JP5443683B2 - 画像表示装置および電子情報機器 - Google Patents

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Description

本発明は、分光装置、固体撮像装置、画像表示装置、分析装置および電子情報機器に関し、光学部品として電気光学効果を有する光学結晶を用いたものに関する。
従来から、カメラ付携帯、デジタルスチルカメラ（ＤＳＣ）、監視カメラなどでは、撮像装置として、ＣＭＯＳイメージセンサなどの固体撮像素子が用いられている。
図１４（ａ）は、例えば、ＣＭＯＳイメージセンサを説明する概略構成図である。
このＣＭＯＳイメージセンサ１０は、撮像領域に行列状に配列された画素Ｐｘと、各画素列に対応して設けられた信号線Ｌｒと、該各信号線Ｌｒに接続されたＣＤＳ回路１３と、各ＣＤＳ回路１３からの読み出し信号を出力する出力部１５とを有している。また、ＣＭＯＳイメージセンサ１０は、複数の画素行のうちから１つの画素行を選択する垂直走査回路１１と、該複数のＣＤＳ回路１３のうちから１つのＣＤＳ回路を選択する水平走査回路１２とを有している。ここで、ＣＤＳ回路は、相関二重サンプリング回路であり、画素から読み出された信号の雑音を除去するものである。
また、上記各画素Ｐｘは、光電変化を行うフォトダイオードＰＤと、該フォトダイオードＰＤで発生した信号電荷を増幅する増幅素子Ａｍと、該増幅素子の出力と上記信号線Ｌｒとの間に接続された画素選択スイッチＳとを有している。また、該各ＣＤＳ回路１３と出力部１５の入力との間には、水平走査回路１２からの選択信号により動作する信号線選択スイッチ１４が設けられている。ここで、画素選択スイッチＳおよび信号線選択スイッチ１４はＭＯＳ型トランジスタにより構成される。
このようなＣＭＯＳイメージセンサでは、各画素ＰｘのフォトダイオードＰＤで光電変換により発生した信号電荷は、各画素にて増幅素子Ａｍにより増幅される。そして、上記垂直走査回路１１と水平走査回路１２とにより画素が選択されると、各画素からこの増幅された信号電荷が、信号線Ｌｒ、ＣＤＳ回路１３および出力回路１５を介して外部に読み出される。
このようなＣＭＯＳイメージセンサでは、通常、カラー撮影を可能とするために、画素上に、例えばＲＧＢ（赤緑青の３色）の各色に対応するカラーフィルタを成膜している。このため、ひとつの色をあらわすのに３画素必要となる。
現在主流は、図１５（ａ）に示すように、隣接する４画素Ｐｘを使用して１つの色を表すものであり、図１５（ｂ）に示すように、撮像領域では有効画素が１／４になってしまっている。ここで、画素Ｐ１およびＰ４上には緑色フィルタが配置され、画素Ｐ２には青色フィルタが、画素Ｐ３には赤色フィルタが配置されており、これらの４画素Ｐ１〜Ｐ４で１つの色を表している。
また、このような撮像領域での有効画素の実質的な減少は、近年の画素の高密度化に伴い、感度低下とノイズ不良が顕著化しているという点からも大きな問題である。
ところで、特許文献１には、このようなカラーフィルタを用いないで、１つの画素で３原色の各色に対応する信号電荷を生成するよう構成した固体撮像装置が開示されている。
具体的には、この文献に記載の固体撮像装置では、各画素を構成するフォトダイオードを、Ｐ型基板に、Ｎ型層、Ｐ型層、Ｎ型層からなる３層構造を形成し、該３層の各々の基板表面に露出した部分から、赤信号、緑信号、青信号を取り出す構造としたものである。このような構造のフォトダイオードで、色の分離ができるのは、波長の短い青色の光が基板の表面領域で光電変換され、波長の長い赤色の光は基板の深い部分で光電変換されるという基板での光の吸収の性質を利用しているためである。
米国特許第５９６５８７５号明細書
しかしながら、上述した特許文献１に記載の固体撮像装置では、各層の境界部分では、異なる色の信号電荷が混ざることとなり、各画素のフォトダイオードにて、赤色光、緑色光、青色光の光電変換信号を完全に分離して取り出すことは困難であり、鮮やかな色を再現することが難しいという問題があった。
本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたもので、カラーフィルタを用いないで、鮮やかな色を再現するための複数の基準色の光を１画素で検出可能とし、これにより画素のレイアウトに余裕を持たせることができ、言い換えると、同じ画素数では、１画素あたりの面積を大きくすることで、高感度、低ノイズ化を図ることができる固体撮像装置を得ることを目的とする。
また、本発明は、カラーフィルタを用いないで、色を再現するための複数の基準色の光、例えばＲＧＢ（赤、緑、青）３原色の光あるいはＣＭＹ（シアン、マゼンタ、黄）補色系の光を分離することができる分光装置および分析装置、並びに色を再現するための複数の基準色の光、例えば３原色の光あるいはＣＭＹ補色系の光を１画素で発生させることができる画像表示装置を得ることを目的とする。
さらに、本発明は、上記固体撮像装置あるいは上記画像表示装置を用いた電子情報機器を得ることを目的とする。
本発明に係る画像表示装置は、光源と、該光源からの光を変調して、画像表示のためのスクリーン上に投影する投影装置とを備えた画像表示装置であって、該投影装置は、電気光学効果を有する薄膜化された光学部材を画素として行列状に複数配列してなり、各光学部材で入射光を反射する反射部と、該反射部の光入射面側に配置された液晶層と、該液晶層の両側に配置された偏光板と、該各光学部材内で独立した電界が発生するよう該各光学部材に電圧を印加する電圧印加部とを備え、該各光学部材は、電気光学物質からなる薄膜光学部材と、該薄膜光学部材の両面に形成された一対の電極とを有し、該電圧印加部は、該各画素行毎に、該各画素行に対応する複数の薄膜光学部材の一方の電極に電圧を印加する第１の電圧印加制御部と、該各画素列毎に、該各画素列に対応する複数の薄膜光学部材の他方の電極に電圧を印加する第２の電圧印加制御部とを有し、該光学部材で反射された該スクリーンへ向かう反射光が、該光学部材の電界による屈折率の変化により可視光である複数の基準色の光に分離されるよう、該光学部材への印加電圧を制御するものであり、該液晶層における液晶の配向を、該反射部からの光の強度が変化するよう制御するものであり、そのことにより上記目的が達成される。
