JP2009157043A - 撮像装置及びそれを有する撮像機器 - Google Patents

Abstract

【課題】 撮影画像の解像を損なうことが少なく、合焦時間が短い焦点検出機能を有する撮像装置及びそれを有する撮像機器を提案する。
【解決手段】 撮影レンズ１が装着可能な撮像装置において、撮像素子４と偏光部材を有し、撮像素子４は、２次元に配列された複数の画素を有し、複数の画素によって、複数の画素集合が形成され、それぞれの前記画素集合における前記各画素は離散的に配置され、前記偏光部材は、偏光方向が互いに異なる複数の領域を有し、それぞれの画素集合は、偏光部材３により所定の偏光方向に偏光されたそれぞれの光束を受光するように構成され、複数の画素集合のうち、少なくとも２つの画素集合からの出力を比較することで撮影レンズ１のフォーカス量を算出でき、全体の画素情報から画像形成を行うことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、撮像装置及びそれを有する撮像機器に関し、特に、焦点検出機能を持つ撮像装置及びそれを有する撮像機器に関するものである。

電子撮像素子を用いるカメラ（いわゆるデジタルカメラ）の焦点検出システムは、主に次の２種類がある。
（１）いわゆるコンパクトデジタルカメラに用いられるコントラスト方式。
（２）一眼レフカメラに用いられる位相差方式。

しかしながら、（１）の方式では、フォーカシング状態を変えながらコントラスト値を評価するいわゆる山登り方式をとるため合焦させるのに時間がかかる。また、（２）の方式は、一回の測定でディフォーカス量を求めることができ合焦時間は短いが、専用のＡＦ光学系と光路切り替え手段が必要となりシステム全体が大きくなる。

また、撮像素子そのものに位相差ＡＦ機構を持たせた提案がある（特許文献１乃至３参照）。

また、特許文献４及び特許文献５では、画素毎に異なる偏光方向の光束を受光する撮像素子に関する構成が提案されている。

さらに、特許文献６では、オンチップレンズを屈折率分布型レンズで構成することが提案されている。
特開２００２−７６３１７号公報 特開２００２−３１４０６２号公報 特開２００４−１７２２７３号公報 特開２００３−３１５５２号公報 国際公開番号ＷＯ２００４／００８１９６号公報 特開２００６−３５１９７２号公報

しかしながら、従来の焦点検出システムは、隣り合う２つの画素が１つのオンチップレンズと対応する構成である。そのため、画像の解像が低下するという問題がある。また、オンチップレンズのレイアウトの制限から瞳分割が効率よくできないという問題点があった。

本発明は従来技術のこれらの問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、撮影画像の解像を損なうことが少なく、合焦時間が短い焦点検出機能を有する撮像装置及びそれを有する撮像機器を提案するものである。

上記目的を達成する本発明の撮像装置は、撮影レンズが装着可能な撮像装置において、撮像素子と偏光部材を有し、前記撮像素子は、２次元に配列された複数の画素を有し、前記複数の画素によって、複数の画素集合が形成され、それぞれの前記画素集合における前記各画素は離散的に配置され、前記偏光部材は、偏光方向が互いに異なる複数の領域を有し、それぞれの前記画素集合は、前記偏光部材により所定の偏光方向に偏光されたそれぞれの光束を受光するように構成され、前記複数の画素集合のうち、少なくとも２つの画素集合からの出力を比較することで前記撮影レンズのフォーカス量を算出でき、全体の画素情報から画像形成を行うことを特徴とする。

また、それぞれの前記画素集合は、所定の仮想位置における所定の領域からの光束を受光するように構成され、前記偏光部材は、前記所定の仮想位置に配置された第１の偏光素子を有し、該第１の偏光素子は、偏光方向が互いに異なる第１領域と第２領域を少なくとも有することを特徴とする。

また、前記偏光部材は、前記撮像素子の近傍に配置された第２の偏光素子を有し、該第２の偏光素子は、基板と、該基板の面上に形成された多層構造を有し、該多層構造体は、２種以上の透明材料を交互に積層して構成され、前記第２の偏光素子は、前記基板面をｘｙ面としたとき、ｘｙ面内において少なくとも第３領域と第４領域を有し、前記第３領域における多層構造体は、第１の方向に繰り返される凹凸形状を有し、前記第４領域における多層構造体は、第１の方向と異なる第２の方向に繰り返される凹凸形状を有していることを特徴とする。

