JPH11122544A

JPH11122544A - 撮像装置

Info

Publication number: JPH11122544A
Application number: JP9283382A
Authority: JP
Inventors: Seisuke Suzuki; 清介鈴木
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1997-10-16
Filing date: 1997-10-16
Publication date: 1999-04-30

Abstract

(57)【要約】【課題】簡易な層構造で薄型化や低廉化を達成でき、
またフォーカス調整等が不要で取り扱いの容易な撮像装
置を提供する。【解決手段】多数の撮像画素１１０をマトリクス状に
配列した撮像パネル１００と、この撮像パネル１００の
前面に所定の間隔をもって配置され、各撮像画素１１０
に対応して多数のマイクロ望遠鏡２１０をマトリクス状
に配列した望遠鏡アレイパネル２００と、前記望遠鏡ア
レイパネル２００の前面に凹レンズ３００を配置して撮
像装置を構成する。前方より凹レンズ３００を通して望
遠鏡アレイパネル２００の各マイクロ望遠鏡２１０に入
射した光のうち、各マイクロ望遠鏡２１０の直径とほぼ
同じ大きさで、ほぼ平行に入射した光だけが撮像パネル
１００の各撮像画素１１０に入射する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、多数の撮像画素を
マトリクス状に配列した複眼構造の撮像装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、多数の撮像画素をマトリクス
状に配列した複眼構造の撮像装置を用いたものとして、
例えば特開平８−１０２９２４号公報に開示される画像
入出力装置が知られている。この画像入出力装置は、表
示機能と撮像機能を備えたものであって、多数の表示画
素を駆動する画素駆動素子がマトリクス状に配列された
画素駆動素子アレイを有する液晶パネルと、光検出を行
う多数の受光素子がマトリクス状に配列された撮像素子
アレイを有する撮像パネルとを接着層を介して接合した
構造のものである。すなわち、この画像入出力装置は、
多数の撮像素子をマトリクス状に配列した複眼構造の撮
像パネルにより、撮像装置の薄型化を達成したものであ
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来例では、撮像パネルの各受光素子に入射する光が
平行光であったり、焦光点を有する光であったりするた
め、光の入射角を規制するためのピンホールアレイや光
入射角制限部材あるいはマイクロレンズアレイを設ける
必要がある。このため、撮像パネルの層構成が複雑化す
るとともに、光学系と受光素子との動作距離（ワーキン
グディスタンス）が制約され、薄型化や低廉化の障害と
なる問題がある。

【０００４】そこで本発明の目的は、簡易な層構造で薄
型化や低廉化を達成でき、またフォーカス調整等が不要
で取り扱いの容易な撮像装置を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は前記目的を達成
するため、それぞれ撮像素子よりなる多数の撮像画素を
マトリクス状に配列した撮像パネルと、前記撮像パネル
の前面に所定の間隔をもって配置され、前記各撮像画素
に対応して多数のマイクロ望遠鏡をマトリクス状に配列
した望遠鏡アレイパネルとを有することを特徴とする。

【０００６】本発明の撮像装置では、望遠鏡アレイパネ
ルの各マイクロ望遠鏡に前方より入射した光のうち、各
マイクロ望遠鏡の直径とほぼ同じ大きさで、ほぼ平行に
入射した光だけが撮像パネルの各撮像画素に入射する。
そして、この入射光を各撮像画素の撮像素子にて検出
し、各撮像素子の検出出力を走査して撮像信号を取り出
すことにより、画像の撮像を行う。

【０００７】

【発明の実施の形態】以下、本発明による撮像装置の実
施の形態について説明する。図１は、本発明による撮像
装置の原理的な構成例を示す概略断面図であり、図２
は、図１に示す撮像装置の要部を拡大して示す概略断面
図である。本例の撮像装置は、多数の撮像画素１１０を
マトリクス状に配列した撮像パネル１００と、この撮像
パネル１００の前面に所定の間隔（動作距離Ｇ）をもっ
て配置され、各撮像画素１１０に対応して多数のマイク
ロ望遠鏡２１０をマトリクス状に配列した望遠鏡アレイ
パネル２００と、前記望遠鏡アレイパネル２００の前面
に凹レンズ３００を配置したものである。

【０００８】撮像パネル１００は、基板１００Ａに撮像
画素１１０を配列したものである。撮像画素１１０は、
例えばフォトダイオードやフォトセンサ等の撮像素子よ
り形成されている。各撮像画素１１０の検出出力は、基
板１００Ａに設けた透明電極を介してシフトレジスタ等
により撮像回路に転送され、画像信号として再生される
ようになっている。

