JPWO2013001709A1 - 撮像装置 - Google Patents

Abstract

撮像装置（Ａ）は、互いに異なる光学特性を有する第１の領域（Ｄ１）および第２の領域（Ｄ２）を有するレンズ光学系（Ｌ）と、複数の第１の画素（Ｐ１）と複数の第２の画素（Ｐ２）とを有する撮像素子（Ｎ）と、レンズ光学系（Ｌ）と撮像素子（Ｎ）との間に配置され、第１の領域（Ｄ１）を通過した光を複数の第１の画素（Ｐ１）に入射させ、第２の領域（Ｄ２）を通過した光を複数の第２の画素（Ｐ２）に入射させるアレイ状光学素子と、複数の第１の画素（Ｐ１）および複数の第２の画素（Ｐ２）の画素値を用いて被写体情報を生成する信号処理部（Ｃ）と、アレイ状光学素子とレンズ光学系（Ｌ）との間に配置され、レンズ光学系（Ｌ）の光軸（Ｖ）に対称な回折格子が形成された回折光学素子とを備える。

Description

本発明は、カメラ等の撮像装置に関する。

２次元の画像を取得する機能だけでなく、他の機能も備えた撮像装置へのニーズが高まっている。例えば、被写体までの距離を測定する機能、可視波長による画像と赤外波長による画像、など異なる波長帯の複数画像を取得する機能、近い被写体から遠い被写体を鮮明に撮影する（被写界深度を拡大する）機能、あるいは広いダイナミックレンジの画像を取得する機能などを兼ね備えたカメラへのニーズが高まっている。

このうち、被写体までの距離を測定する方法としては、複数の撮像光学系を用いて取得した複数の画像から検出した視差情報を用いる方法がある。単一の撮像光学系から被写体までの距離を測定する方法としては、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手法が用いられている（特許文献１、非特許文献１）。

また、複数波長帯の画像を取得する方法としては、例えば、白色光と所定の狭帯域光を順次点灯させて画像を取得する技術が開示されている（特許文献２）。

そして、広いダイナミックレンジの画像を取得する方法としては、特許文献３には、対数変換型の撮像装置において、画素毎の感度の不均一性を補正するために、各画素の撮像データから、メモリに記憶された均一光照射時の撮像データを減算する方法が開示されている。特許文献４には、プリズムによって光路を分割し、２つの撮像素子によって撮影条件（露光量）を変えて撮像を行う方法が開示されている。また、時分割で露光時間の異なる画像を得て、これらを合成する方法では、時分割で被写体を撮影するため、被写体が動いている場合には、時間差による画像のズレが生じ、画像の連続性が乱れるという課題が生じる。特許文献５には、このような方式における画像のズレを補正する技術が開示されている。

特許第３１１００９５号公報 特許第４２５３５５０号公報 特開平５−３０３５０号公報 特開２００９−３１６８２号公報 特開２００２−１０１３４７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).

２次元の画像を取得する機能だけでなく、上述した機能（被写体距離の測定、複数波長帯の画像取得、被写界深度拡大、高ダイナミックレンジ画像取得など）を含むその他の複数の機能のうち少なくとも１つを実現することができる撮像装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様に係る撮像装置は、互いに異なる光学特性を有する第１の領域および第２の領域を少なくとも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第１の画素と複数の第２の画素とを少なくとも有する撮像素子と、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複数の第１の画素に入射させ、前記第２の領域を通過した光を前記複数の第２の画素に入射させるアレイ状光学素子と、前記複数の第１の画素において得られる複数の第１の画素値と、前記複数の第２の画素において得られる複数の第２の画素値とを用いて、被写体情報を生成する信号処理部と、前記アレイ状光学素子と前記レンズ光学系との間に配置され、前記レンズ光学系の光軸に対称な回折格子が形成された回折光学素子とを備える。

本発明によれば、２次元の画像を取得する機能だけでなく、その他の複数の機能（被写体距離の測定、複数波長帯の画像取得、被写界深度拡大、高ダイナミックレンジ画像取得など）のうち少なくとも１つを実現することができる。本発明では、特殊な撮像素子を用いる必要がなく、また、複数の撮像素子を必要としない。

図１は、本発明の実施の形態１における撮像装置の構成を示す模式図である。 図２は、本発明の実施の形態１における第１の光学素子を被写体側からみた正面図である。 図３は、本発明の実施の形態１における第３の光学素子の構成図である。 図４は、本発明の実施の形態１における第３の光学素子と撮像素子上の画素との位置関係を説明するための図である。 図５は、本発明の実施の形態１における第１の領域および第２の領域の各々を通過する光束の球面収差を示す図である。 図６は、本発明の実施の形態１における被写体距離と鮮鋭度との関係を表すグラフである。 図７は、本発明の実施の形態１において、光軸から距離Ｈだけ離れた位置に集光する光線を示す図である。 図８は、本発明の実施の形態１における主光線の経路を説明するための図である。 図９は、本発明の実施の形態１において、入射角θでレンチキュラレンズに入射する主光線を含む光束の経路を解析した結果を示す図である。 図１０は、像側テレセントリック光学系を示す図である。 図１１は、本発明の実施の形態２における第３の光学素子および撮像素子の位置関係を説明するための図である。 図１２は、本発明の実施の形態２において、入射角θでレンチキュラレンズに入射する主光線を含む光束の経路を解析した結果を示す図である。 図１３は、本発明の実施の形態３における第１の光学素子を被写体側から見た正面図である。 図１４は、本発明の実施の形態３における第３の光学素子の構成図である。 図１５は、本発明の実施の形態３における第３の光学素子と撮像素子上の画素との位置関係を説明するための図である。 図１６は、本発明の実施の形態３における被写体距離と鮮鋭度との関係を表すグラフである。 図１７は、本発明の実施の形態４における第３の光学素子を説明するための図である。 図１８は、本発明の実施の形態４におけるブレーズ状回折格子の１次回折効率の波長依存性を説明するための図である。 図１９は、本発明の実施の形態５における第３の光学素子と撮像素子との拡大断面図である。 図２０は、本発明の実施の形態５の変形例における第３の光学素子と撮像素子との拡大断面図である。 図２１は、本発明の変形例における第３の光学素子の断面図である。

上述した従来技術において、被写体までの距離を取得する場合、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２つ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。

複数波長帯の画像を取得する場合、特許文献２に開示される方法では、白色光源と所定の狭帯域光源を順次点灯させて、時分割で撮像する方式である。そのため、動体を撮像すると、時間差による色ずれが生じる。

広いダイナミックレンジの画像を取得する場合、受光した信号を対数変換する方法では、画素毎に画素信号を対数変換する回路が必要となるため、画素サイズを小さくすることができない。また、特許文献１に開示される方法では、画素毎の感度の不均一性を補正するための補正用データを記録しておく手段が必要となり、コストアップとなってしまう。

また、特許文献２の方法では、撮像素子が２つ必要となるため、撮像装置が大型化し、大幅なコストアップとなってしまう。

特許文献３では、画像のズレを補正する技術が開示されているものの、あらゆる動体に対して時間差による画像のズレを完全に補正することは原理的に困難である。

本発明は、単一の撮像光学系を用いた１回の撮影で、２次元の画像を取得する機能だけでなく、その他の複数の機能（被写体距離の測定、複数波長帯の画像取得、被写界深度拡大、高ダイナミックレンジ画像取得など）のうち少なくとも１つを実現することができる。本発明では、特殊な撮像素子を用いる必要がなく、また、複数の撮像素子を必要としない。

以下本発明の実施の形態における撮像装置を、図面を参照しながら説明する。

なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも本発明の一具体例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、ステップ、ステップの順序などは、一例であり、本発明を限定する主旨ではない。また、以下の実施の形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。

（実施の形態１）
図１は、実施の形態１における撮像装置Ａの構成を示す模式図である。本実施の形態における撮像装置Ａは、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第３の光学素子Ｋと、撮像素子Ｎと、信号処理部Ｃとを備える。

