CN103026170A - 摄像装置以及摄像方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种摄像装置以及摄像方法。本发明的摄像装置具备：镜头光学系统(L)，其至少具有光学面区域(D1)和光学面区域(D2)，光学面区域(D2)具有使合焦特性相对于通过了光学面区域(D1)的光线下的合焦特性而不同的光学特性；摄像元件(N)，其至少具有通过了镜头光学系统(L)的光入射的多个像素(P1)和多个像素(P2)；和阵列状光学元件(K)，其被配置在镜头光学系统(L)与摄像元件(N)之间，使通过了光学面区域(D1)的光入射至多个像素(P1)，使通过了光学面区域(D2)的光入射至多个像素(P2)。

Description

摄像装置以及摄像方法
技术领域
本发明涉及照相机等摄像装置以及利用了该摄像装置的摄像方法。
背景技术
近年来，在汽车的车间距离测定或照相机的自动焦点系统、三维形状测定系统中利用了根据多个摄像光学系统间的视差来测定到被摄体(测距对象物)为止的距离的测距装置。
在这种测距装置中，利用左右或上下地配置的一对摄像光学系统，在各自的摄像区域内形成图像，并根据这些图像的视差以三角测量方法检测到被摄体为止的距离。
另外，作为测定从单一摄像光学系统到被摄体为止的距离的方式，公知有DFD(Depth From Defocus)法。虽然DFD法是一种根据所获取到的图像的模糊量的解析来算出距离的方法，但是由于在单一图像中无法判别是为被摄体自身的图案还是由于被摄体距离而变得模糊，因而根据多个图像来推定距离的方法被采用(专利文献1、非专利文献1)。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特许第3110095号
非专利文献
非专利文献1：Xue Tu，Youn-sik Kang and Murali Subbarao Two-andThree-Dimensional Methods for Inspection and Metrology V.Edited byHuang，Peisen S..Proceedings of the SPIE，Volume 6762，pp.676203(2007).
发明内容
发明所要解决的技术问题
在利用了多个摄像光学系统的构成中，摄像装置变得大型化、高成本化。另外，由于需要使多个摄像光学系统的特性一致、且使2个摄像光学系统的光轴高精度地平行，因而难以制造，而且由于还需要用于求出照相机参数的校准(calibration)工序，因而需要许多工时。
在如专利文献1以及非专利文献1所公开的DFD法中，由1个摄像光学系统能够算出到被摄体为止的距离。然而，在专利文献1以及非专利文献1的方法中，需要使到焦点对准的被摄体为止的距离(合焦距离)发生变化，并以时分的方式获取多个图像。若将这种方法适用于运动图像，则由于拍摄的时间差会在图像间产生偏差，故产生会使测距精度下降的课题。
另外，在专利文献1中公开了一种摄像装置，即：利用棱镜来分割光路，利用使后焦点不同的2个摄像面来进行摄像，从而由一次摄像就能够测定到被摄体为止的距离。然而，在这种方法中，由于需要两个摄像面，因而产生摄像装置大型化、且会大幅提高成本(cost up)的课题。
本发明为了解决上述课题而完成的，其主要目的在于提供一种由利用了单一摄像光学系统的1次摄像就能够测定到被摄体为止的距离的摄像装置以及摄像方法。
用于解决技术问题的手段
本发明的摄像装置具备：镜头光学系统，其至少具有第1区域和第2区域，所述第2区域具有使合焦特性相对于通过了所述第1区域的光线下的合焦特性而不同的光学特性；摄像元件，其至少具有通过了所述镜头光学系统的光入射的多个第1像素和多个第2像素；和阵列状光学元件，其被配置在所述镜头光学系统与所述摄像元件之间，使通过了所述第1区域的光入射至所述多个第1像素，使通过了所述第2区域的光入射至所述多个第2像素。
本发明的摄像系统具备：本发明的摄像装置；和信号处理装置，其利用在所述摄像装置之中的所述多个第1像素中获得的第1图像、以及在所述多个第2像素中获得的第2图像的亮度信息，算出到被摄体为止的距离。
本发明的摄像方法，利用了摄像装置，所述摄像装置具备：镜头光学系统，其至少具有第1区域和第2区域，所述第2区域具有使合焦特性相对于通过了所述第1区域的光线下的合焦特性而不同的光学特性；摄像元件，其至少具有通过了所述镜头光学系统的光入射的多个第1像素和多个第2像素；和阵列状光学元件，其被配置在所述镜头光学系统与所述摄像元件之间，由所述阵列状光学元件使通过了所述第1区域的光入射至所述多个第1像素，使通过了所述第2区域的光入射至所述多个第2像素，利用在所述多个第1像素中获得的第1图像、以及在所述多个第2像素中获得的第2图像的亮度信息，算出到被摄体为止的距离。
发明效果
根据本发明，由利用了单一摄像系统的一次摄像就能够获取到被摄体为止的距离。在本发明中，无需如利用了多个摄像光学系统的摄像装置那样使多个摄像光学系统间的特性、位置相一致。另外，在利用本发明的摄像装置拍摄运动图像的情况下，即便随着时间经过而被摄体的位置发生变化，也能够测定到被摄体为止的正确距离。
附图说明
图1是表示本发明的摄像装置A的实施方式1的示意图。
图2是从被摄体侧观看本发明的实施方式1中的光学元件L1的主视图。
图3是本发明的实施方式1中的阵列状光学元件K的立体图。
图4(a)是将图1所示的阵列状光学元件K以及摄像元件N放大之后进行表示的图，图4(b)是表示阵列状光学元件K与摄像元件N上的像素之间的位置关系的图。
图5是表示本发明的实施方式1中的摄像装置A的剖视图。
图6是表示在本发明的实施方式1中通过了光学面区域D1以及光学面区域D2的光线下的球面像差的曲线图。
图7是表示本发明的实施方式1中的每个被摄体距离的点像强度分布的图。
图8(a)以及(b)是表示本发明的实施方式1中的被摄体距离与清晰度(图像的锐度(sharp))之间的关系的曲线图。
图9(a)～(c)表示16×16尺寸的图像块的亮度分布，图9(d)～(f)表示对图9(a)～(c)各自所示的图像块进行二维傅里叶变换而获得的频谱。
图10是从被摄体侧观看本发明的实施方式2中的光学元件L1的主视图。
图11是表示本发明的实施方式2中的阵列状光学元件K的立体图。
图12(a)是将本发明的实施方式2中的阵列状光学元件K和摄像元件N放大之后进行表示的图，图12(b)是表示阵列状光学元件K与摄像元件N上的像素之间的位置关系的图。
图13是表示本发明的实施方式2中的每个被摄体距离的点像强度分布的图。
图14是表示本发明的实施方式2中的被摄体距离与清晰度之间的关系的曲线图。
图15是表示本发明的摄像装置A的实施方式3的示意图。
图16是从被摄体侧观看本发明的实施方式3的光学元件L1的主视图。
图17(a)是将图15所示的阵列状光学元件K和摄像元件N放大之后进行表示的图，图17(b)是表示阵列状光学元件K与摄像元件N上的像素之间的位置关系的图。
图18是表示本发明的摄像装置A的实施方式3的剖视图。
图19是表示在本发明的实施方式3中通过了光学面区域D1以及光学面区域D2的光线下的球面像差的曲线图。
图20是表示本发明的实施方式3中的每个被摄体距离的点像强度分布的图。
图21(a)是从被摄体侧观看本发明的实施方式4中的光学元件L1的主视图，图21(b)是图21(a)所示的光学元件L1的剖视图。
图22(a)以及(b)是将本发明的实施方式5中的阵列状光学元件K以及摄像元件N放大之后进行表示的图。
图23(a)以及(b)是表示本发明的实施方式6中的阵列状光学元件K与摄像元件N上的像素之间的位置关系的图。
图24(a)以及(b)是表示本发明的实施方式7中的阵列状光学元件K与摄像元件N上的像素之间的位置关系的图。
图25是表示本发明的实施方式8中的被摄体距离与清晰度之间的关系的曲线图。
