(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
撮像対象物からの光を撮像レンズを介して複数の光電変換素子を配列してなる撮像素子に導き、前記撮像対象物の像を撮像する撮像装置において、
前記複数の光電変換素子に１対１で対応する複数の開口を有し、前記撮像レンズからの光のうち前記開口に入射する光のみを前記光電変換素子に導く一方、前記開口以外に入射する光を遮断する遮断手段と、
それぞれが前記遮断手段と前記撮像レンズとの間で前記複数の開口に１対１で対応して配置され、前記撮像レンズの瞳の像を対応する開口の近傍に形成する複数の投影素子を有する投影手段と、を備え、
前記開口の径が前記開口近傍に投影される前記撮像レンズの瞳の投影像よりも小さいことを特徴とする撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、撮像対象物からの光を撮像レンズを介して複数の光電変換素子を配列してなる撮像素子に導き、撮像対象物の像を撮像する撮像装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の撮像装置では、複数の光電変換素子を１次元あるいは２次元に配列して撮像素子を構成し、撮像対象物からの光を撮像レンズによって直接撮像素子に導き、撮像素子上に撮像対象物の像を形成する。撮像素子の各光電変換素子では入力に応じた電気信号が発生し、画像処理装置に向けて出力される。こうして、撮像対象物の像を光電変換素子と同数の画素で読み取っている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、撮像装置においては、従来より広いダイナミックレンジで撮像できることが望まれている。この「ダイナミックレンジ」とは、撮像装置により画像を撮像する場合に、撮像できる最小濃度から最大濃度までの幅を示すものであり、ダイナミックレンジが広い撮像装置によれば、優れた再現性で原稿の画像を撮像することができる一方、ダイナミックレンジが狭くなるにしたがって、画像を良好に撮像することができなくなる。
【０００４】
このダイナミックレンジを狭くする主な要因として、従来より撮像レンズによるゴーストや散乱が知られているが、本願発明者による種々の検討の結果、ゴーストや散乱以外に、周辺回折波（その内容およびダイナミックレンジへの影響については後で述べる）によりダイナミックレンジが狭くなっていることがわかった。以下、図５を参照しつつダイナミックレンジへの周辺回折波の影響について説明する。
【０００５】
例えば、従来の撮像装置により原稿１に形成された微小黒点２の濃度計測を行った場合、図５(b)に示すような像面照度分布が撮像素子上で得られる。なお、ここでは、ゴースト光や散乱光がないものと仮定している。
【０００６】
幾何光学の法則に従って伝播する入射光（照明光）についてのみ考慮すると、その入射光の一部は微小黒点２で遮光される一方、残りは微小黒点２以外の原稿面で反射し、受光素子側に進む。このため、撮像素子における照度分布は、同図(b)の実線に示すように、微小黒点２に完全に対応してゼロとなる一方、微小黒点２以外の原稿面に対応する位置では比較的高い値をとる。このため、撮像素子により検出することができる濃度の最低レベルから最高レベルの範囲（ダイナミックレンジに相当する）はＲgとなる。
【０００７】
しかしながら、撮像素子での像面照度は、実際には同図(b)の１点鎖線に示すような分布をとる。これは周辺回折波（=Boundary Diffraction Wave）の影響によるものであり、撮像素子には幾何光学的な波である入射波と周辺回折波との合成の結果である回折像が形成されるからである。
【０００８】
この「周辺回折波」とは、光が回折物体に入射したときに、その端から生じる回折波のことである。上記のように構成された撮像装置では、撮像レンズの絞りが回折物体に相当し、絞りの縁から周辺回折波が発生する。ここで、撮像素子側より見ると、撮像レンズの瞳の縁から周辺回折波が発生しているように見える。なお、この周辺回折波に関しては、例えば「光学の原理ＩＩ（マックス・ボルン＆エミル・ウォルフ著、草川徹・横田英嗣訳；東海大学出版会）」の第６７０頁において詳細に説明されている。ただし、「光学の原理ＩＩ」では、"Boundary Diffraction Wave"を「境界回折波」と訳しているが、「周辺回折波」と同一のものである。
