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JP5866577B2 - 光学フィルタおよびそれを用いた偏光撮像装置 - Google Patents

光学フィルタおよびそれを用いた偏光撮像装置 Download PDF

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Description

本開示は、カラー画像と偏光画像の両方を同時に取得する光学フィルタおよびそれを用いた偏光撮像装置に関する。
近年、カラー画像と偏光画像とを同時に取得する撮像素子（偏光撮像装置）が、検査用内視鏡、立体撮像カメラ、および車載用カメラなどの分野で求められるようになっている。カラーの画像情報に加えて偏光情報を取得すれば、反射光からハレーションを除去することができる。また、偏光情報があれば被写体の表面法線方向を推定することができるため、被写体の表面凹凸やキズの検出、路面の水濡れや障害物の検出をすることも可能になる。さらに、偏光撮像装置を偏光照明と組み合わせて使用することにより、被写体が半透明の粘膜である場合に粘膜表層構造の情報を取得することが可能になる。これらを実現するために偏光子を搭載した撮像素子が必要になる。偏光子としては広い可視光域で偏光動作をするワイヤグリッド偏光子を使うことが有効である。
特許文献１、特許文献２は、カラー画像と偏光画像とを同時に取得するため、従来のカラー固体撮像素子の上層または下層に方向の異なるワイヤグリッド偏光子を組み合わせたモザイクアレイを形成することを開示している。
特開２０１０−２６３１５８号公報 特開２０１２−８００６５号公報 特表２００９−５４５１５０号公報 米国特許出願公開第２０１２／０３２７２４８号明細書 特開２０１３−７４４００号公報 米国特許第６６６５１１９号明細書 国際公開第２００８／０７８２６４号 特許第５３４１２８５号公報
Yeo-Taek Yoon and sang-Shin Lee," Transmission type color filterincorporating a silver film based etalon",1 March 2010 / Vol. 18, No. 5/ OPTICS EXPRESS、PP5344−５３４９ Laurent Frey, Pascale Parrein,Jacques Raby, Catherine Pelle, Didier Herault, Michel Marty, and Jean Michailos，" Color filters including infrared cut-off integrated on CMOS image sensor", 4 July 2011 / Vol. 19, No. 14 / OPTICS EXPRESS,PP13073−13089
従来の偏光撮像装置では、各々が画素サイズを有する多数のワイヤグリッド偏光子のモザイク配列を形成する必要がある。すなわち、画素ごとに金属ワイヤの方向が異なるワイヤグリッド偏光子をパターン化して２次元的に配列する必要がある。１個の画素が例えば２μｍ×２μｍの矩形領域である場合、個々の画素を覆うワイヤグリッド偏光子のワイヤ長さは２μｍ程度である。ワイヤ長さがこのような短さのとき、金属ワイヤのピッチ（ライン・スペース）を１００ｎｍ以下に微細化してもワイヤグリッド偏光子としての消光比は１０：１以下に低下する。このことは、たとえば特許文献２に記載されている。
通常、基礎的な偏光撮像の実験に用いる光学素子としての偏光板はサイズが大きい。そのため、偏光撮像装置が実験に使用される場合、上記のような課題は発生せず、ワイヤグリッド偏光子の消光比は３０００：１程度に達する。このようにワイヤグリッド偏光子では、ワイヤ長さが短くなると性能が劣化してしまうため、基礎実験では実現できていたことが、実用的な偏光撮像装置を用いると不可能になってしまう。
前述したように、ハレーション除去は偏光撮像の応用の典型例である。ハレーション除去には少なくとも１００：１以上の消光比が必要である。発明者らの実験により、消光比が１０：１程度ではハレーションを十分に除去することはないことが判明している。すなわち、従来のワイヤグリッド偏光子モザイクを搭載した偏光撮像装置では、実際にはハレーション除去ができない。
本発明による光学フィルタは、
１枚の第１の金属層、１枚の第２の金属層、および誘電体層を含む積層構造を具備するファブリペロー共振器、および
板状の１枚のワイヤグリッド偏光子を具備し、
前記第２の金属層は、前記第１の金属層に平行であり、
前記誘電体層は、前記第１の金属層および前記第２の金属層の間に挟まれており、
前記板状の１枚のワイヤグリッド偏光子は、前記誘電体層の内部に埋め込まれており、
前記板状の１枚のワイヤグリッド偏光子は、３本以上の金属ワイヤ層を具備し、
前記金属ワイヤ層は、互いに平行であり、
前記板状の１枚のワイヤグリッド偏光子は、前記第１の金属層と平行である。
本発明による偏光撮像素子は、
撮像面を有する光電変換素子と、
前記撮像面に対向するように配置された第１光学フィルタとを具備し、
前記第１光学フィルタは、上記光学フィルタである。
本発明による偏光撮像装置は、
複数の偏光撮像素子を具備し、
前記各複数の偏光撮像素子は、上記の偏光撮像素子である。
本発明の趣旨は、上記の偏光撮像装置、および前記偏光撮像装置に組み合わせられたマイクロレンズアレイを備える立体偏光撮像装置を含む。
本開示の実施形態によれば、平行な２つの金属層とその間の誘電体がファブリペロー型干渉カラーフィルタを形成する。２つの金属層の間で光が多重反射し、金属層間隔に依存する共鳴波長を有する光のみが透過する現象を利用することにより、カラーフィルタの機能が実現する。本開示の実施形態では、２つの金属層間にワイヤグリッド偏光子を設けているため、その消光比が低い場合であっても、２つの金属層間を光が多重に反射するとき、光がワイヤグリッド偏光子を何度も透過するため、結果的にワイヤグリッド偏光子の実効的な消光比が増大する。
本開示における偏光撮像装置の構成例を模式的に示す斜視図である。 （ａ）は、本開示の実施形態１の光学フィルタ２００における２次元的なカ ラーモザイク配列の基本周期単位の例を示す平面図であり、（ｂ）は、（ａ）の基本 周期単位の領域内に含まれるワイヤグリッド偏光子の２次元的な配列構成を示す平面図である。 本実施形態の偏光撮像装置の図２（ｂ）における切断面Ｐ−Ｐ’を矢印の向きに見た実施形態１の断面図である。 本実施形態の偏光撮像装置の図２（ｂ）における切断面Ｑ−Ｑ’を矢印の向きに見た実施形態１の断面図である。 （ａ）は実施形態１の偏光撮像装置の光学フィルタにＰ偏光が入射した際の光の透過と反射状態を示す断面図であり、（ｂ）は光学フィルタを透過するＰ偏光の光の波長分布を示す図である。 （ａ）は実施形態１の偏光撮像装置の光学フィルタにＳ偏光が入射した際の光の透過と反射状態を示す断面図であり、（ｂ）は光学フィルタを透過するＳ偏光の光の波長分布を示す図である。 （ａ）は、実施形態２における偏光撮像装置の図２（ｂ）における切断面Ｐ−Ｐ’を矢印向きに見た断面図であり、（ｂ）は、切断面Ｑ−Ｑ’を矢印向きに見た断面図である。 （ａ）は、実施形態２の変形例１における偏光撮像装置の図２（ｂ）におけ る切断面Ｐ−Ｐ’を矢印向きに見た断面図であり、（ｂ）は、切断面Ｑ−Ｑ’を矢印向きに見た断面図である。 （ａ）および（ｂ）は、実施形態３における偏光撮像装置の光学フィルタのカラーモザイク配列とワイヤグリッド偏光子のモザイク配列との関係を示す平面図であり、（ｃ）は、（ｂ）におけるＰ−Ｐ’線断面図である。 （ａ）および（ｂ）、ならびに（ｃ）および（ｄ）は、それぞれ、実施形態４における光学フィルタのカラーモザイク配列とワイヤグリッド偏光子のモザイク配列との関係を示す平面図である。 （ａ）および（ｂ）は、実施形態５における光学フィルタのカラーモザイク配列とワイヤグリッド偏光子のモザイク配列との関係の一例を示す平面図である。 （ａ）および（ｂ）は、実施形態５における光学フィルタのカラーモザイク配列とワイヤグリッド偏光子のモザイク配列との関係の他の例を示す平面図である。 （ａ）および（ｂ）は、実施形態５における光学フィルタのカラーモザイク配列とワイヤグリッド偏光子のモザイク配列との関係の更に他の例を示す平面図である。 （ａ）は、実施形態６の光学フィルタにおけるワイヤグリッド偏光子のモザイク配列の例を示す平面図であり、（ｂ）は、（ａ）のＰ−Ｐ’線断面である。 （ａ）〜（ｄ）は、実施形態２の偏光撮像装置の製造方法の例の一部を示す工程断面図である。 （ａ）〜（ｃ）は、実施形態２の偏光撮像装置の製造方法の例の一部を示す工程断面図である。 （ａ）〜（ｄ）は、実施形態２の偏光撮像装置の製造方法の例の一部を示す工程断面図である。 （ａ）および（ｂ）は、本開示の偏光撮像装置と対物レンズ、マイクロレンズアレイを組みあわせた第１の応用例を示す図である。 （ａ）〜（ｃ）は、本開示の偏光撮像装置と対物レンズ、マイクロレンズアレイを組みあわせた第２の応用例を示す図である。 本開示の第２の応用例における画像処理を示す図である。 （ａ）および（ｂ）は、本開示の偏光撮像装置と対物レンズ、マイクロレンズアレイを組みあわせた第２の応用例を示す図である。 本開示の第２の応用例における画像処理を示す図である。 本発明の第７の実施形態に関する光学フィルタを示す図である。 本発明の第７の実施形態に関する光学フィルタの別の構成を示す図である。 本発明の第７の実施形態に関する光学フィルタの応用例を示す図である。 本発明におけるＲＣＷＡ（厳密結合波解析）法によるシミュレーションにおいて設定された構造の断面図である。 ＲＣＷＡ（厳密結合波解析）法によるシミュレーションにおいて、Ｌ＝１２２ｎｍ、Ｈ＝１２０ｎｍ、Ｄ＝０ｎｍとして場合に得られたグラフである。 ＲＣＷＡ（厳密結合波解析）法によるシミュレーションにおいて、Ｌ＝９２ｎｍ、Ｈ＝９０ｎｍ、Ｄ＝０ｎｍとして場合に得られたグラフである。 ＲＣＷＡ（厳密結合波解析）法によるシミュレーションにおいて、Ｌ＝６７ｎｍ、Ｈ＝５９ｎｍ、Ｄ＝０ｎｍとして場合に得られたグラフである。
以下、図面を参照しながら本開示の実施形態を説明する。
（実施形態１）
図１は、本開示の第１の実施形態における偏光撮像装置の構成例を模式的示す斜視図である。図示されている偏光撮像装置は、撮像面１０を規定する光電変換素子アレイ１００と、撮像面１０に対向するように配置された第１偏光撮像素子１０１〜第４偏光撮像素子１０４を備えている。
本実施形態における光電変換素子アレイ１００は、複数の光電変換素子２０が行および列状に配列された構成を有している。光電変換素子２０の典型例は半導体基板中に形成されたフォトダイオードである。個々の光電変換素子２０は、受光量に応じた電気信号を生成する。通常、１個の光電変換素子２０が１個の画素に割り当てられる。簡単のため、図１では、３×３＝９個の光電変換素子２０が記載されているが、実際には、より多くの光電変換素子２０が配列されている。各光電変換素子２０を区別する場合、第１光電変換素子２０ａ、第２光電変換素子２０ｂ、第３光電変換素子２０ｃ、第４光電変換素子２０ｄ・・・と言う。第１偏光撮像素子１０１〜第４偏光撮像素子１０４は、それぞれ、第１光電変換素子２０ａ〜第４光電変換素子２０ｄに対応する。
図３Ａに示されるように、第２偏光撮像素子１０２は、第１光学フィルタ２００ａおよび第２光学フィルタ２００ｂを含む。第１光学フィルタ２００ａは、撮像面１０に平行に配置された１枚の第１の金属層１０５と、第１の金属層１０５に対して平行に配置された１枚の第２の金属層１０６と、第１の金属層１０５と第２の金属層１０６との間において各金属層１０５、１０６から離間する位置に設けられたワイヤグリッド偏光子１０７とを有している。第２光学フィルタ２００ｂは、第１光学フィルタ２００ａと同様である。第２光学フィルタ２００ｂは、第１光学フィルタ２００ａに隣接している。なお、第１の金属層１０５と第２の金属層１０６との間には誘電体層が配置されているが、簡単のため、図１では誘電体を記載していない。
このように、光学フィルタ２００は、１枚の第１の金属層１０５、１枚の第２の金属層１０６、および誘電体層（図１では不図示）を含む積層構造から構成されるファブリペロー共振器を具備する。さらに、光学フィルタ２００は、板状の１枚のワイヤグリッド偏光子１０７を具備する。
図３Ａに示されるように、ファブリペロー共振器を構成する積層構造の積層方向に沿った断面において、第２の金属層１０６は、第１の金属層１０５に平行である。当該断面において、誘電体層１０８は、第１の金属層１０５および第２の金属層１０６の間に挟まれている。当該断面において、板状の１枚のワイヤグリッド偏光子１０７は、誘電体層１０８の内部に埋め込まれている。誘電体層１０８の内部に埋め込まれているワイヤグリッド偏光子１０７は、１つであることが望ましい。
板状の１枚のワイヤグリッド偏光子１０７は、３本以上の金属ワイヤ層１１７を具備している。図３Ａでは、板状の１枚のワイヤグリッド偏光子１０７は、６本の金属ワイヤ層１１７を具備している。これらの金属ワイヤ層１１７は、互いに平行である。板状の１枚のワイヤグリッド偏光子１０７は、第１の金属層１０５に平行である。このように、各金属ワイヤ層１１７は第１の金属層１０５に平行である。
望ましくは、板状の１枚のワイヤグリッド偏光子１０７は、第１の金属層１０５と第２の金属層１０７との間の略中間に位置している。
金属ワイヤ層１１７に直交する第１の偏光面を有する光は板状のワイヤグリッド偏光子１０７を透過する。しかし、金属ワイヤ層１１７に平行な第２の偏光面を有する光は板状のワイヤグリッド偏光子１０７によってブロックされる。望ましくは、隣接する２本の金属ワイヤ層１１７の間に形成される空間には、誘電体が充填されている。
図２に示されるように、偏光撮像装置の平面視において、第１光学フィルタ２００ａに含まれる金属ワイヤ層の長手方向Ｘは、第２光学フィルタ２００ｂに含まれる金属ワイヤ層の長手方向Ｙとは異なっていてもよい。望ましくは、長手方向Ｙは長手方向Ｘと直交する。
図１０に示されるように、偏光撮像素子は、第３光学フィルタ２００ｃをさらに具備してもよい。第３光学フィルタ２００ｃは、第１光学フィルタ２００ａと同一である。図１０に示されるように、偏光撮像装置の平面視において、第３光学フィルタ２００ｃは第１光学フィルタ２００ａまたは第２光学フィルタ２００ｂに隣接している。平面視において、第３光学フィルタ２００ｃに含まれる金属ワイヤ層の長手方向は、第１光学フィルタ２００ａに含まれる金属ワイヤ層の長手方向Ｘとも第２光学フィルタ２００ｂに含まれる金属ワイヤ層の長手方向Ｙとも異なっている。
図１の例において、第２の金属層１０６は撮像面１０から一様な距離だけ離れているが、第１の金属層１０５は、画素単位で、撮像面１０からの距離が異なっている。このため、第１の金属層１０５と第２の金属層１０６との距離Ｌは、画素単位で異なり得る。第２の金属層１０６も、第１の金属層１０５のように、撮像面１０からの距離が画素単位で異なっていてもよい。その場合、第１の金属層１０５の撮像面１０からの距離は、画素に依存せず一様であってもよい。
