JP6746404B2 - 偏光情報取得装置、偏光情報取得方法、プログラムおよび記録媒体 - Google Patents

Description

本発明は、偏光情報取得装置、偏光情報取得方法、プログラムおよび記録媒体に関する。

従来、特定方位の偏光を選択的に取得することで、被写体の所定の特徴を強調した画像を取得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、偏光方位を適切に選択して撮影することで、被写体の色やコントラスト等の質感を際立たせる、または水面の反射光の写りこみを強調または軽減する等の様々な効果を得ることができる。また、複数の偏光方位の画像を処理することで、被検物の輪郭、形状、または欠陥部位を検出可能であるため、検査や監視などの一般的な写真撮影とは異なる用途に適用することができる。

特許文献１では、被写体や被検物からの偏光光を撮像する装置として、固体撮像素子上の各画素に対して異なる偏光を透過させ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装置が開示されている。また、特許文献２では、暗い環境下で鏡面反射を抑制した高ＳＮ比の画像を得る方法として、通常画像と偏光画像を取得し、それらの差分値から合成画像を生成する画像処理方法が開示されている。

特許第５６８２４３７号公報 特開２０１５−１７２９２６号公報

しかしながら、特許文献１に開示された撮像装置では、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１に開示された撮像装置で偏光度の高い画像（例えば、逆光で水面が反射している風景など）を撮像する場合、画素ごとに露出量のばらつきが生じるため、生成された画像では白飛びや黒潰れが発生し、十分な画質を確保できないという課題が生じる。

また、特許文献２では、取得した偏光画像が暗く、通常画像との画素値（画素の明るさに関連する値）の範囲が異なる場合、各画像の画素値を正規化した上で合成画像を生成している。しかしながら、偏光画像の光量が不足して、偏光画像において黒潰れやノイズが多く生じた場合、画素値を正規化しても全く画像を形成することができない、あるいは高ＳＮ比の良好な画像を得ることができないという課題が生じる。

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制御装置、撮像装置、撮像制御方法、プログラム、および記録媒体を提供することを目的とする。

本発明の一側面としての偏光情報取得装置は、光学系により形成された被写体の像を受光する撮像素子を有する撮像装置に、前記被写体からの偏光方位の異なる複数の光に対応する複数の画像を取得させるとともに、前記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、前記被写体の側から前記撮像素子の側へ順に配置された、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）で固定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、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、前記制御手段は、前記光学系の絞り値を一定としつつ、前記撮像装置に互いに異なる露出条件で前記複数の画像を取得させ、前記撮像装置のシャッター速度が前記光学系の焦点距離の逆数よりも長い場合、前記撮像素子のＩＳＯ感度を制御することで露出条件を設定することを特徴とする。

また、本発明の他の側面としての偏光情報取得方法は、上記偏光情報取得装置を用いて前記被写体の偏光情報を取得する偏光情報取得方法であって、前記光学系の絞り値を一定としつつ、前記撮像装置に互いに異なる露出条件で前記複数の画像を取得させ、前記撮像装置のシャッター速度が前記光学系の焦点距離の逆数よりも長い場合、前記撮像素子のＩＳＯ感度を制御することで露出条件を設定す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偏光情報取得装置、偏光情報取得方法、プログラム、および記録媒体を提供することができる。

本発明の実施形態に係る撮像装置の構成図である。 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変調手段の透過率依存性を示す図である。 可変位相差板の構成図である。 方位角と輝度値の関係図である。 測定例を示す図である。 実施例１の撮像制御処理を示すフローチャートである。 偏光方位によって極端に強度差がある被写体の光強度を示す図である。 実施例２の撮像制御処理を示すフローチャートである。 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、本発明の実施形態に係る撮像装置１００の構成について説明する。図１（ａ）は、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。光学系１の内部には、レンズの開口絞り値（Ｆナンバー）を制御する開口絞り（不図示）が設けられている。なお、本実施形態では、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。

偏光取得手段７は、本実施形態では撮像装置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）に示される位置で光学系（レンズ）３０やカメラ本体４０と組み合わされて使用される。各部材は、マウントに設けられた電子接点を通じて相互に情報通信を行ってもよいし、Ｗｉ−ＦｉやＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）などの無線通信手段を通じて相互に情報通信を行ってもよい。

