マイクロ視覚センサ

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【発明の名称】	マイクロ視覚センサ
【発明者】	【氏名】下山勲【氏名】星野一憲
【要約】	【課題】新規なレンズ構成を有し、ＣＣＤカメラなどに好適に使用することが可能な、高い分解能を有するマイクロ視覚センサを提供する。【解決手段】透明な基板１１及び１２上に、複数のマイクロレンズ１３及び複数のフォトレセプタ１４を互いに対向するようにして形成する。そして、基板１１又は１２をＸ方向、Ｙ方向、又はＸＹ方向などに動かすことによって、複数のマイクロレンズと複数のフォトレセプタとを相対的に運動させる。すると、例えば、マイクロレンズ１３－１を通じて、複数の位置情報が対向するフォトレセプタに入射・受信されるようになるため、分解能を向上させることができる。

【特許請求の範囲】
【請求項１】複数のマイクロレンズと複数のフォトレセプタとを具えるとともに、これら複数のマイクロレンズと複数のフォトレセプタとをそれぞれ対向するように配置し、前記複数のマイクロレンズを通じて得られる位置情報を前記複数のフォトレセプタで受信するようにしてなるマイクロ視覚センサであって、前記複数のマイクロレンズを前記複数のフォトレセプタに対して相対運動させ、前記複数のフォトレセプタのそれぞれにおいて複数の位置情報を得るようにしたことを特徴とする、マイクロ視覚センサ。
【請求項２】複数のマイクロレンズと複数のフォトレセプタとを具えるとともに、これら複数のマイクロレンズと複数のフォトレセプタとをそれぞれ対向するように配置し、前記複数のマイクロレンズを通じて得られる位置情報を前記複数のフォトレセプタで受信するようにしてなるマイクロ視覚センサであって、前記複数のマイクロレンズと前記複数のフォトレセプタとの間に複数のスリットを有するスリット板を設けるとともに、前記複数のマイクロレンズと前記複数のフォトレセプタと前記複数のスリットとをそれぞれ対向するように配置し、前記複数のマイクロレンズ、前記複数のフォトレセプタ、及び前記スリット板の構成要素群から選ばれる一つ若しくは二つの構成要素を、前記構成要素群の他の構成要素に対して相対運動させ、前記複数のフォトレセプタのそれぞれにおいて複数の位置情報を得るようにしたことを特徴とする、マイクロ視覚センサ。
【請求項３】前記スリット板を振動させて、前記スリット板と前記複数のマイクロレンズ及び前記複数のフォトレセプタとの相対運動を行うようにしたことを特徴とする、請求項２に記載のマイクロ視覚センサ。
【請求項４】前記スリット板は、第１のスリット板及び第２のスリット板からなり、これら第１のスリット板及び第２のスリット板を、それぞれに設けられた複数のスリットが互いに重なり合うように配置し、前記第１のスリット板及び前記第２のスリット板を前記複数のマイクロレンズ及び前記複数のフォトレセプタに対し相対運動させるとともに、前記第１のスリット板及び前記第２のスリット板を互いに異なる方向に移動させ、前記複数のフォトレセプタのそれぞれにおいて前記複数の位置情報を２次元的に同時に得るようにしたことを特徴とする、請求項２に記載のマイクロ視覚センサ。
【請求項５】前記第１のスリット板及び前記第２のスリット板を振動させて、前記第１のスリット板及び前記第２のスリット板と、前記複数のマイクロレンズ及び前記複数のフォトレセプタとの相対運動を行うようにしたことを特徴とする、請求項４に記載のマイクロ視覚センサ。
【請求項６】前記複数のマイクロレンズと前記複数のフォトレセプタとは、それぞれ可塑性物質からなる基板上に形成されてなることを特徴とする、請求項１～５のいずれか一に記載のマイクロ視覚センサ。
【請求項７】前記可塑性物資は、シリコンゴム及びポリイミドの少なくとも一方であることを特徴とする、請求項６に記載のマイクロ視覚センサ。
【請求項８】前記複数の位置情報は、この複数の位置情報を構成する単一の位置情報をそれぞれに対応する時間の関数として所定の演算回路に記憶させた後、所定の演算処理を施すことによって前記時間部分から再度位置情報を得るようにしたことを特徴とする、請求項１～７のいずれか一に記載のマイクロ視覚センサ。
【請求項９】前記相対運動は、マイクロアクチュエータを用いて行うことを特徴とする、請求項１～８のいずれか一に記載のマイクロ視覚センサ。