また、合焦時、前記複数の画素集合は、ほぼ同一の被写体領域の画素情報を取得できるように配置されていることを特徴とする。

また、前記第１領域と前記第２領域は、前記撮影レンズの中心軸に対して対称であることを特徴とする。

また、前記第３領域と前記第４領域は交互に位置し、前記第３領域と前記第４領域の各々は、前記各画素と一対一で対応していることを特徴とする。

また、１組の前記画素集合は同色のカラーフィルタを有していることを特徴とする。

また、前記カラーフィルタは、原色フィルタ方式であり、前記第３領域と前記第４領域各は、互いに波長特性が異なることを特徴とする。

また、前記カラーフィルタの色は、少なくとも３つの色のいずれか１色であり、前記第３領域と前記第４領域の各々は、前記少なくとも３つの色の前記カラーフィルタ含む広さを有していることを特徴とする。

以上の本発明によると、撮影画像の解像を損なうことが少なく、合焦時間が短い焦点検出機能を有する撮像装置を得ることができる。また、撮像素子の出力からディフォーカス量の検出と撮影がほぼ同時にできる撮像装置を得ることができる。

図１は、本発明の撮像装置、この撮像装置を用いて焦点検出を行う方法の概念を示す図である。図１において、撮像装置１００は、本体部１０１と、装着部１０２と、撮像素子４を備えている。装着部１０２は、本体部１０１に設けられていて、撮影レンズ１が装着可能となっている。撮像装置１００に撮影レンズ１を装着することで、撮像機器を構成する。以下、撮影レンズ１を撮像装置１００に装着した状態で説明を行なう。

本実施形態の撮像装置では、撮像素子４は、２次元に配列された複数の受光素子（画素）を有している。そして、これら複数の受光素子（画素）によって、複数の受光素子群（画素集合）が形成されている。また、それぞれの受光素子群（画素集合）における各受光素子（画素）は離散的に配置されている。

また、本実施形態の撮像装置では、偏光部材を有している。この偏光部材は、偏光方向が互いに異なる複数の領域を有している。また、この偏光部材は、撮像素子４よりも物体側に位置している。よって、撮像素子４に向かう光束は、この偏光部材により所定の偏光方向に偏光された光束となる。それぞれの受光素子群（画素集合）は、この偏光された光束を受光するように構成されている。

本実施形態の撮像装置では、複数の受光素子群として、第１の受光素子群（以下、第１画素集合４Ａと称する。）と、第２の受光素子群（以下、第２画素集合４Ｂと称する。）を有する。よって、撮像素子４の画素は第１画素集合４Ａと、第２画素集合４Ｂから構成されていることになる。なお、以下の説明では、受光素子を画素と称する。

図１（ａ）は、開口絞り２を通過した光束のうち、画素に入射する光束群のみを示している。被写体の各点（以下物点とする。）からの光束群は撮影レンズ１に入射し、撮影レンズ１の光路上にある開口絞り２を通過する。

ここで、被写体の第１の物点群からの光束群は、いずれも開口絞り２に入射する。ただし、図１（ａ）に示すように、開口絞り２の近傍には、偏光部材として第１の偏光素子３が配置されている。この第１の偏光素子３について、以下説明する。

第１画素集合４Ａと第２画素集合４Ｂは、それぞれ、所定の仮想位置における所定の領域からの光束を受光するように構成されている。この所定の仮想位置は、例えば、撮影レンズ１を装着したときの開口絞り２の位置である。この所定の仮想位置に、偏光部材として第１の偏光素子３が配置されている。そして、図２に示すように、第１の偏光素子３は、偏光方向が互いに異なる第１領域（第１偏光領域）３Ａと第２領域（第２偏光領域）３Ｂを少なくとも有している。第１偏光領域３Ａは紙面に対して垂直方向の偏光成分のみを透過し、第２偏光領域３Ｂは紙面の平行方向の偏光成分のみを透過する。

上記の構成において、第１の物点群からの光束群は、開口絞り２を通過する。開口絞り２を通過した光束群は、第１の偏光素子３に入射する。ここで、第１の偏光素子３の第１偏光領域３Ａでは、紙面に対して垂直方向の偏光成分のみの光を透過する。そして、図１（ａ）の実線で示すように、第１偏光領域３Ａを通過した光束群のみが、撮像素子４の第１画素集合４Ａで受光される。なお、第２偏光領域３Ｂを通過した光束群も、第１画素集合４Ａに到達するが、第１画素集合４Ａで受光されないようになっている。

また、被写体の第２の物点群からの光束群は、いずれも開口絞り２に入射する。開口絞り２を通過した光束群は、第１の偏光素子３に入射する。ここで、第１の偏光素子３の第２偏光領域３Ｂでは、紙面に平行な偏光成分のみの光を透過する。そして、図１（ａ）の破線で示すように、第２偏光領域３Ｂを通過した光束群のみが、撮像素子４の第２画素集合４Ｂで受光される。なお、第１偏光領域３Ａを通過した光束群も、第２画素集合４Ｂに到達するが、第２画素集合４Ｂで受光されないようになっている。

