JP2005260526A - 撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】レンズ系、イメージセンサに汎用の要素を使用し、簡単な補助部材の導入によりイメージセンサ上の焦点ずれを補償できる撮像装置を実現する。
【解決手段】レンズを介して入射される被撮像物体の像を、平面状のイメージセンサのセンサ面に結像させる撮像装置において、前記センサ面に近接配置され、中心より外周部に向けて厚さが増加する凹面を有する焦点補償光学部材を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、レンズを介して入射される被撮像物体の像を、平面状のイメージセンサのセンサ面に結像させる撮像装置に関する。

凸面ミラーに写る全方位の物体像をレンズ系を介して平面状のイメージセンサのセンサ面に結像させる全方位撮像装置に関連する先行技術文献としては次のようなものがある。

特開平１１−１７４６０３号公報

水平３６０度の全方位画像を凸面状のミラーに入射し、このミラーに映った像をレンズ系を介してＣＣＤ，ＣＭＯＳなどのイメージセンサで撮像する全方位撮像装置は、監視用，移動ロボット搭載用等に開発が進められている。この凸面状ミラーとしては、円錐，球，放物線状，双曲線状等各種の形状が用いられるが、ここでは双曲線円錐状ミラーとして説明をする。

イメージセンサの例としては、動画用としては６４０×４８０素子を用い、そのうちの径480素子の円形部が用いられる。高分解能動画では１２８０×１０２０素子で径１０２４素子、静止画ではデジタルスチルカメラの約２５００×２０００素子で径２０００素子等がある。

図１０は、特許文献１に開示されている全方位撮像装置を用いた全方位カメラシステムの構成図である。ブロック１は全方位撮像装置である。１１は双曲線円錐状の凸面を有する全方位ミラーであり、全方位の被撮像物体２の像を写し、反射光をレンズ系１２に集光する。ここで、レンズ系に入る像は虚像となっている。

１３は円筒状のガラスであり、全方位ミラー１１を支えている。１４はセンターニードルであり、全方位ミラー１１の凸面頂点より光軸に一致させて下方に延長して形成され、円筒状のガラスの内面反射の影響を防止する。

被撮像物体２の像は、レンズ系１２を介してイメージセンサ１５の表面に結像され、撮像された画像は画像電子回路１６で処理され、通信インターフェイス１７を介してパソコンによる画像処理装置に渡され、表示装置４の画面４ａに３６０°の円形画像で表示される。

画像処理装置３は、この円形画像を平面パノラマ画像へ展開表示したり、その一部を切り出し表示する等の処理を実行することができる。このとき、全方位ミラー１１として双曲線円錐状のミラーを用いると画像の焦点が一意に決まり、画像の展開が理論に基づいて行える。

従来技術には次のような問題点がある。
（１）図１１は、被撮像物体の虚像とレンズ系の関係を説明する光学模式図である。双曲円錐状の全方位ミラー１１を用いた全方位撮像装置では、全方位ミラー１１の虚像１１´上に形成される物体２の虚像２´の像がレンズ系１２を介してイメージセンサ１５の表面に結像され取込まれる。

（２）虚像２´の位置は、レンズ系１２に近く、近接撮影の領域に入る。このとき、虚像の位置は全方位ミラー１１の中心部と周辺部ではかなり離れているために、全体を同時にピントを合わせることが難しくなる。虚像の位置が全方位ミラー１１中心部にあるときのピント位置がイメージセンサ１５の表面Ｐ１になるようにレンズ系１２を設定した場合、虚像位置が中心点より離れた２´位置の像は、イメージセンサ１５の表面より上方のＰ２点に結像し、ピントがずれることになる。

（３）このピントずれは、レンズを絞って被写界深度を深くすることである程度は解決できるが、これは静止画で十分な露出時間がとれる場合に限られる。特に動いている物体や動画の撮像ではシャッタ速度が速く露光時間が短いため、レンズの絞を開放近くで使用する必要があり、十分な被写界深度が得られない。また高分解能のイメージセンサを使用する場合も被写界深度に対する要求は厳しくなる。更に、暗い場所での撮像も不可能となる。

