JP2012189708A - 撮像装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】撮像レンズ、レンズアレイおよびイメージセンサ13を用いて、視点方向を分離しつつ画像取得を行う撮像装置において、レンズアレイとして、複数の第1レンズ部S1および第2レンズ部S2を有するものを用いる。撮像レンズおよび第1レンズ部S1を通過した主光線Lを、イメージセンサ13における各画素Pの受光面130bに略垂直に入射させることができる。イメージセンサ13において局所的な光損失が低減される。
【選択図】図13
Description
1.第1の実施の形態(レンズアレイ自体に所定のレンズ面を設けた例)
2.変形例1(複数のレンズアレイで構成した例)
3.変形例2(レンズアレイとイメージセンサとを一体化した例)
4.第2の実施の形態(オンチップレンズを画素位置に応じて偏芯させた例)
5.変形例3(割り当て画素を増やした場合のオンチップレンズ偏芯の例)
6.変形例4(裏面照射型のイメージセンサの例)
[全体構成]
図1は、本発明の一実施の形態に係る撮像装置(撮像装置1)の全体構成を表すものである。撮像装置1は、いわゆる単眼方式のライトフィールドカメラであり、被写体2を撮像して所定の画像処理を施すことにより、視点画像としての画像データDoutを出力するものである。この撮像装置1は、撮像レンズ11と、レンズアレイ12Aと、イメージセンサ13と、画像処理部14と、イメージセンサ駆動部15と、制御部16とを備える。尚、以下では、光軸Z1に沿った方向をZとし、光軸Z1に直交する面内において、水平方向(横方向)をX、垂直方向(縦方向)をYとする。
図3(A)は、レンズアレイ12Aの斜視構成について、イメージセンサ13と共に示したものであり、図3(B)は、1つのマイクロレンズ12A1と、それに割り当てられる画素との対応関係を表したものである。レンズアレイ12Aは、光入射面(撮像レンズ11側の面)に、XY方向に2次元配置された複数の第1レンズ部S1を有しており、光出射面(イメージセンサ13側の面)には、それぞれが、各第1レンズ部S1と正対する(同軸上に設けられた)複数の第2レンズ部S2を有している。本実施の形態では、レンズアレイ12Aにおいて、互いに正対する第1レンズ部S1および第2レンズ部S2が、1つのマイクロレンズ12A1を構成している。尚、図3(A)では、簡便化のため、レンズアレイ12Aとして、XY方向に3×3の配列で設けられた計9つのマイクロレンズ12A1のみを示し、イメージセンサ13としては、そのようなレンズアレイ12Aに対応する9×9の画素Pからなる領域(9つのブロック領域U)についてのみ示している。
図5は、イメージセンサ13およびオンチップレンズ133の断面構成を表したものである。イメージセンサ13は、例えばPINフォトダイオードなどの光電変換素子を含むセンサ部130上に、配線層131とカラーフィルタ層132がこの順に積層されたものである。イメージセンサ13のカラーフィルタ層132の側には、集光用レンズとしてのオンチップレンズ133が画素P毎に設けられている。このイメージセンサ13は、センサ部130の受光面上に配線層131を有する、いわゆる表面照射型のCMOSイメージセンサである。
(1.撮像データの取得)
撮像装置1では、撮像レンズ11とイメージセンサ13との間において、撮像レンズ11の焦点面にレンズアレイ12Aが設けられていることにより、イメージセンサ13において、被写体2からの光線が、その強度分布に加え進行方向(視点方向)についての情報が保持された光線ベクトルとして記録される。即ち、レンズアレイ12Aを通過した光線は、視点方向毎に分離され、イメージセンサ13の異なる画素において受光される。例えば、図7に示したように、撮像レンズ11を通過してマイクロレンズ12A1へ入射した光線のうち、ある視点方向(第1視点)からの光線(光束)LAは画素「A」、それとは異なる視点方向(第2,3視点)からの光線LB,LCは、画素「B」「C」において、それぞれ受光される。このように、マイクロレンズ12A1に割り当てられたブロック領域Uでは、互いに異なる視点方向からの光線が、互いに異なる画素において受光される。イメージセンサ13では、イメージセンサ駆動部15による駆動動作に応じて、例えばライン順次に読み出しが行われ、撮像データD0が取得される。
