JPWO2020071253A1 - 撮像装置 - Google Patents
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Abstract
Description
図1は、第1の実施の形態の撮像装置の概略構成を示す図である。
図2は、光学系の概略構成を示す正面図である。
図5は、撮像素子の概略構成を示す図であり、撮像素子の一部を分解し、拡大して示した図である。図6は、1画素(図5の破線部)の概略構成を示す断面図である。
信号処理部200は、撮像素子100から出力される信号を処理して、光学系10の各光学領域12A、12B、12Cで取得される画像データを生成する。
また、第1光学領域12Aに入射した光が第2画素102Bで受光される割合をb21、第2光学領域12Bに入射した光が第2画素102Bで受光される割合をb22、第3光学領域12Cに入射した光が第2画素102Bで受光される割合をb23とすると、X1、X2、X3とx2との間には、次の関係が成り立つ。
また、第1光学領域12Aに入射した光が第3画素102Cで受光される割合をb31、第2光学領域12Bに入射した光が第3画素102Cで受光される割合をb32、第3光学領域12Cに入射した光が第3画素102Cで受光される割合をb33とすると、X1、X2、X3とx3との間には、次の関係が成り立つ。
X1、X2、X3について、式2〜4の連立方程式を解くことで、元の画像の画素信号、すなわち、各光学領域12A、12B、12Cで得られる画像の画素信号X1、X2、X3を取得できる。
図13は、第2の実施の形態の撮像装置の概略構成を示す図である。
図13に示すように、光軸Lが同じ3つの光学領域12A、12B、12Cを有する。各光学領域12A、12B、12Cは、それぞれ焦点距離が異なる。中央の第1光学領域12Aは、広角の光学領域であり、所定の焦点距離を有する。中間の第2光学領域12Bは、望遠の光学領域であり、第1光学領域12Aよりも長い焦点距離を有する。最外周の第3光学領域12Cは、超望遠の光学領域であり、第2光学領域12Bよりも長い焦点距離を有する。本実施の形態では、第2光学領域12B及び第3光学領域12Cを反射屈曲光学系で構成している。望遠系の光学領域を反射屈曲光学系で構成することにより、光学系の構成をコンパクト化できる。
上記第1の実施の形態の撮像装置1と同様に、各画素ユニットU(x,y)から得られる3個の画素信号x1、x2、x3から各光学領域12A、12B、12Cに対応した画素信号X1、X2、X3を式1から算出し、各光学領域12A、12B、12Cの画像データを生成する。
上記第1及び第2の実施の形態の撮像装置1では、光学系10の各光学領域12A、12B、12Cに備えられる偏光フィルタ14A、14B、14Cの偏光方向(方位角)の組み合わせが、0°、60°、120°、各画素ユニットU(x,y)の各画素102A、102B、102Cに備えられる偏光素子122A、122B、122Cの偏光方向(方位角)の組み合わせが、0°、60°、120°であるが、各偏光フィルタ14A、14B、14Cに設定される偏光方向の組み合わせ、及び、各偏光素子122A、122B、122Cに設定される偏光方向の組み合わせは、これに限定されるものではない。互いに異なる偏光方向の組み合わせとなればよい。
ここでは、上記第2の実施の形態の撮像装置1において、光学系10の各光学領域12A、12B、12Cに備えられる偏光フィルタ14A、14B、14Cの偏光方向(方位角)の組み合わせ、及び、撮像素子100の各画素102A、102B、102Cに備えられる偏光素子122A、122B、122Cの偏光方向(方位角)の組み合わせを変えた場合を例に説明する。
図17は、撮像により得られる画像(混信除去前の画像)の一例を示す図である。
上記第1及び第2の実施の形態の撮像装置1は、光学系10に備えられる光学領域の数と、撮像素子100の各画素ユニットU(x,y)に備えられる画素の数とが一致している。撮像素子100の各画素ユニットU(x,y)に備えられる画素の数は、必ずしも3である必要はない。互いに異なる偏光方向の光を受光する画像を少なくとも3つ備えていればよい。したがって、撮像素子100の各画素ユニットU(x,y)は、4画素で構成することもできる。以下、撮像素子100の各画素ユニットU(x,y)を4画素で構成する場合について説明する。
