JP3658068B2 - Imaging device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、撮像対象物からの光を撮像レンズを介して複数の光電変換素子を配列してなる撮像素子に導き、撮像対象物の像を撮像する撮像装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来の撮像装置では、複数の光電変換素子を1次元あるいは2次元に配列して撮像素子を構成し、撮像対象物からの光を撮像レンズによって直接撮像素子に導き、撮像素子上に撮像対象物の像を形成する。撮像素子の各光電変換素子では入力に応じた電気信号が発生し、画像処理装置に向けて出力される。こうして、撮像対象物の像を光電変換素子と同数の画素で読み取っている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、撮像装置においては、従来より広いダイナミックレンジで撮像できることが望まれている。この「ダイナミックレンジ」とは、撮像装置により画像を撮像する場合に、撮像できる最小濃度から最大濃度までの幅を示すものであり、ダイナミックレンジが広い撮像装置によれば、優れた再現性で原稿の画像を撮像することができる一方、ダイナミックレンジが狭くなるにしたがって、画像を良好に撮像することができなくなる。
【0004】
このダイナミックレンジを狭くする主な要因として、従来より撮像レンズによるゴーストや散乱が知られているが、本願発明者による種々の検討の結果、ゴーストや散乱以外に、周辺回折波(その内容およびダイナミックレンジへの影響については後で述べる)によりダイナミックレンジが狭くなっていることがわかった。以下、図5を参照しつつダイナミックレンジへの周辺回折波の影響について説明する。
【0005】
例えば、従来の撮像装置により原稿1に形成された微小黒点2の濃度計測を行った場合、図5(b)に示すような像面照度分布が撮像素子上で得られる。なお、ここでは、ゴースト光や散乱光がないものと仮定している。
【0006】
幾何光学の法則に従って伝播する入射光(照明光)についてのみ考慮すると、その入射光の一部は微小黒点2で遮光される一方、残りは微小黒点2以外の原稿面で反射し、受光素子側に進む。このため、撮像素子における照度分布は、同図(b)の実線に示すように、微小黒点2に完全に対応してゼロとなる一方、微小黒点2以外の原稿面に対応する位置では比較的高い値をとる。このため、撮像素子により検出することができる濃度の最低レベルから最高レベルの範囲(ダイナミックレンジに相当する)はRgとなる。
【0007】
しかしながら、撮像素子での像面照度は、実際には同図(b)の1点鎖線に示すような分布をとる。これは周辺回折波(=Boundary Diffraction Wave)の影響によるものであり、撮像素子には幾何光学的な波である入射波と周辺回折波との合成の結果である回折像が形成されるからである。
【0008】
この「周辺回折波」とは、光が回折物体に入射したときに、その端から生じる回折波のことである。上記のように構成された撮像装置では、撮像レンズの絞りが回折物体に相当し、絞りの縁から周辺回折波が発生する。ここで、撮像素子側より見ると、撮像レンズの瞳の縁から周辺回折波が発生しているように見える。なお、この周辺回折波に関しては、例えば「光学の原理II(マックス・ボルン&エミル・ウォルフ著、草川徹・横田英嗣訳;東海大学出版会)」の第670頁において詳細に説明されている。ただし、「光学の原理II」では、"Boundary Diffraction Wave"を「境界回折波」と訳しているが、「周辺回折波」と同一のものである。
【0009】
このように周辺回折波の影響により回折像が形成されると、微小黒点2に対応する位置の像面照度はゼロとならず、ΔRだけ上昇し、この場合のダイナミックレンジRg+dは周辺回折波を無視した場合のダイナミックレンジRgよりもΔRだけ狭くなる。
【0010】