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、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。本実施形態では、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板や可変位相差板を使用してもよい。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（抽出する）。偏光板５がワイヤーグリッド偏光子のような不要光を反射するタイプの偏光板である場合、反射された不要な偏光が迷光やゴーストとなって画像に悪影響を及ぼしてしまう。そのため、偏光板５は、不要光を吸収するタイプの偏光板であることが好ましい。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へ振動する偏光のうち５０％以上を吸収する特性を有することがより好ましい。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。本実施形態では、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、本実施形態では、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。

なお、偏光取得手段７は、透過軸方向を制御可能であれば上記構成に限定されない。例えば、透過軸方向の直線偏光を透過する偏光板を用いることができる。この場合、偏光板を光学系１の光学軸に垂直な面内で回転させることで透過軸方向を制御することができる。

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による撮像を制御する。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取得する。制御装置１８は、取得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、より複雑な演算を施された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。

なお、本実施形態では、制御装置１８は、レンズ交換式カメラのカメラ本体、レンズ固定式のカメラ、および携帯電話やスマートフォンなどに装備されたカメラ等の撮像装置内部に設けられ、撮像装置の撮像を制御しているが、本発明はこれに限定されない。例えば、監視カメラや定点観測カメラ等の遠隔操作される撮像装置の撮像を制御してもよい。

次に、図２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２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２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。なお、本実施形態では、偏光方位とは直線偏光における電界（または磁界）の振幅方向を指している。

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２（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２（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２（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２（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３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。なお、透過光強度は、各素子での表面反射や吸収損失等を無視し、偏光状態の変化の影響のみを考慮している。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。同様に、線（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）では、最大透過角φｏはそれぞれ４５度、０度、１３５度（−４５度）となる。以上より、最大透過角φ_０と可変位相差板４の位相差Δψ（度）は、以下の式（１）で表される。

φ_０＝９０−Δψ／２ （１）
したがって、可変位相差板４の位相差を式（１）に基づいて制御することで、透過する偏光方向を制御することができる。

次に、図４を参照して、可変位相差板４の構成について説明する。図４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（度）、チルト角がθ_ｍｉｎのときの位相差を最小位相差Δ_ｍｉｎ（度）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、最大位相差と最小位相差のうち少なくともいずれか一方を含むことが好ましい。また、可変位相差板４の位相差は、最大位相差Δ_ｍａｘと最小位相差Δ_ｍｉｎの両方を含むことがより好ましい。これは、最大位相差Δ_ｍａｘまたは最小位相差Δ_ｍｉｎに設定された場合の駆動制御性が中間値である位相差（中間位相差）に設定された場合の駆動制御性より優れているためである。また、最大位相差Δ_ｍａｘまたは最小位相差Δ_ｍｉｎに設定された場合の入射角度による位相差の変化も中間位相差に設定された場合の位相差の変化より少ないためである。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。

次に、本実施形態の偏光情報取得の原理について説明する。一例として、図５で表される被写体からの反射光を用いて偏光情報を取得する場合について説明する。図５（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している。図５（ａ）の破線は楕円の長軸と短軸を表し、矢印は長軸半径と短軸半径を表している。図５（ｂ）は、ｘ軸に対する方位角θに対する偏光の輝度値（光強度）Ｉ（θ）を示している。輝度値Ｉ（θ）のうち最大輝度値をａ、最小輝度値をｂ、最大輝度値ａのｘ軸に対する方位角（最大方位角）をαとすると、方位角θに対する輝度値Ｉ（θ）は以下の式（２）で表される。

Ｉ（θ）＝（ａ−ｂ）・ｃｏｓ^２（θ−α）＋ｂ （２）
輝度値Ｉ（θ）は１８０度周期で変化するため、０度以上１８０度未満の３つの方位角θに対する輝度値を測定する、つまり３つの画像を取得することで画素ごとに偏光情報（最大輝度値ａ、最小輝度値ｂ、最大方位角α）を算出することができる。例えば、図６に示されるように、方位角θが０度、４５度、９０度の画像の所定の１画素の輝度値Ｉ（０）、Ｉ（４５）、Ｉ（９０）を測定することで、画素ごとに偏光情報を算出し、方位角θに対する輝度値Ｉ（θ）の変化を求めることができる。したがって、撮像する際に画像を見ながら取得する偏光方位を調整する必要がなく、あらかじめ設定された偏光状態で機械的に撮像を行うことができ、短時間での撮像が可能となる。

