JP2013153325A - 光軸移動素子及びカメラシステム - Google Patents

Abstract

【課題】入射光の光軸を電気的な操作のみにより、２つに分離することなく移動させる。
【解決手段】印加電圧により旋光性の有無を切り替えることができる旋光性液晶素子１０と、この旋光性液晶素子１０を挟んで入射光側と出射光側に配置され、印加電圧により複屈折性の有無を切り替えることができる２以上の複屈折性液晶素子１１，１２、を用いて光軸移動素子１を構成する。そして、各液晶素子１０〜１２に印加される電圧に応じて、この光軸移動素子１へ入射した光の経路が変化する。
【選択図】図２

Description

本開示は、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光軸移動素子及びカメラシステムに関する。

一般に、デジタルカメラ、カムコーダー、監視カメラなどのカメラシステムでは、取得される画像の最大解像度はイメージセンサの画素数によって決定される。近年、さらなる高解像度画像の要求の高まりを受けて、信号処理、または、信号処理と機械的な駆動機構との組み合わせにより、イメージセンサの画素数を超える解像度を実現する超解像技術が注目されている。

超解像技術の手法としては、現在、さまざまなものが提案されている。その中で、信号処理とカメラの機構的な制御の組み合わせにより、高い精度で解像度を向上させる技術として、画素ずらし方式が知られている（例えば、非特許文献１参照）。
この画素ずらし方式の手法は、イメージセンサまたはレンズ系をイメージセンサの画素ピッチ以下のサイズで振動させ、その時に取得される僅かにずれた複数の画像から画素間のデータを再構成するというものである。

しかし、このような手法では、本質的に機械的な駆動方式が必要とされるため、通常のカメラに比べてコストが上がる、または、消費電力が大きくなるなどの問題があった。よって、画素をずらして撮像する手法として、例えば、簡易な素子を用い、電気的な制御のみで実現する方式が要望されていた。

電気的に画素ずらし操作を制御できる手法として、特許文献１に記載されているものがある。これは、複屈折性を有する水晶素子又は有機薄膜と、旋光性液晶（Twisted Nematic液晶）素子を組み合わせることにより、透過する光の光軸をずらす方法である。

旋光性液晶は、透明電極１００ａ，１００ｂに印加される電圧がＯＮのときは光をそのまま通し、ＯＦＦの時は光の偏光方向を９０度回転させる特性がある。特許文献１では、図１Ａ，１Ｂに示すように、旋光性液晶素子１００を水晶素子または有機薄膜でサンドイッチ状に挟みこみ、旋光性液晶素子１００に印加する電圧により旋光性の有無を電気的に制御する。例えば、図面上左側から入射する光は、複屈折性素子１０１（水晶素子または有機薄膜）において紙面に平行なＹ方向の偏光の光（矢印で示す）のみ屈折し、紙面に垂直なＸ方向の偏光の光（二重丸で示す）は素通りするため、光線が２本に分割される。

この旋光性液晶素子１００において、旋光性液晶に印加される電圧がＯＦＦのときは、その２本の光線は旋光性液晶を素通りし、さらに次の複屈折性素子１０２でＹ方向の偏光のみが再度屈折し、最終的に出射光は入射光と同じ光軸上で１本となる（図１Ｂ）。

一方、旋光性液晶素子１００の旋光性液晶に印加する電圧をＯＦＦとしたときは、複屈折性素子１０１を通過した２本の光線は、旋光性液晶素子１００にてそれぞれ偏光方向が９０度回転する。そして、次の複屈折性素子１０２において、入射時にＸ方向の偏光であった光（図中破線）のみが屈折するため、入射光は最終的に２本の出射光Ｌ１，Ｌ２に分割されることとなる（図１Ａ）。ここで入射光の光軸からの分離距離２×ｄがイメージセンサの画素ピッチと同等になるように、複屈折性素子１０１，１０２の厚さが設定されている。

特許文献１に記載の撮像方法では、図１Ａ，１Ｂに示した光学素子をイメージセンサの前段に配置し、旋光性液晶への印加電圧がＯＮとＯＦＦのときの２つのモードの画像を、１フレーム操作ごとに切り替えて撮影する。そして、これら２種の画像を信号処理により合成することによって、超解像画像の生成が行われる。

特開２００５−３１８５１１号公報

原田望他，「スウィングＣＣＤイメージセンサ」，テレビジョン学会誌，社団法人映像情報メディア学会，１９８３年１０月２０日，Ｖｏｌ．３７，Ｎｏ．１０，Ｐ．８２６−８３２

特許文献１に記載の手法では、入射光の光軸を簡易に変更することが可能である。しかしながら、光を直進させるモード（図１Ｂ参照）に対し、光軸を移動させるモード（図１Ａ参照）においては、光軸が２本に分かれて２つの出射光が発生してしまい、イメージセンサ上で画像が２重に投影されてしまうという問題がある。

なお特許文献１では、この２重になった画像から一方の画像信号のみを分離する処理が後段のＤＳＰ（Digital Signal Processor）でなされるが、このような手法では正確な信号分離ができない。そのため、分離誤差となる成分が２つの画像を合成後の超解像画像にノイズとなって現れるなどの問題が生ずる。また、これらの分離のための信号処理は、画像出力を遅延させる原因になると共にシステムコストを増大させる要因となる。

上記の状況に鑑み、入射光の光軸を電気的な操作のみにより、２つに分離することなく移動させることが要求されている。

本開示の一側面の光軸移動素子は、複屈折性の有無を電気的に制御できる素子と、旋光性の有無を電気的に制御できる素子を組み合わせることにより、電気的な操作のみにより光軸の移動を可能にする。
一例として、印加電圧により旋光性の有無を切り替えることができる旋光性液晶素子と、この旋光性液晶素子を挟んで入射光側と出射光側に配置され、印加電圧により複屈折性の有無を切り替えることができる２以上の複屈折性液晶素子、を用いて光軸移動素子を構成する。各液晶素子に印加される電圧に応じて、当該光軸移動素子へ入射した光の経路が変化する。