この発明は、従来技術における上述の問題の克服を意図しており、撮像レンズの瞳の縁から発生する周辺回折波を取り除いて広いダイナミックレンジを有する撮像装置を提供することを目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】
請求項1の発明は、撮像対象物からの光を撮像レンズを介して複数の光電変換素子を配列してなる撮像素子に導き、前記撮像対象物の像を撮像する撮像装置であって、上記目的を達成するため、前記複数の光電変換素子に1対1で対応する複数の開口を有し、前記撮像レンズからの光のうち前記開口に入射する光のみを前記光電変換素子に導く一方、前記開口以外に入射する光を遮断する遮断手段と、それぞれが前記遮断手段と前記撮像レンズとの間で前記複数の開口に1対1で対応して配置され、前記撮像レンズの瞳の像を対応する開口の近傍に形成する複数の投影素子を有する投影手段と、を備えており、前記開口の径を前記開口近傍に投影される前記撮像レンズの瞳の投影像よりも小さくしている。
【0012】
【発明の実施の形態】
図1は、この発明にかかる撮像装置の一の実施形態を示す図である。また、図2は、図1の撮像装置の部分拡大斜視図である。この撮像装置では、撮像レンズ10と、複数のマイクロレンズ21を有するマイクロレンズアレイ20と、複数のマイクロアパーチャ31を有するマイクロアパーチャアレイ板30と、複数の光電変換素子41をX方向に1次元配列してなる撮像素子40とがこの順序で配置されている。なお、マイクロレンズ21およびマイクロアパーチャ31はともに、光電変換素子41と同数個設けられており、マイクロレンズ21はマイクロアパーチャ31と1対1で対応しながらX方向に1次元配置されるとともに、マイクロアパーチャ31は光電変換素子41と1対1で対応しながらX方向に1次元配置されている。このように、この実施形態では、マイクロレンズ21と、マイクロアパーチャ31と、光電変換素子41とが相互に1対1で対応している。
【0013】
この撮像レンズ10は、図1に示すように、撮像対象物からの光Lを受け、撮像素子40側の位置Pに集光させて撮像対象物の空間像を形成している。
【0014】
この位置Pにマイクロレンズアレイ20が配置されている。このため、X方向に伸びる線状の空間像はマイクロレンズアレイ20に設けられた複数のマイクロレンズ21により分離される。特に、各光電変換素子41から出力される電気信号は撮像素子40により撮像される像の1画素に相当することから、各マイクロレンズ21により分離される像は画素に対応するものであり、マイクロレンズアレイ20により撮像対象物の空間像は画素分離されている。
【0015】
マイクロレンズ21からの光は、それぞれ対応するマイクロアパーチャ31を通過し、それぞれ対応する光電変換素子41に入射し、分割された像を形成する。また、この実施形態では、マイクロレンズ21により撮像レンズ10の絞り(瞳)11の像を、それぞれ対応するマイクロアパーチャ31上あるいは近傍に投影しており、マイクロレンズ21が投影素子として機能する。
【0016】
この実施形態では、図3に示すように、マイクロアパーチャアレイ板30に形成された各マイクロアパーチャ31の径Dが撮像レンズ10の絞り11の像Iの大きさよりも小さく設定されている。このため、撮像レンズ10の絞り11の縁から発生する周辺回折波BDWをマイクロアパーチャアレイ板30で遮断することができる。このことを図1を参照しつつ詳述する。
【0017】
図1の破線に示すように絞り11の縁から発生した周辺回折波BDWはマイクロレンズ21を介してマイクロアパーチャアレイ板30側に伝播する。ここで、マイクロアパーチャアレイ板30に形成される撮像レンズ10の絞り11の像Iを観察すると、絞り11の縁が光って見える。このように絞り11の縁が光って見える理由は、上記説明から明らかなように撮像レンズ10の絞り11の縁から発生した周辺回折波BDWによるものである。この実施形態では、上述したように各マイクロアパーチャ31の径Dを絞り11の像Iよりも小さくしているので、周辺回折波BDWがマイクロアパーチャアレイ板30で遮断されて周辺回折波BDWの撮像素子40側への伝播が防止される。したがって、周辺回折波BDWがマイクロアパーチャアレイ板30のマイクロアパーチャ31を通過して撮像素子40に入射するのを防止することができ、周辺回折波BDWの影響を排除することができる。
