JP2004048615A - Imaging optical element and imaging optical instrument using the same - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、結像光学素子およびそれを用いた撮像光学装置、特に、デジタルカメラに用いるのが好適な結像光学素子およびそれを用いた撮像光学装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、CCD等の固体電子撮像素子を用い高精細な画像記録が可能な、いわゆるデジタルカメラが普及している。そして、このようなデジタルカメラに、より一層の小型軽量化,高精細化が求められている。デジタルカメラに使用される撮像光学系には、小型,単純なものであって、かつ高精細な固体電子撮像素子の性能を活かすため、結像性能の高いものが要求されている。
【0003】
通常の撮像光学系においては、単レンズを用いて物体光を集光し、カラーフィルタを介して固体撮像素子への結像を行っている。カラーフィルタは、通常、固体撮像素子上に設けられる。
【0004】
デジタルカメラをさらに薄型化するために、単レンズに代えて、焦点距離の短い複数個のレンズが配列されたレンズアレイを用いた結像光学素子が使われている。
【0005】
図1に、このような結像光学素子の一例を示す。(A)は平面図を、(B)は(A)のX−X′線断面図を示す。結像光学素子10は、平板状の透明基板12の片面に配列された4個のレンズ14を有するレンズアレイ16を備えている。このようなレンズアレイ16は、透明基板上にレンズを取り付けたもの、あるいは透明基板とレンズとを一体に形成したものである。4個のレンズ14は、2個のレンズを1組とし、各組の2個のレンズが透明基板12のレンズ形成面上で点対称となるように配置されている。そして、4個のレンズの各光軸は、対称中心点から等距離にある。
【0006】
レンズアレイ16のレンズ形成面およびレンズ非形成面には、結像画像のコントラストを高めるために、レンズ以外の部分を透過する光を遮光するために、光吸収性膜よりなる遮光膜18が被覆される。ただし、レンズ形成面には、レンズ部分にレンズ径以下の径を有しレンズの光軸と同軸をなす第1の円形開口19が設けられ、レンズ非形成面には、レンズの光軸と同軸をなす第2の円形開口20が設けられている。これら第1の円形開口19と第2の円形開口20とは、同一の直径を有している。さらに、全体が反射防止膜22で覆われている。
【0007】
以上のような結像光学素子は、デジタルカメラにおいては、レンズ形成面を、固体撮像素子に向け、かつレンズ非形成面(光入射面となる)を固体撮像素子の受光面と平行にして配置されて、撮像光学装置を構成する。図2に、そのようにして構成された撮像光学装置を示す。図を簡単にするため、結像光学素子10は、レンズアレイ16のみを示してある。図中、24は固体撮像素子を示す。固体撮像素子24の受光面上には、各レンズに対応する撮像領域に、それぞれ3原色カラーフィルタ26が設けられている。
【0008】
以上のような撮像光学装置によれば、各レンズによる結像された画像を合成することによりカラー画像を形成できる。また、結像光学素子10は、光入射面が平面であるので、短い作動距離が得られる。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来の撮像光学装置では、4枚のカラーフィルタが固体撮像素子の受光面に設けられている。図2に示すように、遠距離被写体を撮像する場合、被写体の像は各レンズに対応した各カラーフィルタ26上に結像する。しかし、被写体の位置によって結像位置は変動するので、近距離被写体の場合、図2に示すように、結像位置がカラーフィルタ26をはずれてしまい、カラー画像合成ができなくなるという問題点がある。
【0010】
本発明の目的は、上述のような問題を解決した結像光学素子およびこれを用いた撮像光学装置を提供することにある。
【0011】
本発明の他の目的は、コントラストの高い画像が得られる結像光学素子およびこれを用いた撮像光学装置を提供することにある。
【0012】
本発明のさらに他の目的は、精細な画像が得られる結像光学素子およびこれを用いた撮像光学装置を提供することにある。
【0013】
【課題を解決するための手段】
本発明の第1の態様は、結像光学素子であり、一方の面に複数個のレンズが配列された平板状の透明基板と、前記透明基板の前記レンズが配列された面に設けられ、レンズ径以下の第1の開口を有する第1の遮光膜と、前記透明基板の前記レンズが配列された面とは反対側の面に設けられ、前記各レンズに対応する第2の開口を有する第2の遮光膜と、前記第2の開口に設けられた3原色カラーフィルタとを備えている。
【0014】
本発明によれば、前記複数個のレンズは、2個のレンズを1組として、各組の2個のレンズが、1つの対称中心点に対し点対称となるように配置され、すべての前記複数個のレンズの各光軸は、前記対称中心点から等距離にある。
【0015】
本発明の第2の態様は、撮像光学装置である。この撮像光学装置は、固体撮像素子と、前記固体撮像素子の受光面に、前記レンズが形成された面が対向し、および前記固体撮像素子の受光面に、前記レンズが形成された面とは反対側の面が平行となるように配置された結像光学素子とを備えている。
