JP4527224B2

JP4527224B2 - Ｈ−ｐｄｌｃ色分解エレメントを含む固体撮像装置およびその製造方法

Info

Publication number: JP4527224B2
Application number: JP37210699A
Authority: JP
Inventors: ディーシルバースタインルイス; ジーフィスクトーマス; ユアンハイジ
Original assignee: Thomson Licensing SAS
Current assignee: Thomson Licensing SAS
Priority date: 1998-12-29
Filing date: 1999-12-28
Publication date: 2010-08-18
Anticipated expiration: 2019-12-28
Also published as: ID26321A; US6166800A; JP2000209600A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、フルカラー及び高解像度のモノクロム画像を提供するための液晶色分解エレメントを含む撮像装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体イメージセンサの使用をベースとした新世代のフルカラー撮像装置のおかげで、ディジタルイメージングの、消費市場への浸透が可能となった。これらの新規装置には、静止画像撮影用のディジタルカメラも動画像用の小型ビデオカメラも含まれる。現存の大部分の装置は、電荷結合素子（ＣＣＤ）イメージセンサアレイを利用したものであるが、目下、相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）センサアレイの開発に多大の先導があり、ＣＭＯＳ型ディジタルカメラが市場に登場してきている。撮像装置に関する消費市場は既に大きく、且つ急速に成長中である。これは、インターネット及びワールドワイドウェブが活気づけたこともあるが、ディジタル写真の魅力と、写真質の画像を提供できる低価格高品質のカラープリンタが入手できるようになったこともそれを推進した。ディジタルカメラ装置の市場は、数年以内に数十億ドルに達すると予想され、当然ながら、競争が激しく、価格変動も大きい。
【０００３】
これらのディジタル撮像装置の主性能と価格因子は、イメージセンサそのものである。これらの新規カラー撮像装置の価格を最小限に抑え、フィルム式カメラに匹敵する形態因子（すなわち物理的サイズ又は容積）を具備させるために、大部分の装置は１個のイメージセンサを利用している。色分解は、イメージセンサアレイにかぶせた、空間的にパターン配列された赤、緑及び青（ＲＧＢ）のカラー吸収フィルタアレイによって行われる。この手法の技術的課題は、イメージセンサの空間分解能をフルに利用しながら、有効な色分解も提供することである。フィルタ付きイメージセンサアレイの各センサ位置における“真”の輝度信号を評価するために、何らかの方法を導入しなければならない。そこで、各センサ位置で色又は色度の評価を試みる必要がある。例えば、サンプリング密度１０２４×７６８画素で画像を取り込むように設計されたディジタルカメラ装置は、通常、パターン配列された赤、緑及び青の色分解フィルタ付きの、センサ数１０２４×７６８のイメージセンサアレイ１個を含む。センサの解像度でフルカラー画像を提供するために、各センサ位置で発生した１個の信号から、１０２４×７６８のセンサ位置それぞれについて、３個の８ビットカラー信号を“再構築”又は誘導しなければならない。次いで、この１０２４×７６８×２４ビットの画像はカメラに蓄えられ（通常圧縮された形態）、その後ディスプレイ上に画像化したりカラープリンタで印刷するためにコンピュータシステムに伝送される。
【０００４】
図１に、この最も一般的な構成例である、カラーディジタルカメラにおけるカラー撮像装置２０、すなわち１−パス式（single-path）センサシステムの概略図を示す。撮像装置２０は、レンズ２２、及び余分の緑エレメント２６を有する一体式ベイヤ(Beyer)型カラーフィルタ（赤−緑−緑−青）配列２４付きの二次元センサアレイ（例えば、電荷結合素子アレイ）を含む。この特有のカラーフィルタ配列は、電荷結合素子型カラービデオカメラに普通に使用されている。緑フィルタ付きセンサの密度が高いほど（数が多いほど）、空間輝度配列の評価の有効性が向上する。各画素位置における３個の８ビットカラー信号を再構築する方法の部類は“デモザイク操作(de-mosaicing operations)”として知られ、最も一般的には直線補間(linear interpolation)操作及びブロック複製(block replication)操作に基づく。テンプレートを用いた特徴推定法も用いられている。
【０００５】
