JP2007121631A

JP2007121631A - 複眼撮像装置

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Publication number: JP2007121631A
Application number: JP2005312866A
Authority: JP
Inventors: Takashi Toyoda; 孝豊田; Yoshizumi Nakao; 良純中尾; Yasuo Masaki; 康生政木
Original assignee: Funai Electric Co Ltd
Current assignee: Funai Electric Co Ltd
Priority date: 2005-10-27
Filing date: 2005-10-27
Publication date: 2007-05-17
Also published as: US20070097512A1

Abstract

【課題】複眼撮像装置において、製造上の困難を招いたり、再構成画像を作成する処理に時間が掛かる等の支障を生じることなく、薄型化を可能にする。
【解決手段】複数の光学レンズ３ａが一体的に形成された光学レンズアレイ３と、光学レンズアレイ３の上方に配置された絞り部材７と、複数の光学レンズ３ａにより形成される複数の像を撮像する受光素子アレイ４と、複数の光学レンズ３ａから出射する光が互いに干渉しないように光学レンズアレイ３と受光素子アレイ４との間を区画する遮光ブロック５と、遮光ブロック５の下方に配置された光学フィルタ６と、受光素子アレイ４により撮像された複数の画像から１つの画像を再構成する画像再構成手段とを備える複眼撮像装置１において、光学レンズアレイ３の光学レンズ３ａを、屈折率が光の入射方向（絞り部材７の方向）から出射方向（光学フィルタ６の方向）へ向かって増大する材料ガラスをモールド成型して形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、撮像のための光学系を複数の微小な光学系により構成することによって焦点距離を短縮し薄型化を図ることができる複眼撮像装置に関する。

携帯電話やパソコン等に組み込む薄型のカメラモジュールとして複眼撮像装置が開発されている。複眼撮像装置は、光軸が互いに平行である複数の光学レンズが集積された光学レンズアレイと、光学レンズアレイの各光学レンズによって形成される複数の像を撮像する受光素子アレイと、受光素子アレイによって撮像された複数の画像から各画像の視差情報を用いて１つの画像を再構成する画像再構成回路とから主に構成される。

一方、ファクシミリや電子複写機等においてライン上の被写体を等倍率でセンサや感光ドラム上に投影するための光学部品としてロッドレンズアレイが知られており、このロッドレンズアレイと同等の機能をより小型化した部品で実現するために、屈折率分布を有する材料を光の進行方向に対して直交する方向に積層させて用いる技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。

また、マイクロレンズアレイを効率よく製造する方法として、光パターニングやドライエッチングを用いる方法が知られている（例えば、特許文献２及び特許文献３参照）。

さらに、半径方向に屈折率分布を有するロッドレンズをアレイ状に配列してロッドレンズアレイを構成した結像光学装置が知られている（例えば、特許文献４参照）。
特開平６−３４７７２０号公報特開平６−１９４５０２号公報特開２００４−２７９５８８号公報特開２００２−２２８９２３号公報

上述のように複眼撮像装置は、撮像のための光学系をアレイ状に配置された複数の微小な光学レンズと、各光学レンズの焦点位置に形成される複数の像（以下、個眼像という）を撮像する受光素子アレイにより構成することによって焦点距離を短縮し薄型化を図ることができる。従って、一層の薄型化を図るための１つの方法として、光学レンズを小さくして集積度を高めることが考えられる。

ところが、個々の光学レンズを小さくして集積度を高めるためには、製造上の困難が伴う上に、光学レンズの数が増えることから受光素子アレイ上に形成される個眼像の数も増加し、各個眼像の視差情報を用いて１つの画像を再構成するための処理に時間が掛かるといった問題がある。つまり、上記のような事情からある条件の下での光学レンズの数や大きさには最適な値があり、必然的に光学レンズの焦点距離についても、これを短縮できる限界があることになる。

そこで、本発明の発明者は、ファクシミリのロッドレンズアレイ等では使用されている異なる屈折率分布を有するガラス材料に着目し、そのガラス材料を複眼撮像装置の光学レンズとして用いれば、焦点距離がさらに短くできる可能性があることを光学シミュレーションによって検証した。

なお、前述の特許文献１に記載の技術は、ファクシミリ等の感光体上に正立の像を形成させるために屈折率分布を有する材料を光の進行方向に対して直交する方向に積層させて用いるものであり、特許文献２と特許文献３に記載の技術は、いずれも複眼撮像装置に用いられる光学レンズアレイではなく、より微細なマイクロレンズアレイを製造する技術に関するものである。

