JP4521555B2 - 撮像素子ユニットおよび画像撮影装置 - Google Patents

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Description

本発明は、画像信号を生成する撮像素子とフィルタとが組み込まれた撮像素子ユニット、および被写体光を受光して画像信号を生成する画像撮影装置に関する。
従来より、監視カメラなどといったような、1日24時間に亘る撮影を行う画像撮影装置が知られている。このような画像撮影装置が撮影対象とする被写体の明るさは、特に屋外の場合には昼と夜とでは大きく異なる。このため、通常のカメラなどに用いられている絞りなどによる露光調整では対処することが困難である。
そこで、例えば、減光フィルタと高感度の撮像素子が用いられ、昼間の撮影時には減光フィルタによって減光された光で撮影が行われ、夜間の撮影時には減光フィルタが外されて被写体からの直接光で撮影が行われることによって夜間撮影における感度を相対的に向上させることが考えられる。
しかし、このような減光フィルタが用いられた場合には、その減光フィルタの出し入れのための機構が必要となり、画像撮影装置の大型化やコストアップに繋がるという問題が予想される。
また、電圧の印加によって透過光量が調整可能な調光機能を持つフィルタや、そのようなフィルタを使って露光量を調整する撮像素子も知られており(例えば特許文献1、特許文献2)、このようなフィルタを使って、あるいは他の調光手段と併用することによって昼夜の光量差を低減することも考えられる。
特開平10−191181号公報 特開2002−214666号公報
しかし、夜間撮影時には被写体が特に暗いので、フィルタによって単に光量差を低減するだけでは、夜間撮影における感度が不足することが予想され、夜間の感度を更に向上させて、昼夜を通じた良好な撮影を実現するための何らかの工夫が望まれている。
本発明は、上記事情に鑑み、昼夜を通じた良好な撮影を実現することができる撮像素子ユニットおよび画像撮影装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するための本発明の撮像素子ユニットは、
被写体光の照射を受けて画像信号を生成する撮像素子と、その撮像素子前面に配備されたフィルタとが組み込まれた撮像素子ユニットにおいて、
上記フィルタが、
可視光域の光については電場の状態に関わらず透過すると共に、赤外光域および紫外光域のうち少なくとも一方を含んだ所定の可変透過域の光については電場の状態に応じて透過する透過層と、
電圧の印加を受けて透過層に電場を形成する電極とを備えたことを特徴とする。
本発明の撮像素子ユニットによれば、上記可変透過域の光について透過量が可変であるので、例えば、昼間は可変透過域の光がカットされた通常撮影が行われ、夜間は可変透過域の光が透過された暗視撮影が行われるというような使用形態によって、昼夜を通じた良好な撮影が実現される。また、本発明の撮像素子ユニットでは、上記可変透過域の光の透過量は電圧印加によって変わるので、装置の小型化やコストダウンを図ることができる。
ここで上記透過層は、可視光域および上記可変透過域の光について透過性の分散媒と、その分散媒内に分散した、可変透過域の光については不透過性であって可視光域の光については透過性の分散質とからなるものであることが好適である。
このような透過層は、分散媒内を分散質が電気泳動によって移動することで可変透過域の光に対する透過性が変わる。このような電気泳動を実現する分散媒や分散質の選択の自由度は高く、所望の透過性が実現されるような分散媒および分散質の組み合わせが容易に得られる。
また、上記分散質が、赤外吸収材料を含んだナノ粒子であるという形態は、赤外光域の光が効率的に吸収される点で好ましく、
上記分散質が、赤外吸収材料を含んだポリマー粒子であるという形態は、相溶性に優れている点で好ましい。
また、上記分散媒が、有機分散媒であるという形態は、電気的に安定である点で好ましく、
上記分散媒が、炭化水素系有機分散媒であるという形態は、電気的に更に安定である点で更に好ましい。
本発明の撮像素子ユニットにおいて、上記透過層は、電場の状態に応じて液晶分子の配向状態を変え、その配向状態に応じて、可視光域および上記可変透過域の光を透過するオフ状態と、可変透過域の光のみを吸収あるいは反射して可視光域の光を透過するオン状態とに切り替わる液晶層であってもよい。
このような液晶層の透過層は、ホログラフィック液晶方式の液晶層であることが好ましい。
ここでホログラフィック液晶方式の液晶層とは、ネマチック液晶とポリマーが複合されてなる、上記可変透過域の光を選択反射する周期的な屈折率分布が形成された液晶層であり、特定の波長域の光を選択的に反射して除外し、残りの波長域の光を透過する制御が容易に実現される。また、このホログラフィック液晶方式の液晶層が用いられることによって、光が反射される波長域と光が透過される波長域との境界が明確な光学フィルタが得られる。
また、液晶層の透過層は、コレステリック液晶方式の液晶層であることも好ましい。
コレステリック液晶方式の液晶層はメモリー性を有しており、光透過性の変更時には電圧印加が必要であるが、変更後の光透過性の維持には電圧印加が不要であって、省電力性に優れている。
上記目的を達成するための本発明の画像撮影装置は、
被写体光を受光して画像信号を生成する画像撮影装置において、
被写体光の照射を受けて画像信号を生成する撮像素子と、その撮像素子前面に配備されたフィルタとが組み込まれた撮像素子ユニットを備え、
