JP2012060460A - 撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光線の角度情報量を維持しつつ空間分解能を向上する。
【解決手段】物体Ａからの光を結像する結像レンズ２と、該結像レンズ２の結像面に、光軸に交差する方向に配列された複数のマイクロレンズ３ａを備えるマイクロレンズアレイ３と、該マイクロレンズアレイ３を挟んで結像レンズ２とは反対側の位置に、光軸方向に間隔をあけて配置された撮像素子４と、マイクロレンズアレイ３をその配列方向に移動させるマイクロレンズ移動機構５とを備える撮像装置１を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、撮像装置に関するものである。

従来、ライト・フィールド・フォトグラフィー技術を利用した撮像装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
この撮像装置においては、撮像レンズと撮像素子との間の撮像レンズの焦点面に固定されたマイクロレンズアレイに対して、撮像素子を光軸方向に移動可能に配置している。撮像素子をマイクロレンズアレイに近接させることにより空間分解能を向上し、撮像素子をマイクロレンズアレイから離間させることにより、光線の角度情報量を増加させることができる。

米国特許出願公開第２０１０／００２６８５２号明細書

しかしながら、特許文献１の撮像装置では、空間分解能と角度情報量とがトレードオフの関係にあり、空間分解能を向上するために撮像素子をマイクロレンズアレイに近接させると角度情報量が低下し、逆に、角度情報量を増加させるために撮像素子をマイクロレンズアレイから離間させると空間分解能が低下するという不都合がある。

本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであって、光線の角度情報量を維持しつつ空間分解能を向上することができる撮像装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提供する。
本発明は、物体からの光を結像する結像レンズと、該結像レンズの結像面に、光軸に交差する方向に配列された複数のマイクロレンズを備えるマイクロレンズアレイと、該マイクロレンズアレイを挟んで前記結像レンズとは反対側の位置に、光軸方向に間隔をあけて配置された撮像素子と、前記マイクロレンズアレイをその配列方向に移動させるマイクロレンズ移動機構とを備える撮像装置を提供する。

本発明によれば、結像レンズによって集光された物体からの光は、マイクロレンズアレイの位置に結像された後、マイクロレンズアレイを通過してその後段の位置に配置されている撮像素子により撮影される。これにより、撮像素子により物体の位置情報のみならず物体からの光の角度情報をも取得することができる。そして、マイクロレンズ移動機構によりマイクロレンズアレイをその配列方向に移動させて異なる位置に配置して撮影することで、マイクロレンズアレイと撮像素子との光軸方向の距離を維持して撮像素子により取得される角度情報量を維持しつつ、空間分解能を向上することができる。

上記発明においては、前記マイクロレンズアレイが、複数のマイクロレンズを所定の配列ピッチで配列してなり、前記撮像素子が、前記マイクロレンズ移動機構によって、前記配列ピッチより短い移動距離だけ前記マイクロレンズアレイが移動されるごとに画像を取得してもよい。
このようにすることで、所定の配列ピッチで配列されているマイクロレンズの配列ピッチを擬似的に短縮して撮影を行うことができ、簡易に空間分解能を向上することができる。

上記発明においては、前記マイクロレンズ移動機構による前記マイクロレンズアレイの移動が周期振動であり、以下の条件式を満足することが好ましい。
Ｙ＝Ｎ×Ｘ
ここで、Ｘは前記マイクロレンズアレイの振動周期、Ｙは前記撮像素子による画像取得周期、Ｎは１周期当たりの撮影回数（整数）である。

このようにすることで、画像取得回数Ｎ回毎にマイクロレンズアレイと撮像素子とが同じ位置関係に戻る。すなわち、画像取得回数Ｎ回毎に位置情報と角度情報との関係を示すサンプリング特性が同じサンプリング特性に戻るので、その後の画像構成時に処理を容易に行うことができる。

上記発明においては、前記マイクロレンズアレイを構成する各マイクロレンズの外周部に、結像レンズからの光の通過を遮る遮光部が設けられていてもよい。
このようにすることで、各マイクロレンズを光軸に対して斜めに通過する光が隣接するマイクロレンズに対応する撮像素子の画素群に入射するのを防止してＳ／Ｎ比を向上することができる。

また、上記発明においては、前記マイクロレンズアレイに固定され、前記撮像素子に向けて照明光を発生する点光源を備えていてもよい。
このようにすることで、点光源から発せられる照明光を撮像素子により検出して、撮像素子に対するマイクロレンズアレイの位置を精度よく検出することができる。

