JP2023007699A - Imaging element, imaging device, and imaging system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、撮像素子、撮像装置、および、撮像システムに関する。 The present invention relates to an imaging device, an imaging device, and an imaging system.
非特許文献1には、「The whole setup consists of a bandpass filter for 450 nm wavelength (design wavelength of the retarder array), nano-optical retarder and polarizer array as well as microlens array and crosstalk module (see figure 1). …Each array (polarizer, retarder, microlens + crosstalk) is fabricated on a 0.5 mm thin substrate and are aligned to and placed directly on top of a CMOS sensor with 2560*1920 pixels …」(1 Introduction)(全体のセットアップは、マイクロレンズアレイおよびクロストークモジュールだけでなく、450nm波長(リターダーアレイの設計波長)用のバンドパスフィルタ、ナノ光学リターダーおよび偏光子アレイからも構成される(図1を参照)…各アレイ(偏光子、リターダー、マイクロレンズ+クロストーク)は厚さ0.5mmの基板20上に形成され、2560×1920画素のCMOSセンサの頂面上に位置合わせされて直接載置される…)と記載されている。また、非特許文献2には、「The polarimeter, acting as a polarization camera, utilizes a low dispersion microretarder array on top of a sensor with Bayer filters and wire-grid linear polarizers.」(Abstruct)(偏光計は、偏光カメラとして機能し、ベイヤーフィルタおよびワイヤグリッド直線偏光子を備えるセンサの頂面上において、低分散マイクロリターダーアレイを利用する。)と記載され、「Ideally, when aligning the microretarder array to the Sony color polarization sensor, every pixel should be precisely aligned on top of each designated retarder.」(5. DISCUSSION AND CONCLUSION)(理想的には、マイクロリターダーアレイをソニー社製のカラー偏光子センサに位置合わせするときに、各画素は、設計された各リターダーの頂面上で精確に位置合わせされるべきである。)とも記載されている。
[先行技術文献]
[非特許文献]
[非特許文献1] C. Stock et al., EPJ Web of Conferences 238, 06018 (2020).(https://doi.org/10.1051/epjconf/202023806018)
[非特許文献2] X. Tu et al., Appl. Opt. 59, G33 (2020).(https://doi.org/10.1364/AO.391027)
[Prior art documents]
[Non-Patent Literature]
[Non-Patent Document 1] C. Stock et al., EPJ Web of Conferences 238, 06018 (2020). (https://doi.org/10.1051/epjconf/202023806018)
[Non-Patent Document 2] X. Tu et al., Appl. Opt. 59, G33 (2020). (https://doi.org/10.1364/AO.391027)
本発明の第1の態様においては、撮像素子を提供する。撮像素子は、複屈折性を有するウェッジを備えてもよい。撮像素子は、ウェッジを透過した光が入射する、透過軸の方向が互いに異なる複数の偏光子の組を、光の入射方向に交差する面内に複数配列した偏光子アレイを備えてもよい。撮像素子は、偏光子アレイを透過した光が入射する複数の受光素子を、偏光子アレイの複数の偏光子に対応するように配列した受光素子アレイを備えてもよい。 A first aspect of the present invention provides an imaging device. The imaging device may comprise a wedge having birefringence. The imaging device may include a polarizer array in which a plurality of sets of polarizers having different transmission axis directions, on which light transmitted through the wedge is incident, are arranged in a plane intersecting the light incident direction. The imaging element may include a light receiving element array in which a plurality of light receiving elements to which light transmitted through the polarizer array is incident are arranged so as to correspond to the plurality of polarizers of the polarizer array.
ウェッジは、偏光子アレイにおける、透過軸の方向が互いに同じ複数の偏光子のうち、一部の偏光子に入射する光に対して互いに同じ位相差を生じさせ、残りの偏光子に入射する光に対して互いに異なる位相差を生じさせてもよい。 Among a plurality of polarizers having the same transmission axis direction in the polarizer array, the wedge causes the light incident on some of the polarizers to have the same phase difference, and the light incident on the remaining polarizers. may be caused to have different phase differences with respect to each other.
ウェッジは、一方向に延びるウェッジ軸に沿って直線的に変化する厚みを有し、ウェッジを透過する光に対して厚みに対応する位相差を生じさせてもよい。 The wedge may have a thickness that varies linearly along a unidirectionally extending wedge axis to produce a phase difference corresponding to the thickness for light transmitted through the wedge.
ウェッジは、ウェッジ軸に沿う断面が楔形であり、断面における最小厚みが1mm以下であり、断面における傾斜角が5度以下であってもよい。 The wedge may have a wedge-shaped cross-section along the wedge axis, a minimum thickness of 1 mm or less in the cross-section, and an inclination angle of 5 degrees or less in the cross-section.
ウェッジは、ウェッジ軸が、偏光子アレイにおける複数の偏光子の配列方向に対して45度を成すように配置されてもよい。 The wedge may be arranged such that the wedge axis forms 45 degrees with respect to the arrangement direction of the polarizers in the polarizer array.
ウェッジは、カルサイトで構成されてもよい。 The wedges may be composed of calcite.