【0018】
なお、各マイクロアパーチャ31を通過した光、つまり周辺回折波BDWを含んでいない光はそれぞれ対応する光電変換素子41に入射し、マイクロレンズアレイ20で画素分離された像に対応した電気信号が光電変換素子41から出力される。これらの電気信号は図示を省略する画像処理装置に与えられ、所定の画像処理が実行される。
【0019】
以上のように、この実施形態にかかる撮像装置によれば、撮像レンズ10の絞り(瞳)11の縁から発生する周辺回折波BDWをマイクロアパーチャアレイ板30で遮断して周辺回折波BDWの影響を取り除いているので、撮像装置のダイナミックレンジを広げることができる。
【0020】
なお、上記では、光電変換素子41が1次元配列された撮像素子40により線状の像(1次元像)を撮像する撮像装置について説明したが、本発明の適用対象は1次元に限定されるものではなく、2次元の撮像装置についても適用することができる。
【0021】
図4は、この発明にかかる撮像装置の他の実施形態を示す部分斜視図である。この撮像装置が先に説明した撮像装置と相違する点は、
(1)撮像素子40を構成する光電変換素子41がXY平面内で2次元配列されている点、
(2)光電変換素子41が2次元配列されているのに応じて、光電変換素子41と相互に1対1で対応するように、マイクロレンズ21およびマイクロアパーチャ31も2次元配列されている点、
であり、その他の基本構成は同一である。
【0022】
このように構成された撮像装置では、図示を省略する撮像対象物の空間像(2次元)が撮像レンズ10(図4への図示は省略されている)によりマイクロレンズアレイ20の位置Pに形成され、マイクロレンズ21により画素分離される。そして、マイクロレンズ21からの光がそれぞれ対応するマイクロアパーチャ31を介して、それぞれ対応する光電変換素子41に入射し、マイクロレンズアレイ20で画素分離された像に対応した電気信号が光電変換素子41から画像処理装置に出力される。
【0023】
また、撮像レンズ10の絞り(瞳)11の縁で生じた周辺回折波BDWは、先に説明した実施形態と同様に、マイクロレンズ21を介してマイクロアパーチャアレイ板30に伝播されるが、マイクロアパーチャアレイ板30により遮断され、周辺回折波BDWの撮像素子40側への伝播が防止される。したがって、周辺回折波BDWがマイクロアパーチャアレイ板30のマイクロアパーチャ31を通過して撮像素子40に入射するのを防止することができ、周辺回折波BDWの影響を排除することができ、2次元撮像装置においても、そのダイナミックレンジを広げることができる。
【0024】
なお、上記実施形態では、投影手段としてマイクロレンズ21を設けているが、マイクロアパーチャ31の径を十分に小さく設定した場合には、このマイクロアパーチャ31がピンホールカメラのピンホールとして投影手段の機能を果す。このため、マイクロアパーチャ31の径を十分に小さくすることで、マイクロレンズ21を設けることなく、上記撮像装置を構成することができる。
【0025】
また、上記実施形態では、マイクロアパーチャアレイ板30に設けられたマイクロアパーチャ31がマイクロレンズ21からの光を光電変換素子41に導光する開口として機能する一方、マイクロアパーチャ31以外に入射する光(周辺回折波BDW)がマイクロアパーチャアレイ板30で遮断されるように構成している。つまり、マイクロアパーチャアレイ板30が遮断手段として機能している。ただし、遮断手段としては、このマイクロアパーチャアレイ板30に限定されるものではなく、撮像素子自体が遮断手段として機能する場合がある。例えば、電荷結像素子(CCD)では、光電変換素子と同一平面に配線パターンなどが形成されているが、光電変換素子を除いて表面を遮光部材で覆って光電変換素子にのみ光が入射するように構成しており、この遮光部材が手段として機能する。この場合、マイクロアパーチャアレイ板30を設ける必要はない。
【0026】
【実施例】
