JP6686534B2 - レンズシート、撮像モジュール、及び撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、２次元画像とともに被写体の奥行情報を取得することも可能とするレンズシート、撮像モジュール、及び撮像装置に関する。

近年、スマートフォンやタブレット等の携帯端末へのカメラの搭載、及び、身につけられる小型カメラの需要等により、カメラの小型化、特に当該カメラ部分における薄型化が求められている。

例えば特許文献１には、結像レンズと、マイクロレンズアレイと、光電変換センサを有する撮像装置に関する技術が開示されている。これはライトフィールドカメラ等と呼ばれ、マイクロレンズアレイにより入射光を分割して複数の方向の光を撮影することにより、撮影後に光の入射方向や強度に基づいて画像処理を行うことで画像の焦点距離や被写界深度を変更することができる。すなわち、この画像には奥行き方向の情報も含むことができ、撮像した後に所定の範囲で画像のピントを任意の位置及び範囲で合わせることが可能である。従って、オートフォーカス機能を用いることなくピントを合わせることができ、奥行き方向の情報が含まれているので相対的な距離を測定することもできる。

特表２０１５−５２０９９２号公報

ここで、上記した撮像装置では、マイクロレンズアレイ及び光電変換センサを有しており、ここに含まれる各センサは、どのマイクロレンズからの光を受光すべきかがそれぞれ決められている。従って、予定していないマイクロレンズからの光をセンサが受光してしまうと像の多重が生じてしまう。これに対して従来では、マイクロレンズアレイの入光側に結像光学系（結像レンズ）を配置して光を制御することで像の多重化を防止していた。

しかしながら、このように結像レンズを配置すれば、撮像装置は厚くなる傾向にあり、薄型化に限界があった。

そこで本発明は上記問題点に鑑み、微小なレンズ要素群を含む光学系を用いる場合でも結像レンズを必要としない、レンズシートを提供することを課題とする。また、これを備える撮像モジュール、及び撮像装置を提供する。

以下、本発明について説明する。ここでは分かり易さのため、図面に付した参照符号を括弧書きで併せて記載するが、本発明はこれに限定されるものではない。

請求項１に記載の発明は、画像センサの受光面側に配置されるレンズシート（２０、１２０、２２０、３２０）であって、所定の断面を有してシート面に沿って一方向に延び、当該延びる方向とは異なる方向に所定の間隔で複数配列される光透過部（２２）と、隣り合う光透過部の間隔に形成され光を吸収する光吸収部（２３）と、光透過部に設けられた凸状の単位凸レンズ要素（２４）と、光透過部を挟んで反対側に設けられた凹状の単位凹レンズ要素（２６）と、を備える、シート（２１、３１）を少なくとも２つ積層して具備し、２つの積層されたシートは光透過部が延びる方向が平面視で交差し、光透過部及び光吸収部は、これにより結像される複数の像が互いに重ならず、１つの結像に対して画像センサの所定の領域内に位置する複数の素子が対応し、それぞれの像が、対応する領域内のみに投影されるように構成されている、レンズシートである。

請求項２に記載の発明は、所定の断面を有してシート面に沿って一方向に延び、当該延びる方向とは異なる方向に所定の間隔で複数配列される光透過部と、隣り合う光透過部の間隔に形成され光を吸収する光吸収部と、光透過部に設けられた凸状の単位凸レンズ要素と、光透過部を挟んで反対側に設けられた凹状の単位凹レンズ要素と、を備えるレンズシート、及び、レンズシートの一方側に配置された、複数の光電変換素子が配列された画像センサ（１１）と、を備える撮像モジュール（１０）である。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の撮像モジュールにおいて、画像センサ（１１）が配置される側とは反対側に単位凸レンズ要素が（２４）配置されるようにレンズシート（２１、３１）が設置される。

請求項４に記載の発明は、請求項２又は３に記載の撮像モジュール（２０）が筐体（２）の内側に配置される撮像装置（１）である。

本発明によれば、微小なレンズ要素群を含む光学系を用いる場合でも結像レンズを必要とすることなく多重像の発生を防止することができる。その際にレンズ収差を補正することができ、より精度よい画像を得ることが可能となる。

