(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
単一平面の光電変換素子と、複数の結像ユニットが配列された結像ユニットアレイとを有し、該結像ユニットアレイにより、前記光電変換素子上の異なる位置にそれぞれ前記結像ユニット毎に光束を結像する画像入力装置において、
前記各結像ユニットが前記光電変換素子上に光束を結像する範囲には複数の受光素子が含まれ、
被写体の略同一範囲からの光束を前記結像ユニット毎に異なる視点から見た状態で結像させ、
前記光電変換素子で光電変換された信号を、前記結像ユニット毎の選択関数で処理する信号処理系を有し、前記選択関数の設定が可変である事を特徴とする画像入力装置。
【請求項２】
前記結像ユニット毎に前記結像する光束の光路を規制する規制部材を備えた事を特徴とする請求項１に記載の画像入力装置。
【請求項３】
前記規制部材は隔壁である事を特徴とする請求項２に記載の画像入力装置。
【請求項４】
単一平面の光電変換素子と、複数の結像ユニットが配列された結像ユニットアレイとを有し、該結像ユニットアレイにより、前記光電変換素子上の異なる位置にそれぞれ前記結像ユニット毎に光束を結像する画像入力装置において、
前記各結像ユニットが前記光電変換素子上に光束を結像する範囲には複数の受光素子が含まれ、
略同一範囲を結像ユニット毎に異なる視点で結像させるものであり、
前記結像ユニット毎に前記結像する光束の光路を規制する規制部材を備え、
前記規制部材は、前記結像ユニット毎に偏光フィルターが配設された偏光フィルターアレイであり、互いに隣接する前記偏光フィルターの偏光方向は直交する事を特徴とする画像入力装置。
【請求項５】
前記結像ユニット毎に偏向部材を設けた事を特徴とする請求項１に記載の画像入力装置。
【請求項６】
分散素子の利用により前記結像ユニット毎に異なる分光情報を取得するための分光部材を設けた事を特徴とする請求項１に記載の画像入力装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の微小結像光学系により画像を形成する画像入力装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、情報伝達メディアの発達に伴う高度情報化社会の到来により、様々な情報を効率的且つ即時に取得する事が強く望まれてきている。その中で、画像情報が占める割合は極めて大きく、その記録，保存が高度な情報処理活動を行う上において重要な役割を果たしている。そうした記録，保存は、従来より写真カメラ，ビデオカメラ等により行われているが、これらの各構成要素を小型化する事によるそれぞれの装置の小型化には限界があるので、常時携帯を実現可能とするほど小型化するためには、新たな構成に基づく小型の画像入力装置の開発が必要であり、また期待されている。
【０００３】
このような、画像入力装置の小型化を図る構成として、従来より、複数の微小レンズの集合によるレンズアレイを用いる方法が知られている。これは、昆虫の視覚系に見られるいわゆる複眼を応用した方式であり、単眼結像系に比べてより少ない占有体積で、広視野で且つ明るい光学系を実現できるものである。
【０００４】
このような従来の画像入力装置としては、例えば特公昭５９−５００４２号公報に記載されている如く、微小レンズアレイ，ピンホールアレイ，及び像平面により構成されるものが開示されている。これは、微小レンズと組になったピンホールが、その微小レンズによって結像された縮小像のそれぞれ異なった部分をサンプリングする事により、像平面に物体像を形成するものである。
【０００５】
また、特開平５−１００１８６号公報に記載されている如く、微小レンズアレイ，ピンホールアレイ，及び受光素子アレイにより構成されるものが開示されている。これは、微小レンズ，ピンホール，及び受光素子が一組のユニットを形成し、各ユニットがそれぞれ物体（被写体）の異なった部分からの光信号を電気信号に変換して、画像情報を得るものである。
【０００６】