【0016】
【発明の実施の形態】
図3は、本発明の結像光学素子の一実施例を示す。(A)は平面図、(B)は(A)のY−Y′線断面図である。
【0017】
この実施例の結像光学素子30は、図1で説明した従来の結像光学素子10のレンズ形成面とは反対側の光入射面の第2の円形開口20に3原色(R,G,B)カラーフィルタ32を設けたものであり、その他の構造は図1の結像光学素子に同じである。したがって、図1と同一の構成要素には、同一の参照番号を付して示す。
【0018】
図1において説明したが、4個のレンズ14は、透明基板12上で、2個のレンズを1組とし、各組の2個のレンズがレンズ形成面上の一点に対して対称となるように配置する。図4に、4個のレンズ14の配置を示す。透明基板12が正方形であるとすると、その中心位置34を対称中心点として、対角線の方向に対称に配置する。4個のレンズを、それぞれ、14−1,14−2,14−3,14−4とした場合、レンズ14−1と14−3とが点対称の関係にあり、レンズ14−2と14−4とが点対称の関係にある。そして、全部のレンズの光軸は、対称中心点34から等距離にある。
【0019】
以上のような点対称の配置に加えて、個々のレンズによって結像された画像は、固体撮像素子表面で重ならないように、かつ固体撮像素子の受光面からはみ出ないようにレンズを配置する必要がある。
【0020】
図5に、結像光学素子30のレンズ非形成面を示す。前述したように第2の円形開口20には、3原色(R,G,B)カラーフィルタが設けられている。カラーフィルタをそれぞれ32−1,32−2,32−3,32−4とした場合に、フィルタ32−1,32−3は同一のR色カラーフィルタを、フィルタ32−2はG色カラーフィルタを、フィルタ32−4はB色カラーフィルタを設けるものとする。
【0021】
図6は、以上のような構成の結像光学素子30を、その入射面が固体撮像素子24の受光面に平行となるようにして配置し、撮像光学装置を構成した状態を示す。
【0022】
このような撮像光学装置では、近距離被写体であっても、カラーフィルタがレンズアレイに設けられているので、前述した従来技術の問題は生ぜず、固体撮像素子24の受光面に結像された2つのR色画像と、1つのG色画像と、1つのB色画像とから、カラー画像を構成することができる。この場合、2つのR色画像のデータを処理して、固体撮像素子の対応する画素位置を特定する。G色画像とB色画像も、2個のR色画像と同様の対称な位置関係にあるので、前記2つのR色画像の比較結果を利用し、画像の合成を行う。
【0023】
以上の例では、2個のカラーフィルタをR色としたが、これはG色あるいはB色であってもよい。
【0024】
以上の撮像光学装置では、被写体が近距離にある場合、被写体からの光の一部が、結像光学素子30の遮光膜18に遮られて、カラーフィルタが設けられている第2の円形開口20を通過する光が少なくなり、結像画像のコントラストが悪くなるおそれがある。これを防止するためには、図7に示すようにカラーフィルタが設けられる開口の形状を、対称中心点34に向かって延びた長円形状にすればよい。
【0025】
図8および図9は、長円形開口36の寸法の考察を説明するための図である。図8は、長円形開口36の寸法を示す図であり、図9は、長円形開口の原理を説明するための図である。
【0026】
長円形開口36は、図8に示すように、点A,Bを中心とした直径d0 の半円部と、中心点A,B間の矩形部とから構成される。直径d0 は、第1の円形開口19の直径に同じである。点Bは対称中心点34に近い側の中心であり、対称中心点34から点Bまでの距離はxであり、対称中心点34から点Aまでの距離はpである。
【0027】
なお図7の場合、各長円形開口の中心A,Bは、対称中心点34を通る直交する2本の直線上に位置している。
【0028】
図9に示すように、近距離被写体から結像光学素子の入射面までの距離、正確には近距離被写体からレンズ非形成面上の遮光膜18までの距離をl、レンズアレイ透明基板12の厚みをt、レンズアレイ透明基板の屈折率をn1 、周囲媒質(通常、空気)の屈折率をn0 とするとき、被写体とレンズ14の光学距離Lは
【0029】
【数3】
L={l+t(n1 /n0 )}
である。
【0030】
いま、カメラが撮影できる最近接被写体までの距離をlmin とすると、lmin を小さくするためには、対称中心点34に近い側の中心Bを対称中心点34に近づける必要がある。しかし、隣接する長円形開口同士が接してしまうと、遮光の機能が失われる。したがって、図7の長円形開口の配置において、隣接する長円形開口が接しないためには、図8に示す距離xは、
【0031】
【数4】
x<d0 /√2
でなければならない。一方、長円形開口の2つの中心A,B間の距離qは、
【0032】
【数5】
q=p−x
=p(1−lmin /L)
ここで、n0 =1とし、lmin ≫tn1 とすると、
【0033】
【数6】
q=ptn1 /lmin
