(57)【要約】【課題】  レンズが複数並列に配列された複眼光学系において、受光量の減少を防ぎ、周辺減光によるシェーディングを改善すること。【解決手段】  複数並列に配列されたレンズからなる光学素子と、該光学素子により形成される被写体像を撮像する撮像素子からなる複眼光学系であり、該撮像素子における複数の画素は夫々光を検出する受光素子と、該受光素子に光を集光するマイクロレンズの対から構成されている複眼光学系において、受光素子に対してマイクロレンズを偏心して配置する、またはマイクロレンズに対して該受光素子をずらして配置する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
集光力を有するレンズが複数並列に配列された光学素子と、該光学素子により形成される被写体像を撮像する撮像素子からなる複眼光学系であり、
該撮像素子は、該光学素子の複数のレンズに１対１に対応した複数の撮像領域からなり、該複数の撮像領域は、それぞれ複数の画素から構成されており、該画素は、それぞれ、光を検出する受光素子と、該受光素子に光を集光するマイクロレンズの対から構成されている複眼光学系において、該マイクロレンズは、対となる該受光素子に対して偏心して配置される事を特徴とする複眼光学系。
【請求項２】
前記マイクロレンズの対となる受光素子に対する偏心量は、撮像領域毎に異なることを特徴とする請求項１記載の複眼光学系。
【請求項３】
前記マイクロレンズの対となる受光素子に対する偏心量は、画素毎に異なることを特徴とする請求項１または２記載の複眼光学系。
【請求項４】
前記マイクロレンズの偏心は、該レンズの中心から撮像面への垂線と撮像面との交点に対する方向であり、偏心量は該交点と該マイクロレンズとの距離に応じて大きくなることを特徴とする請求項１から３いずれか記載の複眼光学系。
【請求項５】
前記マイクロレンズの光学有効径は、撮像領域毎に異なることを特徴とする請求項１から４いずれか記載の複眼光学系。
【請求項６】
前記マイクロレンズの光学有効径は、画素毎に異なることを特徴とする請求項１から５いずれか記載の複眼光学系。
【請求項７】
前記マイクロレンズの光学有効径は、該レンズの中心から撮像面への垂線と撮像面との交点と該マイクロレンズとの距離に応じて大きくなることを特徴とする請求項１から６いずれか記載の複眼光学系。
【請求項８】
前記撮像素子は所定のピッチで配列された複数の受光素子から構成されていることを特徴とする請求項１から７いずれか記載の複眼光学系。
【請求項９】
前記撮像素子を構成する複数の撮像領域において、夫々の撮像領域は所定のピッチで配列された複数の受光素子から構成されていることを特徴とする請求項１から７いずれか記載の複眼光学系。
【請求項１０】
集光力を有するレンズが複数並列に配列された光学素子と、該光学素子により形成される被写体像を撮像する撮像素子からなる複眼光学系であり、
該撮像素子は、該光学素子の複数のレンズに１対１に対応した複数の撮像領域からなり、該複数の撮像領域は、それぞれ複数の画素から構成されており、該画素は、それぞれ、光を検出する受光素子と、該受光素子に光を集光する、所定のピッチで配列されたマイクロレンズの対から構成されている複眼光学系において、該受光素子の配置される間隔が異なることを特徴とする複眼光学系。
【請求項１１】
前記受光素子の配置される間隔は、撮像領域毎に異なることを特徴とする請求項１０記載の複眼光学系。
【請求項１２】
前記受光素子の配置される間隔は、画素毎に異なることを特徴とする請求項10または１１記載の複眼光学系。
【請求項１３】
前記受光素子の配置される間隔は、該レンズの中心から撮像面への垂線と撮像面との交点と該受光素子との距離に応じて大きくなることを特徴とする請求項１０から１２いずれか記載の複眼光学系。
【請求項１４】
前記撮像素子において、前記マイクロレンズは所定のピッチで配置されることを特徴とする請求項１０から１３いずれか記載の複眼光学系。
【請求項１５】
前記複数の撮像領域毎において、前記マイクロレンズは所定のピッチで配置されることを特徴とする請求項１０から１３いずれか記載の複眼光学系。
【請求項１６】
前記光学素子を構成する複数のレンズ夫々の光軸は互いに傾いて配置されている事を特徴とする請求項１から１５いずれか記載の複眼光学系。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数のレンズから構成された光学素子と撮像素子とを組み合わせた複眼光学系に関し、特にビデオカメラ、デジタルスチルカメラ、内視鏡、車載カメラ、テレビ電話および監視カメラ等の撮像装置に好適な複眼撮像系に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