光学フィルタ２００に入射した光３００は、第１の金属層１０５と第２の金属層１０６との間において多重反射を行う。その結果、光３００のうち、特定の波長帯域の光成分が光学フィルタ２００を透過することができる。また、本開示の実施形態では、光学フィルタ２００の内部にワイヤグリッド偏光子１０７が設けられているため、ワイヤグリッド偏光子１０７の働きにより、特定の偏光光が光学フィルタ２００を透過することができる。ワイヤグリッド偏光子１０７は、画素単位または複数の画素を含むより大きな単位で偏光特性が異なる複数の偏光子が配列された構成を有している。図１の例では、簡単のため、ワイヤグリッド偏光子１０７は、撮像面１０からの距離が一様であるが、本開示におけるワイヤグリッド偏光子は、このような例に限定されない。ワイヤグリッド偏光子１０７の撮像面１０からの距離は、画素単位または画素よりも大きな単位で複数の異なる値をとり得る。なお、ワイヤグリッド偏光子１０７は、典型的には金属の薄膜をフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術によってパターニングすることにより形成され得る。
光学フィルタ２００を透過する偏光光の波長帯域および偏光面の向きは、光学フィルタ２００の位置に応じて画素単位で調整することができる。なお、図１の例では、光学フィルタ２００のうち、全ての画素に対向する領域に、第１の金属層１０５、第２の金属層１０６、およびワイヤグリッド偏光子１０７が存在しているように記載されているが、特定の画素に対応する領域では、第１の金属層１０５、第２の金属層１０６、およびワイヤグリッド偏光子１０７の一部が設けられていなくてもよい。
なお、撮像面１０における光電変換素子２０の配列は、図１に示される例に限定されず、例えば行ごとに光電変換素子の中心位置が画素ピッチの半分だけシフトしていてもよい。
次に、図２（ａ）および図２（ｂ）を参照する。図２（ａ）は、光学フィルタ２００における２次元的なカラーモザイク配列の基本周期単位の例を示している。一方、図２（ｂ）は、図２（ａ）の基本周期単位の領域内に含まれるワイヤグリッド偏光子の２次元的な配列構成を示している。現実の偏光撮像装置では、図２（ａ）および図２（ｂ）に示される基本周期単位が撮像面に平行な面に沿って行および列方向に周期的に配列されている。
図２（ａ）に示されるカラーモザイク配列は、ベイヤー配列の構成を有しているが、本実施形態におけるカラーモザイク配列は他の構成を有していても良い。図示されているカラーモザイク配列の基本周期単位は、２行２列に配列された４個の色領域、すなわち、Ｇ領域１０１、Ｒ領域１０２、Ｂ領域１０３、およびＧ領域１０４から構成されている。Ｇ領域１０１はグリーンの波長帯域、Ｒ領域１０２はレッドの波長帯域、Ｂ領域１０３はブルーの波長帯域の光を選択的に透過する領域として規定される。
図２（ｂ）には、ワイヤグリッド偏光子１０７のうち、４×４＝１６個のワイヤグリッド偏光子が示されている。１６個のワイヤグリッド偏光子は、偏光透過面の方向に応じて２つの種類に分かれる。カラーモザイク配列の個々の色領域内に、２×２＝４個のワイヤグリッド偏光子が設けられている。より詳細には、ワイヤの方向が横（Ｘ軸に対して０°の角度方向）のワイヤグリッド偏光子とワイヤの方向が縦（Ｘ軸に対して９０°の角度方向）のワイヤグリッド偏光子が各色領域内において２行２列に配列されている。
図３Ａは、本実施形態の偏光撮像装置の図２（ｂ）における切断面Ｐ−Ｐ’を矢印の向きに見た断面図であり、図３Ｂは、本実施形態の偏光撮像装置の図２（ｂ）における切断面Ｑ−Ｑ’を矢印の向きに見た断面図である。図３Ａには、光学フィルタ２００のＧ領域１０１およびＲ領域１０２の断面構成が示され、図３Ｂには、光学フィルタ２００のＢ領域１０３およびＧ領域１０４の断面構成が示されている。
図示されている光学フィルタ２００は、第１の金属層１０５、第２の金属層１０６、誘電体１０８、およびワイヤグリッド偏光アレイ１０７を備えている。第１の金属層１０５および第２の金属層１０６は、可視光を透過し得る厚さを有する金属薄膜から形成されている。一方、ワイヤグリッド偏光アレイ１０７は、導電性材料のパターニングされた薄膜から形成されており、画素単位または画素よりも広い単位で異なる方向に延びる複数の金属ワイヤから構成されている。
ワイヤグリッド偏光子１０７に含まれる個々のワイヤグリッド偏光子は、各々の導電性ワイヤの方向が図２（ｂ）に示されるように直交するように交互に配列されているため、図３Ａでは、２種の断面形状を有するように記載されている。誘電体１０８は、Ｒ，Ｇ，Ｂの各領域で同一の材料が用いられているが、その厚さが色領域単位で異なっている。すなわち、第１の金属層１０５と第２の金属層１０６との間の距離は、Ｒ，Ｇ，Ｂの各領域で異なる複数の値ＬR、ＬG、ＬBを有している。
誘電体１０８を介して対向する２枚の金属層１０５、１０６は、Ｒ，Ｇ，Ｂの各領域単位でファブリペロー干渉計型のカラーフィルタを形成し、対応するＲ，Ｇ，Ｂの波長帯域の光のみを選択的に透過する。また、後述するように、ワイヤグリッド偏光アレイ１０７の影響により、ワイヤ方向に対して垂直方向に振動する電場の光（ＴＭ波）のみが選択的に透過する。
第２の金属層１０６の下方には、固定撮像素子構造１１００が設けられている。固定撮像素子構造１１００は、配線層１０９およびフォトダイオード１１０を備えている。前述したように、各フォトダイオード１１０は、撮像面に平行な面内において行および列方向に規則正しく配列されている。各フォトダイオード１１０が１個の画素を形成し、入射光量に応じた電気信号を出力する。なお、距離ＬR、ＬG、ＬBは数１０〜数１００ｎｍであり、固体撮像素子構造１１００の厚さ（数百μｍ）に比べて十分に小さい。第１の金属層１０５および第２の金属層１０６は、光が透過できる厚さ、例えばＡｇを用いた場合、１０〜４０ｎｍの厚さを有している。
本実施形態では、ワイヤグリッド偏光アレイ１０７に含まれる個々のワイヤグリッド偏光子に対して１個のフォトダイオード１１０が割り当てられている。言い換えると、図２（ｂ）に示される４×４＝１６個のワイヤグリッド偏光子の各々に、１つのフォトダイオード１１０が割り当てられている。
図４（ａ）は、本開示の実施形態における偏光撮像装置において、Ｐ波、（ＴＭ波）すなわち図面の紙面に平行な電場振動を有する白色光Ｗが入射した場合の動作を示す図である。ここでは、図３ＡのＲ領域１０２の左部分の１画素の動作を示す。白色光Ｗの入射波は、上方から第１の金属層１０５を透過し、ワイヤグリッド偏光アレイ１０７に到達する。図４（ａ）に示されているワイヤグリッド偏光子のワイヤ方向は断面（紙面）に平行である。このため入射光であるＰ波の大部分がワイヤグリッド偏光アレイ１０７を透過し、第２の金属層１０６に到達して反射する。この反射光も同じくＰ波（ＴＭ波）であるからワイヤグリッド偏光アレイ１０７を大部分が透過して再び第１の金属層１０５に到達する。このような反射を繰り返すことにより、ファブリペロー干渉計の原理により、光路差が波長の整数倍となる共鳴波長λRのＰ偏光（ＴＭ波）の光のみが最終的に第２の金属層１０６を透過して下方に出力される。
以上の動作はＰ偏光の白色光をＰ偏光のままＲ（Ｒｅｄ）光として透過するカラー偏光フィルタの動作と考えることができる。ファブリペロー干渉計の理論によれば、上記の共鳴波長λRは入射角をゼロとした単純な場合、誘電体の屈折率ｎ、長さＬR、次数ｍを用いて以下の式で表現できる。
Figure 0005866577