本開示の一側面の光軸移動素子によれば、複屈折性液晶素子とその間に配置された旋光性液晶素子に印加される電圧に応じて、旋光性液晶素子の旋光性及び複屈折性液晶素子の複屈折性が変化し、それにより入射した光の経路が変化する。

本開示によれば、入射光の光軸を電気的な操作のみにより、２つに分離することなく移動させることができる。

従来技術を示す説明図であり、Ａは印加電圧がＯＦＦのとき、Ｂは印加電圧がＯＮのときにおける旋光性液晶に入射した光の経路をそれぞれ示している。 本開示の第１の実施形態に係る光軸移動素子の一例を示す構成図であり、図２Ａは光軸移動素子を構成する各液晶素子への印加電圧が全てＯＦＦのとき、図２Ｂは光軸移動素子を構成する各液晶素子への印加電圧が全てＯＮのときにおける入射した光の経路をそれぞれ示している。 複屈折性液晶分子の配向を示す説明図であり、図３Ａは印加電圧がＯＦＦのとき、図３Ｂは印加電圧がＯＮのときにおける複屈折性液晶へ入射した光が屈折する様子を示している。 旋光性液晶分子の配向を示す説明図であり、図４Ａは印加電圧がＯＦＦのとき、図４Ｂは印加電圧がＯＮのときにおける旋光性液晶へ入射した光が旋回する様子を示している。 本開示の第１の実施形態に係る光軸移動素子を用いた撮像装置の構成例を示すブロック図である。 本開示の第１の実施形態に係る光軸移動素子を用いた撮像装置の通常撮影モードにおける、光軸移動素子に対する印加電圧の状態を示す説明図である。 本開示の第２の実施形態に係る光軸移動素子の構成例を示す説明図である。 本開示の第２の実施形態に係る光軸移動素子に入射した光の光軸が、２方向へ移動する様子を３次元的に示した説明図である。 本開示の第２の実施形態に係る光軸移動素子の変形例を示す説明図である。 本開示の第３の実施形態に係る光軸移動素子の一例を示す構成図であり、図１０Ａは光軸移動素子を構成する各液晶素子への印加電圧の一部がＯＦＦのとき、図１０Ｂは光軸移動素子を構成する各液晶素子への印加電圧が全てオフのときにおける入射した光の経路をそれぞれ示している。 本開示の第４の実施形態に係る光軸移動素子の構成例を示す説明図である。

以下に添付図面を参照しながら、本開示を実施するための形態の例について説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能又は構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複する説明を省略する。

なお、説明は以下の順序で行うものとする。
１．第１の実施形態（光軸移動素子：入射光側と出射光側に１つずつ複屈折性液晶素子を備えた例）
２．第２の実施形態（光軸移動素子：片側に配向方向の異なる複数の複屈折性液晶素子を備え光軸を２方向へ移動させた例）
３．第３の実施形態（光軸移動素子：片側に配向方向が同じ複数の複屈折性液晶素子を備え光軸の移動量を調整した例）
４．第４の実施形態（光軸移動素子：各液晶素子を複数の領域に分割して領域ごとに印加電圧を設定した例）
５．その他

＜１．第１の実施形態＞
［光軸移動素子の構成例］
本開示の第１の実施形態では、光軸移動素子を、複屈折性の有無を制御可能な液晶デバイスと旋光性の有無を制御可能な液晶デバイスの２種により構成する。それぞれの液晶デバイスにおいて、上記機能に応じた液晶素子が透明電極に挟みこまれており、この透明電極に印加する電圧の有無により、複屈折性、旋光性の有無を制御する。

図２は、第１の実施形態に係る光軸移動素子の一例を示す構成図であり、図２Ａは光軸移動素子を構成する各液晶素子への印加電圧が全てＯＦＦのとき、図２Ｂは光軸移動素子を構成する各液晶素子への印加電圧が全てＯＮのときにおける入射した光の経路をそれぞれ示している。

光軸移動素子１は、旋光性液晶素子１０と、その両側に旋光性液晶素子１０を挟むようにして配置された複屈折性液晶素子１１及び複屈折性液晶素子１２を備える。

旋光性液晶素子１０は、旋光性液晶１０Ｌと、この旋光性液晶１０Ｌの両端に対向する透明電極１０ａと透明電極１０ｂを備える。後述する電圧制御部２７（図５参照）によって、透明電極１０ａ，１０ｂを通じて旋光性液晶１０Ｌに印加する電圧Ｖ０のオン／オフが制御される。基板電極である透明電極１０ａ，１０ｂには、例えばＩＴＯ（Indium Tin Oxide）などからなる透明導電膜が適用される。

複屈折性液晶素子１１及び複屈折性液晶素子１２の各々も、同様に複屈折性液晶１１Ｌ及び１２Ｌ、並びに透明電極１１ａ，１１ｂ及び透明電極１２ａ，１２ｂを備える。
複屈折性液晶素子１１と複屈折性液晶素子１２は同じ厚みであり、それぞれの印加電圧Ｖ１，Ｖ２がオフのとき旋光性液晶素子１０に対して同一の光学軸、すなわち同一の配向方向Ｄ１を有している。例えば、それぞれの光学軸に対して約４５度などの同じ角度で研磨されている。

ここで、複屈折性液晶分子の配向について説明する。複屈折性液晶素子１１，１２は同じ構成であるから、代表して複屈折性液晶素子１１を例に説明する。
図３は、複屈折性液晶分子の配向を示す説明図であり、図３Ａは印加電圧がＯＦＦのとき、図３Ｂは印加電圧がＯＮのときに複屈折性液晶へ入射した光が屈折する様子を示している。
複屈折性液晶１１Ｌでは、透明電極１１ａ，１１ｂに対して電圧が無印加時（０Ｖ）に、複屈折性液晶分子１１Ａの配向が透明電極１１ａ，１１ｂに対して斜め（本例では配向方向Ｄ１）になるように構成されている（図３Ａ）。このような配向状態において、光が基板面すなわち複屈折性液晶素子１１に対し垂直に入射すると、偏光方向が透明電極１１ａ，１１ｂに平行な光（異常光線、矢印で示す）は屈折率の変化により光軸が曲がっていくが、偏光方向が透明電極１１ａ，１１ｂに垂直な光（常光線、二重丸で示す）は屈折されずに真っ直ぐに進む。このように一つの入射光が、破線で示す出射光Ｌ１と実線で示す出射光Ｌ２の２つに分かれる

