CN103299614B - 摄像装置、使用摄像装置的系统以及测距装置 - Google Patents

Abstract

本申请中公开的摄像装置具备：镜头光学系统，其具有透镜以及光圈；摄像元件(N)，其入射通过了镜头光学系统的光；和阵列状光学元件(K)，其配置在镜头光学系统和摄像元件(N)之间，在与镜头光学系统的光轴垂直的平面中的列方向上排列有多个在所述平面中的行方向上延伸的光学组件(M1)。摄像元件(N)包括多个像素群(Pg1～Pg3)，该多个像素群(Pg1～Pg3)分别具有：在行方向上排列的多个第1像素(P1)；和在列方向上与多个第1像素(P1)相邻的位置处，在行方向上排列的多个第2像素(P2)，多个像素群(Pg1～Pg3)在列方向上排列，多个光学组件(M1)间的边界位置相对于多个像素群(Pg1～Pg3)间的对应的边界位置分别在列方向上偏移。

Description

摄像装置、使用摄像装置的系统以及测距装置

技术领域

本申请涉及摄像机等的摄像装置、使用摄像装置的系统以及测距装置。

背景技术

作为取得高动态范围图像的技术，已知设置对数变换型的摄像元件的方法、使用两个摄像元件并使曝光量不同来进行摄影以合成2个图像的方法。另外，已知以时分方式得到曝光时间不同的图像、并合成这些图像的方法。

在专利文献1中，公开了如下方法：在对数变换型的摄像装置中，为了对每个像素的灵敏度的不均匀进行补正，从各像素的摄像数据中减去存储在存储器中的均匀光照射时的摄像数据。

在专利文献2中，公开了如下方法：用棱镜来分割光路，通过2个摄像元件改变摄影条件(曝光量)来进行拍摄。

另外，在以时分方式得到曝光时间不同的图像、并合成这些图像的方法中，由于以时分方式拍摄被摄体，因此，在被摄体正移动的情况下，会产生由时间差引起的图像的错位，而产生图像的连续性被扰乱的课题。在专利文献3中公开了补正这样的方式下的图像的错位的技术。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：JP特开平5-30350号公报

专利文献2：JP特开2009-31682号公报

专利文献3：JP特开2002-101347号公报

发明的概要

发明要解决的课题

但是，在专利文献1的方法中，由于在每个像素需要对像素信号进行对数变换的电路，因此不能减小像素尺寸。另外，在专利文献1公开的方法中，需要记录用于补正每个像素的灵敏度的不均匀性的补正用数据的单元，会导致成本提升。

另外，在专利文献2的方法中，由于需要2个摄像元件，因此摄像装置大型化，会带来大幅的成本提升。

在专利文献3中，虽然公开了补正图像的错位的技术，但对所有的移动体完全补正由时间差引起的图像的错位在原理上是困难的。

发明内容

本申请的非限定性的例示的实施方式提供使用1个摄像元件同时取得多个图像信息并生成能应对动态图像的高动态范围图像的摄像装置、使用它的系统以及测距装置。

用于解决课题的手段

本发明的一个形态的摄像装置具备：镜头光学系统，其具有透镜以及光圈；摄像元件，其入射通过了所述镜头光学系统的光；和阵列状光学元件，其配置在所述镜头光学系统和所述摄像元件之间，在与所述镜头光学系统的光轴垂直的平面中的列方向上排列有多个在所述平面中的行方向上延伸的光学组件，所述摄像元件包括多个像素群，该多个像素群具有：在所述行方向上排列的多个第1像素；和在列方向上与所述多个第1像素相邻的位置处，在所述行方向上排列的多个第2像素，所述多个像素群排列在所述列方向上，所述多个光学组件间的边界位置相对于所述多个像素群间的对应的边界位置分别在所述列方向上偏移。

上述的一般且特定的形态，使用系统、方法以及计算机程序安装来实现，或使用系统、方法以及计算机程序的组合来实现。

发明的效果

根据本发明的一个形态所涉及的摄像装置，即使在通过使提供给第2像素的光的量(曝光量)少于提供给第1像素的光的量(曝光量)来将多于能检测的量的光提供给第1像素的情况下(第1像素的像素值已饱和的情况下)，也能使用在第2像素检测出的值来算出被摄体的正确的明亮度。另一方面，在将能由第1像素检测的范围内的光提供给第1像素的情况下(第1像素的像素值未饱和的情况下)，能使用由第1像素检测出的值。由此，能通过使用单一的摄像系统的1次的摄像来取得高动态范围图像。在本发明的一个形态中，不需要使用对数变换型的特殊的摄像元件，另外，不需要多个摄像元件。

附图说明

图1(a)是表示本发明的摄像装置A的实施方式1的示意图。图1(b)是放大表示图1(a)所示的阵列状光学元件K以及摄像元件N的示意图。

图2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3(a)是表示图1(b)所示的阵列状光学元件K和摄像元件N(单色摄像元件)的像素的位置关系的图。图3(b)是表示图1(b)所示的阵列状光学元件K和摄像元件N(彩色摄像元件)的像素的位置关系的图。