【０００９】
このように周辺回折波の影響により回折像が形成されると、微小黒点２に対応する位置の像面照度はゼロとならず、ΔＲだけ上昇し、この場合のダイナミックレンジＲg+dは周辺回折波を無視した場合のダイナミックレンジＲgよりもΔＲだけ狭くなる。
【００１０】
この発明は、従来技術における上述の問題の克服を意図しており、撮像レンズの瞳の縁から発生する周辺回折波を取り除いて広いダイナミックレンジを有する撮像装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、撮像対象物からの光を撮像レンズを介して複数の光電変換素子を配列してなる撮像素子に導き、前記撮像対象物の像を撮像する撮像装置であって、上記目的を達成するため、前記複数の光電変換素子に１対１で対応する複数の開口を有し、前記撮像レンズからの光のうち前記開口に入射する光のみを前記光電変換素子に導く一方、前記開口以外に入射する光を遮断する遮断手段と、それぞれが前記遮断手段と前記撮像レンズとの間で前記複数の開口に１対１で対応して配置され、前記撮像レンズの瞳の像を対応する開口の近傍に形成する複数の投影素子を有する投影手段と、を備えており、前記開口の径を前記開口近傍に投影される前記撮像レンズの瞳の投影像よりも小さくしている。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１は、この発明にかかる撮像装置の一の実施形態を示す図である。また、図２は、図１の撮像装置の部分拡大斜視図である。この撮像装置では、撮像レンズ１０と、複数のマイクロレンズ２１を有するマイクロレンズアレイ２０と、複数のマイクロアパーチャ３１を有するマイクロアパーチャアレイ板３０と、複数の光電変換素子４１をＸ方向に１次元配列してなる撮像素子４０とがこの順序で配置されている。なお、マイクロレンズ２１およびマイクロアパーチャ３１はともに、光電変換素子４１と同数個設けられており、マイクロレンズ２１はマイクロアパーチャ３１と１対１で対応しながらＸ方向に１次元配置されるとともに、マイクロアパーチャ３１は光電変換素子４１と１対１で対応しながらＸ方向に１次元配置されている。このように、この実施形態では、マイクロレンズ２１と、マイクロアパーチャ３１と、光電変換素子４１とが相互に１対１で対応している。
【００１３】
この撮像レンズ１０は、図１に示すように、撮像対象物からの光Ｌを受け、撮像素子４０側の位置Ｐに集光させて撮像対象物の空間像を形成している。
【００１４】
この位置Ｐにマイクロレンズアレイ２０が配置されている。このため、Ｘ方向に伸びる線状の空間像はマイクロレンズアレイ２０に設けられた複数のマイクロレンズ２１により分離される。特に、各光電変換素子４１から出力される電気信号は撮像素子４０により撮像される像の１画素に相当することから、各マイクロレンズ２１により分離される像は画素に対応するものであり、マイクロレンズアレイ２０により撮像対象物の空間像は画素分離されている。
【００１５】
マイクロレンズ２１からの光は、それぞれ対応するマイクロアパーチャ３１を通過し、それぞれ対応する光電変換素子４１に入射し、分割された像を形成する。また、この実施形態では、マイクロレンズ２１により撮像レンズ１０の絞り（瞳）１１の像を、それぞれ対応するマイクロアパーチャ３１上あるいは近傍に投影しており、マイクロレンズ２１が投影素子として機能する。
【００１６】
この実施形態では、図３に示すように、マイクロアパーチャアレイ板３０に形成された各マイクロアパーチャ３１の径Ｄが撮像レンズ１０の絞り１１の像Ｉの大きさよりも小さく設定されている。このため、撮像レンズ１０の絞り１１の縁から発生する周辺回折波ＢＤＷをマイクロアパーチャアレイ板３０で遮断することができる。このことを図１を参照しつつ詳述する。
【００１７】
