JP6274916B2 - 偏光情報取得ユニットを有する撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、偏光情報を取得する偏光情報取得ユニットを有する撮像装置に関する。

偏光は、物体からの反射や透過によって振動方向が変化するため、偏光情報は物体の評価や検査に有益である。特許文献１は、画素上に周期構造を設け、その上に誘電体多層膜を積層することで周期構造の方向に応じた偏光を透過する偏光子として機能させ、入射光の偏光情報を２次元的に取得する偏光イメージング装置を開示している。特許文献２は、λ／２板とλ／４板を直列に配置し、それぞれを所望の偏光状態が再現できるように回転させることによって、入射する偏光の状態を任意の状態に変える偏光変換デバイスを開示している。非特許文献１は、位相板アレイと一様な偏光子を画素上に配置して、干渉縞や光弾性縞の位相解析を一度の撮影により得られた画像から行う方法を提案している。

特許第４９７４５４３号公報 特開２００５−２２１６２０号公報

米山聡 他「マイクロ波長板アレイを有するＣＣＤカメラを用いた位相シフト縞画像の同時撮影」実験力学、日本実験力学会、２００６年９月、第６号、ｐ．２７５−２８１

しかしながら、特許文献１は、偏光子が直線偏光しか透過しないため、円偏光などの検出ができないという課題がある。また、特許文献２は、円偏光の取得はできるが、時分割取得で回転駆動が必要となるため、偏光情報を取得するのに時間がかかるという課題がある。更に、非特許文献１は、直線偏光の検出精度や位相情報の検出精度が低いという課題がある。

本発明は、直線偏光と円偏光を含む偏光情報（位相と強度）を短時間で静的に（即ち、偏光子の駆動など無しに）高精度に取得することが可能な撮像装置を提供することを例示的な目的とする。

本発明の撮像装置は、物体の像を形成する光学系と、入射光の偏光情報を取得する偏光情報取得ユニットと、を有する撮像装置であって、前記入射光のうち互いに垂直な方向に振動する二つの直線偏光の位相を調整する位相調整部と、該位相調整部からの光のうち第１の方向に振動する偏光を透過させ、前記第１の方向に垂直な方向に振動する偏光を透過させない領域を含む検光部と、該検光部を透過した偏光を光電変換する光電変換部と、を備え、前記位相調整部は、三つ以上の領域を有し、該三つ以上の領域は、位相調整量が互いに異なる領域の組み合わせと、互いの位相調整量が同一であって遅相軸の方向の成す角度が２０度以上９０度以下である領域の組み合わせと、を含むことを特徴とする。

本発明によれば、直線偏光と円偏光を含む偏光情報を短時間で静的に高精度に取得することが可能な偏光情報取得ユニット、撮像装置、偏光情報取得方法およびプログラムを提供することができる。

本実施形態のセンサー（偏光情報取得ユニット）の概略斜視図である。（実施例１、２） 直線偏光の伝搬、直線偏光の振動、左回り円偏光の伝搬、左回り円偏光の振動を示す図である。 図１に示す位相調整部の構成例を示す平面図である。（実施例１） 図３に示す位相調整部の入射偏光と射出偏光との関係を示す図である。（実施例１） 図１の変形例としてのセンサーの概略斜視図である。 図５に示すセンサーにおける検光部に入射する偏光と検光方向、および出力を示す図である。 図１に示す位相調整部の構造異方性を説明する斜視図と、ＴｉＯ_２の充填率ｆに対する有効屈折率を示すグラフである。 図１に示す位相調整部の別の構成例を示す平面図である。（実施例２） 図８に示す位相調整部の入射偏光と射出偏光との関係を示す図である。（実施例２） 図１に示すセンサーを有するデジタルカメラ（撮像装置）の斜視図である。（実施例３）

図１は、本実施形態のセンサー（偏光情報取得ユニット）１００の概略斜視図である。本実施形態は、入射光ＩＬの使用波長λを可視光ないし近赤外光に設定しているが、使用波長λはこれらに限定されるものではない。

図１において、センサー１００は、入射光ＩＬが入射する側から順に、位相調整部１１０、検光部１２０、光電変換部１３０を有する。また、センサー１００は、制御手段１４０、表示手段１５０、メモリ１６０を更に有してもよい。

図１では、光電変換部１３０の撮像面にＸ軸とＹ軸を設定し、これと垂直な方向にＺ軸を設定している。入射光ＩＬは、Ｚ軸に進み、様々な偏光方向を持つ光であり、センサー１００はその偏光情報を取得するように構成されている。Ｚ方向は光軸方向である。

