙面に平行である光線は異常光線として入射面において斜めに曲げられ水晶板１１，１２内を斜めに透過する。そして、水晶板１１，１２内を斜めに透過した光線は、出射面において今度は入射時と逆の方向に曲げられ、結局、入射光と平行な光線として出射する。即ち、水晶板１１，１２に入射した光線は、その偏光方向により、そのまま直進する光線と、この直進光線に対して経路が平行にシフトされた光線とに分離される。

図１においてはレンズなどの光学系やそれに付帯する機構系などは図示していない。

通常、被写体からの光線Ｌは無偏光状態で撮像装置に入ってくる。図１において左方から無偏光状態で第１水晶板１１に入射した光線Ｌは、上述したように偏光方向により２つの光線に分離され、それぞれが液晶パネル１３に至る。液晶パネル１３はねじりネマティック型の液晶パネルである。電圧制御部１４からの駆動電圧がオンの場合は、液晶パネル１３により光線の偏光方向は変わらない。従って、第１水晶板１１により分離された２つの光線は、第２水晶板１２に入射した後、それぞれ実線で示す経路をとる。一方、電圧制御部１４からの駆動電圧がオフの場合は、液晶パネル１３に封入された液晶により光線の偏光方向が９０度旋回される。従って、第１水晶板１１により分離された２つの光線は、第２水晶板１２に入射した後、それぞれ破線で示す経路をとる。

即ち、駆動電圧がオンの場合は、第１水晶板１１で分離された２つの光線が第２水晶板１２で合成され、固体撮像素子１５上には１つの被写体像が結像される。一方、駆動電圧がオフの場合は、第１水晶板１１で分離された２つの光線は、固体撮像素子１５上に、互いに１部が重なり合った２つの被写体像を結像する。駆動電圧がオフの場合のこの２つの被写体像は、駆動電圧がオンの場合の１つの被写体像に対して、図１の紙面の上下方向に同じ距離Ｄだけ離れた位置にそれぞれ形成される。

ここで、固体撮像素子１５上における実線で示す光線の結像位置と破線で示す光線の結像位置とのずれ量Ｄが、固体撮像素子１５の画素ピッチの１／２となるように、各水晶板１１，１２の厚みが調整される。このとき、偏光方向により分離された破線で示す２つの光線による各結像位置間のずれ量２Ｄは、画素ピッチと一致する。このような条件は、例えば画素ピッチ２．５μｍの固体撮像素子を用いた場合、第１水晶板１１及び第２水晶板１２の厚みをそれぞれ２１３μｍ程度に設定すれば実現できる。本実施の形態では実線及び破線で示す各光線の結像位置間のずれ量Ｄを画素ピッチの１／２としたが、本発明はこれに限定されず、画素ピッチの１／２の奇数倍、すなわち画素ピッチの３／２倍、５／２倍、７／２倍等であってもよい。

このような撮像装置を用いた撮像方法を以下に説明する。図１の撮像装置を用いて、電圧駆動部１４が液晶パネル１３に印加する駆動電圧のオン／オフを高速で繰り返し、このオン／オフの切り替えと同期して固体撮像素子１５からの電気信号をフレームごとに読みとる。液晶パネル１３への駆動電圧の切り替え間隔としては例えば数十ミリ秒が可能である。

駆動電圧がオンのとき、光線は実線で示す経路を経るため、固体撮像素子１５上には１つの被写体像が形成される。この場合、固体撮像素子１５の各画素に入射した光に関する信号情報をそのまま取り込み、第１画像情報としてデータを蓄積する。

一方、駆動電圧がオフのとき、光線は破線で示した経路を経るため、固体撮像素子１５上には互いに一部が重なり合った２つの同じ被写体像が形成される。この状態はいわゆる「二重写し」である。この状態において固体撮像素子１５から得られる画像情報は、この直前の駆動電圧オン時の１つの被写体像に対して半画素ピッチ分だけずれた被写体像の画像情報が含まれている。即ち、駆動電圧オフ時に得られる画像情報は、駆動電圧オン時に得られる第１画像情報の画素間の画像情報を有している。したがって、駆動電圧オフ時に得た二重写しされた２つの被写体像についての画像情報からいずれか一方の被写体像についての画像情報（第２画像情報）を再生し、駆動電圧オン時の上記第１画像情報に重畳すれば、固体撮像素子１５の画素数に対して２倍の画素数を有する高解像な画像情報を得ることが可能となる。

図２（Ａ）、図２（Ｂ）を用いて駆動電圧がオフの場合の二重写しされた２つの被写体像の画像情報から一方の被写体像の画像情報を再生する方法を説明する。図２（Ａ）及び図２（Ｂ）は、固体撮像素子１５を被写体側から見た図である。

液晶パネル１３への駆動電圧がオンのとき、図２（Ａ）に示すように、固体撮像素子１５上には１つの被写体像２２のみが結像される。

液晶パネル１３への駆動電圧がオフのとき、図２（Ｂ）に示すように、固体撮像素子１５上には二重写しされた２つの被写体像２３，２４が結像される。ここで、被写体像２３，２４は、固体撮像素子１５のセンシングエリアよりも小さくなるように設定される。

図２（Ａ）及び図２（Ｂ）において、多数の小円２５は固体撮像素子１５の画素であり、Ｘ軸及びＹ軸に沿って配列ピッチＰで配置されている。

図１で説明したように、図２（Ａ）におけるフレームでは、被写体像２２の画像情報が第１画像情報としてそのまま取り込まれる。

図２（Ｂ）におけるフレームでは、被写体像２３及び被写体像２４は、図２（Ａ）の被写体像２２に対して、画素ピッチＰの半分だけＸ軸方向に互いに反対側にずれている。即ち、被写体像２３と被写体像２４とはＸ軸方向に画素ピッチＰ分だけずれている。一般的な使用では、各偏光方向の光強度は同じであるため、被写体像２３と被写体像２４とは、光強度についても全く等しい。

まず、図２（Ｂ）において、Ｘ軸と平行なＩ行上の画素のうち、被写体像２３を構成する光が入射せず、被写体像２４を構成する光のみが入射する画素（Ｉ，Ｊ）に着目する。ここで、画素（Ｉ，Ｊ）はＩ行、Ｊ列上の画素を表す。本実施の形態のように、被写体像２２に対して被写体像２３，２４をそれぞれ半画素ピッチだけＸ軸方向にシフトさせた場合には、画素（Ｉ，Ｊ）に対してＸ軸方向右側に隣り合う画素（Ｉ，Ｊ＋１）には被写体像２３，２４のいずれもが形成されず無信号となり、Ｘ軸方向左側に隣り合う画素（Ｉ，Ｊ−１）では被写体像２３，２４が重なり合う。