なお、本実施形態では３つの画像の輝度値から偏光情報を算出する方法について説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、４つ以上の画像の輝度値をフィッティングすることで偏光情報を算出してもよいし、最大輝度値と最小輝度値の２点のみの撮像で偏光情報を算出してもよい。

取得した偏光情報を用いて、取得した画像とは質感の異なる画像を生成することができる。ここでの「質感」とは、被写体（物体）からの反射光である。ここで、偏光情報と反射光の関係について説明する。被写体からの反射光は、被写体の表面から直接反射する鏡面反射成分と、内部や表面で散乱して反射する拡散反射成分に分けられる。鏡面反射成分は、フレネル反射の条件を満たして反射する。フレネル反射では一部の条件を除いてs偏光の強度がｐ偏光の強度より強くなるため、鏡面反射成分は偏光強度が方位によって変化する、すなわち方位依存性を持つ。一方、拡散反射成分は、被写体に入射した光がさまざまな方向へ反射した成分であるため、方位依存性はほとんどない。そのため、取得した偏光情報のうち、方位角θに対して強度が変化する成分「ａ−ｂ」を鏡面反射成分、強度が変化しない成分「ｂ」を拡散反射成分とみなし、鏡面反射成分や拡散散乱成分を目的に応じて演算し画像を生成することができる。これにより、専用の照明光などを用いることなく、取得した画像とは反射光の状態が異なる（「質感」の異なる）画像を生成することができる。

次に、偏光方位によって極端に輝度差が生じる被写体からの反射光を用いて偏光情報を取得する場合について説明する。偏光方位によって極端に輝度差が生じる例としては、朝日や夕日が海面や水溜りに映り込んだ場合や、街灯がショーウィンドウなどに映り込んだ場合など鏡面反射しやすい被写体に大きな角度で光源が入射した場合である。

図７は、偏光方位によって極端に輝度差が生じた被写体の偏光状態を示す図である。図７（ａ）に示される楕円は、被写体からの偏光状態の振幅の方位依存性を示している。図７（ｂ）は、ｘ軸に対する方位角θに対する偏光の輝度値（光強度）Ｉ（θ）を示している。以下の説明では、方位角αと、方位角α＋９０°を撮像する場合について説明する。

デジタルカメラに用いられるＣＭＯＳセンサやＣＣＤといった撮像素子では、良好な画質の画像を取得できる適正範囲内の光量を受光した場合のみ、良好な画質の画像が取得される。上限値を超えた光量が入射した場合、撮像素子は光電変換された電子を蓄えられる限界量を超えて輝度飽和してしまい、上限値以上の情報は失われてしまう。これは一般に「白飛び」と呼ばれる状態である。また、下限値を下回る光量しか入射しない場合は、光電変換された電子の量と、熱などで発生する電子、すなわちノイズとの差が小さくなり、取得される画像のＳＮ比が悪くなってしまう。これは一般に「黒潰れ」と呼ばれる状態であり、画像処理を行っても良好な画像を生成することはできない。

図７（ｂ）のＵＬ、ＬＬはそれぞれ、基準露出条件に決めた際の光量の上限値と下限値である。図７（ｂ）に示されるように、方位角αの偏光成分の撮像を行っても、撮像素子は本来の輝度値ａの光量を取得することはできず、上限値ＵＬの光量しか取得できない。また、方位角α＋９０°の偏光成分の撮像を行っても、撮像素子は本来の輝度値ｂの光量を取得することはできず、下限値ＬＬまたはノイズで揺らいだ値の光量しか取得できない。このような状態では、偏光情報を正確に取得することはできない。

そこで、本実施形態では、方位角αの偏光成分の撮像を行う前に方位角αの状態で測光を行い、取得する光量の輝度値がａ’となるように第１露出条件を設定する。例えば、第１露出条件が基準露出条件に対し半分の露出となるように設定された場合、輝度値ａ’は輝度値ａの半分となる。この場合、輝度値ａ’を２倍にすることで輝度値ａを取得することができる。また、方位角α＋９０°の偏光成分の撮像を行う前に方位角α＋９０°の状態で測光を行い、取得する光量の輝度値がｂ’となるように第２露出条件を設定する。例えば、第２露出条件が基準露出条件に対し８倍の露出となるように設定された場合、輝度値ｂ’は輝度値ｂの８倍となる。この場合、輝度値ｂ’を１／８にすることで輝度値ｂを取得することができる。

