(57)【要約】      （修正有）【課題】良好な被写体像が再生される三次元画像データを撮像可能な撮像装置を提供する。【解決手段】撮像装置は、複数の画素２８が行列状に二次元状に配列された撮像面を有する撮像素子アレイ２６と、複数のシリンドリカルレンズ２７を有し、複数の画素２８が配列している第１方向と０度よりも大きく９０度よりも小さい角度で交差する第２方向に屈折力を有していない、撮像面の前方に配置されたレンチキュラーレンズ２５とを備える撮像素子２２を含む。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の画素が二次元状に配列された撮像面を有する撮像素子と、
複数のシリンドリカルレンズを有し、前記複数の画素が配列している第１方向と０度よりも大きく９０度よりも小さい角度で交差する第２方向に屈折力を有していない、前記撮像面に配置されたレンチキュラーレンズと
を備える電子機器。
【請求項２】
請求項１に記載の電子機器において、
前記複数の画素は行列状に二次元状に配置され、
前記第１方向は、前記行列の列方向である電子機器。
【請求項３】
請求項１または２に記載の電子機器において、
前記撮像素子により出力された撮像信号を、被写体像の凹凸が反転した信号に変換する変換部を更に備える電子機器。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載の電子機器において、
前記レンチキュラーレンズは、対向する２つの面を有する基板と、前記２つの面の一方に設けられた複数のシリンドリカルレンズと、前記２つの面の他方に設けられた支持部とを含み、
前記複数のシリンドリカルレンズを構成する材料の熱膨張率は、前記支持部を構成する材料の熱膨張率と等しい電子機器。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項に記載の電子機器において、
光学系を通過して前記レンチキュラーレンズに向かう光の一部が通過する開口部が設けられた光学部材を更に備え、
前記開口部の前記第２方向の開口の幅は前記開口部の他の方向のうち少なくとも１つの方向の開口の幅よりも小さい電子機器。
【請求項６】
複数の画素が二次元状に配列された撮像面を有する撮像素子と、
所定方向に屈折力を有していない複数のシリンドリカルレンズを有し、前記撮像面に配置されたレンチキュラーレンズと、
光学系を通過して前記レンチキュラーレンズに向かう光の一部が通過する開口部が設けられた光学部材と
を備え、
前記開口部の前記所定方向の開口の幅は前記開口部の他の方向のうち少なくとも１つの方向の開口の幅よりも小さい電子機器。
【請求項７】
対向する２つの面を有する基材と、前記２つの面の一方に設けられた複数のシリンドリカルレンズと、前記２つの面の他方に設けられ、前記複数のシリンドリカルレンズを構成する材料の熱膨張率に等しい熱膨張率を有する材料で構成された支持部と、
を備える光学素子。
【請求項８】
請求項７に記載の光学素子を撮像面に設けた撮像素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子機器、光学素子、および撮像素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、入射光を二次元状に配列した複数のマイクロレンズを介して受光するカメラが知られている（例えば特許文献１）。このようなカメラの撮像画像を再生する際、縦方向および横方向の解像力は、マイクロレンズなしで受光した撮像画像を再生する場合に比べて低下する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特表２００８−５１５１１０号公報
【発明の概要】
【０００４】
本発明の第１の態様によると、電子機器は、複数の画素が二次元状に配列された撮像面を有する撮像素子と、複数のシリンドリカルレンズを有し、前記複数の画素が配列している第１方向と０度よりも大きく９０度よりも小さい角度で交差する第２方向に屈折力を有していない、前記撮像面に配置されたレンチキュラーレンズとを備える。
