JP5548310B2 - 撮像装置、撮像装置を備える撮像システム、及び撮像方法 - Google Patents

Description

本発明はカメラ等の撮像装置およびその撮像装置を用いた撮像方法に関する。

近年、自動車の車間距離測定やカメラの自動焦点システム、３次元形状測定システムに、複数の撮像光学系間の視差によって被写体（測距対象物）までの距離を測定する測距装置が用いられている。

このような測距装置では、左右または上下に配置する一対の撮像光学系によってそれぞれの撮像領域に画像が形成され、それらの画像の視差から三角測量によって被写体までの距離が検出される。

また、単一の撮像光学系から被写体までの距離を測定する方式として、ＤＦＤ（Ｄｅｐｔｈ Ｆｒｏｍ Ｄｅｆｏｃｕｓ）法が知られている。ＤＦＤ法は、取得した画像のボケ量の解析から距離を算出する手法であるが、単一の画像では被写体そのものの模様であるのか、被写体距離によってボケているのかを判別することができないため、複数の画像から距離を推定する方法が用いられている（特許文献１、非特許文献１）。

特許第３１１００９５号公報 特開２０１０−３９１６２号公報

Xue Tu、Youn-sik Kang and Murali Subbarao、"Two- and Three-Dimensional Methods for Inspection and Metrology V. " Edited by Huang、 Peisen S.. Proceedings of the SPIE、 Volume 6762、 pp. 676203 (2007).

複数の撮像光学系を用いた構成では、撮像装置が大型化、高コスト化する。また、複数の撮像光学系の特性を揃え、かつ複数の撮像光学系の光軸を高精度で平行にする必要性があるため、製造が難しく、さらにはカメラパラメータを求めるためのキャリブレーション工程が必要であるため、多くの工数を要する。

特許文献１および非特許文献１に開示されるようなＤＦＤ法では、１つの撮像光学系によって被写体までの距離を算出することができる。しかしながら、特許文献１および非特許文献１の方法では、焦点が合う被写体までの距離（合焦距離）を変化させて、時分割で複数の画像を取得する必要がある。このような手法を動画に適用すると、撮影の時間差により画像間にズレが生じてしまうため、測距精度を低下させてしまうという課題が生じる。

また、特許文献１には、プリズムによって光路を分割し、バックフォーカスを異ならせた２つの撮像面によって撮像することによって、１回の撮像で被写体までの距離を測定することができる撮像装置が開示されている。しかしながら、このような方法では、撮像面が２つ必要になるため、撮像装置が大型化し、かつ大幅なコストアップとなってしまうという課題が生じる。

本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、その主な目的は、単一の撮像光学系を用いて被写体距離算出が可能な輝度情報を取得することができる撮像装置および撮像方法を提供することにある。

本発明の撮像装置は、合焦特性を互いに異ならせる光学特性を有する６つの領域を含む複数の領域を有するレンズ光学系と、前記レンズ光学系を通過した光が入射する複数の画素を有する撮像素子と、前記レンズ光学系と前記撮像素子との間に配置され、前記６つの領域を通過した光のそれぞれを前記撮像素子上の互いに異なる画素に入射させるアレイ状光学素子とを備える。

本発明の撮像システムは、本発明の撮像装置と、前記撮像装置における前記６つの領域を通過した光が入射する６つの異なる画素それぞれにおいて得られる複数の画像の輝度情報を用いて被写体までの距離を算出する信号処理装置とを備える。

本発明の撮像方法は、合焦特性を互いに異ならせる光学特性を有する６つの領域を含む複数の領域を有するレンズ光学系と、前記レンズ光学系を通過した光が入射する複数の画素を有する撮像素子と、前記レンズ光学系と前記撮像素子との間に配置されたアレイ状光学素子とを備える撮像装置を用い、前記アレイ状光学素子によって、前記６つの領域を通過した光のそれぞれを前記撮像素子上の互いに異なる画素に入射させ、前記６つの領域を通過した光が入射する６つの異なる画素それぞれにおいて得られる複数の画像の輝度情報を用いて被写体までの距離を算出する。

本発明の別の撮像装置は、合焦特性を互いに異ならせる光学特性を有する３つの領域を含む複数の領域を有するレンズ光学系と、前記レンズ光学系を通過した光が入射し、中心点が正六角形の各頂点に位置する複数の画素を含む撮像素子と、前記レンズ光学系と前記撮像素子との間に配置され、前記３つの領域を通過した光のそれぞれを前記撮像素子上の互いに異なる画素に入射させるアレイ状光学素子とを備える。

本発明のさらに別の撮像装置は、合焦特性を互いに異ならせる光学特性を有する４つの領域を含む複数の領域を有するレンズ光学系と、前記レンズ光学系を通過した光が入射し、中心点の行方向における位置が、１行ごとに画素の配列ピッチの半分ずれて配列している複数の画素を含む撮像素子と、前記レンズ光学系と前記撮像素子との間に配置され、前記４つの領域を通過した光のそれぞれを前記撮像素子上の互いに異なる画素に入射させるアレイ状光学素子とを備える。

本発明によれば、単一の撮像系を用いた撮像によって、被写体距離算出が可能な輝度情報を取得することができる。本発明では、複数の撮像光学系を用いた撮像装置のように、複数の撮像光学系間の特性や位置をそろえる必要がないため、製造工程数を削減することができ、製造が容易になる。また、本発明の撮像装置を用いて動画を撮影した場合、時間の経過によって被写体の位置に変化が生じても、被写体までの正確な距離を測定することができる。