位相調整部１１０は、入射光ＩＬを構成する互いに垂直な方向に振動する２つの直線偏光（図１では、ｘ偏光とｙ偏光）の位相を調整する機能を有する板状部材である。

仮に、位相調整部１１０をλ／４板として構成すると、図２（ａ）〜（ｄ）に示すように、直線偏光としての入射光ＩＬは位相調整部１１０を透過後に円偏光に変換される。図２（ａ）、（ｂ）は入射光を、図２（ｃ）、（ｄ）は出射する円偏光を示している。図２（ａ）、（ｃ）はｘ方向とｙ方向に振動する光の時間ｔに対するズレ量を示す斜視図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）の偏光の振動方向を示す図であり、図２（ｄ）は図２（ｃ）の偏光の振動方向を示す図である。ここで、ＸＰＬ１、ＸＰＬ２はｘ方向に振動するｘ偏光、ＹＰＬ１、ＹＰＬ２はｙ方向に振動するｙ偏光を示している。ＬＰＬ１はＸＹ軸に振動する偏光を合成した光である直線偏光、ＣＰＬ１は円偏光である。直線偏光ＬＰＬ１はｘ軸に対して４５度方向に振動している。

検光部１２０は、入射光のうち一方向に振動する偏光を透過させ、前記一方向に垂直な方向に振動する偏光を透過させない偏光板から構成されているが、前記一方向から多少ずれた方向に振動する偏光を透過してもよい。検光部１２０が透過する偏光の振動方向は、いくらかの尤度があり、それは素子構成に依存する。検光部１２０は、透過する偏光に直交して振動する偏光を透過せずに反射もしくは吸収する。

光電変換部１３０は、それぞれが独立して光電変換作用を奏する複数の光電変換領域（以下、「画素」と呼ぶ場合もある）を有し、位相調整部１１０と検光部１２０に設けられた最小の領域に対して少なくとも一つの光電変換領域が割り当てられている。本実施形態では、光電変換部１３０は、複数のＰＤ（フォトダイオード）から構成されている。本実施形態では、ＰＤは、位相調整部１１０と検光部１２０のそれぞれに設定された領域のうち最小の領域に一つずつ割り当てられている。もちろん、各最小領域に対して２個以上のＰＤが割り当てられてもよい。

検光部１２０を透過した偏光は、光電変換部１３０によって電気信号に変換され、電子的に処理される。センサー１００は領域内で１次元ないし２次元的に画素として分割されており、その画素毎に取得した情報を元に入射光ＩＬの偏光情報を算出する。

制御手段１４０は、例えば、マイクロコンピュータなどから構成され、センサー１００の各部を制御する。光電変換部１３０の出力（アナログ電気信号）は、不図示のＡ／Ｄ変換器によってデジタル信号に変換される。不図示のＡ／Ｄ変換器は光電変換部１３０と一体であってもよい。

制御手段１４０は、このデジタル信号に基づいて、入射光ＩＬの偏光情報を推定することができる。この場合、メモリ（記憶手段）１６０は、例えば、後述する図４の情報など、入射光の偏光状態と光電変換部１３０の出力との関係を記憶している。制御手段１４０は、光電変換部１３０の実際の出力とメモリ１６０の格納している情報に基づいて入射光ＩＬの偏光状態（強度と位相）を同定する。また、制御手段１４０は、後述するように、光電変換部１３０からの出力強度に基づいて振幅強度を補正してもよい。

表示手段１５０は、例えば、液晶ディスプレイから構成され、センサー１００の各種の設定情報、状態情報、制御情報の他、制御手段１４０が同定した入射光ＩＬの偏光情報（位相情報と強度情報）を表示することができる。あるいは、表示手段１５０は、光電変換部の出力（後述する図４に示す出力の欄）の情報を表示してもよい。

なお、制御手段１４０、表示手段１５０、メモリ１６０は、センサー１００の外部に設けられてもよい。

ここで、位相調整部１１０を透過した光が直線偏光ＬＰＬ１とである場合と、左（回りの）円偏光ＣＰＬ１である場合と、を考える。また、検光部１２０がｙ方向に振動する光のみを透過する場合を考える。すると、直線偏光ＬＰＬ１と左円偏光ＣＰＬ１は両方とも同じ振幅のｙ軸方向に振動する光となる。それぞれの偏光の位相はπ／２だけずれているが、光電変換部１３０では位相情報は取得できずに入射光量・強度のみが記録されるため、入射光ＩＬが円偏光なのか直線偏光なのかは分からない。