たとえば、誘電体がＳｉＯ2から形成され、屈折率ｎ＝１．４５、長さＬR＝２２０ｎｍであるとすると、ｍ＝１の１次共鳴波長は、６３８ｎｍとなりＲｅｄ光を透過するカラーフィルタとして機能する。この場合、ｍ＝２の２次共鳴波長は３１９ｎｍとなり、紫外領域となるため、カラーフィルタとして使う場合には無視できる。図４（ｂ）は、図４（ａ）の構成を有するカラーフィルタを透過する光の波長分布を模試的に示す図である。
なお、式１は金属層での吸収を無視した近似式である。実際には、金属層１０５、１０６をＡｇ薄膜から形成し、誘電体１０８をＳｉＯ2から形成した用いた光学フィルタ２００は、ＬR＝１６０ｎｍで実現され得る。
図５（ａ）は、本開示の実施形態における偏光撮像装置の断面図において、Ｓ波（ＴＥ波）すなわち紙面に垂直な電場振動を有する白色光Ｗが入射した場合の動作を示す図である。図４（ａ）と同様に図３ＡのＲ領域１０２の左部分の１画素の動作を示す。入射波は、上方から第１の金属層１０５を透過し、ワイヤグリッド偏光アレイ１０７に到達するが、図５（ａ）に示されているワイヤグリッド偏光子のワイヤ方向が断面（紙面）に垂直であるため、入射光であるＳ波は大部分がワイヤグリッド偏光子で反射され、第１の金属層１０５に到達して再度反射する。この反射光も同じくＳ波（ＴＥ波）であるから第１の金属層１０５とワイヤグリッド偏光子１０７との間で多重反射する。実際にはワイヤグリッド偏光アレイ１０７を透過する成分も存在するが、この透過光もＳ偏光（ＴＥ波）であるから、多重反射はワイヤグリッド偏光アレイ１０７と第２の金属層１０６の長さＬR／２の距離の間でも発生する。その結果、本来のＬRの約半分となる共鳴波長λ≒λR／２のＳ偏光の光のみが最終的に第２の金属層１０６を透過して下方に出力される。しかし、この波長は、図５（ｂ）に示すように、次数ｍ＝２の場合（図３（ｂ））と同様に紫外領域にあるため無視できる。そこで、Ｓ偏光（ＴＥ波）の白色光を入射した場合、可視光領域でＳ偏光を遮断するカラー偏光フィルタとして動作すると考えることができる。
次に、多重反射によってワイヤグリッド偏光子１０７を何度も光が透過すると、低い消光比を向上できる作用について簡単な例で説明する。
図４のＰ波入射の場合のワイヤグリッドの透過率をＰｔ＝０．９５、反射率をＰｒ＝０．０５とする。また図５のＳ波入射の場合のワイヤグリッドの透過率をＳｔ＝０．０９５、反射率をＳｒ＝０．９０５とする。この場合、消光比は以下のように１０：１となり、高性能な偏光板と比較した場合かなり低いといわざるをえない。
Figure 0005866577
しかし、ファブリペロー干渉計型のカラーフィルタ内で光が多重反射すると、透過波長λRに該当する距離ＬRで多重反射する光量は、透過率をｔとすると、
Figure 0005866577
と表現できる。その結果、最終的な透過光においてＰ光とＳ光の比率をとって消光比を調べると
Figure 0005866577
となる。このため、消光比は、１０:１から１０１:１程度に向上し得る。
以上に説明した動作により、本実施形態の偏光撮像装置の構成では、任意の白色無偏光の光が入射した場合、カラー選択動作と同時に偏光選択動作が一体化して実現されるばかりでなく、偏光の消光比を向上できる。
（実施形態２）
次に、本開示の偏光撮像装置の第２の実施形態を説明する。
図６（ａ）および図６（ｂ）は、本実施形態における偏光撮像装置の一部断面図である。図６（ａ）および図６（ｂ）に示されるように、本実施形態が第１の実施形態と異なる点は、ワイヤグリッド偏光子４０１が異なる複数の色領域で同一レベルに存在する点にある。すわなち、ワイヤグリッド偏光子４０１と第２の金属層１０６との距離が等しい。ワイヤグリッド偏光子４０１が同一レベルにあるため、後述するように、製造プロセスが簡単になる。
図示されている例では、ワイヤグリッド偏光子４０１の高さをＲ画素のフィルタ長さの略１／２の位置であるＬR／２に設定している。この長さに対応する波長は約４００ｎｍ以下の紫外領域となるため、Ｇ領域１０１、１０４とＢ領域１０３において不均一に分割された長さＬ１G、Ｌ１Bはいずれも以下の式５に示す条件を満たす。このため、Ｇ領域１０１，１０４、Ｂ領域１０３においても不要な共鳴波長は全て紫外域に存在する。その結果、ＲＧＢカラーフィルタとしての機能が果たされ、色分解を正常に実現できる。また、ワイヤグリッド偏光子４０１の消光比の向上の効果についても第１の実施形態と同様に得られる。
Figure 0005866577
（実施形態２の変形例１）
図７（ａ）および図７（ｂ）は、第２の実施形態の変形例１における偏光撮像装置の断面図である。この変形例においても、第１の実施形態と同じくカラー画像と偏光画像を同時に取得可能である。図７（ａ）および図７（ｂ）に示されるように、この変形例が第２の実施形態と異なる点は、ワイヤグリッド偏光子５０１が誘電体１０８中の間隙層５０２に形成されている点にある。間隙層５０２には空気が充満している場合、ワイヤグリッド偏光子５０１の導電性ワイヤと空気とが接触することにより、ワイヤグリッド偏光子５０１の消光比性能がさらに向上し得る。
（実施形態３）
次に、本開示の偏光撮像装置の第３の実施形態を説明する。
図８（ａ）および図８（ｂ）は、本実施形態における偏光撮像装置の一部平面図であり、図８（ｃ）は図８（ｂ）のＰ−Ｐ’線断面図である。図８（ａ）は、光学フィルタ２００における２次元的なカラーモザイク配列の基本周期単位の例を示している。一方、図８（ｂ）は、図８（ａ）の基本周期単位の領域内に含まれるワイヤグリッド偏光子の２次元的な配列構成を示している。現実の偏光撮像装置では、図８（ａ）および図８（ｂ）に示される基本周期単位が撮像面に平行な面に沿って行および列方向に周期的に配列されている。本実施形態では、カラー画像とＧ領域１０１、１０４における偏光画像とを同時に取得可能である。本実施形態の構成は、偏光画像を特定の波長領域だけから取得する場合に有効である。
図８（ａ）に示されるように、本実施形態でも、カラーモザイク配列の基本周期単位はＧ領域１０１とＲ領域１０２、およびＢ領域１０３とＧ領域１０４から構成されている。しかし、図８（ｂ）に示すように、領域１０１、１０２、１０３、１０４のうち、ワイヤグリッド偏光子はＧ領域１０１、１０４のみに設けられており、他の色領域、すなわちＲ領域１０２およびＢ領域１０３には、ワイヤグリッド偏光子は設けられていない。より詳細には、Ｇ領域１０１、１０４の各々には、ワイヤ方向が横（０°）のワイヤグリッド偏光子とワイヤ方向が縦（９０°）のワイヤグリッド偏光子が２行２列に交互に配列されている。
図８（ｃ）には、光学フィルタ２００のＧ領域１０１とＲ領域１０２が記載されている。この図から明らかなように、Ｒ領域１０２にはワイヤグリッド偏光子は存在しない。Ｒ領域は、ワイヤグリッド偏光子を具備していない第４偏光光学素子に対応する。このような構成を採用することにより、カラー画像の明るさを維持しつつ偏光情報を取得することが可能となる。なお、この実施形態では、Ｇ領域のみにワイヤグリッド偏光子を配置し、Ｒ，Ｂ領域には配置していないが、いずれの色領域にワイヤグリッド偏光子を配置するかは任意である。たとえば、Ｒ領域のみにワイヤグリッド偏光子を配置し、Ｇ，Ｂ領域には配置しなくてもよいし、あるいは、Ｂ，Ｇ領域のみにワイヤグリッド偏光子を配置し、Ｒ領域には配置しないでもよい。第２偏光光学素子および第３偏光光学素子が設けられない場合、形式上、第４偏光光学素子は、第２偏光光学素子という場合がある。
（実施形態４）