レンズ光学系Ｌは、被写体（図示せず）からの光束Ｂ１またはＢ２が入射する、互いに光学特性が異なる第１の領域Ｄ１と第２の領域Ｄ２とを有する。ここで、光学特性とは、例えば、合焦特性、透過する光の波長帯域、もしくは光の透過率、またはそれらの組み合わせなどをいう。

また、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。曲率半径、球面収差特性、および屈折率の少なくとも１つを調整することにより、第１の領域Ｄ１および第２の領域Ｄ２は、互いに異なる合焦特性を有することができる。

レンズ光学系Ｌは、第１の光学素子Ｌ１と、レンズ光学系Ｌの光軸Ｖを含む領域に開口が形成された絞りＳと、第２の光学素子Ｌ２とを有する。

第１の光学素子Ｌ１は、絞りＳの近傍に配置され、互いに光学特性が異なる第１の領域Ｄ１と第２の領域Ｄ２とを有する。

図１において、光束Ｂ１は、第１の光学素子Ｌ１上の第１の領域Ｄ１を通過し、光束Ｂ２は第１の光学素子Ｌ１上の第２の領域Ｄ２を通過する。光束Ｂ１、Ｂ２は、第１の光学素子Ｌ１、絞りＳ、第２の光学素子Ｌ２、第３の光学素子Ｋの順に通過し、撮像素子Ｎの撮像面Ｎｉに到達する。

図２は、第１の光学素子Ｌ１を被写体側から見た正面図である。第１の領域Ｄ１と第２の領域Ｄ２とは、光軸Ｖを境界中心として、光軸Ｖに垂直な面内で上下に２分割されている。

第２の光学素子Ｌ２は、第１の光学素子Ｌ１を通過した光が入射するレンズである。図１では、第２の光学素子Ｌ２は、１枚のレンズで構成されているが、複数枚のレンズで構成されてもよい。また、第２の光学素子Ｌ２は、第１の光学素子Ｌ１と一体に形成されてもよい。この場合、製造時における第１の光学素子Ｌ１と第２の光学素子Ｌ２との位置合わせが容易となる。

図３は、第３の光学素子Ｋの構成図である。具体的には、図３の（ａ）は、第３の光学素子Ｋの断面図である。また、図３の（ｂ）は、ブレーズ状回折格子Ｍ２側から見た第３の光学素子Ｋの部分拡大斜視図である。また、図３の（ｃ）は、レンチキュラレンズＭ１側から見た第３の光学素子Ｋの部分拡大斜視図である。なお、レンチキュラレンズＭ１およびブレーズ状回折格子Ｍ２の各々の形状あるいはピッチの正確な寸法は、撮像装置Ｎの機能あるいは目的に応じて適宜決定されればよいので、その記載を省略する。

第３の光学素子Ｋの撮像素子Ｎ側の面には、撮像素子Ｎ側に突出した円弧状の断面を有する長尺状の光学要素（凸レンズ）が縦方向（列方向）に並んで複数配置されたレンチキュラレンズＭ１が形成されている。このレンチキュラレンズＭ１は、アレイ状光学素子に相当する。

また、第３の光学素子Ｋのレンズ光学系Ｌ側（すなわち被写体側）の面には、光軸Ｖに対称なブレーズ状回折格子Ｍ２が形成されている。すなわち、第３の光学素子Ｋは、光軸Ｖに対称な回折格子が形成された回折光学素子とアレイ状光学素子とが一体化された光学素子である。言い換えると、本実施の形態では、回折光学素子とアレイ状光学素子とは一体に形成されている。このように、アレイ状光学素子と回折光学素子とが一体に形成されることにより、製造時におけるアレイ状光学素子と回折光学素子との位置合わせが容易となる。なお、アレイ状光学素子と回折光学素子とは、必ずしも一体化される必要はなく、別々の光学素子として構成されてもよい。

図４は、第３の光学素子Ｋと撮像素子Ｎ上の画素との位置関係を説明するための図である。具体的には、図４の（ａ）は、第３の光学素子Ｋと撮像素子Ｎとの拡大図である。また、図４の（ｂ）は、第３の光学素子Ｋと撮像素子Ｎ上の画素との位置関係を示す図である。

第３の光学素子Ｋは、レンズ光学系Ｌの焦点近傍に配置されており、かつ撮像面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、撮像素子Ｎの撮像面Ｎｉ上には、複数の画素が行列状に配置されている。このように配置された複数の画素は、第１の画素Ｐ１と第２の画素Ｐ２とに区別することができる。

本実施の形態では、第１の画素Ｐ１と第２の画素Ｐ２との各々は、横方向（行方向）に１行に並んで配置されている。そして、縦方向（列方向）において、第１の画素Ｐ１と第２の画素Ｐ２とは交互に配置されている。また、第１の画素Ｐ１および第２の画素Ｐ２上には、マイクロレンズＭｓが設けられている。

また、レンチキュラレンズＭ１に含まれる複数の光学要素の各々は、撮像面Ｎｉ上の第１の画素Ｐ１の１行と第２の画素Ｐ２の１行とのペアに１対１で対応するように構成されている。

このような構成により、図２で示した第１の光学素子Ｌ１上の第１の領域Ｄ１を通過した光束Ｂ１（図１の実線）の大部分は、撮像面Ｎｉ上の第１の画素Ｐ１に到達し、第２の領域Ｄ２を通過した光束Ｂ２（図１の破線）の大部分は、撮像面Ｎｉ上の第２の画素Ｐ２に到達する。

具体的には、第３の光学素子Ｋの屈折率および撮像面Ｎｉからの距離、ブレーズ状回折格子Ｍ２の回折ピッチ、およびレンチキュラレンズＭ１表面の曲率半径等のパラメータを適切に設定することで、第３の光学素子Ｋは、第１の領域Ｄ１を通過した光束Ｂ１を第１の画素Ｐ１に入射させ、第２の領域Ｄ２を通過した光束Ｂ２を第２の画素Ｐ２に入射させることができる。

一般的な撮像光学系では、絞りを通過した位置によって焦点における光線の角度が決定される。したがって、絞り近傍に第１の領域Ｄ１および第２の領域Ｄ２を有する第１の光学素子Ｐ１を配置し、かつ、前述のように第３の光学素子Ｋを焦点近傍に配置することにより、各領域を通過した光束Ｂ１およびＢ２の各々を、第１の画素Ｐ１および第２の画素Ｐ２に分離して導くことができる。

ここで、図１で示した信号処理部Ｃは、複数の第１の画素Ｐ１において得られる複数の第１の画素値と、複数の第２の画素Ｐ２において得られる複数の第２の画素値とを用いて、被写体情報を生成する。本実施の形態では、信号処理部Ｃは、第１の画素値からなる第１の画像Ｉ１と、第２の画素値からなる第２の画像Ｉ２とを、被写体情報として生成する。

第１の画像Ｉ１と第２の画像Ｉ２とは、互いに異なる光学特性を有する第１の領域Ｄ１と第２の領域Ｄ２とを通過した光束Ｂ１、Ｂ２によって得られる画像である。例えば、第１の領域Ｄ１と第２の領域Ｄ２が、通過する光線の合焦特性を互いに異ならせる光学特性を有している場合、第１の画像Ｉ１と第２の画像Ｉ２とが有する輝度情報は被写体距離の変化に応じて互いに異なる特性を有している。この違いを用いて、被写体までの距離を求めることができる。つまり、単一の撮像系を用いた１回の撮像によって、被写体までの距離を取得することができる。詳細は後述する。

また、同様に第１の領域Ｄ１と第２の領域Ｄ２の合焦特性を異ならせて得られる第１の画像Ｉ１と第２の画像Ｉ２ｂのうち、鮮鋭度の高い方の画像を用いて出力画像を生成することにより、被写界深度を拡大することができる。

また、第１の領域Ｄ１と第２の領域Ｄ２とで、透過する光の波長帯域が互いに異なる場合、第１の画像Ｉ１と第２の画像Ｉ２とは互いに異なる波長帯域の光によって得られる画像となる。例えば、第１の領域Ｄ１は、可視光を透過し近赤外光を実質的に遮断する特性を有する光学フィルタとする。第２の光学面領域Ｄ２は、可視光を実質的に遮断し、近赤外光を透過する特性を有する光学フィルタとする。これにより、昼夜兼用の撮像装置や生体認証用の撮像装置を実現することができる。つまり、単一の撮像系を用いた１回の撮像によって、任意のマルチスペクトル画像を取得することができる。

