JP7378920B2 - 光学装置及びそれを備える撮像システム - Google Patents

Description

本発明は、夫々が物体の像を形成する複数のレンズ部を備える光学装置に関し、例えばデジタルスチルカメラやビデオカメラ等の撮像システムに好適なものである。

撮像装置に用いられる光学装置として、複数のレンズによって同一の物体（被写体）の複数の像を形成するものが知られている。このような光学装置において、複数のレンズの光軸上に互いに異なる透過特性を有する複数のフィルタを設けることで、互いに異なる複数の画像情報を一回の撮像で同時に取得することが可能になる。

特許文献１には、複数のレンズ及び複数のフィルタを備える撮像装置において、複数のフィルタを保持する保持部材を撮像装置に対して着脱可能とすることについて記載されている。この構成によれば、各フィルタを透過特性が異なるものに交換することで、取得できる画像情報を変更することが可能になる。

特許第５９１０７３９号公報

しかしながら、特許文献１に記載の構成において各フィルタを交換した場合、各レンズに入射する光の状態や波長が変化したり、各フィルタと各レンズとの相対位置が変化したりする可能性がある。この場合、各レンズの収差やピントが変化してしまい、良好な画像情報が得られなくなる可能性がある。

本発明は、複数の良好な画像情報を同時に取得することを可能にする光学装置及びそれを備える撮像システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するための、本発明の一側面としての光学装置は、夫々が物体の像を形成する複数のレンズ部と、前記複数のレンズ部の光軸上に配置される複数のフィルタとを備える光学装置であって、前記物体からの光を前記複数のレンズ部に導光する、前記複数のレンズ部に対して共通の第１光学系と、前記複数のレンズ部、前記複数のフィルタ、及び前記第１光学系を一体的に保持する保持部材とを更に備え、前記複数のフィルタは、互いに異なる透過特性を有する第１及び第２のフィルタを含み、前記保持部材は第１及び第２のマウント部を有し、前記第１のマウント部を介して撮像装置に着脱可能であり、かつ前記第２のマウント部を介して前記光学装置とは異なるアクセサリ装置に着脱可能であり、前記アクセサリ装置は、前記撮像装置に対して着脱可能であることを特徴とする。

本発明によれば、複数の良好な画像情報を同時に取得することを可能にする光学装置及びそれを備える撮像システムを提供することができる。

実施例１に係る撮像システムの要部概略図。 実施例１の変形例に係る撮像システムの要部概略図。 実施例２に係る撮像システムの要部概略図。 実施例３に係る撮像システムの要部概略図。 実施例４に係る撮像システムの要部概略図。

以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、各図面は、便宜的に実際とは異なる縮尺で描かれている場合がある。また、各図面において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明を省略する。

［実施例１］
図１は、本発明の実施例１に係る撮像システム１００の要部概略図（模式図）である。図１（ａ）は、後述する複数のレンズ部のうちの一部の光軸を含む断面（ＹＺ断面）を示している。ここでの光軸とは、各レンズ部における各光学面（各レンズ面）の中心（頂点）を通る軸を指す。図１（ａ）においては、各レンズ部の軸上像高に集光される軸上光束のマージナル光線を示している。また、図１（ｂ）は、撮像システム１００における各部材の位置関係を示す図である。なお、撮像対象となる不図示の物体は、撮像システム１００の－Ｚ側（物体側）に配置されているものとする。

撮像システム１００は、撮像装置（カメラユニット）１と、それよりも物体側に配置された光学装置（アレイユニット）２とを有する。撮像装置１は、光学装置２の像面に配置される撮像面（受光面）を含む撮像素子（受光素子）１１と、撮像素子１１を保持する保持部材（筐体）１２を備える。光学装置２は、夫々が物体の像を形成する複数のレンズ部で構成されるレンズアレイ２１、各レンズ部の光軸上に配置される複数のフィルタで構成されるフィルタアレイ２２、レンズアレイ２１及びフィルタアレイ２２を保持する保持部材（鏡筒）２３を備える。

撮像素子１１としては、ＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサなどの光電変換素子を採用することができる。また、撮像素子１１は、可視光に限らず赤外光（近赤外光や遠赤外線光）などを光電変換できるように構成されていてもよい。例えば、使用波長帯域に応じて、Ｓｉ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＡｓＳｂなどの材料を用いた撮像素子を採用してもよい。また、撮像素子１１の画素数は、撮像システム１００において求められる分解能に基づいて決定することが望ましい。

本実施例に係る複数のレンズ部の夫々は、１枚以上のレンズで構成されており、夫々が物体を撮像素子１１の撮像面に結像する。言い換えると、レンズアレイ２１の像面には、複数のレンズ部によって物体の複数の像（像アレイ）が形成される。すなわち、レンズアレイ２１によれば、同一の物体の像を複製することができる。なお、複数のレンズ部は、製造や配置を容易にするために一体的に形成されていてもよく、あるいは個別の位置調整（フォーカス調整など）を可能にするために別体で形成されていてもよい。

本実施例に係る複数のフィルタ（光学フィルタ）は、互いに異なる透過特性を有する二つ以上のフィルタを含んでいる。ここでの透過特性とは、透過させる光の波長帯域（透過波長域）、透過させる偏光の方向や種類（偏光状態）、入射光の強度に対する透過光の強度（透過率）などの、入射光の状態を変化させる光学特性のことである。フィルタアレイ２２を互いに異なる透過特性を有する複数のフィルタで構成することにより、同一の物体に対して互いに異なる複数の画像情報を同時に取得することが可能になる。