図２に、ディジタルカメラ用色分解についての第二の公知手法である３−パス式(three-path)センサシステムを示す。色分解システム３０は、入射光を３つの異なる広域スペクトル領域Ｃ₁、Ｃ₂及びＣ₃に分解するための光学プリズムとダイクロイックエレメント３２を含む。分解された入射光は、次に各々別個のイメージセンサアレイ３４、３６及び３８に投影される。この手法は、原則的にカラー画像の完全性を保持し、デモザイクの必要性とそれに付随するシステムの諸経費を削除する。この手法は、ミノルタＲＤ−１７５ディジタルカメラが代表する。
【０００６】
撮像装置の色分解法として提案されている最も最近の手法は、１個のセンサアレイ上への、赤、緑及び青の画像成分の一時イメージング（フィールド順次イメージングとしても知られる）に基づく。この手法は、１−パス式センサシステムの価格及び形態因子の利点の可能性と、３−パス板式センサシステムのさらに完全で効率のよい色分解性能を有する。現在、消費者レベルの製品にこの種のシステムは使用されていないが、高速スイッチングのネマチック液晶πセルに基づくフィールド順次色分解エレメントが提案されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
公知のディジタル撮像装置はいくつかの理由から完全に満足できるものではないことがわかっている。１−パス式センサシステムとデモザイク法の使用を含む公知の撮像装置の主な難点は、フルカラー画像の不完全な再構築又は誘導から発生するカラー画像のアーティファクト(artifacts)、デモザイク操作に要するシステム処理の諸経費、及びセンサアレイに付けたカラー選択フィルタモザイクを含むカラー吸収フィルタの制限による最適でない色分解と光通過量効率である。これらの制限は、少なくとも一部は、センサアレイの製造工程と適合性がなければならないカラーフィルタ材料の使用に関わる制約の結果である。カラー画像の種々のアーティファクトは、特定の撮像装置で使用されるフィルタモザイク及びデモザイクの手法に左右される。現存装置にみられる最も一般的なカラー画像のアーティファクトは、空間ぶれ又は画像ディテールの喪失、ブロッキングアーティファクト、陰影ディテールにおける偽輪郭及び色ノイズ、処理画像の比較的低明度領域である。同様の制限と画像アーティファクトが、カラー画像撮像にも用いられる１−パス式センサシステムを用いた高解像度のモノクロム画像撮像にも当てはまる。
【０００８】
図２に示した３−パス式センサシステムにも難点がある。３−パス式センサシステム３０は、３つの別個のカラーチャネルＣ₁、Ｃ₂及びＣ₃を作り出すのに、３個のイメージセンサ３４、３６及び３８、並びに光学プリズム及びダイクロイックエレメント３２が必要なため、１−パス式センサシステムより高価となる。さらに、３−パス式手法及びその関連部材のために、望ましくない形態因子を有する比較的大きなカメラシステムとなる。これらのカメラシステムは、その基となっている一眼レフカメラ本体よりかなり大きくかさばる傾向にある。公知の３−パス式カラーカメラシステムの別の難点は、比較的不良の色分解であり、これは、特定のスペクトルのカットオフ点よりも上又は下の広いスペクトル領域を通過させるダイクロイックエレメントの使用が原因となる。また、これらのシステムは、センサアレイに不可視波長を通過させる傾向もあるため、スペクトルの可視部におけるシステムの性能が制限される。
【０００９】
色分解用のフィールド順次πセルカラーシャッタの概念もいくつかの難点を持つ。第一に、色分解能が、カラー偏光子に用いられるダイクロイック染料によって制限され、特定のイメージセンサに容易にチューニングできない。第二に、色分解が偏光依存吸収フィルタに基づいているため、光通過量効率が比較的低い。図３に、ディジタルカメラへの使用が提案されている典型的なπセルカラーシャッタの実測スペクトル透過率を示す。第三に、πセルは、液晶分子のπ形配列を維持するために、各液晶セルに印加、維持すべきバイアス電圧を必要とする。さらに、バイアス電圧の印加後、液晶分子が安定なπセル形に配列するのに数秒を要する。このようなバイアス電圧維持の要件は、バッテリ式カメラシステムには望ましくない。第四に、青と緑、及び緑と赤の透過状態の間にかなりのスペクトルのオーバーラップがある。このために、青と緑の画像、及び緑と赤の画像の分解が不適切となり、カラー画像の画質が劣化する。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、高画質のフルカラー及び高解像度のモノクロム画像を提供するために、光反射（ミラー）モード又は光透過（フィルタ）モードのいずれかで運転できる液晶色分解エレメントを含む撮像装置を提供する。
【００１１】
本発明は、別に、加法又は減法の三原色のいずれかに基づくフルカラー画像を達成できるホログラフィックポリマー分散液晶（Ｈ−ＰＤＬＣ）色分解エレメントを含む撮像装置も提供する。
【００１２】
