JP2018010048A - 光学装置および撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成で、ゴーストやフレア等の迷光が被写体の偏光情報に及ぼす影響を抑制可能な光学装置および撮像装置を提供すること。【解決手段】遅相軸方向および進相軸方向の偏光成分の間にπ／２の相対位相差を与える第１の位相差板と、遅相軸方向および進相軸方向の偏光成分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、遅相軸方向および進相軸方向の偏光成分の間にπ／２の相対位相差を与える第３の位相差板と、撮像素子に導く偏光成分を抽出する偏光子と、第２の位相差板の相対位相差を設定する設定手段と、を有する。第１および第２の位相差板、ならびに偏光子は、被写体の側から撮像素子の側へ順に配置され、第２の位相差板は、遅相軸方向または進相軸方向が、第１の位相差板の遅相軸方向または進相軸方向に対して傾き、設定手段は、被写体からの光の偏光成分に応じて、第２の位相差板の相対位相差を変更する。【選択図】図１

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（偏光板）を装着して被写体を撮影することで、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。

被写体の照明状態や、光学系や撮影条件等によってはゴーストやフレアなどの迷光が撮影画像に写りこむ場合がある。迷光は、画像としての品位を低下させるだけでなく、被写体の偏光情報を取得する際に被写体の情報とは異なる情報（エラー）として記録される。特に、撮像システム内部に配置された画像表示素子の画像表示素子面や光学系の光学面での多重反射が原因である場合、入射角に応じて偏光依存性を有するため、被写体の偏光情報と、迷光の偏光情報との判別が困難となる。このような問題に対して、特許文献１では、光学系内の反射防止膜で生じる偏光反射率の差を利用し、偏光板により迷光を低減する方法を開示している。

特許第５０４５５０４号公報

しかしながら、特許文献１に開示された方法では、偏光板を用いて偏光情報を取得する場合に被写体と迷光とを弁別することができない。さらに、画面内に同時に発生した互いに異なる画角の迷光や、撮像レンズ系の光学面に対する入射角の小さな迷光、例えば撮像素子表面と光学系の間で反射する迷光に対しては低減効果が小さい。

このような課題に鑑みて、本発明は、簡易な構成で、ゴーストやフレア等の迷光が被写体の偏光情報に及ぼす影響を抑制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の相対位相差を与える第１の位相差板と、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、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の相対位相差を与える第３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子と、前記第２の位相差板の相対位相差を設定する設定手段と、を有し、前記第１の位相差板、前記第２の位相差板、および前記偏光子は、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２の位相差板は、遅相軸方向または進相軸方向が、前記第１の位相差板の遅相軸方向または進相軸方向に対して傾いており、前記設定手段は、前記被写体からの光の偏光成分に応じて、前記第２の位相差板の相対位相差を変更することを特徴とする。

本発明によれば、簡易な構成で、ゴーストやフレア等の迷光が被写体の偏光情報に及ぼす影響を抑制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。 可変位相差板の構成図である。 実施例１の迷光を抑制する構成を示す図である。 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。 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。 実施例２の迷光を抑制する構成を示す図である。 実施例３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。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。なお、後述するように、撮像素子２から反射される光を抑制する場合、図１（ｂ）にようにアダプタ２０をレンズ３０とデジタルカメラ４０の間に配置して使用することが好ましい。

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、λ／４板（第３の位相差板）１９、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、偏光板５、およびλ／４板１９は、各軸が光学系１の光学軸に垂直な面内となるように配置される。本発明では、λ／４板３および可変位相差板４、並びに偏光板５およびλ／４板１９は、隣接して配置される。

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、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）を変更可能に与える。本実施例では、可変位相差板４は、液晶を用いた素子であり、印加される電圧に応じて可変位相差板４の位相差を変化させる。図２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。本実施例では、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。なお、図２の可変位相差板４の構成は一例であり、本発明はこれに限定されない。例えば、チルト角ではなく、配向方向が変化する駆動方式の異なる液晶素子を用いてもよい。また、電気光学効果による屈折率変化を利用する構成、微細構造による複屈折率の格子高さや間隔を精密に制御する構成、またはそれらを組み合わせた構成を用いてもよい。また、可変位相差板４は、板面内で位相差を一様に変化させる構成ではなく、板面内の異なる領域で異なる位相差を生じさせる構成であってもよい。