図１の破線に示すように絞り１１の縁から発生した周辺回折波ＢＤＷはマイクロレンズ２１を介してマイクロアパーチャアレイ板３０側に伝播する。ここで、マイクロアパーチャアレイ板３０に形成される撮像レンズ１０の絞り１１の像Ｉを観察すると、絞り１１の縁が光って見える。このように絞り１１の縁が光って見える理由は、上記説明から明らかなように撮像レンズ１０の絞り１１の縁から発生した周辺回折波ＢＤＷによるものである。この実施形態では、上述したように各マイクロアパーチャ３１の径Ｄを絞り１１の像Ｉよりも小さくしているので、周辺回折波ＢＤＷがマイクロアパーチャアレイ板３０で遮断されて周辺回折波ＢＤＷの撮像素子４０側への伝播が防止される。したがって、周辺回折波ＢＤＷがマイクロアパーチャアレイ板３０のマイクロアパーチャ３１を通過して撮像素子４０に入射するのを防止することができ、周辺回折波ＢＤＷの影響を排除することができる。
【００１８】
なお、各マイクロアパーチャ３１を通過した光、つまり周辺回折波ＢＤＷを含んでいない光はそれぞれ対応する光電変換素子４１に入射し、マイクロレンズアレイ２０で画素分離された像に対応した電気信号が光電変換素子４１から出力される。これらの電気信号は図示を省略する画像処理装置に与えられ、所定の画像処理が実行される。
【００１９】
以上のように、この実施形態にかかる撮像装置によれば、撮像レンズ１０の絞り（瞳）１１の縁から発生する周辺回折波ＢＤＷをマイクロアパーチャアレイ板３０で遮断して周辺回折波ＢＤＷの影響を取り除いているので、撮像装置のダイナミックレンジを広げることができる。
【００２０】
なお、上記では、光電変換素子４１が１次元配列された撮像素子４０により線状の像（１次元像）を撮像する撮像装置について説明したが、本発明の適用対象は１次元に限定されるものではなく、２次元の撮像装置についても適用することができる。
【００２１】
図４は、この発明にかかる撮像装置の他の実施形態を示す部分斜視図である。この撮像装置が先に説明した撮像装置と相違する点は、
(1)撮像素子４０を構成する光電変換素子４１がＸＹ平面内で２次元配列されている点、
(2)光電変換素子４１が２次元配列されているのに応じて、光電変換素子４１と相互に１対１で対応するように、マイクロレンズ２１およびマイクロアパーチャ３１も２次元配列されている点、
であり、その他の基本構成は同一である。
【００２２】
このように構成された撮像装置では、図示を省略する撮像対象物の空間像（２次元）が撮像レンズ１０（図４への図示は省略されている）によりマイクロレンズアレイ２０の位置Ｐに形成され、マイクロレンズ２１により画素分離される。そして、マイクロレンズ２１からの光がそれぞれ対応するマイクロアパーチャ３１を介して、それぞれ対応する光電変換素子４１に入射し、マイクロレンズアレイ２０で画素分離された像に対応した電気信号が光電変換素子４１から画像処理装置に出力される。
【００２３】
また、撮像レンズ１０の絞り（瞳）１１の縁で生じた周辺回折波ＢＤＷは、先に説明した実施形態と同様に、マイクロレンズ２１を介してマイクロアパーチャアレイ板３０に伝播されるが、マイクロアパーチャアレイ板３０により遮断され、周辺回折波ＢＤＷの撮像素子４０側への伝播が防止される。したがって、周辺回折波ＢＤＷがマイクロアパーチャアレイ板３０のマイクロアパーチャ３１を通過して撮像素子４０に入射するのを防止することができ、周辺回折波ＢＤＷの影響を排除することができ、２次元撮像装置においても、そのダイナミックレンジを広げることができる。
【００２４】
なお、上記実施形態では、投影手段としてマイクロレンズ２１を設けているが、マイクロアパーチャ３１の径を十分に小さく設定した場合には、このマイクロアパーチャ３１がピンホールカメラのピンホールとして投影手段の機能を果す。このため、マイクロアパーチャ３１の径を十分に小さくすることで、マイクロレンズ２１を設けることなく、上記撮像装置を構成することができる。
【００２５】
また、上記実施形態では、マイクロアパーチャアレイ板３０に設けられたマイクロアパーチャ３１がマイクロレンズ２１からの光を光電変換素子４１に導光する開口として機能する一方、マイクロアパーチャ３１以外に入射する光（周辺回折波ＢＤＷ）がマイクロアパーチャアレイ板３０で遮断されるように構成している。つまり、マイクロアパーチャアレイ板３０が遮断手段として機能している。ただし、遮断手段としては、このマイクロアパーチャアレイ板３０に限定されるものではなく、撮像素子自体が遮断手段として機能する場合がある。例えば、電荷結像素子（ＣＣＤ）では、光電変換素子と同一平面に配線パターンなどが形成されているが、光電変換素子を除いて表面を遮光部材で覆って光電変換素子にのみ光が入射するように構成しており、この遮光部材が手段として機能する。この場合、マイクロアパーチャアレイ板３０を設ける必要はない。