次に、図1の撮像装置の一実施例について説明する。この実施例にかかる撮像装置は、以下の構成要素を備えている。
【0027】
<撮像素子40>
光電変換素子41のピッチが25μmのラインセンサである。
【0028】
<撮像レンズ10>
口径は20mmであり、焦点距離は60mmである。(Fナンバー3)。また、絞りの形状は円形であり、撮像対象物は無限遠に配置される。
【0029】
<マイクロレンズアレイ20>
イオン交換型の平板マイクロレンズをX方向に配列してなり、各平板マイクロレンズの口径は20μmであり、焦点距離は60μmである。(Fナンバー3)。
【0030】
<マイクロアパーチャアレイ板30>
マイクロレンズアレイ20から60.1μmの位置に配置されており、径が18μmのマイクロアパーチャ31を光電変換素子41のピッチと同一ピッチ(25μm)でX方向に配列している。ここで、マイクロアパーチャ31の径を18μmとしたのは、上記のように構成した場合、マイクロアパーチャアレイ板30上に投影される撮像レンズ10の絞りの大きさがφ20μmとなるためである。
【0031】
このように構成された撮像装置によれば、撮像レンズ10の絞り11の縁から発生する周辺回折波BDWをマイクロアパーチャアレイ板30で遮断することができ、周辺回折波BDWの撮像素子40への入射を防止し、撮像装置のダイナミックレンジを広げることができる。
【0032】
なお、マイクロレンズアレイ20によるエアリーディスクのため、実際には絞りの像が若干広がるので、その影響をも解消するにはマイクロアパーチャ31の径を若干小さくするのが良い。例えば、レンズのFナンバー3、波長λ=0.55mmの場合、エアリーディスクの半径rは、r=1.2Fλより、約2μmとなり、絞りの像もこの広がりを持つ。よって、エアリーディスクによる光の広がりをも遮蔽する場合、若干の余裕をとると、マイクロアパーチャ31の径は15μm、あるいはそれ以下が良い。
【0033】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、複数の光電変換素子に1対1で対応する複数の開口を有する遮断手段を設けるとともに、複数の投影素子を遮断手段と撮像レンズとの間で複数の開口に1対1で対応するように配置して撮像レンズの瞳の像を対応する開口の近傍に形成している。しかも、遮断手段の開口の径を開口近傍に投影される投影像よりも小さくなるようにしている。このため、撮像レンズの瞳の縁から発生した周辺回折波を遮断手段により遮断することができ、撮像素子への周辺回折波の伝播を防止し、撮像装置のダイナミックレンジを広げることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明にかかる撮像装置の一の実施形態を示す図である。
【図2】図1の撮像装置の部分拡大斜視図である。
【図3】マイクロアパーチャと、マイクロアパーチャアレイ板30上に形成される撮像レンズの絞りの像との関係を示す図である。
【図4】この発明にかかる撮像装置の他の実施形態を示す部分斜視図である。
【図5】従来の撮像装置により微小黒点を撮像した場合に得られる像面照度分布を示す図である。
【符号の説明】
10 撮像レンズ
11 絞り(瞳)
20 マイクロレンズアレイ(投影手段)
21 マイクロレンズ(投影素子)
30 マイクロアパーチャアレイ板(遮断手段)
31 マイクロアパーチャ(開口)
40 撮像素子
41 光電変換素子
BDW 周辺回折波
D (マイクロアパーチャの)径
I (撮像レンズの絞りの)像[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an imaging apparatus that guides light from an imaging object to an imaging element in which a plurality of photoelectric conversion elements are arranged via an imaging lens and captures an image of the imaging object.
