JP6679366B2 - 光学装置および撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、光学装置および撮像装置に関し、特に偏光情報を取得可能な光学装置およびそれを有する撮像装置に関する。

被写体からの光の偏光状態を観察することによって、被写体の所定の特徴を強調して検出可能な撮像装置が知られている。例えば、一眼レフカメラのレンズ前面に偏光フィルタを装着し撮影することで、被写体の色やコントラスト等の質感を際立たせることや、水面等の反射光の写り込みを強調または軽減することができる。また、異なる偏光方向で撮影を行い、被写体のエッジや欠陥部を検出可能な検査装置等も知られている。

特許文献１では、固体撮像素子上の各画素に対して異なる偏光を透過するワイヤーグリッド偏光板を有し、複数の画素から偏光情報を抽出する撮像素子の構成が開示されている。また、特許文献２では、λ／４板、位相差を可変可能な２枚の位相差板、および偏光板を有し、位相差板の軸方向を変化させながら複数枚の画像を撮ることによりストークスパラメータの一部を取得する構成が開示されている。

特許第５６８２４３７号公報 米国特許出願公開第２００９／００７９９８２号明細書

しかしながら、特許文献１では、複数の画素を偏光情報の取得に割り当てるため、解像度または色情報が失われる。また、特許文献２では、２枚の可変位相差板が必要であり、制御が煩雑化してコストも高くなる。さらに、一般的なデジタル一眼レフカメラ等で撮像素子の手前に配置される光学ローパスフィルタやオートフォーカス手段に偏光依存性が存在する場合、上記特許文献の構成では被写体の偏光情報を正しく取得できない可能性がある。

このような課題に鑑みて、本発明は、簡易な構成で良好な偏光情報を取得可能な光学装置および撮像装置を提供することを目的とする。

本発明の一側面としての光学装置は、被写体からの光を撮像素子に導く光学装置であって、遅相軸方向の偏光成分と進相軸方向の偏光成分との間にπ／２（ｒａｄ）の相対位相差を与える第１の位相差板と、液晶層を備え、遅相軸方向の偏光成分と進相軸方向の偏光成分との間に与える相対位相差を変更可能な第２の位相差板と、前記撮像素子に導く偏光成分を抽出する偏光板と、を有し、前記第１の位相差板、前記第２の位相差板、および前記偏光板は、前記被写体の側から前記撮像素子の側へ順に配置され、前記第１の位相差板の遅相軸方向または進相軸方向は、前記偏光板が抽出する偏光成分の偏光方向に対して平行であり、前記第２の位相差板の遅相軸方向または進相軸方向は、前記偏光方向に対して４５度だけ傾いており、前記第２の位相差板が与える相対位相差の最大値と最小値との差分である位相変化量は、設計波長をλ（ｎｍ）としたとき、２λ／５以上３λ／５以下であることを特徴とする。

本発明によれば、簡易な構成で良好な偏光情報を取得可能な光学装置および撮像装置を提供することができる。

実施例１の撮像装置の構成図である。 入射光の偏光状態と光強度の方位依存性の一例を示す図である。 入射光の偏光方向に対する偏光取得手段の透過率依存性を示す図である。 可変位相差の位相差ごとの入射光の偏光成分に対する偏光取得手段の透過率依存性を示す図である。 可変位相差板の位相差に対応する最大透過角の偏光成分の状態変化図である。 可変位相差板の構成図である。 偏光取得手段の偏光成分の光強度依存性を示す図である。 入射光束の模式図である。 入射角度に対する透過光の光強度分布図である。 実施例１の偏光取得手段の入射角度に対する偏光情報の誤差分布を示す図である。 比較例１の偏光取得手段の入射角度に対する偏光情報の誤差分布を示す図である。 比較例２の偏光取得手段の入射角度に対する偏光情報の誤差分布を示す図である。 比較例３の偏光取得手段の入射角度に対する偏光情報の誤差分布を示す図である。 比較例４の偏光取得手段の入射角度に対する偏光情報の誤差分布を示す図である。 実施例２の撮像装置の構成図である。

以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら詳細に説明する。各図において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。