一方、透明電極１１ａ，１１ｂに対して電圧を印加時には、複屈折性液晶分子１１Ａの配向が、透明電極１１ａ，１１ｂの平面に対して垂直（Ｘ方向）に配向されるようになり、複屈折性が失われる（図３Ｂ）。よって、入射光は偏光方向によらず、まっすぐに進む。

次に、旋光性液晶分子の配向について、旋光性液晶素子１０を例に説明する。
図４は、旋光性液晶分子の配向を示す説明図であり、Ａは印加電圧がＯＦＦのとき、Ｂは印加電圧がＯＮのときに旋光性液晶１０Ｌへ入射した光が旋回する様子を示している。
旋光性液晶１０Ｌでは、透明電極１０ａ，１０ｂに対して電圧が印加されている時は、旋光性液晶分子１０Ａの配向は透明電極面に平行で一方向に揃って配列するが、電圧無印加時（０Ｖ）は、その配向方向は両透明電極付近で９０度程度ねじれて配列する。旋光性液晶として、例えばねじれネマティック型液晶を適用することができる。

一方、透明電極１０ａに垂直に入射した光は、電圧無印加時には、光がそのまま透過するが、電圧印加時には、旋光性液晶分子１０Ａのねじれにより入射光と出射光で偏光方向が９０度回転する。

このような構成の光軸移動素子１を構成する旋光性液晶素子１０、複屈折性液晶素子１１，１２の各々に電圧Ｖ０，Ｖ１，Ｖ２を印加（ＯＮ）した場合、光軸移動素子１に垂直に入射する光は、複屈折性液晶素子１１，１２、及び旋光性液晶素子１０ともに真っ直ぐに透過して出射していき、光軸が変化することはない。

一方、３種の液晶デバイス共に電圧を無印加（ＯＦＦ）とした場合、光軸移動素子１に垂直に入射した光は、複屈折性液晶素子１１で異常光線（実線）と常光線（破線）の２本に分離され、その後、旋光性液晶素子１０で、偏光方向が９０度回転される。
そして、複屈折性液晶素子１２においては、２本の光線の偏光方向が入れ替わっているので、複屈折性液晶素子１１で屈折した光（実線）は真っ直ぐに透過し、複屈折性液晶素子１１で真っ直ぐに透過した光（破線）は屈折する。
ここで、複屈折性液晶素子１１と複屈折性液晶素子１２の厚みが同じであれば、実線で示す光線と破線で示す光線それぞれの液晶中での屈折による光軸移動距離は同じであるため、複屈折性液晶素子１２を出射時の光軸は一致する。
最終的に、入射光と出射光の光軸は、複屈折性液晶素子１１，１２の膜厚によって決定される距離ｄだけ変化することになる。超解像処理を行う場合、複屈折性液晶素子１１，１２の膜厚は、この距離ｄに相当する光軸のずれ量がおよそイメージセンサ２３の画素サイズ（画素ピッチ）の半分になるように設定される。

［撮像装置の構成例］
図５は、光軸移動素子１を用いた撮像装置の構成例を示すブロック図である。
本例の撮像装置３０は、一例として、レンズ２１と、ＩＲカットフィルタ２２と、光軸移動素子１と、基板２４上に設置されたイメージセンサ２３（撮像素子の一例）と、信号処理部１５と、カメラコントロール部２６と、電圧制御部２７（電圧制御部の一例）と、メモリ２８を備えて構成される。光軸移動素子１とイメージセンサ２３、電圧制御部２７は、カメラシステム２０を構成する。

被写体の光像は、レンズ２１及びＩＲカットフィルタ２２を通過して光軸移動素子１に入射される。電圧制御部２７はカメラコントロール部２６の制御に基づいて、光軸移動素子１を構成する旋光性液晶素子１０、複屈折性液晶素子１１，１２の各液晶に印加する電圧をオン／オフし、光軸移動素子１を撮像する動画のフレームごとに出射光の光軸を移動させる。それにより、フレームごとに出射光の光軸の移動量だけずれた光像がイメージセンサ２３へ照射される。

そして、イメージセンサ２３は、フレームごとに光軸の移動量だけずれた複数の光像を対応する電気信号に変換して信号処理部２５へ出力する。信号処理部２５は、メモリ２８を例えばバッファ部として利用して、イメージセンサ２３から入力された電気信号から画像（映像信号）を生成する信号処理を行い、ずれた複数の画像から画素間データを再構成し、高解像画像として出力する。信号処理部２５の信号処理は、カメラコントロール部２６からの制御信号や同期信号に基づいて行われる。

ところで、光軸移動素子１は、図に示すように、レンズとイメージセンサの中間に装着される。通常、この位置には、ＩＲカットフィルタ２２と水晶ＬＰＦ（Low Pass Filter）等の光学ＬＰＦが設置されるが、ＩＲカットフィルタ２２は、この光軸移動素子１の前後、どちらに設定してもよい。一方、水晶ＬＰＦは、後述する理由により不要である。

［ローバスフィルタ機能］
本例の撮像装置３０では、一般のカメラと同様な撮影ができる通常撮影モードと、画素ずらし方式の超解像処理が可能となる超解像モードの２つのモード切替えが可能である。

超解像モード時は、図２Ａ，２Ｂに示す電圧ＯＦＦと電圧ＯＮの２つの状態を切り替えて使用する。例えば、イメージセンサ２３の１フレーム走査毎に、カメラシステム２０の電圧制御部２７より電圧供給を行い、光軸移動素子１の３種の制御電圧（Ｖ０，Ｖ１，Ｖ２）のＯＮ、ＯＦＦの切り替えを行う。
具体的には、例えば、１フレームのブランキング期間に電圧の切り替えを行えばよい。各液晶素子の電圧が全てＯＮのフレームでは、入射した光の光軸が移動せずに直進した場合の画像がイメージセンサ２３より得られ、電圧が全てＯＦＦのフレームでは、入射した光の光軸が移動した場合の画像が得られる。つまり、イメージセンサ２３において、フレーム毎に半画素サイズ（距離ｄ）ずれた画像が得られる。これらの画像は、撮像装置３０の後段のメモリ２８に一時蓄積され、信号処理部２５に読み出されて超解像処理された画像が生成される。