图26(a)～(c)是表示本发明的实施方式9中的各光学区域与遮光部件之间的位置关系的主视图。
图27(a)是从被摄体侧观看实施方式10中的光学元件L1的主视图，图27(b)是表示阵列状光学元件K与摄像元件N上的像素之间的位置关系的图。
图28(a1)、(b1)以及(c1)表示每个被摄体距离的光线图。图28(a2)、(b2)以及(c2)是示意性表示通过了光学面区域D1的物点O的光经由双凸透镜(lenticular)到达奇数行的像素而获得的点像的图像信息的图。图28(a3)、(b3)、(c3)是示意性表示通过了光学面区域D2的物点O的光经由双凸透镜到达偶数行的像素而获得的点像的图像信息的图。
图29(a1)、(b1)以及(c1)是示意性表示将奇数行奇数列的像素和偶数行偶数列的像素的像素值相加而获得的点像的图像信息的图。图29(a2)、(b2)以及(c2)是示意性表示将偶数行奇数列的像素和奇数行偶数列的像素的像素值相加而获得的点像的图像信息的图。
图30(a)是在本发明的实施方式中将产生串扰(cross-talk)时的摄像面的附近放大之后进行表示的图，图30(b)是将减轻串扰时的摄像面的附近放大之后进行表示的图。
图31(a1)是表示相对于光轴而具有旋转非对称的形状的微透镜阵列(microlens array)的立体图。图31(a2)是表示图31(a1)所示的微透镜阵列的等高线的图。图31(a3)是表示将图31(a1)、(a2)所示的微透镜适用于本发明的阵列状光学元件时的、光线追踪仿真的结果的图。图31(b1)是表示相对于光轴而具有旋转对称的形状的微透镜阵列的立体图。图31(b2)是表示图31(b1)所示的微透镜阵列的等高线的图。图31(b3)是表示将图31(b1)、(b2)所示的微透镜适用于本发明的实施方式中的阵列状光学元件时的、光线追踪仿真的结果的图。
具体实施方式
以下，参照附图来说明本发明的摄像装置的实施方式。
(实施方式1)
图1是表示实施方式1的摄像装置A的示意图。本实施方式的摄像装置A具备：以V作为光轴的镜头光学系统L、被配置在镜头光学系统L的焦点附近的阵列状光学元件K、摄像元件N、第1信号处理部C1、第2信号处理部C2、以及存储部Me。
镜头光学系统L包括具有使合焦特性彼此不同的光学特性的2个光学面区域，即光学面区域D1、D2，并由来自被摄体(未图示)的光束B1、B2入射的光学元件L1、通过了光学元件L1的光入射的光圈S、以及通过了光圈S的光入射的透镜L2而构成。优选光学元件L1被配置在光圈S的附近
在本实施方式中，通过了2个光学面区域D1、D2的光在通过透镜L2之后入射至阵列状光学元件K。阵列状光学元件K使通过了光学面区域D1的光入射至摄像元件N中的像素P1(图4等所示)，使通过了光学面区域D2的光入射至摄像元件N中的像素P2。第1信号处理部C1输出在像素P1中获得的第1图像I1、和在像素P2中获得的第2图像I2。由于2个光学面区域D1、D2的光学特性彼此不同，因而第1、第2图像I1、I2的图像的清晰度(利用亮度所算出的值)根据被摄体距离而不同。在存储部Me中存储有通过了光学面区域D1、D2各区域的光的清晰度与被摄体距离之间的相关关系。在第2信号处理部C2中，基于第1、第2图像I1、I2的清晰度和上述相关关系，能够获得到被摄体为止的距离。
图2是从被摄体侧观看光学元件L1的主视图。光学元件L1中的光学面区域D1和D2以光轴V作为边界中心，在与光轴V垂直的面内被上下二分割。在图2中，虚线s表示光圈S的位置。在图1中，光束B1为通过光学元件L1上的光学面区域D1的光束，光束B2为通过光学元件L1上的光学面区域D2的光束。光束B1、B2按照光学元件L1、光圈S、透镜L2、阵列状光学元件K的顺序通过上述各部件，并到达摄像元件N上的摄像面Ni(图4等所示)。
图3是阵列状光学元件K的立体图。在阵列状光学元件K中的摄像元件N侧的面，在与光轴V垂直的面内，横方向细长的多个光学要素M1被配置在纵方向上。各个光学要素M1的剖面(纵方向的剖面)具有向摄像元件N侧突出的圆弧状的形状。这样，阵列状光学元件K具有双凸透镜(lenticular lens)的构成。
如图1所示，阵列状光学元件K被配置在镜头光学系统L的焦点附近，且被配置在与摄像面Ni相距规定距离的位置处。实际上，虽然光学元件L1中的光学特性给作为镜头光学系统L整体的合焦特性带来影响，但是阵列状光学元件K被配置的位置例如也可以以透镜L2的焦点作为基准来决定。其中，在本实施方式中，“合焦特性不同”是指在该光学系统中有助于光聚集的特性的至少一个不同，具体而言是指焦点距离、到焦点对准的被摄体为止的距离、清晰度为一定值以上的距离范围等不同。通过调整光学面区域D1、D2的曲率半径或非球面系数、折射率来使光学特性不同，从而能够使通过了各区域的光线下的合焦特性不同。
图4(a)是将图1所示的阵列状光学元件K以及摄像元件N放大之后进行表示的图，图4(b)是表示阵列状光学元件K与摄像元件N上的像素之间的位置关系的图。阵列状光学元件K被配置成形成有光学要素M1的面朝向摄像面Ni侧。在摄像面Ni，将像素P配置成矩阵状。像素P能够区别为像素P1以及像素P2。像素P1以及像素P2各自在横方向(行方向)上并排配置为1行。在纵方向(列方向)上，像素P1和P2被交替地配置。阵列状光学元件K被配置成：一个光学要素M1与摄像面Ni上的由1行像素P1以及1行像素P2构成的2行像素相对应。在摄像面Ni上，按照覆盖像素P1、P2的表面的方式设置有微透镜Ms。
阵列状光学元件K被设计成：通过了光学元件L1上的光学面区域D1(图1、图2所示)的光束B1(在图1中用实线所示的光束B1)的大部分到达摄像面Ni上的像素P1，通过了光学面区域D2的光束(在图1中用虚线所示的光束B2)的大部分到达摄像面Ni上的像素P2。具体而言，通过适当地设定阵列状光学元件K的折射率、距摄像面Ni的距离以及光学要素M1表面的曲率半径等的参数，可实现上述构成。
在此，由图1所示的第1信号处理部C1输出仅由像素P1形成的第1图像I1、和仅由像素P2形成的第2图像I2。由第2信号处理部C2，利用通过在第1图像I1和第2图像I2中相邻的像素间的亮度值的差(清晰度)所表示的亮度信息，执行测距运算。
第1图像I1和第2图像I2是利用通过了具有使合焦特性彼此不同的光学特性的光学面区域D1、D2的光束B1、B2而获得的图像。即、摄像装置A利用具有多个合焦特性的光学系统L，由一次摄像就能够获取多个图像。在本实施方式中，利用第1图像I1和第2图像I2能够求出被摄体距离。
光圈S为所有视角的光束通过的区域。因此，将具有控制合焦特性的光学特性的面插入在光圈S的附近，从而能够同样地控制所有视角的光束的合焦特性。即、在本实施方式中，优选光学元件L1被设置在光圈S的附近。将具有使合焦特性彼此不同的光学特性的光学面区域D1、D2配置在光圈S的附近，从而能够对光束赋予与区域的分割数相应的合焦特性。
在图1中，光学元件L1被设置在通过了光学元件L1的光直接(不经由其他光学部件)地向光圈S入射的位置。光学元件L1也可被设置在比光圈S更靠近摄像元件N侧。在该情况下，优选光学元件L1被设置在光圈S与透镜L2之间，且通过了光圈S的光直接(不经由其他光学部件)地向光学元件L1入射。在为像侧远心光学系统(telecentric optical system)的情况下，光学系统的焦点处的光线的入射角由通过光圈S的光线的位置和视角唯一地决定。另外，阵列状光学元件K具有根据光线的入射角来分配出射方向的功能。因而，能够按照与在光圈S的附近被分割的光学面区域D1、D2相对应的方式，给摄像面Ni上的像素分配光束。
其次，具体说明求出被摄体距离的方法。
图5是表示实施方式1中的摄像装置A的剖视图。在图5中，对于与图1相同的构成要素赋予与图1相同的符号。在图5中，虽然省略了阵列状光学元件K(图1等所示)的图示，但是在图5的区域H中实际上包含阵列状光学元件K。区域H具有图4(a)所示的构成。
