WO2014156712A1 - 複眼光学系及び撮像装置 - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to an image pickup apparatus having an image processing unit that is formed on one solid-state image pickup device and outputs one image by joining images of different fields of view, and a compound eye optical system used therefor.
  • a compound-eye optical system that divides the imaging region of the imaging device, disposes lenses (hereinafter referred to as single-lens lenses), and processes the obtained images, thereby outputting a final image.
  • a so-called optical system has attracted attention in order to meet the demand for thinning (see Patent Document 1).
  • FIG. 1B shows a comparison between the MTF values at the axial best imaging position and the position shifted by D from the best imaging position on the axis.
  • the optical system A on the peripheral side has a larger curvature of field (D B ⁇ D A ) and the image forming performance tends to deteriorate (out of focus) than the optical system B on the central side. Become.
  • the lens surface (or lens group) of the single-lens lens arranged in the periphery is decentered and curved.
  • the image plane being tilted is tilted so as to create a state in focus within the use photographing range (see Patent Document 1).
  • the focus position is improved.
  • the optical axis of the lens is tilted so that the best imaging position on the axis of the single lens is brought closer.
  • the tendency of the imaging performance to deteriorate as the single-lens lens arranged in the periphery does not change.
  • the present invention has been made in view of the problems of the prior art, and can solve the problem of aberration in the field division type optical system to obtain a high-quality image, and is an ultra-thin imaging device.
  • An object of the present invention is to provide a compound eye optical system capable of achieving the above and an imaging apparatus using the same.
  • a compound-eye optical system is a compound-eye optical system used on an image pickup apparatus having an image processing unit that is formed on one solid-state image pickup device and that combines images of different fields of view and outputs one image.
  • An array lens including a plurality of lenses formed integrally with at least one and having different optical axes;
  • a plurality of single-lens lenses that form an image corresponding to each field of view are composed of lenses of the array lens, At least one of Formula (1) or Formula (2) is established.
  • ⁇ h_d Horizontal shooting range of the peripheral single lens arranged on the peripheral side of the central single lens of the array lens
  • the maximum shooting angle in the horizontal direction incident on the single lens is ⁇ h_max
  • the minimum shooting angle is ⁇ h_min
  • the maximum shooting angle in the vertical direction is ⁇ v_max
  • the imaging performance of the peripheral single-lens lens tends to deteriorate with respect to the central single-lens lens.
  • the amount of curvature of field in the shooting range can be reduced, so the amount of eccentricity of the lens surface (or lens group) can be reduced. It can be reduced.
  • the shooting range of the single lens arranged near the periphery is narrowed on the condition that the shooting range of the compound eye optical system is not changed, the shooting range of the single lens arranged near the center needs to be widened. Since the lens located near the center has a relatively wide imaging performance compared to the lenses near the periphery, even if the shooting range is somewhat widened, degradation of the imaging performance is not a big problem. .
  • An imaging apparatus includes the compound eye optical system, a solid-state imaging device, and an image processing unit.
  • a compound-eye optical system capable of solving the problem of aberration in a field division type optical system and obtaining a high-quality image and achieving an ultra-thin imaging device, and imaging using the same An apparatus can be provided.
  • (A) (b) is a figure for demonstrating curvature of field. It is a figure for demonstrating the curvature of field in the optical system of a visual field division
  • (A) (b) is a figure explaining tilting a lens and correcting field distortion. It is a figure which shows typically the imaging device concerning this Embodiment. It is sectional drawing of a compound eye optical system.
  • (A) (b) is a top view for demonstrating the positional relationship of a compound-eye optical system and an imaging region.
  • (a) is a schematic diagram which shows the imaging range of a comparative example
  • (b) is a schematic diagram which shows the imaging range of an Example
  • (c) is a top view which shows arrangement
  • (A), (b), (c), and (d) are graphs showing the MTF values in the imaging ranges D1, V1, H1, and C of the comparative example.
  • (A), (b), (c), and (d) are graphs of MTF values in the imaging ranges D1, V1, H1, and C of the embodiment.
  • a compound eye optical system is an optical system in which a plurality of lens systems are arranged in an array for one image sensor, and each lens system has a different field of view and a super-resolution type in which each lens system images the same field of view. Usually, it is divided into a field division type that performs imaging of the above.
  • the compound eye optical system according to the present invention corresponds to a field division type in which a plurality of images with different fields of view are formed in order to connect a plurality of images with different fields of view and output a single composite image.
  • FIG. 4 schematically illustrates the imaging apparatus according to the present embodiment
  • FIG. 5 illustrates a cross-sectional view of the compound eye optical system according to the present embodiment
  • FIG. 6 illustrates the positional relationship between the compound eye optical system and the imaging region.
  • the imaging device DU includes an imaging unit LU, an image processing unit 1, a calculation unit 2, a memory 3, and the like.
  • the imaging unit LU includes one imaging element SR and a compound-eye optical system LH that performs a plurality of imaging with different fields of view on the imaging element SR.
  • the image sensor SR for example, a solid-state image sensor such as a CCD image sensor or a CMOS image sensor having a plurality of pixels is used.