図９（ａ）から（ｄ）は、本実施形態の偏光撮像装置における光学フィルタの平面構成の２つの例を示す図である。本実施形態では、ベイヤーカラーモザイク構成とワイヤグリッド偏光子モザイク構成との対応が、前述の実施形態におけるものと異なる。前述の実施形態では、複数のワイヤグリッド偏光子のモザイク、具体的には２種から形成された２×２構成のモザイクがカラーモザイクの同一色領域に対応していた。しかし、図９（ａ）および図９（ｂ）の例では、１種のワイヤグリッド偏光子のモザイク画素が１種のカラーモザイクのカラー画素に対応する。言い換えると、各ワイヤグリッド偏光子は、複数のカラーフィルタ領域のうちの１つのカラーフィルタ領域に対応するように配置されている。また、図９（ｃ）および図９（ｄ）の例では、複数のカラーモザイク領域、具体的には２×２画素から形成された３色のカラー領域が、１種のワイヤグリッド偏光子のモザイク画素に対応する。言い換えると、各ワイヤグリッド偏光子は、複数のカラーフィルタ領域に対応するように配置されている。これらはいずれもカラー解像度を高めることを目的としており、撮像画像が非偏光シーンの場合には高解像度のカラー撮像ができるという利点を有する。
（実施形態５）
図１０（ａ）および図１０（ｂ）、図１１（ａ）および図１１（ｂ）、ならびに図１２（ａ）および図１２（ｂ）は、本実施形態の偏光撮像装置における光学フィルタの平面構成の他の例を示す図である。前述の実施形態では、いずれも、ワイヤグリッド偏光子の配列方向はＸ軸に対して０°方向とＸ軸に対して９０°方向の２種類のみであった。これは、撮像シーンの偏光の偏りが０°または９０°であることを前提としている。これは、偏光撮影を実施する内視鏡のように撮影時にかならず、０°または９０°の偏光透過面を有する偏光照明が使われる場合や車載カメラのように雨の路面から反射光がほぼ水平の０°に固定されるようなケースで使われることを想定しているためである。
これに対して本実施形態では、ワイヤグリッド偏光子の方向がＸ軸に対して０°、４５°、９０°、１３５°の４種類である。図１０（ａ）および図１０（ｂ）の例では、４種類のワイヤグリッド偏光子から形成された２×２画素構成のモザイクが、カラーモザイクの１個の色領域に対応している。図１１（ａ）および図１１（ｂ）の例では、１個のワイヤグリッド偏光子がカラーモザイクの１個の色領域に対応している。図１２（ａ）および図１２（ｂ）の例では、２×２画素から形成された３色の色領域が、各ワイヤグリッド偏光子に対応している。
本実施形態では、ワイヤグリッド偏光子のワイヤ方向を異なる４個に設定することにより、非偏光（ランダム偏光）光源の下で撮像されたシーンにおいても、偏光の主軸方向と偏光度を正確に推定することができるという利点を有する。
（実施形態６）
図１３（ａ）は、本実施形態における偏光撮像装置の上面図であり、図１３（ｂ）は、その断面図である。本実施形態では、広帯域な分光透過率を有するモノクロ画像と、Ｘ軸に対する０°の方向と９０°の方向の偏光画像を同時に取得可能な撮像素子を提供する。このため、これまでの実施形態とは異なり、各々がファブリペロー干渉計型カラーフィルタとして機能する３層の光学フィルタ２００ａ、２００ｂ、２００ｃを積層した構成を有しており、カラーモザイク構造を備えていない。光学フィルタ２００ａ、２００ｂ、２００ｃの各々は、前述した光学フィルタ２００の基本構成を備えている。ただし、光学フィルタ２００ａにおける第１の金属層１０５ａは、光学フィルタ２００ｂにおける第２の金属層１０６ｂを兼ねている。また、光学フィルタ２００ｂにおける第１の金属層１０５ｂは、光学フィルタ２００ｃの第２の金属層１０６ｃを兼ねている。光学フィルタ２００ａ、２００ｂ、２００ｃは、それぞれ、ワイヤグリッド偏光子１０７ａ、１０７ｂ、１０７ｃを内部に含んでいる。ワイヤグリッド偏光子１０７ａ、１０７ｂ、１０７ｃの各偏光子におけるワイヤ方向は、積層された縦方向で共通している。
各光学フィルタ２００ａ、２００ｂ、２００ｃにおけるファブリペロー干渉計型カラーフィルタの透過波長帯域は、それぞれの第１の金属層と第２の金属層との距離によって異なり得る。縦方向に積層された光学フィルタ２００ａ、２００ｂ、２００ｃの各々の透過波長帯域は、異なっていても良いし、同一であっても良い。
本実施形態では、モノクロ画像取得のまま、ワイヤグリッド偏光子の消光比を向上できる。
なお、本開示の上記実施形態では、第１の金属層と第２の金属層との間の略中間に位置している偏光子としてワイヤグリッド偏光子のアレイを用いている。前述のようにワイヤグリッド偏光子の場合、微細化によって消光比が低下する課題を解決できるが、この偏光子を、ワイヤグリッド以外の原理による偏光子に置き換えても、本開示は同様に成立する。従って、本開示の偏光子アレイは、たとえば、ポリマー（高分子）系の偏光制御素子、複屈折を用いた偏光素子、波長板を用いた偏光素子、フォトニック結晶を用いた偏光素子などから構成されていても良い。また、これらの偏光制御素子とワイヤグリッド偏光子とが、第１の金属層と第２の金属層との間の略中間に共存して位置しても構わない。
（カラー偏光撮像装置の製造方法）
以下、図１４〜図１６を参照しながら、本実施形態における偏光撮像装置の製造方法の一例を説明する。ここでは、実施形態２における偏光撮像装置を製造するが、他の実施形態についても同様の方法で製造し得る。
まず、図１４（ａ）に示される固体撮像素子構造１１００を用意する。この固体撮像素子構造１１００は、Ｓｉから形成された基板１０００と、基板１０００中に設けられたフォトダイオード１００１と、基板１０００上に層間膜を介して形成された配線層１００２と、配線層１００２を覆う光透過性の平坦化層１００３とを含んでいる。なお、固体撮像素子構造１１００の具体的構成は、この例に限定されず、任意である。
次に、図１４（ｂ）に示すように、平坦化層１００３上に例えばＡｌ（アルミニウム）又はＡｇ(銀)から形成されたメタル層１００４が形成される。メタル層１００４は、例えばスパッタ法のような薄膜堆積技術により形成され、メタル層１００４の厚さは、例えば１０〜４０ｎｍの範囲に設定され得る。メタル層１００４は、第２の金属層として機能する。
次に、図１４（ｃ）に示すように、メタル層１００４上に第１誘電体層１００５が形成される。第１誘電体層１００５は、プラズマＣＶＤ法のような薄膜堆積技術により形成され、典型的にはＴｉＯ2、ＩＴＯ、ＳｉＮ、ＡｌＮ、ＨｆＯ2、またはＳｉＯ2から形成され得るが、ここでは、ＴｉＯ2またはＳｉＯ2を用いるものとして説明する。
次に、図１４（ｄ）に示すように、誘電体１００５の上にＡｌから形成されたメタル層１００６が形成される。メタル層１００６は、例えばスパッタ法のような薄膜堆積技術により形成され、メタル層１００６の厚さは、例えばＡｇ薄膜を用いた場合、１０〜１５０ｎｍの範囲に設定され得る。メタル層１００６は、最終的にはワイヤグリッド偏光子として機能する。
次に、図１５（ａ）に示すように、メタル層１００６の上にフォトリソグラフィによりワイヤグリッド偏光子の逆位相形状のレジストパターン１００７が形成される。レジストパターン１００７をマスクとしてドライエッチングを行うことにより、図１５（ｂ）に示すように、ワイヤグリッド偏光子１００８が形成される。なお、図１５（ａ）〜（ｂ）の工程では、フォトレジストをマスクとしてエッチングする代わりに、エッチングマスクとして誘電体膜などのハードマスクを用いてもよい。この後、図１５（ｃ）に示すように、ワイヤグリッド偏光子の間隙部にＴｉ０2層またはＳｉ０2層１００９が形成される。
次に、図１６（ａ）に示すように、メタル層１００６上に第２誘電体層１０１０が形成される。第２誘電体層１０１０は、プラズマＣＶＤ法のような薄膜堆積技術により形成され、典型的にはTi02またはＳｉＯ2から形成され得る。第２誘電体層１０１０の厚さは、ＳｉＯ2の場合、例えば１０〜２００ｎｍの範囲に設定され得る。その後、最上面がＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）法により平坦化される。