図１を参照して、本実施例の撮像装置１００の構成について説明する。図１（ａ）は、本実施例の撮像装置１００の構成を簡易的に示す概略図である。図中のｚ方向は、光学系１の光軸方向である。撮像装置１００は、被写体からの光を撮像素子２上に結像させる光学系１、被写体の画像情報を取得する撮像素子２、光学系１と撮像素子２との間の光路上に配置された偏光取得手段７、およびマイクロコンピューター等である制御装置（制御手段）１８を有する。なお、本実施例では、偏光取得手段７は光学系１と撮像素子２との間の光路上に配置されているが、本発明はこれに限定されない。偏光取得手段７は、撮像素子２より光入射側（被写体側）に配置されればよく、例えば、光学系１より光入射側や、光学系１が複数の光学要素から形成されている場合、複数の光学要素の途中に配置されてもよい。また、偏光取得手段７は、本実施例では撮像装置１００内に設けられているが、図１（ｂ）および図１（ｃ）に示されるように、撮像装置１００とは別の光学装置であるアダプタ２０として構成されてもよい。アダプタ２０は、共通のマウントを持つレンズやデジタルカメラに取り付け可能に構成され、偏光情報を取得する場合に図１（ｂ）や図１（ｃ）に示される位置でレンズ３０やデジタルカメラ４０と組み合わされて使用される。

偏光取得手段７は、λ／４板（第１の位相差板）３、可変位相差板（第２の位相差板）４、偏光板５、および位相差設定部（設定手段）６を有する。λ／４板３、可変位相差板４および偏光板５は、各軸が光学系１の光学軸に垂直な面内（ｘｙ平面内）となるように配置されている。λ／４板３は、延伸フィルムから構成され、入射光の直交する偏光成分間にπ／２（ｒａｄ）の相対位相差を与える。λ／４板３が与えるπ／２の相対位相差は、不変（固定）である。本実施例では、λ／４板を用いるが、π／２の相対位相差を与えることが可能であれば３λ／４板や可変位相差板であってもよい。可変位相差板４は、液晶を用いた素子であり、λ／４板３と同様に入射光の直交する偏光成分間に相対位相差（以下、可変位相差板４の位相差という）を与え、印加される電圧に応じて可変位相差板４の位相差を変更可能に構成される。偏光板５は、入射光の偏光成分のうち透過軸方向（透過偏光方向）の成分を透過させる。偏光取得手段７は撮像装置１００に用いられるため、偏光板５は不要光を吸収するタイプの偏光板を用いることが望ましい。不要光を反射するタイプの、例えばワイヤーグリッド偏光子のような偏光板を用いると、カットする側の偏光が反射されその光が迷光やゴーストとなって画像に悪影響を及ぼすため、撮像装置１００の構成としては望ましくない。より好ましくは、ゴーストへの影響を抑えるため、偏光板５は使用波長域全域において、透過軸と直交する方向に振動する偏光のうち５０％以上を吸収する特性を有するものが望ましい。このような偏光板としては、例えばヨウ素化合物を含有する樹脂部材を延伸したフィルム等があるが、このような材料に限らず、任意の吸収型偏光板を使用すればよい。なお、使用波長域は、撮像装置１００により取得される波長範囲であり、用途や撮像素子２の波長特性によって選択可能である。本実施例では、使用波長域を可視域（４００ｎｍ〜７００ｎｍ）としている。使用波長域は、撮像装置１００の構成に基づいて、可視域（４００〜７００ｎｍ）、近赤外域（７００〜１１００ｎｍ）、および近紫外域（２００〜４００ｎｍ）のうち少なくとも１つの領域を選択するようにすればよい。可変位相差板４の設計波長λ（ｎｍ）は、適切な特性を有するように、撮像装置１００により取得される使用波長域に応じて選択すればよい。位相差設定部６は、撮像装置１００からの信号（指示）に応じて、可変位相差板４の位相差を設定（変更）する。なお、本実施例では、位相差設定部６は、偏光取得手段７内に設けられているが、撮像装置１００内に偏光取得手段７とは別に設けてもよい。

制御装置１８は、偏光成分制御部８、信号記録部９、および信号処理部１０を有し、撮像装置１００による撮影を制御する。撮像装置１００では、偏光板５の透過軸方向を固定して可変位相差板４の位相差を時間的に変えながら撮像することで、偏光状態の異なる複数の画像を撮影する。制御装置１８は、撮影された複数の画像に基づいて被写体の偏光情報を取得する。偏光成分制御部８は、撮像素子２と同期して、可変位相差板４の位相差の制御信号を位相差設定部６に出力する。この制御によって、撮像素子２が受光する被写体からの光の偏光成分が変化し、被写体の偏光情報を有する画像の取得が可能となる。信号記録部９は、撮像素子２により得られた画像等を不図示の記録媒体（ＲＡＭ等）に一時的に保管する。保管された画像は、そのまま複数の画像として出力されてもよいし、信号処理部１０で所定の処理を行った後に１枚または複数枚の画像として出力されてもよい。そのまま複数の画像を出力する場合、複数の画像を別途、ＰＣなどの外部の処理装置を用いて画像処理することで、より複雑な演算の必要な画像を取得することができる。また、信号処理部１０が所定の特徴量を抽出する処理を行う場合、所望の画像を高速に取得することができる。