本発明の第2の態様においては、撮像装置を提供する。撮像装置は、上記の何れかの撮像素子を備えてもよい。撮像装置は、結像レンズユニットを備えてもよい。結像レンズユニット、ウェッジ、偏光子アレイ、受光素子アレイの順に光が入射するように構成され、または、ウェッジ、結像レンズユニット、偏光子アレイ、受光素子アレイの順に光が入射するように構成されてもよい。 In a second aspect of the invention, an imaging device is provided. An imaging device may include any of the imaging elements described above. The imaging device may comprise an imaging lens unit. Light is incident in the order of the imaging lens unit, wedge, polarizer array, and light receiving element array, or configured so that light is incident in the order of the wedge, imaging lens unit, polarizer array, and light receiving element array. may be
撮像装置は、受光素子アレイに入射する光を単色化するバンドパスフィルタを更に備えてもよい。 The imaging device may further include a bandpass filter that monochromates light incident on the light receiving element array.
本発明の第3の態様においては、撮像システムを提供する。撮像システムは、上記の何れかの撮像装置を備えてもよい。撮像システムは、撮像装置で取得された、透過軸の方向ごとの偏光情報に基づいて、リニアストークスパラメータを演算する演算装置を備えてもよい。 In a third aspect of the invention, an imaging system is provided. An imaging system may include any of the imaging devices described above. The imaging system may include a computing device that computes linear Stokes parameters based on the polarization information for each transmission axis direction acquired by the imaging device.
演算装置は、3行3列のマトリクス状に配列された9つの偏光子から成る単位領域内に含まれる、0度、45度、90度および135度の4方位分の偏光子を透過した光から取得される直線偏光情報に基づいて、フルストークスパラメータを演算してもよい。 Light transmitted through polarizers in four directions of 0 degrees, 45 degrees, 90 degrees and 135 degrees included in a unit area composed of nine polarizers arranged in a matrix of 3 rows and 3 columns. Full Stokes parameters may be calculated based on the linear polarization information obtained from .
演算装置は、9つの偏光子の編成が互いに異なる2種類の単位領域からの直線偏光情報を解析してもよい。 The computing device may analyze the linear polarization information from two types of unit areas in which the arrangement of the nine polarizers is different from each other.
演算装置は、フルストークスパラメータが既知の光を使ってキャリブレーションを行うことにより、複数の偏光子の配列位置と、ウェッジを透過する光に生じる位相差との関係性を示す関数を特定してもよい。演算装置は、関数を用いて、フルストークスパラメータを演算してもよい。 By performing calibration using light with known full-stokes parameters, the arithmetic unit specifies a function that indicates the relationship between the array positions of the multiple polarizers and the phase difference that occurs in the light that passes through the wedge. good too. The computing device may compute the Full Stokes parameters using the function.
なお、上記の発明の概要は、本発明の特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。 It should be noted that the above summary of the invention does not list all the features of the invention. Subcombinations of these feature groups can also be inventions.
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。 Hereinafter, the present invention will be described through embodiments of the invention, but the following embodiments do not limit the invention according to the claims. Also, not all combinations of features described in the embodiments are essential for the solution of the invention.
