WO2012176355A1 - 撮像装置 - Google Patents

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WO2012176355A1
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今村　典広
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パナソニック株式会社
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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
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    • G02B5/1876—Diffractive Fresnel lenses; Zone plates; Kinoforms
    • G02B5/188—Plurality of such optical elements formed in or on a supporting substrate
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    • G—PHYSICS
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    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
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    • H04N2209/00—Details of colour television systems
    • H04N2209/04—Picture signal generators
    • H04N2209/041—Picture signal generators using solid-state devices
    • H04N2209/042—Picture signal generators using solid-state devices having a single pick-up sensor
    • H04N2209/045—Picture signal generators using solid-state devices having a single pick-up sensor using mosaic colour filter

Definitions

  • the present invention relates to an imaging apparatus such as a camera.
  • the refractive index of light with respect to the material constituting the lens varies depending on the wavelength. Therefore, when light of various wavelengths is incident on the optical system of the imaging apparatus, axial chromatic aberration occurs, and images with different sharpness (sharpness of the image) are obtained depending on colors. When a color with low sharpness is included in the image, the color causes deterioration in image quality.
  • an imaging apparatus such as a camera
  • the imaging apparatus requires a means for detecting the focus state and a means for adjusting the focus.
  • Patent Document 1 A technique for realizing depth extension and correction of longitudinal chromatic aberration has been proposed (Patent Document 1).
  • Patent Document 1 A technique for realizing depth extension and correction of longitudinal chromatic aberration has been proposed (Patent Document 1).
  • the sharpness of the second color component can be increased by reflecting the sharpness of the first color component in the second color component.
  • the depth of field can be increased, and subjects at various distances can be imaged relatively clearly without adjusting the focus.
  • Patent Document 1 In the configuration of Patent Document 1, in order to reflect the sharpness of the first color component in the second color component, information on the sharpness of both the first color component and the second color component is necessary. . For this reason, the depth of focus is limited to a range in which information on the sharpness of all colors exists. As described above, in the configuration of Patent Document 1, there is a limit to the range in which the depth of focus can be expanded, and it has been difficult to sufficiently increase the depth of field.
  • the present invention has been made to solve the above-described problems, and a main object of the present invention is to provide an imaging apparatus that can obtain an image with high depth of focus and a large depth of field and high sharpness. is there. Another object of the present invention is to provide an imaging apparatus capable of photographing a single color (for example, blue) subject having a black background with high sharpness.
  • the first color, the second color, and the third color light pass, and the first color, the second color, and the third color light pass, and the first color, the second color, and the third color light pass.
  • a lens optical system including: an imaging element having a plurality of first pixels and a plurality of second pixels into which light from the lens optical system is incident; and between the lens optical system and the imaging element An arrayed optical element that is arranged and causes light that has passed through the first region to enter the plurality of first pixels, and light that has passed through the second region to enter the plurality of second pixels; An arithmetic processing unit that generates an output image, and the arithmetic processing unit includes a plurality of first pixels.
  • Pixels obtained from the plurality of second pixels by generating a first image of at least one of the first, second, and third colors using the obtained pixel values
  • a second image including a component having the same color as the at least one color component is generated using the value, and each of the predetermined region of the first image and the predetermined region of the second image is sharp for each color.
  • the output image is generated using an image component having a higher degree or contrast value.
  • the first region through which the light of the first color, the second color, and the third color passes, and the light of the first color, the second color, and the third color pass through the first system.
  • a lens optical system including: an imaging element having a plurality of first pixels and a plurality of second pixels into which light from the lens optical system is incident; and between the lens optical system and the imaging element An arrayed optical element that is arranged and causes light that has passed through the first region to enter the plurality of first pixels, and light that has passed through the second region to enter the plurality of second pixels;
  • An imaging device comprising: a pixel value obtained in the plurality of first pixels; Generating a first image of at least one color component of a color, a second color, and a third color, and using the
  • the sharpness of the output image is increased by a simple method. be able to.
  • the depth of focus can be increased as compared with the prior art, a sufficiently large depth of field can be obtained.
  • the sharpness of the subject color is greater than a predetermined value in any of the two or more imaging regions. It has become. Therefore, an image with high sharpness can be generated.
  • FIG. 6B is a diagram showing a positional relationship between the arrayed optical element K and the pixels of the image sensor N.
  • (A) shows the 1st color image obtained by the some pixel P1
  • (b) shows the 2nd color image obtained by the some pixel P2.
  • (A), (b) is a figure which shows the 1st, 2nd color image. Sectional drawing which shows the imaging device A in Embodiment 1 of this invention.
  • (A) is a graph which shows the through focus MTF characteristic of the light ray which passed 1st optical area
  • (B) is a graph showing the through focus MTF characteristic of the light beam that has passed through the second optical region D2.
  • FIG. 6B is a diagram showing a positional relationship between the arrayed optical element K and the pixels of the image sensor N.
  • A) is a graph which shows the through focus MTF characteristic of the light ray which passed 1st optical area
  • B) is a graph showing the through focus MTF characteristic of the light beam that has passed through the second optical region D2.
  • (A) is sectional drawing which shows the optical adjustment layer provided on the diffraction surface of 2nd optical area
  • FIG. 1 The front view which looked at the optical element L1 in the form from which Embodiment 4 of this invention differs from the to-be-photographed object side.
  • (A) And (b) is a figure which expands and shows the array-like optical element K and the image pick-up element N in Embodiment 5 of this invention.
  • (A) is the front view which looked at the optical element L1 from the to-be-photographed object side
  • (b) is a figure which shows the positional relationship of the array-like optical element K and the pixel on the image pick-up element N.
  • FIG. 1 is a schematic diagram illustrating an imaging apparatus A according to the first embodiment.
  • the imaging apparatus A according to the present embodiment includes a lens optical system L having V as an optical axis, an arrayed optical element K disposed near the focal point of the lens optical system L, an imaging element N, and an arithmetic processing unit C. Prepare.
  • FIG. 2 is a front view of the optical element L1 as viewed from the subject side.
  • the first and second optical regions D1 and D2 in the optical element L1 are divided into two parts vertically with the optical axis V as the boundary center.
  • the condensing positions on the optical axes of red, green, and blue light in the light that has passed through the first and second optical regions D1 and D2 are different.
  • the first and second optical regions D1 and D2 have different optical powers.
  • the second optical region D2 is a condensing position of red, green, and blue light with respect to a condensing position of red, green, and blue light that has passed through the first optical region D1.
  • the broken line s indicates the position of the diaphragm S.
  • FIG. 6A shows the first image information obtained by the plurality of pixels P1 in FIG. 5B
  • FIG. 6B shows the second image information obtained by the plurality of pixels P2. Note that the image information obtained by the image sensor N is separated into first image information and second image information in the arithmetic processing unit C.
  • green and blue luminance values may be interpolated in the pixel P (i, j).
  • the green luminance values of the pixel P (i ⁇ 2, j) and the pixel P (i + 1, j) are used.
  • the luminance value of the pixel P (i-2, j) and the pixel P A value obtained by weighted averaging the luminance values of i + 1, j) with a ratio of 1: 2 may be used.
  • the condensing position of the blue (B), green (G), and red (R) rays that have passed through the first optical region D1 of the optical element L1 and the second optical region D2 have passed. Since the positions of the blue (B), green (G), and red (R) light rays are shifted from each other, the sharpness of each of blue, green, and red in the image obtained by the pixel P1, and the image obtained by the pixel P2 The sharpness of blue, green and red is different.
  • the image component having the higher sharpness in each of blue, green, and red is used from the first color image obtained by the pixel P1 and the second color image obtained by the pixel P2.
  • an output image with high sharpness (or resolution) of each color can be generated.
  • the first color image and the second color image do not include all of blue, green, and red, use the image component having the higher sharpness in each of the colors included in these images.
  • an output image with high sharpness can be obtained for the colors included in the image.
  • Such processing can be performed by the arithmetic processing unit C.
  • the minute region may be one pixel P (x, y) shown in FIG. 7 or a region R1 (u, v) in which a plurality of pixels P (x, y) are combined.
  • the sharpness may be obtained based on a frequency spectrum obtained by Fourier transforming the luminance values of the first color image and the second color image.
  • the response value at a predetermined spatial frequency can be obtained as the sharpness. That is, it is possible to evaluate the sharpness of an image by comparing response values at a predetermined spatial frequency. Since the image is two-dimensional, a method for obtaining the sharpness using a two-dimensional Fourier transform is desirable.
  • the diaphragm S is an area through which light beams of all angles of view pass. Accordingly, by inserting a surface having an optical characteristic for controlling the optical power in the vicinity of the stop S, it is possible to similarly control the light condensing characteristic of the light beam at all angles of view. That is, in this embodiment, the optical element L1 may be provided in the vicinity of the stop S. By providing optical regions D1 and D2 having optical powers that make light condensing positions of light of at least two colors different from each other in the vicinity of the stop S, a light condensing characteristic corresponding to the number of divisions of the regions is given to the light flux. Can do.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view showing the imaging apparatus A according to the first embodiment. 8, the same components as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals as those in FIG. However, in FIG. 8, the lens L2 includes two lenses, a lens L2A and a lens L2B.
  • the array-like optical element K shown in FIG. 1 and the like is not shown, but the array-like optical element K is actually provided in the region H of FIG.
  • the region H has the configuration shown in FIG.
  • FIG. 9 is a through focus MTF characteristic (simulation result) on the optical axis of the light beam that has passed through the first optical region D1 and the second optical region D2 in the lens optical system L.
  • the graph of FIG. 9A shows the through-focus MTF characteristic due to the light beam that has passed through the first optical region D1
  • the graph of FIG. 9B shows the through-focus MTF characteristic due to the light beam that has passed through the second optical region D2. Show.
  • the horizontal axis indicates the focus shift
  • the vertical axis indicates the MTF when the spatial frequency is 50 Lp / mm.
  • the through focus MTF characteristics by the light beams that have passed through the first optical region D1 shield the diaphragm surface immediately before the second optical region D2.
  • the through focus MTF characteristic by the light beam that has passed through the second optical region D2 is calculated by shielding the diaphragm surface immediately before the first optical region D1. That is, each through focus MTF characteristic is calculated on the assumption that a semicircular diaphragm surface is used.