次に、一般的な被写体からの光強度の方位依存性について述べる。図２（ａ）に示される楕円は、例示的な偏光状態の振幅の方位依存性を示す。φは、偏光方向のｘ軸方向に対する方位角（度）である。図２（ｂ）は、方位角φを横軸、方位角φのときの図２（ａ）の楕円半径の２乗である光強度Ｉ（φ）を縦軸とした図である。図２（ａ）の線種の異なる各矢印は、図２（ｂ）の同じ線種の矢印に対応する。図２では、方位角φが４５度である偏光成分の光強度が最も強い。そのため、方位角φが４５度またはそれと直交する１３５度である偏光成分を抽出することで、被写体の特徴を最も強調した画像を取得できる。

次に、図３を参照して、偏光板５の透過軸方向を固定し、かつ、可変位相差板４の位相差を一定に設定した場合の偏光取得手段７に入射した入射光の振る舞いについて説明する。図３は、入射光の偏光方向に対する偏光取得手段７の透過率依存性を示す図である。図３では、可変位相差板４の位相差はλ／４に設定されている。偏光取得手段７の透過前後の矢印の方向と長さはそれぞれ、偏光方位と強度である。λ／４板３および可変位相差板４上の破線矢印は遅相軸方向を示し、偏光板５上の破線矢印は透過軸方向を示している。すなわち、λ／４板３の遅相軸方向と偏光板５の透過軸方向は、ｙ軸方向に平行となっている。ただし、厳密に平行である必要はなく、数度程度ずれていても実質的に平行（略平行）とみなされる。また、λ／４板３の遅相軸方向および偏光板５の透過軸方向のｘ軸方向に対する方位角φは９０度となっている。ただし、厳密に９０度である必要はなく、数度程度ずれていても実質的に９０度（略９０度）とみなされる。可変位相差板４の遅相軸方向のｘ軸に対する方位角φは４５度となっている。ただし、厳密に４５度である必要はなく、数度程度ずれていても実質的に４５度（略４５度）とみなされる。また、λ／４板３の進相軸方向を偏光板５の透過軸方向が、ｙ軸方向に対して平行に配置されてもよい。この場合、可変位相差板４の進相軸方向のｘ軸方向に対する方位角φは４５度となっている。

図３（ａ）は、方位角φが９０度である偏光成分が入射した場合を示している。この場合、入射光は、偏光方向がλ／４板３の遅相軸方向と平行であるため位相変化を受けずにλ／４板３を透過する。λ／４板３を透過した光は、可変位相差板４により右円偏光に変換されるため、偏光板５を透過すると入射光に対し約５０％の強度の直線偏光となる。

図３（ｂ）は、方位角φが４５度である偏光成分が入射した場合を示している。この場合、入射光は、λ／４板３により左円偏光に変換される。λ／４板３を透過した光は、可変位相差板４により偏光方向の方位角φが９０度の直線偏光に変換され偏光板５の透過軸方向と平行となるため、偏光板５をほぼ損失なく透過する。

図３（ｃ）は、方位角φが０度である偏光成分が入射した場合を示している。この場合、入射光は、偏光方向がλ／４板３の遅相軸方向と直交するため位相変化を受けずにλ／４板３を透過する。λ／４板３を透過した光は、可変位相差板４により左円偏光に変換されるため、偏光板５を透過すると入射光に対し約５０％の強度の直線偏光となる。

図３（ｄ）は、方位角φ１３５度である偏光成分が入射した場合を示している。この場合、入射光は、λ／４板３により右円偏光に変換される。λ／４板３を透過した光は、可変位相差板４により偏光方向の方位角φが０度の直線偏光に変換され偏光板５の透過軸方向と直交するため、偏光板５をほぼ透過しない。

したがって、可変位相差板４の位相差がλ／４である場合、偏光取得手段７への入射光の偏光成分のうち、方位角φが４５度である偏光成分の透過率が最大になる。以降、偏光取得手段７への入射光の偏光成分のうち透過率が最大になる偏光成分のｘ軸方向に対する角度（最大透過角）をφｏ（度）とする。

図４は、可変位相差板４の位相差ごとの入射光の偏光成分の方位角φと偏光取得手段７の透過率Ｔ（φ）の関係図である。図中の線（ａ）〜（ｄ）はそれぞれ、可変位相差板４の位相差が０、λ／４、λ／２、３λ／４に設定された場合を示している。例えば、線（ａ）では、方位角φが９０度のときに透過率Ｔ（φ）が１００％となっており、最大透過角φｏは９０度となる。