図1は、一実施形態による、撮像システム10の模式図である。撮像システム10は、被写体がもつ偏光情報を取得可能な偏光カメラである撮像装置15と、撮像装置15から偏光情報を含む画像信号を受信してモニタに画像を表示可能なパソコン70とを備える。
FIG. 1 is a schematic diagram of an
撮像装置15は、結像レンズユニット20と、カメラボディ30とを備える。撮像装置15は、一例として、28mm×28mm×50mm程度の手のひらサイズで製造可能である。また、撮像装置15は、パソコン70と無線で通信可能であり、被写体を撮像して取得した偏光情報を含む画像信号をパソコン70に送信する。なお、代替的に又は追加的に、撮像装置15はパソコン70と有線で通信可能であってもよい。
The
結像レンズユニット20は、その鏡筒内に光学系を備え、当該光学系により光軸22が規定されている。結像レンズユニット20は、カメラボディ30に着脱可能に取付けられている。結像レンズユニット20は、カメラボディ30内に収容されて、使用時に図のように外方へ進出するものであってもよい。
The
結像レンズユニット20は、入射する被写体光束をカメラボディ30内へ導く。なお、図1に示す結像レンズユニット20は、単に説明を明確にするために、2枚のレンズと絞りとを含んでいるが、何ら当該構成に限定するものではない。
The
カメラボディ30は、バンドパスフィルタ35、撮像ユニット40、基板ユニット50、および、フレキシブル基板90を有する。フレキシブル基板90は、撮像ユニット40と基板ユニット50とを接続する。
結像レンズユニット20に入射する被写体光束は、結像レンズユニット20によって、バンドパスフィルタ35を経由して撮像ユニット40に導かれる。バンドパスフィルタ35は、バンドパスフィルタ35に入射する光を単色化する。好ましくは、バンドパスフィルタ35は、ウェッジ111での位相の波長分散が画像信号に影響しない程度に狭い波長帯を透過する。
The subject light flux incident on the
撮像ユニット40は、撮像素子100と、実装基板120と、フレーム140とを有する。撮像素子100は、ウェッジ111と、偏光子アレイ113と、受光素子アレイ115とを備える。本実施形態による撮像素子100は更に、マイクロレンズアレイ117を備える。
The
ウェッジ111は、複屈折性を有する。本実施形態では、ウェッジ111は、一例としてカルサイト、すなわち方解石で構成される。なお、ウェッジ111は、カルサイトに代えて、水晶などの複屈折材料で構成されてもよい。
ウェッジ111には、バンドパスフィルタ35によって単色化された光が入射する。ウェッジ111を透過した光は、偏光子アレイ113に入射する。本実施形態では、ウェッジ111を透過した光は、マイクロレンズアレイ117を経由して、偏光子アレイ113に入射する。なお、本実施形態におけるウェッジ111は、撮像装置15内部で受光素子アレイ115等を保護するカバーガラスとしても機能する。
The
マイクロレンズアレイ117は、オンチップレンズとも称され得、一例として、複数のマイクロレンズを1枚のガラス基板上に配列したものであり、複数のマイクロレンズのそれぞれに光が入射する。
The
偏光子アレイ113は、透過軸の方向が互いに異なる複数の偏光子の組を、光の入射方向に交差する面内に複数配列したものである。偏光子アレイ113は、フォトニック結晶型であってもよく、ワイヤグリッド型であってもよい。本実施形態では、偏光子アレイ113の各偏光子に、マイクロレンズアレイ117の各マイクロレンズによって収束された光が入射する。偏光子アレイ113を透過した光は、受光素子アレイ115に入射する。
The
受光素子アレイ115は、複数の受光素子を偏光子アレイ113の複数の偏光子に対応するように配列したものである。本実施形態では、受光素子アレイ115の各受光素子に、偏光子アレイ113の各偏光子を透過した光が入射する。受光素子アレイ115の各受光素子は、例えばCMOSイメージセンサやCCDイメージセンサであり、主たる平面の形状が長方形である。
The light
受光素子アレイ115の各受光素子は、被写体を撮像し、被写体がもつ偏光情報を含む画像信号を生成する。上述の通り、受光素子アレイ115の各受光素子に入射する光は、バンドパスフィルタ35によって、設計した波長を中心とする狭い帯域に制限されている。なお、撮像装置15は、一例として、偏光子アレイ113の仕様に基づき、可視光~近赤外光、すなわち400~900nmの波長範囲に対応可能であってもよく、この場合、バンドパスフィルタ35として、例えば500±2nmの波長や600±2nmの波長などに制限する仕様のものを用いてもよい。
Each light-receiving element of the light-receiving
実装基板120は、撮像素子100における、マイクロレンズアレイ117、偏光子アレイ113、受光素子アレイ115がこの順に積層されて実装される。より具体的には、実装基板120の表面には、これらの積層体のうち、受光素子アレイ115の光出射面側が固定される。また、実装基板120の裏面には、一例として、コネクタ80が実装される。
On the mounting
実装基板120に実装されたコネクタ80には、フレキシブル基板90が接続される。コネクタ80は、フレキシブル基板90を介して基板ユニット50に画像信号を伝送してもよく、また、フレキシブル基板90を介して基板ユニット50から電流を供給されてもよい。
A
フレーム140には、撮像素子100および実装基板120が接着固定されている。フレーム140は、カメラボディ30の筐体に対して、例えばビス止めによって固定されており、よって、撮像素子100等をカメラボディ30内部で固定している。
The
フレーム140は、開口を有し、開口は、フレーム140において、例えばxy面内の中央部分に形成される。開口内には、実装基板120上に実装されている上述の積層体が位置し、開口における実装基板120の反対側は、ウェッジ111によって封止される。
The
ここで、本実施形態において、光軸22に沿う方向をz軸方向と定める。すなわち、受光素子アレイ115の撮像面へ被写体光束が入射する方向をz軸方向と定める。具体的には、被写体光束が入射する方向をz軸マイナス方向と定め、その反対方向をz軸プラス方向と定める。また、図1の紙面に向かって奥行き方向をx軸方向と定め、図1の紙面に向かって上下方向をy軸方向と定める。x軸、y軸、z軸は右手系の直交座標系である。なお、説明の都合上、z軸プラス方向を前方、前側等と呼ぶ場合がある。また、z軸マイナス方向を後方、後側、等と呼ぶ場合がある。また、z軸マイナス方向の側を背面側等と呼ぶ場合がある。
