JP2008541157A - 電気光学フィルタ - Google Patents

Abstract

物体（５０２）からの光をフィルタリングするための電気光学フィルタ（５１２、５２０）が、第１の撮像素子（５０４）及び偏光ビームスプリッタ（５０６）を介して光を受光するように構成される。そのフィルタは複数の反射液晶素子（１０２、図１）を含み、各反射素子は、その反射素子において、又はその近くにおいて検出される光に応じて、光の偏光が回転するように構成される。反射素子に突き当たる偏光された光が所定のしきい値強度よりも大きいとき、その光は偏光が回転することなく反射され、光路に戻される。これに対して、所定のしきい値強度よりも小さいとき、その光は反射素子において回転し、それにより、ビームスプリッタ（５１１）を透過して、プリズム（５１４）まで、さらには第２のレンズ系（５１６）まで伝搬して、画像（５１８）を形成する。それゆえ、物体の明るい領域及び暗い領域から発する光の強度差が低減される。

Description

本発明は広くは、電気光学フィルタに関する。

動的な広い輝度範囲を有する物体を撮像するのは難しい問題である。
たとえば、カメラを調整して、或る明るい像域をカメラの視野内に記録することはできるが、その場合には、カメラの視野内の暗い像域は通常、記録媒体上で露出が不足する。

代わりに、カメラを調整して、暗い像域を記録することができるが、その場合には、明るい像域の露出が過度になる。いずれの場合も、明るい像域及び暗い像域において、全ての細部を同時に記録することはできない。

米国特許第５，９５３，０８２号は、物体の明るい領域及び暗い領域から発する光の強度差を低減する透過フィルタを記述しているが、本発明は、さらに多くの利点を有する代替的なフィルタを提供する。

第１の態様によれば、本発明は、物体からの光をフィルタリングする電気光学フィルタであって、この電気光学フィルタは、第１の撮像素子を介して当該光を受光するように構成され、光を受光すると共に反射する複数の反射素子を備えており、当該反射素子はそれぞれ、当該反射素子における光、又は当該反射素子の近くにある光の強度に依存する光学特性を有し、当該光学特性は、光強度の局所的なフィルタリングを制御して、所定の強度しきい値より高いときに、電気光学フィルタによって、物体の明るい領域及び暗い領域から発する光の強度差が低減されるようにするものである、電気光学フィルタを提供する。

その電気光学フィルタは、たとえば、ビデオカメラ、スチールカメラ、及び双眼鏡のような視認機器を含む、任意のタイプの画像収集機器又は視認機器のために用いることができるか、又は任意のタイプの画像収集機器又は視認機器に組み込むことができる。そのフィルタは光強度差を低減するので、動的な広い輝度を有する物体を、通常、大きな実用上の利点を有する細部を失うことなく撮像することができる。さらに、そのフィルタは反射デバイスであるので、制御電子回路材料及び支持材料をフィルタの反射面の後方に配置することができ、それゆえ、透過デバイスと同じようには、光スループットに大きな影響を及ぼさない。

そのフィルタは、反射素子のマトリックスを備えることができ、通常、反射素子の２つのマトリックスを備える。各マトリックスは、２００万個〜１０００万個のような、多数の反射素子を含むことがある。各反射素子は、５μｍ〜２０μｍ×５μｍ〜２０μｍ、通常９μｍ×９μｍのサイズを有することができる。

各反射素子は通常、反射素子において、又はその近くにおいて検出される光に応じて、光の偏光が回転するように構成される。各反射素子は通常、使用時にそれぞれの導電率を示すことによって局所的な光強度を検出する、フォトダイオードのような光学素子を含む。各反射素子は通常、金属表面のような反射表面も含む。

本発明の１つの具体的な実施の形態では、各反射素子は液晶材料を含む。その液晶材料は通常、金属表面及び透明導電性コーティングを用いて液晶材料に電界をかけることができるように、金属表面と透明導電性コーティングとの間に配置される。反射素子の各マトリックスはシリコン基板を含み、それにより、液晶オンシリコン（ＬＣｏＳ）デバイスを形成することができ、そのデバイスは通常、さらなる電子部品も収容する。そのようなデバイスは、相補形金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）工程を用いて製造することができる。