通常撮影モードでは、光軸移動素子１が光学ＬＰＦの役目を果たす。通常撮影モードにおける光軸移動素子１の電圧の制御状態を、図６に示す。
通常撮影モードでは、複屈折性液晶素子１１と複屈折性液晶素子１２の印加電圧（Ｖ１，Ｖ２）をＯＦＦとし、旋光性液晶素子１０の印加電圧（Ｖ０）をＯＮとして旋光機能を解除する。このような構成とすると、光軸移動素子１に垂直に入射した光は、入射光側に配置された複屈折性液晶素子１１で２本の光に分裂した後、旋光性液晶素子１０を素通りし、複屈折性液晶素子１２で再度、偏光面が紙面に平行なＹ方向の光のみが屈折する。

最終的に、入射光は偏光の違いにより２本の出射光Ｌ１ｏ，Ｌ１ｅに分割される。１つの複屈折性液晶素子の屈折による光軸の移動量は半画素分（距離ｄ）に設定されているので、２つの複屈折性液晶素子１１，１２を通過した光（出射光Ｌ１ｅに相当）は１画素分（距離２ｄ）移動することとなる。上記の入射光と１画素分ずれている入射光についても、光軸移動素子１を通過することにより、１画素分ずれた２本の出射光Ｌ２ｏ，Ｌ２ｅに分割される。この出射光Ｌ２ｏと先の出射光Ｌ１ｅの光軸は同一であり、出射光Ｌ２ｏと先の出射光Ｌ１ｅが重なって一つの画素で検出される。このように、光軸移動素子１は、通常の光学ＬＰＦと同様な機能を担うことが可能となる。

以上説明した第１の実施形態によれば、複屈折性の有無を電気的に制御できる液晶素子と、旋光性の有無を電気的に制御できる液晶素子を組み合わせることにより、電気的な操作のみによって、入射した光の光軸のずれ量の調整、光軸ずらし機能（超解像機能）の有無の選択が可能となる。

例えば、各液晶素子の印加電圧をすべてオフにした場合、入射した光の光軸を２本に分離することなく、光軸を移動させることができる。

また、旋光性の液晶素子の印加電圧をオンにした場合、入射した光の光軸を２本に分離して一方の光軸を１画素分移動させ、他の入射光から分離した光と合成することにより、光学ＬＰＦを構成することができる。通常、画素ずらしによる超解像技術では、光学ＬＰＦを使用せず設置していないが、本例では光軸移動素子が光学ＬＰＦと同様の機能を担うことができる。それゆえ、本開示の光軸移動素子を採用したカメラシステムでは、超解像撮影モードと通常撮影モードを切り替えて所望の撮影を行うことができる。

＜２．第２の実施形態＞
上述した第１の実施形態は、入射光の光軸に対し、出射光の光軸を１方向（１次元）のみにずらす場合の例であるが、第２の実施形態は、２方向（２次元）への光軸移動を実現する光軸移動素子の例である。

本開示の第２の実施形態に係る光軸移動素子の構成例を、図７に示す。
図７の例の光軸移動素子４０は、第１の実施形態の光軸移動素子１に対し、さらに両側に１つずつ複屈折性液晶素子を設置する。入射光側の複屈折性液晶素子１１の外側には、複屈折性液晶素子１１に対して複屈折性液晶分子の配向方向Ｄ２（楕円の二重丸）が９０度異なるように複屈折性液晶素子１３が配置される（例えば、入射光方向から見て時計回りに９０度回転した配置）。

出射光側も同様に、複屈折性液晶素子１２の外側に、複屈折性液晶素子１２と配向方向Ｄ２（楕円の二重丸）が９０度異なるように複屈折性液晶素子１４を配置する（複屈折性液晶素子１３と同方向に９０度回転した配置）。そして、複屈折性液晶素子１０及び複屈折性液晶素子１１〜１４に印加する電圧（Ｖ０〜Ｖ４）をＯＮ、ＯＦＦすることにより、入射した光の光軸の制御を行う。

複屈折性液晶素子１３及び複屈折性液晶素子１４の各々も、他の複屈折性液晶素子と同様に、旋光性液晶１３Ｌ及び１４Ｌと、透明電極１３ａ，１３ｂ及び透明電極１４ａ，１４ｂを備える。

図８は、本開示の第２の実施形態に係る光軸移動素子に入射した光の光軸が、２方向（２方向）へ移動する様子を３次元的に示した説明図である。
図８では、第２の実施形態に係る光軸移動素子の５つの液晶素子すべての印加電圧（Ｖ０〜Ｖ４）をＯＦＦにした場合を示している。図８Ａにおいて、各液晶素子を表す平面は、それぞれ、各液晶素子の出射面での光路の位置を表している。また、図８Ｂでは、各平面にＸ−Ｙ座標を設定した場合の各光路位置の座標値を示す。なお、図８の例では、複屈折性液晶素子１１，１２の垂直方向（Ｙ方向）の配向が逆向きであることを除き、図７の光軸移動素子４０と同機能を有する光軸移動素子を用いている。

まず、複屈折性液晶素子１３に入射した光（入射光ＯＰ１）は、Ｘ方向に偏向した光（破線、二重丸で示す）のみがＸ方向に屈折し、座標（Ｘ１，０）に移動する。次に、複屈折性液晶素子１１でＹ方向に偏向した光（実線、矢印で示す）のみがＹ方向に屈折し、座標（０，Ｙ１）に移動する。
その後、旋光性液晶素子１０によりそれぞれの偏光が９０度回転し、Ｘ方向の偏光はＹ方向の偏光に、Ｙ方向の偏光はＸ方向の偏光に変換される。そして、複屈折性液晶素子１２、１４でそれぞれの偏光が同様に屈折し、最終的に、入射した光は座標（Ｘ１，Ｙ１）に集中して出射（出射光ＯＰ２）する。これにより、座標（０，０）に入射した光は座標（Ｘ１，Ｙ１）に移動することとなる。