Here, in this embodiment, the direction along the
基板ユニット50は、撮像ユニット40のz軸マイナス方向の位置に配置される。基板ユニット50は、基板55と、基板55上に実装されたMPU51および電源53を含む。なお、基板55上には、追加的に又は代替的に、他の電子回路が実装されてもよい。
The
MPU51は、撮像装置15の全体の制御を担う。MPU51は、受光素子アレイ115から出力された画像信号を、実装基板120、コネクタ80およびフレキシブル基板90を介して受信する。MPU51は、通信機能を有し、受光素子アレイ115からの画像信号をパソコン70に送信する。なお、MPU51は、RAMなどのメモリを有してもよく、受光素子アレイ115からの画像信号をメモリに記憶させてもよい。
The
電源53は、撮像装置15に取付けられた電池と、電池に蓄積された電力を撮像装置15の各部に供給する電源回路とを含む。電源53は、例えば、フレキシブル基板90、コネクタ80および実装基板120を介して、受光素子アレイ115に電流を供給する。
The
パソコン70は、プロセッサを有する。パソコン70は、撮像装置15から上述の画像信号を受信し、画像信号に含まれる偏光情報を解析して、表示用の画像データを生成する。
The
より具体的には、パソコン70は、撮像装置15で取得された、透過軸の方向ごとの偏光情報に基づいて、リニアストークスパラメータを演算する。パソコン70は、画像信号およびリニアストークスパラメータに基づいて、画像データを生成する。パソコン70は、生成した画像データをモニタに表示させてもよい。
More specifically, the
なお、パソコン70は、上述した演算等を行う演算装置の一例である。なお、演算装置は、撮像装置15と一体的であってもよく、すなわち撮像装置15が上述した演算を行ってもよい。この場合、撮像装置15が、MPU51に代えて又は加えて、FPGA(Field Programmable Gate Array)を含んでもよく、FPGA等は演算装置の上述の機能等を有してもよい。また、この場合に、撮像装置15は、生成した画像データを表示する液晶ディスプレイなどを備えてもよい。
It should be noted that the
図2は、一実施形態による、撮像素子100の模式図である。図2では、説明を明確にするため、撮像装置15の光軸22に沿って、撮像素子100の構成要素間に間隔を置いて示す。
FIG. 2 is a schematic diagram of an
また、図2において、ウェッジ111の一方向に延びるウェッジ軸Wを白抜きの矢印で示し、ウェッジ111の結晶軸Tを白抜きの矢印で示す。以降の図においても同様とし、重複する説明を省略する。
In FIG. 2, the wedge axis W extending in one direction of the
また、図2において、ウェッジ111のウェッジ軸Wと偏光子アレイ113等の配列方向との関係性を示すべく、偏光子アレイ113等を仮想的に光軸22に沿って並進移動させてウェッジ111の光出射面上に重ねた状態を破線のアレイAで示す。
In FIG. 2, in order to show the relationship between the wedge axis W of the
また、図2において、偏光子アレイ113上には、各偏光子における透過軸を白抜きの矢印で示す。上述の通り、偏光子アレイ113は、透過軸の方向が互いに異なる複数の偏光子の組を、光の入射方向に交差する面内に複数配列したものである。より具体的には、図2に示す通り、偏光子アレイ113は、2行2列の単位マトリクス内で、z軸プラス側から見て、右下、右上、左上および左下の順に、0度、45度、90度および135度の4方位分の偏光子が配列されている。偏光子アレイ113は、当該4方位分の偏光子の組が、xy平面内で繰り返されるように配列されている。
Further, in FIG. 2, the transmission axis of each polarizer is indicated by an outline arrow on the
なお、図2には、偏光子アレイ113、受光素子アレイ115およびマイクロレンズアレイ117のそれぞれについて、単に説明を明確にする目的で、4行4列のマトリクス状に配列されたアレイを図示しているが、他の配列数であってもよい。偏光子アレイ113およびマイクロレンズアレイ117のそれぞれの配列数は、例えば、受光素子アレイ115の配列数と同じであってもよい。換言すると、偏光子アレイ113の偏光子、受光素子アレイ115の受光素子、および、マイクロレンズアレイ117のマイクロレンズは、同数配列されていてもよく、互いにz軸方向に重なるように配置されてもよい。それぞれの以降の説明においても同様であり、重複する説明を省略する。
2, the
図2に示すように、本実施形態による撮像装置15では、ウェッジ111、偏光子アレイ113、受光素子アレイ115の順に光が入射するように構成される。より具体的には、図1に示したように、本実施形態による撮像装置15では、結像レンズユニット20、ウェッジ111、マイクロレンズアレイ117、偏光子アレイ113、受光素子アレイ115の順に光が入射するように構成される。このように、ウェッジ111を受光素子アレイ115の近傍に配置することで、受光素子アレイ115で撮像される被写体光のシフト量を低減することができる。
As shown in FIG. 2, the
これに代えて、ウェッジ111、結像レンズユニット20、偏光子アレイ113、受光素子アレイ115の順に光が入射するように構成されてもよい。この場合、図1に示すウェッジ111の位置に、撮像素子100における受光素子アレイ115等を保護するカバーガラスを追加的に配置してもよい。例えば、市販の偏光カメラの結像レンズユニットの外表面にウェッジ111を所定の角度で取り付けてもよい。
Alternatively, the light may be incident on the
なお、バンドパスフィルタ35は、受光素子アレイ115の光入射側の光軸22上に配置されている限り、後述する波長依存のフルストークスパラメータの演算が成り立ち得るため、図1に示した位置以外に配置されてもよい。ただし、撮像装置15におけるクロストーク低減のために、偏光子アレイ113と受光素子アレイ115は隣接していることが好ましい。よって、バンドパスフィルタ35は、受光素子アレイ115および偏光子アレイ113の両方の光入射側の光軸22上に配置されていることが好ましい。この場合、結像レンズユニット20、ウェッジ111、バンドパスフィルタ35は、光軸22上で順不同に配置されてもよい。例えば、市販の偏光カメラのイメージングレンズの外表面にウェッジ111およびバンドパスフィルタ35の組を所定の角度で取り付けてもよい。