すなわち、本発明は、製造上の困難を招いたり、再構成画像を作成する処理に時間が掛かる等の支障を生じることなく、より薄型化が可能な複眼撮像装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１の発明は、光軸が互いに略平行である複数の光学レンズが基材ガラス板の両面に一体的に形成された光学レンズアレイと、前記光学レンズアレイへの不要な外光入射を遮断するための絞り部材と、前記光学レンズアレイから所定距離隔てて配置され、前記複数の光学レンズによりそれぞれ形成される複数の像を撮像する受光素子アレイと、前記光学レンズアレイと前記受光素子アレイとの間に配置され、前記複数の光学レンズのうちの各光学レンズから出射する光が互いに干渉しないように前記光学レンズアレイと前記受光素子アレイとの間の空間を前記光軸に直交する面上において区画する遮光ブロックと、前記複数の光学レンズから出射する光のうち可視光のみを透過させる光学フィルタと、前記受光素子アレイにより撮像された複数の画像から、各画像の視差情報を用いて１つの画像を再構成する画像再構成手段とを備える複眼撮像装置において、前記光学レンズアレイが、板厚方向において異なる屈折率分布を有し、かつその屈折率が光の入射方向から出射方向へ向かって増大する材料ガラス板を、板厚方向における上下から挟圧することによって所定の光学レンズアレイ形状にモールド成型して形成したものであることを特徴とする。

請求項２の発明は、光学レンズを保持するための凹所がアレイ状に形成されたレンズホルダと、前記レンズホルダの凹所に光軸が互いに略平行になるように複数の光学レンズが一体的に保持された光学レンズアレイと、前記光学レンズアレイへの不要な外光入射を遮断するための絞り部材と、前記光学レンズアレイから所定距離隔てて配置され、前記複数の光学レンズによりそれぞれ形成される複数の像を撮像する受光素子アレイと、前記光学レンズアレイと前記受光素子アレイとの間に配置され、前記複数の光学レンズのうちの各光学レンズから出射する光が互いに干渉しないように前記光学レンズアレイと前記受光素子アレイとの間の空間を前記光軸に直交する面上において区画する遮光ブロックと、前記複数の光学レンズから出射する光のうち可視光のみを透過させる光学フィルタと、前記受光素子アレイにより撮像された複数の画像から、各画像の視差情報を用いて１つの画像を再構成する画像再構成手段とを備える複眼撮像装置において、前記光学レンズが、厚み方向において異なる屈折率分布を有し、かつその屈折率が光の入射方向から出射方向へ向かって増大する材料ガラスを、厚み方向における上下から挟圧することによって所定の光学レンズ形状にモールド成型して形成したものであることを特徴とする。

請求項３の発明は、複数の光学レンズが一体的に形成された光学レンズアレイと、前記光学レンズアレイへの不要な外光入射を遮断するための絞り部材と、前記光学レンズアレイから所定距離隔てて配置され、前記複数の光学レンズによりそれぞれ形成される複数の像を撮像する受光素子アレイと、前記光学レンズアレイと前記受光素子アレイとの間に配置され、前記複数の光学レンズのうちの各光学レンズから出射する光が互いに干渉しないように前記光学レンズアレイと前記受光素子アレイとの間の空間を前記光学レンズの光軸に直交する面上において区画する遮光ブロックと、前記複数の光学レンズから出射する光のうち特定の波長領域を透過させる光学フィルタとを備える複眼撮像装置において、前記光学レンズアレイの光学レンズは、屈折率が光の入射方向から出射方向へ向かって増大する材料ガラスをモールド成型して形成したものであることを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項３の発明において、前記光学レンズアレイの各光学レンズは、直径が約０．７ｍｍ以上であることを特徴とする。

本発明によれば、製造上の困難を招いたり、再構成画像を作成する処理に時間が掛かる等の支障を生じることなく、複眼撮像装置をより薄型化することが可能である。

本発明を実施するための第１の実施形態について図面を参照して説明する。本実施形態の複眼撮像装置１は、図１及び図２に示されるように、光軸Ｌが互いに平行である３行４列の１２個の光学レンズ３ａが１枚の板上に一体的に形成された光学レンズアレイ３と、光学レンズアレイ３の下方に配置され、各光学レンズ３ａによってそれぞれ形成される１２個の個眼像Ａｃを撮像する受光素子アレイ４と、光学レンズアレイ３と受光素子アレイ４との間に配置され、各光学レンズ３ａから出射する光が互いに干渉しないように光学レンズアレイ３と受光素子アレイ４との間の空間を光軸Ｌに直交する面上において区画する遮光ブロック５と、遮光ブロック５の下方に配置され、光学レンズ３ａから出射する光から可視光のみを透過させる光学フィルタ６と、光学レンズアレイ３の上方に配置され、各光学レンズ３ａへの不要な外光入射を遮断するための絞り部材７とを備えている。