フィルタアレイ２２は、少なくとも透過特性が互いに異なる二つのフィルタ（第１及び第２のフィルタ）を含んでいればよい。言い換えると、透過特性が互いに同一である二つ以上のフィルタを含んでいてもよい。例えば、撮像システム１００を測距装置（ステレオカメラ）として用いる場合、視差が互いに異なる二つの画像情報を用いて物体の距離情報を取得するため、各画像情報に対応する二つのフィルタの透過特性を略同等とすることが望ましい。ただし、互いに異なる複数の画像情報を一回の撮像でより多く取得するためには、複数フィルタの全ての透過特性を互いに異ならせることが望ましい。

例えば、互いに透過波長域の中心波長が異なる複数のフィルタ（バンドパスフィルタ）を用いることで、複数の波長帯域に対応する複数の画像情報を同時に取得することができる。このとき、撮像システム１００を、一般的なカメラの波長帯域（ＲＧＢ）よりも多い４種類以上の波長帯域に対応する画像情報を取得することができるマルチスペクトルカメラとして構成することが望ましい。さらに、撮像システム１００を、１００種類以上の波長帯域に対応する画像情報を取得することができるハイパースペクトルカメラとして構成することがより好ましい。なお、バンドパスフィルタの代わりに、入射光の波長を変換して射出する波長変換フィルタを用いてもよい。

あるいは、互いに種類が異なる複数の偏光フィルタを用いることで、複数の偏光状態に対応する複数の画像情報を同時に取得することができる。例えば、Ｘ方向（水平方向）、Ｙ方向（垂直方向）、Ｘ方向及びＹ方向に対して４５°の方向、の夫々に平行な方向の直線偏光を透過させる三つの直線偏光フィルタと、円偏光を透過させる円偏光フィルタを用いる場合が考えられる。このように、入射光の偏光状態を変化させる複数の種類の偏光フィルタを用いることで、物体の偏光特性（ストークスパラメータ）や、物体の偏光状態の２次元分布などの偏光情報を取得することができる。

なお、透過特性の種類が異なる複数のフィルタでフィルタアレイ２２を構成することで、波長情報、偏光情報、輝度情報、視差情報などの異なる種類の情報を同時に取得できるようにしてもよい。このとき、互いに異なる種類の複数のフィルタの夫々を、互いに異なるレンズ部の光軸上に配置した構成に限らず、同一の光軸上に配置した構成を採ってもよい。後者の場合、取得した画像情報を不図示の画像処理部によってフィルタリングすることで、異なる種類の画像情報に分離することができる。

また、一般的に可視波長帯域で使用されるシリコン材料で構成される撮像素子１１は、短波長帯域（４５０ｎｍ以下）及び長波長帯域（７５０ｎｍ以上）よりも中心波長帯域（５５０ｎｍ近傍）に対する感度の方が高いという感度特性を有している。よって、これらの各波長帯域に対応する複数のバンドパスフィルタを用いる場合、中心波長帯域に対応するバンドパスフィルタが配置されている光軸上に減光フィルタを配置することが好ましい。このとき、偏光フィルタを減光フィルタとして用いることで、各画像情報の輝度のバランスを補正することだけでなく、波長情報及び偏光情報を同時に取得することが可能になる。

物体からの光を分光して所望の複数の画像情報を得るためには、各レンズ部及び各フィルタの夫々を互いに対となるように配置することが望ましい。言い換えると、一つのレンズ部を通過した光の全てが、その光軸上に配置された１種類のフィルタのみを透過することが望ましい。なお、ここでの１種類のフィルタとは、同一の光軸上に配置された複数のフィルタ素子で構成されたフィルタを含む。しかし、フィルタアレイ２２のみが交換可能な構成、あるいはレンズアレイ２１のみが交換可能な構成では、各レンズ部及び各フィルタの対応関係が崩れてしまい、良好な画像情報が得られなくなる可能性がある。例えば、レンズアレイ２１を交換して各レンズ部のサイズ（有効径）や配置を変更する場合、それに合わせて各フィルタのサイズや配置を変更することが必要になる。

また、各レンズ部の像面における色収差は対応するバンドパスフィルタの透過特性によって変化し、それに応じて各レンズ部のピント位置（フォーカス位置）や歪曲収差も変化してしまう。バンドパスフィルタ以外のフィルタを用いた場合にも、各フィルタの異方性などに応じて光学性能の変化が生じてしまう可能性がある。よって、フィルタアレイ２２を交換して各フィルタの透過特性を変更する場合、それに合わせて各レンズ部の位置や構成（設計）を変更することが必要になる。ただし、仮にレンズアレイ２１及びフィルタアレイ２２を個別に交換でき、夫々の適切な組み合わせを選択できる構成であったとしても、夫々の相対位置の誤差によって良好な光学性能が得られなくなる可能性がある。

そこで、本実施例においては、レンズアレイ２１及びフィルタアレイ２２を保持部材２３によって一体的に保持することで、夫々の相対位置のずれを抑制している。また、保持部材２３は、撮像装置１と結合するための第１のマウント部（第１の結合部）２４を有している。これにより、光学装置２をアクセサリ装置として、第１のマウント部２４を介して撮像装置１に着脱可能とすることができる。すなわち、撮像装置１に対して、レンズアレイ２１及びフィルタアレイ２２を一体的に保持しつつ同時に交換することが可能になる。

この構成によれば、レンズアレイ２１及びフィルタアレイ２２の相対位置のずれを抑制しつつ、取得する画像情報の種類や解像度を変更することができる。具体的には、フィルタアレイ２２を透過特性が異なるものに交換する際に、同時にレンズアレイ２１を各フィルタアレイに対応する（最適化された）ものに交換することができる。これにより、各レンズの収差やピントの変化を抑制することができる。また、レンズアレイ２１をレンズ部の数が異なるものに交換することで、撮像システム１００の解像度を変更することができる。この場合にも、同時にフィルタアレイ２２を各レンズアレイに対応するものに交換することができる。