表1以及表2为图5所示的摄像装置A的光学系统的设计数据。在表1以及表2中，Ri表示各面的近轴曲率半径(mm)，di表示各面的面中心间隔(mm)，nd表示透镜或者滤光器的d线的折射率，vd表示各光学元件的d线的阿贝数。另外，在将距面顶点的切平面而在光轴方向的距离设为x、将距光轴的高度设为h、将r设为近轴曲率半径、将k设为圆锥常数、将Am(m＝4，6，8，10)设为第m次的非球面系数时，非球面形状由(式1)进行表示。
[式1]
x = 1 r h 2 1 + 1 - ( 1 + k ) ( 1 r ) 2 h 2 + A 4 h 4 + A 6 h 6 + A 8 h 8 + A 10 h 10
[表1]
·镜头数据
焦点距离＝10mm、F值＝2.8、波长550nm
视角2ω＝10°、有效摄像圆径＝φ1.75mm
Figure BDA00002554510000092
[表2]
·非球面系数
Figure BDA00002554510000093
在本设计例中，光学元件L1中的被摄体侧的面之中的、光学面区域D1为平面，光学面区域D2为在镜头光学系统L的焦点附近处的规定范围内生成大致固定的点像强度分布的光学面。
图6是表示通过了光学面区域D1、D2的光线下的球面像差的曲线图。在此，光学面区域D1被设计成由通过了光学面区域D1的光线产生的球面像差少，而光学面区域D2被设计成由通过了光学面区域D2的光线产生球面像差。调整由光学面区域D2所生成的球面像差的特性，由此在镜头光学系统L的焦点附近处的规定范围内，能够使由通过了光学面区域D2的光所产生的图像的点像强度分布大致固定。即、即便被摄体距离发生变化，也能够使点像强度分布大致固定。
图7是表示每个被摄体距离的点像强度分布的图。图7的点像强度分布是将图4所示的摄像元件N上的像素间距设为6μm、将阵列状光学元件K上的光学要素M1的间距设定为12μm，并以仿真方式求出的分布。图7的左端的列为所有像素的点像强度分布。中央的列为仅提取像素P1的点像强度分布，用0电平(0level)掩蔽(masking)像素P2的点像强度分布而成的分布。即、为由通过了光学面区域D1的光束所形成的点像强度分布。另外，右端的列为仅提取像素P2的点像强度分布，用0电平掩蔽像素P1的点像强度分布而成的分布。即、为由通过了光学面区域D2的光束所形成的点像强度分布。由此可知，即便被摄体距离发生变化，像素P2的点像强度分布也大致固定，被摄体距离越远则像素P1的点像强度分布中的点像的大小越小。
由于点像的大小越小则图像的清晰度越高，因而若用曲线图来表示被摄体距离与清晰度之间的关系，则成为图8(a)那样的关系。在图8(a)的曲线图中，清晰度G1表示仅由像素P1生成的图像的规定区域的清晰度，清晰度G2表示仅由像素P2生成的图像的规定区域的清晰度。清晰度能够基于规定大小的图像块内相邻的像素间的亮度值的差分来求出。另外，也能够基于将规定大小的图像块的亮度分布进行傅里叶变换之后的频谱来求出。
在将规定大小的块内的清晰度设为E，基于相邻的像素间的亮度值的差分来求出的情况下，例如使用(式2)。
[式2]
E = Σ i Σ j ( Δx i , j ) 2 + ( kΔy i , j ) 2
在(式2)中，Δxi，j为规定大小的图像块内的坐标(i，j)下的像素的亮度值与坐标(i+1，j)下的坐标的像素的亮度值之间的差分值，Δyi，j为规定大小的图像块内的坐标(i，j)下的像素的亮度值与坐标(i，j+2)下的坐标的像素的亮度值之间的差分值，k为系数。Δyi，j的y方向的亮度值利用坐标j以及坐标j+2计算的原因在于，在像素P1、P2各个像素中获得的图像之中，每隔1像素形成纵方向(y方向)的亮度信息的缘故。优选Δyi，j相乘规定系数(例如k＝0.5)。
在第1、第2图像I1、I2各个图像中，每隔1像素缺失y方向的图像的亮度信息。也可根据y方向上相邻的像素的亮度信息进行插补来生成所缺失的像素的亮度信息。例如，在图像中缺失了坐标(i，j+1)的亮度信息的情况下，只要对坐标(i，j)和坐标(i，j+2)的亮度信息进行平均来插补坐标(i，j+1)即可。在利用(式2)求出坐标(i，j+1)的清晰度E的情况下，只要设k＝1即可，Δyi，j成为规定大小的图像块内的坐标(i，j)下的像素的亮度值与坐标(i，j+1)的坐标的像素的亮度值(由坐标(i，j+2)的亮度信息插补之后的值)之间的差分值。根据(式2)的计算，若规定大小的图像块内的亮度值的差越大则获得越大的清晰度。
其次，说明基于傅里叶变换之后的频谱来求出规定大小的块内的清晰度E的方法。由于图像为二维的，因而说明利用二维傅里叶变换求出清晰度的方法。在此，说明利用二维傅里叶变换求出规定的块尺寸的清晰度的情况。
图9(a)～(c)表示16×16尺寸的图像块的亮度分布。按照图9(a)、(b)、(c)的顺序清晰度逐渐变小。图9(d)～(f)表示对图9(a)～(c)各自所示的图像块进行二维傅里叶变换而获得的频谱。在图9(d)～(f)中，为了易于理解，将各频谱的强度进行对数变换之后来显示，频谱越强越被明亮地示出。在各频谱中，中央的亮度最高之处为直流成分，越靠近周边部频率越高。
在图9(d)～(f)中可知，图像的清晰度越小则越高的频谱会缺失。因此，为了根据这些频谱来求出清晰度，例如能够提取全部频谱或一部分频谱来求出。
在此，图8(a)中的Z的范围表示G1变化且G2几乎没有变化的区域。在Z的范围内，能够利用这种关系求出被摄体距离。例如，在Z的范围内，由于被摄体距离和清晰度G1与G2之比存在相关，因而预先将被摄体距离和清晰度G1与G2之比的相关关系存储于存储部Me中。
在使用摄像装置时，按各运算块求出由一次摄像的结果所获得的数据之中的、仅由像素P1生成的第1图像I1与仅由像素P2生成的第2图像I2的清晰度之比。然后，能够利用存储部Me中所存储的相关关系来求出被摄体距离。具体而言，按各运算块，比较上述相关关系中的清晰度之比、和第1图像I1与第2图像I2的清晰度之比的值。然后，将两者相一致的值所对应的被摄体距离设为到拍摄时的被摄体为止的距离。
为了根据仅由像素P1生成的第1图像I1的清晰度与仅由像素P2生成的第2图像I2的清晰度之比来唯一地求出被摄体距离，需要使清晰度之比在规定的被摄体距离范围内全部不同。
在图8(a)中，由于在Z的范围内清晰度之比全部不同，因而能够唯一地求出被摄体距离。另外，若清晰度的值过低则难以求出该比值，因而优选清晰度的值为一定值以上。
此外，根据光学面区域D1、D2的曲率半径或非球面系数、折射率来决定被摄体距离与清晰度之间的关系。即、光学面区域D1、D2需要具有第1图像I1的清晰度与第2图像I2的清晰度之比在规定的距离范围内全部不同这样的光学特性。
另外，在本实施方式中，如果是利用亮度所算出的值(亮度信息)，则也可以利用除清晰度以外的值、例如对比度来求出被摄体距离。对比度例如能够根据规定的运算块内的最大亮度值与最低亮度值之比求出。清晰度为亮度值的差分，而对比度为亮度值之比。也可根据作为最大亮度值的一点与作为最低亮度值的一点之比来求出对比度，也可例如根据亮度值的上位数点的平均值与亮度值的下位数点的平均值之比来求出对比度。利用对比度来求出被摄体距离的情况也与清晰度的情况同样地，预先将被摄体距离和对比度之比间的相关关系存储于存储部Me中。按各块求出第1图像I1与第2图像I2的对比度之比，从而能够利用相关关系来求出被摄体距离。
图8(b)是表示在图1中将光学面区域D2的光学面置换成曲率半径为400mm的球面时的、被摄体距离与清晰度之间的关系的曲线图。Z的范围表示清晰度G1和G2一起变化的区域。即便在这种情况下，也与图8(a)同样地能够求出被摄体距离。
本实施方式在如图8(b)那样使各区域的曲率半径彼此不同的情况下，也可具备生成将第1图像I1以及第2图像I2相加之后的图像的构成。在通过第1图像I1以及第2图像I2的相加所生成的图像中，清晰度处于一定值以上的距离范围比第1图像以及第2图像大。在该情况下，通过相加所生成的图像的清晰度与第1图像I1或者第2图像I2任一个图像的清晰度之比、和被摄体距离具有相关关系。预先存储该相关关系，从而能够按图像的每个规定区域求出被摄体距离。
