JP5347722B2 - Optical filter and image photographing apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、2つの直交する偏光成分の位相差を制御する機能を有する光学フィルタと、その光学フィルタを用い、光の透過特性を動的に変調し、画像データを取得する画像撮影装置に関するものである。 The present invention relates to an optical filter having a function of controlling the phase difference between two orthogonal polarization components, and an image photographing apparatus that dynamically modulates light transmission characteristics and acquires image data using the optical filter. It is.
スペクトル情報を取得する装置として分光器が広く利用されている。一般的な分光器は、プリズムや回折格子を用いて受光素子に入射される光を複数の波長成分に分解して取得するため、空間的な情報は得られない。これに対し、近年、スペクトル情報の2次元的な分布を利用する技術が注目されており、スペクトル情報を取得できる画像撮影装置が提供されている。 Spectroscopes are widely used as devices for acquiring spectral information. A general spectroscope cannot obtain spatial information because the light incident on the light receiving element is decomposed into a plurality of wavelength components using a prism or a diffraction grating. On the other hand, in recent years, a technique using a two-dimensional distribution of spectrum information has attracted attention, and an image capturing apparatus capable of acquiring spectrum information has been provided.
従来の画像撮影装置においてスペクトル情報を取得するには、大別して3つの方式がある。
第1は、波長選択フィルタ(バンドパスフィルタ、ローパス・ハイパスフィルタ)を用いる方式であり、波長選択フィルタを切り替える、微小領域に波長選択フィルタを配列する、波長選択フィルタとして液晶波長チューナブルフィルタを利用し動的に透過波長を切り替えるなどにより、所望する波長の光強度を取得している。
第2は、プリズムや回折格子などの分散素子を用いる方式であり、入射光のスペクトルを空間的に分離することにより、1次元空間情報とスペクトル情報を2次元イメージセンサーで取得し、さらに1次元空間情報を直交する方向に走査することにより2次元(画像)スペクトル情報を取得している。
第3は、フーリエ分光法と呼ばれ、入射光線を2つの光路(または偏光成分)に分割し、一方に位相差を与えて干渉させて得られる検出強度信号を計算機上でフーリエ変換することにより、スペクトル情報を得る手法を利用したものである。このフーリエ分光法を用いる場合には、2次元(または1次元)的に検出位置を走査するか、2つの直交する偏光成分に異なる位相差を動的に与え時系列で画像データを取得する必要がある。
There are roughly three methods for acquiring spectrum information in a conventional image capturing apparatus.
The first is a method using a wavelength selection filter (bandpass filter, low-pass / high-pass filter), which switches the wavelength selection filter, arranges the wavelength selection filter in a minute region, and uses a liquid crystal wavelength tunable filter as the wavelength selection filter. Then, the light intensity of a desired wavelength is acquired by dynamically switching the transmission wavelength.
The second method uses a dispersion element such as a prism or a diffraction grating. By spatially separating the spectrum of incident light, one-dimensional spatial information and spectral information are acquired by a two-dimensional image sensor. Two-dimensional (image) spectrum information is acquired by scanning the spatial information in the orthogonal direction.
The third method is called Fourier spectroscopy, which divides an incident light beam into two optical paths (or polarization components) and applies a phase difference to one of them to cause interference to perform Fourier transform on a computer. The method of obtaining spectral information is used. When using this Fourier spectroscopy, it is necessary to scan the detection position two-dimensionally (or one-dimensionally), or to dynamically give different phase differences to two orthogonal polarization components to acquire image data in time series. There is.
上記の画像撮影装置において、波長選択フィルタを用いる方式では高スペクトル分解能を得るために帯域の狭いフィルタを用いる必要があり、検出強度が低下する、または長い露光時間が必要となる、強い入射角特性が現れるため平行な光を入射しなければならない、といった課題がある。
また、分散素子を用いる方式では、高スペクトル分解能を得るために、極めて狭いスリットを透過させる必要があり光量が低下してしまう、走査機構が必要であり測定時間を要する他、装置のサイズを小さくすることが困難である、といった課題がある。
フーリエ分光を用いる方式では、2本の光路に分割し位相差を与えるために、極力平行な光線を作る必要があり、分散素子を用いる場合と同様に狭いスリットや小さな開口が必要となり、光量が大きく取れない、角度依存性が大きい、といった課題がある。
一方、偏光を利用するフーリエ分光方式では、同一の光路で2つの偏光成分の干渉信号が得られるため、他に比べ、大きな光量が得られ、また入射角依存性も弱い。すなわち、画像取得には優位である。また、液晶位相シフタなどの動的位相制御素子を用いるため、走査部分がなく、小型化、可搬性において優位である。
なお、上記の3方式においては、フーリエ分光方式が最も大きく光量が取得できることも知られている。
In the above image capturing apparatus, a method using a wavelength selective filter requires a narrow band filter to obtain a high spectral resolution, resulting in a strong incident angle characteristic that lowers the detection intensity or requires a long exposure time. Therefore, there is a problem that parallel light must be incident.
In addition, in the method using a dispersive element, in order to obtain a high spectral resolution, it is necessary to transmit an extremely narrow slit, which reduces the amount of light, requires a scanning mechanism, requires measurement time, and reduces the size of the apparatus. There is a problem that it is difficult to do.
In the method using Fourier spectroscopy, in order to divide into two optical paths and give a phase difference, it is necessary to create parallel light rays as much as possible, and as in the case of using a dispersive element, a narrow slit and a small opening are required, and the amount of light is small. There are problems such as being unable to be large and having a large angle dependency.
On the other hand, in the Fourier spectroscopic method using polarized light, an interference signal of two polarization components can be obtained in the same optical path, so that a larger amount of light is obtained and incident angle dependency is weaker than the others. That is, it is superior to image acquisition. In addition, since a dynamic phase control element such as a liquid crystal phase shifter is used, there is no scanning portion, which is advantageous in terms of miniaturization and portability.
In the above three methods, it is also known that the Fourier spectroscopy method is the largest and can acquire the light amount.
上記を鑑みて、液晶位相シフタを用いたスペクトル情報を取得できる画像撮影装置が複数提案されている。
例えば小型でありながら分光画像を取得できる画像撮影装置として、以下に示す技術が公開されている。
In view of the above, a plurality of image capturing apparatuses capable of acquiring spectral information using a liquid crystal phase shifter have been proposed.
For example, the following technologies are disclosed as image capturing apparatuses that can acquire spectral images while being small.
特許文献1(特開2009−033222号公報)に記載の従来技術は、撮像装置、撮像装置制御プログラム及び撮像装置制御方法に関するものであり、小型でありながら、分光帯域毎に分光画像を得ることのできる撮像装置を提供することを課題としている。そして、その解決手段として、図14に示す特許文献1に記載のフローチャートのように、以下の手順により分光画像を取得する。
電子制御フィルタ(分光フィルタ)に、波長帯域λ1に設定する(S14)。イメージセンサ部からの画像データをバッファメモリ(A)に記憶する(S15)。各露出時間(t/n)が経過したならば、S15で撮影されてバッファメモリ(A)に記憶された分光画像データを読み出し、R,G,Bデータに変換する(S19)。撮影された各波長帯の分光画像の各画素のR,G,Bデータをマルチプレーン加算合成して、バッファメモリ(B)に記憶する(S20)。帯域数n枚の分光画像を撮影済みとなるまでS14からの処理を繰り返す(S21)。S14〜S21の処理がn回繰り返されると、n個の各波長帯の分光画像の各画素のR,G,Bデータがマルチプレーン加算合成された単一の合成画像が記憶される。
The conventional technique described in Patent Document 1 (Japanese Patent Laid-Open No. 2009-033222) relates to an imaging apparatus, an imaging apparatus control program, and an imaging apparatus control method, and obtains a spectral image for each spectral band while being small. It is an object of the present invention to provide an imaging device capable of performing the above. And as the solution means, like the flowchart of
The wavelength band λ1 is set in the electronic control filter (spectral filter) (S14). The image data from the image sensor unit is stored in the buffer memory (A) (S15). If each exposure time (t / n) has elapsed, the spectral image data photographed in S15 and stored in the buffer memory (A) is read and converted to R, G, B data (S19). The R, G, B data of each pixel of the captured spectral image of each wavelength band is combined and synthesized by multiplane and stored in the buffer memory (B) (S20). The processing from S14 is repeated until n spectral images with n bands are captured (S21). When the processing of S14 to S21 is repeated n times, a single composite image in which R, G, B data of each pixel of n spectral images in each wavelength band is subjected to multiplane addition synthesis is stored.