上記のように、第１画素集合４Ａの画素は紙面に対して垂直方向の偏光成分のみを受光し、第２画素集合４Ｂの画素は紙面に対して平行方向の偏光成分のみを受光する。

図１（ｂ）に示すように、第１画素集合４Ａは、画素４Ａ−１、４Ａ−２、・・・４Ａ−ｉ、４Ａ−（ｉ＋１）、・・・４Ａ−（ｎ）で構成されている。また、第２画素集合４Ｂは、画素４Ｂ−１、４Ｂ−２、・・・４Ｂ−ｉ、４Ｂ−（ｉ＋１）、・・・４Ｂ−（ｎ）で構成されている。この第１画素集合４Ａの画素と第２画素集合４Ｂの画素は、それぞれ隣り合うように配されることが望ましい。

なお、図３のように撮像素子４の画素を２次元に配列し、離散的に配置される画素集合ＡとＢを千鳥状に配置するのが好ましい。このようにすると、両集合の画像情報の相似性が高まる。なお、図中、白抜きの画素は第１画素集合４Ａ、ハッチングの画素は第２画素集合４Ｂである。

ここで、画素４Ａ−１と画素４Ｂ−１には異なる物点からの光束が入射する。そこで、例えば、画素集合４Ａの画素と画素集合４Ｂの画素を小さくすれば、隣り合う画素の間隔が狭くなる。これは、画素４Ａ−１に対応する物点と画素４Ｂ−１に対応する物点が非常に近接するということになる、その結果、画素４Ａ−１と画素４Ｂ−１に入射する光束は、ほぼ同じ物点からの光束とみなすことができる。そこで、２つの第１画素集合４Ａ及び第２画素集合４Ｂからの出力を比較することで、撮影レンズ１のフォーカス量を算出することができる。

上述のように、画素数が十分多ければ、第１画素集合４Ａと第２画素集合４Ｂにおいて、同様の強度分布を得ることができる。よって、これを利用して位相差ＡＦを行うことができる。この時、画面全体でのディフォーカス量を検出できるので、被写体の３次元情報を取得することができる。

また、全体の画素情報から画像形成を行うことができる。例えば、第１画素集合４Ａと第２画素集合４Ｂの何れか一方の出力から画像形成すると、実質的にＦナンバーが大きくなる。よって、この場合は被写界深度の深い画像が得られる。また、第１画素集合４Ａと第２画素集合４Ｂを合わせて画像形成すると、合焦領域以外のボケ量を大きくした画像が得られる。

このような構成において、第１画素集合４Ａ及び第２画素集合４Ｂの画像情報の位相差を算出することで、ディフォーカス量の算出ができる。また、撮影時の解像度は第１画素集合４Ａ及び第２画素集合４Ｂを含めた画素数で決定することができ 高い解像の撮影が可能となる。なお、被写体が暗いときは、第１画素集合４Ａ及び第２画素集合４Ｂを含めた画素に対して画素加算を行うことで、ノイズの少ない撮影を行うことも可能である。

また、第１偏光領域３Ａ及び第２偏光領域３Ｂの位置は、自由に設定できる。また、位置と独立して領域の大きさ、すなわち入射ＮＡを自由に設定できる。第１偏光領域３Ａ及び第２偏光領域３Ｂの位置は測距精度、入射ＮＡは画像の明るさに寄与する。よって、これらを適宜設計することで測距精度と良質な画素形成を両立できる。

なお、第１の偏光素子３、すなわち第１偏光領域３Ａ及び第２偏光領域３Ｂは、撮影レンズ１の開口絞り２近傍にあるのが好ましい。ただし、開口絞り２の位置は撮影レンズによって異なる。よって、撮影レンズ１が別の撮影レンズ１に交換されると、交換前の撮影レンズ１と交換後の撮影レンズ１の偏光部材３の位置が異なる。よって、別の撮影レンズ１では、第１偏光領域３Ａ及び第２偏光領域３Ｂの位置（光軸方向の位置）は、交換前の撮影レンズ１における開口絞り２近傍の位置と一致しないこともある。このような現象は、フォーカシングやズームにより射出瞳が移動することによっても生じる。したがって、このような点も考慮し、偏光部材３、すなわち第１偏光領域３Ａ及び第２偏光領域３Ｂの位置は、開口絞り２の位置と必ずしも一致していなくても良い。