本発明の色分解エレメントは、反射又は透過モードのいずれかへの一時スイッチングの使用により入射光の色分解を達成し、カラー成分をわずか１個のイメージセンサに順次投影することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明による撮像装置は、レンズと、色分解エレメントと、イメージセンサとを含む。イメージセンサは、イメージセンサアレイであり得る。色分解エレメントは、レンズによってフォーカスされた入射光を受光する。色分解エレメントは、少なくとも１対の基板と各基板対の間に色分解媒体とを含む。色分解媒体は、ホログラフィックポリマー分散液晶材料を含み得る。ホログラフィックポリマー分散液晶色分解媒体は、それぞれ、入射光の選択固有色の光を反射すると同時に、入射光の、反射された固有色以外の実質的にすべての固有色の光を透過する。イメージセンサは、ホログラフィックポリマー分散液晶色分解媒体によって反射（ミラー）モードで反射された光、又は透過（フィルタ）モードで透過された光のいずれかを感知するために、色分解エレメントに対して選択的に配置されうる。
【００１４】
当該撮像装置は、複数対の基板と、各基板対の間に形成された、それに付随するホログラフィックポリマー分散液晶色分解媒体を含むことができる。当該撮像装置は、一般的に、フルカラー画像を提供するために、赤、緑及び青の光をそれぞれ反射できる３種類のホログラフィックポリマー分散液晶色分解媒体を含む。
【００１５】
色分解エレメントは、各基板対及びホログラフィックポリマー分散液晶色分解媒体と連結した電源を含むことができ、合わせてセルを形成する。ホログラフィックポリマー分散液晶色分解媒体は、電界オフの状態で選択固有色の光を反射し、印加電圧が閾値電圧を超えると実質的にすべての色を透過する。従って、異なるセルに選択的に、且つ独立して電圧を印加することにより、電圧を印加されないセルは選択された固有色の光を反射することができ、電圧を印加されたセルはその他すべての固有色を透過できる。反射された色は加法混色によって、透過された色は減法混色によって混合でき、反射又は透過運転モードでフルカラー画像が達成される。
【００１６】
本発明の撮像装置の別の態様によれば、撮像装置は、色分解エレメントによって反射された固有色を感知する第一のイメージセンサと、透過された減法三原色を感知する第二のイメージセンサを含むことができ、その結果、撮像装置は、反射モード又は透過モードのいずれかで選択的に運転することができる。
【００１７】
本発明は、光の固有色の分解法も提供する。
【００１８】
図４に、本発明の一例となる撮像装置４０を示す。撮像装置４０は、ディジタルカメラのようなフルカラー撮像装置であってよく、静止画像及び／又は動画像を撮像できる。撮像装置４０は、レンズ４２と、色分解エレメント４４と、イメージセンサアレイ４５を含む。レンズ４２は、光Ｌを色分解エレメント４４上にフォーカスし、向かわせる。この、一例となる実施の形態では、色分解エレメント４４は、色分解ミラーとして反射モードで運転する。色分解エレメント４４によって反射された光は、イメージセンサアレイ４５のようなイメージセンサに向かう。
【００１９】
レンズ４２は、入射光Ｌを色分解エレメント４４上にフォーカスするための任意の適切な単一レンズ又はレンズシステムであってよい。
【００２０】
イメージセンサアレイ４５は、例えば相補型金属酸化膜シリコン（ＣＭＯＳ）デバイス又は電荷結合素子（ＣＣＤ）の規則正しく配列されたアレイであり得る。撮像装置４０には、任意のその他の公知又は新開発のイメージセンサ技術が使用できる。イメージセンサアレイ４５は、モノクロムセンサの均一アレイを含み、図１に示したイメージセンサ２４のような、配列フィルタアレイを有する同等のデバイス密度のイメージセンサよりも実質的に高い空間分解能を提供できる。
【００２１】
一例となる色分解エレメント４４を図５に示す。色分解エレメント４４は、３個のセル４６、４８及び５０を含む。セル４６、４８及び５０は、それぞれ、対向する１対の基板５２を含み、その基材は、ガラス又はプラスチックなどの任意の透明媒体で、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）のような導電性かつ光学的に透明な材料で各々被覆されている。また、各セルには、基板対５２に電気的に接続された電源５４、５６及び５８もそれぞれ含まれる。セル４６、４８及び５０は、それぞれ色分解媒体６０、６２及び６４を含む。色分解エレメント４４は、非反射光波長を吸収するための黒吸収材６６を後端面に含むこともできる。
【００２２】
各セル４６、４８及び５０の色分解媒体６０、６２及び６４は、ホログラフィックポリマー分散液晶（Ｈ−ＰＤＬＣ）材料を含むことができる。これらの材料は、選択波長、従って選択固有色で高効率のブラッグ反射(Bragg reflection)を示す。ホログラフィックポリマー分散液晶媒体は、液晶とポリマー材料の混合物を、干渉コヒーレント光線によって作り出される光学的定常波パターンに暴露することによって製造される。定常波パターンは、混合物中の液晶とポリマー材料の相分離を引き起こし、ポリマーに富む層と液晶に富む層が交互に含まれる層化構造を作り出す。混合物の相分離から層化構造への変化が完了すると、紫外線で硬化することにより、層化構造を“固定化(locked in)”することができる。作成された周期構造は、色分解媒体に電圧が印加されない電界オフの状態で、異なる屈折率が交互する層を見せる。電界オフ状態で、異なる屈折率の層は、所望のブラッグ波長を中心に強め合う干渉と高効率のブラッグ反射を引き起こす。