光学フィルタ６は、可視光のみを透過させるフィルタに代えて、赤外光のみを透過させるフィルタ又は可視光と赤外光を透過させるフィルタであってもよい。

遮光ブロック５と受光素子アレイ４は、図２に示されるように、それぞれ長方形の板状に形成され、平面視において重なり合うように配置される。受光素子アレイ４は、ＣＭＯＳ（ＣｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙＭｅｔａｌ−ＯｘｉｄｅＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）イメージセンサ等の半導体基板から構成されている。遮光ブロック５は、平面視において受光素子アレイ４よりも少し小さな直方形のブロックであり、光学レンズアレイ３の各光学レンズ３ａに臨む円形の開口５ａと、光軸Ｌに直交する面上において空間を区画する隔壁５ｂを有している。

そして、本実施形態では、光学レンズアレイ３が、板厚方向において異なる屈折率を有する材料ガラス板を用いて製造され、光学レンズ３ａを構成するガラス自体の屈折率が光の入射方向（絞り部材７の方向）から出射方向（光学フィルタ６の方向）へ向かって増大するように構成されている。

光学レンズ３ａの屈折率について、図３を参照してさらに説明する。図３（ａ）は、従来装置におけるガラス自体に屈折率分布を有しない光学レンズ３０ａによる結像態様を示し、図３（ｂ）は、本実施形態における光学レンズ３ａによる結像態様を示す。

本実施形態の光学レンズ３ａは、光軸Ｌ方向に沿って屈折率が増大する。これを数式で表せば、ｎ（ｚ）＝ｎ_０＋ａｚとなる（但し、ｚ：光軸Ｌ方向に沿う座標、ｎ_０：初期値、ａ：定数）。従って、従来装置における光学レンズ３０ａの焦点距離Ｆａよりも、本実施形態における光学レンズ３ａの焦点距離Ｆｂの方が短縮される。例えば、従来装置における光学レンズ３０ａが通常ガラス材ＢＫ７を用いて製造されたものである場合、従来装置における焦点距離Ｆａは、１．５８ｍｍであり、本実施形態における焦点距離Ｆｂは、１．２１ｍｍである。

次に、本実施形態の光学レンズアレイ３を製造する方法について説明する。まず、板厚方向において異なる屈折率を有する所定の厚みの材料ガラス板を用意し、該材料ガラス板を、形成すべき光学レンズ３ａの形状と同形の雌型を形成したモールド母型によって、板厚方向における上下から挟圧する。圧力を掛けると共に加熱することによって材料ガラス板の表裏面には、所定の形状の光学レンズ（凸凸形状又は凹凸形状又は片凸形状）が形成され、光学レンズアレイ３が製造される。

上記のように、光学レンズアレイ３は、材料ガラス板をモールド母型によって板厚方向における上下から挟圧することによって形成されるので、光学レンズ３ａの直径が約０．７ｍｍ以上のものが容易に製造できる。また、上記の方法で製造される光学レンズアレイ３は、材料ガラス板の表面又は裏面のいずれか片面に凸レンズ形状が形成されたいわゆる片凸タイプの光学レンズアレイとすることもできる。

次に、本実施形態の複眼撮像装置１における、撮像手順について説明する。被写体からの光は、絞り部材７によって一定の光量に規制されて光学レンズアレイ３の各光学レンズ３ａに入射し、各光学レンズ３ａから出射する光は、遮光ブロック５の隔壁５ｂによって互いの干渉を生じることなく光学フィルタ６を介して受光素子アレイ４に到達して、遮光ブロック５の開口５ａに応じた円形の像（個眼像）Ａｃを、受光素子アレイ４上に形成する。

受光素子アレイ４上に形成された１２個の個眼像Ａｃは、それぞれ電気信号に変換されて受光素子アレイ４から出力され、受光素子アレイ４を構成する同一の半導体基板上に備えられたマイクロプロセッサか、又は受光素子アレイ４にインタフェースを介して外部接続されたパソコン等のマイクロプロセッサに入力され、そのマイクロプロセッサにより液晶モニタ等の表示器に表示される１つの画像に再構成される。