【００２６】
【実施例】
次に、図１の撮像装置の一実施例について説明する。この実施例にかかる撮像装置は、以下の構成要素を備えている。
【００２７】
＜撮像素子４０＞
光電変換素子４１のピッチが２５μｍのラインセンサである。
【００２８】
＜撮像レンズ１０＞
口径は２０ｍｍであり、焦点距離は６０ｍｍである。（Ｆナンバー３）。また、絞りの形状は円形であり、撮像対象物は無限遠に配置される。
【００２９】
＜マイクロレンズアレイ２０＞
イオン交換型の平板マイクロレンズをＸ方向に配列してなり、各平板マイクロレンズの口径は２０μｍであり、焦点距離は６０μｍである。（Ｆナンバー３）。
【００３０】
＜マイクロアパーチャアレイ板３０＞
マイクロレンズアレイ２０から６０．１μｍの位置に配置されており、径が１８μｍのマイクロアパーチャ３１を光電変換素子４１のピッチと同一ピッチ（２５μｍ）でＸ方向に配列している。ここで、マイクロアパーチャ３１の径を１８μｍとしたのは、上記のように構成した場合、マイクロアパーチャアレイ板３０上に投影される撮像レンズ１０の絞りの大きさがφ２０μｍとなるためである。
【００３１】
このように構成された撮像装置によれば、撮像レンズ１０の絞り１１の縁から発生する周辺回折波ＢＤＷをマイクロアパーチャアレイ板３０で遮断することができ、周辺回折波ＢＤＷの撮像素子４０への入射を防止し、撮像装置のダイナミックレンジを広げることができる。
【００３２】
なお、マイクロレンズアレイ２０によるエアリーディスクのため、実際には絞りの像が若干広がるので、その影響をも解消するにはマイクロアパーチャ３１の径を若干小さくするのが良い。例えば、レンズのＦナンバー３、波長λ＝０．５５ｍｍの場合、エアリーディスクの半径ｒは、ｒ＝１．２Ｆλより、約２μｍとなり、絞りの像もこの広がりを持つ。よって、エアリーディスクによる光の広がりをも遮蔽する場合、若干の余裕をとると、マイクロアパーチャ３１の径は１５μｍ、あるいはそれ以下が良い。
【００３３】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、複数の光電変換素子に１対１で対応する複数の開口を有する遮断手段を設けるとともに、複数の投影素子を遮断手段と撮像レンズとの間で複数の開口に１対１で対応するように配置して撮像レンズの瞳の像を対応する開口の近傍に形成している。しかも、遮断手段の開口の径を開口近傍に投影される投影像よりも小さくなるようにしている。このため、撮像レンズの瞳の縁から発生した周辺回折波を遮断手段により遮断することができ、撮像素子への周辺回折波の伝播を防止し、撮像装置のダイナミックレンジを広げることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明にかかる撮像装置の一の実施形態を示す図である。
【図２】図１の撮像装置の部分拡大斜視図である。
【図３】マイクロアパーチャと、マイクロアパーチャアレイ板３０上に形成される撮像レンズの絞りの像との関係を示す図である。
【図４】この発明にかかる撮像装置の他の実施形態を示す部分斜視図である。
【図５】従来の撮像装置により微小黒点を撮像した場合に得られる像面照度分布を示す図である。
【符号の説明】
１０  撮像レンズ
１１  絞り（瞳）
２０  マイクロレンズアレイ（投影手段）
２１  マイクロレンズ（投影素子）
３０  マイクロアパーチャアレイ板（遮断手段）
３１  マイクロアパーチャ（開口）
４０  撮像素子
４１  光電変換素子
ＢＤＷ  周辺回折波
Ｄ  （マイクロアパーチャの）径
Ｉ  （撮像レンズの絞りの）像
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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