（４）一般の平面状のイメージセンサでは、全体虚像の１８％程度しか被写界深度に入っていないので、Ｆ＝２２程度まで絞らなければ、実用的な被写界深度は得られない。これでは非常に明るい静止画像しか撮像することができない。

（５）被写界深度を拡げるためにはなるべく大きな全方位ミラーを使用する方法もあるが、装置が大きくなり、製作も高価になる。焦点の合う領域を拡げるために補正のミラーを用いる方式やレンズ系を工夫して、虚像の位置の分布に焦点を合わせた構成とすることも考えられるが、補正が複雑で、球面収差や色収差など各種の補正と組合せたレンズは実現されていない。

従って本発明が解決しようとする課題は、レンズ系、イメージセンサに汎用の要素を使用し、簡単な補助部材の導入によりイメージセンサ上の焦点ずれを補償できる撮像装置を実現することにある。

このような課題を達成するために、本発明の構成は次の通りである。
（１）レンズを介して入射される被撮像物体の像を、平面状のイメージセンサの表面に結像させる撮像装置において、
前記センサ面に近接配置され、中心より外周部に向けて厚さが増加する凹面を有する焦点補償光学部材を備えたことを特徴とする撮像装置。

（２）前記イメージセンサを収納するパッケージの受光部を形成する透明部材表面に前記焦点補償光学部材を配置したことを特徴とする（１）に記載の撮像装置。

（３）前記イメージセンサのセンサ面に前記焦点補償光学部材を配置し、これをパッケージに収納したことを特徴とする（１）に記載の撮像装置。

（４）前記イメージセンサのセンサ面に前記焦点補償光学部材を配置し、前記焦点補償光学部材表面以外をパッケージに収納したことを特徴とする（１）に記載の撮像装置。

（５）前記イメージセンサを収納するパッケージの受光部を形成する透明部材表面に前記凹面を形成したことを特徴とする（１）に記載の撮像装置。

（６）前記焦点補償光学部材はマイクロレンズアレイで構成されることを特徴とする（１）乃至（４）のいずれかに記載の撮像装置。

（７）前記レンズを介して入射される像は、全方位の物体像を反射する凸面状ミラーから与えられることを特徴とする（１）乃至（６）のいずれかに記載の撮像装置。

以上説明したことから明らかなように、本発明によれば次のような効果がある。
（１）本発明の焦点補償光学部材を用いれば、レンズの開口をＦ＝４と開放値に近くしても全画面にわたり焦点が合わせられ、動く物体や暗い対象物の全方位画像の撮像が可能になるので、多くの用途に使用できるようになる。又、高分解能画像センサを用いた場合にも、その特性通りの撮像ができる。

（２）焦点補償光学部材以外のレンズ系、イメージセンサは、特殊な加工を施さない汎用部品で構成することができるので、低コストで高性能な撮像装置を実現することができる。

以下、本発明を図面により詳細に説明する。図１は本発明を適用した撮像装置の一実施形態を示す主要部の断面図である。図１０，図１１で説明した従来装置と同一要素には同一符号を付し、説明を省略する。以下、本発明の特徴部につき説明する。

図１において、１００は本発明の特徴部を形成する補助部材として導入された焦点補償光学部材の断面図であり、平面状のイメージセンサ１５のセンサ面１５ａ上方に近接配置されている。その形状は、中心より外周部に向けて厚さが増加する凹面を有する、いわゆる平凹レンズである。

このような焦点補償光学部材の導入により、全方位ミラーの頂点より離れた位置にある虚像の結像点Ｐ２をイメージセンサ１５のセンサ面１５ａ位置にシフトさせ、頂点位置にある虚像の結像点Ｐ１と一致させることができる。

一般のカメラのレンズ系ではレンズ面に対して平行な平面物体の像が平面のセンサの全域に結像するよう諸種のレンズを組合せて補正している。しかしながら、図１１で説明したように、全方位ミラーの虚像のように中心部と周辺部の距離が大きく異なる場合には、平面状のイメージセンサ全域に同時に結像させることは困難である。