図４に受光素子アレイ４とマイクロプロセッサと液晶モニタの電気的ブロック構成の例を示す。受光素子アレイ４とマイクロプロセッサ８は、バス９によって接続される。マイクロプロセッサ８は、受光素子アレイ４から入力される各個眼像Ａｃに関する信号を、ＲＯＭ１１に格納された所定の処理プログラムに基づいて処理して、インタフェース１２を介して液晶モニタ１３へ再構成された１つの画像Ａｒとして出力する。マイクロプロセッサ８は、上記処理プログラムに基づく処理を実行する際の種々の演算結果をＲＡＭ１４に一時記憶させる。

マイクロプロセッサ８による個眼像Ａｃに関する信号の処理は、１２個の円形の個眼像Ａｃから各個眼像Ａｃに内接する正方形の画像Ａｓ（図２参照）を切出す処理と、切出した１２個の正方形の画像Ａｓから各画像の視差情報を用いて１つの画像Ａｒを再構成する処理から構成される。本実施形態では、両処理共にマイクロプロセッサ８によって実行される。上記各処理は、個別に設けたマイクロプロセッサ又はＩＣによって個別に実行させるようにしてもよい。複数の画像の視差情報を用いて１つの画像を再構成する処理は公知の技術である。

以上のように、本実施形態の複眼撮像装置１では、光学レンズアレイ３が、板厚方向において異なる屈折率分布を有する材料ガラス板を、板厚方向における上下から挟圧することによって所定の光学レンズアレイ形状にモールド成型して形成したものであるので、通常のガラス材を用いて光学レンズを形成する場合に比べて、光学レンズ３ａの焦点距離が短縮され、複眼撮像装置１全体の厚みをより薄型化することができる。

また、本実施形態の複眼撮像装置１は、光学レンズ３ａ自体の直径を小さくして微小光学系の集積度を高めることにより焦点距離を短縮するものではないので、製造上の困難を招いたり、再構成画像を作成する処理に時間が掛かる等の支障を生じることもない。

次に、第２の実施形態について、図５及び図６を参照して説明する。第２の実施形態の複眼撮像装置は、光学レンズアレイを除いて第１の実施形態と同一の構造であり、同一の構造部分については、同一の番号を付して説明を省略する。

第２の実施形態の複眼撮像装置２１における光学レンズアレイ２３は、光学レンズ２４を保持するための凹所２５ａがアレイ状に形成された板状のレンズホルダ２５と、レンズホルダ２５の各凹所２５ａに光軸Ｌが互いに平行となるように、レンズホルダ２５に一体的に保持された複数の光学レンズ２４とから構成される。

レンズホルダ２５の凹所２５ａの下部には、光学レンズ２４の落下止めのための小径部２５ｂが形成され、凹所２５ａの上方から挿入された各光学レンズ２４は、下方へ落下してしまうことなく確実に凹所２５ａ内の所定位置に固定されている。

そして、各光学レンズ２４は、厚み方向において異なる屈折率分布を有し、かつその屈折率が光の入射方向から出射方向へ向かって増大する材料ガラスをモールド成型して形成されたものである。すなわち、各光学レンズ２４は、図３（ｂ）において示された光学レンズ３ａと同一の屈折率分布を有する。

第２の実施形態の光学レンズ２４の製造方法は、第１の実施形態における光学レンズアレイ３と略同様である。まず、厚み方向において異なる屈折率を有する所定の厚みの材料ガラスを用意し、該材料ガラスを、形成すべき光学レンズ２４の形状と同形の雌型を形成したモールド母型によって、厚み方向における上下から挟圧する。圧力を掛けると共に加熱することによって材料ガラスの下面に、所定の光学レンズ（凸レンズ）形状が形成され、いわゆる片凸タイプの光学レンズ２４が製造される。

そして、上記の製造方法によって製造された複数の光学レンズ２４がレンズホルダ２５の凹所２５ａ内に装着されて、光学レンズアレイ２３が完成される。

第２の実施形態の複眼撮像装置２１においても、第１の実施形態と同様に、光学レンズが通常のガラス材を用いて形成される場合に比べて、各光学レンズ２４の焦点距離が短縮され、複眼撮像装置２１全体の厚みをより薄型化することができる。また、光学レンズ自体の直径を小さくして微小光学系の集積度を高めることにより焦点距離を短縮するものではないので、製造上の困難を招いたり、再構成画像を作成する処理に時間が掛かる等の支障を生じることもない。