そのフィルタは通常、複屈折ビームスプリッタを備え、そのビームスプリッタは、第１の撮像素子から光を受光し、受光した光を、２つの直交する偏光状態を有する光に分割するように構成される。そのフィルタは、たとえば、第１の偏光状態を有する光が、反射素子の第１のマトリックスに誘導され、第２の偏光状態を有する光が、反射素子の第２のマトリックスに誘導されるように構成することができる。

通常、反射素子はそれぞれ、フォトダイオードのそれぞれによって検出される光強度が電圧を制御し、当該電圧が液晶のそれぞれの光学活性を制御するように構成される。たとえば、液晶はそれぞれ、液晶に印加される電圧がしきい値電圧よりも大きいか、又は小さいときに、液晶が０度〜９０度の角度だけ反射される偏光を回転させるように構成される。そして、複屈折ビームスプリッタは、９０度だけ回転した偏光を有する概ね全ての反射された光を、画像を形成するために用いることができるように誘導するように構成することができる。９０度よりも小さな角度だけ回転した偏光を有する光の一部又は全体を、画像を形成するために用いられないように戻すかそうでなければそらすことができる。

反射素子はそれぞれ、反射表面の下にある領域内に埋め込まれる電子部品を含む。反射素子のそれぞれ、及び通常反射素子のマトリックスの全体は、シリコン基板上に形成される集積デバイスであり得る。

そのデバイスは通常、レンズのような第１の撮像素子を含み、その素子は通常、第１の撮像面の焦点面が、反射素子の反射表面によって画定される表面にあるか、又はその近くにあるように構成される。さらに、そのデバイスは、像面内にフィルタリングされた画像を形成するための第２の撮像素子を備えることができる。

第２の態様によれば、本発明は、本発明の第１の態様によるフィルタを含む、視認又は画像収集デバイスを提供する。

第３の態様によれば、本発明は、物体からの光をフィルタリングする方法であって、第１の撮像素子を介して、複数の反射素子によって光を受光することを含み、複数の反射素子はそれぞれ、当該反射素子における光、又は当該反射素子の近くにある光の強度に依存する光学特性を有しており、さらに、この物体からの光をフィルタリングする方法は、反射素子のそれぞれにおいて、又は反射素子のそれぞれの近くにおいて光強度を検出することと、所定の強度しきい値より高いときに、フィルタが物体の明るい領域及び暗い領域から発する光の強度差を低減するように、各反射素子の光学特性を制御することとを含む、物体からの光をフィルタリングする方法を提供する。

本発明は、本発明の具体的な実施形態に関する以下の説明からさらに十分に理解されるであろう。その説明は、添付の図面を参照しながら与えられる。

最初に図１〜図３を参照すると、そこでは、本発明の一実施形態による電気光学フィルタが説明される。電気光学フィルタ１００は、反射素子１０２のマトリックスを含む。この実施形態では、電気光学フィルタ１００は、投影デバイス及びリアプロジェクションテレビ用のディスプレイを製造するために多くの場合に用いられる液晶オンシリコン（ＬＣｏＳ）技術を用いて製造される。

この実施形態では、各反射素子１０２はシリコン基板１０４上に形成され、シリコン基板１０４上には、フォトダイオード構造１０６、１０７及び透明絶縁層１０８、１１０、１１２が配置される。さらに、反射素子１０２は、駆動回路を配線するための層１１４、駆動回路を配線し、電界を遮蔽するための層１１６、及び反射鏡タイプの電極を形成する層１１８のような複数の金属層を含む。層部分１２０が、マトリックス内の隣接する反射素子１０２間の間隙を画定し、バイア１２２が、反射層１１８を下層の回路と電気的に接続する。反射素子１０２は、透明導電性電極１２６を形成するモノリシック層を有するガラス基板１２４、並びに液晶配向層１２８及び１３０も含む。液晶材料１３２が、層１２８と１３０との間に狭持される。

各反射素子１０２は、反射鏡タイプの電極１１８内に、光が被写体像からフォトダイオード構造１０６に達することができるようにする窓１３３を含み、使用時に、フォトダイオード構造１０６が、その窓１３２を通して光を受光する。フォトダイオード構造１０７は金属層によって覆われており、光を受光しない。