本発明による撮像装置Ａの実施の形態１を示す模式図である。 本発明の実施の形態１における光学素子Ｌ１を被写体側から見た正面図である。 本発明の実施の形態１におけるアレイ状光学素子Ｋの斜視図である。 （ａ）は、図１に示すアレイ状光学素子Ｋおよび撮像素子Ｎを拡大して示す図であり、（ｂ）は、アレイ状光学素子Ｋと撮像素子Ｎ上の画素との位置関係を示す図である。 本発明による撮像装置Ａを示す断面図である。 本発明の実施の形態１における被写体距離と鮮鋭度（画像のシャープさ）の関係を示すグラフである。 （ａ）から（ｃ）は、１６×１６のサイズの画像ブロックの輝度分布を示す図であり、（ｄ）から（ｆ）は、（ａ）から（ｃ）のそれぞれに示す画像ブロックを２次元でフーリエ変換を行うことによって得られた周波数スペクトルを示す図である。 本発明の実施の形態１における光学素子Ｌ１を被写体側から見た正面図である。 本発明の実施例１におけるアレイ状光学素子Ｋと撮像素子Ｎ上の画素との位置関係を示す図である。 本発明の実施の形態１における光学素子Ｌ１を被写体側から見た正面図である。 本発明の実施の形態１におけるアレイ状光学素子Ｋと撮像素子Ｎ上の画素との位置関係を示す図である。 本発明の実施の形態１におけるアレイ状光学素子Ｋの斜視図である。 本発明の実施の形態１におけるアレイ状光学素子Ｋと撮像素子Ｎ上の画素との位置関係を示す図である。 本発明による撮像装置Ａの実施の形態２を示す模式図である。 本発明の実施の形態２における光学素子Ｌ１を被写体側から見た正面図である。 （ａ）は、図１４に示すアレイ状光学素子Ｋおよび撮像素子Ｎを拡大して示す図であり、（ｂ）は、アレイ状光学素子Ｋと撮像素子Ｎ上の画素との位置関係を示す図である。 本発明の実施の形態２における被写体距離と鮮鋭度（画像のシャープさ）の関係を示すグラフである。 本発明の実施の形態２における光学素子Ｌ１を被写体側から見た正面図である。 本発明の実施の形態２におけるアレイ状光学素子Ｋと撮像素子Ｎ上の画素との位置関係を示す図である。 （ａ１）は、光軸に対して回転非対称な形状を有するマイクロレンズアレイを示す斜視図である。（ａ２）は、（ａ１）に示すマイクロレンズアレイの等高線を示す図である。（ａ３）は、（ａ１）、（ａ２）に示すマイクロレンズを本発明のアレイ状光学素子に適用した場合の、光線追跡シミュレーションの結果を示す図である。（ｂ１）は、光軸に対して回転対称な形状を有するマイクロレンズアレイを示す斜視図である。（ｂ２）は、（ｂ１）に示すマイクロレンズアレイの等高線を示す図である。（ｂ３）は、（ｂ１）、（ｂ２）に示すマイクロレンズを本発明の実施の形態におけるアレイ状光学素子に適用した場合の、光線追跡シミュレーションの結果を示す図である。

以下、本発明による撮像装置の実施形態を、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１は、実施の形態１の撮像装置Ａを示す模式図である。本実施形態の撮像装置Ａは、Ｖを光軸とするレンズ光学系Ｌと、レンズ光学系Ｌの焦点近傍に配置されたアレイ状光学素子Ｋと、撮像素子Ｎと、第１の信号処理部Ｃ１と、第２の信号処理部Ｃ２と、記憶部Ｍｅを備える。

レンズ光学系Ｌは、合焦特性を互いに異ならせる光学特性を有する６つの光学領域Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４、Ｄ５及びＤ６（図１ではＤ２、Ｄ５を通る断面を図示）を有し、被写体（図示せず）からの光束Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４、Ｂ５及びＢ６（図１ではＢ２、Ｂ５を通る断面を図示）が入射する光学素子Ｌ１と、光学素子Ｌ１を通過した光が入射する絞りＳと、絞りＳを通過した光が入射するレンズＬ２とから構成されている。光学素子Ｌ１は、絞りＳの近傍に配置されていることが好ましい。

本実施形態では、６つの光学領域Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４、Ｄ５及びＤ６を通過した光は、レンズＬ２を通過した後、アレイ状光学素子Ｋに入射する。アレイ状光学素子Ｋは、６つの光学領域Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４、Ｄ５及びＤ６を通過した光を、それぞれ撮像素子Ｎにおける６種類の画素群Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、Ｐ５及びＰ６に入射させる。６種類の画素群Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、Ｐ５及びＰ６のそれぞれには、複数の画素が属している。例えば図４（ｂ）において、画素ｐ１、ｐ２、ｐ３、ｐ４、ｐ５、ｐ６は、それぞれ、画素群Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、Ｐ５、Ｐ６に属する画素である。

第１の信号処理部Ｃ１は、画素群Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、Ｐ５及びＰ６において得られる画像Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３、Ｉ４、Ｉ５及びＩ６をそれぞれ出力する。６つの光学領域Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４、Ｄ５及びＤ６の光学特性は互いに異なるため、画像Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３、Ｉ４、Ｉ５及びＩ６の画像の鮮鋭度（輝度を用いて算出される値）は、被写体距離によって異なる。記憶部Ｍｅには、光学領域Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４、Ｄ５及びＤ６のそれぞれを通過した光の鮮鋭度と被写体距離との相関関係が記憶されている。第２の信号処理部Ｃ２において、画像Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３、Ｉ４、Ｉ５及びＩ６の鮮鋭度と上記相関関係とに基づいて、被写体までの距離を得ることができる。

図２は、光学素子Ｌ１を被写体側から見た正面図である。光学素子Ｌ１における光学領域Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４、Ｄ５及びＤ６は、光軸Ｖを境界中心として、光軸Ｖに垂直な面内で６分割されている。図２において、破線ｓは絞りＳの位置を示している。図１における光束Ｂ２は、光学素子Ｌ１上の光学領域Ｄ２を通過する光束であり、光束Ｂ５は、光学素子Ｌ１上の光学領域Ｄ５を通過する光束である。光束Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４、Ｂ５及びＢ６は、光学素子Ｌ１、絞りＳ、レンズＬ２、アレイ状光学素子Ｋをこの順に通過し、撮像素子Ｎ上の撮像面Ｎｉ（図４等に示す）に到達する。

図３は、アレイ状光学素子Ｋの斜視図である。アレイ状光学素子Ｋにおける撮像素子Ｎ側の面には、光軸Ｖに垂直な面内で光学要素Ｍ１が六方最密状に配列されている。それぞれの光学要素Ｍ１の断面（縦方向の断面）は、撮像素子Ｎ側に突出した曲面形状を有する。このように、アレイ状光学素子Ｋは、マイクロレンズアレイの構成を有する。

図１に示すように、アレイ状光学素子Ｋは、レンズ光学系Ｌの焦点近傍に配置されており、撮像面Ｎｉから所定の距離だけ離れた位置に配置されている。実際には、光学素子Ｌ１における光学特性がレンズ光学系Ｌ全体としての合焦特性に影響を与えるが、アレイ状光学素子Ｋが配置される位置は、たとえば、レンズＬ２の焦点を基準にして決定すればよい。なお、本実施形態において、「合焦特性が異なる」とは、その光学系において光の集光に寄与する特性の少なくとも１つが異なることをいい、具体的には、焦点距離、焦点が合う被写体までの距離、鮮鋭度が一定の値以上となる距離範囲などが異なることをいう。光学領域Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４、Ｄ５及びＤ６の表面の曲率半径や非球面係数や屈折率を調整して光学特性を異ならせることにより、各領域を通過した光線による合焦特性を異なるものとすることができる。