また、特開平１０−１０７９７５号公報に記載されている如く、一つの微小レンズに対して、複数の受光素子を配置する構成のものが開示されている。これは、微小レンズが形成する物体像について、その一部分をピンホールによりサンプリングするのではなく、２次元の広がりを持つ受光素子アレイを用いて、直接微小像の信号を得るものである。ここでは、開口絞りを受光素子アレイやレンズアレイよりも物体側に配置し、各微小レンズが対象となる物体の異なった部分を観測し、且つそれぞれの信号が重なり合わない構成となっている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特公昭５９−５００４２号公報、或いは特開平５−１００１８６号公報に記載されているような構成では、いずれも基本となる光学系は同様のものであって、入力される画像信号の精細さの点が問題となる。つまり、レンズ−ピンホールタイプの複眼光学系では、微小レンズ，受光素子を単位とするユニット数が、取得画像の解像点数に一致するので、高精細画像を取り込むためには、ユニット数の増大が不可欠である。ところが、微小レンズといえども、レンズとしての機能を確保するためには、或程度の大きさが必要であり、細密充填構造により微小レンズを配列したとしても、この複眼光学系ではユニット数を多く取る事には限界がある。その結果、高精細画像の入力が困難となる。
【０００８】
また、上記特開平１０−１０７９７５号公報に記載されているような構成では、入力される画像信号の精細さの問題は解決されるが、この光学系において最良の光学特性を得るためには、微小レンズアレイ及び受光素子アレイを、開口絞りを中心とする球面上に配置する必要があり、画像入力装置全体を小型化する目的には適していない。さらには、特に受光素子アレイは曲面（ここでは球面）上に離散的（飛び飛びの位置）に配置する必要があるので、各デバイスの位置合わせが大変となり、装置の作製が困難になる。
【０００９】
その他、開口絞りを廃し、平面上に微小レンズアレイ及び受光素子アレイを並べる発明も開示されているが、ここでは隣接するレンズからの光信号による混信を避けるため、受光素子アレイは間隔を空けて配置しなければならず、受光素子取り付け部分の面積が広くなってしまう。また、この方法は、狭い物体角を仮定し、光学特性の劣化を前提としたものであるので、使用するには難点がある。
【００１０】
本発明は、以上のような問題点に鑑み、簡単な構成で、より小型，高精細の画像入力装置を提供する事を目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明では、単一平面の光電変換素子と、複数の結像ユニットが配列された結像ユニットアレイとを有し、その結像ユニットアレイにより、前記光電変換素子上の異なる位置にそれぞれ前記結像ユニット毎に光束を結像する画像入力装置において、前記各結像ユニットが前記光電変換素子上に光束を結像する範囲には複数の受光素子が含まれ、被写体の略同一範囲からの光束を前記結像ユニット毎に異なる視点から見た状態で結像させ、前記光電変換素子で光電変換された信号を、前記結像ユニット毎の選択関数で処理する信号処理系を有し、前記選択関数の設定が可変である事を特徴とする。また、前記結像ユニット毎に前記結像する光束の光路を規制する規制部材を備えた事を特徴とする。
【００１２】
また、前記規制部材は隔壁である事を特徴とする。
【００１３】
或いは、単一平面の光電変換素子と、複数の結像ユニットが配列された結像ユニットアレイとを有し、その結像ユニットアレイにより、前記光電変換素子上の異なる位置にそれぞれ前記結像ユニット毎に光束を結像する画像入力装置において、前記各結像ユニットが前記光電変換素子上に光束を結像する範囲には複数の受光素子が含まれ、略同一範囲を結像ユニット毎に異なる視点で結像させるものであり、前記結像ユニット毎に前記結像する光束の光路を規制する規制部材を備え、前記規制部材は、前記結像ユニット毎に偏光フィルターが配設された偏光フィルターアレイであり、互いに隣接する前記偏光フィルターの偏光方向は直交する事を特徴とする。
【００１４】
また、前記結像ユニット毎に偏向部材を設けた事を特徴とする。或いは、分散素子の利用により前記結像ユニット毎に異なる分光情報を取得するための分光部材を設けた事を特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。本発明では、単一平面受光素子アレイを、各微小レンズに対応させた領域に分割し、各領域には複数の受光素子が含まれるようにして、更に各レンズからの光信号が混信しないように隔壁を設けた、薄型画像入力装置の構成となっている。図１は、本発明の画像入力装置の一実施形態を模式的に示す分解斜視図である。
【００１７】
同図において、１は微小レンズ１ａを例えば正方形状に縦横に配列した微小レンズアレイであり、微小レンズアレイ１に対面してその下方に配置される３は、同様にして受光素子３ａを例えば正方形状に縦横に配列した受光素子アレイである。また、１と３との間に配置される２は、微小レンズアレイ１の各微小レンズ１ａ間下方に、格子状に隔壁２ａを施す隔壁層である。
【００１８】
