JP2013074400A - 固体撮像装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】実施形態に係る固体撮像装置は、上面に複数の画素が形成された撮像基板と、前記撮像基板の上方に設けられ、光軸が前記撮像基板の前記上面と交差する結像レンズと、前記撮像基板と前記結像レンズとの間に設けられ、複数のマイクロレンズが2次元的に配置された面が、前記光軸と交差するマイクロレンズアレイ基板と、前記撮像基板と前記結像レンズとの間に設けられ、偏光軸の方向が相互に異なる複数の種類の偏光板が2次元的に配置された偏光板アレイ基板と、を備える。一つの前記偏光板で偏光された光は、一つの前記マイクロレンズによって集光されて前記撮像基板の前記上面で結像する。
【選択図】図2
Description
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
先ず、第1の実施形態について説明する。
図1は、第1の実施形態に係る固体撮像装置を例示するブロック図である。
図2は、第1の実施形態に係る固体撮像装置を例示する光学モデル図である。
図3(a)は、第1の実施形態における偏光板アレイ基板を例示する上面図であり、(b)は、第1の実施形態における偏光板アレイ基板及びマイクロレンズアレイ基板を例示する斜視図である。
図4(a)は、第1の実施形態において、マイクロレンズ毎に結像された画像を例示する図であり、(b)は、(a)において、1つの偏光軸をもつ偏光板により偏光された光による画像を例示する図であり、(c)は、(b)の画像を画像処理して得られた2次元画像を例示する図である。
撮像モジュール部10には、結像レンズ12、偏光板アレイ基板13、マイクロレンズアレイ基板14、撮像基板15及び撮像回路16が設けられている。
結像レンズ12は、被写体からの光を撮像基板15へ取り込む光学素子である。撮像基板15は、結像レンズ12により取り込まれた光を電荷に変換する素子として機能する。撮像基板15には、複数の画素が2次元アレイ状に配列されている。結像レンズ12と撮像基板15との間には、偏光板アレイ基板13及びマイクロレンズアレイ基板14が配置されている。偏光板アレイ基板13及びマイクロレンズアレイ基板14の位置関係は必ずしも図1に制限されるものではなく、順番が入れ替わっても良い。
信号処理部19は、画像取り込み部18へ取り込まれたRAW画像について、信号処理を実施する。ドライバインターフェース20は、信号処理部19での信号処理を経た画像信号を、固体撮像装置1の外部、例えば、記憶装置(図示せず)や表示ドライバ(図示せず)へ出力する。表示ドライバは、撮像モジュール部10により撮像され、ISP11で処理された画像を表示する。
図2に示すように、固体撮像装置1には、撮像基板15が設けられている。撮像基板15の上面21には、複数の画素が2次元アレイ状に配置されている。
撮像基板15の上面21側には、マイクロレンズアレイ基板14が設けられている。マイクロレンズアレイ基板14は、撮像基板15に対して平行に配置されている。マイクロレンズアレイ基板14には、複数のマイクロレンズ22がマイクロレンズアレイ基板14の上面23に平行な面内において2次元的に配置されている。マイクロレンズアレイ基板14の上面23側には、偏光板アレイ基板13が設けられている。
図3(b)に示すように、各偏光板24は、各マイクロレンズ22上に対応づけられて配置されている。これにより、各偏光板24を透過した偏光光は、対応づけられた各マイクロレンズ22を透過する。
図2に示すように、被写体33からの光は、結像レンズ12を透過することによって一旦集光し、結像面28の背後に配置された偏光板アレイ基板13に入射する。偏光板アレイ基板13に入射した光は、偏光板24a、偏光板24b、偏光板24c及び偏光板24dによってそれぞれ偏光し、各偏光板24に対応づけられた各マイクロレンズ22に入射する。そして、各マイクロレンズ22に入射した光は、それぞれのマイクロレンズ22を透過することによってマイクロレンズ22ごとに集光し、撮像基板15の上面21において、マイクロレンズ22毎に結像する。マイクロレンズ22毎に結像させた画像をマイクロレンズ像34という。
被写体「A」の像は、複数のマイクロレンズ22によって集光され結像されている。この像は、撮像回路16によって電気信号に変換されて、ISP11に対して出力される。ISP11においては、この電気信号がカメラモジュールインターフェース17を介して画像取り込み部18に蓄積される。そして、信号処理部19が、各マイクロレンズ22によって結像された像のうち、偏光軸が同じ方向のマイクロレンズ像34を拡大して合成することにより、特定の偏光軸による2次元画像を取得する。この2次元画像を、必要に応じてドライバインターフェース20を介して外部に出力する。
このようにして、図4(c)に示すように、0度の偏光軸をもつ複数のマイクロレンズ像34aが合成された2次元画像を得る。さらに、45度の偏光軸、90度の偏光軸、135度の偏光軸の各マイクロレンズ像34の2次元画像を構成する。