【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、マイクロ視覚センサに関し、さらに詳しくは、ＣＣＤカメラなどに好適に使用することのできる、マイクロ視覚センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】従来の視覚センサを具えたカメラは、図１に示すように単一レンズ１の後方においてＣＣＤなどのフォトレセプタ２を配置し、レンズ１を通過してきた光をフォトレセプタ２で受光することにより、位置情報としての像を得ていた。また、イメージスキャナ用の固体撮像素子などにおいては、このような単一のレンズを用いる代わりに、広い受光面を得る目的で、複数のマイクロレンズを用い、この複数のマイクロレンズと対向するように複数のフォトレセプタを配置している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図１に示すようなレンズ構成において、１画素、すなわちフォトレセプタ１個当たりの光量を十分に大きくするためには、レンズ１の開口角を大きくする必要がある。そして、レンズ１の開口角を大きくするにはレンズ１の直径を大きくしなければならない。レンズの焦点距離はレンズの直径程度であるので、直径の大きいレンズを用いると光軸方向にレンズ直径と同程度の厚みが必要となる。したがって、図１のようなレンズ構成を用い、フォトレセプタ１個当たりの光量を増大させて分解能の高いカメラを得ようとすると、光軸方向に長いカメラのみしか得ることができない。
【０００４】一方、固体撮像素子などのように、複数のマイクロレンズ及び複数のフォトレセプタを対向するように配置してなるレンズ構成においては、直径の小さいマイクロレンズを用いているため、光軸方向の長さを小さくすることができる。しかしながら、このようなレンズ構成においては、固定されたマイクロレンズ及びフォトレセプタの密度によってその分解能が決定される。したがって、このようなレンズ構成においては、マイクロレンズ及びフォトレセプタを小型化してそれらの密度を増加させることにより、その分解能を向上させることが可能となる。しかしながら、マイクロレンズには光の波長などによって決定される回折限界があるために、マイクロレンズの小型化においては前記回折限界に伴う制限が課されることになる。このため、このようなレンズ構成においても十分高い分解能を得ることができないでいた。また、フォトレセプタを高密度に集積すると、１画素当たりの受光量が減少し、感度が低下する。このため、フォトレセプタの高感度化にも限界があった。
【０００５】本発明は、新規なレンズ構成を有し、ＣＣＤカメラなどに好適に使用することが可能な、高い分解能を有するマイクロ視覚センサを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成すべく、本発明の第１のマイクロ視覚センサは、複数のマイクロレンズと複数のフォトレセプタとを具えるとともに、これら複数のマイクロレンズと複数のフォトレセプタとをそれぞれ対向するようにして配置する。そして、前記複数のマイクロレンズを前記複数のフォトレセプタに対して相対運動させることを特徴とする。
【０００７】上記固体撮像素子などのように、マイクロレンズとフォトレセプタとが対向して固定された状態においては、各フォトレセプタには対向して配置されている各レンズを通じて得られる単一の位置情報が入ってくるのみである。これに対して、本発明のマイクロ視覚センサにおいては、複数のマイクロレンズと複数のフォトレセプタとを互いに固定することなく相対的に運動させている。したがって、マイクロレンズとフォトレセプタとの相対的位置関係は時間とともに変化する。マイクロレンズとフォトレセプタとの一つの位置関係において一つの位置情報が得られるため、前記のようにこれらの位置関係が時間とともに相対的に変化することによって、複数の位置情報を得ることができる。
【０００８】例えば、レンズを透過してきた光が対向するフォトレセプタに入射して、所定の物体のある部分を像として得る場合、前記所定の物体からの光は種々の角度でマイクロレンズに入射する。そして、マイクロレンズに入射した光は、その入射角に応じて種々の角度で屈折し、前記マイクロレンズを透過していく。マイクロレンズとフォトレセプタとが固定された状態においては、このようにして屈折した光のある一定の範囲のものしか受光することができない。したがって、前記所定の物体のある一部のみしか像として得ることができない。