此外，在本实施方式中，也可采用根据相邻的像素中的亮度值的差分求出清晰度的方法、以及根据傅里叶变换求出清晰度的方法之中的任何方法。其中，由于亮度值为相对的值，因而利用前者方法求出的亮度值和利用后者方法求出的亮度值成为不同的值。因此，需要使为了求出相关关系(预先存储的被摄体距离与清晰度之比的相关关系)而求出清晰度的方法、和在摄像时求出清晰度的方法相一致。
另外，表1以及表2所示的摄像装置的光学系统采用像侧远心光学系统。由此，即便视角发生变化，阵列状光学元件K的主光线入射角也会以近似0度的值进行入射，故在整个摄像区域内能够减低到达像素P1的光束与到达像素P2的光束之间的串扰。
在本实施方式中，作为镜头光学系统L也可采用像侧非远心光学系统。在该情况下，由于光学元件L1的2个区域的曲率半径分别不同，因而由各个区域所获得的图像(第1图像I1以及第2图像I2)的倍率不同。在此，在如前述那样按图像的每个区域算出清晰度之比的情况下，在光轴外彼此参照的规定区域会发生偏离，从而无法正确地求出清晰度之比。在该情况下，按照第1图像I1以及第2图像I2的倍率大致相同的方式进行修正来求出规定区域的清晰度之比，由此能够正确地求出。
另外，在本实施方式1中，使光学面区域D1与光学面区域D2的面积相等。根据这种构成，能够使像素P1和像素P2的曝光量相等。在光学面区域D1与光学面区域D2的面积不同的情况下，优选使像素P1和像素P2的曝光时间不同。例如，在光学面区域D1的面积比光学面区域D2的面积宽的情况下，优选使像素P1的曝光时间比像素P2的曝光时间短。
如以上所述那样，根据本实施方式，预先存储了由光学元件L1的2个光学面区域D1、D2所获得的图像的清晰度(或者对比度)之比和被摄体距离的相关关系，能够基于所拍摄到的第1、第2图像I1、I2中的清晰度(或者对比度)之比和上述相关关系，获得到被摄体为止的距离。在本实施方式中，由利用了单一摄像系统的一次摄像就能够获得到被摄体为止的距离，因而无需如利用了多个摄像光学系统的摄像装置那样使多个摄像光学系统间的特性、位置相一致。另外，在利用本实施方式的摄像装置来拍摄运动图像的情况下，即便随着时间经过而被摄体的位置发生变化，也能够测定到被摄体为止的正确距离。
(实施方式2)
本实施方式2与实施方式1不同之处在于：将光学元件L1的区域进行四分割；将阵列状光学元件从双凸透镜置换成微透镜。在此，在本实施方式中省略对与实施方式1同样内容的详细说明。
图10是从被摄体侧观看光学元件L1的主视图，光学面区域D1、D2、D3以及D4以光轴V作为边界中心，在与光轴V垂直的面内被上下左右四分割。另外，光学面区域D1是平面，光学面区域D2是曲率半径为300mm的球面透镜，光学面区域D3是曲率半径为200mm的球面透镜，光学面区域D4是曲率半径为120mm的球面透镜，各区域的球面透镜的光轴是前述的光轴V。此外，虚线s表示光圈S的位置。
图11是阵列状光学元件K的立体图。在阵列状光学元件K中的摄像元件N侧的面，光学要素M2被配置成栅格状。各个光学要素M2的剖面(纵方向以及横方向各方向上的剖面)为圆弧状，各个光学要素M2向摄像元件N侧突出。这样，光学要素M2为微透镜，阵列状光学元件K成为微透镜阵列。
图12(a)是将阵列状光学元件K和摄像元件N放大之后进行表示的图，图12(b)是表示阵列状光学元件K与摄像元件N上的像素之间的位置关系的图。阵列状光学元件K与实施方式1同样地被配置在镜头光学系统L的焦点附近，且被配置在与摄像面Ni相距规定距离的位置处。另外，在摄像面Ni上，按照覆盖像素P1、P2、P3、P4的表面的方式设置有微透镜Ms。
另外，阵列状光学元件K被配置成：形成有光学要素M2的面朝向摄像面Ni侧。阵列状光学元件K被配置成：一个光学要素M2与摄像面Ni中的2行2列像素P1～P4这4个像素相对应。
根据这种构成，通过了图10所示的光学元件L1上的光学面区域D1、D2、D3、D4的光束的大部分分别到达摄像面Ni上的像素P1、像素P2、像素P3以及像素P4。
在此，与实施方式1同样地，通过第1信号处理部C1，从像素P1、像素P2、像素P3以及像素P4的各个像素分别输出第1图像I1、第2图像I2、第3图像I3以及第4图像I4的各个图像。
由于使光学元件L1的光学面区域D1、D2、D3、D4的曲率半径彼此不同，因而摄像装置A能够同时地获取根据4个合焦特性所拍摄到的4个图像。
图13是表示每个被摄体距离的点像强度分布的图。图13的点像强度分布是将图12所示的摄像元件上的像素间距设为6μm、将阵列状光学元件K上的光学要素M2的间距设定为12μm，并以仿真方式求出的分布。图13的左端的列为所有像素的点像强度分布。自左端起第2列为仅提取像素P1的点像强度分布，用0电平掩蔽其他像素4的点像强度分布的图。即、为由通过了光学面区域D1的光束所形成的点像强度分布。同样地，自左端起第3列、第4列、第5列分别为由通过了光学面区域D2、D3、D4的光束所形成的点像强度分布。可知，由像素P1、P2、P3以及P4分别所形成的点像强度分布的点像的大小各自在被摄体距离为4000mm、590mm、390mm以及230mm的情况下达最小。
与实施方式1同样地，若用曲线图来表示被摄体距离与清晰度之间的关系，则成为图14那样的关系。在图14的曲线图中，G1、G2、G3以及G4分别表示仅由像素P1、P2、P3以及P4所生成的图像的规定区域的清晰度。
另外，Z的范围表示清晰度G1、G2、G3以及G4任一个变化的区域。在Z的范围内，能够利用这种关系求出被摄体距离。例如，在Z1的范围内和清晰度G1与G2之比存在相关，在Z2的范围内和清晰度G2与G3之比存在相关，在Z3的范围内和清晰度G3与G4之比存在相关。预先将这些的清晰度之比和被摄体距离的相关关系存储于存储部Me中。在实际拍摄时，首先在第2信号处理部C2中分别算出第1、第2图像I1、I2的清晰度之比、第2、第3图像I2、I3的清晰度之比、第3、第4图像I3、I4的清晰度之比。然后，按各运算块，将这些的清晰度之比和预先保持在存储部中的相关关系之中的清晰度之比进行比较。然后，将两者相一致的值所对应的被摄体距离作为拍摄时到被摄体为止的距离。
在本实施方式中，将光学元件L1分割成具有使合焦特性彼此不同的光学特性的4个区域，由此与如实施方式1那样分割成2个区域的情况相比，能够扩宽可测距的被摄体距离范围。下面，具体进行说明。在将光学元件L1分割成2个区域的情况下，如图8所示那样在范围Z内能够求出被摄体距离。另一方面，在将光学元件L1分割成4个区域的情况下，能够在图14所示的范围Z1内求出被摄体距离，并且在范围Z1外还存在可测距的被摄体距离范围。即、在清晰度G1的值小、且也无法求出清晰度G1与G2之比的被摄体距离下，也能在范围Z2内求出清晰度G2与G3之比，在范围Z3内求出清晰度G3与G4之比。根据该构成，与图8所示的分割成2个区域的情况相比，能够扩宽可测距的被摄体距离范围。
另外，本实施方式2也可具备生成将第1图像I1、第2图像I2、第3图像I3以及第4图像I4相加之后的图像的构成。在通过第1～第4图像I1～I4的相加所生成的图像之中，清晰度处于一定值以上的距离范围比第1～第4图像I1～I4各个图像大。在该情况下，通过第1～第4图像I1～I4的相加所生成的图像的清晰度与第1～第4图像I1～I4之中任一个图像的清晰度G1～G4之间的比，和被摄体距离具有相关关系。预先存储这些的相关关系，从而能够按图像的每个规定区域求出被摄体距离。