最近の撮像系には、一般的なカメラのほかに、ノートパソコンその他の情報携帯端末に実装するため、より小型化が望まれている。そして、このような要望に対し、撮影光学系として複数のレンズを並列に配置した光学素子を用いることにより、薄型および小型化を実現した複眼光学系が提案されている。
【０００３】
このような小型の複眼光学系と組み合わせる撮像素子においてはチップサイズの小型化、多画素化から受光部面積の縮小、受光量の減少となり、その結果検出感度が低下する。また周辺のレンズほど、対応する撮像領域に対して光線は斜めに入射するため、集光部であるマイクロレンズは輝度シェーディングをなくすために、光線の入射角度に略合わせて配置する必要がある。
【０００４】
周辺減光によるシェーディングを防ぐためのマイクロレンズの偏心に関しては特開平5-227468公報に提案されている。撮像面の中心に対して周辺に行くに従い、マイクロレンズを中心側へ偏心させ、受光部の領域内へ光を屈折させる事により受光量の減少を防いでいる。これにより周辺減光によるシェーディングを改善し、画面全体で均一な明るさを持つ画像としている。
【０００５】
また、特開2000-349268公報では、上記特開平5-227468公報と同様に撮像面の周辺ほどマイクロレンズを中心側へ偏心させ、更に周辺ほどマイクロレンズの寸法を大きくする事により受光量を増加させ、周辺減光によるシェーディングを改善している。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
光軸が互いに傾き、複数のレンズが並列に配列された光学素子においては、各レンズにおいて異なる視野、異なる画角を持つため、対応する夫々の撮像領域の画素において、受光量の減少を防ぐためにマイクロレンズを偏心させる必要がある。
【０００７】
しかしながら、上記特開平5-227468公報、特開2000-349268公報の提案はマイクロレンズを、基板面の周辺部において中心部側へ偏心させている。つまり周辺に行くに従い中心側へ一義的に大きくずらすというものである。
【０００８】
前記複眼光学系においては、中心のレンズでは、光学素子の外側の方向に対して光束の入射角度が大きくなるが、周辺レンズでは光学素子の外側の方向に対して入射角度が小さくなる（図１参照）。よって、中心から周辺への一方向に対して一義的にマイクロレンズを偏心させる方法では、前記複眼光学系においては周辺減光によるシェーディングを改善することはできない。
【０００９】
そこで本発明は、光軸が互いに傾き、複数のレンズが並列に配列された光学素子と、夫々のレンズに対応する複数の撮像領域を有する撮像素子からなる複眼光学系において、前記複数の撮像領域毎または前記複数の画素毎に、マイクロレンズを偏心させることにより受光量の減少を防ぎ、周辺減光によるシェーディングを改善することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の目的を達成するために、本発明では、集光力を有するレンズが複数並列に配列された光学素子と、該光学素子により形成される被写体像を撮像する撮像素子からなる複眼光学系であり、該撮像素子は、該光学素子の複数のレンズに１対１に対応した複数の撮像領域からなり、該複数の撮像領域は、それぞれ複数の画素から構成されており、該画素は、それぞれ、光を検出する受光素子と、該受光素子に光を集光するマイクロレンズの対から構成されている複眼光学系において、該マイクロレンズは、該レンズの中心から撮像面への垂線と撮像面との交点に対する方向に偏心され、偏心量は該交点と該マイクロレンズとの距離に応じて大きくする。これにより受光量の減少を防ぎ、周辺減光によるシェーディングを改善することが可能となる。
【発明の効果】
【００１１】
以上説明したように、本発明によれば、集光力を有するレンズが複数並列に配列された光学素子と、該光学素子により形成される被写体像を撮像する撮像素子からなる複眼光学系であり、該撮像素子は、該光学素子の複数のレンズに１対１に対応した複数の撮像領域からなり、該複数の撮像領域は、それぞれ複数の画素から構成されており、該画素は、それぞれ、光を検出する受光素子と、該受光素子に光を集光するマイクロレンズの対から構成されている複眼光学系において、該マイクロレンズは、該レンズの中心から撮像面への垂線と撮像面との交点に対する方向に偏心され、偏心量は該交点と該マイクロレンズとの距離に応じて大きくする。これにより受光量の減少を防ぎ、周辺減光によるシェーディングを改善することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
（第一実施形態）
まず、本発明における複眼光学系の構成、結像作用について述べる。