同図に示すように、微小レンズアレイ１の一つの微小レンズ１ａに対して、受光素子アレイ３の複数の受光素子３ａが対応し、また、間の隔壁層２の一格子部分が対応している。そして、破線による角柱で仮想的に示すように、これらが信号処理単位（ユニット）Ｕを形成している。各ユニット間は、互いに隣接する微小レンズ１ａからの光信号の侵入を防ぐために、隔壁２ａで分離され、光路を規制されている。受光素子アレイ３としては、既存のＣＣＤ素子等の固体撮像素子を利用する事ができるので、部品点数が少なくなり、装置構成の簡略化が可能となる。
【００１９】
図２は、互いに隣接する二つのユニットを取り出して、その光学系を模式的に示した縦断面図である。同図において、装置上方に配置された図示しない物体の像が、注目ユニットＵ１内で結像する場合、正規の光信号としての物体からの光線Ｌ１は、例えば注目ユニットＵ１に属する微小レンズ１ａの光軸Ｘ１に沿って入射し、その微小レンズ１ａによって、注目ユニットＵ１に属する受光素子アレイ３上に集光する。このとき、不要な光信号である光線Ｌ２が、隣接ユニットＵ２において、それに属する微小レンズ１ａの光軸Ｘ２に対して外側から大きな角度で入射すると、注目ユニットＵ１に属する受光素子アレイ３に集光，結像されてしまう。
【００２０】
この混信状態を避けるために、各ユニット間に、同図に示す隔壁２ａを設けている。このような隔壁は、微小レンズ１ａから受光素子アレイ３に到るまで設けられている場合には、言うまでもなく完全に混信を防ぐ事ができる。ただ、部分的に設けられた隔壁であっても、不要な信号を低減する効果は有している。同図に示すように、隔壁２ａが微小レンズ１ａから下方に略垂直に延びている場合、以下の式（１）が成り立つ。
【００２１】
ｘ＝（ａ−ｃ）ｄ／２ｃ                                        （１）
但し、
ｘ：隣接ユニットから微小レンズ当たり光量１／２の光信号が侵入してくる領域の幅
ａ：微小レンズと受光素子との間隔
ｃ：隔壁高さ
ｄ：ユニット幅
である。このとき、完全には信号を分離できないが、特に隔壁高さを高くするほど、大幅に混信を減らす事ができる。但し、信号の混信が最終的な画像情報にどの程度影響するかは、シミュレーション等を用いて実地に検討すれば良い。
【００２２】
上述した微小レンズアレイの全体及び各ユニットのサイズ，微小レンズ個数（ユニット数），焦点距離，及び作製方法を以下に示す。ここでは回折光学レンズ及び屈折型レンズの２種類の例を示している。さらに、回折光学レンズについては、２種類のサイズのものを示している。
【００２３】
《回折光学レンズ》
・サイズ
【表１】
0003821614.tif 000002
【００２４】
・作製方法
回折光学レンズの作製方法を図３に示す。まず、同図（ａ）に示すように、ガラス基板Ｇ表面にレジストＲを塗布する。このレジストＲとしては、電子線用レジストを使用する。次に、同図（ｂ）に示すように、電子ビーム描画装置を使用して、作製したいパターンＰｎをレジストＲに描画する。さらに、同図（ｃ）に示すように、描画されたパターンを現像する。最後に、同図（ｄ）に示すように、描画，現像されたパターンをエッチング装置によりガラス基板Ｇに転写する。
【００２５】
描画されるパターンはゾーンプレートで、バイナリ型とマルチレベル型を作製している。現在作製している試作レンズアレイでは、最小線幅はバイナリ型で０．４μｍ、マルチレベル型で０．２μｍとなっている。最小線幅が１μｍ程度と大きい場合は、レーザービーム描画装置でもパターンの描画が可能である。
【００２６】
《屈折型レンズ》
・サイズ
【表２】
0003821614.tif 000003
【００２７】
・作製方法
屈折型レンズの作製方法を図４に示す。ここではいわゆるサーマルリフロー法を用いている。まず、同図（ａ）に示すように、ガラス基板Ｇ表面にフォトレジストＰＲを塗布したものを、パターンを描画したマスクＭで覆い、その上から矢印Ｗで示すように露光する。このようないわゆるフォトリソグラフィ手法により、フォトレジストＰＲにパターンを転写する。このパターンは、回折光学レンズの場合とは違って、ゾーンプレートではなく円のパターンが描かれたアレイをマスクとして使用するものである。
【００２８】
露光後、同図（ｂ）に示すように、現像を行うと、円柱の形をしたレジストが残る。このレジストパターンをホットプレートやオーブンでポストベークすると、同図（ｃ）に示すように、円柱のパターンが溶けて表面張力によりレンズ形状になる。このレジストパターンをエッチングする事により、同図（ｄ）に示すように、ガラス基板Ｇにパターンを転写する。ガラス基板Ｇの材質としては、主に石英が用いられる。尚、上記サーマルリフロー法に関する文献の出典は、
“Micro-optics" Hans Peter Herzig,p132-p136,1997 Taylor&Francis.