【００２３】
色分解媒体６０、６２及び６４を形成するポリマー／液晶混合物のブラッグ波長は、混合物を照射する光線の波長及び／又は入射角を選択することによって変動させることができる。通常、２本のレーザ光線を用いて、ポリマー／液晶混合物中に多層構造を製造する。反射（ブラッグ）波長は、屈折率変調の周期をコントロールして変える。本発明による撮像装置における使用に適したホログラフィックポリマー分散液晶媒体の形成法の一例は、Ｇ．Ｐ．Ｃｒａｗｆｏｒｄらによる“ＲｅｆｌｅｃｔｉｖｅＣｏｌｏｒＤｉｓｐｌａｙｓｆｏｒＩｍａｇｉｎｇＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ”（ＩＳ＆Ｔ／ＳＩＤ１９９５年ＣｏｌｏｒＩｍａｇｉｎｇＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅ会報：ＣｏｌｏｒＳｃｉｅｎｃｅ，ＳｙｓｔｅｍｓａｎｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，ｐｐ５２−５８）に記載されている。
【００２４】
色分解媒体６０、６２及び６４を含むホログラフィックポリマー分散液晶材料は、交互する液晶に富む層とポリマーに富む層の群を含むように形成でき、各層群は異なる波長の光を反射する。これらのホログラフィック構造は、１つの選択色の複数の接近した間隔の波長を反射できる。これは、各々別個のスペクトル帯域幅を有する別個の反射率サブピークによって表されており、これらのサブピークが一緒になって広い帯域幅を有するスペクトルピークに関係する。
【００２５】
セル４６、４８及び５０は、それぞれホログラフィックポリマー分散液晶色分解媒体６０、６２及び６４を含むことができ、これらが電界オフの状態で、それぞれ異なる固有色Ｒ₁、Ｒ₂及びＲ₃の光を反射する。電界オフの状態では、電源５４、５６及び５８は、セル４６、４８及び５０に電圧を印加しない。この電界オフの状態で、液晶材料の屈折率ｎ_LCは、ポリマーの屈折率ｎ_pと異なる。ブラッグ波長を中心とする有限のスペクトル帯域幅の光が、こうしてホログラフィックポリマー分散液晶媒体から反射される。色分解エレメント４４は、加法混合の三原色である赤、緑及び青を反射するように形成できる。すなわち、色分解媒体６０は青の光を、色分解媒体６２は緑の光を、そして色分解媒体６４は赤の光を電界オフの状態で反射するように形成できる。従って、電界オフの状態で、色分解エレメント４４は、青、緑及び赤の光を反射できる。反射された色は、加法混色規則に従って混合し、すべての色を達成できる。
【００２６】
本発明の別の利点は、ホログラフィック的に形成された色分解媒体６０、６２及び６４の反射方向を、色分解エレメント４４の表面反射から離れさせるようにできることである。これは、２本の干渉レーザ光線を適当な角度に設定し、干渉縞層が基板５２からティルティングする（tilting）ことによって達成できる。これによって、反射光の表面反射又はグレア成分を、異なる固有色Ｒ₁、Ｒ₂及びＲ₃の反射光から分離できる。反射された固有色Ｒ₁、Ｒ₂及びＲ₃はイメージセンサアレイ４５に向かい、グレア成分はイメージ光路から離れて光トラップに向かう。グレア成分を反射光Ｌ_Rの光路から効果的に除去することにより、よりよい色分解が達成され、未制御及び未変調の光がイメージセンサアレイ４５に入らないようにすることで撮像装置４０の感度が改良される。
【００２７】
図６に、色分解エレメント４４のモデル化したスペクトル反射率対波長のプロット図を示す。色分解エレメント４４中の、色分解媒体６０、６２及び６４が、青（Ｂ）、緑（Ｇ）及び赤（Ｒ）の光の接近した間隔の波長をそれぞれ反射する。このプロット図は、当該ホログラフィックポリマー分散液晶色分解エレメント４４が達成可能な、無限の多様なスペクトル反射率関数のほんの一例に過ぎない。図に示されているように、ピークＢ、Ｇ及びＲは、それぞれ別個の帯域幅を有する別個の反射率サブピークを含む。青のピークＢはサブピークＢ₁、Ｂ₂及びＢ₃を、緑のピークＧはサブピークＧ₁、Ｇ₂及びＧ₃を、赤のピークＲはサブピークＲ₁、Ｒ₂及びＲ₃を含む。
【００２８】
場合により、色分解媒体６０、６２及び６４は、単一の反射率ピークＢ、Ｇ、Ｒ、異なる数のサブピークを有するそれぞれ異なる固有色、又は固有色のその他の組合せを反射するように形成することもできる。
【００２９】
電界オンの状態において、電源５４、５６及び５８は、それぞれ、ホログラフィックポリマー分散液晶色分解媒体６０、６２及び６４に選択的に電圧を印加し、電界オフの状態で以前に反射した光を、ホログラフィックポリマー分散液晶材料に透過させることができる。ある閾値電圧レベルを印加すると、液晶分子の再配列によって、液晶材料の屈折率ｎ_LCとポリマー材料の屈折率ｎ_pがほぼ等しくなり、ホログラフィックポリマー分散液晶材料の周期的屈折率変調が効果的に除去される。その結果、電界オンの状態で、全入射光が、閾値電圧を印加されたホログラフィックポリマー分散液晶材料によって効果的に透過される。色分解エレメントの異なるセル４６、４８及び５０は、各セルが完全な光透過を示す異なる閾値電圧をそれぞれに有することができる。