図１には、本発明の第１実施形態である複眼光学系の断面を示している。前記複眼光学系は、複数のレンズを並列配置した光学素子１０、撮像素子１２、開口絞り７０、集光部であるマイクロレンズ１３から構成される。
【００１３】
また、図４には、複眼光学系に用いられる光学素子の光軸方向視図を、図５には複眼光学系に用いられる撮像素子の光軸方向視図をそれぞれ示している。光学素子１０は、複数の集光力を有するレンズ１１−１〜１１−２５を有して構成されている。
【００１４】
図５における撮像素子１２は、レンズ１１−１〜１１−２５のそれぞれを通過した光束を受光して、この光束により形成された被写体像を電気信号に変換する複数の撮像領域１４−１〜１４−２５によって構成される。これら撮像領域１４−１〜１４−２５はそれぞれ、複数の画素から構成され、夫々の画素は光を受光する受光素子と、該受光素子に光を集光するマイクロレンズの対から構成されている。図７には、上記光学素子１０の結像作用を模式的に示している。なお、図７においては、説明のため被写体５０を含む撮影領域を点線で示している。
【００１５】
レンズ１１−１は、撮影領域５１−１の被写体を撮像領域１４−１上に結像させる。また、レンズ１１−２は、撮影領域５１−２の被写体を撮像領域１４−２上に結像させる。以下同様に、各レンズはそれぞれ別の撮影領域の被写体を、対応する撮像領域上に結像させる。したがって、本実施形態においては、撮影領域を分割した複数の領域をそれぞれ別のレンズを通じて撮影する構成とすることにより、撮影領域全体の撮影を可能としている。
【００１６】
次に受光量の減少を防ぐためのマイクロレンズの偏心について、図２、図３を用いて説明する。図２、図３はマイクロレンズ１３と受光素子１９の対から構成される画素を示しており、画素に入射される光束１６はマイクロレンズによって集光されて、受光素子１９に受光される。ここで図２と図３において、画素に入射する光束の入射角度は図３の方が大きい。また、３０はマイクロレンズの中心を通る垂線（一点鎖線）、３１は受光素子の中心を通る垂線（実線）を表している。図２[A]はマイクロレンズの中心を通る垂線と受光素子の中心を通る垂線が一致している画素であり、画素に入射する光束の入射角度が大きくなると、マイクロレンズによって受光素子の外側に集光され、受光感度が下がる。よってマイクロレンズを偏心することにより受光素子内に集光させる。ここで、マイクロレンズの偏心とは、受光素子の中心位置からマイクロレンズの水平方向の移動とし、受光素子の中心位置からマイクロレンズの中心位置の距離を偏心量とする。この時、図２[B]のように光源の方向に対してマイクロレンズを偏心させることにより光束を受光素子内に入射させる。このときのマイクロレンズの偏心量ΔPは一定値ではなく、ΔPは図２[C]のΔP1や図２[D]のΔP2のように受光素子内に入射される範囲であればよく、ΔP1 < ΔP < ΔP2である。また、図３においては、図２における光束よりも入射角度が大きい。図３[A]ではマイクロレンズの中心を通る垂線と受光素子の中心を通る垂線が一致している画素に光束が入射して、受光素子の外に光束がはみ出しており、図３[B]においてマイクロレンズを偏心することにより光束を受光素子内に入射させる。このとき、マイクロレンズを偏心させる手法は図２における場合と同様であり、図３[B]のマイクロレンズの偏心量ΔP'は光束の入射角度が大きいため、ΔPよりも大きい。このように光束の入射角度に略合わせてマイクロレンズを偏心させることにより受光量の減少を防ぐことが可能となる。
【００１７】
次に本発明による複眼光学系において受光量の減少を防ぎ、周辺減光によるシェーディングを改善するためのマイクロレンズの偏心について、図８、図９を用いて説明する。図８、図９は光学素子を構成するレンズの一部と、それに対応した撮像領域、及び画素を構成するマイクロレンズを上から見た図である。図１０は複眼光学系の断面図で、レンズ１１−１、レンズ１１−５、レンズ１１−１６と夫々に対応する撮像領域１４−１、１４−５、１４−１６を示している。図１０に示すとおり、中心にあるレンズ１１−１にでは対応する撮像領域１４−１に対して撮像素子１２の外側に向かって光束の入射角度が大きくなり、周辺のレンズ１１−５では対応する撮像領域１４−５に対して撮像素子の外側に向かって光束の入射角度が小さくなる。その他の周辺レンズについても同様に、光線の入射角度は撮像素子の外側に向かって入射角度が小さくなり、夫々のレンズの中心から距離が離れるほど、入射角度は大きくなる。また、図８、図９において少なくとも夫々の画像領域毎に、夫々の画素における受光素子の配置される間隔（ピッチ）は等しいものとする。
【００１８】