本発明の第２の態様によると、電子機器は、複数の画素が二次元状に配列された撮像面を有する撮像素子と、複数のシリンドリカルレンズを有し、所定の方向に屈折力を有していない、前記撮像面に配置されたレンチキュラーレンズと、光学系を通過して前記レンチキュラーレンズに向かう光の一部が通過する開口部が設けられた光学部材とを備え、前記開口部の前記所定方向の開口の幅は前記開口部の他の方向のうち少なくとも１つの方向の開口の幅よりも小さい。
本発明の第３の態様によると、光学素子は、対向する２つの面を有する基材と、前記２つの面の一方に設けられた複数のシリンドリカルレンズと、前記２つの面の他方に設けられ、前記複数のシリンドリカルレンズを構成する材料の熱膨張率に等しい熱膨張率を有する材料で構成された支持部と、を備える。
本発明の第４の態様によると、撮像素子は、第３の態様の光学素子が撮像面に設けられる。
【図面の簡単な説明】
【０００５】
【図１】第１の実施の形態に係る立体像再生システムの構成を模式的に示す図
【図２】撮像装置の構成を模式的に示す断面図
【図３】撮像素子の斜視図
【図４】撮像素子の平面図
【図５】被写体像の方向から見た絞りを模式的に示す図
【図６】撮像素子のＡ−Ａ断面の断面図
【図７】再生装置の構成を模式的に示す斜視図
【図８】変換処理の説明図
【図９】被写体像の方向から見た絞りを模式的に示す図
【発明を実施するための形態】
【０００６】
（第１の実施の形態）
図１は、第１の実施の形態に係る立体像再生システムの構成を模式的に示す図である。立体像再生システム１は、撮像装置（電子機器）２と、再生装置３とを含む。撮像装置２は、三次元の被写体像４を撮像して、三次元画像データ５を出力する。再生装置３は、三次元画像データ５に基づき、三次元の被写体像４ｘを再生する。観察者６は、再生装置３により再生された三次元の被写体像４ｘを観察することができる。
【０００７】
図２は、撮像装置２の構成を模式的に示す断面図である。撮像装置２は、撮像光学系２１、絞り２０、撮像素子２２、制御部２３、および表示部２４を備える。撮像光学系２１は、入射光を撮像素子２２に向けて集光する。絞り２０は、撮像光学系２１を通過して撮像素子２２の撮像面に向かう光の一部が通過する開口部が設けられ、光の残りを遮蔽する。なお図２では、撮像光学系２１を構成する複数のレンズの間に絞り２０を設けているが、撮像光学系２１の前側や後側に絞り２０を設けてもよい。撮像素子２２は、例えばＣＭＯＳやＣＣＤなどの撮像素子である。撮像素子２２の構成については、図３〜図５を用いて後に詳述する。撮像素子２２は、入射光を光電変換した撮像信号を出力する。
【０００８】
制御部２３は、撮像素子２２を含む、撮像装置２の各部を制御する。例えば制御部２３は、撮像素子２２に入射光を光電変換させ、撮像素子２２に撮像信号を出力させる。制御部２３は、撮像素子２２が出力した撮像信号に対して、後述する変換処理を実行することで、被写体像４の三次元画像データを作成する。制御部２３は、作成した三次元画像データを、例えば不図示の記録媒体に記録したり、不図示の通信装置（有線または無線）を介して再生装置３に送信したりする。表示部２４は、例えば液晶パネル等の表示部材を有する表示装置である。制御部２３は、表示部２４に種々の設定画面を表示したり、表示部２４に三次元画像データを表示したりする。
【０００９】
図３は、撮像素子２２の斜視図である。撮像素子２２は、レンチキュラーレンズ２５と、レンチキュラーレンズ２５の後側に設けられた撮像画素アレイ２６とから構成される。
【００１０】
レンチキュラーレンズ２５は、複数のシリンドリカルレンズ２７を有するレンズアレイである。シリンドリカルレンズ２７は、円柱を中心軸に平行な平面で切り出した形状を有している。シリンドリカルレンズ２７は、凸面が被写体像４を向くように配列される。以下の説明において、シリンドリカルレンズ２７の幅を幅ｗと表記し、焦点距離を焦点距離ｆと表記する。