図２（Ｂ）の状態において、仮想的に被写体像２４のみが固体撮像素子１５上に結像しているとしたとき、ある瞬間での画素（Ｉ，ｎ）における、被写体像２４による信号強度をＰ（Ｉ，ｎ）と定義する。また、実際に被写体像２３，２４が固体撮像素子１５上に二重写しで結像されているときの、同じ瞬間での画素（Ｉ，ｎ）での信号強度をＱ（Ｉ，ｎ）と定義する。ここで、ｎは自然数である。すると、
Ｑ（Ｉ，ｎ−１）＝Ｐ（Ｉ，ｎ−１）＋Ｐ（Ｉ，ｎ） ・・・（１）
が成立する。また、先に述べたように画素（Ｉ，Ｊ）では被写体像２４のみの信号であるから、
Ｑ（Ｉ，Ｊ）＝Ｐ（Ｉ，Ｊ） ・・・（２）
となる。

被写体像２３、２４が固体撮像素子１５上に二重写しで結像されたときの信号強度Ｑ（Ｉ，ｎ）は検知できる信号情報であるから、式（１）と式（２）を用いれば、Ｉ行上の各画素に対して、Ｐ（Ｉ，Ｊ）、即ちＱ（Ｉ，Ｊ）を基に、Ｐ（Ｉ，Ｊ−１)、Ｐ（Ｉ，Ｊ−２)、・・・を順に求めることができ、Ｉ行上の各画素における被写体像２４の信号情報をすべて獲得することが可能である。被写体像２４が結像しているＩ行以外の各行上の各画素についても、同様の手順で信号情報を得ることができる。その結果、二重写しされた２つの被写体像２３、２４についての画像情報から、一方の被写体像２４についての画像情報（第２画像情報）を得ることができる。

被写体像２２に対して、被写体像２３、２４はいずれも半分程度の光量しかない。従って、再生した被写体像２４についての第２画像情報を２倍に増幅し、図２（Ａ）におけるフレームで取り込んだ被写体像２２についての第１画像情報と合成する。かくして、Ｘ軸方向に擬似的に倍画素化された画像情報を得ることができる。

なお、図２（Ｂ）において、二重写しで結像された被写体像のうちの一方の被写体像を構成する光のみが入射するＩ行上の画素（Ｉ，Ｊ）を見つけるためには以下のようにすればよい。Ｉ行上の現に受光している画素からＩ行に沿って順に各画素の光信号強度を確認していく。光信号強度が初めて０となる画素（図２（Ｂ）の画素（Ｉ，Ｊ＋１））があれば、この画素に隣り合う直前の画素が、一方の被写体像を構成する光のみが入射する画素（図２（Ｂ）の画素（Ｉ，Ｊ））に相当する。

以上の演算は、固体撮像素子１５と接続された信号処理回路（図示せず）が行う。

固体撮像素子１５としてＭＯＳ型を用いれば、画素ごとの信号取り出し演算を高速に行うことができるので、特に望ましい。

以上の説明では、図２（Ａ）の被写体像２２に対する図２（Ｂ）の被写体像２３、２４のずれ量Ｄが固体撮像素子１５の画素ピッチＰの半分である例を示したが、本発明はこれに限定されず、ずれ量Ｄが画素ピッチＰの半分の奇数倍であれば同様の効果が得られる。ずれ量Ｄが画素ピッチＰの半分のＬ倍（Ｌは奇数）とすると上記の式（１）は、
Ｑ（Ｉ，ｎ−Ｌ）＝Ｐ（Ｉ，ｎ−Ｌ）＋Ｐ（Ｉ，ｎ） ・・・（３）
となり、式（２）は、
Ｑ（Ｉ，Ｊ）＝Ｐ（Ｉ，Ｊ） ・・・（４）
Ｑ（Ｉ，Ｊ―１）＝Ｐ（Ｉ，Ｊ―１）
・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・
Ｑ（Ｉ，Ｊ―Ｌ）＝Ｐ（Ｉ，Ｊ―Ｌ）
となる。

Ｌの値が大きいほど、二重写し時に２つの被写体像のうちの一方の被写体像を構成する光のみが入射する画素の数が多くなる。しかし、Ｌの値に応じて図１の水晶板１１，１２の厚みをＬ＝１の場合に対してＬ倍に厚くする必要がある。したがって、水晶板として加工しやすい厚みを考慮してＬを選択するのがよい。

なお、被写体への照明光源として白色ＬＥＤ等を用い、液晶パネル１３に印加する電圧のオン／オフに同期して、照明光源を点滅させればＳ／Ｎ比（雑音に対する信号強度比）を高めることが可能であり、効果的である。

（実施の形態２）
図３は本発明の実施の形態２に係る撮像装置の主要部を示している。本実施の形態の撮像装置は、第１水晶板３１と、第２水晶板３２と、これらの間に配置された第１液晶パネル３３とを有する第１光学系３０Ａ、及び、第３水晶板３５と、第４水晶板３６と、これらの間に配置された第２液晶パネル３７とを有する第２光学系３０Ｂとを備える。

第１水晶板３１と第２水晶板３２とは、それぞれ図示するように、第１液晶パネル３３に対して面対称な光学軸Ａ３１，Ａ３２を有している。第１液晶パネル３３は、上記第１及び第２水晶板３１，３２の間に配置され、対向する電極（図示せず）を備えている。

第３水晶板３５、第４水晶板３６、及び第２液晶パネル３７からなる第２光学系３０Ｂは、上記の第１水晶板３１、第２水晶板３２、及び第１液晶パネル３３からなる第１光学系３０Ａを、光軸に対して９０°回転させたのと同じ構成を有している。

電圧制御部３４により第１及び第２液晶パネル３３，３７に印加される電圧のオン／オフが制御される。

各水晶板３１、３２、３５、３６は同じ厚みであり、それぞれの光学軸Ａ３１，Ａ３２，Ａ３５，Ａ３６に対して同じ角度４４度５０分で研磨されている。

電圧制御部３４によりフレームごとに表１に示すような制御を行えば、図２（Ｂ）に示したようなＸ軸方向の二重写し（画素ずらし）に加えて、Ｙ軸方向にも二重写し（画素ずらし）が可能となる。