本実施形態の撮像装置におけるオートフォーカスは、従来のコントラスト方式に比べて、合焦までの時間を短くすることができる。また、クイックリターンミラーが無い場合は、より、合焦までの時間を短くすることができる。

また、合焦時、第１画素集合４Ａ及び第２画素集合４Ｂは、ほぼ同一の被写体領域の画素情報を取得できるように配置されているのが好ましい。このようにすると、ほぼ同じ物点からの位相差情報を使うことができるので、位相差ＡＦのシステムにおける合焦精度を高く（確実に）することができる。この被写体領域が広ければ、容易にＡＦ可能な領域を広げることができる。

なお、周辺部においては、第１偏光領域３Ａ及び第２偏光領域３Ｂと撮像レンズ１の瞳位置との整合性が悪い。このような状態では、第１偏光領域３Ａ及び第２偏光領域３Ｂの位置と撮像レンズ１の瞳位置が一致しないことがある。このような状態では、片側の瞳情報が欠落する、すなわち、第１偏光領域３Ａ又は第２偏光領域３Ｂの光束が受光素子に到達しないことが生じる。このような場合は、コントラスト方式を併用しても良い。

また、第１偏光領域３Ａと第２偏光領域３Ｂは、撮影レンズ１の中心軸に対して対称であることが好ましい。

なお、第１の偏光素子３としては、偏光フィルムを用いることができる。偏光フィルムについては、公知のものを適用しても良い。

本実施形態の撮像装置では、上記の第１の偏光素子３に加えて、偏光部材として更に第２の偏光素子を有する。この第２の偏光素子としては、例えば、偏光素子アレイ１４２がある。以下、偏光素子アレイ１４２を使って説明する。

図４乃至図７に、偏光子４２及び偏光子アレイ１４２の一例を示す。図４は、国際公開２００４／００８１９６号において提案されている内容である。

図４においては、光軸方向をｚとする直交座標系ｘｙｚを用いて説明する。図４に示すように、１つの偏光子４２は、ガラス基板４２ａと、ガラス基板４２ａの面上に形成された多層構造体（４２ｂ、４２ｃ）を有する。ガラス基板４２ａの面はｘｙ面に平行な面となっている。この面上に多層構造体が形成されている。多層構造体は、２種以上の透明材料をｚ方向に交互に積層して構成されている。

ガラス基板４２ａは、周期的な溝列を形成した構造となっている。ここでは、ｚ方向に沿う断面形状が矩形状になっている。そして、このガラス基板４２ａ上に、透明で高屈折率の媒質４２ｂと低屈折率の媒質４２ｃが、交互に積層されている。高屈折率の媒質４２ｂの層と低屈折率の媒質４２ｃの層は、ｚ方向に沿う断面形状が鋸歯状となっている。高屈折率の媒質４２ｂと低屈折率の媒質４２ｃの各層は、界面における形状（鋸歯形状）を保存しながら積層されている。各層において、ｘ方向とｚ方向に周期性があるが、ｙ方向は一様であってもよい。なお、ｙ方向は、ｘ軸方向より大きい長さの周期的または非周期的な構造を有していてもよい。このような構造を有する偏光子４２は、フォトニック結晶からなる偏光素子ということができる。

次に、偏光子４２の作用について説明する。偏光子４２にｚ方向（多層構造体側）から無偏波光または楕円偏光を入射したとする。すると、ＴＥモードまたはＴＭモードの光がそれぞれ、多層構造体の内部に励起される。ここで、ＴＥモードまたはＴＭモードの光は、溝列と平行な偏波即ちｙ偏波と、それに直交するｘ偏波とに対して生じる。

図５は伝搬特性を表わすバンド図である。図５では、高屈折率の媒質４２ｂをＳｉ、低屈折率の媒質材料４２ｃをＳｉＯ₂とした場合である。横軸は伝搬定数を表わし、ｚ方向に１周期伝搬するときの位相変化量をπで規格化した値と一致する。縦軸はｚ方向の周期で規格化した波長の逆数を示す。入射する光の周波数が、バンドギャップの中にあれば、そのモードは多層構造体の中で伝搬することができず、入射光は反射または回折される。一方、光の周波数がエネルギーバンド内にあれば、多層構造体の中を光は透過する。

図５によると、（１）ＴＥモードがバンドギャップ内にあり、ＴＭモードがエネルギーバンド内に存在する周波数領域５１ 、（２）ＴＥモードがエネルギーバンド内にあり、ＴＭモードがバンドギャップ内に存在する周波数領域５２、（３）両方のモードがエネルギーバンド内にある周波数領域５３がある。周波数領域５１と５２の周波数帯では、反射型の偏光子もしくは偏光分離素子として動作し、周波数領域５３の場合は波長板として動作する。