図５は、可変位相差板４の位相差に対応する最大透過角φｏの偏光成分の状態変化図である。λ／４板３および可変位相差板４上の破線矢印は遅相軸方向を示し、偏光板５上の破線矢印は透過軸方向を示している。図５（ａ）では、可変位相差板４の位相差は０に設定されており、最大透過角φｏは９０度である。図５（ｂ）では、可変位相差板４の位相差はλ／４に設定されており、最大透過角φｏは４５度である。図５（ｃ）では、可変位相差板４の位相差はλ／２に設定されており、最大透過角φ_０は０度である。図５（ｄ）では、可変位相差板４の位相差は３λ／４に設定されており、最大透過角φｏは１３５度である。

換言すれば、図５（ａ）〜図５（ｄ）のいずれの状態においても、入射光がλ／４板３と可変位相差板４を透過することで、入射光の所望の偏光成分は、偏光板５の透過軸方向と平行な直線偏光となり、偏光板５をほぼ損失なく透過する。さらに換言すれば、偏光取得手段７は、入射光の偏光成分のうち所望の偏光成分の方向を偏光板５の透過軸方向へ回転させ、所望の偏光成分をほぼ損失なく撮像素子２に導く。

また、λ／４板３と可変位相差板４の遅相軸、および可変位相差板４の遅相軸と偏光板５の透過軸がそれぞれ４５度をなしているため、入射光のもつ位相情報の影響は最小限となる。例えば、完全な円偏光が入射した場合にはλ／４板３により可変位相差板４の遅相軸と平行な方位角４５度の直線偏光となるため、偏光取得手段７の透過率は可変位相差板４の位相差に関係なく偏光取得手段７の透過率は一定となる。楕円偏光の場合は、入射偏光の強度の方位依存性に応じた値が求められるため、強度についての情報は取得できる。なお、λ／４板３と可変位相差板４の遅相軸、および可変位相差板４の遅相軸と偏光板５の透過軸がそれぞれ厳密に４５度をなす必要はなく、数度程度ずれていても実質的に４５度（略４５度）とみなされる。

また、制御装置１８は、入射光について光強度が最大となる偏光成分を求めるために、撮像素子２からの入力値を偏光成分の強度として、入射光の光強度の方位依存性に対して適切な関数（例えば、Ｓｉｎ関数）で解析する。方位角φｉの偏光成分の光強度Ｉ（φ_ｉ）、光強度Ｉ（φ_ｉ）に対する可変位相差板４の位相差をΔｊ（ｎｍ）での偏光取得手段７の透過率Ｔ_ｉｊ、位相差Δｊにおける入射光の全偏光成分の透過光強度Ｔ_ｊは、以下の行列式（１）を満足する。

透過光強度Ｔｊの添え字ｊは位相差Δｊに対応し、各位相差が入射光の一方向の偏光成分にそれぞれ対応する。また、透過率Ｔｉｊは、入射する直線偏光の振動方向と偏光取得手段７の構成が決まれば一意に求められる。よって、制御装置１８は、あらかじめ透過率Ｔｉｊを取得した上で、位相差Δｊを変えて取得できる透過光強度Ｔｊを、入射光の偏光成分の振動方向に対する透過光強度プロットとして解析することで入射光の光強度の方位依存性を求めることができる。

以上の方法を用いて、撮像装置１００は、素子を回転駆動させることなく可変位相差板４を電気的に駆動することで光強度の方位依存性の情報を取得することが可能となる。

次に、図６を参照して、可変位相差板４の構成について説明する。図６は可変位相差板４の構成図であり、図中の円形部分は液晶層の拡大図である。可変位相差板４は、基板１１、電極層１２、および配向膜１３によって液晶層１４を挟むように構成されている。液晶層１４は、ＶＡ方式の液晶層（ＶＡ液晶層）で、液晶分子１５が配向膜１３に倣う形で配向している。印加電圧を０［Ｖ］、Ａ［Ｖ］、Ｂ（＞Ａ）［Ｖ］へと変更させると、液晶分子１５の配向角度（チルト角度）は最小値θ_ｍｉｎから中間値θを経て最大値θ_ｍａｘに変化する。位相差設定部６は、可変位相差板４に電圧を印加し、液晶分子１５のチルト角度θ、すなわち屈折率異方性を制御することで、可変位相差板４の位相差を変化させる。

チルト角がθ_ｍａｘのときの位相差を最大位相差Δ_ｍａｘ（ｎｍ）、チルト角がθ_ｍｉｎのときの位相差を最小位相差Δ_ｍｉｎ（ｎｍ）とすると、位相変化量は最大位相差Δ_ｍａｘと最小位相差Δ_ｍｉｎの差分で表される。可変位相差板４の位相差は、印加電圧に応じて最小位相差Δ_ｍｉｎ以上、最大位相差Δ_ｍａｘ以下の範囲内で変更可能であるが、駆動速度や可変位相差板４の角度特性を考慮すると、最大位相差と最小位相差であることが好ましい。よって、測定時の位相差を２値以上に変える場合は、最大位相差と最小位相差のいずれか一方を含むように位相差を設定することが好ましい。また、最大位相差と最小位相差の両方を含むように位相差を設定することがより好ましい。なお、位相変化量は、液晶層１４の膜厚にも依存する。チルト角θ_ｍａｘ、θ_ｍｉｎと液晶分子１５の持つ屈折率異方性が一定でも、液晶層１４の膜厚が増えれば位相変化量が大きくなる。位相変化量が大きくなると、偏光取得手段７の角度特性は低下する。