こうして形成された第１誘電体層１００５、メタル層１００６、第２誘電体層１０１０の合計厚さは、レッドの色領域における第１の金属層と第２の金属層との距離ＬRを規定する。レッドの色領域以外の色領域では、第１の金属層と第２の金属層との距離は、ＬRよりも小さな値（ＬG、ＬB）に設定される。このため、本実施形態では、レッドの色領域以外の色領域で第２誘電体層１０１０をエッチングする工程を行う。具体的には、図１６（ｂ）に示すように、平坦化されたTi02層またはＳｉＯ2層１０１０上にフォトリソグラフィによりレジストパターン１０１１が形成される。レジストパターン１０１１は、例えばレッドの色領域を覆う平面レイアウトを有している。この後、図１６（ｃ）に示すように、レジストパターン１０１１をマスクとしてドライエッチングを行うことにより、レジストパターン１０１１で覆われていない領域の第２誘電体層１０１０の厚さを低減する。この後、図示されていない他のレジストパターンを形成して同様のエッチングを行うことにより、第２誘電体層１０１０の厚さを３段階に調整することが可能になる。次に、図１６（ｄ）に示すように、階段型になった第２誘電体層１０１０の上にメタル層１０１３を堆積する。メタル層１０１３は、例えばＡｇ(銀)であり、スパッタ法のような薄膜堆積技術により形成され、メタル層１０１３の厚さは、例えば１０〜４０ｎｍの範囲に設定され得る。メタル層１０１３は、第１の金属層として機能する。
以上の工程により、図６に示される構造を有するカラー偏光撮像装置が形成される。
なお、本実施形態における光学フィルタでは、最上表面に第１の金属層１０５が形成されているため、第１の金属層１０５で入射光が反射されると、撮像素子表面からの反射光がレンズ等との間で多重反射を発生しフレア光となるという可能性がある。これを防止するため、最上表面にさらに誘電体による反射防止膜を形成してもよい。これは金属と水分を含んだ空気との接触による腐食などの化学反応を防止する点においても有効である。
（応用例１）
図１７（ａ）は、本開示の偏光撮像装置に対物レンズおよびマイクロレンズアレイを組みあわせた立体偏光撮像装置の第１の応用例を示す図である。
この立体撮像装置は、対物レンズ１１０１、マイクロレンズアレイ１１０２、および本開示の偏光撮像装置１１０３を備える。特許文献２に開示されている立体偏光撮像装置では、偏光撮像装置を用いて対物レンズの左右に設置した異なる偏光フィルタを透過する光を分割するため、被写体自身の偏光情報が取得できなくなってしまう。しかし、本開示の実施形態による立体撮像装置は、マイクロレンズを用いた立体視の機能と偏光撮像の機能とを両立して実現できる。
この応用例によれば、図１７（ｂ）に示すように、対物レンズ１１０１内の４つの領域Ｚ１〜Ｚ４を透過する光線は、本来、撮像面上で混合してしまうが、マイクロレンズアレイ１１０２の個々のマイクロレンズの作用によって分離して結像することができる。図１８（ａ）は、個々のマイクロレンズで分離された４本の光線が、本開示の実施形態における偏光撮像装置の撮像面上におけるどの位置に結像するかを模式的に示している。対物レンズ１１０１の異なる領域Ｚ１〜Ｚ４を通過した４本の光線は、マイクロレンズによって、分離され、それぞれ、撮像面内の領域Ｚ１’〜Ｚ４’に到達する。
図１８（ｂ）および図１８（ｃ）は、２次元平面内でこの領域の光学フィルタ構造を説明している。まず、図１８（ｂ）は実施形態１におけるカラーモザイクとワイヤグリッド偏光子モザイクの対応関係を使う場合を示し、個々の光線は、４×４画素から形成された構造に対応する。他方、図１８（ｃ）は、実施形態４について説明したカラーモザイクとワイヤグリッド偏光子モザイクの対応関係を使う場合を示している。いずれも各フォトダイオードの出力が、カラー画像情報および偏光情報の１単位に相当するため、対物レンズ１１０１上の領域Ｚ１〜Ｚ４に応じた異なる視差位置についてカラー偏光情報を取得できる。
図１９は、上記の応用例１で取得された画像から、立体表示に使う視差画像を抽出する処理を説明する図である。偏光撮像装置１１０３上には巨視的に見た場合、被写体の像が１個生成されるので、図１８を参照しながら説明した画素情報の分割・再構成を実施することにより、対物レンズ１１０１の領域Ｚ１〜Ｚ４に対応する４個の偏光カラー画像が分離して抽出される。この分離抽出された画像は、図１９ではカラーモザイク画像として表現されているが、実際は、図１８（ｂ）および図１８（ｃ）に示されるカラーおよび偏光の複合モザイク画像である。すなわち、偏光情報を含むカラー偏光画像が取得できる。こうして、本応用例によれば、カラーおよび偏光の情報を有する画像を複数視点から得られるため、カラー偏光画像の立体画像を取得ができる。
この立体偏光撮像装置は、応用例１と同様に、マイクロレンズアレイ１１０２を用いた立体視の機能と偏光撮像の機能とを実現できる。応用例１との違いは、マイクロレンズアレイ１１０２に含まれる多数のマイクロレンズ１４０１が複眼として機能する点にある。すなわち、応用例２によれば、マイクロレンズ１４０１に対応する各個眼領域１４０２に視差情報を含んだ被写体の複数像がマイクロレンズの個数分だけ結像される。被写体の複数像はそれ自体でカラーと偏光情報を含んでいるため、カラーと偏光情報を有する立体画像を生成することができる。
図２０（ａ）の例では、マイクロレンズアレイ１１０２のみを用いた複眼視が実現され、図２０（ｂ）の例では、特許文献５に開示されているように、対物レンズ１４０３を用いて一旦被写体像が焦点位置１４０４にて像を生成し、それが再度マイクロレンズアレイ１４０１によって結像される。
図２１は、応用例２で取得された画像から、立体表示に使う視差画像を抽出する処理を説明する図である。偏光撮像装置１１０３上には巨視的に見た場合、被写体の像がマイクロレンズアレイのレンズ数個分だけ生成される（ここでは６個の像Ｚ１〜Ｚ６）。画像の分割を実施することにより、Ｚ１〜Ｚ６に対応する複数の偏光カラー画像が分離して抽出される。この分離抽出された画像は、図２１ではカラーモザイク画像として表現されているが、実際は、図１８（ｂ）および図１８（ｃ）に示されるカラーおよび偏光の複合モザイク画像である。すなわち、偏光情報を含むカラー偏光画像が所得できる。こうして、本応用例によれば、カラーおよび偏光の情報を有する画像を複数視点から得られるため、カラー偏光画像の立体画像を取得できる。
図２２は、本開示の実施形態７における光学フィルタの上面図（ａ）（ｂ）および断面図（ｃ）（ｄ）である。これらは構造的には図１の偏光撮像装置において撮像素子部分を除去したものと同等で、任意波長の光と偏光とを同時に制御可能な光学フィルタを提供するものである。図２２（ａ）は光学フィルタのモザイク構成を、図２２（ｂ）は対応するワイヤグリッドのモザイク構成を示す。個々の波長透過領域は、波長λ２を透過する領域２２０１と波長λ３を透過する領域２２０２、および波長λ１を透過する領域２２０３と波長λ２を透過する領域２２０４からなる。λ１、λ２、λ３は、互いに重なりのない任意の波長帯域を示しこれらはたとえば、Ｂ，Ｇ，Ｒであってもよく、もっと狭帯域の波長帯域であってもよい。また波長範囲として可視域外の紫外領域、赤外領域であってもよい。これらの各波長透過領域は、２ｘ２画素からなり、図２２（ｂ）に示すように、各波長フィルタには横（０°）と縦（９０°）に配列された２種類の２×２のワイヤグリッド構造が対応する。断面図（ｃ）は、図２２（ｂ）の切断面Ｐ−Ｐ‘を矢印向きに見たものであり、波長フィルタのλ２透過領域２２０１とλ３透過領域２２０２が描かれている。断面構造は、各カラー波長領域とも、上面金属薄膜１０５および下面金属薄膜１０６およびその間に設置される誘電体層１０８および方向性を有する金属ワイヤグリッド１０７とからなる。ワイヤグリッドは、図２２（ｂ）で０°と９０°方向に交互に配列されるため、図２２（ｃ）では、２種の断面形状として描かれている。誘電体層１０８は、各波長領域で同一の材料が用いられるが、金属薄膜の間距離Ｌ１、L２、L３が異なるため、各々の金属薄膜間の領域がファブリペロー干渉計型のカラーフィルタを形成し、対応するλ１，λ２，λ３の波長の光のみを選択的に透過する。後述するように同時に、ワイヤグリッド１０７の影響で、各波長毎に、ワイヤグリッドの垂直方向に振動する電場の光（ＴＭ波）のみが選択的に透過する。光学フィルタの高さＬ１、Ｌ２、Ｌ３は非常に薄く、数１０〜数１００ｎｍとなっている。