である。
【００２９】
また、上述した隔壁に要求される条件は、以下の通りである。
１．隔壁厚さはできるだけ薄くする。
２．隔壁高さは微小レンズから受光素子面に到るものが望ましい。
３．隔壁は不透明で且つ光の反射・散乱を起こさないものが良い。
【００３０】
隔壁の実施例としては、金属に対してレーザー加工を行うものや、光硬化性樹脂を用いて立体成形を行うものがある。金属のレーザー加工によるものでは、板厚２００μｍのステンレス板を用いて、隔壁厚さ２０μｍ，間隔２５０μｍの隔壁を形成したものが試作されている。また、反射防止のため、隔壁の表面には黒化処理を施している。
【００３１】
また、光硬化性樹脂を用いた立体成形によるものでは、入射光に対する高い自己収束性を有するペンタエリスリトールトリアクリレート（ＰＥＴＡ）に、光重合開始剤としてベンジル３％を添加した樹脂を用いて、これにレーザービームを走査する事により、隔壁を形成したものが試作されている。ここでは隔壁厚さ５６μｍ，高さ５００μｍ程度の隔壁が作製できる事が確認されている。
【００３２】
本実施形態の画像入力装置により得られた画像について、以下に説明する。図５は、レンズアレイにより結像された多重縮小像である。使用したレンズアレイは、イオン交換法による屈折率分布型平板マイクロレンズで、焦点距離６５０μｍ，レンズ口径２５０μｍ，レンズ間距離２５０μｍである。受光素子としては、素子数７３９×５７５，素子開口１１μｍ×１１μｍのＣＣＤ撮像素子を用いている。この場合、ユニット当たり約２２．７×２２．７素子が対応する。ユニット当たりの素子数が整数ではないが、最終的な結果には影響しない。
【００３３】
図６は、ユニット中心画素からの信号を集めて再構成した画像である。同図に示すように、物体の正立像が得られている様子が分かる。また、図７は、逆行列法により、全ての受光素子からの信号を用いて再構成した画像である。同図に示すように、良好な結果が得られている事が確認できる。
【００３４】
ところで、上述した隣接信号の分離に関しては、上記隔壁の代わりに、偏光フィルターの組み合わせによっても同等な効果を得る事ができる。図８は、その偏光フィルターを模式的に示す斜視図である。同図に示すように、このような偏光フィルターアレイ４は、それぞれの区画４ａが上記各ユニットに対応しており、その偏光方向が市松模様状に互いに直交するように偏光透過フィルターを配置したものである。このような偏光フィルターアレイ４を２枚用意し、それぞれ図１に示した微小レンズアレイ面と受光素子アレイ面に、各ユニットに対応した位置となるように配置すれば良い。
【００３５】
このとき、或一つのユニットに注目すると、その面に向かって上下左右に隣接するフィルターの各区画４ａは、注目したユニットのフィルターの偏光方向とは直交した偏光のみを透過させるため、これらの隣接するユニット間では、入射する光信号の混信を防ぐ事ができる。さらに、それぞれの偏光方向に対応したユニットからの信号を選択的に利用すれば、偏光方向に応じた感度を持つ画像入力装置として機能させる事ができる。
【００３６】
このような偏光フィルターとしては、回折光学素子によるもの或いは回折光学素子と屈折型光学素子を組み合わせたハイブリッド素子によるものが考えられる。回折光学素子による偏光フィルターは、上述した回折光学レンズアレイを作製する場合と同じ手法で、電子ビーム描画装置を用いてレジストパターンを描画し、エッチングによりガラス基板にパターンを転写する事により作製する事ができる。偏光フィルターのパターンは、基本的にはバイナリ型のＬｉｎｅ＆Ｓｐａｃｅになる。最小線幅は、現在使用されている電子ビーム描画装置で、０．２μｍ程度が可能である。また、微小レンズアレイの場合と同様にして、最小線幅が大きい場合は、レーザービーム描画装置で作製する事ができる。
【００３７】