また、第１の領域Ｄ１と第２の領域Ｄ２が、互いに異なる透過率を有する場合、第１の画素Ｐ１の露光量と、第２の画素Ｐ２の露光量が異なることになる。例えば、第１の領域Ｄ１の透過率よりも第２の領域の透過率が大きい場合を考える。検出できる量よりも多い光が第１の画素Ｐ１に供給された場合（第１の画素Ｐ１の画素値が飽和している場合）においても、画素Ｐ２において検出された値を用いて、被写体の正確な明るさを算出することができる。一方、画素Ｐ１によって検出できる範囲内の光が画素Ｐ１に供給された場合（画素Ｐ１の画素値が飽和していない場合）には、の画素Ｐ１によって検出される値を用いることができる。つまり、単一の撮像系を用いた１回の撮像によって、高ダイナミックレンジ画像を取得することができる。

このように、撮像装置Ａは、互いに異なる光学特性を有する第１の領域Ｄ１と第２の領域Ｄ２を通過した光を互いに異なる画素に入射させて、別々の画像を生成する。第１の領域Ｄ１と第２の領域Ｄ２との間の光学特性の違いにより、生成された複数の画像が有する被写体情報も異なる。この被写体情報の違いを利用して、被写体距離の測定、複数波長帯の画像取得、被写界深度拡大、高ダイナミックレンジ画像取得等の機能が実現される。つまり、撮像装置Ａは、単一の撮像光学系を用いた１回の撮影で、単に２次元の画像を取得する機能だけでなく、その他の機能も実現することができる。

なお、第１の領域Ｄ１と第２の領域Ｄ２の間で互いに異ならせる光学特性は、上述した例に限らない。

次に、被写体情報の利用方法の一例として、被写体情報から被写体距離を求める方法について詳細に説明する。

ここでは、第１の光学素子Ｌ１における被写体側の面のうち、第１の領域Ｄ１が平面であり、第２の領域Ｄ２がレンズ光学系Ｌの焦点近傍における所定の範囲において光軸方向に沿って略一定の点像強度分布を生成する光学面である。また、第２のレンズＬ２のＦナンバーは２．８である。

図５は、本実施の形態における第１の領域Ｄ１および第２の領域Ｄ２の各々を通過する光束の球面収差を示す図である。ここで、第１の領域Ｄ１は、当該第１の領域Ｄ１を通過する光束の球面収差が少なくなるように設計されている。一方、第２の領域Ｄ２は、当該第２の領域Ｄ２を通過する光束の球面収差が意図的に増加するように設計されている。

第２の領域Ｄ２によって生じる球面収差の特性を調整することにより、レンズ光学系Ｌの焦点近傍の所定の範囲内において、第２の領域Ｄ２を通過した光束によって生成される画像の点像強度分布を略一定にすることができる。すなわち、被写体距離が変化しても点像強度分布を略一定にすることができる。

点像強度分布における点像の大きさが小さくなるほど画像の鮮鋭度が増すので、被写体距離と鮮鋭度との関係は図６のようになる。

図６は、本実施の形態における被写体距離と鮮鋭度との関係を表すグラフである。図６のグラフにおいて、プロファイルＧ１は第１の画素Ｐ１の画素値を用いて生成された画像の所定領域の鮮鋭度を示しており、プロファイルＧ２は第２の画素Ｐ２の画素値を用いて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より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て得られる周波数スペクトルに基づいて求めることもできる。

範囲Ｚは、プロファイルＧ１において被写体距離の変化に応じて鮮鋭度が変化する領域であって、かつプロファイルＧ２において被写体距離が変化しても鮮鋭度がほとんど変化しない領域を示している。したがって、範囲Ｚ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、範囲Ｚでは、プロファイルＧ１の鮮鋭度およびプロファイルＧ２の鮮鋭度の比は、被写体距離と相関がある。そこで、このような相関を利用すれば、第１の画素Ｐ１の画素値のみを用いて生成された画像の鮮鋭度と、第２の画素Ｐ２の画素値のみを用いて生成された画像の鮮鋭度との比に基づいて、被写体距離を求めることができる。

なお、上記のような被写体距離を求める方法は、被写体情報の利用方法の一例であり、被写体情報を用いて、例えば、ダイナミックレンジが広い画像、または被写界深度が深い画像が生成されてもよい。また、信号処理部Ｃが、被写体情報を用いて、被写体距離、ダイナミックレンジが広い画像、または被写界深度が深い画像などを生成してもよい。

次に、図３に示した第３の光学素子Ｋのレンズ光学系Ｌ側（すなわち被写体側）に形成されたブレーズ状回折格子Ｍ２の効果について説明する。

図７は、本実施の形態において、光軸Ｖから距離Ｈだけ離れた位置に集光する光線を示す図である。図７において、主光線（絞りＳの中心を通過する光線）ＣＲが光軸Ｖとなす角（第３の光学素子Ｋの被写体側の面への入射角）はφである。距離Ｈをパラメータとして変化させるとき、それぞれの距離Ｈに対して１つの主光線ＣＲと１つの入射角φとが存在する。距離Ｈが０であれば入射角φは０となる。一般の撮像レンズ光学系では、距離Ｈが大きくなるほど入射角φも大きくなる。

図８は、光軸Ｖから距離Ｈだけ離れた位置における主光線ＣＲの経路を示す図である。具体的には、図８の（ａ）は、ブレーズ状回折格子Ｍ２が形成されていない比較用光学素子における主光線ＣＲの経路を示す。また、図８の（ｂ）は、本実施の形態におけるブレーズ状回折格子Ｍ２が形成された第３の光学素子Ｋにおける主光線ＣＲの経路を示す。

図８の（ａ）では、主光線ＣＲは、屈折率ｎの比較用光学素子の入射平面において、ｎｓｉｎθａ＝ｓｉｎφを満足する角度θａで屈折し、レンチキュラレンズＭ１に到達する。

一方、図８の（ｂ）では、主光線ＣＲは、角度θｂで回折し、レンチキュラレンズＭ１に到達する。角度θｂは、次式で与えられる。

ｓｉｎφ−ｎｓｉｎθｂ＝ｍλ／Ｐ （式１）

ここで、λは波長、ｍは回折次数、Ｐはブレーズ状回折格子のピッチを表わす。

ブレーズ状回折格子Ｍ２において、入射角０°で入射する光線に対し、理論的に回折効率が１００％になる条件は、回折段差の深さｄを用いて次式で表される。

ｄ＝ｍλ／（ｎ−１） （式２）

（式２）において、λ＝５００ｎｍ、ｍ＝１、ｎ＝１．５２６とすると、ｄ＝０．９５μｍとなる。

ブレーズ状回折格子Ｍ２は、入射する光線を回折させて波面を変化させる。例えば（式２）が成立する条件においては、ブレーズ状回折格子Ｍ２では、入射する光のすべてがｍ次の回折光となり、光の方向が変化する。

ブレーズ状回折格子Ｍ２は、形状による位相分布により回折を実現する位相型回折格子の１つである。つまり、ブレーズ状回折格子Ｍ２は、所望の方向へ光線を曲げるための位相分布に基づいて、１波長に相当する位相差２πごとに段差が設けられた形状である。ブレーズ状回折格子Ｍ２と類似の形状を有する光学素子としてフレネルレンズがある。このフレネルレンズは、光軸からの距離に応じてレンズ形状を分断し、レンズの厚み方向にレンズの表面をシフトさせて平板状に構成されたレンズである。したがって、フレネルレンズは、ブレーズ状回折格子Ｍ２（位相型回折格子）とは異なる。フレネルレンズは、光の屈折を利用しているので、その段差ピッチは数１００μｍ〜数ｍｍと粗い。また、フレネルレンズでは、ｍが２次以上の高次回折で得られるような大きな光線の曲げ効果を奏することはない。