【００３０】
原則的に、色分解エレメント４４は、いわゆるネガティブ液晶材料の使用により、反対の方式で運転することができる。すなわち、ホログラフィックポリマー分散液晶色分解媒体は、電界オフの状態で光を透過し、電界オンの状態で反射できる。
【００３１】
色分解媒体６０、６２及び６４には、それぞれの電源５４、５６及び５８によって選択的に、且つ独立して電圧を印加できるので、色分解媒体は光を選択的に反射又は透過できる。前述のように、１つ以上の色分解媒体６０、６２及び６４に電圧が印加されない場合、関連のブラッグ波長とその付近の光は、電圧を印加されていない色分解媒体から反射される。１つ以上の選択固有色の光を透過するためには、１つ以上の色分解媒体６０、６２及び６４に閾値電圧を印加して、これらの媒体が入射光を透過できるようにする。例えば、電源５６及び５８によって色分解媒体６２及び６４に電圧が印加され、色分解媒体６０には電圧が印加されない場合、セル４６は、色分解媒体６０の関連ブラッグ波長の光を反射し、セル４８及び５０は、色分解媒体６０によって反射されない固有色を透過することができる。
【００３２】
運転中、撮像装置４０の色分解エレメント４４は、色分解ミラーとして反射モードで運転する。レンズ４２に入射する光Ｌは、レンズ４２によって色分解エレメント４４上にフォーカスされる。前述のように、色分解エレメント４４は、１、２又は３種類の異なる固有色の光を、セル４６、４８及び５０から選択的に反射できる。色分解エレメント４４によって反射された光Ｌ_Rは、イメージセンサアレイ４５に向かう。イメージセンサアレイ４５は、図４に概略的に示したセンサアレイを含むことができる。
【００３３】
通常、色分解エレメント４４は、３種類の固有色の各光を別々に反射するように運転されるので、フルカラー画像を得るために、それぞれを所定時間のあいだイメージセンサアレイ４５上に反射できる。つまり、色分解エレメントが、セル４６が電界オフ状態、セル４８及び５０がそれぞれ電界オン状態にあるようにして運転されると、青の光が所定の時間のあいだイメージセンサアレイ４５上に反射され、フルカラー画像の青の部分を撮像することができる。同様に、セル４８が電界オフ状態、セル４６及び５０がそれぞれ電界オン状態であれば、色分解エレメント４４は、緑の光をイメージセンサアレイ４５上に所定時間のあいだ反射し、フルカラー画像の緑の部分を撮像することができる。また、色分解エレメント４４が、セル５０が電界オフ状態、セル４６及び４８がそれぞれ電界オン状態にあるようにして運転されると、赤の光がイメージセンサアレイ４５上に所定時間のあいだ反射され、フルカラー画像の赤の部分を撮像することができる。撮像装置４０は、選択色の反射順序を違えて運転することができる。色の反射順序は、色を、任意の選択順序又はパターンで、また、異なる色それぞれについて任意の所定時間のあいだ反射させるために変動させることができる。
【００３４】
このように、それぞれ適切にチューニング及び最適化された３個のホログラフィックポリマー分散液晶セル４６、４８及び５０を組み合わせることによって、色分解ミラーとして機能する高効率かつ選択的な色分解エレメント４４を提供できる。当該色分解エレメントは、４６、４８及び５０の各セルからスペクトル反射率帯域を独立制御することが可能である。
【００３５】
高解像度のモノクロム画像は、色分解エレメント４４を次のように運転することによって得られる。すなわち、セル４６、４８及び５０の各それぞれを同時に電界オフの状態で所定時間のあいだ運転する。これにより、色分解エレメント４４は３種類の固有色の各光をイメージセンサアレイ４５に同時に反射し、その結果、明所加重された正確なモノクロム画像が得られる。
【００３６】
図６を、πセルカラーシャッタシステムの透過率対波長の性能を示した図３と比べると、撮像装置４０は、πセルカラーシャッタシステムより比較的良好な光透過量と正確なスペクトル制御を達成できていることが容易にわかる。従って、撮像装置４０は、低い光量条件下でもよりよい画像を達成できる。さらに、撮像装置４０は、図３に示すようにπセルカラーシャッタシステムで生ずる、隣接したスペクトルピークのオーバーラップによって発生する“クロストーク(cross-talk)”を実質的に回避できる。
【００３７】
図７に、光透過（フィルタ）モードで色分解フィルタとして運転する本発明による撮像装置１４０の一例を示す。撮像装置１４０は、入射光を色分解エレメント１４４にフォーカスするレンズ又はレンズシステム１４２を含む。色分解エレメント１４４は、光をイメージセンサアレイ１４５のようなイメージセンサ上に透過する。色分解エレメント１４４は、図５に示した色分解エレメント４４と同じ構成を有することができる。撮像装置１４０と撮像装置４０の構成の違いは、色分解エレメント４４に対するイメージセンサアレイ４５の配置と比べた、色分解エレメント１４４に対するイメージセンサアレイ１４５の位置である。撮像装置１４０は、一直線に貫通した光路を含む。この、それぞれの撮像装置４０及び１４０におけるイメージセンサアレイ４５及び１４５の配置の差異は、撮像装置４０では、光が色分解媒体６０、６２及び６４から反射し、色分解エレメント４４の光入射面６８を経由して色分解エレメント４４を出て行くのに対し、撮像装置１４０では、光が色分解エレメント１４４の色分解媒体６０、６２及び６４を通って透過し、光出射面１４８から出て来ることである。撮像装置４０及び１４０において、それぞれのイメージセンサアレイ４５及び１４５は、それぞれ反射光及び透過光を受光するように配置されている。