  • the sagittal direction and the tangential direction of the MTF value on the optical axis coincide.
  • the sagittal direction and the tangential direction of the MTF value on the optical axis are the same because the immediately preceding diaphragm surface is semicircular.
  • FIG. 10 is a diagram schematically showing the through focus MTF characteristic by the light beam that has passed through the first optical region and the through focus MTF characteristic by the light beam that has passed through the second optical region for each subject distance.
  • FIG. 10 only the through focus MTF characteristic in the sagittal direction with a shallow depth in FIG. 9 is extracted and schematically illustrated.
  • the MTF value of blue 1Bm by the light beam that has passed through the first optical region D1 the MTF value of red 2Rm by the light beam that has passed through the second optical region D2, and the green 2Gm
  • the MTF value is selected.
  • the MTF value of green 1Gf, the MTF value of blue 1Bf, and the MTF value of red 2Rf, which are light rays that have passed through the second optical region D2 are selected.
  • the MTF represents how faithfully the contrast of the subject can be reproduced on the image plane
  • the spatial frequency of the subject is required to calculate the MTF value. Therefore, the MTF value cannot be directly detected from an arbitrary image during actual imaging. Therefore, at the time of actual imaging, a difference in luminance value is used to evaluate the level of sharpness. The higher the sharpness, the less blurring of the image. Usually, an image with higher sharpness has a larger difference in luminance value between adjacent pixels.
  • curves MBa, MGa, and MRa indicate blue, green, and red MTF characteristics, respectively.
  • the curves MBa, MGa, and MRa overlap each other.
  • Curves MRb, MGb, and MBb indicate red, green, and blue MTF characteristics, respectively.
  • the curves MRb, MGb, MBb overlap each other.
  • the predetermined value Md is the above-described “boundary value”. If the MTF value is equal to or greater than this value, it is generally within the depth of focus.
  • a first color image and a second color image are generated as in the first embodiment, and an output image is generated by selecting an image having a higher sharpness (or contrast) for each color. To do.
  • Each image includes an image extracted for each pixel in an odd row ((a2), (b2), (c2)), and an image extracted for each pixel in an even row ((a3), (b3), (c3) ) Is schematically shown as being doubled in the Y direction by interpolation processing.
  • FIG. 27 is a diagram schematically illustrating a change of a point image and its center of gravity for each subject distance in the present embodiment.
  • (a1) and (a2), (b1) and (b2), and (c1) and (c2) are point images (illustrated as semicircles) obtained by imaging an object point O through a microlens.
  • the center of gravity (black point) is shown, which corresponds to the object distance of the object point O shown in (a1), (b1) and (c1) of FIG.

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Abstract

　本発明の撮像装置は、第１の光学領域Ｄ１と、第１の光学領域Ｄ１とは異なる光学パワーを有する第２の光学領域Ｄ２とを有するレンズ光学系Ｌと、複数の画素Ｐ１、Ｐ２を有する撮像素子Ｎと、第１の光学領域Ｄ１を通過した光を画素Ｐ１に入射させ、第２の光学領域Ｄ２を通過した光を画素Ｐ２に入射させるアレイ状光学素子Ｋとを備える。

Description

撮像装置
　本発明は、カメラ等の撮像装置に関する。
　レンズを構成する材料に対する光の屈折率は波長によって異なる。そのため、撮像装置の光学系に様々な波長の光が入射した場合、軸上色収差が生じ、色によって鮮鋭度（画像のシャープさ）の異なる画像が得られる。鮮鋭度の低い色が画像に含まれる場合には、その色が画質劣化の要因となる。
　また、カメラ等の撮像装置では、被写体の位置が被写界深度の範囲内に含まれる場合に、フォーカスが合い、鮮明な画像を撮像することができる。様々な位置に配置される被写体の撮像を可能にするためには、撮像装置には、フォーカス状態を検出する手段と、フォーカスの調整を行う手段が別途必要となる。
　以上の課題を解決するために、光学系の軸上色収差を利用して第１の色成分の鮮鋭度を第１の色成分とは異なる第２の色成分に反映させることにより、被写界深度の拡張と軸上色収差の補正を実現する技術が提案されている（特許文献１）。特許文献１の方法によると、第１の色成分の鮮鋭度を第２の色成分に反映させることにより、第２の色成分の鮮鋭度を高めることができる。これにより、被写界深度を大きくすることができ、フォーカスの調整を行わずにより様々な距離の被写体を比較的鮮明に撮像することができる。
特表２００８－５３２４４９号公報
　特許文献１の構成において、第１の色成分の鮮鋭度を第２の色成分に反映させるためには、第１の色成分および第２の色成分の両方の鮮鋭度の情報が必要である。そのため、焦点深度は全ての色の鮮鋭度の情報が存在する範囲に限られる。このように、特許文献１の構成においては、焦点深度を拡大することができる範囲には限界があり、被写界深度を十分に大きくすることが困難であった。
　また、例えば黒色を背景とする単色（例えば青色）の被写体を撮像する場合、画像には、被写体の色以外の色（緑色および赤色）の成分が存在しない。そのため、軸上色収差によって被写体の画像がぼけている場合、画像上の他の色の鮮鋭度を検出して被写体の鮮鋭度に反映させることができない。
　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、焦点深度および被写界深度が大きく、鮮鋭度の高い画像を得ることができる撮像装置を提供することにある。本発明の他の目的は、黒色を背景とする単色（例えば青色）の被写体も高い鮮鋭度で撮影することができる撮像装置を提供することにある。
　本発明の撮像装置は、第１色、第２色および第３色の光が通過する第１の領域と、前記第１色、第２色および第３色の光が通過し、前記第１の領域を通過した前記第１色、第２色および第３色のそれぞれの光の集光位置に対して、少なくとも２色以上の光の集光位置を異ならせる光学パワーを有する第２の領域とを有するレンズ光学系と、前記レンズ光学系からの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、出力画像を生成する演算処理部とを備え、前記演算処理部は、前記複数の第１の画素において得られた画素値を用いて、前記第１色、第２色および第３色のうち少なくとも１つの色の成分の第１の画像を生成し、前記複数の第２の画素において得られた画素値を用いて、前記少なくとも１つの色の成分と同じ色の成分を含む第２の画像を生成し、前記第１の画像の所定領域および前記第２の画像の所定領域のうち色ごとに鮮鋭度またはコントラスト値の高い方の画像成分を用いて、前記出力画像を生成する。