撮像素子100の基本構成は、上記第1の実施の形態の撮像装置1の撮像素子100と同じである。すなわち、撮像素子100は、ピクセルアレイ層110、偏光素子アレイ層120及びマイクロレンズアレイ層130を有する。
光学系10については、上記第2の実施の形態の撮像装置1と同様に、焦点距離の異なる3つの光学領域12A、12B、12Cが備えられているものとする。ただし、本実施の形態の撮像装置1では、第1光学領域12Aに備えられる第1偏光フィルタ14Aが、方位角0°の光を透過する構成とされ、第2光学領域12Bに備えられる第2偏光フィルタ14Bが、方位角45°の光を透過する構成とされ、第3光学領域12Cに備えられる第3偏光フィルタ14Cが、方位角90°の光を透過する構成とされる。したがって、本実施の形態の光学系10では、第1光学領域12Aからは、方位角0°の光(直線偏光)が出射され、第2光学領域12Bからは、方位角45°の光(直線偏光)が出射され、第3光学領域12Cからは、方位角90°の光(直線偏光)が出射される。
信号処理部200は、撮像素子100から得られる画素ごとの信号(画素信号)を画素ユニットU(x,y)の単位で処理して、光学系10の各光学領域12A、12B、12Cで得られる画像を生成する。
また、第1光学領域12Aに入射した光が第2画素102Bで受光される割合をb21、第2光学領域12Bに入射した光が第2画素102Bで受光される割合をb22、第3光学領域12Cに入射した光が第2画素102Bで受光される割合をb23とすると、X1、X2、X3とx2との間には、次の関係が成り立つ。
また、第1光学領域12Aに入射した光が第3画素102Cで受光される割合をb31、第2光学領域12Bに入射した光が第3画素102Cで受光される割合をb32、第3光学領域12Cに入射した光が第3画素102Cで受光される割合をb33とすると、X1、X2、X3とx3との間には、次の関係が成り立つ。
また、第1光学領域12Aに入射した光が第4画素102Dで受光される割合をb41、第2光学領域12Bに入射した光が第4画素102Dで受光される割合をb42、第3光学領域12Cに入射した光が第4画素102Dで受光される割合をb43とすると、X1、X2、X3とx4との間には、次の関係が成り立つ。
上記式9〜12の連立方程式は、行列Bを用いた下記の式13で表わすことができる。
〔光学系の構成〕
上記実施の形態では、光学系の各光学領域が、それぞれ異なる焦点距離を有する場合、それぞれ異なる距離の被写体に焦点が合う場合を例に説明したが、光学系の構成は、これに限定されるものではない。この他に、たとえば、各光学領域が、それぞれ異なる波長帯域の光を透過させる構成であってもよい。また、各光学領域は、互いに視差を有する構成であってもよい。たとえば、3つの光学領域のうち2つは同じ焦点距離に設定して、左右に視差を有する画像を撮像する構成とすることができる。あるいは、3つの光学領域をすべて同じ焦点距離に設定し、3視点の視差を有する画像を撮像する構成とすることができる。これにより、たとえば、1つの撮像素子で立体画像を撮像できる。また、距離を測定できる。
1つの画素ユニットを構成する画素の配列は、上記実施の形態のものに限定されるものではない。
信号処理部200における画像生成部200B(演算部)の機能は、各種のプロセッサ(processor)を用いて実現できる。各種のプロセッサには、例えばソフトウェア(プログラム)を実行して各種の機能を実現する汎用的なプロセッサであるCPU(Central Processing Unit)が含まれる。また、上記各種のプロセッサには、画像処理に特化したプロセッサであるGPU(Graphics Processing Unit)、FPGA(Field Programmable Gate Array)などの製造後に回路構成を変更可能なプロセッサであるプログラマブルロジックデバイス(Programmable Logic Device:PLD)も含まれる。更に、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)などの特定の処理を実行させるために専用に設計された回路構成を有するプロセッサである専用電気回路なども上記各種のプロセッサに含まれる。