上記フィルタが、
可視光域の光については電場の状態に関わらず透過すると共に、赤外光域および紫外光域のうち少なくとも一方を含んだ所定の可変透過域の光については電場の状態に応じて透過する透過層と、
電圧の印加を受けて透過層に電場を形成する電極とを備えたものであり、
この画像撮影装置がさらに、電極に電圧を印加してその電圧を制御することによって、フィルタが透過する光の波長域を制御するフィルタ制御部を備えたことを特徴とする。
本発明の画像撮影装置によれば、本発明の撮像素子ユニットと同様に、上記可変透過域の光について透過量が可変であるので、昼夜を通じた良好な撮影が実現される。また、本発明の画像撮影装置でも、上記可変透過域の光の透過量は電圧印加によって変わるので、装置の小型化やコストダウンを図ることができる。
本発明の画像撮影装置は、
「被写体の明るさを検知するセンサを備え、
上記フィルタ制御部が、センサによる検知結果に応じた電圧を印加するものである」
という形態が好適である。
このような好適な画像撮影装置によれば、例えば監視カメラなどで長時間に亘る自動撮影が行われる場合などに、上記可変透過域の光の透過量が自動的に変更され、昼夜を通じた良好な自動撮影が実現される。
なお、本発明の画像撮影装置には、本発明の撮像素子ユニットにおける上述した各種形態に対応する各形態も含まれる。
本発明の撮像素子ユニットおよび画像撮影装置によれば、昼夜を通じた良好な撮影が実現される。
[第一実施形態]
以下では、本発明の撮像素子ユニットの第一実施形態について説明する。
図1は、本実施形態の撮像素子ユニットの概略断面図である。
本実施形態の撮像素子ユニット1では、点線で示す被写体光が、光学フィルタ10を経由して光学フィルタ10の背後に備えられている固体撮像素子の一種であるCCD20上に集光され電気信号に変換される。このCCD20は、被写体光を各フォトダイオードに対応した各画素ごとに集光するためのマイクロレンズ層21と、集光した光を電気信号に変換するフォトダイオードアレイからなるフォトダイオード層22を備えており、これらマイクロレンズ層21およびフォトダイオード層22は支持体層23で支えられている。
次に光学フィルタ10の構造について説明する。
ここでは、ナノ粒子12の電気泳動を制御することにより透過光量を制御するタイプの光学フィルタについて説明する。
図2は、光学フィルタの側面の概略断面図である。
図1に示す光学フィルタ10は、分散媒11と、分散媒11中に分散しているナノ粒子12と、分散媒11とナノ粒子12とが封入された光透過性のガラス製の容器15と、容器15の上端部および下端部にそれぞれ備えられている電極13aおよび電極13bとを構成要素としている。電極13aは陽極であり、電極13bは陰極である。
本実施形態で用いられる分散媒11は、炭化水素系有機溶媒の一種であるエクソン社製のアイソパーであり、ナノ粒子12は、赤外吸収材料を含んだポリマー粒子である。
ここで、ナノ粒子12の作成手順について説明する。まず、メタクリル酸メチル10gと、アミニウム近赤外色素PDR−8(帝国化学社製)0.2gと、ヘキサデカン0.4gと、帯電剤としてのアルキルサリチル酸1gと、重合開始剤V−65(和光純薬社製)との混合溶液をドデジル硫酸ナトリウム水溶液に滴下する。その後、攪拌して乳化させて分散液を得る。得られた分散液を70°Cに加熱して重合を起こさせることで、近赤外色素を含んだポリマーナノ粒子が作成される。
このナノ粒子12の表面には、界面活性剤が吸着している。
図3は、ナノ粒子と、ナノ粒子の表面に吸着している界面活性剤を表す模式図である。
図3に示すように、中心に示す個々のナノ粒子12それぞれのまわりを取り巻くように界面活性剤12aが吸着している。界面活性剤12aがない場合、ナノ粒子12どうしが凝集することにより大きな粒子を形成することがある。こうした大きな粒子は電気泳動による移動が困難であり、光学フィルタとしての性能を悪化させてしまう。界面活性剤12aがナノ粒子12の表面に吸着することによって、ナノ粒子12どうしが互いに凝集することが妨げられる。本実施形態では、界面活性剤12aは、ポリアクリルアミドである。
本実施形態のナノ粒子12はプラスに帯電しており、図2に示す電極13aおよび電極13bを用いて電場を印加すると、ナノ粒子12は陰極である電極13bに集まる。電極13aおよび電極13bには、絶縁膜であるポリイミド膜がコーティングされており、電極表面にナノ粒子12が吸着することを防いでいる。電場を印加していない状態では図2のようにナノ粒子12が容器15中に分散する。図2において、光は一点斜線で示されているように光学フィルタ10の中心に入射するため、図2の状況では、光学フィルタ10の中心付近に分布するナノ粒子12によって入射光の赤外光成分が吸収されて可視光成分が透過される。厚さ2mmの分散媒11中に20質量%のナノ粒子12が均一に分散している場合には、900nmの光に対する透過率は14%となる。
図4は、図2に示す光学フィルタに電場を印加した時のナノ粒子の分布を表す概略断面図である。
容器15の上端部および下端部それぞれにおいて、それぞれ備えられている電極13aおよび電極13bを用いて電場を印加すると、ナノ粒子12は、プラスに帯電しているため、図4に示すように陰極である電極13bに付近に多く集まる。その結果容器15の中心付近のナノ粒子12の密度は、図2の状態と比べて小さくなる。このため、この状態で光が一点斜線で示すように入射してきたときには、この光学フィルタ10は、赤外線と可視光の両方を透過する。厚さ2mmの分散媒11では900nmの光に対する透過率は90%となる。