【００３８】
前述のように、色分解エレメント１４４の透過モードは、図５に示した色分解エレメント４４のセル４６、４８及び５０のような、色分解エレメント１４４の１個以上のセルが、電界オン状態で選択的に運転するときに達成される。この状態では、印加電界のために液晶材料の屈折率ｎ_LCが、ポリマー材料の屈折率ｎ_pとほぼ等しくなる。色分解エレメント１４４の、電界を受けた選択セルは光を透過し、これらのセルからの反射は発生しない。色分解エレメント１４４の電界オフ状態にあるセルは、色分解エレメント４４で前述したように光を反射する。電界オン状態にあるセルは、電界オフ状態のセルによって反射されなかった色の光を透過することができ、その結果、色分解エレメントは、減法混色の色分解成分であるシアン（Ｃ）、マゼンタ（Ｍ）及びイエロー（Ｙ）を提供できる。これらの色は減法混色の三原色とも言われる。
【００３９】
例えば、色分解エレメント１４４の１個のセルが電界オフ状態であるとすれば、関連する固有色を反射する。一方、色分解エレメントの他の２個のセルが同時に電界オン状態であると、その場合電界オフ状態にあるセルによって反射されない２種類のそれぞれ異なる固有色を透過する。例えば、赤い光が１個のセルによって反射され、青と緑の光が色分解エレメント１４４の他の２個のセルによって透過されるとする。透過された青と緑の光は一緒になって、イメージセンサアレイ１４５で減法三原色の一つのシアン画像を作る。同様に、青い光が１個のセルによって反射され、赤と緑の光が他の２個のセルによって透過されるとする。透過された赤と緑の光は一緒になって、イメージセンサアレイ１４５で減法三原色の一つのイエロー画像を作る。同様に、緑の光が電界オフの１個のセルによって反射され、青と赤の光が電界オン状態の他の２個のセルによって透過されるとする。透過された青と赤の光は一緒になって、センサアレイ１４５で減法三原色の一つのマゼンタ画像を作る。
【００４０】
場合により、色分解エレメント１４４は、２個のセルをオフ状態で、１個のセルをオン状態で運転することもできる。そうすると２種類の異なる固有色が反射され、第三の固有色が所定時間のあいだイメージセンサアレイ１４５上に透過されうる。例えば、赤と青の光を反射する色分解エレメント１４４のセルが電界オフ状態であれば、赤と青が反射され、色分解エレメント１４４の第三のセルが電界オン状態であれば、緑のような第三の色を透過する。
【００４１】
撮像装置１４０の透過モードでの運転は、画像をカラーハードコピー装置に直接転写するのに特に都合がよい。そのような場合、減法三原色のシアン、マゼンタ及びイエローへの分解がハードコピーの三原色と適合し、赤、緑及び青からシアン、マゼンタ及びイエローへの変換の必要性が削除される。
【００４２】
図８に、イエロー（Ｙ）、マゼンタ（Ｍ）及びシアン（Ｃ）画像を透過できるＨ−ＰＤＬＣ媒体を含む色分解エレメント１４４についての、モデル化したスペクトル透過率対光波長のプロット図を示す。このプロット図は、Ｈ−ＰＤＬＣ色分解エレメント１４４が達成可能な、無限の多様なスペクトル透過率関数のほんの一例に過ぎない。図に示されているように、３種類の異なる色の各透過率曲線は、それぞれ別個の帯域幅を有する別個の透過率サブトラフを含む。イエローの曲線ＹはサブトラフＹ₁、Ｙ₂及びＹ₃を、マゼンタの曲線ＭはサブトラフＭ₁、Ｍ₂及びＭ₃を、シアンの曲線ＣはサブトラフＣ₁、Ｃ₂及びＣ₃を含む。各透過率サブトラフは、Ｈ−ＰＤＬＣ媒体の反射特性によって透過路から除去された光波長を示す。例えば、イエローの透過率曲線Ｙは、一組の“青”Ｈ−ＰＤＬＣ層が青い光を透過路から除去した結果である。従って、透過光は青い光に乏しく、緑と赤の光が比較的豊富であるために、イエローの光の透過となる。得られた透過スペクトルにいくらかの青い光（約２０％）が残存するという事実が、画質の劣化をもたらすことはない。というのはこの残存した青い光は撮像後処理中に処理され得るからである。場合により、色分解エレメント１４４の色分解媒体は、単一の透過率トラフＹ、Ｍ、Ｃ、異なる数のサブトラフを有する異なるそれぞれの色、又は固有色のその他の組合せを透過するように形成することもできる。
【００４３】
撮像装置４０においてと同様、撮像装置１４０を用いる色の透過順序は、固有色を、任意の選択順序又はパターンで、また任意の所定時間のあいだ透過するために変動させることができる。また、撮像装置４０においてと同様、高解像度のモノクロム画像が、色分解エレメント１４４のセルを電界オンの状態で所定時間のあいだ運転することによって得られる。これにより、色分解エレメント１４４が全固有色の光をイメージセンサアレイ１４５に同時に透過することになり、その結果、明所加重された正確なモノクロム画像が得られる。