フォトニック結晶からなる偏光子や波長板は、構成する材料の屈折率、充填率、溝列の周期Ｌｘ、積層方向の周期Ｌｚを調整することで、動作波長域を自由に設定することができる。低屈折率媒質としてはＳｉＯ₂を主成分とする材料が最も一般的である。低屈折率媒質として上記の材料を用いた場合、透明波長領域が広く、化学的、熱的、機械的にも安定であり、成膜も容易に行なえる。しかしながら、低屈折率媒質としてその他の光学ガラスを用いてもよい。また、ＭｇＦ₂のようにより屈折率の低い材料を用いてもよい。高屈折率材料としては、Ｓｉ、Ｇｅなどの半導体や、Ｔａ₂Ｏ₅、ＴｉＯ₂、Ｎｂ₂Ｏ₅、ＨｆＯ、Ｓｉ₃Ｎ₄などの酸化物や窒化物が使用できる。このような材料を高屈折率材料として用いれば、透明波長範囲が広く、可視光領域でも使用できる。

作製方法は、まず、図４に示すように、石英ガラス基板上に電子ビームリソグラフィとドライエッチングにより周期的な溝を形成する。この基板上に、ＳｉＯ₂およびＳｉのターゲットを用い、バイアス・スパッタリング法（ あるいはスパッタ成膜とスパッタエッチングを組み合わせたプロセス） により、ＳｉＯ₂層とＳｉ層を交互に積層する。そのとき、各層のｘ軸方向に周期的な凹凸の形状を保存しながら成膜を行なうことが肝要である。これは、日本特許公報第３３２５８２５に示されている自己クローニング技術と呼ばれており、再現性、均一性が高く、工業的に微細な周期構造（フォトニック結晶）を作製する優れた手法である。

図４の多層構造体が偏光子４２として動作するのは、図５における５１と５２の周波数領域である。本実勢形態における偏光子４２の特長としては、透過光の消光比が高い、薄型軽量、任意の基板に形成可能、などが挙げられる。これまで行なった数値シミュレーションと実験により、本実勢形態における偏光子４２特に高周波数側の５１の領域を利用したものとなっている。本実勢形態における偏光子４２では、高い消光比５０ｄＢを少ない積層数１０周期で実現している。

また、図４のような多層構造体において、材料、周期構造の単位セルの形あるは周期を選ぶことによって、波長領域５３を利用する波長板を実現できる。溝に平行な偏光であるＴＥ波も、溝に垂直なＴＭ波も伝搬するが、その伝搬定数が異なるために、位相差をもつ。高周波数側で設計する場合、一周期あたりの位相差が大きいため、少ない周期で所望の位相差を実現できること、面内の周期が比較的大きいので、短波長で使う場合でも加工精度が厳しくならない、という利点がある。一方、低周波数側で設計する場合は、より高精度の位相差制御を行なうのに適している。動作させる波長帯、求められる特性などから設計することが重要である。

上述した偏光子４２（位相板）の開口面積や方位は、はじめに基板に加工する溝パターンの大きさや方向で自由に設計することができる。パターン形成は、電子ビームリソグラフィ、フォトリソグラフィ、干渉露光法、ナノプリンティングなど様々な方法で行なうことができる。いずれの場合でも、微小領域（偏光子や位相板）ごとに溝の方向を高精度に定めることができる。そのため、方位の異なる微小偏光子あるいは微小位相板をアレイ状に形成することが可能となる。また、凹凸パターンを持つ特定の領域のみが偏光子や位相板の動作をするため、その周辺の領域を平坦あるいは、面内で等方的な凹凸パターンにしておけば偏波依存性のない媒質として光は透過する。従って、特定の領域にのみ偏光子や位相板を作りこむことができる。

さらに、図４の構造体は、面内の凹凸パターンの周期を変えることにより、積層の周期が一定であっても、伝搬特性を異ならせることができる。従って、領域毎に面内の周期を変えることでも、光軸や波長特性の異なる偏波制御素子（偏光子や波長板）のアレイを作製することができる。

図６に示す偏光子アレイ１４２を説明する。個々の偏光子４２は図４の構造を有する。すなわち、個々の偏光子４２は、高屈折率材料 と低屈折率材料からなる多層構造体を有する。偏光子アレイ１４２では、ｘｙ面内は少なくとも２つの領域（第３領域１４２Ａと第４領域１４２Ｂ）に分かれている。図６では、１つの第３領域１４２Ａに、１つの偏光子４２が対応している。同様に、１つの第４領域１４２Ｂに、１つの偏光子４２が対応している。なお、ガラス基板は、第３領域１４２Ａと第４領域１４２Ｂで共通（すなわち１枚）であっても、そうでなくても良い。通常は、１枚のガラス基板上に、第３領域１４２Ａと第４領域１４２Ｂが形成されている。