特許文献2(特開2005−057541号公報)に記載の従来技術は、分光カメラヘッドに関するものであり、被写体に対して分光帯域を設定して撮影することができ、また、仮想スタジオで使用される合成画像として照明条件が変った場合であっても対応することができる画像を撮影可能な分光カメラ装置を提供することを課題としている。そして、その解決手段として、図15に示す特許文献2に記載の分光カメラヘッドの構成例のように、コントローラ13からの遠隔操作により被写体を撮影する分光カメラヘッド10であって、被写体を撮影するための対物レンズ(レンズ系)1と、このレンズ系を通過する光の光路中に配置されてあらかじめ任意に設定した波長帯域を透過させる液晶チューナブルフィルタ(設定波長帯域透過手段)3と、この設定波長帯域透過手段を透過した波長帯域を受光する撮像素子(高感度撮像素子)4と、この撮像素子で受光した前記被写体の画像を画像データとして出力する画像出力手段8と、を備える構成としている。
The prior art described in Patent Document 2 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-057541) relates to a spectroscopic camera head, can shoot a subject with a spectral band set, and is used in a virtual studio. An object of the present invention is to provide a spectroscopic camera device that can capture an image that can be handled even when the illumination condition changes as a composite image. As a means for solving this problem, the
特許文献3(特開2006−067183号公報)に記載の従来技術は、撮像素子ユニットおよび画像撮影装置に関するものであり、透過する光の波長域を切り替える制御が容易で、かつその応答が高速なカラーフィルタを備えた、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課題としている。そして、その解決手段として、図16に示す特許文献3に記載の撮像素子ユニットの構成例のように、カラーフィルタが、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、所定の可視光域の光を透過するオフ状態と、その可視光域のうちの所定波長域の光のみを吸収あるいは反射してその可視光域のうちのその所定波長域を除く残りの波長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、その所定波長域が相互に異なる複数の液晶層と、前記複数の液晶層それぞれに関し独立に電圧の印加を受けて各液晶層について独立に電場を形成する電極とを備える構成としている。
The prior art described in Patent Document 3 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2006-067183) relates to an image sensor unit and an image capturing device, and is easy to control to switch the wavelength range of transmitted light and has a fast response. It is an object of the present invention to provide an image pickup device unit and an image photographing device including a color filter. Then, as a solution, the color filter changes the alignment state of the liquid crystal molecules according to the state of the electric field, as in the configuration example of the imaging element unit described in
特許文献4(特開2001−074555号公報)に記載の従来技術は、非分光光をファインダ系に用いた音響光学フィルタ型分光カメラに関するものであり、音響光学フィルタ機能を用いた分光カメラによって分光画像を撮影する際の、観測対象の位置を特定したり分光画像と実画像すなわち非分光画像とを比較したいという要望に対し、リアルタイムで撮影期間中も中断することなく、視差が少なく撮影画像とおり観察像が得られ、しかも明るく観測光に影響を与えることのないファインダ光学系を提供することを課題としている。そして、その解決手段として、図17に示す特許文献4に記載の音響光学フィルタ型分光カメラの構成例では、被写体からの光を偏光子を介して偏光面が揃った光となし、音響光学素子中を伝搬されている超音波によって偏光面が変化された特定波長域の単色光と該超音波によって偏光面が変えられることのないそれ以外の波長の混合光をつくり、その混合光を偏光プリズムによって単色光を透過光として他方のそれ以外の波長の光を反射光として分離し、一方の単色光を用いて分光画像を撮影すると共に、それ以外の波長の光をファインダ系に用い、その光を再度反射させて画像反転させ撮影画像と対応のとれたリアルタイムのモニター画像を得るものである。
The prior art described in Patent Document 4 (Japanese Patent Laid-Open No. 2001-074555) relates to an acousto-optic filter type spectroscopic camera using non-spectral light in a finder system, and is spectrally separated by a spectroscopic camera using an acoustooptic filter function. In response to the desire to specify the position of the observation target when comparing images and to compare spectral images with real images, that is, non-spectral images, there is little disparity in real-time and without interruption during the shooting period. An object of the present invention is to provide a finder optical system that can obtain an observation image and that is bright and does not affect the observation light. As a means for solving the problem, in the configuration example of the acousto-optic filter type spectroscopic camera described in
また、分光情報を取得する装置に関する技術として、以下に示す技術が公開されている。
特許文献5(特開2005−31007号公報)に記載の従来技術は、分光装置に関するものであり、重量が軽く、透過光が明るく、高い分光精度が得られ、しかも製造しやすい、液晶を用いた分光装置を提供することを課題としている。そして、その解決手段として、図18に示す特許文献5に記載の分光装置の構成例では、フーリエ変換分光法で分光する装置の干渉計10として、1枚又は複数枚の液晶セル12を1対の偏光子11、13で挟んだ1枚の液晶パネル10Aを用い、液晶パネルに入射した光1を常光1Aと異常光1Bの二成分に分け、液晶セルのセル電圧を変更することにより前記二成分の光に光路差δをつけてそれらを合成した干渉光2を出射するよう構成したものを用いている。
Further, the following technologies are disclosed as technologies related to an apparatus that acquires spectral information.
The prior art described in Patent Document 5 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-31007) relates to a spectroscopic device, and uses a liquid crystal that is light in weight, bright in transmitted light, high in spectral accuracy, and easy to manufacture. It is an object to provide a spectroscopic device. As a means for solving the problem, in the configuration example of the spectroscopic device described in
さらに、金属微細構造による偏光選択構造を電極として利用する技術として、以下に示す技術が公開されている。
特許文献6(特開2007−17762号公報)に記載の従来技術は、ワイヤーグリツド偏光子の製造方法、液晶装置に関するものであり、容易かつ効率的に、優れた光学特性を有するワイヤーグリッド偏光子の製造方法等を提供することを課題としている。そして、その解決手段として、図19に示す特許文献6に記載のワイヤーグリッド偏光子60の製造方法においては、基板上に多数の略平行な直線状の金属突起体9aと、金属突起体9aを覆う保護層29aと、を有するワイヤーグリッド偏光子60の製造方法において、金属突起体9a上に保護層29aを斜方成膜しつつ、金属突起体9a同士の間に空洞部9bを形成している。
Furthermore, the following techniques are disclosed as techniques for using a polarization selective structure with a metal microstructure as an electrode.
The prior art described in Patent Document 6 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2007-17762) relates to a method for manufacturing a wire grid polarizer and a liquid crystal device, and wire grid polarization having excellent optical characteristics easily and efficiently. It is an object to provide a child manufacturing method and the like. And as the solution, in the manufacturing method of the
さらに、本発明の画像撮影装置に用いる光学フィルタと類似の機能を有する光学素子として、以下に示す本出願人が先に出願公開した先願技術がある。
特許文献7(特開2007−226047号公報)に記載の先願技術は、光学素子及び画像投射装置に関するものであり、より広い光の波長の範囲にわたって、光の第一の偏光成分と第一の偏光成分に直交する光の第二の偏光成分との間に所定の範囲の位相差を与えることが可能な光学素子等を提供することを課題としている。そして、その解決手段として、図20に示す特許文献7に記載の光学素子の構成例のように、光学素子は、第一の微細周期で周期的に配置された第一の厚さ及び第一の屈折率を備えた複数の第一の誘電体平板を含む第一の微細周期構造並びに第二の微細周期で周期的に配置された第二の厚さ及び第二の屈折率を備えた複数の第二の誘電体平板を含む第二の微細周期構造を含み、複数の第一の誘電体平板の間における媒質の屈折率及び複数の第二の誘電体平板の間における媒質の屈折率は、第一の屈折率及び第二の屈折率と異なり、第一の微細周期及び第二の微細周期、第一の微細周期に対する第一の厚さの比及び第二の微細周期に対する第二の厚さの比、並びに、第一の屈折率及び第二の屈折率の少なくとも一つは、互いに異なるようにしている。
Further, as an optical element having a function similar to that of the optical filter used in the image photographing apparatus of the present invention, there is a prior application technique previously filed by the present applicant.