図４（ａ）は、図１に示すアレイ状光学素子Ｋおよび撮像素子Ｎを拡大して示す図であり、図４（ｂ）は、アレイ状光学素子Ｋと撮像素子Ｎ上の画素との位置関係を示す図である。アレイ状光学素子Ｋは、光学要素Ｍ１が形成された面が撮像面Ｎｉ側に向かうように配置されている。撮像面Ｎｉには、幾何学的な形状をした画素Ｐの中心点が正六角形の各頂点にくるように配列されている。具体的には、特許文献２に記載のようなハニカム配列の画素を用いることができる。撮像面に設けられた複数の画素Ｐは、画素群Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、Ｐ５及びＰ６のいずれかに属する画素に区別できる。アレイ状光学素子Ｋは、その光学要素Ｍ１の１つが、画素群Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、Ｐ５及びＰ６にそれぞれ含まれる６つの画素ｐ１、ｐ２、ｐ３、ｐ４、ｐ５及びｐ６に対応するように配置されている。第１から第６の画素群Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、Ｐ５及びＰ６にそれぞれ含まれる６つの画素ｐ１、ｐ２、ｐ３、ｐ４、ｐ５及びｐ６の中心点が、正六角形の各頂点に位置している。撮像面Ｎｉ上には、画素群Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、Ｐ５及びＰ６にそれぞれ含まれる６つの画素ｐ１、ｐ２、ｐ３、ｐ４、ｐ５及びｐ６の表面を覆うようにマイクロレンズＭｓ（光学要素Ｍ１）が設けられている。

なお、光学要素Ｍ１は六方最密状に配列することで、正六角形の各頂点にくるように配置された画素を効率よく覆うことができるため好ましい。

アレイ状光学素子は、光学素子Ｌ１上の光学領域Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４、Ｄ５及びＤ６を通過した光束Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４、Ｂ５及びＢ６の大部分が、撮像面Ｎｉ上の画素群Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、Ｐ５及びＰ６にそれぞれ到達するように設計されている。具体的には、アレイ状光学素子Ｋの屈折率、撮像面Ｎｉからの距離及び光学要素Ｍ１表面の曲率半径などのパラメータを適切に設定することで、上記構成が実現する。

ここで、図１に示す第１の信号処理部Ｃ１により、画素群Ｐ１のみで形成された第１の画像Ｉ１が出力される。同様に、画素群Ｐ２・・・、Ｐ６のみで形成された画像Ｉ２・・・Ｉ６がそれぞれ出力される。第２の信号処理部Ｃ２により、画像Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３、Ｉ４、Ｉ５及びＩ６において隣接する画素間の輝度値の差（鮮鋭度）によって表される輝度情報を用いて測距演算が実行される。

画像Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３、Ｉ４、Ｉ５及びＩ６は、合焦特性を互いに異ならせる光学特性を有する光学領域Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４、Ｄ５及びＤ６を通過した光束Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４、Ｂ５及びＢ６によって得られる画像である。第２の信号処理部Ｃ２は、第１から第６の画素群Ｐ１からＰ６のうち複数の画素群において得られる複数の画像の鮮鋭度（輝度情報）を用いて被写体までの距離を算出する。本実施形態では、画像Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３、Ｉ４、Ｉ５及びＩ６を用いて、光学領域の分割数が少ないものと比較して、近距離にある被写体までの距離を精度良く求めることができる。つまり、単一の撮像光学系（レンズ光学系Ｌ）を用いた（例えば１回の）撮像によって、被写体までの距離を精度よく取得することができる。

絞りＳは全ての画角の光束が通過する領域である。従って、絞りＳの近傍に合焦特性を制御する光学特性を有する面を挿入することにより、全ての画角の光束の合焦特性を同様に制御することができる。すなわち、本実施形態では、光学素子Ｌ１は、絞りＳの近傍に設けられていることが好ましい。互いに合焦特性を異ならせる光学特性を有する光学領域Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４、Ｄ５及びＤ６を、絞りＳの近傍に配置することによって、領域の分割数に応じた合焦特性を光束に与えることができる。

図１においては、光学素子Ｌ１を通過した光が、直接（他の光学部材を介することなく）、絞りＳに入射する位置に設けられている。光学素子Ｌ１は、絞りＳよりも撮像素子Ｎ側に設けられていてもよい。この場合、光学素子Ｌ１は、絞りＳとレンズＬ２との間に設けられており、絞りＳを通過した光が、直接（他の光学部材を介することなく）、光学素子Ｌ１に入射することが好ましい。像側テレセントリック光学系の場合、光学系の焦点における光線の入射角は、絞りＳを通過する光線の位置と画角によって一義的に決定される。また、アレイ状光学素子Ｋは、光線の入射角に応じて出射方向を振り分ける機能を有する。そのため、絞りＳの近傍で分割された光学領域Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４、Ｄ５及びＤ６に対応するように、撮像面Ｎｉ上の画素に光束を振り分けることができる。

次に、具体的に被写体距離を求める方法について説明する。

図５は、実施の形態１における撮像装置Ａを示す断面図である。図５において図１と同じ構成要素には、図１と同じ符号を付している。図５においてはアレイ状光学素子Ｋ（図１等に示す）の図示は省略しているが、図５の領域Ｈには、実際には、アレイ状光学素子Ｋが含まれている。領域Ｈは、図４（ａ）に示す構成を有する。図５に示すような光学系の設計データを作成し、これに基づいて、光学領域Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４、Ｄ５及びＤ６を通過した光束Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４、Ｂ５及びＢ６によって形成される点像強度分布を求める。次に、６分割されてできた６つの画像から、正方配列の画像に変換する。

被写体距離と鮮鋭度の関係をグラフで示すと、図６のような関係になる。図６のグラフにおいて、プロファイルＧ１、Ｇ２・・・、Ｇ６は、それぞれ画素群Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、Ｐ５及びＰ６のみで生成された画像の所定領域の鮮鋭度を示している。鮮鋭度は、所定の大きさの画像ブロック内において隣接する画素間の輝度値の差分に基づいて求めることができる。また、所定の大きさの画像ブロックの輝度分布をフーリエ変換した周波数スペクトルに基づいて求めることもできる。

所定の大きさのブロック内のおける鮮鋭度をＥとし、隣接する画素間の輝度値の差分に基づいて求める場合は、たとえば（数１）を用いる。

（数１）において、Δｘ_i、_jは、所定の大きさの画像ブロック内のある座標における画素の輝度値と、隣接するブロック内の同じ位置にある画素の輝度値との差分値であり、Δｙ_i、_jは、所定の大きさの画像ブロック内の座標における画素の輝度値と、隣接するブロック内の同じ位置にある画素の輝度値との差分値であり、ｋは係数である。Δｙ_i、_jには所定の係数を乗じることが望ましい。