ここで、第３領域１４２Ａにおける多層構造体は、第１の方向に繰り返される凹凸形状を有している。また、第４領域１４２Ｂにおける多層構造体は、第１の方向と異なる第２の方向に繰り返される凹凸形状を有している。図６では、第３領域１４２Ａの溝の方向はｘ軸に対して０°（平行）の方向であり、第４領域１４２Ｂの溝の方向はｘ軸に対して９０°（直交）の方向となっている。個々の偏光子４２は、ｘｙ面に垂直もしくは斜め方向から入射される光に対して、各領域の凹凸形状に平行または垂直方向の偏波成分だけを透過させる。

尚、材料の選定や構造パラメータの選定には自由度がある。例えば、高屈折率材料としては、Ｓｉ、Ｔａ₂Ｏ₅、ＴｉＯ₂、Ｎｂ₂Ｏ₅でもよく、低屈折率としてはＳｉＯ₂、パイレックスガラス、ＭｇＦ₂、その他光学ガラスでもよい。また、膜厚比、面内周期、積層周期、斜面の角度等のパラメータに対して、各偏波の分散関係は依存する。すなわち、これらのパラメータを変えることで、偏光子４２として動作する波長帯が変化する。従って、可視・紫外から赤外までの任意の波長帯に対して設計、作製できる。

図７は偏光子アレイ１４２と受光素子アレイ１４４を組み合わせた様子を示している。偏光子アレイ１４２は受光素子アレイ１４４の近傍に位置していても、受光素子アレイ１４４と密着していても良い。図７では、偏光子アレイ１４２における各々の偏光子４２が、受光素子アレイ１４４における各々の受光素子４４と一対一に対応している。

第３領域１４２Ａにおける偏光子４２（縦線でハッチングされた偏光子４２）では、溝の方向がｘ軸に対して０°の方向になっている。受光素子アレイ１４４のうちの幾つかの受光素子は、この第３領域１４２Ａと一対一に対応している。これらの受光素子４４が第１画素集合１４４Ａを形成している。一方、偏光子４２が第４領域１４２Ｂにおける偏光子４２（斜線でハッチングされた偏光子４２）では、溝の方向がｘ軸に対して９０°の方向になっている。受光素子アレイ１４４のうちの幾つかの受光素子は、この第２領域１４２Ｂと一対一に対応している。これらの受光素子４４が第２画素集合１４４Ｂを形成している。このようにして、撮像素子４における第１画素集合４Ａ及び第２画素集合４Ｂの区分けが行なわれている。そして、このような構成により、受光素子アレイ１４４は、それぞれの領域を透過した光を独立に受光することができる。

第１の偏光素子３と第２の偏光素子（偏光子アレイ１４２）の関係について説明しておく。第１の偏光素子３は、第１偏光領域３Ａと第２偏光領域３Ｂを有している。一方、第２の偏光素子は第３領域１４２Ａと第４領域１４２Ｂを有している。ここで、第１の偏光素子３と第２の偏光素子は、（１）第１偏光領域３Ａの偏光方向と、第３領域１４２Ａにおける溝の方向が一致し、（２）第２偏光領域３Ｂの偏光方向と第４領域１４２Ｂにおける溝の方向が一致するように構成されている。

次に、第１の偏光素子３と第２の偏光素子（偏光子アレイ１４２）における作用について説明する。被写体の点Ａは、撮影レンズ１によって撮像素子４上に結像する。ここでは、点Ａは第１画素集合４Ａのうちの１画素上に結像する。また、別の点Ｂからの光も、撮影レンズ１によって撮像素子４上に結像する。ここでは、点Ｂは第２画素集合４Ｂのうちの１画素上に結像するものとする。

点Ａからの光は、第１の偏光素子３に入射する。第１の偏光素子３を通過した光、すなわち、第１偏光領域３Ａを通過した光束と第２偏光領域３Ｂを通過した光束は、共に第２の偏光素子は第３領域１４２Ａに入射する。このとき、第１偏光領域３Ａを通過した光束の偏光方向と、第３領域１４２Ａにおける溝の方向は一致している。そのため、第１偏光領域３Ａを通過した光束は第３領域１４２Ａを通過して、第１画素集合４Ａの１画素に入射する。