また、上述した、偏光方向に応じた感度を持つ画像入力装置として機能させるときの、具体的な使い方を以下に述べる。一般に、偏光情報によれば、対象物体の誘電率等の物理的特性を得る事ができる。高感度の計測を行うためには、精密なアライメント等が必要となるが、簡易型の画像入力装置であっても、大まかな物体特性を得る事は可能である。例えば、誘電体表面で反射を行う場合においては、偏光成分により反射率が異なる現象が見られるが、この偏光情報を観測する事により、画像入力装置に対する反射面の相対角度を知る事ができる。
【００３８】
このような反射面としては、ガラス板等が考えられ、その面の角度を測定する計測器が想定される。その他の例として、プラスチック板等の透明物体内部の応力分布測定への応用や、カメラで用いる偏光フィルターのように、ガラスの反射像と透過像とを分離して物体像を入力する事ができる画像入力装置への応用が挙げられる。
【００３９】
ところで、本発明の画像入力装置の全体の厚さは、以下に示す要素により決まってくる。即ち、
（ガラス基板の厚さ）＋（微小レンズの焦点距離）＋（受光素子の厚さ）
となる。
【００４０】
図９は、本発明の画像入力装置により獲得された光信号に対する信号処理系の構成を、模式的に示す斜視図である。同図（ａ）に示すように、対象となる物体５と微小レンズアレイ１との距離をＡ、微小レンズアレイ１と受光素子アレイ３との距離をＢ、ユニット間隔をＤとおく。そして、受光素子アレイ３から取り出される出力信号をＯとする。このとき、この画像入力装置のユニットの縦横の配列をｐ，ｑで表し、同図（ｂ）に示すように、ユニット［ｐ，ｑ］における微小像（ユニットの入力信号）をＩp,q（ｘ，ｙ）、入力信号に対する選択関数をｆp,q（ｘ，ｙ）とすると、その出力信号Ｏp,qは以下の式（２）で与えられる。Ｏp,q＝∫∫Ｉp,q（ｘ，ｙ）ｆp,q（ｘ，ｙ）ｄｘｄｙ             （２）
【００４１】
各ユニットで得られる像は、物体５，微小レンズアレイ１，受光素子アレイ３の配置に応じて、受光素子アレイ３上で物体像５ａが一定距離ずつシフトしたものである。簡単のため、微小レンズアレイ１が偏向作用を持たない場合を考えると、各ユニットにおける相対シフト量Δは、以下の式（３）で求められる。
Δ＝ＢＤ／Ａ                                                  （３）
従って、各ユニットの出力信号は、ユニット［０，０］の入力信号Ｉ0,0（ｘ，ｙ）を用いて、以下の式（４）で表される。
Ｏp,q＝∫∫Ｉ0,0（ｘ−ｐΔ，ｙ−ｑΔ）ｆp,q（ｘ，ｙ）ｄｘｄｙ （４）
【００４２】
ここで、ユニット毎の選択関数ｆp,q（ｘ，ｙ）を操作する事により、様々な効果が得られる。例えば、ユニット原点の信号のみを選択すると、ｆp,q（ｘ，ｙ）＝δ（ｘ，ｙ）であり、出力信号は以下の式（５）となる。
Ｏp,q＝Ｉ0,0（−ｐΔ，−ｑΔ）                                （５）
これは、Ｉ0,0（ｘ，ｙ）をＡ／ＢＤ倍に拡大した像を意味する。Ｉ0,0（ｘ，ｙ）は対象物体のＡ／Ｂ倍の倒立像である事より、各ユニットからの出力信号Ｏp,qの集まりは、対象物体が１／Ｄ倍に拡大された正立像と等価になる。
【００４３】
また、ユニット選択関数として、以下の式（６）を用いる場合を考える。
ｆp,q（ｘ，ｙ）＝δ（ｘ−αｐ，ｙ−βｑ）                     （６）
このとき、上記式（２）より、以下の式（７）となる。
Ｏp,q＝Ｉ0,0｛−ｐ（Δ−α），−ｑ（Δ−β）｝                （７）
これは、物体をｘ方向にΔ／（Δ−α）Ｄ倍、ｙ方向にΔ／（Δ−β）Ｄ倍拡大した像が得られる事を示している。
【００４４】
また、ユニット選択関数として、以下の式（８）を用いる場合を考える。
0003821614.tif 000004
このとき、出力信号として以下の式（９）を得る。
0003821614.tif 000005
これは、ユニット［Ｐ，Ｑ］を中心として、反時計方向に角度θだけ物体を回転させた出力像と等価である。