図２は、全方位カメラにおけるイメージセンサ上での結像位置の計算例を示すプロット図であり、センサの中心を基準にすると、周辺部では０.２７ｍｍも離れている。この結像位置にイメージセンサの表面を合わせるためには、湾曲したセンサ面を有するイメージセンサを用いれば良いが、このようなセンサの実現は現在の生産技術では困難である。

そこで本発明では、イメージセンサのセンサ面に近接して平凹レンズの形態をとる焦点補償光学部材を補助部材として配置する。この光学部材をガラスで実現した場合には、平凹ガラスの中心部と周辺部では厚さｔが異なるため、光路長が異なる。この場合、ガラスの屈折率をｎとすれば（ｎ−１）ｔだけ光路長が長くなる。

図３は、平凹ガラスとして曲率半径ｒ＝６.３ｍｍの平凹レンズを用い、ガラスの屈折率をｎ＝１.５として、ガラス厚ｔ及びそれによる光路長を計算したプロット図であり、図２の虚像の焦点位置とかなり良く一致させることが可能である。

屈折率ｎがより大きい材料、例えば屈折率ｎ＝２.０に近いガラスを用いれば、より大きな曲率半径の平凹レンズを焦点補償光学部材として使用できるので、焦点補償光学部材を設計する場合の自由度が増す。

図４は、焦点補償光学部材の別の実施形態を示し、マイクロレンズアレイ１０１を使用した点を特徴とするものである。一般に、平面状のイメージセンサでは斜めから入る入射光に対しては感度が下がるので、諸種の対策がなされている。その一手法にマイクロレンズアレイを用いる方法がある。これはイメージセンサの各感光素子に対応してマイクロレンズを配置するもので、斜めからの光も集めて感光素子に入射させる役をしている。

本発明では、これらのマイクロレンズアレイの長さや焦点距離などを中心部と周辺部では変えて、等価的に光路長を補償するものである。その他の補償光学系としては、液体を満たした構造として、圧電素子等を取り付け、電気的に特性を変える可変焦点レンズを用いる方式等も考えられる。

図５乃至図９により、焦点補償光学部材の各種の具体的実装例を説明する。図５は各実装例に共通の平面図であり、図６乃至図９は、各種実装例の横断面図を示す。厚さ等の寸法はわかり易いように模式的に描かれている。

一般的にＣＭＯＳ，ＣＣＤ等のイメージセンサ１５は、シリコン基板上に形成され、このチップがセラミックパッケージ１０２に収められている。イメージセンサ基板とパッケージはワイヤボンディング１０３等で接続される。ここではセラミック基板内の配線等の表示は省略されている。

イメージセンサ１５には外部から信号イメージが入射されなければならないので、セラミックパッケージの受光部（上蓋）はカバーガラス１０４等の透明部材を用い、ハーメチックシールされている。このような構造のイメージセンサは各種のものが量産されており、比較的安価に入手できる。

図６は、汎用イメージセンサのパッケージをそのまま利用した実装形態であり、カバーガラス１０４の上面に焦点補償光学部材１００を設置してある。この構造では、イメージセンサ１５との間にカバーガラス及び若干の空隙が存在するため、正確にはこの間の光路も含めての設計が必要となり若干複雑となる。しかしながら、実際にはこの構造が最も安価であり、実用的な性能が得られている。

図７は、イメージセンサ１５のセンサ面１５ａ上に直接焦点補償光学部材１００を配置し、これをパッケージに収納したもので、原理通りの性能が得られる。焦点補償光学部材としてマイクロレンズアレイ（図４）を用いる場合にはこの構造が適している。

図８は、焦点補償光学部材部材１００をカバーガラスとして兼用するもので、他の部分は汎用イメージセンサ１５のパッケージ構造がそのまま利用できる。イメージセンサと焦点補償光学部材部材間に空隙が残るが、これが薄ければ問題とならない。

図９は、イメージの通る受光部のみを図７のようにセンサ面１５ａ上に直接焦点補償光学部材１００を配置し、他のカバーは適当な材料、例えば金属薄板１０５を用いたものである。イメージセンサと焦点補償光学部材部材間に空隙がないので、原理通りの性能が得られると共に、イメージセンサの受光部以外を遮光できるので、この部分に当たる赤外光などの影響を排除することができる。