一方、第２偏光領域３Ｂを通過した光束の偏光方向と、第３領域１４２Ａにおける溝の方向は一致していない（直交している）。そのため、第２偏光領域３Ｂを通過した光束は、第３領域１４２Ａを通過することができない。すなわち、第２偏光領域３Ｂを通過した光束は、第１画素集合４Ａの１画素に入射することがない。

また、別の１点からの光も、第１の偏光素子３に入射する。第１の偏光素子３を通過した光、すなわち、第１偏光領域３Ａを通過した光束と第２偏光領域３Ｂを通過した光束は、共に第２の偏光素子は第３領域１４２Ａに入射する。このとき、第１偏光領域３Ａを通過した光束の偏光方向と、第４領域１４２Ｂにおける溝の方向は一致していない（直交している）。そのため、第１偏光領域３Ａを通過した光束は、第４領域１４２Ｂを通過することができない。すなわち、第１偏光領域３Ａを通過した光束は、第２画素集合４Ｂの１画素に入射することがない。

一方、第２偏光領域３Ｂを通過した光束の偏光方向と、第４領域１４２Ｂにおける溝の方向は一致している。そのため、第２偏光領域３Ｂを通過した光束は第４領域１４２Ｂを通過して、第２画素集合４Ｂの１画素に入射する。

図８は、別の偏光子アレイ２４２を示したものある。この偏光子アレイ２４２は、カラー撮像素子２４０に対して好適なものである。カラー撮像素子２４０はカラーフィルタ部を有している。

また、カラーフィルタ部のカラーフィルタは、特に補色系でなく、原色系が好ましい。カラーフィルタとしては、例えば、Ｒ（赤）フィルタ、Ｇ(緑)フィルタ、Ｂ(青)フィルタがある。原色系の場合、補色系に対して各色の受光範囲が狭く、各画素に対応した波長特性の異なる偏光子が構成しやすい。そして、カラーフィルタ部の各カラーフィルタは、カラー撮像素子２４０の各画素と一対一に対応している。ここでは、４つの画素のうち、左上の画素にＲフィルタが、右上の画素と左下の画素にＧフィルタが、右下の画素にＢフィルタが対応している。

そして、偏光子アレイ２４２では、１塊の画素（４つの画素）に対して、第３領域２４２Ａまたは第４領域２４２Ｂが対応するように構成されている。すなわち、第３領域２４２Ａと第４領域２４２Ｂの各々は、少なくとも３つの色のカラーフィルタ含む広さを有していることになる。また、この１塊の画素には、同じ領域（第１偏光領域３Ａ、または第２偏光領域３Ｂ）からの光束を入射させるようにする。即ち、同じ偏光方向の光束を受光させるように、偏光子アレイ２４２は構成されている。また、第１領域２４２Ａと第２領域２４２Ｂは、千鳥状に配置されている。このようにすることで、第１画素集合２４４Ａと第２画素集合２４４Ｂの相似性を確保しやすくなる。なお、図中、横線ハッチングの画素は第１画素集合２４４Ａ、縦線ハッチングの画素は第２画素集合２４４Ｂである。

第１画素集合２４４Ａと第２画素集合２４４Ｂが同色のカラーフィルタを有していれば、相関演算をする場合に色収差や光量の影響を受けにくくなる。また、受光波長特性を狭くすることで、偏光子の構成が容易になり、カラー画像の出力が可能となる。

図９は、図８で使われるカラー撮像素子２４０の一例を示す。図９では、カラー撮像素子２４０をオンチップレンズ層２４１、偏光子アレイ層２４２、カラーフィルタ層２４３、受光素子アレイ層２４４に分けて図示している。

オンチップレンズ層２４１は、図面を簡易にするため、レンズ構造を省略している。実際には、撮影レンズ１からの光束を効率的に撮像素子２４０に導くように構成されるのが望ましい。

偏光子アレイ２４２は、第１画素集合２４４Ａと第２画素集合２４４Ｂに対応する偏光子４２を有する。偏光子４２の構造は、図６に示した構造であることが望ましい。図９に示した偏光子アレイ２４２においても、第３領域２４２Ａと第４領域２４２Ｂにおける溝の方向はそれぞれ９０度異なる。さらに、し、それぞれの偏光子４２は、対応する受光特性に対して効率の良い特性を得るようにするのが良い。そのために、各偏光子において、膜厚比、面内周期、積層周期、斜面の角度等を適宜調整するのが望ましい。

尚、図中細線の方向は透過偏光方向を示している。また、Ｒ，Ｇ，Ｂは、第３領域２４２Ａと第４領域２４２Ｂのそれぞれにおける、偏光子４２の波長特性を示している。例えば、第３領域２４２Ａのうち、Ｒが付与されている偏光子４２は、Ｒフィルタの波長特性に合わせた波長特性を持つことを示している。