図３は、位相調整部１１０の構成例を示す平面図である。位相調整部１１０は、３つ以上の領域を有し、本実施形態では４つの領域１１１〜１１４を有する。１１１ａ〜１１４ａの矢印は遅相軸の方向を示している。

位相調整部１１０が２つ以下の領域しか有しない場合は、入射光ＩＬの偏光状態を同定ができなくなる。３つの領域となる構成例としては、領域１が第１の位相調整量Ａ１、第１の遅相軸の方向Ｄ１、領域２が第１の位相調整量Ａ１、第２の遅相軸の方向Ｄ２、領域３が第２の位相調整量Ａ２、第３の遅相軸の方向Ｄ３（Ｄ３はＤ１、Ｄ２と同一でもよい）である。

位相調整部１１０の３つ以上の領域は、位相調整量が互いに異なる少なくとも２つの位相調整量を含む。これにより、静的に入射光ＩＬの偏光状態を同定することができる。図３では、領域１１１、１１２は、一点鎖線で示すように、λ／４板として機能し、領域１１３、１１４は、点線で示すように、λ／２板として機能する。λ／４板は直交する２つの偏光の間に９０°の位相差を生じさせる複屈折素子であり、λ／２板は直交する２つの偏光の間に１８０°の位相差を生じさせる複屈折素子である。なお、本実施形態では、領域１１１〜１１４に２種類の波長板（λ／４板とλ／２板）を使用しているが、本発明はこれに限定されず、他の波長板（３λ／２板、λ／８板等）が使用されてもよい。

領域１１１は、Ｘ軸に対して１３５度方向に遅相軸を持つλ／４板、領域１１２はＸ軸に対して４５度方向に遅相軸を持つλ／４板として機能する。また、領域１１３はＸ軸に対して４５度方向に遅相軸を持つλ／２板、領域１１４はＸ軸に対して１３５度方向に遅相軸を持つλ／２板として機能する。

位相調整部１１０の３つ以上の領域は、位相調整量が同一で遅相軸の方向が２０度以上１６０度以下だけ異なる少なくとも２つの領域を含む。図３では、領域１１１と１１２は位相調整量が同一で遅相軸の方向１１１ａと１１２ａが９０度異なり、領域１１３と１１４は位相調整量が同一で遅相軸の方向１１３ａと１１４ａが９０度異なる。

図３では、遅相軸の方向１１１ａと遅相軸の方向１１２ａは９０度異なる。同様に、遅相軸の方向１１３ａと遅相軸の方向１１４ａは９０度異なる。遅相軸の方向の角度差の下限は、偏光検出に有用な最小角度差が４５／２度＝２２．５度と、偏光状態を同定可能な製造誤差を考慮して設定されている。上限は、２つの遅相軸のなす角度は一般に鋭角または直角の絶対値で表されるため、９０度に設定されている。

位相調整部１１０は複数の領域１１１〜１１４に分割されているため、各領域１１１〜１１４に同じ偏光が入射しても出射する光の偏光状態は変化する。例えば、位相調整部１１０にＹ方向に振動する光が入射した場合、領域１１１を出射する光は左円偏光、領域１１２では右（回りの）円偏光、領域１１３・１１４ではＸ方向に振動する直線偏光となる。なお、光電変換部１３０を構成する複数の光電変換領域は、図３に示す位相調整部１１０の各領域に１つずつ割り当てられている。

図４は、位相調整部１１０に偏光が入射した場合の位相調整部１１０の各領域からの出射偏光の形（「位相調整後」の欄）、また検光部１２０でＹ方向の偏光を検出したときの振幅強度（「出力」の欄）を示す図である。ここで入射偏光は位相調整部１１０に入射する光であり、縦、横、左円偏光、右円偏光である。また、ここで記載している強度は振幅強度のため、実際に光電変換部１３０で取得するエネルギー強度とする場合は、この振幅強度を２乗する必要がある。

領域１１１、１１２はλ／４板で構成されているため、入射した直線偏光は円偏光に、入射した円偏光は直線偏光に変換される。それに対し、領域１１３、１１４はλ／２板で構成されているため、入射した直線偏光は直線偏光のまま振動方向が変わり、入射した円偏光は回転方向が変わる。位相調整部１１０を透過した偏光のうち、検光部１２０でＹ偏光方向を切り取ることで、入射した光の振動方向を推定できる。例えば、領域１１３、１１４の検光部１２０の値が０となれば、入射した偏光は縦偏光であることが分かる。制御手段１４０は、図４に示す出力の情報を取得して入射光ＩＬの偏光情報を表示手段１５０に表示してもよい。表示方法は、文字、図形、記号などを問わない。