另外，在本实施方式中采用像侧远心光学系统，但也可采用像侧非远心光学系统作为镜头光学系统L。在该情况下，由于光学元件L1的4个区域的曲率半径分别不同，因而由各个区域所获得的图像(第1图像I1、第2图像I2、第3图像I3以及第4图像I4)的倍率不同。在此，在如前述那样按图像的每个区域算出清晰度之比的情况下，在光轴外彼此参照的规定区域会发生偏离，从而无法正确地求出清晰度之比。因此，按照第1图像I1、第2图像I2、第3图像I3以及第4图像I4的倍率大致相同的方式进行修正来求出规定区域的清晰度之比，由此能够正确地求出。
另外，在本实施方式2中，使光学面区域D1～D4的面积相等。根据这种构成，能够使像素P1～P4的曝光时间相等。在光学面区域D1～D4的面积彼此不同的情况下，优选使像素P1～P4的曝光时间不同。在该情况下，优选越是面积小的像素则越增长曝光时间。
(实施方式3)
本实施方式3与实施方式2不同之处在于：以同心圆来分割光学元件L1的区域；9个像素与作为阵列状光学元件的微透镜阵列的1个微透镜相对应。在此，在本实施方式中省略对与实施方式1同样内容的详细说明。
图15是表示本发明的摄像装置A的实施方式3的示意图。在图15中，对于与实施方式1相同的构成要素赋予相同的符号。
图16是从被摄体侧观看光学元件L1的主视图，光学面区域D1、D2将光轴V作为中心而被二分割成同心圆状。另外，光学面区域D1为平面，光学面区域D2为在镜头光学系统L的焦点附近处的规定范围内生成大致固定的点像强度分布的光学面。另外，虚线s表示光圈S的位置。
在本实施方式中，阵列状光学元件K的构成与第2实施方式同样，本实施方式的阵列状光学元件K的立体图与图11同样。
图17(a)是将图15所示的阵列状光学元件K和摄像元件N放大之后进行表示的图，图17(b)是表示阵列状光学元件K与摄像元件N上的像素之间的位置关系的图。阵列状光学元件K被配置在镜头光学系统L的焦点附近，且被配置在与摄像面Ni相距规定距离的位置处。另外，在摄像面Ni上，按照覆盖像素Pc、Pa的表面的方式设置有微透镜Ms。
另外，阵列状光学元件K被配置成：形成有光学要素M2的面朝向摄像面Ni侧。阵列状光学元件K被构成为：其一个光学要素M2与摄像面Ni上的1个像素Pc和8个像素Pa的合计9个像素相对应。
根据这种构成，通过了图16所示的光学元件L1上的光学面区域D1的光束(在图15中用实线所示的光束B1)的大部分到达摄像面Ni上的像素Pa，通过了光学面区域D2的光束(在图15中用虚线所示的光束B2)的大部分到达摄像面Ni上的像素Pc。
光学元件L1的光学面区域D2的直径按照透镜的F值为4的方式进行设定，光学元件L1的光学面区域D1的直径按照透镜的F值为2.8的方式进行设定。另一方面，光学元件L1的焦点距离为10mm。若在下述(式3)中输入光学面区域D1、D2各个区域的F值和焦点距离，则光学面区域D2的透镜有效直径为2.5mm，光学面区域D1的透镜有效直径为3.54mm。
[式3]
F＝f/D    (f：焦点距离，D：透镜有效直径)
由于光学面区域D2的透镜的半径为1.25mm，光学面区域D1的透镜的半径为1.77mm，因而求出：光学面区域D2的透镜的面积为
Figure BDA00002554510000181
Figure BDA00002554510000182
光学面区域D1上的透镜的面积为3.13πmm2。根据该结果，光学元件L1上的光学面区域D2的面积为1.56πmm2，光学元件L1上的光学面区域D1的面积为从3.13πmm2之中减去1.56πmm2后的值1.57mm2。这样，光学元件L1上的光学面区域D1、D2的面积变得大致相等。如果光学面区域D1、D2的面积大致相等，则能够使在一定时间内入射至8个像素Pa的光量的合计、和入射至像素Pc的光量大致相等。因而，能够将对光学面区域D1、D2的曝光时间控制得相等。
在此，由图15所示的第1信号处理部C1输出仅由像素Pa形成的第1图像I1、和仅由像素Pc形成的第2图像I2。
与实施方式1同样地，由于第1图像I1和第2图像I2分别是使光学元件L1的光学面区域D1和光学面区域D2的光学特性彼此不同而获得的图像，因而摄像装置A能够同时地获取清晰度为一定值以上的距离范围、到焦点对准的被摄体为止的距离不同的图像。
其次，具体说明求出被摄体距离的方法。
图18是本发明的实施方式3中的摄像装置A的剖视图。在图18中，对于与图15相同的构成要素赋予相同的符号。在图18中，虽然省略了阵列状光学元件K(图15等所示)的图示，但是却在图18的区域H中包含阵列状光学元件K以及摄像面Ni，区域H具有图17(a)所示的构成。
表3和表4为图18所示的摄像装置A的光学系统的设计数据。在表3以及表4中，各记号与表1以及表2相同。
[表3]
·镜头数据
焦点距离＝10mm、F值＝2.8、波长550nm
视角2ω＝10°、有效摄像圆径＝φ1.75mm
[表4]
·非球面系数
Figure BDA00002554510000191
图19表示通过了光学面区域D1以及光学面区域D2的光线下的球面像差。在此，光学面区域D1被设计成由通过了光学面区域D1的光线产生的球面像差少，而光学面区域D2被设计成由通过了光学面区域D2的光线产生球面像差。调整由光学面区域D2所生成的球面像差的值，由此在镜头光学系统L的焦点附近处的规定范围内，能够使由通过了光学面区域D2的光所产生的图像的点像强度分布大致固定。即、即便被摄体距离发生变化，也能够使点像强度分布大致固定。
图20是表示每个被摄体距离的点像强度分布的图。图20的点像强度分布是将图16所示的摄像元件N上的像素间距设为4μm、将阵列状光学元件K的光学要素M2的间距设定为12μm，并以仿真方式求出的分布。图19的左端的列为所有像素的点像强度分布。中央的列为将阵列状光学元件K的1个光学要素M2所对应的8个像素Pa相加而生成的分布，是由通过了光学面区域D1的光束所形成的点像强度分布。另外，右端的列为仅提取像素Pc的点像强度分布而生成的分布，是由通过了光学面区域D2的光束所形成的点像强度分布。由此可知，即便被摄体距离发生变化，像素Pc的点像强度分布也大致固定，被摄体距离越远则像素Pa的点像强度分布中的点像的大小越小。
在此，即便在本实施方式3中，被摄体距离与清晰度的关系也与实施方式1的图8(a)同样，能够在Z的范围内求出被摄体距离。
由于本实施方式3为将光学元件L1二分割成同心圆状的构成，因而在由各光学面区域D1、D2所获得的图像间不会产生视差。因此，可以实现更高精度的测距。
此外，光学面区域D2可以为球面透镜。根据这种构成，能够使被摄体距离与清晰度之间的关系和实施方式1的图8(b)同样，故能够在Z的范围内求出被摄体距离。
(实施方式4)
本实施方式4与实施方式3不同之处在于：将光学元件L1置换成作为可变焦点透镜的液晶透镜。在此，在本实施方式中省略对与实施方式1同样内容的详细说明。
图21(a)是从被摄体侧观看光学元件L1的主视图。光学元件L1中的光学面区域D1、D2以光轴V作为中心而被二分割成同心圆状。另外，虚线s表示光圈S的位置。
图21(b)是表示光学元件L1和光圈S的剖视图。光学元件L1由形成有平凹透镜的玻璃T1、被形成在玻璃T1上的透明电极E1、被形成在透明电极E1上的取向膜W1、两面为平面的玻璃T2、被形成在玻璃T2上的透明电极E2A以及E2B、被形成在透明电极E2A和E2B上的取向膜W2、密封剂U、液晶LC而构成。光学面区域D1为形成有透明电极E2A的区域，光学面区域D2为形成有透明电极E2B的区域。
玻璃T1、T2的折射率为N1。另外，液晶LC的折射率根据在透明电极E1与透明电极E2A之间所输入的驱动波形而从N1变化为N2(N2＞N1)。在N2大于N1的情况下，光学元件L1的光学面区域D2作为凸透镜发挥功能。另外，折射率N1被设定成：使通过了光学元件L1的光学面区域D2的光束合焦于与光学元件L1相对远处的位置的焦点，折射率N2被设定成：使通过了光学元件L1的光学面区域D2的光束合焦于与光学元件L1相对靠近的位置的焦点。