  • the compound eye optical system LH is provided on the light receiving surface SS which is a photoelectric conversion unit of the image sensor SR so that an optical image of the subject is formed, the optical image formed by the compound eye optical system LH is captured. It is converted into an electrical signal by the element SR.
  • the cover glass CG of the image sensor SR is arranged on the image side of the second lens array LA2, and only the imaging light from each individual lens Ln is transmitted through the image side surface thereof.
  • a light shielding member AP having a plurality of openings formed therein is disposed.
  • a plurality of images having different fields of view are captured on the imaging surface SS (for example, solid-state imaging) of one imaging element SR.
  • a plurality of single-lens lenses are formed on the photoelectric conversion portion of the element.
  • FIG. 6B a part (L13 to L15, L18 to L20, L23) of the individual lens Ln that forms the individual image Zn (FIGS. 4 and 5) in the individual eye region Pn (FIG. 6A). To L25).
  • the circular shape in FIG.6 (b) has shown the state (for example, elliptical shape is the eccentric state of a lens system) which looked at the single lens Ln from the upper direction.
  • FIG. 5 corresponds to a cross-sectional view taken along the line QQ ′ of FIG. 6B (one cross section in the V direction), but the single lens Ln is arranged symmetrically in the vertical and horizontal directions. ) Shows only the single lens Ln of 9 positions (L13 to L15, L18 to L20, L23 to L25).
  • the first embodiment is configured to perform 5 ⁇ 5 field division, as can be seen from FIG. 6, the single lens Ln and the single eye region Pn are in a corresponding array of 5 ⁇ 5. .
  • the magnification of each individual lens Ln is substantially equal.
  • the central single lens (center single lens) L13 forms an image of the subject center, and the peripheral single lens Ln (other than L13: peripheral single lens) forms an image around the subject.
  • the angle of view of any single lens Ln is narrow.
  • the horizontal shooting range of the central single lens is ⁇ h_c
  • the vertical shooting range of the central single lens DL1 is ⁇ v_c
  • the horizontal shooting range of the peripheral single lens is ⁇ h_d
  • the vertical single lens DL2 is vertical.
  • the single lens Ln has a two-lens configuration, and has a central single lens L13 (optical axis AX perpendicular to the imaging surface SS) shown in FIG. Is a positive and negative telephoto type power arrangement.
  • the peripheral single lens Ln other than the central single lens L13 has four free-form surfaces. With the configuration having four free-form surfaces, very good aberration performance can be realized. Since the single lens Ln other than the central single lens L13 has a decentered optical axis AX in order to form a peripheral visual field, it is not necessary to use an optical path changing prism or the like. Therefore, all the monocular lenses Ln can have the same thickness and can be designed on the same substrate.
  • the single lens Ln constituting the peripheral visual field makes light incident obliquely with respect to the imaging surface SS. Therefore, at least two lenses are necessary to ensure optical performance, and the same optical system as the axially symmetric optical system is used. In order to obtain performance, it is preferable to have four free-form surfaces.
  • a light shielding member AP is disposed between the lens array LA2 and the imaging surface so that the imaging surface for each single-lens lens can be used appropriately in accordance with the imaging range.
  • crosstalk occurs
  • the light shielding member AP suppresses the crosstalk. It is desirable to insert a light shielding member not only between the single lens and the imaging surface but also between the lens arrays so that crosstalk does not occur as much as possible.
  • the image processing unit 1 includes an image composition unit 1a, an image correction unit 1b, and an output image processing unit 1c.
  • the eye composite image ML is output.
  • the image correction unit 1b performs inversion processing, distortion processing, shading processing, stitching processing, and the like. Further, distortion correction is performed as necessary.
  • Example 5 an example suitable for the compound eye optical system described above will be described in more detail while comparing with comparative examples using construction data and the like.
  • the examples given here are numerical examples corresponding to the above-described embodiments, and an optical configuration diagram (FIG. 5) showing an embodiment of the compound-eye optical system LH is a lens configuration, an optical path, and the like of the corresponding numerical examples. Is shown.
  • Table 1 shows the area arrangement of the single lens Ln in the example and the comparative example.
  • the single lens Ln is arranged at 5 ⁇ 5 positions, and the entire optical system L0 is arranged at 3 positions. However, since the single lens Ln is symmetrically arranged vertically and horizontally, only 9 positions (C, V1, V2, H1, H2, D1, D2, VD, HD) are shown (common to the comparative example).
  • r (mm), shaft upper surface distance d (mm), and Y eccentricity (mm) are shown.
  • the “90 degree rotation” of the single lens Ln means that a state in which a surface is created according to the construction data and rotated 90 degrees around the Z axis is the lens state. Therefore, the eccentric direction and the free-form surface coefficient are the same as when X and Y are interchanged (the H direction corresponds to the X direction and the V direction corresponds to the Y direction).
  • the central single lens Ln (position: C) that is rotationally symmetric about the optical axis AX uses an aspherical surface that is rotationally symmetric about the optical axis AX. It is defined by the following equation (AS) using an orthogonal coordinate system (X, Y, Z). A free-form surface is used for the peripheral single-lens Ln (position: V1, VD, D1, V2, D2, HD, H2, H1), which is a decentered optical system, and the free-form surface has its surface vertex. It is defined by the following equation (FS) using a local orthogonal coordinate system (X, Y, Z) as the origin.
