JP2012129713A - 光学システム及びこれを備える撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光学システムの小型化が可能であり、且つ、視差量を大きくして解像度を向上させた画像を得るための光学システムおよびこれを備える撮像装置を提供する。
【解決手段】本発明の光学システムは、光が入射される負のパワーを有するレンズと、前記レンズを通過した光が入射される複数の光学素子を備える複眼光学素子と、前記レンズ及び前記複眼光学素子を通過した光を受光する撮像素子と、を備え、前記複数の光学素子の各々の撮像範囲は共通範囲を有することを特徴とする。前記共通範囲は、前記撮像範囲の５０％以上であってもよい。
【選択図】図１

Description

本発明は、光学システム及びこれを備える撮像装置に関する。

近年、様々な画像情報を取得する撮像装置として、デジタルカメラ、ビデオカメラ等が知られている。これらの撮像装置においては、被写体である物体に対向する単一の光学系によって物体像を取得する構成が広く用いられている。しかしながら、このような単一の光学系の撮像装置では、視差情報を含む画像情報を得られない。そこで、視差情報を含む画像情報を元に自由視点画像や全焦点画像を合成することのできる複眼結像光学系を用いた撮像装置が開発されてきた。

このような複眼型の撮像装置の一例として、レンズアレイを用いたものがある（例えば、特許文献１参照）。また、レンズアレイと、正のパワーを有するレンズとを組み合わせて、レンズアレイに含まれる各レンズにより撮像される複数の被写体像間で視野重複を確保しつつ、視野を分割するものがある（例えば、特許文献２参照。）。

特開２００１−６１１０９号公報 米国特許第５，０７６，６８７号明細書

特許文献２に記載された従来の技術は、隣接被写体像間で視野重複を確保しようとすると、視差量が少なくなり、被写体像の画像の解像度が低下する虞がある。

本発明は、このような従来の構成が有していた問題を解決しようとするものであり、光学システムの小型化が可能であり、且つ、視差量を大きくして解像度を向上させた画像を得るための光学システムおよびこれを備える撮像装置を提供することを目的とする。

本発明の一実施形態に係る光学システムは、光が入射される負のパワーを有するレンズと、前記レンズを通過した光が入射される複数の光学素子を備える複眼光学素子と、前記レンズ及び前記複眼光学素子を通過した光を受光する撮像素子と、を備え、前記複数の光学素子の各々の撮像範囲は共通範囲を有することを特徴とする。本発明の一実施形態に係る光学システムによれば、光学システムの小型化が可能であり、且つ、視差量を大きくして解像度を向上させた画像を得ることができる。

また、本発明の一実施形態に係る光学システムは、前記共通範囲は、前記撮像範囲の５０％以上であってもよい。本発明の一実施形態に係る光学システムによれば、視差量の検出精度を向上させることができるため、解像度を向上させた画像を得ることができる。

また、本発明の一実施形態に係る撮像装置は、撮像対象物からの光が入射される負のパワーを有するレンズと、前記レンズを通過した前記撮像対象物からの光が入射される複数の光学素子を備える複眼光学素子と、前記レンズ及び前記複眼光学素子を通過した前記撮像対象物からの光を受光する撮像素子と、を備える光学システムと、前記撮像素子に受光された前記撮像対象物の光を処理し前記撮像対象物の像を構成する処理手段と、を備え、前記複数の光学素子の各々の撮像範囲は共通範囲を有することを特徴する。本発明の一実施形態に係る撮像装置によれば、光学システムの小型化が可能であり、且つ、視差量を大きくして解像度を向上させた画像を得ることができる。

また、本発明の一実施形態に係る撮像装置は、前記共通範囲は、前記撮像範囲の５０％以上であってもよい。本発明の一実施形態に係る撮像装置によれば、視差量の検出精度を向上させることができるため、解像度を向上させた画像を得ることができる。

上述したように、本発明の一実施形態に係る光学システムおよびこれを備える撮像装置によれば、光学システムの小型化が可能であり、且つ、視差量を大きくして解像度を向上させた画像を得ることができる。

本発明の一実施形態に係る光学システムの概要を示す図である。 本発明の一実施形態に係る光学システムの構成例を説明するための図である。 本発明の一実施形態に係る光学システムに対する比較例を説明するための図である。 従来の光学システムの構成例を示す図であり、（ａ）は、レンズアレイを用いた光学システムの一例を示し、（ｂ）は、正のパワーを有するレンズとレンズアレイを用いた光学システムの一例を示す図である。