このように、本実施例に係る撮像システム１００によれば、取得したい画像情報に応じて光学装置２を交換することができる。特に、レンズアレイ２１が交換可能であるため、レンズ部の数を増減させることで、画像情報の種類（バンド数など）や解像度を増減させることができる。そして、レンズアレイ２１及びフィルタアレイ２２を一体的に交換可能であるため、交換時の光学性能の変化を抑制することができる。これにより、光学装置２の構成によらず、共通の撮像装置１によって複数の良好な画像情報を同時に取得することが可能になる。

第１のマウント部２４の形状は、撮像装置１に設けられたマウント部１３に対応する形状とすればよい。例えば、光軸方向（Ｚ方向）から見たときに撮像面を囲む円周上に設けられた結合部（凸部や凹部、磁石など）を第１のマウント部２４として採用することができる。図１（ａ）においては、第１のマウント部２４を凹部として示し、撮像装置１のマウント部１３を凸部として示しているが、各マウント部の形状はこれに限られるものではない。また、第１のマウント部２４に、撮像装置１と電気的に接続するための電気接点（端子）を設けることが好ましい。これにより、光学装置２は電気接点を介して撮像装置１と通信を行ったり撮像装置１から電力を受給したりすることが可能になる。

なお、図２に示すように、保持部材２３は、像側に設けられる第１のマウント部２４だけでなく、物体側に設けられる第２のマウント部（第２の結合部）２５を有していてもよい。これにより、光学装置２に対して後述するレンズ装置やアダプタ装置などのアクセサリ装置を着脱可能とすることができる。図２においては、第２のマウント部２５を凸部として示しているが、第２のマウント部２５の形状はこれに限られず、装着されるアクセサリ装置におけるマウント部の形状に応じて設定すればよい。なお、第２のマウント部２５についても、アクセサリ装置に対して通信や電力の受供給を行うための電気接点を設けることが好ましい。

本実施例に係る光学装置２は、図１（ｂ）に示したように、９個のレンズ部と、各レンズ部の光軸上に配置される９個のフィルタを備えている。すなわち、同一の光軸上に配置されたレンズ部及びフィルタをまとめて一つの結像部であるとすると、光学装置２は９個の結像部を備えていることになる。複数の結像部をまとめて結像部アレイとも呼ぶ。なお、結像部の数はこれに限られるものではなく、光学装置２は少なくとも二つの結像部を備えていればよい。ただし、一回の撮像でより多くの透過特性に対応する画像情報を取得するためには、結像部を四つ以上設けることが望ましく、本実施例のように結像部を九つ以上設けることがより好ましい。

物体からの光は、レンズアレイ２１及びフィルタアレイ２２を順に介して撮像素子１１の撮像面に到達する。このとき、撮像面には、各結像部に応じた９個の像（複製像）が形成される。図１（ｂ）では、仮に被写体としての物体が「Ｃ」の文字である場合に撮像面に形成される像を示している。本実施例に係る撮像システム１００が備える結像光学系は、夫々が単レンズから成る複数のレンズ部で構成されたレンズアレイ２１のみであるため、各像は倒立像となっている。

なお、撮像装置１の小型化のためには、本実施例に係る撮像素子１１のように、各レンズ部に対して共通の（単一の）撮像素子を設けることが望ましい。また、各レンズ部に対して共通の撮像素子を用いることで、光学装置２の交換によってレンズ部の数や配置が変化した場合にも、良好な画像情報を取得することができる。このとき、撮像素子１１の利用効率を向上させるためには、撮像素子１１を構成する複数の画素（フォトダイオード）をできるだけ隙間なく均一に配置することが望ましい。

ただし、必要に応じて、各レンズ部に対して個別に撮像素子を設けてもよい。この場合、装置全体の小型化のためには、各撮像素子をできるだけ隙間なく均一に配置することが望ましい。また、光学装置２の小型化のためには、撮像素子１１の撮像面の形状に合わせて各レンズ部を配置することが望ましい。具体的には、図１（ｂ）に示すように、ＸＹ断面において各レンズ部を正方配置することが望ましい。なお、撮像素子１１の撮像面が正方形でない場合は、各レンズ部の配置のアスペクト比などを変更してもよい。

図１（ｂ）では、撮像素子１１の撮像面における複数の像（結像領域）の境界を破線で示している。ただし、この破線は便宜的に撮像面における各結像部に対応する区分を示したものであり、構造物ではない。実際に破線で示したように各像の境界を明確にする必要がある場合は、各結像部に対応する絞り部材（遮光部材）を設けることが望ましい。例えば、図２に示すように、各結像部の境界に遮光部材２６を設けることで、ある結像部に対応する結像領域に、隣接する別の結像部からの不要光（迷光）が入射することを抑制することができる。

上述したように、本実施例に係る光学装置２は撮像装置１に対して着脱可能に構成されているため、遮光部材２６は光学装置２における保持部材２３によって保持されていることが望ましい。これにより、レンズアレイ２１及びフィルタアレイ２２を交換する際に、同時に遮光部材２６をレンズアレイ２１及びフィルタアレイ２２に対応するものに交換することができる。また、不要光を十分に遮光するためには、図２に示すように遮光部材２６が撮像装置１の内部における撮像素子１１の近傍まで延在した構成を採ることが好ましい。

なお、図２では、図１（ｂ）において破線で示した矩形の結像領域に対応するように遮光部材２６が配置されているが、遮光部材２６の配置はこれに限られるものではなく、各結像部の配置及び要求される各結像領域の形状に対応してさえいればよい。例えば、各結像領域の形状を矩形ではなく円形等の任意の形状としたり、各結像領域の大きさを異ならせたりしてもよい。ただし、撮像面の利用効率を向上させるためには、図１（ｂ）に示すように各結像領域を同じ大きさの矩形とすることで撮像面を等分割した構成とすることが望ましい。あるいは、各結像部がハニカム配列されている場合は、これに合わせて遮光部材２６をハニカム構造とすればよい。