撮像装置１の外観図である。 撮像モジュール１０の構造を説明する図である。 レンズシート２０の斜視図である。 第一シート２１の構造を説明する図である。 レンズシート２０を作製する一場面を表す図である。 図６（ａ）はレンズシート１２０の斜視図、図６（ｂ）はレンズシート２２０の斜視図である。 レンズシート３２０の斜視図である。 図８（ａ）は本発明における結像の例、図８（ｂ）は不具合を生じる結像の例である。

以下、本発明を図面に示す形態に基づき説明する。ただし本発明はこれら形態に限定されるものではない。なお、図面では、理解を容易にするため各部の大きさや形状を模式的に変形や誇張して記載することがある。また、見易さのため繰り返しとなる符号は省略することがある。

図１は１つの形態を説明するための図で、撮像モジュール１０を具備する撮像装置１である携帯型端末１を平面視した図である。このように撮像モジュール１０は、携帯型端末、パソコン、小型カメラ等に搭載されて撮像装置とすることができる。本形態の場合、図１に表れた側に窓が設けられ、ここから撮像モジュール１０に光を取り込み、その反対側の画面により撮像モジュール１０の操作が行われる。従って、撮像モジュール１０は携帯型端末１を構成する筐体２に内臓されることにより配置される。

図２は撮像モジュール１０の構成を説明する概念的な断面図である。図２からわかるように、撮像モジュール１０は、レンズシート２０、画像センサ１１、及び画像処理手段１２を有して構成されている。

レンズシート２０は、複数のマイクロレンズ要素を含み、入射した光を画像センサ１１上に集まるべき光線群に分解し、画像センサ１１に出光する光学素子である。図２にはレンズシート２０のひとつの断面が現れている。また、図３にはレンズシート２０の一部の斜視図を示した。さらに図４には図２の一部を拡大してレンズシート２０の構造を説明するための図を表した。図２、図３からわかるように、本形態のレンズシート２０では、シート状の第一シート２１、及びシート状の第二シート３１が重ねられるようにして配置されている。

第一シート２１は、シート状である面に平行な方向に沿って光透過部２２と光吸収部２３とが交互に配列され、光透過部２２のうち一方側の面に単位凸レンズ要素２４が設けられ、他方側に単位凹レンズ要素２６が設けられている。そして、第一シート２１は、図３からもわかるように、図２、図４に示した断面を有して紙面奥／手前側に延び、光透過部２２、光吸収部２３、単位凸レンズ要素２４、単位凹レンズ要素２６はいずれも柱状とされている。すなわち、図２、図４に表れる断面において、第一シート２１は、略台形又は長方形である光透過部２２と、隣り合う２つの光透過部２２の間に形成された光吸収部２３と、光透過部２２のうち一方側の面に断面が凸レンズ形状である単位凸レンズ要素２４と、他方側の面に断面が凹レンズ形状である単位凹レンズ要素２６を有している。

光透過部２２は光を透過させることを主要の機能とする部位であり、本形態では図２、図４に表れる断面において、一方のシート面側に長い下底、その反対側である他方のシート面側に短い上底を有する略台形、又は長方形の断面形状を有する要素である。光透過部２２は、シート面方向に沿って当該断面を維持して上記した方向に延びるとともに、この延びる方向とは異なる方向に所定の間隔で配列される。そして、隣り合う光透過部２２の間には、略台形断面、又は長方形断面を有する溝状の間隔が形成されている。従って、当該間隔は、光透過部２２が台形断面の場合には、光透過部２２の上底側に長い下底を有し、光透過部２２の下底側に短い上底を有する台形断面となる。そして、この台形断面又は長方形断面の溝状の間隔に必要な材料が充填されることにより光吸収部２３が形成される。
なお、本形態では隣り合う光透過部２２は長い下底側で連結され、土台部２５とされている。従って本形態では当該土台部２５が上記溝（光吸収部２３）の底部を形成している。土台部２５は可能な限り薄いことが好ましい。これにより迷光を抑制することができ、高い画質を得ることができる。