次に、所定の大きさのブロック内のおける鮮鋭度Ｅをフーリエ変換した周波数スペクトルに基づいて求める方法について説明する。画像は２次元であるため、２次元フーリエ変換を用いて鮮鋭度を求める方法について説明する。ここでは、所定のブロックサイズの鮮鋭度を２次元のフーリエ変換によって求める場合を説明する。

図７（ａ）から（ｃ）は、１６×１６のサイズの画像ブロックの輝度分布を示している。図７（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の順に鮮鋭度が小さくなっている。図７（ｄ）から（ｆ）は、図７（ａ）から（ｃ）のそれぞれに示す画像ブロックを２次元でフーリエ変換を行うことによって得られた周波数スペクトルを示す。図７（ｄ）から（ｆ）では、わかりやすくするために、各周波数スペクトルの強度を対数変換して表示しており、周波数スペクトルが強いほど明るく示されている。各周波数スペクトルにおいて中央の最も輝度の高い箇所が直流成分であり、周辺部に近づくほど周波数が高くなっている。図７（ｄ）から（ｆ）では、画像の鮮鋭度が小さくなるほど、高い周波数スペクトルの値が欠落していくことがわかる。従って、これらの周波数スペクトルから鮮鋭度を求めるには、たとえば、周波数スペクトル全体あるいは一部を抽出することによって求めることができる。

ここで、図６におけるＺの範囲は、鮮鋭度Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３、Ｇ４、Ｇ５およびＧ６のいずれかが変化している領域を示している。Ｚの範囲では、このような関係を利用して被写体距離を求めることができる。例えば、Ｚの範囲では、被写体距離と、鮮鋭度Ｇ１とＧ２の比、Ｚ２の範囲では鮮鋭度Ｇ２とＧ３の比、Ｚ３の範囲では鮮鋭度Ｇ３とＧ４の比、Ｚ４の範囲では鮮鋭度Ｇ４とＧ５の比、Ｚ５の範囲では鮮鋭度Ｇ５とＧ６の比に相関がある。このように、被写体距離がある一定の範囲内（ｚ１からｚ６）にある場合、６つの光学領域Ｄ１からＤ６に入射した光によって形成される６つの画像のうち、任意の２つの画像の鮮鋭度の比の値は、被写体距離と相関関係を有する。これらの鮮鋭度の比と被写体距離との相関関係をあらかじめ記憶部Ｍｅに記憶しておく。

撮像装置の使用時には、１回の撮像の結果得られるデータのうち、各画素群Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、Ｐ５及びＰ６ごとに生成された画像Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３、Ｉ４、Ｉ５及びＩ６の鮮鋭度の比を演算ブロックごとに求める。そして、記憶部Ｍｅに記憶されている相関関係（任意の２つの画像の相関関係と鮮鋭度の比）を利用して、被写体距離を求めることができる。具体的には、演算ブロックごとに、上記相関関係における鮮鋭度の比と、画像Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３、Ｉ４、Ｉ５及びＩ６の鮮鋭度の比の値とを比較する。そして、両者が一致する値に対応する被写体距離を、撮影時の被写体までの距離とする。

画像Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３、Ｉ４、Ｉ５及びＩ６の鮮鋭度の比から被写体距離を一意的に求めるためには、鮮鋭度の比が所定の被写体距離範囲内ですべて異なっている必要がある。

図６においては、Ｚの範囲で、いずれかの光学系の鮮鋭度が高くなるように構成されており、鮮鋭度の比がすべて異なっているため、被写体距離を一意的に求めることができる。また、鮮鋭度の値が低すぎると比を求めることができないため、鮮鋭度の値は一定値以上であることが好ましい。

なお、被写体距離と鮮鋭度の関係は、光学領域Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４、Ｄ５及びＤ６の表面の曲率半径や球面収差特性や屈折率によって決まる。つまり、光学領域Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４、Ｄ５及びＤ６は画像Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３、Ｉ４、Ｉ５及びＩ６の鮮鋭度の比が、所定の距離範囲内ですべて異なるような光学特性を有している必要がある。

なお、本実施形態では、輝度を用いて算出される値（輝度情報）であれば、鮮鋭度以外の値、例えばコントラストを用いて被写体距離を求めてもよい。コントラストは、例えば、所定の演算ブロック内における最大輝度値と最低輝度値の比から求めることができる。鮮鋭度は輝度値の差分であるのに対し、コントラストは輝度値の比である。最大輝度値である一点と最低輝度値である一点の比からコントラストを求めてもよいし、例えば、輝度値の上位数点の平均値と、輝度値の下位数点の平均値との比からコントラストを求めてもよい。コントラストを用いて被写体距離を求める場合も、鮮鋭度の場合と同様に、あらかじめ被写体距離とコントラストの比との相関関係を記憶部Ｍｅに記憶させておく。ブロック毎に画像Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３、Ｉ４、Ｉ５及びＩ６のコントラストの比を求めることにより、相関関係を利用して被写体距離を求めることができる。

なお、本実施形態では、隣接する画素における輝度値の差分から鮮鋭度を求める方法、および、フーリエ変換によって鮮鋭度を求める方法のいずれを採用してもよい。ただし、輝度値は相対的な値であるため、前者の方法で求めた輝度値と後者の方法で求めた輝度値は異なる値となる。従って、相関関係（あらかじめ記憶しておく被写体距離と鮮鋭度の比との相関関係）を求めるために鮮鋭度を求める方法と、撮像時に鮮鋭度を求める方法とは一致させておく必要がある。

本実施の形態では、撮像装置の光学系は、像側テレセントリック光学系を用いてもよい。これにより画角が変化しても、アレイ状光学素子Ｋの主光線入射角は、０度に近い値で入射するため、撮像領域全域にわたって、画素群Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、Ｐ５及びＰ６に到達するそれぞれの光束のクロストークを低減することができる。

本実施形態では、レンズ光学系Ｌとして、像側非テレセントリック光学系を用いてもよい。この場合、光学素子Ｌ１の６つの領域の曲率半径がそれぞれ異なるため、それぞれの領域にとって得られる画像Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３、Ｉ４、Ｉ５及びＩ６の倍率が異なる。ここで、前述のような鮮鋭度の比を画像の領域毎に算出した場合、光軸外では互いに参照する所定領域がずれてしまい、鮮鋭度の比を正しく求めることができない。この場合、画像Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３、Ｉ４、Ｉ５及びＩ６の倍率を略同一になるように補正して、所定領域の鮮鋭度の比を求めることにより、正しく求めることができる。

また、本実施形態１では、光学領域Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４、Ｄ５及びＤ６の面積（光軸に沿った方向から見た場合の面積）を等しくしている（略同一の面積）。このような構成により、画素群Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、Ｐ５及びＰ６の露光時間を等しくすることができる。光学領域Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４、Ｄ５及びＤ６の面積が異なる場合には、画素群Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、Ｐ５及びＰ６の露光時間を異ならせるか、撮像後に明るさ調整を行うことが好ましい。