本実施の形態では、図３の（ａ）のように、ブレーズ状回折格子Ｍ２において、回折段差が光軸側に向けて形成され、回折段差間の曲面が外周側に向けて形成されている場合、入射光線は光軸側に曲がる。すなわち、この場合、ブレーズ状回折格子Ｍ２は、正の集光パワーをもつ。これは、（式１）において、ｍが正であることに相当する。

本実施の形態のように、第３の光学素子Ｋの被写体側の面にｍが正であるブレーズ状回折格子Ｍ２が形成されることで、θａ＞θｂが成り立つ。すなわち、第３の光学素子Ｋは、ブレーズ状回折格子Ｍ２が形成されていない比較用光学素子よりも、レンチキュラレンズＭ１に入射する光線の角度を光軸Ｖに近づけることができる。本実施の形態のようにブレーズ状回折格子Ｍ２により、より光軸に平行な角度でレンチキュラレンズＭ１に光が到達する。

図９は、入射角θでレンチキュラレンズＭ１に入射する主光線ＣＲを含む光束の経路を解析した結果を示す図である。図９では、主光線ＣＲを含む代表的な光線のみが図示されている。

図９の（ａ）は、第１の光学素子Ｌ１の第１の領域Ｄ１を通過した光線の経路の解析結果を示す。また、図９の（ｂ）は、第１の光学素子Ｌ１の第２の領域Ｄ２を通過した光線の経路の解析結果を示す。図９の（ａ）および（ｂ）では、それぞれθ＝０°、４°、８°、１０°、１２°の場合の解析結果が示されている。

図９の（ａ）に示すように、θ＝０°の場合、第１の領域Ｄ１を通過した光線は、第１の画素Ｐ１のみに到達し、第２の画素Ｐ２に到達しない。また、図９の（ｂ）に示すように、θ＝０°の場合、第２の領域Ｄ２を通過した光線は、第２の画素Ｐ２のみに到達し、第１の画素Ｐ１に到達しない。つまり、θ＝０°の場合、レンチキュラレンズＭ１によって光線が正しく分離されており、クロストークが発生していないことがわかる。

一方、θ≧４°の場合、第１の領域Ｄ１を通過した光線は第１の画素Ｐ１に加えて第２の画素Ｐ２にも到達し、第２の領域Ｄ２を通過した光線は第２の画素Ｐ２に加えて第１の画素Ｐ１にも到達する。つまり、θ≧４°の場合、レンチキュラレンズＭ１によって光線が正しく分離されなくなっており、クロストークが発生していることがわかる。このようにクロストークが発生した場合、第１の画素Ｐ１および第２の画素Ｐ２の各々の画素値を用いて生成される画像の画質は大きく劣化する。その結果、それらの画像を用いて生成される各種情報（立体情報など）の精度も低下する。

図８の（ａ）の比較用光学素子のように、ブレーズ状回折格子Ｍ２がない場合、スネルの屈折法則によりφ＜６°でなければθａ＜４°を満足することができない。光軸Ｖからの距離Ｈに関わらずφ＜６°を満足するためには、図１０のように、レンズ光学系Ｌが像側テレセントリック光学系またはこれに近い光学系である必要がある。

像側テレセントリック光学系とは、図１０のように主光線ＣＲ（任意の主光線）が距離Ｈに関わらず光軸Ｖとほぼ平行となる、すなわち第３の光学素子Ｋの被写体側の面への入射角φがほぼ０になる光学系である。レンズ光学系Ｌの主点から被写体側に焦点距離ｆだけ離れた位置に絞りＳを設けた場合に、レンズ光学系Ｌは像側テレセントリック光学系となる。像側テレセントリック光学系を実現するためには、このように絞りＳの設置位置に制約が生じるので、撮像装置の設計上の自由度が減少する。具体的には、テレセントリック光学系を実現するためには、レンズ光学系を大きくすること、あるいはレンズ枚数を多くすることが必要となる。特に、レンズ光学系を広角化する必要がある場合は、さらにレンズ光学系を大きくすること、あるいはさらにレンズ枚数を増加させることが必要となる。

本実施の形態では、図８の（ｂ）のように第３の光学素子Ｋの被写体側の面に形成されたブレーズ状回折格子Ｍ２による回折の効果により、レンチキュラレンズＭ１への光線の入射角を角度θａから角度θｂに小さくすることができる。つまり、レンチキュラレンズＭ１へ入射する光線を、光軸と平行に近づけることができる。

一例として、第３の光学素子Ｋの屈折率ｎが１．５２６とし、ブレーズ状回折格子Ｍ２の回折段差の深さを０．９５μｍとする。このとき、（式２）より、波長５００ｎｍの光に対して、ｍはほぼ１となる。つまり、ブレーズ状回折格子Ｍ２は、ほぼ１００％の回折効率で、１次回折光を発生することができる。

主光線ＣＲがブレーズ状回折格子Ｍ２に入射する位置における回折格子のピッチを７μｍとすれば、φが１０°であるとき、θｂが約４°となる。つまり、ブレーズ状回折格子Ｍ２が形成された第３の光学素子Ｋは、図８の（ａ）に示す比較用光学素子に比べて、主光線ＣＲの第３の光学素子Ｋの被写体側の面への入射角φが約４°大きくなっても、クロストークを抑制することができる。

つまり、本実施の形態における撮像装置Ａにおいて、主光線ＣＲのレンチキュラレンズＭ１への入射角φが１０°程度まで拡大してもクロストークを抑制することができる。したがって、レンズ光学系Ｌは、必ずしも像側テレセントリック光学系である必要はなく、像側非テレセントリック光学系であってもよい。

以上のように、本実施の形態における撮像装置Ａによれば、レンチキュラレンズＭ２によって、第１の領域Ｄ１を通過した光束を第１の画素Ｐ１に到達させることができ、第２の領域Ｄ２を通過した光束を第２の画素Ｐ２に到達させることができる。したがって、撮像装置Ａによれば、単一の撮像光学系を用いて、１回の撮影で２枚の画像を生成することができる。また、第１の光学素子Ｌ１とレンチキュラレンズＭ１との間にブレーズ状回折格子Ｍ２が配置されることにより、レンチキュラレンズＭ１への光の入射角を光軸に近づけることができる。その結果、レンズ光学系Ｌが像側非テレセントリック光学系であっても、クロストークを抑制することができ、撮像装置Ａの設計の自由度を向上させることが可能となる。つまり、本実施の形態における撮像装置Ａによれば、単一の撮像光学系を用いて、１回の撮影で複数枚の画像を生成することができるとともに、設計の自由度を向上させ、かつクロストークを抑制することができる。

また、撮像装置Ａは、絞りＳの開口が光軸を含む領域に形成され、かつその絞りの近傍に第１の光学素子Ｌ１が配置されているので、光ロスが少なく、明るい画像を撮影することが可能となり、特に望ましい。

（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２について説明する。

主光線ＣＲと光軸Ｖとのなす角である第３の光学素子Ｋの被写体側の面への入射角φがさらに大きくなってもクロストークが発生しないようにすることができれば、レンズ光学系Ｌをさらに小型化することが可能となり、小型で、広角な撮像装置が実現できる。

そこで、本実施の形態では、レンチキュラレンズＭ３を構成する各光学要素（凸レンズ）を、対応する第１の画素Ｐ１および第２の画素Ｐ２の配列に対してオフセットさせる。以下に、レンチキュラレンズＭ３を構成する各光学要素がオフセットされていない比較用の撮像装置と比較しながら、本実施の形態における撮像装置Ａについて説明する。

図１１は、本実施の形態における第３の光学素子Ｋおよび撮像素子Ｎの位置関係を説明するための図である。具体的には、図１１の（ａ）は、比較用の撮像装置の光軸から離れた位置における第３の光学素子Ｋと撮像素子Ｎとの拡大図である。また、図１１の（ｂ）は、実施の形態２における撮像装置の光軸から離れた位置における第３の光学素子Ｋと撮像素子Ｎとの拡大図である。図１１の（ａ）および（ｂ）では、第３の光学素子Ｋを通過する光束のうち第１の領域Ｄ１を通過する光束のみを示している。