【０００９】望遠鏡アレイパネル２００は、アクリル等
の光学系材料よりなる基板２００Ａの両面に各マイクロ
望遠鏡２１０を構成する凸レンズ面２１０Ａ、２１０Ｂ
を形成したものである。すなわち、本例のマイクロ望遠
鏡２１０は、凸レンズ面２１０Ａ、２１０Ｂ同士を組み
合わせたケプラー式の望遠鏡となっている。そして、前
方の凸レンズ面２１０Ａより入射した平行光は、マイク
ロ望遠鏡２１０内で一度焦点を結んだ後、後方の凸レン
ズ面２１０Ｂで再び平行光となって撮像パネル１００側
に導かれる。また、各マイクロ望遠鏡２１０は、各撮像
画素１１０に対応する位置に配設されている。

【００１０】また、凹レンズ３００は、望遠鏡アレイパ
ネル２００側に凹レンズ面３００Ａを向けて配置され、
撮像パネル１００の視野を広げるためのものである。こ
のような構成では、前方より凹レンズ３００を通して望
遠鏡アレイパネル２００の各マイクロ望遠鏡２１０に入
射した光のうち、各マイクロ望遠鏡２１０の直径とほぼ
同じ大きさで、ほぼ平行に入射した光だけが撮像パネル
１００の各撮像画素１１０に入射する。そして、この入
射光を各撮像画素の撮像素子にて検出し、各撮像素子の
検出出力を走査して撮像信号を取り出すことにより、画
像の撮像を行う。

【００１１】したがって、上述した従来例（特開平８−
１０２９２４号）のように、光の入射角を規制する手段
を必要とせず、ほぼ無限遠にフォーカスを結んだ光学系
を構成でき、光学系と受光素子との動作距離（ワーキン
グディスタンス）の制約が小さい撮像装置を構成でき
る。また、凹レンズ３００を設けたことにより、撮像視
野角が任意に設定可能となる。そして、独立した各画素
への光束が平行光束であるため、各画素はフォーカスフ
リーとなり、どこからでもピントが合う撮像装置を構成
できる。

【００１２】図３は、本発明による撮像装置の原理的な
第２の構成例を示す概略断面図である。なお、図１と共
通の構成については同一符号を付してある。この例は、
上述した凹レンズ３００の代わりにフレネル凹レンズ３
１０を設けたものである。このフレネル凹レンズ３１０
は、望遠鏡アレイパネル２００と対向する凹レンズ面３
１０Ａを全体的にフレネル化したものである。このよう
なフレネル凹レンズ３１０を設けることにより、さらに
撮像装置の薄型化を達成できる。なお、このようなフレ
ネル凹レンズ３１０において、望遠鏡アレイパネル２０
０の対物側のレンズ面２１０Ａがある部分だけをフレネ
ル化し、プリズム作用を部分的に得るようにしてもよ
い。

【００１３】図４は、望遠鏡アレイパネルの他の例を示
す断面図である。上述した望遠鏡アレイパネル２００
は、ケプラー式のマイクロ望遠鏡２１０を用いたが、図
４に示す望遠鏡アレイパネル２２０は、ガリレイ式のマ
イクロ望遠鏡２３０を用いたものである。すなわち、マ
イクロ望遠鏡２３０は、対物側の凸レンズ面２３０Ａと
接眼側の凹レンズ面２３０Ｂとを組み合わせたものであ
る。なお、各マイクロ望遠鏡２３０は、各撮像画素１１
０に対応する位置に配設されている。このような構成に
おいても、上述した図１に示す撮像装置と同様の効果を
得ることができる。

【００１４】図５は、図１に示す撮像装置を液晶表示装
置と組み合わせた場合の層構造の詳細を示す要部断面図
であり、図６は、その正面図である。この例では、望遠
鏡アレイパネル４００は、カラーフィルタ層４１０、偏
光板４２０、透明板４３０を介して撮像パネルを兼ねた
液晶層４４０に接合されている。また、液晶層４４０の
後面には、透明板４５０、偏光板４６０及び拡散板４７
０が設けられ、後方のバックライト４８０の光を前方に
拡散して導くようになっている。図示のように本例の望
遠鏡アレイパネル４００は、各マイクロ望遠鏡４０２の
間に遮蔽壁４０４を設けており、各マイクロ望遠鏡４０
２の間の光の漏洩を防止するようになっている。