【００１１】
撮像画素アレイ２６は、レンチキュラーレンズ２５の凸面の頂点から、被写体像４とは反対の方向に焦点距離ｆだけ離れた位置に配置される。つまり、シリンドリカルレンズ２７の凸面の頂点から撮像画素アレイ２６の撮像面までの距離は、焦点距離ｆに等しい。図３では便宜上、レンチキュラーレンズ２５と撮像画素アレイ２６との間隔を実際よりも大きく図示している。
【００１２】
撮像画素アレイ２６の撮像面には、複数の撮像画素２８がｘ方向とｙ方向に沿って二次元状に正方配列されている。以下の説明において、撮像画素２８のピッチをピッチｄと表記する。
【００１３】
個々の撮像画素２８には、いずれかのシリンドリカルレンズ２７を透過した被写体光が入射する。１つのシリンドリカルレンズ２７には、複数の撮像画素２８が対応する。例えば、シリンドリカルレンズ２７の幅ｗは、撮像画素２８のピッチｄの１０倍程度に構成される。
【００１４】
なお、図３では、シリンドリカルレンズ２７および撮像画素２８を、実際よりも大きく誇張して図示している。実際には、個々のシリンドリカルレンズ２７および撮像画素２８は、図３に示したものよりも小さい。すなわち、レンチキュラーレンズ２５は、より多数のシリンドリカルレンズ２７を有しており、撮像画素アレイ２６は、より多数の撮像画素２８を有している。
【００１５】
図４は、撮像素子２２の平面図である。前述の通り、シリンドリカルレンズ２７は幅ｗを有している。シリンドリカルレンズ２７の幅ｗの中央は、凸面の頂点と一致する。シリンドリカルレンズ２７の凸面の頂点に沿った方向ｖにおいて、シリンドリカルレンズ２７は、屈折力（パワー）を有していない。以下の説明において、この方向ｖを、垂直方向ｖと称する。
【００１６】
垂直方向ｖは、撮像画素２８が二次元状に配列されるｙ方向に対して、平行でも垂直でもない。すなわち垂直方向ｖは、ｙ方向に対して所定の角度θを為している。角度θは、０度よりも大きく９０度よりも小さい角度である。なお、角度θを０度にしてもよい。
【００１７】
図５は、被写体像４の方向から見た絞り２０を模式的に示す図である。絞り２０には、開口部２９が設けられる。開口部２９は、撮像光学系２１の光軸Ｏを通る直線ｓに対して線対称な形状を有する。具体的には、光軸Ｏから互いに等しい距離だけ離れている一対の平行線Ｌ１，Ｌ２により規定される、長方形に近い形状を有する。直線ｓは、撮像画素２８が二次元状に配列されるｙ方向に対して、図４に示した垂直方向ｖと同一の角度θを為している。すなわち直線ｓは、垂直方向ｖと平行である。開口部２９の直線ｓに沿った方向（垂直方向ｖ）の開口の幅ｄ１は、開口部２９の直線ｓに直交する方向の開口の幅ｄ２よりも小さい。
【００１８】
絞り２０は、開口部２９の大きさを変更可能に構成される。例えば、不図示のアクチュエータにより、一対の平行線Ｌ１，Ｌ２を直線ｓに沿って近づけたり離したりすることができる。これにより、開口部２９の開口の幅ｄ１が変化する。なお、開口の幅ｄ１だけでなく、開口の幅ｄ２も変化するように、絞り２０を構成してもよい。
【００１９】
垂直方向ｖ（すなわちシリンドリカルレンズ２７が屈折力を有していない方向）について、再生される被写体像４ｘ（図１）にボケが生じると、観察者６が違和感を覚える。従って、垂直方向ｖについては、絞り２０をある程度絞り込み、被写界深度を深くすることが望ましい。一方、それ以外の方向については、絞り２０を絞り込んでしまうと、奥行き方向の解像力が低下してしまう。そこで、本実施の形態では、垂直方向ｖとそれ以外の方向とで開口部２９の開口の幅が異なる、図５に示した絞り２０を撮像装置２に設けている。
【００２０】
なお、垂直方向ｖに直交する方向における開口部２９の大きさは、シリンドリカルレンズ２７の幅ｗに基づき決定することが望ましい。具体的には、垂直方向ｖに直交する方向における開口部２９の開口の幅から定まるＦ値と、シリンドリカルレンズ２７の幅ｗから定まるＦ値とを比較したとき、前者が後者よりも小さくならないようにすることが望ましい。前者が後者よりも小さくなると、隣接するシリンドリカルレンズ２７をそれぞれ通過した光が１つの撮像画素２８に入射してしまい、被写体像４ｘの再生に支障を来すおそれがある。