[0002]
[Prior art]
In a conventional imaging device, a plurality of photoelectric conversion elements are arranged in one or two dimensions to form an imaging element, light from an imaging object is directly guided to the imaging element by an imaging lens, and the imaging object is placed on the imaging element. Form an image of In each photoelectric conversion element of the image sensor, an electrical signal corresponding to the input is generated and output to the image processing apparatus. Thus, the image of the imaging object is read by the same number of pixels as the photoelectric conversion element.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, an imaging apparatus is desired to be able to capture an image with a wider dynamic range than before. This “dynamic range” indicates the range from the minimum density to the maximum density that can be captured when an image is captured by an imaging device. According to an imaging device with a wide dynamic range, an original can be reproduced with excellent reproducibility. However, as the dynamic range becomes narrower, it becomes impossible to capture images better.
[0004]
As a main factor for narrowing the dynamic range, ghosts and scattering by an imaging lens have been conventionally known. As a result of various studies by the inventor of the present application, in addition to ghosts and scattering, peripheral diffraction waves (its contents and dynamics) The effect on the range will be described later), and it was found that the dynamic range was narrowed. Hereinafter, the influence of the peripheral diffraction wave on the dynamic range will be described with reference to FIG.
[0005]
For example, when the density measurement of the minute
[0006]
Considering only incident light (illumination light) propagating according to the laws of geometrical optics, a part of the incident light is shielded by the minute
[0007]
However, the image plane illuminance at the image sensor actually has a distribution as shown by the one-dot chain line in FIG. This is due to the influence of Boundary Diffraction Wave, and a diffraction image is formed on the image sensor as a result of combining the incident optical wave and the peripheral diffracted wave. is there.
[0008]
The “peripheral diffracted wave” is a diffracted wave generated from an end of light when incident on the diffractive object. In the imaging apparatus configured as described above, the diaphragm of the imaging lens corresponds to a diffractive object, and peripheral diffraction waves are generated from the edge of the diaphragm. Here, when viewed from the image sensor side, it seems that peripheral diffraction waves are generated from the edge of the pupil of the imaging lens. This peripheral diffracted wave is described in detail in, for example, page 670 of “Principle of optics II (by Max Born & Emil Wolf, translated by Toru Kusagawa and Hideaki Yokota; Tokai University Press)”. However, in “Optical Principle II”, “Boundary Diffraction Wave” is translated as “boundary diffracted wave”, but it is the same as “peripheral diffracted wave”.
[0009]
When a diffraction image is formed by the influence of the peripheral diffracted wave in this way, the image plane illuminance at the position corresponding to the minute
[0010]
The present invention is intended to overcome the above-described problems in the prior art, and an object thereof is to provide an imaging apparatus having a wide dynamic range by removing peripheral diffraction waves generated from the edge of the pupil of the imaging lens.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
The invention of
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 is a diagram showing an embodiment of an imaging apparatus according to the present invention. FIG. 2 is a partially enlarged perspective view of the imaging apparatus of FIG. In this imaging apparatus, an
[0013]
As shown in FIG. 1, the
[0014]
The
[0015]
The light from the
[0016]
In this embodiment, as shown in FIG. 3, the diameter D of each
[0017]
As shown by the broken line in FIG. 1, the peripheral diffraction wave BDW generated from the edge of the
[0018]
Note that light that has passed through each
[0019]
As described above, according to the imaging apparatus according to this embodiment, the peripheral diffraction wave BDW generated from the edge of the diaphragm (pupil) 11 of the
[0020]
In the above description, the imaging apparatus that captures a linear image (one-dimensional image) with the
[0021]
FIG. 4 is a partial perspective view showing another embodiment of the imaging apparatus according to the present invention. The difference between this imaging device and the imaging device described above is that
(1) The
(2) The
The other basic configurations are the same.