光透過部２２は屈折率がＮｔとされている。屈折率Ｎｔの値は特に限定されることはないが、屈折率Ｎｔは１．３８以上、１．６０以下であることが好ましい。屈折率が１．３８より小さい材料は入手性に問題を生じる虞があり、屈折率が１．６０より大きくなると割れが発生しやすい材料となる場合が多い。

このような光透過部２２は例えばウレタンアクリレート、ポリエステルアルリレート、エポキシアクリレート等の紫外線硬化型樹脂、電子線硬化型樹脂、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）などの熱可塑性樹脂等、により形成することができる。

光吸収部２３は隣り合う光透過部２２の間に形成された上記した間隔に設けられる光を吸収する部位である。従って光透過部２２が台形断面の場合には光吸収部２３も台形断面となり、光吸収部２３の短い上底が光透過部２２の下底側を向き、光吸収部２３の長い下底が光透過部２２の上底側となる。そして光吸収部２３は、屈折率がＮｒとされるとともに、光を吸収することができるように構成されている。具体的には屈折率がＮｒであるバインダーに光吸収粒子が分散される。屈折率Ｎｒは、光透過部２２の屈折率Ｎｔ以上の屈折率であることが好ましい。このように、光吸収部２３の屈折率を光透過部２２の屈折率以上とすることにより、光透過部２２と光吸収部２３との界面で全反射することなく光が光吸収部２３に入り、適切に光を吸収することができる。
屈折率Ｎｒの値は特に限定されることはなく、光透過部２２と同様に考えることができる。

バインダーとして用いられる材料は特に限定されないが、例えば、ウレタン（メタ）アクリレート、ポリエステル（メタ）アクリレート、エポキシ（メタ）アクリレート、およびブタジエン（メタ）アクリレート等の光硬化型樹脂組成物を挙げることができる。

本形態で用いられる光吸収粒子は、樹脂微粒子と、その樹脂微粒子の表面を被覆する色材層とからなる。

樹脂微粒子としては、メラミンビーズ、アクリルビーズ、アクリル−スチレンビーズ、ポリカーボネートビーズ、ポリエチレンビーズ、ポリスチレンビーズ、塩ビビーズ等、特に制限されることなく使用することができる。その中でも特に、アクリル架橋重合体、スチレン架橋重合体、またはアクリル−スチレン共重合体を好適に使用することが可能である。
樹脂微粒子は、透明なものも使用できるが、顔料または染料等で着色された樹脂を用いることが好ましく、必要に応じて特定の波長を選択的に吸収するものであってよいが、好ましくは黒色に着色された樹脂微粒子が用いられる。

色材層を構成して樹脂微粒子の表面を被覆する色材としては、光を吸収するものであれば特に制限されることなく使用することができ、着色されたフィラーやカーボンブラックを挙げることができる。
着色フィラーとしては、例えば、ポリマーに顔料を分散させた着色フィラーを好適に使用することができ、例えば、メタクリル酸メチルやスチレン等のモノマーに顔料を添加し、重合して得られた樹脂等を好適に使用することができる。顔料としては、公知の有機系顔料や無機系顔料を使用でき、例えば、カーボンブラック、アニリンブラック、ペリレンブラック等の有機系黒色顔料や、銅、鉄、クロム、マンガン、コバルト等を含有した無機系黒色顔料やチタンブラック等を好適に使用することができる。
カーボンブラックは、平均粒子径が１０ｎｍ以上５００ｎｍ以下のものを好適に使用することができ、例えば、ファーネスブラック、アセチレンブラック、チャンネルブラック、サーマルブラック、カーボンナノチューブ、カーボンファイバー等が使用できる。また、市販のものを使用することもでき、例えば、ＨＣＦシリーズ、ＭＣＦシリーズ、ＲＣＦシリーズ、ＬＦＦシリーズ（いずれも三菱化学株式会社製）、バルカンシリーズ（キャボット社製）、ケッチェンシリーズ（ライオン株式会社製）等を好適に使用することができる。