其次，对光学元件L1的动作进行说明。首先，按照在即将曝光前液晶LC的折射率为N1的方式来控制在透明电极E1与透明电极E2A之间所输入的驱动波形。其次，自曝光开始后控制在透明电极E1与透明电极E2A间所输入的驱动波形而使折射率从N1起逐渐增大，在曝光结束时按照折射率为N2的方式控制驱动波形。
通过这种控制，在曝光时间中被卷积之后得到的图像由于在从相对远处的焦点到相对靠近的焦点之间的任一焦点处进行对焦，因而利用通过了光学面区域D2的光束能够在规定的距离范围内获取清晰度大致固定的图像。另一方面，光学面区域D1不具有曝光时间中的透镜作用。因此，通过了光学面区域D1的光束仅由图1等所示的透镜L2来进行聚光。其结果，在由通过了光学面区域D1的光束所获得的图像之中，被摄体距离越远则点像的大小越小。
在本实施方式4中，由通过了光学面区域D2的光束所获得的图像的清晰度在某被摄体距离范围内大致固定，在由通过了光学面区域D1的光束所获得的图像之中，被摄体距离越远则清晰度越高。这样，即便在本实施方式4中，被摄体距离与清晰度之间的关系也和实施方式1的图8(a)所示的关系同样，能够在Z的范围内求出被摄体距离。
(实施方式5)
本实施方式5与实施方式1～4不同之处在于：在摄像面上形成了双凸透镜或微透镜阵列。在此，在本实施方式中省略对与实施方式1同样内容的详细说明。
图22(a)以及(b)是将阵列状光学元件K以及摄像元件N放大之后进行表示的图。在本实施方式中，双凸透镜(或者微透镜阵列)Md被形成在摄像元件N的摄像面Ni上。在摄像面Ni上，与实施方式1等同样地像素P被配置成矩阵状。1个双凸透镜的光学要素或者1个微透镜与这些的多个像素P相对应。即便在本实施方式中，也与实施方式1～4同样地，能够将通过了光学元件L1上的不同区域的光束分别导入至不同像素。另外，图22(b)是表示本实施方式的变形例的图。在图22(b)所示的构成中，在摄像面Ni上按照覆盖像素P的方式形成有微透镜Ms，在微透镜Ms的表面上层叠有阵列状光学元件。在图22(b)所示的构成中，与图22(a)的构成相比能够提高聚光效率。
(实施方式6)
本实施方式6与实施方式1不同之处在于：与阵列状光学元件的各光学要素相对应的各像素被进行颜色划分。在此，在本实施方式中省略对与实施方式1同样内容的详细说明。
在本实施方式中，如图23(a)所示，在阵列状光学元件K的1个光学要素内重复排列有R(红)、G(绿)、B(蓝)的像素。对应于作为阵列状光学元件K的双凸透镜的1个光学要素M1，而配置有2行像素P。例如，在2行像素P之中的上行配置有像素P1，在下行配置有像素P2。像素P1、P2各自按照颜色被划分成R(红)、G(绿)、B(蓝)。即、作为像素P1、P2的各个像素，设置有用于对R(红)、G(绿)以及B(蓝)任一种颜色的光进行检测的像素。具体而言，只要在像素P1、P2的各个像素的表面设置有用于使不同波段的光透过的滤光器即可。通过具有这种构成，从而各像素能够主要地检测R(红)、G(绿)、B(蓝)光的任一种颜色的光。
图23(b)是表示本实施方式的变形例的图。在图23(b)所示的构成中，在双凸透镜的1个光学要素M1内重复排列有G(绿)、R(红)的像素，在与该光学要素M1相邻的光学要素M1内重复排列有B(蓝)、G(绿)的像素。
在本实施方式的构成中，能够对应于彩色图像。
此外，也可根据在图23(a)所示的6个像素中获取的信息来生成1个像素的图像。另外，也可在图23(a)的1个光学要素M1中，根据在被上下配置的2个像素中获取的信息来生成1个像素的图像。例如，利用在红(R)的2个像素中获取的信息来生成1个像素的图像的情况下，在该1个像素的图像中插补蓝(B)以及绿(G)的信息。作为蓝(B)以及绿(G)的信息而利用在图23(a)中被配置在红(R)的像素的周围处的像素的信息。
(实施方式7)
本实施方式7与实施方式1不同之处在于：与阵列状光学元件K的各光学要素M1相对应的各像素为相同的颜色，各像素按每个光学要素M1进行颜色划分。在此，在本实施方式中省略对与实施方式1同样内容的详细说明。
在本实施方式中，如图24(a)所示，对应于作为阵列状光学元件K的双凸透镜的1个光学要素M1，而配置有2行像素P。例如，在2行像素P之中的上行配置有像素P1，在下行配置有像素P2。在本实施方式中，与双凸透镜的1个光学要素M1相对应的各像素P1、P2全部为相同的颜色。各自的像素P1、P2按每个光学要素M1进行颜色划分，并重复排列。像素P1、P2的各个像素具有用于使不同波段的光透过的滤光器，由此能够主要地检测R(红)、G(绿)、B(蓝)光的任一种颜色的光。
图24(b)是表示本实施方式的变形例的图。在图24(b)所示的构成中，与微透镜阵列的1个光学要素M2相对应的各像素P1、P2、P3、P4全部为相同的颜色。各自的像素P1、P2、P3、P4按每个光学要素M2进行颜色划分，并重复排列。
通过这种构成，从而与实施方式6同样地能够对应于彩色图像。
(实施方式8)
本实施方式8是在实施方式6或实施方式7中使镜头光学系统具有规定的轴上色差，并基于至少2种以上颜色的清晰度(或者对比度)算出到被摄体为止的距离的构成。
若在本实施方式中用曲线图来表示被摄体距离与清晰度之间的关系，则成为图25那样的关系。在图25的曲线图中，清晰度GR1表示仅由第1颜色的像素P1所生成的图像的规定区域的清晰度，清晰度GR2表示仅由第1颜色的像素P2所生成的图像的规定区域的清晰度。另外，清晰度GG1表示仅由第2颜色的像素P1所生成的图像的规定区域的清晰度，清晰度GG2表示仅由第2颜色的像素P2所生成的图像的规定区域的清晰度。
镜头光学系统具有规定的轴上色差，由此第1颜色和第2颜色的成像位置发生偏离，故第1颜色和第2颜色的分布图(profile)表示如图25所示那样偏离了的特性。因此，在相对较远的距离范围ZR内利用第1颜色的清晰度能够求出到被摄体距离为止的距离，在相对较近的距离范围ZG内利用第2颜色的清晰度能够求出到被摄体距离为止的距离。
通过这种构成，从而与没有轴上色差的情况相比，能够扩展可测定被摄体距离的范围。
其中，虽然在本实施方式中示出基于两种颜色的清晰度(或者对比度)算出到被摄体距离为止的距离的方法，但是也可以是基于3种以上颜色的清晰度(或者对比度)算出到被摄体距离为止的距离的构成。
(实施方式9)
本实施方式9与实施方式1、2、3以及4不同之处在于：在光学元件L1的各光学区域的边界部配置了遮光部件。在此，在本实施方式中省略对与实施方式1同样内容的详细说明。
图26(a)是在实施方式1的光学面区域D1、D2的边界部配置了遮光部件Q的主视图。另外，图26(b)是在实施方式2的光学面区域D1、D2、D3以及D4的各边界部配置了遮光部件Q的主视图。此外，图26(c)是在实施方式3、4的光学面区域D1、D2的边界部配置了遮光部件Q的主视图。
在各区域的边界部中，由于光学面形状不连续地变化，因而有时在边界部产生高低差，从而产生不必要的光。因此，通过在各边界部配置遮光部件Q，从而能够抑制不必要光的产生。作为遮光部件Q，例如只要使用混合有碳黑的聚酯薄膜等即可。遮光部件Q也可与光圈一体式形成。
另外，在图26(a)、(b)中，由遮光部件Q区分出的各区域彼此为线对称的形状，但是各个区域也可以为圆形或椭圆形、矩形。
(实施方式10)
本实施方式10与实施方式1不同之处在于：光学面区域D1、D2的各个区域为夹着光轴被划分出的多个区域；将阵列状光学元件K从双凸透镜置换成微透镜。在此，在本实施方式中省略对与实施方式1同样内容的详细说明。
图27(a)是从被摄体侧观看光学元件L1的主视图。在图27(a)中，光学元件L1在与镜头光学系统的光轴垂直的平面内，被分割成以光轴V作为中心的旋转对称的4个区域(2个光学面区域D1以及2个光学面区域D2)。光学面区域D1、D2按照2个光学面区域D1彼此之间不相邻以及2个光学面区域D2彼此之间不相邻的方式交替地设置。2个光学面区域D1彼此处于以光轴作为中心(接点)的点对称的关系。同样地，2个光学面区域D2彼此处于以光轴作为中心(接点)的点对称的关系。