【００２１】
垂直方向ｖにおける開口部２９の大きさは、被写体像４の特性に応じて定めることが望ましい。例えば、被写体像４が垂直方向ｖに沿ったパターンを有している場合には、垂直方向ｖにおける開口部２９の大きさをより小さくすることが望ましい。撮像装置２を利用するユーザが手動で垂直方向ｖにおける開口部２９の大きさを設定するようにしてもよいし、制御部２３が被写体像４のパターンを解析して垂直方向ｖにおける開口部２９の大きさを自動的に設定するようにしてもよい。
【００２２】
図６は、撮像素子２２のＡ−Ａ断面（図４）の断面図である。レンチキュラーレンズ２５は、板状の基材（基板）２５２と、基材２５２の一方の面に形成されたレンズ部２５１と、基材２５２の他方の面に形成された支持部２５３とを有する。基材２５２は、例えばガラス等により構成される。レンズ部２５１および支持部２５３は、例えば紫外線硬化樹脂（ＵＶ硬化樹脂）により構成される。レンチキュラーレンズ２５は、例えば２Ｐ法（Photoreplication Process）により形成される。レンズ部２５１は、例えばレンズ形状を形成するための金型にＵＶ硬化樹脂を流し込んだり、金型でＵＶ硬化樹脂をプレスしたりした後に、紫外線（所定の波長帯域の光）を含む光を照射することによって形成される。
【００２３】
レンズ部２５１および支持部２５３は、同一の材料により構成される。すなわち、レンズ部２５１を構成する材料の熱膨張率と、支持部２５３を構成する材料の熱膨張率は等しい。従って、紫外線を含む光を照射した際に発生する熱によってレンズ部２５１が膨張した場合、支持部２５３が同様に膨張する。
【００２４】
図７は、再生装置３の構成を模式的に示す斜視図である。再生装置３は、レンチキュラーレンズ３５および表示画素アレイ３６を備える。レンチキュラーレンズ３５は、撮像装置２が有するレンチキュラーレンズ２５と同様の光学素子である。すなわちレンチキュラーレンズ３５は、複数のシリンドリカルレンズ３７を有している。幅ｗ（図３）や角度θ（図４）についても、レンチキュラーレンズ２５と同様である。
【００２５】
表示画素アレイ３６は、例えば液晶パネル等の表示装置である。表示画素アレイ３６は、複数の表示画素３８が二次元状に配列された表示面を有する。表示画素３８の配列は、撮像装置２が有する撮像画素アレイ２６における撮像画素２８の配列と同様である。換言すると、表示画素アレイ３６は、撮像画素アレイ２６における撮像画素２８を表示画素３８に置き換えた構成を有する。
【００２６】
三次元画像の再生原理について、図６を用いて説明する。被写体像４を構成する多数の光点のうち、ある一つの光点ＬＰに注目する。光点ＬＰからの光は、レンチキュラーレンズ２５に一定の広がりをもって入射し、シリンドリカルレンズ２７によって、光点ＬＰからの向きに応じた異なる撮像画素２８ａ、２８ｂ、２８ｃ、２８ｄ、２８ｅに入射する。撮像画素２８ａ、２８ｂ、２８ｃ、２８ｄ、２８ｅは、それぞれ、入射光を光電変換して光電変換信号を出力する。
【００２７】
再生装置３は、図７に示したように、複数の表示画素３８を有する表示画素アレイ３６を有している。レンチキュラーレンズ３５と表示画素アレイ３６との位置関係は、図６に示したレンチキュラーレンズ２５と撮像画素アレイ２６との位置関係と同様である。従って、表示画素アレイ３６に、撮像素子２２により撮像された画像を表示すると、複数の表示画素３８からの光は、以上で説明した内容とは逆の向きで観察者６に向かう。すなわち、撮像画素２８ａ、２８ｂ、２８ｃ、２８ｄ、２８ｅに対応する、異なる表示画素３８からの光が、シリンドリカルレンズ３７によってある一つの光点ＬＰを形成する。以上のようにして、撮像装置２により撮像された三次元の被写体像４ｘが、再生装置３により再生される。
【００２８】