本発明に係る画像表示装置は、光源と、入射光を反射する反射装置と、該光源からの光を該反射装置に導く透明媒体とを備えた画像表示装置であって、該反射装置は、電気光学効果を有する薄膜化された光学部材を画素として行列状に複数配列してなり、各光学部材で入射光を反射する反射パネルと、該反射パネルの光入射面側に配置された液晶層と、該液晶層の両側に配置された偏光板と、該各光学部材内で独立した電界が発生するよう該各光学部材に電圧を印加する電圧印加部とを備え、該各光学部材は、電気光学物質からなる薄膜光学部材と、該薄膜光学部材の両面に形成された一対の電極とを有し、該電圧印加部は、該各画素行毎に、該各画素行に対応する複数の薄膜光学部材の一方の電極に電圧を印加する第１の電圧印加制御部と、該各画素列毎に、該各画素列に対応する複数の薄膜光学部材の他方の電極に電圧を印加する第２の電圧印加制御部とを有し、該光学部材で反射された反射光が、該光学部材の屈折率の変化により可視光である複数の基準色の光に分離されるよう、該光学部材への印加電圧を制御するものであり、該液晶層における液晶の配向を、該反射部からの光の強度が変化するよう制御するものであり、そのことにより上記目的が達成される。
本発明に係る電子情報装置は、表示部を備えた電子情報機器であって、該表示部は、上記画像表示装置を含むものであり、そのことにより上記目的が達成される。
以下、本発明の作用を説明する。
本発明においては、光の色を分離する分光装置であって、電気光学効果を有する光学部材と、該光学部材内に電界が発生するよう該光学部材に電圧を印加する電圧印加部とを備え、該電圧印加部は、該光学部材での電界による屈折率の変化により、該光学部材で反射された反射光の色（あるいは該光学部材で屈折した屈折光の色）が変化するよう、該光学部材への印加電圧を制御するので、カラーフィルタを用いずに入射光を鮮やかな複数の色の光に分光することができ、しかも光の分光により得られる光の色を時分割で切り替えることができる。
また、本発明において、前記光学部材は、タンタル酸ニオブ酸カリウム結晶からなる薄膜光学部材としているので、該光学部材の屈折率は低電圧の印加により変化することとなり、該光学部材での分光を、低電圧で制御することができる。
また、本発明において、上記分光装置において、前記薄膜光学部材は、その結晶軸方向に対する前記電圧印加により発生する電界の方向が、最も電気光学効果が大きくなるよう設定されているので、光学部材での分光を、より低電圧で制御することが可能となる。
また、本発明において、前記薄膜光学部材は、０Ｖ〜５Ｖ程度の範囲の低電圧により、赤外光から紫外光までの範囲で、色の分離が行われる膜厚に形成されているので、光学部材での分光を、乾電池などのバッテリ電源により制御可能となる。
本発明においては、固体撮像装置において、複数の画素を有する固体撮像素子と、入射光を複数の基準色の光に分離して該固体撮像素子の該画素が配列された受光面に照射する分光装置と、該固体撮像素子における撮像動作と該分光装置による色分離動作とを制御する制御部とを備え、該分光装置を、電気光学効果を有する光学部材と、該光学部材内に電界が発生するよう該光学部材に電圧を印加する電圧印加部とを有するものとし、該電圧印加部は、該光学部材で反射された該固体撮像素子の受光面へ向かう反射光（あるいは該光学部材で屈折された該固体撮像素子の受光面へ向かう屈折光）が、該光学部材での電界による屈折率の変化により該複数の基準色の光に分離されるよう、該光学部材への印加電圧を制御するので、カラーフィルタを用いずに入射光を複数の色の光に分光することができ、しかも光の分光により得られる光の色を時分割で切り替えることができる。この結果、カラーフィルタを用いずに、固体撮像素子による撮像が可能となり、画素のレイアウトに余裕を持たせることが可能となり、その結果、画素当たりの面積を大きくできることから、高感度、低ノイズ化が可能となる。
さらに、フィルターレスにすることで、入射光の波長を可視光に限定することなく、被写体の撮像をすることが可能となる。
本発明においては、画像表示装置において、光源と、該光源からの光を変調して、画像表示のためのスクリーン上に投影する投影装置とを備え、該投影装置は、電気光学効果を有する光学部材を画素として行列状に複数配列してなり、各光学部材で入射光を反射する反射部と、該各光学部材内で独立した電界が発生するよう該各光学部材に電圧を印加する電圧印加部とを備え、該電圧印加部は、該光学部材で反射された該スクリーンへ向かう反射光が、該光学部材の電界による屈折率の変化により該複数の基準色の光に分離されるよう、該光学部材への印加電圧を制御するので、カラーフィルタを用いずにカラー画像を表示することが可能となる。
本発明においては、画像表示装置において、光源と、入射光を反射する反射装置と、該光源からの光を該反射装置に導く透明媒体とを備えた画像表示装置であって、該反射装置は、電気光学効果を有する光学部材を画素として行列状に複数配列してなり、各光学部材で入射光を反射する反射パネルと、該各光学部材内で独立した電界が発生するよう該各光学部材に電圧を印加する電圧印加部とを備え、該電圧印加部は、該光学部材で反射された反射光が、該光学部材の屈折率の変化により該複数の基準色の光に分離されるよう、該光学部材への印加電圧を制御するので、カラーフィルタを用いずにカラー画像を表示することが可能となる。
