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JP7795758B2 - Filter, imaging device, and imaging system - Google Patents
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JP7795758B2 - Filter, imaging device, and imaging system - Google Patents

Filter, imaging device, and imaging system

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JP7795758B2
JP7795758B2 JP2020203840A JP2020203840A JP7795758B2 JP 7795758 B2 JP7795758 B2 JP 7795758B2 JP 2020203840 A JP2020203840 A JP 2020203840A JP 2020203840 A JP2020203840 A JP 2020203840A JP 7795758 B2 JP7795758 B2 JP 7795758B2
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Description

本発明は、フィルタ、撮像装置及び撮像システムに関する。 The present invention relates to a filter, an imaging device, and an imaging system.

近年、光学部品や薄膜製品、生体組織の偏光特性を測定し、測定によって得られた偏光特性をふまえて測定対象物の詳細な物性に関する情報を取得するために、偏光カメラ(或いは、偏光イメージングカメラ)が用いられている。偏光カメラの受光素子の複数の画素には、所定の方位を有する偏光子が組み込まれている。偏光カメラでは、ワンショット(或いは、スナップショット)で偏光画像情報を取得することができる。従来提案されている偏光カメラは、例えば画素毎に異なる4種類の方位の偏光情報を取得することによって、4つの偏光方向の画像を取得することができる(例えば、非特許文献1参照)。 In recent years, polarization cameras (or polarization imaging cameras) have been used to measure the polarization properties of optical components, thin film products, and biological tissues, and to obtain detailed information about the physical properties of the objects being measured based on the polarization properties obtained through the measurement. Polarizers with predetermined orientations are incorporated into multiple pixels of the light-receiving element of a polarization camera. Polarization cameras can obtain polarization image information in a single shot (or snapshot). Previously proposed polarization cameras can obtain images in four polarization directions, for example, by obtaining polarization information in four different orientations for each pixel (see, for example, Non-Patent Document 1).

上述の偏光カメラでは、上述のように偏光情報を取得することができるが、分光透過特性がある波長帯域に限定されているため、カラー画像や分光情報を得ることは難しかった。一方、従来提案されている分光カメラ(或いは、分光イメージングカメラ)では、ワンショットで画素毎に分光情報を取得することによってマルチスペクトル画像を取得できる(例えば、非特許文献2参照)。但し、前述の分光カメラでは、偏光情報を取得することは難しかった。このことに鑑み、画素毎に異なる偏光特性及び分光特性を取得し、ワンショットで偏光画像情報及び波長画像情報を取得可能なイメージング技術が提案されている(例えば、特許文献1、非特許文献3参照)。 The polarization camera described above can acquire polarization information as described above, but because the spectral transmittance characteristics are limited to a certain wavelength band, it has been difficult to obtain color images or spectral information. Meanwhile, previously proposed spectroscopic cameras (or spectral imaging cameras) can acquire multispectral images by acquiring spectral information for each pixel in a single shot (see, for example, Non-Patent Document 2). However, it has been difficult to acquire polarization information with the above-mentioned spectroscopic cameras. In light of this, imaging technology has been proposed that acquires different polarization and spectral characteristics for each pixel, making it possible to acquire polarization image information and wavelength image information in a single shot (see, for example, Patent Document 1 and Non-Patent Document 3).

特開2018-040976号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2018-040976

川上彰二郎、川嶋貴之、井上喜彦、本間洋、佐藤尚、太田晋一、長嶋聖、青木孝文;「フォトニック結晶偏光子を用いた偏光イメージングカメラの開発」, 電子情報通信学会論文誌C, Vol.90, No.1, pp.17-24 (2007).Shojiro Kawakami, Takayuki Kawashima, Yoshihiko Inoue, Hiroshi Homma, Hisashi Sato, Shinichi Ohta, Kiyoshi Nagashima, and Takafumi Aoki; "Development of a Polarization Imaging Camera Using a Photonic Crystal Polarizer," IEICE Transactions on Electronics, Information and Communication Engineers, Vol. 90, No. 1, pp. 17-24 (2007). P-J. Lapray, X. Wang, J-B. Thomas, P. Gouton; “Multispectral Filter Arrays: Recent Advances and Practical Implementation,” Sensors, Vol.14, pp.21626-21659 (2014).P-J. Lapray, X. Wang, J-B. Thomas, P. Gouton; “Multispectral Filter Arrays: Recent Advances and Practical Implementation,” Sensors, Vol.14, pp.21626-21659 (2014). K. Shinoda. Y. Ohtera, M. Hasegawa; “Snapshot multispectral polarization imaging using a photonic crystal filter array,”Optics Express, Vol.26, pp.15948-15961 (2018).K. Shinoda. Y. Ohtera, M. Hasegawa; “Snapshot multispectral polarization imaging using a photonic crystal filter array,” Optics Express, Vol.26, pp.15948-15961 (2018).

上述の特許文献1や非特許文献3に開示されている装置をはじめとする装置であってワンショットで偏光画像情報及び波長画像情報を取得可能な撮像装置では、受光素子よりも光の入射面側に、フィルタが配置されている。このフィルタは複数のセルを有し、複数のセルは光の進行方向に交差する表面内に配列されている。各々のセルは、所定の偏光特性及び分光特性を有する。受光素子は複数の画素を有し、複数の画素は前述の表面に平行な受光面内に配列されている。光の入射方向から見たとき、各々のセルは、対応する画素と同じ形状を有する。 In imaging devices capable of acquiring polarization image information and wavelength image information in a single shot, including those disclosed in the above-mentioned Patent Document 1 and Non-Patent Document 3, a filter is placed on the light incident surface side of the light receiving element. This filter has multiple cells, which are arranged within a surface that intersects with the direction of light propagation. Each cell has predetermined polarization and spectral characteristics. The light receiving element has multiple pixels, which are arranged within a light receiving surface that is parallel to the aforementioned surface. When viewed from the direction of light incidence, each cell has the same shape as the corresponding pixel.

上述のようにワンショットで偏光画像情報及び波長画像情報を取得可能な撮像装置の製造において、受光素子よりも入射面側にフィルタを搭載する際には、フィルタの複数のセルと受光素子の複数の画素との位置合わせをする必要があった。このようなフィルタと受光素子との位置合わせには、個々のセルや画素の大きさに応じてμmオーダーの精度が求められ、実際には専用の位置合わせ装置が用いられていた。そのため、ワンショットで偏光画像情報及び波長画像情報を取得可能な撮像装置の製造容易性が非常に低かった。 As described above, when manufacturing an imaging device capable of acquiring polarization image information and wavelength image information in a single shot, mounting a filter on the incident surface side of the light receiving element required alignment between the filter's multiple cells and the light receiving element's multiple pixels. Aligning the filter and light receiving element requires precision on the order of microns depending on the size of each cell or pixel, and in practice, dedicated alignment equipment was used. This made it extremely difficult to manufacture an imaging device capable of acquiring polarization image information and wavelength image information in a single shot.

本発明は、ワンショットで偏光画像情報及び波長画像情報を取得可能な撮像装置において、フィルタの複数のセルと受光素子の複数の画素との位置合わせを必要としないフィルタ、及びこのフィルタを備え且つ製造容易性の高い撮像装置、撮像システムを提供する。 The present invention provides an imaging device capable of acquiring polarization image information and wavelength image information in a single shot, a filter that does not require alignment between the filter's multiple cells and the light-receiving element's multiple pixels, and an imaging device and imaging system that are equipped with this filter and are easy to manufacture.

