JP2012199633A - 撮像素子及び該撮像素子を備えた撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小型、低価格で、撮像光学系のアライメント作業が容易な３Ｄ画像撮像用の撮像装置を提供する。
【解決手段】撮像装置は、物体面からの光が集光される３Ｄ画像撮像用の撮像素子を備える。撮像素子は、マイクロレンズアレイ５１を有すると共に、該マイクロレンズアレイ５１のマイクロレンズ５１ａそれぞれに対し少なくとも一対の受光部５２Ｌ，５２Ｒを有し、マイクロレンズアレイ５１に右側から入射した光ＢＲを、受光部５２Ｌで受光し、マイクロレンズアレイ５１に左側から入射した光ＢＬを、受光部５２Ｒで受光する。
【選択図】図２

Description

本発明は、３Ｄ表示用の視差のある画像を撮像する撮像素子及び該撮像素子を備えた撮像装置に関するものである。

３Ｄ方式は、一般に撮像光学系と撮像素子で構成される２つのカメラを左右方向に配置して視差の異なる２つの画像（右画像と左画像）を撮影し、その右画像、左画像を、３Ｄテレビや３Ｄディスプレイに表示し、偏光方式やタイムフィールドシーケンシャル方式の眼鏡を用いて、それぞれ右画像を右眼、左画像を左眼のみに見えるようにすることで、脳の中で映像が合成され立体感を得ている。

３Ｄ画像表示用に視差の異なる２つの画像を撮像する方法として、上述とは異なり、１つの撮像光学系で取り込んだ物体光を撮像光学系で２つに分割する方法がある（例えば特許文献１）。図９（Ａ）は、特許文献１に開示の３Ｄ表示用の撮像装置を説明する図で、図９（Ｂ）は図９（Ａ）の３Ｄ用撮像装置の絞り１０２のＡ方向矢視図である。

特許文献１の撮像光学系では、図９（Ａ）に示すように、物体面（図示せず）の１点から撮像光学系内の１次光学系１０１に入射する光束の内、図の右側を進行する光ＢＲは撮像光学系の絞り１０２の右側１０２Ｒに到達する。同様に図の左側を進行する光ＢＬは撮像光学系の絞り１０２の左側１０２Ｌに到達する。図示した光軸上の物体光だけでなく、軸外のものについても同様である（例えば、主光線方向に対し右側を進行する光は撮像光学系の絞り１０２の右側１０２Ｒに到達する）。すなわち、図９（Ｂ）に示すように、撮像光学系の絞り１０２を左側領域１０２ａと右側領域１０２ｂに分割すると、左側領域１０２ａには物体から左方向に向かう光束が、右側領域１０２ｂには物体から右方向に向かう光束が集まるため、左側領域１０２ａと左側領域１０２ｂとでは、視差の異なる光が集まる。

絞り１０２の左側領域１０２ａを通過した光は、プリズム１０３により左側に反射され、さらに反射ミラー１０４ａにより反射され、結像レンズ１０５ａを透過し、撮像素子１０６ａにより受光される。一方、絞り１０２の右側領域１０２ｂを通過した光は、プリズム１０３により右側に反射され、さらに反射ミラー１０４ｂにより反射され、結像レンズ１０５ｂを透過し、撮像素子１０６ａとは別の撮像素子１０６ｂにより受光される。このようにして、視差の異なる二つの画像を撮像するようにしている。