  • AS orthogonal coordinate system
  • FS a local orthogonal coordinate system
  • the aspheric coefficient is shown as aspheric data, and the free-form surface coefficient is shown as free-form surface data (where A (j, k) is expressed as X j ⁇ Y k ).
  • FIG. 7A is a schematic diagram showing the imaging range of the comparative example
  • FIG. 7B is a schematic diagram showing the imaging range of the example
  • FIG. 7C is an arrangement of the compound eye optical system.
  • FIG. Table 4 is a table showing the photographing range and optical system data of each individual lens in the example
  • Table 5 is a table showing the photographing range and optical system data of each individual lens in the comparative example.
  • the following shooting range VD, D2, H2, D1, HD, and H1 satisfy the following expression (1), and the surrounding shooting range D1 satisfies the following expression (2).
  • FIGS. 8A, 8B, 8C, and 8D are graphs showing the MTF values in the imaging ranges D1, V1, H1, and C of the comparative example.
  • FIGS. (D) is a graph showing MTF values in the imaging ranges D1, V1, H1, and C of the example. 8A to 8D and FIGS. 9A to 9D are apparently compared with each other, the MTF peak value and the image plane property in the peripheral imaging range are particularly larger than those in the comparative example. The example improved and the effect of the present invention was confirmed.
  • the imaging range of the imaging area is reduced by narrowing the imaging range of the peripheral single lens with respect to the imaging range of the central single lens. Since the amount can be reduced, the amount of eccentricity of the lens surface (or the lens group) can be reduced. As a result, it is possible to obtain a single-lens lens having a good imaging performance with little focus shift, and a compound eye optical system having a good imaging performance can be configured.
  • the value of the expression (3) or (4) is equal to or greater than the lower limit value, the photographing range of the central single-lens lens is not excessively wide. It is possible to provide a compound eye optical system with good optical performance that is not large.
  • three or more individual lenses are arranged in the horizontal direction and the vertical direction. With this configuration, since the photographing range of each single-lens lens can be reduced, the amount of field curvature at the boundary of the photographing range can be reduced, and a compound-eye optical system having good imaging performance can be obtained. .