このように、本実施形態の撮像素子ユニットは、赤外光域の光について透過量を切り換えることができるので、昼夜に亘る撮影時には、昼間は可視光による撮影が用いられ、夜間は赤外光と可視光とを併用した撮影が用いられることによって、夜間における撮影感度の相対的な向上が図られ、昼夜に亘って良好な撮影が実現される。
[第二実施形態]
続いて、本発明の画像撮影装置の実施形態を第二実施形態として説明する。この実施形態は、第一実施形態で説明した光学フィルタ10を用いて構成したデジタルカメラの実施形態である。
図5は、本発明の画像撮影装置の一実施形態であるデジタルカメラを前面斜め上から見た外観斜視図である。
図5に示すように、このデジタルカメラ100の前面中央部には、撮影レンズ101が備えられている。また、このデジタルカメラ100の前面上部には、光学式ファインダ対物窓102および補助光発光部103が備えられている。さらに、このデジタルカメラ100の上面には、スライド式の電源スイッチ104およびレリーズスイッチ150が備えられている。
図6は、図5に示すデジタルカメラの概略構成図である。
図6に示すように本実施形態のデジタルカメラ100の内訳は、大きく分けて撮影光学系110と信号処理部120とに分かれる。そのほかに、このデジタルカメラ100には、撮影した画像を表示させるために画像表示部130およびその撮影した画像信号を記録しておくための外部記録媒体140が備えられており、撮影のための処理をデジタルカメラ100に行なわせる、ズームスイッチ170、撮影モードスイッチ160、およびレリーズスイッチ150も設けられている。
まず撮影光学系110の構成を、図6を参照して説明する。本実施形態のデジタルカメラ100では、図6の左方から被写体光が入射し、ズームレンズ115およびフォーカスレンズ114を経て、被写体光の光量を調整するアイリス116を通過した後、シャッタ112が開いている場合は、上述した光学フィルタ10を通過した後、固体撮像素子111に結像する。本来撮影光学系には複数のレンズが配備され、それらの複数のレンズの中の少なくとも1つがピント調節に大きく関与し、それら複数のレンズの相対位置が焦点距離に関与するが、この図6では、焦点距離の変化に係わるレンズをズームレンズ115として模式的に示しており、同じくピントの調節に係わるレンズをフォーカスレンズ114として模式的に示している。このズームレンズ115、フォーカスレンズ114はそれぞれ後述する信号処理部120からの信号に基づいて移動することが自在な構成になっていて、ズームレンズ115、フォーカスレンズ114とも信号処理部120からの信号に基づいて各位置に配置されるようになっている。このズームレンズ115、フォーカスレンズ114、アイリス116、およびシャッタ112は、ズームモータ115a、フォーカスモータ114a、アイリスモータ116a、およびシャッタモータ112aによりそれぞれ駆動され移動する。これらズームモータ115a、フォーカスモータ114a、アイリスモータ116a、およびシャッタモータ112aを作動させる指示は信号処理部120中のデジタル信号処理部120bからモータドライバ120cを通じて伝達される。
フォーカスレンズ114は、本実施形態のデジタルカメラ100が有するTTLAF(Through The Lens Auto Focus)機能が作動したときに光軸方向に前後に移動するものであり、このTTLAF機能によりピント調節が行なわれる。このTTLAF機能とはフォーカスレンズ114を、被写体距離の最遠点に対応する位置から被写体距離の至近点に対応する位置まで移動させることにより変化する被写界のコントラストを、後述する信号処理部120のAF/AE演算部126で検出して、そのコントラストのピークが得られる位置をピント位置としてそのフォーカスレンズ114をそのピント位置に調節するものである。ズームレンズ115は、光軸方向に移動して撮影倍率を決定する。
アイリス116は、デジタル信号処理部120bのAF/AE演算部126から与えられた指示に基づいて駆動されることによって、被写体光の光量を調整する。
光学フィルタ10は、デジタル信号処理部120bから与えられた指示に基づいたフィルタコントローラ113aの制御によって、図2に示す状態と図4に示す状態とが切り替わる。上述した撮影モードスイッチ160では、昼間撮影モードと夜間撮影モードとを選択することができ、光学フィルタ10は昼間撮影モードでは図2に示す状態となり、夜間撮影モードでは図3に示す状態となる。この光学フィルタ10の構造などについての重複説明は省略する。なお、図6においては、例として、1枚の光学フィルタ10を備えたカメラが示されているが、本発明の画像撮影装置は、光学フィルタを2枚以上を備えることによって、光量調節機能が多段階となっているものであってもよい。
以上が撮影光学系110の概略構成である。