本実施形態は、偏光の検出精度を向上させるために、複数の画素で取得した強度の相関値より、偏光の強度と位相を算出している。例えば、領域１１１のみで偏光を検出しようとすると、左円偏光の出力のみが０となるため左円偏光は検出できるが、縦横偏光や右円偏光は偏光しているのかを特定することができない。領域１１１〜１１４の出力の相関値を用いると、少なくともこの４偏光状態を推測することができる。

これに対して、非特許文献１は、位相調整部１１０の各領域が全てλ／４板で構成された場合に相当する。この場合、図４の情報が半分になるので、本実施形態よりも直線偏光の検出精度や位相情報の検出精度が低くなる。

また、領域１１１〜１１４の出力の相関から同定した偏光状態に合わせて電子的に強度を推定してもよい。図４に示すように、例えば、縦偏光と右円偏光は同じ振幅強度を持つ光なのに、出力が７〜１４と変化している。このようにセンサー１００では、入射した偏光の振幅強度が必ずしも出力の強度に比例しない。

そこで、制御手段１４０が、光電変換部１３０の出力（強度）に基づいて入射光ＩＬの２つの直線偏光の振幅強度の情報を取得する。まず、制御手段１４０は、入射光ＩＬの２つの直線偏光の位相情報を取得する。例えば、図４の左上の例であれば、制御手段１４０は、光電変換部１３０の出力の「７、７、０、０」の情報を取得して入射光ＩＬがＹ偏光である情報を取得する。次に、制御手段１４０は、Ｙ偏光の情報と光電変換部１３０の出力の「７、７、０、０」に基づいて入射光ＩＬの２つの直線偏光の振幅強度（ｘ：ｙ＝０：１０）の情報を取得する。この際、制御手段１４０は、メモリ１６０に予め格納された図４の情報を使用して、出力７に基づいて振幅強度１０を取得する。制御手段１４０は、この結果を表示手段１５０に表示させてもよい。

図５は、検光部が複数の領域を有し、位相調整部１１０の一領域に対して検光部の２つ以上の領域が割り当てられている例を示すセンサー１００Ａの概略斜視図である。図５では、制御手段１４０等は省略されている。

図５では、検光部１２０Ａは複数の領域を有し、各領域は、入射光のうち一方向に振動する偏光を透過する偏光板から構成され、透過する偏光に直交して振動する偏光については透過せずに反射もしくは吸収する。但し、位相調整部１１０の一領域に割り当てられた検光部１２０Ａの２つ以上の領域は異なる方向に振動する偏光を透過する。これにより、入射光ＩＬの偏光状態の検出精度を向上することができる。

図５は、位相調整部１１０の平面図の一部と検光部１２０Ａの平面図の一部も示している。本実施形態では、位相調整部１１０の一領域に、検光部１２０Ａの４つの領域が割り当てられている。図５では、検光部１２０Ａの領域が位相調整部１１０の領域よりも小さいので、検光部１２０Ａの各領域に対して光電変換部１３０の複数の光電変換領域の一つが割り当てられる。

図６は、この時の入射偏光に対する検光部１２０Ａの検光例を示す図である。このときの入射偏光は検光部１２０Ａに入射する光である。検光部１２０Ａの検光方向に対し、直線偏光が入射すると出力に違いが生まれる。例えば、入射偏光が直線偏光の場合、Ｙ偏光を検光する領域とＸ偏光を検光する領域の強度からＸ軸、Ｙ軸に対する直線偏光の角度を導出することができる。このような出力の相関によって、制御手段１４０は、入射光ＩＬの偏光状態を高精度に取得することができる。

一方、円偏光に対しては検光部１２０Ａの方向を変えても出力は変化しない。これは振動方向に対して振幅が変化しないためである。検光部１２０Ａに、例えば、無偏光が入射すると、全ての検光方向に対して出力が同じになってしまうため、位相調整部１１０を利用して無偏光と円偏光を切り分ける。これにより、偏光強度だけでなく、偏光毎の位相差情報も取得することが可能となる。

図１では、検光部１２０の偏光の透過方向と位相調整部１１０の進相軸または遅相軸は異なる方向である。図３では、位相調整部１１０の領域１１１〜１１４の進相軸と遅相軸の方向は、検光部１２０の透過方向であるＹ軸に対して４５度の角度を成す。

Ｙ軸方向に進相軸ないしは遅相軸が重なると、その方向に振動する偏光の位相が変化するだけとなる。一方、検光部１２０や光電変換部１３０は位相情報を取得することはできないため、検光部１２０の透過方向に位相調整部１１０の進相軸ないしは遅相軸を配置しても検光部１２０を透過する偏光に強度変化は無い。そこで、検光部１２０の偏光の透過方向を位相調整部１１０の進相軸または遅相軸の方向と異なるように設定している。