以下、本発明を実施するための最良の形態について実施形態として図を参照しつつ説明を行う。なお、本発明は以下の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々なる態様で実施することができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る光学システム１００の概要を示す図である。図１に示す本発明の一実施形態に係る光学システム１００は、負のパワーを有するレンズ１０１と、撮像対象物（被写体とも言う（図示せず））から見てレンズ１０１の後側に配置される複眼光学素子１０２と、撮像対象物から見て複眼光学素子１０２の後側に配置される撮像素子１０３とを含む。レンズ１０１は、負のパワーを有するレンズであれば如何なるレンズを用いてもよく、図示したように凹レンズであってもよい。あるいは、レンズ１０１は、複数のレンズが組み合わされ、全体としてパワーが負となるレンズ群からなるレンズであってもよい。複眼光学素子１０２は、光軸１１０を法線とする平面又は曲面上に、複数の光学面が配置された光学素子である。図示したように、複眼光学素子１０２は、複数の光学素子１０２ａが配列されて構成されたものである。なお、複眼光学素子１０２は、複数の光学素子１０２ａが配列されたものであれば、一体型のレンズアレイであってもよく、組レンズであってもよい。撮像素子１０３は複数の受光素子（図示せず）を有しており、複数の受光素子が撮像素子の表面に配置される。レンズ１０１に入射し、レンズ１０１及び複眼光学素子１０２を通過した光を、撮像素子の受光素子が受光する。

以下、図２及び図３を参照して、本発明の一実施形態に係る光学システム１００の構成をより詳細に説明する。図２は、本発明の一実施形態に係る光学システム１００の構成例を説明するための図であり、図３は、比較例を説明するための図である。

図２は、図１に示した光学システム１００によって、撮像対象物１０５の像を撮像する構成例を示したものである。撮像対象物１０５として、レンズ１０１前方の無限遠に位置する物体１０５ａとレンズ１０１近くに位置する物体１０５ｂとを例にとって説明する。撮像対象物１０５からの光がレンズ１０１に入射されると、撮像対象物１０５の虚像１０６が撮像対象物１０５から見てレンズ１０１の前方（図２に示したレンズ１０１の左側）に結像される。このとき、物体１０５ａの虚像を虚像１０６ａとし、物体１０５ｂの虚像を虚像１０６ｂとする。図示したように、虚像１０６ａは、焦平面１１１に結像され、虚像１０６ｂは、焦平面１１１よりもレンズ１０１側の所定の位置に結像される。

虚像１０６は、複眼光学素子１０２に含まれる複数の光学素子１０２ａを通して撮像素子１０３の受光素子上に、撮像対象物１０５の像として結像される。このとき、一つの光学素子１０２ａにより結像される像を、以下、個眼像といい、複眼光学素子１０２全体に対する個眼像の集合を複眼像という。複数の個眼像は、それぞれ、光学素子１０２ａの数に応じて複数の視点や方向から得られる撮像対象物１０５の縮小像の画像データである。従って、個眼像の集合である複眼像には撮像対象物１０５の距離情報及び方向情報等が含まれる。よって、複数の個眼像の画像データを、コンピュータ等を含む画像処理手段を用いて画像処理することにより、解像度の高い撮像対象物１０５の画像を得ることが可能となる。複数の個眼像の画像データは、図示していないが、撮像素子１０３に接続された画像処理手段により処理することにより、撮像対象物１０５の単一の画像を得てもよい。また、複数の個眼像それぞれの距離情報及び方向情報を含む画像データを、画像処理手段で処理することにより、任意の位置にピントを合わせた撮像対象物１０５の像を形成することができる。このような処理を行うことにより、撮像対象物１０５を撮影した後で、その像のピントを合わせ直したり、撮像対象物１０５の距離を推定したりすることができる。

次に、図３を参照して、図１及び図２に示した本発明の一実施形態に係る光学システム１００に対する比較例である光学システム２００の構成について説明する。光学システム２００は、正のパワーを有するレンズ２０１と、撮像対象物２０５から見てレンズ２０１の後側に配置される複眼光学素子２０２と、撮像対象物２０５から見て複眼光学素子２０２の後側に配置される撮像素子２０３とを含む。光学システム１００と光学システム２００との違いは、レンズ２０１が、正のパワーを有する点である。レンズ２０１は、図示したように凸レンズであってもよい。