続いて信号処理部120の構成を説明する。撮影光学系で固体撮像素子111に結像させた被写体像が画像信号としてアナログ処理(A/D)部120aに読み出され、このアナログ処理部(A/D)120aでアナログ信号がデジタル信号に変換されデジタル信号処理部120bへと供給される。デジタル信号処理部120bにはシステムコントローラ121が配備されており、そのシステムコントローラ121内に組み込まれた、動作手順を示したプログラムにしたがってデジタル信号処理部120b内の信号処理が行なわれる。このシステムコントローラ121と、画像信号処理部122、画像表示制御部123、画像圧縮部124、メディアコントローラ125、AF/AE演算部126、キーコントローラ127、バッファメモリ128、内部メモリ129との間のデータの受け渡しはバス1200を介して行なわれ、そのバス1200を介してデータの受け渡しが行なわれるときのバッファとして内部メモリ129が働いている。この内部メモリ129に各部の処理プロセスの進行状況に応じて変数となるデータが随時書き込まれて、システムコントローラ121、画像信号処理部122、画像表示制御部123、画像圧縮部124、メディアコントローラ125、AF/AE演算部126、およびキーコントローラ127の各部では、そのデータを参照することにより適切な処理が行なわれる。つまり、システムコントローラ121からの指示がバス1200を介して上記の各部に伝えられ、各部の処理プロセスが立ち上げられる。そして、その内部メモリ129のデータがプロセスの進行状況に応じて書き換えられ、さらにシステムコントローラ121側で参照されて上記の各部の動作が管理される。言い換えれば、電源が投入され、システムコントローラ121内のプログラムの手順にしたがって各部のプロセスが立ち上げられる。たとえば、レリーズスイッチ150、ズームスイッチ、撮影モードスイッチのスイッチが操作されると、その操作されたという情報がキーコントローラ127を経由してシステムコントローラ121に伝えられ、その操作に応じた処理がシステムコントローラ121内のプログラムの手順にしたがって行われる。
レリーズ操作が行われると、固体撮像素子111から読み出された画像データは、アナログ処理(A/D)部120aでアナログ信号からデジタル信号に変換され、このデジタル化された画像データがデジタル信号処理部120b内のバッファメモリ128にいったん蓄えられる。このデジタル化された画像データのRGB信号が画像信号処理部122でYC信号に変換され、さらに画像圧縮部124でJPEG圧縮と呼ばれる圧縮が行なわれて画像信号が画像ファイルとなってメディアコントローラ125を介して外部記録媒体140に記録される。この画像ファイルとして記録された画像データは、画像表示制御部123を通じて画像表示部130において再生される。この処理の際、RGB信号に基づいてピント調節および露出調節の演算を行なっているのがAF/AE演算部である。このAF/AE演算部126ではピント調節のためにRGB信号から被写体距離ごとにコントラストを検出することが行なわれる。この検出結果に基づいて、フォーカスレンズ114を駆動する駆動機構によってフォーカスレンズ114がピント位置に配置される。またAF/AE演算部ではRGB信号から輝度信号が抽出され、そこから被写界輝度が検出される。この結果に基づき、固体撮像素子111に与えられる被写体光の光量が適切になるように、フィルタコントローラ116aを介してアイリス116によって露出調節が行なわれる。
以上説明したデジタルカメラ100によれば、光学フィルタ10における赤外光域の透過光量が撮影モードに応じて切り換えられるので、昼夜いずれの撮影時にも良好な撮影が実現される。また、光学フィルタ10の透過光量は電気的に切り換えられるので、フィルタを移動させる機構や空間が不要である。さらに、光学フィルタ10が用いられていることによって、以下説明するように、被写体光の波長域の変更に伴う結像位置ズレも抑制されることとなる。
図7は、赤外光による撮影時の焦点位置を表した図であり、図8は、可視光による撮影時の焦点位置を表した図である。
赤外光による撮影時には、光学フィルタ10は図4に示す状態にあるので、光学フィルタ10の実質的な屈折率はアイソパーの屈折率n1である。そして厚さdの光学フィルタ10を透過した赤外光は位置P1に結像される。ここで、光学フィルタ10の屈折率がn1のままで可視光撮影が行われると、図8に実線で示されているように結像位置は位置P2にずれてしまうが、第2実施形態のデジタルカメラでは、可視光による撮影時には光学フィルタ10が図2に示す状態となり、光学フィルタ10の屈折率は、ナノ粒子の高い屈折率に影響されて、アイソパーの屈折率n1よりも高い屈折率n2となる。この結果、結像位置は、図に点線で示すように、位置P2からd(1/n1−1/n2)だけずれた位置P3となり、赤外光による撮影時の焦点位置P1に接近する。
このように、本実施形態では、被写体光の波長域の変更に伴う結像位置のズレが、光学フィルタ10の屈折率変化によって抑制されることとなる。
[第三実施形態]
次に、本発明の画像撮影装置の別の実施形態を第三実施形態として説明する。この実施形態は、第一実施形態で説明した光学フィルタ10を用いて構成した監視カメラの実施形態である。
図9は、監視カメラの概略構成図である。
この監視カメラ200の構成は、図6に示すデジタルカメラ100の構成とほぼ同様であるので、同等な構成要素については同一の符号を付して重複説明を省略する。
デジタルカメラが操作者によって直接操作されるカメラであるのに対して、監視カメラ200は上位装置である指令用コンピュータ300に接続されて、その指令用コンピュータ300を介して操作者に操作されるものである。このため監視カメラ200には、操作者が操作するスイッチ類や外部記録媒体は存在せず、信号処理部120’のデジタル信号処理部120dには、メディアコントローラやキーコントローラは存在しない。また、デジタル信号処理部120dには、指令用コンピュータ300とデータや命令のやり取りをするためのI/Oインタフェース1210が設けられている。監視カメラ200で撮影されて得られた画像データは、I/Oインタフェース1210を介して指令用コンピュータ300に送られて画像表示や記録などに用いられる。このため、デジタル信号処理部120dには画像圧縮部も存在しない。