As long as the
図3は、一実施形態による、ウェッジ111の模式的側面図である。図3には、上述したウェッジ軸Wを白抜き矢印で示す他、ウェッジ111の最小厚みL0を矢印で示し、また、ウェッジ111の傾斜面における傾斜角αを破線状の直線と共に示す。
FIG. 3 is a schematic side view of
本実施形態において、ウェッジ111は、ウェッジ軸Wに沿って直線的に変化する厚みを有する。すなわち、ウェッジ111の光入射面と光出射面は、互いに非平行な平面である。このような形状と複屈折性とを有するウェッジ111は、ウェッジ111を透過する光に対して、ウェッジ111の厚みに対応する位相差を生じさせる。
In this embodiment, the
より具体的には、図3に示すように、ウェッジ111は、ウェッジ軸Wに沿う断面が楔形である。また、一例として、ウェッジ111は、断面における最小厚みL0が1mm以下であり、断面における傾斜角αが5度以下である。ウェッジ111は、ウェッジ111を透過する光に対して、ウェッジ111の厚みに比例する位相差を生じさせる。当該位相差は、ウェッジ軸W上の座標w[nm]の関数δ(w)として、以下の式1で定義してもよい。式1において、Δnはウェッジ111の材料で決まる複屈折である。また、式1において、λ[nm]は光の波長であり、受光素子アレイ115に入射する光に生じる位相差δ(w)に関しては、バンドパスフィルタ35によって単色化される光の波長となる。
なお、上記の式1においては、最小厚みL0の単位を[nm]とする。なお、上記の式1において、ウェッジ111の厚みL(w)は、有限の面積を有する受光素子の中心に対応するウェッジ111の厚みと仮定してもよい。なお、ウェッジ111の厚みL(w)は、ウェッジ軸Wに沿って部分的に又は全体的に、直線的、曲線的または段階的に変化してもよく、これらが組み合わされた変化態様であってもよい。
In the
図4は、一実施形態による、フルストークスパラメータを演算する方法を説明するための図である。図4において、3行3列のマトリクス状に配列された9つの偏光子から成る単位領域の一例を、太線の枠(I)で示す。また、当該単位領域(I)上には、ウェッジ軸Wに直交する3本の破線状の直線A、B、Cを示す。 FIG. 4 is a diagram illustrating a method of computing full Stokes parameters, according to one embodiment. In FIG. 4, an example of a unit area composed of nine polarizers arranged in a matrix of 3 rows and 3 columns is indicated by a thick frame (I). Also, three dashed straight lines A, B, and C orthogonal to the wedge axis W are shown on the unit area (I).
図4および図2に示す通り、偏光子アレイ113への光の入射方向に交差する面、すなわち光軸22に直交するxy平面をz軸プラス方向から見た場合に、ウェッジ111は、ウェッジ軸Wが、偏光子アレイ113における複数の偏光子の配列方向に対して45度を成すように配置される。このように配置され、且つ、ウェッジ軸Wに沿って直線的に変化する厚みを有するウェッジ111は、偏光子アレイ113における、透過軸の方向が互いに同じ複数の偏光子のうち、一部の偏光子に入射する光に対して互いに同じ位相差を生じさせ、残りの偏光子に入射する光に対して互いに異なる位相差を生じさせる。
As shown in FIGS. 4 and 2, when the plane intersecting the direction of incidence of light on the
換言すると、ウェッジ軸Wに直交する方向、すなわち図4の紙面に向かって斜め45度方向に延在する直線上に並ぶ、透過軸の方向が互いに同じ偏光子に入射する光には、互いに同じ位相差が生じる。これは、ウェッジ111の厚みが当該直線上で一様であるためである。一方で、ウェッジ軸Wに沿う方向に延在する直線上に並ぶ、透過軸の方向が互いに同じ偏光子に入射する光には、ウェッジ111の厚みの違いに起因して、互いに異なる位相差が生じる。
In other words, the light beams incident on the polarizers having the same transmission axis directions, which are arranged on a straight line extending in a direction perpendicular to the wedge axis W, that is, in a direction oblique to the plane of FIG. A phase difference occurs. This is because the thickness of the
例えば、破線A上に位置する、135度の方位を有する2つの偏光子に入射する光には、互いに同じ位相差が生じる。一方で、破線A上に位置する135度の方位を有する偏光子に入射する光、および、破線B上に位置する135度の方位を有する偏光子に入射する光には、互いに異なる位相差が生じる。 For example, light incident on two polarizers having an azimuth of 135 degrees located on the dashed line A have the same phase difference. On the other hand, the light incident on the polarizer with an azimuth of 135 degrees located on the dashed line A and the light incident on the polarizer with an azimuth of 135 degrees located on the dashed line B have different phase differences. occur.