レンズアレイ２１及びフィルタアレイ２２の光軸方向における配置の順番は、図１に示したものに限られない。例えば、干渉型のバンドパスフィルタを用いる場合は、その角度特性（角度依存性）を鑑みて、各フィルタに対する光の入射角が小さくなるように、フィルタアレイ２２をレンズアレイ２１よりも物体側に配置することが好ましい。ただし、レンズアレイ２１における各レンズ部が十分なテレセントリック性を有している場合は、フィルタアレイ２２がレンズアレイ２１よりも像側（＋Ｚ側）に配置されていたとしても、各フィルタに対する光の入射角を小さくすることができる。

また、フィルタアレイ２２がレンズアレイ２１よりも物体側に配置されている場合、レンズアレイ２１に入射する軸外光線の欠け（ヴィネッティング）が発生してしまう可能性がある。よって、例えば吸収型のバンドパスフィルタなどの角度依存性が小さいフィルタを用いる場合や、フィルタの角度依存性よりも光利用効率を優先する場合には、フィルタアレイ２２をレンズアレイ２１よりも像側に配置することが好ましい。

本実施例に係る撮像システム１００において、光学装置２を撮像装置１に装着する際に、夫々のマウント部の製造の精度によっては取り付け誤差が生じ、レンズアレイ２１及びフィルタアレイ２２と撮像素子１１との位置関係に誤差が生じる可能性がある。このような誤差が生じた場合、撮像素子１１の撮像面に対するレンズアレイ２１のピントずれ（デフォーカス）が生じてしまう。そこで、レンズアレイ２１を光軸方向に移動するための移動機構を設け、レンズアレイ２１のピントを調整できるように構成することが望ましい。

あるいは、レンズアレイ２１の代わりに撮像素子１１を光軸方向に移動するための移動機構を設け、撮像素子１１の移動によるピント調整（センサフォーカス）ができるように構成してもよい。なお、光学装置２の取り付け誤差によりレンズアレイ２１の像面が撮像面に対して傾き、像面湾曲やレンズ部ごとに異なるピントずれが生じてしまう可能性がある。よって、撮像素子１１の光軸に対する傾き（チルト角）を変更することができるように構成することが好ましい。さらに、撮像素子１１を光軸に垂直な方向の成分を含む方向に移動させることで、像ブレ補正（手振れ補正）を行うことができるようにしてもよい。

また、フィルタアレイ２２を構成するフィルタの透過特性によっては、各レンズ部の夫々において生じるピントずれの向きやずれ量が互いに異なる場合がある。よって、レンズアレイ２１を構成する複数のレンズ部の夫々の位置を個別に調整することができるように構成することがより好ましい。この場合、各レンズ部としてロッドレンズのような光軸方向に長いレンズを採用することで、各レンズ部を安定して保持することができるため、各レンズ部の調整時の光軸に対する傾き偏心の発生を抑制することが可能になる。

なお、色収差の補正などを目的として、各レンズ部を同一の光軸上に配置される複数のレンズによって構成した場合にも、各レンズ部を保持する鏡筒（小径鏡筒）が光軸方向に長い形状となるため、同様の効果を得ることができる。このとき、各鏡筒の内側の光軸に垂直な方向における端部（コバ部）に遮光塗料を塗布したり、隣接する鏡筒の間に遮光部材を設けたりすることにより、迷光が撮像面に到達することを抑制することができる。例えば、図２に示した遮光部材２６を鏡筒として用いてもよい。

次に、撮像システム１００における処理系について説明する。上述したように、撮像素子１１から出力される画像情報の特性は、撮像装置１に装着される光学装置２の構成によって変化する。よって、撮像装置１にどのような光学装置２が装着されたとしても、画像情報を適切に処理するためのシステムを実現することが望ましい。具体的に、光学装置２は、撮像装置１に対して情報を送受信するための通信部や、撮像装置１との接続を認識するための認識部を備えていることが好ましい。

図２では、撮像装置１が処理部１４を有し、光学装置２が処理部２７を有する場合を示している。処理部１４は、少なくとも通信部及び認識部としての機能を備えている。処理部２７は、少なくとも通信部（記憶部）としての機能を備えている。処理部１４及び処理部２７は、撮像装置１に光学装置２が装着された際に互いに電気的に接続され、相互に情報（信号）を送受信することができる。処理部１４及び処理部２７は、撮像装置１及び光学装置２の夫々のマウント部に設けられた電気接点を介して情報を送受信することができる。ただし、各マウント部に電気接点が設けられていない場合などは、例えば光通信などの無線通信を行ってもよい。

処理部２７は光学装置２に関する固有情報を記憶しており、処理部１４はその固有情報を受信することによって光学装置２が撮像装置１に装着されたことを認識する。光学装置２の固有情報は、例えばレンズアレイ２１及びフィルタアレイ２２の夫々に関する識別番号などの識別子（ＩＤ）又はレンズアレイ２１及びフィルタアレイ２２の組み合わせに関する識別子である。処理部１４は、受信した固有情報に基づいて、光学装置２の種別や個体を認識することができる。

本実施例に係る撮像システム１００においては、撮像装置１が電源を有しており、光学装置２は電源を有していないため、撮像装置１における処理部１４によって光学装置２の装着を認識することが望ましい。この場合、処理部２７は、固有情報を記憶する記憶部（通信部）としての機能だけを有することになる。ただし、処理部１４及び処理部２７が無線通信を行う場合は、撮像装置１及び光学装置２の夫々に電源を設け、夫々が個別に認識を行う構成を採ってもよい。

処理部１４は、画像処理部（プロセッサ）としての機能も備えており、受信した固有情報に応じて、撮像素子１１から出力される画像情報を処理する。このとき、予め光学装置２におけるレンズアレイ２１の情報（レンズ部の数や配置など）やフィルタアレイ２２の情報（フィルタの透過特性や配置など）と固有情報を紐づけて、データテーブルとして処理部１４又は外部装置に記録しておくことが望ましい。これにより、処理部１４は、受信した固有情報をデータテーブルに照らし合わせることで、どのような構成（特性）の光学装置２が装着されたのかを認識することができる。