この監視カメラ200には、監視カメラの周囲の暗さを感知する暗度感知センサ180が備えられており、この暗度感知センサ180による感知結果に応じた指示がデジタル信号処理部120dからフィルタコントローラ113aに与えられて光学フィルタ10が自動制御される。即ち、暗度感知センサ180による感知結果が所定の暗度よりも暗いという結果である場合には光学フィルタ10は図4に示す状態となって夜間撮影が行われ、感知結果が所定の暗度よりも明るいという結果である場合には光学フィルタ10は図2に示す状態となって昼間撮影が行われる。
このように、監視カメラ200によれば、夜間撮影と昼間撮影が自動的に切り換えられるので、昼夜に亘る良好な自動撮影が行われる。
次に、以上の各実施形態における光学フィルタ10に替えて利用可能な光学フィルタの例について説明する。上述した各実施形態における光学フィルタ10では、電場の有無によって赤外光の透過量が切り換えられるが、本発明にいうフィルタは、電場の向きの変化によって赤外光の透過量が切り換えられるものであってもよい。以下では、このような切替が可能なフィルタの例について説明する。
図10は、光学フィルタの別の例の概略断面図である。
ここに示す光学フィルタ30は、図2に示す光学フィルタ10と同様に、分散媒11と、分散媒11中に分散しているナノ粒子12と、分散媒11とナノ粒子12とが封入された光透過性のガラス製の容器15とを備えている。また、この光学フィルタ30は、図2に示す光学フィルタ10とは異なり、容器15の上端部および下端部の電極14aの他に側面部に透明な電極14bが備えられている。図10の状態では、電極14aは陰極、電極14bは陽極である。上述したようにナノ粒子12はプラスに帯電しているため、図10に示すように陰極である電極14a付近に多く集まる。このため、容器15の中心付近では光を吸収するナノ粒子12が少なく、図10において一点斜線で示すように被写体光の光路は容器15の中心を通っているので赤外光の透過率は大きい。この状態は、カメラに組み込まれた場合には夜間撮影用の状態に対応する。
図11は、図10に示す光学フィルタに備えられた電極の、陽極と陰極とを入れ替えた状態を表す概略断面図である。
この図11に示す状態では、図10に示した状態で形成されていた電場とは逆方向の電場が形成されており、プラスに帯電しているナノ粒子12は、図11に示すように陰極である透明電極14b付近に多く集まる。このため、容器15の中心付近では、光を吸収するナノ粒子12が多くなり、図10に比べて光の透過率が小さくなる。この状態は、カメラに組み込まれた場合には昼間撮影用の状態に対応する。
本発明にいうフィルタとしては、液晶の配向状態に応じて透過光の波長域が変わるものであっても良い。
図12は、液晶が用いられた光学フィルタを表す図である。
この図12に示す光学フィルタ40は、斜線で示されている液晶42が、間にポリマー43をおいて周期的に並んでいる構造を有した液晶層44と、この液晶層44を上下から挟んだ電極41とを備えている。
この液晶42は交流電場の周波数に応じて液晶分子の配列が変化する性質をもつネマチック液晶を組成成分としており、上述したような周期的な構造を持つ液晶層44は、ネマチック液晶にモノマーと光重合開始剤とを添加した系を、アルゴンレーザによる二光束干渉法を用いて光重合させることにより形成される。ネマチック液晶としては二周波駆動用ネマチック液晶DF02xx(チッソ社製))を用いることができ、モノマーとしては、2−エチルヘキシルアクリレートとウレタンアクリレートオリゴマーの混合物を用いることができる。
この液晶層44には、透明な電極41に電圧が印加されることによって電場が形成される。この液晶層44の組成成分であるネマチック液晶は、印加される電圧の周波数に応じて配列状態が変化する。すなわち低周波では、液晶分子の長軸が電場と平行であるが、高周波では電場の方向とは垂直である。液晶層44は、低周波の交流電場の下でネマチック液晶の液晶分子の長軸が電場方向にそろっているときには液晶42の電場方向の屈折率は、ポリマー43の屈折率と同じ大きさになるよう調整されている。このため、電場と平行な方向から光が入射してくると、液晶層内には、電場方向には屈折率の分布がないため、どの波長域の光も透過する。一方、高周波の交流電場の下では、全体として液晶分子の長軸方向が、電場と垂直な2次元面内では定まらずランダムであるため、液晶42の電場方向の屈折率とポリマー43の屈折率との間に差が生じる。この結果、被写体光が図12に点線で示すように電場と平行な方向から入射してくると、上述した周期的な構造によってブラッグ反射を生じて、液晶42の周期に応じた波長の光が選択反射される。ここに示す液晶層44では、液晶42の並びの周期(セルギャップ)が25μmであり、800nmから900nmの光が選択反射され、高周波の交流電場の下では900nmの光に対する透過率は2.0%であり、低周波の交流電場の下では透過率は85%となる。
次に、液晶が用いられた光学フィルタの別の例について説明する。
図13及び図14は、液晶が用いられた光学フィルタの別の例を表す図である。
