(57)【要約】【課題】近距離被写体の場合にもカラー画像合成ができる結像光学素子を提供する。【解決手段】平板状の透明基板の片面に配列された４個のレンズを有するレンズアレイを備えている。４個のレンズは、２個のレンズを１組とし、各組の２個のレンズが透明基板のレンズ形成面上で点対称となるように配置されている。レンズアレイのレンズ形成面およびレンズ非形成面には、遮光膜が被覆され、円形開口が設けられている。光入射面の円形開口に３原色（Ｒ，Ｇ，Ｂ）カラーフィルタ３２が設けられている。【選択図】　　　図６
2004048615.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方の面に複数個のレンズが配列された平板状の透明基板と、
前記透明基板の前記レンズが配列された面に設けられ、レンズ径以下の第１の開口を有する第１の遮光膜と、
前記透明基板の前記レンズが配列された面とは反対側の面に設けられ、前記各レンズに対応する第２の開口を有する第２の遮光膜と、
前記第２の開口に設けられた３原色カラーフィルタと、
を備える結像光学素子。
【請求項２】
前記複数個のレンズは、２個のレンズを１組として、各組の２個のレンズが、１つの対称中心点に対し点対称となるように配置され、すべての前記複数個のレンズの各光軸は、前記対称中心点から等距離にある、請求項１に記載の結像光学素子。
【請求項３】
点対称の関係にある少なくとも一組の２個のレンズに対応する２個の第２の開口には、同一色のカラーフィルタが設けられている請求項１に記載の結像光学素子。
【請求項４】
前記複数個のレンズは４個であり、点対称の関係にある一方の組の２個のレンズに対応する２個の第２の開口には、同一色のカラーフィルタが設けられ、他方の組の２個のレンズのうちの一方のレンズには他の色のカラーフィルタが設けられ、他方のレンズにはさらに他の色のカラーフィルタが設けられている、請求項２に記載の結像光学素子。
【請求項５】
前記第２の開口は、前記対称中心点に向かって延びた長円形開口である、請求項１〜４のいずれかに記載の結像光学素子。
【請求項６】
前記第２の開口は、前記対称中心点に向かって延びた４個の長円形開口であり、これら長円形開口は、その２つの円部の中心が、前記対称中心点を通る直交する２本の直線上に位置するように配置されており、
前記長円形開口の２つの円部の中心を、それぞれ、前記対称中心点に近い中心を第１の中心とし、前記対称中心点より遠い中心を第２の中心とした場合に、第１の中心と第２の中心との間の距離ｑは、
【数１】
2004048615.tif 000003
ただし、ｐは、前記対称中心点と前記第２の中心との間の距離、
ｔは、前記透明基板の厚さ、
ｎ１　は、前記透明基板の屈折率、
ｌｍｉｎ　は、前記透明基板の前記レンズが配列された面と最近接被写体との間
の距離、
であり、前記ｑは、
【数２】
2004048615.tif 000004
ただし、ｄ０　は前記長円形開口の２つの円部の直径、
である請求項４に記載の結像光学素子。
【請求項７】
固体撮像素子と、
前記固体撮像素子の受光面に、前記レンズが形成された面が対向し、および前記固体撮像素子の受光面に、前記レンズが形成された面とは反対側の面が平行となるように配置された、請求項１〜６のいずれかに記載の結像光学素子と、
を備える撮像光学装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、結像光学素子およびそれを用いた撮像光学装置、特に、デジタルカメラに用いるのが好適な結像光学素子およびそれを用いた撮像光学装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ＣＣＤ等の固体電子撮像素子を用い高精細な画像記録が可能な、いわゆるデジタルカメラが普及している。そして、このようなデジタルカメラに、より一層の小型軽量化，高精細化が求められている。デジタルカメラに使用される撮像光学系には、小型，単純なものであって、かつ高精細な固体電子撮像素子の性能を活かすため、結像性能の高いものが要求されている。
【０００３】