The prior application technique described in Patent Document 7 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2007-226047) relates to an optical element and an image projection apparatus, and the first polarization component of light and the first over a wider wavelength range of light. It is an object of the present invention to provide an optical element or the like that can provide a predetermined range of phase difference between the second polarization component of the light orthogonal to the polarization component of the first polarization component. And as the solution means, like the example of a structure of the optical element of
上記の特許文献1〜3に記載の従来技術による、画像撮影装置、撮像装置、撮像素子、分光カメラヘッドは、小型であり、スペクトル情報などの不可視情報を取得できるものであるが、スペクトル情報を取得するために、色素材料によるパッシブな、または液晶を用いたアクティブなカラー(波長)フィルタを利用している。このような波長フィルタでは、所望のスペクトル帯域の光を切り出し、それ以外の波長の光は吸収または反射させることにより除去している。したがって、瞬間的な分光情報を得ることが困難であり、さらには検出できる光量が格段に小さいといった課題がある。
The image capturing device, the image capturing device, the image sensor, and the spectroscopic camera head according to the conventional techniques described in
大きな光量を利用するためには、強度情報を時間領域で取得し、フーリエ変換によりスペクトル情報に変換するフーリエ分光法が有効な方法であることが知られており、特許文献4に記載の従来技術は、このフーリエ分光に基づく分光画像取得を実現している。しかしながら、特許文献4に記載の分光装置は、画像撮影装置とは異なり一点での分光情報取得しか行っていない。したがって、検出光量を大きくする構成は使用しておらず、画像撮影装置として利用するには不十分である。
In order to use a large amount of light, it is known that Fourier spectroscopy that acquires intensity information in the time domain and converts it into spectral information by Fourier transform is an effective method. Realizes spectral image acquisition based on this Fourier spectroscopy. However, unlike the image capturing device, the spectroscopic device described in
本出願人による特許文献7に記載の光学素子は、誘電体微細構造により波長選択性を有するものであるが、これは固体素子であり特定の(可視光領域の)スペクトル領域の画像しか撮影することができない。また、プロジェクタのような画像投射装置を目的にしたものである。
The optical element described in
また、特許文献5に記載の従来技術は、金属微細構造の製造方法に関するものであり、金属微細構造を電極として利用することも記載しているが、プロジェクタのような画像投射装置を念頭に置いたものであり、画像撮影装置に関する具体的な構成や電極パターンについては一切記載がない。
The prior art described in
本発明に関わる液晶位相シフタを用いる画像撮影装置は、光学素子の積層数が多く、検出光量を大きく取れない。また、液晶材料を駆動するための電極として、一般的にITO膜を設けるが、ITO膜は透過率が低く、検出光量を低下させてしまう。また、液晶位相シフタを用いる画像撮影装置は静的物体の画像取得には適しているが、液晶材料の動特性の制約があり、高速な動作が困難である。また、可視光から近赤外光領域までを撮影対象とする場合、市販の偏光フィルムの特性は、近赤外光領域では悪く、高価な偏光素子を用いる必要があるといった課題がある。 The image capturing apparatus using the liquid crystal phase shifter according to the present invention has a large number of stacked optical elements, and cannot detect a large amount of detected light. Further, an ITO film is generally provided as an electrode for driving the liquid crystal material, but the ITO film has a low transmittance and reduces the amount of light detected. In addition, an image capturing apparatus using a liquid crystal phase shifter is suitable for acquiring an image of a static object, but is limited in dynamic characteristics of a liquid crystal material and is difficult to operate at high speed. In addition, when the subject is to be photographed from the visible light to the near infrared light region, the characteristics of the commercially available polarizing film are poor in the near infrared light region, and there is a problem that an expensive polarizing element needs to be used.
上記の課題を解決するため、本発明では以下を目的としたものである。
第1の目的は、大きな検出光量、広スペクトル帯域、光学素子数の低減、小型化が実現できる光学フィルタおよび画像撮影装置を提供することにある。
第2の目的は、大きな検出光量、広スペクトル帯域、光学素子数の低減、小型化が実現でき、さらに高速時間応答が実現できる光学フィルタおよび画像撮影装置を提供することにある。
第3の目的は、大きな検出光量、広スペクトル帯域、光学素子数の低減、小型化が実現でき、さらに大きな位相変調量が得られる光学フィルタおよび画像撮影装置を提供することにある。
第4の目的は、大きな検出光量、広スペクトル帯域、光学素子数の低減、小型化が実現でき、さらに高速時間応答が実現できる光学フィルタおよび画像撮影装置を提供することにある。
第5の目的は、本発明の画像撮影装置に用いる光学フィルタを構成する偏光選択構造の具体的な金属配列パターンを提供することにある。
In order to solve the above problems, the present invention has the following objects.
A first object is to provide an optical filter and an image photographing apparatus that can realize a large amount of detected light, a wide spectral band, a reduction in the number of optical elements, and downsizing.
A second object is to provide an optical filter and an image photographing apparatus that can realize a large detection light amount, a wide spectral band, a reduction in the number of optical elements, a reduction in size, and a high-speed time response.
A third object is to provide an optical filter and an image photographing apparatus that can realize a large amount of detected light, a wide spectral band, a reduction in the number of optical elements, a reduction in size, and a larger amount of phase modulation.
A fourth object is to provide an optical filter and an image photographing apparatus that can realize a large detection light amount, a wide spectral band, a reduction in the number of optical elements, a reduction in size, and a high-speed time response.
A fifth object is to provide a specific metal arrangement pattern of a polarization selection structure that constitutes an optical filter used in the image photographing apparatus of the present invention.
上述した課題を解決し、上記の目的を達成するために、本発明では以下のような解決手段を採っている。
本発明の第1の解決手段は、2つの直交する偏光成分の位相差を制御する機能を有する光学フィルタであって、直交する2つの偏光成分に異なる位相差を与える液晶層と、該液晶層を支持する誘電体基板と、前記液晶層および前記誘電体基板の間に位置する配向膜と、複数の凸部からなり該凸部の各々の間隔が入射光の波長以下のサイズを有する金属パターンにより構成されるとともに前記液晶層を駆動する電極である偏光選択構造と、を備え、前記偏光選択構造は、前記誘電体基板または前記配向膜の内部に位置することによって前記複数の凸部の各々の間が前記誘電体基板または前記配向膜によって満たされていることを特徴とする(請求項1)。
In order to solve the above-described problems and achieve the above object, the present invention employs the following solutions.
The first solution of the present invention is an optical filter having a function of controlling the phase difference between two orthogonal polarization components, a liquid crystal layer that gives different phase differences to the two orthogonal polarization components, and the liquid crystal layer A metal pattern comprising a dielectric substrate that supports the substrate , an alignment film positioned between the liquid crystal layer and the dielectric substrate, and a plurality of convex portions, each spacing having a size equal to or smaller than the wavelength of incident light And a polarization selection structure that is an electrode that drives the liquid crystal layer, and the polarization selection structure is located inside the dielectric substrate or the alignment film, so that each of the plurality of protrusions The gap is filled with the dielectric substrate or the alignment film (claim 1).
本発明の第2の解決手段は、第1の解決手段の光学フィルタにおいて、前記偏光選択構造が、光を透過する領域において入射光の波長以下の幅および周期を有する金属細線(ワイヤグリッド)構造であることを特徴とする(請求項2)。
また、本発明の第3の解決手段は、第1または第2の解決手段の光学フィルタにおいて、前記偏光選択構造が、光が透過する領域において、金属材料からなる2つの櫛歯構造を対向して配置した構成を有することを特徴とする(請求項3)。
本発明の第4の解決手段は、第3の解決手段の光学フィルタにおいて、前記2つの櫛歯構造は、互いに極性の異なる電圧が印加されることを特徴とする(請求項4)。
Second aspect of the present invention, in the optical filter of the first solving means, wherein the polarization selection structure, the thin metal wires having a width and a period of less than the wavelength of the incident light in a region that transmits light (wire grid) It is a structure (Claim 2 ).
The third solving means of the present invention, the counter in the optical filter of the first or second solving means, wherein the polarization selection structure in the region where the light is transmitted, the two comb structures made of a metallic material ( 3 ).
According to a fourth solving means of the present invention, in the optical filter of the third solving means, voltages having different polarities are applied to the two comb tooth structures.
本発明の第5の解決手段は、画像撮影装置であって、被写体を撮像面に結像する光学系と、2つの直交する偏光成分の位相差を制御する機能を有する光学フィルタと、該光学フィルタを電気的に制御する駆動制御ユニットと、被写体像を電気信号に変換する撮像ユニットと、画像情報を処理する信号処理装置を備え、前記光学フィルタとして、第1〜第4のいずれか一つの解決手段の光学フィルタを用いたことを特徴とする(請求項5)。 According to a fifth aspect of the present invention, there is provided an image photographing apparatus, an optical system for forming an image of a subject on an imaging surface, an optical filter having a function of controlling a phase difference between two orthogonal polarization components, and the optical A drive control unit that electrically controls the filter; an imaging unit that converts the subject image into an electrical signal; and a signal processing device that processes image information, wherein the optical filter is any one of first to fourth The optical filter of the solving means is used (Claim 5 ).