この光学フィルタに、Ｐ波、（ＴＭ波）すなわち紙面に平行な電場振動を有する白色光Ｗが入射した場合の動作、Ｓ波（ＴＥ波）すなわち紙面に平行な電場振動を有する白色光Ｗが入射した場合の動作については既に実施形態１で説明したとおりであり、λ１、λ２、λ３という波長選択と０°と９０°の２種類の偏光を組み合せた光学フィルタとして動作し、具体的には、入射側を白色の非偏光とした場合、波長λ１およびλ３では横（０°）、波長λ２では縦（９０°）という透過光が得られる。
図２３は、実施形態７における光学フィルタの別の平面構成として２３０１から２３０３で示す３種類を示している。本来はより大規模なモザイク構造を有するが、この図２３では便宜上４ｘ４のモザイク領域のみを示している。２３０１では、図２３（ａ）で示される波長透過モザイク構成が、波長種類としてλ１〜λ６の６種類となる。また図２３（ｂ）で示される０°と９０°の２種類のワイヤグリッドモザイク構成は、図２３（ａ）におけるλ２、λ４、λ６の３種の波長帯域に対して同じ０°が、λ１、λ３、λ５の３種の波長帯域に対して同じ９０°が対応する。この構成で、たとえば、λ１とλ２が隣接するＢ領域の波長、λ３とλ４が隣接するＧ領域の波長、λ５とλ６が隣接するＲ領域の波長とする。すると、λ１、λ３、λ５で構成される白色１とλ２、λ４、λ６で構成される白色２とをそれぞれこの光学フィルタに入射した場合、白色１が入射すると０°の直線偏光が、白色２では９０°の直線偏光が出射するという特有な機能を発現する。
図２４は、この機能を内視鏡などのライトガイドを用いる照明に応用する例を描いており、光源２４０１、カラーホイール２４０２、ライトガイド２４０３、本発明の光学フィルタ２４０４から構成される。
図２４（ａ）では、上記説明のとおり白色１（Ｗ１）が回転するカラーホイールから射出されてライトガイドに入射して伝播する。そして先端部の光学フィルタにて０°の直線偏光が照射される。図２４（ｂ）ではカラーホイールが回転して今度は白色２（Ｗ２）がカラーホールからら射出されてライトガイドに入射して伝播する。そして先端部の光学フィルタにて９０°の直線偏光が照射される。上記の状況はカラーホイールの回転により順次行われるので、ライトガイドの先端からは白色の直線偏光の軸が交互に０°、９０°に回転しながら照射される。
２３０２では、図２３（ｃ）で示される波長透過モザイク構成が、波長種類としてλ１、λ２、λ３の３種類となる。また図２３（ｄ）で示されるワイヤグリッドモザイク構成は、０°と９０°の他に、図８で示す第３の実施形態と同様なワイヤグリッドを有しない領域にて構成されている。そして、波長帯域λ１においては９０°、波長帯域λ２においては０°の偏光を透過するが、波長帯域λ３においては偏光動作を何もせず光を透過する、という特有な機能を発現する。この動作は特許文献８で開示されている偏光観察装置における波長選択型偏光素子の動作であり、本発明の光学フィルタがここに応用できる。
２３０３では、図２３（ｅ）で示される波長透過モザイク構成が、波長種類としてλ１〜λ５の５種類となる。また図２３（ｆ）で示されるワイヤグリッドモザイク構成は、０°、４５°、９０°、１３５°の４方向の偏光透過軸の他に、図８で示す第３の実施形態と同様なワイヤグリッドを有しない領域にて構成されている。
図２３（e）におけるλ１、λ２、λ３、λ４の４種の波長帯域に対してぞれぞれ０°、４５°、９０°、１３５°の４方向の偏光透過軸に対応するので、本光学フィルタに波長帯域λ１、λ２、λ３、λ４が順次入射した場合、それぞれの波長帯域にて直線偏光が４５°づつ回転して出射し、波長帯域λ５の光が入射した場合には、偏光動作を何もせず透過するという特異な機能を発揮する。
（数値シミュレーション）
本発明の基本的な形状として、図２５で示す構造をとりあげ、ＲＣＷＡ（厳密結合波解析）法によるシミュレーションを実施した例を示す。図２５では、上下の反射板に相当する金属（メタル）層、中間のワイヤグリッド層とも材質はＡｇ（銀）を用い、その間の誘電体層はＳｉＯ２を用いている。構造パラメータは、固定値としてＡｇの反射板の厚さ＝２５ｎｍ、ワイヤグリッドの周期構造のライン＆スペースを、それぞれ５０ｎｍ、５０ｎｍとした。その上で、金属板の間隔Ｌ、ワイヤグリッドの厚さＨ、ワイヤグリッド中心の金属板間隔中心からのずれ量Ｄを可変とした。また上記フィルタ構造はＳｉＯ２基板上に形成されているものとして、光は下方より入射する。
本シミュレーションにおける数値は、本発明の単純な理論説明における数値とはかなり異なっているが、これは金属反射板の間にさらに金属を挿入したための複雑な相互作用によるものである。
図２６は、Ｌ＝１２２ｎｍ、Ｈ＝１２０ｎｍ、Ｄ＝０ｎｍとして場合に得られた結果であり、図において２６０１がＴＭ透過率、２６０２がＴＭ反射率率、２６０３がＴＥ透過率、２６０４がＴＥ反射率率、をそれぞれ示す。図から明らかなように、透過中心波長＝６７０ｎｍ（Ｒｅｄ領域）で、ＴＭ透過率＝約３０％を示し、この波長において消光比＝約２９８１：１を得た。
図２７はＬ＝９２ｎｍ、Ｈ＝９０ｎｍ、Ｄ＝０ｎｍとして場合に得られた結果であり、図において２７０１がＴＭ透過率、２７０２がＴＭ反射率、２７０３がＴＥ透過率、２７０４がＴＥ反射率、をそれぞれ示す。図から明らかなように透過中心波長＝５７０ｎｍ（Ｇｒｅｅｎ領域）で、ＴＭ透過率＝約３０％を示し、この波長において消光比＝約３８５：１を得た。
図２８はＬ＝６７ｎｍ、Ｈ＝５９ｎｍ、Ｄ＝０ｎｍとして場合に得られた結果であり、図において２８０１がＴＭ透過率、２８０２がＴＭ反射率、２８０３がＴＥ透過率、２８０４がＴＥ反射率、をそれぞれ示す。図から明らかなように透過中心波長＝４６５ｎｍ（Ｂｌｕｅ領域）で、ＴＭ透過率＝約２８％を示し、この波長において消光比＝約２５：１を得た。
なお、透過中心波長＝５７０ｎｍのＧｒｅｅｎ領域における本発明者らの実験によれば、Ａｇを用いたファブリペロー型カラーフィルタ層とＡｇを用いたワイヤグリッド層を従来の光学フィルタと同様に単純に重ねて使用した場合、カラーフィルタとワイヤグリッド層の重ね順序に無関係に、消光比が１２：１程度に低下した。これは本発明の金属ワイヤグリッド層を２枚の金属板の間に挟む構造の有効性が確認されたものと判断できる。


またシミュレーションでは可視光帯域のＲ，Ｇ，Ｂの透過波長を同時に使用するためＡｇを用いたが、金属としてＡｕ（金）、Ｃｕ（銅）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｗ（タングステン）、Ｔｉ（チタン）なども使用可能であり、これらの材質は主として使用する波長帯に応じて使い分ければよい。