なお、必要に応じて、上述したようなレンズアレイ２１やフィルタアレイ２２の情報そのものを固有情報として処理部２７に記録しておき、処理部１４が処理部２７からその情報を取得するように構成してもよい。ただし、光学装置２の簡素化及び小型化のためには、処理部２７に記録しておく情報は、上述したように光学装置２の種別や個体を弁別するための識別番号などの最小限のものとすることが望ましい。

例えば、フィルタアレイ２２がバンドパスフィルタで構成されている場合、処理部１４はレンズアレイ２１及びフィルタアレイ２２の情報に基づいて、撮像素子１１から出力される一つの画像情報を適切に分割及び再配列する。これにより、バンドパスフィルタに対応する波長帯域ごとの複数の画像情報（マルチスペクトル画像）を生成することができる。このとき、必要に応じて、複数の画像情報を重ね合わせる（再合成する）ことで、１枚のマルチスペクトル画像を生成してもよい。

なお、撮像素子１１から出力される画像情報を外部装置に送信することで、処理部１４ではなく外部装置によって上述したような画像処理を行うように構成してもよい。この場合、光学装置２の情報と画像情報との対応関係をわかりやすくするために、処理部２７が記憶している情報を画像情報に付加してから外部装置に送信することが好ましい。あるいは、処理部２７を外部装置として撮像装置１の外部に設けてもよい。

以上、本実施例に係る撮像システム１００によれば、レンズアレイ２１及びフィルタアレイ２２を一体的に保持しつつ撮像装置１に対して着脱可能に構成することで、複数の良好な画像情報を同時に取得することができる。特に、レンズアレイ２１及びフィルタアレイ２２を交換することで、バンド数や解像度が異なる様々な画像情報を取得することが可能になる。

［実施例２］
以下、本発明の実施例２に係る撮像システム２００について説明する。本実施例に係る撮像システム２００において、上述した実施例１に係る撮像システム１００と同等の構成については説明を省略する。

図３は、本実施例に係る撮像システム２００の要部概略図（模式図）である。図３（ａ）は複数のレンズ部のうちの一部の光軸を含む断面を示し、図３（ｂ）は撮像面を－Ｚ方向から見たときの正面図を示している。撮像システム２００の撮像システム１００に対して異なる点は、光学装置２におけるレンズアレイ２１及びフィルタアレイ２２の構成と、光学装置２の物体側にレンズ装置（レンズユニット）３が装着されている点である。

本実施例に係る光学装置２において、レンズアレイ２１は１６個のレンズ部で構成され、フィルタアレイ２２は各レンズ部に対応する１６個のフィルタで構成されている。すなわち、光学装置２は１６個の結像部を備えており、撮像素子１１の撮像面には各結像部によって１６個の像が形成される。このように、実施例１と実施例２とで結像部の数や配置が異なるが、各結像部に対して共通の撮像素子１１を用いることで、撮像装置１の構成を変更せずに良好な画像情報を取得することができる。

レンズ装置３は、光学装置２の各結像部に対して共通である１枚以上のレンズを有する光学系３１と、光学系３１を保持する保持部材（鏡筒）３２を備えている。また、保持部材３２は、光学装置２の第２のマウント部２５と結合するためのマウント部３３を有している。これにより、マウント部３３を介してレンズ装置３を光学装置２に着脱可能とすることができる。ただし、レンズアレイ２１及びフィルタアレイ２２と光学系３１との相対位置を決定できるのであれば、この構成に限られるものではない。例えば、光学装置２の保持部材２３に開口（穴部）を設け、その開口を介してレンズ装置３を撮像装置１に直接装着できるようにしてもよい。

本実施例に係るレンズ装置３は、撮像システム２００の画角（撮像画角）を変換する役割を果たしている。すなわち、レンズ装置３を光学系３１の構成が異なるものに交換することで、様々な画角に対応する画像情報を取得することができる。なお、レンズ装置３を用いずに、各レンズ部を複数のレンズ群で構成し、隣接するレンズ群の間隔を変更可能とすることで、撮像システム１２００の画角を変更することも可能である。しかし、その場合はレンズアレイ２１の製造及び制御の難易度が高くなり、かつ光学装置２の構成が複雑化及び大型化してしまう。

よって、光学装置２の簡素化及び小型化のためには、本実施例のようにレンズ装置３の交換によって撮像システム１００の画角を変更できるように構成すること望ましい。なお、レンズ装置３における光学系３１を構成する少なくとも１枚のレンズを移動可能とすることで、ピント調整（フォーカシング）を行うようにしてもよい。また、光学系３１を複数のレンズ群で構成して隣接するレンズ群の間隔を変更し、撮像システム１２００の焦点距離を変更することで、画角や結像倍率を調整できるようにしてもよい。

なお、レンズアレイ２１における各レンズ部の焦点位置と撮像素子１１の撮像面が一致している場合、無限遠に位置する物体から出射してレンズアレイ２１に入射する光は平行光になる。よって、レンズ装置３における光学系３１をコリメータ光学系として、光学系３１が平行光をレンズアレイ２１に導光するように構成することが望ましい。この構成によれば、各マウント部における取り付け誤差によりレンズ装置３が光軸に垂直な方向にずれた場合において、結像性能の変化を抑制することができる。

ただし、この構成においてレンズ装置３を取り外した場合、すなわち実施例１のように光学装置２のみを撮像装置１に装着して撮像を行う場合、近距離に位置する物体にピントが合わず、撮像画像においてボケが生じてしまう。よって、この構成においては、上述したようにレンズアレイ２１と撮像素子１１との相対位置を変化させるための機構を設けることで、フォーカシングを行うことができるようにすることが望ましい。