本発明の第１の実施形態に係る複眼撮像装置の側断面図。同複眼撮像装置の遮光ブロックと受光素子アレイの配置を示す平面図。（ａ）は、従来の複眼撮像装置における光学レンズによる結像態様を示す説明図、（ｂ）は、本実施形態における屈折率分布を有する光学レンズによる結像態様を示す説明図。同複眼撮像装置の電気的ブロック構成の例を示す図。本発明の第２の実施形態に係る複眼撮像装置の側断面図。同レンズホルダの平面図。

符号の説明

１複眼撮像装置
３光学レンズアレイ
３ａ光学レンズ
４受光素子アレイ
５遮光ブロック
６光学フィルタ
７絞り部材
８マイクロプロセッサ（画像再構成手段）
２１複眼撮像装置
２３光学レンズアレイ
２４光学レンズ
２５レンズホルダ
２５ａ凹所
Ｌ光軸
Ａｃ個眼像
Ａｒ画像（再構成された画像）

Claims

光軸が互いに略平行である複数の光学レンズが基材ガラス板の両面に一体的に形成された光学レンズアレイと、
前記光学レンズアレイへの不要な外光入射を遮断するための絞り部材と、
前記光学レンズアレイから所定距離隔てて配置され、前記複数の光学レンズによりそれぞれ形成される複数の像を撮像する受光素子アレイと、
前記光学レンズアレイと前記受光素子アレイとの間に配置され、前記複数の光学レンズのうちの各光学レンズから出射する光が互いに干渉しないように前記光学レンズアレイと前記受光素子アレイとの間の空間を前記光軸に直交する面上において区画する遮光ブロックと、
前記複数の光学レンズから出射する光のうち可視光のみを透過させる光学フィルタと、
前記受光素子アレイにより撮像された複数の画像から、各画像の視差情報を用いて１つの画像を再構成する画像再構成手段とを備える複眼撮像装置において、
前記光学レンズアレイが、板厚方向において異なる屈折率分布を有し、かつその屈折率が光の入射方向から出射方向へ向かって増大する材料ガラス板を、板厚方向における上下から挟圧することによって所定の光学レンズアレイ形状にモールド成型して形成したものであることを特徴とする複眼撮像装置。
光学レンズを保持するための凹所がアレイ状に形成されたレンズホルダと、
前記レンズホルダの凹所に光軸が互いに略平行になるように複数の光学レンズが一体的に保持された光学レンズアレイと、
前記光学レンズアレイへの不要な外光入射を遮断するための絞り部材と、
前記光学レンズアレイから所定距離隔てて配置され、前記複数の光学レンズによりそれぞれ形成される複数の像を撮像する受光素子アレイと、
前記光学レンズアレイと前記受光素子アレイとの間に配置され、前記複数の光学レンズのうちの各光学レンズから出射する光が互いに干渉しないように前記光学レンズアレイと前記受光素子アレイとの間の空間を前記光軸に直交する面上において区画する遮光ブロックと、
前記複数の光学レンズから出射する光のうち可視光のみを透過させる光学フィルタと、
前記受光素子アレイにより撮像された複数の画像から、各画像の視差情報を用いて１つの画像を再構成する画像再構成手段とを備える複眼撮像装置において、
前記光学レンズが、厚み方向において異なる屈折率分布を有し、かつその屈折率が光の入射方向から出射方向へ向かって増大する材料ガラスを、厚み方向における上下から挟圧することによって所定の光学レンズ形状にモールド成型して形成したものであることを特徴とする複眼撮像装置。
複数の光学レンズが一体的に形成された光学レンズアレイと、
前記光学レンズアレイへの不要な外光入射を遮断するための絞り部材と、
前記光学レンズアレイから所定距離隔てて配置され、前記複数の光学レンズによりそれぞれ形成される複数の像を撮像する受光素子アレイと、
前記光学レンズアレイと前記受光素子アレイとの間に配置され、前記複数の光学レンズのうちの各光学レンズから出射する光が互いに干渉しないように前記光学レンズアレイと前記受光素子アレイとの間の空間を前記光学レンズの光軸に直交する面上において区画する遮光ブロックと、
前記複数の光学レンズから出射する光のうち特定の波長領域を透過させる光学フィルタとを備える複眼撮像装置において、
前記光学レンズアレイの光学レンズは、屈折率が光の入射方向から出射方向へ向かって増大する材料ガラスをモールド成型して形成したものであることを特徴とする複眼撮像装置。
前記光学レンズアレイの各光学レンズは、直径が約０．７ｍｍ以上であることを特徴とする請求項３に記載の複眼撮像装置。