ここで、任意の光の偏光状態を記述するフルストークスパラメータS0からS3の定義として、以下の式2が知られている。式2において、I0、I45、I90およびI135はそれぞれ、0度、45度、90度および135度の4方位の直線偏光の光強度であり、IRCPおよびILCPはそれぞれ、右回り円偏光の光強度および左回り円偏光の光強度である。式2に示される通り、S0からS2のリニアストークスパラメータは、直線偏光の光強度で演算できるが、S3を含むフルストークスパラメータを演算するためには、右回り円偏光および左回り円偏光の光強度も必要とされる。
また、各偏光の光強度には、以下の式3の拘束条件が存在する。そのため、0度、45度、90度および135度の4方位分の偏光子から成る単位領域からの直線偏光情報に基づいてリニアストークスパラメータを演算する場合には、独立変数が3となり、冗長性が存在することとなる。
これに対して、本実施形態による撮像システム10によれば、上述した構成のウェッジ111を含む撮像素子100を用いることにより、右回り円偏光および左回り円偏光の光強度を直接的に測定する必要性を無くし、また、上述の冗長性を解消することができる。
On the other hand, according to the
具体的には、本実施形態によるパソコン70は、3行3列のマトリクス状に配列された9つの偏光子から成る単位領域内に含まれる、0度、45度、90度および135度の4方位分の偏光子を透過した光から取得される直線偏光情報に基づいて、フルストークスパラメータを演算する。
Specifically, the
例えば、図4に示す単位領域(I)について、破線C上に位置する0度および90度の各方位の偏光子を透過した直線偏光について測定される光強度をそれぞれ、Iの上付きC且つ下付き0と、Iの上付きC且つ下付き90とで定義する。この場合、S0およびS1は以下の式4で定義される。
更に、図4に示す単位領域(I)について、破線A上に位置する45度および135度の各方位の偏光子を透過した直線偏光について測定される光強度をそれぞれ、Iの上付きA且つ下付き45と、Iの上付きA且つ下付き135とで定義する。また、破線B上に位置する45度および135度の各方位の偏光子を透過した直線偏光について測定される光強度をそれぞれ、Iの上付きB且つ下付き45と、Iの上付きB且つ下付き135とで定義する。この場合、破線A上の偏光子を透過する光に関するS2および破線B上の偏光子を透過する光に関するS2はそれぞれ、S2およびS3と、上記で定義した光強度とを用いて以下の式5で定義される。以下の式5において、δAおよびδBはそれぞれ、上記の式1によって算出される、破線A上の偏光子に対応する受光素子に入射する光に生じる位相差および破線B上の偏光子に対応する受光素子に入射する光に生じる位相差である。
上記の式5および式6から、以下の式7が導出され、S2およびS3を直線偏光の光強度と位相差のみで定義できる。ただし、式7の右辺の分母に示される通り、δB-δA≠0が成立するようにウェッジ111の厚みを設計する必要がある。
以上の通り、本実施形態によるパソコン70は、上記の式1、4および7を用いて、3行3列のマトリクス状に配列された9つの偏光子から成る単位領域内に含まれる、0度、45度、90度および135度の4方位分の偏光子を透過した光から取得される直線偏光情報に基づいて、フルストークスパラメータを演算することができる。なお、上記の式7は、ウェッジ軸Wに沿って厚みが変化するウェッジ111を用いることで、式7の右辺の分母が0にならないため、常に成立する。
As described above, the
なお、本実施形態では、図4および図2に示す通り、z軸プラス方向からxy平面を見た場合に、ウェッジ111の結晶軸が、偏光子アレイ113における複数の偏光子の配列方向、すなわちx軸方向およびy軸方向のうち、y軸方向と一致する。ウェッジ111の結晶軸は、上述のように被写体光のフルストークスパラメータを演算するために、偏光子アレイ113における複数の偏光子の配列方向と一致する、または、当該配列方向に対して45度を成すように構成される。ウェッジ111の結晶軸が当該配列方向に対して45度を成す場合には、上記のフルストークスパラメータの演算式において、0度および90度の方位の光強度と、45度および135度の方位の光強度とを差し替えればよい。
In this embodiment, as shown in FIGS. 4 and 2, when the xy plane is viewed from the z-axis plus direction, the crystal axis of the
なお、ウェッジ111の形状について、図1~図3に示した形状は一例に過ぎず、偏光子アレイ113における、透過軸の方向が互いに同じ複数の偏光子のうち、一部の偏光子に入射する光に対して互いに同じ位相差を生じさせ、残りの偏光子に入射する光に対して互いに異なる位相差を生じさせる機能を奏する限りにおいて、他の形状であってもよい。また、ウェッジ111の光入射面は、光軸22に対して垂直であることが好ましい。
The shape of the
図5は、一実施形態による、空間分解能を高める方法を説明するための図である。図5において、図4に示した、0度の方位の偏光子を中心とする単位領域(I)の他に、90度の方位の偏光子を中心とする単位領域(II)を示す。 FIG. 5 is a diagram illustrating a method for increasing spatial resolution, according to one embodiment. FIG. 5 shows a unit region (II) centered on a polarizer oriented at 90 degrees in addition to the unit region (I) centered on the polarizer oriented at 0 degrees shown in FIG.