フレームごとの電圧制御を表１のフレーム番号１〜４の順に行い、各フレームごとに固体撮像素子１５から信号取り込みを行う。フレーム２、フレーム４では被写体像が二重写しとなるが、実施の形態１で述べた方法により単一の被写体像についての画像情報を再生することができる。これを、フレーム１及び／又は３で得られる画像情報と合成する。

このように、本実施の形態では、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の２次元で画素ずらしを行う。これにより、Ｘ軸方向及びＹ軸方向のそれぞれに擬似的に倍画素化された画像情報を得ることができる。即ち、二次元的な高解像度化が可能になる。

上記の例では、第１及び第２液晶パネル３３，３７を共通する電圧制御部３４により駆動したが、第１及び第２液晶パネル３３，３７を別個の電圧制御部で駆動しても良い。

（実施の形態３）
図４は本発明の実施の形態３に係る撮像装置の主要部を示している。本実施の形態では、実施の形態１の第１水晶板１１及び第２水晶板１２に代えて、第１斜め蒸着膜４１及び第２斜め蒸着膜４２を用いている。本実施の形態の撮像装置は、両側に第１及び第２斜め蒸着膜４１，４２が形成された液晶パネル４３を透明セル４５で密閉したブロック状の光学系４０を備え、実施の形態１の撮像装置と同等の動作を行う。

第１斜め蒸着膜４１及び第２斜め蒸着膜４２は、それぞれ図示するように、液晶パネル４３に対して面対称な光学軸Ａ４１，Ａ４２を有し、複屈折性を備え、図１の第１水晶板１１及び第２水晶板１２と同様に機能する。図４では第１斜め蒸着膜４１及び第２斜め蒸着膜４２を、液晶パネル４３に直接形成しているが、これらを成膜した別のシート又は基板を液晶パネル４３に貼り付けても良い。

斜め蒸着膜４１，４２は、文字通り、真空蒸着法により基板上に斜め方向から成膜することにより得られる。膜材料としての酸化タンタル、酸化タングステン、又は酸化チタンなどの重金属酸化物を電子ビームで融解し、必要に応じて酸素ガスを成膜槽に導入しながら、室温で蒸着すると、膜材料が図４のような透明な斜めのコラム状になって基板に付着する。光学軸Ａ４１，Ａ４２の方向と、これに直交する方向（図４の紙面内方向、及び紙面と垂直な方向）とでは膜密度が異なるために、屈折率に違いが生じる。すなわち、斜め蒸着膜４１，４２は、２軸結晶と同様に、３軸方向において屈折率が異なる複屈折性を有する。

例えば酸化タンタルを基板上にその法線に対し７０°程度の方向から蒸着すると、得られる膜は基板法線に対して３０〜３５°傾いた多数のコラムからなる。この膜の複屈折（△ｎ）は０．０８程度である。これは水晶の複屈折０．０１に比べ極めて大きな値である。このことは、斜め蒸着膜を用いると、同等のリタデーションを得るための膜厚を極めて薄くできることを意味する。

例えば画素ピッチ２．５μｍの固体撮像素子１５を用いて、実施の形態１で説明した、画素ピッチの半分の結像位置シフトを行う場合、水晶板を用いれば実施の形態１で述べたようにその厚みは２００μｍ以上である必要があるが、酸化タンタルの斜め蒸着膜を用いればその厚みは３０μｍ弱で足りる。この程度の厚みの斜め蒸着膜は、容易に成膜可能であり、量産も可能である。

但し、斜め蒸着膜は周辺環境の変動に対して複屈折の大きさが変化しやすいという問題を有している。主に湿度の変動による影響が大きく、湿度が高いと斜め蒸着膜の隙間に水分子が入り込み、複屈折が小さくなってしまう。逆に湿度が下がると複屈折は大きくなってしまう。

図４に示すように、透明セル４５で斜め蒸着膜４１，４２を密閉することにより、斜め蒸着膜４１，４２の複屈折の大きさを安定させることができる。但し、密閉方法としてはこれに限るものではなく、膜の表面に保護層を形成したり、保護シートを貼り付けたりする方法などでも構わない。

以上述べたように、複屈折効果により偏光方向に応じて光線の経路をシフトさせる素子として斜め蒸着膜４１，４２を用いることにより、水晶板を用いた場合に比べて、装置の経済性を向上できる。

（実施の形態４）
図５は本発明の実施の形態４に係る撮像装置の主要部を示している。本実施の形態の撮像装置は、第１水晶板５１と、第２水晶板５２と、これらの間に配置された液晶パネル５３とを有する光学系５０を備える。上記の実施の形態１（図１参照）では、第１水晶板１１と第２水晶板１２とが液晶パネル１３に対して面対称な光学軸Ａ１１，Ａ１２を有していたが、本実施の形態では、第１水晶板５１の光学軸Ａ５１及び第２水晶板５２の光学軸Ａ５２は互いに平行である。これ以外は実施の形態１の撮像装置と同じである。

本実施の形態では、液晶パネル５３に印加される駆動電圧がオフの場合、第１水晶板５１で分離された２つの光線は破線で示す経路を経るため、固体撮像素子１５上には１つの被写体像が結像される。この場合、固体撮像素子１５の各画素に入射した光に関する信号情報をそのまま取り込み、第１画像情報としてデータを蓄積する。

一方、液晶パネル５３に印加される駆動電圧がオンの場合、第１水晶板５１で分離された２つの光線は、固体撮像素子１５上に、互いに１部が重なり合った２つの被写体像を結像する。駆動電圧がオンの場合のこの２つの被写体像は、駆動電圧がオフの場合の１つの被写体像に対して、図５の紙面の上下方向に同じ距離Ｄだけ離れた位置にそれぞれ形成される。

実施の形態１で説明したのと同様に、駆動電圧オン時に得た二重写しされた２つの被写体像についての画像情報からいずれか一方の被写体像についての画像情報（第２画像情報）を再生し、駆動電圧オフ時の上記第１画像情報に重畳する。かくして、固体撮像素子１５の画素数に対して２倍の画素数を有する高解像な画像情報を得ることができる。