ここで、本形態の光吸収粒子は、その平均粒子径が１μｍ以上５μｍ以下であることが好ましい。平均粒子径が１μｍより小さいと後述するワイピングを用いてレンズシートを作製する際に光透過部の表面に光吸収粒子が残ってしまう可能性が高い。一方、平均粒子径が５μｍより大きいと、光透過部の間に充填され難くなってしまい、十分な光吸収性を得ることができなくなる虞がある。
ここで「平均粒子径」とは、光吸収粒子を１００個電子顕微鏡で観察してその直径を計り、算術平均した直径を意味する。

また、バインダーと光吸収粒子との質量部の比は、バインダーが１００質量部に対して、光吸収粒子の質量部が１０以上２０以下であることが好ましい。１０質量部より少ないと光の吸収性能が不十分となる可能性があり、２０質量部より多いと後述するワイピングを用いてレンズシートを作製する際に光透過部の表面に光吸収粒子が残ってしまう可能性が高い。また、バインダーが紫外線硬化型の樹脂の場合、光吸収粒子が多いことにより紫外線硬化反応の進行が妨げられ、光吸収部が十分に硬化しない可能性が高くなる。
これにともなって、光吸収の観点から光吸収粒子の光学濃度が２．４以上４．７以下であることが好ましい。

本形態では光透過部２２と光吸収部２３との界面（台形断面の脚部）が断面において一直線状となる例を示したが、これに限らず折れ線状、凸である曲面状、凹である曲面状等であってもよい。また、複数の光透過部２２及び光吸収部２３で断面形状が同じであってもよいし、必要に応じて所定の規則性を有して異なる断面形状であってもよい。
また、当該断面は必ずしも等脚台形である必要はなく、一方の脚と他方の脚とが線対称でなく、一方と他方とで傾斜角度や形状が異なるように構成してもよい。

次に単位凸レンズ要素２４について説明する。単位凸レンズ要素２４は、図２〜図４よりわかるように、本形態では断面で曲線部を有する凸状であり、この断面を有して光透過部２２と同じ方向に延びている。そして、光透過部２２と単位凸レンズ要素２４とはレンズシート２０を正面から見て同じ位置になるように位置づけられる。本形態では単位凸レンズ要素２４が光透過部２２の一方の面に直接配置され、一体とされている。
この第一シート２１の単位凸レンズ要素２４と第二シート３１の単位凸レンズ要素２４とにより、マイクロレンズと同様の効果を奏するように光を制御する。すなわち、レンズシート１０を透過した光が単位凸レンズ要素２４により画像センサ１１の受光面に焦点を結ぶように集光される。従って、単位凸レンズ要素２４の曲率半径Ｒや屈折率はこのように光を制御できるように決められている。
そのための単位凸レンズ要素２４の断面形状は特に限定されることはなく、楕円の一部、円弧、及び多角形状であってもよく、これらが組み合わされた形状であってもよい。

また、単位凸レンズ要素２４の表面には、反射防止機能を有する層が形成されてもよい。この層は、フッ化マグネシウムや二酸化ケイ素、フッ素系コーティング剤などのような反射防止機能を有する材料を所定の膜厚でコーティングすることにより形成することができる。

次に単位凹レンズ要素２６について説明する。単位凹レンズ要素２６は、図２〜図４よりわかるように、本形態では断面で曲線部を有する凹状であり、この断面を有して光透過部２２と同じ方向に延びている。単位凹レンズ要素２６は、光透過部２２のうち、上記単位凸レンズ要素２４とは反対側に配置される。すなわち本形態では土台部２５に積層するように設けられている。そして、単位凹レンズ要素２６は、光透過部２２と単位凸レンズ要素２４に対してレンズシート２０を正面から見て同じ位置になるように位置づけられる。さらに、単位凹レンズ要素２６は、単位凸レンズ要素２４と光軸が一致することが好ましい。
この第一シート２１の単位凹レンズ要素２６と第二シート３１の単位凹レンズ要素２６の曲率、形状とにより、単位凸レンズ２４による光の制御を補助し、レンズ収差を補正するように光を制御する。すなわち、レンズシート１０を透過した光が単位凸レンズ要素２４により画像センサ１１の受光面に焦点を結ぶように集光される際に、レンズ収差を補正するようことができるように単位凹レンズ要素２６の曲率、形状、単位凸レンズ要素２４の曲率、形状の組み合わせが決められている。
そのための単位凹レンズ要素２６の断面形状は特に限定されることはなく、楕円の一部、円弧、及び多角形状であってもよく、これらが組み合わされた形状であってもよい。ただし、撮像素子上への結像のために、組み合わせの全体として凸レンズとなるように凹レンズ要素、凸レンズ要素の曲率を調整する必要がある。