图4是表示本发明的摄像装置A的实施方式1的截面图。

图5(a)是表示通过本发明的实施方式1的阵列状光学元件K的光线到达摄像元件N的摄像面Ni上的像素的样子的光线追踪模拟的图。图5(b)是表示在摄像面Ni拍摄的模拟图像，图5(c)是提取模拟图像的偶数列并补足奇数列而生成的图像，图5(d)表示提取模拟图像的奇数列并补足偶数列而生成的图像。

图6(a)是表示通过本发明的实施方式1的阵列状光学元件K的光线到达摄像元件N的样子的光线追踪模拟的图。图6(b)是由摄像元件N拍摄的模拟图像，图6(c)是提取模拟图像的偶数列并补足奇数列而生成的图像，图6(d)是提取模拟图像的奇数列并补足偶数列而生成的图像。

图7是本发明的实施方式1中的生成动态范围高的图像的流程图。

图8(a)以及图8(b)是放大表示本发明的实施方式2中的阵列状光学元件K以及摄像元件N的图。

图9是表示镜头光学系统L是像方非远心光学系统的情况下的阵列状光学元件K和摄像元件N的截面图。

图10(a)是在本发明的第3实施方式中放大表示在光轴附近以外入射到第1像素的光的量与入射到第2像素的光的量之比不同于光轴附近的比的情况下的摄像面的附近的图。图10(b)是放大表示在光轴附近以外入射到第1像素的光的量与入射到第2像素的光的量之比等于光轴附近的比的情况下的摄像面的附近的图。

图11是本发明的实施方式4中的阵列状光学元件K的驱动机构的截面图。

图12(a)是表示在本发明的实施方式4中表示阵列状光学元件K的光学组件间的边界位置分别未相对于所述摄像元件的像素间的边界位置偏移的状态下，通过阵列状光学元件K的光线到达摄像元件N的样子的光线追踪模拟的图。图12(b)是由摄像元件N拍摄的模拟图像，图12(c)是提取模拟图像的偶数列并补足奇数列而生成的图像，图12(d)是提取模拟图像的奇数列并补足偶数列而生成的图像。

图13是本发明的实施方式5中的测距装置的概略图。

具体实施方式

本发明的一个形态的概要如下所述。

本发明的一个形态的摄像装置具备：镜头光学系统，其具有透镜以及光圈；摄像元件，其入射通过了所述镜头光学系统的光；和阵列状光学元件，其配置于所述镜头光学系统和所述摄像元件之间，在与所述镜头光学系统的光轴垂直的平面中的列方向上排列了多个在所述平面中的行方向上延伸的光学组件，所述摄像元件包括多个像素群，该多个像素群是在所述列方向上排列的多个像素群，各像素群具有在所述行方向上排列的多个第1像素、和在与所述第1像素在列方向上相邻的位置处在所述行方向上排列的多个第2像素，所述多个光学组件间的边界位置相对于所述多个像素群间的对应的边界位置分别在所述列方向上偏移。

所述多个光学组件间的边界位置也可以从由所述多个像素群构成的摄像面的中心到周边，相对于所述多个像素群间的对应的边界位置分别在所述列方向上偏移。

所述阵列状光学元件的各光学组件也可以与所述多个像素群之一对应的方式配置。

在所述各像素群中，也可以使来自被摄体的相同部分的光入射到所述多个第1像素的每一个、以及在列方向上与其相邻的第2像素。

所述阵列状光学元件也可以是双凸透镜。

所述阵列状光学元件也可以形成在所述摄像元件上。

摄像装置还具备设于所述阵列状光学元件和所述摄像元件之间的微透镜，所述阵列状光学元件隔着所述微透镜形成在所述摄像元件上。

也可以所述镜头光学系统是像方远心光学系统，不管所述列方向上的距所述光轴的距离如何，所述多个光学组件间的边界位置与所述多个像素群的边界位置的偏移量都相等。

也可以所述镜头光学系统是像方非远心光学系统，所述多个光学组件间的边界位置与所述多个像素群的边界位置的偏移量因所述列方向上的距所述光轴的距离不同而不同。

也可以摄像装置还具备控制所述阵列状光学元件的所述列方向的位置的驱动机构，且通过所述驱动机构来调整所述偏移量。

也可以是，摄像装置还具备：信号处理部，其使用在所述多个第1像素得到的多个像素值以及在所述多个第2像素得到的多个像素值来生成图像，提供给所述多个第1像素的光的量是提供给所述多个第2像素的光的量的A倍(A＞1)，所述信号处理部进行如下处理：在各像素群中读入在作为所述多个第1像素之一的像素P1中得到的像素值V1、和在作为与其相邻的所述多个第2像素之一的像素P2中得到的像素值V2，在所述像素值V1未饱和的情况下输出所述像素值V1，在所述像素值V1已饱和的情况下，输出将所述第2像素中的所述像素值V2与A相乘而得到的值。