と近似される。すなわち、長円形開口の一方の中心Aは、レンズ14の光軸に一致する、対称中心点34からpの距離にあり、他方の中心Bは、中心Aと対称中心点34を結ぶ直線C上にあって中心Aからqの距離にある。長円形開口は、この2点AとBを中心とする直径d0 の円を直線Cに平行な2つの接線で結んだものとなる。ただし、
【0034】
【数7】
q<p−d0 /√2
でなければならないので、距離lmin とレンズアレイのパラメータとの間には次の関係が必要となる。
【0035】
【数8】
lmin >ptn1 /(p−d0 /√2)
以上のように、カラーフィルタが設けられる開口を長円形開口とすることによって、被写体の位置によらず入射光を有効に取り込め、コントラストの高い画像が得られる。
【0036】
以上の実施例では、レンズアレイは4個のレンズを有する結像光学素子の場合について説明したが、点対称に配置されている1組が2個のレンズを、3組以上設け、全部のレンズの光軸を、対称中心点から等距離に配置することもできる。このような結像光学素子を用いた撮像光学装置によれば、前述したと同様の方法で画像合成できる。
【0037】
【発明の効果】
本発明によれば、以下の効果が得られる。
(1)RGB各色ごとに別のレンズを用いて結像し合成するため、明るいカラー画像が得られる。
(2)焦点距離の短いレンズアレイを用い、被写体距離によらずに作動距離が短いため、デジタルカメラを小型化できる。
(3)広い被写体距離に対応できる遮光手段を備えているため、コントラストが高い画像が得られる。
(4)点対称配置レンズを用いているため、正確な画像合成が可能となり、精細な画像が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来の結像光学素子の一例を示す図である。
【図2】図1の結像光学素子を用いた撮像光学装置を示す図である。
【図3】本発明の結像光学素子の一実施例を示す図である。
【図4】レンズの配置を示す図である。
【図5】カラーフィルタの配置を示す図である。
【図6】本発明の撮像光学装置の一実施例を示す図である。
【図7】長円形状開口を示す図である。
【図8】長円形開口の寸法を示す図である。
【図9】長円形状開口の原理を説明するための図である。
【符号の説明】
10,30 結像光学素子
12 平板状の透明基板
14 レンズ
16 レンズアレイ
18 遮光膜
19 第1の円形開口
20 第2の円形開口
22 反射防止膜
24 固体撮像素子
26,32 3原色カラーフィルタ
34 対称中心点
36 長円形開口[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an imaging optical element and an imaging optical device using the same, and more particularly to an imaging optical element suitable for use in a digital camera and an imaging optical device using the same.
[0002]
[Prior art]
In recent years, so-called digital cameras that can record high-definition images using a solid-state electronic imaging device such as a CCD have become widespread. Further, such digital cameras are required to be further reduced in size, weight, and definition. An imaging optical system used in a digital camera is required to be small, simple, and have high imaging performance in order to utilize the performance of a high-resolution solid-state electronic imaging device.
[0003]
In a normal imaging optical system, an object light is condensed using a single lens, and an image is formed on a solid-state imaging device via a color filter. The color filter is usually provided on a solid-state imaging device.
[0004]
In order to further reduce the thickness of the digital camera, an imaging optical element using a lens array in which a plurality of lenses having a short focal length are arranged is used instead of a single lens.