また、単位凹レンズ要素２６の表面についても、反射防止機能を有する層が形成されてもよい。この層は、フッ化マグネシウムや二酸化ケイ素、フッ素系コーティング剤などのような反射防止機能を有する材料を所定の膜厚でコーティングすることにより形成することができる。

第一シート２１は、特に限定されることはないが、例えば次のように光透過部２２、光吸収部２３、単位凸レンズ要素２４、及び単位凹レンズ要素２６が形成される。図４に記号を付した。
光透過部２２、単位凸レンズ要素２４、及び単位凹レンズ要素２６の配列ピッチＰは２０μｍ以上１８０μｍ以下とすることが好ましい。従って光吸収部２３のピッチも同様である。
このとき、光透過部２２のうち、単位凸レンズ要素２４が配置された側のピッチ方向（幅方向）の大きさＤ_ｔは、単位凸レンズ要素２４の幅でもあり、２０μｍより大きく１８０μｍより小さいことが好ましい。同じように単位凸レンズ要素２４が配置された側の面における光吸収部２３のピッチ方向（幅方向）の大きさＷは２μｍ以上３０μｍ以下であることが好ましい。
また、単位凹レンズ要素２６の幅方向の大きさＤ_Ｏも２０μｍより大きく１８０μｍより小さいことが好ましい。なお、単位凹レンズ要素２６の幅方向大きさＤｏが単位凹レンズ要素２６のピッチより小さい場合には図４にも表れたように隣り合う単位凹レンズ要素２６の間に平らな部位２６ａが形成される。

一方、第一シート２１の厚さＴは、単位凸レンズ要素２４の頂部から、単位凹レンズ要素２６側の面までの距離であり、３０μｍ以上４８０μｍ以下であることが好ましい。
このうち、単位凸レンズ要素２４の厚さＴ_１は２μｍ以上４０μｍ以下であることが好ましい。また、光透過部２２、及び光吸収部２３の厚さＴ_２は２０μｍ以上４７０μｍ以下であることが好ましい。
土台部２５の厚さＴ_３は１μｍ以上５０μｍ以下が好ましい。これにより、迷光や光透過部２２に入射した光が、隣接する他の光透過部２２側に進んでしまうことを抑制することができる。
そして単位凹レンズ要素２６の厚さＴ_４は、２μｍ以上４０μｍ以下であることが好ましい。

また、単位凸レンズ要素２４の曲率半径Ｒ_ｔは１０μｍ以上１８０μｍ以下であることが好ましい。これにより光学密着を抑制することができる。曲率半径Ｒ_ｔが１０μｍより小さいと単位凸レンズ要素２４としての光学的効果（レンズとしての効果）を得られない。一方曲率半径Ｒ_ｔが１８０μｍよりも大きいと単位レンズ要素が平坦な形状に近くなり、光学密着が生じやすい。
一方、単位凹レンズ要素２６の曲率半径Ｒ_Ｏは２０μｍ以上１８０μｍ以下であることが好ましい。撮像素子上へ適切に結像させるため、凹レンズの曲率半径Ｒ_Ｏは組み合わせる凸レンズの曲率半径Ｒ_ｔよりも大きくし、レンズシート全体として凸レンズとなるように調整する必要がある。
さらに、光透過部２２と光吸収部２３との界面がシート面法線（厚さ方向）と成す角θは０度以上１０度以下が好ましい。０度では光透過部及び光吸収部が長方形となる。