検光部１２０の偏光の透過方向と位相調整部１１０の進相軸または遅相軸の成す角度αは１０度以上８０度以下、さらには１５度以上７５度以下が好ましい。この角度αがこの範囲を満たさないと、Ｘ、Ｙ偏光の強度差が入射光ＩＬの強度の１／１０以下になって偏光状態の検出精度が低下する。

なお、検光部１２０の偏光の透過方向と位相調整部１１０の進相軸または遅相軸は異なる方向であるという条件は、図６に示すように、必須ではない。

位相調整部１１０のλ／２板として機能する２つの領域のそれぞれの遅相軸と検光部１２０の偏光の透過方向との成す角をα_１、α_２、位相調整部１１０のλ／４板として機能する領域の遅相軸と検光部１２０の偏光の透過方向との成す角をβとする。ここで、α_１とα_２、βは０〜９０度の範囲の値とすると、以下の式（１）を満足することが好ましい。

（１）式は、ｓｉｎ(α_１＋α_２)とｓｉｎ２βが共に１に近い値であることを意味する。α_１とα_２から、入射光ＩＬの２つの直交する直線偏光の振幅強度（図４に示す位相調整部１１０のＸ方向とＹ方向に振動する振幅強度）の比を計算することができる。

検光部１２０の透過軸に方向性はないため、α_１とα_２は両者とも鋭角である。そのため、ｓｉｎ(α_１＋α_２)が１に近いということは、α_１とα_２を足して９０度に近いことを意味する。ここで仮にα_１＋α_２＝９０度とする。

λ／２板は、直線偏光を直線偏光のまま回転させる機能を持つ。入射偏光の振動方向と検光部１２０の偏光の透過方向との成す角をＡとしたとき、遅相軸の角度α_１を満たすλ／２板を透過した場合は２α_１−Ａの角度に振動する直線偏光として射出する。また、同様に遅相軸の角度α_２を満たすλ／２を透過した場合は２α_２−Ａの角度に振動する直線偏光として射出する。この各々の直線偏光が検光部１２０を通過した場合、その振幅強度は各々の直線偏光の振動方向の角度のｃｏｓで与えられる。つまり、遅相軸との角度α_１を満たすλ／２板を透過した直線偏光の振幅強度はｃｏｓ（２α_１−Ａ）、遅相軸との角度α_２を満たすλ／２板を透過した直線偏光の振幅強度はｃｏｓ（２α_２−Ａ）である。ここで、α_２＝９０度−α_１のため、変換すると、ｃｏｓ（１８０度−２α_１−Ａ）＝−ｃｏｓ（２α_１＋Ａ）となる。強度に符号は無いので、遅相軸との角度α_１を満たすλ／２板を透過した直線偏光の振幅強度はｃｏｓ（２α_１−Ａ）、遅相軸との角度α_２を満たすλ／２板を透過した直線偏光の振幅強度はｃｏｓ（２α_１＋Ａ）で求められる。ｃｏｓの加法定理より、前者はｃｏｓ（２α_１−Ａ）＝ｃｏｓ２α_１×ｃｏｓＡ＋ｓｉｎ２α_１×ｓｉｎＡ、後者はｃｏｓ（２α_１＋Ａ）＝ｃｏｓ２α_１×ｃｏｓＡ−ｓｉｎ２α_１×ｓｉｎＡとなる。α_１は既知のため、この２つの方程式よりｃｏｓＡ、ｓｉｎＡが導出できる。角度Ａ方向に振動する直線偏光のｃｏｓＡとｓｉｎＡはそれぞれＸ方向とＹ方向に振動する振幅強度に対応する。このように、α_１＋α_２＝９０度に近いα_１とα_２を選択することで、入射する直線偏光のＸ方向とＹ方向に振動する振幅強度を導出することが可能となる。

一方、（１）式を満たさないα_１、α_２を選択した場合、入射偏光のＸ方向、乃至はＹ方向のいずれか一方の振幅強度は分かったとしても、もう一方の振幅強度を算出することが難しくなる。

λ／４板は、入射した円偏光を遅相軸から４５度方向に振動する直線偏光とする機能を持つ。（１）式を満たすλ／４板は、遅相軸の角度が４５度に近いことを意味する。このようなλ／４板を選択することで、入射する円偏光を検光部１２０の透過軸に対して平行および直交する直線偏光に変換することができる。そのため、効率的に円偏光を検出することができる。