これらの図13、図14に示す光学フィルタ50は、液晶52が螺旋状に配向した液晶層51と、その液晶層51を挟んだ1対の透明電極53とを備えている。この液晶層51における螺旋状に配向した液晶52の状態はコレステリック状態と呼ばれる状態であり、コレステリック液晶という種類の液晶によって形成される。あるいは、カイラル剤とネマティック液晶との混合物によってもコレステリック状態は形成される。ここでは、液晶として5CB(メルク社製)が用いられ、カイラル剤としてR−811およびS−811(共にメルク社製)が用いられている。
このコレステリック状態における液晶52の螺旋軸が透明電極53に対して垂直に向いている図13に示すような状態はプラナー状態と呼ばれ、螺旋ピッチに応じた波長の光が選択的に反射される。一方、液晶52の螺旋軸が透明電極53に対して平行に向いている図14に示すような状態はフォーカルコニック状態と呼ばれ、光の反射は生じずに透過する。
プラナー状態において反射される光の波長は螺旋ピッチに応じているが、螺旋ピッチはカイラル剤の濃度によって調整される。即ち、カイラル剤の濃度が高いほど螺旋ピッチが短くなってより短波長の光が反射される。ここに示す光学フィルタ50では、螺旋ピッチは10μm程度に調整されており、800nmから1000nmの赤外光が選択反射される。また、詳しい図示は省略されているが、液晶層51は、右巻き螺旋の液晶層と左巻き螺旋の液晶層が積層されたものとなっている。この光学フィルタ50における900nmの光に対する透過率は、フォーカルコニック状態で90%、プラナー状態で32.0%である。
プラナー状態とフォーカルコニック状態は、例えば特開2001−201762号公報に記載されているような電圧の印加方法によって作り分けることができる。また、それぞれの状態はメモリー性を有しており、他の状態に変更するような電圧の印加によって強制的に状態が変えられない限り各状態が維持される。従って、ここに示す光学フィルタ50が上述した各実施形態に適用されると、電圧印加は昼間撮影と夜間撮影との切替時のみでよく、省電力が図られる。
なお、上記説明では、本発明にいうフィルタの一例として、赤外光域の透過光量が切り替わる光学フィルタが示されているが、本発明にいうフィルタは、紫外光域の光の透過光量が切り替わるものであってもよく、赤外光域と紫外光域との双方の光の透過光量が切り替わるものものであってもよい。
以上で本発明の実施形態の説明を終了する。
最後に、本発明を構成する各構成部分において採用可能な種々の形態について付記する。
<ナノ粒子>
上述したナノ粒子の材質はいかなるものであってもよい。例えば、シリカ、アルミナ、ジルコニア、酸化チタン、酸化タングステン、酸化亜鉛、酸化錫、チタン酸バリウムなどが挙げられる。好ましくは、酸化チタン、シリカゲル(SiO2)、アルミナ、ポリマー粒子である。ナノ粒子の調整法は、固相法、液相法、気相法いずれでもよく、好ましくは、液相法と気相法である。その詳細は、文献「ナノ微粒子の調整および分散・凝集コントロールとその評価、技術情報協会、2003年」に記載されている。粒子サイズは、100nm以下が好ましい。粒子サイズが100nmを越えると、光の散乱が生じ、透明性(光透過性)が損なわれることとなる。
ナノ粒子は、それ自体の材料で、赤外光あるいは紫外光を吸収する性質を有していても良いし、それ自体の材料には吸収がない場合には、赤外光あるいは紫外光を吸収するための吸収材料が複合化されても良い。紫外光を吸収するナノ粒子材料としては酸化チタンが挙げられる。シリカゲル、アルミナなどは、赤外光あるいは紫外光に吸収を有していないので赤外光あるいは紫外光を吸収する吸収材料との複合化が好ましい。複合化の方法は、いかなるものであっても良いが、赤外光あるいは紫外光を吸収する有機材料と、ナノ粒子の主成分となる無機材料(アルコキシチタン、アルコキシシランなど)とのゾルゲル反応により有機・無機ハイブリッドナノ粒子を作成する方法や、赤外光あるいは紫外光を吸収する吸収材料をナノ粒子の表面に固定させる方法が挙げられる。ナノ粒子表面への吸収材料の固定には、チタンカップリング剤、シランカップリング剤、アルミニウムカップリング剤を用いて、あるいはグラフト重合によって、ナノ粒子表面に活性基を導入した後、反応基を有する吸収材料と反応させて、共有結合にて連結する方法が好適である。
ここで、赤外吸収材料としては、フタロシアニン、ナフタロシアニン、アントラキノン、ジチオール金属錯体、アミノチオレート金属錯体、フェニレンジアミン金属錯体、アミニウム、ジインモニウム、ナフトキノン金属錯体、スクアリリウム、シアニン、キノリウム、ベンゾチオピリリウム、インドレニン、キサンテン、チオキサンテンなどが挙げられる。
また、ナノ粒子は、分散媒への分散安定性を高める目的で、表面を修飾することが好ましい。表面を修飾する方法としては、チタンカップリング剤(イソプロピルトリイソステアロイルチタネートなど)、シランカップリング剤(ペンタデカフルオロデシルトリメチルシランなど)、アルミニウムカップリング剤(アセトアルコキシアルミニウムジイソプロピレートなど)、グラフト重合などが挙げられる。グラフト重合は、酸化チタンに対してはポリエチレングラフト重合、ポリスチレングラフト重合が、シリガゲルに対してはシラノール基を利用したグラフト重合が利用できる。ポリマー粒子に対しては、公知のアニオン、カチオン、ノニオン性界面活性剤が用いられる。特に好ましくはアニオン性界面活性剤であり、例えばラウリン酸ナトリウム、ステアリン酸ナトリウム、オレイン酸ナトリウム、ドデシル硫酸ナトリウム、ラウリル硫酸ナトリウム、ステアリル硫酸ナトリウム、ステアリル燐酸ナトリウムなどが挙げられる。