図１１の（ａ）に示す比較用の撮像装置では、レンチキュラレンズを構成する各光学要素は、対応する第１の画素Ｐ１および第２の画素Ｐ２の配列に対してオフセットされていない。つまり、光軸と平行な方向において、各光学要素の中心と、対応する第１の画素Ｐ１および第２の画素Ｐ２のペアの中心とは一致する。

このような比較用の撮像装置では、図１１の（ａ）に示すように、第１の領域Ｄ１を通過した光束のうちの一部は、第１の画素Ｐ１に隣接する第２の画素Ｐ２に到達している。つまり、第３の光学素子Ｋへの光の入射角φが大きくなる光軸Ｖから離れた位置では、クロストークが発生している。

一方、図１１の（ｂ）に示す本実施の形態における撮像装置Ａでは、レンチキュラレンズＭ３を構成する各光学要素は、対応する第１の画素Ｐ１および第２の画素Ｐ２の配列に対してオフセットされている。つまり、光軸と平行な方向において、各光学要素の中心は、対応する第１の画素Ｐ１および第２の画素Ｐ２の配列の中心に対して、オフセット量Δだけ光軸Ｖに近づく方向へずれている。

このような本実施の形態における撮像装置Ａでは、図１１の（ｂ）に示すように、第１の領域Ｄ１を通過した光束は、第１の画素Ｐ１のみに到達している。つまり、図１１の（ｂ）のように、第３の光学素子ＫのレンチキュラレンズＭ３の各光学要素を画素配列に対してオフセット量Δだけ光軸Ｖに近づく方向へオフセットさせることにより、クロストークを低減させることができる。

なお、第３の光学素子Ｋの被写体側の面への光の入射角φは、光軸Ｖからの距離Ｈによって異なる。したがって、オフセット量Δは、第３の光学素子Ｋの被写体側の面への光束の入射角φに応じて設定されればよい。例えば、レンチキュラレンズＭ３は、光軸Ｖから離れるほどオフセット量Δが大きくなるように構成されればよい。これにより、光軸Ｖから離れた位置であっても、クロストークを抑制することができる。

図１２は、入射角θでレンチキュラレンズＭ３に入射する主光線ＣＲを含む光束の経路を解析した結果を示す図である。図１２では、主光線ＣＲを含む代表的な光線のみが図示されている。

図１２の（ａ）は、第１の光学素子Ｌ１の第１の領域Ｄ１を通過した光線の経路の解析結果を示す。また、図１２の（ｂ）は、第１の光学素子Ｌ１の第２の領域Ｄ２を通過した光線の経路の解析結果を示す。図１２の（ａ）および（ｂ）では、それぞれθ＝０°、４°、８°、１０°、１２°の場合の解析結果が示されている。

ここでは、入射角θ＝４°、８°、１０°、１２°となる位置において、レンチキュラレンズＭ３のピッチに対して、それぞれ９％、２０％、２５％、３０％となるオフセット量Δが設定されている。

図１２より、レンチキュラレンズの光学要素を画素配列に対してオフセット量Δだけオフセットさせれば、入射角θが８°以下のときにクロストークが発生しないことがわかる。

以上のように、本実施の形態における撮像装置Ａによれば、第３の光学素子Ｋの被写体側の面にブレーズ状回折格子Ｍ２を設けることによって、回折の効果によりレンチキュラレンズＭ３への光線の入射角を小さくすることができ、光軸と平行に近づけることができる。

また、本実施の形態における撮像装置Ａによれば、レンチキュラレンズＭ３を構成する各光学要素を、対応する第１の画素Ｐ１および第２の画素Ｐ２の配列に対してオフセットさせることにより、さらに、レンチキュラレンズＭ３への光線の入射角を小さくすることができる。その結果、本実施の形態における撮像装置Ａによれば、さらに、クロストークの発生を抑制することが可能となる。

一例として、第３の光学素子Ｋの屈折率ｎが１．５２６とし、回折段差の深さを０．９５μｍとする。このとき、（式２）より、波長５００ｎｍの光に対して、ｍはほぼ１となる。つまり、ブレーズ状回折格子Ｍ３は、ほぼ１００％の回折効率で、１次回折光が発生することができる。

主光線ＣＲがブレーズ状回折格子Ｍ３に入射する位置での回折格子のピッチを７μｍとすれば、φが１６°であるとき、θｂが約８°となる。つまり、図８の（ａ）に示す比較用光学素子と比べて、ＣＲの第３の光学素子Ｋの被写体側の面への入射各φが約８°大きくなっても、クロストークを抑制することができる。

つまり、本実施の形態のようにレンチキュラレンズＭ３の各光学要素を画素の配列に対してオフセットさせることによって、入射角φが１６°程度までクロストークの発生を抑制することができ、撮像装置の設計の自由度をさらに向上させることができる。

（実施の形態３）
次に、本発明の実施の形態３について説明する。

本実施の形態３における撮像装置は、主として以下の点において実施の形態１および２における撮像装置と異なる。まず、１点目は、第１の光学素子Ｌ１が互いに光学特性の異なる４つの領域を有する点である。次に、２点目は、第３の光学素子Ｋの一方の面にレンチキュラレンズではなくマイクロレンズアレイが形成されている点である。最後に、３点目は、ブレーズ状回折格子が光軸に対して同心円状に設けられている点である。以下、図面を参照しながら、実施の形態１および２と異なる点を中心に、実施の形態３について説明する。

図１３は、本実施の形態における第１の光学素子Ｌ１を被写体側から見た正面図である。第１の領域Ｄ１、第２の領域Ｄ２、第３の領域Ｄ３、および第４の領域Ｄ４は、光軸Ｖを境界中心として上下左右に４分割されている。

図１４は、本実施の形態における第３の光学素子Ｋの構成図である。具体的には、図１４の（ａ）は、第３の光学素子Ｋの断面図である。また、図１４の（ｂ）は、ブレーズ状回折格子Ｍ２側から見た第３の光学素子Ｋの正面図である。また、図１４の（ｃ）は、マイクロレンズアレイＭ４側から見た第３の光学素子Ｋの部分拡大斜視図である。

図１４に示すように、第３の光学素子Ｋの撮像素子Ｎ１側の面には、複数のマイクロレンズを有するマイクロレンズアレイＭ４が形成されている。また、第３の光学素子Ｋのレンズ光学系Ｌ側（すなわち被写体側）の面には、光軸Ｖを中心として同心円状に回折輪帯が形成されたブレーズ状回折格子Ｍ２が形成されている。なお、マイクロレンズアレイＭ４、およびブレーズ状回折格子Ｍ２の各々の形状およびピッチの正確な寸法は、撮像装置Ａの機能あるいは目的に応じて適宜決定されればよいので、その記載を省略する。

図１５は、第３の光学素子Ｋと撮像素子Ｎ上の画素との位置関係を説明するための図である。具体的には、図１５の（ａ）は、第３の光学素子Ｋと撮像素子Ｎとの拡大図である。また、図１５の（ｂ）は、第３の光学素子Ｋと撮像素子Ｎ上の画素との位置関係を示す図である。

第３の光学素子Ｋは、実施の形態１と同様に、レンズ光学系Ｌの焦点近傍に配置されており、かつ撮像面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、撮像素子Ｎの撮像面Ｎｉ上には、複数の画素が行列状に配置されている。このように配置された複数の画素は、第１の画素Ｐ１と、第２の画素Ｐ２と、第３の画素Ｐ３と、第４の画素Ｐ４とに区別することができる。また、複数の画素上にはマイクロレンズＭｓが設けられている。

また、第３の光学素子Ｋの撮像素子Ｎ側の面には、マイクロレンズアレイＭ４が形成されている。このマイクロレンズアレイＭ４は、アレイ状光学素子に相当する。マイクロレンズアレイＭ４を構成する複数のマイクロレンズ（光学要素）の各々は、撮像面Ｎｉ上に２行２列の行列状に配置された第１〜第４の画素Ｐ１〜Ｐ４の４つの画素の組に１対１で対応するように構成されている。