以上のように、本発明によれば、カラーフィルタを用いないで、鮮やかな色を再現するための複数の基準色の光を１画素で検出可能とし、これにより画素のレイアウトに余裕を持たせることができ、言い換えると、同じ画素数では、１画素あたりの面積が大きくすることで、高感度、低ノイズ化を図ることができる固体撮像装置を得ることができる。
また、本発明によれば、カラーフィルタを用いないで、色を再現するための複数の基準色の光、例えば３原色の光あるいは補色系の光を１画素で発生させることができる画像表示装置を得ることができる。
また、本発明によれば、カラーフィルタを用いないで、色を再現するための複数の基準色の光、例えば３原色の光あるいは補色系の光を分離することができる分光装置を得ることができる。
以下に、本発明の実施形態について説明する。
（実施形態１）
図１は本発明の実施形態１に係る固体撮像装置を説明する図である。
この実施形態１の固体撮像装置１００は、複数の画素を有する固体撮像素子１１０と、入射光を複数の基準色の光に分離して、該固体撮像素子の該画素が配列された受光面に照射する分光装置１３０と、該固体撮像素子における撮像動作と該分光装置による色分離動作とを制御するコントローラ（制御部）１２０とを有している。
ここで、固体撮像素子１１０は、図１４（ａ）に示すＣＭＯＳイメージセンサと同一のものである。また、分光装置１３０は、電気光学効果を有する光学部材１０１と、該光学部材内に電界が発生するよう該光学部材に電圧を印加する電圧印加部１０２とを有している。この電圧印加部１０２は、電圧可変電源であり、該光学部材で反射された該固体撮像素子へ向かう反射光Ｌｒが、該光学部材での電界による屈折率の変化により該複数の基準色の光に分離されるよう、該光学部材への印加電圧を制御するものである。
また、上記コントローラ１２０は、分光装置１３０が該固体撮像素子の受光面へ向かう反射光の色を変化させる色分離動作と、該固体撮像素子１１０が各画素で得られた光電変換信号を出力する撮像動作とが同期するよう、これらを制御するものである。
具体的には、ここでは、上記複数の基準色は、赤色、緑色、および青色としている。また、上記コントローラは、赤色光、緑色光、および青色光が、所定のタイミングで繰り返し前記固体撮像素子に照射されるよう、上記分光装置の電圧可変電源１０２を制御し、同時に、固体撮像素子１１０を、該赤色光、該緑色光、および該青色光の照射と同期して該各色の光電変換信号を出力するよう制御するものである。但し、上記複数の基準色は、上記赤色、緑色、および青色に限るものではなく、例えば、シアン色、マゼンタ色、黄色および緑色といった補色系の基準色としてもよい。この場合、上記コントローラ１２０は、シアン色光、マゼンタ色光、黄色光および緑色光が、所定のタイミングで繰り返し上記固体撮像素子１１０に照射されるよう、上記分光装置１３０の電圧印加部１０２を制御するとともに、該固体撮像素子１１０を、該シアン色光、該マゼンタ色光、該黄色光および該緑色光の照射と同期して該各色の光電変換信号を出力するよう制御することが好ましい。
また、上記光学部材は、電気光学物質からなる薄膜光学部材であり、この実施形態では、特に、電気光学物質として、その屈折率がカー効果により該光学部材への印加電圧に応じて変化する物質、例えば、タンタル酸ニオブ酸カリウム結晶（ＫＴＮ結晶）を用いている。但し、上記光学部材は、これに限るものではなく、その屈折率がポッケルス効果により該光学部材への印加電圧に応じて変化するものであってもよい。
さらに、この実施形態では、上記薄膜光学部材は、その結晶軸方向に対する前記電圧印加により発生する電界の方向が、最も電気光学効果が大きくなるよう構成されている。ここでは、特に、薄膜光学部材は、０Ｖ〜５Ｖ程度の範囲の低電圧により、赤外光から紫外光までの範囲で、色の分離が行われる膜厚に形成されている。但し、上記光学部材に高電圧を印加可能である場合は、該光学部材は薄く形成する必要はない。
以下、光学部材の一例としてのＫＴＮ結晶について、その特性について説明する。
図２は、ＫＴＮ結晶の屈折率の電界強度依存性を説明する表（図（ａ））およびグラフ（図（ｂ））を示す図である。図２（ｂ）では、縦軸に屈折率の変動（Δｎ／ｎ）、横軸に光学部材（ＫＴＮ結晶）に印加される電界強度をとっている。
また、図３は、ＫＴＮ結晶の波長の膜厚および電圧に対する依存性を表で示す図であり、左端欄には、光学部材（ＫＴＮ結晶）の膜厚（ｄ（ｍ））をとり、横軸には、光学部材（ＫＴＮ結晶）に印加する電圧（Ｖｏｌｔ）をとっている。この場合、反射波長の電圧および膜厚依存性を示す下記式（１）、（３）における数値ｍを、ｍ＝１とし、屈折率ｎをｎ＝１とし、物質係数ａを、ａ＝３．００Ｅ−１４としている。
また図４は、図３に示す依存性を、横軸に印加電圧（Ｖ）、縦軸に膜厚ｄ（ｍ）をとった座標上の領域Ｒ１〜Ｒ１０で表すものである。
ここで、領域Ｒ１は、波長０．０Ｅ＋００〜１．０Ｅ−０７に対応し、領域Ｒ２は、波長１．０Ｅ−０７〜２．０Ｅ−０７に対応し、領域Ｒ３は、波長２．０Ｅ−０７〜３．０Ｅ−０７に対応し、領域Ｒ４は、波長３．０Ｅ−０７〜４．０Ｅ−０７に対応し、領域Ｒ５は、波長４．０Ｅ−０７〜５．０Ｅ−０７に対応し、領域Ｒ６は、波長５．０Ｅ−０７〜６．０Ｅ−０７に対応し、領域Ｒ７は、波長６．０Ｅ−０７〜７．０Ｅ−０７に対応し、領域Ｒ８は、波長７．０Ｅ−０７〜８．０Ｅ−０７に対応し、領域Ｒ９は、波長８．０Ｅ−０７〜９．０Ｅ−０７に対応し、領域Ｒ１０は、波長９．０Ｅ−０７〜１．０Ｅ−０６に対応している。
図５（ａ）〜（ｃ）は、上記式（１）および（３）の数値ｍの値が増大すると、上記図４に示す領域Ｒ１〜Ｒ１０が図５（ａ）に示すものから図５（ｃ）に示すものへ変化することを示している。また、図６（ａ）〜（ｃ）は、屈折率ｎが増大すると、上記図４に示す領域Ｒ１〜Ｒ１０が図６（ａ）に示すものから図６（ｃ）に示すものへ変化することを示している。さらに、図７（ａ）〜（ｃ）は、上記物質係数ａの値が増大すると、上記図４に示す領域Ｒ１〜Ｒ１０が図７（ａ）に示すものから図７（ｃ）に示すものへ変化することを示している。