以上の再生原理は、撮像方向と観察方向の違いを考慮していないため、奥行きが逆転してしまうという問題がある。例えば、表示画素アレイ３６に、撮像素子２２により撮像された画像をそのまま表示すると、撮像装置２に近い光点が、再生装置３に近い位置に再生され、撮像装置２から遠い光点が、再生装置３から遠い位置に再生される。ところが、観察者６の視点を基準に考えると、撮像装置２に近い光点が、観察者６から遠い位置に再生され、撮像装置２から遠い光点が、観察者６に近い位置に再生されることになってしまう。そこで、本実施の形態では、制御部２３が、以下に説明する変換処理を実行する。変換処理において、制御部２３は、撮像素子２２により撮像された画像の奥行きを逆転させて三次元画像データ５を作成する。従って、再生装置３が三次元画像データ５に基づき被写体像４ｘを再生すると、観察者６は正しい奥行きで被写体像４ｘを観察することができる。
【００２９】
図８は、変換処理の説明図である。いま、垂直方向ｖに対して直交する方向ｈを考える。以下の説明では、方向ｈを水平方向ｈと呼ぶ。水平方向ｈに平行な直線を１つ考える。制御部２３は、その直線に沿って１つのシリンドリカルレンズ２７により被覆される撮像画素群２８０の出力を逆転させる。例えば図８に例示した９個の撮像画素２８から成る撮像画素群２８０は、あるシリンドリカルレンズ２７に被覆された撮像画素２８のうち、水平方向ｈに平行な１つの直線に沿って配列されている撮像画素２８の集まりである。制御部２３は、撮像画素群２８０を構成する各々の撮像画素２８により出力された撮像信号を、水平方向ｈに沿って逆転するように変換する。例えば図８に図示した撮像画素２８ｌが出力した撮像信号は、撮像画素２８ｒが出力した撮像信号と入れ替えられる。制御部２３は、全てのシリンドリカルレンズ２７について、直線の位置を少しずつ変化させながら、撮像信号に対して以上の処理を適宜実行することで、奥行きを逆転させた三次元画像データ５を作成する。
【００３０】
上述した実施の形態によれば、次の作用効果が得られる。
（１）撮像画素アレイ２６の受光面（撮像面）に、複数のシリンドリカルレンズ２７を有するレンチキュラーレンズ２５を配置した。複数の撮像画素２８は、ｘ方向およびｙ方向に沿って配列され、レンチキュラーレンズ２５は垂直方向ｖに屈折力を有しておらず、ｘ方向と垂直方向ｖ、ｙ方向と垂直方向ｖはいずれも０度よりも大きく９０度よりも小さい所定角度を為す。このようにしたので、モアレやサブピクセルが観察されにくい、高品位な三次元像を再生可能な三次元画像データを撮像することができる。さらに、レンチキュラーレンズ２５の垂直方向ｖに沿ったパターンを有する被写体像を撮像した撮像画像を再生する際の被写体像の垂直方向ｖに沿った解像力は、レンチキュラーレンズ２５なしで受光した撮像画像を再生する場合に比べて低下しない。
【００３１】
（２）制御部２３は、撮像素子２２により出力された撮像信号を、被写体像４の奥行きが逆転した三次元画像データ５に変換する。このようにしたので、観察者６が違和感を覚えにくい三次元の被写体像４ｘを再生することができる。
【００３２】
（３）レンチキュラーレンズ２５は、対向する２つの面を有する基材２５２と、２つの面の一方に設けられた複数のシリンドリカルレンズ２７を含むレンズ部２５１と、２つの面の他方に設けられた支持部２５３と、を含む。複数のシリンドリカルレンズ２７を構成する材料の熱膨張率は、支持部２５３を構成する材料の熱膨張率と等しい。このようにしたので、複数のシリンドリカルレンズ２７が熱で膨張したり、熱を失って収縮した場合であっても、レンチキュラーレンズ２５は全体として元の形状を保ち、反りや撓みを抑制することができる。
【００３３】
（４）絞り２０には、撮像光学系２１を通過してレンチキュラーレンズ２５に向かう光の一部が通過する開口部２９が設けられている。開口部２９は、撮像光学系２１の光軸Ｏを通る直線ｓに対して線対称な形状を有しており、直線ｓは垂直方向ｖと平行である。開口部２９の垂直方向ｖの開口の幅ｄ１は開口部２９の他の方向の開口の幅ｄ２よりも小さい。このようにしたので、再生される三次元の被写体像４ｘにおいて、ボケの少なさと奥行き方向の解像力とを両立させることができる。