ここで、露出条件の設定方法について説明する。本実施形態では、制御装置１８が、露出量を制御するために、測光値に基づいて露出条件を設定する。本実施形態の露出条件は、撮像装置１００に設けられたシャッター装置（不図示）のシャッター速度（露光時間）、撮像素子２のＩＳＯ感度、および光学系１の絞り値のうち少なくともいずれかである。光学系１の絞り値を変更すると、取得される画像の被写界深度（被写体の合焦範囲、ボケ感）が変わってしまい、一つの画像として合成する際に不整合が生じる。そのため、絞り値は一定とし、シャッター速度とＩＳＯ感度のうち少なくとも１つを調整することで露出量を変更することが好ましい。また、シャッター速度またはＩＳＯ感度で露出量を変更する場合、ＩＳＯ感度を上げるとノイズの多い画像となるため、シャッター速度のみを調整して露出量を変更することが好ましい。しかしながら、光学系１の焦点距離をｆ（ｍｍ）としたとき、シャッター速度が焦点距離の逆数（１／ｆ）（ｓｅｃ）より長時間になる場合、手ブレによって画像が不鮮明となるため、ＩＳＯ感度を調整することで露出量を変更することが好ましい。ただし、三脚を用いるなど、手ブレの発生が回避できる場合は、シャッタ速度を１／ｆ（ｓｅｃ）より長時間に調整してもよい。なお、各偏光の撮像では、画像の被写界深度が変わらないように焦点距離算出および再合焦を実行しないことが望ましい。

また、撮像素子で各画素ごとの信号の増幅率を変化させて、画素ごとに感度を制御したり、撮像素子の直近に液晶などの変調手段を設けることで各画素ごとの光量を制御してもよい。

上記説明したように、本実施形態では、撮像ごとの露出条件を設定することで、高精度に偏光情報を算出することができる。そのため、光量が不足してノイズが多くなったり、露出量が過剰のために白飛びが発生するなどの画質低下が抑制された良好な画質の画像を取得することができる。

また、高精度に偏光情報を算出することができれば、拡散散乱成分ｂおよび鏡面反射成分ａ−ｂが求められるため、式（２）を用いて実際には撮像を行っていない任意の方位角θの画像を生成することができる。さらに、式（３）においてｘが１を超える数値や負の値にすることで、実際にはどのような方位角θでも撮像できない鏡面反射成分の効果を強調したり弱めたりした特殊な画像が合成可能となる。

Ｉ（θ）＝（ａ−ｂ）×ｘ＋ｂ （３）
なお、取得した画像から偏光情報を算出する処理や偏光情報を利用して画像を生成する処理は、制御装置１８が実行してもよいし、ＰＣ等の外部の情報処理装置を用いて実行してもよい。

以下、図８を参照して、撮像装置１００が偏光情報を取得する撮像を行う際の動作について説明する。図８は、本実施例の撮像制御処理（撮像制御方法）を示すフローチャートである。図８のフローチャートは、コンピュータに各ステップの機能を実行させるためのプログラムとして具現化が可能である。図８の各ステップは、制御装置１８により実行される。なお、図８の各ステップは、撮像装置とは別に設けられた制御装置により実行されてもよい。プログラムは、撮像装置１００の不図示の記録部にインストールされていてもよいし、撮像装置１００とは別の装置内にインストールされていてもよい。また、プログラムは、例えば、コンピュータに読み取り可能な記録媒体に記録されていてもよい。

本実施形態では、撮像装置１００が偏光情報を取得する撮像を行う偏光撮影モードに設定された状態で、ユーザが撮像装置１００のレリーズボタン（不図示）を押す（制御装置１８がレリーズ信号を受信する）ことで処理が開始される。本実施例では、可変位相差板４の位相差を０、λ／４、λ／２に設定した状態で撮像を行い、３枚の画像を取得する。

ステップＳ１０１では、制御装置１８は、偏光取得手段７を偏光状態１に設定する。具体的には、偏光成分制御部８が位相差設定部６に可変位相差板４の位相差を０に設定する制御信号を出力する。このとき、最大透過角φ_０は９０度である。