【０００９】これに対して、マイクロレンズとフォトレセプタとの相対位置を変化させると、上記のようにして屈折した光の相当程度の範囲のものを受光することができる。したがって、前記所定の物体の相当程度の部分を像として得ることができる。すなわち、本発明のマイクロ視覚センサによれば、単一の位置情報に相当する前記所定の物体のある一部の像に対して、複数の位置情報に相当する前記所定の物体の相当程度の部分の像を得ることができる。
【００１０】このように本発明によれば、マイクロ視覚センサは複数の位置情報を得ることができるので、その分解能を極めて高くすることができる。さらに、マイクロ視覚センサにおけるレンズを複数のマイクロレンズから構成しているので、光軸方向の長さを短くすることができる。したがって、薄型のマイクロ視覚センサを提供することができる。
【００１１】また、本発明の第２のマイクロ視覚センサは、複数のマイクロレンズと複数のフォトレセプタとを具えるとともに、これら複数のマイクロレンズと複数のフォトレセプタとをそれぞれ対向するようにして配置する。そして、前記複数のマイクロレンズと前記複数のフォトレセプタとの間に複数のスリットを有するスリット板を設ける。前記複数のマイクロレンズと前記複数のフォトレセプタと前記複数のスリットとはそれぞれ対向するように配置する。そして、前記複数のマイクロレンズ、前記複数のフォトレセプタ、及び前記スリット板の構成要素群から選ばれる少なくとも一つ若しくは二つの構成要素を、前記構成要素群の他の構成要素に対して相対運動させる。
【００１２】第２のマイクロ視覚センサは、マイクロレンズからフォトレセプタに至る位置情報に指向性を持たせるために、複数のマイクロレンズと複数のフォトレセプタとの間に複数のスリットを有するスリット板を設けている。このような場合においては、これらの構成要素の間に相対運動を生じさせることによっても上記したような効果を得ることができる。すなわち、これらの構成要素を固定すると単一の指向性に基づく単一の位置情報しか得ることができないが、前記構成要素を互いに相対運動させることによって前記指向性が変化するため、これに応じて複数の位置情報を得ることができるものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】以下、本発明を発明の実施の形態に基づいて詳細に説明する。図２は、本発明の第１のマイクロ視覚センサの一例におけるレンズ構成を示す模式図である。図２（ａ）は、レンズ構成の斜視図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）に示すレンズ構成をＩ－Ｉ線を含む面によって切った場合の断面図である。図２に示すレンズ構成においては、透明な基板１１及び１２上に、複数のマイクロレンズ１３と複数のフォトレセプタ１４とが互いに対向するようにして形成されている。
【００１４】このようなレンズ構成において、複数のマイクロレンズ１３が形成されている基板１１と複数のフォトレセプタが形成されている基板１２とを、Ｘ方向又はＹ方向、さらにはＸＹ方向などに相対的に運動させることによって、複数のマイクロレンズ１３の一つ、例えば１３－１を通じて、このマイクロレンズと対向する複数のフォトレセプタ１４の一つ、例えば１４－１に複数の位置情報が入射する。すると、複数のマイクロレンズ１３と複数のフォトレセプタ１４とを互いに固定していた場合に単一の位置情報しか得られない場合と比較して、同じレンズ構成において数倍～数十倍の位置情報を簡易に得ることができる。したがって、マイクロ視覚センサの分解能を飛躍的に向上させることができる。
【００１５】図２（ｂ）に示すレンズ構成の断面図を用い、複数のマイクロレンズ１３及び複数のフォトレセプタ１４をＸ方向に相対運動させた場合について具体的に説明する。例えば、マイクロレンズ１３－１がフォトレセプタ１４－１と対向する位置に固定されているとすると、このフォトレセプタ１４－１にはマイクロレンズ１３－１を通じて例えば所定の物体のある部分の像などの単一の位置情報Ｐのみが得られる。これに対して、このマイクロレンズ１３－１を左右に移動させて１３－１Ａ及び１３－１Ｂの位置に移動させると、マイクロレンズ１３－１の屈折作用によって、位置情報Ｐと異なる位置情報Ｑ及びＲが得られる。