また、λ／４板のβが数式１を満たすと、入射光ＩＬの位相の回転方向によって、検光部１２０の方向かそれに垂直方向の偏光に変換されるため、位相情報を取得するのに検光部１２０の透過・遮光の幅を大きくすることができる。

このように、数式１を満たすと入射偏光ＩＬのうち円偏光、直線偏光を精度よく検知することができ、またＳＮ比を大きくすることが可能となるため、好ましい。

位相調整部１１０には光学異方性を示す様々な材料を利用することができる。例えば、水晶や方解石などの結晶材料、延伸フィルムなどの異方性樹脂などが使える。一方、入射光ＩＬの波長、即ち、使用波長よりも細かい構造を用いた異方性材料も知られている。入射光ＩＬの波長よりも細かい構造では、光はその構造そのものを認識できずに均質な媒質のような振る舞いを示すことが知られている。このような現象は構造異方性と呼ばれ、構造の間隔や材料の充填率、材料の屈折率に準じた振る舞いを示す。

構造異方性の例を図７（ａ）に示す。波長５５０ｎｍの光に対する屈折率ｎ１，ｎ２の媒質がａ：ｂの比で繰り返す｛充填率ｆ＝ａ／（ａ＋ｂ）｝矩形格子において，格子と平行な方向の屈折率をｎ_／／，格子と直交する方向の屈折率をｎ_⊥とすると，ｎ_／／とｎ_⊥は数式２、３で表される。

図７（ａ）では、位相調整部１１０は、高さと長さが共通で幅がａである第１の媒質と幅がｂである第２の媒質が交互に配列された矩形格子構造を有し、ａおよびｂはいずれも使用波長よりも小さい。

このように方向によって構造を変化させることで、見かけ上の屈折率を変化させることができる。例えば、屈折率ｎ１の媒質を誘電体であるＴｉＯ_２（ｎ_１＝２．３３５）、屈折率ｎ２の媒質を空気としたときの充填率ｆ（横軸）に対する有効屈折率ｎ_／／、ｎ_⊥（縦軸）を図７（ｂ）に示す。実線がｎ_／／、破線がｎ_⊥である。

充填率ｆ＝０．１７とすると、ｎ_／／＝１．３４、ｎ_⊥＝１．０８となり、充填率ｆ＝０．５２とすると、ｎ_／／＝１．８５、ｎ_⊥＝１．３４となる。ａとｂを使用波長よりも小さくすることによって、非常に大きな異方性を得ることができる。

このような構造異方性を利用すると、通常の異方性材料を利用するよりも異方性量を大きくすることができる。例えば、物理厚みを５１５ｎｍとすると、ＴｉＯ_２のｆ＝０．１７の構造異方性は波長５５０ｎｍでλ／４板に、ｆ＝０．５２の構造異方性は波長５５０ｎｍでλ／２板として機能する。このように、非常に薄い厚みで異方性板を作成することができるため好ましい。

また、同じ厚みでも充填率ｆを変えることで位相調整量を変えることができる。本実施形態では、位相調整部１１０の各領域１１１〜１１４の光軸方向の厚みは一定であり、厚みの段差が無くなるため反射での余剰な回折の発生を防ぐことができる。また、センサー１００の表面が平坦になるため、カバーガラスやローパスフィルターなどを組み合わせる場合も貼りつけが容易になる。

充填率ｆは０．１以上０．７以下であることが望ましい。図７（ｂ）に示すように、例えば、物理厚み５１５ｎｍとした場合、λ／４板を得るにはｆ＝０．１７の場合とｆ＝０．９２の場合がある。しかし、ｆが０．７以上になると、充填率ｆに対するｎ_⊥の変化が非常に大きくなり、位相調整部１１０の敏感度が高くなり過ぎる。また、ｆが０．７以下の構造を用いると、格子を形成する材質の屈折率を小さくすることができる。センサー１００は位相調整部１１０が最も入射光ＩＬ側に配置されており、入射光の反射を防ぐため、できるだけ最表面の材料の屈折率は低い方が好ましい。そのため、充填率ｆは０．７以下が好ましい。下限値を下回ると誘電体の量が少なくなり、構造が安定しないので、好ましくない。

構造異方性の素子は、二光束干渉を利用したマスクパターンの形成・転写、ナノインプリントを利用した射出成形などの方法によって作成することができるが、これらに限定されるものではない。