画像処理部14は、図2に示した視点画像生成部140において、イメージセンサ13から出力された撮像データD0に基づいて、所定の画像処理を行い、視点画像としての画像データDoutを出力する。
上述のように、撮像装置1では、撮像レンズ11を通過した光線を、レンズアレイ12Aによって、各視点方向に分離しつつイメージセンサ13へ導くことで、イメージセンサ13の各画素Pにおいて各視点方向の光線をそれぞれ受光可能となっている。ここで、上述のような第1レンズ部S1および第2レンズ部S2を有するレンズアレイ12Aを設けることによる作用について、図12と比較しつつ説明する。
図12は、本実施の形態の比較例として、焦点距離fのマイクロレンズ(マイクロレンズ102)を用いた場合における、イメージセンサ103への入射光線について表したものである。マイクロレンズ102から、マイクロレンズ102の焦点距離fだけ離れた位置にオンチップレンズ1033が設けられており、マイクロレンズ102を通過した光線がオンチップレンズ1033によって集光され、イメージセンサ103のセンサ部1030へ導かれるようになっている。
これに対し、本実施の形態では、図13に示したように、レンズアレイ12Aを構成する各マイクロレンズ12A1が、所定の位置関係で配置された第1レンズ部S1および第2レンズS2を有している。これにより、撮像レンズ11および第1レンズ部S1を通過する主光線Lのうち、イメージセンサ13のブロック領域Uにおける中央画素P0へと向かう主光線(L0)は、マイクロレンズ12A1を光軸Z2に沿って通過し、センサ部130の受光面(フォトダイオード130a)に垂直に(略垂直に)入射する。このため、中央画素P0では、マイクロレンズ12A1を通過した主光線L0がロスなくフォトダイオード130aにおいて受光され易い。
図15は、変形例1に係るレンズアレイ12Bの斜視構成について、イメージセンサ13と共に示したものである。本変形例のレンズアレイ12Bは、上記第1の実施の形態のレンズアレイ12Aと同様、撮像レンズ11(図15には図示せず)側に複数の第1レンズ部S1、イメージセンサ13側に複数の第2レンズ部S2をそれぞれ有し、両者が互いに正対して配置されている。尚、図15においても、簡便化のため、第1レンズ部S1(第2レンズ部S2)をXY方向に3×3の配列で設け、イメージセンサ13としては、そのようなレンズアレイ12Bに対応する9×9の画素からなる領域についてのみ示している。
図16は、変形例2に係るレンズアレイ12Aおよびイメージセンサ13の一体化構造を模式的に表したものである。尚、図16では、オンチップレンズの図示を省略している。本変形例では、第1レンズ部S1および第2レンズ部S2を有するレンズアレイ12Aが、イメージセンサ13と一体化して設けられている。即ち、レンズアレイ12Aの第2レンズ部S2とイメージセンサ13とが、図示しないオンチップレンズと樹脂層18を介して積層された構造を有する。このような一体化構造は、イメージセンサ13上に、少なくともオンチップレンズ、樹脂層18、第2レンズ部S2および第1レンズ部S1を積層することにより作製可能である。例えば、イメージセンサ13上に、オンチップレンズ、樹脂層18および第2レンズ部S2を順に形成した後、更に樹脂層を介して第1レンズ部S1を形成することにより一体化構造を作製することができる。あるいは、レンズアレイ12Aを上述したような手法を用いて形成した後、このレンズアレイ12Aを樹脂層18を介してオンチップレンズが形成されたイメージセンサ13上に接着するようにしてもよい。いずれの場合であっても、各層に使用する材料の屈折率を考慮して、第1レンズ部S1および第2レンズ部S2の各レンズ形状を適宜設計すればよい。
次に、本発明の第2の実施の形態について説明する。尚、上記第1の実施の形態と同様の構成要素については同一の符号を付し、適宜説明を省略する。
図17は、第2の実施の形態に係るレンズアレイ12Cの斜視構成について、イメージセンサ13と共に示したものである。本実施の形態のレンズアレイ12Cは、上記第1の実施の形態の第1レンズ部S1に相当するマイクロレンズ12C1を、撮像レンズ11の焦点面に複数有するが、第2レンズ部S2については設けられていない。尚、図17においても、簡便化のため、第1レンズ部S1をXY方向に3×3の配列で設け、イメージセンサ13としては、そのようなレンズアレイ12Bに対応する9×9の画素からなる領域についてのみ示している。本実施の形態では、イメージセンサ13の受光面側に設けられたオンチップレンズ(後述のオンチップレンズ133A〜133C)において、上記第1の実施の形態における第2レンズ部S2と同様の機能を有している。以下、オンチップレンズ133A〜133Cの構成について詳細に説明する。