ステップＳ１０２では、制御装置１８は、撮像装置１００に測光を実行させ、測光値に基づいて露出条件を設定する。本実施形態では、制御装置１８は、光学系１の絞り値および撮像素子２のＩＳＯ感度を一定とし、シャッター速度で調整することで露出条件を設定する。また、光学系１の焦点距離をｆ（ｍｍ）としたときシャッター速度が１／ｆ（ｓｅｃ）より長時間になる場合は、ＩＳＯ感度を調整することで露出条件を設定する。このときも絞り値が一定となるように設定する。なお、露出条件は、撮影者によって任意に設定されてもよい。

ステップＳ１０３では、制御装置１８は、ステップＳ１０２で設定された露出条件を用いて撮像装置１００に撮像を実行させ、偏光画像１を取得する。偏光画像１は、測光値に基づく適正な露出条件で取得されるため、白飛びや黒潰れがなく、ノイズの少ない良好な画像となる。

ステップＳ２０１では、制御装置１８は、偏光取得手段７を偏光状態２に設定する。具体的には、偏光成分制御部８が位相差設定部６に可変位相差板４の位相差をλ／４に設定する制御信号を出力する。このとき、最大透過角φ_０は４５度である。

ステップＳ２０２では、制御装置１８は、撮像装置１００に測光を実行させ、測光値に基づいて露出条件を設定する。制御装置１８は、測光値に基づいて任意の露出条件を設定してもよい。しかしながら、合成処理の際の画像整合性から、制御装置１８は、制御装置ステップＳ１０２で設定された露出条件に基づいて絞り値およびＩＳＯ感度を一定とし、シャッター速度を調整することで露出条件を設定することが好ましい。また、光学系１の焦点距離をｆ（ｍｍ）としたときシャッター速度が１／ｆ（ｓｅｃ）より長時間になる場合は、ＩＳＯ感度を調整することで露出条件を設定する。このときも絞り値が一定となるように設定する。

ステップＳ２０３では、制御装置１８は、ステップＳ２０２で設定した露出条件を用いて撮像装置１００に撮像を実行させ、偏光画像２を取得する。偏光画像２は、測光値に基づく適正な露出条件で取得されるため、白飛びや黒潰れがなく、ノイズの少ない良好な画像となる。

ステップＳ３０１では、制御装置１８は、偏光取得手段７を偏光状態３に設定する。具体的には、偏光成分制御部８が位相差設定部６に可変位相差板４の位相差をλ／２に設定する制御信号を出力する。このとき、最大透過角φ_０は０度である。

ステップＳ３０２では、制御装置１８は、撮像装置１００に測光を実行させ、測光値に基づいて露出条件を設定する。制御装置１８は、測光値に基づいて任意の露出条件を設定してもよい。しかしながら、合成処理の際の画像整合性から、制御装置１８は、制御装置ステップＳ１０２で設定された露出条件に基づいて絞り値およびＩＳＯ感度を一定とし、シャッター速度を調整することで露出条件を設定することが好ましい。また、光学系１の焦点距離をｆ（ｍｍ）としたときシャッター速度が１／ｆ（ｓｅｃ）より長時間になる場合は、ＩＳＯ感度を調整することで露出条件を設定する。このときも絞り値が一定となるように設定する。

ステップＳ３０３では、制御装置１８は、ステップＳ３０２で設定された露出条件を用いて撮像装置１００に撮像を実行させ、偏光画像３を取得する。偏光画像３は、測光値に基づく適正な露出条件で取得されるため、白飛びや黒潰れがなく、ノイズの少ない良好な画像となる。

ステップＳ４０１では、制御装置１８は、各撮像（撮影ステップＳ１、Ｓ２、Ｓ３）で取得した各偏光画像と各偏光状態を関連付けて信号記録部９に保存する。また、偏光方位を変えて取得した一連の画像をひとまとまりとして、方位情報と関連づけて保存してもよい。制御装置１８は、保存された偏光画像に基づいて偏光情報を算出し、様々な画像を合成することができる。なお、偏光方位の異なる画像を合成する際の輝度値は、ガンマ補正などの補正を行う前の輝度値を用いるとよい。