ここで、位相変化量の適正値について説明する。上記説明では、最少位相差Δ_ｍｉｎを０、最大位相差Δ_ｍａｘを３λ／４、すなわち位相変化量を３λ／４としていたが、本実施例では、位相変化量は、２λ／５以上３λ／５以下に設定する。すなわち、位相変化量をΔとするとき、位相変化量Δは２λ／５≦Δ≦３λ／５なる条件を満たしている。位相変化量が大きい場合、それに伴い液晶層１４の膜厚が増加するとともに、偏光取得手段７の角度特性は低下してしまう。よって、偏光取得手段７の角度特性を考慮すると、位相変化量は３λ／５以下であることが好ましい。ただし、位相変化量は、厳密に３λ／５以下である必要はなく、３λ／５±λ／１０以下であってもよい。一方、位相変化量が小さくなる場合、方位角φの可変量が小さくなる。方位角φｓの可変範囲が小さくなると、測定誤差がフィッティング精度に与える影響が大きくなり、取得される偏光情報の精度が低下する。よって、方位角φの可変範囲を考慮すると、位相変化量は２λ／５以上であることが好ましい。ただし、位相変化量は、厳密に２λ／５以上である必要はなく、２λ／５±λ／１０以上であってもよい。

本実施例では、可変位相差板４の位相変化量を２λ／５以上３λ／５以下に設定することで、偏光取得手段７の角度特性を低下させることなく、偏光情報を高精度に取得することが可能となる。なお、位相変化量は、９／２０λ以上１１／２０λ以下であることがより好ましく、１９／４０λ以上２１／４０λ以下であることがさらに好ましい。また、可変位相差板４の位相変化量をλ／２に設定することでより本発明の効果を実現することが可能である。なお、厳密にλ／２である必要はなく、λ／２±λ／１０の範囲内であれば実質的にλ／２（略λ／２）とみなされる。

なお、本発明では、ＶＡ方式の液晶を用いることが好ましいが、これに限定されない。例えば、ＴＮ方式やＯＣＢ方式等、種々の液晶を用いてもよい。また、位相差が波長分散を持つ場合、設計波長での位相差が上記位相変化量の条件を満たせばよい。設計波長は、使用波長域の中から任意に設定可能である。例えば、使用波長が可視波長域（４００〜７００ｎｍ）である場合、設計波長を５５０ｎｍとし、５５０ｎｍの光に対して上記位相変化量の条件を満たせばよい。

撮像装置１００により取得される画像は、それぞれが異なる偏光情報を有するものの画像処理等の演算処理を経ることなく、そのまま画像として用いることができる。また、異なる偏光情報を有する画像間で演算処理を行うことで、画素単位で被写体の特徴をより強調した画像を取得することができる。例えば、取得したデータのうち最も光強度の小さい値のみで画像を生成、または最も光強度の大きい値のみで画像を生成することで、被写体の散乱光成分を強調した画像や、被写体からの正反射成分を強調した画像を取得することができる。なお、偏光の光強度の値とは、偏光取得手段７で得られた画像の直接の値でもよいし、偏光解析からの内挿または外挿の値でもよい。内挿、外挿とは、得られた偏光強度の差を強調または抑制するように、解析結果からの推定値を用いることを意味する。

このように被写体の物体情報を光学的に取得することで、その特徴量を強調または抑制した画像が得られる。また、これらの組合せにより、撮影者の意図に合った画像を生成することが可能となる。さらには、画像の領域ごとに異なる偏光情報もしくは強調効果を持たせた画像にしてもよい。例えば、主たる被写体と背景（例えば空など）に対して異なる偏光状態の画像を組み合わせることで、背景の色を均一化でき、また背景と主被写体それぞれを強調した画像を取得することができる。他にも被写体の偏光の強度依存性を利用した様々な処理を行うことにより、目的に則した画像を取得することができる。