また、レンズ装置３は、光学装置２における処理部２７と同様の処理部３４を備えていることが望ましい。処理部３４は、レンズ装置３に関する固有情報を記憶しており、その固有情報を光学装置２における処理部２７を介して、又は直接撮像装置１における処理部１４に送信することができる。処理部１４は、レンズ装置３の固有情報に基づいて、レンズ装置３の種別や個体を認識することができる。また、処理部１４は、レンズ装置３の固有情報及び光学装置２の少なくとも一方の固有情報に応じて、撮像素子１１から出力される画像情報を処理することができる。

［実施例３］
以下、本発明の実施例３に係る撮像システム３００について説明する。本実施例に係る撮像システム３００において、上述した実施例２に係る撮像システム２００と同等の構成については説明を省略する。

図４は、本実施例に係る撮像システム３００の要部概略図（模式図）である。図４（ａ）は複数のレンズ部のうちの一部の光軸を含む断面を示し、図４（ｂ）はレンズアレイ２１の正面図を示し、図４（ｃ）は撮像面の正面図を示している。撮像システム３００の撮像システム２００に対して異なる点は、レンズアレイ２１を構成するレンズ部の数と、一部のレンズ部のサイズ及び配置である。

本実施例に係る光学装置２において、レンズアレイ２１は１３個のレンズ部で構成され、フィルタアレイ２２は各レンズ部に対応する１３個のフィルタで構成されている。すなわち、光学装置２は１３個の結像部を備えており、撮像素子１１の撮像面には各結像部によって１３個の像が形成される。そして、図４（ｂ）に示すように、本実施例に係るレンズアレイ２１におけるレンズ部２１ｄのサイズは他のレンズ部よりも大きい。具体的に、本実施例に係るレンズ部２１ｄは、実施例２に係るレンズアレイ２１において四つのレンズ部が配置されていた領域を占めるように配置されている。

本実施例では、各レンズ部が開口絞りの役割を兼ねており、各レンズ部のサイズ（有効径）によって各結像部の明るさ（Ｆ値）が決定されている。よって、レンズ部２１ｄによって形成される像の光量は、他のレンズ部によって形成される像の光量よりも多い。このように、レンズアレイ２１における一部のレンズ部のサイズを変更することで、複数の異なる光量情報を含む撮像情報を一度の撮像で取得することができる。なお、レンズ部２１ｄ以外にも、有効径のサイズが異なるレンズ部を設けてもよい。

また、本実施例では、レンズ部２１ｄのサイズを他のレンズ部よりも大きくしたことに伴い、レンズ部２１ｄの焦点距離を他のレンズ部よりも大きくし、かつ図４（ａ）に示すようにレンズ部２１ｄを他のレンズ部よりも物体側に配置している。そのため、図４（ｃ）に示すように、レンズ部２１ｄによって形成される像１１ｄが、他のレンズ部によって形成される像よりも大きくなっている。よって、撮像素子１１における画素密度が一定である場合、像１１ｄの解像度は他の像の解像度よりも高くなる。したがって、この構成によれば、複数の異なる解像度の撮像情報を一度の撮像で取得することができる。

例えば、フィルタアレイ２２をバンド幅が互いに異なる複数のバンドパスフィルタで構成した場合、収差補正が比較的難しい長波長帯域に対応するバンドパスフィルタをレンズ部２１ｄの光軸上に配置することで、十分な解像度を確保することができる。あるいは、レンズ部２１ｄの光軸上にフィルタを配置せずに、レンズ部２１ｄを輝度情報（輝度分布）の取得に特化させてもよい。この場合、像１１ｄより取得した輝度情報に基づいて、他の像より取得した画像情報のダイナミックレンジの補正や、サブピクセル情報を利用した超解像処理などを行うことができる。

［実施例４］
以下、本発明の実施例４に係る撮像システム４００について説明する。本実施例に係る撮像システム４００において、上述した実施例１に係る撮像システム１００と同等の構成については説明を省略する。

図５は、本実施例に係る撮像システム４００の要部概略図（模式図）である。図５（ａ）は複数のレンズ部のうちの一部の光軸を含む断面を示し、図５（ｂ）は撮像面の正面図を示している。撮像システム４００の撮像システム１００に対して異なる点は、光学装置２の物体側にレンズ装置３及びアダプタ装置（アダプタユニット）４が装着されている点である。

本実施例に係るレンズ装置３は、実施例２及び３に係るレンズ装置３と同様に、１枚以上のレンズを有する光学系３１と、光学系３１を保持する保持部材３２を備えている。しかし、実施例２及び３に係る光学系３１とは異なり、本実施例に係る光学系３１は、物体からの光を集光することで物体の中間像を形成している。

本実施例に係るアダプタ装置４は、光を拡散させる拡散素子４１と、１枚以上のレンズを有する光学系４２と、拡散素子４１及び光学系４２を保持する保持部材４３を備えている。拡散素子４１は、レンズ装置３により形成される中間像面（１次結像面）の位置に配置されており、スクリーンとしての役割を果たしている。拡散素子４１としては、拡散面（粗面）を有する拡散部材（拡散板）や、複数の微細なレンズで構成されるマイクロレンズアレイなどを採用することができる。光学系４２は、拡散素子４１からの光を平行光に変換するコリメータ光学系としての機能を有する。

そして、アダプタ装置４における保持部材４３は、光学装置２の第２のマウント部２５と結合するためのマウント部４４と、レンズ装置３のマウント部３３と結合するためのマウント部４５とを有している。これにより、各マウント部を介してアダプタ装置４を光学装置２及びレンズ装置３に着脱可能とすることができる。このとき、レンズ装置３が撮像装置１及び光学装置２に直接着脱することができない場合であっても、アダプタ装置４を介することで間接的に着脱することが可能になる。