  • the single lens includes at least two lenses, and the peripheral single lens has a free curved surface on at least one surface. Thereby, it can be set as the compound eye optical system which is favorable image formation performance.
  • magnification of the single lens is substantially the same. This eliminates the need to align the magnifications of the images when processing the images formed through the individual lenses, thereby simplifying the stitching process of the images and providing a low-cost imaging device. .
  • a light-shielding stop between the single-lens lens and the image plane.
  • the light-shielding stop it is possible to adopt a configuration that prevents light from entering other than the imaging surface corresponding to each individual eye (to prevent crosstalk), so that a compound eye optical system with good imaging performance is obtained. I can do it.

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Abstract

　視野分割方式の光学系における収差の問題を解消して高画質の画像を得ることが出来、また超薄型の撮像装置を達成できる複眼光学系、及びそれを用いた撮像装置を提供する。中心個眼レンズの撮影範囲に対して、周辺個眼レンズの撮影範囲を狭くすることで、撮影範囲域での像面湾曲量を少なく出来るため、レンズ面(又はレンズ群)の偏芯量を少なくすることが出来る。この結果、ピントズレの少ない、良好な結像性能である個眼レンズとすることができ、結像性能良好な複眼光学系を構成することが出来る。

Description

複眼光学系及び撮像装置
　本発明は、1つの固体撮像素子上に形成された、異なる視野の像をつなぎ合わせて1枚の画像を出力する画像処理部を有する撮像装置と、それに用いられる複眼光学系に関するものである。
　近年、スマートフォンやタブレット型パーソナルコンピュータなどに代表される薄型の撮像装置付き携帯端末が急速に普及している。しかるに、このような薄型の携帯端末に搭載される撮像装置には、高解像度を有しながらも薄形でコンパクトであることが要求されている。このような要求に対応するために、撮像レンズの光学設計による全長短縮やそれに伴う誤差感度増大に対応した製造精度向上を行ってきたが、さらなる要求に対応するためには、従来の単一の撮像レンズと撮像素子の組み合わせで像を得るという構成では限界があり、従来とは発想を変えた光学系の開発が期待されている。
　これに対し、撮像素子の撮像領域を分割して、それぞれにレンズ（以下、個眼レンズという）を配置し、得られた画像を処理することで、最終的な画像出力を行う複眼光学系と呼ばれる光学系が、薄型化への要求に対応するために注目されている（特許文献１参照）。
特開平１０－１４５８０２号公報
　しかしながら、現在までに、提案されている各種の複眼光学系はいずれも、高画質で超薄型を達成できるものはなかった。その理由について説明する。光学性能を劣化させる要因の一つに像面湾曲がある。像面が湾曲した状態を言い、図１（ａ）の破線で示される像面のような状態を言う。図１（ａ）において、レンズＬに入射する光線Ｂの角度ωが大きくなる程（周辺の被写体ほど）、軸上（画角＝０）ベスト結像位置から結像位置が変化するため、軸上ベスト結像位置に固体撮像素子ＣＣＤの撮像面を配置した場合、撮像面の中心は結像性能が良くても、周辺でピンボケすることとなる。特に、画角変化に伴う結像位置ズレのレンジ（Ｄ＝像面湾曲量）が大きい程、結像性能は劣化する傾向となる。図１（ｂ）は、軸上ベスト結像位置と、それからＤだけずれた位置のＭＴＦ値を比較して示している。
　ここで、視野分割方式の光学系では、個眼レンズが周辺に配置されるほど、個眼レンズに入射する光の画角が大きくなるため、画角変化に伴う結像位置ズレのレンジが大きくなる。例えば、図２において、中央側の光学系Ｂより、周辺側の光学系Ａの方が、像面湾曲量が大きくなり（ＤB＜ＤA）、結像性能は劣化（ピンボケ）する傾向となる。
　多くの視野分割方式の光学系では、この像面湾曲による性能劣化を改善するために、周辺（中心以外）に配置される個眼レンズのレンズ面（やレンズ群）を偏芯させて、湾曲している像面を傾け、使用撮影範囲内でピントが合う状態を作り出すようにしている（特許文献１参照）。この方法により、ピント位置については改善されるが、レンズ面を大きく偏芯することにより、図３に示すごとく、レンズの光軸を傾けて、個眼レンズの軸上ベスト結像位置を近づけるようにしても、結像性能を劣化させる収差が発生するため、周辺に配置される個眼レンズほど結像性能が劣化する傾向は変わらない。