撮像装置１００は、上記処理を実行する際に行われたレリーズ操作により全ての撮影ステップを実行してもよいし、撮影ステップごとに行われるレリーズ操作により偏光画像を取得してもよい。すなわち、１回のレリーズ操作で３枚の偏光画像を取得してもよいし、レリーズ操作ごとに１枚の偏光画像を取得してもよい。ただし、風景撮影や商品撮影・静物撮影のような静止物体の撮影では、撮影ごとにレリーズ操作を行ってもよいが、スナップ撮影や動体を含む撮影では、撮影タイムラグをなくすために、１回のレリーズ操作で３枚の偏光画像を取得することが好ましい。

なお、本実施例では、制御装置１８は、可変位相差板４の位相差を０、λ／４、λ／２に設定して撮像を行っているが、本発明はこれに限定されない。例えば、別の３つの値に設定して撮像を行ってもよいし、３つ以上の値を設定して撮像してもよい。また、偏光画像１を取得する際の可変位相差板４の位相差は、駆動のためのエネルギー（電力消費量）が最小となるように、液晶層に電圧を印加しない状態の位相差に設定されることが好ましい。

以下、図９を参照して、撮像装置１００が偏光情報を取得する撮像を行う際の動作について説明する。図９は、本実施例の撮像制御処理（撮像制御方法）を示すフローチャートである。図９のフローチャートは、コンピュータに各ステップの機能を実行させるためのプログラムとして具現化が可能である。図９の各ステップは、制御装置１８により実行される。なお、図９の各ステップは、撮像装置とは別に設けられた制御装置により実行されてもよい。プログラムは、撮像装置１００の不図示の記録部にインストールされていてもよいし、撮像装置１００とは別の装置内にインストールされていてもよい。また、プログラムは、例えば、コンピュータに読み取り可能な記録媒体に記録されていてもよい。

本実施形態では、撮像装置１００が偏光情報を取得する撮像を行う偏光撮影モードに設定された状態で、ユーザが撮像装置１００のレリーズボタン（不図示）を押す（制御装置１８がレリーズ信号を受信する）ことで処理が開始される。

ステップＳ１００１では、制御装置１８は、撮像装置１００にあらかじめ設定された少なくとも３つの偏光状態で測光を実行させる。本実施形態では、可変位相差板４の位相差が０、λ／４、λ／２に設定した状態（偏光状態１−３）で測光を実行させる。

ステップＳ１００２では、制御装置１８は、各偏光状態の露出条件を設定する。本実施形態では、制御装置１８は、合成処理の際の画像の整合性から光学系１の絞り値および撮像素子２のＩＳＯ感度を一定とし、シャッター速度を調整することで各露出条件を設定する。また、光学系１の焦点距離をｆ（ｍｍ）としたときシャッター速度が１／ｆ（ｓｅｃ）より長時間になる場合は、ＩＳＯ感度を調整することで露出条件を設定する。このときも絞り値が一定となるように設定する。なお、露出条件は、撮影者によって任意に設定されてもよい。

ステップＳ２００１では、制御装置１８は、偏光取得手段７を偏光状態１に設定する。具体的には、偏光成分制御部８が位相差設定部６に可変位相差板４の位相差を０に設定する制御信号を出力する。このとき、最大透過角φ_０は９０度である。

ステップＳ２００２では、制御装置１８は、ステップＳ１００１で設定された偏光状態１の露出条件を用いて撮像装置１００に撮像を実行させ、偏光画像１を取得する。偏光画像１は、被写体の偏光状態に偏りがあっても、偏光状態１での測光値に基づく適正な露出条件で取得されるため、白飛びや黒潰れがなく、ノイズの少ない良好な画像となる。

ステップＳ３００１では、制御装置１８は、偏光取得手段７を偏光状態２に設定する。具体的には、偏光成分制御部８が位相差設定部６に可変位相差板４の位相差をλ／４に設定する制御信号を出力する。このとき、最大透過角φ_０は４５度である。

ステップＳ３００２では、制御装置１８は、ステップＳ２００１で設定された偏光状態２の露出条件を用いて撮像装置１００に撮像を実行させ、偏光画像２を取得する。偏光画像２は、被写体の偏光状態に偏りがあっても、偏光状態２での測光値に基づく適正な露出条件で取得されるため、白飛びや黒潰れがなく、ノイズの少ない良好な画像となる。

ステップＳ４００１では、制御装置１８は、偏光取得手段７を偏光状態３に設定する。具体的には、偏光成分制御部８が位相差設定部６に可変位相差板４の位相差をλ／２に設定する制御信号を出力する。このとき、最大透過角φ_０は０度である。