ところで、各液晶素子に対する印加電圧のうち電圧Ｖ０，Ｖ１，Ｖ２をＯＦＦとし、電圧Ｖ３，Ｖ４をＯＮとした場合、複屈折性液晶素子１１，１２でＹ方向へのみ光軸が移動し、複屈折性液晶素子１３，１４ではいずれの偏向の光も直進するので、全ての入射光は、座標（０，Ｙ１）にシフトする。

一方、各液晶素子に対する印加電圧のうち電圧Ｖ０，Ｖ３，Ｖ４をＯＦＦとし、電圧Ｖ１，Ｖ２をＯＮとした場合、複屈折性液晶素子１３，１４でＸ方向へのみ光軸が移動し、複屈折性液晶素子１１，１２ではいずれの偏光も直進するので、全ての入射光は、座標（Ｘ１，０）にシフトする。

また、すべての液晶素子に対する印加電圧の電圧Ｖ０〜Ｖ４をＯＮとすれば、光は入射から出射まで全く屈折せずに直進することとなる。

よって、各液晶素子に対する印加電圧に関する以上の４つの設定を切り替えることにより、光軸移動素子に入射した光に対して、Ｘ方向（Ｘ１，０）、Ｙ方向（０、Ｙ１）、ＸＹ方向（Ｘ１，Ｙ１）、直進（０，０）、の４方向への光軸移動を制御することが可能となる。

以上説明した第２の実施形態によれば、光軸移動素子を構成する各液晶素子に対する電圧印加の有無を適宜選択することにより、入射光の光軸を２点以上の複数の位置に移動させることができる。

また第２の実施形態に係る光軸移動素子を適用したカメラシステムでは、第１の実施形態と同様に、撮像するフレームごとに光軸の移動方向を切り替えて撮像を行う。第１の実施形態では光軸を移動させた一つの方向のみ解像度を上げることができるが、これに対し、第２の実施形態では、Ｘ方向、Ｙ方向、共に解像度を上げることが可能となる。

なお、図７に示した配向方向（−Ｙ方向への配向）を持つ光軸移動素子４０を用いた場合、座標（０，０）の入射光に対する出射光はＸ−Ｙ座標の第４象限（Ｘ１，−Ｙ１）に移動する。

第２の実施形態の光軸移動素子は、光軸移動素子を構成する４つの複屈折性液晶素子の配置を入れ替えても同様の機能を持つことを、図９を参照して説明する。

図９に、図７に示した光軸移動素子４０の変形例を示す。
本例の光軸移動素子４０Ａは、光軸移動素子４０の入射光側の複屈折性液晶素子１３，１１の位置と出射光側の複屈折性液晶素子１２，１４の位置をそれぞれ入れ替えたものである。すなわち、配向方向の観点から説明すると、光軸移動素子４０は光の進行方向に沿って「Ｘ方向（Ｄ２）→Ｙ方向（Ｄ１）→（旋光性）→Ｙ方向（Ｄ１）→Ｘ方向（Ｄ２）」の順だったが、光軸移動素子４０Ａでは「Ｙ方向（Ｄ１）→Ｘ方向（Ｄ２）→（旋光性）→Ｘ方向（Ｄ２）→Ｙ方向（Ｄ１）」の順となる。

光軸移動素子４０Ａの５つの液晶素子すべての印加電圧（Ｖ０〜Ｖ４）をＯＦＦにした場合、まず、複屈折性液晶素子１１に入射した光は、Ｙ方向に偏向した光（実線、矢印で示す）のみが−Ｙ方向に屈折する。次に、複屈折性液晶素子１３でＸ方向に偏向した光（破線、二重丸で示す）のみがＸ方向に屈折する。
その後、旋光性液晶素子１０によりそれぞれの偏光が９０度回転し、Ｘ方向の偏光はＹ方向の偏光に、Ｙ方向の偏光はＸ方向の偏光に変換される。そして、複屈折性液晶素子１４、１２でそれぞれの偏光が同様に屈折し、最終的に、入射した光はＸ方向及び−Ｙ方向に集中して出射する。これにより、光軸移動素子４０Ａの座標（０，０）に入射した光はＸ−Ｙ座標の第４象限（Ｘ１，−Ｙ１）に移動し、光軸移動素子４０と同じ移動方向及び移動量の出射光が得られる。

このように、旋光性液晶素子の入射光側及び出射光側のそれぞれに、配向方向の異なる複屈折性液晶素子を配置する場合、入射光側に配置する複数の複屈折性液晶素子と出射光側に配置する複数の複屈折性液晶素子が、旋光性液晶素子について面対称の位置関係にあればよい。すなわち、入射光側と出射光側において、同一の配向方向の複屈折性液晶素子が対応する位置にあり、かつその厚さが同一であればよい。入射光側と出射光側で面対称の関係が維持される範囲において、入射光側の複屈折性液晶素子の配置及び出射光側の複屈折性液晶素子の配置を、それぞれ任意に決定することができる。

以上説明した第２の実施形態によれば、第１の実施形態の作用効果に加え、入射光の光軸に対し、出射光の光軸を２方向（２次元）へ移動させるという作用効果を奏する。

＜３．第３の実施形態＞
第３の実施形態は、同じ方向に配向した複屈折性液晶素子を複数用意することにより、光軸のずれ量をさまざまな量に調整する例である。

図１０は、本開示の第３の実施形態に係る光軸移動素子の一例を示す構成図であり、図１０Ａは光軸移動素子を構成する各素子への印加電圧の一部がＯＦＦのとき、図１０Ｂは光軸移動素子を構成する各素子への印加電圧が全てオフのときに入射した光の経路をそれぞれ示している。

図１０に示す光軸移動素子５０の構成は、一つの旋光性液晶素子と４つの複屈折性液晶素子を有する点で第２の実施形態と同様である。ただし、本実施形態の複屈折性液晶素子４３，１１，１２，４４は、第２の実施形態と異なり、それぞれ同じ方向（配向方向Ｄ１：−Ｙ方向）に配向している同一の液晶素子とする。