也可以分别对所述多个第1像素以及所述多个第2像素进行所述处理。

本发明的另一形态的系统具备上述任一者所记载的摄像装置、和使用在所述多个第1像素得到的多个像素值以及在所述多个第2像素得到的多个像素值来生成图像的信号处理部，提供给所述多个第1像素的光的量是提供给所述多个第2像素的光的量的A倍(A＞1)，所述信号处理部进行如下处理：在各像素群中读入在作为所述多个第1像素之一的像素P1中得到的像素值V1、和在作为与其相邻的所述多个第2像素之一的像素P2中得到的像素值V2，在所述像素值V1未饱和的情况下输出所述像素值V1，在所述像素值V1已饱和的情况下，输出将所述第2像素中的所述像素值V2与A相乘而得到的值。

本发明的另一形态的测距装置具备多个上述任一者所记载的摄像装置或系统。

本发明的另一形态的摄像元件具备：阵列状光学元件，在规定的平面中的列方向上排列了多个在所述平面中的行方向上延伸的光学组件；和多个像素群，该多个像素群排列在所述列方向上，各像素群具有排列在所述行方向上的多个第1像素、和在列方向上与所述多个第1像素相邻的位置处在所述行方向上排列的多个第2像素，阵列状光学元件相对于所述多个像素群而配置，以使得所述多个光学组件间的边界位置相对于所述多个像素群间的对应的边界位置分别在所述列方向上偏移。

也可以所述多个光学组件间的边界位置从由所述多个像素群构成的摄像面的中心到周边，相对于所述多个像素群间的对应的边界位置分别在所述列方向上偏移。

也可以所述阵列状光学元件的各光学组件以与所述多个像素群之一对应的方式配置。

下面，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(a)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为光轴的镜头光学系统L；摄像元件N；配置在镜头光学系统L和摄像元件N之间的区域中的镜头光学系统L的焦点附近的阵列状光学元件K、和第1信号处理部C。信号处理部C也可以设于摄像装置A的外部。

镜头光学系统L由入射来自被摄体(未图示)的光束R的光圈S、和入射通过了光圈S的光的透镜Lm构成。另外，镜头光学系统L是像方远心光学系统。

阵列状光学元件K配置在镜头光学系统L的焦点附近，且配置在与摄像面Ni离开规定的距离的位置。

在图1(a)中，光束R按照光圈S、透镜Lm、阵列状光学元件K的顺序通过它们，到达摄像元件N上的摄像面Ni。

图1(b)是放大表示图1(a)所示的部分G(阵列状光学元件K以及摄像元件N)的示意图。阵列状光学元件K具有图2所示的立体图那样的形状。阵列状光学元件K，典型而言，沿着与镜头光学系统的光轴垂直的平面配置。在阵列状光学元件K中的摄像元件N侧的面，在纵向(列方向)上配置有在横向(行方向)上细长延伸的多个光学组件M1。各个光学组件M1的截面(纵向)具有向摄像元件N侧突出的曲面的形状。如此，阵列状光学元件K具有双凸透镜的构成。阵列状光学元件K配置为使形成光学组件M1的面朝向摄像面Ni侧。

摄像元件N通过在该摄像面Ni中在纵向(列方向)上排列的多个像素群Pg1、Pg2、Pg3构成。像素群Pg1、Pg2、Pg3分别具有多个第1像素P1以及第2像素P2。

如图1(b)所示，各光学组件M1与像素群Pg1、Pg2、Pg3之一对应，阵列状光学元件K的各光学组件M1间的边界位置Mb相对于摄像元件N的摄像面Ni的像素群Pg间的边界位置Nb偏移了Δs。光学组件M1间的边界位置Mb是连接了分别构成相邻的2个光学组件M1的曲面的部分。边界位置Mb例如是在横向(行方向)上延伸的直线。摄像面Ni中的像素群Pg1与像素群Pg2的边界位置Nb是距像素群Pg1中的第1像素P1、和像素群Pg2中的第2像素P2等距离的位置。边界位置Nb例如是在横向(行方向)上延伸的直线。在摄像面Ni的表面设有微透镜阵列Ms的情况下，边界位置Nb也可以与微透镜阵列Ms中的各透镜的纵向(列方向)的边界位置Mc一致。

虽未图示，但从镜头光学系统L的摄像面中心部(光轴及其附近)延及摄像面周边部(除了光轴及其附近以外)，阵列状光学元件K的各光学组件M1的边界位置Mb都相对于像素群Pg间的边界位置Nb在纵向(列方向)上偏移。摄像面中心部的偏移量与摄像面周边部的偏移量相同。即，在摄像面整体，各光学组件M1的边界位置Mb相对于对应的像素群Pg间的边界位置Nb在纵向(列方向)上偏移，不管距光轴的距离如何，偏移量都相等。通过这样的构成，能使光束R入射到摄像面Ni上的像素P1的光的量、与入射到像素P2的光的量不同地进行入射。另外，在本实施方式中，为了提高光束R的聚光效率，以覆盖摄像元件N的摄像面Ni上的像素P1、P2的表面的方式设置微透镜阵列Ms。将阵列状光学元件K的折射率、距摄像面Ni的距离以及光学组件M1表面的曲率半径等的参数设定为合适的值。