（実施の形態５）
図６は本発明の実施の形態５に係る撮像装置の主要部を示している。本実施の形態の撮像装置は、第１水晶板６１と、第２水晶板６２と、これらの間に配置された液晶パネル６３とを有する光学系６０を備える。第１水晶板６１と第２水晶板６２は、それぞれ図示するように、液晶パネル６３に対して面対称な光学軸Ａ６１，Ａ６２を有している。液晶パネル６３は、上記水晶板６１，６２の間に配置され、対向する電極（図示せず）を備えている。電圧制御部６４は液晶パネル６３に印加する電圧のオン／オフを制御する。

各水晶板６１、６２は同じ厚みであり、それぞれの光学軸Ａ６１，Ａ６２に対して同じ角度４４度５０分で研磨されている。各水晶板６１、６２の入射面に対して垂直に入射する光線のうち、偏光方向が紙面に垂直である光線は常光線としてそのまま経路を変えることなく透過するが、偏光方向が紙面に平行である光線は異常光線として入射面において斜めに曲げられ水晶板６１，６２内を斜めに透過する。そして、水晶板６１，６２内を斜めに透過した光線は、出射面において今度は入射時と逆の方向に曲げられ、結局、入射光と平行な光線として出射する。即ち、水晶板６１，６２に入射した光線は、その偏光方向により、そのまま直進する光線と、この直進光線に対して経路が平行にシフトされた光線とに分離される。

図６においてはレンズなどの光学系やそれに付帯する機構系などは図示していない。

通常、被写体からの光線Ｌは無偏光状態で撮像装置に入ってくる。図６において左方から無偏光状態で第１水晶板６１に入射した光線Ｌは、上述したように偏光方向により２つの光線に分離され、それぞれが液晶パネル６３に至る。液晶パネル６３はねじりネマティック型の液晶パネルである。電圧制御部６４からの駆動電圧がオンの場合は、液晶パネル６３により光線の偏光方向は変わらない。従って、第１水晶板６１により分離された２つの光線は、第２水晶板６２に入射した後、それぞれ実線で示す経路をとる。一方、電圧制御部６４からの駆動電圧がオフの場合は、液晶パネル６３に封入された液晶により光線の偏光方向が９０度旋回される。従って、第１水晶板６１により分離された２つの光線は、第２水晶板６２に入射した後、それぞれ破線で示す経路をとる。

即ち、駆動電圧がオンの場合は、第１水晶板６１で分離された２つの光線が第２水晶板６２で合成され、固体撮像素子６５上には１つの被写体像が結像される。一方、駆動電圧がオフの場合は、第１水晶板６１で分離された２つの光線は、固体撮像素子６５上に、互いに１部が重なり合った２つの被写体像を結像する。駆動電圧がオフの場合のこの２つの被写体像は、駆動電圧がオンの場合の１つの被写体像に対して、図６の紙面の上下方向に同じ距離Ｄだけ離れた位置にそれぞれ形成される。

ここで、固体撮像素子６５上における実線で示す光線の結像位置と破線で示す光線の結像位置とのずれ量Ｄが、固体撮像素子６５の画素ピッチの１／２となるように、各水晶板６１，６２の厚みが調整される。このとき、偏光方向により分離された破線で示す２つの光線による各結像位置間のずれ量２Ｄは、画素ピッチと一致する。このような条件は、例えば画素ピッチ２．５μｍの固体撮像素子を用いた場合、第１水晶板６１及び第２水晶板６２の厚みをそれぞれ２１３μｍ程度に設定すれば実現できる。本実施の形態では実線及び破線で示す各光線の結像位置間のずれ量Ｄを画素ピッチの１／２としたが、本発明はこれに限定されず、画素ピッチの１／２の奇数倍、すなわち画素ピッチの３／２倍、５／２倍、７／２倍等であってもよい。

このような撮像装置を用いた撮像方法を以下に説明する。図６の撮像装置を用いて、電圧駆動部６４が液晶パネル６３に印加する駆動電圧のオン／オフを高速で繰り返し、このオン／オフの切り替えと同期して固体撮像素子６５からの電気信号をフレームごとに読みとる。液晶パネル６３への駆動電圧の切り替え間隔としては例えば数十ミリ秒が可能である。

駆動電圧がオンのとき、光線は実線で示す経路を経るため、固体撮像素子６５上には１つの被写体像が形成される。この場合、固体撮像素子６５の各画素に入射した光に関する信号情報をそのまま取り込み、第１画像情報としてデータを蓄積する。

一方、駆動電圧がオフのとき、光線は破線で示した経路を経るため、固体撮像素子６５上には互いに一部が重なり合った２つの同じ被写体像が形成される。この状態はいわゆる「二重写し」である。この状態において固体撮像素子６５から得られる画像情報は、この直前の駆動電圧オン時の１つの被写体像に対して半画素ピッチ分だけずれた被写体像の画像情報が含まれている。即ち、駆動電圧オフ時に得られる画像情報は、駆動電圧オン時に得られる第１画像情報の画素間の画像情報を有している。したがって、駆動電圧オフ時に得た二重写しされた２つの被写体像についての画像情報からいずれか一方の被写体像についての画像情報（第２画像情報）を再生し、駆動電圧オン時の上記第１画像情報に重畳すれば、固体撮像素子６５の画素数に対して２倍の画素数を有する高解像な画像情報を得ることが可能となる。

図７（Ａ）、図７（Ｂ）を用いて駆動電圧がオフの場合の二重写しされた２つの被写体像の画像情報から一方の被写体像の画像情報を再生する方法を説明する。図７（Ａ）及び図７（Ｂ）は、固体撮像素子６５を被写体側から見た図である。

液晶パネル６３への駆動電圧がオンのとき、図７（Ａ）に示すように、固体撮像素子６５上には１つの被写体像７２のみが結像される。

液晶パネル６３への駆動電圧がオフのとき、図７（Ｂ）に示すように、固体撮像素子６５上には二重写しされた２つの被写体像７３，７４が結像される。ここで、被写体像７３，７４は、固体撮像素子６５のセンシングエリアよりも大きくても小さくても良い。