通常の撮像光学系においては、単レンズを用いて物体光を集光し、カラーフィルタを介して固体撮像素子への結像を行っている。カラーフィルタは、通常、固体撮像素子上に設けられる。
【０００４】
デジタルカメラをさらに薄型化するために、単レンズに代えて、焦点距離の短い複数個のレンズが配列されたレンズアレイを用いた結像光学素子が使われている。
【０００５】
図１に、このような結像光学素子の一例を示す。（Ａ）は平面図を、（Ｂ）は（Ａ）のＸ−Ｘ′線断面図を示す。結像光学素子１０は、平板状の透明基板１２の片面に配列された４個のレンズ１４を有するレンズアレイ１６を備えている。このようなレンズアレイ１６は、透明基板上にレンズを取り付けたもの、あるいは透明基板とレンズとを一体に形成したものである。４個のレンズ１４は、２個のレンズを１組とし、各組の２個のレンズが透明基板１２のレンズ形成面上で点対称となるように配置されている。そして、４個のレンズの各光軸は、対称中心点から等距離にある。
【０００６】
レンズアレイ１６のレンズ形成面およびレンズ非形成面には、結像画像のコントラストを高めるために、レンズ以外の部分を透過する光を遮光するために、光吸収性膜よりなる遮光膜１８が被覆される。ただし、レンズ形成面には、レンズ部分にレンズ径以下の径を有しレンズの光軸と同軸をなす第１の円形開口１９が設けられ、レンズ非形成面には、レンズの光軸と同軸をなす第２の円形開口２０が設けられている。これら第１の円形開口１９と第２の円形開口２０とは、同一の直径を有している。さらに、全体が反射防止膜２２で覆われている。
【０００７】
以上のような結像光学素子は、デジタルカメラにおいては、レンズ形成面を、固体撮像素子に向け、かつレンズ非形成面（光入射面となる）を固体撮像素子の受光面と平行にして配置されて、撮像光学装置を構成する。図２に、そのようにして構成された撮像光学装置を示す。図を簡単にするため、結像光学素子１０は、レンズアレイ１６のみを示してある。図中、２４は固体撮像素子を示す。固体撮像素子２４の受光面上には、各レンズに対応する撮像領域に、それぞれ３原色カラーフィルタ２６が設けられている。
【０００８】
以上のような撮像光学装置によれば、各レンズによる結像された画像を合成することによりカラー画像を形成できる。また、結像光学素子１０は、光入射面が平面であるので、短い作動距離が得られる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来の撮像光学装置では、４枚のカラーフィルタが固体撮像素子の受光面に設けられている。図２に示すように、遠距離被写体を撮像する場合、被写体の像は各レンズに対応した各カラーフィルタ２６上に結像する。しかし、被写体の位置によって結像位置は変動するので、近距離被写体の場合、図２に示すように、結像位置がカラーフィルタ２６をはずれてしまい、カラー画像合成ができなくなるという問題点がある。
【００１０】
本発明の目的は、上述のような問題を解決した結像光学素子およびこれを用いた撮像光学装置を提供することにある。
【００１１】
本発明の他の目的は、コントラストの高い画像が得られる結像光学素子およびこれを用いた撮像光学装置を提供することにある。
【００１２】
本発明のさらに他の目的は、精細な画像が得られる結像光学素子およびこれを用いた撮像光学装置を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の態様は、結像光学素子であり、一方の面に複数個のレンズが配列された平板状の透明基板と、前記透明基板の前記レンズが配列された面に設けられ、レンズ径以下の第１の開口を有する第１の遮光膜と、前記透明基板の前記レンズが配列された面とは反対側の面に設けられ、前記各レンズに対応する第２の開口を有する第２の遮光膜と、前記第２の開口に設けられた３原色カラーフィルタとを備えている。
【００１４】
本発明によれば、前記複数個のレンズは、２個のレンズを１組として、各組の２個のレンズが、１つの対称中心点に対し点対称となるように配置され、すべての前記複数個のレンズの各光軸は、前記対称中心点から等距離にある。
【００１５】