【００４４】
本発明の別の態様によれば、撮像装置の実施の形態の一例は、１個の色分解エレメント４４と、２つの別個のイメージセンサ、例えばイメージセンサアレイ４５及び１４５を含むことができる。このような撮像装置は、色分解エレメントによって反射された光及び透過された光を同時に受光できる。つまり、色分解エレメントのセルによって反射された光は、撮像装置４０のイメージセンサアレイ４５のような一つのイメージセンサに向かうことができる。色分解エレメントのセルによって透過された光は、撮像装置１４０のように色分解エレメントと同一線上にある第二のイメージセンサに向かうことができる。このような撮像装置は、従って、単一の撮像装置内で反射（ミラー）モードと透過（フィルタリング）モードの両方の利点を提供できる。
【００４５】
このように、ホログラフィックポリマー分散液晶材料を色分解エレメント４４及び１４４のセルに使用することは、本発明による撮像装置４０及び１４０での使用にとって重要な利点を提供できるが、必ずしも何らかの特別な利点を提供する必要はない。特に、色分解エレメントは、高度にチューニング可能な中心波長、スペクトル帯域幅、及び異なる各固有色成分についてピーク反射率及びピーク透過率を提供できる。さらに、色分解エレメントは高い光通過量効率を提供でき、特定のイメージセンサのスペクトル応答及び用途用に容易に最適化できる。さらに、ホログラフィックポリマー分散液晶材料を使用した色分解エレメントは、電界オフ及び電界オン状態の間で非常に高速のスイッチング時間が可能であり、このことは、特にフィールド順次方式の色分解に基づく撮像装置にとって都合がよい。色分解エレメント４４は、加法の赤、緑及び青の色分解を生ずる色分解ミラー（反射モード）として運転することができ、色分解エレメント１４４は、減法のシアン、マゼンタ及びイエローの色分解を生ずる色分解フィルタ（透過モード）として運転することができる。反射モードにおいて、前面のグレアは画像光路から除去することができ、それによって画質が向上する。反射及び透過モードのいずれにおいても、撮像装置４０及び１４０は、カラー画像のほか、高解像度のモノクロム画像を得られるように製造できる。
【００４６】
さらに、撮像装置４０及び１４０は、１個のイメージセンサアレイ４５及び１４５と組み合わせてフィールド順次方式の色分解を提供できる色分解エレメント４４及び１４４をそれぞれ含み、他の公知の色分解手法と比べて比較的低価格で高画質の撮像装置の基盤を形成する。撮像装置４０及び１４０は、フルカラーのディジタルカメラ、例えばディジタル静止画像カメラ及びディジタルビデオカメラに使用できる。撮像装置１４０は、フルカラーハードコピー装置のような直接画像転写システムに使用できる。さらに、各色分解の焦点面がわずかに異なるために、軸の色ずれに関してほとんどないし全く補正を必要としない安価なカメラレンズを使用できるという事実を生かして撮像装置４０のコスト削減を図ることもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】１個のフィルタ付きセンサアレイを含む従来型撮像装置を示す概略図である。
【図２】光学プリズム、ダイクロイックエレメント及び３つの別個のイメージセンサアレイを含む、別の従来型撮像装置を示す概略図である。
【図３】 πセルカラーシャッタの実測スペクトル透過率を示す図である。
【図４】色分解ミラーとして機能するホログラフィックポリマー分散液晶（Ｈ−ＰＤＬＣ）色分解エレメントを含む、本発明による撮像装置の一例を示す図である。
【図５】図４の撮像装置で使用するための、ホログラフィックポリマー分散液晶色分解媒体を含む色分解エレメントの実施の形態の一例を示す図である。
【図６】図４の撮像装置のホログラフィックポリマー分散液晶色分解エレメントの、可能な一組のスペクトル反射率関数（すなわち、スペクトル反射率対光波長）を示す図である。
【図７】色分解フィルタとして機能するホログラフィックポリマー分散液晶色分解エレメントを含む、本発明による撮像装置の別の一例を示す図である。
【図８】図７の撮像装置のホログラフィックポリマー分散液晶色分解エレメントの、可能な一組のスペクトル透過率関数（すなわち、スペクトル透過率対光波長）を示す図である。
【符号の説明】
２０１−パス式センサシステム、３０３−パス式センサシステム、４０撮像装置、４２レンズ、４４色分解エレメント、４５イメージセンサアレイ、４６セル、４８セル、５０セル、５２基板、５４電源、５６電源、５８電源、６０色分解媒体、６２色分解媒体、６４色分解媒体、６６黒吸収材、６８光入射面、１４０撮像装置、１４２レンズ又はレンズシステム、１４４色分解エレメント、１４５イメージセンサアレイ、１４８光出射面。

Claims

撮像装置であって、
入射光をフォーカスするレンズと、
レンズによってフォーカスされた入射光が色分解エレメントに投影するように配置された色分解エレメントであって、前記色分解エレメントは、複数のセルを有し、
前記複数のセルが、
少なくとも第一の基板対を形成できる複数の基板と、