さらに、ナノ粒子には、適切な荷電を付与するために帯電剤を用いることが好ましい。用いられる帯電剤としては、各種両親媒性(高)分子、ニグロシン系化合物、アルコキシ化アミン類、第四級アンモニウム塩、アルキルアミド、リンおよびタングステンの単体および化合物、モリブデンキレート顔料、疎水性シリカ、ホウ素類、ハロゲン化合物、モノアゾ染料の金属錯塩、サリチル酸、アルキルサリチル酸、ジアルキルサリチル酸、ナフトエ酸の金属錯塩、塩素化ポリオレフィン、塩素化ポリエステル、酸基過剰のポリエステル、銅フタロシアニンのスルホニルアミン、オイルブラック、ナフテン酸金属塩、脂肪酸金属塩、樹脂酸石けんなどが挙げられる。ナノ粒子に含有させる帯電剤の添加量は、2質量%から70質量%の範囲が好ましい。また、帯電剤が、上述した吸収材料を兼ねていても良い。
<分散媒>
ナノ粒子を分散させる分散媒としては、水あるいは非水系有機分散媒を用いることができる。また、水と有機分散媒を混合して用いてもよい。非水系有機分散媒としては、好ましくは、炭化水素(ヘキサン、ヘプタン、ペンタン、オクタン、アイソパー(エクソン社)など)、炭化水素系芳香族化合物(ベンゼン、トルエン、キシレン、メシチレン、エチルベンゼンなど)、ハロゲン系炭化水素(ジフルオロプロパン、ジクロロエタン、クロロエタン、ブロモエタンなど)、ハロゲン系炭化水素系芳香族化合物(クロロベンゼンなど)、エーテル系化合物(ジブチルエーテル、アニソール、ジフェニルエーテルなど)、アルコール系化合物(グリセリンなど)、カルボニル基を有する化合物(プロピレンカーボネートなど)、ニトロ系化合物(ニトロメタンなど)、ニトリル系化合物(アセトニトリル、ベンゾニトリルなど)、水が好ましい。
分散媒については、撮像素子ユニットの用途との関連において、赤外光域あるいは紫外光域に吸収を持たないものが適宜選択される。また、屈折率、比重、粘度、抵抗率、誘電率などを調整することが好ましい。この調整には、複数の分散媒を混合して行なうことができる。
また、分散媒には、酸、アルカリ、塩、分散安定剤、酸化防止や紫外線吸収などを目的
とした安定剤、抗菌剤、防腐剤などを添加することができる。
<容器>
分散媒と分散質を収容する容器の材料としては、ガラス基板、ポリエステル、ポリイミド、ポリメタクリル酸メチル、ポリスチレン、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリアミド、ナイロン、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリカーボネート、ポリエーテルスルフォン、シリコーン樹脂、ポリアセタール樹脂、フッ素樹脂、セルロース誘導体、ポリオレフィンなどの高分子のフイルムや板状基板、金属基板、セラミック基板等の無機基板などが好適に用いられる。少なくとも50%以上の光透過率を有する容器が好ましく、さらに好ましくは80%以上の光透過率を有するものである。
<電極>
陰極や陽極の電極部材としては、金、銀、銅、アルミニウム、マグネシウム、ニッケル、プラチナ、カーボン、導電性高分子、酸化錫一酸化インジウム(ITO)、酸化錫、酸化亜鉛などに代表される金属酸化物層が形成されたものが好適に用いられる。また、電極を光の透過する部位に設置する場合には、いわゆる透明電極を用いることが好ましい。酸化錫一酸化インジウム(ITO)、酸化錫、酸化亜鉛などに代表される金属酸化物が好ましい。
ここで、上記では、本発明の概念を実現するための基本的な実施形態について説明したが、本発明に採用する光学素子を実用化するにあたっては、光路上にゴミや水滴などが付着してレンズ性能が劣化してしまう不具合を防止するための工夫を施すことが好ましい。
例えば、液体が収容された容器の光路と交わる外面(以下では、この面を光透過面と称する)に撥水性膜を付設することが好ましい。光透過面に撥水性を付与することによって、ゴミや水滴の付着などが防止され、光学素子の高い光透過性を維持することができる。この撥水性膜を構成する材料としては、シリコーン樹脂、オルガノポリシロキサンのブロック共重合体、フッ素系ポリマー、およびポリテトラフルオロエタンなどが好ましい。
また、光学素子を構成する容器の光透過面に、親水性膜を付設することも好ましい。光透過面に親水撥油性を付与することによっても、ゴミの付着を防止することができる。この親水性膜としては、アクリレート系ポリマーで構成されたものや、非イオン性オルガノシリコーン系界面活性剤などといった界面活性剤を塗布したものなどが好ましく、親水性膜の作製方法としては、シラン系モノマーのプラズマ重合や、イオンビーム処理などを適用することができる。
また、光学素子を構成する容器の光透過面に、酸化チタンなどといった光触媒を付設することも好ましい。光と反応した光触媒によって汚れなどが分解され、光透過面をきれいに保つことができる。
また、光学素子を構成する容器の光透過面に、帯電防止膜を付設することも好ましい。容器の光透過面に静電気が溜まったり、電極によって帯電してしまうと、光透過面にゴミや埃がくっついてしまう恐れがある。光透過面に帯電防止膜を付設することによって、このような不要物の付着を防止し、光学素子の光透過性を維持することができる。この帯電防止膜は、ポリマーアロイ系の材料で構成されていることが好ましく、このポリマーアロイ系が、ポリエーテル系や、ポリエーテルエステルアミド系や、カチオン性基を有するものや、レオミックス(商品名、第一工業製薬株式会社)であることが特に好ましい。また、この帯電防止膜が、ミスト法によって作製されたものであることが好ましい。