图27(b)是表示阵列状光学元件K与摄像元件N上的像素之间的位置关系的图。在本实施方式10中，由于通过了光学面区域D1的光线到达奇数行奇数列和偶数行偶数列，因而在与光学要素M2相对应的像素内将奇数行奇数列的像素值和偶数行偶数列的像素值进行相加。由于通过了光学面区域D2的光线到达偶数行奇数列和奇数行偶数列，因而在与光学要素M2相对应的像素内将偶数行奇数列的像素值和奇数行偶数列的像素值进行相加。根据这些相加后的像素值来生成图像。
其次，将在本实施方式中获得的效果与在实施方式1中获得的效果进行比较来加以说明。
在实施方式1中，如图2所示，光学面区域D1和光学面区域D2的各个区域被分割成2个半圆形状的区域。因而，有时通过了各区域的光的像面处的光点重心随被摄体距离而变化，从而产生位置偏离。
图28是在实施方式1中将光学面区域D1设为平面、将光学面区域D2设为球面时的、每个被摄体距离的光线图、以及、对点像及其重心的变化进行示意性说明的图。在图28中，(a1)、(b1)以及(c1)表示每个被摄体距离的光线图。在图28的(a1)、(b1)以及(c1)中，作为被摄体而示出物点O。在此，在图28中省略对与图1同样符号的说明。图28的(a2)、(b2)以及(c2)是示意性表示通过了光学面区域D1之后的物点O的光经由双凸透镜到达奇数行的像素而获得的点像的图像信息的图。图28的(a3)、(b3)、(c3)是通过了光学面区域D2之后的物点O的像经由双凸透镜到达偶数行的像素而获得的点像的图像信息。在各自的图像信息中，物点O的像为半圆形状。在图28的(a2)、(a3)、(b2)、(b3)、(c2)、(c3)中示出各自的像的照度的重心(黑点)。
各自的图像信息示意地表示为：将按奇数行的每个像素而提取出的图像信息((a2)、(b2)、(c2))、以及按偶数行的每个像素而提取出的图像信息((a3)、(b3)、(c3))通过插补处理在Y方向上拉伸为2倍之后的结果。
如图28所示，光点直径随物点O的位置(被摄体距离)而变化。由于通过了光学面区域D1、D2的各个区域的光所获得的图像信息分别为半圆形状，因而奇数行的像素的图像信息和偶数行的像素的图像信息的各个信息中的点像的重心间距离d因物点的位置而不同。若存在该重心间距离d，则会出现视差(算出图像的清晰度时的误差)，因此不优选。
另一方面，在本实施方式10中，由于光学面区域D1、D2的各个区域以光轴为中心而配置成点对称，因而即便被摄体距离发生变化，点像的重心间距离d也不会变化。
图29是在本实施方式中对每个被摄体距离的点像及其重心的变化进行示意性说明的图。在图29中，(a1)和(a2)、(b1)和(b2)以及(c1)和(c2)表示经由微透镜来拍摄物点O而得到的点像(以半圆进行图示)及其重心(黑点)，分别与图28的(a1)、(b1)及(c1)所示的物点O的被摄体距离相对应。
图29的(a1)、(b1)以及(c1)是将奇数行奇数列的像素和偶数行偶数列的像素的像素值相加之后的点像的图像信息。图29的(a2)、(b2)以及(c2)是将偶数行奇数列的像素和奇数行偶数列的像素的像素值相加之后的点像的图像信息。如图29所示，在本实施方式10中，由于各自的点像成为中心角为90°的扇形以光轴作为中心而相对置的形状，因而将奇数行奇数列以及偶数行偶数列的像素相加之后的图像信息、和将偶数行奇数列以及奇数行偶数列的像素相加之后的图像信息的各个图像信息之中的点像的重心间距离d始终为0，不会随被摄体距离而变化。
这样，在本实施方式10中，将光学面区域D1、D2的各个区域分别夹着光轴而分离地配置，由此即便被摄体距离发生变化，在所获取的图像中也能够不产生视差。由此，能够抑制因视差而引起的测距精度的劣化。
(其他的实施方式)
此外，实施方式1～10虽然为光学面区域被配置在光学元件L1中的被摄体侧的面的方式，但是光学面区域也可以被配置在光学元件L1的像侧的面。
另外，虽然透镜L2为1枚构成，但是也可以是多组或者多枚构成的透镜。
此外，多个光学面区域也可以被形成在配置于光圈附近的透镜L2的光学面上。
另外，虽然光学元件L1相对于光圈的位置而被配置在被摄体侧，但是也可以相对于光圈的位置而被配置在像侧。
此外，在前述的实施方式1～10中，虽然镜头光学系统L采用像侧远心光学系统，但是也可以为像侧非远心光学系统。图30(a)是将摄像部附近放大之后进行表示的图。在图30(a)中，仅表示通过阵列状光学元件K的光之中的通过1个光学面区域的光束。如图30(a)所示，在镜头光学系统L为非远心光学系统的情况下，光泄漏至相邻像素从而容易产生串扰，但是如图30(b)所示那样，使阵列状光学元件相对于像素排列而偏移Δ，由此能够减低串扰。由于所述入射角因像高而不同，因此只要根据光束向摄像面入射的入射角来设定所述偏移量Δ即可。此外，在像侧非远心光学系统的情况下，光学系统的焦点处的光线的入射角由通过光圈S的光线的位置和视角唯一地决定。
实施方式1～10为具备第1信号处理部C1、第2信号处理部C2以及存储部Me(图1等所示)的摄像装置。本发明的摄像装置也可以不具备这些的信号处理部以及存储部。在该情况下，只要利用摄像装置的外部的PC等执行第1信号处理部C1以及第2信号处理部C2所进行的处理即可。即、本发明通过具备包括镜头光学系统L、阵列状光学元件K以及摄像元件N在内的摄像装置，和外部的信号处理装置的系统也能实现。
此外，在本发明的测距方法中，也可以不利用清晰度与被摄体距离之间的相关关系。例如，也可以通过在表示清晰度或者对比度与被摄体距离之间的关系的式子中代入所获得的清晰度或者对比度，来获得被摄体距离。
另外，本实施方式2～10中的微透镜阵列的各光学要素(微透镜)优选相对于光轴而旋转对称的形状。以下，与相对于光轴而具有旋转非对称的形状的微透镜进行比较来加以说明。
图31(a1)是表示相对于光轴而具有旋转非对称的形状的微透镜阵列的立体图。在阵列之上形成四棱柱状的抗蚀剂并进行热处理由此使抗蚀剂的角部变圆，使用该抗蚀剂进行图案化，从而可形成上述这种的微透镜阵列。图31(a2)示出图31(a1)所示的微透镜的等高线。在具有旋转非对称的形状的微透镜中，纵横方向(与微透镜的底面四边平行的方向)和倾斜方向(微透镜的底面的对角线方向)的曲率半径不同。
图31(a3)是表示将图31(a1)、(a2)所示的微透镜适用于本发明的阵列状光学元件时的光线追踪仿真的结果的图。在图31(a3)中，仅示出通过阵列状光学元件K的光之中的通过1个光学面区域的光束，但这样旋转非对称形状的微透镜的情况下，光会泄漏至相邻的像素从而发生串扰。
图31(b1)是表示相对于光轴而具有旋转对称的形状的微透镜阵列的立体图。这种的旋转对称形状的微透镜通过热压印或UV压印制法，能够在玻璃板等之上形成。
图31(b2)示出旋转对称形状的微透镜的等高线。在具有旋转对称的形状的微透镜中，纵横方向和倾斜方向的曲率半径相等。
图31(b3)是表示将图31(b1)、(b2)所示的微透镜适用于本发明的阵列状光学元件时的光线追踪仿真的结果的图。在图31(b3)中，虽然仅示出通过阵列状光学元件K的光之中的通过一个光学面区域的光束，但却可知不会发生图31(a3)这种的串扰。这样，使微透镜成为旋转对称形状，从而能够减低串扰，因此能够抑制测距运算中的精度劣化。
产业上的可利用性
本发明涉及的摄像装置作为数字照相机或数字摄像机等的摄像装置是有用的。此外，也可应用于汽车的周边监视用以及乘务员监视用的测距装置或游戏机、PC、便携终端等的三维信息输入用的测距装置的用途。
符号说明
A                 摄像装置
L                 镜头光学系统
L1                光学元件
L2                透镜
D1、D2、D3、D4    光学面区域
S                 光圈
K                 阵列状光学元件
N                 摄像元件