　本発明の撮像システムは、第１色、第２色および第３色の光が通過する第１の領域と、前記第１色、第２色および第３色の光が通過し、前記第１の領域を通過した前記第１色、第２色および第３色のそれぞれの光の集光位置に対して、少なくとも２色以上の光の集光位置を異ならせる光学パワーを有する第２の領域とを有するレンズ光学系と、前記レンズ光学系からの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、を備える撮像装置と、前記複数の第１の画素において得られた画素値を用いて、前記第１色、第２色および第３色のうち少なくとも１つの色の成分の第１の画像を生成し、前記複数の第２の画素において得られた画素値を用いて、前記少なくとも１つの色の成分と同じ色の成分を含む第２の画像を生成し、前記第１の画像の所定領域および前記第２の画像の所定領域のうち色ごとに鮮鋭度の高い方の画像成分を用いて、前記出力画像を生成する演算処理部と、を備える。
　本発明によると、２つ以上の画像の所定領域のうち、それぞれの色における鮮鋭度の高い方の画像成分に基づいて出力画像を生成することにより、簡単な手法によって出力画像の鮮鋭度を高めることができる。また、従来よりも焦点深度を拡大することができるため、十分に大きな被写界深度を得ることができる。
　さらに、本発明によると、黒色を背景とした赤、緑または青の単色の被写体を撮像する場合、２つ以上の撮像領域のいずれかにおいては、被写体の色の鮮鋭度は所定値よりも大きくなっている。そのため、鮮鋭度の高い画像を生成することができる。
本発明による撮像装置Ａの第１の実施形態を示す模式図。 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。 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。 本発明の実施の形態１における第１色、第２色、第３色の光線の光路を模式的に示す図。 （ａ）は、本実施の形態１における図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。（ｂ）は、アレイ状光学素子Ｋと撮像素子Ｎの画素との位置関係を示す図。 （ａ）は複数の画素Ｐ１によって得られる第１のカラー画像を示し、（ｂ）は複数の画素Ｐ２によって得られる第２のカラー画像を示す。 （ａ）、（ｂ）は、第１、第２のカラー画像を示す図である。 本発明の実施の形態１における撮像装置Ａを示す断面図。 （ａ）は、本発明の実施の形態１における第１の光学領域Ｄ１を通過した光線のスルーフォーカスＭＴＦ特性を示すグラフ。（ｂ）は、第２の光学領域Ｄ２を通過した光線のスルーフォーカスＭＴＦ特性を示すグラフ。 本発明の実施の形態１における第１の光学領域Ｄ１を通過した光線のスルーフォーカスＭＴＦ特性および第２の光学領域Ｄ２を通過した光線のスルーフォーカスＭＴＦ特性を、被写体距離毎に模式的に示す図。 本発明の実施の形態１における第１の光学領域Ｄ１を通過した光線のスルーフォーカスＭＴＦ特性および第２の光学領域Ｄ２を通過した光線のスルーフォーカスＭＴＦ特性を模式的に示すグラフ。 本発明による撮像装置Ａの第２の実施形態を示す模式図。 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。 本発明の実施の形態２における第１色、第２色、第３色の光線を示す図。 （ａ）は、本実施の形態２における図１１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。（ｂ）は、アレイ状光学素子Ｋと撮像素子Ｎの画素との位置関係を示す図。 （ａ）は、本発明の実施の形態２における第１の光学領域Ｄ１を通過した光線のスルーフォーカスＭＴＦ特性を示すグラフ。（ｂ）は、第２の光学領域Ｄ２を通過した光線のスルーフォーカスＭＴＦ特性を示すグラフ。 本発明の実施の形態２における第１の光学領域Ｄ１を通過した光線のスルーフォーカスＭＴＦ特性および第２の光学領域Ｄ２を通過した光線のスルーフォーカスＭＴＦ特性を、被写体距離毎に模式的に示す図。 本発明の実施の形態２における第１の光学領域Ｄ１を通過した光線のスルーフォーカスＭＴＦ特性および第２の光学領域Ｄ２を通過した光線のスルーフォーカスＭＴＦ特性を模式的に示すグラフ。 （ａ）は、本発明の実施の形態３における第２の光学領域Ｄ２の回折面上に設けた光学調整層を示す断面図。（ｂ）は、第１の光学領域Ｄ１の平面上と第２の光学領域Ｄ２の回折面上の両方に設けた光学調整層を示す断面図。 本発明の実施の形態４における光学素子Ｌ１を被写体側から見た正面図。 （ａ）は、本発明の本実施の形態４における図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。（ｂ）は、アレイ状光学素子Ｋと撮像素子Ｎの画素との位置関係を示す図。 本発明の実施の形態４におけるアレイ状光学素子Ｋの斜視図。 本発明の実施の形態４の異なる形態における光学素子Ｌ１を被写体側から見た正面図。 （ａ）および（ｂ）は、本発明の実施の形態５におけるアレイ状光学素子Ｋおよび撮像素子Ｎを拡大して示す図。 （ａ）は、光学素子Ｌ１を被写体側から見た正面図であり、（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。 （ａ１）、（ｂ１）および（ｃ１）は、実施の形態１の構成において、光学素子Ｌ１の被写体側の面のうち第１の光学領域Ｄ１に位置する部分を平面、光学素子Ｌ１の被写体側の面のうち第２の光学領域Ｄ２に位置する部分を球面とした場合の被写体距離毎の光線図を示している。（ａ２）、（ｂ２）および（ｃ２）は、第１の光学領域Ｄ１を通過した物点Ｏの光がレンチキュラを介して奇数列の画素に到達することにより得られた点像の画像を模式的に示している。（ａ３）、（ｂ３）、（ｃ３）は、第２の光学領域Ｄ２を通過した物点Ｏの光が、レンチキュラを介して偶数列の画素に到達することにより得られた画像を模式的に示している。 （ａ１）、（ｂ１）および（ｃ１）は、奇数行奇数列の画素と偶数行偶数列の画素との画素値を加算して得られる点像の画像を模式的に示す図である。（ａ２）、（ｂ２）および（ｃ２）は、偶数行奇数列の画素と奇数行偶数列の画素との画素値を加算して得られる点像の画像を模式的に示す図である。 （ａ）および（ｂ）は、本発明によるその他の形態におけるアレイ状光学素子Ｋおよび撮像素子Ｎを拡大して示す図。 本発明によるその他の形態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。 本発明によるその他の形態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。 （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、演算処理部Ｃとを備える。
　レンズ光学系Ｌは、互いに光学パワーの異なる第１の光学領域Ｄ１、および第２の光学領域Ｄ２を有し、被写体（図示せず）からの光が入射する絞りＳと、絞りＳを通した光が通過する光学素子Ｌ１と、光学素子Ｌ１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。ここで、レンズＬ２は１枚構成として図示しているが、複数枚の構成であってもよい。図１において、光束Ａ１は、光学素子Ｌ１上の第１の光学領域Ｄ１を通過する光束であり、光束Ａ２は、光学素子Ｌ１上の第２の光学領域Ｄ２を通過する光束である。光束Ａ１、Ａ２は、絞りＳ、光学素子Ｌ１、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に到達する。
　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における第１、第２の光学領域Ｄ１、Ｄ２は、互いに、光軸Ｖを境界中心として上下に２分割されている。第１、第２の光学領域Ｄ１、Ｄ２を通過した光における赤色、緑色、青色のそれぞれの光の光軸上の集光位置は異なる。また、第１、第２の光学領域Ｄ１、Ｄ２は互いに異なる光学パワーを有する。具体的には、第２の光学領域Ｄ２は、第１の光学領域Ｄ１を通過した赤色、緑色、青色の光の集光位置に対して、赤色、緑色、青色のそれぞれの光の集光位置を異ならせる光学パワーを有する。図２において、破線ｓは、絞りＳの位置を示している。
　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。
　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、横方向に細長い複数の光学要素Ｍ１が縦方向に配置されている。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側に突出した円弧状の形状を有する。このように、アレイ状光学素子Ｋは、レンチキュラレンズの構成を有する。
　図４は、第１の光学領域Ｄ１および第２の光学領域Ｄ２をそれぞれ通過した光線Ａ１Ｗおよび光線Ａ２Ｗの光路を模式的に示す図である。
　光学素子Ｌ１のうち第１の光学領域Ｄ１に位置する部分を介してレンズＬ２に光線Ａ１Ｗが入射すると、軸上色収差に起因して、レンズＬ２の光軸上の像面に向かう方向に、青色（Ａ１Ｂ）、緑色（Ａ１Ｇ）、赤色（Ａ１Ｒ）の順に光線が集まる。
　同様に、光学素子Ｌ１のうち第２の光学領域Ｄ２に位置する部分を介してレンズＬ２に光線Ａ２Ｗが入射すると、軸上色収差に起因して、レンズＬ２の光軸上の像面に向かう方向に、青色（Ａ２Ｂ）、緑色（Ａ２Ｇ）、赤色（Ａ２Ｒ）の順に光線が集まるが、第２の光学領域Ｄ２は、第１の光学領域Ｄ１とは異なる光学パワーを有しているため、第１の光学領域Ｄ１を通過した光線とは、それぞれずれた位置に集まる。
　図５（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５（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。画素Ｐ１および画素Ｐ２のそれぞれは、横方向（行方向）に１行に並んで配置されている。縦方向（列方向）において、画素Ｐ１とＰ２とは交互に配置されている。画素Ｐ１は、赤色の光を検出する画素Ｐ１Ｒ、緑色の光を検出する画素Ｐ１Ｇ、青色の光を検出する画素Ｐ１Ｂによって構成されている。画素Ｐ２も、赤色の光を検出する画素Ｐ２Ｒ、緑色の光を検出する画素Ｐ２Ｇ、青色の光を検出する画素Ｐ２Ｂによって構成されている。赤色の光を検出する画素Ｐ１Ｒ、Ｐ２Ｒの表面には赤色の光を透過するフィルタが、緑色の光を検出する画素Ｐ１Ｇ、Ｐ２Ｇの表面には緑色の光を透過するフィルタが、青色の光を検出する画素Ｐ１Ｂ、Ｐ２Ｂの表面には青色の光を透過するフィルタが設けられている。このように、画素Ｐ１、Ｐ２のそれぞれの表面に異なる波長帯域の光を透過するフィルタが設けられていることにより、各画素は、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の光のいずれかの色の光を主に検出することができる。
　アレイ状光学素子Ｋは、その光学要素Ｍ１の１つが、撮像面Ｎｉ上における１行の画素Ｐ１および１行の画素Ｐ２からなる２行の画素に対応するように配置されている。撮像面Ｎｉ上には、画素Ｐ１、Ｐ２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。