以上に述べたように、本実施形態によると、光学素子Ｌ１の６つの光学領域Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４、Ｄ５及びＤ６によって得られる画像の鮮鋭度（またはコントラスト）の比と被写体距離の相関関係をあらかじめ記憶しておき、撮像された画像Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３、Ｉ４、Ｉ５及びＩ６における鮮鋭度（またはコントラスト）の比と、上記相関関係とに基づいて、被写体までの距離を得ることができる。即ち、本実施形態の撮像装置を用いて、例えば１回の撮像を行うことにより、被写体距離測定が可能な輝度情報を取得することができる。そして、当該輝度情報を用いて被写体距離を算出することができる。以上のとおり、本実施形態では、単一の撮像光学系（レンズ光学系Ｌ）を用いて（例えば１回の）撮像によって被写体までの距離を得ることができるため、複数の撮像光学系を用いた撮像装置のように、複数の撮像光学系間の特性や位置を揃える必要がない。また、本実施形態の撮像装置を用いて動画を撮影した場合、時間の経過によって被写体の位置に変化が生じても被写体までの正確な距離を測定することができる。

なお、撮像面Ｎｉにおいて画素の中心点が正六角形の各頂点にくるように配置する場合、光学領域Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４、Ｄ５およびＤ６の光学特性は、６種類ではなく３種類であってもよい。つまり、図８に示すように、分割した６つの領域のうち、光軸に対して点対称の位置にある２つの領域を同一の光学特性として、合焦特性を互いに異ならせる光学特性を有する３つの光学領域（Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３）を有する構成にしてもよい。このとき、図９に示すように、撮像素子Ｎにおける画素の中心点が正六角形の各頂点にくるように配置する。また、３つの光学領域Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３を通過した光は、画素群Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３にそれぞれ入射する。画素群Ｐ１に含まれる２つの画素ｐ１は、光学要素Ｍ１の中心軸に対して点対称の位置にある。同様に、画素群Ｐ２、Ｐ３に含まれる２つの画素ｐ２および２つの画素ｐ３は、それぞれ、光学要素Ｍ１の中心軸に対して点対称の位置にある。この構成により、各光学領域Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３を通過した光が入射する画素群Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３それぞれにおいて得られる画像間に視差が発生しない。このため、高精度な測距が可能である。

また、図１０に示すように、光軸を含む面で横方向に２分割し、縦方向に３分割することにより、領域を６分割して、それぞれ異なる光学特性を有する領域（Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４、Ｄ５及びＤ６）を形成してもよい。このとき、マイクロレンズが碁盤状に配列したマイクロレンズアレイと、図１１のような長方形の画素を組み合わせることが考えられる。また、図１２のように、外枠が長方形の形状をしたマイクロレンズ（光学要素Ｍ１）を配列したマイクロレンズアレイを、図１３のように正方形の画素６つとマイクロレンズ（光学要素Ｍ１）とが対応するように配置する組合せでも、同様の効果が得られる。

（実施の形態２）
本実施の形態２は、光学素子Ｌ１の領域分割を７つにした点で実施の形態１と異なっている。ここでは、本実施形態において実施の形態１と同様の内容についての詳細な説明は省略する。

図１４は、本発明による撮像装置Ａの実施の形態２を示す模式図である。図１４において、実施の形態１と同じ構成要素には、同じ符号を付して示している。本実施形態の撮像装置Ａは、Ｖを光軸とするレンズ光学系Ｌと、レンズ光学系Ｌの焦点近傍に配置されたアレイ状光学素子Ｋと、撮像素子Ｎと、第１の信号処理部Ｃ１と、第２の信号処理部Ｃ２と、記憶部Ｍｅを備える。レンズ光学系Ｌは、合焦特性を互いに異ならせる光学特性を有する７つの光学領域Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４、Ｄ５、Ｄ６及びＤ７（図１４ではＤ１、Ｄ２、Ｄ５を通る断面を図示）を有し、被写体（図示せず）からの光束Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４、Ｂ５、Ｂ６及びＢ７（図１４ではＢ１、Ｂ２、Ｂ５を通る断面を図示）が入射する光学素子Ｌ１と、光学素子Ｌ１を通過した光が入射する絞りＳと、絞りＳを通過した光が入射するレンズＬ２とから構成されている。

絞りＳは、レンズ光学系Ｌの近傍に設置されており、単一開口である。

本実施形態では、７つの光学領域Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４、Ｄ５、Ｄ６及びＤ７を通過した光は、レンズＬ２を通過した後、アレイ状光学素子Ｋに入射する。アレイ状光学素子Ｋは、７つの光学領域Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４、Ｄ５、Ｄ６及びＤ７を通過した光をそれぞれ撮像素子Ｎにおける画素群Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、Ｐ５、Ｐ６及びＰ７（図１６等に示す）に入射させる。第１の信号処理部Ｃ１は、画素群Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、Ｐ５、Ｐ６及びＰ７において得られる画像Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３、Ｉ４、Ｉ５、Ｉ６及びＩ７をそれぞれ出力する。７つの光学領域Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４、Ｄ５、Ｄ６及びＤ７の光学特性は互いに異なるため、画像Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３、Ｉ４、Ｉ５、Ｉ６及びＩ７の画像の鮮鋭度（輝度を用いて算出される値）は、被写体距離によって異なる。記憶部Ｍｅには、光学領域Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４、Ｄ５、Ｄ６及びＤ７のそれぞれを通過した光の鮮鋭度と被写体距離との相関関係が記憶されている。第２の信号処理部Ｃ２において、画像Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３、Ｉ４、Ｉ５、Ｉ６及びＩ７の鮮鋭度と上記相関関係とに基づいて、被写体までの距離を得ることができる。

図１５は、光学素子Ｌ１を被写体側から見た正面図である。光学領域はレンズ光学系の光軸上に位置する１つの中心部領域Ｄ１と、その周辺に位置する６つの周辺部領域Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４、Ｄ５、Ｄ６及びＤ７とからなる。

本実施形態２では、光学領域Ｄ１は光学領域Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４、Ｄ５、Ｄ６及びＤ７と異なる形状をしているが、光学領域Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４、Ｄ５、Ｄ６及びＤ７は、それぞれ等しい面積を有している。このような構成により、各光学領域からの光が入射する画素群Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、Ｐ５、Ｐ６及びＰ７における露光時間を等しくすることができる。なお、各光学領域の面積が異なる場合には、面積に応じて画素毎の露光時間を異ならせるか、画像生成時に明るさを調整することが好ましい。