【００１５】図６に示すように、液晶層４４０には、マ
トリクス状に多数の液晶表示画素５１０が配列され、各
液晶表示画素５１０の間に、撮像画素５２０がマトリク
ス状に配列されている。そして、各撮像画素５２０に対
応してマイクロ望遠鏡４０２が配列されている。マイク
ロ望遠鏡４０２を設けない領域は、液晶表示用の透明パ
ネルとなっている。また、透明板４３０、４５０には、
液晶駆動用や撮像信号伝送用の透明電極５３０が設けら
れている。なお、撮像素子の走査は、ＭＯＳタイプのイ
メージセンサと同様に、Ｘ−Ｙアドレススイッチ構造で
行うようになっている。

【００１６】カラーフィルタ層４１０は、Ｒ、Ｇ、Ｂの
各色成分光を得るためのものであるが、赤外カットも可
能なように、赤外吸収材を混入したものとなっている。
また、撮像素子にシリコン製のフォトセンサを用いた場
合、その感度ピーク波長が８００〜９００μｍ付近とな
るため、カラーフィルタがなければ、近赤外光に高い感
度を有することになり、暗闇でも高感度化が可能であ
る。そこで、本例では、カラーフィルタのない撮像画素
をカラーフィルタ付きの撮像画素に混在させるようにな
っている。なお、図６の×付き画素がカラーフィルタの
ない撮像画素を示している。

【００１７】また、透明板４３０、４５０は、通常はガ
ラスまたは石英によって形成されるが、低温ポリシリコ
ンプロセスを使用することて、プラスチックによっても
作製可能であり、透明板４３０、４５０をプラスチック
製とすることにより、湾曲可能な撮像装置を得ることも
可能である。

【００１８】図７は、以上のような撮像と表示の兼用装
置における表示動作と撮像動作のタイミングを示すタイ
ミングチャートである。表示と撮像を同時に行うと、バ
ックライトによる表示用の明るい光により、撮像素子に
も迷光として作用してしまう。そこで、これを回避する
ために、図７に示すようにバックライトの間欠点灯
（Ａ）の消灯時間内に、撮像素子のセンサ電荷をリセッ
トし（Ｂ）、この後、蓄積されたセンサ電荷を転送して
（Ｃ）、測光を行う（Ｄ）。

【００１９】図８は、以上のような撮像と表示の兼用装
置における回路構成を示すブロック図である。この兼用
装置では、撮像デバイス部６００で撮像した画像信号
（映像信号）を表示デバイス部６１０に伝送して表示す
るものである。水平／垂直ドライバ６２０から出力され
る水平同期信号と垂直同期信号によって各デバイス部６
００、６１０における同期制御を行うものである。

【００２０】また、通常、撮像画像の走査は、表示画素
の走査と逆方向で行われている。この時、撮像画像をそ
のまま表示すると、通常の鏡と逆になり、左右が反転し
ない。そこで、図８に示すように、水平／垂直ドライバ
６２０の水平同期出力端子と表示デバイス部６１０の水
平同期入力端子との間にインバータ６３０とスイッチ６
４０を設け、仮想鏡を実現する場合には、表示画素また
は撮像画素の走査方向を通常の動作と変えて同時に同一
方向で動作させるようになっている。

【００２１】すなわち、通常の走査では、図６に示すよ
うに、スイッチ６４０は、インバータ６３０の出力端子
ａに接続され、撮像画像の走査と表示画素の走査とを逆
方向で行う。また、仮想的に鏡を実現するときには、ス
イッチ６４０は、インバータ６３０を介することなく、
水平／垂直ドライバ６２０の直接接続端子ｂに接続さ
れ、撮像画像の走査と表示画素の走査とを同一方向で行
う。

【００２２】次に、本発明を撮像装置と表示装置とを具
備したヘッドマウントディスプレイ装置に適用した場合
の例について説明する。図９は、本発明を適用したヘッ
ドマウントディスプレイ装置の光学系の原理を示す説明
図である。このヘッドマウントディスプレイ装置は、人
の頭部に装着される小型のディスプレイ装置であり、光
軸方向に扁平な双眼鏡型の光学ユニットを眼鏡のように
装着することにより、前記光学ユニット内に配置した光
学系によって液晶表示装置による映像を反射拡大して虚
像を結び、あたかも眼前の大型画像として見せるように
したものであり、例えばグラストロンの名称で商品化さ
れている。本例では、具体例として、０．７インチ型・
１８万画素の液晶画面の映像を２ｍ先の５２インチ型の
大型映像として体感できるような構成を例に説明する。