【００４５】
また、ユニット選択関数として、以下の式（１０）を用いる場合を考える。
ｆp,q（ｘ，ｙ）＝δ（ｘ）ｒｅｃｔ（ｙ／ｌy）                （１０）
これにより、ｙ方向に広がった入力信号を選択すると、出力信号として以下の式（１１）を得る。
Ｏp,q＝∫ly/2-ly/2Ｉ0,0（−ｐΔ，ｙ−ｑΔ）ｄｙ             （１１）
この応答特性は、物体においてｙ方向に伸びた線分情報の抽出に利用する事ができる。
【００４６】
以上説明したように、ユニット選択関数ｆp,q（ｘ，ｙ）の定義により、獲得した画像信号に対して様々な処理を行う事ができる。この操作は、本発明の画像入力装置においては、受光素子アレイから読み出す信号のアドレス指定により実現する事ができる。即ち、使用する選択関数に対応したアドレスの受光素子からの信号を用いて、そのユニットの出力信号を計算する事により、式（２）に対応した出力信号を得る事ができる。
【００４７】
尚、本発明の画像入力装置の構成においては、組立の際に各要素同士の位置合わせが不十分であっても、信号の処理手続きを工夫する事により、正しい信号を得る事ができる。具体的な手続きは、以下の通りである。まず、微小レンズアレイに対して隔壁を位置合わせした後に接着し、その一体化したものを、受光素子アレイ表面に密着させて配置する。この状態で使用する事も可能であるが、受光素子アレイの利用効率を高め、後処理の負担を軽減するために、更に前記一体化したものの各区画と受光素子アレイの区画が平行になるように調整する。
【００４８】
これは、装置に光を入射させ、隔壁の影と受光区画によって発生するモアレ縞を観測する事で実現する事ができる。また、この調整手続きにおいて、明信号を出す画素が実際の光信号を取り込む有効画素になるため、その画素位置を用いて、各ユニット信号と素子出力の読み出しアドレスの対応関係を得る事ができる。例えば、全画素からのデータを入力した後で、有効画素以外の信号をマスクする事で、不必要な信号を容易に排除する事ができる。
【００４９】
ところで、上記Ｉp,qは、ユニット［ｐ，ｑ］において得られる受光素子からの信号に対応する。隔壁が受光素子面まで達している場合は、隔壁部分の受光素子を除いた受光素子からの信号になる。また、隔壁が受光素子面まで達していない場合は、混信部分の受光領域を除いた受光素子からの信号になる。
【００５０】
また、実際の画像入力装置では、ｆp,qは有限のサンプリング幅を持つためにｒｅｃｔ関数になる。これは、撮像分担する領域（微小画角）に相当する範囲内で１，範囲外で０となる関数である。図１０を参考にすると、受光素子面Ｓにおける受光に用いる画素の幅ηと微小画角βとの関係は、以下の関係式（ｃ）で与えられる。
β＝２ｔａｎ-1（η／２ｆ）                                  （ｃ）
ここで、ｆは結像素子ＩＦの焦点距離である。この式を用いて、ｒｅｃｔ関数の範囲を決定する。
【００５１】
図１１は、物体と画像入力装置の視野との関係を模式的に示す図である。ここでは、物体５の長さＸの範囲を各微小レンズＬi,jにより受光素子アレイ３に結像する場合を示している。物体５の全体像は、微小レンズアレイ１の個々の微小レンズで、各々の該レンズに対応する受光素子アレイ３上の領域に反転縮小結像するが、その時の物体５と微小レンズアレイ１の個々のレンズの位置関係で、受光素子アレイ３上の各領域の像情報に差異が生じる。これを利用して像の再構築を行うものである。
【００５２】
具体的には、物体５の全体像Ｘは微小レンズアレイ１の各微小レンズＬi,jで、各々受光素子アレイ３上の対応する領域に像Ｚ（Ｌi,j）を結像する。つまり微小レンズアレイ１のレンズの個数だけ受光素子アレイ３の結像面３ｂ上に物体５の物体面５ｂが反転縮小結像される。しかしながら、個々の像は物体と各レンズと対応する受光素子アレイ領域の位置関係で、該領域内での像の位置や信号の強度などの像情報に差異を生じるので、これを利用する。詳しくは上記図９において説明した通りである。