また、破線ｓは絞りＳの位置を示している。

本実施形態において、アレイ状光学素子Ｋの構成は第１の実施形態と同様であり、本実施形態のアレイ状光学素子Ｋの斜視図は、図３と同様である。

図１６（ａ）は、図１４に示すアレイ状光学素子Ｋと撮像素子Ｎとを拡大して示す図であり、図１６（ｂ）はアレイ状光学素子Ｋと撮像素子Ｎ上の画素との位置関係を示す図である。

アレイ状光学素子Ｋは、光学要素Ｍ４が形成された面が撮像面Ｎｉ側に向かうように配置されている。撮像面Ｎｉにおいて、複数の画素Ｐは、例えば、ｎ行（ｎは２以上の整数）に配列されている。図１６（ｂ）に示すように、画素の中心点の行方向（横方向）における位置が、１行ごとに画素の配列ピッチの半分だけずれて配列されている。複数の画素Ｐは、画素群Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、Ｐ５、Ｐ６及びＰ７のいずれかに属する画素ｐ１、ｐ２、ｐ３、ｐ４、ｐ５、ｐ６及びｐ７に区別できる。画素群Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、Ｐ５、Ｐ６及びＰ７にそれぞれ含まれる６つの画素ｐ２、ｐ３、ｐ４、ｐ５、ｐ６及びｐ７は、それぞれ六角形の頂点に配置されており、画素群Ｐ１に含まれる画素ｐ１は、六角形の中心に配置されている。

アレイ状光学素子Ｋは、レンズ光学系Ｌの焦点近傍に配置されており、撮像面Ｎｉから所定の距離だけ離れた位置に配置されている。また、撮像面Ｎｉ上には、画素群Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、Ｐ５、Ｐ６及びＰ７にそれぞれ含まれる７つの画素ｐ１、ｐ２、ｐ３、ｐ４、ｐ５、ｐ６及びｐ７の表面を覆うようにマイクロレンズＭｓが設けられている。

また、アレイ状光学素子Ｋは、光学要素Ｍ４が形成された面が撮像面Ｎｉ側に向かうように配置されている。アレイ状光学素子Ｋは、その光学要素Ｍ４のひとつが、画素群Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、Ｐ５、Ｐ６及びＰ７にそれぞれ含まれる７つの画素ｐ１、ｐ２、ｐ３、ｐ４、ｐ５、ｐ６及びｐ７に対応するように構成されている。アレイ状光学素子は、光学素子Ｌ１上の光学領域Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４、Ｄ５、Ｄ６及びＤ７を通過した光束Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４、Ｂ５、Ｂ６及びＢ７の大部分が、撮像面Ｎｉ上の画素群Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、Ｐ５、Ｐ６及びＰ７にそれぞれ到達するように設計されている。具体的には、アレイ状光学素子Ｋの屈折率、撮像面Ｎｉからの距離及び光学要素Ｍ４表面の曲率半径などのパラメータを適切に設定することで、上記構成が実現する。

ここで、図１４に示す第１の信号処理部Ｃ１により、画素群Ｐ１のみで形成された第１の画像Ｉ１が出力される。同様に、画素群Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、Ｐ５、Ｐ６、及びＰ７のみで形成された画像Ｉ２、Ｉ３、Ｉ４、Ｉ５、Ｉ６及びＩ７がそれぞれ出力される。第２の信号処理部Ｃ２により、画像Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３、Ｉ４、Ｉ５、Ｉ６及びＩ７において隣接する画素間の輝度値の差（鮮鋭度）によって表される輝度情報を用いて測距演算が実行される。

本実施形態２において、被写体距離と鮮鋭度の関係は、図１７のようになり、Ｚの範囲内において、被写体距離を求めることができる。

以上に述べたように、本実施形態によると、合焦特性を互いに異ならせる光学特性を有する７つの領域によって、７つの異なる画像を同時に取得できる構成となっており、単一の撮像光学系を用いた（例えば１回の）撮像によって被写体までの距離を得ることができる。この構成により、図６に示す６つの領域に分割した形態と比較して、測距可能な被写体距離範囲を広げることができる。

なお、撮像面Ｎｉにおいて画素の中心点の行方向における位置が、１行ごとに画素の配列ピッチの半分ずれて配列されている場合、光学領域Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４、Ｄ５、Ｄ６およびＤ７の光学特性は、７種類ではなく４種類であってもよい。つまり、図１８に示すように、レンズ光学系の光軸上に位置する１つの中心部領域とその周辺に位置する６つの周辺部領域とに分割した７つの領域のうち、光軸に対して点対称の位置にある２つの領域を同一の光学特性として、合焦特性を互いに異ならせる光学特性を有する４つの光学領域（Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３及びＤ４）を有する構成にしてもよい。このとき、図１９に示すように、画素の中心点の行方向における位置が、１行ごとに画素の配列ピッチの半分ずれて配列させる。また、光学領域Ｄ１を通過した光が入射する画素群Ｐ１に含まれる画素は、それぞれ、光学要素Ｍ４の中心軸上に位置する。また、光軸に対して点対称の位置にある２つの領域からなる光学領域Ｄ２、Ｄ３及びＤ４を通過した光は、画素群Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４にそれぞれ入射する。画素群Ｐ２に含まれる２つの画素ｐ２は、光学要素Ｍ４の中心軸に対して点対称の位置にある。同様に、画素群Ｐ３、Ｐ４に含まれる２つの画素ｐ３および２つの画素ｐ４は、それぞれ、光学要素Ｍ４の中心軸に対して点対称の位置にある。この構成により、各光学領域Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３及びＤ４を通過した光が入射する画素群Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３及びＰ４それぞれにおいて得られる画像間に視差が発生しない。このため、高精度な測距が可能である。

（その他の実施の形態）
なお、実施の形態１および２は、合焦特性を異ならせるための曲面形状などが光学素子Ｌ１における被写体側の面に配置された形態であるが、このような曲面形状などは光学素子Ｌ１の像側の面に配置されていてもよい。

また、レンズＬ２は１枚の構成としているが、複数群または複数枚の構成のレンズであってもよい。

また、複数の光学領域は、絞り近傍に配置したレンズＬ２の光学面上に形成されていてもよい。

また、光学素子Ｌ１は、絞りの位置に対して被写体側に配置されているが、絞りの位置に対して像側に配置されていてもよい。

実施の形態１および２は、第１の信号処理部Ｃ１、第２の信号処理部Ｃ２及び記憶部Ｍｅ（図１等に示す）を備える撮像装置である。本発明の撮像装置は、これらの信号処理部及び記憶部を備えていなくてもよい。その場合、撮像装置の外部のＰＣ等を用いて、第１の信号処理部Ｃ１および第２の信号処理部Ｃ２が行う処理を行えばよい。すなわち、本発明は、レンズ光学系Ｌ、アレイ状光学素子Ｋおよび撮像素子Ｎを備える撮像装置と、外部の信号処理装置とを備えるシステムによっても実現することができる。この形態における撮像装置によれば、単一の撮像光学系を用いた（例えば１回の）撮像によって被写体距離の測定が可能な輝度情報を取得することができる。また、当該輝度情報及び外部の記憶部に記憶された鮮鋭度（又はコントラスト）の相関関係を用いて外部の信号処理部が行う処理によって、被写体距離を取得することができる。