また、光学素子を構成する容器に、防汚性素材を適用しても良い。防汚性素材としてはフッ素樹脂が好ましいが、具体的には、含フッ素アルキルアルコキシシラン化合物や、含フッ素アルキル基含有ポリマー、オリゴマー等が好ましく、上記硬化性樹脂と架橋可能な官能基を有するものが特に好ましい。また、防汚性素材の添加量は、防汚性を発現する必要最低量であることが好ましい。
本実施形態の撮像素子ユニットの概略断面図である。 光学フィルタの側面の概略断面図である。 ナノ粒子と、ナノ粒子の表面に吸着している界面活性剤を表す模式図である。 図2に示す光学フィルタに電場を印加した時のナノ粒子の分布を表す概略断面図である。 本発明の画像撮影装置の一実施形態であるデジタルカメラを前面斜め上から見た外観斜視図である。 図5に示すデジタルカメラの概略構成図である。 赤外光による撮影時の焦点位置を表した図である。 可視光による撮影時の焦点位置を表した図である。 監視カメラの概略構成図である。 光学フィルタの別の例の概略断面図である。 図10に示す光学フィルタに備えられた電極の、陽極と陰極とを入れ替えた状態を表す概略断面図である。 液晶が用いられた光学フィルタを表す図である。 液晶が用いられた光学フィルタの別の例におけるプラナー状態を表す図である。 液晶が用いられた光学フィルタの別の例におけるフォーカルコニック状態を表す図である。
符号の説明
1 撮像素子ユニット
10,30 光学フィルタ
11 分散媒
12 ナノ粒子
12a 界面活性剤
13a、13b 電極
14a、14b 電極
15 ガラス製の容器
20 CCD
21 マイクロレンズ層
22 フォトダイオード層
23 支持体層
40,50 光学フィルタ
41,53 電極
42,52 液晶
43 ポリマー
44,51 液晶層
100 デジタルカメラ
101 撮影レンズ
102 光学式ファインダ対物窓
103 補助光発光部
104 電源スイッチ
110 撮影光学系
111 固体撮像素子
112 シャッタ
112a シャッタモータ
113a フィルタコントローラ
114 フォーカスレンズ
114a フォーカスモータ
115 ズームレンズ
115a ズームモータ
120,120’ 信号処理部
120a アナログ処理(A/D)部
120b,120d デジタル信号処理部
120c モ−タドライバ
121 システムコントローラ
122 画像信号処理部
123 画像表示制御部
124 画像圧縮部
125 メディアコントローラ
126 AF/AE演算部
127 キーコントローラ
128 バッファメモリ
129 内部メモリ
1200 バス
1210 I/Oインタフェース
130 画像表示部
140 外部記録媒体
150 レリーズスイッチ
160 撮影モードスイッチ
170 ズームスイッチ
180 暗度感知センサ
200 監視カメラ
300 指令用コンピュータ

Claims (6)

  1. 被写体光の照射を受けて画像信号を生成する撮像素子と、該撮像素子前面に配備されたフィルタとが組み込まれた撮像素子ユニットにおいて、
    前記フィルタが、
    可視光域の光については電場の状態に関わらず透過すると共に、赤外光域および紫外光域のうち少なくとも一方を含んだ所定の可変透過域の光については電場の状態に応じて透過する透過層であって、可視光域および前記可変透過域の光について透過性の分散媒と、該分散媒内に分散した、該可変透過域の光については不透過性であって可視光域の光については透過性の分散質とからなる透過層;および
    電圧の印加を受けて前記透過層に電場を形成する電極;を備えたことを特徴とする撮像素子ユニット。
  2. 前記分散質が、赤外吸収材料を含んだ、径が100nm以下の粒子であることを特徴とする請求項1記載の撮像素子ユニット。
  3. 前記分散質が、赤外吸収材料を含んだポリマー粒子であることを特徴とする請求項1記載の撮像素子ユニット。
  4. 前記分散媒が、有機分散媒であることを特徴とする請求項1記載の撮像素子ユニット。
  5. 前記分散媒が、炭化水素系有機分散媒であることを特徴とする請求項1記載の撮像素子ユニット。
  6. 被写体光を受光して画像信号を生成する画像撮影装置において、
    被写体光の照射を受けて画像信号を生成する撮像素子と、該撮像素子前面に配備されたフィルタとが組み込まれた撮像素子ユニットを備え、
    前記フィルタが、
    可視光域の光については電場の状態に関わらず透過すると共に、赤外光域および紫外光域のうち少なくとも一方を含んだ所定の可変透過域の光については電場の状態に応じて透過する透過層であって、可視光域および前記可変透過域の光について透過性の分散媒と、該分散媒内に分散した、該可変透過域の光については不透過性であって可視光域の光については透過性の分散質とからなる透過層;および
    電圧の印加を受けて前記透過層に電場を形成する電極;を備えたものであり、
    この画像撮影装置がさらに、前記電極に電圧を印加して該電圧を制御することによって、前記フィルタが透過する光の波長域を制御するフィルタ制御部を備えたことを特徴とする画像撮影装置。
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