【００５３】
図１２は、画像入力装置の視野を拡大する原理を模式的に示す図である。まず、同図（ａ）に示すように、微小レンズアレイ１の各微小レンズＬi,jは、物体５の物体面５ｂのＸi,jの長さを受光素子アレイ３の結像面３ｂ上に結像する。各微小レンズＬi,jの位置に応じて、結像する範囲即ち物体面５ｂ上での範囲に若干のズレがある。このとき、同図（ｂ）のように偏向部材を用いると、そのズレが大きくなり、全体の視野が広がる。
【００５４】
つまり、画角を広げて撮影したいときは、同図（ｂ）に示すように、微小レンズアレイ１の代わりに、偏向作用と結像作用とを有する機能光学素子である、偏向機能付きレンズアレイ６を用いると良い。ここでは各ユニット毎に偏向素子６ａが設けられている。このとき、各ユニット視野範囲Ｖにより、物体５を広範囲にカバーする事ができる。
【００５５】
このような偏向作用を有する偏向素子は、プリズム以外に回折光学素子により実施する事ができる。その材質や作製方法，大きさ等については、上述した回折光学レンズに準じる。具体的には、フレネルゾーンプレート等の結像作用を有するパターンの中心を、入射光を偏向させる方向に偏心させる方法と、結像用回折光学素子に１次元回折格子を重ね合わせる事で、同等の作用を得る方法とが挙げられる。偏向角度が小さい場合には前者が適しており、大きい場合には後者が適している。そして、偏向素子の導入による視野角の変化は、各偏向素子のパラメータで制御する事ができる。
【００５６】
図１３は、上記前者の構成例を模式的に示す説明図である。同図において、フレネルゾーンプレートＦの偏心量をξ、画角をα、焦点距離をｆとおく。また、図１４は、上記後者の構成例を模式的に示す説明図である。同図において、１次元回折格子ＤＧの格子定数をｄ、画角をα、入射光の波長をλとおく。そして、各図において、入射光をｌ1、回折光をｌ2とする。上記各偏向素子のパラメータとしては、それぞれ偏心量ξ，格子定数ｄが対応している。各ユニットが提供する画角αは入射光に対する偏向角に等しいため、各図を参照して、以下の関係式（ａ），（ｂ）を得る。
【００５７】
α＝ｔａｎ-1（ξ／ｆ）                                      （ａ）
α＝ｓｉｎ-1（ｍλ／ｄ）                                    （ｂ）
ここで、ｍは整数を表す。回折格子を利用する場合、ｍに対応した多数の回折光が現れるが、回折格子のブレーズ化等の手法により、単一の回折光のみを得る事が可能である。
【００５８】
図１５は、分散特性を付加した機能光学素子による画像入力装置の構成を模式的に示す斜視図である。ここでは一ユニット部分を示しており、受光素子アレイ３の上方には、機能光学素子として回折格子７が対面して配置されている。そして、個別ユニットＵ毎に独立した分光器がそれぞれ構成され、撮影した物体各部の分光情報を獲得する事ができる。この回折格子７は、例えば同図の矢印で示すｘ方向及びｙ方向で格子定数が異なっており、波長に応じた角度で入射光線Ｌを偏向し、受光素子アレイ３上の異なる位置の受光素子３ａに、分光光線Ｌａとして光信号を導く。
【００５９】
ここでは受光素子アレイ３側に特別な波長選択フィルターを用意する必要はなく、いわゆる単一平面受光素子をそのまま利用する事ができる。個別ユニットＵ内の受光素子３ａ群は正方形状に配列されているが、それらをカバーするように分光光線Ｌａの光信号を偏向させる事で、受光素子３ａを無駄にせず利用する事ができる。
【００６０】
上記各分光器は、上述した偏光フィルターや偏向素子と同様に、回折光学素子として作製する。そのため、材料は石英のガラス基板となり、作製方法も同様となる。描画のパターンは、ｘ，ｙ方向でそれぞれ異なる所定の格子定数となるように設計し、結果的に各方向においてそれぞれ各波長に対応した角度で入射光を偏向できるようにしている。