以上説明した実施形態では、全方位ミラーからの反射像を入力する全方位撮像装置に本発明を適用した例であるが、本発明を画像を撮像するデジタルカメラ一般に適用した場合、その光学系を簡素化したり、高性能化することができる。

一般の撮像系では、光軸に直角の平面の被撮像物体を平面の撮像面に投影するようになっている。一般に開口の大きな明るいレンズで、対象物が近い場合、単レンズで平面全体に焦点を合わせることはむずかしい。

図１２は、レンズ系１２として薄肉単レンズを用いた場合の平面物体２の結像位置の差を説明する光学的模式図である。光軸位置の物体像をレンズからの距離Ｓ１にあるイメージセンサ１５のセンサ面１５ａの位置Ｐ１に結像した場合、光軸から離れた物体像は、レンズからの距離がＳ１よりは短いＳ２のＰ２点に結像し、センサ面１５ａに結像せず、ピントが外れることになる。

このため単レンズは使用できず、通常は６〜７枚以上のレンズを組合せて各種の補正を行ったレンズ系システムを構成している。このようなレンズ系では、平面への焦点合わせの他に球面収差補正、色補正、湾曲補正、等を行わなければならず、設計が複雑であり、高性能化への障害になっている。

本発明の焦点補正光学部材を補助部材として装備したイメージセンサを用いると、単レンズでも平面への焦点合わせが可能になる。また、複数のレンズを使用する光学系ではレンズ系での平面補正が不要になり、他の補正への自由度が増し、高性能のレンズの設計が容易となる。

発明を適用した撮像装置の一実施形態を示す主要部の断面図である。 全方位撮像装置におけるイメージセンサ上での結像位置の計算例を示すプロット図である。 平凹ガラスのガラス厚及びそれによる光路長の計算例を示すプロット図である。 焦点補償光学部材としてマイクロレンズアレイを使用した実施形態を示す断面図である。 焦点補償光学部材の各種の実装例に共通の平面図である。 汎用イメージセンサのパッケージをそのまま利用した実装形態を示す断面図である。 イメージセンサのセンサ面上に直接焦点補償光学部材を配置し、これをパッケージに収納した実施形態を示す断面図である。 焦点補償光学部材部材をカバーガラスとして兼用した実装形態を示す断面図である。 イメージの通る受光部のみをセンサ面上に直接焦点補償光学部材を配置し、他のカバーは金属薄板で形成した実装形態を示す断面図である。 特許文献１に開示されている全方位撮像装置を用いた全方位カメラシステムの構成図である。 被撮像物体の虚像とレンズ系の関係を説明する光学模式図である。 レンズ系として薄肉単レンズを用いた場合の平面物体の結像位置の差を説明する光学的模式図である。

符号の説明

１ 全方位撮像装置
１１ 全方位ミラー
１２ レンズ系
１３ 円筒ガラス
１４ センターニードル
１５ イメージセンサ
１５ａ センサ面
１６ 画像電子回路
１７ インターフェイス回路
２ 被撮像物体
３ 画像処理装置
４ 表示装置
４ａ 表示画像
１００ 焦点補償光学部材

Claims (7)

1. レンズを介して入射される被撮像物体の像を、平面状のイメージセンサのセンサ面に結像させる撮像装置において、
   前記センサ面に近接配置され、中心より外周部に向けて厚さが増加する凹面を有する焦点補償光学部材を備えたことを特徴とする撮像装置。
2. 前記イメージセンサを収納するパッケージの受光部を形成する透明部材表面に前記焦点補償光学部材を配置したことを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
3. 前記イメージセンサのセンサ面に前記焦点補償光学部材を配置し、これをパッケージに収納したことを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
4. 前記イメージセンサのセンサ面に前記焦点補償光学部材を配置し、前記焦点補償光学部材表面以外をパッケージに収納したことを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
5. 前記イメージセンサを収納するパッケージの受光部を形成する透明部材表面に前記凹面を形成したことを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
6. 前記焦点補償光学部材はマイクロレンズアレイで構成されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の撮像装置。
7. 前記レンズを介して入射される像は、全方位の物体像を反射する凸面状ミラーから与えられることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の撮像装置。
   

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