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（抽出する）。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。

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。

λ／４板１９は、偏光板５から出射された直線偏光や撮像素子２からの反射光に対し、直交する偏光成分間にπ／２の相対位相差を与える。また、λ／４板１９は、遅相軸方向または進相軸方向が偏光板５の透過軸方向に対して４５度だけ傾くように配置される。ただし、厳密に４５度である必要はなく、数度ずれていても実質的に４５度（略４５度）とみなされる。なお、本実施例では、λ／４板を用いるが、λ／４板３と同様に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。

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。また、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。

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。

図３は、光学系１、偏光取得手段７、および撮像素子２の配置模式図である。図３（ａ）はλ／４板１９が偏光板５と撮像素子２との間に配置される本実施例の配置模式図であり、図３（ｂ）はλ／４板１９が偏光取得手段７に設けられていない比較例の配置模式図である。光線（Ａ）は迷光であり、光線（Ｂ）は被写体からの画像光である。

図３（ｂ）では、光線（Ａ）は、光学系１、λ／４板３、および可変位相差板４を透過した後、偏光板５により直線偏光となって撮像素子２に到達する。撮像素子２に到達した光線の一部は、撮像素子２で反射され、再び偏光板５、可変位相差板４、およびλ／４板３を透過した後、光学系１に到達する。光学系１に到達した光の一部は、光学系１で反射され、撮像素子２に再び到達すると、迷光として画像に写りこむ。光線（Ａ）は、撮像素子２で反射した後、偏光板５を透過し、一度直線偏光となった後にλ／４板３や可変位相差板４を複数回透過する。そのため、撮像素子２に到達した光線（Ａ）は、高い偏光度を有する。光線（Ａ）と被写体からの画像光である光線（Ｂ）が撮像素子２の同一画素に到達した場合、制御装置１８は被写体の偏光情報（光線（Ｂ）の情報）と迷光の偏光情報（光線（Ａ）の情報）を同時に取得する。制御装置１８は画像のみからは光線（Ａ）と光線（Ｂ）を判別できないため、被写体の偏光情報には誤った情報が重畳される。

一方、図３（ａ）では、λ／４板１９は撮像素子２で反射された光の偏光方向を偏光板５の吸収軸方向と平行にするため、撮像素子２で反射された光は偏光板５によりカットされる。したがって、λ／４板１９を配置することで、後述する偏光情報の取得に影響を与えることなく、撮像素子２で反射された光が光学系１で再反射して撮像素子２に到達することを抑制でき、制御装置１８は光線（Ｂ）の情報のみを正しく取得できる。そのため、偏光情報を用いた様々な画像処理において、高精度に被写体の偏光情報を表現することができる。

また、偏光取得手段７は、例えば、λ／４板３から偏光板５までの光学素子群を光軸回りに一体となって回転させる回転機構を有してもよい。一般的に、光学系１で多重反射する迷光の偏光状態は一部偏っているため、回転機構を用いて回転角を調整することにより、光学系１で発生する多重反射の迷光を軽減することができる。具体的には、適した方位に合わせるために、迷光を確認しながら光軸回りに偏光取得手段７を回転させればよい。光学素子群を一体で回転させることで、偏光取得手段７としての機能を保持しつつ、撮像素子２からの迷光をカットする効果を両立することができる。

以下、偏光板５の透過軸方向を固定して可変位相差板４の位相差を変えながら撮像することで、偏光状態の異なる複数枚の画像を取得する方法について説明する。なお、偏光板５を透過した光はλ／４板１９を透過するが、λ／４板１９は偏光情報の取得には直接的に関与しないため、以下の説明では省略する。

まず、図４を参照して、一般的な被写体からの光強度の方位依存性について説明する。図４（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４（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４（ａ）の線種の異なる各矢印は、図４（ｂ）の同じ線種の矢印に対応する。図４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５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５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５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。