レンズ２０１の前方に配置された撮像対象物２０５からの光がレンズ２０１に入射されると、撮像対象物２０５の実像２０７が、レンズ２０１と複眼光学素子２０２との間に結像される。なお、撮像対象物２０５は、無限遠に位置する物体２０５ａと近接位置に配置される物体２０５ｂとを含む。実像２０７は、物体２０５ａの実像２０７ａと、物体２０５ｂの実像２０７ｂとを含むものとする。図示したように、無限遠に位置する物体２０５ａの実像２０７ａは、レンズ２０１と複眼光学素子２０２との間の焦平面１１１に結像される。また、近接物体１０５ｂの実像２０７ｂは、焦平面１１１よりも後方であって複眼光学素子２０２よりも前側の所定の位置に結像される。

図２に示した本発明の一実施形態に係る光学システム１００と、図３に示した比較例の光学システム２００とを比較すると、本発明の一実施形態に係る光学システム１００は、撮像対象物１０５の虚像１０６の結像位置が撮像対象物１０５から見て光学システム１００の前方に位置するため、レンズ１０１と複眼光学素子１０２との距離ｄ１を短くすることができる。一方、図３に示した比較例の光学システム２００は、撮像対象物２０５の実像２０７の結像位置が、光学システム２００内のレンズ２０１と複眼光学素子２０２との間に位置するため、レンズ２０１と複眼光学素子２０２との距離ｄ２を、本発明の一実施形態に係る光学システム１００におけるレンズ１０１と複眼光学素子１０２との距離ｄ１よりも長くする必要がある。従って、本発明の一実施形態に係る光学システム１００によれば、比較例の光学システム２００と比較して、レンズ１０１と複眼光学素子１０２との距離ｄ１を短くすることができるため、光学系の全長を短くすることができる。これにより、光学システム１００の小型化を実現することができる。

また、本発明の一実施形態に係る光学システム１００は、負のパワーを有するレンズ１０１を用いることにより、比較例の光学システム２００と比較して、撮像対象物１０５の虚像１０６の結像位置から複眼光学素子１０２までの距離を大きくすることができるため、撮像素子１０３に結像される像の横倍率を大きくすることができ、視差量を大きくすることができる。さらに、複数の個眼像の視野重複を確保して、複数の光学素子１０２ａの各々の撮像範囲が共通範囲を有するようにできる。なお、隣接する個眼像間での共通撮像範囲は、撮像範囲の５０％以上である。すなわち、光学システム１００によれば、視野重複度を５０％以上として複数の個眼像を得ることができる。これにより、本発明の一実施形態に係る光学システム１００によれば、視差量の検出精度を向上させることができるため、解像度を向上させた撮像対象物１０５の画像を得ることができる。

以下、さらに図４を参照し、本発明の一実施形態に係る光学システム１００と従来の光学システムとの比較について述べる。図４は、従来の光学システムの構成例を示す図であり、（ａ）は、レンズアレイを用いた光学システムの一例を示し、（ｂ）は、正のパワーを有するレンズとレンズアレイを用いた光学システムの一例を示す図である。

図４（ａ）を参照すると、図４（ａ）に示した従来の光学システム３００は、レンズアレイ３０２と、撮像対象物３０５から見てレンズアレイ３０２の後方に配置される撮像素子３０３とを含む。撮像対象物３０５は、レンズアレイ３０２の前方に位置し、レンズアレイ３０２に配列された各レンズ３０２ａ〜３０２ｃを通して、撮像対象物３０５の縮小像が実像３０７ａ〜３０７ｃとして撮像素子３０３の受光素子上に結像される。

従来の光学システム３００によると、撮像対象物３０５が遠方物体である場合、レンズアレイ３０２から撮像対象物３０５までの距離が長くなり、視差量が少なくなる。一方、本発明の一実施形態に係る光学システム１００において、複眼光学素子１０２の前方に負のパワーを有するレンズ１０１を配置することにより、撮像対象物１０５の虚像１０６の結像位置から複眼光学素子１０２の距離を、従来の光学システム３００と比較して短くすることができ、視差量を大きくすることができる。従って、本発明の一実施形態に係る光学システム１００によれば、従来の光学システム３００と比較して、解像度を向上させた撮像対象物１０５の画像を得ることができる。