　アレイ状光学素子Ｋは、光学素子Ｌ１上の第１の光学領域Ｄ１（図１、図２に示す）を通過した光束（図１において実線で示される光束Ａ１）の大部分が、撮像面Ｎｉ上の画素Ｐ１に到達し、第２の光学領域Ｄ２を通過した光束（図１において破線で示される光束Ａ２）の大部分が、撮像面Ｎｉ上の画素Ｐ２に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表面の曲率半径等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。
　図５（ｂ）の複数の画素Ｐ１によって得られる第１の画像情報を図６（ａ）に、複数の画素Ｐ２によって得られる第２の画像情報を図６（ｂ）に示す。なお、撮像素子Ｎによって得られた画像情報は、演算処理部Ｃにおいて、第１の画像情報と第２の画像情報とに分離される。
　図６（ａ）に示すように、第１の画像情報においては、それぞれの画素Ｐ（ｘ, ｙ）に、画素Ｐ１によって得られた輝度値（画素値）が与えられている。
　図５（ｂ）に示すように、画素Ｐ１として、赤、緑および青のいずれかの色の光を検出する画素Ｐ１Ｒ、Ｐ１Ｇ、Ｐ１Ｂが横方向（行方向）に順に配列されているため、第１の画像情報においても、赤色の輝度値１Ｒが得られる画素、緑色の輝度値１Ｇが得られる画素、および青色の輝度値１Ｂが得られる画素が横方向に順に配列される。このように、第１の画像情報のそれぞれの輝度値は、１つの画素に対して１色の色情報しか有していないため、他の２色の色情報を周辺の画素の輝度値から補完してもよい。例えば、ある画素Ｐ（ｉ，ｊ）において赤色の輝度値が得られた場合、画素Ｐ（ｉ，ｊ）に、緑色および青色の輝度値を補間してもよい。緑色の輝度値を補間するために、画素Ｐ（ｉ-２，ｊ）および画素Ｐ（ｉ＋１，ｊ）の緑色の輝度値を用いる。画素Ｐ（ｉ，ｊ）に近い領域の寄与を大きくするために、例えば、画素Ｐ（ｉ，ｊ）の緑色の輝度値として、画素Ｐ（ｉ-２，ｊ）の輝度値と画素Ｐ（ｉ＋１，ｊ）の輝度値とを１：２の比で加重平均した値を用いればよい。同様に、画素Ｐ（ｉ，ｊ）の青色の輝度値として、画素Ｐ（ｉ-１，ｊ）の輝度値と画素Ｐ（ｉ＋２，ｊ）の輝度値とを２：１の比で加重平均した値を用いればよい。
　さらに、第１、第２の画像情報のそれぞれでは、縦方向（列方向）の画像の輝度情報は、１行おきに欠落している。欠落している画素Ｐ（ｘ, ｙ）の輝度情報を、縦方向（列方向）に隣接する輝度値によって補間して生成してもよい。例えば、図６（ａ）に示す第１の画像においては、画素Ｐ（ｉ，ｊ-１）の輝度情報が欠落している。この場合、画素Ｐ（ｉ，ｊ）と画素Ｐ（ｉ，ｊ-２）の輝度情報を平均して画素Ｐ（ｉ，ｊ-１）を補間すればよい。
　以上のような補完処理によって、図７（ａ）に示す第１のカラー画像と、図７（ｂ）に示す第２のカラー画像が生成される。第１のカラー画像は、画素毎に赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）の色情報１Ｒ’、１Ｇ’、1Ｂ'を有しており、第２のカラー画像は、画素毎に赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）の色情報２Ｒ’、２Ｇ’、２Ｂ'を有している。以下において、「第１のカラー画像」および「第２のカラー画像」は、通常、補間後の画像のことを指す。
　本実施形態によると、光学素子Ｌ１の第１の光学領域Ｄ１を通過した青色（Ｂ）、緑色（Ｇ）、赤色（Ｒ）の光線の集光位置と、第２の光学領域Ｄ２を通過した青色（Ｂ）、緑色（Ｇ）、赤色（Ｒ）の光線の集光位置とは互いにずれるため、画素Ｐ１によって得られる画像における青、緑、赤それぞれの鮮鋭度と、画素Ｐ２によって得られる画像における青、緑、赤それぞれの鮮鋭度とは異なる。
　この違いを利用して、画素Ｐ１によって得られた第１のカラー画像および画素Ｐ２によって得られた第２のカラー画像から、青色、緑色、赤色のそれぞれにおける鮮鋭度の高い方の画像成分を用いることにより、それぞれの色の鮮鋭度（または解像度）の高い出力画像を生成することができる。第１のカラー画像および第２のカラー画像が青色、緑色、赤色の全てを含んでいない場合には、これらの画像に含まれている色のそれぞれにおいて鮮鋭度の高い方の画像成分を用いることにより、画像に含まれている色について鮮鋭度の高い出力画像を得ることができる。このような処理は、演算処理部Ｃによって行うことができる。
　鮮鋭度が高いほど画像のボケが少なくなるため、通常、隣接する画素間の輝度値の差（階調の差）は大きくなると考えられる。そのため、本実施形態では、鮮鋭度を、取得した画像上の所定の微小領域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。微小領域は、図７に示す１つの画素Ｐ（ｘ, ｙ）であってもよいし、画素Ｐ（ｘ, ｙ）が複数組み合わされた領域Ｒ１（ｕ、ｖ）であってもよい。
　また、鮮鋭度は、第１のカラー画像および第２のカラー画像の輝度値をフーリエ変換した周波数スペクトルに基づいて求めてもよい。この場合、所定の空間周波数における応答値を鮮鋭度として求めることができる。つまり、所定の空間周波数における応答値を比較することで、画像の鮮鋭度の高低評価を行うことができる。なお、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が望ましい。
　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の近傍に光学パワーを制御する光学特性を有する面を挿入することにより、全ての画角における光束の集光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てもよい。少なくとも２色以上の光の集光位置を互いに異ならせる光学パワーを有する光学領域Ｄ１、Ｄ２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集光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に入射する位置に設けられている。光学素子Ｌ１は、絞りＳよりも被写体側に設けられていてもよい。この場合、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に入射してもよい。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、具体的に被写界深度を深くする方法について説明する。
　図８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８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。但し、図８においてレンズＬ２は、レンズＬ２ＡとレンズＬ２Ｂの２枚で構成されている。図８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８の領域Ｈには、実際には、アレイ状光学素子Ｋが設けられている。領域Ｈは、図５（ａ）に示す構成を有する。
　表１および表２は、図８に示す撮像装置Ａの光学系の設計データである。表１および表２において、Ｒｉは各面の近軸曲率半径（ｍｍ）、ｄｉは各面の面中心間隔（ｍｍ）、ｎｄはレンズもしくはフィルタのｄ線の屈折率、νｄは各光学素子のｄ線のアッベ数を示している。また、非球面形状は、面頂点の接平面から光軸方向の距離をｘ、光軸からの高さをｈとして、ｒを近軸曲率半径、ｋを円錐定数、Ａm（ｍ＝４，６，８）を第ｍ次の非球面係数としたとき（数１）で表される。
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　本設計例では、光学素子Ｌ１における被写体側の面のうち、第１の光学領域Ｄ１に位置する面が平面であり、第２の光学領域Ｄ２に位置する面が曲率半径１６００ｍｍの球面レンズとなっている光学面である。このような構成により、前述のように各光学領域を通過した光線は、色毎に互いにずれた位置に集まる。
　図９は、レンズ光学系Ｌにおける第１の光学領域Ｄ１と第２の光学領域Ｄ２を通過した光線による光軸上のスルーフォーカスＭＴＦ特性（シミュレーション結果）である。図９（ａ）のグラフは第１の光学領域Ｄ１を通過した光線によるスルーフォーカスＭＴＦ特性を示し、図９（ｂ）のグラフは第２の光学領域Ｄ２を通過した光線によるスルーフォーカスＭＴＦ特性を示す。図９において、横軸はフォーカスシフトを示しており、縦軸は空間周波数が５０Ｌｐ／ｍｍのときのＭＴＦを示している。各光学領域を通過した光線はアレイ状光学素子によって分離できることを考慮し、第１の光学領域Ｄ１を通過した光線によるスルーフォーカスＭＴＦ特性は、第２の光学領域Ｄ２の直前の絞り面を遮光して算出し、第２の光学領域Ｄ２を通過した光線によるスルーフォーカスＭＴＦ特性は、第１の光学領域Ｄ１の直前の絞り面を遮光して算出している。すなわち、それぞれのスルーフォーカスＭＴＦ特性は、半円形状の絞り面を用いた場合を想定して算出している。
　一般的な光学系の場合、光軸上のＭＴＦ値のサジタル方向とタンジェンシャル方向は一致する。本実施形態においては、各光学領域を通過する光線毎にＭＴＦ値を算出する場合、直前の絞り面がいずれも半円形状であるため、光軸上のＭＴＦ値のサジタル方向とタンジェンシャル方向は図９に示すように分離する。
　第１の光学領域Ｄ１を通過した光線による特性を示すグラフにおいて、ＭＢａ、ＭＧａ、ＭＲａは、それぞれ青色、緑色、赤色のスルーフォーカスＭＴＦ特性を示している。また、ＰＢａ、ＰＧａ、ＰＲａは、それぞれのピーク位置を示している。同様に、第２の光学領域Ｄ２を通過した光線による特性を示すグラフにおいて、ＭＲｂ、ＭＧｂ、ＭＢｂは、それぞれ赤色、緑色、青色のスルーフォーカスＭＴＦ特性を示している。また、ＰＲｂ、ＰＧｂ、ＰＢｂは、それぞれのピーク位置を示している。ここで、各符号における括弧内のＳおよびＴは、それぞれ、サジタル方向およびタンジェンシャル方向を示している。
　図１０は、第１の光学領域を通過した光線によるスルーフォーカスＭＴＦ特性および第２の光学領域を通過した光線によるスルーフォーカスＭＴＦ特性を、被写体距離毎に模式的に示す図である。撮像面におけるＭＴＦが高いほど鮮鋭度が高いことを意味している。図１０では、図９において深度の浅いサジタル方向のスルーフォーカスＭＴＦ特性のみを抽出して模式的に図示している。
　一般的な撮像光学系では、被写体の距離がレンズから近いほど、レンズを通過した光はレンズから遠い領域（被写体から遠い領域）に集まる。そのため、図１０に示すように、被写体距離を近距離、中距離、遠距離に分けた場合、ＭＴＦ特性のピーク位置は、近距離、中距離、遠距離の順にレンズから遠い位置に配置される。このように、被写体距離がどの程度であるかによって、第１の光学領域Ｄ１を通過した光線によって形成された画像と、第２の光学領域Ｄ２を通過した光線によって形成された画像のそれぞれの色のＭＴＦ値に違いが生じる。