λ／４板３および偏光板５は、λ／４板３の遅相軸方向と偏光板５の透過軸方向が平行になるように配置される。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、可変位相差板４は、遅相軸方向がλ／４板３の遅相軸方向、および偏光板５の透過軸方向に対して４５度だけ傾くように配置される。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。

本実施形態では、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（度）は９０度である。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。また、可変位相差板４の遅相軸方向のｘ軸方向に対する方位角φは４５度である。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。

なお、λ／４板３および偏光板５は、λ／４板３の進相軸方向と偏光板５の透過軸方向がｙ軸方向と平行になるよう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度である。

図５（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５（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５（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５（ｄ）は、方位角φが１３５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。

本実施例では、撮像装置１００は、可変位相差板４の位相差を電気的制御で変化させることで、入射光の偏光成分のうち透過率が最大になる成分の最大透過角φｏを変化させる。これによって、偏光板５の透過軸を固定しながら、複数の偏光成分についての偏光情報を取得することができる。

図６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、最大透過角度φｏは９０度となる。

図７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７（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７（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７（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φｏは０度である。図７（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７（ａ）〜図７（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。

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（度）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。

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。また、可変位相差板４は、４つの位相差Δ（０、λ／４、λ／２、３λ／４）（ｎｍ）を与える。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）の透過率［Ｔ_ｉｊ］を表す。表１のφｉ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の最大透過角φ_０を表１の最下行に示す。例えば、位相差Δがλ／４の可変位相差板４を透過後の偏光状態は、図５に示される状態である。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、波長５５０ｎｍにおける最大透過角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。

次に、図４に示した偏光成分の光が入射した場合を例に、入射する偏光の強度の方位依存性を見積もる方法を示す。まず、図４（ｂ）から、各方位φにおける偏光の強度はＩ（０）＝０．７５、Ｉ（４５）＝１．０、Ｉ（９０）＝０．７５、Ｉ（１３５）＝０．５と読み取ることができる。式（１）に従いこの４つの入射偏光の強度を［Ｉ（φ_ｊ）］として、表１の透過率［Ｔ_ｉｊ］との積を取ると、［Ｔ_ｊ］は次のようになる。Ｔ（ｊ＝０，Δ＝０）＝１．５００、Ｔ（ｊ＝１，Δ＝λ／４）＝１．７４６、Ｔ（ｊ＝２，Δ＝λ／２）＝１．５００、Ｔ（ｊ＝３，Δ＝３λ／４）＝１．２５０。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、Ｔ’（ｊ＝３）＝０．７１６となる。

ここで、ｊ＝０、１、２、３に対する最大透過角φｏはそれぞれ９０度、４５度、０度、１３５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８（ａ）に示す。図８（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８（ａ）と同様のグラフを図８（ｂ）に示す。図８（ｂ）の各プロットは、図８（ａ）に準拠している。図８（ｂ）では、図８（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。

本実施例では、可変位相差板４の位相差を０から３λ／４まで、λ／４刻みで４つの値に設定しているが、取得する偏光情報に応じて、単一の値、２値、または３値に設定してもよい。例えば、撮像装置を固定した状態で一度偏光情報を取得した場合や、偏光依存性の最大強度および最小強度の方位がある程度既知の場合には、その状態のみを撮像すればよいため、単一の値でも必要な偏光情報を有する画像が得られる場合がある。ただし、解析の容易性などから可変位相差板４の位相差はλ／４の整数倍となるように撮像することが望ましい。

また、撮像装置１００が取得した画像は、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出力してもよい。可変位相差板４の位相差は、例えば、撮像素子２に導く被写体からの光の偏光成分をフォーカス時にあらかじめ取得し、適切な偏光状態が取得されるように設定してもよい。あらかじめ被写体の偏光状態を取得していなくても、事前に特定（１つまたは複数）の偏光状態を連続して取得するように設定してもよい。

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を生成してもよい。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、背景の色が均一化された画像や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。

本実施例の撮像装置１００では、図９に示されるように、光学系１の光入射側にλ／４板３および可変位相差板４が隣接して配置され、光学系１と撮像素子２の間にλ／４板１９および偏光板５が隣接して配置される。λ／４板１９は、偏光板５の光入射側に配置される。実施例１と重複する構成については、説明を省略する。