　本発明は、かかる従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、視野分割方式の光学系における収差の問題を解消して高画質の画像を得ることが出来、また超薄型の撮像装置を達成できる複眼光学系、及びそれを用いた撮像装置を提供することを目的とする。
　本発明による複眼光学系は、１つの固体撮像素子上に形成された、異なる視野の像をつなぎ合わせて１枚の画像を出力する画像処理部を有する撮像装置に用いられる複眼光学系であって、
　少なくとも１枚の一体に形成され、光軸を異ならせた複数のレンズを含むアレイレンズを有し、
　各視野に対応して結像を行う複数の個眼レンズが、前記アレイレンズのレンズより構成されており、
　（１）式又は（２）式のいずれか少なくとも一方が成立することを特徴とする。
　ηh_c ＞ ηh_d 　　　（１）
　ηv_c ＞ ηv_d 　　　（２）
但し、
ηh_c：前記アレイレンズの中心側の中心個眼レンズの水平方向撮影範囲
ηh_d：前記アレイレンズの前記中心個眼レンズよりも周辺側に配置される周辺個眼レンズの水平方向撮影範囲
ηv_c：前記アレイレンズの中心側の中心個眼レンズの垂直方向撮影範囲
ηv_d：前記アレイレンズの前記中心個眼レンズよりも周辺側に配置される周辺個眼レンズの垂直方向撮影範囲
　個眼レンズに入射する水平方向の最大撮影角度をωh_max,最小撮影角度をωh_minとし、垂直方向の最大撮影角度をωv_max,最小撮影角度をωv_minとしたときに、個眼レンズの撮影範囲のうち、水平方向撮影範囲を、ηh = | tanωh_max - tanωh_min |と表すことができ、垂直方向撮影範囲を、ηv = | tanωv_max - tanωv_min |と表すことができる。すなわち、（１）式は、中心個眼レンズの水平方向撮影範囲が、周辺個眼レンズの水平方向撮影範囲以上であることを意味し、（２）式は、中心個眼レンズの垂直方向撮影範囲が、周辺個眼レンズの垂直方向撮影範囲以上であることを意味する。
　複眼光学系では上記従来技術に記載したように、中心個眼レンズに対し、周辺個眼レンズは結像性能が劣化する傾向となる。中心個眼レンズの撮影範囲に対して、周辺個眼レンズの撮影範囲を狭くすることで、撮影範囲域での像面湾曲量を少なく出来るため、レンズ面(又はレンズ群)の偏芯量を少なくすることが出来る。この結果ピントズレの少ない、良好な結像性能である個眼レンズとすることができ、結像性能良好な複眼光学系を構成することが出来る。複眼光学系の撮影範囲は変えないという条件で、周辺付近へ配置される個眼レンズの撮影範囲を狭くした場合、中心付近に配置される個眼レンズの撮影範囲は広くする必要があるが、中心付近に配置されたレンズは周辺付近のレンズに対して、比較的余裕を持った結像性能となっている為、多少撮影範囲が広くなっても結像性能の劣化は大きな問題とはならない。
　本発明による撮像装置は、上記複眼光学系と、固体撮像素子と、画像処理部とを有することを特徴とする。
　本発明によれば、視野分割方式の光学系における収差の問題を解消して高画質の画像を得ることが出来、また超薄型の撮像装置を達成できる複眼光学系、及びそれを用いた撮像装置を提供することができる。
（ａ）（ｂ）は像面湾曲を説明するための図である。 視野分割方式の光学系における像面湾曲を説明するための図であり、中央の被写体ＯＢＪ３は光学系Ｃで結像し、中間の被写体ＯＢＪ２は光学系Ｂで結像し、周辺の被写体ＯＢＪ１は光学系Ａで結像する状態を示している。 （ａ）（ｂ）はレンズを傾けて像面歪曲を補正することを説明する図である。 本実施の形態にかかる撮像装置を模式的に示す図である。 複眼光学系の断面図である。 （ａ）（ｂ）は複眼光学系と撮像領域との位置関係を説明するための平面図である。 (ａ)は、比較例の撮影範囲を示す模式図であり、（ｂ）は、実施例の撮影範囲を示す模式図であり、（ｃ）は、複眼光学系の配置を示す平面図である。 （ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）は、比較例の撮影範囲D1,V1,H1，CにおけるMTF値をグラフにしたものである。 （ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）は、実施例の撮影範囲D1,V1,H1，CにおけるMTF値をグラフにしたものである。
　以下、本発明に係る複眼光学系とそれを用いた撮像装置等を説明する。複眼光学系は、１つの撮像素子に対して複数のレンズ系がアレイ状に配置された光学系であり、各レンズ系が同じ視野の撮像を行う超解像タイプと、各レンズ系が異なる視野の撮像を行う視野分割タイプと、に通常分けられる。本発明に係る複眼光学系は、視野の異なる複数の像をつなぎ合わせて１枚の合成画像を出力するために、視野の異なる複数の結像を行う視野分割タイプに相当する。
　図４に本実施の形態にかかる撮像装置を模式的に示し、図５に本実施の形態にかかる複眼光学系の断面図を示し、図６に複眼光学系と撮像領域との位置関係を示す。図４に示すように、撮像装置ＤＵは、撮像ユニットＬＵ，画像処理部１，演算部２，メモリー３等を有している。そして、撮像ユニットＬＵは、１つの撮像素子ＳＲと、その撮像素子ＳＲに対して視野の異なる複数の結像を行う複眼光学系ＬＨと、を有している。撮像素子ＳＲとしては、例えば複数の画素を有するＣＣＤ型イメージセンサー，ＣＭＯＳ型イメージセンサー等の固体撮像素子が用いられる。撮像素子ＳＲの光電変換部である受光面ＳＳ上には、被写体の光学像が形成されるように複眼光学系ＬＨが設けられているので、複眼光学系ＬＨによって形成された光学像は、撮像素子ＳＲによって電気的な信号に変換される。