第1の解決手段の光学フィルタでは、直交する2つの偏光成分に異なる位相差を与える液晶層と、該液晶層を支持する誘電体基板と、前記液晶層および前記誘電体基板の間に位置する配向膜と、複数の凸部からなり該凸部の各々の間隔が入射光の波長以下のサイズを有する金属パターンにより構成されるとともに前記液晶層を駆動する電極である偏光選択構造と、を備え、前記偏光選択構造は、前記誘電体基板または前記配向膜の内部に位置することによって前記複数の凸部の各々の間が前記誘電体基板または前記配向膜によって満たされていることにより、検出光量の増加、広スペクトル帯域化、光学素子数の低減が可能となるという効果を奏することができる。 In the optical filter of the first solving means, a liquid crystal layer that gives different phase differences to two orthogonal polarization components, a dielectric substrate that supports the liquid crystal layer, and the liquid crystal layer and the dielectric substrate are positioned between the liquid crystal layer and the dielectric substrate. comprising an alignment film, a polarization selection structure are electrodes each interval becomes convex portions of a plurality of protrusions for driving the liquid crystal layer with formed of a metal pattern having the following size wavelength of the incident light, the The polarization selective structure is located inside the dielectric substrate or the alignment film, so that the space between each of the plurality of convex portions is filled with the dielectric substrate or the alignment film, thereby detecting the detected light amount. Increase in the spectral bandwidth, broadening of the spectral band, and reduction in the number of optical elements can be achieved .
第2の解決手段の光学フィルタでは、第1の解決手段の構成に加え、前記偏光選択構造が、光を透過する領域において入射光の波長以下の幅および周期を有する金属細線(ワイヤグリッド)構造であることにより、第1の解決手段の光学フィルタを実現する具体的な金属配列パターンを提供することができるという効果を奏することができる。
また、第3の解決手段の光学フィルタでは、第1または第2の解決手段の構成に加え、前記偏光選択構造が、光が透過する領域において、金属材料からなる2つの櫛歯構造を対向して配置した構成を有することにより、第1または第2の解決手段の光学フィルタを実現する具体的な金属配列パターンを提供することができるという効果を奏することができる。
また、第4の解決手段の光学フィルタでは、前記第3の解決手段の構成に加え、前記2つの櫛歯構造は、互いに極性の異なる電圧が印加される構成を有することにより、第3の解決手段の光学フィルタを実現する具体的な金属パターンを提供することができるという効果を奏することができる。
In the optical filter of the second solving means, in addition to the structure of the first solving means, wherein the polarization selection structure, the thin metal wires having a width and a period of less than the wavelength of the incident light in a region that transmits light (wire grid) by the structure, it is possible to obtain the effect that it is possible to provide a specific metal arrangement pattern to realize an optical filter of the first resolving means.
Further, in the optical filter of the third solving means, facing addition to the configuration of the first or second solving means, wherein the polarization selection structure in the region where the light is transmitted, the two comb structures made of a metallic material by having the configuration arranged, it is possible to achieve the effect that it is possible to provide a specific metal arrangement pattern to realize an optical filter of the first or second solving means.
Further, in the optical filter of the fourth solution means, in addition to the structure of the third solution means, the two comb tooth structures have a structure in which voltages having different polarities are applied to each other. The effect that the concrete metal pattern which implement | achieves the optical filter of a means can be provided can be show | played.
第5の解決手段の画像撮影装置では、被写体を撮像面に結像する光学系と、2つの直交する偏光成分の位相差を制御する機能を有する光学フィルタと、該光学フィルタを電気的に制御する駆動制御ユニットと、被写体像を電気信号に変換する撮像ユニットと、画像情報を処理する信号処理装置を備え、前記光学フィルタとして、第1〜第4のいずれか一つの解決手段の光学フィルタを用いたことにより、第1〜第4のいずれか一つの解決手段の効果を得られ、画像撮影装置の小型化、高速動作が実現できるという効果を奏することができる。 In the image photographing apparatus of the fifth solving means, an optical system that forms an image of a subject on an imaging surface, an optical filter that has a function of controlling the phase difference between two orthogonal polarization components, and the optical filter is electrically controlled A drive control unit, an image pickup unit that converts a subject image into an electrical signal, and a signal processing device that processes image information. As the optical filter, the optical filter of any one of the first to fourth solving means is used. By using it, the effect of any one of the first to fourth solving means can be obtained, and the effect that the image photographing apparatus can be reduced in size and operated at high speed can be achieved.
以下に添付図面を参照して、本発明に係る光学フィルタおよび画像撮影装置の具体的な実施例を詳細に説明する。 Exemplary embodiments of an optical filter and an image capturing device according to the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings.
[第1の参考例]
本発明の第1の参考例に係る光学フィルタおよび画像撮影装置に関して、図1〜6を参照して説明する。
図1は、本発明の第1の参考例に係る画像撮影装置の構成例を説明する概略構成図である。本参考例の画像撮影装置100は、レンズ1011や鏡筒(図示せず)からなり撮像面へ被写体の像を結像する光学系101と、誘電体基板および液晶層からなり電気的に変調される光学フィルタ102と、光学フィルタ102を制御する駆動制御ユニット104と、撮像素子を有し被写体の像を電気信号に変換する撮像ユニット103、および画像情報を処理する信号処理装置105により構成されている。光学フィルタ102は、液晶層の複屈折性を利用して直交する2つの偏光成分に対して動的に位相変調画像を得る素子であり、液晶層を挟んで配置する誘電体基板は液晶層を支持するとともに、偏光選択機能を有している。図1(a)は、光学系101の背面に光学フィルタ102を配置した構成であるが、光学フィルタ102の位置は、図1(b)のように、光学系の前面に配置した構成でも良い。また、撮像ユニット103内のセンサー面上に配置する構成であっても良い。
[First Reference Example]
An optical filter and an image capturing device according to a first reference example of the present invention will be described with reference to FIGS.
FIG. 1 is a schematic configuration diagram illustrating a configuration example of an image capturing device according to a first reference example of the present invention. The
次に、本参考例の画像撮影装置100における光学フィルタ102の具体的な構成について説明する。図2(a)は、誘電体基板上または内部に設ける偏光選択構造の配置を説明する断面図であり、同図(b)は、同図(a)の図中に点線A−A’で示した面で切断した断面図である。液晶材料を配向させるために、誘電体基板1021、透明電極膜1022、配向膜1023、液晶材料(液晶層)1024、配向膜1023、透明電極1022、誘電体基板1021の順に積層した構成を有している。また、図2(b)に示す平面図(断面A−A’)のように、偏光選択構造1025としては、金属細線構造(ワイヤグリッド)が利用できる。
Next, a specific configuration of the
図3(a)は、誘電体基板1021および液晶層1024の境界面近傍の断面であり、偏光選択構造1025である金属ワイヤグリッド構造を、誘電体基板1021と空気(または真空)領域の境界面(上面)に形成した構成を示している。誘電体基板1021と液晶層1024の界面には、液晶層中の液晶材料を変調するための電極として透明電極膜1022と、誘電体材料の動きを一定方向に固定するとともに電極と液晶材料を絶縁するための配向膜1023とを積層した構成を有している。
一方、図3(b)は、金属ワイヤグリッド構造を誘電体基板中に埋め込んだ構成であり、誘電体基板1021は、偏光選択機能を有するとともに、金属ワイヤグリッドの損傷や劣化を保護する役割も担っている。また、図3(b)は作製工程が複雑になるが、空気(または真空)と誘電体基板1021の間に平滑な境界面を形成することができ、全反射コーティングなどの構造を付加することができるという利点がある。
FIG. 3A is a cross section in the vicinity of the boundary surface between the
On the other hand, FIG. 3B shows a configuration in which a metal wire grid structure is embedded in a dielectric substrate, and the
次に、本参考例の画像撮影装置100における光学フィルタ102の材料および作製方法について説明する。誘電体基板1021には、透過率の高いガラス基板を用いる。図3(a)に示す構成においては、ガラス基板1021の上面に偏光選択構造1025である金属ワイヤグリッドを設ける。金属ワイヤグリッドは、回折による光強度の空間分布の乱れを回避するため、波長以下の幅および周期とする必要がある。このような構造は、電子ビームリソグラフィによる方法、DUV・EUVリソグラフィ、ナノインプリント、材料物性の変質を利用したエッチングなどにより作製できる。以下に、電子ビームリソグラフィによる作製方法を説明するが、作製方法を限定する必要はない。
Next, the material and manufacturing method of the
電子ビームリソグラフィによる作製方法としては、まず第一に、ガラス基板上に金属膜をスパッタ法や真空蒸着法により堆積する。
続いて、フォトレジスト材料を塗布し、電子ビームにより金属細線パターンを露光する。レジスト材料はネガ用、ポジ用のいずれでも構わなく、フォトレジスト材料に依存して露光パターンをネガパターンもしくはポジパターンとする。
その後、不要な金属部分をRIEなどによりエッチングし、続いて残ったフォトレジストパターンを除去することにより、波長以下の幅および周期をもった金属ワイヤグリッドを誘電体基板上に形成できる。
As a manufacturing method by electron beam lithography, first, a metal film is deposited on a glass substrate by a sputtering method or a vacuum evaporation method.