このような構成により、図１３に示した第１の光学素子Ｌ１上の第１の領域Ｄ１、第２の領域Ｄ２、第３の領域Ｄ３、および第４の領域Ｄ４を通過した光束の大部分は、それぞれ撮像面Ｎｉ上の第１の画素Ｐ１、第２の画素Ｐ２、第３の画素Ｐ３、および第４の画素Ｐ４に到達する。

ここで、信号処理部Ｃは、複数の第１の画素Ｐ１において得られる複数の第１の画素値と、複数の第２の画素Ｐ２において得られる複数の第２の画素値と、複数の第３の画素Ｐ３において得られる複数の第３の画素値と、複数の第４の画素Ｐ４において得られる複数の第４の画素値と用いて、被写体情報を生成する。本実施の形態では、信号処理部Ｃは、実施の形態１と同様に、第１の画素値からなる第１の画像Ｉ１、第２の画素値からなる第２の画像Ｉ２、第３の画素値からなる第３の画像Ｉ３、および第４の画素値からなる第４の画像Ｉ４を、被写体情報として生成する。

次に、被写体情報の利用方法の一例として、被写体情報から被写体距離を求める方法について説明する。

この例の場合、第１の領域Ｄ１、第２の領域Ｄ２、第３の領域Ｄ３、および第４の領域Ｄ４を、通過する光線の合焦特性を互いに異ならせる光学特性を有する構成とする。具体的には、例えば、第１の領域Ｄ１には平面レンズ、第２の領域Ｄ２には曲率半径Ｒ２の球面レンズ、第３の領域Ｄ３は曲率半径Ｒ３の球面レンズ、第４の領域Ｄ４は曲率半径Ｒ４の球面レンズを形成する（Ｒ２＞Ｒ３＞Ｒ４）。第２の領域Ｄ２、第３の領域Ｄ３および第４の領域Ｄ４の球面レンズの光軸は、前述のレンズ光学系Ｌの光軸Ｖと一致する。このときの被写体距離と鮮鋭度との関係を表すグラフが図１６である。図１６のグラフにおいて、プロファイルＧ１は、第１の画素Ｐ１の画素値のみを用いて生成された画像の所定領域の鮮鋭度を示している。また、プロファイルＧ２は、第２の画素Ｐ２の画素値のみを用いて生成された画像の所定領域の鮮鋭度を示している。また、プロファイルＧ３は、第３の画素Ｐ３の画素値のみを用いて生成された画像の所定領域の鮮鋭度を示している。また、プロファイルＧ４は、第４の画素Ｐ４の画素値のみを用いて生成された画像の所定領域の鮮鋭度を示している。

また、範囲Ｚは、プロファイルＧ１、Ｇ２、Ｇ３およびＧ４のいずれかにおいて被写体距離の変化に応じて鮮鋭度が変化する領域を示している。したがって、範囲Ｚ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、範囲Ｚでは、プロファイルＧ１およびＧ２間における鮮鋭度の比、プロファイルＧ２およびＧ３間における鮮鋭度の比、ならびプロファイルＧ３およびＧ４間における鮮鋭度の比のうちの少なくとも１つは、被写体距離と相関がある。そこで、このような相関を利用すれば、これらの鮮鋭度の比に基づいて、画像の所定領域毎に被写体距離を求めることができる。

なお、第１の領域Ｄ１、第２の領域Ｄ２、第３の領域Ｄ３、および第４の領域Ｄ４の間で互いに異ならせる光学特性は、上述した例に限らない。どのような光学特性を異ならせるかによって、被写体情報の利用方法も異なる。上述のような被写体距離を求める方法は、被写体情報の利用方法の一例である。例えば、第１の画像Ｉ１、第２の画像Ｉ２、第３の画像Ｉ３、および第４の画像Ｉ４を加算した加算画像Ｉ５が生成されてもよい。このように生成された加算画像Ｉ５は、第１の画像Ｉ１、第２の画像Ｉ２、第３の画像Ｉ３、および第４の画像Ｉ４の各々よりも被写界深度が深い画像となる。

また、加算画像Ｉ５の所定領域の鮮鋭度と、第１の画像Ｉ１、第２の画像Ｉ２、第３の画像Ｉ３および第４の画像Ｉ４のいずれかの所定領域の鮮鋭度との比を利用して、画像の所定領域毎に被写体距離を求めることもできる。

なお、信号処理部Ｃが、上記のように、被写体情報を用いて被写体距離または加算画像Ｉ５などを生成してもよい。

以上のように、本実施の形態における撮像装置Ａによれば、単一の撮像光学系を用いて、１回の撮影で４枚の画像を生成することができるとともに、設計の自由度を向上させ、かつクロストークを抑制することができる。

（実施の形態４）
次に、本発明の実施の形態４について説明する。

本実施の形態４は、ブレーズ状回折格子が２層化されている点が他の実施の形態と異なる。以下では、実施の形態１〜３と異なる点を中心に説明し、実施の形態１〜３と同様の内容についての詳細な説明を省略する。

図１７の（ａ）は、実施の形態１における第３の光学素子Ｋの断面図である。実施の形態１における第３の光学素子Ｋの撮像素子Ｎ１側の面には、断面が円弧状のレンチキュラレンズＭ１が形成されており、レンズ光学系Ｌ側（すなわち被写体側）の面には、ブレーズ状回折格子Ｍ２が形成されている。

一方、図１７の（ｂ）は、本実施の形態における第３の光学素子Ｋの断面図である。本実施の形態における第３の光学素子Ｋのレンズ光学系Ｌ側の面に形成されたブレーズ状回折格子Ｍ２の上には、被覆膜Ｍｗｆが設けられている。つまり、第３の光学素子Ｋは、ブレーズ状回折格子Ｍ２を覆うように形成された被覆膜Ｍｗｆを有する。

ブレーズ状回折格子Ｍ２のｄ線屈折率をｎ１とし、被覆膜のｄ線屈折率をｎ２としたとき、これらの屈折率は波長λの関数として表わされる。具体的には、回折段差の深さｄ’が、以下の（式３）を可視光波長域全域で略満足するとき、ｍ次（もしくはブレーズの傾斜方向を左右で逆にしたときは−ｍ次）の回折効率が波長に依存せずほぼ１００％となる。なお、ｍは回折次数を表わす。

ｄ’＝ｍλ／｜ｎ１−ｎ２｜ （式３）

なお、（式３）を略満足するとは、厳密に（式３）を満足する場合と実質的に同一とみなせる範囲内において（式３）を満足することが含まれる。

図１８の（ａ）は、実施の形態１におけるブレーズ状回折格子Ｍ２における１次回折効率と波長との関係を示すグラフである。具体的には、図１８の（ａ）は、ブレーズ状回折格子Ｍ２に垂直入射する光線に対する１次回折効率の波長依存性を示す。

図１８の（ａ）において、ブレーズ状回折格子Ｍ２の基材として、ｄ線屈折率１．５２であり、アッベ数が５６である基材が用いられている。また、ブレーズ状回折格子Ｍ２の回折段差の深さは１．０６μｍである。

一方、図１８の（ｂ）は、本実施の形態におけるブレーズ状回折格子Ｍ２における１次回折効率と波長との関係を示すグラフである。具体的には、図１８の（ｂ）は、ブレーズ状回折格子Ｍ２に垂直入射する光線に対する１次回折効率の波長依存性を示す。

図１８の（ｂ）では、ブレーズ状回折格子Ｍ２の基材としてポリカーボネート（ｄ線屈折率１．５８５、アッベ数２８）が用いられている。また、被覆膜Ｍｗｆとしてアクリル系の紫外線硬化樹脂に粒径が１０ｎｍ以下の酸化ジルコニウムを分散させた樹脂（ｄ線屈折率が１．６２３、アッベ数４０）が用いられている。このとき、（式３）の右辺は、波長に関わらずほぼ一定となる。なお、ブレーズ状回折格子Ｍ２の回折段差の深さは、ｄ’＝１５μｍとした。