【００６１】
このような分光（分散）による画像の特長及び使用方法を以下に示す。一般に、視覚情報としての色を表す場合には、３原色のフィルターを通して物体を観測する方法がとられるが、分光情報を利用すれば、より多くの物体情報を得る事ができる。例えば、物質はそれぞれ異なった分光吸収率を持つので、吸収される分光を測定する事により、物体を構成する物質の同定を行ったり、分布を調べたりする事が可能である。また、水により吸収される光の波長情報により、対象人物の発汗量を計測し、その快適度や心理状態等を観測する装置として応用する事ができる。詳しくは特開平８−１８４５５５号公報に開示されている通りである。
【００６２】
尚、特許請求の範囲で言う光電変換素子は、実施形態における受光素子アレイに対応している。また、結像ユニットアレイは微小レンズアレイに、処理関数は選択関数に対応している。
【００６３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、簡単な構成で、従来より小型，高精細の画像入力装置を提供する事ができる。
【００６４】
そして、複眼光学系を用いる事と、完全平面構造とする事とにより、装置全体を薄型化・小型化する事ができ、携帯可能な画像入力装置として利用する事ができる。また、既存の固体撮像素子の上部に隔壁とレンズアレイを装着するだけで装置を構成する事ができるため、生産性に優れるとともに、部品点数が削減されるので低コストとなり、しかも装置の信頼性が向上する。
【００６５】
特に、請求項１〜請求項４によるならば、隣接する結像ユニットからの光信号の侵入を阻止し、混信を防止して良好な画像信号を得る事ができる。加えて、請求項１によるならば、獲得した画像信号に対して様々な画像処理を行う事ができる。
【００６６】
また、請求項５によるならば、対象となる物体に対する視野を十分に確保する事ができ、画像入力装置の光学系が有する情報容量を損なう事なく、装置の薄型化，小型化を実現する事ができる。
【００６７】
また、請求項６によるならば、得られた分光情報を利用する事により、多くの物体情報を得る事ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の画像入力装置の一実施形態を模式的に示す分解斜視図。
【図２】互いに隣接する二つのユニットの光学系を模式的に示した縦断面図。
【図３】回折光学レンズの作製方法を模式的に示す斜視図。
【図４】屈折型レンズの作製方法を模式的に示す図。
【図５】レンズアレイにより結像された多重縮小像。
【図６】ユニット中心画素からの信号を集めて再構成した画像。
【図７】全ての受光素子からの信号を用いて再構成した画像。
【図８】信号分離偏光フィルターを模式的に示す斜視図。
【図９】光信号に対する信号処理系の構成を模式的に示す斜視図。
【図１０】受光領域と微小画角との関係を模式的に示す説明図。
【図１１】物体と画像入力装置の視野との関係を模式的に示す図。
【図１２】画像入力装置の視野を拡大する原理を模式的に示す図。
【図１３】結像素子の偏心による偏向を模式的に示す説明図。
【図１４】回折格子による偏向を模式的に示す説明図。
【図１５】分散素子による画像入力装置の構成を模式的に示す斜視図。
【符号の説明】
１    微小レンズアレイ
２    隔壁層
３    受光素子アレイ
４    偏光フィルターアレイ
５    物体
６    偏向機能付きレンズアレイ
７    回折格子
Ｕ    信号処理単位（ユニット）
Ｒ    レジスト
Ｇ    ガラス基板
ＰＲ    フォトレジスト
Ｍ    マスク
Ｆ    フレネルゾーンプレート
ＤＧ    １次元回折格子
ＩＦ    結像素子
Ｓ    受光素子面
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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