このような状態で、各液晶素子４３，１１，１０，１２，４４への印加電圧として、電圧Ｖ０，Ｖ１，Ｖ２をＯＦＦ、電圧Ｖ３，Ｖ４をＯＮとすれば、入射した光は複屈折性液晶素子４３，４４で直進し、複屈折性液晶素子１１，１２で屈折するので、第２の実施形態と同様に一方向へ距離ｄだけ光軸が移動する（図１０Ａ）。

一方、電圧Ｖ０〜Ｖ４の全てをＯＦＦとすれば、複屈折性液晶素子４３，１１と、複屈折性液晶素子１２，４４はそれぞれ作用が同じになるので、入射した光の光軸の移動距離は２ｄとなる（図１０Ｂ）。

一般的に、超解像モードでは、光軸の移動距離は使用するイメージセンサの画素ピッチの半分に設定される。しかし、以上のように、一つの光軸移動素子により２種類の移動距離を実現できれば、一つの光軸移動素子でさまざまな画素サイズのイメージセンサに対応することが可能となる。図１０の例では、半画素ピッチが距離ｄと２ｄの２種のイメージセンサに対応できる。これにより光軸移動素子の低コスト化が可能となる。

以上説明した第３の実施形態によれば、同じ方向に配向した複数の複屈折性液晶素子を用意することにより、入射光に対する出射光の光軸のずれ量をさまざまな量に調整することができる。

なお、上述した第２及び第３の実施形態では、４つの複屈折性液晶素子を設けた場合を説明したが、４つ以上とすることも可能である。

また、第３の実施形態の構成に、第２の実施形態の構成を組み合わせることも可能である。すなわち、異なる配向方向（この例ではＸ方向）の複屈折性液晶素子についても複数用意し、それぞれの印加電圧の組み合わせを変えることにより、光軸の移動方向、移動距離をより細かく区別して設定することが可能となる。

＜４．第４の実施形態＞
第４の実施形態は、イメージセンサの撮像領域に応じて印加電圧の設定を変更し、それぞれの領域ごとに、光軸の移動量、移動方向、ローパスフィルタ機能の有無を設定する例である。

図１１は、本開示の第４の実施形態に係る光軸移動素子の構成例を示す説明図である。
光軸移動素子６０の基本構成は、第１の実施形態における光軸移動素子１と同様であるが、各液晶素子の透明電極を分割し、それぞれの透明電極ごとに個別に電圧を設定できる点が異なる。

本例の光軸移動素子６０は、各液晶素子の透明電極を４つの領域に分割した例である。すなわち、レンズ２２に最も近い側（入射光側）に配置されている複屈折性液晶素子１１を例に説明すると、複屈折性液晶素子１１の撮像領域の縦及び横が二等分され、第１領域１１−１、第２領域１１−２、第３領域１１−３、第４領域１１−４の４つの領域から構成される。この分割された撮像領域に対応するように、透明電極１１ｂが、第１領域１１ｂ１、第２領域１１ｂ２、第３領域１１ｂ３、第４領域１１ｂ４の４つの領域に分割される。なお、透明電極１１ｂに対向する図示しない透明電極１１ａ（図２、図３参照）も分割する。

同様に、旋光性液晶素子１０は、複屈折性液晶素子１１に対応して、第１領域１０−１、第２領域１０−２、第３領域１０−３、第４領域１０−４の４つの領域に分割されている。さらに、複屈折性液晶素子１２は、複屈折性液晶素子１１及び旋光性液晶素子１０に対応して、第１領域１２−１、第２領域１２−２、第３領域１２−３、第４領域１２−４の４つの領域に分割されている。

例えば、複屈折性液晶素子１１１の第１領域１１−１に対応する透明電極１１ｂ１（及び透明電極１１ａのこれと対応する領域）と、旋光性液晶素子１０の第１領域１０−１に対応する透明電極、複屈折性液晶素子１２の第１領域１２−１に対応する透明電極に対する印加電圧を設定する。この設定に基づいて、電圧制御部２７が各液晶素子の第１領域の透明電極に電圧を印加することにより、イメージセンサ２３の対応する第１領域（イメージセンサ２３の左上領域）について、光軸の移動量、移動方向、光軸の分離を制御することができる。

なお、透明電極１１ｂに対向する透明電極１１ａを分割すると記述したが、透明電極１１ａ又は透明電極１１ａの少なくとも一方が分割されていればよい。

一般に、超解像の処理では、信号処理の負荷を軽減するために画像上の一領域のみを超解像処理したい場合がある。本実施形態のように、撮像領域を分割してあれば、分割した領域ごとに超解像モードと通常撮影モードを選択的に設定することが可能となる。

以上説明した第４の実施形態によれば、各液晶素子の透明電極を複数の領域に分割し、それぞれの領域で透明電極に印加する電圧を設定することにより、領域ごとに光軸の移動量、移動方向、光軸の分離を制御することができる。
それゆえ、撮像する画像の領域ごとに、超解像処理の有無、超解像処理を行う方向、ローパスフィルタの有無を選択することができる。

＜５．その他＞
以上の各実施形態では、それぞれの複屈折性液晶素子（複屈折性液晶）の厚さを同じとして説明したが、厚さを複屈折性液晶素子ごとに変えることも可能である。例えば、第２の実施形態の光軸移動素子４０（図４参照）において、Ｘ方向に配向する複屈折性液晶素子１３とＹ方向に配向する複屈折性液晶素子１１、同様に複屈折性液晶素子１２と複屈折性液晶素子１４の厚さを異なるものに設定すれば、Ｘ方向とＹ方向で光軸の移動量を変えることも可能である。このとき、面対称において対応する同一配向方向の複屈折性液晶素子の液晶部（複屈折性液晶）の厚さは同じとする。

なお、第３の実施形態において、旋光性液晶素子の入射光側及び出射光側のそれぞれに、配向方向が同一かつ液晶部（複屈折性液晶）の厚さが異なる複屈折性液晶素子を連続してあるいは間に異なる配向方向の複屈折性液晶素子を挟んで配置する場合を考える。この場合、入射光側に配置する同一配向方向の複数の複屈折性液晶素子と、出射光側に配置する同一配向方向の複数の複屈折性液晶素子を順序不同としても、当該配向方向への光軸の移動量は一定である。