図７（Ａ）及び図７（Ｂ）において、多数の小円２５は固体撮像素子６５の画素であり、Ｘ軸及びＹ軸に沿って配列ピッチＰで配置されている。

図６で説明したように、図７（Ａ）におけるフレームでは、被写体像７２の画像情報が第１画像情報としてそのまま取り込まれる。

図７（Ｂ）におけるフレームでは、被写体像７３及び被写体像７４は、図７（Ａ）の被写体像７２に対して、画素ピッチＰの半分だけＸ軸方向に互いに反対側にずれている。即ち、被写体像７３と被写体像７４とはＸ軸方向に画素ピッチＰ分だけずれている。一般的な使用では、各偏光方向の光強度は同じであるため、被写体像７３と被写体像７４とは、光強度についても全く等しい。

まず、図７（Ａ）におけるフレームで取り込んだ第１画像情報を解析する。被写体像のずらし方向であるＸ軸方向に平行な行、すなわち図７（Ａ）の１，２，・・，Ｉ−１，Ｉ，Ｉ＋１，・・の各行において、同等の光強度信号が得られた互いに隣り合う複数（本例では２つ）の画素からなるエリアを抽出する。例えば、図７（Ａ）において、Ｉ行上の画素（Ｉ，Ｊ）及び画素（Ｉ，Ｊ＋１）の各光強度信号が互いに同じである場合、これら２つの画素を含むエリア７５を抽出する。

この後、液晶パネル６５の駆動電圧がオフとなり、図７（Ｂ）に示す二重写しされた２つの被写体像７３，７４が結像される。被写体のうち、図７（Ａ）のエリア７５に対応する部分から発せられた光は、図７（Ｂ）においてはエリア７６とエリア７７とに分離して入射する。ここで、エリア７６は被写体像７３に対応し、エリア７７は被写体像７４に対応する。

図７（Ｂ）の状態において、仮想的に被写体像７４のみが固体撮像素子６５上に結像しているとしたとき、ある瞬間での画素（Ｍ，Ｎ）における、被写体像７４による信号強度をＰ（Ｍ，Ｎ）と定義する。また、実際に被写体像７３，７４が固体撮像素子６５上に二重写しで結像されているときの、同じ瞬間での画素（Ｍ，Ｎ）での信号強度をＱ（Ｍ，Ｎ）と定義する。すると、
Ｑ（Ｍ，Ｎ）＝Ｐ（Ｍ，Ｎ）＋Ｐ（Ｍ，Ｎ＋１） ・・・（５）
が成立する。

図７（Ａ）におけるエリア７５内の互いに隣り合う画素（Ｉ，Ｊ）及び画素（Ｉ，Ｊ＋１）では同じ光強度信号が得られているので、これらの間に挟まれた仮想画素（Ｉ，Ｊ＋０.５）でも同じ光強度信号である確率が極めて高い。

また、本実施の形態の撮像装置では、液晶パネル６３に印加される電圧のオン／オフが高速で切り替えられるので、図７（Ａ）の被写体像７２の光強度分布と、この直後の図７（Ｂ）の被写体像７３及び被写体像７４の各光強度分布とは、同じである確率が極めて高い。

従って、被写体のうち、図７（Ａ）の仮想画素（Ｉ，Ｊ＋０.５）に対応する部分から発せられた光は、この直後の図７（Ｂ）においては、被写体像７３を構成する光として画素（Ｉ，Ｊ）に入射し、被写体像７４を構成する光として画素（Ｉ，Ｊ＋１）に入射する。

よって、図７（Ａ）のエリア７５内の画素（Ｉ，Ｊ）及び画素（Ｉ，Ｊ＋１）の各光強度信号は、図７（Ｂ）の状態においても互いに同一である確率が極めて高い。

以上の仮定に基づくと、図７（Ａ）の状態でエリア７５内の画素（Ｉ，Ｊ）及び画素（Ｉ，Ｊ＋１）がいずれも光信号強度Ａを得ていたとすれば、
Ｐ（Ｉ，Ｊ＋１）＝Ａ／２ ・・・（６）
が成り立つ。

被写体像７３、７４が固体撮像素子６５上に二重写しで結蔵されたときの信号強度Ｑ（Ｉ，１），・・・・，Ｑ（Ｉ，Ｊ），・・・・は検知できる信号情報であるから、式（５）と式（６）を用いれば、Ｉ行上の各画素に対して、Ｐ（Ｉ，Ｊ）が求まり、繰り返して式（５）を用いることによりＰ（Ｉ，Ｊ−１），Ｐ（Ｉ，Ｊ−２），・・・、あるいは逆にＰ（Ｉ，Ｊ＋２），Ｐ（Ｉ，Ｊ＋３），・・・を順に求めることができ、Ｉ行上の各画素における被写体像７４の信号情報をすべて獲得することが可能である。被写体像７４が結像しているＩ行以外の各行上の各画素についても、同様の手順で信号情報を得ることができる。その結果、二重写しされた２つの被写体像７３、７４についての画像情報から、一方の被写体像７４についての画像情報（第２画像情報）を得ることができる。

被写体像７２に対して、被写体像７３、７４はいずれも半分程度の光量しかない。従って、再生した被写体像７４についての第２画像情報を２倍に増幅し、図７（Ａ）におけるフレームで取り込んだ被写体像７２についての第１画像情報と合成する。かくして、Ｘ軸方向に擬似的に倍画素化された画像情報を得ることができる。

以上の演算は、固体撮像素子６５と接続された信号処理回路（図示せず）が行う。

固体撮像素子６５としてＭＯＳ型を用いれば、画素ごとの信号取り出し演算を高速に行うことができるので、特に望ましい。

以上の説明では、図７（Ａ）の被写体像７２に対する図７（Ｂ）の被写体像７３、７４のずれ量Ｄが固体撮像素子６５の画素ピッチＰの半分である例を示したが、本発明はこれに限定されず、ずれ量Ｄが画素ピッチＰの半分の奇数倍であれば同様の効果が得られる。ずれ量Ｄが画素ピッチＰの半分のＬ倍（Ｌは奇数）とすると上記の式（５）は、
Ｑ（Ｍ，Ｎ−Ｌ）＝Ｐ（Ｍ，Ｎ−Ｌ）＋Ｐ（Ｍ，Ｎ） ・・・（７）
となり、上記と同様の手順で演算することにより、被写体像７４についての画像情報（第２画像情報）を得ることができる。

Ｌの値に応じて図６の水晶板６１，６２の厚みをＬ＝１の場合に対してＬ倍に厚くする必要がある。したがって、水晶板として加工しやすい厚みを考慮してＬを選択するのがよい。