次に動作について説明する。
このような固体撮像装置では、入射光Ｌｉｎが薄膜光学部材１０１に入射すると、ここで反射され、その反射光Ｌｒは、上記固体撮像素子１１０に入射される。このとき、薄膜光学部材１０１には電圧可変電源１０２により電圧が印加され、これにより屈折率が変化して反射光の色が分離される。
反射波長の電圧および膜厚依存性は以下の式で表される。
２ｄｎｃｏｓθ＝（λ／２）・（２ｍ−１） ・・・（１）
ここで、ｄは、薄膜光学部材１０１の膜厚、θは光の入射角（図１参照）、ｍは自然数、ｎは屈折率（電圧で制御できる）である。
物質の電気光学効果を次の式で表す。
ｎ＝ｎ０（１＋ａ（Ｖ／ｄ）２） ・・・（２）
ｎ０は電圧を印加しないときの屈折率、ａは定数（以下、物質定数という。）
上記（１）および（２）式より、
（λ／２）・（２ｍ−１）＝２ｄｎ０（１＋ａ（Ｖ／ｄ）２）ｃｏｓθ
従って、
λ＝（１／（２ｍ−１））・４ｄｎ０（１＋ａ（Ｖ／ｄ）２）ｃｏｓθ ・・・（３）
となる。
仮に、ｍ＝１、ａ＝０（電気光学効果がない場合）とすると、
λ＝４ｄｎ０ｃｏｓθ
であり、これは、単純な反射の場合であり、（３）式が正しいことを示している。
このような構成では、印加電圧に対する薄膜光学部材（電気光学物質）の屈折率の応答は非常に速く、電圧を制御することで、任意の波長（色）を反射させることができる。
また、コントローラ１２０は、電圧可変電源１０２を制御し、薄膜光学部材からの反射光にあわせて、つまり光の３原色の色にあわせて、固体撮像素子１１０での電荷転送、つまり固体撮像素子からの信号電荷の読み出しを制御する。
その結果、図１５（ｃ）〜（ｅ）に示すように、１画素で３原色の色を撮像すること、つまり画素Ｐ１〜Ｐ４でそれぞれ緑色、赤色、青色を撮像することが可能となり、すべての画素を有効に使うことができ、大きなサイズの画素による撮像が可能となる。これは、引いては、高感度化、低ノイズ化につながり、鮮やかな撮像画像を得ることができる。
また、この実施形態では、薄膜光学部材に印加する電圧の制御により、固体撮像素子に入射する光の色（波長）を制御しているので、画像を構成する際には、最適な３原色の波長をコントロールして撮像できる。また、ＲＥＤ系，Ｂｌｕｅ系など３原色にとらわれない撮像や、可視光以外の撮像も可能になる。
なお、上記実施形態１では、固体撮像素子１１０は、図１４（ａ）に示すＣＭＯＳイメージセンサとしているが、これは、図１４（ｂ）に示すＣＣＤイメージセンサとしてもよい。
つまり、図１４（ｂ）に示すように、ＣＣＤイメージセンサ２０はマトリクス状に配列された光電変換部（フォトダイオード）ＰＤと、各フォトダイオードで発生した電荷を垂直方向に転送する垂直ＣＣＤ２１と、該垂直ＣＣＤ２１からの電荷を水平方向に転送する水平ＣＣＤ２２と、該水平ＣＣＤ２２からの信号電荷を増幅して信号電圧として出力する増幅回路２３とを有している。なお、図１４（ｂ）中、Ｐｘは画素である。
また、上記実施形態では、電気光学効果を有する光学部材を固体撮像装置で用いた場合を示したが、電気光学効果を有する光学部材は、光の色を分離する分光器に用いることもできる。つまり、上記実施形態１の固体撮像装置の分光装置は、これを単独の分光装置（以下、分光器という。）として用いることができる。
このような分光器は、電気光学効果を有する光学部材と、該光学部材内に電界が発生するよう該光学部材に電圧を印加する電圧印加部とを備え、該電圧印加部は、該光学部材での電界による屈折率の変化により、該光学部材で反射された反射光の色が変化するよう、該光学部材への印加電圧を制御するものである。
この場合、以下のような効果が得られる。
例えば、この分光器では、カラーフィルタを用いずに入射光を複数の色の光に分光することができ、しかも光の分光により得られる光の色を時分割で切り替えることができる。
また、光学部材は、例えば、実施形態１と同様にタンタル酸ニオブ酸カリウム結晶からなる薄膜光学部材とすることにより、実施形態１で述べたように、該光学部材の屈折率は低電圧の印加により変化することとなり、該光学部材での分光を、低電圧で制御することができる。
また、該分光器において、光学部材は、その結晶軸方向に対する前記電圧印加により発生する電界の方向が、最も電気光学効果が大きくなるよう設定することにより、光学部材での分光を、より低電圧で制御することが可能となる。
また、薄膜光学部材は、０Ｖ〜５Ｖ程度の範囲の低電圧により、赤外光から紫外光までの範囲で、色の分離が行われる膜厚に形成することにより、光学部材での分光を、乾電池などのバッテリ電源により制御可能となる。
（実施形態２）
図８は本発明の実施形態２に係る固体撮像装置を説明する図である。
この実施形態２の固体撮像装置１００ａは、複数の画素を有する固体撮像素子１１０と、入射光を複数の基準色の光に分離して該固体撮像素子の該画素が配列された受光面に照射する分光装置１３０ａと、該固体撮像素子における撮像動作と該分光装置による色分離動作とを制御するコントローラ（制御部）１２０とを有している。
ここで、固体撮像素子１１０は、図１４（ａ）に示すＣＭＯＳイメージセンサと同一のものである。また、分光装置１３０ａは、電気光学効果を有する光学部材１０１ａと、該光学部材内に電界が発生するよう該光学部材に電圧を印加する電圧印加部１０２とを備え、該電圧印加部１０２は、該光学部材で屈折された該固体撮像素子の受光面へ向かう屈折光Ｌｐが、該光学部材での電界による屈折率の変化により該複数の基準色の光に分離されるよう、該光学部材への印加電圧を制御するものである。