1つの画素ユニットを偏光方向の異なる4個以上の画素で構成し、そのうちの3個の画素からの画素信号を使用して、各光学領域の画像を生成する構成としてもよい。たとえば、方位角0°、45°、90°、135°の光を受光する4個一組の画素で1つの画素ユニットが構成される場合において、方位角0°、45°、90°の光を受光する画素の画素信号を使用して、各光学領域の画像を生成する構成としてもよい。
撮像装置は、光学系の交換が可能なレンズ交換式の撮像装置として構成することもできる。この場合、行列Aは、レンズ(光学系)ごとに一意に定まるので、レンズごとに行列Aを用意し、その係数群を係数記憶部に記憶させる。レンズが交換された場合は、交換されたレンズに対応する行列Aの係数群を係数記憶部から読み出して、演算処理を実行し、各光学領域の画像を生成する。
10 光学系
12A 第1光学領域
12B 第2光学領域
12C 第3光学領域
14A 第1偏光フィルタ
14B 第2偏光フィルタ
14C 第3偏光フィルタ
100 撮像素子
102A 第1画素
102B 第2画素
102C 第3画素
102D 第4画素
110 ピクセルアレイ層
112 フォトダイオード
120 偏光素子アレイ層
122A 第1偏光素子
122B 第2偏光素子
122C 第3偏光素子
130 マイクロレンズアレイ層
132 マイクロレンズ
200 信号処理部
200A アナログ信号処理部
200B 画像生成部
200C 係数記憶部
Aa 第1偏光フィルタの偏光透過軸
Ab 第2偏光フィルタの偏光透過軸
Ac 第3偏光フィルタの偏光透過軸
DA 第1の画像データ
DB 第2の画像データ
DC 第3の画像データ
Ia 第1画素から得られる画像
Ib 第2画素から得られる画像
Ic 第3画素から得られる画像
Id 第4画素から得られる画像
ImA 第1光学領域の画像
ImB 第2光学領域の画像
ImC 第3光学領域の画像
L 光軸
U(x、y) 画素ユニット
Claims (13)
- 前記行列Aは、前記光学系の各前記光学領域に入射した光が、前記撮像素子の各前記画素ユニットの各前記画素で受光される割合を要素とする行列の逆行列を算出して取得される、
請求項1に記載の撮像装置。 - 前記光学系の各前記光学領域に入射した光が、前記撮像素子の各前記画素ユニットの各前記画素で受光される割合は、前記光学系の各前記光学領域を通過する光の偏光方向と前記撮像素子の各前記画素ユニットの各前記画素で受光される光の偏光方向の角度差の余弦の二乗を算出して取得される、
請求項2に記載の撮像装置。 - 前記撮像素子は、互いに異なる偏光方向の光を受光する3個の前記画素を一組とする前記画素ユニットを複数有する、
請求項1から3のいずれか1項に記載の撮像装置。 - 前記光学系の各前記光学領域を通過する光の偏光方向の組み合わせと、前記撮像素子の各前記画素ユニットの各前記画素で受光される光の偏光方向の組み合わせが同じである、
請求項1から3のいずれか1項に記載の撮像装置。 - 前記光学系は、互いに偏光方向の異なる3個の偏光フィルタを瞳位置に有する、
請求項1から5のいずれか1項に記載の撮像装置。 - 前記光学系の各前記光学領域は、それぞれ異なる焦点距離を有する、
請求項1から6のいずれか1項に記載の撮像装置。 - 前記光学系の各前記光学領域は、それぞれ異なる距離の被写体に焦点が合う、
請求項1から6のいずれか1項に記載の撮像装置。 - 前記光学系の各前記光学領域は、それぞれ異なる波長帯域の光を透過させる、
請求項1から6のいずれか1項に記載の撮像装置。 - 前記光学系の各前記光学領域は、互いに視差を有する、
請求項1から6のいずれか1項に記載の撮像装置。 - 前記光学系の各前記光学領域は、少なくとも2つが視差を有する、
請求項1から6のいずれか1項に記載の撮像装置。 - 前記撮像素子は、各前記画素に偏光素子を有する、
請求項1から11のいずれか1項に記載の撮像装置。 - 前記撮像素子は、各前記画素を構成するフォトダイオードとマイクロレンズとの間に前記偏光素子を有する、
請求項12に記載の撮像装置。
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