液晶材料１３２は、たとえば、ＴＮ、ＳＴＮ又は高分子材料を含むことができる。しかしながら、代替的に、液晶材料１３２は他の材料を含むことがあるか、又は別のタイプから成ることがあることは、当業者には理解されよう。偏光ビームスプリッタを有する液晶セル（１つ又は複数）の構成は、「ノーマリホワイト」構成と呼ばれることがあり、それは、液晶材料に電圧が印加されない場合であっても、その構成の中を光が通過できることを示している。そのような構成の変形形態が、たとえば、Kwok, Hoi-Sing、Yu, F. H.、Tang, S. T、Chen, J著「Design and fabrication of reflective nematic displays with only one polarizer」（Liquid crystals, Proceedings of SPIE, Vol. 3143, San Diego, California, USA, 28-29 July, 1997, SPIE, Bellingham, Washington, USA, 1997, P. 39-50）に記述される。この従来技術の文献を参照することは、その従来技術の文献がオーストラリア又は任意の他の国における周知の事実の一部であることを認めるものではない。

図４は、反射素子１０２のうちの３つの場合の回路図を示す。その回路図の部品は、図１〜図３において示される対応する部品と同じ参照符号を用いて特定される。層１１４及び１１６は、供給電圧に接続され、フォトダイオード構造１０６及び１０７は直列に接続される。反射電極１１８は、バイア１２２によって、フォトダイオード構造１０６と１０７との間にあるノードに電気的に接続される。フォトダイオード構造１０６及び１０７は、同じ電気的特性を有し、物体（図示せず）からの光が十分に少ないときに、フォトダイオード構造１０６及び１０７の抵抗は釣り合っている。フォトダイオード構造１０６の導電率は、遮蔽されたフォトダイオード１０７との関連で、受光された光に応じて増加する。この結果として、反射層１１８と層１２６との間に印加される電圧、それゆえ液晶にかかる電圧が増加し、それにより、液晶の光学活性が変化する。

上記の駆動回路は一例にすぎず、数多くの他の形態が可能であることは理解されたい。たとえば、各反射素子１０２の駆動回路は、別の形の分圧回路を含むことがあるか、又はトランジスタ増幅器を含むことがある。米国特許第５，９５３，０８２号は、別の駆動回路を開示しており、本発明の別の実施形態では、米国特許第５，９５３，０８２号に開示される駆動回路の変形形態を用いることもできることは、当業者には理解されよう。

ここで図５を参照すると、本発明の一実施形態による電気光学フィルタ５００の機能が説明される。物体５０２からの光が、光学素子、この実施形態ではレンズ系５０４を介して伝搬する。偏光ビームスプリッタ５０６が、複屈折層５１１において、物体５０２からの光を、水平偏光５０８及び垂直偏光５１０に分割する。水平偏光５０８は、複屈折層５１１を通り抜けて、複数の上記の反射素子１０２を含むマトリックス５１２に達する。マトリックス５１２の反射素子１０２は、「オフ」状態にあるときに、偏光状態を９０度だけ回転させて光を反射するのに対して、フォトダイオード１０６によって十分な光が受光され、反射素子１０２が「オン」状態にあるときに、それよりも小さな角度だけ回転させて光を反射する。フォトダイオード１０６によって受光される光強度が所定のしきい値よりも高いとき、その光は、偏光状態が回転することなく反射される。

「オフ」状態にある反射素子から反射される光の偏光は、水平偏光から垂直偏光に回転し、それゆえ、複屈折層５１１によって、プリズム５１４に、さらには第２のレンズ系５１６に反射され、第２のレンズ系５１６は、この実施形態では、中継レンズ系であり、画像５１８を形成するために用いられる。「オン」状態にある反射素子１０２において反射される光は、少なくとも水平偏光成分を有し（又は、全体として水平に偏光されており）、その水平偏光に関連付けられる光は、複屈折層５１１を通り抜けて、光路まで戻されるので、画像５１８を形成するためには用いられない。

垂直偏光ビーム５０８は、複屈折層５１１によって、反射素子１０２のマトリックス５２０に向かって反射される。「オフ」状態にある反射素子から反射される光の偏光は垂直偏光から水平偏光に回転し、それゆえ、複屈折層５１１によって、プリズム５１４まで、さらには、画像５１８を形成するために偏光が用いられる第２のレンズ系５１６まで伝搬する。「オン」状態にある反射素子１０２において反射される光は、少なくとも垂直偏光成分を有し（又は、全体として垂直に偏光され）、垂直偏光に関連付けされる光は、複屈折層５１１によって反射され、光路まで戻されるので、画像５１８を形成するためには用いられない。