具体的には、この実施形態２では、上記実施形態１と同様、上記複数の基準色は、赤色、緑色、および青色としている。また、上記コントローラ１２０は、赤色光、緑色光、および青色光が、所定のタイミングで繰り返し前記固体撮像素子に照射されるよう、上記分光装置の電圧可変電源１０２を制御し、同時に、固体撮像素子１１０を、該赤色光、該緑色光、および該青色光の照射と同期して該各色の光電変換信号を出力するよう制御するものである。但し、上記複数の基準色は、上記赤色、緑色、および青色に限るものではなく、シアン色、マゼンタ色、黄色および緑色といった補色系の基準色としてもよい。この場合、上記コントローラ１２０は、シアン色光、マゼンタ色光、黄色光および緑色光が、所定のタイミングで繰り返し上記固体撮像素子１１０に照射されるよう、上記分光装置１３０ａの電圧印加部１０２を制御するとともに、該固体撮像素子１１０を、該シアン色光、該マゼンタ色光、該黄色光および該緑色光の照射と同期して該各色の光電変換信号を出力するよう制御することが好ましい。
また光学部材１０１ａは、例えばタンタル酸ニオブ酸カリウム結晶（ＫＴＮ結晶）からなる薄膜光学部材であって、光の入射面と光の出射面とが非平行となるよう加工したものであり、これはその結晶軸方向に対する前記電圧印加により発生する電界の方向が、最も電気光学効果が大きくなるよう構成されている。また、光学部材１０１ａは、プリズムのような形状をしており、屈折率は光の振動数に依存するため、透過光は、波長によって角度が異なる。また、上記実施形態１と同様、薄膜光学部材は、０Ｖ〜５Ｖ程度の範囲の低電圧により、赤外光から紫外光までの範囲で、色の分離が行われる膜厚に形成されている。
なお、この実施形態２では、実施形態１と同様、電気光学物質として、その屈折率がカー効果により該光学部材への印加電圧に応じて変化するタンタル酸ニオブ酸カリウム結晶（ＫＴＮ結晶）を用いているが、上記光学部材は、これに限るものではなく、その屈折率がポッケルス効果により該光学部材への印加電圧に応じて変化するものであってもよい。
次に動作について説明する。
このような固体撮像装置１００ａでは、入射光Ｌｉｎが薄膜光学部材１０１ａに入射すると、ここで屈折し、その屈折光Ｌｐは、上記固体撮像素子１１０に入射される。このとき、薄膜光学部材１０１ａには電圧可変電源１０２により電圧が印加され、これにより屈折率が変化して屈折光Ｌｐの色が分離される。
このような構成では、印加電圧に対する薄膜光学部材（電気光学物質）の屈折率の応答は非常に速く、電圧を制御することで、任意の波長（色）の屈折光を得ることができる。
また、コントローラ１２０は、電圧可変電源１０２を制御し、薄膜光学部材からの透過光にあわせて、つまり光の３原色の色にあわせて、固体撮像素子１１０での電荷転送、つまり固体撮像素子からの信号電荷の読み出しを制御する。その結果、ＲＧＢ光をそれぞれすべての画素で受光できる。
なお、上記実施形態２では、固体撮像素子１１０は、図１４（ａ）に示すＣＭＯＳイメージセンサとしているが、これは、図１４（ｂ）に示すＣＣＤイメージセンサとしてもよい。
また、上記実施形態２では、電気光学効果を有する光学部材を固体撮像装置で用いた場合を示したが、電気光学効果を有する光学部材は、光の色を分離する分光装置に用いることもできる。つまり、上記実施形態２の固体撮像装置の分光装置は、これを単独の分光装置（以下、分光器という。）として用いることができる。
このような分光器は、電気光学効果を有する光学部材と、該光学部材内に電界が発生するよう該光学部材に電圧を印加する電圧印加部とを備え、該電圧印加部は、該光学部材での電界による屈折率の変化により、該光学部材で屈折された屈折光の色が変化するよう、該光学部材への印加電圧を制御するものである。
この場合、以下のような効果が得られる。
例えば、この分光器では、カラーフィルタを用いずに入射光を複数の色の光に分光することができ、しかも光の分光により得られる光の色を時分割で切り替えることができる。
また、光学部材は、例えば、実施形態２と同様にタンタル酸ニオブ酸カリウム結晶からなる薄膜光学部材とすることにより、実施形態２で述べたように、該光学部材の屈折率は低電圧の印加により変化することとなり、該光学部材での分光を、低電圧で制御することができる。
また、上記分光器において、光学部材は、その結晶軸方向に対する前記電圧印加により発生する電界の方向が、最も電気光学効果が大きくなるよう設定することにより、光学部材での分光を、より低電圧で制御することが可能となる。
また、薄膜光学部材は、０Ｖ〜５Ｖ程度の範囲の低電圧により、赤外光から紫外光までの範囲で、色の分離が行われる膜厚に形成することにより、光学部材での分光を、乾電池などのバッテリ電源により制御可能となる。
（実施形態３）
図９は、本発明の実施形態３に係る画像表示装置を説明する図である。
この実施形態３の画像表示装置２００は、光源２０１と、該光源からの光を変調して、画像表示のためのスクリーン２３０上に投影する投影装置２３１とを備えている。該投影装置２３１は、電気光学効果を有する光学部材１０１（図１０参照）を画素として行列状に複数配列してなり、各光学部材で入射光を反射する反射部２１０と、該各光学部材内で独立した電界が発生するよう該各光学部材に電圧を印加するコントローラ（電圧印加部）２２０とを備えている。このコントローラ２２０は、該光学部材で反射された該スクリーンへ向かう反射光が、該光学部材の電界による屈折率の変化により該複数の基準色の光に分離されるよう、該光学部材への印加電圧を制御するものである。ここで、上記複数の基準色は、上記赤色、緑色、および青色の３原色、あるいはシアン色、マゼンタ色、黄色および緑色といった補色系の基準色とすることができるが、これらに限るものではなく、これら以外の色を基準色としてもよい。
図１０は上記実施形態３の画像表示装置における投影装置２３１を具体的に説明する図である。