偏光板５は、実施例１では撮像素子２からの反射光を光学系１に到達する前にカットするが、本実施例では図９（ａ）に示されるように、光学系１により反射され、撮像素子２に向かう迷光を吸収する。

本実施例では、λ／４板１９は、偏光板５の光入射側に、遅相軸方向または進相軸方向が偏光板５の透過軸方向に対して４５度だけ傾くように配置される。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、可変位相差板４およびλ／４板１９は、進相軸または遅相軸のなす角度が４５度となるように配置される。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。上記のように配置することで、偏光情報の取得と迷光の軽減を最も効率よく両立できる。

なお、本実施例では、λ／４板３およびλ／４板１９の進相軸方向または遅相軸方向が平行または垂直で、可変位相差板４の進相軸方向または遅相軸方向と４５度をなしていれば、偏光板５の透過軸方向はどの方向であっても偏光情報を取得できる。

また、λ／４板３および可変位相差板４を光学系１の前面に配置されるフィルターのように配置し、λ／４板１９および偏光板５を光学系１と撮像素子２を含む撮像装置１００の間にアタッチメントのような形で配置してもよい。このとき、可変位相差板４の軸方位とλ／４板１９および偏光板５の軸方位が調整できるように、少なくともλ／４板１９の軸方位は手動で可変調整可能であることが望ましい。

さらに、λ／４板１９と偏光板５を光軸周りに回転させることで、光学系１で生じる迷光を軽減することができる。このとき、λ／４板３および可変位相差板４の軸方位の相対関係を維持することで、偏光情報の取得、および撮像素子２の反射により生じる迷光の抑制を両立することができる。

また、本実施例の変形例として、図９（ｂ）に示されるように、光学系１と撮像素子２の間に、λ／４板３、可変位相差板４、λ／４板１９、および偏光板５がこの順に配置されていてもよい。この例では可変位相差板４の位相差の変化の影響を完全には除去しきれないものの、本発明の効果を得ることは可能である。

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の手前に光学ローパスフィルタが配置された場合やオートフォーカス手段に偏光依存性が存在する際には、被写体の偏光情報が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１０は、光学ローパスフィルタ１７を有する撮像装置２００の概略図である。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、本実施例では、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１６（アクロマチック位相差板、第４の位相差板）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可視光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、使用波長である可視波長帯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。

上記効果に加えて、本実施例では、アクロマチックλ／４板１６を挿入することで、偏光板５が撮像素子２で反射される迷光をカットすることができる。そのため、より高精度に被写体の偏光情報を取得することができる。

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、偏光取得手段７の特性、および迷光の抑制効果を両立できる。いずれの対策を用いてもよいが、後者の方が簡易である。

以上説明した各実施例は代表的な例にすぎず、本発明の実施に際しては、各実施例に対して種々の変形や変更が可能である。

２ 撮像素子
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（偏光子）
６ 位相差設定部（設定手段）
７ 偏光取得手段（光学装置）
１９ λ／４板（第３の位相差板）

Claims (21)