本実施形態に係る撮像装置、偏光透過特性の基準方位と分光透過特性が割り当てられた分光偏光セルを複数備え、前記複数の分光偏光セルの大きさ及び形状の少なくとも一方が不均一であるフィルタと、前記フィルタに対向して配置され、前記フィルタから出射される光を受光する複数の画素を備える受光部と、を備え、各々の前記画素に対向して配置され、且つ、各々の前記画素が受光する光が出射される前記分光偏光セルの大きさ及び形状の少なくとも一方が前記複数の画素間で不均一である The imaging device of this embodiment comprises a filter having a plurality of spectral polarizing cells to which reference orientations and spectral transmittance characteristics of polarization transmission characteristics are assigned, and at least one of the sizes and shapes of the plurality of spectral polarizing cells is non-uniform; and a light receiving unit arranged opposite the filter and having a plurality of pixels that receive light emitted from the filter, wherein at least one of the sizes and shapes of the spectral polarizing cells arranged opposite each of the pixels and from which light received by each of the pixels is emitted is non-uniform among the plurality of pixels .

上述の撮像装置では、前記分光偏光セルは、割り当てられた前記分光透過特性に対応する格子ピッチと、割り当てられた前記偏光透過特性の基準方位に対応する格子方向と、を有するフォトニック結晶で構成されていてもよい。 In the above-described imaging device , the spectroscopic polarization cell may be composed of a photonic crystal having a grating pitch corresponding to the assigned spectral transmission characteristic and a grating direction corresponding to a reference orientation of the assigned polarization transmission characteristic.

上述の撮像装置では、前記画素が前記分光偏光セルから出射される光を受光可能な範囲に、前記分光偏光セル同士の境界部分が含まれてもよい。 In the above-mentioned imaging device, the range in which the pixel can receive light emitted from the spectral polarization cell may include the boundary between the spectral polarization cells.

本実施形態に係る撮像システムは、上述の撮像装置と、前記分光偏光セル毎にそれぞれ割り当てられた前記分光透過特性に対応する波長帯域を少なくとも含む光であるキャリブレーション光を前記フィルタに照射することにより、前記画素によって取得される光の波長帯域と、前記画素によって取得される偏光の方位と、前記画素によって取得される光の強度との対応関係が前記画素毎に記憶されたキャリブレーション情報に基づいて、測定対象の光が入射した場合に、前記画素によって取得される光の波長帯域を示すスペクトル情報を前記画素毎に算出すると共に、前記画素によって取得される偏光の方位を示す方位情報を前記画素毎に算出する演算装置と、前記演算装置で算出された前記スペクトル情報と前記方位情報とを出力する出力装置と、を備える。 The imaging system according to this embodiment includes the imaging device described above; a calculation device that calculates, for each pixel, spectral information indicating the wavelength band of light acquired by the pixel when light to be measured is incident, and orientation information indicating the orientation of polarization acquired by the pixel, by irradiating the filter with calibration light that includes at least the wavelength band corresponding to the spectral transmittance characteristics assigned to each of the spectral polarization cells, based on calibration information stored for each pixel that describes the correspondence between the wavelength band of light acquired by the pixel, the orientation of polarization acquired by the pixel, and the intensity of light acquired by the pixel; and an output device that outputs the spectral information and orientation information calculated by the calculation device.

本発明によれば、ワンショットで偏光画像情報及び波長画像情報を取得可能な撮像装置において、フィルタの複数のセルと受光素子の複数の画素との位置合わせを必要としないフィルタ、及びこのフィルタを備え且つ製造容易性の高い撮像装置、撮像システムを提供することができる。 The present invention provides an imaging device capable of acquiring polarization image information and wavelength image information in a single shot, a filter that does not require alignment between the multiple cells of the filter and the multiple pixels of the light receiving element, and an imaging device and imaging system that are equipped with this filter and are easy to manufacture.

本発明を適用した一実施形態のフィルタの斜視図及びフィルタの領域R1の拡大斜視図である。1A and 1B are a perspective view of a filter according to an embodiment of the present invention and an enlarged perspective view of a region R1 of the filter. 図1に示すフィルタの領域R1の拡大平面図である。FIG. 2 is an enlarged plan view of a region R1 of the filter shown in FIG. 図1に示すフィルタの製造方法を説明するための図であって、図1に示す領域R2の拡大した断面図である。2 is an enlarged cross-sectional view of a region R2 shown in FIG. 1, illustrating a method for manufacturing the filter shown in FIG. 1. FIG. 図1に示すフィルタの製造方法を説明するための図であって、図1に示す領域R2の拡大した断面図である。2 is an enlarged cross-sectional view of a region R2 shown in FIG. 1, illustrating a method for manufacturing the filter shown in FIG. 1. FIG. 図1に示すフィルタの製造方法を説明するための図であって、図1に示す領域R2の拡大断面図である。2 is an enlarged cross-sectional view of a region R2 shown in FIG. 1, illustrating a method for manufacturing the filter shown in FIG. 1. FIG. 本発明を適用した一実施形態の撮像装置の斜視図である。1 is a perspective view of an imaging device according to an embodiment of the present invention; 図6に示す撮像装置の側面図である。FIG. 7 is a side view of the imaging device shown in FIG. 6 . 図7に示す撮像装置の領域R3におけるフィルタと受光素子の拡大斜視図である。FIG. 8 is an enlarged perspective view of a filter and a light receiving element in a region R3 of the imaging device shown in FIG. 7. 図7に示す撮像装置の領域R3におけるフィルタと受光素子の拡大平面図である。8 is an enlarged plan view of a filter and a light receiving element in a region R3 of the imaging device shown in FIG. 7. 図9に示す受光素子の各画素における複数セルの透過特性を合成した後の偏光透過特性の基準軸を示す模式図である。10 is a schematic diagram showing a reference axis of the polarized light transmission characteristic after combining the transmission characteristics of multiple cells in each pixel of the light receiving element shown in FIG. 9 . 本発明を適用した一実施形態の撮像システムのブロック図である。1 is a block diagram of an imaging system according to an embodiment of the present invention; 実施例1における分光情報を示すグラフである。1 is a graph showing spectral information in Example 1. 実施例2における偏光情報を示す写真であり、左側は方位0°の偏光情報であり、右側は方位90°の偏光情報である。10 is a photograph showing polarization information in Example 2, the left side being polarization information at an orientation of 0°, and the right side being polarization information at an orientation of 90°.

以下、本発明に係る実施形態について、図面を参照して説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

<フィルタの構成>
図1に示すように、本発明を適用した一実施形態のフィルタ10は、薄板状に形成されている。フィルタ10の表面12aは、光が入射する面である入射面13である。フィルタ10の裏面12bは、入射した光が出射する面である出射面14である。以下では、入射面13及び出射面14に含まれ、且つ互いに直交する2方向をx方向及びy方向と称し、入射面13の周縁と出射面14の周縁とを連結する方向、即ち本体12の厚み方向をz方向と称する。
<Filter configuration>
As shown in Fig. 1, a filter 10 according to an embodiment of the present invention is formed in the shape of a thin plate. A front surface 12a of the filter 10 is an incident surface 13, which is the surface through which light enters. A back surface 12b of the filter 10 is an exit surface 14, which is the surface through which the incident light exits. Hereinafter, two directions that are included in the incident surface 13 and the exit surface 14 and are perpendicular to each other will be referred to as the x-direction and the y-direction, and the direction connecting the periphery of the incident surface 13 and the periphery of the exit surface 14, i.e., the thickness direction of the main body 12, will be referred to as the z-direction.

フィルタ10は、複数の分光偏光セル21-1、21-2、・・・、21-mを備える。mは、フィルタ10における分光偏光セルの総数であり、2以上の自然数である。以下では、複数の分光偏光セル21-1、21-2、・・・、21-mのうち2つ以上の分光偏光セルについて共通する内容を説明する際には、これらの分光偏光セルをまとめて、分光偏光セル21と記載する。z方向に沿って見たとき、複数の分光偏光セル21の大きさ及び形状は、不均一に区画されている。即ち、各々の分光偏光セル21の大きさ及び形状はランダムに決められている。 The filter 10 includes a plurality of spectral polarizing cells 21-1, 21-2, ..., 21-m. m is the total number of spectral polarizing cells in the filter 10 and is a natural number greater than or equal to 2. Below, when describing content common to two or more of the plurality of spectral polarizing cells 21-1, 21-2, ..., 21-m, these spectral polarizing cells will be collectively referred to as spectral polarizing cell 21. When viewed along the z direction, the sizes and shapes of the plurality of spectral polarizing cells 21 are non-uniformly partitioned. In other words, the size and shape of each spectral polarizing cell 21 is determined randomly.