Subsequently, a photoresist material is applied and the metal fine line pattern is exposed by an electron beam. The resist material may be either negative or positive, and the exposure pattern is a negative pattern or a positive pattern depending on the photoresist material.
Thereafter, unnecessary metal portions are etched by RIE or the like, and then the remaining photoresist pattern is removed, whereby a metal wire grid having a width and a period equal to or less than the wavelength can be formed on the dielectric substrate.
また、図3(b)に示すような誘電体基板内部に金属微細構造を形成する場合には、上記の電子ビームリソグラフィで作製した金属ワイヤグリッド上に、スピンオングラス膜を塗布し、化学機械研磨(CMP)法により表面を平坦化する。金属材料は、Alが良好な偏光選択性を示すことがわかっているが、広帯域な偏光選択性を示す金属材料であれば、如何なる金属材料であっても構わない。 When a metal microstructure is formed inside a dielectric substrate as shown in FIG. 3B, a spin-on-glass film is applied on the metal wire grid produced by the above electron beam lithography, and chemical mechanical polishing is performed. The surface is planarized by (CMP) method. As the metal material, Al is known to exhibit good polarization selectivity, but any metal material may be used as long as it is a metal material exhibiting broadband polarization selectivity.
上記のようにして作製した金属微細構造(偏光選択構造)1025を備えた誘電体基板1021に液晶層1024を制御する電極構造を設けるために、平滑な誘電体界面にITOなどの透明電極膜1022をスパッタ法などで堆積し、スピンコート法により配向膜1023を塗布し、液晶分子の配向を揃えるためにラビング処理を施した後、配向膜側を対向させるように、図示しないスペーサーを介して誘電体基板1021を配置する(図2(a))。スペーサーには、サイズの揃ったポリスチレンやシリカの球状微粒子を含んだシール材を利用する。液晶層1024のラビング方向は、偏光選択構造1025の向きと45°の角度を有する必要がある。これにより、入射側の偏光選択構造1025を透過した光の直交する2つの偏光成分が、液晶層1024の常光線、異常光線成分に等量分配されることになる。また、入射側と出射側の偏光選択構造1025の対は、平行な向きでも、直交する向きであっても構わない。本実施例の光学フィルタ102を透過する光は、液晶層1024において常光線、異常光線成分で異なる位相差を受け、出射側の偏光選択構造1025を透過する際に、同一面内に振動する偏光成分のみが切り出され、図1に示した撮像ユニット103の撮像素子面内で干渉信号として検出される。
In order to provide an electrode structure for controlling the
次に、本参考例の画像撮影装置100を用いた画像取得の方法について説明する。
本参考例の画像撮影装置100の1つの応用は、スペクトル画像の取得である。スペクトル情報を得る原理は、フーリエ分光法に基づいている。これは、入射する光を2つの異なる光路に分離し、一方に位相差を与え、もしくは双方に異なる位相差を与え、その位相差に対応した干渉信号を取得し、位相差とスペクトル強度との間のフーリエ変換の関係を用いてスペクトル情報を得るものである。
ここで、図1(a)または(b)に示す画像撮影装置100では、直交する2つの偏光成分が2つの異なる光路となり、液晶層を含む光学フィルタ102を駆動制御ユニット104により動的に変調することにより、位相差を任意に設定し、撮像ユニット103の撮像素子面内において干渉画像を取得している。
フーリエ分光は、回折素子を使った分光器や、カラーフィルタを用いたスペクトル情報抽出に対して、大きな光量を取れる点が特徴である。また、液晶を用いた偏光干渉計の構成をとっていることから、振動やノイズに対する耐性が高い。
Next, an image acquisition method using the
One application of the
Here, in the
Fourier spectroscopy is characterized in that a large amount of light can be obtained compared to a spectroscope using a diffraction element and spectral information extraction using a color filter. In addition, since it has a configuration of a polarization interferometer using liquid crystal, it has high resistance to vibration and noise.
撮像素子に形成された干渉画像は、撮像ユニット103により電気信号に変換され、USBインターフェースなどを介して信号処理装置105に転送される。信号処理装置105は通常のパーソナルコンピュータでよく、フーリエ変換法などにより推定されたスペクトル強度情報をモニタに可視化して表示する。スペクトル推定の方法は、必ずしもフーリエ変換または高速フーリエ変換を利用する必要はなく、例えば最大エントロピー法などの方法も利用できる。
また、本参考例の光学フィルタ102の用途は、フーリエ分光法によるスペクトル画像取得に限るものではない。例えば、所望する位相差の画像を複数撮影し、全画素に乗算処理を施すことにより、可変波長フィルタとして機能させることも可能である。
The interference image formed on the imaging element is converted into an electrical signal by the
Further, the use of the
次に、本参考例の画像撮影装置100に用いる光学フィルタ102の効果について測定結果および数値シミュレーション結果に基づいて説明する。
液晶による位相シフトデバイスや空間変調素子では、ガラス基板で液晶層を挟んだ構成を有する液晶セルの前面および背面にフィルム状の偏光フィルタ(偏光フィルム)を貼り付けて使用する。市販の偏光フィルタ(偏光フィルム)における透過率の分光器による測定結果を図4に示す。
図4に示すように、有機材料を延伸して作製する偏光フィルタ(偏光フィルム)は、一般的に波長750nm程度から長波長側の近赤外領域において偏光選択性が低下してしまう。また、透過率も偏光選択成分において約70〜90%であり、必ずしも高くはない。
Next, the effect of the
In a phase shift device or a spatial modulation element using liquid crystal, a film-like polarizing filter (polarizing film) is attached to the front and back of a liquid crystal cell having a configuration in which a liquid crystal layer is sandwiched between glass substrates. FIG. 4 shows the measurement results of the transmittance of a commercially available polarizing filter (polarizing film) with a spectroscope.
As shown in FIG. 4, a polarizing filter (polarizing film) produced by stretching an organic material generally has reduced polarization selectivity in the near-infrared region from the wavelength of about 750 nm to the long wavelength side. Further, the transmittance is about 70 to 90% in the polarization selective component and is not necessarily high.
これに対し、金属ワイヤグリッド構造の特性を調べるために、有限差分時間領域(FDTD)法に基づく数値シミュレーションを実施した。FDTD法は、Maxwell方程式を空間および時間に関する差分に近似して数値解を求める方法であり、ある時刻に光パルスを入射し、電場の時間発展をフーリエ変換することにより、透過スペクトルを算出した。図5(a)は、数値シミュレーションに用いた金属ワイヤグリッド構造のモデルであり、同図(b)は、同図(a)の図中に点線B−B’で示した面で切断した断面図である。本数値シミュレーションでは、金属ワイヤグリッドを幅72nm、高さ152nm、水平方向ピッチ164nmのAlによる構造とし、図5の断面B−B’の水平および垂直方向の計算領域境界に周期境界条件を適用することにより、金属ワイヤグリッドをモデル化した。Alワイヤグリッドを支持する誘電体基板は屈折率1.508をもつSiO2を仮定した。また、Alの物性値は、自由電子を記述するDrudeモデルに基づいて誘電関数を与えることにより表現した。金属ワイヤの向きに対して45°傾いた偏光面をもつ波長600nmを中心波長にもつ平面波パルスを入射光源とした。 On the other hand, in order to investigate the characteristics of the metal wire grid structure, a numerical simulation based on a finite difference time domain (FDTD) method was performed. The FDTD method is a method for obtaining a numerical solution by approximating the Maxwell equation to a difference relating to space and time. A light pulse is incident at a certain time, and a transmission spectrum is calculated by Fourier transforming the time evolution of the electric field. FIG. 5A is a model of the metal wire grid structure used in the numerical simulation, and FIG. 5B is a cross-sectional view taken along the plane indicated by the dotted line BB ′ in FIG. FIG. In this numerical simulation, the metal wire grid is made of Al having a width of 72 nm, a height of 152 nm, and a horizontal pitch of 164 nm, and periodic boundary conditions are applied to the horizontal and vertical calculation region boundaries of the cross section BB ′ in FIG. Thus, a metal wire grid was modeled. The dielectric substrate supporting the Al wire grid was assumed to be SiO 2 having a refractive index of 1.508. The physical property values of Al were expressed by giving a dielectric function based on the Drude model describing free electrons. A plane wave pulse having a polarization plane inclined by 45 ° with respect to the direction of the metal wire and having a wavelength of 600 nm as a central wavelength was used as an incident light source.