以下、本実施例の構成について、具体的なデータを当てはめて説明する。λ／４板３や可変位相差板４の位相差について、λを被視感度の高い波長５５０ｎｍとする。可変位相差板４は３つの位相差Δ（＝０、λ／４、λ／２）（ｎｍ）を与え、位相変化量はλ／２である。表１に、可変位相差板４の各位相差に対応する振動方向の異なる直線偏光に対する透過率、すなわち式（１）式における透過率［Ｔ_ｉｊ］を表す。表１のφｉ（度）は、入射偏光の振動方向がｘ軸方向となす角度を表し、数値は画像表示素子の中心付近の値であり、入射角度１５度の入射光束の偏光特性が平均化された値として取得される。また、各位相差Δにおける最大透過角φ_０を表１の最下行に示す。例えば、位相差Δがλ／４である場合の可変位相差板４を透過後の偏光状態は図３の状態となる。そのため、角度φｉが４５度のとき最も高い透過率となり、それと直交する角度φｉが１３５度のとき最も小さい透過率となる。また、最大透過角φ_０と位相差ψ（度）の関係は、φ_０＝−ψ／２＋９０と表すことができる。なお、他の波長に対しては、可変位相差板４の波長分散に応じて最大透過角φoが変化するが、可変位相差板４の分散特性が既知であれば、任意の波長に対して最大透過角φoを求めることができる。

図２に示した偏光成分の光が入射した場合を例に、入射偏光の光強度の方位依存性を見積もる方法について説明する。まず、図２（ｂ）から、方位角φにおける光強度はＩ（０）＝０．７５、Ｉ（４５）＝１．０、Ｉ（９０）＝０．７５と読み取ることができる。式（１）に従い、これらの光強度を［Ｉ（φ_ｊ）］として、表１の透過率［Ｔ_ｉｊ］との積を取ると、透過光強度［Ｔ_ｊ］はＴ（ｊ＝０，Δ＝０）＝１．５００、Ｔ（ｊ＝１，Δ＝λ／４）＝１．７４６、Ｔ（ｊ＝２，Δ＝λ／２）＝１．５００となる。最大値で規格化すると、Ｔ’（ｊ＝０）＝０．８５９、Ｔ’（ｊ＝１）＝１．０００、Ｔ’（ｊ＝２）＝０．８６１となる。

ここで、ｊ＝０、１、２に対する最大透過角φｏはそれぞれ９０度、４５度、０度であるので、ｊをφｏに直した上で規格化後の透過光強度Ｔ’（φｏ）を光強度Ｉ（φ）に重ねてプロットしたグラフを図７（ａ）に示す。図７（ａ）の□で示されるプロットは偏光板５の透過軸方向を最大透過角φｏとしたときに得られる光強度を示し、○で示されるプロットは偏光取得手段７により得られる光強度を示す。どちらのデータからも光強度が最大となる偏光成分の方位角が４５度であることが、Ｉ（φ）＝Ａ＋Ｂ＊Ｓｉｎ^２（φ―φ_０）として最小２乗法等によるＡ，Ｂ，φ_０のフィッティングから得られる。しかしながら、○で示されるプロットには光強度に比べてオフセットが多く乗っている。このオフセット分は、偏光情報取得過程における消光比の低下に起因するものであり、例えば、規格化後の透過率Ｔ’の最小値をＴ（φ）から減算した後に、再度規格化することで簡易的にある程度キャンセルすることが可能である。この処理を施した後の図７（ａ）と同様のグラフを図７（ｂ）に示す。図７（ｂ）の各プロットは、図７（ａ）に準拠している。図７（ｂ）では、図７（ａ）に比べて入射強度のプロットを反映したデータが得られている。

次に、広がりのある光束が偏光取得手段７に入射した場合について説明する。図８は、入射光束の模式図である。図９は、図１０に示される最外入射角度αの広がりを有する光束が偏光取得手段７に入射する場合について、シミュレーションにより求められた入射角度に対する透過光の光強度分布図である。シミュレーションでは、入射光の偏光状態は、方位角を４５度、最大強度１の直線偏光、つまり、Ａｉを０、Ｂｉを１、φ_０ｉを４５度とし、角度αを１５度としている。また、最小のチルト角θ_ｍｉｎを０°、最大のチルト角θ_ｍａｘを９０°、液晶の屈折率異方性｜ｎ_ｅ−ｎ_０｜を０．０８５、液晶層の膜厚ｄを３．２μｍとしている。図９は、図８の位置ｚ１での光束を入射側から見た図である。図９（ａ）は、シミュレーションに用いた入射光束を表している。図９（ｂ）〜（ｄ）は、可変位相差板４の位相差がそれぞれ０、λ／４、λ／２の場合の透過光強度分布を表している。図９（ｂ）〜（ｄ）に示されるように、可変位相差板４の位相変化量がλ／２ある本実施例では、入射角度によらず、ほぼ均一の透過光強度分布を取得することができる。