本発明の第２の態様は、撮像光学装置である。この撮像光学装置は、固体撮像素子と、前記固体撮像素子の受光面に、前記レンズが形成された面が対向し、および前記固体撮像素子の受光面に、前記レンズが形成された面とは反対側の面が平行となるように配置された結像光学素子とを備えている。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図３は、本発明の結像光学素子の一実施例を示す。（Ａ）は平面図、（Ｂ）は（Ａ）のＹ−Ｙ′線断面図である。
【００１７】
この実施例の結像光学素子３０は、図１で説明した従来の結像光学素子１０のレンズ形成面とは反対側の光入射面の第２の円形開口２０に３原色（Ｒ，Ｇ，Ｂ）カラーフィルタ３２を設けたものであり、その他の構造は図１の結像光学素子に同じである。したがって、図１と同一の構成要素には、同一の参照番号を付して示す。
【００１８】
図１において説明したが、４個のレンズ１４は、透明基板１２上で、２個のレンズを１組とし、各組の２個のレンズがレンズ形成面上の一点に対して対称となるように配置する。図４に、４個のレンズ１４の配置を示す。透明基板１２が正方形であるとすると、その中心位置３４を対称中心点として、対角線の方向に対称に配置する。４個のレンズを、それぞれ、１４−１，１４−２，１４−３，１４−４とした場合、レンズ１４−１と１４−３とが点対称の関係にあり、レンズ１４−２と１４−４とが点対称の関係にある。そして、全部のレンズの光軸は、対称中心点３４から等距離にある。
【００１９】
以上のような点対称の配置に加えて、個々のレンズによって結像された画像は、固体撮像素子表面で重ならないように、かつ固体撮像素子の受光面からはみ出ないようにレンズを配置する必要がある。
【００２０】
図５に、結像光学素子３０のレンズ非形成面を示す。前述したように第２の円形開口２０には、３原色（Ｒ，Ｇ，Ｂ）カラーフィルタが設けられている。カラーフィルタをそれぞれ３２−１，３２−２，３２−３，３２−４とした場合に、フィルタ３２−１，３２−３は同一のＲ色カラーフィルタを、フィルタ３２−２はＧ色カラーフィルタを、フィルタ３２−４はＢ色カラーフィルタを設けるものとする。
【００２１】
図６は、以上のような構成の結像光学素子３０を、その入射面が固体撮像素子２４の受光面に平行となるようにして配置し、撮像光学装置を構成した状態を示す。
【００２２】
このような撮像光学装置では、近距離被写体であっても、カラーフィルタがレンズアレイに設けられているので、前述した従来技術の問題は生ぜず、固体撮像素子２４の受光面に結像された２つのＲ色画像と、１つのＧ色画像と、１つのＢ色画像とから、カラー画像を構成することができる。この場合、２つのＲ色画像のデータを処理して、固体撮像素子の対応する画素位置を特定する。Ｇ色画像とＢ色画像も、２個のＲ色画像と同様の対称な位置関係にあるので、前記２つのＲ色画像の比較結果を利用し、画像の合成を行う。
【００２３】
以上の例では、２個のカラーフィルタをＲ色としたが、これはＧ色あるいはＢ色であってもよい。
【００２４】
以上の撮像光学装置では、被写体が近距離にある場合、被写体からの光の一部が、結像光学素子３０の遮光膜１８に遮られて、カラーフィルタが設けられている第２の円形開口２０を通過する光が少なくなり、結像画像のコントラストが悪くなるおそれがある。これを防止するためには、図７に示すようにカラーフィルタが設けられる開口の形状を、対称中心点３４に向かって延びた長円形状にすればよい。
【００２５】
図８および図９は、長円形開口３６の寸法の考察を説明するための図である。図８は、長円形開口３６の寸法を示す図であり、図９は、長円形開口の原理を説明するための図である。
【００２６】
長円形開口３６は、図８に示すように、点Ａ，Ｂを中心とした直径ｄ０　の半円部と、中心点Ａ，Ｂ間の矩形部とから構成される。直径ｄ０　は、第１の円形開口１９の直径に同じである。点Ｂは対称中心点３４に近い側の中心であり、対称中心点３４から点Ｂまでの距離はｘであり、対称中心点３４から点Ａまでの距離はｐである。
【００２７】
なお図７の場合、各長円形開口の中心Ａ，Ｂは、対称中心点３４を通る直交する２本の直線上に位置している。
【００２８】