[0005]
FIG. 1 shows an example of such an imaging optical element. (A) is a plan view, and (B) is a sectional view taken along line XX ′ of (A). The imaging
[0006]
The lens forming surface and the lens non-forming surface of the
[0007]
In a digital camera, the imaging optical element as described above is arranged with the lens forming surface facing the solid-state imaging device and the lens non-forming surface (which is a light incident surface) parallel to the light receiving surface of the solid-state imaging device. Thus, an imaging optical device is configured. FIG. 2 shows the imaging optical device thus configured. For simplicity of illustration, the imaging
[0008]
According to the imaging optical device as described above, a color image can be formed by combining images formed by the respective lenses. Further, since the light incidence surface of the imaging
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
In the conventional imaging optical device described above, four color filters are provided on the light receiving surface of the solid-state imaging device. As shown in FIG. 2, when a long-distance subject is imaged, an image of the subject is formed on each
[0010]
An object of the present invention is to provide an imaging optical element which has solved the above-described problems and an imaging optical device using the same.
[0011]
Another object of the present invention is to provide an imaging optical element capable of obtaining an image with high contrast and an imaging optical device using the same.
[0012]
Still another object of the present invention is to provide an imaging optical element capable of obtaining a fine image and an imaging optical device using the same.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
A first aspect of the present invention is an imaging optical element, a flat transparent substrate having a plurality of lenses arranged on one surface, and provided on a surface of the transparent substrate on which the lenses are arranged, A first light-shielding film having a first opening smaller than a lens diameter, and a second opening provided on a surface of the transparent substrate opposite to a surface on which the lenses are arranged, and corresponding to each of the lenses; A second light-shielding film; and three primary color filters provided in the second opening.
[0014]
According to the present invention, the plurality of lenses are arranged such that two lenses form one set, and the two lenses of each set are point-symmetric with respect to one center of symmetry. Each optical axis of the plurality of lenses is equidistant from the center of symmetry.
[0015]
A second aspect of the present invention is an imaging optical device. In this imaging optical device, the solid-state imaging device, the light-receiving surface of the solid-state imaging device, the surface on which the lens is formed, and the light-receiving surface of the solid-state imaging device, the surface on which the lens is formed And an imaging optical element arranged so that the opposite surface is parallel.
[0016]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
FIG. 3 shows an embodiment of the imaging optical element of the present invention. (A) is a plan view, and (B) is a sectional view taken along line YY 'of (A).
[0017]
The image forming
[0018]
As described with reference to FIG. 1, the four
[0019]
In addition to the point-symmetric arrangement as described above, it is necessary to arrange the lenses so that the images formed by the individual lenses do not overlap on the surface of the solid-state imaging device and do not protrude from the light-receiving surface of the solid-state imaging device. There is.
[0020]
FIG. 5 shows a lens non-formation surface of the imaging
[0021]
FIG. 6 shows a state in which the imaging
[0022]
In such an imaging optical device, even if the subject is a short-distance object, the color filter is provided in the lens array, so that the above-described problem of the related art does not occur, and the image is formed on the light receiving surface of the solid-
[0023]
In the above example, the two color filters are R color, but this may be G color or B color.
[0024]
In the imaging optical device described above, when the subject is at a short distance, a part of the light from the subject is blocked by the
[0025]
FIGS. 8 and 9 are diagrams for explaining the consideration of the size of the
[0026]
[0027]
In the case of FIG. 7, the centers A and B of the respective oval openings are located on two orthogonal straight lines passing through the
[0028]
As shown in FIG. 9, the distance from the short-distance subject to the incident surface of the imaging optical element, more precisely, the distance from the short-distance subject to the light-shielding
[Equation 3]
L = {l + t (n 1 / n 0 )}
It is.
[0030]
Now, when the distance to the closest object camera can capture and l min, in order to reduce the l min, it is necessary to close the side of the center B near the
[0031]
(Equation 4)
x <d 0 / √2
Must. On the other hand, the distance q between the two centers A and B of the oval opening is
[0032]
(Equation 5)
q = p−x
= P (1- lmin / L)
Here, assuming that n 0 = 1 and l min 1tn 1 ,
[0033]
(Equation 6)
q = ptn 1 / l min
Is approximated. That is, one center A of the oval aperture is located at a distance p from the
[0034]
(Equation 7)
q <p−d 0 / √2
Therefore, the following relationship is required between the distance l min and the parameters of the lens array.