まず図８について述べる。図８[A]は中心に位置するレンズ１１−１と対応する撮像領域１４−１を示している。撮像領域１４−１は複数の画素から構成されており、ここでは説明のため４×４画素としたが画素数はこの限りではない。夫々の画素はマイクロレンズ１３と受光素子１９から構成されるが、図にはマイクロレンズのみ示している。ここで、マイクロレンズの偏心とは、受光素子の中心位置からマイクロレンズの水平方向の移動とし、受光素子の中心位置からマイクロレンズの中心位置の距離を偏心量とする。図8[B]はレンズ１１−５、対応する撮像領域１４−５を示しており、矢印の向きはマイクロレンズの偏心方向、長さは偏心量を表す。マイクロレンズの偏心量、偏心する方向は撮像領域１４−５内においては全て一定で、偏心する方向は撮像領域１４−５の中心からレンズ１１−５の中心方向であり、偏心量は図２、図３を用いて説明したように受光素子内に光束が入射するように決定する。同様の手法で図８[C]、図８[D]における画素についてマイクロレンズの偏心を行う。偏心量は光束の入射角度に略合わせる為、図８[C]におけるマイクロレンズの偏心量は図８[B]におけるマイクロレンズの偏心量よりも多く、同様に図８[D]におけるマイクロレンズの偏心量は図８[C]におけるマイクロレンズの偏心量よりも多い。その他のレンズ、それに対応する撮像領域においても同様にマイクロレンズの偏心を行う。図８[A]においてはレンズ１１−１と撮像領域１４−１の中心位置が一致しているためマイクロレンズの偏心は行わない。このように撮像領域ごとにマイクロレンズの偏心量、方向を一定とすることにより、偏心量、方向の種類を撮像領域の数程度に少なくでき、これによりマイクロレンズの製造性を向上させると共に、受光量の減少を防ぎ、周辺減光によるシェーディングを改善することが可能となる。
【００１９】
（第二実施形態）
本実施形態において、複眼光学系は撮像素子以外に関しては第一実施形態で使用したものと同じものを使用しており、また受光量の減少を防ぐための、マイクロレンズの偏心の手法についても第一実施形態で説明したものと同様であるので説明は省略する。
【００２０】
次に本発明による複眼光学系において受光量の減少を防ぎ、周辺減光によるシェーディングを改善するためのマイクロレンズの偏心について、図９を用いて説明する。図９[A]は図８[A]と同様に中心に位置するレンズ１１−１と対応する撮像領域１４−１を示している。図中の矢印の向きはマイクロレンズの偏心方向、長さは偏心量を表している。偏心方向は各画素におけるマイクロレンズの中心からレンズの中心の方向で、偏心量は光束の入射角度に略合わせており、入射角度が大きい画素ほど偏心量が多く、図２、図３を用いて説明したように受光素子内に光束が入射するように決定する。図９[B]、図９[C]、図９[D]や、その他の撮像領域においても同様にマイクロレンズの偏心を行う。ここで、中心のレンズ１１―１に対応する撮像素子１４―１においては、光束の入射角度が比較的小さいので、マイクロレンズの偏心を行わなくてもよいものとする。図9[A]において、夫々のマイクロレンズの偏心方向は撮像素子の中心方向であり、図9[B]、図9[C]、図9[D]を始めその他の撮像領域においてはマイクロレンズの偏心方向は撮像素子の外側である。
【００２１】
このように画素毎にマイクロレンズの偏心量、方向を決定することにより、上述した撮像領域毎によるマイクロレンズの偏心において補正しきれないケラレをも補正可能であり、周辺減光によるシェーディングを改善することが可能となる。
【００２２】
また、光束の入射角度が大きいマイクロレンズほど光学有効径を大きくすることにより、入射角度の大きい光束の受光部内への入射光量を増加させ、上述したマイクロレンズの偏心においても改善しきれないシェーディングを改善することも可能である。
（第三実施形態）
本実施形態において、複眼光学系は撮像素子以外に関しては第一実施形態で使用したものと同じものを使用しているので説明は省略する。ここで、少なくとも夫々の画像領域毎に、夫々の画素におけるマイクロレンズの配置される間隔（ピッチ）は等しいものとする。
【００２３】
本実施形態において、受光量の減少を防ぐために、マイクロレンズに対して受光素子の配置をずらす。図１１[A]は図２[A]と同様の図であり、マイクロレンズによって受光素子の外側に集光され、受光感度が下がる。よって、図１１[B]のように受光素子の配置をずらす事により光束を受光素子内に入射させる。この時、受光素子をずらす方向は、第一、第二実施形態におけるマイクロレンズの偏心方向と反対で、受光素子のずらす量は第一、第二実施形態におけるマイクロレンズの偏心量と同程度であり、光束を受光素子内に入射することが可能な範囲のずれ量である。図１２、図１３は光学素子を構成するレンズの一部と、それに対応した撮像領域、及び画素を構成する受光素子を上から見た図である。図１２に撮像領域毎における受光素子の配置をずらす方向、及びずらす量を矢印にて示す。図１３は画素毎における受光素子の位置をずらす方向、及びずらす量を矢印にて示したものである。図１２、図１３において、受光素子をずらす事により、受光素子の配置させる間隔を変えた時の効果については図８、図９におけるマイクロレンズを偏心した場合と同様である。このような受光素子の配置を行うことにより、夫々の画素において、配置間隔を変えない時には受光部外へはみ出してしまう光束を、受光部内に入射させることが可能となり、受光部外へはみ出す光束を減少させることにより、周辺減光によるシェーディングを改善することができる。
