JP2001061109A - 画像入力装置 - Google Patents

画像入力装置

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JP2001061109A JP11233760A JP23376099A JP2001061109A JP 2001061109 A JP2001061109 A JP 2001061109A JP 11233760 A JP11233760 A JP 11233760A JP 23376099 A JP23376099 A JP 23376099A JP 2001061109 A JP2001061109 A JP 2001061109A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】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。 【解決手段】単一平面の受光素子アレイ３を、微小レン
ズアレイ１の各微小レンズ１ａに対応させた領域に分割
し、各領域には複数の受光素子３ａが含まれるようにし
て、更に各微小レンズ１ａからの光信号が互いに混信し
ないように隔壁層２による隔壁２ａを設けた構成とす
る。

Description

【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５−１００
１８６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、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請求項１の構成とする。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請求項１に記載の請求項２の構
成とする。
【００１２】また、前記規制部材は隔壁である請求項２
に記載の請求項３の構成とする。また、前記結像ユニッ
トに光を入射させたときに明信号を出す前記光電変換素
子の画素を、有効画素とする請求項３に記載の請求項４
の構成とする。
【００１３】或いは、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
向は直交する請求項２に記載の請求項５の構成とする。
【００１４】また、前記結像ユニット毎に偏向部材を設
けた請求項１に記載の請求項６の構成とする。或いは、
前記結像ユニット毎に分光部材を設けた請求項１に記載
の請求項７の構成とする。
【００１５】また、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処理関数で処理する信号
処理系を有する請求項１〜請求項７のいずれかに記載の
請求項８の構成とする。
【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１
ａ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】
【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】
【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-optic
s" Hans Peter Herzig,p132-p136,1997 Taylor&Franci
s.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５６
μｍ，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２５０μ
ｍ，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×１１μ
ｍ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ｆ
p,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。 ｆp,q（ｘ，ｙ） ＝δ｛ｘ−（Ｐ−ｐ）Δ（ｃｏｓθ−１）−（Ｑ−ｑ）Δｓｉｎθ， ｙ＋（Ｐ−ｐ）Δｓｉｎθ−（Ｑ−ｑ）Δ（ｃｏｓθ−１）｝ （８） このとき、出力信号として以下の式（９）を得る。 Ｏp,q＝ＩP,Q｛（Ｐ−ｐ）Δｃｏｓθ＋（Ｑ−ｑ）Δｓｉｎθ， −（Ｐ−ｐ）Δｓｉｎθ＋（Ｑ−ｑ）Δｃｏｓθ｝ （９） 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ｆ
p,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８−１８４５５
５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５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。
【００６６】また、請求項６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７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。
【００６８】また、請求項８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。
【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
フロントページの続き (71)出願人 599117358 山田 憲嗣 大阪府堺市深阪南196番地オースター６番 館403号 (72)発明者 谷田 純 兵庫県神戸市須磨区道正台１丁目１番４− 710号 (72)発明者 山田 憲嗣 大阪府堺市深阪南196番地オースター６番 館403号 (72)発明者 宮崎 大介 奈良県大和郡山市材木町４−607 (72)発明者 一岡 芳樹 兵庫県神戸市東灘区鴨子ヶ原１丁目４番15 −131号 (72)発明者 宮武 茂博 大阪市中央区安土町二丁目３番13号 大阪 国際ビル ミノルタ株式会社内 (72)発明者 石田 耕一 大阪市中央区安土町二丁目３番13号 大阪 国際ビル ミノルタ株式会社内 Ｆターム(参考） 5B047 BB04 BC05 BC07 DC20 5C022 AC42 AC54 5C024 AA01 EA04 EA07 FA01 FA12 GA11 5C061 AB06 5C072 AA01 BA01 BA16 DA03 DA09 DA15 EA08 UA20

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【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、 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
    事を特徴とする画像入力装置。
  2. 【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。
  3. 【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。
  4. 【請求項４】 前記結像ユニットに光を入射させたとき
    に明信号を出す前記光電変換素子の画素を、有効画素と
    する事を特徴とする請求項３に記載の画像入力装置。
  5. 【請求項５】 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請求項２に記載の画像入力装置。
  6. 【請求項６】 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。
  7. 【請求項７】 前記結像ユニット毎に分光部材を設けた
    事を特徴とする請求項１に記載の画像入力装置。
  8. 【請求項８】 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処理関数で処理する信号処理
    系を有する事を特徴とする請求項１〜請求項７のいずれ
    かに記載の画像入力装置。
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