特開平６−１９４５８１号公報

しかしながら、特許文献１に開示の３Ｄ表示用の撮像装置では、視差の異なる２つの画像を２つの撮像素子より得ており、プリズムで分離した後の撮像素子に結像するための２次光学系が２つ必要となる。そのため、撮像光学系全体が大型化すると同時に複雑な光学系が必要となる。また、光学研磨した高精度なプリズムの単価も高く、部品数も多いため製造コストが高い。更にプリズム、２次光学系、撮像素子などの光軸の高精度なアライメント作業が必要となるため生産性が低い。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、３Ｄ表示用の撮像装置の小型化、低コスト化が可能で、撮像光学系のアライメント作業が容易な３Ｄ表示用の撮像素子及び該撮像素子を備えた撮像装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の第１の技術手段は、物体面からの光が集光される３Ｄ画像撮像用の撮像素子であって、マイクロレンズアレイを有すると共に、該マイクロレンズアレイのマイクロレンズそれぞれに対し少なくとも一対の受光部を有し、所定の方向に関して一方の側から前記マイクロレンズアレイに入射した光を、前記一対の受光部の一方で受光し、前記所定の方向に関して他方の側から前記マイクロレンズアレイに入射した光を、前記一対の受光部の他方で受光することを特徴としたものである。

本発明の第２の技術手段は、第１の技術手段において、前記マイクロレンズアレイが、マイクロレンズ毎に、前記所定の方向から前記マイクロレンズの入射面側に入射する光を集光するための凸部を有し、前記凸部が集光した光を少なくとも２方向に分離することにより前記一対の受光部の両方に導く、少なくとも２つの異なる角度の傾斜面を前記マイクロレンズの出射面側に有することを特徴としたものである。

本発明の第３の技術手段は、第２の技術手段において、前記マイクロレンズの出射面側に配置された少なくとも２つの異なる角度の傾斜面の分割位置である頂部が、前記マイクロレンズの入射面側に配置された前記凸部の光軸上に位置することを特徴としたものである。

本発明の第４の技術手段は、第３の技術手段において、前記マイクロレンズの出射面側に配置された少なくとも２つの異なる角度の傾斜面は、光の入射側に凸形状の曲面であることを特徴としたものである。

本発明の第５の技術手段は、第３の技術手段において、前記マイクロレンズの出射面側に配置された少なくとも２つの異なる角度の傾斜面は、光の入射側に凹形状の曲面であることを特徴としたものである。

本発明の第６の技術手段は、第１〜５のいずれか１の技術手段の撮像素子と、物体面からの光を前記撮像素子に導光する光学系とを備える撮像装置である。

本発明によれば、小型、低価格で、撮像光学系のアライメント作業が容易な３Ｄ表示用の撮像装置を提供できる。

本発明の撮像装置の主要部の構成例を示す図である。 図１の撮像装置の撮像素子の構成例を示す図である。 撮像素子の他の構成例を示す図である。 撮像素子の別の構成例を示す図である。 撮像素子の別の構成例を示す図である。 本発明のカラー用の撮像装置の主要部の構成例を示す図である。 ベイヤ配列の受光素子を用いた撮像素子の構成例を示す図である。 ベイヤ配列の受光素子を用いた撮像素子の他の構成例を示す図である。 従来の撮像装置を説明する図である。

図１及び図２を用いて、本発明の３Ｄ表示用の撮像装置を説明する。図１は、本発明の撮像装置の主要部の構成を示す図、図２は、図１の撮像装置の撮像素子の構成を示す図である。
本発明の３Ｄ画像撮像用の撮像装置は、図１の参照符号１で例示するように、１次光学系２と、絞り３と、２次光学系４と、撮像素子５と、を備える。
１次光学系２は、レンズ２ａ〜２ｄより構成されるものであって、物体面（図示せず）上の１点からの光束を絞り３に集光する。
２次光学系４は、レンズ４ａ〜４ｃより構成されるものであって、１次光学系２により絞り３により絞られた光を、撮像素子５に結像させる。また本実施例では、本撮像光学系は絞り３の中央を通る主光線が撮像素子５に垂直に入射する、いわゆる像側テレセントリック光学系としている。

撮像素子５は、１次光学系、２次光学系より構成される撮像光学系の焦点位置近傍に配置され、図２に示すように、正のパワーを有する凸形状のマイクロレンズ５１ａが光の入射面側に形成されたマイクロレンズアレイ５１と、各マイクロレンズ５１ａの焦点面近傍に１つのマイクロレンズ５１ａに対して一対の受光部５２Ｌ、５２Ｒを有する受光素子５２と、これらマイクロレンズアレイ５１及び受光素子５２を保護するためのカバーガラス５３を有する。