また、複屈折性液晶素子に印加する電圧の大きさに応じて屈折率を段階的に制御することが可能な場合、印加電圧を段階的に、またはアナログ的に調整してもよい。印加電圧を段階的に、またはアナログ的に変化させることにより、各複屈折性液晶素子の複屈折性液晶分子の配向状態が段階的に又は連続的に変化し、光軸のずれ量（距離ｄ）を段階的に又は連続的に可変にすることも可能である。

さらに、上述した各実施形態では、基本的には旋光性液晶素子を中心として複屈折性液晶素子を面対称に配置すると説明したが、必ずしも面対称でなくてもよい。例えば、入射光側にＹ方向に配向した１つの複屈折性液晶素子を設け、また旋光性液晶素子を挟んで出射光側にＹ方向に配向した３つの複屈折性液晶素子を設けた光軸液晶素子を想定する。この場合、入射光側の１つの複屈折性液晶素子により入射した光の光軸がＹ方向に例えば距離ｄ移動させ、出射光側の３つの複屈折性液晶素子を用いて光軸を−Ｙ方向に距離ｄ移動させる構成も考えられる。

なお、本開示は以下のような構成も取ることができる。
（１）
印加電圧により旋光性の有無を切り替えることができる旋光性液晶素子と、
前記旋光性液晶素子を挟んで入射光側と出射光側に配置され、印加電圧により複屈折性の有無を切り替えることができる２以上の複屈折性液晶素子、を有し、
各液晶素子に印加される電圧に応じて、当該光軸移動素子へ入射した光の経路が変化する
光軸移動素子。
（２）
前記旋光性液晶素子の入射光側に配置された前記複屈折性液晶素子と出射光側に配置された前記複屈折性液晶素子は、液晶分子の配向方向と液晶部の厚さを同一とする複屈折性液晶素子を備えて構成される
前記（１）に記載の光軸移動素子。
（３）
前記旋光性液晶素子の入射光側に配置された複数の複屈折性液晶素子と、
前記旋光性液晶素子の出射光側に配置された複数の複屈折性液晶素子、を有し、
前記入射光側に配向方向の異なる複屈折性液晶素子が配置され、また前記出射光側に配向方向の異なる複屈折性液晶素子が配置されている場合、前記入射光側に配置された前記複数の複屈折性液晶素子と前記出射光側に配置された前記複数の複屈折性液晶素子が、前記旋光性液晶素子について面対称の位置関係にある
前記（２）に記載の光軸移動素子。
（４）
さらに前記入射光側に複数の同一配向方向の複屈折性液晶素子が配置され、また前記出射光側に複数の同一配向方向の複屈折性液晶素子が配置されている
前記（３）に記載の光軸移動素子。
（５）
前記面対称の位置関係にある対応する複屈折性液晶素子の液晶部の厚さは同一である
前記（３）に記載の光軸移動素子。
（６）
前記旋光性液晶素子の入射光側に配置された同一配向方向の複数の複屈折性液晶素子と、
前記旋光性液晶素子の出射光側に配置された同一配向方向の複数の複屈折性液晶素子、を有する
前記（２）に記載の光軸移動素子。
（７）
前記入射光側に配置された同一配向方向の複数の複屈折性液晶素子と前記出射光側に配置された同一配向方向の複数の複屈折性液晶素子は順序不同である
前記（６）に記載の光軸移動素子。
（８）
前記旋光性液晶素子及び前記入射光側の複屈折性液晶素子と前記出射側の複屈折性液晶素子に対する印加電圧の組み合わせに応じて、前記入射した光の光軸の移動が変化する
前記（１）から（７）のいずれかに記載の光軸移動素子。
（９）
前記旋光性液晶素子に電圧が印加されたとき該旋光性液晶素子の旋光機能が解除され、当該光軸移動素子に入射した光を、そのまま通過する光と前記複屈折性液晶素子の配向方向に応じて屈折する光に分離する
前記（８）に記載の光軸移動素子。
（１０）
電圧が印加される各液晶素子の透明電極が２以上の領域に分割されており、
前記透明電極の分割された領域に個別に電圧の印加を行うことにより、前記透明電極のそれぞれの領域ごとに、前記入射した光の光軸を移動させる
前記（１）から（９）のいずれかに記載の光軸移動素子。
（１１）
入射した光の光軸を移動させる光軸移動素子と、
前記光軸移動素子に電圧を印加する電圧制御部と、
前記光軸移動素子を通過した光が照射される撮像素子、
を備え、
前記光軸移動素子は、
印加電圧により旋光性の有無を切り替えることができる旋光性液晶素子と、
前記旋光性液晶素子を挟んで入射光側と出射光側に配置され、印加電圧により複屈折性の有無を切り替えることができる２以上の複屈折性液晶素子と、を有し、
前記電圧制御部から各液晶素子に印加する電圧に応じて、当該光軸移動素子に入射した光の経路を変化させる
カメラシステム。
（１２）
前記撮像素子の画素数を超える超解像の撮像処理を行うときは、前記光軸移動素子を前記旋光性及び前記複屈折性を利用して光軸を移動させる処理を行い、
前記超解像を伴わない撮像処理を行うときは、前記電圧制御部から前記旋光性液晶素子に電圧を印加して該旋光性液晶素子の旋光機能を解除し、前記光軸移動素子に入射した光を、そのまま通過する光と前記複屈折性液晶素子の配向方向に応じて屈折する光に分離する
請求項１１に記載のカメラシステム。
（１３）
電圧が印加される各液晶素子の透明電極が２以上の領域に分割されており、
前記電圧制御部が前記透明電極の分割された領域に個別に電圧の印加を行うことにより、前記透明電極のそれぞれの領域に対応する前記撮像素子の領域ごとに、前記入射した光の光軸を移動させる
請求項１０又は１１に記載のカメラシステム。