図１０に示すように、上記各光学部材は、例えば、タンタル酸ニオブ酸カリウム結晶からなる薄膜光学部材と、該薄膜光学部材の両面に形成された一対の電極ＴａおよびＴｂとを有している。また、前記コントローラ２２０は、該各画素行毎に、該各画素行に対応する複数の薄膜光学部材の一方の電極Ｔａに電圧を印加する第１のコントローラ（第１の電圧印加制御部）２２０ａと、該各画素列毎に、該各画素列に対応する複数の薄膜光学部材の他方の電極Ｔｂに電圧を印加する第２のコントローラ（第２の電圧印加制御部）２２０ｂとを有している。
ここで、第１のコントローラ２２０ａは、選択した画素行の薄膜光学部材の一方の電極Ｔａには、前記第２のコントローラ２２０ｂにより各画素列の薄膜光学部材の他方の電極Ｔｂに印加する電圧に応じて、該選択した画素行の薄膜光学部材で任意の波長の光が反射される電圧を印加し、非選択の画素行の薄膜光学部材の一方の電極Ｔａには、第２のコントローラ２２０ｂにより各画素列の薄膜光学部材の他方の電極Ｔｂに印加する電圧に拘わらず、該非選択の画素行の薄膜光学部材で可視光以外の波長の光が反射される電圧を印加するものである。
このような構成の画像表示装置２００では、例えば、第１の行Ｒ１の薄膜光学部材の電極Ｔａに電圧Ｖ１を印加し、各列Ｃ１〜Ｃｎの薄膜光学部材の電極Ｔｂに特定の波長を反射する電圧Ｖ’１−Ｖ’ｎを印加すると、任意の画素に任意の波長の光を反射させることができる。このとき、他の行Ｒ２−Ｒｎの薄膜光学部材の電極Ｔａには、特定の電圧Ｖ０を印加する。この電圧Ｖ０は、特定の行（例えば第１の行）の画素を除くすべての画素で反射される光の波長が可視光以外となるような電位差［Ｖ０−Ｖ’ｉ （１＜＝ｉ＜＝ｎ）］を与える電圧である。こうすることで、入射光を、この電気光学物質の配列に反射させることで、画像が生成できる。
このように図１０に示す画素（薄膜光学部材）の配列では、光源２０１から該薄膜光学部材の配列に入射した光は、該薄膜光学部材で反射される際、コントローラー２２０の制御によって特定の波長の光となり、スクリーン２３０上に結像する。
このように本実施形態の画像表示装置２００では、光源２０１と、該光源からの光を変調して、画像表示のためのスクリーン２３０上に投影する投影装置２３１とを備え、該投影装置は、電気光学効果を有する光学部材を画素として行列状に複数配列してなり、各光学部材で入射光を反射する反射部２１０と、該各光学部材内で独立した電界が発生するよう該各光学部材に電圧を印加するコントローラ２２０とを備え、該コントローラは、該光学部材で反射された該スクリーンへ向かう反射光が、該光学部材の電界による屈折率の変化により該複数の基準色の光に分離されるよう、該光学部材への印加電圧を制御するので、カラーフィルタを用いずにカラー画像を表示することが可能となる。
なお、電気光学効果を有する光学部材を画素として用いる画像表示装置は、上記実施形態３のものに限らない。
例えば、図１１に示すように、画像表示装置２００ａは、光源２０１と、入射光を反射する反射装置２３１ａと、該光源からの光を該反射装置に導くガラス板などの透明媒体２０２とを備えている。なお、ここでは、高視野角を持たせるため、ガラス板２０２上にレンズ２０３を配置している。そして、反射装置２３１ａは、電気光学効果を有する光学部材を画素として行列状に複数配列してなり、各光学部材で入射光を反射する反射パネル２１０ａと、該各光学部材内で独立した電界が発生するよう該各光学部材に電圧を印加するコントローラ２２０とを備え、該コントローラは、該光学部材で反射された反射光が、該光学部材の屈折率の変化により該複数の基準色の光に分離されるよう、該光学部材への印加電圧を制御するものである。ここで、上記反射パネル２１０ａは、上記実施形態３の反射部２１０と同一構成である。
このような構成では、光源２０１から出た光Ｌｓは、ガラス板２０２の中を反射しながら反射パネル２１０ａの電気光学物質（光学部材）の配列に届く。このとき、コントローラー２２０によって、任意の画素で特定の波長が反射され、画像が形成する。
なお、図１１に示す画像表示装置２００ａでは、高視野角を持たせるため、ガラス板２０２上にレンズ２０３を配置しているが、該レンズ２０３の代わりに高屈折率な膜をそこに成膜してもよい。
このような画像表示装置２００ａにおいても、上記実施形態３と同様、カラーフィルタを用いずにカラー画像を表示することが可能となる。
また、図１１に示す画像表示装置２００ａの光入射面に液晶層と偏光板とを配置することにより、該画像表示装置の表示画面の明暗を調整することも可能である。
以下、図１２を用いてこのような明暗調整が可能な画像表示装置について簡単に説明する。
図１２に示す画像表示装置２００ｂは、図１１に示す画像表示装置２００ａと同様、光源２０１と、入射光を反射する反射装置２３１ａと、該光源からの光を該反射装置に導くガラス板などの透明媒体２０２とを備えており、これらは、上記図１１に示す画像表示装置２００ａにおけるものと同一である。
そして、この画像表示装置２００ｂでは、透明媒体２０２の、該反射装置２３１ａの反射パネル２１０ａとは反対側に、第１の偏光板２５１、液晶層２５２、および第２の偏光板２５３が順次配置され、さらに該偏光板２５３の表面側に高屈折率の膜２５４が配置されている。なお、この画像表示装置２００ｂでは、液晶層２５２における液晶の配向方向は、該液晶層２５２に印加する電圧により調整可能となっているが、該液晶層２５２に電圧を印加するコントローラは図示していない。