図6は、数値シミュレーションにより得られた計算結果である。ここで、金属ワイヤの向きに直交する偏光成分がP偏光、金属ワイヤの周期方向の偏光成分がS偏光である。本数値シミュレーションの結果、金属ワイヤグリッドを誘電体基板上に配置した偏光選択構造では、短波長側から近赤外領域まで透過率80%以上の広帯域で安定した特性を得ることができた。また、誘電体基板界面に直接偏光選択構造を設けているため、従来の液晶セルの前面および背面に貼付していた偏光フィルムによる界面の影響をなくすことができ、光学フィルタ全体としての透過率の低減を抑えることができた。 FIG. 6 shows calculation results obtained by numerical simulation. Here, the polarization component orthogonal to the direction of the metal wire is P-polarized light, and the polarization component in the periodic direction of the metal wire is S-polarized light. As a result of this numerical simulation, in the polarization selective structure in which the metal wire grid is arranged on the dielectric substrate, it was possible to obtain a stable characteristic in a wide band with a transmittance of 80% or more from the short wavelength side to the near infrared region. In addition, since the polarization selective structure is provided directly at the dielectric substrate interface, the influence of the interface due to the polarizing film attached to the front and back surfaces of the conventional liquid crystal cell can be eliminated, and the transmittance of the entire optical filter can be reduced. Reduction could be suppressed.
以上のように、本参考例の画像撮影装置100に用いる光学フィルタ102は、液晶層1024を支持する誘電体基板1021上または誘電体基板1021の内部に偏光選択構造1025として金属ワイヤグリッドを設けることにより、透過率を向上しており、本参考例の画像撮影装置100における撮像素子への入射光量を増加することが可能となる。また、金属ワイヤグリッドを用いることにより可視光から近赤外光までの広スペクトル帯域を実現できる。さらに、偏光フィルムなどの光学素子数を低減し、画像撮影装置の小型化、省スペース化が可能となる。
As described above, the
[第1の実施例](第1、第2、第5の解決手段の実施例)
本発明の第1の実施例に係る光学フィルタおよび画像撮影装置に関して、図1及び図6〜8を参照して説明する。
図7(a)は、本発明の第1の実施例に係る光学フィルタ102における誘電体基板上または内部に設ける偏光選択構造1025の配置を説明する断面図であり、同図(b)は、同図(a)の図中に点線C−C’で示した面で切断した平面図である。
第1の参考例と異なる点は、液晶層1025に電場を印加する電極として、透明電極は用いず、偏光選択構造(金属微細構造)1025が電極を兼ねていることが特徴である。金属微細構造に一様な電界を生成するため、金属パターンは図7(b)に示すように、金属材料により一様に塗り潰された領域を一方の端部または複数の端部で有している。
First Embodiment (Example of first, second, fifth solving means)
An optical filter and an image capturing device according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 and 6 to 8.
FIG. 7A is a cross-sectional view illustrating the arrangement of the
A difference from the first reference example is that a transparent electrode is not used as an electrode for applying an electric field to the
本実施例の画像撮影装置100の構成は、第1の参考例と同様であり、図1(a)および(b)に示すように、レンズ1011や鏡筒(図示せず)からなり撮像面へ被写体の像を結像する光学系101、誘電体基板および液晶層からなり電気的に変調される光学フィルタ102、光学フィルタ102を制御する駆動制御ユニット104、撮像素子を有し被写体の像を電気信号に変換する撮像ユニット103、および画像情報を処理する信号処理装置105により構成されている。
The configuration of the
本実施例の画像撮影装置100における光学フィルタ102は、図7(a)に示すように、誘電体基板1021、配向膜1023、液晶材料(液晶層)1024、配向膜1023、誘電体基板1021の順に積層した構成を有し、誘電体基板内部に偏光選択構造1025として、金属細線構造(ワイヤグリッド)を配置している。
ここで、金属ワイヤグリッドは、必ずしも誘電体基板内部に配する必要はなく、図8に示すように、誘電体基板1021の界面に配置し、配向膜1023により皮膜された構成であっても良い。図7(a)および図8の両方の場合において、配向膜1023は金属ワイヤグリッド電極と液晶層を絶縁する絶縁膜の役割も担っている。
As shown in FIG. 7A, the
Here, the metal wire grid is not necessarily arranged inside the dielectric substrate, and may be configured to be disposed at the interface of the
本実施例の画像撮影装置100における光学フィルタ102の材料および作製方法は、第1の参考例における説明と同様であり、透過率の高いガラス基板上に、電子ビームリソグラフィによる方法、DUV・EUVリソグラフィ、ナノインプリント、材料物性の変質を利用したエッチングなどにより金属ワイヤグリッドを作製し、金属ワイヤグリッドを形成した面が液晶層の側となるようにガラス基板を対向させ、液晶材料を注入する。金属材料としては良好な偏光選択性を示すAlを利用する。また、干渉信号を得るために、配向膜1023は金属ワイヤグリッドの向きから45°傾いた方向にラビング処理を施す。
The material and manufacturing method of the
本実施例の画像撮影装置100は、第1の参考例で説明したように、フーリエ分光法の原理に基づき、スペクトル画像を撮影する装置として利用できる。また、可変波長フィルタとして、機能させることも可能である。
As described in the first reference example , the
次に、本実施例の画像撮影装置100に用いる光学フィルタ102の効果について説明する。
金属ワイヤグリッドを偏光選択構造1025として利用するとともに、電極として利用することにより、従来ITO膜などで形成していた透明電極を配置する必要が無くなる。透明電極は導電性を有するため、電荷移動にともなう吸収を有し、透過率を幾分低減させる。したがって、透明電極構造を無くすことにより、本実施例の光学フィルタの透過率を向上することが可能である。また、光学素子数や膜の数を低減することができる。また、Alなどの金属材料は、透明電極よりも導電性が高く、同一の消費電力を用いて液晶層により強い電界を印加することが可能である。したがって、液晶セル厚の厚い素子の駆動に適しており、大きな位相差を得ることによりスペクトル分解能を向上できるスペクトル画像撮影装置において有利な特性となる。同様の理由により、液晶層をより高速に駆動させることも可能となる。また、金属ワイヤグリッドを用いるため、図6に示したように、可視光から近赤外までの光スペクトル帯域の画像を取得することが可能である。
Next, the effect of the
By using a metal wire grid as the
以上のように、本実施例の画像撮影装置100に用いる光学フィルタ102は、液晶層1024を支持する誘電体基板1021上または誘電体基板1021の内部に偏光選択構造1025として金属ワイヤグリッドを設け、金属ワイヤグリッドを、液晶層を駆動する電極として利用することにより、透過率を向上し、本実施例の画像撮影装置における撮像素子への入射光量を増加することが可能となる。また、液晶の動作速度を向上することが可能となる。さらに、可視光から近赤外光までの広スペクトル帯域の画像取得、光学素子数の低減、画像撮影装置の小型化、省スペース化が実現できる。
As described above, the
[第2の実施例](第1、第3、第5の解決手段の実施例)
本発明の第2の実施例に係る光学フィルタおよび画像撮影装置に関して、図1および図7〜10を参照して説明する。
本実施例は、第1の実施例と同様に、偏光選択構造1025である金属微細構造を液晶層1024に電場を印加する電極として利用するが、この金属パターンが第1の実施例とは異なる構造となっている。
図9は、第2の実施例に係る光学フィルタ102における誘電体基板上または内部に設ける偏光選択構造1025の2次元配列パターンを説明する平面図である。本実施例の偏光選択構造1025は、2つの領域に分割される金属材料からなる電極パターンを形成している。金属ワイヤグリッドに対応する領域(光透過領域)は、図9中の上下の2つの櫛歯構造が噛み合った構造となっており、それぞれの櫛歯構造の電極1,2に電気配線1026が接続されている。
[ Second Embodiment] (Embodiments of the first, third and fifth solving means)
An optical filter and an image capturing device according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 and 7 to 10.