図１及び図２（Ｂ）に示すように、３Ｄ用撮像装置１では、物体面（図示せず）上の１点から当該装置１に入射する光束のうち、絞り３の絞り面の中央を通過する主光線ＢＣは、所定の方向から（本例では垂直方向から）撮像素子５に入射するが、この主光線ＢＣは、撮像素子５の受光素子５２の受光部５２Ｌと受光部５２Ｒの境目に入射する。
図１及び図２（Ａ）に示すように、３Ｄ用撮像装置１において、上記光束のうち、主光線ＢＣより右側に向けて発せられた光ＢＲは、絞り３の絞り面の右側に到達し、撮像素子５に対して右側から角度を持って入射し、当該素子５の受光素子５２の左側の受光部５２Ｌに入射する。
また、図１及び図２（Ｃ）に示すように、３Ｄ用撮像装置１において、上記光束のうち、上記光ＢＲと視差の異なる、主光線ＢＣより左側に向けて発せられた光ＢＬは、絞り３の絞り面の左側に到達し、撮像素子５に対して左側から角度をもって入射し、当該素子５の受光素子５２の右側の受光部５２Ｒに入射する。
そして、３Ｄ用撮像装置１では、受光素子５の左側の受光部５２Ｌで得られた画像と、右側の受光部５２Ｒで得られた画像とを別の画像として処理し、立体表示用の視差のある２つの画像を生成している。

この３Ｄ用撮像装置１は、視差の異なる２つの画像を生成するのに撮像素子を１つしか使用しないため、低コストとすることができる。また、必要な撮像光学系は１つであるため、光軸の高精度のアライメント作業が容易となり生産性が高く、装置を小型化することもでき、更に低コストとすることができる。さらに、特許文献１に開示の装置で用いていた光学研磨した高精度なプリズムも不要であるので、コストを抑えることができる。
なお、３Ｄ用撮像装置１は、２Ｄ表示用に用いることもでき、この場合は、左側の受光部５２Ｌでの画素値と右側の受光部５２Ｒでの画素値の和を１つの画素値とすることが好ましい。撮像素子の感度特性が向上できるためである。

図３は、撮像素子の他の例を示す図である。図２と同様の部分については、同じ参照符号を付すことにより、その説明を省略する。
図３の撮像素子６は、図２の撮像素子５と同様に、図３（Ａ）に示すように、正のパワーを有する凸形状のマイクロレンズ５１ａがマイクロレンズアレイ６１の入射面側に形成されており、撮像素子６に対して右側から角度を持って入射した光ＢＲが、受光素子５２の左側の受光部５２Ｌに入射し、図３（Ｃ）に示すように、撮像素子６に対して左側から角度をもって入射した光ＢＬが、受光素子５２の右側の受光部５２Ｒに入射する。

しかし、撮像素子６は、図２の撮像素子５とは異なり、マイクロレンズアレイ６１の出射面側に１対の２つの異なる角度のプリズム形状の傾斜面６１ａを有し、図３（Ｂ）に示すように、撮像素子６に対して略垂直に入射した光ＢＣが、撮像素子６の受光素子５２の受光部５２Ｌ，５２Ｒにも入射するようになっている。
図２の例では、絞りの絞り面の中央すなわち瞳の中心を通過し撮像素子に垂直で入射する光ＢＣは、撮像素子５の受光部で受光できずロスとなっていたが、本例では受光できるため、光のロスを減らすことができる。また図２の例では撮像素子の画素の間隔が小さくなり高い半導体の製造プロセスルールの製造装置の精度が必要となるが、図３の例では撮像素子の製造プロセス上も有利となる。
なお、受光部５２Ｌと受光部５２Ｒの位置がマイクロレンズ５１ａの光軸に関して対称である場合、２つの異なる角度の傾斜面６１ａの分割位置すなわち傾斜面６１ａの頂部は、マイクロレンズ５１ａの光軸上とするのがよい。撮像素子６に対して垂直に入射した光ＢＣを、受光部５２Ｌと受光部５２Ｒとで均等に受光できる。