以上、本開示は上述した各実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された要旨を逸脱しない限りにおいて、その他種々の変形例、応用例を取り得ることは勿論である。
すなわち、上述した各実施形態の例は、本開示の好適な具体例であるため、技術的に好ましい種々の限定が付されている。しかしながら、本開示の技術範囲は、各説明において特に本開示を限定する旨の記載がない限り、これらの形態に限られるものではない。例えば、以下の説明で挙げる使用材料とその使用量、処理時間、処理順序および各パラメータの数値的条件等は好適例に過ぎず、また説明に用いた各図における寸法、形状および配置関係も概略的なものである。

１…光軸移動素子、１０…旋光性液晶素子、１０Ｌ…旋光性液晶素子、１０Ａ…旋光性液晶分子、１０−１，１１−１，１２−１…第１領域、１０−２，１１−２，１２−２…第２領域、１０−３，１１−３，１２−３…第３領域、１０−４，１１−４，１２−４…第４領域、１１，１２，１３，１４…複屈折性液晶素子、１１ａ１，１１ａ２，１１ａ３，１１ａ４…透明電極、１１Ｌ，１２Ｌ，１３Ｌ，１４Ｌ…複屈折性液晶素子、１１Ａ…複屈折性液晶分子、１０ａ，１０ｂ，１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂ，１３ａ，１３ｂ，１４ａ，１４ｂ…透明電極、２０…カメラシステム、２２…ＩＲカットフィルタ、２３…イメージセンサ、２５…信号処理部、２６…カメラコントロール部、２７…電圧制御部、３０…撮像装置、４０，４０Ａ…光軸移動素子、４３，４４…複屈折性液晶素子、４３Ｌ，４４Ｌ…複屈折性液晶素子、４３ａ，４３ｂ，４４ａ，４４ｂ…透明電極、５０…光軸移動素子、６０…光軸移動素子

Claims (13)

1. 印加電圧により旋光性の有無を切り替えることができる旋光性液晶素子と、
   前記旋光性液晶素子を挟んで入射光側と出射光側に配置され、印加電圧により複屈折性の有無を切り替えることができる２以上の複屈折性液晶素子、を有し、
   各液晶素子に印加される電圧に応じて、当該光軸移動素子へ入射した光の経路が変化する
   光軸移動素子。
2. 前記旋光性液晶素子の入射光側に配置された前記複屈折性液晶素子と出射光側に配置された前記複屈折性液晶素子は、液晶分子の配向方向と液晶部の厚さを同一とする複屈折性液晶素子を備えて構成される
   請求項１に記載の光軸移動素子。
3. 前記旋光性液晶素子の入射光側に配置された複数の複屈折性液晶素子と、
   前記旋光性液晶素子の出射光側に配置された複数の複屈折性液晶素子、を有し、
   前記入射光側に配向方向の異なる複屈折性液晶素子が配置され、また前記出射光側に配向方向の異なる複屈折性液晶素子が配置されている場合、前記入射光側に配置された前記複数の複屈折性液晶素子と前記出射光側に配置された前記複数の複屈折性液晶素子が、前記旋光性液晶素子について面対称の位置関係にある
   請求項２に記載の光軸移動素子。
4. さらに前記入射光側に複数の同一配向方向の複屈折性液晶素子が配置され、また前記出射光側に複数の同一配向方向の複屈折性液晶素子が配置されている
   請求項３に記載の光軸移動素子。
5. 前記面対称の位置関係にある対応する複屈折性液晶素子の液晶部の厚さは同一である
   請求項３に記載の光軸移動素子。
6. 前記旋光性液晶素子の入射光側に配置された同一配向方向の複数の複屈折性液晶素子と、
   前記旋光性液晶素子の出射光側に配置された同一配向方向の複数の複屈折性液晶素子、を有する
   請求項２に記載の光軸移動素子。
7. 前記入射光側に配置された同一配向方向の複数の複屈折性液晶素子と前記出射光側に配置された同一配向方向の複数の複屈折性液晶素子は順序不同である
   請求項６に記載の光軸移動素子。
8. 前記旋光性液晶素子及び前記入射光側の複屈折性液晶素子と前記出射側の複屈折性液晶素子に対する印加電圧の組み合わせに応じて、前記入射した光の光軸の移動が変化する
   請求項２に記載の光軸移動素子。
9. 前記旋光性液晶素子に電圧が印加されたとき該旋光性液晶素子の旋光機能が解除され、当該光軸移動素子に入射した光を、そのまま通過する光と前記複屈折性液晶素子の配向方向に応じて屈折する光に分離する
   請求項８に記載の光軸移動素子。
10. 電圧が印加される各液晶素子の透明電極が２以上の領域に分割されており、
    前記透明電極の分割された領域に個別に電圧の印加を行うことにより、前記透明電極のそれぞれの領域ごとに、前記入射した光の光軸を移動させる
    請求項２に記載の光軸移動素子。
11. 入射した光の光軸を移動させる光軸移動素子と、
    前記光軸移動素子に電圧を印加する電圧制御部と、
    前記光軸移動素子を通過した光が照射される撮像素子、
    を備え、
    前記光軸移動素子は、
    印加電圧により旋光性の有無を切り替えることができる旋光性液晶素子と、
    前記旋光性液晶素子を挟んで入射光側と出射光側に配置され、印加電圧により複屈折性の有無を切り替えることができる２以上の複屈折性液晶素子と、を有し、
    前記電圧制御部から各液晶素子に印加する電圧に応じて、当該光軸移動素子に入射した光の経路を変化させる
    カメラシステム。
12. 前記撮像素子の画素数を超える超解像の撮像処理を行うときは、前記光軸移動素子を前記旋光性及び前記複屈折性を利用して光軸を移動させる処理を行い、
    前記超解像を伴わない撮像処理を行うときは、前記電圧制御部から前記旋光性液晶素子に電圧を印加して該旋光性液晶素子の旋光機能を解除し、前記光軸移動素子に入射した光を、そのまま通過する光と前記複屈折性液晶素子の配向方向に応じて屈折する光に分離する
    請求項１１に記載のカメラシステム。
13. 電圧が印加される各液晶素子の透明電極が２以上の領域に分割されており、
    前記電圧制御部が前記透明電極の分割された領域に個別に電圧の印加を行うことにより、前記透明電極のそれぞれの領域に対応する前記撮像素子の領域ごとに、前記入射した光の光軸を移動させる
    請求項１１に記載のカメラシステム。

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