次に、取得した透過光強度分布から、偏光情報Ａ、Ｂ、φ_０の分布をフィッティングにより算出する。図１０は、算出された偏光情報Ａ、Ｂ、φ_０と、入射光の偏光情報Ａｉ（＝０）、Ｂｉ（＝１）、φ_０ｉ（＝４５度）との絶対誤差｜Ａ−Ａｉ｜、｜Ｂ−Ｂｉ｜、｜φ−φ_０ｉ｜の分布図である。図１０に示されるように、偏光情報Ａ、Ｂは絶対誤差が０．１５未満、偏光情報δの絶対誤差が５度未満で算出される。

以下、入射角度依存性と可変位相差板４の位相変化量および測定時の位相差について明らかにするために、比較例を示す。

（比較例１）
本比較例では、可変位相差板４の位相変化量を３λ／４、４つの位相差Δを０、λ／４、λ／２、３λ／４として撮影を行う。また、液晶層１４の膜厚ｄを４．９μｍ、それ以外の構成を実施例１と同一としている。図１１は、本比較例のシミュレーションで算出した絶対誤差｜Ａ−Ａｉ｜、｜Ｂ−Ｂｉ｜、｜φ−φ_０ｉ｜の分布図である。図１０と図１１を比較すると、本比較例では偏光情報を取得する際の入射角度による影響が実施例１より大きくなる。

（比較例２）
本比較例では、可変位相板の位相変化量を３λ／４、３つの位相差Δを０、λ／４、λ／２として撮影を行う。また、液晶層１４の膜厚ｄを４．９μｍ、それ以外の構成を実施例１と同一としている。図１２は、本比較例のシミュレーションで算出した絶対誤差｜Ａ−Ａｉ｜、｜Ｂ−Ｂｉ｜、｜φ−φ_０ｉ｜の分布図である。図１０と図１２を比較すると、本比較例では、偏光情報を取得する際の入射角度による影響が実施例１より大きくなる。

（比較例３）
本比較例では、可変位相差板４の位相変化量を３λ／４、３つの位相差Δを０、λ／４、３λ／４として撮影を行う。また、液晶層１４の膜厚ｄを４．９μｍ、それ以外の構成を実施例１と同一としている。図１３は、本比較例のシミュレーションで算出した絶対誤差｜Ａ−Ａｉ｜、｜Ｂ−Ｂｉ｜、｜φ−φ_０ｉ｜の分布図である。図１０と図１３を比較すると、本比較例では、偏光情報を取得する際の入射角度による影響が実施例１より大きくなる。

以上、比較例１−３のように位相変化量を大きくした場合、測定時の位相差量や測定回数によらず取得される偏光情報の誤差が大きくなる。したがって、位相変化量を３λ／５より小さくすることが好ましい。

（比較例４）
本比較例では、可変位相差板４の位相変化量をλ／４、３つの位相差Δを０、λ／８、λ／４として撮影を行う。また、液晶層１４の膜厚ｄを１．６μｍ、それ以外の構成を実施例１と同一としている。図１４は、本比較例のシミュレーションで算出した絶対誤差｜Ａ−Ａｉ｜、｜Ｂ−Ｂｉ｜、｜φ−φ_０ｉ｜の分布図である。図１０と図１４を比較すると、本比較例では、偏光情報を取得する際の入射角度による影響が実施例１より大きくなる。以上より、位相差が小さくなりすぎても、偏光情報の誤差が大きくなる。したがって、位相変化量を２λ／５より大きくすることが好ましい。

本実施例では、光学ローパスフィルタ等が配置された場合に生じる影響を考慮した撮像装置２００について説明する。実施例１と重複する構成については、説明を省略する。

一般に、デジタル一眼レフカメラ等の撮像装置では、モアレや偽色防止のため撮像素子の近傍に光学ローパスフィルタが配置される。実施例１で説明した構成を用いても、撮像素子２の手前に配置された光学ローパスフィルタやオートフォーカス手段に偏光依存性が存在する場合、被写体の偏光情報を正しく取得できない場合がある。また、偏光取得手段７を単に光学ローパスフィルタとレンズの間に配置すると、偏光取得手段７の影響により光学ローパスフィルタとしての所望の効果が得られない場合がある。

図１５は、光学ローパスフィルタ１７を有する撮像装置２００の概略図を示す。光学ローパスフィルタ１７には、複屈折媒質が複数層積層されたものや偏光回折素子などの偏光特性を利用したものが用いられる。