なお、本発明の測距方法においては、必ずしも鮮鋭度と被写体距離との相関関係を用いなくてもよい。例えば、鮮鋭度またはコントラストと被写体距離との関係を示す式に、得られた鮮鋭度またはコントラストを代入することにより被写体距離を得てもよい。

また、実施の形態１および２におけるマイクロレンズアレイの各光学要素（マイクロレンズ）は、各光学要素の所定の半径の範囲内において、光軸に対して回転対称形とすることが好ましい。以下、光軸に対して回転非対称な形状を有するマイクロレンズと比較して説明する。

図２０（ａ１）は、光軸に対して回転非対称な形状を有するマイクロレンズアレイを示す斜視図である。このようなマイクロレンズアレイは、アレイの上に四角柱状のレジストを形成して熱処理を行うことによりレジストの角部を丸め、そのレジストを用いてパターニングを行うことにより形成される。図２０（ａ１）に示すマイクロレンズの等高線を図２０（ａ２）に示す。回転非対称な形状を有するマイクロレンズでは、縦横方向（マイクロレンズの底面の四辺と平行な方向）と斜め方向（マイクロレンズの底面の対角線方向）との曲率半径が異なる。

図２０（ａ３）は、図２０（ａ１）、（ａ２）に示すマイクロレンズを本発明のアレイ状光学素子に適用した場合の、光線追跡シミュレーションの結果を示す図である。図２０（ａ３）では、アレイ状光学素子Ｋを通過する光のうち１つの光学領域を通過する光のうち１つの光学領域を通過する光束のみを示している。このように回転非対称形状のマイクロレンズの場合、隣接の画素に光が漏れてクロストークが発生する。

図２０（ｂ１）は、光軸に対して回転対称な形状を有するマイクロレンズアレイを示す斜視図である。このような回転対称形状のマイクロレンズは、熱インプリントやＵＶインプリント製法により、ガラス板等の上に形成することができる。

図２０（ｂ２）に、回転対称形状のマイクロレンズの等高線を示す。回転対称な形状を有するマイクロレンズでは、縦横方向と斜め方向の曲率半径は等しい。

図２０（ｂ３）、図２０（ｂ１）、（ｂ２）に示すマイクロレンズを本発明のアレイ状光学素子に適用した場合の、光線追跡シミュレーションの結果を示す図である。図２０（ｂ３）では、アレイ状光学素子Ｋを通過する光のうち１つの光学領域を通過する光束のみを示しているが、図２０（ａ３）のようなクロストークは、発生していないことがわかる。このように、マイクロレンズを回転対称形状にすることにより、クロストークを低減させることができるため、測距演算における精度の劣化を抑制することができる。

本発明にかかる撮像装置は、デジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラ等の撮像装置として有用である。また、自動車の周辺監視用及び乗員監視用の測距装置やゲーム、ＰＣ、携帯端末等の３次元情報入力用の測距装置の用途にも応用できる。

Ａ 撮像装置
Ｌ レンズ光学系
Ｌ１ 光学素子
Ｌ２ レンズ
Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４，Ｄ５，Ｄ６，Ｄ７ 光学領域
Ｓ 絞り
Ｋ アレイ状光学素子
Ｎ 撮像素子
Ｎｉ 撮像面
Ｍｅ 記憶部
Ｍｓ 撮像素子上のマイクロレンズ
Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４ アレイ状光学素子のマイクロレンズ（光学要素）
Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４，Ｐ５，Ｐ６，Ｐ７ 撮像素子上の受光素子（画素群）
ｐ１，ｐ２，ｐ３，ｐ４，ｐ５，ｐ６，ｐ７ 画素
Ｃ１，Ｃ２ 第１、第２の信号処理部

Claims (23)