この実施形態では、レンズ系５０４の焦点面は、マトリックス５１２及び５２０内の反射素子１０２の反射面にあるか、又はその近くにある。それゆえ、合焦しているか、又は概ね合焦している物体５０２の像はフィルタリングされる。この実施形態では、プリズム５１４は、画像収集装置又は視認装置の記録面又は視認面において、水平方向及び垂直方向の向きを補正された画像を生成するために用いられる。この例では、「アミチ」プリズムが用いられるが、画像５１８の向きを調整するために、種々の別のタイプのプリズム又はミラーを用いることができることは当業者には理解されよう。さらに、記述される実施形態の他の変形形態では、フィルタは、プリズムも画像の向きを調整するための他のどんな手段も備えないこともある。

図６及び図７は、本発明の実施形態による、電気光学能動フィルタ６００及び７００のさらに別の実施形態を示す。フィルタ６００及び７００は、交差した複屈折層６０４及び６０６を有する、交差型偏光ビームスプリッタ６０２を備える。フィルタ６００及び７００は以下のように機能する。垂直偏光５１０が、複屈折層６０６によって、反射素子１０２のマトリックス５２０に向かって反射される。「オフ」状態にある反射素子１０２から反射される光の偏光は、垂直偏光から水平偏光に回転し、それにより、複屈折層６０６を透過して、層６０４によって、プリズム６０８又は７０２に、さらには画像５１８を形成するために偏光が用いられる第２のレンズ系５１６に反射される。「オン」状態にある反射素子１０２において反射される光は、少なくとも部分的に、又は概ねで垂直に偏光され（又は全体として垂直に偏光され）、垂直偏光に関連付けられる光は、複屈折層６０６によって反射され、光路まで戻されるので、画像５１８を形成するためには用いられない。

水平偏光５０８は、複屈折層６０４によって、反射素子１０２のマトリックス５１２に向かって反射される。「オフ」状態にある反射素子から反射される光の偏光は、水平偏光から垂直偏光に回転し、それにより、複屈折層６０４を透過して、層６０６によって、プリズム６０８又は７０２に、さらには画像５１８を形成するために偏光が用いられる第２のレンズ系５１６に反射される。「オン」状態にある反射素子１０２において反射される光は、少なくとも部分的に、又は概ねで水平に偏光され（又は全体として水平に偏光され）、その水平偏光に関連付けられる光は、複屈折層６０４によって反射され、光路に戻されるので、画像５１８を形成するためには用いられない。

図６及び図７において示される実施形態は、プリズム６０８及び７０２が異なる。プリズム６０８は直線状のダハプリズムであり、プリズム７０２は「プロロ（proro）」プリズムである。

その電気光学フィルタは、たとえば、双眼鏡、望遠鏡、スチールカメラ、ビデオカメラ、写真複写機、顕微鏡及び暗視デバイスを含む、広範なデバイスのために用いることができるか、又はそれらのデバイスに組み込むことができるか、又はそれらのデバイスに組み込んで、それらのデバイスを改良することができる。たとえば、そのフィルタは、カメラのレンズと、カメラの記録媒体との間に配置することができる。

米国特許第５，９５３，０８２号を参照することは、米国特許第５，９５３，０８２号がオーストラリア又は他のどんな国においても周知の事実の一部であることを認めるものではない。

本発明は特定の例を参照しながら説明されてきたが、本発明が数多くの他の形態において具現できることは当業者には理解されよう。たとえば、そのフィルタは、液晶材料及び複屈折ビームスプリッタを含まないこともあり、代替的に、受光した光の強度に応じた反射率を有する、別のタイプの反射素子を含むこともある。

本発明の一実施形態による反射素子のマトリックスの平面図である。 本発明の一実施形態による反射素子の断面図である。 本発明の一実施形態による反射素子の平面図である。 本発明の一実施形態による反射素子の回路図である。 本発明の一実施形態による電気光学フィルタの図である。 本発明の別の実施形態による電気光学フィルタの図である。 本発明のさらなる実施形態による電気光学フィルタの図である。

Claims (18)