実施例１は、入射光ＩＬの使用波長λを５５０ｎｍとして、位相調整部１１０に水晶を利用し、図３に示す構成とした。即ち、領域１１１〜１１４は、少なくとも２種類の位相調整量を含む。また、領域１１１〜１１４では、位相調整量が同一で遅相軸の方向が異なる少なくとも２つの領域を含む。更に、領域１１１〜１１４では、遅相軸の方向の成す角度が２０度以上９０度以下だけ異なる少なくとも２つの領域を含む。領域１１１、１１２は、一点鎖線で示すように、λ／４板として機能し、領域１１３、１１４は、点線で示すように、λ／２板として機能する。

波長５５０ｎｍの光に対する水晶の屈折率はｎ_ｏ＝１．５４６２、ｎ_ｅ＝１．５５５３である。領域１１１、１１２はｎ_ｅの軸方向を６０５、６０６とし、厚みを１５μｍとした。また、領域１１３、１１４はｎ_ｅの軸方向を６０７、６０８とし、厚みを３０μｍとした。このとき、α_１、α_２、βは４５度となるため、位相調整部１１０の数式１の右辺は１となり、数式１を満たしている。位相調整部１１０に入射した偏光ＩＬの出力の様子は図４に示す通りである。この４種類の出力より、制御手段１４０は、入射光ＩＬの偏光情報を取得して出力することができる。

実施例２は、入射光ＩＬの使用波長λを５５０ｎｍとして、領域の配置を図８とした位相調整部１１０Ａを使用した。位相調整部１１０Ａは、４つの領域１１１Ａ〜１１４Ａを有する。１１１Ａａ〜１１４Ａａの矢印は遅相軸の方向を示している。

領域１１１Ａ〜１１４Ａは、少なくとも２種類の位相調整量を含む。また、領域１１１Ａ〜１１４Ａは、位相調整量が同一で遅相軸の方向が異なる少なくとも２つの領域を含む。更に、領域１１１Ａ〜１１４Ａは、遅相軸の方向が２０度以上９０度以下だけ異なる少なくとも２つの領域を含む。領域１１１Ａ、１１２Ａは、一点鎖線で示すように、λ／４板として機能し、領域１１３Ａ、１１４Ａは、点線で示すように、λ／２板として機能する。

領域１１１ＡはＸ軸に対して１２０度方向に遅相軸を持つλ／４板、領域１１２ＡはＸ軸に対して３０度方向に遅相軸を持つλ／４板として機能する。また、領域１１３ＡはＸ軸に対して３０度方向に遅相軸を持つλ／２板、領域１１４ＡはＸ軸に対してＩＬ度方向に遅相軸を持つλ／２板として機能する。

領域１１１Ａ〜１１４Ａは、ＴｉＯ_２を利用した構造異方性により作成した。λ／４板として機能する領域１１１Ａ、１１２Ａは充填率ｆを０．１７に、λ／２板として機能する１１０３、１１０４は充填率ｆを０．５２とした。また、物理膜厚は５１５ｎｍとした。α_１は１５度、α_２は６０度、βは３０度であり、数式１の右辺の値が０．８４となり、数式１を満たしている。

図９は、位相調整部１１０Ａに偏光が入射した場合の位相調整部１１０Ａの各領域からの出射偏光の形、また検光部１２０でＹ方向の偏光を検出したときの振幅強度を示す図である。ここで入射偏光は６偏光状態としている。それぞれの振幅強度の出力を見ると、領域１１１Ａと１１２Ａの振幅強度の比較で、強度に差がある場合は円偏光だということが分かる。また、領域１１３Ａと１１４Ａの振幅強度差を視ると、直線偏光のＸ方向、Ｙ方向に対する振幅強度野比を導出することができる。また、領域１１３Ａと１１４Ａの強度が等しい場合、Ｘ方向とＹ方向に振動する偏光の振幅が同一であることが分かる。一方、λ／４板の出力とλ／２板の出力の違いにより、位相量が計算できるため、斜め偏光の振動方向も分かる。

本実施例では、出力の強度の相関性より入射する光の偏光方向を計算することができる。また、位相調整部１１０Ａの出力は４値だが、その４値の組み合わせにより少なくとも６偏光状態が推測でき、出力値の数よりも推測できる偏光状態が多いという利点がある。

図１０は、センサー１００を利用したデジタルカメラ（撮像装置）２００の斜視図である。カメラ本体２０１には、撮影光学系２０２が設けられ、カメラ本体２０１の内部にはセンサー１００が設けられている。図１０では、センサー１００は制御手段１４０、表示手段１５０、メモリ１６０を有さない。