In the present embodiment, as in the first embodiment, a metal microstructure that is a polarization
FIG. 9 is a plan view for explaining a two-dimensional arrangement pattern of the
本実施例の画像撮影装置100の構成は、第1の参考例と同様であり、図1(a)および(b)に示すように、レンズ1011や鏡筒(図示せず)からなり撮像面へ被写体の像を結像する光学系101、誘電体基板および液晶層からなり電気的に変調される光学フィルタ102、光学フィルタ102を制御する駆動制御ユニット104、撮像素子を有し被写体の像を電気信号に変換する撮像ユニット103、および画像情報を処理する信号処理装置105により構成されている。
The configuration of the
本実施例の画像撮影装置100における光学フィルタ102の構成は、第1の実施例で図7(a)を用いて説明した通りであり、誘電体基板1021、配向膜1023、液晶材料(液晶層)1024、配向膜1023、誘電体基板1021を順に積層し、誘電体基板1021の内部に偏光選択構造1025として、金属細線構造(ワイヤグリッド)を配置している。金属ワイヤグリッドは、必ずしも誘電体基板内部に配する必要はなく、図8に示すように、誘電体基板1021の界面に配置し、配向膜1023により皮膜された構成であっても良い。図7(a)および図8の両方の場合において、配向膜1023は金属ワイヤグリッド電極と液晶層を絶縁する絶縁膜の役割も担っている。
The configuration of the
本実施例の画像撮影装置100における光学フィルタ102の材料および作製方法は、第1の参考例における説明と同様であり、透過率の高いガラス基板上に、電子ビームリソグラフィによる方法、DUV・EUVリソグラフィ、ナノインプリント、材料物性の変質を利用したエッチングなどにより金属ワイヤグリッドを作製し、金属ワイヤグリッドを形成した面が液晶層の側となるようにガラス基板を対向させ、液晶材料を注入する。金属材料としては良好な偏光選択性を示すAlを利用する。また、干渉信号を得るために、配向膜は金属ワイヤグリッドの向きから45°傾いた方向にラビング処理を施す。
The material and manufacturing method of the
本実施例の画像撮影装置100は、第1の参考例で説明したように、フーリエ分光法の原理に基づき、スペクトル画像を撮影する装置として利用できる。また、可変波長フィルタとして、機能させることも可能である。
As described in the first reference example , the
次に、本実施例の画像撮影装置100に用いる光学フィルタ102の効果について説明する。
第1の実施例で説明したように、偏光選択構造1025が電極を兼ねることにより透明電極を配置する必要が無くなり、本実施例の光学フィルタの透過率を向上することが可能となり、光学素子数や膜の数を低減することができる。また、強い電界を印加することが可能となり、液晶セル厚の厚い素子に利用でき、液晶層の高速駆動にも有利である。また、金属ワイヤグリッドを用いるため、可視光から近赤外までの光スペクトル帯域の画像を取得することが可能である。
Next, the effect of the
As described in the first embodiment, since the
また、本実施例においては、図9に示すように、櫛歯構造をもつ2つの電極1,2を同一面内に有しているので、印加する電圧の極性を制御することが可能となる。すなわち、面内に極性の異なる電圧を印加することにより、図10に示すように、配向膜1023に平行な面に電気力線による勾配力を生成することができる。
同一面内に同極性の電圧を印加して駆動した液晶層1024は、入射光の伝播方向に勾配力が働き液晶分子の向きを揃えるが、電圧を開放した際に初期状態に自然に戻るまでには、数秒程度の時間を要する。そこで、極性の異なる電圧を印加することにより、液晶の配向と直交する向きに勾配力を発生させることにより、初期状態に戻る時間を短縮することができる。
In the present embodiment, as shown in FIG. 9, since the two
In the
以上のように、本実施例の画像撮影装置100に用いる光学フィルタ102は、液晶層1024を支持する誘電体基板1021上または誘電体基板1021の内部に偏光選択構造1025として金属ワイヤグリッドを設け、金属ワイヤグリッドを、液晶層1024を駆動する電極として利用することにより、透過率を向上し、本実施例の画像撮影装置100における撮像素子への入射光量を増加することが可能となる。また、櫛歯状の電極を構成することにより液晶層の準・逆動作を速め、本実施例の画像撮影装置の動作速度を向上することが可能となる。さらに、可視光から近赤外光までの広スペクトル帯域の画像取得、光学素子数の低減、画像撮影装置の小型化、省スペース化が実現できる。
As described above, the
[第2の参考例]
本発明の第2の参考例に係る光学フィルタおよび画像撮影装置に関して、図11、図12を参照して説明する。
本参考例は、第1の参考例と同様の画像撮影装置を反射型で実現するものである。反射型構成をとることにより、液晶層を有する光学フィルタを入射する光が往復することになり、その結果、液晶層における常光線と異常光線の位相差を2倍獲得することができ、スペクトル画像取得の場合には、分解能を向上することが可能となる。
[ Second Reference Example]
An optical filter and an image capturing device according to a second reference example of the present invention will be described with reference to FIGS.
This reference example, is realized in the first reflection the same image capturing apparatus and the reference example. By adopting the reflection type structure, the light incident on the optical filter having the liquid crystal layer is reciprocated. As a result, the phase difference between the ordinary ray and the extraordinary ray in the liquid crystal layer can be obtained twice, and the spectral image can be obtained. In the case of acquisition, the resolution can be improved.
図11は、本参考例の画像撮影装置200の構成例を説明する概略構成図であり、撮像面へ被写体の像を結像するレンズ2011、鏡筒(図示せず)および反射光を折り返し撮像素子へ導入するビームスプリッタ2012からなる光学系201と、誘電体基板、液晶層および反射構造からなり電気的に変調される光学フィルタ202と、光学フィルタ202を制御する駆動制御ユニット204、撮像素子を有し被写体の像を電気信号に変換する撮像ユニット203、および画像情報を処理する信号処理装置205により構成されている。
FIG. 11 is a schematic configuration diagram illustrating a configuration example of the image capturing apparatus 200 of the present reference example . The
本参考例の画像撮影装置200における光学フィルタ202の構成を、図12を用いて説明する。図12(a)は光学フィルタ202の構成を説明する断面図であり、本参考例の光学フィルタ202は、支持基板2021上に、反射構造2022、配向膜2023、液晶材料(液晶層)2024、配向膜2025、透明電極2026、誘電体基板2027を順に積層した構成を有している。また、図12(b)は、本参考例の光学フィルタ202のD−D’線部分の断面図(断面D−D’)であり、誘電体基板2027の上部境界面に偏光選択構造2028として金属細線構造(ワイヤグリッド)を備えている。なお、金属ワイヤグリッドは、図3(b)に示したものと同様に、誘電体基板内部に配置しても構わない。反射構造2022は、反射率の高い構造であればよく、支持基板2021上に形成した金属膜や、透明電極膜を表層にもつ多層膜構造などが利用できる。ここで、反射構造2022は液晶層2024を駆動する電極を兼ねるため、導電性の材料を液晶層側に配置する必要がある。図12は、透明電極膜を配置した例である。
The configuration of the
本参考例の画像撮影装置200における光学フィルタ202の材料および作製方法は、第1の参考例における説明と同様であり、誘電体基板2027である透過率の高いガラス基板上に、電子ビームリソグラフィによる方法、DUV・EUVリソグラフィ、ナノインプリント、材料物性の変質を利用したエッチングなどにより金属ワイヤグリッドを作製したものと、平滑な支持基板2021上に金属膜または誘電体多層膜とITOなどの透明電極膜を積層した反射構造2022を有するものを、金属ワイヤグリッドを形成した面が液晶層の側となるように対向させ、液晶材料を注入する。金属ワイヤグリッドを構成する材料としては、良好な偏光選択性を示すAlが利用できる。また、干渉信号を得るために、配向膜2023,2025は金属ワイヤグリッドの向きから45°傾いた方向にラビング処理を施す。
The material and manufacturing method of the
本参考例の画像撮影装置200は、第1の参考例で説明したように、フーリエ分光法の原理に基づき、スペクトル画像を撮影する装置として利用できる。また、可変波長フィルタとして、機能させることも可能である。 Imaging apparatus 200 of the present embodiment, as described in the first reference example, based on the principle of Fourier spectroscopy, can be used as an apparatus for capturing a spectral image. It can also function as a variable wavelength filter.
次に、本参考例の画像撮影装置200に用いる光学フィルタ202の効果について説明する。
本参考例の光学フィルタ202は、反射型の構成をとることにより、入射側および出射側の偏光選択構造2028を誘電体基板2027の境界面または内部に配置した単層の金属ワイヤグリッドで実現することができる。これにより、作製工程を減らすことができる。また、反射型の構成をとることにより、液晶層2024を通り抜ける光の光路長を2倍獲得することができ、スペクトル画像取得や可変波長フィルタ機能において、スペクトル分解能を向上することができる。
Next, the effect of the
The
以上のように、本参考例の画像撮影装置200に用いる光学フィルタ202は、液晶層2024を支持する誘電体基板2027上または誘電体基板2027の内部に偏光選択構造2028として金属ワイヤグリッドを設けることにより、偏光フィルム等の偏光選択素子が不要となるため、透過率を向上し、本参考例の画像撮影装置200における撮像素子への入射光量を増加することが可能となる。また、可視光から近赤外光までの広スペクトル帯域の画像取得、光学素子数の低減、画像撮影装置の小型化、省スペース化が実現できる。さらに、反射型の構成により大きな位相差を獲得することができ、スペクトル分解能や波長選択性の向上が可能となる。
As described above, the
[第3の参考例]
本発明の第3の参考例に係る光学フィルタおよび画像撮影装置に関して、図11、図13を参照して説明する。
本参考例は、第2の参考例と同様に、反射型の構成で画像撮影装置を実現するものである。第2の参考例と異なる点は、偏光選択構造2028である金属微細構造が液晶層2024を駆動する電極を兼ねる点である。これにより、本参考例の光学フィルタ202の出射光量の低下を抑えることができる。また、第2の参考例と同様に、液晶層2024を有する光学フィルタ202を、入射する光が往復することになり、液晶層2024における常光線と異常光線の位相差を2倍獲得することができ、スペクトル画像取得の場合には、分解能を向上することが可能となる。
[ Third Reference Example]
An optical filter and an image capturing device according to a third reference example of the present invention will be described with reference to FIGS.