[0022]
In the imaging apparatus configured as described above, an aerial image (two-dimensional) of an imaging target (not shown) is formed at the position P of the
[0023]
Further, the peripheral diffracted wave BDW generated at the edge of the stop (pupil) 11 of the
[0024]
In the above embodiment, the
[0025]
In the above embodiment, the micro-aperture 31 provided on the
[0026]
【Example】
Next, an embodiment of the imaging apparatus in FIG. 1 will be described. The imaging apparatus according to this example includes the following components.
[0027]
<
This is a line sensor in which the pitch of the
[0028]
<
The aperture is 20 mm and the focal length is 60 mm. (F number 3). Moreover, the shape of the stop is circular, and the imaging object is arranged at infinity.
[0029]
<
Ion exchange type flat microlenses are arranged in the X direction. Each flat microlens has a diameter of 20 μm and a focal length of 60 μm. (F number 3).
[0030]
<Micro
The micro-apertures 31 having a diameter of 18 μm are arranged in the X direction at the same pitch (25 μm) as the pitch of the
[0031]
According to the imaging apparatus configured as described above, the peripheral diffraction wave BDW generated from the edge of the
[0032]
Since the aperture image is actually slightly expanded due to the Airy disk by the
[0033]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the plurality of photoelectric conversion elements are provided with blocking means having a plurality of openings corresponding one-to-one, and the plurality of projection elements are arranged between the blocking means and the imaging lens. It arrange | positions so that it may respond | correspond 1 to 1 to an opening, and the image of the pupil of an imaging lens is formed in the vicinity of a corresponding opening. Moreover, the diameter of the opening of the blocking means is made smaller than the projected image projected in the vicinity of the opening. For this reason, the peripheral diffracted wave generated from the edge of the pupil of the imaging lens can be blocked by the blocking means, the propagation of the peripheral diffracted wave to the imaging element can be prevented, and the dynamic range of the imaging apparatus can be expanded.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing an embodiment of an imaging apparatus according to the present invention.
FIG. 2 is a partially enlarged perspective view of the imaging apparatus of FIG.
3 is a diagram showing a relationship between a micro aperture and an image of a diaphragm of an imaging lens formed on the micro
FIG. 4 is a partial perspective view showing another embodiment of the imaging apparatus according to the present invention.
FIG. 5 is a diagram illustrating an image plane illuminance distribution obtained when a minute black spot is imaged by a conventional imaging apparatus.
[Explanation of symbols]
10
20 Microlens array (projection means)
21 Microlens (projection element)
30 Micro aperture array plate (blocking means)
31 Micro aperture (opening)
40
Claims (1)
前記複数の光電変換素子に1対1で対応する複数の開口を有し、前記撮像レンズからの光のうち前記開口に入射する光のみを前記光電変換素子に導く一方、前記開口以外に入射する光を遮断する遮断手段と、
それぞれが前記遮断手段と前記撮像レンズとの間で前記複数の開口に1対1で対応して配置され、前記撮像レンズの瞳の像を対応する開口の近傍に形成する複数の投影素子を有する投影手段と、を備え、
前記開口の径が前記開口近傍に投影される前記撮像レンズの瞳の投影像よりも小さいことを特徴とする撮像装置。In an imaging device that guides light from an imaging object to an imaging element in which a plurality of photoelectric conversion elements are arranged via an imaging lens, and captures an image of the imaging object,
The plurality of photoelectric conversion elements have a plurality of openings corresponding one-to-one, and only light incident on the opening among the light from the imaging lens is guided to the photoelectric conversion element, and is incident on other than the opening. Blocking means for blocking light;
Each has a plurality of projection elements that are arranged in a one-to-one correspondence with the plurality of apertures between the blocking means and the imaging lens, and that form a pupil image of the imaging lens in the vicinity of the corresponding aperture. A projection means,
An imaging apparatus, wherein a diameter of the aperture is smaller than a projected image of a pupil of the imaging lens projected in the vicinity of the aperture.
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