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

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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