複数の分光偏光セル21の不均一な大きさ及び形状は、例えば乱数を用いる手法等や後述するようなボロノイ(Voronoi)分割に基づいて求めることもでき、特定の方法によって求められる大きさや形状に限定されない。 The non-uniform sizes and shapes of the multiple spectral polarization cells 21 can be determined, for example, using a method using random numbers or based on Voronoi division as described below, and are not limited to sizes and shapes determined by a specific method.

複数の分光偏光セル21は、分光透過特性及び偏光透過特性の基準方位が割り当てられた分光偏光セル21-i(iは1以上m以下の自然数)を有する。なお、以下において、分光透過特性に対応した光の波長帯域を波長帯域WB(i)と称し、偏光透過特性の基準方位を偏光の方位φ(i)と称する。 The multiple spectral polarization cells 21 include spectral polarization cells 21-i (i is a natural number between 1 and m) to which reference orientations for spectral transmittance characteristics and polarized light transmittance characteristics are assigned. Hereinafter, the wavelength band of light corresponding to the spectral transmittance characteristics will be referred to as wavelength band WB(i), and the reference orientation for the polarized light transmittance characteristics will be referred to as polarization orientation φ(i).

フィルタ10の分光偏光セル21は、例えばフォトニック結晶30で構成され、基板32と、多層膜34と、を有する。基板32の材質は、例えば石英である。多層膜34としては、例えば五酸化ニオブ(Nb)と二酸化シリコン(SiO)とがz方向で交互に積層された積層膜が挙げられる。 The spectropolarization cell 21 of the filter 10 is formed of, for example, a photonic crystal 30, and has a substrate 32 and a multilayer film 34. The material of the substrate 32 is, for example, quartz. The multilayer film 34 may be, for example, a laminated film in which niobium pentoxide (Nb 2 O 5 ) and silicon dioxide (SiO 2 ) are alternately stacked in the z direction.

分光偏光セル21-iを構成するフォトニック結晶30は、分光偏光セル21-iに割り当てられた波長帯域WB(i)に対応した格子ピッチd(i)と、分光偏光セル21-iに割り当てられた偏光の方位φ(i)に対応した格子方向と、を有する。即ち、基板32及び多層膜34は、周期的な凹凸構造を有し、凸構造の頂部は偏光の方位φ(i)に平行に延びており、隣り合う凸構造の頂部同士の間隔は格子ピッチd(i)である。 The photonic crystal 30 that constitutes the spectral polarization cell 21-i has a lattice pitch d(i) that corresponds to the wavelength band WB(i) assigned to the spectral polarization cell 21-i, and a lattice direction that corresponds to the polarization direction φ(i) assigned to the spectral polarization cell 21-i. In other words, the substrate 32 and multilayer film 34 have a periodic uneven structure, with the peaks of the convex structures extending parallel to the polarization direction φ(i), and the distance between the peaks of adjacent convex structures is the lattice pitch d(i).

<フィルタの製造方法>
次に、フィルタ10の製造方法について簡単に説明する。図3に示すように、ベースとしての石英製の基板32を用意する。図示していないが、図2と同様に互いに不均一な大きさ及び形状で区画された分光偏光セル21-iの格子方向及び格子ピッチd(i)と一致するマスクパターンを有するマスクを用意する。このマスクは、例えば電子ビーム描画法によって作製される。基板32の表面32a上に不図示のレジストを塗布し、マスクパターンをレジストに転写する。パターン転写されたレジストをマスクとして基板32をエッチングする。図4に示すように、基板32には、分光偏光セル21-iに割り当てられた格子方向及び格子ピッチd(i)を有する周期構造が形成される。
<Filter manufacturing method>
Next, a brief description of a manufacturing method for the filter 10 will be given. As shown in FIG. 3, a quartz substrate 32 is prepared as a base. Although not shown, a mask is prepared having a mask pattern that matches the grating direction and grating pitch d(i) of the spectral polarization cells 21-i, which are partitioned with non-uniform sizes and shapes, as in FIG. 2. This mask is fabricated, for example, by electron beam lithography. A resist (not shown) is applied to the surface 32a of the substrate 32, and the mask pattern is transferred to the resist. The substrate 32 is etched using the pattern-transferred resist as a mask. As shown in FIG. 4, a periodic structure is formed on the substrate 32, having the grating direction and grating pitch d(i) assigned to the spectral polarization cells 21-i.

図5に示すように、基板32において周期構造が形成された表面32aに、Nb及びSiOのうち一方からなる第1層35-1と、Nb及びSiOのうち他方からなる第2層35-2と、を交互に積層する。第1層35-1及び第2層35-2のそれぞれの厚み、屈折率は、分光偏光セル21-iに割り当てられた波長帯域WB(i)によって適切に設定されている。積層膜の全体の厚みが所定値になるように第1層35-1と第2層35-2とを交互に積層することによって多層膜34が形成され、フォトニック結晶30を備えたフィルタ10が完成する。 5, first layers 35-1 made of one of Nb 2 O 5 and SiO 2 and second layers 35-2 made of the other of Nb 2 O 5 and SiO 2 are alternately laminated on the surface 32a of the substrate 32 on which the periodic structure is formed. The thickness and refractive index of each of the first layers 35-1 and second layers 35-2 are appropriately set according to the wavelength band WB(i) assigned to the spectropolarization cell 21-i. The first layers 35-1 and second layers 35-2 are alternately laminated so that the total thickness of the laminated film reaches a predetermined value, thereby forming a multilayer film 34 and completing the filter 10 equipped with the photonic crystal 30.

<撮像装置の構成>
図6及び図7に示すように、本発明を適用した一実施形態の撮像装置100は、少なくとも上述のフィルタ10と、受光素子(受光部)110と、フィルタ10及び受光素子110をはじめとする素子を支持する筐体と、を備える。撮像装置100は、例えば受光素子110を備えた撮像カメラである。受光素子110は、フィルタ10に対向して配置され、フィルタ10からz方向とは逆向きに出射される光Lを受光する複数の画素112-1、112-2、・・・、112-nを備える。nは、受光素子110における画素の総数であり、2以上の自然数である。以下では、複数の画素112-1、112-2、・・・、112-nのうち2つ以上の画素について共通する内容を説明する際には、これらの画素をまとめて、画素112と記載する。受光素子110は、例えばCMOSやCCD等のイメージセンサである。
<Configuration of imaging device>
As shown in FIGS. 6 and 7 , an imaging device 100 according to an embodiment of the present invention includes at least the filter 10 described above, a light-receiving element (light-receiving unit) 110, and a housing that supports elements including the filter 10 and the light-receiving element 110. The imaging device 100 is, for example, an imaging camera equipped with the light-receiving element 110. The light-receiving element 110 is arranged opposite the filter 10 and includes a plurality of pixels 112-1, 112-2, ..., 112-n that receive light L emitted from the filter 10 in a direction opposite to the z-direction. n is the total number of pixels in the light-receiving element 110 and is a natural number equal to or greater than 2. Hereinafter, when describing content common to two or more pixels among the plurality of pixels 112-1, 112-2, ..., 112-n, these pixels will be collectively referred to as pixel 112. The light-receiving element 110 is, for example, an image sensor such as a CMOS or CCD.

撮像装置100では、図8及び図9に示すように、受光素子110の画素112の大きさ及び形状と、画素112に対向して配置されている分光偏光セル21の大きさ及び形状とが、不均一に対応している。つまり、図9に示すように、複数の画素112には、1つの分光偏光セル21が対応している画素112と2つ以上の分光偏光セル21が対応している画素112が含まれており、フィルタ10の分光偏光セル21と受光素子110の画素112とは1対1対応していない。 In the imaging device 100, as shown in Figures 8 and 9, the size and shape of the pixels 112 of the light receiving element 110 and the size and shape of the spectral polarizing cells 21 arranged opposite the pixels 112 correspond non-uniformly. In other words, as shown in Figure 9, the multiple pixels 112 include pixels 112 that correspond to one spectral polarizing cell 21 and pixels 112 that correspond to two or more spectral polarizing cells 21, and there is not a one-to-one correspondence between the spectral polarizing cells 21 of the filter 10 and the pixels 112 of the light receiving element 110.