　被写体距離が近距離の場合には、図１０に示すように、第１の光学領域Ｄ１を通過した光線による青色１ＢｎのＭＴＦ値のほうが第２の光学領域Ｄ２を通過した光線による青色のＭＴＦ値よりも大きい。一方、第２の光学領域Ｄ２を通過した光線による緑色２ＧｎのＭＴＦ値のほうが第１の光学領域Ｄ１を通過した光線による緑色のＭＴＦ値よりも大きい。また、第２の光学領域Ｄ２を通過した光線による赤色２ＲｎのＭＴＦ値のほうが、第１の光学領域Ｄ１を通過した光線による赤色のＭＴＦ値よりも大きい。それぞれの色においてＭＴＦ値の高いほうを選択すると、第１の光学領域Ｄ１を通過した光線による青色１ＢｎのＭＴＦ値、第２の光学領域Ｄ２を通過した光線による緑色２ＧｎのＭＴＦ値、赤色２ＲｎのＭＴＦ値が選択される。
　同様の方法によると、中距離の場合には、第１の光学領域Ｄ１を通過した光線による青色１ＢｍのＭＴＦ値と第２の光学領域Ｄ２を通過した光線による赤色２ＲｍのＭＴＦ値、緑色２ＧｍのＭＴＦ値とが選択される。遠距離の場合には、第１の光学領域Ｄ１を通過した光線による緑色１ＧｆのＭＴＦ値、青色１ＢｆのＭＴＦ値と第２の光学領域Ｄ２を通過した光線による赤色２ＲｆのＭＴＦ値とが選択される。
　レンズ光学系Ｌの設計時には、図１０に示すスルーフォーカスＭＴＦ特性を有するように設計が行われる。その際には、所望の鮮鋭度を得ることができるＭＴＦ値が境界値として設定される。そして、第１の光学領域Ｄ１、第２の光学領域Ｄを通過した光線から得られた画像のそれぞれの色について、ＭＴＦ値が高い方の値が上記境界値よりも大きくなる被写体距離の範囲（図１０における近距離、中距離、遠距離を含む範囲）が概ね被写界深度となる。なお、「境界値」は、図１１等に示される所定値Ｍｄのことであり、所定値Ｍｄについては後述する。
　ＭＴＦは、被写体の持つコントラストを像面上でどれだけ忠実に再現できるかを表すため、ＭＴＦ値を算出するには、被写体の空間周波数が必要になる。そのため、実際の撮像時に、任意の画像からはＭＴＦ値を直接検出することはできない。したがって、実際の撮像時には、鮮鋭度の高低を評価するために輝度値の差が用いられる。鮮鋭度が高いほど画像のボケが少ないため、通常は、鮮鋭度が高い画像の方が、隣接する画素間の輝度値の差が大きい。
　具体的には、まず、図１に示す演算処理部Ｃの画像分離部Ｃ０において、撮像面Ｎｉにおいて得られた画像を、複数の画素Ｐ１のみによって形成された第１のカラー画像と複数の画素Ｐ２のみによって形成された第２のカラー画像とに分離（生成）する。次に第１鮮鋭度検出部Ｃ１は、第１のカラー画像における所定の微小領域内において隣接する画素間の輝度値の差分に基づいて鮮鋭度を算出する。同様に、第２鮮鋭度検出部Ｃ２も、第２の画像における所定の微小領域内において隣接する画素間の輝度値の差分に基づいて鮮鋭度を算出する。次に、画像生成部Ｃ３は、第１のカラー画像における所定の微小領域内から算出した鮮鋭度と第２のカラー画像における所定の微小領域内から算出した鮮鋭度とのうち値の大きい方が、鮮鋭度が高いと判断することができる。以上のような判断を、所定の微小領域毎にそれぞれの色成分（赤、青、緑）において行う。
　第１の光学領域Ｄ１と第２の光学領域Ｄ２が上述の方法で設計されている場合、被写体が被写界深度内に存在していれば、画素Ｐ１によって算出された鮮鋭度と、画素Ｐ２によって算出された鮮鋭度のうち大きい方の鮮鋭度は所望の値以上になる。したがって、被写体までの距離を測らなくても、輝度値の差の絶対値を比較することにより、それぞれの色について、高い鮮鋭度の画像を選択することができる。
　カラー画像合成の手段としては、前述した鮮鋭度の高い色をそれぞれ選択して１つの出力画像を合成する手法や、２つのカラー画像を色毎に加算して合成する手法がある。この方法によって、被写体距離が変化しても鮮鋭度の高い出力画像を生成することができる。
　次に、第１の光学領域Ｄ１および第２の光学領域Ｄ２を通過した光線の軸上色収差の範囲を説明する。図１１の上のグラフは、第１の光学領域Ｄ１を通過した光線のスルーフォーカスＭＴＦ特性（サジタル方向）を示し、図１１の下のグラフは、第２の光学領域Ｄ２を通過した光線のスルーフォーカスＭＴＦ特性（サジタル方向）を示すグラフである。図１１において、縦軸は赤色、緑色および青色の所定の空間周波数におけるＭＴＦ値を示し、横軸は光軸上の位置を示す。
　図１１において、曲線ＭＢａ、ＭＧａ、ＭＲａはそれぞれ、青色、緑色、赤色のＭＴＦ特性を示す。曲線ＭＢａ、ＭＧａ、ＭＲａは、互いにオーバーラップしている。曲線ＭＲｂ、ＭＧｂ、ＭＢｂはそれぞれ、赤色、緑色、青色のＭＴＦ特性を示す。曲線ＭＲｂ、ＭＧｂ、ＭＢｂは、互いにオーバーラップしている。所定値Ｍｄは、前述した「境界値」であり、この値以上のＭＴＦ値であれば、概ね焦点深度内である。
　また、図１１の上のグラフのＷａおよび下のグラフＷｂは、各光学領域を通過した光線の青色、緑色、赤色のＭＴＦ値がいずれも所定値Ｍｄより大きくなる領域であり、この範囲が概ね第１、第２の光学領域Ｄ１、Ｄ２を通過した光線それぞれの焦点深度となる。また、第１の光学領域Ｄ１および第２の光学領域Ｄ２における光学素子Ｌ１の被写体側の表面が共に平面であった場合、スルーフォーカスＭＴＦ特性はサジタル方向、タンジェンシャル方向共に、図１１の上のグラフになり、領域を分割しない通常の光学系の場合であっても、Ｗａが青色、緑色、赤色のＭＴＦ値がいずれも所定値Ｍｄより大きくなる領域であり、この範囲が概ね焦点深度となる。同様に、第１の光学領域Ｄ１および第２の光学領域Ｄ２における光学素子Ｌ１の被写体側の表面が共に球面であった場合、スルーフォーカスＭＴＦ特性はサジタル方向、タンジェンシャル方向共に、図１１の下のグラフになり、領域を分割しない通常の光学系の場合であっても、Ｗｂが青色、緑色、赤色のＭＴＦ値がいずれも所定値Ｍｄより大きくなる領域であり、この範囲が概ね焦点深度となる。
　一方、図１１に示すＷｓの範囲では、第１の光学領域Ｄ１を通過した光線によるＭＴＦと第２の光学領域Ｄ２を通過した光線によるＭＴＦのいずれかが、全ての色において所定値Ｍｄ以上となる。
　ここで、第１の光学領域Ｄ１を通過した光線によって生成された画像から算出した鮮鋭度と、第２の光学領域Ｄ２を通過した光線によって生成された画像から算出した鮮鋭度をそれぞれ算出して、色毎に鮮鋭度の高い方の画像を選択して出力画像を生成するため、図１１においてＷｓの範囲が概ね焦点深度となり、第１、第２の光学領域Ｄ１、Ｄ２を通過した光線それぞれの焦点深度よりも広い焦点深度が得られる。
　本実施形態によると、第１の光学領域Ｄ１を通過した光線によって生成された第１のカラー画像の微小領域、および第２の光学領域Ｄ２を通過した光線によって生成された第２のカラー画像の微小領域のうち、それぞれの色における鮮鋭度の高い方の画像成分を用いて出力画像を生成することにより、簡単な手法によって出力画像の鮮鋭度を高めることができる。また、図１１に示すように、範囲Ｗｓのどの位置に撮像面が配置した場合にも、３色全てのＭＴＦを所定値Ｍｄよりも大きくすることができる。したがって、従来よりも焦点深度を大幅に拡大することができるため、十分に大きな被写界深度を得ることができる。さらに、本実施形態によると、フォーカス状態を検出する手段や調整を行う手段を用いずに、より様々な被写体距離の被写体を撮影することができる。
　また、画像内に被写体距離の異なる複数の被写体が含まれる場合には、画像領域毎において、色毎に鮮鋭度の高い方の画像を選択して出力画像を生成すればよい。
　本実施形態では、黒色を背景とした赤、緑または青の単色の被写体を撮像する場合、第１、第２の光学領域Ｄ１、Ｄ２を通過した光線によってそれぞれ生成された画像のいずれかでは、被写体の色の鮮鋭度は所定値Ｍｄよりも大きくなっている。そのため、鮮鋭度の高い画像を生成することができる。
　なお、本実施形態の説明では、カラー画像の光軸上の領域の合成のみについて記載した。軸外領域については、倍率色収差補正や歪曲収差補正を実施した上でカラー画像を生成してもよい。
　本実施形態では、画像の鮮鋭度の高低評価を、輝度値の差分の絶対値、つまり鮮鋭度それ自体を比較することで行ったが、それ以外に、例えばコントラスト値を比較することで行ってもよい。通常、コントラスト値が大きい画像の方が、鮮鋭度が高い。コントラスト値は、例えば、所定の演算ブロック内における最大輝度値Ｌｍａｘと最低輝度値Ｌｍｉｎとの比(Ｌｍａｘ/Ｌｍｉｎ)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、コントラスト値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との比からコントラスト値を求めてもよいし、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値を求めてもよい。この場合、演算処理部Ｃは、図１に示す第１、第２鮮鋭度検出部Ｃ１、Ｃ２の代わりとして、画素Ｐ１によって生成される輝度値の比を算出する第１コントラスト検出部と、画素Ｐ２によって生成される輝度値の比を算出する第２コントラスト検出部とを備える。
　また、表１および表２に示す撮像装置の光学系は、像側テレセントリック光学系としている。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Ｐ１に到達する光束と画素Ｐ２に到達する光束とのクロストークを低減することができる。
　また、本実施形態では、光学素子Ｌ１の第１、第２の光学領域Ｄ１、Ｄ２における光学素子Ｌ１の被写体側の表面は、それぞれ平面と球面としているが、互いに光学パワーの異なる球面であってもよいし、互いに光学パワーの異なる非球面であってもよい。
　　（実施の形態２）
　図１２は、実施の形態２の撮像装置Ａを示す模式図である。本実施の形態２は、光学素子Ｌ１の第２の光学領域Ｄ２を回折レンズ形状にした点で、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１３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における第１、第２の光学領域Ｄ１、Ｄ２は、光軸Ｖを境界中心として上下に２分割されている。図１３において、破線ｓは、絞りＳの位置を示している。
　図１４は、光学領域Ｄ１と光学領域Ｄ２をそれぞれ通過した光線Ａ１Ｗと光線Ａ２Ｗの光路を模式的に示す図である。
　光学素子Ｌ１の第１の光学領域Ｄ１を介してレンズＬ２に光線Ａ１Ｗが入射すると、軸上色収差に起因して、レンズＬ２の光軸上の像面に向かう方向に、青色（Ａ１Ｂ）、緑色（Ａ１Ｇ）、赤色（Ａ１Ｒ）の順に光線が集まる。
　一方、光学素子Ｌ１の第２の光学領域Ｄ２を介してレンズＬ２に光線Ａ２Ｗが入射すると、軸上色収差に起因して、レンズＬ２の光軸上の像面に向かう方向に、赤色（Ａ２Ｒ）、緑色（Ａ２Ｇ）、青色（Ａ２Ｂ）の順に光線が集まる。第２の光学領域Ｄ２は、回折レンズの作用によって、第１の光学領域Ｄ１とは軸上色収差が反転した光学パワーを有している。そのため、第２の光学領域Ｄ２を通過した光は、第１の光学領域を通過した光線に対して、赤色と青色との集光順序が逆転する。
　図１５（ａ）は、図１２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１５（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。画素のＰ１、Ｐ２の構成およびアレイ状光学素子Ｋの作用は実施の形態１と同じである。