具体的には、本実施形態によるパソコン70は、図5の2つの単位領域(I)および(II)のように、9つの偏光子の編成が互いに異なる2種類の単位領域からの直線偏光情報を解析してもよい。換言すると、パソコン70は、図4を用いて説明したフルストークスパラメータの演算を、2種類の単位領域からの直線偏光情報について行ってもよい。これにより、パソコン70は、2行2列の単位領域を偏光解析の最小単位とする場合と同等の空間分解能を有することができる。
Specifically, the
図6は、一実施形態による、複数の偏光子の配列位置と、ウェッジ111を透過する光に生じる位相差との関係性を示す関数を特定する方法を説明するための図である。図6には、図1から図5を用いて説明した撮像装置15の他に、ストークスパラメータの空間分布を作成するための装置構成の一例として、レーザダイオード201と、NDフィルタ203と、直線偏光子205と、液晶デポライザ207と、四分の一波長板209とを示す。図6に示す通り、レーザダイオード201等は、この順に、撮像装置15の光軸22上に配置されている。また、本実施形態においては、コリメートされた光、例えばレーザ光を照明源として用いるため、撮像装置15は、結像レンズユニット20を取り外して使用することとする。
FIG. 6 is a diagram for explaining a method of specifying a function that indicates the relationship between the arrangement positions of multiple polarizers and the phase difference that occurs in the light that passes through the
本実施形態において、レーザダイオード201は、単色且つ直線偏光のレーザ光を出力する。NDフィルタ203は、レーザ光の強度を調整する。直線偏光子205は、レーザ光の偏光度を、例えば消光比10:1程度から消光比1000:1程度に高める。液晶デポライザ207は、AoLP(直線偏光角度)を空間的に変調する。四分の一波長板209は、入射光のDoLP(直線偏光度)を部分的に異ならせ、空間分布が一様ではない光、すなわち直線偏光や円偏光などが混合した光にする。
In this embodiment, the
本実施形態において、パソコン70は、例えば図6に示す装置構成を用いることで、フルストークスパラメータが既知の光を使ってキャリブレーションを行うことにより、偏光子アレイ113の複数の偏光子の配列位置と、ウェッジ111を透過する光に生じる位相差との関係性を示す関数、すなわち上記の式1を特定してもよい。パソコン70は、特定した関数を用いて、上述したフルストークスパラメータを演算してもよい。
In this embodiment, the
以上で説明した通り、本実施形態による撮像素子100によれば、複屈折性を有するウェッジ111と、ウェッジ111を透過した光が入射する、透過軸の方向が互いに異なる複数の偏光子の組を、光の入射方向に交差する面内に複数配列した偏光子アレイ113と、偏光子アレイ113を透過した光が入射する複数の受光素子を、偏光子アレイ113の複数の偏光子に対応するように配列した受光素子アレイ115とを備える。当該構成を備える本実施形態の撮像素子100によれば、偏光子アレイ113の受光面の側に、偏光子アレイ113に対して所定の角度でウェッジ111を配置することにより、フルストークスパラメータの演算に必要とされる直線偏光情報を取得することができる。
As described above, according to the
また、本実施形態の撮像素子100によれば、このように、偏光子アレイ113に対してウェッジ111の相対角度を調整することで上記の直線偏光情報を取得することができるため、例えば、偏光子アレイと、偏光子アレイの各偏光子に対応する複数のリターダーを配列させたリターダーアレイとを位置合わせする場合における困難性を回避することができる。また、本実施形態による撮像素子100によれば、このような偏光子アレイおよびリターダーアレイの組み合わせにおける両特性のキャリブレーションを不要とすることができる。このようなリターダーアレイは、ナノオーダーの精度で作る必要があり、製作コストが高くつく。よって、本実施形態による撮像素子100によれば、当該組み合わせを用いた撮像素子に比べて、コストを低減することができる。また、本実施形態による撮像素子100によれば、このようなリターダーアレイを用いることに起因してクロストークが生じること、すなわち消光比が低下することを回避できる。
Further, according to the
以上で説明した実施形態における撮像システム10について、数値シミュレーションを行った。具体的には、撮像システム10にフルストークスパラメータが既知の光の入力を与え、計測によってフルストークスパラメータを復元できるかを検証した。ここでは、CMOSセンサの有する固定パターンノイズ(Fixed pattern noise)を考慮し、CMOSセンサには最大信号量が入射することを仮定した。その結果として、撮像システム10によれば、入力したフルストークスパラメータと遜色ない計測が可能であることが判明した。すなわち、実測値は数値シミュレーション結果に対して非常に良い一致を示した。なお、撮像システム10では、受光素子アレイ115のキャラクタリゼーションを行うことで、フルストークスパラメータの再現精度をより一層高められると見込まれている。
A numerical simulation was performed for the
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。 Although the present invention has been described above using the embodiments, the technical scope of the present invention is not limited to the scope described in the above embodiments. It is obvious to those skilled in the art that various modifications and improvements can be made to the above embodiments. It is clear from the description of the scope of claims that forms with such modifications or improvements can also be included in the technical scope of the present invention.
例えば、空間分解能を犠牲にして光量を稼ぎたいときは、1つの方位の偏光子に対して複数の受光素子が配置されていてもよい。例えば、ビニングに相当する処理によって偏光情報を抜き出してもよい。ただし、市販のRGBのカラーカメラと同様に、1つの偏光子に対応する複数の受光素子に対して、空間的に一様な光が入射することが好ましい。 For example, when it is desired to increase the amount of light at the expense of spatial resolution, a plurality of light-receiving elements may be arranged with respect to the polarizer in one direction. For example, polarization information may be extracted by a process equivalent to binning. However, as with commercially available RGB color cameras, it is preferable that spatially uniform light is incident on a plurality of light receiving elements corresponding to one polarizer.