以上のような第一シート２１は例えば次のように作製することができる。
はじめに光透過部２２及び単位凸レンズ要素２４を作製する。光透過部及び単位凸レンズ要素の形状を転写することができる金型の表面に、当該光透過部及び単位レンズ要素を構成する硬化前の組成物を供給し、適切な方法により硬化させて第一の中間シートを得る。この第一の中間シートは土台部２５の一方の面に光透過部２２と単位凸レンズ要素２４とが所定の間隔を有して並んだシートであり、当該間隔による溝が形成されている。

次に、作製した第一の中間シートに対して、単位凸レンズ要素２４とは反対側に単位凹レンズ要素２６を形成する。これは、単位凹レンズ要素の形状を転写することができる金型と第一の中間シートとの間に、単位凹レンズ要素２６を構成する硬化前の組成物を供給し適切な方法により硬化させて第二の中間シートを得る。この第二の中間シートは、第一の中間シートに対してさらに、土台部２５の他方の面に単位凹レンズ要素２６が所定の間隔を有して並んだシートである。

次に光吸収部２３を形成する。図５に説明のための図を示した。図５からわかるように、光吸収部を構成する組成物２３”を複数の光透過部２２及び単位凸レンズ要素２４の間の溝２３’に過剰に供給し、ドクターブレード１００やワイピングロールにより連続的に掻き取る（ワイピングと呼ぶこともある。）ことで、溝２３’に組成物２３”を確実に充填するとともに、余剰分を適切に掻き取る。そして、適切な方法によりバインダーを硬化させることで、光吸収部２３が形成される。

これにより、効率よく第一シート２１を作製することができる。また、上記したように光吸収部を構成する組成物の光吸収粒子の平均粒子径、及びバインダーに対する光吸収粒子の含有割合を規定したときには、上記掻き取りを行っても光透過部２２の表面に光吸収粒子が残留することを確実に抑制することができる。

図２、図３に戻り、第二シート３１について説明する。第二シート３１の構造、及びその製造方法については、ここまで説明した第一シート２１と同様である。そこで図３のように同じ符号を用いて説明を省略する。

以上のような第一シート２１と第二シート３１とが例えば次のように組み合わされてレンズシート２０とされている。
図２、図３からわかるように、第一シート２１と第二シート３１とが、互いの単位凸レンズ要素２４が対向するように配置されるとともに、レンズシート２０の平面視で、光透過部２２、光吸収部２３、単位凸レンズ要素２４、単位凹レンズ要素２６が延びる方向が角度αで交差（図４参照）する向きとされている。本形態はαが９０度の例である。ただし、αは厳密に９０度である必要はなく、α±１０度の範囲で許容される。この範囲であれば、十分に光学性能を維持することができる。これにより、第一シート２１と第二シート３１との組み合わせの際に、αを厳密に９０度とする必要がないため、作業の容易化、作業の高効率化、及び歩留まり向上が図られる。

本形態では第一シート２１の単位凸レンズ要素２４と第二シート３１の単位凸レンズ要素２４とが向かい合うように配置されていることから、向かい合う単位凸レンズ要素２４の頂点が接し、他の部分は空気に触れるように構成されている。ただしこれに限定されることなく、頂点間に若干に間隙を設けてもよい。

以上では、１つの形態として、第一シート２１の単位凸レンズ要素２４と第二シート３１の単位凸レンズ要素２４とが向かい合う配置であるレンズシート２０を説明した。ただし本発明はこれに限定されることなく他の配置とすることもできる。図６、図７に斜視図を示した。これらの図は図４に相当する図である。
図６（ａ）の例にかかるレンズシート１２０では、第一シート２１の単位凸レンズ要素２４が第二シート３１の単位凹レンズ要素２６に向き合うように配置されている。
図６（ｂ）の例にかかるレンズシート２２０では、第二シート３１の単位凸レンズ要素２４が第一シート２１の単位凹レンズ要素２６に向き合うように配置されている。この例によれば、入光側の面が単位凸レンズ要素２４となっているので、先に凸レンズを透過した光は集光されており、光吸収部２３に到達し難くなっていることから、光を効率よく利用することができる。
図７の例にかかるレンズシート３２０では、は第一シート２１の単位凹レンズ要素２６と第二シート３１の単位凹レンズ要素２６とが向き合うように配置されている。