1. 物体からの光をフィルタリングする電気光学フィルタであって、
   前記電気光学フィルタは、
   第１の撮像素子を介して前記光を受光するように構成され、
   前記光を受光すると共に反射するための複数の反射素子を備えており、
   前記複数の反射素子はそれぞれ、前記反射素子における光、又は前記反射素子の近くにある光の強度に依存する光学特性を有し、
   前記光学特性は、前記光強度の局所的なフィルタリングを制御して、所定の強度しきい値より高いときに、前記電気光学フィルタによって、前記物体の明るい領域及び暗い領域から発する光の強度差が低減されるようにするものである、電気光学フィルタ。
2. 前記反射素子はそれぞれ、前記反射素子において、又は前記反射素子の近くで検出される光に応じて、前記光の偏光が回転するように構成される、請求項１に記載の電気光学フィルタ。
3. 前記反射素子の少なくとも１つのマトリックスを含む、請求項１又は２に記載の電気光学フィルタ。
4. 前記反射素子の２つのマトリックスを含む、請求項１〜３のいずれか一項に記載の電気光学フィルタ。
5. 前記マトリックスのそれぞれは、
   それぞれの導電率を示すことによって使用時に局所的な光強度を検出する光学素子を含む、請求項３又は４に記載の電気光学フィルタ。
6. 前記光学素子はフォトダイオードである、請求項５に記載の電気光学フィルタ。
7. 前記各反射素子は液晶材料を含む、請求項１〜６のいずれか一項に記載の電気光学フィルタ。
8. 前記液晶材料は、金属表面及び金属コーティングを用いて前記液晶材料に電界をかけることができるように、前記金属反射表面と前記透明導電性コーティングとの間に配置される、請求項７に記載の電気光学フィルタ。
9. 前記反射素子の前記マトリックスのそれぞれはシリコン基板を含む、請求項３又は４に従属する請求項５〜８のいずれか一項に記載の電気光学フィルタ。
10. 前記反射素子の前記マトリックスのそれぞれは液晶オンシリコン（ＬＣｏＳ）デバイスである、請求項９に記載の電気光学フィルタ。
11. 前記第１の撮像素子から光を受光すると共に前記受光した光を２つの直交する偏光状態を有する光に分割するように構成される複屈折ビームスプリッタを備える、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の電気光学フィルタ。
12. 前記反射素子はそれぞれ、前記フォトダイオードのそれぞれによって検出される前記光強度が電圧を制御し、前記電圧が前記液晶のそれぞれの光学活性を制御するように構成される、請求項６に従属する請求項７に記載の電気光学フィルタ。
13. 前記液晶はそれぞれ、前記液晶に印加される前記電圧がしきい値電圧よりも大きいか、又は小さいときに、前記液晶が０度〜９０度の角度だけ反射される偏光を回転させるように構成される、請求項１２に記載の電気光学フィルタ。
14. 複屈折ビームスプリッタを備え、
    ９０度だけ回転した偏光を有する概ね全ての反射された光を、画像を形成するために用いることができるように誘導するように構成されると共に、９０度よりも小さな角度だけ回転した偏光を有する光の少なくとも一部を、前記画像を形成するために用いられないように誘導するように構成される、請求項１３に記載の電気光学フィルタ。
15. 前記反射素子はそれぞれ、反射表面の下にある領域内に埋め込まれる電子部品を含む、請求項１〜１４のいずれか一項に記載の電気光学フィルタ。
16. 前記反射素子の少なくとも１つのマトリックスを含み、
    前記反射素子の前記マトリックスのそれぞれは、シリコン基板上に形成される集積デバイスである、請求項１〜１５のいずれか一項に記載の電気光学フィルタ。
17. 請求項１〜１６のいずれか一項に記載の電気光学フィルタを備える、視認デバイス又は画像収集デバイス。
18. 物体からの光をフィルタリングする方法であって、
    第１の撮像素子を介して、複数の反射素子によって前記光を受光することを含み、
    前記複数の反射素子はそれぞれ、前記反射素子における光、又は前記反射素子の近くにある光の強度に依存する光学特性を有しており、
    さらに、前記方法は、
    前記反射素子のそれぞれにおいて、又は前記反射素子のそれぞれの近くにおいて光強度を検出することと、
    所定の光強度しきい値より高いときに、フィルタが前記物体の明るい領域及び暗い領域から発する光の強度差を低減するように、前記各反射素子の光学特性を制御することと
    を含む、物体からの光をフィルタリングする方法。

Images