ただし、光学装置２の第１のマウント部２４とレンズ装置３のマウント部３３とを同じ形状とし、撮像装置１のマウント部１３とアダプタ装置４のマウント部４５とを同じ形状とすることが望ましい。言い換えると、撮像装置１に対して着脱可能なレンズ装置３が、アダプタ装置４にも着脱可能である構成とすることが望ましい。これにより、一般的なカメラとしての撮像装置１及び一般的な交換レンズとしてのレンズ装置３を用いて、複数の画像情報を一回の撮像で同時に取得できる撮像システムを構成することが可能になる。

また、本実施例に係る撮像システム４００は、アダプタ装置４を用いることで、実施例２及び３に係る撮像システム２００，３００と同様に光学装置２に平行光が入射する構成を採っている。これにより、本実施例に係る光学装置２を、実施例２及び３に示したような物体の中間像を形成しないレンズ装置に対しても適用することが可能になる。よって、光学装置２、レンズ装置３、及びアダプタ装置４の夫々の互換性を確保するために、各装置のマウント部の形状は、夫々の光学系の構成にかかわらず同一の形状とすることが望ましい。

なお、本実施例のレンズ装置３のように物体の中間像を形成するレンズ装置を用いる場合は、その中間像面の位置に視野絞りを配置することが望ましい。これにより、撮像素子１１の撮像面に形成される各像の境界の形状やサイズを適切に設定することができる。例えば、各結像部からの光が撮像面において互いに干渉する場合は、視野絞りに設けられる開口のサイズ（開口径）を小さくすればよい。このとき、撮像素子１１の利用効率を向上させるためには、視野絞りの開口の形状を、撮像面を等分割することができる矩形などの形状とすることが望ましい。

また、撮像面における各像の境界は、視野絞りを中間像面の位置に近づける程明確になるため、本実施例のように中間像面の位置に拡散素子４１を配置する場合は、視野絞りを拡散素子４１に密着するように配置することが好ましい。このとき、拡散素子４１が厚みを持つ場合は、拡散素子４１の内部での散乱の影響を低減するために、視野絞りを拡散素子４１の像側に配置することがより好ましい。本実施例においては、図５に示すように、拡散素子４１の中央部（矩形部）以外に遮光部材（遮光塗料）を設けることで、拡散素子４１に視野絞りとしての機能を持たせることができる。あるいは、視野絞りを構成する遮光部材に設けられる開口部に拡散素子４１を配置することで、視野絞りと拡散素子４１とを一体的に構成してもよい。

中間像面の位置に拡散素子４１を配置した場合、レンズ装置３からの光は拡散素子４１によって拡散されるため、レンズ装置３からの光の入射角に関する情報が失われ、各像における視差の発生を抑制することができる。ただし、本実施例に係る撮像システム４００を後述するような測距装置として用いる場合、各像の視差を用いて物体までの距離に関する情報を取得するため、レンズ装置３からの光の入射角に関する情報を残しておく必要がある。その場合は、視野絞りの直前に拡散素子４１の代わりにフィールドレンズとしての正レンズを配置することで、入射角に関する情報を残しつつ本実施例と同様の機能を実現することができる。

図５（ａ）に示すように、アダプタ装置４は、光学装置２における処理部２７と同様の処理部４６を備えていることが望ましい。処理部４６は、アダプタ装置４に関する固有情報を記憶しており、その固有情報を光学装置２における処理部２７を介して、又は直接撮像装置１における処理部１４に送信することができる。処理部１４は、アダプタ装置４の固有情報に基づいて、アダプタ装置４の種別や個体を認識することができる。また、処理部１４は、レンズ装置３、アダプタ装置４、及び光学装置２の少なくとも一つの固有情報に応じて、撮像素子１１から出力される画像情報を処理することができる。このとき、レンズ装置３の固有情報を用いて、レンズ装置３で生じる収差による画像情報への影響を補正してもよい。

ここで、本実施例に係る撮像システム４００は、レンズ装置３によって結像した物体を光学装置２によって再結像する構成を採っているため、図５（ｂ）に示すように、本実施例における撮像面には正立像が形成される。したがって、撮像装置１における処理部１４によって画像情報を適切に処理するためには、撮像面に形成される像が倒立像なのか正立像なのかを判別するための情報が必要になる。

よって、アダプタ装置４の処理部４６には、像の反転の有無を識別するための情報を記憶させておくことが好ましい。例えば、アダプタ装置４には物体の中間像を形成するレンズ装置のみが装着されるということを前提とする場合、処理部４６には物体の像が１回結像された（反転した）ということを識別するための情報を記憶させておけばよい。なお、仮に光学装置２における各結像部が物体を複数回結像する構成を採っている場合は、処理部２７にも像の反転に関する情報を記憶させておけばよい。

［測距装置］
以下、上述した各実施例に係る撮像システムを車載カメラや監視カメラなどの測距装置として用いる場合について説明する。

光学装置２におけるレンズアレイ２１を構成する各レンズ部の光軸は、Ｘ方向及びＹ方向の少なくとも一方において互いに離間しているため、各レンズ部により形成される像には視差が生じている。よって、この視差に関する情報（視差情報）に基づいて、撮像装置１の処理部１４や外部装置により物体までの距離に関する情報（距離情報）を取得することができる。なお、ここでの距離情報とは、物体との間隔、デフォーカス量、像ズレ量、などの物体との相対位置に関する情報のことであり、画像情報における物体の距離値を直接的に表すものでも、距離値に対応する情報を間接的に表すものでもよい。

例えば、図１（ｂ）に示したフィルタアレイ２２における何れか二つのフィルタを、互いに同じ透過波長域のバンドパスフィルタとすることにより、このバンドパスフィルタを含む結像部のペアがステレオ光学系（測距光学系）として機能する。すなわち、図１（ａ）に示した撮像システム１００がステレオカメラ（測距装置）として機能することになる。よって、この結像部のペアにより形成されるステレオ像の視差情報に基づいて、物体の距離情報を取得することができる。