【００１６】すなわち、マイクロレンズ１３－１とフォトレセプタ１４－１とを固定していた場合に単一の位置情報Ｐのみしか得られなかったのに対し、これらを相対運動させることにより、複数の位置情報Ｐ、Ｑ、及びＲが得られることになる。したがって、レンズ構成の分解能が増大するため、分解能に優れたマイクロ視覚センサを得ることができる。なお、相対運動の程度により、位置情報の数は上記Ｐ、Ｑ、Ｒよりも当然に増大させることができる。
【００１７】図３は、本発明の第２のマイクロ視覚センサの一例におけるレンズ構成を示す模式図である。図３（ａ）はレンズ構成の断面図であり、図３（ｂ）はレンズ構成の平面図である。図３に示すレンズ構成は、透明な基板２１及び２２上に複数のマイクロレンズ２３及び複数のフォトレセプタ２４とが、それぞれ対向するようにして配置されている。そして、複数のマイクロレンズ２３及び複数のフォトレセプタ２４との間において、複数のスリット２６を有するスリット板２５を設置する。さらに、複数のマイクロレンズ２３、複数のフォトレセプタ２４、及び複数のスリット２６が互いに対向するようにして、スリット板２５を配置する。このスリット板２５は、上述したように、位置情報に指向性を持たせるためのものである。
【００１８】この場合においても、複数のマイクロレンズ２３及びスリット板２５の少なくとも一方を、複数のフォトレセプタ２４に対して、例えば、Ｘ方法、Ｙ方向、ＸＹ方向、又は矢印Ｓで示される回転方向に相対運動させることにより、これらを固定した場合に比べて複数の位置情報を得ることができる。すなわち、複数のマイクロレンズ２３などを固定した場合と比較して同一のレンズ構成において高い分解能を得ることができ、分解能に優れたマイクロ視覚センサを得ることができる。また、複数のマイクロレンズ２３及びスリット板２５同士を相対運動させることによっても上記のようにして複数の位置情報を得ることができる。
【００１９】マイクロレンズを相対移動させた場合は、例えば、図２（ｂ）に示すような原理に基づいて複数の位置情報が得られる。スリット板及びフォトレセプタを相対移動させた場合は、マイクロレンズによって直接得られる位置情報の数は変化しないが、スリットを介して得られる位置情報の指向性が変化するため、結果的にフォトレセプタで受信する位置情報の数が増すことになる。
【００２０】上述したように、本発明の第１のマイクロ視覚センサは、複数のマイクロレンズを複数のフォトレセプタに対して相対運動させる。したがって、複数のフォトレセプタを固定しておき、複数のマイクロレンズを運動させる、あるいは複数のマイクロレンズを固定しておき、複数のフォトレセプタを運動させることによって、上記のような相対運動を行うことができる。また、本発明の第２のマイクロ視覚センサは、複数のマイクロレンズ、スリット板、及び複数のフォトレセプタの構成要素群の一つ若しくは二つの構成要素を、これら残りの構成要素に対して相対運動させる。したがって、これら構成要素の内の一つ若しくは二つを固定し、他の構成要素を運動させることにより、上記のような相対運動が可能となる。
【００２１】複数のマイクロレンズ、複数のフォトレセプタ、及びスリット板の中では、このスリット板の質量が最も小さい。したがって、このスリット板を有する第２のマイクロ視覚センサにおいては、スリット板を運動させることにより、より小さな駆動力で上記相対運動を行うことができる。さらには、スリット板を比較的高い振動数で振動させることが可能となり、単位時間当たりの上記相対運動の回数が増加する。したがって、短時間当たりの分解能、すなわちレンズ構成全体の分解能を向上させることができる。
【００２２】図３に示す第２のマイクロ視覚センサのレンズ構成においては、複数のマイクロレンズ２３及び複数のフォトレセプタ２４との間に、単一のスリット板２５のみを設けている。しかしながら、スリット板の数は一つに限定させるものではない。
【００２３】例えば、スリット板を第１のスリット板と第２のスリット板とから構成し、これらに具えられている複数のスリットが互いに対向するとともに、複数のマイクロレンズ及び複数のフォトレセプタと対向するように配置する。そして、第１のスリット板及び第２のスリット板を前記複数のフォトレセプタに対して相対的に運動させる。さらには、第１のスリット板及び第２のスリット板を互いに異なる方向に移動させる。すると、第１のスリット板及び第２のスリット板が、前記複数のフォトレセプタに対して、それぞれ異なった方向に運動するようになるので、複数の位置情報を２次元的に同時に得ることができる。