　複眼光学系ＬＨは、図４及び図５に示すように、視野の異なる複数の個眼像Ｚｎ（ｎ＝１，２，３，…）を撮像素子ＳＲの撮像面ＳＳ上に形成する複数の個眼レンズＬｎ（ｎ＝１，２，３，…）と、を有している。個眼レンズＬｎは、それぞれ物体側レンズと像側レンズとの２枚からなっており、複数の物体側レンズが一体に形成された第１レンズアレイＬＡ１と、複数の像側レンズが一体に形成された第２レンズアレイＬＡ２と、で構成されている。なお、第２レンズアレイＬＡ２の像側には、図５に示すように、撮像素子ＳＲのカバーガラスＣＧが配置され、その像側面には各個眼レンズＬｎからの結像光のみを透過するように複数の開口が形成された遮光部材ＡＰが配置されている。
　レンズアレイＬＡ１，ＬＡ２に形成されたレンズの物体側レンズと像側レンズとを光軸方向に積層することで、視野の異なる複数の像を１つの撮像素子ＳＲの撮像面ＳＳ（例えば、固体撮像素子の光電変換部）上に形成する複数の個眼レンズが形成される。
　図６（ａ）では、撮像素子ＳＲの撮像面ＳＳにおいて、個眼レンズＬｎで個眼像Ｚｎが形成される個眼領域Ｐｎ（ｎ＝１，２，３，…）を撮像領域（撮影範囲）として示している。図６（ｂ）では、個眼領域Ｐｎ（図６（ａ））に個眼像Ｚｎ（図４，図５）を形成する個眼レンズＬｎの一部（Ｌ１３～Ｌ１５，Ｌ１８～Ｌ２０，Ｌ２３～Ｌ２５）を更に示している。そして、図６（ｂ）中の円形状は個眼レンズＬｎを上方から見た状態（例えば、楕円形状はレンズ系の偏心状態）を示している。なお、図５は図６（ｂ）のＱ－Ｑ’線断面図（Ｖ方向の１断面）に相当するが、個眼レンズＬｎは上下左右対称な配置になっているので、図６（ｂ）では９ポジション（Ｌ１３～Ｌ１５，Ｌ１８～Ｌ２０，Ｌ２３～Ｌ２５）の個眼レンズＬｎのみを示している。
　第１の実施の形態では５×５の視野分割を行う構成になっているので、図６から分かるように、個眼レンズＬｎ及び個眼領域Ｐｎは５×５で対応する配列になっている。各個眼レンズＬｎの倍率はほぼ等しい。中心の個眼レンズ（中心個眼レンズ）Ｌ１３では被写体中心部分を結像し、周辺の個眼レンズＬｎ（Ｌ１３以外：周辺個眼レンズ）では被写体周辺部分を結像する。ただし、視野分割しているのでいずれの個眼レンズＬｎも画角は狭くなっている。ここで、中心個眼レンズの水平方向撮影範囲をηh_cとし、中心個眼レンズＤＬ１の垂直方向撮影範囲をηv_cとし、周辺個眼レンズの水平方向撮影範囲をηh_dとし、周辺個眼レンズＤＬ２の垂直方向撮影範囲をηv_ｄとしたときに、以下の式が成立する。
　ηh_c ＞ ηh_d 　　　（１）
　ηv_c ＞ ηv_d 　　　（２）
　図５に示すように、個眼レンズＬｎはいずれもレンズ２枚構成になっており、図６（ｂ）に示す中心個眼レンズＬ１３（撮像面ＳＳに対して垂直な光軸ＡＸを有している。）では、正負の望遠タイプのパワー配置になっている。また、中心の個眼レンズＬ１３以外の周辺個眼レンズＬｎは、レンズ面が４面とも自由曲面からなっている。自由曲面を４面有する構成により、非常に良好な収差性能を実現することができる。中心の個眼レンズＬ１３以外の個眼レンズＬｎは、周辺視野を構成するために光軸ＡＸが偏心しているため、光路変更用のプリズム等を用いる必要がない。したがって、全個眼レンズＬｎの厚みを同じにすることができ、同一基板での設計が可能となる。周辺視野を構成する個眼レンズＬｎは撮像面ＳＳに対して斜めから光を入射させるので、光学性能を確保するためには少なくとも２枚のレンズが必要であり、軸対称光学系と同様の光学性能を得るには自由曲面を４面有することが好ましい。尚、撮影範囲に対応して、各個眼レンズに対する撮像面を適切に使えるように、レンズアレイＬＡ２と撮像面との間に遮光部材ＡＰを配置している。意図した個眼レンズ以外のレンズから撮像面へ光束が入射(クロストークが発生）すると、画像が劣化するので、このクロストークを遮光部材ＡＰが抑制する。尚、個眼レンズと撮像面との間だけではなく、レンズアレイ間に遮光部材を挿入し、できるだけクロストークが発生しないようにすることが望ましい。
　図４に示すように、画像処理部１は、画像合成部１ａと、画像補正部１ｂと、出力画像処理部１ｃと、を有している。画像合成部１ａは、複眼光学系ＬＨで形成され、遮光部材ＡＰで切り分けられてなる視野の異なる複数の個眼像Ｚｎ（ｎ＝１，２，３，…）をつなぎ合わせて１枚の個眼合成画像ＭＬを出力する。その際、画像補正部１ｂは、反転処理，歪曲処理，シェーディング処理，つなぎ合わせ処理等を行う。さらに、必要に応じて歪曲補正も行う。
(実施例)
　以下、上述した複眼光学系に好適な実施例を、コンストラクションデータ等を挙げて比較例と比較しつつ更に具体的に説明する。ここで挙げる実施例は、上述した実施の形態に対応する数値実施例であり、複眼光学系ＬＨの実施形態を表す光学構成図（図５）は、対応する数値実施例のレンズ構成，光路等を示している。
　表１に、実施例と比較例における個眼レンズＬｎのエリア配置を示す。個眼レンズＬｎは５×５ポジションに配置されており、全体光学系Ｌ０は３ポジションに配置されている。ただし、個眼レンズＬｎは上下左右対称な配置になっているので、９ポジション（Ｃ，Ｖ１，Ｖ２，Ｈ１，Ｈ２，Ｄ１，Ｄ２，ＶＤ，ＨＤ）のみ示している(比較例と共通)。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　光軸ＡＸまわりに回転対称な個眼レンズＬｎ（ポジション：Ｃ）のコンストラクションデータでは、面データとして、左側の欄から順に、面番号，曲率半径ｒ（ｍｍ），軸上面間隔ｄ（ｍｍ），ｄ線（波長：５８７．５６ｎｍ）に関する屈折率ｎｄ，ｄ線に関するアッベ数ｖｄを示す。また、偏心光学系である個眼レンズＬｎ（ポジション：Ｖ１，ＶＤ，Ｄ１，Ｖ２，Ｄ２，ＨＤ，Ｈ２，Ｈ１）のコンストラクションデータでは、面データとして、左側の欄から順に、面番号，曲率半径ｒ（ｍｍ），軸上面間隔ｄ（ｍｍ），Ｙ偏心（ｍｍ）を示す。なお、個眼レンズＬｎの「９０度回転」とは、コンストラクションデータの通りに面を作成して、それをＺ軸まわりに９０度回した状態がそのレンズの状態になる、ということである。したがって、偏心方向と自由曲面係数に関し、ＸとＹを入れ替えた場合と同じことになる（Ｈ方向がＸ方向に対応し、Ｖ方向がＹ方向に対応する。）。