図9に示すように、受光素子110の画素112が分光偏光セル21から出射される光を受光可能な範囲に、分光偏光セル21同士の境界部分が含まれている。また、複数の画素112のうち少なくとも1つの画素112が分光偏光セル21から出射される光を受光可能な範囲に、2つ以上の分光偏光セル21が含まれている。 As shown in Figure 9, the range in which the pixels 112 of the light receiving element 110 can receive light emitted from the spectral polarizing cells 21 includes the boundary portions between the spectral polarizing cells 21. Furthermore, two or more spectral polarizing cells 21 are included in the range in which at least one pixel 112 of the multiple pixels 112 can receive light emitted from the spectral polarizing cells 21.

例えば、図9に示すように、z方向に沿って見た場合、画素112-1には、2つのセル21-1、21-2が重なっている。画素112-1によって取得される光の波長帯域WR(1)は、分光偏光セル21-1において画素112-1と重なっている部分の面積と分光偏光セル21-2において画素112-1と重なっている部分の面積との面積比に応じて、分光偏光セル21-1に割り当てられた波長帯域WB(1)と分光偏光セル21-2に割り当てられた波長帯域WB(2)とを合成して得られる合成波長帯域(波長帯域)で表される。同様に、画素112-cには、3つの分光偏光セル21-1、21-2、21-eが重なっている。したがって、画素112-cによって受光される光の波長帯域WR(c)は、分光偏光セル21-1において画素112-cと重なっている部分の面積と、分光偏光セル21-2において画素112-cと重なっている部分の面積と、分光偏光セル21-eにおいて画素112-cと重なっている部分の面積との面積比に応じて、波長帯域WB(1)、WB(2)と分光偏光セル21-eに割り当てられた波長帯域WB(e)とを合成して得られる合成波長帯域(波長帯域)で表される。 For example, as shown in Figure 9, when viewed along the z direction, pixel 112-1 is overlapped by two cells 21-1 and 21-2. The wavelength band WR(1) of light acquired by pixel 112-1 is expressed as a synthetic wavelength band (wavelength band) obtained by combining the wavelength band WB(1) assigned to spectral polarizing cell 21-1 and the wavelength band WB(2) assigned to spectral polarizing cell 21-2, in accordance with the area ratio between the area of the portion of spectral polarizing cell 21-1 that overlaps pixel 112-1 and the area of the portion of spectral polarizing cell 21-2 that overlaps pixel 112-1. Similarly, three spectral polarizing cells 21-1, 21-2, and 21-e overlap pixel 112-c. Therefore, the wavelength band WR(c) of the light received by pixel 112-c is expressed as a synthetic wavelength band (wavelength band) obtained by combining the wavelength bands WB(1) and WB(2) with the wavelength band WB(e) assigned to spectral polarizing cell 21-e, depending on the area ratio between the area of the portion of spectral polarizing cell 21-1 that overlaps with pixel 112-c, the area of the portion of spectral polarizing cell 21-2 that overlaps with pixel 112-c, and the area of the portion of spectral polarizing cell 21-e that overlaps with pixel 112-c.

また、画素112-1によって取得される偏光の方位Φ(1)は、分光偏光セル21-1において画素112-1と重なっている部分の面積と分光偏光セル21-2において画素112-1と重なっている部分の面積との面積比に応じて、分光偏光セル21-1に割り当てられた偏光の方位φ(1)と分光偏光セル21-2に割り当てられた偏光の方位φ(2)とを合成して得られる合成方位(方位)で表される。同様に、画素112-cによって受光される偏光の方位Φ(c)は、分光偏光セル21-1において画素112-cと重なっている部分の面積、分光偏光セル21-2において画素112-cと重なっている部分の面積、及び分光偏光セル21-eにおいて画素112-cと重なっている部分の面積の面積比に応じて、偏光の方位φ(1)、φ(2)と分光偏光セル21-eに割り当てられた偏光の方位φ(e)とを合成して得られる合成方位(方位)で表される。 Furthermore, the polarization direction Φ(1) acquired by pixel 112-1 is represented by a composite direction (orientation) obtained by combining the polarization direction Φ(1) assigned to spectral polarizing cell 21-1 and the polarization direction Φ(2) assigned to spectral polarizing cell 21-2, in accordance with the area ratio between the area of the portion of spectral polarizing cell 21-1 that overlaps with pixel 112-1 and the area of the portion of spectral polarizing cell 21-2 that overlaps with pixel 112-1. Similarly, the polarization direction Φ(c) received by pixel 112-c is represented by a composite direction (orientation) obtained by combining the polarization directions Φ(1) and Φ(2) with the polarization direction Φ(e) assigned to spectral polarizing cell 21-e, in accordance with the area ratio between the area of the portion of spectral polarizing cell 21-1 that overlaps with pixel 112-c, the area of the portion of spectral polarizing cell 21-2 that overlaps with pixel 112-c, and the area of the portion of spectral polarizing cell 21-e that overlaps with pixel 112-c.

<撮像システムの構成>
図11に示すように、本発明を適用した一実施形態の撮像システム150は、少なくとも上述の撮像装置100と、読み取り装置152と、記憶装置155と、演算装置160と、出力装置170と、を備える。撮像装置100では、受光素子110に対向させてフィルタ10が配置されているが、特段の位置合わせをすることなくフィルタ10を受光素子110に対向配置させたときに、受光素子110の画素112-j(jは1以上n以下の自然数)によって取得される偏光の方位Φ(j)及び光の波長帯域WR(j)が決まる。撮像システム150では、撮像装置100の受光素子110の画素112-jで取得される偏光の方位Φ(j)及び光の波長帯域WR(j)を実測定によって調べ、先ず撮像装置100のキャリブレーションを行う。
<Configuration of imaging system>
11 , an imaging system 150 according to an embodiment of the present invention includes at least the imaging device 100 described above, a reading device 152, a storage device 155, a calculation device 160, and an output device 170. In the imaging device 100, the filter 10 is disposed facing the light receiving element 110, and when the filter 10 is disposed facing the light receiving element 110 without any particular alignment, the polarization direction Φ(j) and the wavelength band WR(j) of light acquired by the pixel 112-j (j is a natural number between 1 and n) of the light receiving element 110 are determined. In the imaging system 150, the polarization direction Φ(j) and the wavelength band WR(j) of light acquired by the pixel 112-j of the light receiving element 110 of the imaging device 100 are first calibrated by actually measuring them.