【００２４】
なお全ての実施形態において、各レンズのうち少なくとも１つの光学作用面は非回転対称面を含む非球面により構成されており、光学作用面は回折面であってもよい。各レンズはガラスやプラスチック等の透明材料で形成されている。
【００２５】
また、各レンズの焦点距離は異なっていてもよい。
【００２６】
また、レンズ数を２５個（５×５個）としたが制限はない。開口絞りは光学素子の前後どちらにあってもよいものとする。
【００２７】
また、図６のように１つの撮像素子において、それぞれの撮像領域を１５−１〜１５−２５のように分けてもよい。図６では撮像領域１５-１〜１５-２５を区別するために周辺部分を太線にて示している。ここで、撮像領域１５-１〜１５-２５以外の画像検出素子部２０は不要な撮像領域となるため、画像素子１２における出力信号を読み出す時に画像検出素子部２０の出力信号を読み出さないことにより不要な信号を排除することができる。
【００２８】
また、図７においては撮影領域５１−１〜５１−２５の面積は全て等しく示しているが、各レンズの焦点距離等の違いによりそれぞれの撮影領域の面積を異なる面積としてもよい。実施形態において撮像領域１４−１、１４−５、１４−１６を例に挙げたが、その他の撮像領域においても同様な方法によりマイクロレンズの偏心等を行うものとする。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の複眼光学系の構成を示す断面図。
【図２】画素を構成するマイクロレンズと受光素子、及び入射する光束を示す断面図。
【図３】画素を構成するマイクロレンズと受光素子、及び入射する光束を示す断面図。
【図４】上記複眼光学系に用いられる光学素子の光軸方向視図。
【図５】上記複眼光学系に用いられる複数の撮像素子（撮像領域）から構成される撮像素子を示す光軸方向視図。
【図６】上記複眼撮像系に用いられる1つの撮像素子を示す光軸方向視図。
【図７】上記複眼撮像系による撮像概念図。
【図８】各レンズと対応する撮像領域、及びマイクロレンズとマイクロレンズの偏心方向、偏心量を示す矢印の上方からの方向視図。
【図９】各レンズと対応する撮像領域、及びマイクロレンズとマイクロレンズの偏心方向、偏心量を示す矢印の上方からの方向視図。
【図１０】本発明の複眼光学系の構成を示す断面図。
【図１１】画素を構成するマイクロレンズと受光素子、及び入射する光束を示す断面図。
【図１２】各レンズと対応する撮像領域、及び受光素子と受光素子の配置をずらす方向、量を示す矢印の上方からの方向視図。
【図１３】各レンズと対応する撮像領域、及び受光素子と受光素子の配置をずらす方向、量を示す矢印の上方からの方向視図。
【符号の説明】
【００３０】
１０  光学素子
１１−１〜１１−２５  レンズ
１２  撮像素子
１３  マイクロレンズ
１４−１〜１４−２５，１５−１〜１５−２５  撮像領域
１６  画素に入射する光束
１８  １４−１，１４−５，１４−１６の断面拡大部分
１９  受光素子
２０  図４の撮像ブロック１４-１〜１４-２５以外の画像検出素子部
２１  マイクロレンズの偏心方向
２２  受光素子の配列がずれる方向
３０  マイクロレンズの中心を通る垂線（一点鎖線）
３１  受光素子の中心を通る垂線（実線）
５０  被写体
５１−１〜５１−２５  撮影領域
７０  開口絞り
ΔP、ΔP'  マイクロレンズの偏心量
【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】
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【図８】
2005167442.tif 000010
【図９】
2005167442.tif 000011
【図１０】
2005167442.tif 000012
【図１１】
2005167442.tif 000013
【図１２】
2005167442.tif 000014
【図１３】
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