特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。 The execution order of each process such as actions, procedures, steps, and stages in the devices, systems, programs, and methods shown in the claims, the specification, and the drawings is particularly "before", "before etc., and it should be noted that they can be implemented in any order unless the output of the previous process is used in the subsequent process. Regarding the operation flow in the claims, the specification, and the drawings, even if the description is made using "first," "next," etc. for the sake of convenience, it means that it is essential to carry out in this order. not a thing
10 撮像システム
15 撮像装置
20 結像レンズユニット
22 光軸
30 カメラボディ
35 バンドパスフィルタ
40 撮像ユニット
50 基板ユニット
51 MPU
53 電源
55 基板
70 パソコン
80 コネクタ
90 フレキシブル基板
100 撮像素子
111 ウェッジ
113 偏光子アレイ
115 受光素子アレイ
117 マイクロレンズアレイ
120 実装基板
140 フレーム
201 レーザダイオード
203 NDフィルタ
205 直線偏光子
207 液晶デポライザ
209 四分の一波長板
10
53
Claims (12)
前記ウェッジを透過した光が入射する、透過軸の方向が互いに異なる複数の偏光子の組を、光の入射方向に交差する面内に複数配列した偏光子アレイと、
前記偏光子アレイを透過した光が入射する複数の受光素子を、前記偏光子アレイの複数の偏光子に対応するように配列した受光素子アレイと
を備える撮像素子。 a wedge having birefringence;
a polarizer array in which a plurality of sets of polarizers having mutually different transmission axis directions, on which the light transmitted through the wedge is incident, are arranged in a plane intersecting the light incident direction;
An imaging device comprising a light receiving element array in which a plurality of light receiving elements to which light transmitted through the polarizer array is incident are arranged so as to correspond to the plurality of polarizers of the polarizer array.
請求項1に記載の撮像素子。 The wedge causes the light incident on some polarizers of the plurality of polarizers having the same transmission axis direction in the polarizer array to have the same phase difference as each other, and is incident on the remaining polarizers. causing different phase differences for the light to be emitted,
The imaging device according to claim 1 .
請求項2に記載の撮像素子。 The wedge has a thickness that varies linearly along a wedge axis extending in one direction, and produces a phase difference corresponding to the thickness for light transmitted through the wedge.
The imaging device according to claim 2 .
請求項3に記載の撮像素子。 The wedge has a wedge-shaped cross section along the wedge axis, a minimum thickness of 1 mm or less in the cross section, and an inclination angle of 5 degrees or less in the cross section.
The imaging device according to claim 3.
請求項3または4に記載の撮像素子。 The wedge is arranged such that the wedge axis forms an angle of 45 degrees with respect to the arrangement direction of the plurality of polarizers in the polarizer array.
The imaging device according to claim 3 or 4.
請求項1から5の何れか一項に記載の撮像素子。 wherein the wedge is composed of calcite;
The imaging device according to any one of claims 1 to 5.
結像レンズユニットと
を備え、
前記結像レンズユニット、前記ウェッジ、前記偏光子アレイ、前記受光素子アレイの順に光が入射するように構成され、または、前記ウェッジ、前記結像レンズユニット、前記偏光子アレイ、前記受光素子アレイの順に光が入射するように構成される、
撮像装置。 An imaging device according to any one of claims 1 to 6;
comprising an imaging lens unit and
Light is incident on the imaging lens unit, the wedge, the polarizer array, and the light receiving element array in this order, or the wedge, the imaging lens unit, the polarizer array, and the light receiving element array configured for sequential incidence of light,
Imaging device.
請求項7に記載の撮像装置。 Further comprising a bandpass filter for monochromatic light incident on the light receiving element array,
The imaging device according to claim 7.
前記撮像装置で取得された、前記透過軸の方向ごとの偏光情報に基づいて、リニアストークスパラメータを演算する演算装置と
を備える撮像システム。 An imaging device according to claim 7 or 8;
and an arithmetic device that calculates a linear Stokes parameter based on the polarization information for each direction of the transmission axis acquired by the imaging device.
請求項9に記載の撮像システム。 The arithmetic device transmitted through polarizers for four orientations of 0 degrees, 45 degrees, 90 degrees and 135 degrees contained in a unit area composed of nine polarizers arranged in a matrix of 3 rows and 3 columns. computing the full-stokes parameters based on the linear polarization information obtained from the light;
An imaging system according to claim 9 .
請求項10に記載の撮像システム。 The arithmetic device analyzes the linearly polarized light information from two types of the unit areas in which the nine polarizers are arranged differently.
11. The imaging system of claim 10.
フルストークスパラメータが既知の光を使ってキャリブレーションを行うことにより、前記複数の偏光子の配列位置と、前記ウェッジを透過する光に生じる位相差との関係性を示す関数を特定し、
前記関数を用いて、前記フルストークスパラメータを演算する、
請求項9から11の何れか一項に記載の撮像システム。 The computing device is
By performing calibration using light with a known Full Stokes parameter, identifying a function that indicates the relationship between the arrangement positions of the plurality of polarizers and the phase difference that occurs in the light that is transmitted through the wedge,
using the function to compute the Full Stokes parameter;
12. Imaging system according to any one of claims 9-11.
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---|---|---|---|---|
US12135277B1 (en) * | 2023-07-04 | 2024-11-05 | Hefei Institutes of Physical Science, CAS | Cooperative polarization skylight background radiation measurement device and method |
-
2021
- 2021-07-02 JP JP2021110704A patent/JP2023007699A/en active Pending
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