　光軸ＡＸまわりに回転対称な中心の個眼レンズＬｎ（ポジション：Ｃ）には、光軸ＡＸまわりに回転対称な非球面が用いられており、非球面はその面頂点を原点とするローカルな直交座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を用いた以下の式（ＡＳ）で定義される。また、偏心光学系である周辺の個眼レンズＬｎ（ポジション：Ｖ１，ＶＤ，Ｄ１，Ｖ２，Ｄ２，ＨＤ，Ｈ２，Ｈ１）には、自由曲面が用いられており、自由曲面はその面頂点を原点とするローカルな直交座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を用いた以下の式（ＦＳ）で定義される。非球面データとして非球面係数を示し、自由曲面データとして自由曲面係数を示す（ただし、Ａ（ｊ，ｋ）をＸj・Ｙkで表記する。）。なお、表記の無い項の係数は０であり、すべての非球面についてＫ＝０、すべての自由曲面についてＸ，Ｙ方向ともＫ＝０であり、すべてのデータに関してＥ－ｎ＝×１０-nである。
　Ｚ＝（Ｃ０・ｈ2）／［１＋√｛１－（１＋Ｋ）・Ｃ０2・ｈ2｝］＋Σ（Ａｉ・ｈi）　…（ＡＳ）
　Ｚ＝（Ｃ０・ｈ2）／［１＋√｛１－（１＋Ｋ）・Ｃ０2・ｈ2｝］＋Σ｛Ａ（ｊ，ｋ）・Ｘj・Ｙk｝　…（ＦＳ）
　ただし、
ｈ：Ｚ軸（光軸ＡＸ）に対して垂直な方向の高さ（ｈ2＝Ｘ2＋Ｙ2）、
Ｚ：高さｈの位置でのＺ軸方向の変位量（面頂点基準）、
Ｃ０：面頂点での曲率（曲率半径ｒの逆数）、
Ｋ：円錐定数、
Ａｉ：ｉ次の非球面係数、
Ａ（ｊ，ｋ）：Ｘのｊ次、Ｙのｋ次の自由曲面係数、
である。
　以下は、実施例のコンストラクションデータである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000005
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000006
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000007
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000008
(比較例)
　以下は、比較例のコンストラクションデータである。比較例では、各個眼レンズの撮影範囲が等しくなっている。それ以外は、実施例の構成と同様である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000009
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000010
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000011
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000012
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000013
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000014
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000015
　図７(ａ)は、比較例の撮影範囲を示す模式図であり、図７（ｂ)は、実施例の撮影範囲を示す模式図であり、図７（ｃ）は、複眼光学系の配置を示す図である。表４は、実施例における各個眼レンズの撮影範囲と光学系データを示す表であり、表５は、比較例における各個眼レンズの撮影範囲と光学系データを示す表である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000016
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000017
　ここで、表４を参照して、実施例の中心個眼レンズ（ｃ１）におけるηh_c＝０．３８，ηv_c＝０．２０であるから、各周辺の撮影範囲との関係は以下の通りである。
V1：　ηh_c ＝ ηh_d、 ηv_c ＝ ηv_d、ηh_d / ηh_c＝１，ηv_d / ηv_c＝１
V2：　ηh_c ＝ ηh_d、 ηv_c ＝ ηv_d、ηh_d / ηh_c＝１，ηv_d / ηv_c＝１
VD：　ηh_c ＞ ηh_d、 ηv_c ＝ ηv_d、ηh_d / ηh_c＝０．６８，ηv_d / ηv_c＝１D2：　ηh_c ＞ ηh_d、 ηv_c ＝ ηv_d、ηh_d / ηh_c＝０．６８，ηv_d / ηv_c＝１
H2：　ηh_c ＞ ηh_d、 ηv_c ＝ ηv_d、ηh_d / ηh_c＝０．６８，ηv_d / ηv_c＝１
D1：　ηh_c ＞ ηh_d、 ηv_c ＞ ηv_d、ηh_d / ηh_c＝０．６１，ηv_d / ηv_c＝７
HD：　ηh_c ＞ ηh_d、 ηv_c ＜ ηv_d、ηh_d / ηh_c＝０．６１，ηv_d / ηv_c＝１．２
H1：　ηh_c ＞ ηh_d、 ηv_c ＜ ηv_d、ηh_d / ηh_c＝０．６１，ηv_d / ηv_c＝１．２
　よって、以下の(１)式を満たすのは、周辺の撮影範囲VD,D2,H2,D1,HD,H1であり、以下の(２)式を満たすのは、周辺の撮影範囲D1である。一方、表５を参照して、比較例の撮影範囲は等分割であり、全ての周辺の撮影範囲で、ηh_c ＝ ηh_d、 ηv_c ＝ ηv_dである。
　ηh_c ＞ ηh_d 　　　（１）
　ηv_c ＞ ηv_d 　　　（２）