撮像システム150では、受光素子110の画素112-jによって取得される光の波長帯域WR(j)と、画素112-jによって取得される偏光の方位Φ(j)と、画素112-jによって取得される光の強度I(j)との対応関係がキャリブレーション情報として記憶装置155に記録される。具体的には、先ずキャリブレーション光LCをフィルタ10に照射する。キャリブレーション光LCは、フィルタ10の分光偏光セル21毎にそれぞれ割り当てられた波長帯域WB(1)、WB(2)、・・・、WB(m)を少なくとも含む光であって、分光偏光セル21毎にそれぞれ割り当てられた偏光の方位φ(1)、φ(2)、・・・、φ(m)を含む光である。読み取り装置152は、受光素子110の画素112―j(j=1~n)によって取得されたキャリブレーション光LCの強度I(j)を画素毎に受信する。読み取り装置152には、キャリブレーション光LCの予め判明している波長帯域の種類及び方位の種類が外部入力されている。読み取り装置152は、当該画素112-jによって取得される光の波長帯域WR(j)及び偏光の方位Φ(j)として、外部入力されたキャリブレーション光LCの波長帯域の種類及び方位の種類を採用し、記憶装置155に記録する。複数の種類の波長帯域の光及び複数の種類の偏光の方位のキャリブレーション光LCで測定が完了したときに、記憶装置155には、画素112の番号jと、その画素112―jによって取得される光の波長帯域であってキャリブレーションされた波長帯域である波長帯域WR(j)と、その画素112―jによって取得される偏光の方位であってキャリブレーションされた方位である方位Φ(j)と、がテーブルデータとして記憶される。 In the imaging system 150, the correspondence between the wavelength band WR(j) of light acquired by the pixel 112-j of the light receiving element 110, the polarization direction Φ C (j) acquired by the pixel 112-j, and the light intensity I C (j) acquired by the pixel 112-j is recorded as calibration information in the storage device 155. Specifically, first, calibration light LC is irradiated onto the filter 10. The calibration light LC is light that includes at least the wavelength bands WB(1), WB(2), ..., WB(m) assigned to each spectroscopic polarization cell 21 of the filter 10, and also includes the polarization directions φ(1), φ(2), ..., φ(m) assigned to each spectroscopic polarization cell 21. The reader 152 receives the intensity I C (j) of the calibration light LC acquired by the pixel 112-j (j = 1 to n) of the light receiving element 110 for each pixel. The type of wavelength band and the type of orientation of the calibration light LC that are known in advance are externally input to the reading device 152. The reading device 152 adopts the type of wavelength band and the type of orientation of the externally input calibration light LC as the wavelength band WR C (j) and polarization orientation Φ C (j) of the light acquired by the pixel 112-j, and records them in the storage device 155. When measurements are completed using calibration light LC of light of multiple types of wavelength bands and multiple types of polarization orientations, the storage device 155 stores, as table data, the number j of the pixel 112, the wavelength band WR C (j) of the light acquired by that pixel 112-j, which is the calibrated wavelength band, and the orientation Φ C (j) of the polarization orientation acquired by that pixel 112-j.

次に、図7に示すように、測定対象の光DCであって測定対象物(図示略)から出射された光DCが撮像装置100に照射された場合に、読み取り装置152は、受光素子110の画素112―j(j=1~n)によって取得された測定対象の光DCの強度I(j)を画素112毎に受信する。演算装置160は、読み取り装置152から画素112毎の光の強度I(j)の情報を受信し、記憶装置155からキャリブレーション情報を読み出す。演算装置160は、キャリブレーション情報に基づいて、画素112-jによって取得される光の波長帯域を示すスペクトル情報、及び画素112-jによって取得される偏光の方位を示す方位情報を画素112-j毎に算出する。 7 , when light DC to be measured that is emitted from a measurement object (not shown) is irradiated onto the imaging device 100, the reading device 152 receives the intensity I D (j) of the light DC to be measured that is acquired by the pixels 112-j (j = 1 to n) of the light receiving element 110 for each pixel 112. The arithmetic device 160 receives the information on the light intensity I D ( j) for each pixel 112 from the reading device 152, and reads out calibration information from the storage device 155. Based on the calibration information, the arithmetic device 160 calculates, for each pixel 112-j, spectral information indicating the wavelength band of the light acquired by the pixel 112-j and orientation information indicating the orientation of polarization acquired by the pixel 112-j.

出力装置170は、演算装置160で算出されたスペクトル情報と方位情報とを受信し、出力する。出力装置170は、例えば液晶ディスプレイ等である。スペクトル情報は、例えば液晶ディスプレイの複数の表示素子に受光素子110の複数の画素112を対応させ、画素112-j毎に取得された波長帯域の相対強度を表示させた画像でもよく、横軸に波長をとり、縦軸に全ての画素112によって取得された当該波長の光強度の積算値をとったスペクトルヒストグラムであってもよく、特定の形式に限定されない。また、方位情報は、例えば液晶ディスプレイの複数の表示素子に受光素子110の複数の画素112を対応させ、画素112-j毎に取得された偏光の方位の相対強度を任意の階調値に変換して表示させた画像でもよく、横軸に方位角度をとり、縦軸に全ての画素112によって取得された当該方位の光強度の積算値をとった方位ヒストグラムであってもよく、特定の形式に限定されない。 The output device 170 receives and outputs the spectral information and azimuth information calculated by the calculation device 160. The output device 170 is, for example, a liquid crystal display. The spectral information may be, for example, an image in which multiple pixels 112 of the light receiving element 110 correspond to multiple display elements of the liquid crystal display and display the relative intensity of the wavelength band acquired for each pixel 112-j, or a spectral histogram with wavelength on the horizontal axis and the integrated value of the light intensity of that wavelength acquired by all pixels 112 on the vertical axis, and is not limited to a specific format. Furthermore, the azimuth information may be, for example, an image in which multiple pixels 112 of the light receiving element 110 correspond to multiple display elements of the liquid crystal display and display the relative intensity of the polarized light azimuth acquired for each pixel 112-j, converted into an arbitrary gradation value, or an azimuth histogram with azimuth angle on the horizontal axis and the integrated value of the light intensity of that azimuth acquired by all pixels 112 on the vertical axis, and is not limited to a specific format.

<設計例及び撮像装置のキャリブレーションについて>
例えば、フィルタ10の複数の分光偏光セル21の大きさ及び形状を、ボロノイ(Voronoi)分割の考え方に基づき、次に示す(1)式及び(2)式を用いて設定することができる。
<Design examples and imaging device calibration>
For example, the size and shape of the plurality of spectral polarization cells 21 of the filter 10 can be set using the following equations (1) and (2) based on the concept of Voronoi division.

(1)式及び(2)式において、SはN個の母点の集合を表し、δはユークリッド距離関数を表す。Sは、パターン領域(即ち、複数の分光偏光セル21が形成する領域)でN個のランダムな点を選ぶことによって決まる。ボロノイ分割によるランダムパターンは、ランダムなピッチ及び角度を伴う格子パターンでのボロノイセルを満たすことによって作成される。Nは、画素数の1/10から10倍程度の間で,画素数と同程度に設定することが好ましい。 In equations (1) and (2), S represents a set of N generating points, and δ represents the Euclidean distance function. S is determined by selecting N random points in the pattern area (i.e., the area formed by multiple spectropolarization cells 21). A random pattern created by Voronoi tessellation is created by filling Voronoi cells in a lattice pattern with random pitches and angles. N is preferably set to be between 1/10 and 10 times the number of pixels, and is approximately the same as the number of pixels.

前述のようにフィルタ10において各々の分光偏光セル21の大きさ及び形状はランダムに決められており、複数の画素112のうち少なくとも1つの画素112が分光偏光セル21の出射される光を受光可能な範囲には2つ以上の分光偏光セル21が含まれている。但し、ある程度の数の画素112が分光偏光セル21から出射される光を受光可能な範囲に極めて多数の分光偏光セル21が含まれると、実質的に複数の画素112間で、取得される光の波長帯域及び偏光の方位の違いが殆どなくなる。そのため、画素112が分光偏光セル21の出射される光を受光可能な範囲には、例えば画素数の1/10から10倍程度の間で、画素数と同程度の分光偏光セル21が含まれていることが好ましい。 As mentioned above, the size and shape of each spectral polarizing cell 21 in the filter 10 are determined randomly, and two or more spectral polarizing cells 21 are included in the range in which at least one of the multiple pixels 112 can receive light emitted from the spectral polarizing cell 21. However, if an extremely large number of spectral polarizing cells 21 are included in the range in which a certain number of pixels 112 can receive light emitted from the spectral polarizing cell 21, there will be virtually no difference in the wavelength band and polarization direction of the light acquired between the multiple pixels 112. Therefore, it is preferable that the range in which pixels 112 can receive light emitted from the spectral polarizing cell 21 includes spectral polarizing cells 21 that are approximately the same as the number of pixels, for example, between 1/10 and 10 times the number of pixels.