This reference example , like the second reference example , realizes an image photographing device with a reflection type configuration. The difference from the second reference example is that the metal microstructure that is the polarization selection structure 2028 also serves as an electrode for driving the liquid crystal layer 2024. Thereby, the fall of the emitted light amount of the
本参考例の画像撮影装置200の構成は、図11の概略構成図で示した通りであり、撮像面へ被写体の像を結像するレンズ2011、鏡筒(図示せず)、および反射光を折り返し撮像素子へ導入するビームスプリッタ2012からなる光学系201と、誘電体基板、液晶層および反射構造からなり電気的に変調される光学フィルタ202と、光学フィルタ202を制御する駆動制御ユニット204と、撮像素子を有し被写体の像を電気信号に変換する撮像ユニット203、および画像情報を処理する信号処理装置205により構成されている。
The configuration of the image capturing apparatus 200 of this reference example is as shown in the schematic configuration diagram of FIG. 11, and a
本参考例の画像撮影装置200における光学フィルタ202の構成を、図13を用いて説明する。図13(a)は光学フィルタ202の構成を説明する断面図であり、本参考例の光学フィルタ202は、支持基板2021上に、反射構造2022、配向膜2023、液晶材料(液晶層)2024、配向膜2025、誘電体基板2027を順に積層した構成を有し、誘電体基板2027と配向膜2025の境界面に偏光選択構造2028として金属細線構造(ワイヤグリッド)を備えている。図13(b)は、本参考例の光学フィルタ202のE−E’線部分の断面図(断面E−E’)であり、金属ワイヤグリッドを、液晶層2024を駆動する電極として利用するために、端部に金属材料で塗り潰した領域を有している。図13(b)は、金属ワイヤグリッドの2次元パターンにより単一の電極を為しているが、図9に示したものと同様に、2つ櫛歯構造からなる電極パターンを利用しても良い。その場合には、電極面内に電界を発生することができ、液晶層に水平、垂直方向の2方向の勾配力を働かせることができる。
The configuration of the
本参考例の画像撮影装置200における光学フィルタ202の材料および作製方法は、第1の参考例における説明と同様であり、誘電体基板2027である透過率の高いガラス基板上に、電子ビームリソグラフィによる方法、DUV・EUVリソグラフィ、ナノインプリント、材料物性の変質を利用したエッチングなどにより金属ワイヤグリッドを作製したものと、平滑な支持基板2021上に金属膜または誘電体多層膜とITOなどの透明電極膜を積層した反射構造2022を有するものを、金属ワイヤグリッドを形成した面が液晶層の側となるように対向させ、液晶材料を注入する。金属ワイヤグリッドを構成する材料としては、良好な偏光選択性を示すAlが利用できる。また、干渉信号を得るために、配向膜2023、2025は金属ワイヤグリッドの向きから45°傾いた方向にラビング処理を施す。
The material and manufacturing method of the
本参考例の画像撮影装置は、第1の参考例で説明したように、フーリエ分光法の原理に基づき、スペクトル画像を撮影する装置として利用できる。また、可変波長フィルタとして、機能させることも可能である。 Imaging apparatus of the present reference example, as described in the first reference example, based on the principle of Fourier spectroscopy, can be used as an apparatus for capturing a spectral image. It can also function as a variable wavelength filter.
次に、本参考例の画像撮影装置200に用いる光学フィルタ202の効果について説明する。
本参考例の光学フィルタ202は、反射型の構成をとることにより、入射側および出射側の偏光選択構造2028を誘電体基板2027の境界面または内部に配置した単層の金属ワイヤグリッドで実現することができる。これにより、作製工程を減らすことができる。また、反射型の構成をとることにより、液晶層2024を通り抜ける光の光路長を2倍獲得することができ、スペクトル画像取得や可変波長フィルタ機能において、スペクトル分解能を向上することができる。さらに、金属ワイヤグリッドが電極を兼ねるため、透明電極膜が不要となり、出射光量の低下を抑えることができるとともに、液晶層2024に働く電気力線の勾配力の向きを制御することができ、本参考例の画像撮影装置の高速動作が可能となる。
Next, the effect of the
The
以上のように、本参考例の画像撮影装置200に用いる光学フィルタ202は、液晶層2024を支持する誘電体基板2027上または誘電体基板2027の内部に偏光選択構造2028として金属ワイヤグリッドを設けることにより、透過率を向上し、本参考例の画像撮影装置200における撮像素子への入射光量を増加することが可能となる。また、液晶の動作速度を向上することが可能となる。また、可視光から近赤外光までの広スペクトル帯域の画像取得、光学素子数の低減、画像撮影装置の小型化、省スペース化が実現できる。さらに、反射型の構成により大きな位相差を獲得することができ、スペクトル分解能や波長選択性の向上が可能となる。
As described above, the
以上に説明した本発明に係る光学フィルタおよび画像撮影装置は、スペクトル情報を連続的または選択的に取得する分光イメージングシステム、マルチ・ハイパースペクトルイメージングシステム等に利用することができる。また、スペクトル計測装置等にも利用することができる。 The optical filter and the image capturing apparatus according to the present invention described above can be used in a spectral imaging system, a multi-hyperspectral imaging system, or the like that acquires spectrum information continuously or selectively. Further, it can be used for a spectrum measuring apparatus or the like.
100、200:画像撮影装置
101、201:光学系
102、202:光学フィルタ
103、203:撮像ユニット
104、204:駆動制御ユニット
105、205:信号処理装置
1021、2027:誘電体基板
1022、2026:透明電極膜
1023、2023、2025:配向
1024、2024:液晶層(液晶材料)
1025、2028:偏光選択構造(金属細線構造)
1026、2029:電気配線
100, 200: Image capturing apparatus 101, 201:
1025, 2028: Polarization selective structure (metal thin wire structure)
1026, 2029: Electrical wiring
Claims (5)
直交する2つの偏光成分に異なる位相差を与える液晶層と、該液晶層を支持する誘電体基板と、前記液晶層および前記誘電体基板の間に位置する配向膜と、複数の凸部からなり該凸部の各々の間隔が入射光の波長以下のサイズを有する金属パターンにより構成されるとともに前記液晶層を駆動する電極である偏光選択構造と、を備え、前記偏光選択構造は、前記誘電体基板または前記配向膜の内部に位置することによって前記複数の凸部の各々の間が前記誘電体基板または前記配向膜によって満たされていることを特徴とする光学フィルタ。 An optical filter having a function of controlling a phase difference between two orthogonal polarization components,
A liquid crystal layer that gives different phase differences to two orthogonal polarization components, a dielectric substrate that supports the liquid crystal layer, an alignment film positioned between the liquid crystal layer and the dielectric substrate, and a plurality of convex portions comprises a polarization selective structure each interval of the convex portion is an electrode for driving the liquid crystal layer with formed of a metal pattern having the following size wavelength of the incident light, wherein the polarization selection structure, said dielectric An optical filter characterized in that a space between each of the plurality of convex portions is filled with the dielectric substrate or the alignment film by being positioned inside the substrate or the alignment film .
前記偏光選択構造が、光を透過する領域において入射光の波長以下の幅および周期を有する金属細線構造であることを特徴とする光学フィルタ。 The optical filter according to claim 1,
The optical filter, wherein the polarization selection structure is a thin metal wire structure having a width and a period equal to or less than a wavelength of incident light in a light transmitting region .
前記偏光選択構造が、光が透過する領域において、金属材料からなる2つの櫛歯構造を対向して配置した構成を有することを特徴とする光学フィルタ。 The optical filter according to claim 1 or 2,
The optical filter, wherein the polarization selection structure has a configuration in which two comb-tooth structures made of a metal material are arranged to face each other in a region where light is transmitted .
前記光学フィルタとして、請求項1〜4のいずれか一つに記載の光学フィルタを用いたことを特徴とする画像撮影装置。An image capturing apparatus using the optical filter according to claim 1 as the optical filter.
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