基板対に電気的に接続された電源と、
第一の基板対の間にポリマーに富む層と液晶に富む層が交互に含まれる層化合物を有する第一のホログラフィックポリマー分散液晶色分解媒体であって、前記第一のホログラフィックポリマー分散液晶色分解媒体は、電圧が印加されない電界オフ状態で入射光の第一の固有色の光を反射すると同時に、入射光の第一の固有色以外のその他すべての固有色の光を透過し、印加電圧が閾値電圧を超えると入射光のすべての色を透過する前記ホログラフィックポリマー分散液晶色分解媒体と、
を含む色分解エレメントと、
第一のホログラフィックポリマー分散液晶色分解媒体によって反射された第一の固有色の光を感知するか、又は第一のホログラフィックポリマー分散液晶色分解媒体によって透過された、入射光の第一の固有色以外の実質的にすべての固有色の光を感知するために、色分解エレメントに対して選択的に配置された第一のイメージセンサと、
を含むことを特徴とする撮像装置。
撮像装置の製造方法であって、
入射光をフォーカスするレンズを準備し、
レンズによってフォーカスされた入射光が色分解エレメントに投影するように配置された色分解エレメントを形成し、前記色分解エレメントは、複数のセルを有し、
前記複数のセルが、
少なくとも第一の基板対を形成できる複数の基板と、
基板対に電気的に接続された電源と、
第一の基板対の間にポリマーに富む層と液晶に富む層が交互に含まれる層化合物を有する第一のホログラフィックポリマー分散液晶色分解媒体であって、前記第一のホログラフィックポリマー分散液晶色分解媒体は、電圧が印加されない電界オフ状態で入射光の第一の固有色の光を反射すると同時に、入射光の第一の固有色以外のその他すべての固有色の光を透過し、印加電圧が閾値電圧を超えると入射光のすべての色を透過する前記ホログラフィックポリマー分散液晶色分解媒体と、
を含むように色分解エレメントを形成し、
第一のホログラフィックポリマー分散液晶色分解媒体によって反射された第一の固有色の光を感知するか、又は第一のホログラフィックポリマー分散液晶色分解媒体によって透過された、入射光の第一の固有色以外の実質的にすべての固有色の光を感知するために、色分解エレメントに対して選択的に第一のイメージセンサを配置することを含むことを特徴とする撮像装置の製造方法。
撮像装置であって、
入射光をフォーカスするレンズと、
レンズによってフォーカスされた入射光が色分解エレメントに投影するように配置された色分解エレメントであって、
第一の基板対と、
第一の基板対の間に形成された第一のホログラフィックポリマー分散液晶色分解媒体であって、入射光の第一の固有色の光を反射すると同時に、入射光の第一の固有色以外のその他すべての固有色の光を透過する前記第一のホログラフィックポリマー分散液晶色分解媒体と、
第二の基板対と、
第二の基板対の間に形成された第二のホログラフィックポリマー分散液晶色分解媒体であって、入射光の第二の固有色の光を反射すると同時に、入射光の第二の固有色以外のその他すべての固有色の光を透過する前記第二のホログラフィックポリマー分散液晶色分解媒体と、
第三の基板対と、
第三の基板対の間に形成された第三のホログラフィックポリマー分散液晶色分解媒体であって、入射光の第三の固有色の光を反射すると同時に、入射光の第三の固有色以外のその他すべての固有色の光を透過する前記第三のホログラフィックポリマー分散液晶色分解媒体と、を含む色分解エレメントと、
（ｉ）第一、第二、第三のホログラフィックポリマー分散液晶色分解媒体によってそれぞれ連続的に反射された第一、第二、第三の固有色の光を感知するか、又は（ｉｉ）第一、第二、第三のホログラフィックポリマー分散液晶色分解媒体によってそれぞれ連続的に透過された第一、第二、第三の固有色以外のその他すべての固有色の光を感知するために、色分解エレメントに対して選択的に配置された第一のイメージセンサと、
第一の基板対に第一の電圧を印加するように電気的に接続された第一の電源と、
第二の基板対に第二の電圧を印加するように電気的に接続された第二の電源と、
第三の基板対に第三の電圧を印加するように電気的に接続された第三の電源と、
を含み、
前記第一、第二、第三のホログラフィックポリマー分散液晶色分解媒体は、（ｉ）連続的にそれぞれ第一、第二、第三の固有色の光を反射し、（ｉｉ）連続的にそれぞれ第一、第二、第三の固有色以外のその他すべての固有色の光を透過し、
前記第一、第二、第三のホログラフィックポリマー分散液晶色分解媒体は、それぞれ、ポリマーに富む層と液晶に富む層が交互に含まれる層化合物を有し、
第一、第二、第三の電圧が印加されない場合、第一、第二、第三のホログラフィックポリマー分散液晶色分解媒体は、それぞれ連続的に入射光の第一、第二、第三の固有色の光を反射し、
第一の電圧が閾値電圧を超える場合、第一のホログラフィックポリマー分散液晶色分解媒体は、入射光のすべての色を透過し、
第二の電圧が閾値電圧を超える場合、第二のホログラフィックポリマー分散液晶色分解媒体は、入射光のすべての色を透過し、
第三の電圧が閾値電圧を超える場合、第三のホログラフィックポリマー分散液晶色分解媒体は、入射光のすべての色を透過することを特徴とする撮像装置。