図２に戻って画像センサ１１について説明する。画像センサ１１は、受光面で受光した光を電気信号に変換して出力する、いわゆる光電変換素子を複数配列してなるセンサである。画像センサ１１には、複数の素子が２次元方向に配列されており、各素子により、その素子に入射した光の強度を検出することができる。そしてこの各素子が各画素を形成する。
画像センサ１１を構成する複数の素子は、画像センサ１１の受光面である被写体側（レンズシート２０側）の表面に２次元方向に配列されている。
このような画像センサ１１を構成する素子としては例えばＣＣＤやＣＭＯＳを挙げることができる。

画像処理手段１２は、画像センサ１１で得られた電気信号を受信して画像処理をして奥行情報等を生成する手段である。画像処理手段１２は、いわゆる演算基板により形成されており、中央演算子（ＣＰＵ）、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を有して形成され、ＲＯＭに記憶されたプログラムに基づいて中央演算子で演算を行うことで画像処理を行う。

以上のような、レンズシート２０、画像センサ１１、及び画像処理手段１２は例えば次のように組み合わされて撮像モジュール１０とされている。すなわち、図２に示したように、図２の紙面左側の被写体に第一シート２１が向くようにレンズシート２０を配置する。

ここで、平面視において、画像センサ１１の素子が並ぶ方向と、第一シート２１の光透過部２２及び第二シート３１の光透過部２２が延びる方向とが、一致又は直交するように配置することが好ましい。これにより、正確に画像センサ１１の素子とレンズシート２０による疑似的なマイクロレンズとの対応がなされ、クロストーク等の問題を生じ難くなる。ただし、必ずしも厳密に平行又は垂直である必要はなく、平行又は垂直から１０度の範囲のずれは許容される。この範囲であれば、十分に光学性能を維持することができる。これにより、撮像モジュール１０を作製する際に、作業の容易化、作業の高効率化、及び歩留まり向上が図られる。

そして、画像センサ１１と画像処理手段１２とが電気的に接続されデータを通信することができるように構成されている。

撮像モジュール１０には、上記に加えて赤外線遮蔽層や反射防止層を設けてもよい。これにより入射光量の向上や、赤外線（特に近赤外線）によるノイズの低減を図ることができる。

また、レンズシートは、上記第一シート２１、第二シート３１に加え、第三のシートを重ねるように備えてもよい。さらには第四のシートを重ねるように加えてもよい。第三のシート、及び第四のシートもその構造は第一シートと同じであるが、第三のシートの光透過部が延びる方向は、第一シート２１の光透過部２４が延びる方向に対して平面視で４５度ずれるように配置されることが好ましい。また、さらに第四のシートを備える場合には、該第四のシートの光透過部が延びる方向は、第三のシートの光透過部が延びる方向に対して平面視で９０度ずれるように配置されることが好ましい。

以上のような撮像モジュール１０を備える撮像装置１は例えば次のように作用する。
被写体からの光は撮像モジュール１０のレンズシート２０内に進み、第一シート２１及び第二シート３１を透過する。そして第一シート２１の単位凸レンズ要素２４により、該単位凸レンズ要素２４の配列方向において集光され、また、第二シート３１の単位凸レンズ要素２４により、該単位凸レンズ要素２４の配列方向において集光される。その際には第一シート２１の単位凹レンズ要素２６及び第二シート３１の単位凹レンズ要素２６のそれぞれにおいて、レンズ収差が補正される。
また、光透過部２２内をシート法線方向に対して大きな角度をなす方向に進む光の少なくとも一部は光吸収部２３に入射して吸収される。レンズシート２０を透過した光は画像センサ１１の受光面で焦点を結ぶ。

本形態では、第一シート２１の単位凸レンズ要素２４が延びる方向と、第二シートの単位凸レンズ要素２４が延びる方向と、が平面視で直交するように配置されているので、レンズシート２０によれば、光学的にはマイクロレンズが２次元的に格子状に配列されている形態に等しい。そして、画像センサ１１の受光面上には、この擬似的なマイクロレンズにより結像された像が、それぞれ重なることなく形成される。