このような構成の画像表示装置２００ｂでは、光源２０１から出た光Ｌｓは、ガラス板２０２の中を反射しながら反射パネル２１０ａの電気光学物質（光学部材）の配列に届く。このとき、コントローラー２２０によって、任意の画素で特定の波長が反射され、画像が形成される。また、この画像表示装置２００ｂでは、反射パネル２１０ａの反射面側には、液晶層２５２を配置し、かつ該液晶層２５２の両面側に第１および第２の偏光板２５１および２５３を配置しているので、反射パネル２１０ａで反射された反射光は、第１の偏光板２５１を通過することにより、所定の偏光方向を有する光となり、さらに、液晶層２５２を通過することで、その偏光方向が所定角だけ回転する。このため、液晶層における液晶の配向方向を液晶層２５２に印加する電圧により調整することで、液晶層を通過した光の偏光方向が、第２の偏光板２５３の偏光方向に対して変化する。これにより、第２の偏光板を通過する反射光の量が変化することとなり、明暗の調整が可能となる。
なお、上記図１２では、図１１に示す画像表示装置２００ａの光入射面に液晶層と偏光板とを配置することにより、該画像表示装置の表示画面の明暗を調整するものについて示したが、このような明暗の調整は、図９に示す画像表示装置２００においても、光源２０１から投影装置２３１までの光伝播経路に、上述した液晶層および偏光板を配置することにより実現することができる。
（実施形態４）
次に、本発明の実施形態４として、上述した分光器をスペクトル分析装置に適用した例を説明する。
図１３は、本実施形態４によるスペクトル分析装置を説明する概略ブロック図である。
このスペクトル分析装置３００は、半導体材料などの被検査部材Ｍにレーザ光を照射するレーザ装置３０１と、該被検査部材Ｍでレーザ照射により発生した光を分光する、回折格子としての機能を持つ分光器３１０と、該分光器３１０からの光を検出する検出器３１１と、該検出器３１１で検出された検出出力を記憶する記憶装置３１２と、該分光器３１０および記憶装置３１２を制御するコントローラ３１３とを有している。なお、３０２ａは分光器３１０への入射光を集光する集光レンズ、３０２ｂは分光器３１０からの光を検出器３１１の受光部に集光する集光レンズである。
ここで、上記分光器３１０は、電気光学物質からなり、回折格子の代わりとなる光学部材３１０ａを有しており、該光学部材３１０ａは、印加される電圧により、実施形態１のの固体撮像装置１００で用いた光学部材１０１と同様、該光学部材で反射された反射光の波長（色）を変化させるものである。なお、該光学部材は、印加される電圧により、実施形態２の固体撮像装置２００で用いた光学部材１０１ａと同様、該光学部材で屈折した屈折光の波長（色）を変化させるものであってもよい。
また、上記コントローラ３１３は、上記分光器３１０からの出力光が、所望の波長の光となるよう、該光学部材１０１に印加する電圧を制御するとともに、記憶装置３１２に、該検出器３１１での検出結果が格納されるよう、該記憶装置３１２を制御するものである。
このようなスペクトル分析装置３００では、レーザ装置３０１から出射されたレーザ光が被検査部材Ｍに照射されると、該被検査部材Ｍでは、レーザ照射による励起により被検査部材の特有のスペクトル成分を有する光を発生する。このようにして被検査部材で発生した光は、集光レンズ３０２ａを介して分光器３１０に入射すると、該該分光器３１０では、入射光が光学部材３１０ａで反射され、該分光器３１０から出力され、分光器３１０の出力光は集光レンズ３０２ｂにより、検出器３１１の光受光面（図示せず）に集光される。検出器３１１は、受光した光の検出出力、つまり受光した光を記憶装置３１２に出力する。記憶装置３１２では、コントローラ３１３の制御により、分光器３１０で反射した色（波長）と、その強度とが対応付けて格納される。これにより、記憶装置３１２には、被検査部材Ｍで発生した光のスペクトル成分が格納されることとなり、該光のスペクトル成分を用いた被検査部材Ｍの特性の評価が可能となる。
このように本実施形態４のスペクトル分析装置３００では、半導体材料などの被検査部材Ｍにレーザ光を照射するレーザ装置３０１と、該被検査部材Ｍでレーザ照射により発生した光を分光する、回折格子としての機能を持つ分光器３１０と、該分光器３１０からの光を検出する検出器３１１とを備え、該光学部材３１０ａを、該光学部材で反射された反射光の波長（色）が変化するよう、該光学部材に対する印加電圧を制御するので、該被検査部材Ｍにてレーザ照射により発生した光を、回折格子、およびこれを回転させる駆動部といった機械的な機構を用いることなく、所望の波長の光に分離することができる。
（実施形態５）
なお、上記実施形態１〜４では、特に説明しなかったが、上記実施形態１〜２の固体撮像装置の少なくともいずれかを撮像部に用いた例えばデジタルビデオカメラ、デジタルスチルカメラなどのデジタルカメラや、画像入力カメラ、スキャナ、ファクシミリ、カメラ付き携帯電話装置などの画像入力デバイスを有した電子情報機器について説明する。本発明の電子情報機器は、本発明の上記実施形態１〜２の固体撮像装置の少なくともいずれかを撮像部に用いて得た高品位な画像データを記録用に所定の信号処理した後にデータ記録する記録メディアなどのメモリ部と、この画像データを表示用に所定の信号処理した後に液晶表示画面などの表示画面上に表示する液晶表示装置などの表示手段と、この画像データを通信用に所定の信号処理をした後に通信処理する送受信装置などの通信手段と、この画像データを印刷（印字）して出力（プリントアウト）する画像出力手段とのうちの少なくともいずれかを有している。
また、このような電子情報機器は、その表示部に上記実施形態３の画像表示装置を用いたものであってもよい。
以上のように、本発明の好ましい実施形態を用いて本発明を例示してきたが、本発明は、この実施形態に限定して解釈されるべきものではない。本発明は、特許請求の範囲によってのみその範囲が解釈されるべきであることが理解される。当業者は、本発明の具体的な好ましい実施形態の記載から、本発明の記載および技術常識に基づいて等価な範囲を実施することができることが理解される。本明細書において引用した特許、特許出願および文献は、その内容自体が具体的に本明細書に記載されているのと同様にその内容が本明細書に対する参考として援用されるべきであることが理解される。