なお、被写体への照明光源として白色ＬＥＤ等を用い、液晶パネル６３に印加する電圧のオン／オフに同期して、照明光源を点滅させればＳ／Ｎ比（雑音に対する信号強度比）を高めることが可能であり、効果的である。

先に述べたように、一般的な使用においては、被写体から来る光の偏光方向ごとの強度は同じであり、本実施の形態ではこれを前提に説明した。もし、第１水晶板６１で分離された２つの光の液晶パネル６３での各透過率が、その偏光方向や駆動電圧のオン／オフ状態により、互いに同一でない場合には、上記式（５）及び式（６）はそれぞれ下記式（８）、式（９）のようになる。

Ｑ（Ｍ，Ｎ）＝α１Ｐ（Ｍ，Ｎ）＋β１Ｐ（Ｍ，Ｎ＋１） ・・・（８）
Ｐ（Ｉ，Ｊ＋１）＝α２Ａ／（α２＋β２） ・・・（９）
ここで、偏光方向が図６の紙面に垂直である偏光光が液晶パネル６３に入射した場合において、液晶パネル６３への駆動電圧をオフにしたときの該偏光光の透過率をα１、オンにしたときの該偏光光の透過率をα２とする。同様に、偏光方向が図６の紙面に平行である偏光光が液晶パネル６３に入射した場合において、液晶パネル６３への駆動電圧をオフにしたときの該偏光光の透過率をβ１、オンにしたときの該偏光光の透過率をβ２とする。それぞれの場合の各透過率を前もって実測しておけば、上述したのと同様にして、二重写しされた２つの被写体像についての画像情報から、一方の被写体像についての画像情報（第２画像情報）を得ることができる。

上記説明は、実施の形態１において、第１水晶板１１で分離された２つの偏光光の液晶パネル１３での各透過率が、その偏光方向や駆動電圧のオン／オフ状態により、互いに同一でない場合に、同様に適用できる。

（実施の形態６）
図８は本発明の実施の形態６に係る撮像装置の主要部を示している。本実施の形態の撮像装置は、第１水晶板８１と、第２水晶板８２と、これらの間に配置された第１液晶パネル８３とを有する第１光学系８０Ａ、及び、第３水晶板８５と、第４水晶板８６と、これらの間に配置された第２液晶パネル８７とを有する第２光学系８０Ｂとを備える。

第１水晶板８１と第２水晶板８２とは、それぞれ図示するように、第１液晶パネル８３に対して面対称な光学軸Ａ８１，Ａ８２を有している。第１液晶パネル８３は、上記第１及び第２水晶板８１，８２の間に配置され、対向する電極（図示せず）を備えている。

第３水晶板８５、第４水晶板８６、及び第２液晶パネル８７からなる第２光学系８０Ｂは、上記の第１水晶板８１、第２水晶板８２、及び第１液晶パネル８３からなる第１光学系８０Ａを、光軸に対して９０°回転させたのと同じ構成を有している。

電圧制御部８４により第１及び第２液晶パネル８３，８７に印加される電圧のオン／オフが制御される。

各水晶板８１、８２、８５、８６は同じ厚みであり、それぞれの光学軸Ａ８１，Ａ８２，Ａ８５，Ａ８６に対して同じ角度４４度５０分で研磨されている。

電圧制御部８４によりフレームごとに表２に示すような制御を行えば、図７（Ｂ）に示したようなＸ軸方向の二重写し（画素ずらし）に加えて、Ｙ軸方向にも二重写し（画素ずらし）が可能となる。

フレームごとの電圧制御を表２のフレーム番号１〜４の順に行い、各フレームごとに固体撮像素子６５から信号取り込みを行う。フレーム２、フレーム４では被写体像が二重写しとなるが、実施の形態５で述べた方法により単一の被写体像についての画像情報を再生することができる。これを、フレーム１及び／又は３で得られる画像情報と合成する。

このように、本実施の形態では、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の２次元で画素ずらしを行う。これにより、Ｘ軸方向及びＹ軸方向のそれぞれに擬似的に倍画素化された画像情報を得ることができる。即ち、二次元的な高解像度化が可能になる。

上記の例では、第１及び第２液晶パネル８３，８７を共通する電圧制御部８４により駆動したが、第１及び第２液晶パネル８３，８７を別個の電圧制御部で駆動しても良い。

（実施の形態７）
図９は本発明の実施の形態７に係る撮像装置の主要部を示している。本実施の形態では、実施の形態５の第１水晶板６１及び第２水晶板６２に代えて、第１斜め蒸着膜９１及び第２斜め蒸着膜９２を用いている。本実施の形態の撮像装置は、両側に第１及び第２斜め蒸着膜９１，９２が形成された液晶パネル９３を透明セル９５で密閉したブロック状の光学系９０を備え、実施の形態５の撮像装置と同等の動作を行う。

第１斜め蒸着膜９１及び第２斜め蒸着膜９２は、それぞれ図示するように、液晶パネル９３に対して面対称な光学軸Ａ９１，Ａ９２を有し、複屈折性を備え、図６の第１水晶板６１及び第２水晶板６２と同様に機能する。図９では第１斜め蒸着膜９１及び第２斜め蒸着膜９２を、液晶パネル９３に直接形成しているが、これらを成膜した別のシート又は基板を液晶パネル９３に貼り付けても良い。

斜め蒸着膜９１，９２は、文字通り、真空蒸着法により基板上に斜め方向から成膜することにより得られる。膜材料としての酸化タンタル、酸化タングステン、又は酸化チタンなどの重金属酸化物を電子ビームで融解し、必要に応じて酸素ガスを成膜槽に導入しながら、室温で蒸着すると、膜材料が図９のような透明な斜めのコラム状になって基板に付着する。光学軸Ａ９１，Ａ９２の方向と、これに直交する方向（図９の紙面内方向、及び紙面と垂直な方向）とでは膜密度が異なるために、屈折率に違いが生じる。すなわち、斜め蒸着膜９１，９２は、２軸結晶と同様に、３軸方向において屈折率が異なる複屈折性を有する。

例えば酸化タンタルを基板上にその法線に対し７０°程度の方向から蒸着すると、得られる膜は基板法線に対して３０〜３５°傾いた多数のコラムからなる。この膜の複屈折（△ｎ）は０．０８程度である。これは水晶の複屈折０．０１に比べ極めて大きな値である。このことは、斜め蒸着膜を用いると、同等のリタデーションを得るための膜厚を極めて薄くできることを意味する。