　図８（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）は、比較例の撮影範囲D1,V1,H1，CにおけるMTF値をグラフにしたものであり、図９（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）は、実施例の撮影範囲D1,V1,H1，CにおけるMTF値をグラフにしたものである。図８（ａ）～（ｄ），図９（ａ）～（ｄ）の同じ撮影範囲同士を比較すると明らかであるが、特に周辺の撮影範囲におけるMTFピーク値、像面性において、比較例より実施例の方が向上し、本発明の効果が確認された。
　以下、好ましい態様についてまとめて説明する。
　上記複眼光学系において、（３）式又は（４）式のいずれか少なくとも一方が成立することが好ましい。
　0.9 ≧ ηh_d / ηh_c ≧ 0.4　　　（３）
　0.9 ≧ ηv_d / ηv_c ≧ 0.4　　　（４）
　（３）式又は（４）式の値が上限値以下であれば、中心個眼レンズの撮影範囲に対して、周辺個眼レンズの撮影範囲を狭くして、撮影範囲域での像面湾曲量を少なく出来るため、レンズ面(or レンズ群)の偏芯量を少なくすることが出来る。この結果ピントズレの少ない、良好な結像性能である個眼レンズとすることができ、結像性能良好な複眼光学系を構成することが出来る。一方、（３）式又は（４）式の値が下限値以上であれば、中央個眼レンズの撮影範囲を広く取りすぎることが無いため、中央個眼レンズが撮影する範囲も像面湾曲量が大きくない良好な光学性能の複眼光学系を提供できる。
　前記個眼レンズは、水平方向、垂直方向にそれぞれ３つ以上並べて配置されていることが好ましい。このように構成することにより、各個眼レンズの撮影範囲を小さく出来るため、撮影範囲境界での像面湾曲量を少なくする事が出来、良好な結像性能である複眼光学系とすることが出来る。
　前記個眼レンズは少なくとも２枚のレンズからなり、前記周辺個眼レンズは少なくとも１面に自由曲面を有することが好ましい。これにより、良好な結像性能である複眼光学系とすることが出来る。
　前記個眼レンズの倍率がほぼ同じであることが好ましい。これにより、各個眼レンズを介して結像された画像を処理する際に、各画像の倍率を揃える必要がなくなるため、画像のつなぎ合わせ処理が簡単となり、低コストな撮像装置とすることが出来る。
　前記個眼レンズと像面との間に遮光絞りを有することが好ましい。前記遮光絞りを設けることで、各個眼に対応した撮像面以外への光の入射を防ぐ（クロストークを防ぐ）構成とすることが出来るため、良好な結像性能である複眼光学系とすることが出来る。
　本発明は、明細書に記載の実施態様、実施例に限定されるものではなく、他の実施態様・変形例を含むことは、本明細書に記載された実施態様や実施例や技術思想から本分野の当業者にとって明らかである。明細書の記載及び実施例は、あくまでも例証を目的としており、本発明の範囲は後述するクレームによって示されている。
１　　　　　　画像処理部
１ａ　　　　　画像合成部
１ｂ　　　　　画像補正部
１ｃ　　　　　出力画像処理部
２　　　　　　レンズ
３　　　　　　メモリー
ＡＰ　　　　　遮光部材
ＡＸ　　　　　光軸
ＣＧ　　　　　カバーガラス
ＤＬ１　　　　中心個眼レンズ
ＤＬ２　　　　周辺個眼レンズ
ＬＡ１　　　　レンズアレイ
ＬＡ２　　　　レンズアレイ
ＬＨ　　　　　複眼光学系
Ｌｎ　　　　　個眼レンズ
ＬＵ　　　　　撮像ユニット
ＳＲ　　　　　撮像素子
ＳＳ　　　　　撮像面

Claims (7)

  1. 　１つの固体撮像素子上に形成された、異なる視野の像をつなぎ合わせて１枚の画像を出力する画像処理部を有する撮像装置に用いられる複眼光学系であって、
    　少なくとも１枚の一体に形成され、光軸を異ならせた複数のレンズを含むアレイレンズを有し、
    　各視野に対応して結像を行う複数の個眼レンズが、前記アレイレンズのレンズより構成されており、
    　（１）式又は（２）式のいずれか少なくとも一方が成立することを特徴とする複眼光学系。
    　ηh_c ＞ ηh_d 　　　（１）
    　ηv_c ＞ ηv_d 　　　（２）
    但し、
    ηh_c：前記アレイレンズの中心側の中心個眼レンズの水平方向撮影範囲
    ηh_d：前記アレイレンズの前記中心個眼レンズよりも周辺側に配置される周辺個眼レンズの水平方向撮影範囲
    ηv_c：前記アレイレンズの中心側の中心個眼レンズの垂直方向撮影範囲
    ηv_d：前記アレイレンズの前記中心個眼レンズよりも周辺側に配置される周辺個眼レンズの垂直方向撮影範囲
  2. 　（３）式又は（４）式のいずれか少なくとも一方が成立することを特徴とする複眼光学系。
    　0.9 ≧ ηh_d / ηh_c ≧ 0.4　　　（３）
    　0.9 ≧ ηv_d / ηv_c ≧ 0.4　　　（４）
  3. 　前記個眼レンズは、水平方向、垂直方向にそれぞれ３つ以上並べて配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の複眼光学系。
  4. 　前記個眼レンズは少なくとも２枚のレンズからなり、前記周辺個眼レンズは少なくとも１面に自由曲面を有することを特徴とする請求項１～３のいずれかに記載の複眼光学系。
  5. 　前記個眼レンズの倍率がほぼ同じであることを特徴とする請求項１～４のいずれかに記載の複眼光学系。
  6. 　前記個眼レンズと像面との間に遮光絞りを有することを特徴とする請求項１～５のいずれかに記載の複眼光学系。
  7. 　請求項１～６のいずれかに記載の複眼光学系と、固体撮像素子と、画像処理部とを有することを特徴とする撮像装置。
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