1. 合焦特性を互いに異ならせる光学特性を有する第１、第２、第３、第４、第５および第６の領域を含む複数の領域を有するレンズ光学系と、
   前記レンズ光学系を通過した光が入射し、第１、第２、第３、第４、第５および第６の画素群のそれぞれに属する複数の画素を有する撮像素子と、
   前記レンズ光学系と前記撮像素子との間に配置され、
   前記第１の領域を通過した光を前記第１の画素群に、
   前記第２の領域を通過した光を前記第２の画素群に、
   前記第３の領域を通過した光を前記第３の画素群に、
   前記第４の領域を通過した光を前記第４の画素群に、
   前記第５の領域を通過した光を前記第５の画素群に、
   前記第６の領域を通過した光を前記第６の画素群に、
   入射させるアレイ状光学素子と
   を備え、
   前記アレイ状光学素子は、マイクロレンズからなる光学要素が複数配列したマイクロレンズアレイであり、前記第１から第６の画素群にそれぞれ含まれる６つの画素と、前記光学要素１つとが対応するように配置されている、撮像装置。
2. 信号処理部をさらに備え、
   前記信号処理部は、前記第１から第６の画素群のうち複数の画素群において得られる複数の画像の輝度情報を用いて被写体までの距離を算出する、請求項１に記載の撮像装置。
3. 被写体距離がある一定の範囲内にある場合、前記第１から第６の領域に入射した光によって形成される６つの画像のうち、任意の２つの画像の鮮鋭度の比の値は、前記被写体距離と相関関係を有し、
   前記信号処理部は、前記相関関係と、前記任意の２つの画像の鮮鋭度の比に基づいて、前記被写体までの距離を算出する、請求項２に記載の撮像装置。
4. 被写体距離がある一定の範囲内にある場合、前記第１から第６の領域に入射した光によって形成される６つの画像のうち、任意の２つの画像のコントラストの比の値は、前記被写体距離と相関関係を有し、
   前記信号処理部は、前記相関関係と、前記任意の２つの画像のコントラストの比に基づいて、前記被写体までの距離を算出する、請求項２に記載の撮像装置。
5. 前記第１から第６の画素群にそれぞれ含まれる６つの画素の中心点は、正六角形の各頂点に位置している、請求項１に記載の撮像装置。
6. 前記マイクロレンズの各光学要素は、各光学要素の光軸から所定の半径の範囲内において回転対称な形状を有する、請求項１から５のいずれかに記載の撮像装置。
7. 前記第１から第６の領域は、前記レンズ光学系の光軸を挟んで互いに点対称に配置された複数の領域である、請求項１から６のいずれかに記載の撮像装置。
8. 前記第１から第６の領域は、前記レンズ光学系の光軸に沿った方向から見て略同一の面積を有し、互いに異なる曲率半径を有する、請求項１から７のいずれかに記載の撮像装置。
9. 合焦特性を互いに異ならせる光学特性を有する第１、第２、第３、第４、第５、第６および第７の領域を含む複数の領域を有するレンズ光学系と、
   前記レンズ光学系を通過した光が入射し、第１、第２、第３、第４、第５、第６および第７の画素群のそれぞれに属する複数の画素を有する撮像素子と、
   前記レンズ光学系と前記撮像素子との間に配置され、
   前記第１の領域を通過した光を前記第１の画素群に、
   前記第２の領域を通過した光を前記第２の画素群に、
   前記第３の領域を通過した光を前記第３の画素群に、
   前記第４の領域を通過した光を前記第４の画素群に、
   前記第５の領域を通過した光を前記第５の画素群に、
   前記第６の領域を通過した光を前記第６の画素群に、
   前記第７の領域を通過した光を前記第７の画素群に、
   入射させるアレイ状光学素子と
   を備え、
   前記アレイ状光学素子は、マイクロレンズからなる光学要素が複数配列したマイクロレンズアレイであり、前記第１から第７の画素群にそれぞれ含まれる７つの画素と、前記光学要素１つとが対応するように配置されている、撮像装置。
10. 信号処理部をさらに備え、
    前記信号処理部は、前記第１から第７の領域を通過した光が入射する前記第１から第７の画素群のうち複数の画素群において得られる複数の画像の輝度情報を用いて被写体までの距離を算出する、請求項９に記載の撮像装置。
11. 被写体距離がある一定の範囲内にある場合、前記第１から第７の領域に入射した光によって形成される７つの画像のうち、任意の２つの画像の鮮鋭度の比の値は、前記被写体距離と相関関係を有し、
    前記信号処理部は、前記相関関係と、前記任意の２つの画像の鮮鋭度の比に基づいて、前記被写体までの距離を算出する、請求項１０に記載の撮像装置。
12. 被写体距離がある一定の範囲内にある場合、前記第１から第７の領域に入射した光によって形成される７つの画像のうち、任意の２つの画像のコントラストの比の値は、前記被写体距離と相関関係を有し、
    前記信号処理部は、前記相関関係と、前記任意の２つの画像のコントラストの比に基づいて、前記被写体までの距離を算出する、請求項１０に記載の撮像装置。
13. 前記撮像素子における複数の画素は、ｎ行（ｎは２以上の整数）に配置され、
    前記複数の画素のそれぞれにおける中心点の行方向における位置は、１行ごとに画素の配列ピッチの半分だけずれている、請求項９から１２のいずれかに記載の撮像装置。
14. 前記第１から第７の領域は、前記レンズ光学系の光軸上に位置する１つの中心部領域と、前記中心部領域の周辺に位置する６つの周辺部領域とから構成されている、請求項１３に記載の撮像装置。
15. 合焦特性を互いに異ならせる光学特性を有する第１、第２および第３の領域を含む複数の領域を有するレンズ光学系と、
    前記レンズ光学系を通過した光が入射し、第１、第２および第３の画素群のそれぞれに属する複数の画素であって、前記第１から第３の画素群にそれぞれ２つずつ含まれる６つの画素の中心点が正六角形の各頂点に位置する複数の画素を含む撮像素子と、
    前記レンズ光学系と前記撮像素子との間に配置され、
    前記第１の領域を通過した光を前記第１の画素群に、
    前記第２の領域を通過した光を前記第２の画素群に、
    前記第３の領域を通過した光を前記第３の画素群に、
    入射させるアレイ状光学素子と
    を備え、
    前記アレイ状光学素子は、マイクロレンズからなる光学要素が複数配列したマイクロレンズアレイであり、中心点が正六角形の各頂点に位置する前記６つの画素と、前記光学要素１つとが対応するように配置されている、撮像装置。
16. 前記第１、第２および第３の領域のそれぞれは、前記レンズ光学系の光軸を挟んで点対称に配置された２つの領域を有する、請求項１５に記載の撮像装置。
17. 合焦特性を互いに異ならせる光学特性を有する第１、第２、第３および第４の領域を含む複数の領域を有するレンズ光学系と、
    前記レンズ光学系を通過した光が入射し、第１、第２、第３および第４の画素群のそれぞれに属する複数の画素であって、前記第１の画素群に含まれる１つの画素の中心点が正六角形の中心に位置し、前記第２から第４の画素群にそれぞれ２つずつ含まれる６つの画素の中心点が前記正六角形の各頂点に位置する複数の画素を含む撮像素子と、
    前記レンズ光学系と前記撮像素子との間に配置され、
    前記第１の領域を通過した光を前記第１の画素群に、
    前記第２の領域を通過した光を前記第２の画素群に、
    前記第３の領域を通過した光を前記第３の画素群に、
    前記第４の領域を通過した光を前記第４の画素群に、
    入射させるアレイ状光学素子と
    を備え、
    前記アレイ状光学素子は、マイクロレンズからなる光学要素が複数配列したマイクロレンズアレイであり、中心点が正六角形の中心に位置する前記１つの画素及び中心点が正六角形の各頂点に位置する前記６つの画素と、前記光学要素１つとが対応するように配置されている、撮像装置。
18. 前記第１、第２、第３および第４の領域は、前記レンズ光学系の光軸上に位置する１つの中心部領域と、前記中心部領域の周辺に位置する３つの領域とであり、
    前記３つの領域のそれぞれは、前記レンズ光学系の光軸を挟んで点対称に配置された２つの領域を有する、請求項１７に記載の撮像装置。
19. 前記レンズ光学系は、絞りをさらに備え、
    前記複数の領域は、前記絞り近傍に配置されている、請求項１から１８のいずれかに記載の撮像装置。
20. 前記レンズ光学系が像側テレセントリック光学系である、請求項１から１９のいずれかに記載の撮像装置。
21. 前記アレイ状光学素子は、前記撮像素子上に形成されている、請求項１から２０のいずれかに記載の撮像装置。
22. 前記アレイ状光学素子と前記撮像素子との間に設けられたマイクロレンズをさらに備え、
    前記アレイ状光学素子は、前記マイクロレンズを介して前記撮像素子上に形成されている、請求項２１に記載の撮像装置。
23. 請求項１、９、１５、１７のいずれかに記載の撮像装置と、
    前記複数の領域を通過した光によって得られる複数の画像の輝度情報を用いて被写体までの距離を算出する信号処理装置とを備える撮像システム。

Images