本開示の偏光撮像装置の実施形態によれば、高い性能を実現する小型のカラー偏光撮像装置や偏光照明装置を実現できる。このため、医療検査用の軟性内視鏡、手術用の硬性内視鏡、肌観察用カメラ、工業用内視鏡、魚や畜産関連の食品、生物センシング用カメラ、バイオメトリクスや指紋撮像装置、さらに車載用カメラにおける雨天時の路面表面検査、障害物検察、車両認識、監視用カメラなどの画像処理分野に広く適用可能である。特に、従来消光比が低いため不可能であった粘膜、ガラス、路面など滑らかな表面からの直接反射光（ハレーション）を除去したカラー画像の生成向けに広く利用可能である。また、マイクロレンズ光学系と組み合わせることにより、視差画像をも生成でき、カラー偏光情報の取得と独立に立体視を実現できる。このため従来のように被写体の偏光情報を犠牲にして立体視を実現するような問題が無くなる。
なお本開示の光学フィルタは、波長選択的に偏光状態を変化させることができるため、上記の産業分野において、偏光照明用のフィルタとしても利用でき、従来偏光フィルタと波長フィルタを別々に作成して張り合わせ工程が不要となるのみならず精度も向上できる。
１０ 撮像面
２０ 光電変換素子
１００ 光電変換素子アレイ
１０１ Ｇ領域
１０２ Ｒ領域
１０３ Ｂ領域
１０４ Ｇ領域
１０５ 第１の金属層
１０６ 第２の金属層
１０７ ワイヤグリッド偏光子
１０８ 誘電体
１０９ 配線層
１１０ フォトダイオード
２００ 光学フィルタ
３００ 光

Claims (16)

  1. 光学フィルタであって、
    １枚の第１の金属層、１枚の第２の金属層、および誘電体層を含む積層構造を具備するファブリペロー共振器、および
    板状の１枚のワイヤグリッド偏光子を具備し、
    前記第２の金属層は、前記第１の金属層に平行であり、
    前記誘電体層は、前記第１の金属層および前記第２の金属層の間に挟まれており、
    前記板状の１枚のワイヤグリッド偏光子は、前記誘電体層の内部に埋め込まれており、
    前記板状の１枚のワイヤグリッド偏光子は、３本以上の金属ワイヤ層を具備し、
    前記金属ワイヤ層は、互いに平行であり、
    前記板状の１枚のワイヤグリッド偏光子は、前記第１の金属層と平行である。
  2. 前記板状の１枚のワイヤグリッド偏光子は、前記第１の金属層と前記第２の金属層との間の略中間に位置している、請求項１に記載の光学フィルタ。
  3. 前記金属ワイヤ層に直交する第１の偏光面を有する光は前記板状の１枚のワイヤグリッド偏光子を透過するが、前記金属ワイヤ層に平行な第２の偏光面を有する光は前記板状の１枚のワイヤグリッド偏光子によってブロックされる、請求項１に記載の光学フィルタ。
  4. 隣接する２本の金属ワイヤ層の間に形成される空間には前記誘電体層が充填されている、請求項１に記載の光学フィルタ。
  5. 前記各金属ワイヤ層は前記第１の金属層に平行である、請求項１に記載の光学フィルタ。
  6. 撮像面を有する光電変換素子と、
    前記撮像面に対向するように配置された第１光学フィルタとを具備し、
    前記第１光学フィルタは、請求項１に記載の光学フィルタである、偏光撮像素子。
  7. 前記撮像面に対向するように配置された第２光学フィルタを具備し、
    前記第２光学フィルタは、請求項１に記載の光学フィルタであり、
    前記第１光学フィルタは前記第２光学フィルタに隣接している、請求項６に記載の偏光撮像素子。
  8. 平面視において、前記第１光学フィルタに含まれる金属ワイヤ層の長手方向は、前記第２光学フィルタに含まれる金属ワイヤ層の長手方向とは異なる、請求項７に記載の偏光撮像素子。
  9. 前記撮像面に対向するように配置された第３光学フィルタをさらに具備し、
    前記第３光学フィルタは、請求項１に記載の光学フィルタであり、
    前記第３光学フィルタは前記第１光学フィルタまたは前記第２光学フィルタに隣接しており、
    前記平面視において、前記第３光学フィルタに含まれる金属ワイヤ層の長手方向は、前記第１光学フィルタに含まれる金属ワイヤ層の長手方向とは異なり、
    前記平面視において、前記第３光学フィルタに含まれる金属ワイヤ層の長手方向は、前記第２光学フィルタに含まれる金属ワイヤ層の長手方向とは異なる、請求項７に記載の偏光撮像素子。
  10. 偏光撮像装置であって、
    複数の偏光撮像素子
    を具備し、
    前記各複数の偏光撮像素子は、請求項６に記載の偏光撮像素子である、偏光撮像装置。
  11. 複数の偏光撮像素子は、第１偏光撮像素子、第２偏光撮像素子、および第３偏光撮像素子を含み、
    前記第１偏光撮像素子、前記第２偏光撮像素子、および前記第３偏光撮像素子を、それぞれ、赤色、緑色、および青色の光の情報を取得するように、前記第１、第２、および第３偏光撮像素子に含まれる誘電体層は異なる厚みを有しており、
    前記第１偏光撮像素子、前記第２偏光撮像素子、および前記第３偏光撮像素子は、それぞれ、Ｒ画素、Ｇ画素、およびＢ画素を規定している、請求項１０に記載の偏光撮像装置。
  12. 前記第１偏光撮像素子に含まれる前記板状の１枚のワイヤグリッド偏光子および前記第１偏光撮像素子に含まれる第２の金属層の間隔は、前記第２偏光撮像素子に含まれる前記板状の１枚のワイヤグリッド偏光子および前記第２偏光撮像素子に含まれる第２の金属層の間隔とは異なり、
    前記第２偏光撮像素子に含まれる前記板状の１枚のワイヤグリッド偏光子および前記第２偏光撮像素子に含まれる第２の金属層の間隔は、前記第３偏光撮像素子に含まれる前記板状の１枚のワイヤグリッド偏光子および前記第３偏光撮像素子に含まれる第２の金属層の間隔とは異なり、
    前記第３偏光撮像素子に含まれる前記板状の１枚のワイヤグリッド偏光子および前記第３偏光撮像素子に含まれる第２の金属層の間隔は、前記第１偏光撮像素子に含まれる前記板状の１枚のワイヤグリッド偏光子および前記第１偏光撮像素子に含まれる第２の金属層の間隔とは異なる、請求項１１に記載の偏光撮像装置。
  13. 前記第１偏光撮像素子に含まれる前記板状の１枚のワイヤグリッド偏光子および前記第１の光学フィルタに含まれる第２の金属層の間隔は、前記第２偏光撮像素子に含まれる前記板状の１枚のワイヤグリッド偏光子および前記第２の光学フィルタに含まれる第２の金属層の間隔と同一であり、
    前記第２偏光撮像素子に含まれる前記板状の１枚のワイヤグリッド偏光子および前記第２の光学フィルタに含まれる第２の金属層の間隔は、前記第３偏光撮像素子に含まれる前記板状の１枚のワイヤグリッド偏光子および前記第３偏光撮像素子に含まれる第２の金属層の間隔と同一である、請求項１１に記載の偏光撮像装置。
  14. 前記撮像面に対向するように配置された第４偏光光学素子をさらに具備し、
    前記第４偏光光学素子は、１枚の第１の金属層、１枚の第２の金属層、および誘電体層を含む積層構造から構成されるファブリペロー共振器を具備し、
    前記第４偏光光学素子は、ワイヤグリッド偏光子を具備していない、請求項１０に記載の偏光撮像装置。
  15. 前記誘電体層は間隙層を有しており、
    前記間隙層には空気が充満しており、
    前記板状の１枚のワイヤグリッド偏光子は、前記空気と接触している、請求項１に記載の光学フィルタ。
  16. 請求項１０に記載の偏光撮像装置、および
    前記偏光撮像装置に組み合わせられたマイクロレンズアレイ、
    を備える立体偏光撮像装置。
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