次に、図４（ｂ）を参照すると、図４（ｂ）に示した従来の光学システム５００は、正のパワーを有するレンズ５０１と、撮像対象物５０５から見てレンズ５０１の後方に配置されるレンズアレイ５０２と、撮像対象物５０５から見てレンズアレイ５０２の後方に配置される撮像素子５０３とを含む。撮像対象物５０５は、レンズ５０１の前方に位置し、レンズ５０１とレンズアレイ５０２の間に撮像対象物５０５の実像５０７が結像される。レンズアレイ５０２は、複数のマイクロレンズを含み、各マイクロレンズを通して、実像５０７は、一部分ずつ撮像素子５０３上に個眼像５０８ａ〜５０８ｅとして結像される。このとき、撮像素子５０３上に結像される複数の個眼像５０８ａ〜５０８ｅは、それぞれ撮像対象物５０５の縮小像の一部である。

このように、従来の光学システム５００によると、上述した従来の光学システム２００と同様に、対物レンズであるレンズ５０１とレンズアレイ５０２の間に実像５０７が結像される場合には、光学系全長が長くなる。また、図示していないが、撮像素子５０３の後方に結像される実像５０７を、撮像素子５０３上に結像する場合には、光学系全長を短くすることができるが、隣接する複数の個眼像５０８ａ〜５０８ｅの視野重複を確保しようとすると、視差量が少なくなり、撮像対象物５０５の画像の解像度が低下してしまう。また、マイクロレンズの数を減らした場合には、隣接するマイクロレンズ間での視野重複を確保するために、マイクロレンズの焦点距離を長くする必要があり、光学系の全長が長くなる。

一方、本発明の一実施形態に係る光学システム１００において、撮像対象物１０５の虚像１０６の結像位置が撮像対象物１０５から見てレンズ１０１の前方に位置するため、光学系の全長を短くすることができる。従って、光学システム１００の小型化を実現することができる。また、本発明の一実施形態に係る光学システム１００によれば、光学素子１０２ａの数に応じて複数の視点や方向から得られる撮像対象物１０５の縮小像である、複数の個眼像の画像データを得ることができる。また、複数の個眼像の視野重複を確保して、複数の光学素子１０２ａのうち隣接する光学素子１０２ａが、撮像範囲の５０％以上の共通撮像範囲を有するようにできる。従って、このような視野重複度が５０％以上である複数の個眼像の画像データを画像処理することにより、解像度を向上させた撮像対象物１０５の画像を得ることができる。さらに、本発明の一実施形態に係る光学システム１００は、正のパワーを有するレンズを用いた従来の光学システム５００と比較して、撮像対象物１０５の虚像１０６の結像位置から複眼光学素子１０２までの距離を長くすることができるため、撮像素子１０３に結像される像の横倍率を大きくすることができ、視差量を大きくすることができる。従って、本発明の一実施形態に係る光学システム１００によれば、従来の光学システム５００と比較した場合にも、視差量の検出精度を向上させることができるため、解像度の高い撮像対象物１０５の画像を得ることができる。

このように、本発明の一実施形態に係る光学システム１００によれば、小型化が可能であり、且つ、視差量を大きくして解像度を向上させた画像を得るための光学システムおよびこれを備える撮像装置を提供することができる。

なお、本発明の一実施形態に係る光学システム１００は、デジタルカメラ、ビデオカメラ、及び携帯電話などを含む各種の電子機器に用いる光学システム及び撮像装置に適用することができる。

１００ 光学システム
１０１ レンズ
１０２ 複眼光学素子
１０２ａ 光学素子
１０３ 撮像素子

Claims (4)

1. 光が入射される負のパワーを有するレンズと、
   前記レンズを通過した光が入射される複数の光学素子を備える複眼光学素子と、
   前記レンズ及び前記複眼光学素子を通過した光を受光する撮像素子と、
   を備え、
   前記複数の光学素子の各々の撮像範囲は共通範囲を有することを特徴とする光学システム。
2. 前記共通範囲は、前記撮像範囲の５０％以上であることを特徴とする請求項１に記載の光学システム。
3. 撮像対象物からの光が入射される負のパワーを有するレンズと、
   前記レンズを通過した前記撮像対象物からの光が入射される複数の光学素子を備える複眼光学素子と、
   前記レンズ及び前記複眼光学素子を通過した前記撮像対象物からの光を受光する撮像素子と、を備える光学システムと、
   前記撮像素子に受光された前記撮像対象物の光を処理し前記撮像対象物の像を構成する処理手段と、を備え、
   前記複数の光学素子の各々の撮像範囲は共通範囲を有することを特徴する撮像装置。
4. 前記共通範囲は、前記撮像範囲の５０％以上であることを特徴とする請求項３に記載の撮像装置。