本実施の形態のように、第３の光学素子Ｋに形成されたブレーズ状回折格子Ｍ２を覆うように被覆膜Ｍｗｆを形成することで、図１８の（ｂ）のように、可視光波長域全域で１次回折効率を、ほぼ１００％近くにまで向上させることができる。また、ｄ’＝３０μｍとすれば、２次回折効率を可視光波長域全域でほぼ１００％近くにまで向上させることもできる。

以上のように、本実施の形態における撮像装置によれば、（式３）が概ね成立するように、ブレーズ状回折格子Ｍ２を被覆膜Ｍｗｆで覆うことにより、可視光波長域全域で高い回折効率が得ることができる。

なお、第３の光学素子Ｋおよび被覆膜の材料の組み合わせとしては、上述した材料に限るものではなく、各種ガラス、各種樹脂、あるいはナノコンポジット材料などを組み合わせてもよい。これにより、光ロスの少ない明るい画像を撮影することができる撮像装置を実現することができる。

（実施の形態５）
次に、本発明の実施の形態５について説明する。

本実施の形態５における撮像装置は、ブレーズ状回折格子と、レンチキュラレンズまたはマイクロレンズアレイとからなる第３の光学素子Ｋが撮像素子Ｎと一体に形成されている点が、実施の形態１〜４における撮像装置と異なる。以下では、実施の形態１〜４と異なる点を中心に説明し、実施の形態１〜４と同様の内容についての詳細な説明を省略する。

図１９は、実施の形態５における第３の光学素子Ｋと撮像素子Ｎとの拡大断面図である。本実施の形態では、ブレーズ状回折格子Ｍ２と、レンチキュラレンズ（またはマイクロレンズアレイ）Ｍ５とが形成された第３の光学素子Ｋが、媒質Ｍｄを介して、撮像素子Ｎと一体化されている。撮像面Ｎｉには、実施の形態１等と同様に、複数の画素Ｐが行列状に配置されている。これら複数の画素Ｐに対して、レンチキュラレンズの１つの光学要素あるいは、マイクロレンズアレイの１つのマイクロレンズが対応している。

図１９の（ａ）では、レンチキュラレンズ（またはマイクロレンズアレイ）Ｍ５の各光学要素が被写体側に凸となるように、第３の光学素子Ｋと撮像素子Ｎとが一体化されている。このような場合は、第３の光学素子Ｋと撮像素子Ｎとの間の媒質Ｍｄは、第３の光学素子Ｋ（ブレーズ状回折格子Ｍ２とレンチキュラレンズ（またはマイクロレンズアレイ）Ｍ５との間の媒質）よりも屈折率の高い材料で構成する。例えば、第３の光学素子ＫがＳｉＯ２で構成され、媒質ＭｄがＳｉＮで構成されればよい。

なお、図１９の（ｂ）に示すように、レンチキュラレンズ（またはマイクロレンズアレイ）Ｍ５の各光学要素が被写体側に凹となるように、第３の光学素子Ｋと撮像素子Ｎとが一体化されてもよい。このような場合は、第３の光学素子Ｋと撮像素子Ｎとの間の媒質Ｍｄは、第３の光学素子Ｋ（ブレーズ状回折格子Ｍ２とレンチキュラレンズ（またはマイクロレンズアレイ）Ｍｄとの間の媒質）よりも屈折率の低い材料で構成する。

本実施の形態においても、実施の形態１〜４と同様に、第１の光学素子Ｌ１上の異なる領域を通過した光束を、それぞれ異なる画素に導くことができる。

次に、本実施の形態の変形例として、撮像面Ｎｉ上にマイクロレンズＭｓが配置される場合について説明する。

図２０は、実施の形態５の変形例における第３の光学素子Ｋと撮像素子Ｎとの拡大断面図である。本変形例では、撮像面Ｎｉ上に、複数の画素Ｐを覆うようにマイクロレンズＭｓが形成され、マイクロレンズＭｓの上方に、媒質Ｍｄと第３の光学素子Ｋとが積層されている。

図２０の（ａ）では、レンチキュラレンズ（またはマイクロレンズアレイ）Ｍ５の各光学要素が被写体側に凹となるように、第３の光学素子Ｋと撮像素子Ｎとが一体化されている。このような場合は、レンチキュラレンズ（またはマイクロレンズアレイ）Ｍ５とマイクロレンズＭｓとの間の媒質Ｍｄは、第３の光学素子Ｋ（ブレーズ状回折格子Ｍ２とレンチキュラレンズ（またはマイクロレンズアレイ）Ｍ５との間の媒質）、あるいはマイクロレンズＭｓよりも屈折率の低い材料で構成する。例えば、マイクロレンズＭｓが樹脂系の材料で構成される場合、第３の光学素子Ｋおよび媒質Ｍｄも樹脂系の材料で構成されればよい。

なお、図２０の（ｂ）に示すように、レンチキュラレンズ（またはマイクロレンズアレイ）Ｍ５の各光学要素が被写体側に凸となるように、第３の光学素子Ｋと撮像素子Ｎとが一体化されてもよい。このような場合は、第３の光学素子Ｋ（ブレーズ状回折格子Ｍ２とレンチキュラレンズ（またはマイクロレンズアレイ）Ｍ５との間の媒質）、レンチキュラレンズ（またはマイクロレンズアレイ）Ｍ５とマイクロレンズＭｓとの間の媒質Ｍｄ、マイクロレンズＭｓ順番に屈折率が高くなるような材料で各部材を構成する。なお、複数の画素の上方にマイクロレンズＭｓを設置することにより、本変形例では、実施の形態５よりも集光効率を高めることができる。

なお、実施の形態４に示したように、（式３）を概ね満足する屈折率を有する材料の組み合わせを用いて第３の光学素子Ｋおよびブレーズ状回折格子を覆う被覆膜を形成することにより、可視光波長域全域で光ロスの少ない明るい画像を撮影することができる撮像装置を実現することができる。

以上のように、本実施の形態またはその変形例における撮像装置Ａによれば、第３の光学素子Ｋと撮像素子Ｎとを一体化することができる。実施の形態１〜４のように第３の光学素子Ｋと撮像素子とが分離している場合には、第３の光学素子Ｋと撮像素子Ｎとの位置合せが難しい。一方、本実施の形態またはその変形例のように、第３の光学素子Ｋと撮像素子Ｎとを一体化して形成することにより、ウエハプロセスにおいて第３の光学素子Ｋと撮像素子Ｎとの位置合せが可能になるので、位置合せが容易となり、位置合せの精度も向上させることができる。

以上、本発明の一態様に係る撮像装置Ａについて、実施の形態に基づいて説明したが、本発明は、これらの実施の形態に限定されるものではない。本発明の趣旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を本実施の形態に施したもの、あるいは異なる実施の形態における構成要素を組み合わせて構築される形態も、本発明の１つまたは複数の態様の範囲内に含まれる。

例えば、上記実施の形態１〜５において、レンズ光学系Ｌは、像側非テレセントリック光学系であったが、像側テレセントリック光学系であってもよい。その場合、撮像装置Ａは、さらに、クロストークを抑制することが可能となる。

また、上記実施の形態１〜５において、ブレーズ状回折格子Ｍ２は、第３の光学素子Ｋの被写体側の面の全体に形成されていたが、必ずしも面の全体に形成される必要はない。主光線ＣＲの第３の光学素子Ｋの被写体側の面への入射角φは、光軸Ｖからの距離Ｈによって変化し、一般的なレンズ光学系では距離Ｈを大きくするにつれて入射角φは大きくなる。そこで、ブレーズ状回折格子Ｍ２は、光軸Ｖから離れた位置（すなわち、入射角φが大きくなる位置）に少なくとも形成されればよい。つまり、ブレーズ状回折格子Ｍ２は、光軸Ｖの近傍には必ずしも形成される必要はない。すなわち、図２１に示すように、上記実施の形態１〜５におけるブレーズ状回折格子Ｍ２は、光軸Ｖから所定の距離以上離れた領域（周辺部分）にのみ形成されてもよい。これにより、第３の光学素子Ｋの中心部分を平面にすることができ、第３の光学素子Ｋの製造を容易にすることができる。