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の相対位相差を与える第１の位相差板と、
   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、
   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の相対位相差を与える第３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子と、
   前記第２の位相差板の相対位相差を設定する設定手段と、を有し、
   前記第１の位相差板、前記第２の位相差板、および前記偏光子は、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２の位相差板は、遅相軸方向または進相軸方向が、前記第１の位相差板の遅相軸方向または進相軸方向に対して傾いており、
   前記設定手段は、前記被写体からの光の偏光成分に応じて、前記第２の位相差板の相対位相差を変更することを特徴とする光学装置。
2. 前記第３の位相差板は、前記第２の位相差板と前記偏光子との間、または前記偏光子と前記撮像素子との間に配置されることを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
3. 前記第２の位相差板の遅相軸方向または進相軸方向は、前記第１の位相差板の遅相軸方向または進相軸方向に対して４５度だけ傾いていることを特徴とする請求項１または２に記載の光学装置。
4. 前記第３の位相差板は、前記偏光子と前記撮像素子との間に配置され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、前記偏光子が抽出する偏光方向と平行であることを特徴とする請求項４に記載の光学装置。
6. 前記第３の位相差板は、前記第２の位相差板と前記偏光子との間に配置され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。
7. 前記第１および第３の位相差板の遅相軸方向または進相軸方向は、互いに平行または垂直であることを特徴とする請求項６に記載の光学装置。
8. 前記第３の位相差板の遅相軸方向または進相軸方向は、前記偏光子が抽出する偏光方向に対して４５度だけ傾いていることを特徴とした請求項１から７のいずれか１項に記載の光学装置。
9. 前記設定手段は、前記撮像素子に導く前記被写体からの光の偏光成分が前記第２の位相差板を透過した後に前記偏光子が抽出する偏光方向と平行な偏光方向となるように、前記第２の位相差板の相対位相差を設定することを特徴とする請求項１から８のうちいずれか１項に記載の光学装置。
10. 前記第２の位相差板は、１つの位相差板からなり、
    前記第１の位相差板および前記第２の位相差板、並びに前記第３の位相差板および前記偏光子は、それぞれ隣接して配置されることを特徴とする請求項１から９のうちいずれか１項に記載の光学装置。
11. 前記第２の位相差板は、液晶を用いた位相差板であり、
    前記設定手段は、前記第２の位相差板に印加する電圧を設定することを特徴とする請求項１から１０のうちいずれか１項に記載の光学装置。
12. 前記設定手段は、前記第２の位相差板の相対位相差を、λ／４の整数倍に設定することを特徴とする請求項１から１１のうちいずれか１項に記載の光学装置。
13. 前記撮像素子と前記偏光子との間に、複数の層からなる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子の側の層による光分離方向は、前記偏光子が抽出する偏光方向に対して４５度だけ傾いていることを特徴する請求項１から１２のうちいずれか１項に記載の光学装置。
14. 前記光学ローパスフィルタは、複屈折または偏光回折素子を利用した方式であることを特徴とした請求項１３に記載の光学装置。
15. 前記撮像素子と前記偏光子との間に、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と前記偏光子との間に、遅相軸方向と進相軸方向の偏光成分の間にπ／２の相対位相差を与える第４の位相差板を有し、
    前記第４の位相差板の遅相軸方向または進相軸方向は、前記偏光子が抽出する偏光方向に対して４５度だけ傾いていることを特徴とする請求項１から１２のうちいずれか１項に記載の光学装置。
16. 前記第１の位相差板と前記第４の位相差板の少なくとも一つが、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１５に記載の光学装置。
17. 前記偏光子は、可視波長帯域において、前記偏光子が抽出する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１６のうちいずれか１項に記載の光学装置。
18. 請求項１から１７のうちいずれか１項に記載の光学装置と、前記光学装置からの光を受光する撮像素子と、を有することを特徴とする撮像装置。
19. 前記設定手段および前記撮像装置を制御する制御手段を更に有し、
    前記制御手段は、前記第２の位相差板の相対位相差ごとに前記撮像素子により画像を取得し、取得された前記画像から前記被写体の偏光情報を取得することを特徴とする請求項１８に記載の撮像装置。
20. 光学系を更に有し、
    前記被写体の側から順に、前記光学系、前記光学装置、および前記撮像素子が配置されることを特徴とする請求項１８または１９に記載の撮像装置。
21. 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の相対位相差を与える第１の位相差板と、
    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、
    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の相対位相差を与える第３の位相差板と、
    撮像素子に導く偏光成分を抽出する偏光子と、
    前記第２の位相差板の相対位相差を設定する設定手段と、
    被写体からの光を受光する撮像素子と、を有し、
    前記第１の位相差板、前記第２の位相差板、および前記偏光子は、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２の位相差板は、遅相軸方向または進相軸方向が、前記第１の位相差板の遅相軸方向または進相軸方向に対して傾いており、
    前記設定手段は、前記被写体からの光の偏光成分に応じて、前記第２の位相差板の相対位相差を変更し、
    前記第３の位相差板は、前記第２の位相差板と前記偏光子との間に配置されることを特徴とする撮像装置。