図４は、撮像素子の別の例を示す図である。図３と同様の部分については、同じ参照符号を付すことにより、その説明を省略する。
図４の撮像素子７は、図３の撮像素子６と同様に、図４（Ａ）に示すように、マイクロレンズ５１ａがマイクロレンズアレイ７１の入射面側に形成されており、撮像素子７に対して右側から角度を持って入射した光ＢＲが、受光素子５２の左側の受光部５２Ｌに入射し、図４（Ｃ）に示すように、撮像素子７に対して左側から角度をもって入射した光ＢＬが、受光素子５２の右側の受光部５２Ｒに入射する。また、撮像素子７は、マイクロレンズアレイ７１の出射面側に１対の２つの異なる角度の傾斜面７１ａを有し、図４（Ｂ）に示すように、撮像素子７に対して略垂直に入射した光ＢＣが、撮像素子７の受光素子５２の受光部５２Ｌ，５２Ｒにも入射するようになっている。
しかし、撮像素子７は、図３の撮像素子６とは異なり、マイクロレンズアレイ７１の出射面側に配置される１対の２つの異なる角度の傾斜面の端面が平面ではなく、光の入射側に凹の形状となっている。これにより、マイクロレンズ全体の焦点距離が短くなるため、集光径が小さくなり受光部５２Ｌ，５２Ｒへの集光性能を上げることが可能となる。

図５は、撮像素子の別の例を示す図である。図３と同様の部分については、同じ参照符号を付すことにより、その説明を省略する。
図５の撮像素子８は、図３の撮像素子６と同様に、図５（Ａ）に示すように、マイクロレンズ５１ａがマイクロレンズアレイ８１の入射面側に形成されており、撮像素子７に対して右側から角度を持って入射した光ＢＲが、受光素子５２の左側の受光部５２Ｌに入射し、図５（Ｃ）に示すように、撮像素子８に対して左側から角度をもって入射した光ＢＬが、受光素子５２の右側の受光部５２Ｒに入射する。また、撮像素子７は、マイクロレンズアレイ８１の出射面側に１対の２つの異なる角度の傾斜面８１ａを有し、図５（Ｂ）に示すように、撮像素子８に対して略垂直に入射した光ＢＣが、撮像素子８の受光素子５２の受光部５２Ｌ，５２Ｒにも入射するようになっている。
しかし、撮像素子８は、図３の撮像素子６とは異なり、マイクロレンズアレイ８１の出射面側に配置される１対の２つの異なる角度の傾斜面端面が平面ではなく、光の入射側に凸の形状となっている。これにより、焦点距離を長くし、受光部５２Ｌ，５２Ｌまでの距離を長くすることができるので、受光部５２Ｌと受光部５２Ｒへの光の分離性を上げることができる。
なお、図４や図５の例のマイクロレンズアレイでは、出射面側の端面の形状を非球面形状とすることにより、平面形状とした場合より、出射面側での収差を低減することできる。

図６は、本発明の３Ｄ表示用のカラー撮像装置の主要部の構成を示す図である。図１と同様の部分については、同じ参照符号を付すことによりその説明を省略する。
図の３Ｄ用カラー撮像装置１´は、ダイクロイックミラー９１，９２による反射面を内部に備えた色分解プリズム９を有し、撮像光学系２，４を通過した光をＲＧＢそれぞれ別の光路に色分解する。色分解されたＲＧＢの光路に上述の撮像素子５（５Ｒ，５Ｇ，５Ｂ），６（６Ｒ，６Ｇ，６Ｂ），７（７Ｒ，７Ｇ，７Ｂ），８（８Ｒ，８Ｇ，８Ｂ）のいずれかを配置することにより、ＲＧＢの画像を撮像できるため、ＲＧＢ画像を合成することにより、視差のある２つのＲＧＢ画像を撮像できる。

