偏光カメラについて偏光カメラには、ピクセル位相子アレイ型と偏光子アレイ型がある。フォトロンは、4つのフォトニクス結晶の位相子アレイを作成し、同様に一定の方位の偏光板と受光素子に取り付けている。これらの位相子アレイ型偏光カメラは、偏光パラメータであるストークス・パラメータをすべて計測することが可能であるという素晴らしい特徴をもつ。一方では、偏光カメラの位相子は、温度等の環境特性を受けやすくキャリブレーションが必要である。偏光カメラは、スナップショットで検出するために、方位の異なるピクセル位相子を空間的にずらして変調を与えている。4つのストークス・パラメータを求めるためには、4つ以上の光強度が必要であり、事前にキャリブレーションを行うか、インラインではキャリブレーションができる冗長系をもつために空間分解能を犠牲にする必要がある。このような背景から、現在の偏光カメラはピクセル偏光子アレイが主流である。表1は、現在市販されている偏光カメラをマイクロ偏光子アレイの作り方であるフォトニクス結晶型とワイヤグリット型に分類したものである。画素サイズやフレームレートなどは、利用するイメージセンサによって異なるので、厳密にはこの表と一致しない。表には市販されている代表的なメーカのみ掲載してある。その他、リコー、ドイツ・フランフォーファー研究所や米国・ダルサなどが偏光カメラを技術発表や実際に販売がなされている。表1の中で、偏光特性として注目すべき点は消光比である。これは、偏光を入射したときの最大透過光強度と最小透過光強度の比である。ここで興味深いのは、波長依存性があるがフォトニクス結晶を用いた偏光板とアルミワイヤグリット偏光板ともに単体での消光比が1:10,000以上である。これに対して、受光素子に組み込んだときに、ここで発生する偏光子アレイとCCDやCMOS素子までのギャップにより隣接する画素へのクロストークが発生するために消光比の低下につながってしまうと言う問題があった。一般に、偏光カメラは、図1に示すように入射光の偏光状態をストークス・パラメータとして定量化する。図1(a)の入射光の偏光状態は、物体での反射、透過、散乱によりさまざまな偏光状態に変化する。これらに加えて部分偏光や無偏光の状態がある。難しいが理論的に説明する。Tは、次のように表現することができる。左円偏光板を透過したときをILとすると、以下のように表すことができる。図1に示すように、偏光カメラはCCDまたはCMOS上に方位が異なる偏光板アレイが組み込まれている。偏光板アレイの方位は図1(b)に示すように0°、45°、90°、135°の4画素が縦横に配列されている。したがって、スナップショット(1枚撮影)した後、方位ごとの画像のみを集めることで4種類の光強度が得られる。s3の関係は、以下となる。ここで、式(3)の光強度によるとこの中にs3が入っていない。s3成分が求まらない)求めることができることになる。偏光子の方位が0°、45°、90°、135°のときの光強度をI0,I45,I90,I135と入射光からストークス・パラメータを求めると次のように求めることができる。方位αは、以下のように表せる。ピクセル偏光子をもつ偏光カメラの問題点として、図2に示すように4画素で1つの偏光を解析するため空間的に画素すれが生じることである。このため、4画素を1画素とみなして空間分解能を犠牲にしてきた。用いられ効果を得ている。正午近い時間なので太陽が背後から照らしており、図3(a)の原画像である白黒画像では車が反射光でハレーションが起きている。図3(b)の直線偏光度や図3(c)の方位は、輝度変化による認識不備なるのを取り除き、クリアなイメージを得ている。偏光計測の良いところは、窓などのガラスのフレネル反射による偏光変化を避けることができるので、ガラス内の状況も見ることができる。図3(b)の直線偏光度の変化は赤を中心に白くなるにつれて直線偏光、黒が直線偏光以外を表す。これを捉えることで部分ストークス・パラメータのみの計測であるが、散乱による偏光解消も可視化することが可能である。図では、空、道路の塗装や窓ガラスが偏光する物体を示している。これに対して、樹木、道路、壁などは散乱の影響で偏光解消している。図3(c)は方位を表すので、車の形状による角度変化(法線方向)を表していると考えられる。アクリル素材をハンマーで打点を与えたときの複屈折分布計測への応用例8)前述のように偏光カメラでは部分ストークス・パラメータのみしか計測できないので、方位と大きさをもつ複屈折を求めるには、照明光に円偏光をサンプルに照射して、インパクトによってサンプル内に応力によって発生する複屈折を時系列で捉える。高速度カメラは、1/30,000秒ごとに捉えて、結果はいくつか代表的な現象を示した。このように、偏光状態を時系列でマッピングできるところが偏光カメラの大きな特徴である。まとめ偏光カメラの基本原理からその特徴を述べた。フォトニクス結晶型とワイヤグリット型は、素子としての性能は同程度ではあるが、実装することによって性能に特徴が出ている。当初は、消光比をあまり気にしない干渉計やホログラフィの検出素子として実用化されてきた。近年、偏光計測に使われるに従ってその消光比の問題がでてきている。良いオンチップ・ワイヤグリット型は、消光比250:1が達成できており、今後ますます偏光イメージングの高度化に貢献できると考えられる。応用面では、部分ストークス・パラメータのイメージングとここからの直線偏光度と方位のイメージングにより路面環境の計測例を示した。高速偏光カメラを用いた複屈折イメージングの実例を示して、部分ストークス・パラメータから計測可能なことを示した。成分が簡単に測定できないという問題がある。今後、新たな手法によってフル・ストークス・パラメータがイメージングでき、今後の偏光カメラのさらなる発展を願う次第である。コメントをキャンセルメールアドレスが公開されることはありません。コメントデータの処理方法の詳細はこちらをご覧ください。新発想モーションキャプチャシステムRECOMMENDこちらの記事も人気です。Pythonで定義できて。