本発明によれば、光線の角度情報量を維持しつつ空間分解能を向上することができるという効果を奏する。

本発明の一実施形態に係る撮像装置を示す模式的な全体構成図である。 図１の撮像装置におけるマイクロレンズアレイの動作と撮影範囲を説明する図である。 図１の撮像装置においてマイクロレンズアレイを固定した状態で取得される画像のサンプリング特性を示す図である。 図３と同様のサンプリング特性を示す図である。 図１の撮像装置においてマイクロレンズアレイを移動させた状態で取得される画像のサンプリング特性を示す図である。 図１の撮像装置におけるマイクロレンズアレイの動作の変形例を示す図である。 図１の撮像装置におけるマイクロレンズアレイの動作の他の変形例を示す図である。 図１の撮像装置におけるマイクロレンズの周縁に配置された（ａ）遮光膜の一例、（ｂ）遮光膜を付したマイクロレンズアレイをそれぞれ示す図である。 図１の撮像装置におけるマイクロレンズアレイに付したＬＥＤを示す図である。

本発明の一実施形態に係る撮像装置１について、図面を参照して以下に説明する。
本実施形態に係る撮像装置１は、図１に示されるように、被写体Ａからの光を結像する結像レンズ２と、該結像レンズ２の焦点面に配置されたマイクロレンズアレイ３と、該マイクロレンズアレイ３を挟んで結像レンズ２とは反対側に光軸方向に間隔をあけて配置された撮像素子４と、マイクロレンズアレイ３を移動させるマイクロレンズ移動機構５と、撮像素子４により取得された画像信号を処理して画像データを生成する画像処理部６と、撮像素子４、マイクロレンズ移動機構５および画像処理部６を制御する制御部７を備えている。

マイクロレンズアレイ３は、図２に示されるように、結像レンズ２の焦点面に沿って、所定の配列ピッチｄで２次元的に正方配列された複数のマイクロレンズ３ａを備えている。
撮像素子４は、例えば、２次元的に正方配列された複数の画素４ａを有するＣＣＤであり、マイクロレンズアレイ３に対して平行間隔をあけて配置されている。

マイクロレンズ移動機構５は、マイクロレンズアレイ３全体をマイクロレンズ３ａの配列方向、すなわち、光軸に直交する方向に移動させるようになっている。
さらに具体的には、マイクロレンズ移動機構５は、図２に示されるように、マイクロレンズ３ａの配列ピッチｄの半分の長さｄ／２を一辺とする正方形の軌跡Ｑ１を描いてマイクロレンズアレイ３全体を周期振動によって移動させるようになっている。

ここで、マイクロレンズ移動機構５による周期振動の周期をＸ（Ｈｚ）、撮像素子４による撮影周期をＹ（Ｈｚ）、１周期当たりの撮影回数をＮ（回）として、
Ｙ＝Ｎ×Ｘ （１）
の条件式が成立するように設定されている。

このように構成された本実施形態に係る撮像装置１の作用について以下に説明する。
本実施形態に係る撮像装置１を用いて被写体Ａの画像を取得するには、被写体Ａからの光を結像レンズ２により結像し、結像面に配列されたマイクロレンズアレイ３に種々の角度から入射させる。

種々の角度でマイクロレンズアレイ３に入射した被写体Ａからの光は、個々のマイクロレンズ３ａにより分離されて撮像素子４に投影される。その結果、撮像素子４によって、被写体Ａの各部の位置情報のみならず被写体Ａからの光の角度情報をも取得されることになる。

すなわち、撮像素子４の各画素４ａによって撮影された光は、被写体Ａの所定の位置からの光であるとともに、所定の角度をなしてその画素４ａに入射した光として取得される。これにより、図３に示されるように、各画素４ａを角度情報と位置情報とを座標軸として整理したサンプリング特性を得ることができる。

その結果、画像処理部６において、上記サンプリング特性の内、図３において鎖線Ｒ１で囲まれるように、同じ角度をなして入射した光を撮影した画素４ａだけを選んで画像を構成する処理を、複数の異なる角度についてそれぞれ行うことにより、同一の被写体Ａを異なる角度から見た複数の画像を得ることができる。

また、上記サンプリング特性において、図３において鎖線Ｒ２で囲まれるように同じ位置を撮影した画素４ａだけを選んで画像を構成する処理を行うことにより、一点のみピントを合わせた画像を取得することができる。さらに、図４において鎖線Ｒ３，Ｒ４で囲まれるように、角度および位置を少しずつずらした画素４ａを選んで画像を構成する処理を、ずらす方向を異ならせて複数行うことにより、異なる位置にピントを合わせた画像を取得することができる。

この場合において、本実施形態に係る撮像装置１によれば、マイクロレンズ移動機構５の作動によりマイクロレンズアレイ３全体をマイクロレンズ３ａの配列方向に移動させるので、図２に示されるように、マイクロレンズ３ａを固定した状態で取得される領域Ａ１以外のマイクロレンズ３ａの間に入射する被写体Ａからの光（領域Ａ２〜Ａ４）についても位置および角度の情報を有する画像を取得することができる。その結果得られるサンプリング特性は、図５の通りとなる。