上述の例では、撮像素子の受光素子は、モノクロ用のものであったが、ベイヤ配列の受光素子に代表されるカラー用の受光素子を用いてもよい。
図７（Ａ）は、ベイヤ配列の受光素子を用いた撮像素子の一例を示す図であり、図７（Ｂ）は、図７（Ａ）のＸ方向矢視拡大図である。図８は、ベイヤ配列の受光素子を用いる場合のマイクロレンズアレイのレンズ形状の他の例を示す図である。

図７の撮像素子１０は、ベイヤ配列の撮像素子１１を有する。ベイヤ配列の撮像素子は、４つのカラーフィルタ付の受光部から１画素の画像を作成するものが一般的である。したがって、この場合は１つのマイクロレンズ５１ａの中にＲＧＧＢ４個の受光部を１セットの受光部として、２セットの受光部１１Ｌ，１１Ｒを配列すればよい。そして、撮像素子１０に対して右側から角度を持って入射した光が、受光素子１１の左側の受光部１１Ｌに入射し、撮像素子１０に対して左側から角度をもって入射した光が、受光素子１１の右側の受光部１１Ｒに入射するようにすればよい。またマイクロレンズの形状が、図３、図４、図５の形状のときにも、同様にベイヤ配列の撮像素子を使用することが可能である。

なお、図８に示すように、マイクロレンズアレイ５１´のマイクロレンズ５１ａ´の形状は、入射面に対して垂直方向から見て縦横非対称にしてもよい。これにより縦方向と横方向の受光部１１Ｌ，１１Ｒのピッチを同じにすることが可能となる。

本発明では像側テレセントリックな撮像光学系で例を示したが、必ずしも像側テレセントリックにする必要はない。撮像光学系を小さくするためには中央から周辺に向かうに従い撮像素子への入射角度が大きくなるのが一般的であるが、この場合撮像素子の受光部に対してマイクロレンズの光軸をオフセットすることにより周辺の光量を確保することができる。このように像面の周辺の主光線が角度を有する場合でも対応は可能である。その場合は周辺のプリズム面の角度を主光線の傾き分傾斜させることにより、均等に右画像と左画像の光を分離することができる。

１，１´…３Ｄ用撮像装置、２…１次光学系、３…絞り、４…２次光学系、５，６，７，８，１０…撮像素子、５１，５１´，６１，７１，８１…マイクロレンズアレイ、５２，１１…受光素子、６１ａ，７１ａ，８１ａ…傾斜面、９…色分解プリズム。

Claims (6)

1. 物体面からの光が集光される３Ｄ画像撮像用の撮像素子であって、
   マイクロレンズアレイを有すると共に、該マイクロレンズアレイのマイクロレンズそれぞれに対し少なくとも一対の受光部を有し、所定の方向に関して一方の側から前記マイクロレンズアレイに入射した光を、前記一対の受光部の一方で受光し、前記所定の方向に関して他方の側から前記マイクロレンズアレイに入射した光を、前記一対の受光部の他方で受光することを特徴とする撮像素子。
2. 前記マイクロレンズアレイは、マイクロレンズ毎に、前記所定の方向から前記マイクロレンズの入射面側に入射する光を集光するための凸部を有し、前記凸部が集光した光を少なくとも２方向に分離することにより前記一対の受光部の両方に導く、少なくとも２つの異なる角度の傾斜面を前記マイクロレンズの出射面側に有することを特徴とする請求項１に記載の撮像素子。
3. 前記マイクロレンズの出射面側に配置された少なくとも２つの異なる角度の傾斜面の分割位置である頂部は、前記マイクロレンズの入射面側に配置された前記凸部の光軸上に位置することを特徴とする請求項２に記載の撮像素子。
4. 前記マイクロレンズの出射面側に配置された少なくとも２つの異なる角度の傾斜面は、光の入射側に凸形状の曲面であることを特徴とする請求項３に記載の撮像素子。
5. 前記マイクロレンズの出射面側に配置された少なくとも２つの異なる角度の傾斜面は、光の入射側に凹形状の曲面であることを特徴とする請求項３に記載の撮像素子。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の撮像素子と、物体面からの光を前記撮像素子に導光する光学系とを備える撮像装置。

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