图3(a)、(b)是表示阵列状光学元件K的各光学组件M1和摄像元件N上的像素群Pg的位置关系的图。图3(a)、(b)表示在沿光轴V的方向上俯视(与光轴V垂直的平面观察)各光学组件M1以及像素群Pg的情况下的配置。图3(a)是全部像素为检测单色的亮度信息的单色摄像元件的情况下的图，图3(b)是检测红色(R)、绿色(G)以及蓝色(B)这3色的亮度信息的彩色摄像元件的情况下的图。

在摄像面Ni矩阵状地配置有像素。像素能区分为像素P1以及像素P2。在纵向(列方向)上，像素P1和像素P2交替配置。1行像素P1和1行像素P2构成像素群Pg。另外，在摄像元件为彩色摄像元件的图3(b)中，在横向(行方向)上反复排列了红色(R)、绿色(G)以及蓝色(B)的像素。

多个光学组件M1配置在纵向(列方向)上。多个光学组件M1分别与由2行像素构成的多个像素群Pg对应，该2行像素由1行像素P1以及1行像素P2构成。多个光学组件M1相对于多个对应的像素群Pg在纵向(列方向)上偏移地配置。另外，如图3(a)、(b)所示，在俯视下，第1像素P1与光学组件的边界位置Mb重叠。

来自被摄体中的相同部分的光入射到在像素群Pg内被上下配置的像素。在本实施方式中，能通过阵列状光学元件K的各光学组件M1间的边界位置与摄像元件N上的摄像面Ni的像素间的边界位置的偏移量Δs来调整入射到像素P1、P2的光的量之比。

图1(a)所示的第1信号处理部C基于在多个像素P1得到的像素值(例如灰度值)、和在多个像素P2得到的像素值来生成图像。

如前述那样，能通过偏移量Δs来调整入射到像素P1与像素P2的光的量之比。在此，若将偏移量Δs设定为入射到像素P2的光的量多于入射到像素P1的光的量，则在将多于能检测的量的光提供给像素P2的情况(像素P2的像素值已饱和的情况)下，也能使用在像素P1检测出的值来算出被摄体的正确的明亮度。另一方面，在将能由像素P2检测的范围内的光提供给像素P2的情况(像素P2的像素值未饱和的情况)下，能使用由像素P2检测出的值。在后面详述得到的像素值的具体的处理。

接下来，具体说明取得动态范围高的图像的方法。

图4是表示实施方式1中的摄像装置A的截面图。在图4中，对与图1(a)相同的构成要素赋予与图1(a)相同的符号。在图4中省略阵列状光学元件K(在图1(a)等中示出)的图示，但在图4的区域H实际包含了阵列状光学元件K。区域H具有图1(b)所示的构成。

表1以及表2是图4所示的摄像装置A的光学系统L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，在表1、表2的面编号中，R1面和R2面分别是图4的透镜Lm的物面和像面。另外，在从面顶点的相切平面起将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A_m(m＝4、6、8、10)设为第m阶非球面系数时，用(算式1)来表征非球面形状。

[算式1]

$x=\frac{\frac{1}{r}{h}^2}{1+\sqrt{1-(1+k){\left(\frac{1}{r}\right)}^2{h}^2}}+A_4{h}^4+A_6{h}^6+A_8{h}^8+A_{10}{h}^{10}$

[表1]

·透镜数据

焦距＝10mm，F值＝2.8，波长：550nm

视场角2ω＝10°，有效拍摄圆直径＝Φ1.75mm

面编号	Ri	di	nd	vd
					物体	∞	4000	-	-
光圈	∞	10	-	-
					R1面	5.332237	5	1.5253	56.0
R2面	-319.8501	6.75	-	-
					像面	∞	-	-	-

[表2]

·非球面系数

	k	A4	A6	A8	A10
						R3面	-0.2969869	0.000421138	-0.000059237	0.000016321	-0.000001294
R4面	0	0.00274336	-0.000566209	0.000216386	-0.000026416

接下来，说明本实施方式的光线追踪模拟和取得的图像。

图5(a)是表示通过了阵列状光学元件K的光线到达摄像元件上的像素的样子的光线追踪模拟的图。使阵列状光学元件K的多个光学组件间的各边界位置分别相对于摄像元件的像素间的边界位置偏移像素间距的1/4。通过这样的构成，如图1(b)所示的示意图那样，能使入射到摄像面Ni上的像素P1的光的量、和入射到像素P2的光的量不同地入射。