Ni                摄像面
Me                存储部
Ms、Md            摄像元件上的微透镜
M1                阵列状光学元件的双凸透镜
M2                阵列状光学元件的微透镜(光学要素)
P1、P2、P3、P4、Pc、Pa、P   摄像元件上的受光元件
C1、C2                      第1、第2信号处理部
Q                           遮光部件

Claims (28)

1.一种摄像装置，具备：
镜头光学系统，其至少具有第1区域和第2区域，所述第2区域具有使合焦特性相对于通过了所述第1区域的光线下的合焦特性而不同的光学特性；
摄像元件，其至少具有通过了所述镜头光学系统的光入射的多个第1像素和多个第2像素；和
阵列状光学元件，其被配置在所述镜头光学系统与所述摄像元件之间，使通过了所述第1区域的光入射至所述多个第1像素，使通过了所述第2区域的光入射至所述多个第2像素。
2.根据权利要求1所述的摄像装置，其中，
所述摄像装置还具备信号处理部，
所述信号处理部利用在所述多个第1像素中获得的第1图像、以及在所述多个第2像素中获得的第2图像的亮度信息，算出到被摄体为止的距离。
3.根据权利要求2所述的摄像装置，其中，
在被摄体距离处于某固定范围内的情况下，由入射至所述第1区域的光所形成的图像的清晰度与由入射至所述第2区域的光所形成的图像的清晰度之比的值，和所述被摄体距离具有相关关系，
所述信号处理部基于所述相关关系、和所述第1图像的清晰度与所述第2图像的清晰度之比，算出到所述被摄体为止的距离。
4.根据权利要求3所述的摄像装置，其中，
在被摄体距离处于所述固定范围内的情况下，由入射至所述第1区域的光所形成的图像的清晰度大致固定，由入射至所述第2区域的光所形成的图像的清晰度根据到被摄体为止的距离而变化。
5.根据权利要求2所述的摄像装置，其中，
在被摄体距离处于某固定范围内的情况下，由入射至所述第1区域的光所形成的图像的对比度与由入射至所述第2区域的光所形成的图像的对比度之比，和所述被摄体距离具有相关关系，
所述信号处理部基于所述相关关系、和所述第1、第2图像的对比度，算出到所述被摄体为止的距离。
6.根据权利要求1至5任一项所述的摄像装置，其中，
所述第1区域以及所述第2区域具有彼此不同的曲率半径。
7.根据权利要求1至6任一项所述的摄像装置，其中，
所述第1区域以及所述第2区域是以所述镜头光学系统的光轴作为边界中心而被分割后的区域。
8.根据权利要求1至7任一项所述的摄像装置，其中，
所述第1区域具有夹着所述镜头光学系统的光轴而彼此配置成点对称的多个第1区域构成部，
所述第2区域具有夹着所述镜头光学系统的光轴而彼此配置成点对称的多个第2区域构成部。
9.根据权利要求2至5任一项所述的摄像装置，其中，
所述镜头光学系统还具备除所述第1、第2区域以外的至少第3区域，
所述阵列状光学元件使通过了所述第3区域的各个光分别入射至除所述多个第1、第2像素以外的第3像素，
所述信号处理部利用在所述第3像素中获得的图像的亮度信息，算出到被摄体为止的距离。
10.根据权利要求1至6任一项所述的摄像装置，其中，
所述第1区域以及所述第2区域为将所述镜头光学系统的光轴作为中心而被分割成同心圆状的区域。
11.根据权利要求2至5任一项所述的摄像装置，其中，
所述信号处理部利用将所述第1图像和所述第2图像相加之后的图像的亮度信息、和所述第1图像或者所述第2图像的亮度信息，算出到所述被摄体为止的距离。
12.根据权利要求1至11任一项所述的摄像装置，其中，
所述第1区域为可变焦点透镜，
所述可变焦点透镜按照在曝光时间中焦点距离连续地变化的方式进行控制。
13.根据权利要求1至12任一项所述的摄像装置，其中，
所述镜头光学系统为像侧远心光学系统。
14.根据权利要求2至5任一项所述的摄像装置，其中，
所述摄像装置还具备变换部，该变换部在所述第1图像和所述第2图像的倍率不同的情况下，变换成按照使倍率大致相同的方式修正了所述第1图像的倍率和所述第2图像的倍率之后的图像。
15.根据权利要求1至12任一项所述的摄像装置，其中，
所述镜头光学系统为像侧非远心光学系统，
在所述镜头光学系统的光轴外，使所述阵列状光学元件的排列相对于所述摄像元件的像素的排列而进行偏移。
16.根据权利要求1至15任一项所述的摄像装置，其中，
所述第1区域以及所述第2区域各自具有大致相同的面积。
17.根据权利要求1至16任一项所述的摄像装置，其中，
所述阵列状光学元件为双凸透镜或者微透镜阵列。
18.根据权利要求1至16任一项所述的摄像装置，其中，
所述阵列状光学元件为微透镜阵列，
所述微透镜阵列具有多个光学要素，
所述多个光学要素各自与所述多个第1像素之中的至少一个像素以及所述第2像素之中的至少一个像素相对应，
所述多个各光学要素各自具有相对于光轴而旋转对称的形状。
19.根据权利要求1至18任一项所述的摄像装置，其中，
所述阵列状光学元件被形成在所述摄像元件上。
20.根据权利要求19所述的摄像装置，其中，
所述摄像装置还具备微透镜，该微透镜被设置在所述阵列状光学元件与所述摄像元件之间，
所述阵列状光学元件隔着所述微透镜而被形成在所述摄像元件上。
21.根据权利要求1所述的摄像装置，其中，
所述多个第1像素以及所述多个第2像素各自具有使不同波段的光透过的滤光器。
22.根据权利要求21所述的摄像装置，其中，
所述阵列状光学元件具有多个光学要素，
所述多个光学要素各自与所述多个第1像素之中的至少一个像素以及所述第2像素之中的至少一个像素相对应，
与所述多个光学要素的各个光学要素相对应的像素具有使相同波段的光透过的滤光器。
23.根据权利要求21或22所述的摄像装置，其中，
所述摄像装置还具备信号处理部，该信号处理部利用在所述多个第1像素中获得的第1图像、以及在所述多个第2像素中获得的第2图像的亮度信息，算出到被摄体为止的距离，
所述镜头光学系统中的所述第1区域以及所述第2区域具有第1颜色和第2颜色的成像位置不同的规定的轴上色差，
所述信号处理部在被摄体距离处于第1距离范围内的情况下利用所述第1颜色的亮度信息算出到被摄体为止的距离，
所述信号处理部在被摄体距离处于与所述第1距离范围不同的第2距离范围内的情况下利用所述第2颜色的亮度信息算出到被摄体为止的距离。
24.根据权利要求1至23任一项所述的摄像装置，其中，
所述摄像装置还具备遮光部件，该遮光部件被设置在所述第1区域与所述第2区域之间的边界部。
25.根据权利要求1至24任一项所述的摄像装置，其中，
所述镜头光学系统还具备光圈，
所述第1区域以及所述第2区域被配置在所述光圈附近。
26.一种摄像系统，具备：
权利要求1所述的摄像装置；和
信号处理装置，其利用在所述摄像装置之中的所述多个第1像素中获得的第1图像以及在所述多个第2像素中获得的第2图像的亮度信息，算出到被摄体为止的距离。
27.一种摄像方法，利用了摄像装置，
所述摄像装置具备：
镜头光学系统，其至少具有第1区域和第2区域，所述第2区域具有使合焦特性相对于通过了所述第1区域的光线下的合焦特性而不同的光学特性；
摄像元件，其至少具有通过了所述镜头光学系统的光入射的多个第1像素和多个第2像素；和
阵列状光学元件，其被配置在所述镜头光学系统与所述摄像元件之间，
由所述阵列状光学元件使通过了所述第1区域的光入射至所述多个第1像素，使通过了所述第2区域的光入射至所述多个第2像素，
利用在所述多个第1像素中获得的第1图像以及在所述多个第2像素中获得的第2图像的亮度信息，算出到被摄体为止的距离。
28.根据权利要求27所述的摄像方法，其中，
所述镜头光学系统还具备光圈，
所述第1区域以及所述第2区域被配置在所述光圈附近。
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