例えば画素ピッチ２．５μｍの固体撮像素子６５を用いて、実施の形態５で説明した、画素ピッチの半分の結像位置シフトを行う場合、水晶板を用いれば実施の形態５で述べたようにその厚みは２００μｍ以上である必要があるが、酸化タンタルの斜め蒸着膜を用いればその厚みは３０μｍ弱で足りる。この程度の厚みの斜め蒸着膜は、十分に成膜可能であり、量産も可能である。

但し、斜め蒸着膜は周辺環境の変動に対して複屈折の大きさが変化しやすいという問題を有している。主に湿度の変動による影響が大きく、湿度が高いと斜め蒸着膜の隙間に水分子が入り込み、複屈折が小さくなってしまう。逆に湿度が下がると複屈折は大きくなってしまう。

図９に示すように、透明セル９５で斜め蒸着膜９１，９２を密閉することにより、斜め蒸着膜９１，９２の複屈折の大きさを安定させることができる。但し、密閉方法としてはこれに限るものではなく、膜の表面に保護層を形成したり、保護シートを貼り付けたりする方法などでも構わない。

以上述べたように、複屈折効果により偏光方向に応じて光線の経路をシフトさせる素子として斜め蒸着膜９１，９２を用いることにより、水晶板を用いた場合に比べて、装置の経済性を向上できる。

（実施の形態８）
図１０は本発明の実施の形態８に係る撮像装置の主要部を示している。本実施の形態の撮像装置は、第１水晶板１０１と、第２水晶板１０２と、これらの間に配置された液晶パネル１０３とを有する光学系１００を備える。上記の実施の形態５（図６参照）では、第１水晶板６１と第２水晶板６２とが液晶パネル６３に対して面対称な光学軸Ａ６１，Ａ６２を有していたが、本実施の形態では、第１水晶板１０１の光学軸Ａ１０１及び第２水晶板１０２の光学軸Ａ１０２は互いに平行である。これ以外は実施の形態５の撮像装置と同じである。

本実施の形態では、液晶パネル１０３に印加される駆動電圧がオフの場合、第１水晶板１０１で分離された２つの光線は破線で示す経路を経るため、固体撮像素子６５上には１つの被写体像が結像される。この場合、固体撮像素子６５の各画素に入射した光に関する信号情報をそのまま取り込み、第１画像情報としてデータを蓄積する。

一方、液晶パネル１０３に印加される駆動電圧がオンの場合、第１水晶板１０１で分離された２つの光線は、固体撮像素子６５上に、互いに１部が重なり合った２つの被写体像を結像する。駆動電圧がオンの場合のこの２つの被写体像は、駆動電圧がオフの場合の１つの被写体像に対して、図１０の紙面の上下方向に同じ距離Ｄだけ離れた位置にそれぞれ形成される。

実施の形態５で説明したのと同様に、駆動電圧オン時に得た二重写しされた２つの被写体像についての画像情報からいずれか一方の被写体像についての画像情報（第２画像情報）を再生し、駆動電圧オフ時の上記第１画像情報に重畳する。かくして、固体撮像素子６５の画素数に対して２倍の画素数を有する高解像な画像情報を得ることができる。

以上の実施の形態１，２，４，５，６，８では、複屈折効果を有する素子として水晶板を用いたが、本発明はこれに限定されず、複屈折効果を有するものであれば、電気複屈折効果（カー効果）を用いた素子や、磁気複屈折効果を用いた素子を利用しても良い。

以上の実施の形態１〜８では、液晶パネルの両側に配される一対の水晶板や一対の斜め蒸着膜は同じ厚みを有し、その光学軸が所定方向となるように配置されたが、本発明はこれに限定されず、特定の偏光方向の光線の経路を同じ量だけシフトさせることができるのであれば、その光学軸の方向、厚み、屈折率等は適宜調整可能である。

また、以上の実施の形態１〜８では、偏光方向を旋回させる素子として液晶パネルを用いたが、電気光学効果を有する結晶からなるポッケルスセル等を用いても良い。

本発明の利用分野は特に制限はないが、例えば小型のカメラモジュールに適用することができる。

本発明の実施の形態１に係る撮像装置を示す構成図である。 （Ａ）は本発明の実施の形態１に係る撮像方法において、液晶パネルへの印加電圧がオン時に固体撮像素子上に１つの被写体像が結像された状態を示した図、（Ｂ）は本発明の実施の形態１に係る撮像方法において、液晶パネルへの印加電圧がオフ時に固体撮像素子上に二重写しされた２つの被写体像が結像された状態を示した図である。 本発明の実施の形態２に係る撮像装置を示す構成図である。 本発明の実施の形態３に係る撮像装置を示す構成図である。 本発明の実施の形態４に係る撮像装置を示す構成図である。 本発明の実施の形態５に係る撮像装置を示す構成図である。 （Ａ）は本発明の実施の形態５に係る撮像方法において、液晶パネルへの印加電圧がオン時に固体撮像素子上に１つの被写体像が結像された状態を示した図、（Ｂ）は本発明の実施の形態５に係る撮像方法において、液晶パネルへの印加電圧がオフ時に固体撮像素子上に二重写しされた２つの被写体像が結像された状態を示した図である。 本発明の実施の形態６に係る撮像装置を示す構成図である。 本発明の実施の形態７に係る撮像装置を示す構成図である。 本発明の実施の形態８に係る撮像装置を示す構成図である。 従来の画素ずらし方法を行う撮像装置の原理図である。