　本実施の形態２では、実施の形態１と同様に第１のカラー画像と第２カラー画像を生成し、色毎に鮮鋭度（またはコントラスト）の高い方の画像を選択して出力画像を生成する。
　次に、具体的に被写界深度を深くする方法について説明する。
本実施の形態２における撮像装置Ａの断面図は、光学素子Ｌ１における被写体側の表面のうち第２の光学領域Ｄ２に位置する部分を回折レンズ形状にした点を除いて図８と同様である。
　表３、表４および表５は、撮像装置Ａの光学系の設計データである。表３および表４において、各記号は、表１と表２と同じである。
　また、表５において回折面に（Ｌ１－Ｒ１面）おける位相差関数φ（ｈ）は、光軸からの高さをｈとし、Ｂｎ（ｎ＝２，４，６）を第ｎ次の位相関数の係数としたとき、単位をラジアンとして（数２）で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000005
　本設計例では、光学素子Ｌ１における被写体側の面のうち、第１の光学領域Ｄ１に位置する部分が平面であり、第２の光学領域Ｄ２に位置する部分が曲率半径－１３２ｍｍの球面レンズ上に回折形状を付加した光学面である。このような構成により、前述のように各光学領域を通過した光線は、色毎に反転した順序で集光する。
　図１６は、レンズ光学系Ｌにおける第１の光学領域Ｄ１と第２の光学領域Ｄ２を通過した光線による光軸上のスルーフォーカスＭＴＦ特性（シミュレーション結果）である。図１６（ａ）のグラフは第１の光学領域Ｄ１を通過した光線によるスルーフォーカスＭＴＦ特性を示し、図１６（ｂ）のグラフは第２の光学領域Ｄ２を通過した光線によるスルーフォーカスＭＴＦ特性を示す。図１６において、各グラフのスルーフォーカスＭＴＦ特性は、図９の場合と同様に半円形状の絞り面を用いた場合を想定して算出している。
　図１７は、第１の光学領域を通過した光線によるスルーフォーカスＭＴＦ特性および第２の光学領域を通過した光線によるスルーフォーカスＭＴＦ特性を、被写体距離毎に模式的に示す図である。ここで、撮像面におけるＭＴＦが高いほど鮮鋭度が高い。図１７では、図１６において深度の浅いサジタル方向のスルーフォーカスＭＴＦ特性のみを抽出して模式的に図示している。
　実施の形態１と同様に、被写体距離がどの程度であるかによって、第１の光学領域Ｄ１を通過した光線が結像した画像と、第２の光学領域Ｄ２を通過した光線が結像した画像のそれぞれの色のＭＴＦ値に違いが生じる。
　被写体距離が近距離の場合には、図１７に示すように、第１の光学領域Ｄ１を通過した光線による青色１ＢｎのＭＴＦ値のほうが第２の光学領域Ｄ２を通過した光線による青色のＭＴＦ値よりも大きい。一方、第２の光学領域Ｄ２を通過した光線による緑色２ＧｎのＭＴＦ値のほうが第１の光学領域Ｄ１を通過した光線による緑色のＭＴＦ値よりも大きい。また、第２の光学領域Ｄ２を通過した光線による赤色２ＲｎのＭＴＦ値のほうが、第１の光学領域Ｄ１を通過した光線による赤色のＭＴＦ値よりも大きい。それぞれの色においてＭＴＦ値の高いほうを選択すると、第１の光学領域Ｄ１を通過した光線による青色１ＢｎのＭＴＦ値、第２の光学領域Ｄ２を通過した光線による緑色２ＧｎのＭＴＦ値、赤色２ＲｎのＭＴＦ値が選択される。
　同様の方法によると、中距離の場合には、第１の光学領域Ｄ１を通過した光線による青色１ＢｍのＭＴＦ値と第２の光学領域Ｄ２を通過した光線による赤色２ＲｍのＭＴＦ値、緑色２ＧｍのＭＴＦ値とが選択される。遠距離の場合には、第１の光学領域Ｄ１を通過した光線による緑色１ＧｆのＭＴＦ値、赤色１ＲｆのＭＴＦ値と第２の光学領域Ｄ２を通過した光線による青色２ＢｆのＭＴＦ値とが選択される。
　以下、実施の形態１と同様にして演算処理部Ｃ内の第１、第２鮮鋭度検出部Ｃ１、Ｃ２において実際に画素Ｐ１と画素Ｐ２の鮮鋭度が算出される。
　次に、第１の光学領域Ｄ１および第２の光学領域Ｄ２を通過した光線の軸上色収差の範囲を説明する。図１８の上のグラフは、第１の光学領域Ｄ１のスルーフォーカスＭＴＦ特性（サジタル方向）を示し、図１８の下のグラフは、第２の光学領域Ｄ２のスルーフォーカスＭＴＦ特性（サジタル方向）を示すグラフである。図１８において、縦軸は赤色、緑色および青色の所定の空間周波数におけるＭＴＦ値を示し、横軸は光軸上の位置を示す。
　図１８において、曲線ＭＢａ、ＭＧａ、ＭＲａはそれぞれ、青色、緑色、赤色のＭＴＦ特性を示す。曲線ＭＢａ、ＭＧａ、ＭＲａは、互いにオーバーラップしている。曲線ＭＲｂ、ＭＧｂ、ＭＢｂはそれぞれ、赤色、緑色、青色のＭＴＦ特性を示す。曲線ＭＲｂ、ＭＧｂ、ＭＢｂは、互いにオーバーラップしている。所定値Ｍｄは、前述した「境界値」であり、この値以上のＭＴＦ値であれば、概ね焦点深度内である。
　実施の形態１と同様に、図１８に示すＷｓの範囲では、第１の光学領域Ｄ１を通過した光線によるＭＴＦと第２の光学領域Ｄ２を通過した光線によるＭＴＦのいずれかが、所定値Ｍｄ以上となる。
　ここで、第１の光学領域Ｄ１を通過した光線によって生成された画像から算出した鮮鋭度と、第２の光学領域Ｄ２を通過した光線によって生成された画像から算出した鮮鋭度をそれぞれ算出して、色毎に鮮鋭度の高い方の画像を選択して出力画像を生成するため、図１８においてＷｓの範囲が概ね焦点深度となる。
　本実施の形態においても実施の形態１と同様に、第１の光学領域Ｄ１を通過した光線によって生成された第１のカラー画像の微小領域、および第２の光学領域Ｄ２を通過した光線によって生成された第２のカラー画像の微小領域のうち、それぞれの色における鮮鋭度の高い方の画像成分を用いて出力画像を生成することにより、簡単な手法によって出力画像の鮮鋭度を高めることができる。また、図１８に示すように、範囲Ｗｓのどの位置に撮像面が配置した場合にも、３色全ての鮮鋭度を所定値Ｍｄよりも大きくすることができる。したがって、従来よりも焦点深度を大幅に拡大することができるため、十分に大きな被写界深度を得ることができる。さらに、本実施形態によると、フォーカス状態を検出する手段や調整を行う手段を用いずに、より様々な被写体距離の被写体を撮影することができる。
　本実施形態では、黒色を背景とした赤、緑または青の単色の被写体を撮像する場合、第１、第２の光学領域Ｄ１、Ｄ２を通過した光線によってそれぞれ生成された画像のいずれかでは、被写体の色の鮮鋭度は所定値Ｍｄよりも大きくなっている。そのため、鮮鋭度の高い画像を生成することができる。
　　（実施の形態３）
　本実施の形態３は、光学素子Ｌ１において回折格子形状を有する第２の光学領域Ｄ２に光学調整層Ｏを設けた点で、実施の形態２と異なっている。
　図１９（ａ）は、第２の光学領域Ｄ２における回折面上に設けた光学調整層を示す断面図である。実施の形態２の図１２に示すような回折面形状では、特定の波長のみ回折効率が１００％となり、それ以外の波長帯域では不要回折光が生じ、回折効率が低下するため画質が低下する。一方、本実施の形態のように光学調整層を設けることにより、広い波長帯域において回折効率を高く維持することができる。具体的には、図１９（ａ）のブレーズ段差ｄは、波長λ、基材Ｇの屈折率ｎ１、および光学調整層Ｏの屈折率ｎ２を用いて式（３）で表すことができ、波長が変化してもｄが一定となるようなｎ１とｎ２の材料が設定されている。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　このような構成により、第２の光学領域Ｄ２を通過した光線において、広い波長帯域で回折効率を高く維持することができるため、画素Ｐ２によって生成された画像の画質を実施の形態１に比べて高めることができる。これにより、演算処理部で生成される画像の画質を高めることができる。
　光学調整層Ｏとしては、光学素子Ｌ１の基材よりも高い屈折率およびアッベ数の大きい材料、または光学素子Ｌ１の基材よりも低い屈折率およびアッベ数の小さい材料を用いることができる。このような材料を用いることにより、１次回折効率の波長依存性を低減することができる。光学素子Ｌ１の基材がポリカーボネートである場合、光学調整層Ｏとしては、例えば酸化ジルコニウムを樹脂中に分散させたコンポジット材料を用いればよい。
　なお、図１９（ａ）は、第２の光学領域Ｄ２の面回折面形状の上面部のみに光学調整層を設けているが、このような構成を実現するのが製造上困難である場合には、図１９（ｂ）のように第１、第２の光学領域Ｄ１、Ｄ２の両方に光学調整層を設けても良い。このような構成にすることにより、図１９（ａ）の構成に比べて、簡単に光学調整層を設けることができる。
　　（実施の形態４）
　本実施の形態４は、光学素子Ｌ１の領域分割を４つにした点と、アレイ状光学素子をレンチキュラからマイクロレンズに置き換えた点で、実施の形態１と異なっている。図２０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における第１から第４の光学領域Ｄ１からＤ４は、光軸Ｖを境界中心として上下左右に４分割されており、各光学領域は、互いに曲率半径の異なる球面レンズである。図２０において、破線ｓは、絞りＳの位置を示している。
　第３の光学領域Ｄ３は第１、第２の光学領域Ｄ１、Ｄ２と異なる光学パワーを有する。具体的には、第３の光学領域Ｄ３は、第１、第２の光学領域Ｄ１、Ｄ２のそれぞれの領域を通過した赤色、緑色および青色の光の集光位置に対して、赤色、緑色および青色のそれぞれの光の集光位置を異ならせる性質を有する。
　同様に、第４の光学領域Ｄ４は第１、第２、第３の光学領域Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３と異なる光学パワーを有する。具体的には、第４の光学領域Ｄ４は、第１、第２、第３の光学領域Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３のそれぞれの領域を通過した赤色、緑色および青色の光の集光位置に対して、赤色、緑色および青色のそれぞれの光の集光位置を異ならせる性質を有する。
　図２１（ａ）は、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２１（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、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、撮像面Ｎｉ上には、赤色の光を検出する画素Ｐ１Ｒ、Ｐ２Ｒ、Ｐ３Ｒ、Ｐ４Ｒ、緑色の光を検出する画素Ｐ１Ｇ、Ｐ２Ｇ、Ｐ３Ｇ、Ｐ４Ｇ、青色の光を検出する画素Ｐ１Ｂ、Ｐ２Ｂ、Ｐ３Ｂ、Ｐ４Ｂが設けられている。赤色の光を検出する画素Ｐ１Ｒ、Ｐ２Ｒ、Ｐ３Ｒ、Ｐ４Ｒの表面には赤色の光を透過するフィルタが、緑色の光を検出する画素Ｐ１Ｇ、Ｐ２Ｇ、Ｐ３Ｇ、Ｐ４Ｇの表面には緑色の光を透過するフィルタが、青色の光を検出する画素Ｐ１Ｂ、Ｐ２Ｂ、Ｐ３Ｂ、Ｐ４Ｂの表面には青色の光を透過するフィルタが設けられている。このように、各画素Ｐのそれぞれの表面に異なる波長帯域の光を透過するフィルタが設けられていることにより、各画素は、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の光のいずれかの色の光を主に検出することができる。また、画素Ｐ１ｃ～Ｐ４ｃ（ｃは、Ｒ，Ｇ，Ｂ）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Ｍ２が形成された面が撮像面Ｎｉ側に向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Ｍ２の１つが、撮像面Ｎｉにおける２行２列の画素Ｐ１ｃ～Ｐ４ｃ(ｃは、Ｒ，Ｇ，Ｂ)の４つの画素に対応するように配置されている。