上述のような光学ローパスフィルタ等が配置された場合に生じる弊害に対し、実施例２では、偏光板５と光学ローパスフィルタ１７の間にアクロマチックλ／４板（アクロマチック位相差板、第３の位相差板）１６を挿入し円偏光に変換する。通常のλ／４板を挿入することとしてもよいが、λ／４板には波長分散があり使用波長域全域で均一な円偏光とならず、波長による位相ズレが色の変化として画像に表れる可能性がある。そのため、挿入するλ／４板としては、使用波長域（例えば、可視波長域）において位相差が最小となるように設計されたアクロマチックλ／４板が望ましい。また、それ以外の対策として、光学ローパスフィルタ１７の最も偏光取得手段７に近い層（積層構造となっている場合）の光分離方向と偏光板５の透過軸方向とが４５度をなすように配置してもよい。この場合も、光学ローパスフィルタの特性と偏光取得手段７の特性を両立できる。いずれの対策を用いてもよいが、後者の方が簡易である。

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

なお、可変位相差板４の位相差に示されるλは、一般的な撮像装置の使用波長域は可視域（４００〜７００ｎｍ）であるため、そのような波長であればよく、例えば中心波長５５０ｎｍとすればよい。または、撮像装置の使用波長域が赤外域（７００ｎｍ〜１１００ｎｍ）の場合は赤外域内の波長であればよく、例えば波長９００ｎｍとすればよい。その両方を含む場合には、可視域または赤外域内の波長であればよく、例えば波長７５０ｎｍとすればよい。

３ λ／４板（第１の位相差板）
４ 可変位相差板（第２の位相差板）
５ 偏光板
７ 偏光取得手段（光学装置）
１４ 液晶層

Claims (13)

1. 被写体からの光を撮像素子に導く光学装置であって、
   遅相軸方向の偏光成分と進相軸方向の偏光成分との間にπ／２（ｒａｄ）の相対位相差を与える第１の位相差板と、
   液晶層を備え、遅相軸方向の偏光成分と進相軸方向の偏光成分との間に与える相対位相差を変更可能な第２の位相差板と、
   前記撮像素子に導く偏光成分を抽出する偏光板と、を有し、
   前記第１の位相差板、前記第２の位相差板、および前記偏光板は、前記被写体の側から前記撮像素子の側へ順に配置され、
   前記第１の位相差板の遅相軸方向または進相軸方向は、前記偏光板が抽出する偏光成分の偏光方向に対して平行であり、
   前記第２の位相差板の遅相軸方向または進相軸方向は、前記偏光方向に対して４５度だけ傾いており、
   前記第２の位相差板が与える相対位相差の最大値と最小値との差分である位相変化量は、設計波長をλ（ｎｍ）としたとき、２λ／５以上３λ／５以下であることを特徴とする光学装置。
2. 前記位相変化量は、λ／２であることを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
3. 前記設計波長λは、５５０ｎｍであることを特徴とする請求項１または２に記載の光学装置。
4. 前記第２の位相差板に印加する電圧を変化させることで、前記第２の位相差板が与える相対位相差を設定する設定手段を更に有することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の光学装置。
5. 前記液晶層は、ＶＡ液晶層であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の光学装置。
6. 前記偏光板は、使用波長域において前記偏光方向と直交する方向の偏光成分の５０％以上を吸収することを特徴とする請求項１から５のうちいずれか１項に記載の光学装置。
7. 請求項１から６のうちいずれか１項に記載の光学装置と、前記撮像素子とを有することを特徴とする撮像装置。
8. 前記第２の位相差板が与える相対位相差を変化させて取得される複数の画像に基づいて前記被写体の偏光情報を取得する制御手段を有することを特徴とする請求項７に記載の撮像装置。
9. 前記複数の画像を取得する際の前記第２の位相差板が与える相対位相差には、前記最大値および前記最小値の少なくとも一方が含まれることを特徴とする請求項８に記載の撮像装置。
10. 前記撮像素子と前記偏光板との間に配置される複数の層を含む光学ローパスフィルタを更に有し、
    前記光学ローパスフィルタの最も前記偏光板の側の層による光分離方向は、前記偏光方向に対して４５度だけ傾いていることを特徴する請求項７から９のうちいずれか１項に記載の撮像装置。
11. 前記撮像素子と前記偏光板との間に配置される光学ローパスフィルタと、
    前記光学ローパスフィルタと前記偏光板との間に配置され、遅相軸方向の偏光成分と進相軸方向の偏光成分との間にπ／２（ｒａｄ）の相対位相差を与える第３の位相差板と、を更に有し、
    前記第３の位相差板の遅相軸方向または進相軸方向は、前記偏光方向に対して４５度だけ傾いていることを特徴とする請求項７から９のうちいずれか１項に記載の撮像装置。
12. 前記第１の位相差板と前記第３の位相差板の少なくとも一方は、アクロマチック位相差板であることを特徴とする請求項１１に記載の撮像装置。
13. 請求項１から６のうちいずれか１項に記載の光学装置と、前記第２の位相差板が与える相対位相差を変化させて取得される複数の画像に基づいて前記被写体の偏光情報を取得する制御手段とを有することを特徴とする制御装置。