[0035]
(Equation 8)
l min > ptn 1 / (p−d 0 / √2)
As described above, by making the opening provided with the color filter an oblong opening, incident light can be effectively taken in regardless of the position of the subject, and an image with high contrast can be obtained.
[0036]
In the above embodiment, the case where the lens array is an imaging optical element having four lenses has been described. However, three or more pairs of two lenses are provided in a point symmetric arrangement, and all the lenses are arranged. May be arranged equidistant from the center of symmetry. According to the imaging optical device using such an imaging optical element, images can be synthesized by the same method as described above.
[0037]
【The invention's effect】
According to the present invention, the following effects can be obtained.
(1) Since an image is formed and combined using a different lens for each of the RGB colors, a bright color image can be obtained.
(2) Since the working distance is short irrespective of the subject distance by using a lens array having a short focal length, the digital camera can be downsized.
(3) An image with high contrast can be obtained because of the provision of the light shielding means capable of coping with a wide subject distance.
(4) Since a point-symmetric arrangement lens is used, accurate image composition is possible, and a fine image is obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram illustrating an example of a conventional imaging optical element.
FIG. 2 is a diagram illustrating an imaging optical device using the imaging optical element of FIG. 1;
FIG. 3 is a diagram showing one embodiment of an imaging optical element of the present invention.
FIG. 4 is a diagram showing an arrangement of lenses.
FIG. 5 is a diagram showing an arrangement of color filters.
FIG. 6 is a diagram showing an embodiment of the imaging optical device of the present invention.
FIG. 7 is a diagram showing an oval opening.
FIG. 8 is a diagram showing dimensions of an oblong opening.
FIG. 9 is a diagram for explaining the principle of an elliptical opening.
[Explanation of symbols]
10, 30 imaging
Claims (7)
前記透明基板の前記レンズが配列された面に設けられ、レンズ径以下の第1の開口を有する第1の遮光膜と、
前記透明基板の前記レンズが配列された面とは反対側の面に設けられ、前記各レンズに対応する第2の開口を有する第2の遮光膜と、
前記第2の開口に設けられた3原色カラーフィルタと、
を備える結像光学素子。A flat transparent substrate having a plurality of lenses arranged on one surface,
A first light-shielding film provided on a surface of the transparent substrate on which the lenses are arranged, the first light-shielding film having a first opening smaller than the lens diameter;
A second light-shielding film provided on a surface of the transparent substrate opposite to a surface on which the lenses are arranged, and having a second opening corresponding to each of the lenses;
Three primary color filters provided in the second opening;
An imaging optical element comprising:
前記長円形開口の2つの円部の中心を、それぞれ、前記対称中心点に近い中心を第1の中心とし、前記対称中心点より遠い中心を第2の中心とした場合に、第1の中心と第2の中心との間の距離qは、
tは、前記透明基板の厚さ、
n1 は、前記透明基板の屈折率、
lmin は、前記透明基板の前記レンズが配列された面と最近接被写体との間
の距離、
であり、前記qは、
である請求項4に記載の結像光学素子。The second opening is four elliptical openings extending toward the center of symmetry, and these elliptical openings have two centers whose two circular portions are orthogonal to each other and pass through the center of symmetry. It is arranged to be located on the straight line of,
When the centers of the two circular portions of the elliptical opening are the first center near the center of symmetry and the second center is the center farther from the center of symmetry, respectively, the first center The distance q between the second center and
t is the thickness of the transparent substrate,
n 1 is the refractive index of the transparent substrate;
l min is the distance between the surface of the transparent substrate on which the lenses are arranged and the closest subject;
And q is
The imaging optical element according to claim 4, wherein
前記固体撮像素子の受光面に、前記レンズが形成された面が対向し、および前記固体撮像素子の受光面に、前記レンズが形成された面とは反対側の面が平行となるように配置された、請求項1〜6のいずれかに記載の結像光学素子と、
を備える撮像光学装置。A solid-state image sensor;
The surface on which the lens is formed faces the light receiving surface of the solid-state imaging device, and the light receiving surface of the solid-state imaging device is arranged such that the surface on the opposite side to the surface on which the lens is formed is parallel. The imaging optical element according to any one of claims 1 to 6,
An imaging optical device comprising:
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Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20070814 |
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A02 | Decision of refusal |
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