图5(b)是在图5(a)所示的阵列状光学元件K和摄像面Ni上的像素的位置关系下，在从光圈S离开4m的位置处配置了在100mm×100mm的平面上描绘了“G”的文字的被摄体的情况下的摄像面Ni上得到的模拟图像。图5(b)的摄像图像是将图5(a)所示的摄像元件N上的像素间距设为3.75μm，将阵列状光学元件K的光学组件M的间距设为7.5μm，通过模拟而求得的图像。

在图5(b)的摄像图像中，由于阵列状光学元件K的多个光学组件间的边界位置与摄像元件的像素间的边界位置的偏移的作用而出现明暗的条纹。图5(c)是提取图5(b)的模拟图像的偶数列并补足奇数列而生成的图像，图5(d)是提取图5(b)的模拟图像的奇数列并补足偶数列而生成的图像。图5(c)与图5(d)的图像的明亮度之比为约2∶1。

另外，若使阵列状光学元件K的多个光学组件间的各边界位置分别相对于摄像元件的像素间的边界位置偏移像素间距的1/2，则能进一步扩大像素的明亮度之比。

图6(a)与图5(a)同样地是表示通过了阵列状光学元件K的光线到达摄像元件上的像素的样子的光线追踪模拟的图，使阵列状光学元件K的多个光学组件间的各边界位置分别相对于摄像元件的像素间的边界位置偏移像素间距的1/2。

在图6(b)的摄像图像中，由于阵列状光学元件K的多个光学组件间的边界位置与摄像元件的像素间的边界位置的偏移的作用而出现明暗的条纹，可知明暗条纹的对比度强于图5(b)。图6(c)是提取图6(b)的模拟图像的偶数列并补足奇数列而生成的图像，图6(d)是提取图6(b)的模拟图像的奇数列并补足偶数列而生成的图像。图6(c)和图6(d)的图像的明亮度之比为约3∶1。

在图5和图6的示例中，示出图像的明亮度之比成为约2∶1以及约3∶1的示例，但能通过控制阵列状光学元件K与摄像面Ni间的距离、或阵列状光学元件的透镜形状而使图像的明亮度之比进一步增大。

如此，在本实施方式中，能同时取得曝光量不同的2个图像。

图7是根据像素P1的像素值和像素P2的像素值来生成动态范围高的流程图。在图7中示出的处理由图1(a)的信号处理部C执行。将像素P1和像素P2的像素值设为8比特(256灰度)来进行说明。

首先，分别从摄像元件读取像素P1的像素值和像素P2的像素值(S101)。在此，将像素P1和像素P2的像素值分别设为V1、V2。接下来，判定像素P1是否已饱和(S102)。像素值由于是8比特，因此在像素值为255的情况下判定为已饱和，在像素值小于255的情况下判定为未饱和。在像素P1未饱和的情况下(S102：否)，将输出值Vo设为V1(S103)。另一方面，在像素P1已饱和的情况下(S102：是)，将输出值Vo设为将V2乘以向像素P1的入射光量与向像素P2的入射光量之比A而得到的值(S104)。该入射光量之比A可以根据阵列状光学元件K的设计值(阵列状光学元件K所具有的多个光学组件间的边界位置与摄像元件的像素间的边界位置的偏移量Δs、阵列状光学元件K与摄像面Ni间的距离、阵列状光学元件的透镜形状等)通过模拟来算出，也可以实际测定来求取。在产品出厂前在存储部存储预先算出或测定的入射光量比，在每次摄影中使用。存储部被设置在图1(a)所示的信号处理部C的内部或外部。通过对全部的像素P1和P2执行以上的运算，能生成高动态范围的图像信息。

另外，如前述那样，在像素P1已饱和的情况下，像素P2与前述的入射光量之比A(A＞1)相乘而得到的值成为输出值，但由于A＞1，因此，生成的图像的各像素值大于8比特。为了将生成的大于8比特的像素值的图像显示在例如8比特的显示器上，需要压缩动态范围。由于若在压缩时将像素值直接按比例压缩则会缺失暗部的像素信息，因此，期望在通过对数变换或表变换等来维持暗部的灰度性的同时，压缩动态范围。

另外，表1以及表2所示的摄像装置的光学系统是像方远心光学系统。由此，即使视场角变化，也由于阵列状光学元件K的主光线入射角以接近于0度的值进行入射，因此能在摄像区域全域将到达像素P1的光束与到达像素P2的光的量之比保持为恒定。

在本实施方式1中，透镜Lm由1片构件构成，但透镜Lm也可以由多个群、或多片透镜构成。

也可以如上述那样将信号处理部C设置在摄像装置A的外部。这种情况下，通过由摄像装置和信号处理部构成的系统进行与图1所示的摄像装置A同样的处理，能取得高动态范围图像。

(实施方式2)