【００２３】そして、本例では、このようなヘッドマウ
ントディスプレイ装置に本発明の撮像装置の機能を付加
して構成したものである。すなわち、本例のヘッドマウ
ントディスプレイ装置は、撮像装置によって人の視界前
方の像を撮像するとともに、この撮像した像を表示装置
によって拡大表示し、大型画面の映像として見せるよう
にしたものである。なお、このような構成の装置は、前
方の物体や景色等を拡大して見せる眼鏡装置としても用
いることができるものである。

【００２４】図１に示す本例のヘッドマウントディスプ
レイ装置は、視界前方に配置された凹面ハーフミラー兼
レンズ７００と、この凹面ハーフミラー兼レンズ７００
の内側に略４５°の角度で配置されたハーフミラー７１
０と、このハーフミラー７１０からの反射光を入光する
位置に配置された撮像／表示装置７３０と、凹面ハーフ
ミラー兼レンズ７４０の外側に配置された液晶シャッタ
７９０とを有するものである。撮像／表示装置７３０
は、図５〜図８で説明した装置と同様の構成を有するも
のであり、この撮像／表示装置７３０の後面にはバック
ライト７５０が配置されている。また、撮像／表示装置
７３０の前面にはディフューザ７６０が配置され、液晶
特有のドット状の光を目立たないようにしている。

【００２５】また、凹面ハーフミラー兼レンズ７４０
は、上述した撮像装置のための凹レンズの機能を兼用す
るものである。すなわち、撮像装置の機能を付加しない
場合には、液晶表示装置からの画像を反射させる凹面ハ
ーフミラーの機能だけでよいが、本例では、撮像装置の
視野角を１０°〜２０°程度広げるために、凹レンズの
機能を兼用したものとなっている。この凹面ハーフミラ
ー兼レンズ７４０では、前方の入射光を後方のハーフミ
ラー７１０に導くとともに、ハーフミラー７１０からの
反射光を反射して、人の眼に供給するものである。ま
た、液晶シャッタ７９０は、前方の光を装置内に入射さ
せるか、遮断するかを切り換えるものである。

【００２６】ハーフミラー７１０は、凹面ハーフミラー
兼レンズ７４０からの入射した光の一部を９０°を反射
させて撮像／表示装置７３０に導き、残りの一部を人の
眼に導く。したがって、本例の装置では、液晶シャッタ
７９０が開いている状態で、前方の光の一部が直接眼に
入るため、ディスプレイ映像と背景映像の両方を重ねて
見ることができるシースルー機能が実現されている。ま
た、ハーフミラー７１０で９０°反射した光は、撮像／
表示装置７３０に導かれ、上述した撮像装置の原理によ
って撮像動作が行われる。したがって、この撮像信号を
記録したり、あるいは表示装置側に送って拡大表示する
ことが可能である。

【００２７】また、撮像／表示装置７３０の表示装置に
よって表示された光信号は、その一部がハーフミラー７
１０で９０°反射して凹面ハーフミラー兼レンズ７４０
に導かれる。そして、その一部が凹面ハーフミラー兼レ
ンズ７４０の凹面で反射し、ハーフミラー７１０を通過
して人の眼に導かれ、上述した拡大映像として見ること
ができる。ここで、液晶シャッタ７９０を閉じて背景映
像を遮断すれば、あたかも劇場で大画面映像を鑑賞して
いるような状態を得ることができる。

【００２８】以上のようにして、本発明の撮像装置をヘ
ッドマウントディスプレイ装置に適用することにより、
小型軽量で、フォーカス等の取り扱いが容易な撮像と表
示の兼用装置を構成することができる。

【００２９】

【発明の効果】以上説明したように本発明の撮像装置で
は、多数の撮像画素をマトリクス状に配列した撮像パネ
ルの前面に、各撮像画素に対応して多数のマイクロ望遠
鏡をマトリクス状に配列した望遠鏡アレイパネルを設け
ることにより、望遠鏡アレイパネルの各マイクロ望遠鏡
に前方より入射した光のうち、各マイクロ望遠鏡の直径
とほぼ同じ大きさで、ほぼ平行に入射した光だけが撮像
パネルの各撮像画素に入射するようにした。このため、
簡易な層構造で薄型化や低廉化を達成でき、またフォー
カス調整等が不要で取り扱いの容易な撮像装置を構成で
きる。

【００３０】特に上述した従来例のように、光の入射角
を規制する手段を必要とせず、ほぼ無限遠にフォーカス
を結んだ光学系を構成でき、光学系と受光素子との動作
距離（ワーキングディスタンス）の制約を小さくできる
とともに、独立した各画素への光束が平行光束であるた
め、各画素はフォーカスフリーとなり、どこからでもピ
ントが合う撮像装置を構成できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による撮像装置の原理的な構成例を示す
概略断面図である。