カラーフィルタ層２４３はＲＧＢのカラーフィルタ４３で構成されている。カラーフィルタ層２４３の各カラーフィルタは、偏光子アレイ２４２の偏光子４２と一対一で対応している。また、受光素子アレイ２４４は、複数の受光素子４４で構成されている。受光素子アレイ２４４の各受光素子４４は、カラーフィルタ層２４３の各カラーフィルタと一対一で対応している。よって、受講素子４４は。それぞれの色領域に対応するカラーフィルタ４３を透過した光を独立に受光することができる。

なお、所謂白黒の撮像素子より効率のよい瞳分割ができ好ましい。また、画像形成に関しては、公知のデモザイキングによる画像形成も可能である。又、周辺画像においてビネッティングにより何れかの領域の瞳がけられている場合、けられることでの光量損失を補正してから画像形成をおこなっても良い。尚、カラーフィルタ層と偏光子アレイ層の順番はこれに限る必要はないし、カラーフィルタ機能と偏光子アレイ機能を一体にフォトニック結晶で構成しても良い。

本発明の撮像装置の概念図である。 偏光部材を示した図である。 撮像素子を千鳥状に配置した図である。 撮像素子における偏光子を示す図である。 高屈折率材料をＳｉ、低屈折率材料をＳｉＯ₂とした場合の、伝搬特性を表わすバンド図である。 撮像素子における偏光子アレイの一例を示す図である。 図６の偏光子アレイと受光素子アレイを組み合わせた図である。 カラー撮像素子における偏光子アレイの一例を示す図である。 図８の偏光子アレイを用いたカラー撮像素子の一例を示す図である。

符号の説明

１…撮影レンズ
２…開口絞り（射出瞳）
３…偏光部材
４…撮像素子
１００…撮像装置
１０１…本体部
１０２…装着部

Claims (10)

1. 撮影レンズが装着可能な撮像装置において、撮像素子と偏光部材を有し、
   前記撮像素子は、２次元に配列された複数の画素を有し、
   前記複数の画素によって、複数の画素集合が形成され、
   それぞれの前記画素集合における前記各画素は離散的に配置され、
   前記偏光部材は、偏光方向が互いに異なる複数の領域を有し、
   それぞれの前記画素集合は、前記偏光部材により所定の偏光方向に偏光されたそれぞれの光束を受光するように構成され、
   前記複数の画素集合のうち、少なくとも２つの画素集合からの出力を比較することで前記撮影レンズのフォーカス量を算出でき、全体の画素情報から画像形成を行うことを特徴とする撮像装置。
2. それぞれの前記画素集合は、所定の仮想位置における所定の領域からの光束を受光するように構成され、
   前記偏光部材は、前記所定の仮想位置に配置された第１の偏光素子を有し、
   該第１の偏光素子は、偏光方向が互いに異なる第１領域と第２領域を少なくとも有することを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
3. 前記偏光部材は、前記撮像素子の近傍に配置された第２の偏光素子を有し、
   該第２の偏光素子は、基板と、該基板の面上に形成された多層構造体を有し、
   該多層構造体は、２種以上の透明材料を交互に積層して構成され、
   前記第２の偏光素子は、前記基板面をｘｙ面としたとき、ｘｙ面内において少なくとも第３領域と第４領域を有し、
   前記第３領域における多層構造体は、第１の方向に繰り返される凹凸形状を有し、
   前記第４領域における多層構造体は、第１の方向と異なる第２の方向に繰り返される凹凸形状を有していることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の撮像装置。
4. 合焦時、前記複数の画素集合は、ほぼ同一の被写体領域の画素情報を取得できるように配置されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の撮像装置。
5. 前記第１領域と前記第２領域は、前記撮影レンズの中心軸に対して対称であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の撮像装置。
6. 前記第３領域と前記第４領域は交互に位置し、前記第３領域と前記第４領域の各々は、前記各画素と一対一で対応していることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の撮像装置。
7. １組の前記画素集合は同色のカラーフィルタを有していることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の撮像装置。
8. 前記カラーフィルタは、原色フィルタであり、
   前記第３領域と前記第４領域は、互いに波長特性が異なることを特徴とする請求項７に記載の撮像装置。
9. 前記カラーフィルタの色は、少なくとも３つの色のいずれか１色であり、
   前記第３領域と前記第４領域の各々は、前記少なくとも３つの色の前記カラーフィルタ含む広さを有していることを特徴とする請求項６に記載の撮像装置。
10. 請求項１乃至請求項９のいずれかに記載の撮像装置と、撮像レンズを有することを特徴とする撮像機器。

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