　このような構成により、図２０に示す光学素子Ｌ１上の第１から第４の光学領域Ｄ１からＤ４を通過した光束の大部分は、それぞれ撮像面Ｎｉ上の各色の画素Ｐ１ｃからＰ４ｃ（ｃは、Ｒ，Ｇ，Ｂ）に到達する。
　図２２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、光学要素Ｍ２が格子状に配置されている。それぞれの光学要素Ｍ２の断面（縦方向および横方向それぞれの断面）は円弧状であり、それぞれの光学要素Ｍ２は、撮像素子Ｎ側に突出している。このように、光学要素Ｍ２はマイクロレンズであり、アレイ状光学素子Ｋは、マイクロレンズアレイとなっている。
　前述の通り、光学素子Ｌ１における第１から第４の光学領域Ｄ１からＤ４は、互いに曲率半径の異なる球面レンズであるため、焦点の位置を４段階にずらして各色の画素Ｐ１ｃからＰ４ｃ(ｃは、Ｒ，Ｇ，Ｂ)に入射する。
　複数の画素Ｐ１ｃ、Ｐ２ｃ、Ｐ３ｃ、Ｐ４ｃ(ｃは、Ｒ，Ｇ，Ｂ)のそれぞれによって、第１、第２、第３、第４の画像情報が得られる。演算処理部Ｃ（図１等に示す）は、撮像素子Ｎにおいて得られた画像情報を、第１、第２、第３、第４の画像情報に分離し、画素毎に欠落している色情報については、実施の形態１と同様に補完処理する事により、第１、第２、第３、第４のカラー画像を生成する。さらに、演算処理部Ｃは、第１、第２、第３、第４のカラー画像の所定領域のうち最も鮮鋭度（またはコントラスト）の高い画像成分を用いて、出力画像を生成する。
　このような構成により、実施の形態１や実施の形態２よりも焦点深度を深くすることができ、さらに被写界深度を拡大することができる。
　なお、本実施の形態４では光学素子Ｌ１における被写体側の面の全体を球面としているが、光学素子Ｌ１における被写体側の面のうち少なくとも１つの光学領域に位置する部分が平面であってもよいし、一部の光学領域に位置する部分が非球面であってもよい。あるいは、光学素子Ｌ１における被写体側の面のうちの全体が非球面であってもよい。また、図２３のように一部の光学領域が回折形状であってもよい。
（実施の形態５）
　本実施の形態５は、レンチキュラレンズやマイクロレンズアレイを撮像面上に形成したという点で、実施の形態１、４と異なる。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２４（ａ）および（ｂ）は、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る。本実施形態では、レンチキュラレンズ（またはマイクロレンズアレイ）であるアレイ状光学素子Ｋが、撮像素子Ｎの撮像面Ｎｉ上に形成されている。撮像面Ｎｉには、実施の形態１等と同様に、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、１つのレンチキュラレンズの光学要素あるいは、１つのマイクロレンズが対応している。本実施の形態においても、実施の形態１、４と同様に、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。また、図２４（ｂ）は、本実施形態の変形例を示す図である。図２４（ｂ）に示す構成では、撮像面Ｎｉ上に、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の表面上にアレイ状光学素子Ｋが積層されている。図２４（ｂ）に示す構成では、図２４（ａ）の構成よりも集光効率を高めることができる。
　実施の形態１のようにアレイ状光学素子Ｋが撮像素子Ｎと離れている場合、アレイ状光学素子Ｋと撮像素子Ｎとの位置合せが難しくなるが、本実施の形態５のように、アレイ状光学素子Ｋを撮像素子Ｎ上に形成することにより、ウエハプロセスによって位置合せが可能になる。したがって、位置合せが容易となり、位置合せ精度を向上させることができる。
　　（実施の形態６）
　本実施の形態６は、第１、第２の光学領域Ｄ１、Ｄ２のそれぞれが、光軸を挟んで分けられた複数の領域である点と、アレイ状光学素子Ｋをレンチキュラからマイクロレンズに置き換えた点で、実施の形態１と異なっている。ここでは、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２５（ａ）は、光学素子Ｌ１を被写体側から見た正面図である。図２５（ａ）において、光学素子Ｌ１は、レンズ光学系の光軸に垂直な平面において、光軸Ｖを中心とした回転対称の４つの領域（２つの第１の光学領域Ｄ１および２つの第２の光学領域Ｄ２）に分割されている。２つの第１の光学領域Ｄ１同士および２つの第２の光学領域Ｄ２同士が隣接しないように、第１、第２の光学領域Ｄ１、Ｄ２は交互に設けられている。２つの第１の光学領域Ｄ１は、互いに光軸を中心（接点）として点対称な関係にある。同様に、２つの第２の光学領域Ｄ２は、互いに光軸を中心（接点）として点対称な関係にある。
　図２５（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。本実施の形態６では、第１の光学領域Ｄ１を通過した光線は、奇数行奇数列の画素および偶数行偶数列の画素Ｐ１ｃ(ｃは、Ｒ，Ｇ，Ｂ)に到達する。そのため、奇数行奇数列の画素によって得られた輝度値、および、偶数行偶数列の画素によって得られた輝度値が、第１のカラー画像の生成に用いられる。また、第２の光学領域Ｄ２を通過した光線は、偶数行奇数列の画素および奇数行偶数列の画素Ｐ２ｃ(ｃは、Ｒ，Ｇ，Ｂ)に到達するため、偶数行奇数列の画素における輝度値、および奇数行偶数列の画素における輝度値が、第２のカラー画像の生成に用いられる。
　次に、本実施形態において得られる効果を、実施の形態１において得られる効果と比較して説明する。
　実施の形態１では、図２に示すように、第１の光学領域Ｄ１と第２の光学領域Ｄ２のそれぞれが、レンズ光学系の光軸に垂直な平面において、円形を２つに分割した半円形状の領域である。このため、各領域を通過した光の像面におけるスポット重心が被写体距離によって変化し、位置ずれが発生する場合がある。
　図２６は、実施の形態１の構成において、第１の光学領域Ｄ１における光学素子Ｌ１の被写体側の面を平面、第２の光学領域Ｄ２における光学素子Ｌ１の被写体側の面を球面とした場合の、被写体距離毎の光線図、および、点像とその重心の変化について模式的に説明する図である。図２６において、（ａ１）、（ｂ１）および（ｃ１）は、被写体距離毎の光線図を示している。図２６の（ａ１）、（ｂ１）および（ｃ１）においては、被写体として物点Ｏを示している。ここでは、図２６において図１と同様の符号の説明は省略する。図２６の（ａ２）、（ｂ２）および（ｃ２）は、第１の光学領域Ｄ１を通過した物点Ｏの光がレンチキュラを介して奇数行の画素に到達することにより得られた点像を含む画像である。図２６の（ａ３）、（ｂ３）、（ｃ３）は、第２の光学領域Ｄ２を通過した物点Ｏの像が、レンチキュラを介して偶数行の画素に到達することにより得られた点像を含む画像である。それぞれの画像において、物点Ｏの像は半円形状となる。図２６の（ａ２）、（ａ３）、（ｂ２）、（ｂ３）、（ｃ２）、（ｃ３）には、それぞれの像の照度の重心（黒点）を示している。
　それぞれの画像は、奇数行の画素毎に抽出した画像（（ａ２）、（ｂ２）、（ｃ２））、および偶数行の画素毎に抽出した画像（（ａ３）、（ｂ３）、（ｃ３））を、補間処理によってＹ方向に２倍に引き伸ばしたものとして模式的に示している。
　図２６に示す通り、物点Ｏの位置（被写体距離）によってスポット径は変化する。第１、第２の光学領域Ｄ１、Ｄ２のそれぞれを通過した光によって得られた画像はそれぞれ半円形状になるため、奇数行の画素の画像と偶数行の画素の画像のそれぞれにおける点像の重心間距離ｄは、物点の位置によって異なる。この重心間距離ｄが存在すると、視差(画像の鮮鋭度（またはコントラスト）を算出するときの誤差)となるため好ましくない。
　一方、本実施の形態６では、第１、第２の光学領域Ｄ１、Ｄ２のそれぞれは、光軸を中心として点対称に配置されているため、被写体距離が変化しても点像の重心間距離ｄは変化しない。
　図２７は、本実施形態において、被写体距離毎の点像とその重心の変化について模式的に説明する図である。図２７において、（ａ１）と（ａ２）、（ｂ１）と（ｂ２）および（ｃ１）と（ｃ２）は、マイクロレンズを介して物点Ｏを撮像した点像（半円で図示）とその重心（黒点）を示しており、それぞれ図２７の（ａ１）、（ｂ１）および（ｃ１）に示す物点Ｏの被写体距離に対応している。
　図２７の（ａ１）、（ｂ１）および（ｃ１）は、奇数行奇数列の画素および偶数行偶数列の画素によって得られた点像を含む画像である。図２７の（ａ２）、（ｂ２）および（ｃ２）は、偶数行奇数列の画素および奇数行偶数列の画素によって得られた点像を含む画像である。図２７に示すように、本実施の形態６では、それぞれの点像は、中心角が９０°の扇形が光軸を中心として対向した形状になるため、奇数行奇数列および偶数行偶数列の画素によって得られた画像と偶数行奇数列および奇数行偶数列の画素によって得られた画像のそれぞれにおける点像の重心間距離ｄは常に０であり、被写体距離によって変化しない。
　このように、本実施の形態６においては、第１、第２の光学面領域Ｄ１、Ｄ２のそれぞれを、光軸を挟んで分離して配置することにより、被写体距離が変化しても取得した画像において視差が発生しないようにすることができる。これにより、視差に起因する画像の抽出位置のズレを抑制することができ、鮮鋭度（またはコントラスト）の劣化を抑制することができる。
（その他の実施形態）
　なお、第１の光学領域Ｄ１を通過した光の集光位置と、第２の光学領域Ｄ２を通過した光の集光位置とは、少なくとも２色以上の光において異なっていればよく、上述の実施の形態に記載のものに限定されない。２色以上の光の集光位置の違いがさらに小さいものでもよいし、さらに大きいものでもよい。
　なお、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、光学素子Ｌ１は、絞りの位置に対して像面側に配置されているが、絞りの位置に対して被写体側に配置されていてもよい。