【００３４】
次のような変形も本発明の範囲内であり、変形例の一つ、もしくは複数を上述の実施形態と組み合わせることも可能である。
（変形例１）
制御部２３とは異なる機能部が上述した変換処理を実行するようにしてもよい。例えば、撮像装置２から撮像信号を受け取って変換処理を実行し、三次元画像データ５を作成する変換装置を、撮像装置２や再生装置３とは別に設けてもよい。あるいは、再生装置３が撮像装置２から撮像信号を受け取って変換処理を実行し、三次元画像データ５を作成するようにしてもよい。また、変換処理を含むプログラムを、撮像装置２や再生装置３とは別に設けたコンピュータに実行させることで、三次元画像データ５が作成されるようにしてもよい。
【００３５】
（変形例２）
奥行きを逆転させる変換処理を省略してもよい。この場合であっても、再生装置３は三次元の被写体像４ｘを再生することができる。また、変換処理を実行する代わりに、再生装置３に反射光学系を付け加えて、観察者６に奥行きが逆転した被写体像４ｘを観察させるようにしてもよい。
【００３６】
（変形例３）
撮像装置２の表示部２４が、上述した再生装置３と同様に、レンチキュラーレンズ３５および表示画素アレイ３６を備えていてもよい。このようにすることで、撮像装置２のユーザが、撮影した三次元の被写体像４を簡便に確認することができ、撮像装置２の使い勝手が向上する。
【００３７】
（変形例４）
撮像装置２のレンチキュラーレンズ２５と、再生装置３のレンチキュラーレンズ３５は、必ずしも同一の構成を有していなくてもよい。例えば、幅ｗが互いに異なっていてもよい。この場合、撮像画素２８のピッチｄと表示画素３８のピッチｄとの比率は、レンチキュラーレンズ２５の幅ｗとレンチキュラーレンズ３５の幅ｗとの比率に等しいことが望ましい。また、撮像装置２のレンチキュラーレンズ２５の角度θと、再生装置３のレンチキュラーレンズ３５の角度θは、厳密に一致していなくてもよく、再生された被写体像４ｘの品質を損ねない程度に一致していればよい。
【００３８】
（変形例５）
開口部２９の形状は、図５に示したものに限定されない。他の形状の開口部を有する絞り２０ａ、２０ｂを、図９に示す。図９に示した絞り２０ａは、楕円形の開口部２９ａを有している。また、絞り２０ｂは、半円形の開口部２９ｂを有している。これに限らず、直線ｓに対して線対称な任意の形状を有する開口部２９を設けることができる。
【００３９】
なお、本実施の形態に係る電子機器としては、上述したような撮像装置（電子機器）２に限定されない。例えばレンズ一体型のデジタルスチルカメラ、あるいはビデオカメラにも本実施の形態を適用することができる。さらには、携帯電話、スマートホン、タブレットＰＣなどの電子機器に内蔵される小型カメラモジュール、監視カメラやロボット用の視覚認識装置、車載カメラなどにも本実施の形態を適用できる。
上記では、種々の実施の形態および変形例を説明したが、本発明はこれらの内容に限定されるものではない。本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の態様も本発明の範囲内に含まれる。
【符号の説明】
【００４０】
１…立体像再生システム、２…撮像装置、３…再生装置、２２…撮像素子、２３…制御部、２５、３５…レンチキュラーレンズ、２６…撮像画素アレイ、２７、３７…シリンドリカルレンズ、２８…撮像画素、３６…表示画素アレイ、３８…表示画素
【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】
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【図９】
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