カメラ本体２０１に備わっている不図示の制御手段が制御手段１４０として機能する。光電変換部１３０は撮像素子としても機能し、撮影光学系２０２が形成した物体の光学像を光電変換する。２０３は撮像素子によって光電変換された被写体像に対応する情報を記録するメモリ（記憶手段）であり、メモリ１６０として機能する。２０４は液晶パネルなどの表示部であり、表示手段１５０として機能する。センサー１００を利用することにより、撮影光学系２０２によって形成された被写体像の偏光状態を検出することが可能となる。

センサー１００の制御手段１４０、表示手段１５０、メモリ１６０の機能をパーソナルコンピュータ（ＰＣ）に持たせてもよい。この場合、デジタルカメラ２００をＵＳＢケーブルなどでＰＣに接続して、撮像素子が撮像した画像情報をＰＣのＨＤＤなどの記憶手段に保存する。ＰＣのＣＰＵが制御手段１４０として機能し、ディスプレイが表示手段１５０として機能する。ＨＤＤには、図４に示す情報とＣＰＵに偏光情報取得方法を実行させるソフトウェア（プログラム）が格納されている。これにより、ＰＣのＣＰＵは入射光ＩＬの偏光情報（位相と強度）の情報を取得することができる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

偏光情報取得ユニットは、偏光情報を取得する用途に適用することができる。

１００、１００Ａ…センサー（偏光情報取得ユニット）、１１０…位相調整部、１１１〜１１４…位相調整部の領域、１１１ａ〜１１４ａ…遅相軸の方向、１２０…検光部、１３０…光電変換部、ＩＬ…入射光

Claims (12)

1. 物体の像を形成する光学系と、
   入射光の偏光情報を取得する偏光情報取得ユニットと、を有する撮像装置であって、
   前記入射光のうち互いに垂直な方向に振動する二つの直線偏光の位相を調整する位相調整部と、
   該位相調整部からの光のうち第１の方向に振動する偏光を透過させ、前記第１の方向に垂直な方向に振動する偏光を透過させない領域を含む検光部と、
   該検光部を透過した偏光を光電変換する光電変換部と、を備え、
   前記位相調整部は、三つ以上の領域を有し、
   該三つ以上の領域は、位相調整量が互いに異なる領域の組み合わせと、互いの位相調整量が同一であって遅相軸の方向の成す角度が２０度以上９０度以下である領域の組み合わせと、を含むことを特徴とする撮像装置。
2. 前記光電変換部は、前記三つ以上の領域のそれぞれに対応する三つ以上の画素を含むことを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
3. 前記光電変換部の出力に基づいて前記二つの直線偏光の位相情報を取得する制御手段を更に有することを特徴とする請求項１または２に記載の撮像装置。
4. 前記制御手段は、前記光電変換部の出力及び前記二つの直線偏光の位相情報に基づいて、前記二つの直線偏光の振幅強度の情報を取得することを特徴とする請求項３に記載の撮像装置。
5. 前記検光部は、単一の領域で構成されることを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれか１項に記載の撮像装置。
6. 前記検光部は、前記位相調整部の一つの領域に対応し、かつ互いに異なる方向に振動する偏光を透過させる複数の領域を含むことを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれか１項に記載の撮像装置。
7. 前記第１の方向は、前記位相調整部の進相軸および遅相軸の方向とは異なることを特徴とする請求項１乃至５のうちいずれか１項に記載の撮像装置。
8. 前記三つ以上の領域は、λ／２板として機能する領域およびλ／４板として機能する領域を含むことを特徴とする請求項１乃至７のうちいずれか１項に記載の撮像装置。
9. 前記三つ以上の領域のうち、二つの領域のそれぞれの遅相軸と前記第１の方向との成す角をα_１およびα_２、前記二つの領域以外の一つの領域の遅相軸と前記第１の方向との成す角をβ、とし、α_１、α_２およびβを０度以上９０度以下の範囲の角度であるとするとき、以下の条件を満足することを特徴とする請求項１乃至８のうちいずれか１項に記載の撮像装置。
   
10. 前記位相調整部は、幅が互いに異なる第１及び第２の媒質が交互に配列された矩形格子構造を有し、前記第１及び第２の媒質の幅は前記入射光の波長よりも小さいことを特徴とする請求項１乃至９のうちいずれか１項に記載の撮像装置。
11. 前記第１の媒質は誘電体であり、前記第２の媒質は空気であり、前記矩形格子構造における前記誘電体の充填率は０．１以上０．７以下であることを特徴とする請求項１０に記載の撮像装置。
12. 前記三つ以上の領域の光軸方向における厚みは、互いに同じであることを特徴とする請求項１乃至１１のうちいずれか１項に記載の撮像装置。