ステップＳ４００２では、制御装置１８は、ステップＳ３００１で設定された偏光状態３の露出条件を用いて撮像装置１００に撮像を実行させ、偏光画像３を取得する。偏光画像３は、被写体の偏光状態に偏りがあっても、偏光状態３での測光値に基づく適正な露出条件で取得されるため、白飛びや黒潰れがなく、ノイズの少ない良好な画像となる。

ステップＳ５００１では、制御装置１８は、各撮像（撮影ステップＳ２０、Ｓ３０、Ｓ４０）で取得した各偏光画像と各偏光状態を関連付けて信号記録部９に保存する。また、偏光方位を変えて取得した一連の画像をひとまとまりとして、方位情報と関連づけて保存してもよい。制御装置１８は、保存された偏光画像に基づいて偏光画像を算出し、様々な画像を合成することができる。なお、偏光方位の異なる画像を合成する際の輝度値は、ガンマ補正などの補正を行う前の輝度値を用いるとよい。

本実施例では、ステップＳ１０であらかじめ撮像する偏光状態ごとの測光を行い、露出条件を設定した後、連続して撮像を行う。すなわち、各撮像間では、可変位相差板４の位相差を設定するだけで測光を行う時間が省略される。したがって、各偏光状態での撮像間の間隔（撮影タイムラグ）が短くなるため、動体撮影などにも好適である。

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。撮像装置１００の撮像素子２の手前に光学ローパスフィルタやオートフォーカス手段を配置した場合、これらの部材に偏光依存性が存在すると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、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）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。

１８ 制御装置
１００ 撮像装置

Claims (11)

1. 光学系により形成された被写体の像を受光する撮像素子を有する撮像装置に、前記被写体からの偏光方位の異なる複数の光に対応する複数の画像を取得させるとともに、前記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、
   前記被写体の側から前記撮像素子の側へ順に配置された、
   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）で固定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、
   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、
   前記制御手段は、
   前記光学系の絞り値を一定としつつ、前記撮像装置に互いに異なる露出条件で前記複数の画像を取得させ、
   前記撮像装置のシャッター速度が前記光学系の焦点距離の逆数よりも長い場合、前記撮像素子のＩＳＯ感度を制御することで前記露出条件を設定することを特徴とする偏光情報取得装置。
2. 前記制御手段は、前記撮像装置に偏光方位ごとに測光を行わせ、前記撮像装置から取得した測光値に基づいて前記露出条件を設定することを特徴とする請求項１に記載の偏光情報取得装置。
3. 前記制御手段は、前記シャッター速度が前記焦点距離の逆数以下である場合、前記シャッター速度を制御することで前記露出条件を設定することを特徴とする請求項１又は２に記載の偏光情報取得装置。
4. 前記第２の位相差板の遅相軸方向は、前記第１の位相差板の遅相軸方向および進相軸方向に対して傾いていることを特徴とする請求項１から３の何れか一項に記載の偏光情報取得装置。
5. 前記第２の位相差板の相対位相差を設定する設定手段を有することを特徴とする請求項１から４の何れか一項に記載の偏光情報取得装置。
6. 前記第２の位相差板は液晶層を備え、
   前記設定手段は、前記液晶層に印加する電圧を変化させることで前記相対位相差を設定することを特徴とする請求項５に記載の偏光情報取得装置。
7. 前記被写体を撮像する撮像素子を有することを特徴とする請求項１から６の何れか一項に記載の偏光情報取得装置。
8. 前記被写体の像を形成する光学系を有することを特徴とする請求項７に記載の偏光情報取得装置。
9. 請求項１から８の何れか一項に記載の偏光情報取得装置を用いて前記被写体の偏光情報を取得する偏光情報取得方法であって、
   前記光学系の絞り値を一定としつつ、前記撮像装置に互いに異なる露出条件で前記複数の画像を取得させ、
   前記撮像装置のシャッター速度が前記光学系の焦点距離の逆数よりも長い場合、前記撮像素子のＩＳＯ感度を制御することで前記露出条件を設定することを特徴とする偏光情報取得方法。
10. 請求項９に記載の偏光情報取得方法をコンピュータに実行させることを特徴とするプログラム。
11. 請求項１０に記載のプログラムが記録されていることを特徴とするコンピュータが読み取り可能な記録媒体。