なお、ステレオ光学系として用いる結像部のペアは、水平方向（Ｘ方向）に配列されたものであっても、鉛直方向（Ｙ方向）に配列されたものであっても、斜め方向に配列されたものであってもよい。ただし、ステレオ像の視差が大きいほど測距精度が向上するため、複数の結像部の中で最も離間したペアをステレオ光学系として用いることが好ましい。また、一対の結像部だけでなく、他の結像部のペアを測距に用いてもよい。奥行方向（Ｚ方向）に配置される複数の物体を測距対象とする場合、手前の物体の背後にある物体の情報が不足するオクルージョンという問題が生じるため、三つ以上の結像部をセットとして測距に用いることがより好ましい。

［変形例］
以上、本発明の好ましい実施形態及び実施例について説明したが、本発明はこれらの実施形態及び実施例に限定されず、その要旨の範囲内で種々の組合せ、変形及び変更が可能である。

上述した各実施例では、レンズ部が開口絞りの役割を兼ねている場合、すなわちレンズ部の有効径がレンズ部自身によって定まる場合について説明したが、開口絞りを別部材として設けてもよい。また、一つの結像部において、レンズ部が複数のレンズを含む場合や、フィルタが複数のフィルタ素子を含む場合は、レンズ及びフィルタ素子を光軸方向において交互に配置してもよい。

さらに、レンズ部の瞳をＸＹ断面において分割するように配置される複数のフィルタを備える結像部を採用してもよい。このとき、撮像面におけるその結像部に対応する領域に微小なレンズアレイを設けることで、撮像システムをプレノプティックカメラとして用いることができる。この構成によれば、一つのレンズ部の瞳を通過する光が分離されて、撮像面における互いに異なる画素に入射するため、より多くの画像情報を取得することが可能になる。

上述した実施例２乃至４に係る撮像システムにおいては、光学装置２とレンズ装置３又はアダプタ装置４とが互いに着脱可能となっているが、必要に応じて夫々を一体化することで、互いの取り付け誤差の発生を抑制してもよい。例えば、光学装置２とレンズ装置３とを一体的に構成したり、光学装置２とレンズ装置３とアダプタ装置４とを一体的に構成したりすることで、撮像装置１に対して着脱可能な一つのレンズ装置（アクセサリ装置）としてもよい。あるいは、光学装置２とアダプタ装置４とを一体的に構成することで、撮像装置１及びレンズ装置３に対して着脱可能な一つのアダプタ装置（アクセサリ装置）としてもよい。

１ 撮像装置
２ 光学装置
２１ 複数のレンズ部（レンズアレイ）
２２ 複数のフィルタ（フィルタアレイ）
２３ 保持部材
２４ 第１のマウント部

Claims (17)

1. 夫々が物体の像を形成する複数のレンズ部と、
   前記複数のレンズ部の光軸上に配置される複数のフィルタとを備える光学装置であって、
   前記物体からの光を前記複数のレンズ部に導光する、前記複数のレンズ部に対して共通の第１光学系と、
   前記複数のレンズ部、前記複数のフィルタ、及び前記第１光学系を一体的に保持する保持部材とを更に備え、
   前記複数のフィルタは、互いに異なる透過特性を有する第１及び第２のフィルタを含み、
   前記保持部材は第１及び第２のマウント部を有し、
   前記第１のマウント部を介して撮像装置に着脱可能であり、かつ前記第２のマウント部を介して前記光学装置とは異なるアクセサリ装置に着脱可能であり、
   前記アクセサリ装置は、前記撮像装置に対して着脱可能であることを特徴とする光学装置。
2. 前記第１のマウント部は、前記撮像装置と電気的に接続するための電気接点を含むことを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
3. 前記複数のレンズ部及び前記複数のフィルタに関する情報を前記撮像装置に送信する通信部を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の光学装置。
4. 前記第１及び第２のフィルタは、互いに異なる波長の光を射出することを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の光学装置。
5. 前記第１及び第２のフィルタは、互いに異なる偏光状態の光を射出することを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の光学装置。
6. 前記複数のフィルタの全ての透過特性は、互いに異なることを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項に記載の光学装置。
7. 前記複数のフィルタは、互いに同一の透過特性を有する二つ以上のフィルタを含むことを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項に記載の光学装置。
8. 前記第１光学系は、前記物体からの光を平行光に変換して前記複数のレンズ部に導光することを特徴とする請求項１乃至７の何れか一項に記載の光学装置。
9. 前記第２のマウント部は、前記アクセサリ装置と電気的に接続するための電気接点を含むことを特徴とする請求項１乃至８の何れか一項に記載の光学装置。
10. 前記物体からの光を前記第１光学系に導光する、前記複数のレンズ部に対して共通の第２光学系を備えることを特徴とする請求項１乃至９の何れか一項に記載の光学装置。
11. 前記第２光学系は、前記物体の中間像を形成することを特徴とする請求項１０に記載の光学装置。
12. 前記物体の中間像の位置に配置される視野絞りを備えることを特徴とする請求項１１記載の光学装置。
13. 前記第１光学系よりも物体側に配置される拡散素子を備えることを特徴とする請求項１乃至１２の何れか一項に記載の光学装置。
14. 請求項１乃至１３の何れか一項に記載の光学装置と、該光学装置が装着される前記撮像装置とを備えることを特徴とする撮像システム。
15. 前記撮像装置は、前記複数のレンズ部に対して共通の撮像素子を有することを特徴とする請求項１４に記載の撮像システム。
16. 前記撮像装置は、前記撮像素子を移動するための移動機構を有することを特徴とする請求項１５に記載の撮像システム。
17. 前記光学装置の固有情報に基づいて、前記撮像装置により取得される画像情報の処理を行う処理部を備えることを特徴とする請求項１４乃至１６の何れか一項に記載の撮像システム。

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