また、上述説明したように、撮像システム150を用いて撮像装置100のキャリブレーションを行う際には、キャリブレーション方法は以下の通りとなる。フィルタに入射するストークスパラメータsをs=[sと設定する。わかりやすく説明するために、複数の画素112のうち1つの画素112-j(jは1以上n以下の自然数)に、ある波長のキャリブレーション光LCが照射されていることを想定する。ストークスパラメータと偏光強度I=[I0°45°90°との関係は、次に示す(3)式及び(4)式で表される。 Furthermore, as described above, when calibrating the imaging device 100 using the imaging system 150, the calibration method is as follows. The Stokes parameter s S incident on the filter is set as s S = [s 0 s 1 s 2 ] T. For ease of explanation, it is assumed that calibration light LC of a certain wavelength is irradiated onto one pixel 112-j (j is a natural number greater than or equal to 1 and less than or equal to n) of the multiple pixels 112. The relationship between the Stokes parameter and the polarization intensity I I = [I I 45° I 90° ] T is expressed by the following equations (3) and (4).

本実施形態の撮像装置100及び撮像システム150では、少なくとも1つの画素112-jに複数の分光偏光セル21が対応しているので、受光素子110のある特定の画素112における観測信号値は、次に示す(5)式で表される。 In the imaging device 100 and imaging system 150 of this embodiment, multiple spectral polarization cells 21 correspond to at least one pixel 112-j, so the observed signal value at a specific pixel 112 of the light receiving element 110 is expressed by the following equation (5).

上述の(5)式では、受光素子110のある画素112にM個のボロノイ領域(即ち、透過する光の波長帯域及び偏光の方位が異なる領域)が重なって混入していると想定している。また、(5)式において、wは各ボロノイ領域の混合比を表し、q及びrは、各ボロノイ領域におけるTE偏光の分光透過特性及びTM偏光の分光透過特性を表し、θは各ボロノイ領域における格子角度、即ち方位φ(i)を表す。(5)式を整理すると、次に示す(6)式-(9)式が得られる。 Equation (5) above assumes that M Voronoi regions (i.e., regions with different wavelength bands and polarization directions of transmitted light) overlap and are mixed in a pixel 112 of the light receiving element 110. Furthermore, in equation (5), w represents the mixture ratio of each Voronoi region, q and r represent the spectral transmittance characteristics of TE-polarized light and TM-polarized light in each Voronoi region, and θ represents the lattice angle, i.e., the orientation φ(i), in each Voronoi region. Rearranging equation (5), the following equations (6) to (9) are obtained.

本実施形態のフィルタ10が受光素子110の特定の位置に接着されている場合、(7)式-(9)式から前述の特定の画素112についての正確なk、k、2(θ´+ψ)を算出することは難しい。しかしながら、直線偏光を出射する光源と共にフィルター付きの撮像装置を用いることによって、(6)式のk、k、2(θ´+ψ)は容易に決められる。角度αの直線偏光で規格化されたストークスパラメータsをs=[1 cos2α sin2α]とすると、上述の(6)式は次に示す(10)式で表される。 When the filter 10 of this embodiment is adhered to a specific position on the light receiving element 110, it is difficult to calculate accurate k 1 , k 2 , 2(θ' + ψ) for the specific pixel 112 from equations (7) to (9). However, by using an imaging device with a filter together with a light source that emits linearly polarized light, k 1 , k 2 , 2(θ' + ψ) in equation (6) can be easily determined. If the Stokes parameter s S normalized for linearly polarized light at an angle α is s S = [1 cos2α sin2α] T , then the above equation (6) can be expressed as the following equation (10):

観測信号値gαは周期π及び位相2(θ´+ψ)の余弦波であるから、サンプリング理論によれば、0からπまでの間の角度αで観測信号値gαを3点以上測定すれば、位相2(θ´+ψ)を決めることができる。つまり、上述の(7)式-(9)式について、ある特定の画素に対応する全てのボロノイ領域(即ち、分光偏光セル21)のTE偏光の分光透過特性、TM偏光の分光透過特性、及び格子角度を求めなければ値を求めることができないように思われる。しかしながら、撮像装置100に既知の方位の直線偏光を照射することによって、(10)式の条件下とし、キャリブレーション光LCの偏光の方位を0からπの間で少なくとも3つの角度で変えて、画素112毎の分光特性を測定すれば、位相2(θ´+ψ)を求めることができる。 Because the observed signal value g α is a cosine wave with a period π and a phase 2(θ'+ψ), sampling theory dictates that the phase 2(θ'+ψ) can be determined by measuring the observed signal value g α at three or more points at an angle α between 0 and π. In other words, it would appear that the values of the above equations (7)-(9) cannot be determined unless the spectral transmittance characteristics of TE polarized light, the spectral transmittance characteristics of TM polarized light, and the lattice angle of all Voronoi regions (i.e., the spectroscopic polarization cells 21) corresponding to a particular pixel are determined. However, by irradiating the imaging device 100 with linearly polarized light of a known orientation, under the condition of equation (10), and measuring the spectral characteristics for each pixel 112 while changing the polarization orientation of the calibration light LC by at least three angles between 0 and π, the phase 2(θ'+ψ) can be determined.

上述のように位相2(θ´+ψ)が求められた時点で、角度αの直線偏光を入射したときの観測信号値gαqと角度αの偏光の方位を有するキャリブレーション光LCを入射したときの観測信号値gαrが次に示す(11)式及び(12)式によってわかる。 Once the phase 2(θ'+ψ) has been determined as described above, the observed signal value gαq when linearly polarized light is incident at an angle αq and the observed signal value gαr when calibration light LC having a polarization direction of angle αr is incident can be determined by the following equations (11) and (12).

上述の(6)式に(11)式及び(12)式を代入すると、次に示す(13)式が得られる。 Substituting equations (11) and (12) into equation (6) above, we obtain equation (13) below.

上述の(13)式からもわかるように、本実施形態のフィルタ10では、複数のセルに規則的に区画された従来のフィルタを撮像カメラに搭載したときと同様の透過特性が得られる。即ち、gαq、gαr、αは、3種類の偏光の方位のキャリブレーション光LC毎に分光特性を測定することによって判明する。 As can be seen from the above formula (13), the filter 10 of this embodiment has the same transmission characteristics as when a conventional filter regularly divided into multiple cells is mounted on an imaging camera. That is, g αq , g αr , and αq are determined by measuring the spectral characteristics of the calibration light LC for each of the three types of polarization orientations.

以上説明した本実施形態のフィルタ10は、波長帯域WB(i)と偏光の方位φ(i)とがそれぞれ割り当てられた分光偏光セル21-i(iは1からmまでの自然数)を複数備え、複数の分光偏光セル21-iの大きさ及び形状が不均一である。本実施形態のフィルタ10によれば、例えば撮像カメラに搭載する際に、受光素子の複数の画素112-j(jは1からnまでの自然数)と複数の分光偏光セル21-iとの位置合わせが不要になる。 The filter 10 of this embodiment described above includes multiple spectral polarization cells 21-i (i is a natural number from 1 to m), each assigned a wavelength band WB(i) and a polarization direction φ(i), and the multiple spectral polarization cells 21-i are non-uniform in size and shape. When installing the filter 10 of this embodiment in an imaging camera, for example, it is not necessary to align the multiple pixels 112-j (j is a natural number from 1 to n) of the light receiving element with the multiple spectral polarization cells 21-i.

本実施形態のフィルタ10では、分光偏光セル21-iは、割り当てられた波長帯域WB(i)に対応した格子ピッチと、割り当てられた偏光の方位φ(i)に対応した格子方向と、を有するフォトニック結晶で構成されている。本実施形態のフィルタ10によれば、上述のような不均一でランダムパターンを有するフィルタ10を容易に製造できる。また、微小な領域や画素112に対応する領域毎に材料やプロセスを変えることなく、フィルタ10を製造できる。 In the filter 10 of this embodiment, the spectral polarization cell 21-i is composed of a photonic crystal having a grating pitch corresponding to the assigned wavelength band WB(i) and a grating direction corresponding to the assigned polarization direction φ(i). The filter 10 of this embodiment makes it easy to manufacture a filter 10 having the non-uniform, random pattern described above. Furthermore, the filter 10 can be manufactured without changing materials or processes for each minute region or region corresponding to a pixel 112.