本实施方式2与实施方式1不同之处在于：将阵列状光学元件形成于摄像面上。在此，在本实施方式中省略对与实施方式1相同的内容的详细说明。

图8(a)以及(b)是放大表示阵列状光学元件K以及摄像元件N的图。在本实施方式中，具有多个光学组件Md的阵列状光学元件K形成于摄像元件N的摄像面Ni上。阵列状光学元件K由双凸透镜构成。在摄像面Ni，与实施方式1等同样地矩阵状地配置了像素P。与实施方式1相同，各光学组件Md间的边界位置相对于摄像元件N上的摄像面Ni的像素间的边界位置偏移Δs。另外，图8(b)是表示本实施方式的变形例的图。在图8(b)所示的构成中，在摄像面Ni上以覆盖像素P的方式形成了微透镜阵列Ms，在微透镜阵列Ms的表面上层叠有阵列状光学元件K。在图8(b)所示的构成中，能比图8(a)提高聚光效率。

若如实施方式1所示那样使阵列状光学元件与摄像元件分离，则阵列状光学元件与摄像元件的对位变得困难，通过如本实施方式2那样构成为在摄像元件上形成阵列状光学元件，能在晶片工艺中对位，因此对位变得容易，还能增加对位精度。

(实施方式3)

本实施方式3与实施方式1不同之处在于：光学系统是像方非远心光学系统；和配置于镜头光学系统L的摄像面周边部(除了光轴及其附近以外)的阵列状光学元件K的多个光学组件间的边界位置的偏移量与配置于镜头光学系统L的摄像面中心部(光轴及其附近)的所述多个光学组件间的边界位置的偏移量相比偏移了不同的量。

图9是表示镜头光学系统L为像方非远心光学系统的情况下的阵列状光学元件K和摄像元件N的截面图。在图9中，距镜头光学系统L的光轴最近的是像素群Pg2，像素群Pg2被配置在“镜头光学系统L的摄像面中心部(光轴及其附近)”。此外的像素群Pg1、Pg3被配置在“镜头光学系统L的摄像面周边部(光轴及其附近以外)”。如图9所示，纵向(列方向)的偏移量的大小按照Δs1、Δs2、Δs、Δs3、Δs4的顺序从小变大。在向光学组件M1的光线的入射位置比光轴更上方的位置处，将偏移量(Δs1、Δs2)设定得小于靠近光轴的位置的偏移量Δs。另一方面，在向光学组件M1的光线的入射位置比光轴更下方的位置处，将偏移量(Δs3、Δs4)设定得大于靠近光轴的位置的偏移量Δs。图10(a)是放大表示镜头光学系统L为像方非远心光学系统的情况下的镜头光学系统L的摄像面周边部(除了光轴及其附近以外)的图。在图10(a)中，使光学组件M1的边界位置和像素群Pg的边界位置的偏移量Δs与像方远心光学系统的偏移量Δs(或像方非远心光学系统中的摄像面中心部(光轴及其附近)的偏移量)相同。如图10(a)所示，在镜头光学系统L为非远心光学系统的情况下，在摄像面的周边部，由于光线倾斜入射，因此，若配置在镜头光学系统L的摄像面周边部(光轴及其附近以外)的阵列状光学元件K的多个光学组件间的边界位置的偏移量与配置在镜头光学系统L的摄像面中心部(光轴及其附近)的所述多个光学组件间的边界位置的偏移量相同，则到达像素P1的光的量和到达像素P2的光的量之比、与镜头光学系统的摄像面中心部(光轴及其附近)处的到达像素P1的光的量和到达像素P2的光的量之比不同。

另一方面，到达像素P1的光的量与到达像素P2的光的量之比如实施方式1所示那样，能通过阵列状光学元件K的多个光学组件间的边界位置与摄像元件的像素间的边界位置的偏移量来控制。因此，在图像周边部，在光线倾斜入射到阵列状光学元件的情况下，能通过使所述偏移量与图像中心部的偏移量不同来使到达像素P1的光的量与到达像素P2的光的量之比成为等同。在此，若将使到达像素P1的光的量与到达像素P2的光的量之比成为等同时的偏移量设为Δs′，则在向阵列状光学元件的光线的入射位置如图10(b)那样比光轴更处于下方的情况下，将Δs′设定得大于在图10(a)所示的Δs。另一方面，在向阵列状光学元件的光线的入射角如图10(c)那样比光轴更处于上方的情况下，将偏移量Δs′设定得小于在图10(a)所示的Δs。由于向阵列状光学元件的光线的入射角因像高不同而不同，因此，能通过对应于像高来合适地设定偏移量，使偏移量根据距光轴的距离不同而不同，由此在全部的图像区域使到达像素P1的光的量与到达像素P2的光的量之比成为等同。

像方非远心光学系统与像方远心光学系统相比，由于能缩短光学长度，因此能使摄像装置小型化。

(实施方式4)