偏光板の偏光軸毎に合成された2次元画像を得ることができる。このような画像を用いて、例えば窓ガラスの反射光など偏光軸に依存性を持つ光を除去可能であるので、特に、防犯カメラにおける視認性を高めることができる。
また、偏光主軸を例えばカラーコンター等で二次元画像に可視化すると、被写体の表面の凹凸を被写体の色に関係なく際立たせる。よって、物品の検査において、表面にキズのある物品を見落とすことが少ない画像を提供することができる。
なお、本実施形態において、偏光板アレイ基板13をマイクロレンズアレイ基板14上に配置したが、マイクロレンズアレイ基板14の下に配置してもよい。また、偏光板アレイ基板13における偏光板の偏光軸は、0度、45度、90度及び135度の4方向に限らない。さらに、偏光板アレイ基板13とマイクロレンズアレイ基板14とは必ずしも同一基板に形成されている必要はなく、それぞれ分離していてもよい。
次に、第2の実施形態について説明する。本実施形態は、固体撮像装置1で撮像した画像から偏光主軸を得る方法及び偏光主軸の2次元画像を得る方法についてのものである。
図5は、第2の実施形態において、撮像した画像から偏光主軸を得る方法を例示するフローチャート図である。
図6(a)は、第2の実施形態において、マイクロレンズ毎に結像された画像を例示する図であり、(b)は、(a)の画像を画像処理して得られた2次元画像を例示する図である。
図7は、第2の実施形態における偏光板の偏光軸と被写体の光強度の関係を例示するグラフ図であり、横軸は偏光軸の角度を示し、縦軸は光強度を示す。
本実施形態における構成は、前述の第1の実施形態と同様である。
図5のステップS10に示すように、先ず、偏光主軸を得るための再構成用の画像を撮像する。次に、ステップS11に示すように、マイクロレンズ像34の輝度補正を行う。
そして、図6(a)及び図5のステップS12に示すように、一定の範囲35のマイクロレンズ像34を抜き出す。
その後、求めた正弦関数により、最も光強度が大きい偏光軸角度θ1、すなわち偏光主軸θ1を求める。このようにして、固体撮像装置1により撮像した画像から、偏光主軸を求めることができる。
そして、ステップS19に示すように、被写体33と固体撮像装置1との間の距離を計算する処理がない場合は終了する。被写体33と固体撮像装置1との間の距離を計算する処理がある場合は、ステップS20に進む。ステップ20については、後述する。
偏光主軸の2次元画像を得ることができる。このような画像も、被写体の表面の凹凸を被写体の色に関係なく際立たせる。よって、物品の検査において、表面にキズのある物品を見落とすことが少ない高画質な画像を提供することができる。
本実施形態における上記以外の効果は、前述の第1の実施形態と同様である。
次に、第2の実施形態の変形例について説明する。
図8(a)は、第2の実施形態の変形例における偏光板アレイ基板を例示する図であり、(b)は、マイクロレンズ毎に結像された画像を例示する図であり、(c)は、偏光板の偏光軸と被写体の光強度の関係を例示するグラフ図であり、横軸は偏光軸の角度を示し、縦軸は光強度を示す。
図9(a)は、第2の実施形態の変形例における偏光板アレイ基板を例示する図であり、(b)は、マイクロレンズ毎に結像された画像を例示する図であり、(c)は、偏光板の偏光軸と被写体の光強度の関係を例示するグラフ図であり、横軸は偏光軸の角度を示し、縦軸は光強度を示す。
そして、図8(b)に示すように、被写体「A」が、0度、40度、80度及び120度の方向の偏光軸をもつ偏光板24に対応づけられた各マイクロレンズ22によって結像されている。
その後、前述の第2の実施形態と同様に、正弦関数にフィッティングすることにより、偏光主軸を求めることができる。
その後、前述の第2の実施形態と同様に、正弦関数にフィッティングすることにより、偏光主軸を求める。
本変形例によれば、多数のマイクロレンズ22に被写体33が写るよう調節することができる。よって、多数のデータを用いてフィッティングをすることができるため、偏光主軸の決定をより高精度に行うことができる。これにより、偏光主軸による2次元画像を高画質化することができる。
次に、第3の実施形態について説明する。本実施形態は、被写体33と固体撮像装置1との間の距離を得る方法についてのものである。
図10は、第3の実施形態における画像マッチングの方法を例示するフローチャート図である。
図11は、第3の実施形態において、マイクロレンズ毎に結像された画像を例示する図である。
上記数式(3)を距離Aについて整理すると、下記数式(4)が得られる。
したがって、距離D、距離E、距離fの値が既知であるので、マイクロレンズ22による像の縮小倍率Mを算出すれば、上記数式(4)から距離Aの値を導くことが可能である。
したがって、縮小倍率Mを求めるためには画像マッチングによるマイクロレンズ22間のずれ量をもとめればよい。これにより、被写体33と固体撮像装置1との間の距離を求めることができる。