本実施形態の撮像装置100は、上述のフィルタ10と、フィルタ10に対向して配置され、フィルタ10から出射される光を受光する複数の画素112-jを備える受光素子110と、を備える。画素112-jの大きさ及び形状と、当該画素に対向して配置されている分光偏光セル21の大きさ及び形状とが、不均一に対応している。 The imaging device 100 of this embodiment includes the above-described filter 10 and a light receiving element 110 that is disposed opposite the filter 10 and includes a plurality of pixels 112-j that receive light emitted from the filter 10. The size and shape of the pixels 112-j do not uniformly correspond to the size and shape of the spectral polarization cells 21 disposed opposite the pixels.

本実施形態の撮像装置100によれば、上述のフィルタ10を備え、画素112-jの大きさ及び形状と画素112-jに対向して配置されている分光偏光セル21の大きさ及び形状とが不均一に対応しているため、フィルタ10を受光素子110に対して設置する際に受光素子の複数の画素112と複数の分光偏光セル21との位置合わせが不要になる。したがって、ワンショットで偏光画像情報及び波長画像情報を取得可能な撮像装置であって、フィルタ10の複数の分光偏光セルと受光素子の複数の画素との位置合わせを必要としない撮像装置100を提供できる。本実施形態の撮像装置100では、例えば画素112-jが分光偏光セル21から出射される光を受光可能な範囲に、分光偏光セル21同士の境界部分が含まれてもよく、上述の効果が得られる。 The imaging device 100 of this embodiment includes the filter 10 described above. Because the size and shape of the pixel 112-j and the size and shape of the spectral polarization cell 21 arranged opposite the pixel 112-j correspond non-uniformly, aligning the multiple pixels 112 of the light receiving element with the multiple spectral polarization cells 21 is not necessary when placing the filter 10 on the light receiving element 110. This makes it possible to provide an imaging device 100 that can acquire polarization image information and wavelength image information in a single shot, and does not require aligning the multiple spectral polarization cells of the filter 10 with the multiple pixels of the light receiving element. In the imaging device 100 of this embodiment, for example, the range in which pixel 112-j can receive light emitted from the spectral polarization cell 21 may include the boundary between the spectral polarization cells 21, thereby achieving the above-described effect.

本実施形態の撮像システム150は、上述の撮像装置100と、分光偏光セル21-i毎にそれぞれ割り当てられた波長帯域φ(i)を少なくとも含む光であるキャリブレーション光LCをフィルタ10に照射することにより、画素112-jによって取得される光の波長帯域WR(j)と、画素112-jによって取得される偏光の方位Φ(i)と、画素112-jによって取得される光の強度I(j)との対応関係が画素112毎に記憶されたキャリブレーション情報に基づいて、測定対象の光DCが入射した場合に、画素112によって取得される光の波長帯域を示すスペクトル情報を画素112毎に算出すると共に、画素112によって取得される偏光の方位を示す方位情報を画素112毎に算出する演算装置160と、演算装置160で算出されたスペクトル情報と方位情報とを出力する出力装置170と、を備える。本実施形態の撮像システム150によれば、フィルタ10を搭載した撮像装置100を用いてワンショットで様々なスペクトル情報及び方位情報を得ることができる。 The imaging system 150 of this embodiment includes the imaging device 100 described above, and a calculation device 160 that calculates, when light DC to be measured is incident, spectral information indicating the wavelength band of light acquired by the pixel 112 and orientation information indicating the orientation of the polarization acquired by the pixel 112, based on calibration information stored for each pixel 112 that describes a correspondence between the wavelength band WR C (j) of light acquired by the pixel 112-j, the orientation Φ C (i) of polarization acquired by the pixel 112-j, and the intensity I C (j) of light acquired by the pixel 112-j, by irradiating the filter 10 with calibration light LC that includes at least the wavelength band φ(i) assigned to each spectropolarization cell 21-i. The calculation device 160 calculates, for each pixel 112, spectral information indicating the wavelength band of light acquired by the pixel 112 and orientation information indicating the orientation of the polarization acquired by the pixel 112, based on calibration information stored for each pixel 112, and an output device 170 that outputs the spectral information and orientation information calculated by the calculation device 160. According to the imaging system 150 of this embodiment, various spectral information and orientation information can be obtained in one shot using the imaging device 100 equipped with the filter 10.

以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、上述の実施形態に限定されない。本発明は、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更可能である。 The above describes in detail preferred embodiments of the present invention, but the present invention is not limited to the above-described embodiments. Various modifications and variations of the present invention are possible within the scope of the gist of the present invention as set forth in the claims.

例えば、本発明に係るフィルタでは、本実施形態のフィルタ10と同様の作用効果が得られれば、複数の分光偏光セル21-iの大きさ及び形状の少なくとも一方が不均一であってもよい。また、本発明に係る撮像装置においても、本実施形態の撮像装置100と同様の作用効果が得られれば、画素112の大きさ及び形状の少なくとも一方と、当該画素に対向して配置されている分光偏光セル21の大きさ及び形状の少なくとも一方とが、不均一に対応していてもよい。 For example, in the filter according to the present invention, as long as the same functional effects as those of the filter 10 of this embodiment are obtained, at least one of the sizes and shapes of the multiple spectral polarizing cells 21-i may be non-uniform. Also, in the imaging device according to the present invention, as long as the same functional effects as those of the imaging device 100 of this embodiment are obtained, at least one of the sizes and shapes of the pixels 112 and at least one of the sizes and shapes of the spectral polarizing cells 21 arranged opposite those pixels may be non-uniform.

次いで、本発明の実施例について説明する。なお、本発明は、以下の実施例に限定されない。 Next, examples of the present invention will be described. Note that the present invention is not limited to the following examples.

<実施例1>
上述の実施形態で例示したフィルタ10として、ランダム構造を有するフォトニック結晶を試作し、破綻なく成膜できていることを確認した。次に、試作したフィルタをモノクロカメラ(型番;ARTCAM150P5、ARTRAY社製)の受光部の手前側に、紫外線硬化樹脂を用いて接着し、カラーチャートの撮影を行った。試作において、フィルタの複数の分光偏光セルとモノクロカメラの受光素子の複数の画素との位置合わせは行わなかった。
Example 1
A photonic crystal having a random structure was prototyped as the filter 10 exemplified in the above-described embodiment, and it was confirmed that the film could be formed without failure. Next, the prototype filter was attached to the front side of the light receiving section of a monochrome camera (model number: ARTCAM150P5, manufactured by ARTRAY) using ultraviolet curing resin, and a color chart was photographed. During the prototype, the multiple spectral polarization cells of the filter were not aligned with the multiple pixels of the light receiving element of the monochrome camera.

図12に、カラーチャートの撮影後に、分光偏光画像(スペクトル情報、方位情報)を復元し、RGB成分のみを抽出して色再現をしたときの16色のスペクトル(スペクトル情報)の結果を示す。図12の各スペクトルにおいて、破線は元のカラーチャートのスペクトルを表し、実線は色再現したスペクトルを表している。図12に示すように、試作したフィルタを装着したモノクロカメラによって可視光の分光情報を復元できることを確認した。 Figure 12 shows the resulting 16-color spectrum (spectral information) when the spectropolarimetric image (spectral information, azimuth information) was restored after capturing a color chart, and only the RGB components were extracted for color reproduction. In each spectrum in Figure 12, the dashed line represents the spectrum of the original color chart, and the solid line represents the reproduced color spectrum. As shown in Figure 12, we confirmed that the spectral information of visible light can be restored using a monochrome camera equipped with the prototype filter.