また、ブレーズ状回折格子Ｍ２は、角度φが大きくなる周辺部分ほどピッチＰが小さくなるように形成されてもよい。これにより、入射角φが大きくなるブレーズ状回折格子Ｍ２の周辺部分において、θｂを小さくすることが可能となる。

また、ブレーズ状回折格子Ｍ２は、周辺部分ほど回折段差の深さｄが大きくなるように形成されてもよい。これにより、ブレーズ状回折格子Ｍ２の周辺部分の回折次数ｍを大きくすることができるのでθｂをさらに小さくすることが可能となる。

また、上記実施の形態１〜５では、第１の光学素子Ｌ１に形成された複数の領域が互いに異なる合焦特性を有する場合を中心に説明した。しかしながら、第１の光学素子Ｌ１に形成された複数の領域は、必ずしも互いに異なる合焦特性を有する必要はない。

例えば、第１の光学素子Ｌ１には、互いに異なる光線透過率を有する複数の領域が形成されてもよい。具体的には、互いに光線透過率が異なる複数のＮＤフィルタ（ニュートラルデンシティフィルタ）が複数の領域に配置されてもよい。この場合、撮像装置Ａは、１度の撮影で、光線透過率の高い領域を通過した光線から暗い被写体の画像を生成し、光線透過率の低い領域を通過した光線から明るい被写体の画像を生成することができる。そして、撮像装置Ａは、このように生成された複数の画像を合成することによって、広いダイナミックレンジを持つ画像を生成することができる。

または、第１の光学素子Ｌ１には、互いに異なる波長帯域の光線を透過する複数の領域が形成されてもよい。具体的には、互いに異なる透過波長帯域を有する複数のフィルタが複数の領域に配置されてもよい。この場合、例えば、可視光のカラー画像と、近赤外の波長の画像とを１回の撮影で生成することができる。一例としては、昼間と夜間とで機能の切り替えなどを行うことなく、１つの撮像装置で、昼間に撮影されたカラー画像と、夜間に撮影された暗視画像とを取得することができる。

また、上記実施の形態１〜５において、第３の光学素子Ｋには、ブレーズ状回折格子が形成されていたが、光軸Ｖに対して対称な他の回折格子が形成されてもよい。

本発明の一態様に係る撮像装置は、デジタルスチルカメラあるいはデジタルビデオカメラ等として有用である。また、車載用カメラ、セキュリティカメラ、内視鏡もしくはカプセル内視鏡等の医療用、生体認証用、顕微鏡用、または天体望遠鏡等における分光画像取得用のカメラにも応用できる。

Ａ 撮像装置
Ｌ レンズ光学系
Ｌ１ 第１の光学素子
Ｌ２ 第２の光学素子
Ｄ１ 第１の領域
Ｄ２ 第２の領域
Ｄ３ 第３の領域
Ｄ４ 第４の領域
Ｓ 絞り
Ｋ 第３の光学素子
Ｎ 撮像素子
Ｎｉ 撮像面
Ｍｓ マイクロレンズ
Ｍ１、Ｍ３、Ｍ５ レンチキュラレンズ
Ｍ２ ブレーズ状回折格子
Ｍ４ マイクロレンズアレイ
Ｍｗｆ 被覆膜
ＣＲ 主光線
Ｈ 距離
Ｐ 画素
Ｐ１ 第１の画素
Ｐ２ 第２の画素
Ｐ３ 第３の画素
Ｐ４ 第４の画素
Ｃ 信号処理部

Claims (17)

1. 互いに異なる光学特性を有する第１の領域および第２の領域を少なくとも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第１の画素と複数の第２の画素とを少なくとも有する撮像素子と、
   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複数の第１の画素に入射させ、前記第２の領域を通過した光を前記複数の第２の画素に入射させるアレイ状光学素子と、
   前記複数の第１の画素において得られる複数の第１の画素値と、前記複数の第２の画素において得られる複数の第２の画素値とを用いて、被写体情報を生成する信号処理部と、
   前記アレイ状光学素子と前記レンズ光学系との間に配置され、前記レンズ光学系の光軸に対称な回折格子が形成された回折光学素子とを備える
   撮像装置。
2. 前記レンズ光学系は、前記光軸を含む領域に開口が形成された絞りと、前記絞りの近傍に配置され、前記第１の領域および前記第２の領域を少なくとも有する光学素子とを有する
   請求項１に記載の撮像装置。
3. 前記回折格子は、前記光軸から所定の距離以上離れた領域にのみ形成されている
   請求項１または２に記載の撮像装置。
4. 前記複数の第１の画素と前記複数の第２の画素とは互いに隣接している
   請求項１〜３のいずれか１項に記載の撮像装置。
5. 前記複数の第１の画素と前記複数の第２の画素とは互いに交互に配列されている
   請求項１〜４のいずれか１項に記載の撮像装置。
6. 前記アレイ状光学素子を構成する各光学要素は、対応する前記第１の画素および前記第２の画素の配列に対してオフセットされている
   請求項１〜５のいずれか１項に記載の撮像装置。
7. 前記レンズ光学系は、像側非テレセントリック光学系である
   請求項１〜６のいずれか１項に記載の撮像装置。
8. 前記複数の第１の画素および前記複数の第２の画素のそれぞれは、横方向に１行に並んで配置され、
   前記複数の第１の画素と前記複数の第２の画素とは、縦方向に交互に配置されている
   請求項１〜７のいずれか１項に記載の撮像装置。
9. 前記アレイ状光学素子は、レンチキュラレンズであり、
   前記レンチキュラレンズは、横方向に細長い複数の光学要素が縦方向に配置されてなり、
   前記複数の光学要素のそれぞれは、１行の前記複数の第１の画素と１行の前記複数の第２の画素とからなる２行の画素に対応するように配置されている
   請求項８に記載の撮像装置。
10. 前記レンズ光学系は、さらに、第３の領域および第４の領域を有し、
    前記第１、第２、第３および第４の領域はそれぞれ光学特性が異なり、
    前記撮像素子は、さらに、前記レンズ光学系を通過した光が入射する、複数の第３の画素と複数の第４の画素とを有し、
    前記アレイ状光学素子は、さらに、前記第３の領域を通過した光を前記複数の第３の画素に入射させ、前記第４の領域を通過した光を前記複数の第４の画素に入射させ、
    前記信号処理部は、前記複数の第１の画素値と、前記複数の第２の画素値と、前記複数の第３の画素において得られる複数の第３の画素値と、前記複数の第４の画素において得られる複数の第４の画素値とを用いて、前記被写体情報を生成する
    請求項１〜７のいずれか１項に記載の撮像装置。
11. 前記複数の第１の画素の１つと、前記複数の第２の画素の１つと、前記複数の第３の画素の１つと、前記複数の第４の画素の１つと、が２行２列の行列状に配置された４つの画素の組が、複数配列されている
    請求項１０に記載の撮像装置。
12. 前記アレイ状光学素子は、マイクロレンズアレイであり、
    前記マイクロレンズアレイは、複数の光学要素からなり、
    前記複数の光学要素のそれぞれは、前記４つの画素の組に対応するように配置されている
    請求項１１に記載の撮像装置。
13. 前記回折格子は、ブレーズ状回折格子である
    請求項１〜１２のいずれか１項に記載の撮像装置。
14. 前記回折光学素子は、前記ブレーズ状回折格子を覆うように形成された被覆膜を有し、
    前記ブレーズ状回折格子のｄ線屈折率をｎ１とし、前記被覆膜のｄ線屈折率をｎ２とし、ｍを正の整数とするとき、前記ブレーズ状回折格子の回折段差の深さｄ’は、ｄ’＝ｍλ／｜ｎ１−ｎ２｜を可視光波長域全域で略満足する
    請求項１３に記載の撮像装置。
15. 前記回折光学素子と前記アレイ状光学素子とは一体に形成されている
    請求項１〜１４のいずれか１項に記載の撮像装置。
16. 前記アレイ状光学素子は、前記撮像素子と一体に形成されている
    請求項１〜１５のいずれか１項に記載の撮像装置。
17. 前記撮像装置は、さらに、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と一体に形成されている
    請求項１６に記載の撮像装置。

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