前述の図5のステップS19に示すように、被写体33と固体撮像装置1との間の距離を計算する処理がある場合には、ステップ20に示すように、偏光画像マッチングに進む。
図10のステップS31に示すように、異なる偏光軸の画像を比較することによるミスマッチングを防止するため、マイクロレンズ22間の画像マッチングでは偏光軸が等しいマイクロレンズ像34同士を比較する。
図11に示すように、偏光軸が0度のマイクロレンズ像34a同士のズレ量を測定する。同じ偏光軸の偏光イメージ同士であればSADまたはSSDといった画像マッチング評価値を用いてマッチング位置を求める事が可能である。これにより、マイクロレンズ22間の像ずれ量を求めることができる。
そして、図10のステップS33に示すように、上記数式(5)の値を上記数式(4)に代入して、被写体33と固体撮像装置間1との間の距離を求めることができる。
本実施形態によれば、同じ偏光軸のマイクロレンズ像34を画像マッチングに用いているので、一般的な画像マッチングの手法を用いて距離情報を算出することができる。また、前述した通りマイクロレンズ像の重なりを利用して各マイクロレンズ像ごとに偏向主軸プロットの二次元画像を作成して画像マッチングを適用することにより、偏光情報を用いてズレ量を求める事が出来る。この場合、可視光画像では困難な被写体と背景が同色の場合や被写体に出来たキズなどについても画像マッチングが可能であり、距離精度が向上する。 単一の結像レンズ12及び単一の撮像素子15によって、距離の測定をすることができるので、複数の結像レンズ12及び複数の撮像素子15を用いるものと比べて、装置を小型化することができる。
図12は、第2及び第3の実施形態の変形例に係る固体撮像装置2を例示する光学モデル図である。
図12に示すように、本変形例に係る固体撮像装置2においては、結像レンズ12の結像面27が撮像基板15の背後に配置されている。すなわち、距離E+距離C=距離Bである。この場合、マイクロレンズに関するレンズの式は下記数式(6)で表される。
したがって、この場合には、距離Aと縮小倍率Mの関係は、下記数式(7)で表すことができる。
本変形例における上記以外の構成及び動作は、前述の第3の実施形態と同様である。
結像面35を結像レンズ16に近い結像面36まで近づけることができる。この結果、固体撮像装置2を小型化することができる。本変形例における上記以外の効果は、前述の第2及び第3の実施形態と同様である。
Claims (10)
- 上面に複数の画素が形成された撮像基板と、
前記撮像基板の上方に設けられ、光軸が前記撮像基板の前記上面と交差する結像レンズと、
前記撮像基板と前記結像レンズとの間に設けられ、複数のマイクロレンズが2次元的に配置された面が、前記光軸と交差するマイクロレンズアレイ基板と、
前記撮像基板と前記結像レンズとの間に設けられ、偏光軸の方向が相互に異なる複数の種類の偏光板が2次元的に配置された偏光板アレイ基板と、
を備え、
一つの前記偏光板で偏光された光は、一つの前記マイクロレンズによって集光されて前記撮像基板の前記上面で結像する固体撮像装置。 - 前記マイクロレンズによって結像された複数の像のうち、偏光軸の方向が相互に同じである複数の前記偏光板で偏光された光による複数の像を合成して2次元画像を得る請求項1記載の固体撮像装置。
- 前記マイクロレンズによって結像された複数の像のうち、偏光軸が相互に異なる複数の前記偏光板で偏光された光による複数の像を重ね合わせ、前記像が結像された前記画素における光強度より、偏光主軸を得る請求項1記載の固体撮像装置。
- 前記偏光軸の角度と前記光強度との関係を表すプロットを正弦関数にフィッティングして、前記光強度が最大値をとる前記角度を前記偏光主軸の方向とする請求項3記載の固体撮像装置。
- 前記像が結像される領域に渡る複数の前記画素の前記偏光主軸を求め、前記偏光主軸の2次元画像を得る請求項3または4に記載の固体撮像装置。
- 前記結像レンズと前記マイクロレンズアレイ基板との間の距離及び前記マイクロレンズアレイ基板と前記撮像基板との間の距離のうち少なくともいずれかの距離を変える移動部をさらに備えた請求項3〜5のいずれか1つに記載の固体撮像装置。
- 2つの前記マイクロレンズによって結像された像における位置のズレと、前記2つのマイクロレンズ間の距離と、に基づいて、被写体と前記結像レンズとの間の距離を求める請求項1記載の固体撮像装置。
- 前記2つのマイクロレンズによって結像された像は、前記偏光軸の方向が相互に等しい前記偏光板で偏光された光による像である請求項7記載の固体撮像装置。
- 前記結像レンズの結像面は、前記偏光板アレイ基板の上方にある請求項1〜8のいずれか1つに記載の固体撮像装置。
- 前記結像レンズの結像面は、前記撮像基板の下方にある請求項1〜8のいずれか1つに記載の固体撮像装置。
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