図９に示すように、近距離被写体から結像光学素子の入射面までの距離、正確には近距離被写体からレンズ非形成面上の遮光膜１８までの距離をｌ、レンズアレイ透明基板１２の厚みをｔ、レンズアレイ透明基板の屈折率をｎ１　、周囲媒質（通常、空気）の屈折率をｎ０　とするとき、被写体とレンズ１４の光学距離Ｌは
【００２９】
【数３】
Ｌ＝｛ｌ＋ｔ（ｎ１　／ｎ０　）｝
である。
【００３０】
いま、カメラが撮影できる最近接被写体までの距離をｌｍｉｎ　とすると、ｌｍｉｎ　を小さくするためには、対称中心点３４に近い側の中心Ｂを対称中心点３４に近づける必要がある。しかし、隣接する長円形開口同士が接してしまうと、遮光の機能が失われる。したがって、図７の長円形開口の配置において、隣接する長円形開口が接しないためには、図８に示す距離ｘは、
【００３１】
【数４】
ｘ＜ｄ０　／√２
でなければならない。一方、長円形開口の２つの中心Ａ，Ｂ間の距離ｑは、
【００３２】
【数５】
ｑ＝ｐ−ｘ
＝ｐ（１−ｌｍｉｎ　／Ｌ）
ここで、ｎ０　＝１とし、ｌｍｉｎ　≫ｔｎ１　とすると、
【００３３】
【数６】
ｑ＝ｐｔｎ１　／ｌｍｉｎ
と近似される。すなわち、長円形開口の一方の中心Ａは、レンズ１４の光軸に一致する、対称中心点３４からｐの距離にあり、他方の中心Ｂは、中心Ａと対称中心点３４を結ぶ直線Ｃ上にあって中心Ａからｑの距離にある。長円形開口は、この２点ＡとＢを中心とする直径ｄ０　の円を直線Ｃに平行な２つの接線で結んだものとなる。ただし、
【００３４】
【数７】
ｑ＜ｐ−ｄ０　／√２
でなければならないので、距離ｌｍｉｎ　とレンズアレイのパラメータとの間には次の関係が必要となる。
【００３５】
【数８】
ｌｍｉｎ　＞ｐｔｎ１　／（ｐ−ｄ０　／√２）
以上のように、カラーフィルタが設けられる開口を長円形開口とすることによって、被写体の位置によらず入射光を有効に取り込め、コントラストの高い画像が得られる。
【００３６】
以上の実施例では、レンズアレイは４個のレンズを有する結像光学素子の場合について説明したが、点対称に配置されている１組が２個のレンズを、３組以上設け、全部のレンズの光軸を、対称中心点から等距離に配置することもできる。このような結像光学素子を用いた撮像光学装置によれば、前述したと同様の方法で画像合成できる。
【００３７】
【発明の効果】
本発明によれば、以下の効果が得られる。
（１）ＲＧＢ各色ごとに別のレンズを用いて結像し合成するため、明るいカラー画像が得られる。
（２）焦点距離の短いレンズアレイを用い、被写体距離によらずに作動距離が短いため、デジタルカメラを小型化できる。
（３）広い被写体距離に対応できる遮光手段を備えているため、コントラストが高い画像が得られる。
（４）点対称配置レンズを用いているため、正確な画像合成が可能となり、精細な画像が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の結像光学素子の一例を示す図である。
【図２】図１の結像光学素子を用いた撮像光学装置を示す図である。
【図３】本発明の結像光学素子の一実施例を示す図である。
【図４】レンズの配置を示す図である。
【図５】カラーフィルタの配置を示す図である。
【図６】本発明の撮像光学装置の一実施例を示す図である。
【図７】長円形状開口を示す図である。
【図８】長円形開口の寸法を示す図である。
【図９】長円形状開口の原理を説明するための図である。
【符号の説明】
１０，３０　結像光学素子
１２　平板状の透明基板
１４　レンズ
１６　レンズアレイ
１８　遮光膜
１９　第１の円形開口
２０　第２の円形開口
２２　反射防止膜
２４　固体撮像素子
２６，３２　３原色カラーフィルタ
３４　対称中心点
３６　長円形開口
【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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【図６】
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【図７】
2004048615.tif 000011
【図８】
2004048615.tif 000012
【図９】
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