<実施例2>
市販の携帯機器の液晶画面を、実施例1と同じ試作フィルタ及びモノクロカメラで撮影した。図13に、偏光の0°の方位と90°の方位とによって復元した偏光画像(方位情報)を示す。方位0°の偏光画像に対し、方位90°の偏光画像が全体的に暗いことから、液晶画面の表面に偏光板が搭載されていること、及び画面から出射している光が0°の方位に偏光していることを確認した。
Example 2
The LCD screen of a commercially available mobile device was photographed using the same prototype filter and monochrome camera as in Example 1. Fig. 13 shows polarized images (orientation information) restored using polarization orientations of 0° and 90°. Compared to the polarized image with an orientation of 0°, the polarized image with an orientation of 90° was darker overall, confirming that a polarizing plate was installed on the surface of the LCD screen and that the light emitted from the screen was polarized in the orientation of 0°.

以上の実施例1、2から、本発明を適用したフィルタ、撮像装置及び撮像システムによれば、フィルタの複数の分光偏光セルと受光素子の複数の画素との位置合わせを行うことなく、ワンショットでスペクトル情報及び方位情報を良好に得ることができることを確認した。 From Examples 1 and 2 above, it was confirmed that the filter, imaging device, and imaging system to which the present invention is applied can obtain excellent spectral information and azimuth information in one shot without aligning the filter's multiple spectral polarization cells with the light-receiving element's multiple pixels.

なお、上述の実施形態は、ワンショットで偏光画像情報及び波長画像情報を取得可能な撮像装置として、分光透過特性及び偏光透過特性の基準方位とがそれぞれ割り当てられた分光偏光セルを複数備えたフィルタを用いた場合について説明したが、本発明の原理は上述の実施形態だけに適用されるものではなく、例えば以下のような実施形態にも適用可能である。 The above-described embodiment describes an imaging device capable of acquiring polarization image information and wavelength image information in a single shot, using a filter equipped with multiple spectral polarization cells, each assigned a reference orientation for spectral transmission characteristics and polarization transmission characteristics. However, the principles of the present invention are not limited to the above-described embodiment, and can also be applied to the following embodiments, for example:

例えば、非特許文献1に記載されているような、ワンショットで偏光画像情報を取得可能な撮像装置として、偏光透過特性の基準方位が割り当てられた偏光セルを複数備えたフィルタを用いた場合にも適用可能である。この場合は、上述の実施例における分光偏光セルを偏光セルに置き換えることで、同様の効果を奏する。 For example, this can be applied to an imaging device capable of acquiring polarization image information in a single shot, such as that described in Non-Patent Document 1, which uses a filter equipped with multiple polarization cells to which reference orientations for polarization transmission characteristics are assigned. In this case, the same effect can be achieved by replacing the spectral polarization cell in the above-mentioned embodiment with a polarization cell.

例えば、非特許文献2に記載されているような、ワンショットで画素毎に分光情報を取得可能な撮像装置として、分光透過特性が割り当てられた分光セルを複数備えたフィルタを用いた場合にも適用可能である。この場合は、上述の実施例における分光偏光セルを分光セルに置き換えることで、同様の効果を奏する。 For example, this can be applied to an imaging device capable of acquiring spectral information for each pixel in a single shot, as described in Non-Patent Document 2, which uses a filter equipped with multiple spectral cells with assigned spectral transmission characteristics. In this case, the same effect can be achieved by replacing the spectral polarization cell in the above-mentioned embodiment with a spectral cell.

例えば、特許文献1に記載されているような、ワンショットで偏光画像情報及び波長画像情報を取得可能な撮像装置として、分光透過特性が割り当てられた分光セルを複数備えたフィルタと偏光透過特性の基準方位が割り当てられた偏光セルを複数備えたフィルタを用いた場合にも適用可能である。この場合は、上述の実施例における分光偏光セルを分光セルと偏光セルに置き換えることで、同様の効果を奏する。なお、この場合は、対向して配置される分光セルと偏光セルについても、それぞれの大きさ及び形状の少なくとも一方とが不均一に対応させることにより、分光セルと偏光セルの位置合わせも不要になるという効果も奏する。 For example, as described in Patent Document 1, this invention can also be applied to an imaging device capable of acquiring polarization image information and wavelength image information in a single shot, which uses a filter equipped with multiple spectroscopic cells to which spectral transmission characteristics are assigned, and multiple polarizing cells to which reference orientations for the polarization transmission characteristics are assigned. In this case, the same effect can be achieved by replacing the spectroscopic polarizing cells in the above-described embodiment with spectroscopic cells and polarizing cells. Note that in this case, by making the size and/or shape of the spectroscopic cells and polarizing cells arranged opposite each other non-uniformly corresponding to each other, it is also possible to achieve the effect of eliminating the need to align the spectroscopic cells and polarizing cells.

10…フィルタ
100…撮像装置
150…撮像システム
10... Filter 100... Image capture device 150... Image capture system

Claims (4)

偏光透過特性の基準方位と分光透過特性が割り当てられた分光偏光セルを複数備え、前記複数の分光偏光セルの大きさ及び形状の少なくとも一方が不均一であるフィルタと、
前記フィルタに対向して配置され、前記フィルタから出射される光を受光する複数の画素を備える受光部と、
を備え、
各々の前記画素に対向して配置され、且つ、各々の前記画素が受光する光が出射される前記分光偏光セルの大きさ及び形状の少なくとも一方が前記複数の画素間で不均一である、
撮像装置。
a filter including a plurality of spectral polarization cells to which reference orientations of polarization transmission characteristics and spectral transmission characteristics are assigned, wherein at least one of the sizes and shapes of the plurality of spectral polarization cells is non-uniform ;
a light receiving section disposed opposite the filter and including a plurality of pixels for receiving light emitted from the filter;
Equipped with
the spectral polarization cells are arranged opposite to the pixels , and at least one of the size and the shape of the spectral polarization cells from which the light received by the pixels is emitted is non-uniform among the pixels;
Imaging device.
前記分光偏光セルは、割り当てられた前記分光透過特性に対応する格子ピッチと、割り当てられた前記偏光透過特性の基準方位に対応する格子方向と、を有するフォトニック結晶で構成されている、
請求項1に記載の撮像装置
the spectral polarization cell is configured with a photonic crystal having a grating pitch corresponding to the assigned spectral transmission characteristics and a grating direction corresponding to a reference orientation of the assigned polarization transmission characteristics.
The imaging device according to claim 1 .
前記画素が前記分光偏光セルから出射される光を受光可能な範囲に、前記分光偏光セル同士の境界部分が含まれる、
請求項1又は2に記載の撮像装置。
a boundary portion between the spectral polarization cells is included in the range in which the pixel can receive the light emitted from the spectral polarization cell;
3. The imaging device according to claim 1 .
請求項1からの何れか一項に記載の撮像装置と、
前記分光偏光セル毎にそれぞれ割り当てられた前記分光透過特性に対応する波長帯域を少なくとも含む光であるキャリブレーション光を前記フィルタに照射することにより、前記画素によって取得される光の波長帯域と、前記画素によって取得される偏光の方位と、前記画素によって取得される光の強度との対応関係が前記画素毎に記憶されたキャリブレーション情報に基づいて、測定対象の光が入射した場合に、前記画素によって取得される光の波長帯域を示すスペクトル情報を前記画素毎に算出すると共に、前記画素によって取得される偏光の方位を示す方位情報を前記画素毎に算出する演算装置と、
前記演算装置で算出された前記スペクトル情報と前記方位情報とを出力する出力装置と、
を備える、撮像システム。
The imaging device according to claim 1 ,
a calculation device that calculates, for each pixel, spectral information indicating the wavelength band of light acquired by the pixel when light to be measured is incident, and calculates, for each pixel, orientation information indicating the orientation of polarization acquired by the pixel, by irradiating the filter with calibration light that includes at least a wavelength band corresponding to the spectral transmittance characteristics assigned to each of the spectral polarization cells, based on calibration information that stores, for each pixel, a correspondence relationship between the wavelength band of light acquired by the pixel, the orientation of polarization acquired by the pixel, and the intensity of light acquired by the pixel; and
an output device that outputs the spectrum information and the direction information calculated by the arithmetic device;
An imaging system comprising:
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