本形態では、疑似的なマイクロレンズの１つ１つのレンズに対して、画像センサ１１の複数の素子のいずれかが対応するように配置されている。そして、撮影時には、各素子には、対応する疑似的なマイクロレンズにより分割された光が入射し、各素子により光の強度が検出される。また、各素子と、透過した疑似的なマイクロレンズと、の関係から素子に入射した光の入射方向が検出可能となる。
このようにして得られた各素子が検出した入射光の強度及び入射方向の情報は、上記画像処理手段１２により演算され、撮影後に焦点距離や被写界深度を変更した画像データを生成可能である。

図８は、本形態の撮像モジュール１０における画像センサ１１の受光面上での結像の様子を説明する図である。
一般的に、ライトフィールドカメラでは、マイクロレンズアレイの１つのマイクロレンズに対して、画像センサ１１の所定の領域内に位置する複数の素子が対応している。そして、それぞれのマイクロレンズによる像が、対応する領域内のみに投影されることが重要である。
このとき、例えば図８（ｂ）に示したように、各マイクロレンズの像が隣の領域等に投影され、像が重なると、被写体面上で異なる位置と角度を有する光が同一の素子に入射するクロストークという現象が生じ、光の入射方向や強度を分解できなくなる。
これを解消するために、従来のライトフィールドカメラでは、マイクロレンズアレイよりも被写体側に結像レンズを設ける必要があった。

これに対して、本形態によれば、光吸収部２３が備えられているので、領域外に進行しようとする光をここで吸収し、図８（ａ）に示したようにクロストークを生じさせることなく単位凸レンズ要素２４により集光された光を画像センサ１１の対応する領域の素子に入射させることができる。これにより素子は、入射光の強度と入射方向の情報を高精度で出力することができる。

従って、本形態によれば、結像レンズ等の他のレンズ系を必要とすることなく、撮像モジュールの厚さを薄く、軽量化を図ることができる。例えば数１０μｍ以上数１００μｍ以下の程度に抑えることが可能となる。これにより、撮像装置の外観も向上させることができる。
また製造の観点からも、結像レンズが不要となるので製造コストを抑制することが可能となる。

１ 撮像装置
２ 筐体
１０ 撮像モジュール
１１ 画像センサ
１２ 画像処理装置
２０ レンズシート
２１ 第一シート
２２ 光透過部
２３ 光吸収部
２４ 単位凸レンズ要素
２５ 土台部
２６ 単位凹レンズ要素
３１ 第二シート

Claims (4)

1. 画像センサの受光面側に配置されるレンズシートであって、
   所定の断面を有してシート面に沿って一方向に延び、当該延びる方向とは異なる方向に所定の間隔で複数配列される光透過部と、
   隣り合う前記光透過部の間隔に形成され光を吸収する光吸収部と、
   前記光透過部に設けられた凸状の単位凸レンズ要素と、
   前記光透過部を挟んで反対側に設けられた凹状の単位凹レンズ要素と、を備える、シートを少なくとも２つ積層して具備し、
   ２つの積層された前記シートは前記光透過部が延びる方向が平面視で交差し、
   前記光透過部及び前記光吸収部は、これにより結像される複数の像が互いに重ならず、１つの結像に対して前記画像センサの所定の領域内に位置する複数の素子が対応し、それぞれの前記像が、前記対応する領域内のみに投影されるように構成されている、レンズシート。
2. 所定の断面を有してシート面に沿って一方向に延び、当該延びる方向とは異なる方向に所定の間隔で複数配列される光透過部と、
   隣り合う前記光透過部の間隔に形成され光を吸収する光吸収部と、
   前記光透過部に設けられた凸状の単位凸レンズ要素と、
   前記光透過部を挟んで反対側に設けられた凹状の単位凹レンズ要素と、を備えるレンズシート、及び、
   前記レンズシートの一方側に配置された、複数の光電変換素子が配列された画像センサ、を備える撮像モジュール。
3. 前記画像センサが配置される側とは反対側に前記単位凸レンズ要素が配置されるように前記レンズシートが設置される請求項２に記載の撮像モジュール。
4. 請求項２又は３に記載の撮像モジュールが筐体の内側に配置される撮像装置。

Images