図18は、イメージセンサ13上のオンチップレンズ133A,133Bの断面構成を表したものである。本実施の形態においても、イメージセンサ13上に、上記第1の実施の形態と同様、集光用レンズとして機能するオンチップレンズ133A〜133C(133Cは図18には図示せず)が、画素P毎に設けられている。但し、本実施の形態では、オンチップレンズ133A〜133Cにおける光軸(いわゆる芯)A0〜A2が、画素位置に応じて異なる位置に設けられている。
本実施の形態においても、上記第1の実施の形態と同様、図1に示したような撮像レンズ11とイメージセンサ13との間に、レンズアレイ12Cが設けられることにより、撮像レンズ11を通過した光線は、レンズアレイ12Cによって、視点方向毎に分離され、イメージセンサ13の異なる画素において受光される。これにより、イメージセンサ13では、各視点方向からの光線が、互いに異なる画素において受光され、撮像データD0が取得される。このような撮像データD0に対し、上述のような画像処理が施されることにより、複数の視点画像が得られる。
上記第2の実施の形態では、3×3の画素からなるブロック領域Uにマイクロレンズ12C1が割り当てられた場合を例に挙げたが、割り当て画素数がそれよりも増えた場合であっても上記第2の実施の形態と同様、ブロック領域Uにおける画素位置に応じて、オンチップレンズの光軸を内側にシフトしていればよい。図21に、その一例として5×5の画素を割り当てた場合の一部のマイクロレンズ(133A,133B,133D)について示す。このように、割り当て画素数が増えた場合であっても、同心円状に各オンチップレンズの光軸が配置されるように構成すればよい。
上記第1および第2の実施の形態では、イメージセンサ13として、表面照射型のものを例に挙げて説明したが、イメージセンサ13は、いわゆる裏面照射型であってもよい。図22にその一例を示す。このような裏面照射型のイメージセンサ13では、フォトダイオード130aを含むセンサ部130の光入射側と反対側に配線層131が設けられるため、オンチップレンズ133を通過した光線を配線層131を介さずに、センサ部130において受光することができる。このため、表面照射型に比べ受光感度が高く、約2倍程度の明るさを実現できる。
Claims (7)
- 撮像レンズと、
前記撮像レンズの結像面に設けられたレンズアレイを有する光学系と、
前記撮像レンズおよび前記光学系の通過光線を受光して撮像データを取得する撮像素子とを備え、
前記光学系は、前記レンズアレイを構成する各レンズを通過する主光線を、各レンズの光軸に近づく方向に向けて屈折させるように構成されている
撮像装置。 - 前記レンズアレイが、
前記撮像レンズの結像面に配置された複数の第1レンズ部と、
それぞれが、各第1レンズ部と正対すると共に、前記第1レンズ部を通過した主光線を前記光軸に近づく方向に向けて屈折させる複数の第2レンズ部と
を有する請求項1に記載の撮像装置。 - 前記第2レンズ部の主面が前記第1レンズ部の焦点面、前記第1レンズ部の主面が前記第2レンズ部の焦点面にそれぞれ配置されるように、前記第1レンズ部および前記第2レンズ部が設けられている
請求項2に記載の撮像装置。 - 前記レンズアレイにおいて、前記複数の第1レンズ部と、前記複数の第2レンズ部とが一体化されて設けられている
請求項3に記載の撮像装置。 - 前記レンズアレイと前記撮像素子とが一体化されて設けられている
請求項4に記載の撮像装置。 - 前記撮像素子が2次元配置された複数の画素を含み、
前記光学系として、前記レンズアレイと、前記撮像素子の前記レンズアレイ側に、それぞれが画素毎に配置されると共に、集光機能を有する複数の第3レンズ部とを有し、
前記複数の第3レンズ部が、前記レンズアレイの各レンズを通過した主光線を前記光軸に近づく方向に向けて屈折させる
請求項1に記載の撮像装置。 - 前記レンズアレイにおける各レンズが、前記複数の画素のうちのm×n(m,nは1以上の整数、但しm=n=1の場合を除く)のブロック領域に対向配置され、
前記複数の第3レンズ部はそれぞれ、前記ブロック領域における画素位置に応じて異なる位置に光軸を有する
請求項6に記載の撮像装置。
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