【００２４】なお、この場合においても、複数のマイクロレンズ及び複数のフォトレセプタを固定しておき、第１のスリット板及び第２のスリット板を、前記複数のマイクロレンズ及び前記複数のフォトレセプタに対して相対運動させることにより、小さな駆動力で相対運動を行うことができるとともに、レンズ構成の分解能を向上させることができる。
【００２５】図２及び３に示す本発明のマイクロ視覚センサのレンズ構成においては、マイクロレンズ及びフォトレセプタを、それぞれ等間隔で等方的に形成している。しかしながら、所定の物体における特定部分の像を広範囲に得たいような場合、すなわち、特定の位置情報を数多く得たいような場合は、かかる部分のマイクロレンズ密度及びフォトレセプタ密度、若しくはスリット幅が増大するようにして、マイクロレンズ及びフォトレセプタを配置する。
【００２６】本発明のマイクロ視覚センサにおいては、マイクロレンズは公知の方法を用いて形成することができる。例えば、光透過性無機材料又は光透過性有機材料からなる薄膜をマイクロマシーニングで直接形成する方法や、電鋳法などにより所定の型を形成し、その型でレンズを形成する方法、フォトレジスト膜をパターニングして加熱融解させ、表面張力によって丸まった球形のフォトレジストを冷却固化する方法などによって得ることができる。さらに、フォトレセプタとしては、フォトダイオードやフォトトランジスタなど公知の受光素子を用いることができる。また、スリット板は、シリコン、窒化シリコン及び酸化シリコンなどのシリコン化合物、アルミニウム、クロム、ポリイミドから形成することができる。
【００２７】マイクロレンズ及びフォトレセプタを形成する基板については特に限定されず、あらゆる種類の材料から構成することができる。しかしながら、前記基板は可塑性の物質から構成することが好ましい。これにより、図２及び３に示すようなレンズ構成を有する本発明のマイクロ視覚センサを、曲面あるいは凹凸面など任意の面上に簡易に形成することができる。このような可塑性物質としては、シリコンゴム、及びポリイミドなどを例示することができる。また、基板の厚さは、マイクロ視覚センサを形成する面形状や状態、及び可塑性物質の種類に応じて任意に設定する。
【００２８】フォトレセプタにおいて得られた複数の位置情報は、この複数の位置情報を構成する単一の位置情報を、この単一の位置情報に割り当てられた時間の関数として演算回路に一端記憶させる。その後、所定の演算処理を施すことによって、前記時間部分から位置情報を再び取り出して再構成し、前記複数の位置情報を直線的、平面的、あるいは立体的に得ることができる。
【００２９】複数のマイクロレンズと複数のフォトレセプタとの相対運動は、マイクロアクチュエータを用いて行うことが好ましい。これによって上記相対運動を極めて微細な精度で行うことができる。マイクロアクチュエータとしては、電磁アクチュエータや静電アクチュエータ、熱応力アクチュエータ、電歪アクチュエータなどがある。
【００３０】以上、具体例を挙げながら発明の実施の形態に基づいて本発明を詳細に説明してきたが、本発明は上記内容に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない限りにおいてあらゆる変形や変更が可能である。
【００３１】
【発明の効果】以上説明したように、本発明のマイクロ視覚センサによれば、複数のマイクロレンズ又はスリット板を複数のフォトレセプタに対して相対運動させるようにしているので、これらを固定した場合に比較してより多くの位置情報を得ることができる。したがって、同一のレンズ構成において高い分解能のマイクロ視覚センサを得ることができる。

【出願人】	【識別番号】３９１０１２３２７【氏名又は名称】東京大学長
【出願日】	平成１１年１２月１５日（１９９９．１２．１５）
【代理人】	【識別番号】１０００５９２５８【弁理士】【氏名又は名称】杉村暁秀（外２名）
【公開番号】	特開２００１－１７４２１８（Ｐ２００１－１７４２１８Ａ）
【公開日】	平成１３年６月２９日（２００１．６．２９）
【出願番号】	特願平１１－３５５２８０