本实施方式4与实施方式1不同之处在于：具备对阵列状光学元件的与镜头光学系统的光轴垂直的方向的位置进行控制的驱动机构。

图11是实施方式4中的控制阵列状光学元件K的位置的驱动机构的截面图。在图11中，摄像元件N安装在基板J上。阵列状光学元件K的两端(阵列状光学元件K以及摄像元件N的纵向(列方向)的两端)分别通过保持部件H以与摄像元件N对置的状态被保持。2个保持部件H中的一方与第1轴E1连接，另一方介由压力螺旋弹簧T与第2轴E2连接。第1轴E1通过被安装在基板J上的轴导承F1引导，通过压电致动器Z的位移而使保持于保持部件H的阵列状光学元件K移动。压电致动器Z通过被安装在基板J上的保持部件D固定了单面。第2轴E2被保持在安装于基板J的轴支架F2。在连接了第2轴E2的保持部件H设有引导孔。在引导孔内设有压力螺旋弹簧T，在引导孔内，压力螺旋弹簧T与第2轴E2连接。

接下来说明由压电致动器Z进行的阵列状光学元件K的位置控制。压电致动器Z通过施加电压而在箭头的方向上位移。由于压电致动器Z单面被保持部件D固定，因此通过电压施加时的位移按压轴E1，按压用于保持阵列状光学元件K的保持部件H，从而能使阵列状光学元件的与镜头光学系统的光轴垂直的方向的位置变化。另外，若解除电压的施加，则通过设置在保持部件H与轴E1之间的压缩螺旋弹簧T的回弹力而返回原来的位置。

由于能通过对压电致动器Z施加的电压来控制所述位移量，因此能自由地控制实施方式1所示的图1(b)中示出的偏移量Δs的值，能控制被同时取得的2个图像的明亮度之比。

另外，还能将偏移量Δs设为0，这种情况下，如图12(a)的光线追踪模拟那样，能使入射到摄像面Ni上的像素P1的光的量与入射到像素P2的光的量为相同的量来进行入射。

图12(b)是偏移量Δs为0的情况下的在摄像面Ni上得到的模拟图像。在图12(b)的模拟图像中，由于入射到摄像面Ni上的像素P1的光的量与入射到像素P2的光的量为相同的量，因此不会如实施方式1那样出现明暗的条纹。

图12(c)是提取图12(b)的模拟图像的偶数列并补足奇数列而生成的图像，图12(d)是提取图12(b)的模拟图像的奇数列并补足偶数列而生成的图像。图12(c)与图12(d)的图像的明亮度之比为1∶1。

如此，能通过控制阵列状光学元件的与镜头光学系统的光轴垂直的方向的位置的驱动，与摄影场景相应地任意变更2个图像的曝光量之比。

(实施方式5)

本实施方式5是使用多个如实施方式1所示的摄像装置(或系统)的测距装置。在图13中，各符号与图4相同。在本实施方式中，将阵列状光学元件设为远心，使各摄像装置的远心的光学组件的排列方向Q与测距装置的基线方向B正交。在测距装置中，通过图案匹配来提取视差，使用提取出的视差，根据三角测量原理来算出距被摄体的距离。因此，通过使远心的光学组件的排列方向Q与测距装置的基线方向B正交，相比于远心的光学组件的排列方向Q与测距装置的基线方向B相同的情况，能提升视差提取的分辨率。

通过本实施方式的测距装置，能在高动态范围的环境下减少图像的死白和死黑，在现有的摄像装置中也能在死白和死黑的区域中进行测距。

(其它的实施方式)

镜头光学系统L既可以是像方远心光学系统，也可以是是像方非远心光学系统。在像素非远心光学系统的情况下，在摄像面的周边部，由于光线倾斜入射，因此光易于泄漏到相邻像素而发生串扰。为此，如实施方式3那样，通过在摄像面中心部和摄像面周边部使阵列状光学元件K的各光学组件M1、Md相对于像素边界值的偏移量不同，但并不一定非要使偏移量不同。只要通过从镜头光学系统L的摄像面中心部(光轴及其附近)到摄像面周边部(除了光轴及其附近以外)使阵列状光学元件的各光学组件M1、Md相对于像素间的边界位置偏移而使对相邻像素入射的光量不同即可。

产业上的利用可能性

本申请公开的摄像装置作为数字静态照相机或数字视频摄像机等的摄像装置有用。另外，还能应用在汽车的周边监视用以及乘员监视用的摄像装置、安保用的摄像装置以及测距装置的用途中。

符号的说明

A 摄像装置

L 镜头光学系统

Lm 透镜

S 光圈

K 阵列状光学元件

N 摄像元件

Ni 摄像面

Ms 摄像元件上的微透镜阵列

M1、Md 光学组件

P1、P2 像素

C 信号处理部

D 保持部件

E1、E2 轴

F1 轴导承

F2 轴支架

J 基板

T 压力螺旋弹簧

Z 压电致动器

Pg 像素群

Claims (17)