　また、前述の実施の形態１から６では、レンズ光学系Ｌは像側テレセントリック光学系としているが、像側非テレセントリック光学系であってもよい。図２８（ａ）は、撮像部近傍を拡大して示す図である。図２８（ａ）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。図２８（ａ）に示すように、レンズ光学系Ｌが非テレセントリック光学系の場合には、撮像面の周辺部では、光線が斜めに入射するため、隣接画素に光が漏れてクロストークが発生しやすいが、図２８（ｂ）のようにアレイ状光学素子を画素配列に対してΔだけ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。前記入射角は、像高によって異なるため、前記オフセット量Δは、撮像面への光束の入射角に応じて設定すればよい。なお、像側非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、前述の実施の形態１では、レンチキュラレンズの１つの光学要素Ｍ１内でＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の３色の画素が繰り返し配列されているが、図２９に示すように、レンチキュラレンズの１つの光学要素Ｍ１内でＧ（緑）、Ｒ（赤）の画素が繰り返し配列されており、その光学要素Ｍ１に隣り合う光学要素Ｍ１内では、Ｂ（青）、Ｇ（緑）の画素が繰り返し配列されている構成であってもよい。
　また、前述の実施の形態１では、アレイ状光学素子Ｋの各光学要素Ｍ１に対して異なる色の画素が繰り返し配列されているが、各画素が光学要素Ｍ１毎に色分けされていてもよい。光学要素がレンチキュラの場合、図３０に示すように、アレイ状光学素子Ｋであるレンチキュラレンズの１つの光学要素Ｍ１に対応して、２行の画素Ｐが配置されている。例えば、２行の画素Ｐのうち上の行には画素Ｐ１が配置され、下の行には画素Ｐ２が配置されている。レンチキュラレンズの１つの光学要素Ｍ１に対応する各画素Ｐ１、Ｐ２は全て同じ色であってもよい。それぞれの画素Ｐ１、Ｐ２は、光学要素Ｍ１毎に色分けされ、繰り返し配列されている。
　また、本実施の形態２から６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、光軸に対して回転対称形状であってもよい。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３１（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３１（ａ１）に示すマイクロレンズの等高線を図３１（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３１（ａ３）は、図３１（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３１（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束のみを示しているが、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３１（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３１（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３１（ｂ３）は、図３１（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３１（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３１（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、より鮮鋭度（またはコントラスト）の高い画像を得ることができる。
　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、セキュリティカメラや自動車の周辺監視用および乗員監視用の撮像装置、医療用の撮像装置にも応用できる。
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　　　第１、第２、第３、第４の光学領域
Ｓ　　　　　　　　　　　　　絞り
Ｋ　　　　　　　　　　　　　アレイ状光学素子
Ｎ　　　　　　　　　　　　　撮像素子
Ｎｉ　　　　　　　　　　　　撮像面
Ｍ１　　　　　　　　　　　　アレイ状光学素子のレンチキュラ（光学要素）
Ｍ２　　　　　　　　　　　　アレイ状光学素子のマイクロレンズ（光学要素）
Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、Ｐ　撮像素子上の受光素子
Ｃ　　　　　　　　　　　　　演算処理部
Ｏ　　　　　　　　　　　　　光学調整層

Claims (17)

  1. 　第１色、第２色および第３色の光が通過する第１の領域と、前記第１色、第２色および第３色の光が通過し、前記第１の領域を通過した前記第１色、第２色および第３色のそれぞれの光の集光位置に対して、少なくとも２色以上の光の集光位置を異ならせる光学パワーを有する第２の領域とを有するレンズ光学系と、
    　前記レンズ光学系からの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、
    　出力画像を生成する演算処理部とを備え、
    　前記演算処理部は、前記複数の第１の画素において得られた画素値を用いて、前記第１色、第２色および第３色のうち少なくとも１つの色の成分の第１の画像を生成し、前記複数の第２の画素において得られた画素値を用いて、前記少なくとも１つの色の成分と同じ色の成分を含む第２の画像を生成し、前記第１の画像の所定領域および前記第２の画像の所定領域のうち色ごとに鮮鋭度またはコントラスト値の高い方の画像成分を用いて、前記出力画像を生成する、撮像装置。
  2. 　前記第１の領域を通過した前記第１色、前記第２色および前記第３色の光のうち、少なくとも２色の光の光軸上の集光位置は互いに異なり、
    　前記第２の領域を通過した前記第１色、前記第２色および前記第３色の光のうち、少なくとも２色の光の光軸上の集光位置は互いに異なる、請求項１に記載の撮像装置。
  3. 　前記第１の領域および前記第２の領域のうち少なくとも一方は、回折レンズ形状を有する、請求項１または２に記載の撮像装置。
  4. 　前記回折レンズ形状の表面には光学調整層が設けられている、請求項３に記載の撮像装置。
  5. 　前記第１の領域および前記第２の領域は、前記レンズ光学系の光軸を境界中心として分割された領域である、請求項１から４のいずれかに記載の撮像装置。
  6. 　前記第１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第１領域構成部を有し、
    　前記第２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第２領域構成部を有する、請求項１から５のいずれかに記載の撮像装置。
  7. 　前記レンズ光学系は、前記第１、第２の領域以外の少なくとも第３の領域をさらに備え、
    　前記第３の領域は、前記第１の領域および前記第２の領域をそれぞれ通過した前記第１色、第２色、第３色の光の集光位置に対して、前記第１色、前記第２色および前記第３色のうち少なくとも２色の集光位置を異ならせる光学パワーを有し、
    　前記アレイ状光学素子は、前記第３の領域を通過した光を、前記複数の第１、第２の画素以外の複数の第３の画素に入射させ、
    　前記演算処理部は、前記複数の第３の画素において得られた画素値を用いて、前記少なくとも１つの色の成分と同じ色の成分を含む第３の画像を生成し、前記複数の第１の画像の所定領域、前記第２の画像の所定領域および前記第３の画像の所定領域のうち、色ごとに最も鮮鋭度またはコントラスト値の高い画像成分を用いて、前記出力画像を生成する、請求項１から６のいずれかに記載の撮像装置。
  8. 　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７のいずれかに記載の撮像装置。
  9. 　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って、
    　前記レンズ光学系の光軸外において前記アレイ状光学素子の配列を前記撮像素子の前記第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せている、請求項１から７のいずれかに記載の撮像装置。
  10. 　前記アレイ状光学素子はレンチキュラレンズまたはマイクロレンズアレイである、請求項１から９のいずれかに記載の撮像装置。
  11. 　前記アレイ状光学素子はマイクロレンズアレイであって、
    　前記マイクロレンズアレイは複数の光学要素を有し、
    　前記複数の光学要素のそれぞれは、前記複数の第１の画素のうちの少なくとも１つおよび前記第２の画素のうちの少なくとも１つに対応し、
    　前記複数の各光学要素のそれぞれは、光軸に対して回転対称な形状を有する、請求項１から９のいずれかに記載の撮像装置。
  12. 　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１１のいずれかに記載の撮像装置。
  13. 　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１２に記載の撮像装置。
  14. 　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、異なる波長帯域の光を透過するフィルタを有する、請求項１から１３のいずれかに記載の撮像装置。
  15. 　前記アレイ状光学素子は複数の光学要素を有し、
    　前記複数の光学要素のそれぞれは、前記複数の第１の画素のうちの少なくとも１つおよび前記第２の画素のうちの少なくとも１つに対応し、
    　前記複数の光学要素のうちのそれぞれに対応する画素は同じ波長域の光を透過するフィルタを有する、請求項１から１４のいずれかに記載の撮像装置。
  16. 　前記レンズ光学系は絞りをさらに備え、
    　前記第１の領域および前記第２の領域は、前記絞り近傍に配置されている、請求項１から１５のいずれかに記載の撮像装置。
  17. 　第１色、第２色および第３色の光が通過する第１の領域と、前記第１色、第２色および第３色の光が通過し、前記第１の領域を通過した前記第１色、第２色および第３色のそれぞれの光の集光位置に対して、少なくとも２色以上の光の集光位置を異ならせる光学パワーを有する第２の領域とを有するレンズ光学系と、
    　前記レンズ光学系からの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、
    を備える撮像装置と、
    　前記複数の第１の画素において得られた画素値を用いて、前記第１色、第２色および第３色のうち少なくとも１つの色の成分の第１の画像を生成し、前記複数の第２の画素において得られた画素値を用いて、前記少なくとも１つの色の成分と同じ色の成分を含む第２の画像を生成し、前記第１の画像の所定領域および前記第２の画像の所定領域のうち色ごとに鮮鋭度の高い方の画像成分を用いて、前記出力画像を生成する演算処理部と、を備える撮像システム。
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