【図２】図１に示す撮像装置の要部を拡大して示す概略
断面図である。

【図３】本発明による撮像装置の原理的な第２の構成例
を示す概略断面図である。

【図４】望遠鏡アレイパネルの他の例を示す断面図であ
る。

【図５】図１に示す撮像装置を液晶表示装置と組み合わ
せた場合の層構造の詳細を示す要部断面図である。

【図６】図５に示す装置の正面図である。

【図７】図５に示す装置における表示動作と撮像動作の
タイミングを示すタイミングチャートである。

【図８】図５に示す装置における回路構成を示すブロッ
ク図である。

【図９】本発明を適用したヘッドマウントディスプレイ
装置の光学系の原理を示す説明図である。

【符号の説明】

１００……撮像パネル、１１０……撮像画素、２００…
…望遠鏡アレイパネル、２１０……マイクロ望遠鏡、３
００……凹レンズ。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】それぞれ撮像素子よりなる多数の撮像画
素をマトリクス状に配列した撮像パネルと、前記撮像パネルの前面に所定の間隔をもって配置され、
前記各撮像画素に対応して多数のマイクロ望遠鏡をマト
リクス状に配列した望遠鏡アレイパネルと、を有することを特徴とする撮像装置。
【請求項２】前記マイクロ望遠鏡は、ケプラー式また
はガリレイ式の屈折望遠鏡であることを特徴とする請求
項１記載の撮像装置。
【請求項３】前記望遠鏡アレイパネルは、光学系材料
よりなる基板を有し、前記基板の両面に各望遠鏡のレン
ズ面を形成して構成したことを特徴とする請求項１記載
の撮像装置。
【請求項４】前記望遠鏡アレイパネルの前面に、凹レ
ンズを設けたことを特徴とする請求項１記載の撮像装
置。
【請求項５】前記凹レンズは、フレネルレンズ形状を
有することを特徴とする請求項４記載の撮像装置。
【請求項６】前記撮像パネルは、前記各撮像画素の間
に、それぞれ表示素子よりなる表示画素をマトリクス状
に配列した表示装置を具備していることを特徴とする請
求項１記載の撮像装置。
【請求項７】前記撮像画素にて撮像した画像を前記表
示装置によって表示することを特徴とする請求項６記載
の撮像装置。
【請求項８】前記表示装置は、前記撮像画素にて撮像
した画像に基づいて仮想ミラー表示を行う手段を有して
いることを特徴とする請求項７記載の撮像装置。
【請求項９】前記撮像パネルと前記望遠鏡アレイパネ
ルとの間に、前記各撮像素子に対応してカラーフィルタ
を設けたことを特徴とする請求項１記載の撮像装置。
【請求項１０】前記カラーフィルタは、前記各撮像素
子に選択的に設けられていることを特徴とする請求項９
記載の撮像装置。
【請求項１１】前記カラーフィルタは、赤外線遮断フ
ィルタを含むことを特徴とする請求項９記載の撮像装
置。
【請求項１２】人の頭部に装着され、前記撮像装置に
よって前記人の視界前方の像を撮像するとともに、前記
表示装置によって前記人が目視可能に画像を表示するヘ
ッドマウント装置に組み込まれていることを特徴とする
請求項７記載の撮像装置。
【請求項１３】前記ヘッドマウント装置は、視界前方
に配置された凹面ハーフミラー兼レンズと、前記凹面ハ
ーフミラー兼レンズの内側に略４５°の角度で配置され
たハーフミラーと、前記ハーフミラーからの反射光を入
光する位置に配置された前記表示装置を含む撮像装置と
を有し、前記凹面ハーフミラー兼レンズを通して入射した視界前
方の光を前記ハーフミラーを通過させて人の眼に導くと
ともに、前記ハーフミラーで反射させて前記撮像装置に
導き、前記表示装置の画像を前記凹面ハーフミラー兼レ
ンズおよびハーフミラーで反射させ、この反射光をハー
フミラーを通過させて人の眼に導くようにしたことを特
徴とする請求項１２記載の撮像装置。
【請求項１４】前記撮像装置の前面にはディフューザ
が配置され、前記撮像装置の後面にはバックライトが配
置されていることを特徴とする請求項１３記載の撮像装
置。
【請求項１５】前記凹面ハーフミラー兼レンズの外側
にシャッタが配置されていることを特徴とする請求項１
３記載の撮像装置。