すなわち、マイクロレンズ３ａの配列ピッチｄの半分の長さｄ／２を一辺とする正方形の軌跡を描いてマイクロレンズアレイ３全体を周期振動によって移動させることにより、配列ピッチｄで配列されているマイクロレンズ３ａの配列ピッチｄを擬似的にｄ／２に短縮して撮影を行うことができ、簡易に空間分解能の高い画像を得ることができるという利点がある。

また、本実施形態においては、条件式（１）が成り立つような周期振動によってマイクロレンズアレイ３を移動させるので、画像取得回数Ｎ回毎にマイクロレンズアレイ３と撮像素子４とを同じ位置関係に戻すことができる。すなわち、画像取得回数Ｎ回毎に位置情報と角度情報との関係を示すサンプリング特性が同じサンプリング特性に戻るので、その後の画像構成時に処理を容易に行うことができる。

図２に示される例では、マイクロレンズアレイ３を正方形の軌跡Ｑ１を描いて移動させることとしたが、これに代えて、図６に示されるように、クランク状の軌跡Ｑ２を描いて移動させてもよいし、図７に示されるように円形の軌跡Ｑ３を描いて移動させることとしてもよい。クランク状に移動させることにより、四角形状に移動させる場合と比較して、１周期当たりの撮影回数を増加させて、空間分解能をさらに向上することができる。また、円形の軌跡Ｑ３を描いて移動させることにより、等速度でマイクロレンズアレイ３を移動させながら撮影を行うことができ、マイクロレンズ移動機構５を簡易なものとすることができる。

また、本実施形態においては、図８に示されるように、各マイクロレンズ３ａの周縁部を遮光膜８によって覆うこととしてもよい。図２においては、マイクロレンズ３ａは直径ａの円形の開口をあけて遮光膜８から露出している。

これにより、ある一つのマイクロレンズ３ａを通過した光が、隣接するマイクロレンズ３ａを通過した光に混じったり、各マイクロレンズ３ａの境界付近で予期せぬ反射あるいは屈折を生じて迷光となったりしないように遮蔽することができる。そして、これにより、取得される画像のＳ／Ｎ比を向上することができる。

また、本実施形態においては、マイクロレンズアレイ３の一部に、マイクロレンズアレイ３に固定され、撮像素子４に向けて照明光を照射するＬＥＤ（光源）９を配置してもよい。このようにすることで、撮像素子４により取得されたＬＥＤ９の像によってマイクロレンズアレイ３の位置を精度よく検出でき、より正確に、被写体Ａからの光の角度情報および位置情報を得ることができるという利点がある。

図９に示す例では、ＬＥＤ９をマイクロレンズアレイ３の４隅のマイクロレンズ３ａに代えて配置したが、その位置は限定されるものではなく、マイクロレンズ３ａ間に配置されていてもよい。

Ａ 被写体（物体）
ｄ 配列ピッチ
１ 撮像装置
２ 結像レンズ
３ マイクロレンズアレイ
３ａ マイクロレンズ
４ 撮像素子
５ マイクロレンズ移動機構
８ 遮光膜（遮光部）
９ 光源

Claims (5)

1. 物体からの光を結像する結像レンズと、
   該結像レンズの結像面に、光軸に交差する方向に配列された複数のマイクロレンズを備えるマイクロレンズアレイと、
   該マイクロレンズアレイを挟んで前記結像レンズとは反対側の位置に、光軸方向に間隔をあけて配置された撮像素子と、
   前記マイクロレンズアレイをその配列方向に相対的に移動させるマイクロレンズ移動機構とを備える撮像装置。
2. 前記マイクロレンズアレイが、複数のマイクロレンズを所定の配列ピッチで配列してなり、
   前記撮像素子が、前記マイクロレンズ移動機構によって、前記配列ピッチより短い移動距離だけ前記マイクロレンズアレイが移動されるごとに画像を取得する請求項１に記載の撮像装置。
3. 前記マイクロレンズ移動機構による前記マイクロレンズアレイの移動が周期振動であり、以下の条件式を満足する請求項２に記載の撮像装置。
   Ｙ＝Ｎ×Ｘ
   ここで、Ｘは前記マイクロレンズアレイの振動周期、Ｙは前記撮像素子による画像取得周期、Ｎは１周期当たりの撮影回数（整数）である。
4. 前記マイクロレンズアレイを構成する各マイクロレンズの外周部に、結像レンズからの光の通過を遮る遮光部が設けられている請求項１または請求項２に記載の撮像装置。
5. 前記マイクロレンズアレイに固定され、前記撮像素子に向けて照明光を発生する光源を備える請求項１から請求項４のいずれかに記載の撮像装置。

Images