本発明は、分光装置、固体撮像装置、画像表示装置、分析装置および電子情報機器の分野において、光学部品として電気光学効果を有する光学結晶を用いることにより、カラーフィルタを用いないで、色を再現するための複数の基準色の光、例えば３原色の光あるいは補色系の光を分離することができ、固体撮像装置では、色を再現するための複数の基準色の光を１画素で検出可能となり、これにより画素のレイアウトに余裕を持たせることができ、言い換えると、同じ画素数では、１画素あたりの面積が大きくすることで、高感度、低ノイズ化を図ることができる。
図１は本発明の実施形態１に係る固体撮像装置の要部構成を示す図である。 図２は、ＫＴＮ結晶の屈折率の電界強度依存性を説明する表（図（ａ））およびグラフ（図（ｂ））を示す図である。 図３は、ＫＴＮ結晶の波長の膜厚および電圧に対する依存性を表で示す図である。 図４は、ＫＴＮ結晶の波長の膜厚および電圧に対する依存性をグラフで示す図である。 図５（ａ）〜（ｃ）は、ＫＴＮ結晶の波長の膜厚および電圧に対する依存性が膜厚によって変化する様子を示す図である。 図６（ａ）〜（ｃ）は、ＫＴＮ結晶の波長の膜厚および電圧に対する依存性が屈折率によって変化する様子を示す図である。 図７（ａ）〜（ｃ）は、ＫＴＮ結晶の波長の膜厚および電圧に対する依存性が物質特性によって変化する様子を示す図である。 図８は本発明の実施形態２に係る固体撮像装置を説明する図である。 図９は本発明の実施形態３に係る画像表示装置を説明する図である。 図１０は上記実施形態３の画像表示装置における投影装置を具体的に説明する図である。 図１１は本発明の実施形態３の変形例に係る画像表示装置を説明する図である。 図１２は本発明の実施形態３の他の変形例に係る画像表示装置を説明する図である。 図１３は、本発明の実施形態４による分析装置を説明する図である。 図１４は、ＣＭＯＳイメージセンサの構成（図（ａ））およびＣＣＤイメージセンサの構成（図（ｂ））を説明する図である。 図１５は、カラーフィルタの配列を説明する図であり、図（ａ）は、撮像領域での配列を示し、図（ｂ）は、隣接する４つのカラーフィルタにより１つの色を実現する場合、図（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）は、各画素が緑、赤、青の３つの色を撮像する場合を示している。
符号の説明
１００，１００ａ 固体撮像装置
１０１，１０１ａ 薄膜光学部材
１０２ 可変電源装置
１１０ 固体撮像素子
１２０，２２０，３１３ コントローラ
１３０，１３０ａ 分光装置
２００，２００ａ，２００ｂ 画像表示装置
２０１ 光源
２０２ 光伝播透明部材
２１０ 反射部
２１０ａ 反射パネル
２２０ａ 第１のコントローラ
２２０ｂ 第２のコントローラ
２３０ スクリーン
２３１ 投影装置
２３１ａ 反射装置
３００ スペクトル分析装置
３１０ 分光器
３１０ａ 光学部材

Claims (3)

  1. 光源と、該光源からの光を変調して、画像表示のためのスクリーン上に投影する投影装置とを備えた画像表示装置であって、
    該投影装置は、
    電気光学効果を有する薄膜化された光学部材を画素として行列状に複数配列してなり、各光学部材で入射光を反射する反射部と、
    該反射部の光入射面側に配置された液晶層と、
    該液晶層の両側に配置された偏光板と、
    該各光学部材内で独立した電界が発生するよう該各光学部材に電圧を印加する電圧印加部とを備え、
    該各光学部材は、電気光学物質からなる薄膜光学部材と、該薄膜光学部材の両面に形成された一対の電極とを有し、
    該電圧印加部は、
    該各画素行毎に、該各画素行に対応する複数の薄膜光学部材の一方の電極に電圧を印加する第１の電圧印加制御部と、
    該各画素列毎に、該各画素列に対応する複数の薄膜光学部材の他方の電極に電圧を印加する第２の電圧印加制御部とを有し、
    該光学部材で反射された該スクリーンへ向かう反射光が、該光学部材の電界による屈折率の変化により可視光である複数の基準色の光に分離されるよう、該光学部材への印加電圧を制御するものであり、
    該液晶層における液晶の配向を、該反射部からの光の強度が変化するよう制御する画像表示装置。
  2. 光源と、入射光を反射する反射装置と、該光源からの光を該反射装置に導く透明媒体とを備えた画像表示装置であって、
    該反射装置は、
    電気光学効果を有する薄膜化された光学部材を画素として行列状に複数配列してなり、各光学部材で入射光を反射する反射パネルと、
    該反射パネルの光入射面側に配置された液晶層と、
    該液晶層の両側に配置された偏光板と、
    該各光学部材内で独立した電界が発生するよう該各光学部材に電圧を印加する電圧印加部とを備え、
    該各光学部材は、電気光学物質からなる薄膜光学部材と、該薄膜光学部材の両面に形成された一対の電極とを有し、
    該電圧印加部は、
    該各画素行毎に、該各画素行に対応する複数の薄膜光学部材の一方の電極に電圧を印加する第１の電圧印加制御部と、
    該各画素列毎に、該各画素列に対応する複数の薄膜光学部材の他方の電極に電圧を印加する第２の電圧印加制御部とを有し、
    該光学部材で反射された反射光が、該光学部材の屈折率の変化により可視光である複数の基準色の光に分離されるよう、該光学部材への印加電圧を制御するものであり、
    該液晶層における液晶の配向を、該反射部からの光の強度が変化するよう制御する画像表示装置。
  3. 表示部を備えた電子情報機器であって、
    該表示部は、請求項１または請求項２に記載の画像表示装置を含む電子情報機器。
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