符号の説明

１０ 光学系
１１ 第１水晶板
１２ 第２水晶板
１３ 液晶パネル
１４ 電圧駆動部
１５ 固体撮像素子
２２ 液晶パネルの駆動電圧ＯＮ時の被写体像
２３、２４ 液晶パネル駆動電圧ＯＦＦ時の被写体像
２５ 画素
３０Ａ 第１光学系
３０Ｂ 第２光学系
３１ 第１水晶板
３２ 第２水晶板
３３ 第１液晶パネル
３４ 電圧駆動部
３５ 第３水晶板
３６ 第４水晶板
３７ 第２液晶パネル
４０ 光学系
４１ 第１斜め蒸着膜
４２ 第２斜め蒸着膜
４３ 液晶パネル
４５ 透明セル
５０ 光学系
５１ 第１水晶板
５２ 第２水晶板
５３ 液晶パネル
６０ 光学系
６１ 第１水晶板
６２ 第２水晶板
６３ 液晶パネル
６４ 電圧駆動部
６５ 固体撮像素子
７２ 液晶パネルの駆動電圧ＯＮ時の被写体像
７３、７４ 液晶パネル駆動電圧ＯＦＦ時の被写体像
７５ 液晶パネルの駆動電圧ＯＮ時のエリア
７６、７６ 液晶パネル駆動電圧ＯＦＦ時のエリア
８０Ａ 第１光学系
８０Ｂ 第２光学系
８１ 第１水晶板
８２ 第２水晶板
８３ 第１液晶パネル
８４ 電圧駆動部
８５ 第３水晶板
８６ 第４水晶板
８７ 第２液晶パネル
９０ 光学系
９１ 第１斜め蒸着膜
９２ 第２斜め蒸着膜
９３ 液晶パネル
９５ 透明セル
１００ 光学系
１０１ 第１水晶板
１０２ 第２水晶板
１０３ 液晶パネル
１１１ 偏光子
１１２ 液晶パネル
１１３ 水晶板

Claims (12)

1. 固体撮像素子上に結像される被写体像と前記固体撮像素子の画素との相対的位置関係を時間的に前記画素の配列ピッチの半分の奇数倍だけ変化させて高解像度画像を得る撮像方法であって、
   被写体からの光を偏光方向が互いに異なる複数の光に分離した後、これらを合成して前記固体撮像素子上に１つの被写体像を結像させる第１時間帯と、被写体からの光を偏光方向が互いに異なる複数の光に分離し、前記固体撮像素子上に互いに１部が重なり合った複数の被写体像を結像させる第２時間帯とを時間的に切り替え、
   前記第１時間帯において前記固体撮像素子の各画素に入射した光に関する信号情報に基づいて前記１つの被写体像についての第１画像情報を取得し、
   前記第２時間帯において前記固体撮像素子の各画素に入射した光に関する信号情報を用いて演算して、前記複数の被写体像のうちの１つの被写体像についての第２画像情報を求め、
   前記第１画像情報と前記第２画像情報とを用いて、前記被写体の高解像度画像を得る
   ことを特徴とする撮像方法。
2. 前記複数の被写体像のうちの１つのみが結像された画素からの信号情報を用いて、前記第２画像情報を求める請求項１に記載の撮像方法。
3. 前記第１時間帯において同等の信号情報が得られた互いに隣り合う複数の画素からなるエリアを抽出し、
   この第１時間帯の直後の前記第２時間帯における前記信号情報のうち、前記エリア内の前記複数の画素の各信号情報を互いに同一値と仮定して、前記第２時間帯における前記信号情報を演算することにより、前記第２画像情報を求める請求項１に記載の撮像方法。
4. 複屈折効果により偏光方向に応じて光線の経路をシフトさせる第１透明素子及び第２透明素子、及び前記第１透明素子及び前記第２透明素子の間に配置され、印加される電圧のオン／オフに応じて透過光を旋光させる第１液晶パネルを備える第１光学系と、
   固体撮像素子と、
   前記第１液晶パネルに印加する電圧を制御する第１電圧制御手段と
   を備え、
   被写体からの光が前記第１光学系を通過して前記固体撮像素子上に被写体像として結像される撮像装置であって、
   前記第１液晶パネルに印加される電圧のオン／オフの切り替えにより、前記固体撮像素子上に、１つの被写体像と、互いに１部が重なり合った第１被写体像及び第２被写体像とが、交互に結像されることを特徴とする撮像装置。
5. 前記第１透明素子が、被写体からの光を偏光方向が互いに異なる２つの偏光光に分離し、且つ前記２つの偏光光の経路を距離Ｄだけ離間させ、
   前記第１液晶パネルが、前記第１透明素子を出射した前記２つの偏光光の偏光方向を、印加される電圧に応じて０度又は９０度旋回させ、
   前記第２透明素子が、前記第１液晶パネルを出射した前記２つの偏光光のうちの一方の経路をその偏光方向に応じてシフトさせて、前記２つの偏光光の経路を一致させ、または、前記２つの偏光光の経路間隔を距離２Ｄに拡大させ、
   前記固体撮像素子が、前記第２透明素子を出射した前記２つの偏光光が形成する光強度分布を読み取る請求項４に記載の撮像装置。
6. それぞれの経路間隔が距離２Ｄに拡大された前記２つの偏光光が形成した前記光強度分布を用いて、前記２つの偏光光のうちの一方のみによる光強度分布を求め、この光強度分布と、それぞれの経路が一致された前記２つの偏光光が形成した光強度分布とを用いて、前記被写体の像の光強度分布を演算して得る信号処理回路を更に備える請求項５に記載の撮像装置。
7. 更に、
   複屈折効果により偏光方向に応じて光線の経路をシフトさせる第３透明素子及び第４透明素子、及び前記第３透明素子及び前記第４透明素子の間に配置され、印加される電圧のオン／オフに応じて透過光を旋光させる第２液晶パネルを備える第２光学系と、
   前記第２液晶パネルに印加する電圧を制御する第２電圧制御手段と
   を備え、
   被写体からの光が前記第１光学系及び前記第２光学系を通過して前記固体撮像素子上に被写体像として結像され、
   前記第１液晶パネル及び前記第２液晶パネルにそれぞれ印加される電圧のオン／オフの切り替えにより、前記固体撮像素子上に、前記１つの被写体像と、第１方向において互いに異なる位置の前記第１被写体像及び前記第２被写体像と、前記第１方向と異なる第２方向において互いに異なる位置の第３被写体像及び第４被写体像とが、順次結像される請求項４に記載の撮像装置。
8. 前記第１透明素子及び前記第２透明素子が斜め蒸着された金属酸化膜である請求項４に記載の撮像装置。
9. 前記第３透明素子及び前記第４透明素子が斜め蒸着された金属酸化膜である請求項７に記載の撮像装置。
10. 前記第１液晶パネルがねじりネマティック型液晶パネルである請求項４に記載の撮像装置。
11. 前記第２液晶パネルがねじりネマティック型液晶パネルである請求項７に記載の撮像装置。
12. 前記固体撮像素子がＭＯＳセンサである請求項４に記載の撮像装置。

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