1.一种摄像装置，具备：

镜头光学系统，其具有透镜以及光圈；

摄像元件，其入射通过了所述镜头光学系统的光；和

阵列状光学元件，其配置在所述镜头光学系统和所述摄像元件之间，在与所述镜头光学系统的光轴垂直的平面中的列方向上排列有多个在所述平面中的行方向上延伸的光学组件，

所述摄像元件包括在所述列方向上排列的多个像素群，各像素群具有：在所述行方向上排列的多个第1像素；和在列方向上与所述多个第1像素相邻的位置处，在所述行方向上排列的多个第2像素，

所述多个光学组件间的边界位置相对于所述多个像素群间的对应的边界位置分别在所述列方向上偏移。

2.根据权利要求1所述的摄像装置，其中，

所述多个光学组件间的边界位置，从由所述多个像素群构成的摄像面的中心到周边，相对于所述多个像素群间的对应的边界位置分别在所述列方向上偏移。

3.根据权利要求2所述的摄像装置，其中，

所述阵列状光学元件的各光学组件以与所述多个像素群之一对应的方式配置。

4.根据权利要求3所述的摄像装置，其中，

在所述各像素群中，来自被摄体的相同部分的光入射到所述多个第1像素的每一个、和在所述列方向上与其相邻的第2像素。

5.根据权利要求1所述的摄像装置，其中，

所述阵列状光学元件是双凸透镜。

6.根据权利要求1～4中任一项所述的摄像装置，其中，

所述阵列状光学元件形成在所述摄像元件上。

7.根据权利要求1～4中任一项所述的摄像装置，其中，

所述摄像装置还具备：

设置于所述阵列状光学元件和所述摄像元件之间的微透镜，

所述阵列状光学元件隔着所述微透镜形成在所述摄像元件上。

8.根据权利要求1～4中任一项所述的摄像装置，其中，

所述镜头光学系统是像方远心光学系统，

不管所述列方向上的距所述光轴的距离如何，所述多个光学组件间的边界位置与所述多个像素群的边界位置的偏移量相等。

9.根据权利要求1～4中任一项所述的摄像装置，其中，

所述镜头光学系统是像方非远心光学系统，

所述多个光学组件间的边界位置与所述多个像素群的边界位置的偏移量，根据所述列方向上的距所述光轴的距离的不同而不同。

10.根据权利要求8所述的摄像装置，其中，

所述摄像装置还具备：

驱动机构，其控制所述阵列状光学元件的所述列方向的位置，

通过所述驱动机构能够调整所述偏移量。

11.根据权利要求1～4中任一项所述的摄像装置，其中，

所述摄像装置还具备：

信号处理部，其使用在所述多个第1像素得到的多个像素值以及在所述多个第2像素得到的多个像素值来生成图像，

所述多个第1像素被提供的光的量是所述多个第2像素被提供的光的量的A倍，其中A＞1，

所述信号处理部进行如下处理：

在各像素群中，读入在作为所述多个第1像素之一的像素P1得到的像素值V1、和在作为与其相邻的所述多个第2像素之一的像素P2得到的像素值V2；

在所述像素值V1未饱和的情况下，输出所述像素值V1；

在所述像素值V1已饱和的情况下，输出将所述第2像素中的所述像素值V2与A相乘而得到的值。

12.根据权利要求11所述的摄像装置，其中，

所述信号处理部对所述多个第1像素以及所述多个第2像素分别进行所述处理。

13.一种摄像系统，具备：

权利要求1～10中任一项所述的摄像装置；和

信号处理部，其使用在所述多个第1像素得到的多个像素值以及在所述多个第2像素得到的多个像素值来生成图像，

所述多个第1像素被提供的光的量是所述多个第2像素被提供的光的量的A倍，其中A＞1，

所述信号处理部进行如下处理：

在各像素群中，读入在作为所述多个第1像素之一的像素P1得到的像素值V1、和在作为与其相邻的所述多个第2像素之一的像素P2得到的像素值V2；

在所述像素值V1未饱和的情况下，输出所述像素值V1；

在所述像素值V1已饱和的情况下，输出将所述第2像素中的所述像素值V2与A相乘而得到的值。

14.一种测距装置，具备权利要求1～12中任一项所述的摄像装置或权利要求13所述的摄像系统。

15.一种摄像元件，具备：

阵列状光学元件，其在规定的平面中的列方向上排列有多个在所述平面中的行方向上延伸的光学组件；和

在所述列方向上排列的多个像素群，各像素群具有在所述行方向上排列的多个第1像素、和在列方向上与所述多个第1像素相邻的位置处，在所述行方向上排列的多个第2像素，

所述阵列状光学元件相对于所述多个像素群而配置，以使所述多个光学组件间的边界位置相对于所述多个像素群间的对应的边界位置分别在所述列方向上偏移。

16.根据权利要求15所述的摄像元件，其中，

所述多个光学组件间的边界位置，从由所述多个像素群构成的摄像面的中心到周边，相对于所述多个像素群间的对应的边界位置分别在所述列方向上偏移。

17.根据权利要求16所述的摄像元件，其中，

所述阵列状光学元件的各光学组件被配置为与所述多个像素群之一相对应。